JP2016053680A - 画像表示再生装置および射出瞳拡大方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロレンズアレイを利用する走査型の画像表示装置において、光源の光を効率よく用いる技術を提供する。【解決手段】画像表示装置において、走査光学系１７０は、干渉性を持つ光を照射する光源が照射するビームを走査して中間像を生じさせる。ＮＡ（Numerical Aperture）変換素子１６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。光学素子１９は、ＮＡ変換素子１６の外周部の外側に設けられ、集光作用を持つ。光検出器２０は、光学素子１９が集光したビームの光を検出する。ここで光学素子１９は、ＮＡ変換素子１６と一体に設けられる。【選択図】図３

Description

本発明は、画像表示再生装置および射出瞳拡大方法に関し、特に走査型の画像表示装置と、当該装置が実行する出射瞳拡大方法に関する。

近年、半導体レーザ光源の光をコリメータレンズで細いビームにし、これを小型の走査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（特許文献１参照）。

特開２００８−２３３５６２号公報

走査型の画像表示装置の例として、のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）やヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）がある。この中で、レーザ光源を使った網膜スキャンタイプのヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイにおいては、視聴ポイントを拡大して見やすくするために、中間像位置にマイクロレンズアレイを置いて光束を広げる手法が用いられることがある。このとき、光源の光を効率よく瞳孔方向に導き、解像度の低下や混色を避けるために、マイクロレンズアレイに対する光スポットの位置をできるだけ正確に合わせることが求められる。

本発明のある目的は、マイクロレンズアレイを利用する走査型の画像表示装置において、光源の光を効率よく用い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ビームを走査して中間像を生じさせる走査光学系と、集光作用を持つ光学素子と、光学素子が集光したビームの光を検出する光検出器と、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。光学素子は、ＮＡ変換素子の外周部の外側に設けられ、ＮＡ変換素子と一体に設けられる。
本発明の別の態様は、射出瞳拡大方法である。この方法は、走査型の画像表示装置が実行する射出瞳拡大方法であって、当該方法は、干渉性を持つ光を照射する光源が照射するビームを走査し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、ＮＡ変換素子の外周部の外側に一体に設けられた光学素子が集光したビームの光を検出するステップと、光学素子が集光したビームの光に基づき、ビームの走査位置を修正するステップとを備える。

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、マイクロレンズアレイを利用する走査型の画像表示装置において、光源の光を効率よく用いることができる。

実施の形態に係る画像表示システムの全体構成を模式的に示す図である。 実施の形態に係る画像光射出ユニットの機能構成を模式的に示す図である。 実施の形態に係る画像表示システムに関し，主に光スポットの位置検出を説明するための構成を記載した模式図である。 実施の形態に係るＮＡ拡大素子の概略構成を模式的に示す図である。 図５（ａ）−（ｄ）は、第１光学素子に走査ビームが当たったときの様子を示す図である。 図６（ａ）−（ｄ）は、第１光学素子に走査ビームが当たったときの別の様子を示す図である。 第１の変形例に係るＮＡ拡大素子の概略構成を模式的に示す図である。 図８（ａ）−（ｈ）は、第１の変形例に係るＮＡ拡大素子において、第１光学素子に走査ビームが当たったときの様子を示す図である。 第２の変形に係るＮＡ拡大素子の概略構成を模式的に示す図である。

図１は、実施の形態に係る画像表示システム１の全体構成を模式的に示す図である。実施の形態に係る画像表示システム１は、自動車等の車両に搭載されるヘッドアップディスプレイであり、ウィンドシールド２５をコンバイナ（ｃｏｍｂｉｎｅｒ）として用いる画像表示装置１０を備える。画像表示装置１０は、画像光射出ユニット１００、平面ミラー１１、マイクロレンズアレイ１２、平面ミラー１３、および凹面ミラー１４を備え、これらが筐体１５に収容されている。画像表示装置１０は、例えば車のダッシュボード内に設置されたり、ルームミラー（不図示）に取り付けられたりする。

画像光射出ユニット１００は、運転者である画像表示システム１のユーザＰの眼ＰＥに対して画像光を射出する。詳細は後述するが、画像光射出ユニット１００は光源としてレーザダイオードを備える。

