WO2021192774A1 - 表示装置 - Google Patents
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Definitions
- This disclosure relates to a display device.
- a head-mounted image display device worn on the observer's head is well known, for example, from Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-309264.
- the image display device 1 disclosed in this Patent Publication is composed of a head-mounted portion 6 mounted on the observer's head and a body-carrying portion 7 carried on the observer's body.
- the head-mounted portion 6 is provided with a convex lens 8 constituting the transfer optical system 5 and a part of the azimuth / distance detection system.
- the head-mounted portion 6 is provided with a light emitting portion R composed of infrared LEDs, an actuator 27 for moving the convex lens 8, and a drive circuit 28.
- a power source (battery) is required for the light emitting unit R, the actuator 27, and the drive circuit 28 provided in the head mounting unit 6, so that the head is used. It is a structure that imposes a burden on the observer, such as an increase in the mass and size of the portion mounting portion 6. Assuming that the light emitting portion R, the actuator 27, and the drive circuit 28 are removed and only the convex lens 8 is mounted on the head mounting portion 6, when the observer moves, the positions of the body carrying portion and the head mounting portion are located. As a result of breaking the relationship and causing the projected image to deviate from the observer's eyes, there arises a problem that it becomes difficult to observe the image.
- an object of the present disclosure is to provide a display device having a configuration and structure that does not impose a burden on the observer.
- the display device of the present disclosure for achieving the above object is Eyepiece optics, An image forming apparatus, an image display apparatus provided with a transfer optical apparatus that outputs an image incident from the image forming apparatus to an eyepiece optical apparatus, and an image display apparatus.
- a mounting unit on which the image display device is mounted, Is equipped with The eyepiece optical device and the image display device are spatially separated from each other.
- the eyepiece optics image the image from the transfer optics onto the observer's retina.
- the horizontal direction of the image formed on the observer's retina is the ⁇ direction
- the vertical direction of the image is the ⁇ direction
- the depth direction of the image is the ⁇ direction
- the moving direction of the mounting portion corresponding to the ⁇ direction is the X direction and ⁇ .
- the mounting portion is at least one of the X direction, the Y direction, and the Z direction.
- the image display device can be moved in the direction.
- FIG. 1 is a conceptual diagram of the display device of the first embodiment.
- FIG. 2 is a schematic view of an observer wearing an eyepiece optical device constituting the display device of the first embodiment as viewed from the front.
- FIG. 3 is a perspective view of a mounting portion or the like constituting the display device of the first embodiment.
- 4A, 4B and 4C are conceptual diagrams of the image forming apparatus in the display device of the first embodiment.
- FIG. 5 is a conceptual diagram showing the position detection light in the light receiving unit.
- FIG. 6 is a conceptual diagram of the display device of the third embodiment.
- 7A and 7B are schematic views showing a state in which the display device of the third embodiment is used indoors and an image display device arranged on the back surface of the back of the seat.
- FIG. 8 is a diagram for explaining an example in which the image display device of the third embodiment is mounted on a motorcycle.
- FIG. 9 is a conceptual diagram of the display device of the fourth embodiment.
- FIG. 10 is a conceptual diagram of an eyepiece optical device or the like for realizing observation of an image by direct drawing of the retina.
- 11 (A) and 11 (B) are diagrams conceptually showing the light incident on the observer's pupil.
- Example 1 Display device of the present disclosure
- Example 2 Modification of Example 1
- Example 3 Modification of Example 1 to Example 2
- Example 4 Modifications of Examples 1 to 3) 6. others
- the light emitted from the image forming apparatus is referred to as “image forming light” for convenience, and the light emitted from the center of the image forming apparatus is referred to as “image forming center light” for convenience.
- image forming light the light emitted from the center of the image forming apparatus
- position detection light the light emitted from the center of the light source
- position detection center light the light emitted from the center of the light source
- the mounting portion can be in a form in which the image display device can be moved at least in the X direction and the Z direction.
- the display device includes a first position detecting device for detecting the position of the eyepiece optical device, and the position information of the observer obtained by the first position detecting device (position information of the observer's pupil or the like).
- the mounting unit can be in the form of moving the image display device, including the position information of the observer's head (the same applies hereinafter) or based on the position information of the eyepiece optical device.
- the first position detecting device is a camera (imaging device) or a TOF (TimeOfFlight) sensor [that is, a TOF type distance measuring device or an indirect (indirect) TOF type distance measuring device]. It can be in the form provided.
- the image display device further includes a transfer optical device / control device, and the transfer optical device / control device receives an eyepiece of an image emitted from the image forming device.
- the transfer optical device can be controlled so as to reach the optical device.
- the image display device further includes a second position detecting device for detecting the position of the eyepiece optical device, and the transfer optical device is based on the position information of the eyepiece optical device detected by the second position detecting device.
- the device / control device may be in a form of controlling the transfer optical device so that the image emitted from the image forming device reaches the eyepiece optical device.
- the transfer optical device may be in a form including a movable mirror.
- the transfer optical device for controlling the projection angle of the image and finally forming the image on the retina of the observer can be in the form of a movable mirror. It can be in the form of a combination of two galvanometer mirrors. That is, in order to move the light (image forming light) from the transfer optical device toward the eyepiece optical device in the X direction and / or the Y direction, the transfer optical device is, for example, a mirror capable of moving in two directions (specifically). In addition to the combination of two galvano mirrors), a two-axis gimbal mirror including a two-axis MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror can be mentioned.
- MEMS Micro Electro Mechanical Systems
- the resolution of the eye is high, and if the transfer optical device is not followed with high resolution when following the movement of the eyepiece optical device, the observed image will vibrate and the observation will be unbearable. Therefore, it is necessary to control the movement of the transfer optical device so that the displacement amount (vibration amount) of the image formed on the retina of the observer moves, for example, 80 ⁇ m or less.
- the mechanism for moving the transfer optical device is a drive transmission system without backlash or angular velocity fluctuation, and VCM (voice coil motor), harmonic drive (registered trademark), crown gear, traction drive, ultrasonic wave.
- a drive mechanism such as a motor that does not fluctuate in angular velocity is suitable.
- a drive mechanism having excellent responsiveness such as a VCM, a harmonic drive, or a traction drive is more suitable. It is hard to say that the method of moving the transfer optical device by gears is suitable because of backlash, drive loss, tooth contact, and the like.
- the transfer optical device is made to follow the eyepiece optical device attached to eyeglasses or the like, it is sufficient if the responsiveness of an amplitude of 30 mm and 4 Hz can be secured.
- the image forming device, the second position detecting device, and the transfer optical device are required to have an image update speed of 100 Hz or higher, a resolution capable of recognizing a movement of 80 ⁇ m or less at a position away from the image display device, and followability.
- the eyepiece optical device can be in a form in which the eyepiece optical device can be moved with respect to the mounting portion.
- the mounting unit includes a mounting table on which the transfer optical device is mounted.
- an X-direction moving mechanism for moving the mounting table in the X direction and a mounting table in the Z direction.
- the form may include a Z-direction moving mechanism for moving and at least one type of moving mechanism among the Y-direction moving mechanisms for moving the transfer optical device placed on the mounting table in the Y direction. That is, the mounting portion is provided with a movement mechanism having a maximum of three axes.
- an X-direction rotation mechanism that rotates the transfer optical device mounted on the mounting table around an axis (called an X-axis) extending in parallel with the X direction, and transfer optics mounted on the mounting table.
- a Z-direction rotation mechanism that rotates the device around an axis extending parallel to the Z direction (called the Z-axis), and an axis (Y) extending the transfer optical device mounted on the mounting table parallel to the Y direction. It is also possible to form a form including at least one type of rotation mechanism among the Y-direction rotation mechanisms that rotate around a shaft). That is, the mounting portion is provided with a maximum three-axis rotation mechanism.
- Each of the X-direction moving mechanism and the Z-direction moving mechanism is attached to, for example, a motor arranged in the mounting portion, a first guide portion arranged in the mounting portion, and a mounting table, and is attached to the first guide.
- the form may be composed of a second guide portion that slides freely along the portion.
- the rotation of the motor is transmitted to the first guide portion, and the second guide portion slidably attached to the first guide portion by the movement of the first guide portion is the first guide. It slides (moves) freely in the X direction along the portion, and moves the mounting table and the transfer optical device in the X direction.
- the rotation of the motor is transmitted to the first guide portion, and the movement of the first guide portion causes the second guide portion slidably attached to the first guide portion to move. It slides (moves) freely in the Z direction along the first guide portion, and moves the mounting table and the transfer optical device in the Z direction.
- the Y-direction moving mechanism is composed of, for example, a motor arranged on a mounting table, a guide portion arranged on the mounting table and equipped with a transfer optical device, and a transmission mechanism connecting the motor and the guide portion. It can be in the form of In the Y-direction moving mechanism, the rotation of the motor is transmitted to the guide portion via the transmission mechanism, and the movement of the guide portion causes the transfer optical device attached to the guide portion to freely slide along the Y direction ( Moving.
- the eyepiece optical device can be in a form worn by the observer, in which case the eyepiece optical device includes a hologram lens. It can be in the form.
- the eyepiece optical device may be arranged at a distance from the observer (that is, the eyepiece optical device is not attached to the observer).
- the eyepiece optical device and the image display device can be in a form in which they can be relatively moved. That is, the image display device may be arranged at a place away from the observer, or at a part of the observer away from the observer's head. In the latter case, for example, the image display device is attached as a wearable device to a portion such as the observer's wrist away from the observer's head. Alternatively, the image display device is arranged in a personal computer, or is also arranged in a state of being connected to the personal computer. Alternatively, the image display device is arranged in an external facility or the like, as will be described later.
- the eyepiece optical device and the image display device are spatially separated from each other, but specifically, the eyepiece optical device and the image display device are arranged separately from each other. Not connected integrally.
- the eyepiece optical device may be in the form of including a hologram element, or the eyepiece optical device may be in the form of being provided with a diffractive optical member, or the eyepiece may be provided.
- the optical device may be in the form of including a condensing member and a deflecting member.
- the hologram element may have a condensing function.
- the image forming light emitted from the image forming apparatus is incident on the transfer optical device in a state of substantially parallel light and is emitted from the transfer optical device to the eyepiece optical device, but the observer's pupil is focused on the eyepiece optical device.
- the eyepiece optics are arranged so that they are in position.
- the eyepiece optical device can be configured to have a wavelength dependence on the focusing characteristic for the position detection light. That is, for example, when the position detection light is composed of infrared rays, the infrared rays are not affected by the focusing characteristics of the eyepiece optical device, or are hardly affected by the focusing characteristics of the eyepiece optical device. Is preferable. That is, for example, when the eyepiece optical device is composed of a hologram element, it is preferable that the infrared rays constituting the position detection light are not focused by the hologram element, or even if they are focused, the amount is small.
- the hologram element can have a well-known structure and structure.
- the transfer optical device / control device may be used.
- the transfer optical device can be in a form of controlling image projection onto the observer's retina along the horizontal direction ( ⁇ direction) and the vertical direction ( ⁇ direction) of the image formed on the observer's retina. .. That is, the transfer optical device can be in a form of controlling the movement of the light (image forming light) directed to the eyepiece optical device in the X direction or the Y direction.
- the second position detection device is light source, 1st optical path synthesizer, Second optical path synthesizer and Light receiving section, Equipped with
- the image (image forming light) emitted from the image forming apparatus is formed on the retina of the observer via the second optical path synthesizer, the transfer optical apparatus, and the eyepiece optical apparatus.
- the light emitted from the light source (position detection light) reaches the eyepiece optical device via the first optical path synthesizer, the second optical path synthesizer, and the transfer optical device, and is returned to the transfer optical device by the eyepiece optical device.
- It can be configured to be incident on the first optical path combining unit via the transfer optical device and the second optical path combining unit, emitted from the first optical path combining unit in a direction different from the light source, and incident on the light receiving unit.
- the light source can be configured to emit infrared rays in the eye-safe wavelength band (for example, a wavelength of about 1.55 ⁇ m).
- the transfer optical device / control device is used so as to eliminate the deviation.
- the position of the transfer optical device can be controlled. By the way, the larger the amount of the position detection light returning to the light receiving portion, the higher the position detection resolution can be.
- the position detection light in order to detect the position of the eyepiece optical device, light close to parallel light is emitted toward the vicinity of the observer's eyes, so the upper limit of the amount of position detection light is determined in consideration of safety.
- the exposure limit to the pupil and retina depends on the wavelength of the position detection light, and the permissible amount of light is the largest in the eye safe wavelength band. This is because light in this eye-safe wavelength band has the property of being attenuated in the presence of water molecules and does not reach the retina. For the above reasons, high safety and high position detection resolution can be achieved by setting the wavelength band of the position detection light to the eye safe wavelength band. For the same reason, the second position detection device has an advantage that it is not easily affected by external light because it is also in a wavelength band where the intensity of sunlight near the ground surface is weak.
- the light (position detection light) emitted from the light source constituting the second position detection device and incident on the first optical path synthesis unit can be configured to be divergent light.
- the light receiving unit may be arranged at a position (in focus side) closer to the first optical path synthesis unit than at a position optically conjugate with the light source. That is, the optical distance from the light receiving unit to the first optical path synthesis unit (the sum of the products of the spatial distance of the medium in the optical path of the position detection center light and the refractive index of the medium, and the light receiving unit and the first optical path synthesis unit.
- the optical distance from the light source to the first optical path synthesizer (the spatial distance of the medium in the optical path of the position detection center light and the medium) is the optical distance from the light source to the first optical path synthesizer (when the lens is arranged between the two).
- the resistance to foreign matter can be improved by arranging the light receiving portion closer to the first optical path synthesis portion (in-focus side) than the beam waist position (position where the spot diameter is minimized) of the position detection light. can.
- the light receiving part is divided into two types, a non-divided type and a divided type, according to the operating principle.
- the former is a position detection element that detects the position of the position detection light by applying a change in the surface resistance value of the photodiode.
- the position of the position detection light is detected using the principle that the surface resistance value changes according to the amount of light.
- the latter detects the position of the position detection light by comparing the voltages of the photodiodes divided into a plurality of areas (for example, four). It is also possible to configure a plurality of photodiodes instead of dividing the area. Since both are analog outputs, the position detection resolution is theoretically infinitesimal.
- the light receiving unit (device or element that detects the position of the eyepiece optical device) is composed of a position detection element (Position Sensitive Detector, PSD), a multi-segment photodiode, or a plurality of photodiodes. can do.
- a position detection element Position Sensitive Detector, PSD
- a multi-segment photodiode or a plurality of photodiodes. can do.
- the eyepiece optical device may be provided with a position display means (position detected means), specifically, a retroreflective element.
- a retroreflective element include a retroreflective marker including a retroreflective sheet and a corner cube prism.
- a corner cube prism is a device in which three flat plates having a property of reflecting light are combined at right angles to each other to form a cube apex type. Since the number of prisms is one, there is no in-plane variation, and since it is easy to increase the reflectance, there are advantages that the amount of return light can be increased and the resolution can be increased. Further, if a corner cube array in which a plurality of small corner cube prisms are arranged is used, the thickness of the retroreflective element can be reduced, and the degree of freedom of attachment to the eyepiece optical device is increased.
- the eyepiece optical device is attached to, but not limited to, a support member, or is attached to the support member, or is provided on the support member integrally with the support member.
- the support member is composed of a transparent plastic material
- the plastic material includes cellulose ester such as polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, cellulose acetate, polyvinylidene fluoride, or a copolymer of polytetrafluoroethylene and hexafluoropropylene.
- Fluoropolymer polyether such as polyoxymethylene, polyolefin such as polyacetal, polystyrene, polyethylene, polypropylene, methylpentene polymer, polyimide such as polyamideimide or polyetherimide, polyamide, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyvinylidene fluoride , Tetraacetyl cellulose, brominated phenoxy, polyallylate, polysulphon and the like.
- the glass may be transparent glass such as soda lime glass or white plate glass.
- the position information or eyepiece optical device of the observer detected by the first position detection device, the second position detection device, or the first position detection device and the second position detection device can be in a form of controlling the formation of an image in the image forming device.
- the control unit provided in the image display device can be in a form of controlling the movement of the image display device by the mounting unit.
- the size of the retroreflective element and the distance to the retroreflective element can be measured by using the camera constituting the first position detection device.
- the camera constituting the first position detection device can also be used for rough adjustment for specifying the position of the eyepiece optical device at the start of use of the display device. That is, at the start of use of the display device, the position of the eyepiece optical device can be searched by the cameras constituting the first position detection device, and the position of the mounting portion can be adjusted. Further, after that, when the light receiving unit starts to receive the position detection light, the transfer optical device can be finely adjusted by the second position detection device.
- the position of the eyepiece optical device is searched based on the scanning of the transfer optical device, and if the light receiving unit starts to receive the position detection light, the position of the mounting unit is adjusted, and further.
- the transfer optical device may be finely adjusted by the second position detection device.
- the second position detection device may also serve as the first position detection device. That is, the light source constituting the second position detection device is intensity-modulated at a high frequency, the position detection light that collides with the eyepiece optical device and is reflected is received by the light receiving unit, and the target (eyepiece optics) is selected from the phase delay time of the pulse wave or the like. Find the distance to the device). Specifically, the position detection light is modulated in the order of megahertz to gigahertz, and the signal output by the light receiving unit has a high frequency component (band for detecting the distance to the eyepiece optical device) corresponding to the modulation band and kilohertz or less. By dividing the signal into low-frequency components (bands for detecting the position of the eyepiece optical device), the position of the eyepiece optical device can be obtained without increasing the number of parts or the number of retroreflective elements.
- the transfer optical device / control device is emitted from the image forming device under the control of the control unit based on the position information of the eyepiece optical device detected by the second position detection device.
- the transfer optical device is controlled so that the image reaches the eyepiece optical device, but the transfer optical device may be controlled so that all the images emitted from the image forming device reach the eyepiece optical device.
- the transfer optical device may be controlled so that a part of the image emitted from the image forming device reaches the eyepiece optical device.
- the display device and the like of the present disclosure are a retinal projection type (retinal direct drawing type) display device based on Maxwell vision.
- the light emitted from the light source is reflected by the first optical path synthesizer and is incident on the second optical path synthesizer. Then, in this case, the light (return light) from the second optical path synthesizing unit passes through the first optical path synthesizing unit and is incident on the light receiving unit.
- the light emitted from the light source passes through the first optical path synthesizer and is incident on the second optical path synthesizer. Then, in this case, the light (return light) from the second optical path synthesizer is reflected by the first optical path synthesizer and is incident on the light receiving section.
- a polarization beam splitter can be mentioned as a first optical path synthesizer having such a function.
- the polarization beam splitter transmits P-polarized light and reflects S-polarized light.
- a half mirror can be mentioned as a first optical path synthesizer having such a function.
- the image emitted from the image forming apparatus passes through the second optical path synthesizer and is incident on the transfer optical apparatus.
- the light from the light source position detection light
- the second optical path synthesizer reaches the eyepiece optical device via the transfer optical device, is returned to the transfer optical device by the eyepiece optical device, and is returned to the transfer optical device. It is incident on the optical path synthesizer, reflected by the second optical path synthesizer, and incident on the first optical path synthesizer.
- the image emitted from the image forming apparatus is reflected by the second optical path synthesizer, and the light from the light source (position detection light) passes through the second optical path synthesizer and is eye-catching via the transfer optical device. It reaches the optical device, is returned to the transfer optical device by the eyepiece optical device, enters the second optical path synthesizer, passes through the second optical path synthesizer, and enters the first optical path synthesizer.
- a second optical path synthesizer having such a function, a half mirror, a dichroic mirror that reflects light of a specific wavelength and transmits light of other wavelengths, and a cold that reflects only visible light and transmits infrared light. You can mention the mirror.
- the light source may be in the form of emitting infrared rays, but is not limited to this, and may be in the form of receiving visible light having a predetermined wavelength.
- the light source is composed of, for example, a light emitting diode that emits infrared rays, a semiconductor laser element that emits infrared rays, a semiconductor laser element that emits infrared rays, and a light diffuser. can do.
- the light receiving unit may be composed of an image pickup device (infrared camera) or a sensor (infrared sensor) capable of detecting infrared rays, in addition to the above-mentioned non-divided type or divided type light receiving unit.
- an image pickup device infrared camera
- a sensor infrared sensor
- the light receiving unit can be composed of an image pickup device (camera) or a sensor (image sensor) capable of detecting visible light.
- the eyepiece optical device can be configured to have a wavelength dependence on the focusing characteristic, and the eyepiece optical device can be formed from a lens member. It can be configured to consist of, or it can also be configured to consist of a hologram element, and in some cases, an image pickup device (camera) or a sensor constituting the light receiving unit can capture an image of the obtained eyepiece optical device.
- an image pickup device camera
- the position of the eyepiece optical device can be specified.
- the retroreflective element is unnecessary, but for example, by attaching a color marker to the eyepiece optical device, image processing can be simplified.
- the position detection light emitted from the light source is incident on the first optical path synthesizer via a coupling lens arranged adjacent to the light source in order to make the light incident on the first optical path synthesizer parallel light.
- All optical elements through which the position detection light passes are made larger than the spot size of the position detection light in the eyepiece optical device.
