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JP3761834B2 - Image display device - Google Patents

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JP3761834B2
JP3761834B2 JP2002116397A JP2002116397A JP3761834B2 JP 3761834 B2 JP3761834 B2 JP 3761834B2 JP 2002116397 A JP2002116397 A JP 2002116397A JP 2002116397 A JP2002116397 A JP 2002116397A JP 3761834 B2 JP3761834 B2 JP 3761834B2
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image
image display
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達樹 岡本
行雄 佐藤
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、映像板の透過光束を装着者の網膜に直接投影する眼球投射型画像表示装置に関する。また、本発明は、携帯可能なめがね装着型又はヘッドマウント型の眼球投射型画像表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
眼球投射型の画像表示装置として、図9に示す光学系を含むものが、例えば特開平2−136818号公報で提案されている。この画像表示装置の光学系30は、図示しないフレームによって装着者の眼前に保持されており、装着者の眼球31に向かって配置された複数の構成部分、すなわち点光源32、映像板である透過型液晶パネル33、接眼レンズ34を備えている。このような構成を備えた画像表示装置において、点光源32から出射された光は、液晶パネル33を透過する。液晶パネル33を透過した光によって形成される画像又は映像は、接眼レンズ34によって瞳35で結像され、水晶体36を介して網膜37に投影される。このように、この画像表示装置では点光源32が瞳35上で結像するように構成されており、光束の指向性がよい。また、装着者が近視であるか遠視であるかに拘わらず、液晶パネル33の画像を鮮明に観察できる。反面、装着者が光学系30から僅かに眼を逸らしただけでも光束が虹彩によってけられ、映像を観察できなくなる。例えば、通常の大人の場合、暗い場所での瞳直径は約7mmであるから、瞳35が約±3.5mm以上動くと、画像を観察できない。また、明るい場所では瞳直径は約4mmとなるので、瞳35が約±2mm動くと、画像を観察できない。
【0003】
一方、面光源を液晶パネルに密着して配置する構成が提案されている。この構成では、液晶パネルを透過した光が全方位に放射され、指向性の無い光束が瞳に導かれる。したがって、瞳を通過する光の角度成分が広い。そのために瞳に光束を投射する光学系の収差を補正しなければならず、光学系の構成が著しく複雑になる。また、装着者は自分自身の水晶体で映像を網膜に収束する必要がある。しかし、液晶パネルと瞳との距離は限られているので、特に視力の悪い人は眼鏡を装着する必要がある。さらに、装着者が外界を観察するために液晶パネルから視線をそらしても、液晶パネルを透過した光が装着者の瞳に入り、そのために外界の様子を良好に観察できない。さらにまた、観察に必要な光量以上の光量で液晶パネルを照明する必要があるので、消費電力が大きくなる。
【0004】
また、別の画像表示装置として、図10に示すように、液晶パネル33と接眼レンズ34との間に結像レンズ39を配置し、結像レンズ39で一度空中像として中間結像面40に結像した画像を再び接眼レンズ34で瞳35に結像する、リレーレンズ光学系を採用したものが提案されている。確かに、このリレーレンズ光学系を利用すれば光学長を長くできるので、結像レンズ10と接眼レンズ11との間に新たな光学素子を配置して画角調整が容易に行えるという利点がある。しかし、このリレーレンズ光学系を採用した画像表示装置は、上述した図9の光学系が有する問題を解消できるものでない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本願発明は、装着者が自分自身で水晶体を調整しなくても鮮明な画像を観察でき、また、装着者が視線を動かすと良好に外界の様子を観察できる、簡単な構成の画像表示装置を提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、眼球の網膜に映像板の映像を投影する画像表示装置であって、光源と、上記光源から出た光を透過する映像板と、上記映像板を透過した光を結像し中間像を得る結像レンズと、上記結像レンズにより結像された像を眼球の網膜上に再び結像する接眼レンズと、上記結像レンズにより結像された中間像面に配置されたスクリーンとを備え、上記スクリーンから出た像を上記接眼レンズによって眼球の網膜に投影する構成とした画像表示装置において、上記スクリーンが水平方向のみの光拡散性を有することを特徴とする
【0007】
本発明の他の形態は、上記スクリーンを透過あるいは反射した光を上記レンズで眼球に送る際、上記眼球の瞳面に投影される光束が、水平方向に瞳の大きさの約1倍〜2倍の大きさを有し、垂直方向にほぼ瞳の大きさを有するように、上記スクリーンの光拡散性および上記光源の大きさが設定されていることを特徴とする
【0008】
上記スクリーンは、透過型のスクリーンでもよいし、反射型のスクリーンでもよい。
【0009】
上記光源と上記眼球の瞳位置が概略共役関係にあることが好ましい。
【0010】
また、上記光源が白色のLED、又は赤色、緑色、青色のLEDの組み合わせであることが好ましい。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の複数の実施の形態を説明する。なお、以下に説明する複数の実施の形態を表示した複数の図面において同一又は対応する部材又は部分に同一の符号が付してある。また、発明の理解を容易にするために、以下の説明では方向を表す用語(例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及びそれらを含む用語)を用いるが、特許請求の範囲に記載の発明はそれらの用語の持つ意味によって限定的に解釈されるものでない。
【0015】
実施の形態1.
