(57)【要約】【課題】網膜上に直接像を作る走査型の画像表示装置において、解像度の劣化を抑制しつつ、射出瞳を拡大する技術を提供する。【解決手段】走査型画像表示装置１００において、光学系は、干渉性を持つ光を照射する光源１０が照射する光をビームに変換する。走査光学系は、光学系が変換したビームを中間像位置４０上に走査させて中間像を生じさせる。ＮＡ変換素子５０は、中間像が生じる位置においてビームの発散角を拡大する。ＮＡ変換素子５０は周期構造を持っており、中間像位置４０上における中間像の１画素の大きさは、ＮＡ変換素子５０における周期構造の繰り返し周期の長さに対し２以上の整数倍である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉性を持つ光を照射する光源が照射する光をビームに変換する光学系と、
前記光学系が変換したビームを中間像位置上に走査させて中間像を生じさせる走査光学系と、
前記中間像が生じる位置において前記ビームの発散角を拡大するＮＡ（Numerical Aperture）変換素子とを備え、
前記ＮＡ変換素子は周期構造を持っており、
前記中間像位置上における中間像の１画素の大きさは、前記ＮＡ変換素子における周期構造の繰り返し周期の長さに対し２以上の整数倍であることを特徴とする走査型画像表示装置。
【請求項２】
前記走査型画像表示装置は二種類以上の画面解像度を持ち、
少なくとも高解像度の画面では、前記中間像位置上における中間像の１画素の大きさは、前記ＮＡ変換素子における周期構造の繰り返し周期の長さに対し、２以上の整数倍であることを特徴とする請求項１に記載の走査型画像表示装置。
【請求項３】
前記ＮＡ変換素子はマイクロレンズアレイであることを特徴とする請求項１または２に記載の走査型画像表示装置。
【請求項４】
干渉性を持つ光をビームに変換するステップと、
変換したビームを中間像位置上に走査させて中間像を生じさせるステップと、
前記中間像が生じる位置において、ＮＡ（Numerical Aperture）変換素子を用いて前記ビームの発散角を拡大するステップとを含み、
前記ＮＡ変換素子は周期構造を持っており、前記中間像位置上における中間像の１画素の大きさは、前記ＮＡ変換素子における周期構造の繰り返し周期の長さに対し、２以上の整数倍であることを特徴とする射出瞳拡大方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型画像表示装置および射出瞳拡大方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザー光源の光をコリメータレンズで細いビームにし、これを小型のスキャンミラーで二次元に走査して中間像を造り、その中間像を結像光学系で瞳孔に投影し、目のレンズ作用で網膜上に像を作る走査型の画像表示装置が提案されている。
【０００３】
このとき細いビームで作った中間像を、そのまま後段の光学系で瞳孔に入射しようとすると、光学系の射出瞳が小さいために、射出瞳と瞳孔の位置合わせが難しくなり、像が見づらくなる。これを改善するために中間像の近傍に、ＮＡ（Numerical Aperture；開口数）拡大素子または射出瞳拡大器（以下、「ＮＡ変換素子」という。）と呼ばれる、ビームの広がり角を大きくする作用を持つ素子を配置する。このＮＡ変換素子により、中間像以降のビームが太くなるため射出瞳が拡大し、射出瞳と瞳孔の位置合わせがし易くする技術も提案されている（特許文献１および特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３１９０９３号公報
【特許文献２】特開２００６−９８５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＮＡ変換素子として、回折格子、レンチキュラーシート等の周期構造による回折作用を利用する素子が用いられることが多い。周期構造を持つＮＡ変換素子を用いると、その回折作用によって、ＮＡ変換素子に入射した入射ビームは、入射時の収束ＮＡと同じＮＡで広がりながら、入射ビームと同じ方向に射出する０次光、θ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎλ／Ｐ；Ｐは周期構造のピッチ、λは入射ビームの波長、ｎは整数）に従い回折されて射出する±ｎ次光に分かれる。
【０００６】
ここで、いわゆるヘッドアップディスプレイのように射出瞳位置が遠いディスプレイに応用した場合は、ＮＡ変換素子の回折作用で分かれた射出光は、ビーム同士が大きく分散してしまうので、ビーム同士の間隔が開く。この結果、瞳孔にビームが入る場所では画像が見えるが、入らない場所では画像が見えなくなり、結果として解像度が劣化してしまう。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、網膜上に直接像を作る走査型の画像表示装置において、解像度の劣化を抑制しつつ、射出瞳を拡大する技術を提供することにある。
【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、本発明のある態様の走査型画像表示装置は、干渉性を持つ光を照射する光源が照射する光をビームに変換する光学系と、光学系が変換したビームを中間像位置上に走査させて中間像を生じさせる走査光学系と、中間像が生じる位置においてビームの発散角を拡大するＮＡ（Numerical Aperture）変換素子とを備える。ＮＡ変換素子は周期構造を持っており、中間像位置上における中間像の１画素の大きさは、ＮＡ変換素子における周期構造の繰り返し周期の長さに対し２以上の整数倍である。本発明の別の態様は、射出瞳拡大方法である。この方法は、干渉性を持つ光をビームに変換するステップと、変換したビームを中間像位置上に走査させて中間像を生じさせるステップと、中間像が生じる位置において、ＮＡ（Numerical Aperture）変換素子を用いてビームの発散角を拡大するステップとを含む。ＮＡ変換素子は周期構造を持っており、前記中間像位置上における中間像の１画素の大きさは、前記ＮＡ変換素子における周期構造の繰り返し周期の長さに対し、２以上の整数倍である。
【０００９】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現の少なくとも一部を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、網膜上に直接像を作る走査型の画像表示装置において、解像度の劣化を抑制しつつ、射出瞳を拡大する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態に係る光学装置の全体構成を模式的に示す図である。
【図２】実施の形態に係るＮＡ変換素子の一部分を拡大して示す図である。
【図３】マイクロレンズアレイに、ビームの直径がレンズのピッチの３倍であるビームが入射した様子を、シミュレーションした結果を示す図である。
【図４】フラウンホーファ回折によって出射瞳位置に形成されるドットパターンを示すシミュレーション結果を示す図である。
【図５】ビームの直径がマイクロレンズアレイのレンズのピッチ以下であるビームが入射する様子を、シミュレーションした結果を示す図である。
