CN110753876B - 图像投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于投影良好的图像。图像投影装置具有：光源(10)，其射出激光；控制部(30)，其根据所输入的图像数据生成图像光线，控制来自光源(10)的激光(40)的射出；扫描镜(12)，其对从光源(10)射出的激光(40)进行扫描而形成扫描光(42)；投影镜(24)，其配置在用户的眼部(50)的前方，使扫描光(42)在用户的眼部(50)的瞳孔(54)附近的会聚点(62)会聚后照射到视网膜(52)，从而将图像投影在视网膜(52)上；以及反射镜(22)，其使由扫描镜(12)扫描后的扫描光(42)在投影镜(24)的近前的会聚点(60)会聚后照射到投影镜(24)，关于激光(40)，反射镜(22)和会聚点(60)之间的光路长度与扫描镜(12)和反射镜(22)之间的光路长度之比和会聚点(60)和投影镜(24)之间的光路长度与投影镜(24)和会聚点(62)之间的光路长度之比大致相同。

Description

图像投影装置
技术领域
本发明涉及图像投影装置。
背景技术
已知使用从光源射出的光线将图像投影到用户的视网膜上的头戴式显示器等的图像投影装置。在这样的图像投影装置中，使用被称为麦克斯韦观察法的方法。在麦克斯韦观察法中，使形成图像的扫描光在瞳孔附近会聚，将图像投影到视网膜上。作为将图像直接投影到视网膜上的图像投影装置，例如已知专利文献1和专利文献2中记载的图像投影装置。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-258686号公报
专利文献2：日本特开2008-46253号公报
发明内容
发明所要解决的课题
已知如下的图像投影装置，使用配置在用户的眼部前方的投影镜反射扫描光，在使扫描光在用户的眼部的瞳孔附近会聚后照射到视网膜上。但是，在这样的图像投影装置中，会在投影出的图像上产生变形等，因而在投影出良好的图像这方面还留有改善的余地。
本发明就是鉴于上述课题而完成的，其目的在于投影良好的图像。
用于解决课题的手段
本发明提供一种图像投影装置，其将图像投影到用户的视网膜上，该图像投影装置具有：光源，其射出激光；控制部，其根据所输入的图像数据生成图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；扫描部，其对从所述光源射出的所述图像光线进行扫描而形成扫描光；第1光会聚部，其配置在所述用户的眼部的前方，使所述扫描光在所述用户的眼部的瞳孔附近的第1会聚点会聚后照射到所述视网膜，从而将所述图像投影在所述视网膜上；以及第2光会聚部，其使由所述扫描部扫描后的所述扫描光在所述第1光会聚部的近前的第2会聚点会聚后照射到所述第1光会聚部，关于所述图像光线，其在所述第2光会聚部和所述第2会聚点之间的光路长度与所述扫描部和所述第2光会聚部之间的光路长度之比和其在所述第2会聚点和所述第1光会聚部之间的光路长度与所述第1光会聚部和所述第1会聚点之间的光路长度之比大致相同。
上述结构还可以构成为，所述扫描部对所述扫描光的扫描角度与所述扫描光会聚在所述第1会聚点的会聚角度大致相同。
本发明提供一种图像投影装置，其将图像投影到用户的视网膜上，该图像投影装置具有：光源，其射出激光；控制部，其根据所输入的图像数据生成图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；扫描部，其对从所述光源射出的所述图像光线进行扫描而形成扫描光；第1光会聚部，其配置在所述用户的眼部的前方，使所述扫描光在所述用户的眼部的瞳孔附近的第1会聚点会聚后照射到所述视网膜，从而将所述图像投影在所述视网膜上；以及第2光会聚部，其使由所述扫描部扫描后的所述扫描光在所述第1光会聚部的近前的第2会聚点会聚后照射到所述第1光会聚部，所述扫描部所形成的所述扫描光的扫描角度与所述扫描光向所述第1会聚点会聚的会聚角度大致相同。
上述结构还可以构成为，关于所述图像光线，其在所述第2光会聚部和所述第2会聚点之间的光路长度与所述扫描部和所述第2光会聚部之间的光路长度之比和其在所述第2会聚点和所述第1光会聚部之间的光路长度与所述第1光会聚部和所述第1会聚点之间的光路长度之比大致相同。
上述结构还可以构成为，所述第1光会聚部和所述第2光会聚部是反射所述扫描光的反射镜，关于所述图像光线，其在所述第1光会聚部的弯折角与在所述第2光会聚部的弯折角大致相同。
上述结构还可以构成为，所述第2光会聚部的焦距比所述第1光会聚部的焦距短。
上述结构还可以构成为，在所述第2会聚点具备用于使所述图像光线以扩散光的形式射入到所述第1光会聚部的第1光学部件。
上述结构还可以构成为，所述第1光学部件具备使所述图像光线形成为会聚光的光学特性，所述图像光线被所述第1光学部件会聚在所述第1光会聚部的近前，然后成为扩散光而射入到所述第1光会聚部。
上述结构还可以构成为，该图像投影装置具有用于使所述图像光线以扩散光的形式射入到所述第2光会聚部的第2光学部件。
上述结构还可以构成为，所述第2光学部件具备使所述图像光线形成为会聚光的光学特性，所述图像光线被所述第2光学部件会聚在所述第2光会聚部的近前，然后成为扩散光而射入到所述第2光会聚部。
上述结构还可以构成为，所述第2光学部件设置在所述光源与所述扫描部之间的所述图像光线的光路上，使所述图像光线以会聚光的形式射入到所述扫描部，所述图像光线从所述扫描部以会聚光的形式射出，在所述第2光会聚部的近前会聚后成为扩散光而射入到所述第2光会聚部，从所述第2光会聚部以扩散光的形式射出并被所述第1光学部件会聚在所述第1光会聚部的近前，然后成为扩散光射入到所述第1光会聚部，从所述第1光会聚部大致以平行光的形式射出。
