JP2009244794A

JP2009244794A - 網膜走査型画像表示装置置

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Publication number: JP2009244794A
Application number: JP2008094163A
Authority: JP
Inventors: Mitsugi Tanaka; 貢田中
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: WO2009122893A1; EP2261722A4; US8469513B2; JP5104480B2; EP2261722A1; US20110013246A1

Abstract

【課題】周期的にライン状の模様の発生を防止することができる網膜走査型画像表示装置を提供する。
【解決手段】網膜走査型ディスプレイは、画像に関する画像信号に応じて変調された光を発する光源部からの光を所定の走査方向に走査することによって画像を表示する。網膜走査型ディスプレイは、光源部からの光の光路上に配置され、その光源部からの光を所定の回折方向に回折する回折素子を備えている。回折素子は、走査部の走査方向に対して回折方向の回折素子への射影が略４５度となる角度で配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、網膜走査型画像表示装置に関するものであり、特に、画像に関する画像信号に応じて変調された光を所定の走査方向に走査することによって画像を表示する網膜走査型画像表示装置に関する。

従来、画像を表示するための画像表示装置には、画像信号に応じて変調された光源部からの光を出射光として外部に出射することによって、視認可能に画像が表示される装置が存在する。また、このように外部に出射される光が、所定の走査方向に走査され、ユーザの眼に入射され、その眼の網膜に画像を投影し、画像を表示する網膜走査型画像表示装置も存在する。

このような網膜走査型画像表示装置においては、例えば、特許文献１に示すように、光源部からの光を所定の回折方向に回折する回折格子が光路上に配置されている。このような回折格子には、回折方向に沿って溝が施されており、光路上に配置されることによって、光を回折することができ、ユーザの瞳に対して光が入り易くすることができる。
２００６−９８５７０号公報

しかしながら、上述したような網膜走査型画像表示装置では、周期的にライン状の模様（所謂、「ビート」）が発生してしまうことがあった。これは、回折格子の溝のピッチと走査線のピッチとの関係が原因となり、これを考慮して設計する必要があったが、完全にこのような模様をなくすことは容易ではなかった。

本発明は、上述したような課題に鑑みてなされたものであり、周期的にライン状の模様の発生を防止することができる網膜走査型画像表示装置を提供することを目的とする。

以上のような目的を達成するために、本発明は、以下のようなものを提供する。

すなわち、請求項１記載の本発明では、画像に関する画像信号に応じて変調された光を発する光源部と、前記光源部からの光を所定の走査方向に走査することによって画像を表示する走査部と、前記光源部からの光の光路上に配置され、当該光源部からの光を所定の回折方向に回折する回折素子と、を備えた網膜走査型画像表示装置において、前記回折素子は、前記走査部の走査方向に対して前記回折方向の前記回折素子への射影が略４５度となる角度で配置されていることを特徴とするものである。

また、請求項２記載の本発明では、請求項１に記載の発明において、前記走査部は、第一の走査方向に走査する第一走査部と、前記第一の走査方向と略直交する第二の走査方向に走査する第二走査部とを含む構成であり、前記回折素子は、前記第一走査部の走査方向、前記第二走査部の走査方向の両方に対して前記回折方向の前記回折素子への射影が略４５度となる角度で配置されていることを特徴とするものである。

また、請求項３記載の本発明では、請求項１又は２に記載の発明において、前記回折素子を、光路方向を中心に回転させる回転機構を備えたことを特徴とするものである。

また、請求項４記載の本発明では、請求項１から３のいずれかに記載の発明において、前記回折素子は、矩形状であり、前記回折方向が矩形状の辺に対して略４５度であることを特徴とするものである。

また、請求項５記載の本発明では、請求項１から４のいずれかに記載の発明において、前記回折素子は、前記回折方向が相互に直交する２組の回折素子を含む構成であることを特徴とするものである。

また、請求項６記載の本発明では、請求項１から４のいずれかに記載の発明において、前記回折素子は、前記回折方向が相互に直交する２次元回折素子を含む構成であることを特徴とするものである。

また、請求項７記載の本発明では、請求項１から６のいずれかに記載の発明において、前記回折素子は、所定ピッチのストライプ形状であり、走査方向とストライプの角度が略４５度となることを特徴とするものである。

