JP7078985B2 - 画像投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像投影装置に関し、例えば網膜に画像を投影する画像投影装置である。

レーザ光等の光線を走査することで網膜に直接画像を投影する画像投影装置が知られている（例えば特許文献１、２）。これらの画像投影装置において、走査されたレーザ光等の光線を、網膜に反射する投影ミラーに回折格子を設けることが知られている（例えば特許文献１）。

国際公開第２０１４／１９２４７９号 特開２０１８－０００６１９号公報

しかしながら、投影ミラーにおいて光線が屈折率の異なる複数の層を通過すると、ゴースト画像が網膜に投影されてしまうことがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ゴースト画像が網膜に投影されることを抑制することを目的とする。

本発明は、光源から出射された光線を２次元に走査する走査部と、走査された光線が入射される側から、前記走査された光線を透過させる第１レンズ部と、前記入射される側に回折格子を有する回折素子と、前記走査された光線を透過させ前記回折素子と屈折率の異なる第２レンズ部と、前記走査された光線を反射する反射面と、を含む複数の層を備え、前記反射面と前記回折素子とは、前記走査された光線を眼球の水晶体またはその近傍に収束するような正の集光パワーを有し、前記走査された光線を前記眼球内の網膜に反射させることにより、画像を前記網膜上に投影する投影ミラーと、前記投影ミラーに前記光線のＰ偏光成分を透過させるとともに前記光線のＳ偏光成分を減少させるように前記光源から出射された光線を偏光させる偏光部と、を備える画像投影装置である。

上記構成において、前記変更部は、前記走査された光線が、前記第１レンズ部、前記回折素子および前記第２レンズ部を透過して前記反射面において反射した後に前記第２レンズ部と前記回折素子との界面において反射することを抑制する構成とすることができる。

上記構成において、前記投影ミラーは前記眼球の前方に配置され、前記走査された光線は前記投影ミラーに斜めから入射する構成とすることができる。

上記構成において、前記投影ミラーは、光を透過させるレンズとして機能する構成とすることができる。

上記構成において、前記走査された光線を減光する減光フィルタを備える構成とすることができる。

本発明によれば、ゴースト画像が網膜に投影されることを抑制することができる。

図１は、実施例１に係る画像投影装置のブロック図である。 図２は、実施例１における投影ミラーの断面図である。 図３は、比較例１に係る投影ミラーの断面図である。 図４は、実施例１に係る投影ミラーの断面図である。 図５は、実施例１の変形例１に係る画像投影装置のブロック図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る画像投影装置のブロック図である。図１に示すように、ユーザの眼球７０から投影ミラー２０の方向をＺ方向、Ｚ方向に直交するＸＹ平面に投影ミラー２０に入射する光線５２の進行方向を投影した方向をＸ方向とする。画像投影装置１００は、光源１０、走査ミラー１２、反射ミラー１４、偏光フィルタ１６、投影ミラー２０、制御部３０および画像入力部３２を備えている。

画像投影装置１００は、例えば眼鏡型のヘッドマウントディスプレイである。光源１０は、例えば眼鏡のツルに設置されている。投影ミラー２０は、例えばハーフミラーとすれば眼鏡のレンズとしても機能する。制御部３０および画像入力部３２は、例えばツルに設けられている。制御部３０および画像入力部３２は、ヘッドマウントディスプレイに設けられずに外部装置（例えば携帯端末）に設けられていてもよい。光源１０、制御部３０および画像入力部３２は、眼鏡と別体に設けられた専用ボックスなどに収容されてもよい。

画像入力部３２は、図示しないカメラおよび／または録画機器などから画像データが入力される。制御部３０は、画像データに基づき光源１０を制御する。制御部３０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラムと協働し処理を行ってもよい。制御部３０は、専用に設計された回路でもよい。

光源１０は、光線５０として、例えば赤色レーザ光（波長：６１０ｎｍ～６６０ｎｍ程度）、緑色レーザ光（波長：５１５ｎｍ～５４０ｎｍ程度）および青色レーザ光（波長：４４０ｎｍ～４８０ｎｍ程度）を出射する。赤色、緑色および青色レーザ光を出射する光源１０として、例えばＲＧＢ（赤・緑・青）それぞれのレーザダイオードチップと３色合成デバイスとマイクロコリメートレンズとが集積された光源が挙げられる。また光源１０は１つの光源であり単一の波長のレーザ光を出射してもよい。