【図６】図５に示す場合において出射瞳位置に形成される光の光量分布を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図７】ＮＡ変換素子のひとつのマイクロレンズの中心と、そのマイクロレンズに入射するビームの中心とが一致している場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】図８（ａ）−（ｂ）は、図７に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】図７に示す例と比較して、画素ピッチの１／２の長さ分ビームが走査された状態を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）−（ｂ）は、図９に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】マイクロレンズアレイの中央に位置するマイクロレンズの中心に、走査中のビームが当たっている状態のシミュレーション結果を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）−（ｂ）は、図１１に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図１３】基準位置からマイクロレンズのピッチＰの１／４分の長さの距離を、光源側から見て左に向かってビームが走査されたときのシミュレーション結果を示す図である。
【図１４】図１４（ａ）−（ｂ）は、図１３に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図１５】図１３に示す例と比較して、さらにレンズのピッチの１／４の長さ分ビームが走査された状態を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図１６】（ａ）−（ｂ）は、図１５に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図１７】基準の位置として、マイクロレンズアレイの中央に位置するマイクロレンズの中心に、走査中のビームが当たっている状態のシミュレーション結果を示す図である。
【図１８】図１８（ａ）−（ｂ）は、図１７に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図１９】図１７に示す基準位置から１画素ピッチ分の距離を光源側から見て左に向かってビームが走査されたときのシミュレーション結果を示す図である。
【図２０】図２０（ａ）−（ｂ）は、図１８に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図２１】図２１は、図１７に示す基準位置から２画素ピッチ分の距離を光源側から見て左に向かってビームが走査されたときのシミュレーション結果を示す図である。
【図２２】図２２（ａ）−（ｂ）は、図２１に示す場合において、出射瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図２３】画像の画素ピッチとマイクロレンズアレイのレンズピッチとの関係を説明するための図である。
【図２４】マイクロレンズのピッチが２５μｍであるマイクロレンズアレイに、直径２０μｍのビームが入射している様子のシミュレーション結果を示す図である。
【図２５】図２５（ａ）−（ｂ）は、図２４に示す場合において、射出瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図２６】マイクロレンズのピッチが２５μｍであるマイクロレンズアレイに、直径２０μｍのビームが入射している様子の別のシミュレーション結果を示す図である。
【図２７】図２７（ａ）−（ｂ）は、図２６に示す場合において、射出瞳位置における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図２８】図２８（ａ）−（ｂ）は、マイクロレンズのピッチが２５μｍであるマイクロレンズアレイに、直径２０μｍのビームが入射している様子のさらに別のシミュレーション結果を示す図である。
【図２９】実施の形態に係るマイクロレンズアレイのレンズピッチＰ、表示画像の画素２００の画素ピッチＧ、およびユーザの目に入るビームの関係を模式的に表した図である。
【図３０】画素のピッチＧがマイクロレンズのピッチＰの非整数倍である場合を示す図である。
【図３１】変形例に係るマイクロレンズアレイのレンズピッチＰ、表示画像の画素の画素ピッチＧ、およびユーザの目に入るビームの関係を模式的に表した図である。
【図３２】変形例に係るマイクロレンズアレイのレンズピッチＰ、表示画像の画素の画素ピッチＧ、およびユーザの目に入るビームの関係を模式的に表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（走査型画像表示装置の全体構成）
図１は、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００の全体構成を模式的に示す図である。走査型画像表示装置１００は、光源１０、コリメータレンズ２０、スキャンミラー３０、中間像位置４０、ＮＡ変換素子５０、および結像光学系６０を含む。
【００１３】
光源１０は、例えばＬＤ（Laser Diode；半導体レーザ）を用いて実現できる。図１は光源１０としてＬＤをひとつ用いている場合を図示しているが、フルカラータイプでは光源１０としてＲＧＢ三色のＬＤを用いる。光源１０を出た光はコリメータレンズ２０で平行光に近いビームに変換され、スキャンミラー３０で反射された後、中間像面である中間像位置４０に集光する。実施の形態に係る走査型画像表示装置１００において、コリメータレンズ２０は、干渉性を持つ光を照射する光源１０が照射する光をビームに変換する光学系となる。
【００１４】
スキャンミラー３０は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）に代表される小型のミラーを用いて実現できる。図１においては、二次元走査タイプのスキャンミラー３０を一つを用いている場合の例を示しているが、一次元走査タイプのスキャンミラー３０を二つ用いてもよい。画像データに基づいて変調されて光源１０から照射された光をスキャンミラー３０を用いて二次元のビーム走査とすることで、中間像位置４０に中間像が作られる。実施の形態に係る走査型画像表示装置１００において、スキャンミラー３０は、光学系が変換したビームを走査して中間像を生じさせる走査光学系となる。
【００１５】
上述したとおり、光源１０を出た光はコリメータレンズ２０で平行光に近いビームに変換され、最も細く絞られた位置である中間像位置４０の近くに中間像ができる。仮にＮＡ変換素子５０が存在しないとすると、ビームは中間像位置４０を透過した後、収束角の開口数と同じ開口数で広がる。なお、中間像位置４０上に形成される中間像面は、実際にはスキャンミラー３０の回転中心を中心とする球面となるが、ビームの開口数が小さいので中間像位置４０近傍のビームウエスト径の変化は小さくなる。したがって、中間像面を平面で近似しても本発明の内容には差し支えない。
【００１６】
中間像位置４０の近傍には、ＮＡ変換素子５０が配置される。より具体的に、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００において、ＮＡ変換素子５０は、例えばマイクロレンズアレイで構成される。マイクロレンズアレイは多数のマイクロレンズ１の集合体であるが、各マイクロレンズ１は入射ビームの開口数を拡大する。すなわち、コリメータレンズ２０で決められた入射ビームの収束角の開口数を、マイクロレンズ１のレンズ作用により大きな発散角の開口数に変換して射出する。実施の形態に係る走査型画像表示装置１００では、マイクロレンズアレイはＮＡ変換素子５０の入射面に設置されているが、出射面や入射面と出射面との両方に設置されていてもよい。
【００１７】
ＮＡ変換素子５０を射出したビームは、結像光学系６０に入射する。図１では、結像光学系６０の作用を代表するために凸レンズ１個で表しているが、実際の光学系では、複数のレンズやミラーの組み合わせによって構成される。結像光学系６０に入射したビームはほぼ平行なビームとなり、射出瞳位置７０に向かう。このとき、ＮＡ変換素子５０を射出したビームは発散角の開口数が拡大されているため太いビームとなる。このため、射出瞳位置７０におけるビーム径、すなわち射出瞳径も拡大される。結果として、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００は、多少の瞳孔８０のずれがあっても画像が消失しない見やすい光学系となる。
