JP4298455B2

JP4298455B2 - 走査型画像表示装置

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Publication number: JP4298455B2
Application number: JP2003340789A
Authority: JP
Inventors: 隆史浦川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: JP2005107179A; US7609229B2; US20050068255A1

Description

本発明は、光源からの光束を光走査手段を用いて走査することにより画像を表示する走査型画像表示装置に関し、特に映像信号に基づいて所定の画像を表示する頭部装着型映像表示装置や、デジタルカメラ等の電子式ビューファンダーシステムに関するものである。

現在、頭部装着型映像表示装置やデジタルカメラ等の映像表示装置としては、透過型液晶、反射型液晶、または有機ＥＬ素子などのいわゆるフラットパネルと呼ばれる２次元表示素子を使用しているものがある。これら２次元表示素子を接眼光学系と組み合わせ、表示画像を虚像として観察するように構成されたものが数多く提案されている。近年、そのような画像表示装置は、より高精細な画像が要求されている。そのため、フラットパネルディスプレイ上に非常に多くの画素数分の画素を製作しなければならず、画素数が増えた分だけ画素欠陥が増加し易くなる一方で、フラットパネルの大きさに対して、相対的に画素の大きさが小さくなり製造が困難になるなどの問題があった。

一方、２次元映像表示素子を用いず走査手段を使った表示装置が、米国特許５，４６７，１０４号などにて開示・提案されている。米国特許５，４６７，１０４号は、ＲＧＢの光を水平方向と垂直方向に走査し、光学系を介して網膜上に直接画像を形成する技術を示している。

光ビームの走査手段の製作方法として半導体プロセスの進歩に伴って、微小機械システム（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳＹＳＴＥＭ：ＭＥＭＳ）により、小型軽量でありながら高速の走査手段を作る技術が実現できるようになった。特開平０７−１７５００５（プレーナ型ガルバノミラーおよびその製造方法：日本信号株式会社）や特開平０８−３３４７２３（光偏向素子：オリンパス光学工業）では、半導体プロセスを用いて製造された走査手段が開示・提案されている。また同様に、ＳＰＩＥ，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ＃４４０７１９（Ｊｕｎｅ２００１）、”ＷａｆｅｒｓｃａｌｅｐａｃｋａｇｉｎｇｆｏｒａＭＥＭＳｖｉｄｅｏｓｃａｎｎｅｒ“ においては、頭部装着型表示装置用の２次元走査手段のＭＥＭＳが紹介されており、当該光走査手段を用いることで小型の走査型画像表示装置を実現できる。

上記米国特許５，４６７，１０４号にて開示の走査型画像表示装置においても、非常に高速に光を走査することが要求されるため、光を走査するミラー等の走査部に非常に小型のデバイスが使われている。このような小型の走査デバイスを用いる場合、走査される光ビームがきわめて細いものとなり、観察者の瞳位置での光ビームが非常に径の小さなものとなるために射出瞳も小さくなり、光路と眼球の位置関係が変化した場合に像が観察できなくなるという問題が生じる。

このような問題を解決するための走査型画像表示装置において観察者に画像を提示する別の方法として、米国特許５，７０１，１３２号および米国特許５，７５７，５４４号に開示された技術がある。米国特許５，７０１，１３２号では、走査されたビームが像を形成する中間結像面上に、レンズアレイや拡散板等の拡大手段を配置し、透過させることにより、拡大手段を透過した後の光束の広がり角を拡大するようにしている。

観察者の中には近視や遠視の人もいるために視度調整が要求される。これらの映像表示素子を用いて視度調整を行うためには一般的に映像表示素子と接眼光学系との位置関係を変化させたり、もしくは視度調整用の接眼光学系を設け、その光学系を移動させることによって視度調整を行っている。

一般的な視度調整方法として視度補正用の可動の光学系を配置する手法がとられるが、部材が多くなり装置が大型化してしまう。このため、２次元表示素子を用いる場合においては素子自体を移動させて視度を調整する手法がとられている。
米国特許５，７０１，１３２号米国特許５，７５７，５４４号特開平０７−１７５００５特開平０８−３３４７２３ "ＷａｆｅｒｓｃａｌｅｐａｃｋａｇｉｎｇｆｏｒａＭＥＭＳｖｉｄｅｏｓｃａｎｎｅｒ"、ＳＰＩＥ，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ＃４４０７１９（Ｊｕｎｅ２００１）