上述结构还可以构成为，所述光源配置在与所述扫描部正对的位置，所述第2光会聚部包括半透半反镜，所述半透半反镜使从所述光源射出的所述激光透过。
本发明提供一种图像投影装置，其将图像投影到用户的视网膜上，该图像投影装置具有：光源，其射出激光；控制部，其根据所输入的图像数据生成图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；扫描部，其对从所述光源射出的所述图像光线进行扫描而形成扫描光；第1光会聚部，其配置在所述用户的眼部的前方，使所述扫描光在所述用户的眼部的瞳孔附近的第1会聚点会聚后照射到所述视网膜，从而将所述图像投影在所述视网膜上；以及第2光会聚部，其使由所述扫描部扫描后的所述扫描光在所述第1光会聚部的近前的第2会聚点会聚后照射到所述第1光会聚部，所述第1光会聚部和所述第2光会聚部具有玻璃材料、衍射面和曲面镜，所述扫描光在所述衍射面的位置折射并衍射，并被所述曲面镜反射。
上述结构还可以构成为，所述光源射出波长不同的多个激光，利用所述衍射面的衍射特性对所述第1光会聚部或所述第2光会聚部的因所述玻璃材料的折射特性带来的像散进行校正。
上述结构还可以构成为，在所述第2会聚点具备用于使所述图像光线以扩散光的形式射入到所述第1光会聚部的第3光学部件，所述第3光学部件具备使所述图像光线形成为会聚光的光学特性，所述图像光线被所述第3光学部件会聚在所述第1光会聚部的近前，然后成为扩散光而射入到所述第1光会聚部。
上述结构还可以构成为，所述第3光学部件在表面具有衍射面。
上述结构还可以构成为，该图像投影装置具有用于使所述图像光线以扩散光的形式射入到所述第2光会聚部的第4光学部件，所述第4光学部件具备使所述图像光线形成为会聚光的光学特性，所述图像光线被所述第4光学部件会聚在所述第2光会聚部的近前，然后成为扩散光而射入到所述第2光会聚部。
上述结构还可以构成为，所述第4光学部件在表面具有衍射面。
上述结构还可以构成为，关于所述图像光线，其在所述第2光会聚部和所述第2会聚点之间的光路长度与所述扫描部和所述第2光会聚部之间的光路长度之比和其在所述第2会聚点和所述第1光会聚部之间的光路长度与所述第1光会聚部和所述第1会聚点之间的光路长度之比大致相同。
本发明提供一种具备上述记载的图像投影装置的视网膜扫描型视野视力检查装置。
发明效果
根据本发明，能够投影良好的图像。
附图说明
图1是从上方观察实施例1的图像投影装置的图。
图2是将与图1的投影光学***相关的部分放大的图。
图3是从上方观察比较例1的图像投影装置的图。
图4(a)和图4(b)是表示对照射到用户的视网膜上的激光进行评价的模拟结果的图。
图5是表示对射入用户的眼部时的激光的直径与视力的关系进行调查的实验结果的图。
图6是从上方观察比较例2的图像投影装置的图。
图7是从上方观察实施例2的图像投影装置的图。
图8(a)和图8(b)是在使设置于反射镜的会聚点处的透镜的焦距不同时对照射到用户的视网膜上的激光进行评价的模拟结果。
图9是从上方观察实施例2的变形例1的图像投影装置的图。
图10是从上方观察实施例3的图像投影装置的图。
图11是表示视网膜扫描型视野视力检查装置的框图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施例进行说明。
实施例1
图1是从上方观察实施例1的图像投影装置的图。图2是将与图1的投影光学***相关的部分放大的图。如图1所示，实施例1的图像投影装置100具备光源10、扫描镜12、投影光学***20、控制部30和图像输入部32。实施例1的图像投影装置100例如是眼镜型的装置。光源10例如设置在眼镜的镜脚侧。扫描镜12和投影光学***20例如设置在眼镜的镜片侧。控制部30和图像输入部32例如可以不设置在眼镜上而设置于外部装置(例如便携终端)，也可以设置在眼镜的镜脚上。
从未图示的照相机和/或录像设备等向图像输入部32输入图像数据。控制部30基于所输入的图像数据，控制来自光源10的激光40的射出，并且进行扫描镜12的扫描的控制。光源10在控制部30的控制下，例如射出红色激光(波长：610nm～660nm左右)、绿色激光(波长：515nm～540nm左右)和蓝色激光(波长：440nm～480nm左右)的可见激光。作为射出红色、绿色和蓝色的激光的光源10，例如可以举出集成了RGB(红、绿、蓝)的各个激光二极管芯片和三色合成器件的光源。光源10是在一个模块内集成有激光二极管芯片和三色合成器件的1个光源部。另外，光源10也可以射出单一波长的激光。这样，图像数据由光源10变换为作为图像光线的激光40。
控制部30例如是CPU(中央处理单元、Central Processing Unit)等处理器。如果将照相机朝向用户的眼部50的视线方向设置在图像投影装置100的适当位置，则能够将由该照相机拍摄到的视线方向的图像投影到视网膜52上。另外，通过投影从录像设备等输入的图像，或者使照相机图像和来自录像设备等的图像在控制部30中叠加，从而还能够投影所谓的虚拟现实(AR：Augmented Reality)图像。
扫描镜12对从光源10射出的激光40进行二维扫描而形成扫描光42。扫描镜12例如是MEMS(微机电***、Micro Electro Mechanical System)镜，其使激光40沿水平方向和垂直方向二维扫描。由扫描镜12扫描的扫描光42射入到投影光学***20。
