JP2010117541A - ビーム走査型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等の表示装置で、視野全域にわたって走査ビームのビームウェスト位置を最適に保つことが困難である。
【解決手段】上記課題を解決するために、本願発明は、ビームを出力する光源と、前記光源からのビームの波面形状を変化させる波面形状変更手段と、前記波面形状変更手段からのビームを走査する走査手段と、前記走査手段で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ変更する偏向手段とを備えたビーム走査型表示装置であって、前記波面形状変更手段は、前記走査手段の動作に同期して単振動駆動する光学部品を備えることを特徴とするビーム走査型表示装置ユーザの視線を検出する視線検出手段を備え、視線検出手段の検出結果に応じて、波面形状変更手段の単振動する光学部品の駆動幅を変更する構成を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等の表示装置に関するものである。

従来、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等の表示装置において、レーザ光を２次元走査して、眼の網膜に直描する方式（以下、レーザ走査方式、と記す）がある。（例えば、特許文献１参照）。レーザ走査方式の表示装置は、網膜走査ディスプレイ、網膜照射ディスプレイ、網膜直描ディスプレイ、レーザ走査ディスプレイ、直視型表示装置、ＲＳＤ（Ｒｅｔｉｎａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｄｉｓｐｌａｙ：網膜走査ディスプレイ）、ＶＲＤ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅｔｉｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ：仮想網膜ディスプレイ）、などとも呼ばれている。

図１に眼鏡型ＨＭＤの構造例を示す。図１では眼鏡フレームにレーザ光を発光するレーザ源１０１、１１０、およびレーザ光の波面を制御する波面変更手段１０２、１０９、レーザ光を二次元方向に走査する走査手段１０３、１０８を搭載している。レーザ光は、走査手段によって眼鏡レンズに向かって投影され、眼鏡レンズの表面に備えられた偏向手段１０４、１０７によって、反射され、ユーザの眼に入射し、網膜上に画像を形成する。ここで偏向手段１０４、１０７にはハーフミラーやホログラム光学素子（ＨＯＥ：Ｈｏｌｏｇｒａｍ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）などが用いられ、ユーザは外の景色と、レーザによって描かれる画像の両方を同時に視聴することが可能になる。また走査手段１０３、１０８には、一枚の単板ミラーを一軸、もしくは二軸方向に振動させることでレーザ光を二次元方向に走査するミラーデバイスなどが用いられる。

またレーザ光の波面曲率を変更することで、ユーザに表示する画像に遠近感を与える方法も考えられている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１０−３０１０５５号公報 特開２００４−１９１９４６号公報

しかしながら、レーザ走査方式の表示装置において、広い視野角と高い解像度を実現するためにはレーザ光の走査に合わせて走査ビームのビームウェスト位置を変更することが必要になる。ここでビームウェストとは、レーザ光の直径が最も細くなる場所である。また本明細書においては、ビームウェスト位置とは走査手段からみたビームウェストの位置として扱う。

レーザ走査方式の表示装置において高い解像度を実現するためには網膜上でのビームスポット径を小さくする必要がある。人間の目は集光レンズになっているため、ビーム径が大きく、かつ平行なレーザ光（曲率半径が無限大のレーザ光）を眼に入射すると、入射光は網膜上で小さなスポットに集光されるため、解像度の高い映像を網膜上に描写することが可能になる。眼鏡型のレーザ走査方式の表示装置においてユーザの眼に入射するビームを平行光にするためには、走査手段の動きに合わせて走査ビームのビームウェスト位置を変更する必要がある。走査手段による走査ビームが偏向手段に入射する場所に応じて、走査ビームのビームウェストの位置を変更することで偏向手段からユーザの眼に向かうレーザ光を平行光にすることが可能になる。図３に、眼鏡型の表示装置においてユーザの眼に向かうレーザ光を平行光にするための、走査手段による走査ビームの最適なビームウェスト位置の例を示す。偏向手段１０４はユーザの瞳孔位置３０５に光を集光する作用を持つように設計されたホログラムミラーであり、この偏向手段に対して走査手段１０３は斜めにレーザ光３０４を入射する。この際、レーザ光３０４の偏向手段１０４への入射位置に応じて、レーザ光のビームウェスト位置が変更される。線３０１で示されるのがレーザ光３０４の適切なビームウェスト位置の例であり、走査手段１０３の動きによってレーザ光３０４の向きが変っても、レーザ光３０４のビームウェスト位置が線３０１上に位置するように制御を行うことで瞳に入射するビームを平行光にすることができる。

