WO2018034131A1 - 画像表示装置 - Google Patents

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稲垣　義弘
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コニカミノルタ株式会社
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    • G09G2320/064—Adjustment of display parameters for control of overall brightness by time modulation of the brightness of the illumination source

Definitions

  • the present invention relates to an image display device.
  • a hologram is used as an image display device capable of so-called through display, which is used in, for example, a head-mounted display (HMD) which is a wearable terminal and allows an observer to display an image and to observe the outside world.
  • HMD head-mounted display
  • Various types have been proposed in which image light from a display element is guided to an observer's pupil.
  • Patent Document 1 discloses an eyeglass-type image display device that forms an image by scanning laser light and diffracting the eye side with a volume hologram, and allows an observer to observe the image. Yes.
  • one scanning device corresponding to one eye is provided, and one corresponding hologram is formed in a portion corresponding to the lens.
  • two sets of scanning devices and holograms are required.
  • the material when producing a general hologram, the material is irradiated with laser light (object light) and reference light at a predetermined angle, thereby causing optical interference inside the material (single exposure), and thereby refraction.
  • a grid pattern arranged in one direction with a difference in rate is formed.
  • the hologram thus formed will be referred to herein as a single exposure hologram.
  • the incident angle to the hologram is limited, so that the light from the two scanning devices enters the position. Even if the single exposure hologram is adopted, there arises a problem that only light from one scanning device can be diffracted.
  • Patent Document 2 a plurality of laser beams (object beams) and a plurality of reference beams are irradiated to the material while being shifted to cause light interference in a plurality of directions inside the material (multiple exposure).
  • a technique for forming lattice fringes arranged in a plurality of directions having a difference in refractive index is disclosed.
  • the hologram thus formed is called a multiple exposure hologram.
  • the multiple exposure hologram since light incident from a plurality of directions can be diffracted, it can be installed at a position where light from a plurality of scanning devices is incident, and a plurality of light beams directed toward the observer's eyes. Diffracted light can be generated.
  • the multiple exposure hologram is installed at a position where light from a plurality of scanning devices is incident, an appropriate image cannot be formed by itself.
  • the present invention has been made in view of the problems of the related art, and an object of the present invention is to provide an image display device that can display an appropriate image using a hologram while being small in size.
  • an image display device reflecting one aspect of the present invention.
  • a display unit in which a single exposure hologram and a multiple exposure hologram are arranged side by side;
  • a plurality of optical units that emit light toward the single exposure hologram and the multiple exposure hologram;
  • a controller that at least partially controls the amount of light emitted from the optical unit;
  • the light emitted from any of the optical units is incident on the single exposure hologram along a predetermined incident direction, it is diffracted in a direction toward the eyes of the observer,
  • light emitted from one of the optical units is incident on the multiple exposure hologram along a first incident direction, the light is diffracted in the direction toward the eyes of the observer and emitted from another optical unit.
  • the control unit sandwiches the boundary between the single exposure hologram and the multiple exposure hologram, and the intensity of diffracted light emitted from the single exposure hologram side and incident on the observer's eyes, and from the multiple exposure hologram side
  • the amount of light emitted from the optical unit is controlled so as to approach the intensity of the diffracted light that is emitted and incident on the eyes of the observer.
  • an image display device that can display an appropriate image using a hologram while being inexpensive and small.
  • FIG. 2 is a front view of a scanning mirror 14.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a unimorph structure of a scanning mirror 14.
  • FIG. It is a geometrical diagram showing the positional relationship among the observer's left eye EYL, the resin plate PL, the exit point P1 of the first optical device, and the exit point P2 of the second optical device.
  • FIG. 3 is a diagram showing a state in which laser light emitted from the first optical device 10 is viewed from the scanning mirror side.
  • FIG. 6 is a diagram showing a state where laser light emitted from the second optical device 20 is viewed from the scanning mirror side.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a hologram, where a white region is a high refraction region and a black region is a low refraction region.
  • an organic photorefractive material is irradiated with the laser beam LL along the first direction and the second direction.
  • the reference light RL is irradiated along the line, an interference fringe is generated in a direction perpendicular to the bisector, and a high refraction area and a low refraction area are generated along the interference fringe.
