JP2023067266A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成でアイボックスを広げることを可能とする光走査装置を提供する。【解決手段】光走査装置は、レーザ光を出射する光源と、少なくとも１軸周りに揺動する可動ミラーを有し、光源から出射されたレーザ光を可動ミラーで反射することにより変向するミラー装置と、ミラー装置により変向されたレーザ光を眼球の中心に集光する集光光学系と、を備える。【選択図】図４

Description

本開示の技術は、光走査装置に関する。

近年、実際に見ている光景に、仮想の画像、各種の情報等を重ねて表示するＡＲ（Augmented Reality（拡張現実））グラスが実用化されている。ＡＲグラスは、スマートグラス、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ（Head Mounted Display））、ＡＲメガネ等とも呼ばれている。

ＡＲグラスには、光源から出射されたレーザ光を、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で構成された可動ミラー（ＭＥＭＳミラーとも称される。）で変向することにより、ユーザの目の網膜に直接走査する方式を採用したものがある。このような方式は、網膜走査方式と称される。網膜走査方式のＡＲグラスでは、可動ミラーにより変向されたレーザ光は、集光光学系によりユーザの目の瞳孔に集光されて網膜に走査される。網膜走査方式は、目の水晶体の焦点調節機能によらないため、ユーザは、近視、遠視、又は老視であっても網膜に投影される映像をはっきりと見ることができる。また、網膜走査方式のＡＲグラスは、エネルギー効率が高いため、長時間の駆動が可能である。

一方、網膜走査方式のＡＲグラスでは、集光光学系によるレーザ光の集光点と瞳孔の位置が一致していないと映像が見えなくなる、すなわち、ユーザが目を動かすことにより瞳孔の位置が集光点からずれた場合には映像が見えなくなるという問題がある。この問題は、映像を綺麗に見るために目を動かすことが可能な範囲が狭い、すなわちアイボックスが狭いとして知られている。

このように網膜走査方式のＡＲグラスでは、アイボックスを広げることが課題となっている。特許文献１において、可動ミラーにより変向されたレーザ光をプリズム又は導光板で複製することによりアイボックスを広げる技術が知られている。また、非特許文献１において、アイトラッキングにより瞳孔の位置を追跡しながら、レーザ光をミラーにより瞳孔の位置に集光させることによりアイボックスを広げる技術が知られている。

米国特許出願公開第２０１８／０２９９６８０号明細書

Changwon Jang, Kiseung Bang, Seokil Moon, Jonghyun Kim, Seungjae Lee, and Byoungho Lee. 2017. Retinal 3D: augmented reality near-eye display via pupil-tracked light field projection on retina. ACM Trans. Graph. 36, 6, Article 190 (November 2017). Retrieved from the Internet: <URL: http://library.usc.edu.ph/ACM/TOG%2036/content/papers/190-0330-jang.pdf>.

しかしながら、特許文献１及び非特許文献１に記載の技術は、アイボックスを広げるための構成が複雑である。このため、より簡単な構成でアイボックスを広げることを可能とする技術が望まれている。

本開示の技術は、簡単な構成でアイボックスを広げることを可能とする光走査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の光走査装置は、レーザ光を出射する光源と、少なくとも１軸周りに揺動する可動ミラーを有し、光源から出射されたレーザ光を可動ミラーで反射することにより変向するミラー装置と、ミラー装置により変向されたレーザ光を眼球の中心に集光する集光光学系と、を備える。

集光光学系は、凹面を有するハーフミラー又はミラーであり、ミラー装置により変向されたレーザ光の少なくとも一部を、凹面で反射することにより眼球の中心に集光することが好ましい。

凹面は楕円面であり、楕円面の一方の焦点に可動ミラーの揺動軸が位置し、他方の焦点に眼球の中心が位置することが好ましい。

集光光学系は、グレーティング又はホログラムにより構成されていることが好ましい。

可動ミラーは、互いに直交する第１軸及び第２軸の周りに揺動可能に構成されていることが好ましい。

本開示の技術によれば、簡単な構成でアイボックスを広げることを可能とする光走査装置を提供することができる。

ＡＲグラスの構成の一例を示す模式図である。 モジュール及びハーフミラーの構成の一例を示す図である。 ＭＥＭＳミラーの構成の一例を示す概略斜視図である。 ＭＥＭＳミラー、ハーフミラー、及び眼球の位置関係を示す図である。 ユーザが正面を見ている状態を示す図である。 ユーザが正面から右側に視線を動かした状態を示す図である。 ユーザが正面から左側に視線を動かした状態を示す図である。 従来の網膜走査方式においてユーザが正面を見ている状態を示す図である。 従来の網膜走査方式においてユーザが正面から右側に視線を動かした状態を示す図である。

