JP2006276633A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 走査光束をリレー光学系から観察者の瞳孔に入射させる際に、走査光束の実効的な直径を大きくする。
【解決手段】 光束生成手段が、網膜上に投影する画像に応じて強度変調された光束を生成して出力する。続いて、走査手段が、光束生成手段により出力された光束を２次元的に走査する。そして、リレー光学系が、走査手段により走査された光束を再度収束して観察者の瞳孔に出射する。さらに、本項に係る装置のリレー光学系においては、このリレー光学系内における走査光束の結像面又はその結像面付近に走査部が設けられ、この走査部の走査によって、観察者の瞳孔に出射する走査光束の収束点位置を２次元的に走査する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光束を瞳孔に入射し、その入射光束により網膜上に画像を投影し、観察者にその瞳孔前方において虚像を視認させる画像表示装置に関する。

近年、走査された光束を瞳孔に入射し、その入射した光束により網膜上に画像を投影することにより、観察者にその瞳孔前方において虚像を視認させる画像表示装置、いわゆる網膜走査ディスプレイが種々提案されている。

この種の画像表示装置の一従来例が特許文献１に記載されている。この従来例は、複数の構成要素を有し、観察者に画像を表示する装置である。

この画像表示装置は、光束を出射し、その出射する光束の強度を変調することが可能である光束生成部と、その光束生成部から出射した光束の波面曲率を変調する波面曲率変調器と、この波面曲率変調器によって波面曲率が変調された光束を偏向する偏向器と、偏向器により走査された走査光束を観察者の瞳孔に入射させるためのリレー光学系とを含むように構成されている。

そして、偏向器によって走査された走査光束が観察者の眼の網膜に入射することにより、網膜上に画像が直接に投影され、観察者は、その瞳孔前方に虚像を視認できるようになる。

このような画像表示装置は、観察者の瞳孔に走査光束を入射することによって網膜上に直接画像を投影するものであるため、この走査光束を観察者の瞳孔に正確に投入することが要求される。

ところが、観察者の瞳孔は、観察者の意識とは別に左右方向及び上下方向に動いており、特に瞬きしたときなどはその動きが大きくなる。

そこで、特許文献２に記載の画像表示装置では、走査光束を観察者の瞳孔に入射させるためのリレー光学系内において、その走査光束の結像面に回折格子を配設して走査光束を多光束化し、これによって走査光束の実効的な直径を大きくするものが提案されている。

特許第２８７４２０８号公報 米国特許第５７０１１３２号明細書

このような特許文献２に記載の画像表示装置においては、走査光を多光束化することによって、走査光束の実効的な直径を大きくすることができるものの、多光束を構成する各光束の光強度を等しくするのが困難である。しかも、赤、緑、青の各光束によって回折角度が異なることから、視覚像の色崩れが発生する可能性が高い。さらに、精密光学素子である回析格子を必要となるなどの問題がある。

そこで、請求項１に記載の発明は、観察者の瞳孔へ光束を出射し、その光束によって網膜上に画像を投影して画像を表示する画像表示装置であって、前記画像に応じて強度変調された光束を生成して出力する光束生成手段と、前記光束生成手段により出力された光束を２次元的に走査して走査光束とする走査手段と、前記走査手段によって走査された前記走査光束を再度収束して前記瞳孔へ出射するリレー光学系とを備え、前記リレー光学系には、該リレー光学系内における前記走査光束の結像面に配置されると共に、前記瞳孔へ出射する前記走査光束の収束点位置を２次元的に走査する走査部が設けられる
ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記走査部は、その揺動によって、前記走査光束の収束点位置を２次元的に走査する２次元ガルバノミラーであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記走査部は、弾性波走行面に直交する方向に光を入力する型式の音響光学偏向器であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明であって、前記走査部による２次元的な走査が、第１の方向への第１走査と、前記第１の方向と交差する第２の方向への第２走査とにより構成され、前記第１走査が前記第２走査よりも高速であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明であって、前記第１の方向は略水平方向であり、前記第２の方向は略垂直方向であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発明であって、前記走査部の２次元的な走査の周波数は、前記走査手段による垂直方向の走査周波数以上であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項４〜６のいずれか一項に記載の発明であって、前記走査部による前記第１走査の周波数は、前記走査手段による水平方向の走査の周波数よりも大きいことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項４〜７のいずれか一項に記載の発明であって、前記走査部による第１走査の周波数と前記走査手段による水平方向の走査の周波数とが非整数倍の関係をなし、
前記走査部による第２走査の周波数と前記走査手段による垂直方向の走査の周波数とが非整数倍の関係をなしていることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項４〜７のいずれか一項に記載の発明であって、前記走査部による第１走査の周波数と前記走査手段による水平方向の走査の周波数とが半整数倍の関係をなし、前記走査部による第２走査の周波数と前記走査手段による垂直方向の走査の周波数とが半整数倍の関係をなしていることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項４〜９のいずれか一項に記載の発明であって、前記走査部による前記第１走査と前記第２走査とのうちの少なくとも一方が、時間に対して正弦波状に走査することを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項４〜１０のいずれか一項に記載の発明であって、前記走査部による前記第１走査と前記第２走査とのうちの少なくとも一方が、前記瞳孔の中心付近の滞在時間確率が、周辺部のそれに比較して大きくなるように走査されることを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、請求項４〜１１のいずれか一項に記載の発明であって、前記走査部による光束収束点の移動範囲を、前記第１走査方向が長い長方形状又は楕円形状の範囲としたことを特徴とする。

