JP2015179245A - 投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】立体視が可能な画像を投影する投影装置について、本構成を有しない場合と比べて装置をより小型化し、かつ投影画像をより高精細化する。
【解決手段】投影装置（１）は、少なくとも赤色、緑色および青色を一組とするレーザ光を走査して立体視が可能な画像を投影する投影装置であって、レーザ光を出射する光源部（１０）と、レーザ光により投影領域を２次元状に走査する走査部（３２）と、走査部により走査されたレーザ光が入射する複数のマイクロレンズで構成され、マイクロレンズへの入射位置に応じてレーザ光の出射角度を変化させて、投影される画像に応じてマイクロレンズの表面上の各点から位置と向きとを制御された光線の場が出射している状態を作り出すマイクロレンズアレイ（３４）とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光を走査して立体視が可能な画像を投影する投影装置に関する。

複数のマイクロミラーを用いて画像を表示する装置が知られている。例えば、特許文献１に記載の画像表示装置では、光源からの光が複数のマイクロミラーで反射し、得られた部分光が焦点距離の異なる複数のレンズを選択的に透過することで、奥行きが表現された画像が表示される。

また、光の強度分布だけでなく光の入射方向の情報も取得可能な撮像装置（ライトフィールドカメラ）が知られている（例えば、特許文献２，３を参照）。ライトフィールドカメラは、撮像レンズと撮像素子の間にマイクロレンズアレイを有し、撮像素子の複数の画素に１つのマイクロレンズを対応させることで、光の入射方向の情報を取得する。

また、ライトフィールドカメラとは逆に、光の強度分布と入射方向の情報に基づきある物体から入射する光線を再現することで立体視が可能な画像を表示するライトフィールドディスプレイが知られている。例えば、非特許文献１には、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）による拡散光源とマイクロレンズアレイを用いたヘッドマウントのＮＴＥ（near-to-eye）ライトフィールドディスプレイについて記載されている。

非特許文献２では、マイクロレンズではなくファイバスキャナを複数個並べて、それぞれのファイバスキャナから様々な角度のレーザ光を出射することにより画像を投影する３次元ディスプレイについて記載されている。

特開２０１０−０８５６２１号公報 特開２０１２−２０５１１１号公報 特開２０１３−１４５９８２号公報

Douglas Lanman and David Luebke, "Near-Eye Light Field Displays," in SIGGRAPH ASIA 2013, (Hong Kong, China, Nov. 2013). Brian T. Schowengerdt, Richard S. Johnston, C. David Melville, Eric J. Seibel, "3D Displays using Scanning Laser Projection," SID Int. Symp. Digest Tech. Papers, Vol. 43, 641-643 (2012).

例えば、携帯機器で高精細の３次元ディスプレイを実現するためには、ピコプロジェクタを２次元状に複数個配列してライトフィールドを形成することが考えられる。しかしながら、これでは装置を小型化することが難しく、製造コストも高くなる。このため、携帯機器に小型で高精細の投影装置を搭載するには、ピコプロジェクタ自体の一層の小型化と高精細化を同時に実現する必要がある。

非特許文献１のライトフィールドディスプレイは、比較的小型のヘッドマウントの装置ではあるが、視野（field of view）を大きくするためには、高解像度で表示面積が大きい高性能のマイクロディスプレイが必要となる。また、非特許文献１のライトフィールドディスプレイでは、拡散型の点光源であるＯＬＥＤの各画素から多方向に光が出射されるため、この光がマイクロレンズアレイの隣接する画素のマイクロレンズにも入射することによりクロストークが生じて、表示画像にゴーストが引き起こされる。

そこで、本発明は、立体視が可能な画像を投影する投影装置について、本構成を有しない場合と比べて装置をより小型化し、かつ投影画像をより高精細化することを目的とする。

本発明の投影装置は、少なくとも赤色、緑色および青色を一組とするレーザ光を走査して立体視が可能な画像を投影する投影装置であって、レーザ光を出射する光源部と、レーザ光により投影領域を２次元状に走査する走査部と、走査部により走査されたレーザ光が入射する複数のマイクロレンズで構成され、マイクロレンズへの入射位置に応じてレーザ光の出射角度を変化させて、投影される画像に応じてマイクロレンズの表面上の各点から位置と向きとを制御された光線の場（ライトフィールド）が出射している状態を作り出すマイクロレンズアレイとを有することを特徴とする。

上記の投影装置は、光源部から出射されたレーザ光をコリメート光として走査部に入射させる投射レンズをさらに有することが好ましい。
上記の投影装置は、走査部により走査されたレーザ光が入射し、レーザ光を、入射角度に応じた位置を通る集束光に変換してマイクロレンズアレイに入射させる第２の投射レンズをさらに有することが好ましい。
上記の投影装置は、第２の投射レンズとマイクロレンズアレイの間でレーザ光が集束する仮想的な投影面上におけるレーザ光による像の位置を、投影される画像の奥行き位置が知覚されるように制御する制御部をさらに有することが好ましい。
上記の投影装置では、第２の投射レンズとマイクロレンズアレイは、第２の投射レンズの後側焦点面とマイクロレンズアレイの前側焦点面とが略重なる間隔で配置されることが好ましい。
上記の投影装置では、走査部は、レーザ光を反射させて投影領域上を走査するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーであり、ＭＥＭＳミラーは、第２の投射レンズの前側焦点位置に近い距離だけ第２の投射レンズから離れて配置されることが好ましい。

上記の投影装置では、光源部は、複数のファイバの出射端部から複数組のレーザ光を出射し、走査部は、異なる組の同色のレーザ光による走査像同士が互いに重ならないように複数組のレーザ光により投影領域を２次元状に走査することが好ましい。
上記の投影装置では、光源部は、赤色レーザ光を発光する複数の第１のレーザ素子と、複数の第１のレーザ素子が発光した赤色レーザ光をそれぞれ導波する複数の第１のファイバと、緑色レーザ光を発光する複数の第２のレーザ素子と、複数の第２のレーザ素子が発光した緑色レーザ光をそれぞれ導波する複数の第２のファイバと、青色レーザ光を発光する複数の第３のレーザ素子と、複数の第３のレーザ素子が発光した青色レーザ光をそれぞれ導波する複数の第３のファイバと、複数の第１、第２および第３のファイバの出射端部を固定してファイババンドルを形成するファイババンドルコンバイナとを有し、複数の第１、第２および第３のファイバは、出射端部から複数組のレーザ光を出射することが好ましい。
上記の投影装置では、走査部は、異なる組の同色のレーザ光による走査像同士が互いに重ならない範囲の走査角で、投影領域を構成する各部分領域を、複数組のレーザ光のうちその部分領域に対応するレーザ光により走査することが好ましい。
上記の投影装置では、光源部は、各組のレーザ光による走査線が互いにずれるように間隔を空けて複数組のレーザ光を出射し、走査部は、複数組のレーザ光により投影領域の全体を同時に走査することが好ましい。

上記の投影装置によれば、本構成を有しない場合と比べて装置がより小型化され、かつ投影画像がより高精細化される。

眼鏡型ディスプレイ１の斜視図である。 眼鏡型ディスプレイ１の投影ユニット３の概略構成図である。 光源部１０およびレーザモジュール１１の概略構成図である。 図２の等価光学系を示した模式図である。 図４Ａのレーザ光５０のビーム形状について説明するための図である。 ファイババンドルコンバイナ１２で固定される各ファイバの配列と、複数組のレーザ光５０を走査する方法の例を説明するための図である。 画像が立体的に見える原理を説明するための図である。 複数組のレーザ光５０を走査する方法の別の例を説明する図である。 複数組のレーザ光５０を走査する方法のさらに別の例を説明する図である。 別の投影部３０Ａの概略構成図である。 図９の等価光学系を示した模式図である。 投影部３０Ａを用いたＮＴＥライトフィールドディスプレイの動作原理を説明するための図である。 投影部３０Ａの機構の例を示す斜視図である。 投影部３０Ａの機構の例を示す側面図である。 投影部３０Ａの機構の例を示す部分拡大図である。

以下、図面を参照しつつ、投影装置について説明する。ただし、本発明が図面または以下に記載される実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。

