JP2012053238A - 走査型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中間像面位置の調整のために光伝送部の光束の出射位置が移動することによっても、走査部に入射する光束の光量の変動を抑制することができ、画質の維持・向上、及び光学系に配置される光検出器の正常動作を確保することができる走査型画像表示装置を提供する。
【解決手段】光源部７と、レーザ光を走査する走査部と、レーザ光の出射位置が位置調整可能に設けられる光ファイバケーブル４と、光ファイバケーブル４から出射されたレーザ光に作用するコリメートレンズ４０を有するコリメート部３１と、コリメート部３１によりコリメートされたレーザ光のビーム径を絞る絞り孔６１を形成するアパーチャ６０とを備える構成において、アパーチャ６０は、レーザ光の出射位置の変化に拘わらずコリメートレンズ４０を通過したレーザ光のビーム径が略一致する所定の位置に、絞り孔６１を位置させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源部から出射した光束を走査して投射対象に投射する走査型画像表示装置に関する。

従来、画像信号に応じた強度のレーザ光等の光束を出射する光源部と、この光源部から出射された光束を２次元走査する走査部とを有し、この走査部により走査された光束を投射部から投射対象に投射して画像を表示する走査型画像表示装置が知られている。走査型画像表示装置としては、例えば、投射対象を観察者の眼の網膜とした網膜走査型の画像表示装置や、投影対象をスクリーンとしたスクリーン走査型の画像表示装置等がある。

このような走査型画像表示装置には、光源部から出射された光束を走査部へと伝送する光伝送部として光ファイバを備えるものがある。かかる構成においては、例えば、光源部から出射された光束が、コリメートされて光ファイバに入射し、光ファイバによって伝送された後、あらためてコリメートされ、走査部に入射する。

また、走査型画像表示装置の光学系においては、投影対象上に形成される最終像面と光学的に共役な関係を有する中間像面が形成される。例えば、網膜走査型の画像表示装置の場合、光学系において中間像面を形成する光束は、接眼レンズ等を介して観察者の眼に入射し、網膜上に最終像面を形成する。中間像面は、網膜走査型の画像表示装置の場合、走査部から出射された光束により、走査部と接眼レンズ系との間に形成される。

このように光学系において形成される中間像面の位置は、投影対象に表示される画像の画質を維持する観点から重要な因子である。そこで、中間像面の位置の調整が、光ファイバの光束の出射位置を移動させることにより行われる。つまり、光学系における組付けのバラツキや公差等により変動する中間像面の位置が、光ファイバの出射位置の調整によって、適切な位置に決定される。このように、光ファイバの出射位置の移動によって、光学系における組付けのバラツキや公差等がコンペンセートされる。

一方で、投射対象に表示される画像について高い解像度を得るためには、中間像面の位置における集光角度が大きいほど良い。この集光角度は、光ファイバから出射される光束の広がり角が大きいほど大きくなる。しかし、光ファイバから出射される光束の広がり角が大きくなると、光ファイバの出射位置による中間像面の位置の調整の感度が高くなるため、中間像面の位置を決定するための光ファイバの組付け等が難しくなる。

そこで、中間像面位置の調整の感度を改善するため、例えばアパーチャによって光束をトランケートすることで、走査部に入射する光束のビーム径を小さくし、調整感度を低くすることが有効である。こうした中間像面位置の調整の感度改善を行うため、例えば特許文献１の技術を採用することが考えられる。特許文献１には、光源部からの光束を伝送する光ファイバからの出射光をコリメートするコリメートレンズと走査部との間に、光束のビーム径を調整する手段を備える構成が開示されている。

特開２００６−２５１５０９号公報

しかしながら、上述したように光学系における組付けのバラツキや公差等をコンペンセートするため、光ファイバの出射位置が移動することにより、例えばアパーチャの配置位置等の、ビーム径の調整位置におけるビーム径が大幅に変動する。

すなわち、アパーチャ等のビーム径を絞るための構成によれば、光束がトランケートされて光量損失が発生するが、光ファイバの出射位置が移動することにより、ビーム径の調整位置におけるビーム径が変動することで、光量の損失量が変動して不安定となる。このようにアパーチャ等による光量の損失量が不安定となることは、表示輝度が変化するなど画質の低下を招いたり、例えば光束の走査タイミングを検出するために光学系に配置される光検出器の正常動作を損なう原因となったりする。

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであって、中間像面位置の調整のために光伝送部の光束の出射位置が移動することによっても、走査部に入射する光束の光量の変動を抑制することができ、画質の維持・向上、及び光学系に配置される光検出器の正常動作を確保することができる走査型画像表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の走査型画像表示装置は、画像信号に応じた強度の光束を出射する光源部と、前記光源部から出射された光束を２次元走査する走査部と、前記光源部から出射された光束を前記走査部へと伝送し、光束の出射位置が少なくとも出射する光束の光軸方向に位置調整可能に設けられる光伝送部と、前記走査部で走査された光束を投射対象に投射する投射部と、前記光伝送部から出射された光束をコリメートするコリメートレンズを有するコリメート部と、前記コリメート部によりコリメートされた光束のビーム径を絞る絞り孔を形成する絞り部と、を備え、前記絞り部は、前記光束の出射位置の変化に拘わらず前記コリメートレンズを通過した光束のビーム径が略一致する所定の位置に、前記絞り孔を位置させるものである。

また、請求項２に記載の走査型画像表示装置は、請求項１に記載の走査型画像表示装置において、前記所定の位置は、前記コリメートレンズの中心位置から前記コリメートレンズの光軸方向に前記コリメートレンズの焦点距離を隔てた位置またはその近傍の位置である。

