(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像装置を備え、ディジタル化された画像データを出力する画像データ出力部と、
前記画像データ出力部から出力された画像データに応じてレーザ光を出力するレーザ光源部と、
前記画像データ出力部から出力された画像データに応じて駆動され、前記レーザ光源部から出力されたレーザ光をユーザの瞳孔に向けて反射し、レーザ光を走査して、瞳孔を通して直接網膜上に画像を投影するＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)走査ミラー部と、
前記ＭＥＭＳ走査ミラー部により反射されたレーザ光の光路上に設けられ、レーザ光を任意の方向にさらに反射させる可動ミラーと、
ユーザの眼に向けて赤外線を照射し、瞳孔の動きを検出する瞳孔位置検出部と、
前記瞳孔位置検出部により検出された瞳孔の動きに応じて、前記可動ミラーの姿勢を制御する可動ミラー駆動部と、
ユーザの頭部に装着され、少なくとも前記レーザ光源部及び前記ＭＥＭＳ走査ミラー部、前記可動ミラー、前記瞳孔位置検出部及び前記可動ミラー駆動部を収納するハウジングを備え、
前記撮像装置は、ユーザが前記ハウジングを頭部に装着したときに、それぞれの左右の眼に対応する位置に設けられ、
前記ＭＥＭＳ走査ミラー部は、ミラー面を有する可動部を備え、
前記可動ミラー及び前記可動ミラー駆動部は、左右の眼に対応して２箇所に設けられ、
前記可動ミラーは、全反射ミラーであり、ユーザが正面を見つめたときの瞳の前方に位置し、該可動ミラーの反射面は、前記ＭＥＭＳ走査ミラー部の可動部の面積よりも大きく、
前記可動ミラー駆動部は、前記可動ミラーを互いに直交する２つの旋回軸の回りに旋回駆動させることを特徴とする網膜投影ディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マクスウエル視を利用した網膜投影ディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば特許文献１に記載されているように、マクスウエル視を利用して、瞳孔を通して網膜に直接画像を投影する網膜投影ディスプレイ装置が提案されている。マクスウエル視は、いわゆるピンホールカメラの原理を応用しており、画像を一旦眼の瞳孔内で収束させて、水晶体による焦点機能を用いずに、網膜上に直接画像を投影するものである。そのため、マクスウエル視を利用した網膜投影ディスプレイ装置を用いれば、重度の弱視、近視、老眼などの視力障害を有するユーザであっても、映像や文字情報を見ることができる。ところが、上記特許文献１の網膜投影ディスプレイ装置は、ユーザが手に持ってビューファインダをのぞき込むスコープ型であるため、操作性が悪いという問題を有している。
【０００３】
一方、非特許文献１には、ユーザの頭部に装着して使用し、実際の光景とレーザ光の走査によって描かれた仮想映像とを重ね合わせて見ることができるヘッドマウント型網膜投影ディスプレイ装置が提案されている。しかしながら、非特許文献１に記載されたディスプレイ装置では、レーザ光源から出力されたレーザ光をＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーを用いて走査し、走査されたレーザ光をレンズ及ハーフミラーなどで構成された光学系を用いて網膜上に投影している。
【０００４】
ところで、ユーザが眼を動かすと瞳孔の位置が変わってしまい、レーザ光が瞳孔を通して入射せず、網膜上に画像が投影されない。そのため、上記従来の網膜投影ディスプレイ装置によれば、ユーザは画像を見るために一点を凝視しなければならず、非常に疲れやすいという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−７１８４９号公報
【特許文献２】特開平１１−１２８１７０号公報
【非特許文献１】IEEE SPECTRUM May 2004 P24-28