請求項１、７に記載の発明によれば、回折素子は、走査部の走査方向に対して回折方向の前記回折素子への射影が略４５度となる角度で配置されている。従って、回折素子における回折方向と、走査部による走査方向とが略４５度で直交されることとなり、回折方向のピッチと走査方向のピッチとの関係を考慮しなくても、周期的にライン状の模様の発生を防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、走査部は、第一の走査方向に走査する第一走査部と、第一の走査方向と略直交する第二の走査方向に走査する第二走査部とを含む構成であり、回折素子は、第一走査部の走査方向、第二走査部の走査方向の両方に対して回折方向の回折素子への射影が略４５度となる角度で配置されている。従って、光が２次元方向に走査された場合であっても、それぞれ両方に対して回折方向が略４５度となり、回折方向のピッチと走査方向のピッチとの関係を考慮しなくても、周期的にライン状の模様の発生を防止することができる。

請求項３に記載の発明によれば、回折素子を、光路方向を中心に回転させる回転機構を備えた。従って、回折素子を回転させることによって、周期的にライン状の模様の発生を防止するために、回折素子の角度を微調節することができる。

請求項４に記載の発明によれば、回折素子は、矩形状であり、回折方向が矩形状の辺に対して略４５度である。従って、回折素子の配置位置を容易に決定することができる。

請求項５に記載の発明によれば、回折素子は、回折方向が相互に直交する２組の回折素子を含む構成である。従って、回折方向のピッチと走査方向のピッチとの関係を考慮しなくても、複数の回折方向を設定することができ、周期的にライン状の模様の発生を防止することができる。

請求項６に記載の発明によれば、回折素子は、回折方向が相互に直交する２次元回折素子を含む構成である。従って、回折方向のピッチと走査方向のピッチとの関係を考慮しなくても、複数の回折方向を設定することができ、周期的にライン状の模様の発生を防止することができる。

以下に、本発明に好適な実施形態について図面に基づいて説明する。

［画像表示装置の電気的構成］
本実施形態における網膜走査型ディスプレイ１の電気的構成などについて図１を用いて説明する。

図１に示すように、網膜走査型ディスプレイ１には、外部から供給される映像信号を処理するための光源ユニット部２が設けられている。光源ユニット部２には、外部からの映像信号が入力され、それに基づいて映像を合成するための要素となる各信号を発生する映像信号供給回路３が設けられ、この映像信号供給回路３から映像信号４、水平同期信号５、及び、垂直同期信号６が出力される。また、光源ユニット部２には、映像信号供給回路３から映像信号４として伝達される赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各映像信号をもとにそれぞれ強度変調されたレーザ光を出射するように、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１を、それぞれ駆動するためのＲレーザドライバ１０，Ｇレーザドライバ９，Ｂレーザドライバ８が設けられている。これらのようなＲレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１は、画像に関する画像信号に応じて変調された光を発する光源部の一例に相当する。さらに、各レーザより出射されたレーザ光を平行光にコリメートするように設けられたコリメート光学系１４と、それぞれコリメートされたレーザ光を合波するダイクロイックミラー１５と、合波されたレーザ光を光ファイバ１７に導く結合光学系１６とが設けられている。尚、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１として、レーザダイオード等の半導体レーザや固体レーザを利用してもよい。尚、本実施形態における光源ユニット部２は、少なくとも１つの光源と、当該光源から出射される光束を画像信号に応じて強度変調する変調手段の一例に相当する。

また、網膜走査型ディスプレイ１には、光源ユニット部２から伝搬されたレーザ光を水平走査系１９に導くコリメート光学系１８と、コリメートされたレーザ光を、ガルバノミラー１９ａを利用して水平方向に走査する水平走査系１９と、水平走査系１９によって走査されたレーザ光を垂直走査系２１に導く第１リレー光学系２０と、水平走査系１９に走査され、第１リレー光学系２０を介して入射されたレーザ光を、ガルバノミラー２１ａを利用して垂直方向に走査する垂直走査系２１と、垂直走査系２１に走査されたレーザ光をユーザの瞳孔２４に入射し易くするための回折格子１００と、垂直走査系２１に走査されたレーザ光をユーザの瞳孔２４に入射するように第２リレー光学系２２とが設けられている。また、本実施形態においては、詳しく後述する回折格子１００は、レーザ光を分散させる光学分散性能を有する。尚、この光学分散性能とは、入射したレーザ光を、一本から複数本に分割又は分散（散乱）させる性能であり、本実施形態においては、回折格子１００の格子ピッチや周期配列方向によって決定される。

