JP2015111231A - 画像投影装置及び投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザに良好な画像を提供すること。【解決手段】本発明は、レーザ光３４を出射する光源１２と、光源１２から出射されたレーザ光３４を２次元方向に走査する走査ミラー１４と、走査ミラー１４で走査されたレーザ光３４からなる走査光をユーザの眼球２２の網膜２６に投射して、網膜２６に画像を投影する投射ミラー２４と、を備え、光源１２から出射されたレーザ光３４は、走査ミラー１４が駆動する範囲の一部を用いて走査される画像投影装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、画像投影装置及び投射装置に関し、例えばユーザの網膜に画像を投影する画像投影装置及び例えばユーザの眼球にレーザ光を投射する投射装置に関する。

レーザ光を走査しながらユーザの網膜に投射することで、網膜上に走査されたレーザ光の残像を画像としてユーザに認識させる画像投影装置が知られている。このような画像投影装置は、小型化の要望が強い。このため、例えば、レーザダイオードを用いて、小型且つ低消費電力を図った画像投影装置が提案されている。また、ユーザの目に対する安全性を考慮して、低出力のレーザダイオードを用いた画像投影装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開平１１−６４７８２号公報

ユーザの眼球は動くため、走査されたレーザ光が網膜上に投射されなくなり、ユーザは画像を認識できなくなる場合がある。また、走査されたレーザ光の全てが網膜上に投射され、ユーザが画像の全てを認識できた場合でも、歪んだ画像を認識する場合がある。さらに、網膜上に投射されるレーザ光のビームスポットサイズが大きくなり、デフォーカスしたような画像となってしまう場合がある。

または、メガネのレンズの眼球側の面に投射ミラーを設けて、この投射ミラーによってレーザ光をユーザの眼球に投射させる場合、投射ミラーとしての機能とメガネのレンズとしての機能とを両立させることが難しい場合がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ユーザに良好な画像を提供することが可能な画像投影装置、または、投射ミラーとしての機能とメガネのレンズとしての機能とを両立させることが可能な投射装置、を提供することを目的とする。

本発明は、レーザ光を出射する光源と、前記光源から出射された前記レーザ光を２次元方向に走査する走査部と、前記走査部で走査された前記レーザ光からなる走査光をユーザの眼球の網膜に投射して、前記網膜に画像を投影する投射ミラーと、を備え、前記光源から出射された前記レーザ光は、前記走査部が駆動する範囲の一部を用いて走査されることを特徴とする画像投影装置である。本発明によれば、ユーザに良好な画像を提供することができる。

上記構成において、前記光源から出射された前記レーザ光は、前記ユーザの眼球の動きによって、前記走査部が駆動する範囲の異なる位置で走査される構成とすることができる。

上記構成において、入力された画像データを、一方の縦辺から他方の縦辺にかけて徐々に画像の高さを変化させ且つ徐々に画像の湾曲を変化させた補正画像データを作成する制御部を備え、前記補正画像データに基づいて、前記光源から前記レーザ光が出射される構成とすることができる。

上記構成において、入力された画像データを回転させ且つ一方の縦辺から他方の縦辺にかけて徐々に画像の湾曲を変化させた補正画像データを作成する制御部を備え、水平方向の走査振幅が垂直方向で徐々に変化する前記走査部を回転させて用い、前記補正画像データに基づいて、前記光源から前記レーザ光が出射される構成とすることができる。

上記構成において、前記走査光は、前記投射ミラーによって前記ユーザの眼球の瞳孔よりも網膜側で収束する構成とすることができる。

上記構成において、前記投射ミラーは、自由曲面または自由曲面と回折面との合成構造を有する構成とすることができる。

上記構成において、前記走査光内のレーザ光を前記投射ミラーに発散光で入射させる光学手段を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記投射ミラーで投射された前記走査光内のレーザ光は、前記ユーザの眼球の水晶体によって前記眼球の網膜近傍に集光される光線で前記眼球に入射される構成とすることができる。

本発明は、レーザ光を出射する光源と、前記光源から出射された前記レーザ光を２次元方向に走査する走査部と、前記走査部で走査された前記レーザ光からなる走査光をユーザの眼球の瞳孔近傍で収束させた後、前記ユーザの眼球の網膜に投射して、前記網膜に画像を投影する投射ミラーと、前記走査光内のレーザ光を前記投射ミラーに発散光で入射させる光学手段と、を備えることを特徴とする画像投影装置である。本発明によれば、ユーザに良好な画像を提供することができる。

上記構成において、前記投射ミラーで投射された前記走査光内のレーザ光は、前記ユーザの眼球の水晶体によって前記眼球の網膜近傍に集光される光線で前記眼球に入射される構成とすることができる。

上記構成において、前記投射ミラーは、前記ユーザの眼球の前方に配置されたメガネのレンズを含み、前記レンズは、前記ユーザの眼球側から順に配置された第１レンズ部及び第２レンズ部と、前記第１レンズ部と前記第２レンズ部との間に設けられた回折素子と、を含み、前記レーザ光からなる走査光は、前記ユーザの眼球側から前記第１レンズ部に入射した後、前記第２レンズ部の前記ユーザの眼球とは反対側の面で反射されて、前記ユーザの眼球の網膜に投射される構成とすることができる。

本発明は、レーザ光を出射する光源と、ユーザの眼球の前方に配置されたメガネのレンズを含み、前記レーザ光を前記ユーザの眼球に投射する投射ミラーと、を備え、前記レンズは、前記ユーザの眼球側から順に配置された第１レンズ部及び第２レンズ部と、前記第１レンズ部と前記第２レンズ部との間に設けられた回折素子と、を含み、前記レーザ光は、前記ユーザの眼球側から前記第１レンズ部に入射した後、前記第２レンズ部の前記ユーザの眼球とは反対側の面で反射されて、前記ユーザの眼球に投射されることを特徴とする投射装置である。本発明によれば、投射ミラーとしての機能とメガネのレンズとしての機能とを両立させることができる。

