JP3248697B2 - 網膜ディスプレー装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は網膜ディスプレー装置に
関するものであり、更に詳しくは、眼球の網膜上に直接
的に可視光線を投影し目的の映像焦点を結ばせる網膜デ
ィスプレー装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的なディスプレー装置には、ブラウ
ン管，ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)パネル等の表示
デバイスが必要とされる。これらの表示デバイスは大き
な空間を占めるため、映像表示装置全体が大型化し、設
置場所には大きなスペースが必要となる。

【０００３】そこで、映像表示装置の軽量・コンパクト
化及びポータブル化を図るため、表示デバイスの不要な
網膜ディスプレー装置が、特開平4-22919号，同4-23579
号等で提案されている。これらの装置は、液晶パネルの
映像を直接眼球の網膜に投影する構成となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、液晶パネルを
用いた上記網膜ディスプレー装置には、バックライド等
の光源及びそこから発せられる光を導くための手段が必
要とされる。従って、構造の複雑化により、装置全体が
大型化し、コストも高くなるといった問題がある。ま
た、液晶は応答速度が遅いので、高画質の映像が得にく
いといった問題もある。

【０００５】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであって、高画質の映像を形成する低コストでコンパ
クトな網膜ディスプレー装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の網膜ディスプレー装置は、眼球の網膜上に直接
可視光線を走査照射することにより、映像を認識させる
網膜ディスプレー装置において、映像信号を前記可視光
線に変換するとともに映像信号によって順次駆動される
発光素子がマトリックス状に配されて成る発光手段と、
前記発光手段から放射された可視光線を集光する収束光
学系と，前記収束光学系によって集光された可視光線が
網膜上において合焦するように、前記網膜からの反射光
によって網膜上の合焦状態を検出するとともに該検出信
号に基づいて前記収束光学系を駆動制御する自動焦点調
節手段と、を具備することを特徴としている。

【０００７】また、本発明のディスプレー装置は、眼球
の網膜上の２方向で規定される映像形成領域に、直接可
視光線を走査照射することにより、映像を認識させる網
膜ディスプレー装置において、映像信号を前記可視光線
に変換するとともに映像信号によって順次駆動される発
光素子が、前記映像形成領域の１方向に対応するように
ライン状に配されて成る発光手段と，前記発光手段から
放射された可視光線を偏向させて、前記映像形成領域の
他の１方向の走査を光学的に行う光偏向装置と，前記発
光手段から放射された可視光線を集光する収束光学系
と，前記収束光学系によって集光された可視光線が網膜
上において合焦するように、前記網膜からの反射光によ
って網膜上の合焦状態を検出するとともに該検出信号に
基づいて前記収束光学系を駆動制御する自動焦点調節手
段と、を具備することを特徴としている。

【０００８】この場合、前記網膜上に形成される映像の
全面について自動焦点調節を行うことが望ましい。

【０００９】

【作用】このような構成によると、前記発光手段には、
映像信号を可視光線に変換する発光素子がマトリックス
状に配されているので、光源を別途設けなくても、映像
を網膜上に形成することが可能である。

【００１０】更に、発光手段によって映像信号から変換
され、かつ、走査される可視光線が、前記収束光学系に
よって集光される。その際、前記自動焦点調節手段が収
束光学系を駆動して、可視光線を網膜上において合焦さ
せる。このとき、網膜上のいずれの部分においても可視
光線が合焦状態を保つようにすることができ、そのよう
にした場合には、視力等の眼の特性によらず、認識され
る映像は全体が常に合焦状態となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明の第１実施例の概略構成を示すブロ
ック図である。図２はその要部構成を示す斜視図であ
る。

【００１２】本実施例の網膜ディスプレー装置は、図１
及び図２に示すように、眼球２０の網膜２５上に直接可
視光線を走査照射することにより、映像を認識させる網
膜ディスプレー装置であり、入力端子９から入力された
映像信号を可視光線に変換する発光ダイオード(以下、
「ＬＥＤ」という)５２がマトリックス状に配されて成
る発光パネル４１を具備することを特徴としている。更
に、発光パネル４１から放射された可視光線を集光する
収束光学系８と，収束光学系８によって集光された可視
光線が網膜２５上において合焦するように、収束光学系
８を駆動制御する自動焦点調節装置１０とを具備するこ
とを特徴としている。