請求項１３に記載の発明は、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の発明であって、画像信号を入力する画像信号入力手段と、前記画像信号入力手段に入力される前記画像信号の同期周波数を検出する画像信号周波数検出手段と、前記走査部による前記第１走査と前記第２走査とを、前記画像信号周波数検出手段に応じて設定する設定手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１４に記載の発明は、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の発明であって、前記走査部による光束収束点の移動範囲を入力するための入力手段と、前記入力手段により入力された移動範囲を設定する移動範囲設定手段と、前記移動範囲設定手段によって設定された移動範囲を前記走査部による光束収束点の走査範囲とすることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、まず、光束生成手段が、網膜上に投影する画像に応じて強度変調された光束を生成して出力する。続いて、走査手段が、光束生成手段により出力された光束を２次元的に走査する。そして、リレー光学系が、走査手段により走査された光束（以下、「走査光束」とする。）を再度収束して観察者の瞳孔に出射する。
さらに、本項に係る装置のリレー光学系においては、このリレー光学系内における走査光束の結像面に走査部が設けられ、この走査部の偏向走査によって、観察者の瞳孔に出射する走査光束の収束点位置を２次元的に走査する。
したがって、本項に係る装置によれば、瞳孔へ投入される走査光束の実効的直径を拡大することが可能となり、観察者の瞳孔位置の変動がある場合であっても、観察者の瞳孔へ適切に走査光束を投入することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、走査部を２次元ガルバノミラーとした。したがって、本項に係る装置よれば、比較的安価かつ容易に走査部を構成することができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、走査部を音響光学偏向器とした。したがって、本項に係る装置よれば、比較的安価かつ容易に走査部を構成することができ、また、収束点位置を高速に走査できる。

また、請求項４に記載の発明によれば、走査部が第１の方向と、第１の方向と交差する第２の方向へ走査するので、瞳孔へ投入される走査光束の実効的直径を拡大することが可能となり、観察者の瞳孔位置の変動がある場合であっても、観察者の瞳孔へ適切に走査光束を投入することができる。

また、請求項５に記載の発明によれば、走査部が水平方向と、垂直方向へ走査するので、瞳孔へ投入される走査光束の実効的直径を拡大することが可能となり、観察者の瞳孔位置の変動がある場合であっても、観察者の瞳孔へ適切に走査光束を投入することができる。

また、請求項６に記載の発明によれば、走査部の次元的な走査の周波数を走査手段による垂直方向の走査周波数以上とした。したがって、本項に係る装置よれば、網膜上に投影した画像のちらつきを観察者が気にならない程度に抑えることができる。

また、請求項７に記載の発明によれば、走査部による第１走査の周波数は、走査手段による水平方向主の走査周波数よりも大きくしている。したがって、本項に係る装置よれば、瞳孔へ投入される走査光束の実効的直径の拡大の効果を高めることができ、観察者の瞳孔への走査光束の投入をより適切に行うことができる。

また、請求項８に記載の発明によれば、走査部による第１走査及び第２走査の周波数が、各々走査手段の垂直走査の走査周波数及び水平走査による走査周波数と非整数倍の関係をなしている。
したがって、本項に係る装置よれば、瞳孔へ投入される走査光束の光束収束点の位置が、所定の画像ドット位置のタイミングで固定的となることを防止することができ、観察者の瞳孔への走査光束の投入をより適切に行うことができる。

また、請求項９に記載の発明によれば、走査部による第１走査及び第２走査の周波数が、各々走査手段による水平走査の走査周波数部及び垂直走査の走査周波数と半整数倍の関係をなしている。
したがって、本項に係る装置よれば、観察者の瞳孔への走査光束の投入をより適切に行うことができる。

また、請求項１０に記載の発明によれば、走査部による第１走査と第２走査の少なくともいずれか一方が、時間に対して正弦波状に走査する。したがって、本項に係る装置よれば、正弦波状に走査しやすい例えば共振型の走査部を採用することができ、走査部の部材の選択が容易となる。

また、請求項１１に記載の発明によれば、走査部による第１走査と第２走査の少なくともいずれか一方が、瞳孔の中心付近の滞在時間確率が相対的に大きくなるように走査する。したがって、本項に係る装置よれば、観察者の瞳孔位置が時間的に多く滞在する位置に、走査光束の収束点位置を長期滞在させるようにしているため、観察者の瞳孔への走査光束の投入をより適切に行うことができる。

また、請求項１２に記載の発明によれば、走査部による光束収束点の移動範囲が、第１走査方向が長い長方形状又は楕円形状の範囲となるように走査される。したがって、本項に係る装置よれば、観察者の瞳孔位置の変動が大きい第１走査方向、すなわち左右方向を長くすることができるため、観察者の瞳孔への走査光束の投入をより適切に行うことができる。

また、請求項１３に記載の発明によれば、画像信号入力手段に入力される画像信号の同期周波数を検出し、その検出結果に応じて、走査による第１走査と第２走査の走査周波数を設定する。したがって、本項に係る装置よれば、画像信号の同期周波数に応じた適切な走査光束の収束点位置の走査を行うことができ、観察者の瞳孔への走査光束の投入をより適切に行うことができる。

また、請求項１４に記載の発明によれば、走査部による光束収束点の移動範囲を設定可能とした。したがって、本項に係る装置よれば、観察者の瞳孔の変動に応じて、光束収束点の移動範囲を変更することができ、観察者の瞳孔への走査光束の投入をより適切に行うことができる。

以下、本発明のさらに具体的な実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明する。

［画像表示装置１ａ全体の説明］
図１には、本発明の実施形態に従う画像表示装置１ａが示されている。この画像表示装置１ａは、その利用者である観察者の瞳孔１２に光束を入射させて網膜１４上に画像を投影することによって、観察者の眼１０の瞳孔１２の前方において虚像を視認させるための装置である。この装置は、網膜走査型ディスプレイといわれる。