以下、図面を参照して本開示の技術に係る実施形態を詳細に説明する。一例として、以下の各実施形態では、本開示の技術に係る光走査装置をＡＲグラスに適用した形態について説明する。

図１は、本実施形態に係るＡＲグラス１０の構成を示す。図１に示すように、ＡＲグラス１０は、フレーム１１、２つのレンズ１２、２つのテンプル１３、モジュール１４、及びハーフミラー１５により構成されている。２つのレンズ１２は、フレーム１１に保持されている。２つのテンプル１３は、それぞれフレーム１１の端部にヒンジ（図示せず）を介して接続されている。

モジュール１４は、２つのテンプル１３のうちの一方に設けられている。また、２つのレンズ１２のうち、モジュール１４が設けられたテンプル１３側のレンズ１２には、ハーフミラー１５が設けられている。本実施形態では、右目側のテンプル１３にモジュール１４が設けられ、右目側のレンズ１２にハーフミラー１５が設けられている。なお、２つのテンプル１３の両方にモジュール１４を設け、２つのレンズ１２の両方にハーフミラー１５を設けてもよい。

モジュール１４は、画像信号に応じて変調されたレーザ光Ｌをハーフミラー１５に向けて出射する。ハーフミラー１５は、レーザ光Ｌを反射し、ＡＲグラス１０を装着するユーザの眼球の中心に集光する。符号Ｐは、ハーフミラー１５によるレーザ光Ｌの集光位置を示している。ハーフミラー１５は、本開示の技術に係る「集光光学系」の一例である。

図２は、モジュール１４及びハーフミラー１５の構成を示す。図２に示すようにモジュール１４は、制御装置２０、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ドライバ２２、発光装置２４、合波光学系２６、コリメータ２８、及びＭＥＭＳミラー３０を備える。ＭＥＭＳミラー３０は、本開示の技術に係る「ミラー装置」の一例である。

発光装置２４は、レーザドライバ２５及びレーザ光源２７を有する。本実施形態のレーザドライバ２５は、制御装置２０から供給される強度変調信号に基づいてレーザ光源２７を駆動し、画像を形成するためのレーザ光Ｌをレーザ光源２７から出力させる。レーザ光源２７は、例えば、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、及びＢ（Blue）の３色のレーザ光Ｌを出力する。レーザ光源２７は、本開示の技術に係る「光源」の一例である。

レーザ光源２７から出力されたレーザ光Ｌは、合波光学系２６により合波された後、コリメータ２８を介してＭＥＭＳミラー３０に照射される。ＭＥＭＳミラー３０に照射されたレーザ光Ｌは、ＭＥＭＳミラー３０によりハーフミラー１５に向けて反射される。

ＭＥＭＳドライバ２２は、制御装置２０からの制御に基づいて、ＭＥＭＳミラー３０を駆動する。ＭＥＭＳミラー３０では、レーザ光を反射するミラー部４０（図３参照）が、互いに直交する２つの軸のそれぞれを中心軸として独立して揺動する。本実施形態では、駆動信号に基づいてミラー部４０が揺動することにより、ハーフミラー１５においてレーザ光がリサージュ曲線を描く状態に走査される。リサージュ曲線とは、第１軸周り揺動周波数、第２軸周り揺動周波数、及びそれらの位相差によって決まる曲線である。ミラー部４０は、本開示の技術に係る「可動ミラー」の一例である。ＭＥＭＳミラー３０は、レーザ光Ｌをミラー部４０で反射することにより変向する。なお、変向とは、レーザ光Ｌの進行方向を変化させることをいう。

本実施形態の制御装置２０は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）２０Ａ、及びメモリ２０Ｂを含む。メモリ２０Ｂは、例えば、揮発性メモリであり、ハーフミラー１５に投影する画像を表す画像信号等の各種情報を記憶する。メモリ２０Ｂには、例えば、ＡＲグラス１０の外部から入力された画像信号が記憶される。

ハーフミラー１５には、ＭＥＭＳミラー３０から入射したレーザ光Ｌの少なくとも一部を鏡面反射する凹面１５Ａが形成されている。ハーフミラー１５は、レーザ光Ｌの少なくとも一部を鏡面反射することに加えて、外光を透過させる。本実施形態では、凹面１５Ａは楕円面である。より具体的には、凹面１５Ａは、楕円をその２つの焦点を通る軸を中心として回転させてなる回転楕円体の一部の面である。すなわち、凹面１５Ａは、非軸楕円面である。一方の焦点から出力された光は、凹面１５Ａで鏡面反射されると、必ず他方の焦点に到達する。

