JP2005202221A - Display device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、表示装置に係り、特に、広い視野を与える表示装置に関する。 The present invention relates to a display device, and more particularly to a display device that provides a wide field of view.
高臨場感を得るためには、人間の肉眼観察に匹敵する広い視野角を有する表示が求められる。一般に肉眼観察における人間の視野角は、両眼観察の状態で、左右100度(あわせて200度)、上方50度及び下方75度程度(あわせて125度)あるといわれている。この視野のなかで、頭部運動及び眼球運動によって無理なく視覚情報としてとられることができる視野(安定注視野)は、非特許文献1に記載されるように左右あわせて80度程度、上下あわせて70度程度であるとされている。また、このような人間の視野に関しては、広視野角における臨場感の効果が飽和する領域は、安定注視野とほぼ同等の左右50度(あわせて100度)、上方35度及び下方50度(あわせて85度)程度(誘導視野)であることが非特許文献2に知られている。 In order to obtain a high sense of realism, a display having a wide viewing angle comparable to the human naked eye observation is required. In general, it is said that a human's viewing angle in naked-eye observation is 100 degrees left and right (200 degrees in total), 50 degrees above and 75 degrees below (125 degrees in total). Within this field of view, the field of view (stable focus field) that can be taken as visual information without difficulty by head movement and eye movement is about 80 degrees left and right as described in Non-Patent Document 1. It is about 70 degrees. In addition, with regard to such a human visual field, the region where the effect of presence at a wide viewing angle is saturated is 50 degrees left and right (a total of 100 degrees), 35 degrees above and 50 degrees below (same as a stable focus field) ( It is known in Non-Patent Document 2 that the total is 85 degrees) (guidance visual field).
一方、前述したように人間の視野は大きく広がっているものの、その中でももっとも高い分解能で観察できる視野は、高々視野中心の直径5°程度の領域(弁別視野)であり、眼球運動だけで瞬時に情報が受容できる視野(有効視野)は左右あわせて30°並びに上下あわせて20°程度であるとされている。 On the other hand, although the human visual field is greatly expanded as described above, the field of view that can be observed with the highest resolution is an area of about 5 ° in diameter at the center of the visual field (discrimination visual field). The field of view (effective field of view) that can accept information is said to be about 30 ° in total on the left and right and about 20 ° on the vertical.
現在、バーチャルリアリティ表示などに代表される高臨場感を実現する表示装置として各種の投射型の表示装置が知られ、この投射型の表示装置が広く用いられている。各種投射型ディスプレイは、前述した左右100度及び上下85度といった誘導視野角に相当する広い視野をCRT、液晶装置、プラズマディスプレイ装置等のパネル直視型表示装置に比べて容易に実現することができる。 At present, various types of projection type display devices are known as display devices that realize a high sense of reality represented by virtual reality display, and the projection type display devices are widely used. Various projection displays can easily realize a wide field of view corresponding to the guidance viewing angle such as 100 degrees left and right and 85 degrees above and below the panel direct-view display devices such as CRTs, liquid crystal devices, and plasma display devices. .
既存の直視型のディスプレイパネルは、現状においても高々対角60インチ程度であり、このような大画面を有するパネルディスプレイの分解能も720pでHDTV相当程度である。従って、単一のパネルで誘導視野相当の視野を確保しても、極端に表示分解能が落ちるだけでなく、観察者の視聴距離が極端にパネル面に近づき、観察者に多大な負担をかけることになる。観察者の視聴距離を確保し、しかも、十分な分解能を実現するためには、多数のパネルを用いて大画面とする必要がある。このように広視野角を得るためには相当数のパネルが用いられる必要があり、比較的容積が小さいといわれる、一連のフラットパネルディスプレイを用いたとしても、コストが増大し、多大な設置規模が必要とされる。 The existing direct-view display panel is at most about 60 inches diagonal at present, and the resolution of the panel display having such a large screen is about 720p and is equivalent to HDTV. Therefore, even if a visual field equivalent to the guidance visual field is secured with a single panel, not only the display resolution is extremely lowered, but the viewing distance of the observer is extremely close to the panel surface, which places a heavy burden on the observer. become. In order to secure the viewing distance of the observer and to achieve sufficient resolution, it is necessary to make a large screen using a large number of panels. In order to obtain such a wide viewing angle, a considerable number of panels need to be used, and even if a series of flat panel displays, which are said to be relatively small in volume, are used, the cost increases and the installation scale increases. Is needed.
この直視型のディスプレイパネルに対して、投射型表示装置は、装置単体で対角数100インチ程度の投影規模を有する装置が簡便に入手できる状況にある。投射型表示装置は、その分解能自体は、直視型パネルディスプレイの分解能と比較してそれ程の相違はなく、また、自発光型の発光パネルを直視する直視型のディスプレイと比較しても、拡散面における反射光を観察しているが、それほどの違和感を与えない表示が可能である。また、複数の投射型装置を用いて広視野角画像を得る場合においても、投射装置自体は負担にならない程度の装置であり、パネルディスプレイを用いるよりは、より簡便にシステムを構築することが可能である。 In contrast to this direct-view display panel, the projection display device is in a state where a device having a projection scale of about 100 inches diagonal can be easily obtained as a single device. The projection display device has a resolution itself that is not so different from that of a direct view panel display, and even if compared with a direct view display that directly views a self-luminous light emitting panel, Although the reflected light is observed, a display that does not give a sense of incongruity is possible. Moreover, even when a wide viewing angle image is obtained using a plurality of projection type devices, the projection device itself is a device that does not become a burden, and it is possible to construct a system more easily than using a panel display. It is.
