(57)【要約】  走査型画像表示装置は、レーザビームを出射する光源部と、前記レーザビームを第１方向及び前記第１方向と交差する第２方向に２次元走査する走査ミラーと、前記走査ミラーの駆動を制御する制御部とを含み、前記制御部は、前記第１方向の走査周波数が前記第２方向の走査周波数よりも高い周波数となるように前記走査ミラーを駆動するとともに、前記第２方向の走査周波数の周期に同期させて前記第１方向の走査周波数を変化させることにより前記第１方向の走査振幅を変化させる。
2010116726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを出射する光源部と、
前記光源部から出射された光ビームを走査する走査部と、
前記走査部で走査された走査ビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向部と、
前記走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部と、を含み、
前記補正部は、前記走査部と前記偏向部との間に設けられ、光学性能が固定されている固定レンズを含むことを特徴とするビーム走査型表示装置。
【請求項２】
前記固定レンズは自由曲面を有し、当該自由曲面の曲率は、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるように、走査ビームの前記自由曲面への入射位置に応じて異なってい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。
【請求項３】
前記偏向部は、相対的に前記走査部に近い第１領域と、当該第１領域よりも前記走査部から遠い第２領域との少なくとも２つの領域を有し、
前記第１領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率と、前記第２領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率とでは、曲率の正負が異なることを特徴とする請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項４】
前記第１領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率は、前記走査ビームに対して凸レンズの作用を及ぼすように設定されてい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。
【請求項５】
前記固定レンズは、自由曲面の曲率の値が０になる曲率中心部を有し、
前記固定レンズの自由曲面における第１方向の曲率は、前記曲率中心部の第１方向の距離が大きくなるほど曲率の絶対値が大きくな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。
【請求項６】
前記固定レンズは、前記第１方向の曲率の絶対値が前記曲率中心部からの第１方向の距離の増加に比例して線形的に増加するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項７】
前記第１領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する領域における前記第１方向の曲率の絶対値変化幅は、
前記第２領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する領域における前記第１方向の曲率の絶対値変化幅よりも大きい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。
【請求項８】
前記固定レンズは、前記第１方向と交差する第２方向の曲率の絶対値が前記曲率中心部からの第２方向の距離の増加に比例して線形的に減少するように構成されてい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。
【請求項９】
前記固定レンズは、前記走査ビームが入射される入射面と、当該走査ビームが出射される出射面とを含み、
前記固定レンズの自由曲面が、前記出射面にのみ形成されていることを特徴とする請求項１ないし８の何れか１項に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１０】
前記光源部から前記固定レンズまでの光路上に設けられた少なくとも一枚の折り返しミラーをさらに備え、
前記走査ビームが前記走査部で走査されてから前記補正部に入射するまでの光路距離が、前記走査部と前記補正部との間の離間距離よりも長くなるように、前記折り返しミラーが配置されていることを特徴とする請求項１ないし９の何れか１項に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１１】
前記走査部と前記光源部との間に設けられた収差補正レンズをさらに含み、
前記収差補正レンズは、前記固定レンズの自由曲面とは曲率の正負が逆方向の自由曲面を有することを特徴とする請求項８に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１２】
前記固定レンズは、第１方向に第１自由曲面を有する第１固定レンズと、第１方向と交差する第２方向に第２自由曲面を有する第２固定レンズとを含み、
前記第１自由曲面及び第２自由曲面の各曲率は、前記ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるように、前記走査ビームの入射位置に応じて異なることを特徴とする請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１３】
前記補正部は、前記走査部と前記光源部との間に設けられ、光学性能が可変である少なくとも１つの可動レンズをさらに含むことを特徴とする請求項１ないし１２の何れか１項に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１４】
前記可動レンズは、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるための理想ビームウェスト位置に、走査ビームのビームウェスト位置を近づけるように、前記走査部の動作にあわせて当該可動レンズの位置を変更することを特徴とする請求項１３に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１５】
前記可動レンズは、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるための理想ビームウェスト位置に、走査ビームのビームウェスト位置を近づけるように、前記走査部の動作にあわせて電気的に光学性能を変更する液晶素子であることを特徴とする請求項１３に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１６】
前記固定レンズは、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるように、前記可動レンズによって変更される走査ビームのビームウェスト位置と、前記理想ビームウェスト位置との差を補正するための曲面形状を有することを特徴とする請求項１４または１５に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１７】
前記偏向部は、曲面形状を有することを特徴とする請求項１ないし１６の何れか１項に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１８】
光ビームを走査してスクリーンに情報を表示するビーム走査型表示装置であって、
光ビームを出射する光源部と、
前記光源部から出射された光ビームを前記スクリーンに向けて走査する走査部と、
前記走査部で走査された走査ビームのビームウェスト位置を、前記スクリーンの表示面に近づけるように補正する補正部と、を含み、
前記補正部は、前記走査部で走査された走査ビームが通過する位置に設けられ、光学性能が固定されている固定レンズを含むことを特徴とするビーム走査型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）、ＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）等のビーム走査型表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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（ビーム）を２次元走査して、眼の網膜に直描する方式（以下、ビーム走査方式、と記す）がある（例えば、特許文献１参照）。ビーム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、ビーム走査ディスプレイ、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。【０００３】
図１Ａ及び図１Ｂは、眼鏡型のＨＭＤの一構成例を示している。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、眼鏡型のＨＭＤは、眼鏡フレームに搭載されたレーザ光を発光するレーザ光源１０１・１１０、レーザ光の波面を制御する波面形状変更部１０２・１０９、及びレーザ光を二次元方向に走査する走査部１０３・１０８を含んでいる。【０００４】
レーザ光源１０１・１１０から出射されるレーザ光は、走査部１０３・１０８によって眼鏡レンズに向かって投影される。そして、レーザ光は、眼鏡レンズの表面に設けられた偏向部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。これらの偏向部１０４・１０７には、ハーフミラー、ホログラム光学素子（ＨＯＥ：Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）等が用いられる。ユーザは、偏向部１０４・１０７によって、外の景色と、レーザ光によって描かれる画像との両方を同時に視聴することが可能になる。走査部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等が用いられる。【０００５】
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）。【０００６】
しかしながら、ビーム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レーザのビームウェスト位置を変更する必要がある。なお、本明細書において、ビームウェスト位置は、走査レーザのビームウェストと走査部との距離によって表現される。【０００７】
ビーム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。人間の眼は集光レンズになっている。このため、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、入射光は人間の眼の網膜上で小さなスポットに集光される。これにより、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。眼鏡型のビーム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、走査部の動きに合わせて走査レーザのビームウェスト位置を変更する必要がある。すなわち、走査部による走査レーザが偏向部に入射する場所に応じて、走査レーザのビームウェストの位置を変更する。これにより、偏向部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。【０００８】
図２は、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最適ビームウエスト位置の一例を示している。【０００９】
図２に示すように、レーザ光Ｌは、走査部１０３によって偏向部１０４に対し斜めに入射される。偏向部１０４としては、ユーザの瞳孔位置１３３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が用いられる。【００１０】
ここで、レーザ光Ｌの適切なビームウェスト位置は、レーザ光Ｌが偏向部１０４へ入射される位置に応じて変化する。図中、点線２０１で示す軌跡は、レーザ光Ｌの適切なビームウェスト位置の一例を示している。すなわち、走査部１０３の動きによってレーザ光Ｌの向きが変っても、レーザ光Ｌのビームウェスト位置が、点線２０１で示す軌跡上に位置するように制御を行うことで人間の目に入射するビームを平行光にすることができる。【００１１】
高画質の画像を表示する際には、走査部１０３を高速に動作させる必要がある（例えば１００Ｈｚ以上）。この場合、走査レーザのビームウェスト位置も走査部１０３の動作にあわせて高速に変更する必要がある。そこで、例えば、光学部品を単振動駆動することで高速にレーザ光のビームウェスト位置を変更する方法を用いている。【００１２】
図３は、従来のビーム走査型のＨＭＤの要部の一構成例を示している。【００１３】
図３に示すように、波面形状変更部１０２は、レンズを備えている。これらのレンズ１０２ａ・１０２ｂは、それぞれ走査部１０３の動きに同期して単振動駆動される。これにより、走査レーザの水平方向のビームウェスト位置及び垂直方向のビームウェスト位置が変更される。【００１４】
しかしながら、上記の従来の方法のように、レンズ等を単振動駆動させることによってレーザ光のビームウェスト位置を高速に変更する方法では、レンズ駆動のためのアクチュエータなどが必要となりＨＭＤの光学系が大きくなってしまう。眼鏡型ＨＭＤにおいては、装着性やデザイン上の観点から、光学系を小型化することが求められており、レンズを駆動する方式ではこの要求に応えることが難しい。【００１５】
また、アクチュエータを用いてレンズの位置を変更する方法では、走査部の動作と、アクチュエータの動作とがずれた場合、理想のビームウェスト位置と実際のビームウェスト位置とが大きくずれてしまうという問題が生じる。そして、このずれを調節するためのサーボ機能を導入すると、更に光学系が大型化する。【００１６】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２では、上記のようなビームウェスト位置を制御するための光学系の大きさの問題に対する考慮がなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平１０−３０１０５５号公報
【特許文献２】特開２００４−１９１９４６号公報
【発明の概要】
【００１８】
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、走査部と偏向部との間にビームウェストの位置を調節する手段を配置することで、走査型画像表示装置の画質向上と光学系の小型化を両立することを目的とする。
【００１９】
本発明の一局面に係る走査型画像表示装置は、上記の目的を達成するために、光ビームを出射する光源部と、前記光源部から出射された光ビームを走査する走査部と、前記走査部で走査された走査ビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向部と、前記走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部と、を含み、前記補正部は、前記走査部と前記偏向部との間に設けられ、光学性能が固定されている固定レンズを含んでいる。
【００２０】
上記の構成によれば、固定レンズでもって、走査ビームのビームウェスト位置を最適な位置に変更することが可能になり、表示画質の向上を図ることができる。そして、ビームウェスト位置の補正を固定レンズで実現しているため、従来のようにレンズやミラーなどを駆動する必要がないので、光学系の小型化を図りながらも、ユーザに対して高品質な映像を表示することが可能になる。
【００２１】
本発明のさらに他の目的、特徴、及び優れた点は、以下に示す記載によって十分わかるであろう。また、本発明の利点は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１Ａは、従来の眼鏡型のＨＭＤの一構成例を示す説明図である。図１Ｂは、従来の眼鏡型のＨＭＤの一構成例を示す説明図である。
【図２】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最適ビームウェスト位置の一例を示す説明図である。
【図３】従来のビーム走査型のＨＭＤの要部の一構成例を示す説明図である。
【図４】図４Ａは、本発明の一実施の形態に係る眼鏡型のＨＭＤの一構成例を示す説明図である。図４Ｂは、本発明の一実施の形態に係る眼鏡型のＨＭＤの一構成例を示す説明図である。
【図５】図４Ａ及び図４Ｂに示す眼鏡型ＨＭＤの要部構成を示す説明図である。
【図６】固定レンズを備えない構成におけるレーザ光のビームウェスト位置の変化を示す説明図である。
【図７】図７Ａは、レンズの通過によるレーザ光のビームウェスト位置の変化を示す説明図である。図７Ｂは、レンズの通過によるレーザ光のビームウェスト位置の変化を示す説明図である。図７Ｃは、レンズの通過によるレーザ光のビームウェスト位置の変化を示す説明図である。
【図８】本実施の形態に係る固定レンズの形状を示す説明図である。
【図９】本実施の形態に係る固定レンズの形状を示す説明図である。
【図１０】本実施の形態に係る補正部の配置例を示す説明図である。
【図１１】本実施の形態に係る補正部により補正された走査ビームのビームウェスト位置の一例を示す説明図である。
【図１２】本実施の形態に係る走査部と補正部との間の折り返しミラーの配置を示す説明図である。
【図１３】本実施の形態に係る走査部と光源との間の折り返しミラーの配置を示す説明図である。
【図１４】本実施の形態に係る補正部が複数のレンズからなる構成における配置例を示す説明図である。
【図１５】本発明の他の実施の形態に係るビーム走査型表示装置の要部の一構成例を示す説明図である。
【図１６】単焦点駆動でのビームウェスト位置を示すグラフである。
【図１７】本発明のさらに他の実施の形態に係る眼鏡型ＨＭＤの要部構成を示す説明図である。
【図１８】本発明のさらに他の実施の形態に係るビーム走査型のＨＵＤの側面図である。
【図１９】図１８に示すビーム走査型のＨＵＤの鳥瞰図である。
【図２０】本発明のさらに他の実施の形態に係るビーム走査型表示装置の構成図を示す説明図である。
【図２１】本発明の一実施の形態に係る垂直方向のレーザ光の走査に対するビームウェスト位置の補正を示す説明図である。
【図２２】本発明の他の実施の形態に係る眼鏡型のＨＭＤの要部構成の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