走査ミラー１２は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）であり、光線５０を２次元に走査する。走査された光線５１は反射ミラー１４で反射され、偏光フィルタ１６を透過する。偏光フィルタ１６は、光線５１を電界の振動方向がＸＺ平面となるように直線偏光させる。偏光された光線５２は投影ミラー２０に照射される。

投影ミラー２０は、ユーザの眼球７０の正面に配置され、正の集光パワーを有している。投影ミラー２０は、光線５２を水晶体７６内または近傍に収束させ、網膜７４近傍に合焦させる。これにより、網膜７４に画像が投影される。投影ミラー２０は、積層された複数の層２０ａから２０ｄを有している。複数の層２０ａから２０ｄのうち少なくとも２層の屈折率は互いに異なる。このように、屈折率の異なる層２０ａから２０ｄを重ねることによって、光線の屈折角度設定の自由度が高まり、ひとつの層では実現できない角度で光線を屈折させることもできるようになる。

図２は、実施例１における投影ミラーの断面図である。図２に示すように、投影ミラー２０では、＋Ｚ側から反射膜２１、レンズ２４（または透過型光学部品）、回折素子２６およびレンズ２８（または透過型光学部品）が積層されている。反射膜２１とレンズ２４との間の界面は光線を反射する反射面２２として機能する。回折素子２６の－Ｚ側の面には回折格子２５となる凹凸が形成されている。凹凸で形成される回折格子２５の回折パターンは、図２のＸＹ平面上で、直線状だけでなく、曲線状であってもよく、回折の特性に応じてさまざまなパターンが考えられる。回折素子２６とレンズ２８との間には空気層等の気体層２３が設けられている。レンズ２８の＋Ｚ側の面には回折格子２５となる凹凸は形成されていない。回折素子２６とレンズ２８との間に気体層２３は設けられておらず、レンズ２８の＋Ｚ側の面と回折素子２６の－Ｚ側の面との界面により回折格子２５を形成してもよい。レンズ２４、回折素子２６、気体層２３およびレンズ２８は、それぞれ屈折率が異なっており、図１の層２０ａから２０ｄに対応する。回折素子２６とレンズ２４との間には空気層等の気体層２３が設けられていてもよい。

レンズ２４および２８は、ユーザが＋Ｚ方向を視認するためのレンズとして機能する。反射面２２の曲率およびレンズ２８の－Ｚ側の表面の曲率は、投影ミラー２０がレンズとして機能するように設計する。回折格子２５は、光線５２を網膜７４に照射するための集光パワーを有するように設計する。これにより、投影ミラー２０をレンズとして機能させることができる。

また、レンズ２４と２８との間に回折素子２６を設けることで、レンズ２４と回折素子２６との間の界面およびレンズ２８の＋Ｚ側の面を略平面とすることができる。これにより、回折素子２６の製造が容易となる。また、回折素子２６とレンズ２８との間に気体層２３を設けることで、レンズ２８の＋Ｚ側の面を略平面とすることができる。よって、レンズ２８の製造が容易となる。

投影ミラー２０をレンズとして用いない場合であっても、反射面２２のみの集光パワーでは光線５２を網膜７４に照射するには不十分な場合がある。このような場合、回折格子２５と反射面２２とで所望の集光パワーを得ることができる。また、光線５２は回折格子２５を２回透過するため、集光パワーを大きくしやすくなる。これにより、回折格子２５のピッチを微細加工しなくてもよくなる。

図２では、１層の回折格子２５を示しているが、光源１０が複数の波長のレーザ光（例えば赤色、緑色および青色）を出射する場合、各レーザ光の波長に対応し複数の回折格子を積層してもよい。

図３は、比較例１に係る投影ミラーの断面図である。図３に示すように、投影ミラー２０は、反射面２２とレンズ２４、２８および回折素子２６を有している。回折格子２５の凸凹および気体層２３の図示を省略し、回折格子２５をレンズ２８と回折素子２６との界面で図示している。この例では、回折素子２６の屈折率がレンズ２４および２８より高い。比較例１では、偏光フィルタ１６が設けられていない。走査された光線５１は、光線５１の進行方向に直交する方向のうち様々な方向に偏光している。矢印５６は偏光方向を示す。偏光方向は電界の振動方向である。光線５１は、レンズ２８の表面５５ａからレンズ２８に入射する。光線５１は、レンズ２８と回折素子２６との界面５５ｂおよび回折素子２６とレンズ２４との界面５５ｃにおいて屈折する。光線５１は反射面２２で反射し、レンズ２４と回折素子２６との界面５５ｄで屈折する。なお、界面５５ｄは界面５５ｃと同じレンズ２４と回折素子２６との界面であるが、光線５１の通過する場所が異なるため界面５５ｃと異なる符号を付す。その後、光線５１は回折素子２６およびレンズ２８を通過し眼球の方向に出射される。