投影光学***20使由扫描镜12扫描的扫描光42在用户的眼部50的瞳孔54附近会聚，然后照射到视网膜52上，从而将图像投影到视网膜52上。用户通过照射在视网膜52上的扫描光42的残像效果来识别图像。
如图1和图2所示，投影光学***20包括反射镜22和投影镜24。反射镜22和投影镜24的反射面形成为自由曲面等曲面。反射镜22和投影镜24是具有不同焦距凹面镜。反射镜22的焦距比投影镜24的焦距短。即，反射镜22曲率半径比投影镜24的曲率半径小。
由扫描镜12扫描的扫描光42射入到反射镜22。扫描光42被反射镜22反射，在会聚点60会聚后照射到投影镜24上。这样，反射镜22是使扫描光42在投影镜24的近前的会聚点60会聚后照射到投影镜24上的第2光会聚部的一例。照射到投影镜24上的扫描光42被投影镜24反射，在瞳孔54附近的会聚点62会聚后照射到视网膜52上。这样，投影镜24是使扫描光42在瞳孔54附近的会聚点62会聚后照射到视网膜52上的第1光会聚部的一例。反射镜22和投影镜24具有正的聚光功率。
扫描镜12对扫描光42的扫描角度θ1和扫描光42会聚在会聚点62的会聚角度θ4是相同的大小。即，在扫描光42中，扫描镜12和会聚点62成为等倍共轭的关系。例如，扫描镜12对扫描光42的扫描角度θ1和扫描光42会聚在会聚点60的会聚角度θ2为相同的大小，在扫描光42中，扫描镜12和会聚点60经由反射镜22而成为等倍共轭关系。即，反射镜22以与扫描镜12对扫描光42的扫描角度θ1大致相同大小的会聚角度θ2使扫描光42会聚到会聚点60。例如，扫描光42从会聚点60射出的射出角度θ3(射出角度θ3＝会聚角度θ2)和扫描光42会聚在会聚点62的会聚角度θ4为相同的大小，在扫描光42中，会聚点60和会聚点62经由投影镜24而成为等倍共轭的关系。即，投影镜24以与从会聚点60射出的扫描光42的射出角度θ3大致相同大小的会聚角度θ4使扫描光42会聚到会聚点62。由此，在扫描光42中，扫描镜12和会聚点62经由反射镜22和投影镜24而成为等倍共轭关系。
另外，扫描角度θ1和会聚角度θ4不限于大小完全相同的情况，也可以是大小大致相同的情况。这种情况在会聚角度θ2和射出角度θ3中也相同。另外，所谓大致相同，是指这种相同的程度对投影到视网膜52上的图像的品质几乎不产生影响。
与投影到视网膜52上的图像的中央的像素对应的激光40a在反射镜22上的弯折角
Figure GDA0003162071650000071
和在投影镜24上的弯折角
Figure GDA0003162071650000072
为相同大小。激光40a以外的激光40在反射镜22上的弯折角和在投影镜上的弯折角也是相同的大小。另外，所谓弯折角是指入射角与反射角之和。
另外，在激光40a中，反射镜22与会聚点60之间的光路长度L2相对于扫描镜12与反射镜22之间的光路长度L1之比和会聚点60与投影镜24之间的光路长度L3相对于投影镜24与会聚点62之间的光路长度L4之比相同。即，(光路长度L2/光路长度L1)＝(光路长度L3/光路长度L4)。在激光40a以外的激光40中，反射镜22与会聚点60之间的光路长度相对于扫描镜12与反射镜22之间的光路长度之比也和会聚点60与投影镜24之间的光路长度相对于投影镜24与会聚点62之间的光路长度之比相同。
另外，激光40在反射镜22上的弯折角和在投影镜24上的弯折角不限于大小完全相同的情况，也可以是大小大致相同的情况。另外，在激光40中，也不限于反射镜22与会聚点60之间的光路长度相对于扫描镜12与反射镜22之间的光路长度之比和会聚点60与投影镜24之间的光路长度相对于投影镜24与会聚点62之间的光路长度之比完全相同的情况，也可以是大致相同的情况。另外，所谓大致相同，是指这种相同的程度对投影到视网膜52上的图像的品质几乎不产生影响。
图3是从上方观察比较例1的图像投影装置的图。如图3所示，在比较例1图像投影装置500中，投影光学***20包括反射镜82而取代反射镜22。反射镜82是平面镜或大致平面的反射镜。因此，扫描光42在被反射镜82反射后，几乎不会聚地照射到投影镜24上。其他结构与实施例1相同，因此省略说明。
图4(a)和图4(b)是表示对照射到用户的视网膜上的激光进行评价的模拟结果的图。在模拟中，在由扫描镜12扫描的扫描光42为圆形形状且激光40均匀地分布的情况下，对照射在视网膜52上的扫描光42的状况进行评价。另外，在图4(a)和图4(b)中示出了用户所识别的扫描光42，横向对应于用户的眼部50的左右方向，纵向对应于上下方向。
在比较例1的图像投影装置500中，如图4(b)所示，得到的结果是，扫描光42为圆形状，但从眼部50的中心向左右方向偏移，激光40呈现出不均匀且偏倚的分布。这样，激光40分布变得不均匀的原因被认为是，为了使扫描光42在瞳孔54附近的会聚点62会聚，而使用了具有正的聚光功率的投影镜24。如果激光40的分布不均匀且偏倚，则用户识别的图像会成为失真的图像。
另一方面，在实施例1的图像投影装置100中，如图4(a)所示，得到的结果是，扫描光42为圆形状且位于眼部50的中心，激光40呈现出与由扫描镜12扫描时同样的均匀分布。这样，在实施例1中，激光40的分布得以保持均匀的分布被认为是基于以下的理由。即，在实施例1中，除了使用具有正的聚光功率的投影镜24以外，还使用具有正的聚光功率的反射镜22。如上所述，关于激光40，反射镜22与会聚点60之间的光路长度相对于扫描镜12与反射镜22之间的光路长度之比和会聚点60与投影镜24之间的光路长度相对于投影镜24与会聚点62之间的光路长度之比相同。由此，从扫描镜12经由反射镜22到达会聚点60的激光40的光路与从会聚点60经由投影镜24到达会聚点62的激光40的光路是大小不同的相似形状，但可以构成为具有以会聚点60为中心的点对称性的结构。由此，可认为投影镜24的正的聚光功率对激光40的影响会被反射镜22的正的聚光功率对激光40的影响抵消。因此，可以认为在实施例1中，激光40的分布被保持为均匀的分布。
