JPH11142763A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】走査用光学素子において反射されたレーザ光を
集光用光学素子により反射して網膜上に直接に描画を行
う場合に、認識される画像に実用化の上で問題となる歪
みが生じることのない表示装置を提供する。 【解決手段】描画用レーザ光を反射する走査用光学素子
２３を、駆動機構２４により走査のため運動させる。そ
のレーザ光により観察者の網膜６１上に画像を形成する
ため、そのレーザ光を集光用光学素子１２により反射し
て観察者の眼球Ｅ内において集光する。その集光用光学
素子１２の反射面は、回転楕円体または回転楕円体に近
似する立体の内周一部を構成する曲面とされる。その回
転楕円体の２つの焦点の中の一方は、そのレーザ光の走
査用光学素子２３による反射位置または反射位置の近傍
に位置され、他方は、そのレーザ光の眼球Ｅ内の集光位
置または集光位置の近傍に位置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光で網膜上
に直接描画を行うことで観察対象の画像を形成する表示
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、網膜の上にレーザ光で描画を行う
ことで観察対象の画像を認識させる表示装置が、従来の
ＣＲＴディスプレイやＬＣＤ等に代わるものとして提案
されている。この表示装置は、非常に微弱なレーザ光で
鮮明な画像を認識させることができる。よって、光源と
しての半導体レーザ装置の発達に伴い、小型で且つ消費
電力を極めて少なくでき、ハンディ型なら電池を殆ど消
費することのないパーソナルな表示装置を実現できる。

【０００３】その表示装置は、走査用ミラーと、このミ
ラーを運動させる駆動機構と、集光用レンズとを備え
る。その走査用ミラーにより表示画像の画素の明度に応
じて強度が順次変化する描画用レーザ光を反射し、その
ミラーの運動によりラスター走査を行う。そのラスター
走査によりミラーにおける反射位置から広がるレーザ光
を、集光用レンズにより観察者の瞳孔を介して眼球内に
おいて集光させる。その集光位置からレーザ光が観察者
の網膜に到ることで、その網膜上に直接に画像が形成さ
れる。これにより、あたかも広がりのある視野範囲から
入射する光により形成される画像を観察者は認識でき
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】その表示装置において
は、走査用ミラーにより反射されたレーザ光が集光用レ
ンズを透過して観察者の眼球内に入射し、その集光用レ
ンズと眼球とは同軸上に配置される。そのため、集光用
レンズだけでなく装置全体を観察者の眼前に配置する必
要があり、携帯したり頭部に装着する場合に前方視野が
遮られて鬱陶しくなる。

【０００５】そこで、集光用レンズに代えて集光用ミラ
ーを用いて描画用レーザ光を反射することで、その集光
用ミラーのみを眼前に配置し、残りの部分は頭部の側方
に配置し、観察者の前方視野を広げることができる。

【０００６】しかし、単に集光用レンズに代えて集光用
ミラーを用いるだけでは、歪みのない画像を視認させる
ことはできない。例えば、その集光用ミラーの反射面を
球面にすると、走査用ミラーの運動に伴ってレーザ光の
走査用ミラーにおける反射位置と集光用ミラーにおける
反射位置との距離が変化することから、観察者の眼球内
における集光位置も変化する。そのため、レーザ光を眼
球内において一点に集光できず、観察者に視認される画
像に無視できない歪みが生じ、実用化が困難であるとい
う問題がある。

【０００７】本発明は、上記問題を解決することのでき
る表示装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の表示装置は、描
画用のレーザ光を反射する走査用光学素子と、その走査
用光学素子を走査のために運動させる駆動機構と、その
レーザ光によって観察者の網膜上に画像を形成するた
め、そのレーザ光を観察者の眼球内において集光するよ
うに反射する集光用光学素子とを備える。その集光用光
学素子の反射面は、回転楕円体または回転楕円体に近似
する立体の内周一部を構成する曲面とされる。その回転
楕円体の２つの焦点の中の一方は、前記レーザ光の走査
用光学素子における反射位置または反射位置の近傍に位
置される。その両焦点の中の他方は、前記レーザ光の集
光用光学素子による眼球内の集光位置または集光位置の
近傍に位置される。