  • the multi-exposure hologram has a distribution in which the single exposure holograms shown in FIGS. 1A and 1B are superposed, and has a high refraction area and a low refraction area.
  • the multiple exposure hologram thus produced along the 1A direction diffracted light is generated along the second direction, and laser light is incident along the 1B direction.
  • the diffracted light is generated along the second direction. Accordingly, it is possible to obtain a hologram that can emit diffracted light in the same direction even if laser light is incident from two different directions.
  • the second direction in which the reference light RL is incident is common, but may be different from each other. In that case, diffracted light is emitted in different directions.
  • the two fringes are in a form of sharing the distribution at the multiple exposure position, and the refractive index modulation becomes smaller than in the case where the multiple exposure is not performed. . That is, the efficiency of a multiple exposure hologram relative to a single exposure hologram is generally low. Therefore, in the image display apparatus of the present embodiment, the single exposure hologram and the multiple exposure hologram are arranged at appropriate positions as a hologram sheet, and the merits of both are utilized to the maximum.
  • a single exposure hologram is disposed at a position where laser light is incident from only one laser light source, and a multiple exposure hologram is disposed at a position where laser light is incident along different directions from the two laser light sources.
  • the diffracted light emitted from any of the holograms is incident on the eyes of the observer, thereby forming an image with a wide angle of view while promoting downsizing of the image display device.
  • the amount of laser light to be irradiated on the multiple exposure hologram side is determined by the amount of addition of the diffracted lights across the boundary between the two. It is desirable to reduce the amount of laser light irradiated to the single exposure hologram side.
  • the diffracted light emitted from the single exposure hologram side toward the observer's eyes and the diffracted light emitted from the multiple exposure hologram and directed to the eyes of the observer are sandwiched between the single exposure hologram and the multiple exposure hologram. Since the intensities can be made substantially equal, even when an image is formed across the single exposure hologram and the multiple exposure hologram, the observer who observes the image is less likely to feel uncomfortable.
  • the intensity should be close enough that the observer does not feel uncomfortable.
  • the pixel It is preferable to compare the average intensity per unit area (for example, 1 square millimeter) instead of every unit.
  • FIG. 2 is a perspective view around the left eye of the observer wearing the image display apparatus of the present embodiment
  • FIG. 3 is a perspective view around the right eye of the observer wearing the image display apparatus of the present embodiment
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a part of the image display apparatus of the present embodiment.
  • the direction from the observer to the front is the Z direction
  • the observer's left and right direction is the Y direction
  • the observer's vertical direction is the X direction.
  • the optical device is also referred to as an optical unit.
  • a U-shaped frame FR is attached to the observer's head OH, and a continuous and curved resin plate PL is attached to the lower side of the frame FR.
  • a hologram sheet (display unit) is arranged on a part of the plate PL as will be described later.
  • the first optical device 10 and the second optical device 20 are fixed to the frame FR at a position higher than the center of the left eye EYL.
  • rectangular hologram sheets HS1, HS2, HS3, and HS4 are formed adjacent to each other without a gap on the resin plate PL from the side closer to the first optical device 10 in order.
  • the boundary is defined as BD.
  • hologram sheets HS1 and HS3 indicated by single hatching are single exposure holograms
  • hologram sheets HS2 and HS4 indicated by double hatching are multiple exposure holograms.
  • Each hologram sheet is formed by exposing each hologram sheet while shifting its position on one continuous photosensitive material.
  • the third optical device 30 and the fourth optical device 40 are fixed to the frame FR at a position higher than the center of the right eye EYR.
  • rectangular hologram sheets HS7, HS6, HS5, and HS4 are formed adjacent to each other without a gap on the resin plate PL from the side closer to the fourth optical device 40.
  • the boundary is defined as BD.
  • hologram sheets HS7 and HS5 shown by single hatching are single exposure holograms
  • hologram sheet HS2 shown by double hatching is a multiple exposure hologram
  • hologram sheet HS4 is shown in common in FIGS.
  • the image display device according to the present embodiment takes the form of a head mounted display (HMD), and the observer can observe the image formed by the hologram sheet, and at the same time the resin plate PL. You can observe the scenery of the outside world.
