WO2018070236A1 - 画像投影装置 - Google Patents

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WO2018070236A1
WO2018070236A1 PCT/JP2017/034753 JP2017034753W WO2018070236A1 WO 2018070236 A1 WO2018070236 A1 WO 2018070236A1 JP 2017034753 W JP2017034753 W JP 2017034753W WO 2018070236 A1 WO2018070236 A1 WO 2018070236A1
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light beam
region
mirror
image light
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PCT/JP2017/034753
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鈴木誠
長谷川欣也
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株式会社Ｑｄレーザ
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    • G02B26/101—Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners
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Definitions

  • the present invention relates to an image projection apparatus.
  • An image projection apparatus such as a head mounted display (HMD) that directly projects an image on a user's retina using light emitted from a light source is known.
  • a method called Maxwell's view is used.
  • Maxwell's view light rays that form an image are focused near the pupil, and the image is projected onto the retina.
  • Patent Document 1 An image projection apparatus that detects light reflected by the cornea so that the light beam is focused on the retina and adjusts the focus position is known (for example, Patent Document 1).
  • Patent Documents 2 and 3 There is also known an image projection apparatus that reflects light emitted from a light source by two mirrors having different curvatures in a plane and irradiates the user's retina (for example, Patent Documents 2 and 3).
  • Patent Documents 4 There is also known an image projection apparatus in which an aperture having a light blocking portion that partially blocks light and a plurality of light transmitting portions that divide the light into a plurality of partial lights is provided on the optical path of the light incident on the pupil.
  • the image beam is focused in the vicinity of the pupil using a mirror for Maxwell's view, a region where the in-focus position deviates greatly from the retina occurs in the image, and it is difficult to provide a good image to the user.
  • the in-focus position is adjusted in synchronization with the light beam to be scanned in order to form an image, but the focus adjustment is performed at high speed. Is difficult.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a good image to a user.
  • the present invention provides a light source that emits light, an image input unit that inputs image data, and a control that generates image light based on the input image data and controls emission of the image light from the light source.
  • a scanning lens that scans the image light beam that has passed through the lens, and the image light beam that has been scanned by the scanning unit is reflected or transmitted.
  • the scanning unit including an optical component to be projected, a projection mirror for projecting an image onto the retina by irradiating the retina of the user's eyeball with the image light beam reflected or transmitted by the optical component, and a scanning surface of the scanning unit
  • a light shielding unit provided on an optical path of the image light beam between the lens and the lens, and having an opening that blocks a part of the image light beam and allows the rest to pass therethrough
  • the projection mirror includes: 1 area and front A second region having a light collecting power larger than that of the first region, and the optical component reflects or passes a first light beam that irradiates the first region of the image light beam scanned by the scanning unit.
  • the light condensing power in the three regions is larger than the light condensing power in the fourth region that reflects or passes the second light beam irradiated to the second region among the image light beams scanned by the scanning unit. is there.
  • the optical component is a reflection mirror
  • the curvature of the reflection mirror in the third region may be larger than the curvature of the reflection mirror in the fourth region.
  • the optical component may be a diffraction grating.
  • the first region and the second region are located on both sides in the direction in which the image light beam is incident with respect to a position corresponding to the center of the image in the projection mirror, and the first region is It can be set as the structure located in the direction in which the said image light beam enters rather than the said 2nd area
  • the present invention provides a light source that emits light, an image input unit that inputs image data, and a control that generates image light based on the input image data and controls emission of the image light from the light source.
  • a lens that makes the image light beam emitted from the light source substantially parallel light, a scanning unit that scans the image light beam that has passed through the lens, and a reflection that reflects the image light beam scanned by the scanning unit
  • a mirror a projection mirror that irradiates the retina of the user's eyeball with the image light beam reflected by the reflection mirror, and projects an image on the retina
  • the scanning unit and the lens including a scanning surface of the scanning unit;
  • a light shielding portion provided on an optical path of the image light beam between and having an opening that blocks a part of the image light beam and allows the rest to pass therethrough, and the surface of the projection mirror has a region having a different curvature.
  • the reflecting mirror has a free curved surface including a concave curved surface and a convex curved surface, and a region of the projection mirror where the image light beam reflected by the concave curved surface is reflected is the convex curved surface.
  • the image projection device is located on the incident side of the image light beam from a region where the reflected image light beam is reflected.
  • the present invention provides a light source that emits light, an image input unit that inputs image data, and a control that generates image light based on the input image data and controls emission of the image light from the light source.
  • a lens that makes the image light beam emitted from the light source substantially parallel light, a scanning unit that scans the image light beam that has passed through the lens, and a reflection that reflects the image light beam scanned by the scanning unit
  • a mirror a projection mirror that irradiates the retina of the user's eyeball with the image light beam reflected by the reflection mirror, and projects an image on the retina
  • the scanning unit and the lens including a scanning surface of the scanning unit;
  • a light shielding portion provided on an optical path of the image light beam between and having an opening that blocks a part of the image light beam and allows the rest to pass therethrough, and the surface of the projection mirror has a region having a different curvature.
  • the reflecting mirror has a free curved surface including a concave curved surface and a convex curved surface, and the image light beam reflected by the concave curved surface is irradiated with the image light beam reflected by the convex curved surface.
  • the concave projection surface and the convex curved surface of the reflection mirror are set so that the projection mirror region having a smaller curvature than the curvature of the projection mirror region is set.
  • the present invention provides a light source that emits light, an image input unit that inputs image data, and a control that generates image light based on the input image data and controls emission of the image light from the light source.
  • a lens that makes the image light beam emitted from the light source substantially parallel light, a scanning unit that scans the image light beam that has passed through the lens, and a reflection that reflects the image light beam scanned by the scanning unit
  • a mirror a projection mirror that irradiates the retina of the user's eyeball with the image light beam reflected by the reflection mirror, and projects an image on the retina
  • the scanning unit and the lens including a scanning surface of the scanning unit;
  • a light shielding portion provided on an optical path of the image light beam between and having an opening that blocks a part of the image light beam and allows the rest to pass therethrough, and the surface of the projection mirror has a region having a different curvature.
  • the reflective mirror includes a reflective diffractive element having a phase distribution with a different phase pitch, and is reflected by the projection mirror in a region having a phase distribution with a large condensing power in the reflective diffractive element.
  • the region in which the image light beam is reflected is an image projection device that is located on the incident side of the image light beam from the region in which the image light beam reflected by the region having a phase distribution with a small condensing power in the reflective diffraction element is reflected.
  • the present invention provides a light source that emits light, an image input unit that inputs image data, and a control that generates image light based on the input image data and controls emission of the image light from the light source.
  • a lens that makes the image light beam emitted from the light source substantially parallel light, a scanning unit that scans the image light beam that has passed through the lens, and a reflection that reflects the image light beam scanned by the scanning unit
  • a mirror a projection mirror that irradiates the retina of the user's eyeball with the image light beam reflected by the reflection mirror, and projects an image on the retina
  • the scanning unit and the lens including a scanning surface of the scanning unit;
  • a light shielding portion provided on an optical path of the image light beam between and having an opening that blocks a part of the image light beam and allows the rest to pass therethrough, and the surface of the projection mirror has a region having a different curvature.
  • the reflective mirror includes a reflective diffractive element having a phase distribution with a different phase pitch, and the image light beam reflected by the reflective diffractive element in a region having a large condensing power has a phase distribution.
  • the projection mirror region having a smaller curvature than the curvature of the projection mirror region irradiated with the image light beam reflected by the region having a phase distribution with a small condensing power is irradiated.
  • the present invention provides a light source that emits light, an image input unit that inputs image data, and a control that generates image light based on the input image data and controls emission of the image light from the light source.
  • a lens that makes the image light beam emitted from the light source substantially parallel light, a scanning unit that scans the image light beam that has passed through the lens, and an optical that transmits the image light beam scanned by the scanning unit
  • a projection mirror that irradiates a retina of a user's eyeball with the image light beam that has passed through the optical component, and projects an image onto the retina; and the scanning unit and the lens including a scanning surface of the scanning unit.
  • the optical component includes a transmissive diffractive element having a phase distribution with a different phase pitch, and the projection mirror reflects an image light beam that has passed through a region having a high condensing power in the transmissive diffractive element.
  • the present invention provides a light source that emits light, an image input unit that inputs image data, and a control that generates image light based on the input image data and controls emission of the image light from the light source.
  • a lens that makes the image light beam emitted from the light source substantially parallel light, a scanning unit that scans the image light beam that has passed through the lens, and an optical that transmits the image light beam scanned by the scanning unit
  • a projection mirror that irradiates a retina of a user's eyeball with the image light beam that has passed through the optical component, and projects an image onto the retina; and the scanning unit and the lens including a scanning surface of the scanning unit.
  • the optical component includes a transmissive diffractive element having a phase distribution with a different phase pitch, and an image beam transmitted through a region having a phase distribution with a large condensing power in the transmissive diffractive element is In the diffraction element, the transmission type diffraction is irradiated so that the region of the projection mirror whose curvature is smaller than the curvature of the region of the projection mirror irradiated with the image light beam transmitted through the region having a phase distribution with a small condensing power is irradiated.
  • An image projection apparatus in which the phase pitch of the elements is set.
  • a light-reducing filter provided on the optical path of the image light beam between the light source and the eyeball and reducing the intensity of the image light beam may be provided.
  • the neutral density filter may be provided between the lens and the scanning unit.
  • a good image can be provided to the user.
  • FIG. 1 is a diagram of the image projection apparatus according to the first embodiment viewed from above.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a part of the image projection apparatus according to the first embodiment as seen from above.
  • FIG. 3A is a perspective view illustrating the surface of the reflection mirror provided in the image projection apparatus according to the first embodiment
  • FIG. 3B is a diagram illustrating the height Z of the reflection mirror in the X direction.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating contour lines of a reflecting mirror provided in the image projection apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing an optical path of laser light in the image projection apparatus according to the comparative example.
  • FIG. 6A is a diagram illustrating an optical path of laser light in the image projection apparatus according to the first embodiment, and FIG.
  • FIG. 6B is an enlarged view of the vicinity of the reflection mirror in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating another example of the light shielding unit.
  • FIG. 8A is a diagram illustrating an optical path of laser light in the image projection apparatus according to the second embodiment
  • FIG. 8B is an enlarged view of the vicinity of the reflective diffraction grating in FIG.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating equiphase lines of a reflective diffraction grating provided in the image projection apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 10A is a diagram illustrating an optical path of laser light in the image projection apparatus according to the third embodiment
  • FIG. 10B is an enlarged view of the vicinity of the transmission type diffraction grating in FIG.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating isophase lines of a transmission diffraction grating included in the image projection apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 12 is an enlarged view of a part of the image projection apparatus according to the fourth embodiment viewed from
  • FIG. 1 is a diagram of the image projection apparatus according to the first embodiment viewed from above.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a part of the image projection apparatus according to the first embodiment viewed from above.
