(57)【要約】【課題】簡単な構成でフルカラー表示に対応でき、フルカラー表示であっても表示画像の歪みがなく色ムラや色ズレが生じない網膜投影表示装置を提供する。【解決手段】網膜投影表示装置１００は、画像情報光を出射するレーザ光源１と、レーザ光源１から出射された画像情報光を平行光束とするコリメータ２と、コリメータ２からの平行光束の画像情報光を２次元走査するＭＥＭＳミラー３と、ＭＥＭＳミラー３からの２次元走査された画像情報光が入射する板状の反射型面対称結像素子４と、を備え、反射型面対称結像素子４から出射された画像表示光を瞳孔の中心に収束させてから網膜に投影させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像情報光を出射する出射手段と、
前記出射手段から出射された画像情報光を平行光束とする平行光生成手段と、
前記平行光生成手段からの平行光束の画像情報光を２次元走査する走査手段と、
前記走査手段からの２次元走査された画像情報光が入射する板状の光学素子と、
を備え、
前記光学素子から出射された画像表示光を瞳孔の中心に収束させてから網膜に投影させることにより、画像を視認させる網膜投影表示装置であって、
前記光学素子は、
板厚方向に第１光反射面及び前記第１光反射面と直交する第２光反射面を備え、前記第１光反射面及び第２光反射面により構成された単位光学素子を複数備えてなり、板面の一方の側に配置された前記走査手段から入射した光を、所定の前記単位光学素子内の前記第１光反射面及び前記第２反射面にそれぞれ１回ずつ反射させて、前記走査手段に入射した画像情報光の位置と面対称な位置である前記瞳孔の中心に画像情報光を収束させることを特徴とする網膜投影表示装置。
【請求項２】
前記出射手段は、
互いに異なる複数の波長を有するレーザ光を出射する複数のレーザ光出射手段と、
前記複数のレーザ光出射手段から出射されたそれぞれのレーザ光を合成する合成手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の網膜投影表示装置。
【請求項３】
前記光学素子内の光学屈折率をｎ、前記光学屈折率がｎのときの前記第１光反射面の高さ及び前記第２光反射面の高さをそれぞれＤ（ｎ）、隣接する前記第１光反射面同士の間隔及び隣接する前記第２光反射面同士の間隔をそれぞれＷ、前記光学素子の板面の法線に対する観察方向の角度をα、前記光学素子内における光線の前記法線に対する角度Ｘとした場合、
【数１】
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と表わされるＤ（ｎ）の値よりも小さくなるように前記第１光反射面の高さ及び前記第２光反射面の高さを設定し、シースルー機能を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の網膜投影表示装置。
【請求項４】
前記光学素子は着脱自在であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の網膜投影表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マクスウェル視を利用して画像を視認させる網膜投影表示装置に関し、特に、面対称な位置に光を結像させる反射型面対称結像素子を用いた網膜投影表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、マックスウェル視を利用して、画像を視認させるための光をユーザの網膜に投影するヘッドマウントディスプレイが知られている。マックスウェル視は、画像に対応する光を一旦瞳孔の中心で収束させてから網膜上に投影する方法であり、この方法によれば、水晶体の調節機能に影響されずに画像を観察することができる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ホログラムを用いた網膜ディスプレイ装置が開示されている。この網膜ディスプレイ装置は、レーザダイオードから出射された画像情報光を２次元走査し、２次元走査した画像情報光をホログラムに照射することにより、ホログラムで回折された２次元画像情報光が眼の瞳孔に焦点を結び、網膜に結像するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６３２３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ヘッドマウントディスプレイにホログラムを用いる場合、製作に非常に精密な加工精度が要求されるという問題がある。また、フルカラー表示に対応させようとすると、ホログラム設計波長と、画像情報を出射するレーザ波長との間に数ｎｍ程度の誤差が生じただけで、表示画像が歪んだり、色ズレや色ムラが発生したりするという問題がある。