【００１８】
射出瞳位置７０で瞳孔に入射したビームは、角膜や水晶体などのユーザの目における光学系で収束され、ユーザの網膜上に集光する。スキャンミラー３０によるビームの走査と、画像データに連動した光源１０の明暗により、ユーザの網膜上に像が作られるため、ユーザは画像を認識することができる。
【００１９】
図２は、実施の形態に係るＮＡ変換素子５０の一部分を拡大して示す図である。上述したとおり、ＮＡ変換素子５０の前面にはマイクロレンズアレイが形成されている。ＮＡ変換素子５０は中間像面となる中間像位置４０の近傍に配置され、その後のビームの発散角を拡大する。このため、ＮＡ変換素子５０は、中間像位置４０上に形成される中間像と同じかやや大きく、数ｍｍ角から数十ｍｍ角程度の大きさである。図２はマイクロレンズ１が六方細密に並べられている場合を例示するが、マイクロレンズ１は正方配列でもその他の並べ方でもあってもよい。
【００２０】
（ＮＡ変換素子とビームの干渉）
ここで、ＮＡ変換素子５０から射出瞳位置７０までの距離と、ＮＡ変換素子５０を出射したビームの干渉との関係について説明する。
【００２１】
図３は、レンズ間のピッチが２５μｍのマイクロレンズアレイに、ビームの直径がピッチの３倍である７５μｍのビームが入射する様子を、シミュレーションした結果を示す図である。図３に示す例においては、ＮＡ変換素子５０は図２に示すものと同一である。図３では、ＮＡ変換素子５０における３個程度の複数のマイクロレンズ１にビームが入射している。個々のマイクロレンズ１の射出光はレンズ作用によって発散され、射出光同士が重なり合う。
【００２２】
上述したとおり、実施の形態に係る光源１０はＬＤであるため、入射ビームは位相がそろった１本のビームである。したがってこれを複数本に分けたビームも位相がそろっており、このようなビーム同士が重なると干渉が起きる。しかしながら、例えばヘッドマウントディスプレイのような用途では、ＮＡ変換素子５０から射出瞳位置７０までの距離が数十ｍｍ程度と近いため、仮に干渉によるドットパターンができたとしても、そのパターン同士の間隔が１ｍｍ程度となりほとんど重なり合うことになる。したがって、瞳孔８０にはビームが入射するため、問題となりにくい。
【００２３】
一方で、例えばヘッドアップディスプレイのように、ＮＡ変換素子５０から数百ｍｍ離れた位置に射出瞳位置７０がある場合では、いわゆるフラウンホーファ回折となるため、ドットパターンが現れる。図４は、フラウンホーファ回折によって射出瞳位置７０に形成されるドットパターンを示すシミュレーション結果を示す図である。図４に示すドットパターンにおいては、ドットの間隔は縦横とも７、８ｍｍ程度となる。
【００２４】
一般に、人間の瞳孔８０の直径は平均で３ｍｍ、暗いところでも５ｍｍ程度の大きさとなる。したがって、図４に示すドットパターンではドットとドットとの間にユーザの瞳孔８０が位置すると光が目に入射せず、画像が見えなくなる場所ができることになり問題となる。
【００２５】
この問題を解決するために、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００は、ＮＡ変換素子５０に入射するビームに回折作用を生じさせずに、屈折作用を生じさせて発散角を拡大する。以下その原理を説明する。
【００２６】
上述したとおり、実施の形態に係るＮＡ変換素子５０は周期構造を持っている。ここで実施の形態に係るＮＡ変換素子５０においては、周期構造の繰り返し周期の長さは、コリメータレンズ２０が変換したビームがＮＡ変換素子５０に入射するときのビーム径以上である。なお、実施の形態に係るＮＡ変換素子５０をマイクロレンズアレイで実現する場合には、ＮＡ変換素子５０における周期構造の繰り返し周期の長さは、マイクロレンズ１のピッチ、すなわち中心間の間隔と同じ長さとなる。
【００２７】
図５は、レンズ間のピッチが２５μｍのマイクロレンズアレイに、ビームの直径が２０μｍのビームが入射する様子を、シミュレーションした結果を示す図である。図５に示すように、ＮＡ変換素子５０のマイクロレンズ１個にビームが収まる関係なので、射出光はレンズの屈折作用によって発散されるだけである。このため、射出瞳位置７０においても射出瞳位置７０の形状に広がるだけである。
【００２８】
図６は、図５に示す場合において射出瞳位置７０に形成される光の光量分布を示すシミュレーション結果を示す図である。光源１０であるＬＤのビームはガウス分布を持っているため、図６において中央が明るく周辺部が暗くなる。また図５に示すように、ビームのごく一部は直径２０μｍ以上に広がり、隣のマイクロレンズ１に入射する場合もあるが、強度的にはごく低く影響は無視できるほど小さい。このように、ＮＡ変換素子５０の各マイクロレンズアレイに入射するビームの直径を、マイクロレンズアレイの周期構造のピッチ以下とすることとにより、ＮＡ変換素子５０に入射するビームに回折作用を生じさせずに、屈折作用を生じさせて発散角を拡大することができる。これにより、射出瞳位置７０においてビームの干渉に起因するドットパターンの発生を抑制することができる。
【００２９】
（ビームの走査による出射瞳位置における像の変化）
上述したとおり、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００においては、スキャンミラー３０によるビームの走査と、画像データに連動した光源１０の明暗により、網膜上に像が作られる。以下、マイクロレンズアレイ上をビームが走査する場合に射出瞳位置７０に形成される像の変化について、ＮＡ変換素子５０の例として、マイクロレンズ間のピッチが２５μｍのマイクロレンズアレイに、直径２０μｍのビームが入射するときの様子を、図７〜図１０を参照して説明する。
【００３０】
図７は、ＮＡ変換素子５０のひとつのマイクロレンズの中心と、そのマイクロレンズに入射するビームの中心とが一致している場合のシミュレーション結果を示す図である。図７に示す例では、マイクロレンズ１個にビームが収まる関係となる。したがって、射出光はマイクロレンズの屈折作用によって発散されるだけである。
【００３１】
図８（ａ）は、図７に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図８（ａ）において符号８０Ｌおよび８０Ｒで示すふたつの円は、それぞれユーザの左目の瞳孔および右目の瞳孔の位置を示す。以下、左目の瞳孔および右目の瞳孔を特に区別する場合を除いて、両者を「瞳孔８０」と総称する。なお、後述する図８（ａ）、図１０（ａ）、図１２（ａ）、図１４（ａ）、図１６（ａ）、図１８（ａ）、図２０（ａ）、および図２２（ａ）における符号８０Ｌおよび８０Ｒで示すふたつの円も図８（ａ）で示す例と同様である。
【００３２】
なお、図８（ｃ）における縦軸はincoherent irradiance（非干渉性の放射照度）であり、干渉性を考慮しない単位面積あたりの光量を意味する。また図８（ｃ）における横軸はＸ coordinate value（光軸に垂直な方向）の座標値を意味する。後述する図１０（ｃ）、図１２（ｃ）、図１４（ｃ）、図１６（ｃ）、図１８（ｃ）、図２０（ｃ）、および図２２（ｃ）、における縦軸および横軸も同様である。
【００３３】
図８（ｂ）は、図８（ａ）においてユーザの瞳孔８０を含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図８（ａ）および図８（ｂ）から、図８（ａ）ビームはガウス形状の分布を持ち、中央が明るく周辺部が暗くなっていることがわかる。
【００３４】
