WO2019117014A1

WO2019117014A1 - 画像表示装置

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Publication number: WO2019117014A1
Application number: PCT/JP2018/044953
Authority: WO
Inventors: 大川　真吾
Original assignee: ソニー株式会社
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2019-06-20
Also published as: US20200386996A1; JP2019109275A; CN111433659A; CN111433659B; US11644670B2

Abstract

本発明の画像表示装置は、画像光を出射する画像光形成装置（１００）と、画像光に対して透過作用と反射作用とを有し、画像光形成装置（１００）からの画像光が入射する第１の反射素子（１１）と、画像光に対して反射作用を有し、第１の反射素子（１１）を介して入射した画像光を第１の反射素子（１１）に向けて反射し、画像光を第１の反射素子（１１）に再入射させる第２の反射素子（１２）と、第１の反射素子（１１）に再入射した後の画像光を、観察者の瞳孔位置に向けて収束させる集光光学系（２０）と、観察者の瞳孔位置に基づいて、第１の反射素子（１１）および第２の反射素子（１２）のうち少なくとも一方の配置角度を制御する制御部（４０）とを備える。

Description

画像表示装置

　本開示は、画像光を観察者の瞳に導く画像表示装置に関する。

　光源からの光を走査ユニットで走査することによって画像光を生成し、生成された画像光を観察者の瞳に導く画像表示装置が開発されている。このような画像表示装置は、例えばヘッドマウントディスプレイとして利用されている。このような画像表示装置において、観察者の瞳孔位置に関わらず画像光を観察者の瞳に導くために、観察者の瞳孔位置の移動に応じて、走査ユニットを移動させる方式が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００８－１４５７０１号公報

　上記した走査ユニットを移動させる方式では、移動機構の小型化が困難であり、画像表示装置全体として大型化を招く。

　小型で、観察者の瞳孔位置の移動に関わらず画像光を瞳孔に導くことが可能な画像表示装置を提供することが望ましい。

　本開示の一実施の形態に係る画像表示装置は、画像光を出射する画像光形成装置と、画像光に対して透過作用と反射作用とを有し、画像光形成装置からの画像光が入射する第１の反射素子と、画像光に対して反射作用を有し、第１の反射素子を介して入射した画像光を第１の反射素子に向けて反射し、画像光を第１の反射素子に再入射させる第２の反射素子と、第１の反射素子に再入射した後の画像光を、観察者の瞳孔位置に向けて収束させる集光光学系と、観察者の瞳孔位置に基づいて、第１の反射素子および第２の反射素子のうち少なくとも一方の配置角度を制御する制御部とを備えるものである。

　本開示の一実施の形態に係る画像表示装置では、画像光形成装置からの画像光が第１の反射素子に入射する。第２の反射素子は、第１の反射素子を介して入射した画像光を、第１の反射素子に向けて反射し、画像光を第１の反射素子に再入射させる。集光光学系は、第１の反射素子に再入射した後の画像光を、観察者の瞳孔位置に向けて収束させる。第１の反射素子および第２の反射素子のうち少なくとも一方の配置角度が、観察者の瞳孔位置に基づいて制御される。

本開示の第１の実施の形態に係る画像表示装置の一構成例を概略的に示す構成図である。第１の実施の形態に係る画像表示装置における集光光学系の第１の変形例を概略的に示す構成図である。第１の実施の形態に係る画像表示装置における集光光学系の第２の変形例を概略的に示す構成図である。第１の実施の形態に係る画像表示装置において、第２の反射素子の配置角度を第１の方向に変化させた例を概略的に示す構成図である。第１の実施の形態に係る画像表示装置において、第２の反射素子の配置角度を第２の方向に変化させた例を概略的に示す構成図である。第１の実施の形態に係る画像表示装置において、第１の反射素子の配置角度を第１の方向に変化させた例を概略的に示す構成図である。第１の実施の形態に係る画像表示装置において、第１の反射素子の配置角度を第２の方向に変化させた例を概略的に示す構成図である。視認距離の違いによる眼球の水晶体の変化を模式的に示す説明図である。画像光の広がり角を模式的に示す説明図である。第１の実施の形態に係る画像表示装置における第１の反射素子の配置位置の一例を模式的に示す第１の斜視図である。第１の実施の形態に係る画像表示装置における第１の反射素子の配置位置の一例を模式的に示す第２の斜視図である。第２の実施の形態に係る画像表示装置の一構成例を概略的に示す構成図である。第２の実施の形態に係る画像表示装置において、第２の反射素子の配置角度を第１の方向に変化させた例を概略的に示す構成図である。第２の実施の形態に係る画像表示装置において、第２の反射素子の配置角度を第２の方向に変化させた例を概略的に示す構成図である。第２の実施の形態に係る画像表示装置において、第１の反射素子の配置角度を第２の方向に変化させた例を概略的に示す構成図である。第２の実施の形態に係る画像表示装置において、反射素子の配置角度を変化させた第２の例を概略的に示す構成図である。第３の実施の形態に係る画像表示装置の一構成例を、画像光の光路と共に示す構成図である。第３の実施の形態に係る画像表示装置の一構成例を、瞳孔位置を検出するための照明光の光路と共に示す構成図である。第３の実施の形態に係る画像表示装置において、検出素子で検出される眼球反射光の分布の第１の例を示す説明図である。第３の実施の形態に係る画像表示装置において、検出素子で検出される眼球反射光の分布の第２の例を示す説明図である。第３の実施の形態に係る画像表示装置の変形例を、画像光の光路と共に示す第１の斜視図である。第３の実施の形態に係る画像表示装置の変形例を、瞳孔位置を検出するための照明光の光路と共に示す第２の斜視図である。第４の実施の形態に係る画像表示装置の一構成例を、画像光の光路と共に示す構成図である。第４の実施の形態に係る画像表示装置の一構成例を、瞳孔位置を検出するための照明光の光路と共に示す構成図である。

　以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。

　１．第１の実施の形態（図１～図１１）
　　１．１　構成および動作
　　１．２　効果
　２．第２の実施の形態（図１２～図１６）
　３．第３の実施の形態（図１７～図２２）
　４．第４の実施の形態（図２３～図２４）
　５．その他の実施の形態