光線５１は、表面５５ａ、界面５５ｂおよび５５ｃで反射され光線５４ａから５４ｃとなる。これらの光線５４ａから５４ｃは、光線５１とは異なりレンズ２４を透過し反射面２２で反射されていない。このため、光線５４ａから５４ｃは像を結ばず、ゴースト画像とはならない。

界面５５ｄで反射した光線５４ｄは反射面２２で反射し回折格子２５を通過する。光線５４ｄは、回折格子２５を光線５１と同じで２回通過する。このため、光線５４ｄの向かう方向は光線５１とほぼ同じとなる。よって、光線５４ｄは網膜７４に照射される可能性がある。光線５４ｄが網膜７４に照射されると光線５１による正像に対してのゴースト画像となる。

図４は、実施例１に係る投影ミラーの断面図である。図４に示すように、投影ミラー２０に入射する光線５２が通過するように偏光フィルタ１６が設けられている。その他の投影ミラー２０の構成は図３と同じであり説明を省略する。偏光フィルタ１６を通過した光線５２の偏光方向は矢印５８のようにＸＺ平面方向である。光線５２の電界の振動方向はＸＺ平面方向である。投影ミラー２０に光線５２が入射するとき光線５２はＰ偏光である。すなわち、偏光フィルタ１６は光線５１内のＳ偏光成分を低減させる。このため、表面５５ａ、界面５５ｂから５５ｄにおいて、光線５２は反射し難くなる。特に、界面５５ｄにおいて光線５２が反射し難くなるため、比較例１の光線５４ｄのような光線が発生せずゴースト画像が抑制される。

実施例１によれば、走査ミラー１２（走査部またはスキャナ）は光源１０から出射された光線５０を２次元に走査する。投影ミラー２０は、走査された光線５２が通過し少なくとも２層の屈折率が互いに異なり積層された複数の層２０ａから２０ｄを備え、光線５２を眼球７０内の網膜７４に反射させることにより、画像を網膜７４上に投影する。偏光フィルタ１６（偏光部またはポラライザ）は、投影ミラー２０にほぼＰ偏光の光線が入射するように光源１０から出射された光線を偏光させる。これにより、図４において説明したように、光線５２ではＳ偏光成分が減少しているため、界面５５ｄにおいて光線５２が反射し難くなる。これにより、光線５４ｄのような光線が発生せず、ゴースト画像を抑制できる。なお、偏光フィルタ１６はゴースト画像が抑制される程度にほぼＰ偏光させればよい。偏光フィルタ１６は、光源１０と走査ミラー１２との間に設けられ、光線５０を偏光させてもよい。

図２のように、複数の層２０ａから２０ｄは回折素子２６を含む。回折素子２６は、回折格子２５の回折パワーによって投影ミラー２０に集光パワーを与える。図３において比較例１の投影ミラー２０は、回折素子２６の回折パワーを最大に引き出すため、光線５１が回折素子２６を２回透過する積層構造であり、かつ回折素子２６をレンズ２４およびレンズ２８で挟む構造である。この構造において、界面５５ｄで反射された光線５４ｄは、光線５１と同様の光路をたどるので、網膜７４において光線５１による正像に近いところで像を結ぶこととなる。すなわち、ユーザはゴースト画像として認識してしまう。図４において実施例１の偏光フィルタ１６は、光線５２をＰ偏光とする（すなわち光線５２のＳ偏光成分を低減させる）。これにより、光線５２の界面５５ｄでの反射が抑制されるので、ゴースト画像を低減することができる。よって回折素子２６を設けた場合には、偏光フィルタ１６を設けることが好ましい。なお、回折格子２５を含まない投影ミラー２０においても層２０ａから２０ｄの屈折率が異なればゴースト画像が生成されうる。よって、偏光フィルタ１６を設けることが好ましい。

図１のように、投影ミラー２０は眼球７０の前方に配置され、光線５２は投影ミラー２０に斜めから入射する。このように、投影ミラー２０を配置すると、ゴースト画像が生成されやすい。よって、偏光フィルタ１６を設けることが好ましい。また、このような配置では、投影ミラー２０に大きい集光パワーを持たせることになり回折格子２５を設けることになる。よって、偏光フィルタ１６を設けることが好ましい。