本発明によれば、ユーザに良好な画像を提供することができる。または、投射ミラーとしての機能とメガネのレンズとしての機能とを両立させることができる。

図１（ａ）は、実施例１に係る画像投影装置を上方から見た図であり、図１（ｂ）は、側方から見た図である。 図２は、自由曲面と回折面の合成構造をした単層ハーフミラーを用いた投射ミラーによる、赤色、緑色、及び青色レーザ光の投射を示す図である。 図３は、自由曲面と回折面の合成構造をした積層ハーフミラーを用いた投射ミラーによる、赤色、緑色、及び青色レーザ光の投射を示す図である。 図４（ａ）から図４（ｃ）は、瞳孔の近傍でレーザ光を収束させた場合での、眼球の動きに対するレーザ光の網膜への投射を示す図である。 図５（ａ）から図５（ｃ）は、レーザ光を瞳孔よりも網膜側で収束させ、且つ、眼球に入射する水平入射角度θを９０°以上とした場合での、眼球の動きに対するレーザ光の網膜への投射を示す図である。 図６（ａ）から図６（ｃ）は、走査ミラーの駆動範囲の中でレーザ光の走査範囲の位置を変えた場合での、眼球の動きに対するレーザ光の網膜への投射を示す図である。 図７は、走査ミラーによるラスタースキャンでのレーザ光の走査軌跡を示す図である。 図８（ａ）から図８（ｃ）は、網膜に投射されるレーザ光の走査軌跡を計算したシミュレーション結果である。 図９は、補正画像データを示す図である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、実施例３の走査ミラーによるラスタースキャンでのレーザ光の走査軌跡を示す図である。 図１１は、補正画像データを示す図である。 図１２は、実施例４に係る画像投影装置を上方から見た図である。 図１３（ａ）は、レーザ光が投射ミラーに平行光の状態で入射される場合における網膜への投射を示す図であり、図１３（ｂ）は、発散光の状態で入射される場合における網膜への投射を示す図である。 図１４は、実施例４の変形例１に係る画像投影装置を上方から見た図である。 図１５（ａ）は、実施例５に係る画像投影装置の一部を示す上面図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の範囲Ａを拡大した上面図であり、図１５（ｃ）は、図１５（ｂ）の範囲Ｂを拡大した上面図である。 図１６は、図１５（ｃ）の範囲Ｃを拡大した断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）は、実施例１に係る画像投影装置を上方から見た図であり、図１（ｂ）は、側方から見た図である。なお、図１（ｂ）においては、図の明瞭化のために、レーザ光３４の一部の図示を省略している。図１（ａ）及び図１（ｂ）のように、メガネのツル１０に、レーザ光３４を出射する光源１２と、光源１２から出射されたレーザ光３４を２次元方向に走査する走査部となる走査ミラー１４と、が設けられている。光源１２は、例えば単一または複数の波長のレーザ光を出射する。なお、光源１２から出射されたレーザ光３４を走査ミラー１４に入射させるために、レンズ及びミラーを用いるが、これらレンズ及びミラーは図示を省略している。

制御部１６は、入力された画像データに基づいて、光源１２からのレーザ光３４の出射を制御する。つまり、画像信号は、光源１２によってレーザ光に変換される。制御部１６は、例えばメガネには設けられずに、外部装置に設けられている場合でもよいし、メガネのツル１０に設けられている場合でもよい。ここでは、制御部１６は、外部装置（例えば携帯端末）に設けられている場合を例に説明する。

走査ミラー１４は、光源１２から出射されたレーザ光３４を走査して、ユーザの眼球２２の網膜２６に画像を投影させるための投影光とする。走査ミラー１４は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーであり、水平及び垂直方向にレーザ光を走査する。

走査ミラー１４で走査されたレーザ光３４（走査光）は、ミラー１８によって、メガネのレンズ２０に向かって反射される。レンズ２０のユーザの眼球２２側の面には、投射ミラー２４が設けられている。投射ミラー２４は、走査ミラー１４で走査されたレーザ光３４（走査光）を眼球２２の網膜２６に投射して、網膜２６に画像を投影する。つまり、ユーザは、網膜２６に投射されたレーザ光の残像効果によって、画像を認識することができる。投射ミラー２４は、走査ミラー１４で走査されたレーザ光３４（走査光）の収束位置が、眼球２２の瞳孔２８よりも網膜２６側になるように設計されている。

光源１２から単一の波長のレーザ光が出射される場合、投射ミラー２４は、自由曲面または自由曲面と回折面の合成構造をした単層のハーフミラーを用いることができる。投射ミラー２４を自由曲面とすることで、メガネのツル１０に設けた走査ミラー１４と眼球２２とが高さ方向でずれている場合でも、走査ミラー１４で走査されたレーザ光３４を眼球２２の網膜２６に投射させることができる。また、投射ミラー２４を自由曲面と回折面の合成構造とすることで、走査ミラー１４で走査されたレーザ光３４をより急峻な角度で反射させることができる。

しかしながら、光源１２から複数の波長のレーザ光、例えば赤色レーザ光、緑色レーザ光、及び青色レーザ光が出射される場合、自由曲面と回折面の合成構造をした単層ハーフミラーでは、ユーザは良好な画像を認識できないことが生じてしまう。これは、波長毎に回折角が変わるため、例えば赤色、緑色、及び青色レーザ光の収束位置が互いに大きくずれてしまい、その結果、網膜２６への投射位置が互いにずれてしまうためである。赤色、緑色、及び青色レーザ光の波長は、例えば６１０ｎｍ〜６６０ｎｍ、５１５ｎｍ〜５４０ｎｍ、及び４４０ｎｍ〜４６０ｎｍの範囲である。なお、赤色、緑色、及び青色レーザ光を出射する光源として、例えばＲＧＢ（赤・緑・青）のレーザダイオードチップと３色合波デバイスとマイクロコリメートレンズとが集積された光源が挙げられる。

図２は、自由曲面と回折面の合成構造をした単層ハーフミラーを用いた投射ミラー２４による、赤色、緑色、及び青色レーザ光の投射を示す図である。図２では、赤色レーザ光を実線で、緑色レーザ光を破線で、青色レーザ光を一点鎖線で示している。図２のように、赤色、緑色、及び青色レーザ光の投射ミラー２４での回折角が異なるため、各レーザ光の収束位置が大きく異なってしまう。例えば、緑色レーザ光（破線）の収束位置で調整して投射ミラー２４を設計した場合、赤色レーザ光（実線）と青色レーザ光（一点鎖線）の収束位置は、緑色レーザ光（破線）に対して大きくずれてしまう。このため、赤色、緑色、及び青色レーザ光の網膜２６への投射位置が互いにずれてしまい、ユーザは良好な画像を認識することができなくなってしまう。