ＡＲグラス１０は、凹面１５Ａの一方の焦点にＭＥＭＳミラー３０の揺動軸が位置し、他方の焦点にユーザの眼球ＥＢの中心が位置するように構成されている。この幾何学的関係により、ＭＥＭＳミラー３０からハーフミラー１５に入射したレーザ光Ｌは、凹面１５Ａで反射されることにより、眼球ＥＢの中心に集光する。

図３は、ＭＥＭＳミラー３０の構成の一例を示す。ＭＥＭＳミラー３０は、ミラー部４０、第１支持部４１、第１可動枠４２、第２支持部４３、第２可動枠４４、接続部４５、及び固定枠４６を有する。

ミラー部４０は、入射光を反射する反射面４０Ａを有する。反射面４０Ａは、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、又は銀の合金等の金属薄膜で形成されている。反射面４０Ａの形状は、例えば、円形状である。

第１支持部４１は、ミラー部４０の外側に、第２軸ａ_２を挟んで対向する位置にそれぞれ配置されている。第１支持部４１は、第１軸ａ_１上でミラー部４０と接続されており、ミラー部４０を第１軸ａ_１周りに揺動可能に支持している。

第１可動枠４２は、ミラー部４０を取り囲む矩形状の枠体であって、第１軸ａ_１上で第１支持部４１を介してミラー部４０と接続されている。第１可動枠４２の上には、第１軸ａ_１を挟んで対向する位置にそれぞれ圧電素子５０が形成されている。このように、第１可動枠４２上に２つの圧電素子５０が形成されることにより、一対の第１アクチュエータ５１が構成されている。

一対の第１アクチュエータ５１は、第１軸ａ_１を挟んで対向する位置に配置されている。第１アクチュエータ５１は、ミラー部４０に、第１軸ａ_１周りの回転トルクを作用させることにより、ミラー部４０を第１軸ａ_１周りに揺動させる。

第２支持部４３は、第１可動枠４２の外側に、第１軸ａ_１を挟んで対向する位置にそれぞれ配置されている。第２支持部４３は、第２軸ａ_２上で第１可動枠４２と接続されており、第１可動枠４２及びミラー部４０を、第２軸ａ_２周りに揺動可能に支持している。本実施形態では、第２支持部４３は、第２軸ａ_２に沿って延伸したトーションバーである。

第２可動枠４４は、第１可動枠４２を取り囲む矩形状の枠体であって、第２軸ａ_２上で第２支持部４３を介して第１可動枠４２と接続されている。第２可動枠４４の上には、第２軸ａ_２を挟んで対向する位置にそれぞれ圧電素子５０が形成されている。このように、第２可動枠４４上に２つの圧電素子５０が形成されることにより、一対の第２アクチュエータ５２が構成されている。

一対の第２アクチュエータ５２は、第２軸ａ_２を挟んで対向する位置に配置されている。第２アクチュエータ５２は、ミラー部４０及び第１可動枠４２に、第２軸ａ_２の周りの回転トルクを作用させることにより、第２軸ａ_２の周りにミラー部４０を揺動させる。

接続部４５は、第２可動枠４４の外側に、第１軸ａ_１を挟んで対向する位置にそれぞれ配置されている。接続部４５は、第２軸ａ_２上で第２可動枠４４と接続されている。

固定枠４６は、第２可動枠４４を取り囲む矩形状の枠体であって、第２軸ａ_２上で接続部４５を介して第２可動枠４４と接続されている。

本実施形態では、第１軸ａ_１と第２軸ａ_２とは互いに直交している。以下の説明では、第１軸ａ_１に平行な方向をＸ方向とし、第２軸ａ_２に平行な方向をＹ方向とし、第１軸ａ_１及び第２軸ａ_２に直交する方向をＺ方向とする。

図４は、ＭＥＭＳミラー３０、ハーフミラー１５、及び眼球ＥＢの位置関係を示す。図４に示すように、ＭＥＭＳミラー３０は、１つの揺動軸である第１軸ａ_１が楕円面である凹面１５Ａの一方の焦点を通るように配置されている。具体的には、ＭＥＭＳミラー３０は、第１軸ａ_１と第２軸ａ_２との交点が楕円面である凹面１５Ａの一方の焦点に一致するように配置されている。この幾何学的関係により、凹面１５Ａで反射されるレーザ光Ｌの集光点Ｐは、凹面１５Ａの他方の焦点に一致する。