  • the traveling direction of the light ray incident on the projection mirror 30 in the projection mirror 30 is defined as the X direction, and the direction orthogonal to the X direction in the projection mirror 30 is defined as the Y direction.
  • the X direction is the horizontal direction.
  • the image projection apparatus 100 includes a light source 20, a lens 22, a light ray blocking unit 24, a scanning mirror 26, a reflection mirror 28, a projection mirror 30, an image input unit 32, and a control.
  • the unit 34 is provided.
  • the image projection apparatus 100 according to the first embodiment is a glasses type. The glasses have a temple 10 and a lens 12.
  • a light source 20, a lens 22, a light shielding unit 24, a scanning mirror 26, and a reflection mirror 28 are provided on the eyeglass temple 10.
  • a projection mirror 30 is provided on the lens 12 of the glasses.
  • the image input unit 32 and the control unit 34 may be provided in an external device (for example, a portable terminal) without being provided in the glasses, or may be provided in the temple 10 of the glasses.
  • Image data is input to the image input unit 32 from a camera and / or recording device (not shown).
  • the control unit 34 controls the emission of the laser light 50 from the light source 20 based on the input image data.
  • the light source 20 emits laser light 50 having a single wavelength or a plurality of wavelengths under the control of the control unit 34. That is, the image data is converted by the light source 20 into the laser beam 50 that is an image beam.
  • the control unit 34 is a processor such as a CPU (Central Processing Unit). If the camera is installed at an appropriate position of the image projection device 100 in the direction of the line of sight of the eyeball 60, the image of the line of sight captured by the camera can be projected onto the retina 62. Further, an image input from a recording device or the like is projected, or a camera image and an image from the recording device or the like are superimposed on the control unit 34 to project a so-called virtual reality (AR) image. You can also.
  • AR virtual reality
  • the lens 22 is a collimating lens that changes the laser beam 50 emitted from the light source 20 into a substantially parallel laser beam 50.
  • the light shielding unit 24 is provided on the optical path of the laser light 50 between the lens 22 and the scanning mirror 26.
  • the laser beam 50 made into substantially parallel light by the lens 22 is incident on the light shielding unit 24.
  • a part of the laser light 50 incident on the light shielding unit 24 is blocked by the light shielding unit 24, and the rest passes through an opening 36 provided in the light shielding unit 24.
  • the light blocking unit 24 has an opening 36 that blocks a part of the laser beam 50 and allows the remainder to pass therethrough.
  • the opening 36 of the light shielding unit 24 has, for example, a substantially circular shape.
  • the substantially circular shape is not limited to a perfect circle, but includes a case where a part of the outer periphery is slightly distorted or an ellipse.
  • the center of the opening 36 and the optical axis of the laser beam 50 substantially coincide.
  • the diameter of the opening 36 is set so that the diameter when the laser beam 50 that has passed through the light shielding unit 24 enters the scanning mirror 26 is smaller than the effective diameter of the scanning mirror 26.
  • the diameter of the opening 36 is the same as or smaller than the diameter at the intensity of 1 / e 2 of the laser light 50 that is substantially parallel light by the lens 22.
  • the scanning mirror 26 scans the laser beam 50 that has passed through the light shielding unit 24 in a two-dimensional direction, and generates projection light for projecting an image onto the retina 62 of the eyeball 60 of the user (user).
  • the scanning mirror 26 is a MEMS (Micro Electro Mechanical System) mirror, for example, and scans the laser light 50 in two dimensions in the horizontal direction and the vertical direction.
  • the scanning direction of the laser beam 50 is the X direction and the Y direction, but the laser beam 50 may be scanned in a direction other than the X direction and the Y direction.
  • the reflection mirror 28 reflects the laser beam 50 scanned by the scanning mirror 26 toward the lens 12 of the glasses.
  • a projection mirror 30 is provided on the surface of the eyeglass lens 12 on the user's eyeball 60 side.
  • the projection mirror 30 projects an image on the retina 62 by irradiating the retina 62 of the user's eyeball 60 with the laser light 50 scanned by the scanning mirror 26 and reflected by the reflection mirror 28. That is, the user recognizes the image by the afterimage effect of the laser light 50 projected on the retina 62.
  • the projection mirror 30 is designed so that the focal position of the laser light 50 scanned by the scanning mirror 26 is in the vicinity of the pupil 64 of the eyeball 60.
  • the laser beam 50 is incident on the projection mirror 30 from substantially the side (that is, substantially in the ⁇ X direction).
  • the projection mirror 30 does not have to be in contact with the lens 12 of the glasses, and may be any position that can irradiate the retina 62 with the laser light 50 through the pupil 64 of the eyeball 60.
  • the eyeglass lens 12 may not be installed with only the projection mirror 30.
  • FIG. 3A is a perspective view showing the surface of the reflection mirror provided in the image projection apparatus according to the first embodiment
  • FIG. 3B is a view showing the height Z in the X direction of the reflection mirror.
  • the X direction and the Y direction are directions corresponding to the X direction and the Y direction in the projection mirror 30.
  • the height of the reflection mirror 28 is the Z direction.
  • the Z direction shows the surface irregularities of the reflection mirror 28 in an enlarged manner.
  • the reflecting mirror 28 has a substantially flat surface in the region S0, a concave surface in the region S1, and a convex surface in the region S2.
  • the condensing power is substantially 0 in the region S0, becomes positive in the region S1, and becomes negative in the region S2.
  • Z on the surface of the reflection mirror 28 is expressed by the following equation, and the surface of the reflection mirror 28 is a free-form surface.
  • Z ⁇ a ij ⁇ X i ⁇ Y j
  • a ij is a coefficient.
  • the coefficients a ij of the odd-numbered terms is set to a finite value (other than 0).
  • the condensing power in the Y direction in the projection mirror 30 is symmetric with respect to the X axis. Therefore, the coefficient a ij of the term in which j is an odd number is set to 0.
  • the coefficients a 30 and a 12 are finite. Thereby, a free-form surface like FIG. 3 (a) and FIG.3 (b) is realizable.
  • a high-order coefficient may be a finite value.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating contour lines of the reflection mirror provided in the image projection apparatus according to the first embodiment.
  • the interval between the contour lines is 11.6 ⁇ m.
  • Z decreases as going in the + X direction, and Z increases as going in the -X direction.
  • FIG. 4 is circular because the simulation is based on the retina. A part of the circle in FIG. 4 cut out as a rectangle corresponds to FIG.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an optical path of laser light in the image projection apparatus according to the comparative example.
  • a light beam L0 to a light beam L2 are light beams scanned in the horizontal direction by the scanning mirror 26, and are applied to the projection mirror 30 from the -X direction.
  • the light ray L0 is a light ray corresponding to the center of the image
  • the light rays L1 and L2 are light rays corresponding to the edge of the image.
  • the light rays L0 to L2 are reflected from the region R0 to the region R2 of the projection mirror 30, respectively.
  • the reflected light rays L0 to L2 are converged in the vicinity of the pupil 64 located at the center of the iris 66, pass through the crystalline lens 68, and reach the retina 62.
  • the region R0 is a region that reflects the light ray L0 corresponding to the center of the image.
  • the region R1 is a region in the ⁇ X direction from the region R0.
  • the region R2 is a region in the + X direction from the region R0. For Maxwell's view, the light rays L0 to L2 intersect in the vicinity of the pupil 64.
  • the light beam L0 reflected by the projection mirror 30 enters the crystalline lens 68 as substantially parallel light and is focused near the retina 62. That is, it is assumed that the focus position F0 of the light ray L0 is in the vicinity of the retina 62.
  • the light beam L1 reflected by the projection mirror 30 enters the crystalline lens 68 as diffused light. For this reason, the light beam L 1 is focused farther than the retina 62.
  • the light beam L2 reflected by the projection mirror 30 enters the crystalline lens 68 as convergent light. For this reason, the light ray L2 is focused closer to the retina 62.
  • the focus position F1 of the light beam L1 is farther from the projection mirror 30 than the retina 62, and the distance between the focus position F1 and the retina 62 is D1.
  • the focus position F2 of the light beam L2 is closer to the projection mirror 30 than the retina 62, and the distance between the focus position F2 and the retina 62 is D2.
  • the focus position F2 is different from the focus position F2 in this way because the light beam L0 to the light beam L2 incident on the projection mirror 30 from the ⁇ X direction is focused near the pupil 64 from the region R0 of the projection mirror 30.
  • the curvature of the region R2 differs in the X direction and / or an optical path difference occurs from the light ray L0 to the light ray L2.
  • the region R2 has a larger curvature than the region R1. That is, the region R2 has a higher light collection power than the region R1. For this reason, the focus position F2 is closer to the light source than the focus position F1.
  • the projection mirror 30 is arranged in parallel to the user's face, the light path of the light beam L2 becomes longer than that of the light beam L1. Thereby, the focus position F2 is closer to the light source than the focus position F1.
  • the optical system in the Y direction is substantially symmetric with respect to the X axis, and in the Y direction, the in-focus position does not easily shift as in the X direction.
  • FIG. 6A is a diagram illustrating an optical path of laser light in the image projection apparatus according to the first embodiment
  • FIG. 6B is an enlarged view of the vicinity of the reflection mirror in FIG. 6A. 6A and 6B, the light rays L0 to L2 irradiated from the region R0 to the region R2 of the projection mirror 30 are reflected from the region S0 to the region S2 in the reflection mirror 28.
  • the reflecting mirror 28 has a substantially flat surface in the area S0 and a light collecting power of almost 0, a concave surface in the area S1, and a positive light collecting power in the area S2.
  • the surface is convex and the condensing power is negative.
  • the region R2 having a large curvature of the projection mirror 30 is irradiated with the light beam L2 reflected by the region S2 of the reflection mirror 28 having a small condensing power, and the region R1 having a small curvature of the projection mirror 30 has a large condensing power.
  • the light beam L1 reflected by the region S1 of the reflection mirror 28 is irradiated. Thereby, all of the light rays L0 to L2 can be focused in the vicinity of the retina 62.
  • the surface of the reflection mirror 28 is a free-form surface having a flat surface, a concave surface, and a convex surface corresponding to the change in the curvature of the free-form surface of the projection mirror 30.
  • the light beam L1 reflected by the concave surface (region S1) of the reflection mirror 28 is a region of the projection mirror 30 having a smaller curvature than the region R2 of the projection mirror 30 irradiated with the light beam L2 reflected by the convex surface (region S2).
  • a concave curved surface and a convex curved surface of the reflecting mirror 28 are set so as to irradiate R1.
  • the reflecting mirror 28 irradiates the region R2 having a condensing power larger than the region R1 of the projection mirror 30 in the region S1 that reflects the light beam L1 irradiated to the region R1 of the projection mirror 30. It is larger than the condensing power in the region S2 that reflects the light beam L2.
