WO2010103973A1 - 画像表示装置 - Google Patents

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WO2010103973A1
WO2010103973A1 PCT/JP2010/053436 JP2010053436W WO2010103973A1 WO 2010103973 A1 WO2010103973 A1 WO 2010103973A1 JP 2010053436 W JP2010053436 W JP 2010053436W WO 2010103973 A1 WO2010103973 A1 WO 2010103973A1
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WO
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image
transparent member
light
scanning
image display
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/053436
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English (en)
French (fr)
Inventor
西川恭生
Original Assignee
ブラザー工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0118—Head-up displays characterised by optical features comprising devices for improving the contrast of the display / brillance control visibility
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters

Definitions

  • the present invention relates to an image display device that displays an image by scanning a laser beam having an intensity corresponding to an image signal.
  • an image display device that displays an image on a projection target by scanning a laser beam having an intensity corresponding to an input image signal in a two-dimensional direction and projecting the same onto the projection target.
  • a retinal scanning head mount in which a projection target is a retina, and a scanned laser beam is incident on the pupil and projected onto the retina, thereby allowing an observer to visually recognize the image.
  • a display hereinafter also referred to as HMD
  • Patent Document 1 A display (hereinafter also referred to as HMD) is known (see Patent Document 1).
  • an optical scanning projector in which a projection target is a screen, and a scanned laser beam is projected on the screen so that an observer can visually recognize an image.
  • JP 2008-197206 A Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-296677
  • the intensity of the laser beam is quite low, but when the laser beam is irradiated on a point on the viewer's retina, it is too bright and the viewer is too bright. May cause discomfort.
  • the laser beam having inappropriate excess energy may be output to the projection target due to the malfunction of the laser beam output control.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and even when scanning with laser light is no longer performed or when laser light having excessive energy inappropriate for projection is output.
  • An image display device capable of avoiding the possibility of giving an observer an unpleasant feeling is provided.
  • an image display apparatus includes a light source, a scanning unit, an optical system, and a transparent member.
  • the light source emits laser light having an intensity corresponding to an image signal.
  • the scanning unit scans the laser light emitted from the light source.
  • the optical system is provided in the optical path of the laser beam scanned by the scanning unit, and forms at least one intermediate image.
  • the transparent member is formed to include a photochromic material, and is disposed at or near the intermediate image plane position where the intermediate image is located.
  • the photochromic material Since the material itself is colored by the reaction and the optical power transmitted downstream can be lowered, it is possible to avoid the possibility of giving the viewer unpleasant feeling. Further, since the transparent member is arranged at or near the intermediate image plane position where the intermediate image is located, the photochromic material can be reacted with high sensitivity.
  • the scanning unit may scan a laser beam emitted from the plurality of light sources in a two-dimensional direction to form a two-dimensional image plane as the intermediate image.
  • the difference in energy between scanning and stopping in a unit area becomes large, so that it is possible to use a photochromic material with relatively low sensitivity, and the degree of design freedom is increased. Can be increased.
  • a neutral density filter for reducing the intensity of the laser beam passing through the optical path may be provided in the optical path between the scanning unit and the transparent member.
  • the position of the transparent member may be adjustable.
  • the arrangement position of the transparent member can be appropriately changed in accordance with the sensitivity of the photochromic material.
  • the transparent member may be configured to be removable from the optical path.
  • the transparent member can be easily replaced. In addition, it is possible to save the trouble of removing the transparent member when it is unnecessary and repairing the damaged member.
  • a diffractive structure may be formed on the transparent member.
  • optical characteristics such as a pupil expansion effect can be imparted to the transparent member.
  • the transparent member is a region through which a laser beam incident from the scanning unit passes when the concentration of the photochromic material contained in the transparent member is stopped at a preset scanning position. May be formed higher than other regions.
  • an eyepiece optical system for projecting an image corresponding to the image signal onto the observer's retina by causing the laser beam scanned by the scanning unit to enter the observer's eye is further provided. May be.
  • the image display device is a retinal scanning type HMD
  • the laser beam is concentrated on one point on the retina of the observer even when scanning with the laser beam is not performed. It is possible to avoid the possibility that the viewer is uncomfortable when the light is irradiated.
  • the image display device of the present invention even when the scanning of the laser beam is not performed or the laser beam having excessive energy inappropriate for projection is output, the viewer is uncomfortable. The fear of giving can be avoided. Further, since the transparent member is arranged at or near the intermediate image plane position where the intermediate image is located, the photochromic material can be reacted with high sensitivity.
  • the image display apparatus displays an image by scanning laser light.
  • a transparent member containing a photochromic material is disposed on the optical path of laser light.
  • the photochromic material contained in the transparent member is caused to react with the laser beam so that the laser beam irradiated to the projection target is attenuated or shielded.
  • the scanning unit stops scanning (the laser beam is emitted but the scanning is stopped), and the point on the projection target In a situation where laser light is irradiated (hereinafter, also simply referred to as “abnormal”)
  • E [J] is the light energy radiated from the light source in one frame (for example, 60 [Hz]) by reciprocal scanning at a horizontal scanning frequency of 30 [kHz].
  • the transparent member containing the photochromic material is disposed on the optical path so that the laser light is attenuated or shielded. By doing so, the possibility of discomforting the observer is avoided.
  • a photochromic material is a substance that exhibits a photochromic reaction. In general, it is a general term for substances that change color by light irradiation, especially those that cause blackening (also called darkening).
  • the photochromic material is a material that lowers the transmittance of electromagnetic waves having a specific wavelength upon irradiation with light, particularly those having an infrared wavelength of several tens [ ⁇ m] to an ultraviolet of about several hundred [nm]. . Examples of such materials include substances that exhibit a process (photoinduced isomerization reaction) in which the molecular structure changes due to recombination of chemical bonds within the molecule without changing the molecular weight.
  • Silver salts that have been used for a long time as photographic materials can also be regarded as a kind of photochromic materials.
  • the photochromic material used in this embodiment is used for laser light or image display that attempts to transmit through a transparent member containing the photochromic material when irradiated with laser light of a predetermined wavelength having predetermined energy.
  • a laser beam having a different wavelength can be attenuated or shielded.
  • an azobenzene-based, diarylethene-based, spiropyran-based, spiroperimidine-based, bipyridine-based compound, or a derivative or silver salt thereof can be used.
  • substances that cause a photoisomerization reaction such as a spiropyran system, proceed quickly through a two-photon absorption reaction, and are more preferable than conventional silver salt systems.
  • the state of the photochromic material includes “transmitter” and “light shield”.
  • Transmitter refers to a state in which the absorption spectrum is low at the wavelength of the desired laser beam (image beam), that is, a state in which the laser beam can be transmitted.
  • the “light-shielding body” refers to a state where the absorption spectrum is high at the wavelength of the laser light, that is, a state where the laser light can be attenuated or shielded.
  • the energy required for the state transition from the transmissive body to the light shielding body is called “activation energy”.
  • the activation energy per molecule involved in the reaction will be described as ⁇ G0.
  • the image display apparatus includes an optical system that is provided in the optical path of the laser beam scanned by the scanning unit and forms at least one intermediate image.
  • the transparent member containing a photochromic material is the intermediate image. Is located at or near the intermediate image plane position.
  • the scanning light is converged at or near this intermediate image plane position. Therefore, the intermediate image plane position and its vicinity are places with high energy density. Therefore, the photochromic material can be reacted quickly by the above-described two-photon absorption process.
  • the position where the transparent member is disposed is a position where the relationship E_scan ⁇ V0 ⁇ ⁇ ⁇ G0 ⁇ E_stop is established.
  • V0 is a volume which becomes a reaction field by laser irradiation
  • ⁇ is a molecular number density of the photochromic material.
  • V0 depends on, for example, the spot diameter of irradiation light, and V0 increases as the spot diameter increases.
  • the vertical axis represents energy
  • the horizontal axis represents reaction coordinates
  • the curve schematically shows the energy change in the reaction between the transmissive body and the light shielding body.
  • the hatched area of E_scan indicates the fluctuation width of the scanning energy (per frame) of the modulated laser light during normal use.
  • the position of the transparent member is such that the energy of E_scan is lower than the activation energy ⁇ G0 necessary for the state transition of the transmission body to the light shielding body, and the energy of E_stop is higher than ⁇ G0.
  • the position becomes. This is equivalent to changing V0.
  • the transparent member containing the photochromic material does not exceed the activation energy of the photochromic material with the energy of the laser light at the time of scanning, and becomes a transmission body that does not attenuate or block the laser light.
  • this transparent member becomes a light shielding body by the reaction of the photochromic material by the energy of the laser beam when scanning is stopped.
  • the transparent member containing this photochromic material satisfies the above-described relationship of E_scan ⁇ V0 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ G0 ⁇ E_stop. Therefore, the arrangement position of the transparent member may be adjustable, and a neutral density filter may be arranged on the incident surface side or the emission surface side of the laser light incident on the transparent member.
  • the selection range of the intensity of the laser beam emitted from the light source and the sensitivity of the photochromic material can be expanded, and the degree of freedom in designing the image display device can be increased.
