(57)【要約】【課題】ユーザの頭部に装着するユニットを小型化すること。【解決手段】  光線を走査することで画像を投影する投影装置に脱着可能であり、光学的に多段に接続された複数のユニットを備え、初段のユニットに前記投影装置が出射する光線が入射し、前段のユニットが出射した光線が次段のユニットに入射する中継光学系と、ユーザの頭部に装着され、前記中継光学系の最終段のユニットが出射した光線を前記ユーザの網膜に照射する照射光学系と、を備え、前記中継光学系の各ユニットは、光軸が互いに拡散しかつ各光線が略平行光である入射した光線を光軸が略平行でありかつ各光線が収束光である光線に変換する第１光学部品と、前記第１光学部品から出射された光線を光軸が互いに収束しかつ各光線が略平行光である光線に変換する第２光学部品と、を含む画像表示装置。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線を走査することで画像を投影する投影装置に脱着可能であり、光学的に多段に接続された複数のユニットを備え、初段のユニットに前記投影装置が出射する光線が入射し、前段のユニットが出射した光線が次段のユニットに入射する中継光学系と、
ユーザの頭部に装着され、前記中継光学系の最終段のユニットが出射した光線を前記ユーザの網膜に照射する照射光学系と、を備え、
前記中継光学系の各ユニットは、光軸が互いに拡散しかつ各光線が略平行光である入射した光線を光軸が略平行でありかつ各光線が収束光である光線に変換する第１光学部品と、前記第１光学部品から出射された光線を光軸が互いに収束しかつ各光線が略平行光である光線に変換する第２光学部品と、を含む画像表示装置。
【請求項２】
前記照射光学系は、前記中継光学系が出射した光線を光軸が前記ユーザの眼球内に収束しかつ略平行光である光線に変換する請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記投影装置内の光線を走査する走査機構と前記眼球において光線の光軸が収束する収束面とは前記中継光学系および前記照射光学系を介し共役関係にある請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記前段のユニットが出射した光線の光軸は前記前段のユニットと前記次段のユニットとの間において収束する請求項１から３のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項５】
各ユニットの前において光線の光軸が収束する収束面と前記各ユニットの後において光線の光軸が収束する収束面とは前記各ユニットを介し共役関係にある請求項４に記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記中継光学系の複数のユニットの各ユニットは等倍光学系である請求項１から５のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記中継光学系の複数のユニットの少なくとも１つは等倍光学系でない請求項１から５のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記中継光学系は、前記複数のユニットのうち隣接する２つのユニットの光軸のなす角を変更する変更機構を備える請求項１から７のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記中継光学系は、前記複数のユニットのうちの少なくとも１つのユニットにおける前記第１光学部品と前記第２光学部品の光軸のなす角を変更する変更機構を備える請求項１から７のいずれか一項記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記中継光学系は、前記複数のユニットのうち少なくとも１つのユニットにおける前記第１光学部品と前記第２光学部品との距離を調整する調整機構を備える請求項１から９のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項１１】
前記中継光学系は、前記中継光学系を通過する光線の強度に基づき前記通過する光線の強度を調整する調整機構を備える請求項１から１０のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項１２】
前記中継光学系および前記照射光学系のうちの少なくとも一方は、前記複数のユニットのうちの少なくとも１つのユニットの前又は後において光線の光軸が収束する収束面に前記光線が通過する開口を有するアパーチャを備える請求項１から１１のいずれか一項記載の画像表示装置。
【請求項１３】
光線を入射して出射する第１光学部品と、
前記第１光学部品が出射した光線を入射して出射する第２光学部品と、
第１ハーフミラーと、
前記第１光学部品が出射して前記第１ハーフミラーを透過した光線を前記第１ハーフミラーに反射し、前記第１ハーフミラーで反射された光線を透過して前記第２光学部品に入射する第２ハーフミラーと、
前記第１光学部品の第１光軸に対して前記第２光学部品の第２光軸が第１角度で傾いたときに、前記第１ハーフミラーを前記第１光軸に直交する第１平面に対して前記第１角度と同じ大きさの第２角度で傾かせ、前記第２ハーフミラーを前記第１光軸に直交する第２平面に対して前記第１角度の略半分の大きさの第３角度で傾かせる機構と、を備える中継光学系。
【請求項１４】
前記第１光学部品は、入射する光線を光軸が互いに略平行であり且つ各光線が収束光である光線に変換し、
前記第２光学部品は、前記第１光学部品が出射する光線を光軸が互いに収束し且つ各光線が略平行光である光線に変換する、請求項１３記載の中継光学系。
【請求項１５】
前記第２ハーフミラーは、前記第１光学部品が出射する複数の光線のうちの中央に位置する光線が入射する位置を含む線分を軸として傾く、請求項１４記載の中継光学系。
