JPWO2006038662A1 - 画像表示装置および電子眼鏡 - Google Patents

Abstract

簡単な構成で、マックスウェル視の集光収束点と瞳孔の位置とを容易かつ安定的に素早く合わせてマックスウェル視によるシャープな画像を見る。凸レンズ１３（またはＨＯＥ）に入射する表示画像光として図１（ａ）のように平行光を用いるかまたは、図１（ｂ）のように平行光を用いずに、球面波を用いて、光源駆動装置１４により点光源１１の位置を自動調整すれば、瞳孔の位置に対するマックスウェル視の集光収束点Ａの位置調整が容易かつ安定的に素早く為される。これと同時に、球面波を用いた図２（ｂ）に示す光学系全体の光路長Ｌのように、平行光を用いた図２（ａ）の場合に比べて距離Ｍだけ短く構成することができる。

Description

本発明は、マックスウェル視を用いて瞳孔を通して直に網膜に表示画像光を投影するための画像表示装置およびこれを用いた電子眼鏡に関する。

従来、ピンホールカメラの原理で指向性の高い表示画像光を瞳孔位置で収束させて、水晶体によるピント合わせをしないで、網膜に直接的に表示画像光を投影するマックスウェル視は、焦点深度が深いために、水晶体や角膜の機能が低下した低視力者であっても、網膜に焦点が合って、表示画像をぼやけずにシャープに見ることができる。

ところが、マックスウェル視の収束点を直径が約２ｍｍ程度の瞳孔位置に合わせなければならず、このマックスウェル視の収束点と瞳孔の位置とが一致しないと画像を見ることができない。

これを解決する事例として、レーザスキャンを利用して、網膜投影方式のディスプレイを使った低視力者の読書力を測定した結果を報告した論文が非特許文献１に開示されている。

この非特許文献１では、モバイル用に、ディスプレイを頭部にヘッドバンドで固定し、これを眼の瞳孔の位置に合わせることによって網膜投影型表示装置から網膜に映像を投影するというものである。

また、特許文献１には、マックスウェル視を用いた疾患患者用の映像付与装置が開示され、特許文献２には、マックスウェル視によって観察者に映像を観察させることおよび、その段落番号００１１には映像の集光点を眼球の好適な位置に導くように調整することが開示されている。また、特許文献３の段落番号００４４および００４５には、観察者の眼球の網膜に映像板の映像を投影する画像表示装置において、マックスウェル視状態に、映像板に表示された映像が瞳孔に光源の像として収束されることが開示されている。さらに、特許文献４には、走査される光子を移動させて入射側の瞳の位置と略一致させるための光子偏光器を有する仮想面像表示システムが開示されている。また、この特許文献４の図４には、マックスウェル視光学的システムが開示されている。さらに、特許文献５には、光源光が液晶表示パネルを透過して得られる映像光は接眼光学系（マックスウェル視）に供給されることが開示されている。
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖｉｓｕａｌ Ｉｍｐａｉｒｍｅｎｔ ａｎｄ Ｂｌｉｎｄｎｅｓｓ，Ｍａｒｃｈ ２００４ Ｐ１４８〜Ｐ１５９；「Ａ Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ Ｗｉｔｈ ａ Ｈｅａｄ−ｍｏｕｎｔｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｌｏｗ Ｖｉｓｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ」 特開２００２‐２８２２９９号公報 特開２００５‐５５５６０号公報 特開２００４‐９３７６９号公報 特表平８‐５０２３７２号公報 特開２００３‐１６７２１２号公報

しかしながら、マックスウェル視を用いた網膜投影型表示装置において、その表示装置をヘッドバンドで頭部に装着し、表示装置からの映像を観察する際、この表示装置の機器特有の性質上、まず初めに瞳孔位置に表示映像光の収束点を導くことが困難であった。

従来の非特許文献１に示す装着機器はヘッドセットと一体となり、これを装着した場合、ユーザ固有の生体である顔面に沿った位置に安定的に固定することが一層困難であった。ある程度、３次元的に位置の自由度を持たせた機構ではあるものの、その自由度と同時に固定する必要もあり極めて複雑な機構となり大掛かりな構造となっていた。しかも、右目用と左目用とを取り替える必要があり、一層、マックスウェル視の収束点と瞳孔の位置合わせに時間を要していた。

また、繰り返して説明するが、マックスウェル視を利用した非常に焦点深度の深い光束を網膜に投影して、眼の結像機能を必要としないディスプレイである網膜投影電子めがねは、視覚障害者の視覚支援機器として有望視されているものの、システムの基本的な原理であるマックスウェル視は、瞳の中心点から映像を網膜に投影しなければならない特質を持ち、これが使いやすい製品の実現の妨げとなっている。前述した特許文献１〜５では、マックスウェル視を利用した画像表示装置であるが、いずれも画像情報を含む収束点を瞳孔の位置に導くように調整することについては開示しているものの、これをどのようにしてより容易かつ安定的に素早く自動調整するかについは何ら記載されていない。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、簡単な構成で、マックスウェル視の集光収束点と瞳孔の位置とを容易かつ安定的に素早く合わせてマックスウェル視によるシャープな画像を見ることができる画像表示装置およびこれを用いた電子眼鏡を提供することを目的とする。