このようなことを回避するには、投射ミラー２４に自由曲面を有する波長選択性の膜が複数積層された積層ハーフミラーを用い、各層に適切な回折面を設けることが好ましい。図３は、自由曲面と回折面の合成構造をした積層ハーフミラーを用いた投射ミラー２４による、赤色、緑色、及び青色レーザ光の投射を示す図である。図３でも、赤色レーザ光を実線で、緑色レーザ光を破線で、青色レーザ光を一点鎖線で示している。図３のように、投射ミラー２４に自由曲面を有する波長選択性の膜が３層積層された積層ハーフミラーを用い、各層に赤色、緑色、及び青色レーザ光を適切な方向に反射させる回折面を設けることで、赤色、緑色、及び青色レーザ光の網膜２６への投射位置を合わせることができる。これにより、ユーザは良好なカラー画像を認識することができる。

ここで、図１（ａ）及び図１（ｂ）で説明したように、走査ミラー１４で走査されたレーザ光３４（走査光）の収束位置を、瞳孔２８よりも網膜２６側にすることの理由を説明する。図４（ａ）から図４（ｃ）は、瞳孔２８の近傍でレーザ光３４を収束させた場合での、眼球２２の動きに対するレーザ光３４の網膜２６への投射を示す図である。図４（ａ）は、眼球２２が正面を向いている場合を示し、図４（ｂ）は、眼球２２が正面から左側を向いた場合を示し、図４（ｃ）は、眼球２２がさらに左側を向いた場合を示している。

図４（ａ）のように、眼球２２が正面を向いた場合に、レーザ光３４が瞳孔２８の中央近傍で収束して、網膜２６に投射されるとする。この場合、図４（ｂ）のように、眼球２２が左側を向くと、レーザ光３４は瞳孔２８の端近傍で収束して、網膜２６に投射されるようになる。図４（ｃ）のように、眼球２２がさらに左側を向くと、レーザ光３４が瞳孔２８に入らず、網膜２６に投射されなくなる。このように、眼球２２の回転角度によっては、レーザ光３４が網膜２６に投射されなくなり、ユーザが画像を認識できなくなることが生じてしまう。

そこで、眼球２２の動きによる画像の欠落を抑えるために、投射ミラー２４によるレーザ光３４の収束位置を瞳孔２８よりも網膜２６側にする。また、画像の欠落を抑制する観点から、走査ミラー１４が駆動する範囲を大きくして、眼球２２に入射するレーザ光３４の水平及び垂直方向の入射角度を大きくし、例えば９０°以上にする。

図５（ａ）から図５（ｃ）は、レーザ光３４を瞳孔２８よりも網膜２６側で収束させ、且つ、眼球２２に入射するレーザ光３４の入射角度を９０°以上とした場合での、眼球２２の動きに対するレーザ光３４の網膜２６への投射を示す図である。図５（ａ）は、眼球２２が正面を向いている場合を示し、図５（ｂ）は、眼球２２が正面から左側を向いた場合を示し、図５（ｃ）は、眼球２２がさらに左側を向いた場合を示している。

図５（ａ）のように、眼球２２が正面を向いた場合に、レーザ光３４が瞳孔２８の中央近傍から網膜２６側に位置する部分で収束し、且つ、眼球２２に水平入射角度θが９０°以上で入射して、網膜２６に投射されるとする。この場合、図５（ｂ）及び図５（ｃ）のように、眼球２２が左側に向いた場合でも、レーザ光３４の一部が網膜２６に投射され、画像の欠落の挙動が緩やかになることが分かる。なお、眼球２２の縦方向の動きに対しても、同様のことが言える。このように、走査ミラー１４で走査されたレーザ光３４（走査光）を、瞳孔２８よりも網膜２６側で収束させ、眼球２２に入射するレーザ光３４の入射角度を大きくすることで、眼球２２の動きに対する画像の欠落の挙動を緩やかにできる。しかしながら、これだけでは、画像の一部が欠落することは生じてしまう。

そこで、発明者は、走査ミラー１４の駆動範囲を眼球２２に入射するレーザ光３４の入射角度を大きく（例えば９０°以上）した状態で、レーザ光３４を走査ミラー１４の駆動範囲の一部で走査させることで、画像の欠落を抑制する方法を見出した。即ち、上下左右に駆動する走査ミラー１４に対し、上下左右の駆動範囲の全てを用いてレーザ光３４を走査させるのではなく、上下左右の駆動範囲の一部を用いてレーザ光３４を走査させる方法を見出した。つまり、制御部１６によって、駆動範囲で上下左右に駆動している走査ミラー１４に対し、駆動範囲の一部でのみ光源１２からレーザ光３４を出射させる制御を行う。

レーザ光３４を走査する範囲を、走査ミラー１４の駆動範囲の中で変えることで、網膜２６に投射されるレーザ光３４の位置も変わることになる。したがって、眼球２２の動きに対して、レーザ光３４の走査範囲の位置を変えることで、眼球２２が動いた場合でも、走査されたレーザ光３４（走査光）の全てを網膜２６に投射させることが可能となる。このことについて、図６（ａ）から図６（ｃ）を用いて説明する。図６（ａ）から図６（ｃ）は、走査ミラー１４の駆動範囲の中でレーザ光３４の走査範囲の位置を変えた場合での、眼球２２の動きに対するレーザ光３４の網膜２６への投射を示す図である。図６（ａ）は、眼球２２が正面を向いている場合を示し、図６（ｂ）は、眼球２２が正面から左側を向いた場合を示し、図６（ｃ）は、眼球２２がさらに左側を向いた場合を示している。

