JP4055590B2 - Image display device - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光束を走査して眼の網膜に直接画像を投影する画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、１インチ四方程度の小型の液晶ディスプレイ等をヘッドバンド等に固定し、これを観察者の頭部に装着して映像等を提供する、いわゆるヘッドマウントディスプレイという装置が知られている。この装置における立体画像を提供する手段として、左目用のディスプレイには左目から見た視点の映像を、右目用のディスプレイには右目から見た視点の映像をそれぞれ表示した、両眼の視野角の差による立体視の手段等が利用されている。
【０００３】
前記小型の液晶ディスプレイは、電圧の印加によって結晶の並びの方向性が変化する性質の液晶を利用して、光の３原色である赤、緑、青の３色のカラーフィルターの遮蔽をおこなうことでディスプレイとして機能している。液晶はそれ自体が発光せず、カラーフィルターを介して透過するバックライト等の光が光源であり、液晶ディスプレイはその光を透過もしくは遮断することで映像を表現している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この液晶ディスプレイと観察者の網膜との位置関係は一定であり、観察者の眼に入射される対象物の像は視覚的に立体でありながらも奥行き感のない立体像となり、観察者が違和感を感じる原因となっていた。
【０００５】
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、より自然な感覚に近い立体視を可能な画像表示装置を実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の画像表示装置は、少なくとも１つの光源と、その光源から出射される光束を画像信号に応じて変調する変調手段と、その変調手段によって変調された光束の波面曲率を変調する波面曲率変調手段と、その波面曲率変調手段によって変調された光束を走査する走査手段と、その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するための光学手段とを備え、前記観察者の網膜に前記画像信号に対応する画像を表示する画像表示装置であって、前記波面曲率変調手段は、入射したレーザ光を透過光と、透過光の垂直方向に反射された反射光とに分離するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射又は透過された光束を集光する集光手段と、前記集光手段で集光された光束が入射され、当該光束を反射する反射手段と、当該反射手段を前記光束の光軸方向に移動させる移動手段とを備え、前記反射手段で反射された光束は、集光手段を通過し、ビームスプリッタに入射し、透過又は反射され、前記走査手段に入射することを特徴とする。
【０００７】
この構成の画像表示装置では、移動手段が反射手段を光束の光軸方向に移動することで、波面曲率変調手段に入射した光束の波面曲率を変調することができる。
【０００８】
また、請求項２に係る発明の画像表示装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記ビームスプリッタは、前記変調手段により変調された光束のうち、所定の方向の直線偏光を透過し、前記所定の方向と直交する方向の直線偏光を反射する偏光ビームスプリッタであり、前記画像表示装置は、さらに、前記集光手段と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられた１／４波長板とを備えている。
【０００９】
この構成の画像表示装置では、請求項１に係る発明の作用に加え、１／４波長板に入射した光束は、１／４波長板によって直線偏光から円偏光に変化することができる。
【００１０】
また、請求項３に係る発明の画像表示装置は、請求項２に記載の発明の構成に加え、前記１／４波長板は、前記光軸方向に直交する面上で回転可能に構成されている。
【００１１】
この構成の画像表示装置では、請求項２に係る発明の作用に加え、波面曲率変調手段は、前記１／４波長板は、前記光軸方向に直交する面上で回転することができる。
【００１２】
また、請求項４に係る発明の画像表示装置は、少なくとも１つの光源と、その光源から出射される光束を画像信号に応じて変調する変調手段と、その変調手段によって変調された光束の波面曲率を変調する波面曲率変調手段と、その波面曲率変調手段によって変調された光束を走査する走査手段と、その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するための光学手段とを備え、前記観察者の網膜に前記画像信号に対応する画像を表示する画像表示装置であって、前記波面曲率変調手段は、入射したレーザ光を透過光と、透過光の垂直方向に反射された反射光とに分離するビームスプリッタと、当該ビームスプリッタで反射又は透過された光束を集光する集光手段と、前記集光手段で集光された光束が入射され、当該光束の光軸方向に対して位置の異なる複数の反射面を有する反射手段と、当該反射手段を、前記光軸方向と直交し、位置の異なる反射面にて光束を反射可能な方向に移動させる移動手段とを備えている。
【００１３】
この構成の画像表示装置では、光束の光軸方向に対して位置の異なる複数の反射面を有する光学素子によって、波面曲率変調手段に入射した光束の波面曲率を変調することができる。
【００１４】
【００１５】
【００１６】
また、請求項５に係る発明の画像表示装置は、請求項１乃至４の何れかに記載の発明の構成に加え、前記波面曲率変調手段は、前記移動手段とは別に前記反射手段の位置を調整するための位置調整手段を備えている。
【００１７】
この構成の画像表示装置では、請求項１乃至４の何れかに係る発明の作用に加え、波面曲率変調手段は、位置調整手段によって移動手段とは別に反射手段の位置を調整することができる。
【００１８】
また、請求項６に係る発明の画像表示装置は、請求項５に記載の発明の構成に加え、前記光学素子を反射した光又は前記焦点距離可変光学素子を透過した光を検出する光検出手段を備え、前記位置調整手段は、前記光検出手段によって検出された光の位置に応じて前記反射手段の位置を調整することを特徴とする構成となっている。
【００１９】
この構成の画像表示装置では、請求項５に係る発明の作用に加え、位置調整手段は、光検出手段によって検出された光の位置に応じて反射手段の位置を調整することができる。
【００２０】
また、請求項７に係る発明の画像表示装置は、請求項１乃至６の何れかに記載の発明の構成に加え、前記波面曲率変調手段は、前記走査手段より光源側に配置され、かつ前記走査手段上に光束が入射する位置と観察者の瞳孔位置とが光学的に共役の関係にあることを特徴とする構成となっている。
【００２１】
この構成の画像表示装置では、請求項１乃至６の何れかに係る発明の作用に加え、波面曲率変調手段を走査手段より光源側に配置し、走査手段上の光束が入射する位置と観察者の瞳孔位置とを光学的に共役の関係にすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る画像表示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、本発明に係る網膜走査型ディスプレイ１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、網膜走査型ディスプレイ１の全体構成を示す全体構成図である。
【００２３】
図１に示すように、網膜走査型ディスプレイ１には、外部から供給される映像信号を処理するための光源ユニット部２が設けられている。光源ユニット部２には、外部からの映像信号が入力され、それに基づいて映像を合成するための要素となる各信号を発生する映像信号供給回路３が設けられ、この映像信号供給回路３から映像信号４、水平同期信号５、垂直同期信号６、及び奥行き信号７が出力される。また、光源ユニット部２には、映像信号供給回路３から映像信号４として伝達される赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各映像信号をもとにそれぞれレーザ光を出射する、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１を、それぞれ駆動するためのＲレーザドライバ１０，Ｇレーザドライバ９，Ｂレーザドライバ８が設けられている。さらに、各レーザより出射されたレーザ光を平行光にコリメートするように設けられた第１コリメート光学系１４と、それぞれコリメートされたレーザ光を合成するダイクロイックミラー１５と、合成されたレーザ光を光ファイバ１７に導く結合光学系１６とが設けられている。尚、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１として、レーザダイオード等の半導体レーザや固体レーザを利用してもよい。また、光源ユニット部２が、本発明における変調手段である。
【００２４】
また、網膜走査型ディスプレイ１には、光源ユニット部２から伝搬されたレーザ光を再度平行光にコリメートする第２コリメート光学系１８と、コリメートされたレーザ光を変調するための波面曲率変調手段１００と、変調されたレーザ光をポリゴンミラー１９ａを利用して水平方向に走査する水平走査系１９と、水平走査系１９に走査され第１リレー光学系２０を介して入射されたレーザ光を、ガルバノミラー２１ａを利用して垂直方向に走査する垂直走査系２１とが設けられ、垂直走査系２１に走査されたレーザ光を観察者の瞳孔２４に入射するように第２リレー光学系２２が設けられている。第１リレー光学系２０は、水平走査系１９のポリゴンミラー１９ａ上で結像されるレーザ光と、垂直走査系２１のガルバノミラー２１ａ上で結像されるレーザ光とが共役となるように、また、第２リレー光学系２２は、ガルバノミラー２１ａ上で結像されるレーザ光と、観察者の瞳孔２４の位置で結像されるレーザ光とが共役となるように、各々設けられている。尚、水平走査系１９及び垂直走査系２１が、本発明における走査手段であり、第１リレー光学系２０及び第２リレー光学系２２が、本発明における光学手段である。
【００２５】
さらに、駆動回路２３は、映像信号供給回路３の出力する奥行き信号７に基づいて、波面曲率変調手段１００を駆動させるために設けられている。水平走査系１９，垂直走査系２１は各々映像信号供給回路３に接続され、映像信号供給回路３より出力される水平同期信号５，垂直同期信号６にそれぞれ同期してレーザ光を走査するように構成されている。
【００２６】
波面曲率変調手段１００は、入射したレーザ光を透過光と、透過光の垂直方向に反射された反射光とに分離するビームスプリッタ１０１と、ビームスプリッタ１０１に反射されたレーザ光を収束する凸レンズ１０２と、凸レンズ１０２に収束されたレーザ光を入射方向に反射する、可動可能な可動ミラー１０３とで構成されている。ビームスプリッタ１０１は、斜面に誘電体多層膜の施された直角プリズム２つが張り合わされたキューブ状の形状を成しており、その斜面１０１ａ（図２参照）において、入射光の光量の約５０％を直角方向に反射し、約５０％を透過するようになっている。
【００２７】
また、可動ミラー１０３は、例えばガラス等の透過性の板材の表面に金属膜の鏡面コートを施した反射面１０４ａ（図２参照）を有するミラー１０４と、例えば圧電型のピエゾ素子を積層した圧電アクチュエータ１０５とで構成され、圧電アクチュエータ１０５は、駆動回路２３からの駆動電圧が印加されることで駆動され、圧電アクチュエータ１０５に固定したミラー１０４と凸レンズ１０２との位置関係が変動されるようになっている。可動ミラー１０３の可動方向はミラー１０４の鏡面に対し垂直方向（図２中Ｘ軸方向）で、ビームスプリッタ１０１と凸レンズ１０２とを通過するレーザ光の光軸が直線上で一致するように構成されている。尚、圧電アクチュエータ１０５が、本発明における移動手段であり、ミラー１０４が、本発明における反射手段である。
【００２８】
さらに、可動ミラー１０３は、可動ミラー１０３の光軸方向における基準位置の微調整を行う位置調整手段１２０の移動調整部１２０ａに固定され、凸レンズ１０２と可動ミラー１０３との間の距離を移動調整部１２０ａに固定されたネジ送り微動台１２０ｂのネジを回転させることで微調整できるようになっている。この位置調整手段１２０は、圧電アクチュエータ１０５に駆動電圧が印加されていない場合、或いは位置調整用の所定の基準電圧が印加されている場合において、観察者が可動ミラー１０３の可動基準となる位置に可動ミラー１０３を移動させる調整を行うために設けられている。個々の光学系は微妙な個体差を有するので、可動ミラー１０３の可動基準となる位置、すなわち初期位置において、レーザ光の所定の波面曲率が初期値となるようにするには、可動ミラー１０３を初期位置に移動させる微調整が必要となる。この位置調整手段１２０によって、観察者の個人差よって眼の焦点位置が異なっても、波面曲率変調手段１００の効果が同様に得られるように微調整を行うことができる。
【００２９】
次に、本発明の一実施の形態の画像表示装置が、外部からの映像信号を受けてから、観察者の網膜上に映像を投影するまでの過程について、図１を参照して説明する。
【００３０】
図１に示すように、本実施の形態の網膜走査型ディスプレイ１では、光源ユニット部２に設けられた映像信号供給回路３が外部からの映像信号の供給を受けると、映像信号供給回路３は、赤，緑，青の各色のレーザ光を出力させるためのＲ映像信号，Ｇ映像信号，Ｂ映像信号からなる映像信号４と、水平同期信号５と、垂直同期信号６と、奥行き信号７とを出力する。Ｒレーザドライバ１０，Ｇレーザドライバ９，Ｂレーザドライバ８は各々入力されたＲ映像信号，Ｇ映像信号，Ｂ映像信号に基づいてＲレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１に対してそれぞれの駆動信号を出力する。この駆動信号に基づいて、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１はそれぞれレーザ光を発生し、各々を第１コリメート光学系１４に出力する。点光源から発生されるレーザ光は、この第１コリメート光学系１４によってそれぞれが平行光にコリメートされ、さらに、ダイクロイックミラー１５に入射されて１つの光束となるよう合成された後、結合光学系１６によって光ファイバ１７に入射されるよう導かれる。
