JP4830653B2 - Image display device - Google Patents
Image display device Download PDFInfo
- Publication number
- JP4830653B2 JP4830653B2 JP2006162791A JP2006162791A JP4830653B2 JP 4830653 B2 JP4830653 B2 JP 4830653B2 JP 2006162791 A JP2006162791 A JP 2006162791A JP 2006162791 A JP2006162791 A JP 2006162791A JP 4830653 B2 JP4830653 B2 JP 4830653B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- image display
- scanning element
- observer
- scan
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
- Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)
Description
本発明は、映像等の情報に対応して変調された光を、光学素子を介して人の目(観察者眼)に導くことにより画像を表示する画像表示装置に関し、特にヘッドマウントディスプレイやヘッドアップディスプレイのように小型・軽量な眼鏡型構成とすることが可能な画像表示装置に関する。 The present invention relates to an image display device that displays an image by guiding light modulated in accordance with information such as an image to a human eye (observer's eye) through an optical element, and more particularly to a head-mounted display or a head. The present invention relates to an image display device that can have a small and light eyeglass-type configuration such as an up display.
従来、携帯用ディスプレイとして個人用携帯端末ディスプレイ(PDA)の直視型小型液晶表示器、ヘッドアップディスプレイ(HUD)やヘッドマウントディスプレイ(HMD)等、様々な画像表示装置が提案されている。従来のHMDにおいてはLCD(液晶ディスプレイ)等の表示素子の画像を目に拡大投影するものが提案されているが、HMDとして適切な大きさにしようとすると画角が大きくできないこと、すなわち画角を大きくしようとすると装置全体が大きくなって実用的な装置構成とすることができない、という問題があった。 2. Description of the Related Art Conventionally, various image display devices such as a personal portable terminal display (PDA) direct-view small liquid crystal display, a head-up display (HUD), and a head-mounted display (HMD) have been proposed as portable displays. A conventional HMD has been proposed that enlarges and projects an image of a display element such as an LCD (Liquid Crystal Display) to the eye. However, if the HMD is made to have an appropriate size, the angle of view cannot be increased. However, there is a problem that the entire apparatus becomes too large to be a practical apparatus configuration.
一方、より小型のスキャナとして、近年シリコンなどの半導体基板に、半導体製造技術を適用して形成した微小電気機械素子いわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical System)として、例えば所要のパターンにエッチング等によって形成したミラー部がサスペンション機能を有する揺動軸、いわゆるトーションバー(捩り棒)で揺動可能に基板上に支持され、ミラー部とその周辺部に設けた電極対により静電力を発生させて、このミラー部を揺動運動させる静電駆動型の2次元走査素子が提案されている(例えば特許文献1参照。)。
この静電駆動型の二次元走査素子は静電力で駆動され、揺動軸を回転軸とする回転によって、入射させた光の反射光路を変換することが可能であり、レーザ光のスイッチングやスキャニング作用を得ることができる。しかし、その駆動速度は、ポリゴンミラースキャナと比較してずっと低速度しか得られないものであった。
On the other hand, as a smaller scanner, a micro electro mechanical system (MEMS) formed on a semiconductor substrate such as silicon in recent years by applying semiconductor manufacturing technology, for example, a mirror formed by etching or the like in a required pattern. The mirror unit is supported on a substrate so as to be swingable by a swing shaft having a suspension function, a so-called torsion bar (torsion bar), and an electrostatic force is generated by an electrode pair provided on the mirror unit and its peripheral part. An electrostatic drive type two-dimensional scanning element that swings the lens is proposed (for example, see Patent Document 1).
This electrostatic drive type two-dimensional scanning element is driven by an electrostatic force, and can change the reflected light path of incident light by rotating about the oscillation axis as a rotation axis, and can switch and scan laser light. The effect can be obtained. However, the driving speed is much lower than that of the polygon mirror scanner.
一方、揺動軸で揺動可能に支持したミラー部と、このミラー部の周辺に直交する二方向に平行磁場を発生させる磁場発生手段とを有し、ミラー部に設けたコイル部に電流を印加することにより電磁力を発生させて、このミラー部を揺動運動させる電磁駆動型の2次元走査素子も提案されている。この電磁駆動型の2次元走査素子は、電磁力が比較的大きいため、偏向角度と動作周波数を向上させやすいという利点がある。
このような2次元走査素子を用いて2次元画像を表示する光学装置として、例えば網膜上に2次元画像を走査して表示する網膜走査型表示装置が提案されている(例えば特許文献2参照。)。
このような微小なミラー部を揺動軸で揺動可能に基板上に支持するMEMS型の2次元走査素子は、ポリゴンミラースキャナと比較すると格段に小型化が容易であり、光学系の小型化、構成の簡易化が可能となり、また回転体がなく発塵による不具合の発生が少なく、さらに省電力、静音、低振動、起動時間短縮などさまざまなメリットが得られる。
On the other hand, it has a mirror part that is swingably supported by a swinging shaft and a magnetic field generating means for generating a parallel magnetic field in two directions orthogonal to the periphery of the mirror part, and a current is supplied to the coil part provided in the mirror part. There has also been proposed an electromagnetically driven two-dimensional scanning element that generates an electromagnetic force by applying it to swing the mirror portion. This electromagnetically driven two-dimensional scanning element has an advantage that it is easy to improve the deflection angle and the operating frequency because the electromagnetic force is relatively large.
As an optical apparatus that displays a two-dimensional image using such a two-dimensional scanning element, for example, a retinal scanning display apparatus that scans and displays a two-dimensional image on the retina has been proposed (for example, see Patent Document 2). ).
A MEMS type two-dimensional scanning element that supports such a minute mirror part on a substrate so as to be able to oscillate on an oscillating shaft is much easier to miniaturize than a polygon mirror scanner, and the optical system is miniaturized. Therefore, the structure can be simplified, and there are few problems due to dust generation due to the absence of a rotating body. Furthermore, various advantages such as power saving, noise reduction, low vibration, and shortened start-up time can be obtained.
