JPWO2018034131A1 - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

安価でありながら、小型でありながらホログラムを用いて適切な画像を表示できる画像表示装置を提供する。単独露光ホログラムと多重露光ホログラムとを並べて配置した表示部と、前記単独露光ホログラムと前記多重露光ホログラムに向かって光を出射する複数の光学ユニットと、前記光学ユニットから出射される光の量を少なくとも部分的に制御する制御部とを有する画像表示装置において、前記制御部は、前記単独露光ホログラムと前記多重露光ホログラムとの境界を挟んで、前記単独露光ホログラム側から出射されて前記観察者の目に入射する回折光の強度と、前記多重露光ホログラム側から出射されて前記観察者の目に入射する回折光の強度とが近づくように、前記光学ユニットから出射される光の量を制御する。

Description

本発明は、画像表示装置に関するものである。

近年、例えばウェラブル端末であるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）などに用いられ、観察者が可能な画像の表示と共に外界の観察も可能にする，所謂スルー表示が可能な画像表示装置として、ホログラムを用いて表示素子からの画像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。

例えば特許文献１には、レーザ光をスキャンし体積ホログラムで眼側に回折することにより画像を形成し、観察者がこの画像を観察できるようになっている眼鏡型の画像表示装置が示されている。この従来例では、片方の眼に対応する走査装置を一つ設け、それに対応するホログラムをレンズに相当する部分に一つ形成した構成となっている。両眼で表示画像を観察する場合は、走査装置とホログラムのセットが二つ必要となる。

特開平１０−３０１０５５号公報 特開平０６−３４２１２８号公報

ところで、このように観察者が装着して使用する眼鏡型の画像表示装置で、単一の走査装置を用いてより広い画角の画像を表示しようとすると、ホログラムに向かう画像光の一部が観察者の顔によって遮蔽されてしまうことから、画角の拡大には制限があるとされる。これに対し、画像光の遮蔽を回避するには、ホログラムを観察者の前方に遠ざけて配置することも考えられるが、それにより画像表示装置の大型化を招き使い勝手が悪くなる。

かかる問題を解消するために、複数の走査装置からの光を、領域を分割して照射することで、全体として１つの画像を形成する試みがある。しかるに、そのような構成により広い画角の映像を表示する場合、１つの走査装置からの光と、別の走査装置からの光とが重なる領域が生じることとなる。又、両眼で画像を観察する場合、右目に回折光を送るホログラムと、左目に回折光を送るホログラムが、左右の眼の間で空間的に重なってしまうということもある。

ここで、一般的なホログラムを作製する場合、素材に対してレーザ光（物体光）と参照光を所定角度で照射することにより素材内部にて光干渉を生じさせ（単独露光）、それにより屈折率の高低差を持つ一方向に並んだ格子縞を形成する。このようにして形成されたホログラムを、ここでは単独露光ホログラムと呼ぶこととする。ところが、単独露光ホログラムの場合、所定方向に回折を生じさせて観察者の目に入射させるためには、ホログラムへの入射角度が限定されるため、２つの走査装置からの光が入射する位置に、単独露光ホログラムを採用しても、１つの走査装置からの光しか回折できないという問題が生じる。

これに対し、特許文献２には、素材に対して複数のレーザ光（物体光）と複数の参照光をずらせて照射することにより素材内部にて複数方向に光干渉を生じさせ（多重露光）、それにより屈折率の高低差を持つ複数方向に並んだ格子縞を形成する技術が開示されている。このようにして形成されたホログラムを多重露光ホログラムという。多重露光ホログラムによれば、複数方向から入射した光を回折することができるから、複数の走査装置からの光が入射する位置に設置することができ，且つ観察者の目の方向に向かう複数の回折光を生じさせることが出来る。しかしながら、多重露光ホログラムを複数の走査装置からの光が入射する位置に設置したとしても、それだけでは適切な画像を形成できないことが分かった。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、小型でありながらホログラムを用いて適切な画像を表示できる画像表示装置を提供することを目的とする。

上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した画像表示装置は、
単独露光ホログラムと多重露光ホログラムとを並べて配置した表示部と、
前記単独露光ホログラムと前記多重露光ホログラムに向かって光を出射する複数の光学ユニットと、
前記光学ユニットから出射される光の量を少なくとも部分的に制御する制御部とを有し、
前記光学ユニットのいずれかより出射された光が、所定の入射方向に沿って前記単独露光ホログラムに入射した時に、観察者の目に向かう方向に回折するようになっており、
前記光学ユニットの１つから出射された光が、第１の入射方向に沿って前記多重露光ホログラムに入射した時に、前記観察者の目に向かう方向に回折し、別の前記光学ユニットから出射された光が、前記第１の入射方向とは異なる第２の入射方向に沿って前記多重露光ホログラムに入射した時に、前記観察者の目に向かう方向に回折するようになっており、
前記制御部は、前記単独露光ホログラムと前記多重露光ホログラムとの境界を挟んで、前記単独露光ホログラム側から出射されて前記観察者の目に入射する回折光の強度と、前記多重露光ホログラム側から出射されて前記観察者の目に入射する回折光の強度とが近づくように、前記光学ユニットから出射される光の量を制御するものである。

