JP4045432B2

JP4045432B2 - Wavefront curvature modulation device and image display device provided with wavefront curvature modulation device

Info

Publication number: JP4045432B2
Application number: JP2003028909A
Authority: JP
Inventors: 光由渡▲なべ▼; 祥治山田
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2023-02-05
Also published as: JP2003302601A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光束の波面曲率を変調し、その波面曲率が変調された光束を走査して眼の網膜に直接画像を投影する波面曲率変調装置及び波面曲率変調装置を備えた画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年レーザ、ＬＥＤ等の光源が発する微弱な光束を２次元光走査装置で走査して観察者の瞳孔に投入することにより網膜上に直接描画を行う、いわゆる網膜走査型ディスプレイと呼ばれる装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この網膜走査型ディスプレイは、例えば、眼鏡と同様に観察者の頭部に装着して使用するように構成されており、高精細で画角の大きな画像を提供することができる。このような網膜走査型ディスプレイには、観察者の眼に入射する画像の奥行きを表現する手段として、発生された光束の波面曲率を変調する波面曲率変調装置が設けられている。
【０００３】
ここで、波面曲率について説明する。光源から発した光は、光源を中心とした全方位に等速、同位相で進む光の波、いわゆる等位球面波として伝搬されるが、光源と観察者との距離に応じてその球面波の持つ曲率半径が異なってくる。光源が近ければ曲率半径の小さい像として、また、光源が遠ければ曲率半径の大きい像として観察者の眼に入射される。観察者はピント合わせ動作を介してこの曲率半径のずれを認識し、遠近感を感じることができる。波面曲率変調装置は、光源が任意の距離に存在するかのように観察者の眼に入射することができ、自然な立体視を可能としている。
【０００４】
上記特許文献１に記載の波面曲率変調装置（波面曲率変調手段）では、圧電板へ制御電圧を印加して圧電板を変形し、圧電板に設けられている反射膜における光束の反射の前後で、その光束の波面曲率を変化させていた。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２８７４２０８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成による波面曲率変調装置よりも、より高い動作周波数で波面曲率の変調を行うことができる波面曲率変調装置が求められていた。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、高速な波面曲率の変調を行うことのできる波面曲率変調装置及び波面曲率変調装置を備えた画像表示装置を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の波面曲率変調装置は、互いに異なる波面曲率を有する光束を発生する複数の光束発生手段と、当該複数の光束発生手段によって発生された複数の光束のうち少なくとも１つの光束を選択する光束選択手段とを備えている。
【０００９】
この構成の波面曲率変調装置では、複数の光束発生手段が、互いに異なる波面曲率を有する光束をそれぞれ発生し、光束選択手段が、発生された複数の光束のうち少なくとも１つの光束を選択することができる。
【００１０】
また、請求項２に係る発明の波面曲率変調装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記光束選択手段は、前記複数の光束発生手段によって発生された複数の光束をそれぞれ独立に強度変調もしくは遮断する光束強度変調手段を備えている。
【００１１】
この構成の波面曲率変調装置では、請求項１に係る発明の作用に加え、光束選択手段の光束強度変調手段が、複数の光束発生手段によって発生された複数の光束をそれぞれ独立に強度変調もしくは遮断することができる。
【００１２】
また、請求項３に係る発明の波面曲率変調装置は、請求項１又は２に記載の発明の構成に加え、前記複数の光束発生手段によって発生された複数の光束を同軸上に合成する光束合成手段を備えている。
【００１３】
この構成の波面曲率変調装置では、請求項１又は２に係る発明の作用に加え、光束合成手段が、複数の光束発生手段によって発生された複数の光束を同軸上に合成することができる。
【００１４】
また、請求項４に係る発明の波面曲率変調装置は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の構成に加え、前記光束選択手段は前記複数の光束の選択を行う光スイッチを備えたことを特徴とする構成となっている。
【００１５】
この構成の波面曲率変調装置では、請求項１乃至３の何れかに係る発明の作用に加え、光束選択手段の光スイッチが、複数の光束の選択を行うことができる。
【００１６】
また、請求項５に係る発明の波面曲率変調装置は、請求項１乃至４の何れかに記載の発明の構成に加え、前記複数の光束の波面曲率をそれぞれ独立に調整もしくは変調可能な波面曲率調整手段を備えている。
【００１７】
この構成の波面曲率変調装置では、請求項１乃至４の何れかに係る発明の作用に加え、波面曲率調整手段が、複数の光束の波面曲率をそれぞれ独立に調整もしくは変調することができる。
【００１８】
また、請求項６に係る発明の波面曲率変調装置は、請求項５に記載の発明の構成に加え、前記波面曲率調整手段は、前記複数の光束によって波面の曲率半径を無限大から約１０ｃｍまでの領域に変調もしくは調整可能であることを特徴とする構成となっている。
【００１９】
この構成の波面曲率変調装置では、請求項５に係る発明の作用に加え、波面曲率調整手段は、発生された互いに異なる波面曲率を有する複数の光束によって、波面の曲率半径を無限大から約１０ｃｍまでの領域に変調もしくは調整することができる。
【００２０】
また、請求項７に係る発明の波面曲率変調装置は、請求項１乃至６の何れかに記載の発明の構成に加え、前記異なる波面曲率を有する複数の光束のそれぞれが、複数の波長の光束の集合体であることを特徴とする構成となっている。
【００２１】
この構成の波面曲率変調装置では、請求項１乃至６の何れかに係る発明の作用に加え、異なる波面曲率を有する複数の光束のそれぞれが、複数の波長の光束の集合体であるので、複数の波長からなる光束の波面曲率を調整もしくは変調することができる。
【００２２】
また、請求項８に係る発明の波面曲率変調装置は、請求項１乃至７の何れかに記載の発明の構成に加え、前記光束発生手段は、少なくとも１つの光源から出射される光束を複数の光束に分離する光束分離手段と、当該分離された複数の光束をそれぞれ異なる波面曲率を有する光束に変換する光束変換手段とを備えている。
【００２３】
この構成の波面曲率変調装置では、請求項１乃至７の何れかに係る発明の作用に加え、光束発生手段の光束分離手段が、少なくとも１つの光源から出射される光束を複数の光束に分離し、光束変換手段が、分離された複数の光束をそれぞれ異なる波面曲率を有する光束に変換することができる。
【００２４】
また、請求項９に係る発明の波面曲率変調装置は、請求項１乃至７の何れかに記載の発明の構成に加え、前記光束発生手段は、複数の光束をそれぞれ発生する複数の光源と、当該複数の光源によって発生された複数の光束を、それぞれ異なる波面曲率を有する光束に変換する複数の光束変換手段とを備えている。
【００２５】
この構成の波面曲率変調手段では、請求項１乃至７の何れかに係る発明の作用に加え、複数の光源からそれぞれ発生された光束を、その各光束にそれぞれ対応した光束変換手段によってそれぞれ異なる波面曲率を有する光束に変換することができる。
【００２６】
また、請求項１０に係る発明の画像表示装置は、請求項１乃至９の何れかに記載の波面曲率変調装置を備えている。
【００２７】
この構成の画像表示装置では、請求項１乃至９の何れかに記載の波面曲率変調装置を備えているので、光束の波面曲率を変調できる。
【００２８】
また、請求項１１に係る発明の画像表示装置は、請求項１０に記載の発明の構成に加え、前記波面曲率変調装置から出射される光束を走査する光走査手段と、当該光走査手段によって走査された光束を観察者の瞳孔に入射させる光学手段とを備えている。
【００２９】
この構成の画像表示装置では、請求項１０に係る発明の作用に加え、光走査手段が、波面曲率変調装置から出射される光束を走査し、光学手段が、光走査手段によって走査された光束を観察者の瞳孔に入射させることができる。
【００３０】
また、請求項１２に係る発明の画像表示装置は、請求項１０又は１１に記載の発明の構成に加え、観察者の視点を想定した仮想視点からの距離が異なる複数の仮想投影面上にそれぞれ２次元画像を投影することで３次元画像を表現する仮想投影手段を備えている。
【００３１】
この構成の画像表示装置では、請求項１０又は１１に係る発明の作用に加え、仮想投影手段が、観察者の視点を想定した仮想視点からの距離が異なる複数の仮想投影面上にそれぞれ２次元画像を投影することで３次元画像を表現することができる。
【００３２】
また、請求項１３に係る発明の画像表示装置は、請求項１２に記載の発明の構成に加え、前記複数の仮想投影面の任意の１つに観察者のピント調整がされた場合、前記仮想視点からみた前記仮想投影面の前後に位置する２つの前記仮想投影面のそれぞれのピントのずれの差に基づくボケ量がほぼ同一となるように仮想投影面間の距離が設定されていることを特徴とする構成となっている。
【００３３】
この構成の画像表示装置では、請求項１２に係る発明の作用に加え、複数の仮想投影面の任意の１つに観察者のピント調整がされた場合、仮想視点からみた仮想投影面の前後に位置する２つの仮想投影面のそれぞれのピントのずれの差に基づくボケ量がほぼ同一となるように仮想投影面間の距離が設定されているので、それぞれの仮想投影面間の遠近感の差を自然に表現することができる。
【００３４】
また、請求項１４に係る発明の画像表示装置は、請求項１２に記載の発明の構成に加え、前記複数の仮想投影面の任意の１つに観察者のピント調整がされた場合、当該仮想投影面に隣接する仮想投影面のボケ量が観察者の視覚分解能とほぼ一致するように仮想投影面間の距離が設定されていることを特徴とする構成となっている。
【００３５】
この構成の画像表示装置では、請求項１２に係る発明の作用に加え、複数の仮想投影面の任意の１つに観察者のピント調整がされた場合、仮想投影面に隣接する仮想投影面のボケ量が観察者の視覚分解能とほぼ一致するように仮想投影面間の距離が設定されているので、表現したい遠近感にあわせて効率よく仮想投影面の配置を設定することができる。
【００３６】
また、請求項１５に係る発明の画像表示装置は、請求項１２乃至１４の何れかに記載の発明の構成に加え、前記仮想投影手段は、前記複数の仮想投影面上に投影される２次元画像に加え、奥行き情報を含む画像データもしくはポリゴンデータに基づく画像を前記仮想投影面上に投影することを特徴とする構成となっている。
【００３７】
この構成の画像表示装置では、請求項１２乃至１４の何れかに係る発明の作用に加え、仮想投影手段が、複数の仮想投影面上に投影される２次元画像に加え、奥行き情報を含む画像データもしくはポリゴンデータに基づく画像を仮想投影面上に投影することができる。
【００３８】
また、請求項１６に係る発明の画像表示装置は、請求項１２乃至１５の何れかに記載の発明の構成に加え、前記仮想視点から観察した３次元画像の任意の部位を、当該任意の部位と前記仮想視点との間の距離に対応したそれぞれの前記仮想投影面上に投影することを特徴とする構成となっている。
【００３９】
この構成の画像表示装置では、請求項１２乃至１５の何れかに係る発明の作用に加え、仮想視点から観察した３次元画像の任意の部位を、任意の部位と仮想視点との間の距離に対応したそれぞれの仮想投影面上に投影することができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る波面曲率変調装置の一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、本発明に係る波面曲率変調装置１の構成について、図１乃至図５を参照して説明する。図１は、波面曲率変調装置１の構成を示す構成図である。図２は、光束発生手段１０の構成を示す構成図である。図３は、第１の実施の形態の光束選択手段２０の構成を示す構成図である。図４は、第２の実施の形態の光束選択手段２０の構成を示す構成図である。図５は、第３の実施の形態の光束選択手段２０の構成を示す構成図である。
【００４１】
まず、図１に示すように、波面曲率変調装置１は、４種類のそれぞれ波面曲率の異なる光束を発生する光束発生手段１０と、光束発生手段１０で発生された光束が入射され、入射された光束のうち少なくとも１つを選択して外部に出射する光束選択手段２０とから構成される。光束発生手段１０は、略平行な光束を発生する光源１１と、波面曲率ａの光束Ａを発生する光束Ａ発生部２と、波面曲率ｂの光束Ｂを発生する光束Ｂ発生部３と、波面曲率ｃの光束Ｃを発生する光束Ｃ発生部４と、波面曲率ｄの光束Ｄを発生する光束Ｄ発生部５とで構成される。光束発生手段１０から出射された光束Ａ〜Ｄは光束選択手段２０に入射され、そのうちの少なくとも１つ、例えば波面曲率ｂの光束Ｂが、光束選択手段２０から選択的に出射される構成となっている。
【００４２】
次に、図２に示すように、光束発生手段１０には、略平行な光束を発生する光源１１と、光源１１から発せられた光束の一部を透過し一部を反射する部分透過ミラー１２と、部分透過ミラー１２によって透過された光束の波面曲率を変調するレンズ列１３とが、それぞれＸ軸方向の同軸上に設けられており、光束Ａ発生部２は、部分透過ミラー１２とレンズ列１３とで構成されている。また、部分透過ミラー１２に反射される光束の光軸上（Ｙ軸方向）には、部分透過ミラー１４と、部分透過ミラー１６と、全反射ミラー１８とが設けられている。さらに、部分透過ミラー１４，１６にそれぞれ反射される光束の光軸上（Ｘ軸方向）には、光束の波面曲率を変調するレンズ列１５，１７がそれぞれ設けられている。光束Ｂ発生部３は、部分透過ミラー１４とレンズ列１５とで、光束Ｃ発生部４は、部分透過ミラー１６とレンズ列１７とでそれぞれ構成されている。また、全反射ミラー１８が反射する光束の光軸上には、光束の波面曲率を変調するレンズ列１９が設けられている。光束Ｄ発生部５は、全反射ミラー１８とレンズ列１９とで構成されている。尚、部分透過ミラー１２，１４，１６と、全反射ミラー１８とが、本発明における光束分離手段であり、レンズ列１３，１５，１７，１９が、本発明の請求項８における光束変換手段である。
【００４３】
部分透過ミラー１２，１４，１６は、入射した光束の一部を透過し、一部を反射するハーフミラーである。部分透過ミラー１２は、−Ｘ方向から入射する光束の一部を＋Ｘ方向に透過し、一部を−Ｙ方向に反射する向きに、また、部分透過ミラー１４，１６は、＋Ｙ方向から入射する光束の一部を−Ｙ方向に透過し、一部を＋Ｘ方向に反射する向きにそれぞれ設けられている。また、全反射ミラー１８は、＋Ｙ方向から入射する光束を＋Ｘ方向に反射する向きに設けられている。
【００４４】
また、レンズ列１３，１５，１７，１９は、それぞれ焦点距離がｆの２つの凸レンズから構成されており、それぞれの凸レンズの主点間の距離がｆａ＋ｆ，ｆｂ＋ｆ，ｆｃ＋ｆ，ｆｄ＋ｆとなるように固定されている。そして、ｆａ〜ｆｄの関係が、以下の式を満たすように、それぞれの凸レンズは光束発生手段１０に設けられている。
ｆ＝ｆａ・・・（１）
ｆａ＞ｆｂ＞ｆｃ＞ｆｄ＞０・・・（２）
【００４５】
光源１１として利用するには、略平行な光束であるレーザ光を発することのできるレーザ光源が適しているが、ＬＥＤ等のその他の光源を利用することもできる。
【００４６】
次に、図３に示すように、第１の実施の形態の光束選択手段２０には、入射される光束Ａの光強度を変調する強度変調器２１と、強度変調器２１によって変調された光束Ａを全反射する全反射ミラー２５とが、光束Ａの光軸上（Ｘ軸方向）に設けられている。同様に入射される光束Ｂ，Ｃ，Ｄの光強度をそれぞれ変調する強度変調器２２，強度変調器２３，強度変調器２４と、変調された光束Ｂ，Ｃ，Ｄをそれぞれ反射または透過する合成ミラー２６，合成ミラー２７，合成ミラー２８とが、光束Ｂ，Ｃ，Ｄの光軸上（Ｘ軸方向）にそれぞれ設けられている。さらに、全反射ミラー２５に反射された光束Ａと、合成ミラー２６〜２８に反射された光束Ｂ〜Ｄとが合成されるように、全反射ミラー２５及び合成ミラー２６〜２８の位置が、Ｙ軸方向の同軸上に整列されている。尚、強度変調器２１〜２４が、本発明における光束強度変調手段であり、全反射ミラー２５と、合成ミラー２６〜２８とが、本発明における光束合成手段である。
【００４７】
強度変調器２１〜２４は、光変調器であり、光変調器は、電気信号を変換回路を介して光信号に変換するデバイスである。光変調器には、半導体レーザ等を用いて変調信号の変化をそのレーザ光の強度変化に変調する方式や、デバイスに入射した光束を変調し、変調した光束を出射する方式等がある。例えば強度変調器２１〜２４として後者の方式の音響光学効果を利用したＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator：音響光学変調器）等を用いれば、数百ＭＨｚの駆動周波数での光束の高速な変調が可能である。
【００４８】
合成ミラー２６〜２８は、その表面から入射した光束の一部を反射し、その裏面から入射した光束の一部を透過する。合成ミラー２６，２７は、＋Ｙ方向から入射した光束の一部を−Ｙ方向に透過し、−Ｘ方向から入射した光束の一部を−Ｙ方向に反射する向きにそれぞれ設けられている。また、合成ミラー２８は、＋Ｙ方向から入射した光束の一部を＋Ｘ方向に反射し、−Ｘ方向から入射した光束の一部を＋Ｘ方向に透過する向きに設けられている。全反射ミラー２５は、−Ｘ方向から入射した光束を−Ｙ方向に反射する向きに設けられている。
【００４９】
次に、図４に示すように、第２の実施の形態の光束選択手段２０には、入射される光束Ａ〜Ｄのそれぞれの光軸上（Ｘ軸方向）に、光束Ａ〜Ｄの反射方向をそれぞれ変更する光スイッチ３１、光スイッチ３２、光スイッチ３３、及び光スイッチ３４が設けられている。また、光スイッチ３１，３２，３３，３４で反射されたそれぞれの光束の光軸上（Ｙ軸方向）には、全反射ミラー３５，合成ミラー３６，合成ミラー３７，合成ミラー３８が設けられている。さらに、光束Ａ〜Ｄが、反射または透過して合成され、光束選択手段２０の光束の出射部位に設けられたスリット３９を介して出射されるように、全反射ミラー３５、合成ミラー３６〜３８、及びスリット３９の位置が、Ｘ軸方向の同軸上に整列されている。
【００５０】
光スイッチ３１〜３４には、例えばシリコンマイクロミラーアレイを用いることができ、その生産においてシリコン微細加工などの半導体プロセスによる生産が可能であり、光束選択手段２０の小型化、ひいては波面曲率変調装置１の小型化を図ることができる。
【００５１】
光スイッチ３１〜３４は、−Ｘ方向から入射した光束を−Ｙ方向に反射する向きにそれぞれ設けられている。また、光スイッチ３１〜３４は可動することができ、入射する光束の反射方向を変更することができる。また、全反射ミラー３５は、＋Ｙ方向から入射した光束を＋Ｘ方向に反射する向きに設けられている。合成ミラー３６〜３８は、その表面から入射した光束の一部を反射し、その裏面から入射した光束の一部を透過することができ、それぞれ＋Ｙ方向から入射した光束の一部を＋Ｘ方向に反射し、−Ｘ方向から入射した光束の一部を＋Ｘ方向に透過する向きに設けられている。スリット３９は、全反射ミラー３５及び合成ミラー３６〜３８によって合成される光束の光軸と同軸となる光束のみが通過できるようになっており、光スイッチ３１〜３４によって反射方向をずらされた光束は、このスリット３９を通過することができないようになっている。
【００５２】
次に、図５に示すように、第３の実施の形態の光束選択手段２０には、入射される光束Ａ〜Ｄのそれぞれの光軸上（Ｘ軸方向）に、固定ミラー４４、固定ミラー４５，固定ミラー４６、及び固定ミラー４７がそれぞれ設けられている。また、固定ミラー４４，４５がそれぞれ反射する光束Ａ，Ｂの光軸が同軸上（Ｙ軸方向）で重なるように固定ミラー４４，４５は整列され、さらにその同軸上に光スイッチ４１が設けられている。同様に、固定ミラー４６，４７と光スイッチ４２も、Ｙ軸方向の同軸上に整列されている。
【００５３】
光スイッチ４１，４２及び光スイッチ４３は、前述のシリコンマイクロミラーアレイ等で形成されており、高速な光束のスイッチングを可能としている。光スイッチ４１，４２はそれぞれ光束ＡまたはＢのいずれか一方，光束ＣまたはＤのいずれか一方を選択的に反射するようになっている。さらに、光スイッチ４１，４２のＸ軸方向の同軸上には、固定ミラー４８，固定ミラー４９がそれぞれ設けられている。そして、固定ミラー４８，４９がそれぞれ反射する光束の光軸が同軸上（Ｙ軸方向）で重なるように固定ミラー４８，４９は整列され、さらにその同軸上に光スイッチ４３が設けられている。光スイッチ４３もまた、固定ミラー４８または４９を介して入射された光束のうちいずれか一方を選択的に反射するようになっている。
【００５４】
固定ミラー４４，４６，４８は、−Ｘ方向から入射した光束を−Ｙ方向に反射する向きに、また、固定ミラー４５，４７，４９は、−Ｘ方向から入射した光束を＋Ｙ方向に反射する向きにそれぞれ設けられている。光スイッチ４１〜４３は、＋Ｙ方向または−Ｙ方向から入射される光束のうちいずれか一方を選択的に＋Ｘ方向に出射するように、その反射面の角度を変更することができるようになっている。
【００５５】
次に、図１乃至図５を参照して、各実施の形態の波面曲率変調装置１の動作について説明する。まず、第１の実施の形態の波面曲率変調装置１の動作について、図１乃至図３を参照して説明する。図２に示すように、光源１１で発生された光束は＋Ｘ方向に出射され、光束Ａ発生部２の部分透過ミラー１２に入射される。部分透過ミラー１２は、入射した光束の一部を＋Ｘ方向に透過し、一部を−Ｙ方向に反射する。＋Ｘ方向に透過された光束はレンズ列１３に入射し、その波面曲率を変調され、＋Ｘ方向に出射される。
【００５６】
レンズ列１３を構成する焦点距離ｆの２つの凸レンズは、その主点間の距離がｆａ＋ｆとなっており、数式（１）においてｆａがｆと等しくなるように定義されている。すなわち、２つの凸レンズの主点間の距離は凸レンズの焦点距離ｆの２倍であり、−Ｘ方向から１の凸レンズに入射した光束はその中間位置で焦点を結び、２の凸レンズに入射する。２つの凸レンズの仕様は同一であり、１の凸レンズを通過し距離ｆで焦点を結んだ光束がその収束角度と同じ広がり角度をもって距離ｆの２の凸レンズに入射すると、２の凸レンズを通過した光束は１の凸レンズに入射する前の光束と同じ広がり幅の光束（光束Ａ）となって光束Ａ発生部２から出射される。この場合、光源１１から発せられた光束が略平行な光束であるので、その波面曲率ａは平行光の場合の値（ほぼ０に等しい）をとる。
【００５７】
ところで、波面曲率は、曲率半径の逆数である。平行光の曲率半径はほぼ無限大に等しいので、その逆数である波面曲率はほぼ０に等しくなる。
【００５８】
また、部分透過ミラー１２で反射された光束は−Ｙ方向に進み、光束Ｂ発生部３の部分透過ミラー１４に入射される。部分透過ミラー１４は、入射した光束の一部を＋Ｘ方向に反射し、一部を−Ｙ方向に透過する。＋Ｘ方向に反射された光束はレンズ列１５に入射し、その波面曲率が変調され、＋Ｘ方向に出射される。
【００５９】
レンズ列１５を構成する焦点距離ｆの２つの凸レンズは、その主点間の距離がｆｂ＋ｆとなっており、数式（２）においてｆｂは、ｆより小さく０より大きい値として定義されているので、２つの凸レンズの主点間の距離は凸レンズの焦点距離ｆより大きく２ｆより小さい。−Ｘ方向から１の凸レンズに入射した光束は、１の凸レンズから距離ｆの位置で焦点を結び、２の凸レンズに入射する。１の凸レンズを通過し距離ｆで焦点を結んだ光束がその収束角度と同じ広がり角度をもって距離ｆより近い距離ｆｂの位置にある２の凸レンズに入射すると、２の凸レンズはその光束を１の凸レンズに入射する前の光束と同じ平行光に屈折することができず、広がり角度を有する波面曲率ｂの光束Ｂとして光束Ｂ発生部３から出射される。光束Ｂは広がり角度をもち、ほぼ平行光の光束Ａより曲率半径が小さいので、波面曲率ｂは波面曲率ａより大きい値となる。
【００６０】
また、部分透過ミラー１４で透過された光束は−Ｙ方向に進み、光束Ｃ発生部４の部分透過ミラー１６に入射される。部分透過ミラー１６は、部分透過ミラー１４と同様に、入射した光束の一部を＋Ｘ方向に反射し、一部を−Ｙ方向に透過する。さらに、部分透過ミラー１６で透過された光束は−Ｙ方向に進み、光束Ｄ発生部５の全反射ミラー１８に入射される。全反射ミラー１８は、＋Ｙ方向から入射した光束を＋Ｘ方向に反射する。部分透過ミラー１６，全反射ミラー１８で＋Ｘ方向に反射された光束は、それぞれレンズ列１７，１９に入射し、その波面曲率が調整され、＋Ｘ方向に出射される。
【００６１】
光束Ｃ発生部４，光束Ｄ発生部５は、入射した光束の波面曲率をレンズ列１７，１９を利用してそれぞれ調整している。その調整の方法は前述の光束Ｂ発生部３の場合と同様であり、それぞれのレンズ列１７，１９に入射した光束は、各々が有する２つの凸レンズの間の距離ｆｃ＋ｆ，距離ｆｄ＋ｆに応じて波面曲率ｃの光束Ｃ，波面曲率ｄの光束Ｄにそれぞれ調整され、光束Ｃ発生部４，光束Ｄ発生部５より各々出射される。また、数式（１），（２）より、
波面曲率ａ＜波面曲率ｂ＜波面曲率ｃ＜波面曲率ｄ
の関係が満たされ、光束発生手段１０からは、それぞれが異なる波面曲率を有する４つの光束として出射されることとなる。
【００６２】
ところで、網膜上に投影されたピンボケ像の眼のピント調整機能による検出能力を考慮すると、波面曲率による表現が無段階に行われる必要はない。例えば、曲率半径が１０ｃｍ，５０ｃｍ，３ｍ，無限遠といった４段階程度の対数的に異なる波面曲率の光束を表現するだけでも、実質的に十分な波面曲率の変調の効果を得ることができる。
【００６３】
次に、図３に示すように、光束選択手段２０には、光束発生手段１０から出射された４つの光束Ａ〜Ｄが、−Ｘ方向より強度変調器２１〜２４にそれぞれ入射される。強度変調器２１〜２４は、図７に示す、光束選択手段駆動回路６３からの信号に基づいて動作され、通過する光束Ａ〜Ｄの光強度をそれぞれ変調する。強度変調器２１〜２４を通過して変調された光束Ａ〜Ｄは＋Ｘ方向に出射され、光束Ａは全反射ミラー２５に、光束Ｂ，Ｃは合成ミラー２６，２７にそれぞれ−Ｙ方向へ反射され、さらに同軸上で合成され、この合成された光束が、合成ミラー２８によって＋Ｘ方向に反射される。光束Ｄは合成ミラー２８を透過し、この合成された光束にマージされ、光束選択手段２０からの出射光、すなわち、図１に示す、波面曲率変調装置１からの出射光として＋Ｘ方向に出射される。
【００６４】
図３に示す例の場合、−Ｘ方向から入射する波面曲率ａの光束Ａ，波面曲率ｃの光束Ｃ，波面曲率ｄの光束Ｄが、図７に示す、光束選択手段駆動回路６３からの信号に基づき、強度変調器２１，２３，２４によってそれぞれ遮断され、＋Ｘ方向に出射されない。一方、波面曲率ｂの光束Ｂは、強度変調器２２に遮断されず、強度変調器２２から＋Ｘ方向に出射される。さらに、合成ミラー２６で反射されて−Ｙ方向に進み、合成ミラー２８で＋Ｘ方向に反射され、光束選択手段２０によって選択された波面曲率ｂの光束Ｂとして波面曲率変調装置１から出射される。
【００６５】
強度変調器２１〜２４は、入射する光束Ａ〜Ｄの光強度を遮断及び変調するが、それぞれ光強度の異なる光束としても出射できる。この場合、１つの光束に複数の異なる波面曲率を有する光束を合成して、波面曲率変調装置１から出射することができる。例えば、波面曲率ｂの光束Ｂと、波面曲率ｃの光束Ｃとを、その光強度を１対１として合成して出射すると、観察者は、光束Ｂ及びＣの波面曲率に対応した２つの仮想投影面の中間に仮想投影面があるかのように認識することができる。さらに、合成する光束の光強度の比率を任意に設定することで、任意の位置に仮想投影面があるかのように観察者に認識させることができる。従って、光束Ａ〜Ｄの光強度の比率を強度変調器２１〜２４によってそれぞれ調整し、変調された光束を合成して出射することによって、波面曲率の変化を実質無段階に調整するのと同じ効果が得られる。
【００６６】
尚、強度変調器の中には、前述のＡＯＭのように波面曲率に影響を与える可能性のあるものもある。この場合は、光束発生手段１０で発生された光束の波面曲率がＡＯＭを通過することによって乱されてしまう。これを防止するために、強度変調器２１〜２４を、光束発生手段１０中のレンズ列１３，１５，１７，１９と部分透過ミラー１２，１４，１６及び全反射ミラー１８との間に設置することもできる。この配置においても、異なった波面曲率を持つ光束を選択するための光束選択手段として同様の効果が得られる。また、強度変調器として、半導体レーザの直接変調を用いる場合においては、半導体レーザ光源自体が強度変調機能を持つため、必然的にレンズ列１３，１５，１７，１９の前段で強度変調を行う配置となる。
【００６７】
また、上記形態の他にも、図９に示すように、光源として４つの半導体レーザ光源１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを、それぞれ光束発生手段１０中のレンズ列１３，１５，１７，１９の光路上流側に配置することも可能である。すなわち、光束発生手段１０において、光束Ａ発生部２の光源として半導体レーザ光源１１ａを設け、これより出射される光束の光軸上にレンズ列１３を設ける。同様に、光束Ｂ発生部３，光束Ｃ発生部４，光束Ｄ発生部５のそれぞれに、半導体レーザ光源１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、レンズ列１４，１７，１９とを光軸が同じとなるように各々設ける。そして、前記同様、各半導体レーザ光源１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄより出射される光束の波面曲率を各レンズ列１３，１５，１７，１９で変調し、それぞれ波面曲率ａの光束Ａ，波面曲率ｂの光束Ｂ，波面曲率ｃの光束Ｃ，波面曲率ｄの光束Ｄとして光束発生手段１０より出射させ、光束選択手段２０に入射させる。この場合、各半導体レーザ光源１１ａ〜１１ｄより出射される光束の光強度をそれぞれ調節することで、光束選択手段２０における強度変調器２１〜２４（図３参照）の構成を省いても、光束選択手段２０からの出力は、上記同様の効果を得ることができる。尚、半導体レーザ光源１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが、本発明の請求項９における光源であり、レンズ列１３，１５，１７，１９が、本発明の請求項９における光束変換手段である。
【００６８】
次に、第２の実施の形態の波面曲率変調装置１について、図４を参照して説明する。第２の実施の形態の波面曲率変調装置１において、光束発生手段１０によって、光束が発生され、それぞれが異なる波面曲率を有する４つの光束に分離され、光束選択手段２０に対して出射されるまでの動作に関しては、前述の実施の形態の場合と同様である。
【００６９】
