JP4635543B2 - 網膜走査型ディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、光束を観察者の網膜に直接投影し、その投影された光束を前記網膜上において走査することにより、画像を表示する網膜走査型ディスプレイに関するものであり、特に、その網膜走査型ディスプレイの射出瞳を拡大する技術の改良に関するものである。

光束を観察者の網膜に直接投影し、その投影された光束を前記網膜上において走査することにより、画像を表示する網膜走査型ディスプレイが既に知られている。この種の網膜走査型ディスプレイは、一般に、（ａ）光源と、（ｂ）その光源から出射した光束を前記網膜上において走査する走査部と、（ｃ）その走査部によって走査された光束が当該網膜走査型ディスプレイから出射する出射部とを含むように構成される。

この種の網膜走査型ディスプレイを用いて観察者が表示画像を正常に観察し続けるためには、この網膜走査型ディスプレイの射出瞳を観察者の瞳に一致させ続けることが必要である。しかし、表示画像の観察中、観察者の眼は多少なりとも動いてしまい、その結果、瞳も移動してしまうのが通常である。そのため、網膜走査型ディスプレイの射出瞳が観察者の瞳より小さい場合には、射出瞳が観察者の瞳から外れてしまう可能性がある。すなわち、網膜走査型ディスプレイの射出瞳が観察者の瞳より小さい場合には、網膜走査型ディスプレイからの出射光が観察者の瞳孔に十分に入射しないために網膜上において結像が正常に行われない可能性があるのである。

これに対し、特許文献１には、網膜走査型ディスプレイの射出瞳を拡大するために、その網膜走査型ディスプレイにおける光源と出射部との間における光路上に、それら光源と出射部との間に存在する中間像面と同一の位置に回折素子（例えば、回折格子）を設置する技術が開示されている。
米国特許第５７０１１３２号明細書

しかしながら、この従来技術を実施する場合には、射出瞳径が拡大される代償として表示画像の画質が劣化する可能性がある。以下、その理由を具体的に説明する。

回折素子には透過型と反射型とがある。透過型の回折素子においては、透過部（例えば、スリット）と非透過部とが交互に並んでいるのに対し、反射型の回折素子においては、反射部（例えば、ブレーズド反射面）と非反射部とが交互に並んでいる。

いずれにしても、一般に、回折素子においては、複数個の透過部または反射部が所定のピッチ（以下、「回折ピッチ」という。）で周期的に並んでいる。回折素子のうち、同じ光が一度に入射する透過部または反射部の数が多いほど、各透過部または各反射部から出射した素元波が干渉によって互いに強め合う程度が増加して、入射光に対する回折素子の回折効率が向上する。回折素子への入射ビームのビーム径（以下、「入射ビーム径」という。）が大きいほど、回折素子のうち、同じ光が一度に入射する透過部または反射部の数が増加する。したがって、回折素子への入射ビームがその回折素子において効率よく回折を行うためには、回折ピッチと入射ビーム径との寸法関係を十分に適正化することが重要である。

一方、網膜走査型ディスプレイにおいては、一般に、出射部に向かって光源から出射したビームが、それのビームウエストにおいて、それら光源と出射部との間に存在する中間像面を通過する。そのため、この網膜走査型ディスプレイにおいて前述の従来技術を実施し、その結果、中間像面と同一の位置に回折素子が設置されると、光源から回折素子にビームが最小のビーム径で入射することになる。

入射ビーム径が小さいほど、回折素子における複数個の透過部または反射部のうち入射ビームが一度に入射するものの数が減少する。そのため、この従来技術を実施すると、回折素子における複数個の透過部または反射部のうち入射ビームが一度に入射するものの数が減少し、その入射ビームの回折が効率よく行われなくなる。すなわち、入射ビームが回折素子を通過する際に散乱する傾向が増加し、その入射ビームのうち回折光に変換されずに損失する比率が増加してしまうのである。

さらに、入射ビームが回折素子の入射面上において走査される場合には、入射ビーム径が回折ピッチより小さいと、回折素子のうち入射ビームが一度に入射する透過部または反射部のパターン（例えば、各瞬間における入射ビームの照射領域内に透過部または反射部が存在する数）が周期的に変動する。その結果、回折光のパターンおよび明るさも周期的に変動してしまう。

例えば、回折素子が透過型であって、透過部と非透過部とが交互に並ぶように構成されており、かつ、入射ビームが走査につれて、ある瞬間には透過部のみに入射し、別の瞬間には非透過部のみに入射する場合には、回折素子のうち入射ビームが一度に入射する部分が透過部と非透過部とに交互に変化する。その結果、この場合には、回折光のパターンおよび明るさが周期的に変動し、周期的な複数本の線像がノイズとして表示画像に発生してしまう可能性がある。

さらに、この従来技術を実施する場合には、入射ビーム径が回折ピッチに近いほど、回折素子の表面にごみが付着してしまったり、製作過程において欠陥が発生してしまった場合に、それらごみや欠陥が、回折光にとっての有害なノイズの原因になり易い。

以上の説明から明らかなように、この従来技術を実施すると、射出瞳径の拡大という利益を享受できる反面、回折ピッチと入射ビーム径との寸法関係を十分に適正化し得ないために、表示画像の画質が劣化してしまう可能性があった。

以上説明した事情を背景にして、本発明は、光束を観察者の網膜に直接投影し、その投影された光束を前記網膜上において走査することにより、画像を表示する網膜走査型ディスプレイにおいて、表示画像の画質の劣化を抑制しつつ、射出瞳を拡大することを課題としてなされたものである。

