JP2004145367A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】　大きな視野の明るい画像表示ができ小型化・軽量化が容易な眼鏡型の画像表示装置を得る。
【解決手段】　シリコン製の可動ミラーで構成される光スキャナ５と対物レンズ４とを眼鏡のつる９の一部に設け、光を曲げるプリズム３、接眼レンズ２およびキューブ型ビームスプリッタ１を眼鏡の前面部に設ける。このことにより、光スキャナ５から偏向走査される光ビームが、眼球６の瞳７に入射され、網膜８上に焦点を結んだ画像が表示される。２個のキューブ型ビームスプリッタ１の間隔を変える調整部をもつことにより、両目にそれぞれ光ビームを導くことができ、見やすい画像表示装置となる。また、対物レンズ４の焦点距離を接眼レンズ２の焦点距離よりも大きくすることにより、大きな画像を表示可能となる。
【選択図】　図１

Description

　本発明は、画像表示装置に関し、特に、眼鏡のように装着できる小型化、軽量化に適した画像表示装置に関する。

　従来の画像表示装置は、一般に映像信号により変調されたレーザ光を水平走査および垂直走査し、走査された光を投射光学系により眼の網膜上に結像して映像を表示する。このような構成の画像表示装置が種々提案されている。この方式は、光源から出射された光が効率良く眼に入るため低消費電力の画像表示装置の実現を可能にする特徴を持つものである。

　例えば、従来例１として、特許文献１に記載の「直視型画像表示装置」には、レーザ光を音響光学偏向器で横方向走査を行い、ガルバノメトリックミラーで垂直方向の走査を行い、２枚のレンズで結像系を構成した直視型画像表示装置が提案されている。しかし、本従来例１においては、音響光学偏向器を用いているため装置全体の構成が大きくなるため、小型化、軽量化には適さない。

　従来例１の問題点を解消するものとして、図９に示すような眼鏡に組み込まれた画像表示装置が提案されている。本従来例２としての特許文献２に記載の「直接網膜スキャン・ディスプレイ」には、図９に示された眼鏡のつるに設けられたスキャナから出射された光を、眼鏡のレンズで反射させて見る方式が提案されている。図９に示した画像表示装置は、反射鏡１０１と、レーザ光線１０２と、スキャナ１０３と、ファイバ・リレー１０４と、レーザ光源１０５と、フレーム１０６とを有して構成される。

　上記従来例２に示される画像表示装置の場合、眼鏡に組み込むことはできるが、比較的大きな走査、または偏向角が必要となる欠点がある。また、導波路内での光の全反射による多重反射を用いているため、最終的に回折素子により回折され、目に入る光とその前に導波路内で反射される光が重ならないようにする必要があるため、導波路の厚さを厚くする必要性が生じる。

　例えば、視野角３０度で画像を表示するためには、回折光学素子２０２の径は、目から２ｃｍ離れた位置において約１ｃｍとなり、隣りの反射光と重ならないためには、反射光の最終入射角が６０度の場合、導波路は約３ｍｍの厚さが必要になる。このため、眼鏡のレンズ部が重くなり、使用者に負担がかかるという問題がある。

　この欠点は、同じ出願人による特許文献３で指摘しているように、光源と網膜との間の移動距離のために生じる問題点である。

　この欠点を改良した従来例３として、特許文献４に記載の「プレーナ型撮像素子、直接網膜走査表示装置および直接網膜走査表示形成方法」においては、図１０に示されるような、眼鏡のレンズ部に光が内部で多重反射される導波路と回折素子が設けられた眼鏡型の画像表示装置が提案されている。図１０に示した画像表示装置は、光学導波路２０１と、回折光学素子２０２と、光学くさび２０３と、偏向系２０４と、レーザ／変調器２０５と、電子回路２０６とを有して構成される。なお、符号２０７は目であり、符号２０８は目の回転軸を示すものである。

　また、プロシーディング オブ エスピーアイイー（Ｎｏ．２４６４、２頁〜１３頁、１９９５年）において、虚像型画像表示装置として、従来例４の図１１に示される光学系が提案されている。図１１に示した虚像型画像表示装置は、鏡３０１と、ビームスプリッタ３０２と、スキャナ３０３とを有する。なお、符号３０４は目である。この光学系は、従来の液晶型表示装置に使用されているものと同様のものである。

特開平４−１０００８８号公報 特開平６−１３８４９９号公報 特開平６−１２１２５７号公報 特開平６−１２１２５６号公報

　しかしながら、図１１に示される従来例４の虚像型画像表示装置は、曲面ミラーとビームスプリッタが用いられるため装置が大きくなり、また、光ビームが２度ビームスプリッタを透過して目に到達するため、ビームスプリッタにより光が減少し、効率よく使われないという問題点がある。