図４に示すように、光束選択手段２０には、光束発生手段１０から出射された４つの光束Ａ〜Ｄが、−Ｘ方向より光スイッチ３１〜３４にそれぞれ入射される。光スイッチ３１〜３４は、図７に示す、光束選択手段駆動回路６３からの信号に基づいて動作され、入射される光束Ａ〜Ｄの反射方向をそれぞれ調整する。光スイッチ３１〜３４に反射された光束Ａ〜Ｄは−Ｙ方向に進み、光束Ａは全反射ミラー３５に、光束Ｂ〜Ｄは合成ミラー３６〜３８によって、＋Ｘ方向にそれぞれ反射され、同軸上で合成される。この合成された光束はスリット３９を通過して、光束選択手段２０からの出射光、すなわち、図１に示す、波面曲率変調装置１からの出射光として＋Ｘ方向に出射される。
【００７０】
ここで、光スイッチ３１〜３４によって光束Ａ〜Ｄのいずれかの反射方向が変化された場合、その光束は、同軸上に整列されている全反射ミラー３５、合成ミラー３６〜３８、及びスリット３９と同じ軸上を通過できなくなる。スリット３９はこれら軸のずれた光束が通過されないように設けられているので、図７に示す、光束選択手段駆動回路６３からの信号に基づく光スイッチ３１〜３４による光束の反射方向の調整によって、光束選択手段２０から出射される光束を選択することができる。
【００７１】
図４に示す例の場合、−Ｘ方向から入射する波面曲率ａの光束Ａ，波面曲率ｃの光束Ｃ，波面曲率ｄの光束Ｄの−Ｙ方向への反射方向が、図７に示す、光束選択手段駆動回路６３からの信号に基づいて可動される光スイッチ３１，３３，３４によって変化される。さらに、全反射ミラー３５，合成ミラー３７，３８で＋Ｘ方向にそれぞれ反射された光束は、その光路がスリット３９を通過できる光束の軸とずれるため、スリット３９に遮られて光束選択手段２０から出射されない。一方、波面曲率ｂの光束Ｂは、その光路がスリット３９を通過できる光束の軸と同軸上で重なる方向に合成ミラー３６で反射されるように、光スイッチ３２によって−Ｙ方向に反射される。従って、光束Ｂはスリット３９を通過することができ、光束選択手段２０によって選択された波面曲率ｂの光束Ｂとして波面曲率変調装置１から出射される。
【００７２】
スリット３９は、通過する光束の軸がわずかにずれただけでもその通過を遮断することができるので、光スイッチ３１〜３４は、大きく可動する必要はない。また、全反射ミラー３５及び合成ミラー３６〜３８によって光束Ａ〜Ｄを合成することができるので、第１の実施の形態の場合と同様に、波面曲率変調装置１は合成した光束の波面曲率を表現することができる。
【００７３】
次に、第３の実施の形態の波面曲率変調装置１について、図５を参照して説明する。第３の実施の形態の波面曲率変調装置１において、光束発生手段１０によって、光束が発生され、それぞれが異なる波面曲率を有する４つの光束に分離され、光束選択手段２０に対して出射されるまでの動作に関しては、前述の実施の形態の場合と同様である。
【００７４】
図５に示すように、光束選択手段２０には、光束発生手段１０から出射された４つの光束Ａ〜Ｄが、−Ｘ方向より固定ミラー４４〜４７にそれぞれ入射される。固定ミラー４４，４６は、光束Ａ，Ｃを−Ｙ方向にそれぞれ反射し、固定ミラー４５，４７は、光束Ｂ，Ｄを＋Ｙ方向にそれぞれ反射する。光スイッチ４１は、固定ミラー４４，４５にそれぞれ反射された光束Ａ，Ｂのうちいずれか一方を＋Ｘ方向に反射するように、図７に示す、光束選択手段駆動回路６３からの信号に基づいて動作され、その選択された光束が、光スイッチ４１によって反射され、固定ミラー４８に入射される。同様に、光束Ｃ，Ｄのうちいずれか一方の選択された光束が光スイッチ４２によって反射され、固定ミラー４９に入射される。固定ミラー４８，４９は、−Ｘ方向から入射される光束を−Ｙ方向，＋Ｙ方向にそれぞれ反射する。そして、光スイッチ４３が、図７に示す、光束選択手段駆動回路６３からの信号に基づいて動作し、固定ミラー４８，４９にそれぞれ反射された光束のうち選択されたいずれか一方の光束を＋Ｘ方向に反射する。このように、光スイッチ４１〜４３によって選択的に光束選択手段２０を通過した光束は、光束選択手段２０からの出射光、すなわち、図１に示す、波面曲率変調装置１からの出射光として＋Ｘ方向に出射される。
【００７５】
図５に示す例の場合、−Ｘ方向から入射する波面曲率ａの光束Ａ，波面曲率ｄの光束Ｄは、光スイッチ４１，４２によってそれぞれ光路を絶たれ、光束選択手段２０を通過できない。また、光スイッチ４２で反射された波面曲率ｃの光束Ｃは、光スイッチ４３によって光路を絶たれ、光束選択手段２０を通過できない。一方、波面曲率ｂの光束Ｂは、光スイッチ４１，４３で反射され光路を進むことができ、光束選択手段２０によって選択された波面曲率ｂの光束Ｂとして波面曲率変調装置１から出射される。
【００７６】
以上説明したように、第１、第２及び第３の実施の形態の波面曲率変調装置１は、光束発生手段１０において、光源１１で発した光束を部分透過ミラー１２，１４，１６及び全反射ミラー１８によって４つの光束に分離し、レンズ列１３，１５，１７，１９によってそれぞれが異なる波面曲率ａ〜ｄを有する光束Ａ〜Ｄに変調する。さらに、第１の実施の形態の光束選択手段２０の場合、光束Ａ〜Ｄは、強度変調器２１〜２４によってそれぞれ変調され、全反射ミラー２５及び合成ミラー２６〜２８によって同軸上に光軸が重なった光束となるように合成され、光束Ａ〜Ｄのいずれかの光束が、光束選択手段２０から出射される。
【００７７】
また、第２の実施の形態の光束選択手段２０の場合、光束Ａ〜Ｄは、光スイッチ３１〜３４によってそれぞれその光路が変化され全反射ミラー３５及び合成ミラー３６〜３８によって合成される光束は、その変化された光路が、スリット３９を通過できる光束と同軸上で重なる光路であった場合にのみ、光束Ａ〜Ｄのいずれかの光束が、光束選択手段２０から出射される。
【００７８】
また、第３の実施の形態の光束選択手段２０の場合、光束Ａ〜Ｄは、固定ミラー４４〜４９及び光スイッチ４１〜４３によってそれぞれの光路が決定され、その光路が光スイッチ４１〜４３に遮断されなかった場合にのみ、光束Ａ〜Ｄのいずれかの光束が、光束選択手段２０から出射される。
【００７９】
尚、第２及び第３の実施の形態においては、まず光束を複数に分離した後、それぞれを異なる波面曲率を持つ光束とし、さらに光スイッチによって特定の光束を選択するという構成をとったが、必ずしもこの順番に限られるものではない。例えば、光スイッチを、異なる波面曲率を持った光束を発生する手段の前方に配置することも可能である。光ファイバーにカップリングされた光スイッチのように、波面曲率を維持したままスイッチングすることが困難なものも存在する。このような形式の光スイッチを用いる場合は、波面曲率を調整する手段よりも前方に配置することが必須となる。
【００８０】
尚、本発明の波面曲率変調装置１は、前記第１、第２及び第３の実施の形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。例えば、光束発生手段１０によって分離される光束は４つに限定する必要はない。また、光束発生手段１０は光源１１を有せず、外部で発生された光束を分離し、異なる波面曲率の光束に変調する手段であっても良い。
【００８１】
また、光束発生手段１０の各レンズ列１３，１５，１７，１９の変形例について、図６を参照して説明する。図６は、光束発生手段１０のレンズ列５０の変形例を示す図である。図６に示すように、光束発生手段１０のレンズ列５０は、焦点距離がｆの２つの凸レンズ５１，凸レンズ５３と、凸レンズ５１がＸ軸方向に変動可能になるように設けられた圧電アクチュエータ５２とからなる。凸レンズ５１は圧電アクチュエータ５２の駆動によって、その位置をＸ軸方向に移動することができるので、凸レンズ５３との間の距離を調整することができる。凸レンズ５１と凸レンズ５３との間の距離ｆｅ＋ｆは、
０＜ｆｅ≦ｆ
となる範囲で変動可能となるように定義されており、ほぼ平行光の入射光として−Ｘ方向から凸レンズ５１に入射する光束は、レンズ列５０を通過して凸レンズ５３から出射される場合、レンズ列１３，１５，１７，１９で説明したのと同様に、距離ｆｅ＋ｆに応じて波面曲率が変調された光束として出射される。例えばｆｅがｆと等しい場合は、レンズ列５０を通過して出射される光束は、入射光と同じ波面曲率を有する光束となる。また、ｆｅの値が小さくなるに従い、出射される光束の波面曲率は大きくなる。尚、このレンズ列５０が、本発明における波面曲率調整手段である。
【００８２】
レンズ列１３，１５，１７，１９としてレンズ列５０を利用することで、光束発生手段１０によって発生され変調される４つの光束は、その利用形態に合わせて波面曲率を変調することができるようになる。例えば、近距離のみからなる画像を提供する場合には、曲率半径が１０ｃｍ，３０ｃｍ，５０ｃｍ，１ｍの４つの光束を、また、遠距離が中心の画像を提供する場合には、曲率半径が１ｍ，３ｍ，５ｍ，無限大の４つの光束を発生させることで、きめ細かな遠近感の表現が実現できる。
【００８３】
次に、本発明に係る波面曲率変調装置を備えた画像表示装置の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図７は、画像表示装置８０の構成を示す構成図である。
【００８４】
まず、図７を参照して、画像表示装置８０の構成について説明する。図７に示すように、画像表示装置８０には、３次元の立体画像を解析してその奥行きに合わせて異なる２次元の平面画像を合成する仮想投影手段７７からの映像信号７８に基づいて、画像信号６８、奥行き信号６７、水平同期信号６９、及び垂直同期信号７０を発生する映像信号供給手段７１が設けられている。この映像信号供給手段７１からの画像信号６８、奥行き信号６７、水平同期信号６９及び垂直同期信号７０を受信して、波面曲率変調装置１の光束発生手段１０（図２参照）、波面曲率変調装置１の光束選択手段２０（図３参照）、水平走査光学系６０、及び垂直走査光学系６１をそれぞれ駆動する駆動電圧を発生する、光束発生手段駆動回路６４、光束選択手段駆動回路６３、水平走査系駆動回路６５、及び垂直走査系駆動回路６６がそれぞれ設けられている。
【００８５】
水平走査光学系６０には、入射した光束を水平方向に走査するポリゴンミラー（図示外）が設けられ、垂直走査光学系６１には、入射した光束を垂直方向に走査するガルバノミラー（図示外）が設けられている。また、水平走査光学系６０で走査された光束を垂直走査光学系６１に入射するための第１リレー光学系７５と、垂直走査光学系６１で走査された光束を観察者の眼６２に入射するための第２リレー光学系７６とが設けられている。波面曲率変調装置１と、水平走査光学系６０と、第１リレー光学系７５と、垂直走査光学系６１と、第２リレー光学系７６とは、波面曲率変調装置１で発生された光束が、水平走査光学系６０によって走査され、第１リレー光学系７５を介して入射した垂直走査光学系６１によって走査され、第２リレー光学系７６を介して観察者の眼６２に入射するようにそれぞれ配置されている。尚、水平走査光学系６０、及び垂直走査光学系６１が、本発明における光走査手段であり、第１リレー光学系７５、及び第２リレー光学系７６が、本発明における光学手段である。
【００８６】
次に、図７を参照して、画像表示装置８０の動作について説明する。図７に示すように、仮想投影手段７７からの映像信号７８を受信した映像信号供給手段７１は、受信した映像信号７８に基づいて、観察者の眼６２に入射する画像を形成するための各信号、すなわち奥行き信号６７、画像信号６８、水平同期信号６９及び垂直同期信号７０を発生する。光束発生手段駆動回路６４は、画像信号６８を受信すると、波面曲率変調装置１の光束発生手段１０（図２参照）を駆動するための駆動電圧を発生し、光束発生手段１０に印加する。光束発生手段１０は、この駆動電圧に基づいて光源１１より光束を発生し、前述のように、それぞれが異なる波面曲率を有する４つの光束に分離する。
【００８７】
次に、光束選択手段駆動回路６３は、奥行き信号６７を受信すると、波面曲率変調装置１の光束選択手段２０（図３参照）を駆動するための駆動電圧を発生し、光束選択手段２０に印加する。前述のように、光束選択手段２０はこの駆動電圧に基づいて強度変調器等を駆動し、光束発生手段１０より入射された４つの光束のうち少なくとも１つを選択し、波面曲率変調装置１からの出射光として水平走査光学系６０に対して出射する。
【００８８】
さらに、水平走査光学系６０は、波面曲率変調装置１より入射された光束を、ポリゴンミラー（図示外）で水平方向に走査する。ポリゴンミラーは水平走査系駆動回路６５で発生された駆動電圧に基づいて回転され、水平走査系駆動回路６５は、水平同期信号６９に基づいてポリゴンミラーの回転速度を調整するようにその駆動電圧を発生する。ポリゴンミラーで水平方向に走査された光束は、垂直走査光学系６１のガルバノミラー（図示外）に対して出射される。
【００８９】
次に、垂直走査光学系６１は、水平走査光学系６０より第１リレー光学系７５を介して入射された光束を、ガルバノミラーで垂直方向に走査する。ガルバノミラーは垂直走査系駆動回路６６で発生された駆動電圧に基づいて上下方向に振幅運動され、垂直走査系駆動回路６６は、垂直同期信号７０に基づいてガルバノミラーの振幅運動の速度を調整するようにその駆動電圧を発生する。ガルバノミラーで垂直方向に走査された光束は、第２リレー光学系７６を介して観察者の眼６２に対して出射され、その網膜上で結像することによって、観察者に画像の提供が行われる。
【００９０】
次に、図８を参照して、仮想投影手段７７における立体画像の処理について説明する。図８は、仮想投影手段７７において、３次元立体画像を仮想投影面に投影することで、画像提示位置の異なる２次元の画像情報の集合体を作成する情報処理を説明するための図である。尚、図８において、紙面の上下方向をＺ軸方向、左右方向をＸ軸方向、表裏方向をＹ軸方向とする。
【００９１】
図８に示すように、画像表示装置８０（図７参照）で立体画像を観察者の網膜上に投影するために、仮想投影手段７７（図７参照）では３次元物体モデル９０の解析が行われる。仮想投影手段７７では、例えば、３次元物体モデル９０の奥行き方向（Ｚ軸方向）に合わせて、Ｚ軸方向における、３つの仮想投影面ａ，仮想投影面ｂ，仮想投影面ｃが設定される。仮想投影面ａ〜ｃはＺ軸方向に垂直な平面（ＸＹ平面）であり、仮想投影面ａ，ｂのほぼ中間位置に設定された仮想分割面ｄと、仮想投影面ｂ，ｃのほぼ中間位置に設定された仮想分割面ｅとで３次元物体モデル９０をＺ軸方向に３分割する。
【００９２】
次に、仮想投影手段７７は、仮想視点８２からＸＹ平面に投影した３次元物体モデル９０を想定する。仮想視点８２は、観察者の網膜上に３次元物体モデル９０を投影する場合の、観察者が３次元物体モデル９０を見る位置として仮に想定する位置である。この仮想視点８２と３次元物体モデル９０との位置関係を再現した画像を観察者の眼に入射させることで、観察者に、あたかも仮想視点８２位置で３次元物体モデル９０を観察しているかのような錯覚をおこさせることができる。仮想投影手段７７は、仮想分割面ｅより仮想視点８２側に位置する３次元物体モデル９０の部分を、仮想視点８２から３次元物体モデル９０のその部分を仮想投影面ｃ上に投影した画像、すなわち投影された２次元画像８１ｃを作成する。同様に、仮想投影手段７７は、仮想分割面ｅと仮想分割面ｄとの間に位置する３次元物体モデル９０の部分を仮想投影面ｂ上に、また、仮想分割面ｄより＋Ｚ側に位置する３次元物体モデル９０の部分を仮想投影面ａ上に、それぞれ投影した画像、すなわち投影された２次元画像８１ｂ、投影された２次元画像８１ａを作成する。
【００９３】
さらに、仮想投影手段７７は、投影された２次元画像８１ａ〜８１ｃを、３つの異なる奥行きをもった１つの画像として処理し、処理内容に基づいて映像信号７８（図７参照）を発生し、映像信号供給手段７１（図７参照）に伝達する。以降、この映像信号７８が処理され観察者の網膜上に３次元物体モデル９０が投影されるまでの画像表示装置８０の動作については、前述の通りである。
【００９４】
尚、仮想投影面ａ〜ｃは３つでなくともよく、２つ、あるいは４つ以上の仮想投影面を設定してもよい。また、仮想投影面ａ〜ｃの位置は、３次元物体モデル９０のＺ軸方向の大きさに合わせて設定されるが、それぞれの仮想投影面間の距離は、この仮想投影面ａ〜ｃを合成した画像を観察者の網膜上に投影した場合、そのボケ量がピントのずれの差に基づいてほぼ同一となるように、３次元物体モデル９０の奥行き位置に合わせて設定してもよい。また、例えば、Ｚ軸方向において仮想投影面ｂの前後の仮想投影面ａ，ｃの、仮想投影面ｂに対する前記ボケ量が観察者の視覚分解能に基づいてほぼ一致するように設定してもよい。また、仮想投影手段７７からの映像信号７８と、外部からの映像信号（図示外）を映像信号供給手段７１においてマージして、そのマージされた映像信号に基づいた画像表示を行ってもよい。また、このマージする画像信号は、奥行き信号を含まない画像データに限られず、奥行き情報を含む画像データやポリゴンデータであってもよい。また、この画像表示装置８０に複数、例えば、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色を発生する３つの波面曲率変調装置１を設けてもよく、この場合、観察者の網膜上にカラーの画像を投影することができる。
【００９５】
尚、一般的な画像においては、各画素ごとではＲ，Ｇ，Ｂの３色の波面曲率は等しいので、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の光束を合成した後、波面曲率変調装置１に入射するという構成をとることも可能である。この構成においては波面曲率変調装置１を各色ごとに３つ用意する必要はなく、単色の場合と同様に１つでカラー画像の波面曲率変調を行うことができる。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明の波面曲率変調装置では、複数の光束発生手段が、互いに異なる波面曲率を有する光束をそれぞれ発生し、光束選択手段が、発生された複数の光束のうち少なくとも１つの光束を選択することができる。従って、異なる波面曲率を有する光束を出射することができる。
【００９７】
また、請求項２に係る発明の波面曲率変調装置では、請求項１に係る発明の効果に加え、光束選択手段の光束強度変調手段が、複数の光束発生手段によって発生された複数の光束をそれぞれ独立に強度変調もしくは遮断することができる。従って、異なる強度及び異なる波面曲率を有する光束を、任意に出射することができる。
【００９８】
また、請求項３に係る発明の波面曲率変調装置では、請求項１又は２に係る発明の効果に加え、光束合成手段が、複数の光束発生手段によって発生された複数の光束を同軸上に合成することができる。従って、異なる波面曲率を有する光束を合成して同時に出射することができる。
【００９９】
また、請求項４に係る発明の波面曲率変調装置では、請求項１乃至３の何れかに係る発明の効果に加え、光束選択手段の光スイッチが、複数の光束の選択を行うことができる。従って、光束の選択を高速に行うことができる。
【０１００】
また、請求項５に係る発明の波面曲率変調装置では、請求項１乃至４の何れかに係る発明の効果に加え、波面曲率調整手段が、複数の光束の波面曲率をそれぞれ独立に調整もしくは変調することができる。従って、任意の波面曲率を有する光束を出射することができる。
【０１０１】
また、請求項６に係る発明の波面曲率変調装置では、請求項５に係る発明の効果に加え、波面曲率調整手段は、発生された互いに異なる波面曲率を有する複数の光束によって、波面の曲率半径を無限大から約１０ｃｍまでの領域に変調もしくは調整することができる。従って、出射する光束の波面曲率を、観察者が遠近感を認識できる範囲にすることができる。
【０１０２】
また、請求項７に係る発明の波面曲率変調装置では、請求項１乃至６の何れかに係る発明の効果に加え、異なる波面曲率を有する複数の光束のそれぞれが、複数の波長の光束の集合体であるので、複数の波長からなる光束の波面曲率を調整もしくは変調することができる。従って、任意の波面曲率及び任意の色調を有する光束を出射することができる。
【０１０３】
また、請求項８に係る発明の波面曲率変調装置では、請求項１乃至７の何れかに係る発明の効果に加え、光束発生手段の光束分離手段が、少なくとも１つの光源から出射される光束を複数の光束に分離し、光束変換手段が、分離された複数の光束をそれぞれ異なる波面曲率を有する光束に変換することができる。従って、複数の互いに異なる波面曲率を有する光束を発生することができる。
【０１０４】
また、請求項９に係る発明の波面曲率変調手段では、請求項１乃至７の何れかに係る発明の効果に加え、複数の光源からそれぞれ発生された光束を、その各光束にそれぞれ対応した光束変換手段によってそれぞれ異なる波面曲率を有する光束に変換することができる。従って、各光源を制御すれば、各光束変換手段から出力される各光束を、それぞれ独立に強度変調もしくは遮断することができる。
【０１０５】
また、請求項１０に係る発明の画像表示装置では、請求項１乃至９の何れかに記載の波面曲率変調装置を備えているので、光束の波面曲率を変調できる。従って、異なる波面曲率を有する光束によって画像を形成することができる。
【０１０６】
また、請求項１１に係る発明の画像表示装置では、請求項１０に係る発明の効果に加え、光走査手段が、波面曲率変調装置から出射される光束を走査し、光学手段が、光走査手段によって走査された光束を観察者の瞳孔に入射させることができる。従って、異なる波面曲率を有する光束によって形成された画像を観察者の網膜上に投影することができる。
【０１０７】
また、請求項１２に係る発明の画像表示装置では、請求項１０又は１１に係る発明の効果に加え、仮想投影手段が、観察者の視点を想定した仮想視点からの距離が異なる複数の仮想投影面上にそれぞれ２次元画像を投影することで３次元画像を表現することができる。従って、観察者の眼に入射した画像によって、遠近感を表現することができる。
【０１０８】
また、請求項１３に係る発明の画像表示装置では、請求項１２に係る発明の効果に加え、複数の仮想投影面の任意の１つに観察者のピント調整がされた場合、仮想視点からみた仮想投影面の前後に位置する２つの仮想投影面のそれぞれのピントのずれの差に基づくボケ量がほぼ同一となるように仮想投影面間の距離が設定されているので、それぞれの仮想投影面間の遠近感の差を自然に表現することができる。従って、観察者はそれほど違和感を感じることもなく、それぞれの仮想投影面間のピント移動を行うことができる。
【０１０９】
また、請求項１４に係る発明の画像表示装置では、請求項１２に係る発明の効果に加え、複数の仮想投影面の任意の１つに観察者のピント調整がされた場合、仮想投影面に隣接する仮想投影面のボケ量が観察者の視覚分解能とほぼ一致するように仮想投影面間の距離が設定されているので、表現したい遠近感にあわせて効率よく仮想投影面の配置を設定することができる。従って、仮想投影面数を少なくしても違和感の少ない遠近感を表現することができる。
【０１１０】
また、請求項１５に係る発明の画像表示装置では、請求項１２乃至１４の何れかに係る発明の効果に加え、仮想投影手段が、複数の仮想投影面上に投影される２次元画像に加え、奥行き情報を含む画像データもしくはポリゴンデータに基づく画像を仮想投影面上に投影することができる。従って、異なるソースからの画像を合成して、観察者の網膜上に投影することができる。
【０１１１】
また、請求項１６に係る発明の画像表示装置では、請求項１２乃至１５の何れかに係る発明の効果に加え、仮想視点から観察した３次元画像の任意の部位を、任意の部位と仮想視点との間の距離に対応したそれぞれの仮想投影面上に投影することができる。従って、観察者の網膜上に違和感の少ない３次元画像を投影することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、波面曲率変調装置１の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、光束発生手段１０の構成を示す構成図である。
【図３】図３は、第１の実施の形態の光束選択手段２０の構成を示す構成図である。
【図４】図４は、第２の実施の形態の光束選択手段２０の構成を示す構成図である。
【図５】図５は、第３の実施の形態の光束選択手段２０の構成を示す構成図である。
【図６】図６は、光束発生手段１０のレンズ列５０の変形例を示す図である。
【図７】図７は、画像表示装置８０の構成を示す構成図である。
【図８】図８は、仮想投影手段７７において、３次元立体画像を仮想投影面に投影することで、画像提示位置の異なる２次元の画像情報の集合体を作成する情報処理を説明するための図である。
【図９】図９は、光束発生手段１０の変形例の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１波面曲率変調装置
２光束Ａ発生部
３光束Ｂ発生部
４光束Ｃ発生部
５光束Ｄ発生部
１０光束発生手段
１１光源
１２，１４，１６部分透過ミラー
１８全反射ミラー
１３，１５，１７，１９，５０レンズ列
２０光束選択手段
２１〜２４強度変調器
２５全反射ミラー
２６〜２８合成ミラー
３１〜３４光スイッチ
３５全反射ミラー
３６〜３８合成ミラー
３９スリット
４１〜４３光スイッチ
６０水平走査光学系
６１垂直走査光学系
７５第１リレー光学系
７６第２リレー光学系
８０画像表示装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavefront curvature modulation device that modulates the wavefront curvature of a light beam, scans the light beam whose wavefront curvature is modulated, and projects an image directly on the retina of an eye, and an image display device including the wavefront curvature modulation device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, a so-called retinal scanning display has been known, in which a weak light beam emitted from a light source such as a laser or LED is scanned with a two-dimensional optical scanning device and is directly drawn on the retina by entering the pupil of the observer. (For example, refer to Patent Document 1). This retinal scanning display is configured to be used by being worn on the observer's head in the same manner as glasses, for example, and can provide a high-definition image with a large angle of view. Such a retinal scanning display is provided with a wavefront curvature modulation device that modulates the wavefront curvature of a generated light beam as means for expressing the depth of an image incident on an observer's eye.
[0003]
Here, the wavefront curvature will be described. The light emitted from the light source is propagated as a so-called isospherical spherical wave that travels at the same speed and in the same phase in all directions around the light source, but the spherical wave depends on the distance between the light source and the observer. The radius of curvature of has different. If the light source is close, the image is incident on the observer's eye as an image having a small radius of curvature, and if the light source is far, the image is input as an image having a large radius of curvature. The observer can recognize the deviation in the radius of curvature through the focusing operation and feel a sense of perspective. The wavefront curvature modulator can enter the observer's eyes as if the light source exists at an arbitrary distance, and enables natural stereoscopic vision.
[0004]
In the wavefront curvature modulation device (wavefront curvature modulation means) described in Patent Document 1, the control voltage is applied to the piezoelectric plate to deform the piezoelectric plate, and before and after the reflection of the light beam on the reflection film provided on the piezoelectric plate. The wavefront curvature of the luminous flux was changed.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2874208
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, there is a need for a wavefront curvature modulator that can modulate the wavefront curvature at a higher operating frequency than the wavefront curvature modulator configured as described above.
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to realize a wavefront curvature modulation device capable of performing high-speed wavefront curvature modulation and an image display device including the wavefront curvature modulation device. .
