(57)【要約】【課題】複数の光源により２つ以上の走査領域が走査されて１画像を認識させる走査型表示装置において、眼球運動によって画像の品位が低下する現象の発生を抑える。【解決手段】走査型画像表示装置は、複数の光源２０１ａ〜２０１ｃと、該複数の光源からの光束２０２を２次元方向に走査する走査手段２０３とを有する。走査手段は、１画面に対応する範囲内で２つ以上の走査領域２０５ａ〜２０５ｃに対して互いに異なる光源からの光束を走査し、かつ各走査領域において、第１の方向には第１の速度で、第１の方向とは異なる第２の方向には第１の速度よりも低速の第２の速度で光束を走査する。第２の方向は、観察者の眼２０７の上下方向に対応する方向又は画面の短辺方向である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光源と、
該複数の光源からの光束を２次元方向に走査する走査手段とを有し、
前記走査手段は、１画面に対応する範囲内で２つ以上の走査領域に対して互いに異なる光源からの光束を走査し、かつ前記各走査領域において、第１の方向には第１の速度で、前記第１の方向とは異なる第２の方向には前記第１の速度よりも低速の第２の速度で前記光束を走査し、
前記第２の方向が、観察者の眼の上下方向に対応する方向であることを特徴とする走査型表示装置。
【請求項２】
複数の光源と、
該複数の光源からの光束を２次元方向に走査する走査手段とを有し、
前記走査手段は、１画面に対応する範囲内で２つ以上の走査領域に対して互いに異なる光源からの光束を走査し、かつ前記各走査領域において、第１の方向には第１の速度で、前記第１の方向とは異なる第２の方向には前記第１の速度よりも低速の第２の速度で前記光束を走査し、
前記第２の方向が、画面の短辺方向であることを特徴とする走査型表示装置。
【請求項３】
前記複数の走査領域が、前記第２の方向に並ぶことを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型表示装置。
【請求項４】
光束を観察者の眼に対して走査することを特徴とする請求項１から３いずれか１つに記載の走査型表示装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の走査型表示装置と、
被写体像を撮像する撮像素子とを有し、
前記撮像素子を用いて取得された画像を前記走査型表示装置により表示することを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
該撮像装置に対して、前記第１の方向と前記第２の方向とを切り換える機能を有することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
請求項１から４のいずれか１つに記載の走査型表示装置と、
該走査型表示装置に画像信号を供給する画像供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光束を２次元方向に走査することで観察者に画像を認識させる走査型表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光源からの光ビームを高速に走査し、残像効果を利用して画像を認識させる走査型表示装置はこれまで多く提案されている。このような走査型表示装置には、特許文献１にて開示されているように、単一若しくは複数の光源からの光を１本のビームにまとめて走査するものがある。
【０００３】
また、特許文献２にて開示されているように、複数本のビームによって複数のエリアを走査し、該エリアごとの部分画像の繋ぎ合わせによって１つの画像を認識させるものもある。
【０００４】
光ビームを高速に走査して高い解像度の画像を得るためには、数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚで運動する走査デバイスが必要とされる。このため、この種の走査型表示装置には、半導体プロセスにより製造されるマイクロマシンとしてのＭＥＭＳ走査デバイスが用いられることが多い。
【０００５】
但し、走査デバイスの走査周波数が高いと、その製造が難しくなる。この点、特許文献２にて開示されている装置では、複数のビームのそれぞれによって個々の領域を走査するため、特許文献１にて開示された装置のように１本のビームで１画面全体を走査する場合に比べて、同じ時間内でビームが移動する範囲が小さくなる。これにより、要求されるビームの走査速度を遅くすることができ、高い解像度を得ながらも走査デバイスの走査周波数を下げることができる。
【特許文献１】特開２００４−１３８８２２公報（段落００５２〜００５７、図１等）