図1に示すように、本発明に係る眼球投射型画像表示装置1は、人(画像観察者又は装着者2)がその頭部に着脱自在に装着して画像(動画又は静止画)を観察するヘッドマウント型画像表示装置又はめがね型の画像表示装置で、装着者2の眼球に画像を投射する光学部3と、この光学部3を眼前に安定的に支持するために装着者2の頭部に保持されるフレーム4と、光学部3に映像信号を送信する映像信号送信部5から構成されており、映像信号送信部5はフレーム4に内蔵されている。しかし、フレーム4の構成、映像信号送信部5の配置などは単なる一例であって、本発明が図示する構成に限定されるものでない。
【0016】
本発明の最も特徴とする光学部3の内部構成が図2に示されている。図示するように、光学部3の筐体6(図1参照)には、装着者2の右側又は左側の眼球7に向かって、光源8、透過型映像板9、結像レンズ10、接眼レンズ11が組み込まれており、これら結像レンズ10と接眼レンズ11がリレーレンズ光学系を構成している。
【0017】
光源8には種々の発光装置を用いることができるが、本実施の形態では、光源8と眼球7とを結ぶ光軸12に直交する面に沿って多数の発光ダイオード(LED)を二次元的に配置した面光源が利用されている。発光ダイオードとしては、紫外光或は青色光を発するダイオードが使用できる。
透過型映像板9は、透過型の液晶パネルが利用される。この液晶パネルは、フルカラー液晶パネル又はモノクロ液晶パネルによって構成されており、映像信号送信部5と電気的に接続され、該映像信号送信部5から出力される映像信号に基づいて画像を表示するようにしてある。
結像レンズ10と接眼レンズ11には、通常、球面又は非球面の凸レンズが用いられる。これら結像レンズ10と接眼レンズ11は一つのレンズで構成することもできるが、複数のレンズを組み合わせて構成した組レンズであってもよい。
結像レンズ10と接眼レンズ11との距離は、図示するように、それらレンズの間の中間結像面13に結像レンズ10を透過した画像が空中像として一度結像できるように決められている。
【0018】
これら光源8、透過型映像板9、結像レンズ10、接眼レンズ11は、図示すように、装着者2が画像表示装置1を装着した状態で、接眼レンズ11を挟んで光源8と装着者2の瞳14が共役関係をなすように、配置される。また、図3に示すように、瞳14の位置(瞳面)における光束17の大きさ〔A〕が、瞳14の大きさ〔a〕と等倍から2倍となるように〔a≦A≦2a〕、光源8の大きさや、面光源8・透過型映像板9・結像レンズ10・接眼レンズ11・眼球7の位置などが決定される。
【0019】
以上の構成を供えた表示装置によれば、光源8から出射した光は映像板10を透過し、結像レンズ10によって中間結像面13に結像される。また、結像レンズ10を透過した画像は、接眼レンズ11によって装着者2の瞳14の位置(瞳面)又はその近傍に収束し、水晶体15によって網膜16に投射される。
【0020】
このように、本実施の形態の画像表示装置1によれば、映像板10に表示された映像が瞳14又はその近傍に収束されてマクスウェル視状態になるので、近視又は遠視などの装着者2であっても、自分自身で水晶体15を調整することなく、その映像を鮮明に観察できる。当然、普段眼鏡をかけている人は、眼鏡を装着しているか否かに拘わらず、映像を鮮明に観察できる。また、視線を動かした場合に見える範囲を正確に限定できる。そして、画像表示装置1を装着していない方の眼で景色を見ながら、画像表示装置1を装着した方の眼で映像を見たとき、これら景色と映像を無理無く重ねることができる。
【0021】
また、光源8を長方形、特に、装着者2の左右方向に長く、垂直方向に短い形にすれば、図4に示すように、瞳14又はその近傍に収束する光束18は、水平方向に長く、垂直方向に短い楕円形となる。また、図示するように楕円径光束18の長軸幅〔B〕を瞳径〔a〕の約2倍に、また短軸幅〔C〕をほぼ瞳径〔a〕にほぼ等しくすれば、装着者2が視線を左右に動かした場合でも、映像を鮮明に観察できる。他方、装着者2が、視線を上下に少し動かすと、瞳14が光束から外れて映像を観察できなくなる。そのため、図1に示すように、装着者2は、歩行しながら画像を観察している状態で視線を上下に少し動かすだけで、外界の景色だけを観察する状態に切り換えることができる。
【0022】
さらに、本実施の形態1では、結像レンズ10と接眼レンズ11を含むリレーレンズ光学系を採用しているので、光路長を長く設定できるとともに、これらのレンズの間に画角調整のための光学素子を配置することができる。
【0023】
さらにまた、結像レンズ10によって、液晶パネルに表示される画像よりも小さな画像を中間結像面13に結像するので、目の前の光学系(特に、接眼レンズ11)が小さくなり、装着者は広い視野を確保することができる。
【0024】
なお、本実施の形態1では、映像板9として透過型の液晶パネルを用いたが、反射型の画像表示デバイス又はフィルム等を利用することもできる。
【0025】
実施の形態2.
実施の形態1では光源として面光源を採用したが、光源としては点光源又は点光源に近い形の面光源を利用することもできる。この場合、図5に示すように、結像レンズ10と接眼レンズ11との間の中間結像面に、光を拡散する透過型スクリーン18を設け、該透過型スクリーン18によって光を拡散させることが好ましい。この透過型スクリーン18としては、透明樹脂に金属粉などの散乱粒子を適宜混入した樹脂板、すりガラス、紙などが利用できる。
【0026】
このような構成を備えた画像表示装置によれば、透過型スクリーン18によって拡散した光が瞳面又はその近傍で収束し、その後網膜16に投影される。したがって、透過型スクリーン18の拡散性を制御することで、瞳面に結像される光束の大きさを制御して、装着者が画像を見たいときに該画像を認識でき、故意に視線を逸らせたときには画像が認識できなくなるように、画像表示装置を設計できる。
【0027】
実施の形態3.
