JP3710754B2 - 表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーの走査画像を観察者の眼球の網膜に直接結像し、観察者の眼球の焦点位置に依存しない視認性の高い表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
表示装置として、ポータブルコンピュータや携帯電話に使用される液晶表示装置の他、各種の小型液晶パネルを虚像光学系を介して眼前に投影するヘッドマウントディスプレイが提案されている。ヘッドマウントディスプレイは、ＶＧＡ〜ＸＶＧＡに至る画面を扱うことが可能であり、多くの場合、対角で２０度から３０度の視野角の画像を扱うことができる（http://www.shimadzu.co.jp/hmd/index.htmlなど）。これらヘッドマウントディスプレイの表示は、現状で用いられる一般的なパーソナルコンピュータのディスプレイと同等の情報量を表示することができ、かつ、頭部に装着するそのデザインにより、携帯型表示機器に比べて軽い負担でその表示装置を維持することが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ヘッドマウントディスプレイでは、虚像光学系を用いるために、観察者は常に同じ焦点位置に眼球を調節しなければならないという問題がある。これは、液晶表示装置のような直視型の表示装置でも起こる問題である。表示装置表面に形成される画像に眼球の焦点（調節状態）を合わせない限り、明瞭な結像状態を眼球の網膜面に結像できないからである。
【０００４】
又、ヘッドマウントディスプレイの多くが、単にディスプレイ情報を読みとるだけではなく、外界の画像情報とリンクしたディスプレイ情報を表示することを試みている。この場合、外界を観察すると同時にディスプレイ情報を観察するためには、眼球の調整機構を外界用とディスプレイ用のそれぞれに、そのつど調整し直さなければならない。このため、眼精疲労や、それぞれの情報の認識時間に大きな遅れが生じる場合がある。又、観察者によって眼球の調整能力は異なるため、虚像光学系の調整が必要であり、これが負担となっていた。
【０００５】
一方、レーザー光のような、直進性の非常に高い光を、単一のビームで眼球に入射した場合には、眼球の調節状態の如何に関わらず、シャープな点像を網膜上に結像する事ができる。しかしながら、画像形成を意図した場合のような、パターンを持った複数本のビームが入射した場合に、常にもとの画像を再現した、複数のシャープな点像が得られるわけではない。これは、眼球の調節状態により、網膜表面における結像状態、すなわち結像倍率が変化するので、入射ビームの拡大率が変わるためである。この現象により、意図した複数のビームの中で、隣り合った２点が一部重なり合ったり、逆に離れるなどして、意図したスポットパターンを再現できない場合がある。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる問題に鑑み、レーザーの走査画像を観察者の眼球の網膜に直接結像し、観察者の眼球の焦点位置に依存しない視認性の高い表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施の形態に係る特徴は、表示装置において、眼球の視線上に設けられる測定用の測定面に対して、スポット半径ｒでスポット中心間距離Ｌの隣り合う２点のスポットを生じるレーザー光束を投射するレーザー光源と、レーザー光束を一定の方向で走査する第１走査手段と、レーザー光束を第１走査手段と異なる方向で走査する第２走査手段と、第１走査手段及び第２走査手段で走査したレーザー光束を眼球に投射する投射用レンズ光学系とを備え、第１走査手段及び第２走査手段は、眼球と投射用レンズ光学系との間に設けられる測定面において、スポット中心間距離Ｌを前記スポット半径ｒで割ったスポット半径中心間距離比Ｌ／ｒが２．０３以上になるように、レーザー光束を走査することである。
【０００８】
第１の特徴に係る表示装置によると、レーザーの投射方向、レーザー強度を任意に調節し、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒを２．０３以上に固定したレーザー光束を投射することにより、観察者がどのような眼球調節状態にあっても、高い視認性を得ることができる。
【０００９】
また、本発明の実施の形態に係る特徴は、表示装置において、眼球の視線上に設けられる測定用の測定面に対して、スポット直径の見込み角の半分θでスポット中心間角度ωの隣り合う２点のスポットを生じるレーザー光束を投射するレーザー光源と、レーザー光束を一定の方向で走査する第１走査手段と、レーザー光束を第１走査手段と異なる方向で走査する第２走査手段と、第１走査手段及び第２走査手段で走査したレーザー光束を眼球に投射する投射用レンズ光学系とを備え、第１走査手段及び第２走査手段は、眼球と投射用レンズ光学系との間に設けられる測定面において、スポット中心間角度ωをスポット直径の見込み角の半分θで割ったスポット見込み角中心間角度比ω／θが２．０３以上になるように、レーザー光束を走査することである。
【００１０】
第２の特徴に係る表示装置によると、レーザーの投射方向、レーザー強度を任意に調節し、スポット見込み角中心間角度比ω／θを２．０３以上に固定したレーザー光束を投射することにより、観察者がどのような眼球調節状態にあっても、高い視認性を得ることができる。
【００１１】
また、本発明の実施の形態に係る特徴は、表示装置において、眼球の視線上の反射面に対して、スポット半径ｒでスポット中心間距離Ｌの隣り合う２点のスポットを生じるレーザー光束を投射するレーザー光源と、レーザー光束を一定の方向で走査する第１走査手段と、レーザー光束を第１走査手段と異なる方向で走査する第２走査手段と、第１走査手段及び第２走査手段で走査したレーザー光束を反射面に反射させ眼球に投射する投射用レンズ光学系とを備え、第１走査手段及び第２走査手段は、スポット中心間距離Ｌをスポット半径ｒで割ったスポット半径中心間距離比Ｌ／ｒが２．０３以上になるように、レーザー光束を走査することである。
【００１２】
第３の特徴に係る表示装置によると、レーザーの投射方向、レーザー強度を任意に調節し、スポット見込み角中心間角度比ω／θを２．０３以上に固定したレーザー光束を、視線上に配置された反射面を介して投射することにより、観察者がどのような眼球調節状態にあっても、高い視認性を得ることができる。又、第３の特徴に係る表示装置は、観察者の視線上から離れた位置に設置されるので、観察者の前面を遮らないという利点がある。更に、反射面を半透過性の材質にすることにより、表示装置からのレーザー画像と反射面の背面からの画像情報を重ねて観察することも可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１４】
第１の実施の形態を説明する前に、単純な近軸光学系による結像の様子を図７に示す。ここで、ｙｏは物１０の大きさ、ｙｉは像１１の大きさを示す。Ｐｏ、Ｐｉはそれぞれ物側主点位置と像側主点位置、ｆｏ、ｆｉはそれぞれ物側焦点距離と像側焦点距離を表す。又、ｚｏは物１０から物側焦点までの距離、ｚｉは像側焦点から像１１までの距離、Ｓｏは物１０から物側主点までの距離、Ｓｉは像側主点から像１１までの距離を表す。
【００１５】
まず、結像方程式により、
ｚｏ：ｆｏ＝ｙｏ：ｙｉ＝ｆｉ：ｚｉ …（１）
が導かれる。像面上における、投影像の拡大率βは、
β＝ｙｉ／ｙｏ …（２）
として表現される。式（１）、式（２）より、
β＝ｙｉ／ｙｏ＝ｆｏ／ｚｏ …（３）
となる。よって、投影像の拡大率は、結像系の焦点距離と物の位置によって一意的に決定されることがわかる。特に、物点位置が決定されている場合、通常の光学レンズではその焦点位置の調節状態によらず、投影面における拡大率は一意的に決定されると考えてよい。
ところが、人間の眼球は単純な単焦点レンズではない。表１にグラストラッド（Gullustrad）の略式眼の値（”プラス・イー（Plus E）”１９９８年８月号７４頁）を示す。
【００１６】
【表１】
眼球の状態として、無限遠を観察する状態である調節休止状態と、もっとも近接している物体を観察する状態である極度調節状態がある。これらの２つの状態で、眼球の光学的特性は表１のように異なってくる。カメラなどに用いる単純な単焦点レンズは、物側、像側それぞれの焦点距離（以下「両焦点距離」と言う。
）は変わらずに、物側、像側それぞれの主点位置（以下「両主点位置」と言う。
）を変えることにより、フィルム面に投影される像の焦点調節位置を変えている。このとき、レーザー光源を観察する場合などは、物位置が一定であれば、投影面（カメラにおけるフィルム面、眼球における網膜面）における像倍率は変わらない。これに対し、眼球においては、両主点位置を変えるだけではなく、両焦点距離も変化する。その結果、式（３）で示されるように、眼球の調節状態によっては観察するレーザー光束の大きさが変化し、しいては連続する２点を識別できなくなる。一般に、物位置が一定であれば、焦点距離が大きくなるほど像倍率が大きくなる。従って、同じ物体を観察する場合、眼球の焦点距離が長くなるほど、つまり調節休止状態に近いほど、網膜上における像の倍率は高くなることになる。