本発明の画像表示装置は、マックスウェル視により眼の瞳孔を通して網膜に画像を投影可能とする画像表示装置において、点光源と、該点光源を用いて表示画像光を表示画面から出射させる表示手段と、該表示手段からの表示画像光を集光させる集光手段と、瞳孔の位置を検出し、該瞳孔にマックスウェル視の集光収束点が位置するように該点光源の位置を自動移動制御する光源駆動手段とを備えており、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の画像表示装置は、マックスウェル視により眼の瞳孔を通して網膜に画像を投影可能とする画像表示装置において、点光源と、該点光源を用いて表示画像光を表示画面から出射させる表示手段と、該表示画像光を、それぞれ一方向に集光させる２枚のシリンドリカルレンズ手段とを備えており、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の画像表示装置は、マックスウェル視により眼の瞳孔を通して網膜に画像を投影可能とする画像表示装置において、点光源と、該点光源を用いて表示画像光を表示画面から出射させる表示手段と、該表示手段からの表示画像光を集光させる複数の集光手段がアレイ状に並んだレイティキュラーレンズ手段とを備えており、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の画像表示装置において、瞳孔の位置を検出し、該瞳孔にマックスウェル視の集光収束点が位置するように該点光源の位置を自動移動制御する光源駆動手段をさらに有する。

さらに、好ましくは、本発明の画像表示装置における光源駆動手段は、瞳孔の位置を検出する瞳孔検出手段と、該瞳孔検出手段で検出した検出結果に応じて、マックスウェル視の集光収束点と該瞳孔の位置とが２次元的に一致するように、光軸方向に対して少なくとも垂直面の直交するＸ方向およびＹ方向に前記点光源を移動させる点光源移動手段とを有する。

また、好ましくは、本発明の画像表示装置における光源駆動手段は、瞳孔の位置を検出する瞳孔検出手段と、前記点光源をランダム方向に所定量移動させ、該瞳孔検出手段で瞳孔を検出した位置から、該瞳孔の中心にマックスウェル視の集光収束点が来るように該点光源の位置を更に高精度に微調整する点光源移動手段とを有する。

さらに、好ましくは、本発明の画像表示装置における集光手段は、凸レンズまたはホログラフィック光学素子である。

さらに、好ましくは、本発明の画像表示装置における表示手段は液晶表示手段である。

さらに、好ましくは、本発明の画像表示装置における２枚のシリンドリカルレンズ手段は焦点位置が一致しているかまたは異なっている。

さらに、好ましくは、本発明の画像表示装置における点光源は、レーザ光発生装置、フォトダイオードおよび蛍光ランプの少なくともいずれかであるかまたは、該点光源およびピンホール部材の組合せである。

さらに、好ましくは、本発明の画像表示装置における点光源と点光源移動手段が液晶表示装置で構成され、該液晶表示装置は、前記点光源およびピンホール部材のピンホールの組合せを新たな点光源として、該ピンホール部材のピンホールを移動制御可能とする。

本発明の電子眼鏡は、請求項１〜１１のいずれかに記載の画像表示装置を用いており、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の電子眼鏡は、請求項１〜１１のいずれかに記載の画像表示装置と、該画像表示装置に映像信号を供給可能とするビデオカメラ装置とを有しており、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の電子眼鏡は、好ましくは、手持ち式電子眼鏡または、鼻と耳で固定可能とする眼鏡である。

上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。

本発明にあっては、（１）凸レンズまたはホログラフィック光学素子（ＨＯＥ；Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）などの集光手段に入射する表示画像光を平行光とはせずに、球面波を用いることにより、点光源などの光源位置を移動制御して自動調整することにより、マックスウェル視の集光収束点の位置調整を、前後、左右および上下の各方向で容易かつ安定に素早くできる（図１および図３参照）。これと同時に、光学系の全長を短く構成することも可能である（図２参照）。さらに、この光源位置の移動制御は、直接、光源を移動させる方式（後述する実施形態１〜３）と、光源からの光を通すピンホールを移動させる方式（後述する実施形態４）がある。後者の場合、ピンホールの移動をＬＣＤ（液晶表示パネル）など電子的に容易に制御できるデバイスを用いて実現することも可能である（図７参照）。
（２）レンズまたはＨＯＥなどの集光手段に入射する光は平行光を用い、点光源などの光源位置を移動制御して自動調整することにより、マックスウェル視の集光収束点の位置を左右および上下に移動制御して自動調節することが可能である。
（３）一方向の集光収束線だけに収束するシリンドリカルレンズ手段を２枚用い、これらの集光収束線が直角に交差するように二つ組み合わせることにより、従来のマックスウェル視の収束点と同等の収束線（クロス状の収束線）を実現できる。この方式を用いる場合、直交する二つの方向（縦方向と横方向）で表示画像光の収束線の光軸方向の位置（焦点深度）をずらす（図４（ｃ）の深度差Ｎ）こともできるため、この深い焦点深度の広い範囲（深度差Ｎ）において（５ｍｍまでは実験良好）、従来のマックスウェル視の収束点と同等の効果を得ることができ、＋２０Ｄのレンズを挟んでもピントのクリアなシャープな映像を観察することが可能であった。また、これを、ＨＯＥを用いて実現した場合、シリンドリカルレンズであれば２枚必要であるが、１枚のＨＯＥで実現可能である。
（４）シリンドリカルレンズやレイティキュラーレンズ（またはシート）を垂直な方向（または／および水平な方向）に組み合わせ、複数の収束点を容易に実現することができる。特に、ＨＯＥで複数の収束点を実現する場合には、これまでは単一収束点を作製する撮影を複数回行い、多重露光する必要があった。しかし、この方式を用いれば、１回の撮影で複数の収束点を有するＨＯＥを作製することが可能となるため、ＨＯＥの感光材料として多くの利点を持つが多重感光に適さないホトポリマーを感材として用いることを可能とする（図６参照）。