本発明によれば、安価でありながら、小型でありながらホログラムを用いて適切な画像を表示できる画像表示装置を提供することができる。

ホログラムの断面構造を示す模式図である。 本実施形態の画像表示装置を装着した観察者の左目周辺における斜視図であり、 本実施形態の画像表示装置を装着した観察者の右目周辺における斜視図である。 本実施形態の画像表示装置の一部を示す模式図である。 走査ミラー１４の正面図である。 走査ミラー１４のユニモルフ構造を示す断面図である。 観察者の左目ＥＹＬと、樹脂板ＰＬと、第１光学装置の出射点Ｐ１と，第２光学装置の出射点Ｐ２との位置関係を示す幾何学的な図である。 制御部ＣＯＮＴで行う半導体レーザの時分割制御を示す図である。 観察者の両目ＥＹＬ、ＥＹＲと、樹脂板ＰＬと、第１光学装置の出射点Ｐ１と，第４光学装置の出射点Ｐ４との位置関係を示す幾何学的な図である。 走査ミラーの反射部の振動状態を示す図である。 第１光学装置１０から出射されたレーザ光を、その走査ミラ−側から見た状態を示す図である。 第２光学装置２０から出射されたレーザ光を、その走査ミラ−側から見た状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。まず、単独露光ホログラムと多重露光ホログラムについて説明する。図１は、ホログラムの断面構造を示す模式図であり、白色の領域は高屈折領域であり、黒色の領域は低屈折領域である。まず、図１（ａ）、（ｂ）に示す単独露光ホログラムを作製する場合、例えば有機系フォトリフラクティブ材料からなるに対して、第１方向に沿ってレーザ光ＬＬを照射し、且つ第２方向に沿って参照光ＲＬを照射すると、その２等分線に直交する方向に干渉縞が生じ、これに沿って高屈折領域と低屈折領域が生じることとなる。

このようにして作製された単独露光ホログラムに、第１方向に沿ってレーザ光を入射させると、第２方向に沿って回折光が発生する。従って、作製時において第１方向と第２方向とを適切に設定することで、例えば観察者の目に入射する方向に回折光を生じさせるホログラムを得ることができる。但し、単独露光ホログラムのかかる特性は、作製時に用いたレーザ光の波長に対応した波長選択性の他、第１方向に対応した角度選択性を有することとなり、使い勝手が悪い。

この単独ホログラムの課題を解決するために、多重露光ホログラムが開発された。図１（ｃ）に示す多重露光ホログラムを作製する場合、例えば有機系フォトリフラクティブ材料からなるに対して、第１Ａ方向と第１Ｂ方向に沿って２方向からレーザ光ＬＬを照射し、且つ第２方向に沿って参照光ＲＬを照射すると、２方向に干渉縞が生じ、図に示すような市松模様状の高屈折領域と低屈折領域が生じることとなる。すなわち、多重露光ホログラムは、図１（ａ）、（ｂ）に示す単独露光ホログラムを重ね合わせたような分布で、高屈折領域と低屈折領域を有することとなる。

このようにして作製された多重露光ホログラムに、第１Ａ方向に沿ってレーザ光を入射させると、第２方向に沿って回折光が発生し、また第１Ｂ方向に沿ってレーザ光を入射させると、第２方向に沿って回折光が発生する。従って、異なる二方向からレーザ光を入射させても、同一方向に回折光を出射させることができるホログラムを得ることができる。尚、以上の例では、参照光ＲＬを入射させる第２方向を共通としているが互いに異ならせても良く、その場合には異なる方向に回折光が出射されることとなる。

但し、多重露光ホログラムの場合、作製時に用いるレーザ光の局所的な強度に対する、作製された体積ホログラムの局所的な屈折率の関係が比例から乖離していると、多重露光していない場合に対して回折効率が変化することになる。図1（ａ）、（ｂ）に示す単独露光ホログラムでは、高屈折領域と低屈折領域の分離が進んでおり、二つの屈折率差で決まる最大値に近い屈折率変調が得られている。屈折率変調は回折効率と関係していて、屈折率変調が大きいほど回折効率も高いため、多重露光しないのであればこのように分離が進んだ状態のほうが望ましい。しかし、二つの領域の屈折率差以上に差をつけることはできないため、多重露光した位置では二つの縞が分布を取り合う形となり、屈折率変調は多重露光していない場合より小さめになってしまう。すなわち、単独露光ホログラムに対する多重露光ホログラムは一般的に効率が低くなる。そこで、本実施形態の画像表示装置においては、単独露光ホログラムと多重露光ホログラムとを，ホログラムシートとして適所に配置しつつ、両者のメリットを最大限生かすようにしたものである。

より具体的には、１つのレーザ光源からのみレーザ光が入射する位置には単独露光ホログラムを配置し、２つのレーザ光源から異なる方向に沿ってレーザ光が入射する位置には多重露光ホログラムを配置することで、いずれのホログラムから出射する回折光が観察者の目に入射するようにし、これにより画像表示装置の小型化を促進しながらも、画角の広い画像を形成するようにしている。

又、単独露光ホログラムと多重露光ホログラムに跨がって１つの画像を形成する際に、同じ光量のレーザ光を照射した場合、両者の効率差に従い、単独露光ホログラム側から出射する回折光に比べ、多重露光ホログラム側から出射する回折光の強度が低下するという現象が生じる。そこで、多重露光ホログラム側から出射する複数の回折光が異なる方向に向かう場合、効率差の分だけ、両者の境界を挟んで、単独露光ホログラム側に照射するレーザ光の光量を、多重露光ホログラム側に照射するレーザ光の光量より低下させるようにすることが望ましい。一方、多重露光ホログラム側から出射する複数の回折光が同じ方向に向かう場合、回折光の足し合わせが生じた分だけ、両者の境界を挟んで、多重露光ホログラム側に照射するレーザ光の光量を、単独露光ホログラム側に照射するレーザ光の光量より低下させるようにすることが望ましい。これにより、単独露光ホログラムと多重露光ホログラムの境界を挟んで、単独露光ホログラム側から出射されて観察者の目に向かう回折光と、多重露光ホログラムから出射されて観察者の目に向かう回折光の強度を略等しくすることができるため、単独露光ホログラムと多重露光ホログラムに跨がって１つの画像を形成する際にも、これを観察する観察者が違和感を覚える恐れが少ない。