【００３１】
光ファイバ１７によって伝搬されたレーザ光は、光ファイバ１７から出射される際に第２コリメート光学系１８によって再度コリメートされ、波面曲率変調手段１００に入射される。
【００３２】
ここで、波面曲率の変調について説明する。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。観察者はこの曲率半径のズレを認識し、遠近感を感じることができる。この光の球面波の曲率、つまり波面曲率を人工的に変調させ映像等で表現することによって、本発明では、より自然な感覚に近い立体視を観察者に提供することを可能としている。この、波面曲率の変調を実現する波面曲率変調手段１００については後述する。
【００３３】
波面曲率変調手段１００から出射されたレーザ光は、水平走査系１９のポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂに入射される。ポリゴンミラー１９ａは、図示外の光センサによって出力されたＢＤ（Beam Detector）信号をもとに回転速度が算出され、このＢＤ信号をもとに映像信号供給回路３の出力する水平同期信号５と同期するように等速回転の速度が調整されている。ポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂに入射したレーザ光は水平方向に走査されて第１リレー光学系２０を介し、垂直走査系２１のガルバノミラー２１ａの偏光面２１ｂに対し出射される。第１リレー光学系２０ではポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂ上で結像される像とガルバノミラー２１ａの偏光面２１ｂ上で結像される像とが共役の関係となるように調整され、また、ポリゴンミラー１９ａの面倒れが補正されている。ガルバノミラー２１ａは、ポリゴンミラー１９ａと同様に垂直同期信号６に同期して、その偏光面２１ｂが入射光を垂直方向に反射するように往復振動をしており、このガルバノミラー２１ａによってレーザ光は垂直方向に走査される。水平走査系１９及び垂直走査系２１によって水平方向及び垂直方向に２次元に走査されたレーザ光は、ガルバノミラー２１ａの偏光面２１ｂ上で結像した像と、観察者の瞳孔２４の位置で結像する像とが共役の関係となるように設けられた第２リレー光学系２２により観察者の瞳孔２４から入射され、網膜上に投影される。観察者はこのように２次元走査されて網膜上に投影されたレーザ光により画像を認識することができる。
【００３４】
次に図２及び図３を参照して、網膜走査型ディスプレイ１における波面曲率の変調の方法について説明する。図２及び図３は、波面曲率変調手段１００によりレーザ光が変調される態様を示す模式図である。
【００３５】
図２に示すように、波面曲率変調手段１００のビームスプリッタ１０１には、第２コリメート光学系１８（図１参照）によって平行光にコリメートされたレーザ光が、入射光として−Ｙ方向に入射される。入射されたレーザ光の光量のうち約５０％が斜面１０１ａで反射され、その反射方向（−Ｘ方向）に設けられた凸レンズ１０２に入射する。ところで、図１に示す、駆動回路２３より圧電アクチュエータ１０５に印加される駆動電圧が０または所定の基準値の場合に、可動ミラー１０３のミラー１０４の反射面１０４ａが凸レンズ１０２の主点に対し距離ｆだけ離れた位置に固定されるように、位置調整手段１２０のネジ送り微動台１２０ｂが観察者によってあらかじめ操作され調整されている。反射面１０４ａと凸レンズ１０２の主点との間の距離がｆの場合、凸レンズ１０２に入射したレーザ光は凸レンズ１０２によって屈折され収束し、反射面１０４ａ上で焦点を結ぶ。この場合、レーザ光は反射面１０４ａによって入射光と同軸方向に反射され（＋Ｘ方向）、ミラー１０４への入射の際には収束光であったレーザ光は、反射後には拡散光となって再度凸レンズ１０２に入射する。
【００３６】
反射面１０４ａで＋Ｘ方向に反射され凸レンズ１０２に入射する拡散光は、反射面１０４ａに反射される前に凸レンズ１０２が収束した収束光の収束角度と同じ広がり角度を持ち、さらに収束時と同一の光学系において同一の光路を通過するので、この拡散光は凸レンズ１０２の通過時に収束時と同じ角度で屈折され、平行光にコリメートされることになる。平行光にコリメートされたレーザ光は再度ビームスプリッタ１０１に入射され、その光量の約５０％が斜面１０１ａを通過し、第２コリメート光学系１８からの入射光とは直角を成す方向（＋Ｘ方向）に、波面曲率変調手段１００からの出射光として出射される。
【００３７】
また、図３に示すように、駆動回路２３（図１参照）からの所定の駆動電圧が印加されると圧電アクチュエータ１０５が駆動し、この駆動によって可動ミラー１０３が＋Ｘ方向に移動される。この場合、ミラー１０４の反射面１０４ａと凸レンズ１０２の主点との距離がｆ−ｄに変動される。第２コリメート光学系１８から−Ｙ方向に平行光として入射された入射光であるレーザ光は、上記の場合と同様に、ビームスプリッタ１０１の斜面１０１ａでその約５０％を−Ｘ方向に反射され凸レンズ１０２に入射される。凸レンズ１０２は、＋Ｘ方向から入射されたレーザ光を屈折して収束させるように−Ｘ方向に出射するが、可動ミラー１０３のミラー１０４の反射面１０４ａは、凸レンズ１０２の有する焦点距離ｆよりｄだけ凸レンズ１０２に近い位置に移動されているので、レーザ光は反射面１０４ａ上では収束されない。レーザ光は反射面１０４ａによって＋Ｘ方向に反射された後に、距離ｄだけ進んだ位置、すなわち距離ｆ−２ｄの位置で焦点を結び、凸レンズ１０２に再度入射する。
【００３８】
凸レンズ１０２は入射されたレーザ光を、その広がりを収束する方向に屈折させるが、凸レンズ１０２自体の屈折率については変動がないので、焦点距離ｆの位置から発せられる光を平行光にコリメートする凸レンズ１０２は、距離ｆ−２ｄの位置で発せられる光を平行にコリメートすることはできない。従って、距離ｆ−２ｄで焦点を結んだレーザ光は凸レンズ１０２に入射することで、レーザ光の広がり角度は小さくなるものの平行光にはコリメートされず、凸レンズ１０２を通過したレーザ光は凸レンズ１０２の通過後の広がり角度を維持したままビームスプリッタ１０１に入射する。ビームスプリッタ１０１に入射したレーザ光はその約５０％が斜面１０１ａを通過し、その広がり角度を維持したまま、すなわち拡散光として＋Ｘ方向に出射される。波面曲率変調手段１００は出射光として所定の広がり角度を有するレーザ光、すなわち平行光とは異なり波面曲率の大きな拡散光としてレーザ光を出射する。
【００３９】
拡散光として波面曲率変調手段１００より出射され、図１に示す、水平走査系１９のポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂに入射されるレーザ光の、この偏光面１９ｂ上での波面曲率は、見かけ上の発光点１２５から発せられた光と同等の波面曲率となる。また、反射面１０４ａと凸レンズ１０２の主点との距離がｆの場合に出射される平行光の、ポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂ上での波面曲率は、無限遠から発せられた光と同等の波面曲率となる。ここで、第１リレー光学系２０によってポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂ上で結像される像とガルバノミラー２１ａの偏光面２１ｂ上で結像される像とが、また、第２リレー光学系２２によってガルバノミラー２１ａの偏光面２１ｂ上で結像される像と観察者の瞳孔２４の位置で結像される像とがそれぞれ共役の関係となるように各リレー光学系が設けられているので、ポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂ上で結像される像と観察者の瞳孔２４の位置で結像される像とは共役の関係にある。従って、ポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂ上におけるレーザ光の波面曲率が、観察者の瞳孔２４の位置での波面曲率と同じとなる。
【００４０】
観察者が瞳孔２４から眼の中に入射したレーザ光の見かけ上の発光点１２５にピントを合わせると、レーザ光は観察者の網膜上で結像する。ところで、観察者は、ピント合わせ動作（いわゆる調節作用）により、レーザ光の波面曲率の違いを識別することができるので、観察者はレーザ光の波面曲率の違いに基づく遠近感を認識することができる。すなわち、波面曲率の大きいレーザ光は近い位置より発せられたと感じ、波面曲率の小さいレーザ光は遠い位置より発せられたと感じる。従って、この場合、観察者には見かけ上の発光点１２５と、瞳孔２４の位置に共役な偏光面１９ｂとの距離に相当する位置に、レーザ光の発光点が存在するように認識される。
【００４１】
波面曲率変調手段１００の凸レンズ１０２の焦点距離が、例えば４ｍｍであったとすると、可動ミラー１０３が約３０μｍの可動を行うだけで、波面曲率変調手段１００は約３０ｃｍ〜無限遠の遠近感を表現することができる。また、凸レンズ１０２の焦点距離が２ｍｍであった場合は、可動ミラー１０３が約１０μｍの可動を行うだけで、波面曲率変調手段１００は約３０ｃｍ〜無限遠の遠近感を表現することができる。例えば、波面曲率が小さい略平行の光束のレーザ光が走査され眼に入射された場合には、観察者は数十ｍ遠方のスクリーン上に提示された画面として認識でき、また、波面曲率が大きいレーザ光が走査され眼に入射された場合には、観察者は数十ｃｍ先のスクリーン上に提示された画面として認識できる。
【００４２】
以上説明したように、本実施の形態の網膜走査型ディスプレイ１では、映像信号供給回路３が出力したＲ，Ｇ，Ｂ各映像信号に基づいて発生されたＲ，Ｇ，Ｂ各レーザ光が合成され、波面曲率変調手段１００に入射される。波面曲率変調手段１００は入射されたレーザ光の波面曲率を変調し、水平走査系１９に出射する。水平走査系１９は入射されたレーザ光を水平方向に走査して垂直走査系２１に対して出射し、垂直走査系２１は入射されたレーザ光を垂直方向に走査して観察者の瞳孔２４に入射する。観察者は入射されたレーザ光の波面曲率の違いを識別して遠近感を認識することができる。
【００４３】
尚、本発明は前記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。本発明の変形例を図４乃至図１４を参照して説明する。図４及び図５は、入射光側の光路上にラインＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサ４０１を設け、その出力値に基づいて前述の位置調整手段１２０による可動ミラー１０３の基準位置の調整が自動で行われるようにした変形例を示す図である。図６は、ラインＣＣＤセンサ４０１の出力値に基づいて行われる位置調整手段１２０の移動の制御を示すフローチャートである。図７は、ビームスプリッタ１０１の代わりに偏光ビームスプリッタ１０６を用いた場合の波面曲率変調手段１００の変形例を示す図である。図８は、１／４波長板１０７を通過するレーザ光の偏光方向について説明するための模式図である。図９は、回転された１／４波長板１０７を通過するレーザ光の偏光方向について説明するための模式図である。図１０及び図１１は、可動ミラー１０３の代わりに可動多段ミラー１１１を用いた場合の波面曲率変調手段１００の変形例を示す図である。図１２は、可動ミラー１０３の代わりに可変焦点レンズ３０１を用いた場合の網膜走査型ディスプレイ１の全体構成を示す全体構成図である。図１３及び図１４は、可動ミラー１０３の代わりに可変焦点レンズ３０１を用いた場合の変形例を示す図である。
【００４４】
図４及び図５に示す変形例は、入射光側のレーザ光の光路上にラインＣＣＤセンサ４０１を設け、ラインＣＣＤセンサ４０１の出力値に基づいて位置調整手段１２０を制御するようにした場合の変形例である。図４及び図５に示すように、本変形例では、駆動回路２３（図１参照）より圧電アクチュエータ１０５に印加される駆動電圧が０または所定の基準値の場合に、反射面１０４ａと凸レンズ１０２の主点との距離がｆとなるように、可動ミラー１０３の位置が自動的に調整されるようになっている。この調整は可動ミラー１０３に固定された位置調整手段１２０によって行われる。位置調整手段１２０は、移動調整部１２０ａとパルスモータ微動台１２０ｃによって形成され、パルスモータ微動台１２０ｃに固定された移動調整部１２０ａに、可動ミラー１０３の圧電アクチュエータ１０５が固定されている。尚、ラインＣＣＤセンサ４０１が、本発明における光検出手段である。
【００４５】
また、ビームスプリッタ１０１の入射光側に、レーザ光の光軸の通過位置を基準として、ビームスプリッタ１０１から距離Ｌ２の位置にラインＣＣＤセンサ４０１が設けられている。パルスモータ微動台１２０ｃはこのラインＣＣＤセンサ４０１に、パルスモータ微動台駆動部４０４、ミラー位置制御部４０３、及びＣＣＤ出力読み取り部４０２を介して接続されている。
【００４６】
入射光として波面曲率変調手段１００に−Ｙ方向に入射したレーザ光は、ビームスプリッタ１０１の斜面１０１ａで−Ｘ方向に反射され、その斜面１０１ａのレーザ光の光軸通過位置から距離Ｌ１離れた位置に設けられた凸レンズ１０２に入射する。凸レンズ１０２を通過したレーザ光は、図４に示す例においては距離ｆ、図５に示す例においては距離ｆ−ｄの距離に位置するミラー１０４の反射面１０４ａで＋Ｘ方向に反射され、凸レンズ１０２を再通過し、ビームスプリッタ１０１に再入射する。レーザ光は、斜面１０１ａでその約５０％を＋Ｘ方向に透過されるが、その約５０％は入射光側（＋Ｙ方向）に反射される。ラインＣＣＤセンサ４０１は、この反射されたレーザ光を読み取ることができるように設けられている。
【００４７】