【請求項１６】
前記第１光学部品は、入射する光線を光軸が互いに収束し且つ各光線が略平行光である光線に変換し、
前記第２光学部品は、前記第１光学部品が出射する光線を光軸が互いに略平行であり且つ各光線が収束光である光線に変換する、請求項１３記載の中継光学系。
【請求項１７】
前記第２ハーフミラーは、前記第１光学部品が出射する光線の光軸が略収束する位置を含む線分を軸として傾く、請求項１６記載の中継光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置および中継光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザの頭部に装着され、走査されたレーザ光をユーザの網膜に照射することで、網膜に画像を表示する画像表示装置が知られている（例えば特許文献１）。レーザ光を走査する走査系および走査系の駆動回路はユーザの頭部に装着される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２３３５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、走査系および駆動回路がユーザの頭部に装着されると、ユーザの頭部に装着するユニットが大きくなり、ユーザの負担となる。光線を複数の光学部品を備える中継光学系によって伝搬させようとすると、中継光学系は利便性向上のために屈曲可能であることが好ましい。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、ユーザの頭部に装着するユニットを小型化することを目的とする。または、ユーザの頭部に装着するユニットの小型化にあたって、中継光学系の屈曲を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、光線を走査することで画像を投影する投影装置に脱着可能であり、光学的に多段に接続された複数のユニットを備え、初段のユニットに前記投影装置が出射する光線が入射し、前段のユニットが出射した光線が次段のユニットに入射する中継光学系と、ユーザの頭部に装着され、前記中継光学系の最終段のユニットが出射した光線を前記ユーザの網膜に照射する照射光学系と、を備え、前記中継光学系の各ユニットは、光軸が互いに拡散しかつ各光線が略平行光である入射した光線を光軸が略平行でありかつ各光線が収束光である光線に変換する第１光学部品と、前記第１光学部品から出射された光線を光軸が互いに収束しかつ各光線が略平行光である光線に変換する第２光学部品と、を含む画像表示装置である。
【０００７】
上記構成において、前記照射光学系は、前記中継光学系が出射した光線を光軸が前記ユーザの眼球内に収束しかつ略平行光である光線に変換する構成とすることができる。
【０００８】
上記構成において、前記投影装置内の光線を走査する走査機構と前記眼球において光線の光軸が収束する収束面とは前記中継光学系および前記照射光学系を介し共役関係にある構成とすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記前段のユニットが出射した光線の光軸は前記前段のユニットと前記次段のユニットとの間において収束する構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、各ユニットの前において光線の光軸が収束する収束面と前記各ユニットの後において光線の光軸が収束する収束面とは前記各ユニットを介し共役関係にある構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記中継光学系の複数のユニットの各ユニットは等倍光学系である構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記中継光学系の複数のユニットの少なくとも１つは等倍光学系でない構成とすることができる。
【００１３】
上記構成において、前記中継光学系は、前記複数のユニットのうち隣接する２つのユニットの光軸のなす角を変更する変更機構を備える構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記中継光学系は、前記複数のユニットのうちの少なくとも１つのユニットにおける前記第１光学部品と前記第２光学部品の光軸のなす角を変更する変更機構を備える構成とすることができる。
【００１５】
上記構成において、前記中継光学系は、前記複数のユニットのうち少なくとも１つのユニットにおける前記第１光学部品と前記第２光学部品との距離を調整する調整機構を備える構成とすることができる。
【００１６】
上記構成において、前記中継光学系は、前記中継光学系を通過する光線の強度に基づき前記通過する光線の強度を調整する調整機構を備える構成とすることができる。
【００１７】
上記構成において、前記中継光学系および前記照射光学系のうちの少なくとも一方は、前記複数のユニットのうちの少なくとも１つのユニットの前又は後において光線の光軸が収束する収束面に前記光線が通過する開口を有するアパーチャを備える構成とすることができる。
【００１８】
本発明は、光線を入射して出射する第１光学部品と、前記第１光学部品が出射した光線を入射して出射する第２光学部品と、第１ハーフミラーと、前記第１光学部品が出射して前記第１ハーフミラーを透過した光線を前記第１ハーフミラーに反射し、前記第１ハーフミラーで反射された光線を透過して前記第２光学部品に入射する第２ハーフミラーと、前記第１光学部品の第１光軸に対して前記第２光学部品の第２光軸が第１角度で傾いたときに、前記第１ハーフミラーを前記第１光軸に直交する第１平面に対して前記第１角度と同じ大きさの第２角度で傾かせ、前記第２ハーフミラーを前記第１光軸に直交する第２平面に対して前記第１角度の略半分の大きさの第３角度で傾かせる機構と、を備える中継光学系である。
【００１９】