根据实施例1，除了使扫描光42在瞳孔54附近的会聚点62会聚的投影镜24之外，还具有使扫描光42在投影镜24的近前的会聚点60会聚的反射镜22。而且，关于激光40，反射镜22与会聚点60之间的光路长度相对于扫描镜12与反射镜22之间的光路长度之比和会聚点60与投影镜24之间的光路长度相对于投影镜24与会聚点62之间的光路长度之比大致相同。由此，如在图4(a)中说明的那样，能够通过反射镜22的正的聚光功率对激光40带来的影响来抵消投影镜24的正的聚光功率对激光40带来的影响。因此，能够投影抑制了失真等的良好的图像。
另外，在实施例1中，与比较例1相比，代替反射镜82而仅设置了反射镜22。因此，能够抑制部件数量的增加和图像投影装置的大型化，并且能够投影良好的图像。
另外，根据实施例1，激光40在反射镜22上的弯折角和在投影镜24上的弯折角为大致相同的大小。由此，能够通过反射镜22的正的聚光功率对激光40带来的影响有效地抵消投影镜24的正的聚光功率对激光40带来的影响。
另外，如比较例1的图像投影装置500那样，在使用具有正的聚光功率的1块投影镜24向视网膜52照射扫描光42的情况下，会产生射入到眼部50的角膜58时的激光40的直径小于由扫描镜12扫描时的激光40的直径的情况。这是因为，尽管扫描镜12的扫描角度小，但扫描光42以较大的偏转角射入到用户的眼部50。如果射入到角膜58时的激光40的直径变小，则难以将高分辨率的图像投影到视网膜52上。关于这一点，使用发明人进行的实验进行说明。如下进行实验，在对于视力为0.04、0.5、0.9和1.2的不同的多个用户，使射入到角膜58时的激光40的直径不同的情况下，通过测定用户能够视觉辨认投影到视网膜52上的图像(例如由照相机拍摄的用户的视线方向的图像)的程度来进行实验。投影到视网膜52上的图像形成为水平视角为20°、画面纵横比为16∶9、有效垂直分辨率为720的图像。例如，如果眼轴长度为24mm，则投影到视网膜52上的图像的大小为横5700μm×纵3200μm。
图5是表示对射入用户的眼部时的激光的直径与视力的关系进行调查的实验结果的图。图5的横轴为原视力，纵轴为获得视力。原视力是指通过一般的视力检查测得的视力。获得视力是指相对于通过照射扫描光42而投影到视网膜52上的图像的视力。在图5中，用实线表示射入到角膜58时的激光40的直径为310μm时的结果，用虚线表示该直径为470μm时的结果，用点划线表示该直径为820μm时的结果，用断线表示该直径为1360μm时的结果。另外，激光40以大致平行光的形式射入到角膜58。
如图5所示，在射入到角膜58时的激光40的直径大到820μm、1360μm的情况下，获得视力变高。即，可知在射入到角膜58时的激光40的直径较大的情况下，能够将高分辨率的图像投影到视网膜52上，而在射入到角膜58时的激光40的直径较小的情况下，难以将高分辨率的图像投影到视网膜52上。
因此，在实施例1中，如图2所示，使扫描镜12对扫描光42的扫描角度θ1和扫描光42会聚在会聚点62的会聚角度θ4为大致相同的大小。即，在扫描光42中，扫描镜12和会聚点62成为大致等倍共轭的关系。由此，能够使射入到角膜58时的激光40的直径成为与由扫描镜12扫描时的激光40的直径大致相同的大小。因此，能够投影高分辨率的图像。
另外，根据实施例1，反射镜22的焦距比投影镜24的焦距短。由此，能够使反射镜22与投影镜24直径的间隔变窄，能够使图像投影装置进一步小型化。从图像投影装置的小型化的观点出发，优选反射镜22比投影镜24小。
反射镜22和投影镜24只要具有正的聚光功率，且具备使光会聚后扩散的光学特性，则除了可使用自由曲面镜以外，也可以通过组合透镜或反射镜、使用衍射元件等来构成。
实施例2
图6是从上方观察比较例2的图像投影装置的图。另外，由于激光40具有固定大小的直径，因此在图6中图示为具有直径的激光40。另外，将由扫描镜12扫描的扫描光42会聚到1点的情况表现为会聚，将1条激光40通过正的会聚功率而聚焦于一点的情况表现为聚光。如图6所示，在比较例2的图像投影装置600中，在光源10与扫描镜12之间的激光40的光路上设置有透镜84。其他结构都与实施例1的图像投影装置100相同，因此省略说明。
作为从光源10射出的扩散光的激光40被透镜84变换为大致平行光而射入到扫描镜12。由扫描镜12反射的激光40以大致平行光的状态射入到反射镜22。由于反射镜22具有使扫描光42会聚在会聚点60的正的会聚功率，所以当大致平行光的激光40射入到反射镜22时，由反射镜22反射的激光40成为在会聚点60的近前会聚的会聚光。激光40在会聚点60的近前聚光后成为扩散光而射入到投影镜24。因此，射入到投影镜24时的激光40的直径变大。由于投影镜24具有使扫描光42会聚在瞳孔54附近的会聚点62的正的会聚功率，因此当较大直径的激光40射入到投影镜24时，激光40以会聚光的形式射入到眼部50，在瞳孔54附近会聚后成为扩散光而射入到视网膜52。