その課題を解決するために、本発明の一側面によれば、光束を観察者の網膜に直接投影し、その投影された光束を前記網膜上において走査することにより、画像を表示する網膜走査型ディスプレイであって、光源と、その光源から出射した光束を前記網膜上において走査する走査部と、その走査部によって走査された光束が当該網膜走査型ディスプレイから出射する出射部と、それら光源と出射部との間における光路上に、それら光源と出射部との間に存在する中間像面から外れた位置に設置された回折素子とを含み、前記光束は、前記中間像面の位置においてビームウエスト径Ｗ _０ を有し、前記中間像面から外れるにつれて拡散して、前記中間像面から外れた位置に設置された前記回折素子に、前記ビームウエスト径Ｗ _０ より大きい入射ビーム径Ｄで入射し、前記回折素子の、前記中間像面からの外れ量ｚは、前記入射ビーム径Ｄが前記回折素子の回折ピッチｄのｎ（ｎ：３以上の整数）倍に設定される網膜走査型ディスプレイが提供される。
本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、本発明が採用し得る技術的特徴の一部およびそれの組合せの理解を容易にするためであり、本発明が採用し得る技術的特徴およびそれの組合せが以下の態様に限定されると解釈されるべきではない。すなわち、下記の態様には記載されていないが本明細書には記載されている技術的特徴を本発明の技術的特徴として適宜抽出して採用することは妨げられないと解釈すべきである。

さらに、各項を他の項の番号を引用する形式で記載することが必ずしも、各項に記載の技術的特徴を他の項に記載の技術的特徴から分離させて独立させることを妨げることを意味するわけではなく、各項に記載の技術的特徴をその性質に応じて適宜独立させることが可能であると解釈すべきである。

（１） 光束を観察者の網膜に直接投影し、その投影された光束を前記網膜上において走査することにより、画像を表示する網膜走査型ディスプレイであって、
光源と、
その光源から出射した光束を前記網膜上において走査する走査部と、
その走査部によって走査された光束が当該網膜走査型ディスプレイから出射する出射部と、
それら光源と出射部との間における光路上に、それら光源と出射部との間に存在する中間像面から外れた位置に設置された回折素子と
を含む網膜走査型ディスプレイ。

この網膜走査型ディスプレイにおいては、光源と出射部との間における光路上に、それら光源と出射部との間に存在する中間像面から外れた位置に回折素子が設置され、それにより、この網膜走査型ディスプレイの射出瞳が、そのような回折素子が設置されない場合より拡大される。

一方、それら光源と出射部との間に存在する中間像面においては、光束が最も収束した状態、すなわち、最小のビーム径を有する状態で進行するのに対し、その中間像面から外れた位置においては、光束が最も収束した状態より拡散した状態、すなわち、最小のビーム径より大きなビーム径を有する状態で進行する。

したがって、この網膜走査型ディスプレイによれば、回折素子が中間像面と同一の位置に設置される場合に比較して、回折素子に入射する光束すなわち入射ビームのビーム径が拡大され、その結果、回折素子による回折効率の向上と、入射ビームの走査中における回折光のパターンおよび明るさの安定化とを実現することが容易となる。よって、この網膜走査型ディスプレイによれば、表示画像の画質の劣化を抑制しつつ、射出瞳を拡大することが容易となる。

ところで、中間像面と同一の位置に設置された回折素子への入射ビームのビーム径を拡大するために、その中間像面を通過するビームのビーム径を拡大するという対策を講じることが可能である。しかし、中間像面でのビーム径の拡大は、単位面積当たりの画素数の減少を招来し、ひいては、解像度の低下につながる。

これに対し、本項に係る網膜走査型ディスプレイによれば、中間像面を通過するビームのビーム径を拡大することなく、回折素子への入射ビームのビーム径を拡大することが可能となるため、解像度を低下させることなく、射出瞳を拡大することができる。

なお付言するに、本項における「中間像面」は、最終的な像面である網膜上の像面と光源との間に位置する像面であることに着目し、その「最終的な像面」という用語から表現上区別するために採用された用語であり、必ずしも光源と出射部とのちょうど中央に位置する像面であることを意味しない。

さらに付言するに、本明細書中において「射出瞳が拡大される」という文言は、当該網膜走査型ディスプレイからの出射光束が１本である場合にその出射光束が拡大されることを限定的に意味するわけではなく、当該網膜走査型ディスプレイからの出射光束の本数が回折素子の設置によって増加することも、各出射光束の拡大の有無を問わず、意味する。すなわち、本明細書中において「射出瞳」という用語は、現実の出射光束を意味する場合もあれば、現実には複数本の出射光束の集まりであるがみかけ上は１本の出射光束であるみかけの出射光束を意味する場合もあるのである。

（２） 前記回折素子は、前記中間像面から前記出射部の側に外れた位置に設置された（１）項に記載の網膜走査型ディスプレイ。

この網膜走査型ディスプレイによれば、全光路のうち、回折素子が追加されることによって変化が発生する部分が、中間像面を含むことなく回折素子より下流側に位置する部分に限定される。これに対し、回折素子を、中間像面から出射部の側とは反対側に外れた位置に設置した場合には、全光路のうち、回折素子が追加されることによって変化が発生する部分が、中間像面を含む領域まで拡大される。

したがって、この網膜走査型ディスプレイによれば、光路に発生することとなる変化をできる限り抑制しつつ、回折素子を追加することが容易となる。

（３） 前記回折素子は、入射光束を２次元方向に回折する（１）または（２）項に記載の網膜走査型ディスプレイ。

前記（１）または（２）項に係る網膜走査型ディスプレイは、回折素子が入射光束を１次元方向にしか回折しない態様で実施することが可能である。この態様においては、回折素子の構成を容易に簡単化し得るが、射出瞳は１次元方向にしか拡大されない。