ここで、入射ビームの直径を２０μｍとしてシミュレーションをしたのは、ビーム径の規定を一般的な１／ｅ二乗強度の部分の直径としたためである。すなわち、実際のビームは１／ｅ二乗強度を用いて規定した場合の直径よりも広がるため、シミュレーション画像において、マイクロレンズアレイのレンズ径よりも大きなビームが入射されことになり、この結果、入射目標とするマイクロレンズの隣のマイクロレンズにもビームが入射して、本実施の形態における想定とは異なるシミュレーション結果となることを避けるためである。実際にはレンズのピッチを超えなければ、ビーム径を２５μｍに近い値に設定しても、設定した直径の外側の光量は少ないため、影響は小さく問題はない。
【００３５】
図７は、基準の位置として、マイクロレンズアレイの中央のレンズの中心に、走査中のビームが当たっている状態を示している。すなわち投影画面の中央の一画素を表示している。走査方向の断面を表す図７において、入射ビーム径は２０μｍであり、マイクロレンズの中心間隔、すなわちマイクロレンズのピッチＰは２５μｍである。また、中間像位置４０上に形成される中間像の画素ピッチＧは２５μｍである。
【００３６】
図７において、中央左の太い実線と細い波線とが交互につながっている線４２は、マイクロレンズアレイ上の画素の位置の目安である。線４２において、太い実線と細い波線とはそれぞれマイクロレンズアレイ上の画素の位置を示す。また、図７において線４２のすぐ右に記載されているかまぼこ状の波線の連なり４４は、マイクロレンズアレイの一つ一つのレンズの位置の目安である。そのすぐ右の小さな凸凹は、シミュレーション画像のマイクロレンズアレイのレンズ面である。画素の位置の目安やレンズの位置の目安は、シミュレーション画像のレンズ位置に合わせてある。なお後述する図９、図１１、図１３、図１５、図１７、図１９、および図２１における線４２およびかまぼこ状の波線の連なり４４も図７における線４２およびかまぼこ状の波線の連なり４４と同様である。
【００３７】
図９は、図７に示す例と比較して、画素ピッチＧの１／２＝１２．５μｍの距離をビームが走査された状態を示すシミュレーション結果である。なお、マイクロレンズのピッチＰ＝画素ピッチＧであるため、図９はひとつのマイクロレンズの中心とその隣のマイクロレンズの中心との中間の位置に、ビームの中心が一致している場合のシミュレーション結果を示す図となっている。
【００３８】
図１０（ａ）は、図９に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）においてユーザの左目の瞳孔８０Ｌおよび右目の瞳孔８０Ｒを含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図１０（ａ）−（ｂ）より、ＮＡ変換素子５０を出射した射出ビームが左右に分かれて広がることが分かる。また図１０（ａ）−（ｂ）より、ユーザの瞳孔８０に有効に光が入っていないことがわかる。図示はしないが、図９に示す例と比較して、画素ピッチＧのさらに１／２＝１２．５μｍの距離をビームが走査されると、入射ビームとマイクロレンズとの位置関係は図７に示す場合と同様の状態になるためユーザの瞳孔８０に均等に光が入り、ユーザは画像を観察できるようになる。
【００３９】
以上の現象は、ビームの走査に伴ってビームがマイクロレンズ間をまたぐときに画像が消えることを意味する。しかしながら、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００は、例えばＶＧＡ画質で１フレームが１／３０秒となるようにビームを走査する。この場合、画像は３０×６４０×４８０＝９．２１６ＭＨｚで明滅することになるが、この明滅周期は肉眼では感知が困難な周期なので問題はない。また、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００においては、画素の切替時に光源１０は一瞬消灯するため、特に問題とならない。
【００４０】
このように、ＮＡ変換素子５０における周期構造のピッチを、ビームがＮＡ変換素子５０に入射するときのビーム径以上とすることで、ＮＡ変換素子５０に入射するビームに回折作用を生じさせずに屈折作用のみを生じさせて発散角を拡大することできる。この結果、ビームが分かれている状態でもビームが重なることがなく、したがって干渉によるドットパターンになることを抑制できる。
【００４１】
以上、ＮＡ変換素子５０に入射するビームに回折作用を生じさせずに、屈折作用を生じさせて発散角を拡大する原理について説明した。これにより、干渉によるドットパターンを抑制し、良好な画像を得ることができる。
【００４２】
（画素のピッチとマイクロレンズアレイのレンズピッチとの関係）
しかしながら、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００を上記のように構成した場合であっても、画面解像度、すなわち画素のピッチとマイクロレンズアレイのレンズピッチとの関係によっては、左右の目に均一に光が入射しない場合があり得る。最も悪い状態では、見えない画素が生じるという現象が起こりうる。以下、この状況およびその対応方法について説明する。
【００４３】
図１１は、基準の位置として、マイクロレンズアレイの中央に位置するマイクロレンズの中心に、走査中のビームが当たっている状態のシミュレーション結果を示す図である。すなわち、図１１は、投影画面の中央の一画素を表示している状態を示す図であり、ビームの走査方向の断面を表す。図１１において、マイクロレンズの中心間隔すなわちマイクロレンズのピッチＰは２５μｍ、画素ピッチＧは１２．５μｍ、入射ビーム径Ｓは画素ピッチと同じ１２．５μｍである。
【００４４】
図１２（ａ）は、図１１に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）においてユーザの瞳孔８０を含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図１２（ａ）−（ｂ）より、基準位置ではユーザの両方の瞳孔８０に均等に充分な光量が入ることがわかる。
【００４５】
図１３は、基準位置からマイクロレンズのピッチＰの１／４、すなわち６．２５μｍ光源１０側から見て左に向かってビームが走査されたときのシミュレーション結果を示す図である。図１３に示す例では、マイクロレンズの半分にビームが入っているので、レンズ射出後は、入射した側と反対の方向にビームが広がることを示している。
【００４６】
図１４（ａ）は、図１３に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）においてユーザの瞳孔８０を含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図１４（ａ）−（ｂ）は、ユーザの右側の瞳孔８０Ｒにしか光が入射しないことを示している。
【００４７】
図１５は、図１３に示す例と比較して、さらにレンズ１／４ピッチ、トータルで１２．５μｍ＝１画素ピッチの距離を左に向かって走査したときのシミュレーション結果を示す図である。図１５に示す例は、マイクロレンズの境界部分にビームの中心が位置するため、射出ビームは左右に分かれて広がっていく様子を示している。
【００４８】
図１６（ａ）は、図１５に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）においてユーザの両方の瞳孔８０を含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図１６（ａ）−（ｂ）は、ユーザの左右どちらの瞳孔８０にも光が入射しないことを示している。これは基準位置の隣の画素はユーザから見えないことを示している。すなわち、上述したユーザから見えない画素が生じるという現象である。
【００４９】
