JP7484348B2 - Optical device, image display device, and optometry device - Google Patents

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Description

本発明は、光学装置、映像表示装置、及び検眼装置に関する。 The present invention relates to an optical device, an image display device, and an optometry device.

近年、仮想現実(VR)、拡張現実(AR)に関わる技術・製品が注目されている。特にAR技術は、付加価値となるデジタル情報を現実空間に表示する手段として、産業分野への応用が期待され、行動(作業)環境下で利用可能なヘッドマウントディスプレイ(HMD;Head Mounted Display)が開発されている。 In recent years, technologies and products related to virtual reality (VR) and augmented reality (AR) have been attracting attention. AR technology in particular is expected to be applied to the industrial sector as a means of displaying added-value digital information in real space, and head-mounted displays (HMDs) that can be used in active (working) environments have been developed.

HMDでは、映像と現実空間にある対象物等の像を並行して視認させる透過型(シースルー)のものが主流となっている。部分反射膜やイメージガイド構造を介して眼前に虚像映像を表示するものや、部分反射膜などを介して網膜上に直接映像を描画する網膜描画方式のものが市場に出始めている。 The mainstream HMDs are see-through types that allow users to view both the image and the image of objects in real space at the same time. Types that display a virtual image in front of the eyes via a partially reflective film or image guide structure, as well as retinal imaging types that directly image the image on the retina via a partially reflective film, are beginning to appear on the market.

また、走査された光を、光学部品を介してユーザの眼球の網膜に投影し、投影される光による映像をユーザに視認させる装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 Also disclosed is a device that projects scanned light onto the retina of a user's eyeball via an optical component, allowing the user to view an image produced by the projected light (see, for example, Patent Document 1).

しかしながら、特許文献1の装置では、投影される光による映像、及び現実空間を適切に視認させられない場合があった。 However, with the device of Patent Document 1, there were cases where the image produced by the projected light and the real space could not be properly viewed.

開示の技術は、投影される光による映像、及び現実空間の視認性を向上させることを課題とする。 The disclosed technology aims to improve the visibility of images produced by projected light and real space.

開示の技術の一態様に係る光学装置は、所定の偏光状態の光である走査光を投影する投影部を備え、前記投影部は、前記所定の偏光状態の光を選択的に反射させる光学部材を含み、前記光学部材は、前記光を、投影される面に向けて反射し、且つ集光させる第1の反射型液晶光学素子であり、前記第1の反射型液晶光学素子は、素子面内に少なくとも2つ以上の集光作用の大きさが異なる領域を含む
An optical device according to one aspect of the disclosed technology includes a projection unit that projects scanning light, which is light of a predetermined polarization state, and the projection unit includes an optical element that selectively reflects the light of the predetermined polarization state, and the optical element is a first reflective liquid crystal optical element that reflects and focuses the light toward a surface onto which it is projected, and the first reflective liquid crystal optical element includes at least two or more regions within the element surface having different magnitudes of focusing action.

開示の技術によれば、投影される光による映像を適切に視認させることができる。 The disclosed technology allows images projected by light to be properly viewed.

第1の実施形態に係る映像表示装置の構成例を示す図である。1 is a diagram showing an example of the configuration of a video display device according to a first embodiment; 実施形態に係る走査ミラーの構成例を示す図である。3A and 3B are diagrams illustrating an example of the configuration of a scanning mirror according to the embodiment. 実施形態に係る制御部のハードウェア構成例を示すブロック図である。2 is a block diagram showing an example of a hardware configuration of a control unit according to the embodiment; FIG. 実施形態に係る制御部の機能構成例を示すブロック図である。4 is a block diagram showing an example of a functional configuration of a control unit according to the embodiment; FIG. 実施形態に係る反射型液晶光学素子の構成例を示す図である。1 is a diagram showing an example of the configuration of a reflective liquid crystal optical element according to an embodiment; 実施形態に係る反射型液晶光学素子の作用例を示す図である。1A to 1C are diagrams illustrating an example of the operation of a reflective liquid crystal optical element according to an embodiment. 第1の実施形態に係る映像表示装置の動作例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the operation of the image display device according to the first embodiment. 第2の実施形態に係る映像表示装置の構成例を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an example of the configuration of a video display device according to a second embodiment. 比較例に係る映像表示装置の作用を示す図である。11A and 11B are diagrams illustrating the operation of an image display device according to a comparative example. 第2の実施形態に係る映像表示装置の作用例を示す図である。13A and 13B are diagrams illustrating an example of the operation of the image display device according to the second embodiment.

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Below, a description of the embodiment of the invention will be given with reference to the drawings. In each drawing, the same components are given the same reference numerals, and duplicated explanations may be omitted.

実施形態では、光学部材により所定の偏光状態の走査光を選択的に反射させて、走査光による映像を投影する。走査光による映像は、高い効率で選択的に反射されるため、損失が少なく投影される。一方、所定の偏光状態以外の光を多く含む現実空間にある対象物等からの光は、当該光学部材を高い効率で透過する。これにより、走査光が投影される面では、映像と現実空間にある対象物等の像が、ともに明るく視認される。 In the embodiment, the scanning light of a predetermined polarization state is selectively reflected by the optical element to project an image based on the scanning light. The image based on the scanning light is selectively reflected with high efficiency, and is therefore projected with little loss. On the other hand, light from an object in real space that contains a large amount of light other than the predetermined polarization state is transmitted through the optical element with high efficiency. As a result, on the surface onto which the scanning light is projected, both the image and the image of the object in real space are visually recognized as bright.

実施形態では、光学装置を備えた映像表示装置を例に説明する。また、映像表示装置として、ウェアラブル端末であって、マクスウェル視を利用してユーザの網膜上に直接画像又は映像を投影する網膜投影方式のヘッドマウントディスプレイ(HMD;Head Mounted Display)を例に説明する。 In the embodiment, an image display device equipped with an optical device will be described as an example. In addition, as an image display device, a retinal projection type head mounted display (HMD) that is a wearable terminal and projects an image or video directly onto the user's retina using Maxwellian vision will be described as an example.

なお、実施形態では、ユーザの左目の眼球に映像を表示する映像表示装置を例に説明するが、この映像表示装置は右目の眼球にも適用できる。また、映像表示装置を2つ備え、両目の眼球にも適用可能である。 In the embodiment, an image display device that displays an image on the user's left eyeball is described as an example, but this image display device can also be applied to the right eyeball. In addition, two image display devices can be provided and the device can be applied to both eyeballs.

実施形態の説明において、画像は静止画と同義であり、映像は動画と同義である。またレーザ光線とレーザビームは同義である。レーザ光線は、「光」の一例である。 In the description of the embodiments, an image is synonymous with a still image, and a video is synonymous with a moving image. A laser beam is synonymous with a laser beam. A laser beam is an example of "light."

[第1の実施形態]
<映像表示装置100の構成>
第1の実施形態に係る映像表示装置100の構成について、図1を参照して説明する。図1は、映像表示装置100の構成の一例を示す図である。
[First embodiment]
<Configuration of image display device 100>
The configuration of an image display device 100 according to the first embodiment will be described with reference to Fig. 1. Fig. 1 is a diagram showing an example of the configuration of the image display device 100.

図1に示すように、映像表示装置100は、レーザ光源1と、レンズ2と、開口部材301と、減光素子302と、偏光子41と、1/4波長板42と、走査ミラー5と、反射ミラー6と、反射型液晶光学素子7とを備える。また、映像表示装置100は、メガネフレーム8と、制御部20とを備える。 As shown in FIG. 1, the image display device 100 includes a laser light source 1, a lens 2, an aperture member 301, a dimming element 302, a polarizer 41, a quarter-wave plate 42, a scanning mirror 5, a reflecting mirror 6, and a reflective liquid crystal optical element 7. The image display device 100 also includes a glasses frame 8 and a control unit 20.

メガネフレーム8は、ツル81及びリム82を含み、リム82にはメガネレンズ(図示を省略)が保持されている。レンズ2、開口部材301、減光素子302、偏光子41、1/4波長板42、走査ミラー5、及び反射ミラー6は、ツル81の内部に設けられている。また、反射型液晶光学素子7は、リム82に保持されたメガネレンズ8cの表面に設けられている。ユーザは、メガネフレーム8を耳にかけることで、映像表示装置100を頭部に装着できる。 The eyeglass frame 8 includes temples 81 and rims 82, and the rims 82 hold eyeglass lenses (not shown). The lens 2, aperture member 301, dimming element 302, polarizer 41, quarter-wave plate 42, scanning mirror 5, and reflecting mirror 6 are provided inside the temples 81. The reflective liquid crystal optical element 7 is provided on the surface of the eyeglass lens 8c held by the rims 82. The user can wear the image display device 100 on the head by placing the eyeglass frame 8 on the ears.

レーザ光源1は、単一又は複数の波長のレーザ光線を射出する半導体レーザである。レーザ光源1は、制御部20からの駆動信号に応答して時間変調されたレーザ光線を射出する。モノクロの映像を描画する場合には、単一波長のレーザ光線を射出するレーザ光源が用いられ、カラーの映像を描画する場合には、複数の波長のレーザ光線を射出するレーザ光源が用いられる。ここで、レーザ光源1は、「光源」の一例である。 The laser light source 1 is a semiconductor laser that emits a laser beam of a single or multiple wavelengths. The laser light source 1 emits a time-modulated laser beam in response to a drive signal from the control unit 20. When drawing a monochrome image, a laser light source that emits a laser beam of a single wavelength is used, and when drawing a color image, a laser light source that emits laser beams of multiple wavelengths is used. Here, the laser light source 1 is an example of a "light source".

開口部材301は、光を通過させる開口を備え、入射するレーザ光線の一部を通過させ、残りを遮蔽することで、レーザ光線を所望の断面形状又は直径に整形する部材である。開口部材301の開口の直径は、レンズ2で平行化されたレーザ光線の1/eの光強度における直径と等しいか、又はそれ以下である。なお、「e」は自然対数の底である。 The aperture member 301 is a member that has an opening that allows light to pass through, and shapes the laser beam into a desired cross-sectional shape or diameter by passing a part of the incident laser beam and blocking the rest. The diameter of the opening of the aperture member 301 is equal to or smaller than the diameter of the laser beam collimated by the lens 2 at a light intensity of 1/ e2 . Here, "e" is the base of the natural logarithm.

開口部材301の直径は、開口部材301を通過した後、走査ミラー5に入射するレーザ光線の断面の直径が走査ミラー5の有効径より小さくなるように定められている。実施形態では、開口として円形の開口を想定するが、一部に歪みをもたせた形状や楕円形状の開口であってもよい。開口部材301により、断面光強度分布を均一化する等して、レーザ光線を所望の状態にすることができ、映像光線及び映像の品質を向上させることができる。 The diameter of the aperture member 301 is determined so that the cross-sectional diameter of the laser beam that passes through the aperture member 301 and enters the scanning mirror 5 is smaller than the effective diameter of the scanning mirror 5. In the embodiment, a circular aperture is assumed, but it may be an elliptical or partially distorted aperture. The aperture member 301 can make the cross-sectional light intensity distribution uniform, etc., so that the laser beam can be brought into a desired state, thereby improving the quality of the image beam and image.

減光素子302は、ユーザの眼の安全性を考慮した適切な光強度になるように、通過するレーザ光線の光強度を低下させる光学素子である。減光素子302は、樹脂を材質とする板状部材に、所定の透過率を有する光学薄膜が形成されたND(Neutral Density)フィルタ等である。 The dimming element 302 is an optical element that reduces the light intensity of the passing laser beam so that the light intensity is appropriate while taking into consideration the safety of the user's eyes. The dimming element 302 is an ND (Neutral Density) filter or the like, which is made of a resin plate-shaped member on which an optical thin film with a predetermined transmittance is formed.

ここで、ユーザの眼の安全性を考慮した適切な光強度とは、レーザ光の安全性に関する国際規格であるIEC(国際電気標準会議;International Electro-technical Commission)60825-1で定めるクラス1を下回る光強度等をいう。減光素子302により、レーザ光源1から射出されたレーザ光線を所望の強度に減光させることで、安全なレーザ光線が網膜に投影され、ユーザの眼の安全性が確保される。 Here, appropriate light intensity that takes into consideration the safety of the user's eyes refers to a light intensity below Class 1 as defined by IEC (International Electrotechnical Commission) 60825-1, an international standard regarding the safety of laser light. By using the dimming element 302 to dim the laser beam emitted from the laser light source 1 to a desired intensity, a safe laser beam is projected onto the retina, ensuring the safety of the user's eyes.

