JPH1152284A

JPH1152284A - 走査式像観察装置および光学素子

Info

Publication number: JPH1152284A
Application number: JP21080297A
Authority: JP
Inventors: Hideki Osada; 英喜長田; Akira Sato; 彰佐藤; Kenji Ishibashi; 賢司石橋; Yasushi Kobayashi; 恭小林; Satoshi Osawa; 聡大澤; Yasushi Tanijiri; 靖谷尻; Takatoshi Ishikawa; 隆敏石川
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1997-08-05
Filing date: 1997-08-05
Publication date: 1999-02-26

Abstract

(57)【要約】【課題】像の一部を成す光を眼に直接入射させるとと
もにその光を走査して網膜上に像を与える小型かつ軽量
の装置、およびそのような装置に適する非機械式の走査
用光学素子を提供する。【解決手段】光を偏向させる状態と偏向させない状態
を電気的に切り換えられる動的回折素子を複数積層して
光学素子を形成する。各動的回折素子の偏向角を２の冪
乗系列に設定して光学素子の偏向角を任意に選択可能と
し、偏向角を変化させることにより網膜に入射させる光
を走査する。偏向方向が直交するように動的回折素子を
積層することで、２次元の走査も可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、像の一部を成す光
を観察者の眼に入射させるとともに、その光を走査する
ことにより網膜上に像を与える像観察装置に関し、より
詳しくは、光の走査を非機械式に行う像観察装置とその
走査に適する光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】頭部に装着して使用し眼前に映像を表示
する頭部載置型表示装置（ＨＭＤ）が、バーチャルリア
リティやフライトシミュレーションの分野で多用されて
いる。ＨＭＤは陰極線管（ＣＲＴ）や液晶表示装置（Ｌ
ＣＤ）を備える構成が一般的であり、これらに表示され
る実像を、接眼光学系を介して拡大された虚像として観
察するようにしている。

【０００３】ところが、ＨＭＤは使用の形態から小型か
つ軽量であることが望ましく、このためＣＲＴやＬＣＤ
の大きさに制約が生じて、表示される映像の範囲を広く
することと映像の解像度を高くすることを両立させるこ
とは困難である。また、ＣＲＴやＬＣＤに加えてそれら
の駆動回路をＨＭＤ内部に組み込む必要があるため、一
層かさ高くなり重量も増す。特にＣＲＴは、小型に形成
されたものでも重い上に相当な厚さを有し、しかも高電
圧を必要とするために、人体に装着する使用形態に適し
たものとはいえない。

【０００４】このような問題を解決する一方法として、
映像の一部を成す光を装置装着者の眼に直接入射させる
とともにその光を走査して、網膜上に映像を形成する方
法が、米国特許公報（USP 5,596,339）に提案されてい
る。この方法は、点光源からの光を光ファイバーによっ
て走査光学系に導き、光源が発する光を映像信号に応じ
て変調するとともに、これに同期してラスター走査を行
うものである。走査光学系には主走査用の光学素子と副
走査用の光学素子が備えられている。

【０００５】この方法では、眼に入射させる光束を細く
するとともに走査角を細かく調節することで、画素密度
に制限のあるＣＲＴやＬＣＤでは達成することのできな
い極めて解像度の高い像を、観察者に提供することが可
能になる。また、実像を表示するための装置やその駆動
回路は不要となり、これらに代えて走査光学系とその駆
動回路を頭部に装着する装置に組み込むことになる。

【０００６】点光源をアレイ状に配設して、映像の一部
を成す１次元の（線状の）光を生成し、この線状光を眼
に入射させるとともに走査するようにした装置も知られ
ている。ここでの走査は、線状光に対して垂直な一方向
のみとなる。

【０００７】一般に、光の走査には、反射ミラーやプリ
ズム等の光学素子の向きや位置を変化させる機械式の方
法と、光学素子の向きや位置を変化させることなく回折
等の特性を変化させる非機械式の方法とがある。

【０００８】機械式走査の光学素子としては、ガルバノ
メータやポリゴンミラーが古くから知られており、通
常、モータによって駆動される。これらの機械式の走査
は、走査角が広いという特長を有するものの走査速度は
遅く、例えば複写機やプリンタのような、静的な画像形
成装置で用いられることが多い。近年では、共振現象を
利用したり駆動素子として圧電素子を用いたりして、走
査速度を向上させることも試みられているが、広い走査
角と高い走査速度を機械式走査により両立させることは
困難な現状にある。