【特許文献２】特表２００４−５２７７９３公報（段落００４０〜００４８、図１０〜１３等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、複数の光源からの複数のビームによって１画面内の複数の走査領域をそれぞれ走査することによって、ビームの走査速度が遅くなる。そして、ビームのスポットの網膜上での移動速度が遅くなると、観察者の眼球が回転等の運動をしたときに、その眼球運動の速度が網膜上でスポットの移動速度にほぼ一致する場合がある。
【０００７】
参考文献１に示されるように、人間の眼球運動による視野変化の角速度（つまりは眼球運動の角速度）は、サッケード（ｓａｃｃａｄｅ）と呼ばれる断続的運動又は急速眼球運動状態において、３００〜６００°／ｓｅｃに達する。サッケードとは、人間の眼が１つの注視点から次の注視点に素早く移動する運動をいう。人間は、物を見るときに、平均約３００ミリ秒の固視（１つの注視点に留まること）と数十ミリ秒のサッケードとを繰り返して外界の情報を処理している。
【０００８】
したがって、このサッケード状態での眼球運動の速度が網膜上でスポットの移動速度にほぼ一致する場合が生じる。そしてこの場合、観察者における残像効果が弱くなったり生じなくなったりするため、画像の一部が認識されなくなる（画像が欠ける）現象が生じ、表示画像の品位が低下する。
（参考文献１）：生体システム特論  Ｎｒ．５「視覚系と聴覚系１」龍谷大学  小堀聡(http://milan.elec.ryukoku.ac.jp/%7Ekobori/resume/bio/bio5.html)
例えば、図８（ａ）に示すように、スポットの走査による移動方向が矢印Ａ方向である場合において、観察者の眼球Ｅが同じ方向に回転運動をしたとする。このとき、観察者の網膜上におけるスポット１０１の像１０２の速度Ｖは、眼球運動による網膜の移動速度をＶｒとし、走査によるスポットの移動速度をＶｓとしたとき、
Ｖ＝Ｖｓ−Ｖｒ
となる。
【０００９】
このため、仮にＶｓ≒Ｖｒであると、Ｖ≒０となり、網膜上においてスポット像１０２が相対的に静止する。これにより、眼球運動前のスポット像１０２の位置を１０３としたとき、眼球運動後のスポット像１０５が位置１０３から動いていないように見えてしまう。このため網膜上で残像を生じず、図８（ｂ）に示すように、各走査領域１０７の一部１０６が表示できなくなり、画像欠けが生じてしまう。このような課題に対し、特許文献２ではその解決策を開示していない。
【００１０】
本発明は、複数の光源により２つ以上の走査領域が走査されて１画像を認識させる走査型表示装置において、眼球運動によって画像の品位が低下する現象の発生を抑えることができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一側面としての走査型画像表示装置は、複数の光源と、該複数の光源からの光束を２次元方向に走査する走査手段とを有する。走査手段は、１画面に対応する範囲内で２つ以上の走査領域に対して互いに異なる光源からの光束を走査し、かつ各走査領域において、第１の方向には第１の速度で、第１の方向とは異なる第２の方向には第１の速度よりも低速の第２の速度で光束を走査する。そして、第２の方向が、観察者の眼の上下方向に対応する方向又は画面の短辺方向であることを特徴とする。
【００１２】
なお、上記走査型表示装置と撮像素子を有し、撮像素子により取得された画像を走査型表示装置により表示する撮像装置も本発明の一側面を構成する。さらに、走査型表示装置と、該走査型表示装置に画像信号を供給する画像供給装置とを有する画像表示システムも本発明の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００１３】
人間の眼球運動は、主として水平（左右）方向に、垂直（上下）方向よりも高速で行われるという特性があることが知られている。本発明は、この特性を利用し、より低速での走査方向を上下方向（一般的には画面の短辺方向）としている。すなわち、高速の眼球運動が生じにくい上下方向に低速走査方向を設定することで、スポットの網膜上での相対的な静止状態を回避し、画像欠けの発生を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１には、本発明の実施例１である走査型画像表示装置の概略構成および画像表示の原理を示している。
【００１６】
この走査型表示装置は、観察者が頭部に装着して動画や静止画を鑑賞できるヘッドマウントディスプレイとして用いられる。また、ビデオカムコーダやデジタルカメラ等の撮像装置に電子ビューファインダとして搭載されてもよい。
【００１７】