図６（ａ）のように、眼球２２が正面を向いている場合に、走査ミラー１４の駆動範囲の中央付近でレーザ光３４が走査されて、レーザ光３４が網膜２６の中心近傍に投射されているとする。図６（ｂ）のように、眼球２２が左側を向いた場合、走査ミラー１４の駆動範囲の中央付近から、眼球２２の動きに対応した方向にズレた領域でレーザ光３４を走査させることで、レーザ光３４を網膜２６に投射させることができる。図６（ｃ）のように、眼球２２が更に左側を向いた場合では、走査ミラー１４の駆動範囲の中央付近から更にズレた領域でレーザ光３４を走査させることで、レーザ光３４を網膜２６に投射させることができる。

このように、光源１２から出射されたレーザ光３４を、走査ミラー１４が駆動する範囲の一部を用いて走査させることで、網膜２６に投影される画像の欠落を抑制することができ、ユーザに良好な画像を提供することができる。例えば、光源１２から出射されたレーザ光３４を、ユーザの眼球２２の動きによって、走査ミラー１４が駆動する範囲の異なる位置で走査させることで、網膜２６に投影される画像の欠落を抑制することができる。

ユーザの眼球２２の動きによって、走査ミラー１４の駆動範囲の異なる位置でレーザ光３４を走査させることは、例えば、ユーザが制御部１６を含む携帯端末を操作し、この操作に基づいて、制御部１６が光源１２からのレーザ光３４の出射を制御することで実現できる。または、例えば、眼球２２の動きを検知する周知のデバイスを備え、このデバイスからのフィードバックに基づいて、制御部１６が光源１２からのレーザ光３４の出射を制御することで実現できる。

眼球２２が大きく動いた場合でも、レーザ光３４を網膜２６に投射させることが可能となるために、走査ミラー１４が駆動する範囲で走査されるレーザ光３４の投射ミラー２４によるユーザの眼球２２への入射角度は大きいことが好ましい。例えば、眼球２２への水平方向の入射角度は７０°以上が好ましく、８０°以上がより好ましく、９０°以上がさらに好ましく、１００°以上がよりさらに好ましい。眼球２２への垂直方向の入射角度は６０°以上が好ましく、７０°以上がより好ましく、９０°以上がさらに好ましく、１００°以上がよりさらに好ましい。

実施例２に係る画像投影装置の構成は、実施例１の図１と同じであるため説明を省略する。走査ミラー１４によってレーザ光３４を走査して、網膜２６に画像を投影するには、ラスタースキャンと呼ばれる方式が用いられる。図７は、走査ミラー１４によるラスタースキャンでのレーザ光の走査軌跡を示す図である。図７のように、ラスタースキャンでは、画像の左上から右下までレーザ光を高速に走査することによって、画像を表示する。そこで、ラスタースキャンによるレーザ光の走査が、網膜２６にはどのようなレーザ光の走査軌跡となって投射されるのかシミュレーションを行った。

図８（ａ）から図８（ｃ）は、網膜２６に投射されるレーザ光３４の走査軌跡を計算したシミュレーション結果である。図８（ａ）から図８（ｃ）は、眼球２２が正面を向いているとした場合におけるシミュレーション結果であり、横軸及び縦軸は、網膜２６の中心からの横方向及び縦方向への距離[ｍｍ]である。図８（ａ）は、垂直方向は一定の５水準に対して水平方向にのみレーザ光を走査させた場合の走査軌跡のシミュレーション結果である。図８（ｂ）は、水平方向は一定の７水準に対して垂直方向にのみレーザ光を走査させた場合の走査軌跡のシミュレーション結果である。図８（ｃ）は、図８（ａ）と図８（ｂ）とを重ね合わせた図である。

図８（ａ）及び図８（ｃ）から、例えば矩形の画像データに基づいて出射されたレーザ光３４を走査して網膜２６に画像を投影した場合、網膜２６に投影される画像は、矩形にはならずに、台形を倒したような画像となることが分かる。つまり、１組の縦辺の一方から他方にかけて徐々に高さが変化するような画像が網膜２６に投影されることが分かる。図８（ｂ）及び図８（ｃ）から、網膜２６に投影される台形を倒したような画像は、縦辺の短辺から長辺にかけて徐々に湾曲が大きくなるような画像となることが分かる。このことから、走査ミラー１４が駆動する範囲の一部を用いてレーザ光３４を走査させて、画像の欠落を抑制したとしても、ユーザは良好な画像を見ることが難しいことが分かる。そこで、実施例２では、網膜２６に良好な画像を投影することが可能な画像投影装置を説明する。

上述したように、例えば矩形の画像データに基づいて出射されたレーザ光３４を走査して網膜２６に画像を投影させた場合、台形を倒したような形状で、縦辺の短辺から長辺にかけて徐々に湾曲が大きくなる画像が投影される。つまり、裏を返すと、図８（ｃ）から得られる画像に対して逆方向の補正を加えた画像データに基づいてレーザ光を出射させることで、網膜２６に湾曲が補正された矩形の画像を投影できることになる。つまり、図８（ｃ）から得られる台形を倒したような形状を１８０°回転させた形状で、且つ、図８（ｃ）から得られる湾曲を打ち消すような湾曲を加えた画像データに基づいてレーザ光を出射させることで、歪みが抑制された良好な画像が投影されることになる。

そこで、実施例２では、制御部１６は、入力された画像データを、図９に示すように、一方の縦辺から他方の縦辺にかけて徐々に画像の高さを変化させ、且つ、徐々に画像の湾曲を変化させた補正画像データ４０を作成する。そして、制御部１６は、この補正画像データ４０に基づいて、光源１２からレーザ光３４を出射させる。これにより、網膜２６に歪みが抑制された良好な画像を投影させることができ、ユーザに良好な画像を提供することができる。

図１のように、眼球２２の左側に走査ミラー１４が設けられている場合には、制御部１６は、図９のように、左側の縦辺が右側の縦辺よりも長い四角形で、縦辺の長辺側から短辺側にかけて徐々に長辺方向への湾曲を大きくした補正画像データを作成することが好ましい。反対に、眼球２２の右側に走査ミラー１４が設けられている場合には、制御部１６は、右側の縦辺が左側の縦辺よりも長い四角形で、縦辺の長辺側から短辺側にかけて徐々に長辺方向への湾曲を大きくした補正画像データを作成することが好ましい。