この投影装置は、複数のファイバの出射端部から少なくとも赤色レーザ光、緑色レーザ光および青色レーザ光を一組とする複数組のレーザ光を出射し、そのレーザ光を２次元状に走査し、マイクロレンズを用いてその走査光の角度を変化させる。これにより、この投影装置は、仮想的なスクリーン上の各点から位置と方向を制御した多数の光線が出射している状態を作り出し、その光線を使用者の網膜に投影させることで、眼のリフォーカシング（refocusing）特性に対応した立体的な知覚を可能とする画像を投影する。

この投影装置は、例えば、ＮＴＥ（near-to-eye）ライトフィールドディスプレイの光学エンジン部に応用可能である。以下では、投影装置の例として、ＮＴＥの眼鏡型ディスプレイを説明する。ただし、本発明の投影装置は、ＮＴＥのディスプレイに限らず、他の形態の直視型のライトフィールドディスプレイにも応用可能である。

図１は、眼鏡型ディスプレイ１の斜視図である。眼鏡型ディスプレイ１は、眼鏡型のフレーム２、投影ユニット３，３’およびハーフミラー４，４’を有する。眼鏡型ディスプレイ１は、使用者の頭部に装着され、レーザ光を使用者の網膜に投影させて画像を視認させる。

フレーム２は、一般的な眼鏡と同様に、頭部に装着可能な形状を有する。投影ユニット３，３’は、略Ｌ字状の形状を有し、左目用と右目用のレンズ部分にそれぞれ取り付けられている。ハーフミラー４，４’は、使用者がフレーム２を頭部に装着したときに、それぞれ使用者の左目および右目と対向するように、投影ユニット３，３’の先端部に取り付けられている。自然な立体表示をするには、眼の遠近調整機能に連動するように両眼視差を再生することも必要なため、左目用の投影ユニット３と右目用の投影ユニット３’は、両眼視差を考慮した互いに異なる画像を表示する。投影ユニット３，３’はどちらも同じ構成を有するため、以下では投影ユニット３について説明する。

図２は、眼鏡型ディスプレイ１の投影ユニット３の概略構成図である。投影ユニット３は、内部に、光源部１０、投影部３０および制御部４０を有する。

光源部１０は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）のレーザ光を一組とする複数組のレーザ光５０を出射する。図２では、３組のレーザ光５０を示している。投影部３０は、光源部１０から出射されたＲＧＢレーザ光５０を偏向させて使用者の左目６０に入射させ、その網膜上に画像を投影する。すなわち、眼鏡型ディスプレイ１では、使用者の網膜を投影面として使用する。使用者は、網膜上で走査された光により、画像信号に応じた画像を視認する。制御部４０は、投影される画像の画像データに応じて、光源部１０によるＲＧＢレーザ光の発光タイミングおよび発光強度などを制御する。

図２に示すように、使用者の左目６０には、投影部３０から出射されるレーザ光５０がハーフミラー４で反射して入射するとともに、外光５１もハーフミラー４を透過して入射する。すなわち、眼鏡型ディスプレイ１は、外光５１による外景に、レーザ光５０による投影画像を重ねて表示する、いわゆるシースルー型の投影装置である。ただし、これは一例であって、投影装置は必ずしもシースルー型である必要はない。

図３（Ａ）は、光源部１０の概略構成図である。光源部１０は、レーザモジュール１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂおよびファイババンドルコンバイナ１２を有する。

レーザモジュール１１Ｒは、ファイバアレイ２５Ｒを介して、例えば波長６４０ｎｍの赤色レーザ光を出射する。レーザモジュール１１Ｇは、ファイバアレイ２５Ｇを介して、例えば波長５２０ｎｍの緑色レーザ光を出射する。また、レーザモジュール１１Ｂは、ファイバアレイ２５Ｂを介して、例えば波長４６０ｎｍの青色レーザ光を出射する。このように、光源部１０は、ＲＧＢ各色の光源として、各色専用のレーザモジュールを使用する。レーザモジュール１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂは同様の構成を有するため、以下ではこれらを区別せず、単に「レーザモジュール１１」ともいう。

ファイババンドルコンバイナ１２は、各レーザモジュールからのファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの端部を束ねて固定し、ファイババンドルを形成する。ファイババンドルコンバイナ１２は、例えば、レーザ光の出射方向に垂直な断面上で各ファイバが正方配列または六方配列になるように、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの端部を固定する。以下では、例えば、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂがそれぞれ９本のシングルモードの光ファイバで構成され、ファイババンドルコンバイナ１２が計２７本を束ねてファイババンドルを形成するものとして説明する。ファイババンドルコンバイナ１２の端部（各ファイバの出射端部）から、複数組（例えば９組）のＲＧＢレーザ光（合波光）が出射される。

なお、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂからの１本ずつのファイバで導波されるＲＧＢレーザ光を、融着型ファイバコンバイナにより１本のファイバに合波して、複数組のＲＧＢレーザ光（合波光）を出射してもよい。あるいは、ファイババンドルコンバイナ１２が束ねるファイババンドルを、マルチコアファイバに置き換えてもよい。

図３（Ｂ）は、レーザモジュール１１の概略構成図である。レーザモジュール１１には、同じ波長（色）の光源を多重化（空間多重）するために、対応する色のＬＤ（レーザダイオード）アレイが設けられている。レーザモジュール１１は、主要な構成要素として、シリコン基板２０、ＬＤアレイ２１、サブ基板２３、ファイバアレイ２５およびドライバＩＣ２７を有する。レーザモジュール１１は、Ｓｉプラットフォームとも呼ばれるシリコン基板２０の上面に、ＬＤアレイ２１、サブ基板２３、ファイバアレイ２５およびドライバＩＣ２７が実装された、集積化レーザモジュールである。

シリコン基板２０は、例えば十数ｍｍ角程度の大きさを有する。シリコン基板２０は、例えば、上面から底面に貫通するシリコン貫通電極（through-silicon via：ＴＳＶ）が設けられ、底面に集中配置された半田バンプを介して図示しない回路基板に電気的に接続される、ＴＳＶ型の基板である。あるいは、シリコン基板２０は、ＦＰＣ（Flexible printed circuits）で図示しない回路基板に電気的に接続される構造を持つ基板でもよい。

ＬＤアレイ２１は、レーザモジュール１１に対応する赤色、緑色または青色のレーザ光を出射する複数の（例えば９個の）半導体レーザ素子で構成される。すなわち、レーザモジュール１１ＲのＬＤアレイ２１はすべて赤色の、レーザモジュール１１ＧのＬＤアレイ２１はすべて緑色の、レーザモジュール１１ＢのＬＤアレイ２１はすべて青色のレーザ光を出射する。なお、レーザモジュール１１Ｂ（およびレーザモジュール１１Ｒ，１１Ｇ）のＬＤアレイ２１は、第２次高調波を使用したいわゆるＳＨＧレーザ素子でもよい。また、ＬＤアレイ２１を構成するレーザ素子の個数には、歩留まりを考慮して冗長性をもたせてもよい。

サブ基板２３は、ファイバアレイ２５を保持するための溝が下面に形成された、例えば「コ」の字型のシリコン基板である。サブ基板２３は、シリコン基板２０に接合され、ファイバアレイ２５の端部を固定する。なお、サブ基板２３には、「コ」の字型の基板に代えてＶ溝基板を用いてもよい。

ファイバアレイ２５は、例えば、ＬＤアレイ２１から出射されたレーザ光をそれぞれ導波するシングルモードの光ファイバである。サブ基板２３がシリコン基板２０に接合された状態で、ファイバアレイ２５の端部は、ＬＤアレイ２１の各レーザ素子に光結合される。ファイバアレイ２５の本数は、例えば、ＬＤアレイ２１を構成するレーザ素子の個数と同じ９本である。すなわち、上記の通り、光源部１０はＲＧＢ３本のファイバを９組有し、９組のＲＧＢレーザ光を出射する。