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a wavefront curvature modulation device according to a first aspect of the present invention includes a plurality of light flux generating means for generating light fluxes having different wavefront curvatures, and a plurality of light flux generating means generated by the plurality of light flux generating means. Luminous flux selection means for selecting at least one of the luminous fluxes.
[0009]
In the wavefront curvature modulation device having this configuration, the plurality of light flux generation means respectively generate light fluxes having different wavefront curvatures, and the light flux selection means can select at least one light flux among the plurality of generated light fluxes. it can.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect of the invention, the light beam selection unit independently generates a plurality of light beams generated by the plurality of light beam generation units. A light intensity modulation means for intensity modulation or blocking is provided.
[0011]
In the wavefront curvature modulation device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to claim 1, the light beam intensity modulation means of the light beam selection means independently modulates or blocks the plurality of light beams generated by the plurality of light beam generation means. can do.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first or second aspect of the invention, the wavefront curvature modulation device combines a plurality of light beams generated by the plurality of light beam generation means coaxially. Means.
[0013]
In the wavefront curvature modulation device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to claim 1 or 2, the light beam synthesizing unit can synthesize a plurality of light beams generated by the plurality of light beam generating units on the same axis.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, in addition to the configuration according to any one of the first to third aspects, the light beam selection means includes an optical switch that selects the plurality of light beams. It is the structure characterized by this.
[0015]
In the wavefront curvature modulation device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to any one of claims 1 to 3, the optical switch of the light beam selection means can select a plurality of light beams.
[0016]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a wavefront curvature modulation device capable of independently adjusting or modulating the wavefront curvatures of the plurality of light fluxes in addition to the configuration of the invention according to any one of the first to fourth aspects. Adjustment means are provided.
[0017]
In the wavefront curvature modulation device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to any one of claims 1 to 4, the wavefront curvature adjusting means can independently adjust or modulate the wavefront curvatures of a plurality of light beams.
[0018]
According to a sixth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the fifth aspect of the invention, the wavefront curvature adjusting means may be configured such that the wavefront curvature adjusting means changes the curvature radius of the wavefront from infinity to about 10 cm by the plurality of light beams. It is possible to modulate or adjust in the above area.
[0019]
In the wavefront curvature modulation device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to claim 5, the wavefront curvature adjusting means uses a plurality of generated light fluxes having different wavefront curvatures to change the radius of curvature of the wavefront from infinity to about 10 cm. It is possible to modulate or adjust up to the above region.
[0020]
According to a seventh aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect of the present invention, the plurality of light beams having different wavefront curvatures are light beams having a plurality of wavelengths. It is the structure characterized by being an aggregate of.
[0021]
In the wavefront curvature modulation device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to any one of claims 1 to 6, each of the plurality of light beams having different wavefront curvatures is an aggregate of light beams having a plurality of wavelengths. It is possible to adjust or modulate the wavefront curvature of a light beam having a wavelength of.
[0022]
According to an eighth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect of the present invention, the light beam generating means may include a plurality of light beams emitted from at least one light source. Luminous flux separating means for separating the luminous flux and luminous flux converting means for converting the separated plural luminous fluxes into luminous fluxes having different wavefront curvatures.
[0023]
In the wavefront curvature modulation device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to any one of claims 1 to 7, the light beam separating unit of the light beam generating unit separates the light beam emitted from at least one light source into a plurality of light beams. The light beam conversion means can convert the plurality of separated light beams into light beams having different wavefront curvatures.
[0024]
A wavefront curvature modulator according to a ninth aspect of the present invention is the wavefront curvature modulating device according to any one of the first to seventh aspects, wherein the light beam generating means includes a plurality of light sources that respectively generate a plurality of light beams, And a plurality of light beam conversion means for converting a plurality of light beams generated by the plurality of light sources into light beams having different wavefront curvatures.
[0025]
In the wavefront curvature modulation means having this configuration, in addition to the operation of the invention according to any one of claims 1 to 7, the light fluxes respectively generated from the plurality of light sources are changed by the light flux conversion means corresponding to each light flux. It can be converted into a light beam having a curvature.
[0026]
An image display device according to a tenth aspect of the invention includes the wavefront curvature modulation device according to any one of the first to ninth aspects.
[0027]
Since the image display device having this configuration includes the wavefront curvature modulator according to any one of claims 1 to 9, the wavefront curvature of the light beam can be modulated.
[0028]
According to an eleventh aspect of the present invention, in addition to the configuration of the tenth aspect of the present invention, the image display apparatus scans the light beam emitted from the wavefront curvature modulator, and scans by the optical scanning section. And optical means for making the light beam incident on the pupil of the observer.
[0029]
In the image display device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to claim 10, the optical scanning unit scans the light beam emitted from the wavefront curvature modulator, and the optical unit scans the light beam scanned by the optical scanning unit. It can be incident on the pupil of the observer.
[0030]
An image display apparatus according to a twelfth aspect of the present invention includes the configuration of the invention according to the tenth or eleventh aspect, on each of a plurality of virtual projection planes having different distances from a virtual viewpoint assuming an observer's viewpoint. Virtual projection means for expressing a three-dimensional image by projecting a two-dimensional image is provided.
[0031]
In the image display device with this configuration, in addition to the operation of the invention according to claim 10 or 11, the virtual projection means is two-dimensionally arranged on a plurality of virtual projection planes having different distances from the virtual viewpoint assuming the observer's viewpoint. A three-dimensional image can be expressed by projecting the image.
[0032]
In addition to the configuration of the invention according to claim 12, the image display device according to claim 13 includes the virtual display when an observer is focused on any one of the plurality of virtual projection planes. The distance between the virtual projection planes is set so that the amount of blur based on the difference in focus between the two virtual projection planes positioned before and after the virtual projection plane as viewed from the viewpoint is substantially the same. It has a characteristic configuration.
[0033]
In the image display device with this configuration, in addition to the operation of the invention according to claim 12, when the observer's focus is adjusted to any one of the plurality of virtual projection planes, the image display apparatus can Since the distance between the virtual projection planes is set so that the amount of blur based on the difference in focus between the two virtual projection planes positioned is substantially the same, the difference in perspective between the respective virtual projection planes Can be expressed naturally.
[0034]
In addition to the configuration of the invention described in claim 12, the image display device of the invention according to claim 14 includes the virtual display when an observer is focused on any one of the plurality of virtual projection planes. The distance between the virtual projection planes is set so that the blur amount of the virtual projection plane adjacent to the projection plane substantially matches the visual resolution of the observer.
[0035]
In the image display device with this configuration, in addition to the operation of the invention according to claim 12, when the observer is focused on any one of the plurality of virtual projection planes, the virtual projection plane adjacent to the virtual projection plane is displayed. Since the distance between the virtual projection planes is set so that the amount of blur substantially matches the visual resolution of the observer, the arrangement of the virtual projection planes can be set efficiently according to the sense of perspective to be expressed.
[0036]
An image display apparatus according to a fifteenth aspect of the invention is the two-dimensional image projected onto the plurality of virtual projection planes in addition to the configuration of the invention according to any of the twelfth to fourteenth aspects. In addition to the image, image data including depth information or an image based on polygon data is projected onto the virtual projection plane.
[0037]
In the image display device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to any one of claims 12 to 14, the virtual projection unit includes an image including depth information in addition to the two-dimensional image projected on the plurality of virtual projection planes. An image based on the data or polygon data can be projected on the virtual projection plane.
[0038]
In addition to the configuration of the invention according to any one of claims 12 to 15, an image display device according to a sixteenth aspect includes an arbitrary part of a three-dimensional image observed from the virtual viewpoint. Projecting onto the respective virtual projection planes corresponding to the distance between the virtual viewpoint and the virtual viewpoint.
[0039]
In the image display device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to any one of claims 12 to 15, an arbitrary part of the three-dimensional image observed from the virtual viewpoint is set at a distance between the arbitrary part and the virtual viewpoint. It can project on each corresponding virtual projection plane.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a wavefront curvature modulation device according to the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the wavefront curvature modulation apparatus 1 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5. FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of the wavefront curvature modulation apparatus 1. FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the light flux generating means 10. FIG. 3 is a configuration diagram showing the configuration of the light beam selection means 20 of the first embodiment. FIG. 4 is a configuration diagram showing the configuration of the light beam selection means 20 of the second embodiment. FIG. 5 is a configuration diagram showing the configuration of the light beam selection means 20 of the third embodiment.
[0041]
First, as shown in FIG. 1, the wavefront curvature modulation apparatus 1 receives four types of light flux generation means 10 that generates light fluxes having different wavefront curvatures, and light flux generated by the light flux generation means 10. It comprises light beam selection means 20 that selects at least one of the light beams and emits the light to the outside. The light flux generation means 10 includes a light source 11 that generates a substantially parallel light flux, a light flux A generator 2 that generates a light flux A having a wavefront curvature a, a light flux B generator 3 that generates a light flux B having a wavefront curvature b, and a wavefront. The light beam C generating unit 4 generates a light beam C having a curvature c, and the light beam D generating unit 5 generates a light beam D having a wavefront curvature d. The light beams A to D emitted from the light beam generation unit 10 are incident on the light beam selection unit 20, and at least one of them, for example, the light beam B having the wavefront curvature b is selectively emitted from the light beam selection unit 20. ing.
[0042]
