WO2023203889A1

WO2023203889A1 - 光投射装置及び表示装置

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Publication number: WO2023203889A1
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Authority: WO
Inventors: 将弘高田; 正則岩崎
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Filing date: 2023-03-02
Publication date: 2023-10-26
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Abstract

本発明は、ユーザの眼球の向きによらず該眼球に所望の方向から広画角で画像光を入射させることが可能な光投射装置を提供することを目的とする。　本発明の光投射装置（１０）は、画像光を生成する画像光生成系（１００）と、前記画像光生成系（１００）で生成された画像光をユーザの眼球に装着された又は埋め込まれた光学素子（３００）へ投射する投射系（２００）と、を備え、前記投射系（２００）は、前記画像光生成系（１００）からの画像光の光路上に配置された、少なくとも絞り位置が可変な絞り（２０３）を含む。

Description

光投射装置及び表示装置

　本開示に係る技術（以下「本技術」とも呼ぶ）は、光投射装置及び表示装置に関する。

　従来、表示素子で生成された画像光を光学系を介してユーザの眼球に投射する光投射装置が知られている。

　従来の光投射装置の中には、ユーザの眼球の回転に対応したものが幾つかある。これらの光投射装置は、ユーザの眼球の向きによらず該眼球に画像光を入射させることができる。

　例えば特許文献１には、眼球運動に同期させて光学系の反射光学部材を回転制御することにより、光学系の光軸を調整する光投射装置が開示されている。

　例えば特許文献２には、光学系が、開口部の位置が変移可能なシャッター手段を２つ対向配置して、該２つのシャッター手段に設けられた開口部を結ぶ直線が眼球の瞳中心方向となるように制御する光投射装置が開示されている。

特開２０１４－１０４１７４号公報特開平１１－１９６３５１号公報

　特許文献１に開示された光投射装置では、眼球に所望の方向から画像光を入射させることに関して改善の余地があった。特許文献２に開示された光投射装置では、眼球に広画角で画像光を入射させることに関して改善の余地があった。

　そこで、本技術は、ユーザの眼球の向きによらず該眼球に所望の方向から広画角で画像光を入射させることが可能な光投射装置を提供することを主目的とする。

　本技術は、画像光を生成する画像光生成系と、前記画像光生成系で生成された画像光をユーザの眼球に装着された又は埋め込まれた光学素子へ投射する投射系と、を備え、前記投射系は、前記画像光生成系からの画像光の光路上に配置された、少なくとも絞り位置が可変な絞りを含む、光投射装置を提供する。
　前記絞りは、前記画像光生成系からの画像光に含まれる光線を前記光学素子に至る光路へ案内するオン状態と案内しないオフ状態との間で切り替え可能な画素を複数有する。
　前記投射系は、前記画像光生成系からの画像光を前記絞りへ導く第１光学系と、前記絞りを介した画像光を前記光学素子へ導く第２光学系と、を含んでいてもよい。
　前記画像光生成系は、表示素子を含み、前記表示素子は、前記第１光学系の前側焦点位置近傍に配置され、前記絞りは、前記第１光学系の後側焦点位置近傍に配置されていてもよい。
　前記投射系は、前記第２光学系と前記光学素子との間で前記画像光の中間像を形成してもよい。
　前記絞りは、前記第２光学系の前側焦点位置近傍に配置され、前記中間像は、前記第２光学系の後側焦点位置近傍に形成されてもよい。
　前記中間像は、前記光学素子の前側焦点位置近傍に形成されてもよい。
　前記投射系は、前記眼球の情報である眼球情報を検出する眼球情報検出部と、前記眼球情報検出部での検出結果に基づいて前記絞りを制御する制御部と、を有していてもよい。
　前記制御部は、前記眼球情報検出部での検出結果に基づいて、前記絞りの絞り位置と、前記絞りの絞りサイズと、前記絞りの透過率又は反射率と、の少なくとも１つを調整してもよい。
　前記第１及び第２光学系の各々は、屈折力が凸レンズと同等の正の屈折力である光学部品又は屈折力の合計が凸レンズと同等の正の屈折力である複数の光学部品を含んでいてもよい。
　前記光投射装置は、前記ユーザの前方視野から外れた位置に配置されてもよい。
　前記画素は、透過型であってもよい。
　前記画素は、反射型であってもよい。
　前記絞りは、複数の前記画素が１次元配置又は２次元配置された画素アレイを有していてもよい。
　前記画素アレイは、液晶素子であってもよい。
　前記画素アレイは、デジタルミラーデバイスであってもよい。
　前記光学素子は、回折光学素子であってもよい。
　前記光学素子は、ホログラム光学素子であってもよい。
　前記光投射装置は、頭部装着型であってもよい。
　本技術は、前記光投射装置と、
　前記光学素子と、
　を備える、表示装置も提供する。

