JP4893200B2

JP4893200B2 - 光束転送用の光学系、及び、これを用いた網膜走査型ディスプレイ

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Publication number: JP4893200B2
Application number: JP2006265134A
Authority: JP
Inventors: 光由渡邊; 英範岡
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: JP2008083539A; WO2008038586A1; US20090190094A1; US7843638B2

Description

本発明は、光束転送用の光学系、及び、これを用いた網膜走査型ディスプレイに関するものである。

画像表示素子上に形成された画像を、回折光学系を用いて目に導入する光学系が、下記特許文献に示されるように、提案されている。

このような光学系によれば、目から離間した位置で画像を形成し、形成された画像を目に転送することができる。したがって、この光学系を用いると、画像形成装置を目から離間させることができる。このことは、例えばヘッドマウントディスプレイの実現にとって有用である。

しかしながら、従来の光学系では、画像転送の際の回折によって生じる収差、特に色収差のために、転送された画像が劣化するという問題点を有している。
特開２００２−３１１３７９号公報特開２００３−１４００８１号公報国際公開第２００４／０９７４９８号公報

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものである。本発明は、収差の発生を低減できる光学系及びこれを用いた網膜走査型ディスプレイを提供することを目的とする。

本発明の網膜走査型ディスプレイは、光学系と、画像形成装置とを備えている。前記光学系は、第１回折部と、第２回折部と、導光部とを備えている。前記第１回折部と前記第２回折部とは、互いに離間した状態で、前記導光部に取り付けられている。前記第１回折部は、この第１回折部に入射された光束を回折して、前記導光部に入射する構成となっている。前記導光部は、前記第１回折部によって回折された光束を、前記導光部内での反射又は屈折によって、前記第２回折部に導く構成となっている。前記第２回折部は、前記導光部によって導かれ、かつ、前記導光部の外部に出射した光束を再び回折する構成となっている。前記第１回折部と前記導光部と前記第２回折部とは、前記第１回折部と前記第２回折部との間における仮想面を挟んで実質的に光学的特性が対称となっている。さらに、前記画像形成装置は、前記光学系における第１回折部に光束を照射し、かつ、前記第１回折部上において、前記光束を走査する構成となっている。前記第２回折部は、前記のように走査され、かつ、前記導光部を通過した前記光束を、使用者の網膜側に向けて出射する構成となっている。このディスプレイでは、前記導光部によって案内される光束によって、前記仮想面に相当する位置に、中間像面が形成されるものとなっている。さらに、このディスプレイでは、前記網膜側に向けて出射された光束によって前記網膜上に画像を形成するように構成されている。

本発明によれば、収差の発生を低減できる光学系及びこれを用いた網膜走査型ディスプレイを提供することが可能となる。

（第１実施形態の構成）
本発明の第１実施形態に係る光学系を用いた網膜走査型ディスプレイを、図１〜図４に基づいて説明する。

この網膜走査型ディスプレイは、光学系１と、画像形成装置２とを主要な要素として備えている。

光学系１は、第１回折部１１と、第２回折部１２と、導光部１３とを備えている。第１回折部１１と第２回折部１２とは、互いに離間した状態で、導光部１３に取り付けられている。第１回折部１１と第２回折部１２との、中心間の距離は、いずれも等しい距離ｈとなっている（図１参照）。

第１回折部１１は、この第１回折部１１に入射された光束を回折して、導光部１３に入射する構成となっている。このような第１回折部１１としては、例えばホログラム光学素子（ＨＯＥ）と呼ばれる透過型の回折格子である。本実施形態の第１回折部１１における一次の回折角は５０°とされている。また、第１回折部１１の厚さは５ｍｍとされている。もちろん、これらの数値は一例である。

導光部１３は、第１回折部１１によって回折された光束を、導光部１３内での反射によって、第２回折部１２に導く構成となっている。このような導光部１３は、要するに光の導波路としての機能を備えているものである。本実施形態の導光部１３は、図１に示されるように、板状に形成されている。また、導光部１３の材質としては、使用する波長域の光に対してなるべく透明であることが好ましく、例えばＰＭＭＡや石英ガラスなどを用いることができる。