＜１．第１の実施の形態＞
［１．１　構成および動作］
　図１は、本開示の第１の実施の形態に係る画像表示装置１の一構成例を概略的に示している。

　第１の実施の形態に係る画像表示装置１は、画像光Ｌ０を生成する画像光形成装置１００を備えている。画像表示装置１は、画像光形成装置１００によって生成された画像光Ｌ０を観察者の瞳孔位置に導く装置であり、例えばヘッドマウントディスプレイとして利用可能である。

　画像表示装置１は、第１の反射素子１１と、第２の反射素子１２と、集光光学系２０と、ハーフミラー２１と、瞳孔位置検出装置３０と、配置角度制御部４０と、コリメータレンズ１０４とを、さらに備えている。

　画像光形成装置１００は、画像光Ｌ０を生成し、生成した画像光Ｌ０を出射する。画像光形成装置１００は、走査ミラー１０１と、描画光源１０２と、全反射ミラー１０３とを含んでいる。

　描画光源１０２は、例えばレーザダイオードからなるレーザ光源である。描画光源１０２は、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の各色光を発する複数のレーザダイオードを含んでいてもよい。描画光源１０２は、画像データに基づいて強度変調されたレーザ光を走査ミラー１０１に向けて出力する。描画光源１０２と走査ミラー１０１との間には、描画光源１０２からのレーザ光を走査ミラー１０１に導く光学系が配置されていてもよい。

　走査ミラー１０１は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーで構成されている。走査ミラー１０１は、描画光源１０２からのレーザ光を画像データに基づいて２次元的に走査することで、２次元的な画像光Ｌ０を生成する。走査ミラー１０１の走査方向および走査タイミングは、画像データに基づいて制御される。

　なお、画像光形成装置１００は、このような描画光源１０２と走査ミラー１０１とを用いたレーザ走査型の装置に限らず、表示パネルとピンホールとを用いた装置であってもよい。例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）、または有機ＥＬディスプレイ（ＯＥＬＤ：Organic Electro-Luminescence Display）等の表示パネルからの画像光を集光レンズによってピンホールに集光してコリメータレンズ１０４に向けて出射するような装置であってもよい。

　コリメータレンズ１０４は、画像光形成装置１００からの各画素のビームの進行方向を平行化し、画像光Ｌ０として第１の反射素子１１に入射させる。

　第１の反射素子１１は、画像光Ｌ０に対して透過作用と反射作用とを有するハーフミラーである。画像光形成装置１００からの画像光Ｌ０は、第１の反射素子１１を介して第２の反射素子１２に入射する。

　第２の反射素子１２は、画像光Ｌ０に対して反射作用を有する全反射ミラーである。第２の反射素子１２は、第１の反射素子１１を介して入射した画像光Ｌ０を第１の反射素子１１に向けて反射し、画像光Ｌ０を第１の反射素子１１に再入射させる。

　第１の実施の形態においては、第２の反射素子１２は、画像光形成装置１００からの画像光Ｌ０が第１の反射素子１１を透過した後の第１の透過光路上に配置されている。第１の反射素子１１は、第２の反射素子１２によって反射され、再入射した画像光Ｌ０を集光光学系２０に向けて反射するように配置されている。

　集光光学系２０は、第１の反射素子１１に再入射した後の画像光Ｌ０を、ハーフミラー２１を介して、観察者の瞳孔位置に向けて収束させる光学系である。集光光学系２０は、例えば集光レンズ等の少なくとも１つの集光素子によって構成されている。

　ハーフミラー２１は、集光光学系２０と観察者の瞳孔位置との間の光路上に配置されている。ハーフミラー２１は、観察者の眼球２００に対向するように配置されている。観察者は、ハーフミラー２１を介して画像光Ｌ０を観察することになる。これにより、画像表示装置１を例えばヘッドマウントディスプレイとして構成した場合、シースルーで外界を観察可能にしつつ、画像光形成装置１００によって形成された画像光Ｌ０を観察することが可能となる。

　瞳孔位置検出装置３０は、例えば後述する第３の実施の形態（図１８等）に示すように、検出素子３１を含み、検出素子３１の検出結果に基づいて観察者の瞳孔位置を検出する。

　配置角度制御部４０は、瞳孔位置検出装置３０によって検出された観察者の瞳孔位置に基づいて、第１の反射素子１１および第２の反射素子１２のうち少なくとも一方の配置角度を制御する。これにより、観察者の瞳孔位置の移動に関わらず、画像光Ｌ０を観察者の瞳孔２０１に導くことが可能となる。

（集光光学系２０の変形例）
　図２は、画像表示装置１における集光光学系２０の第１の変形例を概略的に示している。

　図２に示した画像表示装置１Ａは、図１の画像表示装置１における集光光学系２０とハーフミラー２１とに代えて、集光光学系２０Ａを備えている。集光光学系２０Ａは、凹面ハーフミラーであり、図１の画像表示装置１における集光光学系２０とハーフミラー２１とを共通化した構成となっている。

　図３は、画像表示装置１における集光光学系２０の第２の変形例を概略的に示している。

　図３に示した画像表示装置１Ｂは、図１の画像表示装置１における集光光学系２０に代えて、集光光学系２０Ｂを備えている。集光光学系２０Ｂは、複数の集光素子によって構成されている。集光光学系２０Ｂは、例えば、凹レンズ２２１と、凸レンズ２２２と、凸レンズ２２３とで構成されている。凹レンズ２２１は、色消しのために凸レンズ２２２に比べて高い屈折率材料で構成されていることが好ましい。このような集光光学系２０Ｂの構成により、図１の画像表示装置１に比べて、画角の拡大および色収差の改善を行うことができる。

　集光光学系２０のその他の変形例として、集光光学系２０を回折光学素子を含む光学系としてもよい。

（配置角度の制御例）
　図４および図５は、図１の画像表示装置１において、第２の反射素子１２の配置角度を可変にした例を示している。

　図４および図５に示した画像表示装置１Ｃでは、配置角度制御部４０は、観察者の瞳孔位置の変化に関わらず、画像光Ｌ０が観察者の瞳孔２０１に入射するように、第２の反射素子１２の配置角度を制御する。