しかし走査型画像表示装置においては、２次元表示素子と等価である被走査面を移動させることによって視度を調整しようとすると、被走査面での像がボケてしまうという問題がある。これは、解像度を高める目的で、走査されるビームの被走査面上でのビーム径を絞るための光学系が光源と被走査面間に設置されているため、被走査面を移動させると光源との共役関係が崩れてしまうためである。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、被走査面を有する走査型画像表示装置でありながら良好な視度調節が可能な走査型画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る走査型画像表示装置は、変調された光束を射出する光源と、前記光源からの光束を集光する集光光学系と、前記光源からの光束を二次元面内に走査する走査手段と、前記走査手段によって前記光束が走査されることで画像が再現される拡散機能を有する被走査面と、前記被走査面を観察するための接眼光学系とを有する走査型画像表示装置であって、前記被走査面が前記接眼光学系に対して移動可能であり、前記被走査面の移動に連動して前記光源と前記集光光学系のいずれか一方又は両方を前記被走査面と前記光源が前記集光光学系について共役な位置関係を保つように移動させる機構を有する。

以上説明したように、本発明にかかる走査型画像表示装置によれば、被走査面を有する走査型画像表示装置でありながら良好な視度調節が可能な走査型画像表示装置を提供することが可能となる。

以下、本発明に係る走査型画像表示装置について実施例に基づいて具体的に説明する。

本発明の第１の実施例にかかる走査型画像表示装置の光学系を図１を用いて説明する。図１は、被走査面１０６に透過型拡散板を配置した走査型画像観察装置の光学系の構成を示す。このような走査型画像観察装置は映像信号に基づいて所定の画像を表示する頭部装着型映像表示装置や、デジタルカメラ等の電子式ビューファンダーシステムに好適なものである。

図１中、光源１０１は、表示すべき画像の入力信号に基づき、不図示の駆動制御回路により変調される。光源１０１より、放射した光束は、集光光学系１０２を通過後、折り返し光学系１０３を介して走査手段１０４に向かう。走査手段１０４の内部には、半導体プロセスで製造された反射面を有する走査デバイスがあり、その反射面を動作させることで走査デバイス内の偏向点１０５に入射した光は走査デバイスにより偏向される。走査手段１０４により偏向された光束は、被走査面１０６を二次元的に走査し、走査手段１０４の走査特性と、光源１０１の変調を所定の制御手段によって同期をとることで、被走査面１０６上に形成される光源像を走査して映像信号にもとづいた画像が表示される。光学系１０７は、被走査面１０６を観察者が観察するための接眼光学系である。被走査面１０６には、拡散板が配置してあり、光源からの入射光束を拡散することで走査された光束によって形成される画像を観察者に提示するスクリーンとして機能し、観察者は被走査面１０６に再現された画像を実像又は虚像として認識する。

走査手段１０４により偏向された光束は、被走査面１０６上に光源像を形成するが、被走査面１０６は、透過型で拡散作用を有する面として構成されているため、入射した光束は、被走査面１０６で拡散され、光学系１０７を通って射出する。観察者は、射出瞳１０８近傍に、観察者の瞳をおくことで、被走査面１０６上に形成される画像を観察することができる。この時、集光光学系１０２に関して光源１０１と共役の位置に正確に被走査面１０６を配置することで、被走査面１０６に入射する光束の径は最小になり、解像度の高い像を観察者に提示可能となる。

しかしながら、観察者の中には近視や遠視の人もいるために視度調整が要求される。視度調整は可動の補助的な光学系を設けることでも可能であるが、同時に装置が大型化してしまう問題がある。他の方法として、被走査面１０６を接眼光学系１０７に対して移動させる手法があるが、図１に示す構成を持つ走査型表示装置の場合では、被走査面１０６と光源１０１間の集光光学系１０２に関する共役関係（結像関係）が崩れるために、被走査面１０６上での光束の径が大きくなり、再現される像がボケてしまう。

この問題を解決するために、図１に示すように、光源１０１と集光光学系１０２を含む光源ユニット１０９をＡで示す方向に移動させ、同時に走査面１０６上での結像関係を保つために被走査面１０６の位置を、接眼光学系１０７をＢの方向に移動することが有効である。当該Ｂの方向は、接眼光学系１０７と被走査面１０６間の光路長を変更する方向に平行な方向であって、例えば接眼光学系１０７の光軸方向と平行な方向である。当該Ｂの方向への移動によって、被走査面１０６で拡散された光束の観察者の瞳位置までの光路長を短くすることができる。また、それぞれを逆の方向に移動させることによって被走査面１０６で拡散された光束の観察者の瞳位置までの光路長を長くすることができる。このように視度調節のために被走査面１０６を移動した際に、その移動量に応じて結像関係を維持しながら光源ユニット１０９を移動することで、再現される像を良好に保ったまま観察者の視度を調整することが可能となる。

