JP6659917B2 - 画像投影装置 - Google Patents

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Description

本発明は、画像投影装置に関する。
光源から出射された光線を用い、ユーザの網膜に画像を投影するヘッドマウントディスプレイなどの画像投影装置が知られている。このような画像投影装置では、マクスウエル視といわれる方法が用いられる。マクスウエル視では、画像を形成する走査光を瞳孔近傍で収束させて網膜に画像を投影する。網膜に画像を直接投影する画像投影装置として、例えば特許文献１及び特許文献２に記載の画像投影装置が知られている。
特開２００９−２５８６８６号公報 特開２００８−４６２５３号公報
ユーザの眼の前方に配置された投影ミラーで走査光を反射させ、ユーザの眼の瞳孔近傍で走査光を収束させた後に網膜に照射する画像投影装置が知られている。しかしながら、このような画像投影装置では、投影される画像に歪みが生じたりするなど、良好な画像を投影する点で改善の余地が残されている。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、良好な画像を投影することを目的とする。
本発明は、ユーザの網膜に画像を投影する画像投影装置であって、レーザ光を出射する光源と、入力された画像データに基づいて画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、前記光源から出射された前記画像光線を走査して走査光とする走査部と、前記ユーザの眼の前方に配置され、前記走査光を前記ユーザの眼の瞳孔近傍の第１収束点で収束させた後に前記網膜に照射して前記網膜に前記画像を投影する第１光収束部と、前記走査部で走査された前記走査光を前記第１光収束部の手前の第２収束点で収束させた後に前記第１光収束部に照射する第２光収束部と、を備え、前記走査部による前記走査光の走査角度と前記走査光が前記第１収束点に収束する収束角度とは略同じ大きさであり、前記画像光線は、前記走査部と前記第２光収束部の間の光路長に対する前記第２光収束部と前記第２収束点の間の光路長の比が前記第１光収束部と前記第１収束点の間の光路長に対する前記第２収束点と前記第１光収束部の間の光路長の比と略同じ大きさであり、前記走査部と前記第２光収束部の間の光路長は前記第１光収束部と前記第１収束点の間の光路長よりも短く、前記第２光収束部と前記第２収束点の間の光路長は前記第２収束点と前記第１光収束部の間の光路長よりも短い、画像投影装置である。
本発明は、ユーザの網膜に画像を投影する画像投影装置であって、レーザ光を出射する光源と、入力された画像データに基づいて画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、前記光源から出射された前記画像光線を走査して走査光とする走査部と、前記ユーザの眼の前方に配置され、前記走査光を前記ユーザの眼の瞳孔近傍の第１収束点で収束させた後に前記網膜に照射して前記網膜に前記画像を投影する第１光収束部と、前記走査部で走査された前記走査光を前記第１光収束部の手前の第２収束点で収束させた後に前記第１光収束部に照射する第２光収束部と、を備え、前記走査部による前記走査光の走査角度と前記走査光が前記第１収束点に収束する収束角度とは略同じ大きさであり、前記画像光線は、前記走査部と前記第２光収束部の間の光路長に対する前記第２光収束部と前記第２収束点の間の光路長の比が前記第１光収束部と前記第１収束点の間の光路長に対する前記第２収束点と前記第１光収束部の間の光路長の比と略同じ大きさであり、前記第２光収束部の焦点距離は、前記第１光収束部の焦点距離よりも短い、画像投影装置である。
上記構成において、前記第１光収束部と前記第２光収束部は、前記走査光を反射するミラーであり、前記画像光線は、前記第１光収束部での屈曲角と前記第２光収束部での屈曲角とが略同じ大きさである構成とすることができる。
本発明は、ユーザの網膜に画像を投影する画像投影装置であって、レーザ光を出射する光源と、入力された画像データに基づいて画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、前記光源から出射された前記画像光線を走査して走査光とする走査部と、前記ユーザの眼の前方に配置され、前記走査光を前記ユーザの眼の瞳孔近傍の第１収束点で収束させた後に前記網膜に照射して前記網膜に前記画像を投影する第１光収束部と、前記走査部で走査された前記走査光を前記第１光収束部の手前の第２収束点で収束させた後に前記第１光収束部に照射する第２光収束部と、前記第２収束点に配置され、前記画像光線を収束光とする光学特性を有するレンズと、を備え、前記画像光線は、前記レンズによって前記第１光収束部の手前で集光した後に拡散光となって前記第１光収束部に入射する、画像投影装置である。
上記構成において、前記画像光線は、前記走査部と前記第２光収束部の間の光路長に対する前記第２光収束部と前記第２収束点の間の光路長の比が前記第１光収束部と前記第１収束点の間の光路長に対する前記第２収束点と前記第１光収束部の間の光路長の比と略同じ大きさである構成とすることができる。
上記構成において、前記画像光線を前記第２光収束部に拡散光で入射させるための光学部材を備える構成とすることができる。
上記構成において、前記光学部材は、前記画像光線を収束光とする光学特性を有し、前記画像光線は、前記光学部材によって前記第２光収束部の手前で集光した後に拡散光となって前記第２光収束部に入射する構成とすることができる。
上記構成において、前記光学部材は、前記光源と前記走査部との間の前記画像光線の光路に設けられ、前記画像光線を収束光で前記走査部に入射させ、前記画像光線は、前記走査部から収束光で出射して前記第２光収束部の手前で集光した後に拡散光となって前記第２光収束部に入射し、前記第２光収束部から拡散光で出射して前記レンズによって前記第１光収束部の手前で集光した後に拡散光となって前記第１光収束部に入射し、前記第１光収束部から略平行光で出射する構成とすることができる。
上記構成において、前記光源は前記走査部と正対した位置に配置され、前記第２光収束部はハーフミラーを含み、前記ハーフミラーは前記光源から出射された前記レーザ光を透過させる構成とすることができる。
本発明は、ユーザの網膜に画像を投影する画像投影装置であって、レーザ光を出射する光源と、入力された画像データに基づいて画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、前記光源から出射された前記画像光線を走査して走査光とする走査部と、前記ユーザの眼の前方に配置され、前記走査光を前記ユーザの眼の瞳孔近傍の第１収束点で収束させた後に前記網膜に照射して前記網膜に前記画像を投影する第１光収束部と、前記走査部で走査された前記走査光を前記第１光収束部の手前の第２収束点で収束させた後に前記第１光収束部に照射する第２光収束部と、を備え、前記第１光収束部及び前記第２光収束部は硝材と回折面と曲面ミラーとを備え、前記走査光は前記回折面の位置で屈折するとともに回折して前記曲面ミラーで反射する、画像投影装置である。
上記構成において、前記光源は波長の異なる複数のレーザ光を出射し、前記第１光収束部又は前記第２光収束部における前記硝材の屈折特性による非点収差は前記回折面の回折特性で補正される構成とすることができる。
上記構成において、前記画像光線を前記第１光収束部に拡散光で入射させるための第１光学部材を前記第２収束点に備え、前記第１光学部材は、前記画像光線を収束光とする光学特性を有し、前記画像光線は、前記第１光学部材によって前記第１光収束部の手前で集光した後に拡散光となって前記第１光収束部に入射する構成とすることができる。