【００２４】
（実施の形態１）
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。本実施の形態では、本発明に係るビーム走査型表示装置として、眼鏡型ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）を例示して説明する。
【００２５】
図４Ａは、本実施の形態１に係る眼鏡型ＨＭＤの一構成例を示す平面図である。図４Ｂは、図４Ａに示す本眼鏡型ＨＭＤの側面図である。図５は、図４Ａ及び図４Ｂに示す眼鏡型ＨＭＤの詳細構成を示す図である。
【００２６】
図４Ａ、図４Ｂ及び図５に示すように、本実施の形態に係る眼鏡型ＨＭＤは、眼鏡フレームに搭載されたレーザ光（光ビーム）を発光するレーザ光源１・１０（光源部）、レーザ光の波面を制御する波面形状変更部２・９、及びレーザ光を二次元方向に走査する走査部３・８を含んでいる。
【００２７】
図５に示すように、レーザ光源１は、赤色レーザ光源１Ｒ、青色レーザ光源１Ｂ、及び緑色レーザ光源１Ｇを備えている。これらのレーザ光源１Ｒ、１Ｂ及び１Ｇから出力される各色のレーザ光は、合波されて出射される。この際、各色レーザ光源１Ｒ、１Ｂ及び１Ｇ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することができる。
【００２８】
さらに、各色レーザ光源１Ｒ、１Ｂ及び１Ｇからの出力は、後述する走査部３の動き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することができる。
【００２９】
図５の構成では、赤色レーザ光源１Ｒとして赤色半導体レーザ光源、青色レーザ光源１Ｂとして青色半導体レーザ光源１２、緑色レーザ光源１Ｇとして赤外線半導体レーザ光源及び赤外線を緑色に変換するＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：第２次高調波発生）素子が組合された光源を用いている。しかしながら、本実施の形態のレーザ光源はこれに限定されず、例えば、緑色レーザ光源１Ｇとして緑色半導体レーザ光源を用いてもよい。また、各レーザ光源１Ｒ、１Ｂ及び１Ｇとして、半導体レーザに代えて、固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ、発光ダイオードを用いてもよい。
【００３０】
図５では、各レーザ光源内でレーザ光の出力強度の変調を行っているが、本実施の形態はこれに限定されず、各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。
【００３１】
また、上記レーザ光源１・１０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する光検出部１４（図５）を備えていてもよい。
【００３２】
偏向部４・７により人間の眼の方向へ偏向されるビームの多くは、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、ビームの反射率は比較的高くなる。このため、光検出部１４にてユーザの眼の角膜からの反射光の強度を検出することによって、視線方向を検出することができる。
【００３３】
波面形状変更部２・９は、レーザ光源１・１０からのビームの波面形状をそれぞれ変化させて、後述の偏向部４・７で偏向されたビームのスポットサイズが所定の範囲内となるようにレーザ光の波形を調整している。
【００３４】
以下、ビームのスポットサイズをユーザの眼の網膜でのスポットサイズと定義して説明する。しかしながら、ビームのスポットサイズは、例えば、瞳孔でのスポットサイズ、角膜でのスポットサイズ、偏向部でのスポットサイズとしてもよい。なお、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。
【００３５】
なお、本実施の形態における「波面形状」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ものとする。
【００３６】
図５の構成では、レーザ光源１から出射されるレーザ光の波面形状を決定する波面形状変更部２としてレンズ２ａを用いている。
【００３７】
本実施の形態では、レンズ２ａの配置位置および形状は、レーザ光が偏向部４の中心部分（図６の４Ｃ）に向かうときにレーザ光のビームウェスト位置が最適になるように設定されている。すなわち、レンズ２ａ（波面形状変更部）は、図６のＷＯに示す最適ビームウェスト位置の線上に、レーザ光のビームウェスト位置が存在するように設けられている。
【００３８】
なお、本実施の形態に係るレンズ２ａの形状は特に限定されるものではなく、例えば、凹面レンズ、凸面レンズ、シリンドリカルレンズ等を用いることができる。また、これらのレンズを組み合わせて用いてもよい。さらに、レンズに代えて、回折光学素子を用いても良い。この場合、光学素子の薄型化及び軽量化を実現することができる。
【００３９】
走査部３・８は、それぞれ波面形状変更部２・９を通過したレーザ光を２次元走査する。これらの走査部３・８としては、レーザ光の角度を２次元的に変更することができる単板小型ミラーで、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）マイクロミラーを用いることができる。なお、走査部３・８は、水平走査用と垂直走査用のように２種以上の走査部の組合せで実現してもよい。この場合、水平走査と垂直走査とを独立に動作させることができるため、制御が容易になる。
【００４０】
なお、本走査部３・８によるレーザ光の走査の方法はミラーを物理的に傾ける方法に限定されず、例えば、レンズを移動したり、回折素子を回転したりする方法でもよいし、液晶レンズ、可変形状レンズ、ＡＯ素子（音響光学素子）、または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。
【００４１】
偏向部４・７は、走査部３・８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。偏向部４・７は、走査部３・８で走査されたビームがユーザの眼の瞳孔に回折・集光されるように形成されている。これらの偏向部４・７は、例えば、眼鏡のレンズの内側（眼の側）に形成されたフォトポリマー層を含み、該フォトポリマー層にリップマン体積ホログラムが形成された構成とすることができる。
【００４２】
上記フォトポリマー層に形成されるホログラムとして、赤色、緑色及び青色の各色のレーザ光源から出射されるレーザ光を反射する３つのホログラムを多重に形成してもよい。また、各色のレーザ光に対応した３層のホログラムが積層された構成としてもよい。
【００４３】
上記のホログラムの波長選択性を利用した構成によれば、光源波長以外の波長の光（外界からの光の大部分）に対しては回折の影響を与えることなく透過させると共に、光源波長の光のみを回折させる。この結果、透過型のディスプレイを実現することができる。
【００４４】
なお、本偏向部４・７は、ホログラム等回折素子を用いて偏向する構成に限定されず、凹面鏡等のミラーや、凸レンズ等のレンズを用いてもよい。この場合、ホログラムを用いる場合より、偏向部４・７を簡単に製造することができる。
【００４５】
制御部５・１１は、ＨＭＤ各部を制御する集積回路を備え、各レーザの出力及び波面形状変更部２・９、走査部３・８の動作を制御する。制御部５・１１は、ユーザに表示する内容を決定する手段を備える。なお、制御部５・１１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いてもよい。また、制御部５・１１は、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、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。
【００４６】
なお、眼鏡の左右それぞれに制御部５・１１を備えた構成について説明したが、本実施の形態はこれに限定されず、左右の何れか一方にのみ制御部を設けてもよい。すなわち、制御部５又は制御部１１のいずれか一方が、両眼に対応する各レーザ光源１・１０、波面形状変更部２・９、走査部３・８及びヘッドホン６・１２の各動作を制御する構成としてもよい。この場合、制御部５・１１が眼鏡の左右双方に設けられている構成に比べ、製造コストを削減することができると共に、表示装置全体の軽量化を実現することができる。
【００４７】
ヘッドホン部６・１２は、スピーカー（不図示）を備え、音声を出力する。なお、ヘッドホン部６・１２には、ＨＭＤ各部へ電源供給するバッテリーを備えていてもよい。この場合、ＨＭＤは外部からの電源供給のためのケーブルを備える必要が無いため、コードレス化を実現することができ、ＨＭＤの装着性の向上を図ることができる。
【００４８】
本実施の形態では、走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部として、光学性能が固定されている固定レンズ４０が用いられている。なお、本実施の形態に係る固定レンズ４０は、左目用の固定レンズ４０Ｌと、右目用の固定レンズ４０Ｒとを含む。
【００４９】
固定レンズ４０Ｌ・４０Ｒは、それぞれ走査部３・８と偏向部４・７との間に配置されており、走査部３・８で走査されたレーザ光のビームウェスト位置を、レーザ光が固定レンズ４０Ｌ・４０Ｒに入射する位置に応じて変更する。固定レンズ４０Ｌ・４０Ｒの機能及び形状の詳細については後述する。
【００５０】
なお、本ＨＭＤを構成する各部材は、１台のＨＭＤにすべて内蔵されていてもよいが本実施の形態はこれに限定されるものではない。例えば、図４のＨＭＤを構成する部材のうち、ヘッドホン部を備えていない構成としてもよい。また、ＨＭＤの各構成要素を構成する各部材が分散して配置されていてもよい。また、制御部５・１１を構成する構成部材の一部が、走査部３・８や波面形状変更部２・９に一部含まれていてもよい。また、制御部５・１１を構成する構成部材の一部が、走査部３・８や波面形状変更部２・９に一部含まれていてもよい。また、例えば、レーザ光源を２つのＨＭＤで共有する等、図４Ａ及び図４Ｂに示す各部を複数の機器間で共有する構成であってもよい。レーザ光源を複数のＨＭＤで共有する場合、レーザ光源は何れか一つのＨＭＤにのみ設け、当該レーザ光源をその他のＨＭＤと光ファイバで接続する構成とすることができる。あるいは、レーザ光源を複数のＨＭＤとは別の筐体に収納し、当該レーザ光源と複数のＨＭＤとをそれぞれ光ファイバで接続する構成とすることができる。
【００５１】
次に、レーザの走査にあわせてビームウェスト位置を補正する固定レンズ４０Ｌ・４０Ｒの働きについて詳細に説明する。以下、説明の簡略化のため、ＨＭＤのうち片方の目である左目に対応する構成についてのみ説明するが、右目に対応する構成についても同様の処理が行われることは言うまでもない。
【００５２】
図６は、固定レンズ４０Ｌを有しない構成において、レーザ光Ｌのビームウェスト位置が走査部３の動きにあわせてどのように変化するかを示した説明図である。
【００５３】
前述の通り、本波面形状変更部２は、レーザ光Ｌが偏向部４の中心４Ｃに向かう際に、ビームウェスト位置が最適になるように設定されている。図６に示すように、走査部３の動作にあわせてビームウェスト位置の変更を行わない場合、レーザ光のビームウェスト位置は走査部３の動作に合わせて、半径が走査部３からビームウェスト位置までの長さである円弧ＷＮを描く。以下、円弧状の軌跡ＷＮが示す位置を無補正ビームウェスト位置と呼ぶ。図６から明らかなように、固定レンズ４０による補正を行わない無補正ビームウェスト位置ＷＮは、最適なビームウェスト位置ＷＯから大きくずれている。このため、偏向部４の中心４Ｃに向かうレーザ光以外は、ユーザの瞳孔３３を通過する際に平行光とはならずに網膜上で大きく広がってしまう。そのため、このままではユーザに解像度の高い映像を提示することは出来ない。
【００５４】
そこで、本実施の形態は、以下に説明するように、レーザ光のビームウェスト位置の補正を行う補正部として、走査部３と偏向部４との間に固定レンズ４０が配置された特徴的構成を備えている。
【００５５】
一般的に、レーザ光は、凸面レンズを通過すると、そのビームウェスト位置は手前側（光源に近づく方向）に移動する一方、凹面レンズを通過すると、そのビームウェスト位置は奥側（光源から遠ざかる方向）に移動する。
【００５６】
すなわち、ビームウェスト位置ＷＡを持つレーザ光Ｌ（図７Ａ）に対して、光源１とビームウェスト位置ＷＡとの間に凸レンズ４０ａを配置した場合、図７Ｂに示すように、レーザ光Ｌのビームウェストは手前側（光源に近づく方向）に移動し、図７Ｂ中ＷＢで示す位置にビームウェストが形成される。一方、ビームウェスト位置ＷＡを持つレーザ光Ｌ（図７Ａ）に対して、光源とビームウェスト位置ＷＡとの間に凹レンズ４０ｂを配置した場合、図７Ｃに示すように、レーザ光Ｌのビームウェストは奥側（光源から遠ざかる方向）に移動し、図７Ｃ中ＷＣで示す位置にビームウェストが形成される。
【００５７】
無補正ビームウェスト位置ＷＮと、最適なビームウェスト位置ＷＯとを比較すると、図６に示すように、偏向部４の耳側部分（偏向部４の中心４Ｃよりも走査部３に近い部分）に向かうレーザ光Ｌの無補正ビームウェスト位置ＷＮは、理想ビームウェスト位置ＷＯよりも奥側（光源から遠ざかる方向）にずれている。また、偏向部４の鼻側部分（偏向部４の中心４Ｃよりも走査部３から遠い部分）に向かうレーザ光の無補正ビームウェスト位置ＷＮは、理想ビームウェスト位置ＷＯよりも手前側（光源に近づく方向）にずれている。
【００５８】
そのため、偏向部４の耳側部分に向かうレーザ光は凸面レンズを通過させ、偏向部４の鼻側部分に向かうレーザ光は凹面レンズを通過させれば、耳側に向かうレーザ光のビームウェスト位置は手前側に移動し、鼻側に向かうレーザ光のビームウェスト位置を奥側に移動するようにビームウェスト位置を補正することができる。これにより、走査部３で走査されたレーザ光Ｌのビームウェスト位置と、理想ビームウェスト位置ＷＯとの誤差を小さくすることができるため、ユーザの眼に表示される映像の画質を改善することができる。
【００５９】
本実施の形態では、固定レンズ４０として自由曲面レンズを用いている。本固定レンズ４０の形状を、図８及び図９に示している。図８は、固定レンズ４０を側面から見たときの形状を示す側面図である。図９は、固定レンズ４０を斜め上方から見たときの形状を示す説明図である。図８及び図９に示すように、本実施の形態において、固定レンズ４０は、その入射面４１が平面状に、出射面４２が自由曲面形状に形成されている。上記固定レンズ４０は、入射面４１が走査部３側に、出射面４２が偏向部４側を向くように配置されている。さらに、図１０に示すように、固定レンズ４０は、偏向部４の中心４Ｃに向かうレーザ光Ｌが入射面４１の中心部分に対して垂直に入射するように配置される。
【００６０】
図８及び図９に示すように、固定レンズ４０の自由曲面である出射面４２は、その中心部分より走査部３に近い耳側領域４３（偏向部４の耳側部分に向かうレーザ光が通過する部分）が凸面形状に、出射面４２の中心部分より走査部３から遠い鼻側領域４４（偏向部４の鼻側部分に向かうレーザ光が通過する部分）が凹面形状に設計されている。なお、出射面４２の中心では曲率が０になるように設定されている。
【００６１】
固定レンズ４０として、上記の構成の自由曲面レンズを図１０に示すように配置することで、偏向部４の耳側部分に向かうレーザ光は自由曲面レンズの凸面部分である耳側領域４３を通過することになる。この結果、偏向部４の耳側部分に向かうレーザ光のビームウェスト位置は凸レンズの作用により、光源に近づく方向に移動する。
【００６２】
一方、偏向部４の鼻側部分に向かうレーザ光は、自由曲面レンズの凹面部分である鼻側領域４４を通過する。この結果、偏向部４の鼻側部分に向かうレーザ光のビームウェスト位置は凹レンズの作用により、光源１から遠ざかる方向に移動する。その結果、図１１に示すように走査部３の走査に伴うレーザ光のビームウェスト位置は、図中、軌跡ＷＮで示す無補正ビームウェスト位置から、軌跡ＷＣで示す補正ウェスト位置へと補正することができる。この結果、レーザ光のビームウェスト位置は、図中軌跡ＷＯで示す理想ビームウェスト位置に近づけることができ、ユーザの眼に表示する映像の画質の改善が可能となる。
【００６３】
なお、自由曲面である出射面４２の曲率の変化は一定である必要はない。図６に示すように、無補正ビームウェスト位置ＷＮと、理想ビームウェスト位置ＷＯとの差は、偏向部４の中心４Ｃに向かうレーザ光から耳側、もしくは鼻側に離れるほど大きくなる。一般に、凹レンズ又は凸レンズはその曲率の絶対値が大きいほど、レンズを通過するレーザ光のビームウェスト位置を大きく変化させる。そのため、本実施の形態では、自由曲面の中心部分の曲率を０としたとき、凸レンズとなる耳側領域では曲率の絶対値を中心から一定距離離れるごとに大きくしている。同様に、凹レンズとなる鼻側領域でも曲率の絶対値を中心から一定距離離れるごとに大きくしている。なお、耳側領域と鼻側領域とでは凹凸が逆であるため、曲率の符号は反対になっている。すなわち、自由曲面の曲率の絶対値をレンズの中心から離れるほど大きくしている。このため、図６のように、無補正ビームウェスト位置と理想ビームウェスト位置との差が中心から離れるほど大きくなる場合においても、ビームウェスト位置の補正を適切に行うことができる。
【００６４】
また、自由曲面である出射面４２の曲率がレンズ中心からの距離で変化する場合においても、耳側と鼻側とで曲率の絶対値の変化度合が同じである必要は無い。本実施の形態では図６に示すように、偏向部４に対して斜めからレーザ光を入射する場合、無補正ビームウェスト位置ＷＮと理想ビームウェスト位置ＷＯとの差は、鼻側より耳側の方が大きくなっている。そのため、本実施の形態では、自由曲面レンズにおける曲率の絶対値の変化の度合を、鼻側領域４４より耳側領域４３の方を大きくすることで、無補正ビームウェスト位置ＷＮをより適切に理想ビームウェスト位置ＷＯに近づけている。
【００６５】
上記では、水平方向（第１方向）のレーザ光の走査に対するビームウェスト位置の補正について説明したが、垂直方向（第２方向）のレーザ光の走査に対するビームウェスト位置の補正についても同様である。すなわち、レーザ光が垂直方向に走査される場合において、図２１に示すように、固定レンズ４０による補正を行っていない場合のレーザ光のビームウェスト位置ＷＮＶが、最適なビームウェスト位置ＷＯＶに近づくように（出来るだけ一致するように）、固定レンズ４０の固定レンズの光学性能が決定される。固定レンズ４０の固定レンズは、曲率中心部からの垂直方向の距離の増加に比例して、垂直方向の曲率の絶対値が線形的に減少するように構成されていることが望ましい。すなわち、固定レンズ４０の固定レンズは、所定の垂直曲率変化幅（垂直方向における単位距離あたりの曲率の変化量）を有し、曲率中心部から垂直方向に一定距離はなれる毎に、自由曲面の垂直方向の曲率の絶対値が、当該曲率変化幅の値の分だけ減少するように構成されている。これにより、図２１に示す最適なビームウェスト位置ＷＯＶに近づくように、垂直方向のビームウェスト位置を適切に補正することができる。