- the size of the coupling lens is designed in consideration of the size of the retroreflective element, the margin during various operations, and the deviation of the traveling axis that may occur within the expected movement range of the observer.
- the display device It may be difficult to miniaturize the display device as a whole.
- the light emitted from the light source position detection light
- the display device and the entire display can be miniaturized. ..
- the display device and the like of the present disclosure may be provided with a well-known eye tracking device (eye tracking camera).
- eye tracking device for example, a reflection point of light (for example, near infrared rays) is generated on the cornea, and the reflection point of light on the cornea is imaged by the eye tracking device. The point and pupil are identified, and the direction of the eyeball is calculated based on the reflection point of light and other geometric features.
- a pupil diameter measuring unit for measuring the pupil diameter of the observer may be provided.
- a well-known eye tracking device eye tracking camera
- the distance from the eye tracking device to the pupil is calculated based on the eye image recorded by the eye tracking device, and the pupil diameter can be obtained from the diameter of the pupil in the captured image.
- the pupil diameter it is possible to control the brightness of the image and optimize the incident of the image on the pupil.
- the eyepiece optical device can be of a semitransparent (see-through) type, whereby the outside view can be viewed through the eyepiece optical device. ..
- the eyepiece optical device may be composed of a hologram element or may be provided with a hologram element.
- the eyepiece optical device may be a non-transmissive type (a form in which the outside view cannot be viewed through the eyepiece optical device).
- the image display device can be in a form arranged in front of the observer. If the image display device is arranged in front of the observer, it may be located higher than the observer's head, although it depends on the specifications of the transfer optical device and the eyepiece optical device. , It may be located at the same level as the observer's head, it may be located below the observer's head, it may be located facing the observer, or it may be located. It may be located at an angle to the observer. When the display device is a non-transparent type, the image display device can be arranged in front of the observer.
- the image forming device can be in a form having a plurality of pixels arranged in a two-dimensional matrix.
- the configuration of such an image forming apparatus is referred to as a "first configuration image forming apparatus" for convenience.
- an image forming apparatus composed of a reflective space light modulator and a light source; an image forming apparatus composed of a transmissive space light modulator and a light source; an organic EL (Electro Luminescence).
- an image forming apparatus composed of light emitting elements such as an inorganic EL, a light emitting diode (LED), and a semiconductor laser element.
- an image forming apparatus composed of an organic EL light emitting element (organic EL display device). It is preferable to use an image forming apparatus composed of a reflective space light modulator and a light source.
- the spatial light modulator examples include a light valve, for example, a transmissive or reflective liquid crystal display device such as LCOS (Liquid Crystal On Silicon), and a digital micromirror device (DMD), and a light emitting element is used as a light source. be able to.
- the reflective spatial light modulator reflects a part of the light from the liquid crystal display and the light source and guides the light to the liquid crystal display, and passes a part of the light reflected by the liquid crystal display. It can be configured to consist of a polarizing beam splitter that leads to a transfer optical device.
- Examples of the light emitting element constituting the light source include a red light emitting element, a green light emitting element, a blue light emitting element, and a white light emitting element.
- white light may be obtained by mixing the red light, the green light, and the blue light emitted from the red light emitting element, the green light emitting element, and the blue light emitting element by using a light pipe to make the brightness uniform.
- Examples of the light emitting element include a semiconductor laser element, a solid-state laser, and an LED.
- the number of pixels may be determined based on the specifications required for the image forming apparatus, and specific values for the number of pixels include 320 ⁇ 240, 432 ⁇ 240, 640 ⁇ 480, 1024 ⁇ 768, 1920 ⁇ 1080, and the like. Can be exemplified.
- the diaphragm may be arranged at the position of the front focal point (focus on the image forming apparatus side) of the lens system (described later).
- the image forming apparatus in the display device and the like of the present disclosure including the preferred embodiments and configurations described above includes a light source and scanning means for scanning the light emitted from the light source to form an image.
- a light source and scanning means for scanning the light emitted from the light source to form an image.
- Such an image forming apparatus is referred to as a "second configuration image forming apparatus".
- a light emitting element can be mentioned as a light source in the image forming apparatus of the second configuration, and specific examples thereof include a red light emitting element, a green light emitting element, a blue light emitting element, and a white light emitting element, or red light emitting.
- White light may be obtained by mixing the red light, green light, and blue light emitted from the element, the green light emitting element, and the blue light emitting element with a light pipe to make the brightness uniform.
- the light emitting element include a semiconductor laser element, a solid-state laser, and an LED.
- the number of pixels (virtual pixels) in the image forming apparatus of the second configuration may also be determined based on the specifications required for the image forming apparatus, and as a specific value of the number of pixels (virtual pixels), 320 ⁇ 240, 432 ⁇ 240, 640 ⁇ 480, 1024 ⁇ 768, 1920 ⁇ 1080 and the like can be exemplified. Further, in the case of displaying a color image and the light source is composed of a red light emitting element, a green light emitting element, and a blue light emitting element, it is preferable to perform color synthesis using, for example, a cross prism.
- Examples of the scanning means include a MEMS mirror and a galvano mirror having a micromirror that can rotate in a two-dimensional direction, which scans light emitted from a light source horizontally and vertically.
- the image forming apparatus of the second configuration may have a form in which the MEMS mirror or the galvano mirror is arranged at the position of the front focal point (the focal point on the image forming apparatus side) of the lens system (described later).
- a plurality of parallel light is transferred by a lens system (an optical system in which the emitted light is parallel light) (specifically, a transfer optical device (specifically, an optical system). For example, it is incident on a movable mirror).
- a lens system an optical system in which the emitted light is parallel light
- a transfer optical device specifically, an optical system
- the light emitting portion of the image forming apparatus may be positioned at a focal length (position) in the lens system.
- an optical system having a positive optical power as a whole which is a combination of a convex lens, a concave lens, a free-form surface prism, and a hologram lens, alone or in combination, can be exemplified.
- a light-shielding portion having an opening may be arranged in the vicinity of the lens system between the lens system and the transfer optical device so that undesired light is not emitted from the lens system and incident on the transfer optical device.
- the eyepiece optical device can be in the form of being attached to a frame.
- the frame includes a front portion arranged in front of the observer, two temple portions rotatably attached to both ends of the front portion via hinges, and a nose pad.
- a modern part is attached to the tip of each temple part.
- the front portion and the two temple portions may be integrated.
- the frame (including the rim portion) and the nose pad assembly have substantially the same structure as ordinary eyeglasses.
- the material that makes up the frame, including the nose pad can be made of the same materials that make up ordinary eyeglasses, such as metals, alloys, plastics, and combinations thereof.
- the eyepiece optical device may be attached to the goggles or face mask, or may be integrally formed with the goggles or face mask, and may be worn on the observer's head for disaster prevention. It may be attached to a face member (face member, mask member) having a shape similar to a face, or may be integrally formed with the face member.
- the eyepiece optical device worn on the observer has a very simple structure, does not require a battery or the like for driving because there is no drive unit, and the eyepiece optical device can be easily reduced in size and weight.
- the image display device is not attached to the observer's head.
- the image display device is arranged in an external facility or the like, or is worn as a wearable device on the wrist or the like of an observer. As an example of the image display device being installed in external equipment, etc.
- A An example in which an image display device for passengers is attached to the back of the back (backrest) of a vehicle or aircraft seat
- B An image for spectators on the back of the back (backrest) of a seat in a theater or the like
- Example of a display device installed An example of a vehicle, aircraft, automobile, motorcycle, bicycle, etc. equipped with an image display device for drivers, etc.
- D Maintaining a certain distance to the observer
- An example in which an image display device is attached to a capable drone (including an airship type) or a self-propelled agent robot (including an arm type robot)
- E A monitor used in a personal computer, a mobile phone, a smart watch, etc.
- Example of being used as a substitute for (F) Example of mounting on a watch or example of being attached to an observer's arm (G) Example of being used as a substitute for a display or touch panel used in an automatic cash deposit / payment machine at a financial institution (H) Example of being used as a substitute for a display or touch panel used in a store or office (I) Example of enlarging or expanding the screen of a mobile phone or personal computer (J) Museum, amusement park, etc. Example of being used as a substitute for the display plate used in (K) Example of an image display device for customers attached to a table in a coffee shop or cafe (L) Full-face helmet, protective face mask, etc. Examples built into
- a signal for displaying an image in the image forming device (a signal for forming a virtual image in the eyepiece optical device) is externally (used). It can be received from outside the display device).
- information and data related to the image displayed in the image forming apparatus are recorded, stored, and stored in, for example, a so-called cloud computer or server, and the image displaying apparatus is a communication means, for example, a telephone line.
- the image displayed by the image forming apparatus includes various information and various data.
- the image display device as a wearable device can also be in the form of being equipped with a camera (imaging device), and the image captured by the camera is sent to a cloud computer or server via a communication means, and the cloud computer or server Various information and data corresponding to the image captured by the camera are searched, the searched various information and data are sent to the image display device via a communication means, and the searched various information and data are imaged in the image forming device. May be displayed.
- the display devices and the like of the present disclosure including the various forms and configurations described above include, for example, the display of various information and the like on various sites on the Internet, and the operation, operation, maintenance, and disassembly of observation objects such as various devices.
- Various explanations of observation objects such as people and articles, display of symbols, symbols, marks, marks, designs, etc.
- Display of explanations and closed captions related to images synchronized with the images Plays, Kabuki, Noh, Kyogen, opera, concerts, valleys, various plays, amusement parks (amusement parks) ),
- Various explanations about observation objects in museums, tourist spots, recreational spots, tourist information, etc. and can be used to display explanatory texts to explain the contents, progress, background, etc., and closed captions.
- various explanations about the observation object such as various devices, people and articles are displayed, and the observation object such as various devices, people and articles is photographed (imaged) by the camera and photographed (imaging) by the image forming apparatus.
- the image forming apparatus By analyzing the contents, it is possible to display various explanations about various devices, people, articles, and other observation objects created in advance by the image forming device.
- the display device of the present disclosure is a light source-separated type retinal direct drawing type eyewear, which enables an observer to observe an image, but how stable the light is in the pupil (how stable it is. It is important to guide the image). Since the image display device and the observer exist as separate bodies in the light source separation type retinal direct drawing type eyewear, the image from the image display device can be displayed while keeping the positional relationship between the image display device and the observer constant. The mechanism that guides the observer's eyes is important.
- the path that guides the image from the image display device to the observer's eyes is narrowed, which greatly limits the state in which the image can be observed, such as the posture of the observer. Will receive. And this cannot withstand the observation of the image for a long time.
- the eyepiece optical device is provided with, for example, a hologram lens.
- the hologram lens is arranged at a position equivalent to that of a normal spectacle lens in the vicinity of 10 mm to 30 mm in front of the eye in consideration of a normal angle of view and the like.
- the amount of deviation is L (unit: mm)
- the focal length of the hologram lens is f (unit: mm)
- the incident angle of the displaced image is ⁇ (degrees)
- L f ⁇ tan ( ⁇ )
- a method of guiding the image to the pupil by moving the position of the hologram lens with respect to the pupil while appropriately guiding the image to the hologram lens can be considered.
- a fine adjustment mechanism for controlling an image specifically, a transfer optical device
- a coarse adjustment mechanism for moving the image display device specifically, a mounting portion
- the transfer optics are controlled based on high drive resolution and quick response, and the mounting unit is controlled based on a large drive stroke and a relatively low movement speed as compared to the transfer optics.
- Examples of the amount of movement of the image display device by the mounting portion include ⁇ 160 mm in the X direction, ⁇ 160 mm in the Y direction, and ⁇ 100 mm in the Z direction. Further, a maximum of 35 degrees can be exemplified as the angle of incidence of the image formation center light on the eyepiece optical device.
- the image forming device, the transfer optical device, the first position detecting device, and the second position detecting device are arranged on the image display device side. That is, in the display device of the present disclosure, the image display device and the eyepiece optical device are spatially separated from each other, and the image display device and the transfer optical device are controlled. It is not a structure that imposes a burden on the observer such as an increase in size, and the image can be reliably reached to the observer's eyes without imposing a burden on the observer.
- Example 1 relates to the display device of the present disclosure.
- a conceptual diagram of the display device of the first embodiment is shown in FIG. 1, and a schematic view of an observer wearing an eyepiece optical device constituting the display device of the first embodiment as viewed from the front is shown in FIG.
- a perspective view is shown in FIG.
- the display device in the first embodiment or the second to fourth embodiments described later is Eyepiece optical device 40, An image forming device 20, an image display device 10 including a transfer optical device 30 that outputs an image incident from the image forming device 20 to the eyepiece optical device 40, and an image display device 10.
- Mounting unit 100 on which the image display device 10 is mounted, Is equipped with The eyepiece optical device 40 and the image display device 10 are spatially separated from each other.
- the eyepiece optical device 40 forms an image from the transfer optical device 30 on the retina of the observer 70, and forms an image on the retina of the observer 70.
- the horizontal direction of the image formed on the retina of the observer 70 is the ⁇ direction
- the vertical direction of the image is the ⁇ direction
- the depth direction of the image is the ⁇ direction
- the moving direction of the mounting portion 100 corresponding to the ⁇ direction is the X direction.
- the mounting portion 100 is in the X direction, the Y direction and the Z direction.
- the image display device 10 can be moved in at least one direction of the above.
- the eyepiece optical device 40 and the image display device 10 are spatially separated from each other, but specifically, the eyepiece optical device 40 and the image display device 10 are arranged separately from each other. It is, and it is not connected integrally. Further, the eyepiece optical device 40 and the image display device 10 are relatively movable. That is, the image display device 10 is arranged at a place away from the observer 70, or at a part of the observer 70 away from the head of the observer 70.
- the display device in Example 1 or Examples 2 to 4 described later is a retinal projection type (retinal direct drawing type) display device based on Maxwell vision.
- the image display device 10 is mounted on the mounting unit 100, the entire image display device 10 may be mounted, or a part of the image display device 10 may be mounted in some cases. You may.
- the mounting unit 100 can move the image display device 10 in at least the X direction and the Z direction.
- the display device includes a first position detection device 60 that detects the position of the eyepiece optical device 40, and the position information of the observer 70 or the position information of the eyepiece optical device 40 obtained by the first position detection device 60.
- the mounting unit 100 moves the image display device 10 based on the above.
- the transfer optical device 30 includes a movable mirror.
- the first position detection device 60 is a camera (imaging device) or a TOF (TimeOfFlight) sensor (that is, a TOF type distance measuring device or an indirect (indirect) TOF type distance measuring device). It has.
- the eyepiece optical device 40 is irradiated with pulsed light, and the time delay when the light reciprocates with the eyepiece optical device 40 is detected. Further, in the indirect TOF type distance measuring device, the pulsed light is irradiated to the eyepiece optical device 40, and the time delay when the light reciprocates between the eyepiece optical device 40 and the eyepiece optical device 40 is set. Detect as phase difference.
- the distance measuring device receives eyes based on the light emitted from the light source of the distance measuring device in the first period TP 1 and the second period TP 2.
- the optical device 40 was imaged, and in the first period TP 1 , the first image signal charge obtained in the light receiving device of the distance measuring device was accumulated in the first charge storage unit, and in the second period TP 2 .
- the second image signal charge obtained in the light receiving device of the distance measuring device is stored in the second charge storage unit.
- the control circuit is based on the first image signal charge stored in the first charge storage unit and the second image signal charge stored in the second charge storage unit, from the distance measuring device to the eyepiece optical device 40. Find the distance.
- the first image signal charge Q 1, the second image signal charge Q 2, and c the speed of light, when the a T P first period TP 1 and the second period TP 2 time (pulse width)
- the first position detection device 60 can also be configured from a camera. Then, the size of the position display means 41, the distance to the position display means 41, and the distance between the plurality of position display means 41 when a plurality of the position display means 41 are arranged are measured.
- the camera constituting the first position detection device 60 can also be used for rough adjustment for identifying the position of the observer 70 or the position of the eyepiece optical device 40 at the start of use of the display device. That is, at the start of using the display device, the position of the observer 70 or the position of the eyepiece optical device 40 is searched by the camera, the position of the mounting unit 100 is adjusted, and the transfer optical device 30 is roughly adjusted to receive the light receiving unit 54. When (described later) begins to receive the position detection light, the transfer optical device 30 may be finely adjusted by the second position detection device 50 (described later).
- the image display device 10 further includes a transfer optical device / control device 31, and the transfer optical device / control device 31 receives an eyepiece of an image emitted from the image forming device 20.
- the transfer optical device 30 is controlled so as to reach the optical device 40.
- the image display device 10 further includes a second position detection device 50 that detects the position of the eyepiece optical device 40, and is a transfer optical device based on the position information of the eyepiece optical device 40 detected by the second position detection device 50.
- the device / control device 31 controls the transfer optical device 30 so that the image emitted from the image forming device 20 reaches the eyepiece optical device 40 under the control of the control unit 11 provided in the image display device 10.
- the transfer optical device 30 causes the observer 70 to follow the horizontal direction ( ⁇ direction) and the vertical direction ( ⁇ direction) of the image formed on the retina of the observer 70. Controls image projection onto the retina. In other words, the transfer optical device 30 controls to move the light (image forming light) directed to the eyepiece optical device 40 in the X direction or the Y direction. Further, the position information of the observer 70 or the eyepiece optical device 40 detected by the first position detection device 60, the second position detection device 50, or the first position detection device 60 and the second position detection device 50. The control unit 11 controls the formation of an image in the image forming apparatus 20 based on the position information of the above.
- the eyepiece optical device 40 is movable with respect to the mounting portion 100, the eyepiece optical device 40 is attached to the observer 70, and the eyepiece optical device 40 is provided with a hologram lens.
- the hologram lens is attached to a support member (not shown). Alternatively, the hologram lens is provided on the support member integrally with the support member.
- the mounting unit 100 includes a mounting table 110 on which the image display device 10 is mounted. Further, the X-direction moving mechanism that moves the mounting table 110 in the X direction, the Z-direction moving mechanism that moves the mounting table 110 in the Z direction, and the image display device 10 mounted on the mounting table 110 are moved in the Y direction. It is equipped with a Y-direction moving mechanism that allows it to move.
- the mounting table 110 can be freely moved on the mounting table 101 arranged on the mounting unit 100. The operations of the X-direction moving mechanism, the Z-direction moving mechanism, and the Y-direction moving mechanism are controlled by the control unit 11.
- the image display device 10 and the Y-direction moving mechanism are mounted on the support base 150, and the support base 150 is mounted on the mounting table 110.
- a receiving member 151 is attached to the lower surface of the support base 150, and the second guide portions 122 and 132, which will be described later, penetrate the receiving member 151, and the second guide portions 122 and 132 are oriented in the X and Z directions.
- the image display device 10 moves in the X direction and the Z direction.
- the mass of the image display device 10 and the Y-direction moving mechanism is received by the mounting table 110 and the mounting table 101, and the image display device 10 and the Y-direction moving mechanism are moved to the X-direction moving mechanism and the Z-direction moving mechanism.
- the structure is such that the mass of the mechanism is not directly applied. Further, with such a structure, it is possible to drive with low vibration.
- the Z-direction moving mechanism includes a motor 120 attached to the mounting table 101 (hidden and invisible in FIG. 3), two 1-Z guide portions 121 attached to the mounting table 101, and a 1-Z guide. It is composed of a second 2-Z guide portion 122 that freely slides along the portion 121.
- the shaft sliding mechanism is configured by the first 1-Z guide portion 121 and the second 2-Z guide portion 122.
- Sliding portions 123 that screw with the 1-Z guide portion 121 are arranged at both ends of the second 2-Z guide portion 122.
- Belt pulleys are arranged at both ends of the two 1-X guide portions 131, the belt 124 is arranged on the belt pulley, and the sliding portion 123 is attached to the belt 124.
- the rotation of the motor 120 causes one of the 1-X guide portions 131 to rotate, and the rotation of the one 1-X guide portion 131 causes the belt 124 to move via the belt pulley. Then, as a result, the sliding portion 123 attached to the belt 124 moves, and the second 2-Z guide portion 122 freely slides with respect to the first 1-Z guide portion 121 and moves in the Z direction.
- An adjusting mechanism (not shown) for adjusting the tension of the belt 124 is provided on the belt pulley.
- the X-direction moving mechanism has a motor 130 attached to the mounting base 101, two 1-X guide portions 131 attached to the mounting base 101, and a first sliding freely along the 1-X guide portion 131. It is composed of a 2-X guide unit 132.
- the shaft sliding mechanism is composed of the 1st 1-X guide portion 131 and the 2-X guide portion 132. Sliding portions 133 that screw with the 1-X guide portion 131 are arranged at both ends of the second 2-X guide portion 132.
- Belt pulleys are arranged at both ends of the two 1-Z guide portions 121, the belt 134 is arranged on the belt pulley, and the sliding portion 133 is attached to the belt 134.
- the rotation of the motor 130 causes one of the 1-Z guide portions 121 to rotate, and the rotation of the one 1-Z guide portion 121 causes the belt 134 to move via the belt pulley. Then, as a result, the sliding portion 133 attached to the belt 134 moves, and the second 2-X guide portion 132 freely slides with respect to the 1-X guide portion 131 and moves in the X direction.
