JP7050292B2 - 画像投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像投影装置に関し、例えば網膜に画像を投影する画像投影装置である。

レーザ光等の光線を走査することで網膜に直接画像を投影する画像投影装置は、ヘッドマウントディスプレイや検眼装置等に用いられている（例えば特許文献１、２）。レーザ光等の光線を走査ミラー等の走査部を用い走査することが知られている（例えば特許文献３、４）。

国際公開第２０１４／１９２４７９号 特開２０１８－０００６１９号公報 特開２０１２－０２６９３５号公報 特開２００７－２２５８４４号公報

しかしながら、走査部が走査した光線により網膜に画像を投影すると、投影する方向に起因して画像が歪んでしまうことがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、網膜に投影される画像の歪を抑制することを目的とする。

本発明は、レーザ光を光線を出射する光源と、前記光源から出射された光線を２次元に走査する走査部と、ユーザの眼球の前方に配置され、前記走査された光線を画像を形成する画像光線として前記ユーザの水晶体またはその近傍の第１収束点で収束させた後に前記ユーザの網膜に投影する第１光収束部、前記画像光線を前記第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、および前記第２収束点に配置され、前記画像光線を収束光にして前記第１光収束部の手前で集光させた後に拡散光にして前記第１光収束部に入射させるレンズを有する投影光学系と、前記走査部と前記投影光学系との間に設けられ、前記光源から出射された光線を前記走査部に反射し、前記走査された光線を前記投影光学系に透過させるハーフミラーと、を備える画像投影装置である。

上記構成において、前記ハーフミラーは、前記走査部から前記投影光学系に入射する光線のうち前記画像を形成する光線の進行方向の逆方向から前記走査部に前記光源から出射された光線を反射する構成とすることができる。

上記構成において、前記ハーフミラーは、前記走査部から前記投影光学系に入射する光線のうち前記画像および／または前記走査部の走査範囲の中心を形成する光線の進行方向のほぼ逆方向から前記走査部に前記光源から出射された光線を反射する構成とすることができる。

上記構成において、前記ハーフミラーは、前記走査部から前記投影光学系に入射した光線のうち前記画像を形成する全ての光線が透過する構成とすることができる。

上記構成において、前記ハーフミラーは、前記走査部から前記投影光学系に入射した光線のうち前記画像を形成する一部の光線が透過し、前記画像を形成する光線のうち他の光線は前記ハーフミラーを透過せずに前記投影光学系に入射する構成とすることができる。

上記構成において、前記光源が出射する前記一部の光線の光強度を、前記光源が出射する前記他の光線の光強度より大きくする制御部を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記走査部は走査ミラーである構成とすることができる。

本発明は、レーザ光を光線として出射する光源と、ユーザの眼球の網膜に正対する位置に配置され、前記光線を反射して２次元に走査する走査部と、ユーザの眼球の前方に配置され、前記走査された光線を画像を形成する画像光線として前記ユーザの水晶体またはその近傍の第１収束点で収束させた後に前記ユーザの網膜に投影する第１光収束部、前記画像光線を前記第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、および前記第２収束点に配置され、前記画像光線を収束光にして前記第１光収束部の手前で集光させた後に拡散光にして前記第１光収束部に入射させるレンズを有する投影光学系と、前記走査部と前記投影光学系との間に配置され、前記光源から出射された光線を前記走査部へ反射させるとともに、前記走査部で反射した光線を前記投影光学系に透過させるハーフミラーと、を備える画像投影装置である。

上記構成において、前記光源は、前記網膜と正対する位置に配置されていない構成とすることができる。

本発明によれば、網膜に投影される画像の歪を抑制することができる。

図１は、実施例１に係る画像投影装置のブロック図である。 図２は、実施例１における画像の生成方法を示す図である。 図３は、比較例１に係る画像投影装置のブロック図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれ実施例１および比較例１におけるシミュレーション結果を示す図である。 図５は、実施例１の変形例１に係る画像投影装置のブロック図である。 図６は、実施例２に係る画像投影装置のブロック図である。