第２回折部１２は、導光部１３によって導かれ、かつ、導光部１３の外部に出射した光束を再び回折する構成となっている。第２回折部１２は、第１回折部１１と基本的に同じ構成となっている。

また、第２回折部１２は、画像形成装置２（後述）によって走査され、かつ、導光部１３を通過した光束を、使用者の眼球Ｒ（図１参照）における網膜側に向けて出射する構成となっている。

第１回折部１１と導光部１３と第２回折部１２とは、第１回折部１１と第２回折部１２
との間における仮想面Ｐ１を挟んで実質的に対称となっている。ここで、仮想面Ｐ１は、
第１回折部１１と第２回折部１２との中間に配置されている。すなわち、図１における点
ＡＣ間の中点Ｂを通っている。ここで、線分ＡＣは、第１回折部１１と第２回折部１２と
の、中心同士の距離に対応している。また、この実施形態において対称とは、仮想面Ｐ１
を挟んだ線対称であることを意味している。

ここで、「実質的に対称」の意味をさらに補足する。実質的に対称とは、「第１回折部１１に入射して第２回折部１２から出射する光の伝搬に寄与する素子の、光学的意味における特性が対称」という意味である。一般に、第１回折部１１と第２回折部１２とを同じ部材とし、導光部１３を均一な特性とすれば、比較的簡単な構成で、このような対称性を得ることができる。

画像形成装置２は、光学系１における第１回折部１１に光束を照射し、かつ、前記第１回折部１１上において、光束を走査することにより画像を形成する構成となっているものである。より詳しくは、本実施形態に係る画像形成装置２は、光源ユニット部２１と、光ファイバ２２と、ピント調整部２３と、光偏向部２４とを備えている。本実施形態における画像形成装置２自体は、従来から知られているもの（例えば特開２００６−９８５７０号公報や米国特許第５７０１１３２号公報参照）を用いることが可能なので、以下においては概要のみ説明する。

光源ユニット部２１は、映像信号供給回路２１１０と、ＲＧＢ各色についてのレーザドライバ２１２１〜２１２３と、ＲＧＢ各色についてのレーザ２１３１〜２１３３と、それぞれのレーザ光についてのコリメート光学系２１４１〜２１４３及びダイクロイックミラー２１５１〜３と、各レーザ光を結合する結合光学系２１６と、ピント調整手段（後述の可変焦点レンズ２３２）を駆動する可変焦点レンズ駆動回路２１７１と、光偏向部２４（後述）を主走査方向又は副走査方向に駆動する第１及び第２の偏向部駆動回路２１７２及び２１７３とを備えている。

光ファイバ２２は、光源ユニット部２１で形成された光束をピント調整部２３に伝送するものである。もちろん、光ファイバに代えて、他の種類の導波路を用いることは可能であり、さらには、自由空間を伝搬させることで光を伝送することも可能である。

ピント調整部２３は、コリメート光学系２３１と、可変焦点レンズ２３２と、コリメートレンズ２３３とを備えている。

光偏向部２４は、主走査方向（図２において垂直方向）及び副走査方向（図２において水平方向）において、正逆方向に所定の角度範囲で回動可能となっている。また、光偏向部２４は、コリメートレンズ２３３を通過した光束を反射することにより、光束を主走査方向及び副走査方向に走査することができるようになっている。より具体的には、光偏向部２４には、例えば、これを主走査方向及び副走査方向に独立して駆動するための静電アクチュエータなどの駆動機構（図示せず）が取り付けられたＭＥＭＳスキャナーが提案されている。そして、その駆動機構の動作の制御を、それに接続された第１及び第２の駆動回路２１７２及び２１７３が行うようになっている。もちろん、光偏向部２４を駆動するための機構としては、静電アクチュエータに限らず各種の機構を用いることができる。例えば、電圧で駆動される圧電素子の変形を用いて光偏向部２４の動作を制御することも可能である。