- An adjusting mechanism (not shown) for adjusting the tension of the belt 134 is provided on the belt pulley.
- the Y-direction moving mechanism is arranged on the motor 140 arranged on the mounting table 110 and the mounting table 110 (more specifically, the support base 150), and is a guide portion (lead) on which the image display device 10 is attached. It is composed of 141 (which is composed of a screw) and a transmission mechanism 142 which connects a motor 140 and a guide portion 141.
- the rotation of the motor 140 is transmitted to the guide portion 141 via a belt and a transmission mechanism 142 (not shown), and the rotation of the guide portion 141 causes an image display attached to the guide portion 141.
- the device 10 freely slides (moves) up and down along the Y direction.
- an X-direction rotation mechanism that rotates the image display device 10 mounted on the mounting table 110 about an X axis extending in parallel with the X direction, and an image display device 10 mounted on the mounting table 110.
- a Z-direction rotating mechanism that rotates around the Z-axis that extends parallel to the Z-direction, and a Y-direction that rotates the image display device 10 mounted on the mounting table 110 around the Y-axis that extends parallel to the Y-direction. It may be provided with at least one kind of rotation mechanism among the rotation mechanisms.
- the second position detection device 50 is Light source 51, First optical path synthesizer 52, Second optical path synthesizer 53 and Light receiving unit 54, Is equipped with. and, The image (image forming light) emitted from the image forming apparatus 20 is formed on the retina of the observer 70 via the second optical path synthesizer 53, the transfer optical apparatus 30, and the eyepiece optical apparatus 40.
- the light (position detection light) emitted from the light source 51 reaches the eyepiece optical device 40 via the first optical path synthesizer 52, the second optical path synthesizer 53, and the transfer optical device 30, and is transferred by the eyepiece optical device 40.
- the optical device 30 It is returned to the optical device 30, enters the first optical path synthesizer 52 via the transfer optical device 30 and the second optical path synthesizer 53, and is emitted from the first optical path synthesizer 52 in a direction different from that of the light source 51. It is incident on the light receiving unit 54. That is, the light (position detection light) emitted from the light source 51 is reflected by the first optical path synthesizing unit 52 and is incident on the second optical path synthesizing unit 53. Then, it is reflected by the second optical path synthesizer 53, reaches the eyepiece optical device 40 via the transfer optical device 30, is returned to the transfer optical device 30 by the eyepiece optical device 40, and is incident on the second optical path synthesizer 53. Then, it is reflected by the second optical path synthesizing unit 53, enters the first optical path synthesizing unit 52, passes through the first optical path synthesizing unit 52, and is incident on the light receiving unit 54.
- the light source 51 emits infrared rays in an eye-safe wavelength band (for example, a wavelength of about 1.55 ⁇ m) that does not interfere with the image.
- the light source 51 is composed of a semiconductor laser element that emits infrared rays.
- the light (position detection light) emitted from the light source 51 and incident on the first optical path synthesis unit 52 is divergent light.
- a coupling lens 55 is arranged between the light source 51 and the first optical path synthesizing unit 52. The light source 51 is arranged inside the focal position of the coupling lens 55.
- the light emitted from the light source 51 becomes divergent light, and the display device and the entire display can be miniaturized.
- the first optical path combining unit 52 can be composed of a beam splitter
- the second optical path combining unit 53 can be composed of a dichroic mirror. The infrared rays (position detection light) emitted from the light source 51 do not interfere with the image.
- the light receiving unit 54 is composed of a plurality of photodiodes, but is not limited to the above, and by comparing the voltages of the plurality of photodiodes (specifically, the four diodes 54A, 54B, 54C, 54D).
- Position detection Detects the position of the light.
- a lens member 56 is arranged between the light receiving unit 54 and the first optical path synthesizing unit 52.
- the light receiving unit 54 is arranged at a position (in focus side) closer to the first optical path synthesizing unit 52 than at a position optically conjugate with the light source 51. That is, the light receiving unit 54 is arranged closer to the first optical path synthesis unit than the beam waist position (position where the spot diameter is minimized) of the position detection light. As a result, the resistance to foreign matter can be improved.
- the transfer optical device 30 is composed of a movable mirror.
- the transfer optical device 30 is attached to a transfer optical device / control device 31 that controls the movement of the transfer optical device 30, and the transfer optical device / control device 31 is controlled by the control unit 11.
- the transfer optical device 30 is composed of a combination of two galvano mirrors, a galvano mirror that moves the light (image forming light and position detection light) incident on the transfer optical device 30 in the X direction and a galvano mirror that moves the light in the Y direction. There is. However, it is not limited to this.
- the transfer optical device / control device 31 is composed of a drive mechanism such as a VCM, a harmonic drive, a crown gear, a traction drive, and an ultrasonic motor that does not fluctuate in angular velocity, and the transfer optical device 30 is a transfer optical device / control. It is driven (displaced) by the device 31.
- the specific mechanism of the transfer optical device / control device 31 is not shown.
- the eyepiece optical device 40 includes a well-known hologram element. Further, in the display device of the first embodiment, the eyepiece optical device 40 is not limited to the position display means 41 (position detected means), specifically, the retroreflective element, and more specifically, the retroreflective element. , Retroreflective markers are fixed.
- the retroreflective marker is a light-reflecting component manufactured so that the incident light and the reflected light are in the same direction. By utilizing this characteristic, in principle, the transfer optics is always transferred even if the observer 70 moves. The light returns to the device 30. As a result, the position of the retroreflective marker can be detected regardless of the relative positional relationship between the transfer optical device 30 and the retroreflective marker.
- the retroreflective marker is preferably camouflage with respect to frame 90. If the position display means 41 is provided with wavelength selectivity, specifically, if the position display means 41 has a configuration and a structure that reflects the position detection light and transmits other light, the position display means 41 May be attached to the hologram element constituting the eyepiece optical device 40, or may be formed on the hologram element.
- the eyepiece optical device 40 can be attached to the observer 70.
- the eyepiece optical device 40 is attached to a frame 90 (for example, a spectacle-shaped frame 90) attached to the head of the observer 70. More specifically, the eyepiece optical device 40 is fitted in a rim provided on the front portion 91.
- the frame 90 includes a front portion 91 arranged in front of the observer 70, two temple portions 93 rotatably attached to both ends of the front portion 91 via hinges 92, and a tip portion of each temple portion 93. It consists of 94 modern parts (also known as hinges, earmuffs, and earpads) attached to.
- a nose pad portion (not shown) is attached.
- the assembly of the frame 90 and the nose pad portion basically has substantially the same structure as ordinary eyeglasses.
- the light emitted from the display device at a certain moment (for example, corresponds to the size of one pixel or one sub-pixel). ) Reach the pupil 71 (specifically, the crystalline lens) of the observer 70, and the light passing through the crystalline lens is finally imaged on the retina of the observer 70.
- the image forming apparatus 20 (hereinafter, the image forming apparatus shown in FIG. 4A is referred to as an image forming apparatus 20a) is an image forming apparatus having the first configuration, and a plurality of image forming apparatus arranged in a two-dimensional matrix. Has pixels of.
- the image forming apparatus 20a is composed of a reflective spatial light modulator and a light source 21a including a light emitting diode that emits white light.
- the entire image forming apparatus 20a is housed in the housing 24 (indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 4A), and the housing 24 is provided with an opening (not shown) to provide an opening.
- the reflective spatial light modulator consists of a liquid crystal display (LCD) 21c, which consists of an LCOS as a light bulb. Further, a polarizing beam splitter that reflects a part of the light from the light source 21a and guides it to the liquid crystal display device 21c, and also passes a part of the light reflected by the liquid crystal display device 21c and guides it to the optical system 21d. 21b is provided.
- the liquid crystal display device 21c includes a plurality of (for example, 21d0 ⁇ 480) pixels (liquid crystal cell, liquid crystal display element) arranged in a two-dimensional matrix.
- the polarization beam splitter 21b has a well-known configuration and structure.
- the unpolarized light emitted from the light source 21a collides with the polarization beam splitter 21b.
- the P polarization component passes through and is emitted out of the system.
- the S polarization component is reflected by the polarization beam splitter 21b, enters the liquid crystal display device 21c, is reflected inside the liquid crystal display device 21c, and is emitted from the liquid crystal display device 21c.
- the light emitted from the pixel displaying "white” contains a large amount of P-polarized light component
- the light emitted from the pixel displaying "black” is S-polarized. Contains a lot of ingredients. Therefore, of the light emitted from the liquid crystal display device 21c and colliding with the polarizing beam splitter 21b, the P polarization component passes through the polarizing beam splitter 21b and is guided to the optical system 21d.
- the S polarization component is reflected by the polarization beam splitter 21b and returned to the light source 21a.
- the optical system 21d is composed of, for example, a convex lens, and an image forming device 20a (more specifically, a liquid crystal display device 21c) is arranged at a focal length (position) in the optical system 21d in order to generate parallel light. ing.
- the image emitted from the image forming apparatus 20a reaches the retina of the observer 70 via the transfer optical apparatus 30 and the eyepiece optical apparatus 40.
- the image forming apparatus 20 (hereinafter, the image forming apparatus shown in FIG. 4B is referred to as an image forming apparatus 20b) is composed of an organic EL display device 22a.
- the image emitted from the organic EL display device 22a passes through the convex lens 22b, becomes parallel light, and reaches the retina of the observer 70 via the transfer optical device 30 and the eyepiece optical device 40.
- the organic EL display device 22a includes a plurality of (for example, 640 ⁇ 480) pixels (organic EL elements) arranged in a two-dimensional matrix.
- the image forming apparatus 20 which is the image forming apparatus of the second configuration (hereinafter, the image forming apparatus shown in FIG. 4C is referred to as an image forming apparatus 20c).
- Light source 23a Collimated optical system 23b, in which the light emitted from the light source 23a is parallel light, Scanning means 23d for scanning parallel light emitted from the collimated optical system 23b, and
- the relay optical system 23e which relays and emits parallel light scanned by the scanning means 23d, It is composed of.
- the entire image forming apparatus 20c is housed in the housing 24 (indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 4C), and the housing 24 is provided with an opening (not shown) to provide an opening.
- the light source 23a is composed of a light emitting element, specifically, a light emitting diode or a semiconductor laser element. Then, the light emitted from the light source 23a is incident on the collimated optical system 23b having positive optical power as a whole, and is emitted as parallel light. Then, this parallel light is reflected by the fully reflective mirror 23c, the micromirror is made rotatable in the two-dimensional direction, and the incident parallel light is horizontally scanned by the scanning means 23d made of MEMS capable of two-dimensionally scanning the incident parallel light.
- the observer 70 can detect a color image, and if the light source 23a is composed of one kind of light emitting element, the observer can detect the color image.
- the 70 can detect a monochromatic image.
- the image generated by the image forming apparatus 20 is incident on the transfer optical device (specifically, the movable mirror) 30 in the state of parallel light (or substantially parallel light), and is projected by the transfer optical device 30. After being reflected, the light beam is directed toward the eyepiece optical device 40.
- the eyepiece optical device 40 is arranged so that the pupil of the observer 70 is located at the position of the focal length (focal length f) of the eyepiece optical device 40, and the projected light beam is focused by the eyepiece optical device 40, and the observer 70 By passing through the pupil of the eyepiece, the image is drawn directly on the eyepiece, and the observer 70 can recognize the image.
- the transfer optical device 30 in addition to the position control of the image display device 10 in the X direction, the Y direction, and the Z direction by the mounting unit 100, the transfer optical device By the control device 31, the transfer optical device 30 causes the image to be imaged on the retina of the observer 70 along the horizontal direction ( ⁇ direction) and / or the vertical direction ( ⁇ direction) of the image formed on the retina of the observer 70. Performs projection control. That is, the transfer optical device 30 controls to move the light directed to the eyepiece optical device 40 in the X direction and / or the Y direction.
- the transfer optical device / control device 31 receives the image emitted from the image forming device 20 under the control of the control unit 11 for eyepiece optics.
- the transfer optical device 30 is controlled so as to reach the device 40, but the transfer optical device 30 may be controlled so that all the images emitted from the image forming device 20 reach the eyepiece optical device 40. However, the transfer optical device 30 may be controlled so that a part of the image emitted from the image forming device 20 reaches the eyepiece optical device 40.
- the incident position of the light (return light) incident on the light receiving unit 54 from the first optical path synthesis unit 52 is a predetermined position (reference).
- the transfer optical device / control device 31 controls the position of the transfer optical device 30 so as to eliminate the deviation from the position), which will be described later.
- one display device When observing an image with one eye, one display device may be used. Further, when observing an image with both eyes, two display devices may be used, or one display device having the following configuration may be used. That is, two eyepiece optical devices 40, one image forming device, and two transfer optical devices 30 that branch an image emitted from one image forming device and emit it to two eyepiece optical devices 40.
- the structure may be provided with an image display device provided, or an image emitted from two eyepiece optical devices 40, one image forming device, and one image forming device is incident and 2
- the structure may include an image display device including one transfer optical device 30 that is divided into one image and emitted to two eyepiece optical devices 40.
- the motors 120, 130 under the control of the control unit 11, based on the position information of the observer 70 or the position information of the eyepiece optical device 40 detected by the first position detection device 60, By rotating the 140, the image display device 10 mounted on the mounting table 110 is moved in the X, Z, and Y directions, and the image emitted from the image forming device 20 is transmitted via the eyepiece optical device 40. Then, it is controlled so as to reach the pupil 71 of the observer 70.
- the transfer optical device / control device 31 is under the control of the control unit 11 based on the position information of the eyepiece optical device 40 detected by the second position detection device 50.
- the transfer optical device 30 is controlled so that the image emitted from the image forming device 20 reaches the eyepiece optical device 40.
- the position of the eyepiece optical device 40 changes from the state in which the light (position detection light) from the first optical path synthesis unit 52 is incident on the predetermined position (reference position) of the light receiving unit 54 ( Specifically, for example, when the observer 70 moves), the position where the light (position detection light) from the first optical path synthesis unit 52 is incident on the light receiving unit 54 changes.
- the direction in the light receiving unit 54 corresponding to the X direction is called the "x direction”
- the direction in the light receiving unit 54 corresponding to the Y direction is called the "y direction”.
- the position change of the eyepiece optical device 40 in the X direction is a change in the x direction of the position where the light (position detection light) from the first optical path synthesizing unit 52 is incident on the light receiving unit 54.
- the position change of the eyepiece optical device 40 in the Y direction is a change in the y direction of the position where the light (position detection light) from the first optical path synthesis unit 52 is incident on the light receiving unit 54.
- the transfer optical device / control device 31 positions the transfer optical device 30 so that the light (position detection light) from the first optical path synthesizer 52 is incident on the predetermined position of the light receiving unit 54. It is controlled so that the image forming light from the transfer optical device 30 is surely incident on the pupil 71 of the observer 70.
- this "deviation" is caused by an error signal (depending on the amount of deviation) in the light receiving unit 54. It is detected as a signal whose voltage changes).
- the voltage value of the signal in the state where the light from the first optical path synthesis unit 52 (return light of the position detection light) is incident on the predetermined position (reference position) of the light receiving unit 54 is V 0 , and the first optical path synthesis is performed.
- V 1 is V.
- the transfer optical device / control device 31 controls the position of the transfer optical device 30 so that the value becomes 0.
- the light receiving unit 54 has a structure in which four photodiodes 54A, 54B, 54C, and 54D are arranged in a "rice field" shape (a structure in which they are arranged in a 2x2 shape). Then, depending on the amount of light received by each of the photodiodes 54A, 54B, 54C, and 54D, the output voltage (to be exact, the output is a current, but an IV conversion element is placed in the subsequent stage to convert it into a voltage. Since it is common to handle it, the explanation of this part is omitted).
- the four voltage signals output from the photodiodes 54A, 54B, 54C, and 54D are converted into error signals through the arithmetic circuit of the operational amplifier provided in the control unit 11.
- the position detection light spot on the light receiving unit 54 when the voltage value is V 0 is indicated by the circle of the solid line “A” in FIG. 5, and is shown on the light receiving unit 54 when the voltage value is V 1.
- the position detection light spot is indicated by the dotted line “B” circle in FIG.
- the transfer optical device / control device 31 controls the position of the transfer optical device 30 so that the circle "B" overlaps the circle "A".
- the transfer optical device 30 is controlled so that the value of x Error becomes "0"
- the image formation center light is transferred to the transfer optical device 30 so that the image formation center light is incident on the center of the eyepiece optical device 40, for example. Is emitted from.
- the transfer optical device 30 by controlling the transfer optical device 30 so that the center of gravity of the position detection light spot indicated by the dotted line “B” in FIG. 5 overlaps with the center of the circle indicated by the solid line “A”, the image formation center light Can be incident on the center of the eyepiece optical device 40, for example.
- Example 2 is a modification of Example 1.
- the first position detection device 60 and the second position detection device 50 are separate parts.
- the second position detecting device also serves as the first position detecting device. That is, the light source 51 constituting the second position detection device 50 is intensity-modulated at a high frequency, the position detection light that collides with the eyepiece optical device 40 and is reflected is received by the light receiving unit 54, and the phase delay time of the pulse wave or the like is used. The distance to the eyepiece optical device 40 is obtained. Specifically, the position detection light is modulated in the order of megahertz to gigahertz.
- the light (position detection light) emitted from the light source 51 passes through the first optical path synthesis unit 52, the second optical path synthesis unit 53, and the transfer optical device 30, and the eyepiece optical device 40. Is returned to the transfer optical device 30 by the eyepiece optical device 40, and is incident on the first optical path synthesizer 52 via the transfer optical device 30 and the second optical path synthesizer 53, in a direction different from that of the light source 51. It is emitted from the first optical path synthesizing unit 52 and incident on the light receiving unit 54.
- the signal output by the light receiving unit 54 has a high frequency component corresponding to the modulation band (a band for detecting the distance to the eyepiece optical device) and a low frequency component below kilohertz (a band for detecting the position of the eyepiece optical device). ) And signal processing. That is, the distance to the eyepiece optical device 40 is detected based on the TOF method or the indirect (indirect) TOF method based on the high frequency component output by the light receiving unit 54. In addition, the position of the eyepiece optical device 40 is detected by the low-pass filtered low-frequency component of kilohertz or less.
- the second position detecting device also serves as the first position detecting device, the position of the eyepiece optical device can be obtained without increasing the number of parts and the number of retroreflective elements.
- the distance to the eyepiece optical device may be obtained based on the size (spot size) of the position detection light in the light receiving unit.
- the configuration and structure of the display device of the second embodiment can be the same as the configuration and structure of the display device described in the first embodiment, and thus detailed description thereof will be omitted.
- Example 3 is a modification of Examples 1 and 2.
- the image display device 10 is not located in front of the observer 70. If the image display device always enters the observer's field of view, the observer 70 may not be able to immerse himself in the image or the outside view.
- the image display device and the like are arranged at positions other than the front of the observer 70. As a result, the observer 70 can observe the image and the outside view without the image display device or the like entering the field of view of the observer.
- the display device can be a semi-transmissive (see-through) type, and the outside view can be viewed through the eyepiece optical device 40A.
- the image display device specifically, the transfer optical device
- the transfer optical device is arranged at a position other than the front of the observer 70
- the projected light is obliquely incident on the eyepiece optical device 40A, and as a result, the focal position of the eyepiece optical device 40A is changed. Since the image deviates from the pupil 71 of the observer 70, the image may not reach the pupil 71 of the observer 70.
- the eyepiece optical device 40A is provided with a diffractive optical member.
- the diffractive optical member includes a diffractive means 42 having a diffractive function and a condensing means 43 having a condensing function.
- the diffraction means 42 may be composed of, for example, a transmissive volume hologram diffraction grating, and the condensing means 43 may be composed of, for example, a hologram element.
- the diffraction means 42 and the light collection means 43 can be composed of one member.
- the order of arranging the diffracting means 42 and the condensing means 43 may be such that the condensing means 43 may be arranged on the observer side or the diffracting means 42 may be arranged on the observer side.
- the image-forming light emitted from the transfer optical device (movable mirror) is deflected by the diffraction means 42, the traveling angle (direction) is changed, is incident on the condensing means 43, and is condensed by the condensing means 43.
- An image is formed on the retina of the observer 70.
- the wavelength selectivity of the condensing function it is required to act only on the wavelength of the image forming light emitted from the image forming apparatus.
- the eyepiece optical device 40A condenses light other than the wavelength of the light emitted from the image forming apparatus (for example, the light of the outside view), it becomes difficult for the observer 70 to observe the outside view. ..
- the observer projects because there is no wavelength selectivity and all visible light is condensed and reaches the retina of the observer 70. Only the images that have been made can be observed, and the outside scenery cannot be observed.
- FIG. 7A is a schematic view of a state in which the display device of the third embodiment is used indoors.
- An image display device 10 is arranged on the wall surface 81 of the room 80.
- the observer 70 stands at a predetermined position in the room 80, the image from the image display device 10 reaches the eyepiece optical device 40A, and the observer 70 can observe this image through the eyepiece optical device 40A. ..