尚、単独露光ホログラムと多重露光ホログラムの境界を挟んで、両側から出射する回折光の強度を完全に一致させる必要はなく、観察者が違和感を覚えない程度に強度を近づければ良い。又、単独露光ホログラムと多重露光ホログラムとの境界に最も近い単独露光ホログラムから出射される回折光の強度と、この境界に最も近い多重露光ホログラムから出射される回折光の強度を比較する場合、ピクセル毎ではなく例えば単位面積（例えば１平方ミリメートル）あたりの平均強度を比較すると好ましい。

図２は、本実施形態の画像表示装置を装着した観察者の左目周辺における斜視図であり、図３は、本実施形態の画像表示装置を装着した観察者の右目周辺における斜視図である。図４は、本実施形態の画像表示装置の一部を示す模式図である。尚、図において、観察者から前方に向かう方向をＺ方向とし、観察者の左右方向をＹ方向とし、観察者の上下方向をＸ方向とする。以下、光学装置を光学ユニットもいう。

図２，３において、観察者の頭部ＯＨにコ字状のフレームＦＲが装着されており、またフレームＦＲの下方には、連続し且つ湾曲した樹脂板ＰＬが取り付けられており、透明な樹脂板ＰＬの一部には、後述するようにホログラムシート（表示部）が配置されている。図２に示すように、フレームＦＲには、第１光学装置１０と第２光学装置２０が、左目ＥＹＬの中心よりも高い位置に固定されている。又、図２において樹脂板ＰＬ上に，第１光学装置１０に近い側から順に、矩形状のホログラムシートＨＳ１、ＨＳ２，ＨＳ３，ＨＳ４が隙間を空けずに隣接して形成されている。その境界をＢＤとする。ここで、シングルハッチングで示すホログラムシートＨＳ１、ＨＳ３は単独露光ホログラムであり、ダブルハッチングで示すホログラムシートＨＳ２，ＨＳ４は多重露光ホログラムである。なお、各ホログラムシートは、連続した一つの感材上で、位置をずらしながらそれぞれ露光することによって形成されている。

一方、図３に示すように、フレームＦＲには、第３光学装置３０と第４光学装置４０が、右目ＥＹＲの中心よりも高い位置に固定されている。又、図３において樹脂板ＰＬ上に，第４光学装置４０に近い側から順に、矩形状のホログラムシートＨＳ７、ＨＳ６，ＨＳ５，ＨＳ４が隙間を空けずに隣接して形成されている。その境界をＢＤとする。ここで、シングルハッチングで示すホログラムシートＨＳ７、ＨＳ５は単独露光ホログラムであり、ダブルハッチングで示すホログラムシートＨＳ２は多重露光ホログラムであり、ホログラムシートＨＳ４は図２，３に共通で示している。図２，３から明らかであるが、本実施形態にかかる画像表示装置はヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の形態を取り、観察者はホログラムシートによって形成された画像を観察できると同時に、樹脂板ＰＬを介して外界の景色を観察できるようになっている。

図４において、第１光学装置１０は、半導体レーザ（レーザ光源）１１と、半導体レーザ１１から出射された光束を伝達する導光路１２と、導光路１２から出射されたレーザ光ＬＢ１を集光するレンズ１３と、レンズ１３によって集光されたレーザ光ＬＢ１を反射して二次元走査させる走査ミラー１４と、走査ミラー１４を駆動する為の高周波電力を供給する給電部１５とを有する。尚、第１半導体レーザ１１を制御する制御部ＣＯＮＴが別個に設けられている。走査ミラー１４の傾斜角（反射角）は変動可能となっており、走査ミラー１４の傾斜角を変動させることによりレーザ光ＬＢ１の二次元走査が行われる。

図５は、走査ミラー１４の正面図である。本実施形態では、走査系を構成する走査ミラー１４をＭＥＭＳ（微小電気機械システム）に組み込むことで、略平坦で厚みが小さく小型化している。具体的な構造としては、図５に示すように、走査ミラー１４はシリコン基板に対してエッチング処理などを施すことで得られる構造体からなっており、固定枠１４ａ、駆動部１４ｂおよび可動枠１４ｃなどを一体的に有している。なお、以下の説明では、走査ミラー１４の中心を図５の左右方向に横切る軸をα軸とし、走査ミラー１４の中心を図５の上下方向に横切る軸をβ軸とする。

固定枠１４ａは、走査ミラー１４の外縁に相当する部分であって、他の部分（駆動部１４ｂおよび可動枠１４ｃなど）を取り囲んでいる。駆動部１４ｂは、α軸方向において固定枠１４ａと分離され、β軸方向において固定枠１４ａと連結されている。さらに、駆動部１４ｂは４つのユニモルフ構造を含んでいるとともに、その４つのユニモルフ構造がα軸およびβ軸のそれぞれを対称軸として対称となり、かつ、互いに離間した状態となるように配置されている。また、駆動部１４ｂとしてのユニモルフ構造は、図６に示すように、圧電素子（ＰＺＴなどを原料とした焼結体を分極処理したもの）ＰＺを一対の電極ＥＬで挟持し、それをシリコン基板の駆動部１４ｂとなる領域上に貼り付けることによって形成されている。

このような駆動部１４ｂでは、一対の電極ＥＬに電圧が印加されると、一対の電極ＥＬに挟持された圧電素子ＰＺが伸長または収縮する。そして、圧電素子ＰＺが伸長または収縮すると、それに応じて、シリコン基板の駆動部１４ｂとなる領域が伸長または収縮する。すなわち、駆動部１４ｂは、給電部１５より電力が供給されることで駆動する。