  • the light shielding unit 24 has an opening 36 that blocks part of the laser light 50 and allows the rest to pass through on the optical path of the laser light 50 between the lens 22 and the scanning mirror 26. Is provided.
  • the diameter of the laser beam 50 incident on the scanning mirror 26 can be set to an appropriate size, and the light intensity (pupil end intensity) at the end of the laser beam 50 can be increased. From these things, a favorable image can be provided to a user.
  • the laser beam 50 scanned by the scanning mirror 26 after passing through the light shielding unit 24 is incident on the reflection mirror 28, so that the diameter of the laser beam 50 incident on the reflection mirror 28 is adjusted to an appropriate size. be able to. Therefore, an appropriate condensing power can be applied to the laser beam 50 by the reflection mirror 28.
  • the optical system including the projection mirror 30 is designed on the assumption that the reflection mirror 28 is a plane without considering the focus position F0 to the focus position F2 of the light rays L0 to L2. Thereafter, the surface of the reflection mirror 28 is designed as a free-form surface without changing the design of the projection mirror 30. Thereby, the focus position F2 is adjusted from the focus position F0 of the light beam L0 to the light beam L2. Since the condensing power that the reflection mirror 28 gives from the light beam L0 to the light beam L2 is weak, the focus position F2 can be adjusted from the focus position F0 without substantially affecting the locus of the light beam L0 to the light beam L2. Therefore, an optical system can be designed easily.
  • FIG. 7 is a diagram showing another example of the light shielding unit.
  • a region other than the effective diameter 44 of the scanning surface 42 of the scanning mirror 26 is an absorption portion 46 formed of a material that absorbs the laser light 50 without reflecting it, and the scanning surface 42 is It may be a case where it functions as a light shielding unit.
  • the light ray blocking portion may be provided on the optical path of the laser beam 50 between the scanning mirror 26 and the lens 22 including the scanning surface 42 of the scanning mirror 26.
  • the region R1 and the region R2 of the projection mirror 30 are located on both sides in the direction in which the light beam L2 enters from the position corresponding to the center of the image in the projection mirror 30 (region R0).
  • the region R1 is located in the direction in which the light rays L0 to L2 enter from the region R2.
  • the region R0 to the region R2 are positioned in this way, in the comparative example, as shown in FIG. 5, the shift from the in-focus position F0 to the in-focus position F2 from the retina 62 becomes large. Therefore, it is preferable that the condensing power of the region S0 to the region S2 of the reflection mirror 28 is different.
  • the distance between the region R1 and the region R2 in the projection mirror 30 is larger than the distance between the region S1 and the region S2 in the reflection mirror 28.
  • the condensing powers of the regions R1 and R2 are greatly different.
  • the optical paths of the light beam L0 to the light beam L2 are greatly different.
  • the focus position F1 and the focus position F2 are greatly deviated from the retina 62. Therefore, in such an optical system, it is preferable that the condensing power is different between the region S1 and the region S2 of the reflection mirror 28.
  • the distance D1 between the focusing position F1 where the light beam L1 is focused and the retina 62, and the distance D2 between the focusing position F2 where the light beam L2 is focused and the retina 62 are respectively the area S1 and the reflection mirror 28. It is smaller than the distances D1 and D2 when the condensing power in the region S2 is assumed to be the same. As a result, the focus position F0 to the focus position F2 of the light beam L0 to the light beam L2 can be set near the retina 62.
  • the condensing power of the region S1 and the region S2 is set by using the reflection mirror 28 and making the curvature in the region S1 larger than the curvature in the region S2.
  • region S1 can be made larger than the condensing power in area
  • the curvature is positive for the concave surface as in the region S1 in FIGS. 3A and 3B and negative for the convex surface as in the region S2.
  • the reflection mirror 28 even when the light rays L0 to L2 include a plurality of wavelengths, the condensing power of the light rays L0 to L2 of each wavelength can be set with a single curved surface.
  • the image projection apparatus according to the second embodiment is the same as the image projection apparatus 100 according to the first embodiment except that a reflective diffraction grating 38 is used instead of the reflection mirror 28.
  • FIG. 8A is a diagram illustrating the optical path of laser light in the image projection apparatus according to the second embodiment
  • FIG. 8B is an enlarged view of the vicinity of the reflective diffraction grating in FIG.
  • the image projection apparatus according to the second embodiment uses a reflection type diffraction grating 38 instead of the reflection mirror 28, and the light rays L0 to L2 scanned by the scanning mirror 26 are used. Is reflected from the region S 0 to the region S 2 of the reflective diffraction grating 38 and enters the projection mirror 30.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating isophase lines of a reflective diffraction grating provided in the image projection apparatus according to the second embodiment.
  • the interval between the lines is 50 ⁇ 2 ⁇ rad.
  • the interval between the equiphase lines corresponds to the pitch of the reflective diffraction grating 38.
  • the condensing power in the region S0 can be set to almost zero, the condensing power in the region S1 can be positive, and the condensing power in the region S2 can be negative.
  • the image projection apparatus according to the third embodiment is the same as the image projection apparatus 100 according to the first embodiment except that a transmissive diffraction grating 40 is used instead of the reflection mirror 28.
  • FIG. 10A is a diagram illustrating an optical path of laser light in the image projection apparatus according to the third embodiment
  • FIG. 10B is an enlarged view of the vicinity of the transmission diffraction grating in FIG.
  • the image projection apparatus according to the third embodiment uses a transmissive diffraction grating 40 instead of the reflection mirror 28, and the light beam L0 to the light beam L2 scanned by the scanning mirror 26. Passes through the region S0 to the region S2 of the transmissive diffraction grating 40 and enters the projection mirror 30.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating isophase lines of a transmission diffraction grating included in the image projection apparatus according to the third embodiment.
  • the interval between the lines is 7.5 ⁇ 2 ⁇ rad.
  • the interval between the equiphase lines corresponds to the pitch of the transmissive diffraction grating 40.
  • the condensing power in the region S0 can be set to almost zero, the condensing power in the region S1 can be positive, and the condensing power in the region S2 can be negative.
  • the optical component that reflects or transmits the light beam L2 from the light beam L0 scanned by the scanning mirror 26 may be the reflective mirror 28, the reflective diffraction grating 38, or the transmissive type.
  • the diffraction grating 40 may be used.
  • the pitch in the region S1 is made larger than the pitch in the region S2.
  • region S1 can be made larger than the condensing power in area
  • the light condensing power can be set with higher accuracy.
  • the condensing power of the reflection type diffraction grating 38 and the transmission type diffraction grating 40 has wavelength dependency.
  • the light rays L0 to L2 are preferably light having a single wavelength, and when the light rays L0 to L2 include light having a plurality of wavelengths, it is preferable to stack diffraction elements corresponding to the respective wavelengths.
  • the reflective diffraction grating 38 has a phase distribution with different phase pitches corresponding to the curvature change of the free-form surface of the projection mirror 30. Then, the light beam L1 reflected by the region S1 having a large phase pitch of the reflective diffraction grating 38 has a curvature larger than the curvature of the region R2 of the projection mirror 30 irradiated with the light beam L2 reflected by the region S2 having a small phase pitch.
  • the phase pitch of the reflective diffraction grating 38 is set so that the region R1 of the small projection mirror 30 is irradiated. Thereby, as shown in FIG.
  • the light rays L0 to L2 can be focused in the vicinity of the retina 62. Further, as described in the first embodiment, since the light shielding unit 24 is provided between the lens 22 and the scanning mirror 26, the diameter of the laser light 50 incident on the scanning mirror 26 is set to an appropriate size. In addition, the light intensity at the end of the laser beam 50 (pupil end intensity) can be increased. Therefore, a good image can be provided to the user.
  • the transmissive diffraction grating 40 corresponds to the curvature change of the free curved surface of the projection mirror 30 and has a phase distribution with different phase pitches.
  • the light beam L1 transmitted through the region S1 having a wide phase pitch of the transmissive diffraction grating 40 has a curvature larger than the curvature of the region R2 of the projection mirror 30 irradiated with the light beam L2 transmitted through the region S2 having a small phase pitch.
  • the phase pitch of the transmissive diffraction grating 40 is set so that the region R1 of the small projection mirror 30 is irradiated.
  • the light rays L0 to L2 can be focused in the vicinity of the retina 62. Further, as described in the first embodiment, since the light shielding unit 24 is provided between the lens 22 and the scanning mirror 26, the diameter of the laser light 50 incident on the scanning mirror 26 is set to an appropriate size. In addition, the light intensity at the end of the laser beam 50 (pupil end intensity) can be increased. Therefore, a good image can be provided to the user.
  • the projection mirror 30 may be a diffractive element.
  • the condensing power of the projection mirror 30 in the region R1 is preferably smaller than the condensing power of the projection mirror 30 in the region R2.
  • the projection mirror 30 may be a half mirror that can transmit light in the line-of-sight direction of the eyeball 60, or may be a total reflection mirror that does not transmit light. If the projection mirror 30 is a half mirror, an actual image in the line-of-sight direction can be transmitted and viewed together with the image by the laser beam 50. If the projection mirror 30 is a total reflection mirror, only the image by the laser beam 50 is viewed. be able to.
  • the optical system from the light beam L0 to the light beam L2 is substantially symmetric with respect to the Y-axis direction. Therefore, the condensing power at a pair of positions in the optical component corresponding to a pair of positions in the projection mirror 30 symmetrical to a line extending in the X direction through a position corresponding to the center of the image in the projection mirror 30.
  • FIG. 12 is an enlarged view of a part of the image projection apparatus according to the fourth embodiment viewed from above.
  • the image projection apparatus 400 according to the fourth embodiment reduces the intensity of the laser light 50 in addition to the light shielding unit 24 on the optical path of the laser light 50 between the lens 22 and the scanning mirror 26.
  • a neutral density filter 70 is provided.
  • the neutral density filter 70 for example, a member optically coated on resin is used.
  • Other configurations are the same as those of the image projector 100 according to the first embodiment.
  • the neutral density filter 70 is provided on the optical path of the laser light 50 between the light source 20 and the eyeball 60.
  • the neutral density filter 70 is provided on the optical path of the laser light 50 between the light source 20 and the eyeball 60.
  • the neutral density filter 70 is provided on the downstream side of the laser beam 50 with respect to the light shielding unit 24, but the neutral density filter 70 may be provided on the upstream side of the optical beam shielding unit 24.
  • the neutral density filter 70 is provided between the light source 20 and the scanning mirror 26, it may be provided at any location as long as it is on the optical path of the laser light 50 between the light source 20 and the eyeball 60.
  • it may be between the scanning mirror 26 and the reflecting mirror 28, between the reflecting mirror 28 and the projection mirror 30, between the projection mirror 30 and the eyeball 60, or on the scanning surface of the scanning mirror 26.