【０００６】
本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、その課題の一例としては、簡単な構成でフルカラー表示に対応でき、フルカラー表示であっても表示画像の歪みがなく色ムラや色ズレが生じない網膜投影表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を達成するため、請求項１に係る発明は、画像情報光を出射する出射手段と、前記出射手段から出射された画像情報光を平行光束とする平行光生成手段と、前記平行光生成手段からの平行光束の画像情報光を２次元走査する走査手段と、前記走査手段からの２次元走査された画像情報光が入射する板状の光学素子と、を備え、前記光学素子から出射された画像表示光を瞳孔の中心に収束させてから網膜に投影させることにより、画像を視認させる網膜投影表示装置であって、前記光学素子は、板厚方向に第１光反射面及び前記第１光反射面と直交する第２光反射面を備え、前記第１光反射面及び第２光反射面により構成された単位光学素子を複数備えてなり、板面の一方の側に配置された前記走査手段から入射した光を、所定の前記単位光学素子内の前記第１光反射面及び前記第２反射面にそれぞれ１回ずつ反射させて、前記走査手段に入射した画像情報光の位置と面対称な位置である前記瞳孔の中心に画像情報光を収束させることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態に係る網膜投影表示装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る網膜投影表示装置に用いられるレーザ光源の概略構成図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る網膜投影表示装置に用いられる反射型面対称結像素子の一例の外観図である。
【図４】図３に示す反射型面対称結像素子を構成する直方体材の外観図である。
【図５】図３に示す反射型面対称結像素子を形成する２つのミラーシートの組合せを示す図である。
【図６】図３に示す反射型面対称結像素子を用いた空間映像表示装置の光学系の概略図である。
【図７】図３に示す反射型面対称結像素子において光が２回反射する様子を示す概要図である。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る網膜投影表示装置に用いられる反射型面対称結像素子の一例の外観図である。
【図９】図８に示す反射型面対称結像素子の鏡面要素を示す外観図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施の形態に係る網膜投影表示装置１００の概略構成図である。網膜投影表示装置１００は、眼鏡型のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）であり、マックスウェル視を利用して、画像情報光をユーザの網膜上に投影することで画像を認識させる装置である。網膜投影表示装置１００は、主に、レーザ光源１と、コリメータ２と、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）ミラー３と、反射型面対称結像素子４と、を備える。なお、図１は、２つのメガネレンズのうち一方のレンズ６に対応する構成を示しているが、実際には他方のレンズにも同一の構成が施されている。
【００１１】