偏光子41は、入射する光の偏光状態を、所定の方向のみに振動する直線偏光に変換する光学素子である。偏光子41として、一対の透明板で挟持した偏光フィルムを用いることができる。偏光フィルムは、ポリビニールアルコール(PVA;Polyvinyl Alcohol)等の偏光膜にヨウ素を加え、伸張させて高分子の方向を揃えたものである。一対の透明板には、ガラスやトリアセチルセルロース等の樹脂を利用できる。 The polarizer 41 is an optical element that converts the polarization state of incident light into linearly polarized light that vibrates only in a specific direction. A polarizing film sandwiched between a pair of transparent plates can be used as the polarizer 41. A polarizing film is made by adding iodine to a polarizing film such as polyvinyl alcohol (PVA) and stretching it to align the direction of the polymer molecules. The pair of transparent plates can be made of glass or a resin such as triacetyl cellulose.

1/4波長板42は、入射する直線偏光の光を右回り円偏光、又は左回り円偏光の何れか一方に変換する光学素子である。1/4波長板42は、水晶等の複屈折性を有する無機結晶材料の波長板である。ここで、偏光子41と1/4波長板42とを含む構成は、「偏光部」の一例である。 The quarter-wave plate 42 is an optical element that converts the incident linearly polarized light into either right-handed circularly polarized light or left-handed circularly polarized light. The quarter-wave plate 42 is a wave plate made of an inorganic crystal material having birefringence, such as quartz. Here, the configuration including the polarizer 41 and the quarter-wave plate 42 is an example of a "polarizing section."

走査ミラー5は、異なる2つの軸回りに回動するミラーである。走査ミラー5は、回動して角度を変化させることで、入射する光を異なる2方向に走査させる。図1の例では、走査ミラー5は、入射するレーザ光線をX方向(水平方向)及びY方向(垂直方向)に走査させる。レーザ光線が同期されてX及びY方向に走査されることで、反射型液晶光学素子7を介して、ユーザの眼球の網膜に画像又は映像が投影される。ここで、走査ミラー5は、「走査部」の一例である。 The scanning mirror 5 is a mirror that rotates around two different axes. The scanning mirror 5 rotates to change the angle, thereby scanning the incident light in two different directions. In the example of FIG. 1, the scanning mirror 5 scans the incident laser beam in the X direction (horizontal direction) and Y direction (vertical direction). The laser beam is synchronized and scanned in the X and Y directions, so that an image or video is projected onto the retina of the user's eyeball via the reflective liquid crystal optical element 7. Here, the scanning mirror 5 is an example of a "scanning unit."

なお、図1では図示を省略するが、X及びY方向へのレーザ光線の走査を同期させるために、映像表示装置100は、公知の同期検知光学系等を備えることができる。 Although not shown in FIG. 1, the image display device 100 can be equipped with a known synchronous detection optical system or the like to synchronize the scanning of the laser beam in the X and Y directions.

ここで、図1に矢印で示したX方向は、時間的に連続して画素が描画され、一連の画素群が形成される主走査方向に該当し、Y方向は、主走査方向と直交し、一連の画素群を並べる副走査方向に該当する。副走査方向への走査速度に対して、主走査方向への走査速度は、高速に設定されている。 The X direction indicated by the arrow in Figure 1 corresponds to the main scanning direction in which pixels are drawn successively in time to form a series of pixel groups, and the Y direction corresponds to the sub-scanning direction, which is perpendicular to the main scanning direction and lines up a series of pixel groups. The scanning speed in the main scanning direction is set faster than the scanning speed in the sub-scanning direction.

走査ミラー5には、2軸のMEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラーを用いることができる。走査ミラー5の構成の詳細は、別途、図2を用いて詳述する。 A two-axis MEMS (Micro Electro Mechanical System) mirror can be used as the scanning mirror 5. The details of the configuration of the scanning mirror 5 will be described later with reference to FIG. 2.

反射ミラー6は、走査ミラー5で走査されるレーザ光線を反射型液晶光学素子に向けて反射させるミラーである。反射ミラーの表面は平面に限らず、凹面や凸面等の任意の形状であってもよい。 The reflection mirror 6 is a mirror that reflects the laser beam scanned by the scanning mirror 5 toward the reflective liquid crystal optical element. The surface of the reflection mirror is not limited to a flat surface, and may be any shape, such as a concave or convex surface.

反射型液晶光学素子7は、液晶分子を含む液晶フィルムで構成された平板状の光学素子である。反射型液晶光学素子7は、液晶分子の螺旋分子配列や、螺旋ピッチ、局所的な配向変化等を含む液晶分子配向構造を利用して、入射する右回り円偏光、又は左回り円偏光の何れか一方の光を、選択的に高い効率で反射(回折)させ、且つ眼球50の瞳孔52の中心付近で集光させる。 The reflective liquid crystal optical element 7 is a flat optical element made of a liquid crystal film containing liquid crystal molecules. The reflective liquid crystal optical element 7 utilizes the liquid crystal molecular orientation structure, including the helical molecular arrangement, helical pitch, and local orientation changes of the liquid crystal molecules, to selectively reflect (diffract) either the right-handed circularly polarized light or the left-handed circularly polarized light that is incident with high efficiency, and to focus the light near the center of the pupil 52 of the eyeball 50.

また、図1に領域P1~P3に示したように、反射型液晶光学素子7では、XY平面内の領域によって、眼球50に向けてレーザ光線を反射させる方向が異なる。このように、瞳孔52の中心付近で集束させられるように、反射型液晶光学素子7は、反射光にもたらす集光作用の大きさが領域により異なる特徴を有する。尚、集光作用の大きさが大きくなるほど、レンズとしての機能で換言すると焦点距離が短くなることと同等の作用が得られ、また、集光作用の大きさが小さくなるほど、レンズ機能としては焦点距離が長くなることと同等の作用が得られる。図1の例では、領域P1から領域P3に向かうにつれ、集光作用の大きさは大きくなっている。 As shown in regions P1 to P3 in FIG. 1, the reflective liquid crystal optical element 7 reflects the laser beam toward the eyeball 50 in different directions depending on the region in the XY plane. In this way, the reflective liquid crystal optical element 7 has the characteristic that the magnitude of the focusing effect it has on the reflected light varies depending on the region, so that the light is focused near the center of the pupil 52. The greater the focusing effect, the more effective the lens function is, in other words, the equivalent of a shorter focal length, and the smaller the focusing effect, the more effective the lens function is, the equivalent of a longer focal length. In the example of FIG. 1, the focusing effect increases from region P1 to region P3.

上記の作用は、反射型液晶光学素子7に含まれる液晶分子配向構造に由来し、液晶分子の素子表面における配向分布を調整することでもたらされる。なお、このような反射型液晶光学素子7の構成及び作用の詳細は、別途、図5~7を用いて詳述する。 The above-mentioned effect is due to the liquid crystal molecular orientation structure contained in the reflective liquid crystal optical element 7, and is achieved by adjusting the orientation distribution of the liquid crystal molecules on the element surface. The configuration and effect of such a reflective liquid crystal optical element 7 will be described in detail later with reference to Figures 5 to 7.

ここで、反射型液晶光学素子7は、「第1の反射型液晶光学素子」の一例である。また、反射型液晶光学素子7は、「光学部材」の一例であり、さらに、「投影部」の一例である。また、反射型液晶光学素子7の素子表面は、「反射面」の一例である。 The reflective liquid crystal optical element 7 is an example of a "first reflective liquid crystal optical element." The reflective liquid crystal optical element 7 is also an example of an "optical member," and further an example of a "projection unit." The element surface of the reflective liquid crystal optical element 7 is also an example of a "reflective surface."

制御部20は、描画する映像の元となる映像データを入力し、入力した映像データに基づき、レーザ光源によるレーザ光の射出を制御する制御装置である。また、制御部20は、走査ミラー5の駆動を制御することで、走査ミラー5による光の走査を制御する。 The control unit 20 is a control device that inputs image data that is the source of the image to be drawn, and controls the emission of laser light from the laser light source based on the input image data. The control unit 20 also controls the driving of the scanning mirror 5, thereby controlling the scanning of light by the scanning mirror 5.

なお、図1では、レーザ光源1及び減光素子302がツル81の内部に設けられた例を示したが、これに限定されるものではない。レーザ光源1及び減光素子302をツル81の外部に設け、レーザ光源1から射出され、減光素子302で減光されたレーザ光線を、ツル81の内部に導光させる構成にしてもよい。さらに、制御部20は、ツル81の内部に設けられてもよいし、制御部20をツル81の外部に設け、制御部20からの駆動信号がツル81の内部に供給される構成にしてもよい。 In FIG. 1, an example is shown in which the laser light source 1 and the dimming element 302 are provided inside the temple 81, but this is not limiting. The laser light source 1 and the dimming element 302 may be provided outside the temple 81, and the laser beam emitted from the laser light source 1 and dimmed by the dimming element 302 may be guided inside the temple 81. Furthermore, the control unit 20 may be provided inside the temple 81, or the control unit 20 may be provided outside the temple 81, and a drive signal from the control unit 20 may be supplied to the inside of the temple 81.

また、図1では、開口部材301と走査ミラー5の間に減光素子302を配置する例を示したが、これに限定されるものではない。減光素子302は、開口部材301とレンズ2の間に配置されてもよいし、また、複数の箇所に配置されてもよい。ユーザの網膜に投射される光の強度の安全性が確保されるのであれば、減光素子を必ずしも設けなくてもよい。減光素子302の配置を適正化することで、映像表示装置100の小型化を図ることができる。 In addition, while FIG. 1 shows an example in which the dimming element 302 is disposed between the aperture member 301 and the scanning mirror 5, the present invention is not limited to this. The dimming element 302 may be disposed between the aperture member 301 and the lens 2, or may be disposed in multiple locations. If the safety of the intensity of the light projected onto the user's retina is ensured, the dimming element does not necessarily have to be provided. By optimizing the positioning of the dimming element 302, the image display device 100 can be made smaller.

また、図1では、減光素子302と走査ミラー5の間に偏光子41及び1/4波長板42を配置した例を示したが、開口部材301と減光素子302の間に偏光子41及び1/4波長板42を配置してもよいし、開口部材301とレンズ2の間に配置してもよい。 In addition, in FIG. 1, an example is shown in which the polarizer 41 and the quarter-wave plate 42 are arranged between the light-attenuating element 302 and the scanning mirror 5, but the polarizer 41 and the quarter-wave plate 42 may be arranged between the aperture member 301 and the light-attenuating element 302, or between the aperture member 301 and the lens 2.

また、図1では、反射型液晶光学素子7がメガネレンズ8cの表面に設けられた例を示したが、これに限定されるものではない。反射型液晶光学素子7は、メガネレンズ8cが導光板として構成された場合に、メガネレンズ8cの内部又は表面に設けられてもよい。 In addition, while FIG. 1 shows an example in which the reflective liquid crystal optical element 7 is provided on the surface of the eyeglass lens 8c, this is not limiting. When the eyeglass lens 8c is configured as a light guide plate, the reflective liquid crystal optical element 7 may be provided inside or on the surface of the eyeglass lens 8c.

レーザ光源1は、半導体レーザに限定されるものではなく、固体レーザや気体レーザが使用されてもよい。また、偏光子41として、透明板の最表面に耐久性向上のための保護フィルムや、反射防止のための無反射コート層等が設けられていてもよい。より高い消光比が必要な場合には、ワイヤーグリッド偏光子や金属分散型偏光フィルム等を用いると好適である。 The laser light source 1 is not limited to a semiconductor laser, and a solid-state laser or a gas laser may be used. In addition, the polarizer 41 may be provided on the outermost surface of a transparent plate with a protective film for improving durability or an anti-reflective coating layer for preventing reflection. When a higher extinction ratio is required, it is preferable to use a wire grid polarizer or a metal dispersion type polarizing film.

また、1/4波長板42は、無機結晶材料の波長板に限定されるものではなく、延伸処理により複屈折性をもたせたポリカーボネート等の有機材料からなる樹脂フィルムや、一対の透明板で高分子液晶相を挟持した位相差板等を用いてもよい。 The quarter-wave plate 42 is not limited to a wave plate made of an inorganic crystalline material, but may be a resin film made of an organic material such as polycarbonate that has been given birefringence by stretching, or a retardation plate in which a polymer liquid crystal phase is sandwiched between a pair of transparent plates.

