(57)【要約】【課題】緑色半導体レーザを用いることなく、広色域を再現できるヘッドマウントディスプレイを提供する。【解決手段】互いに異なる色のレーザ光を出射する複数の光源と、画像信号に応じて前記複数の光源から前記画像信号に応じたレーザ光を出射させる制御部と、前記複数の光源から出射されたレーザ光を走査する走査部と、前記走査部で走査されたレーザ光を観察者の眼に入射させて、前記観察者の網膜上に前記画像信号に応じた画像を投影する光学系と、を備え、前記複数の光源のうち少なくとも一つの光源を紫外線又は赤外線のレーザ光を出射する第１の光源とし、当該第１のレーザ光源から出射するレーザ光に励起されて緑色の光を出射する透明な蛍光体を、前記走査部が走査したレーザ光によって形成される像面のうち前記観察者の眼の位置までに形成される中間像面に配置した。【選択図】図４
2010217737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる色のレーザ光を出射する複数の光源と、
画像信号に応じて前記複数の光源から前記画像信号に応じたレーザ光を出射させる制御部と、
前記複数の光源から出射されたレーザ光を走査する走査部と、
前記走査部で走査されたレーザ光を観察者の眼に入射させて、前記観察者の網膜上に前記画像信号に応じた画像を投影する光学系と、を備え、
前記複数の光源のうち少なくとも一つの光源を紫外線又は赤外線のレーザ光を出射する第１の光源とし、当該第１のレーザ光源から出射するレーザ光に励起されて緑色の光を出射する透明な蛍光体を、前記走査部が走査したレーザ光によって形成される像面のうち前記観察者の眼の位置までに形成される中間像面に配置したことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
【請求項２】
前記蛍光体は、透明体に半導体ナノ粒子を分散させて形成したことを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項３】
前記蛍光体を透過した前記紫外線又は赤外線のレーザ光を除去する光学フィルターを設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項４】
前記光学フィルターを前記蛍光体と一体的に形成したことを特徴とする請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項５】
前記複数の光源のうち前記第１の光源から出射されるレーザ光を透過し、その他の光源から出射されるレーザ光及び前記蛍光体から出射される緑色の光を反射するダイクロイックミラーを、前記観察者の眼前に設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項６】
前記複数の光源のうち前記第１の光源から出射されるレーザ光を透過し、その
他の光源及び前記蛍光体から出射されるレーザ光の一部を透過し、一部を反射す
るハーフミラーを、前記観察者の眼前に設けたことを特徴とする請求項１又は請
求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項７】
前記中間像面から出射される緑色の光を配光するホログラムを設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項８】
前記制御部は、前記第１の光源から出射するレーザ光のうち、前記蛍光体のレーザ光入射領域における周辺部に入射するレーザ光の強度を向上させる補正を行う請求項１〜７のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項９】
前記蛍光体は、レーザ光入射領域の中心部に対してその周辺部の蛍光物質の密度を増加させていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１０】
前記走査部は、前記複数の光源から出射されたレーザ光を２次元方向に走査することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１１】
前記複数の光源は、赤色のレーザ光を出射する第２の光源と、青色のレーザ光を出射する第３の光源とを含む、ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像信号に応じたレーザ光を走査して、観察者の網膜上に画像を投影するヘッドマウントディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、入力される画像信号に応じた強度のレーザ光を走査し、この走査したレーザ光を瞳孔から入射させて網膜上に投影することにより、観察者に画像を視認させるようにした網膜走査型のヘッドマウントディスプレイが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このようなヘッドマウントディスプレイの中には、特許文献１にも示すように、広色域のカラー画像を表示可能としたものが知られており、赤、緑、青の三原色のレーザ光を出射するために、各色毎のレーザをそれぞれ備えているのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１９７２０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ヘッドマウントディスプレイに搭載されるレーザは、小型で消費電力が少なく安価に製造できるため、半導体レーザが好適である。
【０００６】
しかし、前述のレーザ光を出射する半導体レーザのうち、緑色の半導体レーザは、未だ実用的なものではなく、また、信頼性に欠けるものでもある。
【０００７】