４ｆ光学系の基本構成を示す図である。図２Ａは、結像光学系にＨＯＥが設けられていない４ｆ光学系を示す図である。図２Ｂは、結像光学系にＨＯＥが設けられた４ｆ光学系を示す図である。本技術に係る光投射装置の概念を説明するための図である。図４Ａ及び図４Ｂは、本技術に係る光投射装置を模した光学シミュレーション装置の態様１、２を示す図である。本技術の第１実施形態に係る光投射装置を示す図である。本技術の第１実施形態に係る光投射装置における表示素子と表示画像の結像関係を示す図である。図７Ａ及び図７Ｂは、本技術の第１実施形態に係る光投射装置における表示素子と絞りの関係を説明するための図である。図８Ａは、眼球が正面を向いているときの主光線を示す図である。図８Ｂは、眼球が斜めを向いているときの主光線を示す図である。図９Ａは、眼球が斜めを向いているときの主光線を示す図である。図９Ｂは、眼球が斜めを向いているときの周辺光線を示す図である。本技術の第２実施形態に係る表示装置を示す図である。眼球の回転角を示す図である。本技術の第３実施形態に係る表示装置を示す図（主光線図）である。本技術の第３実施形態に係る表示装置を示す図（周辺光線図）である。本技術の第４実施形態に係る表示装置の態様１を示す図である。本技術の第４実施形態に係る表示装置の態様２を示す図である。

　以下に添付図面を参照しながら、本技術の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。以下に説明する実施形態は、本技術の代表的な実施形態を示したものであり、これにより本技術の範囲が狭く解釈されることはない。本明細書において、本技術に係る光投射装置及び表示装置の各々が複数の効果を奏することが記載される場合でも、本技術に係る光投射装置及び表示装置の各々は、少なくとも１つの効果を奏すればよい。本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。

　また、以下の順序で説明を行う。
０．導入
１．本技術の第１実施形態に係る光投射装置
２．本技術の第２実施形態に係る表示装置
３．本技術の第３実施形態に係る表示装置
４．本技術に第４実施形態に係る表示装置
５．本技術に係る光投射装置の用途
６．本技術の変形例

＜０．導入＞
　従来、ＨＭＤ（Ｈｅａｄ　Ｍｏｕｎｔｅｄ　Ｄｉｓｐｌａｙ）のアイボックス（投影画像の視聴最適位置）が狭い場合や眼球回転などに応じて、アイボックスの位置やアイボックスへの光線の入射角度を調整するアイトラッキング装置（例えば特許文献１参照）が知られている。このアイトラッキング装置には、一般的に、光線の反射角度を可変な動的な機構が使用されている。しかしながら、このような動的な機構は、イニシャルアライメントや駆動の際にスペースを必要とし大型化を招くことに加えて、応答速度や調整状態のフィードバックが必要である。

　さらに、従来のアイトラッキング装置では、光線の反射角度を変える構造上、眼球に所望の方向から画像光を入射させることに関して改善の余地があった。

　これに対して、２つの液晶パネルを対向配置し、眼球の回転に応じて各液晶パネルにおける透過部を移動させる光投射装置が提案されている（例えば特許文献２参照）。しかしながら、この光投射装置では、２つの液晶パネルの透過部を透過した狭画角の画像光が眼球に入射される。すなわち、当該光投射装置では、眼球に広画角で画像光を入射させることに関して改善の余地があった。

　そこで、発明者らは、鋭意検討の末、ユーザの眼球の向きによらず該眼球に所望の方向から広画角で画像光を入射させることが可能な光投射装置として、本技術に係る光投射装置を開発した。

　（４ｆ光学系の基本構成）
　図１は、４ｆ光学系の基本構成を示す図である。４ｆ光学系は、第１光学系、開口絞り及び第２光学系を含んで構成される。第１光学系の前側焦点位置近傍に表示パネル（物体面）が配置される。開口絞りの位置は、第１光学系の後側焦点位置及び第２光学系の前側焦点位置に略一致する。第２光学系の後側焦点位置近傍に表示パネルの中間像（像面）が形成される。なお、４ｆ光学系において、開口絞りが無いとコントラストが低下して表示パネルの表示画像そのものが見えにくくなる。

　（ＨＯＥの必要性）
　図２Ａは、結像光学系にＨＯＥが設けられていない４ｆ光学系を示す図である。図２Ｂは、結像光学系にＨＯＥが設けられた４ｆ光学系を示す図である。

　図２Ａに示す４ｆ光学系では、表示パネルで生成された画像光がレンズ１、開口絞り、レンズ２、眼球部（水晶体）をこの順に介して網膜に入射される。この際、レンズ２と眼球部との間に表示パネルの中間像が形成される。この４ｆ光学系では、表示パネルと中間像とが共役関係にあるが、開口絞りと網膜とが共役関係にあるため（中間像と網膜とが共役関係にないため）、開口絞り（パネルフーリエ面）が網膜上に投影される。すなわち、網膜上に表示パネルが投影されない。

　図２Ｂに示す４ｆ光学系では、ＭＯＬＥＤ（Ｍｉｃｒｏ　Ｏｒｇａｎｉｃ　ｌｉｇｈｔ　ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ｄｉｏｄｅ）パネル（表示パネル）で生成された画像光がレンズ１、開口絞り、レンズ２、ＨＯＥ、眼球部（水晶体）をこの順に介して網膜に入射される。この際、レンズ２と眼球部との間にＭＯＬＥＤの中間像が形成される。この４ｆ光学系では、表示パネルと中間像とが共役関係にあり、且つ、中間像と網膜とが共役関係にあるため、すなわち表示パネルと網膜とが共役関係にあるため、網膜上に表示パネルが投影される。なお、この４ｆ光学系では、開口絞りの開口数ＮＡを小さくすると、フォーカスフリーが得られる。