この画像表示装置１ａは、外部から供給される映像信号Ｓに応じて強度変調された光束を生成する光束生成手段２０を備え、さらに、その光束生成手段２０と観察者の眼１０との間には、光束生成手段２０で生成された光束を画像表示のために水平方向及び垂直方向に走査すると共に、このように走査された光束（以下、「表示用走査光束」とする。）を瞳孔１２へ出射する走査光束の収束点位置Ｂを走査する走査装置５０を備えている。

また、画像表示装置１ａは、この光束生成手段２０と走査装置５０とを、観察者の左右の瞳孔１２にそれぞれ対応して設けており、これらは制御部１００によって制御される。なお、制御部１００は、画像表示装置１ａ全体の制御を統括すると共に、プログラムや設定情報を記憶しており、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３等から構成される。

さらに、この画像表示装置１ａは、光束生成手段２０や走査装置５０の設定等を行なうための入力部１１０を備えている。

［光束生成手段２０]
図１に示すように、光束生成手段２０には、外部から供給される映像信号Ｓが入力され、それに基づいて画像を合成するための要素となる各信号を発生する映像信号供給回路２１が設けられ、この映像信号供給回路２１において、青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の各映像信号２２ａ〜２２ｃが生成され、出力される。また、映像信号供給回路２１は、走査装置５０で使用される水平同期信号２３、垂直同期信号２４及び奥行き信号２５を出力する。

さらに、光束生成手段２０は、映像信号供給回路２１から出力される３つの映像信号（Ｂ，Ｒ，Ｇ）２２ａ〜２２ｃをそれぞれ光束にする光源部３０と、これらの３つの光束を１つの光束に結合して任意の光束を生成するための光合成部４０を備えている。

光源部３０は、青色の光束を発生させるＢレーザ３４およびＢレーザ３４を駆動するＢレーザ駆動回路３１と、緑色の光束を発生させるＧレーザ３５およびＧレーザ３５を駆動するＧレーザ駆動回路３２と、赤色の光束を発生させるＲレーザ３６およびＲレーザ３６を駆動するＲレーザ駆動回路３３とを備えている。なお、各レーザ３４，３５，３６は、例えば、半導体レーザや高調波発生機構付き固体レーザとして構成することが可能である。

光合成部４０は、光源部３０から入射するレーザ光を平行光にコリメートするように設けられたコリメート光学系４１，４２，４３と、このコリメートされたレーザ光を合成するためのダイクロイックミラー４４，４５，４６と、合成された光を光ファイバー１２０に導く結合光学系４７とを備えている。

各レーザ３４，３５，３６から出射したレーザ光は、コリメート光学系４１，４２，４３によってそれぞれ平行化された後に、ダイクロイックミラー４４，４５，４６に入射される。その後、これらのダイクロイックミラー４４，４５，４６により、各レーザ光が波長に関して選択的に反射・透過させられる。

具体的には、Ｂレーザ３４から出射した青色レーザ光は、コリメート光学系４１によって平行光化された後に、ダイクロイックミラー４４に入射させられる。Ｇレーザ３５から出射した緑色レーザ光は、コリメート光学系４２を経てダイクロイックミラー４５に入射させられる。Ｒレーザ３６から出射した赤色レーザ光は、コリメート光学系４３を経てダイクロイックミラー４６に入射させられる。

それら３つのダイクロイックミラー４４，４５，４６にそれぞれ入射した３原色のレーザ光は、波長選択的に反射または透過して結合光学系４７に達し、集光され光ファイバー１２０へ出力される。

［走査装置５０］
図１に示すように、走査装置５０は、光束生成手段２０で生成された光束を画像表示のために水平方向及び垂直方向に走査する走査手段５１と、この走査手段５１によって走査された表示用走査光束を再度収束し、観察者の瞳孔１２へ出射するリレー光学系９０ａと、リレー光学系９０ａ内に配置される２次元ガルバノミラー９３ａを揺動するためのガルバノミラー駆動回路９５ａとを備えている。

[走査手段５１]
走査手段５１は、光合成部４０から出射された光束の波面曲率を変調するための波面変調部６０と、波面曲率が変調された光束を水平方向に走査する水平走査部７０と、この水平走査部７０によって水平方向に走査された光束を収束する第２のリレー光学系７５と、第２のリレー光学系７５を介して入射されるレーザ光束を垂直方向に走査する垂直走査部８０とを備えている。

［波面変調部６０］
波面変調部６０は、光束生成手段２０から光ファイバー１２０によって伝搬された光束を再度平行光にコリメートする第２のコリメート光学系６１と、このようにコリメートされた光束を、透過光と、透過光の垂直方向に反射された反射光とに分離するビームスプリッタ６２と、ビームスプリッタ６２に反射された光束を収束する焦点距離ｆの凸レンズ６３と、凸レンズ６３に収束された光束を入射方向に反射する可動ミラー６４とを備えている。

この波面変調部６０は、さらに、可動ミラー６４を、凸レンズ６３に接近させるか又は凸レンズ６３から離れる向きに変位させる波面変調駆動回路６５を備えている。

以上のように構成された波面変調部６０においては、光束生成手段２０から入射した光束がビームスプリッタ６２で反射し、凸レンズ６３を通った後、可動ミラー６４で反射する。そして、再度、凸レンズ６３を通った後に、ビームスプリッタ６２を透過して水平走査部７０へ出射される。