マイクロレンズアレイ１２は、マイクロレンズをマトリックス状に配列した光透過型の光学部品である。このため、マイクロレンズアレイ１２は周期構造を持つ。マイクロレンズアレイ１２は、レーザ特有のスペックルを低減する効果があり、レーザダイオードが照射するレーザ光の放射角や色ムラを考慮して設計されている。マイクロレンズアレイ１２はレーザ光を拡散（放射）する。これにより、単位面積当たりのレーザ光の強度が小さくなる。したがって、ユーザＰが表示画像光を観察可能な範囲を拡大することができる。またユーザＰの眼ＰＥに対する画像光の負担が軽くなり、画像表示システム１の安全性をより高めることもできる。

画像光射出ユニット１００が射出した画像光束Ｌは平面ミラー１１で反射され、マイクロレンズアレイ１２上で中間像を結ぶ。中間像を形成した画像光束Ｌは、その後、平面ミラー１３、凹面ミラー１４、およびウィンドシールド２５で反射され、ユーザＰの眼ＰＥに届く。ユーザＰには、ウィンドシールド２５を介した外の実景と、画像光束Ｌが形成する画像とが重畳（オーバーレイ）されて観察される。平面ミラー１３、凹面ミラー１４、およびウィンドシールド２５は、画像表示装置１０における結像光学系を構成する。なお、画像光束Ｌの反射は必ずしもウィンドシールド２５ではなくてもよく、例えばコンバイナであってもよい。

図２は、実施の形態に係る画像光射出ユニット１００の機能構成を模式的に示す図である。画像光射出ユニット１００は、制御部１１０、ＤＤＲ（Double Data Rate）メモリ１５０、フラッシュメモリ１５２、マイコン１５４、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）１５６、レーザ光源部１６４、走査光学系１７０、およびスキャナドライバ１７３を備える。レーザ光源部１６４は、レーザドライバ１６０とレーザダイオード１６２とを備える。走査光学系１７０は、水平走査ミラー１７８と垂直走査ミラー１７９とを備える。スキャナドライバ１７３は、水平スキャナドライバ１７６と垂直スキャナドライバ１７７とを備える。

制御部１１０は、画像処理部１２０、レーザ光制御部１３０、および走査制御部１４０を備え、これらはＣＰＵ（Central Processing Unit）およびＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等がプログラムを実行することによって実現される。制御部１１０は、フラッシュメモリ１５２やＥＥＰＲＯＭ１５６などに記憶されたプログラムを実行し、画像処理、レーザ光制御、操作制御などの各種処理を行う。制御部１１０には、表示画像データが入力される。

ＤＤＲメモリ１５０はフレームバッファであり、画像処理部１２０に入力される画像データを一時的に保存する。ＤＤＲメモリ１５０は、ＤＤＲ２やＤＤＲ３、その他のＳＤＲＡＭであってもよい。

フラッシュメモリ１５２は不揮発性記憶部であり、画像処理部１２０の動作に必要なデータやプログラムなどを記憶する。

マイコン１５４は、走査制御部１４０に、スキャナドライバ１７３を動作させるための駆動信号を生成させる。ＥＥＰＲＯＭ１５６は、走査制御部１４０の動作に必要なデータやプログラムなどを記憶する不揮発性記憶部である。

画像処理部１２０は、ＤＤＲメモリ１５０から入力された画像データを、所定のドットクロックに合わせて、レーザ光制御部１３０および走査制御部１４０に出力する。これにより、レーザ光制御部１３０は、取得した画像データに基づいて、レーザ光を駆動することができる。

レーザ光制御部１３０は、ＤＤＲメモリ１５０から入力された画像データに基づいて、レーザ光源部１６４中のレーザドライバ１６０を制御する。これにより、レーザドライバ１６０は、レーザダイオード１６２からレーザ光が適切に出力されるように、レーザダイオード１６２を制御することができる。

具体的には、レーザ光制御部１３０は、画像データに基づく画像が描画されるようにレーザドライバ１６０を制御して、レーザダイオード１６２をオン・オフさせたり、レーザ出力値の制御をさせたりする。またレーザ光制御部１３０は、走査光学系１７０の走査範囲２００より狭い範囲において表示画像が描画されるように、レーザドライバ１６０を制御する。

走査制御部１４０は、走査光学系１７０を構成する水平走査ミラー１７８および垂直走査ミラー１７９の各々の振れ角および走査周波数等の制御を行う。走査制御部１４０は、走査光学系１７０が所望の振れ角および周波数等を得られるように、駆動電圧の波形の生成を行い、スキャナドライバ１７３に供給する。

