JP2021056278A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックルノイズによる画質の低下を低減できる表示装置を提供する。【解決手段】本発明の表示装置は、レーザー光源部と、レーザー光源部から射出されたレーザー光を反射するＭＥＭＳミラーと、を有し、画像光を生成する画像光生成部と、画像光生成部からの画像光の光束径を拡大する瞳拡大素子と、導光板と、導光板の光入射部に設けられ、瞳拡大素子を経由した画像光を導光板内に入射させる第１の表面レリーフ型回折格子と、導光板の光射出部に設けられ、導光板内を伝搬した画像光を射出させる第２の表面レリーフ型回折格子と、を備え、画像光生成部は、画像光におけるスペックルノイズを低減するスペックルノイズ低減手段を有していることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、表示装置に関する。

近年、ヘッドマウントディスプレイ等の装着型の表示装置が注目されている。このような表示装置として、導光板の表面に形成された入射側回折素子及び射出側回折素子を備え、入射側回折素子から導光体内に取り込んだ画像光を伝搬させて射出側回折素子から外部に取り出すことで虚像を表示する技術がある（例えば、下記特許文献１参照）。

上記の表示装置では、レーザー光源とＭＥＭＳミラーとで構成された画像生成部から射出した光ビームを瞳拡大素子に入射させることで画像光を観察可能な瞳位置の範囲を拡げている。

米国特許出願公開第２０１７／０２９９８６０号明細書

しかしながら、上記表示装置においては、瞳拡大素子により画像光の角度分布が拡がる過程で、瞳拡大素子自体が散乱源となりスペックルノイズが発生してしまい、画質を低下させるという問題があった。

上記の課題を解決するために、本発明の第１態様の表示装置は、レーザー光源部と、前記レーザー光源部から射出されたレーザー光を反射するＭＥＭＳミラーと、を有し、画像光を生成する画像光生成部と、前記画像光生成部からの前記画像光の光束径を拡大する瞳拡大素子と、導光板と、前記導光板の光入射部に設けられ、前記瞳拡大素子を経由した前記画像光を前記導光板内に入射させる第１の表面レリーフ型回折格子と、前記導光板の光射出部に設けられ、前記導光板内を伝搬した前記画像光を射出させる第２の表面レリーフ型回折格子と、を備え、前記画像光生成部は、前記画像光におけるスペックルノイズを低減するスペックルノイズ低減手段を有していることを特徴とする。

前記スペックルノイズ低減手段は、前記レーザー光源部に対して高周波重畳を行う高周波重畳回路を含む構成としてもよい。

前記スペックルノイズ低減手段は、前記レーザー光源部に対して温度調整を行う温度調整装置を含む構成としてもよい。

本発明の第２態様の表示装置は、レーザー光からなる画像光を射出するレーザー光源部と、前記画像光を反射するＭＥＭＳミラーとを有する画像光生成部と、前記画像光生成部からの前記画像光の光束径を拡大する瞳拡大素子と、前記瞳拡大素子を移動させる移動装置と、導光板と、前記導光板の光入射部に設けられ、前記瞳拡大素子を経由した前記画像光を前記導光板内に入射させる入射側回折素子と、前記導光板の光射出部に設けられ、前記導光板内を伝搬した前記画像光を射出させる射出側回折素子と、を備えることを特徴とする。

前記画像光生成部は、前記ＭＥＭＳミラーの回転角度情報に基づいて前記レーザー光源部から射出する前記レーザー光の出力を制御する構成としてもよい。

前記レーザー光源部は、同一波長の前記レーザー光を射出する複数のレーザー光源を含む構成としてもよい。

前記レーザー光源部は、異なる波長の前記レーザー光を射出する複数のレーザー光源を含む構成としてもよい。

前記レーザー光源部は、自励発振型レーザーである構成としてもよい。

第１実施形態の表示装置を観察者が装着した状態を示す図である。 表示装置の斜視図である。 画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。 導光板における光の伝搬を示す断面図である。 第２実施形態の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。 第１変形例の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。 第２変形例の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。 第３変形例の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。 第３実施形態の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。 第４変形例の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。 レーザー光のスペクトル分布とスペックルノイズとの説明図である。 レーザー光のスペクトル分布とスペックルノイズとの説明図である。 第５変形例の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。 第６変形例の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。 第４実施形態の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。 第５実施形態の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。 射出側回折素子の伝搬角と回折効率との関係を示した図である。 導光板内伝搬角と瞳入射光量との関係を示す図である。 フィードバック制御後の伝搬角と瞳入射光量との関係を示す図である。 第６実施形態の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。 第７変形例の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第１実施形態）
本実施形態の表示装置は、画像とともに外界も見ることができるシースルー型のヘッドマウントディスプレイである。すなわち、観察者に虚像としての映像を認識させるとともに、観察者に外界像をシースルー光として観察させる。

図１は、観察者が本実施形態の表示装置を装着した状態を示す図である。図２は、本実施形態の表示装置の斜視図である。
図１に示すように、本実施形態の表示装置１００は、観察者Ｍが眼鏡を掛ける感覚で頭部に装着して使用するものである。
図２に示すように、表示装置１００は、眼鏡に類似した形状を有する表示部１１１と、観察者が手で持つことが可能な程度の大きさを有するコントローラー１６０と、を備えている。表示部１１１とコントローラー１６０とは、有線または無線で通信可能に接続される。本実施形態では、表示部１１１を構成する左眼用画像表示部１１１Ａおよび右眼用画像表示部１１１Ｂの各々とコントローラー１６０とは、ケーブル１５０を介して有線で通信可能に接続され、画像信号や制御信号を通信する。

表示部１１１は、メインフレーム１２０と、左眼用画像表示部１１１Ａと、右眼用画像表示部１１１Ｂと、を備えている。コントローラー１６０は、表示画面部１７０と、操作ボタン部１８０と、を備えている。