Next, as shown in FIG. 2, the light beam generating means 10 includes a light source 11 that generates a substantially parallel light beam, and a partial transmission mirror 12 that transmits a part of the light beam emitted from the light source 11 and reflects a part thereof. And a lens array 13 for modulating the wavefront curvature of the light beam transmitted by the partial transmission mirror 12 are provided on the same axis in the X-axis direction, and the light beam A generator 2 includes the partial transmission mirror 12 and the lens array. 13. A partial transmission mirror 14, a partial transmission mirror 16, and a total reflection mirror 18 are provided on the optical axis (Y-axis direction) of the light beam reflected by the partial transmission mirror 12. Further, lens rows 15 and 17 for modulating the wavefront curvature of the light beam are provided on the optical axis (X-axis direction) of the light beam reflected by the partial transmission mirrors 14 and 16, respectively. The light beam B generating unit 3 includes a partially transmitting mirror 14 and a lens array 15, and the light beam C generating unit 4 includes a partially transmitting mirror 16 and a lens array 17. A lens array 19 for modulating the wavefront curvature of the light beam is provided on the optical axis of the light beam reflected by the total reflection mirror 18. The light beam D generator 5 includes a total reflection mirror 18 and a lens array 19. The partially transmissive mirrors 12, 14, 16 and the total reflection mirror 18 are the light beam separating means in the present invention, and the lens rows 13, 15, 17, 19 are the light beam converting means in the eighth aspect of the present invention. is there.
[0043]
The partial transmission mirrors 12, 14, and 16 are half mirrors that transmit a part of the incident light beam and reflect a part thereof. The partial transmission mirror 12 transmits a part of the light beam incident from the −X direction in the + X direction and reflects a part of the light beam in the −Y direction, and the partial transmission mirrors 14 and 16 enter from the + Y direction. Each of the light beams is provided in such a direction as to transmit a part of the light beam in the -Y direction and reflect a part of the light beam in the + X direction. In addition, the total reflection mirror 18 is provided in a direction in which a light beam incident from the + Y direction is reflected in the + X direction.
[0044]
The lens arrays 13, 15, 17, and 19 are each composed of two convex lenses having a focal length f, and are fixed so that the distances between principal points of the convex lenses are fa + f, fb + f, fc + f, and fd + f. Has been. And each convex lens is provided in the light beam generation means 10 so that the relationship of fa-fd may satisfy | fill the following formula | equation.
f = fa (1)
fa>fb>fc>fd> 0 (2)
[0045]
For use as the light source 11, a laser light source capable of emitting laser light that is a substantially parallel light beam is suitable, but other light sources such as LEDs can also be used.
[0046]
Next, as shown in FIG. 3, the light beam selection means 20 of the first embodiment includes an intensity modulator 21 that modulates the light intensity of the incident light beam A, and a light beam that is modulated by the intensity modulator 21. A total reflection mirror 25 that totally reflects A is provided on the optical axis (X-axis direction) of the light flux A. Similarly, an intensity modulator 22, an intensity modulator 23, and an intensity modulator 24 that respectively modulate the light intensity of the incident light beams B, C, and D, and a composite that reflects or transmits the modulated light beams B, C, and D, respectively. A mirror 26, a composite mirror 27, and a composite mirror 28 are provided on the optical axes (X-axis direction) of the light beams B, C, and D, respectively. Further, the positions of the total reflection mirror 25 and the composite mirrors 26 to 28 are Y so that the light beam A reflected by the total reflection mirror 25 and the light beams B to D reflected by the composite mirrors 26 to 28 are combined. They are aligned on the same axis in the axial direction. The intensity modulators 21 to 24 are the light beam intensity modulating means in the present invention, and the total reflection mirror 25 and the combining mirrors 26 to 28 are the light beam combining means in the present invention.
[0047]
The intensity modulators 21 to 24 are optical modulators, and the optical modulators are devices that convert an electrical signal into an optical signal via a conversion circuit. As the optical modulator, there are a method of modulating a change in a modulation signal into a change in intensity of the laser light using a semiconductor laser or the like, a method of modulating a light beam incident on the device, and emitting a modulated light beam. For example, if the intensity modulators 21 to 24 use an AOM (Acousto-Optic Modulator) that utilizes the acousto-optic effect of the latter method, it is possible to modulate a light beam at a driving frequency of several hundred MHz at high speed. It is.
[0048]
The composite mirrors 26 to 28 reflect a part of the light beam incident from the front surface thereof and transmit a part of the light beam incident from the rear surface thereof. The combining mirrors 26 and 27 are provided in such directions that a part of the light beam incident from the + Y direction is transmitted in the −Y direction and a part of the light beam incident from the −X direction is reflected in the −Y direction. The combining mirror 28 is provided in such a direction that reflects a part of the light beam incident from the + Y direction in the + X direction and transmits a part of the light beam incident from the −X direction in the + X direction. The total reflection mirror 25 is provided in a direction to reflect the light beam incident from the −X direction in the −Y direction.
[0049]
Next, as shown in FIG. 4, the light beam selection means 20 of the second embodiment reflects the light beams A to D on the respective optical axes (X-axis direction) of the incident light beams A to D. An optical switch 31, an optical switch 32, an optical switch 33, and an optical switch 34 that change the directions are provided. Further, a total reflection mirror 35, a composite mirror 36, a composite mirror 37, and a composite mirror 38 are provided on the optical axis (Y-axis direction) of each light beam reflected by the optical switches 31, 32, 33, and 34. Yes. Further, the total reflection mirror 35 and the combination mirrors 36 to 38 are combined such that the light beams A to D are reflected or transmitted and combined through the slit 39 provided at the light beam output portion of the light beam selection unit 20. , And the position of the slit 39 are aligned on the same axis in the X-axis direction.
[0050]
For example, a silicon micromirror array can be used for the optical switches 31 to 34, and the production thereof can be performed by a semiconductor process such as silicon microfabrication. Can be miniaturized.
[0051]
The optical switches 31 to 34 are provided in directions that reflect the light beam incident from the −X direction in the −Y direction, respectively. Further, the optical switches 31 to 34 can be moved, and the reflection direction of the incident light beam can be changed. The total reflection mirror 35 is provided in a direction to reflect the light beam incident from the + Y direction in the + X direction. The combining mirrors 36 to 38 can reflect a part of the light beam incident from the front surface thereof and transmit a part of the light beam incident from the rear surface thereof. Each of the light beams incident from the + Y direction can be reflected in the + X direction. A part of the light beam that is reflected and incident from the −X direction is provided so as to transmit in the + X direction. The slit 39 can pass only a light beam coaxial with the optical axis of the light beam synthesized by the total reflection mirror 35 and the synthesis mirrors 36 to 38, and the light beam whose reflection direction is shifted by the optical switches 31 to 34. Cannot pass through the slit 39.
[0052]
Next, as shown in FIG. 5, the light beam selection means 20 of the third embodiment includes a fixed mirror 44 and a fixed mirror on each optical axis (X-axis direction) of the incident light beams A to D. 45, a fixed mirror 46, and a fixed mirror 47 are provided. Further, the fixed mirrors 44 and 45 are aligned so that the optical axes of the light beams A and B reflected by the fixed mirrors 44 and 45 overlap on the same axis (in the Y-axis direction), and an optical switch 41 is provided on the same axis. ing. Similarly, the fixed mirrors 46 and 47 and the optical switch 42 are also aligned on the same axis in the Y-axis direction.
[0053]
The optical switches 41 and 42 and the optical switch 43 are formed of the above-described silicon micromirror array or the like, and enable high-speed light flux switching. The optical switches 41 and 42 selectively reflect either one of the light beams A or B and one of the light beams C or D, respectively. Further, a fixed mirror 48 and a fixed mirror 49 are provided on the same axis in the X-axis direction of the optical switches 41 and 42, respectively. The fixed mirrors 48 and 49 are aligned so that the optical axes of the light beams reflected by the fixed mirrors 48 and 49 overlap on the same axis (in the Y-axis direction), and the optical switch 43 is provided on the same axis. The optical switch 43 also selectively reflects either one of the light beams incident through the fixed mirror 48 or 49.
[0054]
The fixed mirrors 44, 46, and 48 reflect the light beam incident from the -X direction in the -Y direction, and the fixed mirrors 45, 47, and 49 reflect the light beam incident from the -X direction in the + Y direction. It is provided in each direction. The optical switches 41 to 43 can change the angle of the reflection surface so that either one of the light beams incident from the + Y direction or the −Y direction is selectively emitted in the + X direction. Yes.
[0055]
Next, the operation of the wavefront curvature modulation apparatus 1 according to each embodiment will be described with reference to FIGS. First, the operation of the wavefront curvature modulation apparatus 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 2, the light beam generated by the light source 11 is emitted in the + X direction and is incident on the partial transmission mirror 12 of the light beam A generator 2. The partial transmission mirror 12 transmits a part of the incident light flux in the + X direction and reflects a part in the −Y direction. The light beam transmitted in the + X direction is incident on the lens array 13, the wavefront curvature thereof is modulated, and the light beam is emitted in the + X direction.
[0056]
The two convex lenses having a focal length f constituting the lens array 13 have a distance between their principal points of fa + f, and are defined so that fa is equal to f in Equation (1). That is, the distance between the principal points of the two convex lenses is twice the focal length f of the convex lens, and the light beam incident on the first convex lens from the −X direction is focused at the intermediate position and incident on the second convex lens. The specifications of the two convex lenses are the same. When a light beam that passes through one convex lens and is focused at a distance f is incident on a convex lens at a distance f with the same divergence angle as its convergence angle, the light beam that has passed through the two convex lenses. Is emitted from the light flux A generator 2 as a light flux (light flux A) having the same spreading width as that of the light flux before entering the one convex lens. In this case, since the light beam emitted from the light source 11 is a substantially parallel light beam, the wavefront curvature a takes the value (approximately equal to 0) in the case of parallel light.
[0057]
By the way, the wavefront curvature is the reciprocal of the radius of curvature. Since the radius of curvature of the parallel light is almost equal to infinity, the wavefront curvature, which is the reciprocal thereof, becomes substantially equal to zero.
[0058]
The light beam reflected by the partial transmission mirror 12 travels in the −Y direction and is incident on the partial transmission mirror 14 of the light beam B generation unit 3. The partial transmission mirror 14 reflects a part of the incident light flux in the + X direction and transmits a part in the −Y direction. The light beam reflected in the + X direction enters the lens array 15, the wavefront curvature thereof is modulated, and the light beam is emitted in the + X direction.
[0059]
The two convex lenses of the focal length f constituting the lens array 15 have a distance between their principal points of fb + f, and in the formula (2), fb is defined as a value smaller than f and larger than 0. The distance between the principal points of the two convex lenses is larger than the focal length f of the convex lens and smaller than 2f. The light beam incident on the first convex lens from the −X direction is focused at a distance f from the first convex lens and is incident on the second convex lens. When a light beam passing through one convex lens and focused at a distance f is incident on a second convex lens at a distance fb close to the distance f with the same spread angle as the convergence angle, the second convex lens transmits the light beam to the first convex lens. The light beam B cannot be refracted into the same parallel light as the light beam before being incident on the light beam and is emitted from the light beam B generator 3 as a light beam B having a wavefront curvature b having a spread angle. Since the light beam B has a spread angle and has a smaller radius of curvature than the light beam A of parallel light, the wavefront curvature b is larger than the wavefront curvature a.