レーザドライバ１６０は、レーザ光制御部１３０の制御に基づき、レーザダイオード１６２を駆動する。具体的には、レーザ光制御部１３０の制御に基づく点灯タイミングおよび駆動電流でレーザダイオード１６２を駆動する。図２に示す例では、レーザ光制御部１３０は、赤色レーザダイオード１６２Ｒ、緑色レーザダイオード１６２Ｇ、および青色レーザダイオード１６２Ｂを備える。このように、レーザダイオード１６２が複数のレーザダイオードで構成される場合は、レーザドライバ１６０は各々のレーザダイオードを各々駆動する。

レーザダイオード１６２は、光源としてのレーザ光を出力する。レーザダイオード１６２は、赤色レーザダイオード１６２Ｒ、緑色レーザダイオード１６２Ｇ、青色レーザダイオード１６２Ｂにより構成されるが、他色のレーザ光を出力するレーザダイオードを加えてもよく、単一のレーザダイオードで構成されてもよい。

レーザ光源部１６４は、赤色レーザダイオード１６２Ｒ、緑色レーザダイオード１６２Ｇ、青色レーザダイオード１６２Ｂの各々から出力されたレーザ光を合成する。このため、図示はしないが、レーザ光源部１６４は、各レーザダイオード１６２から出力されたレーザ光を導くミラーや、走査光学系１７０へレーザ光を導くためのミラー、後述するコリメータレンズ等、および図示はしないが、レーザ光源部１６４からのレーザ光の出力光量を測定する測定部を備える。

レーザ光制御部１３０がレーザドライバ１６０を制御することにより、各レーザダイオード１６２の駆動電流および駆動時間が制御される。これにより、レーザダイオード１６２から出力されるレーザ光によって、様々な描画色や描画形態を提示することができる。

スキャナドライバ１７３は、走査制御部１４０の制御に基づき、走査光学系１７０を構成する各走査ミラーを動作させる。実施の形態に係る画像光射出ユニット１００おいては、走査光学系１７０は、水平走査ミラー１７８と垂直走査ミラー１７９とを備える。このためスキャナドライバ１７３は、水平スキャナドライバ１７６と垂直スキャナドライバ１７７とを備える。

水平スキャナドライバ１７６は、走査制御部１４０の制御により、所定の駆動電圧を水平走査ミラー１７８に供給する。水平スキャナドライバ１７６が供給する駆動電圧は、水平走査ミラー１７８を所定の周波数で揺動させるための電圧である。同様に、垂直スキャナドライバ１７７は、走査制御部１４０の制御により、所定の駆動電圧を垂直走査ミラー１７９に供給する。垂直スキャナドライバ１７７が供給する駆動電圧は、垂直走査ミラー１７９を所定の周波数で揺動させるための電圧である。

走査光学系１７０は、表示画像の横方向に対応する走査を行う水平走査ミラー１７８、および表示画像の縦方向に対応する走査を行う垂直走査ミラー１７９を備える。走査光学系１７０は、所定の周波数で揺動しながら、レーザ光源部１６４から出力されたレーザ光を反射することにより、表示画像を描画させる。

水平走査ミラー１７８は、画像処理部１２０が供給した水平方向の駆動電圧に基づき、レーザ光源部１６４から出力されたレーザ光を、水平方向に走査する。水平走査ミラー１７８は、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をエッチング等の処理を行うことにより形成されたＭＥＭＳミラー等で実現できる。水平走査ミラー１７８は、図示しない圧電素子を備える。水平走査ミラー１７８は、水平スキャナドライバ１７６から供給される駆動電圧によって駆動される圧電素子により、所定の周波数で揺動する。

垂直走査ミラー１７９は、画像処理部１２０が供給した垂直方向の駆動電圧に基づき、水平走査ミラー１７８が走査したレーザ光を、垂直方向に走査する。垂直走査ミラー１７９は、例えばフレキシブル基板上に、シリコンミラーおよび駆動コイルを備える構成によって実現される。垂直走査ミラー１７９は、垂直スキャナドライバ１７７から供給される駆動電圧が駆動コイルに印加され、図示しない磁石の磁力によって、所定の周波数で揺動する。

また、水平走査ミラー１７８および垂直走査ミラー１７９は、図示しない圧電膜やホール素子等を備え、揺動角や周波数を検出する。走査光学系１７０は、検出した揺動角や周波数を、走査制御部１４０にフィードバックする。

