(57)【要約】  ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）やヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）等として利用されるビーム走査型表示装置は、ビームを出力する光源（１０１）と、光源（１０１）から出力されたビームを走査する走査部（１０３）と、走査部（１０３）で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向部（１０４）と、ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、光源（１０１）からのビームの波面形状を変更して走査部（１０３）に出力する波面形状変更部（１０２）とを備える。
2009041055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビームを出力する光源と、
前記光源から出力されたビームを走査する走査部と、
前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向部と、
ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記光源からのビームの波面形状を変更して前記走査部に出力する波面形状変更部とを備える
ビーム走査型表示装置。
【請求項２】
前記走査部で走査されたビームの一部を検出する光検出部を備え、
前記波面形状変更部は、前記光検出部の検出結果に基づいてビームの波面形状を変更する
請求項１に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項３】
前記光検出部は、ユーザの眼に入射したビームの角膜上での反射光を検出し、
前記光検出部によって検出された反射光の強度からユーザの視線方向を検出する視線検出部と、
前記視線検出部で検出した視線方向を用いて、ユーザの視野領域におけるビームの位置を判定する視野位置判定部とを備え、
前記波面形状変更部は、前記視野位置判定部で判定したビームの位置に応じて変動する前記許容範囲に基づいて、ビームの波面形状を変更する
請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項４】
前記許容範囲の上限は、ビームがユーザの視野中心に近づくほど大きくなり、視野中心から遠ざかるほど小さくなる
請求項３に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項５】
前記許容範囲の上限は、ユーザの視野領域での位置に対応する視力分解能に応じた値、及び視野中心での目標表示解像度に応じた値のうちのいずれか大きい方の値である
請求項４に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項６】
前記光検出部の検出結果に基づいて、ユーザの眼に入射されるビームの網膜上でのスポットサイズを判定するスポットサイズ判定部と、
ビームの曲率半径の目標値を保持し、前記スポットサイズ判定部によって判定されたスポットサイズが予め定めた閾値を超えない範囲で、ビームの曲率半径が前記目標値に段階的に近づくように、ビームの曲率半径を所定値ずつ変更するビーム曲率制御部とを備える
請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項７】
ビームの曲率半径の前記目標値は、前記スポットサイズ判定部によって判定されたスポットサイズが予め定めた閾値を超えない範囲で、最大の値に設定される
請求項６に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項８】
前記ビーム曲率制御部は、前記スポットサイズ判定部の判定結果が前記閾値を超えたことに応じて、前記目標値を引き下げる
請求項７に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項９】
前記ビーム曲率制御部は、一定時間内における前記スポットサイズの変動幅が一定値以下の場合にのみビームの曲率半径を変更する
請求項６に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１０】
ユーザの身体動作変化を検出する動き検出部を備え、
前記ビーム曲率制御部は、前記動き検出の出力からユーザの身体動作変化の幅が一定値以上の場合には、前記曲率半径の変更を行わない
請求項６に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１１】
前記ビーム曲率制御部は、ビームの曲率半径を増加させる期間と、前記曲率半径を減少させる期間とを交互に繰り返す
請求項６に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１２】
前記偏向部は、基板と、前記基板の少なくとも一部に形成されたホログラムミラーとを含み、
前記ホログラムミラーは、前記走査部からの走査光をユーザの眼に向かわせる偏向領域と、前記走査部が出力したビームの一部を反射して前記光検出部に導く反射体とを含む
請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１３】
前記反射体は、前記偏向領域内に形成されており、
前記偏向領域と前記反射体とは、多重化されている
請求項１２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１４】
前記反射体は、前記偏向領域の周囲の少なくとも一部に形成されている
請求項１２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１５】
前記反射体は、網膜上のスポットサイズが最適値となるときに最も強い反射光を出力する
請求項１２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１６】
前記光源は、赤色レーザ光源と、青色レーザ光源と、中心波長が７５０ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下の赤外光を出力する赤外レーザ光源及び赤外光の一部を緑色に変換するＳＧＨ（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子を組み合わせた緑色レーザ光源とを含み、
前記反射体は、前記赤外光を反射する
請求項１２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１７】
前記偏向部は、前記基板の前記ホログラムミラーが取り付けられた面とは反対側の面に、赤外光を遮蔽する遮蔽膜を備える
請求項１６に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１８】
前記光検出部は、前記反射光の波面形状のうち光軸に垂直で、かつ互いに直交する２方向のビームの曲率半径を個別に検出する
請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１９】
前記光検出部は、前記走査部から出力され、前記偏向部、ユーザの眼の角膜、ユーザの眼の網膜、及びユーザの瞳の虹彩のいずれかで反射された反射光を検出する
請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２０】
前記波面形状変更部は、ビームの水平成分の波面形状を変更する水平成分変更部と、垂直成分の波面形状を変更する垂直成分変更部とを有する
請求項１に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２１】
前記水平成分変更部は、前記垂直成分変更部よりも、ビームの波面形状を大きく変更させる
請求項２０に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２２】
前記波面形状変更部は、前記水平成分変更部と前記垂直成分変更部とを光路に直列に配置し、ビームの波面形状を順次変更する
請求項２０に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２３】
前記波面形状変更部は、前記走査部での水平方向走査時に垂直方向走査時よりもビームの波面形状を大きく変更させる
請求項２０に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２４】
該ビーム走査型表示装置は、めがね型の画像表示装置であって、
前記偏向部を有する一対のレンズと、
前記一対のレンズそれぞれの外縁部から後方に延びると共に、少なくとも前記走査部を保持する一対のテンプルと、
前記光源からのビームを前記走査部に導くものであって、前記走査部へのビームの入射角が、前記光源から前記走査部に直接入射する場合より小さくなる位置に配置される折り返しミラーとを備え、
前記折り返しミラーは、
前記テンプル内の前記走査部と鉛直方向に離隔した位置に配置され、前記光源からのビームを反射する第１のミラーと、
前記第１のミラーより前記レンズに近い位置に配置され、前記第１のミラーからの反射光を前記走査部に導く第２のミラーとを含む
請求項１に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２５】
前記偏向部は、ホログラムミラーであり、
前記走査部からの走査光をユーザの眼に向かう方向に偏向する画像反射領域と、
前記第２のミラーとして機能する折り返し反射領域とを備える
請求項２４に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２６】
前記折り返し反射領域は、前記偏向領域で生じる収差の少なくとも一部を補正するための収差を有する
請求項２５に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２７】
前記波面形状変更部は、
前記光源から出力されたビームを集光させるレンズと、
前記レンズで集光されたビームを前記レンズに向かって反射するミラーと、
前記レンズと前記ミラーとの間の距離を制御する位置制御部とを備える
請求項１に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２８】
ビームを出力するビーム出力ステップと、
前記ビーム出力ステップで出力されたビームを走査する走査ステップと、
前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向ステップと、
ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記ビーム出力ステップからのビームの波面形状を変更して前記走査ステップに出力する波面形状変更ステップとを備える
ビーム走査型表示方法。
【請求項２９】
ビームを出力するビーム出力ステップと、
前記ビーム出力ステップで出力されたビームを走査する走査ステップと、
前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向ステップと、
ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記ビーム出力ステップからのビームの波面形状を変更して前記走査ステップに出力する波面形状変更ステップと
をコンピュータに実行させるための
プログラム。
【請求項３０】
ビームを出力する光源と、
前記光源から出力されたビームを走査する走査部と、
前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向部と、
ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記光源からのビームの波面形状を変更して前記走査部に出力する波面形状変更部とを備える
集積回路。
【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）等の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、レーザ光を２次元走査して、眼の網膜に直描する方式（以下、レーザ走査方式、と記す）がある（例えば、特許文献１、２参照）。レーザ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、レーザ走査ディスプレイ、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】
また、レーザ走査方式で、焦点変更部を持ち、各画素表示の奥行きを変更することで、３次元立体表示を実現する方式もある（例えば、特許文献３参照）。【０００４】
また、レーザ走査方式で、波面曲率変更部を持ち、レーザ光の波面曲率半径を変更することで、波面曲率半径が目標値となるよう補正する方式もある（例えば、特許文献４参照）。【０００５】
図３４Ａ及び図３４Ｂに眼鏡型のＨＭＤの構造の例を示す。図３４Ａ及び図３４Ｂでは眼鏡フレームにレーザ光を発光する光源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を搭載している。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、眼鏡レンズの表面に備えられた偏向部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。ここで偏向部１０４、１０７にはハーフミラーやホログラム光学素子（ＨＯＥ：Ｈｏｌｏｇｒａｍ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）などが用いられ、ユーザは外の景色と、レーザによって描かれる画像の両方を同時に視聴することが可能になる。また走査部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などが用いられる。【０００６】
また、従来から存在するマイクロディスプレイ型のＨＭＤの他の実施形態として、レーザ光源ではなく、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどのマイクロディスプレイを光源として用い、マイクロディスプレイからの光を偏向部によってユーザの眼に導く構成が用いられている。【０００７】
一般的なパーソナルコンピューター向けのディスプレイと同様に、上記のようなＨＭＤにおいてもＶＤＴ（Ｖｉｓｕａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｔｅｒｍｉｎａｌ）作業における眼精疲労が問題になる。眼精疲労は主に眼のディスプレイに固定されることによって引き起こされる。図３５に人間の眼の構造を示す。図３５は、人間の眼の断面図であり、図に示されるように人間の眼は、入射光１２０５が水晶体１２０２を通過し、眼球１２０１の奥に存在する網膜１２０４に集光されることで、映像を視認する。【０００８】
ここで人間の眼は筋肉である毛様体１２０３を弛緩もしくは緊張させることにより水晶体１２０２の厚さを変更し、入射光１２０５が網膜１２０４上に上手く集光するように調節を行う。【０００９】
一般に、人間は近くを見るときには毛様体１２０３を緊張させ、水晶体１２０２を厚くする。水晶体１２０２の厚さが増すことで、水晶体の焦点距離が短くなり、近くからの光が網膜１２０４上に集光しやすくなり、人間は近くの物体１３０１を鮮明に見ることが出来るようになる。この様子を図３６に例示する。【００１０】
また、遠くを見るときには人間の眼は毛様体１２０３を弛緩させることで、水晶体１２０２を薄くする。水晶体１２０２の厚さが減ることで、水晶体の焦点距離が長くなり、遠くからの光が網膜１２０４上に集光しやすくなり、人間は遠くの物体１３０１を鮮明に見ることができるようになる。この様子を図３７に例示する。【００１１】
ＶＤＴ作業では眼の近くのディスプレイに映し出された光を見るため、通常、人間は毛様体１２０３を緊張させ、水晶体１２０２を厚くする。ＶＤＴ作業が長時間に及ぶと、この毛様体１２０３の緊張が持続するため、毛様体の疲労を招き、眼精疲労を引き起こしてしまう。【００１２】
この眼精疲労を避けるためにマイクロディスプレイ型ＨＭＤでは、マイクロディスプレイやレンズの位置を変化させる機能が用いられる（例えば、特許文献５参照）。【００１３】
マイクロディスプレイやレンズの位置を変化させると、ユーザに提示される映像の視距離（ユーザの眼と、表示映像の虚像との距離）が変化する。そのためユーザに提示する映像を、ユーザから遠くに表示するようにすれば、ユーザの眼は水晶体を薄くするために毛様体１２０３を弛緩させようとする。この作用を利用すれば、ＨＭＤを利用するユーザの眼精疲労を緩和することが可能になる。【００１４】
一方、ビーム走査型ＨＭＤでは、マイクロディスプレイの位置を移動させる代わりに、ビームの波面曲率を変化させることで同様の処理が可能になる。一般に、光の波面曲率は遠方からの光ほど大きくなる（無限遠からの光は、波面曲率が無限大の平行光）。そのためレーザ光源からの光の波面曲率を大きくすると、ユーザに提示される映像の視距離が長くなり、その結果、眼の毛様体の緊張が緩和される。【００１５】
ＨＭＤなどに用いる画像表示装置は、個人用携帯ディスプレイ端末のうちのひとつの画像表示装置であり、そのウェアラブル性の観点から図３４Ａ及び図３４Ｂに示すように眼鏡形態などによる構造が一般的に適用されている。【００１６】
このようなＨＭＤなどの画像表示装置には、例えば眼鏡形態のレンズに相当する部分をスクリーンなどに仮定して、その部分にレーザ光を２次元的に走査して、観察者の眼の網膜に直接描画して画像表示を行っているものが知られている（例えば、特許文献６参照）。ここでは、スクリーンに相当する瞳伝送レンズに裏面反射鏡または表面反射鏡からなる反射鏡を用い、これらをフレネルレンズなどで構成することにより光学系全体の厚さを抑えてより小型軽量にしてウェアラブル性に富む構造としている。【００１７】
ところで、このようなレーザ走査方式のＨＭＤにおいては、レーザ光源やレーザ走査部を眼前ではなく側頭部に配置した場合、または画角を広くして大画面表示とした場合に、レーザ光源からスクリーンを介して網膜へと至る光路は、各画素により空間的に異なっている。すなわち、光路に配置したミラーなどの偏向部でのビームの入射角、反射角、波面形状およびスポットサイズが、各画素により大きく異なってくる。したがって、レーザ光源から一定の波面形状およびスポットサイズのビームを出力しても、観察者である人の眼に到達するビームの波面形状およびスポットサイズなどの特性は、画面内の画素によって異なる。その結果、各画素サイズにばらつきが生じる、または画素サイズが許容範囲を超えるなどの課題が生じていた。【００１８】
このような課題を解決するために、レーザ走査方式の画像表示装置に含まれる観察者の眼に走査されるレーザ光を偏向する光学手段において、この光学手段の位置を変化させることに対応して、レーザ光の波面曲率を目標値となるように補正する曲率補正部を有する画像表示装置が提案されている（例えば、特許文献４参照）。このことにより、レーザ光が照射される光学手段の照射位置によりレーザ光の波面曲率などの光学特性が変化する度合いが異なるにもかかわらず、光学特性が補正されて観察者に正確な画像を認識させることが容易となるとしている。【００１９】
また、使用者の頭部に装着して画像表示を行うＨＭＤ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。【００２０】
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。【００２１】
しかし、高画質、広視野角にするほど、画素型表示デバイスを用いた方式は、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。【００２２】
また、接眼光学系が眼前を覆う構造となり、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り、自然な装着感は望み難く一般的なめがね型の構成は実現が難しい。【００２３】
一方、図３４Ａ及び図３４Ｂに示されるような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。【００２４】
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２参照）。【００２５】
図３８、図３９Ａ、及び図３９Ｂに、このようなめがね型画像表示装置の例を示す。【００２６】
図３８において、めがね型画像表示装置８１は、通常のめがねと同様、めがねレンズ８２、レンズフレーム８３、及びテンプル８４で構成される。【００２７】
テンプル８４に設けた開口８５よりレーザビーム８６が照射され、２次元走査されてめがねレンズ８２上の画像反射領域８７で使用者の眼８８の方向へ偏向される。眼８８に入射したレーザビーム８６は網膜上でスポットを形成し、画像が認識される。【００２８】
構成によっては、走査部や電源部を含んだ外部機器８９が有線、または無線で接続される（図では破線で表示）。また、別途音声再生装置と組み合わせてイヤホン等が設けられる（図示せず）。【００２９】
図３９Ａはめがね型画像表示装置８１の平面図、図３９Ｂは側面図である。図では使用者の頭部およびめがね型画像表示装置８１の右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）。【００３０】
この実施形態においては、図３９Ａ及び図３９Ｂに示されるように、レーザビーム８６を出射する光源９１、レーザビーム８６を二次元走査する走査部９２、及び各部を制御する制御部９４をテンプル８４に搭載している。テンプル８４の水平寸法Ｗは内蔵する各素子を直線状に配置できる最小限の幅とする。ＭＥＭＳミラーに入射するレーザビーム径が２ｍｍ程度の場合、おおむね５〜１０ｍｍ程度とできる。【００３１】
垂直寸法Ｈは、通常めがねレンズ８２の高さが２５〜３５ｍｍあるので、おおむね３０ｍｍ程度の寸法が取れる。【００３２】
レーザビーム８６は、光源９１によってめがねレンズ８２に向かって投射され、めがねレンズ８２の表面に形成されたホログラムミラーである偏向部９３によって反射され、使用者の眼８８に入射して網膜上に画像を形成する。ホログラムミラーは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、波長選択性を持ちレーザビームの波長のみを反射する。その結果、ユーザは外の景色と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。【００３３】
このような構成で、走査部９２にＭＥＭＳミラーを使用した場合、テンプル８４の耳側からＭＥＭＳミラーへレーザビームを照射する光軸と、眼の中心軸が略平行となり、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、ＭＥＭＳミラーから偏向部９３への入射角βと等しくなる。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偏向部に照射するよう図３９Ａのように配置すると、α＝β＝６０°となる。【００３４】
また、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７参照）。【００３５】
特許文献７では、レーザ光源を耳側ではなくめがねレンズ側に光源部を設けて走査部に入射している。実際には、走査部よりめがねレンズ側にはあまりスペースがないので、図４０Ａ及び図４０Ｂに示すような光路構成となる。【００３６】
図４０Ａ及び図４０Ｂは、このようなめがね型画像表示装置の例を示す平面図と側面図である。【００３７】
走査部９２は図３９Ａ及び図３９Ｂの構成と同じ位置にある。それに対して、光源９１から照射されたレーザビーム８６は折り返しミラー９５、９６を使って走査部９２よりめがねレンズ８２側から照射される。この場合、走査部９２への入射角αは、α＝β／２＝３０°となる。
【特許文献１】特許第２９３２６３６号公報
【特許文献２】特開平１０−３０１０５５号公報
【特許文献３】特許第３１０３９８６号公報
【特許文献４】特開２００４−１９１９４６号公報
【特許文献５】特許第３１４８７９１号公報
【特許文献６】特開２０００−２２１４４１号公報
【特許文献７】特開２００３−０２９１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３８】
レーザ走査方式のディスプレイで、高解像度表示を実現するには、画面内の画素サイズを小さくするために、各画素に対応するレーザ光のビームスポットサイズを小さくする必要がある。【００３９】
レーザ走査方式では、光源から網膜へと至る光路は、各画素によって空間的に異なる。特に、ＨＭＤをメガネ形とする目的で光源や走査部を眼前ではなく側頭部に配置した場合や、画角を広くして大画面表示とした場合に、走査部でのビームの走査角や、眼前に配置したミラー等（偏向部）でのビームの入射角や反射角や波面形状変化が、各画素によって、より大きく異なってくる。その結果、光源から一定の波面形状のビームを出力しても、ユーザの眼に到達するビームの波面形状は画面内の画素によって異なる結果、ビームスポットサイズも異なり、各画素サイズにばらつきが生じたり、画素サイズが許容範囲内に収まらない課題があった。【００４０】
特許文献４では曲率半径を補正する方法を示しているが、曲率半径を目標値になるよう制御しても、ビームスポットサイズが異なれば、画質が低下する課題がある。例えば、画面の中央でも端でも、平行光（曲率が０）が眼に入射するように制御すると、ビームスポットサイズが画面中央と画面端とでは異なってしまう場合がある。その結果、隣接する走査線間に隙間が生じてしまったり、走査線が重なってしまったりする結果、画質が低下する課題があった。【００４１】
図４１は本課題の例を示した図である。前記特許文献４の曲率補正部を、メガネ形のＨＭＤに適用した図であり、メガネ形とするために、走査ミラーを側頭部に配置し、ホログラム回折素子等の平面形状の偏向ミラーを眼の前に配置する。図４１は、偏向ミラーから眼へ向かうビームの曲率が０（平行光）となるように、曲率変更部が光源からのビームの曲率を変更した図である。図のように、平行ビームとすることによって、Ａ１地点でのビームスポットサイズ（直径）が４５０μｍとなるのに対して、Ｂ１地点でのスポットサイズは２４００μｍと、大きく異なる場合がある。この結果、網膜上でのスポットサイズ（画素サイズ）も、Ａ２地点では３５μｍに対し、Ｂ２地点では７μｍとなるため、画素サイズにばらつきが生じてしまう。【００４２】
さらに特許文献４の曲率半径を補正する方法では、ビームの波面形状が球面形状をしており、その半径が変化する場合しか補正できず、波面形状の水平成分と垂直成分が異なる変化をする場合などは、目標とする曲率半径や目標とするスポットサイズに補正できない課題もあった。【００４３】
図４２は本課題の例を示した図である。図４１同様に、前記曲率補正部を、メガネ形のＨＭＤに適用した図である。図４２の平面図は頭上から見下ろした図で、図４２の側面図は側面からの図である。【００４４】
図４２の平面図では、図４１同様に、偏向ミラーから眼へのビームは平行光で、Ａ１でのビームスポットサイズ（水平幅）が４５０μｍで、Ａ２地点でのスポットサイズ（水平幅）が３５μｍである。偏向ミラーから眼へのビームは、平面図では平行光であるが、側面図では発散光となる結果、Ａ１でのスポットサイズ（垂直幅）は９００μｍで、Ａ２地点でのスポットサイズ（垂直幅）は７８０μｍとなる。【００４５】
偏向ミラー反射光が、平面図では平行光なのに、側面図では発散光となる原因は、偏向ミラーのレンズパワーが水平方向と垂直方向で異なることや、偏向ミラーへの入射角が水平方向と垂直方向で異なることであり、これらはＨＭＤをメガネ形にしたことによるものである。【００４６】
このように、水平方向を平行光にすると垂直方向が平行でなくなり、同様に、垂直方向を平行光にすると水平方向が平行でなくなるために、前記特許文献４の曲率補正部では、目標とする曲率半径や、目標とするスポットサイズに補正できない場合がある。【００４７】
さらにレーザ走査方式では、ビームを高速に走査する結果、ビームスポットサイズを変更できる速度が、走査速度に追いつかない場合に、画面の各画素を望むサイズに制御できない課題もあった。【００４８】
また、上記で説明した従来技術においては、光学特性が補正されて観察者に正確な画像を認識させることはできるものの光学特性を調整する処理が複雑であり、高精細の高速で動く画像に対応することが難しいという課題があった。【００４９】
また、マイクロディスプレイの位置やレーザの波面曲率を、ユーザの眼の状態を考慮せずに変えてしまうと、ユーザの眼が入射光を上手く網膜上に集光することができず、その結果、表示される映像がボケるという課題が生じる。【００５０】
入射光を上手く網膜上に集光するための水晶体の調節には、一定の時間が必要であり、また水晶体が実現できる厚さや薄さには近視や遠視など個人差も存在する。そのため、現在の水晶体の薄さや、水晶体が実現できる薄さの限界などを考慮することなしに、マイクロディスプレイの距離やレーザの波面曲率などを変化させると、水晶体の変化がそれらの変化に追随できない。そのため入射光が上手く網膜上に集光されずに、ユーザが視認する表示画像がボケるという事態を招いてしまう。【００５１】
前述のレーザ走査ＨＭＤや眼精疲労を防止するＨＭＤの先行例では、この点に対する考慮がなされていない。【００５２】
さらに、従来のめがね型画像表示装置では、以下のような課題があった。【００５３】
一般的なめがねでは、フレームやテンプルが細いもの、太いもの、中には、レンズフレームがなく直接テンプルが取り付けられているもの等様々なデザインが存在するが、図３８のような、幅広タイプのテンプルデザインのものもある。画像表示装置としてテンプル内に部品を内蔵するには、このようなデザインのめがねが適している。この場合も、テンプルは上下方向に幅広にしているが、水平方向には薄いほうが良い。特に、テンプル部が外側へ突出すると、デザイン上不自然な形状となり、常時使用するような用途には不都合である。【００５４】
図３９Ａ及び図３９Ｂに示すめがね型画像表示装置では、テンプルの水平寸法Ｗは最小限に設定できるが、走査部であるＭＥＭＳミラーへの入射角が６０°と大きいため、ＭＥＭＳミラーの必要サイズがその分大きくなる。【００５５】
ビーム径ＤｂとＭＥＭＳミラーサイズＤｍは入射角αに対して、Ｄｍ＝Ｄｂ／ｃｏｓαの関係があるので、α＝６０°の場合、ビーム径の２倍のＭＥＭＳミラーサイズとなる。その結果、ＭＥＭＳミラーが大型化することで高速駆動が困難となり、高解像度表示が困難になる。【００５６】
また、大きく重くなることで、ＭＥＭＳミラーの駆動部をより大きくする必要があり、テンプル幅Ｗも大きくなってしまう。【００５７】
図４０Ａ及び図４０Ｂに示すめがね型画像表示装置では、図３９Ａ及び図３９Ｂの場合よりもＭＥＭＳミラーへの入射角αは小さく設定できるためＭＥＭＳミラーサイズはより小型にできる。α＝３０°では、ＭＥＭＳミラーサイズＤｍはレーザビーム径Ｄｂの１．１５倍でよく、高速駆動に有利となるが、光源９１や折り返しミラー９５をＭＥＭＳミラーの外側へ配置して光路を構成しているため、テンプルの水平寸法Ｗが大きくなってしまう。【００５８】
本発明は前記課題を解決するもので、レーザ走査方式のディスプレイで、ビームの波面形状を適切に変化させることで、ビームスポットサイズを制御して、より高解像度で高画質な表示を実現することを目的とする。【００５９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、高精細の高速で動く画像に対応することができるだけでなく、観察者に正確な画像を認識させるための処理も簡単な画像表示装置を提供することを目的とする。【００６０】
本発明は前記課題を解決するもので、ユーザの網膜上のビームのスポットサイズを測定しながら、ビームの曲率半径を変化させることで、映像のボケを防ぎながら、眼精疲労防止を図ることを目的とする。【００６１】
本発明は前記課題を解決するもので、ＭＥＭＳミラーのサイズを抑えて高速駆動を有利にするとともに、テンプルの水平寸法を薄くして装着感の良好なめがね型画像表示装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００６２】
この発明に係るビーム走査型表示装置は、ビームを出力する光源と、前記光源から出力されたビームを走査する走査部と、前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向部と、ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記光源からのビームの波面形状を変更して前記走査部に出力する波面形状変更部とを備える。【００６３】
本構成のようにビームの波面形状を変更することで、ビームのスポットサイズを所定の範囲内とできる。その結果、画面内の各画素サイズのばらつきを減らして、より高画質な表示や、より高解像度な表示を実現できる効果がある。また、波面形状のより大きな変化に対応できるようになる結果、大画面表示を実現できる効果や、走査部等を側頭部に配置するメガネ形のＨＭＤを実現できる効果もある。【００６４】
また、ビーム走査型表示装置は、前記走査部で走査されたビームの一部を検出する光検出部を備え、前記波面形状変更部は、前記光検出部の検出結果に基づいてビームの波面形状を変更するようにしてもよい。【００６５】
一実施形態として、前記光検出部は、ユーザの眼に入射したビームの角膜上での反射光を検出するものである。ビーム走査型表示装置は、前記光検出部によって検出された反射光の強度からユーザの視線方向を検出する視線検出部と、前記視線検出部で検出した視線方向を用いて、ユーザの視野領域におけるビームの位置を判定する視野位置判定部とを備える。そして、前記波面形状変更部は、前記視野位置判定部で判定したビームの位置に応じて変動する前記許容範囲に基づいて、ビームの波面形状を変更する。【００６６】
本構成によって、視線が移動した場合でも画質劣化を減少できる効果がある。【００６７】
また、前記許容範囲の上限は、ビームがユーザの視野中心に近づくほど大きくなり、視野中心から遠ざかるほど小さくなるようにしてもよい。本構成によって、中心視野での画質を劣化させることなく、波面形状変更部の動作速度を低下させられる効果がある。同様に、波面形状変更部の動作速度が遅い場合でも、高画質なＨＭＤとできる効果がある。【００６８】
また、前記許容範囲の上限は、ユーザの視野領域での位置に対応する視力分解能に応じた値、及び視野中心での目標表示解像度に応じた値のうちのいずれか大きい方の値であってもよい。本構成によって、周辺視野でのスポットサイズを中心視野よりも大きくした場合でも、ユーザの眼に画質劣化として識別されない効果がある。【００６９】
他の実施形態として、前記光検出部の検出結果に基づいて、ユーザの眼に入射されるビームの網膜上でのスポットサイズを判定するスポットサイズ判定部と、ビームの曲率半径の目標値を保持し、前記スポットサイズ判定部によって判定されたスポットサイズが予め定めた閾値を超えない範囲で、ビームの曲率半径が前記目標値に段階的に近づくように、ビームの曲率半径を所定値ずつ変更するビーム曲率制御部とを備えてもよい。【００７０】
また、ビームの曲率半径の前記目標値は、前記スポットサイズ判定部によって判定されたスポットサイズが予め定めた閾値を超えない範囲で、最大の値に設定される。【００７１】
本構成によって、ユーザに表示される映像がボケることを防止しながら、眼の毛様体の緊張を防ぎ、眼精疲労を低減することができる。【００７２】
また、前記ビーム曲率制御部は、前記スポットサイズ判定部の判定結果が前記閾値を超えたことに応じて、前記目標値を引き下げる。【００７３】
本構成によって、近視などの影響のために遠くにピントを合わせることが出来ないユーザに対応することが可能になる。【００７４】
また、前記ビーム曲率制御部は、一定時間内における前記スポットサイズの変動幅が一定値以下の場合にのみビームの曲率半径を変更するようにしてもよい。【００７５】
本構成によって、ビームの曲率半径の変更に水晶体の調節が追随するまでの時間を考慮して、スポットサイズの決定を行うことが可能になる。【００７６】
また、ビーム走査型表示装置は、ユーザの身体動作変化を検出する動き検出部をさらに備える。そして、前記ビーム曲率制御部は、前記動き検出の出力からユーザの身体動作変化の幅が一定値以上の場合には、前記曲率半径の変更を行わないようにしてもよい。【００７７】
本構成によって、ユーザが動いているときなど表示映像ではなく外界を見ている可能性が高い場合などには処理を中断し、不要な処理を削減することが可能になる。【００７８】
また、前記ビーム曲率制御部は、ビームの曲率半径を増加させる期間と、前記曲率半径を減少させる期間とを交互に繰り返してもよい。本構成によって表示映像がボケることを防止しながら、毛様体の弛緩と緊張を一定周期ごとに繰り返すことが出来るようになる。その結果、毛様体の疲労を軽減し、眼精疲労を緩和することが可能になる。【００７９】
さらに他の実施形態として、前記偏向部は、基板と、前記基板の少なくとも一部に形成されたホログラムミラーとを含む。そして、前記ホログラムミラーは、前記走査部からの走査光をユーザの眼に向かわせる偏向領域と、前記走査部が出力したビームの一部を反射して前記光検出部に導く反射体とを含んでもよい。【００８０】
このような構成とすることにより、小型で軽量な画像処理の光学系を簡単に構成することができるので、高速かつ高精度の光学調整を実現することができる。また、観察者に正確な画像を認識させるための処理も簡単に行うことができる。【００８１】
また、前記反射体は、前記偏向領域内に形成されており、前記偏向領域と前記反射体とは、多重化されていてもよい。このような構成とすることにより、さらに小型で軽量な画像処理の光学系を簡単に構成することができるので、高速かつ高精度の光学調整を実現することができる。また、観察者に正確な画像を認識させるための処理も簡単に行うことができる。【００８２】
また、前記反射体は、前記偏向領域の周囲の少なくとも一部に形成されていてもよい。このような構成とすることにより、光偏向部をさらに薄くすることができ、小型、軽量かつ薄型のＨＭＤを実現することができる。また、表示される映像に影響を与えることなくホログラムミラーの周囲に走査光の一部を走査することにより光学調整を行うことができる。【００８３】
また、前記反射体は、網膜上のスポットサイズが最適値となるときに最も強い反射光を出力するようなものであってもよい。このような構成とすることにより、光学調整を行うときのサーボ範囲をさらに拡大する、あるいはオフセットをさらに減少することができる。【００８４】
また、前記光源は、赤色レーザ光源と、青色レーザ光源と、中心波長が７５０ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下の赤外光を出力する赤外レーザ光源及び赤外光の一部を緑色に変換するＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子を組み合わせた緑色レーザ光源とを含む。そして、前記反射体は、前記赤外光を反射するものであってもよい。【００８５】
このような構成とすることにより、サーボ用の光源を別途使用しなくてもよいので装置を小型化、軽量化および低消費電力化することができる。また、サーボ用光源と光検出部とを近くに配置することができるので、さらに光学調整を安定に行うことができる。【００８６】
また、前記偏向部は、前記基板の前記ホログラムミラーが取り付けられた面とは反対側の面に、赤外光を遮蔽する遮蔽膜を備えてもよい。このような構成とすることにより、外側の面の外部からの赤外光が偏向面に入射することを防止できるので、赤外光によるＳ／Ｎ比がさらに改善された高精度の光検出を行うことができる。【００８７】
また、前記光検出部は、前記反射光の波面形状のうち光軸に垂直で、かつ互いに直交する２方向のビームの曲率半径を個別に検出するようにしてもよい。【００８８】
また、前記光検出部は、前記走査部から出力され、前記偏向部、ユーザの眼の角膜、ユーザの眼の網膜、及びユーザの瞳の虹彩のいずれかで反射された反射光を検出するものであってもよい。このような構成とすることにより、偏向部の光学構成をさらに簡易にすることができる。【００８９】
また、前記波面形状変更部は、ビームの水平成分の波面形状を変更する水平成分変更部と、垂直成分の波面形状を変更する垂直成分変更部とを有するものであってもよい。【００９０】
本構成によって、波面形状の水平成分と垂直成分が異なる変化をする場合でもスポットサイズを制御できる効果がある。特に、ビームの水平方向の光路変化の大きさと、垂直方向の光路変化の大きさとが、異なる光学配置の場合に有効であるので、光学系を平面上に配置するなどした薄型のＨＭＤとできる効果がある。【００９１】
また、前記水平成分変更部は、前記垂直成分変更部よりも、ビームの波面形状を大きく変更させてもよい。【００９２】
本構成によって、波面形状の水平走査時の変化が垂直走査時の変化よりも大きい場合に対応できる効果がある。特に、走査部を側頭部に配置し、偏向部を眼前正面に配置した場合など、ビームの水平方向の光路変化が垂直方向よりも大きい配置のＨＭＤを実現できる効果がある。また、垂直走査を走査部の高速軸、水平走査を低速軸とすると、高速軸での変化を小さくできるので、波面形状変更部の動作速度が遅い場合でも、高画質なＨＭＤとできる効果がある。【００９３】