尚、波面曲率変調手段１００から出射されるレーザ光、すなわち出射光は、図中＋Ｘ方向に進み、図１に示す水平走査系１９のポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂで結像する。この場合における、レーザ光の光軸の通過位置を基準として、斜面１０１ａと偏光面１９ｂとの距離をＬ３とする。偏光面１９ｂと観察者の瞳孔２４とは光学的に共役の関係となるように、第１リレー光学系２０及び第２リレー光学系２２によって調整されているので、観察者の瞳孔２４の位置でのレーザ光の波面曲率半径は、偏光面１９ｂの位置での波面曲率半径としてみなされる。
【００４８】
ラインＣＣＤセンサ４０１には複数のＣＣＤ素子（図示外）が列設されており、各ＣＣＤ素子においてレーザ光とその光量を検知することができる。ビームスプリッタ１０１より入射光側（＋Ｙ方向）に反射されたレーザ光は、ラインＣＣＤセンサ４０１によってその光量が読み取られ、その検出値がＣＣＤ出力読み取り部４０２に出力される。ところで、レーザ光はそのビーム端において徐々に光量が落ちていく光束である。ＣＣＤ出力読み取り部４０２は、光束の中心、すなわち光軸における光量の所定の基準値、例えば１／ｅ２となる位置を各ＣＣＤ素子からの出力をもとに読み取り、ミラー位置制御部４０３に出力し、ミラー位置制御部４０３では、その位置をビームの端として、そのレーザ光のビーム径を決定する。ミラー位置制御部４０３は、決定したビーム径に基づいてパルスモータ微動台１２０ｃを駆動するための演算を行い、その結果に基づいた信号をパルスモータ微動台駆動部４０４に出力する。パルスモータ微動台駆動部４０４は、入力された信号に基づいて、パルスモータ微動台１２０ｃを駆動させるための駆動電圧を発生してパルスモータ微動台１２０ｃをＸ軸方向に移動させることで、移動調整部１２０ａを介してパルスモータ微動台１２０ｃに固定された可動ミラー１０３も移動され、その位置が制御される。この制御の各処理について、図６のフローチャートを参照して詳しく説明する。以下、フローチャートの各ステップを「Ｓ」と略記する。
【００４９】
図６に示すように、網膜走査型ディスプレイ１では図示外の入力手段によって「虚像提示位置の設定値Ｒを入力」がなされる（Ｓ１）。虚像提示位置の設定値Ｒとはあらかじめ定められた波面曲率半径の初期値であり、通常、波面曲率半径が無限大となる値を初期値として用いるが、この場合は数値計算上、無限大とみなされるしきい値が入力される。次に、ミラー位置制御部４０３は、「あらかじめ設定された計算式もしくはテーブルに基づき、設定値Ｒからミラーの位置Ｚを求める」（Ｓ２）。個々の光学系には個体差があり、多少の誤差が発生する。しかし、基準となる光学系を用いて、あらかじめ、初期状態におけるミラー１０４の反射面１０４ａと凸レンズ１０２の主点との位置関係に基づくミラー１０４の位置Ｚと、設定値Ｒと関係が定められている。これに基づいてＲとＺとの関係式、もしくはＲとＺとの関係に基づくテーブルが設定されており、Ｓ４以降の各ステップにおける誤差修正のためのループ動作を低減させるために、ミラー位置制御部４０３では、初期状態のミラー１０４の位置ＺがＳ２において求められる。さらに、ミラー位置制御部４０３は、Ｓ２の結果に基づき、パルスモータ微動台駆動部４０４に制御信号を出力する。パルスモータ微動台駆動部４０４はこの制御信号に基づいてパルスモータ微動台１２０ｃを駆動させる駆動電圧を発生し、パルスモータ微動台１２０ｃに印加する。そして、パルスモータ微動台１２０ｃは「パルスモータによりミラーを位置Ｚまで移動」させる（Ｓ３）。すなわち、ミラー１０４は初期位置Ｚに移動される。
【００５０】
次に、ＣＣＤ出力読み取り部４０２が、「ＣＣＤ各素子の出力値を読み込む」（Ｓ４）。ラインＣＣＤセンサ４０１は、受光した＋Ｙ方向へのレーザ光の光量をＣＣＤ各素子によって読み取り、ＣＣＤ出力読み取り部４０２に出力する。ＣＣＤ出力読み取り部４０２は、その読み取った値をミラー位置制御部４０３に出力する。ミラー位置制御部４０３は、「ＣＣＤ各素子の出力値から光束のビーム半径ｒ１を決定する」ため、どのＣＣＤ素子でビームの端とみなす光量を得たかをＣＣＤ出力読み取り部４０２の出力値に基づいて求め、この結果に基づいてビーム半径ｒ１が決定される（Ｓ５）。ミラー位置制御部４０３では、波面曲率の変調前のレーザ光、すなわち入射光のビーム半径がｒ０であるとして、この＋Ｙ方向へ反射されたレーザ光の波面曲率Ｒ１と、観察者の瞳孔２４の位置と光学的に共役な位置であるポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂでの波面曲率Ｒ２とが演算される。すなわち、「下記の式からＣＣＤ上での波面曲率半径Ｒ１および瞳孔上での波面曲率半径Ｒ２を計算する」ための演算がなされる（Ｓ６）。
Ｒ１＝ｒ１（Ｌ１＋Ｌ２−ｆ）／（ｒ１−ｒ０）・・・（１）
Ｒ２＝Ｒ１＋（Ｌ３−Ｌ２） ・・・（２）
数式（１）で求められた見かけ上の発光点１２５からラインＣＣＤセンサ４０１までの光路長、すなわち波面曲率半径Ｒ１が数式（２）に代入され、数式（２）では、観察者の瞳孔２４の位置での波面曲率Ｒ２が導き出される。
【００５１】
次に、ミラー位置制御部４０３は、「設定値Ｒと実測値Ｒ２とを比較する」ことを行い（Ｓ７）、
Ｒ２＜Ｒ＋δＲ・・・（３）
でない場合、（Ｓ７：ＮＯ）、「パルスモータによりミラーを１ステップだけレンズ側へ移動」する（Ｓ９）。ここで、δＲとは、波面曲率半径の設定値Ｒからのずれの許容値を示し、この許容値によって、瞳孔２４の位置におけるレーザ光の波面曲率半径の誤差または精度が決まる。すなわち、レーザ光の波面曲率半径の実測値Ｒ２が設定値Ｒより大きい場合は、レーザ光のビームの広がりが初期値より小さいことを意味し、凸レンズ１０２と可動ミラー１０３との間の距離が遠い状態であるので、ミラー位置制御部４０３はパルスモータ微動台駆動部４０４に信号を出し、パルスモータ微動台１２０ｃに駆動電圧を印加させ可動ミラー１０３と凸レンズ１０２との間の距離が近づくように１ステップ分、パルスモータ微動台１２０ｃを動作させる。そして、Ｓ４に戻る。
【００５２】
Ｓ７において、数式（３）が満たされた場合、すなわちレーザ光の波面曲率半径の実測値Ｒ２が設定値Ｒより小さい場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、ミラー位置制御部４０３は、「設定値Ｒと実測値Ｒ２とを比較する」（Ｓ８）。そして、
Ｒ２＞Ｒ−δＲ・・・（４）
でない場合、（Ｓ８：ＮＯ）、「パルスモータによりミラーを１ステップだけレンズと反対側へ移動」する（Ｓ１０）。すなわち、レーザ光の波面曲率半径の実測値Ｒ２が設定値Ｒより小さい場合は、レーザ光のビームの広がりが初期値より大きいことを意味し、図５に示すように、凸レンズ１０２と可動ミラー１０３との間の距離が近い状態であるので、ミラー位置制御部４０３はパルスモータ微動台駆動部４０４に信号を出し、パルスモータ微動台１２０ｃに駆動電圧を印加させ可動ミラー１０３と凸レンズ１０２との間の距離が離れるように１ステップ分、パルスモータ微動台１２０ｃを動作させる。そして、Ｓ４に戻る。
【００５３】
Ｓ８において、数式（４）が満たされた場合、すなわちレーザ光の波面曲率半径の実測値Ｒ２が設定値Ｒより大きい場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、
Ｒ２＝Ｒ±δＲ・・・（５）
となり、レーザ光の波面曲率半径が初期値の許容範囲内の値となったことを示し、ミラー位置制御部４０３は、可動ミラー１０３の位置Ｚが初期位置になったと判断し、処理を終了する。この状態において、図２に示す、本実施の形態における波面曲率変調手段１００において、観察者によるネジ送り微動台１２０ｂの調整がなされたのと同様の効果を得られる。
【００５４】
また、図７に示す変形例は、波面曲率変調手段１００のビームスプリッタ１０１の代わりに偏光ビームスプリッタ１０６を用いた場合の変形例である。図７に示すように、波面曲率変調手段１００の偏光ビームスプリッタ１０６には、第２コリメート光学系１８（図１参照）によって平行光にコリメートされたレーザ光が入射光として、＋Ｙ方向から入射される。
【００５５】
ところで、光は電磁波の一種であり、電磁波は電場と磁場の振動が伝搬する現象である。真空中を伝わる電磁波は光速で伝搬し、その電場と磁場の振動方向は互いに直交し、かつ進行方向に対し垂直な平面内にある平面波である。また、例えば白熱電球等から発せられる光の振動方向は任意の方向に一様に分布しているのに対し、レーザ光の振動方向（以下、「偏光方向」という。）は単一方向である。
【００５６】
偏光ビームスプリッタ１０６は斜面１０６ａに誘導体多層膜がコーティングされており、この斜面１０６ａではＸＹ平面に垂直な方向に偏光方向を有する光を反射し、ＸＹ平面と平行な方向に偏光方向を有する光が透過される。偏光ビームスプリッタ１０６に、ＸＹ平面に垂直な方向に偏光方向を有するレーザ光が＋Ｙ方向から入射した場合、斜面１０６ａで−Ｘ方向に反射され、１／４波長板１０７に入射する。
【００５７】
ところで、１／４波長板１０７は入射する直線偏光の、直交する電界の間の位相差を１／４波長だけ変化させる光学素子であるが、所定方向に偏光方向を有する直線偏光を円偏光に変化させる。また、入射する円偏光を直線偏光に変化させる。
【００５８】
１／４波長板１０７に入射したレーザ光は、１／４波長板１０７によって直線偏光から円偏光に変化されて−Ｘ方向に出射され、入射した凸レンズ１０２によって凸レンズ１０２の焦点距離と同じ距離ｆ離れた位置の可動ミラー１０３の反射面１０４ａで集光される。さらに、レーザ光は、反射面１０４ａで＋Ｘ方向に反射され、入射した凸レンズ１０２によって平行光にコリメートされ、１／４波長板１０７に入射される。円偏光として１／４波長板１０７に入射したレーザ光は、１／４波長板１０７によってＸＹ平面と平行な方向の直線偏光に変化され、偏光ビームスプリッタ１０６に対し出射される。偏光ビームスプリッタ１０６の斜面１０６ａは、入射したレーザ光がＸＹ平面に対し平行な直線偏光であるのでこのレーザ光を透過する。そして、偏光ビームスプリッタ１０６を透過したレーザ光は、波面曲率変調手段１００から出射光として＋Ｘ方向に出射される。
【００５９】
また、図中には示していないが、可動ミラー１０３が＋Ｘ方向に距離ｄ移動され、ミラー１０４の反射面１０４ａと凸レンズ１０２の主点との距離がｆ−ｄに変動された場合の波面曲率の変調の過程については、本実施の形態と同様である。この変形例において、偏光ビームスプリッタ１０６は、レーザ光の偏光方向に基づいて透過または反射を行うが、その場合の光量の損失が１０％未満であるので、ビームスプリッタ１０１による約５０％の光量の損失と比べ非常に少なく、波面曲率変調手段１００における総合的な光量の損失は大幅に低減されるという効果がある。
【００６０】
さらに、１／４波長板１０７に回転機構１３０を設け、１／４波長板１０７を任意に回転できるようにした場合について図７乃至図９を参照して説明する。図８及び図９で示す１／４波長板１０７は、図７で示す２点鎖線Ａ−Ａ’における矢視方向からみた図であり、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ軸方向として説明する。レーザ光は、図７に示す＋Ｘ方向から−Ｘ方向に向かって１／４波長板１０７に入射する。１／４波長板に入射する前のレーザ光（入射光）の偏光方向１０７ａはＸＹ平面に対して垂直方向で、図８及び図９においてはＺ軸方向である。１／４波長板１０７に紙面の表面から入射したレーザ光（入射光）は、前述と同じように円偏光に変化されて反射面１０４ａで反射された後、再度１／４波長板１０７に紙面の裏面から反射光として入射する。
【００６１】
図８で示すように、１／４波長板１０７は、図７に示す回転機構１３０による回転が行われていないため、第１光学軸１０７ｂ，第２光学軸１０７ｃはＹ軸方向，Ｚ軸方向に対して４５°の傾きを持つ。この場合、紙面の裏側から１／４波長板１０７に円偏光として再入射するレーザ光（反射光）は、その偏光方向１０７ｅがＹ軸方向に変化され、１／４波長板１０７から、図７で示す＋Ｘ方向に出射される。
【００６２】
また、図９で示すように、回転機構１３０（図７参照）によって１／４波長板１０７が回転され、その第１光学軸１０７ｂ及び第２光学軸１０７ｃが、光軸１０７ｄを中心として反時計回りに角度θだけ回転された場合、第１光学軸１０７ｂ，第２光学軸１０７ｃはＹ軸方向，Ｚ軸方向に対して４５°−θの傾きを持つ。この場合、紙面の裏側から１／４波長板１０７に円偏光として再入射するレーザ光（反射光）は、その偏光方向１０７ｅがＹ軸方向から角度２θ分、反時計回りに回転した方向に変化され、１／４波長板１０７から、図７で示す＋Ｘ方向に出射される。
【００６３】
１／４波長板１０７から出射されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１０６に入射する。この場合、１／４波長板１０７の回転角度θを調整することで、偏光ビームスプリッタ１０６の斜面１０６ａを通過するレーザ光の光量を変化させることができる。斜面１０６ａを通過しなかったレーザ光は、＋Ｙ方向に反射され、ラインＣＣＤセンサ４０１によってその光量を検知することができるので、前述の場合と同様に波面曲率半径を求めることができ、位置調整手段１２０による可動ミラー１０３の位置の調整が可能である。
【００６４】
また、図１０及び図１１に示す変形例は、波面曲率変調手段１００の可動ミラー１０３の代わりに可動多段ミラー１１１を用いた場合の変形例である。図１０に示すように、波面曲率変調手段１００のビームスプリッタ１０１には、第２コリメート光学系１８（図１参照）によって平行光にコリメートされたレーザ光が入射光として、−Ｙ方向に入射される。ビームスプリッタ１０１では、入射したレーザ光の光量のうち約５０％が斜面１０１ａによって−Ｘ方向に反射される。ビームスプリッタ１０１から−Ｘ方向に出射されたレーザ光は凸レンズ１０２を通過し、凸レンズ１０２の主点から距離ｆの位置で焦点を結ぶようになっている。可動多段ミラー１１１は圧電アクチュエータ１１３によってＹ軸方向に変動可能になっており、可動多段ミラー１１１の多段ミラー１１２の反射面１１２ａ，１１２ｃは、凸レンズ１０２を通過する光速の光軸が反射面１１２ａまたは１１２ｃと直交するように可動多段ミラー１１１が移動した場合において、反射面１１２ａ，１１２ｃと凸レンズ１０２の主点との距離がそれぞれｆ，ｆ−ｄとなるように設けられている。すなわち反射面１１２ｃは反射面１１２ａより距離ｄだけ凸レンズ１０２に近い位置に設けられている。