実施例３は、網膜２６に歪みが抑制された良好な画像を投影させることが可能な他の実施例である。実施例３は、実施例１及び実施例２とは、走査ミラー１４が異なり、以下に説明する走査ミラー１４を用いる。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、実施例３の走査ミラー１４によるラスタースキャンでのレーザ光の走査軌跡を示す図である。図１０（ａ）のように、実施例３では、水平方向の走査振幅が、垂直方向に一定ではなく、一方から他方にかけて徐々に走査振幅が小さくなる走査ミラー１４を用いる。このような水平方向の走査振幅を変調させることは、走査ミラー１４に印加する電圧を変化させることで実現できる。

このような走査ミラー１４を、実施例１及び実施例２の走査ミラー１４に対して、例えば９０°回転させて取り付ける。これにより、図１０（ｂ）のように、垂直方向の走査振幅が、水平方向の一方から他方にかけて徐々に小さくなる走査ミラー１４が得られる。なお、走査ミラー１４の取り付けは、９０°回転させる場合に限らず、９０°に近い角度で回転させる場合でもよい。例えば、８５°〜９５°の間で回転させる場合でも良く、８０°〜１００°の間で回転させる場合でもよい。実施例３のその他の構成は、実施例１の図１と同じであるため説明を省略する。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）で説明した走査ミラー１４を用いることで、例えば矩形の画像データに基づいてレーザ光を出射させた場合でも、網膜２６に、図８（ａ）で説明したような台形を倒したような画像が投影されることを抑制できる。しかしながら、これだけでは、図８（ｂ）で説明したような画像の湾曲を抑制することはできない。

そこで、実施例３では、水平方向の走査振幅が垂直方向に徐々に変化する走査ミラー１４を回転させて用いることに加え、以下のような補正画像データを作成し、この補正画像データに基づいて、光源１２からレーザ光３４を出射させる。即ち、制御部１６は、入力された画像データを回転させ、且つ、図１１に示すように、一方の縦辺から他方の縦辺にかけて徐々に画像の湾曲を変化させた補正画像データ５０を作成する。そして、制御部１６は、この補正画像データ５０に基づいて、光源１２からレーザ光３４を出射させる。これにより、網膜２６に歪みが抑制された良好な画像を投影させることができ、ユーザに良好な画像を提供することができる。なお、網膜２６に正しい画像を投影させるために、走査ミラー１４の回転と入力された画像データの回転とは、同じ方向で且つ同程度の角度とすることが好ましい。例えば、走査ミラー１４を９０°回転させた場合には、入力された画像データを、走査ミラー１４の回転方向と同じ方向に９０°回転させることが好ましい。

実施例３においても、実施例２の場合と同様に、眼球２２の左側に走査ミラー１４が設けられている場合には、制御部１６は、左側の縦辺から右側の縦辺にかけて徐々に左側の縦辺方向への湾曲を大きくした補正画像データを作成することが好ましい。反対に、眼球２２の右側に走査ミラー１４が設けられている場合には、制御部１６は、右側の縦辺から左側の縦辺にかけて徐々に右側の縦辺方向への湾曲を大きくした補正画像データを作成することが好ましい。

図１２は、実施例４に係る画像投影装置を上方から見た図である。なお、図１２においては、図１（ａ）と異なり、有限の光束径を有する１本のレーザ光（レーザビーム）を拡大して図示している。図１２のように、実施例４の画像投影装置は、光源１２がメガネのツル１０に装着されておらずに別に設けられており、光源１２から出射されるレーザ光３４は、光ファイバ６０を介して導入されて、走査ミラー１４に入射される。また、光ファイバ６０と走査ミラー１４との間のレーザ光３４の光路であって、メガネのツル１０に、集光レンズ６２が設けられている。その他の構成は、実施例１の図１（ａ）及び図１（ｂ）と同じであるため説明を省略する。

ここで、走査光内のレーザ光３４が平行光の状態で投射ミラー２４に入射される場合と、発散光の状態で入射される場合とで、眼球２２の網膜２６に投射されるレーザ光３４にどのような違いが生じるかを説明する。図１３（ａ）は、レーザ光３４が投射ミラー２４に平行光の状態で入射される場合における網膜２６への投射を示す図であり、図１３（ｂ）は、発散光の状態で入射される場合における網膜２６への投射を示す図である。

図１３（ａ）のように、走査ミラー１４で走査されたレーザ光３４からなる走査光は、上述の図６（ａ）から図６（ｃ）等で説明したように、瞳孔２８を通過するために、投射ミラー２４によって瞳孔２８の近傍に収束される。走査光の瞳孔２８の近傍での収束範囲は、例えば直径２ｍｍ程度の範囲とすることが好ましい。走査光内のレーザ光３４が平行光の状態で投射ミラー２４に入射する場合、このような集光パワーを有する投射ミラー２４によって、レーザ光３４も瞳孔２８の近傍で集光されることになる。レーザ光３４は、瞳孔２８の近傍で集光されることによって、網膜２６に発散光として投射される。これにより、網膜２６に投射されるレーザ光３４のビームスポットサイズが大きくなってしまい、網膜２６にデフォーカスしたような画像が投影されてしまうことが生じ得る。

一方、図１３（ｂ）のように、レーザ光３４を、投射ミラー２４の手前で集光させ、発散光の状態で投射ミラー２４に入射させることで、投射ミラー２４の集光パワーによって、眼球２２に例えば平行光で入射させることができる。平行光で眼球２２に入射されたレーザ光３４は、水晶体６４によって網膜２６の近傍に集光される。これにより、網膜２６に投射されるレーザ光３４のビームスポットサイズを適切な大きさにすることができる。なお、投射ミラー２４に入射する際のレーザ光３４の大きさは、眼球２２に入射する際の径が瞳孔２８よりも細くなる程度に、小さい径であることが好ましい。