[0060]
Further, the light beam transmitted by the partial transmission mirror 14 travels in the −Y direction and is incident on the partial transmission mirror 16 of the light beam C generation unit 4. Similar to the partial transmission mirror 14, the partial transmission mirror 16 reflects a part of the incident light beam in the + X direction and transmits a part in the −Y direction. Further, the light beam transmitted by the partial transmission mirror 16 travels in the −Y direction and is incident on the total reflection mirror 18 of the light beam D generator 5. The total reflection mirror 18 reflects the light beam incident from the + Y direction in the + X direction. The light beams reflected in the + X direction by the partial transmission mirror 16 and the total reflection mirror 18 enter the lens arrays 17 and 19, respectively, and their wavefront curvatures are adjusted and emitted in the + X direction.
[0061]
The light beam C generator 4 and the light beam D generator 5 adjust the wavefront curvature of the incident light beam using the lens arrays 17 and 19, respectively. The adjustment method is the same as in the case of the light beam B generator 3 described above, and the light beams incident on the respective lens arrays 17 and 19 have wavefronts corresponding to the distances fc + f and fd + f between the two convex lenses. The luminous flux C is adjusted to the luminous flux C having the curvature c and the luminous flux D having the wavefront curvature d, respectively, and emitted from the luminous flux C generation unit 4 and the luminous flux D generation unit 5, respectively. From the formulas (1) and (2),
Wavefront curvature a <wavefront curvature b <wavefront curvature c <wavefront curvature d
Thus, the light flux generation means 10 emits four light fluxes having different wavefront curvatures.
[0062]
By the way, considering the detection ability of the out-of-focus image projected on the retina by the focus adjustment function of the eye, it is not necessary to express the wavefront curvature steplessly. For example, a substantially sufficient wavefront curvature modulation effect can be obtained simply by expressing light beams having logarithmically different wavefront curvatures of about four stages, such as curvature radii of 10 cm, 50 cm, 3 m, and infinity.
[0063]
Next, as shown in FIG. 3, four light beams A to D emitted from the light beam generation unit 10 are incident on the intensity modulators 21 to 24 in the −X direction, respectively. The intensity modulators 21 to 24 are operated based on the signal from the light beam selection means driving circuit 63 shown in FIG. 7, and modulate the light intensities of the light beams A to D that pass therethrough. The light beams A to D modulated through the intensity modulators 21 to 24 are emitted in the + X direction, the light beam A is reflected by the total reflection mirror 25, and the light beams B and C are reflected by the combining mirrors 26 and 27 in the -Y direction, respectively. Further, they are combined on the same axis, and this combined light beam is reflected by the combining mirror 28 in the + X direction. The light beam D passes through the combining mirror 28, is merged with the combined light beam, and is emitted in the + X direction as light emitted from the light beam selecting means 20, that is, light emitted from the wavefront curvature modulation device 1 shown in FIG. The
[0064]
In the case of the example shown in FIG. 3, a light flux A having a wavefront curvature a, a light flux C having a wavefront curvature c, and a light flux D having a wavefront curvature d incident from the −X direction are signals from the light flux selection means driving circuit 63 shown in FIG. Are blocked by the intensity modulators 21, 23, 24, respectively, and are not emitted in the + X direction. On the other hand, the light beam B having the wavefront curvature b is emitted from the intensity modulator 22 in the + X direction without being blocked by the intensity modulator 22. Further, the light is reflected by the combining mirror 26 and travels in the −Y direction, is reflected by the combining mirror 28 in the + X direction, and is emitted from the wavefront curvature modulation device 1 as the light beam B having the wavefront curvature b selected by the light beam selecting means 20.
[0065]
The intensity modulators 21 to 24 block and modulate the light intensities of the incident light beams A to D, but can be emitted as light beams having different light intensities. In this case, a plurality of light beams having different wavefront curvatures can be combined with one light beam and emitted from the wavefront curvature modulation device 1. For example, when a light beam B having a wavefront curvature b and a light beam C having a wavefront curvature c are combined and emitted with a light intensity of 1: 1, the observer can perform two virtual operations corresponding to the wavefront curvatures of the light beams B and C. It can be recognized as if there is a virtual projection plane in the middle of the projection plane. Furthermore, by arbitrarily setting the ratio of the light intensity of the luminous fluxes to be combined, the observer can be recognized as if the virtual projection plane is at an arbitrary position. Therefore, the ratio of the light intensities of the light beams A to D is adjusted by the intensity modulators 21 to 24, respectively, and the modulated light beams are synthesized and emitted to adjust the change of the wavefront curvature substantially steplessly. An effect is obtained.
[0066]
Some intensity modulators may affect the wavefront curvature, such as the AOM described above. In this case, the wavefront curvature of the light beam generated by the light beam generation means 10 is disturbed by passing through the AOM. In order to prevent this, the intensity modulators 21 to 24 are installed between the lens rows 13, 15, 17, and 19 in the light beam generation means 10 and the partial transmission mirrors 12, 14, 16 and the total reflection mirror 18. You can also In this arrangement, the same effect can be obtained as a light beam selection means for selecting light beams having different wavefront curvatures. Further, when direct modulation of a semiconductor laser is used as an intensity modulator, the semiconductor laser light source itself has an intensity modulation function, so that it is inevitably arranged that intensity modulation is performed in front of the lens rows 13, 15, 17, and 19. It becomes.
[0067]
In addition to the above-described embodiment, as shown in FIG. 9, four semiconductor laser light sources 11a, 11b, 11c, and 11d are used as light sources, and the optical paths of the lens rows 13, 15, 17, and 19 in the light beam generating means 10, respectively. It is also possible to arrange it upstream. That is, in the light beam generation means 10, the semiconductor laser light source 11a is provided as the light source of the light beam A generator 2, and the lens array 13 is provided on the optical axis of the light beam emitted therefrom. Similarly, the optical axes of the semiconductor laser light sources 11b, 11c, and 11d and the lens arrays 14, 17, and 19 are made the same in the light beam B generation unit 3, the light beam C generation unit 4, and the light beam D generation unit 5, respectively. To each. Similarly to the above, the wavefront curvatures of the light beams emitted from the respective semiconductor laser light sources 11a, 11b, 11c, and 11d are modulated by the respective lens arrays 13, 15, 17, and 19, and the light beam A and the wavefront curvature b of the wavefront curvature a, respectively. The light beam B, the light beam C having the wavefront curvature c, and the light beam D having the wavefront curvature d are emitted from the light beam generation means 10 and are incident on the light beam selection means 20. In this case, by adjusting the light intensity of the light beam emitted from each of the semiconductor laser light sources 11a to 11d, the light beam selection can be performed even if the configuration of the intensity modulators 21 to 24 (see FIG. 3) in the light beam selection means 20 is omitted. The output from the means 20 can obtain the same effect as described above. The semiconductor laser light sources 11a, 11b, 11c, and 11d are light sources in claim 9 of the present invention, and the lens arrays 13, 15, 17, and 19 are light beam conversion means in claim 9 of the present invention.
[0068]
Next, a wavefront curvature modulation apparatus 1 according to a second embodiment will be described with reference to FIG. In the wavefront curvature modulation apparatus 1 according to the second embodiment, a light beam is generated by the light beam generation unit 10 and is separated into four light beams each having a different wavefront curvature and emitted to the light beam selection unit 20. The operation of is the same as in the above-described embodiment.
[0069]
As shown in FIG. 4, four light beams A to D emitted from the light beam generation unit 10 are incident on the light switches 31 to 34 from the −X direction, respectively. The optical switches 31 to 34 are operated based on a signal from the light beam selection means driving circuit 63 shown in FIG. 7, and adjust the reflection directions of the incident light beams A to D, respectively. The light fluxes A to D reflected by the optical switches 31 to 34 travel in the -Y direction, the light flux A is reflected by the total reflection mirror 35, and the light fluxes B to D are reflected by the combining mirrors 36 to 38 in the + X direction. Is synthesized. The synthesized light flux passes through the slit 39 and is emitted in the + X direction as the light emitted from the light flux selection means 20, that is, the light emitted from the wavefront curvature modulator 1 shown in FIG.
[0070]
Here, when the reflection direction of any one of the light beams A to D is changed by the optical switches 31 to 34, the light beams are coaxially aligned with the total reflection mirror 35, the composite mirrors 36 to 38, and the slit 39. Can no longer pass on the same axis. Since the slit 39 is provided so that these off-axis light beams do not pass, adjustment of the light beam reflection direction by the optical switches 31 to 34 based on the signal from the light beam selection means driving circuit 63 shown in FIG. The light beam emitted from the light beam selection means 20 can be selected.
[0071]
In the case of the example shown in FIG. 4, the reflection direction in the −Y direction of the light beam A having the wavefront curvature a, the light beam C having the wavefront curvature c, and the light beam D having the wavefront curvature d incident from the −X direction is shown in FIG. It is changed by optical switches 31, 33, 34 that are moved based on a signal from the selection means driving circuit 63. Furthermore, the light beams reflected in the + X direction by the total reflection mirror 35 and the composite mirrors 37 and 38 are shifted from the axis of the light beam that can pass through the slit 39, so that they are blocked by the slit 39 and emitted from the light beam selecting means 20. Not. On the other hand, the light beam B having the wavefront curvature b is reflected in the −Y direction by the optical switch 32 so that the optical path is reflected by the combining mirror 36 in a direction overlapping the axis of the light beam that can pass through the slit 39 on the same axis. Therefore, the light beam B can pass through the slit 39 and is emitted from the wavefront curvature modulation device 1 as the light beam B having the wavefront curvature b selected by the light beam selection means 20.
[0072]
Since the slit 39 can block the passage even if the axis of the light beam passing therethrough is slightly shifted, the optical switches 31 to 34 do not need to move greatly. Further, since the light fluxes A to D can be synthesized by the total reflection mirror 35 and the synthesis mirrors 36 to 38, the wavefront curvature modulation apparatus 1 determines the wavefront curvature of the synthesized light flux as in the case of the first embodiment. Can be expressed.
[0073]
Next, a wavefront curvature modulation apparatus 1 according to a third embodiment will be described with reference to FIG. In the wavefront curvature modulation apparatus 1 according to the third embodiment, a light beam is generated by the light beam generation unit 10, separated into four light beams each having a different wavefront curvature, and emitted to the light beam selection unit 20. The operation of is the same as in the above-described embodiment.
[0074]
As shown in FIG. 5, the four light beams A to D emitted from the light beam generation unit 10 are incident on the fixed mirrors 44 to 47 in the −X direction, respectively. The fixed mirrors 44 and 46 reflect the light beams A and C in the −Y direction, respectively, and the fixed mirrors 45 and 47 reflect the light beams B and D in the + Y direction, respectively. The optical switch 41 is based on a signal from the light beam selection means driving circuit 63 shown in FIG. 7 so as to reflect one of the light beams A and B reflected by the fixed mirrors 44 and 45 in the + X direction. The selected light beam is operated and reflected by the optical switch 41 and is incident on the fixed mirror 48. Similarly, one of the light beams C and D selected is reflected by the optical switch 42 and is incident on the fixed mirror 49. The fixed mirrors 48 and 49 reflect the light beam incident from the −X direction in the −Y direction and the + Y direction, respectively. Then, the optical switch 43 operates based on the signal from the light beam selection means driving circuit 63 shown in FIG. 7, and either one of the light beams reflected by the fixed mirrors 48 and 49 is + X Reflect in the direction. Thus, the light beam selectively passed through the light beam selection means 20 by the optical switches 41 to 43 is + X as light emitted from the light beam selection means 20, that is, light emitted from the wavefront curvature modulator 1 shown in FIG. Emitted in the direction.