【０００９】非機械式走査の光学素子としては、音響光
学（acausto-optic、Ａ／Ｏ）偏向器が知られている。
Ａ／Ｏ偏向器は、平板に形成された基板の表面に音波程
度の周波数の波を電気的に発生させ、この振動によって
入射する光に干渉を生じさせて、偏向させるものであ
る。光は基板表面に沿う面内で偏向され、表面の振動数
を変化させることにより、偏向角を調節することができ
る。したがって、Ａ／Ｏ偏向器では、１次元の走査が可
能である。

【００１０】光を非機械式に偏向させる光学素子に、光
の回折現象を利用した回折光学素子（diffractive opti
cal element、ＤＯＥ）があり、光を偏向させる状態と
偏向させない状態を電気的に切り換えるようにした動的
回折光学素子（dynamic DOE、Ｄ−ＤＯＥ）が実用化さ
れている。Ｄ−ＤＯＥの構造を図１５、１６に模式的に
示す。図１５はＤ−ＤＯＥの透視斜視図であり、図１６
（ａ）はその側方から見た断面図である。Ｄ−ＤＯＥ
は、ガラス、樹脂等の透明な物質から成り一方の表面を
微小幅の階段状の凹凸パターンとした基材７と、液晶８
とを透明板９で挟んで構成され、一方の透明板側から入
射する光を他方の透明板側に透過させる。液晶８には不
図示の電極より電圧を印加し得るようになっており、印
加電圧の有無によって液晶８の配向が変化し、これによ
り屈折率も変化する。

【００１１】液晶８の屈折率は電圧印加時または非印加
時のいずれかにおいて基材７の屈折率と等しくなるよう
に設定されており、液晶８と基材７の屈折率が等しい状
態では光に回折現象は生じず、入射する光は偏向するこ
となくＤ−ＤＯＥを透過して直進する。電圧を印加する
ことによりまたは印加電圧を除去することにより、液晶
８と基材７の屈折率に差が生じると、両者の界面で光が
屈折する。液晶８と基材７の界面には微小幅の段差があ
るから、隣り合う段差を透過した屈折光に位相差が生じ
て回折現象が起こり、特定の方向にのみ光が進むことに
なる。こうして光は偏向する。

【００１２】Ｄ−ＤＯＥによる光の偏向方向は、回折の
原理から明らかなように、階段状の凹凸パターンに対し
て直交する方向（図１６では左右方向）に限られる。Ｄ
−ＤＯＥによる光の偏向角は、基材７の階段状の凹凸パ
ターン、基材７の屈折率、および基材７の屈折率と異な
る状態における液晶８の屈折率によって規定される。偏
向角を規定するこれらの要素を使用時に変更することは
できず、光の偏向角はＤ−ＤＯＥごとに一定値となる。
偏向角は基材７の階段状の凹凸パターンによって任意に
設定することが可能である。例えば、図１６（ａ）より
もピッチを小さくした図１６（ｂ）のＤ−ＤＯＥでは、
偏向角はより大きくなる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ラスター走査における
副走査では、主走査方向に偏向した光を全て偏向させる
必要があるから、副走査用の光学素子は必然的に大型と
なる。また、線状光を走査する光学素子も大型である。
前記米国特許公報の技術は副走査を機械式に行ってお
り、線状光を走査する前記技術も、その走査を機械式に
行っている。このため、大型の駆動装置が必要になっ
て、装置の小型化、軽量化を十分に達成することが困難
になっている。しかも、ラスター走査では、主走査用と
副走査用の２つの光学素子の厳密な光学的調節が必要に
なり、高い組み立て精度が要求されるとともに、外部か
らの衝撃に弱いという問題を有している。

【００１４】ところが、線状光の走査が可能な、また
は、点状光を２次元に走査し得る非機械式の走査用光学
素子で、小型、軽量な簡素な構成のものは知られていな
い。例えば、Ａ／Ｏ偏向器は偏向角を高速で変化させる
ことは可能であるが、入射角依存性を有するため、その
偏向は１次元に限られており、Ａ／Ｏ偏向器を組み合わ
せても２次元の走査を行うことはできない。