また、前記波面形状変更部は、前記水平成分変更部と前記垂直成分変更部とを光路に直列に配置し、ビームの波面形状を順次変更してもよい。【００９４】
本構成によって、水平成分と垂直成分を同時に変更する手段を用いる代わりに、水平成分のみ変更できる手段と垂直成分のみを変更できる手段とで実現できるので、より簡易に実現でき、ＨＭＤをより低コストで実現できる効果がある。【００９５】
また、前記波面形状変更部は、前記走査部での水平方向走査時に垂直方向走査時よりもビームの波面形状を大きく変更させてもよい。【００９６】
本構成によって、波面形状の水平走査時の変化が垂直走査時の変化よりも大きい場合に対応できる効果がある。特に、走査部を側頭部に配置し、偏向部を眼前正面に配置した場合など、ビームの水平方向の光路変化が垂直方向よりも大きい配置のＨＭＤを実現できる効果がある。また、垂直走査を走査部の高速軸、水平走査を低速軸とすると、高速軸での変化を小さくできるので、波面形状変更部の動作速度が遅い場合でも、高画質なＨＭＤとできる効果がある。【００９７】
さらに他の実施形態として、該ビーム走査型表示装置は、めがね型の画像表示装置である。具体的には、前記偏向部を有する一対のレンズと、前記一対のレンズそれぞれの外縁部から後方に延びると共に、少なくとも前記走査部を保持する一対のテンプルと、前記光源からのビームを前記走査部に導くものであって、前記走査部へのビームの入射角が、前記光源から前記走査部に直接入射する場合より小さくなる位置に配置される折り返しミラーとを備える。そして、前記折り返しミラーは、前記テンプル内の前記走査部と鉛直方向に離隔した位置に配置され、前記光源からのビームを反射する第１のミラーと、前記第１のミラーより前記レンズに近い位置に配置され、前記第１のミラーからの反射光を前記走査部に導く第２のミラーとを含む構成であってもよい。【００９８】
本構成によって、テンプルの水平寸法を増大させることなく、走査部であるＭＥＭＳミラーへの入射角を抑えて高速駆動可能となり、高解像度で装着感の良いめがね型画像表示装置が構成できる。【００９９】
また、前記偏向部は、ホログラムミラーであり、前記走査部からの走査光をユーザの眼に向かう方向に偏向する画像反射領域と、前記第２のミラーとして機能する折り返し反射領域とを備えるものであってもよい。本構成によって、テンプルの内側への凸部をなくして水平寸法を最小限に抑え、より装着感の良いめがね型画像表示装置が構成できる。【０１００】
また、前記折り返し反射領域は、前記偏向領域で生じる収差の少なくとも一部を補正するための収差を有するようにしてもよい。【０１０１】
また、前記波面形状変更部は、前記光源から出力されたビームを集光させるレンズと、前記レンズで集光されたビームを前記レンズに向かって反射するミラーと、前記レンズと前記ミラーとの間の距離を制御する位置制御部とを備えるものであってもよい。【０１０２】
この発明に係るビーム走査型表示方法は、ビームを出力するビーム出力ステップと、前記ビーム出力ステップで出力されたビームを走査する走査ステップと、前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向ステップと、ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記ビーム出力ステップからのビームの波面形状を変更して前記走査ステップに出力する波面形状変更ステップとを備える。【０１０３】
この発明に係るプログラムは、ビームを出力するビーム出力ステップと、前記ビーム出力ステップで出力されたビームを走査する走査ステップと、前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向ステップと、ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記ビーム出力ステップからのビームの波面形状を変更して前記走査ステップに出力する波面形状変更ステップとをコンピュータに実行させる。【０１０４】
この発明に係る集積回路は、ビームを出力する光源と、前記光源から出力されたビームを走査する走査部と、前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向部と、ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記光源からのビームの波面形状を変更して前記走査部に出力する波面形状変更ステップとを備える。【０１０５】
なお、本発明は、このようなビーム走査型表示装置として実現できるだけでなく、ビーム走査型表示装置の機能を実現する集積回路として実現したり、そのような機能をコンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体及びインターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。また、本発明は、このような画像符号化方法及び画像符号化装置により生成されたデータストリームとして実現したり、このような画像符号化装置の機能を実現する集積回路として実現したりもできる。
【発明の効果】
【０１０６】
本発明のビーム走査型表示装置は、波面形状変更部が偏向部で偏向されたビームのスポットサイズを所定の範囲内となるよう波面形状を変更することで、ビームのスポットサイズを所定の範囲内とできる。その結果、画面内の各画素サイズのばらつきを減らして、より高画質な表示や、より高解像度な表示を実現できる効果がある。また、波面形状のより大きな変化に対応できるようになる結果、大画面表示を実現できる効果や、光源を側頭部に配置するメガネ形のＨＭＤを実現できる効果もある。【０１０７】
また、ビーム走査型のＨＭＤで、ユーザの網膜上のビームのスポットサイズを測定しながら、ビームの曲率半径を変化させることで、映像のボケを防ぎながら、眼精疲労防止を図ることが可能になる。【０１０８】
また、本発明は、高速で、かつ高精度の光学調整をすることができるので、高速で高精細の動画像を表示する画像表示装置を実現することができる。また、網膜よりも反射率の大きい反射体からの反射光を利用しているので、光学調整が精度よく確実にすることができ、外乱やビームの一部が遮蔽されるなどの影響に対して光学特性などを安定化することができる。その結果、観察者に正確で鮮明な画像を認識させることができる。【０１０９】
また、ＭＥＭＳミラーサイズの増大を招くことなく、かつテンプルの水平方向厚さを最小限に抑える構成とすることで、高解像度で装着感が良く、日常の活動の中で常時使用可能なめがね型画像表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるビーム走査型表示装置の平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１におけるビーム走査型表示装置の側面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１におけるビーム走査型表示装置の詳細構成図である。
【図３】図３は、シリンドリカルレンズの構造を示す斜視図である。
【図４】図４は、図３のＩＶ−ＩＶにおける断面図である。
【図５】図５は、図３のＶ−Ｖにおける断面図である。
【図６】図６は、波面曲率変更部において、シリンドリカルレンズとミラーとの距離がシリンドリカルレンズの焦点距離に一致している状態を示す図である。
【図７】図７は、波面曲率変更部において、シリンドリカルレンズとミラーとの距離がシリンドリカルレンズの焦点距離より近い状態を示す図である。
【図８】図８は、走査部の構造を示す斜視図である。
【図９Ａ】図９Ａは、ビーム走査型表示装置のブロック図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の実施の形態１における図９Ａの中央処理部の詳細図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態１におけるビーム走査型表示装置の動作を示すフローチャートである。
【図１１Ａ】図１１Ａは、視力分解能に対応するスポットサイズと、目標解像度に対応するスポットサイズとの関係を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、スポットサイズの許容範囲を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１１Ａと同様の図であって、走査範囲と視野中心とが一致していない場合を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態１におけるスポットサイズ−波面形状−視野位置の対応表を示した図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態２における図９Ａの中央処理部の詳細図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態２におけるビームの曲率半径を変更する処理のフローチャートである。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態２におけるビームの曲率半径とビームのスポットサイズの関係表の例を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態２におけるビームの曲率半径を大きくしたときのビームの集光位置の変化を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態２におけるビームの曲率半径を小さくしたときのビームの集光位置の変化を示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施の形態３にかかる画像表示装置の概略構成図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、眼の中の走査光の焦点位置を示す図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、光検出部において回折光が受光される状態を示す図である。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、光検出部の受光素子上のスポットサイズについて示す図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、眼の中の走査光の焦点位置を示す図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、光検出部において回折光が受光される状態を示す図である。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、光検出部の受光素子上のスポットサイズについて示す図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは、眼の中の走査光の焦点位置を示す図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、光検出部において回折光が受光される状態を示す図である。
【図２１Ｃ】図２１Ｃは、光検出部の受光素子上のスポットサイズについて示す図である。
【図２２】図２２は、本発明の実施の形態４にかかる画像表示装置の概略構成図である。
【図２３Ａ】図２３Ａは、ホログラムミラーの一例を示す図である。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、ホログラムミラーの他の例を示す図である。
【図２４Ａ】図２４Ａは、サーボ光発生用ホログラムミラーのホログラムパターンを示す図である。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、２方向のビームの曲率半径を検出する光検出部を示す図である。
【図２５】図２５は、本発明の実施の形態５にかかる画像表示装置の要部拡大図である。
【図２６Ａ】図２６Ａは、本発明の実施の形態６におけるめがね型画像表示装置の平面図である。
【図２６Ｂ】図２６Ｂは、本発明の実施の形態６におけるめがね型画像表示装置の側面図である。
【図２６Ｃ】図２６Ｃは、本発明の実施の形態６におけるめがね型画像表示装置のＸ矢視図である。
【図２７Ａ】図２７Ａは、本発明の実施の形態７におけるめがね型画像表示装置の平面図である。
【図２７Ｂ】図２７Ｂは、本発明の実施の形態７におけるめがね型画像表示装置の側面図である。
【図２７Ｃ】図２７Ｃは、本発明の実施の形態７におけるめがね型画像表示装置のＸ矢視図である。
【図２８】図２８は、本発明の実施の形態８における自動車搭載型のＨＵＤの構成図である。
【図２９】図２９は、本発明の実施の形態９における椅子装着型の表示装置の構成図である。
【図３０】図３０は、本発明の実施の形態１０におけるレーザ走査型のＨＵＤの構成図である。
【図３１】図３１は、図３０に示されるレーザ走査ユニットの詳細図である。
【図３２】図３２は、本発明の実施の形態１１におけるレーザ走査型の単眼鏡の構成図である。
【図３３】図３３は、本発明の実施の形態１２におけるレーザ走査型のディスプレイの構成図である。
【図３４Ａ】図３４Ａは、従来のビーム走査型表示装置の平面図である。
【図３４Ｂ】図３４Ｂは、従来のビーム走査型表示装置の側面図である。
【図３５】図３５は、人間の眼の構造を示す断面図である。
【図３６】図３６は、近くのものを見るときの水晶体と毛様体の様子を示す図である。
【図３７】図３７は、遠くのものを見るときの水晶体と毛様体の様子を示す図である。
【図３８】図３８は、めがね型画像表示装置の外観の例を示す斜視図である。
【図３９Ａ】図３９Ａは、従来のめがね型画像表示装置の第１の例を示す平面図である。
【図３９Ｂ】図３９Ｂは、従来のめがね型画像表示装置の第１の例を示す側面図である。
【図４０Ａ】図４０Ａは、従来のめがね型画像表示装置の第２の例を示す平面図である。
【図４０Ｂ】図４０Ｂは、従来のめがね型画像表示装置の第２の例を示す側面図である。
【図４１】図４１は、従来例における課題を示した図である。
【図４２】図４２は、従来例における課題を示した図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１０，３０，５０              画像表示装置
１１，９１，１０１            光源
１１ａ                        コリメータレンズ
１１ｂ                        ダイクロイックプリズム
１１Ｒ，２１１                赤色レーザ光源（Ｒ光源）
１１Ｇ，２１３                緑色レーザ光源（Ｇ光源）
１１Ｂ，２１２                青色レーザ光源（Ｂ光源）
１２，１２ａ                  レーザ光
１３，９２，１０３            走査部
１３ａ                        反射ミラー
１４，１４ａ，１４ｂ          走査光
１５                          瞳
１６，９３，１０４            偏向部
１６ａ                        基板
１６ｂ                        ホログラムミラー
１６ｃ                        偏向面
１６ｄ                        外側の面
１６ｅ                        遮蔽膜
１６ｆ，５１                  サーボ光発生用ホログラムミラー
１６ｇ                        第１の反射型ホログラムミラー
１６ｈ                        第２の反射型ホログラムミラー
１７                          虹彩
１７ａ                        反射体
１７ｂ                        反射光
１７ｃ，１７ｄ，１９ｂ        スポットサイズ
１８，５２，２１４            光検出部
１８ａ，２２，２３，５３      受光素子
１８ｂ，２１ｂ                対物レンズ
１８ｃ                        アパーチャ
１８ｄ                        回折格子
１８ｆ，１８ｇ                回折光
１８ｈ                        赤外レーザ光源
１９，８８                    眼
１９ａ，１２０４              網膜
１９ｃ                        焦点位置
２０，９４，１０５            制御部
２０ａ                        ビーム形状調節部
２０ｂ                        サーボ用ミラー
２１                          光路長調整部
２１ａ                        プリズム
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ  受光部
３１                          矢印
３２，３２ａ，３２ｂ          ビーム走査方向
３３                          ビーム偏向領域
３４                          サーボ光が発生する領域
５１ａ                        ホログラムパターン
５５                          見かけの発光点
８１                          めがね型画像表示装置
８２                          めがねレンズ
８３                          レンズフレーム
８４                          テンプル
８５                          開口
８６                          レーザビーム
８７                          画像反射領域
８９                          外部機器
９５，９６，２２０２          折り返しミラー
９７                          走査中心軸
９８                          折り返し反射領域
１０２                        波面形状変更部
１０３ａ                      ミラー部
１０３ｂ                      枠体
１０３ｃ，１０３ｄ            軸部
１０６                        ヘッドホン部
２０１，２１０１              焦点距離水平成分変更部
２０２，２１０２              焦点距離垂直成分変更部
２０３                        シリンドリカルレンズ
２０３ａ                      平面部
２０３ｂ                      曲面部
２０３ｃ，２０３ｄ            端面部
２０４                        ミラー
４０１                        偏向部支持部
５０１                        中央処理部
５０２                        記憶部
５０３                        入出力制御部
５２０                        通信部
５３１                        視線検出部
５３２                        視野位置判定部
１２０１，２００６            眼球
１２０２                      水晶体
１２０３                      毛様体
１２０５                      入射光
１３０１                      物体
１５０１                      スポットサイズ判定部
１５０２                      ビーム曲率制御部
２００１                      車
２００２                      レーザ走査ユニット
２００３                      フロントガラス
２００４                      ハーフミラー
２００５                      ドライバー
２００７                      天井
２００８                      支持棒
２２０１                      単眼鏡
２２０３                      カメラ
２３０１                      ディスプレイ
２３０２                      机
【発明を実施するための最良の形態】
【０１１２】
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。【０１１３】
（実施の形態１）
図１Ａ〜図９Ｂを参照して、本発明の実施の形態１に係るビーム走査型表示装置を説明する。なお、図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施の形態１におけるメガネ形のＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）の構成図（平面図と側面図）である。図２は、図１Ａの一部の詳細図である。図３〜図５はシリンドリカルレンズの形状及び機能を説明するための図である。図６及び図７は波面形状変更部の機能を説明するための図である。図８は走査部の構成を示す図である。図９Ａ及び図９ＢはＨＭＤの制御ブロック図である。【０１１４】
図１Ａ、図１Ｂ、及び図２を参照して、ビーム走査型表示装置は、メガネのフレーム部分に光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、制御部１０５、及びヘッドホン部１０６が配置されており、レンズ部分に偏向部１０４が配置されている。なお、図１Ａ及び図１Ｂではメガネの左側部分にのみ参照番号を付しているが、メガネの右側についても同様である。【０１１５】
光源１０１は、ビームを出力する。出力されるビームは、図２に示すように、赤色レーザ光源２１１と、青色レーザ光源２１２と、緑色レーザ光源２１３とから出力される各レーザ光を合波したレーザ光である。そして、各色レーザ光源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できる。さらに、後述する波面形状変更部１０２や走査部１０３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できる。【０１１６】
なお、図２では、緑色レーザ光源２１３は、赤外線の半導体レーザ光源と、赤外線を緑色に変換するＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：第２次高調波発生）素子とを組み合わせて緑色のビームを出力しているが、これに代えて、緑色の半導体レーザ光源を用いてもよい。また、各光源は、固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ、発光ダイオードのいずれであってもよい。【０１１７】
なお、図２では各レーザ光源でレーザ光の変調を行っているが、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。【０１１８】
なお、光源１０１は、図２の光検出部２１４を含んでもよい。実施の形態１における光検出部２１４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できる。角膜からの反射光の強度は、角膜表面への入射角に依存して変化する。具体的には、角膜表面に対して垂直に入射するビームの反射率は相対的に高く、角膜表面に対して斜めに入射するビームの反射率は相対的に低い。そこで、光検出部２１４は、反射光の強度を検出することによってユーザの視線方向を検出することができる。【０１１９】
波面形状変更部１０２は、光源１０１からのビームの波面形状を変化させて、後述の偏向部１０４で偏向されたビームのスポットサイズを所定の範囲内となるようにする。【０１２０】
ビームの「スポットサイズ」とは、ユーザの眼の網膜でのスポットサイズとして以後説明するが、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１０４でのスポットサイズでもよい。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。また、「波面形状」とはビーム波面の３次元形状であり、平面、球面、非球面の形状を含む。【０１２１】
図２に示されるように、波面形状変更部１０２は、焦点距離水平成分変更部（水平成分変更部）２０１と、焦点距離垂直成分変更部（垂直成分変更部）２０２とを光路に直列に配置することによって、波面形状の水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径とを独立して変更できる。【０１２２】
焦点距離水平成分変更部２０１及び焦点距離垂直成分変更部２０２は、それぞれ、光源１０１から出力されたビームを集光させるシリンドリカルレンズ２０３と、シリンドリカルレンズ２０３で集光されたビームをシリンドリカルレンズ２０３に向かって反射するミラー２０４とを備える。【０１２３】
そして、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との距離を変更することによって、ビームの曲率半径を変更している。なお、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との間の距離は、位置制御部として作動する制御部１０５によって制御される。【０１２４】
ここで、図３〜図７を参照して、波面形状変更部１０２の仕組みを説明する。なお、図３はシリンドリカルレンズ２０３の斜視図、図４は図３のＩＶ−ＩＶにおける断面図、図５は図３のＶ−Ｖにおける断面図である。また、図６はシリンドリカルレンズ２０３とミラーとの距離がシリンドリカルレンズ２０３の焦点距離ｆに一致した状態を示す図、図７は図６の状態からミラー２０４をシリンドリカルレンズ２０３に距離ｄだけ近づけた状態を示す図である。【０１２５】
まず、図３に示されるように、シリンドリカルレンズ２０３は、円柱をその底面に垂直な平面で切断したような形状であって、切断面に相当する平面部２０３ａと、円柱の側面に相当する曲面部２０３ｂと、円柱の底面及び上面に相当する一対の端面部２０３ｃ、２０３ｄとを備える。波面形状変更部１０２では、ビームが平面部２０３ａ側から入射するようにシリンドリカルレンズ２０３を配置する。【０１２６】
次に、図４に示されるように、シリンドリカルレンズ２０３を通過するビームのうち、一対の端面部２０３ｃ、２０３ｄに平行（図３のＩＶ−ＩＶ平面）な成分は、曲面部２０３ｂの曲率に従って屈折する。一方、図５に示されるように、一対の端面部２０３ｃ、２０３ｄに垂直（図３のＶ−Ｖ平面）な成分は、そのまま通過する。【０１２７】
そこで、焦点距離水平成分変更部２０１では、一対の端面部２０３ｃ、２０３ｄが上下方向を向くように（ＩＶ−ＩＶ平面が水平方向と平行になるように）配置する。一方、焦点距離垂直成分変更部２０２では、一対の端面部２０３ｃ、２０３ｄが左右方向を向くように（ＩＶ−ＩＶ平面が垂直方向と平行になるように）配置する。【０１２８】
次に、図６に示されるように、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との距離がシリンドリカルレンズ２０３の焦点距離ｆと一致している場合において、シリンドリカルレンズ２０３に入射した平行光（曲率半径無限大）は、屈折してミラー２０４の表面で焦点を結ぶ。そして、ミラー２０４によって反射されたビームは、シリンドリカルレンズ２０３で再度屈折して平行光として出力される（コリメートされる）。【０１２９】
一方、図７に示されるように、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との距離がシリンドリカルレンズ２０３の焦点距離ｆより近くなるようにミラー２０４を距離ｄだけ移動させた場合において、シリンドリカルレンズ２０３に入射した平行光（図７の実線）は、ミラー２０４の表面で焦点を結ばない。そして、ミラー２０４で反射した後、ミラー２０４から距離ｄだけ離れた位置（つまり、シリンドリカルレンズ２０３からｆ−２ｄだけ離れた位置）で焦点を結ぶ。このビームは、再度シリンドリカルレンズ２０３を通過しても平行光に戻らず、所定の曲率半径を持った拡散光（図７の破線）として出力される（コリメートされない）。【０１３０】
つまり、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との距離が焦点距離ｆに近づくほど、波面形状変更部１０２から出力されるビームの曲率半径は大きくなる。一方、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との距離が焦点距離ｆから遠ざかるほど、波面形状変更部１０２から出力されるビームの曲率半径は小さくなる。【０１３１】
上記のように、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との距離を適宜変更することによって、ビームの曲率半径を変更することができる。なお、焦点距離水平成分変更部２０１、焦点距離垂直成分変更部２０２ともに、曲率半径の変更に伴い、ビームの直径も変更している。【０１３２】
なお、図３に示すシリンドリカルレンズ２０３は、ビームの入射する面を平面（平面部２０３ａ）としたが、これに限ることなく、凸状曲面又は凹状曲面であってもよい。【０１３３】
また、水平方向の曲率を垂直方向よりも大きく変化させると、水平方向の変化により大きく対応できるので、画面の水平視野角を垂直視野角より大きくしたい場合や、側頭部に走査部（後述）があるＨＭＤのように、走査部から偏向部（後述）へのビームの水平入射角が垂直入射角よりも大きい場合に特に有効となる。【０１３４】
また、図２では、波面形状を表す項目のなかで、水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径とそれぞれのビームの直径という波面形状の一部のみを変更しているが、他の項目として波面内での曲率の分布や、波面端の形状やサイズなどを変更する手段があってもよい。【０１３５】
さらに、図２の波面形状変更部１０２では、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４とを用いて波面形状を変更するが、他の手段として、液晶レンズや、液体レンズ等の可変形状レンズや、回折素子や、ＥＯ素子（電気−光変換素子）などを用いてもよい。【０１３６】
走査部１０３は、波面形状変更部１０２から出力されるビームを２次元走査する。走査部１０３は、角度を２次元的に変更できる単板小型ミラーで、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーである。【０１３７】
図８に示されるように、走査部１０３は、ｘ軸を中心に回動可能なミラー部１０３ａと、ｘ軸に直交するｙ軸を中心に回動可能な枠体１０３ｂとを組み合わせて構成されている。具体的には、ミラー部１０３ａは、ｘ軸方向に延びる軸部１０３ｃによって枠体１０３ｂの内側に回動可能に取り付けられている。また、枠体１０３ｂは、ｙ軸方向に延びる軸部１０３ｄによって支持部材（図示省略）の内側に回動可能に取り付けられている。【０１３８】
上記構成とすれば、ミラー部１０３ａは、軸部１０３ｃを中心として枠体１０３ｂに対して回動可能となる。同様に、枠体１０３ｂは、軸部１０３ｄを中心として支持部材に対して回動可能となる。なお、枠体１０３ｂがｙ軸周りに回動するときは、ミラー部１０３ａも一体となって回動する。その結果、走査部１０３は、ビームを２次元走査することができる。【０１３９】
なお、走査部１０３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。また、走査部は、ミラーを物理的に傾ける方法に限定されず、レンズを移動したり、回折素子を回転する方法や、液晶レンズや可変形状レンズや、ＡＯ素子（音響光学素子）や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。【０１４０】
偏向部１０４は、走査部１０３で走査されたビームの向きをユーザの眼に向かう方向へ偏向する。偏向部１０４は、メガネのレンズの内側（眼の側）に、例えば、リップマン体積ホログラムが形成されたフォトポリマー層が形成されており、走査部１０３からのビームがユーザの眼の瞳孔に回折・集光されるように製作されている。【０１４１】
フォトポリマー層には赤色、緑色、青色、それぞれの光源からの光を反射する３つのホログラムを多重に形成してもよいし、それぞれの色の光に対応した３層のホログラムを積層してもよい。また、ホログラムの波長選択性を用いて、光源波長の光のみを回折させ、外界からの光のほとんどを占める光源波長以外の波長の光を回折させないように製作することで、透過型のディスプレイとできる。【０１４２】
なお、偏向部１０４は、ホログラムなどの回折素子による偏向に限定されず、凹面鏡などのミラーや、凸レンズなどのレンズでもよい。また偏向部１０４は、反射型スクリーンや透過型スクリーンのように、スクリーンにビームが当たって発散する結果、スクリーンからの発散光の一部がユーザの眼の方向へ偏向される方式も含む。【０１４３】
制御部１０５は、ＨＭＤ各部を制御する集積回路を備える。制御部１０５は、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、中央処理部５０１、記憶部５０２、及び入出力制御部５０３を備えてもよい。【０１４４】
中央処理部５０１は、視線検出部５３１、及び視野位置判定部５３２等として作動する。記憶部５０２は、制御部１０５で用いるデータを記憶する。実施の形態１においては、図１１Ｂに示す視野位置とビームスポットサイズとの関係を示すテーブルと、図１２に示す網膜上のビームスポットサイズ、波面形状変更部１０２から出力されるビームの波面形状、及び視野位置の関係を示すテーブルと、その他の各種情報とを記憶する。【０１４５】
入出力制御部５０３は、制御部１０５の制御対象となる光源１０１、波面形状変更部１０２、及び走査部１０３などへの制御信号出力や制御対象からの信号入力を制御する。具体的には、入出力制御部５０３は、制御対象種別毎に光源入出力制御部５１０、波面形状変更入出力制御部５１１、走査入出力制御部５１２、偏向入出力制御部５１３、ヘッドホン入出力制御部５１４、電源入出力制御部５１５、及び通信入出力制御部５１６などを備えてもよい。入出力制御部５０３で入出力に関連した処理を実行することで、中央処理部５０１の負荷を下げられる効果がある。【０１４６】
中央処理部５０１は、記憶部５０２や入出力制御部５０３と信号を受け渡しして情報処理を実行する。具体的な制御の方法は、後述する動作説明で述べる。【０１４７】
なお、制御部１０５は、携帯電話等の周辺機器と無線接続して映像や音声信号を受信する通信部５２０を備えてもよい。制御部１０５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、もしくは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。これにより、ＨＭＤと周辺機器の接続がワイヤレスとなり、ＨＭＤの装着性を向上させられる効果がある。【０１４８】
ヘッドホン部１０６は、スピーカーを備え、音声を出力する。なお、ヘッドホン部には、ＨＭＤ各部へ電源供給するバッテリーを備えてもよい。【０１４９】
なお、図１Ａにおける各手段や各部は、１台のＨＭＤに内蔵されていてもよいし、内蔵されていなくてもよい。例えば、図１Ａ各部の全てが、１台のＨＭＤに含まれていてもよいし、ヘッドホン部１０６がなくてもよい。また、各部を分散配置してもよい。例えば、制御部１０５が走査部１０３や波面形状変更部１０２に一部含まれていてもよい。また、図１Ａにおける各部は、複数存在してもよい。例えば、左目用と右目用に走査部１０３が２つあってもよい。赤色、緑色、青色のそれぞれに波面形状変更部１０２が計３つあってもよい。複数の機器で図１Ａの各部を共有してもよい。例えば、レーザ光源２１１、２１２、２１３を２つのＨＭＤで共有してもよい。【０１５０】
上記構成のビーム走査型表示装置は、ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、光源１０１からのビームの波面形状を変更する。具体的には、光検出部２１４によって検出される視野位置、予め保持しているスポットサイズの許容範囲（図１１Ｂ）、及び予め保持している視野位置と波面形状とスポットサイズとの関係（図１２）を用いて、次回出力するビームの波面形状を決定する。【０１５１】
次に、上記構成のビーム走査型表示装置の動作を詳細に説明する。【０１５２】
図１Ａ及び図１Ｂのビーム走査型表示装置が、ビームの波面形状を変更することで、ビームのスポットサイズを制御する動作を図１０に示す。本説明では、表示する映像を構成する１つの画素を、ユーザの眼の網膜に正しい大きさで描いていく流れを説明する。【０１５３】
（Ｓ０１）光検出部２１４が、ユーザの眼からの反射光の強度を検出し、Ｓ０２の動作へ移る。眼の正面からビームが入射した場合に、より大きな強度の反射光を検出できる。【０１５４】
なお、眼からの反射光の強度は、光源で変調された出射光の強度と、光検出部２１４で検出した反射光の強度との比で表してもよい。また、赤外線など眼に感じない光を一定強度で走査しつつ、その反射光を検出してもよい。【０１５５】
（Ｓ０２）制御部１０５が、Ｓ０１で検出した反射光強度を用いて、前回出力したビームが表示した画素の、視野領域での位置（以後、「視野位置」と記す）を判定する。具体的には、視線検出部５３１が、Ｓ０１で検出した反射光強度からユーザの視線方向を検出する。次に、視野位置判定部５３２が、検出された視線方向を用いて、ユーザの視野領域におけるビームの位置を判定する。また、次回出力ビームの視野位置も同時に判定し、Ｓ０３の動作へ移る。【０１５６】
視野領域の中心位置は、視線の位置を意味し、以後、「視野中心」と記す。また、「中心視野」は視野中心付近の視野領域を意味し、視野の周辺領域を意味する「周辺視野」と相対的に用いる。【０１５７】
眼の正面からの強い反射光が検出されたら、前回出力ビームが視野中心の位置の画素を表示したと判定できる。また、視野中心以外の位置も、走査部１０３での走査角や走査パターンの視野中心との差分を用いて判定する。視野位置を、反射光の強度や強度変化から求めてもよいし、視野中心検出時からの経過時間を用いて求めてもよい。【０１５８】
次回出力ビームの視野位置は、前回出力ビームの視野位置と同様と近似してもよいし、走査部１０３からの走査角や走査パターンなどのデータを用いて位置を算出してもよいし、視野中心検出時からの経過時間を用いて求めてもよい。【０１５９】
ビームの視野位置は、水平角度と、垂直角度の２値で表現できる。それぞれ視野中心を０度とし、水平角度は視野の左側が負の角度で右側が正の角度、垂直角度は視野の下側が負の角度で上側が正の角度として表せる。例えば、視野中心は、水平角度が０度で垂直角度が０度と表せ、右上の周辺視野のある点は、水平角度が＋４０度で垂直角度が＋３０度等と表せる。【０１６０】
なお、Ｓ０１で反射光を検出できなかった場合は、視野位置を所定の値として設定してもよい。例えば、最初にまだビームを出力していないために反射光を検出できない場合は、初期値として視野位置を視野中心等と設定してもよい。【０１６１】
なお、光検出部２１４を持たないＨＭＤの場合は、視線は頭部正面を向いていると仮定して視野位置を判定してもよい。【０１６２】
（Ｓ０３）制御部１０５が、Ｓ０２で判定した次回出力ビームの視野位置に応じたビームスポットサイズの許容範囲を判定し、Ｓ０４の動作へ移る。【０１６３】
図１１Ａに示されるように、眼の視力分解能は、視野中心に近づくほど高く、視野中心から遠ざかるほど低くなる。一方、目標解像度に対応するスポットサイズは、視野位置に拘らず一定である。その結果、中心視野と周辺視野とでは、視力分解能に対応するスポットサイズと、目標解像度に対応するスポットサイズとが逆転している。【０１６４】
つまり、中心視野においては、スポットサイズの許容範囲は、目標となる表示解像度から求められる。しかし周辺視野においては、中心視野と比べて視力の分解能が低下しているので、中心視野よりもスポットサイズが多少大きくても、ユーザの眼は識別できないので構わない（図１１Ａ）。【０１６５】