以下、図面を参照し、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のブロック図である。図１に示すように、画像投影装置１００は、光源１０、走査ミラー１２、ハーフミラー１４、レンズ１６、調整部１７および投影光学系２０、制御部３０および画像入力部３２を備えている。画像投影装置１００は、例えば被検者の視覚を検査する視覚検査装置であり、被検者の眼球７０の網膜７４に検査用の画像を投影する。

画像入力部３２に画像データが入力する。画像データは例えば被検者の視覚を検査するための画像のデータおよび／または外部装置から出力されたデータである。制御部３０は、画像データに基づき光源１０を制御する。制御部３０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラムと協働し処理を行ってもよい。制御部３０は、専用に設計された回路でもよい。

光源１０は、光線５０として、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）および青色レーザ光（波長：４４０ｎｍ～４８０ｎｍ程度）を出射する。赤色、緑色および青色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色合成デバイスとマイクロコリメートレンズとが集積された光源が挙げられる。また光源１０は１つの光源であり単一の波長のレーザ光を出射してもよい。光線５０の中心の点線は光線５０の中心線を示し、実線は光線５０の端を示す。光線５２ａから５２ｃも同様である。

レンズ１６はコリメートレンズであり、光線５０をコリメート光とする。調整部１７は、例えば、減光フィルタおよびアパーチャ等を有しており、光線を成型する。コリメートされた光線５０はハーフミラー１４に入射する。ハーフミラー１４は光線５０を走査ミラー１２に反射する。

走査ミラー１２は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）であり、投影対象である網膜７４の略正面に、網膜７４に対して正対して配置されており、光線５０を２次元に走査する。走査された光線５２ａから５２ｃはハーフミラー１４を透過し、投影光学系２０に入射する。走査ミラー１２およびハーフミラー１４は、例えばほぼ平面であり集光パワーはほぼ０である。これにより、投影光学系２０に入射する各光線５２ａから５２ｃはほぼコリメート光である。

投影光学系２０は、レンズ２１および２２を有している。レンズ２１および２２は凸レンズであり正の集光パワーを有する。レンズ２１は、光線５２ａから５２ｃを互いに平行にし、各光線５２ａから５２ｃを収束光とする。各光線５２ａから５２ｃはレンズ２１と２２との間で焦点を結び、拡散光としてレンズ２２に入射する。レンズ２２は、光線５２ａから５２ｃを互いに収束させ、各光線５２ａから５２ｃをほぼコリメート光とする。光線５２ａから５２ｃは、角膜７２を通過し前房７３または水晶体７６付近で収束し、硝子体７８を通過し網膜７４に照射される。各光線５２ａから５２ｃは網膜でほぼ焦点を結ぶ。投影光学系２０は、軸対称な光学系である。投影光学系２０の対称軸は光線５２ｂとほぼ一致する。

図２は、実施例１における画像の生成方法を示す図である。図２に示すように、網膜７４に画像５４を投影する。走査ミラー１２は光線５２を破線矢印のように左上から右下までラスタースキャンする。走査ミラー１２が走査する範囲は走査範囲５３である。走査範囲５３内において走査ミラー１２が駆動しても光源１０が光線５０を出射しないと、光線５２は網膜７４に照射されない。図２の破線矢印では光線５０は出射されない。制御部３０は、光源１０と走査ミラー１２とを同期させる。これにより、光源１０は、太実線において強度変調された光線５０を出射する。これにより、網膜７４に画像５４が投影される。

図１の光線５２ｂは画像５４および走査範囲５３の中心５５に照射される。画像５４の中心と走査範囲５３の中心とは一致していなくてもよい。ハーフミラー１４が反射した光線５０は、中心５５を形成する光線５２ｂの進行方向のほぼ反対方向から走査ミラー１２に入射する。

［比較例１］
図３は、比較例１に係る画像投影装置のブロック図である。図３に示すように、比較例１に係る画像投影装置１１０では、ハーフミラー１４に代え反射ミラー１５が設けられている。反射ミラー１５は、画像５４を形成する光線５２ａから５２ｃに重ならないように設けられている。反射ミラー１５が反射した光線５０は、走査ミラー１２に下方から斜めに入射する。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

