JP6028400B2 - 画像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents
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Description
特許文献1に記載の画像表示装置は、3つの半導体レーザー、各々の半導体レーザーに対応したカップリングレンズ、ダイクロイックミラーおよび集光レンズを備えるビーム供給部と、ビーム供給部から出射されたビームを2次元走査するビーム走査部とを有している。また、ビーム走査部が有する反射ミラーの反射面は、各半導体レーザーから出射されたビームの光軸と平行であり、かつ、当該光軸に対して筐体の厚さ方向にずれた位置に設けられている。そのため、ビーム供給部とビーム走査部との間に平面ミラーが設けられており、ビーム供給部から出射されたビームは、平面ミラーで筐体の厚さ方向に反射したのちビーム走査部の反射ミラーに入射するようになっている。
しかしながら、特許文献1の画像表示装置では、ビームの断面形状を変化させる光学部材がないため、高品質な画像を表示することが困難である。また、特許文献1の画像表示装置では、ビームの光軸を筐体の厚み方向に折り曲げて反射ミラーに入射させているため、各構成部材のアライメントが3次元的で複雑になり、装置の組立性を低下させている。
本発明の画像表示装置は、異なる波長の光を出射する複数の光源部と、
前記複数の光源部からの光を合成する光合成部と、
前記光合成部にて合成された光の断面形状を変化させるプリズムと、
前記プリズムからの光を走査する光走査部と、を有し、
前記複数の光源部から前記光合成部および前記プリズムを経て前記光走査部へ向かう光の光軸は、第1面内に位置し、
前記複数の光源部から出射される光の前記第1面の法線方向の放射角は、当該出射される光の前記第1面の面内方向の放射角よりも大きく、
前記複数の光源部から出射される前記光のうち波長の短い光ほど前記プリズムへの入射角が大きくなるように構成されていることを特徴とする。
これにより、組立性優れ、優れた画像表示特性を発揮することのできる画像表示装置を提供することができる。
これにより、例えば、光学部材であるプリズムを通過する際の光の損失を低減することができる。
これにより、光源から出射した時点では楕円形(または長円形)であった光の断面形状を略円形に整形することができ、画像表示特性が向上する。
本発明の画像表示装置では、前記プリズムの出射面は、前記光を集光するレンズ面となっていることが好ましい。
これにより、レンズ面の焦点距離付近に位置する対象物に画像を表示する際に、より高い画像表示特性を発揮することができる。
これにより、所望の色および強度の光を発生させることができるようになり、優れた画像表示特性を発揮することができる。
前記光反射面の法線に対して傾斜した方向から前記光が前記光反射面に照射されることが好ましい。
これにより、光走査部によって2次元走査された光が他の部材(例えば、プリズム)と干渉することなく対象物に照射される。言い換えると、光走査部によって2次元走査された光の光路を変更する平面ミラー等の設置が必要ないため、画像表示装置の小型化を図ることができる。
本発明の画像表示装置では、前記光走査部は、前記光走査部の非駆動状態において前記第1面と垂直に配置され、かつ、前記第1面内に位置する第1の軸周りおよび前記第1面の法線方向と平行な第2の軸周りに揺動する光反射面を有していることが好ましい。
これにより、光の描画可能領域に含まれる、実際に画像を表示するのに使用することのできる有効描画領域をより大きくすることができる。
本発明の画像表示装置では、前記複数の光源部、前記光合成部、前記プリズムおよび前記光走査部は、前記第1面の面内方向に並んで配置されていることが好ましい。
これにより、構成部材の組み付けがし易くなり、画像表示装置の組立性がさらに良好になる。
これにより、光走査部の構成が簡単となるとともに、光走査部の小型化を図ることができる。
これにより、光走査部の光反射面の法線方向の厚みが厚くなるが、光反射面の面内方向の幅を小さくすることができる。そのため、本発明の画像表示装置に適した形状の光走査部となる。
前記光反射部材に光を照射する画像表示装置と、を有し、
前記画像表示装置は、
異なる波長の光を出射する複数の光源部と、
前記複数の光源部からの光を合成する光合成部と、
前記光合成部にて合成された光の断面形状を変化させるプリズムと、
前記プリズムからの光を走査する光走査部と、を有し、
前記複数の光源部から前記光合成部および前記プリズムを経て前記光走査部へ向かう光の光軸は、第1面内に位置し、
前記複数の光源部から出射される光の前記第1面の法線方向の放射角は、当該出射される光の前記第1面の面内方向の放射角よりも大きく、
前記複数の光源部から出射される前記光のうち波長の短い光ほど前記プリズムへの入射角が大きくなるように構成されていることを特徴とする。
これにより、優れた画像特性を有するヘッドマウントディスプレイを提供することができる。