【００６６】
なお、自由曲面における水平方向の曲率と、垂直方向の曲率とをそれぞれ独立して設定してもよい。この場合、例えば、水平方向の曲率は前述のようにレンズの中心から離れるほどに曲率の絶対値が大きくなるように変化させる一方、垂直方向の曲率は一定のままにする等、他の条件に応じて適宜設定することができる。また、上記のように、垂直方向の曲率の絶対値がレンズの中心（曲率中心部）から離れるほど減少するように設計してもよい。この場合、走査部３の水平方向の走査だけでなく、図２１に示すように、垂直方向の走査にも対応してビームウェストの位置を最適な場所に近づけることができる。
【００６７】
また、本実施の形態の固定レンズ４０は、その入射面４１が平面形状のものに限定されず、凹面又は凸面形状のものであってよく、自由曲面形状のものであってもよい。この場合、レンズ中心を通る点以外に対してもビームウェストを最適にし、収差を小さくする効果がある。
【００６８】
なお、固定レンズ４０は、その入射面４１が自由曲面形状で、出射面４２が平面形状のものであってもよい。この場合、自由曲面形状の入射面４１側は、ＨＭＤの外側に露出されない。このため、構造が複雑な自由曲面形状の方のレンズ面を保護することができる。
【００６９】
また、本実施の形態においては、偏向部４の中央４Ｃに向かうレーザ光に対して、ビームウェスト位置が最適になるように波面形状変更部２が調節されている。しかしながら、他の点を通るビームに対して最適化していても良い。例えば、画面右端に向かうレーザ光に対してビームウェスト位置が最適になるように波面形状変更部２を調節することで、画面中央より画面右側の解像度を最適化する効果がある。
【００７０】
本実施の形態に係る他の構成例について図１２及び図１３を参照し、以下に説明する。
【００７１】
図１２は、固定レンズ４０、走査部３及び折り返しミラーの配置関係を示す説明図であり、これらの部材を上方から見た図である。一方、図１３は、図１２に示す部材の配置関係を示す説明図であり、これらの部材を側面から見た図である。
【００７２】
上述した例では、固定レンズ４０を、走査部３と偏向部４との間に直接配置する構成について説明したが、本実施の形態は上記の構成に限定されるものではない。
【００７３】
図１２及び図１３に示す構成では、固定レンズ４０と走査部３との間に折り返しミラー６０Ａを配置し、走査部３と波面形状変更部２との間に折り返しミラー６０Ｂを配置している。
【００７４】
このように、固定レンズ４０と走査部３との間に、折り返しミラー等を設けることで、走査部３と固定レンズ４０との距離を長くすることができる。これにより、光学系のサイズを小さく保ったまま、固定レンズ４０と走査部３との距離を長くすることができる。固定レンズ４０と走査部３との距離が長くなると、走査に伴ってレーザ光が固定レンズ４０に入射する領域が大きくなり、レーザ光の入射位置ごとにビームウェスト位置を補正するための最適な曲率を設定しやすくなる効果がある。
【００７５】
また、偏向部４の中心４Ｃに向かうレーザ光は、必ずしも固定レンズ４０の中心を通らなくても良い。例えば、偏向部４の中心４Ｃよりも耳側の領域における特定の点に向かうレーザ光が固定レンズ４０の中心を通るようにしてもよい。この場合、耳側だけ表示画面を大きく表示する場合などに、固定レンズ４０の大きさを小さくする効果がある。表示画面の耳側だけを大きくする例としては、眼鏡型ＨＭＤを装着したままユーザが外を歩いているときに、視界の邪魔にならない耳側の表示領域に「メール受信あり」等のメッセージを表示する場合が挙げられる。
【００７６】
また、偏向部４の中心４Ｃに向かうレーザ光に対して固定レンズ４０の自由曲面の曲率を０にしなくてもよい。例えば、偏向部４の中心４Ｃよりも耳側の領域における特定の点に向かうレーザ光に対して、波面形状変更部２がビームウェスト位置を最適化していた場合、そのレーザ光が固定レンズ４０の当該特定の点を通過する部分の自由曲面の曲率を０にするなどの処理を行っても良い。この場合、耳側の画質を最適にするなどの効果がある。
【００７７】
また、本実施の形態に係る補正部は、１枚のレンズを用いた上記の構成に限定されず、２枚以上のレンズを用いてもよい。この場合、例えば、図１４に示す構成のように、水平方向のビームウェスト位置を補正するレンズとして補正用レンズ４０Ｈを、垂直方向のビームウェスト位置を補正するレンズとして補正用レンズ４０Ｖを設ける構成にすることができる。
【００７８】
すなわち、図１４の構成では、レーザ光の垂直方向のビームウェスト位置を補正する補正用レンズ４０Ｖと、レーザ光の水平方向のビームウェスト位置を補正する補正用レンズ４０Ｈとによって固定レンズ４０が構成されている。
【００７９】
この場合、補正用レンズ４０Ｖとして、垂直方向のみ曲率をもつ自由曲面レンズを用いることができ、補正用レンズ４０Ｈとして、水平方向にのみ曲率をもつ自由曲面レンズを用いることができる。このため、補正用レンズ４０Ｖ及び補正用レンズ４０Ｈの設計及び製造を容易にすることが可能になる。
【００８０】
しかしながら、本実施の形態に係る固定レンズ４０は、上記の構成に限定されず、自由曲面レンズ以外のレンズを複数枚組み合わせることによって構成してもよい。この場合、固定レンズ４０を製造する際に特殊な自由曲面レンズを製造する必要がなくなるため、画像表示装置の製造を簡易化することが可能になる。
【００８１】
また、本実施の形態に係る眼鏡型ＨＭＤは、図２２に示すように、走査部３とレーザ光源１との間に設けられた収差補正レンズ９０をさらに含む構成とすることができる。この収差補正レンズ９０は、前記固定レンズ４０の自由曲面とは曲率の正負が逆方向の自由曲面を有するものである。この収差補正レンズ９０により、固定レンズ４０による収差の影響が抑制され、コマ収差を容易に補正することができる。よって、収差補正レンズ９０を設けることにより、ユーザに表示する映像の画質をさらに改善することが可能になる。
【００８２】
（実施の形態２）
本実施の形態に係る他の実施の形態について図面を参照し、以下に説明する。実施の形態１と同様な構成要素については同様の部材番号を付し、その説明を適宜省略する。
【００８３】
図１５は、本実施の形態に係る眼鏡型ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）の構成図を示している。本実施の形態２では、波面形状変更部２２が、走査部３の動作にあわせて駆動される２つの可動レンズ２２ａ及び２２ｂを含んでいる。波面形状変更部２２は、可動レンズ２２ａ及び２２ｂを、ＭＥＭＳまたは機械的なアクチュエータ等により駆動することができる。すなわち、本実施の形態では、走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部を、固定レンズ４０と可動レンズ２２ａ及び２２ｂとを含む構成としている。そして、これらの固定レンズ４０と可動レンズ２２ａ及び２２ｂとによって、走査部３の動作にあわせたレーザ光のビームウェスト位置の調整を行っている。
【００８４】
このように、波面形状変更部２２として可動レンズ２２ａ及び２２ｂを用いることで、固定レンズ４０で調整すべきビームウェスト位置の長さを短くすることができる。このため、固定レンズ４０全体の曲率を小さくすることができ、レーザ光に与える収差の影響を小さくすることができる。
【００８５】
このように、固定レンズからなる固定レンズ４０と、可動レンズ２２ａ及び２２ｂを含む波面形状変更部２２とを組み合せて、走査部３の動作にあわせてレーザ光のビームウェスト位置の調整をおこなうことにより、走査部３で走査されたレーザ光のビームウェスト位置をより最適な位置となるように調節することが可能となる。また、固定レンズ４０と可動レンズ２２ａ及び２２ｂとの併用により、従来よりも小型の可動レンズ２２ａ及び２２ｂを適用しても、ビームウェスト位置の高精度な調整を実現することが可能である。
【００８６】
図１６は、単焦点駆動でのビームウェスト位置を示している。図１６中、１６Ａは、補正用レンズを使用せずに、可動レンズ２２ａ及び２２ｂを走査部３の動作にあわせて単振動駆動した場合のビームウェスト位置の変化の例を示す。図１６は、走査部３によって描画される画素の水平方向の視野角と、その画素を描画するレーザ光のビームウェスト位置の関係表であり、ビームウェスト位置は走査部３からの距離で示している。１６Ａは、解像度が最適となる場合の理想ビームウェストを示したものである。ある視野角の画素が描画される際に、その画素を描画するレーザ光のビームウェスト位置が１６Ａで示す線上にあるときに、解像度が最適化される。１６Ｃは、波面形状変更部が実施の形態１のように単レンズで構成されている場合のレーザ光のビームウェスト位置を示している。この場合、１６Ｃから明らかなように、ビームウェスト位置は、固定となる。よって、実施の形態１の構成では、固定レンズ４０のみにより、１６Ａのビームウェスト位置と１６Ｃのビームウェスト位置との差を調整（小さく）する必要があった。
【００８７】
図１６中、１６Ｂは、固定レンズ４０を構成する可動レンズ２２ａ及び２２ｂを走査部３の走査にあわせて単振動駆動した場合のレーザ光のビームウェスト位置を示している。
【００８８】
１６Ｂと１６Ｃとを、それぞれ理想ビームウェスト位置１６Ａと比較すれば明らかなように、可動レンズ２２ａ・２２ｂによるビームウェスト位置１６Ｂと、最適なビームウェスト位置１６Ａとの差異は、単レンズのみを使用した場合のビームウェスト位置１６Ｃと最適なビームウェスト位置１６Ａとの差異よりも小さくなる。そのため、可動レンズによるビームウェスト位置１６Ｂを最適ビームウェスト位置１６Ａに近づけるための補正用レンズに必要な光学パワーは、単レンズによるビームウェスト位置１６Ｃを最適ビームウェスト位置１５Ａに近づけるための光学パワーよりも小さいパワーしか要しない。そのため、固定レンズ４０として、自由曲面レンズを用いることにより、固定レンズ４０の曲率を小さくすることができる。この結果、固定レンズ４０がレーザ光Ｌに与える収差の影響を小さく抑えることができる。
【００８９】
また、本実施の形態のように、走査部３の動作にあわせたビームウェスト位置の最適化を、固定レンズ４０（補正用レンズ）を利用して行うことで、可動レンズ２２ａ及び２２ｂを移動させる距離を小さく抑えることができる。この結果、波面形状変更部２２の駆動に必要な消費電力を低減することが可能になる。
【００９０】
なお、本実施の形態に係る可動レンズ２２ａ及び２２ｂとして、それぞれ水平方向、垂直方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズを用いてもよい。この場合、水平方向のビームウェストの制御と垂直方向のビームウェストの制御を、それぞれ片方の可動レンズのみで行うことが可能になる。この結果、光学系の設計が容易となる。
【００９１】
なお、可動レンズ２２ａ及び２２ｂは、実際に位置が動くレンズではなく、液晶レンズや液体レンズのように電気的な制御によって光学特性が変化する素子によって構成されていてもよい。この場合、可動レンズ２２ａ及び２２ｂを実際に動かす必要がなくなるため余計な振動を防ぐ効果がある。また、可動レンズ２２ａ及び２２ｂの動きを許容するためのスペースが不要となるため、画像表示装置のさらなる小型化を実現することができる。
【００９２】
（実施の形態３）
本実施の形態に係る他の実施の形態について図面を参照し、以下に説明する。
【００９３】
図１７は、本実施の形態３に係る眼鏡型ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）の要部の構成を示す。そして、前述の各実施の形態と同様な構成要素については同一の部材番号を付し、その説明を適宜省略する。
【００９４】
本実施の形態では、眼鏡レンズ部分に取り付けられる偏向部３４の形状を曲面形状とすることで、解像度を最適にするためのレーザ光Ｌの理想ビームウェストの位置を変更することができる構成としている。図１７中、軌跡ＷＯＦは、偏向部３４が平面形状の場合における理想ビームウェスト位置を示している。一方、軌跡ＷＯＣは、偏向部３４が曲面形状の場合における理想ビームウェスト位置の例を示している。ここで、図１７中、軌跡ＷＮは画面中央に向かうレーザ光に対してのみビームウェスト位置を最適化した場合の、走査部３によって走査されるレーザ光のビームウェスト位置を示している。図１７から明らかなように、偏向部３４を曲面とした場合の理想ビームウェスト位置ＷＯＣの方が、走査レーザ光のビームウェスト位置ＷＮとの差異が小さくなる。このため、偏向部３４を曲面形状にすることで表示解像度を向上させることが可能になる。
【００９５】
また、固定レンズ４０及び波面形状変更部２によって走査レーザ光のビームウェスト位置ＷＮを補正する際にも、固定レンズ４０に要する光学パワーを小さくすることができる。この結果、固定レンズ４０がレーザ光に与える収差の影響を小さくし、解像度を向上させることができる。
【００９６】
（実施の形態４）
本実施の形態に係る他の実施の形態について図面を参照し、以下に説明する。前述の各実施の形態と同様な構成要素については同一の部材番号を付し、その説明を適宜省略する。
【００９７】
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、走査部と偏向部との間にビームウェストを調節する調節部を配置することで、ＨＵＤの画質向上と光学系の小型化を両立する構成について説明する。
【００９８】
図１８は、本実施の形態４に係るビーム走査型のＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）の側面図、図１９にその鳥瞰図を示す。
【００９９】
図１８に示すように、車７１の内部に、ビーム走査ユニット７２が埋め込まれている。ビーム走査ユニット７２は車のフロントガラス７３の下方に取り付けられている。本実施の形態では、ビーム走査ユニット７２がインストルメント・パネルの内部に配置されており、表示装置の省スペース化が図られている。
【０１００】
なお、ビーム走査ユニット７２は、車内の計器類部分であるインストルメント・パネル（不図示）の内部ではなく、インストルメント・パネルの外部に配置してもよい。この場合、ビーム走査ユニット７２の交換や位置の変更が容易になる。
【０１０１】
ビーム走査ユニット７２によって走査された光はフロントガラス７３に取り付けられた偏向部４によって反射され、ハーフミラー７４を通過し、ドライバー３５の眼球３６に到達することで映像が視認される。上記の構成のＨＵＤでは、フロントガラス７３越しに外界風景を確認しながら、ビーム走査ユニット７２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る。このため、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７４によって反射され、光検出部１４によって検出される。
【０１０２】
なお、本実施の形態ではビーム走査ユニット７２は、レーザ光源１、波面形状変更部２、走査部３、及び制御部５から構成されている。図１９に示すように、ビーム走査ユニット７２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７３に対して斜めからレーザ光を投影する。この構成により、ビーム走査ユニット７２の配置場所の自由度を高めることができ、車両のデザイン性を向上させる効果がある。
【０１０３】
なお、上記の構成において、偏向部４は、フロントガラス７３に着脱可能に設けてもよい。この場合、フロントガラス７３へのディスプレイの表示が不要な場合は偏向部４を一時的に取り外すことにより、フロントガラス７３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。
【０１０４】
なお、偏向部４は、走査部３からの光をユーザの左右いずれかの眼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、一つの偏向部４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。
【０１０５】
また、本実施の形態においては、ユーザの眼前にハーフミラー７４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部１４に反射させる。ハーフミラー７４は、車の天井７７に支持棒７８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、ユーザの網膜上におけるレーザ光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７４および光検出部１４は、車の天井に設置する代わりにドライバー３５の眼鏡や帽子に設置しても良い。この場合、ドライバー３５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３５の安全性を向上させることができる。
【０１０６】
制御部５は、ＨＵＤ各部を制御する集積回路を備えている。各レーザの出力および、波面形状変更部２、走査部３及び光検出部１４の動作が制御部５によって行われる。
【０１０７】
また、波面形状変更部を、図１５に示したように可動レンズ２２ａ及び２２ｂを含む波面形状変更部２２とすることもできる。この場合、制御部５は、波面形状変更部２２の動作を制御する機能も含んでいる。波面形状変更部２２を可動レンズ２２ａ及び２２ｂで構成する場合、車中など振動の多い環境においては、当該可動レンズ２２ａ及び２２ｂが常時安定的に動作しているわけではなく、動作中にぶれが生じることもある。そこで、光検出部１４によりユーザの網膜上におけるレーザ光のスポットサイズの検出を行い、この検出結果に基づいて制御部５が波面形状変更部２２の可動レンズ２２ａ及び２２ｂの動作を制御して、ぶれが生じないように微調整する。これにより、表示品質の安定化を図ることができる。
【０１０８】
また、制御部５は、波面形状変更部２の動作を制御する機能も含んでいる。図１８に示す構成では、光検出部１４は天井に設けられており、制御部５は、インストルメント・パネル内部に設けられている。この場合における光検出部１４と制御部５と間の通信としては、車の内部に両者を接続する有線ケーブルを敷設して有線通信によって実現することもできるし、両者間で情報通信を行うための通信部を設けて無線通信によって実現してもよい。
【０１０９】
本実施の形態において、図１８のビーム走査型表示装置は、実施の形態１と同様に、走査部３と偏向部４との間に設けられた固定レンズ４０によって、レーザ光のビームウェスト位置を最適な位置に近づけている。また、本実施の形態では、光学系を動作させずに（波面形状変更部２のレンズを単振動駆動させる等することなく）、固定レンズを用いた固定レンズ４０によりビームウェスト位置を補正することができる。このため、車など振動の多い環境においても、ユーザに品質の高い映像を提供することができる。