また、走査ミラー5は、MEMSミラーに限定されるものではなく、ポリゴンミラーやガルバノミラー等の光を走査可能な光学素子を用いてもよいし、これらを組み合わせて用いてもよい。但し、MEMSミラーを用いると、映像表示装置100を小型軽量化できるため好適である。また、MEMSミラーの駆動方式は、静電式、圧電式、又は電磁式等の何れであってもよい。 The scanning mirror 5 is not limited to a MEMS mirror, but may be an optical element capable of scanning light, such as a polygon mirror or a galvanometer mirror, or a combination of these. However, using a MEMS mirror is preferable because it allows the image display device 100 to be made smaller and lighter. The driving method of the MEMS mirror may be electrostatic, piezoelectric, electromagnetic, or other.

<映像表示装置100におけるレーザ光線の動作>
次に、映像表示装置100におけるレーザ光線の動作について説明する。
<Behavior of Laser Beam in Image Display Device 100>
Next, the operation of the laser beam in the image display device 100 will be described.

図1において、レーザ光源1から射出された発散光のレーザ光線(発散光の図示は省略)は、レンズ2により略平行光に変換される。尚、レンズによる作用は略平行化するに限定されず、レンズ通過後の光を収束あるいは発散状態にしてもよい。略平行化されたレーザ光線は、開口部材301と減光素子302を通過して、偏光子41と1/4波長板42によって、右回り円偏光のレーザ光線に変換される。ここで、右回り円偏光は、「対掌性を有する偏光状態」の一例である。 In FIG. 1, a diverging laser beam (diverging beam not shown) emitted from a laser source 1 is converted into a substantially parallel beam by a lens 2. The action of the lens is not limited to substantially parallelization, and the light after passing through the lens may be in a convergent or divergent state. The substantially parallelized laser beam passes through an aperture member 301 and a dimming element 302, and is converted into a right-handed circularly polarized laser beam by a polarizer 41 and a quarter-wave plate 42. Here, right-handed circularly polarized light is an example of a "polarization state having chirality".

右回り円偏光に変換されたレーザ光線は、走査ミラー5で2軸方向に走査され、反射ミラー6で反射されて、反射型液晶光学素子7に入射する。 The laser beam converted into right-handed circularly polarized light is scanned in two axial directions by the scanning mirror 5, reflected by the reflecting mirror 6, and enters the reflective liquid crystal optical element 7.

反射型液晶光学素子7は、例えば、入射した右回り円偏光のレーザ光線を選択的に反射させ、眼球50の内部に入射させる。眼球50の内部への入射光は、反射型液晶光学素子7の集光機能により瞳孔52の中心付近で一旦集束した後、眼球50の奥にある網膜53上で結像する。ここで、網膜53は「光が投影される面」の一例である。 The reflective liquid crystal optical element 7 selectively reflects, for example, an incident right-handed circularly polarized laser beam and allows it to enter the inside of the eyeball 50. The light incident on the inside of the eyeball 50 is first focused near the center of the pupil 52 by the focusing function of the reflective liquid crystal optical element 7, and then forms an image on the retina 53 located at the back of the eyeball 50. Here, the retina 53 is an example of a "surface onto which light is projected."

上記の視認状態は一般的にマクスウェル視と呼ばれており、瞳孔52の中心付近を通る光は水晶体の焦点調節に関係なく網膜53に達するため、ユーザは、現実空間のどの位置に眼の焦点を合わせても、投影された映像を焦点の合った状態で鮮明に視認できると理想的にはされている。一方で、現実世界では眼球50に入射するレーザ光線は小さいながらも有限の直径を有するため、水晶体によるレンズ作用の影響は少なからず存在する。そのため、本発明の実施形態では、レンズ2および反射型液晶光学素子7の集光作用により、眼球50に入射する際のレーザ光線の直径が350 μm以上且つ500 μm以下、且つビーム拡がり角が正の有限値、すなわち発散光となるように設計されている。 The above viewing state is generally called Maxwellian vision, and since light passing near the center of the pupil 52 reaches the retina 53 regardless of the focusing of the crystalline lens, it is ideal that the user can clearly view the projected image in focus no matter where in real space the eye is focused. On the other hand, in the real world, the laser beam entering the eyeball 50 has a small but finite diameter, so the lens action of the crystalline lens has a significant effect. Therefore, in the embodiment of the present invention, the lens 2 and the reflective liquid crystal optical element 7 are designed to focus the laser beam so that the diameter of the laser beam entering the eyeball 50 is 350 μm or more and 500 μm or less, and the beam divergence angle is a positive finite value, i.e., diverging light.

これにより、走査ミラー5で走査されたレーザ光線によって描画される映像は、反射型液晶光学素子7を介し、水晶体の焦点調節に影響されることなく網膜53に達するため、ユーザは、現実空間のどの位置に眼の焦点を合わせても、投影された映像を常に鮮明に視認できる。換言すると、走査ミラー5により走査されたレーザ光線で描画される映像は、ユーザにフォーカスフリーの状態で視認される。 As a result, the image drawn by the laser beam scanned by the scanning mirror 5 reaches the retina 53 via the reflective liquid crystal optical element 7 without being affected by the focusing of the crystalline lens, so the user can always clearly view the projected image no matter where in real space the eye is focused. In other words, the image drawn by the laser beam scanned by the scanning mirror 5 is viewed by the user in a focus-free state.

なお、映像表示装置100は、レーザ光源1に印加する電流又は電圧を変化させ、射出するレーザ光線の光強度を変化させることができる。これにより、映像表示装置100を使用する周辺環境の明るさに応じて、画像又は映像の明るさを調整できる。 The image display device 100 can change the light intensity of the emitted laser beam by changing the current or voltage applied to the laser light source 1. This allows the brightness of the image or video to be adjusted according to the brightness of the surrounding environment in which the image display device 100 is used.

<走査ミラー5の構成の詳細>
次に、走査ミラー5の構成の詳細について、図2を参照して説明する。図2は、走査ミラー5の構成の一例を説明する図である。なお、図2では、矢印で示される方向のそれぞれを、α方向、β方向、及びγ方向とする。図2に示すように、走査ミラー5は、支持基板91と、可動部92と、蛇行状梁部93と、蛇行状梁部94と、電極接続部95とを備える。
<Details of the Configuration of Scanning Mirror 5>
Next, the details of the configuration of the scanning mirror 5 will be described with reference to Fig. 2. Fig. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the scanning mirror 5. In Fig. 2, the directions indicated by the arrows are the α direction, the β direction, and the γ direction, respectively. As shown in Fig. 2, the scanning mirror 5 includes a support substrate 91, a movable portion 92, a serpentine beam portion 93, a serpentine beam portion 94, and an electrode connection portion 95.

これらのうち、蛇行状梁部93は、複数の折り返し部を有して蛇行して形成され、一端が支持基板91に連結し、他端が可動部92に連結する。蛇行状梁部93は、3つの梁を含む梁部93aと、3つの梁を含む梁部93bとを備える。梁部93aの梁と梁部93bの梁は1つおきに交互に形成される。梁部93aと梁部93bに含まれる各梁は、それぞれが独立に圧電部材を備えている。 Of these, the serpentine beam portion 93 is formed in a serpentine manner with multiple folded sections, one end of which is connected to the support substrate 91 and the other end of which is connected to the movable portion 92. The serpentine beam portion 93 includes a beam portion 93a including three beams and a beam portion 93b including three beams. The beams of the beam portion 93a and the beams of the beam portion 93b are formed alternately. Each of the beams included in the beam portion 93a and the beam portion 93b is independently equipped with a piezoelectric member.

同様に、蛇行状梁部94は、複数の折り返し部を有して蛇行して形成され、一端が支持基板91に連結し、他端が可動部92に連結する。蛇行状梁部94は、3つの梁を含む梁部94aと、3つの梁を含む梁部94bとを備える。梁部94aの梁と梁部94bの梁は1つおきに交互に形成される。梁部94aと梁部94bに含まれる各梁は、それぞれが独立に圧電部材を備えている。なお、梁部93a、及び93bにおける梁の数は3つに限定されることなく任意でよい。 Similarly, the serpentine beam portion 94 is formed in a serpentine manner with multiple folded portions, one end of which is connected to the support substrate 91, and the other end of which is connected to the movable portion 92. The serpentine beam portion 94 includes a beam portion 94a including three beams and a beam portion 94b including three beams. The beams of the beam portion 94a and the beams of the beam portion 94b are formed alternately. Each beam included in the beam portion 94a and the beam portion 94b is independently provided with a piezoelectric member. Note that the number of beams in the beam portions 93a and 93b is not limited to three and may be any number.

梁部93a、93b、94a、及び94bが備える圧電部材は、図2では図示が省略されているが、例えば多層構造で形成された各梁の層の一部に、圧電層として備えられる。以下では、梁部93a、及び94aが備える圧電部材を圧電部材95aと総称し、梁部93b、及び94bが備える圧電部材を圧電部材95bと総称する場合がある。 The piezoelectric members provided in beam portions 93a, 93b, 94a, and 94b are not shown in FIG. 2, but are provided as piezoelectric layers in, for example, a portion of the layers of each beam formed in a multi-layer structure. Hereinafter, the piezoelectric members provided in beam portions 93a and 94a may be collectively referred to as piezoelectric member 95a, and the piezoelectric members provided in beam portions 93b and 94b may be collectively referred to as piezoelectric member 95b.

圧電部材95aと圧電部材95bに、逆位相となる電圧信号を印加し、蛇行状梁部94に反りを生じさせると、隣接する梁部が異なる方向に撓む。この撓みが累積され、図2のA軸回りに、反射ミラー92aを往復回動させるための回動力が発生する。 When voltage signals of opposite phases are applied to the piezoelectric members 95a and 95b, causing warping of the serpentine beam portion 94, adjacent beam portions bend in different directions. This bending accumulates, generating a rotational force for rotating the reflecting mirror 92a back and forth around the A axis in FIG. 2.

可動部92は、β方向において、蛇行状梁部93と蛇行状梁部94との間に挟まれるようにして形成される。可動部92は、反射ミラー92aと、トーションバー92bと、圧電部材92cと、支持部92dとを備える。 The movable part 92 is formed so as to be sandwiched between the serpentine beam part 93 and the serpentine beam part 94 in the β direction. The movable part 92 includes a reflection mirror 92a, a torsion bar 92b, a piezoelectric member 92c, and a support part 92d.

反射ミラー92aは、例えば、基材上にアルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜が蒸着されて形成される。トーションバー92bは、反射ミラー92aに一端が連結し、正、及び負のα方向に伸びて反射ミラー92aを回動可能に支持する。 The reflecting mirror 92a is formed, for example, by evaporating a thin metal film containing aluminum, gold, silver, etc. onto a substrate. The torsion bar 92b is connected at one end to the reflecting mirror 92a and extends in the positive and negative α directions to rotatably support the reflecting mirror 92a.

圧電部材92cは、一端がトーションバー92bに連結し、他端が支持部92dに連結する。圧電部材92cに電圧を印加すると、圧電部材92cは屈曲変形してトーションバー92bにねじれを生じさせる。トーションバー92bのねじれが回動力となり、反射ミラー92aはB軸回りに回動する。 One end of the piezoelectric member 92c is connected to the torsion bar 92b, and the other end is connected to the support portion 92d. When a voltage is applied to the piezoelectric member 92c, the piezoelectric member 92c is bent and deformed, causing a twist in the torsion bar 92b. The twist in the torsion bar 92b becomes a rotational force, and the reflecting mirror 92a rotates around the B axis.

反射ミラー92aのA軸回りの回動により、反射ミラー92aに入射するレーザ光線はα方向に走査される。反射ミラー92aのB軸回りの回動により、反射ミラー92aに入射するレーザ光線はβ方向に走査される。 By rotating the reflecting mirror 92a around the A axis, the laser beam incident on the reflecting mirror 92a is scanned in the α direction. By rotating the reflecting mirror 92a around the B axis, the laser beam incident on the reflecting mirror 92a is scanned in the β direction.

支持部92dは、反射ミラー92aと、トーションバー92bと、圧電部材92cとを囲むように形成される。支持部92dは圧電部材92cと連結し、圧電部材92cを支持する。また支持部92dは、圧電部材92cに連結されたトーションバー92b、及び反射ミラー92aを間接的に支持する。 The support portion 92d is formed to surround the reflecting mirror 92a, the torsion bar 92b, and the piezoelectric member 92c. The support portion 92d is connected to the piezoelectric member 92c and supports the piezoelectric member 92c. The support portion 92d also indirectly supports the torsion bar 92b connected to the piezoelectric member 92c, and the reflecting mirror 92a.