  • an HMD is shown as an example of an image display device, but the image display device is not limited to this.
  • the HMD 1 includes a control unit 2, a transmission cable unit 3, and a head mounting tool 4.
  • the control unit 2 emits laser light having an intensity corresponding to the image signal as image light.
  • An external input / output terminal 5 is formed in the control unit 2, and the control unit 2 inputs an image signal from the outside via the external input / output terminal 5, and is connected to a personal computer (not shown). It is possible to transmit and receive content information for forming an image signal.
  • the transmission cable unit 3 includes an optical fiber cable that transmits image light emitted from the control unit 2.
  • the transmission cable unit 3 also has a drive signal transmission cable.
  • the drive signal transmission cable receives a horizontal drive signal 61 and a vertical drive signal 62 for synchronizing between a horizontal scanning unit 80 and a vertical scanning unit 90 provided in the projection unit 10 described later and the light source unit 11 described later. To transmit.
  • the head wearing tool 4 scans the transmitted image light, projects it to the observer, and displays the image to the observer.
  • the head mount 4 is provided with a half mirror 9 positioned in front of the eye Y of the observer. Then, the external light La passes through the half mirror 9 and enters the observer's eye Y, and the image light Lb emitted from the projection unit 10 is reflected by the half mirror 9 and enters the observer's eye. ing.
  • the head mounting tool 4 is provided with a projection unit 10 on the side of the front portion 7 of the support member 6 having a substantially glasses shape.
  • the projection unit 10 scans the image light transmitted by the transmission cable unit 3 so that the observer can recognize it as a display image.
  • the projection unit 10 scans the image light intensity-modulated for each color (R, G, B) in a two-dimensional direction, and causes the image light to enter the observer's eye Y.
  • the projection unit 10 scans the image light in the two-dimensional direction on the retina of the eye Y of the observer so that the observer can visually recognize the display image.
  • the so-called retina scanning display Retinal Scanning Display
  • the HMD 1 is a see-through type HMD that projects image light onto the eye Y of the observer while transmitting external light.
  • a see-through type HMD is described.
  • a light-scanning type HMD is not necessarily a see-through type HMD.
  • the HMD 1 includes a control unit 2, a half mirror 9, and a projection unit 10.
  • the control unit 30 that performs overall control of the operation of the entire HMD 1 and image information is read out in pixel units from the image signal S supplied from the control unit 30, and based on the read out pixel unit image information.
  • a light source unit 11 that generates and emits laser light whose intensity is modulated for each color of R (red), G (green), and B (blue) is provided.
  • the light source unit 11 may be provided in the projection unit 10 instead of being provided in the control unit 2. In that case, the optical fiber is unnecessary.
  • the light source unit 11 is provided with an image signal supply circuit 13 that generates a signal or the like as an element for synthesizing an image.
  • the control unit 30 stores image data supplied from devices not shown externally connected via the external input / output terminal 5 and content information stored in advance in the content storage unit 14 having a relatively large storage area. Based image data is input.
  • the control unit 30 generates an image signal S based on the image data and sends it to the image signal supply circuit 13.
  • the image signal supply circuit 13 Based on the image signal S, the image signal supply circuit 13 generates each signal as an element for forming a display image in units of pixels.
  • the image signal supply circuit 13 generates and outputs an R (red) image signal 60r, a G (green) image signal 60g, and a B (blue) image signal 60b.
  • the image signal supply circuit 13 outputs a horizontal drive signal 61 used in the horizontal scanning unit 80 and a vertical drive signal 62 used in the vertical scanning unit 90, respectively.
  • the content information is composed of at least one of data for displaying characters, data for displaying images, and data for displaying moving images.
  • the content storage unit 14 can be, for example, a magnetic storage medium such as a hard disk, an optical storage medium such as a CD-R, a flash memory, or the like.
  • the light source unit 11 is provided with an R laser driver 66, a G laser driver 67, and a B laser driver 68 for driving the R laser 63, the G laser 64, and the B laser 65, respectively.
  • the R laser driver 66, the G laser driver 67, and the B laser driver 68 respectively modulate the intensity based on the R image signal 60r, the G image signal 60g, and the B image signal 60b output from the image signal supply circuit 13 in units of pixels.
  • the laser beam (also referred to as “light beam”) is emitted from the R laser 63, the G laser 64, and the B laser 65.
  • Each laser 63, 64, 65 can be configured as, for example, a semiconductor laser or a solid-state laser with a harmonic generation mechanism.
  • the drive current can be directly modulated to modulate the intensity of the laser beam.
  • each laser is equipped with an external modulator, and the intensity of the laser beam is modulated. Need to do.
  • the light source unit 11 is provided with collimating optical systems 71, 72, 73, dichroic mirrors 74, 75, 76, and a coupling optical system 77.
  • the collimating optical systems 71, 72, and 73 are provided so as to collimate the laser light emitted from the lasers 63, 64, and 65 into parallel light.
  • the dichroic mirrors 74, 75, and 76 multiplex the collimated laser beams.
  • the coupling optical system 77 guides the combined laser light to the optical fiber cable 50.
  • the laser beams emitted from the lasers 63, 64, and 65 are collimated by the collimating optical systems 71, 72, and 73 and then enter the dichroic mirrors 74, 75, and 76, respectively. Thereafter, each of the laser beams is selectively reflected and transmitted with respect to the wavelength by these dichroic mirrors 74, 75, and 76.
  • the three primary color laser beams incident on these three dichroic mirrors 74, 75, and 76 are reflected or transmitted in a wavelength selective manner, reach the coupling optical system 77, and are collected and output to the optical fiber cable 50.
  • the optical fiber cable 50 is accommodated in the transmission cable portion 3 shown in FIG.
  • the projection unit 10 positioned between the light source unit 11 and the observer's eye Y includes a collimating optical system 79, a horizontal scanning unit 80, a vertical scanning unit 90, a first relay optical system 85, and a second relay.
  • An optical system 95 is provided.
  • the collimating optical system 79 collimates the laser light generated by the light source unit 11 and emitted through the optical fiber cable 50.
  • the horizontal scanning unit 80 reciprocally scans the laser beam parallelized by the collimating optical system 79 in the horizontal direction for image display.
  • the vertical scanning unit 90 scans the laser beam scanned in the horizontal direction by the horizontal scanning unit 80 in the vertical direction.
  • the first relay optical system 85 is provided between the horizontal scanning unit 80 and the vertical scanning unit 90.
  • the second relay optical system 95 is provided to emit the laser beam thus scanned in the horizontal direction and the vertical direction to the pupil 101a.
  • the horizontal scanning unit 80, the vertical scanning unit 90, and the first relay optical system 85 are an optical scanning device and an optical system for scanning in the horizontal direction and the vertical direction to form a scanning light beam. Then, the horizontal scanning unit 80, the vertical scanning unit 90, and the first relay optical system 85 make the laser light incident from the optical fiber cable 50 projectable to the observer's retina 101b as an image.
  • the horizontal scanning unit 80 and the vertical scanning unit 90 are collectively referred to as a scanning unit.
  • the horizontal scanning unit 80 horizontally drives a resonance type deflection element 81 having a deflection surface for scanning laser light in the horizontal direction, and a driving signal for causing the deflection element 81 to resonate and swing the deflection surface of the deflection element 81.
  • a horizontal scanning drive circuit 82 that is generated based on the signal 61 is provided.
  • the vertical scanning unit 90 vertically drives a non-resonance type deflection element 91 having a deflection surface for scanning the laser beam in the vertical direction and a drive signal for swinging the deflection surface of the deflection element 91 in a non-resonance state. And a vertical scanning control circuit 92 that is generated based on the signal 62.
  • the vertical scanning unit 90 vertically scans laser light for forming an image from the first horizontal scanning line toward the last horizontal scanning line for each frame of the image to be displayed.
  • the “horizontal scanning line” means one scanning in the horizontal direction by the horizontal scanning unit 80.
  • the first relay optical system 85 that relays the laser light between the horizontal scanning unit 80 and the vertical scanning unit 90 converts the laser light scanned in the horizontal direction by the deflection surface of the deflection element 81 into the deflection surface of the deflection element 91. To converge. Then, this laser light is scanned in the vertical direction by the deflection surface of the deflecting element 91 to become image light Lb.
  • the image light Lb is reflected by the half mirror 9 positioned in front of the eye Y through the second relay optical system 95 in which two lenses 95a and 95b having positive refractive power are arranged in series. It enters the pupil 101a. As a result, a display image corresponding to the image signal S is projected on the retina 101b. Thus, the observer recognizes the image light Lb as a display image.
  • the respective laser beams are made substantially parallel to each other by the lens 95a and converted into convergent laser beams, respectively.
  • the laser beams are converted into substantially parallel laser beams by the lens 95b, and the center lines of these laser beams are converted so as to converge on the observer's pupil 101a.
  • the lens 95b is an eyepiece optical system that makes the image light Lb (laser light) scanned by the scanning unit enter the eye Y of the observer and projects an image according to the image signal S onto the retina 101b of the observer. Function.
  • a light shielding unit 111 including a transparent member 110 containing a photochromic material is disposed at an intermediate image plane position where the intermediate image formed by the second relay optical system 95 is located. Yes.