これに対し、本項に係る網膜走査型ディスプレイによれば、回折素子が入射光束を２次元方向に回折するため、射出瞳も２次元方向に拡大される。その結果、表示画像の観察中、観察者の瞳が移動してその瞳から射出瞳が完全に外れてしまう可能性が、射出瞳が１次元方向にしか拡大されない場合より低下する。

（４） 前記回折素子は、入射光束を１次元方向に回折する１次元回折素子を２個、回折方向が互いに交差するように含む（３）項に記載の網膜走査型ディスプレイ。

（５） 前記回折素子は、入射光束を２次元方向に回折する２次元回折素子を１個含む（３）項に記載の網膜走査型ディスプレイ。

（６） さらに、前記光路上に一対の光学素子が並んで成るリレー光学系を含み、前記中間像面は、それら一対の光学素子の間に存在し、前記回折素子は、前記リレー光学系に、前記一対の光学素子の間において、前記中間像面から外れた位置に設置された（１）ないし（５）項のいずれかに記載の網膜走査型ディスプレイ。

（７） 前記中間像面は、前記走査部と前記出射部との間に存在し、前記回折素子は、それら走査部と出射部との間において、前記中間像面から外れた位置に設置された（１）ないし（６）項のいずれかに記載の網膜走査型ディスプレイ。

一般に、走査部は、定点に入射した時系列的な画像光を、空間的に変化する画像光に変換するように構成される。そのため、走査部より上流側に存在する光学素子にごみやほこりが付着したり欠陥が存在すると、それが原因で画像光の走査部への入射が完全に阻害され、その結果、走査部は画像光を正常に出射することができなくなる。すなわち、走査部より上流側に存在する光学素子に存在するごみ等の影響は走査部によって拡大されて、その走査部より下流側に存在する光学素子に伝達されるのである。これに対し、走査部より下流側に存在する光学素子にごみやほこりが付着したり欠陥が存在すると、それが原因で画像光の出射が阻害されるが、それらごみ等の影響は表示画像に局所的に及ぶのみで、その全体には及ばない。

これに対し、本項に係る網膜走査型ディスプレイにおいては、回折素子が走査部より下流側に設置される。したがって、この網膜走査型ディスプレイによれば、万一回折素子にごみやほこりが付着したり欠陥が存在することがあっても、その影響は表示画像の全体に波及せずに済み、よって、それらごみ等に起因した表示画像の画質の劣化が抑制される。

（８） 前記中間像面は、前記走査部と前記出射部との間に複数個存在し、前記回折素子は、それら複数個の中間像面のうち最も前記出射部に近いものとその出射部との間に設置された（１）ないし（７）項のいずれかに記載の網膜走査型ディスプレイ。

この網膜走査型ディスプレイによれば、全光路のうち、回折素子の追加によって変化が発生する部分が、他のいかなる位置に回折素子が設置される場合より少なくて済む。

（９） 前記走査部は、入射光束を主走査方向に走査する主走査部と、その主走査部から入射した光束を、前記主走査方向と交差する副走査方向に走査する副走査部とを含み、前記中間像面は、それら主走査部と副走査部との間に存在し、前記回折素子は、それら主走査部と副走査部との間において、前記中間像面から外れた位置に設置された（１）ないし（８）項のいずれかに記載の網膜走査型ディスプレイ。

この網膜走査型ディスプレイにおいては、主走査部が、定点に入射した時系列的な画像光を、線状領域内において空間的に変化する画像光に変換し、副走査部が、その変換された画像光を、面状領域内において空間的に変化する画像光に変換する。よって、主走査部による走査光は線状領域内に存在するのに対し、副走査部による走査光は面状領域内に存在する。

したがって、それら主走査部と副走査部との間に回折素子を設置する場合には、副走査部より下流側に設置する場合より狭い領域において画像光を受光するように回折素子を設計すれば足りる。すなわち、前者の場合には後者の場合より、回折素子に入射するとその回折素子において回折が有効に行われることとなる光束の入射領域を狭くすることが可能なのであり、よって、前者の場合には後者の場合より、回折素子の小型化・軽量化が容易となる。

このような知見に基づき、本項に係る網膜走査型ディスプレイにおいては、回折素子が、主走査部と副走査部との間において、それらの間に存在する中間像面から外れた位置に設置される。

（１０） 前記走査部は、入射光束を主走査方向に走査する主走査部と、その主走査部から入射した光束を、前記主走査方向と交差する副走査方向に走査する副走査部とを含み、前記中間像面は、その副走査部と前記出射部との間に存在し、前記回折素子は、それら副走査部と出射部との間において、前記中間像面から外れた位置に設置された（１）ないし（８）項のいずれかに記載の網膜走査型ディスプレイ。

この網膜走査型ディスプレイにおいても、前記（９）項に係る網膜走査型ディスプレイと同様に、主走査部が、定点に入射した時系列的な画像光を、線状領域内において空間的に変化する画像光に変換し、副走査部が、その変換された画像光を、面状領域内において空間的に変化する画像光に変換する。

それら主走査部と副走査部との間に回折素子を設置する場合には、万一その回折素子にごみやほこりが付着したり欠陥が存在すると、主走査部による走査光に局所的に点像のノイズが出現してしまう。そのような走査光を入射光として副走査部は走査を行うと、この副走査部は、入射光中の点像のノイズを線像のノイズに拡大してしまう。

