JP2001027740A - 網膜ディスプレー装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】近視，遠視，乱視等の眼の特性に応じた視度，
収差補正等の光学的調整が不要で、適正な映像を形成す
るコンパクトな網膜ディスプレー装置を提供する。 【構成】入力端子９から入力された映像信号をＬＥＤ２
で可視光線に変換する。可視光線を収束光学系８で集光
し、網膜２５上において合焦するように、自動焦点調節
手段１０で収束光学系８をＺ軸に沿って移動制御する。
映像信号に基づき、映像を規定するＸ，Ｙ軸のそれぞれ
について独立したプリズム１４，１５等から成る光偏向
装置１８で可視光線を偏向させることにより、映像を認
識させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は網膜ディスプレー装置に
関するものであり、更に詳しくは、眼球の網膜上に直接
的に可視光線を投影し目的の映像焦点を結ばせる網膜デ
ィスプレー装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的なディスプレー装置には、ブラウ
ン管，ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)パネル等の表示
デバイスが必要とされる。これらの表示デバイスは大き
な空間を占めるため、映像表示装置全体が大型化し、設
置場所には大きなスペースが必要となる。

【０００３】そこで、映像表示装置の軽量・コンパクト
化及びポータブル化を図るため、表示デバイスの不要な
網膜ディスプレー装置が、特開平4-22919号，同4-23579
号，特開昭49-45629号，同49-45630号，同49-45632号等
で提案されている。

【０００４】特開平4-22919号，同4-23579号公報に開示
されている網膜ディスプレー装置は、液晶パネルの映像
を直接眼球の網膜に投影する構成となっている。一方、
特開昭49-45629号，同49-45630号，同49-45632号公報に
開示されている網膜ディスプレー装置は、映像信号によ
って輝度変調された光源からの光を、直接眼球の網膜に
２次元的に走査展開して映像を形成する構成となってい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、液晶パネルを
用いた上記網膜ディスプレー装置には、次のような問題
がある。すなわち、液晶パネル上には常に平面的な映像
が形成されるにもかかわらず、視力や網膜のカーブには
個人差があるため、ピントの合った映像が観察されるよ
うにするには、装置の使用者ごとに、近視，遠視，乱視
等の眼の特性に応じた視度，収差補正等の光学的調整を
行わなければならないといった問題がある。特に、左右
の眼の視力が異なる場合等では調整が難しく、適正に調
整されていないと眼に大きな負担がかかるといった問題
がある。

【０００６】一方、光を網膜上に２次元的に走査展開す
る上記構成では、光学系(対物レンズ)の焦点調節が考慮
されていないため、前記液晶パネルを用いた従来例と同
様に、装置の使用者ごとに、眼の特性に応じた光学的調
整を行わなければならないといった問題がある。また、
映像信号によって輝度変調された光から同期信号を検出
して用いているため、光偏向器の誤動作により画質が低
下しやすいといった問題もある。

【０００７】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであって、近視，遠視，乱視等の眼の特性に応じた視
度，収差補正等の光学的調整が不要で、適正な映像を形
成するコンパクトな網膜ディスプレー装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の網膜ディスプレー装置は、眼球の網膜上に直接
可視光線を照射することにより、映像を認識させる網膜
ディスプレー装置において、映像信号を前記可視光線に
変換する発光手段と，微小なビームスポットが形成され
るように前記可視光線を集光する収束光学系と，該収束
光学系によって集光された可視光線が網膜上において合
焦するように、前記網膜からの反射光によって網膜上の
合焦状態を検出するとともに該検出信号に基づいて前記
収束光学系を駆動制御する自動焦点調節手段と，前記映
像信号に基づき前記可視光線を偏向させる光偏向手段
と，を備えたことを特徴としている。

【０００９】更に、前記網膜上に形成される映像の全面
について自動焦点調節を行う他、遠近感を認識させるよ
うに焦点を部分的に外して自動焦点調節を行ったり、立
体感や遠近感を認識させるように左右の眼球の映像にズ
レを持たせることもできる。