【００１７】
次に、グラストラッドの略式眼により眼球の結像状態を表した模式図を図８に示す。調節休止時の物側主点位置、物側焦点距離、像側主点位置、像側焦点距離をそれぞれ、Ｐｏ１、ｆｏ１、Ｐｉ１、ｆｉ１とする。又、物１０から物側焦点までの距離、像側焦点から像１１までの距離をそれぞれｚｏ１、ｚｉ１、物１０から物側主点までの距離、像側主点から像１１までの距離をそれぞれＳｏ１、Ｓｉ１とする。物１０の大きさはｙｏ、網膜面上に結像される像１１の大きさはｙｉ１とする。物１０から物側主点までの距離ｚ１は、
ｚｏ１＝Ｓｏ１−ｆｏ１ …（４）
と表される。同様に、極度調節時の物側主点位置、物側焦点距離、像側主点位置、像側焦点距離をそれぞれ、Ｐｏ２、ｆｏ２、Ｐｉ２、ｆｉ２とする。又、物１０から物側焦点までの距離、像側焦点から像１１までの距離をそれぞれｚｏ２、ｚｉ２、物１０から物側主点までの距離、像側主点から像１１までの距離をそれぞれＳｏ２、Ｓｉ２とする。網膜面上に結像される像１１の大きさはｙｉ２とする。物１０から物側主点までの距離ｚｏ２は、
ｚｏ２＝Ｓｏ２−ｆｏ２ …（５）
と表される。ここで、式（３）を用い、調節休止時に、大きさｙｏの物１０を観察した際の網膜面上における像倍率β１は、
β１＝ｆｏ１／ｚｏ１ …（６）
となる。同様に、極度調節時の観察像の像倍率β２は、
β２＝ｆｏ２／ｚｏ２ …（７）
と表現される。ここで、調節休止時の物側焦点距離ｆｏ１と極度調節時の物側焦点距離ｆｏ２がほぼ等しく、調節休止時の物１０から物側主点までの距離Ｓｏ１と極度調節時の物１０から物側主点までの距離Ｓｏ２がほぼ等しく、物側焦点距離ｆｏ１、ｆｏ２に比べ、物１０から物側主点までの距離Ｓｏ１、Ｓｏ２ははるかに大きいこと、即ち、
ｆｏ１≒ｆｏ２≪Ｓｏ１≒Ｓｏ２ …（８）
であると考えると、式（４）、式（５）から、
ｚｏ１≒ｚｏ２ …（９）
が成り立つ。以上より、調節休止時と極度調節時の像倍率の差を考えると、
β１／β２＝（ｆｏ１／ｚｏ１）／（ｆｏ２／ｚｏ２）≒ｆｏ１／ｆｏ２ …（１０）
と表現される。
【００１８】
ここで、表１より、ｆｏ１＝16.740、ｆｏ２＝14.176を用いると、
β１／β２＝16.740／14.176＝1.181 …（１１）
となる。つまり、任意の点にある物を観察する際、眼球の状態が調節休止状態であるか極度調節状態であるかという違いで、網膜面への結像倍率は約１．１８倍異なるということがわかる。ところで、この調節休止状態と強度調節状態は、どの程度の距離の物体を観察する状態であるか検討をすると、計算上、調節休止状態では像側主点から約１０ｍ、極度調節状態では像側主点から約０．１ｍであった。つまり、およそ１０ｍの被写体深度の調節によって、網膜上の像倍率は１．１８倍変化する。単純計算によると、１ｍあたり１．０１８倍変化すると考えられる。これを、眼球に投影される２つのレーザー光束スポットを視認するという前提で考える。２つのレーザー光束スポットそれぞれが最大１．０１８倍変化することから、スポットの半径に対するスポット間の中心位置を２．０３（＝１．０１８×２）倍程度以上確保することができれば、２つのスポットを別の物と認識でき、１ｍ程度の視認距離を得ることができる。
【００１９】
（第１の実施の形態）
以上の計算結果を基に、本発明の第１の実施の形態に係る表示装置１を用い、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）にレーザー光束をあて、隣り合う２点のスポット間の中心間距離あるいは中心間角度を２．０３倍程度確保することによる効果を実証する。
【００２０】
本発明の第１の実施の形態に係る表示装置１は、レーザー光束３１１を投射し、投影像を観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の網膜上に直接結像する直接投射型表示装置である。観察者は、網膜上に結像した２次元光学像を、画像情報として直接認識する。この表示装置１は、図１に示すように、レーザー光源３１と、第１走査手段３５、第２走査手段３６、投射用レンズ光学系３７を備えている。更に、表示装置１は、収束用レンズ光学系３２、半透過鏡３３、強度計３４、減光フィルター３８を備えている。
【００２１】
レーザー光源３１は、レーザー光束３１１を投射する。レーザー光源３１から投射されるレーザーとしては、半導体レーザーが小型表示装置の光源として好適である。
【００２２】
第１走査手段３５は、レーザー光源３１からのレーザー光束３１１を一定の方向で走査し、第２走査手段３６は、レーザー光源３１からのレーザー光束３１１を第２走査手段３５と異なる方向で走査する。第１走査手段３５、第２走査手段３６の走査する方向は任意であるが、第１走査手段３５が水平方向に走査し、第２走査手段３６が垂直方向に走査することが一般的である。これらの走査手段により、２次元像を得ることができる。第１走査手段３５、第２走査手段３６には、具体的には、ポリゴンミラーやガルバノメーター、音響光学効果素子等が用いられる。
【００２３】
十分に集光されて直進性を持つレーザー光をレーザー光源３１として用いる場合には、レーザー光源３１、第１走査手段３５、第２走査手段３６だけの構成で、十分な画像形成・投射機能を持つ。しかし、レーザー光の収束が十分ではない場合には、レーザー光源３１に付随して、第１走査手段３５に至る前段階で、収束用レンズ光学系３２などを装備し、レーザー光の収束を行う必要がある。
【００２４】
又、図１に示すように、表示装置１は、収束用レンズ光学系３２の後段に半透過鏡３３、強度計３４を備えている。半透過鏡３３は、レーザー光を分岐し、その一部を強度計３４に送る。強度計３４は、レーザー光強度の測定を行う。表示装置１では、直接網膜にレーザー光を結像するため、レーザー光強度をクラス１以下の、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に無害なレベルの強度に調整するためのモニタを行う必要がある。又、強度計３４により、更に後段の第１走査手段３５、第２走査手段３６や各種光学系を通過する際の強度の減衰を制御・調整するためのモニタを行うことができる。図１では、レーザー光強度を測定するための半透過鏡３３による分岐を第１の集光光学系である収束用レンズ光学系３２の直後に配置している。半透過鏡３３及び強度計３４を各種走査手段よりも後段に配置すると、ビーム本数が多数となり、半透過鏡３３の配置や運用に複雑さが加わるためである。
【００２５】
投射用レンズ光学系３７は、観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に向けて、レーザー光束３１１の投射方向を任意に調節することができる。これにより、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）から臨む画像の視野が決定される。最後に配置された減光フィルター３８は、さらなる減光が必要なときに用いられる。
【００２６】
レーザー光源３１から投射されたレーザー光束３１１は、収束用レンズ光学系３２により収束され、強度計３４によるモニタのため半透過鏡３３により分岐され、第１走査手段３５、第２走査手段３６により２方向に走査され、投射用光学系レンズ３７により眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に向けられ、減光フィルター３８により減光される。その後、レーザー光束３１１は直接観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に投射され、網膜上にレーザー画像が結像される。
【００２７】
第１の実施の形態に係る表示装置１によると、レーザーの投射方向、レーザー強度を任意に調節し、レーザーの走査画像を観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の網膜上に直接結像させることができる。
【００２８】
ここで、表示装置１と観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面の間に測定面３１０を配置して、投射される２点のレーザー光束スポットの中心間位置の測定を行った。測定面３１０におけるレーザー光束スポットの模式図を図２に示す。
【００２９】
図２は、測定面３１０上におけるレーザー光束３１１によるスポット像を眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）側より臨んだ模式図である。図２（ａ）では、２点の隣り合うレーザー光束３１１のスポットの中心間距離をＬとし、レーザー光束３１１のスポット半径をｒとしている。スポット半径ｒを固定し、スポット中心間距離Ｌの値を変化させ、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒを測定することを示す。又、図２（ｂ）では、２点の隣り合うレーザー光束３１１のスポットの眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）から見た中心間角度をωとし、レーザー光束３１１の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）から見たスポット直径に対する見込み角の半分をθとしている。