実施の形態2の画像表示装置において、透過型スクリーン18として、図6(a)に示すように水平方向(装着者の左右方向)にのみ拡散性を有し、図6(b)に示すように垂直方向(装着者の上下方向)への拡散性が無いスクリーンを利用してもよい。この場合、瞳14又はその近傍に収束する光の光束は、水平方向に長く、垂直方向に短い楕円形を描く(図4参照)。したがって、装着者は、視線を左右に動かした場合でも、映像を鮮明に観察できる。また、装着者は、視線を上下に少し動かすだけで、外界の景色だけを観察する状態に切り換えることができる。
【0028】
実施の形態4.
実施の形態4の画像表示装置を図7に示す。この画像表示装置において、中間結像面に配置されるスクリーンとして反射型スクリーン19が使用されている。この反射型スクリーン19は、白色の樹脂からなる板、樹脂又はガラスもしくは金属の表面に白色又は銀色の塗料又は蛍光塗料を塗布した板、又はすりガラスなどの、光を散乱し得るあらゆるものが利用できる。また、結像レンズ10と反射型スクリーン19との間には、光軸12とほぼ45度の角度をなすようにビームスプリッタ20が配置されている。
【0029】
このような構成を備えた画像表示装置によれば、光源8から出射された光は、映像板9、結像レンズ10、ビームスプリッタ20を透過した後、反射型スクリーン19で結像する。この結像した画像は、反射型スクリーン19で反射した後、ビームスプリッタ20で再び反射し、接眼レンズ11を透過して瞳面に再結像する。そして、この再結像した画像が網膜16に投影される。
【0030】
したがって、本実施の形態の画像表示装置によれば、光源8として点光源又は点光源に近い発光領域をもつ光源を利用し、その光源から出射された光を効率よく映像板9に照射し、この映像板9を透過した画像を中間結像面にある反射型スクリーン19に結像できる。そのため、光の利用効率が高くなるだけでなく、中間結像面にある反射型スクリーン19の拡散性を制御することで瞳面上での光束の大きさを制御し、装着者が画像を見たいときだけ該画像を認識でき、故意に視線を逸らせると画像を認識できなくできる。
【0031】
また、リレーレンズ光学系を用いているので、光路長を長く設定し、必要な光学素子を配置することで画角等の設定変更が容易にできる。さらに、映像板9に表示される画像よりも小さな画像を中間結像面のスクリーン19に結像するので、目の前の光学系(特に、接眼レンズ11)を小さくし、装着者に広い視野を確保することができる。さらにまた、反射型スクリーンを用いることで、透過型スクリーンに比べて光の利用率を高めることができる。
【0032】
実施の形態5.
図8は、実施の形態4の画像表示装置を改良した実施の形態5の画像表示装置を示す。この画像表示装置において、ビームスプリッタには、偏光ビームスプリッタ21が使用されている。この偏光ビームスプリッタ21の透過偏光方向は、映像板9を形成している液晶パネルの透過偏光方向に一致させてある。また、偏光ビームスプリッタ21と反射型スクリーン19との間には、2つの偏光成分の間に一定の光路差(位相差)を与える1/4波長板(λ/4波長板)22が配置されている。
【0033】
このような構成を備えた画像表示装置によれば、偏光ビームスプリッタ21の透過偏光方向と、映像板9である液晶パネルの透過偏光方向が一致しているので、偏光ビームスプリッタ21における光の透過損失を最小限に抑えることができる。また、1/4波長板22により、反射型スクリーン19で反射された後再び偏光ビームスプリッタ21に入射される光の偏光方向を偏光ビームスプリッタ21を透過した光の偏光方向と直交させることができるため、偏光ビームスプリッタ21での光の反射損失を最小限に抑えることができる。したがって、光の利用率が高い画像表示装置を実現できる。
【0034】
以上に説明した画像表示装置において、光源が発する色(波長成分)は特に限定的ではないが、白色の光を発する光源(例えば、白色LED)を用いることが好ましい。
また光源は単一の色(波長)を発する単一光源に限らず、赤、緑、青の色を発する複数の光源からなるものであってもよい。この場合、発光色を切り換えるタイミングに同期して液晶表示画像を切り換えることができる、所謂シーケンシャル型液晶パネルを利用することができる。
【0035】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、眼球の網膜に映像板の映像を投影する画像表示装置であって、光源と、上記光源から出た光を透過する映像板と、上記映像板を透過した光を結像し中間像を得る結像レンズと、上記結像レンズにより結像された像を眼球の網膜上に再び結像する接眼レンズを備え、上記眼球の瞳面に投影される光束が、瞳の大きさの約1倍〜2倍の大きさを有するように、光源の大きさが設定されているものによれば、瞳を瞳径以上に動かすと画像が見えなくなる構成が可能で、装着者が画像を見たいときに見えて、故意に視線を逸らせると見えなくなる画像表示装置が実現できる。また、リレーレンズ光学系を用いているので、光路長を長く設定でき、光学素子配置する空間が確保でき、画角等の設定変更が容易にできる。さらに、結像レンズで、液晶パネルの画像よりも小さな画像を中間結像面に結像することで、目の前の光学系を小さくでき、装着者が装着時に広い視界を確保することができる。
【0036】
また、眼球の網膜に映像板の映像を投影する画像表示装置であって、光源と、上記光源から出た光を透過する映像板と、上記映像板を透過した光を結像し中間像を得る結像レンズと、上記結像レンズにより結像された像を眼球の網膜上に再び結像する接眼レンズと、上記結像レンズにより結像された中間像面に配置されたスクリーンとを備え、上記スクリーンから出た像を上記接眼レンズによって眼球の網膜に投影する構成としたものによれば、更に結像レンズで、映像板の画像よりも小さな画像を中間結像面に結像することで、目の前の光学系を小さくでき、装着者が装着時に広い視界を確保することができる。
【0037】
そして、スクリーンに透過型のスクリーンを用いた画像表示装置では、構成を単純化できる。
【0038】
また、スクリーンに反射型のスクリーンを用いた画像表示装置では、透過型スクリーンに比べ光利用率を向上できる。
【0039】
さらに、結像レンズと反射型スクリーンの間に偏光ビームスプリッターと1/4波長板を配置することにより、さらに光利用率を向上できる。
【0040】
さらに、スクリーンが1方向たとえば水平方向のみの拡散性を有する構成にすると、装着者は、上下方向に目をそらすと画像が見えなくなる(または、光強度が弱くなる)が、水平方向に瞳がずれても像が見えるので、装着者が装着しやすい(見やすい)。
【0041】
