JP2011215185A - Direct viewing type image display device - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To simplify work in which an observer can perform focusing simply on a display image in a direct viewing type image display device.SOLUTION: The direct viewing type image display device is provided with an image light forming part 102 for forming image light corresponding to image signals, and a multi-focus lens 160 at substantially the same position as the pupil conjugate position by setting a pupil conjugate position optically conjugate to the position of the pupil 12 on an optical path with an emission part 148 emitting the formed image light from the image display device. Thereby, since the same display image has a plurality of focuses, an observer can easily perform focusing on the display image.

Description

本発明は、表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置に関するものであり、特に、その画像表示装置による表示画像に観察者がピントを合わせる作業を簡単化する技術に関するものである。   The present invention relates to a direct-view image display device that makes image light representing an image to be displayed enter a pupil of an observer's eyeball, thereby displaying the image to the observer. The present invention relates to a technique for simplifying the work of an observer to focus on a display image by the image display device.

表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置が既に知られている（例えば、特許文献１参照。）。この種の画像表示装置は、一般に、（ａ）画像信号に応じた画像光を形成する画像光形成部と、（ｂ）その形成された画像光が当該画像表示装置から出射する出射部とを含むように構成される。この直視型の画像表示装置によれば、観察者は、画像が投影されるスクリーンを媒介にすることなく、画像を直接的に観察することができる。   There is already known a direct-view type image display device in which image light representing an image to be displayed enters the pupil of an observer's eyeball, thereby displaying the image to the observer (for example, Patent Documents). 1). In general, this type of image display apparatus includes (a) an image light forming unit that forms image light according to an image signal, and (b) an emitting unit that emits the formed image light from the image display device. Configured to include. According to the direct-view image display apparatus, the observer can directly observe the image without using a screen on which the image is projected.

直視型の画像表示装置を、画像光形成方式によって分類すると、空間変調型、すなわち、前記画像光形成部が、光源と、その光源からの入射光を用いて前記画像光を形成する液晶または有機ＥＬであって前記画像信号に応じて作動するものとを含むように構成されたものと、走査型、すなわち、前記画像光形成部が、前記画像信号に応じた強度を有する光を出射する光源と、その光源からの入射光を走査することによって前記画像光を形成する光走査部とを含むように構成されたものとに分類される。   When direct-view image display devices are classified according to image light forming methods, they are spatially modulated, that is, the image light forming unit uses a light source and liquid crystal or organic material that forms the image light using incident light from the light source. An EL that is configured to include an element that operates in accordance with the image signal, and a scanning type, that is, a light source that emits light having an intensity corresponding to the image signal by the image light forming unit. And an optical scanning unit that forms the image light by scanning incident light from the light source.

また、直視型の画像表示装置を、表示画像の観察方式によって分類すると、シースルー型、すなわち、観察者が、当該画像表示装置による表示画像に重ねて、現実外界を観察することが可能にするものと、密閉型、すなわち、現実外界からの入射光を遮断し、観察者が、表示画像のみを観察することを可能にするものとに分類される。   Further, when direct-view type image display devices are classified according to the display image observation method, see-through type, that is, an observer can observe the actual outside world superimposed on the display image by the image display device. And the sealed type, that is, the type that blocks the incident light from the actual outside world and allows the observer to observe only the display image.

また、直視型の画像表示装置は、観察者への装着方式によって分類すると、ヘッドマウント型、すなわち、観察者の頭部に装着されてその頭部と一体的に移動するものと、覗き込み型、すなわち、観察者から独立して設置され、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカムコーダなどの撮像装置用の電子ビューファイダに代表されるものとに分類される。   The direct-view type image display device is classified into a head mount type, that is, a type that is attached to the head of the observer and moves integrally with the head, and a look-in type when classified according to the method of wearing to the observer. In other words, it is installed independently of the observer and is classified as an electronic viewfinder for an imaging apparatus such as a digital still camera or a digital video camcorder.

特開２００６−９８５７０号公報JP 2006-98570 A

いずれにしても、直視型の画像表示装置を用いて観察者が表示画像を観察するためには、一般に、観察者が、表示画像にピントを合わせる作業が簡単であることが、当該画像表示装置の使い勝手を向上させるために重要である。   In any case, in order for an observer to observe a display image using a direct-view image display apparatus, it is generally that the observer can easily focus on the display image. It is important to improve usability.

しかし、従来の直視型の画像表示装置は、同じ画像が単一の焦点しか有しないように画像光を形成するように構成されていた。そのため、従来の直視型の画像表示装置では、観察者が表示画像にピントを合わせる作業が煩雑で、面倒であった。以下、さらに具体的に説明する。   However, the conventional direct-view image display apparatus is configured to form image light so that the same image has only a single focus. For this reason, in the conventional direct-view image display apparatus, it is complicated and troublesome for the observer to focus on the display image. More specific description will be given below.

まず、従来のシースルー型の画像表示装置を用いる場合について説明する。この場合、観察者は、現実外界にピントが合っている状態で、表示画像にもピントを合わせようとすると、偶然でないと、現実外界と表示画像とに一緒にピントが合わないし、合うことがあったとしても、その頻度は非常に低い。現実外界の奥行きと表示画像の奥行きとが常に互いに一致することは保証されていないからである。   First, a case where a conventional see-through image display apparatus is used will be described. In this case, when the observer tries to focus on the display image in a state where the real outside world is in focus, the observer may not be able to focus on the real outside world and the display image unless it is a coincidence. If so, the frequency is very low. This is because it is not guaranteed that the depth of the actual outside world and the depth of the display image always coincide with each other.

その結果、観察者は、現実外界へのピント合わせ作業はさておき、表示画像にピントを合わせようとするが、同じ画像が単一の焦点しか有しないように画像光が形成されるうえに、観察者は、少なからず試行錯誤に依存しない限り、表示画像にピントを合わせることができない。そのため、従来のシースルー型の画像表示装置では、観察者が表示画像にピントを合わせる作業が煩雑で、面倒であった。   As a result, the observer tries to focus on the displayed image aside from focusing on the real world, but the image is formed so that the same image has only a single focus, and the observation is performed. The person cannot focus on the displayed image unless relying on trial and error. For this reason, in the conventional see-through type image display device, the work for the observer to focus on the display image is complicated and troublesome.

次に、従来の密閉型の画像表示装置である場合について説明する。この場合、観察者は、観察開始当初に、表示画像にピントを合わせようとするが、表示画像が全く見えていない状態でその表示画像にピントを合わせなければならない場合がある。この場合、観察者は、無意識に、眼を動作させ、表示画像にピントを合わせようと試行する。このときの最初のピント位置は、観察者の習慣や癖に基づくものであるから、観察者によってまちまちであり、それにもかかわらず、上述のように、同じ画像が単一の焦点しか有しないように画像光が形成される。   Next, a case of a conventional sealed image display device will be described. In this case, the observer tries to focus on the display image at the beginning of the observation, but may have to focus on the display image when the display image is not visible at all. In this case, the observer unconsciously tries to move the eye and focus on the display image. Since the initial focus position at this time is based on the habits and habits of the observer, it varies depending on the observer. Nevertheless, as described above, the same image has only a single focus. Image light is formed on the surface.

そのため、従来のシースルー型の画像表示装置と同様に、従来の密閉型の画像表示装置も、観察者が表示画像にピントを合わせる作業が煩雑で、面倒であった。   Therefore, similarly to the conventional see-through image display device, the conventional sealed image display device is complicated and troublesome for the observer to focus on the display image.

以上説明した事情を背景にして、本発明は、表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置において、観察者が表示画像にピントを合わせる作業を簡単化することを目的としてなされたものである。   Against the background described above, the present invention is a direct view type image in which image light representing an image to be displayed is incident on the pupil of the eyeball of the observer, thereby displaying the image to the observer. The purpose of the display device is to simplify the work of the observer focusing on the display image.

本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載するが、このように、各項を他の項の番号を引用する形式で記載することにより、各項に記載の技術的特徴をその性質に応じて適宜独立させることが可能となる。   The following aspects are obtained by the present invention. Each aspect is divided into sections, each section is numbered, and is described in the form of quoting the section numbers of other sections as necessary. In this way, each section is referred to the section number of the other section. By describing in the format, the technical features described in each section can be appropriately made independent according to the properties.

（１） 表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置であって、
画像信号に応じた画像光を形成する画像光形成部と、
その形成された画像光が当該画像表示装置から出射する出射部と
を含み、
前記画像光形成部と前記出射部との間における光路上に、前記瞳孔の位置と光学的に共役な瞳孔共役位置が存在し、
当該画像表示装置は、さらに、
前記瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に設置された多焦点光学素子を含む画像表示装置。 (1) A direct-view type image display device that enters image light representing an image to be displayed into a pupil of an observer's eyeball, thereby displaying the image to the observer,
An image light forming unit that forms image light according to an image signal;
The formed image light includes an emission part that emits from the image display device,
There is a pupil conjugate position optically conjugate with the pupil position on the optical path between the image light forming portion and the exit portion,
The image display device further includes:
An image display device including a multifocal optical element installed at substantially the same position as the pupil conjugate position.

