JPH11101948A - 走査光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で瞳径を確保して、精細度を保っ
たまま広視野化が可能であり、しかも瞳移動による周辺
画像の消失が生じない大瞳に相当する走査光学系を実現
する走査光学装置を提供する。 【解決手段】 画像光源から射出された光束を偏向器で
偏向して被走査面上に画像を形成する構成において、前
記光束は線状光束であり、観察者の視線を検出する視線
検出手段７と、イメージローテータ５とを備え、視線検
出手段７による視線検出量に応じてイメージローテータ
５を回転する事により線状光束を回転し、観察者の瞳位
置を追従する構成であって、前記偏向器は第１走査ミラ
ー１と第２走査ミラー２とを有し、その２次元走査によ
り画像を表示し、前記第１走査ミラー１は前記線状光束
に沿った細長い反射面とその反射面の長手方向に回転軸
を持つ構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヘッドマウントデ
ィスプレイ等の表示装置に応用される走査光学装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ヘッドマウントディスプレイにお
いて、観察者の頭部に装着する構成で、レーザーを走査
して観察者の網膜上に画像を描画表示する構成が、提案
されている。このようなヘッドマウントディスプレイに
代表される網膜走査型の表示装置において、画像の精細
度を保ったまま広視野の描画表示を行うためには、それ
に見合った走査線数を確保しなくてはならず、そのた
め、高速な走査を行うべく走査ミラーが高速で振動する
事が要求されるので、走査光学系は小型，軽量である事
が望まれてきており、これを実現するための構成が従来
より種々提案されている。

【０００３】ところで、走査式によるヘッドマウントデ
ィスプレイの場合、主走査の解像度は、電気制御により
いくらでも増加させる事が可能であるが、副走査本数を
増加させるためには、主走査周波数の増加が要求され
る。さらに、広視野を達成するためには、主走査方向の
振幅を大きく取る必要がある。これら２つの課題を同時
に達成するためには、ミラーの小型化が必須である。

【０００４】ところが、元来、画像の広視野化と大瞳化
とは相反する方向のものであり、上記のようなミラーの
小型化は、走査瞳径の小型化を伴い、瞳移動により周辺
画像のけられが生じる。つまり、広視野を実現したヘッ
ドマウントディスプレイ等において、その画像を見てい
る観察者が視線を動かす事により、大きな瞳移動が生じ
ると、その視線から遠い周辺画像が見えなくなってしま
うという問題がある。

【０００５】そこで、従来より、以下に示す２つの方式
が提案されている。即ち、 Ａ方式：単純に瞳移動を追従する瞳追従方式、 Ｂ方式：一方向だけ瞳径を確保した線状光束走査、 である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記Ａ
方式では、走査光学系の２次元の瞳の移動方向を追従す
る機構が非常に複雑になってしまうし、Ｂ方式では、他
方向の瞳追従が不可能となってしまう。本発明は、これ
らの問題点を解消し、簡単な構成で瞳径を確保して、精
細度を保ったまま広視野化が可能であり、しかも瞳移動
による周辺画像の消失が生じない大瞳に相当する走査光
学系を実現する走査光学装置を提供する事を目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、画像光源から射出された光束を偏向器
で偏向して被走査面上に画像を形成する走査光学装置に
おいて、前記光束は線状光束であり、観察者の視線を検
出する視線検出手段とイメージローテータとを備え、前
記視線検出手段による視線検出量に応じて前記イメージ
ローテータを回転する事により前記線状光束を回転し、
前記観察者の瞳位置を追従する走査光学装置であって、
前記偏向器は第１走査ミラーと第２走査ミラーとを有
し、その２次元走査により画像を表示し、前記第１走査
ミラーは前記線状光束に沿った細長い反射面とその反射
面の長手方向に回転軸を持つ構成とする。

【０００８】ここで、前記線状光束とは、光軸方向に垂
直な断面の形が細長い線状をしている光束の事である。
また、前記イメージローテータにより回転した画像を座
標変換により正位置に戻して表示する構成とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図１は、画像光とし
てアフォーカル光学系による線状光束を用いた走査光学
系の基本的な構成を模式的に示す斜視図である。同図に
おいて、１は第１走査ミラー、２は第２走査ミラー、３
は接眼光学系、４は観察者の眼である。第１走査ミラー
１及び第２走査ミラー２は、それぞれ図の水平面内で光
軸に対して斜めに配置されている。