レーザ光源１は、レーザダイオード（ＬＤ）を有し、図示しないＬＤ駆動装置の制御に基づいてレーザ光を出射する。レーザ光源１は、フルカラー化に対応しており、詳しくは、図２に示すように、赤色（Ｒ）レーザを出力する赤色レーザ出力部１１、緑色（Ｇ）レーザを出力する緑色レーザ出力部１２及び青色（Ｂ）レーザを出力する青色レーザ出力部１３を備え、各色（各波長領域）のレーザ光を出力する。例えば、レーザ光源１は、画像に応じて各色レーザ光に対する強度変調を行い、強度変調後のレーザ光を出射する。
【００１２】
また、レーザ光源１は、各レーザ出力部１１、１２及び１３から出力された３色のレーザ光を合成するために、全反射ミラー１４、部分透過ミラー１５及び１６と、を備える。詳しくは、全反射ミラー１４は、赤色レーザ出力部１１からレーザ光を反射し、部分透過ミラー１５は、全反射ミラー１４に反射されたレーザ光を透過させるとともに、この透過光と同軸となるように緑色レーザ出力部１２から出力されたレーザ光を反射し、部分透過ミラー１６は、部分透過ミラー１５からのレーザ光を透過させるとともに、この透過光と同軸となるように青色レーザ出力部１３から出力されたレーザ光を反射する。すなわち、各レーザ出力部１１、１２及び１３から出力された３色のレーザ光は同軸上に合成される。
【００１３】
コリメータ２は、レーザ光源１から出射されたレーザ光を平行光とする。
【００１４】
ＭＥＭＳミラー３は、コリメータ２から入射されたレーザ光を二次元方向（図１に示す上下左右）に走査する走査機構である。すなわち、平行光とされたレーザ光は、ＭＥＭＳミラー３の走査により二次元の画像情報となり、反射型面対称結像素子４に入射する。ここで、ＭＥＭＳミラー３は、小型の可動ミラーであり、１枚で１方向に可動する可動ミラーを２個用いてレーザ光を２次元走査する場合と、１枚で２方向に可動する可動ミラーを１個用いてレーザ光を２次元走査する場合とがあるが、いずれの構成であってもよい。
【００１５】
なお、上述したレーザ光源１、コリメータ２及びＭＥＭＳミラー３は、メガネフレーム７内に配設されている。
【００１６】
反射型面対称結像素子４は、平面板状に形成されている光学素子であり、その素子の一方側に置かれた被投影物である物体の像を素子の反対側の面対称となる位置に結像させる。本実施の形態では、一例として、本出願人が、国際公開第ＷＯ２００９／１３６５７８号パンフレット（以下、文献１という）に開示した光学素子を採用する。
【００１７】
図３〜図５は、反射型面対称結像素子４の構成を示す図である。図３は反射型面対称結像素子４の外観図、図５は反射型面対称結像素子４を構成する直方体材４０の外観図、図６は反射型面対称結像素子４を形成する２つのミラーシート４１、４２の組合せを示す外観図である。
【００１８】
反射型面対称結像素子４は、図３及び図５に示すように、各々が多数の棒状の直方体材４０を並列に密着させることにより形成された２つのミラーシート４１、４２を有する。
【００１９】
直方体材４０は、図４に示すように、長手部材であり、長手方向に垂直な方向、すなわち、短手方向の四角形の断面の一辺が数百μｍ前後の透明なアクリルに代表されるプラスチックまたはガラスの棒からなる。長さは投影する画像の大きさによって変化するが、数十ｍｍ程度である。なお、長手方向に伸長した４面のうちの３面は光の透過または反射に使用する面であるため、滑らかな状態とする。直方体材４０はミラーシート４１、４２各々で数百本程度用いられる。
【００２０】
図４に示すように、直方体材４０の長手方向に伸長した１面には光反射膜４３が形成され、それにより光反射面４３となっている。光反射膜４３はアルミや銀の蒸着あるいはスパッタなどによって形成される。
【００２１】
このような複数の直方体材４０について、１つの直方体材４０の光反射面４３を形成した面とは反対側の対向面４４と別の直方体材４０の光反射面４３を密着させてミラーシート４１、４２が形成される。ミラーシート４１、４２は、図５に示すように、直方体材４０の並列方向が交差するようにいずれか一方を９０度回転させた状態で貼り合わせられ、それによって、反射型面対称結像素子４が形成される。ミラーシート４１の各直方体材４０とミラーシート４２の各直方体材４０とが交差する部分が微小ミラーユニット（単位光学素子）を構成し、各微小ミラーユニットのミラーシート４１の光反射面４３が第１光反射面となり、ミラーシート４２の光反射面４３が第２光反射面となる。