支持基板91は、可動部92と、蛇行状梁部93と、蛇行状梁部94とを囲むように形成される。支持基板91は、蛇行状梁部93、及び蛇行状梁部94に連結し、これらを支持する。また支持基板91は、蛇行状梁部93、及び蛇行状梁部94に連結された可動部92を間接的に支持する。 The support substrate 91 is formed to surround the movable portion 92, the serpentine beam portion 93, and the serpentine beam portion 94. The support substrate 91 is connected to and supports the serpentine beam portion 93 and the serpentine beam portion 94. The support substrate 91 also indirectly supports the movable portion 92 connected to the serpentine beam portion 93 and the serpentine beam portion 94.

走査ミラー5を構成するMEMSミラーは、マイクロマシニング技術により、シリコンやガラスを微細加工して形成される。マイクロマシニング技術を用いることで、高精度で微小な可動ミラーを、蛇行状梁部等の駆動部と一体にして基板上に形成できる。 The MEMS mirror that constitutes the scanning mirror 5 is formed by micromachining silicon or glass. By using micromachining technology, a highly accurate and tiny movable mirror can be formed on a substrate, integrated with a driving section such as a serpentine beam section.

具体的には、1枚のSOI(Silicon On Insulator)基板をエッチング処理等により成形する。成形した基板上に、反射ミラー92a、蛇行状梁部93~94、圧電部材95a~95b、電極接続部等が一体的に形成され、MEMSミラーが形成される。なお、反射ミラー92a等の形成は、SOI基板の成形後に行ってもよいし、SOI基板の成形中に行ってもよい。 Specifically, a single SOI (Silicon On Insulator) substrate is shaped by etching or other processes. The reflective mirror 92a, serpentine beams 93-94, piezoelectric members 95a-95b, electrode connections, and other components are integrally formed on the shaped substrate to form the MEMS mirror. The reflective mirror 92a and other components may be formed after or during the shaping of the SOI substrate.

SOI基板は、単結晶シリコン(Si)からなるシリコン支持層の上に酸化シリコン層が設けられ、酸化シリコン層の上にさらに単結晶シリコンからなるシリコン活性層が設けられた基板である。シリコン活性層は、α方向、又はβ方向に対してγ方向の厚みが薄いため、シリコン活性層のみで構成された部材は、弾性を有する弾性部としての機能を備える。 An SOI substrate is a substrate in which a silicon oxide layer is provided on a silicon support layer made of single crystal silicon (Si), and a silicon active layer made of single crystal silicon is provided on the silicon oxide layer. The silicon active layer is thinner in the γ direction than in the α or β directions, so a member made only of the silicon active layer functions as an elastic part.

SOI基板は、必ずしも平面状である必要はなく、曲率等を有していてもよい。また、エッチング処理等により一体的に成形でき、部分的に弾性を持たせることができる基板であれば、MEMSミラーの形成に用いられる部材はSOI基板に限られない。 The SOI substrate does not necessarily have to be planar, and may have curvature, etc. Furthermore, the material used to form the MEMS mirror is not limited to the SOI substrate, as long as it is a substrate that can be integrally molded by etching or the like and can be made partially elastic.

主走査方向への走査の場合、制御部20からの駆動信号として、正弦波波形の電圧が逆位相で走査ミラー5の備える圧電部材95a及び95bに印加される。正弦波波形の電圧の周波数は、A軸回りの可動部92の共振モードに応じた周波数である。正弦波波形の電圧の印加により、走査ミラー5は、低電圧で且つ非常に大きな回動角度で往復回動する。 When scanning in the main scanning direction, a sinusoidal voltage is applied in opposite phase to the piezoelectric members 95a and 95b of the scanning mirror 5 as a drive signal from the control unit 20. The frequency of the sinusoidal voltage is a frequency that corresponds to the resonance mode of the movable part 92 around the A axis. By applying the sinusoidal voltage, the scanning mirror 5 rotates back and forth at a low voltage and with a very large rotation angle.

駆動信号として、ノコギリ波波形の電圧信号を用いることができる。ノコギリ波波形は、正弦波波形の重ね合わせによって生成することができる。但し、ノコギリ波波形に限定されるものではなく、ノコギリ波波形の頂点を丸くした波形や、ノコギリ波波形の直線領域を曲線とした波形等を用いてもよい。 A voltage signal with a sawtooth waveform can be used as the drive signal. A sawtooth waveform can be generated by superimposing sine wave waveforms. However, the waveform is not limited to a sawtooth waveform, and a waveform with rounded peaks or a waveform with curved linear regions of a sawtooth waveform can also be used.

<制御部20のハードウェア構成>
次に、実施形態に係る制御部20のハードウェア構成について、図3を参照して説明する。図3は、制御部20のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
<Hardware configuration of control unit 20>
Next, a hardware configuration of the control unit 20 according to the embodiment will be described with reference to Fig. 3. Fig. 3 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of the control unit 20.

図3に示すように、制御部20は、CPU(Central Processing Unit)22と、ROM(Read Only Memory)23と、RAM(Random Access Memory)24と、光源駆動回路25と、走査ミラー駆動回路26とを備える。これらはシステムバス27を介して相互に電気的に接続されている。 As shown in FIG. 3, the control unit 20 includes a CPU (Central Processing Unit) 22, a ROM (Read Only Memory) 23, a RAM (Random Access Memory) 24, a light source drive circuit 25, and a scanning mirror drive circuit 26. These are electrically connected to each other via a system bus 27.

これらのうち、CPU22は、制御部20の動作を統括的に制御する。CPU22は、RAM24をワークエリア(作業領域)として、ROM23に格納されたプログラムを実行することで、制御部20全体の動作を制御し、各種機能を実現する。 Of these, the CPU 22 controls the overall operation of the control unit 20. The CPU 22 uses the RAM 24 as a work area and executes programs stored in the ROM 23 to control the operation of the entire control unit 20 and realize various functions.

光源駆動回路25は、レーザ光源1と電気的に接続し、レーザ光源1に電流、又は電圧を印加して、レーザ光源1を駆動する電気回路である。レーザ光源1は、光源駆動回路25の出力する駆動信号により、レーザ光線の射出をON、又はOFFし、また射出するレーザ光線の光強度を変化させる。 The light source driving circuit 25 is an electric circuit that is electrically connected to the laser light source 1 and applies a current or voltage to the laser light source 1 to drive the laser light source 1. The laser light source 1 turns the emission of the laser beam ON or OFF and changes the light intensity of the emitted laser beam according to the driving signal output by the light source driving circuit 25.

走査ミラー駆動回路26は、走査ミラー5に電気的に接続され、走査ミラー5に電圧を印加して駆動する電気回路である。走査ミラー5は、走査ミラー駆動回路26の出力する駆動信号に応じて、可動部92が備える反射ミラー92aの回動の角度を変化させる。 The scanning mirror drive circuit 26 is an electric circuit that is electrically connected to the scanning mirror 5 and applies a voltage to drive the scanning mirror 5. The scanning mirror 5 changes the angle of rotation of the reflecting mirror 92a of the movable part 92 in response to the drive signal output by the scanning mirror drive circuit 26.

<制御部20の機能構成>
次に、実施形態に係る制御部20の機能構成について、図4を参照して説明する。図4は、制御部20の機能構成の一例を説明するブロック図である。図4に示すように、制御部20は、射出制御部31と、光源駆動部32と、走査制御部33と、走査ミラー駆動部34とを備える。
<Functional configuration of control unit 20>
Next, the functional configuration of the control unit 20 according to the embodiment will be described with reference to Fig. 4. Fig. 4 is a block diagram illustrating an example of the functional configuration of the control unit 20. As shown in Fig. 4, the control unit 20 includes an emission control unit 31, a light source driving unit 32, a scanning control unit 33, and a scanning mirror driving unit 34.

これらのうち、射出制御部31及び走査制御部33のそれぞれの機能は、CPU22等により実現される。また、光源駆動部32の機能は光源駆動回路25等により実現され、走査ミラー駆動部34の機能は光源駆動回路25等により実現される。 Of these, the functions of the emission control unit 31 and the scanning control unit 33 are realized by the CPU 22, etc. The function of the light source driving unit 32 is realized by the light source driving circuit 25, etc., and the function of the scanning mirror driving unit 34 is realized by the light source driving circuit 25, etc.

上記に示したもののうち、射出制御部31は、描画する映像の元となる映像データを入力し、入力した映像データに基づいて、レーザ光源1を駆動制御するための制御信号を光源駆動部32に出力する。 Of the above, the emission control unit 31 inputs image data that is the source of the image to be drawn, and outputs a control signal for driving and controlling the laser light source 1 to the light source driving unit 32 based on the input image data.

走査制御部33は、描画する映像の元となる映像データを入力し、入力した映像データに基づいて、走査ミラー5を駆動制御するための制御信号を走査ミラー駆動部34に出力する。 The scanning control unit 33 inputs image data that is the source of the image to be drawn, and outputs a control signal for driving and controlling the scanning mirror 5 to the scanning mirror driving unit 34 based on the input image data.

なお、射出制御部31と走査制御部33は、好適な位置で視認される映像が歪み等を有する場合に、歪み等を補正するように制御を行ってもよい。 In addition, if the image viewed at a suitable position has distortion, etc., the emission control unit 31 and the scanning control unit 33 may perform control to correct the distortion, etc.

光源駆動部32は、射出制御部31から入力した制御信号に基づき、レーザ光源1に電流、又は電圧を印加して、レーザ光源1を駆動する。また、走査ミラー駆動部34は、走査制御部33から入力した制御信号に基づき、走査ミラー5に電圧を駆動する。 The light source driver 32 applies a current or voltage to the laser light source 1 based on the control signal input from the emission controller 31 to drive the laser light source 1. The scanning mirror driver 34 also drives the scanning mirror 5 with a voltage based on the control signal input from the scanning controller 33.

<反射型液晶光学素子7の構成の詳細>
次に、反射型液晶光学素子7の構成の詳細について、図5を参照して説明する。図5は反射型液晶光学素子7の構成の一例について説明する図であり、(a)は反射型液晶光学素子7の斜視図、(b)は反射型液晶光学素子7に含まれる液晶ダイレクタ71の断面空間分布の一部を説明する図、(c)は反射型液晶光学素子7に含まれる液晶ダイレクタ71の素子表面における面内空間分布の一部を説明する図である。
<Details of the configuration of the reflective liquid crystal optical element 7>
Next, the details of the configuration of the reflective liquid crystal optical element 7 will be described with reference to Fig. 5. Fig. 5 is a diagram for explaining an example of the configuration of the reflective liquid crystal optical element 7, where (a) is a perspective view of the reflective liquid crystal optical element 7, (b) is a diagram for explaining a part of the cross-sectional spatial distribution of the liquid crystal director 71 included in the reflective liquid crystal optical element 7, and (c) is a diagram for explaining a part of the in-plane spatial distribution on the element surface of the liquid crystal director 71 included in the reflective liquid crystal optical element 7.

図5に示されるように、反射型液晶光学素子7の素子表面は液晶ダイレクタ71または基板表面と平行な面であるx-y平面を指し、断面は素子表面と垂直な面、例えば、x-z平面を指す。 As shown in FIG. 5, the element surface of the reflective liquid crystal optical element 7 refers to the x-y plane, which is a plane parallel to the liquid crystal director 71 or the substrate surface, and the cross section refers to a plane perpendicular to the element surface, for example, the x-z plane.

図5(a)に示すように、反射型液晶光学素子7は平板状の液晶フィルムにより構成される。反射型液晶光学素子7は、光重合性液晶材料を用いて所望の分子配向構造を形成させた後、UV光照射により分子配向構造を固定化し、基板を除去することで製作される。なお、重合化により液晶分子の配向および位置は重合化前の状態が保存されたまま硬化されるため、液晶分子配向構造は重合化前後の状態を指し得る。 As shown in FIG. 5(a), the reflective liquid crystal optical element 7 is composed of a flat liquid crystal film. The reflective liquid crystal optical element 7 is produced by forming a desired molecular orientation structure using a photopolymerizable liquid crystal material, fixing the molecular orientation structure by UV light irradiation, and removing the substrate. Note that the orientation and position of the liquid crystal molecules are hardened by polymerization while maintaining the state before polymerization, so the liquid crystal molecular orientation structure can refer to the state before and after polymerization.