従って、次回出力するビームが表示する画素が、中心視野なのか周辺視野なのかによって（つまり、視野位置に応じて）、スポットサイズの許容範囲は変動する。許容範囲は、図１１Ｂの太線および斜線部に示すように、下限と上限が決まる。許容範囲の下限は、中心視野での目標表示解像度に対応したサイズとなる。一方、許容範囲の上限は、視野領域での位置に対応する視力分解能に応じたサイズ（周辺視野の場合）と、中心視野での目標表示解像度に応じたサイズ（中心視野の場合）との大きい方となる。つまり、図１１Ｂに示されるように、ビームがユーザの視野中心に近づくほど許容範囲の上限値が小さくなり、視野中心から遠ざかるほど許容範囲の上限値が大きくなる。【０１６６】
なお、図１１Ｂの太線の太さ（線の幅）で示したように、範囲の上限と下限のそれぞれに対して、所定の範囲のずれを許容することで、許容範囲を広げてもよい。【０１６７】
図１１Ｂの点Ｂ１のように、サイズが小さすぎる場合は大きくする必要が生じ、点Ｂ２や点Ｂ３のように、サイズが大きすぎる場合は小さくする必要が生じる。点Ｂ３と点Ｂ４は同じサイズであるが、視野位置が異なるため、点Ｂ４に関してはサイズを変更する必要はない。【０１６８】
視野位置は視線移動（眼球回転）に伴って変化するため、たとえ走査部１０３の走査角が同じであってもスポットサイズの許容範囲は変化する。図１１Ａでは走査範囲の中心と視野中心が一致しているが、図１１Ｃでは、走査範囲の中心は、やや周辺視野に寄っているため、スポットサイズの許容範囲も変化する。【０１６９】
図１１Ａ〜図１１Ｃの各図の横軸の視野範囲は、表示の水平方向と垂直方向の両方向に適用できる。視野の中央に比べて左右の周辺領域は許容範囲が広がるように、上下の周辺領域でも許容範囲が広がる。【０１７０】
なお、周辺視野では、中心視野と比べてビームスポットサイズの許容範囲が広がる結果、波面形状変更部１０２の動作速度を遅くできる場合がある。その結果、スポットサイズ変更速度が走査速度に追いつかない課題を緩和できる。【０１７１】
例えば、走査部１０３での垂直方向走査の速度が、垂直方向走査に伴うスポットサイズ制御より速い結果、サイズにばらつきが生じてしまう課題がある。このような場合でも、周辺視野ではスポットサイズの許容範囲が広いので、スポットサイズの変更速度が遅いままでも（あるいは変更しない場合でも）、許容範囲内に収めることができる場合がある。【０１７２】
ただし、視線が上下に移動した際には許容範囲が変化するため、視線移動に追従できる速度でサイズを変更する必要がある。それでも、垂直方向走査が視線移動よりも速い場合は有効である。【０１７３】
（Ｓ０４）制御部１０５が、ビームスポットサイズ予測し、Ｓ０５の動作へ移る。スポットサイズの予測は、Ｓ０２で求めた視野位置と、波面形状変更部１０２からの波面形状とを、図１２に示す「スポットサイズ−波面形状−視野位置  対応表」に照らし合わせて算出する。【０１７４】
例えば、図１２の１行目を用いると、視野中心（水平角度：０度、垂直角度：０度）における波面形状は、水平焦点距離が３６ｍｍで、垂直焦点距離が２９ｍｍで、水平直径が２．４ｍｍで、垂直直径が１．６ｍｍである。また、この視野位置における網膜上のビームスポットサイズは、水平サイズが０．０３５ｍｍで、垂直サイズが０．０２７ｍｍになると予測できる。【０１７５】
なお、図１２に例示した対応表では、具体的な数値を記した行は３行しかないが、実際には必要な行数を記しておく。【０１７６】
また、図１２の対応表で、数値が完全に一致する行がない場合は、数値的に近い行を用いてスポットサイズを予測してもよい。一方、一致する行が複数ある場合は、どちらか一方を用いてスポットサイズを予測してもよい。【０１７７】
また、図１２のような対応表を用いる代わりに、スポットサイズを求める数式を準備しておき、その数式に波面形状や視野位置等の値を代入して、スポットサイズを予測してもよい。【０１７８】
さらに、図１２の対応表は、視線が移動する（眼球が回転する）と、眼球と、偏向部１０４や走査部１０３等との位置関係が変化するために、値を変更する必要がある。その変更動作のタイミングは、対応表を参照する前にＳ０４で行ってもよいし、視線位置を検出したＳ０１やＳ０２で行ってもよい。変更方法は、視線の移動量に対応した複数の対応表を予め準備しておき、視線移動に応じて適切な対応表を選択する方法でもよいし、視線移動量を代入すると対応表が求められる数式を用いて算出する方法でもよい。【０１７９】
なお、Ｓ０３の動作とＳ０４の動作の順番は入れ替わっても、同時でもよい。【０１８０】
（Ｓ０５）制御部１０５が、Ｓ０４で求めたスポットサイズ予測値とＳ０３で求めた許容範囲とを比較する。スポットサイズ予測値が許容範囲外ならＳ０６の動作へ移り、許容範囲内ならＳ０７の動作へ移る。【０１８１】
なお、スポットサイズの水平サイズと垂直サイズの片方が範囲内で片方が範囲外の場合など、一部が範囲外の場合は、範囲外であるとみなしてＳ０６の動作へ移る。【０１８２】
（Ｓ０６）制御部１０５が、ビームスポットサイズがＳ０３で求めた許容範囲内に収まるように、図１２から適切な波面形状を判定し、Ｓ０７の動作へ移る。波面形状は、Ｓ０３で求めた許容範囲内のスポットサイズと、Ｓ０２で求めた視野位置とを図１２に示す対応表に照らし合わせて求める。【０１８３】
例えば、視野位置の水平角度が−３０度で、垂直角度が０度であれば、Ｓ０３で求められるスポットサイズの許容範囲の下限値は、水平サイズが０．０３５ｍｍ、垂直サイズが０．０２７ｍｍとなる。一方、Ｓ０４で求められる上記の視野位置におけるスポットサイズ予測値の水平サイズが０．０１８ｍｍで、垂直サイズが０．０１９ｍｍであると仮定する。この場合、スポットサイズ予測値が許容範囲の下限値より小さいので、スポットサイズを下限値以上に引き上げる必要がある。【０１８４】
そこで、図１２の３行目を用いて、水平焦点距離が２７ｍｍで、垂直焦点距離が２２ｍｍで、水平直径が２．４ｍｍで、垂直直径が１．６ｍｍの波面形状に変更することで、スポットサイズを許容範囲の下限の値まで、大きくすることができると判明する。【０１８５】
なお、図１２の対応表で、数値が完全に一致する行がない場合は、数値的に近い行を用いて波面形状を求めてもよい。また一致する行が複数ある場合は、どちらか一方を用いて波面形状を求めてもよい。また、図１２のような対応表を用いる代わりに、波面形状を求める数式を準備しておき、その数式にスポットサイズや視野位置等を代入して、波面形状を算出してもよい。【０１８６】
（Ｓ０７）波面形状変更部１０２が、Ｓ０６で求めた波面形状にビームの波面形状を変更し、Ｓ０８の動作へ移る。例えば、波面形状の水平焦点距離を変更したい場合は、焦点距離水平成分変更部２０１のシリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との間の距離を変更することで水平焦点距離を変更する。同様に、垂直焦点距離を変更したい場合は、焦点距離垂直成分変更部２０２で変更する。【０１８７】
Ｓ０５で範囲内と判定されてＳ０７の動作に移ってきた場合は、前回ビームの波面形状の変更と同じ変更を行う。なお、同じ変更でなくても、スポットサイズが許容範囲内に収まる変更なら、異なる変更としてもよい。【０１８８】
（Ｓ０８）光源１０１が、ビームを出力制御し、Ｓ０９の動作へ移る。赤色レーザ光源２１１と青色レーザ光源２１２と緑色レーザ光源２１３とから出力されるビームの強度をそれぞれ適切に変調することで、Ｓ０２で求めた次回出力ビームの視野位置に対応する画素の色相や彩度や明度を表現する。また、出力制御は、走査部１０３や偏向部１０４など、光源から眼までの光学系の影響を考慮した補正制御をしてもよい。【０１８９】
（Ｓ０９）走査部１０３が、ＭＥＭＳミラーの傾きを変化させることで、Ｓ０８で出力されたビームの走査角を変更し、Ｓ１０の動作へ移る。【０１９０】
なお、Ｓ０７の波面形状変更と、Ｓ０８のビーム出力と、Ｓ０９の走査は、同時に実行してもよいし、実行順が入れ替わってもよい。【０１９１】
（Ｓ１０）偏向部１０４が、Ｓ０９で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向し、Ｓ０１の動作へ移る。偏向部１０４のホログラムミラーの回折効果により反射されたビームがユーザの眼の瞳孔に集まり、瞳孔を通過したビームが網膜に到達してユーザに映像として知覚される。【０１９２】
なお、Ｓ０７、Ｓ０８、Ｓ０９、Ｓ１０の一連の動作によって画素が網膜に描かれるが、Ｓ０１の視線検出を実行する頻度は、１画素描画毎でなくてよい。よってＳ１０の動作後はＳ０２に移ってもよい。【０１９３】
以上の動作により、ビームの波面形状を変化させることで、表示する映像を構成する１つの画素をユーザの眼の網膜に正しい大きさで描いていく動作を実現できる。【０１９４】
本発明のビーム走査型表示装置によれば、波面形状変更部１０２が偏向部１０４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波面形状を変更することで、画面内の各画素サイズのばらつきを減らして、より高画質な表示や、より高解像度な表示を実現できる効果がある。また、画素による波面形状の変化を減少できる結果、大画面表示を実現できる効果や、光源１０１を側頭部に配置するメガネ形のＨＭＤを実現できる効果もある。【０１９５】
なお、Ｓ０１からＳ１０までの動作は、確率を伴う処理動作としてもよい。例えば、スポットサイズの予測値が２０％でサイズＡ、８０％でサイズＢ、などと求めてもよいし、４５％の確率で許容範囲内であると判定してもよい。【０１９６】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係るビーム走査型表示装置を説明する。なお、装置の構成は実施の形態１と共通するので、図１Ａ〜図９Ａを用いて説明すると共に、共通部分の詳しい説明は省略する。【０１９７】
光源１０１は、ビームを出力する。出力するビームは、図２に示すように、赤色レーザ光源２１１と、青色レーザ光源２１２と、緑色レーザ光源２１３とから出力される各レーザ光を合波したレーザ光とし、各色レーザ光源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できる。さらに、波面形状変更部１０２や走査部１０３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できる。【０１９８】
なお、図２では、緑色レーザ光源２１３は、赤外線の半導体レーザ光源と赤外線を緑色に変換するＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：第２次高調波発生）素子とを組み合わせて、緑色のビームを出力しているが、これに代えて、緑色の半導体レーザ光源を用いてもよい。また、各光源は、固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ、発光ダイオードでもよい。【０１９９】
なお、図２では各レーザ光源でレーザ光の変調を行っているが、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。【０２００】
光源１０１は、図２の光検出部２１４を含む。第２の実施形態における光検出部２１４は、ユーザの眼の網膜からの反射光を検出することで、ユーザの網膜上のビームスポット径を検出する。【０２０１】
なお光検出部２１４は、ＣＣＤカメラなどの撮像素子であってもよい。この場合、網膜からの反射光によって、網膜像を生成し、そこに写されているビームスポットの大きさからビームスポット径を検出してもよい。【０２０２】
波面形状変更部１０２は、光源１０１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１０４で偏向されたビームのスポットサイズを所定の範囲内となるようにする。【０２０３】
なお、実施の形態２におけるビームの「スポットサイズ」とは、ユーザの眼の網膜でのスポットサイズとして扱う。また、「波面形状」とはビーム波面の３次元形状であり、平面、球面、非球面の形状を含む。【０２０４】
図２では、波面形状変更部１０２は、焦点距離水平成分変更部２０１と、焦点距離垂直成分変更部２０２とを光路に直列に配置することによって、波面形状の水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径とを独立して変更できる。焦点距離水平成分変更部２０１は、シリンドリカルレンズとミラーとの距離を変更することで水平方向の曲率を変更している。焦点距離垂直成分変更部２０２は、焦点距離水平成分変更部２０１のシリンドリカルレンズに対して垂直に配置されたシリンドリカルレンズを用いることで、垂直方向の曲率を変更している。また、焦点距離水平成分変更部２０１、焦点距離垂直成分変更部２０２ともに、曲率半径の変更に伴い、ビームの直径も変更している。【０２０５】
なお、水平方向の曲率を垂直方向よりも大きく変化させると、水平方向の変化により大きく対応できるので、画面の水平視野角を垂直視野角より大きくしたい場合や、側頭部に走査部（後述）があるＨＭＤのように、走査部から偏向部（後述）へのビームの水平入射角が垂直入射角よりも大きい場合に、特に有効となる。【０２０６】
なお、図２では、波面形状を表す項目のなかで、水平方向の曲率半径と、垂直方向の曲率半径と、それぞれの直径という波面形状の一部のみを変更しているが、他の項目として波面内での曲率半径の分布や、波面端の形状やサイズなどを変更する手段があってもよい。【０２０７】
なお、図２の波面形状変更部１０２では、シリンドリカルレンズとミラーを用いて波面形状を変更するが、他の手段として、液晶レンズや、液体レンズ等の可変形状レンズや、回折素子や、ＥＯ素子（電気−光変換素子）などを用いてもよい。【０２０８】
走査部１０３は、それぞれ波面形状変更部１０２からのビームを２次元走査する。走査部１０３は角度を２次元的に変更できる単板小型ミラーで、ＭＥＭＳミラーである。【０２０９】
なお、走査部１０３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。【０２１０】
偏向部１０４は、走査部１０３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偏向する。偏向部１０４は、メガネのレンズの内側（眼の側）に、例えば、リップマン体積ホログラムが形成されたフォトポリマー層が形成されており、走査部１０３からのビームがユーザの眼の瞳孔に回折・集光されるように製作されている。フォトポリマー層には赤色、緑色、青色、それぞれの光源からの光を反射する３つのホログラムを多重に形成してもよいし、それぞれの色の光に対応した３層のホログラムを積層してもよい。また、ホログラムの波長選択性を用いることで、光源波長の光のみを回折させ、外界からの光のほとんどを占める光源波長以外の波長の光を回折させないように製作することで、透過型のディスプレイとできる。【０２１１】
なお、偏向部１０４は、ホログラムなどの回折素子による偏向に限定されず、凹面鏡などのミラーや、凸レンズなどのレンズでもよい。また偏向部１０４は、反射型スクリーンや透過型スクリーンのように、スクリーンにビームが当たって発散する結果、スクリーンからの発散光の一部がユーザの眼の方向へ偏向される方式も含む。【０２１２】
制御部１０５は、ＨＭＤ各部を制御する集積回路を備える。制御部１０５は、図９Ａに示すように、中央処理部５０１、記憶部５０２、入出力制御部５０３、及び通信部５２０を備えてもよい。【０２１３】
実施の形態２における中央処理部５０１は、図１３に示されるように、スポットサイズ判定部１５０１、及びビーム曲率制御部１５０２としても作動する。また、実施の形態２における記憶部５０２は、例えば、図１５に示されるような網膜上のスポットサイズと、ビームの曲率半径と、眼の焦点距離との関係を保持するテーブル等を記憶する。その他は、実施の形態１と同様である。【０２１４】
なお、制御部１０５は、ひとつで制御部１０５左右の眼に対応するレーザ光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、ヘッドホン部１０６の動作を制御してもよい。【０２１５】
ヘッドホン部１０６は、スピーカーを備え、音声を出力する。なお、ヘッドホン部１０６には、ＨＭＤ各部へ電源供給するバッテリーを備えてもよい。【０２１６】
なお、図１Ａにおける各手段や各部は、１台のＨＭＤに内蔵されていてもよいし、内蔵されていなくてもよい。例えば、図１Ａ各部の全てが、１台のＨＭＤに含まれていてもよいし、ヘッドホン部１０６がなくてもよい。また、各部を分散配置してもよい。例えば、制御部１０５が走査部１０３や波面形状変更部１０２に一部含まれていてもよい。複数の機器で図１Ａの各部を共有してもよい。例えば、レーザ光源１０１を２つのＨＭＤで共有してもよい。【０２１７】
以下に、図１Ａ及び図１Ｂのビーム走査型表示装置において、ビームの曲率半径を変えることで眼の筋肉を弛緩させる処理の例を示す。この処理は図１４に示すステップ１６０１〜１６０６を実行することよって行われる。【０２１８】
（ステップ１６０１  網膜上のビームのスポットサイズ取得）
本ステップでは、スポットサイズ判定部１５０１が、ユーザの網膜上でのビームのスポットサイズを判定する。本実施の形態においては、光検出部２１４が、ユーザの網膜からの反射光を検出し、網膜上に投影されたビームスポットを含むユーザの網膜像を生成する。スポットサイズ判定部１５０１は、光検出部２１４が取得した網膜像から、網膜上でのビームのスポットサイズＳを判定する。【０２１９】
なお、水晶体の厚みが変化した場合、網膜上のビームのスポットサイズが安定するまでに一定の時間がかかることを考慮する際には、スポットサイズ判定部１５０１は、一定期間Ｔ０のビームのスポットサイズの平均値もしくは中央値を網膜上でのビームのスポットサイズＳとして判定しても良い。あるいはスポットサイズ判定部１５０１がビームのスポットサイズの判定を開始してから一定期間Ｔ０後の光検出部２１４の出力のみからビームのスポットサイズＳを判定しても良い。【０２２０】
なお、判定されたビームスポットサイズＳが、スポットサイズ判定部１５０１が保持する閾値Ｓ１より大きい場合、スポットサイズ判定部１５０１は、一定時間Ｔ１が経過してから再度ビームスポットサイズＳの計測を行っても良い。ここで一定時間Ｔ１は、眼の水晶体が厚さを変更するために必要な時間から生成される値である。【０２２１】
なお、光検出部２１４が網膜像を生成するのではなく、網膜からの光の反射強度のみを検出し、その結果からスポットサイズ判定部１５０１が網膜上でのビームのスポットサイズＳを判定しても良い。【０２２２】
また、網膜の場所によって、ビームのスポットサイズが異なる場合には、スポットサイズ判定部１５０１は、中心窩や黄斑など網膜上の特定部分でのビームのスポットサイズを、ビームのスポットサイズＳの値として判定しても良い。また網膜上の各場所でのビームのスポットサイズの平均値を、ビームのスポットサイズＳとして用いてもよい。【０２２３】
（ステップ１６０２  ビームのスポットサイズの判定）
本ステップでは、ビーム曲率制御部１５０２が、前ステップで判定したビームのスポットサイズＳと、ビーム曲率制御部１５０２の定める閾値Ｓ０との比較を行う。【０２２４】
ここで閾値Ｓ０は、ビームのスポットサイズがＳ０以下である場合に、ユーザがＨＭＤで表示される画像に対してボケを感じない値に設定されている。【０２２５】
ビーム曲率制御部１５０２は、ビームスポットサイズＳの値が閾値Ｓ０より大きい場合、ユーザの眼は近視などの影響で、現在の入射光を網膜上に焦点を結ぶように調節できないものと判断する。そして、ビームの曲率半径を大きくするためにステップ１６０４の処理に進む。【０２２６】
一方、ビームのスポットサイズＳの値が閾値Ｓ０より小さい場合、ユーザは画像をはっきり認識しているので、毛様体の弛緩を促してもよいと判断する。そこで、ビーム曲率制御部１５０２は、ユーザの眼の毛様体の弛緩を促すためにステップ１６０３の処理を行う。【０２２７】
なお、閾値Ｓ０の値は、網膜上において入射光が投影される全面積を、表示される画像の解像度で割った値から動的に算出しても良いし、ユーザが直接指定しても良い。【０２２８】
（ステップ１６０３  ビーム曲率半径判定）
本ステップでは、ビーム曲率制御部１５０２が、現在のユーザの眼に対するビームの曲率半径Ｒと、目標とする目標曲率半径Ｒ０との比較を行う。ここでビームの曲率半径Ｒとは、波面形状変更部１０２が波面の形状を変更した後のビームの曲率半径を示す。【０２２９】
一般に、遠方にある物体からの光は曲率半径が大きく、無限遠にある物体からの光は平行光（曲率半径が無限大）になる。反対に、近くにある物体からの光は曲率半径が小さく、球面波としてユーザの眼に入射される。この例を図１６、図１７に例示する。【０２３０】
曲率半径がＲ１であるビームが網膜上に集光するように水晶体の太さが調節されているユーザの眼に対して、曲率半径がＲ１より大きいビームを入射した場合のビームの集光位置を図１６に示す。図１６に示すように曲率半径が大きい光は、ユーザの網膜より瞳孔側に集光点を持つように集光される。この時、ユーザの眼は、ビームの集光位置が網膜上に一致するように、毛様体を弛緩させて水晶体を薄くする。【０２３１】
一方、曲率半径がＲ１であるビームが網膜上に集光するように水晶体の太さが調節されているユーザの眼に対して、曲率半径がＲ１より小さいビームを入射した場合のビームの集光位置を図１７に示す。図１７に示すように曲率半径が小さいビームは、ユーザの網膜より奥に集光点を持つように集光される。この時、ユーザの眼は、ビームの集光位置が網膜上に一致するように、毛様体を緊張させて水晶体を厚くする。【０２３２】
本発明のＨＭＤは、眼のこのような作用を利用して、ユーザが画像をはっきりと認識できる範囲で毛様体の弛緩を促すように入射光の曲率半径の値を変更する。【０２３３】
そこで、現在のビームの曲率半径Ｒの値が、目標曲率半径Ｒ０と一致している場合は、ビーム曲率制御部１５０２は、ユーザの眼の毛様体は充分に弛緩していると判断し、ステップ１６０６の処理を行う。【０２３４】
一方、現在のビームの曲率半径Ｒの値が、目標曲率半径Ｒ０と一致しない場合、ビーム曲率制御部１５０２は、ステップ１６０５の処理を行う。【０２３５】
なお、ユーザに表示する映像の品質を保つため、波面形状変更部１０２が網膜上でのビームの投影位置に応じてビームの曲率半径を変更する場合、ビーム曲率制御部１５０２は、中心窩に対して入射される入射光の曲率半径を、現在の入射光の曲率半径Ｒとして扱ってもよい。また、波面形状変更部１０２によって変更されているビームの曲率半径の平均値や中央値を現在の入射光の曲率半径Ｒとしても良い。【０２３６】
（ステップ１６０４  近視対策）
本ステップでは、ビーム曲率制御部１５０２が、前述の目標曲率半径Ｒ０の値の修正を行う。【０２３７】
ステップ１６０２において現在のビームのスポットサイズＳが閾値Ｓ０を上回ると判定された場合、ビーム曲率制御部１５０２は、ユーザの眼は近視などの影響で遠方からの光を網膜上に上手く結像することができないものと判断する。この時ビーム曲率制御部１５０２は目標曲率半径Ｒ０の値から曲率半径修正幅Ｒ１を減算する（目標値を引き下げる）。本実施の形態においては、曲率半径修正幅Ｒ１は、あらかじめビーム曲率制御部１５０２の記憶部に保持されている。【０２３８】
なお、曲率半径修正幅Ｒ１の値は、現在の入射光の曲率半径Ｒの値から動的に算出しても良い。この場合、例えば、現在の曲率半径Ｒの一割の値をＲ１の値として設定するなどの処理が行われる。【０２３９】
すなわち、上記の処理を繰り返すことによって、目標曲率半径Ｒ０は、スポットサイズ判定部１５０１によって判定されたスポットサイズが予め定めた閾値Ｓ０を超えない範囲で、最大の値に設定される。【０２４０】
また、ステップ１６０４ではユーザが近視の場合について説明したが、ユーザが遠視又は老眼の場合にも応用することができる。この場合、現在のビームスポットサイズＳが閾値Ｓ０を上回ると判定された場合、ビーム曲率制御部１５０２は、目標曲率半径Ｒ０の値に曲率半径修正幅Ｒ１を加算する（目標値を引き上げる）。【０２４１】
（ステップ１６０５  ビーム曲率半径変更）
本ステップでは、ビーム曲率制御部１５０２が、現在のビームの曲率半径Ｒの変更を行う。【０２４２】
ビーム曲率制御部１５０２は、曲率半径変更幅Ｒ２の値を現在のビームの曲率半径Ｒに加算もしくは減算することで、曲率半径Ｒを段階的に目標曲率半径Ｒ０に近づける。ここで、現在のビームの曲率半径Ｒをいきなり目標曲率半径Ｒ０に変更すると、曲率半径の変化量が大きくなりすぎる場合がある。その結果、ユーザの眼がこの変化に追従できず、画像をはっきり認識することができなくなる場合がある。【０２４３】
そこで、曲率半径変更幅Ｒ２は、ビームの曲率半径がＲから、Ｒ＋Ｒ２、もしくはＲ−Ｒ２の値に変更された際に、ビームの網膜上でのスポットサイズＳが大きくなりすぎないように定められた値であり、本実施の形態ではビーム曲率制御部１５０２内に保持されている。【０２４４】
図１５にビームのスポットサイズ、ビームの曲率半径、および眼の焦点距離の関係の例を示す。これらの値を予め求めておくことで、ビーム曲率制御部１５０２は、適切な曲率半径変更幅Ｒ２を決定することができる。【０２４５】
ビーム曲率制御部１５０２は、現在のビームの曲率半径Ｒの値がＲ０を下回っている場合には、Ｒの値に曲率半径変更幅Ｒ２を加算する。これにより、図１６に示すように、ビームの集光位置は網膜上から水晶体の側に移動する。この時、人間の眼はビームの集光位置を網膜上に移動させるために、毛様体を無意識に弛緩させて水晶体の厚さを薄くする。【０２４６】
一方、現在のビームの曲率半径Ｒの値が目標曲率半径Ｒ０を上回っている場合、Ｒの値から曲率半径変更幅Ｒ２を減算する。これにより、図１７に示すように、ビームの集光位置は網膜の奥に移動する。この時、人間の眼はビームの集光位置を網膜上に移動させるために、毛様体を無意識に緊張させて水晶体の厚さを厚くする。【０２４７】
なお、この処理は、例えば、Ｓ１６０４において目標曲率半径Ｒ０の値から曲率半径修正幅Ｒ１を減算した場合等に発生し得る。つまり、ビームの曲率半径を大きくしすぎた結果、画像を網膜上に上手く結像できなくなったような場合に、これを修正する処理である。【０２４８】
ビーム曲率制御部１５０２は、ビームの曲率半径Ｒを変更した後、実際にユーザの眼に入射されるビームの曲率半径が変更後のＲに一致するように波面形状変更部１０２の制御を行う。【０２４９】
なお、曲率半径変更幅Ｒ２は、現在のビームの曲率半径Ｒの値から動的に算出しても良い。この場合、例えば、Ｒ０の一割の値がＲ２の値として設定するなどの処理が行われる。また曲率半径ＲとビームのスポットサイズＳの関係を関数として定義しておくことで、スポットサイズＳの値が一定範囲に収まるようなＲ２の値を動的に計算してもよい。【０２５０】
なお、ユーザに表示する映像の品質を保つため、波面形状変更部１０２が網膜上でのビームの投影位置に応じて、入射光のビーム曲率半径を変更する場合、網膜への投影位置ごとに設定されているビームの曲率半径を、曲率半径変更幅Ｒ２の値だけ増加もしくは削減することで曲率半径の変更を行っても良い。また、予め網膜上へのビームの投影位置ごとに異なる曲率半径変更幅の値をビーム曲率制御部１５０２に保持しておき、その値を各入射光の曲率半径に加算もしくは減算する方法を用いてもよい。【０２５１】
また、ビームの曲率半径を縦方向と横方向で異なる値に設定してもよい。この場合には、縦方向の曲率半径変更幅および横方向の曲率半径変更幅の値を、ビーム曲率制御部１５０２が保持し、この値を用いて現在のビームの縦方向および横方向の曲率半径の変更を行う。【０２５２】
ビーム曲率制御部１５０２は、ビームの曲率半径Ｒを変更した後、再びステップ１６０１に戻り、ステップ１６０１〜１６０５の処理を繰り返す。これにより、目標曲率半径Ｒ０は、スポットサイズＳが閾値Ｓ０を超えない範囲で最も大きな値に調整される。また、現在のビームの曲率半径Ｒも徐々に目標曲率半径Ｒ０に近づくので、ユーザが画像をはっきり認識できる範囲でユーザの眼の毛様体を弛緩させることができる。【０２５３】
（ステップ１６０６  終了）
入射光のビームの曲率半径が目標曲率半径Ｒ０に一致した場合、ユーザの水晶体は充分に薄く延ばされており、毛様体が弛緩している。このため長時間、ＨＭＤに表示される画像を視聴している場合でも、毛様体にかかる負担は少なく、ＶＤＴ作業における眼精疲労を低減することが可能になる。【０２５４】
なお、目標曲率半径Ｒ０の値は、ＨＭＤのユーザーインターフェースによりユーザが直接入力しても良い。また予めＨＭＤに設定されているＲ０の値を、ＨＭＤのユーザーインターフェースによりユーザが増減させる方法を用いてもよい。【０２５５】
なお、本実施の形態においては左右の眼に画像を表示するＨＭＤを用いたが、左右の眼のどちらかにのみ映像を表示する単眼ＨＭＤを用いても良い。【０２５６】
なお、ＨＭＤがヘッドトラッカーなどユーザの体の動きを検知する手段を備えている場合、それらの手段からの出力の変化幅が一定値を超えており、ユーザの体が動いていると判断される場合、本発明のＨＭＤは、ビームの曲率半径の変更を停止してもよい。これはユーザが動いている際にはＨＭＤが表示する映像ではなく、外界に視線を向けていると判断するためであり、その際に不要な処理を行わないことで処理コストや消費電力などを削減することが可能になる。【０２５７】
なお、本実施の形態ではビームの曲率半径を大きくするための処理を例示したが、目標曲率半径Ｒ０の値を小さく設定することで、ビームの曲率半径を小さくすることもできる。この時、目標曲率半径Ｒ０の値を大きく設定する期間と、目標曲率半径Ｒ０を小さく設定する期間を交互に設けることで、眼の水晶体が薄くなる期間と、眼の水晶体が厚くなる期間を交互に設けることが可能になる。このような処理を行うと、眼の毛様体が緊張と弛緩を繰り返すことになるため、適度な運動効果を得ることができる。その結果、眼の毛様体の疲労が一層軽減されるため、眼精疲労を予防する効果が高まる。【０２５８】
なお、目標曲率半径Ｒ０を定めるときに、予め定められた曲率半径の上限値ＲＵと下限値ＲＤの範囲内でＲ０の値を決定してもよい。近眼のユーザに対してはＲＵの値を小さく、老眼や遠視のユーザに対してはＲＤの値を大きく設定することで、曲率半径の現在値を目標曲率半径Ｒ０に近づけるまでの処理コストを低く抑えることができる。【０２５９】
（実施の形態３）
図１８に本発明の実施の形態３に係る画像表示装置１０の概略構成図を示す。【０２６０】
本実施の形態３の画像表示装置１０は、光源１１と、この光源１１から出射されたレーザ光１２を走査する走査部１３と、この走査部１３からの走査光１４を観察者の瞳１５に偏向して導く偏向部１６とを備えている。そして、走査光１４の一部は反射体１７ａにより反射光１７ｂとして反射され、反射光１７ｂのスポットサイズ１７ｃを検出する光検出部１８と、この光検出部１８からの出力信号を元に走査光１４のビーム形状１４ｃを変化させて網膜１９ａ上のスポットサイズ１９ｂを規定値以下に制御するビーム形状調節部２０ａとを有している。このようにして本実施の形態３の画像表示装置１０は、走査光１４を用いて観察者の眼１９の網膜１９ａに映像を投影している。【０２６１】
ここで、図１８に示すように偏向部１６は、基板１６ａとこの基板１６ａ上の少なくとも一部に形成されたホログラムミラー１６ｂとからなる。【０２６２】
次に、本実施の形態３の画像表示装置１０の主な光学的な動作について具体的に説明する。ここでは左右対称な光学系のうち、図１８に示すように左側の光学系を例としてその動作について説明する。【０２６３】
図１８に示すように光源１１は、少なくとも赤色レーザ光源（以下、「Ｒ光源」とする）１１Ｒ、緑色レーザ光源（以下、「Ｇ光源」とする）１１Ｇおよび青色レーザ光源（以下、「Ｂ光源」とする）１１ＢからなるＲＧＢ光源である。ここで、Ｒ光源１１ＲおよびＢ光源１１Ｂには、波長６５０ｎｍおよび波長４５０ｎｍのレーザ光を出射する半導体レーザを用いている。一方、Ｇ光源１１Ｇには、波長５３０ｎｍのレーザ光を出射する半導体レーザ励起のＳＨＧレーザを用いている。【０２６４】
Ｒ光源１１Ｒ、Ｇ光源１１ＧおよびＢ光源１１Ｂから出射されたレーザ光は、コリメータレンズ１１ａによりそれぞれ平行光線に変換されてダイクロイックプリズム１１ｂに入射した後、レーザ光１２として１つにまとめられてダイクロイックプリズム１１ｂから出射する。【０２６５】
そして、レーザ光１２は、光路長調整部２１（実施の形態１、２における「波面形状変更部１０２」に相当）に入射する。光路長調整部２１は、サーボ用ミラー２０ｂの位置を矢印の方向に移動させることにより偏向部１６までの光路長を調整する。この処理は、制御部２０に含まれるビーム形状調節部２０ａにより制御される。【０２６６】
その後にレーザ光１２は、反射ミラー１３ａで反射されて走査部１３に導かれる。走査部１３は、反射角度を任意に変更することによって、反射ミラー１３ａからの光を偏向部１６のホログラムミラー１６ｂに所定のスポットサイズで２次元的に走査する。なお、ここで走査部１３に、ＭＥＭＳミラーを採用すれば、走査光１４を精度よくホログラムミラー１６ｂに走査することができる。【０２６７】
そして、走査光１４はホログラムミラー１６ｂにより偏向されて観察者の眼１９の瞳１５から入射して網膜１９ａに映像として投影されることになる。【０２６８】
この網膜１９ａ上に投影された走査光１４のスポットサイズ１９ｂは、網膜１９ａ上に焦点を結んだときに２０μｍ以下であることが望ましい。これは、例えば水平方向の視野角が１００度の場合に、水平方向に１０００ドットの表示を行うために必要な大きさであり、合焦時のスポットサイズが２０μｍを上回ると、隣接するドット同士が重なり合い所定の解像度が得られない。【０２６９】
また、走査光１４（１４ａ、１４ｂ）のビーム形状が所定の形状よりずれた状態でホログラムミラー１６ｂにより観察者の眼１９に偏向されると、図１８に示すように走査光１４（１４ａ、１４ｂ）の焦点位置１９ｃが、デフォーカス量ΔＺだけずれる。このΔＺは、図１８に示す光源１１付近に配置された光検出部１８の受光素子１８ａの受光面上のスポットサイズ１７ｃ、１７ｄの大きさに反映されて後述のように検出することができる。【０２７０】
すなわち、走査光１４（１４ａ、１４ｂ）の一部は反射体１７ａにより反射光１７ｂとして反射される。この反射光１７ｂは、レーザ光１２が出射された光路を逆進してダイクロイックプリズム１１ｂに入射したのち、光検出部１８の受光素子１８ａの受光面上にスポットサイズ１７ｃ、１７ｄを投影する。【０２７１】
そして、この光検出部１８は、反射光１７ｂのスポットサイズ１７ｃ、１７ｄから検出した信号を基に出力信号を発生する。ビーム形状調節部２０ａは、この出力信号を元に光路長調整部２１のサーボ用ミラー２０ｂを矢印の方向に移動させることにより走査光１４（１４ａ、１４ｂ）のビーム形状を変化させる。その結果、ビーム形状調節部２０ａは、網膜１９ａ上のスポットサイズ１９ｂを規定値以下、例えば２０μｍ以下に制御している。【０２７２】
このように、走査光１４の一部をフィードバックしてビームの波面形状を変更することにより、常に最適な映像を観察者の眼１９の網膜１９ａに投影することができる。なお、光路長調整部２１は、２つのサーボ用ミラー２０ｂの間に導光用のプリズム２１ａおよび２つの対物レンズ２１ｂを配置してレーザ光１２および反射光１７ｂの光路およびビーム形状を制御している。【０２７３】
このような構成とすることにより、高速で、かつ高精度の光学調整をすることができる。その結果、高速で高精細の動画像を表示する画像表示装置１０を実現することができる。また、網膜１９ａよりも反射率の大きい反射体１７ａからの反射光１７ｂを利用しているので、光学調整が精度よく確実にすることができる。その結果、外乱やビームの一部が遮蔽されるなどの影響に対して光学特性などを安定化することができるので、観察者に正確で鮮明な画像を認識させることができる。【０２７４】
なお、反射体１７ａは、図２３Ａに示すように、偏向部１６の基板１６ａ上に形成されたホログラムミラー１６ｂ（偏向領域）内に多重化して形成されるサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆであってもよい。または、図２３Ｂに示すように、ホログラムミラー１６ｂとは異なる位置（図２３Ｂでは、ホログラムミラー１６ｂの周囲）に形成されるサーボ光発生用ホログラムミラーであってもよい。【０２７５】
このような構成とすることにより、さらに小型で軽量な画像処理の光学系を簡単に構成することができる。その結果、高速で、かつ高精度の光学調整を実現することができる。また、観察者に正確な画像を認識させるための処理も簡単に行うことができる。【０２７６】
さらに、複数のホログラムミラーを多重化することにより偏向部をさらに薄くすることができ、小型、軽量かつ薄型のＨＭＤを実現することができる。【０２７７】
ここで、図１８に示すようにサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆは、網膜１９ａ上のスポットサイズ１９ｂが最適値となるときに最も強い反射光１７ｂを出力するレンズパワーを持った反射型ホログラムミラーであるように形成されている。【０２７８】
このような構成とすることにより、後述するように光学調整を行うときのサーボ範囲をさらに拡大する、あるいはオフセットをさらに減少することができる。【０２７９】
また、上記の実施形態においては、反射体１７ａをサーボ光発生用ホログラムミラーとして偏向部１６に設けた例を示したが、これに限ることなく、観察者の瞳１５の虹彩１７、眼１９の網膜１９ａを反射体１７ａとして、ここからの反射光を光検出部１８で検出してもよい。このような構成とすることにより、偏向部１６の光学構成を簡素化することができる。【０２８０】
図１８に示すように反射光１７ｂは、走査光１４とは逆進してダイクロイックプリズム１１ｂに入射したのちに光検出部１８に向けて出射される。そして、反射光１７ｂは、対物レンズ１８ｂにより絞られ、アパーチャ１８ｃを通過し、さらに光検出用の回折格子１８ｄにより相補的なレンズ作用を与えられて２つの回折光１８ｆ、１８ｇに分離される。【０２８１】
光検出部１８は、この２つの回折光１８ｆ、１８ｇを受光するための２つの受光素子１８ａを有している。この２つの受光素子１８ａは、回折格子１８ｄからの光学的な距離が等しくなるように配置されている。したがって、走査光１４が観察者の眼１９の網膜１９ａに焦点を結ぶとき、回折光１８ｆ、１８ｇのスポットサイズは、受光素子１８ａ上で同一となる。一方、走査光１４が観察者の眼１９の網膜１９ａに焦点を結ばないとき、回折光１８ｆ、１８ｇのスポットサイズは、２つの受光素子１８ａ上で異なる大きさとなる。そこで、例えば、２つの受光素子１８ａの検出結果の差分から焦点位置１９ｃを検出することができる。【０２８２】
図１９Ａ〜図２１Ｃは、観察者の眼１９の中の走査光１４の焦点位置１９ｃと、光検出部１８における反射光１７ｂの検出状態との関係を示した図である。図１９Ａ、図２０Ａ、図２１Ａは眼１９の中の走査光１４の焦点位置１９ｃを示す図、図１９Ｂ、図２０Ｂ、図２１Ｂは光検出部１８において回折光１８ｆ、１８ｇが受光される状態を示す図、図１９Ｃ、図２０Ｃ、図２１Ｃは光検出部１８の受光素子１８ａ上のスポットサイズ１７ｃ、１７ｄを示す図である。【０２８３】
図１９Ａ及び図１９Ｂは、焦点位置１９ｃが網膜１９ａ上にある場合、すなわち眼１９の網膜１９ａ上に２０μｍ以下のスポットサイズ１９ｂで焦点を結んでいるときの検出状態を示す図である。図１９Ｂに示すように、受光素子１８ａ上の２つの回折光１８ｆ、１８ｇは、互いに同じ大きさとなる。したがって、２つの受光素子１８ａの検出信号の差分はほぼ０になるので、眼１９の網膜１９ａ上に焦点位置１９ｃがあることが検出できる。【０２８４】
図２０Ａ及び図２０Ｂは、焦点位置１９ｃが網膜１９ａの手前にあるときの検出状態を示す図である。図２０Ｂに示すように、左側の受光素子１８ａ上のスポットサイズ１７ｃは、図１９Ｂで示されたスポットサイズ１７ｃよりも小さく、右側の受光素子１８ａ上のスポットサイズ１７ｃは、図１９Ｂで示されたスポットサイズ１７ｄよりも大きくなっている。この左右のスポットサイズ１７ｃ、１７ｄの大きさの差から焦点位置１９ｃを検出することができる。【０２８５】
図２１Ａ及び図２１Ｂは、図２０Ａ及び図２０Ｂとは逆に焦点位置１９ｃが網膜１９ａの向こう側、すなわち眼１９から外の位置にあるときの検出状態を示す図である。このときには、光検出部１８上の受光素子１８ａ上のスポットサイズ１７ｃ、１７ｄの大きさは図２０Ａ及び図２０Ｂは逆の関係となるが、同様に焦点位置１９ｃを検出することができる。【０２８６】
また、図１９Ｃ、図２０Ｃ、及び図２１Ｃに示すように、それぞれが複数に分割（この実施形態では、３分割）された一対の受光素子２２、２３を用いてもよい。この受光素子２２は、真中の受光部２２ａと、両端の受光部２２ｂ、２２ｃとでそれぞれ光量を検出し、その差分からスポットサイズ１７ｃの大きさを判定することができる。同様に、受光素子２３（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）でスポットサイズ１７ｄの大きさを判定し、両者の差分をとれば、焦点位置１９ｃを検出することができる。【０２８７】
このような構成とすることにより、高速で、かつ高精度の光学調整をすることができるので、高速で高精細の動画像を表示する画像表示装置１０を実現することができる。また、網膜１９ａよりも反射率の大きい反射体１７ａからの反射光１７ｂを利用しているので、光学調整が精度よく確実にすることができ、外乱やビームの一部が遮蔽されるなどの影響に対して光学特性などを安定化することができるので観察者に正確で鮮明な画像を認識させることができる。【０２８８】