  • the light shielding unit 111 is a main part of the present embodiment, and will be described in detail later.
  • Control unit 30 The control unit 30 generates the image signal S described above by executing predetermined processing according to a control program stored therein.
  • control unit 30 indicates a main controller 31, an HMD controller 32, an HMD VRAM (Video Random Access Memory) 33, and a peripheral device interface (“I / F” in the figure). 38) and a communication I / F 39.
  • the main controller 31 includes a CPU (Central Processing Unit) 40, a program ROM (Read Only Memory) 41, which is a nonvolatile memory, and a RAM (Random Access Memory) 43. These are respectively connected to a bus for data communication, and various information is transmitted and received via the bus for data communication.
  • a CPU Central Processing Unit
  • ROM Read Only Memory
  • RAM Random Access Memory
  • the CPU 40 is an arithmetic processing unit that operates various units included in the HMD as the main controller 31 by executing a control program stored in the program ROM 41 to execute various functions included in the HMD.
  • the RAM 43 functions as a temporary storage area for temporarily storing various variables, flags, and the like when the CPU 40 executes the control program.
  • the HMD controller 32 controls the image signal supply circuit 13 in response to a request from the main controller 31, and the image signal S based on the image data stored in the HMD VRAM 33 by the main controller 31 is sent to the image signal supply circuit 13. Supply.
  • the image signal supply circuit 13 When the image signal S is input from the HMD controller 32, the image signal supply circuit 13 generates laser light of each color whose intensity is modulated based on the image signal S.
  • the peripheral device I / F 38 is an interface for connecting the content storage unit 14 and the peripheral device 34 such as a power switch and lamps (not shown) to the control unit 2.
  • the main controller 31 receives operation information from the switches such as the power switch from the peripheral device I / F 38, and passes through the peripheral device I / F 38.
  • the lamp lighting information is supplied to the lamps.
  • the communication I / F 39 controls the control unit 2 so that it can communicate with a personal computer (not shown) connected to the external input / output terminal 5.
  • the main controller 31 requests the personal computer to supply content information via the communication I / F 39 and the external input / output terminal 5, for example.
  • the main controller 31 writes the content information supplied from the personal computer via the external input / output terminal 5 and the communication I / F 39 to the content storage unit 14 or supplies the image signal S based on the content information as the image signal. This is supplied to the circuit 13.
  • the light shielding unit 111 is formed between the lens 95a and the lens 95b of the second relay optical system 95 provided in the optical path of the laser beam (image light Lb) scanned by the scanning unit.
  • the light shielding unit 111 includes a transparent member 110 containing a photochromic material, and is formed at an intermediate image plane position where the intermediate image formed by the second relay optical system 95 is located.
  • the intermediate image only needs to be at an image conjugate position with the retina 101b of the observer P, and is not limited to the configuration according to the present embodiment.
  • the optical system for forming the intermediate image includes not only one constituted by a plurality of optical members but also one constituted by a single optical member.
  • the light shielding portion 111 includes a swinging portion 112 that includes a transparent member 110 that is pivotally supported and a pedestal portion 113 that allows the swinging portion 112 to be attached and detached. is doing.
  • the pedestal portion 113 can be advanced and retracted in the optical path direction with the swinging portion 112 fitted.
  • the oscillating portion 112 includes a transparent member 110 formed in a substantially rectangular shape when viewed from the incident direction of the laser beam (hereinafter referred to as a front view) and a pivot member 114 having a substantially U shape in the front view. .
  • the transparent member 110 has a substantially plate shape in which a photochromic material is dispersed in glass.
  • the transparent member 110 is a member that is transparent when the photochromic material is in a transparent state and opaque when in a light shielding state with respect to laser light emitted from the lasers 63, 64, and 65.
  • columnar pivot support pieces 115, 115 are provided on the left and right side surfaces of the transparent member 110 so that the transparent member 110 can be attached to the pivot support member 114.
  • the pivot member 114 includes a rectangular long plate-like bottom plate portion 116 having a long side in a direction orthogonal to the optical path direction in plan view, and a substantially semicircular bearing in a side view standing on both the left and right short sides of the bottom plate portion 116. Protruding pieces 117 and 117 are provided. Receiving holes 118, 118 having substantially the same diameter as the above-mentioned pivot support protrusions 115, 115 are formed in the substantially central portion of the bearing protrusions 117, 117 in a side view.
  • the pivoting protrusions 115 and 115 of the transparent member 110 are inserted into the receiving holes 118 and 118, respectively, so that the swinging portion 112 is integrally formed.
  • the pedestal portion 113 is a substantially rectangular parallelepiped having a long side in a direction orthogonal to the optical path direction in plan view, and a fitting concave portion 119 (on the top surface portion of which the bottom plate portion 116 of the swinging portion 112 is detachably engaged. 6) is formed.
  • a female screw hole 120 having a female screw on the inner peripheral surface is bored in parallel with the optical path direction from the front surface to the rear surface of the pedestal portion 113.
  • a male screw member 121 which is also arranged in parallel with the optical path direction, is screwed into the female screw hole 120, so that the pedestal 113 can be moved in the optical path direction.
  • the light-shielding part 111 having such a configuration is transparent by rotating in the direction around the axis of the swinging shaft 122 (indicated by the alternate long and short dash line) coaxial with the pivotal support pieces 115 and 115 of the swinging part 112.
  • the angle of the member 110 can be changed.
  • the pedestal portion 113 can be moved in the optical path direction together with the oscillating portion 112.
  • the position of the transparent member 110 can be adjusted.
  • the pivoting shaft 122 and the advancing / retracting shaft 123 are automatically rotated by a driving unit such as a motor (not shown) via the control unit 30 or manually by a user.
  • the swinging portion 112 is configured to be detachable from the pedestal portion 113 so that the transparent member 110 can be removed from the optical path.
  • FIG. 7 is an explanatory view showing the surface of the transparent member 110 when the image light Lb is scanned and displaying a display image to the observer, and the surface of the transparent member 110 at the time of abnormality.
  • W is the maximum scanning range of the deflecting element 81 and the deflecting element 91, that is, the horizontal maximum scanning range (horizontal range in the figure) and the vertical maximum scanning range (range in the vertical direction in the figure). It is the range formed by.
  • Z is an effective scanning range, that is, a range formed by a horizontal effective scanning range and a vertical effective scanning range.
  • the locus of the image light Lb is indicated by a broken line in the form of a sine curve, but the interval is exaggerated for convenience of explanation, and the number of scanning lines is not necessarily accurate.
  • the image light Lb incident on the transparent member 110 in the normal state has only E_scan energy lower than the activation energy ⁇ G0 of the photochromic material at least for each pixel as shown in FIG. . Therefore, the image light Lb does not react with the photochromic material, and the photochromic material remains a transmissive body, so that it passes through the transparent member 110 and reaches the lens 95b.
  • the image light Lb is constantly incident on a limited area of the transparent member 110. Therefore, at this incident position, the image light Lb enters the transparent member 110 with E_stop higher than the activation energy ⁇ G0 of the photochromic material. Give energy. Therefore, the photochromic material reacts, and the photochromic material in the region irradiated with the image light Lb and the peripheral region thereof changes to a light shielding body. As a result, a region M that is opaque to the image light Lb is formed.
  • the image light Lb is dimmed or shielded, and it is possible to avoid the possibility of giving the viewer unpleasant feeling.
  • an exit pupil enlarging means including a diffractive structure may be formed on the transparent member 110.
  • a diffraction grating, a hologram, a scattering plate, a fiber bundle, a microlens array, or the like is formed on the transparent member 110.
  • the transparent member 110 can have a further function, that is, a wide relative position tolerance in a plane perpendicular to the optical axis of the exit pupil of the apparatus with respect to the pupil position of the observer, that is, it becomes easy to visually recognize the image light. Can be added.
  • the number of parts can be reduced without providing a member for enlarging the exit pupil in the transparent member 110.
  • the light shielding unit 111 described here is basically the same as the above-described configuration, but the luminance of the image light Lb (laser light) passing through the optical path is set in the optical path between the scanning unit and the transparent member 110.
  • a feature is that a neutral density filter 130 is provided.
  • the plate-like member mounted on the pivot member 114 has a two-layer structure of a surface layer and a back layer in order from the incident direction of the image light Lb, and the surface layer is image light. While the neutral density filter 130 reduces the luminance of Lb, the back layer is the transparent member 110.
  • the E_scan of the image light Lb incident on the transparent member 110 is set to be greater than the activation energy ⁇ G0. Can be lowered.
  • a photochromic material that reacts with energy of about E_scan of the image light Lb is used, an image that satisfies the relationship of E_scan ⁇ V0 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ G0 ⁇ E_stop by the neutral density filter 130.
  • the light Lb can be incident on the transparent member 110.
  • the neutral density filter 130 is disposed on the front surface layer and the transparent member 110 is disposed on the rear surface layer. Conversely, the transparent member 110 is disposed on the front surface layer and the neutral density filter 130 is disposed on the rear surface layer. You may make it do.