【００１３】ＬＥＤ５２は、増幅器１で増幅された映像
信号によって輝度変調された単色の可視光線を発する発
光素子である。このＬＥＤ５２が、図２に示すように、
基板５３に対しＸ，Ｙ軸方向の２次元のマトリックス状
に設けられることにより発光パネル４１を構成する。そ
して、映像信号に基づいて各ＬＥＤ５２がＸ，Ｙ軸方向
に沿って順次動作を行うことより、網膜２５上を走査し
ていく。尚、同図では、眼球２０，ハーフミラー４２及
び発光パネル４１のみ示し、収束光学系８等については
図示省略する。

【００１４】また、ＬＥＤ５２の代わりに、半導体レー
ザ等の他の発光素子を用いてもよい。その場合、回折に
よるビームの広がりを無視できるのであれば、収束光学
系８や自動焦点調節手段１０を用いずにレーザビーム自
身の鋭い指向性のみを利用して網膜２５上にレーザビー
ムスポットを形成してもよい。しかし、網膜２５の大き
さに対するレーザビームスポットの大きさを考慮する
と、高精度の映像を形成するためには、収束光学系８を
用いて網膜２５上により微小なビームスポットが形成さ
れるようにするのが好ましい。尚、ＬＥＤ５２等の発光
素子がマトリックス状に配されて成るものであれば、か
かる発光パネル４１に限らず、他の発光手段を用いても
よい。

【００１５】本実施例に用いられているＬＥＤ５２は、
単色発光を行うものであるが、図４に示すように、入力
端子９(図１)から入った映像信号Ｒ，Ｇ，Ｂによって、
それぞれＲ，Ｇ，Ｂの３原色発光を行うＬＥＤ２Ｒ，２
Ｇ，２Ｂを用いて、カラー表示を行う構成としてもよ
い。この場合、１個のＬＥＤ５２(図２)の代わりに、１
組のＬＥＤ２Ｒ，２Ｇ，２Ｂで１画素を構成することに
なる。

【００１６】前記入力端子９から入力される映像信号
は、テレビカメラ，テレビチューナ，ＶＴＲ等の映像信
号源から送られてくるものである。入力端子９の構造
は、前記映像信号源の出力端子と着脱自在に接続されう
るように、コネクタ構造になっているのが好ましい。コ
ネクタ構造とすることにより、取扱いが容易になるとと
もに、装置全体のコンパクト化，ポータブル化が可能に
なる。また、映像信号源を適宜選択することができるの
で、用途の多様化が可能になる。

【００１７】収束光学系８は、発光パネル４１の各ＬＥ
Ｄ５２から発せられた可視光線を集光して網膜２５上に
微小なビームスポットを形成する。それとともに、後述
する光学系駆動手段７によって光軸方向に移動するフォ
ーカシングレンズとしても機能する。

【００１８】前記自動焦点調節手段１０は、前記収束光
学系８をその光軸(ここでは、眼球２０の光軸と一致
し、Ｚ軸に対して平行である)の方向に沿って移動させ
る光学系駆動手段７と，網膜２５からの反射光をハーフ
ミラー４２を介して受光するフォトセンサ４と，フォト
センサ４の受光面積に応じた信号を出力する検出器５
と，検出器５からの信号に基づいて前記光学系駆動手段
７の動作を制御する焦点制御回路(Ｚ軸コントローラ)６
とから構成されている。

【００１９】前記網膜２５からの反射光は、図１に示す
ように、ＬＥＤ５２から網膜２５に向けて可視光線を導
く収束光学系８等の要素中を逆に進むため、発光パネル
４１の下流側に配されたハーフミラー４２によって、Ｌ
ＥＤ５２から網膜２５に向かう光路から分離される。つ
まり、ハーフミラー４２は、ビームスプリッタとして機
能する。分離された反射光は、次のようにして焦点検出
に用いられる。

【００２０】図３に、網膜２５とフォトセンサ４との位
置関係を示す。尚、同図中、ハーフミラー４２等は省略
する。フォトセンサ４は、同図に示すようにアレイ状に
フォトダイオード素子４ａが複数配されたユニットとし
て用いられる。所定のＬＥＤ５２から発せられ、収束光
学系８により網膜２５の表面に向けて収束し反射された
可視光線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は、前記ハーフミラー４２で
反射された後フォトセンサ４を照射する。ここで、前ピ
ンの場合には、網膜２５に対する入射光Ｂ１は反射光Ｂ
３となり、フォトセンサ４の範囲Ａ１を照射する。合焦
の場合には、網膜２５に対する入射光Ｂ２は反射光Ｂ２
の光路を戻り、フォトセンサ４の範囲Ａ２を照射する。
後ピンの場合には、網膜２５に対する入射光Ｂ３は反射
光Ｂ１となり、フォトセンサ４の範囲Ａ３を照射する。