また、請求項３に記載の走査型画像表示装置は、請求項１に記載の走査型画像表示装置において、前記所定の位置は、前記コリメートレンズを薄肉レンズと仮定し、前記コリメートレンズの中心位置を原点とし、前記コリメートレンズの光軸方向をｘ軸方向、該ｘ軸方向に垂直な方向をｙ軸方向とした場合、前記コリメートレンズ以降の光束のビーム径の変化を、前記光伝送部から出射される光束の広がり角に基づいて傾きａ、切片ｂとしてｙ＝ａｘ＋ｂにより一次近似することで求まる位置であり、前記傾きａおよび前記切片ｂが、次式（１）、（２）により表わされるものである。
ａ＝Δｚ・ｔａｎθ／ｆ ・・・（１）
ｂ＝（ｆ−Δｚ）・ｔａｎθ ・・・（２）
ここで、ｆ：前記コリメートレンズの焦点距離、θ：前記広がり角、Δｚ：前記光伝送部の前記光軸方向の位置調整幅である。

また、請求項４に記載の走査型画像表示装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の走査型画像表示装置において、前記投射対象を、観察者の少なくとも一方の眼の網膜とし、前記走査部によって走査された光束を、前記投射部により前記網膜に入射して、画像を表示するものである。

本発明によれば、中間像面位置の調整のために光伝送部の光束の出射位置が移動することによっても、走査部に入射する光束の光量の変動を抑制することができ、画質の維持・向上、及び光学系に配置される光検出器の正常動作を確保することができる。

本発明の一実施形態に係る走査型画像表示装置の全体的な構成を示す図。 本発明の一実施形態に係る走査型画像表示装置における光路を示す図。 本発明の一実施形態に係る走査型画像表示装置におけるビーム径の変動についての説明図。 本発明の一実施形態に係るアパーチャの配置についての説明図。 本発明の一実施形態に係るビーム径のシミュレーション結果の一例を示す図。

本発明は、光伝送部の光束の出射位置を移動させることで中間像面の位置を調整する構成において、中間像面位置の調整について適正な感度を得るために走査部に入射する光束のビーム径を小さくするための構成の配置を工夫することで、光伝送部の位置の移動にともなう光束の光量の変動を抑制しようとするものである。

以下、本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する本発明の実施の形態は、本発明を、走査型画像表示装置の一例である網膜走査ディスプレイ（Ｒｅｔｉｎａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｄｉｓｐｌａｙ、以下「ＲＳＤ」とする。）に適用した場合のものである。なお、本発明は、網膜走査型の画像表示装置であるＲＳＤに限らず、例えば投影対象をスクリーンとした光走査型の画像表示装置（レーザディスプレイ）等の、他の走査型画像表示装置にも適用可能である。

［ＲＳＤの構成］
まず、本実施形態に係る走査型画像表示装置としてのＲＳＤ１の構成について、図１及び図２を用いて説明する。本実施形態に係るＲＳＤ１は、投影対象を、観察者の少なくとも一方の眼１０の網膜１０ｂとし、光束としてのレーザ光を走査する走査部によって走査したレーザ光を、レーザ光を投射する投射部により網膜１０ｂに入射して、画像を表示する。つまり、ＲＳＤ１は、微弱な光を高速で走査しながら観察者の網膜１０ｂに照射することで、網膜１０ｂ上に走査された光の残像を映像として観察者に認識させる網膜走査型の画像表示装置である。

図１に示すように、ＲＳＤ１は、コントロールユニット２と、投影ユニット３とを備える。コントロールユニット２は、画像信号に応じた強度のレーザ光を画像光として出射する。コントロールユニット２から出射された画像光は、光ファイバケーブル４により、投影ユニット３に伝送される。

コントロールユニット２は、記憶部を内蔵し、この記憶部に記憶されたコンテンツ情報等に基づいて画像信号を形成する。コントロールユニット２は、形成した画像信号に応じた強度のレーザ光を画像光として光ファイバケーブル４へ出射する。

投影ユニット３は、光ファイバケーブル４により伝送されてきた画像光を、観察者が表示画像として認識可能とするために走査する。投影ユニット３は、コントロールユニット２においてＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の色毎に強度変調された画像光を、２次元方向に走査し、観察者の眼１０に入射させる。

ＲＳＤ１の電気的構成及び光学的構成について具体的に説明する。コントロールユニット２は、制御部５と、光源ユニット６とを有する。光源ユニット６は、光源部７と、駆動信号供給回路８とを含む。

制御部５は、ＲＳＤ１の各部を統括的に制御する。制御部５は、予め記憶されている制御プログラムにしたがって所定の処理を実行することにより、ＲＳＤ１を制御する。制御部５は、データ通信用のバスにより接続されるＣＰＵ、フラッシュメモリ、ＲＡＭ、ＶＲＡＭ、複数の入出力インターフェース等の各種機能部分を有し、バスを介して各種情報の送受信を行う。

制御部５は、入出力端子等を介して外部接続された図示しない機器類から供給される画像データや、予め記憶されたコンテンツ情報に基づく画像データ等の各種画像データの入力を受ける。制御部５は、入力された画像データに基づいて、画像信号５Ｓを生成する。制御部５により生成された画像信号５Ｓは、駆動信号供給回路８に送られる。つまり、制御部５は、画像信号５Ｓに応じた強度のレーザ光を光源部７から出射させる。

駆動信号供給回路８は、画像信号５Ｓに応じた駆動信号を生成する駆動信号生成部として機能する。駆動信号供給回路８は、画像信号５Ｓに基づいて、表示画像を形成するための要素となる各信号を画素単位で生成する。

光源部７は、駆動信号供給回路８により生成された駆動信号に応じた強度の光束としてのレーザ光を出力する。光源部７は、赤色レーザ光を生成して出射する赤色レーザ部１１と、緑色レーザ光を生成して出射する緑色レーザ部１２と、青色レーザ光を生成して出射する青色レーザ部１３とを有する。