  • HMD head mounted display
  • the first optical device 10 condenses a semiconductor laser (laser light source) 11, a light guide 12 that transmits a light beam emitted from the semiconductor laser 11, and a laser beam LB ⁇ b> 1 emitted from the light guide 12.
  • the lens 13 includes a scanning mirror 14 that reflects and two-dimensionally scans the laser beam LB1 collected by the lens 13, and a power feeding unit 15 that supplies high-frequency power for driving the scanning mirror 14.
  • a control unit CONT for controlling the first semiconductor laser 11 is provided separately.
  • the tilt angle (reflection angle) of the scanning mirror 14 can be changed, and the laser beam LB1 is scanned two-dimensionally by changing the tilt angle of the scanning mirror 14.
  • FIG. 5 is a front view of the scanning mirror 14.
  • the scanning mirror 14 constituting the scanning system is incorporated in a MEMS (micro electro mechanical system), so that it is substantially flat and has a small thickness and a small size.
  • the scanning mirror 14 is made of a structure obtained by performing an etching process or the like on a silicon substrate, and includes a fixed frame 14a, a drive unit 14b, and a movable frame 14c. And so on.
  • an axis that crosses the center of the scanning mirror 14 in the left-right direction in FIG. 5 is an ⁇ axis
  • the fixed frame 14a is a part corresponding to the outer edge of the scanning mirror 14, and surrounds other parts (such as the drive unit 14b and the movable frame 14c).
  • the drive unit 14b is separated from the fixed frame 14a in the ⁇ -axis direction and is connected to the fixed frame 14a in the ⁇ -axis direction. Furthermore, the drive unit 14b includes four unimorph structures, and the four unimorph structures are arranged so as to be symmetric with respect to each of the ⁇ axis and the ⁇ axis and are separated from each other. .
  • the unimorph structure as the drive unit 14b is formed by sandwiching a piezoelectric element (polarized sintered body made of PZT or the like) PZ between a pair of electrodes EL, which is a silicon substrate. It is formed by pasting on the region to be the drive unit 14b.
  • a piezoelectric element polarized sintered body made of PZT or the like
  • the drive unit 14b when a voltage is applied to the pair of electrodes EL, the piezoelectric element PZ sandwiched between the pair of electrodes EL expands or contracts.
  • the region serving as the driving portion 14b of the silicon substrate expands or contracts accordingly. That is, the drive unit 14 b is driven by power supplied from the power supply unit 15.
  • the movable frame 14c is a substantially rhombus-shaped frame located inside the drive unit 14b. Both ends of the movable frame 14c on the ⁇ axis are connected to the drive unit 14b, and the other parts are separated from the drive unit 14b. Thereby, the movable frame 14c can be rotated around the ⁇ axis.
  • a pair of torsion bars 14d extending along the ⁇ -axis direction is provided inside the movable frame 14c.
  • the pair of torsion bars 14d are arranged so as to overlap the ⁇ axis and be symmetric with respect to the ⁇ axis. Furthermore, one end of each of the pair of torsion bars 14d is connected to an end portion on the ⁇ axis of the movable frame 14c.
  • the reflecting portion 14e is disposed between the opposite ends of the pair of torsion bars 14d, and is supported by the other end. For this reason, the scanning mirror 14 is rotated around the ⁇ axis together with the movable frame 14c, and is rotated around the ⁇ axis about the torsion bar 14d as a rotation axis.
  • the reflective portion 14e is formed in a substantially circular shape, and is obtained by sticking a reflective film made of gold, aluminum, or the like on a silicon substrate.
  • the scanning operation of the first mirror 14 is performed by adjusting the timing for driving (stretching) the four drive units 14b and vibrating the scanning mirror 14 about the ⁇ axis and the ⁇ axis.
  • the frequency when vibrating around the ⁇ axis is set to about 60 Hz
  • the frequency when vibrating around the ⁇ axis is set to about 30 kHz.
  • each of the four drive units 14b is denoted by reference numerals 14b (A) to 14b (D).
  • the drive units 14b (A) and 14b (A) and 14b (C) is set as one set, and drive units 14b (B) and 14b (D) are set as the other set, and the positive / negative of the voltage applied to each of the one set and the other set is reversed.
