(57)【要約】  走査型画像表示装置（２０）は、光源（１１）と、レーザビームで被走査面（２３）を２次元走査する２軸走査ミラー（１２）とを備える。そして、２軸走査ミラー（１２）を反射面の回動中心位置に保持した状態で、２軸走査ミラー（１２）に入射するレーザビームと、２軸走査ミラー（１２）から被走査面（２３）に走査されるレーザビームとを含む入射平面（１５）に垂直な一方側から見た場合において、光源（１１）と２軸走査ミラー（１２）とは、レーザビームが反射面の第１の法線に対して時計回り及び反時計回りのいずれか一方側に初期入射角α0だけ傾いて反射面に入射するような位置関係で配置される。また、２軸走査ミラー（１２）と被走査面（２３）とは、レーザビームが被走査面（２３）の第２の法線に対して時計回り及び反時計回りの他方側に初期入射角β0だけ傾いて被走査面（２３）に入射するような位置関係で配置される。
2009133698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを出射する光源と、前記光源から出射されるレーザビームを反射させる反射面を２次元的に回動させることによって、当該レーザビームで被走査面を２次元走査する走査部とを備える走査型画像表示装置であって、
前記走査部を前記反射面の回動中心位置に保持した状態で、前記走査部に入射するレーザビームと、前記走査部から前記被走査面に走査されるレーザビームとを含む入射平面に垂直な一方側から見た場合において、
前記光源と前記走査部とは、前記光源から出射されるレーザビームが、当該レーザビームの入射位置における前記反射面の第１の法線に対して時計回り及び反時計回りのいずれか一方側に初期入射角α0だけ傾いて前記反射面に入射するような位置関係で配置され、
前記走査部と前記被走査面とは、前記走査部で走査されるレーザビームが、当該レーザビームの入射位置における前記被走査面の第２の法線に対して時計回り及び反時計回りの他方側に初期入射角β0だけ傾いて前記被走査面に入射するような位置関係で配置される
走査型画像表示装置。
【請求項２】
前記走査部は、前記入射平面に垂直な第１の回動軸回りに角度振幅±θｙだけ回動すると共に、前記第１の法線及び前記第１の回動軸のいずれにも垂直な第２の回動軸周りに角度振幅±θｘだけ回動することによって、前記光源から出力されるレーザビームで前記被走査面を２次元走査するものであり、
前記第２の回動軸回りに＋θｘだけ回動した前記走査部によって走査されるレーザビームと、前記第２の回動軸回りに−θｘだけ回動した前記走査部によって走査されるレーザビームとのなす角である垂直走査角ω（α）は、前記走査部へのレーザビームの現実の入射角α（（α0−θｙ）≦α≦（α0＋θｙ））の関数として式１を満たす
【数１】
2009133698.tif 000016
請求項１に記載の走査型画像表示装置。
【請求項３】
前記垂直走査角ω（α）は、さらに、式２を満たす
【数２】
2009133698.tif 000017
請求項２に記載の走査型画像表示装置。
【請求項４】
前記走査部は、前記被走査面が前記入射平面に対して鋭角に交差するように配置されている場合に、前記第１及び第２の回動軸を前記第１の法線に対して所定の回転方向に所定の角度だけ回転させた状態で配置される
請求項２に記載の走査型画像表示装置。
【請求項５】
前記回転方向は、前記走査部で走査されたレーザビームの前記被走査面への入射位置のうち、前記走査部から最も遠い入射位置を前記入射平面に近づける方向である
請求項４に記載の走査型画像表示装置。
【請求項６】
ユーザの眼前に配置されるレンズと、一端が前記レンズに連結され、他端がユーザの側頭部に固定されるテンプルと、請求項１に記載の走査型画像表示装置とを備える眼鏡型ヘッドマウントディスプレイであって、
前記光源及び前記走査部は、前記テンプルに保持され、
前記被走査面は、前記レンズのユーザの眼に対面する側に配置され、前記走査部で走査されたレーザビームをユーザの眼に向かう方向に偏向する機能をさらに有する
眼鏡型ヘッドマウントディスプレイ。
【請求項７】
該テンプルは、さらに、前記光源から出射されたレーザビームの向きを変えて前記走査部に入射させる反射体を保持し、
前記光源と前記反射体と前記走査部とは、前記光源から前記反射体に向かうレーザビームがユーザから見て後方から前方に向かって進み、且つ前記反射体から前記走査部に向かうレーザビームがユーザから見て前方から後方に向かって進むような位置関係で配置される
請求項６に記載の眼鏡型ヘッドマウントディスプレイ。
【請求項８】
座席と、座席の前方に配置されるダッシュボードと、前記ダッシュボードの上方に配置されるフロントガラスと、請求項１に記載の走査型画像表示装置とを備える自動車であって、
前記光源及び前記走査部は、前記ダッシュボードに保持され、
前記被走査面は、前記フロントガラスの前記座席に対面する位置に配置され、前記走査部で走査されたレーザビームを前記座席に着座するユーザの眼に向かう方向に偏向する機能をさらに有する
自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査ミラーを用いてレーザビームを２次元走査するＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等の走査型画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、使用者の頭部に装着して画像表示を行うＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等の画像表示装置において、画像表示部として液晶素子や有機ＥＬなどの画素型表示デバイスを用いる方式や、レーザビームを２次元走査して眼の網膜に直描する方式など様々な方式が提案されている。【０００３】
このような画像表示装置においては、使用者への装着負担を軽減し長時間使用可能とするため、表示装置全体が小型で軽量であることが求められる。さらには一般的なめがねと同等のデザインで構成すれば、通常のめがねの様に常時装着して活動できるようになる。【０００４】
しかし、画素型表示デバイスを用いた方式は、高画質、高視野角にするほど、表示部ならびに表示部が発した光を眼まで導くプリズムやハーフミラーを用いた接眼光学系が大型になり、小型軽量化が困難である。【０００５】
また、接眼光学系が眼前を覆う構造となるので、一般的な眼鏡型の構成の実現は難しく、めがねというよりはゴーグルやヘルメットに近い形となる。その結果、自然な装着感は望み難い。【０００６】
一方、レーザ走査方式の網膜走査型ディスプレイは、小型のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーデバイスを用いて、極めて小型の表示装置を構成できる特徴がある。【０００７】
さらに、接眼光学系に、プリズムやハーフミラーではなくホログラムミラーを用いて光学系を薄型にし、装置全体をめがね型に構成する提案もされている（例えば、特許文献１参照）。【０００８】
図１７Ａ、図１７Ｂ、及び図１７Ｃに、このような走査型画像表示装置１００の例を示す。【０００９】
図１７Ａは平面図、図１７Ｂは側面図、図１７Ｃは眼側から見た図である。なお、上記の各図では、使用者の頭部および走査型画像表示装置１００の左半分のみを示しているが、両眼視対応の場合は、左右対称な構成となる（以下同様）。【００１０】
従来の走査型画像表示装置１００は、図１７Ａ及び図１７Ｂに示されるように、ユーザの眼前に配置されるレンズ１１０と、一端がレンズ１１０の外縁部に連結され、他端がユーザの側頭部に固定されるテンプル１１１とを備える。【００１１】
レンズ１１０には、ユーザの眼に対面する側にホログラムミラー１０４が形成されている。テンプル１１１には、レーザビームを出射する光源１０１、光源１０１から出射されるレーザビームでホログラムミラー１０４を二次元走査する２軸走査ミラー１０２、及び各部を制御する制御部１０３が搭載されている。【００１２】
光源１０１から出射されるレーザビームは、２軸走査ミラー１０２によってレンズ１１０に向かって投射され、レンズ１１０の表面に形成されたホログラムミラー１０４によって反射され、使用者の眼１２０に入射して網膜上に画像を形成する。ホログラムミラー１０４は、例えば、リップマン体積ホログラムを形成したフォトポリマー層であり、波長選択性を付与することによってレーザビームの波長のみを反射する。その結果、ユーザは、外の景色及びレーザビームによって描かれる画像の両方を同時に視認することが可能となっている。【００１３】
このような構成の走査型画像表示装置１００において、２軸走査ミラー１０２にＭＥＭＳミラーを使用した場合、テンプル１１１の耳１２１側（ユーザから見て２軸走査ミラーより後方）からＭＥＭＳミラーへレーザビームを照射する光軸と、眼１２０の中心軸とが略平行となる。また、ＭＥＭＳミラーへのレーザビームの入射角（反射面の法線と入射光軸のなす角）αは、２軸走査ミラー１０２からホログラムミラー１０４への入射角βと等しくなる。つまり、ＭＥＭＳミラーからのレーザビームが使用者の顔で遮られることなくホログラムミラー１０４に照射されるように配置すると、α＝β＝６０°程度となる。【００１４】
また、図１７Ａ及び図１７Ｂと同様の構成で、レーザビームの入射方向が異なる例もある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平１０−３０１０５５号公報
【特許文献２】特開２００３−０２９１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、このような従来の眼鏡型ＨＭＤにおいては、ホログラムミラーに投影される画像が台形形状に歪むという課題がある。【００１７】
図１７Ｃに示すように、２軸走査ミラー１０２からのレーザビームは、ホログラムミラー１０４に対して斜めに投影される。一般に、投射面に対して斜め位置から矩形映像を投影した場合、走査中心から遠い程、走査ビームが大きく広がって投射される。その結果、２軸走査ミラー１０２に近い側が狭く、遠い側が広い台形形状の投射領域となる。従って、ホログラムミラー１０４で反射され、眼１０５に入射して網膜に到達し、ユーザが認識する画像も台形に歪むこととなる。【００１８】
通常、フロントプロジェクタ等では、台形歪みに対応するために画像処理による補正が行われる。これは台形の上底もしくは下底の内、短い方の辺の長さに合わせて、矩形の表示領域を決定し、矩形領域からはみ出す部分（以下無効走査領域と称する）では画像の表示を行わないことで、ユーザに対しては矩形の画像を表示できる。【００１９】
しかし、この方法では投射領域が広がる側では画像を縮小して表示することになり、表示できる解像度が低下する。また、無効走査領域が大きいほど、１フレームの画像を表示する時間が短くなり、画像が暗くなる。明るさを保つには光源の光出力を上げる必要があり消費電力が増大する。【００２０】
さらに、前述したいずれの従来例においても、レンズ１１０に対して斜めに投射することによる台形歪みに関して、画像表示によって補正することは示されているが、２軸走査ミラー１０２と投射面であるホログラムミラー１０４との位置関係に関しては何ら規定されていない。【００２１】
本発明は前記課題を解決するもので、走査ミラーと投射面とを適切に配置し、投射領域の台形歪みを除去ないし低減することで無効走査領域を削減し、良好な表示を実現した走査型画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明に係る走査型画像表示装置は、レーザビームを出射する光源と、前記光源から出射されるレーザビームを反射させる反射面を２次元的に回動させることによって、当該レーザビームで被走査面を２次元走査する走査部とを備える。そして、前記走査部を前記反射面の回動中心位置に保持した状態で、前記走査部に入射するレーザビームと、前記走査部から前記被走査面に走査されるレーザビームとを含む入射平面に垂直な一方側から見た場合において、前記光源と前記走査部とは、前記光源から出射されるレーザビームが、当該レーザビームの入射位置における前記反射面の第１の法線に対して時計回り及び反時計回りのいずれか一方側に初期入射角α0だけ傾いて前記反射面に入射するような位置関係で配置される。また、前記走査部と前記被走査面とは、前記走査部で走査されるレーザビームが、当該レーザビームの入射位置における前記被走査面の第２の法線に対して時計回り及び反時計回りの他方側に初期入射角β0だけ傾いて前記被走査面に入射するような位置関係で配置される。【００２３】
上記構成とすることにより、被走査面に斜めに入射することによる台形歪みと、走査部に斜めに入射することによる台形歪みとが互いに相殺し合う。その結果、被走査面に投影される走査軌跡を矩形に近づけることができる。【００２４】
また、前記走査部は、前記入射平面に垂直な第１の回動軸回りに角度振幅±θｙだけ回動すると共に、前記第１の法線及び前記第１の回動軸のいずれにも垂直な第２の回動軸周りに角度振幅±θｘだけ回動することによって、前記光源から出力されるレーザビームで前記被走査面を２次元走査するものである。そして、前記第２の回動軸回りに＋θｘだけ回動した前記走査部によって走査されるレーザビームと、前記第２の回動軸回りに−θｘだけ回動した前記走査部によって走査されるレーザビームとのなす角である垂直走査角ω（α）は、前記走査部へのレーザビームの現実の入射角α（（α0−θｙ）≦α≦（α0＋θｙ））の関数として下記式１を満たしてもよい。【００２５】
式１の範囲内となるように、初期入射角α0、β0、及び角度振幅θｘ、θｙを決定することにより、無効面積が半分以下となり、且つ台形比を１．５以下に抑えることが可能となる。【００２６】
さらに、前記垂直走査角ω（α）は、下記式２を満たしてもよい。これにより、無効走査領域を最小化することができる。【００２７】
また、前記走査部は、前記被走査面が前記入射平面に対して鋭角に交差するように配置されている場合に、前記第１及び第２の回動軸を前記第１の法線に対して所定の回転方向に所定の角度だけ回転させた状態で配置されてもよい。具体的には、前記回転方向は、前記走査部で走査されたレーザビームの前記被走査面への入射位置のうち、前記走査部から最も遠い入射位置を前記入射平面に近づける方向であってもよい。これにより、無効面積がさらに減少する。【００２８】
