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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
[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
[0023]
As shown in FIG. 1, the
[0024]
The
[0025]
Further, the
[0026]
The wavefront curvature modulation means 100 includes a
[0027]
Further, the
[0028]
Furthermore, the
[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
[0031]
When the laser light propagated by the
[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
[0034]
Next, a method of modulating the wavefront curvature in the
[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
[0036]
The diffused light that is reflected in the + X direction by the reflecting
[0037]
As shown in FIG. 3, when a predetermined drive voltage is applied from the drive circuit 23 (see FIG. 1), the
[0038]
The
[0039]
The wavefront curvature on the
[0040]
When the observer focuses on the apparent
[0041]
If the focal length of the
[0042]
As described above, in the
[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)
[0044]
4 and 5 show a case in which a
[0045]
A
[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
[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
[0048]
The
[0049]
As shown in FIG. 6, in the
[0050]
Next, the CCD
R1 = r1 (L1 + L2-f) / (r1-r0) (1)
R2 = R1 + (L3-L2) (2)
The optical path length from the apparent light
[0051]
Next, the mirror
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
[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
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
[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
[0054]
Further, the modification shown in FIG. 7 is a modification when 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
[0057]
By the way, the ¼
[0058]
The laser light incident on the
[0059]
Although not shown in the drawing, the wavefront curvature when the
[0060]
Further, a case where a
[0061]
As shown in FIG. 8, the quarter-
[0062]
Further, as shown in FIG. 9, the
[0063]
Laser light emitted from the quarter-
[0064]
10 and 11 are modifications in which the movable
[0065]
The laser light that has passed through the
[0066]
As shown in FIG. 11, when the movable
[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
[0068]
The modification shown in FIGS. 12 to 14 is a modification when the
[0069]
Next, as shown in FIG. 13, the
[0070]
When the focal length f1 of the
[0071]
As shown in FIG. 14, when the
[0072]
In addition, the
[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
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
[0076]
In the image display device of the invention according to
[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
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
FIG. 5 is a modification in which a
FIG. 6 is a flowchart showing the movement control of the
FIG. 7 is a view showing a modification of the wavefront curvature modulation means 100 when a
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the polarization direction of laser light that passes through a quarter-
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the polarization direction of laser light passing through a rotated quarter-
FIG. 10 is a diagram showing a modification of the wavefront curvature modulation means 100 when a movable
FIG. 11 is a diagram showing a modification of the wavefront
12 is an overall configuration diagram showing an overall configuration of the
FIG. 13 is a diagram showing a modification in the case where a
FIG. 14 is a diagram showing a modification in the case where a
[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)
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.
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.
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