各色のレーザ部１１，１２，１３は、各色のレーザ光を発生させるレーザ１１ａ，１２ａ，１３ａと、このレーザ１１ａ，１２ａ，１３ａを駆動させるためのレーザドライバ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂとを含む。各色のレーザ１１ａ，１２ａ，１３ａ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である。各色のレーザドライバ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂは、駆動信号供給回路８から入力される駆動信号に基づき、それぞれ対応するレーザ１１ａ，１２ａ，１３ａに駆動電流を供給する。そして、各色のレーザ１１ａ，１２ａ，１３ａは、対応するレーザドライバ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂから各レーザ１１ａ，１２ａ，１３ａに供給する駆動電流に応じて強度変調されたレーザ光を出射する。

したがって、赤色レーザ部１１は、駆動信号供給回路８からの駆動信号１４Ｒに基づき、レーザドライバ１１ｂによってレーザ１１ａを駆動させ、赤色のレーザ光を出射する。また、緑色レーザ部１２は、駆動信号供給回路８からの駆動信号１４Ｇに基づき、レーザドライバ１２ｂによってレーザ１２ａを駆動させ、緑色のレーザ光を出射する。また、青色レーザ部１３は、駆動信号供給回路８からの駆動信号１４Ｂに基づき、レーザドライバ１３ｂによってレーザ１３ａを駆動させ、青色のレーザ光を出射する。なお、各色のレーザ１１ａ，１２ａ，１３ａが半導体レーザである場合は、駆動電流を直接変調してレーザ光の強度変調を行うことができるが、各色のレーザ１１ａ，１２ａ，１３ａが固体レーザである場合は、各レーザ１１ａ，１２ａ，１３ａそれぞれに外部変調器を備えてレーザ光の強度変調を行う必要がある。

光源部７は、各色のレーザ部１１，１２，１３により出射したレーザ光を、合波してから、光ファイバケーブル４に出射する。このため、光源部７は、コリメート光学系１６，１７，１８と、ダイクロイックミラー１９，２０，２１と、結合光学系２２とを有する。

各色のレーザ部１１，１２，１３から出射した各色のレーザ光は、それぞれコリメート光学系１６，１７，１８によって平行光化された後、それぞれ対応するダイクロイックミラー１９，２０，２１に入射する。各ダイクロイックミラー１９，２０，２１に入射する赤色，緑色，青色の３色のレーザ光は、３個のダイクロイックミラー１９，２０，２１により、波長に関して選択的に反射・透過させられて結合光学系２２に達し、合波されて集光される。結合光学系２２により集光されたレーザ光は、光ファイバケーブル４に入射する。

このように、光源部７から光ファイバケーブル４に入射するレーザ光は、強度変調された各色のレーザ光が合波されたものである。なお、各色のレーザ部１１，１２，１３からのレーザ光を光源部７からの出射光として出射させるための光学系の構成は、各色のレーザ部１１，１２，１３から出射される各色のレーザ光が波長に関して選択的に反射・透過させられる構成であれば限定されるものではない。以上のように、光源部７は、制御部５から入力される画像信号５Ｓに応じた強度のレーザ光を出射する。

投影ユニット３は、ＲＳＤ１において光源部７と観察者の眼１０との間に位置する。投影ユニット３は、コリメート部３１と、水平走査部３２と、第１リレー光学系３３と、垂直走査部３４と、第２リレー光学系３５とを有する。

コリメート部３１は、光ファイバケーブル４から出射されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズ４０を有する。つまり、コリメート部３１は、コリメートレンズ４０により、光源部７で生成され光ファイバケーブル４から出射されるレーザ光を平行光化する光学系である。コリメートレンズ４０により、コリメートレンズ系が構成される。

水平走査部３２は、コリメート部３１で平行光化されたレーザ光を画像表示のために水平方向に往復走査する。第１リレー光学系３３は、水平走査部３２と垂直走査部３４との間に設けられ、走査レンズ系を構成し、水平走査部３２と垂直走査部３４との間でレーザ光を中継する。

垂直走査部３４は、水平走査部３２で水平方向に走査されたレーザ光を垂直方向に走査する。第２リレー光学系３５は、水平走査部３２及び垂直走査部３４によって水平方向と垂直方向に走査されたレーザ光を、投影ユニット３から外部へと出射させるためのものである。

水平走査部３２及び垂直走査部３４、ならびに第１リレー光学系３３は、光ファイバケーブル４から出射したレーザ光を、画像として観察者の網膜１０ｂに投影可能な状態とするために、水平方向と垂直方向に走査して走査光束とするための光走査装置及び光学系である。つまり、本実施形態では、水平走査部３２及び垂直走査部３４を含む構成が、光源部７から出射されたレーザ光を２次元走査する走査部として機能する。以下の説明では、水平走査部３２及び垂直走査部３４を含む構成を総称して「走査部」という。

水平走査部３２は、走査部において高速スキャナとして機能するものであり、共振型の偏向素子３２ａと、水平走査駆動回路３２ｂとを備える。偏向素子３２ａは、レーザ光を水平方向に走査するため偏向面（反射面）を有する。水平走査駆動回路３２ｂは、偏向素子３２ａを共振させて偏向素子３２ａの偏向面を揺動させる駆動信号を生成する。水平走査駆動回路３２ｂは、偏向素子３２ａに対する駆動信号を、駆動信号供給回路８から入力される水平駆動信号３６に基づいて生成する。

一方、垂直走査部３４は、走査部において低速スキャナとして機能するものであり、非共振型の偏向素子３４ａと、垂直走査駆動回路３４ｂとを備える。偏向素子３４ａは、レーザ光を垂直方向に走査するため偏向面（反射面）を有する。垂直走査駆動回路３４ｂは、偏向素子３４ａの偏向面を非共振状態で揺動させる駆動信号を生成する。垂直走査駆動回路３４ｂは、偏向素子３４ａに対する駆動信号を、駆動信号供給回路８から入力される垂直駆動信号３７に基づいて生成する。