本発明に係る眼鏡型ヘッドマウントディスプレイは、ユーザの眼前に配置されるレンズと、一端が前記レンズに連結され、他端がユーザの側頭部に固定されるテンプルと、上記記載の走査型画像表示装置とを備える。そして、前記光源及び前記走査部は、前記テンプルに保持される。また、前記被走査面は、前記レンズのユーザの眼に対面する側に配置され、前記走査部で走査されたレーザビームをユーザの眼に向かう方向に偏向する機能をさらに有する。【００２９】
さらに、該テンプルは、前記光源から出射されたレーザビームの向きを変えて前記走査部に入射させる反射体を保持する。そして、前記光源と前記反射体と前記走査部とは、前記光源から前記反射体に向かうレーザビームがユーザから見て後方から前方に向かって進み、且つ前記反射体から前記走査部に向かうレーザビームがユーザから見て前方から後方に向かって進むような位置関係で配置されてもよい。【００３０】
本発明に係る自動車は、座席と、座席の前方に配置されるダッシュボードと、前記ダッシュボードの上方に配置されるフロントガラスと、上記記載の走査型画像表示装置とを備える。そして前記光源及び前記走査部は、前記ダッシュボードに保持される。また、前記被走査面は、前記フロントガラスの前記座席に対面する位置に配置され、前記走査部で走査されたレーザビームを前記座席に着座するユーザの眼に向かう方向に偏向する機能をさらに有する。
【発明の効果】
【００３１】
被走査面に対しレーザビームを斜めに入射させるように配置した場合においても、走査部と被走査面とを適切に配置することで、被走査面の台形歪みを除去ないし低減することができる。その結果、無効走査領域を削減して良好な表示を実現し、より小型で低消費電力の走査型画像表示装置を実現できる。【００３２】
（本願の技術的背景に関する情報）
２００８年４月３０日に出願された出願番号２００８−１１８２５４号の日本出願の明細書、図面および特許請求の範囲における開示は、その全体を、参照用として、本願に取り込む。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、レーザビームが被走査面に初期入射角β0＝０°で入射する場合の走査型画像表示装置を示すモデル図である。
【図２】図２は、２軸走査ミラーへの現実の入射角αと垂直走査角ωとの関係を示す図である。
【図３】図３は、２軸走査ミラーへの初期入射角α0と走査軌跡の左右高さ比との関係を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１に係る走査型画像表示装置を示すモデル図である。
【図５】図５は、図１及び図４を入射平面に垂直な一方側から見た図である。
【図６】図６は、走査軌跡の台形比が１となる場合の、２軸走査ミラーへの初期入射角α0と被走査面への初期入射角β0との関係を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、初期入射角α0＝４５°、β0＝０°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、初期入射角α0＝４５°、β0＝−２６°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、初期入射角α0＝４５°、β0＝−４５°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、初期入射角α0＝４５°、β0＝２６°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の実施の形態２に係る走査型画像表示装置の平面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａの側面図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態２に係る走査型画像表示装置を示すモデル図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、初期入射角α0＝７０°、β0＝５４．５°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、初期入射角α0＝６０°、β0＝５４．５°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、初期入射角α0＝５０°、β0＝５４．５°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、初期入射角α0＝３０°、β0＝５４．５°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１０Ｅ】図１０Ｅは、初期入射角α0＝１５°、β0＝５４．５°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１０Ｆ】図１０Ｆは、初期入射角α0＝０°、β0＝５４．５°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１１】図１１は、被走査面上の走査軌跡を簡略化した図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、２軸走査ミラーへの初期入射角α0と無効面積との関係を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、２軸走査ミラーへの初期入射角α0と台形比との関係を示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の実施の形態３に係る走査型画像表示装置の平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１３Ａの側面図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、図１３Ａをユーザ側から見た図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態３に係る走査型画像表示装置を示すモデル図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、初期入射角α0＝０°、β0＝１０°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、初期入射角α0＝１９．５°、β0＝１０°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、図１５Ｂの状態を基準として、２軸走査ミラーを反時計回りに回転させた情報を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の走査型画像表示装置を搭載した自動車の一例を示す図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、従来の走査型画像表示装置を示す平面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、図１７Ａの側面図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、図１７Ａをユーザ側から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、本発明の前提を説明するためのモデル図である。まず、図１を参照して、本発明の前提となる走査型画像表示装置１０の構成要素、各構成要素の位置関係、及び動作を説明する。
【００３５】
図１に示される走査型画像表示装置１０は、光源１１と、走査部としての２軸走査ミラー１２と、被走査面１３とを備える。光源１１は、２軸走査ミラー１２に向かってレーザビームを出射する。２軸走査ミラー１２は、光源１１で出射されたレーザビームで被走査面１３を２次元走査する。
【００３６】
座標系として、２軸走査ミラー１２の回転中心を原点とし、水平方向にＸ軸、垂直上方にＹ軸、法線方向にＺ軸を取っている（配置の関係上、図１は、２軸走査ミラー１２を裏面（反射面と反対側の面）より見た図となっている。）。
【００３７】
２軸走査ミラー１２は、光源１１から出射されるレーザビームを反射させる反射面を有するＭＥＭＳミラーである。この２軸走査ミラー１２は、Ｘ軸周りに角度振幅±θｘ、Ｙ軸周りに角度振幅±θｙだけ回動することにより、レーザビームで被走査面１３を２次元走査する。そして、２軸走査ミラー１２によって２次元走査されたレーザビームは、被走査面１３上に走査軌跡１４を描く。
【００３８】
なお、２軸走査ミラー１２の走査範囲の中心を「走査中心位置（反射面の「回動中心位置」ともいう）」と定義する。より具体的には、Ｘ軸周りの角度振幅が０°、且つＹ軸周りの角度振幅が０°の状態における２軸走査ミラー１２の位置（向き）を走査中心位置と定義する。このとき、２軸走査ミラー１２の法線ベクトルＮｍは、Ｚ軸と一致する。また、走査中心位置にある２軸走査ミラー１２から被走査面１３に向かうレーザビームの軌跡を「走査中心軸１６」と、２軸走査ミラー１２と走査中心軸１６との交点を「走査中心点１７」と定義する。
【００３９】
そして、２軸走査ミラー１２が走査中心位置にある状態において、光源１１から出射されるレーザビームの２軸走査ミラー１２への初期入射角をα0、２軸走査ミラー１２で走査されるレーザビームの被走査面１３への初期入射角をβ0（図１では図示省略）とする。なお、各面への入射角は、面の法線とレーザビームの軌跡とのなす角度で表される。
【００４０】
図１に示されるように、２軸走査ミラー１２が走査中心位置にある状態で、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0を２軸走査ミラー１２の法線ベクトルＮｍからＸ軸方向に取る。すなわち、レーザビームの方向を表す入射ビームベクトルＶｉと法線ベクトルＮｍとを含む平面である入射平面１５がＸＺ平面に一致するように、光源１１及び２軸走査ミラー１２を配置する。
【００４１】
一般に、２軸走査ミラー１２のような平面ミラーで反射するレーザビームは、入射平面１５上を通る。また、反射角（２軸走査ミラー１２の法線ベクトルＮｍと反射ビームとのなす角）は入射角に等しい。従って、２軸走査ミラー１２で反射された反射ビームベクトルＶｒは入射平面１５上にあり、走査中心軸１６に一致する。
【００４２】
ここで、２軸走査ミラー１２をＹ軸周りに角度振幅±θｙだけ回動させると、法線ベクトルＮｍがＸＺ平面上を動くので、入射平面１５はＸＺ平面に一致した状態で動かず、現実の入射角α及び反射角はともに（α0−θｙ）〜（α0＋θｙ）まで変化する。これに伴って、反射ビームベクトルＶｒは、ＸＺ平面に一致する入射平面１５上を動く。このとき、反射ビームベクトルＶｒは、走査中心軸１６に対して±２θｙだけ水平方向に振れる。すなわち、２軸走査ミラー１２の水平走査角は、４θｙとなる。
【００４３】
なお、図１に示すモデルでは、被走査面１３を走査中心軸１６に垂直（β0＝０°）となるように配置している。つまり、被走査面１３の法線ベクトルＮｐ0と走査中心軸１６とが一致する。これにより、２軸走査ミラー１２から被走査面１３に向かうレーザビームの水平方向の光路長は、走査中心軸１６に対して対称となる。その結果、このモデルにおいては、被走査面１３に対してレーザビームを斜めから投射することによる台形歪みが生じない。
【００４４】
一方、２軸走査ミラー１２をＸ軸周りに角度振幅±θｘだけ回動させると、法線ベクトルＮｍが垂直方向に回転する。その結果、入射平面１５及び反射ビームベクトルＶｒは、ＸＺ平面に対して上下に傾くことになる。
【００４５】
ここで、図１に示すモデルでは、２軸走査ミラー１２の初期入射角α0≠０°であるので、２軸走査ミラー１２の垂直走査角は、水平走査角のように一定値（４θｘ）とならず、現実の入射角αに依存して変化することになる。より具体的には、入射角αが大きくなるほど垂直走査角が小さくなり、入射角αが小さくなるほど垂直走査角が大きくなる。つまり、図１に示されるように、被走査面１３上の走査軌跡１４の上下幅は、被走査面１３の右側で小さく、左側で大きくなっている（ＨＬ0＞ＨＲ0）。
【００４６】
このことをベクトルの反射式を用いて以下に表す。
【００４７】
２軸走査ミラー１２の中心（走査中心点１７）に原点を取り、水平方向にＸ軸、鉛直方向にＹ軸、２軸走査ミラー１２の法線方向にＺ軸を取る。走査中心位置における２軸走査ミラー１２の法線ベクトルＮｍ０＝（０，０，１）に対し、初期入射角α0の入射ビームベクトルＶｉは、Ｙ軸周りの回転行列Ｒｙを用いて、式３のように表すことができる。
【００４８】
【数１】
2009133698.tif 000003
【００４９】
また、２軸走査ミラー１２をＸ軸周りに角度振幅±θｘだけ回動させると、法線ベクトルＮｍは、Ｘ軸周りの回転行列Ｒｘを用いて式４のように表すことができる。
【００５０】
【数２】
2009133698.tif 000004
【００５１】
さらに、２軸走査ミラー１２を角度振幅θｘだけ回動させた時の反射ビームベクトルＶｒ（θｘ）は、上記の式３及び式４を用いて、式５のように表すことができる。
【００５２】
【数３】
2009133698.tif 000005
【００５３】
同様に、２軸走査ミラー１２を角度振幅−θｘだけ回動させた時の反射ビームベクトルＶｒ（−θｘ）は、式６のように表すことができる。
【００５４】
【数４】
2009133698.tif 000006
【００５５】
よって、Ｖｒ（θｘ）とＶｒ（−θｘ）のなす角である垂直走査角ωは、上記の式５及び式６を用いて、式７のように表すことができる。
【００５６】
【数５】
2009133698.tif 000007
【００５７】
たとえば、θｘ＝±１０°の時の現実の入射角αと垂直走査角ωとの関係を図２に示す。
【００５８】
図２に示されるように、入射角α＝０°で垂直走査角ωは４θｘ＝４０°となる。また、入射角αが増加する（図１の被走査面１３上の右側に移動する）に従って、垂直走査角ωは減少してゆくことがわかる。従って、初期入射角α0＝４５°とし、２軸走査ミラー１２をＹ軸周りにθｙ＝±１０°だけ回動させると、現実の入射角αが３５°から５５°まで変化する。
【００５９】
同様に、現実の入射角αの関数として表される垂直走査角ω（α）の値は、ω（３５°）＝ωＬ＝３２．５°からω（５５°）＝ωＲ＝２２．６°まで変化する。すなわち、走査ビームの描く走査軌跡１４の高さが左右で変化することになる。図１において、被走査面１３に投射された走査軌跡１４の左端の高さＨＬ0と右端の高さＨＲ0とが異なるのはこのためである。
【００６０】
ここで、走査中心軸１６上における２軸走査ミラー１２から被走査面１３までの距離をＬとすると、左端の高さＨＬ0及び右端の高さＨＲ0は、式８及び式９のように表すことができる。
