JPH11352903A

JPH11352903A - 画像表示装置

Info

Publication number: JPH11352903A
Application number: JP10163715A
Authority: JP
Inventors: Toshihide Kuriyama; 敏秀栗山; Keizo Yamada; 恵三山田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-06-11
Filing date: 1998-06-11
Publication date: 1999-12-24

Abstract

(57)【要約】【課題】大きな視野の明るい画像表示ができ小型化・
軽量化が容易な眼鏡型の画像表示装置を得る。【解決手段】シリコン製の可動ミラーで構成される光
スキャナ５と対物レンズ４とを眼鏡のつる９の一部に設
け、光を曲げるプリズム３、接眼レンズ２およびキュー
ブ型ビームスプリッタ１を眼鏡の前面部に設ける。この
ことにより、光スキャナ５から偏向走査される光ビーム
が、眼球６の瞳７に入射され、網膜８上に焦点を結んだ
画像が表示される。２個のキューブ型ビームスプリッタ
１の間隔を変える調整部をもつことにより、両目にそれ
ぞれ光ビームを導くことができ、見やすい画像表示装置
となる。また、対物レンズ４の焦点距離を接眼レンズ２
の焦点距離よりも大きくすることにより、大きな画像を
表示可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像表示装置に関
し、特に、眼鏡のように装着できる小型化、軽量化に適
した画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の画像表示装置は、一般に映像信号
により変調されたレーザ光を水平走査および垂直走査
し、走査された光を投射光学系により眼の網膜上に結像
して映像を表示する。このような構成の画像表示装置が
種々提案されている。この方式は、光源から出射された
光が効率良く眼に入るため低消費電力の画像表示装置の
実現を可能にする特徴を持つものである。

【０００３】例えば、従来例１として、特開平４−１０
００８８号公報に記載の「直視型画像表示装置」には、
レーザ光を音響光学偏向器で横方向走査を行い、ガルバ
ノメトリックミラーで垂直方向の走査を行い、２枚のレ
ンズで結像系を構成した直視型画像表示装置が提案され
ている。しかし、本従来例１においては、音響光学偏向
器を用いているため装置全体の構成が大きくなるため、
小型化、軽量化には適さない。

【０００４】従来例１の問題点を解消するものとして、
図９に示すような眼鏡に組み込まれた画像表示装置が提
案されている。本従来例２としての特開平６−１３８４
９９号公報に記載の「直接網膜スキャン・ディスプレ
イ」には、図９に示された眼鏡のつるに設けられたスキ
ャナから出射された光を、眼鏡のレンズで反射させて見
る方式が提案されている。図９に示した画像表示装置
は、反射鏡１０１と、レーザ光線１０２と、スキャナ１
０３と、ファイバ・リレー１０４と、レーザ光源１０５
と、フレーム１０６とを有して構成される。

【０００５】上記従来例２に示される画像表示装置の場
合、眼鏡に組み込むことはできるが、比較的大きな走
査、または偏向角が必要となる欠点がある。また、導波
路内での光の全反射による多重反射を用いているため、
最終的に回折素子により回折され、目に入る光とその前
に導波路内で反射される光が重ならないようにする必要
があるため、導波路の厚さを厚くする必要性が生じる。

【０００６】例えば、視野角３０度で画像を表示するた
めには、回折光学素子２０２の径は、目から２ｃｍ離れ
た位置において約１ｃｍとなり、隣りの反射光と重なら
ないためには、反射光の最終入射角が６０度の場合、導
波路は約３ｍｍの厚さが必要になる。このため、眼鏡の
レンズ部が重くなり、使用者に負担がかかるという問題
がある。

【０００７】この欠点は、同じ出願人による後願の特開
平６−１２１２５７号公報で指摘しているように、光源
と網膜との間の移動距離のために生じる問題点である。

【０００８】この欠点を改良した従来例３としての特開
平６−１２１２５６号公報に記載の「プレーナ型撮像素
子、直接網膜走査表示装置および直接網膜走査表示形成
方法」においては、図１０に示されるような、眼鏡のレ
ンズ部に光が内部で多重反射される導波路と回折素子が
設けられた眼鏡型の画像表示装置が提案されている。図
１０に示した画像表示装置は、光学導波路２０１と、回
折光学素子２０２と、光学くさび２０３と、偏向系２０
４と、レーザ／変調器２０５と、電子回路２０６とを有
して構成される。なお、符号２０７は目であり、符号２
０８は目の回転軸を示すものである。