【００２２】
かかる反射型面対称結像素子４を用いた空間映像表示装置においては、図６に示すように、物体（ディスプレイ部）１０が反射型面対称結像素子４の一方の面側に配置され、反射型面対称結像素子４には物体１０からの光が斜めに入射するようになっている。反射型面対称結像素子４の他方の面側には観察者の目Ｅが位置し、反射型面対称結像素子４について物体１０と面対称となる空間位置に実像３０、すなわち空間映像３０が形成される。なお、図６における反射型面対称結像素子４の両端部である下端Ａ、上端Ａ’は、図３の反射型面対称結像素子４の対向角Ａ、Ａ’に対応している。
【００２３】
本実施形態では、観察者の視線方向と反射型面対称結像素子４の板面の法線方向とのなす角度αが４５度の場合、空間映像３０が最も明るく見えるように、反射型面対称結像素子４の光反射面４３の高さＤと隣接する光反射面４３同士の間隔Ｗを調整して反射型面対称結像素子４が形成されている。勿論、角度αは上記の値に限定されるものではなく、０度＜α＜９０度の範囲で任意であるが、好適には、２０度≦α≦６０度が望ましい。
【００２４】
より詳しくは、図７に示すように、物体１０からの光は矢印Ｙ１の方向でミラーシート４２の光反射面４３（第２光反射面）に反射し、その反射光は矢印Ｙ２の方向でミラーシート４１の光反射面４３（第１光反射面）に反射し、その反射光は矢印Ｙ３の方向で観察者に向けて進むので、反射型面対称結像素子４の各光反射面４３でそれぞれ１回、つまり２回反射して鏡映像を作り出すようになっている。
【００２５】
本実施の形態では、このような反射型面対称結像素子４をメガネレンズ６内に配設している。その際、空間映像３０が明るく見える光の上記入出射角度を考慮して、反射型面対称結像素子４は、視線方向に傾斜して配置されている。この結果、ＭＥＭＳミラー３により二次元走査されたレーザ光は、反射型面対称結像素子４を介して、ＭＥＭＳミラー３と面対称な位置であるユーザの眼球８の瞳孔８１の中心近傍に集光され、レーザ光が網膜８２上に投影されることとなるので、ユーザは二次元走査された画像情報光を二次元画像として視認することができる。
【００２６】
このように本実施の形態によれば、反射型面対称結像素子４を用いて、二次元に走査された画像情報光を瞳孔中心に集光した後に網膜上に二次元画像を形成しているので、ホログラムを用いた網膜投影表示装置のようにその製作において精密な加工精度が要求されることはない。また、本実施の形態によれば、ホログラムの代わりに反射型面対称結像素子４を用いているので、同軸上に波長の異なる複数のレーザ光を重ね合わせるだけでフルカラー表示に対応できるとともに、表示されたフルカラー画像に図形歪み、色ズレ、色ムラなどが発生することはない。その結果、簡単な構成でフルカラー表示に対応した網膜投影表示装置を製造することができる。
【００２７】
さらに、本実施の形態においては、反射型面対称結像素子４の厚みＤ（光反射面４３の高さ）を調節することにより、シースルー機能を有する網膜投影表示装置１０を提供することができる。すなわち、ユーザは、レーザ光として出力された画像情報光をマクスウェル視により視認するとともに、外界の様子をニュートン視により視認することが可能である。
【００２８】
本出願人は、文献１において、最適な光反射面４３の高さＤ（空間映像３０が最も明るく見える光反射面４３の高さ）を開示している。文献１によれば、
【数１】
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ここで、ｎは、ミラーシート４１及び４２を構成する直方体材４０（反射型面対称結像素子４）の光学屈折率、Ｄ（ｎ）は、直方体材４０の光学屈折率がｎのときのミラーシート４１及び４２のそれぞれの厚み（光反射面４３の高さ）、Ｗは、ミラーシート４１及び４２に形成された光反射面４３の間隔、αは、反射型面対称結像素子４の板面の法線に対する観察方向の角度（図６参照）、Ｘは、反射型面対称結像素子４内における光線の上記法線に対する角度である。
【００２９】