【００６５】
凸レンズ１０２を−Ｘ方向に通過したレーザ光は、距離ｄ離れた反射面１１２ａ上で焦点を結び、反射面１１２ａによって＋Ｘ方向に反射される。反射されたレーザ光は、凸レンズ１０２の通過時と同じ光路をたどり凸レンズ１０２に入射される。凸レンズ１０２は通過するレーザ光を平行光にコリメートし、ビームスプリッタ１０１に対して出射する。ビームスプリッタ１０１の斜面１０１ａは、入射したレーザ光の光量のうち約５０％を透過し、波面曲率変調手段１００は、この透過されたレーザ光を平行光の出射光として＋Ｘ方向に出射する。
【００６６】
また、図１１に示すように、反射面１１２ｃが、凸レンズ１０２を通過するレーザ光の光軸と重なるように可動多段ミラー１１１が変動した場合、凸レンズ１０２を通過したレーザ光は反射面１１２ｃ上で焦点を結ばず、反射面１１２ｃによって＋Ｘ方向に反射され、反射面１１２ｃから距離ｄの位置で焦点を結ぶ。この位置から凸レンズ１０２に再度入射するレーザ光は、凸レンズ１０２の主点から−Ｘ方向の距離ｆ−２ｄの位置から発せられる光と同じ広がり角度を持って凸レンズ１０２に入射する。凸レンズ１０２の焦点距離はｆであるので、凸レンズ１０２はレーザ光を平行光にコリメートできず、Ｘ軸方向において見かけ上の発光点１２５から発せられた光と同じ広がり角度を持つ拡散光として、ビームスプリッタ１０１に対して出射される。ビームスプリッタ１０１の斜面１０１ａは、入射したレーザ光の光量のうち約５０％を透過し、波面曲率変調手段１００はこのレーザ光を出射光として＋Ｘ方向に出射する。
【００６７】
眼は波面曲率の違いを認識できるが、それほど敏感でもないので、波面曲率の変調は必ずしも無限遠から至近距離まで連続的に行う必要はない。例えば、波面曲率の半径が５０ｃｍ，１ｍ，３ｍ，５ｍ，無限遠と５段階程度の不連続な波面曲率の変調を行うだけでも、実質的に十分な効果を得ることができる。この変形例では、駆動回路２３（図１参照）が可動多段ミラー１１１をＹ軸方向に移動させるのに４段階の電圧制御を行えばよく、回路を単純化できるという効果がある。
【００６８】
また、図１２乃至図１４に示す変形例は、図１における波面曲率変調手段１００の可動ミラー１０３の代わりに可変焦点レンズ３０１を用いた場合の変形例である。図１２に示すように、網膜走査型ディスプレイ１の波面曲率変調手段３００は、可変焦点レンズ３０１と凸レンズ３０２とによって構成されている。また、可変焦点レンズ３０１には、本実施の形態と同様に、移動調整部１２０ａとネジ送り微動台１２０ｂとからなる位置調整手段１２０が設けられており、観察者がネジ送り微動台１２０ｂを操作して可変焦点レンズ３０１の位置を移動させることで、可変焦点レンズ３０１及び凸レンズ３０２の微妙な個体差による収差のばらつきを補正することができるようになっている。網膜走査型ディスプレイ１のその他の構成は、前述の本実施の形態の場合と同様の構成となっている。尚、可変焦点レンズ３０１が、本発明における焦点距離可変光学素子である。
【００６９】
次に、図１３に示すように、波面曲率変調手段３００の可変焦点レンズ３０１は、透明な流体３０４を２枚のダイヤフラム３０３の間に保持しており、駆動回路２３（図１２参照）からの駆動電圧が印加された圧電バイモルフ３０５が駆動してダイヤフラム３０３を変形させることによって、可変焦点レンズ３０１の焦点位置を変動させる。可変焦点レンズ３０１には、第２コリメート光学系１８（図１２参照）によって平行光にコリメートされたレーザ光が入射光として、−Ｘ方向から入射される。可変焦点レンズ３０１の主点と凸レンズ３０２の主点との間の距離は位置調整手段１２０によって距離２ｆ０に固定されている。
【００７０】
可変焦点レンズ３０１の焦点距離ｆ１が凸レンズ３０２と同じ距離ｆ０になるように調整された場合、可変焦点レンズ３０１を通過したレーザ光は、可変焦点レンズ３０１の主点と凸レンズ３０２の主点との中間で焦点を結び、凸レンズ３０２に対して−Ｘ方向の距離ｆ０から＋Ｘ方向に発せられた光として入射するので、凸レンズ３０２を通過するレーザ光は平行光にコリメートされる。波面曲率変調手段３００は、この平行光にコリメートされたレーザ光を出射光として＋Ｘ方向に出射する。
【００７１】
また、図１４に示すように、圧電バイモルフ３０５の駆動によってダイヤフラム３０３が変動され、可変焦点レンズ３０１の焦点距離ｆ１がｆ０より大きくなるように調整された場合、−Ｘ方向より可変焦点レンズ３０１に入射したレーザ光は、可変焦点レンズ３０１を通過後、凸レンズ３０２の焦点距離ｆ０より長い距離ｆ１の位置で収束する。さらに、レーザ光は、凸レンズ３０２に対して−Ｘ方向の距離２ｆ０−ｆ１から＋Ｘ方向に発せられた光、すなわち凸レンズ３０２の焦点距離ｆ０よりも近い位置から発せられた光として入射する。この場合、焦点距離ｆ０である凸レンズ３０２を通過したレーザ光は平行光にコリメートされず、波面曲率変調手段３００は、このレーザ光を広がり角度を有する拡散光の出射光として＋Ｘ方向に出射する。この広がり角度を有する拡散光は、見かけ上の発光点１２５から発せられたレーザ光と同じ波面曲率を持つ。この変形例では、ビームスプリッタ１０１を使用しないので、レーザ光の光量の損失を抑えることができ、また、質量の大きいレンズを稼働させないので、焦点距離変動タイミングの遅れ等が生じにくく、数十ｋＨｚ程度の高速で変調を行うことができるという効果がある。
【００７２】
また、圧電アクチュエータ１０５，１１３及び圧電バイモルフ３０５は圧電方式に限定されず、静電方式、磁気方式等のアクチュエータを用いることができる。また、偏光ビームスプリッタ１０６と１／４波長板１０７とを可動多段ミラー１１１と組み合わせて波面曲率変調手段１００を構成することもできる。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明の画像表示装置では、移動手段が反射手段を光束の光軸方向に移動することで、波面曲率変調手段に入射した光束の波面曲率を変調することができる。従って、光学素子の光軸方向の移動により観察者に遠近感のある画像を認識させることができるとともに、その光学素子の移動を高速に繰り返す場合には、より自然体の画像を観察者に認識させることができる。
【００７４】
また、請求項２に係る発明の画像表示装置では、請求項１に係る発明の効果に加え、
１／４波長板に入射した光束は、１／４波長板によって直線偏光から円偏光に変化することができる。
【００７５】
また、請求項３に係る発明の画像表示装置では、請求項２に係る発明の効果に加え、１／４波長板は、光軸方向と直交する面上で回転することができる。従って、観察者の瞳孔に入射する光量を１／４波長板の回転角によって容易に設定することができる。
【００７６】
また、請求項４に係る発明の画像表示装置では、光束の光軸方向に対して位置の異なる複数の反射面を有する光学素子によって、波面曲率変調手段に入射した光束の波面曲率を変調することができる。従って、位置の異なる反射面により観察者に遠近感のある画像を認識させることができるとともに、反射面の切り換えを高速に繰り返すことにより、より自然体の画像を観察者に認識させることができる。
【００７７】
【００７８】
また、請求項５に係る発明の画像表示装置では、請求項１乃至４の何れかに係る発明の効果に加え、波面曲率変調手段は、位置調整手段によって移動手段とは別に反射手段の位置を調整することができる。従って、観察者は位置調整手段を用いて適した焦点位置を容易に調整することができる。
【００７９】
また、請求項６に係る発明の画像表示装置では、請求項５に係る発明の効果に加え、位置調整手段は、光検出手段によって検出された光の位置に応じて反射手段の位置を調整することができる。従って、観察者に適した焦点位置を自動的に調整することができる。
【００８０】
また、請求項７に係る発明の画像表示装置では、請求項１乃至６の何れかに係る発明の効果に加え、波面曲率変調手段を走査手段より光源側に配置し、走査手段上の光束が入射する位置と観察者の瞳孔位置とを光学的に共役の関係にすることができる。従って、波面曲率変調手段より出射された光束が観察者の瞳孔に入射するまでの光路上の距離に基づく波面曲率への影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、網膜走査型ディスプレイ１の全体構成を示す全体構成図である。
【図２】図２は、波面曲率変調手段１００によりレーザ光が変調される態様を示す模式図である。
【図３】図３は、波面曲率変調手段１００によりレーザ光が変調される態様を示す模式図である。
【図４】図４は、入射光側の光路上にラインＣＣＤセンサ４０１を設け、その出力値に基づいて位置調整手段１２０による可動ミラー１０３の基準位置の調整が自動で行われるようにした変形例を示す図である。
【図５】図５は、入射光側の光路上にラインＣＣＤセンサ４０１を設け、その出力値に基づいて位置調整手段１２０による可動ミラー１０３の基準位置の調整が自動で行われるようにした変形例を示す図である。
【図６】図６は、ラインＣＣＤセンサ４０１の出力値に基づいて行われる位置調整手段１２０の移動の制御を示すフローチャートである。
【図７】図７は、ビームスプリッタ１０１の代わりに偏光ビームスプリッタ１０６を用いた場合の波面曲率変調手段１００の変形例を示す図である。
【図８】図８は、１／４波長板１０７を通過するレーザ光の偏光方向について説明するための模式図である。
【図９】図９は、回転された１／４波長板１０７を通過するレーザ光の偏光方向について説明するための模式図である。
【図１０】図１０は、可動ミラー１０３の代わりに可動多段ミラー１１１を用いた場合の波面曲率変調手段１００の変形例を示す図である。
【図１１】図１１は、可動ミラー１０３の代わりに可動多段ミラー１１１を用いた場合の波面曲率変調手段１００の変形例を示す図である。
【図１２】図１２は、可動ミラー１０３の代わりに可変焦点レンズ３０１を用いた場合の網膜走査型ディスプレイ１の全体構成を示す全体構成図である。
【図１３】図１３は、可動ミラー１０３の代わりに可変焦点レンズ３０１を用いた場合の変形例を示す図である。
【図１４】図１４は、可動ミラー１０３の代わりに可変焦点レンズ３０１を用いた場合の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１ 網膜走査型ディスプレイ
１９ 水平走査系
２０ 第１リレー光学系
２１ 垂直走査系
２２ 第２リレー光学系
２４ 瞳孔
１００ 波面曲率変調手段
１０１ ビームスプリッタ
１０２ 凸レンズ
１０３ 可動ミラー
１０４ ミラー
１０５ 圧電アクチュエータ
１０６ 偏光ビームスプリッタ
１０７ １／４波長板
１１１ 可動多段ミラー
１２０ 位置調整手段
１３０ 回転機構
３０１ 可変焦点レンズ
４０１ ラインＣＣＤセンサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to an image display device that scans a light beam and projects an image directly onto the retina of an eye.
[0002]
[Prior art]
  2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a so-called head-mounted display device that provides a video or the like by fixing a small liquid crystal display or the like of about 1 inch square to a headband or the like and attaching it to an observer's head. As a means for providing a stereoscopic image in this apparatus, the left-eye display displays the viewpoint image viewed from the left eye, and the right-eye display displays the viewpoint image viewed from the right eye. Means for stereoscopic viewing based on the difference are used.
[0003]
  The small liquid crystal display uses a liquid crystal having the property that the direction of crystal alignment changes with the application of voltage, and shields the color filters of three primary colors, red, green and blue. It functions as a display. The liquid crystal itself does not emit light, and light such as a backlight transmitted through the color filter is a light source, and the liquid crystal display expresses an image by transmitting or blocking the light.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
  However, the positional relationship between the liquid crystal display and the retina of the observer is constant, and the image of the object incident on the observer's eyes is a stereoscopic image that is visually stereoscopic but has no sense of depth. Was causing discomfort.