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、ユーザの眼の動きに追従して瞳孔の位置を検出し、レーザ光の方向を変化させることにより、常に映像や文字情報を見ることができる網膜投影ディスプレイ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、撮像装置を備え、ディジタル化された画像データを出力する画像データ出力部と、前記画像データ出力部から出力された画像データに応じてレーザ光を出力するレーザ光源部と、前記画像データ出力部から出力された画像データに応じて駆動され、前記レーザ光源部から出力されたレーザ光をユーザの瞳孔に向けて反射し、レーザ光を走査して、瞳孔を通して直接網膜上に画像を投影するＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)走査ミラー部と、前記ＭＥＭＳ走査ミラー部により反射されたレーザ光の光路上に設けられ、レーザ光を任意の方向にさらに反射させる可動ミラーと、ユーザの眼に向けて赤外線を照射し、瞳孔の動きを検出する瞳孔位置検出部と、前記瞳孔位置検出部により検出された瞳孔の動きに応じて、前記可動ミラーの姿勢を制御する可動ミラー駆動部と、ユーザの頭部に装着され、少なくとも前記レーザ光源部及び前記ＭＥＭＳ走査ミラー部、前記可動ミラー、前記瞳孔位置検出部及び前記可動ミラー駆動部を収納するハウジングを備え、前記撮像装置は、ユーザが前記ハウジングを頭部に装着したときに、それぞれの左右の眼に対応する位置に設けられ、前記ＭＥＭＳ走査ミラー部は、ミラー面を有する可動部を備え、前記可動ミラー及び前記可動ミラー駆動部は、左右の眼に対応して２箇所に設けられ、前記可動ミラーは、全反射ミラーであり、ユーザが正面を見つめたときの瞳の前方に位置し、該可動ミラーの反射面は、前記ＭＥＭＳ走査ミラー部の可動部の面積よりも大きく、前記可動ミラー駆動部は、前記可動ミラーを互いに直交する２つの旋回軸の回りに旋回駆動させることを特徴とする網膜投影ディスプレイ装置である。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明によれば、撮像装置により撮像された映像やパーソナルコンピュータから出力される文字情報などの画像データを用いてレーザ光を走査させ、特に、マクスウエル視を利用しているため、水晶体による焦点機能を用いずにユーザの網膜上に直接画像を描くことができるので、重度の弱視、近視、老眼などの視力障害を有するユーザであっても、映像や文字情報を見ることができる。また、マクスウエル視を利用しているため、焦点深度が深く、レンズやミラーなどを用いた光学系が不要であり、網膜投影ディスプレイ装置の構成が簡単になる。その結果、網膜投影ディスプレイ装置の小型軽量化が可能であり、ユーザの頭部に長時間装着することも可能である。さらに、レーザ光を任意の方向にさらに反射させる可動ミラーと、瞳孔の動きを検出する瞳孔位置検出部と、瞳孔に動きに応じて、可動ミラーの姿勢を制御する可動ミラー駆動部を備えているので、ユーザが眼を動かしたとしても、自動的に瞳孔の位置を検出し、移動した瞳孔に向けてレーザ光を入射して網膜上を走査することができるので、ユーザは一点を凝視することなく、常に画像を見ることができる。その結果、長時間この網膜投影ディスプレイ装置を使用した場合であっても、ユーザの眼の疲労を軽減することができる。また、画像データ出力部として撮像装置を用いているため、重度の弱視、近視、老眼などの視力障害を有するユーザであっても、眼前に展開される状況をリアルタイムで見ることができる。更に、可動ミラーが全反射ミラーであるので、この網膜投影ディスプレイ装置を装着すると視野が暗くなり、瞳孔が開く。その結果、レーザ光の振れ角を大きくして、視野を広くすることが可能である。また、ユーザの頭部に装着され、少なくとも前記レーザ光源部及び前記ＭＥＭＳ走査ミラー部、前記可動ミラー、前記瞳孔位置検出部及び前記可動ミラー駆動部を収納するハウジングを備えているので、ユーザの頭部に日常的に長時間装着可能な網膜投影ディスプレイ装置を容易に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の一実施形態に係る網膜投影ディスプレイ装置について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る網膜投影ディスプレイ装置の構成を示す図である。