  • the drive units 14b (A) and 14b (C) as one set are deformed in the extending direction
  • the drive units 14b (B) and 14b (D) as the other set are deformed in a contracting direction.
  • the drive units 14b (A) and 14b (C) that are one set are deformed in the contracting direction
  • the drive units 14b (B) and 14b (D) that are the other set are deformed.
  • the reflecting portion 14e vibrates around the ⁇ axis together with the movable frame 14c, and the inclination of the reflecting portion 14e varies around the ⁇ axis.
  • the torsion direction of the torsion bar 14d is a direction orthogonal to the vibration direction around the ⁇ axis, it does not affect the vibration around the ⁇ axis of the reflecting portion 14e.
  • the drive units 14b (A) and 14b (B) are set as one set, and the drive units 14b (C) and 14b (D) are set as the other set.
  • the polarity of the voltage applied to each of the one set and the other set is reversed.
  • the drive units 14b (A) and 14b (B) as one set are deformed in the extending direction
  • the drive units 14b (C) and 14b (D) as the other set are deformed in a contracting direction.
  • the drive units 14b (C) and 14b (D) that are the other set are deformed.
  • the reflecting portion 14e vibrates around the ⁇ axis together with the movable frame 14c, and the inclination of the reflecting portion 14e varies around the ⁇ axis.
  • the frequency of the voltage applied to the drive unit 14b is set so that the reflection unit 14e resonates with the frequency of the voltage applied to the drive unit 14b. That is, the vibration around the ⁇ axis of the reflecting portion 14e is made with reference to the torsion bar 14d.
  • the reflecting portion 14e By operating the scanning mirror 14 as described above, the reflecting portion 14e can be rotated about two axes orthogonal to each other, and the first laser beam LB1 incident on the reflecting portion 14e is two-dimensionally scanned. Is possible.
  • an arbitrary image can be formed by controlling the semiconductor laser on and off by the control unit CONT.
  • the second optical device 20 condenses the semiconductor laser (laser light source) 21, the light guide path 22 that transmits the light beam emitted from the semiconductor laser 21, and the laser beam LB ⁇ b> 2 emitted from the light guide path 22.
  • the controller CONT that controls the semiconductor laser 11 also controls the semiconductor laser 21.
  • the second scanning mirror 24 has the same configuration as the first scanning mirror, description of the operation is omitted.
  • the control unit CONT also individually controls the semiconductor lasers of the third optical device 30 and the fourth optical device 40. It is like that.
  • the hologram sheets HS1 to HS7 are formed in a line on the resin plate PL.
  • the scanning mirror used in the present embodiment has a limited swing width of the reflecting portion, and there is a limit to the angle (deflection angle) at which the reflected light can be swung. Therefore, a single optical device forms a large angle of view image. It is difficult to do. Therefore, although four optical devices are used, from the first optical device 10 and the fourth optical device 40 arranged on the outside so that the observer can observe an image with a wider angle of view with a particularly small deflection angle.
  • the emitted laser light is incident on hologram sheets HS3 to HS5 located inside the hologram sheet row, while the laser light emitted from the second optical device 20 and the third optical device 30 arranged on the inside is
  • the hologram sheets HS1 and HS2 and the hologram sheets HS6 and HS7 that are positioned outside the hologram sheet row are incident respectively.
  • FIG. 7 is a geometric diagram showing the positional relationship among the observer's left eye EYL, the resin plate PL, the exit point P1 of the first optical device, and the exit point P2 of the second optical device.
  • the hologram sheet shown below is formed so that the emission direction of the diffracted light gradually changes in accordance with the curvature of the resin plate PL.
  • the single exposure hologram emits the diffracted light in one direction.
  • the multiple exposure hologram emits diffracted light in two directions.
  • the laser beam LB1 is irradiated from the exit point P1 to the hologram sheets HS2 to HS4, and the laser beam LB2 is irradiated from the exit point P2 to the hologram sheets HS1 to HS3.
  • the first optical device 10 divides and forms images corresponding to the hologram sheets HS2 to HS4 and emits the corresponding laser beam LB1
  • the second optical device 20 corresponds to the hologram sheets HS1 to HS3.
  • Each of the images is divided and formed, and the corresponding laser beam LB2 is emitted.