（第１実施形態の動作）
つぎに、前記のように構成された第１実施形態に係る装置の動作を説明する。

外部からの映像信号が映像信号供給回路２１１０に入力されると、映像信号供給回路２１１０は、ＲＧＢ各色についての映像信号を生成して、各色についてのレーザドライバ２１２１〜２１２３に送る。各レーザドライバ２１２１〜２１２３は、各映像信号に従って、各色用のレーザ２１３１〜２１３３を駆動して発光させる。これらのレーザ２１３１〜２１３３からのレーザ光は、コリメート光学系（コリメートレンズ）２１４１〜２１４３で平行ビームとされた後、ダイクロイックミラー２１５１〜２１５３で反射されて、一つのビームに合波される。より詳しくは、ダイクロイックミラー２１５２及び２１５３は、各レーザ光を反射してダイクロイックミラー２１５１に送る。ダイクロイックミラー２１５１は、Ｒレーザ２１３１からの光を通過させ、それ以外の帯域の光を反射する。これにより、各色のレーザ光を重ね合わせる（つまり合波する）ことができる。

合波されたレーザ光は、結合光学系２１６で集光されて、光ファイバ２２に入射される。光ファイバ２２中を伝搬されたレーザ光は、その出射側に配置されたコリメート光学系２３１で平行ビームとされ、可変焦点レンズ２３２でピント調整される。

ここで、可変焦点レンズ２３２は、駆動回路２１７１により、焦点調節がなされる。より具体的には、駆動回路２１７１からの駆動信号に応じて、可変焦点レンズ２３２の焦点調節機構（図示せず）を駆動して、焦点調節を行うことができる。可変焦点レンズ２３２の焦点調節機構としては、例えば、可変焦点レンズ２３２の内圧を調整するマイクロポンプなどを用いることができる。もちろん、他の機構を用いることもできる。

可変焦点レンズ２３２でピント調整されたレーザ光は、コリメートレンズ２３３で平行ビームとされ、光偏向部２４に入射する。以上の動作は、従来の網膜走査型ディスプレイと基本的に同様なので、これ以上の詳細な説明は省略する。

光偏向部２４は、駆動回路２１７２及び２１７３によって、主走査方向及び副走査方向にそれぞれ駆動される。これにより、光偏向部２４は、主走査方向及び副走査方向に、二次元的にレーザ光を走査しながら、レーザ光を第１回折部１１の表面に向けて照射することができる。光偏向部２４の動作についても、従来の網膜走査型ディスプレイと基本的に同様なので、これ以上の詳細な説明は省略する。

第１回折部１１は、その表面に照射されたレーザ光（すなわち光束）を回折する。回折された光束は、導光部１３の内部を、その表面で反射しながら進行する。ここで、導光部１３の内部を進行する回折光の次数は、必要とする光強度や回折角を考慮して、適宜に設定される。例えば光強度を上げるためには一次回折光を用いることが好ましく、また、回折角（回折光が回折格子の面の法線となす角）を大きくするためには二次以上の回折光を用いることが好ましい。

導光部１３の内部を進行する光束は、この実施形態では、伝搬の途中において、中間像面を形成する。具体的には、導光部１３の表面の領域１３１（図１及び図３参照）において中間像面が形成される。ここで、本実施形態では、第１回折部１１で回折した光束が中間像面に至るまでに、導光部１３の内部において１回反射するものとなっている。

その後、光束は、導光部１３の内部をさらに進行し、第２回折部１２に達する。第２回折部１２に達した光束は、第２回折部１２で再び回折されて、使用者（観察者）の眼球Ｒ（より詳しくは網膜）に向けて出射する。

出射される光束は、光偏向部２４による走査に従って走査されることになるので、その結果、使用者の網膜に画像を形成することができる。すなわち、使用者に対して画像を提示することができる。

本実施形態の装置では、第１回折部１１と導光部１３と第２回折部１２とを、第１回折部１１と第２回折部１２との間における仮想面Ｐ１を挟んで実質的に対称としている。このため、第１回折部１１で生じた各種の収差（例えばディストーション）は、それと対称に配置されている第２回折部１２における回折によってキャンセルされる。これにより、本実施形態の装置によれば、回折によって生じる収差を低減することができ、使用者に提示される画像の品質を向上させることができるという利点がある。