しかしながら、上記特許文献2記載の網膜走査型表示装置においては、上述したようなMEMS型2次元走査素子により走査される光を一旦対物レンズ、プリズム、接眼レンズ及びビームスプリッタを介して人の目に導く構造であることから、所望の広画角を得ようとすると、目の直前の光学素子であるビームスプリッタを大型化する必要があり、装置全体の大型化、重量化を招くという問題がある。
However, in the retinal scanning display device described in
以上の問題に鑑みて、本発明は、小型・軽量な装置構成を保持し、かつ所望の広画角化が可能な画像表示装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an image display device that can maintain a small and lightweight device configuration and can achieve a desired wide angle of view.
上記課題を解決するため、本発明は、情報に対応して変調した光を出射する光源と、入射光を少なくとも一方向に走査する走査素子と、光源から出射された光を前記走査素子に導く光学系と、を備えて成り、走査素子により反射された光が直接的に観察者眼に入射されて画像が表示される構成とする。
また、本発明は、上述の画像表示装置において、走査素子として2次元走査素子を用いて構成する。
更に、本発明は、上述の画像表示装置において、走査素子のスキャンミラーを複数のスキャンミラーに分割して構成する。
In order to solve the above problems, the present invention provides a light source that emits light modulated in accordance with information, a scanning element that scans incident light in at least one direction, and guides light emitted from the light source to the scanning element. And an optical system. The light reflected by the scanning element is directly incident on the observer's eye and an image is displayed.
Further, the present invention is configured by using a two-dimensional scanning element as a scanning element in the above-described image display apparatus.
Furthermore, according to the present invention, in the above-described image display apparatus, the scan mirror of the scanning element is divided into a plurality of scan mirrors.
上述したように、本発明の画像表示装置においては、画像、映像等の情報に対応して変調された光源からの光を、走査素子を介して、かつ走査素子から観察者眼に直接的に光を入射させて画像を表示する構成とするものである。
このように、本発明においては、走査素子から直接的に、すなわち何らの光学素子を介することなく、又は、光学素子を介在させる場合は光学的作用を受けることなく、直接的に画像光を目に入射させる構成とするものである。このようすることによって、広画角化を図るにあたって、装置全体の大型化、重量化を抑制することが可能である。
また、走査素子として2次元走査素子を用いることによって、より小型で簡易な装置構成の画像表示装置を提供することができる。
更に、走査素子のスキャンミラーを複数のスキャンミラーに分割して構成することによって、例えば水平方向に関してスキャンミラーを分割することによって、水平方向に広い画角を持って表示を行うことが可能となり、且つ、個々のスキャンミラーが大型化しないことによって、十分高い周波数をもってスキャンさせることができ、良好な解像度をもって表示を行うことができる。
As described above, in the image display device of the present invention, light from a light source modulated in accordance with information such as an image or video is directly transmitted to the observer's eye from the scanning element. In this configuration, light is incident to display an image.
As described above, in the present invention, the image light is directly observed from the scanning element, that is, without any optical element, or without receiving an optical action when the optical element is interposed. It is set as the structure made to inject into. By doing so, it is possible to suppress an increase in the size and weight of the entire apparatus when widening the angle of view.
Further, by using a two-dimensional scanning element as the scanning element, it is possible to provide an image display apparatus having a smaller and simpler device configuration.
Furthermore, by dividing the scan mirror of the scanning element into a plurality of scan mirrors, for example, by dividing the scan mirror in the horizontal direction, it becomes possible to perform display with a wide angle of view in the horizontal direction, In addition, since the individual scan mirrors do not increase in size, scanning can be performed with a sufficiently high frequency, and display can be performed with good resolution.
本発明によれば、小型・軽量な装置構成を保持しつつ、比較的広い画角をもって表示することが可能な画像表示装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an image display device capable of displaying with a relatively wide angle of view while maintaining a small and lightweight device configuration.
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
図1は本発明の実施形態例に係る画像表示装置の一例の模式的な概略構成図である。この画像表示装置100は、半導体レーザダイオード(LD:Laser Diode)や半導体発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)等の、映像情報等に対応して変調して光を出射することが可能な光源1と、コリメートレンズ等より成る光学系2と、前述したMEMS型構成等の走査素子10とより構成される。本発明においては、この走査素子10を観察者眼の直前に配置して、走査素子10のスキャンミラー18により反射された光が直接的、すなわち光学素子を介することなく、或いはこの光に光学的機能を殆ど及ぼさない光学素子を介して観察者眼の瞳に入射する構成とするものである。走査素子10としては、例えば直交する2方向に高速で振動(揺動)可能とされるMEMS型の2次元走査素子を用いることができる。
このような構成において、光源1から出射された光は、コリメータレンズ等の光学系2により例えば平行光、もしくはある焦点距離をもった発散光に変換されて、矢印Liで示すように走査素子10のスキャンミラー18に入射される。スキャンミラー18により反射された光は矢印Loで示すように、観察者眼200に直接的に入射される。図1においてはスキャンミラー18の振動する様子を破線18a、実線18b、破線18cで示す。この振動により観察者眼200からはθpで示す広い画角をもって画像が認識される。
Examples of the best mode for carrying out the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.