[0075]
In the case of the example shown in FIG. 5, the light flux A having the wavefront curvature a and the light flux D having the wavefront curvature d incident from the −X direction are cut off by the optical switches 41 and 42, respectively, and cannot pass through the light flux selection means 20. Further, the light beam C having the wavefront curvature c reflected by the optical switch 42 is cut off the optical path by the optical switch 43 and cannot pass through the light beam selecting means 20. On the other hand, the light beam B having the wavefront curvature b is reflected by the optical switches 41 and 43 and can travel along the optical path, and is emitted from the wavefront curvature modulation device 1 as the light beam B having the wavefront curvature b selected by the light beam selection means 20.
[0076]
As described above, the wavefront curvature modulators 1 of the first, second, and third embodiments use the light beam generation means 10 to convert the light beam emitted from the light source 11 into the partially transmissive mirrors 12, 14, 16 and the total reflection. The light beam is separated into four light beams by the mirror 18, and is modulated into light beams A to D having different wavefront curvatures a to d by the lens rows 13, 15, 17, and 19, respectively. Further, in the case of the light beam selection means 20 of the first embodiment, the light beams A to D are modulated by the intensity modulators 21 to 24, respectively, and the optical axis is coaxially formed by the total reflection mirror 25 and the synthesis mirrors 26 to 28. The light beams are combined so as to form overlapping light beams, and one of the light beams A to D is emitted from the light beam selecting means 20.
[0077]
Further, in the case of the light beam selection means 20 of the second embodiment, the light beams A to D are light beams synthesized by the total reflection mirror 35 and the combining mirrors 36 to 38 with their optical paths changed by the optical switches 31 to 34, respectively. Only when the changed optical path is an optical path that is coaxially overlapped with the light beam that can pass through the slit 39, one of the light beams A to D is emitted from the light beam selecting means 20.
[0078]
Further, in the case of the light beam selection means 20 of the third embodiment, the light paths of the light beams A to D are determined by the fixed mirrors 44 to 49 and the optical switches 41 to 43, and the optical paths are changed to the optical switches 41 to 43. Only when the light is not blocked, one of the light beams A to D is emitted from the light beam selecting means 20.
[0079]
In the second and third embodiments, the light beam is first separated into a plurality of light beams, each having a different wavefront curvature, and a specific light beam is selected by an optical switch. It is not necessarily limited to this order. For example, an optical switch can be placed in front of the means for generating a light beam having a different wavefront curvature. Some optical switches, such as optical switches coupled to optical fibers, are difficult to switch while maintaining wavefront curvature. When such an optical switch is used, it is essential to dispose it ahead of the means for adjusting the wavefront curvature.
[0080]
The wavefront curvature modulation device 1 of the present invention is not limited to the first, second, and third embodiments, and various modifications can be made. For example, it is not necessary to limit the number of light beams separated by the light beam generation means 10 to four. Further, the light beam generation means 10 may be a means that does not have the light source 11 but separates the light flux generated outside and modulates the light flux with a different wavefront curvature.
[0081]
A modification of the lens rows 13, 15, 17, and 19 of the light beam generation means 10 will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a view showing a modification of the lens array 50 of the light beam generation means 10. As shown in FIG. 6, the lens array 50 of the light beam generating means 10 includes two convex lenses 51 and 53 having a focal length f, and a piezoelectric actuator 52 provided so that the convex lens 51 can vary in the X-axis direction. It consists of. Since the position of the convex lens 51 can be moved in the X-axis direction by driving the piezoelectric actuator 52, the distance from the convex lens 53 can be adjusted. The distance fe + f between the convex lens 51 and the convex lens 53 is
0 <fe ≦ f
In the case where a light beam incident on the convex lens 51 from the −X direction as substantially parallel incident light passes through the lens array 50 and is emitted from the convex lens 53, the lens is In the same manner as described in the columns 13, 15, 17, and 19, it is emitted as a light beam whose wavefront curvature is modulated according to the distance fe + f. For example, when fe is equal to f, the light beam emitted through the lens array 50 is a light beam having the same wavefront curvature as the incident light. Further, as the value of fe decreases, the wavefront curvature of the emitted light beam increases. The lens array 50 is a wavefront curvature adjusting means in the present invention.
[0082]
By using the lens array 50 as the lens arrays 13, 15, 17, and 19, the four light beams generated and modulated by the light beam generation means 10 can modulate the wavefront curvature according to the usage pattern. Become. For example, when an image consisting only of a short distance is provided, four light fluxes having a radius of curvature of 10 cm, 30 cm, 50 cm, and 1 m are provided. When an image having a center at a long distance is provided, the radius of curvature is 1 m. , 3m, 5m, and infinite four luminous fluxes can be generated to achieve a detailed expression of perspective.
[0083]
Next, an embodiment of an image display device provided with a wavefront curvature modulation device according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a configuration diagram showing the configuration of the image display device 80.
[0084]
First, the configuration of the image display device 80 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 7, the image display device 80 analyzes a three-dimensional stereoscopic image and, based on a video signal 78 from a virtual projection unit 77 that synthesizes a different two-dimensional planar image according to the depth, Video signal supply means 71 for generating an image signal 68, a depth signal 67, a horizontal synchronization signal 69, and a vertical synchronization signal 70 is provided. The image signal 68, the depth signal 67, the horizontal synchronizing signal 69 and the vertical synchronizing signal 70 from the video signal supplying means 71 are received, and the light flux generating means 10 (see FIG. 2) of the wavefront curvature modulating apparatus 1 and the wavefront curvature modulating apparatus. 1 light beam selection means 20 (see FIG. 3), horizontal scanning optical system 60, and vertical scanning optical system 61, driving light generating means driving circuit 64, light flux selection means driving circuit 63, horizontal scanning are generated. A system driving circuit 65 and a vertical scanning system driving circuit 66 are provided.
[0085]
The horizontal scanning optical system 60 is provided with a polygon mirror (not shown) that scans the incident light beam in the horizontal direction, and the vertical scanning optical system 61 is a galvano mirror (not shown) that scans the incident light beam in the vertical direction. Is provided. Further, the first relay optical system 75 for making the light beam scanned by the horizontal scanning optical system 60 enter the vertical scanning optical system 61 and the light beam scanned by the vertical scanning optical system 61 enter the eye 62 of the observer. A second relay optical system 76 is provided. The wavefront curvature modulator 1, the horizontal scanning optical system 60, the first relay optical system 75, the vertical scanning optical system 61, and the second relay optical system 76 are configured so that the light flux generated by the wavefront curvature modulator 1 is Scanned by the horizontal scanning optical system 60, scanned by the vertical scanning optical system 61 incident through the first relay optical system 75, and arranged to enter the observer's eye 62 through the second relay optical system 76. Has been. The horizontal scanning optical system 60 and the vertical scanning optical system 61 are optical scanning means in the present invention, and the first relay optical system 75 and the second relay optical system 76 are optical means in the present invention.
[0086]
Next, the operation of the image display device 80 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 7, the video signal supply unit 71 that has received the video signal 78 from the virtual projection unit 77 forms each image that is incident on the observer's eye 62 based on the received video signal 78. Signals, that is, a depth signal 67, an image signal 68, a horizontal synchronization signal 69, and a vertical synchronization signal 70 are generated. When receiving the image signal 68, the light beam generating unit driving circuit 64 generates a drive voltage for driving the light beam generating unit 10 (see FIG. 2) of the wavefront curvature modulator 1 and applies it to the light beam generating unit 10. The light beam generation means 10 generates a light beam from the light source 11 based on this driving voltage, and separates it into four light beams each having a different wavefront curvature as described above.
[0087]
Next, upon receiving the depth signal 67, the light beam selection unit driving circuit 63 generates a drive voltage for driving the light beam selection unit 20 (see FIG. 3) of the wavefront curvature modulator 1 and applies it to the light beam selection unit 20. To do. As described above, the light beam selection unit 20 drives an intensity modulator or the like based on this drive voltage, selects at least one of the four light beams incident from the light beam generation unit 10, and from the wavefront curvature modulation device 1. Is emitted to the horizontal scanning optical system 60.
[0088]
Further, the horizontal scanning optical system 60 scans the light beam incident from the wavefront curvature modulator 1 in the horizontal direction with a polygon mirror (not shown). The polygon mirror is rotated based on the driving voltage generated by the horizontal scanning system driving circuit 65, and the horizontal scanning system driving circuit 65 adjusts the driving voltage so as to adjust the rotation speed of the polygon mirror based on the horizontal synchronization signal 69. appear. The light beam scanned in the horizontal direction by the polygon mirror is emitted to the galvanometer mirror (not shown) of the vertical scanning optical system 61.
[0089]
Next, the vertical scanning optical system 61 scans the light beam incident from the horizontal scanning optical system 60 via the first relay optical system 75 in the vertical direction with a galvanometer mirror. The galvano mirror is amplitude-moved in the vertical direction based on the driving voltage generated by the vertical scanning system driving circuit 66, and the vertical scanning system driving circuit 66 adjusts the speed of the amplitude movement of the galvano mirror based on the vertical synchronization signal 70. The drive voltage is generated as follows. The light beam scanned in the vertical direction by the galvanometer mirror is emitted to the observer's eye 62 through the second relay optical system 76 and forms an image on the retina, thereby providing an image to the observer. Is called.
[0090]
Next, with reference to FIG. 8, the processing of the stereoscopic image in the virtual projection unit 77 will be described. FIG. 8 is a diagram for explaining information processing for creating a collection of two-dimensional image information at different image presentation positions by projecting a three-dimensional stereoscopic image onto a virtual projection plane in the virtual projection unit 77. . In FIG. 8, the vertical direction of the paper is the Z-axis direction, the horizontal direction is the X-axis direction, and the front and back direction is the Y-axis direction.
[0091]
As shown in FIG. 8, in order to project a stereoscopic image onto the retina of the observer by the image display device 80 (see FIG. 7), the virtual projection means 77 (see FIG. 7) analyzes the three-dimensional object model 90. Is called. In the virtual projection unit 77, for example, three virtual projection planes a, virtual projection planes b, and virtual projection planes c in the Z-axis direction are set in accordance with the depth direction (Z-axis direction) of the three-dimensional object model 90. . The virtual projection planes a to c are planes (XY plane) perpendicular to the Z-axis direction, and the virtual division plane d set at a substantially middle position between the virtual projection planes a and b and the middle between the virtual projection planes b and c. The three-dimensional object model 90 is divided into three in the Z-axis direction with the virtual division plane e set at the position.
[0092]