実際に投射型表示装置を用いて高臨場感表示装置を構築した例として、CAVE或いはCAVINといった全周型表示装置が有名である。これは、観察者の周囲5方(上下左右前方)をスクリーンで多い、各面にスクリーン背後より投射型表示装置を用いて全方位への映像投影を行う装置である(下面は観察者側、スクリーン上方より投影される)。 As an example of constructing a highly realistic display device using a projection display device, an all-around display device such as CAVE or CAVIN is famous. This is a device that projects the image in all directions from the back of the screen to each side by using a projection type display device (the lower surface is the viewer side, Projected from above the screen).
このような全周型表示装置は、構成自体は投影面に依存した投射型表示装置とスクリーンで成り、簡便であるが一人の視聴者に対するスクリーンが小さな部屋程度になり、かつ、その部屋を構成するスクリーンの背面にも投影に必要な空間があるために、システム全体の構成としては大規模であり、かつ設置時間にも1日〜数日を要する規模となる。 Such an all-round display device is composed of a projection display device and a screen depending on the projection surface, and is simple but the screen for a single viewer is about a small room, and the room is configured. Since there is also a space necessary for projection on the back of the screen, the entire system configuration is large and the installation time is one to several days.
このような大規模な全周型表示装置に対して、液晶パネルなどを用いたヘッドマウントディスプレイ(Head Mounted Display; HMD)と称せられる一群の表示装置がある。ヘッドマウントディスプレイは、眼前に配置した光学系を介して、小型パネルディスプレイを臨むことにより、観察視野での表示を行う装置である。通常、市井に広く供給されているHMDは、NTSCテレビレベルの視野である、対角30度程度の視野を表示するものであり、その表示領域は、高臨場感を演出できるレベルにはない。一部、すでにこの分野に置いては両眼観察に置いて左右100度程度視野を有するものが存在するが、用いるパネル単体の分解能が劣るために良質の画像を得ることができない。また、このような広視野角表示を行う装置は光学系の問題で、その周辺視野に大きな歪を残している事が多い。
以上のように広視野角表示を可能とする種々の装置が提案されているが、小型化が不可能である等の問題があり、また、小型化が可能な表示装置にあっても高い分解能で広視野角表示を実現できない問題がある。 As described above, various devices capable of displaying a wide viewing angle have been proposed, but there are problems such as impossible miniaturization, and even a display device capable of miniaturization has high resolution. There is a problem that wide viewing angle display cannot be realized.
この発明では、以上のような事情に鑑みなされたものであって、その目的は、将来的には可搬性に優れた小型機器にすることを可能とさせる動作原理を有し、小型の光走査装置を用い、観察者が表示装置の装着に違和感を覚えることの無い小型の表示装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and its purpose is to have an operating principle that makes it possible to make a compact device with excellent portability in the future. It is an object of the present invention to provide a small display device in which an observer does not feel discomfort when wearing the display device.
特に、広視野角表示を可能とし、広い表示範囲を与えることができ、視認者に対して観察しやすい高分解能の歪みのない表示を与えることができる装置を提供するにある。 In particular, an object of the present invention is to provide a device capable of providing a wide viewing angle display, providing a wide display range, and providing a high-resolution, distortion-free display that can be easily observed by a viewer.
この発明によれば、
第1方向及びこの第1方向に直交する第2方向を有し、中心視野領域に相当する第1の領域及び周辺視野領域に相当する第2の領域から成る光投射面と、
第1の光線を発生する第1の光源部、前記第1方向に沿うように前記第1光線を偏向する第1の偏向部、この第1の偏向部からの前記第1の光線を集光する第1集光レンズ系及びこの第1の集光レンズの焦点に配置され、前記第2方向に沿うように前記第1の光線を偏向する第2の偏向部を含む第1の2次元走査装置と、
第2の光線を発生する第2の光源部、前記第1方向に沿うように前記第2光線を偏向する第3の偏向部、この第3の偏向部からの前記第2の光線を集光する第2の集光レンズ系、及びこの第2の集光レンズの焦点に配置され、前記第2方向に沿うように前記第2光線を偏向する第4の偏向部を含む第2の2次元走査装置と、及び
前記第1及び第2の2次元走査装置からの前記第1及び第2の光線を前記前記第1及び第2の領域に向けて前記光投射面上に光学像を表示させる光学部と、
を具備することを特徴とする表示装置が提供される。
According to this invention,
A light projection surface having a first direction and a second direction orthogonal to the first direction, and comprising a first region corresponding to the central visual field region and a second region corresponding to the peripheral visual field region;
A first light source that generates a first light beam; a first deflection unit that deflects the first light beam along the first direction; and the first light beam from the first deflection unit is collected. A first two-dimensional scan including a first condensing lens system and a second deflecting unit disposed at a focal point of the first condensing lens and deflecting the first light beam along the second direction. Equipment,
A second light source that generates a second light beam; a third deflector that deflects the second light beam along the first direction; and the second light beam from the third deflector is collected. A second two-dimensional lens system including a second condensing lens system and a fourth deflecting unit that is disposed at a focal point of the second condensing lens and deflects the second light beam along the second direction. An optical image is displayed on the light projection surface by directing the first and second light beams from the scanning device and the first and second two-dimensional scanning devices toward the first and second regions. An optical unit;
A display device is provided.
