JP2022001958A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で高品位な画像を表示可能な表示装置を実現する。【解決手段】表示装置１００ｃは、光源１１１と第１光学系１２１と第１ミラー１３７と変換素子１６１、１６２と第２光学系１３６と第２ミラー１３８とを備える。光源は、光を出射する。第１光学系は、光源から出射される光を平行光もしくは収束光に変換する。第１ミラーは、第１軸周りに回動しながら、第１光学系を経た光を反射する。変換素子は、中心部と、中心部よりも外側の周辺部とを有し、第１ミラーで反射された光の進行方向を変換する。第２光学系は、変換素子を経た光を偏向させる。第２ミラーは、第１軸と直交する第２軸周りに回動しながら、第１光学系を経た光を反射する。変換素子は、第１ミラーで反射された光の進行方向の角度変化が中心部に比べて周辺部で大きくなるように、光の進行方向を変換する。【選択図】図６

Description

本開示は、ヘッドマウントディスプレイ（Ｈｅａｄ−Ｍｏｕｎｔ Ｄｉｓｐｌａｙ）等、眼の近傍に位置される表示装置に関する。

近年、テレビジョンやコンピュータのディスプレイに用いる表示装置として、大画面、高精細の表示装置が要求されている。液晶パネルやプラズマディスプレイパネルに代表される表示装置は、年々大型化、高精細化している。一方、小型の装置でありながら高精細かつ臨場感がある画像を表示することができ、バーチャルリアリティ用途にも適用できる表示装置も注目されている。

特許文献１は、臨場感のある、また眼が疲れ難く、見やすい画像を表示する表示装置を開示する。表示装置は、映像を表示する映像表示手段と、映像を所定の位置に投影する投影光学系とを有する。投影光学系は、映像を観察者の眼球内の網膜上に投影する接眼光学系と、周辺屈曲光学手段を備える。周辺屈曲光学手段は、周辺部を有すると共に、接眼光学系の光学面から所定の位置までの間に設けられている。光学面は、接眼光学系の光学面のうち、所定の位置の最も近くに位置する光学面である。周辺部は、周辺部の内側よりも大きな正の屈折力を有すると共に、周辺部の内側よりも大きな収差を発生させる。これにより、臨場感のある、また眼が疲れ難く、見やすい画像を表示する表示装置が得られる。

特許第３９４３６８０号公報

本開示は、簡素な構成で、実質的に高解像度で画角の広い画像を表示可能な表示装置を提供する。

本開示に係る表示装置は、光源と、第１光学系と、第１ミラーと、変換素子と、第２光学系と、第２ミラーと、を備える。光源は、光を出射する。第１光学系は、光源から出射される光を平行光もしくは収束光に変換する。第１ミラーは、第１軸周りに回動しながら、第１光学系を経た光を反射する。変換素子は、中心部と、中心部よりも外側の周辺部とを有し、第１ミラーで反射された光の進行方向を変換する。第２光学系は、変換素子を経た光を偏向させる。第２ミラーは、第１軸と直交する第２軸周りに回動しながら、第１光学系を経た光を反射する。変換素子は、第１ミラーで反射された光の進行方向の角度変化が中心部に比べて周辺部で大きくなるように、光の進行方向を変換する。

本開示によれば、簡素な構成で高品位な画像を表示可能な表示装置を実現できる。

図１は、第１の実施の形態における表示装置の構成の概略を示す図である。 図２Ａは、角度変換素子の構成の一例を示す図である。 図２Ｂは、角度変換素子の構成の一例を示す図である。 図３Ａは、従来の表示装置における描画画像を示す図である。 図３Ｂは、第１の実施の形態における表示装置における描画画像を示す図である。 図４は、人間の視野角と視力の関係を示す図である。 図５は、第２の実施の形態における表示装置の構成の概略を示す図である。 図６は、第３の実施の形態における表示装置の構成の概略を示す図である。 図７は、第４の実施の形態における表示装置の構成の概略を示す図である。 図８は、第４の実施の形態における表示装置を構成する導波路と眼の関係を示す図である。 図９は、第５の実施の形態における表示装置の構成の一部を示す図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（第１の実施の形態）
［１−１．構成］
図１は、第１の実施の形態に係る表示装置の構成の一例を示した図である。

表示装置１００は、光源１１１、１１２、１１３と、コリメートレンズ１２１、１２２、１２３と、プリズム１２４、１２５と、集光レンズ１２６と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー１３１と、角度変換素子１３２と、凹面ミラー１３３とを備える。各コリメートレンズは、第１光学系の一例である。凹面ミラー１３３は、第２光学系の一例である。集光レンズ１２６は、第３光学系の一例である。ＭＥＭＳミラー１３１は、第１ミラーの一例である。角度変換素子１３２は、変換素子の一例である。

表示装置１００は、Ｒ、Ｇ、Ｂのフルカラーを表示するために、光源１１１、１１２、１１３を有する。光源１１１、１１２、１１３は、それぞれ、青色光、緑色光、および赤色光を発する。光源１１１、１１２、１１３は、それぞれレーザ光源である。ここでは、レーザ光源として半導体レーザを用いている。光源１１１、１１２，１１３から出射される発散性の光はそれぞれ、コリメートレンズ１２１、１２２、１２３で平行光に変換される。平行光に変換された３つの光は、プリズム１２４とプリズム１２５を経て１つの光路を通るようになる。１つの光路を通る３つの光は、集光レンズ１２６で集光される。