【００６１】
【数６】
2009133698.tif 000008
【００６２】
【数７】
2009133698.tif 000009
【００６３】
θｘ＝θｙ＝±１０°だけ回動する２軸走査ミラー１２の初期入射角α0と、走査軌跡１４の左右高さ比（ＨＬ0／ＨＲ0）の関係を図３に示す。図３に示されるように、初期入射角α0が大きいほど、走査軌跡１４の左右の高さの比も大きくなる。
【００６４】
上記のように、２軸走査ミラー１２を２軸方向に振動させて、レーザビームで被走査面１３を２次元走査する走査型画像表示装置１０においては、２軸走査ミラー１２への初期入射角α≠０°とすることにより、被走査面１３への初期入射角β＝０°であっても被走査面１３上の走査軌跡１４は台形形状に歪むことになる。
【００６５】
そこで、本発明の各実施の形態１〜４では、レーザビームを被走査面１３に斜めに投射する（β0≠０°）ことによる台形歪みと、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0≠０°とすることによる台形歪みとを相殺することによって、被走査面１３上の走査軌跡１４を矩形形状とするための構成を説明する。
【００６６】
（実施の形態１）
図４及び図５を参照して、本発明の実施の形態１に係る走査型画像表示装置２０を説明する。図４は、走査型画像表示装置２０の概略構成図である。図５は、走査型画像表示装置１０、２０を上方から見た平面図である。なお、図１との相違点を中心に説明することとし、図１と共通する構成要素には同一の参照番号を付し、詳しい説明を省略する。
【００６７】
図４に示す走査型画像表示装置２０は、被走査面２３が走査中心軸１６に対して垂直でない点で、図１に示す走査型画像表示装置１０と異なる。具体的には、被走査面２３は、走査中心軸１６に対して垂直な被走査面１３に対して、鉛直軸周りに角度β0だけ反時計回りに回転している。つまり、被走査面２３は、レーザビームの初期入射角β0≠０°となるように配置されている。さらに言い換えれば、被走査面２３の法線ベクトルＮｐと走査中心軸１６とのなす角がβ0に一致する。
【００６８】
次に、図５を参照して、走査型画像表示装置１０、２０の各構成要素の位置関係を詳しく説明する。
【００６９】
まず、走査型画像表示装置１０において、走査中心点１７から被走査面１３上の走査軌跡１４の左端までの距離（つまり「光路長」。以下同じ）をＬＬ、走査軌跡１４の右端までの距離をＬＲとすると、ＬＬ＝ＬＲが成立する。一方、走査型画像表示装置２０において、走査中心点１７から被走査面２３上の走査軌跡２４の左端までの距離をＬＬ´、走査軌跡２４の右端までの距離をＬＲ´とすると、ＬＬ´＜ＬＬ、ＬＲ´＞ＬＲが成立する。つまり、実施の形態１に係る走査型画像表示装置１０の被走査面２３には、レーザビームが斜めから入射することによる台形歪みが生ずることになる。
【００７０】
ここで、走査軌跡２４の右端から走査中心軸１６に延びる垂線と走査中心軸１６との交点を点Ｐとし、走査中心点１７から点Ｐまでの距離をＡ、走査軌跡２４の右端から点Ｐまでの距離をＢと定義する。これらは、Ｂ／Ａ＝ｔａｎ2θｙ、（Ａ−Ｌ）／Ｂ＝ｔａｎβを満たすので、これらからＬＲ／ＬＲ´は、式１０のように表すことができる。
【００７１】
【数８】
2009133698.tif 000010
【００７２】
同様に、走査軌跡２４の左端から走査中心軸１６に延びる垂線と走査中心軸１６との交点を点Ｑとし、走査中心点１７から点Ｑまでの距離をＣ、走査軌跡２４の左端から点Ｑまでの距離をＤと定義する。これらは、Ｄ／Ｃ＝ｔａｎ2θｙ、（Ｌ−Ｃ）／Ｄ＝ｔａｎβを見たすので、これらからＬＬ／ＬＬ´は、式１１のように表すことができる。
【００７３】
【数９】
2009133698.tif 000011
【００７４】
さらに、ＬＲ＝ＬＬであるので、被走査面２３上の走査軌跡２４左端と右端との高さの比ＬＲ’／ＬＬ’は、式１０及び式１１を用いて、式１２のように表すことができる。
【００７５】
【数１０】
2009133698.tif 000012
【００７６】
以上のことから、次のようなことがわかる。
【００７７】
すなわち、２軸走査ミラー１２によって２次元走査されたレーザビームの走査軌跡２４は、２軸走査ミラー１２の初期入射角α0を水平面内にとった場合、現実の入射角αによって左右の高さが変わる。
【００７８】
また、レーザビームが被走査面２３に斜めから入射する（β0≠０°）場合、入射角βによっても左右高さが変わる。従って、２軸走査ミラー１２への入射角αと被走査面２３への入射角βを適切に設定すれば、走査パターンの左右の高さを同じにするかまたは左右高さの比を小さくすることができる。逆に言えば、配置によってはより高さ比が大きくなってしまう。
【００７９】
つまり、初期入射角α0の２軸走査ミラー１２で２次元走査することによる左右の高さ比（ＨＬ0／ＨＲ0）と、被走査面２３に初期入射角β0でレーザビームを走査することによる左右の光路長の比（ＬＬ´／ＬＲ´）とが互いに相殺し合うように、つまり、（ＨＬ0／ＨＲ0）×（ＬＬ´／ＬＲ´）＝１、となるように各構成要素を配置すればよい。
【００８０】
そこで、上記の式７を満たす垂直走査角ωに対し、式８、式９、及び式１２を用いて、式２の関係が成立するように、初期入射角α0、β0を設定すれば、走査軌跡２４の左右の高さ比が１となる。
【００８１】
【数１１】
2009133698.tif 000013
【００８２】
２軸走査ミラー１２の角度振幅がθｘ＝θｙ＝±１０°の場合において、上記式２を満たす初期入射角α0、β0の関係を図６に示す。
【００８３】
このように、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0による左右高さ比と、被走査面２３への初期入射角β0による左右高さ比とが、互いに打ち消しあうようにするには、図５に示されるように、初期入射角α0を２軸走査ミラー１２の法線ベクトルＮｍから反時計回りに取り、初期入射角β0を被走査面２３の法線ベクトルＮｐから時計回りに取る。
【００８４】
この場合、走査軌跡２４は、２軸走査ミラー１２への現実の入射角αの影響を受けて、入射角αが大きくなる右側で高さが低く、入射角αが小さくなる左側で高さが高くなる。これと同時に、被走査面２３への現実の入射角βの影響を受けて、入射角βが大きくなる右側で高さが高く、入射角βが小さくなる左側で高さが低くなる。つまり、これらが互いに相殺しあって、走査軌跡２４が矩形に近付く。
【００８５】
なお、本発明の効果を得るための構成は、上記に限定されない。すなわち、初期入射角α0、β0を、それぞれの法線ベクトルＮｍ、Ｎｐに対して反対周りに設定すればよい。具体的には、初期入射角α0、β0の一方を法線ベクトルＮｍ、Ｎｐに対して時計回りに設定し、他方を反時計回りに設定すればよい。一方、初期入射角α0、β0を、法線ベクトルＮｍ、Ｎｐに対して同一方向にとった場合、両者の相乗効果によって台形歪みがさらに増大する。
【００８６】
例えば、図６から明らかなように、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0＝４５°の時、被走査面２３への初期入射角β0＝２６°で上記式２を満たす。
【００８７】
図７Ａ〜図７Ｄに、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0＝４５°、２軸走査ミラー１２の角度振幅θｘ＝θｙ＝±１０°に固定し、被走査面２３への初期入射角β0を変化させた場合の走査軌跡１４、２４、２４Ａ、２４Ｂを示す。ここでは、垂直走査周波数が水平走査周波数より高い垂直高速のリサージュ走査としているが、走査軌跡１４、２４、２４Ａ、２４Ｂの形状は、どちらを高速としても同じである。
【００８８】
図７Ａは、初期入射角β0＝０°、すなわち、走査中心軸１６に垂直な被走査面１３に走査軌跡１４を示す図である。図７Ａに示されるように、走査軌跡１４の左右の高さは、ＨＬ0＞ＨＲ0となっている。
【００８９】
図７Ｂは、初期入射角β0＝−２６°（初期入射角α0と逆方向なので負号としている）の場合の走査軌跡２４を示す図である。この初期入射角α0、β0の組み合わせは、式２を満たす。つまり、走査軌跡２４の左右の高さは、ＨＬ＝ＨＲとなる。左右の高さが同じになることで、画像を表示する際の無効走査領域が最小となる。なお、「無効走査領域」とは、走査軌跡２４のうちの実際には画像が表示されない領域を指すものとする。
【００９０】
図７Ｃは、初期入射角β0＝−４５°の場合の走査軌跡２４Ａを示す図である。図７Ｂの状態からさらに初期入射角β0を大きくすると、入射角βの影響による台形歪みが大きくなる。その結果、走査軌跡２４Ａの左右の高さ比は、ＨＬ＜ＨＲとなり、無効走査領域が増加する。
【００９１】
図７Ｄは、初期入射角β0＝２６°の場合の走査軌跡２４Ｂを示す図である。つまり、初期入射角β0を図７Ｂと逆方向に取った場合の走査パターンである。もともと左端の高さが高かった図７Ａの状態からさらに左側が拡大されて、ＨＬ＞ＨＲとなる。その比は、（ＨＬ／ＨＲ）＞（ＨＬ0／ＨＲ0）となっており、無効走査領域がさらに増大している。
【００９２】
このように、被走査面２３を走査中心軸１６に対して傾けて設置する場合、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0と被走査面２３への初期入射角β0とを適切に設定することで、走査軌跡２４の形状の台形歪みを抑えることが可能である。その結果、無効走査領域の少ない良好な画像表示が実現できる。
【００９３】
通常、図１に示されるように、被走査面１３を走査中心軸１６に対して垂直に取る場合は、入射ビームと走査ビームが干渉しない範囲で初期入射角α0はなるべく小さくする方がよい。しかし、図３に示されるように、被走査面２３を走査中心軸１６に対して傾けて設置する必要がある場合は、上述のような初期入射角α0、β0の関係を考慮する必要がある。
【００９４】
（実施の形態２）
次に、図８Ａ、図８Ｂ、及び図９を参照して、本発明の実施の形態２に係る走査型画像表示装置を説明する。図８Ａは、走査型画像表示装置の平面図である。図８Ｂは、走査型画像表示装置の側面図である。図９は、走査型画像表示装置を構成する構成要素の位置関係を示すモデル図である。なお、図８Ａ及び図８Ｂでは、走査型画像表示装置の左側半分のみを図示しているが、右側も同様の構成である。また、実施の形態１と共通する構成要素には同一の参照番号を付し、詳しい説明を省略する。
【００９５】
実施の形態２に係る走査型画像表示装置は、ユーザの頭部に装着される眼鏡型ＨＭＤ（Ｈｅａｄ−Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ）３０である。この眼鏡型ＨＭＤ３０は、ユーザの眼前に配置されるレンズ３１と、一端がレンズ３１の外縁部に連結され、他端がユーザの側頭部に固定されるテンプル３２とを備える。
【００９６】
レンズ３１は、ユーザの眼に対面する側の面にホログラムミラー３３を有する。このホログラムミラー３３は、実施の形態１の被走査面２３に対応すると共に、走査されたレーザビームをユーザの眼の方向に偏向する偏向部としても機能する。
【００９７】
テンプル３２は、実施の形態１と同様の構成の光源１１及び２軸走査ミラー１２を保持すると共に、光源１１から出射されるレーザビームを２軸走査ミラー１２に導く折り返しミラー（反射体）３４、３５と、眼鏡型ＨＭＤ３０の各部を制御する制御部３６とをさらに備える。
【００９８】
上記構成の眼鏡型ＨＭＤ３０において、光源１１から出射されるレーザビームは、折り返しミラー３４、３５を経由して、２軸走査ミラー１２に入射する。２軸走査ミラー１２は、角度振幅θｘ、θｙだけ回動することによって入射したレーザビームでホログラムミラー３３を２次元走査する。ホログラムミラー３３は、２軸走査ミラー１２で走査されたレーザビームをユーザの眼の方向に偏向する。このレーザビームがユーザの眼に入射して、網膜上に画像を形成する。
【００９９】
ホログラムミラー３３は、例えば、リップマン体積ホログラムを形成したフォトポリマー層である。また、波長選択性を付与することによって、光源１１から出射されるレーザビームの波長のみを反射させることができる。その結果、ユーザは、外の景色とレーザビームによって描かれる画像との両方を同時に視認することが可能となっている。
【０１００】
図８Ａに示されるように、光源１１は、ユーザから見て後方から前方に向かってレーザビームを出射する。一方、折り返しミラー３４、３５で反射されたレーザビームは、ユーザから見て前方から後方に向かって２軸走査ミラー１２に入射する。また、２軸走査ミラー１２で走査されたレーザビームは、ユーザから見て左後方から右前方に向かってホログラムミラー３３に入射する。
【０１０１】
ここで、当該眼鏡型ＨＭＤ３０の入射平面１５は、２軸走査ミラー１２が走査中心位置にある場合において、ユーザから見て水平面となるように各構成要素を配置する。すなわち、図８Ａは、眼鏡型ＨＭＤ３０を入射平面１５に垂直な方向から見た図である。
【０１０２】
このような図８Ａにおいて、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0は、２軸走査ミラー１２の法線に対して反時計回りに設定されている。また、ホログラムミラー３３への初期入射角β0は、ホログラムミラー３３の法線に対して時計回りに設定されている。
【０１０３】
ここで、ホログラムミラー３３への初期入射角β0＝５４．５°、ユーザの眼から見たレーザビームの水平画角を１００°、垂直画角を５６°（すなわち、１６：９）とした場合、前述したように、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0の大きさによって走査軌跡の形状が変化し、２軸走査ミラー１２の必要回動角も変わってくる。
【０１０４】
具体的には、上記式２の条件を満たす２軸走査ミラー１２への初期入射角α0＝７０°、θｘ＝±２０°、θｙ＝±７．２°となる。
【０１０５】
この状態から、初期入射角α0を変化させた場合の走査軌跡の変化の様子を図１０Ａ〜図１０Ｆに示す。
【０１０６】
図１０Ａは、上記式２の条件を満たす初期入射角α0＝７０°の場合の走査軌跡を示す図である。この時、走査軌跡の上下辺は平行となり、幅Ｗ×高さＨの画像表示領域（破線で示す）からはみ出す無効走査領域が最小となる。
【０１０７】