また、この発明によれば、
第1方向及びこの第1方向に直交する第2方向を有し、中心視野領域に相当する第1の領域及び周辺視野領域に相当する第2の領域から成る光投射面に光学像を表示する方法において、
前記第1方向に沿うように第1の光線を偏向し、この第1の光線を集光し、前記第2方向に沿うようにこの第1の光線の集光点で前記第1の光線を偏向し、
前記第1方向に沿うように第2の光線を偏向し、この偏向する第2の光線を集光し、前記第2方向に沿うように前記第2の光線の集光点で前記第2の光線を偏向し、
前記第1及び第2の光線を前記第1及び第2の領域に向けて前記光投射面上に光学像を表示させることを特徴とする表示方法が提供される。
Moreover, according to this invention,
An optical image is displayed on a light projection surface that has a first direction and a second direction orthogonal to the first direction, and includes a first region corresponding to the central visual field region and a second region corresponding to the peripheral visual field region. In the method
The first light beam is deflected along the first direction, the first light beam is condensed, and the first light beam is converged at the condensing point of the first light beam along the second direction. Deflect,
The second light beam is deflected along the first direction, the deflected second light beam is condensed, and the second light beam is condensed at the second light beam condensing point along the second direction. Deflect the rays,
A display method is provided, wherein an optical image is displayed on the light projection surface with the first and second light rays directed toward the first and second regions.
この発明によれば、小型で広い視野をもつ表示装置及び表示装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a display device and a display device that are small and have a wide field of view.
この発明の実施の形態に係る表示装置を説明するに先立ってこの発明に至る発明者が着眼した点について説明する。 Prior to the description of the display device according to the embodiment of the present invention, the points that the inventor leading to the present invention focused on will be described.
この発明においては、特許出願2003−193907号に開示した小型の光走査装置を利用して高分解能の歪みのない表示を与えることができる広視野角表示を可能とする表示装置を実現している。特許出願2003−193907号に開示された光走査装置は、その光走査範囲を光学的に任意に拡大することができ、その走査光線を眼球に投影すれば、任意の視野角での表示が可能となる。しかしながら、単一の走査装置を用いる広視野角での表示では、観察する角度あたりの情報量は、視野の広がりに伴って減少してしまう問題がある。通常の人間の視力は、1程度であるとされ、この視力1は、目の分解能としては、60 line/degとなる。この60 line/deg程度の分解能を出せれば、どのような観察者であっても、ほぼ肉眼観察に匹敵する画像での精細度を再現することができる。しかしながら、近年の視力の分布を勘案した場合、視力0.5に相当する30 line/deg程度の分解能を出すことができれば、多くの観察者には十分な画像品質を与えることができると推測される。例えば、表示装置の実施形態として、前述した光走査装置において、1次走査装置が約25kHzの1次走査周波数で動作され、2次元走査装置が60Hzの2次元走査周波数で動作される場合を想定すると、この装置により形成される2次元画像は、ラスタースキャンを用いた場合には、60 flame/secのフレーム速度となる。このフレーム速度は、2次元走査周波数と同一となる。1次走査周波数は、走査線内の情報量に関する値になるが、これはアナログ方式によるデータ再現により、原理的には無限の情報を与えることができる。視認される画像の分解能は、これにより走査線数が直接的な因子になる。1次走査周波数25kHz、2次元走査周波数60Hzを考えると、1次走査時に往路、復路、両方向での走査光を用いると走査光束は、50kHzとなり、2次元走査周波数60Hzにおいて、1フレームあたりの走査線数として、約800本を与えることができる。この走査線数を用いた、角度あたりの分解能を考えると、走査線が視野の上から下の方向に走査される(通常のCRTによるラスタースキャンと同様)場合には、例えば、上下30°の視野を有する場合には、走査線分解能は、視野角1度当たり約27本(27 line/deg)となる。この視野角が60度まで拡大した場合には、走査線分解能は単純に1度当たり約13本(13 line/deg)となる。 In the present invention, a small optical scanning device disclosed in Japanese Patent Application No. 2003-193907 is used to realize a display device capable of wide viewing angle display capable of giving a high-resolution distortion-free display. . The optical scanning device disclosed in Japanese Patent Application No. 2003-193907 can optically expand the optical scanning range arbitrarily, and can display at an arbitrary viewing angle by projecting the scanning light beam onto the eyeball. It becomes. However, in the display with a wide viewing angle using a single scanning device, there is a problem that the amount of information per observation angle decreases as the field of view expands. The normal human visual acuity is assumed to be about 1, and the visual acuity 1 is 60 lines / deg as the eye resolution. If the resolution of about 60 lines / deg can be obtained, any observer can reproduce the definition in an image almost comparable to the naked eye observation. However, when considering the distribution of visual acuity in recent years, it is speculated that if a resolution of about 30 lines / deg corresponding to visual acuity 0.5 can be obtained, sufficient image quality can be given to many observers. The For example, as an embodiment of the display device, it is assumed that in the above-described optical scanning device, the primary scanning device is operated at a primary scanning frequency of about 25 kHz and the two-dimensional scanning device is operated at a two-dimensional scanning frequency of 60 Hz. Then, the two-dimensional image formed by this apparatus has a frame rate of 60 flame / sec when raster scanning is used. This frame rate is the same as the two-dimensional scanning frequency. The primary scanning frequency is a value related to the amount of information in the scanning line, but in principle, infinite information can be given by analog data reproduction. As a result, the number of scanning lines is a direct factor in the resolution of the visually recognized image. Considering a primary scanning frequency of 25 kHz and a two-dimensional scanning frequency of 60 Hz, if scanning light in the forward, backward, and both directions is used during primary scanning, the scanning light flux is 50 kHz, and scanning per frame at a two-dimensional scanning frequency of 60 Hz. About 800 lines can be provided. Considering the resolution per angle using the number of scanning lines, when the scanning line is scanned from the top to the bottom of the field of view (similar to a raster scan by a normal CRT), In the case of having a field of view, the scanning line resolution is about 27 lines (27 line / deg) per field angle. When the viewing angle is expanded to 60 degrees, the scanning line resolution is simply about 13 lines (13 line / deg) per degree.