スポット直径に対する見込み角の半分θを固定し、スポット中心間角度ωの値を変化させ、スポット見込み角中心間角度比ω／θを測定することを示す。
【００３０】
図３は、第１の実施の形態に係る表示装置１を用いて、観察者３９が測定を行う様子を上から見た模式図である。観察者右眼５０Ｒの視線延長上に、表示装置１が設置され、表示装置１の入射光４５は、観察者３９の視線に沿って観察者右眼５０Ｒに投射される。観察者右眼５０Ｒと観察者左眼５０Ｌはついたて４６によって仕切られ、それぞれの眼の観察像はお互いに遮蔽されている。観察者左眼５０Ｌの観察者左眼視線４７上には、観察者左眼５０Ｌの調節を恣意的に行うための画像として、観察像Ａ（最近接視認位置）４８と観察像Ｂ（最遠視認位置）４９を配置した。観察像Ａ４８、観察像Ｂ４９は、それぞれ、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）の最近接視認位置、最遠視認位置を確定する際の眼球調節を行う観察像となる。第１の実施の形態では、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）へのレーザー画像の投射とともに、観察者３９は、観察像Ａ４８を視認する。観察像Ａ４８を視認可能な状態で、レーザー画像をも視認できる、最も眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面に近い位置が最近接視認位置として採用される。同様に、観察像Ｂ４９を視認可能な状態で、レーザー画像をも視認できる最も眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面から遠い位置が最遠視認位置として採用される。
【００３１】
測定は、以下の条件により行った。図３において、測定面３１０は、観察者右眼５０Ｒの表面から１００ｍｍ離れた位置に配置した。表示装置１のレーザー光束３１１のスポットは、測定面３１０において、直径０．２ｍｍ（半径０．１ｍｍ）に固定した。表示装置１から投射されるレーザー画像は、この半径０．１ｍｍのスポット中心間距離を変えた２つのレーザー光束スポットである。眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）の状態を調節し、この２つのレーザー光束スポットを２点として認識できる最近接視認位置と最遠視認位置を調べた。スポット半径ｒを０．１ｍｍに固定し、スポット中心間距離Ｌを変えた場合の測定結果を表２に示す。表２中の「×」とは、２つのレーザー光束スポットを２点として認識できなかったことを表す。
【００３２】
【表２】
表２より、例えば、スポット中心間距離が０．３ｍｍの場合、最遠視認位置は１０ｍ以上、最近接視認位置は０．２ｍであり、最遠視認位置と最近接視認位置の差である視認可能範囲は９．８ｍ以上であることがわかる。
【００３３】
又、表２から明らかであるように、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒ（スポット中心間距離とスポット半径の比）が２．０３以上の場合には、顕著に視認可能範囲が大きいことがわかる。スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒが２．０２以下の場合には、視認可能範囲は測定誤差程度になり、ほとんど認められなかった。
【００３４】
スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒの値を大きくすればするほど視認可能範囲が広がることになるが、スポットの集合を一つの画像、文字、あるいは記号と認識することを考えると、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒは１００以上の値をとることはないであろう。
【００３５】
次に、レーザー光束３１１のスポット間位置を、距離ではなく図２（ｂ）に示す中心間角度ωで測定する。表３に、スポット直径の見込み角の半分θを約３．４分に固定し、スポット中心間角度ωを変えた場合の測定結果を示す。表３中の「×」とは、２つのレーザー光束スポットを２点として認識できなかったことを表す。
【００３６】
【表３】
表３に示すように、スポット見込み角中心間角度比ω／θ（スポット中心間角度とスポット直径の見込み角の半分の比）が２．０３以上の場合には、明らかに視認可能範囲が大きいことがわかる。スポット見込み角中心間角度比ω／θが２．０２以下の場合には、視認可能範囲は測定誤差程度になり、ほとんど認められなかった。
【００３７】
スポット見込み角中心間角度比ω／θの値を大きくすればするほど視認可能範囲が広がることになるが、スポットの集合を一つの画像、文字、あるいは記号と認識することを考えると、スポット見込み角中心間角度比ω／θは１００以上の値をとることはないであろう。
【００３８】
第１の実施の形態では、測定面３１０を眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面から１００ｍｍの位置に固定して測定を行ったが、それ以上若しくはそれ以下の距離における面での測定を行った場合は、１００ｍｍの位置での測定における値になるように補完して評価を行う。
【００３９】
第１の実施の形態に係る表示装置１を用いて、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒあるいはスポット見込み角中心間角度比ω／θを２．０３以上に固定したレーザー光束３１１を投射することにより、観察者がどのような眼球調節状態にあっても、高い視認性を得ることができる。又、第１の実施の形態に係る表示装置１によると、観察者の眼球調節機能の個人差にも対応でき、装置の調整に関するコスト低減にもつながる。
【００４０】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態に係る表示装置１は、観察者の視線上に配置され、直接、レーザー画像を観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の網膜上に結像する直接投射型表示装置であるが、第２の実施の形態に係る表示装置２は、観察者の視線上に配置された反射面５１０にレーザー画像を投射し、間接的に観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の網膜上に結像する間接投射型表示装置である。即ち、本発明の第２の実施の形態に係る表示装置２は、図４に示すように、レーザー光源３１、第１走査手段３５、第２走査手段３６、投射用レンズ光学系３７を備えている。更に、表示装置２は、収束用レンズ光学系３２、半透過鏡３３、強度計３４、減光フィルター３８を備えている。これらは、第１の実施の形態に係る表示装置１と同様の構成であるので、ここでは説明を省略する。
【００４１】
第２の実施の形態においては、図４の最終段の投射用レンズ光学系３７により、反射面５１０を介して、レーザー画像は観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に向けて投射される。これにより、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）から臨む画像の視野が決定される。ここで、投射用レンズ光学系３７を用いずに、反射面５１０を曲面加工し、観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に集光させることも可能である。又、投射用レンズ光学系３７を用いつつ、曲面加工を施した反射面５１０を同時に用いることも可能である。レーザーによる走査範囲が広くなり、一つのレンズ系や一つの曲面反射面などでは補正しきれない状況においては、投射用レンズ光学系３７、曲面化した反射面５１０等を複合的に用いることが必要である。
【００４２】
レーザー光源３１から投射されたレーザー光束３１１は、収束用レンズ光学系３２により収束され、強度計３４によるモニタのため半透過鏡３３により分岐され、第１走査手段３５、第２走査手段３６により２方向に走査され、投射用レンズ光学系３７により眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に向けられ、減光フィルター３８により減光される。その後、レーザー光束３１１は反射面５１０に反射され、観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の網膜上にレーザー画像が結像される。
【００４３】
第２の実施の形態に係る表示装置２によると、レーザーの投射方向、レーザー強度を任意に調節し、図４に示す反射面５１０を介してレーザーの走査画像を観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の網膜上に結像させることができる。又、表示装置２の本体は視線上から離れた位置に設置されるので、観察者の前面を遮らないという利点がある。更に、反射面５１０を半透過性の材質にすることにより、表示装置２からのレーザー画像と反射面５１０の背面からの画像情報を重ねて観察することも可能である。