FIG. 1 is a schematic schematic configuration diagram of an example of an image display apparatus according to an embodiment of the present invention. The
In such a configuration, the light emitted from the
またこの場合、上述したように光源1から出た光をコリメータレンズで平行光もしくはある焦点距離をもった発散光に変換することで、仮想的に無限遠もしくはコリメータで設定されたある焦点距離に元画像をもつ画像表示装置100を構成できる。この装置100は光源1からの光を例えばコリメートする光学系2以外にレンズ等の光学素子を用いないため、極めて小型化することが可能である。
In this case, as described above, the light emitted from the
このように光源1からの光を走査素子10により直接的に観察者眼200に対してスキャンして画像を表示する場合は、図1に示すように、走査素子10のスキャンミラー18の大きさ、すなわち幅及び高さによって表示できる角度すなわち画角が変わる。画角を大きくするためにはミラーを大きくするか、走査素子10から観察者眼200までの距離をなるべく小さくする必要がある。これに対し、表示する画像の解像度を上げるためには走査素子10の走査周波数を上げる必要があるので、スキャンミラー18をなるべく小さくして可動部の重量を低減化する必要がある。なお、1次元走査素子、すなわち1方向にスキャンするミラーを2枚使用する場合は、走査する2枚目のミラーを非常に大きくする必要があるため、装置の小型化には不向きである。したがって、小型・軽量化を図り、かつ良好な画像を表示するためには、走査素子として2次元走査素子を用い、且つその大きさをできるだけ小さくすることが望ましい。
When the light from the
図1に示す画像表示装置において、画像の表示される位置は光源1を光学系2によってコリメートするレンズの焦点位置で決定される。そのため、もし近遠視等で像の位置を動かしたい場合には光学系2のコリメートレンズの場所を調整することで、像の位置を合わせることができ、視度補正を行うことが可能となる。
なお、走査素子10から観察者眼200までの距離は20mm以下とすることが望ましい。このような構成とすることによって、上述した視度補正が容易となる。
In the image display apparatus shown in FIG. 1, the position where an image is displayed is determined by the focal position of a lens that collimates the
The distance from the
また、走査素子10による表示は片方の観察者眼200に対してしか行えないため、両目用には、図1に示す装置を独立して2系統設けることが必要である。2つの光学系の間隔を調整することで適切な表示が可能になる。また、表示する画像信号の位置を適切にずらすことによって、立体視も可能となる。
Further, since the display by the
次に、MEMS型の2次元走査素子10の構成例について、図2を参照して説明する。図2は、本発明の画像表示装置に用いて好適な2次元型の走査素子10の概略斜視構成図である。この走査素子10には、レーザ等の入射光を反射するスキャンミラー18と、スキャンミラー18を支持する例えば四角形状の内枠部19と、内枠部19を支持する例えば四角形状の外枠部20が設けられる。スキャンミラー18は一対の捩り棒より成る主軸トーションバー16a及び16bにより内枠部19に支持される。またこの内枠部19は、主軸トーションバー16a及び16bの振動軸とほぼ直交する方向を振動軸とする一対の捩り棒より成る副軸トーションバー12a及び12bにより外枠部20に支持される。このような構成とすることによって、スキャンミラー18と、内枠部19とは互いに直交する方向を軸として振動する。また本例では、スキャンミラー18を振動させる軸を主軸とし、内枠部19を振動させる軸を副軸としている。またこの例においては、主軸トーションバー16a及び16bを静電力により、副軸トーションバー12a及び12bを電磁力により駆動する構成としており、副軸トーションバー12a及び12bの対向する方向と直交する方向(主軸の延長する方向)に電磁駆動用マグネット11a及び11bを、外枠部20を挟みこむように配置した例を示す。
Next, a configuration example of the MEMS type two-
主軸トーションバー16a及び16b、副軸トーションバー12a及び12bは、内側に保持する部材を左右にそれぞれ一定の角度だけねじれるよう所定の弾性力を有する部材であり、それぞれスキャンミラー18及び内枠部19、内枠部19及び外枠部20と一体形成してもよい。
The main
外枠部20の対角線上の角部付近には、副軸電極14a及び14bが設けられる。副軸電極14aから引き出された配線部は、副軸トーションバー12aを介して内枠部19の外縁部に敷設され、その縁に沿って数ターンのコイル状にパターン形成され、副軸電磁駆動用コイル13として構成される。そしてコイル13の終端は、副軸トーションバー12bを介して、副軸電極14bに接続される。
このような構成として、副軸電極14a及び14bに対して例えば駆動周波数が60Hzの交流電圧を印加すると電磁力が発生し、副軸トーションバー12a及び12bのねじれ作用によって矢印rsで示す方向に振動する。この場合副軸トーションバー12a12bの振動方式は非共振式であり、振動波形は鋸波状となる。
Near the corners on the diagonal line of the
In such a configuration, for example, when an AC voltage with a driving frequency of 60 Hz is applied to the
一方、外枠部20の副軸電極14a及び14bを設けた対角線上とは交差する他の対角線上の角部付近に、主軸電極15a及び15bが設けられる。主軸電極15a及び15bからは、例えば図2に示す外枠部20の裏面側を通って配線部が形成され、例えば副軸トーションバー12a及び12bを介して内枠部19の主軸トーションバー16a及び16bとは互いに微小な間隙を介して対向する例えば櫛歯状の静電駆動用電極17a及び17bに接続される。主軸トーションバー16a及び16bの両側にもこの静電駆動用電極17a及び17bとピッチを同一とした櫛歯状突起を設け、互いの櫛歯を微小な間隙を介して噛み合わせることにより、静電容量を大とすることができる。
このような構成において、主軸電極15a及び15bの間に、スキャンミラー18の共振周波数とほぼ一致する例えば18kHz程度の交流電圧を印加することにより静電駆動される。このとき主軸トーションバー16a及び16bのねじれ作用によって矢印rmで示す方向に高速に振動する。この主軸16a及び16bの駆動方式は静電式であり、振動方式は共振式であり、振動波形は正弦波である。
On the other hand, the
In such a configuration, electrostatic driving is performed by applying, for example, an alternating voltage of about 18 kHz, which substantially matches the resonance frequency of the