（実施の形態４）
図２２に本発明の実施の形態４にかかる画像表示装置３０の概略構成図を示す。【０２８９】
本実施の形態４は、実施の形態３とほぼ同様の構成があるがＲＧＢ光源である光源１１に加えて赤色から赤外の波長の赤外レーザ光源１８ｈを備えている。【０２９０】
すなわち、図２２に示す画像表示装置３０は、図１８に示す画像表示装置１０の構成に加えて光検出部１８に中心波長が７５０ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下の赤外レーザ光源１８ｈを備えている。この赤外レーザ光源１８ｈは、例えばＣＤなどの光ディスクで使用される中心波長が７８０ｎｍの赤外半導体レーザなどである。【０２９１】
この赤外レーザ光源１８ｈから出射されるサーボ用のレーザ光１２ａは、ダイクロイックプリズム１１ｂに入射してレーザ光１２と同じ光路を伝播し、偏向部１６に形成されたサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆで反射される。そして、このサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆにより生成された反射光１７ｂは、実施の形態３で説明した光路を伝播（つまり、レーザ光１２の光路を逆進）して光検出部１８の受光素子１８ａに到達する。【０２９２】
ビーム形状調節部２０ａは、受光素子１８ａの出力信号を元に実施の形態３と同様に光路長調整部２１のサーボ用ミラー２０ｂを矢印の方向に移動させることにより、走査光１４（１４ａ、１４ｂ）のビーム形状を変化させる。その結果、ビーム形状調節部２０ａは網膜１９ａ上のスポットサイズ１９ｂを規定値以下、例えば２０μｍ以下に制御している。【０２９３】
このような構成とすることにより、サーボ用の赤外レーザ光源１８ｈと光検出部１８とを近くに配置することができるので、さらに光学調整を安定に行うことができる。しかも、高速で、かつ高精度の光学調整をすることができるので、高速で高精細の動画像を表示する画像表示装置３０を実現することができる。【０２９４】
また、網膜１９ａよりも反射率の大きい反射体１７ａからの反射光１７ｂを利用しているので、光学調整が精度よく確実にすることができる。その結果、外乱やビームの一部が遮蔽されるなどの影響に対して光学特性などを安定化することができるので、観察者に正確で鮮明な画像を認識させることができる。【０２９５】
ところで、Ｇ光源１１Ｇは、上記の赤外レーザ光源１８ｈと、赤外光の一部を緑色に変換するＳＨＧ素子とを組み合わせて構成してもよい。より具体的には、例えば、赤外レーザ光源として中心波長が１０６０ｎｍの励起用赤外半導体レーザを、ＳＨＧ素子としてＬｉＮｂＯ3を採用することができる。【０２９６】
そして、偏向部１６のサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆは、赤外レーザ光源から出力された赤外光のうち、ＳＨＧ素子で緑色に変換されなかった赤外光を反射するようにしてもよい。【０２９７】
このような構成とすることにより、サーボ用の光源を別途使用しなくてもよいので装置を小型化、軽量化および低消費電力化することができる。【０２９８】
また、このような赤外レーザ光をサーボ用の光源に使用し、検出信号のＳ／Ｎ比を向上させるために、偏向部１６は、走査光１４を偏向する偏向面１６ｃと対向する外側の面１６ｄに赤外光を遮蔽する遮蔽膜１６ｅをさらに備えてもよい。【０２９９】
このような構成とすることにより、外側の面１６ｄの外部からの赤外光が偏向面１６ｃに入射することを防止できるので、赤外光によるＳ／Ｎ比がさらに改善されて、高精度の光検出を行うことができる。また、外部からの赤外光が眼１９の方に入射することをも遮蔽することができるので、網膜１９ａ上に投影される映像のＳ／Ｎ比を改善することもできる。【０３００】
また、遮蔽膜１６ｅは、少なくとも中心波長が７５０ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下の光線を遮蔽する構成としてもよい。このような構成とすることにより、さらに効果的に外側の面１６ｄの外部からの赤外光が偏向面１６ｃに入射することを防止できるので、赤外光によるＳ／Ｎ比がさらに改善された高精度の光検出および映像の投影を行うことができる。【０３０１】
図２３Ａ及び図２３Ｂは、本実施の形態３および４に係るホログラムミラーの例を示す図であり、図１８及び図２２に示す画像表示装置１０、３０の矢印３１の方向から見た偏向部１６およびサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆを示している。【０３０２】
図２３Ａにおいて偏向部１６に形成されたホログラムミラー１６ｂ（偏向領域）には、反射体１７ａとして多重化されたサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆが形成されている。【０３０３】
これにより、図２３Ａに示すビーム走査方向３２に走査される走査光１４のうち、偏向された走査光１４は観察者の眼１９に、サーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆで反射された反射光１７ｂはサーボ光として光検出部１８にそれぞれ導かれる。【０３０４】
なお、サーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆは、網膜１９ａ上のスポットサイズ１９ｂが最適値となるときに、通常より大きなレンズパワーとなる第１の反射型ホログラムミラー１６ｇと、網膜１９ａ上のスポットサイズ１９ｂが最適値となるときに、通常より小さなレンズパワーとなる第２の反射型ホログラムミラー１６ｈとからなる一対の反射型ホログラムミラーを少なくとも有する構成としてもよい。このときには、光検出部１８の手前に配置された回折格子１８ｄは、レンズパワーを持たない単純な等間隔の回折格子としている。【０３０５】
このような構成とすることにより、光学調整を行うときのサーボ範囲をさらに拡大する、あるいはオフセットをさらに減少することができる。なお、上記の説明における「通常」とは、スポットサイズ１９ｂが最適値でないときと解釈することができる。【０３０６】
一方、図２３Ｂにおいて、反射体１７ａは、ホログラムミラー１６ｂの周囲の少なくとも一部に形成されたサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆである。このときに、図２３Ｂに示すようにサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆは、図２３Ａと同様に第１の反射型ホログラムミラー１６ｇと第２の反射型ホログラムミラー１６ｈとからなる一対の反射型ホログラムミラーとして形成していてもよい。【０３０７】
図２３Ｂに偏向部１６によれば、走査光１４がビーム走査方向３２ａに走査されると、ビーム偏向領域３３で偏向された走査光１４は、観察者の眼１９に映像を投影する。一方、走査光１４がビーム走査方向３２ｂに走査されると、サーボ光が発生する領域３４で反射された反射光１７ｂは、光検出部１８で検出される。【０３０８】
このような構成とすることにより、光学調整を行うときのサーボ範囲をさらに拡大する、あるいはオフセットをさらに減少することができる。【０３０９】
図２３Ｂにおいて、偏向部１６全体にＲＧＢ光および赤外光の全てを走査してもよく、ビーム偏向領域３３にＲＧＢ光を、サーボ光が発生する領域３４に赤外光を走査してもよい。【０３１０】
なお、このようなサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆは、ＭＥＭＳミラーから出射されるレーザ光と、その位相共役光（進行方向が逆向きでビーム形状が同じ光）とを同時にフォトポリマーなどのホログラム材料に照射し、その干渉縞をホログラム材料に記録することで作製することができる。【０３１１】
（実施の形態５）
図２４Ａ、図２４Ｂ、及び図２５を参照して、本発明の実施の形態５に係るビーム走査型の画像表示装置５０を説明する。なお、図２４Ａはサーボ光発生用ホログラムミラー５１を示す図、図２４Ｂは光検出部５２を示す図、図２５は画像表示装置５０の概略構成図である。【０３１２】
図２４Ａに示すように、ホログラムパターン５１ａは、直交するＸ方向とＹ方向とで曲率半径を変えて形成されている。これにより、生成された反射光１７ｂは、Ｘ方向とＹ方向とで異なった光学的作用を受ける。【０３１３】
また、図２４Ｂに示すように、光検出部５２は、直行する２方向のビームの曲率半径を個別に検出することができる。つまり、４つの受光素子５３のうち、見かけの発光点５５の左右に配置されている２つの受光素子５３で反射光１７ｂのＸ方向の成分を検出し、見かけの発光点５５の上下に配置されている２つの受光素子５３で反射光１７ｂのＹ方向の成分を検出することができる。【０３１４】
さらに、図２５に示すように、画像表示装置５０の光路長調整部２１は、レーザ光１２の水平方向成分（Ｘ方向の成分）の波面形状を変更する焦点距離水平成分変更部と、垂直方向成分（Ｙ方向成分）の波面形状を変更する焦点距離垂直成分変更部とを備える。【０３１５】
上記構成によれば、反射光１７ｂのＸ方向成分の検出結果に基づいて、焦点距離水平成分変更部がレーザ光１２の水平方向成分の波面形状を変更する。次に、反射光１７ｂのＹ方向成分の検出結果に基づいて、焦点距離垂直成分変更部がレーザ光１２の垂直方向成分の波面形状を変更する。【０３１６】
このように、レーザ光１２の波面形状の水平方向成分と垂直方向成分とを個別に制御することにより、高精度に光学調整を行うことができる。以上の構成により、高速で、かつ高精度の光学調整をすることができるので、高速で高精細の動画像を表示する画像表示装置５０を実現することができる。また、網膜１９ａよりも反射率の大きい反射体１７ａからの反射光１７ｂを利用しているので、光学調整を精度よく確実にすることができる。その結果、外乱やビームの一部が遮蔽されるなどの影響に対して光学特性などを安定化することができるので、観察者に正確で鮮明な画像を認識させることができる。【０３１７】
（実施の形態６）
図２６Ａ〜図２６Ｃに、本発明の実施の形態６におけるめがね型画像表示装置８１の構成を示す。図２６Ａは平面図、図２６Ｂは側面図、図２６Ｃは走査部の走査中心軸９７に垂直な方向Ｘから見た矢視図である。【０３１８】
図２６Ａ〜図２６Ｃに示されるめがね型画像表示装置８１は、基本構成が図３８と同様であって、一対のめがねレンズ８２と、一対のめがねレンズ８２をユーザの左右の眼の位置に保持するレンズフレーム８３と、レンズフレーム８３の外縁部から後方に延びる一対のテンプル８４とを備える。なお、レンズフレーム８３を省略し、めがねレンズ８２の外縁部に直接テンプル８４を取り付けてもよい。【０３１９】
一対のめがねレンズ８２の眼８８に対面する面には、レーザビーム８６を眼に偏向する偏向部９３が設けられている。一対のテンプル８４には、その内部にレーザビーム８６を出射する光源９１、レーザビーム８６を二次元走査する走査部９２、及び各部を制御する制御部９４が搭載されている。【０３２０】
光源９１は、半導体レーザ、固体レーザ、波長変換素子、コリメート光学系等のいずれかを含み、光路上の所定の位置に集光スポットを形成するように構成される。カラー表示のため複数波長のビームを用いる場合は、合波光学系で１本のビームにして出射する。網膜上で適切に焦点を結ぶよう、焦点制御光学系を備えても良い。【０３２１】
制御部９４は、走査部９２の駆動と同期して光源９１を表示画像に従って強度変調する。変調制御は、レーザ光源を直接変調しても良いし、別途ＡＯ素子（音響光学素子）等の変調素子を併用しても良い。【０３２２】
走査部９２には小型のＭＥＭＳミラーを用いる。駆動方式には、電磁方式、静電方式、圧電方式、熱駆動方式、またはそれらの組み合わせ方式等、様々な方式のデバイスが適用できる。【０３２３】
レーザビーム８６は、走査部９２によってめがねレンズ８２に向かって投射され、めがねレンズ８２の表面に形成されたホログラムミラーである偏向部９３によって反射され、使用者の眼８８に入射して網膜上に画像を形成する。ホログラムミラーは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、波長選択性を持ちレーザビームの波長のみを反射する。その結果、ユーザは外の景色と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。【０３２４】
カラー表示を行う場合、フォトポリマー層には赤色、緑色、青色、それぞれの光源からの光を反射する３つのホログラムを多重に形成してもよいし、それぞれの色の光に対応した３層のホログラムを積層してもよい。【０３２５】
図３９Ａ〜図４０Ｂで示した構成と異なっているのは、折り返しミラー９５をＭＥＭＳミラーと鉛直方向（実施の形態６では、上方）に離隔した位置に設け、さらに折り返しミラー９６をＭＥＭＳミラーから見てめがねレンズ８２の方向へ配置したことである。【０３２６】
すなわち、ＭＥＭＳミラーの上方に配置した折り返しミラー９５で一旦レーザビームを走査中心軸９７の方向に偏向し、さらに折り返しミラー９６でＭＥＭＳミラーの方向へ折り返す。これにより、光源９１から出力されたレーザビーム８６を走査部９２に直接入射させる場合と比較して、入射角を小さくすることができる。より具体的には、図２６Ｃに示すように、折り返しミラー９６は、垂直方向の走査範囲に干渉しないよう配置される。【０３２７】
すなわち、折り返しミラー９５は、水平位置を走査部９２と偏向部９３の左右端とで囲まれる領域内とし、垂直位置を走査部９２と偏向部９３の上下端とで囲まれる領域外となるよう配置する。【０３２８】
この例の垂直走査角γは、垂直走査領域Ｈａ＝２０ｍｍ、投射距離Ｌ＝３５ｍｍで、γ＝ＡＴＡＮ（Ｈａ／２／Ｌ）＝１６°であり、入射角αは２０〜２５°程度となり、図４０Ａ及び図４０Ｂの構成よりもさらに小さくできる。【０３２９】
α＝２５°では、ＭＥＭＳミラーサイズＤｍは、レーザビーム径Ｄｂの１．１倍でよい。また、折り返しミラー９５をＭＥＭＳミラーの上方に配置しているので、ＭＥＭＳミラーより外側にスペースをとる必要がなく、テンプル８４の水平寸法Ｗが大きくなることはない。折り返しミラー９６をＭＥＭＳミラーよりめがねレンズ８２側に配置することで、テンプルの内側に若干の水平寸法Ｗ’を必要とするが、テンプル８４が内側に一部突出するだけなので、概観上大きな影響はなく、デザイン性、装着感を損なうこともない。【０３３０】
折り返しミラー９６を走査部９２の走査中心軸９７を含む鉛直面に沿って配置したことで、水平方向の入射角は０°となり、ＭＥＭＳミラーサイズを小さく抑えることができる。このような構成により、ＭＥＭＳミラーの大型化を招くことなく、テンプル８４の水平寸法を抑えて、高解像度で装着感のよいめがね型画像表示装置８１が実現できる。【０３３１】
なお、本実施の形態では、折り返しミラー９５、９６を走査部９２の上方に配置したが、下方に配置しても良い。【０３３２】
（実施の形態７）
図２７Ａ〜図２７Ｃに、本発明の実施の形態７における、めがね型画像表示装置８１の構成を示す。図２７Ａは平面図、図２７Ｂは側面図、図２７Ｃは走査部９２の走査中心軸９７に垂直な方向Ｘから見た矢視図である。【０３３３】
図２７Ａ〜図２７Ｃにおいて、図２６Ａ〜図２６Ｃで示した構成と同様、レーザビーム８６を出射する光源９１、レーザビーム８６を二次元走査する走査部９２、及び各部を制御する制御部９４をテンプル８４に搭載している。レーザビーム８６は、走査部９２によってめがねレンズ８２に向かって投射され、めがねレンズ８２の表面に形成されたホログラムミラーである偏向部９３によって反射され、使用者の眼８８に入射して網膜上に画像を形成する。ホログラムミラーは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、波長選択性を持ちレーザビームの波長のみを反射する。その結果、ユーザは外の景色と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。【０３３４】
実施の形態６との相違点は、偏向部９３が、画像反射領域８７と、画像反射領域８７の上部に第２の偏向部として折り返し反射領域９８とを有する点である。この折り返し反射領域９８は、実施の形態６における折り返しミラー９６の機能を代替する。【０３３５】
すなわち、ＭＥＭＳミラーの上方に配置した折り返しミラー９５で一旦レーザビームを走査中心軸９７の方向に偏向し、さらに偏向部９３の画像反射領域８７の上方に設けた折り返し反射領域９８でＭＥＭＳミラーの方向へ折り返して入射角を小さくしている。【０３３６】
具体的には、図２７Ｃに示すように、折り返し反射領域９８は画像反射領域８７に隣接するよう上部に設けることで、垂直方向の走査範囲に干渉することはなく、入射角αは垂直走査角γの１／２近くまで小さくできる。【０３３７】
実施の形態６における垂直走査角γは、垂直走査領域Ｈａ＝２０ｍｍ、投射距離Ｌ＝３５ｍｍで、γ＝ＡＴＡＮ（Ｈａ／２／Ｌ）＝１６°であり、入射角αは２０°〜２５°程度であったのに対し、折り返し反射領域９８を走査中心からの高さｈ＝１２ｍｍの位置に設けると、入射角αは１９°程度となり、図２６Ａ〜図２６Ｃの構成よりもさらに小さくできる。【０３３８】
α＝１９°では、ＭＥＭＳミラーサイズＤｍはレーザビーム径Ｄｂの１．０６倍でよい。【０３３９】
また、折り返しミラー９５をＭＥＭＳミラーの上方に配置しているので、ＭＥＭＳミラーより外側にスペースをとる必要がなく、テンプル８４の水平寸法Ｗが大きくなることはない。さらに、折り返し反射領域９８を第２の偏向部としてめがねレンズ８２上に設けるので、ＭＥＭＳミラーよりめがねレンズ８２側に別途ミラーを配置する必要がなく、テンプル８４の内側に突出する部分もないので、最もデザイン性、装着感の良い構成となる。【０３４０】
また、実施の形態６と同様、折り返し反射領域９８を走査部９２の走査中心軸９７を含む鉛直面に沿って配置したことで、水平方向の入射角は０°となり、ＭＥＭＳミラーのサイズを小さく抑えることができる。【０３４１】
このような構成により、ＭＥＭＳミラーの大型化を招くことなく、テンプルの水平寸法を抑えて、高解像度で装着感のよいめがね型画像表示装置８１が実現できる。【０３４２】
本構成ではさらに、折り返し反射領域９８に収差特性を持たせることが可能である。これは、偏向部９３であるホログラムミラーを形成する際、画像反射領域８７を形成する第１の作成光学系とともに、折り返し反射領域９８を形成する第２の作成光学系を設け、第２の作成光学系の参照光に収差成分を付加することで実現する。【０３４３】
この収差成分を、偏向部９３が持つ、コマ収差等を補正するよう設定すれば良い。偏向部９３は走査部９２の走査中心から発した光が使用者の眼８８へ集光するよう作成されるが、水平方向に斜め入射しているため、ビームの水平方向走査位置によって集光パワーが連続的に変化する特性を持つ。【０３４４】
このため、ある場所にレーザビームが当たっている時、ビームの両端でわずかに集光パワーが異なることでコマ収差が発生し、網膜上での集光スポットが広がって解像度が低下することがある。このような収差を、あらかじめ収差特性を持たせた折り返し反射領域９８に照射することで補正することができ、より高解像度の表示が可能となる。【０３４５】
なお、本実施の形態では、折り返し反射領域９８を画像反射領域８７の上方に配置したが、下方に配置しても良い。また、めがねレンズ８２は度付レンズでもよいし、度数ゼロのレンズでもよい。【０３４６】
さらに、偏向部９３をめがねレンズ８２上に直接形成する構成を説明したが、別途基板上に形成してめがねレンズ８２の内側に取り付ける方式でも同様の効果が得られる。【０３４７】
なお、上記の各実施形態は、単独であってもそれぞれ有利な効果を奏するのはもちろん、任意の組み合わせで組み合わせることによっても相乗効果を奏する。例えば、実施の形態１、２の偏向部１０４として、実施の形態３のホログラムミラーを採用する事等が考えられる。【０３４８】
また、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。【０３４９】
さらに、図９Ａに示すビーム走査型表示装置の各機能ブロックは、集積回路であるＬＳＩとして実現されてもよい。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように１チップ化されてもよい。例えばメモリ以外の機能ブロックが１チップ化されていてもよい。ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。【０３５０】
また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、又はＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。【０３５１】
次に、図２８〜図３３を参照して、上記の各実施形態に係るビーム走査型表示装置の様々な用途を説明する。なお、下記の説明は、実施の形態１の用途として説明するが、実施の形態２〜７に置き換えてもよいし、実施の形態１〜７を相互に組み合わせて用いてもよい。また、上記の各実施形態に係るビーム走査型表示装置の用途は、下記の用途に限られないことは言うまでもない。【０３５２】
（実施の形態８）
図２８は、本発明の実施の形態８における自動車搭載型のＨＵＤ（Ｈｅａｄ−ｕｐ  Ｄｉｓｐｌａｙ：ヘッドアップディスプレイ）の構成図である。【０３５３】
光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、偏向部１０４、制御部１０５、及びヘッドホン部１０６の基本的な仕組みや動作は、実施の形態１と同様である。【０３５４】
本実施の形態では、乗車中のユーザに対して映像を表示する。実施の形態１と同様に、偏向部１０４にビーム反射特性と車外からの可視光の透過特性とを持たせることで、車外の光景を見ながら本発明による表示も見ることができる。これにより、車外の光景を見ながら、車速、注意や警告、行先案内などの運転行動や居場所などに関連する情報を見られる効果がある。【０３５５】
光源１０１、波面形状変更部１０２、及び走査部１０３は、図２８のように車の天井付近に取り付けてもよい。これにより、窓からの視界を遮らない効果や、眼に近い場所に配置することで、光路が短くなり表示精度を向上できる効果がある。また、光源１０１を車体下部などの波面形状変更部１０２から離れた場所に配置し、光源１０１から波面形状変更部１０２まで光ファイバーでビームを伝送する構成としてもよい。これにより、天井部における光源１０１を設置するための領域を減少できる効果がある。【０３５６】
制御部１０５は、ダッシュボード内に配置してもよい。本発明の表示装置とは別の制御装置、例えば車速管理装置や案内制御装置（カーナビゲーションシステム）などの制御装置が本制御部１０５を兼ねてもよい。これにより制御装置の総数を減らせる効果がある。【０３５７】
ヘッドホン部１０６は、ユーザの耳に接触している必要はなく、ユーザ周囲の室内面、例えばドアや前面ダッシュボードに装備されたスピーカーでよい。【０３５８】
偏向部支持部４０１は、天井や窓上部から偏向部１０４を支持する。偏向部支持部４０１の位置調整機能は、ユーザの頭部位置に応じて偏向部１０４の位置や傾きを調整できる。調整はユーザが手動で行う構造としてもよいし、自動で行われる構造としてもよい。自動とする方法としては、偏向部支持部４０１付近にカメラを設置し、ユーザの頭部や眼などの位置変化を撮像、認識することで、適切な位置や角度に偏向部１０４を移動、回転して調整する方法でもよい。【０３５９】
（実施の形態９）
図２９は、本発明の実施の形態９における椅子装着型の表示装置の構成図である。【０３６０】
光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、偏向部１０４、制御部１０５、及びヘッドホン部１０６の基本的な仕組みや動作は、実施の形態１と同様である。本実施の形態では、椅子に着席しているユーザに対して映像を表示する。【０３６１】
光源１０１、波面形状変更部１０２、及び走査部１０３は、図２９のように椅子の背もたれからユーザ眼前の偏向部１０４へと至る部分に配置してもよい。図２９ではユーザの頭部の上方に配置しているが、側頭部や、頭部下方に配置してもよい。【０３６２】
制御部１０５は、椅子下部に配置してもよい。本発明の表示装置とは別の制御装置、例えばマッサージ制御装置などの制御装置が本制御部１０５を兼ねてもよい。これにより制御装置の総数を減らせる効果がある。【０３６３】
ヘッドホン部１０６は、ユーザの耳に接触するヘッドホンでもよいし、頭部後方や側方に設置されたスピーカーでもよい。【０３６４】
（実施の形態１０）
図３０は、本発明の実施の形態１０におけるレーザ走査型のＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）の構成図（側面図）である。また、図３１は、図３０に示されるレーザ走査ユニット２００２の詳細図である。【０３６５】
レーザ走査ユニット２００２は、車２００１のフロントガラス２００３の下方、より具体的にはインパネの内部に配置されており、表示装置の省スペース化を図っている。【０３６６】
なお、レーザ走査ユニット２００２はインパネの内部ではなく、インパネ外部に配置してもよい。この場合、レーザ走査ユニット２００２の交換や位置の変更が容易になる。【０３６７】
レーザ走査ユニット２００２によって走査された光は、フロントガラス２００３に取り付けられた偏向部１０４によって反射され、ハーフミラー２００４を通過し、ドライバー２００５の眼球２００６に到達することで映像が視認される。このようなＨＵＤではフロントガラス２００３越しに外界風景を確認しながら、レーザ走査ユニット２００２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、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。【０３６８】
なお、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２００４によって反射され、光検出部２１４によって検出される。【０３６９】
レーザ走査ユニット２００２は、光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、及び制御部１０５から構成されている。図３１に本実施の形態における光源１０１、波面形状変更部１０２、及び偏向部１０４の構造の例を示す。【０３７０】
図３１における光源１０１は、図２と同様、赤色レーザ光源２１１と、青色レーザ光源２１２と、緑色レーザ光源２１３とから構成されている。なお本実施の形態において光検出部２１４は光源１０１中には含まれず、図３０に示されるように車内の天井２００７に設置されている。この構成をとることで、ユーザの網膜と光検出部２１４までの距離を短くすることができ、網膜上のスポットサイズを検出することが容易になる。【０３７１】
図３１における波面形状変更部１０２は、焦点距離水平成分変更部２１０１と、焦点距離垂直成分変更部２１０２とを光路に直列に配置している。これによって、波面形状の水平方向の曲率と垂直方向の曲率とを独立して変更できる。本実施の形態においては、焦点距離水平成分変更部２１０１および焦点距離垂直成分変更部２１０２は、シリンドリカルレンズの位置を変更することによって水平方向および垂直方向の曲率を変更する。【０３７２】
なお、焦点距離水平成分変更部２１０１及び焦点距離垂直成分変更部２１０２は、図２に示される実施の形態１の波面形状変更部１０２と同様に、シリンドリカルレンズとミラーを組み合わせ、ミラーの位置を変更することで波面形状の変更を行っても良い。この場合、ミラーを高速に振動させることで、解像度の高い画像やフレームレートの高い動画を表示する際でも波面形状を適切に変更することが可能になる。【０３７３】
また、本実施の形態における偏向部１０４は、透過型のホログラムによって実現されている。本実施の形態において１０４は、フロントガラス２００３の内側（眼の側）に、例えば、リップマン体積ホログラムが形成されたフォトポリマー層が形成され、走査部１０３からのビームがユーザの眼の瞳孔に回折・集光されるように製作されている。【０３７４】
フォトポリマー層には赤色、緑色、青色、それぞれの光源からの光を反射する３つのホログラムを多重に形成してもよいし、それぞれの色の光に対応した３層のホログラムを積層してもよい。また、ホログラムの波長選択性を用いることで、光源波長の光のみを回折させ、外界からの光のほとんどを占める光源波長以外の波長の光を回折させないように製作することで、透過型のディスプレイとできる。【０３７５】
なお、偏向部１０４は、フロントガラス２００３に自由に着脱できるようにしてもよい。この場合、ディスプレイの表示が不要な場合は偏向部１０４を外すことにより、フロントガラス２００３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。【０３７６】
なお、偏向部１０４は、走査部１０３からの光をユーザのいずれかの眼に向かって反射するのではなく、ユーザの両方の眼に向かって反射させてもよい。この場合、一つの偏向部１０４によってユーザの両眼に映像を表示することが可能になる。【０３７７】
本発明の実施の形態１０においては、ユーザの眼前にハーフミラー２００４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２１４に反射させる。ハーフミラー２００４は、車２００１の天井２００７に支持棒２００８によって取り付けられている。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、ユーザの網膜上のスポットサイズの検出を行うことができる。【０３７８】
なお、ハーフミラー２００４および光検出部２１４は、車２００１の天井に設置するのではなく、ドライバーの眼鏡や帽子に設置しても良い。この場合、ドライバー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、ドライバーの安全性を向上させることができる。【０３７９】
制御部１０５は、ＨＵＤ各部を制御する集積回路を備える。各レーザの出力および、波面形状変更部１０２、走査部１０３、光検出部２１４の制御が制御部１０５によって行われる。本実施の形態において、光検出部２１４は天井に配置され、制御部１０５はインパネ内部に設置されているが、光検出部２１４と制御部１０５との間の通信は、車の内部を有線ケーブルを這わせることで行っても良いし、無線通信で行っても良い。【０３８０】
なお、図３０においてはユーザの眼は一つしか示されていないが、レーザ走査ユニット２００２、偏向部１０４、光検出部２１４をもう一組用意し、両眼に対してビームの曲率半径の制御を行っても良い。この場合、左右の眼で視力が異なる場合などにそれぞれの眼に対して異なったビームの曲率半径を設定することで、片方の眼で映像がボケてしまう事態を防ぐことができる。【０３８１】
（実施の形態１１）
図３２は、本発明の実施の形態１１におけるレーザ走査型の単眼鏡２２０１の構成図（側面図）である。【０３８２】
単眼鏡２２０１は、カメラ２２０３を備えており、ユーザは単眼鏡２２０１を覗き込むことでカメラ２２０３が撮影した映像や、単眼鏡２２０１の外部入力端子に接続された外部の映像機器からの映像を視聴することができる。図３２の構成をとることで、ユーザはＨＭＤのように頭部に装置を装着する必要がなくなり、まだ屋外で簡単にビーム走査型表示装置を利用することが可能になる。【０３８３】
単眼鏡２２０１は、光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、偏向部１０４、制御部１０５、カメラ２２０３、及び折り返しミラー２２０２から構成されている。【０３８４】
図３２における光源１０１は、図２と同様、赤色レーザ光源２１１、青色レーザ光源２１２、緑色レーザ光源２１３、及び光検出部２１４で構成される。【０３８５】
図３２における波面形状変更部１０２は、焦点距離水平成分変更部２０１と、焦点距離垂直成分変更部２０２とを光路に直列に配置している。これによって、波面形状の水平方向の曲率と垂直方向の曲率とを独立して変更できる。本実施の形態においては、図２に示すようにシリンドリカルレンズとミラーを組み合わせ、ミラーの位置を変更することで垂直方向および水平方向の波面形状の変更を行う。【０３８６】
波面形状変更部１０２からのビームは、折り返しミラー２２０２を経由して、走査部１０３によって走査されて、偏向部１０４に入射する。【０３８７】
偏向部１０４は、単眼鏡２２０１の接眼部分に配置される接眼レンズであり、走査部１０３からの光をユーザの瞳孔上に集光する。なお偏向部１０４は凸レンズではなく、透過型ホログラムであってもよい。この場合、接眼レンズ部分を薄くすることができ単眼鏡２２０１を小型化することができる。【０３８８】
ユーザの網膜上からの反射光は、入射光と同じ経路を逆向きに辿った後、光検出部２１４によって検出される。【０３８９】
制御部１０５は、単眼鏡２２０１各部を制御する集積回路を備える。各レーザの出力および、波面形状変更部１０２、走査部１０３、光検出部２１４、及びカメラ２２０３の制御が制御部１０５によって行われる。【０３９０】
なお、図３２においてはユーザの眼は一つしか示されていないが、光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、偏向部１０４、光検出部２１４をもう一組用意し、双眼鏡の形状になるようにして、両眼に対してビームの曲率半径の制御を行っても良い。この場合、左右の眼で視力が異なる場合などにそれぞれの眼に対して異なったビームの曲率半径を設定することで、片方の眼で映像がボケてしまう事態を防ぐことができる。【０３９１】
なお、双眼鏡の形状にする場合、左右の眼の表示に用いる光源１０１を同一のものにして、光源１０１からのビームをプリズムなどで分光し、左右の眼の表示に用いる波面形状変更部１０２にそれぞれ入射する方法をとっても良い。この場合、必要な光源が減るため双眼鏡を小型化することができ、また消費電力を抑えることが可能になる。【０３９２】
（実施の形態１２）
図３３は、本発明の実施の形態１２におけるレーザ走査型のディスプレイ２３０１の構成図（側面図）である。【０３９３】
ディスプレイ２３０１は、光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、偏向部１０４、及び制御部１０５で構成されている。ユーザはこのディスプレイを机２３０２に設置して利用する。図３３の構成をとることで、ユーザはＨＭＤのように頭部に装置を装着する必要が無くなる。また単眼鏡のように長時間、手で装置を支持する必要もなくなるため負担無く、長時間ディスプレイを使用することが可能になる。【０３９４】
図３３における光源１０１は、図２と同様、赤色レーザ光源２１１、青色レーザ光源２１２、緑色レーザ光源２１３、及び光検出部２１４で構成される。【０３９５】
図３３における波面形状変更部１０２は、焦点距離水平成分変更部２０１と、焦点距離垂直成分変更部２０２とを光路に直列に配置している。これによって、波面形状の水平方向の曲率と垂直方向の曲率とを独立して変更できる。本実施の形態においては、図２に示すようにシリンドリカルレンズとミラーを組み合わせ、ミラーの位置を変更することで垂直方向および水平方向の波面形状の変更を行う。【０３９６】
波面形状変更部１０２からのビームは、走査部１０３によって走査されて、偏向部１０４に入射する。【０３９７】
本実施の形態において偏向部１０４は、透過型のホログラムによって実現されている。本実施の形態において偏向部１０４はディスプレイの表面に配置され、走査部１０３からの光をユーザの瞳孔上に集光する。【０３９８】
ユーザの網膜上からの反射光は、入射光と同じ経路を逆向きに辿った後、光検出部２１４によって検出される。【０３９９】
制御部１０５は、ディスプレイ各部を制御する集積回路を備える。各レーザの出力および、波面形状変更部１０２、走査部１０３、光検出部２１４の制御が制御部１０５によって行われる。【０４００】
なお、図３３においてはユーザの眼は一つしか示されていないが、光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、偏向部１０４、光検出部２１４をもう一組用意し、両眼に対してビームの曲率半径の制御を行っても良い。この場合、左右の眼で視力が異なる場合などにそれぞれの眼に対して異なったビームの曲率半径を設定することで、片方の眼で映像がボケてしまう事態を防ぐことができる。【０４０１】
なお、左右の眼の表示に用いる光源１０１を同一のものにして、光源１０１からのビームをプリズムなどで分光し、左右の眼の表示に用いる波面形状変更部１０２にそれぞれ入射する方法をとっても良い。この場合、必要な光源が減るためディスプレイを小型化することができ、また消費電力を抑えることが可能になる。【０４０２】
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】
【０４０３】
本発明にかかるビーム走査型表示装置は、波面形状変更部などを有し、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１Ａ】
2009041055.tif 000003
【図１Ｂ】
2009041055.tif 000004
【図２】
2009041055.tif 000005
【図３】
2009041055.tif 000006
【図４】
2009041055.tif 000007
【図５】
2009041055.tif 000008
【図６】
2009041055.tif 000009
【図７】
2009041055.tif 000010
【図８】
2009041055.tif 000011
【図９Ａ】
2009041055.tif 000012
【図９Ｂ】
2009041055.tif 000013
【図１０】
2009041055.tif 000014
【図１１Ａ】
2009041055.tif 000015
【図１１Ｂ】
2009041055.tif 000016
【図１１Ｃ】
2009041055.tif 000017
【図１２】
2009041055.tif 000018
【図１３】
2009041055.tif 000019
【図１４】
2009041055.tif 000020
【図１５】
2009041055.tif 000021
【図１６】
2009041055.tif 000022
【図１７】
2009041055.tif 000023
【図１８】
2009041055.tif 000024
【図１９Ａ】
2009041055.tif 000025
【図１９Ｂ】
2009041055.tif 000026
【図１９Ｃ】
2009041055.tif 000027
【図２０Ａ】
2009041055.tif 000028
【図２０Ｂ】
2009041055.tif 000029
【図２０Ｃ】
2009041055.tif 000030
【図２１Ａ】
2009041055.tif 000031
【図２１Ｂ】
2009041055.tif 000032
【図２１Ｃ】
2009041055.tif 000033
【図２２】
2009041055.tif 000034
【図２３Ａ】
2009041055.tif 000035
【図２３Ｂ】
2009041055.tif 000036
【図２４Ａ】
2009041055.tif 000037
【図２４Ｂ】
2009041055.tif 000038
【図２５】
2009041055.tif 000039
【図２６Ａ】
2009041055.tif 000040
【図２６Ｂ】
2009041055.tif 000041
【図２６Ｃ】
2009041055.tif 000042
【図２７Ａ】
2009041055.tif 000043
【図２７Ｂ】
2009041055.tif 000044
【図２７Ｃ】
2009041055.tif 000045
【図２８】
2009041055.tif 000046
【図２９】
2009041055.tif 000047
【図３０】
2009041055.tif 000048
【図３１】
2009041055.tif 000049
【図３２】
2009041055.tif 000050
【図３３】
2009041055.tif 000051
【図３４Ａ】
2009041055.tif 000052
【図３４Ｂ】
2009041055.tif 000053
【図３５】
2009041055.tif 000054
【図３６】
2009041055.tif 000055
【図３７】
2009041055.tif 000056
【図３８】
2009041055.tif 000057
【図３９Ａ】
2009041055.tif 000058
【図３９Ｂ】
2009041055.tif 000059
【図４０Ａ】
2009041055.tif 000060
【図４０Ｂ】
2009041055.tif 000061
【図４１】
2009041055.tif 000062
【図４２】
2009041055.tif 000063
【手続補正書】
【提出日】平成21年3月23日(2009.3.23)