- an image display device is arranged on the table, and when the observer approaches the table, the image from the image display device reaches the eyepiece optical device, and the observer passes through the eyepiece optical device. It can be in the form of observing this image.
- FIG. 7B another example of using the display device of the third embodiment is shown in FIG. 7B, in which the image display device 10 constituting the display device of the third embodiment is arranged on the back surface of the back (backrest) of the seat 82.
- FIG. 7B It is a schematic diagram of the state in use.
- the observer When the observer is seated in the rear seat 82, an image is emitted from the image display device 10 arranged on the back surface of the back of the front seat 82 toward the eyepiece optical device 40A worn by the observer, and the eyepiece is eyepieced.
- the observer 70 can observe this image through the eyepiece optical device 40A.
- An example in which the image display device of the above is attached can be mentioned.
- the usage example of the display device described above can also be applied to other embodiments.
- the image display device 10 may be attached to the handle portion of the motorcycle, and the eyepiece optical device 40A may be attached to the portion of the full-face helmet worn by the motorcycle operator.
- the image forming light and the position detection light are indicated by arrows. It is known that the handlebar portion of a motorcycle vibrates at a high frequency of 100 hertz or more in some cases. Therefore, when the second position detection device is configured from the image pickup device of several tens of FPS to several hundreds of FPS, the detection of the position information of the eyepiece optical device by the second position detection device cannot be followed due to the vibration transmitted to the image display device. It becomes impossible to remove small shaking from the image, which causes image sickness.
- a TOF method or an indirect TOF method distance measuring device is adopted as the first position detecting device 60, and for example, a second position detecting device composed of a light receiving unit 54 including a plurality of photodiodes 54A, 54B, 54C, 54D.
- a second position detecting device composed of a light receiving unit 54 including a plurality of photodiodes 54A, 54B, 54C, 54D.
- 50 it becomes possible to cope with the movement of an image display device on the order of 10 kHz to 100 kHz, and further effect is exhibited in incorporation into a moving body such as a motorcycle.
- an image display device is incorporated in an automobile and an eyepiece optical device is incorporated in a windshield for an automobile, or an eyepiece optical device is incorporated in a protective face mask or the like.
- a drive mechanism having excellent responsiveness such as a VCM, a harmonic drive, or a traction drive.
- Example 4 is a modification of Examples 1 to 3.
- the eyepiece optical device 40B includes a diffraction grating 45, and further includes a condensing member 44 on the light incident side.
- a light collecting member 44 may be provided between the diffraction grating 45 and the pupil 71 of the observer 70.
- the 0th-order diffracted light of the diffraction grating 45 instead, for example, when the first-order diffracted light, the -1st-order diffracted light, and the like reach the pupil 71 of the observer 70, a system having higher robustness for the observer 70 can be realized. That is, it is possible to realize a display device having higher robustness while reducing the burden on the observer 70. Further, since a plurality of focal points can be prepared, the range in which the observer 70 can observe the image can be expanded.
- the display device of the present disclosure has been described above based on preferable examples, the display device of the present disclosure is not limited to these examples.
- the configuration, structure, display device configuration, structure, image display device, image forming device, transfer optical device, or eyepiece optical device configuration and structure of the mounting portion can be appropriately changed.
- the display device may provide guidance by voice or an image / video that guides the observer to an appropriate place.
- the display device may include a plurality of image forming devices. That is, the display device includes a plurality of image forming devices having different positions for outputting images, ejects the same image from the plurality of image forming devices, and uses one eyepiece optical device to display the plurality of images.
- the degree of freedom in the relative positional relationship between the image forming apparatus and the observer can be increased. That is, for example, when the observer is positioned at a predetermined position, the image from the image forming apparatus reaches the eyepiece optical device, and the observer can observe this image through the eyepiece optical device.
- the position can be expanded.
- An optical member such as a lens is placed between the transfer optical device and the eyepiece optical device, and the optical member is moved along the axis of the image formation center light in the direction toward the transfer optical device and in the direction away from the transfer optical device. It is also possible to assist the movement of the image display device in the Z direction.
- the present disclosure may also have the following configuration.
- ⁇ Display device >> Eyepiece optics, An image forming apparatus, an image display apparatus provided with a transfer optical apparatus that outputs an image incident from the image forming apparatus to an eyepiece optical apparatus, and an image display apparatus.
- a mounting unit on which the image display device is mounted, Is equipped with The eyepiece optical device and the image display device are spatially separated from each other.
- the eyepiece optics image the image from the transfer optics onto the observer's retina.
- the horizontal direction of the image formed on the observer's retina is the ⁇ direction
- the vertical direction of the image is the ⁇ direction
- the depth direction of the image is the ⁇ direction
- the moving direction of the mounting portion corresponding to the ⁇ direction is the X direction and ⁇ .
- the mounting portion is at least one of the X direction, the Y direction, and the Z direction.
- a display device that can move the image display device in a direction. [A02] The display device according to [A01], wherein the mounting unit can move the image display device at least in the X direction and the Z direction.
- a first position detecting device for detecting the position of the eyepiece optical device is provided. The display device according to [A02], wherein the mounting unit moves the image display device based on the position information of the observer or the position information of the eyepiece optical device obtained by the first position detection device.
- the display device according to [A03], wherein the first position detection device includes a camera or a TOF sensor.
- the image display device further includes a transfer optical device / control device.
- the display device according to any one of [A01] to [A04], wherein the transfer optical device / control device controls the transfer optical device so that the image emitted from the image forming device reaches the eyepiece optical device.
- the image display device further includes a second position detection device that detects the position of the eyepiece optical device.
- the transfer optical device / control device controls the transfer optical device so that the image emitted from the image forming device reaches the eyepiece optical device [[ The display device according to any one of [A01] to [A05]. [A07] The optical device according to any one of [A01] to [A06], wherein the transfer optical device includes a movable mirror. [A08] The display device according to any one of [A01] to [A07], wherein the eyepiece optical device is movable with respect to the mounting portion. [A09] The display device according to any one of [A01] to [A08], wherein the eyepiece optical device is attached to the observer.
- [A10] The display device according to [A09], wherein the eyepiece optical device includes a hologram lens. [A11] Based on the position information of the observer or the position information of the eyepiece optical device detected by the first position detection device, the second position detection device, or the second position detection device and the first position detection device.
- [A12] The display device according to any one of [A01] to [A11], wherein the second position detection device also serves as the first position detection device.
- the transfer optical device controls the image projection to the observer's retina along the horizontal and vertical directions of the image formed on the observer's retina [A01].
- the display device according to any one of [A12].
- the eyepiece optical device includes a hologram element.
- the second position detection device is light source, 1st optical path synthesizer, Second optical path synthesizer and Light receiving section, Equipped with The image emitted from the image forming apparatus is imaged on the retina of the observer via the second optical path synthesizer, the transfer optical apparatus, and the eyepiece optical apparatus.
- the light emitted from the light source reaches the eyepiece optical device via the first optical path synthesizer, the second optical path synthesizer, and the transfer optical device, is returned to the transfer optical device by the eyepiece optical device, and is returned to the transfer optical device and the transfer optical device.
- [A07] or [A06] which is incident on the first optical path synthesizer via the second optical path synthesizer, is emitted from the first optical path synthesizer in a direction different from the light source, and is incident on the light receiving section is cited [A07]. ]
- the display device according to any one of the items. [B02] When the incident position of the light incident on the light receiving portion from the first optical path synthesizer deviates from a predetermined position, the transfer optical device / control device adjusts the position of the transfer optical device so as to eliminate the deviation.
- the optical device according to [B01] to be controlled.
- [B03] The display device according to [B01] or [B02], wherein the light source emits infrared rays in an eye-safe wavelength band.
- [B04] The display device according to any one of [B01] to [B03], wherein the light emitted from the light source and incident on the first optical path synthesizing unit is divergent light.
- the light receiving unit is arranged at a position closer to the first optical path synthesizer than a position optically conjugate with the light source.
- the light receiving unit is composed of a position detection element, a multi-segment photodiode, or a plurality of photodiodes.
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Abstract
本開示の表示装置は、接眼光学装置40;画像形成装置20、及び、画像形成装置20から入射された画像を接眼光学装置40へと出射する転送光学装置30を備えた画像表示装置10;並びに、画像表示装置10を載置する載置部100を備えており、接眼光学装置40と画像表示装置10とは、空間的に分離して配置されており、接眼光学装置40は、転送光学装置30からの画像を観察者70の網膜に結像させ、観察者70の網膜に結像される画像の水平方向、垂直方向、奥行き方向に相当する載置部100の移動方向をX方向、Y方向、Z方向としたとき、載置部100は、X方向、Y方向及びZ方向の内の少なくとも1方向に画像表示装置10を移動可能である。
