JP2014224995A - 走査型画像表示装置および射出瞳拡大方法 - Google Patents

Abstract

【課題】網膜上に直接像を作る走査型の画像表示装置において、解像度の劣化を抑制しつつ、射出瞳を拡大する技術を提供する。【解決手段】走査型画像表示装置１００において、光学系は、干渉性を持つ光を照射する光源１０が照射する光をビームに変換する。走査光学系は、光学系が変換したビームを中間像位置４０上に走査させて中間像を生じさせる。ＮＡ変換素子５０は、中間像が生じる位置においてビームの発散角を拡大する。ＮＡ変換素子５０は周期構造を持っており、当該ＮＡ変換素子５０における周期構造の繰り返し周期の長さは、光学系が変換したビームがＮＡ変換素子５０に入射するときのビーム径以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、走査型画像表示装置および射出瞳拡大方法に関する。

近年、半導体レーザー光源の光をコリメータレンズで細いビームにし、これを小型のスキャンミラーで二次元に走査して中間像を造り、その中間像を結像光学系で瞳孔に投影し、目のレンズ作用で網膜上に像を作る走査型の画像表示装置が提案されている。

このとき細いビームで作った中間像を、そのまま後段の光学系で瞳孔に入射しようとすると、光学系の射出瞳が小さいために、射出瞳と瞳孔の位置合わせが難しくなり、像が見づらくなる。これを改善するために中間像の近傍に、ＮＡ（Numerical Aperture；開口数）拡大素子または射出瞳拡大器（以下、「ＮＡ変換素子」という。）と呼ばれる、ビームの広がり角を大きくする作用を持つ素子を配置する。このＮＡ変換素子により、中間像以降のビームが太くなるため射出瞳が拡大し、射出瞳と瞳孔の位置合わせがし易くする技術も提案されている（特許文献１参照）。

特開平６−３１９０９３号公報

ＮＡ変換素子として、回折格子、レンチキュラーシート等の周期構造による回折作用を利用する素子が用いられることが多い。周期構造を持つＮＡ変換素子を用いると、その回折作用によって、ＮＡ変換素子に入射した入射ビームは、入射時の収束ＮＡと同じＮＡで広がりながら、入射ビームと同じ方向に射出する０次光、θ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎλ／Ｐ；Ｐは周期構造のピッチ、λは入射ビームの波長、ｎは整数）に従い回折されて射出する±ｎ次光に分かれる。

ここで、いわゆるヘッドアップディスプレイのように射出瞳位置が遠いディスプレイに応用した場合は、ＮＡ変換素子の回折作用で分かれた射出光は、ビーム同士が大きく分散してしまうので、ビーム同士の間隔が開く。この結果、瞳孔にビームが入る場所では画像が見えるが、入らない場所では画像が見えなくなり、結果として解像度が劣化してしまう。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、網膜上に直接像を作る走査型の画像表示装置において、解像度の劣化を抑制しつつ、射出瞳を拡大する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の走査型画像表示装置は、干渉性を持つ光を照射する光源が照射する光をビームに変換する光学系と、光学系が変換したビームを中間像位置上に走査させて中間像を生じさせる走査光学系と、中間像が生じる位置においてビームの発散角を拡大するＮＡ（Numerical Aperture）変換素子とを備える。ＮＡ変換素子は周期構造を持っており、当該ＮＡ変換素子における周期構造の繰り返し周期の長さは、光学系が変換したビームがＮＡ変換素子に入射するときのビーム径以上である。
本発明の別の態様は、射出瞳拡大方法である。この方法は、干渉性を持つ光をビームに変換するステップと、変換したビームを中間像位置上に走査させて中間像を生じさせるステップと、中間像が生じる位置において、ＮＡ（Numerical Aperture）変換素子を用いてビームの発散角を拡大するステップとを含む。ＮＡ変換素子は周期構造を持っており、該ＮＡ変換素子における周期構造の繰り返し周期の長さは、変換したビームがＮＡ変換素子に入射するときのビーム径以上である。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現の少なくとも一部を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、網膜上に直接像を作る走査型の画像表示装置において、解像度の劣化を抑制しつつ、射出瞳を拡大する技術を提供することができる。