このように、マックスウェル視を利用した非常に焦点深度の深い光束を網膜に投影して、眼の結像機能を必要としないディスプレイである網膜投影電子めがねにおいて、眼窩とのインターフェイス部分の機構について、瞳孔と、画像情報を含んだ収束点との位置合わせを容易に自動調整できる手段として、光学系全体を動かすのではなく、光学系の一部である光源やピンホール部分などを動かす手段、２枚のシリンドリカルレンズを用いた新しい形態のマックスウェル視の実現手段、さらには、レイティキュラーレンズを用いた複数の収束点の実現手段が得られる。また、集光手段にＨＯＥを使えば、軽量で高機能化が可能となり、いっそう優れたディスプレイとなる。

以上により、マックスウェル視の集光収束点Ａと瞳孔の位置とを容易かつ安定的に素早く合わせてマックスウェル視によるシャープな画像を見ることが可能となる。

また、本発明の上記画像表示装置と、この画像表示装置に映像信号を供給可能とするビデオカメラ装置とを有する電子眼鏡が得られて、上記本発明の効果が得られる。本発明は軽量で小型化が可能なため、鼻と耳で固定可能とする通常のめがね型にセットアップすれば、ハンズフリーとなって視覚障害者のいっそうの視覚支援が期待される。

以上により、本発明のよれば、収束点位置を例えば前後、左右および上下の少なくとも左右および上下方向に自動調整するかまたは、２枚のシリンドリカルレンズ手段によるクロス状の垂直収束線Ａ_Ｖおよび水平収束線Ａ_Ｈ上で、また、垂直収束線Ａ_Ｖおよび水平収束線Ａ_Ｈの深度差Ｎの範囲内で、または、レイティキュラーレンズ手段による複数の収束点を用いて、マックスウェル視の収束点Ａと瞳孔の位置とを容易かつ安定的に素早く合わせてマックスウェル視によるシャープな画像を見ることができる。

本発明の実施形態１に係る画像表示装置の一例を示す配置構成図であって、（ａ）は、液晶ディスプレイに平行光線を入射させた状態を示す上面図、（ｂ）は、点光源を左右方向に移動させて収束点位置調節した状態を示す上面図である。 図１の画像表示装置において（ａ）は液晶ディスプレイに平行光線を入射させた場合を示す配置構成図、（ｂ）は液晶ディスプレイに球面波光線を入射させた場合を示す配置構成図である。 本発明の実施形態１に係る画像表示装置の一例を示す配置構成図であって、（ａ）は、点光源を手前側に位置させて収束点を位置調節した状態を示す上面図、（ｂ）は、（ａ）の状態から後ろ側に点光源を位置させて収束点を位置調節した状態を示す上面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明で用いるホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）の製造方法について説明するための図である。 本発明の実施形態２に係る画像表示装置のレンズ部分の一例を示す配置構成図であって、（ａ）はそのレンズ部分の斜視図、（ｂ）は垂直方向と水平方向で収束点の焦点深度が同じ場合を示すそのレンズ部分の側面図および上面図、（ｃ）は垂直方向と水平方向で収束点の焦点深度が異なる場合を示すそのレンズ部分の側面図および上面図である。 本発明の実施形態３に係る画像表示装置のレンズ部分の一例を示す配置構成図であって、（ａ）はそのレンズ部分の上面図、（ｂ）はそのレンズ部分の側面図、（ｃ）はそのレンズ部分の斜視図である。 本発明の実施形態１、４に係る画像表示装置の一例をそれぞれ示す配置構成図であって、（ａ）は、本発明の実施形態１に係る画像表示装置の液晶ディスプレイに平行光線を入射させた状態を示す上面図、（ｂ）は、本発明の実施形態４に係る画像表示装置の点光源を移動せずにピンホールを左右方向（および／または上下方向）に移動させて収束点位置調節した状態を示す上面図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０ 画像表示装置
１１ 点光源
１２ 液晶ディスプレイ
１３ 凸レンズ（またはＨＯＥ）
１４ 光源駆動装置
１５ ピンホール部材
２３ａ，２３ｂ シリンドリカルレンズ
３３ レイティキュラーレンズ（またはシリンドリカルレンズ）
Ａ，Ａ１〜Ａ３ 集光点
Ａ_Ｖ，Ａ_Ｈ 集光線