【００２２】
本実施形態に係る網膜投影ディスプレイ装置１は、瞳孔を通して網膜に直接画像を投影するマクスウエル視を利用しており、図１に示すように、例えばＣＣＤなどの撮像装置１１を備え、ディジタル化された画像データを出力する画像データ出力部１０と、画像データ出力部１０から出力された画像データに応じてレーザ光を出力する半導体レーザなどのレーザ光源を備えたレーザ光源部２０と、画像データ出力部１０から出力された画像データに応じて駆動され、レーザ光源部２０から出力されたレーザ光をユーザの瞳孔２に向けて反射するＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)走査ミラー部３０と、走査ミラー部３０により反射されたレーザ光の光路上に設けられ、レーザ光を任意の方向にさらに反射させる可動ミラー４０と、可動ミラー４０とユーザの眼（眼球）５の間に設けられ、瞳孔２の動きを検出する瞳孔位置検出部５０と、瞳孔位置演出部５０により検出された瞳孔２の動きに応じて、可動ミラー４０の姿勢を制御する可動ミラー駆動部６０と、ユーザの頭部に装着され、画像データ出力部１０、レーザ光源部２０、ＭＥＭＳ走査ミラー部３０、可動ミラー４０、瞳孔位置検出部５０、可動ミラー駆動部６０及び電源（図示せず）などを収納するハウジング７０を備えている。
【００２３】
マクスウエル視は、上記のように、画像を一旦眼球５の瞳孔２内で収束させて、水晶体による焦点機能を用いずに、網膜３に直接画像を投影するものである。従って、指向性の高いレーザ光を、瞳孔の直前に配置したミラーで網膜に向けて反射させ、スポット光を走査して画像を投影する場合、レーザ光源部２０から出力されたレーザ光を網膜３上に収束させるためのレンズやミラーなどで構成された光学系は、基本的に不要である。しかしながら、レーザ光源部２０から出力されたレーザ光は、そのビーム径が若干広がる傾向にあるため、一般的に、レーザ光源部２０は、レーザ光を平行光化するためのコリメータレンズを備えている。本実施形態では、レーザ光源部２０とＭＥＭＳ走査ミラー部３０との間に、レーザ光の光路に対して平行に位置調節が可能なフォーカシングレンズ２１を設けており、このフォーカシングレンズ２１により、レーザ光を平行光化し又はレーザ光をユーザの網膜３上に収束させる。
【００２４】
図２は、画像データ出力部１０のブロック構成を示す。画像データ出力部１０は、ユーザがハウジング４０を頭部に装着したときに、それぞれ左右の眼に対応する位置（ユーザが正面を見つめたときの瞳の前方又はその上方）に設けられた左右の撮像装置１１と、パーソナルコンピュータ１５などから送信された画像データを受信するための無線通信装置１２と、メモリカード１６に記憶された画像データを読み出すためのメモリカードリーダ１３と、撮像装置１１で撮像した画像データ、無線通信装置１２を介して受信した画像データあるいはメモリカード１６から読み出したディジタル化された画像データを用いてレーザ光源部２０及びＭＥＭＳ走査ミラー部３０を駆動制御するための、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどで構成された制御装置１４を備えている。なお、本発明はこの実施形態の構成に限定されるものではなく、左右の眼の中央、すなわち鼻の上部に対応する位置に、単一の撮像装置１１を設けてもよい。
【００２５】
レーザ光源部２０は、左右の眼に対応して２箇所に設けられており、それぞれ半導体レーザなどのレーザ光源と、その半導体レーザを駆動するための駆動ＩＣなどで構成されている。各レーザ光源部２０は、単色のレーザ光を出力するものであってもよいし、三原色に対応した波長の異なる３つのレーザ光を混合して出力するものであってもよい。後者の場合、レーザ光源としては、波長変換可能なレーザ装置又はそれぞれ波長の異なる複数の半導体レーザなどを用いることができる。
【００２６】