図２において、符号２００で示す矩形領域は、水平走査ミラー１７８および垂直走査ミラー１７９の走査により、レーザ光を走査可能となる走査範囲２００を示す。走査範囲２００において、表示画像を描画するための範囲を、描画エリア２０２とする。また、走査範囲２００における描画エリア２０２以外の範囲を、ブランキングエリア２０４とする。

上述したように、マイクロレンズアレイ１２はレーザ光を拡散する。ここでマイクロレンズアレイ１２の個々のマイクロレンズ一つ一つにレーザ光のスポットの走査で作り出される画素が一致していれば、解像度の低下や混色は起きない。しかしながら、実際の系では、レーザ光のスポットをラスタスキャンして画像を生成すると、その軌跡は正弦波形状になる場合がある。さらにラスタスキャンには往復の走査が伴うため、特に縦方向ではどうしてもマイクロレンズ一つ一つとスポットにずれが生じやすい。

それでもできるだけ解像度の低下や混色を目立たなくするために、マイクロレンズアレイ１２に対するレーザ光のスポットの位置をできるだけ正確に合わせ、特に画面中央部ではマイクロレンズ一つ一つとスポットにずれが生じないようにしすることが好ましい。このため実施の形態に係る画像表示装置１０は、スキャンされている光スポットの位置を検出するように構成されている。以下実施の形態に係る画像表示システム１における、マイクロレンズアレイ１２に対する光スポット位置の検出について説明する。

図３は、実施の形態に係る画像表示システム１に関し，主に光スポットの位置検出を説明するための構成を記載した模式図である。図３においては、簡略化のため、図１における平面ミラー１１、平面ミラー１３、凹面ミラー１４、およびウィンドシールド２５を、結像光学系１８としてまとめて記載されている。また図３においては、マイクロレンズアレイ１２はＮＡ（Numerical Aperture；開口数）拡大素子１６の一部を構成する。

コリメータレンズ１６５は、レーザ光源部１６４が射出した光を平行光に近いビームに変換する。コリメータレンズ１６５を出たビームは走査光学系１７０内のミラーで反射され、中間像面２１に集光する。このビーム走査と、表示画像データに基づいて変調されたビーム光の明暗により、中間像面２１に画像が作られる。中間像面２１の位置でビームが最も細く絞られた状態となるように、中間像面２１の位置が設定されている。

このため、仮にＮＡ拡大素子１６が無い場合には、中間像面２１を過ぎたビームは中間像面２１の前の収束角の開口数と同じ開口数で広がることになる。この場合、ユーザＰが画像表示光を観察可能な範囲が狭まる。また中間像面２１は、実際には走査ミラーを中心とした球面になるが、ビームの開口数が小さいので、中間像近傍のビームウエスト径の変化が小さく、平面で近似しても本発明の内容には差し支えない。

図３に示すように、ＮＡ拡大素子１６は中間像面２１の近傍に配置される。ＮＡ拡大素子１６はマイクロレンズアレイ１２を用いて構成される。またマイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズは、入射ビームの開口数を拡大する。すなわち、ＮＡ拡大素子１６は、コリメータレンズ１６５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。なお図３に示す例では、マイクロレンズアレイ１２はＮＡ拡大素子１６の入射面側に設置されているが、出射面側に設置されてもよいし、入射面側と出射面側との両方に設置されていてもよい。

ＮＡ拡大素子１６を射出したビームは、結像光学系１８に入射する。上述したように、図３においては結像光学系１８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てもよい。結像光学系１８に入射したビームはほぼ平行なビームになり、射出瞳位置２２に向かう。このとき、ＮＡ拡大素子１６を射出したビームは発散角の開口数が拡大されているので太いビームになる。このため、射出瞳位置２２におけるビーム径、すなわち射出瞳径も拡大される。この結果、ユーザＰの眼ＰＥに多少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２２で瞳ＰＥに入射したビームは、ユーザＰの角膜や水晶体などの目の光学系で収束され、網膜上に集光する。走査光学系１７０内の走査ミラーによるビームの走査と、表示画像データに連動した各レーザダイオード１６２の明暗によってユーザＰの網膜上に像が形成され、ユーザＰは画像として認識することができる。

ＮＡ拡大素子１６の外周部のさらに外側に、集光作用を持つ第１光学素子１９ａと第２光学素子１９ｂとが備えられている。第１光学素子１９ａは、マイクロレンズアレイ１２を構成するマイクロレンズと同様の部材を二つ組み合わせて実現される。第２光学素子１９ｂも同様に、マイクロレンズアレイ１２を構成するマイクロレンズと同様の部材を二つ並べて実現される。