【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、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等の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、レーザ光を２次元走査して、眼の網膜に直描する方式（以下、レーザ走査方式、と記す）がある（例えば、特許文献１、２参照）。レーザ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、レーザ走査ディスプレイ、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】
また、レーザ走査方式で、焦点変更部を持ち、各画素表示の奥行きを変更することで、３次元立体表示を実現する方式もある（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
また、レーザ走査方式で、波面曲率変更部を持ち、レーザ光の波面曲率半径を変更することで、波面曲率半径が目標値となるよう補正する方式もある（例えば、特許文献４参照）。
【０００５】
図３４Ａ及び図３４Ｂに眼鏡型のＨＭＤの構造の例を示す。図３４Ａ及び図３４Ｂでは眼鏡フレームにレーザ光を発光する光源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を搭載している。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、眼鏡レンズの表面に備えられた偏向部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。ここで偏向部１０４、１０７にはハーフミラーやホログラム光学素子（ＨＯＥ：Ｈｏｌｏｇｒａｍ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）などが用いられ、ユーザは外の景色と、レーザによって描かれる画像の両方を同時に視聴することが可能になる。また走査部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などが用いられる。
【０００６】
また、従来から存在するマイクロディスプレイ型のＨＭＤの他の実施形態として、レーザ光源ではなく、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどのマイクロディスプレイを光源として用い、マイクロディスプレイからの光を偏向部によってユーザの眼に導く構成が用いられている。
【０００７】
一般的なパーソナルコンピューター向けのディスプレイと同様に、上記のようなＨＭＤにおいてもＶＤＴ（Ｖｉｓｕａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｔｅｒｍｉｎａｌ）作業における眼精疲労が問題になる。眼精疲労は主に眼のディスプレイに固定されることによって引き起こされる。図３５に人間の眼の構造を示す。図３５は、人間の眼の断面図であり、図に示されるように人間の眼は、入射光１２０５が水晶体１２０２を通過し、眼球１２０１の奥に存在する網膜１２０４に集光されることで、映像を視認する。
【０００８】
ここで人間の眼は筋肉である毛様体１２０３を弛緩もしくは緊張させることにより水晶体１２０２の厚さを変更し、入射光１２０５が網膜１２０４上に上手く集光するように調節を行う。
【０００９】
一般に、人間は近くを見るときには毛様体１２０３を緊張させ、水晶体１２０２を厚くする。水晶体１２０２の厚さが増すことで、水晶体の焦点距離が短くなり、近くからの光が網膜１２０４上に集光しやすくなり、人間は近くの物体１３０１を鮮明に見ることが出来るようになる。この様子を図３６に例示する。
【００１０】
また、遠くを見るときには人間の眼は毛様体１２０３を弛緩させることで、水晶体１２０２を薄くする。水晶体１２０２の厚さが減ることで、水晶体の焦点距離が長くなり、遠くからの光が網膜１２０４上に集光しやすくなり、人間は遠くの物体１３０１を鮮明に見ることができるようになる。この様子を図３７に例示する。
【００１１】
ＶＤＴ作業では眼の近くのディスプレイに映し出された光を見るため、通常、人間は毛様体１２０３を緊張させ、水晶体１２０２を厚くする。ＶＤＴ作業が長時間に及ぶと、この毛様体１２０３の緊張が持続するため、毛様体の疲労を招き、眼精疲労を引き起こしてしまう。
【００１２】
この眼精疲労を避けるためにマイクロディスプレイ型ＨＭＤでは、マイクロディスプレイやレンズの位置を変化させる機能が用いられる（例えば、特許文献５参照）。
【００１３】
マイクロディスプレイやレンズの位置を変化させると、ユーザに提示される映像の視距離（ユーザの眼と、表示映像の虚像との距離）が変化する。そのためユーザに提示する映像を、ユーザから遠くに表示するようにすれば、ユーザの眼は水晶体を薄くするために毛様体１２０３を弛緩させようとする。この作用を利用すれば、ＨＭＤを利用するユーザの眼精疲労を緩和することが可能になる。
【００１４】
一方、ビーム走査型ＨＭＤでは、マイクロディスプレイの位置を移動させる代わりに、ビームの波面曲率を変化させることで同様の処理が可能になる。一般に、光の波面曲率は遠方からの光ほど大きくなる（無限遠からの光は、波面曲率が無限大の平行光）。そのためレーザ光源からの光の波面曲率を大きくすると、ユーザに提示される映像の視距離が長くなり、その結果、眼の毛様体の緊張が緩和される。
【００１５】
ＨＭＤなどに用いる画像表示装置は、個人用携帯ディスプレイ端末のうちのひとつの画像表示装置であり、そのウェアラブル性の観点から図３４Ａ及び図３４Ｂに示すように眼鏡形態などによる構造が一般的に適用されている。
【００１６】
このようなＨＭＤなどの画像表示装置には、例えば眼鏡形態のレンズに相当する部分をスクリーンなどに仮定して、その部分にレーザ光を２次元的に走査して、観察者の眼の網膜に直接描画して画像表示を行っているものが知られている（例えば、特許文献６参照）。ここでは、スクリーンに相当する瞳伝送レンズに裏面反射鏡または表面反射鏡からなる反射鏡を用い、これらをフレネルレンズなどで構成することにより光学系全体の厚さを抑えてより小型軽量にしてウェアラブル性に富む構造としている。
【００１７】
ところで、このようなレーザ走査方式のＨＭＤにおいては、レーザ光源やレーザ走査部を眼前ではなく側頭部に配置した場合、または画角を広くして大画面表示とした場合に、レーザ光源からスクリーンを介して網膜へと至る光路は、各画素により空間的に異なっている。すなわち、光路に配置したミラーなどの偏向部でのビームの入射角、反射角、波面形状およびスポットサイズが、各画素により大きく異なってくる。したがって、レーザ光源から一定の波面形状およびスポットサイズのビームを出力しても、観察者である人の眼に到達するビームの波面形状およびスポットサイズなどの特性は、画面内の画素によって異なる。その結果、各画素サイズにばらつきが生じる、または画素サイズが許容範囲を超えるなどの課題が生じていた。
【００１８】
このような課題を解決するために、レーザ走査方式の画像表示装置に含まれる観察者の眼に走査されるレーザ光を偏向する光学手段において、この光学手段の位置を変化させることに対応して、レーザ光の波面曲率を目標値となるように補正する曲率補正部を有する画像表示装置が提案されている（例えば、特許文献４参照）。このことにより、レーザ光が照射される光学手段の照射位置によりレーザ光の波面曲率などの光学特性が変化する度合いが異なるにもかかわらず、光学特性が補正されて観察者に正確な画像を認識させることが容易となるとしている。
【００１９】
また、使用者の頭部に装着して画像表示を行うＨＭＤ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。
【００２０】
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。
【００２１】
しかし、高画質、広視野角にするほど、画素型表示デバイスを用いた方式は、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。
【００２２】
また、接眼光学系が眼前を覆う構造となり、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り、自然な装着感は望み難く一般的なめがね型の構成は実現が難しい。
【００２３】
一方、図３４Ａ及び図３４Ｂに示されるような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。
【００２４】
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２参照）。
【００２５】
図３８、図３９Ａ、及び図３９Ｂに、このようなめがね型画像表示装置の例を示す。
【００２６】
図３８において、めがね型画像表示装置８１は、通常のめがねと同様、めがねレンズ８２、レンズフレーム８３、及びテンプル８４で構成される。
【００２７】
テンプル８４に設けた開口８５よりレーザビーム８６が照射され、２次元走査されてめがねレンズ８２上の画像反射領域８７で使用者の眼８８の方向へ偏向される。眼８８に入射したレーザビーム８６は網膜上でスポットを形成し、画像が認識される。
【００２８】
構成によっては、走査部や電源部を含んだ外部機器８９が有線、または無線で接続される（図では破線で表示）。また、別途音声再生装置と組み合わせてイヤホン等が設けられる（図示せず）。
【００２９】
図３９Ａはめがね型画像表示装置８１の平面図、図３９Ｂは側面図である。図では使用者の頭部およびめがね型画像表示装置８１の右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）。
【００３０】
この実施形態においては、図３９Ａ及び図３９Ｂに示されるように、レーザビーム８６を出射する光源９１、レーザビーム８６を二次元走査する走査部９２、及び各部を制御する制御部９４をテンプル８４に搭載している。テンプル８４の水平寸法Ｗは内蔵する各素子を直線状に配置できる最小限の幅とする。ＭＥＭＳミラーに入射するレーザビーム径が２ｍｍ程度の場合、おおむね５〜１０ｍｍ程度とできる。
【００３１】
垂直寸法Ｈは、通常めがねレンズ８２の高さが２５〜３５ｍｍあるので、おおむね３０ｍｍ程度の寸法が取れる。
【００３２】
レーザビーム８６は、光源９１によってめがねレンズ８２に向かって投射され、めがねレンズ８２の表面に形成されたホログラムミラーである偏向部９３によって反射され、使用者の眼８８に入射して網膜上に画像を形成する。ホログラムミラーは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、波長選択性を持ちレーザビームの波長のみを反射する。その結果、ユーザは外の景色と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。
【００３３】
このような構成で、走査部９２にＭＥＭＳミラーを使用した場合、テンプル８４の耳側からＭＥＭＳミラーへレーザビームを照射する光軸と、眼の中心軸が略平行となり、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、ＭＥＭＳミラーから偏向部９３への入射角βと等しくなる。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偏向部に照射するよう図３９Ａのように配置すると、α＝β＝６０°となる。
【００３４】
また、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７参照）。
【００３５】
特許文献７では、レーザ光源を耳側ではなくめがねレンズ側に光源部を設けて走査部に入射している。実際には、走査部よりめがねレンズ側にはあまりスペースがないので、図４０Ａ及び図４０Ｂに示すような光路構成となる。
【００３６】
図４０Ａ及び図４０Ｂは、このようなめがね型画像表示装置の例を示す平面図と側面図である。
【００３７】
走査部９２は図３９Ａ及び図３９Ｂの構成と同じ位置にある。それに対して、光源９１から照射されたレーザビーム８６は折り返しミラー９５、９６を使って走査部９２よりめがねレンズ８２側から照射される。この場合、走査部９２への入射角αは、α＝β／２＝３０°となる。
【特許文献１】特許第２９３２６３６号公報
【特許文献２】特開平１０−３０１０５５号公報
【特許文献３】特許第３１０３９８６号公報
【特許文献４】特開２００４−１９１９４６号公報
【特許文献５】特許第３１４８７９１号公報
【特許文献６】特開２０００−２２１４４１号公報
【特許文献７】特開２００３−０２９１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３８】
レーザ走査方式のディスプレイで、高解像度表示を実現するには、画面内の画素サイズを小さくするために、各画素に対応するレーザ光のビームスポットサイズを小さくする必要がある。
【００３９】
レーザ走査方式では、光源から網膜へと至る光路は、各画素によって空間的に異なる。特に、ＨＭＤをメガネ形とする目的で光源や走査部を眼前ではなく側頭部に配置した場合や、画角を広くして大画面表示とした場合に、走査部でのビームの走査角や、眼前に配置したミラー等（偏向部）でのビームの入射角や反射角や波面形状変化が、各画素によって、より大きく異なってくる。その結果、光源から一定の波面形状のビームを出力しても、ユーザの眼に到達するビームの波面形状は画面内の画素によって異なる結果、ビームスポットサイズも異なり、各画素サイズにばらつきが生じたり、画素サイズが許容範囲内に収まらない課題があった。
【００４０】
特許文献４では曲率半径を補正する方法を示しているが、曲率半径を目標値になるよう制御しても、ビームスポットサイズが異なれば、画質が低下する課題がある。例えば、画面の中央でも端でも、平行光（曲率が０）が眼に入射するように制御すると、ビームスポットサイズが画面中央と画面端とでは異なってしまう場合がある。その結果、隣接する走査線間に隙間が生じてしまったり、走査線が重なってしまったりする結果、画質が低下する課題があった。
【００４１】
図４１は本課題の例を示した図である。前記特許文献４の曲率補正部を、メガネ形のＨＭＤに適用した図であり、メガネ形とするために、走査ミラーを側頭部に配置し、ホログラム回折素子等の平面形状の偏向ミラーを眼の前に配置する。図４１は、偏向ミラーから眼へ向かうビームの曲率が０（平行光）となるように、曲率変更部が光源からのビームの曲率を変更した図である。図のように、平行ビームとすることによって、Ａ１地点でのビームスポットサイズ（直径）が４５０μｍとなるのに対して、Ｂ１地点でのスポットサイズは２４００μｍと、大きく異なる場合がある。この結果、網膜上でのスポットサイズ（画素サイズ）も、Ａ２地点では３５μｍに対し、Ｂ２地点では７μｍとなるため、画素サイズにばらつきが生じてしまう。
【００４２】
さらに特許文献４の曲率半径を補正する方法では、ビームの波面形状が球面形状をしており、その半径が変化する場合しか補正できず、波面形状の水平成分と垂直成分が異なる変化をする場合などは、目標とする曲率半径や目標とするスポットサイズに補正できない課題もあった。
【００４３】
図４２は本課題の例を示した図である。図４１同様に、前記曲率補正部を、メガネ形のＨＭＤに適用した図である。図４２の平面図は頭上から見下ろした図で、図４２の側面図は側面からの図である。
【００４４】
図４２の平面図では、図４１同様に、偏向ミラーから眼へのビームは平行光で、Ａ１でのビームスポットサイズ（水平幅）が４５０μｍで、Ａ２地点でのスポットサイズ（水平幅）が３５μｍである。偏向ミラーから眼へのビームは、平面図では平行光であるが、側面図では発散光となる結果、Ａ１でのスポットサイズ（垂直幅）は９００μｍで、Ａ２地点でのスポットサイズ（垂直幅）は７８０μｍとなる。
【００４５】
偏向ミラー反射光が、平面図では平行光なのに、側面図では発散光となる原因は、偏向ミラーのレンズパワーが水平方向と垂直方向で異なることや、偏向ミラーへの入射角が水平方向と垂直方向で異なることであり、これらはＨＭＤをメガネ形にしたことによるものである。
【００４６】
このように、水平方向を平行光にすると垂直方向が平行でなくなり、同様に、垂直方向を平行光にすると水平方向が平行でなくなるために、前記特許文献４の曲率補正部では、目標とする曲率半径や、目標とするスポットサイズに補正できない場合がある。
【００４７】
さらにレーザ走査方式では、ビームを高速に走査する結果、ビームスポットサイズを変更できる速度が、走査速度に追いつかない場合に、画面の各画素を望むサイズに制御できない課題もあった。
【００４８】
また、上記で説明した従来技術においては、光学特性が補正されて観察者に正確な画像を認識させることはできるものの光学特性を調整する処理が複雑であり、高精細の高速で動く画像に対応することが難しいという課題があった。
【００４９】
また、マイクロディスプレイの位置やレーザの波面曲率を、ユーザの眼の状態を考慮せずに変えてしまうと、ユーザの眼が入射光を上手く網膜上に集光することができず、その結果、表示される映像がボケるという課題が生じる。
【００５０】
入射光を上手く網膜上に集光するための水晶体の調節には、一定の時間が必要であり、また水晶体が実現できる厚さや薄さには近視や遠視など個人差も存在する。そのため、現在の水晶体の薄さや、水晶体が実現できる薄さの限界などを考慮することなしに、マイクロディスプレイの距離やレーザの波面曲率などを変化させると、水晶体の変化がそれらの変化に追随できない。そのため入射光が上手く網膜上に集光されずに、ユーザが視認する表示画像がボケるという事態を招いてしまう。
【００５１】
前述のレーザ走査ＨＭＤや眼精疲労を防止するＨＭＤの先行例では、この点に対する考慮がなされていない。
【００５２】
さらに、従来のめがね型画像表示装置では、以下のような課題があった。
【００５３】
一般的なめがねでは、フレームやテンプルが細いもの、太いもの、中には、レンズフレームがなく直接テンプルが取り付けられているもの等様々なデザインが存在するが、図３８のような、幅広タイプのテンプルデザインのものもある。画像表示装置としてテンプル内に部品を内蔵するには、このようなデザインのめがねが適している。この場合も、テンプルは上下方向に幅広にしているが、水平方向には薄いほうが良い。特に、テンプル部が外側へ突出すると、デザイン上不自然な形状となり、常時使用するような用途には不都合である。
【００５４】
図３９Ａ及び図３９Ｂに示すめがね型画像表示装置では、テンプルの水平寸法Ｗは最小限に設定できるが、走査部であるＭＥＭＳミラーへの入射角が６０°と大きいため、ＭＥＭＳミラーの必要サイズがその分大きくなる。
【００５５】
ビーム径ＤｂとＭＥＭＳミラーサイズＤｍは入射角αに対して、Ｄｍ＝Ｄｂ／ｃｏｓαの関係があるので、α＝６０°の場合、ビーム径の２倍のＭＥＭＳミラーサイズとなる。その結果、ＭＥＭＳミラーが大型化することで高速駆動が困難となり、高解像度表示が困難になる。
【００５６】
また、大きく重くなることで、ＭＥＭＳミラーの駆動部をより大きくする必要があり、テンプル幅Ｗも大きくなってしまう。
【００５７】
図４０Ａ及び図４０Ｂに示すめがね型画像表示装置では、図３９Ａ及び図３９Ｂの場合よりもＭＥＭＳミラーへの入射角αは小さく設定できるためＭＥＭＳミラーサイズはより小型にできる。α＝３０°では、ＭＥＭＳミラーサイズＤｍはレーザビーム径Ｄｂの１．１５倍でよく、高速駆動に有利となるが、光源９１や折り返しミラー９５をＭＥＭＳミラーの外側へ配置して光路を構成しているため、テンプルの水平寸法Ｗが大きくなってしまう。
【００５８】
本発明は前記課題を解決するもので、レーザ走査方式のディスプレイで、ビームの波面形状を適切に変化させることで、ビームスポットサイズを制御して、より高解像度で高画質な表示を実現することを目的とする。
【００５９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、高精細の高速で動く画像に対応することができるだけでなく、観察者に正確な画像を認識させるための処理も簡単な画像表示装置を提供することを目的とする。
【００６０】
本発明は前記課題を解決するもので、ユーザの網膜上のビームのスポットサイズを測定しながら、ビームの曲率半径を変化させることで、映像のボケを防ぎながら、眼精疲労防止を図ることを目的とする。
【００６１】
本発明は前記課題を解決するもので、ＭＥＭＳミラーのサイズを抑えて高速駆動を有利にするとともに、テンプルの水平寸法を薄くして装着感の良好なめがね型画像表示装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００６２】
この発明に係るビーム走査型表示装置は、ビームを出力する光源と、前記光源から出力されたビームを走査する走査部と、前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向部と、ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記光源からのビームの波面形状を変更して前記走査部に出力する波面形状変更部とを備える。
【００６３】
本構成のようにビームの波面形状を変更することで、ビームのスポットサイズを所定の範囲内とできる。その結果、画面内の各画素サイズのばらつきを減らして、より高画質な表示や、より高解像度な表示を実現できる効果がある。また、波面形状のより大きな変化に対応できるようになる結果、大画面表示を実現できる効果や、走査部等を側頭部に配置するメガネ形のＨＭＤを実現できる効果もある。
【００６４】
また、ビーム走査型表示装置は、前記走査部で走査されたビームの一部を検出する光検出部を備え、前記波面形状変更部は、前記光検出部の検出結果に基づいてビームの波面形状を変更するようにしてもよい。
【００６５】
一実施形態として、前記光検出部は、ユーザの眼に入射したビームの角膜上での反射光を検出するものである。ビーム走査型表示装置は、前記光検出部によって検出された反射光の強度からユーザの視線方向を検出する視線検出部と、前記視線検出部で検出した視線方向を用いて、ユーザの視野領域におけるビームの位置を判定する視野位置判定部とを備える。そして、前記波面形状変更部は、前記視野位置判定部で判定したビームの位置に応じて変動する前記許容範囲に基づいて、ビームの波面形状を変更する。
【００６６】
本構成によって、視線が移動した場合でも画質劣化を減少できる効果がある。
【００６７】
また、前記許容範囲の上限は、ビームがユーザの視野中心に近づくほど大きくなり、視野中心から遠ざかるほど小さくなるようにしてもよい。本構成によって、中心視野での画質を劣化させることなく、波面形状変更部の動作速度を低下させられる効果がある。同様に、波面形状変更部の動作速度が遅い場合でも、高画質なＨＭＤとできる効果がある。
【００６８】
また、前記許容範囲の上限は、ユーザの視野領域での位置に対応する視力分解能に応じた値、及び視野中心での目標表示解像度に応じた値のうちのいずれか大きい方の値であってもよい。本構成によって、周辺視野でのスポットサイズを中心視野よりも大きくした場合でも、ユーザの眼に画質劣化として識別されない効果がある。
【００６９】
他の実施形態として、前記光検出部の検出結果に基づいて、ユーザの眼に入射されるビームの網膜上でのスポットサイズを判定するスポットサイズ判定部と、ビームの曲率半径の目標値を保持し、前記スポットサイズ判定部によって判定されたスポットサイズが予め定めた閾値を超えない範囲で、ビームの曲率半径が前記目標値に段階的に近づくように、ビームの曲率半径を所定値ずつ変更するビーム曲率制御部とを備えてもよい。
【００７０】
また、ビームの曲率半径の前記目標値は、前記スポットサイズ判定部によって判定されたスポットサイズが予め定めた閾値を超えない範囲で、最大の値に設定される。
【００７１】
本構成によって、ユーザに表示される映像がボケることを防止しながら、眼の毛様体の緊張を防ぎ、眼精疲労を低減することができる。
【００７２】
また、前記ビーム曲率制御部は、前記スポットサイズ判定部の判定結果が前記閾値を超えたことに応じて、前記目標値を引き下げる。
【００７３】
本構成によって、近視などの影響のために遠くにピントを合わせることが出来ないユーザに対応することが可能になる。
【００７４】
また、前記ビーム曲率制御部は、一定時間内における前記スポットサイズの変動幅が一定値以下の場合にのみビームの曲率半径を変更するようにしてもよい。
【００７５】
本構成によって、ビームの曲率半径の変更に水晶体の調節が追随するまでの時間を考慮して、スポットサイズの決定を行うことが可能になる。
【００７６】
また、ビーム走査型表示装置は、ユーザの身体動作変化を検出する動き検出部をさらに備える。そして、前記ビーム曲率制御部は、前記動き検出の出力からユーザの身体動作変化の幅が一定値以上の場合には、前記曲率半径の変更を行わないようにしてもよい。
【００７７】
本構成によって、ユーザが動いているときなど表示映像ではなく外界を見ている可能性が高い場合などには処理を中断し、不要な処理を削減することが可能になる。
【００７８】
また、前記ビーム曲率制御部は、ビームの曲率半径を増加させる期間と、前記曲率半径を減少させる期間とを交互に繰り返してもよい。本構成によって表示映像がボケることを防止しながら、毛様体の弛緩と緊張を一定周期ごとに繰り返すことが出来るようになる。その結果、毛様体の疲労を軽減し、眼精疲労を緩和することが可能になる。
【００７９】
さらに他の実施形態として、前記偏向部は、基板と、前記基板の少なくとも一部に形成されたホログラムミラーとを含む。そして、前記ホログラムミラーは、前記走査部からの走査光をユーザの眼に向かわせる偏向領域と、前記走査部が出力したビームの一部を反射して前記光検出部に導く反射体とを含んでもよい。
【００８０】
このような構成とすることにより、小型で軽量な画像処理の光学系を簡単に構成することができるので、高速かつ高精度の光学調整を実現することができる。また、観察者に正確な画像を認識させるための処理も簡単に行うことができる。
【００８１】
また、前記反射体は、前記偏向領域内に形成されており、前記偏向領域と前記反射体とは、多重化されていてもよい。このような構成とすることにより、さらに小型で軽量な画像処理の光学系を簡単に構成することができるので、高速かつ高精度の光学調整を実現することができる。また、観察者に正確な画像を認識させるための処理も簡単に行うことができる。
【００８２】
また、前記反射体は、前記偏向領域の周囲の少なくとも一部に形成されていてもよい。このような構成とすることにより、光偏向部をさらに薄くすることができ、小型、軽量かつ薄型のＨＭＤを実現することができる。また、表示される映像に影響を与えることなくホログラムミラーの周囲に走査光の一部を走査することにより光学調整を行うことができる。
【００８３】
また、前記反射体は、網膜上のスポットサイズが最適値となるときに最も強い反射光を出力するようなものであってもよい。このような構成とすることにより、光学調整を行うときのサーボ範囲をさらに拡大する、あるいはオフセットをさらに減少することができる。
【００８４】
また、前記光源は、赤色レーザ光源と、青色レーザ光源と、中心波長が７５０ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下の赤外光を出力する赤外レーザ光源及び赤外光の一部を緑色に変換するＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子を組み合わせた緑色レーザ光源とを含む。そして、前記反射体は、前記赤外光を反射するものであってもよい。
【００８５】
このような構成とすることにより、サーボ用の光源を別途使用しなくてもよいので装置を小型化、軽量化および低消費電力化することができる。また、サーボ用光源と光検出部とを近くに配置することができるので、さらに光学調整を安定に行うことができる。
【００８６】
また、前記偏向部は、前記基板の前記ホログラムミラーが取り付けられた面とは反対側の面に、赤外光を遮蔽する遮蔽膜を備えてもよい。このような構成とすることにより、外側の面の外部からの赤外光が偏向面に入射することを防止できるので、赤外光によるＳ／Ｎ比がさらに改善された高精度の光検出を行うことができる。
【００８７】
また、前記光検出部は、前記反射光の波面形状のうち光軸に垂直で、かつ互いに直交する２方向のビームの曲率半径を個別に検出するようにしてもよい。
【００８８】
また、前記光検出部は、前記走査部から出力され、前記偏向部、ユーザの眼の角膜、ユーザの眼の網膜、及びユーザの瞳の虹彩のいずれかで反射された反射光を検出するものであってもよい。このような構成とすることにより、偏向部の光学構成をさらに簡易にすることができる。
【００８９】
また、前記波面形状変更部は、ビームの水平成分の波面形状を変更する水平成分変更部と、垂直成分の波面形状を変更する垂直成分変更部とを有するものであってもよい。
【００９０】
本構成によって、波面形状の水平成分と垂直成分が異なる変化をする場合でもスポットサイズを制御できる効果がある。特に、ビームの水平方向の光路変化の大きさと、垂直方向の光路変化の大きさとが、異なる光学配置の場合に有効であるので、光学系を平面上に配置するなどした薄型のＨＭＤとできる効果がある。
【００９１】
また、前記水平成分変更部は、前記垂直成分変更部よりも、ビームの波面形状を大きく変更させてもよい。
【００９２】
本構成によって、波面形状の水平走査時の変化が垂直走査時の変化よりも大きい場合に対応できる効果がある。特に、走査部を側頭部に配置し、偏向部を眼前正面に配置した場合など、ビームの水平方向の光路変化が垂直方向よりも大きい配置のＨＭＤを実現できる効果がある。また、垂直走査を走査部の高速軸、水平走査を低速軸とすると、高速軸での変化を小さくできるので、波面形状変更部の動作速度が遅い場合でも、高画質なＨＭＤとできる効果がある。
【００９３】
また、前記波面形状変更部は、前記水平成分変更部と前記垂直成分変更部とを光路に直列に配置し、ビームの波面形状を順次変更してもよい。
【００９４】
本構成によって、水平成分と垂直成分を同時に変更する手段を用いる代わりに、水平成分のみ変更できる手段と垂直成分のみを変更できる手段とで実現できるので、より簡易に実現でき、ＨＭＤをより低コストで実現できる効果がある。
【００９５】
また、前記波面形状変更部は、前記走査部での水平方向走査時に垂直方向走査時よりもビームの波面形状を大きく変更させてもよい。
【００９６】
本構成によって、波面形状の水平走査時の変化が垂直走査時の変化よりも大きい場合に対応できる効果がある。特に、走査部を側頭部に配置し、偏向部を眼前正面に配置した場合など、ビームの水平方向の光路変化が垂直方向よりも大きい配置のＨＭＤを実現できる効果がある。また、垂直走査を走査部の高速軸、水平走査を低速軸とすると、高速軸での変化を小さくできるので、波面形状変更部の動作速度が遅い場合でも、高画質なＨＭＤとできる効果がある。
【００９７】
さらに他の実施形態として、該ビーム走査型表示装置は、めがね型の画像表示装置である。具体的には、前記偏向部を有する一対のレンズと、前記一対のレンズそれぞれの外縁部から後方に延びると共に、少なくとも前記走査部を保持する一対のテンプルと、前記光源からのビームを前記走査部に導くものであって、前記走査部へのビームの入射角が、前記光源から前記走査部に直接入射する場合より小さくなる位置に配置される折り返しミラーとを備える。そして、前記折り返しミラーは、前記テンプル内の前記走査部と鉛直方向に離隔した位置に配置され、前記光源からのビームを反射する第１のミラーと、前記第１のミラーより前記レンズに近い位置に配置され、前記第１のミラーからの反射光を前記走査部に導く第２のミラーとを含む構成であってもよい。
【００９８】
本構成によって、テンプルの水平寸法を増大させることなく、走査部であるＭＥＭＳミラーへの入射角を抑えて高速駆動可能となり、高解像度で装着感の良いめがね型画像表示装置が構成できる。
【００９９】
また、前記偏向部は、ホログラムミラーであり、前記走査部からの走査光をユーザの眼に向かう方向に偏向する画像反射領域と、前記第２のミラーとして機能する折り返し反射領域とを備えるものであってもよい。本構成によって、テンプルの内側への凸部をなくして水平寸法を最小限に抑え、より装着感の良いめがね型画像表示装置が構成できる。
【０１００】
また、前記折り返し反射領域は、前記偏向領域で生じる収差の少なくとも一部を補正するための収差を有するようにしてもよい。
【０１０１】
また、前記波面形状変更部は、前記光源から出力されたビームを集光させるレンズと、前記レンズで集光されたビームを前記レンズに向かって反射するミラーと、前記レンズと前記ミラーとの間の距離を制御する位置制御部とを備えるものであってもよい。
【０１０２】
この発明に係るビーム走査型表示方法は、ビームを出力するビーム出力ステップと、前記ビーム出力ステップで出力されたビームを走査する走査ステップと、前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向ステップと、ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記ビーム出力ステップからのビームの波面形状を変更して前記走査ステップに出力する波面形状変更ステップとを備える。
【０１０３】
この発明に係るプログラムは、ビームを出力するビーム出力ステップと、前記ビーム出力ステップで出力されたビームを走査する走査ステップと、前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向ステップと、ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記ビーム出力ステップからのビームの波面形状を変更して前記走査ステップに出力する波面形状変更ステップとをコンピュータに実行させる。
【０１０４】
この発明に係る集積回路は、ビームを出力する光源と、前記光源から出力されたビームを走査する走査部と、前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向部と、ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記光源からのビームの波面形状を変更して前記走査部に出力する波面形状変更ステップとを備える。
【０１０５】
なお、本発明は、このようなビーム走査型表示装置として実現できるだけでなく、ビーム走査型表示装置の機能を実現する集積回路として実現したり、そのような機能をコンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体及びインターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。また、本発明は、このような画像符号化方法及び画像符号化装置により生成されたデータストリームとして実現したり、このような画像符号化装置の機能を実現する集積回路として実現したりもできる。
【発明の効果】
【０１０６】
本発明のビーム走査型表示装置は、波面形状変更部が偏向部で偏向されたビームのスポットサイズを所定の範囲内となるよう波面形状を変更することで、ビームのスポットサイズを所定の範囲内とできる。その結果、画面内の各画素サイズのばらつきを減らして、より高画質な表示や、より高解像度な表示を実現できる効果がある。また、波面形状のより大きな変化に対応できるようになる結果、大画面表示を実現できる効果や、光源を側頭部に配置するメガネ形のＨＭＤを実現できる効果もある。
【０１０７】
また、ビーム走査型のＨＭＤで、ユーザの網膜上のビームのスポットサイズを測定しながら、ビームの曲率半径を変化させることで、映像のボケを防ぎながら、眼精疲労防止を図ることが可能になる。
【０１０８】
また、本発明は、高速で、かつ高精度の光学調整をすることができるので、高速で高精細の動画像を表示する画像表示装置を実現することができる。また、網膜よりも反射率の大きい反射体からの反射光を利用しているので、光学調整が精度よく確実にすることができ、外乱やビームの一部が遮蔽されるなどの影響に対して光学特性などを安定化することができる。その結果、観察者に正確で鮮明な画像を認識させることができる。
【０１０９】
また、ＭＥＭＳミラーサイズの増大を招くことなく、かつテンプルの水平方向厚さを最小限に抑える構成とすることで、高解像度で装着感が良く、日常の活動の中で常時使用可能なめがね型画像表示装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１１０】
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。
【０１１１】
（実施の形態１）
図１Ａ〜図９Ｂを参照して、本発明の実施の形態１に係るビーム走査型表示装置を説明する。なお、図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施の形態１におけるメガネ形のＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）の構成図（平面図と側面図）である。図２は、図１Ａの一部の詳細図である。図３〜図５はシリンドリカルレンズの形状及び機能を説明するための図である。図６及び図７は波面形状変更部の機能を説明するための図である。図８は走査部の構成を示す図である。図９Ａ及び図９ＢはＨＭＤの制御ブロック図である。
【０１１２】
図１Ａ、図１Ｂ、及び図２を参照して、ビーム走査型表示装置は、メガネのフレーム部分に光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、制御部１０５、及びヘッドホン部１０６が配置されており、レンズ部分に偏向部１０４が配置されている。なお、図１Ａ及び図１Ｂではメガネの左側部分にのみ参照番号を付しているが、メガネの右側についても同様である。
【０１１３】
光源１０１は、ビームを出力する。出力されるビームは、図２に示すように、赤色レーザ光源２１１と、青色レーザ光源２１２と、緑色レーザ光源２１３とから出力される各レーザ光を合波したレーザ光である。そして、各色レーザ光源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できる。さらに、後述する波面形状変更部１０２や走査部１０３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できる。
【０１１４】
なお、図２では、緑色レーザ光源２１３は、赤外線の半導体レーザ光源と、赤外線を緑色に変換するＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：第２次高調波発生）素子とを組み合わせて緑色のビームを出力しているが、これに代えて、緑色の半導体レーザ光源を用いてもよい。また、各光源は、固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ、発光ダイオードのいずれであってもよい。
【０１１５】
なお、図２では各レーザ光源でレーザ光の変調を行っているが、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。
【０１１６】
なお、光源１０１は、図２の光検出部２１４を含んでもよい。実施の形態１における光検出部２１４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できる。角膜からの反射光の強度は、角膜表面への入射角に依存して変化する。具体的には、角膜表面に対して垂直に入射するビームの反射率は相対的に高く、角膜表面に対して斜めに入射するビームの反射率は相対的に低い。そこで、光検出部２１４は、反射光の強度を検出することによってユーザの視線方向を検出することができる。
【０１１７】
波面形状変更部１０２は、光源１０１からのビームの波面形状を変化させて、後述の偏向部１０４で偏向されたビームのスポットサイズを所定の範囲内となるようにする。
【０１１８】
ビームの「スポットサイズ」とは、ユーザの眼の網膜でのスポットサイズとして以後説明するが、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１０４でのスポットサイズでもよい。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。また、「波面形状」とはビーム波面の３次元形状であり、平面、球面、非球面の形状を含む。
【０１１９】
図２に示されるように、波面形状変更部１０２は、焦点距離水平成分変更部（水平成分変更部）２０１と、焦点距離垂直成分変更部（垂直成分変更部）２０２とを光路に直列に配置することによって、波面形状の水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径とを独立して変更できる。
【０１２０】
焦点距離水平成分変更部２０１及び焦点距離垂直成分変更部２０２は、それぞれ、光源１０１から出力されたビームを集光させるシリンドリカルレンズ２０３と、シリンドリカルレンズ２０３で集光されたビームをシリンドリカルレンズ２０３に向かって反射するミラー２０４とを備える。
【０１２１】