しかしながら、ビーム走査型表示装置において、ユーザに広視野の画像を表示する場合、視野全域にわたって走査ビームのビームウェスト位置を最適に保つことは困難になる。走査ビームのビームウェスト位置は、走査手段の動作に追従して変更する必要があるが、高画質の画像を表示する際には、走査手段は高速に動作する（例えば１００Ｈｚ以上）。高速で動作する走査手段に追従する際には、レンズやミラーに複雑な動作を与えるのは困難となるため、波面形状変更手段に用いられる光学部品は単純な単振動で高速に駆動する方法が用いられる。図２にビーム走査型のＨＭＤの詳細構造図を示す。ここで２０１、２０２は波面形状変更手段に含まれるレンズであり、それぞれ走査ビームの水平方向のビームウェスト位置、垂直方向のビームウェスト位置を変更するため走査手段１０３の動きに同期して振幅Ｄで単振動駆動される。

しかしながら、光学部品を単振動する方法では、画像の視野全域にわたって走査ビームのビームウェスト位置を最適に保つことは難しくなる課題が生じる。

図４、図５に最適なビームウェスト位置４０１と、単振動レンズ２０１によって実現される走査ビームのビームウェスト位置４０２を示す。図４、図５の横軸はユーザに表示される画素の視野角（画角）、縦軸はその視野角に対応する画素を表示する走査ビームのビームウェスト位置を示す。なお縦軸のビームウェスト位置の値は、走査手段１０３から走査ビームのビームウェスト位置までの距離で表される。また図４は単振動レンズ２０１の駆動幅が小さいときの例であり、図５では単振動レンズ２０１の駆動幅が大きいときの例である。

図４に示すように単振動レンズ２０１の駆動幅が小さいとき、視野の両端（右側４０度や左側４０度）では、最適ビームウェスト位置４０１とビームウェスト位置４０２のズレが少ない。つまりこの時、ユーザの視野の両端では単振動レンズ２０１によって実現されるビームウェスト位置は最適なものとなっているため、この部分の視野の画素はユーザの網膜上でボケずに表示される。その反面、視野中央では４０１と４０２のズレが大きい。この時、視野中央の画素を描画する走査ビームのビームウェスト位置は、最適なビームウェスト位置からずれているため、視野中央の画素はユーザの網膜上でボケてしまう。つまりユーザには画面両端が鮮明で、画面中央がボケた画像が表示される。

また図５に示すように単振動レンズ２０１の駆動幅が大きいときには、視野中央では最適ビームウェスト位置４０１とビームウェスト位置４０２のズレが少ない。つまりこの時、単振動レンズ２０１によって実現されるビームウェスト位置は最適なものとなっているため、視野中央の画素はユーザの網膜上でボケずに表示される。その反面、視野の両端では４０１と４０２のズレが大きい。この時、視野の両端の画素を描画する走査ビームのビームウェスト位置は、最適なビームウェスト位置からずれているため、視野の両端の画素はユーザの網膜上でボケてしまう。つまりユーザには画面中央は鮮明で、画面両端がボケた画像が表示される。

すなわち、光学部品を単振動駆動して高速に走査ビームのビームウェスト位置を変更する際には、視野の一部分しか走査ビームのウェスト位置を最適に保つことができず、他の部分ではユーザの眼に向かうビームが平行光とはならないため網膜上の解像度が劣化してしまうという課題が生じる。

特許文献１、２ではこのような波面形状変更手段の動作による問題に対する考慮がなされていない。

図１０にユーザに表示される画像の例を示す。図１０において、１００１はビーム走査表示装置が画像を表示可能な表示可能領域を示す。本発明のビーム走査型表示装置は表示可能領域１００１内に、任意の大きさの画像を表示することができる。図１０では、表示可能領域１００１の全体に、表示画像１００３が表示されている例である。この例では、ユーザに対して水平方向の視野角が１００度の非常に広視野角の画像が表示されている。前述したとおり、このような広視野の表示画像１００３に対して、全ての画素がユーザに鮮明に見えるように走査ビームのビームウェスト位置を最適に設定することは難しい。しかしながら人間の視覚特性として、人間が画像を鮮明に認識することができるのは視線を中心視とした±５度程度の領域（中心視野）に限定される。図１０において、ユーザのある時点での中心視野の例を１００２で示す。この時、表示画像１００３の画素のうち、ユーザが鮮明に認識することができるのは中心視野１００２の部分だけであり、それ以外の領域の画素がボケてしまっていてもユーザは画素がボケていることを認識することができない。つまり、ユーザの視線方向から現在の中心視野１００２を特定し、表示画像１００３の画素の内、中心視野１００２に含まれる画素がユーザに鮮明に見えるように走査ビームのビームウェスト位置を制御することができれば、ユーザは画素のボケを認識することができないため、表示画像の劣化を防止することが可能になる。