実施の形態に係る光学装置の全体構成を模式的に示す図である。 実施の形態に係るＮＡ変換素子の一部分を拡大して示す図である。 マイクロレンズアレイに、ビームの直径がレンズのピッチの３倍であるビームが入射した様子を、シミュレーションした結果を示す図である。 フラウンホーファ回折によって出射瞳位置に形成されるドットパターンを示すシミュレーション結果を示す図である。 ビームの直径がマイクロレンズアレイのレンズのピッチ以下であるビームが入射する様子を、シミュレーションした結果を示す図である。 図５に示す場合において出射瞳位置に形成される光の光量分布を示すシミュレーション結果を示す図である。 ＮＡ変換素子のひとつのマイクロレンズの中心と、そのマイクロレンズに入射するビームの中心とが一致している場合のシミュレーション結果を示す図である。 図８（ａ）−（ｂ）は、図７に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。 図７に示す例と比較して、画素ピッチの１／２の長さ分ビームが走査された状態を示すシミュレーション結果を示す図である。 図１０（ａ）−（ｂ）は、図９に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。 マイクロレンズアレイの中央に位置するマイクロレンズの中心に、走査中のビームが当たっている状態のシミュレーション結果を示す図である。 図１２（ａ）−（ｂ）は、図１１に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。 基準位置からマイクロレンズのピッチＰの１／４分の長さの距離を、光源側から見て左に向かってビームが走査されたときのシミュレーション結果を示す図である。 図１４（ａ）−（ｂ）は、図１３に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。 図１３に示す例と比較して、さらにレンズのピッチの１／４の長さ分ビームが走査された状態を示すシミュレーション結果を示す図である。 （ａ）−（ｂ）は、図１５に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。 基準の位置として、マイクロレンズアレイの中央に位置するマイクロレンズの中心に、走査中のビームが当たっている状態のシミュレーション結果を示す図である。 図１８（ａ）−（ｂ）は、図１７に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。 図１７に示す基準位置から１画素ピッチ分の距離を光源側から見て左に向かってビームが走査されたときのシミュレーション結果を示す図である。 図２０（ａ）−（ｂ）は、図１８に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。 図２１は、図１７に示す基準位置から２画素ピッチ分の距離を光源側から見て左に向かってビームが走査されたときのシミュレーション結果を示す図である。 図２２（ａ）−（ｂ）は、図２１に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。 画像の画素ピッチとマイクロレンズアレイのレンズピッチとの関係を説明するための図である。

（走査型画像表示装置の全体構成）
図１は、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００の全体構成を模式的に示す図である。走査型画像表示装置１００は、光源１０、コリメータレンズ２０、スキャンミラー３０、中間像位置４０、ＮＡ変換素子５０、および結像光学系６０を含む。

光源１０は、例えばＬＤ（Laser Diode；半導体レーザ）を用いて実現できる。図１は光源１０としてＬＤをひとつ用いている場合を図示しているが、フルカラータイプでは光源１０としてＲＧＢ三色のＬＤを用いる。光源１０を出た光はコリメータレンズ２０で平行光に近いビームに変換され、スキャンミラー３０で反射された後、中間像面である中間像位置４０に集光する。実施の形態に係る走査型画像表示装置１００において、コリメータレンズ２０は、干渉性を持つ光を照射する光源１０が照射する光をビームに変換する光学系となる。

スキャンミラー３０は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）に代表される小型のミラーを用いて実現できる。図１においては、二次元走査タイプのスキャンミラー３０を一つを用いている場合の例を示しているが、一次元走査タイプのスキャンミラー３０を二つ用いてもよい。画像データに基づいて変調されて光源１０から照射された光をスキャンミラー３０を用いて二次元のビーム走査とすることで、中間像位置４０に中間像が作られる。実施の形態に係る走査型画像表示装置１００において、スキャンミラー３０は、光学系が変換したビームを走査して中間像を生じさせる走査光学系となる。

上述したとおり、光源１０を出た光はコリメータレンズ２０で平行光に近いビームに変換され、最も細く絞られた位置である中間像位置４０の近くに中間像ができる。仮にＮＡ変換素子５０が存在しないとすると、ビームは中間像位置４０を透過した後、収束角の開口数と同じ開口数で広がる。なお、中間像位置４０上に形成される中間像面は、実際にはスキャンミラー３０の回転中心を中心とする球面となるが、ビームの開口数が小さいので中間像位置４０近傍のビームウエスト径の変化は小さくなる。したがって、中間像面を平面で近似しても本発明の内容には差し支えない。

中間像位置４０の近傍には、ＮＡ変換素子５０が配置される。より具体的に、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００において、ＮＡ変換素子５０は、例えばマイクロレンズアレイで構成される。マイクロレンズアレイは多数のマイクロレンズ１の集合体であるが、各マイクロレンズ１は入射ビームの開口数を拡大する。すなわち、コリメータレンズ２０で決められた入射ビームの収束角の開口数を、マイクロレンズ１のレンズ作用により大きな発散角の開口数に変換して射出する。実施の形態に係る走査型画像表示装置１００では、マイクロレンズアレイはＮＡ変換素子５０の入射面に設置されているが、出射面や入射面と出射面との両方に設置されていてもよい。