続いて、画素ピッチＧがもう少し大きい場合について説明する。具体的には、マイクロレンズのピッチＰは図１１から図１６に示す例と同じ２５μｍであるが、画素ピッチＧは１８．７５μｍ、入射ビーム径Ｓは画素ピッチと同じ１８．７５μｍの場合である。
【００５０】
図１７は、基準の位置として、マイクロレンズアレイの中央に位置するマイクロレンズの中心に、走査中のビームが当たっている状態のシミュレーション結果を示す図である。また図１８（ａ）は、図１７に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図１８（ｂ）は、図１８（ａ）においてユーザの瞳孔８０を含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図１８（ａ）−（ｂ）は、図１１および図１２に示す例と同様に、ユーザの瞳孔８０に均等に光が入っていることを示している。
【００５１】
図１９は、図１７に示す基準位置から１画素ピッチ分の、すなわち１８．７５μｍ光源１０側から見て左に向かってビームが走査されたときのシミュレーション結果を示す図である。また図２０（ａ）は、図１８に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図２０（ｂ）は、図２０（ａ）においてユーザの両方の瞳孔８０を含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図２０（ａ）−（ｂ）は、ビームの中心がマイクロレンズレンズの中心とずれているので、射出光がかたより、ユーザの右の瞳孔８０Ｒにはあまり光が入っていないことを示している。
【００５２】
さらに図２１は、図１７に示す基準位置から２画素ピッチ分の３７．５μｍ光源１０側から見て左に向かってビームが走査されたときのシミュレーション結果を示す図である。図２１に示す例は、マイクロレンズの境界部分にビームの中心が入っているので、射出ビームは左右に分かれて広がっていくことを示している。
【００５３】
図２２（ａ）は、図２１に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。図２２（ｂ）は、図２２（ａ）においてユーザの瞳孔８０を含む直線における像の光量分布を示すグラフである。図２２（ａ）−（ｂ）は、ユーザの瞳孔８０のいずれにも光が入っていないことを示している。これはユーザが観察できない画素が存在することを示している。
【００５４】
以上、図１１から図２２を参照して、ユーザの瞳孔８０に均一に画像光が入射しない場合における画素のピッチＧとマイクロレンズアレイのレンズピッチＰとの関係を例示した。このように、画素のピッチＧとマイクロレンズアレイのレンズピッチＰとに差異があると、ビームの走査に伴って画素の中心とマイクロレンズアレイとの相対的な位置関係がずれることにより、画素の位置によってはユーザの瞳孔８０に入射する光量が変動する場合がある。
【００５５】
この問題に対し、中間像位置４０上に形成される中間像の画素ピッチＧを、マイクロレンズアレイのレンズピッチＰのｎ倍（ｎは１以上の整数）とし、かつ画素ピッチとレンズピッチの中心が、概ね一致するように構成する事により、画素の位置に関わらず画素の中心とマイクロレンズアレイとの相対的な位置関係が保たれることを本願の発明者は見いだした。
【００５６】
図２３は、画像の画素ピッチＧとマイクロレンズアレイのレンズピッチＰとの関係を説明するための図である。図２３において、符号９０で示す直線は、説明の便宜のために設定したｘ軸である。図２３において、ｘ軸上の原点Ｏから座標Ｐの間に、レンズピッチがＰであるマイクロレンズが置かれているとする。同様に、ｘ軸上の座標、−Ｐ〜０、Ｐ〜２×Ｐ、２×Ｐ〜３×Ｐのように、Ｐを周期として座標ｍＰ（ｍは整数）までマイクロレンズが設置されている。また、図中符号９１で示す破線９１は、マイクロレンズの中心の位置を示す。
【００５７】
図２３において、符号９２で示す直線９２は直線９０と平行であり、中間像の画素ピッチＧ１がマイクロレンズアレイのレンズピッチＰの半分であるＰ／２の長さである画素が並んでいる状態を示す図である。図２３に示す例では、ｘ軸上の原点Ｏから座標Ｐの間に存在するマイクロレンズの中心に画素の中心が来るように、すなわち座標Ｐ／４〜３×Ｐ／４の間に画素が設置されている。同様に−Ｐ／４〜＋Ｐ／４、Ｐ／４〜３×Ｐ／４、３×Ｐ／４〜５×Ｐ／４、のように、Ｐ／２を周期として画素が並んでいる。
【００５８】
図２３に示す例では、−Ｐ／４〜Ｐ／４の間にある画素の中心は、隣り合うマイクロレンズの境界の位置と一致する。この場合、図１５および図１６を参照して上述したとおり、ユーザの両目の瞳孔８０にはこの画素に由来する光は到達せず、ユーザはこの画素を観察することができない。図２３に符号９３で示す白丸９３は、画素の中心が隣り合うマイクロレンズの境界の位置と一致している画素の中心点を示している。直線９２に示すようにレンズピッチＰの半分であるＰ／２の長さである画素を並べる場合、１画素おきに画素の中心がマイクロレンズの中心の位置と一致することになり、解像度が事実上半分に落ちてしまうことを示している。
【００５９】
図２３において、符号９４で示す直線９４は直線９０と平行であり、中間像の画素ピッチＧ２がマイクロレンズアレイのレンズピッチＰの１．５倍である３Ｐ／２の長さである画素が並んでいる状態を示す図である。図２３に示す例では、原点Ｏから座標Ｐの間に存在するマイクロアレイレンズの中心と一致するように、すなわち座標−Ｐ／４〜＋５Ｐ／４の間に画素が設置されている。以後、５×Ｐ／４〜１１×Ｐ／４、１１×Ｐ／４〜１７×Ｐ／４、のように、３×Ｐ／２を周期として画素が並んでいる。
【００６０】
図２３に符号９５で示す白丸９５も、画素の中心が隣り合うマイクロレンズの境界の位置と一致している画素の中心点を示している。図２３に示す例では、１１×Ｐ／４〜１７×Ｐ／４の間にある画素の中心は、隣り合うマイクロレンズの境界の位置と一致する。この場合、図１５および図１６を参照して上述したとおり、ユーザの両目の瞳孔８０にはこの画素に由来する光は到達せず、ユーザはこの画素を観察することができない。
【００６１】
直線９０上に示すマイクロレンズのレンズの中心の座標は、ｍを整数として（０．５＋ｍ）Ｐで表せる。画素ピッチがＧである画素を、原点Ｏから座標Ｐの間に存在するマイクロレンズの中心に画素の中心が来るようにして並べた場合、画素の中心の座標はｎを整数として０．５×Ｐ＋ｎ×Ｇとなる。いま、画素ピッチＧがレンズピッチＰの整数倍の場合、ｌを１以上の整数として、Ｇ＝ｌ×Ｐと表せる。このとき、画素の中心の座標は、０．５×Ｐ＋ｎ×Ｇ＝０．５×Ｐ＋ｎ×ｌ×Ｐ＝（０．５＋ｎ×ｌ）Ｐとなる。ｎおよびｌは整数であるため、ｎ×ｌも整数である。したがって、ｎ×ｌ＝ｍとおけば、画素の中心の座標は（０．５＋ｍ）Ｐとなり、マイクロレンズのレンズの中心の座標と一致する。
【００６２】
図２３に示す例において、符号９６で示す直線９６は直線９０と平行であり、中間像の画素ピッチＧ３がマイクロレンズアレイのレンズピッチＰと同じＰの長さ、すなわち上記においてｌ＝１である画素が並んでいる状態を示す図である。直線９６上に示す画素の例では、画素の中心はマイクロレンズの中心と常に一致するため、ユーザが見えなくなる画素は存在しない。また、符号９７で示す直線９７も直線９０と平行であり、中間像の画素ピッチＧ４がマイクロレンズアレイのレンズピッチＰの２倍の長さ、すなわち上記においてｌ＝２である画素が並んでいる状態を示す図である。直線９７上に示す画素の例では、画素の中心はマイクロレンズの中心と常に一致するため、ユーザが見えなくなる画素は存在しない。
【００６３】