　以上の説明から分かるように、表示パネルを網膜上に投影するために、４ｆ光学系に加えて、例えば眼球部近傍にＨＯＥ等の光学素子が必要となる。

　（本技術に係る光投射装置の概念）
　図３は、本技術に係る光投射装置の概念を説明するための図である。本技術に係る光投射装置は、画像光（例えば図３における物体を表示する光）を生成する画像光生成系と、該画像光生成系で生成された画像光をユーザの眼球に装着された又は埋め込まれた光学素子（例えば眼球に装着されたＨＯＥ等の光学素子）へ投射する投射系とを備える。投射系は、画像光生成系からの画像光の光路上に配置された、少なくとも絞り位置が可変な絞りを含む。

　絞りは、例えば画像光生成系からの画像光に含まれる光線を光学素子に至る光路へ案内するオン状態（案内状態）と案内しないオフ状態（非案内状態）との間で切り替え可能な画素を複数有していてもよい。画素は、透過型及び反射型のいずれであってもよい。絞りは、複数の画素が１次元配置又は２次元配置された画素アレイ（例えば透過型、反射型又は半透過型の液晶素子、デジタルミラーデバイス等）を有していてもよい。絞りが画素アレイを有する場合、複数の画素のオンオフにより絞り位置及び絞りサイズが可変である。

　絞りは、例えば虹彩絞り、回転絞り、水門絞り等の絞りサイズが可変なメカニカルな絞りと、該絞りを１次元又は２次元に移動させる移動機構とを組み合わせたものであってもよい。

　絞りは、開口（例えばピンホール）が形成されたアパーチャ部材（開口部材）と該アパーチャ部材を１次元又は２次元に移動させる移動機構とを組み合わせたものであってもよい。

　絞りの絞り位置を可変とすることで、任意の位置に案内部（例えば透過部又は開口部）を形成しその周辺に非案内部（例えば遮光部）を形成することが可能である。眼球の回転に応じて絞り位置を制御することにより、眼球の向きに応じた位置に案内部を形成しその周辺に非案内部を形成することができる。これにより、眼球の向きに応じた方向から物体を表示する光を眼球に入射させて物体の像を良好な状態で視認させることができ、さらには不要な迷光をカットすることができる。

　絞りは、絞りサイズと、絞りの透過率又は反射率とが可変であってもよい。例えば絞りが画素アレイを有する場合、画素を制御することで絞りサイズと、絞りの透過率又は反射率とを可変とすることができる。例えば絞りがメカニカルな絞りと移動機構との組み合わせの場合、開口部に透過率の異なる光学フィルタ（例えばＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ）を設けることで、絞りサイズに加えて絞りの透過率を可変とすることができる。

　絞りサイズと、絞りの透過率又は反射率とが可変であることは、例えば周辺環境の明るさの変化により瞳孔サイズが変化する場合に瞳孔サイズに応じて眼球に入射される光の光量を調整できる点で有効である。

　投射系は、一例として、画像光生成系からの画像光を絞りへ導く第１光学系と、絞りを介した画像光を光学素子へ導く第２光学系とを含む。第１及び第２光学系と絞りとを含んで４ｆ光学系が構成される。

（光学シミュレーション）
　図４Ａ及び図４Ｂは、本技術に係る光投射装置を模した光学シミュレーション装置の態様１、２を示す図である。この光学シミュレーション装置は、画像光生成系に表示パネルを用い、眼球の代わりにカメラ（例えばレンズ及びイメージセンサ）を用いている。ＨＯＥは、カメラと一体的に設けられたものとしている。つまり、ＨＯＥ及びカメラが一体に回転するようになっている。

　図４Ａに示す態様１では、カメラのレンズの光軸が表示パネルの方向を向いており、絞りの透過部がカメラの向きに応じて表示パネルからの光線が例えば入射角度０°で入射される位置に形成されている。図４Ｂに示す態様２では、カメラのレンズの光軸が表示パネルの方向から逸れた方向（斜め方向）を向いており、絞りの透過部がカメラの向きに応じて表示パネルからの光線が例えば入射角度２０°で入射される位置に形成されている。態様１、２のいずれの場合も、ＨＯＥに対して主光線が平行光束で入射されている。つまり、本シミュレーションにより、本技術に係る光投射装置が、眼球の向きによらず所望の（適正な）方向から眼球に光線を入射させることが可能であることが分かる。

＜１．本技術の第１実施形態に係る光投射装置＞
　以下、本技術の第１実施形態に係る表示装置について図面を用いて説明する。図５は、本技術の第１実施形態に係る表示装置を示す図である。

≪光投射装置の構成≫
　光投射装置１０は、ユーザの頭部に装着された状態で使用される頭部装着型の光投射装置１０である。光投射装置１０は、ユーザの眼球に装着された又は埋め込まれた光学素子と共に表示装置（ＨＭＤ）を構成する。

　光投射装置１０は、画像光（画像を形成した光）を生成する画像光生成系１００と、該画像光生成系１００で生成された画像光をユーザの眼球ＥＢに装着された光学素子３００（以下「眼球用光学素子」とも呼ぶ）へ投射する投射系２００とを備える。画像光生成系１００は、表示素子（例えば表示パネル）を有する。投射系２００は、画像光生成系１００からの画像光の光路上に配置された、少なくとも絞り位置が可変な絞り２０３を含む。