［シミュレーション］
実施例１および比較例１について網膜に投影される画像の歪をシミュレーションした。図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれ実施例１および比較例１におけるシミュレーション結果を示す図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、画像５４内の格子状に配置されたドット５６の、網膜７４上での投影状態を示している。ドット５６が格子からずれると画像５４が歪曲してことを示している。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、実施例１では比較例１に比べ、画像５４の歪曲が抑制されている。投影光学系２０は軸対称であり、投影光学系２０による画像の歪はほとんどないと考えられる。比較例１では、反射ミラー１５を光線５２ａから５２ｃを避けて設けるため、走査ミラー１２に反射ミラー１５から斜めに光線５０が入射する。このため、画像５４が中心５５に対し非対称に歪曲していると考えられる。実施例１では、中心５５に対する非対称な歪曲はほとんどない。

実施例１によれば、走査ミラー１２（走査部またはスキャナ）は、網膜７４に正対する位置に配置され、光源１０から出射された光線５０を２次元に走査する。投影光学系２０は、走査された光線５２ａから５２ｃを網膜７４に、正対した方向から照射することにより、画像５４を網膜７４上に投影する。ハーフミラー１４は、走査ミラー１２と投影光学系２０との間に設けられ、光線５０を走査ミラー１２に反射し、光線５２ａから５２ｃを投影光学系２０に透過させる。

このように、走査ミラー１２が網膜７４に正対した位置に配置されるとともに、ハーフミラー１４を走査ミラー１２と網膜７４との間に設けることで、光線５２ａから５２ｃを網膜７４に正対した方向から投影する。これにより、図４（ａ）のように、画像５４の歪曲を抑制できる。このとき、光線５０を発生させる光源１０は、網膜７４とは正対した位置には配置されず、走査ミラー１２の方向へ向けられたハーフミラー１４により、光線５０が走査ミラー１２へ導かれる。

ハーフミラー１４は、走査ミラー１２から投影光学系２０に入射する光線５２ａから５２ｃのうち画像５４および／または走査ミラー１２の走査範囲５３の中心５５を形成する光線５２ｂの進行方向の逆方向から走査ミラー１２に光線５０を反射する。これにより、走査ミラー１２に起因した画像５４の歪曲をより抑制できる。走査ミラー１２に入射する光線５０の進行方向は光線５２ｂの進行方向に対し、画像５４の歪曲が抑制できる程度にほぼ逆方向であればよい。

ハーフミラー１４は、走査ミラー１２から投影光学系２０に入射する光線５２ａから５２ｃのうち画像５４を形成する光線５２ａから５２ｃの進行方向の逆方向から走査ミラー１２に光線５０を反射すればよい。これにより、比較例１より画像５４の歪曲を抑制できる。

ハーフミラー１４は、走査ミラー１２から投影光学系２０に入射した光線５２ａから５２ｃのうち画像５４を形成する全ての光線が透過する。これにより、画像５４を形成する光線５２ａから５２ｃの輝度等を均一にできる。

投影光学系２０は、軸対称光学系である。これにより、投影光学系２０に起因した画像５４の歪曲を抑制できる。軸対称光学系は、走査ミラー１２から投影光学系２０に入射する光線５２ａから５２ｃのうち画像の中心を形成する光線５２ａを対称軸とする。これにより、画像５４の歪曲をより抑制できる。

走査部として、ＭＥＭＳミラー等の走査ミラー１２を例に説明したが走査部は例えばポリゴンミラーでもよい。

［実施例１の変形例１］
図５は、実施例１の変形例１に係る画像投影装置のブロック図である。図５に示すように、画像投影装置１０２では、ハーフミラー１４は、光線５２ａから５２ｃのうち一部の光線５２ｂが透過するように設けられている。他の光線５２ａおよび５２ｃはハーフミラー１４を透過しない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例１の変形例１によれば、ハーフミラー１４は、走査ミラー１２が投影光学系２０に反射した光線５２ａから５２ｃのうち画像５４を形成する光線５２ａから５２ｃの一部の光線５２ｂが透過する。画像５４を形成する光線５２ａから５２ｃのうち他の光線５２ａおよび５２ｃはハーフミラー１４を透過せずに投影光学系２０に入射する。このように、ハーフミラー１４は一部の光線５２ａのみを透過させてもよい。光線５２ａはハーフミラー１４により減光するため、制御部３０は光線５２ｂとなる光線５０の光強度を他の光線５２ａおよび５４ｃの光強度より大きくすることが好ましい。