コリメートレンズ１２１、１２２、１２３及び集光レンズ１２６の焦点距離には、特に制約は無い。表示装置１００の実用的な大きさと組み立て易さという観点で、各焦点距離は、２ｍｍ〜１００ｍｍ程度が好ましい。

集光レンズ１２６で集束光に変換された光は、ＭＥＭＳミラー１３１に入射する。ＭＥＭＳミラー１３１は、圧電駆動型であり、１枚の反射面１３１ａと、第１の駆動部および第２の駆動部（図示せず）を有する。第１の駆動部は、反射面１３１ａに沿った第１軸周りに、反射面１３１ａを回動させる。第２の駆動部は、反射面１３１ａに沿った、第１軸と光学的に見て直交する第２軸周りに、反射面１３１ａを回動させる。ＭＥＭＳミラー１３１は、反射面１３１ａを回動させて、反射面１３１ａの角度を変えられる反射角度可変なミラーである。第１の駆動部及び第２の駆動部にそれぞれ交流電圧を加えることで、反射面１３１ａの角度が変化する。

反射面１３１ａの形状は、直径約１ｍｍの円形である。集光レンズ１２６で集光された光の反射面１３１ａにおける大きさは、反射面１３１ａの面積よりも小さくなるようにしている。

図示していないが、光源１１１、１１２、１１３からＭＥＭＳミラー１３１に至る光路中に、アパーチャを設けることで、ＭＥＭＳミラー１３１に入射する光の大きさを所望の大きさに設定できる。アパーチャを設ける位置に特に制約は無い。

アパーチャをプリズム１２５と集光レンズ１２６の間に設けることで、１つのアパーチャで３つの光源１１１、１１２、１１３からそれぞれ出射される光の大きさを同じに且つ正確に設定できる。これにより、より安価な表示装置を提供できる。

集光レンズ１２６の焦点位置は、ＭＥＭＳミラー１３１の近傍に設定することが望ましい。集光レンズ１２６の焦点位置をＭＥＭＳミラー１３１の近傍に設定することで、ＭＥＭＳミラー１３１を構成する反射面１３１ａ上の光の大きさを小さくできる。反射面１３１ａ上の光の大きさが小さい程、反射面１３１ａの大きさも小さくできる。反射面１３１ａの大きさが小さい程、反射面１３１ａを高速に駆動できるので、高解像度の表示装置を提供できるようになる。

また、反射面１３１ａを高速に駆動すると、駆動に応じて発生した応力により反射面１３１ａにゆがみが発生することがあるが、反射面１３１ａが小さい程、そのゆがみ量は小さくなる。反射面１３１ａで発生するゆがみは、反射面１３１ａで反射される光に対して収差を付与する要因となるが、反射面１３１ａ上の光が小さい程、反射面１３１ａで反射される光に付与される収差は少なくなり、高画質の表示装置を提供できるようになる。

集光レンズ１２６の焦点位置は、ＭＥＭＳミラー１３１と角度変換素子１３２との間に設定してもよい。これより解像度の高い表示装置を提供することができる。しかしながら、集光レンズ１２６の焦点位置はこれに限定されない。所望の解像度と画質の表示が得られる条件で、適する位置に焦点を設定できる。

ＭＥＭＳミラー１３１の第１の駆動部は、約３０ｋＨｚの自己共振周波数を有し、この共振周波数と同じ周波数の信号で反射面１３１ａを駆動することで、少ない電力で大きな角度の変化を周期的に生じさせることができる。具体的には、第１の駆動部は共振周波数と同じ周波数の信号で反射面１３１ａを駆動することにより、±約１５゜の範囲で周期的に反射面１３１ａを回動させている。反射面１３１ａを第１軸周りに回動させることにより、水平方向の画像を形成している。

ＭＥＭＳミラー１３１の第２の駆動部は、約６００Ｈｚの自己共振周波数を有する。第２の駆動部は、この共振周波数とは異なる約６０Ｈｚの信号で反射面１３１ａを駆動することにより、±約７．５゜の範囲で周期的に反射面１３１ａを回動させている。反射面１３１ａを第２軸周りに回動させることにより、垂直方向の画像を形成している。

第２の駆動部において共振周波数で駆動するための信号の周波数よりも高く設定することにより、第２の駆動部を小さくできる。その結果、小型の表示装置を提供することができる。

表示装置１００の大きさに制限がない場合、第２の駆動部の共振周波数で駆動するための信号の周波数と一致させることで、消費電力の少ない表示装置を提供することができる。

２次元画像を形成するために、第１の駆動部に入力する信号の周期及び第２の駆動部に入力する信号の周期に同期して、光源１１１、１１２、１１３に変調が掛けられる。

第１の駆動部に入力する信号の１周期は、３０ｋＨｚの逆数の約３３μｓである。この周期の間に２０００画素に相当する変調を掛ける。１画素に対応する時間幅は約１６．５ｎｓである。なお、ＭＥＭＳミラー１３１は、往復の運動を行い、往路と復路の両方を利用しているが、往路と復路のうちの片側のみを利用しても構わない。その場合には、１画素に対応する時間幅は、１６．５ｎｓの１／２の約８．３ｎｓとなる。