ここに、「光路」は、例えば、前記画像形成部が光源を有する場合に、その光源と前記出射部との間における光路を意味するように解釈することが可能である。また、「瞳孔共役位置」および「瞳孔共役位置と実質的に同じ位置」は、前記画像光形成部が複数の光学部品の組合せである場合に、それら光学部品間の空間に存在することが可能であり、また、同様に、前記出射部が複数の光学部品の組合せである場合に、それら光学部品間の空間に存在することが可能である。また、「多焦点光学素子」は、前記画像形成部を構成する部品に一体的に形成したり別体的に装着することも、前記出射部を構成する部品に一体的に形成したり別体的に装着することも、それら部品から分離して設置することも可能である。   Here, “optical path” can be interpreted to mean, for example, an optical path between the light source and the emitting unit when the image forming unit has a light source. Further, the “pupil conjugate position” and “substantially the same position as the pupil conjugate position” can exist in a space between the optical components when the image light forming unit is a combination of a plurality of optical components. Similarly, when the emission part is a combination of a plurality of optical components, it can exist in a space between the optical components. In addition, the “multifocal optical element” may be formed integrally with or separately attached to the parts forming the image forming unit, or may be formed integrally with or separately from the parts forming the emitting unit. It is possible to install them separately or install them separately from these parts.

（２） さらに、前記画像光形成部から前記多焦点光学素子に入射しようとする画像光のうち、最終的に前記瞳孔に入射させたくない部分を、前記多焦点光学素子から出射しないように遮断する絞りを含む（１）項に記載の画像表示装置。 (2) Further, a portion of the image light that is going to be incident on the multifocal optical element from the image light forming section is cut off so as not to be emitted from the multifocal optical element. The image display apparatus according to item (1), including an aperture to be operated.

（３） 前記多焦点光学素子は、各々、有限の焦点距離を有する複数の領域を有し、
それら複数の領域は、少なくとも部分的に、前記焦点距離に関して互いに異なっており、
それら複数の領域は、互いに隣接する領域間において前記焦点距離に関して互いに異なっており、
それら複数の領域は、前記多焦点光学素子内において、その多焦点光学素子の光軸まわりに回転対称的に幾何学的に配置されている（１）または（２）項に記載の画像表示装置。 (3) Each of the multifocal optical elements has a plurality of regions each having a finite focal length;
The plurality of regions differ from each other at least in part with respect to the focal length;
The plurality of regions are different from each other with respect to the focal length between adjacent regions;
The image display device according to (1) or (2), wherein the plurality of regions are geometrically arranged in a rotationally symmetrical manner around the optical axis of the multifocal optical element in the multifocal optical element. .

（４） 前記画像光形成部は、
光源と、
その光源からの入射光を用いて前記画像光を形成する液晶または有機ＥＬであって前記画像信号に応じて作動するものと
を含む（１）ないし（３）項のいずれかに記載の画像表示装置。 (4) The image light forming unit
A light source;
An image display according to any one of (1) to (3), including: a liquid crystal or an organic EL that forms the image light using incident light from the light source and that operates according to the image signal apparatus.

（５） 前記画像光形成部は、
前記画像信号に応じた強度を有する光を出射する光源と、
その光源からの入射光を走査することによって前記画像光を形成する光走査部と
を含む（１）ないし（３）項のいずれかに記載の画像表示装置。 (5) The image light forming unit includes:
A light source that emits light having an intensity according to the image signal;
An image display device according to any one of (1) to (3), further comprising: an optical scanning unit that forms the image light by scanning incident light from the light source.

本発明によれば、観察者が表示画像にピントを合わせようとする際に、同じ表示画像が複数の焦点を有するように画像光が形成されるため、同じ表示画像が単一の焦点しか有しないように画像光が形成される場合より、観察者は、表示画像にピントを合わせることが簡単となる。その結果、本発明によれば、直視型の画像表示装置の使い勝手が向上する。   According to the present invention, when the observer tries to focus on the display image, the image light is formed so that the same display image has a plurality of focal points. Therefore, the same display image has only a single focus. It is easier for the observer to focus on the display image than when the image light is formed so as not to occur. As a result, according to the present invention, the usability of the direct view type image display device is improved.

図１は、本発明の第１実施形態に従うヘッドマウントディスプレイ装置（以下、「ＨＭＤ」と略称する。）を示す系統図である。FIG. 1 is a system diagram showing a head mounted display device (hereinafter abbreviated as “HMD”) according to a first embodiment of the present invention. 図２は、図１に示すＨＭＤ内の光路のうちの要部を簡略的に示す光路図である。FIG. 2 is an optical path diagram schematically showing a main part of the optical paths in the HMD shown in FIG. 図３（ａ）は、図１および図２に示す多焦点レンズの一例を示す側面図であり、図３（ｂ）は、その多焦点レンズの別の例を示す側面図である。FIG. 3A is a side view showing an example of the multifocal lens shown in FIGS. 1 and 2, and FIG. 3B is a side view showing another example of the multifocal lens. 図４（ａ）は、図１および図２に示す多焦点レンズの一例を示す断面図であり、図４（ｂ）は、その多焦点レンズの別の例を示す正面図であり、図４（ｃ）は、その多焦点レンズのさらに別の例を示す断面図である。4A is a cross-sectional view showing an example of the multifocal lens shown in FIGS. 1 and 2, and FIG. 4B is a front view showing another example of the multifocal lens. (C) is sectional drawing which shows another example of the multifocal lens. 図５は、図１および図２に示す多焦点レンズの複数の領域からの複数の出射光が眼内において結像する様子を説明するための光路図である。FIG. 5 is an optical path diagram for explaining how a plurality of outgoing lights from a plurality of regions of the multifocal lens shown in FIGS. 1 and 2 form an image in the eye. 図６（ａ）は、本発明の第２実施形態に従うヘッドマウントディスプレイ装置（以下、「ＨＭＤ」と略称する。）における多焦点レンズを示す正面図であり、図６（ｂ）は、その多焦点レンズを選択的に、かつ、部分的に覆う２種類のマスクを示す正面図である。FIG. 6A is a front view showing a multifocal lens in a head-mounted display device (hereinafter abbreviated as “HMD”) according to the second embodiment of the present invention, and FIG. It is a front view which shows two types of masks which selectively and partially cover a focus lens. 図７は、本発明の第３実施形態に従うヘッドマウントディスプレイ装置（以下、「ＨＭＤ」と略称する。）を示す系統図である。FIG. 7 is a system diagram showing a head mounted display device (hereinafter abbreviated as “HMD”) according to the third embodiment of the present invention. 図８は、図７に示すＨＭＤ内の光路のうちの要部を簡略的に示す光路図である。FIG. 8 is an optical path diagram schematically showing a main part of the optical paths in the HMD shown in FIG.

以下、本発明のさらに具体的な実施の形態のうちのいくつかを図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, some of the more specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図１には、本発明の第１実施形態に従うヘッドマウントディスプレイ装置（以下、「ＨＭＤ」と略称する。）が系統的に表されている。このＨＭＤは、観察者の頭部（図示しない）に装着された状態で使用される。   FIG. 1 systematically represents a head mounted display device (hereinafter abbreviated as “HMD”) according to the first embodiment of the present invention. This HMD is used in a state of being mounted on the observer's head (not shown).

このＨＭＤは、画像信号に応じた強度の光束としてのレーザビームを２次元的に走査し、その走査されたレーザビームを観察者の眼１０の瞳孔１２に入射させ、その眼１０の網膜１４上に画像を直接に投影表示する網膜走査型の画像表示装置の一例である。このＨＭＤは、前記（１）項における「直視型の画像表示装置」の一例を構成している。   The HMD scans a laser beam as a light beam having an intensity corresponding to an image signal in a two-dimensional manner, causes the scanned laser beam to enter the pupil 12 of the eye 10 of the observer, and on the retina 14 of the eye 10. 1 is an example of a retinal scanning type image display device that directly projects and displays an image on a screen. This HMD constitutes an example of the “direct view type image display device” in the above section (1).

なお付言するに、本実施形態は、本発明をヘッドマウント型の画像表示装置に適用した場合の一例であるが、覗き込み型の画像表示装置に本発明を適用することも可能である。また、本実施形態は、本発明を密閉型の画像表示装置に適用した場合の一例であるが、シースルー型の画像表示装置に本発明を適用することも可能である。   In addition, although this embodiment is an example when the present invention is applied to a head-mounted image display device, the present invention can also be applied to a peep-type image display device. In addition, the present embodiment is an example when the present invention is applied to a sealed image display device, but the present invention can also be applied to a see-through image display device.