そして、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との距離を変更することによって、ビームの曲率半径を変更している。なお、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との間の距離は、位置制御部として作動する制御部１０５によって制御される。
【０１２２】
ここで、図３〜図７を参照して、波面形状変更部１０２の仕組みを説明する。なお、図３はシリンドリカルレンズ２０３の斜視図、図４は図３のＩＶ−ＩＶにおける断面図、図５は図３のＶ−Ｖにおける断面図である。また、図６はシリンドリカルレンズ２０３とミラーとの距離がシリンドリカルレンズ２０３の焦点距離ｆに一致した状態を示す図、図７は図６の状態からミラー２０４をシリンドリカルレンズ２０３に距離ｄだけ近づけた状態を示す図である。
【０１２３】
まず、図３に示されるように、シリンドリカルレンズ２０３は、円柱をその底面に垂直な平面で切断したような形状であって、切断面に相当する平面部２０３ａと、円柱の側面に相当する曲面部２０３ｂと、円柱の底面及び上面に相当する一対の端面部２０３ｃ、２０３ｄとを備える。波面形状変更部１０２では、ビームが平面部２０３ａ側から入射するようにシリンドリカルレンズ２０３を配置する。
【０１２４】
次に、図４に示されるように、シリンドリカルレンズ２０３を通過するビームのうち、一対の端面部２０３ｃ、２０３ｄに平行（図３のＩＶ−ＩＶ平面）な成分は、曲面部２０３ｂの曲率に従って屈折する。一方、図５に示されるように、一対の端面部２０３ｃ、２０３ｄに垂直（図３のＶ−Ｖ平面）な成分は、そのまま通過する。
【０１２５】
そこで、焦点距離水平成分変更部２０１では、一対の端面部２０３ｃ、２０３ｄが上下方向を向くように（ＩＶ−ＩＶ平面が水平方向と平行になるように）配置する。一方、焦点距離垂直成分変更部２０２では、一対の端面部２０３ｃ、２０３ｄが左右方向を向くように（ＩＶ−ＩＶ平面が垂直方向と平行になるように）配置する。
【０１２６】
次に、図６に示されるように、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との距離がシリンドリカルレンズ２０３の焦点距離ｆと一致している場合において、シリンドリカルレンズ２０３に入射した平行光（曲率半径無限大）は、屈折してミラー２０４の表面で焦点を結ぶ。そして、ミラー２０４によって反射されたビームは、シリンドリカルレンズ２０３で再度屈折して平行光として出力される（コリメートされる）。
【０１２７】
一方、図７に示されるように、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との距離がシリンドリカルレンズ２０３の焦点距離ｆより近くなるようにミラー２０４を距離ｄだけ移動させた場合において、シリンドリカルレンズ２０３に入射した平行光（図７の実線）は、ミラー２０４の表面で焦点を結ばない。そして、ミラー２０４で反射した後、ミラー２０４から距離ｄだけ離れた位置（つまり、シリンドリカルレンズ２０３からｆ−２ｄだけ離れた位置）で焦点を結ぶ。このビームは、再度シリンドリカルレンズ２０３を通過しても平行光に戻らず、所定の曲率半径を持った拡散光（図７の破線）として出力される（コリメートされない）。
【０１２８】
つまり、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との距離が焦点距離ｆに近づくほど、波面形状変更部１０２から出力されるビームの曲率半径は大きくなる。一方、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との距離が焦点距離ｆから遠ざかるほど、波面形状変更部１０２から出力されるビームの曲率半径は小さくなる。
【０１２９】
上記のように、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との距離を適宜変更することによって、ビームの曲率半径を変更することができる。なお、焦点距離水平成分変更部２０１、焦点距離垂直成分変更部２０２ともに、曲率半径の変更に伴い、ビームの直径も変更している。
【０１３０】
なお、図３に示すシリンドリカルレンズ２０３は、ビームの入射する面を平面（平面部２０３ａ）としたが、これに限ることなく、凸状曲面又は凹状曲面であってもよい。
【０１３１】
また、水平方向の曲率を垂直方向よりも大きく変化させると、水平方向の変化により大きく対応できるので、画面の水平視野角を垂直視野角より大きくしたい場合や、側頭部に走査部（後述）があるＨＭＤのように、走査部から偏向部（後述）へのビームの水平入射角が垂直入射角よりも大きい場合に特に有効となる。
【０１３２】
また、図２では、波面形状を表す項目のなかで、水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径とそれぞれのビームの直径という波面形状の一部のみを変更しているが、他の項目として波面内での曲率の分布や、波面端の形状やサイズなどを変更する手段があってもよい。
【０１３３】
さらに、図２の波面形状変更部１０２では、シリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４とを用いて波面形状を変更するが、他の手段として、液晶レンズや、液体レンズ等の可変形状レンズや、回折素子や、ＥＯ素子（電気−光変換素子）などを用いてもよい。
【０１３４】
走査部１０３は、波面形状変更部１０２から出力されるビームを２次元走査する。走査部１０３は、角度を２次元的に変更できる単板小型ミラーで、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーである。
【０１３５】
図８に示されるように、走査部１０３は、ｘ軸を中心に回動可能なミラー部１０３ａと、ｘ軸に直交するｙ軸を中心に回動可能な枠体１０３ｂとを組み合わせて構成されている。具体的には、ミラー部１０３ａは、ｘ軸方向に延びる軸部１０３ｃによって枠体１０３ｂの内側に回動可能に取り付けられている。また、枠体１０３ｂは、ｙ軸方向に延びる軸部１０３ｄによって支持部材（図示省略）の内側に回動可能に取り付けられている。
【０１３６】
上記構成とすれば、ミラー部１０３ａは、軸部１０３ｃを中心として枠体１０３ｂに対して回動可能となる。同様に、枠体１０３ｂは、軸部１０３ｄを中心として支持部材に対して回動可能となる。なお、枠体１０３ｂがｙ軸周りに回動するときは、ミラー部１０３ａも一体となって回動する。その結果、走査部１０３は、ビームを２次元走査することができる。
【０１３７】
なお、走査部１０３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。また、走査部は、ミラーを物理的に傾ける方法に限定されず、レンズを移動したり、回折素子を回転する方法や、液晶レンズや可変形状レンズや、ＡＯ素子（音響光学素子）や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。
【０１３８】
偏向部１０４は、走査部１０３で走査されたビームの向きをユーザの眼に向かう方向へ偏向する。偏向部１０４は、メガネのレンズの内側（眼の側）に、例えば、リップマン体積ホログラムが形成されたフォトポリマー層が形成されており、走査部１０３からのビームがユーザの眼の瞳孔に回折・集光されるように製作されている。
【０１３９】
フォトポリマー層には赤色、緑色、青色、それぞれの光源からの光を反射する３つのホログラムを多重に形成してもよいし、それぞれの色の光に対応した３層のホログラムを積層してもよい。また、ホログラムの波長選択性を用いて、光源波長の光のみを回折させ、外界からの光のほとんどを占める光源波長以外の波長の光を回折させないように製作することで、透過型のディスプレイとできる。
【０１４０】
なお、偏向部１０４は、ホログラムなどの回折素子による偏向に限定されず、凹面鏡などのミラーや、凸レンズなどのレンズでもよい。また偏向部１０４は、反射型スクリーンや透過型スクリーンのように、スクリーンにビームが当たって発散する結果、スクリーンからの発散光の一部がユーザの眼の方向へ偏向される方式も含む。
【０１４１】
制御部１０５は、ＨＭＤ各部を制御する集積回路を備える。制御部１０５は、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、中央処理部５０１、記憶部５０２、及び入出力制御部５０３を備えてもよい。
【０１４２】
中央処理部５０１は、視線検出部５３１、及び視野位置判定部５３２等として作動する。記憶部５０２は、制御部１０５で用いるデータを記憶する。実施の形態１においては、図１１Ｂに示す視野位置とビームスポットサイズとの関係を示すテーブルと、図１２に示す網膜上のビームスポットサイズ、波面形状変更部１０２から出力されるビームの波面形状、及び視野位置の関係を示すテーブルと、その他の各種情報とを記憶する。
【０１４３】
入出力制御部５０３は、制御部１０５の制御対象となる光源１０１、波面形状変更部１０２、及び走査部１０３などへの制御信号出力や制御対象からの信号入力を制御する。具体的には、入出力制御部５０３は、制御対象種別毎に光源入出力制御部５１０、波面形状変更入出力制御部５１１、走査入出力制御部５１２、偏向入出力制御部５１３、ヘッドホン入出力制御部５１４、電源入出力制御部５１５、及び通信入出力制御部５１６などを備えてもよい。入出力制御部５０３で入出力に関連した処理を実行することで、中央処理部５０１の負荷を下げられる効果がある。
【０１４４】
中央処理部５０１は、記憶部５０２や入出力制御部５０３と信号を受け渡しして情報処理を実行する。具体的な制御の方法は、後述する動作説明で述べる。
【０１４５】
なお、制御部１０５は、携帯電話等の周辺機器と無線接続して映像や音声信号を受信する通信部５２０を備えてもよい。制御部１０５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、もしくは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。これにより、ＨＭＤと周辺機器の接続がワイヤレスとなり、ＨＭＤの装着性を向上させられる効果がある。
【０１４６】
ヘッドホン部１０６は、スピーカーを備え、音声を出力する。なお、ヘッドホン部には、ＨＭＤ各部へ電源供給するバッテリーを備えてもよい。
【０１４７】
なお、図１Ａにおける各手段や各部は、１台のＨＭＤに内蔵されていてもよいし、内蔵されていなくてもよい。例えば、図１Ａ各部の全てが、１台のＨＭＤに含まれていてもよいし、ヘッドホン部１０６がなくてもよい。また、各部を分散配置してもよい。例えば、制御部１０５が走査部１０３や波面形状変更部１０２に一部含まれていてもよい。また、図１Ａにおける各部は、複数存在してもよい。例えば、左目用と右目用に走査部１０３が２つあってもよい。赤色、緑色、青色のそれぞれに波面形状変更部１０２が計３つあってもよい。複数の機器で図１Ａの各部を共有してもよい。例えば、レーザ光源２１１、２１２、２１３を２つのＨＭＤで共有してもよい。
【０１４８】
上記構成のビーム走査型表示装置は、ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、光源１０１からのビームの波面形状を変更する。具体的には、光検出部２１４によって検出される視野位置、予め保持しているスポットサイズの許容範囲（図１１Ｂ）、及び予め保持している視野位置と波面形状とスポットサイズとの関係（図１２）を用いて、次回出力するビームの波面形状を決定する。
【０１４９】
次に、上記構成のビーム走査型表示装置の動作を詳細に説明する。
【０１５０】
図１Ａ及び図１Ｂのビーム走査型表示装置が、ビームの波面形状を変更することで、ビームのスポットサイズを制御する動作を図１０に示す。本説明では、表示する映像を構成する１つの画素を、ユーザの眼の網膜に正しい大きさで描いていく流れを説明する。
【０１５１】
（Ｓ０１）光検出部２１４が、ユーザの眼からの反射光の強度を検出し、Ｓ０２の動作へ移る。眼の正面からビームが入射した場合に、より大きな強度の反射光を検出できる。
【０１５２】
なお、眼からの反射光の強度は、光源で変調された出射光の強度と、光検出部２１４で検出した反射光の強度との比で表してもよい。また、赤外線など眼に感じない光を一定強度で走査しつつ、その反射光を検出してもよい。
【０１５３】
（Ｓ０２）制御部１０５が、Ｓ０１で検出した反射光強度を用いて、前回出力したビームが表示した画素の、視野領域での位置（以後、「視野位置」と記す）を判定する。具体的には、視線検出部５３１が、Ｓ０１で検出した反射光強度からユーザの視線方向を検出する。次に、視野位置判定部５３２が、検出された視線方向を用いて、ユーザの視野領域におけるビームの位置を判定する。また、次回出力ビームの視野位置も同時に判定し、Ｓ０３の動作へ移る。
【０１５４】
視野領域の中心位置は、視線の位置を意味し、以後、「視野中心」と記す。また、「中心視野」は視野中心付近の視野領域を意味し、視野の周辺領域を意味する「周辺視野」と相対的に用いる。
【０１５５】
眼の正面からの強い反射光が検出されたら、前回出力ビームが視野中心の位置の画素を表示したと判定できる。また、視野中心以外の位置も、走査部１０３での走査角や走査パターンの視野中心との差分を用いて判定する。視野位置を、反射光の強度や強度変化から求めてもよいし、視野中心検出時からの経過時間を用いて求めてもよい。
【０１５６】
次回出力ビームの視野位置は、前回出力ビームの視野位置と同様と近似してもよいし、走査部１０３からの走査角や走査パターンなどのデータを用いて位置を算出してもよいし、視野中心検出時からの経過時間を用いて求めてもよい。
【０１５７】
ビームの視野位置は、水平角度と、垂直角度の２値で表現できる。それぞれ視野中心を０度とし、水平角度は視野の左側が負の角度で右側が正の角度、垂直角度は視野の下側が負の角度で上側が正の角度として表せる。例えば、視野中心は、水平角度が０度で垂直角度が０度と表せ、右上の周辺視野のある点は、水平角度が＋４０度で垂直角度が＋３０度等と表せる。
【０１５８】
なお、Ｓ０１で反射光を検出できなかった場合は、視野位置を所定の値として設定してもよい。例えば、最初にまだビームを出力していないために反射光を検出できない場合は、初期値として視野位置を視野中心等と設定してもよい。
【０１５９】
なお、光検出部２１４を持たないＨＭＤの場合は、視線は頭部正面を向いていると仮定して視野位置を判定してもよい。
【０１６０】
（Ｓ０３）制御部１０５が、Ｓ０２で判定した次回出力ビームの視野位置に応じたビームスポットサイズの許容範囲を判定し、Ｓ０４の動作へ移る。
【０１６１】
図１１Ａに示されるように、眼の視力分解能は、視野中心に近づくほど高く、視野中心から遠ざかるほど低くなる。一方、目標解像度に対応するスポットサイズは、視野位置に拘らず一定である。その結果、中心視野と周辺視野とでは、視力分解能に対応するスポットサイズと、目標解像度に対応するスポットサイズとが逆転している。
【０１６２】
つまり、中心視野においては、スポットサイズの許容範囲は、目標となる表示解像度から求められる。しかし周辺視野においては、中心視野と比べて視力の分解能が低下しているので、中心視野よりもスポットサイズが多少大きくても、ユーザの眼は識別できないので構わない（図１１Ａ）。
【０１６３】
従って、次回出力するビームが表示する画素が、中心視野なのか周辺視野なのかによって（つまり、視野位置に応じて）、スポットサイズの許容範囲は変動する。許容範囲は、図１１Ｂの太線および斜線部に示すように、下限と上限が決まる。許容範囲の下限は、中心視野での目標表示解像度に対応したサイズとなる。一方、許容範囲の上限は、視野領域での位置に対応する視力分解能に応じたサイズ（周辺視野の場合）と、中心視野での目標表示解像度に応じたサイズ（中心視野の場合）との大きい方となる。つまり、図１１Ｂに示されるように、ビームがユーザの視野中心に近づくほど許容範囲の上限値が小さくなり、視野中心から遠ざかるほど許容範囲の上限値が大きくなる。
【０１６４】
なお、図１１Ｂの太線の太さ（線の幅）で示したように、範囲の上限と下限のそれぞれに対して、所定の範囲のずれを許容することで、許容範囲を広げてもよい。
【０１６５】
図１１Ｂの点Ｂ１のように、サイズが小さすぎる場合は大きくする必要が生じ、点Ｂ２や点Ｂ３のように、サイズが大きすぎる場合は小さくする必要が生じる。点Ｂ３と点Ｂ４は同じサイズであるが、視野位置が異なるため、点Ｂ４に関してはサイズを変更する必要はない。
【０１６６】
視野位置は視線移動（眼球回転）に伴って変化するため、たとえ走査部１０３の走査角が同じであってもスポットサイズの許容範囲は変化する。図１１Ａでは走査範囲の中心と視野中心が一致しているが、図１１Ｃでは、走査範囲の中心は、やや周辺視野に寄っているため、スポットサイズの許容範囲も変化する。
【０１６７】
図１１Ａ〜図１１Ｃの各図の横軸の視野範囲は、表示の水平方向と垂直方向の両方向に適用できる。視野の中央に比べて左右の周辺領域は許容範囲が広がるように、上下の周辺領域でも許容範囲が広がる。
【０１６８】
なお、周辺視野では、中心視野と比べてビームスポットサイズの許容範囲が広がる結果、波面形状変更部１０２の動作速度を遅くできる場合がある。その結果、スポットサイズ変更速度が走査速度に追いつかない課題を緩和できる。
【０１６９】
例えば、走査部１０３での垂直方向走査の速度が、垂直方向走査に伴うスポットサイズ制御より速い結果、サイズにばらつきが生じてしまう課題がある。このような場合でも、周辺視野ではスポットサイズの許容範囲が広いので、スポットサイズの変更速度が遅いままでも（あるいは変更しない場合でも）、許容範囲内に収めることができる場合がある。
【０１７０】
ただし、視線が上下に移動した際には許容範囲が変化するため、視線移動に追従できる速度でサイズを変更する必要がある。それでも、垂直方向走査が視線移動よりも速い場合は有効である。
【０１７１】
（Ｓ０４）制御部１０５が、ビームスポットサイズ予測し、Ｓ０５の動作へ移る。スポットサイズの予測は、Ｓ０２で求めた視野位置と、波面形状変更部１０２からの波面形状とを、図１２に示す「スポットサイズ−波面形状−視野位置  対応表」に照らし合わせて算出する。
【０１７２】
例えば、図１２の１行目を用いると、視野中心（水平角度：０度、垂直角度：０度）における波面形状は、水平焦点距離が３６ｍｍで、垂直焦点距離が２９ｍｍで、水平直径が２．４ｍｍで、垂直直径が１．６ｍｍである。また、この視野位置における網膜上のビームスポットサイズは、水平サイズが０．０３５ｍｍで、垂直サイズが０．０２７ｍｍになると予測できる。
【０１７３】
なお、図１２に例示した対応表では、具体的な数値を記した行は３行しかないが、実際には必要な行数を記しておく。
【０１７４】
また、図１２の対応表で、数値が完全に一致する行がない場合は、数値的に近い行を用いてスポットサイズを予測してもよい。一方、一致する行が複数ある場合は、どちらか一方を用いてスポットサイズを予測してもよい。
【０１７５】
また、図１２のような対応表を用いる代わりに、スポットサイズを求める数式を準備しておき、その数式に波面形状や視野位置等の値を代入して、スポットサイズを予測してもよい。
【０１７６】
さらに、図１２の対応表は、視線が移動する（眼球が回転する）と、眼球と、偏向部１０４や走査部１０３等との位置関係が変化するために、値を変更する必要がある。その変更動作のタイミングは、対応表を参照する前にＳ０４で行ってもよいし、視線位置を検出したＳ０１やＳ０２で行ってもよい。変更方法は、視線の移動量に対応した複数の対応表を予め準備しておき、視線移動に応じて適切な対応表を選択する方法でもよいし、視線移動量を代入すると対応表が求められる数式を用いて算出する方法でもよい。
【０１７７】
なお、Ｓ０３の動作とＳ０４の動作の順番は入れ替わっても、同時でもよい。
【０１７８】
（Ｓ０５）制御部１０５が、Ｓ０４で求めたスポットサイズ予測値とＳ０３で求めた許容範囲とを比較する。スポットサイズ予測値が許容範囲外ならＳ０６の動作へ移り、許容範囲内ならＳ０７の動作へ移る。
【０１７９】
なお、スポットサイズの水平サイズと垂直サイズの片方が範囲内で片方が範囲外の場合など、一部が範囲外の場合は、範囲外であるとみなしてＳ０６の動作へ移る。
【０１８０】
（Ｓ０６）制御部１０５が、ビームスポットサイズがＳ０３で求めた許容範囲内に収まるように、図１２から適切な波面形状を判定し、Ｓ０７の動作へ移る。波面形状は、Ｓ０３で求めた許容範囲内のスポットサイズと、Ｓ０２で求めた視野位置とを図１２に示す対応表に照らし合わせて求める。
【０１８１】
例えば、視野位置の水平角度が−３０度で、垂直角度が０度であれば、Ｓ０３で求められるスポットサイズの許容範囲の下限値は、水平サイズが０．０３５ｍｍ、垂直サイズが０．０２７ｍｍとなる。一方、Ｓ０４で求められる上記の視野位置におけるスポットサイズ予測値の水平サイズが０．０１８ｍｍで、垂直サイズが０．０１９ｍｍであると仮定する。この場合、スポットサイズ予測値が許容範囲の下限値より小さいので、スポットサイズを下限値以上に引き上げる必要がある。
【０１８２】
そこで、図１２の３行目を用いて、水平焦点距離が２７ｍｍで、垂直焦点距離が２２ｍｍで、水平直径が２．４ｍｍで、垂直直径が１．６ｍｍの波面形状に変更することで、スポットサイズを許容範囲の下限の値まで、大きくすることができると判明する。
【０１８３】
なお、図１２の対応表で、数値が完全に一致する行がない場合は、数値的に近い行を用いて波面形状を求めてもよい。また一致する行が複数ある場合は、どちらか一方を用いて波面形状を求めてもよい。また、図１２のような対応表を用いる代わりに、波面形状を求める数式を準備しておき、その数式にスポットサイズや視野位置等を代入して、波面形状を算出してもよい。
【０１８４】
（Ｓ０７）波面形状変更部１０２が、Ｓ０６で求めた波面形状にビームの波面形状を変更し、Ｓ０８の動作へ移る。例えば、波面形状の水平焦点距離を変更したい場合は、焦点距離水平成分変更部２０１のシリンドリカルレンズ２０３とミラー２０４との間の距離を変更することで水平焦点距離を変更する。同様に、垂直焦点距離を変更したい場合は、焦点距離垂直成分変更部２０２で変更する。
【０１８５】
Ｓ０５で範囲内と判定されてＳ０７の動作に移ってきた場合は、前回ビームの波面形状の変更と同じ変更を行う。なお、同じ変更でなくても、スポットサイズが許容範囲内に収まる変更なら、異なる変更としてもよい。
【０１８６】
（Ｓ０８）光源１０１が、ビームを出力制御し、Ｓ０９の動作へ移る。赤色レーザ光源２１１と青色レーザ光源２１２と緑色レーザ光源２１３とから出力されるビームの強度をそれぞれ適切に変調することで、Ｓ０２で求めた次回出力ビームの視野位置に対応する画素の色相や彩度や明度を表現する。また、出力制御は、走査部１０３や偏向部１０４など、光源から眼までの光学系の影響を考慮した補正制御をしてもよい。
【０１８７】
（Ｓ０９）走査部１０３が、ＭＥＭＳミラーの傾きを変化させることで、Ｓ０８で出力されたビームの走査角を変更し、Ｓ１０の動作へ移る。
【０１８８】
なお、Ｓ０７の波面形状変更と、Ｓ０８のビーム出力と、Ｓ０９の走査は、同時に実行してもよいし、実行順が入れ替わってもよい。
【０１８９】
（Ｓ１０）偏向部１０４が、Ｓ０９で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向し、Ｓ０１の動作へ移る。偏向部１０４のホログラムミラーの回折効果により反射されたビームがユーザの眼の瞳孔に集まり、瞳孔を通過したビームが網膜に到達してユーザに映像として知覚される。
【０１９０】
なお、Ｓ０７、Ｓ０８、Ｓ０９、Ｓ１０の一連の動作によって画素が網膜に描かれるが、Ｓ０１の視線検出を実行する頻度は、１画素描画毎でなくてよい。よってＳ１０の動作後はＳ０２に移ってもよい。
【０１９１】
以上の動作により、ビームの波面形状を変化させることで、表示する映像を構成する１つの画素をユーザの眼の網膜に正しい大きさで描いていく動作を実現できる。
【０１９２】
本発明のビーム走査型表示装置によれば、波面形状変更部１０２が偏向部１０４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波面形状を変更することで、画面内の各画素サイズのばらつきを減らして、より高画質な表示や、より高解像度な表示を実現できる効果がある。また、画素による波面形状の変化を減少できる結果、大画面表示を実現できる効果や、光源１０１を側頭部に配置するメガネ形のＨＭＤを実現できる効果もある。
【０１９３】
なお、Ｓ０１からＳ１０までの動作は、確率を伴う処理動作としてもよい。例えば、スポットサイズの予測値が２０％でサイズＡ、８０％でサイズＢ、などと求めてもよいし、４５％の確率で許容範囲内であると判定してもよい。
【０１９４】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係るビーム走査型表示装置を説明する。なお、装置の構成は実施の形態１と共通するので、図１Ａ〜図９Ａを用いて説明すると共に、共通部分の詳しい説明は省略する。
【０１９５】
光源１０１は、ビームを出力する。出力するビームは、図２に示すように、赤色レーザ光源２１１と、青色レーザ光源２１２と、緑色レーザ光源２１３とから出力される各レーザ光を合波したレーザ光とし、各色レーザ光源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できる。さらに、波面形状変更部１０２や走査部１０３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できる。
【０１９６】
なお、図２では、緑色レーザ光源２１３は、赤外線の半導体レーザ光源と赤外線を緑色に変換するＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：第２次高調波発生）素子とを組み合わせて、緑色のビームを出力しているが、これに代えて、緑色の半導体レーザ光源を用いてもよい。また、各光源は、固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ、発光ダイオードでもよい。
【０１９７】
なお、図２では各レーザ光源でレーザ光の変調を行っているが、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。
【０１９８】
光源１０１は、図２の光検出部２１４を含む。第２の実施形態における光検出部２１４は、ユーザの眼の網膜からの反射光を検出することで、ユーザの網膜上のビームスポット径を検出する。
【０１９９】
なお光検出部２１４は、ＣＣＤカメラなどの撮像素子であってもよい。この場合、網膜からの反射光によって、網膜像を生成し、そこに写されているビームスポットの大きさからビームスポット径を検出してもよい。
【０２００】
波面形状変更部１０２は、光源１０１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１０４で偏向されたビームのスポットサイズを所定の範囲内となるようにする。
【０２０１】
なお、実施の形態２におけるビームの「スポットサイズ」とは、ユーザの眼の網膜でのスポットサイズとして扱う。また、「波面形状」とはビーム波面の３次元形状であり、平面、球面、非球面の形状を含む。
【０２０２】
図２では、波面形状変更部１０２は、焦点距離水平成分変更部２０１と、焦点距離垂直成分変更部２０２とを光路に直列に配置することによって、波面形状の水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径とを独立して変更できる。焦点距離水平成分変更部２０１は、シリンドリカルレンズとミラーとの距離を変更することで水平方向の曲率を変更している。焦点距離垂直成分変更部２０２は、焦点距離水平成分変更部２０１のシリンドリカルレンズに対して垂直に配置されたシリンドリカルレンズを用いることで、垂直方向の曲率を変更している。また、焦点距離水平成分変更部２０１、焦点距離垂直成分変更部２０２ともに、曲率半径の変更に伴い、ビームの直径も変更している。
【０２０３】
なお、水平方向の曲率を垂直方向よりも大きく変化させると、水平方向の変化により大きく対応できるので、画面の水平視野角を垂直視野角より大きくしたい場合や、側頭部に走査部（後述）があるＨＭＤのように、走査部から偏向部（後述）へのビームの水平入射角が垂直入射角よりも大きい場合に、特に有効となる。
【０２０４】
なお、図２では、波面形状を表す項目のなかで、水平方向の曲率半径と、垂直方向の曲率半径と、それぞれの直径という波面形状の一部のみを変更しているが、他の項目として波面内での曲率半径の分布や、波面端の形状やサイズなどを変更する手段があってもよい。
【０２０５】
なお、図２の波面形状変更部１０２では、シリンドリカルレンズとミラーを用いて波面形状を変更するが、他の手段として、液晶レンズや、液体レンズ等の可変形状レンズや、回折素子や、ＥＯ素子（電気−光変換素子）などを用いてもよい。
【０２０６】
走査部１０３は、それぞれ波面形状変更部１０２からのビームを２次元走査する。走査部１０３は角度を２次元的に変更できる単板小型ミラーで、ＭＥＭＳミラーである。
【０２０７】
なお、走査部１０３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。
【０２０８】
偏向部１０４は、走査部１０３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偏向する。偏向部１０４は、メガネのレンズの内側（眼の側）に、例えば、リップマン体積ホログラムが形成されたフォトポリマー層が形成されており、走査部１０３からのビームがユーザの眼の瞳孔に回折・集光されるように製作されている。フォトポリマー層には赤色、緑色、青色、それぞれの光源からの光を反射する３つのホログラムを多重に形成してもよいし、それぞれの色の光に対応した３層のホログラムを積層してもよい。また、ホログラムの波長選択性を用いることで、光源波長の光のみを回折させ、外界からの光のほとんどを占める光源波長以外の波長の光を回折させないように製作することで、透過型のディスプレイとできる。
【０２０９】
なお、偏向部１０４は、ホログラムなどの回折素子による偏向に限定されず、凹面鏡などのミラーや、凸レンズなどのレンズでもよい。また偏向部１０４は、反射型スクリーンや透過型スクリーンのように、スクリーンにビームが当たって発散する結果、スクリーンからの発散光の一部がユーザの眼の方向へ偏向される方式も含む。
【０２１０】
制御部１０５は、ＨＭＤ各部を制御する集積回路を備える。制御部１０５は、図９Ａに示すように、中央処理部５０１、記憶部５０２、入出力制御部５０３、及び通信部５２０を備えてもよい。
【０２１１】
実施の形態２における中央処理部５０１は、図１３に示されるように、スポットサイズ判定部１５０１、及びビーム曲率制御部１５０２としても作動する。また、実施の形態２における記憶部５０２は、例えば、図１５に示されるような網膜上のスポットサイズと、ビームの曲率半径と、眼の焦点距離との関係を保持するテーブル等を記憶する。その他は、実施の形態１と同様である。
【０２１２】
なお、制御部１０５は、ひとつで制御部１０５左右の眼に対応するレーザ光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、ヘッドホン部１０６の動作を制御してもよい。
【０２１３】
ヘッドホン部１０６は、スピーカーを備え、音声を出力する。なお、ヘッドホン部１０６には、ＨＭＤ各部へ電源供給するバッテリーを備えてもよい。
【０２１４】
なお、図１Ａにおける各手段や各部は、１台のＨＭＤに内蔵されていてもよいし、内蔵されていなくてもよい。例えば、図１Ａ各部の全てが、１台のＨＭＤに含まれていてもよいし、ヘッドホン部１０６がなくてもよい。また、各部を分散配置してもよい。例えば、制御部１０５が走査部１０３や波面形状変更部１０２に一部含まれていてもよい。複数の機器で図１Ａの各部を共有してもよい。例えば、レーザ光源１０１を２つのＨＭＤで共有してもよい。
【０２１５】
以下に、図１Ａ及び図１Ｂのビーム走査型表示装置において、ビームの曲率半径を変えることで眼の筋肉を弛緩させる処理の例を示す。この処理は図１４に示すステップ１６０１〜１６０６を実行することよって行われる。
【０２１６】
（ステップ１６０１  網膜上のビームのスポットサイズ取得）
本ステップでは、スポットサイズ判定部１５０１が、ユーザの網膜上でのビームのスポットサイズを判定する。本実施の形態においては、光検出部２１４が、ユーザの網膜からの反射光を検出し、網膜上に投影されたビームスポットを含むユーザの網膜像を生成する。スポットサイズ判定部１５０１は、光検出部２１４が取得した網膜像から、網膜上でのビームのスポットサイズＳを判定する。
【０２１７】
なお、水晶体の厚みが変化した場合、網膜上のビームのスポットサイズが安定するまでに一定の時間がかかることを考慮する際には、スポットサイズ判定部１５０１は、一定期間Ｔ０のビームのスポットサイズの平均値もしくは中央値を網膜上でのビームのスポットサイズＳとして判定しても良い。あるいはスポットサイズ判定部１５０１がビームのスポットサイズの判定を開始してから一定期間Ｔ０後の光検出部２１４の出力のみからビームのスポットサイズＳを判定しても良い。
【０２１８】
なお、判定されたビームスポットサイズＳが、スポットサイズ判定部１５０１が保持する閾値Ｓ１より大きい場合、スポットサイズ判定部１５０１は、一定時間Ｔ１が経過してから再度ビームスポットサイズＳの計測を行っても良い。ここで一定時間Ｔ１は、眼の水晶体が厚さを変更するために必要な時間から生成される値である。
【０２１９】
なお、光検出部２１４が網膜像を生成するのではなく、網膜からの光の反射強度のみを検出し、その結果からスポットサイズ判定部１５０１が網膜上でのビームのスポットサイズＳを判定しても良い。
【０２２０】
また、網膜の場所によって、ビームのスポットサイズが異なる場合には、スポットサイズ判定部１５０１は、中心窩や黄斑など網膜上の特定部分でのビームのスポットサイズを、ビームのスポットサイズＳの値として判定しても良い。また網膜上の各場所でのビームのスポットサイズの平均値を、ビームのスポットサイズＳとして用いてもよい。
【０２２１】
（ステップ１６０２  ビームのスポットサイズの判定）
本ステップでは、ビーム曲率制御部１５０２が、前ステップで判定したビームのスポットサイズＳと、ビーム曲率制御部１５０２の定める閾値Ｓ０との比較を行う。
【０２２２】
ここで閾値Ｓ０は、ビームのスポットサイズがＳ０以下である場合に、ユーザがＨＭＤで表示される画像に対してボケを感じない値に設定されている。
【０２２３】
ビーム曲率制御部１５０２は、ビームスポットサイズＳの値が閾値Ｓ０より大きい場合、ユーザの眼は近視などの影響で、現在の入射光を網膜上に焦点を結ぶように調節できないものと判断する。そして、ビームの曲率半径を大きくするためにステップ１６０４の処理に進む。
【０２２４】
一方、ビームのスポットサイズＳの値が閾値Ｓ０より小さい場合、ユーザは画像をはっきり認識しているので、毛様体の弛緩を促してもよいと判断する。そこで、ビーム曲率制御部１５０２は、ユーザの眼の毛様体の弛緩を促すためにステップ１６０３の処理を行う。
【０２２５】
なお、閾値Ｓ０の値は、網膜上において入射光が投影される全面積を、表示される画像の解像度で割った値から動的に算出しても良いし、ユーザが直接指定しても良い。
【０２２６】
（ステップ１６０３  ビーム曲率半径判定）
本ステップでは、ビーム曲率制御部１５０２が、現在のユーザの眼に対するビームの曲率半径Ｒと、目標とする目標曲率半径Ｒ０との比較を行う。ここでビームの曲率半径Ｒとは、波面形状変更部１０２が波面の形状を変更した後のビームの曲率半径を示す。
【０２２７】
一般に、遠方にある物体からの光は曲率半径が大きく、無限遠にある物体からの光は平行光（曲率半径が無限大）になる。反対に、近くにある物体からの光は曲率半径が小さく、球面波としてユーザの眼に入射される。この例を図１６、図１７に例示する。
【０２２８】
曲率半径がＲ１であるビームが網膜上に集光するように水晶体の太さが調節されているユーザの眼に対して、曲率半径がＲ１より大きいビームを入射した場合のビームの集光位置を図１６に示す。図１６に示すように曲率半径が大きい光は、ユーザの網膜より瞳孔側に集光点を持つように集光される。この時、ユーザの眼は、ビームの集光位置が網膜上に一致するように、毛様体を弛緩させて水晶体を薄くする。
【０２２９】
一方、曲率半径がＲ１であるビームが網膜上に集光するように水晶体の太さが調節されているユーザの眼に対して、曲率半径がＲ１より小さいビームを入射した場合のビームの集光位置を図１７に示す。図１７に示すように曲率半径が小さいビームは、ユーザの網膜より奥に集光点を持つように集光される。この時、ユーザの眼は、ビームの集光位置が網膜上に一致するように、毛様体を緊張させて水晶体を厚くする。
【０２３０】
本発明のＨＭＤは、眼のこのような作用を利用して、ユーザが画像をはっきりと認識できる範囲で毛様体の弛緩を促すように入射光の曲率半径の値を変更する。
【０２３１】
そこで、現在のビームの曲率半径Ｒの値が、目標曲率半径Ｒ０と一致している場合は、ビーム曲率制御部１５０２は、ユーザの眼の毛様体は充分に弛緩していると判断し、ステップ１６０６の処理を行う。
【０２３２】
一方、現在のビームの曲率半径Ｒの値が、目標曲率半径Ｒ０と一致しない場合、ビーム曲率制御部１５０２は、ステップ１６０５の処理を行う。
【０２３３】
なお、ユーザに表示する映像の品質を保つため、波面形状変更部１０２が網膜上でのビームの投影位置に応じてビームの曲率半径を変更する場合、ビーム曲率制御部１５０２は、中心窩に対して入射される入射光の曲率半径を、現在の入射光の曲率半径Ｒとして扱ってもよい。また、波面形状変更部１０２によって変更されているビームの曲率半径の平均値や中央値を現在の入射光の曲率半径Ｒとしても良い。
【０２３４】
（ステップ１６０４  近視対策）
本ステップでは、ビーム曲率制御部１５０２が、前述の目標曲率半径Ｒ０の値の修正を行う。
【０２３５】
ステップ１６０２において現在のビームのスポットサイズＳが閾値Ｓ０を上回ると判定された場合、ビーム曲率制御部１５０２は、ユーザの眼は近視などの影響で遠方からの光を網膜上に上手く結像することができないものと判断する。この時ビーム曲率制御部１５０２は目標曲率半径Ｒ０の値から曲率半径修正幅Ｒ１を減算する（目標値を引き下げる）。本実施の形態においては、曲率半径修正幅Ｒ１は、あらかじめビーム曲率制御部１５０２の記憶部に保持されている。
【０２３６】
なお、曲率半径修正幅Ｒ１の値は、現在の入射光の曲率半径Ｒの値から動的に算出しても良い。この場合、例えば、現在の曲率半径Ｒの一割の値をＲ１の値として設定するなどの処理が行われる。
【０２３７】
すなわち、上記の処理を繰り返すことによって、目標曲率半径Ｒ０は、スポットサイズ判定部１５０１によって判定されたスポットサイズが予め定めた閾値Ｓ０を超えない範囲で、最大の値に設定される。
【０２３８】
また、ステップ１６０４ではユーザが近視の場合について説明したが、ユーザが遠視又は老眼の場合にも応用することができる。この場合、現在のビームスポットサイズＳが閾値Ｓ０を上回ると判定された場合、ビーム曲率制御部１５０２は、目標曲率半径Ｒ０の値に曲率半径修正幅Ｒ１を加算する（目標値を引き上げる）。
【０２３９】
（ステップ１６０５  ビーム曲率半径変更）
本ステップでは、ビーム曲率制御部１５０２が、現在のビームの曲率半径Ｒの変更を行う。
【０２４０】
ビーム曲率制御部１５０２は、曲率半径変更幅Ｒ２の値を現在のビームの曲率半径Ｒに加算もしくは減算することで、曲率半径Ｒを段階的に目標曲率半径Ｒ０に近づける。ここで、現在のビームの曲率半径Ｒをいきなり目標曲率半径Ｒ０に変更すると、曲率半径の変化量が大きくなりすぎる場合がある。その結果、ユーザの眼がこの変化に追従できず、画像をはっきり認識することができなくなる場合がある。
【０２４１】
そこで、曲率半径変更幅Ｒ２は、ビームの曲率半径がＲから、Ｒ＋Ｒ２、もしくはＲ−Ｒ２の値に変更された際に、ビームの網膜上でのスポットサイズＳが大きくなりすぎないように定められた値であり、本実施の形態ではビーム曲率制御部１５０２内に保持されている。
【０２４２】
図１５にビームのスポットサイズ、ビームの曲率半径、および眼の焦点距離の関係の例を示す。これらの値を予め求めておくことで、ビーム曲率制御部１５０２は、適切な曲率半径変更幅Ｒ２を決定することができる。
【０２４３】
ビーム曲率制御部１５０２は、現在のビームの曲率半径Ｒの値がＲ０を下回っている場合には、Ｒの値に曲率半径変更幅Ｒ２を加算する。これにより、図１６に示すように、ビームの集光位置は網膜上から水晶体の側に移動する。この時、人間の眼はビームの集光位置を網膜上に移動させるために、毛様体を無意識に弛緩させて水晶体の厚さを薄くする。
【０２４４】
一方、現在のビームの曲率半径Ｒの値が目標曲率半径Ｒ０を上回っている場合、Ｒの値から曲率半径変更幅Ｒ２を減算する。これにより、図１７に示すように、ビームの集光位置は網膜の奥に移動する。この時、人間の眼はビームの集光位置を網膜上に移動させるために、毛様体を無意識に緊張させて水晶体の厚さを厚くする。
【０２４５】
なお、この処理は、例えば、Ｓ１６０４において目標曲率半径Ｒ０の値から曲率半径修正幅Ｒ１を減算した場合等に発生し得る。つまり、ビームの曲率半径を大きくしすぎた結果、画像を網膜上に上手く結像できなくなったような場合に、これを修正する処理である。