　絞り２０３は、画像光生成系１００からの画像光に含まれる光線を眼球用光学素子に至る光路へ案内するオン状態（案内状態）と案内しないオフ状態（非案内状態）との間で切り替え可能な画素を複数有する。

　投射系２００は、画像光生成系１００からの画像光を絞り２０３へ導く第１光学系２０１と、絞り２０３を介した画像光を光学素子３００へ導く第２光学系２０２とを含む。第１及び第２光学系２０１、２０２と絞り２０３とを含んで、４ｆ光学系が構成される。第１光学系２０１の焦点距離はｆ１である。第２光学系２０２の焦点距離はｆ２である。

　投射系２００は、第２光学系２０２と光学素子３００との間で画像光の中間像１００’を形成する。

　絞り２０３は、第２光学系２０２の前側焦点位置近傍に配置され、中間像１００’は、第２光学系２０２の後側焦点位置近傍且つ光学素子３００の前側焦点位置近傍に形成される。

　光学素子３００と眼球ＥＢのレンズ機能とにより、中間像１００’は、網膜に再投影され、結像する。このとき、絞り２０３の透過部の開口数ＮＡを制御して、マクスウェル視が可能な程度に小さくすることで、いわゆるフォーカスフリーの状態となり、眼球ＥＢの焦点調節機能に関係なく表示素子の画像を見ることが可能となる。

　また、第１及び第２光学系２０１、２０２、光学素子３００の焦点距離を適切に設定することで、網膜上に投影される表示素子の見かけの画角（全画角）を１００°以上にすることも可能となる。

（画像光生成系）
　画像光生成系１００の表示素子は、第１光学系２０１の前側焦点位置近傍に配置されている。表示素子としては、例えば液晶パネルなどの光源と組み合わせて用いられる２次元表示素子（表示パネル）であってもよいし、例えばＬＥＤパネルなどの自発光型の２次元表示素子（表示パネル）であってもよい。自発光型の２次元表示素子の中では、特に、ＭＯＬＥＤ（（Ｍｉｃｒｏ　Ｏｒｇａｎｉｃ　ｌｉｇｈｔ　ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ｄｉｏｄｅ）パネルのような高精細且つ発散角が制御可能なものが好適である。表示素子の発散角は、絞り２０３の案内部（例えば透過部）の最大径を十分にケーラー照明（テレセントリック照明）できるような発散角θ１（半角）を持つことが望ましい。

（第１及び第２光学系）
　第１及び第２光学系２０１、２０２の各々は、一例として、屈折力（パワー）が凸レンズと同等の正の屈折力である光学部品又は屈折力の合計が凸レンズと同等の正の屈折力である複数の光学部品を含む。すなわち、該光学部品は、単独で凸レンズと同等の正の屈折力を有していてもよいし、複数組み合わされて凸レンズと同等の正の屈折力を有していてもよい。該光学部品としては、一例として、レンズ（例えば凸レンズ）、ホログラム光学素子、回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｌｅｍｅｎｔ）、凹面ミラー等が挙げられる。該光学部品は、収差が補正されていることが好ましい。補足すると、該光学部品は、表示素子の像を網膜に結像させるのに十分な結像性能があることが望ましく、収差補正の程度としては、視力０．５相当のＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）として、５．５ＬＰ/ｄｅｇ程度を必要とする。

（絞り）
　絞り２０３は、第１光学系２０１の後側焦点位置近傍、すなわち表示素子のフーリエ面の位置に配置されている。絞り２０３は、眼球ＥＢの回転に応じて、案内部（例えば透過部）の中心の座標を１次元方向又は２次元方向に移動させることができる。絞り２０３は、案内部の周辺に非案内部（例えば遮光部）を有する。

　絞り２０３の画素は、一例として透過型である。絞り２０３は、複数の画素が１次元配置又は２次元配置された画素アレイを有する。該画素アレイは、一例として液晶素子（例えば液晶パネル）である。該液晶素子としては、例えば透過型のＧＨ（ゲストホスト）液晶素子等が好適である。ＧＨ液晶素子は、高速応答性を持つ。

　図６は、光投射装置１０における表示素子（物体）と表示画像（像）の結像関係を示す図である。図６は、開口数ＮＡを十分小さくした光線をイメージするため、主光線のみで記載している。図６において、中間像は、眼球ＥＢの直前に位置するが、マクスウェル視が可能な程度に開口数ＮＡを小さくしているため、フォーカスフリーとなり、網膜に表示された画像を認識可能となる。

　図７Ａ及び図７Ｂは、光投射装置１０における表示素子と絞り２０３の関係を説明するための図である。図７Ａは、絞り２０３の透過部の大きさ（開口数ＮＡ）が比較的大きい場合を示す。図７Ｂは、絞り２０３の透過部の大きさ（開口数ＮＡ）が比較的小さい場合を示す。表示素子に表示された画像は、絞り２０３の透過部の大きさ（開口数ＮＡ）に関わらず、中間像として、同じ位置に結像する。また、開口数ＮＡが小さくなる（光線束が細くなる）と、フォーカスフリーの状態になっていく。このため、中間像に対して後段に配置されている、眼球用光学素子（例えば眼球装着型）と眼球との光軸方向の配置の許容度が増え、眼球用光学素子の装着位置のズレがあっても、実用上十分な性能が確保される。

