JP2022151560A - 画像投影装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1(a)は、比較例1に係る光学系500を示す図である。比較例1の光学系500は、図1(a)に示すように、光源110、走査部112、レンズ114、反射ミラー116、反射ミラー120、投射ミラー122、及びレンズ124を備える。光源110は、レーザ光140を出射する。レンズ114は、光源110が出射するレーザ光140を拡散光から集束光に変換する。反射ミラー116は、平面ミラーであり、レンズ114を透過したレーザ光140を走査部112に向けて反射する。走査部112は、入射したレーザ光140を二次元に走査する。走査部112により二次元に走査され、異なる時間に走査部112から出射される複数のレーザ光140は反射ミラー120に入射する。反射ミラー120は、曲面からなる反射面を有する凹面ミラーである。
ここで、ユーザの網膜に投影される画像の視野角を確保するなどのために、ユーザの眼前に配置される投射ミラーの形状を大きくすることが望まれる。図3(a)は、比較例2に係る光学系600を示す図である。比較例2の光学系600は、図3(a)に示すように、投射ミラー122の代わりに、反射ミラー120よりも曲率半径が大きい投射ミラー122aが設けられている。このため、走査部112と反射ミラー120の間におけるレーザ光140の光路長と、投射ミラー122aと収束点162の間におけるレーザ光140の光路長と、の長さが異なっている。反射ミラー120と収束点160の間におけるレーザ光140の光路長と、収束点160と投射ミラー122aの間におけるレーザ光140の光路長と、の長さが異なっている。一方、走査部112と反射ミラー120の間のレーザ光140の光路長に対する反射ミラー120と収束点160の間のレーザ光140の光路長の比と、投射ミラー122aと収束点162の間のレーザ光140の光路長に対する収束点160と投射ミラー122aの間のレーザ光140の光路長の比と、が略同じ大きさになっている。したがって、光学系600は、略等倍の相似形レイアウトとなっていて、走査部112によるレーザ光140の走査角度と複数のレーザ光140が収束点162に収束する収束角度とは略同じ大きさになっている。
次に、比較例2の光学系600に対して、画像の視野角を大きくした比較例3に係る光学系700について説明する。図5(a)は、比較例3に係る光学系700を示す図である。比較例3の光学系700は、図5(a)に示すように、画像の視野角を大きくするために、比較例2の光学系600に比べて、収束点162の位置を投射ミラー122aに近づけている。
レーザ光40a~40cの入射面31aへの入射光量:Pi
入射面31aの透過率:Tp
入射面31aの反射率:Rp(=1-Tp)
反射面34の透過率:Ta
反射面34の反射率:Ra(=1-Ta)
反射面32の透過率:Tb
反射面32の反射率:Rb(=1-Tb)
反射面36の透過率:Tc
反射面36の反射率:Rc(=1-Tc)
反射面37の透過率:Td
反射面37の反射率:Rd(=1-Td)
Pcr=Pi×Tp×Ta×Rb×Ra×Rb×Ra×Rc×Ta・・・(1)
となる。
一方、反射面36を透過した後に反射面36に再度入射して反射面36で反射されるレーザ光40cが眼70に照射されるときの光量Pctは、
Pct=Pi×Tp×Ta×Rb×Ra×Tc×Rd×Tc×Ra×Rc×Ta・・・(2)
となる。
Pcr/Pi=Ta×Rb×Ra×Rb×Ra×Rc×Ta・・・(3)
Pct/Pi=Ta×Rb×Ra×Tc×Rd×Tc×Ra×Rc×Ta・・・(4)
網膜72に投影される画像上の輝度むらを抑制するには、式(3)/式(4)が1に近いことが好ましい。また、式(3)、(4)は、入射光量に対する眼70に照射される光量の割合であることから、大きい場合が好ましい。
Pcr/Pct=Rb/(Tc×Rd×Tc)≒1・・・(5)
ここで、反射面32と反射面37は連続した同一面であり、ユーザは反射面32と反射面37を介して外界を見ることから、反射率が略同じである場合が好ましい。したがって、以下においてRb=Rdとする。この場合、式(5)は以下のようになる