这样，在比较例2的图像投影装置600中，由于激光40以扩散光的形式照射视网膜52，所以在视网膜52附近不聚焦，其在视网膜52上的尺寸变大。因此，散焦图像被投影到视网膜52上。
图7是从上方观察实施例2的图像投影装置的图。另外，在图7中，也与图6同样地图示为具有直径的激光40。如图7所示，在实施例2的图像投影装置200中，在光源10与扫描镜12之间的激光40的光路上设置有透镜14。除了反射镜22和投影镜24之外，投影光学***20在会聚点60处还具有透镜26。其他结构都与实施例1的图像投影装置100相同，因此省略说明。
透镜14是将作为从光源10射出的扩散光的激光40变换为会聚光的聚光透镜。因此，激光40以会聚光的形式射入到扫描镜12。由扫描镜12反射的激光40保持会聚光的状态，在反射镜22的近前会聚后成为扩散光而射入到反射镜22。反射镜22具有使扫描光42会聚于会聚点60的正的会聚功率，通过适当设定透镜14的焦距，使射入到反射镜22时的激光40的镜口率(NA：Numerical Aperture)为适当的大小，从而由反射镜22反射的激光40成为抑制了扩散状况(扩散光的扩散形状)的扩散光。透镜26是将作为该抑制了扩散状况的扩散光的激光40变换为会聚光的聚光透镜。由透镜26转换为会聚光的激光40在投影镜24的近前会聚后成为扩散光而射入到投影镜24。由于投影镜24具有使扫描光42会聚到瞳孔54附近的会聚点62的正的会聚功率，因而通过适当地将透镜26焦距并使射入到投影镜24时的激光40的NA设定为适当的大小，从而由投影镜24反射的激光40成为大致平行光。激光40成为大致平行光而射入到眼部50，通过晶状体56而聚焦在视网膜52附近。
图8(a)和图8(b)是在使设置于反射镜的会聚点处的透镜的焦距不同时对照射到假想地设置在用户的视网膜的位置处的平面上的激光进行评价的模拟结果。在图8(a)和图8(b)中示出了用户所识别的激光40，横向对应于用户的眼部50的左右方向，纵向对应于上下方向。图8(a)是透镜26的焦距不适当时的模拟结果，图8(b)是透镜26的焦距适当时的模拟结果。如图8(a)所示，在透镜26的焦距不适当的情况下，会产生投射到假想地设置在视网膜52的位置的平面上的激光40的直径在眼部50的左右方向上不同的情况。另一方面，如图8(b)所示，在透镜26的焦距适当的情况下，激光40的直径在眼部50的上下方向和左右方向成为均匀的大小。
根据实施例2，如图7所示，用于使激光40以扩散光的形式射入到投影镜24的透镜26设置在由反射镜22反射的扫描光42的会聚点60。通过使激光40以扩散光的形式射入到投影镜24，能够利用投影镜24的正的聚光功率将激光40变换为大致平行光并照射到眼部50。由此，激光40通过晶状体56聚焦在视网膜52附近，因此能够投影抑制了散焦的良好的图像。另外，通过将透镜26设置在会聚点60，能够容易地实现构成扫描光42的多个激光40以适当的扩散光的形式射入到投影镜24。
另外，根据实施例2，如图7所示，透镜26具有将激光40形成为会聚光的光学特性，激光40被透镜26会聚在投影镜24的近前后成为扩散光而射入到投影镜24。由此，能够良好地调整射入到投影镜24时的激光40的NA，因此能够良好地实现由投影镜24反射的激光40成为大致平行光的情况。
另外，根据实施例2，如图7所示，设置有用于使激光40以扩散光的形式射入到反射镜22的透镜14。由此，能够使通过反射镜22的正的聚光功率抑制了扩散状况的激光40射入到透镜26。因此，对于使激光40以适当的扩散光的形式射入到投影镜24的透镜26而言，无需使用特别规格的透镜。
另外，根据实施例2，如图7所示，透镜14具有将激光40形成为会聚光的光学特性，激光40被透镜14会聚在反射镜22的近前后成为扩散光而射入到反射镜22。由此，射入到透镜26时的激光40的扩散状况的调整变得容易。
如实施例2那样，从同时实现向用户提供良好图像和使图像投影装置小型化的观点出发，激光40从扫描镜12以会聚光的形式射出并在反射镜22的近前会聚，然后成为扩散光而射入到反射镜22。并且，优选从反射镜22以扩散光的形式射出，通过透镜26在投影镜24的近前聚光后成为扩散光射入到投影镜24，并以大致平行光的形式从投影镜24射出。
另外，在实施例2中，与比较例2相比，仅增加了透镜26，因此能够抑制部件数量的增加和图像投影装置的大型化，并能够投影良好的图像。
另外，在实施例2中，透镜26也可以具备抑制色像差的功能。另外，透镜26优选为抑制像面弯曲的设计。作为用于使激光40以扩散光的形式射入到投影镜24的光学部件，举例示出了透镜26的情况。作为用于使激光40以扩散光的形式射入到反射镜22的光学部件，举例示出了透镜14的情况。但是，光学部件并不限定于透镜，可以是反射镜，也可以是衍射元件，优选具有使激光40形成为会聚光的光学特性的光学部件。
在实施例1和实施例2中，反射镜22和投影镜24也可以具有衍射元件。另外，反射镜22优选为不透光的全反射镜。投影镜24可以是能够使用户的眼部50的视线方向的光透过的半透半反镜，也可以是不透光的全反射镜。如果投影镜24是半透半反镜，则透过视线方向的实际图像，能够与基于激光40的图像一起视觉辨认，如果是全反射镜，则能够仅视觉辨认基于激光40图像。