光源ユニット２０は、３原色（ＲＧＢ）を有する３つのレーザビーム（すなわち、波長が互いに異なる３色の成分光）を１つのレーザビーム（合成光）に結合して任意色のレーザビームを生成するために、赤色のレーザビームを発するＲレーザ３０と、緑色のレーザビームを発するＧレーザ３２と、青色のレーザビームを発するＢレーザ３４とを備えている。   The light source unit 20 combines three laser beams having three primary colors (RGB) (that is, component light of three colors having different wavelengths) into one laser beam (combined light) to generate a laser beam of any color. For this purpose, an R laser 30 that emits a red laser beam, a G laser 32 that emits a green laser beam, and a B laser 34 that emits a blue laser beam are provided.

各レーザ３０，３２，３４は、本実施形態においては、レーザダイオードとして構成されている。本実施形態においては、それらレーザ３０，３２，３４がそれぞれ、前記（５）項における「光源」の一例を構成する。それらレーザ３０，３２，３４から出射した複数本のレーザビームはそれぞれ、コリメート光学系４０，４２，４４によって平行光化される。その後、各レーザビームは、波長依存性を有する各ダイクロイックミラー５０，５２，５４に入射させられ、それにより、各レーザビームが波長に関して選択的に反射・透過させられ、それら３つのダイクロイックミラー５０，５２，５４を代表する１つのダイクロイックミラー５０に最終的に入射して１本のレーザビームに結合される。   Each laser 30, 32, 34 is configured as a laser diode in this embodiment. In the present embodiment, each of the lasers 30, 32, and 34 constitutes an example of the “light source” in the item (5). A plurality of laser beams emitted from the lasers 30, 32, and 34 are collimated by collimating optical systems 40, 42, and 44, respectively. Thereafter, each laser beam is incident on each dichroic mirror 50, 52, 54 having wavelength dependence, whereby each laser beam is selectively reflected and transmitted with respect to the wavelength, and the three dichroic mirrors 50, The laser beam is finally incident on one dichroic mirror 50 representing 52 and 54, and is combined into one laser beam.

その後、その１本のレーザビームは、結合光学系５６によって集光され、光ファイバ８２に入射する。光ファイバ８２に入射したレーザビームは、光伝送媒体としての光ファイバ８２中を伝送され、その光ファイバ８２の後端から放射させられるレーザビームを平行光化するコリメート光学系８４を経て光走査部２４に入射する。   Thereafter, the one laser beam is collected by the coupling optical system 56 and enters the optical fiber 82. The laser beam incident on the optical fiber 82 is transmitted through an optical fiber 82 as an optical transmission medium, and passes through a collimating optical system 84 that collimates the laser beam emitted from the rear end of the optical fiber 82, and then an optical scanning unit. 24 is incident.

以上、光源ユニット２０のうち光学的な部分を説明したが、以下、電気的な部分を説明する。光源ユニット２０は、コンピュータ（図示しない）を主体とする信号処理回路６０を備えている。信号処理回路６０は、外部から供給された映像信号（前記（１）項における「画像信号」の一例である）に基づき、各レーザ３０，３２，３４を駆動するための信号処理と、レーザビームの走査を行うための信号処理とを行うように設計されている。   Although the optical part of the light source unit 20 has been described above, the electrical part will be described below. The light source unit 20 includes a signal processing circuit 60 mainly composed of a computer (not shown). The signal processing circuit 60 performs signal processing for driving each of the lasers 30, 32, and 34 based on a video signal supplied from the outside (an example of the “image signal” in the item (1)), and a laser beam. Is designed to perform signal processing for scanning.

各レーザ３０，３２，３４を駆動するため、信号処理回路６０は、外部から供給された映像信号に基づき、網膜１４上に投影すべき画像上の各画素ごとに、レーザビームにとって必要な色と強度とを実現するために必要な駆動信号（前記映像信号を反映する信号）を、各レーザドライバ７０，７２，７４を介して各レーザ３０，３２，３４に供給する。   In order to drive the lasers 30, 32, and 34, the signal processing circuit 60 determines the color necessary for the laser beam for each pixel on the image to be projected on the retina 14 based on the video signal supplied from the outside. A drive signal (a signal reflecting the video signal) necessary for realizing the intensity is supplied to each laser 30, 32, 34 via each laser driver 70, 72, 74.

光走査部２４は、ＨＳスキャナ（高速スキャナ、主スキャナの一例）１００とＬＳスキャナ（低速スキャナ、副スキャナの一例）１０２とを備えている。ＨＳスキャナ１００は、表示すべき画像の１フレームごとに、レーザビームを主走査方向に相対的に高速で走査する光学系である。これに対し、ＬＳスキャナ１０２は、表示すべき画像の１フレームごとに、レーザビームを、主走査方向とは直交する副走査方向に相対的に低速で走査する光学系である。   The optical scanning unit 24 includes an HS scanner (an example of a high-speed scanner and a main scanner) 100 and an LS scanner (an example of a low-speed scanner and an auxiliary scanner) 102. The HS scanner 100 is an optical system that scans a laser beam at a relatively high speed in the main scanning direction for each frame of an image to be displayed. On the other hand, the LS scanner 102 is an optical system that scans the laser beam at a relatively low speed in the sub-scanning direction orthogonal to the main scanning direction for each frame of the image to be displayed.

具体的に説明するに、ＨＳスキャナ１００は、本実施形態においては、機械的偏向を行うミラー１２０を備えた弾性体１２４のねじり共振によってそのミラー１２０を揺動させ、それにより、入射したレーザビームを主走査方向に走査する。このＨＳスキャナ１００は、駆動回路１２６を有しており、この駆動回路１２６は、信号処理回路６０から供給される駆動信号により、ミラー１２０を駆動する。   Specifically, in the present embodiment, the HS scanner 100 oscillates the mirror 120 by the torsional resonance of the elastic body 124 including the mirror 120 that performs mechanical deflection, and thereby the incident laser beam. Are scanned in the main scanning direction. The HS scanner 100 has a drive circuit 126, and the drive circuit 126 drives the mirror 120 by a drive signal supplied from the signal processing circuit 60.

図１に示すように、ＨＳスキャナ１００によって走査されたレーザビームは、第１リレー光学系１３０によってＬＳスキャナ１０２に伝送される。第１リレー光学系１３０は、前段の光学系であるレンズ１３２と、後段の光学系であるレンズ１３４とを備えている。   As shown in FIG. 1, the laser beam scanned by the HS scanner 100 is transmitted to the LS scanner 102 by the first relay optical system 130. The first relay optical system 130 includes a lens 132 that is a front-stage optical system and a lens 134 that is a rear-stage optical system.

ＬＳスキャナ１０２は、機械的偏向を行う揺動ミラーとしてのガルバノミラー１４０を非共振モードで強制的に電磁駆動し、それにより、入射したレーザビームを副走査方向に走査する。ガルバノミラー１４０には、ＨＳスキャナ１００から走査されて出射したレーザビームがリレー光学系１３０によって集光されて入射するようになっている。ＬＳスキャナ１０２は、駆動回路１４２を有しており、その駆動回路１４２は、信号処理回路６０から供給される駆動信号（または同期信号）により、ガルバノミラー１４０を駆動する。   The LS scanner 102 forcibly electromagnetically drives a galvanometer mirror 140 as a oscillating mirror that performs mechanical deflection in a non-resonant mode, thereby scanning the incident laser beam in the sub-scanning direction. A laser beam scanned from the HS scanner 100 and emitted from the galvano mirror 140 is collected by the relay optical system 130 and is incident thereon. The LS scanner 102 has a drive circuit 142, and the drive circuit 142 drives the galvanometer mirror 140 by a drive signal (or synchronization signal) supplied from the signal processing circuit 60.

以上説明したＨＳスキャナ１００とＬＳスキャナ１０２との共同により、レーザビームが２次元的に走査される。その走査されたレーザビームによって表現される画像光は、第２リレー光学系１５０を経て、かつ、このＨＭＤのハウジング（図示しない）に透光部として形成された出射部１４８（図２参照）から出射して、観察者の眼１０に照射される。第２リレー光学系１５０は、前段の光学系であるレンズ１５２と、後段の光学系であるレンズ１５４とを備えている。本実施形態においては、それらＨＳスキャナ１００とＬＳスキャナ１０２とは、互いに共同して、前記（５）項における「光走査部」の一例を構成している。   The laser beam is scanned two-dimensionally in cooperation with the HS scanner 100 and the LS scanner 102 described above. The image light expressed by the scanned laser beam passes through the second relay optical system 150 and from an emission part 148 (see FIG. 2) formed as a translucent part in the housing (not shown) of this HMD. The light is emitted and irradiated to the eyes 10 of the observer. The second relay optical system 150 includes a lens 152 which is a front stage optical system and a lens 154 which is a rear stage optical system. In the present embodiment, the HS scanner 100 and the LS scanner 102 together constitute an example of the “optical scanning unit” in the above section (5).