上記構成において、前記第１光学部材は、表面に回折面を有する構成とすることができる。
上記構成において、前記画像光線を前記第２光収束部に拡散光で入射させるための第２光学部材を備え、前記第２光学部材は、前記画像光線を収束光とする光学特性を有し、前記画像光線は、前記第２光学部材によって前記第２光収束部の手前で集光した後に拡散光となって前記第２光収束部に入射する構成とすることができる。
上記構成において、前記第２光学部材は、表面に回折面を有する構成とすることができる。
上記構成において、前記画像光線は、前記走査部と前記第２光収束部の間の光路長に対する前記第２光収束部と前記第２収束点の間の光路長の比が前記第１光収束部と前記第１収束点の間の光路長に対する前記第２収束点と前記第１光収束部の間の光路長の比と略同じ大きさである構成とすることができる。
本発明は、上記記載の画像投影装置を備えた、網膜走査型視野視力検査装置である。
本発明によれば、良好な画像を投影することができる。
図１は、実施例１に係る画像投影装置を上方から見た図である。 図２は、図１の投影光学系に関する部分を拡大した図である。 図３は、比較例１に係る画像投影装置を上方から見た図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、ユーザの網膜に照射されるレーザ光を評価したシミュレーション結果を示す図である。 図５は、ユーザの眼に入射する際のレーザ光の直径と視力との関係を調べた実験結果を示す図である。 図６は、比較例２に係る画像投影装置を上方から見た図である。 図７は、実施例２に係る画像投影装置を上方から見た図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、反射ミラーの収束点に設けたレンズの焦点距離を異ならせたときにユーザの網膜に照射されるレーザ光を評価したシミュレーション結果である。 図９は、実施例２の変形例１に係る画像投影装置を上方から見た図である。 図１０は、実施例３に係る画像投影装置を上方から見た図である。 図１１は、網膜走査型視野視力検査装置を示すブロック図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について説明する。
図１は、実施例１に係る画像投影装置を上方から見た図である。図２は、図１の投影光学系に関する部分を拡大した図である。図１のように、実施例１の画像投影装置１００は、光源１０、走査ミラー１２、投影光学系２０、制御部３０、及び画像入力部３２を備える。実施例１の画像投影装置１００は、例えばメガネ型である。光源１０は、例えばメガネのツル側に設置されている。走査ミラー１２及び投影光学系２０は、例えばメガネのレンズ側に設置されている。制御部３０及び画像入力部３２は、例えばメガネに設けられずに外部装置（例えば携帯端末）に設けられていてもよいし、メガネのツルに設けられていてもよい。
画像入力部３２は、図示しないカメラ及び／又は録画機器などから画像データが入力される。制御部３０は、入力された画像データに基づいて、光源１０からのレーザ光４０の出射を制御するとともに、走査ミラー１２の走査の制御を行う。光源１０は、制御部３０の制御の下、例えば赤色レーザ光（波長：６１０ｎｍ〜６６０ｎｍ程度）、緑色レーザ光（波長：５１５ｎｍ〜５４０ｎｍ程度）、及び青色レーザ光（波長：４４０ｎｍ〜４８０ｎｍ程度）の可視レーザ光を出射する。赤色、緑色、及び青色のレーザ光を出射する光源１０として、例えばＲＧＢ（赤・緑・青）それぞれのレーザダイオードチップと３色合成デバイスとが集積された光源が挙げられる。光源１０は、１つのモジュール内にレーザダイオードチップと３色合成デバイスとが集積された１つの光源部である。なお、光源１０は、単一の波長のレーザ光を出射してもよい。このように、画像データは、光源１０によって画像光線であるレーザ光４０に変換される。
制御部３０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサである。カメラをユーザの眼５０の視線方向に向けて画像投影装置１００の適切な位置に設置すれば、このカメラで撮像した視線方向の画像を網膜５２に投影させることができる。また、録画機器などから入力された画像を投影させたり、カメラ画像と録画機器などからの画像とを制御部３０でスーパーインポーズさせたりして、いわゆる仮想現実（ＡＲ：Augmented Reality）画像を投影させることもできる。
走査ミラー１２は、光源１０から出射されたレーザ光４０を２次元に走査して走査光４２とする。走査ミラー１２は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーであり、水平方向及び垂直方向の２次元にレーザ光４０を走査する。走査ミラー１２で走査された走査光４２は投影光学系２０に入射する。
投影光学系２０は、走査ミラー１２で走査された走査光４２をユーザの眼５０の瞳孔５４近傍で収束させた後に網膜５２に照射して網膜５２に画像を投影する。ユーザは、網膜５２に照射された走査光４２の残像効果によって画像を認識する。
図１及び図２のように、投影光学系２０は、反射ミラー２２と投影ミラー２４を含む。反射ミラー２２及び投影ミラー２４の反射面は、自由曲面などの曲面となっている。反射ミラー２２と投影ミラー２４は、異なる焦点距離を有する凹面ミラーである。反射ミラー２２の焦点距離は、投影ミラー２４の焦点距離よりも短くなっている。すなわち、反射ミラー２２の曲率半径は、投影ミラー２４の曲率半径よりも小さい。
走査ミラー１２で走査された走査光４２は、反射ミラー２２に入射する。走査光４２は、反射ミラー２２で反射されて収束点６０で収束した後に投影ミラー２４に照射される。このように、反射ミラー２２は、走査光４２を投影ミラー２４の手前の収束点６０で収束させた後に投影ミラー２４に照射する第２光収束部の一例である。投影ミラー２４に照射された走査光４２は、投影ミラー２４で反射されて瞳孔５４近傍の収束点６２で収束した後に網膜５２に照射される。このように、投影ミラー２４は、走査光４２を瞳孔５４近傍の収束点６２で収束させた後に網膜５２に照射する第１光収束部の一例である。反射ミラー２２及び投影ミラー２４は正の集光パワーを有する。
走査ミラー１２による走査光４２の走査角度θ１と走査光４２が収束点６２に収束する収束角度θ４とは同じ大きさである。すなわち、走査光４２において走査ミラー１２と収束点６２とは等倍の共役の関係となっている。例えば、走査ミラー１２による走査光４２の走査角度θ１と走査光４２が収束点６０に収束する収束角度θ２とは同じ大きさであり、走査光４２において走査ミラー１２と収束点６０とは反射ミラー２２を介して等倍の共役の関係となっている。すなわち、反射ミラー２２は、走査ミラー１２による走査光４２の走査角度θ１と略同じ大きさの収束角度θ２で走査光４２を収束点６０に収束させる。例えば、走査光４２が収束点６０から出射する出射角度θ３（出射角度θ３＝収束角度θ２）と走査光４２が収束点６２に収束する収束角度θ４とは同じ大きさであり、走査光４２において収束点６０と収束点６２とは投影ミラー２４を介して等倍の共役の関係となっている。すなわち、投影ミラー２４は、収束点６０から出射された走査光４２の出射角度θ３と略同じ大きさの収束角度θ４で走査光４２を収束点６２に収束させる。これらにより、走査光４２において走査ミラー１２と収束点６２とは反射ミラー２２及び投影ミラー２４を介して等倍の共役の関係となっている。