ＭＥＭＳ走査ミラー部３０は、マイクロマシニング技術を用いて成形される半導体構造を有する小型の光走査ミラーであり、図３に示すように、ミラー面３１ａを有する可動部３１と、第１ヒンジ３２を介して可動部３１を支持する可動フレーム３３と、第１ヒンジ３２と直交する方向に設けられた第２ヒンジ３４を介して可動フレーム３３を支持する固定フレーム３５と、可動部３１と可動フレーム３３との間及び可動フレーム３３と固定フレーム３５の間にそれぞれ設けられ、互いに噛合う各一対の櫛歯電極３６及び３７などで構成されている。櫛歯電極３６及び３７は、例えば互いの電極が２μｍ乃至５μｍ程度の間隔で噛み合うように形成されており、互いの電極間に電圧が印加されることにより静電力を発生する。可動部３１及び可動フレーム３３は、それぞれ櫛歯電極３６及び３７が発生する駆動力により、第１ヒンジ３２及び第２ヒンジ３４をそれぞれ捻りながら、可動フレーム３３及び固定フレーム３５に対し回動し、第１ヒンジ３２及び第２ヒンジ３４を軸として２軸回りに揺動することにより、スキャン動作を行う。
【００２７】
画像データ出力部１０の制御装置１４は、ディジタル化された画像データを用いて、櫛歯電極３６及び３７の電極間へ電圧を印加するか否かの制御及び印加する電圧の制御を行う。なお、画像の拡大縮小は、ＭＥＭＳ走査ミラー部３０によるレーザ光の振れ角を拡大縮小することにより、可能である。また、ＭＥＭＳ走査ミラー部３０は、ユーザの眼５から離れた位置にあり、瞳孔２を通して網膜３上に直接レーザ光を走査させて画像を描くので、上記可動部３１の振れ角は小さい。そのため、可動部３１を動かすためのアクチュエータとしての櫛歯電極３６及び３７の駆動電圧は小さくてもよく、消費電力の低減が可能である。
【００２８】
ＭＥＭＳ走査ミラー部３０も、左右の眼に対応して２箇所に設けられている。レーザ光源部２０及びＭＥＭＳ走査ミラー部３０の位置は、特に限定されないが、ハウジング７０の小型化を考慮した場合、例えばユーザの額に対応する位置などが好ましい。
【００２９】
可動ミラー４０及び可動ミラー駆動部６０も、左右の眼に対応して２箇所に設けられている。可動ミラー４０は、ユーザが正面を見つめたときの瞳の前方に位置している。可動ミラー４０は、ＭＥＭＳ走査ミラー部３０により走査されたレーザ光を、さらに瞳孔２の動きに合わせてレーザ光を反射させるため、その反射面は、ＭＥＭＳ走査ミラー部３０の可動部３１の面積よりも大きくする必要がある。さらに、瞳孔２の動きに追従させるために、可動ミラー４０をミリ秒オーダで２次元的に駆動する必要がある。そのため、可動ミラー４０として、互いに旋回軸が直交する２つのガルバノミラーを組み合わせて用いることが好ましい。あるいは、ＭＥＭＳ走査ミラー部３０と同様に、互いに直交する２つの旋回軸の回りに１つの反射面を旋回駆動させるように構成してもよい。
【００３０】
可動ミラー駆動部６０は、上記互いに直交する２つの旋回軸の回りに可動ミラー４０をミリ秒オーダで旋回駆動させるための、モータ及び駆動歯車と、モータ駆動ＩＣなどで構成されている。モータとしては、比較的大きなミラーを駆動するトルクを有し、停止動作も可能で、かつ動作音が静かな超音波モータなどを用いることが好ましい。
【００３１】
瞳孔位置検出部５０は、赤外線を照射する赤外線発光素子５１、赤外線発光素子５１から出力された赤外線をユーザの眼の方向に反射させるハーフミラー５２、ユーザの眼により反射され、さらにハーフミラー５２により反射された赤外線を受光して、瞳孔位置を検出する受光素子５３、及び受光素子５３の出力から瞳孔位置を演算し、可動ミラー駆動部６０を駆動制御する可動ミラー制御装置５４などを備えている。瞳孔検出方法は、上記特許文献２などにより公知であるため、その説明を省略する。
【００３２】