Next, the virtual projection unit 77 assumes a three-dimensional object model 90 projected from the virtual viewpoint 82 onto the XY plane. The virtual viewpoint 82 is a position temporarily assumed as a position where the observer views the three-dimensional object model 90 when the three-dimensional object model 90 is projected onto the retina of the observer. By making an image that reproduces the positional relationship between the virtual viewpoint 82 and the three-dimensional object model 90 enter the observer's eyes, it is possible for the observer to observe the three-dimensional object model 90 at the virtual viewpoint 82 position. The illusion can be made. The virtual projection means 77 is an image obtained by projecting a part of the three-dimensional object model 90 located on the virtual viewpoint 82 side from the virtual division plane e onto the virtual projection plane c from the virtual viewpoint 82, That is, a projected two-dimensional image 81c is created. Similarly, the virtual projection unit 77 positions the portion of the three-dimensional object model 90 located between the virtual division plane e and the virtual division plane d on the virtual projection plane b and on the + Z side from the virtual division plane d. Images of the three-dimensional object model 90 to be projected on the virtual projection plane a, that is, a projected two-dimensional image 81b and a projected two-dimensional image 81a are created.
[0093]
Furthermore, the virtual projection unit 77 processes the projected two-dimensional images 81a to 81c as one image having three different depths, and generates a video signal 78 (see FIG. 7) based on the processing content. This is transmitted to the video signal supply means 71 (see FIG. 7). Thereafter, the operation of the image display device 80 until the video signal 78 is processed and the three-dimensional object model 90 is projected onto the retina of the observer is as described above.
[0094]
Note that the number of virtual projection planes a to c is not limited to three, and two or four or more virtual projection planes may be set. Further, the positions of the virtual projection planes a to c are set according to the size of the three-dimensional object model 90 in the Z-axis direction, and the distance between the virtual projection planes is determined by the virtual projection planes a to c. When the synthesized image is projected on the retina of the observer, it may be set according to the depth position of the three-dimensional object model 90 so that the amount of blur is substantially the same based on the difference in focus. In addition, for example, the amount of blur of the virtual projection planes a and c before and after the virtual projection plane b in the Z-axis direction with respect to the virtual projection plane b may be set to substantially match based on the visual resolution of the observer. . Alternatively, the video signal 78 from the virtual projection unit 77 and an external video signal (not shown) may be merged in the video signal supply unit 71, and an image display based on the merged video signal may be performed. The image signal to be merged is not limited to image data that does not include a depth signal, and may be image data or polygon data that includes depth information. The image display device 80 may be provided with a plurality of, for example, three wavefront curvature modulation devices 1 that generate three colors of red (R), green (G), and blue (B). A color image can be projected onto the retina.
[0095]
In a general image, since the wavefront curvatures of the three colors R, G, and B are equal for each pixel, the light beams of the three colors R, G, and B are combined and then incident on the wavefront curvature modulator 1. It is also possible to take a configuration of doing. In this configuration, it is not necessary to prepare three wavefront curvature modulators 1 for each color, and it is possible to perform wavefront curvature modulation of a color image by one as in the case of a single color.
[0096]
【The invention's effect】
As described above, in the wavefront curvature modulation device according to the first aspect of the present invention, the plurality of light flux generating means respectively generate light fluxes having different wavefront curvatures, and the light flux selecting means is configured to generate the plurality of generated light fluxes. At least one light beam can be selected. Therefore, it is possible to emit light beams having different wavefront curvatures.
[0097]
In addition, in the wavefront curvature modulation device according to the second aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect of the invention, the light beam intensity modulation means of the light beam selection means respectively receives the plurality of light beams generated by the plurality of light beam generation means. Can be intensity modulated or blocked independently. Therefore, light beams having different intensities and different wavefront curvatures can be arbitrarily emitted.
[0098]
In the wavefront curvature modulation device according to the third aspect of the invention, in addition to the effect of the first or second aspect of the invention, the light beam synthesizing unit synthesizes a plurality of light beams generated by the plurality of light beam generation units on the same axis. can do. Therefore, light beams having different wavefront curvatures can be combined and emitted simultaneously.
[0099]
Further, in the wavefront curvature modulation device according to the fourth aspect of the invention, in addition to the effect of the invention according to any one of the first to third aspects, the optical switch of the light beam selecting means can select a plurality of light beams. Therefore, the light beam can be selected at high speed.
[0100]
Further, in the wavefront curvature modulation device according to the fifth aspect of the invention, in addition to the effect of the invention according to any one of the first to fourth aspects, the wavefront curvature adjusting means independently adjusts or modulates the wavefront curvature of a plurality of light beams. can do. Accordingly, a light beam having an arbitrary wavefront curvature can be emitted.
[0101]
In addition, in the wavefront curvature modulation device according to the sixth aspect of the invention, in addition to the effect of the invention according to the fifth aspect, the wavefront curvature adjusting means may generate a radius of curvature of the wavefront by the generated light fluxes having different wavefront curvatures. Can be modulated or adjusted from infinity to about 10 cm. Therefore, the wavefront curvature of the emitted light beam can be set within a range where the observer can recognize the perspective.
[0102]
In the wavefront curvature modulation device according to the seventh aspect of the invention, in addition to the effect of the invention according to any one of the first to sixth aspects, each of the plurality of light beams having different wavefront curvatures is a set of light beams having a plurality of wavelengths. Since it is a body, it is possible to adjust or modulate the wavefront curvature of a light beam having a plurality of wavelengths. Therefore, a light beam having an arbitrary wavefront curvature and an arbitrary color tone can be emitted.
[0103]
Further, in the wavefront curvature modulation device according to the eighth aspect of the invention, in addition to the effect of the invention according to any one of the first to seventh aspects, the light beam separating means of the light beam generating means transmits the light beam emitted from at least one light source. The light beam converting means can separate the plurality of separated light beams into light beams having different wavefront curvatures. Accordingly, a plurality of light beams having different wavefront curvatures can be generated.
[0104]
In addition, in the wavefront curvature modulation means of the invention according to claim 9, in addition to the effect of the invention according to any one of claims 1 to 7, the light fluxes respectively generated from the plurality of light sources are respectively corresponding to the light fluxes. The conversion means can convert the light beams having different wavefront curvatures. Therefore, by controlling each light source, it is possible to independently modulate or block the intensity of each light beam output from each light beam conversion means.
[0105]
In addition, since the image display device of the invention according to the tenth aspect includes the wavefront curvature modulation device according to any one of the first to ninth aspects, the wavefront curvature of the light beam can be modulated. Therefore, an image can be formed by light beams having different wavefront curvatures.
[0106]
In the image display device according to the eleventh aspect, in addition to the effect of the tenth aspect, the optical scanning unit scans the light beam emitted from the wavefront curvature modulation device, and the optical unit includes the optical scanning unit. The light beam scanned by can be made incident on the pupil of the observer. Therefore, an image formed by light beams having different wavefront curvatures can be projected on the viewer's retina.
[0107]
In the image display device according to the twelfth aspect of the invention, in addition to the effect of the invention according to the tenth or eleventh aspect, the virtual projection means has a plurality of virtual projections having different distances from the virtual viewpoint assuming the observer's viewpoint. A three-dimensional image can be expressed by projecting a two-dimensional image on the surface. Therefore, the perspective can be expressed by the image incident on the eyes of the observer.
[0108]
Further, in the image display device according to the thirteenth aspect of the invention, in addition to the effect of the invention of the twelfth aspect, when the observer's focus is adjusted to any one of the plurality of virtual projection planes, it is viewed from a virtual viewpoint. Since the distance between the virtual projection planes is set so that the amount of blur based on the difference in focus between the two virtual projection planes positioned before and after the virtual projection plane is substantially the same, each virtual projection plane The difference in perspective between them can be expressed naturally. Therefore, the observer can move the focus between the virtual projection planes without feeling so uncomfortable.
[0109]
In the image display device of the invention according to claim 14, in addition to the effect of the invention according to claim 12, when the observer's focus is adjusted to any one of the plurality of virtual projection planes, the virtual projection plane is displayed. The distance between the virtual projection planes is set so that the amount of blur between adjacent virtual projection planes is almost the same as the visual resolution of the observer, so the placement of virtual projection planes can be set efficiently according to the perspective you want to express. be able to. Therefore, even if the number of virtual projection planes is reduced, it is possible to express a sense of perspective with little discomfort.
[0110]
In the image display device according to the fifteenth aspect, in addition to the effect of the invention according to any one of the twelfth to fourteenth aspects, the virtual projection means is added to a two-dimensional image projected on a plurality of virtual projection planes. The image data including depth information or the image based on the polygon data can be projected on the virtual projection plane. Thus, images from different sources can be combined and projected onto the viewer's retina.
[0111]
In the image display device according to the sixteenth aspect, in addition to the effect of the invention according to any one of the twelfth to fifteenth aspects, an arbitrary part of the three-dimensional image observed from the virtual viewpoint It can project on each virtual projection surface corresponding to the distance between. Therefore, it is possible to project a three-dimensional image with little discomfort on the retina of the observer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a wavefront curvature modulation device 1;
FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration of a light beam generation means 10;
FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a configuration of a light beam selection unit 20 according to the first embodiment;
FIG. 4 is a configuration diagram illustrating a configuration of a light beam selection unit 20 according to the second embodiment.
FIG. 5 is a configuration diagram illustrating a configuration of a light beam selection unit 20 according to a third embodiment;
FIG. 6 is a view showing a modification of the lens array 50 of the light flux generation means 10;
7 is a configuration diagram showing a configuration of an image display device 80. FIG.
FIG. 8 is a diagram for explaining information processing for creating a collection of two-dimensional image information at different image presentation positions by projecting a three-dimensional stereoscopic image onto a virtual projection plane in the virtual projection unit 77; FIG.
FIG. 9 is a configuration diagram showing a configuration of a modified example of the light beam generation means 10;
[Explanation of symbols]
1 Wavefront curvature modulator
2 Light flux A generator
3 Light flux B generator
4 Light flux C generator
5 Light flux D generator
10 Luminous flux generating means
11 Light source
12, 14, 16 Partial transmission mirror
18 Total reflection mirror
13, 15, 17, 19, 50 Lens array
20 Luminous flux selection means
21-24 Intensity modulator
25 Total reflection mirror
26-28 synthetic mirror
31-34 Optical switch
35 Total reflection mirror
36-38 synthetic mirror
39 slit
41-43 Optical switch
60 Horizontal scanning optical system
61 Vertical scanning optical system
75 First relay optical system
76 Second relay optical system
80 Image display device