　例えば、図４に示したように、観察者の眼球２００がβ１の方向に変化し、瞳孔位置が上向きに変化した場合、配置角度制御部４０は、第２の反射素子１２の配置角度を、瞳孔位置の変化の方向β１に応じた、第１の方向α１１に変化させる。

　また、図５に示したように、観察者の眼球２００がβ２の方向に変化し、瞳孔位置が下向きに変化した場合、配置角度制御部４０は、第２の反射素子１２の配置角度を、瞳孔位置の変化の方向β２に応じた、第２の方向α１２に変化させる。

　図６および図７は、図１の画像表示装置１において、第１の反射素子１１の配置角度を可変にした例を示している。

　図６および図７に示した画像表示装置１Ｄでは、配置角度制御部４０は、観察者の瞳孔位置の変化に関わらず、画像光Ｌ０が観察者の瞳孔２０１に入射するように、第１の反射素子１１の配置角度を制御する。

　例えば、図６に示したように、観察者の眼球２００がβ１の方向に変化し、瞳孔位置が上向きに変化した場合、配置角度制御部４０は、第１の反射素子１１の配置角度を、瞳孔位置の変化の方向β１に応じた、第１の方向γ１１に変化させる。

　また、図７に示したように、観察者の眼球２００がβ２の方向に変化し、瞳孔位置が下向きに変化した場合、配置角度制御部４０は、第１の反射素子１１の配置角度を、瞳孔位置の変化の方向β２に応じた、第２の方向γ１２に変化させる。

　なお、図４ないし図７において、瞳孔位置の変化の方向は、紙面内に限らず、紙面に交差する方向であってもよい。この場合、第１の反射素子１１または第２の反射素子１２の配置角度も、瞳孔位置の変化の方向に応じて、紙面に交差する方向に変化させればよい。

　また、第１の反射素子１１および第２の反射素子１２の双方の配置角度が可変であってもよい。配置角度制御部４０は、観察者の瞳孔位置の変化に関わらず、画像光Ｌ０が観察者の瞳孔２０１に入射するように、第１の反射素子１１および第２の反射素子１２の双方の配置角度を制御するようにしてもよい。

（画像光の広がり角）
　図８は、視認対象物の距離（視認距離）の違いによる眼球２００の水晶体２０２の変化を模式的に示している。

　第１の実施の形態に係る画像表示装置１において、画像光Ｌ０だけでなく、ハーフミラー２１越しに外界も視認している場合、網膜上に結像できるように、外界の視認対象物との距離に応じて水晶体２０２の厚みが変形する。図８には、視認距離が無限遠の場合（上段）と近距離の場合（下段）とにおける水晶体２０２の変化を模式的に示している。視認距離が無限遠の場合、視認対象物からの光は、ほぼ平行光で瞳孔２０１に入射する。視認距離が近距離の場合、視認対象物からの光は、発散光で瞳孔２０１に入射する。このため、視認距離が近距離の場合の水晶体２０２の厚みｔ２は、視認対象物からの光が網膜上に結像するように、無限遠の場合の水晶体２０２の厚みｔ１に比べて厚くなる。

　このため、第１の実施の形態に係る画像表示装置１では、観察者の瞳孔位置における画像光Ｌ０は、観察者の瞳孔２０１に向かって平行ビームに近いか、もしくは観察者の瞳孔２０１に向かって発散ビームであることが好ましい。

　ここで、図９は、瞳孔２０１に入射する画像光Ｌ０の広がり角θを模式的に示している。第１の実施の形態に係る画像表示装置１では、観察者の瞳孔位置における画像光Ｌ０の広がり角θが、以下の式（１）の範囲内であることが好ましい。
　－０．０６°＜θ＜０．６°　…（１）

　より好ましくは、観察者の瞳孔位置における画像光Ｌ０の広がり角θは、以下の式（１）′の範囲内であるとよい。
　０°＜θ＜０．６°　…（１）′

　ただし、広がり角θは、観察者の瞳孔２０１に向かって発散する場合を正、収束する場合を負とする。また、広がり角θは、図９に示したように、光軸からの広がり角（半角）とする。

　なお、画像光Ｌ０の広がり角θは、例えば、描画光源１０２、走査ミラー１０１、第１の反射素子１１、および第２の反射素子１２のうち少なくとも１つの光路上の位置を変化させることによって調整可能である。また、コリメータレンズ１０４の光路上の位置を変化させることによっても調整可能である。

　また、画像光Ｌ０のビームウェスト位置は、以下のように調整することが好ましい。これにより、画像光Ｌ０の広がり角θを上記した範囲となるように調整することが可能となる。

　図４および図５に示したように第２の反射素子１２の配置角度を可変にする場合、第２の反射素子１２は、集光光学系２０の画像光形成装置１００側の焦点面の近傍に配置されていることが好ましい。集光光学系２０の画像光形成装置１００側の焦点面は、開口絞り位置５０に相当する。なお、図示した開口絞り位置５０は、必ずしも物理的に開口絞りが配置されていることを示すものではなく、開口絞りに相当する位置を示しているに過ぎない。以降の他の図における開口絞り位置５０についても同様である。この場合、第２の反射素子１２によって反射した後の画像光Ｌ０の光路において、画像光Ｌ０のビームウェスト位置が、第２の反射素子１２と集光光学系２０との間の光路位置にあることが好ましい。これにより、画像光Ｌ０のビームウェスト位置が、第２の反射素子１２の近傍、もしくは第２の反射素子１２によって反射した後の画像光Ｌ０の光路において瞳孔寄りの位置にあることが好ましい。

　また、図６および図７に示したように第１の反射素子１１の配置角度を可変にする場合、第１の反射素子１１は、集光光学系２０の画像光形成装置１００側の焦点面の近傍に配置されていることが好ましい。集光光学系２０の画像光形成装置１００側の焦点面は、開口絞り位置５０に相当する。この場合、画像光形成装置１００からの画像光Ｌ０が第１の反射素子１１に入射した後の画像光Ｌ０の光路において、画像光Ｌ０のビームウェスト位置が、第１の反射素子１１と集光光学系２０との間の光路位置にあることが好ましい。これにより、画像光Ｌ０のビームウェスト位置が、第１の反射素子１１の近傍、もしくは第１の反射素子１１によって反射した後の画像光Ｌ０の光路において瞳孔寄りの位置にあることが好ましい。