[0005]
  The present invention has been made to solve the above problems., YoEnables stereoscopic viewing that is close to naturalNohAn object is to realize an image display device.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, an image display device according to a first aspect of the present invention includes at least one light source, a modulation unit that modulates a light beam emitted from the light source according to an image signal, and a modulation unit that modulates the light beam. A wavefront curvature modulation means for modulating the wavefront curvature of the light flux, a scanning means for scanning the light flux modulated by the wavefront curvature modulation means, and a light beam scanned by the scanning means for entering the pupil of the observer An image display apparatus that displays an image corresponding to the image signal on the retina of the observer, wherein the wavefront curvature modulation means includes:A beam splitter that separates the incident laser light into transmitted light and reflected light that is reflected in the vertical direction of the transmitted light; condensing means that condenses the light beam reflected or transmitted by the beam splitter; Reflecting means for receiving the light beam collected by the means and reflecting the light beam, and the reflecting meansMoving means for moving the light beam in the optical axis direction of the light fluxThe light beam reflected by the reflecting means passes through the condensing means, enters the beam splitter, is transmitted or reflected, and enters the scanning means.
[0007]
  In the image display device having this configuration, the moving means isReflection meansIs moved in the direction of the optical axis of the light beam, the wavefront curvature of the light beam incident on the wavefront curvature modulation means can be modulated.
[0008]
  An image display device according to a second aspect of the invention includes the configuration according to the first aspect,Beam splitterA polarization beam splitter that transmits linearly polarized light in a predetermined direction and reflects linearly polarized light in a direction orthogonal to the predetermined direction out of the light flux modulated by the modulating means.And the image display device further includes theA quarter-wave plate provided between the focusing means and the polarizing beam splitter;YeahYes.
[0009]
  In the image display device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to claim 1,The light beam incident on the quarter wave plate is changed from linearly polarized light to circularly polarized light by the quarter wave plate.can do.
[0010]
  An image display device according to a third aspect of the present invention comprises:2In addition to the configuration of the invention described inThe quarter-wave plate is configured to be rotatable on a plane orthogonal to the optical axis direction.ing.
[0011]
  In the image display device with this configuration,2In addition to the operation of the invention according to the above, the wavefront curvature modulation means isThe quarter wave plate rotates on a plane orthogonal to the optical axis direction.can do.
[0012]
  According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an image display apparatus comprising: at least one light source; a modulation unit that modulates a light beam emitted from the light source according to an image signal; and a wavefront curvature of the light beam modulated by the modulation unit. A wavefront curvature modulation means for modulating the light, a scanning means for scanning the light beam modulated by the wavefront curvature modulation means, and an optical means for causing the light beam scanned by the scanning means to enter the pupil of the observer, The image display device displays an image corresponding to the image signal on the retina of the observer, and the wavefront curvature modulation means includes:A beam splitter that separates incident laser light into transmitted light and reflected light that is reflected in the vertical direction of the transmitted light, and a condensing unit that condenses the light beam reflected or transmitted by the beam splitter,SaidCondensed by condensing meansLuminous fluxThe incident light fluxA plurality of reflective surfaces having different positions with respect to the optical axis directionA reflecting means, and a moving means for moving the reflecting means in a direction orthogonal to the optical axis direction and capable of reflecting a light beam by reflecting surfaces having different positions;It has.
[0013]
  In the image display device having this configuration, the wavefront curvature of the light beam incident on the wavefront curvature modulation means can be modulated by an optical element having a plurality of reflecting surfaces whose positions are different with respect to the optical axis direction of the light beam.
[0014]
[0015]
[0016]
  Claims5An image display apparatus according to the present invention isAny one of 1 to 4In addition to the configuration of the invention described in (2), the wavefront curvature modulation means includesApart from the moving meansSaidReflection meansThere is provided a position adjusting means for adjusting the position.
[0017]
  In the image display device with this configuration,Any one of 1 to 4In addition to the operation of the invention according to the invention, the wavefront curvature modulating means is separated from the moving means by the position adjusting means.Reflection meansCan be adjusted.
[0018]
  Claims6An image display apparatus according to the present invention is5In addition to the configuration of the invention described in (2), a light detection unit that detects light reflected by the optical element or light transmitted through the variable focal length optical element is provided, and the position adjustment unit is detected by the light detection unit Depending on the position of the lightReflection meansThe position is adjusted.
[0019]
  In the image display device with this configuration,5In addition to the operation of the invention according to the present invention, the position adjusting means may be adapted to the position of light detected by the light detecting meansReflection meansCan be adjusted.
[0020]
  Claims7The image display apparatus according to the present invention is the first aspect.6In addition to the configuration of any of the inventions, the wavefront curvature modulation means is disposed closer to the light source than the scanning means, and the position where the light beam enters the scanning means and the pupil position of the observer are optically It is the structure characterized by having a conjugate relation.
[0021]
  In the image display apparatus with this configuration,6In addition to the operation of the invention according to any one of the above, the wavefront curvature modulation means is arranged on the light source side from the scanning means, and the position where the light beam on the scanning means is incident and the pupil position of the observer are optically conjugate. be able to.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, an embodiment of an image display device according to the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the retinal scanning display 1 according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is an overall configuration diagram showing the overall configuration of the retinal scanning display 1.
[0023]
  As shown in FIG. 1, the retinal scanning display 1 is provided with a light source unit 2 for processing a video signal supplied from the outside. The light source unit 2 is provided with a video signal supply circuit 3 that receives an external video signal and generates each signal as an element for synthesizing the video based on the video signal. A signal 4, a horizontal synchronization signal 5, a vertical synchronization signal 6, and a depth signal 7 are output. The light source unit 2 emits laser light based on the red (R), green (G), and blue (B) video signals transmitted as the video signal 4 from the video signal supply circuit 3. An R laser driver 10, a G laser driver 9, and a B laser driver 8 are provided for driving the R laser 13, the G laser 12, and the B laser 11, respectively. Further, the first collimating optical system 14 provided so as to collimate the laser light emitted from each laser into parallel light, the dichroic mirror 15 for synthesizing the collimated laser lights, and the synthesized laser light as light. A coupling optical system 16 leading to the fiber 17 is provided. As the R laser 13, G laser 12, and B laser 11, a semiconductor laser such as a laser diode or a solid-state laser may be used. The light source unit 2 is a modulation means in the present invention.
[0024]
  The retinal scanning display 1 also includes a second collimating optical system 18 that collimates the laser light propagated from the light source unit 2 into parallel light, and wavefront curvature modulation means 100 for modulating the collimated laser light. A horizontal scanning system 19 that scans the modulated laser light in the horizontal direction using the polygon mirror 19a, and laser light that is scanned by the horizontal scanning system 19 and incident through the first relay optical system 20 A vertical scanning system 21 that scans in the vertical direction using a mirror 21a is provided, and a second relay optical system 22 is provided so that laser light scanned by the vertical scanning system 21 is incident on the pupil 24 of the observer. ing. The first relay optical system 20 is configured so that the laser light imaged on the polygon mirror 19a of the horizontal scanning system 19 and the laser light imaged on the galvano mirror 21a of the vertical scanning system 21 are conjugate. The second relay optical system 22 is provided so that the laser light imaged on the galvanometer mirror 21a and the laser light imaged at the position of the pupil 24 of the observer are conjugate. . The horizontal scanning system 19 and the vertical scanning system 21 are scanning means in the present invention, and the first relay optical system 20 and the second relay optical system 22 are optical means in the present invention.
[0025]
  Further, the drive circuit 23 is provided to drive the wavefront curvature modulation means 100 based on the depth signal 7 output from the video signal supply circuit 3. The horizontal scanning system 19 and the vertical scanning system 21 are respectively connected to the video signal supply circuit 3 so as to scan the laser beam in synchronization with the horizontal synchronization signal 5 and the vertical synchronization signal 6 output from the video signal supply circuit 3, respectively. It is configured.
[0026]
  The wavefront curvature modulation means 100 includes a beam splitter 101 that separates incident laser light into transmitted light and reflected light that is reflected in the vertical direction of the transmitted light, and a convex lens 102 that converges the laser light reflected by the beam splitter 101. And a movable mirror 103 that reflects the laser light converged on the convex lens 102 in the incident direction. The beam splitter 101 has a cube shape in which two right-angle prisms each having a dielectric multilayer film are attached to a slope, and about 50% of the amount of incident light on the slope 101a (see FIG. 2). Is reflected in a right angle direction, and about 50% is transmitted.
[0027]
  Further, the movable mirror 103 is a piezoelectric in which a mirror 104 having a reflective surface 104a (see FIG. 2) in which a metal film is coated on a surface of a transparent plate material such as glass and a piezoelectric piezo element, for example, are laminated. The piezoelectric actuator 105 is driven by applying a driving voltage from the driving circuit 23, and the positional relationship between the mirror 104 fixed to the piezoelectric actuator 105 and the convex lens 102 is changed. ing. The movable mirror 103 is movable in a direction perpendicular to the mirror surface of the mirror 104 (X-axis direction in FIG. 2), and the optical axis of the laser beam passing through the beam splitter 101 and the convex lens 102 is configured to coincide on a straight line. ing. The piezoelectric actuator 105 is a moving means in the present invention, and the mirror 104 is a reflecting means in the present invention.
[0028]
  Furthermore, the movable mirror 103 is fixed to a movement adjustment unit 120a of a position adjustment unit 120 that performs fine adjustment of the reference position in the optical axis direction of the movable mirror 103, and the movement adjustment unit adjusts the distance between the convex lens 102 and the movable mirror 103. Fine adjustment can be performed by rotating the screw of the screw feed fine moving table 120b fixed to 120a. The position adjusting means 120 is positioned so that the observer can move to the position where the movable mirror 103 becomes a movable reference when no driving voltage is applied to the piezoelectric actuator 105 or when a predetermined reference voltage for position adjustment is applied. It is provided to make adjustments to move the movable mirror 103. Since each optical system has a subtle individual difference, in order to set a predetermined wavefront curvature of the laser beam to an initial value at a position that is a movable reference of the movable mirror 103, that is, an initial position, the movable mirror 103 is provided. Fine adjustment to move to the initial position is required. By this position adjusting means 120, fine adjustment can be performed so that the effect of the wavefront curvature modulating means 100 can be obtained in the same manner even if the focal position of the eye varies depending on the individual difference of the observer.
[0029]
  Next, the process from when the image display apparatus according to the embodiment of the present invention receives an image signal from the outside until the image is projected onto the retina of the observer will be described with reference to FIG.
[0030]
  As shown in FIG. 1, in the retinal scanning display 1 of the present embodiment, when the video signal supply circuit 3 provided in the light source unit 2 is supplied with an external video signal, the video signal supply circuit 3 is A video signal 4 composed of R video signal, G video signal and B video signal for outputting laser beams of red, green and blue, horizontal synchronizing signal 5, vertical synchronizing signal 6 and depth signal 7; Is output. The R laser driver 10, the G laser driver 9, and the B laser driver 8 respectively drive the R laser 13, the G laser 12, and the B laser 11 based on the input R video signal, G video signal, and B video signal. Output a signal. Based on this drive signal, the R laser 13, the G laser 12, and the B laser 11 respectively generate laser beams and output them to the first collimating optical system 14. The laser light generated from the point light source is collimated into parallel light by the first collimating optical system 14, and further, is incident on the dichroic mirror 15 to be combined into one light beam, and then combined optical system 16. To be incident on the optical fiber 17.
[0031]
  When the laser light propagated by the optical fiber 17 is emitted from the optical fiber 17, it is collimated again by the second collimating optical system 18 and is incident on the wavefront curvature modulation means 100.
[0032]
  Here, the modulation of 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 this deviation in the radius of curvature and feel a sense of perspective. By artificially modulating the curvature of the spherical wave of light, that is, the wavefront curvature, and expressing it with an image or the like, in the present invention, it is possible to provide a viewer with a stereoscopic view that is more natural. The wavefront curvature modulation means 100 for realizing the modulation of the wavefront curvature will be described later.
[0033]
  The laser beam emitted from the wavefront curvature modulation unit 100 is incident on the polarization plane 19b of the polygon mirror 19a of the horizontal scanning system 19. The polygon mirror 19a calculates a rotation speed based on a BD (Beam Detector) signal output by an optical sensor (not shown), and a horizontal synchronizing signal 5 output from the video signal supply circuit 3 based on the BD signal. The speed of constant speed rotation is adjusted to synchronize. The laser light incident on the polarization plane 19b of the polygon mirror 19a is scanned in the horizontal direction and emitted through the first relay optical system 20 to the polarization plane 21b of the galvano mirror 21a of the vertical scanning system 21. In the first relay optical system 20, the image formed on the polarization plane 19b of the polygon mirror 19a and the image formed on the polarization plane 21b of the galvanometer mirror 21a are adjusted so as to have a conjugate relationship. The surface tilt of the polygon mirror 19a is corrected. Similarly to the polygon mirror 19a, the galvano mirror 21a is reciprocally oscillated so that the polarization plane 21b reflects incident light in the vertical direction in synchronization with the vertical synchronizing signal 6, and the galvano mirror 21a causes the laser light to be emitted. Scans vertically. Laser light that is two-dimensionally scanned in the horizontal and vertical directions by the horizontal scanning system 19 and the vertical scanning system 21 is connected to the image formed on the polarization plane 21b of the galvano mirror 21a and the position of the pupil 24 of the observer. The second relay optical system 22 provided so as to have a conjugate relationship with the image to be imaged is incident from the pupil 24 of the observer and projected onto the retina. The observer can recognize the image by the laser light thus two-dimensionally scanned and projected onto the retina.