また、図5(b)及び(c)に示すように、反射型液晶光学素子7の内部には、液晶ダイレクタ71が3次元的に周期性を有するような液晶分子配向構造が封入されている。なお、液晶ダイレクタ71は液晶分子が長軸方向を揃え配向している平均的な分子配向方向を指す。 As shown in Figures 5(b) and (c), a liquid crystal molecular orientation structure in which the liquid crystal director 71 has three-dimensional periodicity is enclosed inside the reflective liquid crystal optical element 7. The liquid crystal director 71 refers to the average molecular orientation direction in which the liquid crystal molecules are aligned with their long axis direction.

本発明の実施形態における液晶材料は、アキラルな分子から成るネマティック液晶にキラル剤を添加したコレステリック液晶、あるいは液晶分子自身が対掌性を有する場合に発現するコレステリック液晶である。コレステリック液晶は、隣接分子間の分子配向にねじれが誘起され、液晶ダイレクタ71と垂直な方向に対掌性を有する螺旋周期構造を形成する。すなわち、本発明の実施形態における反射型液晶光学素子7内に封入された液晶分子が形成する液晶ダイレクタ71は、素子表面に垂直な深度方向、すなわちz方向に対掌性を有する螺旋分子配列を形成している。コレステリック液晶は、この螺旋の対掌性に依存して、同期する対掌性を有する円偏光の光を選択的にブラッグ反射する特性を有する。 The liquid crystal material in the embodiment of the present invention is a cholesteric liquid crystal in which a chiral agent is added to a nematic liquid crystal composed of achiral molecules, or a cholesteric liquid crystal that is expressed when the liquid crystal molecules themselves have chirality. In the cholesteric liquid crystal, a twist is induced in the molecular orientation between adjacent molecules, forming a helical periodic structure that has chirality in a direction perpendicular to the liquid crystal director 71. That is, the liquid crystal director 71 formed by the liquid crystal molecules sealed in the reflective liquid crystal optical element 7 in the embodiment of the present invention forms a helical molecular arrangement that has chirality in the depth direction perpendicular to the element surface, i.e., in the z direction. The cholesteric liquid crystal has the property of selectively Bragg reflecting circularly polarized light with synchronous chirality depending on the chirality of this helix.

また、反射型液晶光学素子7では、螺旋構造の開始位置、すなわち素子表面における液晶ダイレクタ71の配向方向が調整されている。すなわち、図5(c)に示されるように、反射型液晶光学素子7の素子表面における液晶ダイレクタ71の面内配向分布は、素子面の略中央部より素子面において放射状に分子配向が周期的に変化する周期配列を有している。より具体的には、素子中央部よりあらゆる任意方向を取り得る放射方向に沿って液晶ダイレクタ71が配向方位を周期的に回転させ、中央部より縁部に向かって徐々に周期が小さくなる、つまり周期が非線形に変化する配向分布を有している。 In addition, in the reflective liquid crystal optical element 7, the starting position of the helical structure, i.e., the orientation direction of the liquid crystal director 71 on the element surface, is adjusted. That is, as shown in FIG. 5(c), the in-plane orientation distribution of the liquid crystal director 71 on the element surface of the reflective liquid crystal optical element 7 has a periodic arrangement in which the molecular orientation changes periodically radially from approximately the center of the element surface on the element surface. More specifically, the liquid crystal director 71 periodically rotates the orientation direction along a radial direction that can take any arbitrary direction from the center of the element, and the period gradually becomes smaller from the center toward the edge, that is, the orientation distribution has a period that changes nonlinearly.

なお、図5(c)においては、面内空間分布の一部を模式的に示しているに過ぎず、これに限定されるものでなく、素子サイズ、要求機能に基づき任意の好適な数の周期を有することができる。 Note that FIG. 5(c) merely shows a schematic representation of a portion of the in-plane spatial distribution, and is not limited to this, and may have any suitable number of periods based on the element size and required functions.

このような面内配向分布により、例えば、図5(b)に示すように、螺旋分子配列内において等位相面72が光の入射方向である正のz方向に対して凹面状に湾曲した位相分布が、反射型液晶光学素子7内に形成され得る。すなわち、上述した局所的に変動する分子配向分布により、反射光には凹面状の位相偏移がもたらされる。したがって、正のz方向に向かって入射する光に対して、反射型液晶光学素子7は反射、且つ集光作用を有する。 Due to such an in-plane orientation distribution, for example, as shown in FIG. 5(b), a phase distribution can be formed in the reflective liquid crystal optical element 7 in which the equiphase surface 72 in the helical molecular arrangement is curved concavely with respect to the positive z direction, which is the direction of light incidence. In other words, the locally varying molecular orientation distribution described above causes a concave phase shift in the reflected light. Therefore, the reflective liquid crystal optical element 7 has a reflecting and focusing effect on light incident in the positive z direction.

また、図1で説明したように、反射型液晶光学素子7では、x―y平面内の領域によって、眼球に向けてレーザ光線を反射させる方向が異なる。そのため、反射型液晶光学素子7では、x-y平面と平行なa軸より二分される第1領域(a軸に対してx―領域)と第2領域(a軸に対してx+領域)で上述した面内配向分布が非対称になるように構成される。より具体的には、図1で示されるP1領域が含まれる第1領域に比べて、P3領域が含まれる第2領域の周期の方が全体的に小さくなるように構成され得る。すなわち、第2領域の方が領域にわたり反射光にもたらされる凹面状の位相偏移の曲率半径が小さくなり、換言すると、第2領域の方が集光作用の大きさが大きくなる。このように、反射型液晶光学素子7には、素子面内に少なくとも2つ以上の集光作用の大きさが異なる領域が含まれる。これにより、反射型液晶光学素子7は、入射するレーザ光線を瞳孔52の中心付近で集束させるように反射させることができる。すなわち、反射型液晶光学素子7は、いわば非球面ミラー、更には自由曲面ミラーとして機能し、マクスウェル視が実現可能となる。 As described in FIG. 1, in the reflective liquid crystal optical element 7, the direction in which the laser beam is reflected toward the eyeball differs depending on the region in the xy plane. Therefore, in the reflective liquid crystal optical element 7, the above-mentioned in-plane orientation distribution is configured to be asymmetric in the first region (x- region with respect to the a-axis) and the second region (x+ region with respect to the a-axis) that are bisected by the a-axis parallel to the xy plane. More specifically, the period of the second region including the P3 region can be configured to be smaller overall than that of the first region including the P1 region shown in FIG. 1. That is, the second region has a smaller radius of curvature of the concave phase shift caused in the reflected light over the region, in other words, the second region has a larger focusing effect. In this way, the reflective liquid crystal optical element 7 includes at least two or more regions with different focusing effects within the element surface. As a result, the reflective liquid crystal optical element 7 can reflect the incident laser beam so as to focus it near the center of the pupil 52. In other words, the reflective liquid crystal optical element 7 functions as an aspheric mirror, or even a free-form mirror, making it possible to realize Maxwellian vision.

尚、図5(b)に示す螺旋ピッチ73の数(周期数)を6以上とすると、例えば、ピーク反射強度が90%以上を超える高い効率で反射させることができるため好適である。 In addition, if the number of spiral pitches 73 (number of periods) shown in Figure 5 (b) is 6 or more, it is preferable because it can reflect light with high efficiency, for example, with a peak reflection intensity of more than 90%.

なお、上述したような液晶分子配向構造で形成された位相分布によって、光学機能を発現させる技術には、公知のものを適用できるため(Nature Photonics Vol.10 (2016) p.389等)、ここではさらに詳細な説明を省略する。 In addition, since known techniques can be applied to the technology for realizing optical functions by the phase distribution formed by the liquid crystal molecular orientation structure described above (e.g. Nature Photonics Vol. 10 (2016) p. 389), further detailed explanation will be omitted here.

反射型液晶光学素子7における位相分布の調整は、素子表面における液晶ダイレクタ71の初期配向方向の調整により行うことができる。このような調整には、光配向法を用いることができる。光配向法では、基板上に塗布された配向膜を空間分割し、領域毎に所定方向に偏光された直線偏光を露光することで、液晶分子の初期配向方向を空間的に調整できる。 The phase distribution in the reflective liquid crystal optical element 7 can be adjusted by adjusting the initial alignment direction of the liquid crystal director 71 on the element surface. A photo-alignment method can be used for such adjustment. In the photo-alignment method, the alignment film applied to the substrate is spatially divided, and linearly polarized light polarized in a specific direction is exposed to each region, so that the initial alignment direction of the liquid crystal molecules can be spatially adjusted.

なお、液晶材料には、重合性液晶材料、または非重合性液晶材料の何れを用いてもよい。また、キラル剤には、重合性、または非重合性の何れを用いてもよく、さらに、1種のみを用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよいし、液晶分子がキラリティを有する場合には用いなくてもよい。 The liquid crystal material may be either a polymerizable liquid crystal material or a non-polymerizable liquid crystal material. The chiral agent may be either polymerizable or non-polymerizable, and may be one type only, or two or more types may be combined, or may not be used if the liquid crystal molecules have chirality.

なお、本発明の実施形態では、反射型液晶光学素子7の製作方法として、光重合性液晶材料を用いて所望の分子配向構造を形成させた後、UV光照射により構造を固定化し、基板を除去するものを示したが、これに限定されるものではない。透明支持基板上に積層された形態、或いは透明支持基板に挟持された形態等、要求に応じて形態を任意に変化させてもよい。また、液晶フィルムが空気に接する形態においては、最表面に耐久性向上のための保護フィルム等を設けてもよい。 In the embodiment of the present invention, the method of manufacturing the reflective liquid crystal optical element 7 is described as forming a desired molecular orientation structure using a photopolymerizable liquid crystal material, then fixing the structure by irradiating with UV light, and removing the substrate, but the method is not limited to this. The form may be changed as required, such as a form in which the liquid crystal film is laminated on a transparent support substrate, or a form in which the film is sandwiched between transparent support substrates. In addition, in a form in which the liquid crystal film is in contact with air, a protective film or the like may be provided on the outermost surface to improve durability.

なお、反射型液晶光学素子7の形状は平板状に限定されるものでなく、曲面形態などメガネレンズ8cの形態に応じて任意の好適な形状に変化させてもよい。その際、メガネレンズ8cの形態に応じて反射型液晶光学素子7の液晶配向構造が調整され、入射するレーザ光線を瞳孔52の中心付近で集束させるように反射させることができる。 The shape of the reflective liquid crystal optical element 7 is not limited to a flat plate, and may be changed to any suitable shape, such as a curved shape, depending on the shape of the eyeglass lens 8c. In this case, the liquid crystal orientation structure of the reflective liquid crystal optical element 7 is adjusted depending on the shape of the eyeglass lens 8c, and the incident laser beam can be reflected so as to be focused near the center of the pupil 52.

<反射型液晶光学素子7の作用>
次に、反射型液晶光学素子7の作用について、図6を参照して説明する。図6は、反射型液晶光学素子7の作用の一例について説明する図である。図6は、液晶分子が右ねじれ螺旋配列を形成した反射型液晶光学素子7に、右回り円偏光61と、左回り円偏光62の光が入射した例を示している。
<Function of Reflective Liquid Crystal Optical Element 7>
Next, the operation of the reflective liquid crystal optical element 7 will be described with reference to Fig. 6. Fig. 6 is a diagram for explaining an example of the operation of the reflective liquid crystal optical element 7. Fig. 6 shows an example in which right-handed circularly polarized light 61 and left-handed circularly polarized light 62 are incident on the reflective liquid crystal optical element 7 in which the liquid crystal molecules form a right-twisted helical arrangement.

反射型液晶光学素子7は、上述したように、対掌性を有する螺旋配列に起因して、所定の波長帯域の光であって、液晶分子の螺旋回旋方向と同一の対掌性を有する円偏光の光を、高い回折効率でブラッグ反射させる。ここで、所定の波長帯域の帯域幅Δλは、液晶組成物の複屈折をΔn、液晶の螺旋ピッチをp、光線の入射角をθとすると、Δλ=Δnpcosθにより決定される。帯域幅Δλは、液晶組成物の複屈折により調整可能で、30~100nm程度である。これは、可視光の帯域幅である380~780nmと比較して非常に狭い。 As described above, the reflective liquid crystal optical element 7 Bragg reflects light of a specific wavelength band, which is circularly polarized light having the same chirality as the helical rotation direction of the liquid crystal molecules, with high diffraction efficiency due to the chiral helical arrangement. Here, the bandwidth Δλ of the specific wavelength band is determined by Δλ = Δnp cos θ, where Δn is the birefringence of the liquid crystal composition, p is the helical pitch of the liquid crystal, and θ is the angle of incidence of the light beam. The bandwidth Δλ can be adjusted by the birefringence of the liquid crystal composition, and is approximately 30 to 100 nm. This is very narrow compared to the bandwidth of visible light, which is 380 to 780 nm.