今回の条件では、水平方向約２０００画素、垂直方向約１０００画素の画像、すなわち一般にフルＨＤ（ＦＨＤ）と呼ばれる水平方向１９２０画素、垂直方向１０８０画素の画像をフレームレート６０Ｈｚで表示することができる。

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、角度変換素子１３２は、互いに対向する第１の透過面１３２ａ（第１自由曲面の一例）と第２の透過面１３２ｂ（第２自由曲面の一例）を有する。角度変換素子１３２は、ＭＥＭＳミラー１３１で反射された光を第１の透過面１３２ａから入射して、第２の透過面１３２ｂから出射する。第１の透過面１３２ａおよび第２の透過面１３２ｂは、どちらも凹面の非球面である。第１の透過面１３２ａおよび第２の透過面１３２ｂは、凹面の自由曲面であってもよい。第１の透過面１３２ａの形状と第２の透過面１３２ｂの形状は、どちらも入射する光の角度をどのように偏向させるかに応じて決められる。角度変換素子１３２は、入射する光の位置と角度に応じて出射する光の角度の変化を異なせる。すなわち、角度変換素子１３２は、ＭＥＭＳミラー１３１で反射された光の進行方向を変換する。

ＭＥＭＳミラー１３１で反射された光は、角度変換素子１３２に入射して、入射した方向とは異なる方向に出射する。具体的には、ＭＥＭＳミラー１３１が形成する画像の中央部に相当する光の角度は、殆ど変化しない。一方、ＭＥＭＳミラー１３１が形成する画像の周辺部に相当する光の角度は、大きく変化する。角度の変化率は、１〜５倍程度に設定することが好ましく、ここでは最大で約２倍に設定している。

角度変換素子１３２を透過した光は、凹面ミラー１３３で反射されて、観察者の眼１４０に向かう。すなわち、凹面ミラー１３３は、角度変換素子１３２を透過した光を偏向させる。凹面ミラー１３３は、２次元状の自由曲面を持つ自由曲面ミラーであり、凹面ミラー１３３で反射した光を眼１４０の水晶体１４０ａに向かって収束していく光に変換する。

凹面ミラー１３３で反射され、眼１４０に向かった光は、眼１４０を構成する水晶体１４０ａ、硝子体１４０ｂを経た後、網膜１４０ｃに到達する。

網膜１４０ｃには、ＭＥＭＳミラー１３１の動きに応じて形成される画像が投影される。

ＭＥＭＳミラー１３１の反射面１３１ａで反射された直後の光は、水平方向において±１５゜の角度範囲で２０００画素に相当し、垂直方向において±７．５゜の角度範囲で１０００画素に相当する。そのため、ＭＥＭＳミラー１３１の動きに応じて形成される画像の１゜当たりの画素数は６７画素となる。これは、視力１．１の人が識別できる解像度である。

図３Ａは、従来の表示装置における画像３０１を示している。画像３０１において、画素を小さな丸として実際よりも粗く、模式的に表している。画素は基本的に、画像の全域に亘って等間隔に並んでいる。

図３Ｂは、表示装置１００における画像３０２を示している。画像３０２において、画像３０１と同様に、画素を小さな丸として実際よりも粗く、模式的に表している。

図２Ａおよび図２Ｂは、角度変換素子１３２の構成の一例を示した図である。第１の透過面１３２ａは、第１の曲面１３２ｃと第１の平面１３２ｄを有する。第２の透過面１３２ｂは、第２の曲面１３２ｅと第２の平面１３２ｆを有する。また、第１の平面１３２ｄと第２の平面１３２ｆは、平行な関係を有している。すなわち、角度変換素子１３２は、角度変換素子１３２の中心部に対応した領域において、第１の平面１３２ｄと第２の平面１３２ｆとを有する。また、角度変換素子１３２は、角度変換素子１３２の周辺部（中心部の外側の部分）に対応した領域において、第１の曲面１３２ｃと第２の曲面１３２ｅとを有する。

ＭＥＭＳミラー１３１に入射した光は、ＭＥＭＳミラー１３１の反射面１３１ａの角度に応じて走査される。図２Ａに示すように、ＭＥＭＳミラー１３１で走査された光７００は、第１の平面１３２ｄに入射する。また、図２Ｂに示すように、ＭＥＭＳミラー１３１で走査された光７１０は、第１の曲面１３２ｃに入射する。

第１の平面１３２ｄに入射した光７００は、角度変換素子１３２の中を通過した後、第２の平面１３２ｆに入射する。第１の平面１３２ｄおよび第２の平面１３２ｆは、どちらも平面であり、平行な関係を有している。そのため、角度変換素子１３２の第１の平面１３２ｄに入射する光７００の角度と角度変換素子１３２の第２の平面１３２ｆから出射する光７００の角度は同じである。即ち、第１の平面１３２ｄと第２の平面１３２ｆを透過する光７００は、ＭＥＭＳミラー１３１で走査される角度を保持したまま、角度変換素子１３２を透過する。