【０００９】本発明の構成によれば、走査用光学素子に
より表示画像の画素の明度に応じて強度が順次変化する
描画用レーザ光を反射し、その走査用光学素子を駆動機
構により運動させることで走査を行うことができる。そ
の走査により走査用光学素子における反射位置から広が
るレーザ光を、集光用光学素子により観察者の瞳孔を介
して眼球内において集光させることができる。その集光
位置からレーザ光が観察者の網膜に到ることで、その網
膜上に直接に形成される画像を観察者に認識させること
ができる。回転楕円体においては、２つの焦点の中の一
方から出た光は内周面において反射すると必ず他方の焦
点に至る。よって、上記構成によれば、走査用光学素子
における反射位置から広がるレーザ光を集光用光学素子
により反射させると、そのレーザ光を眼球内の略一点に
おいて集光させることができ、これにより、画像に無視
できない歪みが生じるのを防止できる。

【００１０】本発明の表示装置において、観察者の頭部
に装着可能な保持部と、この保持部に保持される表示部
とを有し、その表示部に、保持部を装着した観察者の眼
前に配置されるように前記集光用光学素子が設けられる
と共に、その観察者の頭部の側方に配置されるように前
記走査用光学素子が設けられるのが好ましい。これによ
り、その集光用光学素子のみを眼前に配置し、残りの構
成を頭部の側方に配置することが可能になり、観察者の
前方視野を広げることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。

【００１２】図１に示す表示装置１は、観察者の頭部に
装着可能な保持部２と、この保持部２に保持される表示
部３とを有する。本実施形態では、表示装置１は観察者
の片眼においてのみ画像を認識させるが、両眼において
画像を認識させるものでもよい。

【００１３】その保持部２は、観察者の頭部を弾力によ
り挟み込むアーチ状の本体部２ａと、その本体部２ａの
両端に取り付けられて観察者の耳に押し付けられるパッ
ド２ｂと、その本体部２ａの一端と表示部３とを連結す
る連結部２ｃとを有する。その保持部２に対する表示部
３の相対位置は調節可能とされるのが好ましい。なお、
保持部２の形態は限定されず、例えばヘルメット状のも
のであってもよい。なお、頭部とは、顔面を含む頸部か
ら上の部分を言う。

【００１４】その表示部３は、描画用レーザ光の出射ユ
ニット１１と、そのレーザ光の集光用光学素子１２と、
その出射ユニット１１と集光用光学素子１２とを連結す
るアーム１３とを有する。その集光用光学素子１２は、
保持部２を頭部に装着した観察者の眼前に配置される。

【００１５】その表示部３は、ケーシング２１と、この
ケーシング２１に内蔵されたレーザ光源２２、走査用光
学素子２３、および駆動機構２４を有する。その走査用
光学素子２３は、保持部２を装着した観察者の頭部の側
方に配置される。

【００１６】そのレーザ光源２２は、第１〜第３半導体
レーザデバイス２５Ｒ、２５Ｇ、２５Ｂ、第１〜第３ア
ンプ２６Ｒ、２６Ｇ、２６Ｂ、全反射ミラー２７Ｒおよ
び第１、第２ダイクロイックミラー２７Ｇ、２７Ｂを有
する。

【００１７】その第１半導体レーザデバイス２５Ｒに、
第１アンプ２６Ｒを介して外部の画像信号発生源（図示
省略）からケーブル２８Ｒにより赤色画像信号が入力さ
れる。その赤色画像信号に基づき、その第１半導体レー
ザデバイス２５Ｒは、赤色表示画像の画素の明度に応じ
て強度が順次変化する赤色レーザ光３０Ｒを出射する。

【００１８】その第２半導体レーザデバイス２５Ｇに、
第２アンプ２６Ｇを介して画像信号発生源からケーブル
２８Ｇにより緑色画像信号が入力される。その緑色画像
信号に基づき、その第２半導体レーザデバイス２５Ｇ
は、緑色表示画像の画素の明度に応じて強度が順次変化
する緑色レーザ光３０Ｇを出射する。

【００１９】その第３半導体レーザデバイス２５Ｂに、
第３アンプ２６Ｂを介して画像信号発生源からケーブル
２８Ｂにより青色画像信号が入力される。その青色画像
信号に基づき、その第３半導体レーザデバイス２５Ｂ
は、青色表示画像の画素の明度に応じて強度が順次変化
する青色レーザ光３０Ｂを出射する。