この波面変調部６０は、波面変調駆動回路６５によって、凸レンズ６３と可動ミラー６４との間隔を変更することによって、第２のコリメート光学系６１から入射して水平走査部７０へ向かう光束の波面曲率を変更することができる。なお、この波面変調駆動回路６５は、映像信号供給回路２１から出力される奥行き信号２５に基づいて駆動する。

［水平走査部７０、垂直走査部８０］
また、水平走査部７０及び垂直走査部８０は、波面変調部６０から入射された光束を画像として投影可能な状態にするために、水平方向と垂直方向に走査して表示用走査光束とするものである。

水平走査部７０は、光束を水平方向に走査するためのポリゴンミラー７１と、このポリゴンミラー７１を駆動させる水平走査駆動回路７２とを有しており、垂直走査部８０は、光束を垂直方向に走査するためのガルバノミラー８１と、このガルバノミラー８１を駆動させる垂直走査駆動回路８２とを備えている。なお、水平走査駆動回路７２と垂直走査駆動回路８２は、映像信号供給回路２１から出力される水平同期信号２３と垂直同期信号２４に基づいてそれぞれ駆動する。

また、水平走査部７０と垂直走査部８０との間での光束を中継する第２のリレー光学系７５を備えており、波面変調部６０から入射した光束は、ポリゴンミラー７１によって水平方向に走査され、第２のリレー光学系７５を通って、ガルバノミラー８１によって垂直方向に走査されて、表示用走査光束として、リレー光学系９０ａへ出射される。

［リレー光学系９０ａ]
リレー光学系９０ａは、凸レンズ９１ａ，９４ａと第２のビームスプリッタ９２ａ、２次元ガルバノミラー９３ａを有している。垂直走査部８０から出射された表示用走査光束は、凸レンズ９１ａによって、それぞれの光束がその光束の中心線を相互に平行にされ、かつそれぞれ収束光束に変換される。そして、表示用走査光束のそれぞれの光束が収束して結像する面（以下、「結像面」とする。）に２次元ガルバノミラー９３ａが配置されており、第２のビームスプリッタ９２ａによって光路が変更されて２次元ガルバノミラー９３ａへ入射した光束は、このガルバノミラー９３ａで反射される。次に、このように反射されたそれぞれの光束は、凸レンズ９４ａによってほぼ平行な光束となると共に、これらの光束の中心線が観察者瞳孔に収束するように変換される。

なお、この第２のビームスプリッタ９２ａは、ハーフミラーで構成されており、斜面に誘電体多層膜の施された直角プリズムが２つ張り合わされたキューブ状の形状をなしている。そして、その斜面において、入射光の光量の約５０％を直角に反射し、約５０％を透過するようになっている。

２次元ガルバノミラー９３ａは、表示用走査光束のうち、水平走査部７０及び垂直走査部８０により光束が走査される表示用走査角の中心線である走査中心ｃ０でこのリレー光学系９０ａに入射する光束が、第２のビームスプリッタ９２ａによって反射されて照射される点Ｄ１を中心として、ガルバノミラー駆動回路９５ａによって２次元的に揺動される。また、２次元ガルバノミラー９３ａが表示用走査光束の照射方向と垂直になる位置を中心として、揺動するように配置される。

また、このガルバノミラー駆動回路９５ａは、制御部１００から出力される制御信号を受信し、この制御信号に基づいて２次元ガルバノミラー９３ａを揺動させる信号を２次元ガルバノミラー９３ａへ出力する。

ここで、この光学リレー系９０ａについて、図２を用いて具体的に説明する。図２は、表示用走査光束のうち、走査中心ｃ０付近に位置する光束（以下、「光束ｃ０」とする。）がリレー光学系９０ａに入射されたときの光束の様子を示す図である。

光束ｃ０は、凸レンズ９１ａに入射されると、この凸レンズ９１ａによって、収束光束とされて、第２のビームスプリッタ９２ａによって反射され、その光束ｃ０の結像面に配置された２次元ガルバノミラー９３ａに照射される。

そして、２次元ガルバノミラー９３ａが表示用走査光束の照射方向と垂直（以下、「基準位置」とする。）に位置しているときには、照射された光束ｃ０は、この２次元ガルバノミラー９３ａによって、２次元ガルバノミラー９３ａに対して垂直方向に反射され、第２のビームスプリッタ９２ａを透過し、光路ｃ１を通って、凸レンズ９４ａから観察者の瞳孔１２へ出射される。なお、点Ｂ０は、２次元ガルバノミラー９３ａが基準位置にある場合の、表示用走査光束のそれぞれの光束の中心線が収束する位置（以下、「収束点位置」とする。）を示している。

また、２次元ガルバノミラー９３ａが表示用走査光束の照射方向に対して垂直方向から＋θ１の角度だけ傾いた位置（以下、「＋θ位置」とする。）にあるときに光束ｃ０が入射すると、光束ｃ０は２次元ガルバノミラー９３ａによって、光路ｃ１に対して、２θ１の角度をもって反射され、第２のビームスプリッタ９２ａを透過し、光路ａ１を通って、凸レンズ９４ａに入射される。なお、点Ｂ１は、２次元ガルバノミラー９３ａが＋θ位置にある場合の表示用走査光束の収束点位置を示している。

さらに、２次元ガルバノミラー９３ａが表示用走査光束の照射方向に対して垂直方向から−θ１の角度だけ傾いた位置（以下、「−θ位置」とする。）にあるとき、光束ｃ０が２次元ガルバノミラー９３ａによって、光路ｃ１に対して、−２θ１の角度をもって反射され、第２のビームスプリッタ９２ａを透過し、光路ａ２で凸レンズ９４ａに入射される。なお、点Ｂ２は、２次元ガルバノミラー９３ａが−θ位置にある場合の表示用走査光束の収束点位置を示している。