以下、図１０Ｂ〜図１０Ｆにおいて、幅Ｗ×高さＨの画像表示領域を確保した状態で、初期入射角α0を小さくした場合の走査軌跡の形状を示す。初期入射角α0が小さくなるほど、走査軌跡の右辺の高さＨＲが大きく広がり、上下辺が非平行となって無効走査領域が増大することがわかる。
【０１０８】
この場合、ホログラムミラー３３への初期入射角β0＝５４．５°と比較的大きいため、上記式２を満たす２軸走査ミラー１２への初期入射角α0＝７０°と非常に大きな角度となる。また、この時必要な２軸走査ミラー１２の垂直方向の角度振幅θｘも±２０°と大きな値となる。
【０１０９】
しかしながら、小型且つ高速で振動する２軸走査ミラー１２においては、角度振幅θｘ＝±２０°を実現するのは困難である。そこで、初期入射角α0に上記（７０°）より小さい値を設定した場合の無効走査領域の変化を評価した。
【０１１０】
図１１は、ホログラムミラー３３上の走査軌跡を簡略化したモデル図である。
【０１１１】
図１１に示すモデル図は、走査軌跡上の端点を直線で接続することによって走査軌跡を簡略化した図である。このモデル図の各部の面積を計測することで、Ｗ×Ｈの画像表示領域に対する無効走査領域の大きさを評価する。
【０１１２】
実施の形態２における評価例を図１２Ａ及び図１２Ｂに示す。
【０１１３】
図１２Ａは、図１１のモデル図を用いて、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0と無効面積率との関係を算出した結果を示す図である。なお、「無効面積率」＝「無効走査領域の面積」／「画像表示領域の面積（Ｗ×Ｈ）」である。図１２Ｂは、図１１のモデル図を用いて、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0と走査軌跡の台形比との関係を算出した結果を示す図である。より具体的には、初期入射角α0に対する台形比（＝ＨＲ／Ｈ）をプロットしたものである。
【０１１４】
無効面積率は、図１２Ａに示されるように、初期入射角α0＝０°の時に最大（約０．６３）となり、初期入射角α0＝７０°の時に最小（約０．２３）となっている。同様に台形比は図１２Ｂに示されるように、初期入射角α0＝０°の時に最大（約２．２）となり、初期入射角α0＝７０°の時に最小（１．０）となっている。すなわち、無効面積率及び台形比は、初期入射角α0の増加に伴って減少する。
【０１１５】
また、初期入射角α0＝６０°の時の無効面積率は約４．３であり、初期入射角α0＝０°の時と比較して半減（無効面積率の最大値及び最小値の中間）している。また、このときの台形比は１．５となっている。
【０１１６】
従って、ホログラムミラー３３への初期入射角β0の値に対して、台形比が１．５となるように２軸走査ミラー１２への初期入射角α0を設定すれば、無効走査領域を半減させることができる。
【０１１７】
ここで、上記式２は、左辺が２軸走査ミラー１２への初期入射角α0による台形比、右辺がホログラムミラー３３への初期入射角β0による台形比を表しているので、無効面積率を最大値の半分に抑えるには、式１３を満たす必要がある。
【０１１８】
【数１２】
2009133698.tif 000014
【０１１９】
つまり、無効走査面積率が最大値の半分以下にするためには、式２及び式１２を用いて、初期入射角α0、β0が式１を満たすように各構成要素を配置する必要がある。
【０１２０】
【数１３】
2009133698.tif 000015
【０１２１】
すなわち、式１の関係を満たせば、画像表示領域に対する無効領域を半減させることができる。
【０１２２】
（実施の形態３）
次に、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ、及び図１４を参照して、本発明の実施の形態３に係る走査型画像表示装置を説明する。図１３Ａは、走査型画像表示装置の平面図である。図１３Ｂは、走査型画像表示装置の側面図である。図１３Ｃは、図１３Ａの走査中心軸１６を含む鉛直面における断面図である。図１４は、走査型画像表示装置を構成する構成要素の位置関係を示すモデル図である。なお、図１３Ａ〜図１４では、走査型画像表示装置の左側半分のみを図示しているが、右側も同様の構成である。また、実施の形態１、２と共通する構成要素には同一の参照番号を付し、詳しい説明を省略する。
【０１２３】
実施の形態３に係る走査型画像表示装置は、眼鏡型ＨＭＤ４０である。実施の形態３に係る眼鏡型ＨＭＤ４０は、基本的には実施の形態２に係る眼鏡型ＨＭＤ３０と同様の構成であるが、レンズ４１を通常のめがねと同様に、前方にβ（通常１０°程度）傾けている。また、これに合わせて、折り返しミラー４４、４５を２軸走査ミラー１２の下方に配置し、レーザビームが下方から２軸走査ミラー１２に入射するよう構成されている。
【０１２４】
より具体的には、眼鏡型ＨＭＤ３０と比較して、レンズ４１の上端が前方に、下端が後方に移動するように傾斜している。また、この方向への傾斜角度は、鉛直面に対してβ0である。また、折り返しミラー４４、４５は、光源１１から出射されたレーザビームを、走査中心軸１６を含む鉛直平面上であって、且つ走査中心軸１６より下側から２軸走査ミラー１２に入射させる。
【０１２５】
これは、図１に対して、入射平面１５を鉛直方向に配置したことに相当する。すなわち、図１３Ｃに示すように、眼鏡型ＨＭＤ３０を水平方向（入射平面１５に垂直な方向）から見た場合に、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0は、２軸走査ミラー１２の法線に対して反時計回りに設定されている。一方、ホログラムミラー３３への初期入射角β0は、ホログラムミラー３３の法線に対して時計回りに設定されている。
【０１２６】
ここで、ホログラムミラー３３への初期入射角β0＝１０°の時、式２の関係を満たす２軸走査ミラー１２への初期入射角α0＝１９．５°である。従って、初期入射角α＝１９．５°、β＝１０°とすれば、レンズ４１を前傾させたことによる台形歪みは解消される。
【０１２７】
しかし、図１３Ａに示すように、ホログラムミラー３３は、さらに走査中心軸１６に対して水平方向にも傾いている。言い換えれば、ホログラムミラー３３は、入射平面１５に対して鋭角（≠９０°）に交差するように傾いている。その結果、走査軌跡の右上が２軸走査ミラー１２から最も遠くなり、右上方向に広がった形状となる。
【０１２８】
図１５Ａ、図１５Ｂ、及び図１５Ｃは、上記構成の眼鏡型ＨＭＤ４０のホログラムミラー３３上の走査軌跡の形状を示す図である。
【０１２９】
図１５Ａは、初期入射角α0＝０°の時の走査軌跡を示している。この場合の走査軌跡は、ホログラムミラー３３が前傾していることで上方に向かって広がっている。また、同時に右側が遠いことで右上が大きく広がった形状となっている。
【０１３０】
図１５Ｂは、初期入射角α0＝１９．５°の時の走査軌跡を示している。このように、初期入射角α0、β0を式２を満たすように設定することで、上方への広がりは低減され、左右の辺はほぼ平行となっている。しかし、右側が遠いことによる右上方への広がりのため、走査線が斜めに傾いているので、破線で示した画像表示領域の矩形が小さくなる。
【０１３１】
そこで、図１５Ｃに示すように、図１５Ｂの状態を基準として、２軸走査ミラー１２を回動軸（Ｘ軸、Ｙ軸）ごと２軸走査ミラー１２の法線まわりに回転させると、走査軌跡もこれに追従して回転する。その結果、走査線の斜めの傾きをなくすことができる。２軸走査ミラー１２の回転方向は、走査中心点１７から最も遠い走査軌跡上の点を入射平面１５に近づける方向である。
【０１３２】
具体的には、図１５Ｂにおいて、走査中心点１７から最も遠い走査軌跡上の点は、右上の点Ｒである。また、入射平面１５は、走査中心軸１６を含む鉛直面である。すなわち、図１５Ｃのように、図１５Ｂの状態から、２軸走査ミラー１２を反時計回りに７°回転して設置すると、走査軌跡の左右の辺がほぼ垂直となり、走査線の傾きも解消する。これにより、画像表示領域も十分確保でき、画像表示領域の上下に無効走査領域は残るものの、図１５Ａ及び図１５Ｂに比べて、走査線がほぼ垂直で平行になり、良好な表示が可能となる。
【０１３３】
以上のように、２軸走査ミラー１２を用いた走査型画像表示装置では、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0、ホログラムミラー３３（被走査面）への初期入射角β0、及び２軸走査ミラー１２の法線まわりの設置角度を適切に設定することで、画像表示領域に対する走査軌跡の形状を適切に設定し、良好な表示を実現できる。
【０１３４】
なお、本実施例ではいずれも２軸共振ミラーを想定したリサージュパターンの例で説明したが、走査軌跡自体は通常のラスタースキャンでも全く同様である。
【０１３５】
（実施の形態４）
次に、図１６を参照して、本発明の走査型画像表示装置を車載用に適用した実施の形態４について説明する。図１６は、本発明の走査型画像表示装置を搭載した自動車５０を示す図である。より具体的には、自動車５０の車内から前方を見た図である。なお、実施の形態１〜３と共通する構成には同一の参照番号を付し、詳しい説明は省略する。
【０１３６】
自動車５０は、図１６に示されるように、座席（図示省略）と、座席の前方に配置されるダッシュボード５１と、ダッシュボード５１の上方に配置されるフロントガラス５２と、ダッシュボード５１の運転席に対面する面に配置されるインパネ５３と、バックミラー５４と、ステアリング５５とを主に備える。
【０１３７】
上記構成の自動車５０において、光源１１及び２軸走査ミラー１２（図１６では図示省略）は、ダッシュボード５１の内部に保持されている。また、ホログラムミラー３３は、フロントガラス５２の座席（運転席及び助手席）に対面する位置と、インパネ５３とにそれぞれ取り付けられている。そして、２軸走査ミラー１２で走査されたレーザビームは、ダッシュボード５１に設けられた投射開口部５６、５７から各ホログラムミラー３３に投射される。
【０１３８】
具体的には、ダッシュボード５１の中央部に設けられた投射開口部５６からステアリング５５の背後に位置するインパネ５３に向かって、レーザビームを投射している。また、ダッシュボード５１の上面に設けられた投射開口部５７からフロントガラス５２に向って、レーザビームを投射している。
【０１３９】
なお、フロントガラス５２やインパネ５３には、ホログラムミラー３３に代えて、反射スクリーンや半透過拡散スクリーン等を適用してもよい。
【０１４０】
これにより、インパネ５３には、スピードメータや各種インジケータを表示し、フロントガラス５２には、スピード表示、暗視画像、歩行者や障害物に対する衝突警告表示などを表示する。
【０１４１】
このように、本発明の方法によれば、レーザビームを被走査面に対して斜めに投射できるので、運転席の限られたスペースの中に小型の走査型画像表示装置を組み込み、様々な位置へ文字や記号等を表示することができる。
【０１４２】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
本発明にかかる走査型画像表示装置は、走査パターンの形状を適切に設定し、めがね型ＨＭＤなどの画像表示装置、表示システムなどの用途に応用できる。
【符号の説明】
【０１４４】
１０，２０，１００            走査型画像表示装置
１１，１０１                  光源
１２，１０２                  ２軸走査ミラー
１３，２３                    被走査面
１４，２４，２４Ａ，２４Ｂ    走査軌跡
１５                          入射平面
１６                          走査中心軸
１７                          走査中心点
３０，４０                    眼鏡型ＨＭＤ
３１，４１，１１０            レンズ
３２，１１１                  テンプル
３３，１０４                  ホログラムミラー
３４，３５，４４，４５        折り返しミラー
３６，１０３                  制御部
５０                          自動車
５１                          ダッシュボード
５２                          フロントガラス
５３                          インパネ
５４                          バックミラー
５５                          ステアリング
５６，５７                    投射開口部
１２０                        眼
１２１                        耳
【図１】
2009133698.tif 000018
【図２】
2009133698.tif 000019
【図３】
2009133698.tif 000020
【図４】
2009133698.tif 000021
【図５】
2009133698.tif 000022
【図６】
2009133698.tif 000023
【図７Ａ】
2009133698.tif 000024
【図７Ｂ】
2009133698.tif 000025
【図７Ｃ】
2009133698.tif 000026
【図７Ｄ】
2009133698.tif 000027
【図８Ａ】
2009133698.tif 000028
【図８Ｂ】
2009133698.tif 000029
【図９】
2009133698.tif 000030
【図１０Ａ】
2009133698.tif 000031
【図１０Ｂ】
2009133698.tif 000032
【図１０Ｃ】
2009133698.tif 000033
【図１０Ｄ】
2009133698.tif 000034
【図１０Ｅ】
2009133698.tif 000035
【図１０Ｆ】
2009133698.tif 000036
【図１１】
2009133698.tif 000037
【図１２Ａ】
2009133698.tif 000038
【図１２Ｂ】
2009133698.tif 000039
【図１３Ａ】
2009133698.tif 000040
【図１３Ｂ】
2009133698.tif 000041
【図１３Ｃ】
2009133698.tif 000042
【図１４】
2009133698.tif 000043
【図１５Ａ】
2009133698.tif 000044
【図１５Ｂ】
2009133698.tif 000045
【図１５Ｃ】