【０１１０】
なお、図１８及び図１９では、ユーザの両眼の一方のみを示している。しかしながら、ビーム走査ユニット７２、偏向部４、光検出部１４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ことは言うまでもない。
【０１１１】
（実施の形態５）
本実施の形態では、車のダッシュボードなど曲面形状をもつスクリーンに対して情報表示を行う際に、ビーム走査型表示装置を用いる場合を例示する。本実施の形態におけるビーム走査型表示装置の構成図を図２０に示す。なお実施の形態１と同様の構成要素に対しては、その説明を省略する。
【０１１２】
本実施の形態においては、光源１からのレーザ光を走査部３によって走査し、スクリーン８０ａ上に映像を表示する。この時、走査部３によって走査されるレーザ光のビームウェストが、スクリーン８０ａ上にある場合に、最も表示解像度を高くすることが出来る。図２０（Ａ）中における点線は、固定レンズ４０による補正を行っていない場合のビームウェスト位置ＷＮの軌跡を示している。本実施の形態では、走査部３によって走査されるレーザ光のビームウェスト位置ＷＮが、表示面が湾曲しているスクリーン８０ａに一致するように固定レンズ４０の光学性能が決定される。
【０１１３】
図２０（Ａ）の構成例では、スクリーン８０ａの上部の映像を描画するレーザ光に対しては、ビームウェスト位置を走査部３から遠ざけるように負の光学パワーを与えている。一方、スクリーン８０ａの下部の映像を描画するレーザ光に対しては、ビームウェスト位置を走査部３に近づけるように正の光学パワーを与えるように固定レンズ４０の形状が決定される。
【０１１４】
図２０（Ａ）に示す構成では、スクリーンとして、単純な曲面スクリーン８０ａを用いている。しかしながら、スクリーンはこれに限定されず、例えば、図２０（Ｂ）に示すように、複数の曲面から構成されるスクリーンを用いてもよい。この場合、複数の曲面を用いて自由度の高い設計が可能であり、車のダッシュボードのデザイン性を高めることが可能になる。また、平面と曲面とを組み合わせてなるスクリーンを用いてもよい。
【０１１５】
なお、上記の例では、曲面形状をもつスクリーン８０ａへ情報を表示する構成として、車のダッシュボードに情報を表示する形態について説明したが、本実施の形態はこれに限定されるものではない。例えば、曲面形状をもつスクリーンは車のダッシュボードに限定する必要は無く、室内の壁面などをスクリーンとして用いる表示形態であってもよい。
【０１１６】
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。
【０１１７】
以上のように、本発明の一局面に係るビーム走査型表示装置は、光ビームを出射する光源部と、前記光源部から出射された光ビームを走査する走査部と、前記走査部で走査された走査ビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向部と、前記走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部と、を含み、前記補正部は、前記走査部と前記偏向部との間に設けられ、光学性能が固定されている固定レンズを含んでいる。
【０１１８】
上記の構成によれば、光源部から出射された光ビームは、走査部で走査された後、偏向部でユーザの眼に向かう方向へ偏向される。ここで、走査部と偏向部との間には、光学性能が固定されている固定レンズが設けられており、この固定レンズが、走査部で走査された走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部として機能する。
【０１１９】
これにより、固定レンズでもって、走査ビームのビームウェスト位置を最適な位置に変更することが可能になり、表示画質の向上を図ることができる。そして、ビームウェスト位置の補正を固定レンズで実現しているため、従来のようにレンズやミラーなどを駆動する必要がないので、光学系の小型化を図りながらも、ユーザに対して高品質な映像を表示することが可能になる。
【０１２０】
上記の構成において、前記固定レンズは自由曲面を有し、当該自由曲面の曲率は、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるように、走査ビームの前記自由曲面への入射位置に応じて異なっていることが好ましい。
【０１２１】
上記の構成によれば、固定レンズの自由曲面の曲率を走査ビームの射位置に応じて異ならせることによって、ユーザの眼に向かう走査ビームを平行光にするようにビームウェスト位置を補正するので、レンズ等を駆動することなく画質向上と光学系の小型化を両立することができる。
【０１２２】
上記の構成において、前記偏向部は、相対的に前記走査部に近い第１領域と、当該第１領域よりも前記走査部から遠い第２領域との少なくとも２つの領域を有し、前記第１領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率と、前記第２領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率とでは、曲率の正負が異なることが好ましい。
【０１２３】
上記の構成によれば、偏向部における走査部との間の相対的な位置関係において、偏向部は走査部に近い第１領域と、走査部から遠い第２領域とを含んでいる（例えば、眼鏡型ＨＭＤの場合、第１領域が耳側領域であり、第２領域が鼻側領域となる）。そして、第１領域に入射する走査ビームが固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率と、第２領域に入射する走査ビームが固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率とで、曲率の正負を異ならせることによって、ユーザの眼に向かう走査ビームを平行光にするようにビームウェスト位置を補正する。これにより、眼鏡型ＨＭＤのように偏向部に対して斜めから光ビームを投射することにより、最適なビームウェスト位置が走査ビームの偏向部への入射位置によって大きく異なる場合においても、走査ビームのビームウェスト位置を正しく補正することが可能になる。
【０１２４】
上記の構成において、前記第１領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率は、前記走査ビームに対して凸レンズの作用を及ぼすように設定されていることが好ましい。
【０１２５】
上記の構成によれば、凸レンズの作用により、偏向部における走査部に近い第１領域に入射する走査ビームのビームウェスト位置を、走査部に近い位置に移動させることができる。これにより、走査ビームのビームウェスト位置を最適なビームウェスト位置に補正することが可能になる。
【０１２６】
上記の構成において、前記固定レンズは、自由曲面の曲率の値が０になる曲率中心部を有し、前記固定レンズの自由曲面における第１方向の曲率は、前記曲率中心部の第１方向の距離が大きくなるほど曲率の絶対値が大きくなることが好ましい。
【０１２７】
上記の構成によれば、最適なビームウェスト位置が走査ビームの偏向部への第１方向（例えば、眼鏡型ＨＭＤでは水平方向）の入射位置によって大きく変化している場合でも、ビームウェスト位置を最適な位置に近づけることが可能になる。
【０１２８】
上記の構成において、前記固定レンズは、前記第１方向の曲率の絶対値が前記曲率中心部からの第１方向の距離の増加に比例して線形的に増加するように構成されていることが好ましい。
【０１２９】
上記の構成によれば、補正部の固定レンズは、第１方向に所定の曲率変化幅（第１方向における単位距離あたりの曲率の変化量）を有し、曲率中心部から第１方向に一定距離はなれる毎に、自由曲面における第１方向の曲率の絶対値が、当該曲率変化幅の値の分だけ線形増加するように構成されている。これにより、固定レンズは、自由曲面の第１方向の曲率が一定の比率で変化する形状とすることが可能となり、その設計および製造が容易となる。
【０１３０】
上記の構成において、前記第１領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する領域における前記第１方向の曲率の絶対値変化幅は、前記第２領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する領域における前記第１方向の曲率の絶対値変化幅よりも大きいことが好ましい。
【０１３１】
上記の構成によれば、最適なビームウェスト位置の変化が、偏向部の第２領域（例えば、眼鏡型ＨＭＤでは鼻側領域）に向かう走査ビームよりも、偏向部の第１領域（例えば、眼鏡型ＨＭＤでは耳側領域）に向かう走査ビームの方がより大きい場合に対応することが可能となる。
【０１３２】
上記の構成において、前記固定レンズは、前記第１方向と交差する第２方向の曲率の絶対値が前記曲率中心部からの第２方向の距離の増加に比例して線形的に減少するように構成されていることが好ましい。
【０１３３】
上記の構成によれば、補正部の固定レンズは、第２方向（例えば、眼鏡型ＨＭＤでは垂直方向）に所定の曲率変化幅（第２方向における単位距離あたりの曲率の変化量）を有し、曲率中心部から第２方向に一定距離はなれる毎に、自由曲面における第２方向の曲率の絶対値が、当該曲率変化幅の値の分だけ線形減少するように構成されている。これにより、固定レンズは、自由曲面の第２方向の曲率が一定の比率で変化する形状とすることが可能となり、その設計および製造が容易となる。また、走査ビームが第２方向に走査された際に、固定レンズから受ける収差の影響を抑えることが可能になる。
【０１３４】
上記の構成において、前記固定レンズは、前記走査ビームが入射される入射面と、当該走査ビームが出射される出射面とを含み、前記固定レンズの自由曲面が、前記出射面にのみ形成されていることが好ましい。
【０１３５】
上記の構成によれば、固定レンズの自由曲面が、入射面ではなく出射面に形成されているので、走査ビームが自由曲面に入射する面積を拡大することができる。これにより、走査ビームの走査角に応じた適切な曲率を、固定レンズの自由曲面に設定することが容易となる。
【０１３６】
上記の構成において、前記光源部から前記固定レンズまでの光路上に設けられた少なくとも一枚の折り返しミラーをさらに備え、前記走査ビームが前記走査部で走査されてから前記補正部に入射するまでの光路距離が、前記走査部と前記補正部との間の離間距離よりも長くなるように、前記折り返しミラーが配置されていることが好ましい。
【０１３７】
上記の構成によれば、折り返しミラーによって走査ビームが前記走査部で走査されてから前記補正部に入射するまでの光路距離が延長されるので、当該走査ビームが自由曲面に入射する面積を拡大することができる。これにより、走査ビームの走査角に応じた適切な曲率を、固定レンズの自由曲面に設定することが容易となる。
【０１３８】
上記の構成において、前記走査部と前記光源部との間に設けられた収差補正レンズをさらに含み、前記収差補正レンズは、前記固定レンズの自由曲面とは曲率の正負が逆方向の自由曲面を有することが好ましい。
【０１３９】
上記の構成によれば、走査部と前記光源部との間に設けられた収差補正レンズにより、固定レンズによる収差の影響が抑制され、コマ収差を容易に補正することができる。これにより、ユーザに表示する映像の画質をさらに改善することが可能になる。
【０１４０】
前記固定レンズは、第１方向に第１自由曲面を有する第１固定レンズと、第１方向と交差する第２方向に第２自由曲面を有する第２固定レンズとを含み、前記第１自由曲面及び第２自由曲面の各曲率は、前記ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるように、前記走査ビームの入射位置に応じて異なることが好ましい。
【０１４１】
上記の構成によれば、第１方向に第１自由曲面を有する第１固定レンズと第２方向に第２自由曲面を有する第２固定レンズとを、別々に設計・製造することが可能になる。これにより、固定レンズの設計・製造が容易となる。
【０１４２】
上記の構成において、前記補正部は、前記走査部と前記光源部との間に設けられ、光学性能が可変である少なくとも１つの可動レンズをさらに含むことが好ましい。
【０１４３】
上記の構成によれば、走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部補正部を、固定レンズと可動レンズとを含む構成としている。これにより、固定レンズだけでなく可動レンズをも併用して、走査ビームのビームウェスト位置をより精密に変更することが可能になる。よって、走査ビームのビームウェスト位置の調整精度が向上し、表示画質のさらなる向上を図ることができる。また、固定レンズと可動レンズとの併用により、固定レンズにおけるビームウェスト位置の調整量を削減できる。このため、固定レンズ全体の曲率を小さくすることができ、光ビームに与える収差の影響を小さくすることができる。また、固定レンズと可動レンズとの併用により、従来よりも小型の可動レンズを適用しても、ビームウェスト位置の高精度な調整を実現することが可能である。
【０１４４】
上記の構成において、前記可動レンズは、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるための理想ビームウェスト位置に、走査ビームのビームウェスト位置を近づけるように、前記走査部の動作にあわせて当該可動レンズの位置を変更することが好ましい。
【０１４５】
上記の構成によれば、可動レンズの位置を変更する位置可変型の可動レンズが用いられており、走査部の動作にあわせてビームウェスト位置を容易に変更することが可能になる。
【０１４６】
上記の構成において、前記可動レンズは、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるための理想ビームウェスト位置に、走査ビームのビームウェスト位置を近づけるように、前記走査部の動作にあわせて電気的に光学性能を変更する液晶素子であることが好ましい。
【０１４７】
上記の構成によれば、可動レンズとして電気的に光学性能を変更する液晶素子が用いられている。これにより、実際に可動レンズの位置を変更する機構が不要になるため、表示装置の小型化が実現できると共に、余分な振動の発生を抑制することが可能になる。
【０１４８】
上記の構成において、前記固定レンズは、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるように、前記可動レンズによって変更される走査ビームのビームウェスト位置と、前記理想ビームウェスト位置との差を補正するための曲面形状を有することが好ましい。
【０１４９】
上記の構成によれば、可動レンズによって走査ビームのビームウェスト位置が補正され、さらに可動レンズでは補正しきれなかった分について固定レンズによりビームウェスト位置が補正される。これにより、走査ビームのビームウェスト位置をより正確に、理想ビームウェスト位置に近づけることが可能になる。
【０１５０】
上記の構成において、前記偏向部は、曲面形状を有することが好ましい。
【０１５１】
上記の構成によれば、偏向部を曲面形状とすることにより、ユーザの眼に向かう走査ビームを平行光にするための理想ビームウェスト位置を、実際の走査ビームのビームウェスト位置に近づけることが可能になり、より高品質の映像をユーザに提供できるようになる。
【０１５２】
本発明の他の局面に係るビーム走査型表示装置は、光ビームを走査してスクリーンに情報を表示するビーム走査型表示装置であって、光ビームを出射する光源部と、前記光源部から出射された光ビームを前記スクリーンに向けて走査する走査部と、前記走査部で走査された走査ビームのビームウェスト位置を、前記スクリーンの表示面に近づけるように補正する補正部と、を含み、前記補正部は、前記走査部で走査された走査ビームが通過する位置に設けられ、光学性能が固定されている固定レンズを含んでいる。
【０１５３】
上記の構成によれば、光源部から出射された光ビームは、走査部で走査された後、固定レンズを通過してスクリーンに照射される。ここで、前記固定レンズが、走査部で走査された走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部として機能する。
【０１５４】
これにより、固定レンズでもって、スクリーンの表示面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可能になり、表示画質の向上を図ることができる。そして、ビームウェスト位置の補正を固定レンズで実現しているため、従来のようにレンズやミラーなどを駆動する必要がないので、光学系の小型化を図りながらも、様々な形状のスクリーンに対しても、高品質な映像を表示することが可能になる。
【０１５５】
なお、発明を実施するための形態の項においてなされた具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求事項との範囲内で、種々変更して実施することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１５６】
本発明にかかるビーム走査型表示装置は、ビームウェスト位置の補正手段などを有し、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。
【図１】
2010116726.tif 000003
【図２】
2010116726.tif 000004
【図３】
2010116726.tif 000005
【図４】
2010116726.tif 000006
【図５】
2010116726.tif 000007
【図６】
2010116726.tif 000008
【図７】
2010116726.tif 000009
【図８】
2010116726.tif 000010
【図９】
2010116726.tif 000011
【図１０】
2010116726.tif 000012
【図１１】
2010116726.tif 000013
【図１２】
2010116726.tif 000014
【図１３】
2010116726.tif 000015
【図１４】
2010116726.tif 000016
【図１５】
2010116726.tif 000017
【図１６】
2010116726.tif 000018
【図１７】
2010116726.tif 000019
【図１８】
2010116726.tif 000020
【図１９】
2010116726.tif 000021
【図２０】
2010116726.tif 000022
【図２１】
2010116726.tif 000023
【図２２】