【００１０】

【作用】このような構成によると、発光手段によって映
像信号から変換された可視光線が、収束光学系によって
集光し、光偏向手段によって偏向するに際して、自動焦
点調節手段が収束光学系を駆動して、可視光線を網膜上
において合焦させる。従って、網膜上のいずれの部分に
おいても可視光線は合焦状態を保つため、眼の特性によ
らず、認識される映像も常に合焦状態となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明の一実施例の概略構成を示すブロッ
ク図である。図２はその要部構成を示す斜視図である。

【００１２】本実施例の網膜ディスプレー装置は、眼球
２０の網膜２５上に直接可視光線を照射することによ
り、映像を認識させる網膜ディスプレー装置であり、主
として次のような構成になっている。即ち、図１に示す
ように、入力端子９から入力された映像信号を可視光線
に変換する発光ダイオード(以下、「ＬＥＤ」という)２
と，その可視光線を集光する収束光学系８と，収束光学
系８によって集光された可視光線が網膜２５上において
合焦するように、前記収束光学系８を駆動制御する自動
焦点調節手段１０と，前記映像信号に基づき前記可視光
線を偏向させる(即ち、発光角度を変化させる)光偏向装
置１８とを備えた構成となっている。

【００１３】ＬＥＤ２は、増幅器１で増幅された映像信
号によって輝度変調された単色の可視光線を発する発光
手段である。このＬＥＤ２に固定の集光用光学系を設け
ることによって、ＬＥＤ２から放射された光の有効利用
を図ることができる。

【００１４】ＬＥＤ２の代わりに、半導体レーザ等の他
の発光手段を用いてもよい。その場合、回折によるビー
ムの広がりを無視できるのであれば、収束光学系８や自
動焦点調節手段１０を用いずにレーザビーム自身の鋭い
指向性のみを利用して網膜２５上を走査してもよい。し
かし、網膜２５の大きさに対するレーザビームスポット
の大きさを考慮すると、高精度の映像を形成するために
は、収束光学系８を用いて網膜２５上により微小なビー
ムスポットが形成されるようにするのが好ましい。

【００１５】本実施例に用いられているＬＥＤ２は、単
色発光を行うものであるが、図４に示すように、入力端
子９(図１)から入った映像信号Ｒ，Ｇ，Ｂによって、そ
れぞれＲ，Ｇ，Ｂの３原色発光を行うＬＥＤ２Ｒ，２
Ｇ，２Ｂを用いて、カラー表示を行う構成としてもよ
い。

【００１６】前記入力端子９から入力される映像信号
は、テレビカメラ，テレビチューナ，ＶＴＲ等の映像信
号源から送られてくるものである。入力端子９の構造
は、前記映像信号源の出力端子と着脱自在に接続されう
るように、コネクタ構造になっているのが好ましい。コ
ネクタ構造とすることにより、取扱いが容易になるとと
もに、装置全体のコンパクト化，ポータブル化が可能に
なる。また、映像信号源を適宜選択することができるの
で、用途の多様化が可能になる。

【００１７】収束光学系８は、ＬＥＤ２から発せられた
可視光線を集光して網膜２５上に微小なビームスポット
を形成する。それとともに、後述する光学系駆動手段７
によって光軸方向に移動するフォーカシングレンズとし
ても機能する。

【００１８】本実施例では自動焦点調節装置１０によっ
て、網膜２５上の映像形成領域３０の走査中、常にピン
ト調整が行われるので、ＬＥＤ２から網膜２５に至る光
路中のいずれの位置に収束光学系８を配置してもよい。
よって、装置の設計上の自由度が高いといったメリット
がある。

【００１９】前記自動焦点調節手段１０は、前記収束光
学系８をその光軸(ここでは、眼球２０の光軸と一致
し、Ｚ軸に対して平行である)の方向に沿って移動させ
る光学系駆動手段７と，網膜２５からの反射光を受光す
るフォトセンサ４と，フォトセンサ４の受光面積に応じ
た信号を出力する検出器５と，検出器５からの信号に基
づいて前記光学系駆動手段７の動作を制御する焦点制御
回路(Ｚ軸コントローラ)６とから構成されている。

【００２０】前記網膜２５からの反射光は、図２に示す
ように、ＬＥＤ２から網膜２５に向けて可視光線を導く
(実線矢印)後記プリズム１６，１７等の要素中を逆に進
む(破線矢印)ため、ＬＥＤ２の下流側に配されたプリズ
ム３によって、ＬＥＤ２から網膜２５に向かう光路から
分離される。つまり、プリズム３は、ビームスプリッタ
として機能する。分離された反射光は、次のようにして
焦点検出に用いられる。