（装着例）
本実施形態に係る装置を使用者の頭部に装着した一例を図４に示す。この例では、画像形成装置２を使用者の側頭部に装着し、光学系１を使用者の顔面前方に配置する。このとき、第２回折部１２を、使用者における一方の眼球Ｒの前方に配置する。このようにすれば、使用者の視野の制約を低く抑えつつ、所定の画像を使用者に提示する事が可能となる。

（第２実施形態）
つぎに、本発明の第２実施形態に係る光学系２０１を、図５に基づいて説明する。本実施形態の説明においては、第１実施形態に係る光学系１と基本的に共通する構成要素については、同一符号を用いることで、説明を簡略化する。

前記した第１実施形態に係る光学系１では、第１回折部１１及び第２回折部１２として、透過型の回折格子を用いていた。これに対して、第２実施形態の光学系においては、第１回折部２１１及び第２回折部２１２として、反射型の回折格子を用いている。この例では、第１回折部２１１及び第２回折部２１２は、いずれも、使用者の眼球位置とは反対側となる、導光部１３の表面に配置されている。

また、第２実施形態においても、第１回折部２１１と第２回折部２１２とは、同じ構成の回折格子が用いられている。

第２実施形態においても、第１回折部２１１と導光部１３と第２回折部２１２とによって構成される光学系は、第１回折部２１１と第２回折部２１２との間における仮想面Ｐ２（図５参照）を挟んで対称となっている。

第２実施形態では、画像形成装置２から送り出された光束は、導光部１３を一旦透過した後、第１回折部２１１に達する。第１回折部２１１に達した光束は、第１回折部２１１で反射及び回折されて、導光部１３の内部を伝搬する。

ここで、第２実施形態では、導光部１３の表面における領域１３２（図５参照）に中間像面が形成されるようになっている。

その後、第２回折部２１２に達した光束は、第２回折部２１２で再び反射及び回折されて、使用者の網膜に向けて出射する。

第２実施形態の装置でも、第１回折部２１１における回折で生じた収差を、第２回折部２１２における回折でキャンセルすることができ、使用者に提示される画像の品質を向上させることができる。

第２実施形態の装置における他の構成及び利点は、第１実施形態と基本的に同様なのでこれ以上詳細な説明は省略する。

（第３実施形態）
つぎに、本発明の第３実施形態に係る光学系３０１を、図６に基づいて説明する。本実施形態の説明においては、第１実施形態に係る光学系１と基本的に共通する構成要素については、同一符号を用いることで、説明を簡略化する。

前記した第１実施形態に係る光学系１では、第１回折部１１及び第２回折部１２を、導光部１３における同じ面に配置していた。これに対して、第３実施形態の光学系においては、第１回折部３１１を、導光部１３の一面側に配置し、第２回折部３１２を、導光部１３における他の面（反対側の面）に配置している。

また、第３実施形態においても、第１回折部３１１と第２回折部３１２とは、同じ構成の回折格子が用いられている。

第３実施形態では、画像形成装置２から送り出された光束は、第１回折部３１１で回折される。回折された光束は、導光部１３の内部を伝搬し、一回の反射後、その途中において中間像面１４を形成する。すなわち、第１回折部３１１は、この第１回折部３１１を回折した光束によって、導光部１３の内部に、中間像面１４を形成する構成となっている。

また、第３実施形態において、第１回折部３１１と導光部１３と第２回折部３１２とは、前記した中間像面１４を挟んで実質的に回転対称となっている。したがって、本実施形態では、仮想面を中間像面１４と実質的に同じ位置に仮定すると、この仮想面を挟んで、光学系が回転対称となっている。

第３実施形態では、導光部１３で２回反射した光束が、第２回折部３１２に達し、第２回折部３１２で再び回折されて、使用者の網膜に向けて出射する。

第３実施形態の装置でも、第１回折部３１１における回折で生じた収差を、第２回折部３１２における回折でキャンセルすることができ、使用者に提示される画像の品質を向上させることができる。

