JPH06308408A

JPH06308408A - 映像表示装置

Info

Publication number: JPH06308408A
Application number: JP5091371A
Authority: JP
Inventors: Koichi Takahashi; 浩一高橋
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-04-19
Filing date: 1993-04-19
Publication date: 1994-11-04

Abstract

(57)【要約】【目的】水平方向の偏向器を１つしか使用せずに左右
両眼の夫々に映像を表示するように構成し、比較的小型
で安価な構成でありながら、広画角、高解像度、高輝度
が得られる映像表示装置を提供する。【構成】Ｈｅ−Ｎｅレーザ１、ＡＯＭ３、ＮＤフィル
タ５等を具え左右両眼用の光ビームを形成する光源部か
らの、変調された光ビームをガルバノメータスキャナ７
によって垂直方向に走査し、ビームスプリッタ８によっ
て左右両眼用に２分割し、夫々ポリゴンミラー１１の異
なる偏向面に入射して同時に水平方向に走査した後に、
光学系１２ａ，１２ｂを介して眼球１６ａ，１６ｂに導
く。その際、左右両眼の夫々について第１の偏向面およ
び第２の偏向面が夫々入射瞳となり、使用者の左右眼球
１６ａ，１６ｂが夫々射出瞳となる瞳共役関係を満たす
ように構成し、映像を直接、使用者の眼球の網膜上に表
示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ビームを用いて使用
者の眼球の網膜上に直接、映像を表示する、映像表示装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ビームを用いて使用者の眼球の網膜上
に映像を表示する映像表示装置の従来例としては、例え
ば特開平４−１０００８８号公報に開示されたものがあ
る。この従来例は、光源より放射されたレーザ光を映像
情報に応じて変調し、走査光学系によって２次元走査を
行い、使用者の眼球の網膜上に映像を表示するようにし
ている。この従来例は、スクリーンに投射する投射型映
像表示装置に比べて、レーザ光が拡散されて散らつくと
いう、いわゆるスペックルノイズが発生することのない
良好な映像を、少ない光量および消費電力で得られる特
徴を有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の映像表示装置は、左右両眼用の装置として構成する
ためには左右両眼に対応して全構成部品を２つずつ必要
とするため、装置が大型化し、コストアップを招く。ま
た、左右両眼の映像を同期させるために偏向器等に検出
器を設け、その検出器からの同期信号によって左右両眼
の水平変調を制御する必要があるため、装置が複雑化し
てしまう。

【０００４】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたものであり、比較的小型で安価な構成でありなが
ら、広画角、高解像度、高輝度が得られる映像表示装置
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的のため、本発明
の映像表示装置は、映像を直接、使用者の眼球の網膜上
に表示する映像表示装置において、左右両眼用の光ビー
ムを形成する光源部と、前記光ビームを垂直、水平の２
方向に走査する少なくとも２つの偏向器と、垂直、水平
の２方向に走査された光ビームを使用者の左右両眼の夫
々に導く光学系とを具え、前記偏向器の第１の偏向面お
よび第２の偏向面が夫々入射瞳となり、使用者の左右眼
球が夫々射出瞳となる瞳共役関係を満たすようにしたこ
とを特徴とするものである。

【０００６】

【作用】本発明においては、光源部から放射された左右
両眼用の光ビームは、第１の偏向器によって使用者の左
右の瞳に対して垂直方向に偏向された後に、第２の偏向
器によって使用者の瞳に対して水平方向に偏向される。
このとき、前記第１、第２の偏向器の偏向面が夫々入射
瞳となり、使用者の左右眼球の瞳の位置が夫々射出瞳と
なるように配置されているので、左右両眼の網膜上に映
像が表示される。