Pcr/Pct=Tc2≒1・・・(5´)
Tc=1というのは、反射面36での反射率がゼロということになり、レーザ光40a~40cが反射面36で反射されず網膜72に投射されないことを意味する。したがって、Tcは1より小さい値としつつバランスを考慮した値にすることが好ましい。
Tar=Td×Tc×Ta=(1-Rd)×(1-Rc)×(1-Ra)・・・(6)
人間の視感度として70%~80%程度の輝度差はあまり認識できないことが知られている。式(5´)のTc2は(1-Rc)2と変形でき、Pcr/Pct=(1-Rc)2をグラフで表すと図16のようになる。図16から、輝度差を70%~80%程度に抑えるにはRcの範囲は以下の場合が好ましいことが分かる。
Rc≦15%
上述したように、眼70に照射される光量の点から、式(3)は大きい場合が好ましい。式(3)におけるRcは上記の制約があり、Rbについては後述するが、少なくとも式(3)に含まれるTa×Ra×Ra×Ta=(1-Ra)2×Ra2は大きい場合が好ましい。この場合、Ra=0.5のときに最大となることから、Raの範囲は以下の場合が好ましいことが言える。
45%≦Ra≦55%
図17(a)は、式(3)におけるRaを50%に固定し、Rbを30%、40%、50%、60%、70%、80%に変化させたときのRcとPcr/Piとの関係を示す図である。式(3)は、上述したように、入射光量に対する眼70に照射される光量の割合を示すことから大きい場合が好ましい。光源10のレーザ出力が数mWで、眼70に照射される光量が数mWの1/10000程度に減衰されることを踏まえても、入射光量に対する眼70に照射される光量の割合は0.1%程度ある場合が好ましい。したがって、図17(a)からは、RbはRb≧50%が好ましいことが言える。
50%≦Rb≦70%
また、上述したように、ユーザは連続した面である反射面32と反射面37を介して外界を見ることから、RbとRdは等しい場合が好ましい。したがって、Rdの範囲は以下の場合が好ましいことが言える。
50%≦Rd≦70%
反射面34(第1の反射面)の反射率Raの範囲:45%≦Ra≦55%
反射面32(第2の反射面)の反射率Rbの範囲:50%≦Rb≦70%
反射面36(最終段の反射面)の反射率Rcの範囲:5%≦Rc≦15%
反射面37(第3の反射面)の反射率Rdの範囲:50%≦Rd≦70%
が好ましいことが言える。
12、112 走査部
14、114 レンズ
16、116 反射ミラー
20、120 反射ミラー
122、122a 投射ミラー
24、124 レンズ
30、30a、130 導光部材
31a、131a 入射面
31b 出射面
32、34、36、37、136 反射面
34a、34b、34c 領域
38 本体部
38a 第1部分
38b 第2部分
39 カバー部
39a 面
40、40a、40b、40c、140、140a レーザ光
50 制御部
52 画像入力部
60、62、160、162 収束点
164 投射面
70 眼
72 網膜
74 瞳孔
76 水晶体
78 角膜
79 視線
90、190 眼鏡型フレーム
92、192 テンプル
94、194 リム
96、196 筐体
100、200、300 画像投影装置
500、600、700、710、720、800、810 光学系
Claims (22)
- 光源と、
画像データに基づいて画像光線を生成し、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、
ユーザの顔に装着されるフレームに取り付けられ、前記光源から出射される前記画像光線を二次元に走査する走査部と、
前記フレームに取り付けられて前記ユーザの眼の前方に配置され、前記走査部から異なる時間に出射される複数の前記画像光線が内部を透過する硝材により形成され、前記複数の画像光線を反射する複数の反射面を有し、前記複数の反射面で反射した前記複数の画像光線を前記ユーザの眼内の第1収束点で収束させた後に前記ユーザの網膜に照射する導光部材と、
前記フレームに取り付けられ、前記走査部から出射される前記複数の画像光線を前記導光部材の手前の第2収束点で収束させた後に前記導光部材に入射させる第1光学部材と、