上記構成において、前記第１光学部品は、入射する光線を光軸が互いに略平行であり且つ各光線が収束光である光線に変換し、前記第２光学部品は、前記第１光学部品が出射する光線を光軸が互いに収束し且つ各光線が略平行光である光線に変換する構成とすることができる。
【００２０】
上記構成において、前記第２ハーフミラーは、前記第１光学部品が出射する複数の光線のうちの中央に位置する光線が入射する位置を含む線分を軸として傾く構成とすることができる。
【００２１】
上記構成において、前記第１光学部品は、入射する光線を光軸が互いに収束し且つ各光線が略平行光である光線に変換し、前記第２光学部品は、前記第１光学部品が出射する光線を光軸が互いに略平行であり且つ各光線が収束光である光線に変換する構成とすることができる。
【００２２】
上記構成において、前記第２ハーフミラーは、前記第１光学部品が出射する光線の光軸が略収束する位置を含む線分を軸として傾く構成とすることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ユーザの頭部に装着するユニットを小型化することができる。または、中継光学系の屈曲を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１（ａ）は、実施例１に係る画像表示装置のブロック図、図１（ｂ）は、頭部に装着された照射光学系を示す図である。
【図２】図２は、実施例１における投影装置のブロック図である。
【図３】図３（ａ）は、実施例１における中継光学系を示す図、図３（ｂ）は、ユニットを示す図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施例１における照射光学系を示す図である。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施例１およびその変形例１における中継光学系を示す図である。
【図６】図６は、実施例１の変形例２における最終段のユニットを示す図である。
【図７】図７は、実施例２におけるユニット間の屈曲機構を示す図である。
【図８】図８は、実施例２におけるユニット間の屈曲機構を示す斜視図である。
【図９】図９は、実施例２の変形例１におけるユニット間の屈曲機構を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例３における中継光学系を示す図である。
【図１１】図１１は、実施例４における中継光学系の屈曲機構を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、実施例５およびその変形例１における中継光学系を示す図である。
【図１３】図１３は、実施例５の変形例２における照射光学系を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１（ａ）は、実施例１に係る画像表示装置のブロック図である。図１（ａ）に示すように、画像表示装置１００は、レーザ光等の光線を網膜に直接照射するマックスウエル視型の画像表示装置であり、中継光学系１０および照射光学系２０を備えている。投影装置３０は、例えばピコプロジェクタ機能を有するスマートホンまたはピコプロジェクタ等の携帯機器である。投影装置３０が出射する光線５０は二次元的に走査されている。走査された光線５０が壁等に投影されると画像が壁に投影される。中継光学系１０は、脱着機構３１により投影装置３０に脱着可能である。中継光学系１０が投影装置３０に装着されると、中継光学系１０には走査された光線５０が入射する。中継光学系１０から出射された光線５２は照射光学系２０に入射する。照射光学系２０は光線５２を反射した光線５９をユーザの眼球７０に照射する。光線５９の各光軸は眼球７０内の水晶体７２またはその付近で収束し、その後網膜７４に照射される。
【００２７】
図１（ｂ）は、実施例１において頭部に装着された照射光学系を示す図である。図１（ｂ）に示すように、照射光学系２０は、眼鏡型フレーム７８に装着されている。眼鏡型フレーム７８をユーザの頭部７６に装着すると、照射光学系２０はユーザの頭部７６に装着される。照射光学系２０には、中継光学系１０を介して投影装置３０が接続される。
【００２８】
図２は、実施例１における投影装置のブロック図である。投影装置３０は、走査機構３２、光源３３、制御回路３４および入力回路３５を備えている。入力回路３５には、投影装置３０内または外のカメラおよび／または録画機器などから画像データが入力される。入力回路３５は入力された画像データを変換し制御回路３４に出力する。制御回路３４は、画像データに基づき光源３３および走査機構３２を制御する。制御回路３４は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラムと協働し処理を行ってもよい。制御回路３４は、専用に設計された回路でもよい。
【００２９】
光源３３は、光線５１として、例えば赤色レーザ光（波長：６１０ｎｍ〜６６０ｎｍ程度）、緑色レーザ光（波長：５１５ｎｍ〜５４０ｎｍ程度）および青色レーザ光（波長：４４０ｎｍ〜４８０ｎｍ程度）を出射する。光源３３には、例えばＲＧＢ（赤・緑・青）それぞれのレーザダイオードチップ、３色合成デバイスとマイクロコリメートレンズ、およびレーザダイオードを駆動するレーザドライバ回路とが集積されている。光源３３は１つの光源であり単一の波長のレーザ光を出射してもよい。
【００３０】
走査機構３２は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）であり、光線５１を２次元に走査する。走査された光線５０は走査された光線５０ａ、５０ｂおよび５０ｃの光軸は拡散しかつ各光線は略平行光である。光線５０ａ、５０ｂおよび５０ｃは走査された光線５０の異なる時間における光線を示している。光線５０ａ、５０ｂおよび５０ｃは投影装置３０から出射される。各光線５０ａ、５０ｂおよび５０ｃは略平行光であるが、若干収束する光である。各光線５０ａ、５０ｂおよび５０ｃが例えば合焦位置となる数１００ｍｍ以上の距離から緩やかに拡散することで、任意のスクリーン位置でフォーカスフリーの画像が投影される。走査機構３２は、ポリゴンミラー等でもよい。