そこで本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、緑色半導体レーザを用いることなく、広色域を再現できるヘッドマウントディスプレイを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイでは、互いに異なる色のレーザ光を出射する複数の光源と、画像信号に応じて前記複数の光源から前記画像信号に応じた強度のレーザ光を出射させる制御部と、前記複数の光源から出射されたレーザ光を走査する走査部と、前記走査部で走査されたレーザ光を観察者の眼に入射させて、前記観察者の網膜上に前記画像信号に応じた画像を投影する光学系と、を備え、前記複数の光源のうち少なくとも一つの光源を紫外線又は赤外線のレーザ光を出射する第１の光源とし、当該第１のレーザ光源から出射するレーザ光に励起されて緑色の光を出射する、少なくとも可視域で透明な蛍光体を、前記走査部が走査したレーザ光によって形成される像面のうち前記観察者の眼の位置までに形成される中間像面に配置した。
【０００９】
また、請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイでは、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記蛍光体は、透明体に半導体ナノ粒子を分散させて形成した。
【００１０】
また、請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイでは、請求項１又は請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記蛍光体を透過した前記紫外線又は赤外線のレーザ光を除去する光学フィルターを設けた。
【００１１】
また、請求項４に記載のヘッドマウントディスプレイでは、請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記光学フィルターを前記蛍光体と一体的に形成した。
【００１２】
また、請求項５に記載のヘッドマウントディスプレイでは、請求項１又は請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記複数の光源のうち前記第１の光源から出射されるレーザ光を透過し、その他の光源から出射されるレーザ光及び前記蛍光体から出射される緑色の光を反射するダイクロイックミラーを、前記観察者の眼前に設けた。
【００１３】
また、請求項６に記載のヘッドマウントディスプレイでは、請求項１又は請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記複数の光源のうち前記第１の光源から出射されるレーザ光を透過し、その他の光源及び前記蛍光体から出射されるレーザ光の一部を透過し、一部を反射するハーフミラーを、前記観察者の眼前に設けた。
【００１４】
また、請求項７に記載のヘッドマウントディスプレイでは、請求項１〜６のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記中間像面から出射される緑色の光を配光するホログラムを設けた。
【００１５】
また、請求項８に記載のヘッドマウントディスプレイでは、請求項１〜７のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記制御部は、前記第１の光源から出射するレーザ光のうち、前記蛍光体のレーザ光入射領域における周辺部に入射するレーザ光の強度を向上させる補正を行うこととした。
【００１６】
また、請求項９に記載のヘッドマウントディスプレイでは、請求項１〜７のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記蛍光体は、レーザ光入射領域の中心部に対してその周辺部の蛍光物質の密度を増加させることとした。
【００１７】
また、請求項１０に記載のヘッドマウントディスプレイでは、請求項１〜９のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記走査部は、前記複数の光源から出射されたレーザ光を２次元方向に走査することとした。
【００１８】
また、請求項１１に記載のヘッドマウントディスプレイでは、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記複数の光源は、赤色のレーザ光を出射する第２の光源と、青色のレーザ光を出射する第３の光源とを含むこととした。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るヘッドマウントディスプレイでは、互いに異なる色のレーザ光を出射する複数の光源と、画像信号に応じて前記複数の光源から前記画像信号に応じた強度のレーザ光を出射させる制御部と、前記複数の光源から出射されたレーザ光を走査する走査部と、前記走査部で走査されたレーザ光を観察者の眼に入射させて、前記観察者の網膜上に前記画像信号に応じた画像を投影する光学系と、を備え、前記複数の光源のうち少なくとも一つの光源を紫外線又は赤外線のレーザ光を出射する第１の光源とし、当該第１のレーザ光源から出射するレーザ光に励起されて緑色の光を出射する、少なくとも可視域で透明な蛍光体を、前記走査部が走査したレーザ光によって形成される像面のうち前記観察者の眼の位置までに形成される中間像面に配置したため、信頼性に欠ける緑色半導体レーザを用いることなく、緑を表現できるため、広色域を再現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの外観を示す説明図である。
【図２】本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの電気的構成及び光学的構成を示した説明図である。
【図３】本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの制御部及びその周辺の電気的構成を示したブロック図である。