第１光検出器２０ａは、ビームの進行方向に向かって第１光学素子１９ａの後ろ側に配置され、第１光学素子１９ａが集光した光を検出する。第２光検出器２０ｂは、ビームの進行方向に向かって第２光学素子１９ｂの後ろ側に配置され、第２光学素子１９ｂが集光した光を検出する。以下、第１光学素子１９ａと第２光学素子１９ｂとを区別する場合を除き、両者を「光学素子１９」と総称する。また、第１光検出器２０ａと第２光検出器２０ｂとを区別する場合を除き、両者を「光検出器２０」と総称する。

図４は、実施の形態に係るＮＡ拡大素子１６の概略構成を模式的に示す図である。ＮＡ拡大素子１６は中間像面２１の近傍に配置され、その後のビームの発散角を大きくする。このため、ＮＡ拡大素子１６は中間像と同じ大きさかやや大きく、例えば数ミリ角から数百ミリ角程度の大きさになる。またＮＡ拡大素子１６には、ほぼ全面にマイクロレンズアレイ１２が形成されている。

以下本明細書において、図４における左右方向を「水平方向」とし、上下方向を「垂直方向」と記載することがある。光学素子１９は、マイクロレンズを垂直方向（上下方向）に二つ並べて構成される。

実施の形態に係る画像表示システム１において、走査光学系１７０は、ビームを水平方向に走査して１次元の走査線を作り、その走査線をさらに垂直方向に走査するラスタスキャン方式でビームを走査する。より具体的には、実施の形態に係る画像表示システム１では、ビームのスポットは図４における右上側から左斜め下に向かって走査される。走査されるビームの軌道３１は、入り口側に設置された第１光学素子１９ａの上側のマイクロレンズのやや下側を通過し、左側にある第１折り返し用ブランキングエリア２０４ａの端で折り返す。ビームは折り返した後に右斜め下に向かって走査を始め、第１光学素子１９ａの下側のマイクロレンズのやや上側を通過する。

その後ビームは、右側にある第２折り返し用ブランキングエリア２０４ｂで折り返して左に向かって走査され、左端で折り返して第１画素３２用のマイクロレンズの上側に入射する。その後順次右斜め下に向かってマイクロレンズアレイ１２上を走査され、横方向の中央部では、マイクロレンズの真上を通過する。ビームはさらに順次走査され、マイクロレンズアレイ１２の右下の最終画素３４用のマイクロレンズ、出口側に設置された第２光学素子１９ｂを通過して、１フレームの画像の走査が終わる。走査を終えたビームは、垂直走査ミラー１７９の反転動作により、ＮＡ拡大素子１６の上部に戻って、次のフレームの画像の走査に入る。以上を繰り返すことにより画像が作られる。

画像を形成する画素のうち、ビームが最初に到達する画素は、図４における第１画素３２である。第１画素３２の上側に、第１光学素子１９ａが設置される。このとき、第１画素３２と第１光学素子１９ａとの距離は、ビームの水平走査のピッチの整数倍である。この距離は、使用する光検出器２０を実現するフォトディテクタのサイズを考慮して実験により定めればよい。

例えば、画像形成部のマイクロレンズアレイ１２からの射出光を、光検出器２０が遮らない距離に設定すればよい。マイクロレンズアレイ１２の右下には、最終画素３４用のマイクロレンズがあり、そのレンズの中心線上の下側で、水平走査の何ピッチ分（整数倍）か下に、出口側に設置された第２光検出器２０ｂ用のマイクロレンズが縦に並べて配置される。これらの光検出器２０用のマイクロレンズとマイクロレンズアレイ１２とは、一体に設けられており、両者の位置関係が正確に決められている。なお、左側走査ビーム３５Ｌと右側走査ビーム３５Ｒとについては後述する。

図５（ａ）−（ｄ）は、第１光学素子１９ａに走査ビームが当たったときの様子を示す図であり、走査ビームが第１光学素子１９ａの上下方向の望ましい位置に当たったときの様子を示す図である。

図５（ａ）は、第１光学素子１９ａに走査ビームが当たったときの様子を示す上面図である。上述したように、第１光学素子１９ａは、マイクロレンズを垂直方向（上下方向）に二つ並べて構成される。図５（ａ）において、左側走査ビーム３５Ｌは、図４において右上側から左斜め下に向かって走査されるビームを示す。また、図５（ａ）において、右側走査ビーム３５Ｒは、図４において左上側から右斜め下に向かって走査されるビームを示す。