これに対し、副走査部より下流側に回折素子を設置する場合には、万一その回折素子にごみやほこりが付着したり欠陥が存在しても、副走査部による走査光に局所的に点像のノイズが発生するのみで、そのノイズが拡大されて最終的な表示画像に出現することはない。よって、この場合には、それらごみ等に対して表示画像の画質が容易に劣化せずに済む。

以上説明した知見に基づき、本項に係る網膜走査型ディスプレイにおいては、回折素子が、副走査部と出射部との間において、それらの間に存在する中間像面から外れた位置に設置される。

以下、本発明のさらに具体的な実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明する。

図１には、本発明の第１実施形態に従う網膜走査型ディスプレイ（以下、「ＲＳＤ」と略称する。）が系統的に示されている。このＲＳＤは、光束としてのレーザビームを観察者の眼１０の瞳孔１２を経て網膜１４に直接投影し、その投影された光束を網膜１４上において走査することにより、画像を表示するように設計されている。

図１に示すように、このＲＳＤは光源ユニット２０を備えている。この光源ユニット２０は、３個のレーザ３０，３２，３４と、３個のコリメータレンズ４０，４２，４４と、３個のダイクロイックミラー５０，５２，５４と、結合光学系５６とを備えている。

３個のレーザ３０，３２，３４は、赤色レーザビームを発生させるＲレーザ３０と、緑色レーザビームを発生させるＧレーザ３２と、青色レーザビームを発生させるＢレーザ３４とである。いずれのレーザ３０，３２，３４も、例えば半導体レーザとして構成することが可能である。

３個のコリメータレンズ４０，４２，４４は、３個のレーザ３０，３２，３４から出射した３色のレーザビームをそれぞれコリメートするレンズである。３個のダイクロイックミラー５０，５２，５４は、それら３個のコリメータレンズ４０，４２，４４から出射した３色のレーザビームを互いに結合するために、それら３色のレーザビームに対して波長選択的に反射および透過を行う。

それら３色のレーザビームは、ダイクロイックミラー５０，５２，５４を代表する１個の代表ダイクロイックミラーにおいて互いに結合される。本実施形態においては、その代表ダイクロイックミラーとしてダイクロイックミラー５０が選定されている。このダイクロイックミラー５０において結合されたレーザビームは、合成レーザビームとして結合光学系５６に入射して集光される。

図１に示すように、光源ユニット２０は、さらに、信号処理回路６０を備えている。この信号処理回路６０には、外部から映像信号が供給される。その映像信号は、Ｒレーザ３０、Ｇレーザ３２およびＢレーザ３４のぞれぞれに対応する輝度信号（Ｒ輝度信号、Ｇ輝度信号およびＢ輝度信号）と、後述の水平走査および垂直走査の基準となる同期信号と、奥行きを表わす奥行き信号とを含んでいる。映像信号は奥行き信号を輝度信号に関連付けて含んでいる。

この信号処理回路６０は、３個のレーザドライバ７０，７２，７４を経て３個のレーザ３０，３２，３４にそれぞれ電気的に接続されている。この信号処理回路６０は、前記輝度信号（Ｒ輝度信号、Ｇ輝度信号およびＢ輝度信号）に基づき、各レーザ３０，３２，３４から出射するレーザビームの強度を、対応するレーザドライバ７０，７２，７４を介して変調する。

図１に示すように、結合光学系５６から出射したレーザビームは、光伝送媒体としての光ファイバ８２によってコリメータレンズ８４に伝送される。そのコリメータレンズ８４においてコリメートされて出射したレーザビームは波面変調光学系８８に入射する。

その波面変調光学系８８は、光源ユニット２０から出射したレーザビームの波面曲率を変調するために、ビームスプリッタ９２と、収束レンズ９４と、反射ミラー９６とを同一光軸上に並んで備えている。

ビームスプリッタ９２は、前記光軸に対して直角な方向にコリメータレンズ８４から入射したレーザビームを９０度で反射して収束レンズ９４に入射させる。その収束レンズ９４は、入射したレーザビームを収束させて反射ミラー９６に入射させる。

波面変調光学系８８は、さらに、前記光軸上において反射ミラー９６を移動させるアクチュエータ９８を備えている。このアクチュエータ９８は、例えば圧電素子を主体として構成することが可能である。このアクチュエータ９８は、信号処理回路６０から供給される波面変調信号であって前記奥行き信号を反映するものに基づいて駆動される。

アクチュエータ９８によって位置決めされた反射ミラー９６は、収束レンズ９４から出射した収束光が入射すると、その入射光を反射して収束レンズ９４に入射させる。今度は収束レンズ９４が、そのようにして再度入射したレーザビームを収束させてビームスプリッタ９２に入射させる。

反射ミラー９６と収束レンズ９４との距離であるレンズ−ミラー間距離がその収束レンズ９４の焦点距離に等しい場合には、収束レンズ９４からビームスプリッタ９２に入射するレーザビームは平行光に復元されるが、そのレンズ−ミラー間距離が焦点距離とは異なる場合には、収束レンズ９４からビームスプリッタ９２に入射するレーザビームは拡散光に変換される。その拡散光の波面曲率はレンズ−ミラー間距離に依存し、そのレンズ−ミラー間距離は前記波面変調信号を反映するため、結局、ビームスプリッタ９２からそれの下流側に出射されるレーザビームの波面曲率が波面変調信号を反映することになる。

以上のようにして波面曲率が変調されたレーザビームは、水平走査系１００に入射する。この水平走査系１００は、信号処理回路６０から供給された水平同期信号に基づき、入射したレーザビームを水平方向に走査する。この水平走査系１００は、ポリゴンミラー１０４を主体として構成されているが、他の形式（例えば、ガルバノミラー）で構成することが可能である。