ＮＡ変換素子５０を射出したビームは、結像光学系６０に入射する。図１では、結像光学系６０の作用を代表するために凸レンズ１個で表しているが、実際の光学系では、複数のレンズやミラーの組み合わせによって構成される。結像光学系６０に入射したビームはほぼ平行なビームとなり、射出瞳位置７０に向かう。このとき、ＮＡ変換素子５０を射出したビームは発散角の開口数が拡大されているため太いビームとなる。このため、射出瞳位置７０におけるビーム径、すなわち射出瞳径も拡大される。結果として、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００は、多少の瞳孔８０のずれがあっても画像が消失しない見やすい光学系となる。

射出瞳位置７０で瞳孔に入射したビームは、角膜や水晶体などのユーザの目における光学系で収束され、ユーザの網膜上に集光する。スキャンミラー３０によるビームの走査と、画像データに連動した光源１０の明暗により、ユーザの網膜上に像が作られるため、ユーザは画像を認識することができる。

図２は、実施の形態に係るＮＡ変換素子５０の一部分を拡大して示す図である。上述したとおり、ＮＡ変換素子５０の前面にはマイクロレンズアレイが形成されている。ＮＡ変換素子５０は中間像面となる中間像位置４０の近傍に配置され、その後のビームの発散角を拡大する。このため、ＮＡ変換素子５０は、中間像位置４０上に形成される中間像と同じかやや大きく、数ｍｍ角から数十ｍｍ角程度の大きさである。図２はマイクロレンズ１が六方細密に並べられている場合を例示するが、マイクロレンズ１は正方配列でもその他の並べ方でもあってもよい。

（ＮＡ変換素子とビームの干渉）
ここで、ＮＡ変換素子５０から射出瞳位置７０までの距離と、ＮＡ変換素子５０を出射したビームの干渉との関係について説明する。

図３は、レンズ間のピッチが２５μｍのマイクロレンズアレイに、ビームの直径がピッチの３倍である７５μｍのビームが入射する様子を、シミュレーションした結果を示す図である。図３に示す例においては、ＮＡ変換素子５０は図２に示すものと同一である。図３では、ＮＡ変換素子５０における３個程度の複数のマイクロレンズ１にビームが入射している。個々のマイクロレンズ１の射出光はレンズ作用によって発散され、射出光同士が重なり合う。

上述したとおり、実施の形態に係る光源１０はＬＤであるため、入射ビームは位相がそろった１本のビームである。したがってこれを複数本に分けたビームも位相がそろっており、このようなビーム同士が重なると干渉が起きる。しかしながら、例えばヘッドマウントディスプレイのような用途では、ＮＡ変換素子５０から射出瞳位置７０までの距離が数十ｍｍ程度と近いため、仮に干渉によるドットパターンができたとしても、そのパターン同士の間隔が１ｍｍ程度となりほとんど重なり合うことになる。したがって、瞳孔８０にはビームが入射するため、問題となりにくい。

一方で、例えばヘッドアップディスプレイのように、ＮＡ変換素子５０から数百ｍｍ離れた位置に射出瞳位置７０がある場合では、いわゆるフラウンホーファ回折となるため、ドットパターンが現れる。図４は、フラウンホーファ回折によって射出瞳位置７０に形成されるドットパターンを示すシミュレーション結果を示す図である。図４に示すドットパターンにおいては、ドットの間隔は縦横とも７、８ｍｍ程度となる。

一般に、人間の瞳孔８０の直径は平均で３ｍｍ、暗いところでも５ｍｍ程度の大きさとなる。したがって、図４に示すドットパターンではドットとドットとの間にユーザの瞳孔８０が位置すると光が目に入射せず、画像が見えなくなる場所ができることになり問題となる。

この問題を解決するために、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００は、ＮＡ変換素子５０に入射するビームに回折作用を生じさせずに、屈折作用を生じさせて発散角を拡大する。以下その原理を説明する。

上述したとおり、実施の形態に係るＮＡ変換素子５０は周期構造を持っている。ここで実施の形態に係るＮＡ変換素子５０においては、周期構造の繰り返し周期の長さは、コリメータレンズ２０が変換したビームがＮＡ変換素子５０に入射するときのビーム径以上である。なお、実施の形態に係るＮＡ変換素子５０をマイクロレンズアレイで実現する場合には、ＮＡ変換素子５０における周期構造の繰り返し周期の長さは、マイクロレンズ１のピッチ、すなわち中心間の間隔と同じ長さとなる。