2009133698.tif 000046
【図１６】
2009133698.tif 000047
【図１７Ａ】
2009133698.tif 000048
【図１７Ｂ】
2009133698.tif 000049
【図１７Ｃ】
2009133698.tif 000050
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月3日(2009.12.3)
【手続補正１】
【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、走査ミラーを用いてレーザビームを２次元走査するＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等の走査型画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、使用者の頭部に装着して画像表示を行うＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等の画像表示装置において、画像表示部として液晶素子や有機ＥＬなどの画素型表示デバイスを用いる方式や、レーザビームを２次元走査して眼の網膜に直描する方式など様々な方式が提案されている。
【０００３】
このような画像表示装置においては、使用者への装着負担を軽減し長時間使用可能とするため、表示装置全体が小型で軽量であることが求められる。さらには一般的な眼鏡と同等のデザインで構成すれば、通常の眼鏡の様に常時装着して活動できるようになる。
【０００４】
しかし、画素型表示デバイスを用いた方式は、高画質、高視野角にするほど、表示部ならびに表示部が発した光を眼まで導くプリズムやハーフミラーを用いた接眼光学系が大型になり、小型軽量化が困難である。
【０００５】
また、接眼光学系が眼前を覆う構造となるので、一般的な眼鏡型の構成の実現は難しく、眼鏡というよりはゴーグルやヘルメットに近い形となる。その結果、自然な装着感は望み難い。
【０００６】
一方、レーザ走査方式の網膜走査型ディスプレイは、小型のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーデバイスを用いて、極めて小型の表示装置を構成できる特徴がある。
【０００７】
さらに、接眼光学系に、プリズムやハーフミラーではなくホログラムミラーを用いて光学系を薄型にし、装置全体を眼鏡型に構成する提案もされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
図１７Ａ、図１７Ｂ、及び図１７Ｃに、このような走査型画像表示装置１００の例を示す。
【０００９】
図１７Ａは平面図、図１７Ｂは側面図、図１７Ｃは眼側から見た図である。なお、上記の各図では、使用者の頭部および走査型画像表示装置１００の左半分のみを示しているが、両眼視対応の場合は、左右対称な構成となる（以下同様）。
【００１０】
従来の走査型画像表示装置１００は、図１７Ａ及び図１７Ｂに示されるように、ユーザの眼前に配置されるレンズ１１０と、一端がレンズ１１０の外縁部に連結され、他端がユーザの側頭部に固定されるテンプル１１１とを備える。
【００１１】
レンズ１１０には、ユーザの眼に対面する側にホログラムミラー１０４が形成されている。テンプル１１１には、レーザビームを出射する光源１０１、光源１０１から出射されるレーザビームでホログラムミラー１０４を二次元走査する２軸走査ミラー１０２、及び各部を制御する制御部１０３が搭載されている。
【００１２】
光源１０１から出射されるレーザビームは、２軸走査ミラー１０２によってレンズ１１０に向かって投射され、レンズ１１０の表面に形成されたホログラムミラー１０４によって反射され、使用者の眼１２０に入射して網膜上に画像を形成する。ホログラムミラー１０４は、例えば、リップマン体積ホログラムを形成したフォトポリマー層であり、波長選択性を付与することによってレーザビームの波長のみを反射する。その結果、ユーザは、外の景色及びレーザビームによって描かれる画像の両方を同時に視認することが可能となっている。
【００１３】
このような構成の走査型画像表示装置１００において、２軸走査ミラー１０２にＭＥＭＳミラーを使用した場合、テンプル１１１の耳１２１側（ユーザから見て２軸走査ミラーより後方）からＭＥＭＳミラーへレーザビームを照射する光軸と、眼１２０の中心軸とが略平行となる。また、ＭＥＭＳミラーへのレーザビームの入射角（反射面の法線と入射光軸のなす角）αは、２軸走査ミラー１０２からホログラムミラー１０４への入射角βと等しくなる。つまり、ＭＥＭＳミラーからのレーザビームが使用者の顔で遮られることなくホログラムミラー１０４に照射されるように配置すると、α＝β＝６０°程度となる。
【００１４】
また、図１７Ａ及び図１７Ｂと同様の構成で、レーザビームの入射方向が異なる例もある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平１０−３０１０５５号公報
【特許文献２】特開２００３−０２９１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、このような従来の眼鏡型ＨＭＤにおいては、ホログラムミラーに投影される画像が台形形状に歪むという課題がある。
【００１７】
図１７Ｃに示すように、２軸走査ミラー１０２からのレーザビームは、ホログラムミラー１０４に対して斜めに投影される。一般に、投射面に対して斜め位置から矩形映像を投影した場合、走査中心から遠い程、走査ビームが大きく広がって投射される。その結果、２軸走査ミラー１０２に近い側が狭く、遠い側が広い台形形状の投射領域となる。従って、ホログラムミラー１０４で反射され、眼鏡１０５に入射して網膜に到達し、ユーザが認識する画像も台形に歪むこととなる。
【００１８】
通常、フロントプロジェクタ等では、台形歪みに対応するために画像処理による補正が行われる。これは台形の上底もしくは下底の内、短い方の辺の長さに合わせて、矩形の表示領域を決定し、矩形領域からはみ出す部分（以下無効走査領域と称する）では画像の表示を行わないことで、ユーザに対しては矩形の画像を表示できる。
【００１９】
しかし、この方法では投射領域が広がる側では画像を縮小して表示することになり、表示できる解像度が低下する。また、無効走査領域が大きいほど、１フレームの画像を表示する時間が短くなり、画像が暗くなる。明るさを保つには光源の光出力を上げる必要があり消費電力が増大する。
【００２０】
さらに、前述したいずれの従来例においても、レンズ１１０に対して斜めに投射することによる台形歪みに関して、画像表示によって補正することは示されているが、２軸走査ミラー１０２と投射面であるホログラムミラー１０４との位置関係に関しては何ら規定されていない。
【００２１】
本発明は前記課題を解決するもので、走査ミラーと投射面とを適切に配置し、投射領域の台形歪みを除去ないし低減することで無効走査領域を削減し、良好な表示を実現した走査型画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明に係る走査型画像表示装置は、レーザビームを出射する光源と、前記光源から出射されるレーザビームを反射させる反射面を２次元的に回動させることによって、当該レーザビームで被走査面を２次元走査する走査部とを備える。そして、前記走査部を前記反射面の回動中心位置に保持した状態で、前記走査部に入射するレーザビームと、前記走査部から前記被走査面に走査されるレーザビームとを含む入射平面に垂直な一方側から見た場合において、前記光源と前記走査部とは、前記光源から出射されるレーザビームが、当該レーザビームの入射位置における前記反射面の第１の法線に対して時計回り及び反時計回りのいずれか一方側に初期入射角α0だけ傾いて前記反射面に入射するような位置関係で配置される。また、前記走査部と前記被走査面とは、前記走査部で走査されるレーザビームが、当該レーザビームの入射位置における前記被走査面の第２の法線に対して時計回り及び反時計回りの他方側に初期入射角β0だけ傾いて前記被走査面に入射するような位置関係で配置される。
【００２３】
上記構成とすることにより、被走査面に斜めに入射することによる台形歪みと、走査部に斜めに入射することによる台形歪みとが互いに相殺し合う。その結果、被走査面に投影される走査軌跡を矩形に近づけることができる。
【００２４】
また、前記走査部は、前記入射平面に垂直な第１の回動軸回りに角度振幅±θｙだけ回動すると共に、前記第１の法線及び前記第１の回動軸のいずれにも垂直な第２の回動軸周りに角度振幅±θｘだけ回動することによって、前記光源から出力されるレーザビームで前記被走査面を２次元走査するものである。そして、前記第２の回動軸回りに＋θｘだけ回動した前記走査部によって走査されるレーザビームと、前記第２の回動軸回りに−θｘだけ回動した前記走査部によって走査されるレーザビームとのなす角である垂直走査角ω（α）は、前記走査部へのレーザビームの現実の入射角α（（α0−θｙ）≦α≦（α0＋θｙ））の関数として下記式１を満たしてもよい。
【００２５】
式１の範囲内となるように、初期入射角α0、β0、及び角度振幅θｘ、θｙを決定することにより、無効面積が半分以下となり、且つ台形比を１．５以下に抑えることが可能となる。
【００２６】
さらに、前記垂直走査角ω（α）は、下記式２を満たしてもよい。これにより、無効走査領域を最小化することができる。
【００２７】
また、前記走査部は、前記被走査面が前記入射平面に対して鋭角に交差するように配置されている場合に、前記第１及び第２の回動軸を前記第１の法線に対して所定の回転方向に所定の角度だけ回転させた状態で配置されてもよい。具体的には、前記回転方向は、前記走査部で走査されたレーザビームの前記被走査面への入射位置のうち、前記走査部から最も遠い入射位置を前記入射平面に近づける方向であってもよい。これにより、無効面積がさらに減少する。
【００２８】
本発明に係る眼鏡型ヘッドマウントディスプレイは、ユーザの眼前に配置されるレンズと、一端が前記レンズに連結され、他端がユーザの側頭部に固定されるテンプルと、上記記載の走査型画像表示装置とを備える。そして、前記光源及び前記走査部は、前記テンプルに保持される。また、前記被走査面は、前記レンズのユーザの眼に対面する側に配置され、前記走査部で走査されたレーザビームをユーザの眼に向かう方向に偏向する機能をさらに有する。
【００２９】
さらに、該テンプルは、前記光源から出射されたレーザビームの向きを変えて前記走査部に入射させる反射体を保持する。そして、前記光源と前記反射体と前記走査部とは、前記光源から前記反射体に向かうレーザビームがユーザから見て後方から前方に向かって進み、且つ前記反射体から前記走査部に向かうレーザビームがユーザから見て前方から後方に向かって進むような位置関係で配置されてもよい。
【００３０】
本発明に係る自動車は、座席と、座席の前方に配置されるダッシュボードと、前記ダッシュボードの上方に配置されるフロントガラスと、上記記載の走査型画像表示装置とを備える。そして前記光源及び前記走査部は、前記ダッシュボードに保持される。また、前記被走査面は、前記フロントガラスの前記座席に対面する位置に配置され、前記走査部で走査されたレーザビームを前記座席に着座するユーザの眼に向かう方向に偏向する機能をさらに有する。
【発明の効果】
【００３１】
被走査面に対しレーザビームを斜めに入射させるように配置した場合においても、走査部と被走査面とを適切に配置することで、被走査面の台形歪みを除去ないし低減することができる。その結果、無効走査領域を削減して良好な表示を実現し、より小型で低消費電力の走査型画像表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、レーザビームが被走査面に初期入射角β0＝０°で入射する場合の走査型画像表示装置を示すモデル図である。
【図２】図２は、２軸走査ミラーへの現実の入射角αと垂直走査角ωとの関係を示す図である。
【図３】図３は、２軸走査ミラーへの初期入射角α0と走査軌跡の左右高さ比との関係を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１に係る走査型画像表示装置を示すモデル図である。
【図５】図５は、図１及び図４を入射平面に垂直な一方側から見た図である。
【図６】図６は、走査軌跡の台形比が１となる場合の、２軸走査ミラーへの初期入射角α0と被走査面への初期入射角β0との関係を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、初期入射角α0＝４５°、β0＝０°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、初期入射角α0＝４５°、β0＝−２６°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、初期入射角α0＝４５°、β0＝−４５°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、初期入射角α0＝４５°、β0＝２６°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の実施の形態２に係る走査型画像表示装置の平面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａの側面図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態２に係る走査型画像表示装置を示すモデル図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、初期入射角α0＝７０°、β0＝５４．５°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、初期入射角α0＝６０°、β0＝５４．５°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、初期入射角α0＝５０°、β0＝５４．５°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、初期入射角α0＝３０°、β0＝５４．５°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１０Ｅ】図１０Ｅは、初期入射角α0＝１５°、β0＝５４．