【０００７】その際、本発明の映像表示装置によって使
用者が認識する映像は、光ビームによって左右眼球の網
膜上に直接形成されるため、光ビームの利用効率が高く
なり、非常に少ない光量で高輝度な映像が得られる。ま
た、左右両眼に対して夫々、高解像度の光学系が用いら
れているため、広画角、高解像度の映像表示を行うこと
ができる。また、左右両眼に対して、高価かつ消費電力
の大きい部品である偏向器を共通化したため、構成部品
数が減少する。また、左右両眼の水平方向の走査を１つ
の偏向器で行っているため、水平方向における左右両眼
の映像の同期を取る制御を行うことなく左右両眼の夫々
に容易に映像を形成することができる。さらに、全ての
偏向面と使用者の左右眼球の瞳位置を瞳共役関係にした
ため、偏向器の反射面では反射面積が非常に小さくなっ
て偏向器自体が小型化、軽量化されることになる。した
がって、小型化、低価格化、省力化された映像表示装置
を提供することができる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に
説明する。図１は本発明の映像表示装置の第１実施例の
構成を示す図であり、図２（ａ），（ｂ）は第１実施例
の光学系の展開図である。なお、図２（ａ）は紙面に水
平な方向を表わし、図２（ｂ）は紙面に垂直な方向を表
わしている。

【０００９】図１および図２（ａ）、（ｂ）において、
光源としてのＨｅ−Ｎｅレーザ１から放射された光ビー
ムは、凸レンズ２によって集光されて光変調素子である
ＡＯＭ（音響光学素子）３に導入され、そこで図示しな
い映像情報信号（以下、映像信号）に応じて変調（光変
調）される。この光変調により電気信号が光波の強度、
周波数、位相、偏向面等の変化に変換される。変調され
た光ビームは、凸レンズ４によって再び平行光束にな
り、分光選択吸収を示さない中性濃度（無彩色）のフィ
ルタであるＮＤフィルタ５によって光強度を減衰された
後に、集光レンズ６によって垂直方向の偏向器であるガ
ルバノメータスキャナ７の反射面に集光される。ガルバ
ノメータスキャナ７では、上記映像信号およびポリゴン
ミラー１１の回転数のカウント値に同期して、偏向がな
される。

【００１０】ガルバノメータスキャナ７によって偏向さ
れた光ビームは、ビームスプリッタ８に導入される。ビ
ームスプリッタ８では光ビームの一部は透過し、一部は
透過光と直交する方向に反射された後に、平面ミラー９
によって上記透過光と平行にされる。なお、図２
（ａ）、（ｂ）には、ビームスプリッタ８以降の構成を
右眼系に基づいて表わしており、左眼系は一部省略して
いる。

【００１１】上記透過および反射の光ビームは夫々、集
光レンズ１０（１０ａ，１０ｂ）によって、回転多面鏡
であるポリゴンミラー１１の対応する反射面に結像され
る。その際、ガルバノメータスキャナ７およびポリゴン
ミラー１１の反射面が瞳共役になる。ポリゴンミラー１
１は等速度で（反時計方向に）回転するので、入射した
光ビームを使用者の左右両眼に対し水平方向に走査する
ことができる。なお、ポリゴンミラー１１および上述し
たガルバノメータスキャナ７は、図示しない駆動機構に
より駆動される。ポリゴンミラー１１で偏向された光ビ
ームは、水平方向に走査された後に、ポリゴンミラー１
１の反射面の後に配置された光学系１２（１２ａ，１２
ｂ）によって、左右眼球の夫々の網膜上に結像され、映
像となる。

【００１２】次に、光学系１２について図１により詳細
に説明する。この光学系を構成する各光学素子は、使用
者の左右眼球の瞳位置において、補正光学系を含む光学
系１２の射出瞳となるようなパワーに配置される。ポリ
ゴンミラー１１で走査された光ビームは、凹レンズ１３
（１３ａ，１３ｂ）を介して凹面鏡１４（１４ａ，１４
ｂ）に入射される。凹面鏡１４ａ，１４ｂは、水平方
向、垂直方向に走査されている光ビームの反射面積を網
羅し得る大きさを有しており、入射された光ビームは凹
面鏡１４ａ，１４ｂの後に配置された補正光学系１５
（１５ａ，１５ｂ）で収差を除去されて使用者の左右眼
球１６（１６ａ，１６ｂ）の網膜上に結像される。