（第１の反射素子１１の配置）
　次に、図１０および図１１を参照して、第１の反射素子１１の好ましい配置位置について説明する。なお、図１０および図１１では、図３に示した画像表示装置１Ｂの３次元的な配置例を示している。

　画像光形成装置１００の光軸に対して、第１の反射素子１１の法線３０１は、第１の反射素子１１の傾斜基準軸３０２を中心に傾斜している。また、集光光学系２０Ｂの入射光軸３０３に対して、第１の反射素子１１の法線３０１は、第１の反射素子１１の傾斜基準軸３０２を中心に傾斜している。

　第２の反射素子１２の反射機能面は、例えば、縦横の長さが異なる矩形である。この場合、第２の反射素子１２の反射機能面の長辺と傾斜基準軸３０２とが略平行であることが好ましい。これにより、第１の反射素子１１または第２の反射素子１２の配置角度を変化させた場合であっても、第１の反射素子１１と第２の反射素子１２との干渉、または、第１の反射素子１１と他の部品との干渉を防止することができる。

［１．２　効果］
　以上のように、本実施の形態によれば、画像光形成装置１００から出射された後の画像光Ｌ０の光路上に配置された第１の反射素子１１および第２の反射素子１２のうち少なくとも一方の配置角度を、観察者の瞳孔位置に基づいて制御するようにしたので、小型で、観察者の瞳孔位置の移動に関わらず画像光Ｌ０を瞳孔２０１に導くことが可能となる。

　本実施の形態によれば、画像光形成装置１００の走査ユニット自体を移動させる方式に比べて、観察者の瞳孔位置の変化に応じて、少ない移動量で画像光Ｌ０の収束位置を調整することが可能となる。また、走査ユニット自体を移動させる方式では、画像の歪み等の画質の劣化が発生するおそれがあるが、本実施の形態によれば、画質の劣化を低減しつつ、画像光Ｌ０の収束位置を調整することが可能となる。また、本実施の形態によれば、画像光Ｌ０の広がり角θを適切に制御するようにしたので、観察者の視認距離に応じた解像度の高い画像表示を行うことが可能となる。

　なお、本明細書に記載された効果はあくまでも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。以降の他の実施の形態の効果についても同様である。

＜２．第２の実施の形態＞
　次に、本開示の第２の実施の形態に係る画像表示装置について説明する。なお、以下では、上記第１の実施の形態に係る画像表示装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。

　図１２は、本開示の第２の実施の形態に係る画像表示装置１Ｅの一構成例を概略的に示している。

　図１２に示した画像表示装置１Ｅは、図１の画像表示装置１の構成に対して、第１の反射素子１１と第２の反射素子１２との配置位置の関係が異なっている。

　第２の実施の形態においては、第２の反射素子１２は、画像光形成装置１００からの画像光Ｌ０が第１の反射素子１１を反射した後の第１の反射光路上に配置されている。第１の反射素子１１は、第２の反射素子１２によって反射され、再入射した画像光Ｌ０を集光光学系２０に向けて透過するように配置されている

（配置角度の制御例）
　図１３および図１４は、図１２の画像表示装置１Ｅにおいて、第２の反射素子１２の配置角度を可変にした例を示している。

　図１３および図１４に示した画像表示装置１Ｆでは、配置角度制御部４０は、観察者の瞳孔位置の変化に関わらず、画像光Ｌ０が観察者の瞳孔２０１に入射するように、第２の反射素子１２の配置角度を制御する。

　例えば、図１３に示したように、観察者の眼球２００がβ１の方向に変化し、瞳孔位置が上向きに変化した場合、配置角度制御部４０は、第２の反射素子１２の配置角度を、瞳孔位置の変化の方向β１に応じた、第１の方向α２１に変化させる。

　また、図１４に示したように、観察者の眼球２００がβ２の方向に変化し、瞳孔位置が下向きに変化した場合、配置角度制御部４０は、第２の反射素子１２の配置角度を、瞳孔位置の変化の方向β２に応じた、第２の方向α２２に変化させる。

　図１５および図１６は、図１２の画像表示装置１Ｅにおいて、第１の反射素子１１の配置角度を可変にした例を示している。

　図１５および図１６に示した画像表示装置１Ｇでは、配置角度制御部４０は、観察者の瞳孔位置の変化に関わらず、画像光Ｌ０が観察者の瞳孔２０１に入射するように、第１の反射素子１１の配置角度を制御する。

　例えば、図１５に示したように、観察者の眼球２００がβ１の方向に変化し、瞳孔位置が上向きに変化した場合、配置角度制御部４０は、第１の反射素子１１の配置角度を、瞳孔位置の変化の方向β１に応じた、第１の方向γ２１に変化させる。

　また、図１６に示したように、観察者の眼球２００がβ２の方向に変化し、瞳孔位置が下向きに変化した場合、配置角度制御部４０は、第１の反射素子１１の配置角度を、瞳孔位置の変化の方向β２に応じた、第２の方向γ２２に変化させる。

　なお、図１３ないし図１６において、瞳孔位置の変化の方向は、紙面内に限らず、紙面に交差する方向であってもよい。この場合、第１の反射素子１１または第２の反射素子１２の配置角度も、瞳孔位置の変化の方向に応じて、紙面に交差する方向に変化させればよい。

（画像光の広がり角）
　上記第１の実施の形態と同様に、第２の実施の形態に係る画像表示装置１Ｅでは、観察者の瞳孔位置における画像光Ｌ０は、観察者の瞳孔２０１に向かって平行ビームに近いか、もしくは観察者の瞳孔２０１に向かって発散ビームであることが好ましい。

　また、画像光Ｌ０のビームウェスト位置は、以下のように調整することが好ましい。これにより、画像光Ｌ０の広がり角θを、上記第１の実施の形態と同様に、式（１）または（１）′の範囲内となるように調整することが好ましい。