  • the reflection surface of the reflection mirror 28, the reflection surface of the projection mirror 30, or a plurality of these portions may be used.
  • a neutral density filter 70 between the lens 22 and the scanning mirror 26 as in the fourth embodiment.
  • the laser light 50 that is made substantially parallel light by the lens 22 and has a relatively large diameter passes through the neutral density filter 70, so that the influence can be reduced even if the neutral density filter 70 has an in-plane distribution.
  • the neutral density filter 70 is provided on the rear stage side of the laser beam 50 with respect to the scanning mirror 26, the laser beam 50 scanned by the scanning mirror 26 is incident over a wide range of the neutral density filter 70.
  • the influence of the in-plane distribution of the filter 70 is large.
  • the neutral density filter 70 is provided between the lens 22 and the scanning mirror 26, the laser light 50 is incident only within a certain range of the neutral density filter 70, so that the influence of the in-plane distribution can be reduced. .
  • the case of the eyeglass-type HMD is shown as an example of the image projection apparatus, but an image projection apparatus other than the HMD may be used.
  • an image projection apparatus other than the HMD may be used.
  • the case where an image is projected on the retina 62 of one eyeball 60 is shown as an example, the case where an image is projected on the retina 62 of both eyeballs 60 may be used.
  • the case of the scanning mirror 26 was shown as an example as a scanning part, the scanning part should just be able to scan a light ray.
  • other parts such as a lithium tantalate niobate (KTN) crystal that is an electro-optic material may be used as the scanning unit.
  • KTN lithium tantalate niobate
  • the condensing power in the region S1 and the region S2 of the optical component may be either positive or negative.
  • the incident direction of the light ray L0 to the light ray L2 to the projection mirror 30 is a horizontal direction
  • the light ray L0 to the light ray L2 may be incident from a vertical direction or an oblique direction.

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Abstract

本発明の画像投影装置は、光線を出射する光源（２０）と、画像データを入力する画像入力部（３２）と、画像データに基づいた画像光線を生成して出射を制御する制御部（３４）と、出射された画像光線を略平行光とするレンズ（２２）と、レンズ（２２）を通過した画像光線を走査する走査部（２６）と、走査された画像光線を反射又は透過させる光学部品（２８）と、反射又は透過された画像光線を網膜（６２）に照射して画像を投影する投影ミラー（３０）と、走査部（２６）の走査面を含んで走査部（２６）とレンズ（２２）の間の光路上に設けられ、画像光線の一部を遮閉し残りを通過させる開口を有する光線遮閉部（２４）と、を備え、投影ミラー（３０）は第１領域と第１領域よりも集光パワーの大きい第２領域を有し、光学部品（２８）は走査された画像光線のうち第１領域に照射する光線を反射又は通過させる第３領域における集光パワーが、走査された画像光線のうち第２領域に照射される光線を反射又は通過させる第４領域における集光パワーよりも大きい。

Description

画像投影装置
　本発明は、画像投影装置に関する。
　光源から出射された光線を用い、ユーザの網膜に画像を直接投影するヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）などの画像投影装置が知られている。このような画像投影装置では、マックスウエル視といわれる方法が用いられる。マックスウエル視では、画像を形成する光線を瞳孔近傍で集束させ、網膜に画像を投影する。
　光線が網膜で合焦するように、角膜で反射した光を検出し、合焦位置を調整する画像投影装置が知られている（例えば、特許文献１）。また、光源から出射された光を、面内で曲率の異なる２つのミラーで反射させ、ユーザの網膜に照射する画像投影装置が知られている（例えば、特許文献２、３）。また、瞳孔に入射する光の光路上に、光を部分的に遮断する遮光部と光を複数の部分光に分割する複数の透光部とを有する絞りが設けられた画像投影装置が知られている（例えば、特許文献４）。
特開２００９－２５８６８６号公報 特開２００８－４６２５３号公報 国際公開第２００４／０２９６９３号 特開２０１１－２１５１９４号公報
　マックスウエル視のために、ミラーを用いて画像光線を瞳孔近傍で集束させると、画像内において合焦位置が網膜から大きく外れる領域が発生してしまい、ユーザに良好な画像を提供することが難しい。例えば、特許文献１のような方法で合焦位置を調整しようとすると、画像を形成するために走査する光線に同期して合焦位置を調整することになるが、焦点調整を高速に行うことが難しい。
　本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ユーザに良好な画像を提供することを目的とする。
　本発明は、光線を出射する光源と、画像データを入力する画像入力部と、入力された前記画像データに基づいた画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、前記光源から出射された前記画像光線を略平行光とするレンズと、前記レンズを通過した前記画像光線を走査する走査部と、前記走査部で走査された前記画像光線を反射又は透過させる光学部品と、前記光学部品が反射又は透過させた前記画像光線をユーザの眼球の網膜に照射して前記網膜に画像を投影する投影ミラーと、前記走査部の走査面を含んで前記走査部と前記レンズとの間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口を有する光線遮閉部と、を備え、前記投影ミラーは、第１領域と前記第１領域よりも集光パワーの大きい第２領域とを有し、前記光学部品は、前記走査部が走査した前記画像光線のうち前記第１領域に照射する第１光線を反射又は通過させる第３領域における集光パワーが、前記走査部が走査した前記画像光線のうち前記第２領域に照射される第２光線を反射又は通過させる第４領域における集光パワーよりも大きい、画像投影装置である。
　上記構成において、前記光学部品は、反射ミラーであり、前記第３領域における前記反射ミラーの曲率は、前記第４領域における前記反射ミラーの曲率より大きい構成とすることができる。
　上記構成において、前記光学部品は、回折格子である構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１領域及び前記第２領域は、前記投影ミラー内の前記画像の中心に対応する位置に対して前記画像光線の入射する方向における両側に位置し、前記第１領域は、前記第２領域よりも前記画像光線の入射する方向に位置している構成とすることができる。
　本発明は、光線を出射する光源と、画像データを入力する画像入力部と、入力された前記画像データに基づいた画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、前記光源から出射された前記画像光線を略平行光とするレンズと、前記レンズを通過した前記画像光線を走査する走査部と、前記走査部で走査された前記画像光線を反射する反射ミラーと、前記反射ミラーで反射された前記画像光線をユーザの眼球の網膜に照射して前記網膜に画像を投影する投影ミラーと、前記走査部の走査面を含んで前記走査部と前記レンズとの間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口を有する光線遮閉部と、を備え、前記投影ミラーの表面は曲率の異なる領域を有する自由曲面を有し、前記反射ミラーの表面は凹曲面と凸曲面とを含む自由曲面を有し、前記投影ミラーにおいて、前記凹曲面で反射された画像光線が反射する領域は、前記凸曲面で反射された画像光線が反射する領域より前記画像光線の入射側に位置する、画像投影装置である。
　本発明は、光線を出射する光源と、画像データを入力する画像入力部と、入力された前記画像データに基づいた画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、前記光源から出射された前記画像光線を略平行光とするレンズと、前記レンズを通過した前記画像光線を走査する走査部と、前記走査部で走査された前記画像光線を反射する反射ミラーと、前記反射ミラーで反射された前記画像光線をユーザの眼球の網膜に照射して前記網膜に画像を投影する投影ミラーと、前記走査部の走査面を含んで前記走査部と前記レンズとの間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口を有する光線遮閉部と、を備え、前記投影ミラーの表面は曲率の異なる領域を有する自由曲面を有し、前記反射ミラーの表面は凹曲面と凸曲面とを含む自由曲面を有し、前記凹曲面で反射された前記画像光線は、前記凸曲面で反射された前記画像光線が照射される前記投影ミラーの領域の曲率よりも曲率の小さな前記投影ミラーの領域に照射されるように、前記反射ミラーの凹曲面及び凸曲面が設定されている、画像投影装置である。