このような走査装置を用いて、人間の単眼視野に匹敵する横方向100度並びに縦方向60度程度の視野に対して画像を表示しようとした場合、走査線分解能は、1度当たり約13本(13line/deg)となる。このような画像は、観察者としては鑑賞に堪えない画像になる。そのため、観察者の鑑賞に堪え得る高画質の表示方法が必要とされる。 When such a scanning device is used to display an image for a field of view of about 100 degrees in the horizontal direction and 60 degrees in the vertical direction comparable to a human monocular field of view, the scanning line resolution is about 13 lines per degree. (13 line / deg). Such an image is an image unacceptable for an observer. Therefore, there is a need for a high-quality display method that can withstand the viewer's appreciation.
このような背景から、発明者は鋭意検討を重ねた結果、表示装置に複数の光走査装置を利用することにより広視野角での画像表示が可能で、しかも、上述した問題点を解決することが可能であるとの着想に至っている。 Against this background, as a result of intensive studies, the inventor can display an image with a wide viewing angle by using a plurality of optical scanning devices for the display device, and solve the above-described problems. Has led to the idea that this is possible.
複数の表示装置を備えて広視野角、若しくは、大画面を表示する方法としては、パネル型ディスプレイ等のタイリング(tiling)等の手法が一般的である。このタイリングでは、複数枚のパネルがタイル状に並べるように配置して全体として大画面(若しくは、広視野角)となる表示装置を実現している。タイリングでは、簡便に大画面・高視野角の表示装置を作ることが可能であるが、張り合わせる夫々のパネル間の継ぎ目が目立ち、パネル同士の色調等の表示特性を一致させるために多大な労力が必要とされる。 As a method of displaying a wide viewing angle or a large screen with a plurality of display devices, a method such as tiling of a panel type display is generally used. In this tiling, a display device having a large screen (or a wide viewing angle) as a whole is realized by arranging a plurality of panels so as to be tiled. In tiling, it is possible to easily make a display device with a large screen and a high viewing angle, but the seam between the panels that are bonded together is conspicuous, and it is very important to match the display characteristics such as the color tone of the panels. Labor is required.
これに対して、この発明の表示装置では、小型の光走査装置の組み合わせによって小型化が可能であり、広い走査範囲を表示することができる。光走査装置は、単体でも人間の有効視野を補完することが可能な広い走査範囲を表示可能であるが、通常、人間の高精細な観察に必要とされる有効視野周辺までは高分解で走査表示し、それ以外の高臨場感発現に対応し、かつそれほど高精細に表示する必要がない周辺視野においては、それに見合った分解能で表示している。従って、この発明の表示装置によれば、簡便に超臨場感表示が可能となる。 On the other hand, the display device of the present invention can be downsized by combining a small optical scanning device, and can display a wide scanning range. The optical scanning device can display a wide scanning range that can complement the effective visual field of human beings alone, but usually scans with high resolution to the periphery of the effective visual field required for high-definition human observation. In the peripheral field of view that corresponds to the expression of other high sense of reality and does not need to be displayed with a very high definition, it is displayed with a resolution suitable for it. Therefore, according to the display device of the present invention, super-realistic display can be easily performed.