図５は、レンズ間のピッチが２５μｍのマイクロレンズアレイに、ビームの直径が２０μｍのビームが入射する様子を、シミュレーションした結果を示す図である。図５に示すように、ＮＡ変換素子５０のマイクロレンズ１個にビームが収まる関係なので、射出光はレンズの屈折作用によって発散されるだけである。このため、射出瞳位置７０においても射出瞳位置７０の形状に広がるだけである。

図６は、図５に示す場合において射出瞳位置７０に形成される光の光量分布を示すシミュレーション結果を示す図である。光源１０であるＬＤのビームはガウス分布を持っているため、図６において中央が明るく周辺部が暗くなる。また図５に示すように、ビームのごく一部は直径２０μｍ以上に広がり、隣のマイクロレンズ１に入射する場合もあるが、強度的にはごく低く影響は無視できるほど小さい。このように、ＮＡ変換素子５０の各マイクロレンズアレイに入射するビームの直径を、マイクロレンズアレイの周期構造のピッチ以下とすることとにより、ＮＡ変換素子５０に入射するビームに回折作用を生じさせずに、屈折作用を生じさせて発散角を拡大することができる。これにより、射出瞳位置７０においてビームの干渉に起因するドットパターンの発生を抑制することができる。

（ビームの走査による出射瞳位置における像の変化）
上述したとおり、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００においては、スキャンミラー３０によるビームの走査と、画像データに連動した光源１０の明暗により、網膜上に像が作られる。以下、マイクロレンズアレイ上をビームが走査する場合に射出瞳位置７０に形成される像の変化について、ＮＡ変換素子５０の例として、マイクロレンズ間のピッチが２５μｍのマイクロレンズアレイに、直径２０μｍのビームが入射するときの様子を、図７〜図１０を参照して説明する。

図７は、ＮＡ変換素子５０のひとつのマイクロレンズの中心と、そのマイクロレンズに入射するビームの中心とが一致している場合のシミュレーション結果を示す図である。図７に示す例では、マイクロレンズ１個にビームが収まる関係となる。したがって、射出光はマイクロレンズの屈折作用によって発散されるだけである。

図８（ａ）は、図７に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図８（ａ）において符号８０Ｌおよび８０Ｒで示すふたつの円は、それぞれユーザの左目の瞳孔および右目の瞳孔の位置を示す。以下、左目の瞳孔および右目の瞳孔を特に区別する場合を除いて、両者を「瞳孔８０」と総称する。なお、後述する図８（ａ）、図１０（ａ）、図１２（ａ）、図１４（ａ）、図１６（ａ）、図１８（ａ）、図２０（ａ）、および図２２（ａ）における符号８０Ｌおよび８０Ｒで示すふたつの円も図８（ａ）で示す例と同様である。

なお、図８（ｃ）における縦軸はincoherent irradiance（非干渉性の放射照度）であり、干渉性を考慮しない単位面積あたりの光量を意味する。また図８（ｃ）における横軸はＸ coordinate value（光軸に垂直な方向）の座標値を意味する。後述する図１０（ｃ）、図１２（ｃ）、図１４（ｃ）、図１６（ｃ）、図１８（ｃ）、図２０（ｃ）、および図２２（ｃ）、における縦軸および横軸も同様である。

図８（ｂ）は、図８（ａ）においてユーザの瞳孔８０を含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図８（ａ）および図８（ｂ）から、図８（ａ）ビームはガウス形状の分布を持ち、中央が明るく周辺部が暗くなっていることがわかる。

ここで、入射ビームの直径を２０μｍとしてシミュレーションをしたのは、ビーム径の規定を一般的な１／ｅ二乗強度の部分の直径としたためである。すなわち、実際のビームは１／ｅ二乗強度を用いて規定した場合の直径よりも広がるため、シミュレーション画像において、マイクロレンズアレイのレンズ径よりも大きなビームが入射されことになり、この結果、入射目標とするマイクロレンズの隣のマイクロレンズにもビームが入射して、本実施の形態における想定とは異なるシミュレーション結果となることを避けるためである。実際にはレンズのピッチを超えなければ、ビーム径を２５μｍに近い値に設定しても、設定した直径の外側の光量は少ないため、影響は小さく問題はない。

図７は、基準の位置として、マイクロレンズアレイの中央のレンズの中心に、走査中のビームが当たっている状態を示している。すなわち投影画面の中央の一画素を表示している。走査方向の断面を表す図７において、入射ビーム径は２０μｍであり、マイクロレンズの中心間隔、すなわちマイクロレンズのピッチＰは２５μｍである。また、中間像位置４０上に形成される中間像の画素ピッチＧは２５μｍである。