【００１３】なお、この第１実施例においては、集光レ
ンズ１０（１０ａ，１０ｂ）は、瞳共役関係が成立する
位置であれば、ガルバノメータスキャナ７からポリゴン
ミラー１１までの間のどのような位置に配置してもよ
い。また、光学系１２の光学部品の１つである凹レンズ
１３は図示の位置に限定されることはなく、光学系１２
内であればどのような位置に配置してもよい。

【００１４】図３は本発明の映像表示装置の第２実施例
の構成を示す図であり、図４（ａ），（ｂ）は第２実施
例の光学系の展開図である。なお、図４（ａ）は紙面に
水平方向を表わし、図４（ｂ）は紙面に垂直方向を表わ
している。

【００１５】図３および図４（ａ）、（ｂ）において、
光源としてのＨｅ−Ｎｅレーザ２１から放射された光ビ
ームは、凸レンズ２２によって集光されて光変調素子で
あるＡＯＭ（音響光学素子）２３に導入され、そこで図
示しない映像信号に応じて変調される。変調された光ビ
ームは、凸レンズ２４によって再び平行光束になり、Ｎ
Ｄフィルタ２５によって光強度を減衰された後に平面ミ
ラー２６によって反射され、反射された光ビームは、ビ
ームスプリッタ２７に導入される。ビームスプリッタ２
７では、光ビームの一部は透過し、一部は透過光と直交
する方向に反射された後に、平面ミラー２８によって上
記透過光と平行にされる。なお、図４（ａ）、（ｂ）に
は、ビームスプリッタ２７以降の構成を右眼系に基づい
て表わしており、左眼系は一部省略している。

【００１６】上記透過および反射の光ビームは夫々、集
光レンズ２９（２９ａ，２９ｂ）によって、回転多面鏡
であるポリゴンミラー３０の対応する反射面に結像され
る。このポリゴンミラー３０は等速度で（反時計方向
に）回転するので、入射した光ビームを使用者の左右両
眼に対し水平方向に走査することができる。

【００１７】ポリゴンミラー３０で水平方向に走査され
た光ビームは、ポリゴンミラー３０の反射面の後に配置
された補正光学系を含む光学系３４（３４ａ，３４ｂ）
の、集光レンズ３１（３１ａ，３１ｂ）によってポリゴ
ンミラー３０の反射面およびガルバノメータスキャナ３
２（３２ａ，３２ｂ）の反射面が瞳共役関係となって、
ガルバノメータスキャナ３２に入射される。ガルバノメ
ータスキャナ３２ａ，３２ｂでは、上記映像信号および
水平方向の偏向器であるポリゴンミラー３０の回転数の
カウント値に同期して、偏向がなされる。ガルバノメー
タスキャナ３２ａ，３２ｂ上で走査された光ビームは、
左右眼球の夫々の網膜上に結像され、映像となる。

【００１８】次に、補正光学系を含む光学系３４につい
て図３により詳細に説明する。この光学系を構成する各
光学素子は、使用者の左右眼球の瞳位置において、補正
光学系３５（３５ａ，３５ｂ）を含む光学系３４の射出
瞳となるようなパワーに配置される。ポリゴンミラー３
０で走査された光ビームは、集光レンズ３１（３１ａ，
３１ｂ）によってガルバノメータスキャナ３２（３２
ａ，３２ｂ）に集光され、ガルバノメータスキャナ３２
によって垂直偏向され、凹面鏡３３（３３ａ，３３ｂ）
に入射される。凹面鏡３３ａ，３３ｂは、水平方向、垂
直方向に走査されている光ビームの反射面積を網羅し得
る大きさを有しており、入射された光ビームは凹面鏡３
３ａ，３３ｂの後に配置された補正光学系３５（３５
ａ，３５ｂ）で収差を除去されて使用者の左右眼球３６
（３６ａ，３６ｂ）の網膜上に結像される。

【００１９】なお、この第２実施例においては、集光レ
ンズ２９（２９ａ，２９ｂ）は、瞳共役関係が成立する
位置であれば、平面ミラー２６からポリゴンミラー３０
までの間のどのような位置に配置してもよい。また、補
正光学系を含む光学系３４の光学部品の１つであるガル
バノメータスキャナ３２は、ビームスプリッタ２７から
ポリゴンミラー３０までの間において夫々の偏向面に瞳
共役関係が成立する位置であれば、どのような位置に配
置してもよい。