【００２０】その赤色レーザ光３０Ｒは、全反射ミラー
２７Ｒにより反射され、第１、第２ダイクロイックミラ
ー２７Ｇ、２７Ｂを透過して走査用光学素子２３に至
り、その緑色レーザ光３０Ｇは、第１ダイクロイックミ
ラー２７Ｇにより反射され、第２ダイクロイックミラー
２７Ｂを透過して走査用光学素子２３に至り、その青色
レーザ光３０Ｂは、第２ダイクロイックミラー２７Ｂに
より反射されて走査用光学素子２３に至る。これによ
り、赤色レーザ光３０Ｒ、緑色レーザ光３０Ｇ、および
青色レーザ光３０Ｇは合成され、表示画像の画素の明度
に応じて強度が順次変化する描画用レーザ光３０にな
る。

【００２１】図２に示すように、その走査用光学素子２
３は、その描画用レーザ光３０を全反射する平板状のミ
ラーにより構成される。この走査用光学素子２３の反射
面２３ａは、ＸＹＺ直交座標系において、Ｚ軸方向を向
くように配置される。

【００２２】その駆動機構２４は、走査用光学素子２３
を運動させて走査を行うため、一対のＸ軸方向走査用圧
電素子４１ａ、４１ｂと、一対のＹ軸方向走査用圧電素
子４２ａ、４２ｂと、図１に示すようにケーシング２１
上に設けられた駆動回路４０とを有する。

【００２３】上記走査用光学素子２３は、Ｘ軸方向に離
れた２位置において、両Ｘ軸方向走査用圧電素子４１
ａ、４１ｂにより第１支持板４３を介して支持される。
両Ｘ軸方向走査用圧電素子４１ａ、４１ｂの中の一方が
Ｚ軸方向に沿って伸長する時に他方がＺ軸方向に沿って
圧縮し、第１支持板４３が弾性変形することで、走査用
光学素子２３はＹ軸中心に揺動運動する。これにより、
走査用光学素子２３により反射される描画用レーザ光３
０をＸ軸方向に振ることが可能とされている。

【００２４】両Ｘ軸方向走査用圧電素子４１ａ、４１ｂ
は、Ｙ軸方向に離れた２位置において、両Ｙ軸方向走査
用圧電素子４２ａ、４２ｂにより第２支持板４４を介し
て支持される。両Ｙ軸方向走査用圧電素子４２ａ、４２
ｂの中の一方がＺ軸方向に沿って伸長する時に他方がＺ
軸方向に沿って圧縮し、第２支持板４４が弾性変形する
ことで、走査用光学素子２３はＸ軸中心に揺動運動す
る。これにより、走査用光学素子２３により反射される
描画用レーザ光３０をＹ軸方向に振ることが可能とされ
ている。

【００２５】両Ｙ軸方向走査用圧電素子４２ａ、４２ｂ
は連結板４５を介してケーシング２１に固定される。

【００２６】その駆動回路４０が、描画用レーザ光３０
の強度変化タイミングに同期したタイミングで各圧電素
子４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂに印加する電圧を変
化させ、描画用レーザ光３０をＸ軸方向とＹ軸方向に振
ることで、ＸＹ方向においてラスター走査を行うことが
可能とされている。

【００２７】その走査用光学素子２３により反射された
描画用レーザ光３０は、ケーシング２１に形成された開
口（図示省略）を介して上記集光用光学素子１２に至
る。その集光用光学素子１２は、描画用レーザ光３０を
反射すると共に前方からの光を透過するハーフミラー等
のコンバイナにより構成されている。この集光用光学素
子１２は、そのラスター走査により走査用光学素子２３
における反射位置から広がる描画用レーザ光３０を、観
察者の瞳孔を介して眼球Ｅ内において集光させる。その
集光位置６０から描画用レーザ光３０が観察者の網膜６
１に到ることで、その網膜６１上に直接に画像が形成さ
れる。これにより、あたかも広がりのある視野範囲から
入射する光により形成される画像を観察者は認識でき
る。