本発明は前記課題を解決するものでビーム走査型表示装置において、画像内で画素を鮮明に表示する必要のある領域を逐次判定しながら、波面形状変更手段の光学部品の駆動幅を適切に変化させることで、ユーザが認識する画像の劣化を防ぐことを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のビーム走査型表示装置は、
ビームを出力する光源と、
前記光源からのビームの波面形状を変化させる波面形状変更手段と、
前記波面形状変更手段からのビームを走査する走査手段と、
前記走査手段で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ変更する偏向手段と、
を備えたビーム走査型表示装置であって、
前記波面形状変更手段は、前記走査手段の動作に同期して、単振動駆動する光学部品を備えることを特徴とする。

本構成によって、高速な走査手段の動作に追従して走査ビームのビームウェスト位置を変更することができ、表示画像の高画質化を計ることが可能になる。

また本発明の前記走査手段は、前記偏向手段上で走査ビームが入射される走査領域において、
垂直方向の走査を、水平方向の走査よりも高速に行い、
前記波面形状変更手段は、前記走査手段の水平方向の走査に同期して、
記光学部品を単振動駆動することを特徴とする。

本構成によって、単振動駆動の速度を低減させることができ、波面形状制御手段の動作を簡易化することが可能になる。

また本発明のビーム走査型表示装置は、ユーザの視線を検出する視線検出手段を備え、
前記視線検出手段の検出結果に応じて、前記波面形状変更手段は、単振動する光学部品の振幅を変更することを特徴とする。

本構成によって、ユーザの視力が高い部分に表示さえる画質のボケを防止することが可能になる。

また本発明の走査手段は前記偏向手段に斜めにビームを入射し、
前記偏向手段上で走査ビームが入射される走査領域において、
前記走査領域とユーザの視線の交点を注視点とし、前記注視点と前記走査手段の距離である注視距離が長いほど、
前記波面形状変更手段は、前記注視距離が短い場合よりも、前記光学部品の振幅を小さくすることを特徴とする。

本構成によって、ユーザの視線の移動に伴って、ユーザの中心視野の範囲内における画像がボケてしまうことを防止することが可能になる。

また本発明のビーム走査表示装置は、前記注視距離は、前記注視点と前記走査手段の水平方向の距離であることを特徴とする。

本構成によって最適なビームウェスト位置の変化が大きい水平方向に追従して、波面形状制御手段を動作させることが可能になる。

また本発明の波面形状変更手段は、
前記偏向手段上で走査ビームが入射される走査領域において、前記走査領域内で画像が表示される画像表示位置に応じて、
単振動する光学部品の駆動幅を変更することを特徴とする。

本構成によって、ビーム走査型表示装置が画像を表示可能な領域の一部分にのみ画像を表示する際には、視線検出などの余分な処理なしに、表示画像がボケることを防ぐことが可能になる。

また本発明の走査手段は、前記偏向手段に斜めにビームを入射し、
前記画像表示位置の前記走査手段との距離である表示距離が長いほど、
前記波面形状変更手段は、前記表示距離が短い場合よりも、前記光学部品の振幅を小さくすることを特徴とする
本構成によって、走査領域内で画像が表示される位置によって、画像がボケてしまうことを防止することが可能になる。

また本発明のビーム走査型表示装置は、ユーザの視線を検出する視線検出手段を備え、
前記走査領域内の画像表示位置が、
ユーザの視線と前記走査領域の交点である注視点を中心とする中心視野の範囲を超える場合に、前記視線検出手段の検出結果に応じて、前記波面形状変更手段は、単振動する光学部品の駆動幅を変更することを特徴とする。

本構成によって、走査領域内に小さな画像を表示する際には、視線検出などの余分な処理を行わずに表示画像がボケることを防ぐ処理を行うことが可能になる。

画像内で画素を鮮明に表示する必要のある領域を逐次判定しながら、波面形状変更手段の光学部品の駆動幅を適切に変化させることで、ユーザが認識する画像の劣化を防ぐ。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１における、メガネ形のＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）の構成図（平面図と側面図）を示す。図２は、図１の一部の詳細図である。

図１、図２の構成図において、各構成要素とその関係を記す。

光源１０１、１１０は、ビームを出力する。出力するビームは、図２に示すように、赤色レーザ光源２１１と青色レーザ光源２１２と緑色レーザ光源２１３から出力される各レーザ光を合波したレーザ光とし、各色レーザ光源からの出力を適切に変調することで、任意の色のレーザ光を出力できる。さらに、後述する波面形状変更手段や走査手段と連動させて変調することで、ユーザの眼の網膜上に映像を表示できる。