以下図面を参照して、この発明の実施形態に係る表示装置について説明する。 A display device according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、この発明の実施形態に係る表示装置における平面的な配置関係を概略的に示す平面図である。図1に示される表示装置は、第1の2次元光走査装置10及び第2の2次元光走査装置20を備えている。この第1及び第2の2次元光走査装置10,20は、後に図面を参照して詳述するように夫々1次元光走査ユニット11,21、集光レンズ12,22、2次元走査ユニット13,23及び2次元走査ユニット11,21を傾動する駆動用のモータ14,24から構成されている。第1及び第2の2次元光走査装置10,20は、互いにその光軸OP1、OP2が直交する関係に配置され、この光軸上には、半透過反射装置30が配置され、その半透過反射面が両光軸OP1、OP2に対して45度を成し、その半透過反射面上で両光軸OP1、OP2が直交するように半透過反射装置30が配置されている。
FIG. 1 is a plan view schematically showing a planar arrangement relationship in a display device according to an embodiment of the present invention. The display device shown in FIG. 1 includes a first two-dimensional
第1の2次元光走査装置10からは、第1の2次元走査光束L1が射出され、半透過反射装置30の半透過反射面で反射されて投影面に向けられている。これに対して、第2の2次元光走査装置20からは、第2の2次元走査光束L2が射出され、半透過反射装置30を通過して第1の2次元走査光束L1の光路に沿って投影面に向けられている。ここで、第2の2次元走査光束L2は、投影面上により広い視野角のための光走査像42を形成し、第1の2次元走査光束L1は、投影面上により狭い視野角のための光走査像41を形成している。第2の2次元走査光束L2が光走査像41を走査する際には、この第2の2次元走査光束L2は、光束自体が発生されず、ブランクされる。
The first two-dimensional
従って、投影面上には、第1の2次元光装置10によって形成される第1の光走査像41及び第2の2次元光走査装置20によって形成される第2の光走査像42が合成されて合成像40が形成される。ここで、第1の光走査像41は、人間の高精細な観察に必要とされる有効視野周辺に相当し、高分解で走査表示される。これに対して、第2の光走査像42は、それほど高精細に表示する必要がない周辺視野に相当し、第1の光走査像41に比べて低い分解能で表示される。このように第1及び第2の光走査像41、42で合成像40が視認される場合には、人間の視野の特性から広視野に亘って臨場感溢れる画像が認識されることとなる。
Therefore, the first
ここで、光走査像41は、観察者の眼を基準にして視野中心の直径5°程度の領域(弁別視野)以上に定められ、眼球運動だけで瞬時に情報が受容できる視野(有効視野)は左右あわせて30°並びに上下あわせて20°程度或いはそれ以内に定められても良い。また、第2の光走査像42は、観察者の眼を基準にして左右50度(あわせて100度)、上方35度及び下方50度(あわせて85度)程度(誘導視野)或いはこの値以上に定められている
図1に示される2次元光走査装置において、第2の2次元走査光束L2の走査角度が第1の2次元走査光束L1の走査角度が大きくなるが、この第1及び第2の2次元走査光束L1、L2の走査角度は、夫々2次元光走査装置10、20に用いられる第1及び第2集光レンズ系12,22のレンズ特性を適切に設定することにより設定されている。具体的には、第1及び第2集光レンズ系12,22は、夫々第1及び第2のレンズで構成され、光走査ユニット11、21側に配置される第1のレンズは、1次元光走査ユニット11、21における単一光源とみなせる光射出源の位置に後側焦点が位置するような焦点距離を有し、この第1のレンズによって光走査ユニット11、21の射出源からの走査光が平行光束に変換される。第1及び第2集光レンズ系12,22に配置される第1のレンズは、光学的に同一のレンズ特性が与えられている。第1のレンズから射出された平行光束は、集光レンズ系12,22の第2のレンズによって夫々2次元走査ユニット13,23に向けて集光され、夫々駆動用のモータ14,24によって傾動される2次元走査ユニット13,23によって異なる走査角度で投射面が走査される。ここで、第1集光レンズ系12は、第2のレンズは、焦点距離が比較的長い長焦点を有し、第2集光レンズ系22は、より広角で光束を走査する為に第1集光レンズ系12の第2のレンズよりも短い焦点距離を有する短焦点系が用いられている。
Here, the
2次元走査ユニット13,23は、第1及び第2集光レンズ系12、22の第2のレンズからの光束を偏向して投射面を偏向光束で走査している。ここで、第2集光レンズ系22の第2のレンズが第1集光レンズ系12の第2のレンズに比べて短い焦点距離を有している場合には、2次元走査ユニット13,23が同一の微小偏向角で光束を偏向しても2次元走査ユニット23は、2次元走査ユニット13に比べて広い範囲(広視野で)を光束で走査することとなる。
The two-dimensional scanning units 13 and 23 deflect the light beam from the second lens of the first and second
2次元走査ユニット13,23は、光走査装置10,20に設けられた片持梁構造31の1次方向(水平方向)の振動周期と同期して、5mm四方程度のポリゴンミラー、ガルバノミラー及び音響光学素子等を制御回路(図示せず)で制御されたモータ14,24によってその光路を傾動させている。2次元走査ユニット13,23を片持梁構造31と同期させて傾動させることで、片持梁構造31が振動して1次走査(水平走査に相当する。)して、2次元走査ユニット13,23で反射した光線は、2次走査(垂直走査に相当する。)される。したがって、2次元走査ユニット13,23を介して出射された光線は、2次元的(水平及び垂直走査に相当する。)に偏向される光束に変換される。例えば、2次元走査ユニット13,23がモータ14,24によって1800rpmで傾動させられたときは、60Hz相当の掃引周波数での2次元的な走査が可能となる。
The two-dimensional scanning units 13 and 23 are synchronized with the vibration period in the primary direction (horizontal direction) of the