　図１３および図１４に示したように第２の反射素子１２の配置角度を可変にする場合、第２の反射素子１２は、集光光学系２０の画像光形成装置１００側の焦点面の近傍に配置されていることが好ましい。集光光学系２０の画像光形成装置１００側の焦点面は、開口絞り位置５０に相当する。この場合、第２の反射素子１２によって反射した後の画像光Ｌ０の光路において、画像光Ｌ０のビームウェスト位置が、第２の反射素子１２と集光光学系２０との間の光路位置にあることが好ましい。これにより、画像光Ｌ０のビームウェスト位置が、第２の反射素子１２の近傍、もしくは第２の反射素子１２によって反射した後の画像光Ｌ０の光路において瞳孔寄りの位置にあることが好ましい。

　また、図１５および図１６に示したように第１の反射素子１１の配置角度を可変にする場合、第１の反射素子１１は、集光光学系２０の画像光形成装置１００側の焦点面の近傍に配置されていることが好ましい。集光光学系２０の画像光形成装置１００側の焦点面は、開口絞り位置５０に相当する。この場合、画像光形成装置１００からの画像光Ｌ０が第１の反射素子１１に入射した後の画像光Ｌ０の光路において、画像光Ｌ０のビームウェスト位置が、第１の反射素子１１と集光光学系２０との間の光路位置にあることが好ましい。これにより、画像光Ｌ０のビームウェスト位置が、第１の反射素子１１の近傍、もしくは第１の反射素子１１によって反射した後の画像光Ｌ０の光路において瞳孔寄りの位置にあることが好ましい。

　その他の構成、動作および効果は、上記第１の実施の形態に係る画像表示装置と略同様であってもよい。

＜３．第３の実施の形態＞
　次に、本開示の第３の実施の形態に係る画像表示装置について説明する。なお、以下では、上記第１または第２の実施の形態に係る画像表示装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。

　図１７および図１８は、第３の実施の形態に係る画像表示装置１Ｈの一構成例を示している。図１に示した画像表示装置１において、瞳孔位置検出装置３０は観察者の瞳孔位置を検出するための検出光学系と検出素子３１とを有している。第３の実施の形態に係る画像表示装置１Ｈは、図１に示した画像表示装置１の構成例に対して、瞳孔位置検出装置３０の検出光学系と検出素子３１とを追加した構成例を示している。検出光学系と検出素子３１以外の構成は、図１に示した画像表示装置１と略同様である。

　図１７では、画像表示装置１Ｈの一構成例を、画像光Ｌ０の光路と共に示している。図１８では、画像表示装置１Ｈの一構成例を、瞳孔位置を検出するための照明光Ｌ１１の光路と共に示している。

　検出光学系は、第３の反射素子１３と、撮像レンズ３２と、波長カットフィルタ３３と、照明光源３４とを有している。

　照明光源３４は、観察者の瞳孔位置を検出するための照明光Ｌ１１を出射する。照明光Ｌ１１は、例えば赤外光である。照明光源３４は、例えば赤外光を発するＩＲ（赤外）レーザダイオードである。

　第３の反射素子１３は、ハーフミラーであり、照明光源３４から出射された照明光Ｌ１１を反射して、第１の反射素子１１に入射させる。また、第３の反射素子１３は画像光Ｌ０を透過させる。第１の反射素子１１に入射した後の照明光Ｌ１１は、画像光Ｌ０と略同一の光路上を進行し、観察者の瞳孔位置（眼球２００）に照射される。照明光Ｌ１１の照射位置は、画像光Ｌ０の収束位置と同様に、第１の反射素子１１および第２の反射素子１２のうち少なくとも一方の配置角度を制御することによって観察者の瞳孔位置の変化に追従して調整される。

　照明光Ｌ１１は、眼球２００において反射され、眼球反射光Ｌ１２が生成される。眼球反射光Ｌ１２には、角膜反射光Ｌ１２Ａと、網膜反射光Ｌ１２Ｂとが含まれている。

　検出素子３１は、観察者の眼球２００によって反射され、集光光学系２０を逆行し、第１の反射素子１１を透過した後の眼球反射光Ｌ１２の第２の透過光路上に配置され、眼球反射光Ｌ１２を検出する。第１の反射素子１１と検出素子３１との間における第２の透過光路上には、波長カットフィルタ３３と撮像レンズ３２とが配置されている。

　波長カットフィルタ３３は、照明光Ｌ１１の波長帯域以外の光をカットするフィルタであり、例えば可視光カットフィルタである。

　配置角度制御部４０は、検出素子３１による眼球反射光Ｌ１２の検出結果に基づいて得られた観察者の瞳孔位置に基づいて、第１の反射素子１１および第２の反射素子１２のうち少なくとも一方の配置角度を制御する。

（検出結果の具体例）
　図１９は、第３の実施の形態に係る画像表示装置１Ｈにおいて、検出素子３１で検出される眼球反射光Ｌ１２の分布の第１の例を示している。図２０は、第３の実施の形態に係る画像表示装置１Ｈにおいて、検出素子３１で検出される眼球反射光Ｌ１２の分布の第２の例を示している。図１９は、瞳孔位置（眼球２００）が、正面に位置する場合の眼球反射光Ｌ１２の分布の例を示している。図２０は、瞳孔位置（眼球２００）が、正面位置から回転した場合の眼球反射光Ｌ１２の分布の例を示している。

　眼球反射光Ｌ１２のうち網膜反射光Ｌ１２Ｂは、網膜での散乱光である。網膜反射光Ｌ１２Ｂは、水晶体２０２で平行光に近い状態へと屈折し、検出素子３１へと向かう。検出素子３１上では、瞳孔２０１の大きさに対応する領域全体に網膜反射光Ｌ１２Ｂによる像が観察される。

　一方、眼球反射光Ｌ１２のうち角膜反射光Ｌ１２Ａは、検出素子３１上では、角膜による正反射光による極小領域の像（プルキニエ像）として観察される。

　図１９および図２０に示したように、瞳孔位置の違いによって検出素子３１で観察される像の位置が異なる。このため、検出素子３１による検出結果に基づいて、瞳孔位置を検出することが可能となる。