【００４４】
ここで、反射面５１０に投射される２点のレーザー光束スポット間の測定を行った。図５は、反射面５１０上におけるレーザー光束３１１によるスポット像を眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）側より臨んだ模式図である。図５（ａ）では、図２（ａ）と同様に、スポット半径ｒを固定し、スポット中心間距離Ｌの値を変化させ、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒを測定することを示す。図５（ｂ）では、図２（ｂ）と同様に、スポット直径に対する見込み角の半分θを固定し、スポット中心間角度ωの値を変化させ、スポット見込み角中心間角度比ω／θを測定することを示す。
【００４５】
図６は、第２の実施の形態に係る表示装置２を用いて、観察者３９が測定を行う様子を上から見た模式図である。観察者右眼５０Ｒの視線延長上に、反射面５１０が設置される。表示装置２からの入射光４５は、反射面５１０に反射され、観察者右眼５０Ｒに投射される。観察者右眼５０Ｒと観察者左眼５０Ｌはついたて４６によって仕切られ、それぞれの眼の観察像はお互いに遮蔽されている。観察者左眼５０Ｌの観察者左眼視線４７上には観察者左眼５０Ｌの調節を恣意的に行うための画像として、観察像Ａ（最近接視認位置）４８と観察像Ｂ（最遠視認位置）４９を配置した。観察像Ａ４８、観察像Ｂ４９は、それぞれ、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）の最近接視認位置、最遠視認位置を確定する際の眼球調節を行う観察像となる。第２の実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）へのレーザー画像の投射とともに、観察者３９は、観察像Ａ４８を視認する。観察像Ａ４８を視認可能な状態で、レーザー画像をも視認できる、
最も眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面に近い位置が最近接視認位置として採用される。同様に、観察像Ｂ４９を視認可能な状態で、レーザー画像をも視認できる最も眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面から遠い位置が最遠視認位置として採用される。
【００４６】
測定は、以下の条件により行った。図６において、反射面５１０は、観察者右眼５０Ｒの表面から１００ｍｍ離れた位置に配置した。表示装置２のレーザー光束３１１のスポットは、反射面５１０において、直径０．２ｍｍ（半径０．１ｍｍ）に固定した。表示装置２から投射されるレーザー画像は、この半径０．１ｍｍのスポット中心間距離を変えた２つのレーザー光束スポットである。眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）の状態を調節し、この２つのレーザー光束スポットを２点として認識できる最近接視認位置と最遠視認位置を調べた。スポット半径ｒを０．１ｍｍに固定し、スポット中心間距離Ｌを変えた場合の測定結果を表４に示す。表４中の「×」とは、２つのレーザー光束スポットを２点として認識できなかったことを表す。
【００４７】
【表４】
表４から明らかであるように、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒ（スポット中心間距離とスポット半径の比）が２．０３以上の場合には、顕著に視認可能範囲が大きいことがわかる。スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒが２．０２以下の場合には、視認可能範囲は測定誤差程度になり、ほとんど認められなかった。
【００４８】
スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒの値を大きくすればするほど視認可能範囲が広がることになるが、スポットの集合を一つの画像、文字、あるいは記号と認識することを考えると、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒは１００以上の値をとることはないであろう。
【００４９】
次に、レーザー光束３１１のスポット間位置を、距離ではなく図５（ｂ）に示す中心間角度ωで測定する。表５に、スポット直径の見込み角の半分θを約３．４分に固定し、スポット中心間角度ωを変えた場合の測定結果を示す。表５中の「×」とは、２つのレーザー光束スポットを２点として認識できなかったことを表す。
【００５０】
【表５】
表５に示すように、スポット見込み角中心間角度比ω／θ（スポット中心間角度とスポット直径の見込み角の半分の比）が２．０３以上の場合には、明らかに視認可能範囲が大きいことがわかる。スポット見込み角中心間角度比ω／θが２．０２以下の場合には、視認可能範囲は測定誤差程度であり、ほとんど認められなかった。
【００５１】
スポット見込み角中心間角度比ω／θの値を大きくすればするほど視認可能範囲が広がることになるが、スポットの集合を一つの画像、文字、あるいは記号と認識することを考えると、スポット見込み角中心間角度比ω／θは１００以上の値をとることはないであろう。
【００５２】
第２の実施の形態では、反射面５１０を眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面から１００ｍｍの位置に固定して測定を行ったが、それ以上若しくはそれ以下の距離における面での測定を行った場合は、１００ｍｍの位置での測定における値になるように補完して評価を行う。
【００５３】
第２の実施の形態に係る表示装置２を用いて、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒあるいはスポット見込み角中心間角度比ω／θを２．０３以上に固定したレーザー光束３１１を投射することにより、観察者がどのような眼球調節状態にあっても、高い視認性を得ることができる。又、第２の実施の形態に係る表示装置２によると、観察者の眼球調節機能の個人差にも対応でき、装置の調整に関するコスト低減にもつながる。
【００５４】
（その他の実施の形態）
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００５５】
例えば、本発明の第１及び第２の実施の形態において、表示装置１、２の形状は特に規定していないが、頭部に装着するヘッドマウントディスプレイの表示装置として搭載しても構わないし、ポータブルコンピュータや携帯電話に使用される表示装置として搭載しても構わない。
【００５６】
又、本発明の第１及び第２の実施の形態に係る表示装置１、２において、第１走査手段３５の後段に第２走査手段３６を配置したが、この順序は逆でも構わない。
【００５７】
又、本発明の第２の実施の形態において、反射面５１０は、表示装置２に含まれないと記述したが、反射面５１０を含んで表示装置２としても構わない。
【００５８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によると、レーザーの走査画像を観察者の眼球の網膜に直接結像し、観察者の眼球の焦点位置に依存しない視認性の高い表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施に形態に係る直接投射型の表示装置のブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施に形態に係る表示装置の測定面におけるレーザー光束像の模式図である。
【図３】本発明の第１の実施に形態に係る表示装置を用いた測定例である。
【図４】本発明の第２の実施に形態に係る間接投射型の表示装置のブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施に形態に係る表示装置の反射面におけるレーザー光束像の模式図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る表示装置を用いた測定例である。
【図７】結像の模式図（近軸近似）である。
【図８】眼球結像の模式図（近軸近似）である。
【符号の説明】
１、２ 表示装置
１０ 物
１１ 像
３１ レーザー光源
３２ 収束用レンズ光学系
３３ 半透過鏡
３４ 強度計
３５ 第１走査手段
３６ 第２走査手段
３７ 投射用レンズ光学系
３８ 減光フィルター
３９ 観察者
３１０ 測定面
３１１ レーザー光束
４５ 入射光
４６ ついたて
４７ 観察者左眼視線
４８ 観察像Ａ（最近接視認位置）
４９ 観察像Ｂ（最遠視認位置）
５０Ｒ 観察者右眼
５０Ｌ 観察者左眼
５１０ 反射面
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーの走査画像を観察者の眼球の網膜に直接結像し、観察者の眼球の焦点位置に依存しない視認性の高い表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