1.画像表示装置
図1は、本発明の画像表示装置の好適な実施形態を示す平面図、図2は、図1に示すレーザー光源が出射するレーザー光の断面を示す図、図3は、図1に示す画像表示装置の側面図である。また、図4は、図1に示す画像表示装置が有する光走査部(光スキャナー)を示す平面図、図5は、図4に示す光スキャナーの断面図、図6は、図4に示す光スキャナーが有する電圧印加部のブロック図、図7は、図6に示す第1の電圧発生部および第2の電圧発生部での発生電圧の一例を示す図である。また、図8は、光スキャナーの配置による描画可能領域の違いを示す図である。なお、以下では、説明の便宜上、図5中の上側を「上」、下側を「下」と言う。また、図1に示すように、互いに直交する3軸をそれぞれX軸、Y軸およびZ軸とする。
画像表示装置1は、描画用レーザー光LLを出射する描画用光源ユニット2と、描画用レーザー光LLの光軸を傾けるとともに、描画用レーザー光LLの断面形状を変形させるプリズム(光学部材)3と、プリズム3を通過した描画用レーザー光LLを走査する光走査部4と、描画用レーザー光LLの強度を検知する検出部5と、描画用光源ユニット2および光走査部4の作動を制御する制御部6とを有している。
画像表示装置1は、XY平面方向に広がりを有し、Z軸方向に高さを有する扁平形状の筐体9を有しており、この筐体9内に、描画用光源ユニット2、プリズム3、光走査部4、および、検出部5がXY平面方向に並んで配置、収容されている。本実施形態の筐体9は、その厚さ方向から見た平面視にて、略矩形の外形形状をなしている。また、筐体9には、例えば透明な部材(ガラス、プラスチック等)で構成された窓部91が形成されており、この窓部91を介して、光走査部4によって走査された描画用レーザー光LLが筐体9の外へ出射される。なお、制御部6は本実施形態のように筐体9内に収容されていてもよいし、制御部6は筐体9の外側に設けられていてもよい。
以下、各部構成について順次説明する。
図1に示すように、描画用光源ユニット2は、赤色、緑色、青色、各色のレーザー光源(光源部)21R、21G、21Bと、レーザー光源21R、21G、21Bに対応して設けられたコリメーターレンズ22R、22G、22Bおよびダイクロイックミラー23R、23G、23Bとを備えている。
レーザー光源21R、21G、21Bとして、半導体レーザーを用いた場合、一般的には、レーザー光源21R、21G、21Bから出射されるレーザー光RR、GG、BBが有する光強度分布の輪郭形状(いわゆるFFP:Far Field Pattern)は、それぞれ、略楕円形状となる。なお、以下では、レーザー光RR、GG、BBの「断面形状」を、レーザー光RR、GG、BBの「光強度分布の輪郭形状」と同義の意味で用いる。すなわち、この場合には、レーザー光源21R、21G、21Bから出射されるレーザー光RR、GG、BBは、それぞれ、略楕円形の断面形状を有していると言い換えることができる。ここで、断面形状とは、レーザー光RR、GG、BBの光軸に垂直な断面における形状である。
プリズム3は、描画用レーザー光LLの光軸を傾ける第1の機能と、描画用レーザー光LLの形状(断面形状)を変形させる第2の機能と、描画用レーザー光LLの放射角を制御(集光させる、等)する第3の機能とを有する光学部材である。プリズム3は、ガラスや水晶で構成された実質的に無色透明な多面体である。このようなプリズム3としては、上記のような機能を有していれば特に限定されず、例えば、略三角柱状をなす三角プリズムを用いることができる。なお、例えば、三角プリズムの各角部は、機能に影響を及ぼさない限り面取り等されていてもよい。
光走査部4は、プリズム3を通過した描画用レーザー光LLを2次元走査する機能を有している。このような光走査部4としては、描画用レーザー光LLを2次元走査することができれば、特に限定されないが、例えば、次のような構成の光スキャナー40を用いることができる。
図4および図5に示すように、光スキャナー40は、可動部41と、1対の軸部421、422(第1の軸部)と、枠体部43と、2対の軸部441、442、443、444(第2の軸部)と、支持部45と、永久磁石46と、コイル47と、磁心48と、電圧印加部49とを備えている。
図4および図5に示すように、可動部41は、基部411と、スペーサー412を介して基部411に固定された光反射板413とを有する。光反射板413の上面(一方の面)には、光反射性を有する光反射部414が設けられている。そして、光反射部414の表面が描画用レーザー光LLを反射する光反射面414aを構成する。上述の通り、可動部41は、第1の軸J1および第2の軸J2周りに揺動する。すなわち、可動部41を構成する基部411、スペーサー412、光反射板413および光反射面414aについても、第1の軸J1および第2の軸J2周りに揺動するといえる。