前記第2収束点に配置され、前記複数の画像光線各々を前記導光部材に備わる前記複数の反射面のうち前記複数の画像光線を最後に反射する最終段の反射面に拡散光で入射させる第2光学部材と、を備える画像投影装置。 - 前記走査部及び前記第1光学部材は、前記フレームのテンプル近傍に取り付けられ、
前記導光部材は、前記フレームのリム近傍に取り付けられ、前記ユーザの眼の前方から前記テンプル側に延びた形状をしている、請求項1に記載の画像投影装置。 - 前記導光部材は、前記複数の反射面として奇数個の反射面を有し、前記第1光学部材で反射して斜め前方に進む前記複数の画像光線が入射される、請求項2に記載の画像投影装置。
- 前記複数の反射面のうち前記最終段の反射面は凹曲面であり、残りの反射面は略平坦面である、請求項1から3のいずれか一項に記載の画像投影装置。
- 前記残りの反射面は互いに略平行である、請求項4に記載の画像投影装置。
- 前記導光部材は、前記複数の反射面での反射を繰り返して前記ユーザの網膜に照射される前記複数の画像光線が透過する本体部と、前記最終段の反射面を覆い、前記本体部と略同じ大きさの屈折率を有するカバー部と、を有し、
前記最終段の反射面、前記最終段の反射面で反射した前記複数の画像光線が前記本体部から出射する出射面、及び前記カバー部の前記最終段の反射面に対して前記本体部の前記出射面とは反対側の面は、前記ユーザの眼の前方に位置し、
前記最終段の反射面はハーフミラーであり、
前記本体部の前記出射面及び前記カバー部の前記反対側の面は、前記最終段の反射面よりも平坦である、請求項4または5に記載の画像投影装置。 - 前記本体部の前記出射面及び前記カバー部の前記反対側の面は、互いに略平行でかつ略平坦面である、請求項6に記載の画像投影装置。
- 前記複数の反射面のうち前記最終段の反射面の1つ前の第1反射面は、前記第1反射面より1つ前の第2反射面で反射した前記複数の画像光線と、前記最終段の反射面で反射した前記複数の画像光線と、の両方が入射される領域を有し、前記領域において前記第2反射面で反射した前記複数の画像光線を前記最終段の反射面に反射しかつ前記最終段の反射面で反射した前記複数の画像光線を透過する、請求項1から7のいずれか一項に記載の画像投影装置。
- 前記第1反射面は、前記複数の画像光線のうち前記ユーザの網膜に投影される画像の中心に対応する中心画像光線が前記最終段の反射面で反射された後の光軸に略直交する、請求項8に記載の画像投影装置。
- 前記複数の画像光線が前記第1収束点に収束する収束角度の大きさは、前記走査部による前記複数の画像光線の走査角度の大きさ以上である、請求項1から9のいずれか一項に記載の画像投影装置。
- 前記光源から出射される前記画像光線は、前記走査部よりも前記ユーザの顔に近い側から斜め前方に進んで前記走査部に入射し、
前記走査部から出射される前記複数の画像光線は、前記走査部から後方に進んだ後に前記第1光学部材で斜め前方に反射されて前記導光部材に入射する、請求項2または3に記載の画像投影装置。 - 前記フレームに取り付けられ、前記走査部と前記第1光学部材と前記第2光学部材を内部に収容する筐体を備え、
前記導光部材の大部分は前記筐体内に位置していない、請求項1から11のいずれか一項に記載の画像投影装置。 - 前記導光部材に前記画像光線が入射する入射面と前記第2反射面との間の前記画像光線の光路長を第1の光路長とし、前記第2反射面と前記第1反射面との間の前記画像光線の光路長を第2の光路長とし、前記第1反射面と前記最終段の反射面との間の前記画像光線の光路長を第3の光路長とし、前記最終段の反射面と前記導光部材の出射面としての前記第1反射面との間の前記画像光線の光路長を第4の光路長とした場合に、前記第1の光路長、前記第2の光路長、前記第3の光路長、前記第4の光路長の順で短くなる、請求項8に記載の画像投影装置。
- 前記画像光線が前記第1光学部材に入射する入射角と前記画像光線が前記最終段の反射面に入射する入射角が略同一であり、前記画像光線が前記第2反射面に入射する入射角と前記画像光線が前記第1反射面に入射する入射角が略同一である、請求項8に記載の画像投影装置。