【００２１】このように、フォトセンサ４に対する照射
面積の違い(Ａ１＞Ａ２＞Ａ３)により、ピント状態を知
ることができるのである。つまり、アレイ状に配された
複数のフォトダイオード素子４ａのうち、受光したもの
がどれか、又は受光した個数はいくつか等の受光面積の
情報を意味する信号が、図１に示すように検出器５から
焦点制御回路６に送られ、その信号に基づいて焦点制御
回路６が光学系駆動手段７を動作させることになる。こ
のように、眼のピントのズレがフィードバックされるこ
とによって、網膜２５上に形成される映像の全面につい
て焦点調節が行われ、ビームスポットの合焦状態が保た
れるのである。

【００２２】図２に示すように、網膜２５上のＸ−Ｙ軸
で規定される映像形成領域３０を一通り走査した後にお
いては、その走査時に記憶学習したデータに基づいて、
２回目以降の走査時の焦点調節を行うように構成しても
よい。例えば、ファジー制御を採用してもよい。また、
所定時間ごと又は所定走査回数ごとに焦点検出，焦点調
節を行う構成としてもよい。これらの構成によれば、光
学系駆動手段７の動作を高速・円滑に行うことができ
る。

【００２３】光学系駆動手段７(図１)としては、例え
ば、収束光学系８が固定された鏡枠を、モータ駆動のカ
ムで光軸方向に沿って前後に移動させるような構成を採
用することができる。尚、自動焦点調節装置としては、
ＣＤ(Compact Disk)プレーヤ等に用いられている自動焦
点調節装置を用いることができる。

【００２４】ところで、網膜２５上に可視光線が照射さ
れると、網膜２５奥の視細胞(不図示)から視神経２２に
情報が伝達される。網膜２５上に形成される可視光線の
ビームスポット径と視細胞の大きさとの関係から予め焦
点深度を設定し、焦点制御回路６でその焦点深度に基づ
いて焦点調節を行うことができる。網膜２５上に形成さ
れる映像の全面(図２中の映像形成領域３０のすべての
点)について焦点調節を行ってもよいが、例えば映像に
応じて部分的にピントを外すこと(つまり、所定のＬＥ
Ｄ５２についてのみピントを外すこと)により、所定の
被写界深度を生じさせて遠近感を認識させることも可能
である。

【００２５】発光させるＬＥＤ５２の選択は、Ｘ−Ｙ軸
コントローラ１１，Ｘ軸ドライバ１２，Ｙ軸ドライバ１
３によって行われる。つまり、Ｘ−Ｙ軸コントローラ１
１(図１)によって、Ｘ軸ドライバ１２及びＹ軸ドライバ
１３がＬＥＤ５２を駆動する。そして、図２に示すよう
に、各ＬＥＤ５２から順に発せられた可視光線が、映像
形成領域３０を照射及び走査することによってラスター
を形成し、視覚的には空間に２次元的に展開された映像
として、観察者に認識させる。尚、上記可視光線による
走査は、偏向周波数30Hz程度で一定の順序により行われ
る。

【００２６】左右の眼球２０の同一の映像形成領域３０
に対して可視光線の照射を行ってもよいが、左右の眼球
２０に対し映像形成領域３０に所定量のズレを持たせる
ことにより、視差を生じさせ、結果として、立体的な映
像や遠近感をもった映像を認識させることが可能であ
る。

【００２７】また、本実施例の装置を、眼球２０の視界
を遮らないように頭部に固定することによって、実際に
見ているものに対するスーパーインポーズ的な表示を行
うことも可能である。例えば、視界の全面又は視界の端
に映像をオーバーラップさせた場合であっても、実際に
見ている物と投影された映像との双方に眼のピントが合
っているので、眼に負担をかけることなく、常に物と映
像の双方を見ることができる。

【００２８】このように本実施例では、ＬＥＤ５２から
の可視光線を直接網膜２５上に走査照射する方法を採用
しているので、顔の向きに拘らず常に鮮明な映像を見る
ことができる。しかも、発光素子として用いるＬＥＤ５
２は、液晶と比べて応答速度が速いので、高画質の映像
を網膜２５上に形成することができる。光源を別途設け
る必要がないので、超小型構造とすることが可能であ
り、頭部に固定して使用すれば設置場所も不要である。
また、視力や網膜形状等の特性は、人によって(つま
り、眼球ごとに)異なるが、本実施例では網膜２５から
の反射光により焦点調節を行う構成となっているので、
かかる特性に依存することなく、だれでも適正な映像を
見ることが可能である。