なお、図２では２１１は赤色の半導体レーザ光源、２１２は青色の半導体レーザ光源とし、２１３は赤外線の半導体レーザ光源と、赤外線を緑色に変換するＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：第２次高調波発生）素子の組合せとして図示してあるが、２１３が緑色の半導体レーザ光源でもよいし、各光源が固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ、発光ダイオードでもよい。

なお、図２では各レーザ光源でレーザ光の変調を行っているが、レーザ光源から出力された光を変調する手段を、レーザ光源と組み合わせて用いることで、レーザ光を変調してもよい。

なお、光源１０１、１１０は、図２の２１４の光検出手段を含んでもよい。光検出手段は、ユーザの眼の角膜からの反射光の強度を検出することで、ユーザの視線方向を検出できる。偏向手段により眼の方向へ偏向されたビームの多くは、角膜表面に対して斜めから入射するが、眼球に対して正面からのビームは、角膜表面に対して垂直に入射するために、ビームの反射率が比較的高くなるため、反射光の強度検出によって視線方向を検出できる。

波面形状変更手段１０２、１０９は、前記光源１０１、１１０からのビームの波面形状をそれぞれ変化させて、後述の偏向手段１０４、１０７で偏向されたビームのスポットサイズを所定の範囲内となるようにする。

ビームの「スポットサイズ」とは、ユーザの眼の網膜でのスポットサイズとして、以後説明するが、瞳孔でのスポットサイズ、角膜でのスポットサイズ、偏向手段でのスポットサイズでもよい。網膜でのスポットサイズは、表示する画素サイズと同一である。

「波面形状」とはビーム波面の３次元形状であり、平面、球面、非球面の形状を含む。

図２では２０１の焦点距離水平成分変更手段と、２０２の焦点距離垂直成分変更手段とを光路に直列に配置しており、これによって、波面形状の水平方向の曲率と垂直方向の曲率とを独立して変更できる。２０１は水平方向のシリンドリカルレンズであり、２０２は垂直方向のシリンドリカルレンズであり、それぞれ単振動駆動することによって、水平方向および垂直方向の曲率を変更し、走査ビームの水平方向および垂直方向のビームウェスト位置を変更する。

なお、図２の波面形状変更手段では、シリンドリカルレンズを用いて波面形状を変更するが、他の手段として、シリンドリカルレンズとミラーを組み合わせて、ミラーの方を単振動駆動することで走査ビームのビームウェスト位置を変更する方法を用いても良い（図９）。この場合、ミラーをＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーとして構成することで、より高速な駆動を行うことが可能になる。

またシリンドリカルレンズの代わりに、回折光学素子を用いても良い。この場合、光学素子が薄く軽量になるため、より高速な駆動を行うことが可能になる。

また液晶レンズや、液体レンズ等の可変形状レンズや、ＥＯ素子（電気−光変換素子）などを用いて走査ビームのビームウェスト位置を変更する方法を用いてもよい。この場合、レンズやミラーの位置を直接移動させる必要がなくなるため、高速な制御が可能になり、かつ表示装置が余分な振動を発生しなくなる効果がある。

走査手段１０３、１０８は、それぞれ前記波面形状変更手段１０２、１０９からのビームを２次元走査する。走査手段は角度を２次元的に変更できる単板小型ミラーで、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）マイクロミラーである。

なお、走査手段は水平走査用と垂直走査用のように２種以上の走査手段の組合せで実現してもよい。

なお、走査手段はミラーを物理的に傾ける方法に限定されず、レンズを移動したり、回折素子を回転する方法や、液晶レンズや可変形状レンズや、ＡＯ素子（音響光学素子）やＥＯ素子（電気−光変換素子）などの偏向素子を用いる方法でもよい。

偏向手段１０４、１０７は、前記走査手段１０３、１０８で走査されたビームの向きをそれぞれユーザの眼に向かう方向へ変更する。１０４、１０７の偏向手段では、メガネのレンズの内側（眼の側）に、例えばフォトポリマー層が形成され、フォトポリマー層にはリップマン体積ホログラムが形成されて、走査手段からのビームがユーザの眼の瞳孔に回折・集光されるように製作されている。フォトポリマー層には赤色、緑色、青色、それぞれの光源からの光を反射する３つのホログラムを多重に形成してもよいし、それぞれの色の光に対応した３層のホログラムを積層してもよい。また、ホログラムの波長選択性を用いることで、光源波長の光のみが回折し、外界からの光のほとんどを占める光源波長以外の波長の光は回折の影響を受けないように製作することで、透過型のディスプレイとできる。