また、図５に示すように、可動枠１４ｃは、駆動部１４ｂの内側に位置する略ひし形形状の枠である。この可動枠１４ｃのα軸上の両端部は駆動部１４ｂと連結され、それ以外の部分は駆動部１４ｂから分離されている。これにより、可動枠１４ｃは、α軸回りに回動可能となっていることになる。

可動枠１４ｃの内側には、β軸方向に沿って延びる一対のトーションバー１４ｄが設けられている。この一対のトーションバー１４ｄは、β軸と重なり、かつα軸に対して対称となるように配置されている。さらに、一対のトーションバー１４ｄのそれぞれの一方端は、可動枠１４ｃのβ軸上の端部に連結されている。

そして、反射部１４ｅは、一対のトーションバー１４ｄの対向する他方端の間に配置されており、その他方端によって支持されている。このため、走査ミラー１４は、可動枠１４ｃと共にα軸回りに回動され、トーションバー１４ｄを回動軸としてβ軸回りに回動されることになる。なお、反射部１４ｅは略円形状に形成されており、金やアルミニウムなどからなる反射膜をシリコン基板の上に貼り付けることで得ている。

第１ミラー１４の走査動作は、４つの駆動部１４ｂを駆動（伸縮）させるタイミングを調整し、走査ミラー１４をα軸回りおよびβ軸回りに振動させることによって行われる。例えば、α軸回りに振動するときの周波数は約６０Ｈｚに設定され、β軸回りに振動するときの周波数は約３０ｋＨｚに設定される。

４つの駆動部１４ｂのそれぞれに１４ｂ（Ａ）〜１４ｂ（Ｄ）の符号を付して具体的に説明すると、走査ミラー１４をα軸回りに振動させる際には、駆動部１４ｂ（Ａ）および１４ｂ（Ｃ）を一方の組とするとともに、駆動部１４ｂ（Ｂ）および１４ｂ（Ｄ）を他方の組とし、一方の組および他方の組のそれぞれに印加する電圧の正負を反転させる。この場合、一方の組である駆動部１４ｂ（Ａ）および１４ｂ（Ｃ）が伸長する方向に変形すると、他方の組である駆動部１４ｂ（Ｂ）および１４ｂ（Ｄ）が収縮する方向に変形し、一方の組である駆動部１４ｂ（Ａ）および１４ｂ（Ｃ）が収縮する方向に変形すると、他方の組である駆動部１４ｂ（Ｂ）および１４ｂ（Ｄ）が伸長する方向に変形する。これにより、反射部１４ｅが可動枠１４ｃと共にα軸回りに振動し、反射部１４ｅの傾きがα軸回りに変動する。なお、トーションバー１４ｄのねじれ方向はα軸回りの振動方向と直交する方向であるため、この反射部１４ｅのα軸回りの振動には影響しない。

また、走査ミラー１４をβ軸回りに振動させる際には、駆動部１４ｂ（Ａ）および１４ｂ（Ｂ）を一方の組とするとともに、駆動部１４ｂ（Ｃ）および１４ｂ（Ｄ）を他方の組とし、一方の組および他方の組のそれぞれに印加する電圧の正負を反転させる。この場合、一方の組である駆動部１４ｂ（Ａ）および１４ｂ（Ｂ）が伸長する方向に変形すると、他方の組である駆動部１４ｂ（Ｃ）および１４ｂ（Ｄ）が収縮する方向に変形し、一方の組である駆動部１４ｂ（Ａ）および１４ｂ（Ｂ）が収縮する方向に変形すると、他方の組である駆動部１４ｂ（Ｃ）および１４ｂ（Ｄ）が伸長する方向に変形する。これにより、反射部１４ｅが可動枠１４ｃと共にβ軸回りに振動し、反射部１４ｅの傾きがβ軸回りに変動する。

このとき、駆動部１４ｂを変形させることのみで反射部１４ｅをβ軸回りに傾かせようとすると、反射部１４ｅのβ軸回りの傾きの変動は小さくなってしまう。このため、実際に走査動作を行う際には、駆動部１４ｂに印加される電圧の周波数によって反射部１４ｅが共振するように、駆動部１４ｂへの印加電圧の周波数が設定される。すなわち、反射部１４ｅのβ軸回りの振動は、トーションバー１４ｄを基準としてなされる。

上記のように走査ミラー１４を動作させることで、互いに直交している２軸回りに反射部１４ｅを回動させることができ、反射部１４ｅに入射した第１レーザ光ＬＢ１を二次元走査することが可能となる。これに加えて、制御部ＣＯＮＴが半導体レーザをオンオフ制御することで、任意の画像を形成することができる。

更に図４において、第２光学装置２０は、半導体レーザ（レーザ光源）２１と、半導体レーザ２１から出射された光束を伝達する導光路２２と、導光路２２から出射されたレーザ光ＬＢ２を集光するレンズ２３と、レンズ２３によって集光されたレーザ光ＬＢ２を反射して二次元走査させる第２走査ミラー２４と、第２走査ミラー２４を駆動する為の高周波電力を供給する給電部２５とを有する。尚、半導体レーザ１１を制御する制御部ＣＯＮＴは、半導体レーザ２１も制御する。更に、第２走査ミラー２４は、第１走査ミラーと同様な構成であるため動作の説明を省略する。更に、第３光学装置３０及び第４光学装置４０も同様な構成であるため説明を省略するが、制御部ＣＯＮＴは、第３光学装置３０及び第４光学装置４０の半導体レーザも個々に制御するようになっている。