第１の曲面１３２ｃに入射した光７１０は、角度変換素子１３２の中を通過した後、第２の曲面１３２ｅに入射する。第１の曲面１３２ｃおよび第２の曲面１３２ｅは、どちらも曲面であるので、角度変換素子１３２の第１の曲面１３２ｃに入射する光７１０の角度Ａｉと角度変換素子１３２の第２の曲面１３２ｅから出射する光７１０の角度Ａｏは、異なる角度である。ここでは、角度Ａｏは、例えば角度Ａｉの２倍である。また、第１の曲面１３２ｃと第２の曲面１３２ｅがどちらも凹面である。これにより、光７１０が角度変換素子１３２の中心から離れた位置に入射する程、第１の曲面１３２ｃに入射する光７１０の角度Ａｉよりも第２の曲面１３２ｅから出射する光７１０の角度Ａｏは大きくなる。すなわち、角度変換素子１３２は、ＭＥＭＳミラー１３１で反射された光の進行方向の角度変化が角度変換素子１３２の中心部に比べて周辺部で大きくなるように、光の進行方向を変換する。

以上に説明した原理により、図３Ｂに示す、描画画像３０２の中央領域３０２ａは、第１の平面１３２ｄと第２の平面１３２ｆを透過する光７００によって描かれ、描画画像３０２の周辺領域３０２ｂは、第１の曲面１３２ｃと第２の曲面１３２ｅを透過する光７１０によって描かれる。

図１に示す表示装置１００においては、角度変換素子１３２を用いることで、ＭＥＭＳミラー１３１で形成される画角よりも広い画角の画像が形成される。角度変換素子１３２を用いることで周辺部の光の角度が２倍に偏向されるので、画角も約２倍となる。すなわち、水平方向の画角は±３０゜、垂直方向の画角は±１５゜に拡大され、非常に臨場感の高い画像を得ることができる。

ここで、人間の視力について説明する。図４に示すように、人間の周辺視野における視力は中心の視力に比較して低い。網膜位置の５°より周辺視野になると視力は０．３以下に、網膜位置の１０°より周辺視野になると視力は０．１以下になる。そのため、画像の周辺部の解像度は人間の周辺視野の視力よりも十分高い解像度であるので、画素数を一定にして図３Ｂのように画角を広げても支障はない。また、画像の中心部の角度の変化を小さくしているので、画像の中心部分の解像度の劣化は少なく、人間の眼の解像度が高い中心視野における画像の解像度は高い状態を保てる。そのため、表示装置１００は、実質的に高解像度で画角の広い画像を表示可能となる。

なお、網膜１４０ｃ上の光の大きさは、角度変換素子１３２の第１の透過面１３２ａ、第２の透過面１３２ｂおよび凹面ミラー１３３の曲面等を適切に設計することで、所望の大きさにできる。

また、表示する画像の画角を広げたことに応じて、表示する画像のデータも広い画角のデータを用いることが好ましい。そうすることにより、自然な画像が表示される。

画像の周辺部の解像度は中心部の解像度よりも低くなるので、解像度の低下に対応して、画像データに対してビニングや平均化等の処理を行うと、より自然な画像が表示される。

また、図１において、ＭＥＭＳミラー１３１で反射された光の太さ及び発散角度は図示していない。ＭＥＭＳミラー１３１の振幅に依存して走査される光と重なり、見にくいためである。ＭＥＭＳミラー１３１で反射した光の太さ及び発散角も、網膜１４０ｃ上における光の大きさが所望の大きさとなるように設計する。例えば、視力１．０の解像度を得るには、水晶体１４０ａ上の光の大きさを約２ｍｍもしくはそれ以上にする。

また、角度変換素子１３２として、第１の透過面１３２ａと第２の透過面１３２ｂとがそれぞれ曲面と平面を有する構成を示した。しかし、第１の透過面１３２ａもしくは、第２の透過面１３２ｂのいずれかが平面のみであっても構わない。角度を変換する機能は、第１の透過面１３２ａもしくは、第２の透過面１３２ｂのどちらか一方だけでも実現できる。

第１の透過面１３２ａと第２の透過面１３２ｂの両方に曲面を持たせることにより、変換する角度を大きくすることができる。また、コマ収差や非点収差等の収差を所望の量に抑えることが容易となるので、高品位の画像を表示可能な表示装置を提供することができる。

また、角度変換素子１３２として、第１の透過面１３２ａが第１の平面１３２ｄを有し、第２の透過面１３２ｂが第２の平面１３２ｆを有する構成について述べた。しかし、第１の平面１３２ｄと第２の平面１３２ｆは、必ずしも平面に限定されることはない。必要な解像度に応じて、第１の平面１３２ｄと第２の平面１３２ｆは、それぞれ曲面であっても構わない。第１の透過面１３２ａと第２の透過面１３２ｂは、角度変換素子１３２が描画画像の中央領域を描画するための、光が入射する角度と光が出射する角度の差が小さい領域と、描画画像の周辺領域を描画するための、光が入射する角度と光が出射する角度の差が大きい領域とを有していればよい。

また、表示装置１００は、ＭＥＭＳミラー１３１上の光の大きさを小さくするために、集光レンズ１２６を備えているが、集光レンズ１２６を備えていなくてもよい。各光源から出射される光の強度が十分である場合や、反射面１３１ａを大きくできる場合には、集光レンズ１２６を用いずに平行光をＭＥＭＳミラー１３１に入射させても構わない。ＭＥＭＳミラー１３１に平行光を入射させる場合、角度変換素子１３２と凹面ミラー１３３の設計が非常に容易になる。

［１−２．効果］
入射する光の位置と角度に応じて出射する光の角度の変化を異なせる角度変換素子１３２を用いることで、実質的に高解像度で画角の広い画像を表示可能な表示装置１００を提供できるようになる。