垂直走査部３４は、表示すべき画像の１フレーム毎に、画像を形成するためのレーザ光を最初の水平走査線から最後の水平走査線に向かって垂直に走査する。これにより、２次元走査された画像が形成される。ここで「水平走査線」とは、水平走査部３２による水平方向への１走査を意味する。

第１リレー光学系３３は、水平走査部３２が有する偏向素子３２ａの偏向面によって水平方向に走査されたレーザ光を、垂直走査部３４が有する偏向素子３４ａの偏向面に収束させる。そして、偏向素子３４ａの偏向面に収束したレーザ光が、偏向素子３４ａの偏向面によって垂直方向に走査され、画像光Ｌｘを形成する。

第２リレー光学系３５は、正の屈折力を持つ２つのレンズとして、直列配置される補正レンズ３８と接眼レンズ５０とを有する。接眼レンズ５０により、接眼レンズ系が構成される。なお、接眼レンズ系は、複数のレンズにより構成されてもよい。画像光Ｌｘとしてのレーザ光は、第２リレー光学系３５を介した後、ＲＳＤ１が備えるハーフミラー１５により反射させられて、観察者の瞳孔１０ａに入射する。画像光Ｌｘが瞳孔１０ａに入射することにより、網膜１０ｂ上に、画像信号５Ｓに応じた表示画像が投影される。このようにして、観察者は、画像光Ｌｘを表示画像として認識する。

本実施形態では、第２リレー光学系３５を構成する接眼レンズ５０、及びハーフミラー１５を含む構成が、走査部で走査されたレーザ光を投射対象に投射する投射部として機能する。本実施形態では、投射部によりレーザ光が投射される投射対象は、観察者の眼１０の網膜１０ｂである。

また、ハーフミラー１５は、外光Ｌｙを透過させて観察者の眼１０に入射させる。これにより、観察者は、外光Ｌｙにより認識される背景に、画像光Ｌｘによる画像を重ねて視認することができる。このように、本実施形態のＲＳＤ１は、投影ユニット３から出射される画像光Ｌｘを観察者の眼１０に走査しつつ投射するとともに、外光Ｌｙを透過させるシースルー型である。ただし、ＲＳＤ１はシースルー型である必要はない。

第２リレー光学系３５の光の入射側に位置する補正レンズ３８は、画像光により表示される画像の曲面補正を行うためのレンズである。接眼レンズ５０は、走査部で走査されたレーザ光である画像光Ｌｘを観察者の眼１０に入射させる。このように、接眼レンズ５０は、観察者の網膜１０ｂ上に画像信号５Ｓに応じた画像を投影する接眼光学系として機能する。

第２リレー光学系３５においては、補正レンズ３８と接眼レンズ５０との間に、中間像面４１が形成される（図２参照）。中間像面４１は、観察者の眼１０の網膜１０ｂ上に形成される最終像面４２と光学的に共役な関係を有する。つまり、ＲＳＤ１の光学系において中間像面４１を形成するレーザ光は、接眼レンズ５０を介して観察者の眼１０に入射し、網膜１０ｂ上にて最終像面４２を形成する。

また、図示は省略するが、ＲＳＤ１は、第１リレー光学系３３において、光検出部を有する。光検出部は、タイミング検出用のレーザ光を検出するため、受光した光の強度に応じた電流をＢＤ信号として出力するＢＤセンサを有し、走査部によるレーザ光の走査タイミングを検出する。この光検出部により、駆動信号供給回路８からの駆動信号に基づいて光源部７から出射されるタイミング検出用のレーザ光が検出されることで、光源部７からの画像形成用レーザ光の出射タイミングが調整される。

以上のような構成を備えるＲＳＤ１は、例えば、投影ユニット３を含む構成を支持する眼鏡型のフレームを備えることで、観察者の頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイを構成する。

そして、本実施形態のＲＳＤ１においては、光ファイバケーブル４は、走査部に入射させるレーザ光の光軸方向に位置調整可能に設けられる。具体的には、光ファイバケーブル４においては、出射側の端部における光ファイバの端面が、レーザ光の出射位置となる。つまり、光ファイバケーブル４が出射するレーザ光の光軸方向については、光ファイバケーブル４のレーザ光の出射位置（以下「ファイバ出射位置」という。）と、光ファイバケーブル４の出射側の端部の位置とは略同じ位置である。光ファイバケーブル４から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ４０を介して、走査部の水平走査部３２を構成する偏向素子３２ａの反射面に入射する。

このような構成において、ファイバ出射位置が、コリメートレンズ４０に向けて出射するレーザ光の光軸方向に移動可能に設けられる。つまり、レーザ光の進む方向を前側とすると、ファイバ出射位置は、出射するレーザ光の光軸方向に沿って前進・後退可能に設けられる。

ファイバ出射位置を移動させるための構成は、例えば、機械的な構成によって手動により移動する構成や、電気的な制御によって自動的に移動する構成等であり、特に限定されない。つまり、光ファイバケーブル４は、出射するレーザ光の光軸方向についてファイバ出射位置が所定の範囲で所望の位置となるように組み付けることができ、ファイバ出射位置を調整することができるように設けられればよい。

このように、本実施形態では、光ファイバケーブル４が、光源部７から出射されたレーザ光を走査部へと伝送し、ファイバ出射位置が少なくとも出射するレーザ光の光軸方向に位置調整可能に設けられる光伝送部として機能する。

ファイバ出射位置の移動は、中間像面４１の位置を調整するために用いられる。なお、以下の説明において、ファイバ出射位置及び中間像面４１の位置は、光ファイバケーブル４から出射され走査部による偏向等を経て観察者の眼１０に入射するレーザ光の光軸Ｏ１に沿う方向の位置である（図２、１点鎖線参照）。