  • image light Lb that is too strong to irradiate a projection target such as the retina 101b must be emitted from the lasers 63, 64, and 65 using a photochromic material with low reaction sensitivity. Even in such a case, with the above-described configuration, the luminance of the image light Lb transmitted through the transparent member 110 can be reduced, and the image light Lb having an appropriate luminance can be projected onto the projection target. Can do.
  • both the surface layer and the back layer are made of a transparent member containing a photochromic material, but the surface layer and the back layer have a photochromic material having a different reaction rate or a photochromic material having a different degree of darkening when it becomes a light shielding body. You may make it use a material together.
  • a photochromic material (hereinafter referred to as PC1) having a high reaction speed but a low darkening degree and a photochromic material (hereinafter referred to as PC2) capable of obtaining a darkening degree that exhibits a sufficient light shielding effect although the reaction speed is low. )
  • these photochromic materials may be dispersed in the surface layer and the back layer, respectively.
  • the PC 1 first reacts quickly, and the image light Lb is dimmed to a level that is safe for the projection target. Next, PC2 reacts to ensure light shielding. By doing so, it is possible to avoid the possibility of giving an observer an unpleasant feeling.
  • the two-layer structure has been described as an example, but the present invention is not limited to this. Needless to say, a plurality of types of filters and photochromic materials may be combined to form a three-layer structure or more. Of course, both PC1 and PC2 may be formed in a single layer.
  • the shade of the transparent member 110 visually indicates the concentration distribution of the photochromic material for convenience.
  • the graph shown on the right side of the transparent member 110 is the concentration distribution of the photochromic material in the AA ′ section, and the graph shown on the lower side is the concentration distribution of the photochromic material in the BB ′ section.
  • the concentration of the photochromic material in the glass increases toward the substantially central portion in the vertical and horizontal directions in the front view of the transparent member 110. It is formed to be higher.
  • a resonant deflection element 81 that changes the angle of the reflecting surface by resonance and a non-resonant type
  • the deflection element 91 is used as the optical scanning device.
  • the transparent member 110 is configured as described above because, when both the deflection elements 81 and 91 are stopped, each of the horizontal maximum scanning range and the vertical maximum scanning range among the trajectories of the image light Lb shown in the figure. This is because the scanning is stopped at an intermediate point.
  • the transparent member 110 has a concentration of the photochromic material contained therein as follows.
  • the concentration of the photochromic material in the region where the laser light incident from the scanning unit passes is higher than the concentration of the photochromic material in the other region. Is formed.
  • the concentration of the photochromic material at the substantially central portion in the vertical and horizontal directions is increased in order to cope with both of the deflecting elements 81 and 91 being stopped simultaneously.
  • the present invention is not limited to this.
  • this is a case where one of the deflection elements 81 and 91 is stopped by forming a portion having a high photochromic material concentration in a cross shape along the AA ′ and BB ′ sectional lines.
  • the preset scanning stop position is the intermediate point between the horizontal maximum scanning range and the vertical maximum scanning range of both deflection elements 81 and 91 .
  • the preset scanning stop position may differ depending on the scanning means and method. In that case, in accordance with the specifications, the region through which the laser light incident from the scanning unit passes when stopped is higher than the other regions.
  • the transparent member 110 is disposed at or near the intermediate image plane position of the second relay optical system 95, but the present invention is not limited to this.
  • the transparent member 110 may be disposed at or near the intermediate image plane position of an existing or separately provided optical system as long as it is within an optically acceptable range for properly displaying a display image.
  • the retinal scanning type HMD has been described.