（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態に係る表示装置の構成の一例を示した図である。

第２の実施の形態に係る表示装置１００ｂは、図１に示す第１の実施の形態に係る表示装置１００と概ね同様の構成となっている。

表示装置１００と表示装置１００ｂの違いは、表示装置１００の角度変換素子１３２が透過型であるのに対し、表示装置１００ｂの角度変換素子が反射型である点である。表示装置１００ｂの角度変換素子は、ミラー１３４とミラー１３５とからなる。ミラー１３４とミラー１３５は、どちらも２次元方向に凸形状の自由曲面を持つ自由曲面ミラーであり、入射した方向とは異なる方向に光を偏向させる。すなわち、ミラー１３４およびミラー１３５は、凸形状の反射面を有する。なお、本実施の形態に係る角度変換素子は、１つのミラーのみで構成されてもよい。

図示していないが、角度変換素子が、描画画像の中央領域を描画するための、光が入射する角度と光が出射する角度の差が小さい領域と、描画画像の周辺領域を描画するための、光が入射する角度と光が出射する角度の差が大きい領域とを有していることは、第１の実施の形態における角度変換素子１３２と同様である。ＭＥＭＳミラー１３１が形成する、画像の中央部に相当する光よりも画像の周辺部に相当する光の方が大きく角度を変えられ、その結果、画角が拡大される。ミラー１３４とミラー１３５からなる角度変換素子は、表示装置１００における角度変換素子１３２と同様の機能を有する。

第２の実施の形態において、角度変換素子を反射型とすることにより、角度変換素子において色収差が発生しにくくなる。そのため、光源が複数の波長の光を出射する場合、網膜１４０ｃに結像される光は何れの波長の光においても良好に結像するようになる。すなわち、光源が複数の波長の光を出射する場合、角度変換素子を反射型とすることにより、より高品位のカラー画像を表示可能な表示装置を提供できるようになる。

（第３の実施の形態）
図６は、第３の実施の形態に係る表示装置の構成の一例を示した図である。

第３の実施の形態に係る表示装置１００ｃにおいては、第２の実施の形態に係る表示装置１００ｂと同様に角度変換素子がミラー１６１とミラー１６２とを有する反射型となっている。

表示装置１００ｂにおいては、画像を描画するために光源から出射された光を走査するＭＥＭＳミラー１３１は、第１軸および第２軸周りに回動する反射面１３１ａを有する構成とした。しかし、表示装置１００ｃは、１つの反射面を１つの軸周りにだけ動かすことができる２枚の可動ミラー（すなわちＭＥＭＳミラー１３７、１３８）を用いる構成としている。

ＭＥＭＳミラー１３７（第１ミラーの一例）は、圧電駆動型であり、画像の水平方向を走査する。ＭＥＭＳミラー１３７を構成するミラー部は、比較的小さくてよい。また、走査周波数が高いので、ミラー部は、ＭＥＭＳミラー１３７が有する共振周波数で駆動している。

ＭＥＭＳミラー１３７で走査された光は、角度変換素子であるミラー１６１とミラー１６２で反射される。これにより、画像の水平方向の画角が拡大される。ミラー１６１とミラー１６２は、どちらも１次元方向に凸形状の自由曲面を持つ自由曲面ミラーである。

ミラー１６２で反射された光は、凹面ミラー１３６で反射され、ＭＥＭＳミラー１３８（第２ミラーの一例）の方向に偏向される。

ＭＥＭＳミラー１３８は、画像の垂直方向を走査する。すなわち、ＭＥＭＳミラー１３８は、ＭＥＭＳミラー１３７の回動軸と直交する軸周りに回動しながら、凹面ミラー１３６を経た光を反射する。ＭＥＭＳミラー１３８は、ＭＥＭＳミラー１３７で走査された後に更に角度変換素子であるミラー１６１とミラー１６２で拡大された光を受ける。そのため、ＭＥＭＳミラー１３７よりもＭＥＭＳミラー１３８を構成するミラー部を大きくしている。

ＭＥＭＳミラー１３８には、圧電型、静電型等、特に制約なく一般的に知られている様々な構造を適用できる。ＭＥＭＳミラー１３８が大きなミラー部を有し、更に大きな振り角、高い駆動周波数が必要な場合には、ＭＥＭＳミラー１３８を電磁駆動型とすることが好ましい。電磁駆動型のＭＥＭＳミラーは、コイル、磁石、投入可能な電力に関して設計の自由度が大きく、設計し易いためである。また、ＭＥＭＳミラー１３８が大きくなる程、電磁駆動型のＭＥＭＳミラーは他の方式のＭＥＭＳミラーに比較して相対的に安価になるので、安価な表示装置を提供できるようになる。

なお、ここでは角度変換素子であるミラー１６１とミラー１６２で画像の水平方向の画角を拡大した。しかし、必要ならば、ＭＥＭＳミラー１３８と眼１４０の間に、垂直方向の画角を拡大する角度変換素子を設けても構わない。また、画像の垂直方向の画角を拡大することだけが必要で、画像の水平方向の画角を拡大する必要が無ければ、角度変換素子であるミラー１６１とミラー１６２を用いなくてもよい。