上述した式を満たすＤ（ｎ）の値は空間映像３０が最も明るく見えるときの値、つまり、外界の様子を視認できない場合の値であるから、反射型面対称結像素子４にシースルー機能を持たせるためには、上記Ｄ（ｎ）の値よりも小さい値を設定すればよい。好適には、上記Ｄ（ｎ）の１／５〜４／５倍程度の厚みに設定するのが望ましい。すなわち、反射型面対称結像素子４の厚みを、空間映像３０が最も明るく見えるときの値から薄くすることにより、ミラーシート４１及び４２の各光反射面４３でそれぞれ１回、つまり２回反射する光が減少し、空間映像３０の明るさが暗くなるとともに、外界から透過する光が増えるので、シースルー機能が実現することとなる。
【００３０】
具体的には、本実施の形態の場合、直方体材４０は、プラスチックまたはガラスの棒からなるので、直方体材４０の屈折率ｎは約１．５である。したがって、一例として、α＝４５度とした場合、シースルー機能を具備させるときの反射型面対称結像素子４の厚みＤ（ｎ＝１．５）は、式（１）及び（２）より、０．５Ｗ≦Ｄ（ｎ＝１．５）≦１．３Ｗ程度となる。
【００３１】
このように本実施の形態では、使用目的に応じて、好適な厚みＤを有する反射型面対称結像素子４を組み込んだ網膜投影表示装置１００を作成することができる。また、反射型面対称結像素子４を着脱可能な網膜投影表示装置１００としてもよく、使用目的に応じて反射型面対称結像素子４を適宜、切り替えて網膜投影表示装置１００に組み込むようにしてもよい。
【００３２】
また、本実施の形態では、網膜投影表示装置１００を眼鏡型のヘッドマウントディスプレイとして説明したが、帽子型のヘッドマウントディスプレイ（ヘルメットマウントディスプレイ）としてもよい。この場合には、視力矯正用の眼鏡を使用している人であっても、眼鏡をかけたままヘッドマウントディスプレイを装着することが可能である。
【００３３】
また、反射型面対称結像素子の構成は、図３〜図７に示した長手部材である直方体材を用いて２つのミラーシートを形成する構成に限定されるものではなく、物体からの光を光学素子に対して面対称な位置に実像として結像させる光学素子であれば、いずれの構成でもよい。
【００３４】
例えば、特開２００８−１５８１１４号公報に開示された反射型面対称結像素子の構成でもよい。図８は、このような反射型面対称結像素子５の外観斜視図である。より詳しくは、反射型面対称結像素子５は、所定の基盤５１を厚み方向に貫通させた複数の穴５２を備え、各穴５２の内壁に直交する２つの鏡面要素５４ａ及び５４ｂから構成される単位光学素子５３を形成したものであって、その穴を通じて基盤５１の一方の面方向から他方の面方向へ光が透過する際に、２つの鏡面要素５４ａ及び５４ｂでそれぞれ１回ずつ反射させるようにしてもよい。また、図９に示すように、所定の基盤５１の厚み方向に突出する透明な筒状体５５を碁盤目上に多数形成し、各筒状体５５の内壁面のうち、直交する２つを鏡面要素５４ａ、５４ｂとした反射型面対称結像素子５Ａとしてもよい。
【００３５】
ここで、図８及び図９に示した反射型面対称結像素子５または５Ａを組み込んだ網膜投影表示装置２００の場合、光が進行する媒体は大気となるから、媒体の屈折率ｎは約１．０である。したがって、一例として、α＝４５度とした場合、シースルー機能を具備させるときの反射型面対称結像素子５または５Ａの厚みＤ（ｎ＝１．０）は、式（１）及び（２）より、０．３Ｗ≦Ｄ（ｎ＝１．０）≦０．７Ｗ程度となる。
【００３６】
なお、上記実施の形態で述べた網膜投影表示装置１００及び２００は、マクスウェル視を利用した画像表示装置であったが、シースルー機能を実現するには、このマクスウェル視を利用した画像表示装置が好適である。この場合には、マクスウェル視により投影される画像を視認できるとともに、ニュートン視により外界の風景を視認できるからである。一方、ニュートン視を利用した画像表示装置も考え得るが、この場合には、ユーザは水晶体の屈折を使って、投影される画像と外界の風景双方を視認するため、投影される画像と外界の風景のいずれかにしか焦点を合わすことはできない。すなわち、投影される画像と外界の風景の双方を同時に明確に視認することはできない。
【００３７】