そして、スクリーンを透過あるいは反射した光を上記レンズで眼球に送る際、上記眼球の瞳面に投影される光束が、水平方向に瞳の大きさの約1倍〜2倍の大きさを有し、垂直方向にほぼ瞳の大きさを有するように、上記スクリーンの光拡散性および上記光源の大きさが設定されている画像表示装置によれば、水平方向に瞳を瞳径程度動かしても画像が見えるが、垂直方向に瞳径程度動かすと画像が見えなくなる構成が可能になり、装着者が装着しやすく(水平方向)、かつ意識的に瞳をそらすと画像が見えなくなり邪魔にならない(垂直方向)画像表示装置が実現できる。
【0042】
また、光源と眼球の瞳位置が概略共役関係であるように構成したものでは、瞳位置に概略光源の像を写すことができ、瞳を動かした場合に見える範囲を正確に限定できる。
【0043】
さらに、光源が白色LEDであると、ひとつの光源で照明が可能になり、部品点数が削減できる。
【0044】
そして、光源が赤色、緑色、青色のLEDの組み合わせで構成することにより、フィールドシーケンシャル型の液晶パネルが利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る画像表示装置の利用状態を示す斜視図〔図1(a)〕、及び画像表示装置の外観を示す斜視図〔図1(b)〕。
【図2】 画像表示装置に含まれる光学系の実施の形態1を示す側面図図。
【図3】 眼球に投射される円形光束を示す正面図。
【図4】 眼球に投射される楕円形光束を示す正面図。
【図5】 実施の形態2に係る画像表示装置に組み込まれた光学部の構成を示す側面図。
【図6】 実施の形態3に係る画像表示装置に組み込まれた光学部の構成を示す平面図〔図6(a)〕及び側面図〔図6(b)〕。
【図7】 実施の形態4に係る画像表示装置に組み込まれた光学部の構成を示す側面図。
【図8】 実施の形態5に係る画像表示装置に組み込まれた光学部の構成を示す側面図。
【図9】 従来の画像表示装置における光学系の構成を示す正面図。
【図10】 従来の画像表示装置における別の光学系の構成を示す正面図。
【符号の説明】
1:画像表示装置 2:装着者 3:光学部 7:眼球 8:光源 9:映像板
10:結像レンズ 11:接眼レンズ 13:中間結像面 14:瞳 17:光束 18:透過型スクリーン 19:反射型スクリーン 20:ビームスプリッタ 21:偏光ビームスプリッタ 22:1/4波長板
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an eyeball projection-type image display device that directly projects a transmitted light beam of a video board onto a wearer's retina. The present invention also relates to a portable eyeglass-mounted or head-mounted eyeball projection-type image display device.
[0002]
[Prior art]
As an eyeball projection type image display apparatus, an apparatus including the optical system shown in FIG. 9 has been proposed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2-136818. The optical system 30 of this image display device is held in front of the wearer's eye by a frame (not shown), and is a plurality of components arranged toward the wearer's eyeball 31, that is, a point light source 32 and a transmission that is a video board. A liquid crystal panel 33 and an eyepiece 34 are provided. In the image display device having such a configuration, the light emitted from the point light source 32 passes through the liquid crystal panel 33. An image or video formed by the light transmitted through the liquid crystal panel 33 is formed on the pupil 35 by the eyepiece lens 34 and projected onto the retina 37 through the crystalline lens 36. Thus, in this image display apparatus, the point light source 32 is configured to form an image on the pupil 35, and the directivity of the light beam is good. In addition, the image on the liquid crystal panel 33 can be clearly observed regardless of whether the wearer is nearsighted or farsighted. On the other hand, even if the wearer slightly deflects his / her eyes from the optical system 30, the luminous flux is scattered by the iris and the image cannot be observed. For example, in the case of a normal adult, the pupil diameter in a dark place is about 7 mm. Therefore, if the pupil 35 moves about ± 3.5 mm or more, an image cannot be observed. Further, since the pupil diameter is about 4 mm in a bright place, the image cannot be observed when the pupil 35 moves about ± 2 mm.