図２には、図１に示すＨＭＤにおける光路が簡略化されて示されている。具体的に説明するに、主走査系であるＨＳスキャナ１００と副走査系であるＬＳスキャナ１０２との間に第１リレー光学系１３０が存在する。この第１リレー光学系１３０においては、レンズ１３２とレンズ１３４とが同一光軸上において並んでいる。それらレンズ１３２と１３４との間に中間像面ＩＰ１が存在する。   FIG. 2 shows a simplified optical path in the HMD shown in FIG. Specifically, the first relay optical system 130 exists between the HS scanner 100 as the main scanning system and the LS scanner 102 as the sub-scanning system. In the first relay optical system 130, the lens 132 and the lens 134 are arranged on the same optical axis. An intermediate image plane IP1 exists between the lenses 132 and 134.

ＬＳスキャナ１０２と眼１０との間に第２リレー光学系１５０が存在する。この第２リレー光学系１５０においては、レンズ１５２とレンズ１５４とが同一光軸上において並んでいる。それらレンズ１５２と１５４との間に中間像面ＩＰ２が存在する。   A second relay optical system 150 exists between the LS scanner 102 and the eye 10. In the second relay optical system 150, the lens 152 and the lens 154 are arranged on the same optical axis. An intermediate image plane IP2 exists between the lenses 152 and 154.

第１リレー光学系１３０と第２リレー光学系１５０との間に、ＬＳスキャナ１０２のガルバノミラー１４０が配置されており、このガルバノミラー１４０は、瞳孔１２と光学的に共役な瞳孔共役位置に設置されている。本実施形態においては、この瞳孔共役位置と実質的に同じ位置（例えば、ガルバノミラー１４０の可及的近傍位置）に、多焦点レンズ１６０が設置されている。   The galvano mirror 140 of the LS scanner 102 is disposed between the first relay optical system 130 and the second relay optical system 150, and the galvano mirror 140 is installed at a pupil conjugate position optically conjugate with the pupil 12. Has been. In the present embodiment, the multifocal lens 160 is installed at substantially the same position as the pupil conjugate position (for example, a position as close as possible to the galvanometer mirror 140).

具体的には、図３（ａ）に示すように、多焦点レンズ１６０は、ガルバノミラー１４０の下流側の位置であって、そのガルバノミラー１４０にできる限り近い位置に設置されている。さらに具体的には、多焦点レンズ１６０は、ガルバノミラー１４０の揺動軌跡から逃げた位置に設置されており、ガルバノミラー１４０の揺動を阻害しない。   Specifically, as shown in FIG. 3A, the multifocal lens 160 is installed at a position downstream of the galvanometer mirror 140 and as close as possible to the galvanometer mirror 140. More specifically, the multifocal lens 160 is installed at a position that escapes from the swing locus of the galvanometer mirror 140 and does not hinder the swing of the galvanometer mirror 140.

ただし、多焦点レンズ１６０は、他の位置に設置することが可能であり、例えば、ガルバノミラー１４０の反射面に装着することが可能である。この場合には、多焦点レンズ１６０を前記瞳孔共役位置と同じ位置に設置することが可能となる。   However, the multifocal lens 160 can be installed at other positions, for example, can be mounted on the reflection surface of the galvanometer mirror 140. In this case, the multifocal lens 160 can be installed at the same position as the pupil conjugate position.

また、多焦点レンズ１６０は、前記（１）項における「多焦点光学素子」の一例であるが、その「多焦点光学素子」を、図３（ｂ）に示すように、多焦点ミラー１６１として実施することも可能である。ここに、「多焦点光学素子」は、一般に、光軸上の異なる複数の位置に焦点を有する光学素子として定義される。   The multifocal lens 160 is an example of the “multifocal optical element” in the item (1), and the “multifocal optical element” is used as a multifocal mirror 161 as shown in FIG. It is also possible to implement. Here, the “multifocal optical element” is generally defined as an optical element having focal points at a plurality of different positions on the optical axis.

多焦点ミラー１６１は、ガルバノミラー１４０に別体的に装着される場合や、ガルバノミラー１４０自体が多焦点機能を有するように、ガルバノミラー１４０に一体的に、例えば、回折格子として、形成される場合がある。それらの場合には、多焦点ミラー１６１を前記瞳孔共役位置と同じ位置に設置することが可能である。   The multifocal mirror 161 is formed integrally with the galvanometer mirror 140, for example, as a diffraction grating so that the galvanometer mirror 140 has a multifocal function when mounted separately to the galvanometer mirror 140. There is a case. In those cases, the multifocal mirror 161 can be installed at the same position as the pupil conjugate position.

図４（ａ）には、多焦点レンズ１６０の一例である多焦点レンズ１６２が断面図で示されている。この多焦点レンズ１６２は、近点と遠点という２つの焦点を有しており、それら焦点は、多焦点レンズ１６０の回折格子の回折作用により、実現される。   FIG. 4A shows a cross-sectional view of a multifocal lens 162 that is an example of the multifocal lens 160. The multifocal lens 162 has two focal points, a near point and a far point, and these focal points are realized by the diffraction action of the diffraction grating of the multifocal lens 160.

具体的には、この多焦点レンズ１６２は、各々、有限の焦点距離を有する複数の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４を有している。領域Ｒ１およびＲ３から成る第１グループは、焦点距離を互いに共有し、残りの領域Ｒ２およびＲ４から成る第２グループも、焦点距離を互いに共有するが、第１グループと第２グループとでは、焦点距離が互いに異なっており、第１グループは、近方視用であって、近点において焦点を有する一方、第２グループは、遠方視用であって、遠点点において焦点を有する。   Specifically, the multifocal lens 162 has a plurality of regions R1, R2, R3, and R4 each having a finite focal length. The first group consisting of the regions R1 and R3 shares the focal length with each other, and the second group consisting of the remaining regions R2 and R4 also shares the focal length with each other. The distances are different and the first group is for near vision and has a focal point at the near point, while the second group is for far vision and has a focal point at the far point.

それら領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４は、この多焦点レンズ１６２において、その多焦点レンズ１６２の光軸まわりに回転対称的（光軸まわりに同一断面を回転させて形成される形状）に配置されている。具体的には、領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４は、それぞれ円形または円環状を成すとともに、前記光軸まわりに互いに同心的に配置されている。それら領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４は、互いに隣接する領域間において焦点距離に関して互いに異なるように、多焦点レンズ１６２の半径方向に配列されている。   The regions R1, R2, R3, and R4 are arranged in the multifocal lens 162 so as to be rotationally symmetric around the optical axis of the multifocal lens 162 (a shape formed by rotating the same cross section around the optical axis). ing. Specifically, the regions R1, R2, R3, and R4 each have a circular shape or an annular shape, and are concentrically arranged around the optical axis. The regions R1, R2, R3, and R4 are arranged in the radial direction of the multifocal lens 162 so as to be different from each other with respect to the focal length between adjacent regions.

なお付言するに、本実施形態においては、多焦点レンズ１６２の形状が回転対称性を有するが、例えば、多焦点レンズ１６２が、それの光軸を通過する少なくとも１つの直径によって分割された少なくとも２つの領域がそれぞれ、互いに異なる焦点を有するというように、多焦点レンズ１６２の形状が回転対称性を有しない態様で本発明を実施することが可能である。   In addition, in this embodiment, although the shape of the multifocal lens 162 has rotational symmetry, for example, the multifocal lens 162 is divided by at least one diameter passing through its optical axis. It is possible to implement the present invention in such a manner that the shape of the multifocal lens 162 does not have rotational symmetry, such that each of the two regions has a different focal point.

図４（ｂ）には、多焦点レンズ１６０の別の例である多焦点レンズ１６４が正面図で示されている。この多焦点レンズ１６４は、多焦点レンズ１６２と同様に、近点と遠点という２つの焦点を有しており、それら焦点は、多焦点レンズ１６２とは異なり、多焦点レンズ１６４の屈折作用により、実現される。   FIG. 4B shows a front view of a multifocal lens 164 which is another example of the multifocal lens 160. Similar to the multifocal lens 162, the multifocal lens 164 has two focal points, a near point and a far point, and the focal points differ from the multifocal lens 162 by the refraction action of the multifocal lens 164. Realized.

