JP2019139103A - 画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像の走査範囲中の画像形成用光ビームの領域の減少を回避する。【解決手段】画像投影装置（１）は、走査ミラー（３）から眼前反射系（４）へ向う検出光ビーム（１０）と画像光ビーム（９）との少なくとも一方の進路を、検出光ビーム（１０）と画像光ビーム（９）とが互いに離れる方向に変更するプリズム（５）を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、瞳孔位置検出機能を有する網膜走査型の画像投影装置に関する。

ユーザの身体（顔）に装着されて、ユーザに画像を表示する装置（例えばヘッドマウントディスプレイ）として、マクスウェル視を利用し、ユーザの網膜に画像を直接投影する画像投影装置が知られている。

また、ユーザの眼に照射された光の反射光を利用して、瞳孔の位置検出を行う機能を備
えた画像投影装置も知られている（特許文献１〜３）。

特許文献１に記載の構成は、ビデオカメラでユーザの眼を撮像し画像処理することによって瞳孔位置の中心を検出する。

また、特許文献２に記載の構成は、赤外光ビームでユーザの眼を走査し、その反射光の変化に基づいて瞳孔位置の中心を算出する。

そして、特許文献３に記載の構成では、ユーザにより視認される画像の走査範囲内に対応する期間において光ビームを画像形成用として光源が出射し、画像の走査範囲外に対応する期間において光ビームを瞳孔位置検出用として光源が出射する。そして、ユーザの網膜に画像を直接投影するための眼前反射系に、曲率が異なる第１領域と第２領域とが形成される。第１領域がユーザの瞳孔に向かって画像形成用光ビームを反射し、第２領域が瞳孔の周辺に向かって瞳孔位置検出用光ビームを反射するように眼前反射系が構成される。そうすると、瞳孔の周辺により反射された瞳孔位置検出用光ビームの変化に基づいて瞳孔位置の中心を算出することができる。

特許第6175945号明細書（2017年07月21日登録） 特許第4608996号明細書（2010年10月22日登録） 特開2017-9986号公報（2017年01月12日公開）

しかしながら、上記特許文献１の構成は、瞳孔位置を検出するだけのためにビデオカメラを搭載する必要があるため、画像投影装置の構成が複雑になるという問題がある。そして、ヘッドマウントディスプレイでは極めて短時間で瞳孔位置を求める必要があるにもかかわらず、画像情報から瞳孔位置の中心を検出するために追加の演算を行う必要があるという問題がある。

また、上記特許文献２の構成は、ユーザの網膜に画像を直接投影するためには本来不要な赤外光ビームの光学系一式が必要となるため、画像投影装置の構成が複雑になるという問題がある。

上記特許文献３の構成は、赤外光ビームの光学系一式を必要とせずに瞳孔位置の中心を算出することができる。

しかしながら、上記特許文献３の構成は以下の問題を有する。

即ち、眼前反射系に入射する手前で光ビーム直径は大きくなるので、隣接する画素に対応する光ビーム同士はオーバーラップする。このため、瞳孔位置検出用光ビームの領域と画像形成用光ビームの領域との間に、このオーバーラップを回避するための間隙を設ける必要がある。その結果、画像形成用光ビームの領域が減少するという問題がある。

本発明の一態様は、画像の走査範囲中の画像形成用光ビームの領域の減少を回避しつつ、計測用非可視光を付加せずに瞳孔位置検出が可能な画像投影装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る画像投影装置は、画像を形成するための画像光ビームと、前記画像を視認するユーザの眼の状態を検出するための検出光ビームとを出射する光源と、前記光源からの画像光ビームおよび検出光ビームを反射して走査するミラーと、前記ミラーからの画像光ビームを前記ユーザの眼の第１表面領域に収束させて網膜に投射し、前記ミラーからの検出光ビームを前記第１表面領域と異なる第２表面領域に投射するための投射部材と、前記ミラーから前記投射部材へ向う前記検出光ビームと前記画像光ビームとの少なくとも一方の進路を、前記検出光ビームと前記画像光ビームとが互いに離れる方向に変更する進路変更部材とを備えることを特徴とする。

この特徴により、ミラーから投射部材へ向う検出光ビームと画像光ビームとの少なくとも一方の進路が、検出光ビームと画像光ビームとが互いに離れる方向に変更される。このため、検出光ビームと画像光ビームとのオーバーラップが回避され、瞳孔位置検出用光ビームの領域と画像形成用光ビームの領域との間に間隙を設ける必要が消滅する。この結果、画像の走査範囲中の画像形成用光ビームの領域の減少を回避しつつ、計測用非可視光を付加せずに瞳孔位置検出が可能な画像投影装置を提供することができる。