【図４】緑色蛍光発生部の配設位置を示した説明図である。
【図５】蛍光体における緑色蛍光の発生状態を示した説明図である。
【図６】波長選択性反射体の構成を示した説明図である。
【図７】緑色蛍光発生部の構成を示した説明図である。
【図８】ＵＶカットフィルタの配設位置を示した説明図である。
【図９】緑色蛍光発生部の変形例を示した説明図である。
【図１０】蛍光体に含まれる蛍光物質の濃度分布を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤという。）は、緑色蛍光を発する蛍光物質を含有させた透明な蛍光体に、赤外レーザ又は紫外レーザを励起光として照射することにより、緑色レーザを用いることなく、緑色の画像光を生成するものである。
【００２２】
以下の説明において、出射したレーザ光を網膜に到達させて画像を視認させるためのレーザを「画像提示用レーザ」、励起光を出射するレーザを「励起用レーザ」ともいう。また、走査部によって走査され、蛍光体表面に至るまでの画像提示用レーザ光及び励起用レーザ光を総称して「走査光」といい、蛍光体から発せられた緑色蛍光及び蛍光体を透過した画像提示用レーザ光を総称して「画像光」という。
【００２３】
ここで、励起用レーザとして使用可能な赤外レーザは、例えば、０．７μｍ〜１μｍ程度の波長を有するものとすることができる。また、紫外レーザとしては、例えば、１０〜４００ｎｍ程度の波長を有するものとすることができる。
【００２４】
また、紫外レーザは、複数備えられた光源のうち、いずれかの光源の波長と重複するものでなければ必ずしも非可視光である必要はなく、紫外領域に近い可視光波長領域としても良い。これは赤外レーザも同様であり、複数備えられた光源のうち、いずれかの光源の波長と重複するものでなければ必ずしも非可視光である必要はなく、赤外領域に近い可視光波長領域としても良い。
【００２５】
具体的には、例えば、蛍光体の励起に関与しない画像提示用レーザとして、６５０ｎｍの赤色レーザ（以下、Ｒレーザともいう。）と、４６０ｎｍの青色レーザ（以下、Ｂレーザともいう。）とを備えているとした場合、紫外領域に近い可視光レーザを出射する４２０ｎｍの青色レーザを励起用レーザとして使用しても良く、また、７００ｎｍの赤色レーザを励起用レーザとして使用しても良い。
【００２６】
すなわち、本実施形態において「紫外レーザ」は、紫外波長領域のレーザ光を出射するレーザは勿論のこと、紫外領域に近い可視レーザ光を発するものも含む概念である。また、本実施形態において「赤外レーザ」は、赤外波長領域のレーザ光を出射するレーザは勿論のこと、赤外領域に近い可視レーザ光を発するものも含む概念である。
【００２７】
蛍光体は、励起用レーザから出射される励起用レーザ光を受けて５００〜５８６ｎｍの波長である緑色の蛍光を発する蛍光物質を、ガラスやプラスチックに塗布又は分散させたものである。この蛍光体は、少なくとも画像提示用レーザ光、及び、蛍光物質から発せられる緑色蛍光に対して透明である。
【００２８】
しかも、本実施形態に係るＨＭＤは、走査部が走査したレーザ光によって形成される像のうち、観察者の眼の位置までに形成される中間像の位置に蛍光体を配置している。
【００２９】
中間像が形成される位置は、走査光が最も集中する位置であるため、走査光の単位面積当たりの強度が高くなっており、蛍光体に含有される蛍光物質の励起効率が良いことから、緑色蛍光を効率よく発生させることができる。
【００３０】
また、蛍光体を配設する位置は、走査光の光路上で可及的下流側、すなわち、できるだけ観察者の眼に近い場所に形成される中間像の位置とするのが望ましい。その方が発生した緑色励起光の光学系における利用効率が高くなり、その分光源に要求されるパワーが少なくて済む利点を有する。
【００３１】
蛍光物質は、半導体ナノ粒子（ナノ粒子コア／シェル型蛍光体）を用いるのが好ましい。この半導体ナノ粒子は、粒径によって発光波長制御が精密に行えるうえ、特に通常の無機ないし有機系の蛍光物質と比べて発生する蛍光のスペクトル純度が高く、好適である。
【００３２】
ところで、励起用レーザ光が蛍光体に入射すると、励起用レーザ光が持つエネルギーは、蛍光物質の励起のために消費されることとなるが、その一部は、蛍光物質を励起させることなく、蛍光体を透過してしまう場合がある。
【００３３】
蛍光体を透過した励起用レーザ光（以下、透過励起光ともいう。）がそのまま観察者の目に達すると、赤外であれば網膜に到達し、紫外であれば網膜まで到達することはないものの、主に角膜で吸収されるので、長時間連続して入射するとに何らかの影響を与えるおそれが皆無であるとはいえない。
【００３４】
そこで、本実施形態に係るＨＭＤでは、蛍光体よりも下流側の光路上に、透過励起光が観察者の目に入射するのを防ぐ構成（以下、励起光除去部ともいう。）を設けている。
【００３５】
この励起光除去部は、例えば、光路上に透過励起光を除去する光学フィルターを設けることで実現してもよく、また、画像光を反射し、透過励起光を透過させるダイクロイックミラーを光路上に配設し、透過励起光を選択的に除去して、反射光（すなわち、画像光）を観察者の目に入射させるように構成しても良い。また、上記両者を備えるようにしても良い。これにより、観察者の目に透過励起光が入射するのを防止することができる。
【００３６】
以下、本実施形態に係るＨＭＤについて、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、励起光を非可視領域の紫外レーザとしているが、前述のようにこれに限定されるものではない。
【００３７】
〔ＨＭＤの構成〕
まず、ＨＭＤ１の具体的な構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、ＨＭＤ１の外観を示す説明図である。
【００３８】