このように、ガルバノミラー駆動回路９５ａによって、２次元ガルバノミラー９３ａが垂直方向揺動角度−θ１〜＋θ１で揺動されることにより、２次元ガルバノミラー９３ａに照射された光束ｃ０は、光路ａ１〜ａ２の範囲内で垂直方向に光路変更が可能となる。そして、光路ａ１〜ａ２の範囲内の光束は、凸レンズ９４ａを通って、点Ｂ１〜Ｂ２の範囲の表示用走査光束の収束点位置にそれぞれ同一の入射角で瞳孔１２入射され、瞳孔１２を通して網膜１４上のＥ１点で収束する。

また、図３に示すように、表示用走査光束のうち、垂直方向に所定角度θ３をもって凸レンズ９１ａへ入射する光束（以下、「光束θ３」とする。）は、凸レンズ９１ａを通って、その光束θ３の中心線が平行にされ、かつその光束θ３は収束光束とされる。そして、光束θ３は、第２のビームスプリッタ９２ａによって反射され、その光束θ３の結像面に配置された２次元ガルバノミラー９３ａに照射される。

そして、光束θ３は、２次元ガルバノミラー９３ａによって反射され、第２のビームスプリッタ９２ａを透過し、凸レンズ９４ａに入射されるが、入射された光束θ３は、２次元ガルバノミラー９３ａが基準位置にあるときはその中心線が光路ｃ３を通り、＋θ１位置にあるときはその中心線が光路ａ３を通り、−θ１位置にあるときはその中心線がａ４の光路を通って、凸レンズ９４ａに入射される。

このように、２次元ガルバノミラー９３ａに照射された光束θ３は、ガルバノミラー駆動回路９５ａによって、２次元ガルバノミラー９３ａを垂直方向揺動角度−θ１〜＋θ１で揺動させて、光束θ３の中心線をａ３〜ａ４の範囲内で垂直方向に光路変更可能としており、このように光路変更された光路ａ３〜ａ４の範囲内の光束θ３は、それぞれ凸レンズ９４ａを通って、点Ｂ１〜Ｂ２の範囲の表示用走査光束の収束点位置に同一の入射角で瞳孔１２へ入射され、瞳孔１２を通して網膜１４上のＥ２点で収束する。

以上のように、この２次元ガルバノミラー９３ａの揺動によって、観察者の瞳孔１２への入射する表示用走査光束の入射角度を変えることなく、表示用走査光束の収束点位置を走査することができる。したがって、走査手段５１から出射される表示用走査光束に影響を与えることなく、その収束点位置を移動させることができ、その結果、この２次元ガルバノミラー９３ａを揺動走査することによって瞳孔１２へ投入される表示用走査光束の実効的直径を拡大する。なお、２次元ガルバノミラー９３ａによって、第１の方向の走査と第２の方向の走査とが時間に対して正弦波状に走査される。

また、図２、図３においては、垂直方向の表示用走査光束が２次元ガルバノミラー９３ａで走査されている状態を示しているが、水平方向へも同様に２次元ガルバノミラー９３ａによって走査される。なお、ここでは、２次元ガルバノミラー９３ａがガルバノミラー駆動回路９５ａによって水平方向に揺動される水平方向揺動角度を−θ２〜＋θ２とする。

このように、２次元ガルバノミラー９３ａによって、水平方向および垂直方向に走査された表示用走査光束は、観察者の瞳孔に対する入射角は変更されずに、その収束点位置が２次元的に走査されることになることから、瞳孔１２へ投入される表示用走査光束の実効的直径を拡大することが可能となり、観察者の瞳孔１２位置の変動がある場合であっても、観察者の瞳孔１２へ適切に表示用走査光束を投入することが可能となる。

［リレー光学系９０ｂ]
次に、リレー光学系９０ｂにおいて、音響光学偏向器９３ｂを用いた画像表示装置１ｂについて、図面を参照して説明する。

図４は、このような音響光学偏向器９３ｂを用いた画像表示装置１ｂの全体的な構成を示した図である。ここで、リレー光学系９０ｂにおいて２次元ガルバノミラー９３ａを用いた上述の画像表示装置１ａの構成と同一のものには、基本的に同一符号を用いており、説明を省略する。

図４に示すように、この画像表示装置１ｂのリレー光学系９０ｂは、凸レンズ９１ｂ、９４ｂと、音響光学偏向器９３ｂを有している。垂直走査部８０から出射された表示用走査光束は、凸レンズ９１ｂによって、それぞれの光束がその光束の中心線を相互に平行にされ、かつそれぞれ収束光束に変換される。そして、表示用走査光束のそれぞれの光束が収束して結像する面（以下、「結像面」とする。）に音響光学偏向器９３ｂ配置されており、音響光学偏向器９３ｂへ入射した光束は、この音響光学偏向器９３ｂによって、それぞれの光束の中心線を偏向する。このように偏向された光束は、凸レンズ９４ｂによってほぼ平行な光束となると共に、これらの光束の中心線が観察者瞳孔に収束するように変換される。

ここで、音響光学偏向器９３ｂは、弾性波走行面に直交する方向に光を入力する型式の音響光学偏向器であり、この音響光学偏向器９３ｂに入射した表示用走査光束は、音響光学偏向器駆動回路９５ｂによる音響光学偏向器９３ｂの制御によって、２次元的に(偏向)走査されて出射される。この音響光学偏向器駆動回路９５ｂは、制御部１００ａから出力される制御信号を受信し、この制御信号に基づいて音響光学偏向器９３ｂを駆動制御する。