図７において、中央左の太い実線と細い波線とが交互につながっている線４２は、マイクロレンズアレイ上の画素の位置の目安である。線４２において、太い実線と細い波線とはそれぞれマイクロレンズアレイ上の画素の位置を示す。また、図７において線４２のすぐ右に記載されているかまぼこ状の波線の連なり４４は、マイクロレンズアレイの一つ一つのレンズの位置の目安である。そのすぐ右の小さな凸凹は、シミュレーション画像のマイクロレンズアレイのレンズ面である。画素の位置の目安やレンズの位置の目安は、シミュレーション画像のレンズ位置に合わせてある。なお後述する図９、図１１、図１３、図１５、図１７、図１９、および図２１における線４２およびかまぼこ状の波線の連なり４４も図７における線４２およびかまぼこ状の波線の連なり４４と同様である。

図９は、図７に示す例と比較して、画素ピッチＧの１／２＝１２．５μｍの距離をビームが走査された状態を示すシミュレーション結果である。なお、マイクロレンズのピッチＰ＝画素ピッチＧであるため、図９はひとつのマイクロレンズの中心とその隣のマイクロレンズの中心との中間の位置に、ビームの中心が一致している場合のシミュレーション結果を示す図となっている。

図１０（ａ）は、図９に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）においてユーザの左目の瞳孔８０Ｌおよび右目の瞳孔８０Ｒを含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図１０（ａ）−（ｂ）より、ＮＡ変換素子５０を出射した射出ビームが左右に分かれて広がることが分かる。また図１０（ａ）−（ｂ）より、ユーザの瞳孔８０に有効に光が入っていないことがわかる。図示はしないが、図９に示す例と比較して、画素ピッチＧのさらに１／２＝１２．５μｍの距離をビームが走査されると、入射ビームとマイクロレンズとの位置関係は図７に示す場合と同様の状態になるためユーザの瞳孔８０に均等に光が入り、ユーザは画像を観察できるようになる。

以上の現象は、ビームの走査に伴ってビームがマイクロレンズ間をまたぐときに画像が消えることを意味する。しかしながら、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００は、例えばＶＧＡ画質で１フレームが１／３０秒となるようにビームを走査する。この場合、画像は３０×６４０×４８０＝９．２１６ＭＨｚで明滅することになるが、この明滅周期は肉眼では感知が困難な周期なので問題はない。また、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００においては、画素の切替時に光源１０は一瞬消灯するため、特に問題とならない。

このように、ＮＡ変換素子５０における周期構造のピッチを、ビームがＮＡ変換素子５０に入射するときのビーム径以上とすることで、ＮＡ変換素子５０に入射するビームに回折作用を生じさせずに屈折作用のみを生じさせて発散角を拡大することできる。この結果、ビームが分かれている状態でもビームが重なることがなく、したがって干渉によるドットパターンになることを抑制できる。

以上、ＮＡ変換素子５０に入射するビームに回折作用を生じさせずに、屈折作用を生じさせて発散角を拡大する原理について説明した。これにより、干渉によるドットパターンを抑制し、良好な画像を得ることができる。

（画素のピッチとマイクロレンズアレイのレンズピッチとの関係）
しかしながら、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００を上記のように構成した場合であっても、画面解像度、すなわち画素のピッチとマイクロレンズアレイのレンズピッチとの関係によっては、左右の目に均一に光が入射しない場合があり得る。最も悪い状態では、見えない画素が生じるという現象が起こりうる。以下、この状況およびその対応方法について説明する。

図１１は、基準の位置として、マイクロレンズアレイの中央に位置するマイクロレンズの中心に、走査中のビームが当たっている状態のシミュレーション結果を示す図である。すなわち、図１１は、投影画面の中央の一画素を表示している状態を示す図であり、ビームの走査方向の断面を表す。図１１において、マイクロレンズの中心間隔すなわちマイクロレンズのピッチＰは２５μｍ、画素ピッチＧは１２．５μｍ、入射ビーム径Ｓは画素ピッチと同じ１２．５μｍである。

図１２（ａ）は、図１１に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）においてユーザの瞳孔８０を含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図１２（ａ）−（ｂ）より、基準位置ではユーザの両方の瞳孔８０に均等に充分な光量が入ることがわかる。

図１３は、基準位置からマイクロレンズのピッチＰの１／４、すなわち６．２５μｍ光源１０側から見て左に向かってビームが走査されたときのシミュレーション結果を示す図である。図１３に示す例では、マイクロレンズの半分にビームが入っているので、レンズ射出後は、入射した側と反対の方向にビームが広がることを示している。

図１４（ａ）は、図１３に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）においてユーザの瞳孔８０を含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図１４（ａ）−（ｂ）は、ユーザの右側の瞳孔８０Ｒにしか光が入射しないことを示している。