　本発明は、光線を出射する光源と、画像データを入力する画像入力部と、入力された前記画像データに基づいた画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、前記光源から出射された前記画像光線を略平行光とするレンズと、前記レンズを通過した前記画像光線を走査する走査部と、前記走査部で走査された前記画像光線を反射する反射ミラーと、前記反射ミラーで反射された前記画像光線をユーザの眼球の網膜に照射して前記網膜に画像を投影する投影ミラーと、前記走査部の走査面を含んで前記走査部と前記レンズとの間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口を有する光線遮閉部と、を備え、前記投影ミラーの表面は曲率の異なる領域を有する自由曲面を有し、前記反射ミラーは位相ピッチの異なる位相分布を有する反射型回折素子を含み、前記投影ミラーにおいて、前記反射型回折素子における集光パワーの大きい位相分布を有する領域で反射された画像光線が反射する領域は前記反射型回折素子における集光パワーの小さい位相分布を有する領域で反射された画像光線が反射する領域より前記画像光線の入射側に位置する、画像投影装置である。
　本発明は、光線を出射する光源と、画像データを入力する画像入力部と、入力された前記画像データに基づいた画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、前記光源から出射された前記画像光線を略平行光とするレンズと、前記レンズを通過した前記画像光線を走査する走査部と、前記走査部で走査された前記画像光線を反射する反射ミラーと、前記反射ミラーで反射された前記画像光線をユーザの眼球の網膜に照射して前記網膜に画像を投影する投影ミラーと、前記走査部の走査面を含んで前記走査部と前記レンズとの間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口を有する光線遮閉部と、を備え、前記投影ミラーの表面は曲率の異なる領域を有する自由曲面を有し、前記反射ミラーは位相ピッチの異なる位相分布を有する反射型回折素子を含み、前記反射型回折素子において集光パワーの大きい位相分布を有する領域で反射された画像光線は、前記反射型回折素子において集光パワーの小さい位相分布を有する領域で反射された画像光線が照射される前記投影ミラーの領域の曲率よりも曲率の小さな前記投影ミラーの領域に照射されるように、前記反射型回折素子の位相ピッチが設定されている、画像投影装置である。
　本発明は、光線を出射する光源と、画像データを入力する画像入力部と、入力された前記画像データに基づいた画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、前記光源から出射された前記画像光線を略平行光とするレンズと、前記レンズを通過した前記画像光線を走査する走査部と、前記走査部で走査された前記画像光線を透過させる光学部品と、前記光学部品を透過した前記画像光線をユーザの眼球の網膜に照射して前記網膜に画像を投影する投影ミラーと、前記走査部の走査面を含んで前記走査部と前記レンズとの間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口を有する光線遮閉部と、を備え、前記投影ミラーの表面は曲率の異なる領域を有する自由曲面を有し、前記光学部品は位相ピッチの異なる位相分布を有する透過型回折素子を含み、前記投影ミラーにおいて、前記透過型回折素子における集光パワーの大きい領域を透過した画像光線が反射する領域は前記透過型回折素子における集光パワーの小さい領域を透過した画像光線が反射する領域より前記画像光線の入射側に位置する、画像投影装置である。
　本発明は、光線を出射する光源と、画像データを入力する画像入力部と、入力された前記画像データに基づいた画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、前記光源から出射された前記画像光線を略平行光とするレンズと、前記レンズを通過した前記画像光線を走査する走査部と、前記走査部で走査された前記画像光線を透過させる光学部品と、前記光学部品を透過した前記画像光線をユーザの眼球の網膜に照射して前記網膜に画像を投影する投影ミラーと、前記走査部の走査面を含んで前記走査部と前記レンズとの間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口を有する光線遮閉部と、を備え、前記投影ミラーの表面は曲率の異なる領域を有する自由曲面を有し、前記光学部品は位相ピッチの異なる位相分布を有する透過型回折素子を含み、前記透過型回折素子において集光パワーの大きい位相分布を有する領域を透過した画像光線は、前記透過型回折素子において集光パワーの小さい位相分布を有する領域を透過した画像光線が照射される前記投影ミラーの領域の曲率よりも曲率の小さな前記投影ミラーの領域に照射されるように、前記透過型回折素子の位相ピッチが設定されている、画像投影装置である。
　上記構成において、前記光源と前記眼球との間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の強度を下げる減光フィルタを備える構成とすることができる。
　上記構成において、前記減光フィルタは、前記レンズと前記走査部との間に設けられている構成とすることができる。
　本発明によれば、ユーザに良好な画像を提供することができる。
図１は実施例１に係る画像投影装置を上方から見た図である。 図２は実施例１に係る画像投影装置の一部を拡大して上方から見た図である。 図３（ａ）は実施例１に係る画像投影装置に備わる反射ミラーの表面を示す斜視図、図３（ｂ）は反射ミラーのＸ方向における高さＺを示す図である。 図４は実施例１に係る画像投影装置に備わる反射ミラーの等高線を示す図である。 図５は比較例に係る画像投影装置におけるレーザ光の光路を示す図である。 図６（ａ）は実施例１に係る画像投影装置におけるレーザ光の光路を示す図、図６（ｂ）は図６（ａ）の反射ミラー近傍の拡大図である。 図７は、光線遮閉部の他の例を示す図である。 図８（ａ）は実施例２に係る画像投影装置におけるレーザ光の光路を示す図、図８（ｂ）は図８（ａ）の反射型回折格子近傍の拡大図である。 図９は実施例２に係る画像投影装置に備わる反射型回折格子の等位相線を示す図である。 図１０（ａ）は実施例３に係る画像投影装置におけるレーザ光の光路を示す図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の透過型回折格子近傍の拡大図である。 図１１は実施例３に係る画像投影装置に備わる透過型回折格子の等位相線を示す図である。 図１２は実施例４に係る画像投影装置の一部を拡大して上方から見た図である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について説明する。
　図１は、実施例１に係る画像投影装置を上方から見た図である。図２は、実施例１に係る画像投影装置の一部を拡大して上方から見た図である。なお、投影ミラー３０に入射した光線の投影ミラー３０内の進行方向をＸ方向、投影ミラー３０におけるＸ方向に直交する方向をＹ方向とする。以下の例では、Ｘ方向を水平方向としている。
　図１及び図２のように、実施例１の画像投影装置１００は、光源２０、レンズ２２、光線遮閉部２４、走査ミラー２６、反射ミラー２８、投影ミラー３０、画像入力部３２、及び制御部３４を備える。実施例１の画像投影装置１００は、メガネ型である。メガネはツル１０とレンズ１２とを有する。メガネのツル１０に、光源２０、レンズ２２、光線遮閉部２４、走査ミラー２６、及び反射ミラー２８が設けられている。メガネのレンズ１２に、投影ミラー３０が設けられている。画像入力部３２及び制御部３４は、例えばメガネに設けられずに外部装置（例えば携帯端末）に設けられてもよいし、メガネのツル１０に設けられてもよい。
　画像入力部３２には、図示しないカメラ及び／又は録画機器などから画像データが入力される。制御部３４は、入力された画像データに基づいて、光源２０からのレーザ光５０の出射を制御する。光源２０は、制御部３４の制御の下、例えば単一又は複数の波長のレーザ光５０を出射する。つまり、画像データは、光源２０によって画像光線であるレーザ光５０に変換される。制御部３４は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサである。カメラは、眼球６０の視線方向に向けて、画像投影装置１００の適切な位置に設置すれば、このカメラで撮像した視線方向の画像を網膜６２に投影させることができる。また、録画機器などから入力された画像を投影させたり、カメラ画像と録画機器などからの画像を制御部３４でスーパーインポーズさせたりして、いわゆる仮想現実（ＡＲ：Augmented Reality）画像を投影させることもできる。
　レンズ２２は、光源２０から出射されたレーザ光５０を略平行光なレーザ光５０とするコリメートレンズである。
　光線遮閉部２４は、レンズ２２と走査ミラー２６との間のレーザ光５０の光路上に設けられている。光線遮閉部２４には、レンズ２２で略平行光とされたレーザ光５０が入射する。光線遮閉部２４に入射したレーザ光５０のうちの一部は光線遮閉部２４で遮られ、残りは光線遮閉部２４に設けられた開口３６を通過する。すなわち、光線遮閉部２４は、レーザ光５０の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口３６を有する。光線遮閉部２４の開口３６は、例えば略円形形状をしている。略円形形状とは、完全な円形の場合に限られずに、外周の一部が僅かに歪んだ場合や、楕円の場合も含むものである。開口３６の中心とレーザ光５０の光軸とはほぼ一致している。開口３６の直径は、光線遮閉部２４を通過したレーザ光５０が走査ミラー２６に入射する際の径が走査ミラー２６の有効径よりも小さくなるように設定されている。例えば、開口３６の直径は、レンズ２２で略平行光となったレーザ光５０の１／ｅ２の強度での直径と同じか又はより小さくなっている。
　走査ミラー２６は、光線遮閉部２４を通過したレーザ光５０を２次元方向に走査して、ユーザ（利用者）の眼球６０の網膜６２に画像を投影するための投影光とする。走査ミラー２６は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーであり、水平方向及び垂直方向の２次元にレーザ光５０を走査する。以下の例では、レーザ光５０を走査する方向をＸ方向及びＹ方向としているが、Ｘ方向及びＹ方向以外の方向にレーザ光５０を走査してもよい。
　反射ミラー２８は、走査ミラー２６で走査されたレーザ光５０をメガネのレンズ１２に向かって反射させる。メガネのレンズ１２のユーザの眼球６０側の面に、投影ミラー３０が設けられている。投影ミラー３０は、走査ミラー２６で走査され、反射ミラー２８で反射されたレーザ光５０をユーザの眼球６０の網膜６２に照射することにより、網膜６２に画像を投影する。つまり、ユーザは、網膜６２に投影されたレーザ光５０の残像効果によって画像を認識する。投影ミラー３０は、走査ミラー２６で走査されたレーザ光５０の集束位置が、眼球６０の瞳孔６４近傍となるように設計されている。レーザ光５０は、投影ミラー３０にほぼ真横（すなわち、ほぼ－Ｘ方向）から入射する。投影ミラー３０は、メガネのレンズ１２と接している必要はなく、眼球６０の瞳孔６４を通して網膜６２へレーザ光５０を照射することができる位置であればよい。また、用途によっては、投影ミラー３０のみでメガネのレンズ１２は設置されなくてもよい。
　図３（ａ）は、実施例１に係る画像投影装置に備わる反射ミラーの表面を示す斜視図、図３（ｂ）は、反射ミラーのＸ方向における高さＺを示す図である。Ｘ方向及びＹ方向は、投影ミラー３０におけるＸ方向及びＹ方向に対応する方向である。反射ミラー２８における高さがＺ方向である。図３（ａ）では、Ｚ方向は反射ミラー２８の表面の凹凸を拡大して示している。
　図３（ａ）及び図３（ｂ）のように、反射ミラー２８は、領域Ｓ０では表面がほぼ平面、領域Ｓ１では表面が凹面、領域Ｓ２では表面が凸面となっている。これにより、集光パワーは、領域Ｓ０ではほぼ０であり、領域Ｓ１では正となり、領域Ｓ２では負となる。反射ミラー２８の表面のＺは次式で表され、反射ミラー２８の表面は自由曲面となっている。
　　Ｚ＝Σａｉｊ×Ｘｉ×Ｙｊ