上述したように樹脂板ＰＬには、ホログラムシートＨＳ１〜ＨＳ７が一列に並べて形成されている。ここで、本実施形態で用いる走査ミラーは反射部の振れ幅が制限され、その反射光を振れる角度（偏向角）には限界があるので、単一の光学装置で大きな画角の画像を形成することは困難である。そこで、４つの光学装置を用いることとするが、特に小さい偏向角で観察者がより広い画角の画像を観察できるように、外側に配置された第１光学装置１０と第４光学装置４０から出射されたレーザ光は、ホログラムシート列の内側に位置するホログラムシートＨＳ３〜ＨＳ５に入射し、その一方、内側に配置された第２光学装置２０と第３光学装置３０から出射されたレーザ光は、ホログラムシート列の外側に位置するホログラムシートＨＳ１、ＨＳ２及びホログラムシートＨＳ６，ＨＳ７にそれぞれ入射するようにしている。

図７は、観察者の左目ＥＹＬと、樹脂板ＰＬと、第１光学装置の出射点Ｐ１と，第２光学装置の出射点Ｐ２との位置関係を示す幾何学的な図である。尚、以下に示すホログラムシートは、樹脂板ＰＬの湾曲に合わせて回折光の出射方向が徐々に変化するように形成されているが、いずれにせよ単独露光ホログラムでは１方向に回折光を出射し、多重露光ホログラムでは２方向に回折光を出射するものである。

ホログラムシートＨＳ１〜ＨＳ４にわたって１つの画像を形成するために、出射点Ｐ１からホログラムシートＨＳ２〜ＨＳ４にわたってレーザ光ＬＢ１が照射され、且つ出射点Ｐ２からホログラムシートＨＳ１〜ＨＳ３にわたってレーザ光ＬＢ２が照射されている。つまり、第１光学装置１０では、ホログラムシートＨＳ２〜ＨＳ４に相当する画像をそれぞれ分割形成して，それに応じたレーザ光ＬＢ１を出射し、第２光学装置２０では、ホログラムシートＨＳ１〜ＨＳ３に相当する画像をそれぞれ分割形成して，それに応じたレーザ光ＬＢ２を出射することとなる。ここで、レーザ光が共通して入射するホログラムシートＨＳ２を設けることで冗長性を持たせることができ、それにより光学装置１０，２０の位置調整を容易にできる．尚、出射点Ｐ１，Ｐ２は目ＥＹＬに対して紙面垂直方向（図２，３でＸ方向）にシフトしているので、光学装置がレーザ光を遮ることはない。

ホログラムシートＨＳ１には、出射点Ｐ２から出射されたレーザ光ＬＢ２のみが所定方向から入射するので、単独露光ホログラムを用いることが出来、同様にホログラムシートＨＳ３には、出射点Ｐ１から出射されたレーザ光ＬＢ１のみが所定方向から入射するので、単独露光ホログラムを用いることが出来る。単独露光ホログラムから出射した回折光は、図７に実線で示すように観察者の左目ＥＹＬに入射して網膜に画像の一部を結像させる。

一方、ホログラムシートＨＳ２には、出射点Ｐ１から出射されたレーザ光ＬＢ１が第１の入射方向から、また出射点Ｐ２から出射されたレーザ光ＬＢ２が第２の入射方向から同時に入射するので、多重露光ホログラムを用いる。多重露光ホログラムの特性から、異なる方向から入射したレーザ光ＬＢ１とレーザ光ＬＢ２それぞれに対して発生した回折光は、図７に点線で示すように観察者の左目ＥＹＬに入射して網膜に画像の残りを結像させる。これにより観察者は画像全体を観察することができる。尚、ホログラムシートＨＳ４の説明については、この例では割愛する。

ここで、レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の強度が均一と仮定した場合、単独露光ホログラムと多重露光ホログラムとの効率差に従い、ホログラムシートＨＳ１、ＨＳ３から出射された回折光の強度と、ホログラムシートＨＳ２から出射された回折光の強度とが異なることとなる。例えば、同一強度のレーザ光を照射したときに、単独露光ホログラムの回折効率を１００％としたときに、多重露光ホログラムの回折効率が８０％であるとする。ここで、回折効率以外の強度に関与するパラメータを無視すれば、ホログラムシートＨＳ２には、レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２が同時に入射するので、発生する回折光は単純計算で８０％×２＝１６０％となって、ホログラムシートＨＳ１、ＨＳ３から発生する回折光に比べて強度が高まることになる。そこで、制御部ＣＯＮＴが、出射点Ｐ１から出射されたレーザ光ＬＢ１のうちホログラムシートＨＳ２に入射する光量を６２．５％に絞り、且つ出射点Ｐ２から出射されたレーザ光ＬＢ２のうちホログラムシートＨＳ２に入射する光量を６２．５％に絞ることで、ホログラムシートＨＳ１〜ＨＳ３において強度バランスが確保され画像を観察する際に違和感が少ない回折光を出射できるようにすることができる。尚、レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の低減量の割合は任意であり、一方の低減量を多めにし、他方の低減量を少なめにしても良い。

図８は、制御部ＣＯＮＴで行う半導体レーザの時分割制御を示す図である。例えば第１光学装置１０において、半導体レーザ１１を周期的にオンオフさせて光量制御（すなわち点灯時間比率を変更して各ピクセルでの光量を制御）する場合に、ホログラムシートＨＳ３にレーザ光ＬＢ１を出射する際には、図８（ｂ）に示すように発光時間ｔ１、消灯時間ｔ２とするのに対し、ホログラムシートＨＳ２にレーザ光ＬＢ１を出射するタイミングで、図８（ａ）に示すように発光時間（ｔ１−Δｔ）、消灯時間（ｔ２＋Δｔ）と変更することで、ホログラムシートＨＳ２に入射する光量を６２．５％に絞ることができる。同様に、第２光学装置１０において、半導体レーザ２１を周期的にオンオフさせて光量制御する場合に、ホログラムシートＨＳ１にレーザ光ＬＢ１を出射する際には、図８（ｂ）に示すように発光時間ｔ１、消灯時間ｔ２とするのに対し、ホログラムシートＨＳ２にレーザ光ＬＢ１を出射するタイミングで、図８（ａ）に示すように発光時間（ｔ１−Δｔ）、消灯時間（ｔ２＋Δｔ）と変更することで、ホログラムシートＨＳ２に入射する光量を６２．５％に絞ることができる。