　図８Ａは、眼球が正面を向いているとき（例えば動物の表示画像の首元付近を直視しているとき）の主光線を示す図である。図８Ｂは、眼球が斜めを向いているとき（例えば動物の表示画像の腹部を直視しているとき）の主光線を示す図である。図９Ａは、眼球が斜めを向いているとき（例えば動物の表示画像の腹部を直視しているとき）の主光線を示す図である。図９Ｂは、眼球が斜めを向いているとき（例えば動物の表示画像の腹部を直視しているとき）の周辺光線を示す図である。

　ここで、光投射装置１０の４ｆ光学系の光軸を含む鉛直面内で該光軸に垂直な軸をｙ軸としたときに、絞り２０３の透過部の中心のｙ座標は、該鉛直面内における４ｆ光学系の光軸を基準とした眼球回転角θ２（半角、図１１参照）を用いて、下記（１）式で表すことができる。
ｙ＝ｆ２×ｔａｎθ２・・・（１）

　光投射装置１０の４ｆ光学系の光軸及びｙ軸のいずれにも直交する軸をｘ軸としたときに、絞り２０３の透過部の中心のｘ座標は、水平面内における４ｆ光学系の光軸を基準とした眼球回転角θ３（半角）を用いて、下記（２）式で表すことができる。
ｘ＝ｆ２×ｔａｎθ３・・・（２）

　眼球回転角θ２の最大値をθ２_ｍａｘとすれば、透過部の中心のｙ座標の最大値ｙ_ｍａｘも定めることができる。また、マクスウェル視可能な開口数ＮＡが十分に小さく無視できる場合には、下記（３）式のように、ｙ_ｍａｘを用いて表示素子の概略の発散角θ１（半角）を定めることができる。
ｙ_ｍａｘ＝ｆ２×ｔａｎθ２_ｍａｘ＝ｆ１×ｔａｎθ１・・・（３）

（光学素子）
　光学素子３００（眼球用光学素子）は、一例として、ユーザの眼球ＥＢに装着されるコンタクトレンズ型の光学素子である。光学素子３００としては、例えば回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｌｅｍｅｎｔ）、ホログラム光学素子（ＨＯＥ：Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｌｅｍｅｎｔ）、メタマテリアル等を用いることができる。光学素子３００は、第２光学系２０２からの画像光を屈折させて眼球ＥＢの瞳孔を介して網膜に導く。この結果、画像光により表示される画像を現実世界に重畳して表示することができる。

≪光投射装置及び表示装置の効果≫
　以下、本技術の第１実施形態に係る光投射装置１０及び該光投射装置１０を備える表示装置の効果について説明する。

　光投射装置１０は、画像光を生成する画像光生成系１００と、画像光生成系１００で生成された画像光をユーザの眼球ＥＢに装着された光学素子３００へ投射する投射系２００と、を備え、投射系２００は、画像光生成系１００からの画像光の光路上に配置された、少なくとも絞り位置が可変な絞り２０３を含む。

　光投射装置１０によれば、ユーザの眼球の向きによらず該眼球に所望の方向から広画角で画像光を入射させることが可能な光投射装置を提供することができる。

　光投射装置１０では、絞り２０３が１つであっても、光学素子３００（例えばＨＯＥ）の効率が良い方向（決められた方向）を見ていないと画像が見えないため、画角を狭くせずに視線方向を限定した画像表示ができる。すなわち、光学素子３００が２つ目の絞りのように機能し、輝度及びコントラストが向上する。これは、眼球ＥＢ及び光学素子３００の回転に応じて絞り位置を移動させることで、主光線入射角が設計値に近づくので、光学素子３００の効率を最大化できるためである。

　光投射装置１０では、絞りの絞りサイズを適切に制御することで、パンフォーカス化、すなわちフォーカスフリーの状態とすることができるので、視力（焦点調整能力）に関係なく、表示画像を視認することが可能となる。また、フォーカスフリー状態を意図的に制御することで、表示画像の輪郭のボケ量を制御することも可能となり、自然な重畳が可能となる。

　光投射装置１０では、絞り２０３の透過率が可変なので、環境（背景）に応じて表示輝度を調整でき、表示画像を見やすくすることができる。

　光投射装置１０では、絞り２０３が１つで足りるため、低消費電力化及び小型軽量化を図ることができるとともに、複数の絞りを同期制御する等が不要なので、ＨＭＤにより好適な光投射装置を実現できる。

　絞り２０３は、画像光生成系１００からの画像光に含まれる光線を光学素子３００に至る光路へ案内するオン状態と案内しないオフ状態との間で切り替え可能な画素を複数有する。これにより、高速かつ高精度に絞り位置を調整可能である。また、機械的な駆動部が不要なので小型化を図ることができ、且つ、装着時のイニシャライズ調整が容易である。

　投射系２００は、画像光生成系１００からの画像光を絞り２０３へ導く第１光学系２０１と、絞り２０３を介した画像光を光学素子３００へ導く第２光学系２０２と、を含む。これにより、第１及び第２光学系２０１、２０２と絞り２０３とを含んで４ｆ光学系を構成することができる。

　画像光生成系１００は、表示素子を含み、該表示素子は、第１光学系の前側焦点位置近傍に配置され、絞り２０３は、第１光学系２０１の後側焦点位置近傍に配置されている。これにより、絞り２０３が表示素子のフーリエ面にあるので絞り位置を変えても主光線がケラレず、表示素子の表示範囲（同時に表示できる視野）を広くすることができる。