【００２１】図３に、網膜２５とフォトセンサ４との位
置関係を示す。尚、同図中、プリズム３，１６，１７等
は省略する。フォトセンサ４は、同図に示すようにアレ
イ状にフォトダイオード素子４ａが複数配されたユニッ
トとして用いられる。網膜２５の表面に向けて収束する
可視光線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は、前記プリズム３等で反射
された後フォトセンサ４を照射する。ここで、前ピンの
場合には、網膜２５に対する入射光Ｂ１は反射光Ｂ３と
なり、フォトセンサ４の範囲Ａ１を照射する。合焦の場
合には、網膜２５に対する入射光Ｂ２は反射光Ｂ２の光
路を戻り、フォトセンサ４の範囲Ａ２を照射する。後ピ
ンの場合には、網膜２５に対する入射光Ｂ３は反射光Ｂ
１となり、フォトセンサ４の範囲Ａ３を照射する。

【００２２】このように、フォトセンサ４に対する照射
面積の違い(Ａ１＞Ａ２＞Ａ３)により、ピント状態を知
ることができるのである。つまり、アレイ状に配された
複数のフォトダイオード素子４ａのうち、受光したもの
がどれか、又は受光した個数はいくつか等の受光面積の
情報を意味する信号が、図１に示すように検出器５から
焦点制御回路６に送られ、その信号に基づいて焦点制御
回路６が光学系駆動手段７を動作させることになる。こ
のように、眼のピントのズレがフィードバックされるこ
とによって、網膜２５上に形成される映像の全面につい
て焦点調節が行われ、ビームスポットの合焦状態が保た
れるのである。

【００２３】図２に示すように、網膜２５上のＸ−Ｙ軸
で規定される映像形成領域３０を一通り走査した後にお
いては、その走査時に記憶学習したデータに基づいて、
２回目以降の走査時の焦点調節を行うように構成しても
よい。例えば、ファジー制御を採用してもよい。また、
所定時間ごと又は所定走査回数ごとに焦点検出，焦点調
節を行う構成としてもよい。これらの構成によれば、光
学系駆動手段７の動作を高速・円滑に行うことができ
る。

【００２４】光学系駆動手段７(図１)としては、例え
ば、収束光学系８が固定された鏡枠を、モータ駆動のカ
ムで光軸方向に沿って前後に移動させるような構成を採
用することができる。尚、自動焦点調節装置としては、
ＣＤ(Compact Disk)プレーヤ等に用いられている自動焦
点調節装置を用いることができる。

【００２５】ところで、網膜２５上に可視光線が照射さ
れると、網膜２５奥の視細胞(不図示)から視神経２２に
情報が伝達される。網膜２５上に形成される可視光線の
ビームスポット径と視細胞の大きさとの関係から予め焦
点深度を設定し、焦点制御回路６でその焦点深度に基づ
いて焦点調節を行うことができる。網膜２５上に形成さ
れる映像の全面(図２中の映像形成領域３０のすべての
点)について焦点調節を行ってもよいが、例えば映像に
応じて部分的にピントを外すことにより、所定の被写界
深度を生じさせて遠近感を認識させることも可能であ
る。

【００２６】光偏向装置１８は、Ｘ−Ｙ軸コントローラ
１１，Ｘ軸ドライバ１２，Ｙ軸ドライバ１３，ダイレク
トモータ１４，１５，Ｘ軸用プリズム１６，Ｙ軸用プリ
ズム１７から構成されている。

【００２７】光偏向装置１８は、網膜２５に対し、直接
的な照射及びＸ，Ｙ軸方向で規定される２次元的な走査
が行われるように、映像信号から変換された可視光線を
偏向させる装置である。Ｘ，Ｙ軸方向のそれぞれについ
て、反射面を３面有するＸ軸用プリズム１６及びＹ軸用
プリズム１７と，前記可視光線が前記反射面によって偏
向するようにＸ軸用プリズム１６及びＹ軸用プリズム１
７を駆動するダイレクトモータ１４及び１５並びにその
モータ１４及び１５をそれぞれ駆動するＸ軸ドライバ１
２及びＹ軸ドライバ１３とを独立に備えている。更に、
Ｘ軸ドライバ１２及びＹ軸ドライバ１３の動作を、前記
映像信号に基づいて同期制御するＸ−Ｙ軸コントローラ
１１を備えている。このように、Ｘ，Ｙ軸のそれぞれに
ついて、独立した系により偏向を制御するようになって
いるので、網膜２５上に直接的に鮮明な映像を形成する
ことができる。