ＡＲグラス１０は、ユーザが装着した際に、眼球ＥＢの中心が集光点Ｐに一致するように構成されている。このため、ユーザは、ＡＲグラス１０を装着した状態でハーフミラー１５の凹面１５Ａを見た場合に、凹面１５Ａにより反射されたレーザ光Ｌの一部が瞳孔を通過して眼球ＥＢ内に入射し、集光点Ｐで集光した後、網膜に入射する。眼球ＥＢ内に入射したレーザ光Ｌは、主として、網膜のうち中心窩を含む黄斑に対応する領域に入射する。中心窩は、色及び形を認識する細胞が密集した部分であり、網膜のうち最も解像度が高い。ユーザは、網膜に投影されるレーザ光Ｌにより、映像を認識する。

ユーザは、ＭＥＭＳミラー３０によりハーフミラー１５の凹面１５Ａに投影される映像のうち、視線方向の中央に位置する部分を鮮明に認識することができる。

なお、図４では、第１軸ａ_１と直交するＹＺ平面内で凹面１５Ａがレーザ光Ｌを集光点Ｐに集光する様子を示しているが、凹面１５Ａは、ＹＺ平面に限られず、２つの焦点を含むＹＺ平面以外の平面内においてもレーザ光Ｌを集光点Ｐに集光する。

図５～図７は、本実施形態に係るＡＲグラス１０によりアイボックスが広がることについて説明する。図５は、ユーザが正面を見ている状態を示している。この場合、ハーフミラー１５の凹面１５Ａに投影される映像のうち、主として中央の映像に係るレーザ光Ｌが瞳孔を通過して網膜の中心窩付近に入射する。符号６０は、ユーザが脳内で認識するイメージを表している。符号６１は、イメージ６０全体のうち、ユーザが鮮明に認識することができる領域（以下、高精細領域という。）を表している。高精細領域６１は、網膜の中心窩付近の領域に対応する。図５の場合には、高精細領域６１は、イメージ６０の中央に位置する。

図６は、ユーザが正面から右側に視線を動かした状態を示している。この場合、ハーフミラー１５の凹面１５Ａに投影される映像のうち、主として右側の映像に係るレーザ光Ｌが瞳孔を通過して網膜の中心窩付近に入射する。図６の場合には、高精細領域６１は、イメージ６０の右側に位置する。

図７は、ユーザが正面から左側に視線を動かした状態を示している。この場合、ハーフミラー１５の凹面１５Ａに投影される映像のうち、主として左側の映像に係るレーザ光Ｌが瞳孔を通過して網膜の中心窩付近に入射する。図７の場合には、高精細領域６１は、イメージ６０の左側に位置する。

図５～図７に示されるように、本実施形態に係るＡＲグラス１０では、ハーフミラー１５の凹面１５Ａで反射されたレーザ光Ｌが眼球ＥＢの中心に集光されるので、ユーザが視線を動かすことにより瞳孔の位置が移動したとしても、凹面１５Ａに投影される映像のうちユーザが注視している領域（上述の高精細領域６１に対応）のレーザ光Ｌが常に網膜の中心窩付近に入射する。このように、本開示の技術では、ハーフミラー１５の凹面１５Ａに投影される映像のうち、ユーザが鮮明に認識できる領域はやや狭いが、注視している領域については視線を動かしても常に鮮明に認識することができる。すなわち、本開示の技術によれば、簡単な構成でアイボックスを広げることができる。

図８は、従来の網膜走査方式について説明する。従来の網膜走査方式では、レーザ光Ｌは、瞳孔の中心付近で集光されてから網膜に入射する。図８は、ユーザが正面を見ている状態を示している。この場合、レーザ光Ｌの集光点Ｐが瞳孔の中心付近に位置するため、網膜に入射するレーザ光Ｌの入射角が広い。すなわち、従来の網膜走査方式では、ユーザが正視している場合には、視野が広く、イメージ６０の全体を認識することができる。一方、従来の網膜走査方式では、ユーザが視線を動かすと、瞳孔の位置が集光点Ｐからずれるので、アイボックスが狭いという問題がある。

図９は、従来の網膜走査方式において、ユーザが正面から右側に視線を動かした状態を示している。この場合、例えば、瞳孔の右側から入射するレーザ光が瞳孔の左側に位置する虹彩で遮られる。この結果、イメージ６０のうち、右側の領域の映像が見えなくなる。このように、ユーザは、右側を見ようとして右側に視線を動かしたにも関わらず、右側の映像が見えなくなるので、ストレスを感じてしまう。