  • the present invention is not particularly limited as long as it is a laser scanning type image display device.
  • An image display device that includes a light source that emits laser light having an intensity corresponding to an image signal and a scanning unit that scans the laser light emitted from the light source, and displays an image using the laser light scanned by the scanning unit. Applicable if available.

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Abstract

　ＨＭＤは、画像信号に応じた強度のレーザ光を出射する光源と、前記光源から出射されたレーザ光を走査する走査部と、前記走査部が走査したレーザ光の光路中に設けられ、少なくとも一つの中間像を形成する光学部材と備え、フォトクロミック材料を含んで形成され、前記中間像が位置する中間像面位置又はその近傍に透明部材を配置した。

Description

画像表示装置
　本発明は、画像信号に応じた強度のレーザ光を走査して画像を表示する画像表示装置に関する。
　従来、入力される画像信号に応じた強度のレーザ光を二次元方向に走査して投影対象に投射することにより、投影対象上に画像を表示する画像表示装置が提供されている。
　このような画像表示装置の一例として、投影対象を網膜とし、走査したレーザ光を瞳孔から入射させて網膜上に投影することにより、観察者に画像を視認させるようにした網膜走査型のヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤともいう。）が知られている（特許文献１参照。）。
　また、別の画像表示装置の一例として、投影対象をスクリーンとし、走査したレーザ光をスクリーン上に投射することにより、観察者に画像を視認させるようにした光走査型のプロジェクタが知られている（特許文献２参照。）。
特開２００８－１９７２０６号公報 特開２００２－２９６６７７号公報
　ところで、上記従来の画像表示装置は、何らかのトラブルでレーザ光の走査が行われなくなった場合、レーザ光が投影対象の一点に集中して照射され、観察者に対し不快感を与える虞があった。
　具体的には、投影対象が網膜であるＨＭＤの場合は、レーザ光の強度はかなり低いものの、観察者の網膜上の一点に集中してレーザ光が照射されると、まぶしすぎるために観察者に不快感を与える虞がある。
　また、投影対象がスクリーンであるプロジェクタの場合も同様に、スクリーン上の一点に集中してレーザ光が照射されると、スクリーン上の輝点を見た観察者に不快感を与える虞がある。
　上記のようにレーザ光の走査が行われなくなった場合以外にも、レーザ光の出力制御の不調などにより、不適当な過剰エネルギーを持ったレーザ光が投影対象に出力されることも考えられる。
　本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、レーザ光の走査が行われなくなった場合や、投影に不適当な過剰エネルギーを持ったレーザ光が出力された場合であっても、観察者に対し不快感を与える虞を回避できる画像表示装置を提供する。
　上記課題を解決するために、本発明の一つの観点によれば、画像表示装置において、光源と、走査部と、光学系と、透明部材とを備える。前記光源は、画像信号に応じた強度のレーザ光を出射する。前記走査部は、前記光源から出射されたレーザ光を走査する。前記光学系は、前記走査部が走査したレーザ光の光路中に設けられ、少なくとも一つの中間像を形成する。前記透明部材は、フォトクロミック材料を含んで形成し、前記中間像が位置する中間像面位置又はその近傍に配置される。
　このように画像表示装置が構成されることで、レーザ光の走査が行われなくなった場合や、投影に不適当な過剰エネルギーを持ったレーザ光が出力された場合であっても、フォトクロミック材料の反応によって材料自体が着色し，より下流へ伝達される光パワーを下げる事が出来るので、観察者に対し不快感を与える虞を回避できる。また、前記透明部材は、中間像が位置する中間像面位置又はその近傍に配置することとしたため、フォトクロミック材料を感度良く反応させることができる。
　前記画像表示装置において、前記走査部は前記複数の光源から出射されたレーザ光を２次元方向に走査し、前記中間像として２次元像面を形成するようにしてもよい。
　このような構成にすることにより、画像表示装置において、単位面積における走査時と停止時とのエネルギーの差が大きくなるため、比較的感度の低いフォトクロミック材料の使用が可能となり、設計の自由度を高めることができる。
　前記画像表示装置において、前記走査部と前記透明部材との間の光路に、当該光路を通過する前記レーザ光の強度を低減する減光フィルタを設けるようにしてもよい。
　このような構成にすることにより、画像表示装置において、通常の使用時に意図せずフォトクロミック材料が反応してしまうことを防止することができる。
　前記画像表示装置において、前記透明部材の位置を調整可能とするようにしてもよい。
　このような構成にすることにより、画像表示装置において、フォトクロミック材料の感度に合わせて、透明部材の配設位置を適宜変更することができる。
　前記画像表示装置において、前記透明部材を前記光路上から取り外し可能に構成するようにしてもよい。
　このような構成にすることにより、画像表示装置において、出力異常や走査停止などによりフォトクロミック材料が反応しても、透明部材の交換を容易に行うことができる。また、透明部材が不要な場合の取り外しや、破損した場合の修理の手間を省く事ができる
　前記画像表示装置において、前記透明部材に回折構造を形成するようにしてもよい。
　このような構成にすることにより、画像表示装置において、例えば瞳拡大効果等の光学特性を透明部材に付与することができる。
　前記画像表示装置において、前記透明部材は、その含有するフォトクロミック材料の濃度を、前記走査部が予め設定された走査位置で停止しているときに当該走査部から入射されるレーザ光が通過する領域がその他の領域に対して高くなるように形成するようにしてもよい。
　このような構成にすることにより、画像表示装置において、予め設定された領域で走査が停止している時のレーザ光をより確実に遮断することができる。
　前記画像表示装置において、前記走査部で走査されたレーザ光を観察者の眼に入射させて、前記観察者の網膜上に前記画像信号に応じた画像を投影する接眼光学系をさらに設けるようにしてもよい。
　このような構成にすることにより、網膜走査型のＨＭＤとした画像表示装置でありながら、レーザ光の走査が行われなくなった場合であっても、観察者の網膜上の一点に集中してレーザ光が照射されて、観察者に不快感を与える虞を回避することができる。
　本発明の画像表示装置によれば、レーザ光の走査が行われなくなった場合や、投影に不適当な過剰エネルギーを持ったレーザ光が出力された場合であっても、観察者に不快感を与える虞を回避できる。また、前記透明部材は、中間像が位置する中間像面位置又はその近傍に配置することとしたため、フォトクロミック材料を感度良く反応させることができる。
フォトクロミック反応の進行に伴うエネルギー変化を示す説明図である。 本実施形態に係る画像表示装置としてのＨＭＤの外観を示す説明図である。 ＨＭＤの電気的構成及び光学的構成を示した説明図である。 ＨＭＤの制御部及びその周辺の電気的構成を示したブロック図である。 遮光部の構成を示した説明図である。 遮光部の構成を示した説明図である。 透明部材の状態変化を示した説明図である。 揺動部の変形例を示した説明図である。 揺動部の変形例を示した説明図である。
　本実施形態に係る画像表示装置は、レーザ光を走査して画像を表示するものである。この画像表示装置は、レーザ光の光路上にフォトクロミック材料を含有する透明部材を配設している。そして、次の（１）（２）の場合には、透明部材中に含まれるフォトクロミック材料をレーザ光に反応させて、投影対象に照射されるレーザ光を減衰又は遮光するようにしている。
（１）光源の出力異常により強いレーザ光が出力された場合
（２）走査部が走査停止（レーザ光は出射されているが、走査が停止している状態）して投影対象上の一点にレーザ光が照射されるような状況の場合（以下、単に「異常時」ともいう。）
　レーザ光走査型の画像表示装置では、その走査速度によっても異なるが、走査停止時と走査時のレーザ光のエネルギーの比が数万倍となる場合がある。すなわち、走査停止時に所定領域に１画像フレーム期間当たりビームスポットの照射範囲（以降，一点とも呼ぶ）における光のエネルギー（以下、E_stopと省略する。）は、走査時にビームスポットの照射範囲（＝画素単位）における光のエネルギー（以下、E_scanと省略する。）の数万倍となる場合がある。具体的に概算で説明すると次の通りである。水平走査周波数３０［ｋＨｚ］の往復走査で、１フレーム（例えば６０［Ｈｚ］）中に光源より放射される光エネルギーを、E［Ｊ］とする。このとき、停止時には1フレームあたり，一点に付きE_stop＝Ｅ［Ｊ］のエネルギーが照射される。一方、走査時には走査線形成1本あたり１／２／３０ｋ［ｓ］の時間がかかる．走査線一本の中に例えば600点の画素を形成すると考え，走査速度が画像表示領域において略一定とすると，画素一点当たりに割り当てられるエネルギーはＥ／６０ｋ／６００［Ｊ］である．つまりE_scan＝Ｅ／６０ｋ／６００＝Ｅ／（３６００ｋ）［Ｊ］である。従って両者の比はE_stop／E_scan＝３．６×１０＾６となり、実に３００万倍となる。
　このような強いレーザ光が、例えば観察者の網膜やスクリーンなどの投影対象に照射されると好ましくない場合がある。そのため、本実施形態に係る画像表示装置では、前記したように、フォトクロミック材料を含有する透明部材を光路上に配置して、レーザ光を減衰ないし遮光するようにしている。そうすることで、観察者に不快感を与える虞を回避している。
　フォトクロミック材料とは、フォトクロミック反応を示す物質である。一般的には光照射によって色の変わる物質，とりわけ黒化（暗化とも呼ぶ）を引き起こす物質の総称である。ここで、フォトクロミック材料とは、光照射により特定の波長をもつ電磁波、とくに波長数十［μｍ］の赤外線から波長数百［ｎｍ］の紫外線程度までのものの透過率を下げる働きのある材料とする。このような材料には、分子量の変化を伴わず分子内での化学結合の組み替えなどによって分子の構造変化が起こる過程（光誘起異性化反応）を示す物質などがあげられる。また、写真感材として昔から用いられている銀塩などもフォトクロミック材料の一種ということができる。