そのため、軸部421と軸部422との間の距離を短くしつつ、光反射板413の板面の面積を大きくすることができる。また、軸部421と軸部422との間の距離を短くすることできることから、枠体部43の小型化を図ることができる。さらに、枠体部43の小型化を図ることができることから、軸部441、442と軸部443、444との間の距離を短くすることできる。このようなことから、光反射板413の板面の面積を大きくしても、光スキャナー40の小型化を図ることができる。
本実施形態では、光反射板413は、平面視にて、円形をなしている。なお、光反射板413の平面視形状は、これに限定されず、例えば、楕円形、四角形等の多角形であってもよい。
このような光反射板413の下面(他方の面、光反射板413の基部411側の面)には、硬質層415が設けられている。
また、基部411は、平面視にて、光反射板413の外周に対して内側に位置している。また、基部411の平面視での面積は、基部411がスペーサー412を介して光反射板413を支持することができれば、できるだけ小さいのが好ましい。これにより、光反射板413の板面の面積を大きくしつつ、軸部421と軸部422との間の距離を小さくすることができる。
なお、軸部421、422および軸部441、442、443、444の形状は、それぞれ、前述したものに限定されず、例えば、途中の少なくとも1箇所に屈曲または湾曲した部分や分岐した部分を有していてもよい。
前述したような基部411、軸部421、422、枠体部43、軸部441、442、443、444および支持部45は、一体的に形成されている。
なお、前述した基部411、軸部421、422および軸部441、442、443、444の構成材料および形成方法は、一例であり、本発明は、これに限定されるものではない。
前述した枠体部43の下面には、永久磁石46が接合されている。永久磁石46と枠体部43との接合方法としては、特に限定されないが、例えば、接着剤を用いた接合方法を用いることができる。永久磁石46は、平面視にて、第1、第2の軸J1、J2に対して傾斜する方向に磁化されている。
このような永久磁石46としては、例えば、ネオジム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、ボンド磁石等を好適に用いることができる。このような永久磁石46は、硬磁性体を着磁したものであり、例えば、着磁前の硬磁性体を枠体部43に設置した後に着磁することにより形成される。既に着磁がなされた永久磁石46を枠体部43に設置しようとすると、外部や他の部品の磁界の影響により、永久磁石46を所望の位置に設置できない場合があるからである。
このようなコイル47は、電圧印加部49に電気的に接続されている。そして、電圧印加部49によりコイル47に電圧が印加されることで、コイル47から第1、第2の軸J1、J2に直交する磁束を有する磁界が発生する。
このような第2の電圧V2の周波数は、第1の電圧V1の周波数よりも小さいことが好ましい。これにより、より確実かつより円滑に、可動部41を第1の軸J1周りに第1の電圧V1の周波数で揺動させつつ、第2の軸J2周りに第2の電圧V2の周波数で揺動させることができる。
電圧重畳部493は、コイル47に電圧を印加するための加算器493aを備えている。加算器493aは、第1の電圧発生部491から第1の電圧V1を受けるとともに、第2の電圧発生部492から第2の電圧V2を受け、これらの電圧を重畳しコイル47に印加するようになっている。
なお、光スキャナー40の配置は、図8(a)のような配置が好ましいが、図8(b)のような配置としてもよい。
検出部5は、描画用レーザー光LL(各レーザー光RR、GG、BB)の強度を検知する機能を有している。このような検出部5は、筐体9内に設けられたフォトダイオード等の受光素子51を有している。プリズム3の入射面31は、各レーザー光RR、GG、BBを僅かに反射するように構成されており(例えば0.1%程度の反射率)、反射光の光路上に受光素子51が位置している。受光素子51からは、受光した反射光の強度に応じた大きさの信号(電圧)が出力され、この信号に基づいて、各レーザー光RR、GG、BBの強度を検出することができる。
具体的には、予め、コリメーターレンズ22R、22G、22B、ダイクロイックミラー23R、23G、23Bの各レーザー光RR、GG、BBの反射率および透過率と、入射面31の各レーザー光RR、GG、BBの反射率を測定し、これらの情報を制御部6の図示しないメモリーに記憶させておく。
これにより、所望の色および輝度の描画用レーザー光LLを生成することができ、画像表示特性が向上する。
制御部6は、描画用光源ユニット2および光走査部4の作動を制御する機能を有している。具体的には、制御部6は、光スキャナー40を駆動して可動部41を第1、第2の軸J1、J2周りに揺動させるとともに、可動部41の揺動に同期させて描画用光源ユニット2から描画用レーザー光LLを出射させる。制御部6は、例えば外部コンピューターから送信された画像データに基づいて、各レーザー光源21R、21G、21Bから所定強度のレーザー光RR、GG、BBを所定のタイミングで出射させ、所定色および強度(輝度)の描画用レーザー光LLを所定タイミングで出射させる。これにより、対象物10に画像データに応じた画像が表示される。