以上説明したように、実施の形態に係る走査型の画像表示装置によれば、ＮＡ変換素子としてマイクロレンズアレイを用い、レンズのピッチよりも入射ビーム径を小さく設定した上で、マイクロレンズアレイのレンズピッチと画素ピッチを同じに設定し、レンズの中心と画素の中心を合わせることにより、射出ビームは観測面で両目の回りに均等に広がり、画素が見えなくなることや、片目でしか画素が見えない状態になることはなく、安定した画像を観察することができる。すなわち、マイクロレンズアレイのレンズ間のピッチをＰ、走査型の画像表示装置で表示する画像の画素ピッチをＧとすると、Ｇ＝ｎ×Ｐ（ｎは１以上の整数）とし、かつ画素ピッチとレンズピッチの中心が、概ね一致するように構成する事により、画素が見えなくなることや、片目でしか画素が見えない状態になる問題を解決できる。
【００６４】
また、以上の説明におけるビーム径とは、ＮＡ変換素子に入射するビームを、一般的にＬＤ光源から射出されるガウス分布の光量分布を持つものとし、その場合の一般的なビーム径を表すｅ二乗分の一強度の直径を想定して説明した。ビーム径をｅ二乗分の一強度の直径で規定した場合、その外側の光量は１３．５％となるが、ビーム径はこれに限るものではなく、一様分布に近いものの場合は外径で規定してもよいし、エアリーディスク光量分布の場合はエアリーディスク径で規定してもよい。しかし、ガウス分布の光量分布を持つ光源に対し、５０％強度のいわゆる半値全幅（Full Width at Half Maximum；ＦＷＨＭ)で規定すると、そのビーム径の外側にも５０％の光量が残るので、この部分が隣のレンズに入射し、中央のレンズの出射光と干渉を起こしてドットパターンができてしまうので、用いるべきでない。
【００６５】
以上、走査型画像表示装置１００のＮＡ変換素子５０周辺の構成に的を絞って本発明に係る実施の形態を説明したが、これを搭載する走査型画像表示装置１００は、画像信号に同期して走査ミラーを駆動する回路、同じく同期して光源１０を駆動する回路、カラー画像の場合には複数の波長の光源１０、それらの光源１０を混合して概ね平行ビームにする光学系などを備えるが、これらの部分は公知の技術を用いることができ、本発明の要旨ではないので、詳細な説明を省いた。
【００６６】
以上説明したように、実施の形態に係る走査型画像表示装置１００によれば、ＮＡ変換素子５０に屈折型の素子を用い、素子のピッチよりも入射ビーム径を小さく設定することにより、回折作用を利用せず屈折作用だけにより出射ビームの発散角を広げる。このように構成することにより、ビーム同士が重ならず、光源に干渉性の強いものを用いた場合でも、干渉を防ぐことができ、視聴位置において安定した画像を視聴することができる。
【００６７】
さらに、ＲＧＢ光源を使ったカラー画像の場合、波長による回折角は異なるので、ビームの間隔も異なり、例えば白色の一様画面を出そうとしても、ＲＧＢに色割れすることが起こりうることも防ぐことができる。
【００６８】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能である。
【００６９】
（変形例）
例えば、マイクロレンズアレイ一つ一つにフレネルレンズや、レンズ効果を持つ回折型の光学素子を用いて、そのフレネルレンズや、レンズ効果を持つ回折型の光学素子一つ一つの間隔よりも、入射ビーム径を小さく設定すれば、本実施の形態と同じ効果を得られる。そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００７０】
上記の説明では、スキャンミラー３０のスキャンのタイミングを検出して、画素のタイミング、すなわち光源１０の発光タイミングを合わせる必要がある。これを実現するためには、例えば中間像位置４０のマイクロレンズアレイ近辺に受光素子を置き、スキャンミラー３０のスキャンのタイミングを検出する。検出したタイミングに画像信号を同期させて、光源１０を発光させる駆動回路（不図示）等が必要となり、コストが発生しうる。そこで、変形例に係る走査型画像表示装置１００では、画素のピッチＧをマイクロレンズアレイのピッチＰの２以上の整数倍とする。これにより、マイクロレンズアレイに対しどのようなタイミングで発光しても、両目に均等に画像光が入り、かつ、画素間の明るさも均一にすることが可能となる。
【００７１】
変形例に係る走査型画像表示装置１００は、図１を参照して上述した実施の形態に係る走査型画像表示装置１００と同様の構造を持つ。以下、図面とともに変形例に係る走査型画像表示装置１００を説明するが、上述した実施の形態に係る走査型画像表示装置１００と重複する部分については、適宜省略または簡略化して記載する。
【００７２】
図２４は、マイクロレンズ１のピッチが２５μｍであるマイクロレンズアレイに、直径２０μｍのビームが入射している様子のシミュレーション結果を示す図である。図２４は、マイクロレンズアレイの中央のマイクロレンズ１の中心に、走査中のビームが当たっている状態を示している。すなわち、図２４は、中間像の投影画面の中央の一画素を表示している状態を示している。
【００７３】
図２５（ａ）は、図２４に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。また、図２５（ｂ）は、図２５（ａ）においてユーザの瞳孔８０を含む直線における像の光量分布を示すグラフである。
【００７４】
図２４および図２５（ａ）−（ｂ）に示す例は、マイクロレンズアレイに入射されるビームが、ひとつのマイクロレンズ１に収まる。このため、マイクロレンズを出射した射出光はマイクロレンズ１の作用によって発散される。したがって、図２５（ａ）に示すように、射出瞳位置７０において、射出光は射出瞳の形状に拡散する。なお、変形例に係る光源１０もＬＤ光源であり、ＬＤ光源が照射するビームはガウス分布を持つ。このため図２５（ｂ）に示すように、射出瞳位置７０における出射口は中央が明るくなり、周辺部は暗くなる。
【００７５】
変形例に係る走査型画像表示装置１００において入射ビーム径の直径を２０μｍとしてシミュレーションを実施した理由は、ガウス分布のビーム径の規定を一般的な１／ｅ二乗強度を用いて直径を規定しているためである。すなわち、シミュレーションを実施する際には入射ビーム光は規定の直径よりも広がる。このため、図２４〜図２８に示すシミュレーション画像において、マイクロレンズアレイのレンズ径よりも大きなビームが入り、隣のマイクロレンズ１にも入射して、本実施例の想定と異なる画像が描かれるのを避けるためである。しかしながら、実際にはビームの強度分布がレンズピッチを超えなければ、ビーム径を２５μｍに近い値であっても、設定した直径の外側の光量は少なくなる。したがって、仮に隣のマイクロレンズ１にビームが入射したとしても、その影響は小さく問題は少ない。図２４においても、ごく一部の光は直径２５μｍ以上に広がり、隣のレンズに入射している様子を分かるが、強度的にはごく低く影響は少ない。
【００７６】
図２４は、入射ビーム光の走査方向の断面を表す。図２４において、マイクロレンズ１の中心間隔即ちマイクロレンズ１のピッチＰは２５μｍ、画素ピッチＧは５０μm、入射ビーム径Ｓは２０μmである。画素の位置の目安やマイクロレンズ１の位置の目安は、シミュレーション画像のレンズ位置に合わせてある。図２５（ａ）−（ｂ）より、両目に均等に光が入っている様子が分かる。
【００７７】
図２６は、マイクロレンズ１のピッチＰが２５μｍであるマイクロレンズアレイに、直径２０μｍのビームが入射している様子の別のシミュレーション結果を示す図である。より具体的には、図２６は、図２４のに示す位置から、入射光が１／４画素、すなわち１／２レンズピッチ分である１２．５μｍずれた状態を示す図である。また図２７（ａ）−（ｂ）は、図２６に示す場合において、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。
【００７８】
図２６は、射出ビームが左右に分かれて広がっている様子を示している。このため、図２７（ａ）−（ｂ）に示すように、ユーザの目には有効に光が入っていない。図２６および図２７（ａ）−（ｂ）は、入射ビーム光の走査に伴い、ビーム光がマイクロレンズ１間をまたぐときに画素が消えることを示している。しかしながら、上述したように、ＶＧＡ画質で１フレーム１／３０秒で走査すると、３０×６４０×４８０＝９．２１６ＭＨｚで明滅することになる。これは、肉眼では感知が難しい周期であるため、この明滅すること自体は問題にならない。