表示画面部１７０は、例えば観察者に与える各種の情報や指示等を表示する。メインフレーム１２０は、観察者が耳に掛けるための一対のテンプル部１２２Ａ，１２２Ｂを備えている。メインフレーム１２０は、左眼用画像表示部１１１Ａと、右眼用画像表示部１１１Ｂと、を支持する部材である。

右眼用画像表示部１１１Ｂと左眼用画像表示部１１１Ａとは、同様の構成を有しており、双方の表示部１１１内の各構成要素は左右対称に配置されている。そのため、以下では、左眼用画像表示部１１１Ａを単に画像表示部１１２として詳細に説明し、右眼用画像表示部１１１Ｂの説明を省略する。

図３は画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。
図３に示すように、画像表示部１１２は、画像光生成部１０と、瞳拡大素子１８と、リレーレンズ１９と、導光板２０と、入射側回折素子２１と、射出側回折素子２２と、を有する。

画像光生成部１０は、レーザー光源部１１と、集光光学系１２と、ＭＥＭＳミラー１３と、駆動回路部１４と、を有する。レーザー光源部１１は、単一波長のレーザー光を射出する半導体レーザーである。本実施形態において、レーザー光源部１１は、例えば単色のレーザー光を射出する。集光光学系１２は、レーザー光源部１１から射出された光をＭＥＭＳミラー１３に導く。集光光学系１２は２枚のレンズ１２ａ，１２ｂで構成される。

ＭＥＭＳミラー１３はマイクロミラーで構成される。ＭＥＭＳミラー１３は、所定の回転軸周りに回転することで、集光光学系１２を経由したレーザー光を反射して瞳拡大素子１８に入射させる。駆動回路部１４は、レーザー光源部１１の駆動およびＭＥＭＳミラー１３の回転角を制御する。駆動回路部１４は、例えば、アナログ回路やＣＰＵ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣなどを用いたディジタル回路で構成される。

画像光生成部１０は、レーザー光源部１１から射出したレーザー光をＭＥＭＳミラー１３により走査することで単色（例えば、緑色）の画像光Ｇを生成し、画像光Ｇを導光板２０に時間順次で入射させる。そのため、画像光Ｇは導光板２０に対して所定の振幅（振角）を持った状態で入射される。なお、赤色、緑色及び青色のレーザー光を射出するレーザー光源部１１を用いることでフルカラーの画像光を生成してもよい。

瞳拡大素子１８は、例えば、マイクロレンズアレイ、回折光学素子あるいは拡散板等で構成される。瞳拡大素子１８はＭＥＭＳミラー１３で反射されたレーザー光のビーム拡散角を拡大して射出する。

本実施形態の画像光生成部１０は、瞳拡大素子１８と、リレーレンズ１９によって画像光Ｇの光束径を拡大することで画像光Ｇが形成する射出瞳の大きさを拡大する。これにより、画像光Ｇを観察可能な観察者Ｍの眼ＭＥの瞳位置の範囲を拡げることができる。

ここで、理想的に上記瞳拡大素子１８を精度良く作製することが望ましい。例えば、マイクロレンズアレイにより瞳拡大素子１８を構成する場合、実際は作製誤差も影響して各レンズのつなぎ目などで微小な凹凸構造が生じてしまう。このような微小な凹凸構造はレーザー光の散乱源となる。その結果、散乱光が目の網膜上で干渉しスペックルノイズが発生し画質の低下を生じさせるおそれがある。

これに対して本実施形態の画像光生成部１０は、レーザー光源部１１における高いコヒーレンスを低減させる手段として高周波重畳回路１４ａを有している。高周波重畳回路１４ａは駆動回路部１４に含まれる。半導体レーザーの基本特性として、電流投入後から数ナノ秒まではレーザー発振状態が不安定となりシングルモードレーザーであってもＬＥＤと同様のマルチモード発振状態となることが知られている。

高周波重畳回路１４ａは、例えば、レーザー光源部１１を構成する半導体レーザーの駆動電流に対して２００〜５００ＭＨｚの高周波信号Ｓを重畳することで、マルチモード発振の状態を継続させることができる。これにより、高周波重畳を用いないシングルモードレーザーと比較して、レーザー光のコヒーレンスを低下させることができる。

このように本実施形態の画像光生成部１０によれば、高周波信号を重畳することでコヒーレンスを低下させた画像光Ｇが瞳拡大素子１８に入射するので、瞳拡大素子１８を通過することによる画像光Ｇにおけるスペックルノイズの発生を低減できる。すなわち、本実施形態の画像光生成部１０において、高周波重畳回路１４ａは画像光Ｇにおけるスペックルノイズを低減するスペックルノイズ低減手段として機能する。

本実施形態の導光板２０は透明な光学ガラスである。なお、導光板２０は、透明な光学プラスチックを用いることもでき、環状ポリオレフィンポリマー樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネートなどを用いることもできる。

導光板２０は光入射部２０ａと光射出部２０ｂとを含む。入射側回折素子２１は、導光板２０の光入射部２０ａに設けられる。射出側回折素子２２は、導光板２０の光射出部２０ｂに設けられる。

入射側回折素子２１は画像光Ｇを回折させて導光板２０内に入射させる。導光板２０は、後述のように内部に導入した画像光Ｇを全反射で伝搬させる。本実施形態において、画像光Ｇは、例えば導光板２０内を左右方向に伝播する。射出側回折素子２２は、導光板２０内を全反射で伝搬した画像光Ｇを取り出して観察者Ｍの眼ＭＥに導く。画像光Ｇは観察者Ｍの眼ＭＥに虚像として視認される。

本実施形態において、入射側回折素子（第１の表面レリーフ型回折格子）２１は表面レリーフ型回折格子で構成される。また、射出側回折素子（第２の表面レリーフ型回折格子）２２は表面レリーフ型回折格子で構成される。表面レリーフ型回折格子で構成された入射側回折素子２１及び射出側回折素子２２は広い角度範囲に渡って高い回折効率を維持できる。