第３実施形態の装置における他の構成及び利点は、第１実施形態と基本的に同様なのでこれ以上詳細な説明は省略する。

（第４実施形態）
つぎに、本発明の第４実施形態に係る光学系４０１を、図７に基づいて説明する。本実施形態の説明においては、第１実施形態に係る光学系１と基本的に共通する構成要素については、同一符号を用いることで、説明を簡略化する。

前記した第１実施形態に係る光学系１では、中間像面が形成される領域１３１が外部に露出していた。これに対して、第４実施形態の装置では、中間像面が形成される領域１３１に、保護部材１５が、この領域１３１を覆うように配置されている。保護部材１５の材質としては、例えばＰＭＭＡや石英などを用いることができる。また、保護部材１５の材質は、導光部１３と同じであっても異なっていても良い。さらに保護部材１５と導光部１３の表面とは、密着していても良いし、部分的に間隙を有していても良い。要するに、保護部材１５は、実質的に、領域１３１の表面を保護できる構成であればよい。ただし、密着する場合は、導光部１３の表面における全反射条件がくずれてしまうため、反射膜をつけることで全反射条件を保つ必要があると考えられる。

第４実施形態の装置によれば、中間像面が形成される領域１３１において、この領域１３１にほこりが付着したり、この領域１３１における表面に傷が付くおそれを低減することができる。このため、この装置では、中間像面において形成される画像の劣化を防止し、その結果、使用者に提示される画像の劣化を防止することができるという利点がある。

第４実施形態の装置における他の構成及び利点は、第１実施形態と基本的に同様なのでこれ以上詳細な説明は省略する。

（第５実施形態）
つぎに、本発明の第５実施形態に係る光学系５０１を、図８に基づいて説明する。本実施形態の説明においては、第４実施形態に係る光学系１と基本的に共通する構成要素については、同一符号を用いることで、説明を簡略化する。

前記した第４実施形態に係る光学系１では、中間像面が形成される領域１３１に、保護部材１５を、この領域１３１を覆うように配置した。これに対して、第５実施形態の装置では、保護部材１５に代えて、瞳拡大回折部１６を、中間像面が形成される位置において導光部１３の表面に接するように配置した。これにより、本実施形態では、この瞳拡大回折部１６で回折した光束で構成される瞳（すなわち像）を拡大する構成となっている。拡大された瞳を構成する光束を、図８において点線で示している。

第５実施形態に係る装置によれば、瞳拡大回折部１６により瞳を拡大することができるので、第２回折部１２から使用者の網膜に向かう射出瞳を拡大することができる。このため、第２回折部１２と網膜との相対的な位置関係が若干変動しても、使用者に対して画像を提示することが可能となるという利点がある。

第５実施形態の装置における他の構成及び利点は、第４実施形態と基本的に同様なのでこれ以上詳細な説明は省略する。

なお、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得るものである。

例えば、前記した各実施形態では、第１回折部１１で回折した光束が中間像面に至るまでに、導光部１３の内部において、少なくとも１回反射しているが、これに限らず、少なくとも３回又はそれ以上反射する構成としてもよい。

また、前記した各実施形態では、第１回折部１１で回折した光束を、導光部１３の内部で反射させることで伝搬しているが、例えば導光部１３内部の屈折率を調整しておくことにより、屈折によって伝搬することも可能である。

本発明の第１実施形態に係る網膜走査型ディスプレイの全体的な概略構成図である。第１実施形態において、光偏向部による走査を説明するための説明図である。図１に示す光学系の拡大図である。図１に示す網膜走査型ディスプレイを使用者の頭部に装着した例を示す説明図である。本発明の第２実施形態に係る光学系を示す説明図である。本発明の第３実施形態に係る光学系を示す説明図である。本発明の第４実施形態に係る光学系を示す説明図である。本発明の第５実施形態に係る光学系を示す説明図である。

符号の説明

１・２０１・３０１・４０１・５０１光学系
１１・２１１・３１１第１回折部
１２・２１２・３１２第２回折部
１３導光部
１４中間像面
１５保護部材
１６瞳拡大部
２画像形成装置
２１光源ユニット部
２２光ファイバ
２３ピント調整部
２４光偏向部