実施例４の画像投影装置は、図１２のように、光ファイバ６０から出射されたレーザ光３４を集光させる集光レンズ６２が設けられている。このため、光ファイバ６０から出射されたレーザ光３４は、集光レンズ６２によって収束光とされる。ここで、集光レンズ６２に、レーザ光３４が走査ミラー１４と投射ミラー２４との間で集光する微妙な収束光となるようなレンズが選択される。これにより、走査光内のレーザ光３４は、発散光の状態で投射ミラー２４に入射される。よって、図１３（ｂ）で説明したように、網膜２６に投射されるレーザ光３４のビームスポットサイズを適切な大きさにすることができる。

このように、実施例４によれば、走査光内のレーザ光３４を投射ミラー２４に発散光で入射させる集光レンズ６２（光学手段）が設けられている。これにより、図１３（ｂ）で説明したように、レーザ光３４を、ユーザの眼球２２の水晶体６４によって網膜２６の近傍に集光される光線（例えば平行光）で眼球２２に入射させることができる。よって、網膜２６に投射されるレーザ光３４のビームスポットサイズを適切な大きさにすることができ、ユーザに良好な画像を提供することができる。

実施例４では、図１２のように、光学手段として集光レンズ６２を設けた場合を例に示したが、集光レンズ６２の代わりに、走査光内のレーザ光３４を小さい径の発散光として投射ミラー２４に入射させるような、発散レンズを用いてもよい。

図１４は、実施例４の変形例１に係る画像投影装置を上方から見た図である。なお、図１４においても、図１２と同様に、１本のレーザ光（レーザビーム）を拡大して図示している。図１４のように、実施例４の変形例１は、メガネのツル１０に集光レンズの代わりにコリメートレンズ６６が設けられ、走査ミラー１４と投射ミラー２４との間の走査光の光路に凹面ミラー６８が設けられている点で実施例４と異なる。

実施例４の変形例１の画像投影装置は、光ファイバ６０から出射されたレーザ光３４は、コリメートレンズ６６によって平行光となって、走査ミラー１４に入射する。走査ミラー１４で走査されたレーザ光３４からなる走査光は、凹面ミラー６８に入射する。これにより、走査光内のレーザ光３４は、凹面ミラー６８によって投射ミラー２４の手前で集光する収束光となり、投射ミラー２４に発散光となって入射する。このように、凹面ミラー６８には、走査光内のレーザ光３４が投射ミラー２４の手前で集光するようなミラーを選択する。これにより、実施例４と同様に、走査光内のレーザ光３４を、ユーザの眼球２２の水晶体６４によって網膜２６の近傍に集光される光線（例えば平行光）で眼球２２に入射させることができる。よって、網膜２６に投射されるレーザ光３４のビームスポットサイズを適切な大きさにすることができ、ユーザに良好な画像を提供することができる。

実施例４の変形例１では、光学手段として凹面ミラー６８を設けた場合を例に示したが、凹面ミラー６８の代わりに、走査光内のレーザ光３４を小さい径の発散光として投射ミラー２４に入射させるような、凸面ミラーを用いてもよい。

実施例４及び実施例４の変形例１のように、走査光内のレーザ光３４を発散光で投射ミラー２４に入射させる光学手段は、走査ミラー１４に到達する前のレーザ光３４の光路に設けてもよいし、走査ミラー１４で走査されたレーザ光３４からなる走査光の光路に設けてもよい。なお、上述の眼球２２に入射するレーザ光３４が平行光であるとは、完全な平行光の場合に限らず、水晶体６４によって網膜２６に集光できる程度の平行光を含むものである。

実施例１では、図１から図３のように、メガネのレンズ２０の眼球２２側の面に、自由曲面と回折面の合成構造（曲面上に反射型の回折面が設けられた構造）をしたハーフミラーからなる投射ミラー２４が設けられた場合を例に示した。しかしながら、この場合、適切な設計が施された投射ミラー２４を、レンズ２０の眼球２２側の面に設けることが難しい場合がある。即ち、レンズ２０の眼球２２側の面に投射ミラー２４を設ける構造では、レーザ光３４を眼球２２の網膜２６に投射させるという投射ミラーとしての機能と、レンズ２０を介して対象物を見るというメガネのレンズとしての機能と、を両立させることが難しい場合がある。また、投射ミラー２４に設けられる回折素子は、レーザ光３４を網膜２６に投射させるために、ピッチ間隔が一定ではない。このため、曲面上に不等ピッチ且つ非軸対称の回折素子を描画・加工することになる。また、回折角の大きい箇所では回折素子のピッチ間隔を波長程度まで狭くすることになる。このようなため、投射ミラー２４の製造は難しいものとなってしまう。そこで、実施例５では、投射ミラーとしての機能とメガネのレンズとしての機能とを両立させることが可能な例について説明する。

図１５（ａ）は、実施例５に係る画像投影装置の一部を示す上面図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の範囲Ａを拡大した上面図であり、図１５（ｃ）は、図１５（ｂ）の範囲Ｂを拡大した上面図である。図１６は、図１５（ｃ）の範囲Ｃを拡大した断面図である。なお、図１５（ａ）から図１５（ｃ）は、実施例４の図１２と同様に、有限の光束径を有する１本のレーザ光（レーザビーム）を拡大して図示している。

図１５（ａ）から図１６のように、メガネのレンズ２０ａは、眼球２２側から順に第１レンズ部７０と第２レンズ部７２とが設けられ、第１レンズ部７０と第２レンズ部７２との間に透過型の回折素子７４が設けられている。第１レンズ部７０と第２レンズ部７２とは、同じ硝材からなる場合でも、異なる硝材からなる場合でもよく、メガネレンズの性能や回折素子の性能等を考慮して適宜選択することができる。第１レンズ部７０と第２レンズ部７２とは、回折素子７４を挟んで密着している場合でもよいが、図１６のように、回折素子７４の片側に空気層７６が介在している場合でもよい。これにより、回折素子７４の製法の自由度を向上させることができる。なお、図１６では、第１レンズ部７０の上面が平面で、第２レンズ部７２の下面に凹凸が形成されている場合を例に示しているが、反対の場合でも勿論よい。

回折素子７４は、例えば眼球２２が正面を向いた状態における瞳孔２８に対して平行な方向に直線状に延在している。なお、回折素子７４は、眼球２２が正面を向いた状態における瞳孔２８に対して傾いて延在していてもよい。例えば、回折角の観点から、レーザ光３４が入射する側（図１５（ａ）では左側）ではレンズ２０ａの眼球２２とは反対側の面に近く、レーザ光３４が入射する側とは反対側（図１５（ａ）では右側）ではレンズ２０ａの眼球２２側の面に近くなるように、回折素子７４を傾けて延在させてもよい。回折素子７４は、レンズ２０ａ全体に亘って設けられていてもよいが、例えば２０ｍｍ×２０ｍｍ程度の範囲内に設けられていてもよい。

第２レンズ部７２の眼球２２とは反対側の面には、例えば反射膜７８がコーティングされている。詳しくは後述するが、レンズ２０ａと反射膜７８とは、走査ミラーで走査されたレーザ光３４（走査光）を眼球２２の網膜２６に投射して、網膜２６に画像を投影する投射ミラー２４ａとして機能する。つまり、実施例５では、実施例１から４とは異なり、第１レンズ部７０の眼球２２側の面にハーフミラーは設けられていない。その他の構成は、実施例４の図１２と同じであるため説明を省略する。

次に、光源１２から出射されたレーザ光３４が眼球２２の網膜２６に到達するまでの光路について、図１２と図１５（ａ）から図１５（ｃ）とを用いて説明する。実施例４の図１２で説明したように、光源１２から出射され、光ファイバ６０を介して導入されたレーザ光３４は、集光レンズ６２によって収束光とされた後、走査ミラー１４で走査される。集光レンズ６２は、レーザ光３４が走査ミラー１４とレンズ２０ａとの間で集光する微妙な収束光となるようなレンズが選択されている。これにより、走査光内のレーザ光３４は、発散光の状態でレンズ２０ａに入射する。

走査光内のレーザ光３４は、レンズ２０ａのうちの眼球２２側に配置された第１レンズ部７０に、眼球２２側から入射する。レーザ光３４は、第１レンズ部７０に入射する際、例えば第１レンズ部７０の厚さ方向に屈折する。第１レンズ部７０に入射されたレーザ光３４は、回折素子７４を通過して、第２レンズ部７２に入射する。レーザ光３４は、第２レンズ部７２に入射する際、例えば第２レンズ部７２の厚さ方向に屈折する。第２レンズ部７２の眼球２２とは反対側の面に設けられた反射膜７８は、レーザ光３４の波長の光を選択的に反射させる性質を有し、例えばレーザ光３４の大部分（例えば９５％程度）を透過させるが、一部（例えば５％程度）を反射させる性質を有する。したがって、第２レンズ部７２に入射されたレーザ光３４の一部は、第２レンズ部７２の眼球２２とは反対側の面で反射する。反射されたレーザ光３４は、回折素子７４と第１レンズ部７０を通過して、第１レンズ部７０から出射する。第１レンズ部７０から出射されたレーザ光３４は、眼球２２の瞳孔２８及び水晶体６４を通過して、網膜２６に投射される。

実施例５によれば、図１５（ａ）から図１５（ｃ）のように、投射ミラー２４ａに含まれるレンズ２０ａは、ユーザの眼球２２側から順に設けられた第１レンズ部７０及び第２レンズ部７２と、第１レンズ部７０と第２レンズ部７２との間に設けられた回折素子７４と、を含む。そして、レーザ光３４からなる走査光は、ユーザの眼球２２側から第１レンズ部７０に入射した後、第２レンズ部７２のユーザの眼球２２とは反対側の面で反射されて、ユーザの眼球２２の網膜２６に投射される。このような構成とすることで、レーザ光３４からなる走査光を眼球２２の網膜２６に投射させるという投射ミラーとしての機能と、レンズ２０ａを介して対象物を見るというメガネのレンズとしての機能と、を両立させることができる。例えば、第２レンズ部７２の眼球２２とは反対側の面の透過率と反射率とを適切に設定すること及び回折素子７４の回折効率を適切に設定することで、投射ミラー（画像投影装置用の部品）としての機能とメガネのレンズとしての機能とを両立させることができる。

図１６等のように、回折素子７４は、第１レンズ部７０と第２レンズ部７２との間で回折面が平面上に設けられていることが好ましい。これにより、回折素子７４の製造容易性を向上させることができる。また、実施例１のようにレンズ２０の眼球２２側の面に投射ミラー２４を設ける構造では、上述したように、回折角の大きい箇所では回折素子のピッチ間隔が狭くなる。一方、実施例５では、以下の理由によって、回折素子７４のピッチ間隔が狭くなるのを抑制できる。１つ目の理由は、レーザ光３４は、第１レンズ部７０の厚さ方向に屈折して第１レンズ部７０に入射するため、回折素子７４への入射角度が小さくなる。このため、回折素子７４の回折パワーを抑えることができるためである。２つ目の理由は、例えば近視用メガネ、遠視用メガネ、及び老眼鏡等のメガネにおいて、第２レンズ部７２は眼球２２の反対側に凸の形状を通常しており、第２レンズ部７２の眼球２２に反対側の面はレーザ光３４に対して凹面となる。このため、レーザ光３４を収束光とする作用が働き、これによっても回折素子７４の回折パワーを抑えることができるためである。３つ目の理由は、レーザ光３４は回折素子７４を２回通過するため、これによっても回折素子７４の回折パワーを抑えることができるためである。回折素子７４のピッチ間隔が狭くなるのを抑制できるため、この点においても、製造容易性を向上させることができる。

図１５（ａ）から図１５（ｃ）では、第２レンズ部７２の眼球２２とは反対側の面に反射膜７８が設けられ、レーザ光３４は反射膜７８で反射される場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。レーザ光３４が第２レンズ部７２の眼球２２とは反対側の面で反射されるのであれば、第２レンズ部７２の眼球２２とは反対側の面に反射膜７８が設けられていない場合でもよい。

光源１２から単一の波長のレーザ光が出射される場合は、図１５（ａ）から図１６のように、回折素子７４を１層設ければよいが、複数の波長のレーザ光（例えば、赤、緑、青色のレーザ光）が出射される場合は、上述したように、波長毎に回折角が変わるため、これでは対応できない。この場合は、レンズ２０ａ内に、複数の波長のレーザ光それぞれに適した回折素子７４を複数層設ける構造とすればよい。