【００２８】また、映像信号から変換された可視光線
は、プリズム１６，１７で反射されて網膜２５上を照射
するが、プリズム１６，１７を駆動することにより可視
光線の走査を行うモータ１４，１５等は、Ｘ−Ｙ軸コン
トローラ１１によって映像信号に基づいて同期制御され
るため、例えば、ノイズとなる光によって同期信号が影
響を受けることはない。

【００２９】図２では、光偏向装置１８の機械的な部分
が示されているが、収束光学系８等については図示省略
されている。同図に示すように、ダイレクトモータ１
４，１５は、それぞれ固定コイル１４ａ，１５ａ，可動
コイル１４ｂ，１５ｂ及び軸１４ｃ，１５ｃから成って
いる。軸１４ｃ，１５ｃにはＸ，Ｙ軸用プリズム１６，
１７がそれぞれ固定されており、モータ１４，１５がＯ
Ｎすると、軸１４ｃ，１５ｃが一方向に回転する。尚、
ダイレクトモータ１４，１５としては、ＣＤプレーヤー
等に用いられている薄型のモータを用いることができ
る。

【００３０】Ｘ，Ｙ軸用プリズム１６，１７は、図２に
示すように正三角柱状を成す光偏向器である。従って、
それぞれ120°の回転角度で、映像形成領域３０のＸ，
Ｙ軸方向の１辺の走査が完了する。Ｘ，Ｙ軸用プリズム
１６，１７のような光偏向器に限らず、反射面を３面有
する正三角柱状ミラーや回転多面鏡(ポリゴンミラー)，
ガルバノ式スキャナ等、従来よりレーザプリンター，フ
ァクシミリ，電子複写機等に用いられている光偏向器を
用いてもよい。ガルバノ式スキャナのように、平面鏡を
所定角度の範囲で回動させる構成では、Ｘ，Ｙ軸用プリ
ズム１６，１７のように一方向の回転で走査する構成に
比べてコンパクトであるため、装置内の省スペース化を
図ることが可能である。

【００３１】Ｘ−Ｙ軸コントローラ１１(図１)によっ
て、前記映像信号から同期信号が分離され、その同期信
号によって、Ｘ軸ドライバ１２及びＹ軸ドライバ１３が
Ｘ，Ｙ軸用モータ１４，１５を駆動する。ＬＥＤ２から
の可視光線は、Ｘ，Ｙ軸用モータ１４，１５によって回
転するプリズム１４，１５で偏向する。図２に示すよう
に、偏向された可視光線が映像形成領域３０を走査する
ことによってラスターを形成し、視覚的には空間に２次
元的に展開された映像として、観察者に認識させる。
尚、上記可視光線による走査は、偏向周波数30Hz程度で
一定の順序により行われる。

【００３２】左右の眼球２０の同一の映像形成領域３０
に対して可視光線の走査を行ってもよいが、左右の眼球
２０に対し映像形成領域３０に所定量のズレを持たせる
ことにより、視差を生じさせ、結果として、立体的な映
像や遠近感をもった映像を認識させることが可能であ
る。

【００３３】また、本実施例の装置を、眼球２０の視界
を遮らないように頭部に固定することによって、実際に
見ているものに対するスーパーインポーズ的な表示を行
うことも可能である。例えば、視界の全面又は視界の端
に映像をオーバーラップさせた場合であっても、実際に
見ている物と２次元的に走査展開された映像との双方に
眼のピントが合っているので、眼に負担をかけることな
く、常に物と映像の双方を見ることができる。