なお、スキャンミラー18の共振周波数を人間の可聴帯域範囲外に設定することにより、動作中、すなわち画像表示中において共振が外部に伝わって耳障りな音として観察者に聞こえることを回避できるので、不愉快に感じないという利点を有する。
人間の可聴帯域は一般的に20Hz以上20kHz以下程度とされているが、スキャンミラー18の共振周波数がこの範囲内、特に18kHz未満程度の大多数の人間の耳に聞こえる周波数である場合は、スキャンミラー18の共振が外部に伝わって耳障りな音として利用者に聞こえてしまう恐れがある。
この振動をなるべく外部に伝えないように、2次元走査素子10の機械的機構部の設計を工夫しても、どうしても原理的に振動が外部に伝わり、共振音が発生してしまう。そのため、根本的に聞こえなくするには人間の可聴範囲外に共振周波数を設定することが望ましい。この周波数としては、大多数の人間には聞こえない、また聞こえたとしても耳障りにならないように18kHz以上であればよい。
このように、スキャンミラー18の共振周波数を18kHz以上にすることによって、殆どの使用者(観察者)に共振音が聞こえず、聞こえても影響度を少なくすることができ、実質的に不愉快さを十分に抑制ないしは回避することができる。
なお、例えば画像表示に加えて音楽再生等も可能とし、比較的高音域の音源を含む音楽番組の視聴に供する場合などにおいては、スキャンミラーの共振周波数をより高く、20kHz以上程度とすることが望ましい。
Setting the resonance frequency of the
The human audible band is generally set to 20 Hz or more and 20 kHz or less. However, when the resonance frequency of the
Even if the design of the mechanical mechanism part of the two-
In this way, by setting the resonance frequency of the
Note that, for example, in addition to image display, music playback or the like is possible, and in the case of viewing a music program including a relatively high-frequency sound source, the resonance frequency of the scan mirror may be higher, about 20 kHz or more. desirable.
スキャンミラー18の材料としては、例えばシリコンで形成された保持基板の表面に、二酸化シリコン(SiO2)等の酸化層と、シリコン等の半導体膜を順に積層したSOI(Silicon On Insulator)基板から、保持基板と酸化層とを選択的に取り除いた半導体膜によって形成することができ、この半導体膜の平坦面が、光の入射面となるスキャンミラー18として用いられる。スキャンミラー18の平坦面には、反射率を高めるために、例えばアルミニウム(Al)や金(Au)などの反射膜が形成されていてもよい。図2に示す例においては、略楕円形のスキャンミラー18を設ける例を示すが、その他長方形、正方形、その他の多角形状等としてもよい。
The material of the
このような2次元型の走査素子10において、スキャンミラーが複数のスキャンミラーに分割されて成る実施形態例の概略構成図を図3に示す。図3において、図2に対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図3に示す例においては、左右のうち片方の観察者眼200に対向して6つのスキャンミラー18を配置して走査素子を構成した例を示す。図3に示すように、この場合櫛歯状の静電駆動用電極17a及び17bに対向して微小な間隙を介して同様の櫛歯状の静電駆動用電極21a及び21bが内枠部19に設けられた例を示す。
このような構成において、各スキャンミラー18は矢印rsで示す副軸方向の振動は同一の駆動部により駆動され、矢印rmで示す主軸方向の振動は、それぞれ独立の駆動部により駆動される構成とすることもできる。
In such a two-
In the example shown in FIG. 3, an example is shown in which six scanning mirrors 18 are arranged to face one of the left and
In such a configuration, each
上述したように、表示する画像の画角は走査素子10のスキャンミラー18の大きさに応じて決まるため、このような2次元型の走査素子10のスキャンミラー18の縦横比は表示しようとする画面の大きさに対応して適切に選定することが望ましい。本発明の画像表示装置をHMDに適用する場合は、臨場感を得るために水平方向で90度程度以上の画角であることが望ましい。垂直方向は従来の画角すなわち22度程度で問題ない。従って、垂直:水平比率は1:4や1:3といった広い角度比が必要とされる。そのため走査素子10のスキャンミラー18の縦横比も9:16より大きな値が要求される。スキャンミラー18の縦横比は実際の表示画像の縦横比と同じものであることが望ましい。しかしながら、図3に示すようにスキャンミラー18を分割して設けることによって、一つ一つのスキャンミラー18の横幅を小さく軽量な構成とすることができる。したがって、所望の解像度を得るに十分な高周波数をもって振動することが可能である。
As described above, since the angle of view of the image to be displayed is determined according to the size of the
一例として例えば観察者眼200から4mmの距離に90度の表示画角を取ろうとすると、瞳の大きさを無視すると水平方向に8mmの大きさのスキャンミラーが必要になってしまい、解像度を上げることが難しくなってしまう。そのため、図3に示す例のように、このスキャンミラーを複数に分割して1枚のミラーの面積を小さくすることで、スキャンミラー18の振動周波数を高く、解像度の高い表示を可能としつつ、90度程度の広い画角の表示を行うことができることとなる。これにより、スキャンミラー18全体の縦横比を9:16より広くすることが可能である。
As an example, if a display angle of view of 90 degrees is taken at a distance of 4 mm from the observer's
画面上の走査方式としては、例えば片側はフレームで1走査、他方を1走査線で1走査とする。走査線走査方向は振動周波数を高くする必要がある。そのため、スキャンミラーの分割方向は水平方向とし、すなわち水平方向に分割されたスキャンミラーが並んで配置され、各々のスキャンミラー18がまず水平方向に駆動されるようにする必要がある。つまり、図3に示す例においては、主軸トーションバー16a及び16bの延長方向が垂直方向、副軸トーションバー12a及び12bの延長方向が水平方向となる。水平方向の振動を高周波数で行い、これらの分割されたスキャンミラー18が取り付けられているベースすなわち内枠部19全体が垂直方向に比較的低周波数で振動する構成とする。このような構成とすることによって、画面上の走査を行うことが可能である。