【０００９】また、プロシーディングオブエスピー
アイイー（Ｎｏ．２４６４、２頁〜１３頁、１９９５
年）において、虚像型画像表示装置として、従来例４の
図１１に示される光学系が提案されている。図１１に示
した虚像型画像表示装置は、鏡３０１と、ビームスプリ
ッタ３０２と、スキャナ３０３とを有する。なお、符号
３０４は目である。この光学系は、従来の液晶型表示装
置に使用されているものと同様のものである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１１
に示される従来例４の虚像型画像表示装置は、曲面ミラ
ーとビームスプリッタが用いられるため装置が大きくな
り、また、光ビームが２度ビームスプリッタを透過して
目に到達するため、ビームスプリッタにより光が減少
し、効率よく使われないという問題点がある。

【００１１】さらに、従来例４の虚像型画像表示装置
は、片目に対し表示するものとして考えられているた
め、より見やすく、また立体表示も可能となる両目に対
する表示方法は考慮されていない。従って、両目に表示
する際に問題点となる左右の目の間隔が人により異なる
ことによる光路長の調整手段を持たないという問題点が
ある。

【００１２】本発明は、以上の点を考慮してなされたも
ので、十分大きな視野を持つ明るい画像を容易に表示す
ることができ、かつレンズ部の重量を大きく増加せずに
軽量で、また、つる部に組み込まれる光偏向器も幅が１
ｃｍ以内で、眼鏡のように装着できる画像表示装置を提
案するもので、さらに、人の左右の目の間隔の違いに対
応でき、それぞれの人に対し見やすい表示や立体表示が
可能な画像表示装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、映像信号により変調される
光源から出射された光ビームが可動鏡により偏向走査さ
れ、投射光学系により目の網膜上に結像されて映像を表
示する虚像型の画像表示装置において、眼鏡のつるの一
部分に設けられた光源と可動鏡および投射光学系の一部
を形成する対物レンズと、眼鏡の前面部分に設けられた
投射光学系の他の部分を形成する接眼レンズとを備え、
投射光学系の光路を曲げる光学手段を有することを特徴
とする。

【００１４】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、光学手段は、第１のプリズムと第２のプリ
ズム、またはミラーにより構成され、第１のプリズムま
たはミラーは、眼鏡のレンズ内でレンズとつるとが接続
される個所の近傍に設置され、第２のプリズムまたはミ
ラーは、眼鏡の前面部分内で瞳の前面に設置されて構成
されていることを特徴とする。

【００１５】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の発明において、画像表示装置は、第２のプリズム
またはミラーの左右をそれぞれの目の位置に対応する位
置で調整可能とする位置調整手段を備え、位置調整手段
により第２のプリズムまたはミラーの位置調整の際に、
可動鏡と対物レンズとの光学距離が、対物レンズの焦点
距離と等しいか近傍であり、接眼レンズと瞳との光学距
離が、接眼レンズの焦点距離と等しいか近傍であり、対
物レンズと接眼レンズとの光学距離が、それぞれの焦点
距離の和に等しいか近傍である関係を保って構成されて
いることを特徴とする。

【００１６】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明において、対物レンズの焦点距離は、接眼レンズの焦
点距離よりも大きいことを特徴とする。

【００１７】請求項５記載の発明は、請求項１から４の
いずれか１項に記載の発明において、ミラーは、可動可
能に構成され、２軸方向に回転振動する一つのシリコン
製ミラーまたは１軸方向に回転振動する二つのシリコン
製ミラーにより構成されていることを特徴とする。

【００１８】請求項６記載の発明は、請求項１から４の
いずれか１項に記載の発明において、光源は、シリコン
基板上に形成された一端が共通で、他端がそれぞれ異な
る発振波長を持つ半導体レーザに結合された複数の光導
波路で形成されていることを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、添付図面を参照して本発明
による画像表示装置の実施の形態を詳細に説明する。図
１〜図８を参照すると、本発明の画像表示装置の実施形
態が示されている。