【００３１】
図３（ａ）は、実施例１における中継光学系を示す図である。図３（ａ）に示すように、中継光学系１０は多段の複数のユニット１１を備えている。複数のユニット１１は筐体１５内に設けられている。走査機構３２から出射された光線５０は中継光学系１０の初段のユニット１１に入射する。前段のユニット１１が出射した光線は次段のユニット１１に入射する。最終段のユニット１１を出射した光線５２は照射光学系２０に入射する。照射光学系２０が出射した光線５９は眼球７０内の仮想の収束面６６において収束する。各ユニット１１は光学部品１２および１３を備えている。初段のユニット１１と隣接するユニット１１の間には走査された光線が収束する仮想の収束面６０が存在する。
【００３２】
図３（ｂ）は、ユニットを示す図である。光線５３ａ、５３ｂおよび５３ｃは走査された光線の異なる時間における光線である。各光線の３つの直線は、中心の直線が光線の光軸を示し、両側の直線が光線の端を示す。両側の直線の間隔が光線の径に相当する。以下の同様の図においても同様である。
【００３３】
図３（ｂ）に示すように、ユニット１１は光学部品１２および１３を備えている。光学部品１２および１３は例えば凸レンズであり、無限系のレンズである。光線５２が複数の色（例えばＲＧＢ）からなる場合、光学部品１２および１３は、樹脂回折レンズ、ダブレッド、または、スマートホンのカメラに用いる程度のサイズの多群レンズを用い色収差を最小にすることが好ましい。
【００３４】
収束面６０ａは前段のユニット１１との間の収束面６０である。ユニット１１が初段の場合、収束面６０ａは投影装置３０の走査機構３２に相当する。収束面６０ｂは次段のユニット１１との間の収束面６０である。ユニット１１が最終段の場合、収束面６０ｂは照射光学系２０との間の収束面または眼球７０内の収束面６６に相当する。収束面６０ａおよび６０ｂでは、走査された光線５３ａ、５３ｂおよび５３ｃの光軸並びに５５ａ、５５ｂおよび５５ｃの光軸が収束しており、各光線５３ａ、５３ｂおよび５３ｃ並びに５５ａ、５５ｂおよび５５ｃは略平行光である。収束面６０ａと６０ｂとはユニット１１を介し共役の関係にあり、例えば略等倍の共役関係にある。
【００３５】
収束面６０ａから光学部品１２に入射する光線５３ａ、５３ｂおよび５３ｃの光軸は互いに拡散しかつ各光線５３ａ、５３ｂおよび５３ｃは略平行光である。光学部品１２は光線５３ａ、５３ｂおよび５３ｃを光線５４ａ、５４ｂおよび５４ｃに変換する。光線５４ａ、５４ｂおよび５４ｃの光軸は互いに略平行でありかつ各光線５４ａ、５４ｂおよび５４ｃは光学部品１２を出射した直後は焦点６１まで収束光である。各光線５４ａ、５４ｂおよび５４ｃは光学部品１２と１３との間において焦点６１を結ぶ。光学部品１３に入射する光線５４ａ、５４ｂおよび５４ｃの光軸は互いに略平行でありかつ各光線５４ａ、５４ｂおよび５４ｃは拡散光である。光学部品１３は光線５４ａ、５４ｂおよび５４ｃを光線５５ａ、５５ｂおよび５５ｃに変換する。光線５５ａ、５５ｂおよび５５ｃの光軸は互いに収束しかつ各光線５５ａ、５５ｂおよび５５ｃは略平行光である。
【００３６】
ユニット１１を複数設けることで、中継光学系１０は、投影装置３０が出射した光線５０の視野角と同じ視野角で光線５２を出射できる。例えば投影装置３０をユーザの胸ポケットに収納したとき、長さが３０ｃｍ程度の中継光学系１０を用いれば、投影装置３０を頭部の照射光学系２０に接続できる。焦点距離等を考慮すると、ユニット１１の個数は５個程度となる。ユニット１１の個数および長さは、適宜設定可能である。
【００３７】
図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施例１における照射光学系を示す図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の拡大図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、照射光学系２０は、光学系２１と光学系２５を含む。光学系２１は、曲面ミラー２２、２４および平面ミラー２３を含む。曲面ミラー２２および２４の反射面は、自由曲面などの曲面である。曲面ミラー２２の外形は曲面ミラー２４よりも大きくなっている。平面ミラー２３の反射面は略平面である。
【００３８】
光学系２５は、曲面ミラー２６と曲面ミラー２８を含む。曲面ミラー２６および２８の反射面は、自由曲面などの曲面である。曲面ミラー２８の外形は曲面ミラー２６よりも大きくなっている。
【００３９】
曲面ミラー２２と２８は、例えば同じ曲面形状を有している。曲面ミラー２４と２６は、例えば同じ曲面形状を有している。これにより、曲面ミラー２２と２８、及び、２４と２６は、それぞれ例えば略同じ焦点距離を有する。曲面ミラー２２と２８は、収束面６５を中心とした面対称の位置に配置され、曲面ミラー２４と２６は、収束面６５を中心とした面対称の位置に配置されている。
【００４０】
収束面６４は中継光学系１０と照射光学系２０との間の収束面であり、収束面６６は眼球７０内の収束面である。中継光学系１０から出射された光線５２ａ、５２ｂおよび５２ｃの光軸は収束面６４で収束する。各光線５２ａ、５２ｂおよび５２ｃは略平行光である。曲面ミラー２２で反射された光線５６ａ、５６ｂおよび５６ｃの光軸は互いに略平行でありかつ各光線５６ａ、５６ｂおよび５６ｃは収束光である。各光線を曲面ミラー２４へ導くため、光路を屈曲させる目的で平面ミラー２３が設けられている。
【００４１】