図１に示すように、本実施形態に係る画像表示装置の一例として示すＨＭＤ１は、画像信号に応じた強度の画像提示用レーザ光及び励起用レーザ光を出射するコントロールユニット２と、コントロールユニット２から出射されたレーザ光を伝送する後述の光ファイバケーブル５０を備えた伝送ケーブル部３と、伝送されたレーザ光を走査して観察者に投射し、観察者に対して画像を表示するための頭部装着具４とを備えている。なお、伝送ケーブル部３は、後述の投影ユニット１０に備えられた水平走査部８０及び垂直走査部９０と後述の光源ユニット１１との間で同期をとるための水平駆動信号６１、垂直駆動信号６２を伝送する駆動信号伝送用ケーブルも有している。
【００３９】
コントロールユニット２には、外部入出力端子５が形成されており、外部からの画像信号を入力したり、図示しないパーソナルコンピュータ等との間で画像信号を形成するためのコンテンツ情報などの送受信を可能としている。
【００４０】
頭部装着具４には、略眼鏡形状とした支持部材６のフロント部７の側方に、伝送ケーブル部３により伝送されてきたレーザ光を、観察者が表示画像として認識可能とするために走査する投影ユニット１０が備えられている。
【００４１】
また、観察者の眼Ｙの前方位置に波長選択性反射体９が設けられており、外光Ｌａは波長選択性反射体９を透過させて観察者の眼Ｙに入射させ、投影ユニット１０から出射される画像光Ｌｂは波長選択性反射体９で反射させて観察者の眼に入射させるようにしている。
【００４２】
また、後に詳述するが、この波長選択性反射体９には、透過励起光が眼Ｙに入射するのを防止する第１励起光除去部１４０が形成されており、投影ユニット１０から出射された画像光Ｌｂは反射する一方、透過励起光Ｌｄは透過するように構成している。
【００４３】
投影ユニット１０には、赤色を出射するレーザ、青色を出射するレーザ、及び、緑色蛍光を発生させるための紫外光を出射するレーザが備えられており（後述）、各レーザ毎に強度変調されたレーザ光を２次元方向に走査し、蛍光体を透過した画像光を観察者の眼Ｙに入射させ、観察者の眼Ｙの網膜上で画像光を２次元方向に走査することにより、観察者に表示画像を視認させる網膜走査ディスプレイ（Retinal Scanning Display）である。
【００４４】
このようにＨＭＤ１は、外光を透過しつつ、画像光Ｌｂを観察者の眼Ｙに投射するシースルー型のＨＭＤとしている。なお、本実施形態ではシースルー型のＨＭＤについて説明するが、光走査型のＨＭＤであれば必ずしもシースルー型である必要はない。
【００４５】
〔ＨＭＤの電気的構成及び光学的構成〕
次に、図２及び図３を参照しながら、ＨＭＤ１の電気的構成及び光学的構成について説明する。図２は、本実施形態に係るＨＭＤ１の電気的構成及び光学的構成を示した説明図、図３は、ＨＭＤ１の制御部及びその周辺の電気的構成を示したブロック図である。
【００４６】
図２に示すように、ＨＭＤ１は、コントロールユニット２と、波長選択性反射体９と、投影ユニット１０とを備え、コントロールユニット２内には、ＨＭＤ１全体の動作を統括制御する制御部３０と、この制御部３０から供給される画像信号Ｓから画像情報を画素単位で読み出し、読み出した画素単位の画像情報に基づいてＲ（赤色），Ｂ（青色），ＵＶ（紫外）の各レーザ毎に強度変調されたレーザ光を生成して出射する光源ユニット１１が設けられている。なお、光源ユニット１１をコントロールユニット２内に設けるのではなく、投影ユニット１０内に設けるようにしてもよい。
【００４７】
（光源ユニット１１）
光源ユニット１１には、画像を合成するための要素となる信号等を発生する画像信号供給回路１３が設けられている。外部入出力端子５を介して外部接続した図示しない機器類から供給される画像データや、比較的大容量の記憶領域を有するコンテンツ記憶部１４に予め記憶されたコンテンツ情報に基づく画像データを制御部３０が取得すると、制御部３０はその画像データに基づいて画像信号Ｓを生成して画像信号供給回路１３に送る。画像信号供給回路１３は、画像信号Ｓに基づいて、表示画像を形成するための要素となる各信号を画素単位で生成する。すなわち、画像信号供給回路１３からは、Ｒ（赤色）画像信号６０ｒ，ＵＶ（紫外）画像信号６０ｕｖ，Ｂ（青色）画像信号６０ｂが生成されて出力される。また、画像信号供給回路１３は、水平走査部８０で使用される水平駆動信号６１と、垂直走査部９０で使用される垂直駆動信号６２とをそれぞれ出力する。なお、ここでコンテンツ情報とは、文字を表示させるためのデータ、画像を表示させるためのデータ及び動画を表示させるためのデータのうちの少なくとも１つのデータで構成されるものであり、例えば、パーソナルコンピュータ等で使用される文書ファイルや画像ファイル、動画ファイル等である。また、コンテンツ記憶部１４は、例えば、ハードディスクの如き磁気的記憶媒体や、ＣＤ−Ｒの如き光学的記録媒体や、フラッシュメモリ等とすることができる。
【００４８】
また、光源ユニット１１には、画像信号供給回路１３から画素単位で出力されるＲ画像信号６０ｒ、ＵＶ画像信号６０ｕｖ、Ｂ画像信号６０ｂの各画像信号６０ｒ，６０ｕｖ，６０ｂをもとに、それぞれ強度変調されたレーザ光（「光束」とも呼ぶ。）を出射するように、Ｒレーザ６３，ＵＶレーザ６４，Ｂレーザ６５をそれぞれ駆動するためのＲレーザドライバ６６，ＵＶレーザドライバ６７，Ｂレーザドライバ６８が設けられている。なお、この各レーザ６３，６４，６５は、互いに異なる波長のレーザ光を出射する複数の光源としての役割を果たすものである。
【００４９】
さらに、光源ユニット１１は、各レーザ６３，６４，６５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７１，７２，７３と、このコリメートされたレーザ光を合波するためのダイクロイックミラー７４，７５，７６と、合波されたレーザ光を光ファイバケーブル５０に導く結合光学系７７とが設けられている。
【００５０】