  • the optical device does not block the laser beam.
  • a single exposure hologram can be used.
  • the laser emitted from the emission point P1 can be used on the hologram sheet HS3.
  • a single exposure hologram can be used. The diffracted light emitted from the single exposure hologram is incident on the left eye EYL of the observer as shown by a solid line in FIG. 7 and forms a part of the image on the retina.
  • the laser beam LB1 emitted from the emission point P1 and the laser beam LB2 emitted from the emission point P2 are simultaneously incident on the hologram sheet HS2 from the first incident direction.
  • the description of the hologram sheet HS4 is omitted in this example.
  • the intensity of the laser beams LB1 and LB2 is uniform, the intensity of the diffracted light emitted from the hologram sheets HS1 and HS3 and the light emitted from the hologram sheet HS2 according to the efficiency difference between the single exposure hologram and the multiple exposure hologram Therefore, the intensity of the diffracted light is different.
  • the diffraction efficiency of a multiple exposure hologram is 80% when the diffraction efficiency of a single exposure hologram is 100% when laser beams having the same intensity are irradiated.
  • the control unit CONT reduces the amount of light incident on the hologram sheet HS2 out of the laser light LB1 emitted from the emission point P1 to 62.5%, and the hologram sheet HS2 of the laser light LB2 emitted from the emission point P2.
  • the ratio of the reduction amounts of the laser beams LB1 and LB2 is arbitrary, and one reduction amount may be increased and the other reduction amount may be decreased.
  • FIG. 8 is a diagram showing time division control of the semiconductor laser performed by the control unit CONT.
  • the semiconductor laser 11 when the semiconductor laser 11 is periodically turned on / off to control the light amount (that is, the light amount at each pixel is controlled by changing the lighting time ratio), the laser beam LB1 is emitted to the hologram sheet HS3.
  • the light emission time t1 and the light extinction time t2 are set as shown in FIG. 8B, whereas the light emission is made as shown in FIG. 8A at the timing when the laser beam LB1 is emitted to the hologram sheet HS2.
  • the amount of light incident on the hologram sheet HS2 can be reduced to 62.5%.
  • the semiconductor laser 21 when the semiconductor laser 21 is periodically turned on and off to control the light amount, when the laser beam LB1 is emitted to the hologram sheet HS1, light is emitted as shown in FIG. 8B.
  • the emission time (t1 ⁇ t) and the turn-off time (t2 + ⁇ t) are changed as shown in FIG. 8A at the timing of emitting the laser beam LB1 to the hologram sheet HS2.
  • the amount of light incident on the hologram sheet HS2 can be reduced to 62.5%.
  • the light intensity balance of the diffracted light generated from the hologram sheets HS1 to HS3 may be secured by increasing the intensity of the laser light incident on the holograms HS1 and HS3.
  • the above control operation is the same in the third optical device 30 (exit point P3) and the fourth optical device 40 (exit point P4) in a mirror image relationship with the center of the resin plate PL.
  • FIG. 9 is a geometric diagram showing the positional relationship among the observer's eyes EYL and EYR, the resin plate PL, the exit point P1 of the first optical device, and the exit point P4 of the fourth optical device.
  • laser beam LB1 is irradiated from emission point P1 to hologram sheets HS2 to HS4
  • laser beam LB4 is irradiated from emission point P4 to hologram sheets HS4 to HS6.
  • the first optical device 10 divides and forms images corresponding to the hologram sheets HS2 to HS4 and emits the corresponding laser beam LB1
  • the fourth optical device 40 corresponds to the hologram sheets HS4 to HS6.
  • Each of the images is divided and the corresponding laser beam LB4 is emitted.
  • redundancy can be provided, and thereby the position adjustment of the optical devices 10 and 40 can be facilitated.
  • the hologram sheet HS3 has a laser emitted from the emission point P1. Since only the light LB1 enters from a predetermined direction, a single exposure hologram can be used.
  • the diffracted light emitted from the hologram sheet HS5 enters the observer's right eye EYR as shown by a solid line in FIG. 9 to form a part of the image on the retina, and the diffracted light emitted from the hologram sheet HS3 is shown in FIG. As shown by a solid line, the light enters the observer's left eye EYL to form a part of the image on the retina.