- 前記複数の画像光線のうち一部の画像光線は前記最終段の反射面を透過した後に前記最終段の反射面の反対面に再度入射して透過し、前記最終段の反射面で反射して前記ユーザの網膜に照射され、残りの画像光線は前記最終段の反射面を透過せずに前記最終段の反射面で反射して前記ユーザの網膜に照射され、
前記ユーザの眼に入射するときにおいて、前記残りの画像光線の輝度に対する前記一部の画像光線の輝度の割合は80%以上である、請求項1に記載の画像投影装置。 - 前記複数の画像光線のうち一部の画像光線は前記最終段の反射面を透過した後に前記最終段の反射面の反対面に再度入射して透過し、前記最終段の反射面で反射して前記ユーザの網膜に照射され、残りの画像光線は前記最終段の反射面を透過せずに前記最終段の反射面で反射して前記ユーザの網膜に照射され、
前記最終段の反射面の反射率は15%以下である、請求項1に記載の画像投影装置。 - 光源と、
画像データに基づいて画像光線を生成し、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、
前記光源から出射される前記画像光線を二次元に走査する走査部と、
前記走査部から異なる時間に出射される複数の前記画像光線が内部を透過する硝材により形成され、前記複数の画像光線を反射する複数の反射面を有し、前記複数の反射面のうち前記複数の画像光線を最後に反射する最終段の反射面で反射した前記複数の画像光線をユーザの眼内の収束点で収束させた後に前記ユーザの網膜に照射する導光部材と、を備え、
前記複数の画像光線のうち一部の画像光線は前記最終段の反射面を透過した後に前記最終段の反射面の反対側に再度入射して透過し、前記最終段の反射面で反射して前記ユーザの網膜に照射され、残りの画像光線は前記最終段の反射面を透過せずに前記最終段の反射面で反射して前記ユーザの網膜に照射され、
前記ユーザの眼に入射するときにおいて、前記残りの画像光線の輝度に対する前記一部の画像光線の輝度の割合は80%以上である、画像投影装置。 - 光源と、
画像データに基づいて画像光線を生成し、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、
前記光源から出射される前記画像光線を二次元に走査する走査部と、
前記走査部から異なる時間に出射される複数の前記画像光線が内部を透過する硝材により形成され、前記複数の画像光線を反射する複数の反射面を有し、前記複数の反射面のうち前記複数の画像光線を最後に反射する最終段の反射面で反射した前記複数の画像光線をユーザの眼内の収束点で収束させた後に前記ユーザの網膜に照射する導光部材と、を備え、
前記複数の画像光線のうち一部の画像光線は前記最終段の反射面を透過した後に前記最終段の反射面の反対側に再度入射して透過し、前記最終段の反射面で反射して前記ユーザの網膜に照射され、残りの画像光線は前記最終段の反射面を透過せずに前記最終段の反射面で反射して前記ユーザの網膜に照射され、
前記最終段の反射面の反射率は15%以下である、画像投影装置。 - 前記複数の反射面は、前記ユーザの眼に近い側に位置する第1の反射面と、前記ユーザの眼から離れた側に位置し、前記複数の画像光線が前記最終段の反射面に入射する前に入射する第2の反射面と、前記複数の画像光線が前記最終段の反射面を透過した後に入射する第3の反射面と、を有し、
前記第2の反射面の反射率と前記第3の反射面の反射率とは略同じ大きさである、請求項18に記載の画像投影装置。 - 前記第2の反射面の反射率および前記第3の反射面の反射率は40%以上70%以下である、請求項19に記載の画像投影装置。
- 前記第1の反射面の反射率は45%以上55%以下であり、
前記第2の反射面の反射率および前記第3の反射面の反射率は50%以上70%以下であり、
前記最終段の反射面の反射率は5%以上15%以下である、請求項19または20に記載の画像投影装置。 - 前記複数の画像光線は、前記複数の反射面で同じ回数だけ反射して前記ユーザの網膜に照射される、請求項18から21のいずれか一向に記載の画像投影装置。
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