なお、ファイバアレイ２５を構成する各ファイバの出射端部には、それぞれＧＩ（Graded Index）レンズを融着してもよい。シングルモードの各ファイバから出射されるＲＧＢレーザ光はガウシアンビームであり、各ファイバの開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）に応じて広がっていく。ＧＩレンズにより各ファイバのＮＡを変化させることで、出射されるＲＧＢレーザ光の各波長におけるガウシアンビームの広がり角度が制御される。

ドライバＩＣ２７は、ＬＤアレイ２１などを駆動する機構であり、少なくとも、ＬＤアレイ２１の駆動に必要な電流供給を制御する機構を含む。ドライバＩＣ２７は、デジタルインタフェースを実装していることが好ましく、また制御部としてＣＰＵおよびメモリなどのコア部分を含んでいればなおよい。

再び図２を参照し、投影部３０について説明する。投影部３０は、投射レンズ３１、ＭＥＭＳミラー３２、投射レンズ３３、マイクロレンズアレイ３４、リレーレンズ３５およびＭＥＭＳドライバ３６を有する。

投射レンズ３１には、光源部１０のファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂを構成する各ファイバの出射端部から出射された複数組のＲＧＢレーザ光５０が入射する。投射レンズ３１は、光源部１０から出射された複数組のレーザ光５０がＭＥＭＳミラー３２上に照射されるように、そのビーム径と入射角度とを調整する作用をする。投射レンズ３１は、同時に光源部１０から出射されたレーザ光をコリメート光としてＭＥＭＳミラー３２に入射させる。

ＭＥＭＳミラー３２は、走査部の一例であり、ＭＥＭＳドライバ３６により、互いに直交する２軸方向に高速に揺動される。ＭＥＭＳミラー３２は、投射レンズ３１を透過した複数組のレーザ光５０をそのミラー面で反射させて、眼鏡型ディスプレイ１の使用者の網膜上を２次元状に走査する。ＭＥＭＳミラー３２のミラー面の大きさは、例えば直径１．２ｍｍφ程度である。

投射レンズ３３は、第２の投射レンズの一例であり、ＭＥＭＳミラー３２とマイクロレンズアレイ３４の間に配置され、ＭＥＭＳミラー３２による複数組のレーザ光５０の走査範囲を調整する。具体的には、投射レンズ３３は、ＭＥＭＳミラー３２で反射した複数組のレーザ光５０のビームを、略平行になるようにマイクロレンズアレイ３４に入射させる。すなわち、投射レンズ３３は、ＭＥＭＳミラー３２により走査されたレーザ光を、その入射角度に応じた位置を通るコリメート光に変換（角度位置変換）してマイクロレンズアレイ３４に入射させる。投射レンズ３３としては、投射レンズ３１と焦点距離が同じレンズを使用してもよいし、投射レンズ３１とは焦点距離が異なるレンズを使用してもよい。

マイクロレンズアレイ３４は、例えば正方配列または六方配列で複数のマイクロレンズ３４１が２次元状に連続して繰返し配置された複眼状のレンズである。マイクロレンズアレイ３４は、ＭＥＭＳミラー３２から投射レンズ３３を経て入射した複数組のレーザ光５０の角度をマイクロレンズ３４１への入射位置に応じて変化させて（位置角度変換）、投影される画像に応じてマイクロレンズ３４１の表面上の各点から光線が発散している状態を作り出す。

リレーレンズ３５は、マイクロレンズアレイ３４を透過した複数組のレーザ光５０が使用者の目に効率よく入射するように、アイレリーフ（接眼部と目との距離）を延長するために用いることができる。また、リレーレンズ３５は、レーザ光５０のビーム径と入射角度とを調整する作用をする。マイクロレンズアレイ３４を透過した複数組のレーザ光５０は、リレーレンズ３５を経て使用者の網膜上に投影される。

ＭＥＭＳドライバ３６は、制御部４０による制御データに応じて、ＭＥＭＳミラー３２を互いに直交する２軸方向に高速に揺動させる。この駆動方式は、静電方式、電磁方式、ピエゾ方式などのどれを用いてもよい。また、各軸方向の走査で異なる駆動方式を組み合わせてもよい。

制御部４０は、ＣＰＵ４１、ＲＡＭ４２、ＲＯＭ４３およびＩ／Ｏ４４などを有するマイクロコンピュータおよびその周辺回路で構成される。

ＣＰＵ４１は、各種演算および処理を行う中央処理部である。ＲＡＭ４２は、入力データおよびＣＰＵ４１が処理するデータを一時的に記憶するランダムアクセスメモリである。ＲＯＭ４３は、ＣＰＵ４１が実行する動作プログラムおよび固定データを格納するリードオンリメモリである。Ｉ／Ｏ４４は、光源部１０および投影部３０との間でデータの受渡しを行うためのインタフェースである。

制御部４０は、眼鏡型ディスプレイ１全体の動作を制御する。制御部４０は、画像データに応じて、後述するように光源部１０の発光タイミングを制御し、かつ投影部３０のＭＥＭＳドライバ３６を制御して光源部１０の複数組のレーザ光５０を使用者の網膜上に投影させる。詳細は後述するが、制御部４０は、投影される画像の奥行き位置が知覚されるように、投射レンズ３３とマイクロレンズアレイ３４の間でレーザ光が集束する仮想的なスクリーン上におけるレーザ光による像の位置を制御することで、目に入射するレーザ光のビームの位置と角度とを変化させる。

また、制御部４０は、例えば、タイムオブフライト（ＴＯＦ）方式、パタン投射法または画像によるパタン認識などを利用して、図示しないが使用者の眼球の動きを計測することにより、アイトラッキングを行う機能を有する。アイトラッキングには、例えば、アイセーフティの観点から微弱な近赤外光を眼球に照射し、近赤外に感度のあるＣＭＯＳまたはＣＣＤセンサでその反射光を取得し、画像処理により瞳の位置を検出および捕捉追尾する方法を用いることができる。その他の方法として、制御部４０は、例えば図示しない検知部が赤外線を照射してからその反射光を受光するまでの光の飛行時間を計測するタイムオブフライト法か、または近赤外光で疑似ランダムドットなどのストラクチャドライトを眼球に照射し、近赤外ＣＭＯＳ／ＣＣＤカメラで構成される画像センサで取得した画像から深度情報を検出して眼球の動きを計測する方法を用いてもよい。これにより、制御部４０は、眼球の動きに応じて投影画像を変化させる。また、図示しないジャイロセンサを用いてヘッドトラッキングを行う機能を制御部４０に追加するとなおよい。

図４Ａは、図２の等価光学系を示した模式図であり、図４Ｂ（Ａ）〜（Ｃ）は、図４Ａのレーザ光５０のビーム形状について説明するための図である。また、図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、それぞれ、ファイババンドルコンバイナ１２で固定される各ファイバの配列と、複数組のレーザ光５０を走査する方法の例を説明するための図である。図４Ａ〜図５（Ｂ）を用いて、投影ユニット３の機能の詳細について説明する。

ファイバアレイ２５を構成する各ファイバの出射端部から、複数組のＲＧＢレーザ光５０が出射される。図４Ａでは３組のレーザ光を示す。図４Ａには示していないが、各組のレーザ光は、赤色、緑色および青色の３本のレーザ光で構成される。なお、図４Ａでは、説明のため、ＭＥＭＳミラー３２はレーザ光５０を透過する等価回路として図示している。

図５（Ａ）は、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂを構成する各ファイバ２５１が正方配列している場合の例を示す。各ファイバ２５１から出射されるレーザ光５０は、ファイババンドルコンバイナ１２により束ねられているファイババンドル内の各ファイバ２５１の配置に起因して、進行方向に垂直な面内で、互いにわずかに位置がずれている。例えば、図５（Ａ）において隣り合うファイバ２５１のコア間が距離ｄだけ離れていることから、図４Ａに示すように、各組のレーザ光５０は、進行方向に垂直な面内で距離ｄだけ位置がずれている。

この位置ずれは、レーザ光５０が投射レンズ３１を透過することにより、角度のずれに変換される。例えば、投射レンズの中央位置を透過するビームとその位置からｌだけ離れた位置のビームは、投射レンズの焦点位置をｆとしたとき、（１）式で示される角度θをなす。