この多焦点レンズ１６４は、各々、有限の焦点距離を有する複数の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４およびＲ５を有している。領域Ｒ１，Ｒ３およびＲ５から成る第１グループは、焦点距離を互いに共有し、残りの領域Ｒ２およびＲ４から成る第２グループも、焦点距離を互いに共有するが、第１グループと第２グループとでは、焦点距離が互いに異なっており、第１グループは、遠方視用であって、遠点において焦点を有する一方、第２グループは、近方視用であって、近点において焦点を有する。   The multifocal lens 164 has a plurality of regions R1, R2, R3, R4, and R5 each having a finite focal length. The first group consisting of the regions R1, R3 and R5 shares the focal length with each other, and the second group consisting of the remaining regions R2 and R4 also shares the focal length with each other, but the first group and the second group The first group is for far vision and has a focal point at the far point, while the second group is for near vision and has a focal point at the near point.

それら領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４およびＲ５は、多焦点レンズ１６２と同様に、回転対称的に配置されているとともに、互いに隣接する領域間において焦点距離に関して互いに異なるように、多焦点レンズ１６４の半径方向に配列されている。   The regions R1, R2, R3, R4, and R5 are arranged rotationally symmetrically like the multifocal lens 162, and are different from each other with respect to the focal length between regions adjacent to each other. Arranged in the radial direction.

図４（ｃ）には、多焦点レンズ１６０のさらに別の例である多焦点レンズ１６６が断面図で示されている。この多焦点レンズ１６６も回転対称性を有する。この多焦点レンズ１６６は、曲率半径が互いに異なり、屈折力（レンズパワー）も互いに異なる２つの領域Ｒ１およびＲ２を有している。この多焦点レンズ１６６は、近点と遠点という２つの焦点を有しており、それら焦点は、多焦点レンズ１６６の屈折作用により、実現される。領域Ｒ１は、近点において焦点を有する一方、領域Ｒ２は、遠点において焦点を有する。   In FIG. 4C, a multifocal lens 166, which is still another example of the multifocal lens 160, is shown in a sectional view. This multifocal lens 166 also has rotational symmetry. The multifocal lens 166 has two regions R1 and R2 having different radii of curvature and different refractive powers (lens powers). The multifocal lens 166 has two focal points, a near point and a far point, and these focal points are realized by the refractive action of the multifocal lens 166. Region R1 has a focal point at the near point, while region R2 has a focal point at the far point.

図５には、多焦点レンズ１６０からの出射光が網膜１４上に結像する様子が光路図で表されている。図５に示す例においては、多焦点レンズ１６０が、それの光軸まわりに互いに同心的に配列された複数の領域Ｒ１，Ｒ２およびＲ３を有する。それら領域Ｒ１，Ｒ２およびＲ３は、この順序で、光軸から半径方向外向きに並んでいる。領域Ｒ１およびＲ３は、遠点において焦点を有する一方、領域Ｒ２は、近点において焦点を有する。   FIG. 5 is an optical path diagram showing how the light emitted from the multifocal lens 160 forms an image on the retina 14. In the example shown in FIG. 5, the multifocal lens 160 has a plurality of regions R1, R2, and R3 arranged concentrically with each other around the optical axis thereof. The regions R1, R2, and R3 are arranged in this order and outward in the radial direction from the optical axis. Regions R1 and R3 have a focal point at the far point, while region R2 has a focal point at the near point.

領域Ｒ１からの出射光Ｌ１は、瞳孔１２を通過して、点Ｐ１（遠点）において結像する。また、領域Ｒ２からの出射光Ｌ２は、瞳孔１２を通過して、点Ｐ２（近点）において結像する。また、領域Ｒ３からの出射光Ｌ３は、瞳孔１２を通過して、点Ｐ１（遠点）において結像する。   The outgoing light L1 from the region R1 passes through the pupil 12 and forms an image at the point P1 (far point). Further, the outgoing light L2 from the region R2 passes through the pupil 12 and forms an image at a point P2 (near point). Further, the outgoing light L3 from the region R3 passes through the pupil 12 and forms an image at the point P1 (far point).

このように、本実施形態においては、同じ画像が、互いに異なる焦点を有する複数の光によって形成される。したがって、観察者は、同じ画像を、複数の焦点位置のいずれかにおいてピントが合った状態で観察することが可能となる。すなわち、焦点深度が深くなったのと同等の光学的効果が得られるのである。   Thus, in the present embodiment, the same image is formed by a plurality of lights having different focal points. Therefore, the observer can observe the same image in a focused state at any of a plurality of focal positions. That is, an optical effect equivalent to that when the depth of focus is deepened can be obtained.

この密閉型のＨＭＤを起動させると、観察者は、このＨＭＤによる表示画像を観察するために、本能的な動作として、何かにピントを合わせようとする。このときの最初のピント位置は、観察者の習慣や嗜好によって異なる。本実施形態によれば、このとき、表示画像が複数の焦点を有するため、唯一の焦点しか有しない場合に比較して、観察者が、その表示画像にピントを合わせるための動作、すなわち、眼１０による焦点距離の修正動作が単純化される。その結果、このＨＭＤの使い勝手が向上する。   When the sealed HMD is activated, the observer tries to focus on something as an instinct operation in order to observe the display image by the HMD. The initial focus position at this time varies depending on the habits and preferences of the observer. According to the present embodiment, since the display image has a plurality of focal points at this time, an operation for the observer to focus on the display image, that is, the eye, as compared with a case where the display image has only one focal point. The operation of correcting the focal length by 10 is simplified. As a result, the usability of this HMD is improved.

従来であれば、このＨＭＤから瞳孔１２に瞬間的に入射する１本のビームの直径が大きいほど、そのビームの焦点深度が浅くなり、その結果、観察者は、いずれの奥行きを有するのか事前には分からない表示画像にピントを合わせることが煩雑で、面倒であった。これに対し、本実施形態によれば、同じ画像が複数の焦点を有するように画像光が形成されるため、１本のビームの焦点深度が浅くても、観察者は表示画像にピントを合わせ易くなり、その結果、このＨＭＤの使い勝手が向上する。   Conventionally, the larger the diameter of one beam that is instantaneously incident on the pupil 12 from the HMD, the shallower the focal depth of the beam, and as a result, the observer can determine in advance which depth the beam has. It was cumbersome and troublesome to focus on a display image that was not known. On the other hand, according to the present embodiment, since the image light is formed so that the same image has a plurality of focal points, the observer focuses on the display image even if the focal depth of one beam is shallow. As a result, the usability of the HMD is improved.

さらに、本実施形態においては、多焦点レンズ１６０は、前記瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に設置されているため、図５に示す複数の領域Ｒ１，Ｒ２およびＲ３からの３つの出射光が、すべての画角において、互いに分離した状態で、瞳孔１２に通過する。このとき、多焦点レンズ１６０内の各領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の光学的特性と、瞳孔１２に入射する各出射光の光学的特性とが互いに一致する。したがって、本実施形態によれば、瞳孔１２に入射する各出射光の光学的特性を個別に所望のものにするために、多焦点レンズ１６０内の各領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の光学的特性を個別にチューニングすることが可能となり、その結果、チューニングし易さが向上する。   Further, in the present embodiment, the multifocal lens 160 is installed at substantially the same position as the pupil conjugate position, so that the three emitted lights from the plurality of regions R1, R2 and R3 shown in FIG. All the angles of view pass through the pupil 12 while being separated from each other. At this time, the optical characteristics of the regions R1, R2, and R3 in the multifocal lens 160 and the optical characteristics of the outgoing lights incident on the pupil 12 coincide with each other. Therefore, according to the present embodiment, the optical characteristics of the regions R1, R2, and R3 in the multifocal lens 160 are set in order to individually make the desired optical characteristics of the emitted light incident on the pupil 12. It is possible to tune individually, and as a result, the ease of tuning is improved.

図５に示す多焦点レンズ１６０を使用する場合には、最も中央に位置する領域Ｒ１は遠点用、その領域Ｒ１に半径方向外側に隣接する領域Ｒ２は近点用、その領域Ｒ２に半径方向外側に隣接する領域Ｒ３は遠点用というように、多焦点レンズ１６０の光軸から半径方向に遠ざかるにつれて、複数の領域Ｒ１，Ｒ２およびＲ３が、互いに隣接する領域間において焦点距離が互いに異なるように、交互に並ぶように配置されている。   When the multifocal lens 160 shown in FIG. 5 is used, the most central region R1 is for the far point, the region R2 adjacent to the region R1 radially outside is for the near point, and the region R2 is in the radial direction. As the region R3 adjacent to the outside is for a far point, the focal lengths of the regions R1, R2, and R3 are different from each other between the regions adjacent to each other as the distance from the optical axis of the multifocal lens 160 increases in the radial direction. Are arranged alternately.