2010116726.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成22年12月6日(2010.12.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを出射する光源部と、
前記光源部から出射された光ビームを走査する走査部と、
前記走査部で走査された走査ビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向部と、
前記走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部と、を含み、
前記補正部は、前記走査部と前記偏向部との間に設けられ、光学性能が固定されている固定レンズを含むことを特徴とするビーム走査型表示装置。
【請求項２】
前記固定レンズは自由曲面を有し、当該自由曲面の曲率は、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるように、走査ビームの前記自由曲面への入射位置に応じて異なってい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。
【請求項３】
前記偏向部は、相対的に前記走査部に近い第１領域と、当該第１領域よりも前記走査部から遠い第２領域との少なくとも２つの領域を有し、
前記第１領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率と、前記第２領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率とでは、曲率の正負が異なることを特徴とする請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項４】
前記第１領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率は、前記走査ビームに対して凸レンズの作用を及ぼすように設定されてい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。
【請求項５】
前記固定レンズは、自由曲面の曲率の値が０になる曲率中心部を有し、
前記固定レンズの自由曲面における第１方向の曲率は、前記曲率中心部の第１方向の距離が大きくなるほど曲率の絶対値が大きくな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。
【請求項６】
前記固定レンズは、前記第１方向の曲率の絶対値が前記曲率中心部からの第１方向の距離の増加に比例して線形的に増加するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項７】
前記第１領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する領域における前記第１方向の曲率の絶対値変化幅は、
前記第２領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する領域における前記第１方向の曲率の絶対値変化幅よりも大きい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。
【請求項８】
前記固定レンズは、前記第１方向と交差する第２方向の曲率の絶対値が前記曲率中心部からの第２方向の距離の増加に比例して線形的に減少するように構成されてい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。
【請求項９】
前記固定レンズは、前記走査ビームが入射される入射面と、当該走査ビームが出射される出射面とを含み、
前記固定レンズの自由曲面が、前記出射面にのみ形成されていることを特徴とする請求項１ないし８の何れか１項に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１０】
前記光源部から前記固定レンズまでの光路上に設けられた少なくとも一枚の折り返しミラーをさらに備え、
前記走査ビームが前記走査部で走査されてから前記補正部に入射するまでの光路距離が、前記走査部と前記補正部との間の離間距離よりも長くなるように、前記折り返しミラーが配置されていることを特徴とする請求項１ないし９の何れか１項に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１１】
前記走査部と前記光源部との間に設けられた収差補正レンズをさらに含み、
前記収差補正レンズは、前記固定レンズの自由曲面とは曲率の正負が逆方向の自由曲面を有することを特徴とする請求項８に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１２】
前記固定レンズは、第１方向に第１自由曲面を有する第１固定レンズと、第１方向と交差する第２方向に第２自由曲面を有する第２固定レンズとを含み、
前記第１自由曲面及び第２自由曲面の各曲率は、前記ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるように、前記走査ビームの入射位置に応じて異なることを特徴とする請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１３】
前記補正部は、前記走査部と前記光源部との間に設けられ、光学性能が可変である少なくとも１つの可動レンズをさらに含むことを特徴とする請求項１ないし１２の何れか１項に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１４】
前記可動レンズは、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるための理想ビームウェスト位置に、走査ビームのビームウェスト位置を近づけるように、前記走査部の動作にあわせて当該可動レンズの位置を変更することを特徴とする請求項１３に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１５】
前記可動レンズは、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるための理想ビームウェスト位置に、走査ビームのビームウェスト位置を近づけるように、前記走査部の動作にあわせて電気的に光学性能を変更する液晶素子であることを特徴とする請求項１３に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１６】
前記固定レンズは、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるように、前記可動レンズによって変更される走査ビームのビームウェスト位置と、前記理想ビームウェスト位置との差を補正するための曲面形状を有することを特徴とする請求項１４または１５に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１７】
前記偏向部は、曲面形状を有することを特徴とする請求項１ないし１６の何れか１項に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１８】
光ビームを走査してスクリーンに情報を表示するビーム走査型表示装置であって、
光ビームを出射する光源部と、
前記光源部から出射された光ビームを前記スクリーンに向けて走査する走査部と、
前記走査部で走査された走査ビームのビームウェスト位置を、前記スクリーンの表示面に近づけるように補正する補正部と、を含み、
前記補正部は、前記走査部で走査された走査ビームが通過する位置に設けられ、光学性能が固定されている固定レンズを含むことを特徴とするビーム走査型表示装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）、ＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）等のビーム走査型表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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（ビーム）を２次元走査して、眼の網膜に直描する方式（以下、ビーム走査方式、と記す）がある（例えば、特許文献１参照）。ビーム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、ビーム走査ディスプレイ、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。
【０００３】
図１Ａ及び図１Ｂは、眼鏡型のＨＭＤの一構成例を示している。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、眼鏡型のＨＭＤは、眼鏡フレームに搭載されたレーザ光を発光するレーザ光源１０１・１１０、レーザ光の波面を制御する波面形状変更部１０２・１０９、及びレーザ光を二次元方向に走査する走査部１０３・１０８を含んでいる。
【０００４】
レーザ光源１０１・１１０から出射されるレーザ光は、走査部１０３・１０８によって眼鏡レンズに向かって投影される。そして、レーザ光は、眼鏡レンズの表面に設けられた偏向部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。これらの偏向部１０４・１０７には、ハーフミラー、ホログラム光学素子（ＨＯＥ：Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）等が用いられる。ユーザは、偏向部１０４・１０７によって、外の景色と、レーザ光によって描かれる画像との両方を同時に視聴することが可能になる。走査部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等が用いられる。
【０００５】
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）。
【０００６】
しかしながら、ビーム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レーザのビームウェスト位置を変更する必要がある。なお、本明細書において、ビームウェスト位置は、走査レーザのビームウェストと走査部との距離によって表現される。
【０００７】
ビーム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。人間の眼は集光レンズになっている。このため、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、入射光は人間の眼の網膜上で小さなスポットに集光される。これにより、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。眼鏡型のビーム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、走査部の動きに合わせて走査レーザのビームウェスト位置を変更する必要がある。すなわち、走査部による走査レーザが偏向部に入射する場所に応じて、走査レーザのビームウェストの位置を変更する。これにより、偏向部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。
【０００８】
図２は、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最適ビームウエスト位置の一例を示している。
【０００９】
図２に示すように、レーザ光Ｌは、走査部１０３によって偏向部１０４に対し斜めに入射される。偏向部１０４としては、ユーザの瞳孔位置１３３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が用いられる。
【００１０】
ここで、レーザ光Ｌの適切なビームウェスト位置は、レーザ光Ｌが偏向部１０４へ入射される位置に応じて変化する。図中、点線２０１で示す軌跡は、レーザ光Ｌの適切なビームウェスト位置の一例を示している。すなわち、走査部１０３の動きによってレーザ光Ｌの向きが変っても、レーザ光Ｌのビームウェスト位置が、点線２０１で示す軌跡上に位置するように制御を行うことで人間の目に入射するビームを平行光にすることができる。
【００１１】
高画質の画像を表示する際には、走査部１０３を高速に動作させる必要がある（例えば１００Ｈｚ以上）。この場合、走査レーザのビームウェスト位置も走査部１０３の動作にあわせて高速に変更する必要がある。そこで、例えば、光学部品を単振動駆動することで高速にレーザ光のビームウェスト位置を変更する方法を用いている。
【００１２】
図３は、従来のビーム走査型のＨＭＤの要部の一構成例を示している。
【００１３】
図３に示すように、波面形状変更部１０２は、レンズを備えている。これらのレンズ１０２ａ・１０２ｂは、それぞれ走査部１０３の動きに同期して単振動駆動される。これにより、走査レーザの水平方向のビームウェスト位置及び垂直方向のビームウェスト位置が変更される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平１０−３０１０５５号公報
【特許文献２】特開２００４−１９１９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上記の従来の方法のように、レンズ等を単振動駆動させることによってレーザ光のビームウェスト位置を高速に変更する方法では、レンズ駆動のためのアクチュエータなどが必要となりＨＭＤの光学系が大きくなってしまう。眼鏡型ＨＭＤにおいては、装着性やデザイン上の観点から、光学系を小型化することが求められており、レンズを駆動する方式ではこの要求に応えることが難しい。
【００１６】
また、アクチュエータを用いてレンズの位置を変更する方法では、走査部の動作と、アクチュエータの動作とがずれた場合、理想のビームウェスト位置と実際のビームウェスト位置とが大きくずれてしまうという問題が生じる。そして、このずれを調節するためのサーボ機能を導入すると、更に光学系が大型化する。
【００１７】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２では、上記のようなビームウェスト位置を制御するための光学系の大きさの問題に対する考慮がなされていない。
【００１８】
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、走査部と偏向部との間にビームウェストの位置を調節する手段を配置することで、走査型画像表示装置の画質向上と光学系の小型化を両立することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の一局面に係るビーム走査型表示装置は、上記目的を達成するために、光ビームを出射する光源部と、前記光源部から出射された光ビームを走査する走査部と、前記走査部で走査された走査ビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向部と、前記走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部と、を含み、前記補正部は、前記走査部と前記偏向部との間に設けられ、光学性能が固定されている固定レンズを含んでいる。
【００２０】
上記の構成によれば、光源部から出射された光ビームは、走査部で走査された後、偏向部でユーザの眼に向かう方向へ偏向される。ここで、走査部と偏向部との間には、光学性能が固定されている固定レンズが設けられており、この固定レンズが、走査部で走査された走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部として機能する。
【００２１】
これにより、固定レンズでもって、走査ビームのビームウェスト位置を最適な位置に変更することが可能になり、表示画質の向上を図ることができる。そして、ビームウェスト位置の補正を固定レンズで実現しているため、従来のようにレンズやミラーなどを駆動する必要がないので、光学系の小型化を図りながらも、ユーザに対して高品質な映像を表示することが可能になる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のビーム走査型表示装置によれば、光学系の小型化を図りながらも、ユーザに対して高品質な映像を表示することが可能になる。
【００２３】
本発明のさらに他の目的、特徴、及び優れた点は、以下に示す記載によって十分わかるであろう。また、本発明の利点は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１Ａは、従来の眼鏡型のＨＭＤの一構成例を示す説明図である。図１Ｂは、従来の眼鏡型のＨＭＤの一構成例を示す説明図である。
【図２】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最適ビームウェスト位置の一例を示す説明図である。
【図３】従来のビーム走査型のＨＭＤの要部の一構成例を示す説明図である。
【図４】図４Ａは、本発明の一実施の形態に係る眼鏡型のＨＭＤの一構成例を示す説明図である。図４Ｂは、本発明の一実施の形態に係る眼鏡型のＨＭＤの一構成例を示す説明図である。
【図５】図４Ａ及び図４Ｂに示す眼鏡型ＨＭＤの要部構成を示す説明図である。
【図６】固定レンズを備えない構成におけるレーザ光のビームウェスト位置の変化を示す説明図である。
【図７】図７Ａは、レンズの通過によるレーザ光のビームウェスト位置の変化を示す説明図である。図７Ｂは、レンズの通過によるレーザ光のビームウェスト位置の変化を示す説明図である。図７Ｃは、レンズの通過によるレーザ光のビームウェスト位置の変化を示す説明図である。
【図８】本実施の形態に係る固定レンズの形状を示す説明図である。
【図９】本実施の形態に係る固定レンズの形状を示す説明図である。
【図１０】本実施の形態に係る補正部の配置例を示す説明図である。
【図１１】本実施の形態に係る補正部により補正された走査ビームのビームウェスト位置の一例を示す説明図である。
【図１２】本実施の形態に係る走査部と補正部との間の折り返しミラーの配置を示す説明図である。
【図１３】本実施の形態に係る走査部と光源との間の折り返しミラーの配置を示す説明図である。
【図１４】本実施の形態に係る補正部が複数のレンズからなる構成における配置例を示す説明図である。
【図１５】本発明の他の実施の形態に係るビーム走査型表示装置の要部の一構成例を示す説明図である。
【図１６】単焦点駆動でのビームウェスト位置を示すグラフである。
【図１７】本発明のさらに他の実施の形態に係る眼鏡型ＨＭＤの要部構成を示す説明図である。
【図１８】本発明のさらに他の実施の形態に係るビーム走査型のＨＵＤの側面図である。
【図１９】図１８に示すビーム走査型のＨＵＤの鳥瞰図である。
【図２０】本発明のさらに他の実施の形態に係るビーム走査型表示装置の構成図を示す説明図である。