図４は導光板２０における光の伝搬を示す断面図である。図４では、図を簡略化するため、導光板２０に入射する画像光Ｇについて主光線のみで示している。
図４に示すように、画像光Ｇは入射角θ_１からθ_２の角度範囲で導光板２０の入射側回折素子２１に入射する。ここで、入射角θ_１は、入射側回折素子２１に入射する画像光Ｇにおいて、入射側回折素子２１の法線２１Ｈに対して射出側回折素子２２に近づく向きから入射する光線の入射角のうちで絶対値が最も大きいものである。入射角θ_２は、入射側回折素子２１に入射する画像光Ｇにおいて、入射側回折素子２１の法線２１Ｈに対して射出側回折素子２２から離れる向きから入射する光線の入射角のうちで最も絶対値が大きいものである。

入射角θ_１及び入射角θ_２は入射側回折素子２１の法線２１Ｈに対して時計回りの方向を正とする。そのため、入射角θ_１及び入射角θ_２は絶対値が同じであって、法線２１Ｈに対して反時計回りの方向である入射角θ_１は負の値となり、法線２１Ｈに対して時計回りの方向である入射角θ_２は正の値となる。
以下では、便宜上、入射角θ_１を最小入射角θ_ｍｉｎと称し、入射角θ_２を最大入射角θ_ｍａｘと称すこともある。

入射側回折素子２１で回折されて導光板２０内に入射した画像光Ｇは、導光板２０の表面２０ｃで全反射されることで導光板２０内を所定の伝搬角で伝搬する。ここで、画像光Ｇの伝搬角とは、導光板２０の表面２０ｃに対する画像光Ｇの入射角である。

入射側回折素子２１に対して最小入射角θ_ｍｉｎで入射した画像光Ｇ１は、入射側回折素子２１で回折されて導光板２０内を最小伝搬角θｄ_minで伝搬する。本実施形態において、最小伝搬角θｄ_minは導光板２０の臨界角より大きく設定され、画像光Ｇ１は導光板２０内を全反射しながら伝搬する。最小伝搬角θｄ_minで導光板２０内を伝搬する画像光Ｇ１は導光板２０の表面２０ｃに対して立った状態で伝搬する。

また、入射側回折素子２１に対して最大入射角θ_ｍａｘで入射した画像光Ｇ２は、入射側回折素子２１で回折されて導光板２０内を最大伝搬角θｄ_maxで伝搬する。本実施形態において、最大伝搬角θｄ_maxは導光板２０の臨界角より大きく設定されるため、画像光Ｇ１は導光板２０内を全反射しながら伝番する。最大伝搬角θｄ_maxで導光板２０内を伝搬する画像光Ｇ２は導光板２０の表面２０ｃに対して寝た状態で伝搬する。

なお、入射側回折素子２１に対して最小入射角θ_ｍｉｎと最大入射角θ_ｍａｘとの間の入射角０°で入射した画像光Ｇ３は、入射側回折素子２１で回折されて導光板２０内を最小伝搬角θｄ_minと最大伝搬角θｄ_maxとの間の伝搬角θｄ_０で伝搬する。本実施形態において、伝搬角θｄ_０は導光板２０の臨界角より大きく設定され、画像光Ｇ３は導光板２０内を全反射しながら伝搬する。

画像光Ｇ１〜Ｇ３は導光板２０内を全反射しながら伝番し、射出側回折素子２２で回折されて外部に取り出される。本実施形態において、入射側回折素子２１及び射出側回折素子２２の格子周期は同じである。そのため、射出側回折素子２２から射出される画像光Ｇ１〜Ｇ３の射出角度は、入射側回折素子２１に入射する画像光Ｇ１〜Ｇ３の入射角とそれぞれ同じである。したがって、θ_ｍａｘ−θ_ｍａｘが虚像の大きさを決める画像光Ｇの画角となる。

以上述べたように本実施形態の画像表示部１１２によれば、画像光生成部１０の高周波重畳回路１４ａがスペックルノイズ低減手段として機能することで、スペックルノイズによる画質の低下を抑制できる。
また、本実施形態の画像表示部１１２は、スペックルノイズの発生を抑制しつつ、瞳拡大素子１８によって画像光Ｇが形成する射出瞳の大きさを拡大させることができる。よって、本実施形態の画像表示部１１２を備える表示装置１００によれば、スペックルノイズを低減した質の高い画像光Ｇを観察者の眼に広い範囲で視認させる信頼性の高いものとなる。

（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。
第２実施形態の表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、画像表示部の構成が第１実施形態と異なる。以下、表示装置の全体構成の説明は省略し、画像表示部について説明する。なお、第１実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細については説明を省略する。

図５は本実施形態の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。
図５に示すように、本実施形態の画像表示部２１２は、画像光生成部２１０と、瞳拡大素子１８と、リレーレンズ１９と、導光板２０と、入射側回折素子２１と、射出側回折素子２２と、を有する。

画像光生成部２１０は、レーザー光源部２１１と、集光光学系１２と、ＭＥＭＳミラー１３と、駆動回路部２１４と、を有する。本実施形態において、駆動回路部２１４は、レーザー光源部２１１の駆動およびＭＥＭＳミラー１３の回転角を制御するための回路を含み、上述の高周波重畳回路は含まない。

ここで、互いに独立したレーザー素子を用いてレーザーアレイ光源を構成した場合、例えば、レーザー素子の数をｎ個とした際にスペックルノイズの指標であるスペックルコントラストはｎの−１／２乗倍となる。スペックルコントラストの値が小さいほどスペックルノイズの視認性は低下する。そのため、レーザー素子の数が多くなるほどスペックルノイズの低減が可能となる。

本実施形態のレーザー光源部２１１は、互いに独立した複数の半導体レーザー２１１ａを用いて構成されたレーザーアレイ光源である。すなわち、レーザー光源部２１１は、単一波長（例えば、緑色）のレーザー光を射出する半導体レーザー（レーザー光源）２１１ａをアレイ状に配置した構造を有する。なお、図５は半導体レーザー２１１ａを４個のみ示しているが、半導体レーザー２１１ａの数はこれに限られず、要求されるスペックルノイズの低減度合いに応じた数が設けられる。