前述のように、多焦点レンズ１６０は、前記瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に設置されているため、複数の領域Ｒ１，Ｒ２およびＲ３からの３つの出射光が、すべての画角において、互いに分離した状態で、瞳孔１２に通過する。よって、本実施形態によれば、瞳孔１２には、それの光軸から半径方向に遠ざかるにつれて、遠点用の光と近点用の光とが交互に並ぶように入射することになる。   As described above, since the multifocal lens 160 is installed at substantially the same position as the pupil conjugate position, the three outgoing lights from the plurality of regions R1, R2, and R3 are at all angles of view. It passes through the pupil 12 while being separated from each other. Therefore, according to the present embodiment, the far-point light and the near-point light are incident on the pupil 12 so as to be alternately arranged as the distance from the optical axis increases in the radial direction.

ところで、瞳孔１２が開いている状態における瞳孔１２の大きさ、すなわち、瞳孔径は、常に一定ではなく、瞳孔１２に入射する光の照度（明るさ）によって変化する。これに対し、本実施形態においては、通常の照度（例えば、昼光や室内光程度の照度）において、少なくとも２つの領域Ｒ１およびＲ２（焦点距離が互いに異なり、かつ、光軸に最も近い２つの領域）からの出射光が必ず一緒に瞳孔１２に入射するように、多焦点レンズ１６０の幾何学が選択されている。すなわち、少なくとも２つの領域Ｒ１およびＲ２の半径方向寸法は、瞳孔径と整合するように、設定されているのである。   By the way, the size of the pupil 12 in a state in which the pupil 12 is open, that is, the pupil diameter, is not always constant, but varies depending on the illuminance (brightness) of the light incident on the pupil 12. On the other hand, in the present embodiment, at normal illuminance (for example, illuminance of daylight or room light), at least two regions R1 and R2 (focal lengths different from each other and closest to the optical axis) The geometry of the multifocal lens 160 is selected so that the outgoing light from the (region) always enters the pupil 12 together. That is, the radial dimension of at least two regions R1 and R2 is set so as to match the pupil diameter.

したがって、本実施形態によれば、通常の照度であるかまたはそれより暗い環境において、少なくとも２つの領域Ｒ１およびＲ２からの出射光が必ず一緒に瞳孔１２に入射し、よって、ほとんどすべての通常の照度において、すなわち、瞳孔径の如何を問わず、同じ画像が複数の焦点を有するように形成された画像光が瞳孔１２に入射する。その結果、観察者は、瞳孔径の如何を問わず、表示画像にピントを合わせ易くなり、その結果、このＨＭＤの使い勝手が向上する。   Therefore, according to the present embodiment, in an environment with normal illuminance or darker, the emitted light from at least two regions R1 and R2 always enter the pupil 12 together, and thus almost all normal In the illuminance, that is, regardless of the pupil diameter, image light formed so that the same image has a plurality of focal points enters the pupil 12. As a result, the observer can easily focus on the display image regardless of the pupil diameter, and as a result, the usability of the HMD is improved.

本実施形態においては、多焦点レンズ１６０が、２つの焦点を有するように設計されているが、３以上の焦点を有する態様で本発明を実施することが可能である。この態様においては、多焦点レンズ１６０が、３以上の焦点に対応する３以上の領域を有するとともに、互いに隣接する領域間において焦点距離が互いに異なるように、それら領域が並ぶ順序を決めることが可能である。   In the present embodiment, the multifocal lens 160 is designed to have two focal points, but the present invention can be implemented in an aspect having three or more focal points. In this aspect, the multifocal lens 160 has three or more regions corresponding to three or more focal points, and it is possible to determine the order in which the regions are arranged so that the focal lengths are different between adjacent regions. It is.

図２に示すように、本実施形態においては、さらに、多焦点レンズ１６０に光学的に関連付けて絞り１７０が設置されている。具体的には、この絞り１７０は、第１リレー光学系１３０から多焦点レンズ１６０に入射しようとする画像光のうち、最終的に瞳孔１２に入射させたくない部分（不要光または外乱光）を、多焦点レンズ１６０から出射しないように遮断するという機能実現のために設置されている。この絞り１７０によれば、不要光が瞳孔１２に入射することが抑制され、その結果、不要光に起因したノイズが表示画像に出現してそれの品質が劣化してしまうことが防止される。   As shown in FIG. 2, in the present embodiment, a diaphragm 170 is further optically associated with the multifocal lens 160. Specifically, the diaphragm 170 removes a portion (unnecessary light or disturbance light) that does not want to be finally incident on the pupil 12 out of the image light to be incident on the multifocal lens 160 from the first relay optical system 130. It is installed for realizing a function of blocking the light from exiting from the multifocal lens 160. According to the diaphragm 170, it is possible to prevent unnecessary light from entering the pupil 12, and as a result, it is possible to prevent noise caused by unnecessary light from appearing in the display image and deteriorating its quality.

この絞り１７０は、多焦点レンズ１６０の近傍位置（例えば、接触する位置、可及的に接近した位置）に設置され、その結果、前記瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に設置されている。したがって、この絞り１７０から出射する光の光学的特性は、瞳孔１２に入射する光の光学的特性と一致する。よって、この絞り１７０の形状等の条件次第で、瞳孔１２に入射する光の光学的特性を確実に改善することが容易である。その結果、本実施形態によれば、この絞り１７０が、瞳孔共役位置から外れた位置に設置されている場合とは異なり、この絞り１７０をそれの機能が全うされるように設計することが容易となる。   The diaphragm 170 is installed at a position near the multifocal lens 160 (for example, a contact position or a position as close as possible). As a result, the diaphragm 170 is installed at substantially the same position as the pupil conjugate position. Therefore, the optical characteristics of the light emitted from the stop 170 coincide with the optical characteristics of the light incident on the pupil 12. Therefore, depending on conditions such as the shape of the diaphragm 170, it is easy to reliably improve the optical characteristics of the light incident on the pupil 12. As a result, according to the present embodiment, unlike the case where the diaphragm 170 is installed at a position deviated from the pupil conjugate position, it is easy to design the diaphragm 170 so that its function is fulfilled. It becomes.

次に、本発明の第２実施形態に従うヘッドマウントディスプレイ装置（以下、「ＨＭＤ」と略称する。）を説明する。ただし、本実施形態は、第１実施形態に対し、多焦点レンズ１６０に関連する光学部品が追加されている点でのみ異なり、他の要素については共通であるため、異なる要素についてのみ詳細に説明し、共通する要素については重複した説明を省略する。   Next, a head mounted display device (hereinafter abbreviated as “HMD”) according to a second embodiment of the present invention will be described. However, this embodiment is different from the first embodiment only in that an optical component related to the multifocal lens 160 is added, and other elements are common, and therefore only different elements will be described in detail. In addition, redundant description of common elements is omitted.

図６（ａ）は、本実施形態に従うＨＭＤにおける多焦点レンズ１６０を示す正面図である。このＨＭＤは、図１に示すＨＭＤと基本的に共通する構成を有しているため、重複した説明を省略する。   FIG. 6A is a front view showing the multifocal lens 160 in the HMD according to the present embodiment. Since this HMD has a configuration that is basically the same as that of the HMD shown in FIG.

図５に示すように、第１実施形態においては、多焦点レンズ１６０から出射した、遠点用の光Ｌ１およびＬ３と、近点用の光Ｌ２とが、常に一緒に瞳孔１２に入射する。このことは、観察者が、いずれかの光を使って、表示画像にピントを合わせることに成功した後も、継続する。このとき、それら光Ｌ１，Ｌ２およびＬ３のすべてが観察者にとって必要であるわけではなく、観察者のピントが遠点に合えば、近点用の光Ｌ２は不要光となるし、逆に、観察者のピントが近点に合えば、遠点用の光Ｌ１およびＬ３は不要光となる。それら不要光は、放置すると、観察者が表示画像を観察することを阻害する可能性がある。   As shown in FIG. 5, in the first embodiment, the far-point light L1 and L3 and the near-point light L2 emitted from the multifocal lens 160 are always incident on the pupil 12 together. This continues even after the observer has successfully focused on the displayed image using any light. At this time, not all of the lights L1, L2 and L3 are necessary for the observer, and if the observer focuses on the far point, the near-point light L2 becomes unnecessary light, and conversely If the observer is focused on the near point, the far point lights L1 and L3 become unnecessary light. If the unnecessary light is left unattended, there is a possibility that the observer will be obstructed from observing the display image.

図６（ａ）に示すように、本実施形態に従うＨＭＤにおいては、多焦点レンズ１６０が、中央に位置する円形状の領域Ｒ１と、それの外側に位置する円環状の領域Ｒ２とを有している。多焦点レンズ１６０のうち、領域Ｒ１は、遠点用の光を出射する部分であるのに対し、領域Ｒ２は、近点用の光を出射する部分である。   As shown in FIG. 6A, in the HMD according to the present embodiment, the multifocal lens 160 has a circular region R1 located at the center and an annular region R2 located outside the region. ing. In the multifocal lens 160, the region R1 is a portion that emits light for a far point, while the region R2 is a portion that emits light for a near point.