図１に示すように、このＲＳＤは、ポリゴンミラー１０４の角度を検出するために、そのポリゴンミラー１０４からの反射光すなわち走査光を定点において検出するビームディテクタ１０８を備えている。このビームディテクタ１０８は、受光の有無を表す信号をＢＤ信号として信号処理回路６０に供給する。その信号処理回路６０は、その供給されたＢＤ信号に基づくタイミングで水平同期信号を水平走査系１００に供給するように設計されている。

この水平走査系１００によって走査された走査光は、第１リレー光学系１１０に入射する。この第１リレー光学系１１０においては、光軸上において一対のレンズ１１２，１１４が並んで配置されている。後に図４および図６を参照して説明するように、それらレンズ１１２，１１４の間に中間像面ＩＰ１が存在する。それらレンズ１１２，１１４の間に、その中間像面ＩＰ１からレンズ１１４の側に外れた位置に回折素子１１６が設置されている。この回折素子１１６の詳細は後述する。

第１リレー光学系１１０から出射したレーザビームは垂直走査系１２０に入射する。この垂直走査系１２０は、信号処理回路６０から供給された垂直同期信号に基づき、水平走査系１００によって水平に走査されたレーザビームを垂直方向に走査する。この垂直走査系１２０は、ガルバノミラー１３０を主体として構成されているが、他の形式（例えば、ポリゴンミラー）で構成することが可能である。

この垂直走査系１２０によって走査された走査光は、第２リレー光学系１４０に入射する。この第２リレー光学系１４０においては、光軸上において一対のレンズ１４２，１４４が並んで配置されている。後に図４および図６を参照して説明するように、それらレンズ１４２，１４４の間に中間像面ＩＰ２が存在する。

このＲＳＤは、以上のようにして強度および波面曲率が変調された２次元走査光を、第２リレー光学系１４０のレンズ（後段レンズ）１４４において出射する。その出射した２次元走査光は、瞳孔１２を経て網膜１４に直接投影される。

図２には、回折素子１１６が拡大されて断面図で示されている。この回折素子１１６は、ハウジングとしての封止ブロック１６０内にガラス板１６２と回折格子１６４とが積層状態で収容されている。それらガラス板１６２および回折格子１６４の封止ブロック１６０からの離脱がとめ具１６８によって阻止されている。それらガラス板１６２と回折格子１６４とはスペーサ１７０によって厚さ方向に互いに離隔されているが、それらガラス板１６２と回折格子１６４との間の隙間内にごみやほこり等の異物が侵入しないように、それらガラス板１６２と回折格子１６４とは封止ブロック１６０によって封止されている。

本実施形態においては、回折格子１６４が、図３に斜視図で示すように、谷部（透過部）と山部（非透過部）とが交互に直線的に並んだ１枚の１次元回折格子として構成されている。図３に示す例においては、回折格子１６４が、回折面１７４（図２参照）に入射した光を水平方向に回折する（図７参照）。

さらに、本実施形態においては、回折素子１１６の有効領域、すなわち、回折素子１１６に入射するとその回折素子１１６において回折が有効に行われることとなるビームの入射領域が、水平走査系１００から回折素子１１６に入射する走査光がその回折素子１１６に照射される線状領域より広いように設定されている。

図４および図６にはいずれも、図１に示すＲＳＤにおける光路が簡略化されて示されている。具体的に説明するに、水平走査系１００と垂直走査系１２０との間に第１リレー光学系１１０が存在し、この第１リレー光学系１１０においては、レンズ１１２とレンズ１１４とが同一光軸上において並んでいる。それらレンズ１１２，１１４の間に中間像面ＩＰ１が存在する。垂直走査系１２０と眼１０との間に第２リレー光学系１４０が存在し、この第２リレー光学系１４０においては、レンズ１４２とレンズ１４４とが同一光軸上において並んでいる。それらレンズ１４２，１４４の間に中間像面ＩＰ２が存在する。

図４には、本実施形態に対する比較例が示されている。この比較例においては、回折素子１１６が第１リレー光学系１１０に設置されており、この点、図１に示すように、本実施形態と共通する。しかし、図４に示す比較例においては、中間像面ＩＰ１と同一の位置に回折素子１１６が設置されており、この点、図６に詳細に示すように、回折素子１１６が中間像面ＩＰ１から外れた位置、すなわち、レンズ１１４の側（このＲＳＤの出射側）に外れた位置に設置された本実施形態とは異なる。

この比較例を実施すると、図４に示すように、射出瞳が回折素子（本実施形態における回折素子１１６と区別するために、「ＤＥ」を付して表記する。）によって拡大される。したがって、この比較例によれば、観察者の瞳孔１２が多少移動しても、その瞳孔１２から射出瞳が完全に外れてしまう可能性が軽減され、よって、安定した画像表示が実現される。

しかしながら、この比較例においては、図５に示すように、レンズ１１２から出射して回折素子ＤＥに入射する入射ビームが、それのビームウエストにおいて、回折素子ＤＥに入射する。そのため、その入射ビームのビーム径が、回折素子ＤＥの回折ピッチより小さい可能性がある。その入射ビーム径が回折ピッチより小さいと、その入射ビームが回折素子ＤＥにおいて散乱して損失が発生し、その入射ビームの回折が期待通りに行われず、回折効率が低下する可能性がある。