As a scanning method on the screen, for example, one side is one scan with a frame, and the other is one scan with one scan line. It is necessary to increase the vibration frequency in the scanning line scanning direction. Therefore, it is necessary that the scan mirror is divided in the horizontal direction, that is, the scan mirrors divided in the horizontal direction are arranged side by side, and each
このようにスキャンミラーを分割する場合は、光が異なったスキャンミラーで反射して観察者眼に入射するため、図4に示すように、スキャンミラー18Aと18Bとの相対的な角度及び入射角度によっては、境界部で光が入射しない隙間25が生じる可能性がある。図4において、破線18A´及び18B´はスキャンミラー18A及びBが振動する様子を模式的に示し、また矢印LiA及びLiBはそれぞれスキャンミラー18A及び18Bに入射する入射光、破線LoA及び実線LoBはそれぞれスキャンミラー18A及び18Bで反射された光の光束を示す。このような隙間の発生を回避するためには、スキャンミラーの有効領域の一番端で反射した光がある範囲内で瞳に入射する必要がある。
つまり、分割されたスキャンミラーのうち隣接するスキャンミラー18A及び18Bから観察者眼200に入射する光の境界が、これらスキャンミラー18A及び18Bの走査角度を逆向きに最大にした状態で、図5A又はBに示すように、観察者眼の瞳の中心から半径reの半分以下に入射される構成とすることによって、瞳内に確実に隣接するスキャンミラー18A及び18Bの反射光を入射させることができ、隙間を生じさせることを確実に回避することができる。
When the scan mirror is divided in this way, the light is reflected by the different scan mirrors and enters the observer's eye. Therefore, as shown in FIG. 4, the relative angles and the incident angles of the scan mirrors 18A and 18B Depending on the case, there may be a
That is, in the state where the boundary of the light incident on the observer's
図5Aに示す例では、隣接するスキャンミラー18A及び18Bで反射させる光の境界が観察者眼200に向かって交差し、確実に隙間なく入射している例を示す。
図5Bにおいては、隣接するスキャンミラー18A及び18Bで反射させる光の境界が観察者眼に略平行に入射するが、その間隔dは、観察者眼200の瞳の半径reの半分以下とされる例を示す。この場合は、殆ど隙間が認識されることなく、良好に画像を表示することが可能である。
なお、観察者眼200に対して例えば偶数の分割されたスキャンミラーを用いる場合に、左側のスキャンミラー又はスキャンミラー群で反射した光を左の観察者眼に入射し、右側のスキャンミラー又はスキャンミラー群で反射した光は右側の観察者眼に入射する構成としてもよい。このような構成とする場合は左側のものを見ようと思って観察者が目を左側に動かすと、それまで見えにくかった像が見えやすくなるので、画像の表示形態としては好ましい。
In the example shown in FIG. 5A, an example is shown in which the boundaries of light reflected by the adjacent scan mirrors 18A and 18B cross toward the observer's
In FIG. 5B, the boundary of the light reflected by the adjacent scan mirrors 18A and 18B is incident on the observer's eye substantially in parallel, but the interval d is less than half the radius re of the pupil of the observer's
When, for example, an even number of divided scan mirrors are used for the observer's
また、上述したように、スキャンミラーの分割を行う場合は、駆動するスキャンミラーの数が増えるために、内枠部及びそのトーションバーを介して信号線を取り込むことが難しくなる。したがって、例えば図6に一実施形態例の概略平面構成図を示すように、分割されたスキャンミラー18の駆動端子である静電駆動用電極17a及び17b、静電駆動用固定側電極21a及び21bを例えば並列に接続してもよい。この場合、駆動端子は矢印a1及びa2で模式的に示すように2本となり、供給する信号線の削減を図ることが可能である。図6において、図2及び図3と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。直列に接続する場合も同様に信号線の削減を図ることができる。同相もしくは逆相の接続が可能である。
Further, as described above, when the scan mirror is divided, the number of scan mirrors to be driven increases, so that it is difficult to capture the signal line through the inner frame portion and its torsion bar. Therefore, for example, as shown in a schematic plan view of one embodiment in FIG. 6,
このように、並列もしくは直列に各スキャンミラー18の駆動端子を接続する場合は、各スキャンミラー18の大きさは均等にすることが望ましい。また、図6に示すように、接続されて同期して振動する構成とされたスキャンミラー18は振動方向に沿う方向に整列される構成とすることが望ましい。
また、各分割されたスキャンミラー18は異なった画素を表示するため、各々のスキャンミラー18にはそれぞれ異なった光源1から光が照射される構成とする必要がある。
Thus, when connecting the drive terminals of the scan mirrors 18 in parallel or in series, it is desirable that the sizes of the scan mirrors 18 be equal. Moreover, as shown in FIG. 6, it is desirable that the scan mirrors 18 connected and vibrated in synchronization are aligned in a direction along the vibration direction.