原点（Ｘ＝０、Ｙ＝０）は画像中心に相当し、例えば領域Ｓ０付近に相当する。ａｉｊは係数である。Ｘ方向の集光パワーを異ならせるためには、ｉが奇数の項の係数ａｉｊの少なくとも１つを有限の値（０以外）とする。投影ミラー３０におけるＹ方向の集光パワーは、Ｘ軸に対し対称である。よって、ｊが奇数の項の係数ａｉｊを０とする。例えば、係数ａ３０及びａ１２を有限とする。これにより、図３（ａ）及び図３（ｂ）のような自由曲面を実現できる。反射ミラー２８の自由曲面をより調整するため、係数ａ１０及び／又はａ２０を有限の値としてもよい。さらに、高次の係数を有限の値としてもよい。
　図４は、実施例１に係る画像投影装置に備わる反射ミラーの等高線を示す図である。図４において、中心（Ｘ、Ｙ）＝（０、０）のＺを０としている。等高線の間隔は１１．６μｍである。＋Ｘ方向に行くに従いＺは小さくなり、－Ｘ方向に行くに従いＺは大きくなる。図４は、網膜を基準にシミュレーションをしているため、円形である。図４の円形内の一部を四角形として切り出したものが図３（ａ）に相当する。
　ここで、実施例１の画像投影装置１００の効果を説明するにあたり、まず、比較例の画像投影装置について説明する。比較例の画像投影装置は、反射ミラー２８の表面全面が平面となっている点以外は、実施例１の画像投影装置１００と同じである。図５は、比較例に係る画像投影装置におけるレーザ光の光路を示す図である。図５において、光線Ｌ０から光線Ｌ２は、走査ミラー２６により水平方向に走査された光線であり、－Ｘ方向から投影ミラー３０に照射される。光線Ｌ０は画像の中心に相当する光線、光線Ｌ１及び光線Ｌ２は画像の端に相当する光線である。光線Ｌ０から光線Ｌ２はそれぞれ投影ミラー３０の領域Ｒ０から領域Ｒ２で反射される。反射した光線Ｌ０から光線Ｌ２は、虹彩６６の中央部に位置する瞳孔６４近傍において集束し、水晶体６８を透過し網膜６２に至る。領域Ｒ０は画像の中心に相当する光線Ｌ０を反射する領域である。領域Ｒ１は領域Ｒ０より－Ｘ方向の領域である。領域Ｒ２は領域Ｒ０より＋Ｘ方向の領域である。マックスウエル視のためには、光線Ｌ０から光線Ｌ２は瞳孔６４近傍で交差することになる。
　図５では、投影ミラー３０で反射された光線Ｌ０は、ほぼ平行光として水晶体６８に入射し、網膜６２近傍で合焦するとする。すなわち、光線Ｌ０の合焦位置Ｆ０は、網膜６２近傍であるとする。この場合、投影ミラー３０で反射された光線Ｌ１は、拡散光として水晶体６８に入射する。このため、光線Ｌ１は網膜６２よりも遠くで合焦する。投影ミラー３０で反射された光線Ｌ２は、収束光として水晶体６８に入射する。このため、光線Ｌ２は網膜６２よりも近くで合焦する。このように、光線Ｌ０を網膜６２近傍で合焦させると、光線Ｌ１の合焦位置Ｆ１は網膜６２より投影ミラー３０から遠い位置となり、合焦位置Ｆ１と網膜６２との距離はＤ１となる。光線Ｌ２の合焦位置Ｆ２は網膜６２より投影ミラー３０に近い位置となり、合焦位置Ｆ２と網膜６２との距離はＤ２となる。
　このように合焦位置Ｆ０から合焦位置Ｆ２が異なるのは、－Ｘ方向から投影ミラー３０に入射した光線Ｌ０から光線Ｌ２を瞳孔６４近傍で集束させようとすると、投影ミラー３０の領域Ｒ０から領域Ｒ２の曲率がＸ方向で異なるため及び／又は光線Ｌ０から光線Ｌ２に光路差が生じるためである。例えば、領域Ｒ２は、領域Ｒ１よりも曲率が大きい。すなわち、領域Ｒ２は、領域Ｒ１よりも集光パワーが大きい。このため、合焦位置Ｆ２は、合焦位置Ｆ１よりも光源側になる。また、投影ミラー３０をユーザの顔に平行に配置しようとすると、光線Ｌ２の光路は、光線Ｌ１よりも長くなる。これにより、合焦位置Ｆ２は、合焦位置Ｆ１よりも光源側になる。このように、比較例では、マックスウエル視のために、光線Ｌ０から光線Ｌ２を瞳孔６４近傍で集束させると、画像内において合焦位置が網膜６２から大きく外れる領域が発生する。なお、Ｙ方向の光学系はＸ軸に対してほぼ対称であり、Ｙ方向ではＸ方向のような合焦位置のずれは生じ難い。
　図６（ａ）は、実施例１に係る画像投影装置におけるレーザ光の光路を示す図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の反射ミラー近傍の拡大図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）のように、投影ミラー３０の領域Ｒ０から領域Ｒ２に照射される光線Ｌ０から光線Ｌ２は、反射ミラー２８内の領域Ｓ０から領域Ｓ２で反射される。図３（ａ）から図４で説明したように、反射ミラー２８は、領域Ｓ０では表面がほぼ平面で集光パワーがほぼ０、領域Ｓ１では表面が凹面で集光パワーが正、領域Ｓ２では表面が凸面で集光パワーが負となっている。これにより、投影ミラー３０の曲率が大きい領域Ｒ２には集光パワーの小さい反射ミラー２８の領域Ｓ２で反射した光線Ｌ２が照射され、投影ミラー３０の曲率が小さい領域Ｒ１には集光パワーの大きい反射ミラー２８の領域Ｓ１で反射した光線Ｌ１が照射される。これにより、光線Ｌ０から光線Ｌ２の全てを、網膜６２近傍で合焦させることができる。
　このように、実施例１によれば、反射ミラー２８の表面は、投影ミラー３０の自由曲面の曲率の変化に対応して、平面、凹面、及び凸面を有する自由曲面になっている。そして、反射ミラー２８の凹面（領域Ｓ１）で反射された光線Ｌ１は、凸面（領域Ｓ２）で反射された光線Ｌ２が照射される投影ミラー３０の領域Ｒ２よりも曲率の小さな投影ミラー３０の領域Ｒ１に照射されるように、反射ミラー２８の凹曲面及び凸曲面が設定されている。言い換えると、反射ミラー２８は、投影ミラー３０の領域Ｒ１に照射される光線Ｌ１を反射する領域Ｓ１における集光パワーが、投影ミラー３０の領域Ｒ１よりも集光パワーの大きい領域Ｒ２に照射される光線Ｌ２を反射する領域Ｓ２における集光パワーよりも大きくなっている。これにより、図６（ａ）のように、光線Ｌ０から光線Ｌ２を網膜６２近傍で合焦させることができる。また、図２のように、レンズ２２と走査ミラー２６との間のレーザ光５０の光路上に、レーザ光５０の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口３６を有する光線遮閉部２４が設けられている。これにより、走査ミラー２６に入射するレーザ光５０の径を適切な大きさにすることができ、また、レーザ光５０の端部の光強度（瞳端強度）を上げることができる。これらのことから、ユーザに良好な画像を提供することができる。
　また、光線遮閉部２４を通過した後に走査ミラー２６で走査されたレーザ光５０が反射ミラー２８に入射することで、反射ミラー２８に入射するレーザ光５０の径を適切な大きさに調整することができる。よって、反射ミラー２８によって適切な集光パワーをレーザ光５０に付与することができる。
　例えば、光線Ｌ０から光線Ｌ２の合焦位置Ｆ０から合焦位置Ｆ２を考慮せずに反射ミラー２８が平面であるとして投影ミラー３０を含む光学系の設計を行う。その後、投影ミラー３０の設計を変更せずに、反射ミラー２８の表面を自由曲面として設計する。これにより、光線Ｌ０から光線Ｌ２の合焦位置Ｆ０から合焦位置Ｆ２を調整する。反射ミラー２８が光線Ｌ０から光線Ｌ２に付与する集光パワーは微弱であるため、光線Ｌ０から光線Ｌ２の軌跡にほとんど影響することなく、合焦位置Ｆ０から合焦位置Ｆ２を調整できる。よって、簡単に光学系を設計できる。
　図７は、光線遮閉部の他の例を示す図である。図７のように、走査ミラー２６の走査面４２のうちの有効径４４以外の領域がレーザ光５０を反射せずに吸収する材料で形成された吸収部４６となっていて、走査面４２が光線遮閉部として機能する場合でもよい。このように、光線遮閉部は、走査ミラー２６の走査面４２を含んで走査ミラー２６とレンズ２２との間のレーザ光５０の光路上に設けられていればよい。
　投影ミラー３０の領域Ｒ１及び領域Ｒ２は、投影ミラー３０内の画像の中心に対応する位置（領域Ｒ０）に対して光線Ｌ０から光線Ｌ２の入射する方向における両側に位置している。領域Ｒ１は領域Ｒ２よりも光線Ｌ０から光線Ｌ２の入射する方向に位置している。領域Ｒ０から領域Ｒ２がこのように位置する場合、比較例では、図５のように、合焦位置Ｆ０から合焦位置Ｆ２の網膜６２からのずれが大きくなる。したがって、反射ミラー２８の領域Ｓ０から領域Ｓ２の集光パワーを異ならせることが好ましい。
　さらに、投影ミラー３０における領域Ｒ１と領域Ｒ２との距離は、反射ミラー２８における領域Ｓ１と領域Ｓ２との距離よりも大きい。領域Ｒ１と領域Ｒ２との距離が大きい光学系では、光線Ｌ０から光線Ｌ２を瞳孔６４近傍で集束させようとすると、領域Ｒ１及び領域Ｒ２の集光パワーを大きく異ならせることになる。また、光線Ｌ０から光線Ｌ２の光路が大きく異なる。これにより、合焦位置Ｆ１及び合焦位置Ｆ２が網膜６２から大きくずれてしまう。よって、このような光学系において、反射ミラー２８の領域Ｓ１と領域Ｓ２において集光パワーを異ならせることが好ましい。
　また、光線Ｌ１が合焦する合焦位置Ｆ１と網膜６２との距離Ｄ１と、光線Ｌ２が合焦する合焦位置Ｆ２と網膜６２との距離Ｄ２とは、それぞれ、反射ミラー２８の領域Ｓ１及び領域Ｓ２における集光パワーが同じと仮定したときの距離Ｄ１及びＤ２よりも小さい。これにより、光線Ｌ０から光線Ｌ２の合焦位置Ｆ０から合焦位置Ｆ２を網膜６２近傍とすることができる。
　また、実施例１によれば、反射ミラー２８を用い、領域Ｓ１における曲率を領域Ｓ２における曲率よりも大きくすることで、領域Ｓ１及び領域Ｓ２の集光パワーを設定する。これにより、領域Ｓ１における集光パワーを領域Ｓ２における集光パワーよりも大きくできる。なお、曲率は、図３（ａ）及び図３（ｂ）の領域Ｓ１のように凹面を正、領域Ｓ２のように凸面を負とする。また、反射ミラー２８を用いることにより、光線Ｌ０から光線Ｌ２が複数の波長を含む場合においても単一の曲面で各波長の光線Ｌ０から光線Ｌ２の集光パワーを設定できる。
　実施例２の画像投影装置は、反射ミラー２８の代わりに反射型回折格子３８を用いる点以外は、実施例１の画像投影装置１００と同じである。図８（ａ）は、実施例２に係る画像投影装置におけるレーザ光の光路を示す図、図８（ｂ）は、図８（ａ）の反射型回折格子近傍の拡大図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）のように、実施例２の画像投影装置は、反射ミラー２８の代わりに反射型回折格子３８が用いられ、走査ミラー２６が走査した光線Ｌ０から光線Ｌ２は反射型回折格子３８の領域Ｓ０から領域Ｓ２で反射されて投影ミラー３０に入射する。
　図９は、実施例２に係る画像投影装置に備わる反射型回折格子の等位相線を示す図である。図９において、各線の間隔は５０×２πｒａｄである。等位相線の間隔は、反射型回折格子３８のピッチに対応する。反射型回折格子３８を用いても、領域Ｓ０の集光パワーをほぼ０とし、領域Ｓ１の集光パワーを正とし、領域Ｓ２の集光パワーを負とすることができる。
　実施例３の画像投影装置は、反射ミラー２８の代わりに透過型回折格子４０を用いる点以外は、実施例１の画像投影装置１００と同じである。図１０（ａ）は、実施例３に係る画像投影装置におけるレーザ光の光路を示す図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の透過型回折格子近傍の拡大図である。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）のように、実施例３の画像投影装置は、反射ミラー２８の代わりに透過型回折格子４０が用いられ、走査ミラー２６が走査した光線Ｌ０から光線Ｌ２は透過型回折格子４０の領域Ｓ０から領域Ｓ２を透過して投影ミラー３０に入射する。
　図１１は、実施例３に係る画像投影装置に備わる透過型回折格子の等位相線を示す図である。図１１において、各線の間隔は７．５×２πｒａｄである。等位相線の間隔は、透過型回折格子４０のピッチに対応する。透過型回折格子４０を用いても、領域Ｓ０の集光パワーをほぼ０とし、領域Ｓ１の集光パワーを正とし、領域Ｓ２の集光パワーを負とすることができる。
　実施例１から実施例３のように、走査ミラー２６で走査された光線Ｌ０から光線Ｌ２を反射又は透過させる光学部品は、反射ミラー２８でもよいし、反射型回折格子３８でもよいし、透過型回折格子４０でもよい。光学部品が反射型回折格子３８又は透過型回折格子４０である場合、領域Ｓ１におけるピッチを領域Ｓ２におけるピッチよりも大きくする。これにより、領域Ｓ１における集光パワーを領域Ｓ２における集光パワーよりも大きくできる。また、光学部品として反射型回折格子３８又は透過型回折格子４０を用いることにより、集光パワーをより精度良く設定できる。反射型回折格子３８及び透過型回折格子４０の集光パワーは波長依存性がある。このため、光線Ｌ０から光線Ｌ２は単一の波長の光であることが好ましく、光線Ｌ０から光線Ｌ２が複数の波長の光を含む場合は各波長に対応した回折素子を積層することが好ましい。