さらに、回折ピッチより小さいビーム径を有する入射ビームが回折素子ＤＥの回折面上において走査されると、回折素子ＤＥのうち、各瞬間ごとに入射ビームが一度に入射する部分が、ある瞬間には透過部（溝部）のみ、別の瞬間には非透過部（山部）のみというように、安定しない。そのため、走査について回折光の明るさが周期的に変動する。水平走査系１００による走査光に、点像であるノイズが周期的に発生させられるのである。

一方、この比較例においては、回折素子ＤＥが、水平走査系１００と垂直走査系１２０との間に設けられているため、点像であるノイズは、垂直走査系１２０による垂直走査により、線像であるノイズに変換される。そのため、回折光の明るさの周期的変動により、最終的な表示画像に複数本の黒線（線像を有するノイズ）が周期的に発生してしまう。

これに対し、本実施形態においては、図６に示すように、中間像面ＩＰ１からレンズ１１４の側に外れた位置に回折素子１１６が設置されている。したがって、本実施形態によれば、図７に示すように、入射ビームが回折素子１１６に、その入射ビームのビームウエストより拡散した部分において入射するため、入射ビームのビーム径Ｄ（入射ビームの回折素子１１６上での直径）が、前述の比較例においてはビーム径Ｄと一致するビームウエスト径Ｗ_０（入射ビームの中間像面ＩＰ１上での直径）より増加し、回折ピッチｄより長くなる。よって、本実施形態によれば、回折素子１１６による回折効率が安定化するため、表示画像の画質を劣化させることなく、射出瞳を拡大することが容易となる。

ここで、図７を参照することにより、回折素子１１６の回折面１７４が中間像面ＩＰ１から外れる外れ量ｚの設定について説明する。

回折素子１１６によって射出瞳を拡大しても画質が劣化しないようにするために、例えば、入射ビーム径Ｄが回折ピッチｄの整数倍であることが望ましく、３倍以上であることがさらに望ましい。このことは、次式で表現される。

Ｄ＞＝３ｄ

さらに、入射ビーム径Ｄと、ビームウエスト径Ｗ_０と、入射ビームの波長λと、外れ量ｚとの間には、次式で表される関係が成立する。

Ｄ＝２Ｗ_０（１＋（λｚ／πＷ_０ ^２）^２）^１／２

また、回折ピッチｄと回折角θと入射ビームの波長λとの間には、次式で表される関係が成立する。

ｄ＝ｓｉｎθ／λ

したがって、ビームウエスト径Ｗ_０と、入射ビームの波長λと、回折角θとが与えられれば、以上説明した関係を利用して外れ量ｚの下限値を算出することが可能である。

図８（ａ）には、回折素子１１６を使用しないために射出瞳が拡大されない場合にこのＲＳＤのユーザである観察者によって視認される視認領域が、瞳孔１２および射出瞳を示す正面図で示されている。図８（ｂ）には、回折素子１１６を使用するために射出瞳が拡大される場合における視認領域が、瞳孔１２および射出瞳を示す正面図で示されている。

図９には、図８（ａ）に示す射出瞳のもと、眼１０に入射する走査光が側面図で示され、図１０には、図８（ｂ）に示す射出瞳のもと、眼１０に入射する走査光が側面図で示されている。

このＲＳＤの光路上に回折素子１１６を設置しない場合には、図８（ａ）に正面図で示すように、このＲＳＤの射出瞳が１個のみとなる。この１個の射出瞳の直径は瞳孔１２の直径より小さい。瞳孔１２の直径の平均値は約３ｍｍであり、射出瞳の直径は例えば約１．５ｍｍである。そのため、図９に側面図で示すように、眼１０の回転運動によって瞳孔１２が初期位置から移動すると、射出瞳が瞳孔１２からほぼ完全に外れてしまう可能性がある。

これに対し、このＲＳＤの光路上に回折素子１１６を図１に示すように設置すると、図８（ｂ）に正面図で示すように、このＲＳＤの主要な射出瞳が３個に増加する。回折素子１１６は１次元回折格子を主体として構成されているため、この回折素子１１６からの主要な回折光として０次光と１次光と−１次光とに注目すれば、このＲＳＤの射出瞳が、一列に並んだ３個の射出瞳として構成されることになる。

前述の外れ量ｚが０である場合、すなわち、中間像面ＩＰ１上に回折素子１１６が存在する場合には、その回折素子１１６によって分離された光束が最終的に、網膜１４上のほぼ同位置に結像する。しかし、外れ量ｚが大きいほど、互いに分散して結像される傾向が強くなる。一方、それら３個の射出瞳を通った光束の結像点が互いに分散して観察される傾向が強いほど、観察者によって知覚される表示画像が多重像となりピントがぼける傾向が強くなる。

そこで、本実施形態においては、それら３個の射出瞳を通った光束が網膜１４上に結像する位置が互いに十分に接近するように、外れ量ｚが設定される。すなわち、それら３個の射出瞳により、観察者は３個の虚像を知覚するが、それら３個の虚像がほぼ同一の位置においてほぼ完全に重ね合わせられるように、外れ量ｚが設定されるのである。さらに、その合体された射出瞳の最大長さ（見かけ上の射出瞳の直径に相当する。）は、瞳孔１２の直径より長くなるように、回折角が設定される。

すなわち、本実施形態においては、外れ量ｚの上限値が、観察者によって知覚される画像が多重化せず、かつ、図１０に示すように、瞳孔１２が初期位置から多少移動しても走査光が瞳孔１２に十分な光量で入射するように、設定される。外れ量ｚは、例えば、０．４５ｍｍを超えない値に設定される。外れ量ｚは、例えば、約０．０５ないし０．２５ｍｍであることが望ましく、また、０．１ないし０．２ｍｍであることが望ましく、また、約０．１５ｍｍであることが望ましい。