図１において、２０１ａ〜２０１ｃはＬＥＤ、レーザダイオード、ランプ等により構成される光源である。２０３は光源２０１ａ〜２０１ｃからの光束（ビーム）２０２を２次元方向に走査する走査デバイスである。２０９は走査デバイス２０３によって走査されるビームを観察者の眼（網膜）２０７に拡大して導く接眼光学系である。
【００１８】
なお、図１では、説明を簡単にするために、光源からの拡散光束を略平行な光束であるビームにする光学系や走査されたビームを被走査面２０６上に結像させる光学系を省略している。このことは、以下の実施例でも同様である。
【００１９】
３個の光源２０１ａ〜２０１ｃは駆動回路Ｄに接続されており、駆動回路Ｄには、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオデッキ等の画像供給装置から画像信号が入力される。駆動回路Ｄは、入力された画像信号によって表される１つの画像（１フィールド画像）を垂直方向（上下方向）である短辺方向に３つの領域に分割し、これら３つの分割領域の画像信号に応じて３個の光源２０１ａ〜２０１ｃのそれぞれを変調する。このような画像信号の入力と光源の変調制御は、以下に説明する他の実施例でも行われる。
【００２０】
３個の光源２０１ａ〜２０１ｃから発せられた３本のビーム２０２はそれぞれ、１画面に対応する範囲である被走査面２０６上にスポットを形成する。３つのスポット２０４（図には、１つのスポットのみ示す）は、走査デバイス２０３によるビームの偏向作用によって、被走査面２０６上に垂直方向に相互に接するように並んだ３つの走査領域２０５ａ〜２０５ｃのそれぞれで２次元方向に走査される。２次元方向は、水平方向２１１と垂直方向２１２である。被走査面２０６を通過した３本のビーム２０２はそれぞれ、接眼光学系２０９を介して眼２０７内の網膜上にもスポットを形成する。各ビームが２次元方向に走査されることによって網膜上の各スポットも２次元方向に移動する。
【００２１】
観察者は３つのスポットの残像効果によって３つの走査領域２０５ａ〜２０５ｃに対応する３つの分割画像を認識することができる。そして、これら垂直方向に並んだ３つの分割画像が残像効果の存続時間内ですべて認識されることにより、該３つの分割画像が繋ぎ合わさった１つの画像を認識（観察）することができる。また、３つの走査領域２０５ａ〜２０５ｃを接眼光学系２０９により拡大することで、観察者は水平方向に所定の画角（全視野角）２０８を持った画像を観察することができる。
【００２２】
ここで、走査デバイス２０３は、各走査領域において、ビーム２０２を、水平方向２１１には所定速度（第１の速度）で、垂直方向２１２には該所定速度よりも遅い速度（第２の速度）で走査する。また、第１および第２の速度は、
第１の速度＞＞第２の速度
の関係がある。
【００２３】
以下、第１の速度での走査方向を高速走査方向といい、第２の速度での走査方向を低速走査方向という。
【００２４】
本実施例では、走査デバイス２０３として、１つのデバイスで２次元方向走査が可能な２次元走査デバイスを用いている。具体的には、図２に示す構成を有する走査デバイス３０１を用いている。
【００２５】
図２に示す走査デバイス３０１は、半導体プロセス技術を用いて製造されるＭＥＭＳ(Micro-ElectroMechanical Systems)デバイスである。該走査デバイス３０１は、偏向面（反射面）を持つ微小ミラー３０２がトーションバー３０３，３０４で支持された構造を有する。微小ミラー３０２は、トーションバー３０３が捻れることで軸３０５を略中心とした共振往復運動を行う。また、トーションバー３０４が捻れることで、軸３０５に直交する軸３０６を略中心とした共振往復運動を行う。この両軸３０５，３０６を略中心とする往復運動によって、微小ミラー３０２の偏向面の法線方向が２次元的に変化する。このため、微小ミラー３０２に入射するビームの反射方向が変化し、これにより、ビームを２次元方向に走査することができる。
【００２６】
このようなＭＥＭＳデバイスを用いることで、走査デバイス２０３を小型化することが可能になる。
【００２７】
なお、上述した上記２次元ＭＥＭＳ走査デバイスに代えて、他の走査手段を用いてもよい。例えば、１次元走査が可能な２つの１次元ＭＥＭＳ走査デバイスを走査方向を異ならせるように組み合わせて用いたり、１次元走査が可能な回転多面鏡を含む組み合わせを用いたりすることもできる。
【００２８】
各走査領域において結像したスポットは、走査デバイスのビーム走査によって図３Ａに示すように動く。但し、図３Ａには、図１の装置に対して１つ光源を増やし、垂直方向に分割された４つの走査領域で４つの光源からのビームが走査される場合の例を示している。
【００２９】