図４（ｂ）において、曲面ミラー２４で反射された光線５７ａ、５７ｂおよび５７ｃの光軸は互いに収束しかつ各光線５７ａ、５７ｂおよび５７ｃは略平行光である。光線５７ａ、５７ｂおよび５７ｃは収束面６５において収束する。曲面ミラー２６で反射された光線５８ａ、５８ｂおよび５８ｃの光軸は互いに略平行でありかつ各光線５８ａ、５８ｂおよび５８ｃは収束光である。図４（ｂ）に戻り、光線５８ａ、５８ｂよび５８ｃは焦点６７ｂにおいて合焦する。曲面ミラー２８で反射された光線５９ａ、５９ｂおよび５９ｃの光軸は互いに収束しかつ各光線５９ａ、５９ｂおよび５９ｃは略平行光である。光線５９ａ、５９ｂおよび５９ｃの光軸は眼球７０内の収束面６６において収束しかつ各光線５９ａ、５９ｂおよび５９ｃはほぼ網膜７４において合焦する。
【００４２】
収束面６４と６５とは光学系２１を介し等倍の共役関係であり、収束面６５と６６とは光学系２５を介し等倍の共役関係にある。これにより、収束面６４と６６とは等倍の共役関係にある。走査機構３２と収束面６４とは中継光学系１０を介し等倍の共役関係にあることから、走査機構３２と収束面６６とは中継光学系１０および照射光学系２０を介し等倍の共役関係となる。これにより、投影装置３０が投影した画像を網膜７４に投影することができる。
【００４３】
特許文献１のように、ユーザの頭部に装着する頭部ユニットに走査機構およびその駆動回路を搭載すると、頭部ユニットが大型化する。また、頭部ユニットからの電磁波の輻射対策および／または放熱対策を行うことなる。これにより、頭部ユニットはさらに大型化し、部品点数が多くなる。よって、製造工程の長大化および複雑化を招く。さらに、走査機構および駆動回路を独自に設計することになる。このため開発費用が増大する。
【００４４】
光源を頭部ユニットに搭載すると、頭部ユニットはさらに大型化する。そこで、光源を頭部ユニット以外に搭載すると、光源と頭部ユニットとを光ファイバで接続することになる。この場合、頭部ユニットと光源を搭載したユニットとの脱着が困難になる。
【００４５】
実施例１によれば、光線５０を走査することで画像を投影する投影装置３０を用いる。中継光学系１０は、投影装置３０に脱着可能であり、光学的に多段に接続された複数のユニット１１を備え、初段のユニットに投影装置３０が出射する光線５０が入射し、前段のユニットが出射した光線が次段のユニットに入射する。照射光学系２０は、ユーザの頭部７６に装着され、中継光学系１０の最終段のユニット１１が出射した光線５２をユーザの網膜７４に照射する。中継光学系１０の各ユニットは、光学部品１２（第１光学部品）および光学部品１３（第２光学部品）を含む。光学部品１２は、光軸が互いに拡散しかつ各光線が略平行光である光線５３ａ、５３ｂおよび５３ｃを光軸が略平行でありかつ各光線が収束光である光線５４ａ、５４ｂおよび５４ｃに変換する。光学部品１３は、光学部品１２から出射された光線５４ａ、５４ｂおよび５４ｃを光軸が互いに収束しかつ各光線が略平行光である光線５５ａ、５５ｂおよび５５ｃに変換する。
【００４６】
これにより、投影装置３０が出射した光線５０を光線５９として網膜７４に照射できる。頭部７６に走査機構３２等を装着しなくてもよい。よって、頭部７６に装着するユニットを小型化できる。また、電磁波の輻射対策および／または放熱対策が不要なため、頭部７６に装着するユニットをより小型化できる。部品点数を少なくできるため、製造工程の短縮および簡素化が可能となる。さらに、走査機構および駆動回路として既存の投影装置３０を用いるため開発費用を抑制できる。さらに、光源３３を投影装置３０に設けるため、中継光学系１０と投影装置３０との脱着が可能となる。光線の光軸が略平行および各光線が略平行光とは、投影装置３０が出射した画像が網膜７４に投影できる程度に略平行および略平行光であればよい。
【００４７】
照射光学系２０は、中継光学系１０が出射した光線５２を光軸がユーザの眼球７０内に収束しかつ略平行光である光線５９に変換する。これにより、ユーザの網膜に画像を投影できる。
【００４８】
投影装置３０内の光線を走査する走査機構３２と眼球７０において光線の光軸が収束する収束面６６とは中継光学系１０および照射光学系２０を介し共役関係にある。これにより、ユーザの網膜に画像を投影できる。
【００４９】
前段のユニット１１が出射した光線の光軸は前段のユニット１１と次段のユニット１１との間において収束する。これにより、ユニット１１により光線を中継できる。
【００５０】
各ユニット１１の前において光線の光軸が収束する収束面６０ａと各ユニット１１の後において光線の光軸が収束する収束面６０ｂとは各ユニット１１を介し共役関係にある。これにより、ユニット１１により光線を中継できる。
【００５１】
［実施例１の変形例１］
図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施例１およびその変形例１における中継光学系を示す図である。図５（ａ）に示すように、実施例１では、中継光学系１０の各ユニット１１は等倍光学系である。中継光学系１０と照射光学系２０との間の収束面６４と、走査機構３２とは中継光学系１０を介し等倍の共役関係にある。
【００５２】
図５（ｂ）に示すように、実施例１の変形例１では、中継光学系１０ａは複数のユニット１１ａ、１１ｂおよび１１ｃを備えている。ユニット１１ａ、１１ｂおよび１１ｃは各々光学部品１２および１３を備えている。ユニット１１ｂは等倍光学系であるが、ユニット１１ａおよび１１ｃは等倍光学系ではない。ユニット１１ａは１／２倍光学系であり、ユニット１１ｃは２倍光学系である。ユニット１１ａは視野角を１／２倍にし、光線の径を２倍とする。ユニット１１ｃは視野角を２倍にし、光線の径を１／２倍にする。これにより、走査機構３２と収束面６４とは中継光学系１０を介し等倍の共役関係となる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【００５３】