【００２９】図５は、本発明の第２実施例の概略構成を
示すブロック図である。本実施例は、発光パネル４１ａ
から放射された可視光線を偏向させて、網膜２５上にお
いてＸ，Ｙ軸方向で規定される映像形成領域３０に対し
Ｘ軸方向の走査を電気的に行い、Ｙ軸方向の走査を光学
的に行う光偏向装置１８を具備することを特徴としてい
る。

【００３０】発光パネル４１ａは、前記ＬＥＤ５２がＸ
軸方向に１列のライン状に配された構造となっているほ
かは、前記第１実施例の発光パネル４１と同様の構造を
有している。従って、Ｘ軸方向については第１実施例と
同様にＬＥＤ５２を次々に光らせることによって網膜２
５に対する走査が電気的に行われるが、Ｙ軸方向につい
ては光偏向装置１８による偏向によって網膜２５に対す
る走査が光学的に行われる。

【００３１】光偏向装置１８は、Ｘ−Ｙ軸コントローラ
１１，Ｙ軸ドライバ１３，ダイレクトモータ１５，Ｙ軸
用プリズム１７から構成されており、前記映像形成領域
３０をＸ軸方向には発光パネル４１ａを介して電気的に
走査し、Ｙ軸方向には光学的に走査することにより、網
膜２５に対する走査照射を行う。光偏向装置１８は、反
射面を３面有するＹ軸用プリズム１７と，前記可視光線
が前記反射面によって偏向するようにＹ軸用プリズム１
７を駆動するダイレクトモータ１５と，そのモータ１５
を駆動するＹ軸ドライバ１３とを備えている。更に、Ｙ
軸ドライバ１３の動作を、映像信号に基づいて同期制御
するＸ−Ｙ軸コントローラ１１を備えている。尚、ダイ
レクトモータ１５としては、ＣＤプレーヤー等に用いら
れている薄型のモータを用いることができる。

【００３２】Ｙ軸用プリズム１７は、正三角柱状を成す
光偏向器である。従って、120°の回転角度で、映像形
成領域３０のＹ軸方向の１辺の走査が完了する。Ｙ軸用
プリズム１７のような光偏向器に限らず、反射面を３面
有する正三角柱状ミラーや回転多面鏡(ポリゴンミラ
ー)，ガルバノ式スキャナ等、従来よりレーザプリンタ
ー，ファクシミリ，電子複写機等に用いられている光偏
向器を用いてもよい。ガルバノ式スキャナのように、平
面鏡を所定角度の範囲で回動させる構成では、Ｙ軸用プ
リズム１７のように一方向の回転で走査する構成に比べ
てコンパクトであるため、装置内の省スペース化を図る
ことが可能である。

【００３３】一方、Ｘ−Ｙ軸コントローラ１１によっ
て、前記映像信号から同期信号が分離され、その同期信
号によって、Ｙ軸ドライバ１３がＹ軸用モータ１５を駆
動する。ＬＥＤ５２からの可視光線は、Ｙ軸用モータ１
５によって１方向に回転するＹ軸用プリズム１７で偏向
する。偏向された可視光線が映像形成領域３０を走査す
ることによってラスターを形成し、視覚的には空間に２
次元的に展開された映像として、観察者に認識させる。

【００３４】尚、網膜２５からの反射光は、図５に示す
ように、発光パネル４１ａから網膜２５に向けて可視光
線を導くプリズム１７等の要素中を逆に進むため、発光
パネル４１ａの下流側に配されたプリズム３によって、
発光パネル４１ａから網膜２５に向かう光路から分離さ
れる。つまり、プリズム３は、ビームスプリッタとして
機能する。分離された反射光は、第１実施例と同様にし
て焦点検出に用いられ、焦点調節が行われる。

【００３５】このように本実施例では、コンパクトな発
光パネル４１ａが用いられているので、用途に応じた装
置のコンパクト化・低コスト化を図ることが可能にな
る。

【００３６】本発明の網膜ディスプレー装置は、バーチ
ャルリアリティー等に用いる映像表示装置；ＴＶ，ＶＴ
Ｒ，パソコン，映画，セキュリティシステム，プレゼン
テーションツール等に用いる映像表示装置；３次元ＴＶ
等に用いる映像表示装置；自動車，飛行機，宇宙船，船
舶，鉄道等の操縦パネル用表示装置に好適に用いること
が可能である。特に、視界に常に表示が行われている必
要がある用途には好適である。