５°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１０Ｆ】図１０Ｆは、初期入射角α0＝０°、β0＝５４．５°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１１】図１１は、被走査面上の走査軌跡を簡略化した図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、２軸走査ミラーへの初期入射角α0と無効面積との関係を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、２軸走査ミラーへの初期入射角α0と台形比との関係を示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の実施の形態３に係る走査型画像表示装置の平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１３Ａの側面図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、図１３Ａをユーザ側から見た図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態３に係る走査型画像表示装置を示すモデル図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、初期入射角α0＝０°、β0＝１０°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、初期入射角α0＝１９．５°、β0＝１０°の場合の走査軌跡を示す図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、図１５Ｂの状態を基準として、２軸走査ミラーを反時計回りに回転させた情報を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の走査型画像表示装置を搭載した自動車の一例を示す図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、従来の走査型画像表示装置を示す平面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、図１７Ａの側面図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、図１７Ａをユーザ側から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１は、本発明の前提を説明するためのモデル図である。まず、図１を参照して、本発明の前提となる走査型画像表示装置１０の構成要素、各構成要素の位置関係、及び動作を説明する。
【００３４】
図１に示される走査型画像表示装置１０は、光源１１と、走査部としての２軸走査ミラー１２と、被走査面１３とを備える。光源１１は、２軸走査ミラー１２に向かってレーザビームを出射する。２軸走査ミラー１２は、光源１１で出射されたレーザビームで被走査面１３を２次元走査する。
【００３５】
座標系として、２軸走査ミラー１２の回転中心を原点とし、水平方向にＸ軸、垂直上方にＹ軸、法線方向にＺ軸を取っている（配置の関係上、図１は、２軸走査ミラー１２を裏面（反射面と反対側の面）より見た図となっている。）。
【００３６】
２軸走査ミラー１２は、光源１１から出射されるレーザビームを反射させる反射面を有するＭＥＭＳミラーである。この２軸走査ミラー１２は、Ｘ軸周りに角度振幅±θｘ、Ｙ軸周りに角度振幅±θｙだけ回動することにより、レーザビームで被走査面１３を２次元走査する。そして、２軸走査ミラー１２によって２次元走査されたレーザビームは、被走査面１３上に走査軌跡１４を描く。
【００３７】
なお、２軸走査ミラー１２の走査範囲の中心を「走査中心位置（反射面の「回動中心位置」ともいう）」と定義する。より具体的には、Ｘ軸周りの角度振幅が０°、且つＹ軸周りの角度振幅が０°の状態における２軸走査ミラー１２の位置（向き）を走査中心位置と定義する。このとき、２軸走査ミラー１２の法線ベクトルＮｍは、Ｚ軸と一致する。また、走査中心位置にある２軸走査ミラー１２から被走査面１３に向かうレーザビームの軌跡を「走査中心軸１６」と、２軸走査ミラー１２と走査中心軸１６との交点を「走査中心点１７」と定義する。
【００３８】
そして、２軸走査ミラー１２が走査中心位置にある状態において、光源１１から出射されるレーザビームの２軸走査ミラー１２への初期入射角をα0、２軸走査ミラー１２で走査されるレーザビームの被走査面１３への初期入射角をβ0（図１では図示省略）とする。なお、各面への入射角は、面の法線とレーザビームの軌跡とのなす角度で表される。
【００３９】
図１に示されるように、２軸走査ミラー１２が走査中心位置にある状態で、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0を２軸走査ミラー１２の法線ベクトルＮｍからＸ軸方向に取る。すなわち、レーザビームの方向を表す入射ビームベクトルＶｉと法線ベクトルＮｍとを含む平面である入射平面１５がＸＺ平面に一致するように、光源１１及び２軸走査ミラー１２を配置する。
【００４０】
一般に、２軸走査ミラー１２のような平面ミラーで反射するレーザビームは、入射平面１５上を通る。また、反射角（２軸走査ミラー１２の法線ベクトルＮｍと反射ビームとのなす角）は入射角に等しい。従って、２軸走査ミラー１２で反射された反射ビームベクトルＶｒは入射平面１５上にあり、走査中心軸１６に一致する。
【００４１】
ここで、２軸走査ミラー１２をＹ軸周りに角度振幅±θｙだけ回動させると、法線ベクトルＮｍがＸＺ平面上を動くので、入射平面１５はＸＺ平面に一致した状態で動かず、現実の入射角α及び反射角はともに（α0−θｙ）〜（α0＋θｙ）まで変化する。これに伴って、反射ビームベクトルＶｒは、ＸＺ平面に一致する入射平面１５上を動く。このとき、反射ビームベクトルＶｒは、走査中心軸１６に対して±２θｙだけ水平方向に振れる。すなわち、２軸走査ミラー１２の水平走査角は、４θｙとなる。
【００４２】
なお、図１に示すモデルでは、被走査面１３を走査中心軸１６に垂直（β0＝０°）となるように配置している。つまり、被走査面１３の法線ベクトルＮｐ0と走査中心軸１６とが一致する。これにより、２軸走査ミラー１２から被走査面１３に向かうレーザビームの水平方向の光路長は、走査中心軸１６に対して対称となる。その結果、このモデルにおいては、被走査面１３に対してレーザビームを斜めから投射することによる台形歪みが生じない。
【００４３】
一方、２軸走査ミラー１２をＸ軸周りに角度振幅±θｘだけ回動させると、法線ベクトルＮｍが垂直方向に回転する。その結果、入射平面１５及び反射ビームベクトルＶｒは、ＸＺ平面に対して上下に傾くことになる。
【００４４】
ここで、図１に示すモデルでは、２軸走査ミラー１２の初期入射角α0≠０°であるので、２軸走査ミラー１２の垂直走査角は、水平走査角のように一定値（４θｘ）とならず、現実の入射角αに依存して変化することになる。より具体的には、入射角αが大きくなるほど垂直走査角が小さくなり、入射角αが小さくなるほど垂直走査角が大きくなる。つまり、図１に示されるように、被走査面１３上の走査軌跡１４の上下幅は、被走査面１３の右側で小さく、左側で大きくなっている（ＨＬ0＞ＨＲ0）。
【００４５】
このことをベクトルの反射式を用いて以下に表す。
【００４６】
２軸走査ミラー１２の中心（走査中心点１７）に原点を取り、水平方向にＸ軸、鉛直方向にＹ軸、２軸走査ミラー１２の法線方向にＺ軸を取る。走査中心位置における２軸走査ミラー１２の法線ベクトルＮｍ０＝（０，０，１）に対し、初期入射角α0の入射ビームベクトルＶｉは、Ｙ軸周りの回転行列Ｒｙを用いて、式３のように表すことができる。
【００４７】
【数１】
2009133698.tif 000051
【００４８】
また、２軸走査ミラー１２をＸ軸周りに角度振幅±θｘだけ回動させると、法線ベクトルＮｍは、Ｘ軸周りの回転行列Ｒｘを用いて式４のように表すことができる。
【００４９】
【数２】
2009133698.tif 000052
【００５０】
さらに、２軸走査ミラー１２を角度振幅θｘだけ回動させた時の反射ビームベクトルＶｒ（θｘ）は、上記の式３及び式４を用いて、式５のように表すことができる。
【００５１】
【数３】
2009133698.tif 000053
【００５２】
同様に、２軸走査ミラー１２を角度振幅−θｘだけ回動させた時の反射ビームベクトルＶｒ（−θｘ）は、式６のように表すことができる。
【００５３】
【数４】
2009133698.tif 000054
【００５４】
よって、Ｖｒ（θｘ）とＶｒ（−θｘ）のなす角である垂直走査角ωは、上記の式５及び式６を用いて、式７のように表すことができる。
【００５５】
【数５】
2009133698.tif 000055
【００５６】
たとえば、θｘ＝±１０°の時の現実の入射角αと垂直走査角ωとの関係を図２に示す。
【００５７】
図２に示されるように、入射角α＝０°で垂直走査角ωは４θｘ＝４０°となる。また、入射角αが増加する（図１の被走査面１３上の右側に移動する）に従って、垂直走査角ωは減少してゆくことがわかる。従って、初期入射角α0＝４５°とし、２軸走査ミラー１２をＹ軸周りにθｙ＝±１０°だけ回動させると、現実の入射角αが３５°から５５°まで変化する。
【００５８】
同様に、現実の入射角αの関数として表される垂直走査角ω（α）の値は、ω（３５°）＝ωＬ＝３２．５°からω（５５°）＝ωＲ＝２２．６°まで変化する。すなわち、走査ビームの描く走査軌跡１４の高さが左右で変化することになる。図１において、被走査面１３に投射された走査軌跡１４の左端の高さＨＬ0と右端の高さＨＲ0とが異なるのはこのためである。
【００５９】
ここで、走査中心軸１６上における２軸走査ミラー１２から被走査面１３までの距離をＬとすると、左端の高さＨＬ0及び右端の高さＨＲ0は、式８及び式９のように表すことができる。
【００６０】
【数６】
2009133698.tif 000056
【００６１】
【数７】
2009133698.tif 000057
【００６２】
θｘ＝θｙ＝±１０°だけ回動する２軸走査ミラー１２の初期入射角α0と、走査軌跡１４の左右高さ比（ＨＬ0／ＨＲ0）の関係を図３に示す。図３に示されるように、初期入射角α0が大きいほど、走査軌跡１４の左右の高さの比も大きくなる。
【００６３】
上記のように、２軸走査ミラー１２を２軸方向に振動させて、レーザビームで被走査面１３を２次元走査する走査型画像表示装置１０においては、２軸走査ミラー１２への初期入射角α≠０°とすることにより、被走査面１３への初期入射角β＝０°であっても被走査面１３上の走査軌跡１４は台形形状に歪むことになる。
【００６４】
そこで、本発明の各実施の形態１〜４では、レーザビームを被走査面１３に斜めに投射する（β0≠０°）ことによる台形歪みと、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0≠０°とすることによる台形歪みとを相殺することによって、被走査面１３上の走査軌跡１４を矩形形状とするための構成を説明する。
【００６５】
（実施の形態１）
図４及び図５を参照して、本発明の実施の形態１に係る走査型画像表示装置２０を説明する。図４は、走査型画像表示装置２０の概略構成図である。図５は、走査型画像表示装置１０、２０を上方から見た平面図である。なお、図１との相違点を中心に説明することとし、図１と共通する構成要素には同一の参照番号を付し、詳しい説明を省略する。
【００６６】
図４に示す走査型画像表示装置２０は、被走査面２３が走査中心軸１６に対して垂直でない点で、図１に示す走査型画像表示装置１０と異なる。具体的には、被走査面２３は、走査中心軸１６に対して垂直な被走査面１３に対して、鉛直軸周りに角度β0だけ反時計回りに回転している。つまり、被走査面２３は、レーザビームの初期入射角β0≠０°となるように配置されている。さらに言い換えれば、被走査面２３の法線ベクトルＮｐと走査中心軸１６とのなす角がβ0に一致する。
【００６７】
次に、図５を参照して、走査型画像表示装置１０、２０の各構成要素の位置関係を詳しく説明する。
【００６８】
まず、走査型画像表示装置１０において、走査中心点１７から被走査面１３上の走査軌跡１４の左端までの距離（つまり「光路長」。以下同じ）をＬＬ、走査軌跡１４の右端までの距離をＬＲとすると、ＬＬ＝ＬＲが成立する。一方、走査型画像表示装置２０において、走査中心点１７から被走査面２３上の走査軌跡２４の左端までの距離をＬＬ´、走査軌跡２４の右端までの距離をＬＲ´とすると、ＬＬ´＜ＬＬ、ＬＲ´＞ＬＲが成立する。つまり、実施の形態１に係る走査型画像表示装置１０の被走査面２３には、レーザビームが斜めから入射することによる台形歪みが生ずることになる。
【００６９】
ここで、走査軌跡２４の右端から走査中心軸１６に延びる垂線と走査中心軸１６との交点を点Ｐとし、走査中心点１７から点Ｐまでの距離をＡ、走査軌跡２４の右端から点Ｐまでの距離をＢと定義する。これらは、Ｂ／Ａ＝ｔａｎ2θｙ、（Ａ−Ｌ）／Ｂ＝ｔａｎβを満たすので、これらからＬＲ／ＬＲ´は、式１０のように表すことができる。
【００７０】
【数８】
2009133698.tif 000058
【００７１】
同様に、走査軌跡２４の左端から走査中心軸１６に延びる垂線と走査中心軸１６との交点を点Ｑとし、走査中心点１７から点Ｑまでの距離をＣ、走査軌跡２４の左端から点Ｑまでの距離をＤと定義する。これらは、Ｄ／Ｃ＝ｔａｎ2θｙ、（Ｌ−Ｃ）／Ｄ＝ｔａｎβを見たすので、これらからＬＬ／ＬＬ´は、式１１のように表すことができる。
【００７２】
【数９】
2009133698.tif 000059
【００７３】
さらに、ＬＲ＝ＬＬであるので、被走査面２３上の走査軌跡２４左端と右端との高さの比ＬＲ´／ＬＬ´は、式１０及び式１１を用いて、式１２のように表すことができる。
【００７４】
【数１０】
2009133698.tif 000060
【００７５】
以上のことから、次のようなことがわかる。
【００７６】
すなわち、２軸走査ミラー１２によって２次元走査されたレーザビームの走査軌跡２４は、２軸走査ミラー１２の初期入射角α0を水平面内にとった場合、現実の入射角αによって左右の高さが変わる。
【００７７】
また、レーザビームが被走査面２３に斜めから入射する（β0≠０°）場合、入射角βによっても左右高さが変わる。従って、２軸走査ミラー１２への入射角αと被走査面２３への入射角βを適切に設定すれば、走査パターンの左右の高さを同じにするかまたは左右高さの比を小さくすることができる。逆に言えば、配置によってはより高さ比が大きくなってしまう。