中間像面４１の位置は、観察者の眼１０の網膜１０ｂに表示される画像（最終像面４２）の画質を維持する観点から重要な因子である。そこで、中間像面４１の位置の調整が、ファイバ出射位置を移動させることにより行われる。つまり、光学系における組付けのバラツキや公差等により変動する中間像面４１の位置が、ファイバ出射位置の調整によって、適切な位置に決定される。

具体的には、図３に示すように、ファイバ出射位置は、所定の位置を基準位置として、出射するレーザ光の光軸に沿って前後方向に移動する（矢印Ａ１参照）。図３では、ファイバ出射位置が基準位置にある状態、及びその状態での中間像面４１の位置を示している。

図３に示すように、ファイバ出射位置が、基準位置から前進、つまり図３において右側に移動すると、ファイバ出射位置が基準位置にある状態との比較において、コリメートレンズ４０の位置でのレーザ光のビーム径は小さくなる反面、第１リレー光学系３３のレンズの位置でのレーザ光のビーム径は大きくなる（２点鎖線で示すビーム径参照）。このため、中間像面４１の位置は、ファイバ出射位置が基準位置のときよりも前側（奥側）に移動する（符号４１ａ参照）。

一方、ファイバ出射位置が、基準位置から後退、つまり図３において左側に移動すると、ファイバ出射位置が基準位置にある状態との比較において、コリメートレンズ４０の位置でのレーザ光のビーム径は大きくなる反面、第１リレー光学系３３のレンズの位置でのレーザ光のビーム径は小さくなる（破線で示すビーム径参照）。このため、中間像面４１の位置は、ファイバ出射位置が基準位置のときよりも後側（手前側）に移動する（符号４１ｂ参照）。

このようにファイバ出射位置により中間像面４１の位置が変化する現象においては、コリメートレンズ４０による作用に着目した場合、ファイバ出射位置によってビーム径が拡散・集光・平行の３パターンで進行することに基づく。このようにファイバ出射位置の移動にともなって移動する中間像面４１の位置が、ファイバ出射位置によって調整される。このように、本実施形態のＲＳＤ１においては、中間像面４１の位置に関し、ファイバ出射位置の移動によって、光学系における組付けのバラツキや公差等がコンペンセートされる。

そして、本実施形態のＲＳＤ１においては、観察者の眼１０の網膜１０ｂに表示される画像について高い解像度を得るためには、中間像面４１の位置における集光角度が大きいほど良い。この集光角度は、光ファイバケーブル４から出射されるレーザ光の広がり角が大きいほど大きくなる。しかし、光ファイバケーブル４から出射されるレーザ光の広がり角が大きくなると、ファイバ出射位置を移動させることによる中間像面４１の位置の調整の感度が高くなるため、中間像面４１の位置を決定するための光ファイバケーブル４の組付け等が難しくなる。

そこで、図１〜図３に示すように、本実施形態のＲＳＤ１は、中間像面４１の位置調整の感度を改善するため、アパーチャ６０を備える。アパーチャ６０は、光ファイバケーブル４からの出射光をコリメートするコリメートレンズ４０と、走査レンズ系を構成する第１リレー光学系３３との間に設けられる。

アパーチャ６０は、走査部に入射するレーザ光のビーム径を絞るための絞り孔６１を有する。アパーチャ６０は、例えば、中心部に絞り孔６１を有する板状の部材である。このようにコリメート部３１と第１リレー光学系３３との間にアパーチャ６０が配置されることにより、コリメートレンズ４０を通過したレーザ光がアパーチャ６０によってトランケートされ、走査部に入射するレーザ光のビーム径が小さくなる。これにより、中間像面４１の位置調整の感度が低くなり、中間像面４１の位置調整が容易となる。

このように、本実施形態のＲＳＤ１においては、アパーチャ６０が、コリメート部３１によりコリメートされたレーザ光のビーム径を絞る絞り孔６１を形成する絞り部として機能する。

このようにアパーチャ６０を備える構成においては、上述したように光学系における組付けのバラツキや公差等をコンペンセートするためにファイバ出射位置が移動することにより、アパーチャ６０によるレーザ光の絞り位置におけるビーム径が大幅に変動する。すなわち、レーザ光のビーム径を一定の値よりも絞るアパーチャ６０によれば、レーザ光がトランケートされて光量損失が発生するが、ファイバ出射位置が移動することにより、レーザ光の絞り位置におけるビーム径が変動し、これにより光量の損失量が変動して不安定となる。

具体的に、例えば、アパーチャ６０が、単に機械的な配置のしやすさから、コリメートレンズ４０に近接させて配置された場合について説明する。この場合、図３に示すように、ファイバ出射位置が前進した位置にある状態（２点鎖線のビーム径）では、ファイバ出射位置が基準位置にある状態（実線のビーム径）との比較において、光量の損失が小さくなる。一方、ファイバ出射位置が後退した位置にある状態（破線のビーム径）では、ファイバ出射位置が基準位置にある状態（実線のビーム径）との比較において、光量の損失が大きくなる。

このようにアパーチャ６０による光量の損失量が不安定となることは、表示輝度が変化するなど画質の低下を招いたり、レーザ光の走査タイミングを検出するために光学系に配置される光検出部のＢＤセンサ等の正常動作を損なう原因となったりする。そこで、本実施形態のＲＳＤ１においては、アパーチャ６０が、以下に説明するような位置に設けられている。

［アパーチャの配置位置］
本実施形態のＲＳＤ１においては、アパーチャ６０は、ファイバ出射位置の変化に拘わらずコリメートレンズ４０を通過したレーザ光のビーム径が略一致する所定の位置に、絞り孔６１を位置させるように設けられる。絞り孔６１についての所定の位置は、例えば、コリメートレンズ４０の焦点距離と、光ファイバケーブル４から出射されるレーザ光の広がり角と、光ファイバケーブル４の光軸方向の位置調整幅とに基づいて定められる。