以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、３個のレーザ３０，３２，３４が互いに共同して前記（１）項における「光源」の一例を構成し、水平走査系１００と垂直走査系１２０とが互いに共同して同項における「走査部」の一例を構成し、レンズ１４４が同項における「出射部」の一例を構成し、回折素子１１６が同項における「回折素子」の一例を構成し、中間像面ＩＰ１が同項における「中間像面」の一例を構成しているのである。

さらに、本実施形態においては、回折素子１１６が前記（２）項および（６）項のそれぞれにおける「回折素子」の一例を構成し、レンズ１１２と１１４とが互いに共同して前記（６）項における「一対の光学素子」の一例を構成し、中間像面ＩＰ１が同項における「中間像面」の一例を構成しているのである。

さらに、本実施形態においては、水平走査系１００が前記（９）項における「主走査部」の一例を構成し、垂直走査系１２０が同項における「副走査部」の一例を構成し、中間像面ＩＰ１が同項における「中間像面」の一例を構成しているのである。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。ただし、本実施形態は、第１実施形態と回折素子の構成が異なるのみで、他の要素については共通するため、異なる要素についてのみ詳細に説明し、共通する要素については、同一の符号または名称を使用して引用することにより、詳細な説明を省略する。

第１実施形態においては、回折素子１１６が、入射光を１次元方向にしか回折しないように構成されている。これに対し、本実施形態においては、図１１に示すように、回折素子１９０が、入射光を２次元方向に回折する２次元回折格子１９２を主体として構成されている。回折素子１９０は、図２に示す回折素子１１６と同様な構成を有しており、その回折素子１１６において１次元回折格子１６４を２次元回折格子１９２に置換したものに相当する。

以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、回折素子１９０が前記（３）項における「回折素子」の一例を構成し、２次元回折格子１９２が前記（５）項における「２次元回折素子」の一例を構成しているのである。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。ただし、本実施形態は、第２実施形態と回折素子の構成が異なるのみで、他の要素については共通するため、異なる要素についてのみ詳細に説明し、共通する要素については、同一の符号または名称を使用して引用することにより、詳細な説明を省略する。

第２実施形態においては、１枚の２次元回折素子１９２が、入射光を２次元方向に回折する。これに対し、本実施形態においては、図１２に示すように、回折素子２１０が、入射光を１次元方向に回折する１次元回折素子２１２，２１４を２個、回折方向が互いに交差するように含んでいる。回折素子２１０は、図２に示す回折素子１１６と同様な構成を有しており、その回折素子１１６においてガラス板１６２は１次元回折格子２１２に、１次元回折格子１６４は１次元回折格子２１４にそれぞれ置換したものに相当する。

以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、回折素子２１０が前記（３）項における「回折素子」の一例を構成し、２個の１次元回折格子２１２，２１４が前記（４）項における「２個の１次元回折素子」の一例を構成しているのである。

次に、本発明の第４実施形態を説明する。ただし、本実施形態は、第１実施形態と回折素子の配置が異なるのみで、他の要素については共通するため、異なる要素についてのみ詳細に説明し、共通する要素については、同一の符号または名称を使用して引用することにより、詳細な説明を省略する。

第１実施形態においては、回折素子１１６が水平走査系１００と垂直走査系１２０との間に設置されている。これに対し、本実施形態においては、図１３に示すように、回折素子２３０が、垂直走査系１２０とレンズ１４４（このＲＳＤの最終的な出射部）との間に設置され、具体的には、レンズ１４２と１４４との間に設置されている。さらに具体的には、本実施形態においては、回折素子２３０が、図６に示す中間像面ＩＰ２から、レンズ１４４の側に外れた位置に設置されている。

回折素子２３０は、回折素子１１６と共通の構成を有するが、回折が有効に行われることとなるビームの入射領域は、回折素子１１６より広く設定されている。回折素子２３０は、回折素子１１６とは異なり、垂直走査系１２０による走査光を受けて回折を行うからである。

本実施形態においては、第１実施形態とは異なり、回折素子２３０が垂直走査系１２０より上流側に設置されず、水平走査系１００による走査光が回折を受けずに垂直走査系１２０に入射するため、垂直走査系１２０の入射領域（例えば、ガルバノミラー１３０のミラー面）の面積を、第１実施形態とは異なり、回折素子２３０から切り離して決定することが可能である。すなわち、回折素子２３０を設置するために垂直走査系１２０の入射領域を拡大したり垂直走査系１２０を大型化することが必要にならずに済むのである。

以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、レンズ１４２と１４４とが互いに共同して前記（６）項における「一対の光学素子」の一例を構成し、中間像面ＩＰ２が同項における「中間像面」の一例を構成しているのである。

さらに、本実施形態においては、中間像面ＩＰ２が前記（７）項および（８）項のそれぞれにおける「中間像面」の一例を構成し、回折素子２４０がそれら（７）項および（８）項のそれぞれにおける「回折素子」の一例を構成しているのである。

さらに、本実施形態においては、中間像面ＩＰ２が前記（１０）項における「中間像面」の一例を構成し、回折素子２３０が同項における「回折素子」の一例を構成しているのである。

以上、本発明の実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、前記［発明の開示］の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。