Claims

A plurality of light flux generating means for generating light fluxes having different wavefront curvatures;
A wavefront curvature modulation apparatus comprising: a light beam selection unit that selects at least one light beam among the plurality of light beams generated by the plurality of light beam generation units.

2. The wavefront curvature modulation device according to claim 1, wherein the light beam selection unit includes a light beam intensity modulation unit that independently modulates or blocks a plurality of light beams generated by the plurality of light beam generation units. .

3. The wavefront curvature modulation device according to claim 1, further comprising a light beam synthesizing unit that coaxially combines a plurality of light beams generated by the plurality of light beam generation units.

4. The wavefront curvature modulation device according to claim 1, wherein the light beam selection means includes an optical switch for selecting the plurality of light beams.

5. The wavefront curvature modulation device according to claim 1, further comprising a wavefront curvature adjustment unit capable of independently adjusting or modulating the wavefront curvatures of the plurality of light beams.

6. The wavefront curvature modulation device according to claim 5, wherein the wavefront curvature adjusting means is capable of modulating or adjusting a radius of curvature of the wavefront to a region from infinity to about 10 cm by the plurality of light beams.

The wavefront curvature modulation device according to any one of claims 1 to 6, wherein each of the plurality of light beams having different wavefront curvatures is an aggregate of light beams having a plurality of wavelengths.

The luminous flux generating means includes
A light beam separating means for separating a light beam emitted from at least one light source into a plurality of light beams;
The wavefront curvature modulation device according to any one of claims 1 to 7, further comprising a light beam conversion unit that converts the plurality of separated light beams into light beams having different wavefront curvatures.

The luminous flux generating means includes
A plurality of light sources that respectively generate a plurality of luminous fluxes;
The wavefront curvature according to any one of claims 1 to 7, further comprising a plurality of light beam conversion means for converting the plurality of light beams generated by the plurality of light sources into light beams having different wavefront curvatures. Modulation device.

An image display device comprising the wavefront curvature modulation device according to claim 1.

Optical scanning means for scanning a light beam emitted from the wavefront curvature modulator;
The image display apparatus according to claim 10, further comprising: an optical unit that causes a light beam scanned by the optical scanning unit to enter the pupil of the observer.

The virtual projection means for expressing a three-dimensional image by projecting a two-dimensional image onto each of a plurality of virtual projection planes having different distances from the virtual viewpoint assuming an observer's viewpoint is provided. Or the image display apparatus of 11.

When the observer's focus is adjusted to any one of the plurality of virtual projection planes, the difference in focus shift between the two virtual projection planes positioned before and after the virtual projection plane as viewed from the virtual viewpoint The image display apparatus according to claim 12, wherein the distance between the virtual projection planes is set so that the amount of blur based on is substantially the same.

When the observer's focus is adjusted to any one of the plurality of virtual projection planes, the virtual projection plane is set so that the amount of blur of the virtual projection plane adjacent to the virtual projection plane substantially matches the visual resolution of the observer. The image display device according to claim 12, wherein a distance between them is set.

The virtual projection unit projects an image based on image data including depth information or polygon data on the virtual projection plane in addition to the two-dimensional image projected on the plurality of virtual projection planes. Item 15. The image display device according to any one of Items 12 to 14.

13. An arbitrary part of a three-dimensional image observed from the virtual viewpoint is projected on each virtual projection plane corresponding to a distance between the arbitrary part and the virtual viewpoint. 15. The image display device according to any one of 15.