【００２０】また、上記第１、第２実施例においては、
光源であるレーザ１，２１および変調器であるＡＯＭ
３，２３は、左右眼系共通化により１個ずつ使用するも
のとしているが、２個ずつ使用して左眼系、右眼系を独
立させ、夫々の光源からの光ビームを個々の変調器で変
調して使用者の左右両眼に異なる映像を表示するように
してもよい。その場合、高解像度化または立体視が可能
になる。さらに、上述した光学系では、像の高さをｙ、
水平方向の走査角をθ_X、焦点距離をｆ_x、垂直方向の
走査角をθ_y、焦点距離をｆ_yとすると、水平方向にお
いてｙ＝ｆ_x×θ_Xの関係が成立すれば光ビームは像面
において等速度走査を実施することになり、垂直方向に
おいてｙ＝ｆ_y×arc sin θ_yの関係が成立すれば光ビ
ームは同様の等速度走査を実施することになるので、上
記光学系においてこれらの関係に準じた構成となるよう
にすることが望ましい。

【００２１】図５は本発明の映像表示装置の第３実施例
の構成を示す図である。図５において、光源としてのＨ
ｅ−Ｎｅレーザ４１から放射された光ビームは、凸レン
ズ４２によって集光されて光変調素子であるＡＯＭ（音
響光学素子）４３に導入され、そこで図示しない映像信
号に応じて変調される。変調された光ビームは、凸レン
ズ４４によって再び平行光束になり、ＮＤフィルタ４５
によって光強度を減衰された後にガルバノメータスキャ
ナ４６によって垂直方向に偏向される。垂直方向のみ偏
向された光ビームは、集光レンズ４７によってガルバノ
メータスキャナ４８の偏向面に集光され、ガルバノメー
タスキャナ４８によって垂直方向に偏向される。

【００２２】このようにして二次元に走査された光ビー
ムは、ガルバノメータスキャナ４８の偏向面の後に配置
された光学系５１のレンズ５４によって、主光線は光軸
とほぼ平行にされて、ビームスプリッタ４９に入射され
る。ビームスプリッタ４９では、入射した光ビームの一
部が反射し、一部が透過する。反射した光ビームは補正
光学系５３ａによって使用者の右眼球５２ａの網膜上に
結像し、透過した光ビームは平面ミラー５０によって上
記反射光と平行にされた後に補正光学系５３ｂによって
使用者の左眼球５２ｂの網膜上に結像する。

【００２３】上記において、光ビームを垂直走査するガ
ルバノメータスキャナ４６と、垂直走査された光ビーム
を集光レンズ４７によって集光されるガルバノメータス
キャナ４８とは、夫々の偏向面が瞳共役関係となる。ガ
ルバノメータスキャナ４６では、上記映像信号および水
平方向の偏向器であるガルバノメータスキャナ４８の回
転数のカウント値に同期して、偏向がなされる。ガルバ
ノメータスキャナ４８２上で走査された光ビームは、補
正光学系５３（５３ａ，５３ｂ）を含む光学系５１によ
って左右眼球の夫々の網膜上に結像され、映像となる。

【００２４】次に、補正光学系を含む光学系５１につい
て図５により詳細に説明する。この光学系を構成する各
光学素子は、使用者の左右眼球の瞳位置において、補正
光学系５３（５３ａ，５３ｂ）を含む光学系５１の射出
瞳となるようなパワーに配置される。ガルバノメータス
キャナ４６で走査された光ビームは、集光レンズ４７に
よってガルバノメータスキャナ４８に集光され、ガルバ
ノメータスキャナ４８によって水平偏向される。ビーム
スプリッタ４９は、水平方向、垂直方向に走査されてい
る光ビームの反射面積を網羅し得る大きさを有してお
り、入射された光ビームはビームスプリッタ４９の後に
配置された補正光学系５３ａ，５３ｂで収差を除去され
て使用者の左右眼球５２（５２ａ，５２ｂ）の網膜上に
結像される。