図６は、実施例２に係る画像投影装置のブロック図である。図６に示すように、画像投影装置１０４は、反射ミラー１８を備えている。投影光学系２０は、ミラー２４、２６およびレンズ２５を備えている。画像投影装置１０４は、例えば眼鏡型のヘッドマウントディスプレイである。光源１０は、例えば眼鏡のツルに設置されている。走査ミラー１２および投影光学系２０は、例えば眼鏡のレンズ付近に設置されている。制御部３０および画像入力部３２は、例えばツルに設けられている。制御部３０および画像入力部３２は、ヘッドマウントディスプレイ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。画像入力部３２は、図示しないカメラおよび／または録画機器などから画像データが入力される。

レンズ１６は、光線５０を収束光にする。反射ミラー１８は光線５０をハーフミラー１４に反射する。ハーフミラー１４により反射された光線５０は走査ミラー１２により走査され光線５２ａから５２ｃとなる。反射ミラー１８、ハーフミラー１４および走査ミラー１２の集光パワーはほぼ０でありほぼ平面である。各光線５２ａから５２ｃは走査ミラー１２とミラー２４との間で焦点を結ぶ。

ミラー２４は自由曲面を有するミラーであり、正の集光パワーを有している。走査ミラー１２が走査した光線５２ａから５２ｃはミラー２４により収束点６０に収束する。ミラー２４により反射された各光線５２ａから５２ｃは拡散光である。光線５２ａから５２ｃが収束する位置に正の集光パワーを有するレンズ２５が設けられている。レンズ２５は各光線５２ａから５２ｃを収束光とする。ミラー２６は自由曲面を有するミラーであり、正の集光パワーを有している。ミラー２６は、光線５２ａから５２ｃを水晶体７６内または近傍の収束点６２に収束させ、各光線５２ａから５２ｃを網膜７４近傍に合焦させる。

走査ミラー１２の走査角度θ１（例えば光線５２ａと５２ｃの中心線の角度）と収束点６２の収束角度θ４（例えば光線５２ａと５２ｃの中心線の角度）とは同じ大きさである。収束点６０における収束角度θ２（例えば光線５２ａと５２ｃの中心線の角度）と出射角度θ３（例えば光線５２ａと５２ｃの中心線の角度）とは同じ大きさである。

走査ミラー１２とミラー２４の間の光線５２ｂの光路長をＬ１とし、ミラー２４と収束点６０の間の光線５２ｂの光路長をＬ２とし、収束点６０とミラー２６との光線５２ｂの光路長をＬ３とし、ミラー２６と収束点６２との光線５２ｂの光路長をＬ４とする。このとき、ほぼ（光路長Ｌ２／光路長Ｌ１）＝（光路長Ｌ３／光路長Ｌ４）の関係にある。これにより、走査ミラー１２と収束点６２とはミラー２４および２６を介して等倍の共役の関係となっている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例２のように、画像投影装置がヘッドマウントディスプレイとする場合、小さい空間に投影光学系２０を配置するため、投影光学系２０を軸対称光学系とすることは難しい。このように投影光学系２０が非軸対称光学系の場合に、走査ミラー１２と収束点６２とを共役の関係とする。これにより、画像５４の歪曲を抑制できる。さらに、ハーフミラー１４を設けることで、画像５４の歪曲を抑制できる。

実施例１と同様に、ハーフミラー１４は、走査ミラー１２から投影光学系２０に入射する光線５２ａから５２ｃのうち画像５４を形成する光線の進行方向の逆方向から走査ミラー１２に光線５０を反射する。これにより、画像５４の歪曲をより抑制できる。実施例１の変形例のように、ハーフミラー１４は光線５２ａから５２ｃのうち一部の光線５２ｂを透過させてもよい。