表示装置として、ポータブルコンピュータや携帯電話に使用される液晶表示装置の他、各種の小型液晶パネルを虚像光学系を介して眼前に投影するヘッドマウントディスプレイが提案されている。ヘッドマウントディスプレイは、ＶＧＡ〜ＸＶＧＡに至る画面を扱うことが可能であり、多くの場合、対角で２０度から３０度の視野角の画像を扱うことができる（http://www.shimadzu.co.jp/hmd/index.htmlなど）。これらヘッドマウントディスプレイの表示は、現状で用いられる一般的なパーソナルコンピュータのディスプレイと同等の情報量を表示することができ、かつ、頭部に装着するそのデザインにより、携帯型表示機器に比べて軽い負担でその表示装置を維持することが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ヘッドマウントディスプレイでは、虚像光学系を用いるために、観察者は常に同じ焦点位置に眼球を調節しなければならないという問題がある。これは、液晶表示装置のような直視型の表示装置でも起こる問題である。表示装置表面に形成される画像に眼球の焦点（調節状態）を合わせない限り、明瞭な結像状態を眼球の網膜面に結像できないからである。
【０００４】
又、ヘッドマウントディスプレイの多くが、単にディスプレイ情報を読みとるだけではなく、外界の画像情報とリンクしたディスプレイ情報を表示することを試みている。この場合、外界を観察すると同時にディスプレイ情報を観察するためには、眼球の調整機構を外界用とディスプレイ用のそれぞれに、そのつど調整し直さなければならない。このため、眼精疲労や、それぞれの情報の認識時間に大きな遅れが生じる場合がある。又、観察者によって眼球の調整能力は異なるため、虚像光学系の調整が必要であり、これが負担となっていた。
【０００５】
一方、レーザー光のような、直進性の非常に高い光を、単一のビームで眼球に入射した場合には、眼球の調節状態の如何に関わらず、シャープな点像を網膜上に結像する事ができる。しかしながら、画像形成を意図した場合のような、パターンを持った複数本のビームが入射した場合に、常にもとの画像を再現した、複数のシャープな点像が得られるわけではない。これは、眼球の調節状態により、網膜表面における結像状態、すなわち結像倍率が変化するので、入射ビームの拡大率が変わるためである。この現象により、意図した複数のビームの中で、隣り合った２点が一部重なり合ったり、逆に離れるなどして、意図したスポットパターンを再現できない場合がある。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる問題に鑑み、レーザーの走査画像を観察者の眼球の網膜に直接結像し、観察者の眼球の焦点位置に依存しない視認性の高い表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施の形態に係る特徴は、表示装置において、眼球の視線上に設けられる測定用の測定面に対して、スポット半径ｒでスポット中心間距離Ｌの隣り合う２点のスポットを生じるレーザー光束を投射するレーザー光源と、レーザー光束を一定の方向で走査する第１走査手段と、レーザー光束を第１走査手段と異なる方向で走査する第２走査手段と、第１走査手段及び第２走査手段で走査したレーザー光束を眼球に投射する投射用レンズ光学系とを備え、第１走査手段及び第２走査手段は、眼球と投射用レンズ光学系との間に設けられる測定面において、スポット中心間距離Ｌを前記スポット半径ｒで割ったスポット半径中心間距離比Ｌ／ｒが２．０３以上になるように、レーザー光束を走査することである。
【０００８】
第１の特徴に係る表示装置によると、レーザーの投射方向、レーザー強度を任意に調節し、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒを２．０３以上に固定したレーザー光束を投射することにより、観察者がどのような眼球調節状態にあっても、高い視認性を得ることができる。
【０００９】
また、本発明の実施の形態に係る特徴は、表示装置において、眼球の視線上に設けられる測定用の測定面に対して、スポット直径の見込み角の半分θでスポット中心間角度ωの隣り合う２点のスポットを生じるレーザー光束を投射するレーザー光源と、レーザー光束を一定の方向で走査する第１走査手段と、レーザー光束を第１走査手段と異なる方向で走査する第２走査手段と、第１走査手段及び第２走査手段で走査したレーザー光束を眼球に投射する投射用レンズ光学系とを備え、第１走査手段及び第２走査手段は、眼球と投射用レンズ光学系との間に設けられる測定面において、スポット中心間角度ωをスポット直径の見込み角の半分θで割ったスポット見込み角中心間角度比ω／θが２．０３以上になるように、レーザー光束を走査することである。
【００１０】
第２の特徴に係る表示装置によると、レーザーの投射方向、レーザー強度を任意に調節し、スポット見込み角中心間角度比ω／θを２．０３以上に固定したレーザー光束を投射することにより、観察者がどのような眼球調節状態にあっても、高い視認性を得ることができる。
【００１１】
また、本発明の実施の形態に係る特徴は、表示装置において、眼球の視線上の反射面に対して、スポット半径ｒでスポット中心間距離Ｌの隣り合う２点のスポットを生じるレーザー光束を投射するレーザー光源と、レーザー光束を一定の方向で走査する第１走査手段と、レーザー光束を第１走査手段と異なる方向で走査する第２走査手段と、第１走査手段及び第２走査手段で走査したレーザー光束を反射面に反射させ眼球に投射する投射用レンズ光学系とを備え、第１走査手段及び第２走査手段は、スポット中心間距離Ｌをスポット半径ｒで割ったスポット半径中心間距離比Ｌ／ｒが２．０３以上になるように、レーザー光束を走査することである。
【００１２】
第３の特徴に係る表示装置によると、レーザーの投射方向、レーザー強度を任意に調節し、スポット見込み角中心間角度比ω／θを２．０３以上に固定したレーザー光束を、視線上に配置された反射面を介して投射することにより、観察者がどのような眼球調節状態にあっても、高い視認性を得ることができる。又、第３の特徴に係る表示装置は、観察者の視線上から離れた位置に設置されるので、観察者の前面を遮らないという利点がある。更に、反射面を半透過性の材質にすることにより、表示装置からのレーザー画像と反射面の背面からの画像情報を重ねて観察することも可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１４】
第１の実施の形態を説明する前に、単純な近軸光学系による結像の様子を図７に示す。ここで、ｙｏは物１０の大きさ、ｙｉは像１１の大きさを示す。Ｐｏ、Ｐｉはそれぞれ物側主点位置と像側主点位置、ｆｏ、ｆｉはそれぞれ物側焦点距離と像側焦点距離を表す。又、ｚｏは物１０から物側焦点までの距離、ｚｉは像側焦点から像１１までの距離、Ｓｏは物１０から物側主点までの距離、Ｓｉは像側主点から像１１までの距離を表す。
【００１５】
まず、結像方程式により、
ｚｏ：ｆｏ＝ｙｏ：ｙｉ＝ｆｉ：ｚｉ …（１）
が導かれる。像面上における、投影像の拡大率βは、
β＝ｙｉ／ｙｏ …（２）
として表現される。式（１）、式（２）より、
β＝ｙｉ／ｙｏ＝ｆｏ／ｚｏ …（３）
となる。よって、投影像の拡大率は、結像系の焦点距離と物の位置によって一意的に決定されることがわかる。特に、物点位置が決定されている場合、通常の光学レンズではその焦点位置の調節状態によらず、投影面における拡大率は一意的に決定されると考えてよい。
ところが、人間の眼球は単純な単焦点レンズではない。表１にグラストラッド（Gullustrad）の略式眼の値（”プラス・イー（Plus E）”１９９８年８月号７４頁）を示す。
【００１６】
【表１】
）は変わらずに、物側、像側それぞれの主点位置（以下「両主点位置」と言う。
）を変えることにより、フィルム面に投影される像の焦点調節位置を変えている。このとき、レーザー光源を観察する場合などは、物位置が一定であれば、投影面（カメラにおけるフィルム面、眼球における網膜面）における像倍率は変わらない。これに対し、眼球においては、両主点位置を変えるだけではなく、両焦点距離も変化する。その結果、式（３）で示されるように、眼球の調節状態によっては観察するレーザー光束の大きさが変化し、しいては連続する２点を識別できなくなる。一般に、物位置が一定であれば、焦点距離が大きくなるほど像倍率が大きくなる。従って、同じ物体を観察する場合、眼球の焦点距離が長くなるほど、つまり調節休止状態に近いほど、網膜上における像の倍率は高くなることになる。
【００１７】
次に、グラストラッドの略式眼により眼球の結像状態を表した模式図を図８に示す。調節休止時の物側主点位置、物側焦点距離、像側主点位置、像側焦点距離をそれぞれ、Ｐｏ１、ｆｏ１、Ｐｉ１、ｆｉ１とする。又、物１０から物側焦点までの距離、像側焦点から像１１までの距離をそれぞれｚｏ１、ｚｉ１、物１０から物側主点までの距離、像側主点から像１１までの距離をそれぞれＳｏ１、Ｓｉ１とする。物１０の大きさはｙｏ、網膜面上に結像される像１１の大きさはｙｉ１とする。物１０から物側主点までの距離ｚ１は、
ｚｏ１＝Ｓｏ１−ｆｏ１ …（４）