　すなわち、実施例２によれば、反射型回折格子３８は、投影ミラー３０の自由曲面の曲率変化に対応して、位相ピッチの異なる位相分布を有する。そして、反射型回折格子３８の位相ピッチの広い領域Ｓ１で反射された光線Ｌ１は、位相ピッチの狭い領域Ｓ２で反射された光線Ｌ２が照射される投影ミラー３０の領域Ｒ２の曲率よりも曲率の小さな投影ミラー３０の領域Ｒ１に照射されるように、反射型回折格子３８の位相ピッチが設定されている。これにより、図８（ａ）のように、光線Ｌ０から光線Ｌ２を網膜６２近傍で合焦させることができる。また、実施例１で説明したように、レンズ２２と走査ミラー２６との間に光線遮閉部２４が設けられていることから、走査ミラー２６に入射するレーザ光５０の径を適切な大きさにすることができ、また、レーザ光５０の端部の光強度（瞳端強度）を上げることができる。したがって、ユーザに良好な画像を提供することができる。
　また、実施例３によれば、透過型回折格子４０は、投影ミラー３０の自由曲面の曲率変化に対応し、位相ピッチの異なる位相分布を有する。そして、透過型回折格子４０の位相ピッチの広い領域Ｓ１で透過された光線Ｌ１は、位相ピッチの狭い領域Ｓ２で透過された光線Ｌ２が照射される投影ミラー３０の領域Ｒ２の曲率よりも曲率の小さな投影ミラー３０の領域Ｒ１に照射されるように、透過型回折格子４０の位相ピッチが設定されている。これにより、図１０（ａ）のように、光線Ｌ０から光線Ｌ２を網膜６２近傍で合焦させることができる。また、実施例１で説明したように、レンズ２２と走査ミラー２６との間に光線遮閉部２４が設けられていることから、走査ミラー２６に入射するレーザ光５０の径を適切な大きさにすることができ、また、レーザ光５０の端部の光強度（瞳端強度）を上げることができる。したがって、ユーザに良好な画像を提供することができる。
　実施例１から実施例３では、投影ミラー３０の曲率がＸ方向で異なる場合を例に示したが、投影ミラー３０は回折素子でもよい。光線Ｌ０から光線Ｌ２が瞳孔６４を通過するために、領域Ｒ１における投影ミラー３０の集光パワーは領域Ｒ２における投影ミラー３０の集光パワーよりも小さいことが好ましい。また、投影ミラー３０は、眼球６０の視線方向の光を透過させることができるハーフミラーであってもよいし、光が透過しない全反射ミラーであってもよい。投影ミラー３０がハーフミラーであれば、視線方向の実画像を透過させて、レーザ光５０による画像と合わせて視認することができ、全反射ミラーであれば、レーザ光５０による画像のみを視認することができる。
　光線Ｌ０から光線Ｌ２の光学系は、Ｙ軸方向に対してほぼ対称である。よって、投影ミラー３０内の画像の中心に対応する位置を通りＸ方向に延伸する線に対し対称な投影ミラー３０内の１対の位置に対応する光学部品内の１対の位置における集光パワーは実質的に等しいことが好ましい。例えば、図４において、Ｙ＝０の直線（Ｘ軸）に対称な位置の曲率は同じである。図９及び図１１において、Ｙ＝０の直線に対称な回折素子のピッチは同じである。
　図１２は、実施例４に係る画像投影装置の一部を拡大して上方から見た図である。図１２のように、実施例４の画像投影装置４００は、レンズ２２と走査ミラー２６との間のレーザ光５０の光路上に、光線遮閉部２４に加えて、レーザ光５０の強度を下げる減光フィルタ７０が設けられている。減光フィルタ７０は、例えば樹脂に光学コーティングした部材が用いられる。その他の構成は、実施例１の画像投影装置１００と同じである。
　実施例４によれば、光源２０と眼球６０との間のレーザ光５０の光路上に減光フィルタ７０が設けられている。光源２０に対する電気的な制御によるレーザ光５０の強度調整には限界があるが、レーザ光５０の光路に減光フィルタ７０を設けることで、網膜６２に適切な強度のレーザ光５０を照射させることができる。これにより、ユーザに適切な明るさの画像を提供することができる。
　なお、実施例４では、光線遮閉部２４よりもレーザ光５０の後段側に減光フィルタ７０を設けているが、光線遮閉部２４よりも前段側に減光フィルタ７０を設けてもよい。また、光源２０と走査ミラー２６との間に減光フィルタ７０を設けているが、光源２０と眼球６０との間のレーザ光５０の光路上であれば、どの場所に設けてもよい。例えば、走査ミラー２６と反射ミラー２８との間でもよいし、反射ミラー２８と投影ミラー３０との間でもよいし、投影ミラー３０と眼球６０との間でもよいし、走査ミラー２６の走査面でもよいし、反射ミラー２８の反射面でもよいし、投影ミラー３０の反射面でもよいし、これらの複数の箇所にあってもよい。しかしながら、実施例４のように、レンズ２２と走査ミラー２６との間に減光フィルタ７０を設けることが好ましい。これは、レンズ２２によって略平行光とされ、径が比較的大きいレーザ光５０が減光フィルタ７０を通過するため、減光フィルタ７０に面内分布がある場合でもその影響を低減できるためである。また、例えば走査ミラー２６よりもレーザ光５０の後段側に減光フィルタ７０が設けられている場合、減光フィルタ７０の広範囲にわたって走査ミラー２６で走査されたレーザ光５０が入射するため、減光フィルタ７０の面内分布の影響が大きい。しかしながら、減光フィルタ７０がレンズ２２と走査ミラー２６との間に設けられていることで、レーザ光５０は減光フィルタ７０のある範囲内にのみ入射するため、面内分布の影響を低減できる。
　実施例１から実施例４では、画像投影装置としてメガネ型のＨＭＤの場合を例に示したが、ＨＭＤ以外の画像投影装置の場合でもよい。また、片方の眼球６０の網膜６２に画像を投影する場合を例に示したが、両方の眼球６０の網膜６２に画像を投影する場合でもよい。また、走査部として走査ミラー２６の場合を例に示したが、走査部は光線を走査可能であればよい。例えば、走査部として、電気光学材料であるタンタル酸ニオブ酸リチウム（ＫＴＮ）結晶など、その他の部品を用いてもよい。光線としてレーザ光の場合を例に示したが、レーザ光以外の光でもよい。また、光学部品の領域Ｓ１及び領域Ｓ２における集光パワーは、いずれとも正又は負の場合でもよい。また、投影ミラー３０への光線Ｌ０から光線Ｌ２の入射する方向が水平方向である場合を示したが、光線Ｌ０から光線Ｌ２は垂直方向又は斜め方向から入射されてもよい。
　以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

Claims (12)

  1. 　光線を出射する光源と、
    　画像データを入力する画像入力部と、
    　入力された前記画像データに基づいた画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、
    　前記光源から出射された前記画像光線を略平行光とするレンズと、
    　前記レンズを通過した前記画像光線を走査する走査部と、
    　前記走査部で走査された前記画像光線を反射又は透過させる光学部品と、
    　前記光学部品が反射又は透過させた前記画像光線をユーザの眼球の網膜に照射して前記網膜に画像を投影する投影ミラーと、
    　前記走査部の走査面を含んで前記走査部と前記レンズとの間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口を有する光線遮閉部と、を備え、
    　前記投影ミラーは、第１領域と前記第１領域よりも集光パワーの大きい第２領域とを有し、
    　前記光学部品は、前記走査部が走査した前記画像光線のうち前記第１領域に照射する第１光線を反射又は通過させる第３領域における集光パワーが、前記走査部が走査した前記画像光線のうち前記第２領域に照射される第２光線を反射又は通過させる第４領域における集光パワーよりも大きい、画像投影装置。
  2. 　前記光学部品は、反射ミラーであり、
    　前記第３領域における前記反射ミラーの曲率は、前記第４領域における前記反射ミラーの曲率より大きい、請求項１記載の画像投影装置。
  3. 　前記光学部品は、回折格子である、請求項１記載の画像投影装置。
  4. 　前記第１領域及び前記第２領域は、前記投影ミラー内の前記画像の中心に対応する位置に対して前記画像光線の入射する方向における両側に位置し、
    　前記第１領域は、前記第２領域よりも前記画像光線の入射する方向に位置している、請求項１から３のいずれか一項記載の画像投影装置。
  5. 　光線を出射する光源と、
    　画像データを入力する画像入力部と、
    　入力された前記画像データに基づいた画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、
    　前記光源から出射された前記画像光線を略平行光とするレンズと、
    　前記レンズを通過した前記画像光線を走査する走査部と、
    　前記走査部で走査された前記画像光線を反射する反射ミラーと、
    　前記反射ミラーで反射された前記画像光線をユーザの眼球の網膜に照射して前記網膜に画像を投影する投影ミラーと、
    　前記走査部の走査面を含んで前記走査部と前記レンズとの間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口を有する光線遮閉部と、を備え、
    　前記投影ミラーの表面は曲率の異なる領域を有する自由曲面を有し、前記反射ミラーの表面は凹曲面と凸曲面とを含む自由曲面を有し、
    　前記投影ミラーにおいて、前記凹曲面で反射された画像光線が反射する領域は、前記凸曲面で反射された画像光線が反射する領域より前記画像光線の入射側に位置する、画像投影装置。
  6. 　光線を出射する光源と、
    　画像データを入力する画像入力部と、
    　入力された前記画像データに基づいた画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、
    　前記光源から出射された前記画像光線を略平行光とするレンズと、
    　前記レンズを通過した前記画像光線を走査する走査部と、
    　前記走査部で走査された前記画像光線を反射する反射ミラーと、
    　前記反射ミラーで反射された前記画像光線をユーザの眼球の網膜に照射して前記網膜に画像を投影する投影ミラーと、
    　前記走査部の走査面を含んで前記走査部と前記レンズとの間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口を有する光線遮閉部と、を備え、
    　前記投影ミラーの表面は曲率の異なる領域を有する自由曲面を有し、前記反射ミラーの表面は凹曲面と凸曲面とを含む自由曲面を有し、
    　前記凹曲面で反射された前記画像光線は、前記凸曲面で反射された前記画像光線が照射される前記投影ミラーの領域の曲率よりも曲率の小さな前記投影ミラーの領域に照射されるように、前記反射ミラーの凹曲面及び凸曲面が設定されている、画像投影装置。
  7. 　光線を出射する光源と、
    　画像データを入力する画像入力部と、
    　入力された前記画像データに基づいた画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、
    　前記光源から出射された前記画像光線を略平行光とするレンズと、
    　前記レンズを通過した前記画像光線を走査する走査部と、
    　前記走査部で走査された前記画像光線を反射する反射ミラーと、
    　前記反射ミラーで反射された前記画像光線をユーザの眼球の網膜に照射して前記網膜に画像を投影する投影ミラーと、
    　前記走査部の走査面を含んで前記走査部と前記レンズとの間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口を有する光線遮閉部と、を備え、
    　前記投影ミラーの表面は曲率の異なる領域を有する自由曲面を有し、前記反射ミラーは位相ピッチの異なる位相分布を有する反射型回折素子を含み、
    　前記投影ミラーにおいて、前記反射型回折素子における集光パワーの大きい位相分布を有する領域で反射された画像光線が反射する領域は前記反射型回折素子における集光パワーの小さい位相分布を有する領域で反射された画像光線が反射する領域より前記画像光線の入射側に位置する、画像投影装置。