或いは、ホログラムＨＳ１，ＨＳ３に入射するレーザ光の強度を増大させて、ホログラムシートＨＳ１〜ＨＳ３から発生する回折光の光量バランスを確保しても良い。尚、以上の制御動作は、樹脂板ＰＬの中心を挟んでこれらと鏡像の関係にある第３光学装置３０（出射点Ｐ３）及び第４光学装置４０（出射点Ｐ４）において、同様である。

図９は、観察者の両目ＥＹＬ、ＥＹＲと、樹脂板ＰＬと、第１光学装置の出射点Ｐ１と，第４光学装置の出射点Ｐ４との位置関係を示す幾何学的な図である。ホログラムシートＨＳ２〜ＨＳ６にわたって１つの画像を形成するために、出射点Ｐ１からホログラムシートＨＳ２〜ＨＳ４にわたってレーザ光ＬＢ１が照射され、且つ出射点Ｐ４からホログラムシートＨＳ４〜ＨＳ６にわたってレーザ光ＬＢ４が照射されている。つまり、第１光学装置１０では、ホログラムシートＨＳ２〜ＨＳ４に相当する画像をそれぞれ分割形成して，それに応じたレーザ光ＬＢ１を出射し、第４光学装置４０では、ホログラムシートＨＳ４〜ＨＳ６に相当する画像をそれぞれ分割形成して，それに応じたレーザ光ＬＢ４を出射することとなる。ここで、レーザ光が共通して入射するホログラムシートＨＳ４を設けることで冗長性を持たせることができ、それにより光学装置１０，４０の位置調整を容易にできる。

ホログラムシートＨＳ５には、出射点Ｐ４から出射されたレーザ光ＬＢ４のみが所定方向から入射するので、単独露光ホログラムを用いることが出来、同様にホログラムシートＨＳ３には、出射点Ｐ１から出射されたレーザ光ＬＢ１のみが所定方向から入射するので、単独露光ホログラムを用いることが出来る。ホログラムシートＨＳ５から出射した回折光は、図９に実線で示すように観察者の右目ＥＹＲに入射して網膜に画像の一部を結像させ、ホログラムシートＨＳ３から出射した回折光は、図９に実線で示すように観察者の左目ＥＹＬに入射して網膜に画像の一部を結像させる。

一方、ホログラムシートＨＳ４には、出射点Ｐ１から出射されたレーザ光ＬＢ１が第１の入射方向から、また出射点Ｐ４から出射されたレーザ光ＬＢ４が第２の入射方向から同時に入射するので、多重露光ホログラムを用いる。ホログラムシートＨＳ４に入射したレーザ光ＬＢ１により発生した回折光は、図９に点線で示すように観察者の左目ＥＹＬに入射して網膜に画像の一部を結像させ、ホログラムシートＨＳ４に入射したレーザ光ＬＢ４により発生した回折光は、図９に点線で示すように観察者の右目ＥＹＲに入射して網膜に画像の一部を結像させる。尚、ホログラムシートＨＳ２（ＨＳ６）については、既に説明しているため割愛する。

ここで、レーザ光ＬＢ１，ＬＢ４の強度が均一と仮定した場合、単独露光ホログラムと多重露光ホログラムとの効率差に従い、ホログラムシートＨＳ３、ＨＳ５から出射された回折光の強度と、ホログラムシートＨＳ４から出射された回折光の強度とが異なることとなる。例えば、同一強度のレーザ光を照射したときに、単独露光ホログラムの回折効率を１００％としたときに、多重露光ホログラムの回折効率が８０％であるとする。この例では、レーザ光ＬＢ１によりホログラムシートＨＳ４から発生した回折光は左目ＥＹＬに向かい、レーザ光ＬＢ４によりホログラムシートＨＳ４から発生した回折光は右目ＥＹＲに向かう。各回折光は、ホログラムシートＨＳ３、ＨＳ５から発生する回折光に比べて強度が低下することになる。ここで、回折効率以外の強度に関与するパラメータを無視すれば、制御部ＣＯＮＴは、出射点Ｐ１から出射されたレーザ光ＬＢ１のうちホログラムシートＨＳ４に入射する光量を１２５％に増大し、且つ出射点Ｐ４から出射されたレーザ光ＬＢ４のうちホログラムシートＨＳ４に入射する光量を１２５％に増大させることで、ホログラムシートＨＳ３〜ＨＳ５において強度バランスが確保され画像を観察する際に違和感が少ない回折光を出射できるようにすることができる。