【００１５】Ｄ−ＤＯＥは、透過する光を偏向させるこ
とと偏向させず直進させることを高速で切り換えること
は可能であるが、偏向角が一定であるため、これによっ
て走査を行うことはできない。しかし、入射角に依存し
ないため、点状光や線状光のみならず、２次元の（面状
の）光であっても一定方向に一様に偏向させることが可
能であり、何らかの方法で偏向角を任意に調節すること
ができれば、走査用の光学素子としての利用価値はきわ
めて高いものとなる。

【００１６】本発明は、像の一部を成す光を眼に直接入
射させるとともにその光を走査して網膜上に像を与える
小型かつ軽量の装置、およびそのような装置に適する非
機械式の走査用光学素子を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、像の一部を成す光を観察者の網膜に点
状光として導き、その光を第１の方向に走査する主走査
と、主走査を第１の方向と異なる第２の方向にずらす副
走査とを行うことにより、網膜上に像を与える走査式像
観察装置において、副走査を非機械式に行うようにす
る。

【００１８】また、像の一部を成す線状光を観察者の網
膜に導き、その線状光を一方向に走査することにより網
膜上に像を与える走査式像観察装置において、走査を非
機械式に行うようにする。

【００１９】本発明ではまた、透過する光を回折により
偏向させる状態と、透過する光を偏向させない状態とを
とり、これら２つの状態を電気的に切り換えられる回折
素子を、複数積層して光学素子を構成する。すなわち、
複数のＤ−ＤＯＥを積層して１つの光学素子とする。個
々の回折素子は、個別に状態を切り換えることが可能で
あり、積層された回折素子のうちの１つ、または任意の
２つ以上を同時に、光を偏向させる状態とすることがで
きる。

【００２０】積層する複数の回折素子は偏向量が異なる
ものとするとよい。どの回折素子を、光を偏向させる状
態とするかによって、光学素子全体としての偏向量を調
節することが可能になる。例えば、回折素子の偏向量
を、θ、２θ、４θの如く２倍ずつ大きくなる系列に設
定しておけば、ｎ個の回折格子で（２ⁿ−１）θまでの
偏向量をθ刻みで設定することができる。個々の回折素
子の状態の切り換えは電気的になされるから、偏向量を
次第に増大または減少させることをきわめて高速に行う
ことが可能であり、これにより、光を走査することもで
きる。走査の対象となる光は、点状光に限られず、線状
光であっても面状光であってもよい。

【００２１】複数の回折素子を偏向方向が異なるように
積層してもよい。例えば、相異なる第１および第２の方
向に偏向するように積層しておけば、光を第１の方向に
偏向させ、これをさらに第２の方向に偏向させることが
可能になり、光を任意の方向に偏向させることができ
る。上記のように、回折素子の偏向量を違えて設定して
おけば、光の２次元走査も可能になる。

【００２２】上記光学素子は、光を観察者の網膜に導い
て網膜上に像を与える走査式像観察装置の、走査用光学
素子として用いることができる。その場合、上記光学素
子を単独で使用してもよく、他の走査用光学素子と併用
する構成としてもよい。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光学素子および走
査式像観察装置について、図面を参照して説明する。図
１に第１の実施形態の観察装置１の構成を模式的に示
す。この観察装置１は、映像の一部を成す光を装置装着
者の眼Ｅに直接入射させ、その光を映像信号に応じて変
調するとともに変調に同期して走査することにより、直
接網膜上に像を与えるもので、網膜ディスプレイともい
う。

【００２４】網膜ディスプレイ１は、点状光を第１の方
向（水平方向）に偏向させ、その偏向角（偏向量）を変
化させて走査するＡ／Ｏ偏向器１１、Ａ／Ｏ偏向器１１
によって偏向された光を透過させるとともに第２の方向
（垂直方向）に偏向させ、その偏向角を電気的に変化さ
せて走査する光学素子１２、および光学素子１２を透過
した光を観察者の眼Ｅに導く接眼レンズ１３を、左右両
眼用に各１対有している。

【００２５】Ａ／Ｏ偏向器１１、光学素子１２および接
眼レンズ１３は、不図示の筺体に収容されており、観察
者はこの筺体を頭部に装着して使用する。Ａ／Ｏ偏向器
１１および光学素子１２により２次元に走査される点状
光は、観察者の眼Ｅの網膜上に２次元像を与え、観察者
は眼Ｅから所定距離離れた位置に虚像Ｍを観察すること
になる。虚像Ｍの大きさは接眼レンズ１３の屈折力によ
って決定され、光学素子１２の実寸以上の大きさの虚像
Ｍを観察することができる。