[0034]
  Next, a method of modulating the wavefront curvature in the retinal scanning display 1 will be described with reference to FIGS. FIGS. 2 and 3 are schematic views showing a mode in which the laser light is modulated by the wavefront curvature modulation means 100.
[0035]
  As shown in FIG. 2, the laser beam collimated into parallel light by the second collimating optical system 18 (see FIG. 1) is incident on the beam splitter 101 of the wavefront curvature modulation unit 100 as incident light in the −Y direction. The About 50% of the amount of incident laser light is reflected by the inclined surface 101a and enters the convex lens 102 provided in the reflection direction (−X direction). By the way, when the drive voltage applied to the piezoelectric actuator 105 from the drive circuit 23 shown in FIG. 1 is 0 or a predetermined reference value, the reflecting surface 104a of the mirror 104 of the movable mirror 103 is a distance from the principal point of the convex lens 102. The screw feed fine moving table 120b of the position adjusting means 120 is operated and adjusted in advance by an observer so as to be fixed at a position separated by f. When the distance between the reflecting surface 104a and the principal point of the convex lens 102 is f, the laser light incident on the convex lens 102 is refracted and converged by the convex lens 102 and is focused on the reflecting surface 104a. In this case, the laser light is reflected in the coaxial direction with the incident light by the reflecting surface 104a (+ X direction), and the laser light that was converged light upon entering the mirror 104 becomes diffused light after the reflection again. The light enters the convex lens 102.
[0036]
  The diffused light that is reflected in the + X direction by the reflecting surface 104a and enters the convex lens 102 has the same spreading angle as the convergent light converged by the convex lens 102 before being reflected by the reflecting surface 104a, and is the same as that at the time of convergence. Since it passes through the same optical path in the optical system, this diffused light is refracted at the same angle as at the time of convergence when passing through the convex lens 102 and collimated into parallel light. The laser light collimated to the parallel light is incident on the beam splitter 101 again, and about 50% of the light quantity passes through the inclined surface 101a, and is a direction perpendicular to the incident light from the second collimating optical system 18 (+ X direction). Then, the light is emitted as light emitted from the wavefront curvature modulation means 100.
[0037]
  As shown in FIG. 3, when a predetermined drive voltage is applied from the drive circuit 23 (see FIG. 1), the piezoelectric actuator 105 is driven, and the movable mirror 103 is moved in the + X direction by this drive. In this case, the distance between the reflecting surface 104a of the mirror 104 and the principal point of the convex lens 102 is changed to fd. As in the case described above, about 50% of the laser light that is incident as parallel light in the −Y direction from the second collimating optical system 18 is reflected in the −X direction by the inclined surface 101a of the beam splitter 101. The light enters the convex lens 102. The convex lens 102 emits the laser beam incident from the + X direction in the −X direction so as to be refracted and converged. However, the reflecting surface 104a of the mirror 104 of the movable mirror 103 is d by the focal length f of the convex lens 102. Since it is moved to a position close to the convex lens 102, the laser beam is not converged on the reflection surface 104a. After the laser beam is reflected in the + X direction by the reflecting surface 104a, the laser beam is focused at a position advanced by a distance d, that is, a position at a distance f-2d, and is incident on the convex lens 102 again.
[0038]
  The convex lens 102 refracts the incident laser light in the direction in which the spread of the laser beam converges. However, since there is no change in the refractive index of the convex lens 102 itself, the convex lens collimates the light emitted from the position of the focal length f into parallel light. 102 cannot collimate the light emitted at the distance f-2d in parallel. Accordingly, the laser beam focused at the distance f-2d is incident on the convex lens 102, so that the spread angle of the laser beam is reduced, but the collimated light is not collimated, and the laser beam that has passed through the convex lens 102 passes through the convex lens 102. The light enters the beam splitter 101 while maintaining the spread angle after passing. About 50% of the laser light incident on the beam splitter 101 passes through the inclined surface 101a, and is emitted in the + X direction as diffused light while maintaining its spread angle. Wavefront curvature modulation means 100 emits laser light as diffused light having a large wavefront curvature, unlike laser light having a predetermined spread angle as emitted light, that is, parallel light.
[0039]
  The wavefront curvature on the polarization plane 19b of the laser beam emitted from the wavefront curvature modulation means 100 as diffused light and incident on the polarization plane 19b of the polygon mirror 19a of the horizontal scanning system 19 shown in FIG. The wavefront curvature is equivalent to that of the light emitted from the light emitting point 125. The wavefront curvature of the parallel light emitted when the distance between the reflecting surface 104a and the principal point of the convex lens 102 is f on the polarization plane 19b of the polygon mirror 19a is equal to that of light emitted from infinity. Curvature. Here, an image formed on the polarization plane 19b of the polygon mirror 19a by the first relay optical system 20 and an image formed on the polarization plane 21b of the galvano mirror 21a are also represented by the second relay optical system 22. The relay optical systems are provided so that the image formed on the polarization plane 21b of the galvano mirror 21a and the image formed at the position of the pupil 24 of the observer have a conjugate relationship. The image formed on the polarization plane 19b of the polygon mirror 19a and the image formed at the position of the observer's pupil 24 are in a conjugate relationship. Therefore, the wavefront curvature of the laser beam on the polarization plane 19b of the polygon mirror 19a is the same as the wavefront curvature at the position of the pupil 24 of the observer.
[0040]
  When the observer focuses on the apparent light emission point 125 of the laser light that has entered the eye from the pupil 24, the laser light is imaged on the retina of the observer. By the way, since the observer can identify the difference in the wavefront curvature of the laser light by the focusing operation (so-called adjustment action), the observer can recognize the perspective based on the difference in the wavefront curvature of the laser light. it can. That is, it is felt that a laser beam having a large wavefront curvature is emitted from a close position, and a laser beam having a small wavefront curvature is emitted from a distant position. Accordingly, in this case, the observer recognizes that the laser light emission point exists at a position corresponding to the distance between the apparent light emission point 125 and the polarization plane 19b conjugate to the position of the pupil 24.
[0041]
  If the focal length of the convex lens 102 of the wavefront curvature modulation means 100 is, for example, 4 mm, the wavefront curvature modulation means 100 expresses a perspective of about 30 cm to infinity only by moving the movable mirror 103 by about 30 μm. be able to. Further, when the focal length of the convex lens 102 is 2 mm, the wavefront curvature modulation means 100 can express a perspective from about 30 cm to infinity only by moving the movable mirror 103 by about 10 μm. For example, when a laser beam of a substantially parallel light beam having a small wavefront curvature is scanned and incident on the eye, the observer can recognize it as a screen presented on a screen several tens of meters away, and the wavefront curvature is large. When the laser beam is scanned and incident on the eye, the observer can recognize it as a screen presented on a screen several tens of centimeters away.
[0042]
  As described above, in the retinal scanning display 1 of the present embodiment, the R, G, B laser beams generated based on the R, G, B video signals output from the video signal supply circuit 3 are combined. And enters the wavefront curvature modulation means 100. The wavefront curvature modulation means 100 modulates the wavefront curvature of the incident laser light and emits it to the horizontal scanning system 19. The horizontal scanning system 19 scans the incident laser beam in the horizontal direction and emits it to the vertical scanning system 21, and the vertical scanning system 21 scans the incident laser beam in the vertical direction to enter the pupil 24 of the observer. Incident. The observer can recognize the perspective by identifying the difference in wavefront curvature of the incident laser light.
[0043]
  In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. A modification of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5, a line CCD (Charge Coupled Device) sensor 401 is provided on the optical path on the incident light side, and the reference position of the movable mirror 103 is automatically adjusted by the position adjusting means 120 based on the output value. It is a figure which shows the modification made to be performed. FIG. 6 is a flowchart showing the movement control of the position adjusting unit 120 performed based on the output value of the line CCD sensor 401. FIG. 7 is a view showing a modification of the wavefront curvature modulation means 100 when the polarization beam splitter 106 is used instead of the beam splitter 101. FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the polarization direction of the laser light that passes through the quarter-wave plate 107. FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the polarization direction of the laser light that passes through the rotated quarter-wave plate 107. FIGS. 10 and 11 are diagrams showing a modification of the wavefront curvature modulation means 100 when the movable multistage mirror 111 is used instead of the movable mirror 103. FIG. 12 is an overall configuration diagram showing the overall configuration of the retinal scanning display 1 when the variable focus lens 301 is used instead of the movable mirror 103. FIG. 13 and FIG. 14 are diagrams showing modifications in the case where the variable focus lens 301 is used instead of the movable mirror 103.
[0044]
  4 and 5 show a case in which a line CCD sensor 401 is provided on the optical path of the laser beam on the incident light side, and the position adjusting means 120 is controlled based on the output value of the line CCD sensor 401. It is a modification. As shown in FIGS. 4 and 5, in this modification, when the drive voltage applied to the piezoelectric actuator 105 from the drive circuit 23 (see FIG. 1) is 0 or a predetermined reference value, the reflecting surface 104 a and the convex lens 102 are used. The position of the movable mirror 103 is automatically adjusted so that the distance from the principal point becomes f. This adjustment is performed by the position adjusting means 120 fixed to the movable mirror 103. The position adjusting means 120 is formed by a movement adjusting unit 120a and a pulse motor fine moving table 120c, and the piezoelectric actuator 105 of the movable mirror 103 is fixed to the movement adjusting unit 120a fixed to the pulse motor fine moving table 120c. The line CCD sensor 401 is a light detection means in the present invention.
[0045]
  A line CCD sensor 401 is provided on the incident light side of the beam splitter 101 at a distance L2 from the beam splitter 101 with reference to the passing position of the optical axis of the laser beam. The pulse motor fine moving table 120c is connected to the line CCD sensor 401 via a pulse motor fine moving table driving unit 404, a mirror position control unit 403, and a CCD output reading unit 402.
[0046]
  The laser light incident on the wavefront curvature modulation means 100 as incident light in the −Y direction is reflected in the −X direction by the inclined surface 101a of the beam splitter 101, and is positioned at a distance L1 from the optical axis passing position of the laser light on the inclined surface 101a. The light is incident on the convex lens 102 provided in the lens. The laser beam that has passed through the convex lens 102 is reflected in the + X direction by the reflecting surface 104a of the mirror 104 located at a distance f in the example shown in FIG. 4 and a distance f-d in the example shown in FIG. And re-enter the beam splitter 101. About 50% of the laser light is transmitted in the + X direction on the inclined surface 101a, but about 50% is reflected on the incident light side (+ Y direction). The line CCD sensor 401 is provided so as to be able to read the reflected laser light.
[0047]
  The laser light emitted from the wavefront curvature modulation means 100, that is, the emitted light travels in the + X direction in the figure and forms an image on the polarization plane 19b of the polygon mirror 19a of the horizontal scanning system 19 shown in FIG. In this case, the distance between the inclined surface 101a and the polarization plane 19b is defined as L3 with reference to the passing position of the optical axis of the laser beam. Since the polarization plane 19b and the pupil 24 of the observer are adjusted by the first relay optical system 20 and the second relay optical system 22 so as to have an optically conjugate relationship, the position of the observer's pupil 24 is adjusted. The wavefront radius of curvature of the laser beam is regarded as the wavefront radius of curvature at the position of the polarization plane 19b.
[0048]
  The line CCD sensor 401 has a plurality of CCD elements (not shown) arranged in a row, and each CCD element can detect the laser beam and its light quantity. The amount of laser light reflected from the beam splitter 101 toward the incident light side (+ Y direction) is read by the line CCD sensor 401, and the detected value is output to the CCD output reading unit 402. By the way, the laser beam is a light beam whose light amount gradually decreases at the beam end. The CCD output reading unit 402 is a predetermined reference value of the light amount at the center of the light beam, that is, the optical axis, for example, 1 / e.2Is read based on the output from each CCD element, and is output to the mirror position control unit 403. The mirror position control unit 403 determines the beam diameter of the laser beam using the position as the end of the beam. The mirror position control unit 403 performs a calculation for driving the pulse motor fine movement table 120c based on the determined beam diameter, and outputs a signal based on the result to the pulse motor fine movement table drive unit 404. The pulse motor fine movement table drive unit 404 generates a drive voltage for driving the pulse motor fine movement table 120c based on the input signal and moves the pulse motor fine movement table 120c in the X-axis direction to adjust the movement. The movable mirror 103 fixed to the pulse motor fine movement table 120c is also moved through the section 120a, and its position is controlled. Each process of this control is demonstrated in detail with reference to the flowchart of FIG. Hereinafter, each step of the flowchart is abbreviated as “S”.
[0049]
  As shown in FIG. 6, in the retinal scanning display 1, "input the set value R of the virtual image presentation position" is performed by input means not shown (S1). The set value R of the virtual image presentation position is an initial value of a predetermined wavefront curvature radius, and usually a value at which the wavefront curvature radius is infinite is used as an initial value. The threshold value to be considered is entered. Next, the mirror position control unit 403 “obtains the mirror position Z from the set value R based on a preset formula or table” (S2). Each optical system has individual differences, and some errors occur. However, the relationship between the position Z of the mirror 104 based on the positional relationship between the reflecting surface 104a of the mirror 104 and the principal point of the convex lens 102 in the initial state and the set value R is determined in advance using a reference optical system. Yes. Based on this, a relational expression between R and Z or a table based on the relation between R and Z is set, and mirror position control is performed in order to reduce loop operation for error correction in each step after S4. In part 403, the position Z of the mirror 104 in the initial state is obtained in S2. Further, the mirror position control unit 403 outputs a control signal to the pulse motor fine movement base drive unit 404 based on the result of S2. Based on this control signal, the pulse motor fine movement table drive unit 404 generates a drive voltage for driving the pulse motor fine movement table 120c and applies it to the pulse motor fine movement table 120c. Then, the pulse motor fine movement table 120c “moves the mirror to the position Z by the pulse motor” (S3). That is, the mirror 104 is moved to the initial position Z.