図８に示す半導体レーザの時分割制御を例にとれば、例えば第１光学装置１０において、ホログラムシートＨＳ３にレーザ光ＬＢ１を出射する際には、図８（ａ）に示すように発光時間（ｔ１-Δｔ）、消灯時間（ｔ２＋Δｔ）とするのに対し、ホログラムシートＨＳ４にレーザ光ＬＢ１を出射するタイミングで、図８（ｂ）に示すように発光時間ｔ１、消灯時間ｔ２と変更することで、ホログラムシートＨＳ４に入射する光量を１２５％に高めることができる。同様に、第４光学装置４０において、ホログラムシートＨＳ５にレーザ光ＬＢ４を出射する際には、図８（ｂ）に示すように発光時間ｔ１、消灯時間ｔ２とするのに対し、図８（ａ）に示すように発光時間（ｔ１-Δｔ）、消灯時間（ｔ２＋Δｔ）とするのに対し、ホログラムシートＨＳ４にレーザ光ＬＢ１を出射するタイミングで、図８（ｂ）に示すように発光時間ｔ１、消灯時間ｔ２と変更することで、ホログラムシートＨＳ４に入射する光量を１２５％に高めることができる。

或いは、ホログラムＨＳ３，ＨＳ５に入射するレーザ光の強度を低下させて、ホログラムシートＨＳ３〜ＨＳ５から発生する回折光の光量バランスを確保しても良い。

本実施形態で用いる走査ミラー１４（図５）は二次元走査可能なタイプであり、反射部１４ｅがα軸回りとβ軸回りで傾き角を変えるが、速く回動する側は正弦波的（図１０（ａ）参照）に、遅く回動する側は鋸歯状（図１０（ｂ）参照）に振動させている。しかるに、走査ミラー１４の特性上、速く回動する側でも等角速度ではなく、周辺部ほど回動が遅くなるので、レーザ光を一定の強度で連続発光して観察すると、観察者には周辺から反射されたレーザ光により形成される画像が明るく見えることとなる。そのため、遅く回動する範囲ではその回動速度に比例してレーザ光の光量を低くする必要がある。

また、走査したレーザ光をホログラムシートに斜めに当てて観察者の眼側に折り返しているために、観察者が観察したときに走査線の密度に、場所による差が生じることとなる。これによる一つ問題は画像の歪みが生ずることであるが、これについては歪みをキャンセルできるように予め画像データを加工しておくことで対処することができる。また、別の問題としては、走査線密度の粗いところが暗く観察されることがある。このような明るさに関与するパラメータは、各偏向角における、偏向点からホログラムシートに入射する点までの距離、ホログラムシートに入射した点から眼までの距離、ホログラムシートへの入射光と入射位置での面法線がなす角度、ホログラムシートからの回折光と面法線がなす角度である。より具体的に、偏向点からホログラムシートまでの距離の二乗に反比例し、ホログラムシートから眼までの距離の二乗に比例し、入射光と面法線の角度のコサインに比例し、回折光と面法線の角度のコサインに反比例することに従い、観察者から見た明るさが変化するので、それぞれ逆数でレーザ光の光量を変化させることが望ましい。

画像を表示するためには、画像情報に対応して、例えばレーザ光をオンオフ制御してピクセル毎にドットの有無を形成することが必要になる。このときに、上述の速度影響分と粗密影響分を掛け合わせてレーザ光のオンオフ制御を行うことが望ましい。これは、単独露光ホログラムと多重露光ホログラムとで、レーザ光の光量を変化させることに加えて行うものである。

図１１は、第１光学装置１０から出射されたレーザ光を、その走査ミラー側から見た状態を示す図であり、図１２は、第２光学装置２０から出射されたレーザ光を、その走査ミラー側から見た状態を示す図である。図１１，１２に示すグラフの原点は、走査ミラーで表示する範囲の中心とし、上下方向は上側１８°、下側２４°の範囲を示しており、左右方向は±２４°の範囲を示している。図において、レーザ光の軌跡である走査線ＳＬは、始点ＳＰから終点ＥＰまで正弦波状に走査され、再び始点ＳＰに戻るようになっている。尚、ここでは説明のために走査線ＳＬを２０往復分（４０本）に粗くして描画しているが、実際の走査線ＳＬは千本前後と、より高周波で走査される。

走査ミラー１４（図５）は、正弦波的に振動している側（図９（ａ）参照）では一定の振幅で振動させているが、反射部１４ｅの入射光と反射光を空間的に分離するために、入射光を傾けて入射させている。すると、面の法線が同じ角度範囲で振動していても、反射される光の角度範囲はもう一軸の角度に応じて変化し、また、走査線の間隔ももう一軸の角度に応じて変化するために、結果として図１１，１２に示すように、緩やかな略扇形の領域を走査する形となる。なお、図１１，１２の例では、正弦波的に振動している方向に入射光を傾けているが、その垂直方向に傾けても良く、その場合は歪み方が９０度回転したようになる。

一方、図１１，１２に示す走査線ＳＬにより形成すべき画像は、観察者の目で見たときに、６°間隔で並んだ水平線及び垂直線からなる正方形の格子形状である。このような格子形状の画像を，観察者が正しく観察できるようにするためには、予め図１１，１２に示すように歪んだ形状ＧＲを画像データとして作成しておく必要がある。このような画像データは、光学装置とホログラムシートとの位置関係に基づき、公知のソフトウェアにより正方形の格子形状の交点を座標変換することで得られる。

走査ミラーからホログラムシート上の入射点までの距離が長いほど、格子は小さくなる。同じ眼に到達する場合のオーバーラップ領域は走査ミラーに近い側であり、格子は広くなっている。この例では、１２°の範囲がオーバーラップしており、格子上の点が眼側から見ると一致している状態である。

実際に画像を描画する場合、制御部ＣＯＮＴが、図１１，１２にて走査線ＳＬと格子ＧＲとが交差した位置でレーザ光を点灯させ、それ以外ではレーザ光を消灯させる。これにより観察者の目に格子のラインに沿ったドット状の光が入射し、その残像によって正方形状の格子を観察できることとなる。