図５（ｂ）は、第１光学素子１９ａと第１光検出器２０ａとを、走査ビームの進行方向に平行な平面で切断した断面図である。図５（ｂ）に示すように、第１光検出器２０ａは、第１検出器２０１ａと、第１検出器２０１ａに対して垂直方向下側に配置された第２検出器２０２ａとを備える。この第１検出器２０１ａと第２検出器２０２ａとの２つの検出器２０２によって、第１光検出器２０ａが構成される。図５（ｂ）において、矢印Ｌ１と矢印Ｌ２とで挟まれた実線は、左側走査ビーム３５Ｌの光路を表す。また図５（ｂ）において、矢印Ｒ１と矢印Ｒ２とで挟まれた破線は、右側走査ビーム３５Ｒの光路を表す。

図５（ｃ）は、図５（ｂ）における第１検出器２０１ａと第２検出器２０２ａとに入射する走査ビームを示す上面図であり、図５（ｄ）は、図５（ｃ）に示す第１検出器２０１ａと第２検出器２０２ａとのそれぞれの出力を模式的に示す図である。より具体的に、図５（ｄ）は、第１検出器２０１ａと第２検出器２０２ａとのそれぞれの中央部における位置を縦軸、その位置におけるビームの光量を横軸とするグラフである。ただし、第１検出器２０１ａにビームが入射するタイミングと、第２検出器２０２ａにビームが入射するタイミングはずれているため、それぞれの検出器に入射した光量を加算したものが図５（ｄ）の状態である。

図５（ｃ）に示すように、走査ビームが第１光学素子１９ａの上下方向の望ましい位置に当たる場合、左側走査ビーム３５Ｌおよび右側走査ビーム３５Ｒの光量を加算すると、第１検出器２０１ａと第２検出器２０２ａとに当たる光量が均等になる。このため、図５（ｄ）に示すように、第１検出器２０１ａの出力のグラフと第２検出器２０２ａの出力のグラフは同様の形状となる。すなわち、第１検出器２０１ａの出力のグラフの形状と、第２検出器２０２ａの出力のグラフの形状とは、線対称の関係となる。

図６（ａ）−（ｄ）は、第１光学素子１９ａに走査ビームが当たったときの別の様子を示す図であり、走査ビームが第１光学素子１９ａの上下方向の望ましい位置からずれて当たったときの様子を示す図である。

図６（ａ）は、第１光学素子１９ａに走査ビームが当たったときの別の様子を示す上面図であり、図５（ａ）に示す例と比較して、走査ビームが垂直方向上側にずれて第１光学素子１９ａに当たったときの様子を示す図である。また図６（ｂ）は、図５（ｂ）と同様に、第１光学素子１９ａと第１光検出器２０ａとを、走査ビームの進行方向に平行な平面で切断した断面図である。図６（ｂ）に示すように、左側走査ビーム３５Ｌのほとんどは第１検出器２０１ａに入射し、第２検出器２０２ａにはほとんど入射しない。一方、図６（ｂ）に示す例では、右側走査ビーム３５Ｒは、第１検出器２０１ａと第２検出器２０２ａとにほぼ均等に入射する。

図６（ｃ）は、図６（ｂ）における第１検出器２０１ａと第２検出器２０２ａとに入射する走査ビームを示す上面図であり、図６（ｄ）は、図６（ｃ）に示す第１検出器２０１ａと第２検出器２０２ａとのそれぞれの出力を模式的に示す図である。図６（ｃ）に示すように、左側走査ビーム３５Ｌおよび右側走査ビーム３５Ｒの光量を加算すると、第１検出器２０１ａの方が第２検出器２０２ａよりも当たる光量が多くなる。この結果、図６（ｄ）に示すように、第１検出器２０１ａの出力の方が、第２検出器２０２ａの出力と比較して増加する。

そこで走査制御部１４０は、第１検出器２０１ａの出力と第２検出器２０２ａの出力とを取得する。走査制御部１４０は、第１検出器２０１ａの出力と第２検出器２０２ａの出力との差を取ることによって、いわば光ディスクのトラッキングにおけるプッシュプル信号のように、上下方向のビームのずれを信号に置き換える。なおこの場合、第１検出器２０１ａにビームが入射するタイミングと、第２検出器２０２ａにビームが入射するタイミングがずれるため、出力をいったんＤＤＲメモリ１５０等の作業用メモリに蓄えて加算してから、差を取って信号に置き換える。