【図２１】本発明の一実施の形態に係る垂直方向のレーザ光の走査に対するビームウェスト位置の補正を示す説明図である。
【図２２】本発明の他の実施の形態に係る眼鏡型のＨＭＤの要部構成の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
【００２６】
（実施の形態１）
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。本実施の形態では、本発明に係るビーム走査型表示装置として、眼鏡型ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）を例示して説明する。
【００２７】
図４Ａは、本実施の形態１に係る眼鏡型ＨＭＤの一構成例を示す平面図である。図４Ｂは、図４Ａに示す本眼鏡型ＨＭＤの側面図である。図５は、図４Ａ及び図４Ｂに示す眼鏡型ＨＭＤの詳細構成を示す図である。
【００２８】
図４Ａ、図４Ｂ及び図５に示すように、本実施の形態に係る眼鏡型ＨＭＤは、眼鏡フレームに搭載されたレーザ光（光ビーム）を発光するレーザ光源１・１０（光源部）、レーザ光の波面を制御する波面形状変更部２・９、及びレーザ光を二次元方向に走査する走査部３・８を含んでいる。
【００２９】
図５に示すように、レーザ光源１は、赤色レーザ光源１Ｒ、青色レーザ光源１Ｂ、及び緑色レーザ光源１Ｇを備えている。これらのレーザ光源１Ｒ、１Ｂ及び１Ｇから出力される各色のレーザ光は、合波されて出射される。この際、各色レーザ光源１Ｒ、１Ｂ及び１Ｇ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することができる。
【００３０】
さらに、各色レーザ光源１Ｒ、１Ｂ及び１Ｇからの出力は、後述する走査部３の動き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することができる。
【００３１】
図５の構成では、赤色レーザ光源１Ｒとして赤色半導体レーザ光源、青色レーザ光源１Ｂとして青色半導体レーザ光源１２、緑色レーザ光源１Ｇとして赤外線半導体レーザ光源及び赤外線を緑色に変換するＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：第２次高調波発生）素子が組合された光源を用いている。しかしながら、本実施の形態のレーザ光源はこれに限定されず、例えば、緑色レーザ光源１Ｇとして緑色半導体レーザ光源を用いてもよい。また、各レーザ光源１Ｒ、１Ｂ及び１Ｇとして、半導体レーザに代えて、固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ、発光ダイオードを用いてもよい。
【００３２】
図５では、各レーザ光源内でレーザ光の出力強度の変調を行っているが、本実施の形態はこれに限定されず、各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。
【００３３】
また、上記レーザ光源１・１０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する光検出部１４（図５）を備えていてもよい。
【００３４】
偏向部４・７により人間の眼の方向へ偏向されるビームの多くは、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、ビームの反射率は比較的高くなる。このため、光検出部１４にてユーザの眼の角膜からの反射光の強度を検出することによって、視線方向を検出することができる。
【００３５】
波面形状変更部２・９は、レーザ光源１・１０からのビームの波面形状をそれぞれ変化させて、後述の偏向部４・７で偏向されたビームのスポットサイズが所定の範囲内となるようにレーザ光の波形を調整している。
【００３６】
以下、ビームのスポットサイズをユーザの眼の網膜でのスポットサイズと定義して説明する。しかしながら、ビームのスポットサイズは、例えば、瞳孔でのスポットサイズ、角膜でのスポットサイズ、偏向部でのスポットサイズとしてもよい。なお、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。
【００３７】
なお、本実施の形態における「波面形状」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ものとする。
【００３８】
図５の構成では、レーザ光源１から出射されるレーザ光の波面形状を決定する波面形状変更部２としてレンズ２ａを用いている。
【００３９】
本実施の形態では、レンズ２ａの配置位置および形状は、レーザ光が偏向部４の中心部分（図６の４Ｃ）に向かうときにレーザ光のビームウェスト位置が最適になるように設定されている。すなわち、レンズ２ａ（波面形状変更部）は、図６のＷＯに示す最適ビームウェスト位置の線上に、レーザ光のビームウェスト位置が存在するように設けられている。
【００４０】
なお、本実施の形態に係るレンズ２ａの形状は特に限定されるものではなく、例えば、凹面レンズ、凸面レンズ、シリンドリカルレンズ等を用いることができる。また、これらのレンズを組み合わせて用いてもよい。さらに、レンズに代えて、回折光学素子を用いても良い。この場合、光学素子の薄型化及び軽量化を実現することができる。
【００４１】
走査部３・８は、それぞれ波面形状変更部２・９を通過したレーザ光を２次元走査する。これらの走査部３・８としては、レーザ光の角度を２次元的に変更することができる単板小型ミラーで、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）マイクロミラーを用いることができる。なお、走査部３・８は、水平走査用と垂直走査用のように２種以上の走査部の組合せで実現してもよい。この場合、水平走査と垂直走査とを独立に動作させることができるため、制御が容易になる。
【００４２】
なお、本走査部３・８によるレーザ光の走査の方法はミラーを物理的に傾ける方法に限定されず、例えば、レンズを移動したり、回折素子を回転したりする方法でもよいし、液晶レンズ、可変形状レンズ、ＡＯ素子（音響光学素子）、または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。
【００４３】
偏向部４・７は、走査部３・８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。偏向部４・７は、走査部３・８で走査されたビームがユーザの眼の瞳孔に回折・集光されるように形成されている。これらの偏向部４・７は、例えば、眼鏡のレンズの内側（眼の側）に形成されたフォトポリマー層を含み、該フォトポリマー層にリップマン体積ホログラムが形成された構成とすることができる。
【００４４】
上記フォトポリマー層に形成されるホログラムとして、赤色、緑色及び青色の各色のレーザ光源から出射されるレーザ光を反射する３つのホログラムを多重に形成してもよい。また、各色のレーザ光に対応した３層のホログラムが積層された構成としてもよい。
【００４５】
上記のホログラムの波長選択性を利用した構成によれば、光源波長以外の波長の光（外界からの光の大部分）に対しては回折の影響を与えることなく透過させると共に、光源波長の光のみを回折させる。この結果、透過型のディスプレイを実現することができる。
【００４６】
なお、本偏向部４・７は、ホログラム等回折素子を用いて偏向する構成に限定されず、凹面鏡等のミラーや、凸レンズ等のレンズを用いてもよい。この場合、ホログラムを用いる場合より、偏向部４・７を簡単に製造することができる。
【００４７】
制御部５・１１は、ＨＭＤ各部を制御する集積回路を備え、各レーザの出力及び波面形状変更部２・９、走査部３・８の動作を制御する。制御部５・１１は、ユーザに表示する内容を決定する手段を備える。なお、制御部５・１１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いてもよい。また、制御部５・１１は、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、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。
【００４８】
なお、眼鏡の左右それぞれに制御部５・１１を備えた構成について説明したが、本実施の形態はこれに限定されず、左右の何れか一方にのみ制御部を設けてもよい。すなわち、制御部５又は制御部１１のいずれか一方が、両眼に対応する各レーザ光源１・１０、波面形状変更部２・９、走査部３・８及びヘッドホン６・１２の各動作を制御する構成としてもよい。この場合、制御部５・１１が眼鏡の左右双方に設けられている構成に比べ、製造コストを削減することができると共に、表示装置全体の軽量化を実現することができる。
【００４９】
ヘッドホン部６・１２は、スピーカー（不図示）を備え、音声を出力する。なお、ヘッドホン部６・１２には、ＨＭＤ各部へ電源供給するバッテリーを備えていてもよい。この場合、ＨＭＤは外部からの電源供給のためのケーブルを備える必要が無いため、コードレス化を実現することができ、ＨＭＤの装着性の向上を図ることができる。
【００５０】
本実施の形態では、走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部として、光学性能が固定されている固定レンズ４０が用いられている。なお、本実施の形態に係る固定レンズ４０は、左目用の固定レンズ４０Ｌと、右目用の固定レンズ４０Ｒとを含む。
【００５１】
固定レンズ４０Ｌ・４０Ｒは、それぞれ走査部３・８と偏向部４・７との間に配置されており、走査部３・８で走査されたレーザ光のビームウェスト位置を、レーザ光が固定レンズ４０Ｌ・４０Ｒに入射する位置に応じて変更する。固定レンズ４０Ｌ・４０Ｒの機能及び形状の詳細については後述する。
【００５２】
なお、本ＨＭＤを構成する各部材は、１台のＨＭＤにすべて内蔵されていてもよいが本実施の形態はこれに限定されるものではない。例えば、図４のＨＭＤを構成する部材のうち、ヘッドホン部を備えていない構成としてもよい。また、ＨＭＤの各構成要素を構成する各部材が分散して配置されていてもよい。また、制御部５・１１を構成する構成部材の一部が、走査部３・８や波面形状変更部２・９に一部含まれていてもよい。また、例えば、レーザ光源を２つのＨＭＤで共有する等、図４Ａ及び図４Ｂに示す各部を複数の機器間で共有する構成であってもよい。レーザ光源を複数のＨＭＤで共有する場合、レーザ光源は何れか一つのＨＭＤにのみ設け、当該レーザ光源をその他のＨＭＤと光ファイバで接続する構成とすることができる。あるいは、レーザ光源を複数のＨＭＤとは別の筐体に収納し、当該レーザ光源と複数のＨＭＤとをそれぞれ光ファイバで接続する構成とすることができる。
【００５３】
次に、レーザの走査にあわせてビームウェスト位置を補正する固定レンズ４０Ｌ・４０Ｒの働きについて詳細に説明する。以下、説明の簡略化のため、ＨＭＤのうち片方の目である左目に対応する構成についてのみ説明するが、右目に対応する構成についても同様の処理が行われることは言うまでもない。
【００５４】
図６は、固定レンズ４０Ｌを有しない構成において、レーザ光Ｌのビームウェスト位置が走査部３の動きにあわせてどのように変化するかを示した説明図である。
【００５５】
前述の通り、本波面形状変更部２は、レーザ光Ｌが偏向部４の中心４Ｃに向かう際に、ビームウェスト位置が最適になるように設定されている。図６に示すように、走査部３の動作にあわせてビームウェスト位置の変更を行わない場合、レーザ光のビームウェスト位置は走査部３の動作に合わせて、半径が走査部３からビームウェスト位置までの長さである円弧ＷＮを描く。以下、円弧状の軌跡ＷＮが示す位置を無補正ビームウェスト位置と呼ぶ。図６から明らかなように、固定レンズ４０による補正を行わない無補正ビームウェスト位置ＷＮは、最適なビームウェスト位置ＷＯから大きくずれている。このため、偏向部４の中心４Ｃに向かうレーザ光以外は、ユーザの瞳孔３３を通過する際に平行光とはならずに網膜上で大きく広がってしまう。そのため、このままではユーザに解像度の高い映像を提示することは出来ない。
【００５６】
そこで、本実施の形態は、以下に説明するように、レーザ光のビームウェスト位置の補正を行う補正部として、走査部３と偏向部４との間に固定レンズ４０が配置された特徴的構成を備えている。
【００５７】
一般的に、レーザ光は、凸面レンズを通過すると、そのビームウェスト位置は手前側（光源に近づく方向）に移動する一方、凹面レンズを通過すると、そのビームウェスト位置は奥側（光源から遠ざかる方向）に移動する。
【００５８】
すなわち、ビームウェスト位置ＷＡを持つレーザ光Ｌ（図７Ａ）に対して、光源１とビームウェスト位置ＷＡとの間に凸レンズ４０ａを配置した場合、図７Ｂに示すように、レーザ光Ｌのビームウェストは手前側（光源に近づく方向）に移動し、図７Ｂ中ＷＢで示す位置にビームウェストが形成される。一方、ビームウェスト位置ＷＡを持つレーザ光Ｌ（図７Ａ）に対して、光源とビームウェスト位置ＷＡとの間に凹レンズ４０ｂを配置した場合、図７Ｃに示すように、レーザ光Ｌのビームウェストは奥側（光源から遠ざかる方向）に移動し、図７Ｃ中ＷＣで示す位置にビームウェストが形成される。
【００５９】
無補正ビームウェスト位置ＷＮと、最適なビームウェスト位置ＷＯとを比較すると、図６に示すように、偏向部４の耳側部分（偏向部４の中心４Ｃよりも走査部３に近い部分）に向かうレーザ光Ｌの無補正ビームウェスト位置ＷＮは、理想ビームウェスト位置ＷＯよりも奥側（光源から遠ざかる方向）にずれている。また、偏向部４の鼻側部分（偏向部４の中心４Ｃよりも走査部３から遠い部分）に向かうレーザ光の無補正ビームウェスト位置ＷＮは、理想ビームウェスト位置ＷＯよりも手前側（光源に近づく方向）にずれている。
【００６０】
そのため、偏向部４の耳側部分に向かうレーザ光は凸面レンズを通過させ、偏向部４の鼻側部分に向かうレーザ光は凹面レンズを通過させれば、耳側に向かうレーザ光のビームウェスト位置は手前側に移動し、鼻側に向かうレーザ光のビームウェスト位置を奥側に移動するようにビームウェスト位置を補正することができる。これにより、走査部３で走査されたレーザ光Ｌのビームウェスト位置と、理想ビームウェスト位置ＷＯとの誤差を小さくすることができるため、ユーザの眼に表示される映像の画質を改善することができる。
【００６１】
本実施の形態では、固定レンズ４０として自由曲面レンズを用いている。本固定レンズ４０の形状を、図８及び図９に示している。図８は、固定レンズ４０を側面から見たときの形状を示す側面図である。図９は、固定レンズ４０を斜め上方から見たときの形状を示す説明図である。図８及び図９に示すように、本実施の形態において、固定レンズ４０は、その入射面４１が平面状に、出射面４２が自由曲面形状に形成されている。上記固定レンズ４０は、入射面４１が走査部３側に、出射面４２が偏向部４側を向くように配置されている。さらに、図１０に示すように、固定レンズ４０は、偏向部４の中心４Ｃに向かうレーザ光Ｌが入射面４１の中心部分に対して垂直に入射するように配置される。
【００６２】
図８及び図９に示すように、固定レンズ４０の自由曲面である出射面４２は、その中心部分より走査部３に近い耳側領域４３（偏向部４の耳側部分に向かうレーザ光が通過する部分）が凸面形状に、出射面４２の中心部分より走査部３から遠い鼻側領域４４（偏向部４の鼻側部分に向かうレーザ光が通過する部分）が凹面形状に設計されている。なお、出射面４２の中心では曲率が０になるように設定されている。
【００６３】
固定レンズ４０として、上記の構成の自由曲面レンズを図１０に示すように配置することで、偏向部４の耳側部分に向かうレーザ光は自由曲面レンズの凸面部分である耳側領域４３を通過することになる。この結果、偏向部４の耳側部分に向かうレーザ光のビームウェスト位置は凸レンズの作用により、光源に近づく方向に移動する。
【００６４】
一方、偏向部４の鼻側部分に向かうレーザ光は、自由曲面レンズの凹面部分である鼻側領域４４を通過する。この結果、偏向部４の鼻側部分に向かうレーザ光のビームウェスト位置は凹レンズの作用により、光源１から遠ざかる方向に移動する。その結果、図１１に示すように走査部３の走査に伴うレーザ光のビームウェスト位置は、図中、軌跡ＷＮで示す無補正ビームウェスト位置から、軌跡ＷＣで示す補正ウェスト位置へと補正することができる。この結果、レーザ光のビームウェスト位置は、図中軌跡ＷＯで示す理想ビームウェスト位置に近づけることができ、ユーザの眼に表示する映像の画質の改善が可能となる。
【００６５】
なお、自由曲面である出射面４２の曲率の変化は一定である必要はない。図６に示すように、無補正ビームウェスト位置ＷＮと、理想ビームウェスト位置ＷＯとの差は、偏向部４の中心４Ｃに向かうレーザ光から耳側、もしくは鼻側に離れるほど大きくなる。一般に、凹レンズ又は凸レンズはその曲率の絶対値が大きいほど、レンズを通過するレーザ光のビームウェスト位置を大きく変化させる。そのため、本実施の形態では、自由曲面の中心部分の曲率を０としたとき、凸レンズとなる耳側領域では曲率の絶対値を中心から一定距離離れるごとに大きくしている。同様に、凹レンズとなる鼻側領域でも曲率の絶対値を中心から一定距離離れるごとに大きくしている。なお、耳側領域と鼻側領域とでは凹凸が逆であるため、曲率の符号は反対になっている。すなわち、自由曲面の曲率の絶対値をレンズの中心から離れるほど大きくしている。このため、図６のように、無補正ビームウェスト位置と理想ビームウェスト位置との差が中心から離れるほど大きくなる場合においても、ビームウェスト位置の補正を適切に行うことができる。
【００６６】
また、自由曲面である出射面４２の曲率がレンズ中心からの距離で変化する場合においても、耳側と鼻側とで曲率の絶対値の変化度合が同じである必要は無い。本実施の形態では図６に示すように、偏向部４に対して斜めからレーザ光を入射する場合、無補正ビームウェスト位置ＷＮと理想ビームウェスト位置ＷＯとの差は、鼻側より耳側の方が大きくなっている。そのため、本実施の形態では、自由曲面レンズにおける曲率の絶対値の変化の度合を、鼻側領域４４より耳側領域４３の方を大きくすることで、無補正ビームウェスト位置ＷＮをより適切に理想ビームウェスト位置ＷＯに近づけている。
【００６７】
上記では、水平方向（第１方向）のレーザ光の走査に対するビームウェスト位置の補正について説明したが、垂直方向（第２方向）のレーザ光の走査に対するビームウェスト位置の補正についても同様である。すなわち、レーザ光が垂直方向に走査される場合において、図２１に示すように、固定レンズ４０による補正を行っていない場合のレーザ光のビームウェスト位置ＷＮＶが、最適なビームウェスト位置ＷＯＶに近づくように（出来るだけ一致するように）、固定レンズ４０の固定レンズの光学性能が決定される。固定レンズ４０の固定レンズは、曲率中心部からの垂直方向の距離の増加に比例して、垂直方向の曲率の絶対値が線形的に減少するように構成されていることが望ましい。すなわち、固定レンズ４０の固定レンズは、所定の垂直曲率変化幅（垂直方向における単位距離あたりの曲率の変化量）を有し、曲率中心部から垂直方向に一定距離はなれる毎に、自由曲面の垂直方向の曲率の絶対値が、当該曲率変化幅の値の分だけ減少するように構成されている。これにより、図２１に示す最適なビームウェスト位置ＷＯＶに近づくように、垂直方向のビームウェスト位置を適切に補正することができる。