【００７８】
つまり、初期入射角α0の２軸走査ミラー１２で２次元走査することによる左右の高さ比（ＨＬ0／ＨＲ0）と、被走査面２３に初期入射角β0でレーザビームを走査することによる左右の光路長の比（ＬＬ´／ＬＲ´）とが互いに相殺し合うように、つまり、（ＨＬ0／ＨＲ0）×（ＬＬ´／ＬＲ´）＝１、となるように各構成要素を配置すればよい。
【００７９】
そこで、上記の式７を満たす垂直走査角ωに対し、式８、式９、及び式１２を用いて、式２の関係が成立するように、初期入射角α0、β0を設定すれば、走査軌跡２４の左右の高さ比が１となる。
【００８０】
【数１１】
2009133698.tif 000061
【００８１】
２軸走査ミラー１２の角度振幅がθｘ＝θｙ＝±１０°の場合において、上記式２を満たす初期入射角α0、β0の関係を図６に示す。
【００８２】
このように、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0による左右高さ比と、被走査面２３への初期入射角β0による左右高さ比とが、互いに打ち消しあうようにするには、図５に示されるように、初期入射角α0を２軸走査ミラー１２の法線ベクトルＮｍから反時計回りに取り、初期入射角β0を被走査面２３の法線ベクトルＮｐから時計回りに取る。
【００８３】
この場合、走査軌跡２４は、２軸走査ミラー１２への現実の入射角αの影響を受けて、入射角αが大きくなる右側で高さが低く、入射角αが小さくなる左側で高さが高くなる。これと同時に、被走査面２３への現実の入射角βの影響を受けて、入射角βが大きくなる右側で高さが高く、入射角βが小さくなる左側で高さが低くなる。つまり、これらが互いに相殺しあって、走査軌跡２４が矩形に近付く。
【００８４】
なお、本発明の効果を得るための構成は、上記に限定されない。すなわち、初期入射角α0、β0を、それぞれの法線ベクトルＮｍ、Ｎｐに対して反対周りに設定すればよい。具体的には、初期入射角α0、β0の一方を法線ベクトルＮｍ、Ｎｐに対して時計回りに設定し、他方を反時計回りに設定すればよい。一方、初期入射角α0、β0を、法線ベクトルＮｍ、Ｎｐに対して同一方向にとった場合、両者の相乗効果によって台形歪みがさらに増大する。
【００８５】
例えば、図６から明らかなように、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0＝４５°の時、被走査面２３への初期入射角β0＝２６°で上記式２を満たす。
【００８６】
図７Ａ〜図７Ｄに、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0＝４５°、２軸走査ミラー１２の角度振幅θｘ＝θｙ＝±１０°に固定し、被走査面２３への初期入射角β0を変化させた場合の走査軌跡１４、２４、２４Ａ、２４Ｂを示す。ここでは、垂直走査周波数が水平走査周波数より高い垂直高速のリサージュ走査としているが、走査軌跡１４、２４、２４Ａ、２４Ｂの形状は、どちらを高速としても同じである。
【００８７】
図７Ａは、初期入射角β0＝０°、すなわち、走査中心軸１６に垂直な被走査面１３に走査軌跡１４を示す図である。図７Ａに示されるように、走査軌跡１４の左右の高さは、ＨＬ0＞ＨＲ0となっている。
【００８８】
図７Ｂは、初期入射角β0＝−２６°（初期入射角α0と逆方向なので負号としている）の場合の走査軌跡２４を示す図である。この初期入射角α0、β0の組み合わせは、式２を満たす。つまり、走査軌跡２４の左右の高さは、ＨＬ＝ＨＲとなる。左右の高さが同じになることで、画像を表示する際の無効走査領域が最小となる。なお、「無効走査領域」とは、走査軌跡２４のうちの実際には画像が表示されない領域を指すものとする。
【００８９】
図７Ｃは、初期入射角β0＝−４５°の場合の走査軌跡２４Ａを示す図である。図７Ｂの状態からさらに初期入射角β0を大きくすると、入射角βの影響による台形歪みが大きくなる。その結果、走査軌跡２４Ａの左右の高さ比は、ＨＬ＜ＨＲとなり、無効走査領域が増加する。
【００９０】
図７Ｄは、初期入射角β0＝２６°の場合の走査軌跡２４Ｂを示す図である。つまり、初期入射角β0を図７Ｂと逆方向に取った場合の走査パターンである。もともと左端の高さが高かった図７Ａの状態からさらに左側が拡大されて、ＨＬ＞ＨＲとなる。その比は、（ＨＬ／ＨＲ）＞（ＨＬ0／ＨＲ0）となっており、無効走査領域がさらに増大している。
【００９１】
このように、被走査面２３を走査中心軸１６に対して傾けて設置する場合、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0と被走査面２３への初期入射角β0とを適切に設定することで、走査軌跡２４の形状の台形歪みを抑えることが可能である。その結果、無効走査領域の少ない良好な画像表示が実現できる。
【００９２】
通常、図１に示されるように、被走査面１３を走査中心軸１６に対して垂直に取る場合は、入射ビームと走査ビームが干渉しない範囲で初期入射角α0はなるべく小さくする方がよい。しかし、図３に示されるように、被走査面２３を走査中心軸１６に対して傾けて設置する必要がある場合は、上述のような初期入射角α0、β0の関係を考慮する必要がある。
【００９３】
（実施の形態２）
次に、図８Ａ、図８Ｂ、及び図９を参照して、本発明の実施の形態２に係る走査型画像表示装置を説明する。図８Ａは、走査型画像表示装置の平面図である。図８Ｂは、走査型画像表示装置の側面図である。図９は、走査型画像表示装置を構成する構成要素の位置関係を示すモデル図である。なお、図８Ａ及び図８Ｂでは、走査型画像表示装置の左側半分のみを図示しているが、右側も同様の構成である。また、実施の形態１と共通する構成要素には同一の参照番号を付し、詳しい説明を省略する。
【００９４】
実施の形態２に係る走査型画像表示装置は、ユーザの頭部に装着される眼鏡型ＨＭＤ（Ｈｅａｄ−Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ）３０である。この眼鏡型ＨＭＤ３０は、ユーザの眼前に配置されるレンズ３１と、一端がレンズ３１の外縁部に連結され、他端がユーザの側頭部に固定されるテンプル３２とを備える。
【００９５】
レンズ３１は、ユーザの眼に対面する側の面にホログラムミラー３３を有する。このホログラムミラー３３は、実施の形態１の被走査面２３に対応すると共に、走査されたレーザビームをユーザの眼の方向に偏向する偏向部としても機能する。
【００９６】
テンプル３２は、実施の形態１と同様の構成の光源１１及び２軸走査ミラー１２を保持すると共に、光源１１から出射されるレーザビームを２軸走査ミラー１２に導く折り返しミラー（反射体）３４、３５と、眼鏡型ＨＭＤ３０の各部を制御する制御部３６とをさらに備える。
【００９７】
上記構成の眼鏡型ＨＭＤ３０において、光源１１から出射されるレーザビームは、折り返しミラー３４、３５を経由して、２軸走査ミラー１２に入射する。２軸走査ミラー１２は、角度振幅θｘ、θｙだけ回動することによって入射したレーザビームでホログラムミラー３３を２次元走査する。ホログラムミラー３３は、２軸走査ミラー１２で走査されたレーザビームをユーザの眼の方向に偏向する。このレーザビームがユーザの眼に入射して、網膜上に画像を形成する。
【００９８】
ホログラムミラー３３は、例えば、リップマン体積ホログラムを形成したフォトポリマー層である。また、波長選択性を付与することによって、光源１１から出射されるレーザビームの波長のみを反射させることができる。その結果、ユーザは、外の景色とレーザビームによって描かれる画像との両方を同時に視認することが可能となっている。
【００９９】
図８Ａに示されるように、光源１１は、ユーザから見て後方から前方に向かってレーザビームを出射する。一方、折り返しミラー３４、３５で反射されたレーザビームは、ユーザから見て前方から後方に向かって２軸走査ミラー１２に入射する。また、２軸走査ミラー１２で走査されたレーザビームは、ユーザから見て左後方から右前方に向かってホログラムミラー３３に入射する。
【０１００】
ここで、当該眼鏡型ＨＭＤ３０の入射平面１５は、２軸走査ミラー１２が走査中心位置にある場合において、ユーザから見て水平面となるように各構成要素を配置する。すなわち、図８Ａは、眼鏡型ＨＭＤ３０を入射平面１５に垂直な方向から見た図である。
【０１０１】
このような図８Ａにおいて、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0は、２軸走査ミラー１２の法線に対して反時計回りに設定されている。また、ホログラムミラー３３への初期入射角β0は、ホログラムミラー３３の法線に対して時計回りに設定されている。
【０１０２】
ここで、ホログラムミラー３３への初期入射角β0＝５４．５°、ユーザの眼から見たレーザビームの水平画角を１００°、垂直画角を５６°（すなわち、１６：９）とした場合、前述したように、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0の大きさによって走査軌跡の形状が変化し、２軸走査ミラー１２の必要回動角も変わってくる。
【０１０３】
具体的には、上記式２の条件を満たす２軸走査ミラー１２への初期入射角α0＝７０°、θｘ＝±２０°、θｙ＝±７．２°となる。
【０１０４】
この状態から、初期入射角α0を変化させた場合の走査軌跡の変化の様子を図１０Ａ〜図１０Ｆに示す。
【０１０５】
図１０Ａは、上記式２の条件を満たす初期入射角α0＝７０°の場合の走査軌跡を示す図である。この時、走査軌跡の上下辺は平行となり、幅Ｗ×高さＨの画像表示領域（破線で示す）からはみ出す無効走査領域が最小となる。
【０１０６】
以下、図１０Ｂ〜図１０Ｆにおいて、幅Ｗ×高さＨの画像表示領域を確保した状態で、初期入射角α0を小さくした場合の走査軌跡の形状を示す。初期入射角α0が小さくなるほど、走査軌跡の右辺の高さＨＲが大きく広がり、上下辺が非平行となって無効走査領域が増大することがわかる。
【０１０７】
この場合、ホログラムミラー３３への初期入射角β0＝５４．５°と比較的大きいため、上記式２を満たす２軸走査ミラー１２への初期入射角α0＝７０°と非常に大きな角度となる。また、この時必要な２軸走査ミラー１２の垂直方向の角度振幅θｘも±２０°と大きな値となる。
【０１０８】
しかしながら、小型且つ高速で振動する２軸走査ミラー１２においては、角度振幅θｘ＝±２０°を実現するのは困難である。そこで、初期入射角α0に上記（７０°）より小さい値を設定した場合の無効走査領域の変化を評価した。
【０１０９】
図１１は、ホログラムミラー３３上の走査軌跡を簡略化したモデル図である。
【０１１０】
図１１に示すモデル図は、走査軌跡上の端点を直線で接続することによって走査軌跡を簡略化した図である。このモデル図の各部の面積を計測することで、Ｗ×Ｈの画像表示領域に対する無効走査領域の大きさを評価する。
【０１１１】
実施の形態２における評価例を図１２Ａ及び図１２Ｂに示す。
【０１１２】
図１２Ａは、図１１のモデル図を用いて、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0と無効面積率との関係を算出した結果を示す図である。なお、「無効面積率」＝「無効走査領域の面積」／「画像表示領域の面積（Ｗ×Ｈ）」である。図１２Ｂは、図１１のモデル図を用いて、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0と走査軌跡の台形比との関係を算出した結果を示す図である。より具体的には、初期入射角α0に対する台形比（＝ＨＲ／Ｈ）をプロットしたものである。
【０１１３】
無効面積率は、図１２Ａに示されるように、初期入射角α0＝０°の時に最大（約０．６３）となり、初期入射角α0＝７０°の時に最小（約０．２３）となっている。同様に台形比は図１２Ｂに示されるように、初期入射角α0＝０°の時に最大（約２．２）となり、初期入射角α0＝７０°の時に最小（１．０）となっている。すなわち、無効面積率及び台形比は、初期入射角α0の増加に伴って減少する。
【０１１４】
また、初期入射角α0＝６０°の時の無効面積率は約４．３であり、初期入射角α0＝０°の時と比較して半減（無効面積率の最大値及び最小値の中間）している。また、このときの台形比は１．５となっている。
【０１１５】
従って、ホログラムミラー３３への初期入射角β0の値に対して、台形比が１．５となるように２軸走査ミラー１２への初期入射角α0を設定すれば、無効走査領域を半減させることができる。
【０１１６】
ここで、上記式２は、左辺が２軸走査ミラー１２への初期入射角α0による台形比、右辺がホログラムミラー３３への初期入射角β0による台形比を表しているので、無効面積率を最大値の半分に抑えるには、式１３を満たす必要がある。
【０１１７】
【数１２】
2009133698.tif 000062
【０１１８】
つまり、無効面積率が最大値の半分以下にするためには、式２及び式１２を用いて、初期入射角α0、β0が式１を満たすように各構成要素を配置する必要がある。
【０１１９】
【数１３】
2009133698.tif 000063
【０１２０】
すなわち、式１の関係を満たせば、画像表示領域に対する無効領域を半減させることができる。
【０１２１】
（実施の形態３）
次に、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ、及び図１４を参照して、本発明の実施の形態３に係る走査型画像表示装置を説明する。図１３Ａは、走査型画像表示装置の平面図である。図１３Ｂは、走査型画像表示装置の側面図である。図１３Ｃは、図１３Ａの走査中心軸１６を含む鉛直面における断面図である。図１４は、走査型画像表示装置を構成する構成要素の位置関係を示すモデル図である。なお、図１３Ａ〜図１４では、走査型画像表示装置の左側半分のみを図示しているが、右側も同様の構成である。また、実施の形態１、２と共通する構成要素には同一の参照番号を付し、詳しい説明を省略する。
【０１２２】
実施の形態３に係る走査型画像表示装置は、眼鏡型ＨＭＤ４０である。実施の形態３に係る眼鏡型ＨＭＤ４０は、基本的には実施の形態２に係る眼鏡型ＨＭＤ３０と同様の構成であるが、レンズ４１を通常の眼鏡と同様に、前方にβ（通常１０°程度）傾けている。また、これに合わせて、折り返しミラー４４、４５を２軸走査ミラー１２の下方に配置し、レーザビームが下方から２軸走査ミラー１２に入射するよう構成されている。