図６（ｂ）に示すように、このＨＭＤにおいては、多焦点レンズ１６０を選択的に、かつ、部分的に覆う第１および第２のマスク２００および２１０が、第１実施形態と共通の構成に対して追加されている。第１のマスク２００は、概して円板状を成すとともに、中央に円形状の遮光部２２０、それの外側に円環状の透光部２２２をそれぞれ有している。これに対し、第２のマスク２１０は、概して円板状を成すとともに、中央に円形状の透光部２３０、それの外側に円環状の遮光部２３２をそれぞれ有している。   As shown in FIG. 6B, in this HMD, the first and second masks 200 and 210 that selectively and partially cover the multifocal lens 160 have the same configuration as in the first embodiment. Has been added against. The first mask 200 has a generally disc shape, and has a circular light shielding part 220 at the center and an annular light transmitting part 222 on the outer side thereof. On the other hand, the second mask 210 has a generally disc shape, and has a circular light transmitting portion 230 at the center and an annular light shielding portion 232 on the outside thereof.

いずれのマスク２００および２１０も、多焦点レンズ１６０に位置的に関連付けて設置されている。各マスク２００，２１０は、作用位置と非作用位置とに選択的に移動させられる。作用位置は、多焦点レンズ１６０への入射光または多焦点レンズ１６０からの出射光を遮断し得る位置であり、例えば、多焦点レンズ１６０の上流側近傍位置または下流側近傍位置である。これに対し、非作用位置は、その作用位置から退避した位置である。各マスク２００，２１０の移動は、例えば、各マスク２００，２１０を回転または直線移動させる各アクチュエータ（図示しない）を、観察者からの指令に応じて制御することによって行うことが可能である。   Both masks 200 and 210 are installed in a positional relationship with the multifocal lens 160. Each mask 200, 210 is selectively moved to an operating position and a non-operating position. The action position is a position where incident light to the multifocal lens 160 or outgoing light from the multifocal lens 160 can be blocked, for example, an upstream vicinity position or a downstream vicinity position of the multifocal lens 160. On the other hand, the non-operation position is a position retracted from the operation position. The movement of each mask 200, 210 can be performed, for example, by controlling each actuator (not shown) that rotates or linearly moves each mask 200, 210 according to a command from an observer.

観察者は、遠点にピントが合った後に、第１のマスク２００を非作用位置に移動させる一方、第２のマスク２１０を作用位置に移動させるための指令をこのＨＭＤに出力する。そうすると、第２のマスク２１０が作用位置に移動し、それの遮光部２３２により、多焦点レンズ１６０のうちの近点用の領域Ｒ２が遮光される。これに対して、観察者は、近点にピントが合った後に、第２のマスク２１０を非作用位置に移動させる一方、第１のマスク２００を作用位置に移動させるための指令をこのＨＭＤに出力する。そうすると、第１のマスク２００が作用位置に移動し、それの遮光部２２０により、多焦点レンズ１６０のうちの遠点用の領域Ｒ１が遮光される。   The observer outputs a command for moving the first mask 200 to the non-operating position and moving the second mask 210 to the operating position after focusing on the far point. Then, the second mask 210 moves to the operating position, and the near-point region R2 of the multifocal lens 160 is shielded by the light shielding portion 232 thereof. On the other hand, the observer moves the second mask 210 to the non-operating position after focusing on the near point, while giving a command to the HMD to move the first mask 200 to the operating position. Output. Then, the first mask 200 moves to the operating position, and the far point region R1 of the multifocal lens 160 is shielded by the light shielding portion 220.

したがって、本実施形態によれば、観察者のピントが遠点に合った場合には、遠点用の光のみが瞳孔１２に入射するため、今回は不要光である近点用の光が瞳孔１２に一緒に入射せずに済むから、表示画像においてノイズが減って画質がより鮮明になるとともに、観察者は、遠点用の光のみに集中することが可能となる。これに対し、観察者のピントが近点に合った場合には、近点用の光のみが瞳孔１２に入射するため、今回は不要光である遠点用の光が瞳孔１２に一緒に入射せずに済むから、表示画像においてノイズが減って画質がより鮮明になるとともに、観察者は、近点用の光のみに集中することが可能となる。その結果、いずれの場合にも、観察者のピントが表示画像に合った後には、同じ画像が複数の焦点を有するように画像光を形成するために多焦点レンズ１６０が存在するにもかかわらず、このＨＭＤの画質および使い勝手が、多焦点レンズ１６０を有しない場合とほぼ同等なものとなる。   Therefore, according to the present embodiment, when the observer's focus is at the far point, only the far point light is incident on the pupil 12, and this time, the near point light, which is unnecessary light, is used this time. Therefore, it is possible to concentrate on only the light for the far point, while reducing the noise in the display image and making the image quality clearer. On the other hand, when the observer is focused on the near point, only the near point light is incident on the pupil 12, and this time the far point light, which is unnecessary light, is incident on the pupil 12 together. Therefore, the noise in the display image is reduced and the image quality becomes clearer, and the observer can concentrate only on the light for near points. As a result, in any case, after the observer is focused on the display image, the multi-focal lens 160 exists to form image light so that the same image has a plurality of focal points. The image quality and usability of the HMD are almost the same as when the multifocal lens 160 is not provided.

なお付言するに、本実施形態においては、２種類のマスク２００および２１０が採用されているが、いずれかを省略することが可能である。また、本実施形態においては、マスク２００および２１０がいずれも機械的な部品として構成されているが、いずれかまたは双方を液晶によって構成することが可能である。マスクを液晶によって構成する場合には、１つのマスクのみで、遠点用の光の遮断と近点用の光の遮断とを選択的に実現することが可能であり、また、そのマスクは、前記光軸上の所定位置に移動不能に設置することが可能である。   In addition, in this embodiment, two types of masks 200 and 210 are employed in the present embodiment, but either one can be omitted. In the present embodiment, the masks 200 and 210 are both configured as mechanical parts, but either or both can be configured by liquid crystal. When the mask is composed of liquid crystal, it is possible to selectively realize the blocking of the light for the far point and the blocking of the light for the near point with only one mask. It is possible to install it at a predetermined position on the optical axis so as not to move.

次に、本発明の第３実施形態に従うヘッドマウントディスプレイ装置（以下、「ＨＭＤ」と略称する。）を説明する。   Next, a head mounted display device (hereinafter abbreviated as “HMD”) according to a third embodiment of the invention will be described.

まず概略的に説明するに、このＨＭＤは、光源から一斉に入射した面状の光を、空間変調素子を用いて、各画素ごとに空間的に変調し、そのようにして形成された画像光を観察者の瞳孔を経て直接的に観察者の網膜上に投影し、それにより、観察者が画像を虚像として観察することを可能にするように構成されている。すなわち、このＨＭＤは、空間変調型なのである。   First, to explain schematically, this HMD spatially modulates planar light incident from a light source for each pixel using a spatial modulation element, and the image light formed in this way. Is projected directly onto the viewer's retina via the viewer's pupil, thereby allowing the viewer to view the image as a virtual image. That is, this HMD is a spatial modulation type.

具体的には、このＨＭＤは、図７に示すように、光源部３１２と、画像光形成部３１４と、リレー光学系３１６と、接眼光学系３１８とを、それらの順に、互いに直列に並ぶように備えている。本実施形態においては、光源部３１２と画像光形成部３１４とが互いに共同して、前記（１）項における「画像光形成部」の一例を構成している。   Specifically, as shown in FIG. 7, in this HMD, a light source unit 312, an image light forming unit 314, a relay optical system 316, and an eyepiece optical system 318 are arranged in series in that order. In preparation. In the present embodiment, the light source unit 312 and the image light forming unit 314 cooperate with each other to constitute an example of the “image light forming unit” in the item (1).

光源部３１２は、光源としての白色ＬＥＤ３２０と、その白色ＬＥＤ３２０からの白色光をコリメートするコリメートレンズ３２２とを含むように構成されている。白色ＬＥＤ３２０は、ＬＥＤドライバ３２４によって駆動され、それにより、白色光を発光する。なお、本実施形態においては、光源部３１２が、白色ＬＥＤ３２０とコリメートレンズ３２２とを含むように構成されているが、これに代えて、例えば、バックライトを主体として構成することが可能である。   The light source unit 312 includes a white LED 320 as a light source, and a collimating lens 322 that collimates white light from the white LED 320. The white LED 320 is driven by the LED driver 324, and thereby emits white light. In the present embodiment, the light source unit 312 is configured to include the white LED 320 and the collimating lens 322. However, instead of this, for example, it is possible to mainly configure the backlight.