これに対して、本開示の網膜走査方式では、レーザ光Ｌは眼球ＥＢの中心に集光されるので、ユーザが視線を動かすことにより瞳孔の位置が移動したとしても、ユーザは視線の中央付近を常に鮮明に認識することができ、従来のようにストレスを感じることはない。本開示の網膜走査方式は、従来の網膜走査方式と比較して、視野がやや狭くなるが、人間はそもそも視野の中央付近のみしか鮮明に認識することができず、文字を読む場合等には着目領域に応じて目を動かす必要がある。このため、本開示の網膜走査方式のように、ユーザは視線の中央付近を常に鮮明に認識することができさえすれば、周辺領域を鮮明に認識できなくても実用上の問題はない。

［変形例］
次に、上記実施形態の各種変形例について説明する。上記実施形態では、集光光学系をハーフミラー１５により構成しているが、集光光学系は、各種の変形が可能である。

集光光学系は、ハーフミラーに限られず、凹面に金属膜等が設けられ、レーザ光Ｌを高反射するミラーであってもよい。集光光学系をミラーとすることで、没入型の映像を投影する光走査装置を構成することができる。

また、集光光学系は、ハーフミラー又はミラーに限られず、グレーティング又はホログラムにより構成することも可能である（例えば、米国特許出願公開第２０１８／０２９９６８０号明細書参照）。集光光学系をグレーティング又はホログラムとすることで、ＭＥＭＳミラー３０から入射するレーザ光Ｌを、鏡面反射による反射方向以外の方向に反射して、眼球ＥＢの中心に集光することができる。すなわち、集光光学系をグレーティング又はホログラフィック反射板とすることで、レンズ１２が平面、若しくは緩やかな勾配を有する面である場合であってもその表面に集光光学系を設けることができ、ＡＲグラス１０のデザイン設計の自由度が向上する。

また、上記実施形態で示したＭＥＭＳミラー３０の構成は適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では、第１アクチュエータ５１及び第２アクチュエータ５２を環状としているが、第１アクチュエータ５１及び第２アクチュエータ５２のうちの一方又は両方をミアンダ構造とすることも可能である。また、第１支持部４１及び第２支持部４３として、トーションバー以外の構成の支持部材を用いることも可能である。

また、制御装置２０のハードウェア構成は種々の変形が可能である。制御装置２０の処理部は、１つのプロセッサで構成されてもよいし、同種または異種の２つ以上のプロセッサの組み合わせ（例えば、複数のＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）の組み合わせ、及び／又は、ＣＰＵとＦＰＧＡとの組み合わせ）で構成されてもよい。

本明細書に記載された全ての文献、特許出願および技術規格は、個々の文献、特許出願および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

１０ ＡＲグラス
１１ フレーム
１２ レンズ
１３ テンプル
１４ モジュール
１５ ハーフミラー
１５Ａ 凹面
２０ 制御装置
２０Ａ ＦＰＧＡ
２０Ｂ メモリ
２２ ＭＥＭＳドライバ
２４ 発光装置
２５ レーザドライバ
２６ 合波光学系
２７ レーザ光源
２８ コリメータ
３０ ＭＥＭＳミラー
４０ ミラー部
４０Ａ 反射面
４１ 第１支持部
４２ 第１可動枠
４３ 第２支持部
４４ 第２可動枠
４５ 接続部
４６ 固定枠
５０ 圧電素子
５１ 第１アクチュエータ
５２ 第２アクチュエータ
６０ イメージ
６１ 高精細領域
ＥＢ 眼球
Ｌ レーザ光
Ｐ 集光点
ａ_１ 第１軸
ａ_２ 第２軸

Claims (5)

1. レーザ光を出射する光源と、
   少なくとも１軸周りに揺動する可動ミラーを有し、前記光源から出射された前記レーザ光を前記可動ミラーで反射することにより変向するミラー装置と、
   前記ミラー装置により変向された前記レーザ光を眼球の中心に集光する集光光学系と、
   を備える光走査装置。
2. 前記集光光学系は、凹面を有するハーフミラー又はミラーであり、前記ミラー装置により変向された前記レーザ光の少なくとも一部を、前記凹面で反射することにより前記眼球の中心に集光する、
   請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記凹面は楕円面であり、
   前記楕円面の一方の焦点に前記可動ミラーの揺動軸が位置し、他方の焦点に前記眼球の中心が位置する、
   請求項２に記載の光走査装置。
4. 前記集光光学系は、グレーティング又はホログラムにより構成されている、
   請求項１に記載の光走査装置。
5. 前記可動ミラーは、互いに直交する第１軸及び第２軸の周りに揺動可能に構成されている、
   請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の光走査装置。
   

Images