【００２６】図２に、Ａ／Ｏ偏向器１１と光学素子１２
より成る走査光学系１０の斜視図を示す。走査光学系１
０には図外の光源からの光が細径の光ファイバー１４に
よって導かれ、この光は点状光となってＡ／Ｏ偏向器１
１の表面に斜めに入射する。Ａ／Ｏ偏向器１１にはその
表面に音波程度の周波数の波を発生する発振回路１１ａ
が備えられており、Ａ／Ｏ偏向器１１に入射した光は表
面の波によって回折し、表面に沿って水平方向に偏向す
る。発振回路１１ａが生成する波の振動数を変化させる
ことにより、光の偏向角は変わり、これによって光の走
査が行われる。

【００２７】光学素子１２は複数のＤ−ＤＯＥ１２ａ〜
１２ｆを積層して成る。各Ｄ−ＤＯＥ１２ａ〜１２ｆは
光を同方向に偏向する向きに積層されており、いずれも
Ａ／Ｏ偏向器１１の表面に対して垂直方向に光を偏向す
る。各Ｄ−ＤＯＥ１２ａ〜１２ｆの凹凸パターンのピッ
チは違えて設定されており、それぞれの偏向角は、θ、
２θ、４θ、８θおよび１６θである。

【００２８】これらのＤ−ＤＯＥ１２ａ〜１２ｆには、
光を偏向する状態（以下、偏向状態という）と、光を偏
向させない状態（以下、非偏向状態という）とを個別に
切り換えることができるように、個別に電圧が印加され
る。これにより、任意の１つのＤ−ＤＯＥを偏向状態と
し他の全てのＤ−ＤＯＥを非偏向状態とすることのみな
らず、２以上の任意のＤ−ＤＯＥを偏向状態とし残りの
Ｄ−ＤＯＥを非偏向状態とすることも可能である。

【００２９】Ｄ−ＤＯＥ１２ａ〜１２ｆのうちどれとど
れを偏向状態とするかにより、光学素子１２の全体とし
ての偏向角が定まる。光学素子１２の偏向角を表１およ
び図３に示す。表１において、「１」および「０」はそ
れぞれＤ−ＤＯＥの偏向状態と非偏向状態を表す。この
ように、光学素子１２を成す個々のＤ−ＤＯＥの偏向角
を２倍ずつ大きくなる系列に設定しておくことで、ｎ個
のＤ−ＤＯＥで（２ⁿ−１）θまでの偏向角をθ刻みで
設定することが可能になる。

【００３０】各Ｄ−ＤＯＥの状態の切り換えは電気的に
行われるから、光学素子１２の総偏向角を速やかに増大
させまたは減少させることが可能であり、これにより、
垂直方向への光の走査を高速で行うことができる。

【００３１】網膜ディスプレイ１の像提示のための回路
構成を図４に示す。網膜ディスプレイ１は、光源部１
６、光変調部１７、主走査部１８Ｍ、副走査部１８Ｓ、
およびこれらをビデオ信号に基づいて制御する制御部１
５を備えている。

【００３２】光源部１６は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および
青（Ｂ）の光を発する発光素子より成る。光源部１６が
発する光は点状光として走査光学系１０に与えられるも
のであるが、レーザダイオード（ＬＤ）、発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）等の微小な発光素子を使用して、発せられ
る光そのものを点状光とする構成としてもよく、やや大
きな発光素子を使用し、その光をレンズによって集光し
て点状光とする構成としてもよい。制御部１５は、ビデ
オ信号の帰線期間は光源部１６の発光を停止させる。

【００３３】光変調部１７は光源部１６が発する光に対
して変調を施す。具体的には、光変調部１７は、それぞ
れＲ、Ｇ、Ｂの光に対する透過率を電気的に変えられる
素子を有しており、これらの素子によって光源部１６が
発した３色の光の強度を変化させて、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色
の混合比率の調節および混合光の強度の調節を行う。光
変調部１７による光の変調は制御部１５により映像信号
に基づいて制御される。変調された光は、前述のよう
に、光ファイバー１４によって走査光学系１０に導かれ
る。