【００２５】なお、この第３実施例においては、第１の
偏向器であるガルバノメータスキャナ４６では垂直偏向
を行い、第２の偏向器であるガルバノメータスキャナ４
８では水平偏向を行っているが、この偏向の順番を逆に
してもよい。また、水平方向の偏向器であるガルバノメ
ータスキャナ４８は、ポリゴンミラーに置き換えてもよ
い。さらに、上記第１乃至第３実施例において、夫々の
走査光学系内に少なくとも１つのアナモルフィック光学
素子を配備することによってより高解像化を計ることが
可能である。

【００２６】図６は本発明の映像表示装置の第４実施例
の光源部の構成を示す図である。図６においては、光源
としてＲ（レッド），Ｇ（グリーン），Ｂ（ブルー）の
光の要素を含む白色レーザ６１を用いており、白色レー
ザ６１から放射された光ビームは、ダイクロイックプリ
ズム６２ａによってＲの要素のレーザ光のみが反射さ
れ、その他のＧ，Ｂの要素のレーザ光は透過される。透
過されたレーザ光は、ダイクロイックプリズム６２ｂに
よってＧの要素のレーザ光のみが反射され、Ｂの要素の
レーザ光は透過する。Ｒ，Ｇ，Ｂの要素の透過レーザ光
は夫々、凸レンズ６３ａ，６３ｂ，６３ｃによって集光
されて、光変調素子であるＡＯＭ（音響光学素子）６４
ａ，６４ｂ，６４ｃに導入され、そこで図示しない映像
信号に応じて変調される。

【００２７】変調されたＲ，Ｇ，Ｂのレーザ光は夫々、
凸レンズ６５ａ，６５ｂ，６５ｃによって平行光束にさ
れる。その内、Ｒレーザ光は平面ミラー６６によって反
射され、ダイクロイックプリズム６７ａによってＧレー
ザ光と合成される。このＲ，Ｇを合成したレーザ光は、
平面ミラー６６ｂによって反射され、ダイクロイックプ
リズム６７ｂによってＢレーザ光と合成される結果、
Ｒ，Ｇ，Ｂの３要素が夫々変調されて合成されたレーザ
光となり、元の光軸上に戻されて反射し、ＮＤフィルタ
６８によって光強度を減衰される。

【００２８】上記構成の光源部（白色レーザ６１〜ＮＤ
フィルタ６８）は、上述した第１〜第３実施例に適用す
ることができる。すなわち、図１、２の第１実施例の場
合はこの光源部を集光レンズ６から光学系１２ａ，１２
ｂまでの部分に適用し、図３、４の第２実施例の場合は
平面ミラー２６から光学系３４ａ，３４ｂまでの部分に
適用し、図５の第３実施例の場合はガルバノメータスキ
ャナ４６から光学系５１までの部分に適用することによ
り、光源として１つの白色レーザのみを用いる構成であ
りながら、使用者の左右眼球の網膜上にカラー映像を形
成することができる。

【００２９】なお、この第４実施例において光源として
用いている白色レーザは気体レーザであり、変調器であ
るＡＯＭも複数個使用していることから、装置が大型化
することも考えられる。その場合、光源６１からＮＤフ
ィルタ６８までの部分と、その後続の部分とを分離可能
な構成の装置とし、図６に示す光源部は本装置を装着す
べき人体の一部（例えば頭部）から離れた位置に設置
し、ＮＤフィルタ６８の後続の部分（図１の集光レンズ
６〜光学系１２ａ，１２ｂ、図３の平面ミラー２６〜光
学系３４ａ，３４ｂ、図５のガルバノメータスキャナ４
６〜光学系５１）のみを頭部等に装着するように構成す
ることもできる。