  • the laser beam LB1 emitted from the emission point P1 and the laser beam LB4 emitted from the emission point P4 are simultaneously incident on the hologram sheet HS4 from the first incident direction.
  • the diffracted light generated by the laser beam LB1 incident on the hologram sheet HS4 is incident on the left eye EYL of the observer as shown by a dotted line in FIG. 9 to form a part of the image on the retina, and is incident on the hologram sheet HS4.
  • the diffracted light generated by the laser beam LB4 enters the observer's right eye EYR as shown by a dotted line in FIG. 9, and forms a part of the image on the retina.
  • the hologram sheet HS2 (HS6) is omitted because it has already been described.
  • the intensities of the laser beams LB1 and LB4 are uniform, the intensity of the diffracted light emitted from the hologram sheets HS3 and HS5 and the emission from the hologram sheet HS4 according to the efficiency difference between the single exposure hologram and the multiple exposure hologram. Therefore, the intensity of the diffracted light is different.
  • the diffraction efficiency of a multiple exposure hologram is 80% when the diffraction efficiency of a single exposure hologram is 100% when laser beams having the same intensity are irradiated.
  • the diffracted light generated from the hologram sheet HS4 by the laser beam LB1 goes to the left eye EYL
  • the diffracted light generated from the hologram sheet HS4 by the laser beam LB4 goes to the right eye EYR.
  • the intensity of each diffracted light is lower than the diffracted light generated from the hologram sheets HS3 and HS5.
  • the control unit CONT increases the amount of light incident on the hologram sheet HS4 out of the laser light LB1 emitted from the emission point P1 to 125%.
  • the laser beam LB4 emitted from the point P4 by increasing the amount of light incident on the hologram sheet HS4 to 125%, diffracted light that has a good intensity balance in the hologram sheets HS3 to HS5 and has little discomfort when observing images is obtained.
  • the light can be emitted.
  • the first optical device 10 emits the laser beam LB1 to the hologram sheet HS3, for example, as shown in FIG. t1 ⁇ t) and the light extinction time (t2 + ⁇ t), but at the timing of emitting the laser beam LB1 to the hologram sheet HS4, the light emission time t1 and the light extinction time t2 are changed as shown in FIG. 8B.
  • the amount of light incident on the hologram sheet HS4 can be increased to 125%.
  • the emission time t1 and the extinguishing time t2 are set as shown in FIG. ), The light emission time (t1 ⁇ t) and the light extinction time (t2 + ⁇ t), whereas the light emission time t1, as shown in FIG. 8B, at the timing of emitting the laser beam LB1 to the hologram sheet HS4, By changing to the turn-off time t2, the amount of light incident on the hologram sheet HS4 can be increased to 125%.
  • the light intensity balance of the diffracted light generated from the hologram sheets HS3 to HS5 may be secured by reducing the intensity of the laser light incident on the holograms HS3 and HS5.
  • the scanning mirror 14 used in this embodiment is a type capable of two-dimensional scanning, and the reflecting portion 14e changes the inclination angle around the ⁇ axis and the ⁇ axis, but the side that rotates fast is sinusoidal ( In FIG. 10 (a)), the slowly rotating side is vibrated in a sawtooth shape (see FIG. 10 (b)).
  • the rotation speed is slower at the peripheral portion rather than at a constant angular speed even on the side that rotates faster, so that when the laser beam is continuously emitted with a constant intensity, the observer can see from the periphery.
  • the image formed by the reflected laser light will appear bright. For this reason, it is necessary to reduce the amount of laser light in proportion to the rotation speed in the range where the rotation is slow.
  • the density of the scanning line varies depending on the location when the observer observes.
  • image distortion occurs. This can be dealt with by processing image data in advance so that the distortion can be canceled.
  • a portion where the scanning line density is rough may be observed darkly.
  • the parameters related to such brightness are the distance from the deflection point to the point incident on the hologram sheet, the distance from the point incident on the hologram sheet to the eye, the incident light on the hologram sheet and the incident position at each deflection angle.