　さらに、従来例４の虚像型画像表示装置は、片目に対し表示するものとして考えられているため、より見やすく、また立体表示も可能となる両目に対する表示方法は考慮されていない。従って、両目に表示する際に問題点となる左右の目の間隔が人により異なることによる光路長の調整手段を持たないという問題点がある。

　本発明は、以上の点を考慮してなされたもので、十分大きな視野を持つ明るい画像を容易に表示することができ、かつレンズ部の重量を大きく増加せずに軽量で、また、つる部に組み込まれる光偏向器も幅が１ｃｍ以内で、眼鏡のように装着できる画像表示装置を提案するもので、さらに、人の左右の目の間隔の違いに対応でき、それぞれの人に対し見やすい表示や立体表示が可能な画像表示装置を提供することを目的とする。

　本発明の画像表示装置は、映像信号により変調される光源から出射された光ビームが可動鏡により偏向走査され、投射光学系により目の網膜上に結像されて映像を表示する虚像型の画像表示装置において、対物レンズと、対物レンズの後段に設けられる接眼レンズと、眼鏡の前面部分に設けられ、接眼レンズの後段に配置されて、投射光学系の光路を曲げる光学手段とを含む投射光学手段を有することを特徴とする。

　また、本発明の画像表示装置は、光学手段が、光を部分的に透過する手段により構成される、およびまたは、光学手段が、外景表示可能な手段により構成される、およびまた、光学手段がビームスプリッタであることを特徴とする。

　また、本発明の画像表示装置は、投射光学手段が、眼鏡の前面部分とつるとが接続される個所の近傍に設置される反射手段を更に有し、光学手段が、前記眼鏡の前面部分内で瞳の前面に設置されて構成されていることを特徴とする。

　また、本発明の画像表示装置は、可動鏡と対物レンズとの光学距離が、対物レンズの焦点距離と等しいか近傍であり、対物レンズと瞳との光学距離が、前記接眼レンズの焦点距離と等しいか近傍であり、対物レンズと接眼レンズとの光学距離が、それぞれの焦点距離の和に等しいか近傍であることを特徴とする。

　また、本発明の画像表示装置は、反射手段の左右をそれぞれの目の位置に対応する位置で調整可能とする位置調整手段を備えることを特徴とする。また、本発明の画像表示装置は、対物レンズの焦点距離が、接眼レンズの焦点距離よりも大きいことを特徴とする。

　本発明の画像表示装置によれば、光源と可動鏡および投射光学系の一部をなす対物レンズとが眼鏡のつるの一部分に設けられ、投射光学系の他の部分をなす接眼レンズおよび投射光学系の光路を曲げる光学手段とが眼鏡の前面部分に設けら構成されている。故に、投射光学系および光スキャナが眼鏡の前面フレーム部とつるの部分に実装でき、小型かつ軽量で、大きな画面を表示できる画像表示装置が実現できる。また、両眼で見る場合に必要な左右の目の間隔に合わせて画像を表示することができ、見やすく、立体表示も可能となる。

　次に、添付図面を参照して本発明による画像表示装置の実施の形態を詳細に説明する。図１〜図８を参照すると、本発明の画像表示装置の実施形態が示されている。

　図１は、本発明の実施形態である画像表示装置の基本構成を示す概略構成図である。図１に示した画像表示装置は、２個のプリズムから構成されるキューブ型ビームスプリッタ１と、２個の接眼レンズ２と、２個のプリズム３と、２個の対物レンズ４と、２個の光源と可動ミラーにより構成される光スキャナ５と、左右２個の眼鏡のつる９とにより構成される。なお、図１において、人の眼球６、瞳７、網膜８を、上記の画像表示装置との関連において示している。また、図２は、図１における光ビームの経路を詳述したものであり、主に水平方向のビームの経路を示している。なお、垂直方向に関しても光ビームの集束は、水平方向と同様のものである。

　上記の各部により構成される本実施形態の画像表示装置における動作例について説明する。光スキャナ５より出射される光ビームは、水平方向および垂直方向に高速で走査される。この光ビームは、対物レンズ４により集光された後、プリズム３により反射され、眼鏡の前面部分に沿って進み、接眼レンズ２とキューブ型ビームスプリッタ１とにより光ビームとして眼球６の瞳７に入射し、網膜８上に焦点を結ぶ。

　従って、光ビームの強度を映像信号により変調し、光スキャナ５により映像信号と同期された走査を行うことにより、左右両眼の網膜８上に画像が表示される。また、対物レンズ４の焦点距離を接眼レンズ２の焦点距離よりも長くすることにより、瞳７に入射する光ビームの振れ角を光スキャナ５における走査角度に比べ大きくすることができ、光ビームの走査角度が小さくても大きな視野で画像を表示することができる。