图9是从上方观察实施例2的变形例1的图像投影装置的图。如图9所示，在实施例2的变形例1的图像投影装置210中，光源10和透镜14配置在与扫描镜12正对的位置。即，光源10的射出激光40的射出面11与扫描镜12的扫描面13正对。因此，激光40从正面射入到扫描镜12的扫描面13。在以这样的位置关系配置光源10和扫描镜12的情况下如实施例2那样使用反射镜22的情况下，从光源10射出的激光40被反射镜22遮挡，不射入到扫描镜12。因此，在实施例2的变形例1中，使用反射半透半反镜86来代替反射镜22。反射半透半反镜86是使来自光源10侧的激光40透过，但使来自扫描镜12的反射光反射的半透半反镜。因此，从光源10射出的激光40透过反射半透半反镜86射入到扫描镜12。由扫描镜12反射的激光40在反射半透半反镜86反射。其他结构都与实施例2的图像投影装置200相同，因此省略说明。
如实施例2那样，在激光40倾斜地射入到扫描镜12并反射的情况下，投影图像有时失真为横梯形，因此，有时会在投影到视网膜52上的图像上产生失真。但是，根据实施例2的变形例1，光源10配置在与扫描镜12正对的位置。因此，激光40从正面射入到扫描镜12上，可减轻投影图像失真为横梯形的情况，其结果是，可减轻投影到视网膜52上的图像的失真。
实施例3
图10是从上方观察实施例3的图像投影装置的图。如图10所示，在实施例3图像投影装置300中，代替实施例1中的投影光学***20而具备投影光学***90。在光源10和扫描镜12之间的激光40的光路上设置有透镜91和半透半反镜99。从光源10射出的激光40在通过透镜91后被半透半反镜99反射而射入到扫描镜12。由扫描镜12扫描的扫描光42透过半透半反镜99。投影光学***90包括反射单元92和投影单元95以及配置在它们之间的会聚点60处的透镜98。其他结构都与实施例1的图像投影装置100相同，因此省略说明。
反射单元92包括玻璃材料(透镜)71、位于玻璃材料71的扫描光42的射入侧的作为透射型衍射元件的衍射面93、以及位于面对衍射面93的位置处的自由曲面反射镜94。射入到反射单元92的扫描光42在衍射面93的位置折射且衍射，在玻璃材料71中向自由曲面反射镜94的方向透过。自由曲面反射镜94是具有对透过衍射面93和玻璃材料71的扫描光42进行反射的正的聚光功率的反射镜，作为一例，是在玻璃材料71上蒸镀了反射材料的结构。
投影单元95包括玻璃材料(透镜)72、位于玻璃材料72的扫描光42的射入侧的作为透射型衍射元件的衍射面96、以及位于面对衍射面96的位置处的自由曲面反射镜97。射入到投影单元95的扫描光42在衍射面96的位置折射且衍射，在玻璃材料72中向自由曲面反射镜97的方向透过。自由曲面反射镜97是具有对透过衍射面96和玻璃材料72的扫描光42进行反射的正的聚光功率的反射镜，作为一例，是在玻璃材料72上蒸镀了反射材料的结构。
在衍射面93和96的位置，通过玻璃材料71和72的光学特性使扫描光42折射，并且通过衍射面93和96的衍射元件的特性使扫描光42衍射。
从光源10射出的激光40由透镜91变换为会聚光，在被半透半反镜99反射后照射到扫描镜12上。由扫描镜12扫描的扫描光42透过半透半反镜99，射入到反射单元92的衍射面93。射入到衍射面93的扫描光42通过衍射面93的衍射功能折射而向自由曲面反射镜94照射。由自由曲面反射镜94反射的扫描光42返回衍射面93，在衍射面93进一步折射而从反射单元92射出，通过自由曲面反射镜94的正的聚光功率在会聚点60会聚后，照射到投影单元95。在会聚点60处配置有透镜98。构成扫描光42的激光40通过透镜98以扩散光的形式射入到投影单元95的衍射面96。这样，反射单元92是使扫描光42在投影单元95的近前的会聚点60会聚后向投影单元95照射的第2光会聚部的一例。
射入到投影单元95的扫描光42通过衍射面96的衍射功能折射而向自由曲面反射镜97照射。由自由曲面反射镜97反射的扫描光42返回衍射面96，在衍射面96进一步折射并从投影单元95射出。从投影单元95射出的扫描光42通过自由曲面反射镜97的正的聚光功率而在瞳孔54附近的会聚点62会聚后照射到视网膜52。这样，投影单元95是使扫描光42在瞳孔54附近的会聚点62会聚后照射到视网膜52上的第1光会聚部的一例。
投影光学***90与实施例1的投影光学***20同样地，在扫描光42中，扫描镜12和会聚点60经由反射单元92成为等倍的共轭关系，会聚点60和会聚点62经由投影单元95成为等倍共轭的关系。因此，在扫描光42中，扫描镜12和会聚点62经由反射单元92和投影单元95成为等倍共轭的关系。
在实施例1中，举例示出了具备由反射镜22和投影镜24构成的投影光学***20的情况，但并不限于该情况。如实施例3所示，也可以具有如下的投影光学***90，其构成为包括：反射单元92，其具有玻璃材料71、衍射面93和自由曲面反射镜94；以及投影单元95，其具有玻璃材料72、衍射面96和自由曲面反射镜97。反射单元92和投影单元95使扫描光42在衍射面93和96的位置折射并衍射，并被自由曲面反射镜94和97反射。在该情况下，也与实施例1同样地，能够投影抑制了失真等的良好的图像。
在将彩色图像投影到视网膜52上情况下，在光源10中使用具备R、G、B的波长不同的3种光源(例如激光二极管芯片)的光源部。若用同一透镜等光学元件使波长不同的激光折射，则折射率因波长而不同，因此3种激光不会在同一点聚光，有时会产生像散而发生所谓的重影。由于反射单元92和投影单元95具有玻璃材料71和72，因此如果在光源10中使用具备R、G、B的波长不同的3种光源的光源部来投影彩色图像，则有可能发生由像散引起的重影。因此，在实施例3中，反射单元92和投影单元95构成为具有衍射面93和96的结构。衍射面93和96具有对于R、G、B的波长不同的激光40，修正(消除)由玻璃材料71和72引起的像散的特性。由此，射入到反射单元92和投影单元95而反射的R、G、B的激光40的像散减少，所投影的彩色图像的重影减少。