（変形例）
　図２１および図２２は、第３の実施の形態の変形例に係る画像表示装置１Ｉの一構成例を示している。変形例に係る画像表示装置１Ｉは、図１７および図１８に示した画像表示装置１Ｈの構成例に対して、画像光形成装置１００と検出光学系との配置が部分的に異なっている。図２１では、変形例に係る画像表示装置１Ｉの一構成例を、画像光Ｌ０の光路と共に示している。図２２は、変形例に係る画像表示装置１Ｉの一構成例を、瞳孔位置を検出するための照明光Ｌ１１の光路と共に示している。

　変形例に係る画像表示装置１Ｉでは、第３の反射素子１３は、照明光源３４から出射された照明光Ｌ１１を第１の反射素子１１に向けて透過させるように配置されている。また、第３の反射素子１３は、画像光形成装置１００から出射された画像光Ｌ０を第１の反射素子１１に向けて反射させるように配置されている。

　その他の構成、および動作は、図１７および図１８に示した画像表示装置１Ｈと略同様であってもよい。

＜４．第４の実施の形態＞
　次に、本開示の第４の実施の形態に係る画像表示装置について説明する。なお、以下では、上記第１ないし第３のいずれかの実施の形態に係る画像表示装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。

　図２３および図２４は、第４の実施の形態に係る画像表示装置１Ｊの一構成例を示している。第４の実施の形態に係る画像表示装置１Ｊは、第２の実施の形態に係る画像表示装置１Ｅ（図１２）の構成例に対して、瞳孔位置検出装置３０の検出光学系と検出素子３１とを追加した構成例を示している。検出光学系と検出素子３１以外の構成は、第２の実施の形態に係る画像表示装置１Ｅと略同様である。

　図２３では、画像表示装置１Ｊの一構成例を、画像光Ｌ０の光路と共に示している。図２４では、画像表示装置１Ｊの一構成例を、瞳孔位置を検出するための照明光Ｌ１１の光路と共に示している。

　検出素子３１は、観察者の眼球２００によって反射され、集光光学系２０を逆行し、第１の反射素子１１を反射した後の眼球反射光Ｌ１２の第２の反射光路上に配置され、眼球反射光Ｌ１２を検出する。第１の反射素子１１と検出素子３１との間における第２の反射光路上には、波長カットフィルタ３３と撮像レンズ３２とが配置されている。

　その他の構成、動作および効果は、上記第２の実施の形態に係る画像表示装置と略同様であってもよい。また、検出素子３１で検出される眼球反射光Ｌ１２の分布は、上記第３の実施の形態に係る画像表示装置と略同様であってもよい。

＜５．その他の実施の形態＞
　本開示による技術は、上記各実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。