なお、走査角度θ１と収束角度θ４は、完全に同じ大きさの場合に限られず、略同じ大きさの場合でもよい。収束角度θ２及び出射角度θ３においても同じである。なお、略同じとは、網膜５２に投影される画像の品質に影響をほとんど及ぼさない程度に同じであるものである。
網膜５２に投影される画像の中央の画素に対応するレーザ光４０ａの反射ミラー２２での屈曲角φ１と投影ミラー２４での屈曲角φ２とは同じ大きさである。レーザ光４０ａ以外のレーザ光４０においても、反射ミラー２２での屈曲角と投影ミラーでの屈曲角とは同じ大きさである。なお、屈曲角とは、入射角と反射角の和である。
また、レーザ光４０ａにおいて、走査ミラー１２と反射ミラー２２の間の光路長Ｌ１に対する反射ミラー２２と収束点６０の間の光路長Ｌ２の比は、投影ミラー２４と収束点６２の間の光路長Ｌ４に対する収束点６０と投影ミラー２４の間の光路長Ｌ３の比と同じ大きさである。すなわち、（光路長Ｌ２／光路長Ｌ１）＝（光路長Ｌ３／光路長Ｌ４）である。レーザ光４０ａ以外のレーザ光４０においても、走査ミラー１２と反射ミラー２２の間の光路長に対する反射ミラー２２と収束点６０の間の光路長の比は、投影ミラー２４と収束点６２の間の光路長に対する収束点６０と投影ミラー２４の間の光路長の比と同じ大きさである。
なお、レーザ光４０の反射ミラー２２での屈曲角と投影ミラー２４での屈曲角は、完全に同じ大きさの場合に限られず、略同じ大きさの場合でもよい。また、レーザ光４０において、走査ミラー１２と反射ミラー２２の間の光路長に対する反射ミラー２２と収束点６０の間の光路長の比は、投影ミラー２４と収束点６２の間の光路長に対する収束点６０と投影ミラー２４の間の光路長の比と完全に同じ場合に限られず、略同じ場合でもよい。なお、略同じとは、網膜５２に投影される画像の品質に影響をほとんど及ぼさない程度に同じであるものである。
図３は、比較例１に係る画像投影装置を上方から見た図である。図３のように、比較例１の画像投影装置５００では、投影光学系２０は、反射ミラー２２の代わりに反射ミラー８２を含む。反射ミラー８２は、平面ミラー又は略平面のミラーである。したがって、走査光４２は、反射ミラー８２で反射された後、ほとんど収束することなく投影ミラー２４に照射される。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、ユーザの網膜に照射されるレーザ光を評価したシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションは、走査ミラー１２で走査された走査光４２が円形状で且つレーザ光４０が均一に分布している場合に、網膜５２の照射された走査光４２がどのようになるかを評価した。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）では、ユーザが認識する走査光４２を示し、横方向はユーザの眼５０の左右方向に対応し、縦方向は上下方向に対応する。
比較例１の画像投影装置５００では、図４（ｂ）のように、走査光４２は円形状ではあるが眼５０の中心から左右方向にずれていて、レーザ光４０は不均一で偏った分布をした結果となった。このように、レーザ光４０の分布が不均一になったのは、走査光４２を瞳孔５４近傍の収束点６２で収束させるために、正の集光パワーを有する投影ミラー２４を用いているためと考えられる。レーザ光４０の分布が不均一で偏ってしまうと、ユーザが認識する画像は歪曲した画像になってしまう。
一方、実施例１の画像投影装置１００では、図４（ａ）のように、走査光４２は円形状で且つ眼５０の中心に位置し、レーザ光４０は走査ミラー１２で走査されたときと同様の均一に分布した結果となった。このように、実施例１では、レーザ光４０の分布が均一な分布のままに保たれたのは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、実施例１では、正の集光パワーを有する投影ミラー２４に加えて、正の集光パワーを有する反射ミラー２２を用いている。上述したように、レーザ光４０は、走査ミラー１２と反射ミラー２２の間の光路長に対する反射ミラー２２と収束点６０の間の光路長の比が投影ミラー２４と収束点６２の間の光路長に対する収束点６０と投影ミラー２４の間の光路長の比と同じ大きさとなっている。これにより、走査ミラー１２から反射ミラー２２を介して収束点６０に到達するまでのレーザ光４０の光路と、収束点６０から投影ミラー２４を介して収束点６２に到達するまでのレーザ光４０の光路とは、大きさが異なる相似形であるが収束点６０を中心とした点対称性を有する構成とすることができる。これにより、投影ミラー２４の正の集光パワーがレーザ光４０に及ぼす影響が、反射ミラー２２の正の集光パワーがレーザ光４０に及ぼす影響によって相殺されるようになると考えられる。よって、実施例１ではレーザ光４０の分布は均一な分布のままに保たれたものと考えられる。
実施例１によれば、走査光４２を瞳孔５４近傍の収束点６２で収束させる投影ミラー２４に加えて、走査光４２を投影ミラー２４の手前の収束点６０で収束させる反射ミラー２２を備える。そして、レーザ光４０は、走査ミラー１２と反射ミラー２２の間の光路長に対する反射ミラー２２と収束点６０の間の光路長の比が投影ミラー２４と収束点６２の間の光路長に対する収束点６０と投影ミラー２４の間の光路長の比と略同じ大きさになっている。これにより、図４（ａ）で説明したように、投影ミラー２４の正の集光パワーがレーザ光４０に及ぼす影響を、反射ミラー２２の正の集光パワーがレーザ光４０に及ぼす影響によって相殺することができる。よって、歪曲などが抑制された良好な画像を投影することができる。
また、実施例１では、比較例１に比べて、反射ミラー８２の代わりに反射ミラー２２が設けられているだけである。このため、部品点数の増加と画像投影装置の大型化を抑制しつつ、良好な画像を投影できるようになる。
また、実施例１によれば、レーザ光４０は、反射ミラー２２での屈曲角と投影ミラー２４での屈曲角とが略同じ大きさになっている。これにより、投影ミラー２４の正の集光パワーがレーザ光４０に及ぼす影響を、反射ミラー２２の正の集光パワーがレーザ光４０に及ぼす影響によって効果的に相殺することができる。
また、比較例１の画像投影装置５００のように、正の集光パワーを有する１枚の投影ミラー２４を用いて走査光４２を網膜５２に照射する場合、眼５０の角膜５８に入射する際のレーザ光４０の直径が走査ミラー１２で走査された際のレーザ光４０の直径よりも小さくなることが生じる。これは、走査ミラー１２の走査角度は小さいにも関わらず、ユーザの眼５０には大きな振れ角で走査光４２が入射するためである。角膜５８に入射する際のレーザ光４０の直径が小さくなると、高解像度の画像を網膜５２に投影することが難しくなる。このことについて、発明者が行った実験を用いて説明する。実験は、視力が０．０４、０．５、０．９、及び１．２と異なる複数のユーザに対して、角膜５８に入射する際のレーザ光４０の直径を異ならせた場合に、網膜５２に投影された画像（例えばカメラで撮像されたユーザの視線方向の画像）をユーザがどの程度視認できるかを測定することで行った。網膜５２に投影した画像は、水平視野角２０°、画面アスペクト比１６：９、有効垂直解像度７２０本の画像とした。例えば眼軸長が２４ｍｍであれば、網膜５２に投影される画像の大きさは、横５７００μｍ×縦３２００μｍとなる。
図５は、ユーザの眼に入射する際のレーザ光の直径と視力との関係を調べた実験結果を示す図である。図５の横軸は原視力、縦軸は獲得視力である。原視力とは、一般的な視力検査によって測定される視力のことである。獲得視力とは、走査光４２が照射されることで網膜５２に投影された画像に対する視力のことである。図５において、角膜５８に入射する際のレーザ光４０の直径が３１０μｍである場合の結果を実線で、４７０μｍである場合の結果を点線で、８２０μｍである場合の結果を一点鎖線で、１３６０μｍである場合の結果を破線で示している。なお、レーザ光４０は略平行光で角膜５８に入射している。