【００２０】図１は、本発明の実施形態である画像表示
装置の基本構成を示す概略構成図である。図１に示した
画像表示装置は、２個のプリズムから構成されるキュー
ブ型ビームスプリッタ１と、２個の接眼レンズ２と、２
個のプリズム３と、２個の対物レンズ４と、２個の光源
と可動ミラーにより構成される光スキャナ５と、左右２
個の眼鏡のつる９とにより構成される。なお、図１にお
いて、人の眼球６、瞳７、網膜８を、上記の画像表示装
置との関連において示している。また、図２は、図１に
おける光ビームの経路を詳述したものであり、主に水平
方向のビームの経路を示している。なお、垂直方向に関
しても光ビームの集束は、水平方向と同様のものであ
る。

【００２１】上記の各部により構成される本実施形態の
画像表示装置における動作例について説明する。光スキ
ャナ５より出射される光ビームは、水平方向および垂直
方向に高速で走査される。この光ビームは、対物レンズ
４により集光された後、プリズム３により反射され、眼
鏡の前面部分に沿って進み、接眼レンズ２とキューブ型
ビームスプリッタ１とにより光ビームとして眼球６の瞳
７に入射し、網膜８上に焦点を結ぶ。

【００２２】従って、光ビームの強度を映像信号により
変調し、光スキャナ５により映像信号と同期された走査
を行うことにより、左右両眼の網膜８上に画像が表示さ
れる。また、対物レンズ４の焦点距離を接眼レンズ２の
焦点距離よりも長くすることにより、瞳７に入射する光
ビームの振れ角を光スキャナ５における走査角度に比べ
大きくすることができ、光ビームの走査角度が小さくて
も大きな視野で画像を表示することができる。

【００２３】本発明の第１の実施例として、図１の画像
表示装置において、対物レンズ４の焦点距離を６ｃｍ、
接眼レンズの焦点距離を２ｃｍとすることにより、光ビ
ームの目から見た走査角度は３倍になる。これは、光ス
キャナ５により出射される光ビームの走査角度が１０度
の場合、３０度の視野角を持つ大きな画像を表示できる
ことに対応する。また、光学系は対物レンズ４とプリズ
ム３だけで構成され、プラスチック製にすることにより
小型、軽量な眼鏡型の画像表示装置が得られる。

【００２４】図３は、図１に示した本発明の実施形態で
ある画像表示装置における光スキャナ５の構成例を示す
図である。図３に示した画像表示装置は、映像信号によ
り強度変調される可視光を出射する半導体レーザ１４、
半導体レーザ１４の光を平行あるいはそれに近い光ビー
ムにするためのコリメートレンズ１０、光ビームを水平
方向・垂直方向に走査するための軸回りに回転振動する
可動ミラー１１を有して構成される。なお、符号１２お
よび１３は、可動ミラーを支えるシリコン製のねじれ梁
を示している。このねじれ梁１２、１３の他端は図示し
ていないが、可動ミラー１１およびねじれ梁１２、１３
と一体形成されたシリコン枠に接続されているものとす
る。

【００２５】光ビームの径は、約１ｍｍから５ｍｍ程度
に選ぶ。すると、図１に示すように可動ミラー１１を含
む光スキャナ５の大きさは、約１ｃｍ以下となり、眼鏡
のつる９の部分に装着することができる。可動ミラー１
１およびそれを支えるねじれ梁１２、１３をシリコンで
一体化して構成することにより、シリコンの比重が約
２．３３と小さく、欠陥も少ないので、軽くて強いミラ
ーが得られる。

【００２６】例えば、水平方向の走査のためのシリコン
可動ミラーとして、表面が２ｍｍ角で厚さ５０ミクロン
のシリコンミラーを、同じ厚さのシリコン製ねじれ梁で
支えることにより、共振周波数を水平走査の周波数、例
えば１６ｋＨｚに設定できる。垂直方向の走査用シリコ
ンミラーも同様な構造で、水平走査用ミラーで反射され
た光ビームを走査するため、表面が縦２ｍｍ、横３ｍｍ
の大きさを持ち、厚さ５００ミクロンのシリコンミラー
を厚さ５０ミクロンのシリコン製ねじれ梁で支えること
により、共振周波数を垂直走査の周波数、例えば６０Ｈ
ｚに設定できる。