【０２４６】
ビーム曲率制御部１５０２は、ビームの曲率半径Ｒを変更した後、実際にユーザの眼に入射されるビームの曲率半径が変更後のＲに一致するように波面形状変更部１０２の制御を行う。
【０２４７】
なお、曲率半径変更幅Ｒ２は、現在のビームの曲率半径Ｒの値から動的に算出しても良い。この場合、例えば、Ｒ０の一割の値がＲ２の値として設定するなどの処理が行われる。また曲率半径ＲとビームのスポットサイズＳの関係を関数として定義しておくことで、スポットサイズＳの値が一定範囲に収まるようなＲ２の値を動的に計算してもよい。
【０２４８】
なお、ユーザに表示する映像の品質を保つため、波面形状変更部１０２が網膜上でのビームの投影位置に応じて、入射光のビーム曲率半径を変更する場合、網膜への投影位置ごとに設定されているビームの曲率半径を、曲率半径変更幅Ｒ２の値だけ増加もしくは削減することで曲率半径の変更を行っても良い。また、予め網膜上へのビームの投影位置ごとに異なる曲率半径変更幅の値をビーム曲率制御部１５０２に保持しておき、その値を各入射光の曲率半径に加算もしくは減算する方法を用いてもよい。
【０２４９】
また、ビームの曲率半径を縦方向と横方向で異なる値に設定してもよい。この場合には、縦方向の曲率半径変更幅および横方向の曲率半径変更幅の値を、ビーム曲率制御部１５０２が保持し、この値を用いて現在のビームの縦方向および横方向の曲率半径の変更を行う。
【０２５０】
ビーム曲率制御部１５０２は、ビームの曲率半径Ｒを変更した後、再びステップ１６０１に戻り、ステップ１６０１〜１６０５の処理を繰り返す。これにより、目標曲率半径Ｒ０は、スポットサイズＳが閾値Ｓ０を超えない範囲で最も大きな値に調整される。また、現在のビームの曲率半径Ｒも徐々に目標曲率半径Ｒ０に近づくので、ユーザが画像をはっきり認識できる範囲でユーザの眼の毛様体を弛緩させることができる。
【０２５１】
（ステップ１６０６  終了）
入射光のビームの曲率半径が目標曲率半径Ｒ０に一致した場合、ユーザの水晶体は充分に薄く延ばされており、毛様体が弛緩している。このため長時間、ＨＭＤに表示される画像を視聴している場合でも、毛様体にかかる負担は少なく、ＶＤＴ作業における眼精疲労を低減することが可能になる。
【０２５２】
なお、目標曲率半径Ｒ０の値は、ＨＭＤのユーザーインターフェースによりユーザが直接入力しても良い。また予めＨＭＤに設定されているＲ０の値を、ＨＭＤのユーザーインターフェースによりユーザが増減させる方法を用いてもよい。
【０２５３】
なお、本実施の形態においては左右の眼に画像を表示するＨＭＤを用いたが、左右の眼のどちらかにのみ映像を表示する単眼ＨＭＤを用いても良い。
【０２５４】
なお、ＨＭＤがヘッドトラッカーなどユーザの体の動きを検知する手段を備えている場合、それらの手段からの出力の変化幅が一定値を超えており、ユーザの体が動いていると判断される場合、本発明のＨＭＤは、ビームの曲率半径の変更を停止してもよい。これはユーザが動いている際にはＨＭＤが表示する映像ではなく、外界に視線を向けていると判断するためであり、その際に不要な処理を行わないことで処理コストや消費電力などを削減することが可能になる。
【０２５５】
なお、本実施の形態ではビームの曲率半径を大きくするための処理を例示したが、目標曲率半径Ｒ０の値を小さく設定することで、ビームの曲率半径を小さくすることもできる。この時、目標曲率半径Ｒ０の値を大きく設定する期間と、目標曲率半径Ｒ０を小さく設定する期間を交互に設けることで、眼の水晶体が薄くなる期間と、眼の水晶体が厚くなる期間を交互に設けることが可能になる。このような処理を行うと、眼の毛様体が緊張と弛緩を繰り返すことになるため、適度な運動効果を得ることができる。その結果、眼の毛様体の疲労が一層軽減されるため、眼精疲労を予防する効果が高まる。
【０２５６】
なお、目標曲率半径Ｒ０を定めるときに、予め定められた曲率半径の上限値ＲＵと下限値ＲＤの範囲内でＲ０の値を決定してもよい。近眼のユーザに対してはＲＵの値を小さく、老眼や遠視のユーザに対してはＲＤの値を大きく設定することで、曲率半径の現在値を目標曲率半径Ｒ０に近づけるまでの処理コストを低く抑えることができる。
【０２５７】
（実施の形態３）
図１８に本発明の実施の形態３に係る画像表示装置１０の概略構成図を示す。
【０２５８】
本実施の形態３の画像表示装置１０は、光源１１と、この光源１１から出射されたレーザ光１２を走査する走査部１３と、この走査部１３からの走査光１４を観察者の瞳１５に偏向して導く偏向部１６とを備えている。そして、走査光１４の一部は反射体１７ａにより反射光１７ｂとして反射され、反射光１７ｂのスポットサイズ１７ｃを検出する光検出部１８と、この光検出部１８からの出力信号を元に走査光１４のビーム形状１４ｃを変化させて網膜１９ａ上のスポットサイズ１９ｂを規定値以下に制御するビーム形状調節部２０ａとを有している。このようにして本実施の形態３の画像表示装置１０は、走査光１４を用いて観察者の眼１９の網膜１９ａに映像を投影している。
【０２５９】
ここで、図１８に示すように偏向部１６は、基板１６ａとこの基板１６ａ上の少なくとも一部に形成されたホログラムミラー１６ｂとからなる。
【０２６０】
次に、本実施の形態３の画像表示装置１０の主な光学的な動作について具体的に説明する。ここでは左右対称な光学系のうち、図１８に示すように左側の光学系を例としてその動作について説明する。
【０２６１】
図１８に示すように光源１１は、少なくとも赤色レーザ光源（以下、「Ｒ光源」とする）１１Ｒ、緑色レーザ光源（以下、「Ｇ光源」とする）１１Ｇおよび青色レーザ光源（以下、「Ｂ光源」とする）１１ＢからなるＲＧＢ光源である。ここで、Ｒ光源１１ＲおよびＢ光源１１Ｂには、波長６５０ｎｍおよび波長４５０ｎｍのレーザ光を出射する半導体レーザを用いている。一方、Ｇ光源１１Ｇには、波長５３０ｎｍのレーザ光を出射する半導体レーザ励起のＳＨＧレーザを用いている。
【０２６２】
Ｒ光源１１Ｒ、Ｇ光源１１ＧおよびＢ光源１１Ｂから出射されたレーザ光は、コリメータレンズ１１ａによりそれぞれ平行光線に変換されてダイクロイックプリズム１１ｂに入射した後、レーザ光１２として１つにまとめられてダイクロイックプリズム１１ｂから出射する。
【０２６３】
そして、レーザ光１２は、光路長調整部２１（実施の形態１、２における「波面形状変更部１０２」に相当）に入射する。光路長調整部２１は、サーボ用ミラー２０ｂの位置を矢印の方向に移動させることにより偏向部１６までの光路長を調整する。この処理は、制御部２０に含まれるビーム形状調節部２０ａにより制御される。
【０２６４】
その後にレーザ光１２は、反射ミラー１３ａで反射されて走査部１３に導かれる。走査部１３は、反射角度を任意に変更することによって、反射ミラー１３ａからの光を偏向部１６のホログラムミラー１６ｂに所定のスポットサイズで２次元的に走査する。なお、ここで走査部１３に、ＭＥＭＳミラーを採用すれば、走査光１４を精度よくホログラムミラー１６ｂに走査することができる。
【０２６５】
そして、走査光１４はホログラムミラー１６ｂにより偏向されて観察者の眼１９の瞳１５から入射して網膜１９ａに映像として投影されることになる。
【０２６６】
この網膜１９ａ上に投影された走査光１４のスポットサイズ１９ｂは、網膜１９ａ上に焦点を結んだときに２０μｍ以下であることが望ましい。これは、例えば水平方向の視野角が１００度の場合に、水平方向に１０００ドットの表示を行うために必要な大きさであり、合焦時のスポットサイズが２０μｍを上回ると、隣接するドット同士が重なり合い所定の解像度が得られない。
【０２６７】
また、走査光１４（１４ａ、１４ｂ）のビーム形状が所定の形状よりずれた状態でホログラムミラー１６ｂにより観察者の眼１９に偏向されると、図１８に示すように走査光１４（１４ａ、１４ｂ）の焦点位置１９ｃが、デフォーカス量ΔＺだけずれる。このΔＺは、図１８に示す光源１１付近に配置された光検出部１８の受光素子１８ａの受光面上のスポットサイズ１７ｃ、１７ｄの大きさに反映されて後述のように検出することができる。
【０２６８】
すなわち、走査光１４（１４ａ、１４ｂ）の一部は反射体１７ａにより反射光１７ｂとして反射される。この反射光１７ｂは、レーザ光１２が出射された光路を逆進してダイクロイックプリズム１１ｂに入射したのち、光検出部１８の受光素子１８ａの受光面上にスポットサイズ１７ｃ、１７ｄを投影する。
【０２６９】
そして、この光検出部１８は、反射光１７ｂのスポットサイズ１７ｃ、１７ｄから検出した信号を基に出力信号を発生する。ビーム形状調節部２０ａは、この出力信号を元に光路長調整部２１のサーボ用ミラー２０ｂを矢印の方向に移動させることにより走査光１４（１４ａ、１４ｂ）のビーム形状を変化させる。その結果、ビーム形状調節部２０ａは、網膜１９ａ上のスポットサイズ１９ｂを規定値以下、例えば２０μｍ以下に制御している。
【０２７０】
このように、走査光１４の一部をフィードバックしてビームの波面形状を変更することにより、常に最適な映像を観察者の眼１９の網膜１９ａに投影することができる。なお、光路長調整部２１は、２つのサーボ用ミラー２０ｂの間に導光用のプリズム２１ａおよび２つの対物レンズ２１ｂを配置してレーザ光１２および反射光１７ｂの光路およびビーム形状を制御している。
【０２７１】
このような構成とすることにより、高速で、かつ高精度の光学調整をすることができる。その結果、高速で高精細の動画像を表示する画像表示装置１０を実現することができる。また、網膜１９ａよりも反射率の大きい反射体１７ａからの反射光１７ｂを利用しているので、光学調整が精度よく確実にすることができる。その結果、外乱やビームの一部が遮蔽されるなどの影響に対して光学特性などを安定化することができるので、観察者に正確で鮮明な画像を認識させることができる。
【０２７２】
なお、反射体１７ａは、図２３Ａに示すように、偏向部１６の基板１６ａ上に形成されたホログラムミラー１６ｂ（偏向領域）内に多重化して形成されるサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆであってもよい。または、図２３Ｂに示すように、ホログラムミラー１６ｂとは異なる位置（図２３Ｂでは、ホログラムミラー１６ｂの周囲）に形成されるサーボ光発生用ホログラムミラーであってもよい。
【０２７３】
このような構成とすることにより、さらに小型で軽量な画像処理の光学系を簡単に構成することができる。その結果、高速で、かつ高精度の光学調整を実現することができる。また、観察者に正確な画像を認識させるための処理も簡単に行うことができる。
【０２７４】
さらに、複数のホログラムミラーを多重化することにより偏向部をさらに薄くすることができ、小型、軽量かつ薄型のＨＭＤを実現することができる。
【０２７５】
ここで、図１８に示すようにサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆは、網膜１９ａ上のスポットサイズ１９ｂが最適値となるときに最も強い反射光１７ｂを出力するレンズパワーを持った反射型ホログラムミラーであるように形成されている。
【０２７６】
このような構成とすることにより、後述するように光学調整を行うときのサーボ範囲をさらに拡大する、あるいはオフセットをさらに減少することができる。
【０２７７】
また、上記の実施形態においては、反射体１７ａをサーボ光発生用ホログラムミラーとして偏向部１６に設けた例を示したが、これに限ることなく、観察者の瞳１５の虹彩１７、眼１９の網膜１９ａを反射体１７ａとして、ここからの反射光を光検出部１８で検出してもよい。このような構成とすることにより、偏向部１６の光学構成を簡素化することができる。
【０２７８】
図１８に示すように反射光１７ｂは、走査光１４とは逆進してダイクロイックプリズム１１ｂに入射したのちに光検出部１８に向けて出射される。そして、反射光１７ｂは、対物レンズ１８ｂにより絞られ、アパーチャ１８ｃを通過し、さらに光検出用の回折格子１８ｄにより相補的なレンズ作用を与えられて２つの回折光１８ｆ、１８ｇに分離される。
【０２７９】
光検出部１８は、この２つの回折光１８ｆ、１８ｇを受光するための２つの受光素子１８ａを有している。この２つの受光素子１８ａは、回折格子１８ｄからの光学的な距離が等しくなるように配置されている。したがって、走査光１４が観察者の眼１９の網膜１９ａに焦点を結ぶとき、回折光１８ｆ、１８ｇのスポットサイズは、受光素子１８ａ上で同一となる。一方、走査光１４が観察者の眼１９の網膜１９ａに焦点を結ばないとき、回折光１８ｆ、１８ｇのスポットサイズは、２つの受光素子１８ａ上で異なる大きさとなる。そこで、例えば、２つの受光素子１８ａの検出結果の差分から焦点位置１９ｃを検出することができる。
【０２８０】
図１９Ａ〜図２１Ｃは、観察者の眼１９の中の走査光１４の焦点位置１９ｃと、光検出部１８における反射光１７ｂの検出状態との関係を示した図である。図１９Ａ、図２０Ａ、図２１Ａは眼１９の中の走査光１４の焦点位置１９ｃを示す図、図１９Ｂ、図２０Ｂ、図２１Ｂは光検出部１８において回折光１８ｆ、１８ｇが受光される状態を示す図、図１９Ｃ、図２０Ｃ、図２１Ｃは光検出部１８の受光素子１８ａ上のスポットサイズ１７ｃ、１７ｄを示す図である。
【０２８１】
図１９Ａ及び図１９Ｂは、焦点位置１９ｃが網膜１９ａ上にある場合、すなわち眼１９の網膜１９ａ上に２０μｍ以下のスポットサイズ１９ｂで焦点を結んでいるときの検出状態を示す図である。図１９Ｂに示すように、受光素子１８ａ上の２つの回折光１８ｆ、１８ｇは、互いに同じ大きさとなる。したがって、２つの受光素子１８ａの検出信号の差分はほぼ０になるので、眼１９の網膜１９ａ上に焦点位置１９ｃがあることが検出できる。
【０２８２】
図２０Ａ及び図２０Ｂは、焦点位置１９ｃが網膜１９ａの手前にあるときの検出状態を示す図である。図２０Ｂに示すように、左側の受光素子１８ａ上のスポットサイズ１７ｃは、図１９Ｂで示されたスポットサイズ１７ｃよりも小さく、右側の受光素子１８ａ上のスポットサイズ１７ｃは、図１９Ｂで示されたスポットサイズ１７ｄよりも大きくなっている。この左右のスポットサイズ１７ｃ、１７ｄの大きさの差から焦点位置１９ｃを検出することができる。
【０２８３】
図２１Ａ及び図２１Ｂは、図２０Ａ及び図２０Ｂとは逆に焦点位置１９ｃが網膜１９ａの向こう側、すなわち眼１９から外の位置にあるときの検出状態を示す図である。このときには、光検出部１８上の受光素子１８ａ上のスポットサイズ１７ｃ、１７ｄの大きさは図２０Ａ及び図２０Ｂは逆の関係となるが、同様に焦点位置１９ｃを検出することができる。
【０２８４】
また、図１９Ｃ、図２０Ｃ、及び図２１Ｃに示すように、それぞれが複数に分割（この実施形態では、３分割）された一対の受光素子２２、２３を用いてもよい。この受光素子２２は、真中の受光部２２ａと、両端の受光部２２ｂ、２２ｃとでそれぞれ光量を検出し、その差分からスポットサイズ１７ｃの大きさを判定することができる。同様に、受光素子２３（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）でスポットサイズ１７ｄの大きさを判定し、両者の差分をとれば、焦点位置１９ｃを検出することができる。
【０２８５】
このような構成とすることにより、高速で、かつ高精度の光学調整をすることができるので、高速で高精細の動画像を表示する画像表示装置１０を実現することができる。また、網膜１９ａよりも反射率の大きい反射体１７ａからの反射光１７ｂを利用しているので、光学調整が精度よく確実にすることができ、外乱やビームの一部が遮蔽されるなどの影響に対して光学特性などを安定化することができるので観察者に正確で鮮明な画像を認識させることができる。
【０２８６】
（実施の形態４）
図２２に本発明の実施の形態４にかかる画像表示装置３０の概略構成図を示す。
【０２８７】
本実施の形態４は、実施の形態３とほぼ同様の構成があるがＲＧＢ光源である光源１１に加えて赤色から赤外の波長の赤外レーザ光源１８ｈを備えている。
【０２８８】
すなわち、図２２に示す画像表示装置３０は、図１８に示す画像表示装置１０の構成に加えて光検出部１８に中心波長が７５０ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下の赤外レーザ光源１８ｈを備えている。この赤外レーザ光源１８ｈは、例えばＣＤなどの光ディスクで使用される中心波長が７８０ｎｍの赤外半導体レーザなどである。
【０２８９】
この赤外レーザ光源１８ｈから出射されるサーボ用のレーザ光１２ａは、ダイクロイックプリズム１１ｂに入射してレーザ光１２と同じ光路を伝播し、偏向部１６に形成されたサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆで反射される。そして、このサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆにより生成された反射光１７ｂは、実施の形態３で説明した光路を伝播（つまり、レーザ光１２の光路を逆進）して光検出部１８の受光素子１８ａに到達する。
【０２９０】
ビーム形状調節部２０ａは、受光素子１８ａの出力信号を元に実施の形態３と同様に光路長調整部２１のサーボ用ミラー２０ｂを矢印の方向に移動させることにより、走査光１４（１４ａ、１４ｂ）のビーム形状を変化させる。その結果、ビーム形状調節部２０ａは網膜１９ａ上のスポットサイズ１９ｂを規定値以下、例えば２０μｍ以下に制御している。
【０２９１】
このような構成とすることにより、サーボ用の赤外レーザ光源１８ｈと光検出部１８とを近くに配置することができるので、さらに光学調整を安定に行うことができる。しかも、高速で、かつ高精度の光学調整をすることができるので、高速で高精細の動画像を表示する画像表示装置３０を実現することができる。
【０２９２】
また、網膜１９ａよりも反射率の大きい反射体１７ａからの反射光１７ｂを利用しているので、光学調整が精度よく確実にすることができる。その結果、外乱やビームの一部が遮蔽されるなどの影響に対して光学特性などを安定化することができるので、観察者に正確で鮮明な画像を認識させることができる。
【０２９３】
ところで、Ｇ光源１１Ｇは、上記の赤外レーザ光源１８ｈと、赤外光の一部を緑色に変換するＳＨＧ素子とを組み合わせて構成してもよい。より具体的には、例えば、赤外レーザ光源として中心波長が１０６０ｎｍの励起用赤外半導体レーザを、ＳＨＧ素子としてＬｉＮｂＯ3を採用することができる。
【０２９４】
そして、偏向部１６のサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆは、赤外レーザ光源から出力された赤外光のうち、ＳＨＧ素子で緑色に変換されなかった赤外光を反射するようにしてもよい。
【０２９５】
このような構成とすることにより、サーボ用の光源を別途使用しなくてもよいので装置を小型化、軽量化および低消費電力化することができる。
【０２９６】
また、このような赤外レーザ光をサーボ用の光源に使用し、検出信号のＳ／Ｎ比を向上させるために、偏向部１６は、走査光１４を偏向する偏向面１６ｃと対向する外側の面１６ｄに赤外光を遮蔽する遮蔽膜１６ｅをさらに備えてもよい。
【０２９７】
このような構成とすることにより、外側の面１６ｄの外部からの赤外光が偏向面１６ｃに入射することを防止できるので、赤外光によるＳ／Ｎ比がさらに改善されて、高精度の光検出を行うことができる。また、外部からの赤外光が眼１９の方に入射することをも遮蔽することができるので、網膜１９ａ上に投影される映像のＳ／Ｎ比を改善することもできる。
【０２９８】
また、遮蔽膜１６ｅは、少なくとも中心波長が７５０ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下の光線を遮蔽する構成としてもよい。このような構成とすることにより、さらに効果的に外側の面１６ｄの外部からの赤外光が偏向面１６ｃに入射することを防止できるので、赤外光によるＳ／Ｎ比がさらに改善された高精度の光検出および映像の投影を行うことができる。
【０２９９】
図２３Ａ及び図２３Ｂは、本実施の形態３および４に係るホログラムミラーの例を示す図であり、図１８及び図２２に示す画像表示装置１０、３０の矢印３１の方向から見た偏向部１６およびサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆを示している。
【０３００】
図２３Ａにおいて偏向部１６に形成されたホログラムミラー１６ｂ（偏向領域）には、反射体１７ａとして多重化されたサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆが形成されている。
【０３０１】
これにより、図２３Ａに示すビーム走査方向３２に走査される走査光１４のうち、偏向された走査光１４は観察者の眼１９に、サーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆで反射された反射光１７ｂはサーボ光として光検出部１８にそれぞれ導かれる。
【０３０２】
なお、サーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆは、網膜１９ａ上のスポットサイズ１９ｂが最適値となるときに、通常より大きなレンズパワーとなる第１の反射型ホログラムミラー１６ｇと、網膜１９ａ上のスポットサイズ１９ｂが最適値となるときに、通常より小さなレンズパワーとなる第２の反射型ホログラムミラー１６ｈとからなる一対の反射型ホログラムミラーを少なくとも有する構成としてもよい。このときには、光検出部１８の手前に配置された回折格子１８ｄは、レンズパワーを持たない単純な等間隔の回折格子としている。
【０３０３】
このような構成とすることにより、光学調整を行うときのサーボ範囲をさらに拡大する、あるいはオフセットをさらに減少することができる。なお、上記の説明における「通常」とは、スポットサイズ１９ｂが最適値でないときと解釈することができる。
【０３０４】
一方、図２３Ｂにおいて、反射体１７ａは、ホログラムミラー１６ｂの周囲の少なくとも一部に形成されたサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆである。このときに、図２３Ｂに示すようにサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆは、図２３Ａと同様に第１の反射型ホログラムミラー１６ｇと第２の反射型ホログラムミラー１６ｈとからなる一対の反射型ホログラムミラーとして形成していてもよい。
【０３０５】
図２３Ｂに偏向部１６によれば、走査光１４がビーム走査方向３２ａに走査されると、ビーム偏向領域３３で偏向された走査光１４は、観察者の眼１９に映像を投影する。一方、走査光１４がビーム走査方向３２ｂに走査されると、サーボ光が発生する領域３４で反射された反射光１７ｂは、光検出部１８で検出される。
【０３０６】
このような構成とすることにより、光学調整を行うときのサーボ範囲をさらに拡大する、あるいはオフセットをさらに減少することができる。
【０３０７】
図２３Ｂにおいて、偏向部１６全体にＲＧＢ光および赤外光の全てを走査してもよく、ビーム偏向領域３３にＲＧＢ光を、サーボ光が発生する領域３４に赤外光を走査してもよい。
【０３０８】
なお、このようなサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆは、ＭＥＭＳミラーから出射されるレーザ光と、その位相共役光（進行方向が逆向きでビーム形状が同じ光）とを同時にフォトポリマーなどのホログラム材料に照射し、その干渉縞をホログラム材料に記録することで作製することができる。
【０３０９】
（実施の形態５）
図２４Ａ、図２４Ｂ、及び図２５を参照して、本発明の実施の形態５に係るビーム走査型の画像表示装置５０を説明する。なお、図２４Ａはサーボ光発生用ホログラムミラー５１を示す図、図２４Ｂは光検出部５２を示す図、図２５は画像表示装置５０の概略構成図である。
【０３１０】
図２４Ａに示すように、ホログラムパターン５１ａは、直交するＸ方向とＹ方向とで曲率半径を変えて形成されている。これにより、生成された反射光１７ｂは、Ｘ方向とＹ方向とで異なった光学的作用を受ける。
【０３１１】
また、図２４Ｂに示すように、光検出部５２は、直行する２方向のビームの曲率半径を個別に検出することができる。つまり、４つの受光素子５３のうち、見かけの発光点５５の左右に配置されている２つの受光素子５３で反射光１７ｂのＸ方向の成分を検出し、見かけの発光点５５の上下に配置されている２つの受光素子５３で反射光１７ｂのＹ方向の成分を検出することができる。
【０３１２】
さらに、図２５に示すように、画像表示装置５０の光路長調整部２１は、レーザ光１２の水平方向成分（Ｘ方向の成分）の波面形状を変更する焦点距離水平成分変更部と、垂直方向成分（Ｙ方向成分）の波面形状を変更する焦点距離垂直成分変更部とを備える。
【０３１３】
上記構成によれば、反射光１７ｂのＸ方向成分の検出結果に基づいて、焦点距離水平成分変更部がレーザ光１２の水平方向成分の波面形状を変更する。次に、反射光１７ｂのＹ方向成分の検出結果に基づいて、焦点距離垂直成分変更部がレーザ光１２の垂直方向成分の波面形状を変更する。
【０３１４】
このように、レーザ光１２の波面形状の水平方向成分と垂直方向成分とを個別に制御することにより、高精度に光学調整を行うことができる。以上の構成により、高速で、かつ高精度の光学調整をすることができるので、高速で高精細の動画像を表示する画像表示装置５０を実現することができる。また、網膜１９ａよりも反射率の大きい反射体１７ａからの反射光１７ｂを利用しているので、光学調整を精度よく確実にすることができる。その結果、外乱やビームの一部が遮蔽されるなどの影響に対して光学特性などを安定化することができるので、観察者に正確で鮮明な画像を認識させることができる。
【０３１５】
（実施の形態６）
図２６Ａ〜図２６Ｃに、本発明の実施の形態６におけるめがね型画像表示装置８１の構成を示す。図２６Ａは平面図、図２６Ｂは側面図、図２６Ｃは走査部の走査中心軸９７に垂直な方向Ｘから見た矢視図である。
【０３１６】
図２６Ａ〜図２６Ｃに示されるめがね型画像表示装置８１は、基本構成が図３８と同様であって、一対のめがねレンズ８２と、一対のめがねレンズ８２をユーザの左右の眼の位置に保持するレンズフレーム８３と、レンズフレーム８３の外縁部から後方に延びる一対のテンプル８４とを備える。なお、レンズフレーム８３を省略し、めがねレンズ８２の外縁部に直接テンプル８４を取り付けてもよい。
【０３１７】
一対のめがねレンズ８２の眼８８に対面する面には、レーザビーム８６を眼に偏向する偏向部９３が設けられている。一対のテンプル８４には、その内部にレーザビーム８６を出射する光源９１、レーザビーム８６を二次元走査する走査部９２、及び各部を制御する制御部９４が搭載されている。
【０３１８】
光源９１は、半導体レーザ、固体レーザ、波長変換素子、コリメート光学系等のいずれかを含み、光路上の所定の位置に集光スポットを形成するように構成される。カラー表示のため複数波長のビームを用いる場合は、合波光学系で１本のビームにして出射する。網膜上で適切に焦点を結ぶよう、焦点制御光学系を備えても良い。
【０３１９】
制御部９４は、走査部９２の駆動と同期して光源９１を表示画像に従って強度変調する。変調制御は、レーザ光源を直接変調しても良いし、別途ＡＯ素子（音響光学素子）等の変調素子を併用しても良い。
【０３２０】
走査部９２には小型のＭＥＭＳミラーを用いる。駆動方式には、電磁方式、静電方式、圧電方式、熱駆動方式、またはそれらの組み合わせ方式等、様々な方式のデバイスが適用できる。
【０３２１】
レーザビーム８６は、走査部９２によってめがねレンズ８２に向かって投射され、めがねレンズ８２の表面に形成されたホログラムミラーである偏向部９３によって反射され、使用者の眼８８に入射して網膜上に画像を形成する。ホログラムミラーは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、波長選択性を持ちレーザビームの波長のみを反射する。その結果、ユーザは外の景色と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。
【０３２２】
カラー表示を行う場合、フォトポリマー層には赤色、緑色、青色、それぞれの光源からの光を反射する３つのホログラムを多重に形成してもよいし、それぞれの色の光に対応した３層のホログラムを積層してもよい。
【０３２３】
図３９Ａ〜図４０Ｂで示した構成と異なっているのは、折り返しミラー９５をＭＥＭＳミラーと鉛直方向（実施の形態６では、上方）に離隔した位置に設け、さらに折り返しミラー９６をＭＥＭＳミラーから見てめがねレンズ８２の方向へ配置したことである。
【０３２４】
すなわち、ＭＥＭＳミラーの上方に配置した折り返しミラー９５で一旦レーザビームを走査中心軸９７の方向に偏向し、さらに折り返しミラー９６でＭＥＭＳミラーの方向へ折り返す。これにより、光源９１から出力されたレーザビーム８６を走査部９２に直接入射させる場合と比較して、入射角を小さくすることができる。より具体的には、図２６Ｃに示すように、折り返しミラー９６は、垂直方向の走査範囲に干渉しないよう配置される。
【０３２５】
すなわち、折り返しミラー９５は、水平位置を走査部９２と偏向部９３の左右端とで囲まれる領域内とし、垂直位置を走査部９２と偏向部９３の上下端とで囲まれる領域外となるよう配置する。
【０３２６】
この例の垂直走査角γは、垂直走査領域Ｈａ＝２０ｍｍ、投射距離Ｌ＝３５ｍｍで、γ＝ＡＴＡＮ（Ｈａ／２／Ｌ）＝１６°であり、入射角αは２０〜２５°程度となり、図４０Ａ及び図４０Ｂの構成よりもさらに小さくできる。
【０３２７】
α＝２５°では、ＭＥＭＳミラーサイズＤｍは、レーザビーム径Ｄｂの１．１倍でよい。また、折り返しミラー９５をＭＥＭＳミラーの上方に配置しているので、ＭＥＭＳミラーより外側にスペースをとる必要がなく、テンプル８４の水平寸法Ｗが大きくなることはない。折り返しミラー９６をＭＥＭＳミラーよりめがねレンズ８２側に配置することで、テンプルの内側に若干の水平寸法Ｗ’を必要とするが、テンプル８４が内側に一部突出するだけなので、概観上大きな影響はなく、デザイン性、装着感を損なうこともない。
【０３２８】
折り返しミラー９６を走査部９２の走査中心軸９７を含む鉛直面に沿って配置したことで、水平方向の入射角は０°となり、ＭＥＭＳミラーサイズを小さく抑えることができる。このような構成により、ＭＥＭＳミラーの大型化を招くことなく、テンプル８４の水平寸法を抑えて、高解像度で装着感のよいめがね型画像表示装置８１が実現できる。
【０３２９】
なお、本実施の形態では、折り返しミラー９５、９６を走査部９２の上方に配置したが、下方に配置しても良い。
【０３３０】
（実施の形態７）
図２７Ａ〜図２７Ｃに、本発明の実施の形態７における、めがね型画像表示装置８１の構成を示す。図２７Ａは平面図、図２７Ｂは側面図、図２７Ｃは走査部９２の走査中心軸９７に垂直な方向Ｘから見た矢視図である。
【０３３１】
図２７Ａ〜図２７Ｃにおいて、図２６Ａ〜図２６Ｃで示した構成と同様、レーザビーム８６を出射する光源９１、レーザビーム８６を二次元走査する走査部９２、及び各部を制御する制御部９４をテンプル８４に搭載している。レーザビーム８６は、走査部９２によってめがねレンズ８２に向かって投射され、めがねレンズ８２の表面に形成されたホログラムミラーである偏向部９３によって反射され、使用者の眼８８に入射して網膜上に画像を形成する。ホログラムミラーは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、波長選択性を持ちレーザビームの波長のみを反射する。その結果、ユーザは外の景色と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。
【０３３２】
実施の形態６との相違点は、偏向部９３が、画像反射領域８７と、画像反射領域８７の上部に第２の偏向部として折り返し反射領域９８とを有する点である。この折り返し反射領域９８は、実施の形態６における折り返しミラー９６の機能を代替する。
【０３３３】
すなわち、ＭＥＭＳミラーの上方に配置した折り返しミラー９５で一旦レーザビームを走査中心軸９７の方向に偏向し、さらに偏向部９３の画像反射領域８７の上方に設けた折り返し反射領域９８でＭＥＭＳミラーの方向へ折り返して入射角を小さくしている。
【０３３４】
具体的には、図２７Ｃに示すように、折り返し反射領域９８は画像反射領域８７に隣接するよう上部に設けることで、垂直方向の走査範囲に干渉することはなく、入射角αは垂直走査角γの１／２近くまで小さくできる。
【０３３５】
実施の形態６における垂直走査角γは、垂直走査領域Ｈａ＝２０ｍｍ、投射距離Ｌ＝３５ｍｍで、γ＝ＡＴＡＮ（Ｈａ／２／Ｌ）＝１６°であり、入射角αは２０°〜２５°程度であったのに対し、折り返し反射領域９８を走査中心からの高さｈ＝１２ｍｍの位置に設けると、入射角αは１９°程度となり、図２６Ａ〜図２６Ｃの構成よりもさらに小さくできる。
【０３３６】
α＝１９°では、ＭＥＭＳミラーサイズＤｍはレーザビーム径Ｄｂの１．０６倍でよい。
【０３３７】
また、折り返しミラー９５をＭＥＭＳミラーの上方に配置しているので、ＭＥＭＳミラーより外側にスペースをとる必要がなく、テンプル８４の水平寸法Ｗが大きくなることはない。さらに、折り返し反射領域９８を第２の偏向部としてめがねレンズ８２上に設けるので、ＭＥＭＳミラーよりめがねレンズ８２側に別途ミラーを配置する必要がなく、テンプル８４の内側に突出する部分もないので、最もデザイン性、装着感の良い構成となる。
【０３３８】
また、実施の形態６と同様、折り返し反射領域９８を走査部９２の走査中心軸９７を含む鉛直面に沿って配置したことで、水平方向の入射角は０°となり、ＭＥＭＳミラーのサイズを小さく抑えることができる。
【０３３９】
このような構成により、ＭＥＭＳミラーの大型化を招くことなく、テンプルの水平寸法を抑えて、高解像度で装着感のよいめがね型画像表示装置８１が実現できる。
【０３４０】
本構成ではさらに、折り返し反射領域９８に収差特性を持たせることが可能である。これは、偏向部９３であるホログラムミラーを形成する際、画像反射領域８７を形成する第１の作成光学系とともに、折り返し反射領域９８を形成する第２の作成光学系を設け、第２の作成光学系の参照光に収差成分を付加することで実現する。
【０３４１】
この収差成分を、偏向部９３が持つ、コマ収差等を補正するよう設定すれば良い。偏向部９３は走査部９２の走査中心から発した光が使用者の眼８８へ集光するよう作成されるが、水平方向に斜め入射しているため、ビームの水平方向走査位置によって集光パワーが連続的に変化する特性を持つ。
【０３４２】
このため、ある場所にレーザビームが当たっている時、ビームの両端でわずかに集光パワーが異なることでコマ収差が発生し、網膜上での集光スポットが広がって解像度が低下することがある。このような収差を、あらかじめ収差特性を持たせた折り返し反射領域９８に照射することで補正することができ、より高解像度の表示が可能となる。
【０３４３】
なお、本実施の形態では、折り返し反射領域９８を画像反射領域８７の上方に配置したが、下方に配置しても良い。また、めがねレンズ８２は度付レンズでもよいし、度数ゼロのレンズでもよい。
【０３４４】
さらに、偏向部９３をめがねレンズ８２上に直接形成する構成を説明したが、別途基板上に形成してめがねレンズ８２の内側に取り付ける方式でも同様の効果が得られる。
【０３４５】
なお、上記の各実施形態は、単独であってもそれぞれ有利な効果を奏するのはもちろん、任意の組み合わせで組み合わせることによっても相乗効果を奏する。例えば、実施の形態１、２の偏向部１０４として、実施の形態３のホログラムミラーを採用する事等が考えられる。
【０３４６】
また、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。
【０３４７】
さらに、図９Ａに示すビーム走査型表示装置の各機能ブロックは、集積回路であるＬＳＩとして実現されてもよい。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように１チップ化されてもよい。例えばメモリ以外の機能ブロックが１チップ化されていてもよい。ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。
【０３４８】
また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、又はＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。
【０３４９】
次に、図２８〜図３３を参照して、上記の各実施形態に係るビーム走査型表示装置の様々な用途を説明する。なお、下記の説明は、実施の形態１の用途として説明するが、実施の形態２〜７に置き換えてもよいし、実施の形態１〜７を相互に組み合わせて用いてもよい。また、上記の各実施形態に係るビーム走査型表示装置の用途は、下記の用途に限られないことは言うまでもない。
【０３５０】
（実施の形態８）
図２８は、本発明の実施の形態８における自動車搭載型のＨＵＤ（Ｈｅａｄ−Ｕｐ  Ｄｉｓｐｌａｙ：ヘッドアップディスプレイ）の構成図である。
【０３５１】
光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、偏向部１０４、制御部１０５、及びヘッドホン部１０６の基本的な仕組みや動作は、実施の形態１と同様である。
【０３５２】
本実施の形態では、乗車中のユーザに対して映像を表示する。実施の形態１と同様に、偏向部１０４にビーム反射特性と車外からの可視光の透過特性とを持たせることで、車外の光景を見ながら本発明による表示も見ることができる。これにより、車外の光景を見ながら、車速、注意や警告、行先案内などの運転行動や居場所などに関連する情報を見られる効果がある。
【０３５３】
光源１０１、波面形状変更部１０２、及び走査部１０３は、図２８のように車の天井付近に取り付けてもよい。これにより、窓からの視界を遮らない効果や、眼に近い場所に配置することで、光路が短くなり表示精度を向上できる効果がある。また、光源１０１を車体下部などの波面形状変更部１０２から離れた場所に配置し、光源１０１から波面形状変更部１０２まで光ファイバーでビームを伝送する構成としてもよい。これにより、天井部における光源１０１を設置するための領域を減少できる効果がある。
【０３５４】
制御部１０５は、ダッシュボード内に配置してもよい。本発明の表示装置とは別の制御装置、例えば車速管理装置や案内制御装置（カーナビゲーションシステム）などの制御装置が本制御部１０５を兼ねてもよい。これにより制御装置の総数を減らせる効果がある。
【０３５５】
ヘッドホン部１０６は、ユーザの耳に接触している必要はなく、ユーザ周囲の室内面、例えばドアや前面ダッシュボードに装備されたスピーカーでよい。
【０３５６】
偏向部支持部４０１は、天井や窓上部から偏向部１０４を支持する。偏向部支持部４０１の位置調整機能は、ユーザの頭部位置に応じて偏向部１０４の位置や傾きを調整できる。調整はユーザが手動で行う構造としてもよいし、自動で行われる構造としてもよい。自動とする方法としては、偏向部支持部４０１付近にカメラを設置し、ユーザの頭部や眼などの位置変化を撮像、認識することで、適切な位置や角度に偏向部１０４を移動、回転して調整する方法でもよい。
【０３５７】
（実施の形態９）
図２９は、本発明の実施の形態９における椅子装着型の表示装置の構成図である。
【０３５８】
光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、偏向部１０４、制御部１０５、及びヘッドホン部１０６の基本的な仕組みや動作は、実施の形態１と同様である。本実施の形態では、椅子に着席しているユーザに対して映像を表示する。
【０３５９】
光源１０１、波面形状変更部１０２、及び走査部１０３は、図２９のように椅子の背もたれからユーザ眼前の偏向部１０４へと至る部分に配置してもよい。図２９ではユーザの頭部の上方に配置しているが、側頭部や、頭部下方に配置してもよい。
【０３６０】
制御部１０５は、椅子下部に配置してもよい。本発明の表示装置とは別の制御装置、例えばマッサージ制御装置などの制御装置が本制御部１０５を兼ねてもよい。これにより制御装置の総数を減らせる効果がある。
【０３６１】
ヘッドホン部１０６は、ユーザの耳に接触するヘッドホンでもよいし、頭部後方や側方に設置されたスピーカーでもよい。
【０３６２】
（実施の形態１０）
図３０は、本発明の実施の形態１０におけるレーザ走査型のＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）の構成図（側面図）である。また、図３１は、図３０に示されるレーザ走査ユニット２００２の詳細図である。
【０３６３】
レーザ走査ユニット２００２は、車２００１のフロントガラス２００３の下方、より具体的にはインパネの内部に配置されており、表示装置の省スペース化を図っている。
【０３６４】
なお、レーザ走査ユニット２００２はインパネの内部ではなく、インパネ外部に配置してもよい。この場合、レーザ走査ユニット２００２の交換や位置の変更が容易になる。
【０３６５】
レーザ走査ユニット２００２によって走査された光は、フロントガラス２００３に取り付けられた偏向部１０４によって反射され、ハーフミラー２００４を通過し、ドライバー２００５の眼球２００６に到達することで映像が視認される。このようなＨＵＤではフロントガラス２００３越しに外界風景を確認しながら、レーザ走査ユニット２００２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、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。