以上に述べた実施の形態によれば、画像情報光を出射する出射手段（例えば、レーザー光源１）と、前記出射手段から出射された画像情報光を平行光束とする平行光生成手段（例えば、コリメータ２）と、前記平行光生成手段からの平行光束の画像情報光を２次元走査する走査手段（例えば、ＭＥＭＳミラー３）と、前記走査手段からの２次元走査された画像情報光が入射する板状の光学素子（例えば、反射型面対称結像素子４，５，５Ａ）と、を備え、前記光学素子から出射された画像表示光を瞳孔の中心に収束させてから網膜に投影させることにより、画像を視認させる網膜投影表示装置（例えば、網膜投影表示装置１００，２００）であって、前記光学素子は、板厚方向に第１光反射面（例えば、ミラーシート４１の光反射面４３、鏡面要素５４ａ）及び前記第１光反射面と直交する第２光反射面（例えば、ミラーシート４２の光反射面４３、鏡面要素５４ｂ）を備え、前記第１光反射面及び第２光反射面により構成された単位光学素子を複数備えてなり、板面の一方の側に配置された前記走査手段から入射した光を、所定の前記単位光学素子内の前記第１光反射面及び前記第２反射面にそれぞれ１回ずつ反射させて、前記走査手段に入射した画像情報光の位置と面対称な位置である前記瞳孔の中心に画像情報光を収束させることを特徴とする。
【００３８】
このような構成によれば、反射型面対称結像素子を用いて、二次元に走査された画像情報光を瞳孔中心に集光した後に網膜上に二次元画像を形成しているので、ホログラムを用いた網膜投影表示装置のようにその製作において精密な加工精度が要求されることはない。
【００３９】
また、前記出射手段は、互いに異なる複数の波長を有するレーザ光を出射する複数のレーザ光出射手段（例えば、赤色レーザ出力部１１、緑色レーザ出力部１２、青色レーザ出力部１３）と、前記複数のレーザ光出射手段から出射されたそれぞれのレーザ光を合成する合成手段（例えば、全反射ミラー１４、部分透過ミラー１５、１６）と、を備える。
【００４０】
この場合には、同軸上に波長の異なる複数のレーザ光を重ね合わせるだけでフルカラー表示に対応できるとともに、表示されたフルカラー画像に図形歪み、色ズレ、色ムラなどが発生することはない。
【００４１】
また、前記光学素子内の光学屈折率をｎ、前記光学屈折率がｎのときの前記第１光反射面の高さ及び前記第２光反射面の高さをそれぞれＤ（ｎ）、隣接する前記第１光反射面同士の間隔及び隣接する前記第２光反射面同士の間隔をそれぞれＷ、前記光学素子の板面の法線に対する観察方向の角度をα、前記光学素子内における光線の前記法線に対する角度Ｘとした場合、
【数１】
2013148609.tif 000004
と表わされるＤ（ｎ）の値よりも小さくなるように前記第１光反射面の高さ及び前記第２光反射面の高さを設定し、シースルー機能を備えるようにしてもよい。
【００４２】
この場合には、光学素子の厚さを、最も明るく見える場合の光学素子の厚さよりも薄くすることにより、シースルー機能を実現することができる。
【００４３】
また、前記光学素子は着脱自在であってもよい。
【００４４】
この場合には、例えば、シースルー機能を有する反射型面対称結像素子、シースルー機能を有しない反射型面対称結像素子など使用目的に応じて反射型面対称結像素子を取り換えることができる。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、本発明の実施の形態に対して種々の変形や変更を施すことができ、そのような変形や変更を伴うものもまた、本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４６】
１  レーザ光源
２  コリメータ
３  ＭＥＭＳミラー
４，５，５Ａ  反射型面対称結像素子
６  レンズ
７  メガネフレーム
１０  物体（ディスプレイ部）
３０  実像（空間映像）
４０  直方体材
４１，４２  ミラーシート
４３  光反射面（光反射膜）
５３  単位光学素子
５４ａ，５４ｂ  鏡面要素
１００，２００  網膜投影表示装置
【図１】
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【図２】
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【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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