画像光形成部３１４は、フラットパネルディスプレイ（空間変調素子の一例）としてのＬＣＤ（液晶ディスプレイ）３３０を含むように構成されている。ＬＣＤ３３０は、コリメートレンズ３２２からの白色光を、各画素ごとに、３色の成分光（ＲＧＢ）に分解するカラーフィルタ（ＲＧＢフィルタ）と、各成分光の透過度を制御する液晶パネルとを含むように構成されている。その液晶パネルは、複数個の画素を有しており、各画素ごとに、各成分光の透過度を制御する。ＬＣＤ３３０は、ＬＣＤドライバ３３２によって駆動され、それにより、白色ＬＥＤ３２０から出射した白色光に対して空間変調を施す。   The image light forming unit 314 is configured to include an LCD (liquid crystal display) 330 as a flat panel display (an example of a spatial modulation element). The LCD 330 includes a color filter (RGB filter) that separates the white light from the collimating lens 322 into three component light components (RGB) for each pixel, and a liquid crystal panel that controls the transmittance of each component light. It is configured as follows. The liquid crystal panel has a plurality of pixels, and controls the transmittance of each component light for each pixel. The LCD 330 is driven by the LCD driver 332, thereby applying spatial modulation to the white light emitted from the white LED 320.

本実施形態においては、フラットパネルディスプレイの一例としてＬＣＤ３３０が採用されているが、これに限定されることなく、例えば、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）としたり、デジタルマイクロミラーデバイスとすることが可能である。   In the present embodiment, the LCD 330 is adopted as an example of a flat panel display. However, the present invention is not limited to this. For example, an organic electroluminescence (EL) or a digital micromirror device can be used. .

リレー光学系３１６は、前段リレーレンズ３４０と後段リレーレンズ３４２とを含むように構成されている。前段リレーレンズ３４０の前側焦点位置にＬＣＤ３３０が、その後側焦点位置に多焦点レンズ３５０がそれぞれ配置され、また、後段リレーレンズ３４２の前側焦点位置に多焦点レンズ３５０が配置されている。多焦点レンズ３５０は、第１実施形態における多焦点レンズ１６０と基本的な構成を共通にしているため、重複した説明を省略する。   The relay optical system 316 is configured to include a front relay lens 340 and a rear relay lens 342. An LCD 330 is disposed at the front focal position of the front relay lens 340, a multifocal lens 350 is disposed at the rear focal position, and a multifocal lens 350 is disposed at the front focal position of the rear relay lens 342. Since the multifocal lens 350 has the same basic configuration as that of the multifocal lens 160 in the first embodiment, a duplicate description is omitted.

接眼光学系３１８は、接眼レンズ３６０と、その接眼レンズ３６０からの画像光をユーザの瞳孔に誘導する光ガイドとしてのハーフミラー３６２とを含むように構成されている。本実施形態においては、その光ガイドがハーフミラー３６２として構成されているため、ユーザは、ハーフミラー３６２を通して現実外界を観察すると同時に、接眼レンズ３６０からの画像光を、ハーフミラー３６２の反射によって受光して表示画像を観察することが可能である。すなわち、このＨＭＤは、現実外界に重ねて表示画像を観察可能なシースルー型なのである。   The eyepiece optical system 318 is configured to include an eyepiece lens 360 and a half mirror 362 as a light guide that guides image light from the eyepiece lens 360 to the pupil of the user. In this embodiment, since the light guide is configured as a half mirror 362, the user observes the actual outside world through the half mirror 362 and simultaneously receives the image light from the eyepiece 360 by the reflection of the half mirror 362. Thus, it is possible to observe the display image. In other words, the HMD is a see-through type that can observe a display image superimposed on the actual outside world.

図８には、このＨＭＤが光路図で示されている。多焦点レンズ３５０は、リレー光学系３１６の瞳孔共役位置とちょうど同じ位置、すなわち、前段リレーレンズ３４０の後側焦点位置と一致し、かつ、後段リレーレンズ３４２の前側焦点位置と一致する位置に設置されている。なお、図８においては、ハーフミラー３６２が省略されている。   FIG. 8 shows the HMD in an optical path diagram. The multifocal lens 350 is installed at the same position as the pupil conjugate position of the relay optical system 316, that is, the position that coincides with the rear focal position of the front relay lens 340 and the front focal position of the rear relay lens 342. Has been. In FIG. 8, the half mirror 362 is omitted.

したがって、本実施形態によれば、空間変調型のＨＭＤにおいて、第１実施形態に従う走査型のＨＭＤと共通する効果を得ることができる。   Therefore, according to the present embodiment, the spatial modulation type HMD can obtain the same effects as the scanning type HMD according to the first embodiment.

ただし、第１実施形態とは異なり、本実施形態に従うＨＭＤは、シースルー型である。この場合、観察者は、現実外界にピントが合っている状態で、表示画像にもピントを合わせようとする。しかし、現実外界の奥行きと表示画像の奥行きとが常に互いに一致することは保証されていない。これに対し、本実施形態によれば、参照画像が、複数の焦点距離を有しているため、観察者は参照画像にピントを合わせ易くなる。また、観察者は、参照画像を、参照画像にも現実外界にもピントが合った状態で観察するが容易となる。その結果、このＨＭＤの使い勝手が向上する。   However, unlike the first embodiment, the HMD according to the present embodiment is a see-through type. In this case, the observer tries to focus on the display image in a state where the real outside world is in focus. However, it is not guaranteed that the depth of the actual outside world always matches the depth of the display image. On the other hand, according to this embodiment, since the reference image has a plurality of focal lengths, the observer can easily focus on the reference image. In addition, it becomes easy for the observer to observe the reference image in a state in which both the reference image and the actual outside world are in focus. As a result, the usability of this HMD is improved.

以上、本発明の実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、前記［発明の開示］の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。   As described above, some of the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, these are exemplifications, and are based on the knowledge of those skilled in the art including the aspects described in the section of [Disclosure of the Invention]. The present invention can be implemented in other forms with various modifications and improvements.

Claims (5)

表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置であって、
画像信号に応じた画像光を形成する画像光形成部と、
その形成された画像光が当該画像表示装置から出射する出射部と
を含み、
前記画像光形成部と前記出射部との間における光路上に、前記瞳孔の位置と光学的に共役な瞳孔共役位置が存在し、
当該画像表示装置は、さらに、
前記瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に設置された多焦点光学素子を含む画像表示装置。 A direct-view image display device that enters image light representing an image to be displayed into a pupil of an observer's eyeball, thereby displaying the image to the observer,
An image light forming unit that forms image light according to an image signal;
The formed image light includes an emission part that emits from the image display device,
There is a pupil conjugate position optically conjugate with the pupil position on the optical path between the image light forming portion and the exit portion,
The image display device further includes:
An image display device including a multifocal optical element installed at substantially the same position as the pupil conjugate position. さらに、前記画像光形成部から前記多焦点光学素子に入射しようとする画像光のうち、最終的に前記瞳孔に入射させたくない部分を、前記多焦点光学素子から出射しないように遮断する絞りを含む請求項１に記載の画像表示装置。   Further, a diaphragm that blocks a portion of the image light that is about to be incident on the multifocal optical element from the image light forming unit so as not to be finally incident on the pupil so as not to be emitted from the multifocal optical element. The image display apparatus of Claim 1 containing. 前記多焦点光学素子は、各々、有限の焦点距離を有する複数の領域を有し、
それら複数の領域は、少なくとも部分的に、前記焦点距離に関して互いに異なっており、
それら複数の領域は、互いに隣接する領域間において前記焦点距離に関して互いに異なっており、
それら複数の領域は、前記多焦点光学素子内において、その多焦点光学素子の光軸まわりに回転対称的に幾何学的に配置されている請求項１または２に記載の画像表示装置。 The multifocal optical element has a plurality of regions each having a finite focal length;
The plurality of regions differ from each other at least in part with respect to the focal length;
The plurality of regions are different from each other with respect to the focal length between adjacent regions;
The image display device according to claim 1, wherein the plurality of regions are geometrically arranged in a rotationally symmetrical manner around the optical axis of the multifocal optical element in the multifocal optical element. 前記画像光形成部は、
光源と、
その光源からの入射光を用いて前記画像光を形成する液晶または有機ＥＬであって前記画像信号に応じて作動するものと
を含む請求項１ないし３のいずれかに記載の画像表示装置。 The image light forming unit
A light source;
4. The image display device according to claim 1, further comprising: a liquid crystal or an organic EL that forms the image light using incident light from the light source, and that operates according to the image signal. 5. 前記画像光形成部は、
前記画像信号に応じた強度を有する光を出射する光源と、
その光源からの入射光を走査することによって前記画像光を形成する光走査部と
を含む請求項１ないし３のいずれかに記載の画像表示装置。 The image light forming unit
A light source that emits light having an intensity according to the image signal;
The image display apparatus according to claim 1, further comprising: an optical scanning unit that forms the image light by scanning incident light from the light source.

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