JP7100333B2 - 光走査型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光走査型画像表示装置に関し、より詳しくは、ユーザの眼に近接して装着される光学ディスプレイを備える光走査型画像表示装置に関する。

従来、ユーザの頭部に装着する多様な形態の画像表示装置が提案されている。特に、外界像と表示画像とを重ねて見せるシースルー型の画像表示装置は、拡張現実（ＡＲ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）のような新しい用途への適用が広がりつつある。シースルー型の画像表示装置として、例えば、眼鏡のような外観を有し、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）等の画像表示素子で形成された画像が虚像としてユーザに視認される光学系を備えた画像表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の画像表示装置は、ＬＥＤ光源、照明光学系、ＬＣＤ、対物レンズ、及び駆動回路を有し、眼鏡フレームのテンプルに固定される画像表示ユニットと、眼鏡フレームのフロントに固定される導光板（基板）とを備える。画像表示ユニット（駆動回路）は、外部からケーブル（信号線）を介して信号が供給され、画像表示素子に表示された画像を画像光として出射させる。

しかし、上述した従来の画像表示装置は、ＬＣＤ等の画像表示素子で形成された画像を照明光学系により画像光に変換するための光学系ユニットを搭載しているため、特許文献１のように、ユーザの側頭部付近に画像表示ユニットを配置する構成の場合、通常の眼鏡と比べて重く、かさばるため、長時間装着して作業を行う用途ではユーザへの負荷が大きいという問題があった。

このため、レーザダイオードを用いて、小型かつ低消費電力化を図った画像表示装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、特許文献２に記載の画像表示装置は、レーザ光を走査しながらユーザの網膜に投射することで、網膜上に走査されたレーザ光の残像を画像としてユーザに認識させる構成のため、画像観察中にユーザの眼が動くと、走査されたレーザ光が網膜上に投射されなくなり、ユーザは画像を認識できなくなる場合がある。また、従来の網膜走査型の画像表示装置は、表示される画像が単一の焦点しか有しないように画像光を形成する構成であるため、ユーザが表示画像にピントを合わせる作業が難しく、煩雑であった。

特開２００６－１６２７６７号公報 特開平１１－６４７８２号公報

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、小型かつ軽量で、ユーザに視認し易い良好な画像を提供することが可能な光走査型画像表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による光走査型画像表示装置は、レーザ光を出射するレーザ光源、前記レーザ光源に一端が接続されて前記レーザ光源から出射されたレーザ光を導光する光ファイバ、前記光ファイバの他端に配置されて前記光ファイバの他端の先端部から出射する前記レーザ光を２次元方向に走査する光走査部、入力された画像データに基づいて前記レーザ光源と前記光走査部とを制御する制御部、及び前記光走査部により走査された前記レーザ光からなる走査光を拡大投影する投影光学系を含む画像表示ユニットと、ユーザの眼前に配置されて前記画像表示ユニットからの前記走査光を前記ユーザの眼に向けて外界光とともに視認させる導光部と、前記導光部を支持するとともに、前記画像表示ユニットを収納する収納室が設けられたフレームと、を備える光走査型画像表示装置であって、前記画像表示ユニットの投影光学系は、前記光走査部に対向して配置された投影レンズと、前記光走査部に対して前記投影レンズとは反対の側に配置された回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）とを含むことを特徴とする。

前記レーザ光源は、３原色のそれぞれに対応する単色レーザ光をそれぞれ出射する複数のレーザ素子を備え得る。
前記光ファイバは、前記各色の単色レーザ素子のそれぞれに接続された複数の単一コアファイバを束ねたファイバであることが好ましい。
前記導光部は、前記走査光を導光するとともに外界光の透視を可能にする光学部材と、ユーザの眼に対向する領域に設けられて前記走査光をユーザの眼に向かって反射させる前記光学部材内のコンバイナとを有し得る。
前記回折光学素子は、分岐ＤＯＥであることが好ましい。
前記画像表示ユニットの走査部は、前記出射されたレーザ光をスパイラル状に走査し得る。