以下に、本発明の画像表示装置の実施形態１〜４を投影型液晶表示装置に適用した場合について図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
本実施形態１では、球面波収束光（または平行光）の収束点位置を左右および上下に自動調整する場合について説明する。

図１は本発明の実施形態１に係る投影型液晶表示装置の一例を示す配置構成図であって、（ａ）は、液晶ディスプレイに平行光線を入射させた状態を示す上面図、（ｂ）は、点光源を左右方向に移動させて集光収束点の位置調節をする状態を示す上面図である。

図１（ａ）および図１（ｂ）において、本実施形態１の画像表示装置１０は、点光源１１と、この点光源１１を用いて表示画像光を表示画面から出射させる液晶表示手段としての液晶ディスプレイ１２と、この液晶ディスプレイ１２からの表示画像光を集光させる集光手段としての凸レンズ１３と、瞳孔の位置を検出し、瞳孔内にマックスウェル視の集光収束点Ａが位置するように点光源１１の位置を自動移動制御する光源駆動手段としての光源駆動装置１４とを備え、マックスウェル視により眼の瞳孔を通して網膜上に表示画像を投影可能とする。

点光源１１は、高輝度の白色発光ダイオード（白色ＬＥＤ）やレーザ装置を用いる。白色ＬＥＤは、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤおよび青色ＬＥＤからの各光を混合すると、白色光が得られるので、これらの三原色のＬＥＤを用いてもよい。

液晶ディスプレイ１２は、透過投影型のカラー液晶ディスプレイ（カラーＬＣＤ）であって、ビデオカメラ装置などからの画像信号が、図示されていない液晶表示制御装置によってカラーＬＣＤに供給されて表示制御が為されてその表示画面上に所望の画像表示を行う。この場合、点光源１１は液晶ディスプレイ１２の後方に配置されてそのバックライトとして用いられている。

凸レンズ１３は、液晶ディスプレイ１２からの表示画像光を網膜投影用に集光させて瞳孔内の所定位置に集光収束点Ａを位置させるために用いる。なお、凸レンズ１３に代えて、集光手段としてホログラフィック光学素子（ＨＯＥ；Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）を用いることもできる。フィルムからなるＨＯＥを用いればプラスチックやガラス製のレンズに比べてレンズ面（自由曲面と同じ特性を作ることが容易にできる）の成形も容易であるし、その重量が格段に軽い。

光源駆動装置１４は、瞳孔の位置（瞳孔の動き）を検出する位置センサの瞳孔検出手段と、この瞳孔検出手段で検出した検出結果に応じて、マックスウェル視の集光収束点Ａと瞳孔の位置とが２次元的に一致するように、点光源１１を光軸方向Ｃ（前後方向）に対して垂直面上の左右方向および上下方向（Ｘ，Ｙ方向）に点光源１１を移動させる点光源移動手段としてのモータおよびＸ，Ｙテーブル手段（図示せず）とを有している。なお、点光源移動手段は、点光源１１をランダムに粗く動かして瞳（瞳孔）を検出した位置から、更に高精度に瞳孔中心にマックスウェル視の集光収束点Ａが来るように点光源１１の位置を微調整してもよい。

上記構成により、まず、瞳孔検出手段としての位置センサによってユーザの目の瞳孔位置を検出し、ユーザの目の検出瞳孔位置に基づいて、点光源移動手段が、マックスウェル視の集光収束点Ａと瞳孔の位置とが２次元的に一致するように、点光源１１の位置を光源駆動装置１４にて正面から見て左右方向（図１（ａ）および図１（ｂ）の矢印方向）および上下方向（図１（ａ）および図１（ｂ）を側面図とした場合の矢印方向）に移動させると、これと同様にマックスウェル視の集光収束点Ａの位置も左右方向および上下方向に移動する。このように、点光源１１の位置を光源駆動装置１４にて左右および上下に二次元状に動かせば、それに応じて凸レンズ１３による液晶ディスプレイ１２の表示画像光の集光収束点Ａも、マックスウェル視の集光収束点Ａと瞳孔の位置とが２次元的に一致するように移動する。凸レンズ１３による液晶ディスプレイ１２の画像光の集光収束点Ａを瞳孔内に位置させれば、マックスウェル視による網膜投影が行われて、ユーザはシャープな表示画像を見ることができる。

以上により、凸レンズ１３（またはＨＯＥ）に入射する表示画像光として図１（ａ）のように平行光を用いるかまたは、図１（ｂ）のように平行光を用いずに、球面波を用いて、光源駆動装置１４により点光源１１の位置を自動調整すれば、瞳孔の位置に対するマックスウェル視の集光収束点Ａの位置調整が容易かつ安定的に素早く為される。これと同時に、球面波を用いた図２（ｂ）に示す光学系全体の光路長Ｌのように、平行光を用いた図２（ａ）の場合に比べて距離Ｍだけ短く構成することができる。なお、レンズを用いた場合と同様に、ＨＯＥを用いた場合にも、ＨＯＥを再生する光を、今までは平行光を用いていたが、球面波を用いることにより、光学系全体を短くできる。