集光光学系１２のレンズ１２ａは、レーザー光源部２１１から射出された光線束を飲み込み可能な大きさに設定されている。

画像光生成部２１０は、レーザー光源部２１１から射出される複数のレーザー光線からなる光線束をＭＥＭＳミラー１３によって走査することで単色（緑色）の画像光Ｇを生成する。

このように本実施形態の画像光生成部２１０によれば、レーザー光源部２１１をアレイ光源で構成することで、単一の半導体レーザーをレーザー光源部とした場合よりも画像光Ｇにおけるスペックルノイズの発生を低減できる。すなわち、本実施形態の画像光生成部２１０において、レーザー光源部２１１によるアレイ光源構造は画像光Ｇにおけるスペックルノイズを低減するスペックルノイズ低減手段として機能する。よって、本実施形態の画像光生成部２１０はスペックルノイズ低減手段を有している。

以上述べたように本実施形態の画像表示部２１２によれば、アレイ光源からなるレーザー光源部２１１を備えることで、スペックルノイズによる画質の低下を抑制できる。
また、本実施形態の画像表示部２１２は、スペックルノイズの発生を抑制しつつ、瞳拡大素子１８によって画像光Ｇが形成する射出瞳の大きさを拡大させることができる。
よって、本実施形態の画像表示部２１２を備える表示装置によれば、スペックルノイズを低減した質の高い画像光Ｇを観察者の眼に広い範囲で視認させることができる。

（第１変形例）
続いて、本発明の第１変形例について説明する。本変形例は、第２実施形態に関する第１変形例である。以下、第２実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細については説明を省略する。

図６は本変形例の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。
図６に示すように、本変形例の画像表示部２１２Ａは、画像光生成部２１０Ａと、瞳拡大素子１８と、リレーレンズ１９と、導光板２０と、入射側回折素子２１と、射出側回折素子２２と、を有する。

画像光生成部２１０Ａは、レーザー光源部２１１と、集光光学系１２と、ＭＥＭＳミラー１３と、駆動回路部２１４と、温度調整装置２１５と、を有する。温度調整装置２１５は、レーザー光源部２１１を構成する各半導体レーザー２１１ａの温度を個別に調整可能である。

ここで、半導体レーザーは温度上昇によって発振波長が長波長側へシフトする特性を持つ。温度調整装置２１５は、隣接する半導体レーザー２１１ａに対して温度を少しずつ変化させる。
温度調整装置２１５は、例えば、各半導体レーザー２１１ａの温度をＴ_１，Ｔ_２，Ｔ_３，Ｔ_４に設定する。これにより、発振波長を半導体レーザー２１１ａごとにずらすことができる。スペックルノイズは波長に依存して粒子径などパターンが変化する。

このように本変形例の画像光生成部２１０Ａによれば、半導体レーザー２１１ａごとの発振波長をずらすことで異なる波長のスペックルノイズを網膜上で重ね合わせることができる。これにより、スペックルノイズのランダム性を増加させ、より平坦化することができる。すなわち、本変形例の画像光生成部２１０Ａにおいて、温度調整装置２１５は画像光Ｇにおけるスペックルノイズを低減するスペックルノイズ低減手段として機能する。

（第２変形例）
続いて、本発明の第２変形例について説明する。本変形例は、第２実施形態に関する第２変形例である。以下、第２実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細については説明を省略する。

図７は本変形例の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。
図７に示すように、本変形例の画像表示部２１２Ｂは、画像光生成部２１０Ｂと、瞳拡大素子１８と、リレーレンズ１９と、導光板２０と、入射側回折素子２１と、射出側回折素子２２と、を有する。

画像光生成部２１０Ｂは、レーザー光源部２１１と、集光光学系１２と、ＭＥＭＳミラー１３と、駆動回路部２１４Ｂと、を有する。本変形例の画像光生成部２１０Ｂは高周波重畳回路２１４Ｂ１を有している。高周波重畳回路２１４Ｂ１は駆動回路部２１４Ｂに含まれる。高周波重畳回路２１４Ｂ１は、レーザー光源部２１１を構成する各半導体レーザー２１１ａの駆動電流に対して高周波信号を重畳する。

本変形例の画像光生成部２１０Ｂによれば、レーザー光源部２１１のアレイ光源化によるスペックル低減と高周波重畳によるマルチモード発振によるスペックル低減との相乗効果によってスペックルノイズのランダム性を増加させ、より平坦化することでスペックルノイズを低減できる。

（第３変形例）
続いて、本発明の第３変形例について説明する。本変形例は、第２実施形態に関する第３変形例であり、第１変形例及び第２変形例を組み合わせた構成を有する。以下、第２実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細については説明を省略する。

図８は本変形例の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。
図８に示すように、本変形例の画像表示部２１２Ｃは、画像光生成部２１０Ｃと、瞳拡大素子１８と、リレーレンズ１９と、導光板２０と、入射側回折素子２１と、射出側回折素子２２と、を有する。画像光生成部２１０Ｃは、レーザー光源部２１１と、集光光学系１２と、ＭＥＭＳミラー１３と、駆動回路部２１４Ｂと、温度調整装置２１５と、を有する。

本変形例の画像光生成部２１０Ｃによれば、アレイ光源によるスペックル低減、高周波重畳によるマルチモード発振によるスペックル低減、温度調整による波長シフトによるスペックル低減との相乗効果によってスペックルノイズのランダム性を増加させ、より平坦化することでスペックルノイズを低減できる。

（第３実施形態）
続いて、本発明の第３実施形態について説明する。
第３実施形態の表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、画像表示部の構成が第１実施形態と異なる。以下、表示装置の全体構成の説明は省略し、画像表示部について説明する。なお、第１実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細については説明を省略する。