なお、偏向手段はホログラムなどの回折素子による偏向に限定されず、凹面鏡などのミラーや、凸レンズなどのレンズでもよい。この場合、偏向手段にホログラムを用いる場合より、偏向手段の製造が簡単になる。

制御手段１０５、１１１は、ＨＭＤ各部を制御する集積回路を備える。各レーザの出力および、波面形状変更手段、走査手段の動作が制御手段１０５、１１１によって行われる。また制御手段１０５，１０８はユーザに表示する内容を決定する手段を備える。

図６に本実施の形態における制御手段１０５、１１１の機能ブロック図を示す。各機能ブロックの詳細については後述する。

なお、制御手段105、111は、携帯電話等の周辺機器と無線接続して映像音声信号を受信する通信手段を備えてもよい。また制御手段１０５、１１１ユーザに提示すべき画像を格納したメモリを備えていてもよいし、もしくは無線によって外部機器からユーザに提示すべき画像を取得しても良い。

なお、制御手段１０５、１１１はひとつであってもよく、制御手段１０５もしくは１１１が左右の眼に対応するレーザ光源、波面形状変更手段、走査手段、ヘッドホンの動作を制御してもよい。この場合、制御手段が１つで済むためにコストが削減され、また表示装置が軽量化される効果がある。

ヘッドホン部１０６、１１２は、スピーカーを備え、音声を出力する。

なお、ヘッドホン部には、ＨＭＤ各部へ電源供給するバッテリーを備えてもよい。

なお、図１における各手段や各部は、１台のＨＭＤに内蔵されていてもよいし、内蔵されていなくてもよい。例えば、図１各部の全てが、１台のＨＭＤに含まれていてもよいし、ヘッドホン部がなくてもよい。また、各部が分散配置していてもよい。例えば、制御手段が走査手段や波面形状変更手段に一部含まれていてもよい。複数の機器で図１の各部を共有してもよい。例えば、レーザ光源を２つのＨＭＤで共有してもよい。

以下に、本実施の形態において画像内で画素を鮮明に表示する必要のある領域を逐次判定しながら、波面形状変更手段の駆動幅を適切に変化させ、画質の低下を防止する例を示す。なお、以下は簡単のためＨＭＤにおいてユーザの左眼に対する表示に関してのみ説明を行うが、右目に付いても同様の処理が行われる。

本実施の形態では、図７に示すステップ７０１〜７０３を実行することでユーザに表示する画質の劣化を防止する。

（ステップ７０１）最適化領域判定
本ステップでは最適化領域判定手段６０１が、表示可能領域１００１のうち、走査ビームのビームウェスト位置を最適化することで画像を鮮明に表示すべき最適化領域を決定する。本ステップでは表示画像の判定と、視線位置の判定との二つの処理が行われる。

・表示画像の判定
まず最適化領域判定手段６０１は、画像管理手段６０４からユーザに表示する画像の表示可能領域内での位置、水平方向のサイズ、垂直方向のサイズを取得する。表示画像１００３は、図１０に示すように表示可能領域１００１全体に表示されるだけでなく、図１１に示すように表示可能領域１００２の一部にのみ表示される場合もある。図１１のような表示は、例えば屋外でＨＭＤを装着している場合などに、表示画像１００３が外界をユーザが視認する妨げにならないようにする際などに行われる。ここで、表示画像１００３の大きさが中心視野よりも小さく、かつ位置が固定されているのなら、ビーム走査表示装置は、ユーザの視線にかかわらず表示画像１００３が表示される領域で常にビームウェスト位置が最適化するように制御すればよい。

ここで画像管理手段６０４から取得した表示画像１００３の水平方向のサイズＡ、および垂直方向のサイズＢが、最適化領域判定手段６０１が保持する中心視野１００３のサイズＤを下回っていた場合、最適化領域判定手段６０１は、画像管理手段６０４から取得した表示画像１００３の表示位置を最適化領域Ｘとして決定する。

画像管理手段６０４から取得した表示画像１００３の水平方向のサイズＡ、および垂直方向のサイズＢが、最適化領域判定手段６０１が保持する中心視野１００３のサイズＤを上回っていた場合、最適化領域判定手段６０１は、ユーザの視線位置の判定を行う。