  • the angle formed by the surface normal at the angle, and the angle formed by the diffracted light from the hologram sheet and the surface normal is inversely proportional to the square of the distance from the deflection point to the hologram sheet, proportional to the square of the distance from the hologram sheet to the eye, proportional to the cosine of the angle between the incident light and the surface normal, and diffracted light and the surface Since the brightness seen by the observer changes according to being inversely proportional to the cosine of the angle of the normal, it is desirable to change the amount of laser light by an inverse number.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a state in which the laser light emitted from the first optical device 10 is viewed from the scanning mirror side
  • FIG. 12 illustrates the scanning of the laser light emitted from the second optical device 20. It is a figure which shows the state seen from the mirror side.
  • the origins of the graphs shown in FIGS. 11 and 12 are the center of the range displayed by the scanning mirror, the vertical direction indicates the range of 18 ° on the upper side and the range of 24 ° on the lower side, and the horizontal direction indicates the range of ⁇ 24 ° Yes.
  • the scanning line SL which is the locus of the laser beam, is scanned in a sine wave form from the start point SP to the end point EP, and returns to the start point SP again.
  • the scanning lines SL are drawn with roughly 20 reciprocations (40 lines), but the actual scanning lines SL are scanned at a high frequency of about 1000 lines.
  • the scanning mirror 14 (FIG. 5) vibrates with a constant amplitude on the side oscillating sinusoidally (see FIG. 9A), but the incident light and the reflected light of the reflecting portion 14e are spatially separated. In order to separate, incident light is inclined and made incident. Then, even if the normal of the surface vibrates in the same angle range, the angle range of the reflected light changes according to the angle of the other axis, and the scanning line interval also changes according to the angle of the other axis. Therefore, as a result, as shown in FIGS. 11 and 12, a gentle, substantially fan-shaped region is scanned. In the examples of FIGS. 11 and 12, the incident light is tilted in the direction in which it vibrates sinusoidally, but it may be tilted in the vertical direction, in which case the distortion seems to be rotated 90 degrees. .
  • the image to be formed by the scanning lines SL shown in FIGS. 11 and 12 has a square lattice shape composed of horizontal and vertical lines arranged at intervals of 6 ° when viewed with the eyes of an observer.
  • image data can be obtained by coordinate-transforming intersection points of a square lattice shape by known software based on the positional relationship between the optical device and the hologram sheet.
  • the overlap region when reaching the same eye is on the side close to the scanning mirror, and the grid is wide. In this example, the range of 12 ° is overlapped, and the points on the grid are in agreement when viewed from the eye side.
  • control unit CONT When actually drawing an image, the control unit CONT turns on the laser light at a position where the scanning line SL and the grid GR intersect in FIGS. 11 and 12, and turns off the laser light in other cases. As a result, dot-shaped light is incident on the observer's eyes along the grid line, and the square grid can be observed by the afterimage.
  • control for increasing or decreasing the light amount of the laser light is added to the reference brightness according to the above-described conditions.
  • the control method of changing the light emission time ratio by the time-sharing control and changing the integrated light amount on the eye side as described above the laser light is not continuously emitted even at the brightest image portion and a minute pause time is included.
  • the pause time is set to be longer at the reference brightness position. This should be the same control method when an image is formed by using liquid crystal or the like instead of laser light.
  • the brightness of the display element can be expressed. It is set, and at the reference location, display is performed using a part on the dark side of the expressible range.
  • the optical device for irradiating the hologram sheet with light may be a combination of a liquid crystal display and a lens, but it is more advantageous in terms of miniaturization to scan the light from the laser light source with a mirror or the like. Further, in order to form an image with this configuration, it is necessary to change the light from the laser light source in accordance with the image signal. At that time, there is also a control method that adjusts the amount of emitted light itself by changing the voltage applied to the laser light source, but it is more controllable to cause the laser light source to emit light in a time division rather than continuous light emission and to change its light emission time ratio. Is more convenient.
  • the change in brightness due to the change in scanning speed and the distribution of scanning line density as seen by the wearer is included. It is also desirable to reflect these together.
  • a monochromatic image is formed using a laser light source having a single wavelength.
  • An image can also be formed.
  • a three-color hologram can be created by, for example, pasting together those corresponding to each of the three colors, or by simultaneous exposure of the three colors.

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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

画像表示装置
　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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