図９は本実施形態の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。
図９に示すように、本実施形態の画像表示部３１２は、画像光生成部３１０と、瞳拡大素子１８と、リレーレンズ１９と、導光板２０と、入射側回折素子２１と、射出側回折素子２２と、を有する。

画像光生成部３１０は、レーザー光源部３１１と、集光光学系１２と、ＭＥＭＳミラー１３と、駆動回路部３１４と、を有する。レーザー光源部３１１は、互いに異なる波長のレーザー光を射出する複数の半導体レーザー３１１ａをアレイ状に配置した多波長アレイ構造を有する。なお、図９では半導体レーザー３１１ａを４個のみ示しているが、半導体レーザー３１１ａの数はこれに限られない。

各半導体レーザー３１１ａから射出されるレーザー光における波長差は、上述した温度調整装置によって生じる発振波長差と同程度以上である。すなわち、各半導体レーザー３１１ａから射出される光は波長が異なるものの、全体として同一色の光（例えば、緑色光）である。レーザー光源部３１１は、例えば、各半導体レーザー３１１ａから波長λ_１，λ_２，λ_３，λ_４の光を射出する。

集光光学系１２のレンズ１２ａは、レーザー光源部３１１から射出された光線束を飲み込み可能な大きさに設定されている。

画像光生成部３１０は、レーザー光源部３１１から射出したレーザー光をＭＥＭＳミラー１３により走査することで画像光Ｇを生成し、画像光Ｇを導光板２０に時間順次で入射させる。そのため、画像光Ｇは導光板２０に対して所定の振幅（振角）を持った状態で入射される。

上述したようにスペックルノイズは波長に依存してパターンが変化する。そのため、波長が異なる複数の半導体レーザー３１１ａによるスペックルパターンを重畳することでスペックルノイズを低減することが可能となる。

すなわち、本実施形態の画像光生成部３１０によれば、半導体レーザー３１１ａから射出するレーザー光の波長をずらすことで異なる波長のスペックルノイズを網膜上で重ね合わせることができる。これにより、スペックルノイズのランダム性を増加させ、より平坦化することができる。すなわち、本実施形態の画像光生成部３１０において、レーザー光源部３１１の多波長アレイ構造は画像光Ｇにおけるスペックルノイズを低減するスペックルノイズ低減手段として機能する。よって、本実施形態の画像光生成部３１０はスペックルノイズ低減手段を有している。

以上述べたように本実施形態の画像表示部３１２によれば、多波長アレイ光源からなるレーザー光源部３１１を備えることで、スペックルノイズによる画質の低下を抑制できる。
また、本実施形態の画像表示部３１２は、スペックルノイズの発生を抑制しつつ、瞳拡大素子１８によって画像光Ｇが形成する射出瞳の大きさを拡大させることができる。
よって、本実施形態の画像表示部３１２を備える表示装置によれば、スペックルノイズを低減した質の高い画像光Ｇを観察者の眼に広い範囲で視認させることができる。

（第４変形例）
続いて、本発明の第４変形例について説明する。本変形例は、第３実施形態に関する変形例である。以下、第３実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細については説明を省略する。

図１０は本変形例の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。
図１０に示すように、本変形例の画像表示部３１２Ａは、画像光生成部３１０Ａと、瞳拡大素子１８と、リレーレンズ１９と、導光板２０と、入射側回折素子２１と、射出側回折素子２２と、を有する。

画像光生成部３１０Ａは、レーザー光源部３１１と、集光光学系１２と、ＭＥＭＳミラー１３と、駆動回路部３１４と、温度調整装置３１５と、を有する。温度調整装置３１５は、レーザー光源部３１１を構成する各半導体レーザー３１１ａの温度を個別に調整可能である。温度調整装置３１５は、後述のように画像光Ｇにおけるスペックルノイズを低減するスペックルノイズ低減手段として機能する。

図１１Ａ及び図１１Ｂはレーザー光におけるスペクトル分布とスペックルノイズとの関係を説明するための図である。図１１Ａは離散的なスペクトル分布を示し、図１１Ｂは連続的なスペクトル分布を示している。なお、図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて横軸はレーザー光の波長を示し、縦軸はレーザー光の光強度を示している。

レーザー光源部３１１から射出されるレーザー光は、図１１Ａに示されるように離散的なスペクトル分布を持つ場合よりも、図１１Ｂに示されるように連続的に変化しかつ各波長で光強度がそろったトップハット型のスペクトル分布の方がスペックルノイズのランダム性が増加してスペックルの視認性が低下する。

なお、単一波長の光を射出するレーザーアレイ光源に温度勾配を付けることでも図１１Ｂに示した連続的に変化するスペクトル分布を得ることも可能であるが、調整温度が高い場合に射出されるレーザー光の光強度が低下してしまうという別の問題が生じる。

これに対して本変形例の画像光生成部３１０Ａは、温度調整装置３１５によって多波長アレイ光源を構成する各半導体レーザー３１１ａに温度勾配を付けるため、温度勾配範囲を狭くして調整温度を抑えることでレーザー光の強度低下の影響を抑えつつ、図１１Ｂに示したようなトップハット型のスペクトル分布を得ることでスペックルノイズを効果的に低減できる。

（第５変形例）
続いて、本発明の第５変形例について説明する。本変形例は、第３実施形態に関する別の変形例である。以下、第３実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細については説明を省略する。

図１２は本変形例の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。
図１２に示すように、本変形例の画像表示部３１２Ｂは、画像光生成部３１０Ｂと、瞳拡大素子１８と、リレーレンズ１９と、導光板２０と、入射側回折素子２１と、射出側回折素子２２と、を有する。

画像光生成部３１０Ｂは、レーザー光源部３１１と、集光光学系１２と、ＭＥＭＳミラー１３と、駆動回路部３１４Ｂと、を有する。本変形例の画像光生成部３１０Ｂは高周波重畳回路３１４Ｂ１を有している。高周波重畳回路３１４Ｂ１は駆動回路部３１４Ｂに含まれる。高周波重畳回路３１４Ｂ１は、レーザー光源部３１１を構成する各半導体レーザー３１１ａの駆動電流に対して高周波信号を重畳する。