Since each divided
次に、走査素子10への入射光の入射態様について説明する。走査素子10に対しては、この走査素子10と観察者眼200との間から光を入射させることが望ましい。しかしながら、両者の間隔が狭いことや、複数のミラーを使用する場合はそのままでは入射角度を選ぶことが難しいことから、図7にその一実施形態例の概略断面構成図を示すように、走査素子10と観察者眼200との間の位置まで光を導く光学部品、例えば導光板30を用いることが望ましい。そしてこの導光板30に、ホログラム等の光偏向手段を組み込む構成とすることにより、走査素子10に光を入射することが可能である。図7において、図1と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図7においては、片方の観察者眼200例えば右目に3つのスキャンミラー18A、18B及び18Cを対向して設ける例を示す。光源1A、1B及び1Cから出射された光は導光板30内のそれぞれ導波路30A、30B及び30Cに入射される。導波路30A、30B及び30Cの各入射位置に入射側回折領域31A、31B及び31Cが設けられ、ここにおいて各光が回折されて、それぞれ導波路30A、30B及び30C内を導波する。また、各スキャンミラー18A、18B及び18Cと対向する位置に出射側回折領域32A、32B及び32Cが設けられ、ここにおいて各光が回折されて、それぞれスキャンミラー18A、18B及び18Cに入射する。図7において破線18A´、18B´及び18C´はスキャンミラー18A、18B及び18Cが振動する様子を模式的に示す。これらスキャンミラー18A、18B及び18Cにより反射された光はそれぞれ矢印LiA、LiB及びLiCで示すように観察者眼200に向かう。矢印Wで示すように観察することによって、画像が認識される。
Next, an incident aspect of incident light on the
FIG. 7 shows an example in which three
このように、複数のスキャンミラーを設ける場合は、スキャンミラー毎に個別に光を入射する必要があるため、光をスキャンミラーに導く光学素子、例えば導波路を複数設けることが必要である。このような導波路構成の光学素子を積層して一体化し、更に、走査素子10を覆うパッケージ40の一部として構成することも可能である。なお、MEMS型の走査素子は、スキャンミラー18の空気抵抗を下げるために走査素子10全体を収める筐体内を真空もしくは減圧状態としておく必要がある。このように、導光板30をパッケージ40と一体化することによって、走査素子10を容易に真空もしくは減圧状態に保持することができる。また、走査素子10と観察者眼200との間の間隔を大きく広げることも可能となる。
As described above, when a plurality of scan mirrors are provided, it is necessary to individually enter light for each scan mirror. Therefore, it is necessary to provide a plurality of optical elements, such as waveguides, that guide light to the scan mirror. It is also possible to stack and integrate the optical elements having such a waveguide configuration, and further configure the optical element as a part of the package 40 that covers the
なお、このように導光板30を用いる構成とする場合は、走査素子10のスキャンミラー18A、18B及び18Cで反射した光は、この光学素子すなわち導光板30及びホログラム領域(出射側回折領域32A、32B及び32C)において何らの光学的作用を受けることなくそのまま通過して、直接的に観察者眼200に入射される構成とすることが望ましい。
走査素子10からの帰路にホログラム等に反応せずに通過させるためには、出射側回折領域を構成するホログラムを偏光ホログラムとして、導光板30の走査素子10と対向する側に、例えば4分の1波長板等の波長板33を備える構成としてもよい。このような構成とする場合は、走査素子10で反射して再度このホログラム領域に入射する光は偏光が90度回転されるので、ホログラム領域と反応しないようにすることができ、そのまま通過して観察者眼200に到達させることができる。
When the
In order to pass through the return path from the
また、図8にその一実施形態例の要部の概略断面構成図を示すように、ホログラムの光入射角度依存性が大きいことを利用して、ホログラムに入射するまでの導波路内を導波する光線の反射角度θg(法線方向を一点鎖線vgで示す)と、走査素子のスキャンミラー18から観察者眼200に向けて反射される光の出射角度θm(法線方向を一点鎖線vmで示す)とを、
θm<θg
の関係として、スキャンミラー18により反射された光についてはホログラムの効率が略0となるように構成することも可能である。
また、図8に示すように、スキャンミラー18から反射された光Lの入射角度では、観察者眼200に入射しないような角度θd(>θm、法線方向を一点鎖線vdで示す)の回折光が生じるようにホログラムが設計されていてもよい。
このような構成とすることによって、スキャンミラー18と観察者眼200との間に光学素子、例えばホログラムが介在する構成とする場合においても、実質的にスキャンミラー18で反射された光に対して光学的作用を生じることなく、また、光学的作用が生じても、観察者眼200に入射されないようにすることによって、良好な画像の表示を行うことが可能である。
Further, as shown in the schematic cross-sectional configuration diagram of the main part of the embodiment in FIG. 8, the fact that the hologram is highly dependent on the light incident angle makes it possible to guide the inside of the waveguide until it enters the hologram. The reflection angle θg of the light beam to be reflected (the normal direction is indicated by a one-dot chain line vg) and the emission angle θm of the light reflected from the
θm <θg
As a relation, the light reflected by the
Further, as shown in FIG. 8, at an incident angle of the light L reflected from the
By adopting such a configuration, even when an optical element, for example, a hologram is interposed between the
また、図9にその一実施形態例の要部の概略平面構成図を示すように、走査素子のスキャンミラー18を分割すると共に、分割されたミラーと例えば同じ形状のミラーをダミーミラー118として設ける構成とし、このダミーミラー118により反射した光を検出することによって、スキャンミラー18の角度検出を行うことも可能である。このように角度検出を行う場合は、高精度の角度制御を行うことができる。
Further, as shown in FIG. 9 which is a schematic plan view of the main part of the embodiment, the
図10にこの場合の画像表示装置の一実施形態例の概略断面構成図を示す。この場合、光源1から出射された光は光学系2を介して導光板30に入射される。入射側回折領域31で偏向された光は導光板30内を導波され、ダミーミラー118及びスキャンミラー18と対向する位置に設けられた出射側回折領域32d、32で回折されて、それぞれダミーミラー118及びスキャンミラー18に入射される。スキャンミラー18で反射された光Liは例えば上述の図8において説明した構成とすることによって、そのまま観察者眼200に入射される。一方、ダミーミラー118において反射された光は、例えば導光板30の一部に外付けされたフォトダイオード等より成る光検出素子119において検出される。この光検出素子119は、図9内において模式的に示すように、例えば受光領域が半分に分割される構成とすることによって、各領域から検出された光の差分を信号Saとして取り出すことによって、ダミーミラー118の角度情報を検出することが可能である。
FIG. 10 shows a schematic sectional configuration diagram of an embodiment of the image display apparatus in this case. In this case, the light emitted from the
図11は、本発明の一実施形態例に係る画像表示装置の全体的な構成を示す概略構成図である。この例においては、右側観察者眼200及び左側観察者眼200Lそれぞれに対して、各4個のスキャンミラーを有する走査素子10R及び10Lをそれぞれパッケージ40R及び40L内に設ける例を示す。右目用及び左目用それぞれの光源1R及び1L、光学系2R及び2Lが、それぞれパッケージ42R及び42L内に収容されて、導光板30R、30Lの入射領域側に配置される。図11においては、代表的に1つの光源及び1つの光学系を示すが、これらはそれぞれスキャンミラーの個数分設けられることが望ましい。また、この画像表示装置100をHMD構成とする場合は、例えば右耳及び左耳に掛けて頭部に保持することを可能とする支持体43R及び43Lを、パッケージ42R及び42Lに取り付けてもよい。図示しないが、光源1R及び1L、走査素子10R及び10Lをそれぞれ適切に駆動する駆動電源や変調回路等の制御部が、例えばそれぞれパッケージ40R及び40L内、32R及び42L内に配置される。