如图10所示，用于使激光40以扩散光的形式射入到投影单元95的透镜98设置在会聚点60。透镜98具有将激光40形成为会聚光的光学特性，激光40通过透镜98在投影单元95的近前聚光后成为扩散光而射入到投影单元95。通过使激光40以扩散光的形式射入到投影单元95，从而利用投影单元95的自由曲面反射镜97的正的聚光功率，将激光40以大致平行光的方式照射到眼部50。由此，如在实施例2中说明的那样，能够投影抑制了散焦的良好的图像。
如图10所示，设置有用于使激光40以扩散光的形式射入到反射单元92的透镜91。透镜91具有将激光40形成为会聚光的光学特性，激光40通过透镜91在反射单元92的近前聚光后成为扩散光而射入到反射单元92。由此，如实施例2中说明的那样，能够使通过反射单元92的自由曲面反射镜94的正的聚光功率抑制了扩散状况的激光40射入到透镜98。因此，关于用于使激光40以适当的扩散光的形式射入到投影单元95的透镜98，不必使用特别规格的透镜。
在将实施例3的图像投影装置300应用于头戴式显示器的情况下，由于投影光学***90的设置空间有限，因此反射单元92和投影单元95优选以某种程度的折射角度使激光40折射，并以某种程度的聚光功率使激光40聚光。通过由反射单元92和投影单元95分别具备优化的玻璃材料71和72、衍射面93和96、以及自由曲面反射镜94和97，能够得到作为头戴式显示器而言最佳的折射角度和聚光功率。根据该结构，能够尽可能地减小衍射面93和96的衍射功率，因此不需要减小衍射元件间距，其衍***度提高，制作变得更为容易。
在R、G、B波长不同的激光40透过透镜91和98时，有时也会产生像散。为了避免这种情况，也可以通过在透镜91和98的表面设置衍射元件来减少(消除)该像散。
为了将激光40从光源10引导至眼部50，反射单元92不形成为相对于扫描镜12的水平方向和垂直方向的扫描方向对称的结构。因此，通过使透镜91形成为半圆筒形是形状等，使水平方向和垂直方向的聚光功率不同，从而能够修正(消除)反射单元92的水平和垂直方向上的因非对称引起的像散。
由透镜91转换为会聚光的激光40被半透半反镜99反射而照射到扫描镜12上。由此，能够实现激光40从正面照射扫描镜12的结构，与实施例2的变形例1同样地，能够减少投影图像的失真。另外，从光源10射出的激光40也可以不经由半透半反镜99，而在通过透镜91后直接照射到扫描镜12上。
在实施例1和实施例2的结构中，由于利用反射镜22和投影镜24的正的聚光功率使激光40会聚，因此通过增大聚光功率而使得从镜到会聚点的距离变小。由此，虽然能够实现图像投影装置的小型化，但为此会增大反射镜22和投影镜24的自由曲面反射镜的曲率，在这种情况下，会妨碍图像投影装置的小型化。另一方面，如实施例3那样，反射单元92和投影单元95具备衍射面93和96，从而通过使激光40在衍射面93和96折射，能够减小自由曲面反射镜94和97的曲率。在该情况下，虽然是自由曲面，但能够尽可能地接***面反射镜，因此能够实现图像投影装置的进一步的小型化。
另外，根据实施例3，关于激光40，从自由曲面反射镜94在衍射面93衍射到会聚点60之间的光路长度相对于从扫描镜12在衍射面93衍射到自由曲面反射镜94之间的光路长度之比与从会聚点60在衍射面96衍射到自由曲面反射镜97之间的光路长度相对于从自由曲面反射镜97在衍射面96衍射到会聚点62之间的光路长度之比大致相同。由此，与在实施例1的图4(a)中说明的情况相同，在实施例3中，也能够通过自由曲面反射镜94的正的聚光功率对激光40带来的影响抵消自由曲面反射镜97的正的聚光功率对激光40带来的影响。因此，能够投影抑制了失真等的良好的图像。
另外，在图10中，为了便于说明，以一定厚度示出反射单元92和投影单元95。但是，实际上，能够与最短光路长度一致地实现反射单元92和投影单元95的薄壁化，在中央部能够实现2.5mm左右的厚度，因此也能够嵌入到眼镜片中。
在实施例1至实施例3中，例示了将图像投影到一个眼部50上的情况，但也可以是将图像投影到两个眼部50上的情况。另外，作为扫描部，举例示出了扫描镜12的情况，但扫描部只要能够扫描光线即可。例如，作为扫描部，也可以使用作为电光材料的铌酸钽钾(KTN)结晶等其他部件。作为光线，举例示出了激光的情况，但也可以是激光以外的光。
图11是表示视网膜扫描型视野视力检查装置的框图。如图11所示，视网膜扫描型视野视力检查装置400具备实施例1的图像投影装置100。另外，也可以代替实施例1的图像投影装置100而具备实施例2、实施例2的变形例1或实施例3的图像投影装置。例如，若将实施例1至实施例3所公开结构应用于日本特愿2017-106337、日本特愿2017-111151所公开的视网膜扫描型视野视力检查装置和视网膜扫描型头戴式显示器中，则本发明也可以用于根据由该视网膜扫描型视野视力检查装置检查的用户的视觉特性数据，在视网膜扫描型头戴式显示器上投影图像或视标。
以上，对本发明的实施例进行了详细说明，但本发明并不限于这种特定的实施例，在权利要求书所记载的本发明的主旨的范围内可以进行各种变形、变更。
标号说明
10：光源；11：射出面；12：扫描镜；13：扫描面；14：透镜；20：投影光学***；22：反射镜；24：投影镜；26：透镜；30：控制部；32：图像输入部；40、40a：激光；42：扫描光；50：眼部；52：视网膜；54：瞳孔；56：晶状体；58：角膜；60、62：会聚点；71、72：玻璃材料；82：反射镜；84：透镜；86：反射半透半反镜；90：投影光学***；91、98：透镜；92：反射单元；93、96：衍射面；94、97：自由曲面反射镜；95：投影单元；99：半透半反镜；100～300、500、600：图像投影装置；400：视网膜扫描型视野视力检查装置。