図５のように、角膜５８に入射する際のレーザ光４０の直径が８２０μｍ、１３６０μｍと大きい場合には獲得視力が高くなる。つまり、角膜５８に入射する際のレーザ光４０の直径が大きい場合は高解像度の画像を網膜５２に投影できるが、角膜５８に入射する際のレーザ光４０の直径が小さい場合は高解像度の画像を網膜５２に投影することが難しいことが分かる。
そこで、実施例１では、図２のように、走査ミラー１２による走査光４２の走査角度θ１と走査光４２が収束点６２に収束する収束角度θ４とを略同じ大きさにしている。すなわち、走査光４２において走査ミラー１２と収束点６２は略等倍の共役の関係となっている。これにより、角膜５８に入射する際のレーザ光４０の直径を走査ミラー１２で走査された際のレーザ光４０の直径と略同じ大きさにすることができる。よって、高解像度の画像を投影することができる。
また、実施例１によれば、反射ミラー２２の焦点距離は投影ミラー２４の焦点距離よりも短くなっている。これにより、反射ミラー２２と投影ミラー２４の間隔を狭くすることができ、画像投影装置をより小型化することができる。画像投影装置の小型化の点から、反射ミラー２２は投影ミラー２４よりも小さいことが好ましい。
反射ミラー２２及び投影ミラー２４は、正の集光パワーを有し、光を収束させた後に拡散させる光学特性を備えていれば、自由曲面ミラー以外に、レンズやミラーを組み合わせる、回折素子を用いる、などによっても構成することができる。
図６は、比較例２に係る画像投影装置を上方から見た図である。なお、レーザ光４０は一定の大きさの直径を有することから、図６では、直径を有するレーザ光４０として図示している。なお、走査ミラー１２で走査された走査光４２が１点に集まることを収束と表現し、１本のレーザ光４０が正の集光パワーによって焦点を結ぶことを集光と表現する。図６のように、比較例２の画像投影装置６００では、光源１０と走査ミラー１２との間のレーザ光４０の光路にレンズ８４が設けられている。その他の構成は、実施例１の画像投影装置１００と同じであるため説明を省略する。
光源１０から出射された拡散光であるレーザ光４０は、レンズ８４によって略平行光に変換されて走査ミラー１２に入射する。走査ミラー１２で反射されたレーザ光４０は略平行光のままで反射ミラー２２に入射する。反射ミラー２２は走査光４２を収束点６０に収束させる正の集光パワーを有することから、反射ミラー２２に略平行光のレーザ光４０が入射すると、反射ミラー２２で反射したレーザ光４０は収束点６０の手前で集光する収束光となる。レーザ光４０は、収束点６０の手前で集光した後に拡散光となって投影ミラー２４に入射する。このため、投影ミラー２４に入射する際のレーザ光４０の直径は大きくなる。投影ミラー２４は走査光４２を瞳孔５４近傍の収束点６２に収束させる正の集光パワーを有することから、投影ミラー２４に大きな直径のレーザ光４０が入射すると、レーザ光４０は眼５０に収束光で入射し、瞳孔５４近傍で集光した後に拡散光となって網膜５２に入射する。
このように、比較例２の画像投影装置６００では、レーザ光４０は、網膜５２に拡散光で照射するため、網膜５２近傍で合焦されずに、網膜５２でのサイズが大きくなってしまう。このため、デフォーカス画像が網膜５２に投影されてしまう。
図７は、実施例２に係る画像投影装置を上方から見た図である。なお、図７においても、図６と同様に、直径を有するレーザ光４０として図示している。図７のように、実施例２の画像投影装置２００では、光源１０と走査ミラー１２との間のレーザ光４０の光路にレンズ１４が設けられている。投影光学系２０は、反射ミラー２２及び投影ミラー２４に加えて、収束点６０にレンズ２６を備える。その他の構成は、実施例１の画像投影装置１００と同じであるため説明を省略する。
レンズ１４は、光源１０から出射された拡散光であるレーザ光４０を収束光に変換する集光レンズである。このため、レーザ光４０は、走査ミラー１２に収束光で入射する。走査ミラー１２で反射したレーザ光４０は収束光のままであり、反射ミラー２２の手前で集光した後に拡散光となって反射ミラー２２に入射する。反射ミラー２２は走査光４２を収束点６０に収束させる正の集光パワーを有するが、レンズ１４の焦点距離を適切に設定して反射ミラー２２に入射する際のレーザ光４０の開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）を適切な大きさにすることで、反射ミラー２２で反射されたレーザ光４０は、拡散具合（拡散光の広がりの形状）が抑えられた拡散光となる。レンズ２６は、この拡散具合が抑えられた拡散光であるレーザ光４０を収束光に変換する集光レンズである。レンズ２６で収束光に変換されたレーザ光４０は、投影ミラー２４の手前で集光した後に拡散光となって投影ミラー２４に入射する。投影ミラー２４は走査光４２を瞳孔５４近傍の収束点６２に収束させる正の集光パワーを有するため、レンズ２６の焦点距離を適切に設定して投影ミラー２４に入射する際のレーザ光４０のＮＡを適切な大きさにすることで、投影ミラー２４で反射されたレーザ光４０は略平行光となる。レーザ光４０は、略平行光となって眼５０に入射し、水晶体５６によって網膜５２近傍に合焦する。
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、反射ミラーの収束点に設けたレンズの焦点距離を異ならせたときにユーザの網膜の位置に仮想的に設置した平面に照射されるレーザ光を評価したシミュレーション結果である。図８（ａ）及び図８（ｂ）では、ユーザが認識するレーザ光４０を示し、横方向はユーザの眼５０の左右方向に対応し、縦方向は上下方向に対応する。図８（ａ）は、レンズ２６の焦点距離が適切でないときのシミュレーション結果であり、図８（ｂ）は、レンズ２６の焦点距離が適切なときのシミュレーション結果である。図８（ａ）のように、レンズ２６の焦点距離が適切でない場合、網膜５２の位置に仮想的に設置した平面に投射されたレーザ光４０の径が眼５０の左右方向で異なることが生じる。一方、図８（ｂ）のように、レンズ２６の焦点距離が適切である場合、レーザ光４０の径は眼５０の上下方向及び左右方向において均一の大きさになる。
実施例２によれば、図７のように、レーザ光４０を投影ミラー２４に拡散光で入射させるためのレンズ２６が、反射ミラー２２で反射した走査光４２の収束点６０に設けられている。レーザ光４０を投影ミラー２４に拡散光で入射させることで、投影ミラー２４の正の集光パワーによってレーザ光４０を略平行光に変換して眼５０に照射することができる。これにより、レーザ光４０は水晶体５６によって網膜５２近傍に合焦されるようになるため、デフォーカスが抑制された良好な画像を投影することができる。また、レンズ２６を収束点６０に設けることで、走査光４２を構成する複数のレーザ光４０が投影ミラー２４に適切な拡散光で入射させることを容易に実現できる。
また、実施例２によれば、図７のように、レンズ２６はレーザ光４０を収束光とする光学特性を有し、レーザ光４０はレンズ２６によって投影ミラー２４の手前で集光した後に発散光となって投影ミラー２４に入射する。これにより、投影ミラー２４に入射する際のレーザ光４０のＮＡを良好に調整できるため、投影ミラー２４で反射されたレーザ光４０が略平行光となることを良好に実現できる。
また、実施例２によれば、図７のように、レーザ光４０を反射ミラー２２に拡散光で入射させるためのレンズ１４が設けられている。これにより、反射ミラー２２の正の集光パワーによって拡散具合が抑えられたレーザ光４０をレンズ２６に入射させることができる。よって、レーザ光４０を投影ミラー２４に適切な拡散光で入射させるためのレンズ２６に特別な仕様のレンズを用いなくて済む。