[0003]
On the other hand, a configuration in which a surface light source is disposed in close contact with a liquid crystal panel has been proposed. In this configuration, light transmitted through the liquid crystal panel is emitted in all directions, and a light beam having no directivity is guided to the pupil. Therefore, the angular component of light passing through the pupil is wide. Therefore, the aberration of the optical system that projects the light beam to the pupil must be corrected, and the configuration of the optical system becomes extremely complicated. Also, the wearer needs to focus the image on the retina with his own crystalline lens. However, since the distance between the liquid crystal panel and the pupil is limited, a person with poor vision needs to wear glasses. Furthermore, even if the wearer turns his / her line of sight from the liquid crystal panel to observe the outside world, the light transmitted through the liquid crystal panel enters the wearer's pupil, and thus the appearance of the outside world cannot be observed well. Furthermore, since it is necessary to illuminate the liquid crystal panel with a light amount that is greater than the light amount necessary for observation, power consumption increases.
[0004]
As another image display device, as shown in FIG. 10, an imaging lens 39 is disposed between the liquid crystal panel 33 and the eyepiece lens 34, and the imaging lens 39 once forms an aerial image on the intermediate imaging surface 40. There has been proposed a relay lens optical system that forms an image on the pupil 35 again with the eyepiece 34. Certainly, if this relay lens optical system is used, the optical length can be increased, so that there is an advantage that a new optical element is disposed between the imaging lens 10 and the eyepiece lens 11 and the angle of view can be easily adjusted. . However, the image display apparatus employing this relay lens optical system cannot solve the above-described problems of the optical system of FIG.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the present invention provides an image display with a simple configuration that allows the wearer to observe a clear image without adjusting the crystalline lens by himself / herself, and allows the wearer to observe the appearance of the outside world well when moving the line of sight. A device is provided.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the present invention provides a an image display apparatus for projecting an image of the image plate in the retina of the eye, the image plate which transmits a light source, the light emitted from the light source, the video An imaging lens that forms an intermediate image by imaging the light transmitted through the plate, an eyepiece that forms an image formed by the imaging lens again on the retina of the eyeball, and an image formed by the imaging lens And an image display device configured to project an image emitted from the screen onto the retina of an eyeball by the eyepiece, the screen having light diffusivity only in the horizontal direction. It is characterized by having .
[0007]
In another embodiment of the present invention, when the light transmitted or reflected by the screen is sent to the eyeball by the lens, the light flux projected on the pupil plane of the eyeball is approximately 1 to 2 times the size of the pupil in the horizontal direction. The light diffusibility of the screen and the size of the light source are set so as to have a double size and approximately a pupil size in the vertical direction .
[0008]
The screen may be a transmissive screen or a reflective screen.
[0009]
It is preferable that the light source and the pupil position of the eyeball have a substantially conjugate relationship.
[0010]
The light source is preferably a white LED or a combination of red, green and blue LEDs.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a plurality of embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member or part which is the same or respond | corresponds in several drawing which displayed several embodiment demonstrated below. In addition, in order to facilitate understanding of the invention, the following description uses terms indicating directions (for example, “up”, “down”, “right”, “left”, and terms including them). The invention described in the scope of the present invention is not limitedly interpreted by the meanings of these terms.
[0015]
Embodiment 1 FIG.
As shown in FIG. 1, an eyeball projection type image display device 1 according to the present invention is a person (image observer or wearer 2) who attaches detachably to the head and observes an image (moving image or still image). An optical unit 3 that projects an image onto the eyeball of the wearer 2 and a head of the wearer 2 to stably support the optical unit 3 in front of the eye. The frame 4 is held in the unit, and a video signal transmission unit 5 that transmits the video signal to the optical unit 3. The video signal transmission unit 5 is built in the frame 4. However, the configuration of the frame 4 and the arrangement of the video signal transmission unit 5 are merely examples, and the present invention is not limited to the configuration illustrated.
[0016]
The internal structure of the optical unit 3 that is the most characteristic feature of the present invention is shown in FIG. As shown in the figure, a light source 8, a transmissive image board 9, an imaging lens 10, and an eyepiece lens are provided on the housing 6 (see FIG. 1) of the optical unit 3 toward the right or left eyeball 7 of the wearer 2. 11 and the image forming lens 10 and the eyepiece 11 constitute a relay lens optical system.
[0017]
Various light emitting devices can be used as the light source 8. In this embodiment, a number of light emitting diodes (LEDs) are two-dimensionally arranged along a plane perpendicular to the optical axis 12 connecting the light source 8 and the eyeball 7. A surface light source arranged in the above is used. As the light emitting diode, a diode emitting ultraviolet light or blue light can be used.
As the transmission type video board 9, a transmission type liquid crystal panel is used. The liquid crystal panel is constituted by a full-color liquid crystal panel or a monochrome liquid crystal panel, and is electrically connected to the video signal transmission unit 5 so as to display an image based on the video signal output from the video signal transmission unit 5. It is.
As the imaging lens 10 and the eyepiece 11, a spherical or aspheric convex lens is usually used. The imaging lens 10 and the eyepiece lens 11 can be configured by a single lens, but may be a combined lens configured by combining a plurality of lenses.