Claims

光学系と、画像形成装置とを備えており、
前記光学系は、第１回折部と、第２回折部と、導光部とを備えており、
前記第１回折部と前記第２回折部とは、互いに離間した状態で、前記導光部に取り付けられており、
前記第１回折部は、この第１回折部に入射された光束を回折して、前記導光部に入射する構成となっており、
前記導光部は、前記第１回折部によって回折された光束を、前記導光部内での反射又は屈折によって、前記第２回折部に導く構成となっており、
前記第２回折部は、前記導光部によって導かれ、かつ、前記導光部の外部に出射した光束を再び回折する構成となっており、
前記第１回折部と前記導光部と前記第２回折部とは、前記第１回折部と前記第２回折部との間における仮想面を挟んで実質的に光学的特性が対称とされており、前記画像形成装置は、前記光学系における第１回折部に光束を照射し、かつ、前記第１回折部上において、前記光束を走査する構成となっており、
前記第２回折部は、前記のように走査され、かつ、前記導光部を通過した前記光束を、使用者の網膜側に向けて出射する構成となっており、
前記導光部によって案内される光束によって、前記仮想面に相当する位置に、中間像面が形成されるものとなっており、
前記網膜側に向けて出射された光束によって前記網膜上に画像を形成するように構成されたことを特徴とする
網膜走査型ディスプレイ。
前記対称とは、前記仮想面を挟んだ線対称であることを特徴とする、請求項１に記載の網膜走査型ディスプレイ。
前記第１回折部は、この第１回折部を回折した光束によって、前記導光部の表面に、前記中間像面を形成する構成となっている
請求項１に記載の網膜走査型ディスプレイ。
さらに保護部材を備えており、
前記第１回折部は、この第１回折部を回折した光束によって、前記導光部の表面に、前記中間像面を形成する構成となっており、
前記保護部材は、前記中間像面が形成される位置において前記導光部の表面を覆うように配置されている
請求項１に記載の網膜走査型ディスプレイ。
さらに瞳拡大回折部を備えており、
前記第１回折部は、この第１回折部を回折した光束によって、前記導光部の表面に、前記中間像面を形成する構成となっており、
前記瞳拡大回折部は、前記中間像面が形成される位置において前記導光部の表面に配置されており、かつ、この瞳拡大回折部で回折した光束で構成される射出瞳を拡大する構成となっている
請求項１に記載の網膜走査型ディスプレイ。
前記第１回折部は、この第１回折部を回折した光束によって、前記導光部の内部又は表面に、前記中間像面を形成する構成となっており、
さらに、前記第１回折部で回折した光束は、前記中間像面に至るまでに、前記導光部の内部において、少なくとも１回反射している
請求項１に記載の網膜走査型ディスプレイ。
前記第１回折部は、この第１回折部を回折した光束によって、前記導光部の内部又は表面に、前記中間像面を形成する構成となっており、
さらに、前記第１回折部で回折した光束は、前記中間像面に至るまでに、前記導光部の内部において、少なくとも３回反射している
請求項１に記載の網膜走査型ディスプレイ。
前記第１回折部は、この第１回折部を回折した光束によって、前記導光部の内部に、前記中間像面を形成する構成となっており、
前記仮想面は、前記中間像面と実質的に同じ位置となっており、
前記対称とは、前記仮想面を挟んだ回転対称であることを特徴とする
請求項１に記載の網膜走査型ディスプレイ。
前記導光部は、ほぼ板状に形成されており、前記第１回折部は、前記導光部の一面側に配置されており、前記第２回折部は、前記導光部の他面側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の網膜走査型ディスプレイ。
前記画像形成装置は、光源ユニット部と光偏向部とを備えており、
前記光源ユニット部は、前記光偏向部に送り出されるレーザ光を発生するものであり、
前記光偏向部は、正逆方向に所定の角度範囲で回動することにより、前記レーザ光で構成される光束を走査して、前記中間像面を形成する構成となっている
請求項１に記載の網膜走査型ディスプレイ。