本発明によれば、小型かつ軽量でユーザに視認し易い良好な画像を表示可能な光走査型画像表示装置を提供することができる。

本発明の一実施形態による光走査型画像表示装置の外観を模式的に示す斜視図である。 図１に示した本発明の一実施形態による光走査型画像表示装置の構成を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の一実施形態による光走査部の構成を示す概略図である。 本発明の一実施形態による回折光学素子の構成及び機能を説明する概略図である。 本発明の一実施形態による光走査型画像表示装置でユーザの眼に到達する走査光を説明する概略図であり、（ａ）はユーザの眼が正面を向いている場合の走査光を示す正面図、（ｂ）はユーザの眼が横方向に移動した場合の走査光を示すユーザの頭頂方向から見た平面図である。 本発明の一実施形態による光走査型画像表示装置の画像表示ユニットの各機能ブロックを示す図である。

以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態による光走査型画像表示装置の外観を模式的に示す斜視図である。

図１に示すように、本発明による光走査型画像表示装置１０は、眼鏡のような外観を有してユーザの頭部に装着される形態に構成され、この光走査型画像表示装置１０を装着したユーザに後述する構成により、走査光による画像を虚像として視認させるとともに、ユーザが外界光をシースルーで視認することができる。光走査型画像表示装置１０は、ユーザの眼前を透視可能に覆う第１及び第２光学部材（１００ａ、１００ｂ）と、両光学部材（１００ａ、１００ｂ）を支持する枠部１０２と、枠部１０２の左右両端から後方のつる部分（テンプル）１０４にかけての部分に設けられた第１及び第２収納室（１０５ａ、１０５ｂ）とを備える。

図１に示す本発明の一実施形態による光走査型画像表示装置１０は、ユーザの左眼のみに画像を表示する単眼用の光走査型画像表示装置である。第１光学部材１００ａは導光部として機能し、第１収納室１０５ａ内には後述する画像表示ユニット１１０が収納される。画像表示ユニット１１０は、左眼に対して表示画像を形成する部分である。第１光学部材１００ａは、可視光に対して透明な光学ガラス又はプラスチックからなり、ユーザの眼に画像光を導光するための導光層として機能する。また、第１光学部材１００ａの一部領域にはコンバイナ１０１が設けられている。コンバイナ１０１は、ユーザが装着した際にユーザの眼の位置に対向する領域に配置される。なお、図示しないが、枠部１０２にはカメラ、イヤホン、及びマイクが配置され、つる部分１０４の内部にはバッテリーなどが収納され得る。

一方、本実施形態では、図１に示す右側の第２収納室１０５ｂは画像表示ユニットを搭載せず、第２収納室１０５ｂの内部には空間認識のためのセンサなどを含む回路基板が収納される。第２光学部材１００ｂは、第１光学部材１００ａと同様の可視光に対して透明な光学ガラス又はプラスチックからなる。なお、本発明は、これに限定されず、図１に示す右側の第２光学部材１００ｂ及び第２収納室１０５ｂを、右眼に対する導光部及び表示画像を形成する画像表示ユニットに構成して、両眼用の光走査型画像表示装置とすることも可能である。

図２は、図１に示した本発明の一実施形態による光走査型画像表示装置の構成を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

図２に示すように、画像表示ユニット１１０は、第１光学部材１００ａと、第１収納室１０５ａに収容された画像走査部２００及び投影光学系１０３とから構成される。画像走査部２００は、レーザ光を出射するレーザ光源２０１、レーザ光源２０１に一端が接続された光ファイバ２０２、光ファイバ２０２の他端側に配置された光走査部２０３、並びにレーザ光源２０１及び光走査部２０３を制御するためのＣＰＵ（中央処理装置）やメモリチップを含む電子回路部品で構成された制御部２０４を含み、これらの部材は印刷回路基板２１０に実装される。なお、印刷回路基板２１０には、光走査型画像表示装置の操作や通信機能等を具現するその他の電子回路部品が実装され得る。

第１光学部材１００ａの左端部の投影光学系１０３に対向する面には、導入ミラー１０１ａが設けられ、第１光学部材１００ａのユーザの眼に対向する位置には、コンバイナ１０１が設けられる。コンバイナ１０１は、導入ミラー１０１ａから入射して第１光学部材１００ａ内を進行してきた走査光Ｌ１をユーザの眼に向けて反射する光学部材であり、ハーフミラー、偏光ビームスプリッタ、ホログラフィック光学膜などの可視光からなる外界光Ｌ２に対して透明な偏向光学膜である。