従って、各レーザ６３，６４，６５から出射したレーザ光は、コリメート光学系７１，７２，７３によってそれぞれ平行化された後に、ダイクロイックミラー７４，７５，７６に入射される。その後、これらのダイクロイックミラー７４，７５，７６により、各レーザ光が波長に関して選択的に反射・透過される。そして、これら３つのダイクロイックミラー７４，７５，７６にそれぞれ入射した各レーザ光は、波長選択的に反射または透過して結合光学系７７に達し、集光されて光ファイバケーブル５０へ出力される。なお、光ファイバケーブル５０は、図１にて示した伝送ケーブル部３内に収容されている。
【００５１】
また、光源ユニット１１には、各種スイッチ等の周辺機器３４が制御部３０に対して接続されており、周辺機器３４の状態が制御部３０にて認識可能に構成されている。
【００５２】
（投影ユニット１０）
光源ユニット１１と観察者の眼Ｙとの間に位置する投影ユニット１０には、光源ユニット１１で生成され、光ファイバケーブル５０を介して出射されるレーザ光を平行光化するコリメート光学系７９と、このコリメート光学系７９で平行光化されたレーザ光を画像表示のために水平方向に往復走査する水平走査部８０と、水平走査部８０で水平方向に走査されたレーザ光を垂直方向に走査する垂直走査部９０と、水平走査部８０と垂直走査部９０との間に設けられた第１リレー光学系８５と、このように水平方向と垂直方向に走査されたレーザ光を瞳孔１０１ａへ導くための第２リレー光学系９５とが設けられている。
【００５３】
水平走査部８０及び垂直走査部９０は、光ファイバケーブル５０から入射されたレーザ光を画像として観察者の網膜１０１ｂに投影可能な状態にするために、水平方向と垂直方向に走査して走査光束とする光学系である。以下の説明において、この水平走査部８０及び垂直走査部９０を総称して走査部ともいう。
【００５４】
水平走査部８０は、レーザ光を水平方向に走査するため偏向面を有する共振型の偏向素子８１と、この偏向素子８１を共振させて偏向素子８１の偏向面を揺動させる駆動信号を水平駆動信号６１に基づいて発生する水平走査駆動回路８２を備えている。
【００５５】
一方、垂直走査部９０は、レーザ光を垂直方向に走査するため偏向面を有する非共振型の偏向素子９１と、この偏向素子９１の偏向面を非共振状態で揺動させる駆動信号を垂直駆動信号６２に基づいて発生する垂直走査制御回路９２とを備え、表示すべき画像の１フレームごとに、画像を形成するためのレーザ光を最初の水平走査線から最後の水平走査線に向かって垂直に走査する。ここで「水平走査線」とは、水平走査部８０による水平方向への１走査を意味する。
【００５６】
なお、偏向素子８１，９１は、ここではガルバノミラーを用いることとするが、レーザ光を走査するようにその偏向面（反射面）を揺動又は回転させられるものであれば、圧電駆動、電磁駆動、静電駆動等いずれの駆動方式によるものであってもよい。また、本実施形態においては、水平走査部８０に共振タイプの偏向素子を用い、垂直走査部９０を非共振タイプの偏向素子を用いることとしているが、これに限らず、例えば、垂直走査部９０に共振タイプの偏向素子を用いてもよく、どちらも非共振タイプの偏向素子としてもよい。
【００５７】
また、水平走査部８０と垂直走査部９０との間でレーザ光を中継する第１リレー光学系８５は、偏向素子８１の偏向面によって水平方向に走査されたレーザ光を偏向素子９１の偏向面に収束させる。そして、このレーザ光が偏向素子９１の偏向面によって垂直方向に走査されて走査光Ｌｃとして、正の屈折力を持つ２つのレンズ９５ａ，９５ｂが直列配置された第２リレー光学系９５を介して、眼Ｙの前方に位置させた波長選択性反射体９で反射されて観察者の瞳孔１０１ａに画像光Ｌｂを入射し、網膜１０１ｂ上に画像信号Ｓに応じた表示画像が投影される。これにより、観察者はこの画像光Ｌｂを、表示画像として認識することとなる。また、透過励起光Ｌｄは、第１励起光除去部１４０により波長選択性反射体９を透過して瞳孔１０１ａに入射しないようにしている。
【００５８】
また、第２リレー光学系９５においては、レンズ９５ａによって、それぞれの走査光Ｌｃはその中心線を相互に略平行にされ、かつそれぞれ収束レーザ光に変換される。つまりレンズ９５ａはテレセントリックな光学系となっている。そして、レンズ９５ｂによってそれぞれほぼ平行なレーザ光となると共に、これらのレーザ光の各中心線が観察者の瞳孔１０１ａに収束するように変換される。
【００５９】
また、本実施形態に係るＨＭＤ１には、この第２リレー光学系９５によって形成される中間像が位置する中間像面位置に、蛍光物質を含んで形成した蛍光体１１０を備える緑色蛍光発生部１１１を配置している。この緑色蛍光発生部１１１は、本実施形態の要部の一つであり、後に詳細に説明する。
【００６０】
〔緑色蛍光発生部１１１の構成〕
次に、図４及び図５を参照しながら、第２リレー光学系９５内に配設した緑色蛍光発生部１１１の具体的な構成について説明する。
【００６１】
図４に示すように、走査部が走査したレーザ光（走査光Ｌｃ）の光路中に設けられる第２リレー光学系９５のレンズ９５ａとレンズ９５ｂとの間には、レンズ９５ａにより形成される中間像が位置する中間像面位置に、蛍光物質を含んで形成した蛍光体１１０を備える緑色蛍光発生部１１１が形成されている。なお、ここで中間像として、水平走査部８０及び垂直走査部９０により走査光Ｌｃが２次元方向に走査されることで、２次元像が形成されることになる。
【００６２】
蛍光体１１０は、ガラス中に蛍光物質を分散した略板状の形状を有しており、Ｒレーザ６３及びＢレーザ６５より出射されるレーザ光に対して透明であると共に、ＵＶレーザ６４より出射されるレーザ光が入射することにより、蛍光物質が励起され緑色蛍光Ｌｅを発する部材である。
【００６３】
具体的には、図５に示すように、走査光Ｌｃとしての紫外レーザ光が蛍光体１１０に入射すると、その入射した領域に存在する蛍光物質が励起して、緑色蛍光Ｌｅが発生する。
【００６４】