図6に示したように、反射型液晶光学素子7に入射するレーザ光線が、液晶分子の螺旋回旋方向と同一の対掌性を有する右回り円偏光61である場合、入射レーザ光は、理想的な効率で選択的に、反射される。 As shown in FIG. 6, when the laser beam incident on the reflective liquid crystal optical element 7 is right-handed circularly polarized light 61 that has the same chirality as the helical rotation direction of the liquid crystal molecules, the incident laser beam is selectively reflected with ideal efficiency.

また、反射型液晶光学素子7は、所定の波長帯以外の光と、所定の波長帯域の光であって、液晶分子の螺旋回旋方向と対をなす反対方向の対掌性を有する円偏光の光を透過させるため、図6では、左回り円偏光62の光は、反射型液晶光学素子7を透過している。 The reflective liquid crystal optical element 7 transmits light outside the specified wavelength band, and light in the specified wavelength band that is circularly polarized light with the opposite chirality to the helical rotation direction of the liquid crystal molecules. Therefore, in FIG. 6, the left-handed circularly polarized light 62 is transmitted through the reflective liquid crystal optical element 7.

一方、反射される光にもたらされる位相偏移は、素子表面における液晶ダイレクタ71の配向分布で規定されるが、この分子配向方向の変化で、コレステリック液晶が有する選択反射特性は失われない。そのため、反射型液晶光学素子7は、所定の波長帯の光であって、液晶分子の螺旋配列と同一の対掌性を有する円偏光の光のみを反射させるとともに、反射させた円偏光の光を、面内分子配向分布で規定される位相偏移に起因する集光作用で瞳孔52の中心付近で集束させることができる。 On the other hand, the phase shift caused by the reflected light is determined by the orientation distribution of the liquid crystal director 71 on the element surface, but the selective reflection property of the cholesteric liquid crystal is not lost by this change in the molecular orientation direction. Therefore, the reflective liquid crystal optical element 7 reflects only circularly polarized light of a specified wavelength band that has the same chirality as the helical arrangement of the liquid crystal molecules, and can focus the reflected circularly polarized light near the center of the pupil 52 by the focusing effect caused by the phase shift determined by the in-plane molecular orientation distribution.

なお、コレステリック液晶の螺旋ピッチは温度により変化するため、所定の波長帯域が温度に応じて変化しないように、構造が固定化される液晶フィルムで反射型液晶光学素子7を構成すると好適である。 In addition, since the helical pitch of cholesteric liquid crystal changes with temperature, it is preferable to construct the reflective liquid crystal optical element 7 with a liquid crystal film whose structure is fixed so that the specified wavelength band does not change with temperature.

なお、図6では、液晶分子が右ねじれ螺旋配列を形成した反射型液晶光学素子7の例を示したが、実施形態では、液晶分子が左ねじれ螺旋配列を形成した反射型液晶光学素子7を用いてもよい。この場合は、反射型液晶光学素子7は、液晶分子の螺旋回旋方向の向きと同一の対掌性を有する左回り円偏光の光を選択的に反射させて集束させ、また、左回り円偏光以外の光を透過させる。 Note that while FIG. 6 shows an example of a reflective liquid crystal optical element 7 in which the liquid crystal molecules form a right-handed helical arrangement, in the embodiment, a reflective liquid crystal optical element 7 in which the liquid crystal molecules form a left-handed helical arrangement may also be used. In this case, the reflective liquid crystal optical element 7 selectively reflects and focuses left-handed circularly polarized light that has the same chirality as the helical rotation direction of the liquid crystal molecules, and transmits light other than left-handed circularly polarized light.

<映像表示装置100の動作>
次に、映像表示装置100の動作について、図7を参照して説明する。図7は、映像表示装置100の動作について説明する図である。
<Operation of the image display device 100>
Next, the operation of the image display device 100 will be described with reference to Fig. 7. Fig. 7 is a diagram for explaining the operation of the image display device 100.

図7において、右回り円偏光のレーザ光線は、走査ミラー5で走査され、反射ミラー6で反射型液晶光学素子7に向けて折り返される。その後、反射型液晶光学素子7により理想的な効率で選択的に反射され、ユーザの眼球50の瞳孔52の中心付近で一旦集束された後、ユーザの網膜53に投影される。ユーザは、網膜53に投影されたレーザ光線による映像を視認できる。 In FIG. 7, the right-handed circularly polarized laser beam is scanned by the scanning mirror 5 and reflected by the reflecting mirror 6 toward the reflective liquid crystal optical element 7. It is then selectively reflected by the reflective liquid crystal optical element 7 with ideal efficiency, and once focused near the center of the pupil 52 of the user's eyeball 50, it is projected onto the user's retina 53. The user can view the image formed by the laser beam projected onto the retina 53.

一方、現実空間にある対象物70から負のZ方向に伝搬する光は、波長帯域が広いランダム偏光の光である。そのため、対象物70からの光のうち、所定の波長帯域以外の光は反射型液晶光学素子7を透過し、また、所定の波長帯域内の光であっても右回り円偏光成分以外の光は、反射型液晶光学素子7を透過する。 On the other hand, the light propagating in the negative Z direction from the object 70 in real space is randomly polarized light with a wide wavelength band. Therefore, light from the object 70 that is outside the specified wavelength band passes through the reflective liquid crystal optical element 7, and even if it is light within the specified wavelength band, light other than the right-handed circularly polarized component passes through the reflective liquid crystal optical element 7.

反射型液晶光学素子7における所定の波長帯域の帯域幅は、可視光に比べて非常に狭いため、反射型液晶光学素子7は優れた透過性を有する。従って、現実空間にある対象物70から眼球50に向かって伝搬する光の多くは、反射型液晶光学素子7を透過してユーザの網膜53に達する。これにより現実空間にある対象物70の像は、十分な明るさで視認される。 The bandwidth of the specified wavelength band in the reflective liquid crystal optical element 7 is very narrow compared to visible light, so the reflective liquid crystal optical element 7 has excellent transparency. Therefore, most of the light propagating from the object 70 in real space toward the eyeball 50 passes through the reflective liquid crystal optical element 7 and reaches the user's retina 53. This allows the image of the object 70 in real space to be viewed with sufficient brightness.

このように、映像表示装置100を装着するユーザは、映像と現実空間にある対象物の像を並行して視認でき、また、映像と現実空間の像を、ともに明るい状態で視認できる。 In this way, a user wearing the image display device 100 can view the image and the image of an object in real space in parallel, and can view both the image and the image in real space in a bright state.

<映像表示装置100の効果>
従来、走査された光を、光学部品を介してユーザの眼球の網膜に投影し、投影される光による映像をユーザに視認させる装置が開示されている。しかしながら、現実空間にある対象物等の像と映像を並行して視認させる透過型のHMD等の従来の映像表示装置では、メガネグラスを透過する現実空間にある対象物等の像の明るさと、メガネグラスで反射される映像の明るさがトレードオフの関係にある。そのため、現実空間にある対象物等の像を明るくすると、投影される映像が暗くなり、映像を適切に視認させられなくなる場合があった。
<Effects of the image display device 100>
Conventionally, a device has been disclosed that projects scanned light onto the retina of a user's eyeball through an optical component, and allows the user to view an image produced by the projected light. However, in conventional image display devices such as a transmission-type HMD that allows the user to view an image of an object in real space in parallel with the image, there is a trade-off between the brightness of the image of the object in real space that passes through the eyeglass glasses and the brightness of the image reflected by the eyeglass glasses. Therefore, when the image of the object in real space is brightened, the projected image becomes dark, and there are cases where the image cannot be properly viewed.

本実施形態では、反射型液晶光学素子7により右回り円偏光の走査光を選択的に反射させて、走査光による映像を投影する。一方、反射型液晶光学素子7は、現実空間からの光を高い効率で透過させる。これにより、網膜に映像が投影されたユーザは、映像と現実空間にある対象物等の像をともに明るく視認することができる。換言すると、投影される光による映像、及び現実空間の視認性を向上させることができる。 In this embodiment, the reflective liquid crystal optical element 7 selectively reflects the right-handed circularly polarized scanning light to project an image based on the scanning light. Meanwhile, the reflective liquid crystal optical element 7 transmits light from real space with high efficiency. This allows a user who has an image projected onto their retina to see both the image and the image of an object in real space as bright images. In other words, the visibility of the image based on the projected light and the real space can be improved.

また、本実施形態では、マクスウェル視を利用してユーザの網膜に直接映像を描画するため、現実空間のどの位置に焦点を合わせても映像を並行して、且つ鮮明に、ユーザに視認させることが可能となる。これにより、例えば、ユーザが製造現場における作業従事者である場合、クリアな視界により現実空間における作業が阻害されることなく、作業指示等、デジタルコンテンツを良好に視認でき、且つフォーカスフリーにより視覚ストレスレスな作業従事が可能となる。 In addition, in this embodiment, images are rendered directly on the user's retina using Maxwell's vision, so the user can view the images in parallel and clearly regardless of where the focus is set in real space. As a result, for example, if the user is a worker at a manufacturing site, the clear field of vision does not impede work in real space, allowing the user to clearly view digital content such as work instructions, and the focus-free environment allows for visually stress-free work.

また、本実施形態では、平板形状で薄型の反射型液晶光学素子7を用いることで、映像表示装置100を小型化し、また、映像表示装置100の実装を容易にすることができる。 In addition, in this embodiment, by using a flat, thin reflective liquid crystal optical element 7, the image display device 100 can be made smaller and the image display device 100 can be easily mounted.

また、本実施形態では、反射型液晶光学素子7は、集光作用の大きさが領域により変化する液晶分子配向構造を含んでいる。これにより、レーザ光線を瞳孔52の中心付近で適切に集束させることができ、マクスウェル視を実現させることができる。 In addition, in this embodiment, the reflective liquid crystal optical element 7 includes a liquid crystal molecular orientation structure in which the magnitude of the light-focusing effect varies depending on the region. This allows the laser beam to be appropriately focused near the center of the pupil 52, realizing Maxwellian vision.

また、液晶分子螺旋配列の螺旋ピッチ73の数を6以上とすると、より高い効率で反射させることができるため好適である。 In addition, it is preferable to set the number of helical pitches 73 of the helical arrangement of liquid crystal molecules to 6 or more, since this allows for more efficient reflection.

なお、本実施形態では、HMDを映像表示装置の例として説明したが、HMD等の映像表示装置は、ユーザの頭部に直接装着させるものだけでなく、固定部等の部材を介して間接的にユーザの頭部に装着させるものであってもよい。 In this embodiment, an HMD has been described as an example of an image display device, but an image display device such as an HMD may not only be worn directly on the user's head, but may also be worn indirectly on the user's head via a member such as a fixing part.

また、本実施形態では、液晶分子が右ねじれ螺旋配列を形成した反射型液晶光学素子7を用いる例を示したが、液晶分子が左ねじれ螺旋配列を形成する反射型液晶光学素子7を用いてもよい。この場合、レーザ光源1からのレーザ光線を、偏光子41及び1/4波長板42により左回り円偏光に変換し、反射型液晶光学素子7に入射させることで、上述したものと同様の効果を得ることができる。 In addition, in this embodiment, an example is shown in which a reflective liquid crystal optical element 7 in which the liquid crystal molecules form a right-handed twisted helical arrangement is used, but a reflective liquid crystal optical element 7 in which the liquid crystal molecules form a left-handed twisted helical arrangement may also be used. In this case, the laser beam from the laser light source 1 is converted into left-handed circularly polarized light by the polarizer 41 and the quarter-wave plate 42, and is then incident on the reflective liquid crystal optical element 7, thereby obtaining the same effect as described above.