図１５は、図１３に示す例と比較して、さらにレンズ１／４ピッチ、トータルで１２．５μｍ＝１画素ピッチの距離を左に向かって走査したときのシミュレーション結果を示す図である。図１５に示す例は、マイクロレンズの境界部分にビームの中心が位置するため、射出ビームは左右に分かれて広がっていく様子を示している。

図１６（ａ）は、図１５に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）においてユーザの両方の瞳孔８０を含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図１６（ａ）−（ｂ）は、ユーザの左右どちらの瞳孔８０にも光が入射しないことを示している。これは基準位置の隣の画素はユーザから見えないことを示している。すなわち、上述したユーザから見えない画素が生じるという現象である。

続いて、画素ピッチＧがもう少し大きい場合について説明する。具体的には、マイクロレンズのピッチＰは図１１から図１６に示す例と同じ２５μｍであるが、画素ピッチＧは１８．７５μｍ、入射ビーム径Ｓは画素ピッチと同じ１８．７５μｍの場合である。

図１７は、基準の位置として、マイクロレンズアレイの中央に位置するマイクロレンズの中心に、走査中のビームが当たっている状態のシミュレーション結果を示す図である。また図１８（ａ）は、図１７に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図１８（ｂ）は、図１８（ａ）においてユーザの瞳孔８０を含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図１８（ａ）−（ｂ）は、図１１および図１２に示す例と同様に、ユーザの瞳孔８０に均等に光が入っていることを示している。

図１９は、図１７に示す基準位置から１画素ピッチ分の、すなわち１８．７５μｍ光源１０側から見て左に向かってビームが走査されたときのシミュレーション結果を示す図である。また図２０（ａ）は、図１８に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図２０（ｂ）は、図２０（ａ）においてユーザの両方の瞳孔８０を含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図２０（ａ）−（ｂ）は、ビームの中心がマイクロレンズレンズの中心とずれているので、射出光がかたより、ユーザの右の瞳孔８０Ｒにはあまり光が入っていないことを示している。

さらに図２１は、図１７に示す基準位置から２画素ピッチ分の３７．５μｍ光源１０側から見て左に向かってビームが走査されたときのシミュレーション結果を示す図である。図２１に示す例は、マイクロレンズの境界部分にビームの中心が入っているので、射出ビームは左右に分かれて広がっていくことを示している。

図２２（ａ）は、図２１に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図２２（ｂ）は、図２２（ａ）においてユーザの瞳孔８０を含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図２２（ａ）−（ｂ）は、ユーザの瞳孔８０のいずれにも光が入っていないことを示している。これはユーザが観察できない画素が存在することを示している。

以上、図１１から図２２を参照して、ユーザの瞳孔８０に均一に画像光が入射しない場合における画素のピッチＧとマイクロレンズアレイのレンズピッチＰとの関係を例示した。このように、画素のピッチＧとマイクロレンズアレイのレンズピッチＰとに差異があると、ビームの走査に伴って画素の中心とマイクロレンズアレイとの相対的な位置関係がずれることにより、画素の位置によってはユーザの瞳孔８０に入射する光量が変動する場合がある。

この問題に対し、中間像位置４０上に形成される中間像の画素ピッチＧを、マイクロレンズアレイのレンズピッチＰのｎ倍（ｎは１以上の整数）とし、かつ画素ピッチとレンズピッチの中心が、概ね一致するように構成する事により、画素の位置に関わらず画素の中心とマイクロレンズアレイとの相対的な位置関係が保たれることを本願の発明者は見いだした。

図２３は、画像の画素ピッチＧとマイクロレンズアレイのレンズピッチＰとの関係を説明するための図である。図２３において、符号９０で示す直線は、説明の便宜のために設定したｘ軸である。図２３において、ｘ軸上の原点Ｏから座標Ｐの間に、レンズピッチがＰであるマイクロレンズが置かれているとする。同様に、ｘ軸上の座標、−Ｐ〜０、Ｐ〜２×Ｐ、２×Ｐ〜３×Ｐのように、Ｐを周期として座標ｍＰ（ｍは整数）までマイクロレンズが設置されている。また、図中符号９１で示す破線９１は、マイクロレンズの中心の位置を示す。

図２３において、符号９２で示す直線９２は直線９０と平行であり、中間像の画素ピッチＧ_１がマイクロレンズアレイのレンズピッチＰの半分であるＰ／２の長さである画素が並んでいる状態を示す図である。図２３に示す例では、ｘ軸上の原点Ｏから座標Ｐの間に存在するマイクロレンズの中心に画素の中心が来るように、すなわち座標Ｐ／４〜３×Ｐ／４の間に画素が設置されている。同様に−Ｐ／４〜＋Ｐ／４、Ｐ／４〜３×Ｐ／４、３×Ｐ／４〜５×Ｐ／４、のように、Ｐ／２を周期として画素が並んでいる。