尚、具体的な一例としては、水平走査系１９は、表示すべき画像の１走査線ごとに、レーザ光を水平方向に水平走査（１次走査の一例）する光学系である。また、水平走査系１９は、レーザ光を水平方向に走査するガルバノミラー１９ａと、そのガルバノミラー１９ａの駆動制御を行う水平走査制御回路１９ｃとを備えている。

これに対し、垂直走査系２１は、表示すべき画像の１フレームごとに、レーザ光を最初の走査線から最後の走査線に向かって垂直に垂直走査（２次走査の一例）する光学系である。また、垂直走査系２１は、垂直走査するガルバノミラー２１ａと、そのガルバノミラー２１ａの駆動制御を行う垂直走査制御回路２１ｃとを備えている。

水平走査系１９は、垂直走査系２１より高速にすなわち高周波数でレーザ光を走査するように設計されている。また、水平走査系１９，垂直走査系２１は、図１に示すように、各々映像信号供給回路３に接続され、映像信号供給回路３より出力される水平同期信号５，垂直同期信号６にそれぞれ同期してレーザ光を走査するように構成されている。

尚、本実施形態における水平走査系１９及び垂直走査系２１などは、入射した光束を、第一の走査方向及びその方向に略垂直な第二の走査方向に走査させることによって、フレームを形成する光走査装置の一例である。また、本実施形態における水平走査系１９は、入射される光束を水平方向（第一の走査方向）に走査させる第一走査部の一例に相当し、本実施形態における垂直走査系２１は、その水平方向に走査された光束を、水平方向と直交する垂直方向（第二の走査方向）に走査させる第二走査部の一例に相当する。また、本実施形態における水平走査系１９、垂直走査系２１は、第一走査部と第二走査部とを含む構成であり、光源からの光を所定の走査方向に走査する走査部の一例に相当する。

次に、本発明の一実施形態の網膜走査型ディスプレイ１が、外部からの映像信号を受けてから、ユーザの網膜上に映像を投影するまでの過程について図１を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態の網膜走査型ディスプレイ１では、光源ユニット部２に設けられた映像信号供給回路３が外部からの映像信号の供給を受けると、映像信号供給回路３は、赤，緑，青の各色のレーザ光を出力させるためのＲ映像信号，Ｇ映像信号，Ｂ映像信号からなる映像信号４と、水平同期信号５と、垂直同期信号６とを出力する。Ｒレーザドライバ１０，Ｇレーザドライバ９，Ｂレーザドライバ８は各々入力されたＲ映像信号，Ｇ映像信号，Ｂ映像信号に基づいてＲレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１に対してそれぞれの駆動信号を出力する。この駆動信号に基づいて、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１はそれぞれ強度変調されたレーザ光を発生し、各々をコリメート光学系１４に出力する。また、映像信号供給回路３は、後述するガルバノミラー１９ａの駆動状態を示すＢＤ信号（図示せず）に応じて、レーザ光を発生し、各々をコリメート光学系１４に出力するタイミングを制御する。つまり、このような網膜走査型ディスプレイ１において、映像信号供給回路３は、ガルバノミラー１９ａなどに光束を出射させるタイミングを制御することとなる。点光源から発生されるレーザ光は、このコリメート光学系１４によってそれぞれが平行光にコリメートされ、さらに、ダイクロイックミラー１５に入射されて１つの光束となるよう合成された後、結合光学系１６によって光ファイバ１７に入射されるよう導かれる。

光ファイバ１７によって伝搬されたレーザ光は、光ファイバ１７からコリメート光学系１８によって平行光にコリメートされて水平走査系１９に出射される。この出射されたレーザ光は、水平走査系１９のガルバノミラー１９ａの偏向面１９ｂに入射される。ガルバノミラー１９ａの偏向面１９ｂに入射したレーザ光は水平同期信号に同期して水平方向に走査されて第１リレー光学系２０を介し、垂直走査系２１のガルバノミラー２１ａの偏向面２１ｂに入射する。ガルバノミラー２１ａは、ガルバノミラー１９ａが水平同期信号に同期することと同様に垂直同期信号６に同期して、その偏向面２１ｂが入射光を垂直方向に反射するように往復振動をしており、このガルバノミラー２１ａによってレーザ光は垂直方向に走査される。ガルバノミラー２１ａによって走査されたレーザ光は、回折格子１００によって所定方向に分散された後に、第２リレー光学系２２を介して、ユーザの瞳孔２４に入射する。これによって、ユーザはこのように２次元走査されて網膜上に投影されたレーザ光による画像を認識することができる。つまり、この網膜走査型ディスプレイ１は、画像に関する画像信号に応じて変調された光を走査して出射することで、ユーザの少なくとも一方の眼の網膜に画像を投影し、画像を表示する網膜走査型画像表示装置の一例に相当する。尚、水平走査系１９のガルバノミラー１９ａと、垂直走査系２１のガルバノミラー２１ａとは、名称を同じように説明したが、光を走査するように其の反射面が揺動（回転）させられるものであれば、共振タイプ、非共振タイプ等、圧電駆動、電磁駆動、静電駆動等いずれの駆動方法、駆動方式によるものであってもよいことは言うまでもない。