【０１２３】
より具体的には、眼鏡型ＨＭＤ３０と比較して、レンズ４１の上端が前方に、下端が後方に移動するように傾斜している。また、この方向への傾斜角度は、鉛直面に対してβ0である。また、折り返しミラー４４、４５は、光源１１から出射されたレーザビームを、走査中心軸１６を含む鉛直平面上であって、且つ走査中心軸１６より下側から２軸走査ミラー１２に入射させる。
【０１２４】
これは、図１に対して、入射平面１５を鉛直方向に配置したことに相当する。すなわち、図１３Ｃに示すように、眼鏡型ＨＭＤ３０を水平方向（入射平面１５に垂直な方向）から見た場合に、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0は、２軸走査ミラー１２の法線に対して反時計回りに設定されている。一方、ホログラムミラー３３への初期入射角β0は、ホログラムミラー３３の法線に対して時計回りに設定されている。
【０１２５】
ここで、ホログラムミラー３３への初期入射角β0＝１０°の時、式２の関係を満たす２軸走査ミラー１２への初期入射角α0＝１９．５°である。従って、初期入射角α＝１９．５°、β＝１０°とすれば、レンズ４１を前傾させたことによる台形歪みは解消される。
【０１２６】
しかし、図１３Ａに示すように、ホログラムミラー３３は、さらに走査中心軸１６に対して水平方向にも傾いている。言い換えれば、ホログラムミラー３３は、入射平面１５に対して鋭角（≠９０°）に交差するように傾いている。その結果、走査軌跡の右上が２軸走査ミラー１２から最も遠くなり、右上方向に広がった形状となる。
【０１２７】
図１５Ａ、図１５Ｂ、及び図１５Ｃは、上記構成の眼鏡型ＨＭＤ４０のホログラムミラー３３上の走査軌跡の形状を示す図である。
【０１２８】
図１５Ａは、初期入射角α0＝０°の時の走査軌跡を示している。この場合の走査軌跡は、ホログラムミラー３３が前傾していることで上方に向かって広がっている。また、同時に右側が遠いことで右上が大きく広がった形状となっている。
【０１２９】
図１５Ｂは、初期入射角α0＝１９．５°の時の走査軌跡を示している。このように、初期入射角α0、β0を式２を満たすように設定することで、上方への広がりは低減され、左右の辺はほぼ平行となっている。しかし、右側が遠いことによる右上方への広がりのため、走査線が斜めに傾いているので、破線で示した画像表示領域の矩形が小さくなる。
【０１３０】
そこで、図１５Ｃに示すように、図１５Ｂの状態を基準として、２軸走査ミラー１２を回動軸（Ｘ軸、Ｙ軸）ごと２軸走査ミラー１２の法線まわりに回転させると、走査軌跡もこれに追従して回転する。その結果、走査線の斜めの傾きをなくすことができる。２軸走査ミラー１２の回転方向は、走査中心点１７から最も遠い走査軌跡上の点を入射平面１５に近づける方向である。
【０１３１】
具体的には、図１５Ｂにおいて、走査中心点１７から最も遠い走査軌跡上の点は、右上の点Ｒである。また、入射平面１５は、走査中心軸１６を含む鉛直面である。すなわち、図１５Ｃのように、図１５Ｂの状態から、２軸走査ミラー１２を反時計回りに７°回転して設置すると、走査軌跡の左右の辺がほぼ垂直となり、走査線の傾きも解消する。これにより、画像表示領域も十分確保でき、画像表示領域の上下に無効走査領域は残るものの、図１５Ａ及び図１５Ｂに比べて、走査線がほぼ垂直で平行になり、良好な表示が可能となる。
【０１３２】
以上のように、２軸走査ミラー１２を用いた走査型画像表示装置では、２軸走査ミラー１２への初期入射角α0、ホログラムミラー３３（被走査面）への初期入射角β0、及び２軸走査ミラー１２の法線まわりの設置角度を適切に設定することで、画像表示領域に対する走査軌跡の形状を適切に設定し、良好な表示を実現できる。
【０１３３】
なお、本実施例ではいずれも２軸共振ミラーを想定したリサージュパターンの例で説明したが、走査軌跡自体は通常のラスタースキャンでも全く同様である。
【０１３４】
（実施の形態４）
次に、図１６を参照して、本発明の走査型画像表示装置を車載用に適用した実施の形態４について説明する。図１６は、本発明の走査型画像表示装置を搭載した自動車５０を示す図である。より具体的には、自動車５０の車内から前方を見た図である。なお、実施の形態１〜３と共通する構成には同一の参照番号を付し、詳しい説明は省略する。
【０１３５】
自動車５０は、図１６に示されるように、座席（図示省略）と、座席の前方に配置されるダッシュボード５１と、ダッシュボード５１の上方に配置されるフロントガラス５２と、ダッシュボード５１の運転席に対面する面に配置されるインパネ５３と、バックミラー５４と、ステアリング５５とを主に備える。
【０１３６】
上記構成の自動車５０において、光源１１及び２軸走査ミラー１２（図１６では図示省略）は、ダッシュボード５１の内部に保持されている。また、ホログラムミラー３３は、フロントガラス５２の座席（運転席及び助手席）に対面する位置と、インパネ５３とにそれぞれ取り付けられている。そして、２軸走査ミラー１２で走査されたレーザビームは、ダッシュボード５１に設けられた投射開口部５６、５７から各ホログラムミラー３３に投射される。
【０１３７】
具体的には、ダッシュボード５１の中央部に設けられた投射開口部５６からステアリング５５の背後に位置するインパネ５３に向かって、レーザビームを投射している。また、ダッシュボード５１の上面に設けられた投射開口部５７からフロントガラス５２に向って、レーザビームを投射している。
【０１３８】
なお、フロントガラス５２やインパネ５３には、ホログラムミラー３３に代えて、反射スクリーンや半透過拡散スクリーン等を適用してもよい。
【０１３９】
これにより、インパネ５３には、スピードメータや各種インジケータを表示し、フロントガラス５２には、スピード表示、暗視画像、歩行者や障害物に対する衝突警告表示などを表示する。
【０１４０】
このように、本発明の方法によれば、レーザビームを被走査面に対して斜めに投射できるので、運転席の限られたスペースの中に小型の走査型画像表示装置を組み込み、様々な位置へ文字や記号等を表示することができる。
【０１４１】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
本発明にかかる走査型画像表示装置は、走査パターンの形状を適切に設定し、眼鏡型ＨＭＤなどの画像表示装置、表示システムなどの用途に応用できる。
【符号の説明】
【０１４３】
１０，２０，１００            走査型画像表示装置
１１，１０１                  光源
１２，１０２                  ２軸走査ミラー
１３，２３                    被走査面
１４，２４，２４Ａ，２４Ｂ    走査軌跡
１５                          入射平面
１６                          走査中心軸
１７                          走査中心点
３０，４０                    眼鏡型ＨＭＤ
３１，４１，１１０            レンズ
３２，１１１                  テンプル
３３，１０４                  ホログラムミラー
３４，３５，４４，４５        折り返しミラー
３６，１０３                  制御部
５０                          自動車
５１                          ダッシュボード
５２                          フロントガラス
５３                          インパネ
５４                          バックミラー
５５                          ステアリング
５６，５７                    投射開口部
１２０                        眼
１２１                        耳
【手続補正２】
【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】
レーザビームを出射する光源と、前記光源から出射されるレーザビームを反射させる反射面を２次元的に回動させることによって、当該レーザビームで被走査面を２次元走査する走査部とを備える走査型画像表示装置であって、
前記走査部を前記反射面の回動中心位置に保持した状態で、前記走査部に入射するレーザビームと、前記走査部から前記被走査面に走査されるレーザビームとを含む入射平面に垂直な一方側から見た場合において、
前記光源と前記走査部とは、前記光源から出射されるレーザビームが、当該レーザビームの入射位置における前記反射面の第１の法線に対して時計回り及び反時計回りのいずれか一方側に初期入射角α0だけ傾いて前記反射面に入射するような位置関係で配置され、
前記走査部と前記被走査面とは、前記走査部で走査されるレーザビームが、当該レーザビームの入射位置における前記被走査面の第２の法線に対して時計回り及び反時計回りの他方側に初期入射角β0だけ傾いて前記被走査面に入射するような位置関係で配置される
走査型画像表示装置。
【請求項２】
前記走査部は、前記入射平面に垂直な第１の回動軸回りに角度振幅±θｙだけ回動すると共に、前記第１の法線及び前記第１の回動軸のいずれにも垂直な第２の回動軸周りに角度振幅±θｘだけ回動することによって、前記光源から出力されるレーザビームで前記被走査面を２次元走査するものであり、
前記第２の回動軸回りに＋θｘだけ回動した前記走査部によって走査されるレーザビームと、前記第２の回動軸回りに−θｘだけ回動した前記走査部によって走査されるレーザビームとのなす角である垂直走査角ω（α）は、前記走査部へのレーザビームの現実の入射角α（（α0−θｙ）≦α≦（α0＋θｙ））の関数として式１を満たす
【数１】
2009133698.tif 000064
請求項１に記載の走査型画像表示装置。
【請求項３】
前記垂直走査角ω（α）は、さらに、式２を満たす
【数２】
2009133698.tif 000065
請求項２に記載の走査型画像表示装置。
【請求項４】
前記走査部は、前記被走査面が前記入射平面に対して鋭角に交差するように配置されている場合に、前記第１及び第２の回動軸を前記第１の法線に対して所定の回転方向に所定の角度だけ回転させた状態で配置される
請求項２に記載の走査型画像表示装置。
【請求項５】
前記回転方向は、前記走査部で走査されたレーザビームの前記被走査面への入射位置のうち、前記走査部から最も遠い入射位置を前記入射平面に近づける方向である
請求項４に記載の走査型画像表示装置。
【請求項６】
ユーザの眼前に配置されるレンズと、一端が前記レンズに連結され、他端がユーザの側頭部に固定されるテンプルと、請求項１に記載の走査型画像表示装置とを備える眼鏡型ヘッドマウントディスプレイであって、
前記光源及び前記走査部は、前記テンプルに保持され、
前記被走査面は、前記レンズのユーザの眼に対面する側に配置され、前記走査部で走査されたレーザビームをユーザの眼に向かう方向に偏向する機能をさらに有する
眼鏡型ヘッドマウントディスプレイ。
【請求項７】
該テンプルは、さらに、前記光源から出射されたレーザビームの向きを変えて前記走査部に入射させる反射体を保持し、
前記光源と前記反射体と前記走査部とは、前記光源から前記反射体に向かうレーザビームがユーザから見て後方から前方に向かって進み、且つ前記反射体から前記走査部に向かうレーザビームがユーザから見て前方から後方に向かって進むような位置関係で配置される
請求項６に記載の眼鏡型ヘッドマウントディスプレイ。
【請求項８】
座席と、座席の前方に配置されるダッシュボードと、前記ダッシュボードの上方に配置されるフロントガラスと、請求項１に記載の走査型画像表示装置とを備える自動車であって、
前記光源及び前記走査部は、前記ダッシュボードに保持され、
前記被走査面は、前記フロントガラスの前記座席に対面する位置に配置され、前記走査部で走査されたレーザビームを前記座席に着座するユーザの眼に向かう方向に偏向する機能をさらに有する
自動車。
【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】
2009133698.tif 000066
【図２】
2009133698.tif 000067
【図３】
2009133698.tif 000068
【図４】
2009133698.tif 000069
【図５】
2009133698.tif 000070
【図６】
2009133698.tif 000071
【図７Ａ】
2009133698.tif 000072
【図７Ｂ】
2009133698.tif 000073
【図７Ｃ】
2009133698.tif 000074
【図７Ｄ】
2009133698.tif 000075
【図８Ａ】
2009133698.tif 000076
【図８Ｂ】
2009133698.tif 000077
【図９】
2009133698.tif 000078
【図１０Ａ】
2009133698.tif 000079
【図１０Ｂ】
2009133698.tif 000080
【図１０Ｃ】
2009133698.tif 000081
【図１０Ｄ】
2009133698.tif 000082
【図１０Ｅ】
2009133698.tif 000083
【図１０Ｆ】
2009133698.tif 000084
【図１１】
2009133698.tif 000085
【図１２Ａ】
2009133698.tif 000086
【図１２Ｂ】
2009133698.tif 000087
【図１３Ａ】
2009133698.tif 000088
【図１３Ｂ】
2009133698.tif 000089
【図１３Ｃ】
2009133698.tif 000090
【図１４】
2009133698.tif 000091
【図１５Ａ】
2009133698.tif 000092
【図１５Ｂ】
2009133698.tif 000093
【図１５Ｃ】
2009133698.tif 000094
【図１６】
2009133698.tif 000095
【図１７Ａ】
2009133698.tif 000096
【図１７Ｂ】
2009133698.tif 000097
【図１７Ｃ】
2009133698.tif 000098
【国際調査報告】
2009133698.tif 000099
2009133698.tif 000100
2009133698.tif 000101