実施例１では、軸対称光学系の投影光学系２０を視覚検査装置に用いる例を説明したが、軸対称光学系の投影光学系２０をヘッドマウントディスプレイに用いてもよい。実施例２では、等倍の共役関係にある投影光学系２０をヘッドマウントディスプレイに用いる例を説明したが、共役関係の投影光学系２０を視覚検査装置に用いてもよい。投影光学系２０として、軸対称光学系および共役関係の投影光学系２０以外の光学系を用いてもよい。

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
１２ 走査ミラー
１４ ハーフミラー
１５ 反射ミラー
１６、２１、２２、２５ レンズ
２０ 投影光学系
２４、２６ ミラー
３０ 制御部
３２ 画像入力部
５０、５２、５２ａ－５２ｃ 光線
５４ 画像
５５ 中心
７０ 眼球
７４ 網膜

Claims (9)

1. レーザ光を光線として出射する光源と、
   前記光源から出射された光線を２次元に走査する走査部と、
   ユーザの眼球の前方に配置され、前記走査された光線を画像を形成する画像光線として前記ユーザの水晶体またはその近傍の第１収束点で収束させた後に前記ユーザの網膜に投影する第１光収束部、前記画像光線を前記第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、および前記第２収束点に配置され、前記画像光線を収束光にして前記第１光収束部の手前で集光させた後に拡散光にして前記第１光収束部に入射させるレンズを有する投影光学系と、
   前記走査部と前記投影光学系との間に設けられ、前記光源から出射された光線を前記走査部に反射し、前記走査された光線を前記投影光学系に透過させるハーフミラーと、
   を備える画像投影装置。
2. 前記ハーフミラーは、前記走査部から前記投影光学系に入射する光線のうち前記画像を形成する光線の進行方向の逆方向から前記走査部に前記光源から出射された光線を反射する請求項１に記載の画像投影装置。
3. 前記ハーフミラーは、前記走査部から前記投影光学系に入射する光線のうち前記画像および／または前記走査部の走査範囲の中心を形成する光線の進行方向のほぼ逆方向から前記走査部に前記光源から出射された光線を反射する請求項１に記載の画像投影装置。
4. 前記ハーフミラーは、前記走査部から前記投影光学系に入射した光線のうち前記画像を形成する全ての光線が透過する請求項１から３のいずれか一項に記載の画像投影装置。
5. 前記ハーフミラーは、前記走査部から前記投影光学系に入射した光線のうち前記画像を形成する一部の光線が透過し、前記画像を形成する光線のうち他の光線は前記ハーフミラーを透過せずに前記投影光学系に入射する請求項１から３のいずれか一項に記載の画像投影装置。
6. 前記光源が出射する前記一部の光線の光強度を、前記光源が出射する前記他の光線の光強度より大きくする制御部を備える請求項５に記載の画像投影装置。
7. 前記走査部は走査ミラーである請求項１から６のいずれか一項に記載の画像投影装置。
8. レーザ光を光線として出射する光源と、
   ユーザの眼球の網膜に正対する位置に配置され、前記光線を反射して２次元に走査する走査部と、
   ユーザの眼球の前方に配置され、前記走査された光線を画像を形成する画像光線として前記ユーザの水晶体またはその近傍の第１収束点で収束させた後に前記ユーザの網膜に投影する第１光収束部、前記画像光線を前記第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、および前記第２収束点に配置され、前記画像光線を収束光にして前記第１光収束部の手前で集光させた後に拡散光にして前記第１光収束部に入射させるレンズを有する投影光学系と、
   前記走査部と前記投影光学系との間に配置され、前記光源から出射された光線を前記走査部へ反射させるとともに、前記走査部で反射した光線を前記投影光学系に透過させるハーフミラーと、
   を備える画像投影装置。
9. 前記光源は、前記網膜と正対する位置に配置されていない、請求項８記載の画像投影装置。
   

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