【００１０】同図に示すように、図示しない画像光源か
ら射出された、断面の形が線状の線状光束は、その断面
の方向を水平に保ちながら矢印Ａ方向より第１走査ミラ
ー１に入射し、そこで反射されて更に第２走査ミラー２
で反射され、接眼光学系３に入射する。第１走査ミラー
１は、線状光束に沿った細長い反射面と、その反射面の
長手方向に回転軸を持っており、回転軸周りの慣性モー
メントが小さい事を生かして矢印ａで示す方向に高速で
振動し、線状光束を縦方向に走査する。

【００１１】一方、第２走査ミラーは矢印ｂで示す方向
に振動し、線状光束を横方向に走査する。図では線状光
束が接眼光学系３上で左上と中央に走査された様子を描
いている。これら走査された線状光束は、接眼光学系３
を透過して、断面の方向を水平に保ったまま観察者の眼
４に入射するので、眼４が左右に視線移動しても、線状
光束が照射されている範囲内である限り、画像の消失は
生じない事になる。つまり、この走査光学系の構成は、
水平方向に関しては大瞳であるのと同等であると言え
る。

【００１２】けれども、このままでは、観察者が眼４を
上下に動かした場合は、視線が線状光束から離れてしま
うので、画像の消失が生じてしまう。そこで、眼４の上
下の動きに対しては、線状光束を回転させる事により、
視線追従を行う事を考える。図２は、その視線追従を行
う本発明の走査光学装置の基本的な構成を模式的に示す
斜視図である。同図に示すように、図１と同様にして走
査され、接眼光学系３を透過した線状光束は、イメージ
ローテータ５を経てハーフミラー６を透過し、眼４に入
射する。

【００１３】このイメージローテータ５は、自身の回転
により、その回転角度の２倍の回転角度だけ、そこを通
過する光束を回転させる働きを持つプリズムである。同
図においては、イメージローテータ５は回転していない
ので、線状光束も回転せずにそのまま眼４に入射してい
る。尚、視線の動きの検出は、ハーフミラー６の上に配
置された視線検出手段７より発する赤外光をハーフミラ
ー６で反射して眼４に入射させ、眼４からの反射赤外光
を再びハーフミラー６で反射して視線検出手段７に取り
込み、ここでＣＣＤ等の受光素子により、その赤外光を
観察する事で行われる。

【００１４】図３に、イメージローテータを回転させた
ときの様子を示す。同図のように、イメージローテータ
５を光軸に沿って矢印ｃ方向に４５゜回転させると、こ
こを通過した線状光束は９０゜回転し、断面の方向を垂
直にして眼４に入射する。このとき、眼４が上下に視線
移動しても、線状光束が照射されている範囲内である限
り、画像の消失は生じない事になる。言い替えれば、上
下の視線移動を検知して線状光束が縦になるように回転
する動作を行う。つまり、この走査光学系の構成によ
り、縦，横，斜めのどの方向に関しても大瞳であるのと
同等となる。

【００１５】図４は、本発明の走査光学装置の基本的な
構成を観察者側から見た斜視図である。同図において、
８は上記第１走査ミラー１及び第２走査ミラー２を有す
る偏向器であり、また、ここに画像光源も含まれると考
えても良い。また、イメージローテータ５の周りには、
回転駆動機構９が設けられている。これは、図示しない
モータの回転を伝達する歯車等でも良いし、電磁力を伝
達するコイルのようなものでも良い。

【００１６】ところで、上記イメージローテータ５によ
り線状光束が回転すると、走査光学系の射出瞳も回転
し、画像も回転してしまうので、画像を正位置に戻して
やる処理が必要となる。図５にその手順を示す。同図に
示すように、（ａ）の正位置の状態から、視線追従のた
めの線状光束の回転により、（ｂ）の瞳回転の状態にな
った場合、そのままでは表示せずに、座標変換により
（ｃ）のように画像フレームを正位置に戻してから表示
する。尚、各図の左上に表示されている−印は、線状光
束の向きを示している。