上記可動ミラー４０としては、ハーフミラー及び全反射ミラーのいずれも使用可能である。可動ミラー４０としてハーフミラーを用いた場合、ユーザは、実際の光景とレーザ光の走査によって描かれた仮想映像とを重ね合わせて見ることができる。一方、可動ミラー４０として全反射ミラーを用いた場合、ユーザは実際の光景を見ることはできないが、この網膜投影ディスプレイ装置を装着すると視野が暗くなり、瞳孔が開く。その結果、レーザ光の振れ角を大きくして、視野を広くすることが可能である。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態に係る網膜投影ディスプレイ装置によれば、瞳孔を通して網膜３に直接画像を投影するマクスウエル視を利用しているので、網膜３上に収束されるレーザ光スポットの焦点深度が深く、レンズやミラーなどで構成された光学系が不要となる。その結果、網膜投影ディスプレイ装置の構造が簡単になり、網膜投影ディスプレイ装置の小型軽量化が可能になり、ユーザが長時間装着することが可能になる。特に、マクスウエル視を利用しているため、水晶体による焦点機能を用いずにユーザの網膜３上に直接画像を描くことができるので、重度の弱視、近視、老眼などの視力障害を有するユーザであっても、撮像装置１１により撮像した映像やパーソナルコンピュータなどから送信された文字情報などを見ることができる。
【００３４】
さらに、レーザ光を任意の方向にさらに反射させる可動ミラー４０と、瞳孔の動きを検出する瞳孔位置検出部５０と、瞳孔に動きに応じて、可動ミラーの姿勢を制御する可動ミラー駆動部６０を備えているので、ユーザが眼球５を動かしたとしても、自動的に瞳孔２の位置を検出し、移動した瞳孔２に向けてレーザ光を入射して網膜上を走査することができるので、ユーザは一点を凝視することなく、常に画像を見ることができる。その結果、長時間この網膜投影ディスプレイ装置を使用した場合であっても、ユーザの眼の疲労を軽減することができる。
【００３５】
さらに、調節可能なフォーカシングレンズ２１を備えているため、簡単な操作により、網膜３上に鮮明なレーザ光スポットを走査させることができ、網膜３上に描かれる画像の解像度を高くすることができる。また、このフォーカシングレンズは、レーザ光源部２０とＭＥＭＳ走査ミラー部３０の間、すなわちレーザ光が走査される前の位置に設けられているため、フォーカシングレンズの直径が小さくて済み、網膜投影ディスプレイ装置の大型化を回避することができる。さらに、画像データ出力部１０として撮像装置１１を用いることにより、重度の弱視、近視、老眼などの視力障害を有するユーザであっても、眼前に展開される状況をリアルタイムで見ることができる。
【００３６】
なお、本発明は上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、左右の眼に対応して、２組のレーザ光源部２０及びＭＥＭＳ走査ミラー部３０を設けたが、左右いずれかの眼にだけ対応する１組のレーザ光源部２０及びＭＥＭＳ走査ミラー部３０だけを設けてもよい。また、フォーカシングレンズ２１は必ずしも必要ではないため、省略することも可能である。さらに、赤外線発光素子５１の位置は、ハーフミラー５２に対して可動ミラー４０と同じ側であってもよい。また、光源としてレーザ光源を用いているが、そのパワーは網膜３を損傷しないレベルであることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係る網膜投影ディスプレイ装置の構成を示す図。
【図２】上記網膜投影ディスプレイ装置における画像データ出力部のブロック構成を示す図。
【図３】上記網膜投影ディスプレイ装置のＭＥＭＳ走査ミラー部の構成を示す図。
【符号の説明】
【００３８】
１  網膜投影ディスプレイ装置
２  瞳孔
３  網膜
５  眼（眼球）
１０  画像データ出力部
１１  撮像装置
１２  無線通信装置
１３  メモリカードリーダ
１４  制御装置
１５  パーソナルコンピュータ
１６  メモリカード
２０  レーザ光源部
２１  フォーカシングレンズ
３０  ＭＥＭＳ走査ミラー部
４０  可動ミラー
５０  瞳孔位置検出部
５１  赤外線発光素子
５２  ハーフミラー
５３  受光素子
５４  可動ミラー制御装置
６０  可動ミラー駆動部
７０  ハウジング
【図１】
0005342132.tif 000002
【図２】
0005342132.tif 000003
【図３】
0005342132.tif 000004