なお、本実施形態１では、光軸に垂直な方向に光源１１を移動させることにより、球面収束光の集光収束点Ａの位置を、光軸に垂直な方向、例えば左右および上下方向（平行光や球面波光でもよい）の平面上に位置調整する場合について説明したが、これに限らず、光源駆動装置１４に光源１１を光軸方向Ｃ（前後方向；球面波光のみ）にも駆動できる機構を加えて、点光源１１の位置を光源駆動装置１４にて光軸方向Ｃにも移動（例えば図３（ｂ）の矢印方向）させることにより、球面収束光（表示画像光）の集光収束点Ａの位置を前後方向（光軸方向Ｃ）に移動させて、収束点を瞳孔に近づけたり遠ざけたりして、眼の奥行き位置（瞳の位置）に対する集光収束点Ａの位置を自動調整することもできる。

また、凸レンズ１３（またはＨＯＥ）に入射する表示画像光は、平行光を用いずに球面波を用いてもよく、平行光を用いてもよい。凸レンズ１３に入射する表示画像光として平行光を用いる場合にも、点光源１１の位置を左右・上下に調整することにより、マックスウェル視の集光収束点Ａの位置を左右・上下に調節することが可能となる。液晶ディスプレイ１２から凸レンズ１３（またはＨＯＥ）に入射される表示画像光として平行光を用いる場合には、集光収束点Ａの位置を前後方向に調整することはできない。

さらに、上記実施形態１では、特に説明しなかったが、前述したＨＯＥの作製方法について簡単に説明する。ＨＯＥとは、ホログラフィの技術を用いて、レンズなどの光学素子と同じような特性を持った光学素子を実現したもので、ホログラフィック光学素子と呼ばれている。図４に、簡単なレンズをＨＯＥで実現する原理を示している。図４（ａ）では、点光源からの球面波をホログラム記録材料１３ａに記録する様子を示している。このように記録されたＨＯＥ（集光手段１３；ホログラム）に、図４（ｂ）に示すように再生光を照射してやると、記録時に用いた点光源が再生される。つまり、平行な光を１点に収束する凸レンズの機能が実現される。このような手法で、本発明に用いるＨＯＥを作製する。

（実施形態２）
本実施形態２では、収束点の形状が工夫された球面収束光以外の集光収束線を用いる場合について説明する。

図５は、本発明の実施形態２に係る画像表示装置のレンズ部分の一例を示す配置構成図であって、（ａ）はそのレンズ部分の斜視図、（ｂ）は垂直集光方向と水平集光方向とで集光収束線の焦点深度が同じ場合を示すそのレンズ部分の側面図および上面図、（ｃ）は垂直集光方向と水平集光方向とで集光収束線の焦点深度が異なる場合を示すそのレンズ部分の側面図および上面図である。なお、図１および図２と同様の作用効果を奏する部材には同一の符号を付してその説明を省略する。

図５において、本実施形態２の画像表示装置２０は、点光源１１と、この点光源１１を用いて表示画像光を表示画面から出射させる液晶表示手段としての液晶ディスプレイ１２と、それぞれ一方向に集光させるための「かまぼこ型レンズ」である２枚のシリンドリカルレンズ手段としてのシリンドリカルレンズ２３ａおよびシリンドリカルレンズ２３ｂとを備えている。

シリンドリカルレンズ２３ａおよびシリンドリカルレンズ２３ｂは、液晶ディスプレイ１２からの表示画像光をそれぞれ集光させて瞳孔内に集光収束点Ａ（垂直集光方向収束線Ａ_Ｖおよび水平集光方向収束線Ａ_Ｈ）を位置させるために、その断面凸形状の各長手方向を直交させるように所定間隔に配置している。これらの垂直集光方向収束線Ａ_Ｖと水平集光方向収束線Ａ_Ｈが一致する場合（図５（ｂ）参照）には、その一致点が集光収束点Ａであって、クロスした線状の垂直集光方向収束線Ａ_Ｖと水平集光方向収束線Ａ_Ｈ上で表示画像がはっきりと見え、そのクロス点である集光収束点Ａで最もはっきりとした映像を見ることができる。また、垂直集光方向収束線Ａ_Ｖと水平集光方向収束線Ａ_Ｈが一致せず焦点深度が異なる場合（図５（ｃ）参照）には、垂直集光方向収束線Ａ_Ｖと水平集光方向収束線Ａ_Ｈの光軸方向Ｃにおける深度差Ｎの範囲内で映像がシャープに見える。この深度差Ｎの範囲内であれば、マックスウェル視の集光収束点Ａの場合ほどではないが、そこそこはっきりとした表示画像が見られる。