また、実施例２によれば、図７のように、レンズ１４はレーザ光４０を収束光とする光学特性を有し、レーザ光４０はレンズ１４によって反射ミラー２２の手前で集光した後に発散光となって反射ミラー２２に入射する。これにより、レンズ２６に入射する際のレーザ光４０の拡散具合の調整が容易となる。
実施例２のように、ユーザに良好な画像を提供することと、画像投影装置を小型化することと、の両立を図る点から、レーザ光４０は、走査ミラー１２から収束光で出射して反射ミラー２２の手前で集光した後に拡散光となって反射ミラー２２に入射する。そして、反射ミラー２２から拡散光で出射し、レンズ２６によって投影ミラー２４の手前で集光した後に拡散光となって投影ミラー２４に入射し、投影ミラー２４から略平行光で出射することが好ましい。
また、実施例２では、比較例２に比べて、レンズ２６が増えているだけであるため、部品点数の増加と画像投影装置の大型化を抑制しつつ、良好な画像を投影できるようになる。
なお、実施例２において、レンズ２６は色収差を抑える機能を備えていてもよい。また、レンズ２６は像面湾曲を抑えた設計とすることが好ましい。投影ミラー２４にレーザ光４０を拡散光で入射させるための光学部材としてレンズ２６の場合を例に示した。反射ミラー２２にレーザ光４０を拡散光で入射させるための光学部材としてレンズ１４の場合を例に示した。しかしながら、光学部材は、レンズに限定されるものではなく、ミラーであっても、回折素子であってもよく、レーザ光４０を収束光にする光学特性を有するものが好ましい。
実施例１及び実施例２において、反射ミラー２２及び投影ミラー２４は、回折素子を有する場合でもよい。また、反射ミラー２２は、光が透過しない全反射ミラーである場合が好ましい。投影ミラー２４は、ユーザの眼５０の視線方向の光を透過させることができるハーフミラーであってもよいし、光が透過しない全反射ミラーであってもよい。投影ミラー２４がハーフミラーであれば、視線方向の実画像を透過させて、レーザ光４０による画像と合わせて視認することができ、全反射ミラーであれば、レーザ光４０による画像のみを視認することができる。
図９は、実施例２の変形例１に係る画像投影装置を上方から見た図である。図９のように、実施例２の変形例１の画像投影装置２１０では、光源１０及びレンズ１４は走査ミラー１２に正対した位置に配置されている。すなわち、光源１０のレーザ光４０を出射する出射面１１は、走査ミラー１２の走査面１３に正対している。したがって、レーザ光４０は、走査ミラー１２の走査面１３に正面から入射する。光源１０と走査ミラー１２をこのような位置関係で配置した場合、実施例２のように反射ミラー２２を用いる場合では、光源１０から出射されたレーザ光４０は、反射ミラー２２で遮られてしまい、走査ミラー１２に入射しない。そこで、実施例２の変形例１では、反射ミラー２２の代わりに反射ハーフミラー８６を用いている。反射ハーフミラー８６は、光源１０側からのレーザ光４０を透過させるが、走査ミラー１２からの反射光は反射させるハーフミラーである。したがって、光源１０から出射されたレーザ光４０は、反射ハーフミラー８６を透過して走査ミラー１２に入射される。走査ミラー１２で反射したレーザ光４０は、反射ハーフミラー８６で反射する。その他の構成は、実施例２の画像投影装置２００と同じであるため説明を省略する。
実施例２のように、レーザ光４０が走査ミラー１２に斜めに入射して反射する場合では、投影画像が横台形に歪むことがあり、そのため、網膜５２に投影される画像に歪みが発生することがある。しかしながら、実施例２の変形例１によれば、光源１０は走査ミラー１２と正対した位置に配置されている。このため、レーザ光４０は走査ミラー１２に正面から入射するようになり、投影画像が横台形に歪むことが軽減され、その結果、網膜５２に投影される画像の歪みが軽減される。
図１０は、実施例３に係る画像投影装置を上方から見た図である。図１０のように、実施例３の画像投影装置３００では、実施例１における投影光学系２０の代わりに投影光学系９０を備える。光源１０と走査ミラー１２との間のレーザ光４０の光路にレンズ９１とハーフミラー９９が設けられている。光源１０から出射されたレーザ光４０はレンズ９１を通過した後にハーフミラー９９で反射して走査ミラー１２に入射する。走査ミラー１２で走査された走査光４２はハーフミラー９９を透過する。投影光学系９０は、反射ユニット９２及び投影ユニット９５と、その間の収束点６０に配置されたレンズ９８と、を備える。その他の構成は、実施例１の画像投影装置１００と同じであるため説明を省略する。
反射ユニット９２は、硝材（レンズ）７１と、硝材７１の走査光４２の入射側に位置する透過型の回折素子である回折面９３と、回折面９３の対面に位置する自由曲面ミラー９４と、を備える。反射ユニット９２に入射した走査光４２は、回折面９３の位置で屈折するとともに回折して硝材７１を自由曲面ミラー９４の方向へ透過する。自由曲面ミラー９４は、回折面９３及び硝材７１を透過した走査光４２を反射する正の集光パワーを持つ反射ミラーであり、一例として硝材７１に反射材を蒸着したものである。
投影ユニット９５は、硝材（レンズ）７２と、硝材７２の走査光４２の入射側に位置する透過型の回折素子である回折面９６と、回折面９６の対面に位置する自由曲面ミラー９７と、を備える。投影ユニット９５に入射した走査光４２は、回折面９６の位置で屈折するとともに回折して硝材７２を自由曲面ミラー９７の方向へ透過する。自由曲面ミラー９７は、回折面９６及び硝材７２を透過した走査光４２を反射する正の集光パワーを持つ反射ミラーであり、一例として硝材７２に反射材を蒸着したものである。
回折面９３及び９６の位置では、硝材７１及び７２の光学特性によって走査光４２が屈折するとともに、回折面９３及び９６の回折素子の特性によって走査光４２が回折する。
光源１０から出射されたレーザ光４０は、レンズ９１で収束光に変換され、ハーフミラー９９で反射して走査ミラー１２に照射される。走査ミラー１２で走査された走査光４２は、ハーフミラー９９を透過して、反射ユニット９２の回折面９３に入射する。回折面９３に入射した走査光４２は、回折面９３の回折機能により屈折して自由曲面ミラー９４へ照射される。自由曲面ミラー９４で反射した走査光４２は、回折面９３に戻り、回折面９３でさらに屈折して反射ユニット９２から出射し、自由曲面ミラー９４の正の集光パワーによって収束点６０で収束した後に、投影ユニット９５に照射される。収束点６０にはレンズ９８が配置されている。走査光４２を構成するレーザ光４０は、レンズ９８によって投影ユニット９５の回折面９６に拡散光で入射する。このように、反射ユニット９２は、走査光４２を投影ユニット９５の手前の収束点６０で収束させた後に投影ユニット９５に照射する第２光収束部の一例である。
投影ユニット９５に入射した走査光４２は、回折面９６の回折機能により屈折して自由曲面ミラー９７へ照射される。自由曲面ミラー９７で反射した走査光４２は、回折面９６に戻り、回折面９６でさらに屈折して投影ユニット９５から出射する。投影ユニット９５から出射された走査光４２は、自由曲面ミラー９７の正の集光パワーによって瞳孔５４近傍の収束点６２で収束した後に網膜５２に照射される。このように、投影ユニット９５は、走査光４２を瞳孔５４近傍の収束点６２で収束させた後に網膜５２に照射する第１光収束部の一例である。