図５に示すように、表示用走査光束のうち、水平走査部７０及び垂直走査部８０により光束が走査される走査角の中心線である走査中心ｃ０付近に位置する光束（以下、「光束ｃ０」とする。）は、凸レンズ９１ｂによって音響光学偏向器９３ｂに結像、すなわち焦点を結ぶように変換される。

このように音響光学偏向器９３ｂへ入射された光束ｃ０は、音響光学偏向器９３ｂによって、その光束ｃ０の中心線方向を基準とした角度−θ４〜＋θ４の範囲内で少なくともいずれかの１つの角度で走査されて、凸レンズ９４ｂを通って、観察者の瞳孔１２へ出射される。なお、この凸レンズ９４ｂは、音響光学偏向器９３ｂから広がる形で入射された光束ｃ０を平行にするとともに、光路ｄ１を通って、その光束の中心線を観察者の瞳孔１２位置で収束させるように構成及び配置されている。

例えば、音響光学偏向器９３ｂによって、光束ｃ０の入射方向に対して角度−θ４で走査されたときには、凸レンズ９４ｂによって、ｄ１の光路と平行なｂ１の光路を通って、観察者の瞳孔１２に入射する。一方、音響光学偏向器９３ｂによって、表示用走査光束の入射方向に対して角度+θ４で走査されたときには、凸レンズ９４ｂによって、ｄ１の光路と平行なｂ２の光路を通って、観察者の瞳孔１２に入射する。

このように、音響光学偏向器９３ｂに入射した光束ｃ０は、音響光学偏向器駆動回路９５ｂによって、垂直方向走査角度−θ４〜＋θ４の範囲内で出射するように音響光学偏向器９３ｂを駆動することによって、表示用走査光束をｂ１〜ｂ２の範囲内で表示用走査光束を垂直方向に走査するようにしている。このように走査された光束ｃ０は、凸レンズ９４ｂによって、ｂ１〜ｂ２の範囲の光路を通って、光束収束点位置Ｂ３〜Ｂ４の範囲で、瞳孔１２に同一の入射角で入射され、瞳孔１２を通して網膜１４上の点Ｅ１で収束する。

また、図６に示すように、表示用走査光束のうち、所定角度θ３で凸レンズ９１ｂに入射した光束（以下、「光束θ３」とする。）は、凸レンズ９１ｂでその光束の中心線が平行にされ、かつ収束光束に変換される。そして、この光束θ３は、音響光学偏向器９３ｂによって、その垂直方向の走査中心ｄ２を基準とした角度−θ４〜＋θ４の範囲内で走査されて、凸レンズ９４ｂによってその中心線がｂ３〜ｂ４範囲内の光路を通り、光束収束点位置Ｂ３〜Ｂ４の範囲内で、瞳孔１２に同一の入射角で入射され、瞳孔１２を通して網膜１４上の点Ｅ２で収束する。

このように、音響光学偏向器９３ｂによって、観察者の瞳孔１２への入射する表示用走査光束の入射角度を変えることなく、表示用走査光束の収束点位置を走査することができる。したがって、走査手段５１から出射される表示用走査光束に影響を与えることなく、その収束点位置を移動させることができ、その結果、この音響光学偏向器９３ｂを走査することによって瞳孔１２へ投入される表示用走査光束の実効的直径を拡大する。

また、図５、図６においては、垂直方向の走査光束が点線及び実線として音響光学偏向器９３ｂで走査されている状態を示しているが、水平方向へも同様に音響光学偏向器９３ｂによって（偏向）走査される。なお、ここでは、音響光学偏向器９３ｂが音響光学偏向器駆動回路９５ｂによって水平方向に走査される水平方向走査角度−θ５〜＋θ５とする。

このように、音響光学偏向器９３ｂによって、水平方向および垂直方向に走査された表示用走査光束は、観察者の瞳孔に対する入射角は変更されずに、その収束点位置が２次元的に走査されることになることから、瞳孔１２へ投入される表示用走査光束の実効的直径を拡大することが可能となり、観察者の瞳孔１２位置の変動がある場合であっても、観察者の瞳孔１２へ適切に表示用走査光束を投入することが可能となる。

ここで、２次元ガルバノミラー９３ａや音響光学偏向器９３ｂなどの走査部９３によって、表示用走査光束を水平方向に走査するための走査周波数は、走査光束を垂直方向に走査するための走査周波数よりも高速となるように、走査部９３によって走査するように構成されている。観察者の瞳孔１２は、一般に上下方向よりも左右方向の変化の方が大きいため、観察者の瞳孔１２へ適切に表示用走査光束を投入することが可能となる。

また、走査部９３による水平方向の走査の周波数は、垂直走査部８０による垂直走査の周波数以上になるように設定されている。したがって、網膜１４上に投影した画像のちらつき、すなわちフリッカーを観察者の気にならない程度まで抑えることが可能となる。なお、走査部９３の走査周波数は、ガルバノミラー駆動回路９５ａや音響光学偏向器駆動回路９５ｂなどの駆動回路を介して、制御部１００からの信号で制御される。

また、走査部９３による水平方向の走査の周波数は、水平走査部７０による水平走査の周波数の非整数倍の関係とし、垂直方向の走査の周波数は、垂直走査部８０による垂直走査の周波数の非整数倍の関係になるように設定されている。したがって、所定の画像ドット位置のタイミングで固定的となることを防止することができ、観察者の瞳孔への走査光束の投入をより適切に行うことができる。

また、走査部９３による水平方向及び垂直方向の走査の周波数は、それぞれ水平走査部７０による水平走査の周波数及び垂直走査部８０による垂直走査の周波数の半整数倍の関係とすれば、観察者の瞳孔への走査光束の投入をより適切に行うことができる。