　特に、本実施形態にて使用するフォトクロミック材料は、所定のエネルギーを持つ所定波長のレーザ光が照射された際に、当該フォトクロミック材料を含有する透明部材を透過しようとする当該レーザ光または画像表示に用いられる別波長のレーザ光を減衰又は遮光可能であれば、特に限定されるものではない。例えば、アゾベンゼン系、ジアリールエテン系、スピロピラン系、スピロペリミジン系、ビピリジン系等の化合物又はこれらの誘導体や銀塩を用いることができる。このうち、スピロピラン系などの光異性化反応を起こす物質は、二光子吸収反応を経ることで素早く反応が進み、従前の銀塩系よりも好適である。なお、以下の説明において、フォトクロミック材料の状態には「透過体」と「遮光体」がある。「透過体」は、所望のレーザ光（画像光）の波長において吸収スペクトルが低くなっている状態、すなわち、前記レーザ光が透過可能な状態にあるものをいう。また、「遮光体」は、前記レーザ光の波長において吸収スペクトルが高くなっている状態、すなわち、前記レーザ光を減衰又は遮光可能な状態にあるものをいう。透過体から遮光体への状態遷移に要するエネルギーを「活性化エネルギー」という。ここでは、反応にあずかる分子一個あたりの活性化エネルギーをΔG0と表して説明する。
　本実施形態に係る画像表示装置では、走査部が走査したレーザ光の光路中に設けられ、少なくとも一つの中間像を形成する光学系を備えており、フォトクロミック材料を含有する透明部材は前記中間像が位置する中間像面位置又はその近傍に配設されている。
　この中間像面位置やその近傍では、走査光が収束される。そのため、中間像面位置やその近傍は、エネルギー密度の高い場所である。従って、前述の二光子吸収過程によりフォトクロミック材料を素早く反応させることができる。
　また、透明部材に入射するレーザ光のエネルギーと、活性化エネルギーΔG0との関係について着目すると、透明部材の配設位置は、E_scan＜Ｖ０×ρ×ΔG0＜E_stopの関係が成立する位置とするのが好適である。ただし、Ｖ０はレーザ照射により反応場となる体積、ρは前記フォトクロミック材料の分子数密度である。Ｖ０は例えば照射光のスポット径に依存し、スポット径が大きくなるとＶ０も大となる。
　フォトクロミック反応の進行に伴うエネルギー変化について、図１を参照しながら説明する。図１中、縦軸はエネルギー、横軸は反応座標であり、曲線は透過体と遮光体との反応におけるエネルギー変化を模式的に示している。なお、E_scanの斜線で示す領域は、通常使用時における、変調されたレーザ光の走査時エネルギー（１フレームあたり）の振れ幅を示している。
　透明部材の配設位置は、図１に示すように、透過体が遮光体に状態遷移する際に必要な活性化エネルギーΔG0よりもE_scanのエネルギーが低く、且つ、ΔG0よりもE_stopのエネルギーが高くなる位置とする。このことはＶ０を変えていることに相当する。
　このような構成とすることにより、フォトクロミック材料を含有する透明部材は、走査時のレーザ光のエネルギーではフォトクロミック材料の活性化エネルギーを超えることがなく、レーザ光を減衰又は遮光しない透過体となる。ところが、この透明部材は、走査停止時のレーザ光のエネルギーによってフォトクロミック材料が反応して、遮光体となる。
　このフォトクロミック材料を含有する透明部材は、前述のE_scan＜Ｖ０×ρ×ΔG0＜E_stopの関係を満たす。そのために、透明部材の配設位置は調整可能に構成しても良く、又、この透明部材に入射するレーザ光の入射面側や出射面側に減光フィルタを配設しても良い。
　このような構成とすることにより、光源から出射するレーザ光の強度や、フォトクロミック材料の感度などの選択範囲を広げることができ、画像表示装置の設計の自由度を高めることができる。
　以下、本実施形態に係る画像表示装置について図面を参照しながらさらに説明する。なお、以下の説明では、画像表示装置の一例としてＨＭＤを示すが、画像表示装置はこれに限定されるものではない。
〔ＨＭＤの構成〕
　次に、ＨＭＤ１の具体的な構成について、図２を参照しながら説明する。
　図２に示すように、ＨＭＤ１は、コントロールユニット２と、伝送ケーブル部３と、頭部装着具４とを備えている。コントロールユニット２は、画像信号に応じた強度のレーザ光を画像光として出射する。コントロールユニット２には、外部入出力端子５が形成されており、コントロールユニット２は、この外部入出力端子５を介して外部からの画像信号を入力したり、図示しないパーソナルコンピュータ等との間で画像信号を形成するためのコンテンツ情報などの送受信を可能としている。
　伝送ケーブル部３は、コントロールユニット２から出射された画像光を伝送する光ファイバケーブルを備えている。この伝送ケーブル部３は、駆動信号伝送用ケーブルも有している。駆動信号伝送用ケーブルは、後述の投影ユニット１０に備えられた水平走査部８０及び垂直走査部９０と後述の光源ユニット１１との間で同期をとるための水平駆動信号６１、垂直駆動信号６２を伝送する。
　　頭部装着具４は、伝送された画像光を走査して観察者に投射し、観察者に対して画像を表示する。この頭部装着具４には、観察者の眼Ｙの前方に位置させてハーフミラー９が設けられている。そして、外光Ｌａはハーフミラー９を透過させて観察者の眼Ｙに入射させ、投影ユニット１０から出射される画像光Ｌｂは、ハーフミラー９で反射させて観察者の眼に入射させるようにしている。
　また、頭部装着具４には、略眼鏡形状とした支持部材６のフロント部７の側方に投影ユニット１０が備えられている。投影ユニット１０は、伝送ケーブル部３により伝送されてきた画像光を、観察者が表示画像として認識可能とするために走査する。
　この投影ユニット１０は、各色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）毎に強度変調された画像光を２次元方向に走査して、その画像光を観察者の眼Ｙに入射させる。そして、投影ユニット１０は、観察者の眼Ｙの網膜上で画像光を２次元方向に走査することにより、観察者に表示画像を視認させるようにしており、所謂網膜走査ディスプレイ（Retinal Scanning Display）と呼ばれる
　このように、ＨＭＤ１は、外光を透過しつつ、画像光を観察者の眼Ｙに投射するシースルー型のＨＭＤとしている。なお、本実施形態ではシースルー型のＨＭＤについて説明するが、光走査型のＨＭＤであれば必ずしもシースルー型である必要はない。
　〔ＨＭＤの電気的構成及び光学的構成〕
　次に、図３及び図４を参照しながら、ＨＭＤ１の電気的構成及び光学的構成について説明する。
　図３に示すように、ＨＭＤ１は、コントロールユニット２と、ハーフミラー９と、投影ユニット１０とを備える。コントロールユニット２内には、ＨＭＤ１全体の動作を統括制御する制御部３０と、この制御部３０から供給される画像信号Ｓから画像情報を画素単位で読み出し、読み出した画素単位の画像情報に基づいてＲ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の各色毎に強度変調されたレーザ光を生成して出射する光源ユニット１１が設けられている。なお、光源ユニット１１は、コントロールユニット２内に設けるのではなく、投影ユニット１０内に設けるようにしてもよい。その際には前記光ファイバは不要である。
　（光源ユニット１１）
　光源ユニット１１には、画像を合成するための要素となる信号等を発生する画像信号供給回路１３が設けられている。制御部３０には、外部入出力端子５を介して外部接続した図示しない機器類から供給される画像データや、比較的大容量の記憶領域を有するコンテンツ記憶部１４に予め記憶されたコンテンツ情報に基づく画像データが入力される。制御部３０はその画像データに基づいて画像信号Ｓを生成して画像信号供給回路１３に送る。画像信号供給回路１３は、画像信号Ｓに基づいて、表示画像を形成するための要素となる各信号を画素単位で生成する。すなわち、画像信号供給回路１３からは、Ｒ（赤色）画像信号６０ｒ，Ｇ（緑色）画像信号６０ｇ，Ｂ（青色）画像信号６０ｂが生成されて出力される。また、画像信号供給回路１３は、水平走査部８０で使用される水平駆動信号６１と、垂直走査部９０で使用される垂直駆動信号６２とをそれぞれ出力する。なお、ここでコンテンツ情報とは、文字を表示させるためのデータ、画像を表示させるためのデータ及び動画を表示させるためのデータのうちの少なくとも１つのデータで構成されるものである。例えば、パソコン等で使用される文書ファイルや画像ファイル、動画ファイル等である。また、コンテンツ記憶部１４は、例えば、ハードディスクの如き磁気的記憶媒体や、ＣＤ－Ｒの如き光学的記憶媒体や、フラッシュメモリ等とすることができる。
　また、光源ユニット１１には、Ｒレーザ６３，Ｇレーザ６４，Ｂレーザ６５をそれぞれ駆動するためのＲレーザドライバ６６，Ｇレーザドライバ６７，Ｂレーザドライバ６８が設けられている。Ｒレーザドライバ６６，Ｇレーザドライバ６７，Ｂレーザドライバ６８は、画像信号供給回路１３から画素単位で出力されるＲ画像信号６０ｒ、Ｇ画像信号６０ｇ、Ｂ画像信号６０ｂをもとに、それぞれ強度変調されたレーザ光（「光束」とも呼ぶ。）をＲレーザ６３，Ｇレーザ６４，Ｂレーザ６５から出射させるようにしている。各レーザ６３，６４，６５は、例えば、半導体レーザや高調波発生機構付き固体レーザとして構成することが可能である。なお、半導体レーザを用いる場合は駆動電流を直接変調して、レーザ光の強度変調を行うことができるが、固体レーザを用いる場合は、各レーザそれぞれに外部変調器を備えてレーザ光の強度変調を行う必要がある。
　さらに、光源ユニット１１には、コリメート光学系７１，７２，７３と、ダイクロイックミラー７４，７５，７６と、結合光学系７７とが設けられている。コリメート光学系７１，７２，７３は、各レーザ６３，６４，６５より出射されたレーザ光を平行光にコリメートするように設けられる。ダイクロイックミラー７４，７５，７６は、このコリメートされたレーザ光を合波する。結合光学系７７は、合波されたレーザ光を光ファイバケーブル５０に導く。
　従って、各レーザ６３，６４，６５から出射したレーザ光は、コリメート光学系７１，７２，７３によってそれぞれ平行化された後に、ダイクロイックミラー７４，７５，７６に入射される。その後、これらのダイクロイックミラー７４，７５，７６により、各レーザ光が波長に関して選択的に反射・透過される。そして、これら３つのダイクロイックミラー７４，７５，７６にそれぞれ入射した３原色のレーザ光は、波長選択的に反射または透過して結合光学系７７に達し、集光されて光ファイバケーブル５０へ出力される。なお、光ファイバケーブル５０は、図２にて示した伝送ケーブル部３内に収容されている。