【００１７】座標変換による実際の表示は、図示しない
画像光源側のＬＣＤのアドレスを切り出し直し、表示範
囲を変える事により行う。図６は、その具体例であり、
瞳が正位置のときはＬＣＤの表示範囲は（ａ）の如くで
あったものが、瞳が斜めに移動し、例えば水平から４５
゜（イメージローテータは２２．５゜）回転すると、そ
れに合わせて（ｂ）のように、ＬＣＤの各画素により表
示されるフレームの範囲が４５゜回転するという事にな
る。

【００１８】図７は、本発明の走査光学装置の、制御系
の構成を示す図である。同図において、１１は例えばマ
イクロコンピュータにより構成される制御部、１２は上
記ハーフミラー６及び視線検出手段７等から成り、ＣＣ
Ｄ等の受光素子より視線情報を出力する視線検知部、１
３は画像のビデオ信号を出力する画像形成部、１４は上
記走査光学系を主体とした画像表示部、１５はイメージ
ローテータ５を回転駆動するイメージローテータ駆動部
である。

【００１９】同図に示すように、視線検知部１２からの
視線情報と画像形成部１３からのビデオ信号を制御部１
１で演算処理し、ここから画像表示部１４及びイメージ
ローテータ１５に制御信号を出力する構成となってい
る。

【００２０】図８は、本発明の走査光学装置により、視
線追従を伴った画像表示をする際の手順を示すフローチ
ャートである。同図に示すように、まず、ステップ＃５
において、視線検知部１２からの視線情報により、視線
を検知する。続いてステップ＃１０において、画像形成
部１３からのビデオ信号により、フレーム信号を取得す
る。引き続きステップ＃１５において、検知した視線の
情報に基づき、制御部１１でイメージローテータの回転
量を演算し、ステップ＃２０において、イメージローテ
ータ駆動部１５でイメージローテータの回転駆動を行
い、ステップ＃２５において回転を終了する。

【００２１】前記イメージローテータの回転と並行し
て、ステップ＃３０において、フレーム信号及び視線の
情報に基づき、制御部１１でフレーム座標変換演算を行
う。以上の処理が終了した後、ステップ＃３５におい
て、画像表示部１４にてフレーム走査を開始し、ステッ
プ＃４０においてフレーム走査を終了する。以上の動作
を繰り返す。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単な構成で瞳径を確保して、精細度を保ったまま広視
野化が可能であり、しかも瞳移動による周辺画像の消失
が生じない大瞳に相当する走査光学系を実現する走査光
学装置を提供する事ができる。

【００２３】また、請求項２によるならば、イメージロ
ーテータにより回転してしまった画像を、別の光学系或
いは機構等を追加する事なく、電気制御のみにより正位
置となるように修正する事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】線状光束を用いた走査光学系の基本的な構成を
模式的に示す斜視図。

【図２】本発明の走査光学装置の基本的な構成を模式的
に示す斜視図。

【図３】イメージローテータを回転させたときの様子を
示す図。

【図４】本発明の走査光学装置の基本的な構成を観察者
側から見た斜視図。

【図５】画像を正位置に戻す処理の手順を示す説明図。

【図６】座標変換による実際の表示の具体例を示す図。

【図７】本発明の走査光学装置の制御系の構成を示す
図。

【図８】視線追従を伴った画像表示をする際の手順を示
すフローチャート。

【符号の説明】

１ 第１走査ミラー ２ 第２走査ミラー ３ 接眼光学系 ４ 眼 ５ イメージローテータ ６ ハーフミラー ７ 視線検出手段 ８ 偏向器 ９ 回転駆動機構 １１ 制御部 １２ 視線検知部 １３ 画像形成部 １４ 画像表示部 １５ イメージローテータ駆動部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像光源から射出された光束を偏向器で
   偏向して被走査面上に画像を形成する走査光学装置にお
   いて、 前記光束は線状光束であり、観察者の視線を検出する視
   線検出手段とイメージローテータとを備え、前記視線検
   出手段による視線検出量に応じて前記イメージローテー
   タを回転する事により前記線状光束を回転し、前記観察
   者の瞳位置を追従する走査光学装置であって、 前記偏向器は第１走査ミラーと第２走査ミラーとを有
   し、その２次元走査により画像を表示し、前記第１走査
   ミラーは前記線状光束に沿った細長い反射面と該反射面
   の長手方向に回転軸を持つ事を特徴とする走査光学装
   置。
2. 【請求項２】 前記イメージローテータにより回転した
   画像を座標変換により正位置に戻して表示する事を特徴
   とする請求項１に記載の走査光学装置。