以上、画像表示装置1の構成について詳細に説明した。
次に、本発明の画像表示装置をヘッドアップディスプレイに応用した構成について説明する。
図9は、本発明の画像表示装置を応用したヘッドアップディスプレイを示す斜視図である。
次に、本発明の画像表示装置を適用したヘッドマウントディスプレイ(本発明のヘッドマウントディスプレイ)について説明する。
図10は、本発明のヘッドマウントディスプレイを示す斜視図である。
図10に示すように、ヘッドマウントディスプレイ300は、眼鏡310と、眼鏡310に搭載された画像表示装置1とを有している。そして、画像表示装置1により、眼鏡310の本来レンズである部位に設けられた表示部(光反射部材)320に、一方の目で視認される所定の画像を表示する。
なお、ヘッドマウントディスプレイ300に、2つ画像表示装置1を設け、両方の目で視認される画像を、2つの表示部に表示するようにしてもよい。
以上、本発明の画像表示装置およびヘッドマウントディスプレイを、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
Claims (12)
- 異なる波長の光を出射する複数の光源部と、
前記複数の光源部からの光を合成する光合成部と、
前記光合成部にて合成された光の断面形状を変化させるプリズムと、
前記プリズムからの光を走査する光走査部と、を有し、
前記複数の光源部から前記光合成部および前記プリズムを経て前記光走査部へ向かう光の光軸は、第1面内に位置し、
前記複数の光源部から出射される光の前記第1面の法線方向の放射角は、当該出射される光の前記第1面の面内方向の放射角よりも大きく、
前記複数の光源部から出射される前記光のうち波長の短い光ほど前記プリズムへの入射角が大きくなるように構成されていることを特徴とする画像表示装置。 - 前記光源部からの光は、前記プリズムの入射面に対してs偏光となる直線偏光である請求項1に記載の画像表示装置。
- 前記プリズムは、前記光合成部にて合成された光の断面形状の前記第1面の面内方向の幅を広げる請求項1または2に記載の画像表示装置。
- 前記プリズムの出射面は、前記光を集光するレンズ面となっている請求項1ないし3のいずれかに記載の画像表示装置。
- 前記光源部から出射され、前記プリズムの入射面にて反射した光の光量を検出する検出部を有し、前記検出部によって検出された光の光量に基づいて前記光源部の駆動を制御する制御部を有する請求項1ないし4のいずれかに記載の画像表示装置。
- 前記光走査部は、前記光を反射する光反射面を有し、
前記光反射面の法線に対して傾斜した方向から前記光が前記光反射面に照射される請求項1ないし5のいずれかに記載の画像表示装置。 - 前記光走査部は、前記光走査部の非駆動状態において前記第1面と垂直に配置され、かつ、前記第1面内に位置する第1の軸周りおよび前記第1面の法線方向と平行な第2の軸周りに揺動する光反射面を有している請求項1ないし6のいずれかに記載の画像表示装置。
- 前記光反射面の前記第1の軸周りの揺動の振幅は、前記第2の軸周りの揺動の振幅よりも大きい請求項7に記載の画像表示装置。
- 前記複数の光源部、前記光合成部、前記プリズムおよび前記光走査部は、前記第1面の面内方向に並んで配置されている請求項1ないし8のいずれかに記載の画像表示装置。
- 前記光走査部は、前記光反射面を有する可動部と、前記可動部を囲むように設けられた枠体部と、前記枠体部を支持する支持部と、前記枠体部に対して前記可動部を前記第1の軸周りに揺動可能とするように前記可動部と前記枠体部とを連結する第1の軸部と、前記支持部に対して前記枠体部を前記第2の軸周りに揺動可能とするように前記枠体部と前記支持部とを連結する第2の軸部と、を有する請求項7ないし9のいずれかに記載の画像表示装置。
- 前記光走査部は、前記枠体部に設けられた永久磁石と、前記枠体部と対向配置され、前記永久磁石に作用する磁界を発生させるコイルと、を有している請求項10に記載の画像表示装置。
- 入射した光の少なくとも一部を反射する光反射部材と、
前記光反射部材に光を照射する画像表示装置と、を有し、
前記画像表示装置は、
異なる波長の光を出射する複数の光源部と、
前記複数の光源部からの光を合成する光合成部と、
前記光合成部にて合成された光の断面形状を変化させるプリズムと、
前記プリズムからの光を走査する光走査部と、を有し、
前記複数の光源部から前記光合成部および前記プリズムを経て前記光走査部へ向かう光の光軸は、第1面内に位置し、
前記複数の光源部から出射される光の前記第1面の法線方向の放射角は、当該出射される光の前記第1面の面内方向の放射角よりも大きく、
前記複数の光源部から出射される前記光のうち波長の短い光ほど前記プリズムへの入射角が大きくなるように構成されていることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
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