　表示素子の指向性を、発散角が適切な状態（眼球の全回転範囲をカバーする程度の発散角）となるように設定することで、光線束をメカニカル的（例えばジンバルミラーのように）に動かす必要がない。

　表示素子の表示位置（素子サイズ内での表示位置）を変えることで、外部視野に重畳表示する位置も調整することが可能となる。これにより、直視方向を避けて表示できるため、歩行や運動の際に視野を妨げることがない。

＜２．本技術の第２実施形態に係る表示装置＞
　以下、本技術の第１実施形態に係る表示装置について図面を用いて説明する。図１０は、本技術の第２実施形態に係る表示装置１を示す図である。

　表示装置１は、光投射装置１０と光学素子３００とを備える。表示装置１では、投射系２００が、眼球ＥＢの情報である眼球情報（例えば眼球の向き（視線）、瞳孔サイズ等）を検出する眼球情報検出部２０５と、眼球情報検出部２０５での検出結果に基づいて複数の画素を制御する絞り制御部２０４（制御部）とを有する。投射系２００は、さらに照度検出部２０６を含み得る。

　眼球情報検出部２０５は、少なくとも、眼球ＥＢの回転角を測定する視線検出機能を有するものである。眼球情報検出部２０５は、例えば、赤外発光素子（例えば発光ダイオード、レーザ等）と、赤外撮像素子（例えばＣＣＤ、ＣＭＯＳ等）を備えていてもよい。この場合、眼球情報検出部２０５は、赤外発光素子から出射され眼球ＥＢで反射された赤外光を赤外撮像素子で受光することにより、眼球ＥＢに形成されたプルキニエ像を検出して視軸の動き（眼球ＥＢの回転角）を測定することができる。眼球情報検出部２０５は、この測定に併せて、瞳孔サイズ及び／又は瞳孔サイズの変化量を取得しても良い。眼球情報検出部２０５は、検出した眼球ＥＢの回転角や瞳孔サイズ等の情報を、絞り制御部２０４に送る。

　照度検出部２０６は、例えば照度センサを含んで構成される。照度検出部２０６は、周辺環境の明るさ変化（例えば、曇りやトンネル、室内移動などの明所から暗所（その逆）の移動）を検出して、表示画像の明るさを適切にするための情報を、絞り制御部２０４に送る。

　なお、照度検出部２０６は、必須ではない。また、周辺環境の明るさの変化を取得する別の機能で代用しても良い。例えば、眼球情報検出部２０５での検出結果から瞳孔サイズの変化量を取得して該変化量から周囲の環境変化を推測してもよい。

　絞り制御部２０４は、眼球情報検出部２０５及び照度検出部２０６のうち少なくとも眼球情報検出部２０５での検出結果に基づいて複数の画素を制御することにより、絞り２０３の絞り位置（透過部の位置）と、絞り２０３の絞りサイズ（透過部の大きさ）と、絞り２０３の透過率（透過部の透過率）と、の少なくとも１つを調整する。

　具体的には、一例として、絞り制御部２０４は、眼球情報検出部２０５で検出された視線方向（眼球の向き）に応じて絞り２０３の透過部のｘ、ｙ座標を制御し、視線方向からの光線束のみを眼球ＥＢへ案内することができる。これにより、光学素子３００に届く主光線の入射角度が、常時、設計値相当の状態を維持するため、光学素子３００の回折効率が維持され、明るくコントラストの高い画像が見えるようになる。さらには、視線方向（眼球回転角）に応じた位置、いわゆる直視の方向に対して、画像を表示することができる。

　絞り制御部２０４は、光投射装置１０の装着者であるユーザの視力（焦点調整能力）や表示内容に応じて、透過部の開口数ＮＡを調整することができる。これにより、ユーザの視力や表示内容にかかわらず、フォーカスフリーな画像を見ることができる。また、透過部は、表示素子のフーリエ面に配置されており、その開口数ＮＡに関わらず主光線が全て通過するため、絞り２０３の位置で遮蔽されることなく、表示素子の画像全体を常に中間像として投影することができる。

　絞り制御部２０４は、眼球情報検出部２０５からの瞳孔サイズ、該瞳孔サイズの変化量、周辺環境の明暗変化等に基づいて画素の透過率を制御することにより、表示素子からの画像光の光線束の光量を調整することができる。このため、開口数ＮＡを小さくして、フォーカスフリーの状態であっても、表示画像の明るさを維持することが可能となる。

　なお、表示装置１は、ＨＭＤとして使用される際には、例えば周辺環境を撮影するカメラ等の外部情報取得装置を備えていてもよい。この場合、絞り制御部２０４は、外部情報取得装置により取得した情報をフィードバックして、上述の制御を補助しても良い。

　また、光投射装置１０の小型化のためや頭部装着のために、適切な位置に光線を偏向させる光学機能素子を追加しても良い。

＜３．本技術の第３実施形態に係る表示装置＞
　図１２は、本技術の第３実施形態に係る表示装置２を示す図（主光線図）である。図１３は、本技術の第３実施形態に係る表示装置２を示す図（周辺光線図）である。表示装置２では、光投射装置１０がユーザの前方視野から外れた位置に配置されている点を除いて、第２実施形態に係る表示装置１と同様の構成を有する。