ここで、回折格子１００について図２から図６を用いて以下に説明する。

回折格子１００は、光源からの光を分散させる光学分散性能を有するものである。この回折格子１００は、図２に示すように、垂直走査系２１と、第２リレー光学系２２との間において、垂直走査系２１によって走査された光束が集光される中間像面に配置されている。つまり、言い換えると、回折格子１００は、光源からの光の光路上において、光源側で、垂直走査系２１を含む走査部とユーザの瞳孔２４との間で光源からの光による中間像が結ばれる中間像面に配置されている。従って、光源からの光を分散させることによる画像の劣化を防止することができる。

尚、本実施形態においては、回折格子１００を、光源からの光が走査部によって走査され、中間像が結ばれる中間像面に配置したが、完全に中間像面と一致していなくても、中間像面の近傍で多少ずれた場所に配置しても、ずれにより発生する画像劣化を、ユーザが視認できない、あるいは、視認できてもさほど気にならないような許容範囲があるため、そのような場所に設置しても良い。また、中間像面とは異なる位置にできる中間像面に設置しても良い。例えば、第１リレー光学系２０の前段に中間像面が生成されるように光学系を設計し、そこに回折格子１００を設置して所望の効果を得ることもできる。この場合においても、前述の通り、中間像面近傍に配置しても一定の効果を得ることができる。

また、図３に示すように、回折格子１００は、回折格子本体１０２と枠体１０４で構成されている。また、回折格子１００を受ける受け部材１１４が配置されており、回折格子１００を光軸上に固定する。

また、本実施形態においては、図４（ａ）に示すように、回折格子１００は、矩形状である。また、回折格子１００には、回折方向が矩形状の辺に対して略４５度となっている。また、回折格子１００を上述した受け部材１１４に固定させた場合には、その矩形状の一辺が水平走査方向となり、一辺が垂直走査方向となる。このため、回折格子１００は、光を所定の回折方向に回折することとなるが、特に、水平走査方向（第一走査部の走査方向）、垂直走査方向（第二走査部の走査方向）の両方に対して回折方向の回折格子１００への射影が略４５度となる角度で配置されることとなる。

一方、従来においては、図４（ｂ）に示すように、回折格子１００には、回折方向が矩形状の辺に対して略水平となっている。また、回折格子１００を上述した受け部材１１４に固定させた場合には、その矩形状の一辺が水平走査方向となり、一辺が垂直走査方向となる。このため、回折格子１００は、水平走査方向（第一走査部の走査方向）か、垂直走査方向（第二走査部の走査方向）か、に対して回折方向が略水平となる角度で配置されることになっていた。

回折格子１００は、図５に示すように、所定ピッチのストライプ形状の凹凸が形成されている。この凹凸に沿って光が入射する場合には、入射光の強度が低下し、周期的にライン状の模様（所謂、「ビート」）が発生することがある。

このため、従来においては、図６（ｂ）に示すように、垂直走査方向か水平走査方向のいずれかが、凹凸に沿って走査されることとなり、この場合においては、入射光の強度が低下する箇所が近接しており画像上では斜めの１ライン状に視認されることがある。

そこで、本実施形態においては、図６（ｂ）に示すように、各走査方向とストライプの角度が略４５度となり、入射光の強度が低下する箇所が少なく、かつ、従来よりも離れるためライン状の模様が視認し難くなる。また、入射光の強度が低下する箇所がライン状にならないため、平均化されることにより周期的にライン状の模様の発生を防止することができる。

このように、回折素子における回折方向と、走査部による走査方向とが略４５度で直交されることとなり、回折方向のピッチと走査方向のピッチとの関係を考慮しなくても、周期的にライン状の模様の発生を防止することができる。また、光が２次元方向に走査された場合であっても、それぞれ両方に対して回折方向が略４５度となり、回折方向のピッチと走査方向のピッチとの関係を考慮しなくても、周期的にライン状の模様の発生を防止することができる。また、回折素子は、矩形状であり、回折方向が矩形状の辺に対して略４５度であるので、回折素子の配置位置を容易に決定することができる。