【００２８】その集光用光学素子１２の反射面１２ａ
は、回転楕円体の内周一部を構成する曲面とされてい
る。その回転楕円体の２つの焦点の中の一方は、描画用
レーザ光３０の走査用光学素子２３における反射位置に
位置される。その両焦点の中の他方は、描画用レーザ光
３０の集光用光学素子１２による眼球Ｅ内の集光位置６
０に位置される。その眼球内における描画用レーザ光３
０の集光位置６０は、眼球Ｅの物理的な中心よりも水晶
体に近い位置であって、網膜上６１上に画像を鮮明に形
成できるように定められる。その集光位置６０は、保持
部２に対する表示部３の相対位置の調節により調節可能
とされるのが好ましい。なお、その集光用光学素子１２
の反射面１２ａは、回転楕円体に近似する立体の内周一
部を構成するものであってもよい。また、その回転楕円
体の一方の焦点は、描画用レーザ光３０の走査用光学素
子２３における反射位置の近傍に位置し、他方の焦点は
眼球内における描画用レーザ光３０の集光位置６０の近
傍に位置してもよい。その立体の回転楕円体との近似程
度、一方の焦点と反射位置とのずれの程度、他方の焦点
と集光位置６０とのずれの許容程度は、網膜６１上に形
成される画像に生じる歪みの程度を所望の範囲内に収め
ることができるように定めればよい。

【００２９】上記構成によれば、走査用光学素子２３に
より描画用レーザ光３０を反射し、その走査用光学素子
２３を駆動機構２４により運動させることで走査を行う
ことができる。その走査により走査用光学素子２３にお
ける反射位置から広がるレーザ光３０を集光用光学素子
１２により観察者の瞳孔を介して眼球Ｅ内において集光
させることができる。その集光位置６０からレーザ光３
０が観察者の網膜６１に到ることで、その網膜６１上に
直接に形成される画像を観察者に認識させることができ
る。また、その集光用光学素子１２のみを眼前に配置
し、残りの構成を頭部の側方に配置し、観察者の前方視
野を広げることができる。さらに、回転楕円体において
は、２つの焦点の中の一方から出た光は内周面において
反射すると必ず他方の焦点に至るので、上記走査用光学
素子２３における反射位置から広がるレーザ光３０を集
光用光学素子１２により反射させると、そのレーザ光３
０を眼球３０内の略一点において集光させることがで
き、これにより、画像に無視できない歪みが生じるのを
防止できる。

【００３０】なお、本発明は上記実施形態に限定されな
い。例えば、集光用光学素子を、描画用レーザ光を全反
射するミラーにより構成してもよい。また、走査用光学
素子を、Ｘ軸方向の走査を行うためのミラーとＹ軸方向
の走査を行うためのミラーに２分割し、描画用レーザ光
を走査のために２位置において反射するようにしてもよ
く、この際、その両反射位置の近傍に上記回転楕円体の
一方の焦点を配置できるように両反射位置を近接させ
る。また、表示画像はモノクロ画像でもよく、この場合
レーザ光の発振源は単一でよく、ＲＧＢのレーザ光の合
成機構は必要とされない。さらに、走査用光学素子をベ
クトル走査を行うことができるように運動させる信号を
駆動回路から発信してもよい。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、走査用光学素子におい
て反射されたレーザ光を集光用光学素子により反射して
網膜上に直接に描画を行う場合に、そのレーザ光を眼球
内のほぼ１点に集光できる反射光学系を実現できること
から、認識される画像に実用化の上で問題となるような
歪みが生じることのない表示装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の表示装置の斜視図

【図２】本発明の実施形態の表示装置の走査用光学素子
と駆動機構の要部の斜視図

【符号の説明】

２ 保持部 ３ 表示部 １２ 集光用光学素子 ２３ 走査用光学素子 ２４ 駆動機構

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 描画用のレーザ光を反射する走査用光学
   素子と、 その走査用光学素子を走査のために運動させる駆動機構
   と、 そのレーザ光によって観察者の網膜上に画像を形成する
   ため、そのレーザ光を観察者の眼球内において集光する
   ように反射する集光用光学素子とを備え、 その集光用光学素子の反射面は、回転楕円体または回転
   楕円体に近似する立体の内周一部を構成する曲面とさ
   れ、 その回転楕円体の２つの焦点の中の一方は、前記レーザ
   光の走査用光学素子における反射位置または反射位置の
   近傍に位置され、 その両焦点の中の他方は、前記レーザ光の集光用光学素
   子による眼球内の集光位置または集光位置の近傍に位置
   される表示装置。
2. 【請求項２】 観察者の頭部に装着可能な保持部と、こ
   の保持部に保持される表示部とを有し、その表示部に、
   保持部を装着した観察者の眼前に配置されるように前記
   集光用光学素子が設けられると共に、その観察者の頭部
   の側方に配置されるように前記走査用光学素子が設けら
   れる請求項１に記載の表示装置。