　本発明の第１の実施例として、図１の画像表示装置において、対物レンズ４の焦点距離を６ｃｍ、接眼レンズの焦点距離を２ｃｍとすることにより、光ビームの目から見た走査角度は３倍になる。これは、光スキャナ５により出射される光ビームの走査角度が１０度の場合、３０度の視野角を持つ大きな画像を表示できることに対応する。また、光学系は対物レンズ４とプリズム３だけで構成され、プラスチック製にすることにより小型、軽量な眼鏡型の画像表示装置が得られる。

　図３は、図１に示した本発明の実施形態である画像表示装置における光スキャナ５の構成例を示す図である。図３に示した画像表示装置は、映像信号により強度変調される可視光を出射する半導体レーザ１４、半導体レーザ１４の光を平行あるいはそれに近い光ビームにするためのコリメートレンズ１０、光ビームを水平方向・垂直方向に走査するための軸回りに回転振動する可動ミラー１１を有して構成される。なお、符号１２および１３は、可動ミラーを支えるシリコン製のねじれ梁を示している。このねじれ梁１２、１３の他端は図示していないが、可動ミラー１１およびねじれ梁１２、１３と一体形成されたシリコン枠に接続されているものとする。

　光ビームの径は、約１ｍｍから５ｍｍ程度に選ぶ。すると、図１に示すように可動ミラー１１を含む光スキャナ５の大きさは、約１ｃｍ以下となり、眼鏡のつる９の部分に装着することができる。可動ミラー１１およびそれを支えるねじれ梁１２、１３をシリコンで一体化して構成することにより、シリコンの比重が約２．３３と小さく、欠陥も少ないので、軽くて強いミラーが得られる。

　例えば、水平方向の走査のためのシリコン可動ミラーとして、表面が２ｍｍ角で厚さ５０ミクロンのシリコンミラーを、同じ厚さのシリコン製ねじれ梁で支えることにより、共振周波数を水平走査の周波数、例えば１６ｋＨｚに設定できる。垂直方向の走査用シリコンミラーも同様な構造で、水平走査用ミラーで反射された光ビームを走査するため、表面が縦２ｍｍ、横３ｍｍの大きさを持ち、厚さ５００ミクロンのシリコンミラーを厚さ５０ミクロンのシリコン製ねじれ梁で支えることにより、共振周波数を垂直走査の周波数、例えば６０Ｈｚに設定できる。

　図４は、図１に示した本発明の実施形態である画像表示装置における光スキャナ５の構成例を示す第２の実施例である。図４に示した光スキャナ５は、映像信号により強度変調される可視光を出射する半導体レーザ１４、コリメータレンズ１０、可動ミラー１１、ねじれ梁１２および１３、可動ミラー１１およびねじれ梁１２と一体形成されたシリコン製の中間支持部１５により構成される。この場合、可動ミラー１１は２軸方向に回転振動するため一枚で済み、図３に示された実施例と同様に、約１ｃｍ以下となるため、眼鏡のつる９の部分に装着することができる。

　図５は、光源の一実施例であり、シリコン基板１８、半導体レーザ１６、光導波路１７により構成される。光導波路１７は、シリコン基板１８上に屈折率の異なるガラスを成長およびエッチングすることにより作製され、通信用光ファイバと同様な機能を有する。例えば、高屈折率のガラスからなる中心部の断面の大きさが１０ミクロン角で、低屈折率のガラスからなる周辺部の厚さが１５ミクロンとすることにより、シングルモードでレーザ光を伝播でき、コリメータレンズにより平行度の高い光ビームを発生することができる。また、光導波路１７の一端は、光の伝播する中心部が一本に融合されている。

　このため、カラー表示を行うため光の３原色に相当する光をそれぞれ出射する３個の半導体レーザ１６を、シリコン基板１８上に実装することにより、それぞれの半導体レーザ１６から出射された光が、一つの光導波路１７に集められる。シリコン基板１８上に集積化することにより、１ｃｍ立方以下の小型かつ軽量なカラー光源を実現でき、光走査用の可動ミラーとともに、眼鏡のつる９に実装できる光スキャナ５を実現できる。

　また、本発明においてキューブ型ビームスプリッタ１は、光が部分的に透過するため、外景と表示画像を重ねて表示できるが、ハーフミラーにしてもよい。また、外景を見ることが必要でなければ、通常のプリズムやミラーに置き換えることが可能である。

　図６は、本発明による画像表示装置の第２の実施例で、左右の目の間隔に合わせて画像を表示できる調節装置のついたものを示している。第２の実施例の画像表示装置は、キューブ型ビームスプリッタ１と、接眼レンズ２と、プリズム３と、対物レンズ４と、光スキャナ５と、眼鏡のつる９と、調節ダイアル１９と、移動台２０と、調節ダイアル２１と、移動台２２とを有して構成される。