本変形例の画像光生成部３１０Ｂによれば、レーザー光源部３１１の多波長アレイ光源化によるスペックル低減と高周波重畳によるマルチモード発振によるスペックル低減との相乗効果によってスペックルノイズのランダム性を増加させ、より平坦化することでスペックルノイズを低減できる。

（第６変形例）
続いて、本発明の第６変形例について説明する。本変形例は、第３実施形態に関する別の変形例である。以下、第３実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細については説明を省略する。

図１３は本変形例の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。
図１３に示すように、本変形例の画像表示部３１２Ｃは、画像光生成部３１０Ｃと、瞳拡大素子１８と、リレーレンズ１９と、導光板２０と、入射側回折素子２１と、射出側回折素子２２と、を有する。画像光生成部３１０Ｃは、レーザー光源部３１１と、集光光学系１２と、ＭＥＭＳミラー１３と、駆動回路部３１４Ｂと、温度調整装置３１５と、を有する。

本変形例の画像光生成部３１０Ｃによれば、レーザー光源部３１１の多波長アレイ光源化によるスペックル低減、高周波重畳によるマルチモード発振によるスペックル低減、レーザー光源部３１１の各半導体レーザー３１１ａの温度調整による波長シフトによるスペックル低減との相乗効果によってスペックルノイズのランダム性を増加させ、より平坦化することでスペックルノイズを低減できる。

（第４実施形態）
続いて、本発明の第４実施形態について説明する。
第４実施形態の表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、画像表示部の構成が第１実施形態と異なる。以下、表示装置の全体構成の説明は省略し、画像表示部について説明する。なお、第１実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細については説明を省略する。

図１４は本実施形態の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。
図１４に示すように、本実施形態の画像表示部４１２は、画像光生成部４１０と、瞳拡大素子１８と、リレーレンズ１９と、導光板２０と、入射側回折素子２１と、射出側回折素子２２と、を有する。

画像光生成部４１０は、レーザー光源部４１１と、集光光学系１２と、ＭＥＭＳミラー１３と、駆動回路部４１４と、を有する。本実施形態において、駆動回路部４１４は、レーザー光源部４１１の駆動およびＭＥＭＳミラー１３の回転角を制御するための回路を含み、高周波重畳回路は含まない。

本実施形態のレーザー光源部４１１は、自励発振型レーザー（セルフパルセーションＬＤ）である。自励発振レーザーは、高周波重畳回路を用いることなく半導体レーザー単体で数１００ＭＨｚの周波数でオンとオフが繰り返され、高周波重畳と同様のマルチモード発振状態を得ることが可能である。具体的に自励発振レーザーは、通常の半導体レーザーの構造において、活性層近傍に過飽和吸収体を設けたことを特徴とする光源であって、活性層へのキャリア注入開始直後は過飽和吸収体による吸収によりレーザー発振が妨げられるが、ある程度キャリアを注入し続けた際に、過飽和吸収体による吸収が飽和しレーザー発振に至る。しかし、レーザー発振直後にキャリアが一気に消費されることにより、再び過飽和吸収体による吸収が生じ、レーザー発振が止まることを数百ＭＨｚで繰り返す。

このように本実施形態の画像光生成部４１０によれば、レーザー光源部４１１を自励発振型レーザーで構成することで、高周波重畳回路を用いることなく、画像光Ｇにおけるスペックルノイズの発生を低減できる。すなわち、本実施形態の画像光生成部４１０において、自励発振型レーザーで構成されたレーザー光源部４１１は画像光Ｇにおけるスペックルノイズを低減するスペックルノイズ低減手段として機能する。よって、本実施形態の画像光生成部４１０はスペックルノイズ低減手段を有している。

以上述べたように本実施形態の画像表示部４１２によれば、自励発振型レーザーからなるレーザー光源部４１１を備えることで、スペックルノイズによる画質の低下を抑制できる。また、本実施形態の画像表示部４１２は、高周波重畳回路を用いることなくスペックルノイズを低減できるため、高周波重畳回路を用いる構造に比べて装置構成を小型化できる。
また、本実施形態の画像表示部４１２は、スペックルノイズの発生を抑制しつつ、瞳拡大素子１８によって画像光Ｇが形成する射出瞳の大きさを拡大させることができる。
よって、本実施形態の画像表示部４１２を備える表示装置によれば、スペックルノイズを低減した質の高い画像光Ｇを観察者の眼に広い範囲で視認させることができる。

（第５実施形態）
続いて、本発明の第５実施形態について説明する。
第５実施形態の表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、画像表示部の構成が第１実施形態と異なる。以下、表示装置の全体構成の説明は省略し、画像表示部について説明する。なお、第１実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細については説明を省略する。

図１５は本実施形態の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。
図１５に示すように、本実施形態の画像表示部５１２は、画像光生成部５１０と、瞳拡大素子１８と、リレーレンズ１９と、導光板２０と、入射側回折素子２１と、射出側回折素子２２と、を有する。

画像光生成部５１０は、レーザー光源部１１と、集光光学系１２と、ＭＥＭＳミラー１３と、駆動回路部５１４と、を有する。本実施形態において、駆動回路部５１４は、レーザー光源部１１の駆動およびＭＥＭＳミラー１３の回転角を制御する。駆動回路部５１４は、レーザー光源部１１における高いコヒーレンスを低減させる手段としての高周波重畳回路５１４ａを含む。

ところで、射出側回折素子２２の回折効率は導光板２０内における画像光Ｇの伝搬角度の大きさに応じて変化する。図１６は射出側回折素子における導光板内伝搬角と回折効率との関係を示した図である。具体的に図１６は射出側回折素子２２の回折効率の導光板内伝搬角依存性を示した図である。