第１収納室１０５ａに収納される投影光学系１０３は、投影レンズ１０３ａ及び回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）１０３ｂで構成される。回折光学素子１０３ｂは、最良の結果を得るために、分岐ＤＯＥを用いることが好ましいが、これに限定されない。

レーザ光源２０１は、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の各色のレーザ光を放射するものであり、図示しないが赤色レーザ光、緑色レーザ光、及び青色レーザ光をそれぞれ出射する３つの単色レーザダイオードチップを備え、制御部２０４により、入力された画像データに基づいて制御される。つまり、制御部２０４は、表示させる画像を表す複数の画素に対応する画像データを所定の方式で画像信号に変換し、この画像信号により各色レーザダイオードチップの発光タイミングや輝度が変調されたＲＧＢの各色レーザ光が出射される。

レーザ光源２０１の出射端には光ファイバ２０２の一端が接続され、画像信号に応じて変調された各色レーザ光は、光ファイバ２０２を通じて伝送される。光ファイバ２０２の他端は自由端として開放され、その先端部から光ファイバ２０２中を伝搬されてきた画像信号に応じて変調された各色レーザ光が出射される。レーザ光源２０１に接続される光ファイバ２０２は、３色のレーザ光に対して単一のコアを備える１本の光ファイバを用いるか、各色レーザ光にそれぞれ単一コアの光ファイバを割り当てた３本の光ファイバを束ねて用いるか、又は各色レーザ光にそれぞれ単一のコアを割り当てたマルチコア構造の１本の光ファイバを用いてもよい。そして、光ファイバ２０２の他端の先端部近傍に光走査部２０３が配置される。

図３は、本発明の一実施形態による光走査部の構成を示す概略図である。光走査部２０３は、光ファイバ２０２を片持ち支持する保持部２０３ａと、保持部２０３ａに連結されて光ファイバの先端部２０２ｅ側に設けられた円筒形圧電素子２０３ｂで構成される。光ファイバ２０２を円筒形圧電素子の中心に配置し、円筒形圧電素子２０３ｂを振動させることで、光ファイバをたわみ振動させる。具体的に、円筒形圧電素子２０３ｂは、図示しないが４分割した電極を有し、制御部２０４から出力される駆動信号に基づき、これらの隣り合う電極にそれぞれ位相差π／２の電圧を印加して円筒形圧電素子２０３ｂの開放端側の端面を円振動させる。そして、制御部２０４により所定の周期で振幅が制御されることにより、光走査部２０３は、光ファイバの先端部２０２ｅから出射するレーザ光をスパイラル状に２次元走査させる。この場合、表示画面は円形又は楕円となる。なお、レーザ光を２次元方向に走査させる形態は、これに限定されない。例えば、円筒形圧電素子２０３ｂの各電極に印加する電圧の印加タイミングを調整して、リサージュ走査させてもよい。この場合、表示画面は略矩形に対応する。

以下、図２、図４及び図５を参照して、本発明の一実施形態による光走査型画像表示装置における走査光の形成機構について説明する。

図２に示す光走査部２０３で走査されるレーザ光（以下、走査光という）は、投影光学系１０３の投影レンズ１０３ａに入射する。投影レンズ１０３ａは、第１収納室１０５ａ内の図示しない鏡筒部に嵌め込まれ、対向する第１光学部材１００ａ内の導入ミラー１０１ａに位置合わせして固定される。走査光は投影レンズ１０３ａで拡大されつつ進行して、回折光学素子１０３ｂに入射する。

図４は、本発明の一実施形態による回折光学素子の構成及び機能を説明する概略図である。図５は、本発明の一実施形態による光走査型画像表示装置で、ユーザの眼に到達する走査光を説明する概略図であり、（ａ）はユーザの眼が正面を向いている場合の走査光を示す正面図、（ｂ）はユーザの眼が横方向に移動した場合の走査光を示すユーザの頭頂方向から見た平面図である。

図４に示す回折光学素子１０３ｂは、分岐ＤＯＥで構成される。分岐ＤＯＥは、格子周期の異なる回折格子を組み合わせることにより、入射したレーザ光を複数のレーザ光に分岐させて所定の回折角θで出射させる。分岐数及び分岐パターンは、分岐ＤＯＥの光学設計により調整される。分岐ＤＯＥから成る回折光学素子１０３ｂに入射した走査光は、複数に分岐して第１光学部材１００ａ内の導入ミラー１０１ａに入射した後、第１光学部材１００ａ内の図示しない導光部分を進行し、コンバイナ１０１で反射されて複数の経路でユーザの眼に到達するため、射出瞳が拡大される。したがって、図５に示すようにユーザの視線が多少移動しても、ユーザの瞳孔Ｅから射出瞳が完全に外れてしまう可能性が軽減されるため、より安定した画像表示が可能となる。

図４及び図５には、分岐ＤＯＥがユーザの眼に対して水平方向、つまり、１次元方向に回折（即ち、分岐）する例を示したが、本発明はこれに限定されない。分岐ＤＯＥの光学設計により２次元方向に回析させてもよい。また、回析角θは、ユーザによって知覚される画像が多重化せず、かつ、図５に示すように、ユーザの瞳孔Ｅが初期位置から多少移動しても走査光が瞳孔Ｅに十分な光量で入射するように設定される。

次に、本発明の一実施形態による光走査型画像表示装置の画像表示ユニットに含まれる各機能手段の構成例を説明する。

図６は、本発明の一実施形態による光走査型画像表示装置の画像表示ユニットの各機能ブロックを示す図である。なお、図６では、光学部材及び投影光学系については表示を省略する。

図６に示すように、本実施形態による光走査型画像表示装置１０の画像表示ユニット１１０は、レーザ光源２０１、光走査部２０３、制御部２０４を備え、さらに記憶部２０５、通信部２０６、オーディオ処理部２０７を含む。また、画像表示ユニット１１０には、操作入力部２２０、カメラ２３０、マイク２３２、イヤホン２３４、バッテリー２４０が電気的に接続される。

制御部２０４は、光走査型画像表示装置１０の全般的な動作のために各構成要素を制御するＣＰＵ２１１と、入力された画像データに対して所定のデータ処理を行う画像データ処理部２１２と、画像データ処理部２１２からの出力に基づいてレーザ光源２０１及び光走査部２０３を制御する信号を発生する表示制御部２１３とを備える。
また、制御部２０４は、操作入力部２２０から入力されるユーザ指示を受け付けて、ユーザ指示に基づく本装置への操作を実行させる。

画像データ処理部２１２は、ＣＰＵ２１１の制御の下で、通信部２０６を介して外部から受信した画像データ又はカメラ２３０で撮影した画像データを、１フレームの画像ごとに、光走査部２０３のレーザ光の走査モードに対応する所定の方式で画像信号に変換して、表示制御部２１３に出力し、表示制御部２１３は、受信した画像信号を所定の走査モードの光走査部２０３の駆動信号に同期させてレーザ光源２０１に出力する。制御部２０４は、これらの制御をレーザ光の走査モードに応じて多様に変更実施することが可能である。

記憶部２０５は、画像データ用のバッファメモリと、光走査型画像表示装置の機能動作に必要なＯＳ（オペレーティングシステム）、各種アプリケーションプログラム、及び各種データを保存する汎用メモリと含む。画像データ用のバッファメモリには、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ ＲＡＭ）等が用いられ、汎用メモリは、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ ＲＡＭ）及び／又はフラッシュメモリ（フラッシュＥＥＰＲＯＭ）等で構成される。

通信部２０６は、有線又は無線接続された外部機器との間で、音声通話のための通信チャネルの形成や、画像データ又は文字データを送受信するための通信チャネルの形成などを制御部２０４の制御の下に行う。通信部２０６は、ブルートゥース（登録商標）、ＷｉＦｉ（登録商標）などの通信モジュールを含んで構成される。

オーディオ処理部２０７は、通話時に送受信されるオーディオデータ、及び外部装置から受信したオーディオファイル再生によるオーディオデータなどを音声信号に変換してイヤホン２３４に出力し、通話時にマイク２３２を通じて収集されるユーザの音声又はその他のオーディオ信号を、デジタル信号に変換して制御部２０４に出力する。

操作入力部２２０は、例えば、光走査型画像表示装置１０の枠部１０２の左右両端から後方のつる部分（テンプル）１０４にかけての側面部分の所定の位置に配置されるタッチスイッチ等で構成され、画像表示ユニット１１０に出力される画像の種類や特定の機能等をユーザが指示するための入力を受信する。操作入力部２２０は、マイクからの音声入力やカメラで撮影されるジェスチャ入力を制御部２０４で音声認識や画像認識する手段によって、代替することも可能である。

バッテリー２４０は、光走査型画像表示装置１０の各構成要素に電力を供給する。

上述した構成により、光走査型画像表示装置１０は、通信部２０６を介して受信した画像データや文字データ、又はカメラ２３０で撮影された画像データに基づく画像光をユーザの眼に投影し、ユーザに虚像として視認可能に表示する。本発明による光走査型画像表示装置１０は、高輝度のレーザ光を利用してＬＣＤ等の画像表示素子を用いることなく表示できるので、小型かつ軽量化できる。また、投影光学系に分岐ＤＯＥを用いることで、ユーザに視認し易い良好な画像を提供することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

本発明による光走査型画像表示装置は、小型かつ軽量で、ユーザに視認し易い良好な画像を提供できるので、スマートグラスやヘッドマウントディスプレイとして好適である。

１０ 光走査型画像表示装置
１００ａ、１００ｂ （第１、第２）光学部材
１０１ コンバイナ
１０１ａ 導入ミラー
１０２ 枠部
１０３ 投影光学系
１０３ａ 投影レンズ
１０３ｂ 回折光学素子
１０４ つる部分
１０５ａ、１０５ｂ （第１、第２）収納室
１１０ 画像表示ユニット
２００ 画像走査部
２０１ レーザ光源
２０２ 光ファイバ
２０２ｅ 光ファイバの先端部
２０３ 光走査部
２０３ａ 保持部
２０３ｂ 円筒形圧電素子
２０４ 制御部
２０５ 記憶部
２０６ 通信部
２０７ オーディオ処理部
２１０ 印刷回路基板
２１１ ＣＰＵ
２１２ 画像データ処理部
２１３ 表示制御部
２２０ 操作入力部
２３０ カメラ
２３２ マイク
２３４ イヤホン
２４０ バッテリー

Claims (5)

1. レーザ光を出射するレーザ光源、前記レーザ光源に一端が接続されて前記レーザ光源から出射されたレーザ光を導光する光ファイバ、前記光ファイバの他端に配置されて前記光ファイバの他端の先端部から出射する前記レーザ光を２次元方向に走査する光走査部、入力された画像データに基づいて前記レーザ光源と前記光走査部とを制御する制御部、及び前記光走査部により走査された前記レーザ光からなる走査光を拡大投影する投影光学系を含む画像表示ユニットと、
   ユーザの眼前に配置されて前記画像表示ユニットからの前記走査光を前記ユーザの眼に向けて外界光とともに視認させる導光部と、
   前記導光部を支持するとともに、前記画像表示ユニットを収納する収納室が設けられたフレームと、を備える光走査型画像表示装置であって、
   前記画像表示ユニットの投影光学系は、
   投影レンズ及び回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）を含み、
   前記投影レンズに前記走査光が入射して拡大されつつ進行して前記回折光学素子に入射するように配置され、
   前記回折光学素子は、分岐ＤＯＥであることを特徴とするウェアラブル情報表示端末。
2. 前記レーザ光源は、３原色のそれぞれに対応する単色レーザ光をそれぞれ出射する複数のレーザ素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の光走査型画像表示装置。
3. 前記光ファイバは、前記各色の単色レーザ素子のそれぞれに接続された複数の単一コアファイバを束ねたファイバであることを特徴とする請求項２に記載の光走査型画像表示装置。
4. 前記導光部は、前記走査光を導光するとともに外界光が透視可能な光学部材と、前記ユーザの眼に対向する位置に設けられて前記走査光を前記ユーザの眼に向かって反射させる前記光学部材内のコンバイナとを有することを特徴とする請求項１に記載の光走査型画像表示装置。
5. 前記画像表示ユニットの光走査部は、前記出射されたレーザ光をスパイラル状に２次元方向に走査することを特徴とする請求項１に記載の光走査型画像表示装置。
   

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