本発明の一態様に係る画像投影装置では、前記画像光ビームと前記検出光ビームとは、ガウシアンビームであり、前記進路変更部材が、前記ガウシアンビームのビームウェストの前後におけるレーリー長の範囲に対応する位置に配置されることが好ましい。

上記構成によれば、画像光ビームと検出光ビームとのビーム径が小さくなる位置で、検出光ビームと画像光ビームとの少なくとも一方の進路が変更され、画像形成用光ビームの領域のデッドスペースを顕著に低減することができる。

本発明の一態様に係る画像投影装置では、前記検出光ビームが前記ユーザの眼の第２表面領域で反射した反射光を検出する光検出器と、前記光検出器による前記反射光の検出結果に基づいて、前記画像光ビームの前記第１表面領域の収束位置を調整する制御部とをさらに備えることが好ましい。

上記構成によれば、画像光ビームをユーザの眼の瞳孔位置の変化に追従させることができる。

本発明の一態様に係る画像投影装置では、前記投射部材が、前記画像光ビームを前記第１表面領域に向けて反射し且つ前記検出光ビームを前記第２表面領域に向けて反射するために前記ユーザの眼の前に配置された反射面を有することが好ましい。

上記構成によれば、計測用非可視光を付加せずに検出光ビームにより瞳孔位置検出が可能になる。

本発明の一態様に係る画像投影装置では、前記ミラーからの検出光ビームのビーム直径を縮小するビーム縮小部材をさらに備えることが好ましい。

上記構成によれば、眼球の第２表面領域上の検出光ビームの直径を小さくすることができ、瞳孔位置の検出精度を向上させることができる。

本発明の一態様に係る画像投影装置では、前記光源が、前記ユーザにより視認される画像の走査範囲内に対応する期間において前記画像光ビームを出射し、前記画像の走査範囲外に対応する期間において前記検出光ビームを出射することが好ましい。

上記構成によれば、計測用非可視光を付加せずに検出光ビームにより瞳孔位置検出が可能になる。

本発明の一態様によれば、画像の走査範囲中の画像形成用光ビームの領域の減少を回避しつつ、計測用非可視光を付加せずに瞳孔位置検出が可能な画像投影装置を提供することができる。

実施形態に係る画像投影装置の構成を示すブロック図である。 上記画像投影装置の構成を模式的に示す図である。 （ａ）は上記画像投影装置に設けられた走査ミラーの振動、上記画像投影装置に設けられた合波光源部から出射された画像光ビームおよび検出光ビームを説明するための図であり、（ｂ）は上記走査ミラーが（ａ）の点Ａから点Ｂまで振動した場合における画像光ビームおよび検出光ビームの合波光源部からの出射タイミングを説明するための波形図である。 上記画像光ビームおよび検出光ビームの眼球への投射位置を説明するための図である。 上記画像光ビームのビームウェストの前後におけるレーリー長の範囲を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。

（画像投影装置１の構成）
図１は実施形態に係る画像投影装置１の構成を示すブロック図である。図２は画像投影装置１の構成を模式的に示す図である。

画像投影装置１は光学エンジンモジュール１７を備える。光学エンジンモジュール１７に合波光源部２（光源）が設けられる。合波光源部２は、画像投影装置１のユーザの眼球１２（眼）の網膜１３に画像を形成するための画像光ビーム９と、この画像を視認するユーザの眼球１２の状態を検出するための検出光ビーム１０とを出射する。

光学エンジンモジュール１７に走査ミラー３（ミラー）が設けられる。走査ミラー３は、合波光源部２からの画像光ビーム９および検出光ビーム１０を振動しながら反射して走査する。

画像投影装置１は眼前反射系４（投射部材）を備える。眼前反射系４は、例えば凹面鏡により構成され、走査ミラー３からの画像光ビーム９をユーザの眼球１２の瞳孔に対応する第１表面領域１４に収束させて網膜１３に投射し、走査ミラー３からの検出光ビーム１０を第１表面領域１４の周りの第２表面領域１５に投射する。

画像投影装置１にはプリズム５（進路変更部材）が設けられる。プリズム５は、走査ミラー３から眼前反射系４へ向う検出光ビーム１０と画像光ビーム９との少なくとも一方の進路を、検出光ビーム１０と画像光ビーム９とが互いに離れる方向に変更する。図１に示す例では、検出光ビーム１０の進路を変更する例を示している。