　（投影ユニット１０）
　光源ユニット１１と観察者の眼Ｙとの間に位置する投影ユニット１０には、コリメート光学系７９と、水平走査部８０と、垂直走査部９０と、第１リレー光学系８５と、第２リレー光学系９５とが設けられている。コリメート光学系７９は、光源ユニット１１で生成され、光ファイバケーブル５０を介して出射されるレーザ光を平行光化する。水平走査部８０は、このコリメート光学系７９で平行光化されたレーザ光を画像表示のために水平方向に往復走査する。垂直走査部９０は、水平走査部８０で水平方向に走査されたレーザ光を垂直方向に走査する。第１リレー光学系８５は、水平走査部８０と垂直走査部９０との間に設けられる。前記第２リレー光学系９５は、このように水平方向と垂直方向に走査されたレーザ光を瞳孔１０１ａへ出射するために設けられている。
　水平走査部８０及び垂直走査部９０、第１リレー光学系８５は、水平方向と垂直方向に走査して走査光束とするための光走査装置および光学系である。そして、これらの水平走査部８０及び垂直走査部９０、第１リレー光学系８５は、光ファイバケーブル５０から入射されたレーザ光を画像として観察者の網膜１０１ｂに投影可能な状態にする。以下の説明において、この水平走査部８０及び垂直走査部９０を総称して走査部ともいう。
　水平走査部８０は、レーザ光を水平方向に走査するため偏向面を有する共振型の偏向素子８１と、この偏向素子８１を共振させて偏向素子８１の偏向面を揺動させる駆動信号を水平駆動信号６１に基づいて発生する水平走査駆動回路８２を備えている。
　一方、垂直走査部９０は、レーザ光を垂直方向に走査するため偏向面を有する非共振型の偏向素子９１と、この偏向素子９１の偏向面を非共振状態で揺動させる駆動信号を垂直駆動信号６２に基づいて発生する垂直走査制御回路９２とを備えている。垂直走査部９０は、表示すべき画像の１フレームごとに、画像を形成するためのレーザ光を最初の水平走査線から最後の水平走査線に向かって垂直に走査する。ここで「水平走査線」とは、水平走査部８０による水平方向への１走査を意味する。
　また、水平走査部８０と垂直走査部９０との間でレーザ光を中継する第１リレー光学系８５は、偏向素子８１の偏向面によって水平方向に走査されたレーザ光を偏向素子９１の偏向面に収束させる。そして、このレーザ光が偏向素子９１の偏向面によって垂直方向に走査されて画像光Ｌｂとなす。画像光Ｌｂは、正の屈折力を持つ２つのレンズ９５ａ，９５ｂが直列配置された第２リレー光学系９５を介して、眼Ｙの前方に位置させたハーフミラー９で反射されて観察者の瞳孔１０１ａに入射する。その結果、網膜１０１ｂ上に画像信号Ｓに応じた表示画像が投影される。これにより、観察者はこの画像光Ｌｂを、表示画像として認識することとなる。
　また、第２リレー光学系９５においては、レンズ９５ａによって、それぞれのレーザ光がそのレーザ光の中心線を相互に略平行にされ、かつそれぞれ収束レーザ光に変換される。そして、レンズ９５ｂによってそれぞれほぼ平行なレーザ光となると共に、これらのレーザ光の中心線が観察者の瞳孔１０１ａに収束するように変換される。このレンズ９５ｂは、走査部で走査された画像光Ｌｂ（レーザ光）を観察者の眼Ｙに入射させて、観察者の網膜１０１ｂ上に画像信号Ｓに応じた画像を投影する接眼光学系として機能する。
　また、本実施形態に係るＨＭＤ１には、この第２リレー光学系９５によって形成される中間像が位置する中間像面位置に、フォトクロミック材料を含有する透明部材１１０を備える遮光部１１１を配置している。この遮光部１１１は、本実施形態の要部をなすものであり、後に詳細に説明する。
　（制御部３０）
　制御部３０は、その内部に記憶されている制御プログラムにしたがって所定の処理を実行することによって、前述した画像信号Ｓの生成を行う。
　図４に示すように、制御部３０は、主コントローラ３１と、ＨＭＤ用コントローラ３２と、ＨＭＤ用ＶＲＡＭ（Video Random Access Memory）３３と、周辺機器インターフェース（図中「Ｉ／Ｆ」と示し、以下「Ｉ／Ｆ」とも呼ぶ。）３８と、通信Ｉ／Ｆ３９と、を備えている。
　主コントローラ３１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４０と、不揮発性メモリであるプログラムＲＯＭ（Read Only Memory）４１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）４３と、を備えている。これらは、データ通信用のバスにそれぞれ接続されており、このデータ通信用のバスを介して各種情報の送受信を行う。
　ＣＰＵ４０は、プログラムＲＯＭ４１に記憶されている制御プログラムを実行することにより、主コントローラ３１としてＨＭＤを構成する各部を動作させて、ＨＭＤが備える各種機能を実行させる演算処理装置である。また、ＲＡＭ４３は、ＣＰＵ４０が制御プログラムを実行するにあたり、各種変数やフラグ等を一時的に記憶する一時記憶領域として機能するものである。
　ＨＭＤ用コントローラ３２は、主コントローラ３１からの要求に応じて画像信号供給回路１３を制御し、主コントローラ３１によりＨＭＤ用ＶＲＡＭ３３に記憶された画像データに基づいた画像信号Ｓを画像信号供給回路１３に供給する。画像信号供給回路１３は、ＨＭＤ用コントローラ３２から画像信号Ｓが入力されると、この画像信号Ｓに基づいて強度変調した各色のレーザ光を生成する。
　周辺機器Ｉ／Ｆ３８は、前述のコンテンツ記憶部１４や、電源スイッチやランプ類等（図示せず）の周辺機器３４をコントロールユニット２に接続するためのインターフェースである。例えば、電源スイッチやランプ類が周辺機器Ｉ／Ｆ３８に接続されたとき、主コントローラ３１は、電源スイッチ等のスイッチ類からの操作情報を周辺機器Ｉ／Ｆ３８から受け取り、周辺機器Ｉ／Ｆ３８を介してランプ類の点灯情報をランプ類に供給する。
　通信Ｉ／Ｆ３９は、外部入出力端子５に接続された図示しないパーソナルコンピュータ等とコントロールユニット２とを通信可能に制御する。主コントローラ３１は、例えば、通信Ｉ／Ｆ３９及び外部入出力端子５を介してコンテンツ情報の供給をパーソナルコンピュータに要求する。そして、主コントローラ３１は、パーソナルコンピュータから外部入出力端子５及び通信Ｉ／Ｆ３９を介して供給されたコンテンツ情報を、コンテンツ記憶部１４に書き込んだり、コンテンツ情報に基づいた画像信号Ｓを画像信号供給回路１３に供給する。
　〔遮光部１１１の構成〕
　次に、図５及び図６を参照しながら、第２リレー光学系９５内に配設した遮光部１１１の具体的な構成について説明する。なお、図面に沿って以下に説明する遮光部１１１の構成は、本願発明を実現するための一手段に過ぎず、これに限定されるものではない。
　図５に示すように、遮光部１１１は、走査部が走査したレーザ光（画像光Ｌｂ）の光路中に設けられる第２リレー光学系９５のレンズ９５ａとレンズ９５ｂとの間に形成されている。そして、遮光部１１１は、フォトクロミック材料を含有する透明部材１１０を備えて、第２リレー光学系９５によって形成される中間像が位置する中間像面位置に形成されている。なお、この中間像は、観察者Ｐの網膜１０１ｂと像共役位置にあればよく、本実施形態に係る構成に限定されるものではない。中間像を形成する光学系は、複数の光学部材で構成されるもののみならず、単一の光学部材で構成されるものも含む。
　遮光部１１１は、図５及び図６に示すように、揺動自在に軸支された透明部材１１０を備える揺動部１１２と、この揺動部１１２を着脱可能とした台座部１１３とで構成している。そして、台座部１１３は、揺動部１１２を嵌着した状態で光路方向へ進退可能としている。
　揺動部１１２はレーザ光の入射方向から見て（以下、正面視という。）略矩形状に形成された透明部材１１０と、正面視略コ字状の枢支部材１１４とで構成している。
　透明部材１１０は、フォトクロミック材料をガラス中に分散した略板状の形状を有している。また、透明部材１１０は、レーザ６３，６４，６５より出射されるレーザ光に対して、フォトクロミック材料が透過体の状態では透明となり、遮光体の状態では不透明となる部材である。
　また、透明部材１１０の左右両側面には、円柱状の枢支突片１１５,１１５を突設して、透明部材１１０を枢支部材１１４に装着可能としている。
　枢支部材１１４は、平面視において光路方向と直交する方向へ長辺を有する矩形長板状の底板部１１６と、底板部１１６の左右両短辺に立設した側面視略半円弧状の軸受突片１１７,１１７とを備えている。軸受突片１１７,１１７の側面視略中央部には、前述の枢支突片１１５,１１５と略同径とした受け穴１１８,１１８が穿設されている。
　そして、透明部材１１０の枢支突片１１５,１１５を、この受け穴１１８,１１８にそれぞれ挿通させて、一体的に揺動部１１２を構成している。
　一方、台座部１１３は、平面視において光路方向に直交する方向へ長辺を有する略直方体とし、その天面部には揺動部１１２の底板部１１６が着脱自在に係合する嵌合凹部１１９（図６右図参照）が形成されている。
　また、台座部１１３の正面から背面にかけて、内周面に雌ネジを有する雌ネジ孔１２０が光路方向と平行に穿設されている。雌ネジ孔１２０には、同じく光路方向と平行に配設された雄ネジ部材１２１を螺合させて、台座部１１３を光路方向へ移動可能に構成している。
　このような構成を備える遮光部１１１は、揺動部１１２の枢支突片１１５,１１５と同軸状の揺動軸１２２（一点鎖線で示す。）の軸周り方向へ回動することにより、透明部材１１０の角度を変更可能としている。
　また、雄ネジ部材１２１を同軸状の進退軸１２３（一点鎖線で示す。）の軸周り方向へ回動させることにより、台座部１１３を揺動部１１２とともに光路方向へ移動可能としている。
　すなわち、遮光部１１１では、透明部材１１０の位置を調整可能としている。なお、揺動軸１２２及び進退軸１２３の回動は、図示しないモーターなどの駆動手段により、制御部３０を介して自動で、又は、使用者により手動で回動される。
　また、図６に示したように、揺動部１１２は、台座部１１３に対して着脱自在に構成しており、透明部材１１０を光路上から取り外し可能としている。
　上述してきた構成の遮光部１１１を備えるＨＭＤ１では、以下のように動作することとなる。図７は、画像光Ｌｂを走査して、観察者に対して表示画像を表示している際の透明部材１１０の表面、及び、異常時における透明部材１１０の表面を示した説明図である。
　なお、図７中において、Ｗは偏向素子８１及び偏向素子９１の最大走査範囲、すなわち、水平最大走査範囲（図視で左右方向の範囲）及び垂直最大走査範囲（図視で上下方向の範囲）により形成される範囲である。Ｚは有効走査範囲、すなわち、水平有効走査範囲及び垂直有効走査範囲により形成される範囲である。また、通常時の図において、画像光Ｌｂの軌跡をサインカーブ状に破線で示しているが、説明の便宜上その間隔を誇張して示しており、その走査線の数は必ずしも正確ではない。