【００７９】
図２８（ａ）−（ｂ）は、マイクロレンズ１のピッチが２５μｍであるマイクロレンズアレイに、直径２０μｍのビームが入射している様子のさらに別のシミュレーション結果を示す図である。より具体的には、図２８（ａ）−（ｂ）は、図２６に示す位置から、入射光が１／４画素、即ち１／２レンズピッチ分である１２．５μｍずれた状態のときの、射出瞳位置７０における像の明るさの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。この状態は、図２４において上述した状態と同じ状態である。したがって図２８（ａ）−（ｂ）の状態は図２４の基準位置と同じ状態なので、図２５（ａ）−（ｂ）に示す場合と同様に、ユーザの両目には均等に光が入る。
【００８０】
上述したように、画素の明滅自体は問題にはならないが、画素の明るさは１画素が形成される周期中の明滅の回数が積分されたものとなる。このため、画素間において明滅の回数が異なると、画素間の明るさが異なってしまい、顕著な場合は画像に縦横の縞が生じるように観察される可能性がある。以下、このことを図２９および図３０を参照して説明する。
【００８１】
図２９は、変形例との比較のため、実施の形態に係るマイクロレンズアレイのレンズピッチＰ、表示画像の画素２００の画素ピッチＧ、およびユーザの目に入るビームの関係を模式的に表した図である。図２９に示す例では、画素のピッチＧがマイクロレンズ１のピッチＰの１倍の長さの２５μｍである。図２９には、画素２００ａから画素２００ｆまでの６つの画素が示されているが、以下これらを区別しない場合には、単に「画素２００」と総称する。また図２９において、符号２０２で示す矢印は、ユーザの両目に正常に入射されるビームの位置を示しており、以下「正常入射ビーム位置２０２」と総称する。煩雑となることを避けることを意図して、図２９において正常入射ビーム位置２０２は１箇所にしか符号を付していないが、同様の矢印は全て正常入射ビーム位置２０２を示す。後述する図３０、図３１、および図３２においても同様である。
【００８２】
図２９において、画素２００ｃは基準位置にある。画素２００ｃが「基準位置」にあるとき、マイクロレンズアレイを構成する画素２００の中心とマイクロレンズ１の中心とは一致している。
【００８３】
図２９において画素２００ａ、画素２００ｂ、および画素２００ｃは、レンズピッチＰと画素ピッチＧが同じで、かつ画素２００の中心とマイクロレンズ１の中心とが一致している。この場合、画素２００に入射するビームの状態は画素２００ａ、画素２００ｂ、および画素２００ｃ全てにおいて同じである。したがって、画素２００は同じ明るさになり、いずれの画素２００も中心に正常入射ビーム位置２０２が存在し、問題ない状態である。
【００８４】
図２９において、画素２００ｄ、画素２００ｅ、および画素２００ｆも、画素２００ａ、画素２００ｂ、および画素２００ｃと同様に、レンズピッチＰと画素ピッチＧとが同じである。しかしながら、画素２００ｄ、画素２００ｅ、および画素２００ｆは、画素２００ａ、画素２００ｂ、および画素２００ｃとは異なり、画素２００の中心は隣り合うマイクロレンズ１間の境界と一致している。言い換えると、画素２００ｄ、画素２００ｅ、および画素２００ｆは、画素２００ａ、画素２００ｂ、および画素２００ｃと比較すると、マイクロレンズ１に対して１／２ピッチ分だけずれている。このため、画素２００ｄ、画素２００ｅ、および画素２００ｆにおいては、画素２００の中央部に正常入射ビーム位置２０２が存在せず、ユーザの目に有効に光が入射しない。
【００８５】
上述したように、画素２００の明るさは、１画素の範囲を入射ビーム光がスキャンしている間のユーザの目に入る光量の積分と考えられる。このため、画素端部までビームがスキャンされるとユーザの目に光が入射し、光量を積分すれば、画素２００ｄ、画素２００ｅ、および画素２００ｆの場合も、画素２００ａ、画素２００ｂ、および画素２００ｃと同様の明るさになるので、基本的には問題ないと考えられる。
【００８６】
しかしながら、実際の系では画素２００の切替部では画素２００同士のクロストークの防止や、画像のコントラストアップを目的として、光源１０を一瞬消灯する場合がある。このような場合には、画素２００ｄ、画素２００ｅ、および画素２００ｆは、画素２００ａ、画素２００ｂ、および画素２００ｃと比較して、光量ダウンとなる。特にレンズピッチＰと画素ピッチＧとが同じ場合には、１つの画素２００中に入るビーム数は１本しかないので、複数本のビームが入る場合よりも光量ダウンの影響を受けやすい。そのため少なくとも画素が１／２ピッチずれる状態を避けるようにタイミングを合わせないと、画素２００ｄ、画素２００ｅ、および画素２００ｆは、画素２００ａ、画素２００ｂ、および画素２００ｃよりも暗くなってしまう。なお、画素２００ａ、画素２００ｂ、および画素２００ｃは隣接する画素間で明るさが異なるわけではないため、ユーザに与える違和感は少ない。しかしながら、画素２００の光量ダウンは避ける方が好ましい。このためには、スキャンビームの位置をディテクターで検出し、画素を書き始めるタイミングをレンズの位置に合わせる機能が必要になる。
【００８７】
図３０は、画素のピッチＧがマイクロレンズ１のピッチＰの非整数倍である場合を示す図である。図３０において、画素２００ｇ、画素２００ｈ、および画素２００ｉは、画素ピッチＧがレンズピッチＰの１．５倍の３７．５μｍであり、画素２００ｉが基準位置にある。また画素２００ｊ、画素２００ｋ、画素２００ｌ、画素２００ｍ、および画素２００ｎは画素ピッチＧがレンズピッチＰの１．７５倍の４３．７５μｍであり、画素２００ｎが基準位置にある。画素２００ｏ、画素２００ｐ、画素２００ｑ、および画素２００ｒは画素ピッチＧがレンズピッチＰの２．２５倍の５６．２５μｍであり、画素２００ｒが基準位置にある。画素２００ｓ、画素２００ｔ、および画素２００ｕは画素ピッチがレンズピッチＰの２．５倍の６２．５μｍであり、画素２００ｕが基準位置にある。
【００８８】
図３０において、入射ビーム光は図中の下方から上方に向かってスキャンされ、ビームが画素２００の下端に来たタイミングで、画素２００に対応した画像データにしたがい、規定の明るさで光源１０が発光する。光源１０におけるこの発光は、ビームが隣接する画素２００の下端に来るまで続く。ビームが隣接する画素２００の下端に到達すると、今度はその画素２００に対応した画像データにしたがい、規定の明るさで光源１０が発光する。これが繰り返されて画像データに対応した画像が形成される。仮に隣接する画素２００が共に同じ明るさの画像データの場合、一方の画素２００の下端から他方の画素２００の上端に至るまで、光源１０は同じ明るさで発光する。なお上述したように、画素２００同士のクロストークの防止や、画像のコントラストアップを目的として、光源１０を一瞬消灯する場合がある。
【００８９】
図３０における画素２００ｇ、画素２００ｈ、および画素２００ｉにおいて、画素２００ｉは下端付近と上端付近に正常入射ビーム位置２０２が存在しないため、ユーザの目に光が有効に入らない。画素２００ｉでは、ビームが中央付近にいる場合にのみ、光が有効にユーザの目に入る。スキャンが進んで入射ビーム光が画素２００ｈに入ると、画素２００ｈの下端付近と上端付近では光が有効に目に入るが、中央付近では光が有効に目に入らない。画素２００の明るさは光量の積分と考えられるので、画素２００ｉより画素２００ｈの方が明るくなってしまう。１つの画素２００中に入るビーム数で比較すると、画素２００ｉおよび画素２００ｇは正常入射ビーム位置２０２がひつである。一方、画素２００ｈには正常入射ビーム位置２０２がふたつ存在する。このため、画素２００ｇ、画素２００ｈ、および画素２００ｉが本来同じ明るさの画像データであっても、画素２００ｈの明るさは、画素２００ｉおよび画素２００ｇの明るさの２倍となってしまう。