発生した緑色蛍光Ｌｅは時間的空間的にコヒーレントな光ではない。従って、紫外レーザ光が当たった部位を中心に等方的に広がるが、その一部が画像光Ｌｂとしてレンズ９５ｂに入射し、その後、波長選択性反射体９に至ることとなる。
【００６５】
しかも、蛍光体１１０は、網膜と共役な中間像の位置に配設されているため、観察者には、赤や青のレーザ光と同様に、緑色蛍光による像も観察されることとなる。
【００６６】
なお、蛍光体１１０に紫外レーザ光が入射した場合、その一部が透過励起光Ｌｄとして蛍光体１１０を透過することとなるが、次項にて説明する波長選択性反射体９に設けられた第１励起光除去部１４０により、画像光Ｌｂと透過励起光Ｌｄとが分けられて、画像光Ｌｂのみが眼Ｙに入射することとなる。また、図示しないが緑色蛍光Ｌｅは紫外レーザ光が入射した蛍光体１１０の部位から下流側に広がる（図５参照）のみならず、上流側へも広がる場合もある。その場合は、蛍光体１１０の上流側に、紫外レーザ光は透過させつつ緑色蛍光Ｌｅを反射する部材を配置して緑色蛍光Ｌｅの利用効率を上げるようにしてもよい。
【００６７】
〔波長選択性反射体９の構成〕
次に、図６を参照しながら、投影ユニット１０に配設した波長選択性反射体９の具体的な構成について説明する。
【００６８】
図６に示すように、投影ユニット１０の光出射部１２０の光路方向下流側には、その反射により画像光Ｌｂが眼Ｙに入射する角度で配設された波長選択性反射体９が備えられている。
【００６９】
波長選択性反射体９は、投影ユニット１０から出射された画像光Ｌｂと透過励起光Ｌｄとのうち、画像光Ｌｂのみを反射し眼Ｙへ入射させる役割を担うものであり、透過励起光Ｌｄを透過させて眼Ｙへの入射を防ぐための第１励起光除去部１４０が備えられている。
【００７０】
具体的には、図６右側の拡大図に示すように、波長選択性反射体９は、少なくとも可視光及び透過励起光Ｌｄを透過する透明基板１２１の光入射側表面に、３層からなる第１励起光除去部１４０を備えている。
【００７１】
この第１励起光除去部１４０は、レーザ光を選択的に反射するダイクロイックミラーにて形成したＲレーザ反射層１２２と、緑色蛍光を選択的に反射するダイクロイックミラーにて形成した緑色蛍光反射層１２３と、Ｂレーザ光を選択的に反射するダイクロイックミラーにて形成したＢレーザ反射層１２４とを積層して形成している。
【００７２】
従って、波長選択性反射体９では、各レーザ６３，６４，６５のうち第１の光源としてのＵＶレーザ６４から出射されるＵＶレーザ光を透過し、その他の光源、すなわち、Ｒレーザ６３及びＢレーザ６５から出射されるレーザ光を反射し、さらに、蛍光体１１０にて発生する緑色蛍光を反射することとなる。
【００７３】
それゆえ、第１励起光除去部１４０は、画像光Ｌｂを反射し、その他の光を透過させることとなるため、透過励起光Ｌｄは波長選択性反射体９を透過し、眼Ｙに入射しない。すなわち、ＵＶレーザ６４から出射されるＵＶレーザ光が長時間連続して入射して観察者の角膜や網膜に悪影響を与えてしまうおそれを防止できる。
【００７４】
なお、波長選択性反射体９は、第１励起光除去部１４０を備えているため、各反射層１２２，１２３，１２４にて反射される波長と同じ波長を有する外光Ｌａ中の光成分は透過できないこととなるが、波長選択性反射体９の波長選択幅を十分に小さくすることにより、その他の光成分が透過することとなるため、波長選択性反射体９はシースルーとして機能することとなる。
【００７５】
また、波長選択性反射体９は、透明基板１２１と各反射層１２２，１２３，１２４とにより構成することとしたが、可視光のみを反射するハーフミラーによって構成するようにしても良い。
【００７６】
具体的には、一般に可視光波長帯といわれる３８０〜７８０ｎｍの光に対しては反射率約５０％で反射するハーフミラーとして機能し、３８０ｎｍ未満や７８０ｎｍを超える波長の光は、ほぼ透過するようなハーフミラーを波長選択性反射体９として用いる。これによっても、波長選択性反射体９を第１励起光除去部１４０として機能させることができ、また、ＨＭＤ１をシースルー型のＨＭＤとすることができる。
【００７７】
次に、緑色蛍光発生部１１１の変形例について図７を参照しながら説明する。前述した緑色蛍光発生部１１１は、蛍光体１１０のみで形成した例を示したが、本変形例にて説明する緑色蛍光発生部１１１は、蛍光体１１０に励起用レーザ光を除去する光学フィルタとしてのＵＶカットフィルタ１２５を配設して第２励起光除去部１４１を形成している点で構造を異にしている。
【００７８】
すなわち、本変形例に係る緑色蛍光発生部１１１は、蛍光体１１０の光路下流側の面（以下、背面ともいう。）に、熱伝導性の高い透明粘着シート材１２６を介してＵＶカットフィルタ１２５を配設している。換言すれば、ＵＶカットフィルタ１２５を蛍光体１１０と一体的に形成している。
【００７９】
従って、緑色蛍光発生部１１１に紫外レーザ光が走査光Ｌｃとして入射すると、緑色蛍光Ｌｅが発生すると共に、蛍光体１１０を透過した透過励起光ＬｄはＵＶカットフィルタ１２５で遮られることとなり、最終的に緑色蛍光発生部１１１から透過しない。それゆえ、ＵＶレーザ６４から出射されるＵＶレーザ光が、観察者の角膜や網膜に悪影響を与えてしまうおそれを防止できる。
【００８０】
また、ＵＶカットフィルタ１２５にて遮られたＵＶレーザ光の持つエネルギーは、最終的に熱に変換されることとなるが、熱伝導性の高い透明粘着シート材１２６を介して周辺へ拡散させるようにしている。
【００８１】
特に、本変形例では、透明粘着シート材１２６の一部を、投影ユニット１０を構成する図示しない金属フレームや、図示しない放熱フィンなどの放熱部材に接触させておくことにより、高効率で熱を拡散させて放熱するようにしている。
【００８２】
ところで、本変形例では、ＵＶカットフィルタ１２５を蛍光体１１０に透明粘着シート材１２６を介した状態で一体的に配設し、第２励起光除去部１４１を構成することとしたが、蛍光体１１０とは別体にＵＶカットフィルタ１２５を配設して第２励起光除去部１４１を構成するようにしても良い。