Description
本開示は、表示装置に関する。
観察者の頭部に装着する頭部装着型の画像表示装置が、例えば、特開2005-309264号公報から周知である。この特許公開公報に開示された画像表示装置1は、観察者の頭部に装着される頭部装着部6と、観察者の身体に携帯される身体携帯部7とから構成されている。頭部装着部6には、転送光学系5を構成する凸レンズ8と、方位・距離検出系の一部とが設けられている。頭部装着部6には、赤外LEDから構成された発光部R、凸レンズ8を移動させるアクチュエータ27及び駆動回路28が備えられている。
ところで、上記の特許公開公報に開示された技術にあっては、頭部装着部6に備えられた発光部R、アクチュエータ27及び駆動回路28には電源(電池)が必要とされるので、頭部装着部6の質量や大きさの増加等、観察者に負担が強いられる構造である。仮に、発光部R、アクチュエータ27及び駆動回路28を取り除き、頭部装着部6に凸レンズ8のみを搭載することを想定した場合、観察者が動くと、身体携帯部と頭部装着部との位置関係が崩れてしまい、投影された画像が観察者の瞳から外れる結果、画像を観察することが困難になるという問題が発生する。
従って、本開示の目的は、観察者に負担を強いることの無い構成、構造を有する表示装置を提供することにある。
上記の目的を達成するための本開示の表示装置は、
接眼光学装置、
画像形成装置、及び、画像形成装置から入射された画像を接眼光学装置へと出射する転送光学装置を備えた画像表示装置、並びに、
画像表示装置を載置する載置部、
を備えており、
接眼光学装置と画像表示装置とは、空間的に分離して配置されており、
接眼光学装置は、転送光学装置からの画像を観察者の網膜に結像させ、
観察者の網膜に結像される画像の水平方向をζ方向、画像の垂直方向をη方向、画像の奥行き方向をξ方向とし、ζ方向に相当する載置部の移動方向をX方向、η方向に相当する載置部の移動方向をY方向、ξ方向に相当する載置部の移動方向をZ方向としたとき、載置部は、X方向、Y方向及びZ方向の内の少なくとも1方向に画像表示装置を移動可能である。
接眼光学装置、
画像形成装置、及び、画像形成装置から入射された画像を接眼光学装置へと出射する転送光学装置を備えた画像表示装置、並びに、
画像表示装置を載置する載置部、
を備えており、
接眼光学装置と画像表示装置とは、空間的に分離して配置されており、
接眼光学装置は、転送光学装置からの画像を観察者の網膜に結像させ、
観察者の網膜に結像される画像の水平方向をζ方向、画像の垂直方向をη方向、画像の奥行き方向をξ方向とし、ζ方向に相当する載置部の移動方向をX方向、η方向に相当する載置部の移動方向をY方向、ξ方向に相当する載置部の移動方向をZ方向としたとき、載置部は、X方向、Y方向及びZ方向の内の少なくとも1方向に画像表示装置を移動可能である。
以下、図面を参照して、実施例に基づき本開示を説明するが、本開示は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
1.本開示の表示装置、全般に関する説明
2.実施例1(本開示の表示装置)
3.実施例2(実施例1の変形)
4.実施例3(実施例1~実施例2の変形)
5.実施例4(実施例1~実施例3の変形)
6.その他
1.本開示の表示装置、全般に関する説明
2.実施例1(本開示の表示装置)
3.実施例2(実施例1の変形)
4.実施例3(実施例1~実施例2の変形)
5.実施例4(実施例1~実施例3の変形)
6.その他
〈本開示の表示装置、全般に関する説明〉
以下の説明において、画像形成装置から出射された光を、便宜上、『画像形成光』と呼び、画像形成装置の中心から出射された光を、便宜上、『画像形成中心光』と呼び、光源(後述する)から出射された光を、便宜上、『位置検出光』と呼び、光源の中心から出射された光を、便宜上、『位置検出中心光』と呼ぶ。
以下の説明において、画像形成装置から出射された光を、便宜上、『画像形成光』と呼び、画像形成装置の中心から出射された光を、便宜上、『画像形成中心光』と呼び、光源(後述する)から出射された光を、便宜上、『位置検出光』と呼び、光源の中心から出射された光を、便宜上、『位置検出中心光』と呼ぶ。
本開示の表示装置において、載置部は、少なくともX方向及びZ方向に画像表示装置を移動可能である形態とすることができる。そして、この場合、表示装置は、接眼光学装置の位置を検出する第1位置検出装置を備えており、第1位置検出装置によって得られた観察者の位置情報(観察者の瞳の位置情報や観察者の頭部の位置情報を含み、以下においても同様)あるいは接眼光学装置の位置情報に基づき、載置部は画像表示装置を移動させる形態とすることができる。更には、第1位置検出装置は、カメラ(撮像装置)、又は、TOF(Time Of Flight)センサ[即ち、TOF方式の距離測定装置、あるいは、インダイレクト(間接)TOF方式の距離測定装置]を備えている形態とすることができる。
上記の各種好ましい形態を含む本開示の表示装置において、画像表示装置は、更に、転送光学装置・制御装置を備えており、転送光学装置・制御装置は、画像形成装置から出射された画像が接眼光学装置に到達するように転送光学装置を制御する形態とすることができる。そして、この場合、画像表示装置は、更に、接眼光学装置の位置を検出する第2位置検出装置を備えており、第2位置検出装置によって検出された接眼光学装置の位置情報に基づき、転送光学装置・制御装置は、画像形成装置から出射された画像が接眼光学装置に到達するように転送光学装置を制御する形態とすることができる。
更には、以上に説明した各種好ましい形態を含む本開示の表示装置において、転送光学装置は可動ミラーを備えている形態とすることができる。
このように、画像の投射角度を制御して最終的に画像を観察者の網膜に結像させための転送光学装置は可動ミラーから成る形態とすることができるが、具体的には、例えば、2つのガルバノミラーの組合せから構成されている形態とすることができる。即ち、転送光学装置から接眼光学装置に向かう光(画像形成光)をX方向及び/又はY方向に移動させるために、転送光学装置として、例えば、2方向に可動な可能なミラー(具体的には、2つのガルバノミラーの組合せ)以外にも、2軸のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーを含む2軸のジンバルミラーを挙げることができる。
眼の解像度は高く、転送光学装置を接眼光学装置の動きに追従させる際に高分解能で追従させないと、観察される画像が振動し、観察に堪えなくなる。従って、観察者の網膜に結像した画像が動く変位量(振動量)が、例えば、80μm以下となるように、転送光学装置を動きを制御する必要がある。そのためには、転送光学装置を動かす機構を、バックラッシュや角速度変動が無い駆動伝達系とすることが好ましく、VCM(ボイスコイルモータ)やハーモニックドライブ(登録商標)、クラウンギア、トラクションドライブ、超音波モータ等の角速度変動の無い駆動機構が適している。また、本開示の表示装置を自動車やオートバイ等の車両に取り付けるといった振動する環境で使用する場合、VCMやハーモニックドライブ、トラクションドライブ等の応答性に優れた駆動機構が一層適している。転送光学装置をギアによって動かす方式は、バックラッシュや駆動ロス、歯当たり等があるため、適しているとは云い難い。
通常、眼鏡等に取り付けられた接眼光学装置に転送光学装置を追従させる場合、振幅30mm、4Hzの応答性が確保できればよい。一方、車両等の振動する環境での表示装置の使用にあっては、振幅2mm、100Hzの応答性を確保できることが好ましい。それ故、100Hz以上の画像更新速度や、画像表示装置から離れた位置での80μm以下の動きを認識できる解像度、追従性が、画像形成装置、第2位置検出装置、転送光学装置には要求される。
更には、以上に説明した各種好ましい形態を含む本開示の表示装置において、載置部に対して接眼光学装置は移動可能である形態とすることができる。
載置部は、具体的には、転送光学装置を載置する載置テーブルを備えており、更に、例えば、載置テーブルをX方向に移動させるX方向移動機構、載置テーブルをZ方向に移動させるZ方向移動機構、及び、載置テーブルに載置された転送光学装置をY方向に移動させるY方向移動機構の内の少なくとも1種類の移動機構を備えている形態とすることができる。即ち、載置部は、最大、3軸の移動機構を備えている。更には、載置テーブルに載置された転送光学装置をX方向と平行に延びる軸線(X軸と呼ぶ)を中心として回動させるX方向回動機構、載置テーブルに載置された転送光学装置をZ方向と平行に延びる軸線(Z軸と呼ぶ)を中心として回動させるZ方向回動機構、及び、載置テーブルに載置された転送光学装置をY方向と平行に延びる軸線(Y軸と呼ぶ)を中心として回動させるY方向回動機構の内の少なくとも1種類の回動機構を備えている形態とすることもできる。即ち、載置部は、最大、3軸の回動機構を備えている。X方向移動機構及びZ方向移動機構のそれぞれは、例えば、載置部に配設されたモータと、載置部に配設された第1ガイド部と、載置テーブルに取り付けられ、第1ガイド部に沿って自在に滑動する第2ガイド部とから構成されている形態とすることができる。X方向移動機構にあっては、モータの回動は第1ガイド部に伝えられ、第1ガイド部の動きによって、第1ガイド部に滑動自在に取り付けられた第2ガイド部は、第1ガイド部に沿ってX方向に自在に滑動(移動)し、載置テーブル及び転送光学装置をX方向に移動させる。同様に、Z方向移動機構にあっては、モータの回動は第1ガイド部に伝えられ、第1ガイド部の動きによって、第1ガイド部に滑動自在に取り付けられた第2ガイド部は、第1ガイド部に沿ってZ方向に自在に滑動(移動)し、載置テーブル及び転送光学装置をZ方向に移動させる。Y方向移動機構は、例えば、載置テーブルに配設されたモータと、載置テーブルに配設され、転送光学装置を取り付けたガイド部と、モータとガイド部とを結ぶ伝達機構から構成されている形態とすることができる。Y方向移動機構にあっては、モータの回動は伝達機構を介してガイド部に伝えられ、ガイド部の動きによって、ガイド部に取り付けられた転送光学装置はY方向に沿って自在に滑動(移動)する。
更には、以上に説明した各種好ましい形態を含む本開示の表示装置において、接眼光学装置は観察者に装着される形態とすることができ、この場合、接眼光学装置は、ホログラムレンズを備えている形態とすることができる。尚、接眼光学装置は観察者から離れた所に配置される(即ち、接眼光学装置は観察者に装着されていない)形態とすることもできる。
また、接眼光学装置と画像表示装置とは相対的に移動可能である形態とすることができる。即ち、画像表示装置は、観察者から離れた所に配置され、あるいは又、観察者の頭部とは離れた観察者の部位に配置されている形態とすることができる。後者の場合、限定するものではないが、例えば、画像表示装置は、観察者の頭部とは離れた観察者の手首等の部位にウエアラブル・デバイスとして装着される。あるいは又、画像表示装置は、パーソナルコンピュータに配置され、あるいは又、パーソナルコンピュータに接続された状態で配置されている。あるいは又、画像表示装置は、後述するように、外部の設備等に配設されている。
このように、接眼光学装置と画像表示装置とは空間的に分離して配置されているが、具体的には、接眼光学装置と画像表示装置とは、相互に分離して配置されており、一体的に接続されていない。
接眼光学装置は、上述したとおり、ホログラム素子を備えている形態とすることができるし、あるいは又、接眼光学装置は、回折光学部材を備えている形態とすることができるし、あるいは又、接眼光学装置は、集光部材及び偏向部材を備えている形態とすることができる。接眼光学装置をホログラム素子から構成する場合、ホログラム素子は集光機能を有していてもよい。画像形成装置から出射された画像形成光は、ほぼ平行光の状態で転送光学装置に入射し、転送光学装置から接眼光学装置へと出射されるが、観察者の瞳孔が接眼光学装置の焦点に位置になるように、接眼光学装置は配置されている。
また、接眼光学装置は、位置検出光に対する集光特性に波長依存性を有する構成とすることができる。即ち、例えば位置検出光を赤外線から構成する場合、赤外線は、接眼光学装置の集光特性の影響を受けない構成、あるいは又、接眼光学装置の集光特性の影響を殆ど受けない構成とすることが好ましい。即ち、例えば、接眼光学装置をホログラム素子から構成する場合、位置検出光を構成する赤外線は、ホログラム素子によって集光されないか、あるいは又、集光されても僅かである構成とすることが好ましい。ホログラム素子は、周知の構成、構造とすることができる。
更には、以上に説明した各種好ましい形態を含む本開示の表示装置(以下、これらを総称して、『本開示の表示装置等』と呼ぶ場合がある)において、転送光学装置・制御装置によって、転送光学装置は、観察者の網膜に結像される画像の水平方向(ζ方向)及び垂直方向(η方向)に沿った、観察者の網膜への画像投影制御を行う形態とすることができる。即ち、転送光学装置は、接眼光学装置に向かう光(画像形成光)をX方向又はY方向に移動させる制御を行う形態とすることができる。
本開示の表示装置等において、第2位置検出装置は、
光源、
第1光路合成部、
第2光路合成部、及び、
受光部、
を具備しており、
画像形成装置から出射された画像(画像形成光)は、第2光路合成部、転送光学装置、接眼光学装置を経由して、観察者の網膜に結像され、
光源から出射された光(位置検出光)は、第1光路合成部、第2光路合成部、転送光学装置を経由して接眼光学装置に到達し、接眼光学装置によって転送光学装置へと戻され、転送光学装置及び第2光路合成部を経由して第1光路合成部に入射し、光源とは異なる方向に第1光路合成部から出射され、受光部に入射する構成とすることができる。
光源、
第1光路合成部、
第2光路合成部、及び、
受光部、
を具備しており、
画像形成装置から出射された画像(画像形成光)は、第2光路合成部、転送光学装置、接眼光学装置を経由して、観察者の網膜に結像され、
光源から出射された光(位置検出光)は、第1光路合成部、第2光路合成部、転送光学装置を経由して接眼光学装置に到達し、接眼光学装置によって転送光学装置へと戻され、転送光学装置及び第2光路合成部を経由して第1光路合成部に入射し、光源とは異なる方向に第1光路合成部から出射され、受光部に入射する構成とすることができる。
光源は、アイセーフ波長帯(例えば、1.55μm前後の波長)の赤外線を出射する構成とすることができる。第1光路合成部から受光部に入射した光(位置検出光)の受光部への入射位置が所定の位置(基準位置)からズレた場合、ズレを無くすように、転送光学装置・制御装置は転送光学装置の位置を制御する構成とすることができる。ところで、受光部に戻る位置検出光の光量が多い程、位置検出分解能を上げることができる。その一方で、接眼光学装置の位置検出のために、平行光に近い光を観察者の目の付近に向けて照射するため、位置検出光の光量は、安全を考慮した上で、上限を決める必要がある。瞳孔や網膜に対する被爆限界は位置検出光の波長に依存しており、アイセーフ波長帯で最も許容光量が大きい。このアイセーフ波長帯の光は、水分子の存在下、減衰する性質があり、網膜に届かないためである。以上の理由により、位置検出光の波長帯をアイセーフ波長帯とすることで、高い安全性と高い位置検出分解能を達成することができる。同様の理由で、地表付近の太陽光の強度が弱い波長帯でもあるため、第2位置検出装置は外光の影響を受け難いという利点もある。
また、第2位置検出装置を構成する光源から出射され、第1光路合成部に入射する光(位置検出光)は発散光である構成とすることができる。
受光部は、光源と光学的に共役な位置よりも第1光路合成部に近い位置(インフォーカス側)に配置されている構成とすることができる。即ち、受光部から第1光路合成部までの光学的距離(位置検出中心光の光路における媒質の空間的な距離と媒質の屈折率の積の総和であり、受光部と第1光路合成部との間にレンズが配置されている場合にはレンズの焦点距離も考慮する)は、光源から第1光路合成部までの光学的距離(位置検出中心光の光路における媒質の空間的な距離と媒質の屈折率の積の総和であり、光源と第1光路合成部との間にレンズが配置されている場合にはレンズの焦点距離も考慮する)よりも短い。また、位置検出光のビームウエスト位置(スポット径が最小となる位置)よりも受光部を第1光路合成部に近い位置(インフォーカス側)に配置することで、異物耐性の向上を図ることができる。
受光部は、動作原理によって、非分割型と分割型の2つに分けられる。前者は、フォトダイオードの表面抵抗値の変化を応用して位置検出光の位置を検出する位置検出素子である。光量に応じて表面抵抗値が変化する原理を用いて、位置検出光の位置を検出する。後者は、複数(例えば、4つ)にエリア分割されたフォトダイオードの電圧を比較することで位置検出光の位置を検出する。エリア分割ではなく、複数のフォトダイオードから構成することもできる。いずれもアナログ出力のため、理論的には位置検出分解能は無限小となる。以上のとおり、受光部(接眼光学装置の位置を検出する装置あるいは素子)は、位置検出素子(Position Sensitive Detector,PSD)、多分割フォトダイオード、又は、複数のフォトダイオードから構成されている構成とすることができる。
接眼光学装置には、位置表示手段(位置被検出手段)、具体的には、再帰性反射素子が取り付けられている形態とすることができる。再帰性反射素子として、具体的には、再帰性反射シートを含む再帰性反射マーカーやコーナーキューブプリズムを挙げることができる。コーナーキューブプリズムとは、光が反射する性質を有する3枚の平面の板を互いに直角に組み合わせ、立方体の頂点型にした装置である。プリズムの数が1つであるため面内のバラツキがないこと、反射率を上げ易いため、戻り光の光量を増やし、解像度を上げることができるといった利点がある。また、小型のコーナーキューブプリズムが複数並んだコーナーキューブアレイを用いれば、再帰性反射素子の厚さを薄くすることができ、接眼光学装置への取付け自由度が増える。
接眼光学装置は、限定するものではないが、支持部材に取り付けられ、あるいは又、支持部材に貼り付けられ、あるいは又、支持部材に支持部材と一体となって設けられている。透明なプラスチック材料から支持部材を構成する場合、プラスチック材料として、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、酢酸セルロース等のセルロースエステル、ポリフッ化ビニリデンあるいはポリテトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体等のフッ素ポリマー、ポリオキシメチレン等のポリエーテル、ポリアセタール、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、メチルペンテンポリマー等のポリオレフィン、ポリアミドイミドあるいはポリエーテルイミド等のポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフッ化ビニリデン、テトラアセチルセルロース、ブロム化フェノキシ、ポリアリレート、ポリスルフォン等を挙げることができる。ガラスから支持部材を構成する場合、ガラスとして、ソーダライムガラス、白板ガラス等の透明なガラスを挙げることができる。
本開示の表示装置等において、第1位置検出装置によって、又は、第2位置検出装置によって、又は、第1位置検出装置及び第2位置検出装置によって検出された観察者の位置情報あるいは接眼光学装置の位置情報に基づき、画像表示装置に備えられた制御部は、画像形成装置における画像の形成を制御する形態とすることができる。加えて、画像表示装置に備えられた制御部は、載置部による画像表示装置の移動を制御する形態とすることができる。
本開示の表示装置等にあっては、第1位置検出装置を構成するカメラを用いて、再帰性反射素子の大きさや再帰性反射素子までの距離を測定することができる。第1位置検出装置を構成するカメラは、表示装置の使用開始時、接眼光学装置の位置を特定するための粗調整用としても用いることができる。即ち、表示装置の使用開始時、接眼光学装置の位置を、第1位置検出装置を構成するカメラで探し、載置部の位置を調整する形態とすることができる。更には、その後、受光部が位置検出光を受光し始めたならば、第2位置検出装置によって転送光学装置を微調整する形態とすることができる。あるいは又、表示装置の使用開始時、転送光学装置の走査に基づき接眼光学装置の位置を探し、受光部が位置検出光を受光し始めたならば、載置部の位置を調整し、更には、第2位置検出装置によって転送光学装置を微調整する形態とすることもできる。
場合によっては、第2位置検出装置は第1位置検出装置を兼ねていてもよい。即ち、第2位置検出装置を構成する光源を高周波で強度変調し、接眼光学装置に衝突し反射してくる位置検出光を受光部で受光し、パルス波の位相遅れ時間等からターゲット(接眼光学装置)までの距離を求める。具体的には、位置検出光をメガヘルツ乃至ギガヘルツのオーダーで変調し、受光部が出力する信号を変調帯域相当の高域成分(接眼光学装置までの距離を検出するための帯域)とキロヘルツ以下の低域成分(接眼光学装置の位置を検出するための帯域)に分けて信号処理することで、部品点数や再帰性反射素子の数を増やすことなく、接眼光学装置の位置を求めることができる。
本開示の表示装置等にあっては、第2位置検出装置によって検出された接眼光学装置の位置情報に基づき、転送光学装置・制御装置は、制御部の制御下、画像形成装置から出射された画像が接眼光学装置に到達するように転送光学装置を制御するが、画像形成装置から出射された画像の全てが接眼光学装置に到達するように転送光学装置を制御する形態とすることもできるし、画像形成装置から出射された画像の一部が接眼光学装置に到達するように転送光学装置を制御する形態とすることもできる。本開示の表示装置等は、マクスウェル視に基づく網膜投影型(網膜直描型)の表示装置である。
光源から出射された光(位置検出光)は、第1光路合成部によって反射され、第2光路合成部に入射する。そして、この場合、第2光路合成部からの光(戻り光)は、第1光路合成部を透過し、受光部に入射する。あるいは又、光源から出射された光(位置検出光)は、第1光路合成部を透過し、第2光路合成部に入射する。そして、この場合、第2光路合成部からの光(戻り光)は、第1光路合成部によって反射され、受光部に入射する。このような機能を有する第1光路合成部として、偏光ビームスプリッターを挙げることができる。偏光ビームスプリッターはP偏光の光は透過し、S偏光の光を反射する。あるいは又、このような機能を有する第1光路合成部として、ハーフミラーを挙げることができる。
具体的には、画像形成装置から出射された画像は、第2光路合成部を透過し、転送光学装置に入射する。一方、光源からの光(位置検出光)は、第2光路合成部で反射され、転送光学装置を経由して接眼光学装置に到達し、接眼光学装置によって転送光学装置へと戻され、第2光路合成部に入射し、第2光路合成部によって反射され、第1光路合成部に入射する。あるいは又、画像形成装置から出射された画像は、第2光路合成部で反射され、光源からの光(位置検出光)は、第2光路合成部を透過し、転送光学装置を経由して接眼光学装置に到達し、接眼光学装置によって転送光学装置へと戻され、第2光路合成部に入射し、第2光路合成部を透過し、第1光路合成部に入射する。このような機能を有する第2光路合成部として、ハーフミラー、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過するダイクロイックミラー、可視光だけを反射させ、赤外光を透過させるコールドミラーを挙げることができる。
更には、光源は、前述したとおり、赤外線を出射する形態とすることができるが、これに限定するものではなく、所定の波長を有する可視光を受光する形態とすることもできる。尚、前者(赤外線を出射する形態)の場合、光源は、例えば、赤外線を出射する発光ダイオード、あるいは、赤外線を出射する半導体レーザ素子、赤外線を出射する半導体レーザ素子と光拡散板の組合せから構成することができる。また、受光部は、前述した非分割型あるいは分割型の受光部以外にも、赤外線を検出することができる撮像装置(赤外線カメラ)やセンサ(赤外線センサ)から構成することもできる。撮像装置の前方に、検出に使用する赤外線の波長のみを通過させるフィルタ(赤外線透過フィルタ)を搭載することで、後段の画像処理を簡素化することができる。一方、後者(所定の波長を有する可視光を受光する形態)の場合、受光部は、可視光を検出することができる撮像装置(カメラ)やセンサ(イメージセンサ)から構成することができる。また、後者(所定の波長を有する可視光を受光する形態)の場合、接眼光学装置は、集光特性に波長依存性を有する構成とすることができ、また、接眼光学装置は、レンズ部材から成る構成とすることができるし、ホログラム素子から成る構成とすることもでき、更には、場合によっては、受光部を構成する撮像装置(カメラ)やセンサは、得られた接眼光学装置の画像を画像処理することで、接眼光学装置の位置を特定することができる。この場合、再帰性反射素子は不要であるが、例えば、カラーマーカーを接眼光学装置に取り付けることで、画像処理の簡素化を図ることができる。
光源から出射された位置検出光を、第1光路合成部に入射させる光を平行光とするために光源に隣接して配置したカップリングレンズを経由して第1光路合成部に入射させる場合、位置検出光が通過する全ての光学素子(第1光路合成部、第2光路合成部及び転送光学装置だけでなく、カップリングレンズも含む)を、接眼光学装置における位置検出光のスポットサイズより大きくする必要がある。具体的には、再帰性反射素子の大きさと、各種動作時のマージンと、想定される観察者の移動範囲内で生じ得る進行軸のズレとを考慮して、カップリングレンズの大きさを設計することが必要となり、表示装置、全体の小型化が困難となる場合がある。光源をカップリングレンズの焦点位置より内側に配置することで、前述したように、光源から出射された光(位置検出光)は発散光となり、表示装置、全体の小型化を実現することができる。また、光学設計において、小型化の観点から本体内の光路長(光源から転送光学装置までの距離)を、できるだけ短くすることが望ましい。