投射レンズ３１は、ＭＥＭＳミラー３２のミラー面の大きさ（例えば１．２ｍｍφ）に合ったビーム径になるように、複数組のレーザ光５０を略コリメートする。一般に、平行に配置したビームをレンズに入射させると各ビームはレンズの焦点を通るため、眼鏡型ディスプレイ１では、ＭＥＭＳミラー３２は、投射レンズ３１の焦点距離ｆだけ投射レンズ３１から離れた位置に配置される。これにより、ミラー面が小さくても、複数組のレーザ光５０はＭＥＭＳミラー３２で反射される。

なお、ＭＥＭＳミラー３２として空気中で振動させるものを使用する場合には、空気のダンピングファクタなどで決まるＭＥＭＳミラー３２の共振周波数から決まる大きさの制約条件があるため、ＭＥＭＳミラー３２でのビーム径を網膜の投影領域上で必要となる小さなビーム径に調整するために必要な面積を確保できない場合がある。その場合には、例えば、真空シール型ＭＥＭＳを用いて空気ダンピングの影響をなくし、ＭＥＭＳミラー３２を大型化することで、高ＮＡの投射レンズと組み合わせてビームウェストを絞り高精細化することも可能である。

ＭＥＭＳミラー３２は、複数組のレーザ光５０の投射点で例えば網膜上の４角形の投影領域を覆うように、レーザ光５０を走査する。この走査は、ラスタスキャンでもベクトルスキャンでもよい。ただし、ＭＥＭＳミラー３２は、異なる組の同色のレーザ光５０による走査像同士が互いに重ならないような走査角で、レーザ光５０を２次元状に走査する。このため、ＭＥＭＳミラー３２は、１組のＲＧＢレーザ光で投影領域全体を走査する場合と比べてより微小な走査角で（すなわち、より高い共振周波数を持つＭＥＭＳミラーを用いて）駆動することが可能である。

図５（Ｂ）は、複数組のレーザ光５０を走査する方法の例を示す。図５（Ｂ）では、マイクロレンズ上の投影領域６１が９個の４角形の部分領域６２に分割されている。投影ユニット３では、部分領域６２と１組のＲＧＢレーザ光５０を対応させる。ＭＥＭＳミラー３２が２軸方向に揺動することにより、各部分領域６２では、１組のＲＧＢレーザ光５０の投射点５２が、例えば矢印で示すように双方向に移動する。そして、ＭＥＭＳミラー３２の走査角を小さく抑えて、異なる組の同色のレーザ光５０による走査像同士が互いに重ならないように９組のレーザ光５０によりそれぞれ対応する部分領域６２を走査することで、投影領域６１全体が走査される。なお、図５（Ｂ）でも、ＭＥＭＳミラー３２はレーザ光５０を透過するものとして図示している。

投射レンズ３３として、投射レンズ３１より有効径の大きなレンズを使用すれば、走査範囲を広げることができる。ただし、図４Ａでは簡単のため、投射レンズ３１と投射レンズ３３の倍率が１対１であり、投射レンズ３３の焦点距離が投射レンズ３１と同じｆであるとして説明する。そして、この配置には限定されないが、ファイバアレイ２５の出射端部、投射レンズ３１、ＭＥＭＳミラー３２、投射レンズ３３およびマイクロレンズアレイ３４の前側焦点位置が互いに同じ焦点距離ｆだけ離れた位置に配置されているものとして説明する。

このとき、図４Ａに示した光学系は４ｆの光学系（１対１の投影システム）になるため、投射レンズ３１に平行に入射した複数組のレーザ光５０は、投射レンズ３３から互いに平行に出射する。実際には、レーザ光５０はガウシアンビームであるため、図４Ａに示すようにビームの広がりがあるが、投射レンズ３１を透過するとコリメートされて、略平行になる。このとき、略平行光は、投射レンズ３１の入射位置に応じた入射角でＭＥＭＳミラー３２に入射し、ＭＥＭＳミラー３２により角度変調される。ＭＥＭＳミラー３２で反射された略平行光は、投射レンズ３３により角度変調量に応じた出射位置に変換される。すなわち、レーザ光５０がＭＥＭＳミラー３２で角度変調を受けた上でさらに投射レンズ３３を透過することにより、ビーム間の角度のずれは、各光軸が平行な制御された所定の位置のずれに変換される。

そして、投射レンズ３３の後側焦点面上で、各ファイバから出射されたレーザ光５０は再び焦点を結ぶ。この焦点位置は、マイクロレンズアレイ３４の入射側の前側焦点面に略等しい位置とする。図４Ａには示していないが、リレーレンズ３５を用いる場合には、マイクロレンズ３４１の前側焦点位置より若干マイクロレンズアレイ３４側に投射レンズ３３の後側焦点面を合わせることで、マイクロレンズアレイ３４からの各出射ビームを拡散光として制御し、後述するリレーレンズ３５を用いた観察光学系で略コリメートすることが好ましい。

こうして、マイクロレンズアレイ３４の上には、互いに重ならない複数組の前側焦点面付近で集束したレーザ光５０が投射レンズ３３から入射する。ＭＥＭＳミラー３２がレーザ光５０を走査すると、マイクロレンズアレイ３４への各組のレーザ光５０の入射位置が、図４Ａに矢印Ａで示したように変化する。マイクロレンズアレイ３４に略垂直に入射した各組のレーザ光５０は、マイクロレンズアレイ３４を構成する各マイクロレンズ３４１（分割領域）上の照射位置に応じて、図４Ａに矢印Ｂで示したように角度の異なる光に変換される。すなわち、レーザ光５０がマイクロレンズアレイ３４を透過することにより、レーザ光５０間の位置ずれは、微細な角度ずれに変換される。また、マイクロレンズ３４は、透過する各レーザ光５０のビームを略コリメートする作用を同時に持つ。

そして、マイクロレンズアレイ３４を透過したレーザ光５０は、対応するマイクロレンズ３４１の後側焦点面を通るため、各マイクロレンズ３４１の後側焦点は、角度分布をもったマルチビームのプロジェクタの等価的なピンホール状の光源とみなすことができる。すなわち、各マイクロレンズアレイ３４とリレーレンズ３５は、見かけ上マイクロレンズ３４１ごとに独立に制御可能なマイクロプロジェクタアレイとして機能する。

なお、図４Ａにおける各組のレーザ光５０について、ＲＧＢの３本のビーム形状を示すと図４Ｂ（Ａ）のようになる。この図では、１個のマイクロレンズ３４１に入射するＲＧＢレーザ光５０のビーム形状を示している。また、例えばレーザ光５０の２本のビームの伝播を示すと図４Ｂ（Ｂ）のようになる。ここで、ｆ_１，ｆ_２は、それぞれ、投射レンズ３３、マイクロレンズ３４１の焦点距離である。ＭＥＭＳミラー３２で異なる角度に反射された各ビームは、投射レンズ３３を透過することにより平行ビームに変換され、さらにマイクロレンズ３４１を透過することにより、マイクロレンズ３４１の後側焦点を通る角度に変換される。なお、個々のビームの形状は図４Ｂ（Ｃ）のようになる。ＭＥＭＳミラー３２からの個々のビームはコリメート光であり、投射レンズ３３を透過することにより集束光となり、さらにマイクロレンズ３４１を透過することにより再びコリメート光となる。

また、簡単のため、図４Ａでは１本のレーザ光５０に１個のマイクロレンズ３４１を対応させて図示しているが、実際にはその必要はなく、ファイバアレイ２５の１つのファイバから出力される１本のレーザ光５０に複数のマイクロレンズ３４１を対応させてもよい。

使用者の目の位置がマイクロレンズアレイ３４１から近い位置に固定されていれば、各マイクロレンズ３４１から出射した光を目に入射させることができる。ただし、各マイクロレンズ３４１からの出射光を使用者が離れて使用する場合には、その出射光をそのまま使用すると、全体のビームが広がってしまい効率が悪くなる。このため、図４Ａには示していないが、レーザ光５０が使用者の目に効率よく入射するように、リレーレンズ３５とマイクロレンズ３４１との組合せにより観察光学系を構成し、マイクロレンズアレイ３４からの出射光を略コリメートさせるとともに出射光の方向を目に向くように制御するとよい。