（第４の実施の形態）
図７は、第４の実施の形態に係る表示装置の構成の一例を示した図である。

図７に示す第４の実施の形態に係る表示装置１００ｄは、図１に示す第１の実施の形態に係る表示装置１００と概ね同様の構成となっている。本実施の形態に係る表示装置１００ｄは、集光レンズ１２６を備えなくてもよい。すなわち、ＭＥＭＳミラー１３１は、各コリメータによって変換された平行光を反射してもよい。また、表示装置１００ｄは、集光レンズ１２６の代わりにアパーチャ（図示せず）を備えてもよい。

表示装置１００では、凹面ミラー１３３で反射された光が眼１４０に直接入射した。表示装置１００ｄでは、凹面ミラー１３３で反射された光が導波路１５１に一旦入射している。導波路１５１に入射した光は、導波路１５１内を伝搬し、入射した位置とは異なる位置から出射する。導波路１５１から出射した光は、眼１４０に向かう。

図８は、導波路１５１と眼１４０の関係を模式的に示した図である。導波路１５１の動作原理を理解し易くするために、ここでは導波路１５１に対して垂直に入射する光７００のみを示している。また、１方向のみの伝播方向を示している。

導波路１５１は、回折格子１５１ａ、１５１ｂ及び面１５１ｃ、１５１ｄを有している。回折格子１５１ａは、第１回折格子の一例である。面１５１ｄは、反射面の一例である。回折格子１５１ｂは、第２回折格子の一例である。面１５１ｃと面１５１ｄとは、平行な関係を有している。導波路１５１を構成する材料は、入射する光に対して透明であればよい。導波路１５１を構成する材料として、ガラス、樹脂等、一般的な光学材料を用いることができる。ここでは屈折率１．５のガラスを用いた。また、回折格子１５１ａ、１５１ｂの形成方法には、エッチング、成形、等、一般的な方法を制約無く適用できる。ここでは、ナノインプリント工法を適用した。

導波路１５１に入射する光は回折格子１５１ａによって回折され、回折光が生成される。回折格子１５１ａの０次回折光は回折光７０１であり、＋１次回折光は回折光７０２であり、−１次回折光は回折光７０３である。回折格子１５１ａは、一定の格子周期を有する回折格子である。そのため、回折格子１５１ａのどの領域に光７００が入射しても、回折光７０２、７０３の回折角は一定である。

回折格子１５１ａの格子形状は、単純なバイナリー型でもよい。また、回折格子１５１ａの格子形状をブレーズ型とすることで、光の利用効率を高めることができる。すなわち、回折光７０１と回折光７０３は利用しないので、回折光７０１と回折光７０３の強度を弱めて、回折光７０２の強度を強めてもよい。

面１５１ｄに到達した回折光７０２が面１５１ｄで全反射するように、回折格子１５１ａの周期を設定する。光７００が入射する角度範囲、回折光７０２が図８における左側に伝播すること、等を考慮して回折格子１５１ａの周期を設計すると、回折格子１５１ａの周期はサブミクロンオーダーとなる場合がある。その場合には、光源に単一方向に偏光する光を出射するレーザを用いて、レーザから出射される光の偏光方向を回折格子の回折効率が低下しにくい方向に設定してもよい。これにより、光利用効率の高い表示装置となる。

面１５１ｄで全反射した回折光７０２は、面１５１ｃに形成された回折格子１５１ｂに向かう。面１５１ｃと面１５１ｄとが平行な関係を有しているので、面１５１ｄで全反射した回折光７０２は、面１５１ｃでも全反射する。図８においては、面１５１ｄで反射した回折光７０２が回折格子１５１ｂに入射する構成を示している。しかし、回折光７０２が、面１５１ｄと面１５１ｃで複数回全反射した後に回折格子１５１ｂに入射しても構わない。

回折格子１５１ｂも、回折格子１５１ａと同様に、一定の格子周期を有する回折格子である。回折格子１５１ｂには、面１５１ｄで反射した回折光７０２が入射する。これにより、０次回折光７０４と−１次回折光７０６が生成される。

回折格子１５１ｂの格子周期と回折格子１５１ａの格子周期とを実質的に同じ周期とすることで、＋１次回折光７０２が回折格子１５１ｂに入射することで生成される−１次回折光７０６は、導波路１５１に入射する光７００と同じ角度で導波路１５１から出射する。

図８においては、導波路１５１に対して光７００が垂直に入射する場合を示しているが、光７００が導波路１５１に対して斜めから入射した場合も、同様の関係が保たれる。

回折格子１５１ｂは、０次回折光７０４の強度を弱めて、回折光７０６の強度を強めてもよい。その場合には、回折格子１５１ｂの格子形状はブレーズ形状となる。また、格子の周期と入射する光の角度によっては、＋１次回折光が生成されない場合がある。その場合には、回折格子１５１ｂがバイナリー型であっても、効率よく−１次回折光が生成される。

また、０次回折光７０４をある程度発生させてもよい。０次回折光７０４は、面１５１ｄで全反射し、面１５１ｄで全反射された後に回折格子１５１ｂに再度入射する。回折格子１５１ｂに再度入射した回折光７０４から、−１次回折光７０７が生成される。回折光７０６と回折光７０７とは同じ角度で導波路１５１から出射する。そのため、回折光７０６と回折光７０７は、導波路１５１から出射する位置は異なるが、眼１４０の網膜１４０ｃにおいて同じ位置に集光される。

回折格子１５１ｂに再度入射した回折光７０４から、−１次回折光７０７が生成されることで、導波路１５１に入射する光の大きさよりも導波路１５１から出射する光の大きさの方が大きくなる。