図２３に示す例では、Ｐ／４〜３×Ｐ／４の間にある画素の中心は、隣り合うマイクロレンズの境界の位置と一致する。この場合、図１５および図１６を参照して上述したとおり、ユーザの両目の瞳孔８０にはこの画素に由来する光は到達せず、ユーザはこの画素を観察することができない。図２３に符号９３で示す白丸９３は、画素の中心が隣り合うマイクロレンズの境界の位置と一致している画素の中心点を示している。直線９２に示すようにレンズピッチＰの半分であるＰ／２の長さである画素を並べる場合、１画素おきに画素の中心がマイクロレンズの中心の位置と一致することになり、解像度が事実上半分に落ちてしまうことを示している。

図２３において、符号９４で示す直線９４は直線９０と平行であり、中間像の画素ピッチＧ_２がマイクロレンズアレイのレンズピッチＰの１．５倍である３Ｐ／２の長さである画素が並んでいる状態を示す図である。図２３に示す例では、原点Ｏから座標Ｐの間に存在するマイクロアレイレンズの中心と一致するように、すなわち座標−Ｐ／４〜＋５Ｐ／４の間に画素が設置されている。以後、５×Ｐ／４〜１１×Ｐ／４、１１×Ｐ／４〜１７×Ｐ／４、のように、３×Ｐ／２を周期として画素が並んでいる。

図２３に符号９５で示す白丸９５も、画素の中心が隣り合うマイクロレンズの境界の位置と一致している画素の中心点を示している。図２３に示す例では、１１×Ｐ／４〜１７×Ｐ／４の間にある画素の中心は、隣り合うマイクロレンズの境界の位置と一致する。この場合、図１５および図１６を参照して上述したとおり、ユーザの両目の瞳孔８０にはこの画素に由来する光は到達せず、ユーザはこの画素を観察することができない。

直線９０上に示すマイクロレンズのレンズの中心の座標は、ｍを整数として（０．５＋ｍ）Ｐで表せる。画素ピッチがＧである画素を、原点Ｏから座標Ｐの間に存在するマイクロレンズの中心に画素の中心が来るようにして並べた場合、画素の中心の座標はｎを整数として０．５×Ｐ＋ｎ×Ｇとなる。いま、画素ピッチＧがレンズピッチＰの整数倍の場合、ｌを１以上の整数として、Ｇ＝ｌ×Ｐと表せる。このとき、画素の中心の座標は、０．５×Ｐ＋ｎ×Ｇ＝０．５×Ｐ＋ｎ×ｌ×Ｐ＝（０．５＋ｎ×ｌ）Ｐとなる。ｎおよびｌは整数であるため、ｎ×ｌも整数である。したがって、ｎ×ｌ＝ｍとおけば、画素の中心の座標は（０．５＋ｍ）Ｐとなり、マイクロレンズのレンズの中心の座標と一致する。

図２３に示す例において、符号９６で示す直線９６は直線９０と平行であり、中間像の画素ピッチＧ_３がマイクロレンズアレイのレンズピッチＰと同じＰの長さ、すなわち上記においてｌ＝１である画素が並んでいる状態を示す図である。直線９６上に示す画素の例では、画素の中心はマイクロレンズの中心と常に一致するため、ユーザが見えなくなる画素は存在しない。また、符号９７で示す直線９７も直線９０と平行であり、中間像の画素ピッチＧ_４がマイクロレンズアレイのレンズピッチＰの２倍の長さ、すなわち上記においてｌ＝２である画素が並んでいる状態を示す図である。直線９７上に示す画素の例では、画素の中心はマイクロレンズの中心と常に一致するため、ユーザが見えなくなる画素は存在しない。

以上説明したように、実施の形態に係る走査型の画像表示装置によれば、ＮＡ変換素子としてマイクロレンズアレイを用い、レンズのピッチよりも入射ビーム径を小さく設定した上で、マイクロレンズアレイのレンズピッチと画素ピッチを同じに設定し、レンズの中心と画素の中心を合わせることにより、射出ビームは観測面で両目の回りに均等に広がり、画素が見えなくなることや、片目でしか画素が見えない状態になることはなく、安定した画像を観察することができる。すなわち、マイクロレンズアレイのレンズ間のピッチをＰ、走査型の画像表示装置で表示する画像の画素ピッチをＧとすると、Ｇ＝ｎ×Ｐ（ｎは１以上の整数）とし、かつ画素ピッチとレンズピッチの中心が、概ね一致するように構成する事により、画素が見えなくなることや、片目でしか画素が見えない状態になる問題を解決できる。