走査制御部１４０は、ビームの走査の垂直方向のずれ量を解消するように走査光学系を制御して、ビームの走査位置を修正させる。具体的には、マイコン１５４は、走査制御部１４０に、検出したずれ量を解消するように垂直走査ミラー１７９を駆動させる駆動電圧（駆動信号）にプラスまたはマイナスのバイアスを印加させる。図６に示す例では、ビームの走査は垂直方向上側にずれているため、走査制御部１４０は、垂直走査ミラー１７９を駆動させる駆動電圧にマイナスのバイアスを印加し、ビームの走査を下側にずらす。これにより、図５に示すように走査ビームが第１光学素子１９ａの上下方向の望ましい位置に当たるように修正することができる。

なお、上記では走査ビームの入り口側に設置された第１光検出器２０ａについて説明したが、出口側に設置された第２光検出器２０ｂについても同様であることは、当業者であれば容易に理解されることである。

走査ビームの横方向のタイミングについては、走査ビームが入射した信号を検出後、所定の時間経過した時点で光源を発光させるように制御すればよい。特に図４および図５に示す例では、入り口側に設置された第１光学素子１９ａの横方向位置が、第１画素３２用マイクロレンズと同じ横方向位置にあるので、第１光検出器２０ａで検出されたタイミングと同じタイミングで光源を発光させれば、画素とマイクロレンズの位置が合う。出口側に設置された第２光検出器２０ｂについても同様である。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る画像表示装置１０によれば、マイクロレンズアレイ１２と走査ビームの走査位置とを正確に合わせることができる。これにより、レーザ光源部１６４の光を効率よくユーザＰの眼ＰＥの方向に導きくことができる。さらに、ビームの走査で形成する画像の解像度を抑制したり、混色の少ない画像を提供したりすることができる。

なお、上記の例では、第１光検出器２０ａと第２光検出器２０ｂとの二つの光検出器を設ける場合について説明した。しかしながら、どちらか一方を省いて、片方の光検出器だけで用いることも可能である。また、マイクロレンズアレイ１２の横方向中央上部や下部に、上下方向のレンズピッチの整数倍プラス０．５ピッチ離れた位置に、光検出器２０用のマイクロレンズを一個、マイクロレンズアレイ１２と一体に設置しても、上述と同様の方法で、走査ビームの位置を検出することができる。

以上、走査型の画像表示装置１０のＮＡ拡大素子１６周辺の構成に的を絞って説明したが、これを搭載する走査型の画像表示装置１０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、それらの光源を混合して概ね平行ビームにする光学系などを備える。しかしながら、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、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、マイクロレンズ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を検出部マイクロレンズやＭＬＡのレンズの代わりに設置することにより、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。

（第１の変形例）
図７は、第１の変形例に係るＮＡ拡大素子１６の概略構成を模式的に示す図である。第１の変形例に係るＮＡ拡大素子１６においては、図４に示すＮＡ拡大素子１６とは異なり、第１光学素子１９ａを一つだけ備える。この場合、図４に示す第１光検出器２０ａに対応する検出部マイクロレンズの上下方向の中間の位置、すなわち、マイクロレンズアレイの上下方向のレンズピッチの整数倍プラス０．５ピッチ離れた位置に、第１光学素子１９ａをマイクロレンズアレイ１２と一体に設置している。

図８（ａ）−（ｈ）は、第１の変形例に係るＮＡ拡大素子１６において、第１光学素子１９ａに走査ビームが当たったときの様子を示す図である。具体的に、図８（ａ）−（ｄ）は走査ビームが第１光学素子１９ａの上下方向の望ましい位置に当たったときの様子を示し、図８（ｅ）−（ｈ）は走査ビームが第１光学素子１９ａの上下方向の望ましい位置からずれて当たったときの様子を示す図である。

図８（ａ）に示すように、走査ビームが第１光学素子１９ａの上下方向の望ましい位置に当たると、図８（ｂ）および（ｃ）に示すように、左側走査ビーム３５Ｌおよび右側走査ビーム３５Ｒの光量を加算すると、第１検出器２０１ａおよび第２検出器２０２ｂの上下に均等に光が当たる。このため図８（ｄ）に示すように、第１検出器２０１ａおよび第２検出器２０２ｂは、共に同じ出力が得られる。一方、図８（ｅ）の場合は、走査ビームが垂直方向上側にずれている。この結果、図８（ｆ）および（ｇ）に示すように、左側走査ビーム３５Ｌおよび右側走査ビーム３５Ｒの光量を加算すると、第２検出器２０２ａの方が、第１検出器２０１ａと比較して、多くの光が当たる。これにより、図８（ｈ）に示すように、第２検出器２０２ａ側の出力が増える。これらの出力の差を取ることによって、上述の方法と同じように、走査ビームの垂直方向のずれを検出することができる。出口側に設置された第２光検出器２０ｂについても同様である。