上記構成により、液晶ディスプレイ１２からの表示画像光がシリンドリカルレンズ２３ａで縦方向（上下方向）に集光され、さらに、液晶ディスプレイ１２からの画像光がシリンドリカルレンズ２３ｂで横方向（左右方向）に集光されて、垂直集光方向収束線Ａ_Ｖと水平集光方向収束線Ａ_Ｈが一致するマックスウェル視の集光収束点Ａが瞳孔内に位置する場合に画像がはっきりと見える。クロスした線状の垂直集光方向収束線Ａ_Ｖと水平集光方向収束線Ａ_Ｈでも画像がそれなりにはっきりと見える。また、垂直集光方向収束線Ａ_Ｖと水平集光方向収束線Ａ_Ｈが一致せず各焦点深度が異なる場合には、垂直集光方向収束線Ａ_Ｖと水平集光方向収束線Ａ_Ｈの光軸方向Ｃにおける深度差Ｎの範囲内で映像がそれなりにはっきりと見える。

このように、２枚のシリンドリカルレンズ２３ａおよびシリンドリカルレンズ２３ｂを垂直な方向に組み合わせて、それぞれの収束点を個別に決めることができ、両者を合わせた場合は、これまでの収束点と等価であるが、２枚のレンズの収束位置を意図的にずらした場合、両方の収束位置の間で、マックスウェル視と同様な効果を得ることができる。約５ｃｍまでずらした場合、２０ジオプターのレンズを用いても（強度の近視に相当）効果が確認できた。なお、このような２枚のレンズを用いてもよいが、ＨＯＥを用いれば、１枚のＨＯＥで実現できる。２枚のレンズを用いた光学系と等価な機能を１枚のＨＯＥに焼きこむことができる。

以上により、シリンドリカルレンズ２３ａおよびシリンドリカルレンズ２３ｂにより、垂直方向（上下方向）と水平方向（左右方向）で焦点深度を変えることができる。焦点深度を変えた範囲内（深度差Ｎ）で焦点ボケを抑えて、集光収束点Ａと瞳孔との位置合わせをそれなりに行うことができる。

（実施形態３）
本実施形態３では、レイティキュラーレンズやシリンドリカルレンズなどによる複数の収束点を用いる場合について説明する。

図６は本発明の実施形態３に係る画像表示装置のレンズ部分の一例を示す配置構成図であって、（ａ）はそのレンズ部分の上面図、（ｂ）はそのレンズ部分の側面図、（ｃ）はそのレンズ部分の斜視図である。なお、図１および図２と同様の作用効果を奏する部材には同一の符号を付してその説明を省略する。

図６（ａ）および図６（ｂ）において、本実施形態３の画像表示装置３０は、点光源１１と、液晶ディスプレイ１２と、複数の集光手段としてのレイティキュラーレンズ手段（レイティキュラーレンズ３３）とを備えている。なお、このレイティキュラーレンズ手段として、複数の集光点Ａを得るために、レイティキュラーレンズ３３の代わりに、図６（ｃ）のシリンドリカルレンズ３３を用いることもできる。図６（ｃ）のシリンドリカルレンズ３３を用いる場合には、一方のシリンドリカルレンズは１枚で、他方のシリンドリカルレンズはレンズがアレイ状に並んだ複数枚から構成されている。

レイティキュラーレンズ３３は、複数の凸レンズがアレイ状でシート状に連続して設けられており、液晶ディスプレイ１２からの画像光を複数点（ここでは三つ）で集光させて瞳孔に対して必ず一つの収束点Ａを位置させるために用いる。これらの凸レンズによる複数の収束点Ａ（Ａ１〜Ａ３）の隣接距離は、瞳孔の直径かそれよりも僅かに小さい距離であることが望ましく、ここでは、その隣接距離を１.５ｍｍ〜２.０ｍｍとしている。この隣接距離が１.５ｍｍよりも小さいと、瞳孔内に二つの収束点Ａが位置する可能性があり、網膜上に投影される画像が二重にダブって見える。また、この隣接距離が２.０ｍｍよりも大きいと、瞳孔が移動した際に瞳孔上に収束点Ａが存在しない場合が生じ、網膜上にマックスウェル視による画像が投影されない場合が生じるからである。

上記構成により、液晶ディスプレイ１２からの画像光がレイティキュラーレンズ３３の複数の凸レンズによりそれぞれ集光されて複数の収束点Ａ１〜Ａ３を得る。これらの収束点Ａ１〜Ａ３のピッチは瞳孔の直径と略等しいので瞳孔内には必ず一つの収束点Ａを位置させることができる。したがって、マックスウェル視の収束点Ａ１〜Ａ３のいずれかと瞳孔の位置とを容易かつ安定的に合わせてマックスウェル視による良好な画像を見ることができる。