【００３０】なお、上記各実施例においては光源として
気体レーザを用いているが、代わりに半導体レーザまた
はＬＥＤを用いてもよい。その場合、直接、光源におい
て変調することができるので、装置の簡略化、小型化を
図ることができる。また、走査光学系において、光学部
品の１つとして凹面鏡を用いているが、レンズのパワー
配置を適宜変更することにより平面ミラーを用いること
もできる。また、上記各実施例において垂直偏向用の偏
向器としてＡＯＤ（音響光学偏向器）を用いることもで
きる。さらに、上記各実施例において、全てのビームス
プリッタはハーフミラーに置き換えることができ、全て
のダイクロイックプリズムはダイクロイックミラーに置
き換えることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の映像表示
装置によって使用者が認識する映像は、光ビームによっ
て左右眼球の網膜上に直接形成されるため、光ビームの
利用効率が高くなり、非常に少ない光量で高輝度な映像
が得られる。また、左右両眼に対して夫々、高解像度の
光学系が用いられているため、広画角、高解像度の映像
表示を行うことができる。また、左右両眼に対して、高
価かつ消費電力の大きい部品である偏向器を共通化した
ため、構成部品数が減少する。また、左右両眼の水平方
向の走査を１つの偏向器で行っているため、水平方向に
おける左右両眼の映像の同期を取る制御を行うことなく
左右両眼の夫々に容易に映像を形成することができる。
さらに、全ての偏向面と使用者の左右眼球の瞳位置を瞳
共役関係にしたため、偏向器の反射面では反射面積が非
常に小さくなって偏向器自体が小型化、軽量化されるこ
とになる。したがって、小型化、低価格化、省力化され
た映像表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の映像表示装置の第１実施例の構成を示
す図である。

【図２】（ａ），（ｂ）は第１実施例の光学系の展開図
である。

【図３】本発明の映像表示装置の第２実施例の構成を示
す図である。

【図４】（ａ），（ｂ）は第２実施例の光学系の展開図
である。

【図５】本発明の映像表示装置の第３実施例の構成を示
す図である。

【図６】本発明の映像表示装置の第４実施例の光源部の
構成を示す図である。

【符号の説明】

１Ｈｅ−Ｎｅレーザ（光源）３ＡＯＭ（音響光学素子）５ＮＤフィルタ７ガルバノメータスキャナ８ビームスプリッタ１１ポリゴンミラー１２ａ，１２ｂ光学系１４ａ，１４ｂ凹面鏡１５ａ，１５ｂ補正光学系１６ａ，１６ｂ使用者の眼球

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】映像を直接、使用者の眼球の網膜上に表
示する映像表示装置において、左右両眼用の光ビームを形成する光源部と、前記光ビームを垂直、水平の２方向に走査する少なくと
も２つの偏向器と、垂直、水平の２方向に走査された光ビームを使用者の左
右両眼の夫々に導く光学系とを具え、前記偏向器の第１の偏向面および第２の偏向面が夫々入
射瞳となり、使用者の左右眼球が夫々射出瞳となる瞳共
役関係を満たすようにしたことを特徴とする、映像表示
装置。
【請求項２】前記偏向器の１つを回転多面鏡とし、該
回転多面鏡の異なる偏向面によって前記左右両眼用の光
ビームを偏向して左右眼球の網膜上を同時に走査する偏
向手段を構成したことを特徴とする、請求項１記載の映
像表示装置。
【請求項３】前記光源部は、光ビームを放射するレー
ザ光源と、該光ビームを映像情報に応じて変調する変調
手段とを具えて成ることを特徴とする、請求項１記載の
映像表示装置。
【請求項４】前記レーザ光源から放射された光ビーム
を左右両眼用の２本の光ビームに分割するビーム分割手
段を設けたことを特徴とする、請求項１記載の映像表示
装置。
【請求項５】前記光源部は、光源としてのＲ，Ｇ，Ｂ
の要素を有する白色レーザと、該白色レーザから放射さ
れたレーザ光が前記偏向器に入射する前にＲ，Ｇ，Ｂレ
ーザ光に分割するダイクロイックプリズムと、該Ｒ，
Ｇ，Ｂレーザ光を映像情報に応じて変調する変調手段
と、変調されたＲ，Ｇ，Ｂレーザ光を再結合する結合手
段とを具えて成ることを特徴とする、請求項１〜４の何
れか１項に記載の映像表示装置。