投影光学系９０は、実施例１の投影光学系２０と同様に、走査光４２において走査ミラー１２と収束点６０とは反射ユニット９２を介して等倍の共役の関係となっており、収束点６０と収束点６２とは投影ユニット９５を介して等倍の共役の関係となっている。したがって、走査光４２において走査ミラー１２と収束点６２とは反射ユニット９２及び投影ユニット９５を介して等倍の共役の関係となっている。
実施例１では、反射ミラー２２と投影ミラー２４で構成される投影光学系２０を備える場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。実施例３のように、硝材７１と回折面９３と自由曲面ミラー９４を備える反射ユニット９２と、硝材７２と回折面９６と自由曲面ミラー９７を備える投影ユニット９５と、で構成される投影光学系９０を備える場合でもよい。反射ユニット９２及び投影ユニット９５は、走査光４２を回折面９３及び９６の位置で屈折するとともに回折して自由曲面ミラー９４及び９７で反射する。この場合でも、実施例１と同様に、歪曲などが抑制された良好な画像を投影することができる。
網膜５２にカラー画像を投影する場合、Ｒ、Ｇ、Ｂの波長の異なる３種の光源（例えばレーザダイオードチップ）を備えた光源部を光源１０に用いる。波長の異なるレーザ光を同一のレンズなどの光学素子で屈折させると、波長によって屈折率が異なるため、３種のレーザ光が同一点で集光しなくなり、非収束差が発生していわゆるゴーストが発生することがある。反射ユニット９２及び投影ユニット９５は硝材７１及び７２を有しているため、Ｒ、Ｇ、Ｂの波長の異なる３種の光源を備えた光源部を光源１０に用いてカラー画像を投影すると、非点収差によるゴーストが発生する可能性がある。そこで、実施例３では、反射ユニット９２及び投影ユニット９５は回折面９３及び９６を備える構成としている。回折面９３及び９６は、Ｒ、Ｇ、Ｂの波長の異なるレーザ光４０に対して、硝材７１及び７２による非点収差を補正（キャンセル）させる特性を有するようにしている。これにより、反射ユニット９２及び投影ユニット９５に入射して反射するＲ、Ｇ、Ｂのレーザ光４０の非点収差が低減され、投影されるカラー画像のゴーストが低減される。
図１０のように、レーザ光４０を投影ユニット９５に拡散光で入射させるためのレンズ９８が収束点６０に設けられている。レンズ９８はレーザ光４０を収束光とする光学特性を有し、レーザ光４０はレンズ９８によって投影ユニット９５の手前で集光した後に拡散光となって投影ユニット９５に入射する。レーザ光４０を投影ユニット９５に拡散光で入射させることで、投影ユニット９５の自由曲面ミラー９７の正の集光パワーによって、レーザ光４０は略平行光で眼５０に照射される。これにより、実施例２で説明したように、デフォーカスが抑制された良好な画像を投影することができる。
図１０のように、レーザ光４０を反射ユニット９２に拡散光で入射させるためのレンズ９１が設けられている。レンズ９１はレーザ光４０を収束光とする光学特性を有し、レーザ光４０はレンズ９１によって反射ユニット９２の手前で集光した後に拡散光となって反射ユニット９２に入射する。これにより、実施例２で説明したように、反射ユニット９２の自由曲面ミラー９４の正の集光パワーによって拡散具合が抑えられたレーザ光４０をレンズ９８に入射させることができる。よって、レーザ光４０を投影ユニット９５に適切な拡散光で入射させるためのレンズ９８に特別な仕様のレンズを用いなくて済む。
実施例３の画像投影装置３００をヘッドマウントディスプレイに適用する場合、投影光学系９０の設置スペースが限られるため、反射ユニット９２及び投影ユニット９５は、ある程度の屈折角度でレーザ光４０を屈折させ、ある程度の集光パワーでレーザ光４０を集光させることが好ましい。反射ユニット９２及び投影ユニット９５が、それぞれ最適化された、硝材７１及び７２、回折面９３及び９６、並びに自由曲面ミラー９４及び９７を備えることで、ヘッドマウントディスプレイとして最適な屈折角度と集光パワーを得ることができる。この構成により、回折面９３及び９６の回折パワーをできるだけ小さくすることが可能となることから、回折素子ピッチを小さくする必要がなくなるので、その回折精度が高まり、さらに製作が容易になる。
Ｒ、Ｇ、Ｂの波長の異なるレーザ光４０がレンズ９１及び９８を透過するときも非点収差が発生することがある。これを回避するために、レンズ９１及び９８の表面に回折素子を設置することによって、この非点収差を低減（キャンセル）させることもできる。
反射ユニット９２は、光源１０から眼５０へレーザ光４０を導くために、走査ミラー１２の水平方向及び垂直方向の走査方向に対して対称な構成になっていない。このため、レンズ９１を半円筒形の形状などにして、水平方向及び垂直方向の集光パワーを異ならせることによって、反射ユニット９２の水平及び垂直方向の非対称による非点収差を補正（キャンセル）させることができる。
レンズ９１で収束光に変換されたレーザ光４０は、ハーフミラー９９で反射して走査ミラー１２に照射される。これにより、レーザ光４０が走査ミラー１２に正面から照射される構成を実現でき、実施例２の変形例１と同様に、投影画像の歪みを低減できる。なお、光源１０から出射されたレーザ光４０は、ハーフミラー９９を介さずに、レンズ９１を通過した後に直接走査ミラー１２に照射される場合でもよい。
実施例１及び実施例２の構成では、反射ミラー２２及び投影ミラー２４の正の集光パワーでレーザ光４０を収束させているため、集光パワーを大きくすることによってミラーから収束点までの距離が小さくなる。これにより、画像投影装置の小型化を実現し得るが、そのためには反射ミラー２２及び投影ミラー２４の自由曲面ミラーの曲率を大きくすることになり、この場合、画像投影装置の小型化の妨げになり得る。一方、実施例３のように、反射ユニット９２及び投影ユニット９５が回折面９３及び９６を備えることにより、回折面９３及び９６でレーザ光４０を屈折させることで、自由曲面ミラー９４及び９７の曲率を小さくすることが可能となる。この場合、自由曲面ではあるものの平面のミラーに極力近づけることが可能となるので、画像投影装置の更なる小型化を実現することができる。
また、実施例３によれば、レーザ光４０は、走査ミラー１２から回折面９３で回折して自由曲面ミラー９４までの間の光路長に対する、自由曲面ミラー９４から回折面９３で回折して収束点６０までの間の光路長の比が、自由曲面ミラー９７から回折面９６で回折して収束点６２までの間の光路長に対する、収束点６０から回折面９６で回折して自由曲面ミラー９７までの間の光路長の比と、略同じ大きさになっている。これにより、実施例１の図４（ａ）で説明したことと同様に、実施例３においても、自由曲面ミラー９７の正の集光パワーがレーザ光４０に及ぼす影響を、自由曲面ミラー９４の正の集光パワーがレーザ光４０に及ぼす影響によって相殺することができる。よって、歪曲などが抑制された良好な画像を投影することができる。
なお、図１０において、反射ユニット９２及び投影ユニット９５は、説明のために厚みのある図になっている。しかしながら実際には、最短光路長に合わせて反射ユニット９２及び投影ユニット９５の薄肉化が実現でき、中央部において２．５ｍｍ程度の厚みとすることができるので、メガネレンズに埋め込むことも可能になる。
実施例１から実施例３では、片方の眼５０に画像を投影する場合を例に示したが、両方の眼５０に画像を投影する場合でもよい。また、走査部として走査ミラー１２の場合を例に示したが、走査部は光線を走査可能であればよい。例えば、走査部として、電気光学材料であるタンタル酸ニオブ酸リチウム（ＫＴＮ）結晶など、その他の部品を用いてもよい。光線としてレーザ光の場合を例に示したが、レーザ光以外の光でもよい。