【００３４】主走査部１８Ｍは、Ａ／Ｏ偏向器１１の発
振回路１１ａおよびその駆動回路より成り、発振回路１
１ａが発する波の振動数を変化させることにより、Ａ／
Ｏ偏向器１１による光の偏向角を変化させて、水平方向
への走査を行う。副走査部１８Ｓは、光学素子１２に含
まれる各Ｄ−ＤＯＥ１２ａ〜１２ｆの駆動回路より成
り、偏向状態とするＤ−ＤＯＥを選択することにより光
学素子１２の偏向角を変化させて、垂直方向への走査を
行う。主走査部１８Ｍおよび副走査部１８Ｓの動作はビ
デオ信号の水平同期信号および垂直同期信号に基づいて
制御され、これによりラスター走査がなされる。

【００３５】光源部１６が発する光が主走査部１８Ｍに
よって走査される間も光変調部１７による変調は刻々と
行われる。したがって、観察者の眼Ｅに入射し網膜上を
移動する点状光の色および強度は映像信号に応じて変化
し、これにより観察者に映像が与えられることになる。
帰線期間は発光部１６が発光を行わないから、映像を表
さない光がノイズとして観察されることはない。

【００３６】第２の実施形態の観察装置２の構成を図５
に模式的に示す。この観察装置２も直接網膜上に像を与
える網膜ディスプレイであるが、点状光を２次元に走査
するのではなく、映像の一部を成す水平１ライン分の線
状光を垂直方向に走査する構成である。網膜ディスプレ
イ２は、ＰＬＺＴから成り線状光を射出する電気シャッ
ターアレイ２１、上述の光学素子１２と同様の構成の光
学素子２２、および接眼レンズ２３を、左右両眼用に各
１対有している。これらは、頭部に装着する筺体に収容
されている。

【００３７】図６に、電気シャッターアレイ２１と光学
素子２２より成る走査光学系２０の斜視図を示す。走査
光学系２０には図外の光源からの多数の光が細径の光フ
ァイバーの列２４によって導かれる。電気シャッターア
レイ２１は光ファイバー列２４から与えられる点状光の
列を線状光として光学素子２２に射出する。光学素子２
２は、Ｄ−ＤＯＥ２２ａ〜２２ｆの偏向状態と非偏向状
態に応じた角度だけ線状光を垂直方向に偏向させ、その
偏向角を変えることにより走査を行う。

【００３８】網膜ディスプレイ２の像提示のための回路
構成を図７に示す。網膜ディスプレイ１は、光源部２
６、光変調部２７、走査部２８、およびこれらをビデオ
信号に基づいて制御する制御部２５を備えている。光源
部２６はＲ、Ｇ、Ｂの光を発する発光素子の多数の組よ
り成り、光変調部２７は光源部２６の発光素子の組数と
同数の変調用素子の組より成る。光源部２６の発光素子
の各組が発した光は、１ライン分の映像信号に基づいて
個別に変調され、光ファイバー列２４の個々の光ファイ
バーを介して電気シャッターアレイ２１に与えられる。
走査部２８は、第１の実施形態の副走査部１８Ｓと同様
の構成であり、同様に動作する。

【００３９】なお、本実施形態でも帰線期間に発光部２
６の発光を停止させてノイズが現れないようにしている
が、発光を停止させることに代えて、制御部２５が電気
シャッターアレイ２１を閉じさせるようにしてもよい。

【００４０】上記第１および第２の実施形態の網膜ディ
スプレイ１、２では、像の１点を表す光は微細な光束と
して観察者の眼に入射することになる。観察者が眼を真
正面に向けている状態、すなわち接眼レンズ１３、２３
の光軸が瞳孔の中央を通る状態では、どの方向に偏向さ
れた光束であっても網膜に到達するから、像の全体を観
察することができる。しかしながら、観察者が眼の方向
を変えて接眼レンズ１３、２３の光軸が瞳孔の中央を通
らない状態になると、偏向された方向によっては光束が
瞳孔を通らなくなって、観察される像の周辺部に欠けが
生じてしまう恐れがある。

【００４１】次に述べる第３の実施形態の観察装置によ
ると、このような不都合は生じない。図８に第３の実施
形態の観察装置３の構成を模式的に示す。この観察装置
３も網膜ディスプレイであり、第１の実施形態と同様
に、点状光を映像信号によって変調しつつ２次元に走査
するものである。網膜ディスプレイ３は、コリメータレ
ンズ３１、光学素子３２、および接眼レンズ３３をそれ
ぞれ左右１対有しており、これらは、頭部に装着される
筺体に収容されている。