と表される。同様に、極度調節時の物側主点位置、物側焦点距離、像側主点位置、像側焦点距離をそれぞれ、Ｐｏ２、ｆｏ２、Ｐｉ２、ｆｉ２とする。又、物１０から物側焦点までの距離、像側焦点から像１１までの距離をそれぞれｚｏ２、ｚｉ２、物１０から物側主点までの距離、像側主点から像１１までの距離をそれぞれＳｏ２、Ｓｉ２とする。網膜面上に結像される像１１の大きさはｙｉ２とする。物１０から物側主点までの距離ｚｏ２は、
ｚｏ２＝Ｓｏ２−ｆｏ２ …（５）
と表される。ここで、式（３）を用い、調節休止時に、大きさｙｏの物１０を観察した際の網膜面上における像倍率β１は、
β１＝ｆｏ１／ｚｏ１ …（６）
となる。同様に、極度調節時の観察像の像倍率β２は、
β２＝ｆｏ２／ｚｏ２ …（７）
と表現される。ここで、調節休止時の物側焦点距離ｆｏ１と極度調節時の物側焦点距離ｆｏ２がほぼ等しく、調節休止時の物１０から物側主点までの距離Ｓｏ１と極度調節時の物１０から物側主点までの距離Ｓｏ２がほぼ等しく、物側焦点距離ｆｏ１、ｆｏ２に比べ、物１０から物側主点までの距離Ｓｏ１、Ｓｏ２ははるかに大きいこと、即ち、
ｆｏ１≒ｆｏ２≪Ｓｏ１≒Ｓｏ２ …（８）
であると考えると、式（４）、式（５）から、
ｚｏ１≒ｚｏ２ …（９）
が成り立つ。以上より、調節休止時と極度調節時の像倍率の差を考えると、
β１／β２＝（ｆｏ１／ｚｏ１）／（ｆｏ２／ｚｏ２）≒ｆｏ１／ｆｏ２ …（１０）
と表現される。
【００１８】
ここで、表１より、ｆｏ１＝16.740、ｆｏ２＝14.176を用いると、
β１／β２＝16.740／14.176＝1.181 …（１１）
となる。つまり、任意の点にある物を観察する際、眼球の状態が調節休止状態であるか極度調節状態であるかという違いで、網膜面への結像倍率は約１．１８倍異なるということがわかる。ところで、この調節休止状態と強度調節状態は、どの程度の距離の物体を観察する状態であるか検討をすると、計算上、調節休止状態では像側主点から約１０ｍ、極度調節状態では像側主点から約０．１ｍであった。つまり、およそ１０ｍの被写体深度の調節によって、網膜上の像倍率は１．１８倍変化する。単純計算によると、１ｍあたり１．０１８倍変化すると考えられる。これを、眼球に投影される２つのレーザー光束スポットを視認するという前提で考える。２つのレーザー光束スポットそれぞれが最大１．０１８倍変化することから、スポットの半径に対するスポット間の中心位置を２．０３（＝１．０１８×２）倍程度以上確保することができれば、２つのスポットを別の物と認識でき、１ｍ程度の視認距離を得ることができる。
【００１９】
（第１の実施の形態）
以上の計算結果を基に、本発明の第１の実施の形態に係る表示装置１を用い、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）にレーザー光束をあて、隣り合う２点のスポット間の中心間距離あるいは中心間角度を２．０３倍程度確保することによる効果を実証する。
【００２０】
本発明の第１の実施の形態に係る表示装置１は、レーザー光束３１１を投射し、投影像を観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の網膜上に直接結像する直接投射型表示装置である。観察者は、網膜上に結像した２次元光学像を、画像情報として直接認識する。この表示装置１は、図１に示すように、レーザー光源３１と、第１走査手段３５、第２走査手段３６、投射用レンズ光学系３７を備えている。更に、表示装置１は、収束用レンズ光学系３２、半透過鏡３３、強度計３４、減光フィルター３８を備えている。
【００２１】
レーザー光源３１は、レーザー光束３１１を投射する。レーザー光源３１から投射されるレーザーとしては、半導体レーザーが小型表示装置の光源として好適である。
【００２２】
第１走査手段３５は、レーザー光源３１からのレーザー光束３１１を一定の方向で走査し、第２走査手段３６は、レーザー光源３１からのレーザー光束３１１を第２走査手段３５と異なる方向で走査する。第１走査手段３５、第２走査手段３６の走査する方向は任意であるが、第１走査手段３５が水平方向に走査し、第２走査手段３６が垂直方向に走査することが一般的である。これらの走査手段により、２次元像を得ることができる。第１走査手段３５、第２走査手段３６には、具体的には、ポリゴンミラーやガルバノメーター、音響光学効果素子等が用いられる。
【００２３】
十分に集光されて直進性を持つレーザー光をレーザー光源３１として用いる場合には、レーザー光源３１、第１走査手段３５、第２走査手段３６だけの構成で、十分な画像形成・投射機能を持つ。しかし、レーザー光の収束が十分ではない場合には、レーザー光源３１に付随して、第１走査手段３５に至る前段階で、収束用レンズ光学系３２などを装備し、レーザー光の収束を行う必要がある。
【００２４】
又、図１に示すように、表示装置１は、収束用レンズ光学系３２の後段に半透過鏡３３、強度計３４を備えている。半透過鏡３３は、レーザー光を分岐し、その一部を強度計３４に送る。強度計３４は、レーザー光強度の測定を行う。表示装置１では、直接網膜にレーザー光を結像するため、レーザー光強度をクラス１以下の、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に無害なレベルの強度に調整するためのモニタを行う必要がある。又、強度計３４により、更に後段の第１走査手段３５、第２走査手段３６や各種光学系を通過する際の強度の減衰を制御・調整するためのモニタを行うことができる。図１では、レーザー光強度を測定するための半透過鏡３３による分岐を第１の集光光学系である収束用レンズ光学系３２の直後に配置している。半透過鏡３３及び強度計３４を各種走査手段よりも後段に配置すると、ビーム本数が多数となり、半透過鏡３３の配置や運用に複雑さが加わるためである。
【００２５】
投射用レンズ光学系３７は、観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に向けて、レーザー光束３１１の投射方向を任意に調節することができる。これにより、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）から臨む画像の視野が決定される。最後に配置された減光フィルター３８は、さらなる減光が必要なときに用いられる。
【００２６】
レーザー光源３１から投射されたレーザー光束３１１は、収束用レンズ光学系３２により収束され、強度計３４によるモニタのため半透過鏡３３により分岐され、第１走査手段３５、第２走査手段３６により２方向に走査され、投射用光学系レンズ３７により眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に向けられ、減光フィルター３８により減光される。その後、レーザー光束３１１は直接観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に投射され、網膜上にレーザー画像が結像される。
【００２７】
第１の実施の形態に係る表示装置１によると、レーザーの投射方向、レーザー強度を任意に調節し、レーザーの走査画像を観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の網膜上に直接結像させることができる。
【００２８】
ここで、表示装置１と観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面の間に測定面３１０を配置して、投射される２点のレーザー光束スポットの中心間位置の測定を行った。測定面３１０におけるレーザー光束スポットの模式図を図２に示す。
【００２９】
図２は、測定面３１０上におけるレーザー光束３１１によるスポット像を眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）側より臨んだ模式図である。図２（ａ）では、２点の隣り合うレーザー光束３１１のスポットの中心間距離をＬとし、レーザー光束３１１のスポット半径をｒとしている。スポット半径ｒを固定し、スポット中心間距離Ｌの値を変化させ、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒを測定することを示す。又、図２（ｂ）では、２点の隣り合うレーザー光束３１１のスポットの眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）から見た中心間角度をωとし、レーザー光束３１１の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）から見たスポット直径に対する見込み角の半分をθとしている。
スポット直径に対する見込み角の半分θを固定し、スポット中心間角度ωの値を変化させ、スポット見込み角中心間角度比ω／θを測定することを示す。
【００３０】