本開示の表示装置等には、周知のアイトラッキング装置(アイトラッキングカメラ)が備えられていてもよい。アイトラッキング装置にあっては、例えば、角膜上に光(例えば、近赤外線)の反射点を生じさせ、それをアイトラッキング装置で撮像し、撮像された眼球の画像から、角膜上の光の反射点及び瞳を識別し、光の反射点やその他の幾何学的特徴を基に眼球の方向が算出される。また、観察者の瞳径を計測する瞳径計測部を備えていてもよい。瞳径計測部として、周知のアイトラッキング装置(アイトラッキングカメラ)を挙げることができる。具体的には、アイトラッキング装置で記録された目の画像に基づき、アイトラッキング装置から瞳までの距離が算出され、撮像された画像の中の瞳の直径から瞳径を求めることができる。瞳孔径を求めることによって、画像の輝度の制御、瞳への画像の入射の最適化を行うことができる。
以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の表示装置等において、接眼光学装置を、半透過(シースルー)型とすることができ、これによって、接眼光学装置を介して外景を眺めることができる。そして、この場合、接眼光学装置は、ホログラム素子から構成され、あるいは又、ホログラム素子を備えている形態とすることができる。場合によっては、接眼光学装置を非透過型(接眼光学装置を介して外景を眺めることができない形態)とすることもできる。
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の表示装置等において、画像表示装置は観察者よりも前方に配置されている形態とすることができる。尚、画像表示装置は、観察者よりも前方に配置されていれば、転送光学装置や接眼光学装置の仕様に依存するが、観察者の頭部よりも高い所に位置していてもよいし、観察者の頭部と同じレベルに位置していてもよいし、観察者の頭部よりも低い所に位置していてもよいし、観察者に対向して位置していてもよいし、観察者に対して斜めに位置していてもよい。表示装置を非透過型とする場合には、画像表示装置を観察者の正面に配置することもできる。
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の表示装置等において、画像形成装置は、2次元マトリクス状に配列された複数の画素を有する形態とすることができる。このような画像形成装置の構成を、便宜上、『第1構成の画像形成装置』と呼ぶ。
第1構成の画像形成装置として、例えば、反射型空間光変調装置及び光源から構成された画像形成装置;透過型空間光変調装置及び光源から構成された画像形成装置;有機EL(Electro Luminescence)、無機EL、発光ダイオード(LED)、半導体レーザ素子等の発光素子から構成された画像形成装置を挙げることができるが、中でも、有機EL発光素子から構成された画像形成装置(有機EL表示装置)、反射型空間光変調装置及び光源から構成された画像形成装置とすることが好ましい。空間光変調装置として、ライト・バルブ、例えば、LCOS(Liquid Crystal On Silicon)等の透過型あるいは反射型の液晶表示装置、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)を挙げることができ、光源として発光素子を挙げることができる。更には、反射型空間光変調装置は、液晶表示装置、及び、光源からの光の一部を反射して液晶表示装置へと導き、且つ、液晶表示装置によって反射された光の一部を通過させて転送光学装置へと導く偏光ビームスプリッターから成る構成とすることができる。光源を構成する発光素子として、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子、白色発光素子を挙げることができる。あるいは又、赤色発光素子、緑色発光素子及び青色発光素子から出射された赤色光、緑色光及び青色光をライトパイプを用いて混色、輝度均一化を行うことで白色光を得てもよい。発光素子として、例えば、半導体レーザ素子や固体レーザ、LEDを例示することができる。画素の数は、画像形成装置に要求される仕様に基づき決定すればよく、画素の数の具体的な値として、320×240、432×240、640×480、1024×768、1920×1080等を例示することができる。第1構成の画像形成装置にあっては、レンズ系(後述する)の前方焦点(画像形成装置側の焦点)の位置に絞りが配置されている形態とすることができる。
あるいは又、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の表示装置等における画像形成装置は、光源、及び、光源から出射された光を走査して画像を形成する走査手段を備えている形態とすることができる。このような画像形成装置を、便宜上、『第2構成の画像形成装置』と呼ぶ。
第2構成の画像形成装置における光源として発光素子を挙げることができ、具体的には、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子、白色発光素子を挙げることができるし、あるいは又、赤色発光素子、緑色発光素子及び青色発光素子から出射された赤色光、緑色光及び青色光をライトパイプを用いて混色、輝度均一化を行うことで白色光を得てもよい。発光素子として、例えば、半導体レーザ素子や固体レーザ、LEDを例示することができる。第2構成の画像形成装置における画素(仮想の画素)の数も、画像形成装置に要求される仕様に基づき決定すればよく、画素(仮想の画素)の数の具体的な値として、320×240、432×240、640×480、1024×768、1920×1080等を例示することができる。また、カラーの画像表示を行う場合であって、光源を赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子から構成する場合、例えば、クロスプリズムを用いて色合成を行うことが好ましい。走査手段として、光源から出射された光を水平走査及び垂直走査する、例えば、二次元方向に回動可能なマイクロミラーを有するMEMSミラーやガルバノミラーを挙げることができる。第2構成の画像形成装置にあっては、レンズ系(後述する)の前方焦点(画像形成装置側の焦点)の位置にMEMSミラーやガルバノミラーが配置されている形態とすることができる。
第1構成の画像形成装置あるいは第2構成の画像形成装置において、レンズ系(出射光を平行光とする光学系)にて複数の平行光とされた光を転送光学装置(具体的には、例えば、可動ミラー)に入射させる。平行光を生成させるためには、具体的には、上述したとおり、例えば、レンズ系における焦点距離の所(位置)に画像形成装置の光出射部を位置させればよい。レンズ系として、凸レンズ、凹レンズ、自由曲面プリズム、ホログラムレンズを、単独、若しくは、組み合わせた、全体として正の光学的パワーを持つ光学系を例示することができる。レンズ系と転送光学装置との間には、レンズ系から不所望の光が出射されて転送光学装置に入射しないように、開口部を有する遮光部をレンズ系の近傍に配置してもよい。
本開示の表示装置等において、接眼光学装置は、フレームに取り付けられている形態とすることができる。フレームは、観察者の正面に配置されるフロント部、フロント部の両端に蝶番を介して回動自在に取り付けられた2つのテンプル部、及び、ノーズパッドを備えている。各テンプル部の先端部にはモダン部が取り付けられている。また、フロント部と2つのテンプル部とが一体となった構成とすることもできる。フレーム(リム部を含む)及びノーズパッドの組立体は、通常の眼鏡と略同じ構造を有する。ノーズパッドを含むフレームを構成する材料は、金属や合金、プラスチック、これらの組合せといった、通常の眼鏡を構成する材料と同じ材料から構成することができる。あるいは又、接眼光学装置は、ゴーグルやフェイスマスクに取り付けられている形態あるいはゴーグルやフェイスマスクに一体となって形成されている形態とすることもできるし、観察者の頭部に装着可能な防災面に類似した形状を有する面部材(フェイス部材、マスク部材)に取り付けられている形態あるいは面部材に一体となって形成されている形態とすることもできる。
観察者に装着される接眼光学装置は非常に簡素な構造であり、駆動部が無いため駆動のための電池等が不要であり、接眼光学装置の小型軽量化を容易に達成することができる。従来のHMDと異なり、画像表示装置は観察者の頭部に装着されていない。画像表示装置は、外部の設備等に配設されており、あるいは又、観察者の手首等にウエアラブル・デバイスとして装着される。画像表示装置が外部の設備等に配設されている例として、
(A)車両や航空機の座席の背(背もたれ)の背面に、乗客向けの画像表示装置が取り付けられている例
(B)劇場等の座席の背(背もたれ)の背面に、観客者向けの画像表示装置が取り付けられている例
(C)車両や航空機、自動車、オートバイ、自転車等に、運転手等向けの画像表示装置が取り付けられている例
(D)観察者に対して一定の距離を維持できるドローン(飛行船タイプを含む)や自走するエージェントロボット(アーム型のロボットを含む)に、画像表示装置が取り付けられている例
(E)パーソナルコンピュータ、携帯電話、スマートウォッチ等において使用されるモニターの代替として使用される例
(F)腕時計への搭載例や、観察者の腕に取り付けられている例
(G)金融機関における現金自動預け払い機において使用されるディスプレイやタッチパネルの代替として使用される例
(H)店舗や事務所において使用されるディスプレイやタッチパネルの代替として使用される例
(I)携帯電話やパーソナルコンピュータの画面を拡大あるいは拡張して表示する例
(J)美術館や遊園地等において使用される表示プレート等の代替として使用される例
(K)喫茶店やカフェ等のテーブルに顧客向けの画像表示装置が取り付けられている例
(L)フルフェイスのヘルメットや防護用のフェイスマスク等に組み込まれている例
(A)車両や航空機の座席の背(背もたれ)の背面に、乗客向けの画像表示装置が取り付けられている例
(B)劇場等の座席の背(背もたれ)の背面に、観客者向けの画像表示装置が取り付けられている例
(C)車両や航空機、自動車、オートバイ、自転車等に、運転手等向けの画像表示装置が取り付けられている例
(D)観察者に対して一定の距離を維持できるドローン(飛行船タイプを含む)や自走するエージェントロボット(アーム型のロボットを含む)に、画像表示装置が取り付けられている例
(E)パーソナルコンピュータ、携帯電話、スマートウォッチ等において使用されるモニターの代替として使用される例
(F)腕時計への搭載例や、観察者の腕に取り付けられている例
(G)金融機関における現金自動預け払い機において使用されるディスプレイやタッチパネルの代替として使用される例
(H)店舗や事務所において使用されるディスプレイやタッチパネルの代替として使用される例
(I)携帯電話やパーソナルコンピュータの画面を拡大あるいは拡張して表示する例
(J)美術館や遊園地等において使用される表示プレート等の代替として使用される例
(K)喫茶店やカフェ等のテーブルに顧客向けの画像表示装置が取り付けられている例
(L)フルフェイスのヘルメットや防護用のフェイスマスク等に組み込まれている例
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の表示装置等にあっては、画像形成装置において画像を表示するための信号(接眼光学装置において虚像を形成するための信号)を外部(表示装置の系外)から受け取る形態とすることができる。このような形態にあっては、画像形成装置において表示する画像に関する情報やデータは、例えば、所謂クラウドコンピュータやサーバーに記録、保管、保存されており、画像表示装置が通信手段、例えば、電話回線や光回線、携帯電話機、スマートフォンを備えることによって、あるいは又、画像表示装置と通信手段とを組み合わせることによって、クラウドコンピュータやサーバーと画像表示装置との間での各種情報やデータの授受、交換を行うことができるし、各種情報やデータに基づく信号、即ち、画像形成装置において画像を表示するための信号を受け取ることができる。あるいは又、画像形成装置において画像を表示するための信号は画像表示装置に記憶されている形態とすることができる。画像形成装置において表示される画像には、各種情報や各種データが含まれる。ウエアラブル・デバイスとしての画像表示装置はカメラ(撮像装置)を備えている形態とすることもでき、カメラによって撮像された画像を通信手段を介してクラウドコンピュータやサーバーに送出し、クラウドコンピュータやサーバーにおいてカメラによって撮像された画像に該当する各種情報やデータを検索し、検索された各種情報やデータを通信手段を介して画像表示装置に送出し、検索された各種情報やデータを画像形成装置において画像を表示してもよい。
以上に説明した種々の形態、構成を含む本開示の表示装置等は、例えば、インターネット上の種々のサイトにおける各種情報等の表示、各種装置等の観察対象物の運転、操作、保守、分解時等における各種説明や、記号、符号、印、標章、図案等の表示;人物や物品等の観察対象物に関する各種説明や、記号、符号、印、標章、図案等の表示;動画や静止画の表示;映画等の字幕の表示;映像に同期した映像に関する説明文やクローズド・キャプションの表示;芝居や歌舞伎、能、狂言、オペラ、音楽会、バレー、各種演劇、遊園地(アミューズメントパーク)、美術館、観光地、行楽地、観光案内等における観察対象物に関する各種説明、その内容や進行状況、背景等を説明するための説明文等の表示に用いることができるし、クローズド・キャプションの表示に用いることができる。芝居や歌舞伎、能、狂言、オペラ、音楽会、バレー、各種演劇、遊園地(アミューズメントパーク)、美術館、観光地、行楽地、観光案内等にあっては、適切なタイミングで観察対象物に関連した画像としての文字を画像形成装置において表示すればよい。具体的には、例えば、映画等の進行状況に応じて、あるいは又、芝居等の進行状況に応じて、所定のスケジュール、時間配分に基づき、作業者の操作によって、あるいは、コンピュータ等の制御下、画像制御信号が画像形成装置に送出され、画像が画像形成装置にて表示される。また、各種装置、人物や物品等の観察対象物に関する各種説明の表示を行うが、カメラによって各種装置、人物や物品等の観察対象物を撮影(撮像)し、画像形成装置において撮影(撮像)内容を解析することで、予め作成しておいた各種装置、人物や物品等の観察対象物に関する各種説明の表示を画像形成装置にて行うことができる。
以上に説明したように、本開示の表示装置は、光源分離型の網膜直描型アイウェアであり、画像を観察者が観察することを可能とするが、如何に安定的に瞳に光(画像)を導くかが重要となる。光源分離型の網膜直描型アイウェアにおいては画像表示装置と観察者とが別体として存在するため、画像表示装置と観察者との位置関係を一定に保ちながら、画像表示装置からの画像を観察者の瞳に導く機構が重要である。画像表示装置と観察者との位置関係が一定に保たれない場合、画像表示装置から観察者の瞳に画像を導く経路が狭まるため、観察者の姿勢等、画像を観察できる状態に大きな制限を受けることになる。そして、これでは、長時間の画像の観察に耐えることができない。本開示の表示装置では、観察者と、観察者から分離された画像表示装置との位置関係を一定に保つ役割を有する載置部と、画像形成装置からの画像を観察者の瞳に導く転送光学装置との2つの機構を組み合わせることで、安定した画像の観察を実現する。
網膜直描による画像の観察を実現するために、接眼光学装置は、例えば、ホログラムレンズを備えている。図10に示すように、通常の画角等を考慮して、ホログラムレンズは眼前10mm乃至30mm付近の通常の眼鏡のレンズと同等の位置に配置される。
安定的に画像を観察するためには、接眼光学装置と瞳との位置関係を保つことが重要であり、接眼光学装置の集光点が瞳から外れると画像を視認できなくなる。画像を接眼光学装置に導く際、図11の(A)に示すように、画像が観察者の瞳に真っ直ぐに侵入する場合には問題は生じないが、画像が観察者の瞳に斜めに侵入する場合、図11の(B)に示すように、画像の結像ポイントが瞳からズレるという現象が発生する。発生するズレは幾何学的に求められ、ズレ量をL(単位:mm)、ホログラムレンズの焦点距離をf(単位:mm)、ズレた画像の入射角度をθ(度)とすると、
L=f×tan(θ)
となる。瞳孔が最小直径2mmであるときに、即ち、L=1mmであるときに、画像を瞳に導くことを想定する。画像形成装置からホログラムレンズまでの距離を400mm、ホログラムレンズの焦点距離fを15mmとした場合、画像を視認できる光線の角度は、
1=15×tan(θ)
から、θ=3.8度となる。従って、画像表示装置に対して観察者が例えばζ方向に動ける範囲に換算すると、
400×tan(3.8)=26.5mm
となる。即ち、観察者は、画像表示装置に対して、ζ方向に約±27mmしか動けないことになる。これでは数分の画像の観察では問題が生じないかもしれないが、長時間、画像を見ることは困難である。
L=f×tan(θ)
となる。瞳孔が最小直径2mmであるときに、即ち、L=1mmであるときに、画像を瞳に導くことを想定する。画像形成装置からホログラムレンズまでの距離を400mm、ホログラムレンズの焦点距離fを15mmとした場合、画像を視認できる光線の角度は、
1=15×tan(θ)
から、θ=3.8度となる。従って、画像表示装置に対して観察者が例えばζ方向に動ける範囲に換算すると、
400×tan(3.8)=26.5mm
となる。即ち、観察者は、画像表示装置に対して、ζ方向に約±27mmしか動けないことになる。これでは数分の画像の観察では問題が生じないかもしれないが、長時間、画像を見ることは困難である。
このような問題を回避するために、ホログラムレンズに対して適切に画像を導いた状態で瞳に対するホログラムレンズの位置を移動させることで、画像を瞳に導く手法が考えられる。しかしながら、このような方法では、眼鏡部に瞳を認識する機構とホログラムレンズを動かす機構とを配設する必要があり、軽量化を図ることができない。本開示の表示装置にあっては、画像を制御する微調整機構(具体的には、転送光学装置)と、画像表示装置を移動させる粗調整機構(具体的には、載置部)とを組み合わせて、観察者への追従時、画像が観察者の瞳に侵入しなくなることを防止し、画像表示装置に対する観察者の観察位置の範囲を拡大することができる。ここで、転送光学装置は、高い駆動分解能と素早い応答性に基づき制御され、載置部は、転送光学装置と比べて大きな駆動ストローク及び相対的に低い移動速度に基づき制御される。載置部による画像表示装置の移動量として、例えば、X方向に±160mm、Y方向に±160mm、Z方向に±100mmを例示することができる。また、接眼光学装置への画像形成中心光の入射角として、最大35度を例示することができる。
しかも、観察者の接眼光学装置の装着負担を軽減するために、画像形成装置、転送光学装置、第1位置検出装置、第2位置検出装置は画像表示装置側に配置されている。即ち、本開示の表示装置にあっては、画像表示装置と接眼光学装置とは空間的に分離して配置されており、画像表示装置、転送光学装置を制御するので、接眼光学装置の質量や大きさの増加等、観察者に負担が強いられる構造では無く、観察者に負担を強いること無く、画像を観察者の瞳に確実に到達させることができる。
実施例1は、本開示の表示装置に関する。実施例1の表示装置の概念図を図1に示し、実施例1の表示装置を構成する接眼光学装置を装着した観察者を正面から眺めた模式図を図2に示し、載置部等の斜視図を図3に示す。
実施例1あるいは後述する実施例2~実施例4における表示装置は、
接眼光学装置40、
画像形成装置20、及び、画像形成装置20から入射された画像を接眼光学装置40へと出射する転送光学装置30を備えた画像表示装置10、並びに、
画像表示装置10を載置する載置部100、
を備えており、
接眼光学装置40と画像表示装置10とは、空間的に分離して配置されており、
接眼光学装置40は、転送光学装置30からの画像を観察者70の網膜に結像させ、
観察者70の網膜に結像される画像の水平方向をζ方向、画像の垂直方向をη方向、画像の奥行き方向をξ方向とし、ζ方向に相当する載置部100の移動方向をX方向、η方向に相当する載置部100の移動方向をY方向、ξ方向に相当する載置部100の移動方向をZ方向としたとき、載置部100は、X方向、Y方向及びZ方向の内の少なくとも1方向に画像表示装置10を移動可能である。
接眼光学装置40、
画像形成装置20、及び、画像形成装置20から入射された画像を接眼光学装置40へと出射する転送光学装置30を備えた画像表示装置10、並びに、
画像表示装置10を載置する載置部100、
を備えており、
接眼光学装置40と画像表示装置10とは、空間的に分離して配置されており、
接眼光学装置40は、転送光学装置30からの画像を観察者70の網膜に結像させ、
観察者70の網膜に結像される画像の水平方向をζ方向、画像の垂直方向をη方向、画像の奥行き方向をξ方向とし、ζ方向に相当する載置部100の移動方向をX方向、η方向に相当する載置部100の移動方向をY方向、ξ方向に相当する載置部100の移動方向をZ方向としたとき、載置部100は、X方向、Y方向及びZ方向の内の少なくとも1方向に画像表示装置10を移動可能である。
このように、接眼光学装置40と画像表示装置10とは空間的に分離して配置されているが、具体的には、接眼光学装置40と画像表示装置10とは、相互に分離して配置されており、一体的に接続されていない。また、接眼光学装置40と画像表示装置10とは相対的に移動可能である。即ち、画像表示装置10は、観察者70から離れた所に配置され、あるいは又、観察者70の頭部とは離れた観察者70の部位に配置されている。実施例1あるいは後述する実施例2~実施例4における表示装置は、マクスウェル視に基づく網膜投影型(網膜直描型)の表示装置である。載置部100は、画像表示装置10を載置しているが、画像表示装置10の全体を載置していてもよいし、場合によっては、画像表示装置10の一部を載置していてもよい。
そして、実施例1の表示装置において、載置部100は、少なくともX方向及びZ方向に画像表示装置10を移動可能である。また、表示装置は、接眼光学装置40の位置を検出する第1位置検出装置60を備えており、第1位置検出装置60によって得られた観察者70の位置情報あるいは接眼光学装置40の位置情報に基づき、載置部100は画像表示装置10を移動させる。転送光学装置30は可動ミラーを備えている。ここで、第1位置検出装置60は、カメラ(撮像装置)、又は、TOF(Time Of Flight)センサ(即ち、TOF方式の距離測定装置、あるいは、インダイレクト(間接)TOF方式の距離測定装置)を備えている。
TOF方式の距離測定装置にあっては、パルス状の光を接眼光学装置40に照射し、この光が接眼光学装置40との間を往復するときの時間遅れを検出する。また、インダイレクト(間接)TOF方式の距離測定装置にあっては、パルス状の光を接眼光学装置40に照射し、この光が接眼光学装置40との間を往復するときの時間遅れを位相差として検出する。
インダイレクト(間接)TOF方式では、受光強度の変化を必ずしも直接電気信号に変換する必要はなく、センサ上で同期検波する(位相ずれ量を電荷量として検出する)ことができる。より具体的には、距離測定装置に設けられた制御回路の制御下、距離測定装置は、第1期間TP1及び第2期間TP2において、距離測定装置の光源から出射された光に基づき接眼光学装置40を撮像して、第1期間TP1にあっては、距離測定装置の受光装置において得られた第1画像信号電荷を第1電荷蓄積部に蓄積し、第2期間TP2にあっては、距離測定装置の受光装置において得られた第2画像信号電荷を第2電荷蓄積部に蓄積する。そして、制御回路は、第1電荷蓄積部に蓄積された第1画像信号電荷と、第2電荷蓄積部に蓄積された第2画像信号電荷とに基づき、距離測定装置から接眼光学装置40までの距離を求める。ここで、第1画像信号電荷をQ1、第2画像信号電荷をQ2、cを光速、TPを第1期間TP1及び第2期間TP2の時間(パルス幅)としたとき、距離測定装置から接眼光学装置40までの距離Dは、
D=(c・TP/2)×Q2/(Q1+Q2)
に基づき求めることができる。
D=(c・TP/2)×Q2/(Q1+Q2)
に基づき求めることができる。
第1位置検出装置60をカメラから構成することもできる。そして、位置表示手段41の大きさや、位置表示手段41までの距離、位置表示手段41が複数配設されている場合には複数の位置表示手段41の間の距離を測定する。第1位置検出装置60を構成するカメラは、表示装置の使用開始時、観察者70の位置あるいは接眼光学装置40の位置を特定するための粗調整用としても用いることができる。即ち、表示装置の使用開始時、観察者70の位置あるいは接眼光学装置40の位置をカメラで探し、載置部100の位置調整を行い、更に、転送光学装置30を粗調整し、受光部54(後述する)が位置検出光を受光し始めたならば、第2位置検出装置50(後述する)によって転送光学装置30を微調整すればよい。
また、実施例1の表示装置において、画像表示装置10は、更に、転送光学装置・制御装置31を備えており、転送光学装置・制御装置31は、画像形成装置20から出射された画像が接眼光学装置40に到達するように転送光学装置30を制御する。画像表示装置10は、更に、接眼光学装置40の位置を検出する第2位置検出装置50を備えており、第2位置検出装置50によって検出された接眼光学装置40の位置情報に基づき、転送光学装置・制御装置31は、画像表示装置10に備えられた制御部11の制御下、画像形成装置20から出射された画像が接眼光学装置40に到達するように転送光学装置30を制御する。即ち、転送光学装置・制御装置31によって、転送光学装置30は、観察者70の網膜に結像される画像の水平方向(ζ方向)及び垂直方向(η方向)に沿った、観察者70の網膜への画像投影制御を行う。云い換えれば、転送光学装置30は、接眼光学装置40に向かう光(画像形成光)をX方向又はY方向に移動させる制御を行う。また、第1位置検出装置60によって、又は、第2位置検出装置50によって、又は、第1位置検出装置60及び第2位置検出装置50によって検出された観察者70の位置情報あるいは接眼光学装置40の位置情報に基づき、制御部11は画像形成装置20における画像の形成を制御する。