実施例１のように、中継光学系１０の複数のユニット１１の各ユニット１１は等倍光学系である。これにより、中継光学系１０の設計が容易となる。
【００５４】
実施例１の変形例１のように、中継光学系１０の複数のユニット１１ａ、１１ｂおよび１１ｃの少なくとも１つは等倍光学系でない。これにより、各ユニット１１ａ、１１ｂおよび１１ｃ間の距離および各ユニット１１ａ、１１ｂおよび１１ｃの長さを自由に設定できる。図５（ａ）および図５（ｂ）の例では、実施例１の変形例１ではユニット１１ａ、１１ｂおよび１１ｃの個数を実施例１より少なくできる。また、ユニット１１ａと１１ｂとの間を長くできるため、この間に他の光学部品（例えば平面ミラーまたはハーフミラー）等を配置できる。このように、部品点数の削減、取り付け制度の緩和および／または形状の自由度を確保しやすくなる。
【００５５】
［実施例１の変形例２］
図６は、実施例１の変形例２における最終段のユニットを示す図である。図６に示すように、最終段のユニット１１ｄは等倍の光学系でなく、例えば拡大光学系である。例えば光学部品１２および／または１３の開口数ＮＡが他のユニットと異なる。最終段のユニット１１ｄ以外のユニット１１は等倍光学系である。これにより、投影装置３０が出射する光線５０の視野角に対し照射光学系２０に出射する光線５０の視野角を拡大または縮小できる。例えば投影装置３０が出射する光線５０のビーム径が１．０ｍｍであり、視野角が４０°のとき、ユニット１１ｄを２倍光学系とすると、中継光学系１０が出射する光線５２のビーム径を０．５ｍｍとし、視野角を８０°程度とすることができる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【００５６】
実施例１およびその変形例１のように、中継光学系１０は等倍光学系でもよい。実施例１の変形例２のように、中継光学系１０は等倍光学系でなくてもよい。同様に、照射光学系２０は等倍光学系でもよく、中継光学系１０は等倍光学系でなくてもよい。
【実施例２】
【００５７】
実施例２は、中継光学系１０をユニット１１間において屈曲可能な例である。図７は、実施例２におけるユニット間の屈曲機構を示す図であり、図８は、実施例２におけるユニット間の屈曲機構を示す斜視図である。図７の光線５５の各線は、走査された光線の異なる時間の光線の光軸を示す。図８の光線５５は走査された光線の束を示す。図７および図８に示すように、前段のユニット１１ａと後段のユニット１１ｂとの間に屈曲機構１６が設けられている。屈曲機構１６は、平面ミラー４０および４２を有している。ユニット１１ａの光学部品１３から出射された光線５５は平面ミラー４０において反射される。光線５５の光軸は収束面６８において収束する。光線５５の光軸はその後互いに拡散し平面ミラー４２において反射される。その後光線５５はユニット１１ｂの光学部品１２に入射する。
【００５８】
平面ミラー４０はユニット１１ａの光軸４１ａに対し４５°傾いており、平面ミラー４２はユニット１１ｂの光軸４１ｂに対し４５°傾いている。矢印６９のように、屈曲機構１６は、収束面６８の中心軸を中心にユニット１１ｂおよび平面ミラー４２をユニット１１ａおよび平面ミラー４０に対し回転させる。これにより、ユニット１１ａと１１ｂとを屈曲させることができる。矢印６９の回転角は任意に設定できるが、画像が傾斜することを抑制するため回転角は９０°間隔であることが好ましい。例えば、回転角が９０°ごとに回転抑止機構を設ける。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【００５９】
［実施例２の変形例１］
図９は、実施例２の変形例１におけるユニット間の屈曲機構を示す図である。図９に示すように、前段のユニット１１ａと後段のユニット１１ｂとの間に屈曲機構１８が設けられている。屈曲機構１８は、ハーフミラー４４および４６を有している。ユニット１１ａの光学部品１３から出射された光線５５はハーフミラー４４を透過し、ハーフミラー４６において反射される。その後、光線５５は、ハーフミラー４４において反射され、ハーフミラー４６を透過し、ユニット１１ｂの光学部品１２に入射する。
【００６０】
ユニット１１ａの光軸４１ａとユニット１１ｂの光軸４１ｂとがほぼ一致するとき、光軸４１ａに直交する平面４５ａと光軸４１ｂに直交する平面４５ｂとはほぼ平行である。矢印６９のように、ユニット１１ｂの光軸４１ｂがユニット１１ａの光軸４１ａに対し角度θ０傾いたとき、ハーフミラー４４を平面４５ａに対し矢印６９と同じ方向に角度θ１傾ける。ハーフミラー４６を平面４５ｂに対し矢印６９と反対の方向に角度θ２傾ける。角度θ１を略角度θ０とし、角度θ２を角度θ０の略１／２とする。これにより、ユニット１１ａと１１ｂとを任意の角度屈曲させることができる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【００６１】
実施例２およびその変形例によれば、中継光学系１０は、複数のユニット１１のうち隣接する２つのユニット１１ａおよび１１ｂの光軸４１ａおよび４１ｂのなす角を変更する屈曲機構１６および１８（変更機構）を備える。これにより、中継光学系１０の形状を任意に変更できる。
【実施例３】
【００６２】
図１０は、実施例３における中継光学系を示す図である。図１０に示すように、中継光学系１０ｂは、制御部８０、ハーフミラー８１、検出器８２、減光調整機構８３、減光フィルタ８４ａ、８４ｂおよび焦点調整機構８６を備えている。ハーフミラー８１は中継光学系１０を通過する光線５４の一部を光線８５として分離する。検出器８２は、光線８５の強度を検出する。制御部８０は、検出器８２の出力信号に基づき、減光調整機構８３を制御する。
【００６３】
検出器８２は、光線８５の強度を検出することで、中継光学系１０ｂを通過する光線５４の強度を検出できる。制御部８０は検出器８２が検出した光線５４の強度に基づき減光調整機構８３に光線５４を減光させる。減光調整機構８３は例えば液晶フィルタであり、光線５４の減光率を変更できる。また、光線５４を遮断できる。