具体的には、図４に示すように、コリメートレンズ４０の焦点距離ｆは、コリメートレンズ４０を薄肉レンズとして近似した場合（レンズの厚みをゼロとみなした場合）における、光軸方向についてのコリメートレンズ４０と焦点Ｆ０との距離である。原理的には、コリメートレンズ４０の焦点Ｆ０の位置に点光源の存在を仮定すると、図４において実線で示すビーム径のように、点光源からコリメートレンズ４０に入射した光は、コリメートレンズ４０の出射側から完全に平行な平行光として出射される。コリメートレンズ４０の焦点距離ｆは、コリメートレンズ４０によって定まる値である。

図４に示すように、光ファイバケーブル４から出射されるレーザ光の広がり角（以下「ビーム広がり角」という。）θは、ファイバ出射位置から光軸を中心として放射状に広がって出射されるレーザ光についての光軸Ｏ１を基準とするビームの広がりの半角度である。したがって、ビーム広がり角θは、図４に示すような光路図においてファイバ出射位置を起点として光軸Ｏ１とビームの広がりの勾配を示す直線とのなす角度（θ）となる。ビーム広がり角θは、光ファイバケーブル４の種類やレーザ光の種類等によって定まる値である。

図４に示すように、光ファイバケーブル４の光軸方向の位置調整幅Δｚは、上述したようにファイバ出射位置が移動可能に設けられる光ファイバケーブル４において、ファイバ出射位置の基準位置からの移動量に相当する。したがって、ファイバ出射位置の基準位置が焦点Ｆ０の場合において、ファイバ出射位置が位置調整幅Δｚだけ前進したときには、コリメートレンズ４０と光軸Ｏ１との交点を原点Ｏとすると、原点Ｏからファイバ出射位置までの距離は、ｆ−Δｚとなる。

以上のように、コリメートレンズ４０によって定まる焦点距離ｆ、光ファイバケーブル４等によって定まるビーム広がり角θ、及びファイバ出射位置の基準位置からの移動量である位置調整幅Δｚに基づいて、絞り孔６１が所定の位置となるように、アパーチャ６０が配置される。すなわち、ＲＳＤ１においては、コリメートレンズ４０の焦点距離ｆ、ビーム広がり角θ、及びファイバ出射位置の位置調整幅Δｚの値が用いられ、ＲＳＤ１の各部の構造から導かれる所定の位置に、アパーチャ６０が設けられる。

具体的には、上述したように、コリメートレンズ４０を通過するレーザ光は、ファイバ出射位置の移動によって、ビーム径が拡散・集光・平行の３パターンで進行する。このため、コリメートレンズ４０を通過したレーザ光については、ファイバ出射位置に拘わらずビーム径がほぼ同一となる（略一致する）位置が存在する。つまり、このビーム径がほぼ同一となる位置とは、ファイバ出射位置の変化にともなうビーム径の変動量が最小となる位置である。

図５に、ファイバ出射位置を変化させた場合の、コリメートレンズ４０以降のレーザ光のビーム径の変動についてのシミュレーション結果の一例を示す。図５に示すグラフにおいて、横軸はコリメートレンズ４０の位置（詳しくは面頂位置）を基準（０ｍｍ）とした場合の距離［ｍｍ］であり、縦軸はビーム径である。また、距離が約１０ｍｍの位置Ｐ１に、水平走査部３２の偏向素子３２ａの反射面が位置する。

図５に示すシミュレーション結果例から分かるように、ファイバ出射位置の移動量に拘わらず、ビーム径がほぼ一定となる位置Ｐ０が存在する。本例では、距離が約７ｍｍの位置に、ビーム径がほぼ一定となる位置が存在する。

このようにビーム径がほぼ同一となる位置が、例えば上記のとおり焦点距離ｆ、ビーム広がり角θ、及び位置調整幅Δｚの各値をパラメータとして導かれる。そして、このファイバ出射位置に拘わらずビーム径がほぼ同一となる位置あるいはその近傍に絞り孔６１が位置するように、アパーチャ６０の配置位置が決定される。

以上のようにファイバ出射位置の変化に拘わらずコリメートレンズ４０を通過したレーザ光のビーム径が略一致する所定の位置に配置されるアパーチャ６０を備えるＲＳＤ１によれば、中間像面４１の位置の調整のためにファイバ出射位置が移動することによっても、走査部に入射するレーザ光の光量の変動を抑制することができ、画質の維持・向上、及び光学系に配置される光検出器の正常動作を確保することができる。

すなわち、上述したように中間像面４１の位置調整の感度を改善するためにコリメートレンズ４０を通過したレーザ光のビーム径を絞るための構成を設けるに際し、コリメートレンズ４０のビーム径が指標とされ、焦点距離ｆ、ビーム広がり角θ、及び位置調整幅Δｚが用いられる。そして、ファイバ出射位置の変化にともなうビーム径の変動量が最小となる所定の位置が、ビーム径の絞り位置として導かれる。

これにより、ファイバ出射位置の変動がアパーチャ６０による光量の損失量に与える影響を最小限に抑えることが可能となる。結果として、アパーチャ６０の配置位置が単に機械的な配置のしやすさ等に基づいて決められる場合との比較において、確実に、画質の維持・向上、及び光学系に配置される光検出器の正常動作を確保することができる。

なお、コリメートレンズ４０を通過したレーザ光のビーム径を絞るための絞り部としては、本実施形態のアパーチャ６０に限定されず、レーザ光のビーム径を一定以下に絞ることができる構成であれば、適宜周知の構成を採用することができる。

上述したように、コリメートレンズ４０を通過したレーザ光のビーム径を指標として定まる、絞り孔６１についての所定の位置は、好ましくは、コリメートレンズ４０の中心位置からコリメートレンズ４０の光軸方向に焦点距離ｆを隔てた位置またはその近傍の位置である。