また、本実施形態では、1層の反射型液晶光学素子7を用いる例を示したが、複数の反射型液晶光学素子7を積層させたものを用いてもよい。例えば、赤(R)を所定の波長帯域とする反射型液晶光学素子と、緑(G)を所定の波長帯域とする反射型液晶光学素子と、青(B)を所定の波長帯域とする反射型液晶光学素子の3層で反射型液晶光学素子7を構成すると、RGBレーザ光源を用いることで、フルカラー映像を網膜に投影できる。 In addition, although the present embodiment shows an example in which one layer of the reflective liquid crystal optical element 7 is used, a stack of multiple reflective liquid crystal optical elements 7 may also be used. For example, if the reflective liquid crystal optical element 7 is made up of three layers, one with a reflective liquid crystal optical element having a predetermined wavelength band of red (R), another with a reflective liquid crystal optical element having a predetermined wavelength band of green (G), and another with a reflective liquid crystal optical element having a predetermined wavelength band of blue (B), a full-color image can be projected onto the retina by using an RGB laser light source.

[第2の実施形態]
次に、第2の実施形態に係る映像表示装置100aについて説明する。
Second Embodiment
Next, an image display device 100a according to a second embodiment will be described.

反射型液晶光学素子による反射光を集束させる機能に起因して、眼球に入射したレーザ光線の状態が視野内で変化する場合がある。ここで、レーザ光線の状態には、レーザ光線の直径やビーム拡がり角等が含まれる。眼球運動によるケラレが発生しない視野角で映像を投影する場合、眼球に入射するレーザ光線の状態は、網膜に映像が投影される範囲内で均一化されていることが望ましい。 Due to the function of focusing reflected light by the reflective liquid crystal optical element, the state of the laser beam incident on the eyeball may change within the field of view. Here, the state of the laser beam includes the diameter of the laser beam and the beam spread angle. When projecting an image at a viewing angle where vignetting due to eyeball movement does not occur, it is desirable that the state of the laser beam incident on the eyeball is uniform within the range where the image is projected onto the retina.

本実施形態では、補正用反射型液晶光学素子を介して反射型液晶光学素子にレーザ光線を入射させることで、反射型液晶光学素子で反射され、眼球に入射するレーザ光線の状態を均一化する。 In this embodiment, a laser beam is incident on the reflective liquid crystal optical element via a corrective reflective liquid crystal optical element, so that the state of the laser beam that is reflected by the reflective liquid crystal optical element and incident on the eyeball is made uniform.

<第2の実施形態に係る映像表示装置100aの構成>
第2の実施形態に係る映像表示装置100aの構成について説明する。図8は、映像表示装置100aの構成の一例を説明する図である。映像表示装置100aは、補正用反射型液晶光学素子9を備える。ここで、補正用反射型液晶光学素子9は、「第2の反射型液晶光学素子」の一例である。
<Configuration of image display device 100a according to second embodiment>
The configuration of an image display device 100a according to the second embodiment will be described. Fig. 8 is a diagram illustrating an example of the configuration of the image display device 100a. The image display device 100a includes a corrective reflective liquid crystal optical element 9. Here, the corrective reflective liquid crystal optical element 9 is an example of a "second reflective liquid crystal optical element."

補正用反射型液晶光学素子9は、上述した反射型液晶光学素子7と同様に、所定の波長帯で、液晶分子の螺旋回旋方向と同一の対掌性を有する円偏光の光を高い効率で反射させて集光させる平板形状の光学素子である。補正用反射型液晶光学素子9に含まれる液晶分子の面内配向分布で規定される集光作用は、網膜53に映像が投影される範囲内で、眼球50に入射するレーザ光線の状態を均一化するように調整されている。 The corrective reflective liquid crystal optical element 9, like the above-mentioned reflective liquid crystal optical element 7, is a flat optical element that reflects and focuses circularly polarized light having the same chirality as the helical rotation direction of the liquid crystal molecules in a specific wavelength band with high efficiency. The focusing effect, which is determined by the in-plane orientation distribution of the liquid crystal molecules contained in the corrective reflective liquid crystal optical element 9, is adjusted so as to uniform the state of the laser beam entering the eyeball 50 within the range in which the image is projected onto the retina 53.

<第2の実施形態に係る映像表示装置100aの作用>
ここで、補正用反射型液晶光学素子9の作用を説明するに先立ち、比較例に係る映像表示装置について、図9を参照して説明する。図9は、比較例に係る映像表示装置の作用を説明する図である。
<Function of the image display device 100a according to the second embodiment>
Before describing the operation of the corrective reflective liquid crystal optical element 9, an image display device according to a comparative example will be described with reference to Fig. 9. Fig. 9 is a diagram for explaining the operation of the image display device according to the comparative example.

図9において、レーザ光線L1~L3のそれぞれは、走査ミラー5で走査され、反射ミラー6で反射された後、反射型液晶光学素子7に入射する。ここで、レーザ光線L2は、映像の中心に対応するレーザ光線である。また、レーザ光線L1は、X方向における映像の一端に対応するレーザ光線であり、レーザ光線L3は、X方向における映像の他端に対応するレーザ光線である。換言すると、レーザ光線L1は、網膜53に映像が投影される範囲の一端に対応し、レーザ光線L3は、網膜53に映像が投影される範囲の他端に対応する。 In FIG. 9, each of the laser beams L1 to L3 is scanned by the scanning mirror 5, reflected by the reflecting mirror 6, and then enters the reflective liquid crystal optical element 7. Here, the laser beam L2 is a laser beam that corresponds to the center of the image. The laser beam L1 is a laser beam that corresponds to one end of the image in the X direction, and the laser beam L3 is a laser beam that corresponds to the other end of the image in the X direction. In other words, the laser beam L1 corresponds to one end of the range in which the image is projected onto the retina 53, and the laser beam L3 corresponds to the other end of the range in which the image is projected onto the retina 53.

レーザ光線L1は、反射型液晶光学素子7の領域P1で反射され、眼球50に入射する。また、レーザ光線L2は、反射型液晶光学素子7の領域P2で反射され、眼球50に入射する。レーザ光線L3は、反射型液晶光学素子7の領域P3で反射され、眼球50に入射する。 Laser beam L1 is reflected by region P1 of the reflective liquid crystal optical element 7 and enters the eyeball 50. Laser beam L2 is reflected by region P2 of the reflective liquid crystal optical element 7 and enters the eyeball 50. Laser beam L3 is reflected by region P3 of the reflective liquid crystal optical element 7 and enters the eyeball 50.

上述したように、反射型液晶光学素子7では、レーザ光線を眼球50に向けて反射させ、瞳孔の中心付近で集束させた後、網膜53に投影するために、正のX方向に領域P1から領域P3にかけて、集光作用の大きさが順に大きくなっている。 As described above, in the reflective liquid crystal optical element 7, the laser beam is reflected toward the eyeball 50, focused near the center of the pupil, and then projected onto the retina 53, so that the magnitude of the focusing effect increases in the positive X direction from region P1 to region P3.

また、図9に示すように、眼球50の正面に反射型液晶光学素子を配置する場合、レーザ光線L1~L3にかけて光路長が長くなるため、眼球50への入射する時のレーザ光線の状態がレーザ光線L1~L3の間で異なるものとなる。 In addition, as shown in Figure 9, when a reflective liquid crystal optical element is placed in front of the eyeball 50, the optical path length of the laser beams L1 to L3 becomes longer, and the state of the laser beams when they enter the eyeball 50 differs between the laser beams L1 to L3.

例えば、視野の中心を通るレーザ光線L2が図のZ軸に対して略平行な状態で眼球50に入射すると想定した場合、レーザ光線L1はレーザ光線L2に比べて発散した状態で眼球に入射する。一方、レーザ光線L3、レーザ光線L2に比べて収束した状態で眼球に入射する。このように、比較例に係る映像表示装置では、映像が投影される範囲内で、眼球50に入射するレーザ光線の状態が不均一となり、解像特性やフォーカス特性が均一にならなくなる場合がある。 For example, if we assume that laser beam L2 passing through the center of the field of view is incident on eyeball 50 in a state approximately parallel to the Z axis in the figure, laser beam L1 is incident on the eyeball in a more divergent state than laser beam L2. On the other hand, laser beam L3 is incident on the eyeball in a more convergent state than laser beam L2. Thus, in the image display device of the comparative example, the state of the laser beam incident on eyeball 50 becomes non-uniform within the range in which the image is projected, and the resolution characteristics and focus characteristics may not be uniform.

次に、本実施形態に係る映像表示装置100aの作用について、図10を参照して説明する。図10は、映像表示装置100aの作用の一例を説明する図である。 Next, the operation of the image display device 100a according to this embodiment will be described with reference to FIG. 10. FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the operation of the image display device 100a.

図10において、補正用反射型液晶光学素子9の領域C1で反射されたレーザ光線は、反射型液晶光学素子7の領域P1に入射する。また、補正用反射型液晶光学素子9の領域C2で反射されたレーザ光線は、反射型液晶光学素子7の領域P2に入射し、補正用反射型液晶光学素子9の領域C3で反射されたレーザ光線は、反射型液晶光学素子7の領域P3に入射する。 In FIG. 10, the laser beam reflected by region C1 of the correction reflective liquid crystal optical element 9 is incident on region P1 of the reflective liquid crystal optical element 7. The laser beam reflected by region C2 of the correction reflective liquid crystal optical element 9 is incident on region P2 of the reflective liquid crystal optical element 7, and the laser beam reflected by region C3 of the correction reflective liquid crystal optical element 9 is incident on region P3 of the reflective liquid crystal optical element 7.

ここで、反射型液晶光学素子7と補正用反射型液晶光学素子9のそれぞれは、同じ液晶材料により形成され、液晶分子は、入射する右回り円偏光のレーザ光線に対応させて、ともに偏光と同じ対掌性を有する右ねじれ螺旋配列を形成している。上述したように、補正用反射型液晶光学素子9は、反射型液晶光学素子7が有する集光作用の大きさの違いを打ち消し、映像が投影される範囲内で、眼球50に入射するレーザ光線の状態が均一化されるように、液晶分子配向構造が設計されている。 Here, the reflective liquid crystal optical element 7 and the corrective reflective liquid crystal optical element 9 are each formed from the same liquid crystal material, and the liquid crystal molecules form a right-twisted helical arrangement that has the same chirality as the polarization, corresponding to the incident right-handed circularly polarized laser beam. As described above, the corrective reflective liquid crystal optical element 9 has a liquid crystal molecular orientation structure designed to cancel out the difference in the magnitude of the light-gathering effect of the reflective liquid crystal optical element 7 and to homogenize the state of the laser beam incident on the eyeball 50 within the range where the image is projected.

より具体的には、反射型液晶光学素子7が、正のX方向に、領域P1~P3の順に集光作用の大きさが大きくなることに対応して、補正用反射型液晶光学素子9は、負のX方向に、領域C3~C1の順に集光作用の大きさが大きくなるように液晶分子の面内配向分布が規定されている。 More specifically, the in-plane orientation distribution of the liquid crystal molecules is specified so that the light-collecting effect of the reflective liquid crystal optical element 7 increases in the positive X direction from regions P1 to P3, while the light-collecting effect of the corrective reflective liquid crystal optical element 9 increases in the negative X direction from regions C3 to C1.

このような構成にすることで、補正用反射型液晶光学素子9の集光作用の大きさが大きい領域C1で反射されたレーザ光線L1は、反射型液晶光学素子7の集光作用の大きさが小さい領域P1に入射し、補正用反射型液晶光学素子9の集光作用の大きさが小さい領域C3で反射されたレーザ光線L3は、反射型液晶光学素子7の集光作用の大きさが大きい領域P3に入射する。 By adopting such a configuration, the laser beam L1 reflected from the region C1 where the focusing effect of the correction reflective liquid crystal optical element 9 is large is incident on the region P1 where the focusing effect of the reflective liquid crystal optical element 7 is small, and the laser beam L3 reflected from the region C3 where the focusing effect of the correction reflective liquid crystal optical element 9 is small is incident on the region P3 where the focusing effect of the reflective liquid crystal optical element 7 is large.

これにより、領域毎での集光作用の大きさのバランスが調整され、図10に示すように、映像が投影される範囲内において、反射型液晶光学素子7で反射された眼球50に入射するレーザ光線の状態、例えば、レーザ光線の直径およびビーム拡がり角が均一化される。 This adjusts the balance of the magnitude of the focusing effect in each region, and as shown in Figure 10, the state of the laser beam reflected by the reflective liquid crystal optical element 7 and incident on the eyeball 50, for example the diameter and beam spread angle of the laser beam, is made uniform within the range in which the image is projected.