こうして、マイクロレンズアレイ３４からリレーレンズ３５を介して出射されるレーザ光をＮＴＥディスプレイの光学系に入力することで、人間の目がリフォーカス可能なライトフィールド（light field）を再現し、立体的に知覚可能な画像を投影することが可能になる。

図６は、画像が立体的に見える原理を説明するための図である。レンズＬは人間の目のレンズを模式化したものである。

出射点Ｓを見ようとする場合、人間の目は、結像点Ｓ’が網膜上に来るようにレンズ（水晶体）Ｌを制御する。目がレンズの焦点距離を変えて像を網膜上に結像させる動作のことを、ここでは便宜的に、「焦点を合わせる」と表現する。一般に、目が出射点Ｓに焦点を合わせた状態で、出射点ＳをレンズＬにより近い位置Ｃとすると、出射点Ｓからの光のうちレンズＬの光軸を通過する光はより大きな角度でレンズＬに入るため、より遠くの位置Ｃ’に結像する。したがって、網膜位置のＳ’では、ぼけた画像になる。逆に、出射点ＳをレンズＬからより遠い位置Ｄとすると、出射点Ｓからの光のうちレンズＬの光軸を通過する光はより小さな角度でレンズＬに入るため、網膜位置のＳ’より近くの位置Ｄ’に結像する。その結果、網膜位置のＳ’では、ぼけた画像になる。したがって、出射点Ｓの位置をレンズＬに対して前後させるとそれに応じて結像位置も前後するので、人間の目は、焦点を合わせる動作により、網膜位置のＳ’に結像する画像を選択し、レンズＬの調整によって出射点までの距離を測ることができる。

上記したように、人間が物体を見るとき、物体の１点から出た光が網膜上で結像すると、その物体の像がはっきり見える。一方、物体からの光が網膜上とは異なる位置で結像すると、その物体はぼけて見える。眼鏡型ディスプレイ１では、マイクロレンズアレイ３４から出射するレーザ光により、異なる位置にある物体からの複数の光線を再現するライトフィールドを発生させる。これにより、眼鏡型ディスプレイ１は、使用者の目が焦点を合わせる動作に応じて網膜上に結像させる像を変えることができる。すなわち、目のリフォーカス（refocus）に対応することができる。

眼鏡型ディスプレイ１では、複数組のＲＧＢレーザ光を出射し、上記のように各レーザ光の位置ずれをマイクロレンズ３４１により微小な角度ずれに変換する。そして、眼鏡型ディスプレイ１は、これにより仮想的なスクリーン上（各マイクロレンズ３４１上）の複数の点から物体が発した光線が発散しているのと等価な状態を作り出すことで、その物体の画像を使用者の目に投影する。その際、眼鏡型ディスプレイ１の制御部４０は、レイトレーシング（ray tracing）と同じように各プロジェクタの光を制御する。レイトレーシングでは、表示する物体、光源、視点などの位置データを計算することで、人間の目に届く光線を逆にたどって、その先から光が出ているように物体を描画する。眼鏡型ディスプレイ１でも同じように、制御部４０が、表示対象の物体、光源、視点などの位置データを計算し、そのデータとアイトラッキングにより取得した目の位置情報とを用いて、目が認識するのに必要最小限なライトフィールドをリアルタイムで再生するように、光源部１０が出射する各光線の発光タイミング、位置および方向を制御することで、物体が立体的に見えるような光線を使用者の目に入射させる。

上記のような投影ユニット３を右目用と左目用の２つに分けて眼鏡型にすることで、眼の遠近調整だけでなく、視差による輻輳を再現できる小型の双眼型ライトフィールドディスプレイを実現することができ、高精細の画像を投影することが可能になる。一般に、ライトフィールドディスプレイを実現するには色々な角度から見た画像を表示しなければならず、描画のためのデータ量が多くなる。しかしながら、眼鏡型であれば、アイトラッキングおよびジャイロセンサなどを応用したヘッドトラッキングシステムを併用し、眼球に対して正面から見た画像だけを表示すればよいので、必要なデータ量が少なくなるという利点がある。

また、眼鏡型に限らず、投影ユニット３自体をアレイ状に配置することで、直視型の高精細かつコンパクトなピコプロジェクションシステムを実現することも可能である。

なお、上記のようにＭＥＭＳミラーの走査角を小さく抑えなくても、異なる組の同色のレーザ光５０による走査像同士が互いに重ならないようにすることは可能である。以下では、その方法の例を２つ説明する。

１つ目の方法として、例えば、ＭＥＭＳミラーを用いた走査の１周期のうち、複数組のレーザ光５０の点灯範囲を狭くする方法がある。以下では、この方法を、複数組のレーザ光の走査範囲が狭くなるようにＭＥＭＳミラーの走査角を抑える（水平走査範囲を狭くする）方法と比較して説明する。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、複数組のレーザ光５０を走査する方法の別の例を説明する図である。図７（Ａ）は、ＭＥＭＳミラーの水平走査範囲を狭くする方法を示し、図７（Ｂ）は、ＭＥＭＳミラーの水平走査範囲を狭くせずにレーザ光の点灯時間により描画範囲を制限する方法を示す。図７（Ｂ）の方法では、走査角を小さく抑えない従来型のＭＥＭＳミラーを使用しても、異なる組の同色のレーザ光５０による走査像同士が互いに重ならないという効果が得られる。

図７（Ａ）と図７（Ｂ）のどちらの方法でも、投影領域６１Ａ，６１Ｂにおける水平方向の描画範囲と垂直方向の走査線数は同じであると仮定する。これらの図では、片方向走査を仮定し、走査線５３を矢印で示す。また、ＭＥＭＳミラーの水平走査には共振モードを使用し、垂直走査は強制振動方式とする。垂直走査は外部から強制的に制御できるため、垂直走査範囲Ｖは図７（Ａ）と図７（Ｂ）のどちらの方法でも同じにできる。一方、水平走査はＭＥＭＳミラーの共振特性で決まるため、走査範囲を狭くする図７（Ａ）の方法では水平走査範囲Ｈ_１と水平描画範囲Ｉとを近づけられるが、水平走査範囲が広い図７（Ｂ）の方法では、光源のレーザ素子の点灯時間を制御して水平描画範囲Ｉを走査すると、水平走査範囲Ｈ_２に対する水平描画範囲Ｉの割合が小さくなる。

描画範囲の解像度が同じ場合、ＭＥＭＳミラーの水平走査範囲に対して水平描画範囲が狭いほど、レーザ素子に要求される１ドットあたりの点灯時間が短くなる。このため、図７（Ｂ）の方法では、高い周波数で駆動できるレーザ素子および駆動回路が必要となる。一般に、高速動作が必要な回路はコスト高を招くことが多いため、できるだけ低周波数での駆動が好ましい。

２つ目の方法として、例えば、各組のレーザ光による走査線が互いにずれるように間隔を空けて光源部１０から複数組のレーザ光５０を出射し、従来型のＭＥＭＳミラーを用いて複数組のレーザ光５０により投影領域の全体を同時に走査する方法がある。図８を用いて、この走査方法を説明する。

図８は、複数組のレーザ光５０を走査する方法のさらに別の例を説明する図である。図８では、３組のレーザ光の走査線５３ａ，５３ｂ，５３ｃをそれぞれ実線、破線および一点鎖線で示している。図８に示すように、各組のレーザ光同士が互いに重ならないように各ビームの間隔を正確に揃えることにより、投影領域６１の全体（あるいはマイクロレンズアレイ３４の領域全体）を覆うように複数組のレーザ光５０を同時に走査してもよい。なお、図８では各組のレーザ光のビームで投影領域全体を単方向に走査する方法を示しているが、図５（Ｂ）の各部分領域６２における走査のように、双方向の走査を行ってもよい。