また、以上の説明におけるビーム径とは、ＮＡ変換素子に入射するビームを、一般的にＬＤ光源から射出されるガウス分布の光量分布を持つものとし、その場合の一般的なビーム径を表すｅ二乗分の一強度の直径を想定して説明した。ビーム径をｅ二乗分の一強度の直径で規定した場合、その外側の光量は１３．５％となるが、ビーム径はこれに限るものではなく、一様分布に近いものの場合は外径で規定してもよいし、エアリーディスク光量分布の場合はエアリーディスク径で規定してもよい。しかし、ガウス分布の光量分布を持つ光源に対し、５０％強度のいわゆる半値全幅（Full Width at Half Maximum；ＦＷＨＭ)で規定すると、そのビーム径の外側にも５０％の光量が残るので、この部分が隣のレンズに入射し、中央のレンズの出射光と干渉を起こしてドットパターンができてしまうので、用いるべきでない。

以上、走査型画像表示装置１００のＮＡ変換素子５０周辺の構成に的を絞って本発明に係る実施の形態を説明したが、これを搭載する走査型画像表示装置１００は、画像信号に同期して走査ミラーを駆動する回路、同じく同期して光源１０を駆動する回路、カラー画像の場合には複数の波長の光源１０、それらの光源１０を混合して概ね平行ビームにする光学系などを備えるが、これらの部分は公知の技術を用いることができ、本発明の要旨ではないので、詳細な説明を省いた。

以上説明したように、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００によれば、ＮＡ変換素子５０に屈折型の素子を用い、素子のピッチよりも入射ビーム径を小さく設定することにより、回折作用を利用せず屈折作用だけにより出射ビームの発散角を広げる。このように構成することにより、ビーム同士が重ならず、光源に干渉性の強いものを用いた場合でも、干渉を防ぐことができ、視聴位置において安定した画像を視聴することができる。

さらに、ＲＧＢ光源を使ったカラー画像の場合、波長による回折角は異なるので、ビームの間隔も異なり、例えば白色の一様画面を出そうとしても、ＲＧＢに色割れすることが起こりうることも防ぐことができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能である。例えば、マイクロアレイのレンズ一つ一つにフレネルレンズや、レンズ効果を持つ回折型の光学素子を用いて、そのフレネルレンズや、レンズ効果を持つ回折型の光学素子一つ一つの間隔よりも、入射ビーム径を小さく設定すれば、本実施の形態と同じ効果を得られる。そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１ マイクロレンズ、 １０ 光源、 ２０ コリメータレンズ、 ３０ スキャンミラー、 ４０ 中間像位置、 ５０ ＮＡ変換素子、 ６０ 結像光学系、 ７０ 射出瞳位置、 ８０ 瞳孔、 ９０ 直線、 １００ 走査型画像表示装置。

Claims (4)

1. 干渉性を持つ光を照射する光源が照射する光をビームに変換する光学系と、
   前記光学系が変換したビームを中間像位置上に走査させて中間像を生じさせる走査光学系と、
   前記中間像が生じる位置において前記ビームの発散角を拡大するＮＡ（Numerical Aperture）変換素子とを備え、
   前記ＮＡ変換素子は周期構造を持っており、当該ＮＡ変換素子における周期構造の繰り返し周期の長さは、前記光学系が変換したビームが前記ＮＡ変換素子に入射するときのビーム径以上であることを特徴とする走査型画像表示装置。
2. 中間像位置上に生じさせる中間像の画素のピッチは、前記ＮＡ変換素子の周期構造の繰り返し周期の長さのｎ倍（ｎは１以上の整数）であり、
   前記中間像の画素の中心と、前記ＮＡ変換素子の周期構造の繰り返し周期の中心とが一致することを特徴とする請求項１に記載の走査型画像表示装置。
3. 前記ＮＡ変換素子はマイクロレンズアレイであることを特徴とする請求項１または２に記載の走査型画像表示装置。
4. 干渉性を持つ光をビームに変換するステップと、
   変換したビームを中間像位置上に走査させて中間像を生じさせるステップと、
   前記中間像が生じる位置において、ＮＡ（Numerical Aperture）変換素子を用いて前記ビームの発散角を拡大するステップとを含み、
   前記ＮＡ変換素子は周期構造を持っており、該ＮＡ変換素子における周期構造の繰り返し周期の長さは、変換したビームが前記ＮＡ変換素子に入射するときのビーム径以上であることを特徴とする射出瞳拡大方法。