（第２の変形例）
図９は、第２の変形に係るＮＡ拡大素子１６の概略構成を模式的に示す図である。第２の変形例に係るＮＡ拡大素子１６も、第１の変形例に係るＮＡ拡大素子１６と同様に、第１光検出器２０ａに対応するマイクロレンズを一つだけ備える。しかしながら、第２の変形例に係るＮＡ拡大素子１６は、第１の変形例に係るＮＡ拡大素子１６とは異なり、入り口側に設置された第１光学素子１９ａは、第１画素３２のすぐ手前に一つだけ設置される。また第１光学素子１９ａは、第１画素３２に対して、上下方向に０．５ピッチ分ずれて配置される。

なお、第２の変形例に係る構成においても、走査ビームの垂直方向のずれの検出方法は、第１の変形例に係る構成と同様である。第２の変形例に係る構成は、実施の形態に係るＮＡ拡大素子１６や第１の変形例に係るＮＡ拡大素子１６と比較して、ＮＡ拡大素子１６全体の高さを低くすることができるので、特に高さ方向に余裕のないシステムでも設置しうる点で有利である。

また、第１、第２の変形例において、走査ビームの垂直方向のずれの検出方法として、検出器を四分割して、光ディスクのトラッキング信号検出方法であるＤＰＤ法（Differential Phase Detection）を用いることも考えられる。この方法は、走査ビームの位置を検出するために集光作用を持つ光学素子をＮＡ変換素子と一体に設けることにおいて、本質的に本はつん名と同じである。さらに、四分割検出器の縦方向即ち走査ビーム進行方向に直角な方向の分割を利用して、ビームの進行方向の位置の検出に利用することも考えられるが、これも本質的に本発明と同じである。

１ 画像表示システム、 １０ 画像表示装置、 １２ マイクロレンズアレイ、 １６ ＮＡ拡大素子、 １８ 結像光学系、 １９ 光学素子、 ２０ 光検出器、 ２１ 中間像面、 ２２ 射出瞳位置、 １００ 画像光射出ユニット、 １１０ 制御部、 １２０ 画像処理部、 １３０ レーザ光制御部、 １４０ 走査制御部、 １５０ メモリ、 １５４ マイコン、 １６０ レーザドライバ、 １６２ レーザダイオード、 １６４ レーザ光源部、 １６５ コリメータレンズ、 １７０ 走査光学系、 １７３ スキャナドライバ。

Claims (5)

1. 干渉性を持つ光を照射する光源が照射するビームを走査して中間像を生じさせる走査光学系と、
   集光作用を持つ光学素子と、
   前記光学素子が集光した前記ビームの光を検出する光検出器と、
   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、
   前記光学素子は、前記ＮＡ変換素子の外周部の外側に設けられ、前記ＮＡ変換素子と一体に設けられることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記走査光学系は、前記ビームを水平方向に走査して得られる走査線をさらに垂直方向に走査するラスタスキャン方式でビームを走査し、
   前記光検出器は、第１検出器と、前記第１検出器に対して垂直方向下側に配置された第２検出器との、２つの検出器を備えることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記走査光学系の動作を制御する走査制御部をさらに備え、当該走査制御部は、
   前記光検出器の検出結果をもとに、前記光源が照射するビームの走査の垂直方向のずれ量を取得し、取得したずれ量を解消するように前記走査光学系を制御して、前記光源が照射するビームの走査位置を修正させることを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
4. 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から３のいずれかに記載の画像表示装置。
5. 走査型の画像表示装置が実行する射出瞳拡大方法であって、当該方法は、
   干渉性を持つ光を照射する光源が照射するビームを走査し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、
   前記ＮＡ変換素子の外周部の外側に一体に設けられた光学素子が集光した前記ビームの光を検出するステップと、
   前記光学素子が集光した前記ビームの光に基づき、前記ビームの走査位置を修正するステップと
   を備えることを特徴とする射出瞳拡大方法。

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