また、このような走査部９３による水平方向及び垂直方向の走査の周波数は、時間に対して正弦波状に走査するようにすれば、走査部９３にガルバノミラーなどを用いることが容易となり、その構成が簡易になる。

また、本実施の形態では、走査部９３による２次元的な走査を、水平方向への走査と、垂直方向への走査として説明したが、この２つの走査は、交差するものであればよく、これに限られない。すなわち、走査部９３による２次元的な走査を、第１の方向への走査（以下、「第１走査」とする。）と、この第１の方向と交差する第２の方向への走査（以下、「第２走査」とする。）とにより構成し、第１走査が第２走査よりも高速であるようにすればよい。

さらに、走査部９３による第１走査と第２走査とのうちの少なくとも一方を、瞳孔１２の中心付近の滞在時間確率が、周辺部のそれに比較して大きくなるように走査するようにすることによって、このようにすれば、観察者の瞳孔位置が時間的に多く滞在する位置に、走査光束の収束点位置を長期滞在することができるため、観察者の瞳孔への走査光束の投入をより適切に行うことができる。

また、走査部９３による光束収束点の移動範囲を、図７に示すように、第１走査の方向が長く少なくとも一つの楕円形状の範囲としてもよく、又少なくとも一つの長方形の範囲とするようにしてもよい。このようにすれば、観察者の瞳孔位置の変動が大きい第１走査方向、すなわち水平方向を長くすることができるため、観察者の瞳孔への走査光束の投入をより適切に行うことができる。なお、図７に示す点Ｂは表示用走査光の収束点位置を表している。

［表示用走査光を走査する周波数の設定動作]
次に、以上のように構成された画像表示装置１ａ，ｂについて、走査部９３の走査周波数を設定する動作について、図８を参照して具体的に説明する。なお、画像表示装置１ｂについては、走査部９３が２次元ガルバノミラー９３ａか音響光学偏向器９３ｂかの相違であるため、本実施の形態においては、画像表示装置１ａについてのみ説明する。

なお、画像表示装置１ａ，ｂにおいて、図示しない電源スイッチをＯＮにすると、制御部１００は、ＣＰＵ１０１によって、ＲＯＭ１０２等に記憶されたプログラム（本発明の周波数設定動作プログラムを含む）を読み出して実行することにより、画像表示装置１ａ全体を統括制御し、かつ、本発明の画像信号検出手段、画像信号周波数検出手段、設定手段、移動範囲設定手段等として機能させるようになっている。

次に、制御部１００は、画像信号検出手段として、画像信号入力手段としての映像信号供給回路２１へ映像信号（画像信号）Ｓが入力されているかどうかを判定する（ステップＳ１）。映像信号供給回路２１には、映像信号Ｓを検出する映像信号検出部（図示せず）を有している。

映像信号供給回路２１へ映像信号Ｓが入力されていると判定する(ステップＳ１：Ｙ)と、制御部１００は、画像信号周波数検出手段として、映像信号供給回路２１に入力されている映像信号Ｓの同期周波数を判定する（ステップＳ２）。なお、映像信号Ｓには、例えば５０Ｈｚの同期周波数や６０Ｈｚの同期周波数を持つ場合などがある。

続いて、制御部１００は、表示用走査光束の実効的直径を拡大（ここでは、「瞳拡大」とする。）するため、設定手段として、２次元ガルバノミラー９３ａを揺動させるための走査周波数（以下、「揺動用走査周波数」とする。）を、映像信号Ｓの同期周波数に応じた周波数に決定する（ステップＳ３）。

次に、制御部１００は、揺動用走査周波数の設定を観察者であるオペレータに問い合わせるために、その揺動用走査周波数の設定ための映像信号を映像信号供給回路２１へ出力する。このように出力された映像信号は、光束生成手段２０によって強度変調された光束として生成され、続いて走査装置５０によって表示用走査光束とされ、リレー光学系９０ａを介して、オペレータの瞳孔１２へ出射される。オペレータにおいては、揺動用走査周波数の設定ための映像信号の虚像が視認される（ステップＳ４）。なお、別途表示部を設けて、その揺動用走査周波数の設定ための映像信号を表示するようにしてもよい。

続いて、制御部１００は、観察者からの入力部１１０への操作によって、オペレータの指示があるかどうかを判定する（ステップＳ５）。

揺動用走査周波数の設定について、オペレータの指示があったと判定（ステップＳ６：Ｙ）と判定すると、制御部１００は、そのオペレータの入力部１１０への入力に応じた揺動用走査周波数の設定を行なう（ステップＳ６）。なお、この揺動用走査周波数は、画像信号周波数検出手段が検出した同期周波数に応じた範囲内で設定を可能としている。例えば、画像信号周波数検出手段によって同期周波数が６０Ｈｚであると検出されると、制御部１００は、揺動用走査周波数を６０Ｈｚ以下には設定できないように制限する。

一方、揺動用走査周波数の設定について、オペレータの指示がないと判定（ステップＳ６：Ｙ）と判定すると、制御部１００は、同期周波数に応じた揺動用走査周波数の初期値を記憶手段（ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３等）から取り出して、揺動用走査周波数の設定を行なう（ステップＳ７）。

以上のように、２次元ガルバノミラー９３ａの揺動用走査周波数の設定が行なわれると、制御部１００は、その設定内容に従った制御信号をガルバノミラー駆動回路９５ａへ出力する。これによって、２次元ガルバノミラー９３ａは、設定された揺動用走査周波数での揺動を開始する（ステップＳ８）。なお、この設定情報は、制御部１００によって、記憶手段（ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３等）へ記憶される。