【００６４】
減光調整機構８３は中継光学系１０ｂを通過する光線５４の強度が所定の値を越えないように光線５４の強度を調整する。これにより、中継光学系１０ｂが出射する光線５２の強度を適切に調整できるので、画像表示装置の安全性を向上させることができる。制御部８０および減光調整機構８３は光線５４の強度が所定以上となった場合には、光線５４を遮断してもよい。また、制御部８０および減光調整機構８３は光線５４の強度をフィードバック制御することでほぼ一定とすることもできる。検出器８２が光線５４の強度を検出する位置は、中継光学系１０ｂ内の任意の位置に設定できる。減光調整機構８３を設ける位置は、中継光学系１０ｂ内の任意の位置に設定できる。
【００６５】
減光フィルタ８４ａおよび８４ｂは一定の減光率を有する。１または複数の減光フィルタ８４ａおよび８４ｂを設けることによっても、光線５４の強度を制限することができるので、減光フィルタ８４ａおよび８６ｂによっても画像表示装置の安全性を向上させることができる。ここで、減光フィルタ８４ａおよび８４ｂはユニット１１間およびユニット１１内の任意の位置に設けることができる。光線５４の強度や、中継光学系１０ｂの大きさなどに応じて、減光調整機構および減光フィルタを両方設置してもよいし、いずれか一方を設置するようにしてもよい。
【００６６】
焦点調整機構８６は光学部品１２と１３との間の距離を調整する。投影装置３０が出射する光線５０は略平行光であるが、中継光学系１０ｂと同程度以上の距離（例えば５０ｃｍ）において焦点を結ぶ。焦点を結ぶ距離は投影装置３０により変わることがある。これにより、網膜７４近傍の合焦位置が変わる。そこで、複数のユニット１１のうち少なくとも１つのユニットにおける光学部品１２と１３との距離を調整する焦点調整機構８６を設ける。これにより、光線を網膜７４に合焦させることができる。
【００６７】
その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。減光調整機構８３、減光フィルタ８４ａ、８４ｂおよび焦点調整機構８６は、実施例１、２およびその変形例に設けることもできる。
【実施例４】
【００６８】
実施例４は、中継光学系が１つのユニット１１に備わる光学部品１２と光学部品１３の間で屈曲可能な例である。図１１は、実施例４における中継光学系の屈曲機構を示す図である。図１１に示すように、１つのユニット１１に備わる光学部品１２と光学部品１３の間に配置されたハーフミラー４４ａおよび４６ａと、ハーフミラー４４ａおよび４６ａを傾かせる機構４８と、を含む屈曲機構１８ａを備える。光学部品１２から出射された光線５４ａ〜５４ｃは、ハーフミラー４４ａを透過し、ハーフミラー４６ａにおいて反射される。その後、光線５４ａ〜５４ｃは、ハーフミラー４４ａにおいて反射され、ハーフミラー４６ａを透過し、光学部品１３に入射する。
【００６９】
光学部品１２の光軸４１ｃと光学部品１３の光軸４１ｄとがほぼ一致するとき、光軸４１ｃに直交する平面４５ｃと光軸４１ｄに直交する平面４５ｄとはほぼ平行である。矢印７１のように、光学部品１３の光軸４１ｄが光学部品１２の光軸４１ｃに対し角度θ０傾いたとき、機構４８はハーフミラー４４ａを平面４５ｃに対して矢印７１と同じ方向に角度θ０と略同じ大きさの角度θ１傾ける。また、機構４８はハーフミラー４６ａを平面４５ｄに対し矢印７１と反対の方向に角度θ０の略半分の大きさの角度θ２傾ける。言い換えると、機構４８はハーフミラー４６ａを光軸４１ｃに直交する平面４５ｅに対し矢印７１と同じ方向に角度θ０の略半分の大きさの角度θ３傾ける。これにより、１つのユニット１１内において光学部品１２と光学部品１３とを任意の角度屈曲させることができる。機構４８は、例えばギア機構又はリンク機構などを用いることができる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【００７０】
実施例４では、中継光学系は、ハーフミラー４４ａおよび４６ａと機構４８を含み、１つのユニット１１における光学部品１２の光軸４１ｃと光学部品１３の光軸４１ｄのなす角を変更する屈曲機構１８ａ（変更機構）を備える。これにより、中継光学系の形状を任意に変更できる。
【００７１】
図９で説明した実施例２の変形例１においても、実施例４と同様に、屈曲機構１８は、ハーフミラー４４および４６を傾かせる機構４８を含んでいてもよい。この場合、ユニット１１ｂの光軸４１ｂがユニット１１ａの光軸４１ａに対し角度θ０傾いたとき、機構４８はハーフミラー４４を光軸４１ａに直交する平面に対し角度θ０と略同じ大きさの角度で傾ける。機構４８はハーフミラー４６を光軸４１ａに直交する平面に対し角度θ０の略半分の大きさの角度で傾ける。
【００７２】
実施例２の変形例１では、図９のように、中継光学系が隣接するユニット１１ａおよび１１ｂの間で屈曲する場合を例に示した。しかしながら、この場合に限られず、実施例４のように、中継光学系は１つのユニット１１内の光学部品１２と光学部品１３の間で屈曲する場合でもよい。
【００７３】
光学部品１２は、入射する光線５３ａ〜５３ｃを光軸が互いに略平行であり且つ各光線が収束光である光線５４ａ〜５４ｃに変換する。光学部品１３は、光学部品１２が出射する光線５４ａ〜５４ｃを光軸が互いに収束し且つ各光線が略平行光である光線５５ａ〜５５ｃに変換する。実施例２の変形例１のように、ユニット１１ａの光学部品１３とユニット１１ｂの光学部品１２との間にハーフミラー４４、４６が配置されている場合、ハーフミラー４４、４６には略平行光の光線が入射する。ユニット１１ａに対するユニット１１ｂの傾きが小さい場合、ハーフミラー４４、４６を反射せずに透過した光線がユーザの網膜に照射されることがある。ハーフミラー４４を透過してハーフミラー４６で反射した後にハーフミラー４４で反射されてハーフミラー４６を透過する正規の光路を進む光線と、ハーフミラー４４、４６を反射せずにそのまま透過する非正規の光路を進む光線と、では光路長が異なる。しかしながら、ハーフミラー４４、４６に入射する光線が略平行光である場合では、ハーフミラー４４、４６を反射せずに透過した光線がユーザの網膜近傍で合焦し、その結果、ユーザの網膜に所望の画像を良好に投影できない場合がある。