【０３６６】
なお、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２００４によって反射され、光検出部２１４によって検出される。
【０３６７】
レーザ走査ユニット２００２は、光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、及び制御部１０５から構成されている。図３１に本実施の形態における光源１０１、波面形状変更部１０２、及び偏向部１０４の構造の例を示す。
【０３６８】
図３１における光源１０１は、図２と同様、赤色レーザ光源２１１と、青色レーザ光源２１２と、緑色レーザ光源２１３とから構成されている。なお本実施の形態において光検出部２１４は光源１０１中には含まれず、図３０に示されるように車内の天井２００７に設置されている。この構成をとることで、ユーザの網膜と光検出部２１４までの距離を短くすることができ、網膜上のスポットサイズを検出することが容易になる。
【０３６９】
図３１における波面形状変更部１０２は、焦点距離水平成分変更部２１０１と、焦点距離垂直成分変更部２１０２とを光路に直列に配置している。これによって、波面形状の水平方向の曲率と垂直方向の曲率とを独立して変更できる。本実施の形態においては、焦点距離水平成分変更部２１０１および焦点距離垂直成分変更部２１０２は、シリンドリカルレンズの位置を変更することによって水平方向および垂直方向の曲率を変更する。
【０３７０】
なお、焦点距離水平成分変更部２１０１及び焦点距離垂直成分変更部２１０２は、図２に示される実施の形態１の波面形状変更部１０２と同様に、シリンドリカルレンズとミラーを組み合わせ、ミラーの位置を変更することで波面形状の変更を行っても良い。この場合、ミラーを高速に振動させることで、解像度の高い画像やフレームレートの高い動画を表示する際でも波面形状を適切に変更することが可能になる。
【０３７１】
また、本実施の形態における偏向部１０４は、透過型のホログラムによって実現されている。本実施の形態において１０４は、フロントガラス２００３の内側（眼の側）に、例えば、リップマン体積ホログラムが形成されたフォトポリマー層が形成され、走査部１０３からのビームがユーザの眼の瞳孔に回折・集光されるように製作されている。
【０３７２】
フォトポリマー層には赤色、緑色、青色、それぞれの光源からの光を反射する３つのホログラムを多重に形成してもよいし、それぞれの色の光に対応した３層のホログラムを積層してもよい。また、ホログラムの波長選択性を用いることで、光源波長の光のみを回折させ、外界からの光のほとんどを占める光源波長以外の波長の光を回折させないように製作することで、透過型のディスプレイとできる。
【０３７３】
なお、偏向部１０４は、フロントガラス２００３に自由に着脱できるようにしてもよい。この場合、ディスプレイの表示が不要な場合は偏向部１０４を外すことにより、フロントガラス２００３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。
【０３７４】
なお、偏向部１０４は、走査部１０３からの光をユーザのいずれかの眼に向かって反射するのではなく、ユーザの両方の眼に向かって反射させてもよい。この場合、一つの偏向部１０４によってユーザの両眼に映像を表示することが可能になる。
【０３７５】
本発明の実施の形態１０においては、ユーザの眼前にハーフミラー２００４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２１４に反射させる。ハーフミラー２００４は、車２００１の天井２００７に支持棒２００８によって取り付けられている。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、ユーザの網膜上のスポットサイズの検出を行うことができる。
【０３７６】
なお、ハーフミラー２００４および光検出部２１４は、車２００１の天井に設置するのではなく、ドライバーの眼鏡や帽子に設置しても良い。この場合、ドライバー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、ドライバーの安全性を向上させることができる。
【０３７７】
制御部１０５は、ＨＵＤ各部を制御する集積回路を備える。各レーザの出力および、波面形状変更部１０２、走査部１０３、光検出部２１４の制御が制御部１０５によって行われる。本実施の形態において、光検出部２１４は天井に配置され、制御部１０５はインパネ内部に設置されているが、光検出部２１４と制御部１０５との間の通信は、車の内部を有線ケーブルを這わせることで行っても良いし、無線通信で行っても良い。
【０３７８】
なお、図３０においてはユーザの眼は一つしか示されていないが、レーザ走査ユニット２００２、偏向部１０４、光検出部２１４をもう一組用意し、両眼に対してビームの曲率半径の制御を行っても良い。この場合、左右の眼で視力が異なる場合などにそれぞれの眼に対して異なったビームの曲率半径を設定することで、片方の眼で映像がボケてしまう事態を防ぐことができる。
【０３７９】
（実施の形態１１）
図３２は、本発明の実施の形態１１におけるレーザ走査型の単眼鏡２２０１の構成図（側面図）である。
【０３８０】
単眼鏡２２０１は、カメラ２２０３を備えており、ユーザは単眼鏡２２０１を覗き込むことでカメラ２２０３が撮影した映像や、単眼鏡２２０１の外部入力端子に接続された外部の映像機器からの映像を視聴することができる。図３２の構成をとることで、ユーザはＨＭＤのように頭部に装置を装着する必要がなくなり、まだ屋外で簡単にビーム走査型表示装置を利用することが可能になる。
【０３８１】
単眼鏡２２０１は、光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、偏向部１０４、制御部１０５、カメラ２２０３、及び折り返しミラー２２０２から構成されている。
【０３８２】
図３２における光源１０１は、図２と同様、赤色レーザ光源２１１、青色レーザ光源２１２、緑色レーザ光源２１３、及び光検出部２１４で構成される。
【０３８３】
図３２における波面形状変更部１０２は、焦点距離水平成分変更部２０１と、焦点距離垂直成分変更部２０２とを光路に直列に配置している。これによって、波面形状の水平方向の曲率と垂直方向の曲率とを独立して変更できる。本実施の形態においては、図２に示すようにシリンドリカルレンズとミラーを組み合わせ、ミラーの位置を変更することで垂直方向および水平方向の波面形状の変更を行う。
【０３８４】
波面形状変更部１０２からのビームは、折り返しミラー２２０２を経由して、走査部１０３によって走査されて、偏向部１０４に入射する。
【０３８５】
偏向部１０４は、単眼鏡２２０１の接眼部分に配置される接眼レンズであり、走査部１０３からの光をユーザの瞳孔上に集光する。なお偏向部１０４は凸レンズではなく、透過型ホログラムであってもよい。この場合、接眼レンズ部分を薄くすることができ単眼鏡２２０１を小型化することができる。
【０３８６】
ユーザの網膜上からの反射光は、入射光と同じ経路を逆向きに辿った後、光検出部２１４によって検出される。
【０３８７】
制御部１０５は、単眼鏡２２０１各部を制御する集積回路を備える。各レーザの出力および、波面形状変更部１０２、走査部１０３、光検出部２１４、及びカメラ２２０３の制御が制御部１０５によって行われる。
【０３８８】
なお、図３２においてはユーザの眼は一つしか示されていないが、光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、偏向部１０４、光検出部２１４をもう一組用意し、双眼鏡の形状になるようにして、両眼に対してビームの曲率半径の制御を行っても良い。この場合、左右の眼で視力が異なる場合などにそれぞれの眼に対して異なったビームの曲率半径を設定することで、片方の眼で映像がボケてしまう事態を防ぐことができる。
【０３８９】
なお、双眼鏡の形状にする場合、左右の眼の表示に用いる光源１０１を同一のものにして、光源１０１からのビームをプリズムなどで分光し、左右の眼の表示に用いる波面形状変更部１０２にそれぞれ入射する方法をとっても良い。この場合、必要な光源が減るため双眼鏡を小型化することができ、また消費電力を抑えることが可能になる。
【０３９０】
（実施の形態１２）
図３３は、本発明の実施の形態１２におけるレーザ走査型のディスプレイ２３０１の構成図（側面図）である。
【０３９１】
ディスプレイ２３０１は、光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、偏向部１０４、及び制御部１０５で構成されている。ユーザはこのディスプレイを机２３０２に設置して利用する。図３３の構成をとることで、ユーザはＨＭＤのように頭部に装置を装着する必要が無くなる。また単眼鏡のように長時間、手で装置を支持する必要もなくなるため負担無く、長時間ディスプレイを使用することが可能になる。
【０３９２】
図３３における光源１０１は、図２と同様、赤色レーザ光源２１１、青色レーザ光源２１２、緑色レーザ光源２１３、及び光検出部２１４で構成される。
【０３９３】
図３３における波面形状変更部１０２は、焦点距離水平成分変更部２０１と、焦点距離垂直成分変更部２０２とを光路に直列に配置している。これによって、波面形状の水平方向の曲率と垂直方向の曲率とを独立して変更できる。本実施の形態においては、図２に示すようにシリンドリカルレンズとミラーを組み合わせ、ミラーの位置を変更することで垂直方向および水平方向の波面形状の変更を行う。
【０３９４】
波面形状変更部１０２からのビームは、走査部１０３によって走査されて、偏向部１０４に入射する。
【０３９５】
本実施の形態において偏向部１０４は、透過型のホログラムによって実現されている。本実施の形態において偏向部１０４はディスプレイの表面に配置され、走査部１０３からの光をユーザの瞳孔上に集光する。
【０３９６】
ユーザの網膜上からの反射光は、入射光と同じ経路を逆向きに辿った後、光検出部２１４によって検出される。
【０３９７】
制御部１０５は、ディスプレイ各部を制御する集積回路を備える。各レーザの出力および、波面形状変更部１０２、走査部１０３、光検出部２１４の制御が制御部１０５によって行われる。
【０３９８】
なお、図３３においてはユーザの眼は一つしか示されていないが、光源１０１、波面形状変更部１０２、走査部１０３、偏向部１０４、光検出部２１４をもう一組用意し、両眼に対してビームの曲率半径の制御を行っても良い。この場合、左右の眼で視力が異なる場合などにそれぞれの眼に対して異なったビームの曲率半径を設定することで、片方の眼で映像がボケてしまう事態を防ぐことができる。
【０３９９】
なお、左右の眼の表示に用いる光源１０１を同一のものにして、光源１０１からのビームをプリズムなどで分光し、左右の眼の表示に用いる波面形状変更部１０２にそれぞれ入射する方法をとっても良い。この場合、必要な光源が減るためディスプレイを小型化することができ、また消費電力を抑えることが可能になる。
【０４００】
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】
【０４０１】
本発明にかかるビーム走査型表示装置は、波面形状変更部などを有し、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。
【図面の簡単な説明】
【０４０２】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるビーム走査型表示装置の平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１におけるビーム走査型表示装置の側面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１におけるビーム走査型表示装置の詳細構成図である。
【図３】図３は、シリンドリカルレンズの構造を示す斜視図である。
【図４】図４は、図３のＩＶ−ＩＶにおける断面図である。
【図５】図５は、図３のＶ−Ｖにおける断面図である。
【図６】図６は、波面曲率変更部において、シリンドリカルレンズとミラーとの距離がシリンドリカルレンズの焦点距離に一致している状態を示す図である。
【図７】図７は、波面曲率変更部において、シリンドリカルレンズとミラーとの距離がシリンドリカルレンズの焦点距離より近い状態を示す図である。
【図８】図８は、走査部の構造を示す斜視図である。
【図９Ａ】図９Ａは、ビーム走査型表示装置のブロック図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の実施の形態１における図９Ａの中央処理部の詳細図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態１におけるビーム走査型表示装置の動作を示すフローチャートである。
【図１１Ａ】図１１Ａは、視力分解能に対応するスポットサイズと、目標解像度に対応するスポットサイズとの関係を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、スポットサイズの許容範囲を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１１Ａと同様の図であって、走査範囲と視野中心とが一致していない場合を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態１におけるスポットサイズ−波面形状−視野位置の対応表を示した図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態２における図９Ａの中央処理部の詳細図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態２におけるビームの曲率半径を変更する処理のフローチャートである。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態２におけるビームの曲率半径とビームのスポットサイズの関係表の例を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態２におけるビームの曲率半径を大きくしたときのビームの集光位置の変化を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態２におけるビームの曲率半径を小さくしたときのビームの集光位置の変化を示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施の形態３にかかる画像表示装置の概略構成図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、眼の中の走査光の焦点位置を示す図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、光検出部において回折光が受光される状態を示す図である。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、光検出部の受光素子上のスポットサイズについて示す図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、眼の中の走査光の焦点位置を示す図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、光検出部において回折光が受光される状態を示す図である。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、光検出部の受光素子上のスポットサイズについて示す図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは、眼の中の走査光の焦点位置を示す図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、光検出部において回折光が受光される状態を示す図である。
【図２１Ｃ】図２１Ｃは、光検出部の受光素子上のスポットサイズについて示す図である。
【図２２】図２２は、本発明の実施の形態４にかかる画像表示装置の概略構成図である。
【図２３Ａ】図２３Ａは、ホログラムミラーの一例を示す図である。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、ホログラムミラーの他の例を示す図である。
【図２４Ａ】図２４Ａは、サーボ光発生用ホログラムミラーのホログラムパターンを示す図である。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、２方向のビームの曲率半径を検出する光検出部を示す図である。
【図２５】図２５は、本発明の実施の形態５にかかる画像表示装置の要部拡大図である。
【図２６Ａ】図２６Ａは、本発明の実施の形態６におけるめがね型画像表示装置の平面図である。
【図２６Ｂ】図２６Ｂは、本発明の実施の形態６におけるめがね型画像表示装置の側面図である。
【図２６Ｃ】図２６Ｃは、本発明の実施の形態６におけるめがね型画像表示装置のＸ矢視図である。
【図２７Ａ】図２７Ａは、本発明の実施の形態７におけるめがね型画像表示装置の平面図である。
【図２７Ｂ】図２７Ｂは、本発明の実施の形態７におけるめがね型画像表示装置の側面図である。
【図２７Ｃ】図２７Ｃは、本発明の実施の形態７におけるめがね型画像表示装置のＸ矢視図である。
【図２８】図２８は、本発明の実施の形態８における自動車搭載型のＨＵＤの構成図である。
【図２９】図２９は、本発明の実施の形態９における椅子装着型の表示装置の構成図である。
【図３０】図３０は、本発明の実施の形態１０におけるレーザ走査型のＨＵＤの構成図である。
【図３１】図３１は、図３０に示されるレーザ走査ユニットの詳細図である。
【図３２】図３２は、本発明の実施の形態１１におけるレーザ走査型の単眼鏡の構成図である。
【図３３】図３３は、本発明の実施の形態１２におけるレーザ走査型のディスプレイの構成図である。
【図３４Ａ】図３４Ａは、従来のビーム走査型表示装置の平面図である。
【図３４Ｂ】図３４Ｂは、従来のビーム走査型表示装置の側面図である。
【図３５】図３５は、人間の眼の構造を示す断面図である。
【図３６】図３６は、近くのものを見るときの水晶体と毛様体の様子を示す図である。
【図３７】図３７は、遠くのものを見るときの水晶体と毛様体の様子を示す図である。
【図３８】図３８は、めがね型画像表示装置の外観の例を示す斜視図である。
【図３９Ａ】図３９Ａは、従来のめがね型画像表示装置の第１の例を示す平面図である。
【図３９Ｂ】図３９Ｂは、従来のめがね型画像表示装置の第１の例を示す側面図である。
【図４０Ａ】図４０Ａは、従来のめがね型画像表示装置の第２の例を示す平面図である。
【図４０Ｂ】図４０Ｂは、従来のめがね型画像表示装置の第２の例を示す側面図である。
【図４１】図４１は、従来例における課題を示した図である。
【図４２】図４２は、従来例における課題を示した図である。
【符号の説明】
【０４０３】
１０，３０，５０              画像表示装置
１１，９１，１０１            光源
１１ａ                        コリメータレンズ
１１ｂ                        ダイクロイックプリズム
１１Ｒ，２１１                赤色レーザ光源（Ｒ光源）
１１Ｇ，２１３                緑色レーザ光源（Ｇ光源）
１１Ｂ，２１２                青色レーザ光源（Ｂ光源）
１２，１２ａ                  レーザ光
１３，９２，１０３            走査部
１３ａ                        反射ミラー
１４，１４ａ，１４ｂ          走査光
１５                          瞳
１６，９３，１０４            偏向部
１６ａ                        基板
１６ｂ                        ホログラムミラー
１６ｃ                        偏向面
１６ｄ                        外側の面
１６ｅ                        遮蔽膜
１６ｆ，５１                  サーボ光発生用ホログラムミラー
１６ｇ                        第１の反射型ホログラムミラー
１６ｈ                        第２の反射型ホログラムミラー
１７                          虹彩
１７ａ                        反射体
１７ｂ                        反射光
１７ｃ，１７ｄ，１９ｂ        スポットサイズ
１８，５２，２１４            光検出部
１８ａ，２２，２３，５３      受光素子
１８ｂ，２１ｂ                対物レンズ
１８ｃ                        アパーチャ
１８ｄ                        回折格子
１８ｆ，１８ｇ                回折光
１８ｈ                        赤外レーザ光源
１９，８８                    眼
１９ａ，１２０４              網膜
１９ｃ                        焦点位置
２０，９４，１０５            制御部
２０ａ                        ビーム形状調節部
２０ｂ                        サーボ用ミラー
２１                          光路長調整部
２１ａ                        プリズム
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ  受光部
３１                          矢印
３２，３２ａ，３２ｂ          ビーム走査方向
３３                          ビーム偏向領域
３４                          サーボ光が発生する領域
５１ａ                        ホログラムパターン
５５                          見かけの発光点
８１                          めがね型画像表示装置
８２                          めがねレンズ
８３                          レンズフレーム
８４                          テンプル
８５                          開口
８６                          レーザビーム
８７                          画像反射領域
８９                          外部機器
９５，９６，２２０２          折り返しミラー
９７                          走査中心軸
９８                          折り返し反射領域
１０２                        波面形状変更部
１０３ａ                      ミラー部
１０３ｂ                      枠体
１０３ｃ，１０３ｄ            軸部
１０６                        ヘッドホン部
２０１，２１０１              焦点距離水平成分変更部
２０２，２１０２              焦点距離垂直成分変更部
２０３                        シリンドリカルレンズ
２０３ａ                      平面部
２０３ｂ                      曲面部
２０３ｃ，２０３ｄ            端面部
２０４                        ミラー
４０１                        偏向部支持部
５０１                        中央処理部
５０２                        記憶部
５０３                        入出力制御部
５２０                        通信部
５３１                        視線検出部
５３２                        視野位置判定部
１２０１，２００６            眼球
１２０２                      水晶体
１２０３                      毛様体
１２０５                      入射光
１３０１                      物体
１５０１                      スポットサイズ判定部
１５０２                      ビーム曲率制御部
２００１                      車
２００２                      レーザ走査ユニット
２００３                      フロントガラス
２００４                      ハーフミラー
２００５                      ドライバー
２００７                      天井
２００８                      支持棒
２２０１                      単眼鏡
２２０３                      カメラ
２３０１                      ディスプレイ
２３０２                      机
【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】
ビームを出力する光源と、
前記光源から出力されたビームを走査する走査部と、
前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向部と、
ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記光源からのビームの波面形状を変更して前記走査部に出力する波面形状変更部とを備える
ビーム走査型表示装置。
【請求項２】
前記走査部で走査されたビームの一部を検出する光検出部を備え、
前記波面形状変更部は、前記光検出部の検出結果に基づいてビームの波面形状を変更する
請求項１に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項３】
前記光検出部は、ユーザの眼に入射したビームの角膜上での反射光を検出し、
前記光検出部によって検出された反射光の強度からユーザの視線方向を検出する視線検出部と、
前記視線検出部で検出した視線方向を用いて、ユーザの視野領域におけるビームの位置を判定する視野位置判定部とを備え、
前記波面形状変更部は、前記視野位置判定部で判定したビームの位置に応じて変動する前記許容範囲に基づいて、ビームの波面形状を変更する
請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項４】
前記許容範囲の上限は、ビームがユーザの視野中心に近づくほど大きくなり、視野中心から遠ざかるほど小さくなる
請求項３に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項５】
前記許容範囲の上限は、ユーザの視野領域での位置に対応する視力分解能に応じた値、及び視野中心での目標表示解像度に応じた値のうちのいずれか大きい方の値である
請求項４に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項６】
前記光検出部の検出結果に基づいて、ユーザの眼に入射されるビームの網膜上でのスポットサイズを判定するスポットサイズ判定部と、
ビームの曲率半径の目標値を保持し、前記スポットサイズ判定部によって判定されたスポットサイズが予め定めた閾値を超えない範囲で、ビームの曲率半径が前記目標値に段階的に近づくように、ビームの曲率半径を所定値ずつ変更するビーム曲率制御部とを備える
請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項７】
ビームの曲率半径の前記目標値は、前記スポットサイズ判定部によって判定されたスポットサイズが予め定めた閾値を超えない範囲で、最大の値に設定される
請求項６に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項８】
前記ビーム曲率制御部は、前記スポットサイズ判定部の判定結果が前記閾値を超えたことに応じて、前記目標値を引き下げる
請求項７に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項９】
前記ビーム曲率制御部は、一定時間内における前記スポットサイズの変動幅が一定値以下の場合にのみビームの曲率半径を変更する
請求項６に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１０】
ユーザの身体動作変化を検出する動き検出部を備え、
前記ビーム曲率制御部は、前記動き検出の出力からユーザの身体動作変化の幅が一定値以上の場合には、前記曲率半径の変更を行わない
請求項６に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１１】
前記ビーム曲率制御部は、ビームの曲率半径を増加させる期間と、前記曲率半径を減少させる期間とを交互に繰り返す
請求項６に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１２】
前記偏向部は、基板と、前記基板の少なくとも一部に形成されたホログラムミラーとを含み、
前記ホログラムミラーは、前記走査部からの走査光をユーザの眼に向かわせる偏向領域と、前記走査部が出力したビームの一部を反射して前記光検出部に導く反射体とを含む
請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１３】
前記反射体は、前記偏向領域内に形成されており、
前記偏向領域と前記反射体とは、多重化されている
請求項１２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１４】
前記反射体は、前記偏向領域の周囲の少なくとも一部に形成されている
請求項１２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１５】
前記反射体は、網膜上のスポットサイズが最適値となるときに最も強い反射光を出力する
請求項１２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１６】
前記光源は、赤色レーザ光源と、青色レーザ光源と、中心波長が７５０ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下の赤外光を出力する赤外レーザ光源及び赤外光の一部を緑色に変換するＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子を組み合わせた緑色レーザ光源とを含み、
前記反射体は、前記赤外光を反射する
請求項１２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１７】
前記偏向部は、前記基板の前記ホログラムミラーが取り付けられた面とは反対側の面に、赤外光を遮蔽する遮蔽膜を備える
請求項１６に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１８】
前記光検出部は、前記反射光の波面形状のうち光軸に垂直で、かつ互いに直交する２方向のビームの曲率半径を個別に検出する
請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項１９】
前記光検出部は、前記走査部から出力され、前記偏向部、ユーザの眼の角膜、ユーザの眼の網膜、及びユーザの瞳の虹彩のいずれかで反射された反射光を検出する
請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２０】
前記波面形状変更部は、ビームの水平成分の波面形状を変更する水平成分変更部と、垂直成分の波面形状を変更する垂直成分変更部とを有する
請求項１に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２１】
前記水平成分変更部は、前記垂直成分変更部よりも、ビームの波面形状を大きく変更させる
請求項２０に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２２】
前記波面形状変更部は、前記水平成分変更部と前記垂直成分変更部とを光路に直列に配置し、ビームの波面形状を順次変更する
請求項２０に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２３】
前記波面形状変更部は、前記走査部での水平方向走査時に垂直方向走査時よりもビームの波面形状を大きく変更させる
請求項２０に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２４】
該ビーム走査型表示装置は、めがね型の画像表示装置であって、
前記偏向部を有する一対のレンズと、
前記一対のレンズそれぞれの外縁部から後方に延びると共に、少なくとも前記走査部を保持する一対のテンプルと、
前記光源からのビームを前記走査部に導くものであって、前記走査部へのビームの入射角が、前記光源から前記走査部に直接入射する場合より小さくなる位置に配置される折り返しミラーとを備え、
前記折り返しミラーは、
前記テンプル内の前記走査部と鉛直方向に離隔した位置に配置され、前記光源からのビームを反射する第１のミラーと、
前記第１のミラーより前記レンズに近い位置に配置され、前記第１のミラーからの反射光を前記走査部に導く第２のミラーとを含む
請求項１に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２５】
前記偏向部は、ホログラムミラーであり、
前記走査部からの走査光をユーザの眼に向かう方向に偏向する画像反射領域と、
前記第２のミラーとして機能する折り返し反射領域とを備える
請求項２４に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２６】
前記折り返し反射領域は、前記偏向領域で生じる収差の少なくとも一部を補正するための収差を有する
請求項２５に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２７】
前記波面形状変更部は、
前記光源から出力されたビームを集光させるレンズと、
前記レンズで集光されたビームを前記レンズに向かって反射するミラーと、
前記レンズと前記ミラーとの間の距離を制御する位置制御部とを備える
請求項１に記載のビーム走査型表示装置。
【請求項２８】
ビームを出力するビーム出力ステップと、
前記ビーム出力ステップで出力されたビームを走査する走査ステップと、
前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向ステップと、
ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記ビーム出力ステップからのビームの波面形状を変更して前記走査ステップに出力する波面形状変更ステップとを備える
ビーム走査型表示方法。
【請求項２９】
ビームを出力するビーム出力ステップと、
前記ビーム出力ステップで出力されたビームを走査する走査ステップと、
前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向ステップと、
ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記ビーム出力ステップからのビームの波面形状を変更して前記走査ステップに出力する波面形状変更ステップと
をコンピュータに実行させるための
プログラム。
【請求項３０】
ビームを出力する光源と、
前記光源から出力されたビームを走査する走査部と、
前記走査部で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ偏向する偏向部と、
ビームのスポットサイズが予め定めた許容範囲内に収まるように、前記光源からのビームの波面形状を変更して前記走査部に出力する波面形状変更部とを備える
集積回路。
【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１Ａ】
2009041055.tif 000064
【図１Ｂ】
2009041055.tif 000065
【図２】
2009041055.tif 000066
【図３】
2009041055.tif 000067
【図４】
2009041055.tif 000068
【図５】
2009041055.tif 000069
【図６】
2009041055.tif 000070
【図７】
2009041055.tif 000071
【図８】
2009041055.tif 000072
【図９Ａ】
2009041055.tif 000073
【図９Ｂ】
2009041055.tif 000074
【図１０】
2009041055.tif 000075
【図１１Ａ】
2009041055.tif 000076
【図１１Ｂ】
2009041055.tif 000077
【図１１Ｃ】
2009041055.tif 000078
【図１２】
2009041055.tif 000079
【図１３】
2009041055.tif 000080
【図１４】
2009041055.tif 000081
【図１５】
2009041055.tif 000082
【図１６】
2009041055.tif 000083
【図１７】
2009041055.tif 000084
【図１８】
2009041055.tif 000085
【図１９Ａ】
2009041055.tif 000086
【図１９Ｂ】
2009041055.tif 000087
【図１９Ｃ】
2009041055.tif 000088
【図２０Ａ】
2009041055.tif 000089
【図２０Ｂ】
2009041055.tif 000090
【図２０Ｃ】
2009041055.tif 000091
【図２１Ａ】
2009041055.tif 000092
【図２１Ｂ】
2009041055.tif 000093
【図２１Ｃ】
2009041055.tif 000094
【図２２】
2009041055.tif 000095
【図２３Ａ】
2009041055.tif 000096
【図２３Ｂ】
2009041055.tif 000097
【図２４Ａ】
2009041055.tif 000098
【図２４Ｂ】
2009041055.tif 000099
【図２５】
2009041055.tif 000100
【図２６Ａ】
2009041055.tif 000101
【図２６Ｂ】
2009041055.tif 000102
【図２６Ｃ】
2009041055.tif 000103
【図２７Ａ】
2009041055.tif 000104
【図２７Ｂ】
2009041055.tif 000105
【図２７Ｃ】
2009041055.tif 000106
【図２８】
2009041055.tif 000107
【図２９】
2009041055.tif 000108
【図３０】
2009041055.tif 000109
【図３１】
2009041055.tif 000110
【図３２】
2009041055.tif 000111
【図３３】
2009041055.tif 000112
【図３４Ａ】
2009041055.tif 000113
【図３４Ｂ】
2009041055.tif 000114
【図３５】
2009041055.tif 000115
【図３６】
2009041055.tif 000116
【図３７】
2009041055.tif 000117
【図３８】
2009041055.tif 000118
【図３９Ａ】
2009041055.tif 000119
【図３９Ｂ】
2009041055.tif 000120
【図４０Ａ】
2009041055.tif 000121
【図４０Ｂ】
2009041055.tif 000122
【図４１】
2009041055.tif 000123
【図４２】
2009041055.tif 000124
【国際調査報告】
2009041055.tif 000125
2009041055.tif 000126
2009041055.tif 000127
2009041055.tif 000128