  8. 　光線を出射する光源と、
    　画像データを入力する画像入力部と、
    　入力された前記画像データに基づいた画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、
    　前記光源から出射された前記画像光線を略平行光とするレンズと、
    　前記レンズを通過した前記画像光線を走査する走査部と、
    　前記走査部で走査された前記画像光線を反射する反射ミラーと、
    　前記反射ミラーで反射された前記画像光線をユーザの眼球の網膜に照射して前記網膜に画像を投影する投影ミラーと、
    　前記走査部の走査面を含んで前記走査部と前記レンズとの間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口を有する光線遮閉部と、を備え、
    　前記投影ミラーの表面は曲率の異なる領域を有する自由曲面を有し、前記反射ミラーは位相ピッチの異なる位相分布を有する反射型回折素子を含み、
    　前記反射型回折素子において集光パワーの大きい位相分布を有する領域で反射された画像光線は、前記反射型回折素子において集光パワーの小さい位相分布を有する領域で反射された画像光線が照射される前記投影ミラーの領域の曲率よりも曲率の小さな前記投影ミラーの領域に照射されるように、前記反射型回折素子の位相ピッチが設定されている、画像投影装置。
  9. 　光線を出射する光源と、
    　画像データを入力する画像入力部と、
    　入力された前記画像データに基づいた画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、
    　前記光源から出射された前記画像光線を略平行光とするレンズと、
    　前記レンズを通過した前記画像光線を走査する走査部と、
    　前記走査部で走査された前記画像光線を透過させる光学部品と、
    　前記光学部品を透過した前記画像光線をユーザの眼球の網膜に照射して前記網膜に画像を投影する投影ミラーと、
    　前記走査部の走査面を含んで前記走査部と前記レンズとの間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口を有する光線遮閉部と、を備え、
    　前記投影ミラーの表面は曲率の異なる領域を有する自由曲面を有し、前記光学部品は位相ピッチの異なる位相分布を有する透過型回折素子を含み、
    　前記投影ミラーにおいて、前記透過型回折素子における集光パワーの大きい領域を透過した画像光線が反射する領域は前記透過型回折素子における集光パワーの小さい領域を透過した画像光線が反射する領域より前記画像光線の入射側に位置する、画像投影装置。
  10. 　光線を出射する光源と、
    　画像データを入力する画像入力部と、
    　入力された前記画像データに基づいた画像光線を生成して、前記光源からの前記画像光線の出射を制御する制御部と、
    　前記光源から出射された前記画像光線を略平行光とするレンズと、
    　前記レンズを通過した前記画像光線を走査する走査部と、
    　前記走査部で走査された前記画像光線を透過させる光学部品と、
    　前記光学部品を透過した前記画像光線をユーザの眼球の網膜に照射して前記網膜に画像を投影する投影ミラーと、
    　前記走査部の走査面を含んで前記走査部と前記レンズとの間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の一部を遮閉すると共に残りを通過させる開口を有する光線遮閉部と、を備え、
    　前記投影ミラーの表面は曲率の異なる領域を有する自由曲面を有し、前記光学部品は位相ピッチの異なる位相分布を有する透過型回折素子を含み、
    　前記透過型回折素子において集光パワーの大きい位相分布を有する領域を透過した画像光線は、前記透過型回折素子において集光パワーの小さい位相分布を有する領域を透過した画像光線が照射される前記投影ミラーの領域の曲率よりも曲率の小さな前記投影ミラーの領域に照射されるように、前記透過型回折素子の位相ピッチが設定されている、画像投影装置。
  11. 　前記光源と前記眼球との間の前記画像光線の光路上に設けられ、前記画像光線の強度を下げる減光フィルタを備える、請求項１から１０のいずれか一項記載の画像投影装置。
  12. 　前記減光フィルタは、前記レンズと前記走査部との間に設けられている、請求項１１記載の画像投影装置。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11073694B2 (en) * 2014-06-27 2021-07-27 Fusao Iskui Optics of wearable display using laser beam scanner
US10698204B1 (en) * 2017-10-16 2020-06-30 Facebook Technologies, Llc Immersed hot mirrors for illumination in eye tracking
JP2019154815A (ja) 2018-03-13 2019-09-19 株式会社リコー 眼球の傾き位置検知装置、表示装置、及び検眼装置
JP7052577B2 (ja) * 2018-06-07 2022-04-12 株式会社リコー 光学装置、映像表示装置、及び検眼装置
JP7078985B2 (ja) * 2018-06-12 2022-06-01 株式会社Ｑｄレーザ 画像投影装置
WO2020121814A1 (ja) * 2018-12-11 2020-06-18 株式会社Ｑｄレーザ 画像表示装置および中継光学系
US20220236563A1 (en) * 2019-06-27 2022-07-28 Ricoh Company, Ltd. Optical device, image display, and optometric apparatus
JP2022131034A (ja) * 2021-02-26 2022-09-07 セイコーエプソン株式会社 光学モジュール及び頭部装着型表示装置

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11109882A (ja) * 1997-10-06 1999-04-23 Minolta Co Ltd 映像表示装置
JPH11160650A (ja) * 1997-11-27 1999-06-18 Nec Corp 画像表示装置
JP2006013127A (ja) * 2004-06-25 2006-01-12 Sony Corp 光源装置及び表示装置
JP2006251509A (ja) * 2005-03-11 2006-09-21 Brother Ind Ltd 画像表示装置
JP2010211148A (ja) * 2009-03-12 2010-09-24 Brother Ind Ltd 画像表示装置
JP2015111231A (ja) * 2013-05-31 2015-06-18 株式会社Ｑｄレーザ 画像投影装置及び投射装置
WO2016091743A1 (de) * 2014-12-12 2016-06-16 Carl Zeiss Smart Optics Gmbh Anzeigevorrichtungen
WO2017056802A1 (ja) * 2015-09-29 2017-04-06 株式会社Ｑｄレーザ 画像投影装置

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5115705A (en) 1974-07-31 1976-02-07 Toyota Motor Co Ltd Kyukibenojushinai fukunenshoshitsukaranaru nainenkikan
EP1544666A4 (en) 2002-09-24 2010-11-24 Kenji Nishi IMAGE DISPLAY UNIT AND OPTICAL PROJECTION SYSTEM
JP2008046253A (ja) 2006-08-11 2008-02-28 Canon Inc 画像表示装置
CN201025518Y (zh) 2007-03-01 2008-02-20 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 扩充卡挡片固定装置
JP4905193B2 (ja) * 2007-03-16 2012-03-28 コニカミノルタセンシング株式会社 凹面回折ミラー及びこれを用いた分光装置
WO2009041055A1 (ja) 2007-09-26 2009-04-02 Panasonic Corporation ビーム走査型表示装置、その表示方法、プログラム、及び集積回路
US20090122545A1 (en) * 2007-11-12 2009-05-14 Seiko Epson Corporation Light source device and image display apparatus
JP5143772B2 (ja) 2008-03-28 2013-02-13 パナソニック株式会社 画像表示装置および画像表示方法
JP5373892B2 (ja) * 2009-04-09 2013-12-18 パナソニック株式会社 ビーム走査型表示装置
JP2011215194A (ja) 2010-03-31 2011-10-27 Brother Industries Ltd 直視型の画像表示装置
JP5994715B2 (ja) * 2012-04-10 2016-09-21 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 計算機ホログラム型表示装置
JP6069946B2 (ja) * 2012-08-17 2017-02-01 セイコーエプソン株式会社 画像表示装置および頭部装着型画像表示装置
JP5980627B2 (ja) * 2012-08-31 2016-08-31 オリンパス株式会社 偏心光学系、偏心光学系を用いた画像投影装置、及び偏心光学系を用いた画像撮像装置
AU2014354673B2 (en) 2013-11-27 2019-04-11 Magic Leap, Inc. Virtual and augmented reality systems and methods
JP6255524B2 (ja) * 2016-06-09 2017-12-27 株式会社Ｑｄレーザ 画像投影システム、画像投影装置、画像投影方法、画像投影プログラム及びサーバ装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11109882A (ja) * 1997-10-06 1999-04-23 Minolta Co Ltd 映像表示装置
JPH11160650A (ja) * 1997-11-27 1999-06-18 Nec Corp 画像表示装置
JP2006013127A (ja) * 2004-06-25 2006-01-12 Sony Corp 光源装置及び表示装置
JP2006251509A (ja) * 2005-03-11 2006-09-21 Brother Ind Ltd 画像表示装置
JP2010211148A (ja) * 2009-03-12 2010-09-24 Brother Ind Ltd 画像表示装置
JP2015111231A (ja) * 2013-05-31 2015-06-18 株式会社Ｑｄレーザ 画像投影装置及び投射装置
WO2016091743A1 (de) * 2014-12-12 2016-06-16 Carl Zeiss Smart Optics Gmbh Anzeigevorrichtungen
WO2017056802A1 (ja) * 2015-09-29 2017-04-06 株式会社Ｑｄレーザ 画像投影装置

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