【００７４】
これに対し、実施例４では、１つのユニット１１の光学部品１２と光学部品１３の間にハーフミラー４４ａ、４６ａが配置されているため、ハーフミラー４４ａ、４６ａには収束光又は拡散光の光線が入射する。ハーフミラー４４ａを透過してハーフミラー４６ａで反射した後にハーフミラー４４ａで反射されてハーフミラー４６ａを透過する正規の光路を進む光線と、ハーフミラー４４ａ、４６ａを反射せずにそのまま透過する非正規の光路を進む光線と、では光路長が異なる。このため、ハーフミラー４４ａ、４６ａに入射する光線が収束光又は拡散光である場合では、ハーフミラー４４ａ、４６ａを反射せずに透過した光線はユーザの網膜近傍で合焦することが抑制され、その結果、ユーザの網膜に所望の画像を良好に投影することができる。
【００７５】
図１１のように、ハーフミラー４６ａは、光学部品１２が出射する複数の光線のうちの中央に位置する光線５４ｂが入射する位置を含む線分を軸として傾くことが好ましい。これにより、光学部品１２の光軸４１ｃに対して光学部品１３の光軸４１ｄを矢印７１の方向に傾かせた場合と矢印７１とは反対側の方向に傾かせた場合とでハーフミラー４６は対称に傾くようになるため、中継光学系の屈曲が行い易くなる。光学部品１２が出射する複数の光線のうちの中央に位置する光線とは、二次元に走査された光線によって投影される画像の中央に位置する光線であり、走査範囲の中央に位置する光線である。
【００７６】
実施例２の変形例１の図９のように、ハーフミラー４４および４６がユニット１１ａの光学部品１３とユニット１１ｂの光学部品１２の間に配置されている場合では、ハーフミラー４６は、ユニット１１ａの光学部品１３が出射する光線の光軸が略収束する位置を含む線分を軸として傾くことが好ましい。これにより、特に径方向の装置サイズの拡大を抑制できる。
【実施例５】
【００７７】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、実施例５およびその変形例１における中継光学系を示す図である。図１２（ａ）に示すように、実施例５では、中継光学系１０ｃの各ユニット１１が等倍光学系である。図１２（ｂ）に示すように、実施例５の変形例１では、中継光学系１０ｄのユニット１１ｂは等倍光学系であるが、ユニット１１ａ及び１１ｃは等倍光学系ではない、ユニット１１ａは１／２倍光学系であり、ユニット１１ｃは２倍光学系である。
【００７８】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、実施例５およびその変形例１における中継光学系１０ｃ、１０ｄでは、ユニット１１〜１１ｃの間で光線の光軸が収束する収束面に光線が通過する開口を有するアパーチャ９０が設けられている。
【００７９】
図１３は、実施例５の変形例２における照射光学系を示す図である。図１３に示すように、実施例５の変形例２における照射光学系２０ａでは、中継光学系１０の最終段のユニット１１が出射した光線５２ａ〜５２ｃの光軸が収束する収束面に光線が通過する開口を有するアパーチャ９０が設けられている。
【００８０】
アパーチャ９０は、ユニット１１の前又は後において光線の光軸が収束する収束面の全てに設けられていてもよいが、少なくとも１つの収束面に設けられていればよい。アパーチャ９０は、光線が通過する開口径が固定されているアパーチャでもよいし、開口径の調整が可能なアパーチャでもよい。
【００８１】
図１２（ａ）から図１３に示すように、中継光学系及び照射光学系の少なくとも一方は、複数のユニット１１のうちの少なくとも１つのユニット１１の前又は後において光線の光軸が収束する収束面に光線が通過する開口を有するアパーチャ９０を備えることが好ましい。アパーチャ９０によって光線のビーム径を調整することができる。例えば、投影装置３０から出射される光線５０のビーム径が直径１ｍｍ程度になることがある。また、投影装置３０が投影する原画像よりも視野角を狭くした状態でユーザの網膜に画像を投影しようとするとユーザの角膜に入射するときの光線のビーム径は拡大する傾向となる。ユーザの網膜にフォーカスフリーの画像を投影しようとする場合、ユーザの角膜に入射するときの光線のビーム径は直径０．８ｍｍ以下であることが好ましい。そこで、実施例５では、光線の光軸が収束する収束面にアパーチャ９０を配置する。これにより、光線のビーム径を調整することができ、ユーザの角膜に入射するときの光線のビーム径を適切な大きさにしてフォーカスフリーの画像を投影することが可能となる。
【００８２】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ  中継光学系
１１、１１ａ−１１ｄ  ユニット
１２、１３  光学部品
１５  筐体
１６、１８、１８ａ  屈曲機構
２０、２０ａ  照射光学系
３０  投影装置
３１  脱着機構
３２  走査機構
３３  光源
４４、４４ａ  ハーフミラー
４６、４６ａ  ハーフミラー
４８  機構
５０−５９  光線
６０、６０ａ、６０ｂ、６４−６６，６８  収束面
６１、６７ａ、６７ｂ  焦点
８３  減光調整機構
８４ａ、８４ｂ  減光フィルタ
８６  焦点調整機構
９０  アパーチャ
【図１】
2020095237.tif 000003
【図２】
2020095237.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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