載置部100に対して接眼光学装置40は移動可能であるし、接眼光学装置40は観察者70に装着されるし、接眼光学装置40はホログラムレンズを備えている。ホログラムレンズは、図示しない支持部材に取り付けられている。あるいは又、ホログラムレンズは、支持部材に支持部材と一体となって設けられている。
図3の斜視図に示すように、実施例1の表示装置において、載置部100は、画像表示装置10を載置する載置テーブル110を備えている。また、載置テーブル110をX方向に移動させるX方向移動機構、載置テーブル110をZ方向に移動させるZ方向移動機構、載置テーブル110に載置された画像表示装置10をY方向に移動させるY方向移動機構を備えている。載置テーブル110は、載置部100に配置された載置台101の上を自在に移動可能である。X方向移動機構、Z方向移動機構及びY方向移動機構の動作は、制御部11によって制御される。
画像表示装置10及びY方向移動機構は、支持台150に載置されており、支持台150は、載置テーブル110に取り付けられている。支持台150の下面には受け部材151が取り付けられており、後述する第2ガイド部122,132が受け部材151を貫通しており、第2ガイド部122,132のX方向、Z方向への移動に伴い、支持台150がX方向、Z方向へと移動する結果、画像表示装置10がX方向、Z方向へと移動する。画像表示装置10及びY方向移動機構の質量は、載置テーブル110、更には、載置台101が受け止める構造であり、X方向移動機構及びZ方向移動機構へは、画像表示装置10及びY方向移動機構の質量が直接加わらない構造となっている。また、このような構造とすることで、低振動の駆動が可能となる。
Z方向移動機構は、載置台101に取り付けられたモータ120(図3では、隠れて見えない)と、載置台101に取り付けられた2つの第1-Zガイド部121と、第1-Zガイド部121に沿って自在に滑動する第2-Zガイド部122とから構成されている。第1-Zガイド部121と第2-Zガイド部122によって、軸摺動機構が構成される。第2-Zガイド部122の両端には、第1-Zガイド部121と螺合する摺動部123が配設されている。2つの第1-Xガイド部131の両端にはベルトプーリーが配設されており、ベルトプーリーにベルト124が配されており、ベルト124に摺動部123が取り付けられている。モータ120の回動によって一方の第1-Xガイド部131が回動させられ、一方の第1-Xガイド部131の回動によってベルトプーリーを介してベルト124が移動させられる。そして、その結果、ベルト124に取り付けられた摺動部123が移動し、第2-Zガイド部122は第1-Zガイド部121に対して自在に滑動し、Z方向に移動する。尚、ベルト124の張力を調整する調整機構(図示せず)がベルトプーリーに設けられている。
X方向移動機構は、載置台101に取り付けられたモータ130と、載置台101に取り付けられた2つの第1-Xガイド部131と、第1-Xガイド部131に沿って自在に滑動する第2-Xガイド部132とから構成されている。第1-Xガイド部131と第2-Xガイド部132によって、軸摺動機構が構成される。第2-Xガイド部132の両端には、第1-Xガイド部131と螺合する摺動部133が配設されている。2つの第1-Zガイド部121の両端にはベルトプーリーが配設されており、ベルトプーリーにベルト134が配されており、ベルト134に摺動部133が取り付けられている。モータ130の回動によって一方の第1-Zガイド部121が回動させられ、一方の第1-Zガイド部121の回動によってベルトプーリーを介してベルト134が移動させられる。そして、その結果、ベルト134に取り付けられた摺動部133が移動し、第2-Xガイド部132は第1-Xガイド部131に対して自在に滑動し、X方向に移動する。尚、ベルト134の張力を調整する調整機構(図示せず)がベルトプーリーに設けられている。
Y方向移動機構は、載置テーブル110に配設されたモータ140と、載置テーブル110(より具体的には、支持台150)に配設され、画像表示装置10を取り付けたガイド部(リードスクリューから構成されている)141と、モータ140とガイド部141とを結ぶ伝達機構142から構成されている。Y方向移動機構にあっては、モータ140の回動は、図示しないベルト及び伝達機構142を介してガイド部141に伝えられ、ガイド部141の回動によって、ガイド部141に取り付けられた画像表示装置10はY方向に沿って上下に自在に滑動(移動)する。
また、載置テーブル110に載置された画像表示装置10をX方向と平行に延びるX軸を中心として回動させるX方向回動機構、載置テーブル110に載置された画像表示装置10をZ方向と平行に延びるZ軸を中心として回動させるZ方向回動機構、載置テーブル110に載置された画像表示装置10をY方向と平行に延びるY軸を中心として回動させるY方向回動機構の内の少なくとも1種類の回動機構を備えていてもよい。
第2位置検出装置50は、
光源51、
第1光路合成部52、
第2光路合成部53、及び、
受光部54、
を具備している。そして、
画像形成装置20から出射された画像(画像形成光)は、第2光路合成部53、転送光学装置30、接眼光学装置40を経由して、観察者70の網膜に結像され、
光源51から出射された光(位置検出光)は、第1光路合成部52、第2光路合成部53、転送光学装置30を経由して接眼光学装置40に到達し、接眼光学装置40によって転送光学装置30へと戻され、転送光学装置30及び第2光路合成部53を経由して第1光路合成部52に入射し、光源51とは異なる方向に第1光路合成部52から出射され、受光部54に入射する。即ち、光源51から出射された光(位置検出光)は、第1光路合成部52によって反射され、第2光路合成部53に入射する。そして、第2光路合成部53で反射され、転送光学装置30を経由して接眼光学装置40に到達し、接眼光学装置40によって転送光学装置30へと戻され、第2光路合成部53に入射し、第2光路合成部53によって反射され、第1光路合成部52に入射し、第1光路合成部52を透過し、受光部54に入射する。
光源51、
第1光路合成部52、
第2光路合成部53、及び、
受光部54、
を具備している。そして、
画像形成装置20から出射された画像(画像形成光)は、第2光路合成部53、転送光学装置30、接眼光学装置40を経由して、観察者70の網膜に結像され、
光源51から出射された光(位置検出光)は、第1光路合成部52、第2光路合成部53、転送光学装置30を経由して接眼光学装置40に到達し、接眼光学装置40によって転送光学装置30へと戻され、転送光学装置30及び第2光路合成部53を経由して第1光路合成部52に入射し、光源51とは異なる方向に第1光路合成部52から出射され、受光部54に入射する。即ち、光源51から出射された光(位置検出光)は、第1光路合成部52によって反射され、第2光路合成部53に入射する。そして、第2光路合成部53で反射され、転送光学装置30を経由して接眼光学装置40に到達し、接眼光学装置40によって転送光学装置30へと戻され、第2光路合成部53に入射し、第2光路合成部53によって反射され、第1光路合成部52に入射し、第1光路合成部52を透過し、受光部54に入射する。
実施例1あるいは後述する実施例2~実施例4の表示装置において、光源51は、画像と干渉しないアイセーフ波長帯(例えば、1.55μm前後の波長)の赤外線を出射する。具体的には、光源51は、赤外線を出射する半導体レーザ素子から成る。また、光源51から出射され、第1光路合成部52に入射する光(位置検出光)は、発散光である。光源51と第1光路合成部52との間にカップリングレンズ55が配置されている。光源51はカップリングレンズ55の焦点位置より内側に配置されている。これによって、光源51から出射された光は発散光となり、表示装置、全体の小型化を実現することができる。また、第1光路合成部52をビームスプリッターから構成することができるし、第2光路合成部53をダイクロイックミラーから構成することができる。光源51から出射された赤外線(位置検出光)は、画像と干渉しない。
受光部54は、限定するものではないが、複数のフォトダイオードから構成されており、複数のフォトダイオード(具体的には、4つのダイオード54A,54B,54C,54D)の電圧を比較することで位置検出光の位置を検出する。受光部54と第1光路合成部52との間にはレンズ部材56が配置されている。そして、受光部54は、光源51と光学的に共役な位置よりも第1光路合成部52に近い位置(インフォーカス側)に配置されている。即ち、受光部54は、位置検出光のビームウエスト位置(スポット径が最小となる位置)よりも第1光路合成部側に配置されている。そして、これによって、異物耐性の向上を図ることができる。
転送光学装置30は可動ミラーから成る。転送光学装置30は、転送光学装置30の動きを制御する転送光学装置・制御装置31に取り付けられており、転送光学装置・制御装置31は制御部11によって制御される。転送光学装置30は、転送光学装置30に入射した光(画像形成光及び位置検出光)をX方向に移動させるガルバノミラーとY方向に移動させるガルバノミラーの2つのガルバノミラーの組合せから構成されている。但し、これに限定するものでない。また、転送光学装置・制御装置31は、VCMやハーモニックドライブ、クラウンギア、トラクションドライブ、超音波モータ等の角速度変動の無い駆動機構から構成されており、転送光学装置30は、転送光学装置・制御装置31によって駆動(変位)される。尚、転送光学装置・制御装置31の具体的な機構については、図示していない。
実施例1において、接眼光学装置40は、周知のホログラム素子を備えている。また、実施例1の表示装置において、接眼光学装置40には、位置表示手段41(位置被検出手段)、具体的には、再帰性反射素子、より具体的には、限定するものではないが、再帰性反射マーカーが固定されている。再帰性反射マーカーは、入射光と反射光が同じ方向になるように作製された光反射部品であり、この特性を利用することで、原理的には、観察者70が動いても必ず転送光学装置30に戻り光が戻ってくる。その結果、転送光学装置30と再帰性反射マーカーとの相対位置関係に依らず、再帰性反射マーカーの位置を検出することができる。再帰性反射マーカーは、フレーム90に対して迷彩色であることが望ましい。尚、位置表示手段41に波長選択性を付与すれば、具体的には、位置表示手段41を、位置検出光を反射し、その他の光を透過する構成、構造とすれば、位置表示手段41を、接眼光学装置40を構成するホログラム素子に取り付け、あるいは又、ホログラム素子に形成してもよい。
接眼光学装置40は観察者70に装着される形態とすることができる。具体的には、接眼光学装置40は、観察者70の頭部に装着されるフレーム90(例えば、眼鏡型のフレーム90)に取り付けられている。より具体的には、接眼光学装置40はフロント部91に備えられたリムに嵌め込まれている。フレーム90は、観察者70の正面に配置されるフロント部91と、フロント部91の両端に蝶番92を介して回動自在に取り付けられた2つのテンプル部93と、各テンプル部93の先端部に取り付けられたモダン部(先セル、耳あて、イヤーパッドとも呼ばれる)94から成る。また、ノーズパッド部(図示せず)が取り付けられている。フレーム90及びノーズパッド部の組立体は、基本的には、通常の眼鏡と略同じ構造を有する。
実施例1あるいは後述する実施例2~実施例4の画像表示装置にあっては、或る瞬間に表示装置から出射された光(例えば、1画素分あるいは1副画素分の大きさに相当する)は観察者70の瞳71(具体的には、水晶体)に到達し、水晶体を通過した光は、最終的に、観察者70の網膜において結像する。
図4Aに示すように、画像形成装置20(以下、図4Aに示す画像形成装置を画像形成装置20aと呼ぶ)は、第1構成の画像形成装置であり、2次元マトリクス状に配列された複数の画素を有する。具体的には、画像形成装置20aは、反射型空間光変調装置、及び、白色光を出射する発光ダイオードから成る光源21aから構成されている。画像形成装置20aの全体は、筐体24(図4Aでは、一点鎖線で示す)内に納められており、係る筐体24には開口部(図示せず)が設けられており、開口部を介して光学系21d(平行光出射光学系、コリメート光学系)から光が出射される。反射型空間光変調装置は、ライト・バルブとしてのLCOSから成る液晶表示装置(LCD)21cから成る。更には、光源21aからの光の一部を反射して液晶表示装置21cへと導き、且つ、液晶表示装置21cによって反射された光の一部を通過させて光学系21dへと導く偏光ビームスプリッター21bが備えられている。液晶表示装置21cは、2次元マトリクス状に配列された複数(例えば、21d0×480個)の画素(液晶セル、液晶表示素子)を備えている。偏光ビームスプリッター21bは、周知の構成、構造を有する。光源21aから出射された無偏光の光は、偏光ビームスプリッター21bに衝突する。偏光ビームスプリッター21bにおいて、P偏光成分は通過し、系外に出射される。一方、S偏光成分は、偏光ビームスプリッター21bにおいて反射され、液晶表示装置21cに入射し、液晶表示装置21cの内部で反射され、液晶表示装置21cら出射される。ここで、液晶表示装置21cら出射した光の内、「白」を表示する画素から出射した光にはP偏光成分が多く含まれ、「黒」を表示する画素から出射した光にはS偏光成分が多く含まれる。従って、液晶表示装置21cら出射され、偏光ビームスプリッター21bに衝突する光の内、P偏光成分は、偏光ビームスプリッター21bを通過し、光学系21dへと導かれる。一方、S偏光成分は、偏光ビームスプリッター21bにおいて反射され、光源21aに戻される。光学系21dは、例えば凸レンズから構成され、平行光を生成させるために、光学系21dにおける焦点距離の所(位置)に画像形成装置20a(より具体的には、液晶表示装置21c)が配置されている。画像形成装置20aから出射された画像は、転送光学装置30及び接眼光学装置40を介して観察者70の網膜に到達する。
あるいは又、図4Bに示すように、画像形成装置20(以下、図4Bに示す画像形成装置を画像形成装置20bと呼ぶ)は、有機EL表示装置22aから構成されている。有機EL表示装置22aから出射され画像は、凸レンズ22bを通過し、平行光となって、転送光学装置30及び接眼光学装置40を介して観察者70の網膜に到達する。有機EL表示装置22aは、2次元マトリクス状に配列された複数(例えば、640×480個)の画素(有機EL素子)を備えている。
あるいは又、図4Cに示すように、第2構成の画像形成装置である画像形成装置20(以下、図4Cに示す画像形成装置を画像形成装置20cと呼ぶ)は、
光源23a、
光源23aから出射された光を平行光とするコリメート光学系23b、
コリメート光学系23bから出射された平行光を走査する走査手段23d、及び、
走査手段23dによって走査された平行光をリレーし、出射するリレー光学系23e、
から構成されている。尚、画像形成装置20c全体が筐体24(図4Cでは、一点鎖線で示す)内に納められており、係る筐体24には開口部(図示せず)が設けられており、開口部を介してリレー光学系23eから光が出射される。光源23aは、発光素子、具体的には、発光ダイオードや半導体レーザ素子から構成されている。そして、光源23aから出射された光は、全体として正の光学的パワーを持つコリメート光学系23bに入射し、平行光として出射される。そして、この平行光は、全反射ミラー23cで反射され、マイクロミラーを二次元方向に回動自在とし、入射した平行光を2次元的に走査することができるMEMSから成る走査手段23dによって水平走査及び垂直走査が行われ、一種の2次元画像化され、仮想の画素(画素数は、例えば、画像形成装置20aと同じとすることができる)が生成される。そして、仮想の画素からの光は、周知のリレー光学系から構成されたリレー光学系(平行光出射光学系)23eを通過し、画像形成装置20cから出射された画像は、転送光学装置30及び接眼光学装置40を介して観察者70の網膜に到達する。光源23aを赤色発光素子、緑色発光素子及び青色発光素子から構成すれば、観察者70はカラー画像を検出することが可能となるし、光源23aを1種類の発光素子から構成すれば、観察者70は単色の画像を検出することが可能となる。
光源23a、
光源23aから出射された光を平行光とするコリメート光学系23b、
コリメート光学系23bから出射された平行光を走査する走査手段23d、及び、
走査手段23dによって走査された平行光をリレーし、出射するリレー光学系23e、
から構成されている。尚、画像形成装置20c全体が筐体24(図4Cでは、一点鎖線で示す)内に納められており、係る筐体24には開口部(図示せず)が設けられており、開口部を介してリレー光学系23eから光が出射される。光源23aは、発光素子、具体的には、発光ダイオードや半導体レーザ素子から構成されている。そして、光源23aから出射された光は、全体として正の光学的パワーを持つコリメート光学系23bに入射し、平行光として出射される。そして、この平行光は、全反射ミラー23cで反射され、マイクロミラーを二次元方向に回動自在とし、入射した平行光を2次元的に走査することができるMEMSから成る走査手段23dによって水平走査及び垂直走査が行われ、一種の2次元画像化され、仮想の画素(画素数は、例えば、画像形成装置20aと同じとすることができる)が生成される。そして、仮想の画素からの光は、周知のリレー光学系から構成されたリレー光学系(平行光出射光学系)23eを通過し、画像形成装置20cから出射された画像は、転送光学装置30及び接眼光学装置40を介して観察者70の網膜に到達する。光源23aを赤色発光素子、緑色発光素子及び青色発光素子から構成すれば、観察者70はカラー画像を検出することが可能となるし、光源23aを1種類の発光素子から構成すれば、観察者70は単色の画像を検出することが可能となる。
以上のとおり、画像形成装置20で生成された画像は、平行光(あるいは又、ほぼ平行光)の状態で転送光学装置(具体的には、可動ミラー)30に入射し、転送光学装置30によって反射された後、接眼光学装置40に向かう光束とされる。接眼光学装置40は、観察者70の瞳孔が接眼光学装置40の焦点(焦点距離f)の位置に位置する配置されており、投射された光束が接眼光学装置40で集光され、観察者70の瞳孔を通過することで網膜に直接描画され、観察者70は画像を認識することができる。
実施例1あるいは後述する実施例2~実施例4の表示装置にあっては、載置部100による画像表示装置10のX方向、Y方向、Z方向の位置制御に加えて、転送光学装置・制御装置31によって、転送光学装置30は、観察者70の網膜に結像される画像の水平方向(ζ方向)及び/又は垂直方向(η方向)に沿った、観察者70の網膜への画像投影制御を行う。即ち、転送光学装置30は、接眼光学装置40に向かう光をX方向及び/又はY方向に移動させる制御を行う。そして、第2位置検出装置50によって検出された接眼光学装置40の位置情報に基づき、転送光学装置・制御装置31は、制御部11の制御下、画像形成装置20から出射された画像が接眼光学装置40に到達するように転送光学装置30を制御するが、画像形成装置20から出射された画像の全てが接眼光学装置40に到達するように転送光学装置30を制御する形態とすることもできるし、画像形成装置20から出射された画像の一部が接眼光学装置40に到達するように転送光学装置30を制御する形態とすることもできる。
実施例1あるいは後述する実施例2~実施例4の表示装置において、第1光路合成部52から受光部54に入射した光(戻り光)の受光部54への入射位置が所定の位置(基準位置)からズレた場合、ズレを無くすように、転送光学装置・制御装置31は転送光学装置30の位置を制御するが、これについては後に説明する。
片眼で画像を観察する場合には1つの表示装置を用いればよい。また、両眼で画像を観察する場合には2つの表示装置を用いればよいし、以下の構成を有する1つの表示装置を用いてもよい。即ち、2つの接眼光学装置40、並びに、1つの画像形成装置、及び、1つの画像形成装置から出射された画像を分岐させて2つの接眼光学装置40へと出射する2つの転送光学装置30を備えた画像表示装置を備えている構造としてもよいし、あるいは又、2つの接眼光学装置40、並びに、1つの画像形成装置、及び、1つの画像形成装置から出射された画像が入射され、2つの画像に分割して2つの接眼光学装置40へと出射する1つの転送光学装置30を備えた画像表示装置を備えている構造としてもよい。
実施例1の表示装置にあっては、第1位置検出装置60によって検出された観察者70の位置情報あるいは接眼光学装置40の位置情報に基づき、制御部11の制御下、モータ120,130,140を回動させることで、載置テーブル110に載置された画像表示装置10をX方向、Z方向及びY方向に移動させ、画像形成装置20から出射された画像が接眼光学装置40を介して、観察者70の瞳71に到達するように制御する。
更には、実施例1の表示装置にあっては、第2位置検出装置50によって検出された接眼光学装置40の位置情報に基づき、転送光学装置・制御装置31は、制御部11の制御下、画像形成装置20から出射された画像が接眼光学装置40に到達するように転送光学装置30を制御する。具体的には、第1光路合成部52からの光(位置検出光)が受光部54の所定の位置(基準位置)に入射していた状態から、接眼光学装置40に位置変化が生じると(具体的には、例えば、観察者70が動いたとき)、第1光路合成部52からの光(位置検出光)が受光部54に入射する位置に変化が生じる。X方向に相当する受光部54における方向を『x方向』と呼び、Y方向に相当する受光部54における方向を『y方向』と呼ぶ。すると、X方向への接眼光学装置40の位置変化は、第1光路合成部52からの光(位置検出光)が受光部54に入射する位置のx方向への変化である。また、Y方向への接眼光学装置40の位置変化は、第1光路合成部52からの光(位置検出光)が受光部54に入射する位置のy方向への変化である。
それ故、上述したとおり、第1光路合成部52からの光(位置検出光)が受光部54の所定の位置に入射するように、転送光学装置・制御装置31は転送光学装置30の位置を制御し、転送光学装置30からの画像形成光を観察者70の瞳71に確実に入射させる。第1光路合成部52から受光部54に入射した光の受光部54への入射位置が所定の位置からズレた場合、この「ズレ」は、受光部54において、エラー信号(ズレ量に応じて電圧が変化する信号)として検出される。即ち、第1光路合成部52からの光(位置検出光の戻り光)が受光部54の所定の位置(基準位置)に入射していた状態における信号の電圧値をV0、第1光路合成部52から受光部54に入射した光(戻り光)の受光部54への入射位置が所定の位置(基準位置)からズレた状態における信号の電圧値をV1としたとき、V1がV0となるように、転送光学装置・制御装置31は転送光学装置30の位置を制御する。
受光部54は、前述したとおり、4つのフォトダイオード54A,54B,54C,54Dが「田の字」型に並べられた構造(2×2に配列された構造)を有する。そして、それぞれのフォトダイオード54A,54B,54C,54Dが受光した光量に依存して出力電圧(正確には出力は電流であるが、後段にI-V変換素子を配置し、電圧に変換して扱うのが一般的であるため、この部分の説明は省略する)が変化する。各フォトダイオード54A,54B,54C,54Dから出力される4つの電圧信号を、制御部11に設けられたオペアンプの演算回路を通してエラー信号に変換する。各フォトダイオード54A,54B,54C,54Dからの出力信号をVA,VB,VC,VDとすると、x方向(X方向に対応する)とy方向(Y方向に対応する)のエラー信号xError,yErrorは下記のように計算することができる。
xError=(VA+VC)-(VB+VD)
yError=(VA+VB)-(VC+VD)
xError=(VA+VC)-(VB+VD)
yError=(VA+VB)-(VC+VD)
尚、光量が変化するとエラー信号の大きさが変わってしまうため、各方向のエラー信号を和信号(=VA+VB+VC+VD)で規格化した信号を実際の制御信号として用いる場合が多いが、ここでは、説明は省略する。
エラー信号と転送光学装置30と接眼光学装置40の位置との関係を図5を用いて説明する。ここで、電圧値がV0となるときの受光部54への位置検出光スポットを、図5において、実線「A」の円で示し、電圧値がV1となるときの受光部54への位置検出光スポットを、図5において、点線「B」の円で示す。そして、概念的には、円「B」が円「A」に重なるように、転送光学装置・制御装置31は転送光学装置30の位置を制御する。即ち、xErrorの値が「0」になるように転送光学装置30を制御すれば、画像形成中心光が例えば接眼光学装置40の中心に入射するように、画像形成中心光が転送光学装置30から出射される。概念的には、図5の点線「B」で示す位置検出光スポットの重心が、実線「A」で示す円の中心に重なるように、転送光学装置30を制御することで、画像形成中心光を例えば接眼光学装置40の中心に入射させることができる。逆に、xErrorの値が「0」ではない或る値VX_offsetを有するように設定すれば、位置検出中心光が受光部54の中心からズレて入射する状態が正常な状態であるといった系(状態)を作り出すことができる。即ち、図5の点線「B」で示す位置に位置検出光スポットが位置する場合、画像形成中心光が接眼光学装置40の中心に入射している状態と規定することもできる。