The distance between the imaging lens 10 and the eyepiece lens 11 is determined so that an image transmitted through the imaging lens 10 can be once formed as an aerial image on the intermediate imaging surface 13 between the lenses as shown in the figure. Yes.
[0018]
As shown in the drawing, the light source 8, the transmission type image board 9, the imaging lens 10, and the eyepiece lens 11 are placed between the light source 8 and the wearer while sandwiching the eyepiece lens 11 with the wearer 2 wearing the image display device 1. The two pupils 14 are arranged so as to form a conjugate relationship. Further, as shown in FIG. 3, the size [A] of the light beam 17 at the position of the pupil 14 (pupil plane) [A ≦ A so that the size [A] of the pupil 14 is equal to or twice the size [a]. ≦ 2a], the size of the light source 8, the position of the surface light source 8, the transmission type image board 9, the imaging lens 10, the eyepiece 11 and the eyeball 7 are determined.
[0019]
According to the display device having the above configuration, the light emitted from the light source 8 is transmitted through the image plate 10 and is imaged on the intermediate imaging surface 13 by the imaging lens 10. Further, the image transmitted through the imaging lens 10 is converged to the position (pupil plane) of the pupil 14 of the wearer 2 or the vicinity thereof by the eyepiece lens 11 and projected onto the retina 16 by the crystalline lens 15.
[0020]
As described above, according to the image display device 1 of the present embodiment, the video displayed on the video board 10 is converged on the pupil 14 or the vicinity thereof to be in the Maxwell vision state. Even so, the image can be clearly observed without adjusting the crystalline lens 15 by itself. Naturally, a person who normally wears glasses can clearly observe the image regardless of whether or not the glasses are worn. In addition, the range that can be seen when the line of sight is moved can be accurately limited. Then, when viewing the image with the eyes of the person wearing the image display device 1 while viewing the scenery with the eyes of the person not wearing the image display device 1, it is possible to easily superimpose these views and the images.
[0021]
Further, if the light source 8 is rectangular, in particular, long in the left-right direction of the wearer 2 and short in the vertical direction, as shown in FIG. 4, the light beam 18 that converges at or near the pupil 14 is long in the horizontal direction. The oval shape is short in the vertical direction. Further, as shown in the figure, if the major axis width [B] of the elliptical luminous flux 18 is about twice the pupil diameter [a] and the minor axis width [C] is substantially equal to the pupil diameter [a], the wearing is performed. Even when the person 2 moves his / her line of sight to the left and right, the image can be clearly observed. On the other hand, when the wearer 2 slightly moves his / her line of sight up and down, the pupil 14 is out of the luminous flux and the image cannot be observed. Therefore, as shown in FIG. 1, the wearer 2 can switch to a state in which only the scenery of the outside world is observed by moving the line of sight slightly up and down while observing the image while walking.
[0022]
Furthermore, since the relay lens optical system including the imaging lens 10 and the eyepiece 11 is employed in the first embodiment, the optical path length can be set long, and the angle of view can be adjusted between these lenses. An optical element can be arranged.
[0023]
Furthermore, since the image forming lens 10 forms an image smaller than the image displayed on the liquid crystal panel on the intermediate image forming surface 13, the optical system in front of the eyes (in particular, the eyepiece lens 11) is reduced and mounted. One can secure a wide field of view.
[0024]
In the first embodiment, a transmissive liquid crystal panel is used as the video board 9, but a reflective image display device, a film, or the like can also be used.
[0025]
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, a surface light source is used as the light source, but a point light source or a surface light source close to a point light source may be used as the light source. In this case, as shown in FIG. 5, a transmissive screen 18 for diffusing light is provided on an intermediate imaging surface between the imaging lens 10 and the eyepiece lens 11, and the light is diffused by the transmissive screen 18. Is preferred. As the transmissive screen 18, a resin plate, ground glass, paper, or the like in which scattering particles such as metal powder are appropriately mixed in a transparent resin can be used.
[0026]
According to the image display device having such a configuration, the light diffused by the transmissive screen 18 is converged on or near the pupil plane and then projected onto the retina 16. Therefore, by controlling the diffusibility of the transmissive screen 18, the size of the light beam formed on the pupil plane can be controlled so that the wearer can recognize the image when he / she wants to see the image, and deliberately looks at the line of sight. The image display device can be designed so that the image cannot be recognized when deviating.
[0027]
Embodiment 3 FIG.
In the image display device according to the second embodiment, the transmissive screen 18 has diffusibility only in the horizontal direction (left and right direction of the wearer) as shown in FIG. 6A, and as shown in FIG. 6B. A screen having no diffusibility in the vertical direction (vertical direction of the wearer) may be used. In this case, the light flux converged on the pupil 14 or its vicinity draws an ellipse that is long in the horizontal direction and short in the vertical direction (see FIG. 4). Therefore, even when the wearer moves his / her line of sight to the left or right, the wearer can observe the image clearly. Also, the wearer can switch to a state in which only the scenery of the outside world is observed by moving the line of sight slightly up and down.
[0028]
Embodiment 4 FIG.
An image display apparatus according to the fourth embodiment is shown in FIG. In this image display device, a reflective screen 19 is used as a screen disposed on the intermediate image plane. The reflective screen 19 can be any material that can scatter light, such as a white resin plate, a plate of resin or glass or metal coated with white or silver paint or fluorescent paint, or ground glass. . A beam splitter 20 is disposed between the imaging lens 10 and the reflective screen 19 so as to form an angle of approximately 45 degrees with the optical axis 12.