Claims (14)

1.一种图像投影装置(200、210)，其将图像投影到用户的视网膜(52)上，该图像投影装置具有：
光源(10)，其射出激光(40)；
控制部(30)，其根据所输入的图像数据生成图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；
扫描部(12)，其对从所述光源射出的所述图像光线进行扫描而形成扫描光；
第1光会聚部(24)，其配置在所述用户的眼部(50)的前方，使所述扫描光在所述用户的眼部的瞳孔(54)附近的第1会聚点(62)会聚后照射到所述视网膜，从而将所述图像投影在所述视网膜上；
第2光会聚部(22)，其使由所述扫描部扫描后的所述扫描光在所述第1光会聚部的近前的第2会聚点(60)会聚后照射到所述第1光会聚部；以及
第1光学部件(26)，其配置于所述第2会聚点，具备使所述图像光线成为会聚光的光学特性，
所述图像光线被所述第1光学部件会聚在所述第1光会聚部的近前，然后成为扩散光而射入到所述第1光会聚部。
2.根据权利要求1所述的图像投影装置，其中，
关于所述图像光线，其在所述第2光会聚部和所述第2会聚点之间的光路长度(L2)与所述扫描部和所述第2光会聚部之间的光路长度(L1)之比和其在所述第2会聚点和所述第1光会聚部之间的光路长度(L3)与所述第1光会聚部和所述第1会聚点之间的光路长度(L4)之比大致相同。
3.根据权利要求1所述的图像投影装置，其中，该图像投影装置具有用于使所述图像光线以扩散光的形式射入到所述第2光会聚部的第2光学部件(14)。
4.根据权利要求3所述的图像投影装置，其中，所述第2光学部件具备使所述图像光线形成为会聚光的光学特性，
所述图像光线被所述第2光学部件会聚在所述第2光会聚部的近前，然后成为扩散光而射入到所述第2光会聚部。
5.根据权利要求3所述的图像投影装置，其中，所述第2光学部件设置在所述光源与所述扫描部之间的所述图像光线的光路上，使所述图像光线以会聚光的形式射入到所述扫描部，
所述图像光线从所述扫描部以会聚光的形式射出，在所述第2光会聚部的近前会聚后成为扩散光而射入到所述第2光会聚部，从所述第2光会聚部以扩散光的形式射出并被所述第1光学部件会聚在所述第1光会聚部的近前，然后成为扩散光射入到所述第1光会聚部，从所述第1光会聚部大致以平行光的形式射出。
6.根据权利要求1所述的图像投影装置，其中，所述光源配置在与所述扫描部正对的位置，
所述第2光会聚部包括半透半反镜(86)，
所述半透半反镜使从所述光源射出的所述激光透过。
7.一种图像投影装置(300)，其将图像投影到用户的视网膜(52)上，该图像投影装置具有：
光源(10)，其射出激光(40)；
控制部(30)，其根据所输入的图像数据生成图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；
扫描部(12)，其对从所述光源射出的所述图像光线进行扫描而形成扫描光；
第1光会聚部(95)，其配置在所述用户的眼部的前方，使所述扫描光在所述用户的眼部(50)的瞳孔(54)附近的第1会聚点(62)会聚后照射到所述视网膜，从而将所述图像投影在所述视网膜上；以及
第2光会聚部(92)，其使由所述扫描部扫描后的所述扫描光在所述第1光会聚部的近前的第2会聚点(60)会聚后照射到所述第1光会聚部，
所述第1光会聚部和所述第2光会聚部具有玻璃材料(71、72)、衍射面(93、96)和曲面镜(94、97)，所述扫描光在所述衍射面的位置折射并衍射，并被所述曲面镜反射。
8.根据权利要求7所述的图像投影装置，其中，所述光源射出波长不同的多个激光，利用所述衍射面的衍射特性对所述第1光会聚部或所述第2光会聚部的因所述玻璃材料的折射特性带来的像散进行校正。
9.根据权利要求7所述的图像投影装置，其中，在所述第2会聚点具备用于使所述图像光线以扩散光的形式射入到所述第1光会聚部的第3光学部件，
所述第3光学部件具备使所述图像光线形成为会聚光的光学特性，
所述图像光线被所述第3光学部件会聚在所述第1光会聚部的近前，然后成为扩散光而射入到所述第1光会聚部。
10.根据权利要求9所述的图像投影装置，其中，所述第3光学部件在表面具有衍射面。
11.根据权利要求7所述的图像投影装置，其中，该图像投影装置具有用于使所述图像光线以扩散光的形式射入到所述第2光会聚部的第4光学部件，
所述第4光学部件具备使所述图像光线形成为会聚光的光学特性，
所述图像光线被所述第4光学部件会聚在所述第2光会聚部的近前，然后成为扩散光而射入到所述第2光会聚部。
12.根据权利要求11所述的图像投影装置，其中，所述第4光学部件在表面具有衍射面。
13.根据权利要求7所述的图像投影装置，其中，关于所述图像光线，其在所述第2光会聚部和所述第2会聚点之间的光路长度(L2)与所述扫描部和所述第2光会聚部之间的光路长度(L1)之比和其在所述第2会聚点和所述第1光会聚部之间的光路长度(L3)与所述第1光会聚部和所述第1会聚点之间的光路长度(L4)之比大致相同。
14.一种视网膜扫描型视野视力检查装置(400)，其具备所述权利要求1或7所述的图像投影装置(200、210、300)。
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