2つの光走査装置10,20により形成される投影画像40は、既に説明したように第1の2次元光装置ユニット13によって形成される光走査像41及び第2の2次元光走査ユニット23によって形成される光走査像42の合成像であり、従って、光走査像41、42が同一の投影面に形成されることが必要とされる。このように光走査像41、42を投影面上で一致させるためには、夫々の投影像41,42を構成する光束の焦点位置が常に同一の光学的な距離に配置されることが要求される。このため、図1に示す光学系においては、2次元光走査装置10、20の光源像が虚像とし形成される2次元走査ユニット13,23と半透過反射装置30との間の距離が等しくなるように2次元走査ユニット13,23及び半透過反射装置30が配置されている。
The
尚、上述した説明では、2次元光走査ユニット13,23が同一偏向角で光束を偏向することを前提として集光レンズ系12,22の第2集光レンズの焦点距離を夫々異ならせているが、2次元光走査ユニット13,23が同一の偏向速度であるが、異なる偏向角で光束を偏向する場合には、第2集光レンズの焦点距離は、同一或いは近似した値であっても良い。2次元光走査ユニット13が小さい偏向角で光束を偏向すれば、比較的狭い視野角内に光走査像を形成でき、また、2次元光走査ユニット13,23が大きな偏向角で光束を偏向すれば像を広い視野角内に光走査像42を形成できる。
In the above description, the focal lengths of the second condenser lenses of the
図2には、図1に示した表示装置を具体的に配置する場合の表示装置のレイアウトが示されている。図2に示されるように観察者50の頭部の側面に、光走査装置10,20が上下に配置されている。図2には、一方の光走査装置20に対して他方の光走査装置10は、その光軸が互いに直交するように配置されている。光走査装置20から光束L2の光路上に半透過反射装置30が斜めに配置され、この半透過反射装置30上に光束L1を入射させるように光走査装置10が配置されている。半透過反射装置30に入射した光束L1、L2は、半透過反射装置30で合成され、発散性の光束として観察者の視線上に配置された凹面の反射面を有する反射装置40に向けられている。即ち、半透過反射装置30を透過した光束L2及び半透過反射装置30から反射される光束L1は、観察者50の眼前に配置された反射装置40に向けられ、この反射装置40で反射されて観察者50の眼球55に向けて集光される。従って、観察者50は、反射装置40から入射される光束によって合成像40を観察することができることとなる。図2に示されるような配置によれば、観察者50は、観察者50に装着された表示装置によって広視野角の画像表示を観察することができる。
FIG. 2 shows a layout of the display device when the display device shown in FIG. 1 is specifically arranged. As shown in FIG. 2, the
反射装置40は、図2に示すように眼球55の網膜面へ画像(2次元光束)を
投影するときは、観察者の眼前に回折或いは反射機能を有する光学系で実現することができる。反射装置40が例えば眼鏡状に設計されることによって、観察者は装着したときに違和感を覚えにくくすることができる。この反射装置40は、例えば、アルミ蒸着プラスチックを用いて2つの焦点を有する3次元楕円面に形成され、その一方の焦点は、2次走査ユニット13,23に生じる光束の集光点に合致され、他方の焦点は、眼球55の瞳開口部に合致されるように定められる。このように焦点が定められることによって、光走査装置10、20により形成された2次元光束は、すべて眼球55の網膜に結像させることが可能である。また、アルミ蒸着プラスチックを用いたときは視野方向からの外光を取り入れることができなかったが、反射装置40にホログラフィックレンズ等を用いることによって透過視が可能な表示装置として用いることも可能である。
When the image (two-dimensional light beam) is projected onto the retina surface of the
図1及び図2に示された光走査装置10,20に組み込まれる1次元光走査ユニット11,21の構造について図3〜図6を参照して説明する。
The structure of the one-dimensional
1次元光走査ユニット11,21は、図3及び図4に示すように光源素子部を構成するSOI基板構造51を備えている。図5に示すようにSOI基板構造51は、シリコン基板51−1上に半導体プロセスで用いられる微細加工技術を利用して光学素子が形成されている。即ち、図6に示されるようにシリコン基板51−1上の一部領域に酸化シリコン層51−2が形成され、この酸化シリコン層51−2にシリコン活性層51−3が形成されてSOI基板構造51が形成される。シリコン活性層51−3上には、半導体レーザ或いは発光ダイオード等から成る光源素子36が形成されるとともにこの光源素子36からの光線を導く光導波路構造35及び光源素子36からの光線を光導波路構造35に集光する集光部構造39−1,39−2が形成されている。光導波路構造35は、SOI基板51−1上に光導波路材料が塗布され、この塗布された光導波路材料をレジスト技術により露光した後にRIE加工により光導波路に削りだし、酸化シリコン層51−2を犠牲層としてエッチングすることにより、梁構造をシリコン基板51−1より遊離させることにより可動部が形成されている。一例として、光導波路構造35の構成材料には、基本的に、ポリメタクリレート樹脂が用いられるが、他の典型的な光導波路材料として、ポリカーボネイト系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリオレフィン類、また、各種金属酸化物、金属窒化物などがある。この例では、光導波路構造35の厚さは10μm程度であり、光導波路の射出端は、10μm四方といった断面形状を有する。このような成形過程から、光導波路構造35は、錐状にその針状導波路部35Aの基部35Bに向けて減少され、その錐上部35Aの先端からは、針状導波路部35Aが延出される。シリコン活性層51−3も同様に針状導波路部35Aを支えるようにシリコン基板51−1との間にギャップを空けて針状に延出され、針状の導波路35Aと共に酸化シリコン層51−2に固定された片持梁構造31に形成されている。この片持梁構造31は、可撓性を有し、その先端は自由端を有し、従って、針状の導波路35Aも可撓性を有し、その先端は自由端に定められ、その自由端は、発光端に規定されている。片持梁構造31は、一例として梁の幅が10μm、長さが1300μm程度に形成される。
The one-dimensional