　キューブ型ビームスプリッタ１と接眼レンズは、移動台２０に載せられ、調節ダイアル１９を回転させることにより中心からの距離が変えられる。また、対物レンズ４と光スキャナ５とは移動台２２に載せられ、調節ダイアル２１を回転することにより網膜８上に光ビームが焦点を結ぶように移動される。

　図７および図８は、移動機構を側面から見た詳細な図であり、図７は眼鏡の前面部分、図８は眼鏡のつる９の部分である。これらの図において、本実施形態の移動機構は、キューブ型ビームスプリッタ１と、接眼レンズ２と、プリズム３と、対物レンズ４と、可動ミラー１１と、半導体レーザとコリメートレンズが一体化された光源２３と、調節ダイアル１９および２１と、移動台２０および２２との各構成部により構成される。

　また、光源として半導体レーザの代わりに高輝度の発光ダイオードを用いることも可能であり、発光面積を小さくすることにより小電流で駆動でき、低消費電力の画像表示装置が得られる。

　上記の実施形態によれば、光学系に眼鏡のつる９の部分に設けられた対物レンズ４と眼鏡の前面に設けられた接眼レンズ２とを投射光学系に用いている。このため、光スキャナ５の偏向角が小さくても、接眼レンズ２の焦点距離を光スキャナ５に近い対物レンズ４の焦点距離よりも小さくすることにより、大きな視野の画像を網膜８上に結像できる。また、対物レンズ４、プリズム３あるいは可動ミラー１１の重量も小さいため、全体として軽量化された眼鏡に組み込まれた画像表示装置が得られる。また、左右の目の間隔に対し光学系が調整できるため、見やすく、さらに立体表示が可能となる画像表示装置が得られる。

　尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

本発明の活用例として、眼鏡のように装着できる画像表示装置が挙げられる。

本発明の画像表示装置の実施形態を示す眼鏡型ディスプレイの構成図である。 眼鏡型ディスプレイの光学系の説明図である。 眼鏡型ディスプレイの光スキャナの一実施例の構成図である。 眼鏡型ディスプレイの光スキャナの一実施例の構成図である。 カラー表示用光源の構成図である。 眼鏡型ディスプレイの一実施例の構成図である。 眼鏡型ディスプレイの一実施例の詳細図である。 眼鏡型ディスプレイの一実施例の詳細図である。 従来例２の虚像型表示装置の構成図である。 従来例３の虚像型表示装置の構成図である。 従来例４の虚像型表示装置の構成図である。

符号の説明

１ キューブ型ビームスプリッタ
２ 接眼レンズ
３ プリズム
４ 対物レンズ
５ 光スキャナ
６ 眼球
７ 瞳
８ 網膜
９ 眼鏡のつる
１０ コリメートレンズ
１１ 可動ミラー
１２、１３ ねじれ梁
１４、１６ 半導体レーザ
１５ 中間支持体
１７ 光導波路
１８ シリコン基板
１９、２１ 調節ダイアル
２０、２２ 移動台

Claims (8)

1. 映像信号により変調される光源から出射された光ビームが可動鏡により偏向走査され、投射光学系により目の網膜上に結像されて映像を表示する虚像型の画像表示装置において、
   　対物レンズと、
   　前記対物レンズの後段に設けられる接眼レンズと、
   　前記眼鏡の前面部分に設けられ、前記接眼レンズの後段に配置されて、前記投射光学系の光路を曲げる光学手段とを含む投射光学手段を有することを特徴とする画像表示装置。
2. 前記光学手段は、光を部分的に透過する手段により構成されることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記光学手段は、外景表示可能な手段により構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
4. 前記光学手段が、ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
5. 前記投射光学手段は、前記眼鏡の前面部分と前記つるとが接続される個所の近傍に設置される反射手段を更に有し、
   　前記光学手段は、前記眼鏡の前面部分内で瞳の前面に設置されて構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
6. 前記画像表示装置は、前記可動鏡と前記対物レンズとの光学距離が、前記対物レンズの焦点距離と等しいか近傍であり、
   　前記対物レンズと瞳との光学距離が、前記接眼レンズの焦点距離と等しいか近傍であり、
   　前記対物レンズと前記接眼レンズとの光学距離が、それぞれの焦点距離の和に等しいか近傍であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
7. 前記画像表示装置は、前記反射手段の左右をそれぞれの目の位置に対応する位置で調整可能とする位置調整手段を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
8. 前記対物レンズの焦点距離は、前記接眼レンズの焦点距離よりも大きいことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の画像表示装置。
   

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