図２は、光源ユニット１０９と被走査面１０６を対応して移動させるための機構について示す図である。ここで、図１に示すような配置で光源ユニット１０９と被走査面１０６を配置すると、それぞれの部品は逆方向に移動するために、図２に示すように調整シャフト２０１に逆溝を作製しておき、光源ユニット１０９と被走査面１０６のそれぞれに調整シャフト２０１の溝と勘合する部位を作成しておく。これによって調整シャフト２０１を回すことによって、調整シャフト２０１の溝に沿って光源ユニット１０９と被走査面１０６は連動して移動するように構成することが可能である。

またそれぞれの部品を移動する方向を保つためにガイドの役割を果たし、ガタがなくスムーズに摺動することのできるシャフト２０２を通しておく。調整シャフト２０１をＣの方向に回すことによって光源ユニット１０９と被走査面１０６をそれぞれＣ方向の移動を同時に行うことが可能となる。また調整シャフト２０１を逆向きに回すことによって両部材は前述した方向とは逆方向に移動する。光源ユニット１０９と被走査面１０６のそれぞれの移動量は調整シャフト２０１に作製した溝のピッチを変えることによって調整することが可能である。調整シャフト２０１の回転方向とそれぞれの部材の移動方向は逆でも構わない。ガタをなくすため、図２に示すように光源ユニット１０９と被走査面１０６を調整シャフト２０１の片端に押し当てるようにバネ２０３で圧力をかけておくことで精度良く移動させることが可能となる。他の方法としては、シャフト２０２とそれと勘合する穴の部位を摩擦抵抗の大きなゴムや樹脂で作製しておき、適度な力を加えないと摺動しない構成にしても良い。

また図３に光源ユニット１０９と被走査面１０６の移動方法の別形態を示す。ある支点３０１を中心に回転運動をするヒンジの両端に光源ユニット１０９と被走査面１０６を接続しておき、片端点を押し下げるように支点３０１からずれた位置を押すことによって、他端が上がるようにしておく。調整シャフト２０１をＤの方向に動かすことによって、光源ユニット１０９と被走査面１０６がＤで示す方向に動く。また調整シャフト２０１逆向きに移動させることによって光源ユニット１０９、被走査面１０６も逆方向に動く。またこの調整シャフト２０１の代りに任意の位置で固定することのできる軸とリングの勘合した部材を用いても良い。また、調整は手動でも電動でも良い。これらの調整には組立時の光源ユニット１０９と被走査面１０６の位置調整部品を兼用することができるために部品点数を減らすことが可能となり、システムの小型化にもなる。

他の方法として、光源ユニット１０９を移動させる代りに、集光光学系１０２のみを移動させ、視度調節のために移動した被走査面１０６と光源１０１が共役の位置となるように集光光学系１０２を移動させることによって結像関係を崩さず、被走査面１０６で拡散された光束の観察者の瞳位置までの距離を変え良好な視度調節を行うことができる。

また他の手法として、光源１０１から走査手段１０４までを含む走査ユニット１１０を、前述した光源ユニット１０９の代りに被走査面１０６と連動して移動させることによっても同様の効果が得られる。

これらの手法を用いることによって、視度調整用の可動の光学系を特別に設けることなく、視度調整を行うことが可能となる。

本発明の第２の実施例にかかる走査型画像表示装置の光学系を図４を用いて説明する。図４は、被走査面１０６に透過型拡散板を配置した走査型画像観察装置の光学系で実施例１と部品配置が異なった構成を示す。尚、説明の簡単のために、光学系の構成において実施例１と共通するものには同じ符号を付し、主に実施例１とは異なる部分について以下に説明する。

図５は光源ユニット１０９と被走査面１０６を対応して移動させるための機構について示す図である。図４に示すような配置で光源ユニット１０９と被走査面１０６を配置すると、被走査面１０６の移動による視度調節の際には、それぞれの部品は同じ方向に移動する。このために、図５に示すように調整シャフト２０１に溝を作製しておき、それぞれの部位に光源ユニット１０９と被走査面１０６を連動して移動するように構成しておく。調整シャフト２０１をＧの方向に回すことによって光源ユニット１０９と被走査面１０６をＧ方向に同時に移動させることが可能となる。また調整シャフト２０１を逆向きに回すことによって両部材は前述した方向とは逆方向に移動する。調整シャフト２０１の回転方向とそれぞれの部材の移動方向は逆でも構わない。