[0050]
  Next, the CCD output reading unit 402 "reads the output value of each CCD element" (S4). The line CCD sensor 401 reads the received light amount of the laser beam in the + Y direction by each CCD element and outputs it to the CCD output reading unit 402. The CCD output reading unit 402 outputs the read value to the mirror position control unit 403. The mirror position control unit 403 determines, based on the output value of the CCD output reading unit 402, which CCD element has obtained the amount of light regarded as the end of the beam in order to “determine the beam radius r1 of the light beam from the output value of each CCD element”. The beam radius r1 is determined based on the result (S5). The mirror position control unit 403 assumes that the laser beam before modulation of the wavefront curvature, that is, the beam radius of the incident light is r0, and the wavefront curvature R1 of the laser beam reflected in the + Y direction and the position of the pupil 24 of the observer And the wavefront curvature R2 at the polarization plane 19b of the polygon mirror 19a, which is an optically conjugate position, are calculated. That is, an operation for “calculating the wavefront radius of curvature R1 on the CCD and the wavefront radius of curvature R2 on the pupil from the following formula” is performed (S6).
R1 = r1 (L1 + L2-f) / (r1-r0) (1)
R2 = R1 + (L3-L2) (2)
The optical path length from the apparent light emitting point 125 to the line CCD sensor 401, that is, the wavefront curvature radius R1 obtained by Expression (1), is substituted into Expression (2). In Expression (2), the pupil 24 of the observer 24 A wavefront curvature R2 at the position is derived.
[0051]
  Next, the mirror position control unit 403 performs “comparison between the set value R and the measured value R2” (S7),
R2 <R + δR (3)
If not (S7: NO), "the mirror is moved to the lens side by one step by the pulse motor" (S9). Here, δR indicates an allowable value of deviation from the set value R of the wavefront curvature radius, and this allowable value determines the error or accuracy of the laser beam wavefront curvature radius at the position of the pupil 24. That is, when the measured value R2 of the wavefront curvature radius of the laser light is larger than the set value R, it means that the laser beam spread is smaller than the initial value, and the distance between the convex lens 102 and the movable mirror 103 is long. In this state, the mirror position control unit 403 outputs a signal to the pulse motor fine movement table drive unit 404 and applies a drive voltage to the pulse motor fine movement table 120c so that the distance between the movable mirror 103 and the convex lens 102 is reduced. The pulse motor fine movement table 120c is operated for the step. Then, the process returns to S4.
[0052]
  In S7, when the mathematical formula (3) is satisfied, that is, when the measured value R2 of the wavefront curvature radius of the laser beam is smaller than the set value R (S7: YES), the mirror position control unit 403 determines that “the set value R and measured Compare with value R2 "(S8). And
R2> R−δR (4)
If not (S8: NO), “the mirror is moved to the opposite side of the lens by one step by the pulse motor” (S10). That is, when the measured value R2 of the wavefront curvature radius of the laser light is smaller than the set value R, it means that the spread of the laser light beam is larger than the initial value, and as shown in FIG. Therefore, the mirror position control unit 403 outputs a signal to the pulse motor fine movement table drive unit 404 and applies a drive voltage to the pulse motor fine movement table 120c so that the distance between the movable mirror 103 and the convex lens 102 is low. The pulse motor fine movement table 120c is operated by one step so that the distance of? Then, the process returns to S4.
[0053]
  In S8, when Formula (4) is satisfied, that is, when the actual measurement value R2 of the wavefront curvature radius of the laser beam is larger than the set value R (S8: YES),
R2 = R ± δR (5)
This indicates that the wavefront radius of curvature of the laser beam has become a value within the allowable range of the initial value, and the mirror position control unit 403 determines that the position Z of the movable mirror 103 has reached the initial position, and ends the process. . In this state, in the wavefront curvature modulation unit 100 according to the present embodiment shown in FIG. 2, the same effect as that obtained when the screw feed fine movement table 120b is adjusted by the observer can be obtained.
[0054]
  Further, the modification shown in FIG. 7 is a modification when the polarization beam splitter 106 is used instead of the beam splitter 101 of the wavefront curvature modulation means 100. As shown in FIG. 7, laser light collimated into parallel light by the second collimating optical system 18 (see FIG. 1) is incident on the polarization beam splitter 106 of the wavefront curvature modulation means 100 as incident light from the + Y direction. The
[0055]
  By the way, light is a kind of electromagnetic wave, and electromagnetic wave is a phenomenon in which vibrations of an electric field and a magnetic field propagate. An electromagnetic wave propagating in a vacuum propagates at the speed of light, and the electric field and the magnetic field vibrate in a plane perpendicular to each other and perpendicular to the traveling direction. For example, the vibration direction of light emitted from an incandescent bulb or the like is uniformly distributed in an arbitrary direction, whereas the vibration direction of laser light (hereinafter referred to as “polarization direction”) is a single direction. .
[0056]
  The polarizing beam splitter 106 has a slope 106a coated with a derivative multilayer film. The slope 106a reflects light having a polarization direction in a direction perpendicular to the XY plane, and light having a polarization direction in a direction parallel to the XY plane. Transparent. When laser light having a polarization direction in the direction perpendicular to the XY plane is incident on the polarization beam splitter 106 from the + Y direction, it is reflected in the −X direction by the inclined surface 106 a and is incident on the quarter wavelength plate 107.
[0057]
  By the way, the ¼ wavelength plate 107 is an optical element that changes the phase difference between the orthogonal electric fields of the incident linearly polarized light by ¼ wavelength, but the linearly polarized light having the polarization direction in a predetermined direction is changed to circularly polarized light. Change. Further, the incident circularly polarized light is changed to linearly polarized light.
[0058]
  The laser light incident on the quarter wave plate 107 is changed from linearly polarized light to circularly polarized light by the quarter wave plate 107 and emitted in the −X direction, and the incident convex lens 102 has the same distance f as the focal length of the convex lens 102. The light is collected by the reflecting surface 104a of the movable mirror 103 at a distant position. Further, the laser light is reflected in the + X direction by the reflecting surface 104 a, collimated into parallel light by the incident convex lens 102, and is incident on the quarter wavelength plate 107. The laser light incident on the quarter-wave plate 107 as circularly polarized light is changed to linearly polarized light in a direction parallel to the XY plane by the quarter-wave plate 107 and is emitted to the polarization beam splitter 106. The inclined beam 106a of the polarizing beam splitter 106 transmits the laser light because the incident laser light is linearly polarized light parallel to the XY plane. Then, the laser light transmitted through the polarization beam splitter 106 is emitted in the + X direction from the wavefront curvature modulator 100 as outgoing light.
[0059]
  Although not shown in the drawing, the wavefront curvature when the movable mirror 103 is moved by the distance d in the + X direction and the distance between the reflecting surface 104a of the mirror 104 and the principal point of the convex lens 102 is changed to fd. The modulation process is the same as in the present embodiment. In this modification, the polarizing beam splitter 106 transmits or reflects based on the polarization direction of the laser light. In this case, since the loss of light amount is less than 10%, the light amount by the beam splitter 101 is approximately 50%. There is an effect that the loss of the total light quantity in the wavefront curvature modulation means 100 is greatly reduced compared to the loss.
[0060]
  Further, a case where a rotation mechanism 130 is provided in the quarter wavelength plate 107 so that the quarter wavelength plate 107 can be arbitrarily rotated will be described with reference to FIGS. The quarter-wave plate 107 shown in FIGS. 8 and 9 is a diagram seen from the direction of the arrow along the two-dot chain line A-A ′ shown in FIG. 7, and the direction perpendicular to the XY plane will be described as the Z-axis direction. The laser light enters the quarter-wave plate 107 from the + X direction shown in FIG. 7 toward the −X direction. The polarization direction 107a of the laser light (incident light) before entering the quarter wavelength plate is perpendicular to the XY plane, and is the Z-axis direction in FIGS. Laser light (incident light) incident on the quarter-wave plate 107 from the surface of the paper is converted into circularly polarized light and reflected by the reflective surface 104a in the same manner as described above, and then is again applied to the quarter-wave plate 107 on the paper surface. Is incident as reflected light from the back surface of the substrate.
[0061]
  As shown in FIG. 8, the quarter-wave plate 107 is not rotated by the rotation mechanism 130 shown in FIG. 7, so the first optical axis 107b and the second optical axis 107c are in the Y-axis direction and the Z-axis direction. With an inclination of 45 °. In this case, the laser light (reflected light) re-entering the quarter-wave plate 107 from the back side of the paper as circularly polarized light has its polarization direction 107e changed in the Y-axis direction, and the quarter-wave plate 107 is changed from FIG. It is emitted in the + X direction indicated by.
[0062]
  Further, as shown in FIG. 9, the quarter wavelength plate 107 is rotated by the rotation mechanism 130 (see FIG. 7), and the first optical axis 107b and the second optical axis 107c are counterclockwise around the optical axis 107d. When rotated about an angle θ, the first optical axis 107b and the second optical axis 107c have an inclination of 45 ° −θ with respect to the Y-axis direction and the Z-axis direction. In this case, the laser light (reflected light) re-entering the quarter-wave plate 107 from the back side of the paper as circularly polarized light changes in a direction in which the polarization direction 107e rotates counterclockwise by an angle 2θ from the Y-axis direction. Then, the light is emitted from the quarter-wave plate 107 in the + X direction shown in FIG.
[0063]
  Laser light emitted from the quarter-wave plate 107 enters the polarization beam splitter 106. In this case, by adjusting the rotation angle θ of the quarter wavelength plate 107, the amount of laser light passing through the inclined surface 106a of the polarization beam splitter 106 can be changed. Since the laser light that has not passed through the slope 106a is reflected in the + Y direction and the amount of light can be detected by the line CCD sensor 401, the wavefront curvature radius can be obtained in the same manner as described above, and the position adjusting means The position of the movable mirror 103 can be adjusted by 120.
[0064]
  10 and 11 are modifications in which the movable multistage mirror 111 is used instead of the movable mirror 103 of the wavefront curvature modulation means 100. As shown in FIG. 10, the laser beam collimated into parallel light by the second collimating optical system 18 (see FIG. 1) enters the beam splitter 101 of the wavefront curvature modulation unit 100 as incident light in the −Y direction. The In the beam splitter 101, about 50% of the amount of incident laser light is reflected in the −X direction by the inclined surface 101a. The laser light emitted from the beam splitter 101 in the −X direction passes through the convex lens 102 and is focused at a distance f from the principal point of the convex lens 102. The movable multi-stage mirror 111 can be changed in the Y-axis direction by the piezoelectric actuator 113, and the reflection surfaces 112a and 112c of the multi-stage mirror 112 of the movable multi-stage mirror 111 have an optical axis at the speed of light passing through the convex lens 102 as the reflection surface 112a or When the movable multistage mirror 111 moves so as to be orthogonal to 112c, the distances between the reflecting surfaces 112a and 112c and the principal point of the convex lens 102 are set to f and fd, respectively. That is, the reflecting surface 112c is provided at a position closer to the convex lens 102 by a distance d than the reflecting surface 112a.
[0065]
  The laser light that has passed through the convex lens 102 in the −X direction is focused on the reflective surface 112a that is a distance d away from the laser light and is reflected in the + X direction by the reflective surface 112a. The reflected laser light follows the same optical path as when passing through the convex lens 102 and enters the convex lens 102. The convex lens 102 collimates the passing laser light into parallel light and emits it to the beam splitter 101. The inclined surface 101a of the beam splitter 101 transmits about 50% of the amount of incident laser light, and the wavefront curvature modulation unit 100 emits the transmitted laser light in the + X direction as parallel light emission light.
[0066]
  As shown in FIG. 11, when the movable multistage mirror 111 fluctuates so that the reflecting surface 112c overlaps the optical axis of the laser light passing through the convex lens 102, the laser light passing through the convex lens 102 is reflected on the reflecting surface 112c. Without being focused, it is reflected in the + X direction by the reflecting surface 112c, and is focused at a distance d from the reflecting surface 112c. The laser light that is incident on the convex lens 102 again from this position enters the convex lens 102 with the same spread angle as the light emitted from the principal point of the convex lens 102 at a distance f-2d in the −X direction. Since the focal length of the convex lens 102 is f, the convex lens 102 cannot collimate the laser light into parallel light, and as a diffused light having the same spread angle as the light emitted from the apparent light emitting point 125 in the X-axis direction, The light is emitted to the splitter 101. The inclined surface 101a of the beam splitter 101 transmits about 50% of the amount of incident laser light, and the wavefront curvature modulation means 100 emits this laser light as outgoing light in the + X direction.
[0067]
  Although the eye can recognize the difference in wavefront curvature, it is not very sensitive, so modulation of the wavefront curvature does not necessarily have to be performed continuously from infinity to close range. For example, even if the wavefront curvature radius is 50 cm, 1 m, 3 m, 5 m, infinity, and modulation of discontinuous wavefront curvatures in about five steps, a substantially sufficient effect can be obtained. In this modification, the drive circuit 23 (see FIG. 1) only needs to perform four-step voltage control to move the movable multi-stage mirror 111 in the Y-axis direction, and the circuit can be simplified.