眼鏡型ディスプレイの場合には、マイクロレンズアレイ３４から使用者の目までの距離（アイレリーフ）は例えば２５ｍｍ程度と比較的短いため、マイクロレンズアレイ３４と目の間のリレーレンズ３５はなくてもよい。また、これまでは、光源部１０から投影部３０に複数組のＲＧＢレーザ光５０（合波光）を入射させる場合の例を説明してきたが、合波光は１本（シングルビーム）でも複数本（マルチビーム）でもよい。そこで、以下では、リレーレンズ３５がない別の投影部（接眼型）において、１組のＲＧＢレーザ光（シングルビーム）を使用する場合の例を詳しく説明する。

図９は、別の投影部３０Ａの概略構成図である。投影部３０Ａは、例えば眼鏡型ディスプレイ１の左目用の投影ユニット３内で、図２に示した投影部３０に代えて使用可能である。投影部３０Ａを使用する場合には、図示しないが、右目用の投影ユニット３’内にも投影部３０Ａと同様の投影部が用意され、両者の投影ユニットには両眼視差を考慮した互いに異なる画像が表示される。図２に示した投影部３０と共通する構成要素には同一の符号を使用し、重複する説明を省略する。

投影部３０Ａは、投射レンズ３１、ＭＥＭＳミラー３２、ＭＥＭＳ基板３２Ａ、投射レンズ３３、マイクロレンズアレイ３４、ＭＥＭＳドライバ３６、ワイヤグリッドアレイ３７、λ／４板３８および固定具３９を有する。

投射レンズ３１には、シングルモードファイバ２５１’からのＲＧＢレーザ光の合波光が入射する。シングルモードファイバ２５１’は、レーザモジュール１１Ｒ，１１Ｇ，１１ＢからのＲＧＢレーザ光を合波し同じ偏波方向にそろえた光を導光する光ファイバである。シングルモードファイバ２５１’の出射端部は、出射光が投射レンズ３１に入射するように、ファイバ固定部２５２により固定される。投影部３０Ａでは、偏光の制御を容易にするために、シングルモードファイバ２５１’として、当該波長での偏波保持シングルモードファイバ（ＰＭＦ：Polarization Maintaining Fiber）を使用することが好ましい。

投射レンズ３１は、シングルモードファイバ２５１’の出射端部から出射された１組のＲＧＢレーザ光５０を、コリメート光としてＭＥＭＳミラー３２に入射させる。なお、単体の投射レンズ３１を設ける代わりに、投射レンズ３１として機能するレンズが内蔵されたレンズ付きファイバ、またはグレーデッドインデックス（ＧＩ）ファイバからなるレンズ付きファイバとマイクロオプティクスレンズとを組み合わせた複合レンズを使用してもよい。

ＭＥＭＳミラー３２によるレーザ光５０の走査角を広げるために、投影部３０Ａでは、図９に示すように、ワイヤグリッドアレイ３７とλ／４板３８を使用して、レーザ光５０の進行方向を変化させる。なお、投影部３０Ａでは、複数組のＲＧＢレーザ光を使用する場合でも、例えば図７（Ａ）〜図８を用いて説明した走査方法により、ＭＥＭＳミラー３２の走査角の大きさにかかわらず、異なる組の同色のレーザ光５０による走査像同士は互いに重ならないように制御される。

図９に示すように、投影部３０Ａでは、ファイバ２５１の出射方向と、ＭＥＭＳミラー３２が揺動していないときのＭＥＭＳミラー３２の法線方向とが直交するようにファイバ２５１の出射端部とＭＥＭＳミラー３２が配置される。さらに、ファイバ２５１から出射されたレーザ光５０がワイヤグリッドアレイ３７で反射してＭＥＭＳミラー３２に当たるように、ワイヤグリッドアレイ３７はファイバ２５１の出射方向に対し４５度の角度で配置される。ただし、ＭＥＭＳミラー３２で反射されたレーザ光５０がファイバ２５１で遮られずに投影部３０Ａから出射できれば、ファイバ２５１、ＭＥＭＳミラー３２およびワイヤグリッドアレイ３７の配置角度は、図９に示したものとは異なってもよい。

ワイヤグリッドアレイ３７は、例えば、Ｓ偏光を反射しＰ偏光を透過する偏光子である。投影部３０Ａでは、ファイバ２５１から例えばＳ偏光を入射させる。この場合、ワイヤグリッドアレイ３７は、入射したＳ偏光のレーザ光５０をＭＥＭＳミラー３２に向けて反射させて、λ／４板３８に入射させる。

λ／４板３８は、ワイヤグリッドアレイ３７とＭＥＭＳミラー３２の間に配置され、透過するレーザ光５０の偏光方向を変化させる。λ／４板３８は、ワイヤグリッドアレイ３７から入射したＳ偏光を円偏光に変換してＭＥＭＳミラー３２にほぼ垂直に入射させるとともに、ＭＥＭＳミラー３２で反射してＭＥＭＳミラー３２から入射した円偏光をＰ偏光に変換する。すなわち、レーザ光５０は、λ／４板３８を２回透過することにより、最初の偏光方向に対して直交した偏光方向をもつ直線偏光に変換される。Ｐ偏光に変換されたレーザ光５０は、ワイヤグリッドアレイ３７を透過して、投射レンズ３３に入射する。このとき、λ／４板３８の両平面には表面反射を軽減するために反射防止（ＡＲ）コートが施されるが、さらに表面反射によるノイズ光を防ぐために、λ／４板３８を例えば１５度ほどＭＥＭＳミラー３２の平面に対し傾けて配置することが好ましい。

図２に示した投影部３０のように、レーザ光のビームをＭＥＭＳミラー３２に斜めに入射させた場合には、その法線方向に対する入射角度以上の大きさでビームを振ると、ＭＥＭＳミラー３２による反射ビームは入射元のファイバによって遮られてしまう。しかしながら、図９に示した投影部３０Ａでは、反射ビームはファイバ２５１によって遮られることはなく、ＭＥＭＳミラー３２の振れ角の２倍の大きさだけビームの走査角を広げることができる。また、投影部３０のようにビームをＭＥＭＳミラー３２に斜めに入射させた場合には、入射角度を大きくすると投影画像に非対称な歪みが生じるが、投影部３０ＡではビームをＭＥＭＳミラー３２に対して垂直に入射させるので、同じ振れ角で比較した場合、そのような歪みを軽減させることができる。

ＭＥＭＳミラー３２は、ＭＥＭＳ基板３２Ａの上に実装され、ＭＥＭＳドライバ３６によって互いに直交する２軸方向に高速に揺動される。ＭＥＭＳミラー３２による走査方法は特に限定されないが、走査線の重なりをなくすためには、例えば片方向走査を使用するとよい。ＭＥＭＳミラー３２により、レーザ光５０は概略平行光のまま反射される。

投射レンズ３３は、例えばオルソスコピック式（アッベ型）の接眼レンズと同様の構成である。投射レンズ３３は、レーザ光５０の入射方向（図９の左側）から順に、平凸レンズ、空気層、両凸レンズ、両凹レンズおよび平凸レンズという４枚のレンズで構成される。このレンズを使うと、歪曲収差が少なくなり画質が良くなるという利点がある。

マイクロレンズアレイ３４は、図２に示した投影部３０のものと同様である。なお、図９では平凸レンズのマイクロレンズアレイ３４を示しているが、マイクロレンズアレイ３４の各マイクロレンズ３４１は平凸レンズでも両凸レンズでもよく、平凸レンズの場合の凸レンズの向きは入射方向と出射方向のどちらでもよい。これは、マイクロレンズアレイ３４１の色収差や歪曲収差など各種の収差は、後述する仮想的な表示面上の色別の画像データ位置を調整することで軽減することが可能なためである。なお、マイクロレンズアレイの両表面には、使用波長での反射を低減する無反射コート（ＡＲコート）を施すことが好ましい。投影部３０Ａでは、マイクロレンズアレイ３４を透過したレーザ光５０は、リレーレンズ３５を介さずに、使用者の目に直接入射する。

固定具３９は、投射レンズ３３、ワイヤグリッドアレイ３７およびλ／４板３８を固定する。また、ファイバ２５１の出射端部、ＭＥＭＳ基板３２Ａおよびマイクロレンズアレイ３４も、固定具３９に対する相対位置がそれぞれ固定される。