図３は、第１の実施の形態に係る表示装置１を用いて、観察者３９が測定を行う様子を上から見た模式図である。観察者右眼５０Ｒの視線延長上に、表示装置１が設置され、表示装置１の入射光４５は、観察者３９の視線に沿って観察者右眼５０Ｒに投射される。観察者右眼５０Ｒと観察者左眼５０Ｌはついたて４６によって仕切られ、それぞれの眼の観察像はお互いに遮蔽されている。観察者左眼５０Ｌの観察者左眼視線４７上には、観察者左眼５０Ｌの調節を恣意的に行うための画像として、観察像Ａ（最近接視認位置）４８と観察像Ｂ（最遠視認位置）４９を配置した。観察像Ａ４８、観察像Ｂ４９は、それぞれ、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）の最近接視認位置、最遠視認位置を確定する際の眼球調節を行う観察像となる。第１の実施の形態では、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）へのレーザー画像の投射とともに、観察者３９は、観察像Ａ４８を視認する。観察像Ａ４８を視認可能な状態で、レーザー画像をも視認できる、最も眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面に近い位置が最近接視認位置として採用される。同様に、観察像Ｂ４９を視認可能な状態で、レーザー画像をも視認できる最も眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面から遠い位置が最遠視認位置として採用される。
【００３１】
測定は、以下の条件により行った。図３において、測定面３１０は、観察者右眼５０Ｒの表面から１００ｍｍ離れた位置に配置した。表示装置１のレーザー光束３１１のスポットは、測定面３１０において、直径０．２ｍｍ（半径０．１ｍｍ）に固定した。表示装置１から投射されるレーザー画像は、この半径０．１ｍｍのスポット中心間距離を変えた２つのレーザー光束スポットである。眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）の状態を調節し、この２つのレーザー光束スポットを２点として認識できる最近接視認位置と最遠視認位置を調べた。スポット半径ｒを０．１ｍｍに固定し、スポット中心間距離Ｌを変えた場合の測定結果を表２に示す。表２中の「×」とは、２つのレーザー光束スポットを２点として認識できなかったことを表す。
【００３２】
【表２】
【００３３】
又、表２から明らかであるように、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒ（スポット中心間距離とスポット半径の比）が２．０３以上の場合には、顕著に視認可能範囲が大きいことがわかる。スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒが２．０２以下の場合には、視認可能範囲は測定誤差程度になり、ほとんど認められなかった。
【００３４】
スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒの値を大きくすればするほど視認可能範囲が広がることになるが、スポットの集合を一つの画像、文字、あるいは記号と認識することを考えると、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒは１００以上の値をとることはないであろう。
【００３５】
次に、レーザー光束３１１のスポット間位置を、距離ではなく図２（ｂ）に示す中心間角度ωで測定する。表３に、スポット直径の見込み角の半分θを約３．４分に固定し、スポット中心間角度ωを変えた場合の測定結果を示す。表３中の「×」とは、２つのレーザー光束スポットを２点として認識できなかったことを表す。
【００３６】
【表３】
【００３７】
スポット見込み角中心間角度比ω／θの値を大きくすればするほど視認可能範囲が広がることになるが、スポットの集合を一つの画像、文字、あるいは記号と認識することを考えると、スポット見込み角中心間角度比ω／θは１００以上の値をとることはないであろう。
【００３８】
第１の実施の形態では、測定面３１０を眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面から１００ｍｍの位置に固定して測定を行ったが、それ以上若しくはそれ以下の距離における面での測定を行った場合は、１００ｍｍの位置での測定における値になるように補完して評価を行う。
【００３９】
第１の実施の形態に係る表示装置１を用いて、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒあるいはスポット見込み角中心間角度比ω／θを２．０３以上に固定したレーザー光束３１１を投射することにより、観察者がどのような眼球調節状態にあっても、高い視認性を得ることができる。又、第１の実施の形態に係る表示装置１によると、観察者の眼球調節機能の個人差にも対応でき、装置の調整に関するコスト低減にもつながる。
【００４０】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態に係る表示装置１は、観察者の視線上に配置され、直接、レーザー画像を観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の網膜上に結像する直接投射型表示装置であるが、第２の実施の形態に係る表示装置２は、観察者の視線上に配置された反射面５１０にレーザー画像を投射し、間接的に観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の網膜上に結像する間接投射型表示装置である。即ち、本発明の第２の実施の形態に係る表示装置２は、図４に示すように、レーザー光源３１、第１走査手段３５、第２走査手段３６、投射用レンズ光学系３７を備えている。更に、表示装置２は、収束用レンズ光学系３２、半透過鏡３３、強度計３４、減光フィルター３８を備えている。これらは、第１の実施の形態に係る表示装置１と同様の構成であるので、ここでは説明を省略する。
【００４１】
第２の実施の形態においては、図４の最終段の投射用レンズ光学系３７により、反射面５１０を介して、レーザー画像は観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に向けて投射される。これにより、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）から臨む画像の視野が決定される。ここで、投射用レンズ光学系３７を用いずに、反射面５１０を曲面加工し、観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に集光させることも可能である。又、投射用レンズ光学系３７を用いつつ、曲面加工を施した反射面５１０を同時に用いることも可能である。レーザーによる走査範囲が広くなり、一つのレンズ系や一つの曲面反射面などでは補正しきれない状況においては、投射用レンズ光学系３７、曲面化した反射面５１０等を複合的に用いることが必要である。
【００４２】
レーザー光源３１から投射されたレーザー光束３１１は、収束用レンズ光学系３２により収束され、強度計３４によるモニタのため半透過鏡３３により分岐され、第１走査手段３５、第２走査手段３６により２方向に走査され、投射用レンズ光学系３７により眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に向けられ、減光フィルター３８により減光される。その後、レーザー光束３１１は反射面５１０に反射され、観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の網膜上にレーザー画像が結像される。
【００４３】
第２の実施の形態に係る表示装置２によると、レーザーの投射方向、レーザー強度を任意に調節し、図４に示す反射面５１０を介してレーザーの走査画像を観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の網膜上に結像させることができる。又、表示装置２の本体は視線上から離れた位置に設置されるので、観察者の前面を遮らないという利点がある。更に、反射面５１０を半透過性の材質にすることにより、表示装置２からのレーザー画像と反射面５１０の背面からの画像情報を重ねて観察することも可能である。
【００４４】
ここで、反射面５１０に投射される２点のレーザー光束スポット間の測定を行った。図５は、反射面５１０上におけるレーザー光束３１１によるスポット像を眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）側より臨んだ模式図である。図５（ａ）では、図２（ａ）と同様に、スポット半径ｒを固定し、スポット中心間距離Ｌの値を変化させ、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒを測定することを示す。図５（ｂ）では、図２（ｂ）と同様に、スポット直径に対する見込み角の半分θを固定し、スポット中心間角度ωの値を変化させ、スポット見込み角中心間角度比ω／θを測定することを示す。
【００４５】