　表示装置２では、光投射装置１０が画像光を光学素子３００に対して所定の角度で斜入射させるように配置されている。すなわち、光投射装置１０の４ｆ光学系の光軸が、光学素子３００が装着され正面を向いた眼球ＥＢの視軸（視線）に対して傾斜するように配置されている。光学素子３００は、当該所定の角度から入射された光線を任意の方向へ偏向できる。このため、光投射装置１０をユーザの前方視野から外れた位置に配置しても、網膜上に表示画像を好適に投影することができる。このような投影は、２つの液晶パネルを対向配置する構成では、実現することが困難である。

　また、表示装置２において、光投射装置１０の小型化のためや光投射装置１０を頭部へ装着するために、適宜、光路を折り曲げるための光学機能素子を設けてもよい。

＜４．本技術の第４実施形態に係る表示装置＞
図１４は、本技術の第４実施形態に係る表示装置３の態様１（眼球ＥＢが正面を向いている状態）を示す図である。図１５は、本技術の第４実施形態に係る表示装置３の態様２（眼球ＥＢが斜めを向いている状態）を示す図である。表示装置３では、絞り２０３が有する画素アレイがデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）である点を除いて、第２実施形態に係る表示装置１と同様の構成を有する。すなわち、表示装置３では、画素が反射型である。

　表示装置３では、絞り２０３が有する画素アレイとしてのデジタルミラーデバイスは、画像光生成系１００からの画像光に含まれる光線を光学素子３００に至る光路へ案内するオン状態（案内状態）と案内しないオフ状態（非案内状態）との間で切り替え可能なマイクロミラー（画素）を複数有する。

　詳述すると、表示装置３の絞り２０３の画素アレイは、１次元又は２次元配置された複数のマイクロミラー（画素）を有する。複数のマイクロミラーは、独立動作可能である。各マイクロミラーは、画像光に含まれる光線を光学素子３００に至る経路に案内する案内姿勢（オン状態）と案内しない非案内姿勢（オフ状態）との間でオンオフ制御される。各マイクロミラーは、例えば絞り制御部２０４（図１０参照）により制御されうる。複数のマイクロミラーのうち少なくとも１つのミラーを選択的にオン状態とすることにより、デジタルミラーデバイスの特定の領域を、入射光線を光学素子３００に至る経路へ向けて反射する反射領域ＲＡとして機能させることができる。

　表示装置３において、光投射装置１０の小型化のためや光投射装置１０を頭部へ装着するために、適宜、光路を折り曲げるための光学機能素子を設けてもよい。

＜５．本技術に係る光投射装置の用途＞
　以上の説明から明らかなように、本技術に係る光投射装置は、ＨＭＤの光投射装置として好適である。さらに、本技術に係る光投射装置は、広い表示視野を確保した状態で視線方向を決めることができるので、例えば自転車、オートバイ、自動車、航空機、船舶等の移動体への搭載用としても好適である。特に高速で移動する移動体においては、注意喚起、ナビゲーション等の情報提供が可能となる点で有効である。本技術は、光投射装置が搭載された移動体も提供することができる。