　図７に示すように、通常時において透明部材１１０に入射した画像光Ｌｂは、図１にも示したように、少なくとも画素単位ではフォトクロミック材料の活性化エネルギーΔG0よりも低いE_scanのエネルギーしか持たない。そのため、画像光Ｌｂは、フォトクロミック材料を反応させることがなく、フォトクロミック材料が透過体のままであるから、透明部材１１０を透過してレンズ９５ｂに至ることとなる。
　一方、異常時には、透明部材１１０のある限られた領域に定常的に画像光Ｌｂが入射するため、この入射位置において画像光Ｌｂが透明部材１１０にフォトクロミック材料の活性化エネルギーΔG0よりも高いE_stopのエネルギーを与える。そのため、フォトクロミック材料が反応し、画像光Ｌｂが照射された領域及びその周辺領域のフォトクロミック材料が遮光体へ変化する。その結果、画像光Ｌｂにとって不透明な領域Ｍが形成される。
　これにより、画像光Ｌｂは、減光または遮光されることとなり、観察者に対し不快感を与える虞を回避できることとなる。
　ところで、透明部材１１０には、回折構造をはじめとする射出瞳拡大手段を形成しても良い。例えば、回折格子、ホログラム、散乱板、ファイババンドル、マイクロレンズアレイ等を透明部材１１０に形成する。このようにすることにより、透明部材１１０にさらなる機能、すなわち観察者の瞳孔位置に対する装置の射出瞳の光軸に垂直な面内における相対位置トレランスを広く取れること、つまり画像光を視認しやすくなるという機能を付与することができる。しかも、透明部材１１０に別途射出瞳を拡大する部材を設けることなく、部品点数を削減することができる。
　次に、遮光部１１１の変形例について説明する。ここで説明する遮光部１１１は、前述の構成と基本的には同じであるが、走査部と透明部材１１０との間の光路に、当該光路を通過する画像光Ｌｂ（レーザ光）の輝度を低減する減光フィルタ１３０を設けたことに特徴を有している。
　具体的には、図８に示すように、枢支部材１１４に装着する板状の部材を、画像光Ｌｂの入射方向から順に表面層と背面層との二層構造とし、表面層を画像光Ｌｂの輝度を低減する減光フィルタ１３０とする一方、背面層を透明部材１１０としている。
　このような構成とすることにより、透明部材１１０に入射する画像光Ｌｂの輝度を低減する調整を行うことができる。例えばレーザ６３，６４，６５から出射され合波された画像光ＬｂのE_scanが活性化エネルギーΔG0を超える場合であっても、透明部材１１０に入射する画像光ＬｂのE_scanを活性化エネルギーΔG0よりも低くすることができる。換言すれば、画像光ＬｂのE_scan程度のエネルギーで反応してしまうフォトクロミック材料を使用する場合であっても、減光フィルタ１３０により、E_scan＜Ｖ０×ρ×ΔG0＜E_stopの関係を満たすような画像光Ｌｂを透明部材１１０に入射させることができる。
　なお、本変形例では、表面層に減光フィルタ１３０、背面層に透明部材１１０を配設することとしたが、逆に、表面層に透明部材１１０、背面層に減光フィルタ１３０を配設するようにしても良い。
　反応感度が低いフォトクロミック材料を使用し、例えば網膜１０１ｂ等の投影対象に照射するには強すぎる画像光Ｌｂをレーザ６３，６４，６５から出射せざるをえない場合が想定される。そのような場合であっても、上述した構成とすることにより、透明部材１１０を透過した画像光Ｌｂの輝度を低減させることができて、投影対象に適切な輝度の画像光Ｌｂを投射することができる。
　また、表面層と背面層の両者ともフォトクロミック材料を含有する透明部材としながらも、表面層と背面層とでは、反応速度が異なるフォトクロミック材料や、遮光体となった際の暗化度の異なるフォトクロミック材料を併用するようにしても良い。
　例えば、反応速度が早いが暗化度の低いフォトクロミック材料（以下、ＰＣ１と言う。）と、反応速度は遅いが十分な遮光効果を発揮する暗化度が得られるフォトクロミック材料（以下、ＰＣ２という。）がある。このような場合、これらのフォトクロミック材料をそれぞれ表面層と背面層とに分散させた状態とすることとしても良い。
　このような構成とすることにより、異常時には、まずＰＣ１が素早く反応して、投影対象に安全な程度の輝度まで画像光Ｌｂを減光する。次いで、ＰＣ２が反応し、確実に遮光する。そうすることで、観察者に対し不快感を与える虞を回避することができる。
　なお、上述の変形例では二層構造を例示して説明したが、これに限定されるものではない。上述したフィルタやフォトクロミック材料を複数種組み合わせて、三層構造以上の構成としても良いのは言うまでもない。また、一層に前記ＰＣ１とＰＣ２をともに分散形成してももちろん良い。
　次に、透明部材１１０に係る他の変形例について図９を用いて説明する。図９中、透明部材１１０の濃淡は、フォトクロミック材料の濃度分布を便宜上可視的に示したものである。透明部材１１０の右側に示したグラフはＡ－Ａ'断面におけるフォトクロミック材料の濃度分布、下側に示したグラフはＢ－Ｂ'断面におけるフォトクロミック材料の濃度分布である。
　図９を見ても分かるように、ここで説明する他の変形例に係る透明部材１１０は、透明部材１１０の正面視における上下左右方向略中央部に向かうに従い、ガラス中におけるフォトクロミック材料の濃度が高くなるように形成している。
　本発明における一つの例においては，光走査装置として、水平走査部８０及び垂直走査部９０の説明でも述べたように、共振により反射面の角度を変更する共振型の偏向素子８１及び非共振型の偏向素子９１を使用している。前記透明部材１１０を前述のように構成したのは、両偏向素子８１,９１が停止した場合には、図中に示す画像光Ｌｂの軌跡のうち、水平最大走査範囲及び垂直最大走査範囲の各中間地点で走査を停止する仕様としていることに由来する。
　すなわち、透明部材１１０は、その含有するフォトクロミック材料の濃度を、次のように形成している。走査部が予め設定された走査位置で停止しているときに、走査部から入射されるレーザ光が通過する領域におけるフォトクロミック材料の濃度が、その他の領域におけるフォトクロミック材料の濃度に対して高くなるように形成している。
　これにより、異常時の場合であっても、より確実に観察者に対し不快感を与える虞を回避することができる。
　なお、ここでは、両偏向素子８１,９１が同時に停止したときに対応すべく、上下左右方向略中央部のフォトクロミック材料の濃度を高くしたが、これに限定されるものではない。例えば、フォトクロミック材料濃度の高い部位を、Ａ－Ａ'断面線及びＢ－Ｂ'断面線に沿って十文字状に形成することにより、両偏向素子８１,９１のいずれか一方が停止した場合であっても、確実に観察者に対し不快感を与える虞を回避することができる。
　また、ここでは、予め設定された走査停止位置が、両偏向素子８１,９１の水平最大走査範囲及び垂直最大走査範囲の各中間地点である場合について述べた。ところで、走査手段や方法の違いにより、予め設定された走査停止位置が異なる場合がある。その場合には、その仕様に応じて、停止しているときに走査部から入射されるレーザ光が通過する領域がその他の領域に対して高くなるように形成することとなる。
　最後に、上述した各実施の形態の説明は本発明の一例であり、本発明は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
　例えば、本実施形態では、第２リレー光学系９５の中間像面位置又はその近傍に透明部材１１０を配設することとしたが、これに限定されるものではない。表示画像を適正に表示するにあたり光学的に許容される範囲内であれば、その他既存又は別途設けた光学系の中間像面位置又はその近傍に透明部材１１０を配設するようにしても良い。
　また、本実施形態では、網膜走査型のＨＭＤを挙げて説明したが、レーザ走査型の画像表示装置であれば特に限定されるものではない。画像信号に応じた強度のレーザ光を出射する光源と、この光源から出射されたレーザ光を走査する走査部とを備え、この走査部によって走査されたレーザ光により画像を表示する画像表示装置であれば適用可能である。
　１　ＨＭＤ
　６３　Ｒレーザ
　６４　Ｇレーザ
　６５　Ｂレーザ
　８０　水平走査部
　９０　垂直走査部
　９５　第２リレー光学系
　１０１ｂ　網膜
　１１０　透明部材
　１１１　遮光部
　１３０　減光フィルタ
　Ｐ　観察者
　Ｓ　画像信号
　Ｙ　眼

Claims (8)

  1. 　画像信号に応じた強度のレーザ光を出射する光源と、
    　前記光源から出射されたレーザ光を走査する走査部と、
    　前記走査部が走査したレーザ光の光路中に設けられ、少なくとも一つの中間像を形成する光学系と、
    　フォトクロミック材料を含んで形成され、前記中間像が位置する中間像面位置又はその近傍に配置された透明部材とを備えた画像表示装置。
  2. 　前記走査部は前記複数の光源から出射されたレーザ光を２次元方向に走査し、前記中間像として２次元像面を形成することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
  3. 　前記走査部と前記透明部材との間の光路に、当該光路を通過する前記レーザ光の強度を低減する減光フィルタを設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像表示装置。
  4. 　前記透明部材の位置を調整可能としたことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
  5. 　前記透明部材を前記光路上から取り外し可能に構成したことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
  6. 　前記透明部材に回折構造を形成したことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
  7. 　前記透明部材は、その含有するフォトクロミック材料の濃度を、前記走査部が予め設定された走査位置で停止しているときに当該走査部から入射されるレーザ光が通過する領域がその他の領域に対して高くなるように形成していることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
  8. 　前記走査部で走査されたレーザ光を観察者の眼に入射させて、前記観察者の網膜上に前記画像信号に応じた画像を投影する接眼光学系をさらに設けたことを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の画像表示装置。
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