なお最適化領域判定手段６０１が保持する中心視野のサイズＤは、一般的な中心視野の視野角（約１０度）に相当するサイズを、表示可能領域１００１内でのサイズに換算したものでもよいし、ＨＭＤの入力デバイスから個々のユーザが独自に設定したものでも良い。後者の場合、中心視野の大きさの個人差を考慮した処理を行うことが可能になる。

・視線位置の判定
最適化領域判定手段６０１は、視線検出手段６０５からユーザの視線方向を取得し、表示可能領域１００１内における、中心視野１００２の場所を判定する。視線検出手段６０５は、ユーザの網膜あるいは角膜からの反射光を検出する光検出器２１４の出力を利用して、現在のユーザの視線方向を判定する。

最適化領域判定手段６０１は、視線検出手段６０５から取得したユーザの視線方向に一致する視野角を最適化領域Ｘとして判定する。

最適化領域判定手段６０１が最適化領域Ｘを判定すると、その情報を駆動幅判定手段６０２に通知する。

（ステップ７０２）駆動幅決定
本ステップでは、駆動幅判定手段６０２が、前ステップで判定された最適化領域Ｘの値から、波面形状変更手段１０２における光学部品の駆動幅変更の必要性を判断する。

本実施の形態では、駆動幅判定手段６０２は、まず前ステップで判定された最適化領域Ｘのビームウェスト位置を最適化するための、波面形状変更手段１０２の駆動幅を判定する。なお本実施の形態では、図２に示すように水平方向のビームウェスト位置は単振動レンズ２０１によって、垂直方向のビームウェスト位置は単振動レンズ２０２によって、独立に制御される。そのため、波面形状変更手段の駆動幅変更の必要性は水平方向と垂直方向のそれぞれで行われる。

駆動幅判定手段６０２は、図８に示すような波面形状変更手段の駆動幅と、それによって最適化される領域の関係表を保持する。図８の例は水平方向のビームウェスト位置に関する例であり、例えば水平方向の視野角が０度の部分（表示可能領域１００１の中央）の水平方向のビームウェスト位置を最適化するためには、波面形状変更手段の駆動幅（本実施の形態では、水平方向用の単振動レンズ２０１の駆動幅）を±０．４ｍｍにする必要があることを示している。駆動幅判定手段６０２は、この関係表から最適化領域Ｘの水平方向のビームウェスト位置を最適化するための波面形状制御手段の駆動幅α０を判定する。

駆動幅判定手段６０２は垂直方向のビームウェスト位置に関しても図８と同様の関係表を保持することで、最適化領域Ｘの垂直方向のビームウェスト位置を最適化するための波面形状変更手段の駆動幅（本実施の形態では垂直方向用の単振動レンズ２０２の駆動幅）β０を判定する。

α０、β０の判定後、ビーム駆動幅判定手段６０２は、現在の水平方向用の単振動レンズ２０１の駆動幅α１と、垂直方向用の単振動レンズ２０２の駆動幅β１を、それぞれα０、β０と比較する。

ここでα０とα１、およびβ０とβ１の値が一致した場合、ビーム駆動幅判定手段６０２は、既にビームウェスト位置が最適化されていると判断し処理を終了する。それ以外の場合、ビーム駆動幅判定手段６０２は、α０、β０の値を駆動距離変更手段６０３に通知する。

（ステップ７０３）駆動幅変更
本ステップでは、駆動幅変更手段６０３が、ステップ７０２で決定された駆動幅α０およびβ０で波面形状変更手段の単振動レンズ２０１、２０２が動作するように制御を行う。

駆動幅変更手段は、波面形状変更手段１０２にα１、β１の値を通知することで、単振動レンズ２０１および２０２の駆動幅を変更し、最適化領域のビームウェスト位置を最適化する。

上記の処理を行うことで、光学部品を単振動することで高速にビームウェスト位置を変更しながら、ユーザの中心視野、もしくは表示可能領域内の特定部分の画素を常に鮮明に表示するがことが可能になり、広視野の映像表示を実現することができる。

なお本実施の形態では、波面形状変更手段１０２は図２に示すように単振動レンズ２０１、２０２を単振動させる方法を用いたが、図９に示すようにレンズとミラーを組み合わせてミラーの方を単振動駆動させる方法を用いても良い。この時、図８に示す関係表は、レンズの駆動距離ではなく、ミラーの駆動距離と、それによってビームウェスト位置が最適化される水平、もしくは垂直方向の領域を示すものが、駆動幅判定手段６０２によって保持されることになる。この場合、ミラーを高速に動作させることで、表示する画像のフレームレートや画素数を向上させることが可能になる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、車両や航空機に搭載されるＨＵＤ（Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）をビーム走査型の表示装置で実現する際に、波面形状変更手段の光学部品の駆動幅を変化させることで、画質の低下を防止する方法について例示する。