＜６．本技術の変形例＞
　上記第１実施形態に係る光投射装置１０、及び第２～第４実施形態に係る表示装置１～３は、適宜変更可能である。

　上記各実施形態において、光学素子３００は眼球ＥＢに装着されるコンタクトレンズ型であるが、これに代えて、眼球ＥＢに埋め込まれる埋め込み型であってもよい。

　例えば、第１実施形態に係る光投射装置１０、及び第２～第４実施形態に係る表示装置１～３の構成を相互に矛盾しない範囲内で適宜組み合わせてもよい。

　なお、本技術は、以下のような構成をとることもできる。
（１）画像光を生成する画像光生成系と、
　前記画像光生成系で生成された画像光をユーザの眼球に装着された又は埋め込まれた光学素子へ投射する投射系と、
　を備え、
　前記投射系は、前記画像光生成系からの画像光の光路上に配置された、少なくとも絞り位置が可変な絞りを含む、光投射装置。
（２）前記絞りは、前記画像光生成系からの画像光に含まれる光線を前記光学素子に至る光路へ案内するオン状態と案内しないオフ状態との間で切り替え可能な画素を複数有する、（１）に記載の光投射装置。
（３）前記投射系は、前記画像光生成系からの画像光を前記絞りへ導く第１光学系と、前記絞りを介した画像光を前記光学素子へ導く第２光学系と、を含む、（１）又は（２）に記載の光投射装置。
（４）前記画像光生成系は、表示素子を含み、前記表示素子は、前記第１光学系の前側焦点位置近傍に配置され、前記絞りは、前記第１光学系の後側焦点位置近傍に配置されている、（３）に記載の光投射装置。
（５）前記投射系は、前記第２光学系と前記光学素子との間で前記画像光の中間像を形成する、（３）又は（４）に記載の光投射装置。
（６）前記絞りは、前記第２光学系の前側焦点位置近傍に配置され、前記中間像は、前記第２光学系の後側焦点位置近傍に形成される、（５）に記載の光投射装置。
（７）前記中間像は、前記光学素子の前側焦点位置近傍に形成される、（５）又は（６）に記載の光投射装置。
（８）前記投射系は、前記眼球の情報である眼球情報を検出する眼球情報検出部と、前記眼球情報検出部での検出結果に基づいて前記絞りを制御する制御部と、を有する、（１）～（７）のいずれか１つに記載の光投射装置。
（９）前記制御部は、前記眼球情報検出部での検出結果に基づいて、前記絞りの絞り位置と、前記絞りの絞りサイズと、前記絞りの透過率又は反射率と、の少なくとも１つを調整する、（８）に記載の光投射装置。
（１０）前記第１及び第２光学系の各々は、屈折力が凸レンズと同等の正の屈折力である光学部品又は屈折力の合計が凸レンズと同等の正の屈折力である複数の光学部品を含む、（３）～（９）のいずれか１つに記載の光投射装置。
（１１）前記ユーザの前方視野から外れた位置に配置される、（１）～（１０）のいずれか１つに記載の光投射装置。
（１２）前記画素は、透過型である、（２）～（１１）のいずれか１つに記載の光投射装置。
（１３）前記画素は、反射型である、（２）～（１１）のいずれか１つに記載の光投射装置。
（１４）前記絞りは、複数の前記画素が１次元配置又は２次元配置された画素アレイを有する、（２）～（１３）のいずれか１つに記載の光投射装置。
（１５）前記画素アレイは、液晶素子である、（１４）に記載の光投射装置。
（１６）前記画素アレイは、デジタルミラーデバイスである、（１４）に記載の光投射装置。
（１７）前記光学素子は、回折光学素子である、（１）～（１６）のいずれか１つに記載の光投射装置。
（１８）前記光学素子は、ホログラム光学素子である、（１）～（１７）のいずれか１つに記載の光投射装置。
（１９）頭部装着型である、（１）～（１８）のいずれか１つに記載の光投射装置。
（２０）（１）～（１９）のいずれか１つに記載の光投射装置と、
　前記光学素子と、
　を備える、表示装置。
（２１）（１）～（２０）のいずれか１つに記載の光投射装置が搭載された移動体。

　１、２、３：表示装置、１０：光投射装置、１００：画像光生成系、１００’：中間像、２００：投射系、２０１：第１光学系、２０２：第２光学系、２０３：絞り、２０４：絞り制御部（制御部）、２０５：眼球情報検出部、３００：光学素子、ＥＢ：眼球。

Claims

　画像光を生成する画像光生成系と、
　前記画像光生成系で生成された画像光をユーザの眼球に装着された又は埋め込まれた光学素子へ投射する投射系と、
　を備え、
　前記投射系は、前記画像光生成系からの画像光の光路上に配置された、少なくとも絞り位置が可変な絞りを含む、光投射装置。
　前記絞りは、前記画像光生成系からの画像光に含まれる光線を前記光学素子に至る光路へ案内するオン状態と案内しないオフ状態との間で切り替え可能な画素を複数有する、請求項１に記載の光投射装置。
　前記投射系は、
　前記画像光生成系からの画像光を前記絞りへ導く第１光学系と、
　前記絞りを介した画像光を前記光学素子へ導く第２光学系と、
　を含む、請求項１に記載の光投射装置。
　前記画像光生成系は、表示素子を含み、
　前記表示素子は、前記第１光学系の前側焦点位置近傍に配置され、
　前記絞りは、前記第１光学系の後側焦点位置近傍に配置されている、請求項３に記載の光投射装置。
　前記投射系は、前記第２光学系と前記光学素子との間で前記画像光の中間像を形成する、請求項３に記載の光投射装置。
　前記絞りは、前記第２光学系の前側焦点位置近傍に配置され、
　前記中間像は、前記第２光学系の後側焦点位置近傍に形成される、請求項５に記載の光投射装置。
　前記中間像は、前記光学素子の前側焦点位置近傍に形成される、請求項５に記載の光投射装置。
　前記投射系は、
　前記眼球の情報である眼球情報を検出する眼球情報検出部と、
　前記眼球情報検出部での検出結果に基づいて前記絞りを制御する制御部と、
　を有する、請求項１に記載の光投射装置。
　前記制御部は、前記眼球情報検出部での検出結果に基づいて、前記絞りの絞り位置と、前記絞りの絞りサイズと、前記絞りの透過率又は反射率と、の少なくとも１つを調整する、請求項８に記載の光投射装置。
　前記第１及び第２光学系の各々は、屈折力が凸レンズと同等の正の屈折力である光学部品又は屈折力の合計が凸レンズと同等の正の屈折力である複数の光学部品を含む、請求項３に記載の光投射装置。
　前記ユーザの前方視野から外れた位置に配置される、請求項１に記載の光投射装置。
　前記画素は、透過型である、請求項２に記載の光投射装置。
　前記画素は、反射型である、請求項２に記載の光投射装置。
　前記絞りは、複数の前記画素が１次元配置又は２次元配置された画素アレイを有する、請求項２に記載の光投射装置。
　前記画素アレイは、液晶素子である、請求項１４に記載の光投射装置。
　前記画素アレイは、デジタルミラーデバイスである、請求項１４に記載の光投射装置。
　前記光学素子は、回折光学素子である、請求項１に記載の光投射装置。
　前記光学素子は、ホログラム光学素子である、請求項１に記載の光投射装置。
　頭部装着型である、請求項１に記載の光投射装置。
　請求項１に記載の光投射装置と、
　前記光学素子と、
　を備える、表示装置。