【００８３】
例えば、図８に示すように、蛍光体１１０の光路下流側にＵＶカットフィルタ１２５を配設しても、ＵＶレーザ光を遮ることができる。この場合も、ＵＶカットフィルタ１２５に生じる熱を放熱可能に構成するのが好ましい。
【００８４】
なお、前述の第１励起光除去部１４０と、本第２励起光除去部１４１とは、両者を同時に備えるよう構成してもよく、また、いずれか一方を備えるように構成しても良い。
【００８５】
次に、他の変形例に係る緑色蛍光発生部１１１の構成について図９を用いながら説明する。
【００８６】
図９に示す他の変形例における緑色蛍光発生部１１１は、蛍光体１１０の背面に、発生した緑色蛍光を配光する配光部１２７を設けている点に特徴を有している。
【００８７】
蛍光体１１０から発せられる緑色蛍光Ｌｅの配光は、略ランバーシャンとなるため、特に画角の大きいところでは、後段のレンズ９５ｂにて捕捉できる光束が減少するとともに、Ｒレーザ光やＢレーザ光とＮＡが合わず、観察者がゴースト像を視認するおそれがある。
【００８８】
そこで、配光部１２７を配設し、緑色蛍光Ｌｅの配光特性を変えて、緑色蛍光Ｌｅがレンズ９５ｂに可及的捕捉されるようにしている。
【００８９】
この配光部１２７は、例えば、高画角では光軸方向に偏った散乱特性を有する散乱板やホログラムとすることができ、ここでは、ホログラムを用いることとしている。
【００９０】
なお、緑色蛍光Ｌｅは、コヒーレンシーが低いため、散乱板を用いてもスペックルノイズを生じることがないというメリットがあるが、その他のレーザ光はスペックルノイズを生じることとなるため、波長選択的に機能を発揮するホログラムを用いるのが好適である。
【００９１】
このような構成とすることにより、レンズ９５ｂに捕捉されない不要な緑色蛍光Ｌｅによる迷光を効果的に減少させることができる。
【００９２】
また、高画角で発生した緑色蛍光Ｌｅにおいて、後段のレンズ９５ｂにて捕捉できる光束が減少してしまうという点を補うために、高画角での発光量を増加させるようにしても良い。
【００９３】
例えば、蛍光体１１０に含まれる蛍光物質の量を、高画角となる位置で高めておく方法や、走査部にて高画角を走査する際に、ＵＶレーザ６４の出力を高める方法が挙げられる。
【００９４】
まず、前者の例を図１０に示す。図１０は、蛍光体１１０を構成するガラス中に分散させた蛍光物質の濃度分布を示した説明図である。図１０中、蛍光体１１０の濃淡は、蛍光物質の濃度分布を便宜上可視的に示したものであり、蛍光体１１０の右側に示したグラフはＡ−Ａ’断面における蛍光物質の濃度分布、下側に示したグラフはＢ−Ｂ’断面における蛍光物質の濃度分布を示している。また、Ｗは、偏向素子８１及び偏向素子９１の最大走査範囲、すなわち、水平最大走査範囲（図視で左右方向の範囲）及び垂直最大走査範囲（図視で上下方向の範囲）により形成される範囲であり、Ｚは有効走査範囲、すなわち、水平有効走査範囲及び垂直有効走査範囲により形成される範囲である。なお、走査光Ｌｃの軌跡をサインカーブ状に示しているが、説明の便宜上その間隔を誇張して示しており、その走査線の数は必ずしも正確ではない。
【００９５】
図１０を見ても分かるように、ここで説明する蛍光体１１０は、蛍光体１１０の平面視における上下左右方向略中央部に向かうに従い、ガラス中における蛍光物質の濃度が低くなるように形成している。
【００９６】
すなわち、蛍光体１１０は、レーザ光入射領域の中心部に対してその周辺部の蛍光物質の密度を同心円状に増加させている。
【００９７】
これにより、高画角での発光量を増加させることができ、後段のレンズ９５ｂにて捕捉できる緑色蛍光Ｌｅの光束を増加させることができる。
【００９８】
また、後者の例、すなわち、走査部にて高画角を走査する際に、ＵＶレーザ６４の出力を高める例としては、前述の制御部３０にて、ＵＶレーザ６４から出射するＵＶレーザ光のうち、蛍光体１１０のレーザ光入射領域（最大走査範囲Ｗ）における周辺部に入射するＵＶレーザ光の強度を向上させる補正を行うことで実現することができる。
【００９９】
本発明を、上述してきた実施形態を通して説明したが、本実施形態によれば、以下の効果が期待できる。
【０１００】
（１）、互いに異なる色のレーザ光を出射する複数の光源（例えば、各レーザ６３，６４，６５）と、画像信号（例えば、画像信号Ｓ）に応じて前記複数の光源から前記画像信号に応じたレーザ光を出射させる制御部（例えば、制御部３０）と、前記複数の光源から出射されたレーザ光を走査する走査部（例えば、水平走査部８０，垂直走査部９０）と、前記走査部で走査されたレーザ光を観察者の眼に入射させて、前記観察者の網膜上に前記画像信号に応じた画像を投影する光学系（例えば、第２リレー光学系９５）と、を備え、前記複数の光源のうち少なくとも一つの光源を紫外線又は赤外線のレーザ光を出射する第１の光源（例えば、ＵＶレーザ６４）とし、当該第１のレーザ光源から出射するレーザ光に励起されて緑色の光（例えば、緑色蛍光Ｌｅ）を出射する透明な蛍光体（例えば、蛍光体１１０）を、前記走査部が走査したレーザ光によって形成される像面のうち前記観察者の眼の位置までに形成される中間像面に配置したため、緑色半導体レーザを用いることなく、広色域を再現できるヘッドマウントディスプレイを提供することができる。
【０１０１】
（２）前記蛍光体は、透明体に半導体ナノ粒子を分散させて形成したため、発生させた緑色蛍光のスペクトル純度を高めることができる。
【０１０２】
（３）前記蛍光体を透過した前記紫外線又は赤外線のレーザ光を除去する光学フィルターを設けたため、紫外線又は赤外線のレーザ光が、観察者の角膜や網膜に悪影響を与えてしまうおそれを防止することができる。
【０１０３】
（４）前記光学フィルターを前記蛍光体と一体的に形成したため、光路上に配置する部品点数を可及的少なくすることができる。