また図６に光源ユニット１０９と被走査面１０６の別の移動方法を示す。ある支点３０１を中心に回転運動をするヒンジに光源ユニット１０９と被走査面１０６を接続する。図６に示すように支点３０１からずれた位置を動かすことによって、光源ユニット１０９、被走査面１０６が同方向に移動するように構成しておく。この調整シャフト２０１をＨの方向に移動させることによって、光源ユニット１０９と被走査面１０６がＨで示す方向に動く。また調整シャフト２０１逆向きに移動させることによって光源ユニット１０９、被走査面１０６も逆方向に動く。またこの調整シャフト２０１の変わりに任意の位置で固定することのできる軸とリングの勘合した部材を用いても良い。また、調整は手動でも自動でも良い。これらの調整には組立時の光源ユニット１０９と被走査面１０６の位置調整部品を兼用することができるために部品点数を減らすことが可能となり、システムの小型化にもなる。

本発明の第３の実施例にかかる走査型画像観察装置の光学系を図７を用いて説明する。図７は、被走査面１０６に反射型拡散板を配置した走査型画像観察装置の光学系の構成を示す。被走査面１０６を反射型とし、当該被走査面１０６に入射する光束と反射する光束を分離するためのハーフミラー７０１を備えている点で実施例１の光学系と異なる。

図７中、光源１０１は、表示すべき画像の入力信号に基づいて、不図示の駆動制御回路により変調される。光源１０１より、放射した光束は、集光光学系１０２を通過後、折り返し光学系１０３を介して走査手段１０４に向かう。走査手段１０４の内部には、半導体プロセスで製造された走査デバイスがあり、その走査デバイス内の偏向点１０５に入射した光は走査デバイスにより偏向される。走査手段１０４により偏向された光束は、ハーフミラー７０１を透過して被走査面１０６を二次元的に走査する。この時、走査手段１０４の走査特性と、光源１０１の変調の同期をとることで、被走査面１０６上に光源像を形成して映像信号にもとづいた画像が表示される。光学系１０７は、被走査面１０６を観察者が観察するための接眼光学系である。被走査面１０６には拡散板が配置してあり、光源１０１からの入射光束を拡散して走査する。

走査手段１０４により偏向された光束は、被走査面１０６上に光源像を形成するが、被走査面１０６は、反射型で拡散作用を有する面として構成されているため、入射した光束は、被走査面１０６で反射拡散され、ハーフミラー７０１で反射偏向された光束が光学系１０７を通って射出する。観察者は、射出瞳１０８近傍に、観察者の目をおくことで、被走査面１０６上に形成される画像を観察することができる。この時、集光光学系１０２に関して光源１０１と共役の位置に正確に被走査面１０６を配置することで、被走査面１０６に入射する光束の径は最小になり、解像度の高い像を観察者に提示可能となる。

図７に示す光学系において良好な視度調節を行うためには、光源１０１と集光光学系１０２を含む光源ユニット１０９をＩで示す方向に移動させ、走査面１０６上での結像関係を保つためには被走査面１０６の位置をＪの方向に方向に移動することが有効である。これによって、被走査面１０６で拡散された光束の観察者の瞳位置までの光路長を短くすることになるためである。また、それぞれを逆方向に移動させることによって被走査面１０６で拡散された光束の観察者の瞳位置までの光路長を長くすることができる。このように視度調節のために被走査面１０６を移動した際に、その移動量に応じて光源ユニット１０９を移動することで、再現される像を良好に保ったまま観察者の視度を調整することが可能となる。

ここで、図７に示すような配置で光源ユニット１０９と被走査面１０６を配置すると、それぞれの部品は逆方向に移動するために、実施例１に関して図２で示したような手法で光源ユニット１０９と被走査面１０６を移動させることによって視度調整を行うことが可能となる。これらの調整には組立時の光源ユニット１０９と被走査面１０６の位置調整部品を兼用することができるために部品点数を減らすことが可能となり、システムの小型化にもなる。

また他の手法として、光源１０１から走査手段１０４までを含む走査ユニット１１０を前述した光源ユニット１０９の代りに被走査面１０６を連動して移動させることによっても同様の効果が得られる。

これらの手法を用いることによって、今までは別に設けていた視度調整用の可動の光学系を設けることなく、視度調整を行うことが可能となる。

本発明の第４の実施例にかかる走査型画像観察装置の光学系を図８を用いて説明する。図８は、被走査面１０６に反射型拡散板を配置した走査型画像観察装置の光学系の構成を示す。実施例３と部品配置が異なった構成を示す。尚、説明の簡単のために、光学系の構成において実施例３と共通するものには同じ符号を付し、実施例３とは異なる部分についてのみ以下に説明する。