【００９０】
画素２００ｊ〜２００ｎ、画素２００ｏ〜２００ｒ、および画素２００ｓ〜２００ｕも、画素ピッチＧがレンズピッチＰの整数倍になっていないため、同様の問題が生じる。画素２００ｎ、画素２００ｒ、および画素２００ｕは基準位置にあったとしても、入射ビーム光のスキャンが進むにつれ、画素２００とマイクロレンズ１のと位置関係がずれていくので、上記の問題が出現する。例えば、画素２００ｊ〜２００ｎ、および画素２００ｏ〜２００ｒのように画素ピッチＧがレンズピッチＰと１／４ピッチずれている場合、スキャンが４画素進むと、画素とレンズの位置関係が元に戻る。仮に画素ピッチＧがレンズピッチＰに対して１／１０ピッチ分ずれていれば１０画素進むと、画素とレンズの位置関係が元に戻る。特に図２９における画素２００ａ〜２００ｃや、図３０における画素２００ｓ〜２００ｕのように、画素ピッチＧがレンズピッチＰと１／２ピッチのずれている場合、１画素毎に画素２００とマイクロレンズ１の位置関係が元に戻る。結果として、１画素毎に明暗の画素２００が現れて、コントラストの強い縦縞が生じ、大変目立つことになる。
【００９１】
この問題を解決するために、変形例に係る走査型画像表示装置１００では、画素ピッチＧをマイクロレンズアレイのレンズピッチＰの２以上の整数倍となるように設定されている。すなわち、中間像位置４０上における中間像の１画素の大きさは、ＮＡ変換素子であるマイクロレンズアレイの周期構造の繰り返し周期の長さに対し、２以上の整数倍である。
【００９２】
図３１は、変形例に係るマイクロレンズアレイのレンズピッチＰ、表示画像の画素２０１の画素ピッチＧ、およびユーザの目に入るビームの関係を模式的に表した図である。図３１に示す例では、画素のピッチＧがマイクロレンズ１のピッチＰの２倍の長さの５０μｍである。
【００９３】
図３１において画素２０１ａ〜２０１ｄはいずれの画素２０１の中心も、マイクロレンズ１の中心に位置している。図３１において、画素２０１ｄは基準位置にあるため、画素２０１ａ〜２０１ｃもマイクロレンズ１との位置関係が同様となる。このため、画素２０１ａ〜２０１ｄは、いずれも同じ明るさとなる。画素２０１ｅおよび画素２０１ｆは、いずれも基準位置からずれている。しかしながら、この場合であっても、いずれの画素にも正常入射ビーム位置２０２がふたつ含まれ、同じ明るさとなる。画素２０１ｇおよび画素２０１ｈについても同様である。
【００９４】
このように、画素ピッチＧをマイクロレンズアレイのレンズピッチＰの２倍に設定することで、画素を描き始めるタイミングを調整する必要がなく、そのためのビーム検出ディテクターや、タイミング調整の回路が不要となる。この関係は画素のピッチがレンズピッチの２倍に限らず、２以上の整数倍であればよい。
【００９５】
図３２は、変形例に係るマイクロレンズアレイのレンズピッチＰ、表示画像の画素２０１の画素ピッチＧ、およびユーザの目に入るビームの関係を模式的に表した図である。図３２に示す例は、図３１に示す例とは異なり、画素のピッチＧがマイクロレンズ１のピッチＰの３倍の長さの７５μｍである。図３２には、画素２０１ｉ〜２０２ｏの８つの画素が示されているが、いずれの画素においても正常入射ビーム位置２０２が３つ含まれ、同じ明るさとなっている。
【００９６】
ところで、画素ピッチＧとレンズピッチＰとの関係は、一つの走査型画像表示装置１００で、二種類以上の解像度に対応する場合にも関係する。すなわち、書き込みタイミングの調整をしないで、二種類以上の解像度に対応する場合には、基本的にどの解像度の画像でも、画素ピッチＧはレンズピッチＰの２以上の整数倍に設定していないと、画面に明暗の縞が出てしまう。もし、どちらかの解像度において、画素ピッチがレンズピッチの２以上の整数倍に設定できない場合には、低解像度の方が画素が大きい分、１画素に含まれるビームの数が多くなる。結果として、明るい画素と暗い画素間のビーム数の比が小さくなり、明暗のコントラストも弱くなるので、比較的ムラは目立たない。その場合でも、前述のとおり、画素ピッチＧがレンズピッチＰと１／２ピッチのずれの場合、コントラストの強い縦縞となって大変目立つので、できる限り避けるべきである。
【００９７】
以上説明したように、実施の形態の変形例に係る走査型画像表示装置１００によれば、ＮＡ拡大素子としてマイクロレンズアレイを用い、マイクロレンズ１のピッチＰよりも入射ビーム径Ｓを小さく設定した上で、画素ピッチＧをマイクロレンズアレイのレンズピッチＰの２以上の整数倍に設定することにより、マイクロレンズアレイに対する入射ビームの描き込みタイミングを調整することなく、射出ビームは観察面で両目の回りに均等に広がる。これにより、ユーザから画素が見えない状態や、片目でしか画素が見えない状態となることを防止でき、安定した画像を提供することができる。
【００９８】
なお、実際のシステム設計では、画のピッチＧが先に決まる事もあるが、説明の便宜上画素ピッチＧの方が可変しやすいので、マイクロレンズアレイのピッチＰを基準に説明した。また、以上の説明におけるビーム径Ｓとは、ＮＡ拡大素子に入射するビームを、一般的にＬＤ光源から射出されるガウス分布の強度分布を持つものとし、その場合の一般的なビーム径を表すｅ二乗分の一強度の直径を想定して説明した。ビーム径をｅ二乗分の一強度の直径で規定した場合、その外側の光量は１３．５％となるが、ビーム径はこれに限るものではなく、一様分布に近いものの場合は外径で規定してもよいし、エアリーディスク強度分布の場合はエアリーディスク径で規定してもよいい。しかし、ガウス分布の強度分布を持つ光源に対し、５０％強度のいわゆるＦＷＨＭで規定すると、そのビーム径の外側にも５０％の光量が残るので、この部分が隣のレンズに入射し、中央のレンズの出射光と干渉を起こしてドットパターンができてしまうので、用いないことが望ましい。
【符号の説明】
【００９９】
１  マイクロレンズ、  １０  光源、  ２０  コリメータレンズ、  ３０  スキャンミラー、  ４０  中間像位置、  ５０  ＮＡ変換素子、  ６０  結像光学系、  ７０  射出瞳位置、  ８０  瞳孔、  ９０  直線、  １００  走査型画像表示装置。
【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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【図９】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２１】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２６】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図８】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１８】
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【図２０】
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【図２２】
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【図２５】
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【図２７】
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【図２８】
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