[0029]
According to the image display device having such a configuration, the light emitted from the light source 8 passes through the video plate 9, the imaging lens 10, and the beam splitter 20, and then forms an image on the reflective screen 19. The formed image is reflected by the reflective screen 19, then reflected again by the beam splitter 20, passes through the eyepiece lens 11, and re-images on the pupil plane. The re-imaged image is projected onto the retina 16.
[0030]
Therefore, according to the image display device of the present embodiment, a light source having a point light source or a light emitting region close to a point light source is used as the light source 8, and the light emitted from the light source is efficiently applied to the video board 9, An image transmitted through the video plate 9 can be imaged on the reflective screen 19 on the intermediate image plane. Therefore, not only the light use efficiency is increased, but also the size of the light beam on the pupil plane is controlled by controlling the diffusivity of the reflective screen 19 on the intermediate image plane so that the wearer can view the image. The image can be recognized only when desired, and the image cannot be recognized if the line of sight is deliberately deviated.
[0031]
In addition, since the relay lens optical system is used, the setting of the angle of view and the like can be easily changed by setting a long optical path length and arranging necessary optical elements. Further, since an image smaller than the image displayed on the video board 9 is formed on the screen 19 of the intermediate image formation surface, the optical system in front of the eyes (particularly the eyepiece 11) is made small so that the wearer has a wide field of view. Can be secured. Furthermore, by using a reflective screen, the utilization factor of light can be increased compared to a transmissive screen.
[0032]
Embodiment 5. FIG.
FIG. 8 shows an image display apparatus according to the fifth embodiment, which is an improvement of the image display apparatus according to the fourth embodiment. In this image display device, a polarization beam splitter 21 is used as the beam splitter. The transmission polarization direction of the polarization beam splitter 21 is matched with the transmission polarization direction of the liquid crystal panel forming the image plate 9. In addition, a ¼ wavelength plate (λ / 4 wavelength plate) 22 is disposed between the polarization beam splitter 21 and the reflective screen 19 to give a constant optical path difference (phase difference) between the two polarization components. ing.
[0033]
According to the image display device having such a configuration, the transmission polarization direction of the polarization beam splitter 21 and the transmission polarization direction of the liquid crystal panel as the video plate 9 coincide with each other. Loss can be minimized. Further, the quarter wavelength plate 22 can make the polarization direction of the light that is reflected by the reflective screen 19 and incident again on the polarization beam splitter 21 be orthogonal to the polarization direction of the light transmitted through the polarization beam splitter 21. Therefore, the light reflection loss at the polarization beam splitter 21 can be minimized. Therefore, it is possible to realize an image display device having a high light utilization rate.
[0034]
In the image display apparatus described above, the color (wavelength component) emitted by the light source is not particularly limited, but it is preferable to use a light source (for example, a white LED) that emits white light.
The light source is not limited to a single light source that emits a single color (wavelength), but may be a plurality of light sources that emit red, green, and blue colors. In this case, a so-called sequential type liquid crystal panel that can switch the liquid crystal display image in synchronization with the timing of switching the emission color can be used.
[0035]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the image display device projects the image of the image board onto the retina of the eyeball, and includes a light source, an image board that transmits light emitted from the light source, and light that passes through the image board. And an eyepiece that re-images the image formed by the imaging lens on the retina of the eyeball, and the light beam projected on the pupil plane of the eyeball is, According to what the size of the light source is set so as to have a size of about 1 to 2 times the size of the pupil, it is possible to configure the image to be invisible when the pupil is moved beyond the pupil diameter, An image display device that can be seen when the wearer wants to see an image and disappears when the user deliberately deviates the line of sight can be realized. Further, since the relay lens optical system is used, the optical path length can be set long, the space for arranging the optical elements can be secured, and the setting change of the angle of view and the like can be easily performed. Furthermore, by forming an image smaller than the image on the liquid crystal panel with the imaging lens on the intermediate imaging plane, the optical system in front of the eyes can be reduced, and the wearer can ensure a wide field of view when wearing. .
[0036]
An image display device for projecting an image of a video board onto a retina of an eyeball, wherein an intermediate image is formed by imaging a light source, a video board that transmits light emitted from the light source, and light transmitted through the video board. An imaging lens to be obtained, an eyepiece for re-imaging the image formed by the imaging lens on the retina of the eyeball, and a screen disposed on the intermediate image plane imaged by the imaging lens According to the configuration in which the image projected from the screen is projected onto the retina of the eyeball by the eyepiece lens, an image smaller than the image on the video plate is further formed on the intermediate imaging plane by the imaging lens. Thus, the optical system in front of the eyes can be reduced, and the wearer can ensure a wide field of view when wearing.
[0037]
In addition, the configuration of the image display device using a transmissive screen as the screen can be simplified.
[0038]
Further, in an image display device using a reflective screen as the screen, the light utilization rate can be improved as compared with a transmissive screen.
[0039]
Furthermore, by arranging a polarizing beam splitter and a quarter-wave plate between the imaging lens and the reflective screen, the light utilization rate can be further improved.
[0040]
Furthermore, if the screen is configured to have diffusibility only in one direction, for example, the horizontal direction, the wearer turns his / her eyes up and down, and the image becomes invisible (or the light intensity becomes weak), but the pupil is in the horizontal direction. Since the image can be seen even if it is displaced, it is easy for the wearer to wear (easy to see).