本発明の第１実施形態に従う網膜走査型ディスプレイを示す系統図である。 図１における回折素子１１６を示す側面断面図である。 図２における回折格子１６４を示す斜視図である。 第１実施形態に対する比較例である網膜走査型ディスプレイの光学的構成を説明するための光路図である。 図４における回折素子による回折を説明するための光路図である。 第１実施形態に従う網膜走査型ディスプレイの光学的構成を説明するための光路図である。 図６における回折素子１１６による回折を説明するための光路図である。 図６における回折素子１１６によって拡大された射出瞳を従来の射出瞳と対比して説明するための正面図である。 図８（ａ）に示す従来の射出瞳と観察者の瞳孔１２との相対位置関係を説明するための光路図である。 図８（ｂ）に示す拡大された射出瞳と観察者の瞳孔１２との相対位置関係を説明するための光路図である。 本発明の第２実施形態に従う網膜走査型ディスプレイにおける回折素子１９０に使用される１枚の２次元回折格子１９２を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に従う網膜走査型ディスプレイにおける回折素子２１０に使用される２枚の１次元回折格子２１２，２１４を示す斜視図である。 本発明の第４実施形態に従う網膜走査型ディスプレイを示す系統図である。

符号の説明

１０ 眼
１２ 瞳孔
１４ 網膜
３０，３２，３４ レーザ
１００ 水平走査系
１１０ 第１リレー光学系
１１２，１１４ レンズ
１１６，１９０，２１０，２３０ 回折素子
１２０ 垂直走査系
１４０ 第２リレー光学系
１４２，１４４ レンズ
１６４ １次元回折格子
１９２ ２次元回折格子
２１２，２１４ １次元回折格子

Claims (12)

1. 光束を観察者の網膜に直接投影し、その投影された光束を前記網膜上において走査することにより、画像を表示する網膜走査型ディスプレイであって、
   光源と、
   その光源から出射した光束を前記網膜上において走査する走査部と、
   その走査部によって走査された光束が当該網膜走査型ディスプレイから出射する出射部と、
   それら光源と出射部との間における光路上に、それら光源と出射部との間に存在する中間像面から外れた位置に設置された回折素子と
   を含み、
   前記光束は、前記中間像面の位置においてビームウエスト径Ｗ _０ を有し、前記中間像面から外れるにつれて拡散して、前記中間像面から外れた位置に設置された前記回折素子に、前記ビームウエスト径Ｗ _０ より大きい入射ビーム径Ｄで入射し、
   前記回折素子の、前記中間像面からの外れ量ｚは、前記入射ビーム径Ｄが前記回折素子の回折ピッチｄのｎ（ｎ：３以上の整数）倍に設定される網膜走査型ディスプレイ。
2. 前記外れ量ｚの下限値は、次の２式、すなわち、
   Ｄ＞＝３ｄ
   Ｄ＝２Ｗ _０ （１＋（λｚ／πＷ _０ ^２ ） ^２ ） ^１／２
   ただし、
   λ：前記光束の波長
   が同時に成立するように設定される請求項１に記載の網膜走査型ディスプレイ。
3. さらに、前記光路上に一対の光学素子が並んで成るリレー光学系を含み、前記中間像面は、それら一対の光学素子の間に存在し、前記回折素子は、前記リレー光学系に、前記一対の光学素子の間において、前記中間像面から外れた位置に設置された請求項１または２に記載の網膜走査型ディスプレイ。
4. 前記光束は、前記回折素子を通過すると、複数の回折光に分離され、それら回折光により、複数の射出瞳が形成され、
   前記複数の射出瞳を通過した前記光束が前記網膜上の複数の結像点においてそれぞれ結像することにより、複数の虚像が観察者によって知覚され、
   前記外れ量ｚは、前記複数の虚像がほぼ同一の位置においてほぼ完全に重ね合わせられ、それにより、前記複数の虚像によって観察者が知覚する前記画像が多重化しないように設定される請求項１ないし３のいずれかに記載の網膜走査型ディスプレイ。
5. 前記回折素子は、前記中間像面から前記出射部の側に外れた位置に設置された請求項１ないし４のいずれかに記載の網膜走査型ディスプレイ。
6. 前記回折素子は、入射光束を２次元方向に回折する請求項１ないし５のいずれかに記載の網膜走査型ディスプレイ。
7. 前記回折素子は、入射光束を１次元方向に回折する１次元回折素子を２個、回折方向が互いに交差するように含む請求項６に記載の網膜走査型ディスプレイ。
8. 前記回折素子は、入射光束を２次元方向に回折する２次元回折素子を１個含む請求項６に記載の網膜走査型ディスプレイ。
9. 前記中間像面は、前記走査部と前記出射部との間に存在し、前記回折素子は、それら走査部と出射部との間において、前記中間像面から外れた位置に設置された請求項１ないし８のいずれかに記載の網膜走査型ディスプレイ。
10. 前記中間像面は、前記走査部と前記出射部との間に複数個存在し、前記回折素子は、それら複数個の中間像面のうち最も前記出射部に近いものとその出射部との間に設置された請求項１ないし９のいずれかに記載の網膜走査型ディスプレイ。
11. 前記走査部は、入射光束を主走査方向に走査する主走査部と、その主走査部から入射した光束を、前記主走査方向と交差する副走査方向に走査する副走査部とを含み、前記中間像面は、それら主走査部と副走査部との間に存在し、前記回折素子は、それら主走査部と副走査部との間において、前記中間像面から外れた位置に設置された請求項１ないし１０のいずれかに記載の網膜走査型ディスプレイ。
12. 前記走査部は、入射光束を主走査方向に走査する主走査部と、その主走査部から入射した光束を、前記主走査方向と交差する副走査方向に走査する副走査部とを含み、前記中間像面は、その副走査部と前記出射部との間に存在し、前記回折素子は、それら副走査部と出射部との間において、前記中間像面から外れた位置に設置された請求項１ないし１０のいずれかに記載の網膜走査型ディスプレイ。

Images