以上により、レイティキュラーレンズ３３（またはレイティキュラーシート）やシリンドリカルレンズ３３を垂直な方向に配置し、これによって複数の収束点Ａ１〜Ａ３（ここでは三つ）を実現することができる。特に、ＨＯＥで複数の収束点を実現する場合には、この方式を用いれば、前述したように１回の撮影でＨＯＥを作製することが可能となるため、感材にホトポリマーを用いた場合でも有効である。本実施形態３では、図６（ｃ）の３次元図に示すように前後２つのシリンドリカルレンズを組み合わせて複数の収束点Ａが同時に複数（ここでは三つ）できるが、これをＨＯＥであれば１枚で実現可能である。ＨＯＥで実現する場合、１点づつ記録して、銀塩の感光材料を用いた場合、多重記録で複数の収束点を実現できるが、フォトポリマーでは、これが困難である。これは、フォトポリマー材料の特性上、多重記録ができないためである。ところが、図６（ｃ）の光学系で、複数の収束点を１回の記録でＨＯＥにする場合には、フォトポリマーでも可能となる。銀塩感光材料よりもフォトポリマー材料を用いた方が、光の利用効率と取り扱いの簡単さから断然有利である。

（実施形態４）
上記実施形態１では、光源１１の位置を光源駆動装置１４にて左右、上下および前後の各方向のうち、少なくとも左右および上下の各方向に移動させることにより、マックスウェル視の集光点Ａの位置も、少なくとも左右および上下の各方向に移動させて、集光点Ａの位置を瞳孔の位置に自動調整することができる場合について説明したが、本実施形態４では、光源位置の移動制御として、光源１１を直接移動させる方式に代えて、光源１１からの光を通すピンホールを光源駆動装置１４にて移動させる方式について説明する。

図７は、本発明の実施形態１、４に係る画像表示装置の一例をそれぞれ示す配置構成図であって、（ａ）は、本発明の実施形態１に係る画像表示装置の液晶ディスプレイに平行光線を入射させた状態を示す上面図、（ｂ）は、本発明の実施形態４に係る画像表示装置の点光源の代わりにピンホールを左右方向に移動させて収束点位置調節した状態を示す上面図である。なお、図１および図２と同様の作用効果を奏する部材には同一の符号を付してその説明を省略する。

図７（ｂ）において、本実施形態４の画像表示装置４０は、点光源１１と、この点光源１１を用いて表示画像光を表示画面から出射させる液晶表示手段としての液晶ディスプレイ１２と、この液晶ディスプレイ１２からの表示画像光を集光させる集光手段としての凸レンズ１３と、瞳孔の位置を検出し、瞳孔内にマックスウェル視の集光収束点Ａが位置するように、点光源１１に代えてピンホール位置である光源位置を自動移動制御する光源駆動手段としての光源駆動装置１４と、ピンホールを形成可能とするピンホール部材１５とを備え、マックスウェル視により眼の瞳孔を通して網膜上に、自動位置調整された表示画像を投影可能とする。

ピンホール部材１５は、点光源１１からの光の一部を透過可能とするピンホールを有する光学マスクであってもよい。この場合には、光源駆動装置１４は、瞳孔の位置と集光点Ａを一致させるために、ピンホールを持つ光学マスクを移動させる。この光学マスクの位置が点光源１１の位置となる。この光学マスクおよび光源駆動装置１４の点光源移動手段を実現するデバイスとして、液晶表示装置（ＬＣＤ）を用いることにより、光源の位置（光学マスクの開口部の位置）の制御を可動部なしに電子的に容易かつ正確に行うことができる。この液晶表示装置（ＬＣＤ）は、本発明の画像表示装置における点光源１１およびピンホール部材１５の組合せを、新たな点光源として、点光源移動手段として、ピンホール部材１５のピンホール（開口穴）を移動制御可能とする。

図７（ｂ）では、平行光を用いているが、これに限らず、球面波を用いても、瞳孔と集光点Ａとの自動位置調整効果が得られる。また、本実施形態４で、ピンホール（開口部）とその移動制御に液晶表示装置（ＬＣＤ）を用いる場合には、その移動制御は光軸に対して垂直方向の移動であって、ピンホールの光軸方向（前後方向）の移動は可動部を必要とする。さらに、この場合にも、集光手段としての凸レンズ１３に代えて、上記実施形態１〜３の場合の上記ＨＯＥを用いることもできるし、上記実施形態２、３の２枚のシリンドリカルレンズを用いた収束点形状の工夫や、レイティキュラーレンズやシリンドリカルレンズなどを用いた複数の収束点の実現手法に、本実施形態４を適用することもできる。

なお、上記実施形態１〜４では、特に説明しなかったが、上記画像表示装置１０，２０、３０および４０を電子眼鏡に適用することができる。この電子眼鏡は、ビデオカメラ装置などを装着することもできるし、外部に設けられたビデオカメラ装置やテレビジョン装置、さらにはモニタ装置などの画像信号発生装置からの画像信号を液晶ディスプレイ１２に供給して所望の画像を得ることもできる。液晶ディスプレイ１２からの画像光を両眼の各瞳孔にそれぞれマックスウェル視による収束点Ａを位置させて、マックスウェル視によるシャープな画像を両眼で見ることができる。このとき、上記実施形態１では、球面収束光の収束点Ａの位置を左右および上下に自動調整し、上記実施形態２では、シリンドリカルレンズ２３ａで一方向（上下方向）に集光され、さらにシリンドリカルレンズ２３ｂで他方向（左右方向）に集光して、クロス状の収束線Ａ_ＶおよびＡ_Ｈ上で、また、収束線Ａ_ＶおよびＡ_Ｈの深度差Ｎの範囲内で、上記実施形態３では、レイティキュラーレンズ３３による複数の収束点Ａ１〜Ａ３を用いて、マックスウェル視の収束点Ａと瞳孔の位置とを容易かつ安定的に合わせてマックスウェル視による良好なシャープな画像を見ることができる。