この場合には、眼１４０が動いても、視野から表示画像が消えにくくなる。そのため、観察者が違和感を覚えにくい表示装置を提供することができるようになる。

なお、回折格子１５１ａを光７００が入射する面（即ち面１５１ｃ）に設けた例を示したが、回折格子１５１ａを面１５１ｄに設けても構わない。回折格子１５１ａと回折格子１５１ｂが共役光を発生させる関係にあれば、回折格子１５１ａおよび回折格子１５１ｂを、それぞれ面１５１ｃおよび面１５１ｄのどちらに設けてもよい。

回折格子１５１ａを面１５１ｃに設けた場合は、導波路１５１は透過型となる。回折格子１５１ａを面１５１ｄに設けた場合には、導波路１５１は反射型となる。導波路１５１が反射型である場合には、回折格子１５１ａを形成する領域に反射膜を設けることで、光の利用効率を高めることができる。

また、回折格子１５１ａを面１５１ｄに設けた場合には、回折格子１５１ａは反射型回折格子となる。そのため、回折格子１５１ａの格子の深さを透過型回折格子の格子の深さよりも浅くできる。そのため、格子の周期がサブミクロン程度に微細となる場合には、回折格子１５１ａを形成し易くなる。

また、回折格子１５１ｂを面１５１ｄに設けた場合、回折格子１５１ｂは透過型となる。表示装置１００ｄが描画画像と外界の景色とを融合するオーギュメントリアリティー（ＡＲ）もしくはミクスドリアリティー（ＭＲ）の表示装置である場合、回折格子１５１ｂの回折効率は回折格子１５１ａの回折効率よりも低くてもよい。また、導波路１５１に入射する光の大きさよりも導波路１５１から出射する光の大きさを大きくすることで、眼球が動いても視野から表示画像が消えにくくする場合でも、回折格子１５１ｂの回折効率は回折格子１５１ａの回折効率よりも低くてもよい。これらの結果、回折格子１５１ａの格子の深さと回折格子１５１ｂの格子の深さを同様の深さにすることが許容され、導波路１５１は製造し易くなる。これにより、安価な表示装置を提供することができるようになる。

（第５の実施の形態）
図１および図９を用いて、第５の実施の形態を説明する。図９は、第５の実施の形態における表示装置の一部を示す図である。本実施の形態における表示装置は、表示装置１００の構成に加えて、制御部１７０を備える。制御部１７０は、光源１１１〜１１３の各出力を制御する。制御部１７０は、例えば集積回路で構成される。

制御部１７０が光源１１１〜１１３の出力を網膜１４０ｃ上の光の大きさに対応して制御すると、より違和感のない画像が得られる。具体的には、網膜１４０ｃ上の光が大きくなる程、光源１１１〜１１３の出力を高くするとよい。また、網膜１４０ｃ上の光の面積に比例して光源１１１〜１１３の出力を高くした場合、最も違和感の少ない画像を得ることができる。ここでの違和感とは、画像の周辺部が暗くなり、その結果、画像は表示されているのにも拘わらず、あたかも視野が狭くなったように感じることである。

また、ＭＥＭＳミラー１３１で走査された光は、網膜１４０ｃ上を高速に移動する。そのため、制御部１７０が網膜１４０ｃ上を光が移動する速度に応じて光源１１１〜１１３の出力を制御することで、より違和感のない画像を得ることができる。具体的には、網膜１４０ｃ上を光が移動する速度に比例して、光源から出射される光の強度を制御することが好ましい。

光源の出力を、網膜１４０ｃ上の光の大きさと網膜１４０ｃ上を光が移動する速度に応じて制御することで、更に違和感のない画像を得ることができる。

また。ここでは、各光源から出射される光の一部を受光する光検出器を図示していない。光検出器は、各光源から眼１４０に至る光路中に設けてもよいし、各光源のパッケージの中に設けてもよい。光検出器を設ける位置に、別段制約は無い。

各光源から出射される光の一部を光検出器で受光し、光検出器から出力される信号を用いて光源の出力を制御することにより、光源から出射される光の強度を所望の値に精度良く設定できるようになる。

光源の出力を一定に保つための方法に特に制約は無い。光源の出力を一定に保つための方法には、光ディスク装置で採用されている方法、等、様々な既知の方法を適用することができる。

以上のように、本実施の形態に係る表示装置は、光源１１１〜１１３の出力を、網膜１４０ｃ上の光の大きさに対応して制御することで、違和感のない画像を表示することができる。

（他の実施の形態）
なお、第１〜第５の実施の形態においては、ＲＧＢのフルカラーを表示するために３つの光源を用いた。しかし、表示する色がフルカラーである必要が無い場合には、光源の数を減らしても構わない。例えば、単色でも構わないのであれば、必要とされる色の光を発する１つの光源を用いればよい。その場合、光学系の大きさは簡素になり、小型の表示装置を提供できる。

また、光源はレーザに限定されるものではなく、発光ダイオードや有機ＥＬ（Electroluminescence）等、他の構成の光源を用いてもよい。眼に入射させる光量の単位はμＷなので、他の一般的な表示装置に比べると格段に少ない光量の光源で構わない。しかし、光学的に等価的な発光点の光量の単位は、ｍＷであることが必要である。そのため、広い面積の光源の上部にマイクロレンズアレイを設ける、もしくはスーパールミネッセントダイオードのように発光層の厚みを厚くする構造とする等を適用してもよい。これにより、レーザではない光源を用いた場合でも、明るい表示装置を提供できる。