図１０は、図９の等価光学系を示した模式図である。図４Ａでは簡単のため４ｆの光学系で説明したが、図１０では、投射レンズ３１をできるだけ小型にし、また、投射範囲を大きくとるために、投射レンズ３２は有効径が投射レンズ３１より大きくなる構成とした。なお、図１０では、図９に示した投影部３０Ａの構成要素のうち、投射レンズ３１、ＭＥＭＳミラー３２、投射レンズ３３およびマイクロレンズアレイ３４のみを示している。また、図１０では、ＭＥＭＳミラー３２はレーザ光５０を透過するものとして図示している。

投射レンズ３１、投射レンズ３３および各マイクロレンズ３４１の焦点距離を、それぞれｆ_０，ｆ_１，ｆ_２とおく。投射レンズ３１，３３の焦点距離ｆ_０，ｆ_１は同じ大きさでもよく、異なる大きさでもよい。マイクロレンズ３４１の焦点距離ｆ_２は、投射レンズ３１，３３の焦点距離ｆ_０，ｆ_１より小さい。また、矢印Ｌ_ｉの長さはアイレリーフに相当する。

図１０に示すように、シングルモードファイバ２５１’は、投射レンズ３１の焦点距離ｆ_０の近傍に配置される。投射レンズ３１からの光を略コリメート光とするＭＥＭＳミラー３２は、レーザ光５０が略コリメート光とみなせて間に必要な光学系を配置した上でＭＥＭＳミラー３２の有効面にケラレないｆ_０＋αの距離だけ投射レンズ３１から離れた位置に配置される。また、投射レンズ３３は、その焦点距離ｆ_１だけＭＥＭＳミラー３２から離れた位置に配置される。ＭＥＭＳミラー３２から光軸に対して斜めに投射レンズ３３に入射したレーザ光５０が形成するビームは、投射レンズ３３の作用により、その入射角度および位置に応じた距離だけ光軸から離れた概略平行ビームに変換（角度位置変換）される。実際には、レーザ光５０はガウシアンビームでありビームの広がりがあるが、投射レンズ３３を透過した各平行ビームは、投射レンズ３３の作用により投射レンズから焦点距離ｆ_１だけ離れた位置で集束する。その位置の平面７１では、各ビームの径が絞られて空間に像が表示された状態になるため、平面７１は仮想的なディスプレイとして機能する。この平面７１のことを、以下では「仮想表示面（virtual display plane）７１」という。

マイクロレンズアレイ３４は、各マイクロレンズ３４１の焦点距離ｆ_２もしくは若干それより短い距離だけ仮想表示面７１から離れた位置に配置される。すなわち、投射レンズ３３とマイクロレンズアレイ３４は、投射レンズ３３の焦点距離ｆ_１とマイクロレンズアレイ３４の焦点距離ｆ_２を合計した距離（レンズ厚みを考慮しない場合）だけ間隔を空けて配置される。投射レンズ３３を透過し仮想表示面７１で集束したレーザ光５０は、マイクロレンズアレイ３４によりコリメートされるとともに、その入射位置に応じて異なる角度に変換（位置角度変換）されて、マイクロレンズアレイ３４から焦点距離ｆ_２だけ離れた位置を通る。したがって、マイクロレンズアレイ３４の各レンズレットの有効面に垂直入射したレーザ光５０は、焦点距離ｆ_２の位置に配置されたピンホールアレイから出射したものとみなすことができる。ＭＥＭＳミラー３２がレーザ光５０を走査すると、各マイクロレンズ３４１からのレーザ光５０の出射位置と出射角度が変化する。こうして、マイクロレンズアレイ３４の各マイクロレンズ３４１は、レーザ光５０の角度を制御して使用者の目の網膜に投射させる網膜走査型ディスプレイとして機能する。

図１１は、投影部３０Ａを用いたＮＴＥ（near-to-eye：接眼型）ライトフィールドディスプレイの動作原理を説明するための図である。なお、図１１の記載は説明のために簡略化しているため厳密なものではなく、本実施形態の構成においては、各ビームはマイクロレンズアレイ３４に垂直に入射する。また、この動作原理そのものは、非特許文献（V. F. Pamplona, A. Mohan, M. M. Oliveira, and R. Raskar, “NETRA: Interactive Display for Estimating Refractive Errors and Focal Range,” ACM Trans. Graph. 29, (2010).）に記載されているＮＥＴＲＡシステムと同様のものである。

使用者が無限遠（十分遠方）の物体７２を見ているとすると、正常な視力を持つ使用者の目８０のレンズ（水晶体）８１は弛緩した状態になり、レンズ８１に平行に入射した光が重なり網膜上で像７３を結ぶ。したがって、投影部３０Ａにより使用者の目８０に平行に入射するビーム７４を生成して仮想表示面７１上の符号７５の位置に画素を表示させれば、目８０は無限遠に焦点を合わせるため、物体を無限遠にあるように表示することができる。

また、目８０が無限遠に焦点を合わせた状態では、より目８０の近くにある物体７６からレンズ８１に斜めに入射した光は、網膜上では重ならず複数の位置７７に投影されるため、目８０にはぼけた像として見える。したがって、投影部３０Ａにより物体７６に対応する位置から出射されるビーム７８を生成して仮想表示面７１上の符号７９で示した別の位置に画素を表示させれば、目８０にはぼけた物体７６が見える。

一方、使用者が近くの物体７６を見ているとすると、目８０のレンズ８１のパワーが大きくなり、目８０は近くに焦点を結ぼうとする。この場合、逆に、無限遠の物体７２からの光は網膜より手前の位置で像を結ぶので、網膜上では複数の位置に投影され、目８０にはやはりぼけた像として見える。

目８０が無限遠に焦点を合わせた状態で、仮想表示面７１上における画素を符号７５の位置から符号７９の位置に移動させると、それに伴い各マイクロレンズ３４１へのビームの入射位置も移動する。これにより、レンズ８１へのビームの入射角度が変化するため、使用者は物体がより近くにあると知覚し、レンズ８１のパワーを大きくして、物体７６の位置に焦点を合わせる。

投影部３０Ａを用いた眼鏡型ディスプレイ１は、制御部４０の制御の下で、２５ｍｍ程度のアイレリーフに対応させて仮想表示面７１に表示される画素の位置を制御し、マイクロレンズアレイ３４から出射するレーザ光により、異なる位置にある物体からの光線を再現するライトフィールドを発生させる。その際、各マイクロレンズ３４１からのビームによる多数の点が重ねられて、網膜上に合成画像が生成される。いずれの点も、被写界深度の深い網膜走査型レーザディスプレイの特徴である、略コリメート光として網膜上に投影されるので、仮に１個の点だけを表示したとすると、どの点も使用者の目にははっきり見える。したがって、各レンズレットが構成する本実施形態のレーザ網膜走査型の表示装置は、各点に関しては使用者の視力によらず、光学的な視度調整機構の必要ないフォーカスフリー特性を実現することができる。

しかしながら、眼鏡型ディスプレイ１では、奥行き位置に応じた画像のぼけを生じさせるために、例えば昼光下であれば瞳孔径は４ｍｍφとなるのでこの中に複数のマイクロレンズアレイのレンズレットからの光線が同じ物体位置からの複数経路の光線に対応するようにして、使用者の瞳の径に複数の入射角度および位置の異なるコリメートビームを入射するように、意図的に角膜および水晶体からなる目のレンズ系の複数の位置に同じ点を表す異なった光線が投影される。こうして、各マイクロレンズ３４１から異なる角度で出射された光を使用者の目の網膜上で合成させれば、目のリフォーカス機能によって異なる奥行き位置の画像が異なる目のレンズパワーで選別され、結像する像だけがはっきり見えるため、使用者は奥行きを知覚することが可能になる。

図１２〜図１４は、それぞれ、投影部３０Ａの機構の例を示す斜視図、側面図、部分拡大図である。これらの図では、眼鏡型ディスプレイ１の左目用の投影ユニット３に使用される投影部を示している。投影部３０Ａの幅、奥行きおよび高さは、それぞれ数ｃｍ程度である。眼鏡型ディスプレイ１は、図１に示した左目用の投影ユニット３と右目用の投影ユニット３’に、左目用の投影部３０Ａおよび投影部３０Ａと左右対称の図示しない右目用の投影部をそれぞれ取り付けることにより構成される。