【０１０４】
（５）前記複数の光源のうち前記第１の光源から出射されるレーザ光を透過し、その他の光源から出射されるレーザ光を反射し、さらに、前記蛍光体から出射される緑色の光を反射するハーフミラーを、前記観察者の眼前に設けたため、第１の光源から出射されるレーザ光が、観察者の角膜や網膜に悪影響を与えてしまうおそれを防止することができる。
【０１０５】
（６）前記複数の光源のうち前記第１の光源から出射されるレーザ光を透過し、その他の光源及び前記蛍光体から出射されるレーザ光の一部を透過し、一部を反射するハーフミラーを、前記観察者の眼前に設けたため、第１の光源から出射されるレーザ光が、観察者の角膜や網膜に悪影響を与えてしまうおそれを防止することができる。
【０１０６】
（７）前記中間像面から出射される緑色の光を配光するホログラムを設けたため、発生した緑色蛍光を回折させて、光路の下流に設けたレンズに緑色蛍光が捕集されやすくすることができる。
【０１０７】
（８）前記制御部は、前記第１の光源から出射するレーザ光のうち、前記蛍光体のレーザ光入射領域における周辺部に入射するレーザ光の強度を向上させる補正を行うこととしたため、周辺部近傍における蛍光の発生量を増やすことができ、緑色蛍光が光路の下流に設けたレンズに捕集されやすくすることができる。
【０１０８】
（９）前記蛍光体は、レーザ光入射領域の中心部に対してその周辺部の蛍光物質の密度を増加させることとしたため、周辺部近傍における蛍光の発生量を増やすことができ、緑色蛍光が光路の下流に設けたレンズに捕集されやすくすることができる。
【０１０９】
（１０）前記走査部は、前記複数の光源から出射されたレーザ光を２次元方向に走査することとしたため、緑色半導体レーザを用いることなく、広色域の２次元画像を再現できるヘッドマウントディスプレイを提供することができる。
【０１１０】
（１１）前記複数の光源は、赤色のレーザ光を出射する第２の光源と、青色のレーザ光を出射する第３の光源とを含むこととしたため、緑色半導体レーザを用いることなく、カラー画像を再現できるヘッドマウントディスプレイを提供することができる。
【０１１１】
最後に、上述した各実施の形態の説明は本発明の一例であり、本発明は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【０１１２】
例えば、本実施形態では、第２リレー光学系９５の中間像面位置に蛍光体１１０を配設することとしたが、これに限定されるものではなく、表示画像を適正に表示するにあたり光学的に許容される範囲内であれば、その他既存又は別途設けた光学系の中間像面位置に蛍光体１１０を配設するようにしても良い。
【０１１３】
また、本実施形態では、励起用のレーザ光を出力する第１のレーザ光源として、ＵＶレーザ６４を用いることとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、赤外レーザを用いるようにしても良い。この際、本実施形態にて示した励起用レーザ光を除去する光学フィルタとしてのＵＶカットフィルタ１２５は、励起用の赤外レーザを除去可能な光学フィルタに変更するのは言うまでもない。また、二光子吸収励起を用いて蛍光体を励起することとなるため、ある程度レーザの出力を上げる必要を生じる。従ってこの場合には、フィルタではなくダイクロイックミラーにて励起光除去を行う構成を取った方がより安全である。
【０１１４】
また、蛍光体１１０には、微細構造を形成して、射出瞳拡大機能を兼ね備えることも可能である。例えば、射出瞳を拡大する手段として、散乱板、ファイババンドル、マイクロレンズアレイ等を蛍光体１１０に形成することにより、蛍光体１１０にさらなる機能を付与することができ、しかも、別途射出瞳を拡大する部材を設けることなく、部品点数を削減することができる。
【０１１５】
また、先に、波長選択性反射体９の一例として、可視光（３８０〜７８０ｎｍの光）に対してはハーフミラーとして機能し、それ以外の波長の光はほぼ透過するようなハーフミラーについて言及したが、紫外領域に近い可視レーザ光や赤外領域に近い可視レーザ光（以下、総称して可視励起光という。）を励起光として使用した際に、波長選択性反射体９の第１励起光除去部１４０を機能させるためには、可視励起光の透過励起光Ｌｄを反射することなく、透過させる構成とするのは言うまでもない。
【０１１６】
例えば、可視励起光として４２０ｎｍ程度の青色光を用いる場合、第１励起光除去部１４０は４２０ｎｍを透過するように構成すべきであり、この場合、ハーフミラーとする波長域を、可視励起光の波長を避けて（例えば、４３０〜７８０ｎｍのように）狭く設定することで、第１励起光除去部１４０を機能させることができる。
【符号の説明】
【０１１７】
９  波長選択性反射体
１０  投影ユニット
１１  光源ユニット
３０  制御部
６３  Ｒレーザ
６４  ＵＶレーザ
６５  Ｂレーザ
８０  水平走査部
９０  垂直走査部
９５  第２リレー光学系
９５ａ  レンズ
９５ｂ  レンズ
１０１ｂ  網膜
１１０  蛍光体
１２２  Ｒレーザ反射層
１２３  緑色蛍光反射層
１２４  Ｂレーザ反射層
１２５  ＵＶカットフィルタ
１２７  配光部
１４０  第１励起光除去部
１４１  第２励起光除去部
Ｌａ  外光
Ｌｂ  画像光
Ｌｃ  走査光
Ｌｄ  透過励起光
Ｌｅ  緑色蛍光
Ｓ  画像信号
Ｗ  走査範囲
Ｙ  眼
【図１】
2010217737.tif 000003
【図２】
2010217737.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010217737.tif 000008
【図７】
2010217737.tif 000009
【図８】
2010217737.tif 000010
【図９】
2010217737.tif 000011
【図１０】
2010217737.tif 000012