なお、本実施形態では、基準の明るさに対して、上述した条件に応じてレーザ光の光量を増大させたり減少させたりする制御を入れるが、実際には、レーザ光の光量には上限があり、それに対して減少させる量を大きめにするか小さめにするかという制御になる。先に述べた、時分割制御で発光時間比率を変えて眼側での積算光量を変化させる制御手法では、最も明るくする画像の箇所においても、レーザ光を連続発光させず微小な休止時間を含むようにしており、基準の明るさの位置ではさらに休止時間が長くなる設定とする。これは、レーザ光でなく液晶等を使用して画像を形成する場合も同様な制御手法とすべきであり、画像において最も明るくする必要がある箇所では、その表示素子が表現可能な明るさに設定されており、基準の場所では表現可能な範囲のうち暗い側の一部分を使用して表示を行う状態となる。

ホログラムシートに光を照射する光学装置は、液晶ディスプレイとレンズを組み合わせたものでもよいが、レーザ光源からの光をミラーなどで走査するほうが、小型化の点で有利である。また、その構成で画像を形成するためには、レーザ光源からの光を画像信号に応じて変化させる必要がある。そのとき、レーザ光源に付与する電圧を変化させて、その発光光量そのものを調整させる制御手法もあるが、レーザ光源を連続発光でなく時分割で発光させ、その発光時間比率を変化させるほうが、制御がより簡便である。その際、画像信号に応じた変化に掛け合わせる形で、上述の多重露光に伴う回折効率変化の補正を盛り込むほか、走査速度変化や装着者から見た走査線密度の分布による明るさの変化分も、併せて反映させると望ましい。又、上述した実施形態では、単一波長のレーザ光源を用いてモノクロ画像を形成する例を説明しているが、３色のレーザ光源を用い、またホログラムを３色対応とすることで、カラー画像を形成することもできる。３色対応ホログラムは、例えば３色それぞれに対応したものを貼り合せるか、もしくは、３色の同時露光によって作成することができる。

本発明は、明細書に記載の実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態や技術思想から本分野の当業者にとって明らかである。明細書の記載及び実施形態は、あくまでも例証を目的としており、本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。

１０ 第１光学装置
１１ 半導体レーザ
１２ 導光路
１３ レンズ
１４ 走査ミラー
１４ 走査ミラー
１４ａ 固定枠
１４ｂ 駆動部
１４ｃ 可動枠
１４ｄ トーションバー
１４ｅ 反射部
１５ 給電部
２０ 第２光学装置
２１ 半導体レーザ
２２ 導光路
２３ レンズ
２４ 走査ミラー
３０ 第３光学装置
４０ 第４光学装置
ＣＯＮＴ 制御部
ＥＬ 電極
ＥＰ 終点
ＥＹＬ 左目
ＥＹＲ 右目
ＦＲ フレーム
ＧＲ 格子
ＨＳ１，ＨＳ３，ＨＳ５，ＨＳ７ 単独露光のホログラムシート
ＨＳ２，ＨＳ４、ＨＳ６ 多重露光のホログラムシート
ＬＢ１−ＬＢ４ レーザ光
ＯＨ 頭部
ＰＬ 樹脂板
ＰＺ 圧電素子
ＲＬ 参照光
ＳＬ 走査線
ＳＰ 始点

Claims (7)

1. 単独露光ホログラムと多重露光ホログラムとを並べて配置した表示部と、
   前記単独露光ホログラムと前記多重露光ホログラムに向かって光を出射する複数の光学ユニットと、
   前記光学ユニットから出射される光の量を少なくとも部分的に制御する制御部と、を有し、
   前記光学ユニットのいずれかより出射された光が、所定の入射方向に沿って前記単独露光ホログラムに入射した時に、観察者の目に向かう方向に回折するようになっており、
   前記光学ユニットの１つから出射された光が、第１の入射方向に沿って前記多重露光ホログラムに入射した時に、前記観察者の目に向かう方向に回折し、別の前記光学ユニットから出射された光が、前記第１の入射方向とは異なる第２の入射方向に沿って前記多重露光ホログラムに入射した時に、前記観察者の目に向かう方向に回折するようになっており、
   前記制御部は、前記単独露光ホログラムと前記多重露光ホログラムとの境界を挟んで、前記単独露光ホログラム側から出射されて前記観察者の目に入射する回折光の強度と、前記多重露光ホログラム側から出射されて前記観察者の目に入射する回折光の強度とが近づくように、前記光学ユニットから出射される光の量を制御する画像表示装置。
2. 前記制御部は、前記多重露光ホログラムから出射された前記回折光が前記観察者の同一の目に向かう場合、前記境界を挟んで、前記光学ユニットから出射されて前記単独露光ホログラムに向かう前記光の量に対して、前記光学ユニットから出射されて前記多重露光ホログラムに向かう前記光の量を低くするように制御する請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記制御部は、前記多重露光ホログラムから出射された前記回折光が前記観察者の別々の目に向かう場合、前記境界を挟んで、前記光学ユニットから出射されて前記単独露光ホログラムに向かう前記光の量に対して、前記光学ユニットから出射されて前記多重露光ホログラムに向かう前記光の量を高くするように制御する請求項１又は２に記載の画像表示装置。
4. 前記光学ユニットは、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射された光束を走査する走査系とを有する請求項１〜３のいずれかに記載の画像表示装置。
5. 前記制御部は、画像信号に応じて時分割で前記レーザ光源の点灯時間比率を変更することによって前記光学ユニットから出射される光の量を制御する請求項４に記載の画像表示装置。
6. 前記点灯時間比率が、前記光束の走査速度と、前記観察者から見た走査線密度と応じて調節される請求項５に記載の画像表示装置。
7. 前記観察者の頭部に設置される請求項１〜６のいずれかに記載の画像表示装置。

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