図１２に、本発明の実施の形態２におけるレーザ走査型のＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）の側面図、図１３に鳥瞰図を示す。

車１２０１の内部に、レーザ走査ユニット１２０２が埋め込まれている。レーザ走査ユニット１２０２は車のフロントガラス１２０３の下方に取り付けられており、本実施の形態ではインパネの内部に配置されており、表示装置の省スペース化を図っている。

なおレーザ走査ユニット１２０２はインパネの内部ではなく、インパネ外部に配置してもよい。この場合、レーザ走査ユニット１２０２の交換や位置の変更が容易になる。

レーザ走査ユニット１２０２によって走査された光はフロントガラス１２０３に取り付けられた偏向手段１０４によって反射され、ハーフミラー１２０４を通過し、ドライバー１２０５の眼球１２０６に到達することで映像が視認される。このようなＨＵＤではフロントガラス１２０３越しに外界風景を確認しながら、レーザ走査ユニット１２０２によって表示される地図情報や警告情報を見ることができ、ドライバーの安全性や利便性を向上させることが可能になる。ユーザの網膜上に投影されたレーザの反射光は、ユーザの眼前に設置されたハーフミラー１２０４によって反射され、光検出手段２１４によって検出される。

なお本実施の形態ではレーザ走査ユニット１２０２は、光源１０１、波面形状変更手段１０２、走査手段１０３、制御回路１０５から構成されている。図１３に示すようにレーザ走査ユニット１２０２はユーザの正面ではなく、サイドミラー側に設置され、フロントガラス１２０３に対して斜めからレーザ光を投影する。このような構成をとることでレーザ走査ユニット１２０３の配置場所の自由度を高めることが出来、車両のデザイン性を向上させる効果がある。

なお偏向手段１０４はフロントガラス１２０３に自由に着脱できるようにしてもよい。この場合、ディスプレイの表示が不要な場合は変更手段１０４を外すことにより、フロントガラス１２０３の透過性を保ち、ドライバーの安全性を向上させることができる。

なお偏向手段１０４は走査手段からの光をユーザのいずれかの目に向かって反射するのではなく、ユーザの両方の目に向かって反射させてもよい。この場合、一つの変更手段１０４によってユーザの両目に映像を表示することが可能になる。

また本発明の実施の形態においては、ユーザの眼前にハーフミラー１３０４を設置することで、ユーザの網膜上からの反射光を光検出手段２１４に反射させる。ハーフミラー１３０４は、車の天井１３０７に支持棒１３０８によって取り付けられており、この構造によってユーザの頭部への装置の装着を強制することなしに、ユーザの網膜上のスポットサイズの検出を行うことができる。なおハーフミラー１３０４および光検出器２１４は車の天井に設置するのではなく、ドライバーの眼鏡や帽子に設置しても良い。この場合、ドライバーの頭が前後に動いてもハーフミラーに頭が接触する可能性が減るため、ドライバーの安全性を向上させることができる。

制御手段１０５は、ＨＵＤ各部を制御する集積回路を備える。各レーザの出力および、波面形状変更手段、走査手段、光検出器の動作が制御手段１０５によって行われる。また制御手段１０５は前記波面形状変更手段の動作を制御する機能も含む。本実施の形態において光検出手段２１４は天井に配置され、制御回路１０５はインパネ内部に設置されているが、光検出手段２１４と制御回路１０５間の通信は車の内部において有線ケーブルを這わせることで行っても良いし、無線通信で行っても良い。

本実施の形態において、図１２のビーム走査型表示装置は、図７に示すステップ７０１〜３を実行し、波面形状変更手段の光学部品の駆動幅を変えることで、ユーザが画質の劣化に気付くことを防止する。なおステップ７０１〜７０３の処理の内容は実施の形態７と同様である。

なお図１２においてはユーザの目は一つしか示されていないが、レーザ走査ユニット１２０２、変更手段１０４、光検出手段２１４をもう一組用意し、両目に対してビームの曲率半径の制御を行っても良い。

なお、上記した各実施の形態での制御処理は、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等）に格納された上述した処理手順を実行可能な所定のプログラムデータが、ＣＰＵによって解釈実行されることで実現される。この場合、プログラムデータは、記録媒体を介して記憶装置内に導入されてもよいし、記録媒体上から直接実行されてもよい。なお、記録媒体は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスクメモリ、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤやＢＤ等の光ディスクやＳＤカード等のメモリカード等の記録媒体をいう。また、記録媒体は、電話回線や搬送路等の通信媒体も含む概念である。