この場合、図４に示すように、コリメートレンズ４０の位置である原点Ｏから、焦点距離ｆだけ前側の位置あるいはその近傍の位置に絞り孔６１が位置するように、アパーチャ６０が配置される。ここで、焦点距離ｆだけ前側の位置の近傍の位置とは、コリメートレンズ４０の位置（原点Ｏ）から水平走査部３２の偏向素子３２ａの反射面の位置（図５、符号Ｐ１参照）までの距離に対して短い距離αについて、焦点距離ｆ±αの範囲内の位置である。

つまり、アパーチャ６０による絞り位置については、理想的には原点Ｏから焦点距離ｆを隔てた位置であるが、ＲＳＤ１における画質や光検出器の正常動作を確保することができる範囲内の位置が許容される。

このように、アパーチャ６０の絞り孔６１についての所定の位置として、焦点距離ｆの位置が望ましいことの根拠について、図４を用いて説明する。

図４に示すように、本実施形態に係るアパーチャ６０の配置位置の求め方では、レーザ光の光線を幾何学的に扱い、コリメートレンズ４０以降の光線を、ｙ＝ａ・ｘ＋ｂとして１次近似する。また、コリメートレンズ４０は薄肉レンズとして扱い、コリメートレンズ４０と光軸Ｏ１との交点を原点Ｏとする。また、ファイバ出射位置の基準位置、つまりΔｚ＝０の状態でのファイバ出射位置を、コリメートレンズ４０の焦点Ｆ０の位置とする。このような条件によると、切片ｂはコリメートレンズ４０の位置（ｘ＝０の位置）でのビーム半径となることから、次式（３）、（４）が成立する。

ω／２＝ｆ・ｔａｎθ ・・・（３）
ｂ＝ω’／２＝（ｆ−Δｚ）・ｔａｎθ ・・・（４）
ここで、ωは、ファイバ出射位置が基準位置（焦点Ｆ０）にある状態でのビーム径（実線参照）であり、ω’は、ファイバ出射位置が位置調整幅Δｚ前側に移動した状態でのビーム径（２点鎖線参照）である。

結像関係式（レンズの公式）から、次式（５）が得られる。

式（５）において、Ｓ（−）は、原点Ｏからファイバ出射位置までのｘ座標の値である。また、Ｓ’（＋）は、原点Ｏから結像位置Ｆ１までのｘ座標の値である。これらのことから、式（５）は、次式（６）のように変形できる。

式（６）から、次式（７）が導かれる。

また、上記１次近似式ｙ＝ａ・ｘ＋ｂにおける傾きａは、次式（８）により表わされる。
ａ＝（０−ｂ）／（Ｓ’−０）＝−ｂ／Ｓ’・・・（８）

上記式（４）、（７）、（８）より、次式（９）が得られる。
ａ＝Δｚ・ｔａｎθ／ｆ ・・・（９）

したがって、１次近似式ｙ＝ａ・ｘ＋ｂは、上記式（４）、（９）より、次式（１０）で表わされる。

以上より、上記式（１０）と、ｙ＝ｆ・ｔａｎθで表わされるコリメート光線、つまり上記ビーム径についての３パターンのうちのビーム径が平行となるパターン（実線で示すビーム径参照）との交点を求めると、結論として、次式（１１）が得られる。
ｘ＝ｆ ・・・（１１）

以上のようにして、アパーチャ６０の絞り孔６１について望ましい所定の位置として、コリメートレンズ４０の中心位置に対応する原点Ｏからレーザ光の進行方向に焦点距離ｆを隔てた位置Ｐａが求められる。そして、この位置Ｐａを目標としてアパーチャ６０が配置されることで、上述したように、レーザ光の光量の変動を抑制することができ、画質の維持・向上、及び光学系に配置される光検出器の正常動作を確保することができる。

［ＲＳＤの別構成］
ＲＳＤの別構成について説明する。本構成に係るＲＳＤは、中間像面４１の位置調整の感度を改善するための構成として、アパーチャ６０を備える代わりに、高速スキャナとしての水平走査部３２の偏向素子３２ａの偏向面（反射面）３２ｃ（図１参照）を用いる。

水平走査部３２の偏向面３２ｃは、ミラー面として形成される。そこで、この偏向面３２ｃを、中間像面４１の位置調整の感度についての改善効果が得られる程度の大きさの径を有する円形状とする。つまり、水平走査部３２の偏向面３２ｃの全面により反射されるレーザ光のビーム径が、中間像面４１の位置調整の感度についての改善効果が得られる大きさとなるように、偏向面３２ｃの径が設定される。これにより、アパーチャ６０によるレーザ光のビーム径の絞り作用と同様の作用が得られる。

そして、上述したようなアパーチャ６０の絞り孔６１についての所定の位置に偏向面３２ｃが位置するように、水平走査部３２が設けられる。本構成に係るＲＳＤによれば、水平走査部３２に、アパーチャ６０の機能を兼ねることにより、中間像面４１の位置調整の感度を改善するための構成を別途設ける必要がなく、構造の簡略化を図ることができる。つまり、本構成に係るＲＳＤによれば、ＲＳＤの既存の構成を利用して、中間像面４１の位置調整の感度の改善を図りながら、上述したように、レーザ光の光量の変動を抑制することができ、画質の維持・向上、及び光学系に配置される光検出器の正常動作を確保することができる。