【００２７】図４は、図１に示した本発明の実施形態で
ある画像表示装置における光スキャナ５の構成例を示す
第２の実施例である。図４に示した光スキャナ５は、映
像信号により強度変調される可視光を出射する半導体レ
ーザ１４、コリメータレンズ１０、可動ミラー１１、ね
じれ梁１２および１３、可動ミラー１１およびねじれ梁
１２と一体形成されたシリコン製の中間支持部１５によ
り構成される。この場合、可動ミラー１１は２軸方向に
回転振動するため一枚で済み、図３に示された実施例と
同様に、約１ｃｍ以下となるため、眼鏡のつる９の部分
に装着することができる。

【００２８】図５は、光源の一実施例であり、シリコン
基板１８、半導体レーザ１６、光導波路１７により構成
される。光導波路１７は、シリコン基板１８上に屈折率
の異なるガラスを成長およびエッチングすることにより
作製され、通信用光ファイバと同様な機能を有する。例
えば、高屈折率のガラスからなる中心部の断面の大きさ
が１０ミクロン角で、低屈折率のガラスからなる周辺部
の厚さが１５ミクロンとすることにより、シングルモー
ドでレーザ光を伝播でき、コリメータレンズにより平行
度の高い光ビームを発生することができる。また、光導
波路１７の一端は、光の伝播する中心部が一本に融合さ
れている。

【００２９】このため、カラー表示を行うため光の３原
色に相当する光をそれぞれ出射する３個の半導体レーザ
１６を、シリコン基板１８上に実装することにより、そ
れぞれの半導体レーザ１６から出射された光が、一つの
光導波路１７に集められる。シリコン基板１８上に集積
化することにより、１ｃｍ立方以下の小型かつ軽量なカ
ラー光源を実現でき、光走査用の可動ミラーとともに、
眼鏡のつる９に実装できる光スキャナ５を実現できる。

【００３０】また、本発明においてキューブ型ビームス
プリッタ１は、光が部分的に透過するため、外景と表示
画像を重ねて表示できるが、ハーフミラーにしてもよ
い。また、外景を見ることが必要でなければ、通常のプ
リズムやミラーに置き換えることが可能である。

【００３１】図６は、本発明による画像表示装置の第２
の実施例で、左右の目の間隔に合わせて画像を表示でき
る調節装置のついたものを示している。第２の実施例の
画像表示装置は、キューブ型ビームスプリッタ１と、接
眼レンズ２と、プリズム３と、対物レンズ４と、光スキ
ャナ５と、眼鏡のつる９と、調節ダイアル１９と、移動
台２０と、調節ダイアル２１と、移動台２２とを有して
構成される。

【００３２】キューブ型ビームスプリッタ１と接眼レン
ズは、移動台２０に載せられ、調節ダイアル１９を回転
させることにより中心からの距離が変えられる。また、
対物レンズ４と光スキャナ５とは移動台２２に載せら
れ、調節ダイアル２１を回転することにより網膜８上に
光ビームが焦点を結ぶように移動される。

【００３３】図７および図８は、移動機構を側面から見
た詳細な図であり、図７は眼鏡の前面部分、図８は眼鏡
のつる９の部分である。これらの図において、本実施形
態の移動機構は、キューブ型ビームスプリッタ１と、接
眼レンズ２と、プリズム３と、対物レンズ４と、可動ミ
ラー１１と、半導体レーザとコリメートレンズが一体化
された光源２３と、調節ダイアル１９および２１と、移
動台２０および２２との各構成部により構成される。

【００３４】また、光源として半導体レーザの代わりに
高輝度の発光ダイオードを用いることも可能であり、発
光面積を小さくすることにより小電流で駆動でき、低消
費電力の画像表示装置が得られる。

【００３５】上記の実施形態によれば、光学系に眼鏡の
つる９の部分に設けられた対物レンズ４と眼鏡の前面に
設けられた接眼レンズ２とを投射光学系に用いている。
このため、光スキャナ５の偏向角が小さくても、接眼レ
ンズ２の焦点距離を光スキャナ５に近い対物レンズ４の
焦点距離よりも小さくすることにより、大きな視野の画
像を網膜８上に結像できる。また、対物レンズ４、プリ
ズム３あるいは可動ミラー１１の重量も小さいため、全
体として軽量化された眼鏡に組み込まれた画像表示装置
が得られる。また、左右の目の間隔に対し光学系が調整
できるため、見やすく、さらに立体表示が可能となる画
像表示装置が得られる。

【００３６】尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施
の一例である。但し、これに限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施
が可能である。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
の画像表示装置によれば、光源と可動鏡および投射光学
系の一部をなす対物レンズとが眼鏡のつるの一部分に設
けられ、投射光学系の他の部分をなす接眼レンズおよび
投射光学系の光路を曲げる光学手段とが眼鏡の前面部分
に設けら構成されている。故に、投射光学系および光ス
キャナが眼鏡の前面フレーム部とつるの部分に実装で
き、小型かつ軽量で、大きな画面を表示できる画像表示
装置が実現できる。また、両眼で見る場合に必要な左右
の目の間隔に合わせて画像を表示することができ、見や
すく、立体表示も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の画像表示装置の実施形態を示す眼鏡型
ディスプレイの構成図である。

【図２】眼鏡型ディスプレイの光学系の説明図である。

【図３】眼鏡型ディスプレイの光スキャナの一実施例の
構成図である。

【図４】眼鏡型ディスプレイの光スキャナの一実施例の
構成図である。

【図５】カラー表示用光源の構成図である。

【図６】眼鏡型ディスプレイの一実施例の構成図であ
る。

【図７】眼鏡型ディスプレイの一実施例の詳細図であ
る。

【図８】眼鏡型ディスプレイの一実施例の詳細図であ
る。

【図９】従来例２の虚像型表示装置の構成図である。

【図１０】従来例３の虚像型表示装置の構成図である。

【図１１】従来例４の虚像型表示装置の構成図である。

【符号の説明】

１キューブ型ビームスプリッタ２接眼レンズ３プリズム４対物レンズ５光スキャナ６眼球７瞳８網膜９眼鏡のつる１０コリメートレンズ１１可動ミラー１２、１３ねじれ梁１４、１６半導体レーザ１５中間支持体１７光導波路１８シリコン基板１９、２１調節ダイアル２０、２２移動台

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】映像信号により変調される光源から出射
された光ビームが可動鏡により偏向走査され、投射光学
系により目の網膜上に結像されて映像を表示する虚像型
の画像表示装置において、眼鏡のつるの一部分に設けられた光源と前記可動鏡およ
び前記投射光学系の一部を形成する対物レンズと、前記眼鏡の前面部分に設けられた前記投射光学系の他の
部分を形成する接眼レンズとを備え、前記投射光学系の光路を曲げる光学手段を有することを
特徴とする画像表示装置。
【請求項２】前記光学手段は、第１のプリズムと第２
のプリズム、またはミラーにより構成され、前記第１のプリズムまたは前記ミラーは、前記眼鏡のレ
ンズ内で該レンズと前記つるとが接続される個所の近傍
に設置され、前記第２のプリズムまたは前記ミラーは、前記眼鏡の前
面部分内で瞳の前面に設置されて構成されていることを
特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】前記画像表示装置は、前記第２のプリズ
ムまたは前記ミラーの左右をそれぞれの目の位置に対応
する位置で調整可能とする位置調整手段を備え、該位置調整手段により前記第２のプリズムまたは前記ミ
ラーの位置調整の際に、前記可動鏡と前記対物レンズと
の光学距離が、前記対物レンズの焦点距離と等しいか近
傍であり、前記接眼レンズと瞳との光学距離が、前記接眼レンズの
焦点距離と等しいか近傍であり、前記対物レンズと前記接眼レンズとの光学距離が、それ
ぞれの焦点距離の和に等しいか近傍である関係を保って
構成されていることを特徴とする請求項１または２記載
の画像表示装置。
【請求項４】前記対物レンズの焦点距離は、前記接眼
レンズの焦点距離よりも大きいことを特徴とする請求項
３記載の画像表示装置。
【請求項５】前記ミラーは、可動可能に構成され、２
軸方向に回転振動する一つのシリコン製ミラーまたは１
軸方向に回転振動する二つのシリコン製ミラーにより構
成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれ
か１項に記載の画像表示装置。
【請求項６】前記光源は、シリコン基板上に形成され
た一端が共通で、他端がそれぞれ異なる発振波長を持つ
半導体レーザに結合された複数の光導波路で形成されて
いることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に
記載の画像表示装置。