以上のように、揺動用走査周波数の設定を観察者であるオペレータが設定することができるようにしたので、オペレータに応じて、表示用走査光束の実効的直径を拡大することが可能となり、観察者毎に異なる瞳孔１２位置の変動に応じて、観察者の瞳孔１２へ適切に表示用走査光束を投入することが可能となる。

なお、左眼への表示用走査光束の入射と右眼への表示用走査光束は、同一方向になるように、制御部１００によって制御される。したがって、表示用走査光束を両眼に適切に出射することができる。ただし、揺動用走査周波数の設定は、入力部１１０への入力によって、左眼、右眼とを別々の周波数とすることができるようにしてもよい。このようにすれば、観察者に応じて適切に表示用走査光束を投入することが可能となる。

また、本実施形態においては、第１の方向とこの第１の方向と交差する第２の方向とに走査することによって、走査部９３による表示用走査光束の収束点位置の変更を行ったが、いずれか一方の方向の走査、例えば、観察者の瞳孔１２の動きが大きい水平方向の走査だけとしてもよい。

また、上記実施形態では、入力部１１０により走査周波数を設定することとしているが、制御部１００は、移動範囲設定手段として、入力部１１０から入力された移動範囲を記憶部へ設定し、この設定内容にしたがい操作部９３を動作させ、表示用走査光束の収束点位置を変更することができる。このようにすることで、観察者に応じて瞳孔１２への表示用走査光束の投入をより適切に行うことが可能となる。なお、移動範囲は、走査部９３の走査範囲（たとえば、θ１、θ２、θ４、θ５など）などによって設定される。

本発明の一実施形態に係る画像表示装置の全体的な構成を示した図である。 図１に示す画像表示装置において、リレー光学系を経て瞳孔に入射する表示用走査光束を説明するための光路図である。 図１に示す画像表示装置において、リレー光学系を経て瞳孔に入射する表示用走査光束を説明するための光路図である。 本発明の一実施形態に係る別の画像表示装置の全体的な構成を示した図である。 図４に示す画像表示装置において、リレー光学系を経て瞳孔に入射する表示用走査光束を説明するための光路図である。 図４に示す画像表示装置において、リレー光学系を経て瞳孔に入射する表示用走査光束を説明するための光路図である。 本発明の一実施形態に係る画像表示装置から出射する表示用走査光束の瞳孔での収束点位置を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る画像表示装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ａ，１ｂ 画像表示装置
２ 光束生成手段
５１ 走査手段
９０ リレー光学系
９３ 走査部

Claims (14)

1. 観察者の瞳孔へ光束を出射し、その光束によって網膜上に画像を投影して画像を表示する画像表示装置であって、
   前記画像に応じて強度変調された光束を生成して出力する光束生成手段と、
   前記光束生成手段により出力された光束を２次元的に走査して走査光束とする走査手段と、
   前記走査手段によって走査された前記走査光束を再度収束して前記瞳孔へ出射するリレー光学系とを備え、
   前記リレー光学系には、
   該リレー光学系内における前記走査光束の結像面に配置されると共に、前記瞳孔へ出射する前記走査光束の収束点位置を２次元的に走査する走査部が設けられる
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記走査部は、その揺動によって、前記走査光束の収束点位置を２次元的に走査する２次元ガルバノミラーであることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記走査部は、弾性波走行面に直交する方向に光を入力する型式の音響光学偏向器であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 前記走査部による２次元的な走査が、第１の方向への第１走査と、前記第１の方向と交差する第２の方向への第２走査とにより構成され、
   前記第１走査が前記第２走査よりも高速であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
5. 前記第１の方向は略水平方向であり、前記第２の方向は略垂直方向であることを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
6. 前記走査部の２次元的な走査の周波数は、前記走査手段による垂直方向の走査周波数以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
7. 前記走査部による前記第１走査の周波数は、前記走査手段による水平方向の走査の周波数よりも大きいことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
8. 前記走査部による第１走査の周波数と前記走査手段による水平方向の走査の周波数とが非整数倍の関係をなし、
   前記走査部による第２走査の周波数と前記走査手段による垂直方向の走査の周波数とが非整数倍の関係をなしていることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の画像表示装置。
9. 前記走査部による第１走査の周波数と前記走査手段による水平方向の走査の周波数とが半整数倍の関係をなし、
   前記走査部による第２走査の周波数と前記走査手段による垂直方向の走査の周波数とが半整数倍の関係をなしていることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の画像表示装置。
10. 前記走査部による前記第１走査と前記第２走査とのうちの少なくとも一方が、時間に対して正弦波状に走査することを特徴とする請求項４〜９のいずれか１項に記載の画像表示装置。
11. 前記走査部による前記第１走査と前記第２走査とのうちの少なくとも一方が、前記瞳孔の中心付近の滞在時間確率が、周辺部のそれに比較して大きくなるように走査されることを特徴とする請求項４〜１０のいずれか１項に記載の画像表示装置。
12. 前記走査部による光束収束点の移動範囲を、前記第１走査方向が長い長方形状又は楕円形状の範囲としたことを特徴とする請求項４〜１１のいずれかに１項に記載の画像表示装置。
13. 画像信号を入力する画像信号入力手段と、
    前記画像信号入力手段に入力される前記画像信号の同期周波数を検出する画像信号周波数検出手段と、
    前記走査部による前記第１走査と前記第２走査とを、前記画像信号周波数検出手段に応じて設定する設定手段とを
    備えたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の画像表示装置。
14. 前記走査部による光束収束点の移動範囲を入力するための入力手段と、
    前記入力手段により入力された移動範囲を設定する移動範囲設定手段と、
    前記移動範囲設定手段によって設定された移動範囲を前記走査部による光束収束点の走査範囲とすることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
    
    

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