　例えば、本技術は以下のような構成を取ることもできる。以下の構成の本技術によれば、画像光形成装置から出射された後の画像光の光路上に配置された第１の反射素子および第２の反射素子のうち少なくとも一方の配置角度を、観察者の瞳孔位置に基づいて制御するようにしたので、小型で、観察者の瞳孔位置の移動に関わらず画像光を瞳孔に導くことが可能となる。
（１）
　画像光を出射する画像光形成装置と、
　前記画像光に対して透過作用と反射作用とを有し、前記画像光形成装置からの前記画像光が入射する第１の反射素子と、
　前記画像光に対して反射作用を有し、前記第１の反射素子を介して入射した前記画像光を前記第１の反射素子に向けて反射し、前記画像光を前記第１の反射素子に再入射させる第２の反射素子と、
　前記第１の反射素子に再入射した後の前記画像光を、観察者の瞳孔位置に向けて収束させる集光光学系と、
　前記観察者の瞳孔位置に基づいて、前記第１の反射素子および前記第２の反射素子のうち少なくとも一方の配置角度を制御する制御部と
　を備える
　画像表示装置。
（２）
　前記第２の反射素子は、前記画像光形成装置からの前記画像光が前記第１の反射素子を透過した後の第１の透過光路上に配置され、
　前記第１の反射素子は、前記第２の反射素子によって反射され、再入射した前記画像光を前記集光光学系に向けて反射するように配置されている
　上記（１）に記載の画像表示装置。
（３）
　前記第２の反射素子は、配置角度が可変であり、
　前記制御部は、前記観察者の瞳孔位置の変化に関わらず、前記画像光が前記観察者の瞳孔に入射するように、前記第２の反射素子の配置角度を制御する
　上記（２）に記載の画像表示装置。
（４）
　前記第１の反射素子は、配置角度が可変であり、
　前記制御部は、前記観察者の瞳孔位置の変化に関わらず、前記画像光が前記観察者の瞳孔に入射するように、前記第１の反射素子の配置角度を制御する
　上記（２）に記載の画像表示装置。
（５）
　前記第２の反射素子は、前記画像光形成装置からの前記画像光が前記第１の反射素子を反射した後の第１の反射光路上に配置され、
　前記第１の反射素子は、前記第２の反射素子によって反射され、再入射した前記画像光を前記集光光学系に向けて透過するように配置されている
　上記（１）に記載の画像表示装置。
（６）
　前記第２の反射素子は、配置角度が可変であり、
　前記制御部は、前記観察者の瞳孔位置の変化に関わらず、前記画像光が前記観察者の瞳孔に入射するように、前記第２の反射素子の配置角度を制御する
　上記（５）に記載の画像表示装置。
（７）
　前記第１の反射素子は、配置角度が可変であり、
　前記制御部は、前記観察者の瞳孔位置の変化に関わらず、前記画像光が前記観察者の瞳孔に入射するように、前記第１の反射素子の配置角度を制御する
　上記（５）に記載の画像表示装置。
（８）
　前記第２の反射素子は、前記集光光学系の前記画像光形成装置側の焦点面の近傍に配置され、その配置角度が可変であり、
　前記制御部は、前記観察者の瞳孔位置に基づいて前記第２の反射素子の配置角度を制御するようになされ、
　前記第２の反射素子によって反射した後の前記画像光の光路において、前記画像光のビームウェスト位置が、前記第２の反射素子と前記集光光学系との間の光路位置にある
　上記（１）、（２）、（３）、（５）、または（６）に記載の画像表示装置。
（９）
　前記観察者の視認距離に応じて、
　前記第２の反射素子によって反射した後の前記画像光の光路において、前記画像光の前記ビームウェスト位置を、前記第２の反射素子と前記集光光学系との間で変化させる
　上記（８）に記載の画像表示装置。
（１０）
　前記第１の反射素子は、前記集光光学系の前記画像光形成装置側の焦点面の近傍に配置され、その配置角度が可変であり、
　前記制御部は、前記観察者の瞳孔位置に基づいて前記第１の反射素子の配置角度を制御するようになされ、
　前記画像光形成装置からの前記画像光が前記第１の反射素子に入射した後の前記画像光の光路において、前記画像光のビームウェスト位置が、前記第１の反射素子と前記集光光学系との間の光路位置にある
　上記（１）、（２）、（４）、（５）、または（７）に記載の画像表示装置。
（１１）
　前記観察者の視認距離に応じて、
　前記画像光形成装置からの前記画像光が前記第１の反射素子に入射した後の前記画像光の光路において、前記画像光の前記ビームウェスト位置を、前記第１の反射素子と前記集光光学系との間で変化させる
　上記（１０）に記載の画像表示装置。
（１２）
　前記観察者の瞳孔位置における前記画像光は、前記観察者の瞳孔に向かって平行ビームもしくは前記観察者の瞳孔に向かって発散ビームである
　上記（１）ないし（１１）のいずれか１つに記載の画像表示装置。
（１３）
　前記観察者の瞳孔位置における前記画像光の広がり角θが、以下の式（１）の範囲内である
　上記（１）ないし（１１）のいずれか１つに記載の画像表示装置。
　－０．０６°＜θ＜０．６°　…（１）
　ただし、広がり角θは、前記観察者の瞳孔に向かって発散する場合を正、収束する場合を負とする。
（１４）
　前記画像光形成装置は、光を発する光源と、前記光源からの光を走査することによって前記画像光を生成する走査ミラーとを含み、
　前記光源、前記走査ミラー、前記第１の反射素子、および前記第２の反射素子のうち少なくとも１つの光路上の位置を変化させることによって、前記画像光の前記広がり角θを調整可能である
　上記（１３）に記載の画像表示装置。
（１５）
　前記第２の反射素子の反射機能面は、縦横の長さが異なる矩形であり、
　前記画像光形成装置の光軸に対して、前記第１の反射素子の法線は、前記第１の反射素子の傾斜基準軸を中心に傾斜しており、
　前記反射機能面の長辺と前記傾斜基準軸とが略平行である
　上記（１）ないし（１４）のいずれか１つに記載の画像表示装置。
（１６）
　前記第２の反射素子の反射機能面は、縦横の長さが異なる矩形であり、
　前記集光光学系の入射光軸に対して、前記第１の反射素子の法線は、前記第１の反射素子の傾斜基準軸を中心に傾斜しており、
　前記反射機能面の長辺と前記傾斜基準軸とが略平行である、
　上記（１）ないし（１５）のいずれか１つに記載の画像表示装置。
（１７）
　前記観察者の前記瞳孔位置を検出するための照明光を出射する照明光源と、
　前記観察者の眼球によって反射され、前記集光光学系を逆行した後、前記第１の反射素子を透過した後の前記照明光の反射光の第２の透過光路上に配置され、前記照明光の前記反射光を検出する検出素子と
　をさらに備え、
　前記制御部は、前記検出素子による前記反射光の検出結果に基づいて得られた前記観察者の瞳孔位置に基づいて、前記第１の反射素子および前記第２の反射素子のうち少なくとも一方の配置角度を制御する
　上記（２）ないし（４）のいずれか１つに記載の画像表示装置。
（１８）
　前記検出素子と前記第１の反射素子との間における前記第２の透過光路上に配置され、前記照明光の波長帯域以外の光をカットするフィルタ、をさらに備える
　上記（１７）に記載の画像表示装置。
（１９）
　前記観察者の前記瞳孔位置を検出するための照明光を出射する照明光源と、
　前記観察者の眼球によって反射され、前記集光光学系を逆行した後、前記第１の反射素子を反射した後の前記照明光の反射光の第２の反射光路上に配置され、前記照明光の前記反射光を検出する検出素子と
　をさらに備え、
　前記制御部は、前記検出素子による前記反射光の検出結果に基づいて得られた前記観察者の瞳孔位置に基づいて、前記第１の反射素子および前記第２の反射素子のうち少なくとも一方の配置角度を制御する
　上記（５）ないし（７）のいずれか１つに記載の画像表示装置。
（２０）
　前記検出素子と前記第１の反射素子との間における前記第２の反射光路上に配置され、前記照明光の波長帯域以外の光をカットするフィルタ、をさらに備える
　上記（１９）に記載の画像表示装置。

　本出願は、日本国特許庁において２０１７年１２月１５日に出願された日本特許出願番号第２０１７－２４０２６９号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。