図１６において、横軸は導光板２０における画像光Ｇの伝搬角を示し、縦軸は射出側回折素子２２の１次回折効率を示している。なお、射出側回折素子２２の１次回折効率とは、射出側回折素子２２で回折されることで導光板２０から外部に射出される１次回折光の割合を意味する。

図１６に示されるように、射出側回折素子２２は、導光板２０内を小さい伝搬角、すなわち図４に示した最小伝搬角θｄ_minに近い角度で伝搬する画像光Ｇに対する１次回折効率が高く、外部に効率良く射出する。また、射出側回折素子２２は、導光板２０内を大きい伝搬角、すなわち図４に示した最大伝搬角θｄ_maxに近い角度で伝播する画像光Ｇに対する１次回折効率が低く、外部への射出光量が低下する。

また、入射側回折素子２１も射出側回折素子２２と同様の特性を有しており、導光板２０内への入射回折効率が画像光Ｇの入射角度に依存する。

ここで、本実施形態のような表面レリーフ型回折素子を用いた導光板構造における導光板内伝搬角と瞳入射光量との関係について説明する。
図１７は、導光板内伝搬角と瞳入射光量との関係を示す図である。図１７において、横軸は観察者の瞳位置に相当し、縦軸は瞳に入射する光量に相当する。
図１７に示されるように、導光板２０内を伝搬する伝播角の大きさに依存して観察者の瞳に入射する光量に差が生じる。
ここで、画像光の伝搬角は瞳へ入射する際の画角に相当する。すなわち、図１７に示されるように伝播角の大きさによって瞳に入射する光量が変化する場合、観察者に観察される画像光には面内強度ムラが生じ、画質が低下してしまう。

これに対して本実施形態の画像光生成部５１０は、画像光Ｇの画角を決める導光板内伝搬角の大きさに応じて画像光Ｇを生成するレーザー光の強度を制御することで、画像光Ｇの面内強度ムラを低減している。

上述のように導光板２０内を伝搬する伝播角は入射側回折素子２１に対する画像光Ｇの入射角度によって決まる。入射側回折素子２１に対する画像光Ｇの入射角度はＭＥＭＳミラー１３の回転角度によって決まる。

本実施形態の画像光生成部５１０は、ＭＥＭＳミラー１３の回転角度情報に基づいてレーザー光源部１１から射出するレーザー光の出力を制御する。
本実施形態の画像光生成部５１０において、ＭＥＭＳミラー１３における回転角度情報及び駆動周波数情報が駆動回路部５１４の高周波重畳回路５１４ａにフィードバックされる。高周波重畳回路５１４ａは、フィードバックされたＭＥＭＳミラー１３の回転角度情報及び駆動周波数情報に基づいて、レーザー光源部１１から射出するレーザー光の出力を制御する。駆動回路部５１４の高周波重畳回路５１４ａは、図１５に示されるように、数１００ＭＨｚの高周波重畳信号Ｓ１に対してＭＥＭＳミラー１３のｋＨｚオーダーの駆動周波数信号Ｓ２を重ねた信号Ｓ３をレーザー光源部１１に供給する。

駆動回路部５１４は、観察者の瞳に強い強度で入射する画角の光を生成するＭＥＭＳミラー１３の回転角度に対応する駆動電流を弱め、観察者の瞳に弱い強度で入射する画角の光を生成するＭＥＭＳミラー１３の回転角度に対応する駆動電流を強める。

図１８は、駆動回路部５１４のフィードバック制御後における導光板内伝搬角と瞳入射光量との関係を示す図である。本実施形態の画像表示部５１２によれば、画像光生成部５１０において駆動回路部５１４によるフィードバック制御が行われるので、図１８に示すように伝播角の大きさによって瞳に入射する光量差を低減し、画像光Ｇの面内強度ムラを低減できる。

以上述べたように本実施形態の画像表示部５１２は、ＭＥＭＳミラー１３の回転角度情報に基づいてレーザー光源部１１から射出するレーザー光の出力を制御する画像光生成部５１０を備えることで、スペックルノイズによる画質の低下を抑制できるとともに、画像光Ｇの面内強度ムラを低減できる。
また、本実施形態の画像表示部５１２は、スペックルノイズの発生を抑制しつつ、瞳拡大素子１８によって画像光Ｇが形成する射出瞳の大きさを拡大させることができる。
よって、本実施形態の画像表示部５１２を備える表示装置によれば、スペックルノイズを低減した質の高い画像光Ｇを観察者の眼に広い範囲で視認させることができる。

（第６実施形態）
続いて、本発明の第６実施形態について説明する。
第６実施形態の表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、画像表示部の構成が第１実施形態と異なる。以下、表示装置の全体構成の説明は省略し、画像表示部について説明する。なお、第１実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細については説明を省略する。

図１９は本実施形態の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。
図１９に示すように、本実施形態の画像表示部６１２は、画像光生成部６１０と、瞳拡大素子６１８と、移動装置１５と、リレーレンズ１９と、導光板２０と、入射側回折素子２１と、射出側回折素子２２と、を有する。

画像光生成部６１０は、レーザー光源部１１と、集光光学系１２と、ＭＥＭＳミラー１３と、駆動回路部６１４と、を有する。本実施形態において、駆動回路部６１４は、レーザー光源部１１の駆動およびＭＥＭＳミラー１３の回転角を制御するための回路を含み、高周波重畳回路は含まない。

瞳拡大素子６１８は、透光性を有する円板６１８ａと、円板６１８ａの一面に設けられたマイクロレンズアレイ６１８ｂと、を有する。

移動装置１５は瞳拡大素子６１８を移動する装置である。本実施形態において、移動装置１５は、例えばモーターで構成される。移動装置１５は、瞳拡大素子６１８の円板６１８ａに取り付けられ、円板６１８ａを所定の回転軸Ｏの周りに回転させる。