光源部１０からの各ファイバ２５１の出射端部は、ファイバ取付け部９１に取り付けられる。図１４は、ファイバ取付け部９１の周辺の部分拡大図を示す。ファイバ取付け部９１は、取り付けられるファイバ２５１の本数を変更でき、投影部３０Ａに入射させる合波光として、１組のＲＧＢレーザ光（シングルビーム）と複数組のＲＧＢレーザ光（マルチビーム）のいずれも使用できるように構成されている。ファイバ取付け部９１に取り付けられた各ファイバ２５１の出射端部から出射されたレーザ光は、投射レンズ３１を介して固定具３９の内部に入射する。

ＭＥＭＳミラー３２は、ＭＥＭＳ基板３２Ａの上に実装されており、制御基板９２により制御される。制御基板９２は、上記したＭＥＭＳドライバ３６に対応する。

ＭＥＭＳミラー３２により走査されたレーザ光は、固定具３９内のワイヤグリッドアレイ３７、投射レンズ３３、マイクロレンズアレイ３４を介して、アイピース９３から出射される。使用者は、目をアイピース９３の近傍を覗き込むことで、投影される画像を視認する。また、アイピース９３の後段に偏光ビームスプリッタや誘電体膜を表面に形成したハーフミラーを配置し、実際の外部の風景と合成する構成とすることで、図１に示したシースルー型とすることも可能である。

以上説明してきたように、投影部３０または投影部３０Ａを用いた眼鏡型ディスプレイ１では、走査されるレーザ光の角度をマイクロレンズアレイ３４で制御することにより、網膜走査型のライトフィールドディスプレイを実現する。投影部３０，３０Ａでは、例えばフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）による構成と比較して、解像度や、ディスプレイの大きさ、目との距離などを自由に拡縮可能であるため、より高精細でかつ小型のプロジェクタを実現することができる。また、投影部３０，３０Ａでは、拡散型光源アレイとみなせるマイクロディスプレイを仮想表示面位置に置いたライトフィールドディスプレイとは異なり、投射レンズ３１，３３によりＲＧＢレーザ光のビームが平行光に制御され、ビーム同士の重なりがないため、１個のレーザ素子からのレーザ光が複数のマイクロレンズ３４１に入射してクロストークが生じることもない。また、眼鏡型ディスプレイ１は網膜走査型であるため、レーザ光源を用いても投射レンズやマイクロレンズ表面での散乱光の発生を抑えることでスペックルが発生しないという利点や、使用者の視力に応じて仮想表示面７１上の画素の位置を制御すれば視力にかかわらず使用可能であるという利点もある。

なお、投影部３０，３０Ａにおける投射レンズ３３は、マイクロレンズアレイに代えてもよい。そのマイクロレンズアレイの開口径や配列は、マイクロレンズアレイ３４と同じにしてもよいし、マイクロレンズアレイ３４とは異ならせてもよい。また、投影ユニット３でも、投射レンズ３３として、図９を用いて説明したオルソスコピック式（アッベ型）の接眼レンズを使用してもよい。

なお、眼鏡型ディスプレイ１では、ＲＧＢの３色を１組のレーザ光として使用したが、色域を広げるために、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色に加えて、例えばＹ（黄色）といった他の波長のレーザ光を含めてもよい。また、波長域は可視光に限らず、例えばＲＧＢレーザ光に赤外レーザ光などを含めて出射し、可視光画像に近赤外線画像などを重ねて投影してもよい。この場合、近赤外画像を近赤外カメラで撮像することで、アイトラッキング機能を付加することができる。

また、投影装置の例として、ＮＴＥの眼鏡型ディスプレイを用いて説明したが、投影領域に大きな画像を投影することができれば、この投影装置は他の形態の直視型のライトフィールドディスプレイにも応用可能である。大きな画像を投影するには、マイクロプロジェクタアレイとなるマイクロレンズとリレーレンズとを視認距離に合わせて大型化するか、または本発明の投影装置を複数個用意しアレイ化して、広い範囲から視認できるようにすればよい。

１ 眼鏡型ディスプレイ
３，３’ 投影ユニット
１０ 光源部
１１，１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ レーザモジュール
１２ ファイババンドルコンバイナ
２１ ＬＤアレイ
２５，２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ ファイバアレイ
３０，３０Ａ 投影部
３１，３３ 投射レンズ
３２ ＭＥＭＳミラー
３４ マイクロレンズアレイ
３４１ マイクロレンズ
４０ 制御部
５０ レーザ光

Claims (10)

1. 少なくとも赤色、緑色および青色を一組とするレーザ光を走査して立体視が可能な画像を投影する投影装置であって、
   前記レーザ光を出射する光源部と、
   前記レーザ光により投影領域を２次元状に走査する走査部と、
   前記走査部により走査されたレーザ光が入射する複数のマイクロレンズで構成され、当該マイクロレンズへの入射位置に応じて前記レーザ光の出射角度を変化させて、投影される画像に応じて当該マイクロレンズの表面上の各点から位置と向きとを制御された光線の場が出射している状態を作り出すマイクロレンズアレイと、
   を有することを特徴とする投影装置。
2. 前記光源部から出射されたレーザ光をコリメート光として前記走査部に入射させる投射レンズをさらに有する、請求項１に記載の投影装置。
3. 前記走査部により走査されたレーザ光が入射し、当該レーザ光を、入射角度に応じた位置を通る集束光に変換して前記マイクロレンズアレイに入射させる第２の投射レンズをさらに有する、請求項２に記載の投影装置。
4. 前記第２の投射レンズと前記マイクロレンズアレイの間で前記レーザ光が集束する仮想的な投影面上における当該レーザ光による像の位置を、投影される画像の奥行き位置が知覚されるように制御する制御部をさらに有する、請求項３に記載の投影装置。
5. 前記第２の投射レンズと前記マイクロレンズアレイは、前記第２の投射レンズの後側焦点面と前記マイクロレンズアレイの前側焦点面とが略重なる間隔で配置される、請求項３または４に記載の投影装置。
6. 前記走査部は、前記レーザ光を反射させて前記投影領域上を走査するＭＥＭＳミラーであり、
   前記ＭＥＭＳミラーは、前記第２の投射レンズの前側焦点位置に近い距離だけ前記第２の投射レンズから離れて配置される、請求項２〜５のいずれか一項に記載の投影装置。
7. 前記光源部は、複数のファイバの出射端部から複数組の前記レーザ光を出射し、
   前記走査部は、異なる組の同色のレーザ光による走査像同士が互いに重ならないように前記複数組のレーザ光により前記投影領域を２次元状に走査する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の投影装置。
8. 前記光源部は、
   赤色レーザ光を発光する複数の第１のレーザ素子と、
   前記複数の第１のレーザ素子が発光した赤色レーザ光をそれぞれ導波する複数の第１のファイバと、
   緑色レーザ光を発光する複数の第２のレーザ素子と、
   前記複数の第２のレーザ素子が発光した緑色レーザ光をそれぞれ導波する複数の第２のファイバと、
   青色レーザ光を発光する複数の第３のレーザ素子と、
   前記複数の第３のレーザ素子が発光した青色レーザ光をそれぞれ導波する複数の第３のファイバと、
   前記複数の第１、第２および第３のファイバの出射端部を固定してファイババンドルを形成するファイババンドルコンバイナと、を有し、
   前記複数の第１、第２および第３のファイバは、前記出射端部から前記複数組のレーザ光を出射する、請求項７に記載の投影装置。
9. 前記走査部は、異なる組の同色のレーザ光による走査像同士が互いに重ならない範囲の走査角で、前記投影領域を構成する各部分領域を、前記複数組のレーザ光のうち当該部分領域に対応するレーザ光により走査する、請求項７または８に記載の投影装置。
10. 前記光源部は、各組のレーザ光による走査線が互いにずれるように間隔を空けて前記複数組のレーザ光を出射し、
    前記走査部は、前記複数組のレーザ光により前記投影領域の全体を同時に走査する、請求項７または８に記載の投影装置。

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