実施例2は、実施例1の変形である。実施例1においては、第1位置検出装置60と第2位置検出装置50とを別々の部品とした。一方、実施例2にあっては、第2位置検出装置は第1位置検出装置を兼ねている。即ち、第2位置検出装置50を構成する光源51を高周波で強度変調し、接眼光学装置40に衝突し反射してくる位置検出光を受光部54で受光し、パルス波の位相遅れ時間等から接眼光学装置40までの距離を求める。具体的には、位置検出光をメガヘルツ乃至ギガヘルツのオーダーで変調する。そして、実施例1と同様にして、光源51から出射された光(位置検出光)は、第1光路合成部52、第2光路合成部53、転送光学装置30を経由して接眼光学装置40に到達し、接眼光学装置40によって転送光学装置30へと戻され、転送光学装置30及び第2光路合成部53を経由して第1光路合成部52に入射し、光源51とは異なる方向に第1光路合成部52から出射され、受光部54に入射する。そして、受光部54が出力する信号を変調帯域相当の高域成分(接眼光学装置までの距離を検出するための帯域)とキロヘルツ以下の低域成分(接眼光学装置の位置を検出するための帯域)に分けて信号処理する。即ち、受光部54が出力する高域成分に基づき、TOF方式あるいはインダイレクト(間接)TOF方式に基づき接眼光学装置40までの距離を検出する。また、ローパスフィルタ処理されたキロヘルツ以下の低域成分によって、接眼光学装置40の位置を検出する。
このように、第2位置検出装置が第1位置検出装置を兼ねていることで、部品点数や再帰性反射素子の数を増やすことなく、接眼光学装置の位置を求めることができる。場合によっては、受光部における位置検出光の大きさ(スポットサイズ)に基づき、接眼光学装置までの距離を求めてもよい。
以上の点を除き、実施例2の表示装置の構成、構造は,実施例1において説明した表示装置の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
実施例3は、実施例1~実施例2の変形例である。画像と背景との重畳が要求される場合、画像表示装置10は観察者70の正面には位置しないことが望ましい。常に観察者の視界に画像表示装置が入り込む場合、観察者70は画像や外景に没入できなくなる虞がある。図6に概念図を示すように、実施例3の表示装置において、画像表示装置等(図示を省略)は、観察者70の正面以外の位置に配置されている。その結果、観察者の視界に画像表示装置等が入り込まない状態で、観察者70は画像及び外景を観察することができる。即ち、表示装置を半透過(シースルー)型とすることができ、接眼光学装置40Aを介して外景を眺めることができる。しかしながら、画像表示装置(具体的には、転送光学装置)を観察者70の正面以外の位置に配置すると、投射光が接眼光学装置40Aに斜めに入射する結果、接眼光学装置40Aの焦点位置が観察者70の瞳71からずれるため、観察者70の瞳71に画像が到達しなくなる虞がある。
このような問題に対処するために、接眼光学装置40Aは回折光学部材を備えている。回折光学部材は、回折機能を有する回折手段42、及び、集光機能を有する集光手段43から成る。回折手段42は、例えば、透過型体積ホログラム回折格子から構成すればよいし、集光手段43は、例えば、ホログラム素子から構成すればよい。あるいは又、回折手段42及び集光手段43を1つの部材から構成することもできる。また、回折手段42と集光手段43の配置の順序は、観察者側に集光手段43を配置してもよいし、観察者側に回折手段42を配置してもよい。転送光学装置(可動ミラー)から出射された画像形成光は、回折手段42によって偏向され、進行する角度(方向)を変えられ、集光手段43に入射し、集光手段43によって集光され、観察者70の網膜に結像する。集光機能の波長選択性としては、画像形成装置から出射される画像形成光の波長のみに作用することが求められる。集光機能の波長選択性が弱まり、画像形成装置から出射される光の波長以外の光(例えば、外景の光)を接眼光学装置40Aが集光すると、観察者70は外景が観察し難くなる。
尚、接眼光学装置として一般的な光学ガラスから作製されたレンズ部材を用いる場合、波長選択性が無く、全ての可視光が集光され、観察者70の網膜に到達するため、観察者は投影された画像しか観察することができず、外景を観察することはできない。
実施例3の表示装置の一使用例を図7Aに示すが、図7Aは、実施例3の表示装置を室内で使用している状態の模式図である。部屋80の壁面81に画像表示装置10が配設されている。観察者70が部屋80の所定の位置に立つと、画像表示装置10からの画像が、接眼光学装置40Aに到達し、観察者70は接眼光学装置40Aを介してこの画像を観察することができる。あるいは又、図示しないが、卓上に画像表示装置が配設されており、観察者が卓に近づくと、画像表示装置からの画像が接眼光学装置に到達し、観察者は接眼光学装置を介してこの画像を観察する形態とすることができる。
あるいは又、実施例3の表示装置の別の一使用例を図7Bに示すが、実施例3の表示装置を構成する画像表示装置10を座席82の背(背もたれ)の背面に配設して使用している状態の模式図である。観察者が後ろ側の座席82に着席すると、前側の座席82の背の背面に配設された画像表示装置10から、観察者が装着した接眼光学装置40Aに向けて、画像が出射され、接眼光学装置40Aに到達し、観察者70は接眼光学装置40Aを介してこの画像を観察することができる。より具体的には、車両や航空機の座席の背(背もたれ)の背面に、乗客向けの画像形成装置が取り付けられている例や、劇場等の座席の背(背もたれ)の背面に、観客者向けの画像表示装置が取り付けられている例を挙げることができる。尚、以上に説明した表示装置の使用例は、他の実施例においても適用することができる。
図8に図示するように、オートバイのハンドル部分に画像表示装置10を取り付け、オートバイの操縦者が装着するフルフェイスのヘルメットの部分に接眼光学装置40Aを取り付けてもよい。尚、図8において、画像形成光及び位置検出光を矢印で示した。オートバイのハンドル部分は、場合によっては100ヘルツ以上の高い周波数で振動することが知られている。そのため、数10FPS乃至数100FPSの撮像装置から第2位置検出装置を構成した場合、画像表示装置に伝わる振動に起因して第2位置検出装置による接眼光学装置の位置情報の検出が追従できず、画像から細かい揺れを取り切ることができなくなり、映像酔いの原因になる。例えば第1位置検出装置60としてTOF方式あるいはインダイレクトTOF方式の距離測定装置を採用し、例えば複数のフォトダイオード54A,54B,54C,54Dを備えた受光部54から構成された第2位置検出装置50を用いることで、10キロヘルツ乃至100キロヘルツのオーダーの画像表示装置の動きにも対応することが可能となり、オートバイ等の移動体への組込みに更なる効果を発揮する。実施例3の表示装置の更なる適用例として、画像表示装置が自動車に組み込まれ、接眼光学装置が自動車用のフロントガラスに組み込まれた例や、接眼光学装置が防護用のフェイスマスク等に組み込まれた例を挙げることができる。そして、このような振動する環境で表示装置を使用する場合、VCMやハーモニックドライブ、トラクションドライブ等の応答性に優れた駆動機構の使用が一層適している。
実施例4は、実施例1~実施例3の変形である。概念図を図9に示すように、実施例4の表示装置において、接眼光学装置40Bは、回折格子45を備えており、更に、光入射側に集光部材44を備えている。尚、回折格子45と観察者70の瞳71との間に集光部材44を備えていてもよい。そして、これによって、接眼光学装置40Bの焦点が複数存在するのと等価の構造が得られる。即ち、仮に、例えば実施例1において説明した転送光学装置30から出射された画像が、種々の理由により、観察者70の瞳71に到達しなくなった場合でも、回折格子45の0次の回折光ではなく、例えば、1次の回折光、-1次の回折光等が観察者70の瞳71に到達することで、観察者70にとって一層ロバスト性の高い系を実現することができる。即ち、観察者70への負担を減らしながらも、一層ロバスト性の高い表示装置を実現することができる。また、焦点を複数点用意することができるので、観察者70が画像を観察することができる範囲を拡大することができる。
回折格子45によって、水平方向に3つの画像に分ける形態、垂直方向に3つの画像に分ける形態、水平方向に3つの画像、垂直方向に3つの画像に十文字に画像を分ける形態(中心光進路を含む1つの画像は重複するので、合計5つの画像に分ける形態)、水平方向に2つの画像、垂直方向に2つの画像に、画像を2×2=4に分ける形態、水平方向に3つの画像、垂直方向に3つの画像に、画像を3×3=9に分ける形態を例示することができる。
以上、本開示の表示装置を好ましい実施例に基づき説明したが、本開示の表示装置はこれらの実施例に限定されるものではない。載置部の構成、構造、表示装置の構成、構造、画像表示装置、画像形成装置、転送光学装置あるいは接眼光学装置の構成、構造は、適宜、変更することができる。例えば、表示装置からみて、観察者が不適切な場所にいる場合、観察者を適切な場所に誘導する音声あるいは画像・映像による案内を表示装置は行ってもよい。表示装置は複数の画像形成装置を備えていてもよい。即ち、表示装置は、画像を出射する位置の異なる画像形成装置を、複数、備えており、これらの複数の画像形成装置から同じ画像を射出し、1つの接眼光学装置でこれらの複数の画像の内の1つの画像を受け取る構成とすることもできる。そして、これによって、画像形成装置と観察者の相対的な位置関係の自由度を高くすることができる。即ち、例えば、観察者が所定の位置に位置すると、画像形成装置からの画像が接眼光学装置に到達し、観察者は接眼光学装置を介してこの画像を観察することができるが、この所定の位置の拡大を図ることができる。転送光学装置と接眼光学装置との間にレンズ等の光学部材を配置し、光学部材を画像形成中心光の軸線に沿って転送光学装置に近づく方向、遠ざかる方向に移動させることで、載置部による画像表示装置のZ方向への移動をアシストすることもできる。
尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
[A01]《表示装置》
接眼光学装置、
画像形成装置、及び、画像形成装置から入射された画像を接眼光学装置へと出射する転送光学装置を備えた画像表示装置、並びに、
画像表示装置を載置する載置部、
を備えており、
接眼光学装置と画像表示装置とは、空間的に分離して配置されており、
接眼光学装置は、転送光学装置からの画像を観察者の網膜に結像させ、
観察者の網膜に結像される画像の水平方向をζ方向、画像の垂直方向をη方向、画像の奥行き方向をξ方向とし、ζ方向に相当する載置部の移動方向をX方向、η方向に相当する載置部の移動方向をY方向、ξ方向に相当する載置部の移動方向をZ方向としたとき、載置部は、X方向、Y方向及びZ方向の内の少なくとも1方向に画像表示装置を移動可能である表示装置。
[A02]載置部は、少なくともX方向及びZ方向に画像表示装置を移動可能である[A01]に記載の表示装置。
[A03]更に、接眼光学装置の位置を検出する第1位置検出装置を備えており、
第1位置検出装置によって得られた観察者の位置情報あるいは接眼光学装置の位置情報に基づき、載置部は画像表示装置を移動させる[A02]に記載の表示装置。
[A04]第1位置検出装置は、カメラ又はTOFセンサを備えている[A03]に記載の表示装置。
[A05]画像表示装置は、更に、転送光学装置・制御装置を備えており、
転送光学装置・制御装置は、画像形成装置から出射された画像が接眼光学装置に到達するように転送光学装置を制御する[A01]乃至[A04]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A06]画像表示装置は、更に、接眼光学装置の位置を検出する第2位置検出装置を備えており、
第2位置検出装置によって検出された接眼光学装置の位置情報に基づき、転送光学装置・制御装置は、画像形成装置から出射された画像が接眼光学装置に到達するように転送光学装置を制御する[A01]乃至[A05]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A07]転送光学装置は可動ミラーを備えている[A01]乃至[A06]のいずれか1項に記載の光学装置。
[A08]載置部に対して接眼光学装置は移動可能である[A01]乃至[A07]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A09]接眼光学装置は観察者に装着される[A01]乃至[A08]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A10]接眼光学装置は、ホログラムレンズを備えている[A09]に記載の表示装置。
[A11]第1位置検出装置によって、又は、第2位置検出装置によって、又は、第2位置検出装置及び第1位置検出装置によって検出された観察者の位置情報あるいは接眼光学装置の位置情報に基づき、制御部は画像形成装置における画像の形成を制御する[A01]乃至[A10]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A12]第2位置検出装置は第1位置検出装置を兼ねている[A01]乃至[A11]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A13]転送光学装置・制御装置によって、転送光学装置は、観察者の網膜に結像される画像の水平方向及び垂直方向に沿った、観察者の網膜への画像投影制御を行う[A01]乃至[A12]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A14]転送光学装置は、2つのガルバノミラーの組合せから構成されている[A01]乃至[A13]のいずれか1項に記載の光学装置。
[A15]接眼光学装置には、再帰性反射素子が取り付けられている[A01]乃至[A14]のいずれか1項に記載の光学装置。
[A16]接眼光学装置は、ホログラム素子を備えている[A01]乃至[A15]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A17]接眼光学装置は、回折光学部材を備えている[A01]乃至[A15]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A18]接眼光学装置は、集光部材及び偏向部材を備えている[A01]乃至[A15]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A19]接眼光学装置と画像表示装置とは相対的に移動可能である[A01]乃至[A18]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A20]接眼光学装置は観察者に装着される[A01]乃至[A19]のいずれか1項に記載の表示装置。
[B01]第2位置検出装置は、
光源、
第1光路合成部、
第2光路合成部、及び、
受光部、
を具備しており、
画像形成装置から出射された画像は、第2光路合成部、転送光学装置、接眼光学装置を経由して、観察者の網膜に結像され、
光源から出射された光は、第1光路合成部、第2光路合成部、転送光学装置を経由して接眼光学装置に到達し、接眼光学装置によって転送光学装置へと戻され、転送光学装置及び第2光路合成部を経由して第1光路合成部に入射し、光源とは異なる方向に第1光路合成部から出射され、受光部に入射する[A06]又は[A06]を引用する[A07]乃至[A20]のいずれか1項に記載の表示装置。
[B02]第1光路合成部から受光部に入射した光の受光部への入射位置が所定の位置からズレた場合、ズレを無くすように、転送光学装置・制御装置は転送光学装置の位置を制御する[B01]に記載の光学装置。
[B03]光源は、アイセーフ波長帯の赤外線を出射する[B01]又は[B02]に記載の表示装置。
[B04]光源から出射され、第1光路合成部に入射する光は発散光である[B01]乃至[B03]のいずれか1項に記載の表示装置。
[B05]受光部は、光源と光学的に共役な位置よりも第1光路合成部に近い位置に配置されている[B01]乃至[B04]のいずれか1項に記載の表示装置。
[B06]受光部は、位置検出素子、多分割フォトダイオード、又は、複数のフォトダイオードから構成されている[B01]乃至[B05]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A01]《表示装置》
接眼光学装置、
画像形成装置、及び、画像形成装置から入射された画像を接眼光学装置へと出射する転送光学装置を備えた画像表示装置、並びに、
画像表示装置を載置する載置部、
を備えており、
接眼光学装置と画像表示装置とは、空間的に分離して配置されており、
接眼光学装置は、転送光学装置からの画像を観察者の網膜に結像させ、
観察者の網膜に結像される画像の水平方向をζ方向、画像の垂直方向をη方向、画像の奥行き方向をξ方向とし、ζ方向に相当する載置部の移動方向をX方向、η方向に相当する載置部の移動方向をY方向、ξ方向に相当する載置部の移動方向をZ方向としたとき、載置部は、X方向、Y方向及びZ方向の内の少なくとも1方向に画像表示装置を移動可能である表示装置。
[A02]載置部は、少なくともX方向及びZ方向に画像表示装置を移動可能である[A01]に記載の表示装置。
[A03]更に、接眼光学装置の位置を検出する第1位置検出装置を備えており、
第1位置検出装置によって得られた観察者の位置情報あるいは接眼光学装置の位置情報に基づき、載置部は画像表示装置を移動させる[A02]に記載の表示装置。
[A04]第1位置検出装置は、カメラ又はTOFセンサを備えている[A03]に記載の表示装置。
[A05]画像表示装置は、更に、転送光学装置・制御装置を備えており、
転送光学装置・制御装置は、画像形成装置から出射された画像が接眼光学装置に到達するように転送光学装置を制御する[A01]乃至[A04]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A06]画像表示装置は、更に、接眼光学装置の位置を検出する第2位置検出装置を備えており、
第2位置検出装置によって検出された接眼光学装置の位置情報に基づき、転送光学装置・制御装置は、画像形成装置から出射された画像が接眼光学装置に到達するように転送光学装置を制御する[A01]乃至[A05]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A07]転送光学装置は可動ミラーを備えている[A01]乃至[A06]のいずれか1項に記載の光学装置。
[A08]載置部に対して接眼光学装置は移動可能である[A01]乃至[A07]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A09]接眼光学装置は観察者に装着される[A01]乃至[A08]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A10]接眼光学装置は、ホログラムレンズを備えている[A09]に記載の表示装置。
[A11]第1位置検出装置によって、又は、第2位置検出装置によって、又は、第2位置検出装置及び第1位置検出装置によって検出された観察者の位置情報あるいは接眼光学装置の位置情報に基づき、制御部は画像形成装置における画像の形成を制御する[A01]乃至[A10]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A12]第2位置検出装置は第1位置検出装置を兼ねている[A01]乃至[A11]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A13]転送光学装置・制御装置によって、転送光学装置は、観察者の網膜に結像される画像の水平方向及び垂直方向に沿った、観察者の網膜への画像投影制御を行う[A01]乃至[A12]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A14]転送光学装置は、2つのガルバノミラーの組合せから構成されている[A01]乃至[A13]のいずれか1項に記載の光学装置。
[A15]接眼光学装置には、再帰性反射素子が取り付けられている[A01]乃至[A14]のいずれか1項に記載の光学装置。
[A16]接眼光学装置は、ホログラム素子を備えている[A01]乃至[A15]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A17]接眼光学装置は、回折光学部材を備えている[A01]乃至[A15]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A18]接眼光学装置は、集光部材及び偏向部材を備えている[A01]乃至[A15]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A19]接眼光学装置と画像表示装置とは相対的に移動可能である[A01]乃至[A18]のいずれか1項に記載の表示装置。
[A20]接眼光学装置は観察者に装着される[A01]乃至[A19]のいずれか1項に記載の表示装置。
[B01]第2位置検出装置は、
光源、
第1光路合成部、
第2光路合成部、及び、
受光部、
を具備しており、
画像形成装置から出射された画像は、第2光路合成部、転送光学装置、接眼光学装置を経由して、観察者の網膜に結像され、
光源から出射された光は、第1光路合成部、第2光路合成部、転送光学装置を経由して接眼光学装置に到達し、接眼光学装置によって転送光学装置へと戻され、転送光学装置及び第2光路合成部を経由して第1光路合成部に入射し、光源とは異なる方向に第1光路合成部から出射され、受光部に入射する[A06]又は[A06]を引用する[A07]乃至[A20]のいずれか1項に記載の表示装置。
[B02]第1光路合成部から受光部に入射した光の受光部への入射位置が所定の位置からズレた場合、ズレを無くすように、転送光学装置・制御装置は転送光学装置の位置を制御する[B01]に記載の光学装置。
[B03]光源は、アイセーフ波長帯の赤外線を出射する[B01]又は[B02]に記載の表示装置。
[B04]光源から出射され、第1光路合成部に入射する光は発散光である[B01]乃至[B03]のいずれか1項に記載の表示装置。
[B05]受光部は、光源と光学的に共役な位置よりも第1光路合成部に近い位置に配置されている[B01]乃至[B04]のいずれか1項に記載の表示装置。
[B06]受光部は、位置検出素子、多分割フォトダイオード、又は、複数のフォトダイオードから構成されている[B01]乃至[B05]のいずれか1項に記載の表示装置。
10・・・画像表示装置、11・・・制御部、20,20a,20b,20c・・・画像形成装置、21a・・・光源、21b・・・偏光ビームスプリッター、21c・・・液晶表示装置(LCD)、21d・・・光学系、22a・・・有機EL表示装置、22b・・・凸レンズ、23a・・・光源、23b・・・コリメート光学系、23c・・・全反射ミラー、23d・・・走査手段、23e・・・リレー光学系、24・・・筐体、30・・・転送光学装置、31・・・転送光学装置・制御装置、40,40A,40B・・・接眼光学装置、41・・・位置表示手段(再帰性反射マーカー)、42・・・回折手段、43・・・集光手段、44・・・集光部材、45・・・回折格子、50・・・第2位置検出装置、51・・・ 光源、52・・・第1光路合成部、53・・・第2光路合成部、54・・・受光部、55・・・カップリングレンズ、56・・・レンズ部材、60・・・第1位置検出装置、70・・・観察者、71・・・瞳、80・・・部屋、81・・・壁面、82・・・座席、90・・・フレーム、91・・・フロント部、92・・・蝶番、93・・・テンプル部、94・・・モダン部、100・・・載置部、101・・・載置台、110・・・載置テーブル、120,130,140・・・モータ、121,131・・・第1ガイド部、122,132・・・第2ガイド部、123,133・・・伝達機構、141・・・ガイド部、142・・・伝達機構、150・・・支持台、151・・・受け部材
Claims (10)
- 接眼光学装置、
画像形成装置、及び、画像形成装置から入射された画像を接眼光学装置へと出射する転送光学装置を備えた画像表示装置、並びに、
画像表示装置を載置する載置部、
を備えており、
接眼光学装置と画像表示装置とは、空間的に分離して配置されており、
接眼光学装置は、転送光学装置からの画像を観察者の網膜に結像させ、
観察者の網膜に結像される画像の水平方向をζ方向、画像の垂直方向をη方向、画像の奥行き方向をξ方向とし、ζ方向に相当する載置部の移動方向をX方向、η方向に相当する載置部の移動方向をY方向、ξ方向に相当する載置部の移動方向をZ方向としたとき、載置部は、X方向、Y方向及びZ方向の内の少なくとも1方向に画像表示装置を移動可能である表示装置。 - 載置部は、少なくともX方向及びZ方向に画像表示装置を移動可能である請求項1に記載の表示装置。
- 更に、接眼光学装置の位置を検出する第1位置検出装置を備えており、
第1位置検出装置によって得られた観察者の位置情報又は接眼光学装置の位置情報に基づき、載置部は画像表示装置を移動させる請求項2に記載の表示装置。 - 第1位置検出装置は、カメラ又はTOFセンサを備えている請求項3に記載の表示装置。
- 画像表示装置は、更に、転送光学装置・制御装置を備えており、
転送光学装置・制御装置は、画像形成装置から出射された画像が接眼光学装置に到達するように転送光学装置を制御する請求項1に記載の表示装置。 - 画像表示装置は、更に、接眼光学装置の位置を検出する第2位置検出装置を備えており、
第2位置検出装置によって検出された接眼光学装置の位置情報に基づき、転送光学装置・制御装置は、画像形成装置から出射された画像が接眼光学装置に到達するように転送光学装置を制御する請求項5に記載の表示装置。 - 転送光学装置は可動ミラーを備えている請求項1に記載の光学装置。
- 載置部に対して接眼光学装置は移動可能である請求項1に記載の表示装置。
- 接眼光学装置は観察者に装着される請求項1に記載の表示装置。
- 接眼光学装置は、ホログラムレンズを備えている請求項9に記載の表示装置。
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