図１１は、網膜走査型視野視力検査装置を示すブロック図である。図１１のように、網膜走査型視野視力検査装置４００は、実施例１の画像投影装置１００を備える。なお、実施例１の画像投影装置１００の代わりに、実施例２、実施例２の変形例１、又は実施例３の画像投影装置を備えていてもよい。例えば、実施例１から実施例３に開示した構成を、特願２０１７−１０６３３７、特願２０１７−１１１１５１に開示されている網膜走査型視野視力検査装置及び網膜走査型ヘッドマウントディスプレイにも適用すれば、この網膜走査型視野視力検査装置で検査されたユーザの視覚特性データに基づいて、網膜走査型ヘッドマウントディスプレイに、画像や視標を投影することに利用することもできるようになる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 光源
１１ 出射面
１２ 走査ミラー
１３ 走査面
１４ レンズ
２０ 投影光学系
２２ 反射ミラー
２４ 投影ミラー
２６ レンズ
３０ 制御部
３２ 画像入力部
４０、４０ａ レーザ光
４２ 走査光
５０ 眼
５２ 網膜
５４ 瞳孔
５６ 水晶体
５８ 角膜
６０、６２ 収束点
７１、７２ 硝材
８２ 反射ミラー
８４ レンズ
８６ 反射ハーフミラー
９０ 投影光学系
９１、９８ レンズ
９２ 反射ユニット
９３、９６ 回折面
９４、９７ 自由曲面ミラー
９５ 投影ユニット
９９ ハーフミラー
１００〜３００、５００、６００ 画像投影装置
４００ 網膜走査型視野視力検査装置

Claims (17)

  1. ユーザの網膜に画像を投影する画像投影装置であって、
    レーザ光を出射する光源と、
    入力された画像データに基づいて画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、
    前記光源から出射された前記画像光線を走査して走査光とする走査部と、
    前記ユーザの眼の前方に配置され、前記走査光を前記ユーザの眼の瞳孔近傍の第１収束点で収束させた後に前記網膜に照射して前記網膜に前記画像を投影する第１光収束部と、
    前記走査部で走査された前記走査光を前記第１光収束部の手前の第２収束点で収束させた後に前記第１光収束部に照射する第２光収束部と、を備え、
    前記走査部による前記走査光の走査角度と前記走査光が前記第１収束点に収束する収束角度とは略同じ大きさであり、
    前記画像光線は、前記走査部と前記第２光収束部の間の光路長に対する前記第２光収束部と前記第２収束点の間の光路長の比が前記第１光収束部と前記第１収束点の間の光路長に対する前記第２収束点と前記第１光収束部の間の光路長の比と略同じ大きさであり、
    前記走査部と前記第２光収束部の間の光路長は前記第１光収束部と前記第１収束点の間の光路長よりも短く、前記第２光収束部と前記第２収束点の間の光路長は前記第２収束点と前記第１光収束部の間の光路長よりも短い、画像投影装置。
  2. ユーザの網膜に画像を投影する画像投影装置であって、
    レーザ光を出射する光源と、
    入力された画像データに基づいて画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、
    前記光源から出射された前記画像光線を走査して走査光とする走査部と、
    前記ユーザの眼の前方に配置され、前記走査光を前記ユーザの眼の瞳孔近傍の第１収束点で収束させた後に前記網膜に照射して前記網膜に前記画像を投影する第１光収束部と、
    前記走査部で走査された前記走査光を前記第１光収束部の手前の第２収束点で収束させた後に前記第１光収束部に照射する第２光収束部と、を備え、
    前記走査部による前記走査光の走査角度と前記走査光が前記第１収束点に収束する収束角度とは略同じ大きさであり、
    前記画像光線は、前記走査部と前記第２光収束部の間の光路長に対する前記第２光収束部と前記第２収束点の間の光路長の比が前記第１光収束部と前記第１収束点の間の光路長に対する前記第２収束点と前記第１光収束部の間の光路長の比と略同じ大きさであり、
    前記第２光収束部の焦点距離は、前記第１光収束部の焦点距離よりも短い、画像投影装置。
  3. 前記第１光収束部と前記第２光収束部は、前記走査光を反射するミラーであり、
    前記画像光線は、前記第１光収束部での屈曲角と前記第２光収束部での屈曲角とが略同じ大きさである、請求項１または２記載の画像投影装置。
  4. ユーザの網膜に画像を投影する画像投影装置であって、
    レーザ光を出射する光源と、
    入力された画像データに基づいて画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、
    前記光源から出射された前記画像光線を走査して走査光とする走査部と、
    前記ユーザの眼の前方に配置され、前記走査光を前記ユーザの眼の瞳孔近傍の第１収束点で収束させた後に前記網膜に照射して前記網膜に前記画像を投影する第１光収束部と、
    前記走査部で走査された前記走査光を前記第１光収束部の手前の第２収束点で収束させた後に前記第１光収束部に照射する第２光収束部と、
    前記第２収束点に配置され、前記画像光線を収束光とする光学特性を有するレンズと、を備え、
    前記画像光線は、前記レンズによって前記第１光収束部の手前で集光した後に拡散光となって前記第１光収束部に入射する、画像投影装置。
  5. 前記画像光線は、前記走査部と前記第２光収束部の間の光路長に対する前記第２光収束部と前記第２収束点の間の光路長の比が前記第１光収束部と前記第１収束点の間の光路長に対する前記第２収束点と前記第１光収束部の間の光路長の比と略同じ大きさである、請求項４記載の画像投影装置。
  6. 前記画像光線を前記第２光収束部に拡散光で入射させるための光学部材を備える、請求項４または５記載の画像投影装置。
  7. 前記光学部材は、前記画像光線を収束光とする光学特性を有し、
    前記画像光線は、前記光学部材によって前記第２光収束部の手前で集光した後に拡散光となって前記第２光収束部に入射する、請求項６記載の画像投影装置。
  8. 前記光学部材は、前記光源と前記走査部との間の前記画像光線の光路に設けられ、前記画像光線を収束光で前記走査部に入射させ、
    前記画像光線は、前記走査部から収束光で出射して前記第２光収束部の手前で集光した後に拡散光となって前記第２光収束部に入射し、前記第２光収束部から拡散光で出射して前記レンズによって前記第１光収束部の手前で集光した後に拡散光となって前記第１光収束部に入射し、前記第１光収束部から略平行光で出射する、請求項６または７記載の画像投影装置。
  9. 前記光源は前記走査部と正対した位置に配置され、
    前記第２光収束部はハーフミラーを含み、
    前記ハーフミラーは前記光源から出射された前記レーザ光を透過させる、請求項１から８のいずれか一項記載の画像投影装置。
  10. ユーザの網膜に画像を投影する画像投影装置であって、
    レーザ光を出射する光源と、
    入力された画像データに基づいて画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、
    前記光源から出射された前記画像光線を走査して走査光とする走査部と、
    前記ユーザの眼の前方に配置され、前記走査光を前記ユーザの眼の瞳孔近傍の第１収束点で収束させた後に前記網膜に照射して前記網膜に前記画像を投影する第１光収束部と、
    前記走査部で走査された前記走査光を前記第１光収束部の手前の第２収束点で収束させた後に前記第１光収束部に照射する第２光収束部と、を備え、
    前記第１光収束部及び前記第２光収束部は硝材と回折面と曲面ミラーとを備え、前記走査光は前記回折面の位置で屈折するとともに回折して前記曲面ミラーで反射する、画像投影装置。