　当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims

　画像光を出射する画像光形成装置と、
　前記画像光に対して透過作用と反射作用とを有し、前記画像光形成装置からの前記画像光が入射する第１の反射素子と、
　前記画像光に対して反射作用を有し、前記第１の反射素子を介して入射した前記画像光を前記第１の反射素子に向けて反射し、前記画像光を前記第１の反射素子に再入射させる第２の反射素子と、
　前記第１の反射素子に再入射した後の前記画像光を、観察者の瞳孔位置に向けて収束させる集光光学系と、
　前記観察者の瞳孔位置に基づいて、前記第１の反射素子および前記第２の反射素子のうち少なくとも一方の配置角度を制御する制御部と
　を備える
　画像表示装置。
　前記第２の反射素子は、前記画像光形成装置からの前記画像光が前記第１の反射素子を透過した後の第１の透過光路上に配置され、
　前記第１の反射素子は、前記第２の反射素子によって反射され、再入射した前記画像光を前記集光光学系に向けて反射するように配置されている
　請求項１に記載の画像表示装置。
　前記第２の反射素子は、配置角度が可変であり、
　前記制御部は、前記観察者の瞳孔位置の変化に関わらず、前記画像光が前記観察者の瞳孔に入射するように、前記第２の反射素子の配置角度を制御する
　請求項２に記載の画像表示装置。
　前記第１の反射素子は、配置角度が可変であり、
　前記制御部は、前記観察者の瞳孔位置の変化に関わらず、前記画像光が前記観察者の瞳孔に入射するように、前記第１の反射素子の配置角度を制御する
　請求項２に記載の画像表示装置。
　前記第２の反射素子は、前記画像光形成装置からの前記画像光が前記第１の反射素子を反射した後の第１の反射光路上に配置され、
　前記第１の反射素子は、前記第２の反射素子によって反射され、再入射した前記画像光を前記集光光学系に向けて透過するように配置されている
　請求項１に記載の画像表示装置。
　前記第２の反射素子は、配置角度が可変であり、
　前記制御部は、前記観察者の瞳孔位置の変化に関わらず、前記画像光が前記観察者の瞳孔に入射するように、前記第２の反射素子の配置角度を制御する
　請求項５に記載の画像表示装置。
　前記第１の反射素子は、配置角度が可変であり、
　前記制御部は、前記観察者の瞳孔位置の変化に関わらず、前記画像光が前記観察者の瞳孔に入射するように、前記第１の反射素子の配置角度を制御する
　請求項５に記載の画像表示装置。
　前記第２の反射素子は、前記集光光学系の前記画像光形成装置側の焦点面の近傍に配置され、その配置角度が可変であり、
　前記制御部は、前記観察者の瞳孔位置に基づいて前記第２の反射素子の配置角度を制御するようになされ、
　前記第２の反射素子によって反射した後の前記画像光の光路において、前記画像光のビームウェスト位置が、前記第２の反射素子と前記集光光学系との間の光路位置にある
　請求項１に記載の画像表示装置。
　前記観察者の視認距離に応じて、
　前記第２の反射素子によって反射した後の前記画像光の光路において、前記画像光の前記ビームウェスト位置を、前記第２の反射素子と前記集光光学系との間で変化させる
　請求項８に記載の画像表示装置。
　前記第１の反射素子は、前記集光光学系の前記画像光形成装置側の焦点面の近傍に配置され、その配置角度が可変であり、
　前記制御部は、前記観察者の瞳孔位置に基づいて前記第１の反射素子の配置角度を制御するようになされ、
　前記画像光形成装置からの前記画像光が前記第１の反射素子に入射した後の前記画像光の光路において、前記画像光のビームウェスト位置が、前記第１の反射素子と前記集光光学系との間の光路位置にある
　請求項１に記載の画像表示装置。
　前記観察者の視認距離に応じて、
　前記画像光形成装置からの前記画像光が前記第１の反射素子に入射した後の前記画像光の光路において、前記画像光の前記ビームウェスト位置を、前記第１の反射素子と前記集光光学系との間で変化させる
　請求項１０に記載の画像表示装置。
　前記観察者の瞳孔位置における前記画像光は、前記観察者の瞳孔に向かって平行ビームもしくは前記観察者の瞳孔に向かって発散ビームである
　請求項１に記載の画像表示装置。
　前記観察者の瞳孔位置における前記画像光の広がり角θが、以下の式（１）の範囲内である
　請求項１に記載の画像表示装置。
　－０．０６°＜θ＜０．６°　…（１）
　ただし、広がり角θは、前記観察者の瞳孔に向かって発散する場合を正、収束する場合を負とする。
　前記画像光形成装置は、光を発する光源と、前記光源からの光を走査することによって前記画像光を生成する走査ミラーとを含み、
　前記光源、前記走査ミラー、前記第１の反射素子、および前記第２の反射素子のうち少なくとも１つの光路上の位置を変化させることによって、前記画像光の前記広がり角θを調整可能である
　請求項１３に記載の画像表示装置。
　前記第２の反射素子の反射機能面は、縦横の長さが異なる矩形であり、
　前記画像光形成装置の光軸に対して、前記第１の反射素子の法線は、前記第１の反射素子の傾斜基準軸を中心に傾斜しており、
　前記反射機能面の長辺と前記傾斜基準軸とが略平行である
　請求項１に記載の画像表示装置。
　前記第２の反射素子の反射機能面は、縦横の長さが異なる矩形であり、
　前記集光光学系の入射光軸に対して、前記第１の反射素子の法線は、前記第１の反射素子の傾斜基準軸を中心に傾斜しており、
　前記反射機能面の長辺と前記傾斜基準軸とが略平行である、
　請求項１に記載の画像表示装置。
　前記観察者の前記瞳孔位置を検出するための照明光を出射する照明光源と、
　前記観察者の眼球によって反射され、前記集光光学系を逆行した後、前記第１の反射素子を透過した後の前記照明光の反射光の第２の透過光路上に配置され、前記照明光の前記反射光を検出する検出素子と
　をさらに備え、
　前記制御部は、前記検出素子による前記反射光の検出結果に基づいて得られた前記観察者の瞳孔位置に基づいて、前記第１の反射素子および前記第２の反射素子のうち少なくとも一方の配置角度を制御する
　請求項２に記載の画像表示装置。
　前記検出素子と前記第１の反射素子との間における前記第２の透過光路上に配置され、前記照明光の波長帯域以外の光をカットするフィルタ、をさらに備える
　請求項１７に記載の画像表示装置。
　前記観察者の前記瞳孔位置を検出するための照明光を出射する照明光源と、
　前記観察者の眼球によって反射され、前記集光光学系を逆行した後、前記第１の反射素子を反射した後の前記照明光の反射光の第２の反射光路上に配置され、前記照明光の前記反射光を検出する検出素子と
　をさらに備え、
　前記制御部は、前記検出素子による前記反射光の検出結果に基づいて得られた前記観察者の瞳孔位置に基づいて、前記第１の反射素子および前記第２の反射素子のうち少なくとも一方の配置角度を制御する
　請求項５に記載の画像表示装置。
　前記検出素子と前記第１の反射素子との間における前記第２の反射光路上に配置され、前記照明光の波長帯域以外の光をカットするフィルタ、をさらに備える
　請求項１９に記載の画像表示装置。