【００６８】
なお、自由曲面における水平方向の曲率と、垂直方向の曲率とをそれぞれ独立して設定してもよい。この場合、例えば、水平方向の曲率は前述のようにレンズの中心から離れるほどに曲率の絶対値が大きくなるように変化させる一方、垂直方向の曲率は一定のままにする等、他の条件に応じて適宜設定することができる。また、上記のように、垂直方向の曲率の絶対値がレンズの中心（曲率中心部）から離れるほど減少するように設計してもよい。この場合、走査部３の水平方向の走査だけでなく、図２１に示すように、垂直方向の走査にも対応してビームウェストの位置を最適な場所に近づけることができる。
【００６９】
また、本実施の形態の固定レンズ４０は、その入射面４１が平面形状のものに限定されず、凹面又は凸面形状のものであってよく、自由曲面形状のものであってもよい。この場合、レンズ中心を通る点以外に対してもビームウェストを最適にし、収差を小さくする効果がある。
【００７０】
なお、固定レンズ４０は、その入射面４１が自由曲面形状で、出射面４２が平面形状のものであってもよい。この場合、自由曲面形状の入射面４１側は、ＨＭＤの外側に露出されない。このため、構造が複雑な自由曲面形状の方のレンズ面を保護することができる。
【００７１】
また、本実施の形態においては、偏向部４の中央４Ｃに向かうレーザ光に対して、ビームウェスト位置が最適になるように波面形状変更部２が調節されている。しかしながら、他の点を通るビームに対して最適化していても良い。例えば、画面右端に向かうレーザ光に対してビームウェスト位置が最適になるように波面形状変更部２を調節することで、画面中央より画面右側の解像度を最適化する効果がある。
【００７２】
本実施の形態に係る他の構成例について図１２及び図１３を参照し、以下に説明する。
【００７３】
図１２は、固定レンズ４０、走査部３及び折り返しミラーの配置関係を示す説明図であり、これらの部材を上方から見た図である。一方、図１３は、図１２に示す部材の配置関係を示す説明図であり、これらの部材を側面から見た図である。
【００７４】
上述した例では、固定レンズ４０を、走査部３と偏向部４との間に直接配置する構成について説明したが、本実施の形態は上記の構成に限定されるものではない。
【００７５】
図１２及び図１３に示す構成では、固定レンズ４０と走査部３との間に折り返しミラー６０Ａを配置し、走査部３と波面形状変更部２との間に折り返しミラー６０Ｂを配置している。
【００７６】
このように、固定レンズ４０と走査部３との間に、折り返しミラー等を設けることで、走査部３と固定レンズ４０との距離を長くすることができる。これにより、光学系のサイズを小さく保ったまま、固定レンズ４０と走査部３との距離を長くすることができる。固定レンズ４０と走査部３との距離が長くなると、走査に伴ってレーザ光が固定レンズ４０に入射する領域が大きくなり、レーザ光の入射位置ごとにビームウェスト位置を補正するための最適な曲率を設定しやすくなる効果がある。
【００７７】
また、偏向部４の中心４Ｃに向かうレーザ光は、必ずしも固定レンズ４０の中心を通らなくても良い。例えば、偏向部４の中心４Ｃよりも耳側の領域における特定の点に向かうレーザ光が固定レンズ４０の中心を通るようにしてもよい。この場合、耳側だけ表示画面を大きく表示する場合などに、固定レンズ４０の大きさを小さくする効果がある。表示画面の耳側だけを大きくする例としては、眼鏡型ＨＭＤを装着したままユーザが外を歩いているときに、視界の邪魔にならない耳側の表示領域に「メール受信あり」等のメッセージを表示する場合が挙げられる。
【００７８】
また、偏向部４の中心４Ｃに向かうレーザ光に対して固定レンズ４０の自由曲面の曲率を０にしなくてもよい。例えば、偏向部４の中心４Ｃよりも耳側の領域における特定の点に向かうレーザ光に対して、波面形状変更部２がビームウェスト位置を最適化していた場合、そのレーザ光が固定レンズ４０の当該特定の点を通過する部分の自由曲面の曲率を０にするなどの処理を行っても良い。この場合、耳側の画質を最適にするなどの効果がある。
【００７９】
また、本実施の形態に係る補正部は、１枚のレンズを用いた上記の構成に限定されず、２枚以上のレンズを用いてもよい。この場合、例えば、図１４に示す構成のように、水平方向のビームウェスト位置を補正するレンズとして補正用レンズ４０Ｈを、垂直方向のビームウェスト位置を補正するレンズとして補正用レンズ４０Ｖを設ける構成にすることができる。
【００８０】
すなわち、図１４の構成では、レーザ光の垂直方向のビームウェスト位置を補正する補正用レンズ４０Ｖと、レーザ光の水平方向のビームウェスト位置を補正する補正用レンズ４０Ｈとによって固定レンズ４０が構成されている。
【００８１】
この場合、補正用レンズ４０Ｖとして、垂直方向のみ曲率をもつ自由曲面レンズを用いることができ、補正用レンズ４０Ｈとして、水平方向にのみ曲率をもつ自由曲面レンズを用いることができる。このため、補正用レンズ４０Ｖ及び補正用レンズ４０Ｈの設計及び製造を容易にすることが可能になる。
【００８２】
しかしながら、本実施の形態に係る固定レンズ４０は、上記の構成に限定されず、自由曲面レンズ以外のレンズを複数枚組み合わせることによって構成してもよい。この場合、固定レンズ４０を製造する際に特殊な自由曲面レンズを製造する必要がなくなるため、画像表示装置の製造を簡易化することが可能になる。
【００８３】
また、本実施の形態に係る眼鏡型ＨＭＤは、図２２に示すように、走査部３とレーザ光源１との間に設けられた収差補正レンズ９０をさらに含む構成とすることができる。この収差補正レンズ９０は、前記固定レンズ４０の自由曲面とは曲率の正負が逆方向の自由曲面を有するものである。この収差補正レンズ９０により、固定レンズ４０による収差の影響が抑制され、コマ収差を容易に補正することができる。よって、収差補正レンズ９０を設けることにより、ユーザに表示する映像の画質をさらに改善することが可能になる。
【００８４】
（実施の形態２）
本実施の形態に係る他の実施の形態について図面を参照し、以下に説明する。実施の形態１と同様な構成要素については同様の部材番号を付し、その説明を適宜省略する。
【００８５】
図１５は、本実施の形態に係る眼鏡型ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）の構成図を示している。本実施の形態２では、波面形状変更部２２が、走査部３の動作にあわせて駆動される２つの可動レンズ２２ａ及び２２ｂを含んでいる。波面形状変更部２２は、可動レンズ２２ａ及び２２ｂを、ＭＥＭＳまたは機械的なアクチュエータ等により駆動することができる。すなわち、本実施の形態では、走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部を、固定レンズ４０と可動レンズ２２ａ及び２２ｂとを含む構成としている。そして、これらの固定レンズ４０と可動レンズ２２ａ及び２２ｂとによって、走査部３の動作にあわせたレーザ光のビームウェスト位置の調整を行っている。
【００８６】
このように、波面形状変更部２２として可動レンズ２２ａ及び２２ｂを用いることで、固定レンズ４０で調整すべきビームウェスト位置の長さを短くすることができる。このため、固定レンズ４０全体の曲率を小さくすることができ、レーザ光に与える収差の影響を小さくすることができる。
【００８７】
このように、固定レンズからなる固定レンズ４０と、可動レンズ２２ａ及び２２ｂを含む波面形状変更部２２とを組み合せて、走査部３の動作にあわせてレーザ光のビームウェスト位置の調整をおこなうことにより、走査部３で走査されたレーザ光のビームウェスト位置をより最適な位置となるように調節することが可能となる。また、固定レンズ４０と可動レンズ２２ａ及び２２ｂとの併用により、従来よりも小型の可動レンズ２２ａ及び２２ｂを適用しても、ビームウェスト位置の高精度な調整を実現することが可能である。
【００８８】
図１６は、単焦点駆動でのビームウェスト位置を示している。図１６中、１６Ａは、補正用レンズを使用せずに、可動レンズ２２ａ及び２２ｂを走査部３の動作にあわせて単振動駆動した場合のビームウェスト位置の変化の例を示す。図１６は、走査部３によって描画される画素の水平方向の視野角と、その画素を描画するレーザ光のビームウェスト位置の関係表であり、ビームウェスト位置は走査部３からの距離で示している。１６Ａは、解像度が最適となる場合の理想ビームウェストを示したものである。ある視野角の画素が描画される際に、その画素を描画するレーザ光のビームウェスト位置が１６Ａで示す線上にあるときに、解像度が最適化される。１６Ｃは、波面形状変更部が実施の形態１のように単レンズで構成されている場合のレーザ光のビームウェスト位置を示している。この場合、１６Ｃから明らかなように、ビームウェスト位置は、固定となる。よって、実施の形態１の構成では、固定レンズ４０のみにより、１６Ａのビームウェスト位置と１６Ｃのビームウェスト位置との差を調整（小さく）する必要があった。
【００８９】
図１６中、１６Ｂは、固定レンズ４０を構成する可動レンズ２２ａ及び２２ｂを走査部３の走査にあわせて単振動駆動した場合のレーザ光のビームウェスト位置を示している。
【００９０】
１６Ｂと１６Ｃとを、それぞれ理想ビームウェスト位置１６Ａと比較すれば明らかなように、可動レンズ２２ａ・２２ｂによるビームウェスト位置１６Ｂと、最適なビームウェスト位置１６Ａとの差異は、単レンズのみを使用した場合のビームウェスト位置１６Ｃと最適なビームウェスト位置１６Ａとの差異よりも小さくなる。そのため、可動レンズによるビームウェスト位置１６Ｂを最適ビームウェスト位置１６Ａに近づけるための補正用レンズに必要な光学パワーは、単レンズによるビームウェスト位置１６Ｃを最適ビームウェスト位置１６Ａに近づけるための光学パワーよりも小さいパワーしか要しない。そのため、固定レンズ４０として、自由曲面レンズを用いることにより、固定レンズ４０の曲率を小さくすることができる。この結果、固定レンズ４０がレーザ光Ｌに与える収差の影響を小さく抑えることができる。
【００９１】
また、本実施の形態のように、走査部３の動作にあわせたビームウェスト位置の最適化を、固定レンズ４０（補正用レンズ）を利用して行うことで、可動レンズ２２ａ及び２２ｂを移動させる距離を小さく抑えることができる。この結果、波面形状変更部２２の駆動に必要な消費電力を低減することが可能になる。
【００９２】
なお、本実施の形態に係る可動レンズ２２ａ及び２２ｂとして、それぞれ水平方向、垂直方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズを用いてもよい。この場合、水平方向のビームウェストの制御と垂直方向のビームウェストの制御を、それぞれ片方の可動レンズのみで行うことが可能になる。この結果、光学系の設計が容易となる。
【００９３】
なお、可動レンズ２２ａ及び２２ｂは、実際に位置が動くレンズではなく、液晶レンズや液体レンズのように電気的な制御によって光学特性が変化する素子によって構成されていてもよい。この場合、可動レンズ２２ａ及び２２ｂを実際に動かす必要がなくなるため余計な振動を防ぐ効果がある。また、可動レンズ２２ａ及び２２ｂの動きを許容するためのスペースが不要となるため、画像表示装置のさらなる小型化を実現することができる。
【００９４】
（実施の形態３）
本実施の形態に係る他の実施の形態について図面を参照し、以下に説明する。
【００９５】
図１７は、本実施の形態３に係る眼鏡型ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）の要部の構成を示す。そして、前述の各実施の形態と同様な構成要素については同一の部材番号を付し、その説明を適宜省略する。
【００９６】
本実施の形態では、眼鏡レンズ部分に取り付けられる偏向部３４の形状を曲面形状とすることで、解像度を最適にするためのレーザ光Ｌの理想ビームウェストの位置を変更することができる構成としている。図１７中、軌跡ＷＯＦは、偏向部３４が平面形状の場合における理想ビームウェスト位置を示している。一方、軌跡ＷＯＣは、偏向部３４が曲面形状の場合における理想ビームウェスト位置の例を示している。ここで、図１７中、軌跡ＷＮは画面中央に向かうレーザ光に対してのみビームウェスト位置を最適化した場合の、走査部３によって走査されるレーザ光のビームウェスト位置を示している。図１７から明らかなように、偏向部３４を曲面とした場合の理想ビームウェスト位置ＷＯＣの方が、走査レーザ光のビームウェスト位置ＷＮとの差異が小さくなる。このため、偏向部３４を曲面形状にすることで表示解像度を向上させることが可能になる。
【００９７】
また、固定レンズ４０及び波面形状変更部２によって走査レーザ光のビームウェスト位置ＷＮを補正する際にも、固定レンズ４０に要する光学パワーを小さくすることができる。この結果、固定レンズ４０がレーザ光に与える収差の影響を小さくし、解像度を向上させることができる。
【００９８】
（実施の形態４）
本実施の形態に係る他の実施の形態について図面を参照し、以下に説明する。前述の各実施の形態と同様な構成要素については同一の部材番号を付し、その説明を適宜省略する。
【００９９】
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、走査部と偏向部との間にビームウェストを調節する調節部を配置することで、ＨＵＤの画質向上と光学系の小型化を両立する構成について説明する。
【０１００】
図１８は、本実施の形態４に係るビーム走査型のＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）の側面図、図１９にその鳥瞰図を示す。
【０１０１】
図１８に示すように、車７１の内部に、ビーム走査ユニット７２が埋め込まれている。ビーム走査ユニット７２は車のフロントガラス７３の下方に取り付けられている。本実施の形態では、ビーム走査ユニット７２がインストルメント・パネルの内部に配置されており、表示装置の省スペース化が図られている。
【０１０２】
なお、ビーム走査ユニット７２は、車内の計器類部分であるインストルメント・パネル（不図示）の内部ではなく、インストルメント・パネルの外部に配置してもよい。この場合、ビーム走査ユニット７２の交換や位置の変更が容易になる。
【０１０３】
ビーム走査ユニット７２によって走査された光はフロントガラス７３に取り付けられた偏向部４によって反射され、ハーフミラー７４を通過し、ドライバー３５の眼球３６に到達することで映像が視認される。上記の構成のＨＵＤでは、フロントガラス７３越しに外界風景を確認しながら、ビーム走査ユニット７２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る。このため、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７４によって反射され、光検出部１４によって検出される。
【０１０４】
なお、本実施の形態ではビーム走査ユニット７２は、レーザ光源１、波面形状変更部２、走査部３、及び制御部５から構成されている。図１９に示すように、ビーム走査ユニット７２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７３に対して斜めからレーザ光を投影する。この構成により、ビーム走査ユニット７２の配置場所の自由度を高めることができ、車両のデザイン性を向上させる効果がある。
【０１０５】
なお、上記の構成において、偏向部４は、フロントガラス７３に着脱可能に設けてもよい。この場合、フロントガラス７３へのディスプレイの表示が不要な場合は偏向部４を一時的に取り外すことにより、フロントガラス７３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。
【０１０６】
なお、偏向部４は、走査部３からの光をユーザの左右いずれかの眼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、一つの偏向部４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。
【０１０７】
また、本実施の形態においては、ユーザの眼前にハーフミラー７４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部１４に反射させる。ハーフミラー７４は、車の天井７７に支持棒７８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、ユーザの網膜上におけるレーザ光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７４および光検出部１４は、車の天井に設置する代わりにドライバー３５の眼鏡や帽子に設置しても良い。この場合、ドライバー３５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３５の安全性を向上させることができる。
【０１０８】
制御部５は、ＨＵＤ各部を制御する集積回路を備えている。各レーザの出力および、波面形状変更部２、走査部３及び光検出部１４の動作が制御部５によって行われる。
【０１０９】
また、波面形状変更部を、図１５に示したように可動レンズ２２ａ及び２２ｂを含む波面形状変更部２２とすることもできる。この場合、制御部５は、波面形状変更部２２の動作を制御する機能も含んでいる。波面形状変更部２２を可動レンズ２２ａ及び２２ｂで構成する場合、車中など振動の多い環境においては、当該可動レンズ２２ａ及び２２ｂが常時安定的に動作しているわけではなく、動作中にぶれが生じることもある。そこで、光検出部１４によりユーザの網膜上におけるレーザ光のスポットサイズの検出を行い、この検出結果に基づいて制御部５が波面形状変更部２２の可動レンズ２２ａ及び２２ｂの動作を制御して、ぶれが生じないように微調整する。これにより、表示品質の安定化を図ることができる。
【０１１０】
また、制御部５は、波面形状変更部２の動作を制御する機能も含んでいる。図１８に示す構成では、光検出部１４は天井に設けられており、制御部５は、インストルメント・パネル内部に設けられている。この場合における光検出部１４と制御部５と間の通信としては、車の内部に両者を接続する有線ケーブルを敷設して有線通信によって実現することもできるし、両者間で情報通信を行うための通信部を設けて無線通信によって実現してもよい。
【０１１１】