以上説明したように、本実施形態に係るＲＳＤ１によれば、以下の効果が期待できる。

（１）本実施形態に係るＲＳＤ１は、画像信号５Ｓに応じた強度のレーザ光を出射する光源部７と、光源部７から出射されたレーザ光を２次元走査する走査部（水平走査部３２、垂直走査部３４）と、光源部７から出射されたレーザ光を走査部へと伝送し、レーザ光の出射位置が少なくとも出射するレーザ光の光軸方向に位置調整可能に設けられる光ファイバケーブル４と、走査部で走査されたレーザ光を観察者の眼１０の網膜１０ｂに投射する投射部と、光ファイバケーブル４から出射されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズ４０を有するコリメート部３１と、コリメート部３１によりコリメートされたレーザ光のビーム径を絞る絞り孔６１を形成するアパーチャ６０と、を備える。そして、アパーチャ６０は、レーザ光の出射位置の変化に拘わらずコリメートレンズ４０を通過したレーザ光のビーム径が略一致する所定の位置に、絞り孔６１を位置させる。これにより、中間像面４１の位置の調整のためにファイバ出射位置が移動することによっても、絞り孔６１を通過し走査部に入射するレーザ光の光量の変動を抑制することができ、画質の維持・向上、及び光学系に配置される光検出器の正常動作を確保することができる。

（２）また、本実施形態のＲＳＤ１においては、アパーチャ６０の絞り孔６１についての所定の位置は、コリメートレンズ４０の中心位置（原点Ｏ）からコリメートレンズ４０の光軸方向にコリメートレンズ４０の焦点距離ｆを隔てた位置またはその近傍の位置である。これにより、コリメート部３１の構成に応じて、効果的に、走査部に入射するレーザ光の光量変動の抑制、画質の維持・向上、及び光学系に配置される光検出器の正常動作の確保が実現される。

（３）また、本実施形態のＲＳＤ１においては、アパーチャ６０の絞り孔６１についての所定の位置は、コリメートレンズ４０を薄肉レンズと仮定し、コリメートレンズ４０の中心位置を原点Ｏとし、コリメートレンズ４０の光軸方向をｘ軸方向、ｘ軸方向に垂直な方向をｙ軸方向とした場合、コリメートレンズ４０以降のレーザ光のビーム径の変化を、ビーム広がり角θに基づいて傾きａ、切片ｂとしてｙ＝ａｘ＋ｂにより一次近似することで求まる位置であり、傾きａ及び切片ｂが、次式（１２）、（１３）により表わされる。
ａ＝Δｚ・ｔａｎθ／ｆ ・・・（１２）
ｂ＝（ｆ−Δｚ）・ｔａｎθ ・・・（１３）
これにより、焦点距離ｆ、ビーム広がり角θ、及び位置調整幅Δｚに基づき、絞り孔６１についての所定の位置として、ファイバ出射位置の変化にともなうビーム径の変動量が最小となる位置を確実かつ容易に求めることができる。

（４）また、本実施形態のＲＳＤ１は、投射部による投射対象を、観察者の少なくとも一方の眼１０の網膜１０ｂとし、走査部によって走査されたレーザ光を、投射部により網膜１０ｂに入射して、画像を表示する。これにより、観察者の眼１０の網膜１０ｂに表示される画像（最終像面４２）の画質を維持する観点から中間像面４１の位置の重要度が高い網膜走査型の画像表示装置において、効果的に、レーザ光の光量の変動を抑制することができ、画質の維持・向上、及び光学系に配置される光検出器の正常動作を確保することができる。

１ ＲＳＤ（走査型画像表示装置）
４ 光ファイバケーブル（光伝送部）
５Ｓ 画像信号
７ 光源部
１０ 眼
１０ｂ 網膜
１５ ハーフミラー
３１ コリメート部
３２ 水平走査部
３４ 垂直走査部
４０ コリメートレンズ
５０ 接眼レンズ
６０ アパーチャ（絞り部）
６１ 絞り孔

Claims (4)

1. 画像信号に応じた強度の光束を出射する光源部と、
   前記光源部から出射された光束を２次元走査する走査部と、
   前記光源部から出射された光束を前記走査部へと伝送し、光束の出射位置が少なくとも出射する光束の光軸方向に位置調整可能に設けられる光伝送部と、
   前記走査部で走査された光束を投射対象に投射する投射部と、
   前記光伝送部から出射された光束をコリメートするコリメートレンズを有するコリメート部と、
   前記コリメート部によりコリメートされた光束のビーム径を絞る絞り孔を形成する絞り部と、を備え、
   前記絞り部は、前記光束の出射位置の変化に拘わらず前記コリメートレンズを通過した光束のビーム径が略一致する所定の位置に、前記絞り孔を位置させる、
   走査型画像表示装置。
2. 前記所定の位置は、前記コリメートレンズの中心位置から前記コリメートレンズの光軸方向に前記コリメートレンズの焦点距離を隔てた位置またはその近傍の位置である、
   請求項１に記載の走査型画像表示装置。
3. 前記所定の位置は、前記コリメートレンズを薄肉レンズと仮定し、前記コリメートレンズの中心位置を原点とし、前記コリメートレンズの光軸方向をｘ軸方向、該ｘ軸方向に垂直な方向をｙ軸方向とした場合、前記コリメートレンズ以降の光束のビーム径の変化を、前記光伝送部から出射される光束の広がり角に基づいて傾きａ、切片ｂとしてｙ＝ａｘ＋ｂにより一次近似することで求まる位置であり、前記傾きａ及び前記切片ｂが、次式（１）、（２）により表わされる請求項１に記載の走査型画像表示装置。
   ａ＝Δｚ・ｔａｎθ／ｆ ・・・（１）
   ｂ＝（ｆ−Δｚ）・ｔａｎθ ・・・（２）
   ここで、ｆ：前記コリメートレンズの焦点距離、θ：前記広がり角、Δｚ：前記光伝送部の前記光軸方向の位置調整幅である。
4. 前記投射対象を、観察者の少なくとも一方の眼の網膜とし、
   前記走査部によって走査された光束を、前記投射部により前記網膜に入射して、画像を表示することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の走査型画像表示装置。

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