[0068]
  The modification shown in FIGS. 12 to 14 is a modification when the variable focus lens 301 is used instead of the movable mirror 103 of the wavefront curvature modulation means 100 in FIG. As shown in FIG. 12, the wavefront curvature modulation means 300 of the retinal scanning display 1 includes a variable focus lens 301 and a convex lens 302. Similarly to the present embodiment, the varifocal lens 301 is provided with position adjusting means 120 including a movement adjusting unit 120a and a screw feed fine moving table 120b, and an observer operates the screw feed fine moving table 120b. By moving the position of the varifocal lens 301, it is possible to correct aberration variations due to subtle individual differences between the varifocal lens 301 and the convex lens 302. Other configurations of the retinal scanning display 1 are the same as those in the above-described embodiment. The variable focus lens 301 is a variable focal length optical element in the present invention.
[0069]
  Next, as shown in FIG. 13, the varifocal lens 301 of the wavefront curvature modulation means 300 holds a transparent fluid 304 between two diaphragms 303, and is supplied from the drive circuit 23 (see FIG. 12). When the piezoelectric bimorph 305 to which the drive voltage is applied is driven to deform the diaphragm 303, the focal position of the variable focus lens 301 is changed. Laser light collimated into parallel light by the second collimating optical system 18 (see FIG. 12) enters the varifocal lens 301 as incident light from the −X direction. The distance between the principal point of the variable focus lens 301 and the principal point of the convex lens 302 is fixed to the distance 2f0 by the position adjusting means 120.
[0070]
  When the focal length f1 of the varifocal lens 301 is adjusted to be the same distance f0 as that of the convex lens 302, the laser light that has passed through the varifocal lens 301 is between the principal point of the varifocal lens 301 and the principal point of the convex lens 302. A focal point is formed in the middle, and the light is incident on the convex lens 302 as light emitted in the + X direction from the distance f0 in the −X direction, so that the laser light passing through the convex lens 302 is collimated to parallel light. The wavefront curvature modulation means 300 emits the laser light collimated to the parallel light in the + X direction as outgoing light.
[0071]
  As shown in FIG. 14, when the diaphragm 303 is changed by driving the piezoelectric bimorph 305 and the focal length f1 of the variable focus lens 301 is adjusted to be larger than f0, the variable focus lens 301 is moved from the −X direction to the variable focus lens 301. The incident laser light passes through the variable focus lens 301 and then converges at a position at a distance f1 longer than the focal length f0 of the convex lens 302. Further, the laser light is incident on the convex lens 302 as light emitted in the + X direction from a distance 2f0-f1 in the −X direction, that is, light emitted from a position closer to the focal length f0 of the convex lens 302. In this case, the laser light that has passed through the convex lens 302 having the focal length f0 is not collimated into parallel light, and the wavefront curvature modulation means 300 emits the laser light in the + X direction as emitted light of diffused light having a spread angle. The diffused light having this spreading angle has the same wavefront curvature as the laser light emitted from the apparent light emission point 125. In this modification, since the beam splitter 101 is not used, the loss of the amount of laser light can be suppressed, and a lens with a large mass is not operated. There is an effect that modulation can be performed at a high speed.
[0072]
  In addition, the piezoelectric actuators 105 and 113 and the piezoelectric bimorph 305 are not limited to the piezoelectric type, and an electrostatic type or magnetic type actuator can be used. Further, the wavefront curvature modulation means 100 can be configured by combining the polarization beam splitter 106 and the quarter wavelength plate 107 with the movable multistage mirror 111.
[0073]
【The invention's effect】
  As described above, in the image display device according to the first aspect of the present invention, the moving means isReflection meansIs moved in the direction of the optical axis of the light beam, the wavefront curvature of the light beam incident on the wavefront curvature modulation means can be modulated. Accordingly, the movement of the optical element in the optical axis direction allows the observer to recognize a perspective image, and when the movement of the optical element is repeated at high speed, the observer can recognize a natural image. be able to.
[0074]
  Further, in the image display device of the invention according to claim 2, in addition to the effect of the invention according to claim 1,
1/4 wave plateThe light beam incident on is changed from linearly polarized light to circularly polarized light by the quarter wave plate.can do.
[0075]
  In the image display device of the invention according to claim 3,2In addition to the effects of the invention according toThe quarter-wave plate can rotate on a plane orthogonal to the optical axis direction. Therefore, the amount of light incident on the observer's pupil is determined by the rotation angle of the quarter-wave plate.It can be set easily.
[0076]
  In the image display device of the invention according to claim 4, the wavefront curvature of the light beam incident on the wavefront curvature modulation means is modulated by an optical element having a plurality of reflecting surfaces whose positions are different with respect to the optical axis direction of the light beam. Can do. Accordingly, it is possible to allow the observer to recognize an image with a sense of perspective from the reflection surfaces at different positions, and to make the observer recognize a more natural image by repeatedly switching the reflection surfaces.
[0077]
[0078]
  Claims5In the image display device of the invention according to claimAny one of 1 to 4In addition to the effect of the invention according to the invention, the wavefront curvature modulating means is separated from the moving means by the position adjusting means.Reflection meansCan be adjusted. Therefore, the observer can easily adjust a suitable focal position using the position adjusting means.
[0079]
  Claims6In the image display device of the invention according to claim5In addition to the effect of the invention according to the present invention, the position adjusting means may correspond to the light position detected by the light detecting means.Reflection meansCan be adjusted. Therefore, it is possible to automatically adjust the focal position suitable for the observer.
[0080]
  Claims7In the image display apparatus according to the present invention,6In addition to the effect of the invention according to any one of the above, the wavefront curvature modulation means is disposed on the light source side from the scanning means, and the position on the scanning means where the light beam enters and the pupil position of the observer are optically conjugate. be able to. Therefore, it is possible to reduce the influence on the wavefront curvature based on the distance on the optical path until the light beam emitted from the wavefront curvature modulation means enters the pupil of the observer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an overall configuration of a retinal scanning display 1. FIG.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a mode in which laser light is modulated by wavefront curvature modulation means 100. FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a mode in which laser light is modulated by wavefront curvature modulation means 100. FIG.
FIG. 4 is a modification in which a line CCD sensor 401 is provided on the optical path on the incident light side, and the reference position of the movable mirror 103 is automatically adjusted by the position adjusting means 120 based on the output value thereof. It is a figure which shows an example.
FIG. 5 is a modification in which a line CCD sensor 401 is provided on the optical path on the incident light side, and the reference position of the movable mirror 103 is automatically adjusted by the position adjusting means 120 based on the output value thereof. It is a figure which shows an example.
FIG. 6 is a flowchart showing the movement control of the position adjusting unit 120 performed based on the output value of the line CCD sensor 401.
FIG. 7 is a view showing a modification of the wavefront curvature modulation means 100 when a polarization beam splitter 106 is used instead of the beam splitter 101. FIG.
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the polarization direction of laser light that passes through a quarter-wave plate 107;
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the polarization direction of laser light passing through a rotated quarter-wave plate 107. FIG.
FIG. 10 is a diagram showing a modification of the wavefront curvature modulation means 100 when a movable multistage mirror 111 is used instead of the movable mirror 103. FIG.
FIG. 11 is a diagram showing a modification of the wavefront curvature modulation unit 100 when a movable multistage mirror 111 is used instead of the movable mirror 103. FIG.
12 is an overall configuration diagram showing an overall configuration of the retinal scanning display 1 when a variable focus lens 301 is used instead of the movable mirror 103. FIG.
FIG. 13 is a diagram showing a modification in the case where a variable focus lens 301 is used instead of the movable mirror 103. FIG.
FIG. 14 is a diagram showing a modification in the case where a variable focus lens 301 is used instead of the movable mirror 103. FIG.
[Explanation of symbols]
    1 Retina scanning display
  19 Horizontal scanning system
  20 First relay optical system
  21 Vertical scanning system
  22 Second relay optical system
  24 pupil
100 Wavefront curvature modulation means
101 Beam splitter
102 Convex lens
103 Movable mirror
104 mirror
105 Piezoelectric actuator
106 Polarizing beam splitter
107 1/4 wave plate
111 Movable multistage mirror
120 Position adjustment means
130 Rotating mechanism
301 Variable focus lens
401 line CCD sensor

Claims (7)

少なくとも１つの光源と、
その光源から出射される光束を画像信号に応じて変調する変調手段と、
その変調手段によって変調された光束の波面曲率を変調する波面曲率変調手段と、
その波面曲率変調手段によって変調された光束を走査する走査手段と、
その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するための光学手段と
を備え、前記観察者の網膜に前記画像信号に対応する画像を表示する画像表示装置であって、
前記波面曲率変調手段は、
入射したレーザ光を透過光と、透過光の垂直方向に反射された反射光とに分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで反射又は透過された光束を集光する集光手段と、
前記光束を反射する反射手段と、
当該反射手段を前記光束の光軸方向に移動させる移動手段とを備え、
前記反射手段で反射された光束は、集光手段を通過し、ビームスプリッタに入射し、透過又は反射され、前記走査手段に入射することを特徴とする画像表示装置。At least one light source;
Modulation means for modulating the light beam emitted from the light source according to the image signal;
Wavefront curvature modulation means for modulating the wavefront curvature of the light beam modulated by the modulation means;
Scanning means for scanning the light beam modulated by the wavefront curvature modulation means;
And an optical means for causing the light beam scanned by the scanning means to enter the pupil of the observer, and an image display apparatus that displays an image corresponding to the image signal on the retina of the observer,
The wavefront curvature modulation means includes
A beam splitter that separates incident laser light into transmitted light and reflected light reflected in the vertical direction of the transmitted light;
Condensing means for condensing the light beam reflected or transmitted by the beam splitter;
Reflecting means for reflecting the luminous flux;
Moving means for moving the reflecting means in the optical axis direction of the luminous flux ,
The light beam reflected by the reflecting means passes through the light collecting means, enters the beam splitter, is transmitted or reflected, and enters the scanning means . 前記ビームスプリッタは、前記変調手段により変調された光束のうち、所定の方向の直線偏光を透過し、前記所定の方向と直交する方向の直線偏光を反射する偏光ビームスプリッタであり、
前記集光手段と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられた１／４波長板を備えたことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 The beam splitter is a polarizing beam splitter that transmits linearly polarized light in a predetermined direction and reflects linearly polarized light in a direction orthogonal to the predetermined direction among the light beams modulated by the modulation unit ,
The image display apparatus according to claim 1, further comprising a quarter-wave plate provided between said condenser means and said polarization beam splitter. 前記１／４波長板は、前記光軸方向に直交する面上で回転可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。The image display apparatus according to claim 2, wherein the quarter-wave plate is configured to be rotatable on a plane orthogonal to the optical axis direction. 少なくとも１つの光源と、
その光源から出射される光束を画像信号に応じて変調する変調手段と、
その変調手段によって変調された光束の波面曲率を変調する波面曲率変調手段と、
その波面曲率変調手段によって変調された光束を走査する走査手段と、
その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するための光学手段と
を備え、前記観察者の網膜に前記画像信号に対応する画像を表示する画像表示装置であって、
前記波面曲率変調手段は、
入射したレーザ光を透過光と、透過光の垂直方向に反射された反射光とに分離するビームスプリッタと、
当該ビームスプリッタで反射又は透過された光束を集光する集光手段と、
前記集光手段で集光された光束が入射され、当該光束の光軸方向に対して位置の異なる複数の反射面を有する反射手段と、
当該反射手段を、前記光軸方向と直交し、位置の異なる反射面にて光束を反射可能な方向に移動させる移動手段と
を備えたことを特徴とする画像表示装置。At least one light source;
Modulation means for modulating the light beam emitted from the light source according to the image signal;
Wavefront curvature modulation means for modulating the wavefront curvature of the light beam modulated by the modulation means;
Scanning means for scanning the light beam modulated by the wavefront curvature modulation means;
And an optical means for causing the light beam scanned by the scanning means to enter the pupil of the observer, and an image display apparatus that displays an image corresponding to the image signal on the retina of the observer,
The wavefront curvature modulation means includes
A beam splitter that separates incident laser light into transmitted light and reflected light reflected in the vertical direction of the transmitted light;
Condensing means for condensing the light beam reflected or transmitted by the beam splitter;
Reflecting means having a plurality of reflecting surfaces on which the light beam condensed by the light collecting unit is incident and having different positions with respect to the optical axis direction of the light beam ;
An image display apparatus comprising: a moving unit that moves the reflecting unit in a direction orthogonal to the optical axis direction and capable of reflecting a light beam by reflecting surfaces at different positions . 前記波面曲率変調手段は、前記移動手段とは別に前記反射手段の位置を調整するための位置調整手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の画像表示装置。The wavefront curvature modulation means image display apparatus according to any one of claims 1 to 4, characterized in that said the moving means is separately provided with a position adjusting means for adjusting the position of said reflecting means. 前記反射手段で反射した光を検出する光検出手段を備え、
前記位置調整手段は、前記光検出手段によって検出された光の位置に応じて前記反射手 段の位置を調整することを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。Comprising light detection means for detecting light reflected by the reflection means ;
Said position adjusting means, the image display apparatus according to claim 5, characterized in that adjusting the position of the reflection hand stage according to the position of the light detected by said light detecting means. 前記波面曲率変調手段は、前記走査手段より光源側に配置され、かつ前記走査手段上に光束が入射する位置と観察者の瞳孔位置とが光学的に共役の関係にあることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の画像表示装置。The wavefront curvature modulation means is disposed closer to the light source than the scanning means, and a position where a light beam is incident on the scanning means and an observer's pupil position are in an optically conjugate relationship. Item 7. The image display device according to any one of Items 1 to 6 .
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