このような構成とすることによって、極めて小型で軽量化が可能な画像表示装置を実現し、且つ、その画角を所望の広い角度に設定することが可能となる。
また、図11に示すように、右側用導光板30Rと左側用導光板30Lとの間に間隔調整部41を設け、各部が可動となる構成とすることによって、観察者眼の位置にあわせて表示位置を適切に選定することが可能である。
更に、図11に示す例のように右目用と左目用とで異なる光源、光学系を用いる場合は、それぞれの目に入射する画像情報に適切なずれを生じさせることによって、立体視を行うことも可能である。
FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an overall configuration of an image display apparatus according to an embodiment of the present invention. In this example, scanning
By adopting such a configuration, it is possible to realize an image display device that is extremely small and can be reduced in weight, and to set the angle of view to a desired wide angle.
In addition, as shown in FIG. 11, by providing a
Further, when different light sources and optical systems are used for the right eye and the left eye as in the example shown in FIG. 11, stereoscopic viewing is performed by causing an appropriate shift in image information incident on each eye. Is also possible.
以上説明したように、本発明によれば、極めて小型で且つ軽量のHMD型構成の画像表示装置を提供することができる。
また本発明によれば、光学系の収差の影響を受けることなく、視度補正が簡単で調整範囲が広い画像表示装置を提供し、また広い視野角を実現することができる。
特に、走査素子のスキャンミラーを分割して複数のスキャンミラーを用いる構成とすることにより、縦横比の大きい高アスペクト比の画像表示も可能となる。
また、このように分割した複数のスキャンミラーを用いる場合においても、少ない信号線で駆動することが可能であり、また 複数のスキャンミラーを同期して駆動することもできる。更に、複数の走査素子を例えば半位相ずらして駆動することも可能である。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an image display device having an extremely small and lightweight HMD type configuration.
In addition, according to the present invention, it is possible to provide an image display device that can easily correct the diopter and has a wide adjustment range without being affected by the aberration of the optical system, and to realize a wide viewing angle.
In particular, by dividing the scan mirror of the scanning element and using a plurality of scan mirrors, it is possible to display an image with a high aspect ratio with a large aspect ratio.
Further, even when a plurality of scan mirrors divided in this way are used, it is possible to drive with a small number of signal lines, and it is also possible to drive a plurality of scan mirrors synchronously. Furthermore, it is possible to drive a plurality of scanning elements with a half-phase shift, for example.
また、複数のスキャンミラーに加えてダミーミラーを設け、このダミーミラーで反射された光を検出することにより、スキャンミラーの角度等の検出が可能であり、角度情報に基づいてスキャンミラーの角度制御を高精度に行うことも可能である。
分割した複数のスキャンミラーを用いる場合は更に、左に目を動かすと左側の画像が見え、右側に目を動かすと右側の画像が見えるような自然な画像の表示が可能となる。
更に、走査素子と観察者眼の間の狭い空間には、導光板等の光学素子を用いることによって、光を走査素子に入射させることが可能であり、また走査素子と観察者眼との間隔を最大化できる。このような光学素子を用いる場合は、分割された複数のスキャンミラーに個別に光源からの光を入射して画像を表示することができる。
また、走査素子からの反射光の光学素子への入射角度や光学素子例えばホログラムの回折角度を適切に選定することによって、走査素子からの反射光によるホログラムの回折等を防ぎ、良好な画像の表示を行うことが可能である。
更にまた、スキャンミラーの共振周波数を18kHz以上とすることによって、振動が外部に伝わって耳障りな共振音が聞こえることを十分抑制ないしは回避でき、観察者の不愉快さを抑制ないしは回避することができる。
In addition to a plurality of scan mirrors, a dummy mirror is provided, and by detecting the light reflected by the dummy mirror, the angle of the scan mirror can be detected, and the angle of the scan mirror is controlled based on the angle information. Can be performed with high accuracy.
When a plurality of divided scan mirrors are used, it is possible to display a natural image in which the left image can be seen by moving the eyes to the left and the right image can be seen by moving the eyes to the right.
Furthermore, in a narrow space between the scanning element and the observer's eyes, an optical element such as a light guide plate can be used to allow light to enter the scanning element, and the distance between the scanning element and the observer's eyes. Can be maximized. When such an optical element is used, it is possible to display an image by individually entering light from a light source into a plurality of divided scan mirrors.
In addition, by appropriately selecting the incident angle of the reflected light from the scanning element to the optical element and the diffraction angle of the optical element such as a hologram, diffraction of the hologram due to the reflected light from the scanning element is prevented, and a good image is displayed. Can be done.
Furthermore, by setting the resonance frequency of the scan mirror to 18 kHz or higher, it is possible to sufficiently suppress or avoid hearing an irritating resonance sound due to vibration being transmitted to the outside, and to suppress or avoid discomfort to the observer.