画像光ビーム９と検出光ビーム１０とは、ガウシアンビームである。プリズム５は、ガウシアンビームのビームウェストの前後におけるレーリー長の範囲に対応する位置に配置される。

画像投影装置１は反射光検出器６（光検出器）を備える。反射光検出器６は、検出光ビーム１０がユーザの眼球１２の第２表面領域１５で反射した反射光を検出する。

光学エンジンモジュール１７に制御部７が設けられる。制御部７は、反射光検出器６による反射光の検出結果に基づいて、画像光ビーム９の第１表面領域１４の収束位置を調整する。

眼前反射系４は、画像光ビーム９を第１表面領域１４に向けて反射し且つ検出光ビーム１０を第２表面領域１５に向けて反射するためにユーザの眼球１２の前に配置された反射面１８を有する。

画像投影装置１はビーム縮小部材８を備える。ビーム縮小部材８は、プリズム５に設けられ、走査ミラー３からの検出光ビーム１０のビーム直径を縮小する。

合波光源部２は、ユーザにより視認される画像の走査範囲内に対応する期間において画像光ビーム９を出射し、この画像の走査範囲外に対応する期間において検出光ビーム１０を出射する。

本実施形態に係る画像投影装置１の主要光学系の配置は、以下のステップ（１）およびステップ（２）のようにして決定される。

（ステップ（１））
まず、走査ミラー３により走査された画像光ビーム９（群）が、瞳孔中心Ｐ４に集束するために、以下の条件を満足するように、主要光学系の配置とミラー焦点距離とが決定される。

瞳孔中心Ｐ４と眼前ミラー反射点Ｐ３との間の距離Ｌ_３４および、眼前ミラー反射点Ｐ３と走査ミラー中心点Ｐ１との間の距離Ｌ_１３、眼前反射系４の焦点距離Ｆが、下記（式１）を満足する。

１／Ｌ_３４＋１／Ｌ_１３＝１／Ｆ （式１）
（ステップ（２））
そして、所望の距離に虚像を表示するためには、結像点Ｐ２と眼前ミラー反射点Ｐ３との間の距離Ｌ_２３および、眼前ミラー反射点Ｐ３と虚像点Ｐ５との間の距離Ｌ_３５は、次の（式２）を満足する必要がある。虚像点Ｐ５は、眼前ミラー反射点Ｐ３と瞳孔中心Ｐ４との間の画像光ビーム９を眼球１２から離れる方向に延長したときの収束点である。

１／Ｌ_２３＝１／Ｆ＋１／Ｌ_３５ （式２）
虚像表示位置（例えば、眼前１ｍあるいは無限大（∞）の遠方）を虚像点Ｐ５で与えれば、Ｌ_２３、従って結像点Ｐ２の位置が決まる（眼前反射系４の焦点距離Ｆはステップ（１）で決まっているため）。Ｌ_３５＞＞Ｆであるから、距離Ｌ_２３は焦点距離Ｆよりわずかに小さな値となる。

（式１）と（式２）とを比較すれば明らかなように、距離Ｌ_２３は距離Ｌ_１３より必ず小さくなる。即ち、結像点Ｐ２は、眼前ミラー反射点Ｐ３と走査ミラー中心点Ｐ１との間に存在する。

結像点Ｐ２では、１本の画像光ビーム９の形状が収束する。一方、瞳孔中心Ｐ４では、複数本の画像光ビーム９が一点に収束する。

図３（ａ）は画像投影装置１に設けられた走査ミラー３の振動、画像投影装置１に設けられた合波光源部２から出射された画像光ビーム９および検出光ビーム１０を説明するための図であり、（ｂ）は走査ミラー３が（ａ）の点Ａから点Ｂまで振動した場合における画像光ビーム９および検出光ビーム１０の合波光源部２からの出射タイミングを説明するための波形図である。

ここで、画像光ビーム９と検出光ビーム１０とについて説明する。走査ミラー３によって画像光ビーム９を走査して網膜１３に画像を投影する方法として、画像の左上から右下まで光ビームを高速に走査して画像を表示する方法（例えばラスタースキャン）がある。図３（ａ）に示すように、走査ミラー３は、画像光ビーム９を走査するために、網膜１３に投影する画像の範囲（図３（ａ）の破線範囲）よりも大きく、水平方向（第１方向）と垂直方向（第１方向に交差する第２方向）とに振動する。走査ミラー３の振動を５０の符号を付して示している。

走査ミラー３が大きく振れた箇所で画像光ビーム９を走査して網膜１３に画像を投影する場合、画像の歪みが大きくなることから、画像光ビーム９は、走査ミラー３の振れが小さい箇所で走査される。一方、検出光ビーム１０は、走査ミラー３の振動５０のうち、画像光ビーム９が走査されないタイミングで、走査ミラー３に入射する。言い換えると、合波光源部２は、走査ミラー３の振動５０において、網膜１３に投影する画像の範囲に相当する期間では画像光ビーム９を走査ミラー３に出射し、画像の範囲外の期間において検出光ビーム１０を走査ミラー３に出射する。

なお、検出光ビーム１０の光強度は、画像光ビーム９と同じであってもよいし、異なっていてもよい。検出光ビーム１０の光強度は、反射光検出器６で反射光が検出できる程度の光強度であればよい。

走査ミラー３には、１又は複数の検出光ビーム１０が入射される。図３（ａ）及び図３（ｂ）では、６つの検出光ビーム１０が走査ミラー３に入射される場合を例に示している。検出光ビーム１０は、単一波長の光ビームでよく、網膜１３に投影する画像の１画素又は数画素相当の光ビームでよい。なお、図３（ａ）では、画像光ビーム９は矩形状に走査される場合を例に示しているが、この場合に限られず、台形状に走査される場合など、その他の場合でもよい。

図４に示すように、検出光ビーム１０は、画像光ビーム９が瞳孔１９の中心近傍を通過して網膜１３に投射される場合に、虹彩２０に投射される。

プリズム５が、検出光ビーム１０の進路を、画像光ビーム９から離れる方向に変更するため、画像光ビーム９が瞳孔１９を通過して網膜１３に投射されつつ、検出光ビーム１０が虹彩２０に投射されることが可能となる。

また、画像光ビーム９と検出光ビーム１０とは、走査ミラー３の振動に対して所定のタイミングで合波光源部２から出射される。すなわち、画像光ビーム９と検出光ビーム１０との相対的な出射タイミングは固定されている。このため、画像光ビーム９と検出光ビーム１０とは、相対的な位置関係が固定されて、眼球１２に投射される。また、図３（ａ）に示すように、複数の検出光ビーム１０は、走査ミラー３の振動５０の異なる位置で反射された光であることから、虹彩２０の異なる位置に異なる時間（異なるタイミング）で投射される。すなわち、複数の検出光ビーム１０は、虹彩２０の異なる位置に順々に投射される。

図５は画像光ビーム９のビームウェストの前後におけるレーリー長の範囲を示す図である。

画像光ビーム９と検出光ビーム１０とは、ガウシアンビームである。図５に示すように、ガウシアンビームのビームウェスト２１（光ビームが最も細くなる位置）の直径を２ω_０、拡がり全角を２θ_０とすると、

となる。
ここで、λ：光波長 ｚ_０ ：レーリー長、
である。

プリズム５は、ガウシアンビームのビームウェスト２１の前後におけるレーリー長ｚ_０の範囲に対応する位置に配置されることが好ましい。

（画像投影装置１の動作）
上記のように構成された画像投影装置１は以下のように動作する。

まず、合波光源部２が、ユーザにより視認される画像の走査範囲内に対応する期間において画像光ビーム（群）９を出射し、前記画像の走査範囲外に対応する期間において検出光ビーム（群）１０を出射する。そして、合波光源部２からの画像光ビーム（群）９および検出光ビーム（群）１０を、振動する走査ミラー３が反射して走査する。

次に、振動する走査ミラー３により反射されて走査された画像光ビーム９のそれぞれは、プリズム５の画像光走査範囲２３を直進して透過し、眼前反射系４に形成された反射面１８上の眼前ミラー反射点Ｐ３で反射されて瞳孔中心Ｐ４に収束し、網膜１３にそれぞれ投射される。

一方、振動する走査ミラー３により反射されて走査された検出光ビーム１０のそれぞれは、プリズム５の画像光走査範囲２３の外側に入射してプリズム５により屈折し、画像光ビーム９から離れる方向に進路が変更される。そして、プリズム５により進路が変更された検出光ビーム１０のそれぞれは、眼前反射系４の反射面１８により反射されてユーザの眼球１２の第２表面領域１５を走査する。この第２表面領域１５は、瞳孔の外に位置しており、虹彩２０の領域であることが好ましい。

このように、走査ミラー３から眼前反射系４へ向う検出光ビーム１０の進路が画像光ビーム９から離れる方向に変更される。このため、検出光ビーム１０の領域と画像光ビーム９の領域との間にオーバーラップが生じない。従って、検出光ビーム１０の領域と画像光ビーム９の領域との間にオーバーラップを回避するための間隙を設ける必要が消滅する。この結果、画像光ビーム９の領域の減少が回避される。

さらに、プリズム５に加えてビーム縮小部材８を設けると、眼球１２の第２表面領域１５上の検出光ビーム１０の直径を小さくすることができる。このため、瞳孔位置の検出精度を向上させることができる。

本実施形態によれば、プリズム５を設ける結像面１６では、画素ごとの光ビーム（画像光ビーム９、検出光ビーム１０）にオーバーラップは無く、オーバーラップを回避するための間隙を設ける必要が消滅する。この結果、画像光ビーム９の領域の減少が回避される。

また、眼前反射系４を画像光ビーム９用の領域と検出光ビーム１０用の領域とに曲率を異ならせて分割する必要がないので、眼前反射系４の構成が簡素になる。

本実施形態では、付加的な計測用非可視光（例えば、赤外光）が不要で、画像用可視光を用いた瞳孔位置検出が可能な網膜走査型ディスプレイにおいて、瞳孔検出のために犠牲となる走査振幅領域を最小とすることができる。

また、ユーザの瞳孔の移動に光ビームを追従させるときに、眼前反射系の瞳孔位置検出用光ビームの領域に画像形成用光ビームが入射することを回避するために、眼前反射系を移動させる必要があるという問題がある。

この眼前反射系の移動を不要とするためには、動的光学系を設けて煩雑な移動調整を行うことが必要となり、画像投影装置の構成が複雑になるという問題がある。

本実施形態では、眼前反射系４を画像光ビーム９用の領域と検出光ビーム１０用の領域とに曲率を異ならせて分割する必要がないので、上記問題が発生せず、瞳孔位置追従時の光学系の煩雑な調節を不要とすることが可能である。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 画像投影装置
２ 合波光源部（光源）
３ 走査ミラー（ミラー）
４ 眼前反射系（投射部材）
５ プリズム（進路変更部材）
６ 反射光検出器（光検出器）
７ 制御部
８ ビーム縮小部材
９ 画像光ビーム
１０ 検出光ビーム
１２ 眼球（眼）
１３ 網膜
１４ 第１表面領域
１５ 第２表面領域
１６ 結像面
１７ 光学エンジンモジュール
１８ 反射面
Ｐ１ 走査ミラー中心点
Ｐ２ 結像点
Ｐ３ 眼前ミラー反射点
Ｐ４ 瞳孔中心
Ｐ５ 虚像点

Claims (6)

1. 画像を形成するための画像光ビームと、前記画像を視認するユーザの眼の状態を検出するための検出光ビームとを出射する光源と、
   前記光源からの画像光ビームおよび検出光ビームを反射して走査するミラーと、
   前記ミラーからの画像光ビームを前記ユーザの眼の第１表面領域に収束させて網膜に投射し、前記ミラーからの検出光ビームを前記第１表面領域と異なる第２表面領域に投射するための投射部材と、
   前記ミラーから前記投射部材へ向う前記検出光ビームと前記画像光ビームとの少なくとも一方の進路を、前記検出光ビームと前記画像光ビームとが互いに離れる方向に変更する進路変更部材とを備えることを特徴とする画像投影装置。
2. 前記画像光ビームと前記検出光ビームとは、ガウシアンビームであり、
   前記進路変更部材が、前記ガウシアンビームのビームウェストの前後におけるレーリー長の範囲に対応する位置に配置される請求項１に記載の画像投影装置。
3. 前記検出光ビームが前記ユーザの眼の第２表面領域で反射した反射光を検出する光検出器と、
   前記光検出器による前記反射光の検出結果に基づいて、前記画像光ビームの前記第１表面領域の収束位置を調整する制御部とをさらに備える請求項１に記載の画像投影装置。
4. 前記投射部材が、前記画像光ビームを前記第１表面領域に向けて反射し且つ前記検出光ビームを前記第２表面領域に向けて反射するために前記ユーザの眼の前に配置された反射面を有する請求項１に記載の画像投影装置。
5. 前記ミラーからの検出光ビームのビーム直径を縮小するビーム縮小部材をさらに備える請求項１に記載の画像投影装置。
6. 前記光源が、前記ユーザにより視認される画像の走査範囲内に対応する期間において前記画像光ビームを出射し、前記画像の走査範囲外に対応する期間において前記検出光ビームを出射する請求項１に記載の画像投影装置。

Images