本実施形態に係る映像表示装置100aにおいても、先述した映像表示装置100同様、眼球50の内部への入射光は、反射型液晶光学素子7の集光機能により瞳孔52の中心付近で一旦集束した後、眼球50の奥にある網膜53上で結像する、マクスウェル視を利用して映像を投影する。そのため、本実施形態では、レンズ2、補正用反射型液晶光学素子9および反射型液晶光学素子7の集光作用により、マクスウェル視として好適な条件である眼球50に入射する際のレーザ光線の直径が350μm以上且つ500μm以下、且つビーム拡がり角が正の有限値、すなわち発散光となるように設計されている。 In the image display device 100a according to this embodiment, as in the image display device 100 described above, the light incident on the inside of the eyeball 50 is first focused near the center of the pupil 52 by the focusing function of the reflective liquid crystal optical element 7, and then an image is formed on the retina 53 at the back of the eyeball 50, so that an image is projected using Maxwellian vision. Therefore, in this embodiment, the focusing action of the lens 2, the corrective reflective liquid crystal optical element 9, and the reflective liquid crystal optical element 7 is designed so that the diameter of the laser beam when it enters the eyeball 50, which is a suitable condition for Maxwellian vision, is 350 μm or more and 500 μm or less, and the beam divergence angle is a positive finite value, i.e., diverging light.

<第2の実施形態に係る映像表示装置100aの効果>
以上説明してきたように、本実施形態では、補正用反射型液晶光学素子9を介して反射型液晶光学素子7にレーザ光線を入射させる。これにより、反射型液晶光学素子7で反射され、眼球50に入射するレーザ光線の状態を均一化し、映像が投影される範囲内で解像特性やフォーカス特性が均一な映像をユーザに視認させることができる。
<Advantages of the image display device 100a according to the second embodiment>
As described above, in this embodiment, a laser beam is incident on the reflective liquid crystal optical element 7 via the corrective reflective liquid crystal optical element 9. This makes it possible to uniformize the state of the laser beam reflected by the reflective liquid crystal optical element 7 and incident on the eyeball 50, allowing the user to view an image with uniform resolution characteristics and focus characteristics within the range in which the image is projected.

また、本実施形態では、平板形状で薄型の補正用反射型液晶光学素子9を用いることで、映像表示装置100aを小型、軽量化し、また、映像表示装置100aの実装を容易にすることができる。なお、これ以外の効果は、第1の実施形態で説明したものと同様である。 In addition, in this embodiment, by using a flat, thin corrective reflective liquid crystal optical element 9, the image display device 100a can be made smaller and lighter, and the image display device 100a can be easily mounted. Note that other effects are the same as those described in the first embodiment.

[第3の実施形態]
次に、第3の実施形態の検眼装置を説明する。
[Third embodiment]
Next, an optometry apparatus according to a third embodiment will be described.

例えば、本発明の光学装置および映像表示装置は検眼装置にも採用することができる。検眼装置とは、視力検査、眼屈折力検査、眼圧検査、眼軸長検査など種々の検査を行うことができる装置を指す。検眼装置は、眼球に非接触で検査可能な装置であって、被験者の顔を支持する支持部と、検眼窓と、検眼に際し被検者の眼球に検査用情報を投影する表示部と、制御部と、測定部とを有している。被検者は支持部に顔を固定し、検眼窓から表示部により投影される検査用情報を凝視する。このとき、表示部として本実施形態の光学装置が利用可能である。また、本実施形態の映像表示装置を利用すれば、グラス形態の検眼装置の実現が可能となる。それにより、検査に必要な空間や大型の検眼装置が不要となり、簡便な構成で場所に左右されることなく検査が可能となる。 For example, the optical device and image display device of the present invention can be used in an eye examination device. An eye examination device refers to a device that can perform various tests such as visual acuity tests, eye refractive power tests, intraocular pressure tests, and axial length tests. An eye examination device is a device that can perform tests without contacting the eyeball, and has a support unit that supports the subject's face, an eye examination window, a display unit that projects test information onto the subject's eyeball during eye examination, a control unit, and a measurement unit. The subject fixes his or her face on the support unit and stares at the test information projected by the display unit through the eye examination window. At this time, the optical device of this embodiment can be used as the display unit. In addition, by using the image display device of this embodiment, it is possible to realize an eye examination device in the form of glasses. This eliminates the need for space or a large eye examination device required for the test, and allows the test to be performed with a simple configuration regardless of location.

以上、実施形態に係る光学装置、映像表示装置、及び検眼装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。 The optical device, image display device, and eye examination device according to the embodiments have been described above, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and improvements are possible within the scope of the present invention.

尚、本実施形態では、グラス型のHMDを映像表示装置の例として説明したが、HMD等の映像表示装置は、「人」の頭部に直接装着させるだけでなく、固定部等の部材を介して間接的に「人」の頭部に装着させるものであってもよい。 In this embodiment, a glasses-type HMD has been described as an example of an image display device, but an image display device such as an HMD may not only be worn directly on a person's head, but may also be worn indirectly on a person's head via a member such as a fixing part.

1 レーザ光源
2 レンズ
301 開口部材
302 減光素子
41 偏光子
42 1/4波長板
5 走査ミラー(走査部の一例)
6 反射ミラー
7 反射型液晶光学素子(光学部材の一例、投影部の一例、第1の反射型液晶光学素子の一例)
71 液晶ダイレクタ
72 等位相面
8 メガネフレーム
81 ツル
82 リム
9 補正用反射型液晶光学素子(第2の反射型液晶光学素子の一例)
20 制御部
22 CPU
23 ROM
24 RAM
25 光源駆動回路
26 走査ミラー駆動回路
27 システムバス
31 射出制御部
32 光源駆動部
33 走査制御部
34 走査ミラー駆動部
35 瞳孔位置推定部
36 姿勢制御部
37 ステージ駆動部
50 眼球
52 瞳孔
53 網膜
61 右回り円偏光
62 左回り円偏光
100 映像表示装置
P 反射点
1 Laser light source 2 Lens 301 Aperture member 302 Dimming element 41 Polarizer 42 ¼ wavelength plate 5 Scanning mirror (an example of a scanning unit)
6 Reflection mirror 7 Reflection type liquid crystal optical element (an example of an optical member, an example of a projection unit, an example of a first reflection type liquid crystal optical element)
71 Liquid crystal director 72 Equiphase surface 8 Glasses frame 81 Temple 82 Rim 9 Corrective reflective liquid crystal optical element (an example of a second reflective liquid crystal optical element)
20 Control unit 22 CPU
23 ROM
24 RAM
25 Light source driving circuit 26 Scanning mirror driving circuit 27 System bus 31 Emission control unit 32 Light source driving unit 33 Scanning control unit 34 Scanning mirror driving unit 35 Pupil position estimation unit 36 Attitude control unit 37 Stage driving unit 50 Eyeball 52 Pupil 53 Retina 61 Right-handed circularly polarized light 62 Left-handed circularly polarized light 100 Image display device P Reflection point

特許6209662号公報Patent Publication No. 6209662

Claims (14)

所定の偏光状態の光である走査光を投影する投影部を備え、
前記投影部は、記所定の偏光状態の光を選択的に反射させる光学部材を含み、
前記光学部材は、前記光を、投影される面に向けて反射し、且つ集光させる第1の反射型液晶光学素子であり、
前記第1の反射型液晶光学素子は、素子面内に少なくとも2つ以上の集光作用の大きさが異なる領域を含む
光学装置。
A projection unit projects scanning light that is light in a predetermined polarization state,
the projection unit includes an optical member that selectively reflects light in the predetermined polarization state ,
the optical member is a first reflective liquid crystal optical element that reflects and collects the light toward a surface onto which the light is projected;
The first reflective liquid crystal optical element includes at least two or more regions having different light-collecting effects within the element surface.
Optical device.
前記所定の偏光状態の光は対掌性を有する偏光状態の光である
請求項1に記載の光学装置。
2. The optical device according to claim 1, wherein the light in the predetermined polarization state is light in an chiral polarization state.
記対掌性を有する偏光状態の光は、右回り円偏光又は左回り円偏光の何れか一方の光であ
請求項に記載の光学装置。
The light in the chiral polarized state is either right-handed circularly polarized light or left-handed circularly polarized light.
3. The optical device according to claim 2 .
前記光学部材は前記光を選択的に反射させる面を有する
請求項1乃至3の何れか1項に記載の光学装置。
4. The optical device according to claim 1, wherein the optical member has a surface that selectively reflects the light.
前記光学部材は前記光を選択的に反射させる面と反対側の面からの前記対掌性と対となる偏光状態の光を透過させる
請求項2又は3に従属する請求項4に記載の光学装置。
5. The optical device according to claim 4, wherein the optical member transmits light having a polarization state that is paired with the chirality from a surface opposite to the surface that selectively reflects the light .
前記光学部材は、重合性液晶材により形成される
請求項1乃至の何れか1項に記載の光学装置。
6. The optical device according to claim 1, wherein the optical member is made of a polymerizable liquid crystal material.
記第1の反射型液晶光学素子は、3次元的に周期性を有する液晶分子配向構造を備え、
前記液晶分子配向構造は、素子深度方向に対掌性を有する螺旋分子配列を有し、
素子面内方向に素子中央部より素子面内に沿って分子配向が周期的に変化する周期配列を有し、
前記周期配列は、素子中央部より素子面内に沿って非線形に周期が変化する
請求項1乃至の何れか1項に記載の光学装置。
the first reflective liquid crystal optical element has a liquid crystal molecular orientation structure having three-dimensional periodicity;
the liquid crystal molecular orientation structure has a helical molecular arrangement having chirality in a depth direction of the element,
The element has a periodic arrangement in which the molecular orientation changes periodically along the element plane from the center of the element,
7. The optical device according to claim 1, wherein the period of the periodic array changes nonlinearly from a center of the element along an element surface.
前記周期配列は、素子中央部より二分される第1領域及び第2領域を備え、
前記第1領域及び前記第2領域における前記周期配列が非対称となるように構成されている
請求項に記載の光学装置。
the periodic array includes a first region and a second region that are divided into two by a center portion of the element,
The optical device according to claim 7 , wherein the periodic arrays in the first region and the second region are asymmetric.
前記螺旋分子配列の周期数は6以上である
請求項、又はに記載の光学装置。
9. The optical device according to claim 7 , wherein the periodicity of the helical molecular arrangement is 6 or more.
前記走査光を生成し前記投影部に照射する走査部をさらに有し、
前記走査部は、異なる2つの軸回りに回動する走査ミラーと、
前記走査ミラーによる反射光を反射させる反射ミラーと、を含む
請求項1乃至の何れか1項に記載の光学装置。
A scanning unit that generates the scanning light and irradiates the scanning light on the projection unit ,
The scanning unit includes a scanning mirror that rotates around two different axes;
The optical device according to claim 1 , further comprising: a reflecting mirror that reflects the light reflected by the scanning mirror.
前記反射ミラーは、右回り円偏光又は左回り円偏光の何れか一方の光を射させ、且つ集光させる反射面を有する第2の反射型液晶光学素子である
請求項10に記載の光学装置。
11. The optical device according to claim 10, wherein the reflecting mirror is a second reflective liquid crystal optical element having a reflecting surface that reflects and collects either right-handed circularly polarized light or left-handed circularly polarized light.
前記第2の反射型液晶光学素子は、素子面内に少なくとも2つ以上の集光作用の大きさが異なる領域を含み、前記集光作用の大きさが異なる領域のうち、集光作用の大きさが小さい領域は、集光作用の大きさが大きい領域と比較して、前記投影部によって光が投影される面の近くに設けられている
請求項11に記載の光学装置。
The optical device described in claim 11, wherein the second reflective liquid crystal optical element includes at least two or more regions within the element surface having different magnitudes of focusing effect, and among the regions having different magnitudes of focusing effect , the regions having a smaller magnitude of focusing effect are located closer to the surface onto which light is projected by the projection unit than the regions having a larger magnitude of focusing effect.
光源と、
前記光源からの光を前記所定の偏光状態に変換する偏光部と、
請求項1乃至12の何れか1項に記載の光学装置と、を備える
映像表示装置。
A light source;
a polarizing unit that converts the light from the light source into the predetermined polarization state;
An image display device comprising: an optical device according to claim 1 .
請求項1乃至12の何れか1項に記載の光学装置、又は請求項13に記載の映像表示装置の何れか一方を備える
検眼装置。
An optometric apparatus comprising: an optical device according to claim 1 ; or an image display device according to claim 13 .
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