【００３７】

【発明の効果】以上説明した通り本発明によれば、眼球
の網膜上に直接可視光線を走査照射することにより、映
像を認識させる網膜ディスプレー装置において、映像信
号を前記可視光線に変換するとともに映像信号によって
順次駆動される発光素子がマトリックス状に配されて成
る発光手段を具備する構成となっているので、高画質の
映像を形成する低コストでコンパクトな網膜ディスプレ
ー装置を実現することができる。

【００３８】また、眼球の網膜上の２方向で規定される
映像形成領域に、直接可視光線を走査照射することによ
り、映像を認識させる網膜ディスプレー装置において、
映像信号を前記可視光線に変換するとともに映像信号に
よって順次駆動される発光素子が、前記映像形成領域の
１方向に対応するようにライン状に配されて成る発光手
段と，前記発光手段から放射された可視光線を偏向させ
て、前記映像形成領域の他の１方向の走査を光学的に行
う光偏向装置とを具備する構成とすることによって、コ
ンパクトな発光手段を用いることが可能になり、用途に
応じたコンパクト化・低コスト化を図ることが可能にな
る。

【００３９】更に、前記発光手段から放射された可視光
線を集光する収束光学系と，該収束光学系によって集光
された可視光線が網膜上において合焦するように、前記
収束光学系を駆動制御する自動焦点調節手段とを具備す
る構成とすることによって、近視，遠視，乱視等の眼の
特性に応じた視度，収差補正等の光学的調整が不要で、
適正な映像を形成するコンパクトな網膜ディスプレー装
置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成を概略的に示すブロ
ック図。

【図２】本発明の第１実施例の要部構成を示す斜視図。

【図３】本発明の実施例に用いられるフォトセンサと前
ピン，合焦及び後ピンとの関係を示す図。

【図４】本発明の実施例に用いることができるカラー表
示用発光素子の構成を示す模式図。

【図５】本発明の第２実施例の構成を概略的に示すブロ
ック図。

【符号の説明】

１ …増幅器 ２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ …ＬＥＤ ３ …プリズム ４ …フォトセンサ ５ …検出器 ６ …焦点制御回路 ７ …光学系駆動手段 ８ …収束光学系 ９ …入力端子 １８ …光偏向装置 １１ …Ｘ−Ｙ軸コントローラ １２ …Ｘ軸ドライバ １３ …Ｙ軸ドライバ １５ …Ｙ軸用ダイレクトモータ １７ …Ｙ軸用プリズム ２０ …眼球 ２２ …視神経 ２５ …網膜 ３０ …映像形成領域 ４１，４１ａ …発光パネル ４２ …ハーフミラー

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】眼球の網膜上に直接可視光線を走査照射す
   ることにより、映像を認識させる網膜ディスプレー装置
   において、映像信号を前記可視光線に変換するとともに
   映像信号によって順次駆動される発光素子がマトリック
   ス状に配されて成る発光手段と、前記発光手段から放射
   された可視光線を集光する収束光学系と，前記収束光学
   系によって集光された可視光線が網膜上において合焦す
   るように、前記網膜からの反射光によって網膜上の合焦
   状態を検出するとともに該検出信号に基づいて前記収束
   光学系を駆動制御する自動焦点調節手段と、を具備する
   ことを特徴とする網膜ディスプレー装置。
2. 【請求項２】眼球の網膜上の２方向で規定される映像形
   成領域に、直接可視光線を走査照射することにより、映
   像を認識させる網膜ディスプレー装置において、映像信
   号を前記可視光線に変換するとともに映像信号によって
   順次駆動される発光素子が、前記映像形成領域の１方向
   に対応するようにライン状に配されて成る発光手段と，
   前記発光手段から放射された可視光線を偏向させて、前
   記映像形成領域の他の１方向の走査を光学的に行う光偏
   向装置と，前記発光手段から放射された可視光線を集光
   する収束光学系と，前記収束光学系によって集光された
   可視光線が網膜上において合焦するように、前記網膜か
   らの反射光によって網膜上の合焦状態を検出するととも
   に該検出信号に基づいて前記収束光学系を駆動制御する
   自動焦点調節手段と、を具備することを特徴とする網膜
   ディスプレー装置。
3. 【請求項３】前記網膜上に形成される映像の全面につい
   て自動焦点調節を行うことを特徴とする請求項１又は請
   求項２に記載の網膜ディスプレー装置。