ここで、図８に示すような配置で光源ユニット１０９と被走査面１０６を配置すると、それぞれの部品は同方向に移動するために、実施例２について図５で示したような手法で光源ユニット１０９と被走査面１０６を移動させることによって視度調整を行うことが可能となる。これらの調整には組立時の光源ユニット１０９と被走査面１０６の位置調整部品を兼用することができるために部品点数を減らすことが可能となり、システムの小型化にもなる。

各実施例に示した構成においては、光源１０１と被走査面１０６の間に集光光学系１０２を配置しているだけなので、光源ユニット１０９と被走査面１０６の移動量は等しいが、走査手段１０４と被走査面１０６の間に光学系を配置している場合等は、被走査面１０６の移動量はその光学系の倍率を考慮した移動量となるために光源ユニット１０９の移動量とは異なる。

また本実施例においては、光源１０１としては、単色光のものを使用してもよいが、赤、緑、青の光を独立に発光する光源を色合成手段により組みあわせた構成とし、映像信号に基づいて独立に各色の光源の発光特性を制御することで観察者がカラー画像を観察することが可能となることは言うまでもない。

また本実施例においては、走査手段１０４として、図９に図示した構成の走査手段が考えられる。図９は走査手段１０４内の、半導体プロセスで製造された走査デバイス９０１である。走査面９０２は、トーションバー９０３をねじれ軸として、軸９０４を略中心として、共振往復揺動運動する。またさらに、トーションバー９０５を軸９０６として往復揺動運動する。２つの揺動運動を起こさせるアクチュエータとして、不図示の例えば、電磁力、静電気力などを使用したものが考えられる。このように走査デバイス９０１は２次元に走査できるデバイスであり、被走査面１０６上をラスタ走査できるようになっている。

本発明の実施例１に係る走査型画像表示装置の光学系の概要を説明する図実施例１に係る走査型画像表示装置の光源ユニットと被走査面を対応して移動させるための機構を示す図実施例１に係る走査型画像表示装置の光源ユニットと被走査面を対応して移動させるための別の機構を示す図本発明の実施例２に係る走査型画像表示装置の光学系の概要を説明する図実施例２に係る走査型画像表示装置の光源ユニットと被走査面を対応して移動させるための機構を示す図実施例２に係る走査型画像表示装置の光源ユニットと被走査面を対応して移動させるための別の機構を示す図本発明の実施例３に係る走査型画像表示装置の光学系の概要を説明する図本発明の実施例４に係る走査型画像表示装置の光学系の概要を説明する図各実施例に係る走査型画像表示装置で用いる走査手段の例を説明する図

符号の説明

１０１光源
１０２集光光学系
１０３折り返し光学系
１０４走査手段
１０５偏向点
１０６被走査面
１０７瞳結像光学系
１０８射出瞳
１０９光源ユニット
１１０走査ユニット
２０１調整シャフト
２０２シャフト
２０３バネ
３０１支点
７０１ハーフミラー
９０１走査デバイス
９０２走査面
９０３トーションバー
９０４軸
９０５トーションバー
９０６軸

Claims

変調された光束を射出する光源と、前記光源からの光束を集光する集光光学系と、前記光源からの光束を二次元面内に走査する走査手段と、前記走査手段によって前記光束が走査されることで画像が再現される拡散機能を有する被走査面と、前記被走査面を観察するための接眼光学系とを有する走査型画像表示装置であって、前記被走査面が前記接眼光学系に対して移動可能であり、前記被走査面の移動に連動して前記光源と前記集光光学系のいずれか一方又は両方を前記被走査面と前記光源が前記集光光学系について共役な位置関係を保つように移動させる機構を有することを特徴とする走査型画像表示装置。
前記被走査面は透過型の拡散板であることを特徴とする請求項１に記載の走査型画像表示装置。
前記被走査面は反射型の拡散板であることを特徴とする請求項１に記載の走査型画像表示装置。
前記走査手段は前記光源からの光束を反射する反射面を有し、該反射面を動作させることで前記光源からの光束を走査することを特徴とする請求項１乃至３に記載の走査型画像表示装置。
前記走査手段により偏向された光束はハーフミラーを透過して前記被走査面に入射し、該被走査面から射出した光束は前記ハーフミラーで反射して前記接眼光学系へ入射することを特徴とする請求項１乃至４に記載の走査型画像表示装置。