[0041]
When the light transmitted through or reflected by the screen is sent to the eyeball by the lens, the light beam projected on the pupil plane of the eyeball has a size about 1 to 2 times the size of the pupil in the horizontal direction. According to the image display device in which the light diffusibility of the screen and the size of the light source are set so as to have approximately the size of the pupil in the vertical direction, the image can be obtained even if the pupil is moved about the pupil diameter in the horizontal direction. However, if the pupil is moved by about the pupil diameter in the vertical direction, it is possible to make the image invisible, easy for the wearer to wear (horizontal direction), and if the pupil is intentionally deflected, the image cannot be seen and is not in the way (vertical) (Direction) Image display device can be realized.
[0042]
In addition, in a configuration in which the light source and the pupil position of the eyeball are in an approximately conjugate relationship, an image of the approximate light source can be copied to the pupil position, and the range that can be seen when the pupil is moved can be accurately limited.
[0043]
Furthermore, when the light source is a white LED, illumination can be performed with one light source, and the number of components can be reduced.
[0044]
A field sequential type liquid crystal panel can be used by configuring the light source with a combination of red, green and blue LEDs.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a use state of an image display device according to the present invention (FIG. 1A), and a perspective view showing an appearance of the image display device (FIG. 1B).
FIG. 2 is a side view showing a first embodiment of an optical system included in the image display device.
FIG. 3 is a front view showing a circular light beam projected on an eyeball.
FIG. 4 is a front view showing an elliptical light beam projected on an eyeball.
5 is a side view showing a configuration of an optical unit incorporated in an image display apparatus according to Embodiment 2. FIG.
6 is a plan view (FIG. 6A) and a side view [FIG. 6B] showing a configuration of an optical unit incorporated in an image display apparatus according to Embodiment 3. FIG.
7 is a side view showing a configuration of an optical unit incorporated in an image display device according to Embodiment 4. FIG.
8 is a side view showing a configuration of an optical unit incorporated in an image display apparatus according to Embodiment 5. FIG.
FIG. 9 is a front view showing a configuration of an optical system in a conventional image display apparatus.
FIG. 10 is a front view showing a configuration of another optical system in a conventional image display apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Image display device 2: Wearer 3: Optical part 7: Eyeball 8: Light source 9: Image board 10: Imaging lens 11: Eyepiece lens 13: Intermediate imaging surface 14: Pupil 17: Light beam 18: Transmission type screen 19 : Reflective screen 20: Beam splitter 21: Polarizing beam splitter 22: 1/4 wavelength plate

Claims (7)

眼球の網膜に映像板の映像を投影する画像表示装置であって、
光源と、
上記光源から出た光を透過する映像板と、
上記映像板を透過した光を結像し中間像を得る結像レンズと、
上記結像レンズにより結像された像を眼球の網膜上に再び結像する接眼レンズと、
上記結像レンズにより結像された中間像面に配置されたスクリーンとを備え、
上記スクリーンから出た像を上記接眼レンズによって眼球の網膜に投影する構成とした画像表示装置において、
上記スクリーンが水平方向のみの光拡散性を有することを特徴とする画像表示装置。
An image display device that projects an image of a video board onto the retina of an eyeball,
A light source;
An image board that transmits light emitted from the light source;
An imaging lens that forms an intermediate image by imaging light transmitted through the image plate;
An eyepiece that re-images the image formed by the imaging lens on the retina of the eyeball ;
A screen disposed on the intermediate image plane imaged by the imaging lens,
In the image display device configured to project the image that has emerged from the screen onto the retina of the eyeball by the eyepiece lens,
An image display device, wherein the screen has light diffusibility only in a horizontal direction .
上記スクリーンを透過あるいは反射した光を上記レンズで眼球に送る際、上記眼球の瞳面に投影される光束が、水平方向に瞳の大きさの約1倍〜2倍の大きさを有し、垂直方向にほぼ瞳の大きさを有するように、上記スクリーンの光拡散性および上記光源の大きさが設定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。 When the light transmitted through or reflected by the screen is sent to the eyeball by the lens, the light beam projected on the pupil plane of the eyeball has a size of about 1 to 2 times the size of the pupil in the horizontal direction, 2. The image display device according to claim 1, wherein the light diffusibility of the screen and the size of the light source are set so as to have a pupil size in the vertical direction . 上記スクリーンが、透過型のスクリーンであることを特徴とする請求項1又は2に記載の画像表示装置。The screen, the transmission type image display apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that a screen. 上記スクリーンが、反射型のスクリーンであることを特徴とする請求項1又は2に記載の画像表示装置。The screen, the image display apparatus according to claim 1 or 2 characterized in that it is a reflective screen. 上記光源と上記眼球の瞳位置が概略共役関係であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一に記載の画像表示装置。 4. The image display device according to claim 1, wherein the light source and the pupil position of the eyeball have a substantially conjugate relationship . 5. 上記光源が白色のLEDであることを特徴とする請求項1から5のいずれか一に記載の画像表示装置。6. The image display device according to claim 1, wherein the light source is a white LED . 上記光源が赤色、緑色、青色のLEDの組み合わせであることを特徴とする請求項1から5のいずれか一に記載の画像表示装置。6. The image display device according to claim 1, wherein the light source is a combination of red, green, and blue LEDs .
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