本実施形態の画像光生成部６１０によれば、移動装置１５によりスペックルノイズの発生源となる瞳拡大素子６１８を回転させることによりスペックルパターンも回転に応じて変化する。変化したスペックルパターンは、人の眼の積算時間内で重畳されることで平均化されてスペックルを低減することが可能となる。すなわち、本実施形態の画像光生成部６１０において、移動装置１５は画像光Ｇにおけるスペックルノイズを低減するスペックルノイズ低減手段として機能する。
よって、本実施形態の画像光生成部６１０を備える表示装置によれば、スペックルノイズを低減した質の高い画像光Ｇを観察者の眼に広い範囲で視認させることができる。

なお、上記第１から第５実施形態及び第１から第６変形例の構成と本実施形態の構成を組み合わせてもよい。すなわち、各構成において、瞳拡大阻止を回転させるようにしてもよい。このようにすれば、画像光Ｇにおけるスペックルノイズをより低減することができる。

（第７変形例）
続いて、本発明の第７変形例について説明する。本変形例は、第６実施形態に関する別の変形例である。以下、第６実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細については説明を省略する。

図２０は本変形例の画像表示部の概略構成を示す水平断面図である。
図２０に示すように、本変形例の画像表示部６１２Ａは、画像光生成部６１０と、瞳拡大素子１８と、移動装置１５Ａと、リレーレンズ１９と、導光板２０と、入射側回折素子２１と、射出側回折素子２２と、を有する。

本変形例において、移動装置１５Ａは瞳拡大素子１８を移動する装置である。本実施形態において、移動装置１５Ａは、例えば揺動モーターで構成される。移動装置１５Ａは、瞳拡大素子１８に複数設けられてもよい。

スペックルパターンを時間変化させる手段として、第６実施形態のように瞳拡大素子を回転させる構成を採用した場合、１回転後は同じスペックルパターンの繰り返しとなる。これに対して本変形例の画像表示部６１２Ａによれば、瞳拡大素子１８内に搖動モーターを複数配置し、搖動方向と周期とを互いにずらすことで、表示されるスペックルパターンが繰り返しにならないようにすることができる。これにより、眼の積算時間内でより多くのパターンを平均化することになりスペックルノイズを効果的に低減することができる。

なお、上記第１から第５実施形態及び第１から第６変形例の構成と本実施形態の構成を組み合わせてもよい。すなわち、各構成において、瞳拡大阻止を揺動させるようにしてもよい。このようにすれば、画像光Ｇにおけるスペックルノイズをより低減することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、シースルー方式の表示装置を例に挙げたが、シースルー性を有しない表示装置にも本発明は適用可能である。

また、上記実施形態及び上記変形例の画像表示部では、画像光Ｇが導光板２０内を左右方向に導光して眼に入射する場合を例に挙げたが、画像光Ｇが上下方向に伝播して眼に入射するように導光板２０を配置してもよい。また、画像光Ｇを横方向に導光させた後、画像光Ｇを縦方向に導光することで観察者の眼に向けて射出するような形状の導光板を用いてもよい。

１０，２１０，２１０Ａ，２１０Ｂ，２１０Ｃ，３１０，３１０Ａ，３１０Ｂ，３１０Ｃ，４１０，５１０，６１０…画像光生成部、１１，２１１，３１１，４１１…レーザー光源部、１３…ＭＥＭＳミラー、１４ａ，５１４ａ，２１４Ｂ１，３１４Ｂ１…高周波重畳回路、１５，１５Ａ…移動装置、１８，６１８…瞳拡大素子、２０…導光板、２０ａ…光入射部、２０ｂ…光射出部、２０ｃ…表面、２１…入射側回折素子、２１…入射側回折素子（第１の表面レリーフ型回折格子）、２２…射出側回折素子、２２…射出側回折素子（第２の表面レリーフ型回折格子）、１００…表示装置、２１１ａ…半導体レーザー（レーザー光源）、Ｇ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３…画像光。

Claims (8)

1. レーザー光源部と、前記レーザー光源部から射出されたレーザー光を反射するＭＥＭＳミラーと、を有し、画像光を生成する画像光生成部と、
   前記画像光生成部からの前記画像光の光束径を拡大する瞳拡大素子と、
   導光板と、
   前記導光板の光入射部に設けられ、前記瞳拡大素子を経由した前記画像光を前記導光板内に入射させる第１の表面レリーフ型回折格子と、
   前記導光板の光射出部に設けられ、前記導光板内を伝搬した前記画像光を射出させる第２の表面レリーフ型回折格子と、を備え、
   前記画像光生成部は、前記画像光におけるスペックルノイズを低減するスペックルノイズ低減手段を有している
   ことを特徴とする表示装置。
2. 前記スペックルノイズ低減手段は、前記レーザー光源部に対して高周波重畳を行う高周波重畳回路を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記スペックルノイズ低減手段は、前記レーザー光源部に対して温度調整を行う温度調整装置を含む
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
4. レーザー光からなる画像光を射出するレーザー光源部と、前記画像光を反射するＭＥＭＳミラーとを有する画像光生成部と、
   前記画像光生成部からの前記画像光の光束径を拡大する瞳拡大素子と、
   前記瞳拡大素子を移動させる移動装置と、
   導光板と、
   前記導光板の光入射部に設けられ、前記瞳拡大素子を経由した前記画像光を前記導光板内に入射させる入射側回折素子と、
   前記導光板の光射出部に設けられ、前記導光板内を伝搬した前記画像光を射出させる射出側回折素子と、を備える
   ことを特徴とする表示装置。
5. 前記画像光生成部は、前記ＭＥＭＳミラーの回転角度情報に基づいて前記レーザー光源部から射出する前記レーザー光の出力を制御する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の表示装置。
6. 前記レーザー光源部は、同一波長の前記レーザー光を射出する複数のレーザー光源を含む
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の表示装置。
7. 前記レーザー光源部は、異なる波長の前記レーザー光を射出する複数のレーザー光源を含む
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の表示装置。
8. 前記レーザー光源部は、自励発振型レーザーである
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の表示装置。

Images