図２のように、投影ミラー２０は、光線５２が反射する反射面２２を備え、複数の層（レンズ２４、回折素子２６、気体層２３およびレンズ２８）は反射面２２より眼球７０側に位置する。このような配置では、図３のように反射面２２で反射した光線５２が界面５５ｄで反射し再度反射面２２で反射するとゴースト画像が生成されやすい。よって、偏光フィルタ１６を設けることが好ましい。

投影ミラー２０は、光を透過させるレンズとして機能する。これにより、ユーザは、投影ミラー２０を介して正面を視認することができる。

偏光フィルタ１６は、光線５１のＳ偏光成分を低減させる。これにより、偏光フィルタ１６を通過した光線５２が界面５５ｄで反射され難くなる。よって、ゴースト画像が生成され難くなる。

図２のように、複数の層２０ａから２０ｄは、レンズ２４（第１レンズ部）およびレンズ２８（第２レンズ部）と、レンズ２４と２８との間に設けられた回折素子２６と、を含む。図４のように、偏光フィルタ１６は、光線５１のＰ偏光成分を透過させるとともに光線５１のＳ偏光成分を低減させることによって、レンズ２４または２８と回折素子２６との境界における光線５２の反射を低減させる。これにより、ゴースト画像が生成され難くなる。

［実施例１の変形例１］
図５は、実施例１の変形例１に係る画像投影装置のブロック図である。図５に示すように、実施例１の変形例１の画像投影装置１０２では、減光フィルタ１７は、偏光フィルタ１６と投影ミラー２０との間に設けられ、光線５２を減光する。減光フィルタ１７は、光源１０と偏光フィルタ１６との間に設けられ、光線５０または５１を減光してもよい。また、減光フィルタ１７は偏光フィルタ１６に張り合わせられていてもよい。このように、減光フィルタ１７は光線５０、５１または５２を減光する。これにより、光線５２の強度が小さくなる。界面５５ｄにおいて光線５２が反射し、図３のように光線５４ｄが網膜７４に像を結んだとしても、光線５４ｄの強度は非常に小さい。よって、ユーザはゴースト画像を認識し難くなる。なお、光線５０から５２の減光は、光線５０から５２を偏光させることによる減光より多く光線を減光することである。

実施例１およびその変形例では、ヘッドマウントディスプレイを例に説明したが、画像投影装置１００は視覚検査装置でもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 光源
１２ 走査ミラー
１４ 反射ミラー
１６ 偏光フィルタ
１７ 減光フィルタ
２０ 投影ミラー
２０ａ－２０ｄ 層
２１ 反射膜
２２ 反射面
２３ 気体層
２４、２８ レンズ
２５ 回折格子
２６ 回折素子
３０ 制御部
３２ 画像入力部
５０、５１、５２、５４ａ－５４ｄ 光線
７０ 眼球
７４ 網膜

Claims (5)

1. 光源から出射された光線を２次元に走査する走査部と、
   走査された光線が入射される側から、前記走査された光線を透過させる第１レンズ部と、前記入射される側に回折格子を有する回折素子と、前記走査された光線を透過させ前記回折素子と屈折率の異なる第２レンズ部と、前記走査された光線を反射する反射面と、を含む複数の層を備え、前記反射面と前記回折素子とは、前記走査された光線を眼球の水晶体またはその近傍に収束するような正の集光パワーを有し、前記走査された光線を前記眼球内の網膜に反射させることにより、画像を前記網膜上に投影する投影ミラーと、
   前記投影ミラーに前記光線のＰ偏光成分を透過させるとともに前記光線のＳ偏光成分を減少させるように前記光源から出射された光線を偏光させる偏光部と、
   を備える画像投影装置。
2. 前記偏光部は、前記走査された光線が、前記第１レンズ部、前記回折素子および前記第２レンズ部を透過して前記反射面において反射した後に前記第２レンズ部と前記回折素子との界面において反射することを抑制する請求項１に記載の画像投影装置。
3. 前記投影ミラーは前記眼球の前方に配置され、前記走査された光線は前記投影ミラーに斜めから入射する請求項１または２に記載の画像投影装置。
4. 前記投影ミラーは、光を透過させるレンズとして機能する請求項１から３のいずれか一項に記載の画像投影装置。
5. 前記走査された光線を減光する減光フィルタを備える請求項１から４のいずれか一項に記載の画像投影装置。
   

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