【００３４】このように本実施例では、直接網膜２５上
に可視光線で描画する方法を採用しているので、顔の向
きに拘らず常に鮮明な画質の映像を見ることができる。
しかも、超小型構造とすることができるので、頭部に固
定して使用すれば設置場所も不要である。また、視力や
網膜形状等の特性は、人によって(つまり、眼球ごとに)
異なるが、本実施例では網膜２５からの反射光により焦
点調節を行う構成となっているので、かかる特性に依存
することなく、だれでも適正な映像を見ることが可能で
ある。

【００３５】本発明の網膜ディスプレー装置は、バーチ
ャルリアリティー等に用いる映像表示装置；ＴＶ，ＶＴ
Ｒ，パソコン，映画，セキュリティシステム，プレゼン
テーションツール等に用いる映像表示装置；３次元ＴＶ
等に用いる映像表示装置；自動車，飛行機，宇宙船，船
舶，鉄道等の操縦パネル用表示装置に好適に用いること
が可能である。特に、視界に常に表示が行われている必
要がある用途には好適である。

【００３６】

【発明の効果】以上説明した通り本発明によれば、眼球
の網膜上に直接可視光線を照射することにより、映像を
認識させる網膜ディスプレー装置において、映像信号を
前記可視光線に変換する発光手段と，前記可視光線を集
光する収束光学系と，該収束光学系によって集光された
可視光線が網膜上において合焦するように、前記収束光
学系を駆動制御する自動焦点調節手段と，前記映像信号
に基づき前記可視光線を偏向させる光偏向手段とを備え
た構成となっているので、近視，遠視，乱視等の眼の特
性に応じた視度，収差補正等の光学的調整が不要で、適
正な映像を形成するコンパクトな網膜ディスプレー装置
を実現することができる。

【００３７】また、網膜上に形成される映像の焦点を部
分的に外して自動焦点調節を行うことで遠近感を認識さ
せるようにしたり、左右の眼球の映像にズレを持たせる
ことで立体感や遠近感を認識させるようにもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成を概略的に示すブロック
図。

【図２】本発明の実施例の要部構成を示す斜視図。

【図３】本発明の実施例に用いられるフォトセンサと前
ピン，合焦及び後ピンとの関係を示す図。

【図４】本発明の実施例に用いることができるカラー表
示用発光素子の構成を示す模式図。

【符号の説明】

１ …増幅器 ２ …ＬＥＤ ２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ …ＬＥＤ ３ …プリズム ４ …フォトセンサ ５ …検出器 ６ …焦点制御回路 ７ …光学系駆動手段 ８ …収束光学系 ９ …入力端子 １８ …光偏向装置 １１ …Ｘ−Ｙ軸コントローラ １２ …Ｘ軸ドライバ １３ …Ｙ軸ドライバ １４ …Ｘ軸用ダイレクトモータ １４ａ …固定コイル １４ｂ …可動コイル １４ｃ …軸 １５ …Ｙ軸用ダイレクトモータ １５ａ …固定コイル １５ｂ …可動コイル １５ｃ …軸 １６ …Ｘ軸用プリズム １７ …Ｙ軸用プリズム ２０ …眼球 ２２ …視神経 ２５ …網膜 ３０ …映像形成領域

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】眼球の網膜上に直接可視光線を照射するこ
   とにより、映像を認識させる網膜ディスプレー装置にお
   いて、映像信号を前記可視光線に変換する発光手段と，
   微小なビームスポットが形成されるように前記可視光線
   を集光する収束光学系と，該収束光学系によって集光さ
   れた可視光線が網膜上において合焦するように、前記網
   膜からの反射光によって網膜上の合焦状態を検出すると
   ともに該検出信号に基づいて前記収束光学系を駆動制御
   する自動焦点調節手段と，前記映像信号に基づき前記可
   視光線を偏向させる光偏向手段と，を備えたことを特徴
   とする網膜ディスプレー装置。
2. 【請求項２】前記網膜上に形成される映像の全面につい
   て自動焦点調節を行うことを特徴とする請求項１に記載
   の網膜ディスプレー装置。
3. 【請求項３】前記網膜上に形成される映像の焦点を部分
   的に外して自動焦点調節を行うことを特徴とする請求項
   １に記載の網膜ディスプレー装置。
4. 【請求項４】左右の眼球の映像にズレを持たせることを
   特徴とする請求項１〜３に記載の網膜ディスプレー装
   置。