  11. 前記光源は波長の異なる複数のレーザ光を出射し、前記第１光収束部又は前記第２光収束部における前記硝材の屈折特性による非点収差は前記回折面の回折特性で補正される、請求項１０記載の画像投影装置。
  12. 前記画像光線を前記第１光収束部に拡散光で入射させるための第１光学部材を前記第２収束点に備え、
    前記第１光学部材は、前記画像光線を収束光とする光学特性を有し、
    前記画像光線は、前記第１光学部材によって前記第１光収束部の手前で集光した後に拡散光となって前記第１光収束部に入射する、請求項１０または１１記載の画像投影装置。
  13. 前記第１光学部材は、表面に回折面を有する、請求項１２記載の画像投影装置。
  14. 前記画像光線を前記第２光収束部に拡散光で入射させるための第２光学部材を備え、
    前記第２光学部材は、前記画像光線を収束光とする光学特性を有し、
    前記画像光線は、前記第２光学部材によって前記第２光収束部の手前で集光した後に拡散光となって前記第２光収束部に入射する、請求項１０から１３のいずれか一項記載の画像投影装置。
  15. 前記第２光学部材は、表面に回折面を有する、請求項１４記載の画像投影装置。
  16. 前記画像光線は、前記走査部と前記第２光収束部の間の光路長に対する前記第２光収束部と前記第２収束点の間の光路長の比が前記第１光収束部と前記第１収束点の間の光路長に対する前記第２収束点と前記第１光収束部の間の光路長の比と略同じ大きさである、請求項１０から１５のいずれか一項記載の画像投影装置。
  17. 前記請求項１から１６のいずれか一項記載の画像投影装置を備えた、網膜走査型視野視力検査装置。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019069578A1 (ja) * 2017-10-05 2019-04-11 株式会社Ｑｄレーザ 視覚検査装置
JP7187987B2 (ja) * 2018-10-31 2022-12-13 セイコーエプソン株式会社 表示装置
CN111273442A (zh) * 2018-12-05 2020-06-12 北京耐德佳显示技术有限公司 一种超薄光学组件、该光学组件的虚像成像方法及使用其的显示装置
CN111665622B (zh) * 2019-03-06 2022-07-08 株式会社理光 光学装置、视网膜投影显示装置、头部安装型显示装置
CN111227782B (zh) * 2019-03-13 2023-07-28 株式会社拓普康 视标呈现装置和眼科装置
CN113260893B (zh) * 2019-04-12 2024-05-03 松下知识产权经营株式会社 光学系统
CN116909016A (zh) * 2020-02-20 2023-10-20 国立大学法人福井大学 光扫描型影像投影装置
JP7093591B1 (ja) 2021-03-24 2022-06-30 株式会社Ｑｄレーザ 画像投影装置
JP7437048B2 (ja) 2021-11-22 2024-02-22 株式会社Ｑｄレーザ 画像投影装置

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19631414A1 (de) * 1996-08-05 1998-02-19 Daimler Benz Ag Vorrichtung zur Aufnahme des Netzhautreflexbildes und Überlagerung von Zusatzbildern im Auge
JP2950306B2 (ja) * 1997-11-27 1999-09-20 日本電気株式会社 画像表示装置
JP4921634B2 (ja) * 2000-01-31 2012-04-25 グーグル インコーポレイテッド 表示装置
EP1405123B1 (de) * 2000-10-07 2007-03-21 David Dickerson Informationssystem und Verfahren zur Zurverfügungstellen von Informationen unter Verwendung eines Holographischen Elements
JP4082075B2 (ja) * 2002-04-22 2008-04-30 ブラザー工業株式会社 画像表示装置
JP3460716B1 (ja) * 2002-04-25 2003-10-27 ソニー株式会社 画像表示装置
JP4129976B2 (ja) 2002-07-16 2008-08-06 オリンパス株式会社 投影観察装置
EP1544666A4 (en) * 2002-09-24 2010-11-24 Kenji Nishi IMAGE DISPLAY UNIT AND OPTICAL PROJECTION SYSTEM
JP2008046253A (ja) 2006-08-11 2008-02-28 Canon Inc 画像表示装置
JP2008058777A (ja) * 2006-09-01 2008-03-13 Sony Corp 光学装置及び画像表示装置
JP5143772B2 (ja) * 2008-03-28 2013-02-13 パナソニック株式会社 画像表示装置および画像表示方法
JP2009268778A (ja) * 2008-05-09 2009-11-19 Panasonic Corp 画像表示装置、画像表示方法、プログラムおよび集積回路
US9285588B2 (en) 2010-10-01 2016-03-15 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. See-through display device and vehicle having see-through display device mounted thereon
JP6069946B2 (ja) 2012-08-17 2017-02-01 セイコーエプソン株式会社 画像表示装置および頭部装着型画像表示装置
KR20150136601A (ko) * 2013-03-25 2015-12-07 에꼴 뽈리떼끄닉 뻬데랄 드 로잔느 (으뻬에프엘) 다수의 출사동을 가진 헤드 착용 디스플레이로부터 투영된 이미지를 디스플레이하기 위한 방법
JP6209456B2 (ja) * 2013-05-31 2017-10-04 株式会社Ｑｄレーザ 画像投影装置及び投射装置
JP2015015563A (ja) * 2013-07-04 2015-01-22 セイコーエプソン株式会社 画像表示装置
WO2016103489A1 (ja) * 2014-12-26 2016-06-30 株式会社ニコン 眼底像形成装置
JP6645078B2 (ja) * 2015-09-03 2020-02-12 株式会社リコー 光偏向器及び光走査装置
JP6322618B2 (ja) 2015-12-07 2018-05-09 本田技研工業株式会社 内燃機関の制御装置
TWI579546B (zh) 2015-12-18 2017-04-21 財團法人車輛研究測試中心 Gear type torque sensing device
US10459230B2 (en) * 2016-02-02 2019-10-29 Disney Enterprises, Inc. Compact augmented reality / virtual reality display

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