本発明にかかるビーム走査型表示装置は、ビーム径変更手段などを有し、表示装置、表示システム、表示方法、表示プログラム、などの用途にも応用できる。

本発明の実施の形態１におけるビーム走査型表示装置の構成図 本発明の実施の形態１におけるビーム走査型表示装置の詳細構成図 眼球への入射光を平行光にするための入射レーザのビームウェスト位置の例を示す図 最適ビームウェスト位置と、単振動レンズによって実現されるビームウェスト位置の例を示す図 最適ビームウェスト位置と、単振動レンズによって実現されるビームウェスト位置の例を示す図 本発明の実施の形態１における制御手段の機能ブロック図 本発明における波面形状変更手段の駆動幅を変更するフローチャート 本発明の実施の形態１における波面形状変更手段の駆動幅と、ビームウェスト位置が最適化される領域の関係表の例を示す図 本発明の実施の形態１におけるビーム走査型表示装置の詳細構成図 本発明の実施の形態１における表示画像と中心視野の例を示す図 本発明の実施の形態１における表示画像と中心視野の例を示す図 本発明の実施の形態２におけるビーム走査型表示装置の構成図 本発明の実施の形態２におけるビーム走査型表示装置の鳥瞰図

符号の説明

１０１ 左眼用光源
１０２ 左眼用波面形状変更手段
１０３ 左眼用走査手段
１０４ 左眼用偏向手段
１０５ 左眼用制御手段
１０６ 左眼用ヘッドホン部
１１０ 右眼用光源
１０９ 右眼用波面形状変更手段
１０８ 右眼用走査手段
１０７ 右眼用偏向手段
１１１ 右眼用制御手段
１１２ 右眼用ヘッドホン部
２０１ 焦点距離水平成分変更手段
２０２ 焦点距離垂直成分変更手段
２１１ 赤色レーザ光源
２１２ 青色レーザ光源
２１３ 緑色レーザ光源
２１４ 光検出手段

Claims (8)

1. ビームを出力する光源と、
   前記光源からのビームの波面形状を変化させる波面形状変更手段と、
   前記波面形状変更手段からのビームを走査する走査手段と、
   前記走査手段で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ変更する偏向手段と
   を備えたビーム走査型表示装置であって、
   前記波面形状変更手段は、前記走査手段の動作に同期して単振動駆動する光学部品を備えることを特徴とするビーム走査型表示装置。
2. 前記走査手段は、前記偏向手段上で走査ビームが入射される走査領域において、
   垂直方向の走査を、水平方向の走査よりも高速に行い、
   前記波面形状変更手段は、前記走査手段の水平方向の走査に同期して、
   前記光学部品を単振動駆動することを特徴とする請求項１に記載のビーム走査型表示装置。
3. ユーザの視線を検出する視線検出手段を備え、
   前記視線検出手段の検出結果に応じて、前記波面形状変更手段は、単振動する光学部品の振幅を変更することを特徴とする請求項１または２に記載のビーム走査型表示装置。
4. 前記走査手段は、前記偏向手段に斜めにビームを入射し、
   前記偏向手段上で走査ビームが入射される走査領域において、
   前記走査領域とユーザの視線の交点を注視点とし、前記注視点と前記走査手段の距離である注視距離が長いほど、
   前記波面形状変更手段は、前記注視距離が短い場合よりも、前記光学部品の振幅を小さくすることを特徴とする請求項３に記載のビーム走査型表示装置。
5. 前記注視距離は、前記注視点と前記走査手段の水平方向の距離であることを特徴とする請求項４に記載のビーム走査型表示装置。
6. 前記波面形状変更手段は、
   前記偏向手段上で走査ビームが入射される走査領域において、前記走査領域内で画像が表示される画像表示位置に応じて、
   単振動する光学部品の駆動幅を変更することを特徴とする請求項１または２に記載のビーム走査型表示装置。
7. 前記走査手段は、前記偏向手段に斜めにビームを入射し、
   前記画像表示位置の前記走査手段との距離である表示距離が長いほど、
   前記波面形状変更手段は、前記表示距離が短い場合よりも、前記光学部品の振幅を小さくすることを特徴とする請求項６に記載のビーム走査型表示装置。
8. ユーザの視線を検出する視線検出手段を備え、
   前記走査領域内の画像表示位置が、
   ユーザの視線と前記走査領域の交点である注視点を中心とする中心視野の範囲を超える場合に、前記視線検出手段の検出結果に応じて、前記波面形状変更手段は、単振動する光学部品の駆動幅を変更することを特徴とする請求項７に記載のビーム走査型表示装置。

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