尚、本実施形態においては、走査方向のそれぞれに対して略４５度の角度で回折させるように回折格子１００を配置したが、これに限らず、例えば、走査方向のそれぞれに対して略３０度から略６０度の角度で回折させるように回折格子１００を配置しても、ある程度の効果を得られることができ、周期的にライン状の模様の発生を防止することができる。

また、本実施形態においては、水平走査方向、垂直走査方向のそれぞれに対して略４５度の角度で回折させるように回折格子１００を配置したが、これに限らず、例えば、図７に示すように、水平走査方向、垂直走査方向のそれぞれに対して略４５度の角度で回折させ、かつ、２つの回折方向がそれぞれ直交する回折格子を配置してもよい。この場合において、回折格子は、回折方向が相互に直交する２組の回折素子を含む構成であっても、回折方向が相互に直交する２次元回折素子を含む構成であってもよい。これによって、回折方向のピッチと走査方向のピッチとの関係を考慮しなくても、複数の回折方向を設定することができ、周期的にライン状の模様の発生を防止することができる。

また、本実施形態においては、回折格子１００を完全に固定させたが、これに限らず、光路方向を中心に回折格子１００を回転させるように構成してもよい。例えば、図８に示すように、受け部材１１４には、回転軸１１６が形成されている。この回転軸１１６は、光路方向に向かって壁面に回転可能に設置される。このため、受け部材１１４は、この回転軸１１６を中心に回転可能である。また、この受け部材１１４を固定するロック部材（図示せず）も設置されている。このような受け部材１１４、回転軸１１６は、光路方向を中心に回転可能な回転機構であり、これによって、回折格子１００を回転可能にしてもよい。これによって、回折素子を回転させることによって、周期的にライン状の模様の発生を防止するために、回折素子の角度を微調節することができる。

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、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。

本実施形態における網膜走査型ディスプレイの電気的構成を示す説明図である。本実施形態における網膜走査型ディスプレイにおける構成を示す説明図である。本実施形態における網膜走査型ディスプレイの回折格子を示す説明図である。本実施形態における網膜走査型ディスプレイの回折格子と、従来における網膜走査型ディスプレイの回折格子とを示す説明図である。本実施形態における網膜走査型ディスプレイの回折格子を示す説明図である。本実施形態における網膜走査型ディスプレイの回折格子と、従来における網膜走査型ディスプレイの回折格子とを示す説明図である。本実施形態における網膜走査型ディスプレイの回折格子を示す説明図である。本実施形態における網膜走査型ディスプレイの回折格子を示す説明図である。

符号の説明

１網膜走査型ディスプレイ
１９水平走査系
２１垂直走査系
１００回折格子

Claims

画像に関する画像信号に応じて変調された光を発する光源部と、
前記光源部からの光を所定の走査方向に走査することによって画像を表示する走査部と、
前記光源部からの光の光路上に配置され、当該光源部からの光を所定の回折方向に回折する回折素子と、を備えた網膜走査型画像表示装置において、
前記回折素子は、前記走査部の走査方向に対して前記回折方向の前記回折素子への射影が略４５度となる角度で配置されていることを特徴とする網膜走査型画像表示装置。
前記走査部は、第一の走査方向に走査する第一走査部と、前記第一の走査方向と略直交する第二の走査方向に走査する第二走査部とを含む構成であり、
前記回折素子は、前記第一走査部の走査方向、前記第二走査部の走査方向の両方に対して前記回折方向の前記回折素子への射影が略４５度となる角度で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の網膜走査型画像表示装置。
前記回折素子を、光路方向を中心に回転させる回転機構を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の網膜走査型画像表示装置。
前記回折素子は、矩形状であり、前記回折方向が矩形状の辺に対して略４５度であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の網膜走査型画像表示装置。
前記回折素子は、前記回折方向が相互に直交する２組の回折素子を含む構成であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の網膜走査型画像表示装置。
前記回折素子は、前記回折方向が相互に直交する２次元回折素子を含む構成であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の網膜走査型画像表示装置。
前記回折素子は、所定ピッチのストライプ形状であり、走査方向とストライプの角度が略４５度となることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の網膜走査型画像表示装置。