また、ＭＥＭＳミラー１３１の方式には、圧電式、電磁式、静電式等、色々な方式がある。しかし、特に制約は無く、どのような方式のものでも用いることができる。

また、角度変換素子１３２は、透過型、反射型や回折型等、どの型で構成してもよい。

また、凹面ミラー１３３は、自由曲面ミラーとしたが、ホログラフィック素子でもよい。ホログラフィック素子にすることで、表示装置１００を小型にできる。また、凹面ミラー１３３は反射型に限定されるものではない。凹面ミラー１３３は、透過型のレンズにしてもよく、必要な光学系の大きさに応じて、適切な構成にすればよい。

また、図１に示した表示装置１００の画素数、フレームレート、等は一例であって、必要な仕様に応じて適宜変更可能である。

また、光源１１１、１１２、１１３から出射される光は、それぞれコリメートレンズ１２１、１２２、１２３で平行光に変換された後に合波されている。しかし、光源１１１、１１２、１１３から出射される光は、合波された後に平行光に変換されてもよい。また、合波にはプリズムを用いたが、平行平板や他の形状の光学部材を用いてもよい。

また、表示装置１００にジャイロセンサー等のセンサーを設けて、顔の向きを検出し、顔の向きに応じて、表示する画像データをシフトさせてもよい。例えば画像の周辺部をはっきりと見たいと考えて、顔を注視する方向に動かしたときには、注視した方向の画像を人間の視野の中心付近に表示する。この表示方法を適用することにより、人間が実際の日常生活で眼から周囲の情報を得ているのと同じ感覚で画像を見ることができるようになる。

本開示の表示装置は、業務支援、エンターテインメント、ゲーム等の様々な用途において、据え置き型ディスプレイとは異なる価値を提供可能な表示装置全般に適用することが可能である。特に、本開示の表示装置は、ヘッドマウントディスプレイやヘッドアップディスプレイなどの虚像を観察者に視認させる表示装置に適用可能である。

１００，１００ｂ〜１００ｄ 表示装置
１１１，１１２，１１３ 光源
１２１，１２２，１２３ コリメートレンズ（第１光学系の一例）
１２４，１２５ プリズム
１２６ 集光レンズ（第３光学系の一例）
１３１，１３７ ＭＥＭＳミラー（第１ミラーの一例）
１３１ａ 反射面
１３２ 角度変換素子（変換素子の一例）
１３２ａ 第１の透過面
１３２ｂ 第２の透過面
１３３，１３６ 凹面ミラー（第２光学系の一例）
１３８ ＭＥＭＳミラー（第２ミラーの一例）
１４０ 眼
１４０ａ 水晶体
１４０ｂ 硝子体
１４０ｃ 網膜
１７０ 制御部

Claims (12)

1. 光を出射する光源と、
   前記光源から出射される前記光を平行光もしくは収束光に変換する第１光学系と、
   第１軸周りに回動しながら、前記第１光学系を経た光を反射する第１ミラーと、
   中心部と、前記中心部よりも外側の周辺部とを有し、前記第１ミラーで反射された光の進行方向を変換する変換素子と、
   前記変換素子を経た光を偏向させる第２光学系と、
   前記第１軸と直交する第２軸周りに回動しながら、前記第１光学系を経た光を反射する第２ミラーと、を備え、
   前記変換素子は、前記第１ミラーで反射された前記光の進行方向の角度変化が前記中心部に比べて前記周辺部で大きくなるように、前記光の進行方向を変換する、表示装置。
2. 前記光源は、レーザである、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記第２光学系は、前記変換素子を経た前記光を、観察者の眼に向かわせるように偏向させる、請求項１または２に記載の表示装置。
4. 前記第１光学系は、前記光源から出射される光を平行光に変換するコリメートレンズを有する、請求項１〜３のいずれかに記載の表示装置。
5. 前記第１光学系は、前記光源から出射される光を収束光に変換する集光レンズを有する、請求項１〜３のいずれかに記載の表示装置。
6. 前記変換素子は、前記中心部に対応した領域において、前記第１ミラーで反射された前記光が入射する平面を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の表示装置。
7. 前記変換素子は、互いに対向する第１自由曲面と第２自由曲面とを有する凹レンズであり、
   前記第１自由曲面および前記第２自由曲面は、それぞれ、前記平面を含む、請求項６に記載の表示装置。
8. 前記変換素子は、前記第１ミラーで反射された前記光を反射する、凸形状の反射面を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の表示装置。
9. 前記第１ミラーと前記第２ミラーは一体化されている、請求項１〜８のいずれかに記載の表示装置。
10. 前記第２光学系は、第１回折格子と、反射面と、第２回折格子とを有する導波路を有し、
    前記第１回折格子は、前記変換素子を経た前記光を回折させ、
    前記反射面は、前記第１回折格子により回折された光を反射し、
    前記第２回折格子は、前記反射面により反射された光を回折させる、請求項１に記載の表示装置。
11. 前記眼の網膜上の光の大きさに応じて前記光源の出力を制御する制御部を備える、請求項３に記載の表示装置。
12. 前記眼の網膜上を移動する光の速度に応じて前記光源の出力を制御する制御部を備える、請求項３に記載の表示装置。

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