図6に示される構造では、光源素子36から発生された光線は、集光部構造39−1,39−2によって光導波路構造35に集光され、この集光された光線は、光導波路構造35内を伝播され、その針状部35Aの基部35B35Bに集中的に導入されてその先端35Cから外部に射出される。従って、光導波路構造35の針状部35Aの基部35Bは、図1及び図2における表示装置における光源素子36の光点、即ち、発光点に相当している。後に説明されるように集光レンズ系12、22の第1レンズの後側焦点は、光導波路構造35の針状部35Aの基部35Bに位置合わせされている。
In the structure shown in FIG. 6, the light beam generated from the
光導波路構造35の針状部35Aを偏向する為にこの針状部35Aを支持している片持梁構造31は、偏向機構38に連結されている。即ち、この偏向機構38においては、片持梁構造31が蛇腹ばね構造34に連結され、蛇腹ばね構造34の両端が櫛歯型駆動機構32に接続されている。また、蛇腹ばね構造34は、安定化ばね構造33によって支持され、安定にその伸展方向に微動変位可能に片持梁構造31を支持している。櫛歯型駆動機構32及び安定化ばね構造33は、1次元光走査ユニット11,21のフレーム60に固定され、また、櫛歯型機構32には、制御部(図示せず)から電圧が配線を介して印加される。櫛歯型機構32においては、印加電圧に応じて櫛歯の間に生じる静電容量から静電駆動力が発生され、蛇腹ばね構造34は、櫛歯型機構32で発生したこの静電駆動力を片持ち梁部11に伝達されている。また、蛇腹ばね構造34は、蛇腹構造を有することで、櫛歯型機構32の少ない振幅を増幅して、片持ち梁構造31を図4の矢印HDに示すように水平方向に比較的大きな弧状に偏奇する振幅変動に変換することができる。安定化ばね構造31は、一方を光走査ユニット11、21のフレーム60に接続され、櫛歯型機構32の噛み合っている櫛歯同士が互いに垂直に動くように動作を安定化させている。片持ち梁構造31の振動速度(走査速度)は、偏向機構38を構成する蛇腹ばね構造34、安定化ばね構造31及び櫛歯型機構32等の構成部材の物理定数に依存する共振周波数によって定められる。
The
偏向機構38が動作すると、片持ち梁構造31とともに光導波路構造35の針状部35Aが水平方向に弧状の偏奇振動され、その結果、光導波路構造35の針状部35Aの先端35Cから射出される光線は、水平方向に偏向されることとなる。従って、1次元光走査ユニット11,21からは水平方向にファンシャープ状に広がる光束が射出される。尚、光源素子36として夫々個別に赤(R)・緑(G)・青(B)の光線を発生する光源を備えた1次元光走査ユニット11,21を用意することによってカラー表示装置を実現することがきる。
When the
図1及び図2に示すように1次元光走査装置10,20においては、1次元光走査ユニット11,21の前方に補正レンズK1、K2が設けられている。この補正レンズK1、K2は、光導波路構造35の針状部35Aが偏向機構38によって変動されるに伴いその針状部35A先端35Cが微動され、この微動に伴い光束の射出点が周期的に変動される。この射出点の変動を補正する為に補正レンズK1、K2、例えば、平凸レンズが設けられている。この補正レンズK1、K2は、一種のfθレンズとして作用し、周期的に変動する射出点の位置に応じて収差を与え、光導波路構造35の針状部35Aの基部35Bに光点が不動であるように射出点から出射される光線に補正を与えている。この補正レンズK1、K2が設けられることによって、光導波路構造35の針状部35Aの基部35Bに不動の光点が位置され、集光レンズ系12,22の第1の集光レンズが有する後側焦点を光導波路構造35の針状部35Aの基部35Bに位置される不動の光点に位置させることができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the one-dimensional
図1に示される表示装置においては、通常のビデオ信号が画像処理部70に入力されるとそのビデオ信号は、フレーム毎に画像処理部70の内のフレームメモリに格納される。画像処理部70では、入力部のフレームメモリに格納された画像から第1光走査像41に相当する第1画像成分が抜き出されるとともに第2光走査信号42に相当し、第1画像成分の周辺画像に相当する第2画像成分が同様に抜き出され、夫々出力部のフレームメモリに格納される。画像処理部70は、第1の画像成分から変調信号並びに走査信号を第1の駆動回路72に出力し、第1の駆動回路72は、この変調信号に応じて1次元光走査ユニット11の光源素子36を駆動する駆動信号を発生し、この光源素子36から変調された光線を発生させる。また、第1の駆動回路72は、入力された走査信号に応じて1次元光走査ユニット11及び2次走査ユニット13に水平及び垂直走査動信号を与えて1次元光走査ユニット11及び2次走査ユニット13を作動させてこれらユニット11,13に入射される光線を偏向させている。同様に、画像処理部70は、第2の画像成分から変調信号並びに走査信号を第2の駆動回路74に出力し、第1の駆動回路42は、この変調信号に応じて1次元光走査ユニット21の光源素子36を駆動する駆動信号を発生し、この光源素子36から変調された光線を発生させる。また、第2の駆動回路74は、入力された走査信号に応じて1次元光走査ユニット21及び2次走査ユニット23に水平及び垂直走査動信号を与えて1次元光走査ユニット21及び2次走査ユニット23を作動させてこれらユニット21,23に入射される光線を偏向させている。
In the display device shown in FIG. 1, when a normal video signal is input to the
従って、1次元光走査ユニット11,21からは、水平方向に偏向される光束が射出され、この光束が2次元走査ユニット13,23によって垂直方向に偏向されて半透過反射装置30向けられる。半透過反射装置30からは、第1及び第2の2次元走査光束L1、L2が投影面に向けられる。従って、投影面上には、第1及び第2の2次元光装置10、20によって形成される第1の光走査像41及び第2の光走査像42が合成されて合成像40が形成される。
Accordingly, a light beam deflected in the horizontal direction is emitted from the one-dimensional
以上のように、この発明の表示装置によれば、2系の光走査装置を設けることによって広い視野を確保できると共に観察者に対して高分解で表示することができる。 As described above, according to the display device of the present invention, by providing the two-system optical scanning device, a wide field of view can be secured and display can be performed with high resolution for the observer.
