JP7484348B2 - Optical device, image display device, and optometry device - Google Patents
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Images
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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
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.
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
The configuration of an
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
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
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
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/e2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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
<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
Next, the operation of the laser beam in the
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
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
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
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
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
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
<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
Next, the details of the configuration of the
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Next, a hardware configuration of the
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
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
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
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
<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
Next, the functional configuration of the
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
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
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
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
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
<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
Next, the details of the configuration of the reflective liquid crystal
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
<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
Next, the operation of the reflective liquid crystal
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
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
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
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
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
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
<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
Next, the operation of the
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
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
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
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
<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
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
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
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
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
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
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
[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
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
The configuration of an
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
<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
Before describing the operation of the corrective reflective liquid crystal
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
<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
As described above, in this embodiment, a laser beam is incident on the reflective liquid crystal
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
[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
6
71
20
23 ROM
24 RAM
25 Light
Claims (14)
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
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.
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.
請求項2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 .
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.
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 .
請求項1乃至5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.
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6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7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.
請求項7、又は8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9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.
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.
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.
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 .
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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