図６は、第２の実施の形態に係る表示装置２を用いて、観察者３９が測定を行う様子を上から見た模式図である。観察者右眼５０Ｒの視線延長上に、反射面５１０が設置される。表示装置２からの入射光４５は、反射面５１０に反射され、観察者右眼５０Ｒに投射される。観察者右眼５０Ｒと観察者左眼５０Ｌはついたて４６によって仕切られ、それぞれの眼の観察像はお互いに遮蔽されている。観察者左眼５０Ｌの観察者左眼視線４７上には観察者左眼５０Ｌの調節を恣意的に行うための画像として、観察像Ａ（最近接視認位置）４８と観察像Ｂ（最遠視認位置）４９を配置した。観察像Ａ４８、観察像Ｂ４９は、それぞれ、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）の最近接視認位置、最遠視認位置を確定する際の眼球調節を行う観察像となる。第２の実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）へのレーザー画像の投射とともに、観察者３９は、観察像Ａ４８を視認する。観察像Ａ４８を視認可能な状態で、レーザー画像をも視認できる、
最も眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面に近い位置が最近接視認位置として採用される。同様に、観察像Ｂ４９を視認可能な状態で、レーザー画像をも視認できる最も眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面から遠い位置が最遠視認位置として採用される。
【００４６】
測定は、以下の条件により行った。図６において、反射面５１０は、観察者右眼５０Ｒの表面から１００ｍｍ離れた位置に配置した。表示装置２のレーザー光束３１１のスポットは、反射面５１０において、直径０．２ｍｍ（半径０．１ｍｍ）に固定した。表示装置２から投射されるレーザー画像は、この半径０．１ｍｍのスポット中心間距離を変えた２つのレーザー光束スポットである。眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）の状態を調節し、この２つのレーザー光束スポットを２点として認識できる最近接視認位置と最遠視認位置を調べた。スポット半径ｒを０．１ｍｍに固定し、スポット中心間距離Ｌを変えた場合の測定結果を表４に示す。表４中の「×」とは、２つのレーザー光束スポットを２点として認識できなかったことを表す。
【００４７】
【表４】
【００４８】
スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒの値を大きくすればするほど視認可能範囲が広がることになるが、スポットの集合を一つの画像、文字、あるいは記号と認識することを考えると、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒは１００以上の値をとることはないであろう。
【００４９】
次に、レーザー光束３１１のスポット間位置を、距離ではなく図５（ｂ）に示す中心間角度ωで測定する。表５に、スポット直径の見込み角の半分θを約３．４分に固定し、スポット中心間角度ωを変えた場合の測定結果を示す。表５中の「×」とは、２つのレーザー光束スポットを２点として認識できなかったことを表す。
【００５０】
【表５】
【００５１】
スポット見込み角中心間角度比ω／θの値を大きくすればするほど視認可能範囲が広がることになるが、スポットの集合を一つの画像、文字、あるいは記号と認識することを考えると、スポット見込み角中心間角度比ω／θは１００以上の値をとることはないであろう。
【００５２】
第２の実施の形態では、反射面５１０を眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面から１００ｍｍの位置に固定して測定を行ったが、それ以上若しくはそれ以下の距離における面での測定を行った場合は、１００ｍｍの位置での測定における値になるように補完して評価を行う。
【００５３】
第２の実施の形態に係る表示装置２を用いて、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒあるいはスポット見込み角中心間角度比ω／θを２．０３以上に固定したレーザー光束３１１を投射することにより、観察者がどのような眼球調節状態にあっても、高い視認性を得ることができる。又、第２の実施の形態に係る表示装置２によると、観察者の眼球調節機能の個人差にも対応でき、装置の調整に関するコスト低減にもつながる。
【００５４】
（その他の実施の形態）
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００５５】
例えば、本発明の第１及び第２の実施の形態において、表示装置１、２の形状は特に規定していないが、頭部に装着するヘッドマウントディスプレイの表示装置として搭載しても構わないし、ポータブルコンピュータや携帯電話に使用される表示装置として搭載しても構わない。
【００５６】
又、本発明の第１及び第２の実施の形態に係る表示装置１、２において、第１走査手段３５の後段に第２走査手段３６を配置したが、この順序は逆でも構わない。
【００５７】
又、本発明の第２の実施の形態において、反射面５１０は、表示装置２に含まれないと記述したが、反射面５１０を含んで表示装置２としても構わない。
【００５８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によると、レーザーの走査画像を観察者の眼球の網膜に直接結像し、観察者の眼球の焦点位置に依存しない視認性の高い表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施に形態に係る直接投射型の表示装置のブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施に形態に係る表示装置の測定面におけるレーザー光束像の模式図である。
【図３】本発明の第１の実施に形態に係る表示装置を用いた測定例である。
【図４】本発明の第２の実施に形態に係る間接投射型の表示装置のブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施に形態に係る表示装置の反射面におけるレーザー光束像の模式図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る表示装置を用いた測定例である。
【図７】結像の模式図（近軸近似）である。
【図８】眼球結像の模式図（近軸近似）である。
【符号の説明】
１、２ 表示装置
１０ 物
１１ 像
３１ レーザー光源
３２ 収束用レンズ光学系
３３ 半透過鏡
３４ 強度計
３５ 第１走査手段
３６ 第２走査手段
３７ 投射用レンズ光学系
３８ 減光フィルター
３９ 観察者
３１０ 測定面
３１１ レーザー光束
４５ 入射光
４６ ついたて
４７ 観察者左眼視線
４８ 観察像Ａ（最近接視認位置）
４９ 観察像Ｂ（最遠視認位置）
５０Ｒ 観察者右眼
５０Ｌ 観察者左眼
５１０ 反射面
Claims (3)
- 眼球の視線上に設けられる測定用の測定面に対して、スポット半径ｒでスポット中心間距離Ｌの隣り合う２点のスポットを生じるレーザー光束を投射するレーザー光源と、
前記レーザー光束を一定の方向で走査する第１走査手段と、
前記レーザー光束を前記第１走査手段と異なる方向で走査する第２走査手段と、
前記第１走査手段及び前記第２走査手段で走査した前記レーザー光束を前記眼球に投射する投射用レンズ光学系とを備え、
前記第１走査手段及び前記第２走査手段は、前記眼球と前記投射用レンズ光学系との間に設けられる前記測定面において、前記スポット中心間距離Ｌを前記スポット半径ｒで割ったスポット半径中心間距離比Ｌ／ｒが２．０３以上になるように、前記レーザー光束を走査することを特徴とする表示装置。 - 眼球の視線上に設けられる測定用の測定面に対して、スポット直径の見込み角の半分θでスポット中心間角度ωの隣り合う２点のスポットを生じるレーザー光束を投射するレーザー光源と、
前記レーザー光束を一定の方向で走査する第１走査手段と、
前記レーザー光束を前記第１走査手段と異なる方向で走査する第２走査手段と、
前記第１走査手段及び前記第２走査手段で走査した前記レーザー光束を前記眼球に投射する投射用レンズ光学系とを備え、
前記第１走査手段及び前記第２走査手段は、前記眼球と前記投射用レンズ光学系との間に設けられる前記測定面において、前記スポット中心間角度ωを前記スポット直径の見込み角の半分θで割ったスポット見込み角中心間角度比ω／θが２．０３以上になるように、前記レーザー光束を走査することを特徴とする表示装置。 - 眼球の視線上の反射面に対して、スポット半径ｒでスポット中心間距離Ｌの隣り合う２点のスポットを生じるレーザー光束を投射するレーザー光源と、
前記レーザー光束を一定の方向で走査する第１走査手段と、
前記レーザー光束を前記第１走査手段と異なる方向で走査する第２走査手段と、
前記第１走査手段及び前記第２走査手段で走査した前記レーザー光束を前記反射面に反射させ前記眼球に投射する投射用レンズ光学系とを備え、
前記第１走査手段及び前記第２走査手段は、前記スポット中心間距離Ｌを前記スポット半径ｒで割ったスポット半径中心間距離比Ｌ／ｒが２．０３以上になるように、前記レーザー光束を走査することを特徴とする表示装置。
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