10,20...2次元光走査装置、11,21...1次元光走査ユニット、12,22...集光レンズ、13,23...2次元走査ユニット、14,24...駆動用モータ、30...半透過反射装置、L1,L2...2次元走査光束、36...光源素子、51...基板構造、40,41,42...光走査像、31...片持梁構造、33...安定化ばね構造、34...蛇腹ばね構造、35...光導波路構造、38...動力機構、K1、K2...補正レンズ
10,20. . . Two-dimensional optical scanning device, 11, 21. . . One-dimensional
Claims (5)
第1の光線を発生する第1の光源部、前記第1方向に沿うように前記第1光線を偏向する第1の偏向部、この第1の偏向部からの前記第1の光線を集光する第1集光レンズ系及びこの第1の集光レンズの焦点に配置され、前記第2方向に沿うように前記第1の光線を偏向する第2の偏向部を含む第1の2次元走査装置と、
第2の光線を発生する第2の光源部、前記第1方向に沿うように前記第2光線を偏向する第3の偏向部、この第3の偏向部からの前記第2の光線を集光する第2の集光レンズ系、及びこの第2の集光レンズの焦点に配置され、前記第2方向に沿うように前記第2光線を偏向する第4の偏向部を含む第2の2次元走査装置と、及び
前記第1及び第2の2次元走査装置からの前記第1及び第2の光線を前記前記第1及び第2の領域に向けて前記光投射面上に光学像を表示させる光学部と、
を具備することを特徴とする表示装置。 A light projection surface having a first direction and a second direction orthogonal to the first direction, and comprising a first region corresponding to the central visual field region and a second region corresponding to the peripheral visual field region;
A first light source that generates a first light beam; a first deflector that deflects the first light beam along the first direction; and the first light beam from the first deflector is collected. A first two-dimensional scan including a first condensing lens system and a second deflecting unit disposed at a focal point of the first condensing lens and deflecting the first light beam along the second direction. Equipment,
A second light source that generates a second light beam; a third deflector that deflects the second light beam along the first direction; and the second light beam from the third deflector is collected. A second two-dimensional lens system including a second condensing lens system and a fourth deflecting unit that is disposed at a focal point of the second condensing lens and deflects the second light beam along the second direction. An optical image is displayed on the light projection surface by directing the first and second light beams from the scanning device and the first and second two-dimensional scanning devices toward the first and second regions. An optical unit;
A display device comprising:
前記光源部からの光線を導波する導波部であって、可撓性を有し、その自由端から第1又は第2の光線を射出する可動導波部を含む導波部と、
この可動導波部を前記第1方向に対応する方向に可動して前記第1方向に沿うように第1又は第2の光線を偏向させる駆動機構と、
を具備することを特徴とする請求項1の表示装置。 The first and second deflection units are
A waveguide part for guiding light rays from the light source part, which has flexibility and includes a movable waveguide part that emits the first or second light ray from its free end;
A drive mechanism for moving the movable waveguide portion in a direction corresponding to the first direction and deflecting the first or second light beam along the first direction;
The display device according to claim 1, comprising:
前記第1方向に沿うように第1の光線を偏向し、この第1の光線を集光し、前記第2方向に沿うようにこの第1の光線の集光点で前記第1の光線を偏向し、
前記第1方向に沿うように第2の光線を偏向し、この偏向する第2の光線を集光し、前記第2方向に沿うように前記第2の光線の集光点で前記第2の光線を偏向し、
前記第1及び第2の光線を前記第1及び第2の領域に向けて前記光投射面上に光学像を表示させることを特徴とする表示方法。 An optical image is displayed on a light projection surface that has a first direction and a second direction orthogonal to the first direction, and includes a first region corresponding to the central visual field region and a second region corresponding to the peripheral visual field region. In the method
The first light beam is deflected along the first direction, the first light beam is condensed, and the first light beam is converged at the condensing point of the first light beam along the second direction. Deflect,
The second light beam is deflected along the first direction, the deflected second light beam is condensed, and the second light beam is condensed at the second light beam condensing point along the second direction. Deflect the rays,
A display method, wherein an optical image is displayed on the light projection surface by directing the first and second light beams toward the first and second regions.
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