実施例５では、走査ミラー１４で走査されたレーザ光３４からなる走査光が、レンズ２０ａを含む投射ミラー２４ａによって眼球２２の網膜２６に投射されて、網膜２６に画像を投影する画像投影装置の場合を例に示した。しかしながら、この場合に限られず、光源から出射されたレーザ光が、レンズ２０ａを含む投射ミラー２４ａによって眼球２２に投射される態様の投射装置の場合であればよい。例えば、眼の検査・治療のためにレーザ光を眼球の網膜や虹彩等に投射する場合等にも適用することができる。

実施例１から実施例３では、光源１２と走査ミラー１４とが、メガネのツル１０の外側に設けられている場合を例に示したが、メガネのツル１０の幅を広げて、ツル１０の内側に設けられる場合でもよい。また、実施例１から実施例３では、光源１２がメガネのツル１０に設けられている場合を例に示したが、実施例４及び実施例５のように、光源１２がメガネとは別に設けられている場合でもよい。また、実施例４及び実施例５においても、実施例１から実施例３のように、光源１２がメガネのツル１０に設けられている場合でもよい。

実施例１から実施例５では、レーザ光を２次元方向に走査する走査部として走査ミラー１４（例えばＭＥＭＳミラー）を用いた場合を例に示したが、２次元方向に走査することが可能であれば、例えば、電気光学材料であるタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）結晶等、その他の部品を用いてもよい。また、実施例１から実施例５では、片方の眼球２２の網膜２６に画像を投影させる場合を例に示したが、両方の眼球２２の網膜２６に画像を投影させる場合にも本発明を適用することができる。

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ メガネのツル
１２ 光源
１４ 走査ミラー
１６ 制御部
１８ ミラー
２０、２０ａ メガネのレンズ
２２ 眼球
２４、２４ａ 投射ミラー
２６ 網膜
２８ 瞳孔
３４ レーザ光
４０ 補正画像データ
５０ 補正画像データ
６０ 光ファイバ
６２ 集光レンズ
６４ 水晶体
６６ コリメートレンズ
６８ 凹面ミラー
７０ 第１レンズ部
７２ 第２レンズ部
７４ 回折素子
７６ 空気層
７８ 反射膜

Claims (12)

1. レーザ光を出射する光源と、
   前記光源から出射された前記レーザ光を２次元方向に走査する走査部と、
   前記走査部で走査された前記レーザ光からなる走査光をユーザの眼球の網膜に投射して、前記網膜に画像を投影する投射ミラーと、を備え、
   前記光源から出射された前記レーザ光は、前記走査部が駆動する範囲の一部を用いて走査されることを特徴とする画像投影装置。
2. 前記光源から出射された前記レーザ光は、前記ユーザの眼球の動きによって、前記走査部が駆動する範囲の異なる位置で走査されることを特徴とする請求項１記載の画像投影装置。
3. 入力された画像データを、一方の縦辺から他方の縦辺にかけて徐々に画像の高さを変化させ且つ徐々に画像の湾曲を変化させた補正画像データを作成する制御部を備え、
   前記補正画像データに基づいて、前記光源から前記レーザ光が出射されることを特徴とする請求項１または２記載の画像投影装置。
4. 入力された画像データを回転させ且つ一方の縦辺から他方の縦辺にかけて徐々に画像の湾曲を変化させた補正画像データを作成する制御部を備え、
   水平方向の走査振幅が垂直方向で徐々に変化する前記走査部を回転させて用い、
   前記補正画像データに基づいて、前記光源から前記レーザ光が出射されることを特徴とする請求項１または２記載の画像投影装置。
5. 前記走査光は、前記投射ミラーによって前記ユーザの眼球の瞳孔よりも網膜側に収束することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の画像投影装置。
6. 前記投射ミラーは、自由曲面または自由曲面と回折面との合成構造を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の画像投影装置。
7. 前記走査光内のレーザ光を前記投射ミラーに発散光で入射させる光学手段を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の画像投影装置。
8. 前記投射ミラーで投射された前記走査光内のレーザ光は、前記ユーザの眼球の水晶体によって前記眼球の網膜近傍に集光される光線で前記眼球に入射されることを特徴とする請求項７記載の画像投影装置。
9. レーザ光を出射する光源と、
   前記光源から出射された前記レーザ光を２次元方向に走査する走査部と、
   前記走査部で走査された前記レーザ光からなる走査光をユーザの眼球の瞳孔近傍に収束させた後、前記ユーザの眼球の網膜に投射して、前記網膜に画像を投影する投射ミラーと、
   前記走査光内のレーザ光を前記投射ミラーに発散光で入射させる光学手段と、を備えることを特徴とする画像投影装置。
10. 前記投射ミラーで投射された前記走査光内のレーザ光は、前記ユーザの眼球の水晶体によって前記眼球の網膜近傍に集光される光線で前記眼球に入射されることを特徴とする請求項９記載の画像投影装置。
11. 前記投射ミラーは、前記ユーザの眼球の前方に配置されたメガネのレンズを含み、
    前記レンズは、前記ユーザの眼球側から順に配置された第１レンズ部及び第２レンズ部と、前記第１レンズ部と前記第２レンズ部との間に設けられた回折素子と、を含み、
    前記レーザ光からなる走査光は、前記ユーザの眼球側から前記第１レンズ部に入射した後、前記第２レンズ部の前記ユーザの眼球とは反対側の面で反射されて、前記ユーザの眼球の網膜に投射されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載の画像投影装置。
12. レーザ光を出射する光源と、
    ユーザの眼球の前方に配置されたメガネのレンズを含み、前記レーザ光を前記ユーザの眼球に投射する投射ミラーと、を備え、
    前記レンズは、前記ユーザの眼球側から順に配置された第１レンズ部及び第２レンズ部と、前記第１レンズ部と前記第２レンズ部との間に設けられた回折素子と、を含み、
    前記レーザ光は、前記ユーザの眼球側から前記第１レンズ部に入射した後、前記第２レンズ部の前記ユーザの眼球とは反対側の面で反射されて、前記ユーザの眼球に投射されることを特徴とする投射装置。

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