【００４２】コリメータレンズ３１および光学素子３２
より成る走査光学系３０には、図外の光源からの光が細
径の光ファイバー３４によって導かれる。コリメータレ
ンズ３１は、この点状光を人の瞳孔ＥＰよりも大径の１
０ｍｍφ程度の平行光束として、光学素子３２に与え
る。

【００４３】光学素子３２の斜視図を図９（ａ）に示
す。光学素子３２は複数のＤ−ＤＯＥ３２ａ〜３２ｊを
積層して成る。第１および第２の実施形態の光学素子１
２、２２では各Ｄ−ＤＯＥの偏向方向を同じに設定して
いたが、本実施形態の光学素子３２では、互いに直交す
る方向に光を偏向するようにＤ−ＤＯＥ３２ａ〜３２ｊ
を積層している。Ｄ−ＤＯＥ３２ａ〜３２ｅは光を水平
方向に偏向し、Ｄ−ＤＯＥ３２ｆ〜３２ｊは垂直方向に
偏向する。Ｄ−ＤＯＥ３２ａ〜３２ｅの偏向角は２倍ず
つ大きくなるように設定されており、同様に、Ｄ−ＤＯ
Ｅ３２ｆ〜３２ｊの偏向角も２倍ずつ大きくなるように
設定されている。

【００４４】このような構成の光学素子３２は、光を水
平方向に偏向することも垂直方向に偏向することも可能
であり、それぞれの偏向角を変化させることができて、
光を２次元に走査し得るものとなる。以下、光学素子３
２を２次元回折光学素子（２Ｄ−ＤＯＥ）とも呼ぶ。な
お、図９（ｂ）に示したように、水平方向に偏向するＤ
−ＤＯＥと垂直方向に偏向するＤ−ＤＯＥを交互に積層
してもよい。また、水平方向に偏向するＤ−ＤＯＥと垂
直方向に偏向するＤ−ＤＯＥの数を同じにする必要はな
く、水平方向および垂直方向の画角または解像度に応じ
て定めればよい。

【００４５】コリメータレンズ３１から２次元回折光学
素子３２に入射する平行光束は、各Ｄ−ＤＯＥ３２ａ〜
３２ｊの偏向状態と非偏向状態の設定に応じて偏向する
が、Ｄ−ＤＯＥの性質から、その偏向は大径の光束に対
して一様となる。このため、２次元回折光学素子３２を
透過した後も光束径は変化せず、平行光束のまま接眼レ
ンズ３３に入射する。接眼レンズ３３は大きな径変化を
生じさせることなく、入射した光束を観察者の眼Ｅに導
く。したがって、観察者が眼Ｅを正面に向けておらず、
接眼レンズ３３の光軸が瞳孔ＥＰの中心を通らない状態
であっても、瞳孔ＥＰが光束内に入ることになり、多く
の光が瞳孔ＥＰを通過する。

【００４６】眼Ｅに入射した光はそのレンズによって網
膜上に結像させられるから、結局、光ファイバー３４に
よって導かれた点状光は、点状光として網膜に達するこ
とになる。しかも、その光量は眼Ｅの向きにかかわらず
略一定となり、観察者は、眼Ｅを真正面に向けていない
ときでも、像全体を観察することができる。

【００４７】網膜ディスプレイ３の像提示のための回路
構成を図１０に示す。網膜ディスプレイ３は、光源部３
６、光変調部３７、主走査部３８Ｍ、副走査部３８Ｓ、
およびこれらをビデオ信号に基づいて制御する制御部３
５を備えている。

【００４８】光源部３６および光変調部３７は、第１の
実施形態の光源部１６および光変調部１７と同様の構成
であり、同様に動作する。主走査部３８Ｍおよび副走査
部３８Ｓは、それぞれ、２次元回折光学素子３２のＤ−
ＤＯＥ３２ａ〜３２ｅおよびＤ−ＤＯＥ３２ｆ〜３２ｊ
の駆動回路より成る。主走査部３８Ｍが光学素子３２に
よる水平方向の偏向角を変化させ、副走査部３８Ｓが光
学素子３２による垂直方向の偏向角を変化させることに
より、ラスター走査がなされる。これらの走査は、ビデ
オ信号の水平同期信号および垂直同期信号に基づいて制
御される。

【００４９】なお、上記いずれの実施形態の網膜ディス
プレイにおいても、制御部、光源部および光変調部は、
走査光学系や接眼レンズを収納した筺体とは別の筺体に
収容されており、両筺体は光ファイバーおよび信号伝送
用ケーブルで接続されている。したがって、頭部に装着
する部材は小型かつ軽量となっている。

【００５０】複数のＤ−ＤＯＥを偏向方向が異なるよう
に積層した上記２次元回折光学素子３２は、網膜ディス
プレイに限らず、光をスクリーンに投射して映像を表示
する投射型表示装置の走査用の光学素子としても使用す
ることができる。以下、２次元回折光学素子３２をこの
用途に用いる例を示す。

【００５１】図１１に示した第４の実施形態は、走査光
学系に２次元回折光学素子３２を単独で使用するもので
ある。映像信号によって変調した光を光ファイバー５１
によって導き、点状光として光学素子３２に入射させ
て、スクリーン５２上を２次元に走査する。

【００５２】図１２、図１３に示した第５および第６の
実施形態は、２次元回折光学素子３２とモータ５４によ
り駆動され機械式に走査を行う反射ミラー５３とを組み
合わせて、点状光を走査するものである。光学素子３２
は、水平方向と垂直方向の両方の走査が可能であり、し
かも、両方向の走査をきわめて高速に行うことができる
から、主走査および副走査のいずれにも使用することが
可能である。

【００５３】したがって、これらの実施形態では、反射
ミラー５３によって主走査を行い、光学素子３２によっ
て副走査を行うことと、光学素子３２によって主走査を
行い、反射ミラー５３によって副走査を行うことのいず
れをも、選択することができる。ただし、機械式の走査
は、走査角を広くすることと走査速度を高くすることの
両立が困難であるから、広画角の映像を表示するときに
は、２次元回折光学素子３２を主走査に利用するのが有
利である。

【００５４】投射型表示装置においても、前述のＡ／Ｏ
偏向器１１を用いることができる。この実施形態を図１
４に示す。ただし、Ａ／Ｏ偏向器は１次元の走査のみが
可能であるから、主走査のみに使用することになる。

【００５５】以上、ビデオ信号に応じて変調した光を走
査することで、人の網膜またはスクリーンに像を与える
像観察装置について説明したが、ビデオ信号としては、
テレビ信号、ビデオカメラの信号等の実際に撮影した映
像を表すものだけでなく、例えばコンピュータによって
生成したような仮想の映像を表すものであっても、利用
することができる。

【００５６】また、２次元回折光学素子３２は、光を任
意の方向に任意の角度偏向させることが可能であり、し
かもその切り換えを高速に行うことができるから、主走
査方向と副走査方向というように走査方向を固定するラ
スター走査のみならず、不特定の方向に走査を行うラン
ダム走査にも適用することができる。その場合、同期信
号によって走査を切り換えるのではなく、走査の開始点
と終了点を明示して走査を行う必要があり、映像は通常
のビデオ信号と異なる方式で表されることになる。コン
ピュータによって映像を生成ときにはこのような方式の
信号とすることも容易であり、バーチャルリアリティの
分野では、２次元回折光学素子３２によってランダム走
査を行うことの実用価値は高い。

【００５７】

【表１】

【００５８】

【発明の効果】請求項１の走査式像観察装置によるとき
は、副走査のためにモータ等の機械式の駆動装置を備え
る必要がなく、装置を小型、軽量に構成することができ
る。したがって、装置を頭部に装着して使用する構成と
する場合でも、観察者に加わる身体的負担が軽減され
る。また、人が網膜に光を受けたときの視覚信号の持続
時間は限られているため、低速で走査を行うと、像の全
体を同時に認識することが困難になって観察される像の
質が低下するが、非機械式の走査では広い走査角と高い
走査速度を両立させることができるから、画角の広い像
であっても、質の低下を招くことなく観察することが可
能になる。

【００５９】請求項２の走査式像観察装置によるとき
も、上記と同じ効果が得られる。

【００６０】請求項３の光学素子によるときは、積層し
た回折素子の偏向状態と非偏向状態を個別に制御して切
り換えることが可能であるから、偏向量や偏向方向の異
なる回折素子を用いることにより、単一の光学素子で光
の偏向を容易に調節することができる。しかも、偏向状
態と非偏向状態の切り換えは電気的になされるから、偏
向の調節をきわめて迅速に行うことができる。

【００６１】請求項４の光学素子では、偏向量をきわめ
て速やかに変化させることが可能であるから、光を高速
で走査することができる。

【００６２】請求項５の光学素子では、積層した個々の
回折格子の偏向方向次第で、光を任意の方向に偏向する
ことができる。

【００６３】請求項６の走査式像観察装置は、小型、軽
量で、しかも高速走査が可能な装置となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態の網膜ディスプレイの構成を
模式的に示す図。

【図２】第１の実施形態の網膜ディスプレイの走査光
学系を示す斜視図。

【図３】偏向角の異なる動的回折格子を積層して成る
光学素子の偏向角を示す図。

【図４】第１の実施形態の網膜ディスプレイの回路構
成を示す図。

【図５】第２の実施形態の網膜ディスプレイの構成を
模式的に示す図。

【図６】第２の実施形態の網膜ディスプレイの走査光
学系を示す斜視図。

【図７】第２の実施形態の網膜ディスプレイの回路構
成を示す図。

【図８】第３の実施形態の網膜ディスプレイの構成を
模式的に示す図。

【図９】偏向角の異なる動的回折格子を偏向方向が異
なるように積層して成る光学素子を示す斜視図。

【図１０】第３の実施形態の網膜ディスプレイの回路
構成を示す図。

【図１１】動的回折格子を積層して成る光学素子を走
査光学系に使用する投射型表示装置の第１の構成を示す
図。

【図１２】動的回折格子を積層して成る光学素子を走
査光学系に使用する投射型表示装置の第２の構成を示す
図。

【図１３】動的回折格子を積層して成る光学素子を走
査光学系に使用する投射型表示装置の第３の構成を示す
図。

【図１４】音響光学偏向器を走査光学系に使用する投
射型表示装置の構成を示す図。

【図１５】動的回折格子の透視斜視図。

【図１６】動的回折格子の断面図。

【符号の説明】

１網膜ディスプレイ１０走査光学系１１音響光学（Ａ／Ｏ）素子１２光学素子１２ａ〜１２ｆ動的回折光学素子（Ｄ−ＤＯＥ）１３接眼レンズ１４光ファイバー２網膜ディスプレイ２０走査光学系２１電気シャッターアレイ２２光学素子２２ａ〜２２ｆ動的回折光学素子（Ｄ−ＤＯＥ）２３接眼レンズ２４光ファイバー列３網膜ディスプレイ３０走査光学系３１コリメータレンズ３２２次元回折光学素子（２Ｄ−ＤＯＥ）３２ａ〜３２ｊ動的回折光学素子（Ｄ−ＤＯＥ）３３接眼レンズ３４光ファイバー５１光ファイバー５２スクリーン５３反射ミラー５４モータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石橋賢司大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内 (72)発明者小林恭大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内 (72)発明者大澤聡大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内 (72)発明者谷尻靖大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内 (72)発明者石川隆敏大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】像の一部を成す光を観察者の網膜に点状
光として導き、前記光を第１の方向に走査する主走査
と、該主走査を前記第１の方向と異なる第２の方向にず
らす副走査とを行うことにより、網膜上に像を与える走
査式像観察装置において、前記副走査を非機械式に行うことを特徴とする走査式像
観察装置。
【請求項２】像の一部を成す線状光を観察者の網膜に
導き、前記線状光を一方向に走査することにより網膜上
に像を与える走査式像観察装置において、前記走査を非機械式に行うことを特徴とする走査式像観
察装置。
【請求項３】透過する光を回折により偏向させる状態
と、透過する光を偏向させない状態とをとり、これら２
つの状態を電気的に切り換えられる回折素子を、複数積
層して成ることを特徴とする光学素子。
【請求項４】前記複数の回折素子は偏向量が異なるこ
とを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】前記複数の回折素子は偏向方向が異なる
ように積層されていることを特徴とする請求項３に記載
の光学素子。
【請求項６】請求項３ないし請求項５のいずれかに記
載の光学素子を備えてその偏向により光を走査し、該走
査光を観察者の網膜に導いて網膜上に像を与えることを
特徴とする走査式像観察装置。