なお、本発明は、上述の各実施形態例において説明した例に限定されるものではなく、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能である。
例えば、走査素子のスキャンミラーを十分幅広に構成し、且つ目的とする高い周波数をもって振動することが可能である場合は、1つの観察者眼に対して1個のスキャンミラーにより画像を表示する構成とすることも可能である。また、その他図2及び図3等に示す2次元走査素子の駆動電極等の各部の構成や材料等においては、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
The present invention is not limited to the examples described in the above embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the configuration of the present invention.
For example, when the scan mirror of the scanning element is configured to be sufficiently wide and can vibrate with a desired high frequency, a configuration in which an image is displayed by one scan mirror for one observer's eye It is also possible. In addition, it goes without saying that various modifications and changes can be made in the configuration and materials of each part such as the drive electrode of the two-dimensional scanning element shown in FIGS.
1.光源、2.光学系、10.走査素子、11a,11b.副軸電磁駆動用マグネット、12a,12b.副軸トーションバー、13.副軸電磁駆動用コイル、14a,14b.副軸電極、15a,15b.主軸電極、16a,16b.副軸トーションバー、17a,17b.静電駆動用電極、18.スキャンミラー、19.内枠部、20.外枠部、21a,21b.静電駆動用固定側電極、40.パッケージ、100.画像表示装置、200.観察者眼
1. 1. light source; Optical system, 10. Scanning elements 11a, 11b. Secondary shaft
Claims (14)
分割された複数のスキャンミラーを配設し、入射光を2次元的に走査し、反射光が直接観察者眼に入射されて画像が表示されるようにした走査素子と、
前記光源から出射された光を前記走査素子に導く光学系と、
を備え、
前記分割されたスキャンミラーのうち隣接するスキャンミラー同士を、走査角度を逆向きで且つ最大にした状態で、前記観察者眼に入射する光の有効領域の境界線が、前記観察者眼の瞳中心から瞳半径の半分以下の範囲内に入射されるように配置した、
ことを特徴とする画像表示装置。 A light source that emits light modulated according to information;
A scanning element that includes a plurality of divided scan mirrors, scans incident light in a two-dimensional manner, and reflects reflected light directly into an observer's eye to display an image ;
An optical system for guiding the light emitted from the light source to the scanning element;
Bei to give a,
The boundary line of the effective area of the light incident on the observer's eye in the state where the scan angles adjacent to each other among the divided scan mirrors are reversed and maximized is the pupil of the observer's eye Arranged so that it is incident within half the pupil radius from the center,
An image display device characterized by that.
前記ダミーミラーにより反射した光を検出することによって、前記スキャンミラーの角度検出を行うようにしたことを特徴とする請求項1記載の画像表示装置。 A dummy mirror formed in the same shape as the scan mirror, provided at an end of the plurality of scan mirrors;
2. The image display device according to claim 1 , wherein the angle of the scan mirror is detected by detecting light reflected by the dummy mirror .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006162791A JP4830653B2 (en) | 2006-06-12 | 2006-06-12 | Image display device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006162791A JP4830653B2 (en) | 2006-06-12 | 2006-06-12 | Image display device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007333812A JP2007333812A (en) | 2007-12-27 |
JP4830653B2 true JP4830653B2 (en) | 2011-12-07 |
Family
ID=38933374
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006162791A Expired - Fee Related JP4830653B2 (en) | 2006-06-12 | 2006-06-12 | Image display device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4830653B2 (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5901321B2 (en) * | 2012-02-06 | 2016-04-06 | オリンパス株式会社 | Image display device |
KR20180117181A (en) * | 2016-03-01 | 2018-10-26 | 매직 립, 인코포레이티드 | A reflective switching device for inputting light of different wavelengths into waveguides |
KR101894556B1 (en) * | 2016-09-08 | 2018-10-04 | 주식회사 레티널 | Optical device |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4902083A (en) * | 1988-05-31 | 1990-02-20 | Reflection Technology, Inc. | Low vibration resonant scanning unit for miniature optical display apparatus |
JPH08140014A (en) * | 1994-11-11 | 1996-05-31 | Nintendo Co Ltd | Face contact picture display device |
JPH1195150A (en) * | 1997-09-22 | 1999-04-09 | Minolta Co Ltd | Scanning optical device |
JP4006179B2 (en) * | 2000-12-26 | 2007-11-14 | キヤノン株式会社 | Image display device and image display system |
JP2004145367A (en) * | 2004-01-26 | 2004-05-20 | Nec Corp | Image displaying device |
-
2006
- 2006-06-12 JP JP2006162791A patent/JP4830653B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2007333812A (en) | 2007-12-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9405121B2 (en) | Image display apparatus and head-mounted display | |
US11460628B2 (en) | Projector integrated with a scanning mirror | |
US11422377B2 (en) | Display device | |
JP4522253B2 (en) | Optical scanning device and image display device using the same | |
JP5373892B2 (en) | Beam scanning display device | |
JP6069946B2 (en) | Image display device and head-mounted image display device | |
EP1225470B1 (en) | Image display apparatus and system | |
JP5983055B2 (en) | Image display device and head mounted display | |
US9170422B2 (en) | Image display apparatus and head-mounted display | |
JPH11160650A (en) | Picture display device | |
US11109000B2 (en) | Laser projection device and laser projection system | |
JP4830653B2 (en) | Image display device | |
JP2023537897A (en) | Beam scanner with PIC input and near-eye display based thereon | |
US20140153072A1 (en) | Image display devices | |
JP4574774B2 (en) | Video display device | |
JP4533580B2 (en) | Frequency adjustable resonant scanning device with auxiliary arm | |
JP2014228817A (en) | Image display device and head-mounted display | |
JPH11133346A (en) | Video display device | |
JP2007304442A (en) | Retina scanner |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20081209 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110419 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110420 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110607 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110628 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110804 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20110823 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110905 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140930 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |