JP7123403B2 - 画像検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像検査装置に関する。

二次元方向に走査された走査光をユーザの網膜表面に照射して画像を網膜に直接投影する画像投影装置が知られている（例えば、特許文献１）。また、撮像用レンズの特性値を検査するために、撮像用レンズを介して射出される画像光を撮像素子で検出して画像処理を行うことで撮像用レンズの特性値を算出することが知られている（例えば、特許文献２）。

特開２０１５－１１１２３１号公報 特開２００３－２７９４４６号公報

画像投影装置により網膜に直接投影される画像を検査する方法として、ユーザが網膜に投影された画像を見ることによって画像を検査する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、ユーザの個人差によるばらつき及びユーザの疲労度などによるばらつきなどによって、評価がばらついてしまう。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、網膜に画像を直接投影する画像投影装置により投影される画像を良好に検査することが可能な画像検査装置を提供することを目的とする。

本発明は、ユーザの網膜に画像を直接投影する画像投影装置が搭載される搭載部と、平面形状の撮像面を有し、前記搭載部に搭載された前記画像投影装置から前記撮像面に投影される画像を撮像する撮像素子と、前記画像投影装置によって異なる時間に出射される複数の第１光線が収束する位置に設けられ、前記画像投影装置から前記撮像面に照射される前記複数の第１光線各々を前記撮像面又は前記撮像面の近傍に合焦させる光学系と、前記撮像素子で撮像された画像を検査する検査部と、を備え、前記撮像面の前記搭載部方向に前記網膜があると仮想したときに、前記画像投影装置によって異なる時間に出射されて前記網膜に照射される光線を複数の第２光線とし、前記複数の第１光線各々及び前記複数の第２光線各々は、赤色光、緑色光、及び青色光を含み、前記光学系は、前記撮像素子で撮像される画像の中央部におけるストレール比を端部におけるストレール比よりも高くさせ、前記緑色光からなる前記複数の第１光線が前記撮像面に照射されるときのストレール比と前記緑色光からなる前記複数の第２光線が前記網膜に照射されるときのストレール比との相違を、前記赤色光からなる前記複数の第１光線が前記撮像面に照射されるときのストレール比と前記赤色光からなる前記複数の第２光線が前記網膜に照射されるときのストレール比との相違、及び、前記青色光からなる前記複数の第１光線が前記撮像面に照射されるときのストレール比と前記青色光からなる前記複数の第２光線が前記網膜に照射されるときのストレール比との相違よりも小さくさせる、画像検査装置である。

上記構成において、前記複数の第２光線のうちの前記画像の端近傍における第３光線を前記撮像面に垂直に投影したときの位置を第１位置とし、前記網膜を平面展開して前記網膜の表面を前記撮像面に一致させたときの前記撮像面における前記第３光線の位置を第２位置とした場合に、前記光学系は、前記複数の第１光線のうちの前記第３光線に対応する第４光線が前記撮像面に照射される第３位置を前記第１位置よりも前記第２位置に近づける構成とすることができる。

上記構成において、前記光学系は、前記第３位置を前記第２位置に略一致させる構成とすることができる。

上記構成において、前記光学系は、前記複数の第１光線が前記撮像面に照射される複数の位置の全てを、前記網膜を平面展開して前記網膜の表面を前記撮像面に一致させたときの前記撮像面における前記複数の第２光線の複数の位置のうちの対応する位置に略一致させる構成とすることができる。

上記構成において、前記光学系は、前記複数の第１光線が前記撮像面に照射されるときの前記緑色光に対する前記赤色光及び前記青色光の位置ずれ方向を、前記複数の第２光線が前記網膜に照射されるときの前記緑色光に対する前記赤色光及び前記青色光の位置ずれ方向と同じにさせる構成とすることができる。

上記構成において、前記光学系は、前記複数の第１光線が入射する側から順に並んだ第１凸レンズ、凹レンズ、及び第２凸レンズを含む構成とすることができる。

上記構成において、前記撮像素子の解像度は、前記画像投影装置によって前記撮像面に投影される画像の解像度以上である構成とすることができる。

上記構成において、前記撮像素子の撮像領域は、前記画像投影装置によって前記撮像面に投影される画像の投影領域よりも大きい構成とすることができる。

上記構成において、前記撮像素子が前記画像投影装置によって前記撮像面に投影される画像を撮像する１回の露光時間は、前記画像投影装置によって前記撮像面に投影される画像のフレームレートの逆数よりも長い構成とすることができる。

上記構成において、前記光学系及び前記撮像素子は、前記複数の第１光線が収束する位置を中心に前記画像投影装置に対して回動可能である構成とすることができる。

本発明によれば、網膜に画像を直接投影する画像投影装置により投影される画像を良好に検査することができる。

図１は、実施例１に係る画像検査装置を示す図である。 図２は、画像投影装置の上視図である。 図３は、画像投影装置から撮像素子に照射される光線について説明する図である。 図４は、比較例に係る画像検査装置を示す図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、比較例に係る画像検査装置で生じる課題を説明する図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、実施例１に係る画像検査装置の効果を説明する図である。 図７は、撮像素子の撮像面に照射される光線の位置と、網膜を平面展開したときの撮像面における光線の位置と、の計算結果を示す図である。 図８（ａ）は、緑色レーザ光からなる光線が画像投影装置からユーザの網膜に照射されるときのストレール比の計算結果を示す図、図８（ｂ）は、光学系を介して撮像素子の撮像面に照射されるときのストレール比の計算結果を示す図、図８（ｃ）は、図８（ａ）及び図８（ｂ）の点線でのストレール比である。 図９（ａ）から図９（ｃ）は、赤色、緑色、又は青色レーザ光からなる光線が画像投影装置からユーザの網膜に照射されるときのストレール比の計算結果を示す図、図９（ｄ）から図９（ｆ）は、光学系を介して撮像素子の撮像面に照射されるときのストレール比の計算結果を示す図である。 図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、赤色、緑色、又は青色レーザ光からなる光線が画像投影装置からユーザの網膜に照射されるときのＲＭＳ波面収差の計算結果を示す図、図１０（ｄ）から図１０（ｆ）は、光学系を介して撮像素子の撮像面に照射されるときのＲＭＳ波面収差の計算結果を示す図である。 図１１（ａ）は、ユーザの網膜を平面展開したときの光線の色ずれの計算結果を示す図、図１１（ｂ）は、光学系を介して撮像素子の撮像面に照射される光線の色ずれの計算結果を示す図である。 図１２は、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）のＸ軸上での緑色レーザ光と青色レーザ光との位置ずれ量を示す図である。 図１３（ａ）から図１３（ｄ）は、撮像素子の解像度が画像投影装置で投影される画像の解像度以上であることが好ましい理由を説明する図である。 図１４は、画像投影装置の画像投影領域と撮像素子の撮像領域とを説明する図である。 図１５は、撮像素子の１回の露光時間が画像投影装置によって投影される画像のフレームレートの逆数よりも長いことが好ましい理由を説明する図である。 図１６は、画像投影装置に対する光学系及び撮像部の回動を説明する図である。

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に係る画像検査装置１００を示す図である。図１のように、画像検査装置１００は、搭載部１、光学系１０、撮像部（撮像カメラ）２０、及び制御部３０を備える。撮像部２０は、筐体２２内に設けられた撮像素子２４を有する。撮像素子２４は、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサであるが、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサなど、その他の場合でもよい。光学系１０は、凸レンズ１２、凹レンズ１４、及び凸レンズ１６を含む。凸レンズ１２、凹レンズ１４、及び凸レンズ１６はホルダ１８で保持されている。ホルダ１８は固定部材４０によって撮像部２０に固定されている。

搭載部１は、画像検査装置１００の検査対象である画像投影装置５０を着脱可能に搭載する。画像投影装置５０は、ユーザの眼球の網膜に画像を直接投影する画像投影装置であり、出射する光線７０が光学系１０に入射されるように搭載部１に設置される。光学系１０は、画像投影装置５０から照射される光線７０を撮像素子２４の平面形状をした撮像面２４ａ又は撮像面２４ａ近傍に合焦させる。制御部３０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサである。制御部３０は、専用に設計された回路でもよい。制御部３０は、ＣＰＵなどのプロセッサがプログラムと協働することで、撮像部２０で撮像された画像データを処理して画像の歪、解像度、輝度、パターン形状、ガンマ特性、コントラスト比、アスペクト比、及び色合いなどの画像検査を行う検査部３２として機能する。これらの検査は、一般的に知られている方法を用いることができる。また、制御部３０は、撮像部２０で撮像された画像データ及び／又は検査部３２で検査された検査データを不図示の表示部（例えば液晶ディスプレイ）に表示させてもよい。

ここで、図２を用いて、画像投影装置５０の一例を説明する。図２は、画像投影装置５０の上視図である。画像投影装置５０は、ユーザに画像を視認させるための光線がユーザの網膜に直接照射されるマクスウェル視を利用した網膜投影型ヘッドマウントディスプレイである。マクスウェル視では、画像を形成する光線が二次元方向に走査された走査光を瞳孔近傍で収束させて網膜に画像を投影する。

図２のように、画像投影装置５０は、光源５２、ミラー５４、ミラー５６、走査部（スキャナー）５８、ミラー６０、投射部６２、制御部６４、及び画像入力部６６を備える。光源５２及び走査部５８は、例えばメガネ型フレームのツル４２に配置されている。投射部６２は、例えばメガネ型フレームのレンズ４４に配置されている。制御部６４及び画像入力部６６は、メガネ型フレームのツル４２に設けられていてもよいし、メガネ型フレーム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６６は、図示しないカメラ、録画機器、及び／又は画像検査装置１００などから画像データが入力される。制御部６４は、入力された画像データに基づいて、光源５２からの光線７０の出射を制御するとともに、走査部５８の走査を制御する。光源５２は、制御部６４の制御の下、単一又は複数の波長の光線７０を出射する。光源５２は、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）の可視光線を出射する。赤色、緑色、及び青色レーザ光を出射する光源５２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。

制御部６４は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサである。カメラをユーザの視線方向に向けて画像投影装置５０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ユーザの眼球８０の網膜８２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６４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。

走査部５８は、光源５２から異なる時間に出射された光線７０を水平方向及び垂直方向の二次元方向に走査する。走査部５８は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーであるが、電気化学材料であるタンタル酸ニオブ酸リチウム（ＫＴＮ）結晶など、その他の部品であってもよい。光源５２から出射された光線７０は、ミラー５４及び５６で反射して走査部５８に入射する。

走査部５８で走査された光線７０からなる走査光７２は、ミラー６０によってメガネ型フレームのレンズ４４に向かって反射する。投射部６２がメガネ型フレームのレンズ４４の眼球８０側の面に配置されている。このため、走査光７２は投射部６２に入射する。投射部６２は、自由曲面又は自由曲面と回折面の合成構造をしたハーフミラーである。投射部６２で反射した走査光７２は、眼球８０の瞳孔８６近傍で収束した後に網膜８２の表面に照射される。ユーザは、網膜８２に照射された走査光７２の残像効果によって画像を認識することができると共に、外界像をシースルーで視認することができる。

図３は、画像投影装置５０から撮像素子２４に照射される光線７０について説明する図である。なお、図３では、光線７０の有限の光束径を図示し、その中心部分を破線で図示している。図３のように、走査光７２に含まれ、異なる時間に出射される複数の光線７０は、凸レンズ１２、凹レンズ１４、及び凸レンズ１６を含む光学系１０を経由して撮像素子２４の撮像面２４ａに照射される。複数の光線７０は、光学系１０によって撮像素子２４の平面形状をした撮像面２４ａ又は撮像面２４ａの近傍に合焦する。例えば、光線７０は、凸レンズ１２で略平行光から集束光に変換され、凹レンズ１４で集束光から拡散光に変換され、凸レンズ１６で拡散光から集束光に再度変換されて、撮像面２４ａ又は撮像面２４ａの近傍に合焦する。

凸レンズ１２は、例えば光線７０（走査光７２）が入射する側の面が凸面で、出射する側の面が平面である、平凸レンズである。凹レンズ１４は、例えば光線７０が入射する側及び出射する側の両面が凹面である、両凹レンズである。凸レンズ１６は、例えば光線７０が入射する側の面が平面で、出射する側の面が凸面である、平凸レンズである。凸レンズ１２と凹レンズ１４は例えば接して配置されている。凹レンズ１４と凸レンズ１６は例えば離れて配置されている。なお、凸レンズ１２と凹レンズ１４は、凹レンズ１４と凸レンズ１６との間隔よりも狭い間隔で離れて配置されていてもよい。走査光７２は、凸レンズ１２の光線７０が入射する凸面の中心部で収束する。凸レンズ１２の凸面に入射する際の光線７０の直径は、例えば０．５ｍｍ～１ｍｍ程度である。

凸レンズ１２の凸面から撮像素子２４の撮像面２４ａまでの長さ寸法Ｌは、人の眼球の水晶体の表面から網膜８２の表面までの長さ寸法を眼球の屈折率を勘案して補正した距離に相当し、例えば１６ｍｍ～１７ｍｍ程度である。なお、凸レンズ１２、１６は、光線７０が入射する側及び出射する側の両面が凸面である、両凸レンズの場合でもよい。凹レンズ１４は、光線７０が入射する側及び出射する側の一方の面が凹面で、他方の面が平面である、平凹レンズの場合でもよい。

ここで、比較例に係る画像検査装置５００について説明する。図４は、比較例に係る画像検査装置５００を示す図である。図４のように、比較例の画像検査装置５００は、集光レンズ９０と、被投影部９２と、撮像部（撮像カメラ）９４と、を備える。集光レンズ９０は、画像投影装置５０の投射部６２で反射した光線７０が通過する光路上であって、走査光７２が収束する位置に設けられている。被投影部９２は、集光レンズ９０による光線７０の合焦位置近傍に配置されている。被投影部９２は、集光レンズ９０側が開口した半球面の形状をしていて、光線７０に対して半透明な材料で形成されている。被投影部９２は、光線７０に対して半透明であるため、走査光７２によって投影される画像を表示するとともに、画像を透過させる。

このような構成により、光線７０を集光する集光レンズ９０は、眼球の水晶体とみなすことができる。半球面状の被投影部９２は、眼球の網膜とみなすことができる。すなわち、水晶体に相当する集光レンズ９０と網膜に相当する被投影部９２とで疑似的な眼（ダミーアイ）が構成されている。したがって、被投影部９２の直径は、眼球の一般的な大きさ（例えば２４ｍｍ程度）になっている。

撮像部９４は、撮像素子９６を有する。撮像素子９６は、例えばＣＭＯＳイメージセンサである。撮像部９４は、被投影部９２に対して集光レンズ９０とは反対側に設けられている。撮像部９４は、被投影部９２に投影された画像を撮像する。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、比較例に係る画像検査装置５００で生じる課題を説明する図である。図５（ｂ）では、画像投影装置５０によって投影される画像の中心を原点とする位置座標で表している。座標を示す数値の単位はｍｍである。図５（ａ）のように、撮像部９４で被投影部９２に投影された画像を撮像する場合、撮像部９４は、被投影部９２に照射された光線７０を、光線７０の照射位置から撮像素子９６の撮像面９６ａに垂直に投影した位置である垂直投影位置９７で検出する。しかしながら、人は略球面状の網膜表面を平面に展開して網膜に投影された画像を認識している。このため、被投影部９２に照射された光線７０を撮像素子９６の撮像面９６ａに垂直に投影した垂直投影位置９７で検出する場合では、画像投影装置５０により投影される画像を良好に検査することが難しい。言い換えると、被投影部９２を平面に展開したときの光線７０の位置である平面展開位置９８で光線７０を検出しないと画像投影装置５０により投影される画像を良好に検査することは難しい。

網膜に対応する被投影部９２は半球面状であるため、図５（ｂ）のように、被投影部９２を平面に展開したときの光線７０の位置である平面展開座標（丸印）は、被投影部９２に照射された光線７０を撮像素子９６の撮像面９６ａに垂直に投影した位置である垂直投影座標（三角印）に比べて外側に広がる。例えば、左右方向の視野角が全角で４０°以上となる画像７６が画像投影装置５０によって投影される場合で、画像７６の左右方向の端近傍において、平面展開座標と垂直投影座標との差が大きくなる。なお、上下方向の視野角が大きい画像では、画像の上下方向の端近傍において、平面展開座標と垂直投影座標との差が大きくなる。このように、比較例の画像検査装置５００では、画像投影装置５０によってユーザの網膜に投影される画像を良好に検査することが難しい。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、実施例１に係る画像検査装置１００の効果を説明する図である。図６（ａ）のように、撮像素子２４の撮像面２４ａの搭載部１方向（言い換えると、撮像面２４ａの前方）に網膜８２があると仮想したときに、画像投影装置５０によって異なる時間に出射されて網膜８２に照射される光線を光線７１とする。複数の光線７１のうちの画像７６の端近傍における光線の１つを光線７１ａとし、画像７６の中心に対して光線７１ａと対称な光線を光線７１ｂとする。網膜８２に照射された光線７１ａを撮像面２４ａに垂直に投影した位置を垂直投影位置７３ａとし、網膜８２に照射された光線７１ｂを撮像面２４ａに垂直に投影した位置を垂直投影位置７５ａとする。網膜８２を平面展開して網膜８２の表面を撮像面２４ａに一致させたときの撮像面２４ａにおける光線７１ａの位置を平面展開位置７３ｂとし、光線７１ｂの位置を平面展開位置７５ｂとする。

図６（ｂ）のように、光学系１０を介して撮像素子２４の撮像面２４ａに照射される複数の光線７０のうちの図６（ａ）の光線７１ａに対応する光線７０ａの撮像面２４ａにおける位置を照射位置７８ａとし、光線７１ｂに対応する光線７０ｂの撮像面２４ａにおける位置を照射位置７８ｂとする。このときに、光学系１０を構成する各レンズの曲率などの光学特性及び各レンズ間の距離などを適切に設計することで、照射位置７８ａが垂直投影位置７３ａよりも平面展開位置７３ｂに近づき、照射位置７８ｂが垂直投影位置７５ａよりも平面展開位置７５ｂに近づくようにする。

このように、実施例１では、光学系１０は、複数の光線７０のうち光線７１ａに対応する光線７０ａが撮像面２４ａに照射される照射位置７８ａを、光線７１ａを網膜８２から撮像面２４ａに垂直に投影した垂直投影位置７３ａよりも網膜８２を平面展開したときの平面展開位置７３ｂに近づける光学特性を持つ。これにより、画像投影装置５０によって投影される画像を良好に検査することができる。

また、光学系１０は、照射位置７８ａを垂直投影位置７３ａよりも平面展開位置７３ｂに近づけ、且つ、複数の光線７０のうちの光線７１ｂに対応する光線７０ｂが撮像面２４ａに照射される照射位置７８ｂを、光線７１ｂを網膜８２から撮像面２４ａに垂直に投影した垂直投影位置７５ａよりも網膜８２を平面展開したときの平面展開位置７５ｂに近づける光学特性を持つ。これにより、画像投影装置５０によって投影される画像を良好に検査することができる。

図６（ｂ）では、照射位置７８ａが垂直投影位置７３ａと平面展開位置７３ｂの間に位置する場合を例に示し、照射位置７８ｂが垂直投影位置７５ａと平面展開位置７５ｂの間に位置する場合を例に示したが、この場合に限られない。照射位置７８ａは平面展開位置７３ｂに対して垂直投影位置７３ａとは反対側に位置してもよいし、照射位置７８ｂは平面展開位置７５ｂに対して垂直投影位置７５ａとは反対側に位置してもよい。

画像を良好に検査する点から、照射位置７８ａと平面展開位置７３ｂの中心間隔は、垂直投影位置７３ａと平面展開位置７３ｂの中心間隔の１／２以下が好ましく、１／３以下がより好ましく、１／４以下が更に好ましい。同様に、照射位置７８ｂと平面展開位置７５ｂの中心間隔は、垂直投影位置７５ａと平面展開位置７５ｂの中心間隔の１／２以下が好ましく、１／３以下がより好ましく、１／４以下が更に好ましい。

図７は、撮像素子２４の撮像面２４ａに照射される光線７０の位置と、網膜８２を平面展開したときの撮像面２４ａにおける光線７１の位置と、の計算結果を示す図である。図７では、画像投影装置５０によって投影される画像の中心を原点とする位置座標で表している。座標を示す数値の単位はｍｍである。また、図７は、凸レンズ１２、凹レンズ１４、及び凸レンズ１６として表１の仕様のものを用いた場合の計算結果である（なお、以下で示す図８～図１２においても同じ仕様のレンズを用いた計算結果である）。

表１のように、凸レンズ１２は、入射面の曲率半径を７．７３ｍｍ、出射面の曲率半径を無限大、中心の厚みを１．６ｍｍ、硝材をオハラ社製のＳ－ＬＡＬ８、屈折率を１．７１３、アッベ数を５３．８７とした。凹レンズ１４は、入射面の曲率半径を－１２．０８ｍｍ、出射面の曲率半径を１１．２１ｍｍ、中心の厚みを１．０ｍｍ、硝材をオハラ社製のＳ－ＴＩＨ１０、屈折率を１．７２８、アッベ数を２８．４６とした。凸レンズ１６は、入射面の曲率半径を無限大、出射面の曲率半径を－８．４３ｍｍ、中心の厚みを１．４ｍｍ、硝材をオハラ社製のＳ－ＬＡＭ６１、屈折率を１．７２０、アッベ数を４６．０２とした。また、凸レンズ１２と凹レンズ１４の中心での間隔を０．３９ｍｍとし、凹レンズ１４と凸レンズ１６の中心での間隔を２．７６ｍｍとし、凸レンズ１６の中心と撮像面２４ａの間隔を１４．７９ｍｍとした。

図７のように、光学系１０を構成する各レンズの曲率などの光学特性及び各レンズ間の距離を適切に設計することで、画像投影装置５０によって投影される画像７６の全体にわたって、光線７０が撮像面２４ａに照射される位置である照射位置座標（菱形印）と、網膜８２を平面展開したときの撮像面２４ａにおける光線７１の位置である平面展開座標（丸印）と、が略一致している。なお、略一致とは、光線７０の撮像面２４ａでのスポット領域のうちの５０％以上の領域が、網膜８２を平面展開したときの撮像面２４ａにおける光線７１のスポット領域と重なっている場合である。

このように、光学系１０は、光線７０ａが撮像面２４ａに照射される照射位置７８ａが網膜８２を平面展開して網膜８２の表面を撮像面２４ａに一致させたときの撮像面２４ａにおける光線７１ａの平面展開位置７３ｂに略一致させる光学特性を持つことが好ましい。また、光学系１０は、光線７０ｂが撮像面２４ａに照射される照射位置７８ｂが網膜８２を平面展開して網膜８２の表面を撮像面２４ａに一致させたときの撮像面２４ａにおける光線７１ｂの平面展開位置７５ｂに略一致させる光学特性を持つことが好ましい。これにより、画像投影装置５０によって投影される画像をより良好に検査することができる。

また、光学系１０は、複数の光線７０が撮像面２４ａに照射される複数の照射位置の全てを、網膜８２を平面展開して網膜８２の表面を撮像面２４ａに一致させたときの撮像面２４ａにおける複数の光線７１の複数の平面展開位置のうち対応する平面展開位置に略一致させる光学特性を持つことが好ましい。これにより、画像投影装置５０によって投影される画像を更に良好に検査することができる。なお、複数の光線７０が撮像面２４ａに照射される複数の照射位置の８０％以上が、網膜８２を平面展開したときの撮像面２４ａにおける複数の光線７１の複数の平面展開位置のうちの対応する平面展開位置に略一致している場合でもよい。複数の光線７０が撮像面２４ａに照射される複数の照射位置の９０％以上が、網膜８２を平面展開したときの撮像面２４ａにおける複数の光線７１の複数の平面展開位置のうちの対応する平面展開位置に略一致している場合でもよい。

画像を良好に検査する点から、複数の光線７０の撮像面２４ａのスポット領域のうちの７０％以上の領域が、網膜８２を平面展開したときの撮像面２４ａにおける光線７１のスポット領域と重なることが好ましく、８０％以上の領域が重なることがより好ましく、９０％以上の領域が重なることが更に好ましい。

また、画像検査装置１００では、光学系１０を構成する各レンズの曲率などの光学特性及び各レンズ間の距離を適切に設計して、画像投影装置５０によって撮像素子２４の撮像面２４ａに投影される画像の収差を、画像投影装置５０によってユーザの網膜８２に投影される画像の収差に近づけるようにしている。このことについて説明する。図８（ａ）は、緑色レーザ光からなる光線７１が画像投影装置５０からユーザの網膜８２に照射されるときのストレール比の計算結果を示す図である。図８（ｂ）は、緑色レーザ光からなる光線７０が画像投影装置５０から光学系１０を介して撮像素子２４の撮像面２４ａに照射されるときのストレール比の計算結果を示す図である。ここで、ストレール比とは、照射されたレーザの強度分布の最大強度比のことであり、ストレール比をＳ、波長をλ、波面収差のＲＭＳ（二乗平均平方根）値をＷとすると、Ｓ=１－（２π／λ）^２×Ｗ^２で算出される。図８（ｃ）は、図８（ａ）及び図８（ｂ）の点線でのストレール比である。図８（ａ）及び図８（ｂ）では、画像投影装置５０によって投影される画像の中心を原点とした走査部の走査角度で表している。座標軸は走査角の角度（°）である。

図８（ａ）から図８（ｃ）のように、光学系１０を構成する各レンズの曲率などの光学特性及び各レンズ間の距離を適切に設計して、緑色レーザ光（波長：５２０ｎｍ）が撮像素子２４の撮像面２４ａに照射されるときのストレール比を、緑色レーザ光が網膜８２に照射されるときのストレール比に略一致させている。すなわち、画像の中央部におけるストレール比は高く、周辺部におけるストレール比は低い傾向を、光学系１０を適切に設計することで、撮像素子２４の撮像面２４ａで再現している。

図９（ａ）から図９（ｃ）は、赤色、緑色、又は青色レーザ光からなる光線７１が画像投影装置５０からユーザの網膜８２に照射されるときのストレール比の計算結果を示す図である。図９（ｄ）から図９（ｆ）は、赤色、緑色、又は青色レーザ光からなる光線７０が画像投影装置５０から光学系１０を介して撮像素子２４の撮像面２４ａに照射されるときのストレール比の計算結果を示す図である。図９（ａ）から図９（ｆ）では、画像投影装置５０によって投影される画像の中心を原点とした走査部の走査角度で表している。座標軸は走査角の角度（°）である。

図９（ｂ）及び図９（ｅ）のように、光学系１０を構成する各レンズの曲率などの光学特性及び各レンズ間の距離を適切に設計して、緑色レーザ光が撮像素子２４の撮像面２４ａに照射されるときのストレール比を、緑色レーザ光が網膜８２に照射されるときのストレール比に略一致させている。

緑色レーザ光におけるストレール比を撮像面２４ａと網膜８２で略一致させることで、図９（ａ）及び図９（ｄ）のように、青色レーザ光（波長：４５０ｎｍ）が撮像面２４ａに照射されるときのストレール比は、青色レーザ光が網膜８２に照射されるときのストレール比と同じ傾向を示している。すなわち、画像の中央部におけるストレール比は高く、周辺部におけるストレール比は低い傾向が、撮像面２４ａで再現されている。同様に、図９（ｃ）及び図９（ｆ）のように、赤色レーザ光（波長：６４０ｎｍ）が撮像面２４ａに照射されるときのストレール比は、赤色レーザ光が網膜８２に照射されるときのストレール比と同じ傾向を示している。すなわち、画像の中央部におけるストレール比は高く、周辺部におけるストレール比は低い傾向が、撮像面２４ａで再現されている。

図９（ｄ）から図９（ｆ）のように、光学系１０は、撮像素子２４で撮像される画像の中央部におけるストレール比を端部におけるストレール比よりも高くさせる光学特性を持つことが好ましい。これにより、画像投影装置５０によって投影される画像を良好に検査することができる。

また、光学系１０は、緑色レーザ光が撮像面２４ａに照射されるときのストレール比と緑色レーザ光が網膜８２に照射されるときのストレール比との相違を、青色レーザ光が撮像面２４ａに照射されるときのストレール比と青色レーザ光が網膜８２に照射されるときのストレール比との相違よりも小さくさせる光学特性を持つことが好ましい。また、光学系１０は、緑色レーザ光が撮像面２４ａに照射されるときのストレール比と緑色レーザ光が網膜８２に照射されるときのストレール比との相違を、赤色レーザ光が撮像面２４ａに照射されるときのストレール比と赤色レーザ光が網膜８２に照射されるときのストレール比との相違よりも小さくさせる光学特性を持つことが好ましい。緑色レーザ光の波長帯域は、青色レーザ光の波長帯域と赤色レーザ光の波長帯域の間に位置する。したがって、緑色レーザ光での撮像面２４ａにおけるストレール比と網膜８２におけるストレール比との相違を小さくすることで、青色及び赤色レーザ光での撮像面２４ａにおけるストレール比と網膜８２におけるストレール比との相違を小さくすることができる。よって、画像投影装置５０によって投影される画像を良好に検査することができる。

図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、赤色、緑色、又は青色レーザ光からなる光線７１が画像投影装置５０からユーザの網膜８２に照射されるときのＲＭＳ波面収差の計算結果を示す図である。図１０（ｄ）から図１０（ｆ）は、赤色、緑色、又は青色レーザ光からなる光線７０が画像投影装置５０から光学系１０を介して撮像素子２４の撮像面２４ａに照射されるときのＲＭＳ波面収差の計算結果を示す図である。図１０（ａ）から図１０（ｆ）では、画像投影装置５０によって投影される画像の中心を原点とした走査部の走査角度で表している。座標軸は走査角の角度（°）である。

図１０（ｂ）及び図１０（ｅ）のように、光学系１０を構成する各レンズの曲率などの光学特性及び各レンズ間の距離を適切に設計することで、緑色レーザ光（波長：５２０ｎｍ）が撮像素子２４の撮像面２４ａに照射されるときのＲＭＳ波面収差を、緑色レーザ光が網膜８２に照射されるときのＲＭＳ波面収差に略一致させている。すなわち、画像の中央部におけるＲＭＳ値は小さく、周辺部におけるＲＭＳ値は大きい傾向を、撮像素子２４の撮像面２４ａで再現している。

緑色レーザ光でのＲＭＳ波面収差を撮像面２４ａと網膜８２で略一致させることで、図１０（ａ）及び図１０（ｄ）のように、青色レーザ光（波長：４５０ｎｍ）が撮像面２４ａに照射されるときのＲＭＳ値は、青色レーザ光が網膜８２に照射されるときのＲＭＳ値と同じ傾向を示している。すなわち、画像の中央部におけるＲＭＳ値は小さく、周辺部におけるＲＭＳ値は大きい傾向が、撮像面２４ａで再現されている。同様に、図１０（ｃ）及び図１０（ｆ）のように、赤色レーザ光（波長：６４０ｎｍ）が撮像面２４ａに照射されるときのＲＭＳ値は、赤色レーザ光が網膜８２に照射されるときのＲＭＳ値と同じ傾向を示している。すなわち、画像の中央部におけるＲＭＳ値は小さく、周辺部におけるＲＭＳ値は大きい傾向が、撮像面２４ａで再現されている。

図１０（ｄ）から図１０（ｆ）のように、光学系１０は、撮像素子２４で撮像される画像の中央部におけるＲＭＳ波面収差を端部におけるＲＭＳ波面収差よりも小さくさせる光学特性を有してもよい。

次に、画像投影装置５０によって撮像素子２４の撮像面２４ａに照射される複数の光線７０それぞれの色ずれについて説明する。図１１（ａ）は、ユーザの網膜８２を平面展開したときの光線７１の色ずれの計算結果を示す図、図１１（ｂ）は、光学系１０を介して撮像素子２４の撮像面２４ａに照射される光線７０の色ずれの計算結果を示す図である。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）では、画像投影装置５０により投影される画像の中心を原点とした走査部の走査角度で表している。座標軸は走査角の角度（°）である。

図１１（ａ）及び図１１（ｂ）のように、光学系１０を構成する各レンズの曲率などの光学特性及び各レンズ間の距離を適切に設計することで、画像投影装置５０から網膜８２に照射される複数の光線７１と画像投影装置５０から撮像素子２４の撮像面２４ａに照射される複数の光線７０とで、対応する光線の赤色レーザ光Ｒ、緑色レーザ光Ｇ、及び青色レーザ光Ｂの位置ずれの傾向を一致させている。すなわち、網膜８２に照射される複数の光線７１は、原点から離れるに連れて、赤色レーザ光Ｒは緑色レーザ光Ｇに対して外側に位置がずれ、青色レーザ光Ｂは緑色レーザ光Ｇに対して内側に位置がずれているが、この傾向が撮像素子２４の撮像面２４ａで再現されている。

図１２は、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）のＸ軸上での緑色レーザ光と青色レーザ光との位置ずれ量を示す図である。図１２において、撮像素子２４の撮像面２４ａに照射される緑色レーザ光Ｇと青色レーザ光Ｂの位置ずれ量を太線で、網膜８２に照射される緑色レーザ光Ｇと青色レーザ光Ｂの位置ずれ量を細線で示している。また、それぞれの位置ずれ量の差を破線で示している。なお、緑色レーザ光Ｇと青色レーザ光Ｂの位置ずれ量とは、緑色レーザ光Ｇの中心位置と青色レーザ光Ｂの中心位置との差である。

図１２のように、原点から離れるに従って、撮像素子２４の撮像面２４ａでの緑色レーザ光と青色レーザ光の位置ずれ量と網膜８２での緑色レーザ光と青色レーザ光の位置ずれ量との差が大きくなっている。走査角度が１０°の位置では、撮像素子２４の撮像面２４ａでの緑色レーザ光と青色レーザ光の位置ずれ量と網膜８２での緑色レーザ光と青色レーザ光の位置ずれ量との差は６μｍ程度となっている。

表２は、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）の点Ａから点Ｅでの、撮像素子２４の撮像面２４ａに照射される緑色レーザ光と青色レーザ光の位置ずれ量と網膜８２に照射される緑色レーザ光と青色レーザ光の位置ずれ量との差を示している。また、表２は、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）の点Ａから点Ｅでの、撮像素子２４の撮像面２４ａに照射される赤色レーザ光と緑色レーザ光の位置ずれ量と網膜８２に照射される赤色レーザ光と緑色レーザ光の位置ずれ量との差を示している。

表２のように、撮像素子２４の撮像面２４ａでの緑色レーザ光と青色レーザ光の位置ずれ量と網膜８２での緑色レーザ光と青色レーザ光の位置ずれ量との差は１２．３２μｍ以下で、概ね１３μｍ以下になっている。同様に、撮像素子２４の撮像面２４ａでの赤色レーザ光と緑色レーザ光の位置ずれ量と網膜８２での赤色レーザ光と緑色レーザ光の位置ずれ量との差は１２．３２μｍ以下で、概ね１３μｍ以下になっている。例えば、画像投影装置５０からユーザの眼球８０の角膜に入射するときの光線の直径が０．５ｍｍ程度である場合、網膜８２でのスポット径は４０μｍ程度となる。このため、投影画像の周辺での位置ずれ量の差が１３μｍ程度あったとしても、画像投影装置５０によって投影される画像の品質を検査する上での影響は小さい。

図１１（ａ）及び図１１（ｂ）のように、光学系１０は、複数の光線７０が撮像素子２４の撮像面２４ａに照射されるときの緑色レーザ光に対する赤色レーザ光及び青色レーザ光の位置ずれ方向が、複数の光線７１がユーザの網膜８２に照射されるときの緑色レーザ光に対する赤色レーザ光及び青色レーザ光の位置ずれ方向と同じになるようにする光学特性を持つことが好ましい。これにより、画像投影装置５０によって投影される画像を良好に検査することができる。

図３のように、光学系１０は、走査光７２が入射される側から順に並んだ凸レンズ１２、凹レンズ１４、及び凸レンズ１６を含む場合を例に示したが、その他の場合でもよい。光学系１０が凸レンズ１２、凹レンズ１４、及び凸レンズ１６の３つのレンズからなる場合、光学系１０の構成を簡素化することができる。走査光７２は、凸レンズ１２の凸面で集束する場合を例に示したが、その他の場合でもよい。光学系１０が走査光７２の収束位置に設けられていればよい。

撮像素子２４の解像度は、画像投影装置５０により投影される画像の解像度以上であることが好ましい。図１３（ａ）から図１３（ｄ）は、撮像素子２４の解像度が画像投影装置５０により投影される画像の解像度以上であることが好ましい理由を説明する図である。図１３（ａ）は、画像投影装置５０によって撮像素子２４の撮像面２４ａに投影される画像を示す図、図１３（ｂ）から図１３（ｄ）は、撮像素子２４で撮像される画像を示す図である。なお、図１３（ａ）から図１３（ｄ）では、画像投影装置５０により投影される白黒画像の彩度（濃淡）をハッチングの濃さで表している。

図１３（ａ）のように、画像投影装置５０による画像投影領域６８内に黒パターン４６の画像が投影されている。黒パターン４６の間は画像投影装置５０から光線７０が照射されずにパターンが投影されていない領域である。図１３（ｂ）のように、撮像素子２４の解像度が画像投影装置５０によって投影される画像の解像度よりも低い場合、黒パターン４６の一部が周期的に撮像されないこと及び黒パターン４６の彩度（濃淡）が正確に反映されていない黒パターン４６ａが撮像されてしまうことが生じる。図１３（ｃ）のように、撮像素子２４の解像度が画像投影装置５０によって投影される画像の解像度と同等である場合、黒パターン４６の一部が撮像されないことが抑制される。図１３（ｄ）のように、撮像素子２４の解像度が画像投影装置５０によって投影される画像の解像度の２倍である場合、黒パターン４６の彩度（濃淡）をより正確に反映して撮像することができる。

このように、撮像素子２４の解像度を画像投影装置５０によって投影される画像の解像度以上とすることで、画像投影装置５０によって投影される画像の一部を撮像素子２４で撮像できないことを抑制できる。画像投影装置５０によって投影される画像の濃淡をより正確に反映させて撮像する点から、撮像素子２４の解像度は画像投影装置５０によって投影される画像の解像度の２倍以上であることが好ましく、３倍以上であることがより好ましく、４倍以上であることが更に好ましい。

図１４は、画像投影装置５０の画像投影領域６８と撮像素子２４の撮像領域２６とを説明する図である。図１４のように、画像投影装置５０によって投影される画像を撮像素子２４で撮像するために、撮像素子２４の撮像領域２６は、画像投影装置５０の画像投影領域６８よりも大きいことが好ましい。例えば、撮像領域２６の縦辺の長さは画像投影領域６８の縦辺の長さの１．２倍以上が好ましく、１．５倍以上がより好ましく、１．８倍以上が更に好ましい。同様に、撮像領域２６の横辺の長さは画像投影領域６８の横辺の長さの１．２倍以上が好ましく、１．５倍以上がより好ましく、１．８倍以上が更に好ましい。

撮像素子２４は、画像投影装置５０によって投影される画像を１又は複数回の連続した露光時間で撮像し、１回の連続した露光時間が画像投影装置５０によって投影される画像のフレームレートの逆数よりも長いことが好ましい。例えば、撮像素子２４の１回の連続した露光時間は、画像投影装置５０によって投影される画像のフレームレートが６０ｆｐｓである場合は１／６０秒より長く、画像のフレームレートが３０ｆｐｓである場合は１／３０秒より長い場合が好ましい。

図１５は、撮像素子２４の１回の露光時間が画像投影装置５０によって投影される画像のフレームレートの逆数よりも長いことが好ましい理由を説明する図である。図１５のように、撮像素子２４の１回の露光時間Ａが画像投影装置５０で投影される画像のフレームレートの逆数よりも短い場合、画像全体を撮像できないことが生じる。一方、撮像素子２４の１回の露光時間Ｂを画像投影装置５０で投影される画像のフレームレートの逆数よりも長くすることで、投影される画像の途中から撮像を開始して途中で撮像が終わって画像全体が撮像されないことを抑制できる。画像投影装置５０で投影される画像全体を撮像する点から、撮像素子２４の１回の露光時間は、画像投影装置５０で投影される画像のフレームレートの逆数の２倍以上である場合が好ましく、可能な限り長い場合がより好ましい。

なお、画像投影装置５０と、画像検査装置１００の制御部３０と、を有線や無線での通信手段などで接続することによって、画像投影装置５０による画像の投影タイミングと撮像素子２４による撮像タイミング（水平同期、垂直同期など）とを同期させることで、画像投影装置５０で投影される画像を撮像素子２４で撮像してもよい。この場合、画像投影タイミングと撮像タイミングを同期させているため、撮像素子２４によって１フレーム分、または複数フレームの画像を撮像することができる。

図１６は、画像投影装置５０に対する光学系１０及び撮像部２０の回動を説明する図である。図１６のように、画像投影装置５０の投射部６２から投射される走査光７２の収束点７４（実施例１では凸レンズ１２の光線７０が入射する凸面の部分）を中心に、光学系１０及び撮像部２０が画像投影装置５０に対して回動可能となっていてもよい。光学系１０及び撮像部２０の画像投影装置５０に対する回動は、左右方向の回動、上下方向の回動、又は上下左右方向の回動であってもよい。ユーザは、画像投影装置５０によって網膜に投影される画像の周辺部分を見る場合、視線を移動して画像の周辺部分を見る。したがって、ユーザの視線が移動したときの画像を良好に検査するために、光学系１０及び撮像部２０は、画像投影装置５０から照射される走査光７２が収束する位置を中心に画像投影装置５０に対して回動可能であることが好ましい。

光学系１０及び撮像部２０の画像投影装置５０に対する相対的な回動は、光学系１０及び撮像部２０をステージ４８上に載せ、このステージ４８を回転させることで行われてもよいし、その他の方法で行われてもよい。光学系１０及び撮像部２０の回動は、検査者がステージ４８を手動で動かすことで行ってもよいし、検査者が制御部３０に指示を与えて制御部３０がステージ４８を動かすことで行ってもよい。

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。

１ 搭載部
１０ 光学系
１２、１６ 凸レンズ
１４ 凹レンズ
２０ 撮像部
２２ 筐体
２４ 撮像素子
２４ａ 撮像面
２６ 撮像領域
３０ 制御部
３２ 検査部
４６、４６ａ 黒パターン
４８ ステージ
５０ 画像投影装置
５２ 光源
５８ 走査部
６２ 投射部
６４ 制御部
６６ 画像入力部
６８ 画像投影領域
７０、７０ａ、７０ｂ、７１、７１ａ、７１ｂ 光線
７２ 走査光
７３ａ、７５ａ 垂直投影位置
７４ 収束点
７３ｂ、７５ｂ 平面展開位置
７６ 画像
７８ａ、７８ｂ 照射位置
８０ 眼球
８２ 網膜
８６ 瞳孔
１００ 画像検査装置

Claims (10)

1. ユーザの網膜に画像を直接投影する画像投影装置が搭載される搭載部と、
   平面形状の撮像面を有し、前記搭載部に搭載された前記画像投影装置から前記撮像面に投影される画像を撮像する撮像素子と、
   前記画像投影装置によって異なる時間に出射される複数の第１光線が収束する位置に設けられ、前記画像投影装置から前記撮像面に照射される前記複数の第１光線各々を前記撮像面又は前記撮像面の近傍に合焦させる光学系と、
   前記撮像素子で撮像された画像を検査する検査部と、を備え、
   前記撮像面の前記搭載部方向に前記網膜があると仮想したときに、前記画像投影装置によって異なる時間に出射されて前記網膜に照射される光線を複数の第２光線とし、
   前記複数の第１光線各々及び前記複数の第２光線各々は、赤色光、緑色光、及び青色光を含み、
   前記光学系は、前記撮像素子で撮像される画像の中央部におけるストレール比を端部におけるストレール比よりも高くさせ、前記緑色光からなる前記複数の第１光線が前記撮像面に照射されるときのストレール比と前記緑色光からなる前記複数の第２光線が前記網膜に照射されるときのストレール比との相違を、前記赤色光からなる前記複数の第１光線が前記撮像面に照射されるときのストレール比と前記赤色光からなる前記複数の第２光線が前記網膜に照射されるときのストレール比との相違、及び、前記青色光からなる前記複数の第１光線が前記撮像面に照射されるときのストレール比と前記青色光からなる前記複数の第２光線が前記網膜に照射されるときのストレール比との相違よりも小さくさせる、画像検査装置。
2. 前記複数の第２光線のうちの前記画像の端近傍における第３光線を前記撮像面に垂直に投影したときの位置を第１位置とし、前記網膜を平面展開して前記網膜の表面を前記撮像面に一致させたときの前記撮像面における前記第３光線の位置を第２位置とした場合に、
   前記光学系は、前記複数の第１光線のうちの前記第３光線に対応する第４光線が前記撮像面に照射される第３位置を前記第１位置よりも前記第２位置に近づける、請求項１記載の画像検査装置。
3. 前記光学系は、前記第３位置を前記第２位置に略一致させる、請求項２記載の画像検査装置。
4. 前記光学系は、前記複数の第１光線が前記撮像面に照射される複数の位置の全てを、前記網膜を平面展開して前記網膜の表面を前記撮像面に一致させたときの前記撮像面における前記複数の第２光線の複数の位置のうちの対応する位置に略一致させる、請求項２または３記載の画像検査装置。
5. 前記光学系は、前記複数の第１光線が前記撮像面に照射されるときの前記緑色光に対する前記赤色光及び前記青色光の位置ずれ方向を、前記複数の第２光線が前記網膜に照射されるときの前記緑色光に対する前記赤色光及び前記青色光の位置ずれ方向と同じにさせる、請求項１から４のいずれか一項記載の画像検査装置。
6. 前記光学系は、前記複数の第１光線が入射する側から順に並んだ第１凸レンズ、凹レンズ、及び第２凸レンズを含む、請求項１から５のいずれか一項記載の画像検査装置。
7. 前記撮像素子の解像度は、前記画像投影装置によって前記撮像面に投影される画像の解像度以上である、請求項１から６のいずれか一項記載の画像検査装置。
8. 前記撮像素子の撮像領域は、前記画像投影装置によって前記撮像面に投影される画像の投影領域よりも大きい、請求項１から７のいずれか一項記載の画像検査装置。
9. 前記撮像素子が前記画像投影装置によって前記撮像面に投影される画像を撮像する１回の露光時間は、前記画像投影装置によって前記撮像面に投影される画像のフレームレートの逆数よりも長い、請求項１から８のいずれか一項記載の画像検査装置。
10. 前記光学系及び前記撮像素子は、前記複数の第１光線が収束する位置を中心に前記画像投影装置に対して回動可能である、請求項１から９のいずれか一項記載の画像検査装置。

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