本実施の形態において、図１８のビーム走査型表示装置は、実施の形態１と同様に、走査部３と偏向部４との間に設けられた固定レンズ４０によって、レーザ光のビームウェスト位置を最適な位置に近づけている。また、本実施の形態では、光学系を動作させずに（波面形状変更部２のレンズを単振動駆動させる等することなく）、固定レンズを用いた固定レンズ４０によりビームウェスト位置を補正することができる。このため、車など振動の多い環境においても、ユーザに品質の高い映像を提供することができる。
【０１１２】
なお、図１８及び図１９では、ユーザの両眼の一方のみを示している。しかしながら、ビーム走査ユニット７２、偏向部４、光検出部１４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ことは言うまでもない。
【０１１３】
（実施の形態５）
本実施の形態では、車のダッシュボードなど曲面形状をもつスクリーンに対して情報表示を行う際に、ビーム走査型表示装置を用いる場合を例示する。本実施の形態におけるビーム走査型表示装置の構成図を図２０に示す。なお実施の形態１と同様の構成要素に対しては、その説明を省略する。
【０１１４】
本実施の形態においては、光源１からのレーザ光を走査部３によって走査し、スクリーン８０ａ上に映像を表示する。この時、走査部３によって走査されるレーザ光のビームウェストが、スクリーン８０ａ上にある場合に、最も表示解像度を高くすることが出来る。図２０（Ａ）中における点線は、固定レンズ４０による補正を行っていない場合のビームウェスト位置ＷＮの軌跡を示している。本実施の形態では、走査部３によって走査されるレーザ光のビームウェスト位置ＷＮが、表示面が湾曲しているスクリーン８０ａに一致するように固定レンズ４０の光学性能が決定される。
【０１１５】
図２０（Ａ）の構成例では、スクリーン８０ａの上部の映像を描画するレーザ光に対しては、ビームウェスト位置を走査部３から遠ざけるように負の光学パワーを与えている。一方、スクリーン８０ａの下部の映像を描画するレーザ光に対しては、ビームウェスト位置を走査部３に近づけるように正の光学パワーを与えるように固定レンズ４０の形状が決定される。
【０１１６】
図２０（Ａ）に示す構成では、スクリーンとして、単純な曲面スクリーン８０ａを用いている。しかしながら、スクリーンはこれに限定されず、例えば、図２０（Ｂ）に示すように、複数の曲面から構成されるスクリーンを用いてもよい。この場合、複数の曲面を用いて自由度の高い設計が可能であり、車のダッシュボードのデザイン性を高めることが可能になる。また、平面と曲面とを組み合わせてなるスクリーンを用いてもよい。
【０１１７】
なお、上記の例では、曲面形状をもつスクリーン８０ａへ情報を表示する構成として、車のダッシュボードに情報を表示する形態について説明したが、本実施の形態はこれに限定されるものではない。例えば、曲面形状をもつスクリーンは車のダッシュボードに限定する必要は無く、室内の壁面などをスクリーンとして用いる表示形態であってもよい。
【０１１８】
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。
【０１１９】
以上のように、本発明の一局面に係るビーム走査型表示装置は、光ビームを出射する光源部と、前記光源部から出射された光ビームを走査する走査部と、前記走査部で走査された走査ビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向部と、前記走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部と、を含み、前記補正部は、前記走査部と前記偏向部との間に設けられ、光学性能が固定されている固定レンズを含んでいる。
【０１２０】
上記の構成によれば、光源部から出射された光ビームは、走査部で走査された後、偏向部でユーザの眼に向かう方向へ偏向される。ここで、走査部と偏向部との間には、光学性能が固定されている固定レンズが設けられており、この固定レンズが、走査部で走査された走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部として機能する。
【０１２１】
これにより、固定レンズでもって、走査ビームのビームウェスト位置を最適な位置に変更することが可能になり、表示画質の向上を図ることができる。そして、ビームウェスト位置の補正を固定レンズで実現しているため、従来のようにレンズやミラーなどを駆動する必要がないので、光学系の小型化を図りながらも、ユーザに対して高品質な映像を表示することが可能になる。
【０１２２】
上記の構成において、前記固定レンズは自由曲面を有し、当該自由曲面の曲率は、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるように、走査ビームの前記自由曲面への入射位置に応じて異なっていることが好ましい。
【０１２３】
上記の構成によれば、固定レンズの自由曲面の曲率を走査ビームの射位置に応じて異ならせることによって、ユーザの眼に向かう走査ビームを平行光にするようにビームウェスト位置を補正するので、レンズ等を駆動することなく画質向上と光学系の小型化を両立することができる。
【０１２４】
上記の構成において、前記偏向部は、相対的に前記走査部に近い第１領域と、当該第１領域よりも前記走査部から遠い第２領域との少なくとも２つの領域を有し、前記第１領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率と、前記第２領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率とでは、曲率の正負が異なることが好ましい。
【０１２５】
上記の構成によれば、偏向部における走査部との間の相対的な位置関係において、偏向部は走査部に近い第１領域と、走査部から遠い第２領域とを含んでいる（例えば、眼鏡型ＨＭＤの場合、第１領域が耳側領域であり、第２領域が鼻側領域となる）。そして、第１領域に入射する走査ビームが固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率と、第２領域に入射する走査ビームが固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率とで、曲率の正負を異ならせることによって、ユーザの眼に向かう走査ビームを平行光にするようにビームウェスト位置を補正する。これにより、眼鏡型ＨＭＤのように偏向部に対して斜めから光ビームを投射することにより、最適なビームウェスト位置が走査ビームの偏向部への入射位置によって大きく異なる場合においても、走査ビームのビームウェスト位置を正しく補正することが可能になる。
【０１２６】
上記の構成において、前記第１領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する位置の曲率は、前記走査ビームに対して凸レンズの作用を及ぼすように設定されていることが好ましい。
【０１２７】
上記の構成によれば、凸レンズの作用により、偏向部における走査部に近い第１領域に入射する走査ビームのビームウェスト位置を、走査部に近い位置に移動させることができる。これにより、走査ビームのビームウェスト位置を最適なビームウェスト位置に補正することが可能になる。
【０１２８】
上記の構成において、前記固定レンズは、自由曲面の曲率の値が０になる曲率中心部を有し、前記固定レンズの自由曲面における第１方向の曲率は、前記曲率中心部の第１方向の距離が大きくなるほど曲率の絶対値が大きくなることが好ましい。
【０１２９】
上記の構成によれば、最適なビームウェスト位置が走査ビームの偏向部への第１方向（例えば、眼鏡型ＨＭＤでは水平方向）の入射位置によって大きく変化している場合でも、ビームウェスト位置を最適な位置に近づけることが可能になる。
【０１３０】
上記の構成において、前記固定レンズは、前記第１方向の曲率の絶対値が前記曲率中心部からの第１方向の距離の増加に比例して線形的に増加するように構成されていることが好ましい。
【０１３１】
上記の構成によれば、補正部の固定レンズは、第１方向に所定の曲率変化幅（第１方向における単位距離あたりの曲率の変化量）を有し、曲率中心部から第１方向に一定距離はなれる毎に、自由曲面における第１方向の曲率の絶対値が、当該曲率変化幅の値の分だけ線形増加するように構成されている。これにより、固定レンズは、自由曲面の第１方向の曲率が一定の比率で変化する形状とすることが可能となり、その設計および製造が容易となる。
【０１３２】
上記の構成において、前記第１領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する領域における前記第１方向の曲率の絶対値変化幅は、前記第２領域に入射する走査ビームが前記固定レンズの自由曲面に入射する領域における前記第１方向の曲率の絶対値変化幅よりも大きいことが好ましい。
【０１３３】
上記の構成によれば、最適なビームウェスト位置の変化が、偏向部の第２領域（例えば、眼鏡型ＨＭＤでは鼻側領域）に向かう走査ビームよりも、偏向部の第１領域（例えば、眼鏡型ＨＭＤでは耳側領域）に向かう走査ビームの方がより大きい場合に対応することが可能となる。
【０１３４】
上記の構成において、前記固定レンズは、前記第１方向と交差する第２方向の曲率の絶対値が前記曲率中心部からの第２方向の距離の増加に比例して線形的に減少するように構成されていることが好ましい。
【０１３５】
上記の構成によれば、補正部の固定レンズは、第２方向（例えば、眼鏡型ＨＭＤでは垂直方向）に所定の曲率変化幅（第２方向における単位距離あたりの曲率の変化量）を有し、曲率中心部から第２方向に一定距離はなれる毎に、自由曲面における第２方向の曲率の絶対値が、当該曲率変化幅の値の分だけ線形減少するように構成されている。これにより、固定レンズは、自由曲面の第２方向の曲率が一定の比率で変化する形状とすることが可能となり、その設計および製造が容易となる。また、走査ビームが第２方向に走査された際に、固定レンズから受ける収差の影響を抑えることが可能になる。
【０１３６】
上記の構成において、前記固定レンズは、前記走査ビームが入射される入射面と、当該走査ビームが出射される出射面とを含み、前記固定レンズの自由曲面が、前記出射面にのみ形成されていることが好ましい。
【０１３７】
上記の構成によれば、固定レンズの自由曲面が、入射面ではなく出射面に形成されているので、走査ビームが自由曲面に入射する面積を拡大することができる。これにより、走査ビームの走査角に応じた適切な曲率を、固定レンズの自由曲面に設定することが容易となる。
【０１３８】
上記の構成において、前記光源部から前記固定レンズまでの光路上に設けられた少なくとも一枚の折り返しミラーをさらに備え、前記走査ビームが前記走査部で走査されてから前記補正部に入射するまでの光路距離が、前記走査部と前記補正部との間の離間距離よりも長くなるように、前記折り返しミラーが配置されていることが好ましい。
【０１３９】
上記の構成によれば、折り返しミラーによって走査ビームが前記走査部で走査されてから前記補正部に入射するまでの光路距離が延長されるので、当該走査ビームが自由曲面に入射する面積を拡大することができる。これにより、走査ビームの走査角に応じた適切な曲率を、固定レンズの自由曲面に設定することが容易となる。
【０１４０】
上記の構成において、前記走査部と前記光源部との間に設けられた収差補正レンズをさらに含み、前記収差補正レンズは、前記固定レンズの自由曲面とは曲率の正負が逆方向の自由曲面を有することが好ましい。
【０１４１】
上記の構成によれば、走査部と前記光源部との間に設けられた収差補正レンズにより、固定レンズによる収差の影響が抑制され、コマ収差を容易に補正することができる。これにより、ユーザに表示する映像の画質をさらに改善することが可能になる。
【０１４２】
前記固定レンズは、第１方向に第１自由曲面を有する第１固定レンズと、第１方向と交差する第２方向に第２自由曲面を有する第２固定レンズとを含み、前記第１自由曲面及び第２自由曲面の各曲率は、前記ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるように、前記走査ビームの入射位置に応じて異なることが好ましい。
【０１４３】
上記の構成によれば、第１方向に第１自由曲面を有する第１固定レンズと第２方向に第２自由曲面を有する第２固定レンズとを、別々に設計・製造することが可能になる。これにより、固定レンズの設計・製造が容易となる。
【０１４４】
上記の構成において、前記補正部は、前記走査部と前記光源部との間に設けられ、光学性能が可変である少なくとも１つの可動レンズをさらに含むことが好ましい。
【０１４５】
上記の構成によれば、走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部補正部を、固定レンズと可動レンズとを含む構成としている。これにより、固定レンズだけでなく可動レンズをも併用して、走査ビームのビームウェスト位置をより精密に変更することが可能になる。よって、走査ビームのビームウェスト位置の調整精度が向上し、表示画質のさらなる向上を図ることができる。また、固定レンズと可動レンズとの併用により、固定レンズにおけるビームウェスト位置の調整量を削減できる。このため、固定レンズ全体の曲率を小さくすることができ、光ビームに与える収差の影響を小さくすることができる。また、固定レンズと可動レンズとの併用により、従来よりも小型の可動レンズを適用しても、ビームウェスト位置の高精度な調整を実現することが可能である。
【０１４６】
上記の構成において、前記可動レンズは、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるための理想ビームウェスト位置に、走査ビームのビームウェスト位置を近づけるように、前記走査部の動作にあわせて当該可動レンズの位置を変更することが好ましい。
【０１４７】
上記の構成によれば、可動レンズの位置を変更する位置可変型の可動レンズが用いられており、走査部の動作にあわせてビームウェスト位置を容易に変更することが可能になる。
【０１４８】
上記の構成において、前記可動レンズは、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるための理想ビームウェスト位置に、走査ビームのビームウェスト位置を近づけるように、前記走査部の動作にあわせて電気的に光学性能を変更する液晶素子であることが好ましい。
【０１４９】
上記の構成によれば、可動レンズとして電気的に光学性能を変更する液晶素子が用いられている。これにより、実際に可動レンズの位置を変更する機構が不要になるため、表示装置の小型化が実現できると共に、余分な振動の発生を抑制することが可能になる。
【０１５０】
上記の構成において、前記固定レンズは、ユーザの眼に向かう走査ビームが平行光になるように、前記可動レンズによって変更される走査ビームのビームウェスト位置と、前記理想ビームウェスト位置との差を補正するための曲面形状を有することが好ましい。
【０１５１】
上記の構成によれば、可動レンズによって走査ビームのビームウェスト位置が補正され、さらに可動レンズでは補正しきれなかった分について固定レンズによりビームウェスト位置が補正される。これにより、走査ビームのビームウェスト位置をより正確に、理想ビームウェスト位置に近づけることが可能になる。
【０１５２】
上記の構成において、前記偏向部は、曲面形状を有することが好ましい。
【０１５３】
上記の構成によれば、偏向部を曲面形状とすることにより、ユーザの眼に向かう走査ビームを平行光にするための理想ビームウェスト位置を、実際の走査ビームのビームウェスト位置に近づけることが可能になり、より高品質の映像をユーザに提供できるようになる。
【０１５４】
本発明の他の局面に係るビーム走査型表示装置は、光ビームを走査してスクリーンに情報を表示するビーム走査型表示装置であって、光ビームを出射する光源部と、前記光源部から出射された光ビームを前記スクリーンに向けて走査する走査部と、前記走査部で走査された走査ビームのビームウェスト位置を、前記スクリーンの表示面に近づけるように補正する補正部と、を含み、前記補正部は、前記走査部で走査された走査ビームが通過する位置に設けられ、光学性能が固定されている固定レンズを含んでいる。
【０１５５】
上記の構成によれば、光源部から出射された光ビームは、走査部で走査された後、固定レンズを通過してスクリーンに照射される。ここで、前記固定レンズが、走査部で走査された走査ビームのビームウェスト位置を補正する補正部として機能する。
【０１５６】
これにより、固定レンズでもって、スクリーンの表示面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可能になり、表示画質の向上を図ることができる。そして、ビームウェスト位置の補正を固定レンズで実現しているため、従来のようにレンズやミラーなどを駆動する必要がないので、光学系の小型化を図りながらも、様々な形状のスクリーンに対しても、高品質な映像を表示することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【０１５７】
本発明にかかるビーム走査型表示装置は、ビームウェスト位置の補正手段などを有し、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。
【０１５８】
なお、発明を実施するための形態の項においてなされた具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求事項との範囲内で、種々変更して実施することができるものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010116726.tif 000025
【図２】
2010116726.tif 000026
【図３】
2010116726.tif 000027
【図４】
2010116726.tif 000028
【図５】
2010116726.tif 000029
【図６】
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【図７】
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【図８】
2010116726.tif 000032
【図９】
2010116726.tif 000033
【図１０】
2010116726.tif 000034
【図１１】
2010116726.tif 000035
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2010116726.tif 000039
【図１６】
2010116726.tif 000040
【図１７】
2010116726.tif 000041
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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