この電子眼鏡は手持ち式であっても固定式であっても片目用であっても両目用であってもよい。電子眼鏡が手持ち式の場合に、グリップ部を有していてもよいしなくても手で持つ部分があればよい。

また、本発明は軽量小型化が可能なため、上記手持ち式電子眼鏡ではなく、まがね型にセットアップすることができ、ハンズフリーとなる。よって、視覚障害者の一層の視覚支援が期待される。

また、上記実施形態２，３では特に説明しなかったが、光源駆動装置１４を設けていてもよい。

以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜３を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜３に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜３の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、マックスウェル視を用いて瞳孔を通して直に網膜に画像光を投影するための画像表示装置およびこれを用いた電子眼鏡の分野において、簡単な構成で、マックスウェル視の収束点と瞳孔の位置とを容易かつ安定的に合わせて低視力者であってもマックスウェル視による良好な画像を見ることができる。また、これを電子眼鏡に適用することができる。この電子眼鏡は、ビデオカメラ装置などを装着することもできるし、外部に設けられたビデオカメラ装置やテレビジョン装置、さらにはモニタ装置などの画像信号発生装置からの画像信号を透過投影型の液晶ディスプレイなどの液晶表示装置に供給して所望の画像を得るようにすることもできる。

Claims (14)

1. マックスウェル視により眼の瞳孔を通して網膜に画像を投影可能とする画像表示装置において、
   点光源と、該点光源を用いて表示画像光を表示画面から出射させる表示手段と、該表示手段からの表示画像光を集光させる集光手段と、瞳孔の位置を検出し、該瞳孔にマックスウェル視の集光収束点が位置するように該点光源の位置を自動移動制御する光源駆動手段とを備えた画像表示装置。
2. マックスウェル視により眼の瞳孔を通して網膜に画像を投影可能とする画像表示装置において、
   点光源と、該点光源を用いて表示画像光を表示画面から出射させる表示手段と、該表示画像光を、それぞれ一方向に集光させる２枚のシリンドリカルレンズ手段とを備えた画像表示装置。
3. マックスウェル視により眼の瞳孔を通して網膜に画像を投影可能とする画像表示装置において、
   点光源と、該点光源を用いて表示画像光を表示画面から出射させる表示手段と、
   該表示手段からの表示画像光を集光させる複数の集光手段がアレイ状に並んだレイティキュラーレンズ手段とを備えた画像表示装置。
4. 瞳孔の位置を検出し、該瞳孔にマックスウェル視の集光収束点が位置するように該点光源の位置を自動移動制御する光源駆動手段をさらに有する請求項２または３に記載の画像表示装置。
5. 前記光源駆動手段は、瞳孔の位置を検出する瞳孔検出手段と、該瞳孔検出手段で検出した検出結果に応じて、マックスウェル視の集光収束点と該瞳孔の位置とが２次元的に一致するように、光軸方向に対して少なくとも垂直面の直交するＸ方向およびＹ方向に前記点光源を移動させる点光源移動手段とを有する請求項１または４に記載の画像表示装置。
6. 前記光源駆動手段は、瞳孔の位置を検出する瞳孔検出手段と、前記点光源をランダム方向に所定量移動させ、該瞳孔検出手段で瞳孔を検出した位置から、該瞳孔の中心にマックスウェル視の集光収束点が来るように該点光源の位置を更に高精度に微調整する点光源移動手段とを有する請求項１または４に記載の画像表示装置。
7. 前記集光手段は、凸レンズまたはホログラフィック光学素子である請求項１または３に記載の画像表示装置。
8. 前記表示手段は液晶表示手段である請求項１〜３のいずれかに記載の画像表示装置。
9. 前記２枚のシリンドリカルレンズ手段は焦点位置が一致しているかまたは異なっている請求項２に記載の画像表示装置。
10. 前記点光源は、レーザ光発生装置、フォトダイオードおよび蛍光ランプの少なくともいずれかであるかまたは、該点光源およびピンホール部材の組合せである請求項１〜６のいずれかに記載の画像表示装置。
11. 前記点光源と前記点光源移動手段が液晶表示装置で構成され、該液晶表示装置は、前記点光源およびピンホール部材のピンホールの組合せを新たな点光源として、該ピンホール部材のピンホールを移動制御可能とする請求項５または６に記載の画像表示装置。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の画像表示装置を用いた電子眼鏡。
13. 請求項１〜１１のいずれかに記載の画像表示装置と、該画像表示装置に映像信号を供給可能とするビデオカメラ装置とを有する電子眼鏡。
14. 手持ち式電子眼鏡または、鼻と耳で固定可能とする眼鏡である請求項１３または１４に記載の電子眼鏡。