垂直方向において、スポットは各走査領域内でラスタスキャンを行い、各走査領域で分割画像を形成する。そして、観察者が４つの分割画像を繋ぎあわせることで１枚の画像を形成する。
【００３０】
４０２はスポットの低速走査方向であり、垂直方向、すなわち画像の短辺方向である。また、４０１はスポットの高速走査方向であり、水平方向、すなわち画像の長辺方向である。
【００３１】
例えば、水平画角２０度、垂直画角１５度、フレームレート６０Ｈｚ、画像解像度１０２４×７６８画素の装置において、４つの走査領域に形成された分割画像の繋ぎ合わせにより１画像を表示する場合を想定する。
【００３２】
この場合において、図３Ａのように走査領域を垂直方向に分割し、垂直方向を低速走査方向とする。このとき、観察者が観察する水平方向（高速走査方向）のスポット移動角速度Ｖ１と、垂直方向（低速走査方向）のスポット移動角速度をＶ２はそれぞれ、
Ｖ１＝２３０４００度／秒
Ｖ２＝２２５度／秒
が最低限必要となる。
【００３３】
一方、図３Ｂのように走査領域を水平方向に分割し、水平方向を低速走査方向とする。このとき、観察者が観察する水平方向（低速走査方向）のスポット移動角速度Ｖ３と、垂直方向（高速走査方向）のスポット移動角速度Ｖ４はそれぞれ、
Ｖ３＝３００度／秒
Ｖ４＝２３０４００度／秒
が必要となる。
【００３４】
ここで、前述したように、人間の眼球は、サッケードと呼ばれる眼球運動によって６００°／秒に達する速度で回転する。このため、低速走査方向では、眼球運動速度がスポットの移動速度を上回ってしまい、画像欠けが生じてしまう。しかし、このサッケードは、特に水平方向（左右方向）にて多く発生し、かつ高速で行われ、垂直方向（上下方向）では少なく、かつ低速で行われることが知られている。このため、水平方向に低速走査を行う場合、画像欠けが観察される頻度が高くなり、画像の品位が低下する。
【００３５】
これに対し、垂直方向に低速走査を行う場合、垂直方向の眼球運動が少ないことから、画像欠けが生じにくくなる。このため、本実施例では、低速走査方向を垂直方向に設定し、高速走査方向を水平方向とすることで、画像欠けの発生を低減している。
【００３６】
なお、本実施例では、光源および走査領域の数を３つ又は４つの場合について説明したが、本発明はこれらに限定されず、２以上の数であればよい。
【００３７】
また、光源の数と走査領域の数は一致してもよいし、一致しなくてもよい。例えば、各走査領域に対してＲＧＢ３色の光源を配置し、フルカラーの表示を行うことも可能である。
【００３８】
また、本実施例では、複数の走査領域に対して１つ（又は垂直方向と水平方向の一組）の走査デバイスを用いる場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されない。例えば、走査領域と数と同じ数（又は組）の走査デバイスを設け、１つの走査領域に対して１つ（又は１組）の走査デバイスによってビームを走査するようにしてもよい。
【実施例２】
【００３９】
図４には、本発明の実施例２である走査型画像表示装置による画像表示形態を示す。実施例１では、垂直方向に複数の走査領域を配置した場合について説明したが、本実施例では、垂直方向に複数（４つ）の走査領域を配置している。
【００４０】
そして、本実施例でも、水平方向を高速走査方向とし、垂直方向を低速走査方向に設定している。すなわち、実施例１と同様に、人間の眼球運動（サッケード）の生じやすい方向と低速走査方向とを異ならせている。なお、本実施例の装置構成は、実施例１と同様である。
【００４１】
本実施例において、例えば、水平画角２０度、垂直画角１１．２５度、フレームレート６０Ｈｚ、画像解像度１０２４×７６８画素とする。この場合、スポットの水平方向移動角速度Ｖｆと垂直方向移動角速度Ｖｓはそれぞれ、
Ｖｆ＝１１５２００度／秒
Ｖｓ＝６７５度／秒
となる。
【００４２】
この場合でも、水平方向のスポット移動角速度Ｖｆは、サッケードによる角速度を上回るため、水平方向に画像欠けは生じない。また、垂直方向にはサッケードが生じにくいため、画像欠けが生じにくく、結果として画像欠けを低減することが可能になる。
【実施例３】
【００４３】
図５には、実施例１，２にて説明した走査型画像表示装置を用いたヘッドマウントディスプレイを示している。ヘッドマウントディスプレイ１は、観察者の頭部Ｈに眼鏡のように装着されて使用される。観察者の眼Ｅの前には、走査型表示装置４が内蔵されたディスプレイ本体部が配置される。図示しないが、走査型表示装置４は、観察者の両眼に対して１セットずつ配置される。
【００４４】
該ヘッドマウントディスプレイ１には、図１にも示した駆動回路Ｄが搭載されており、該駆動回路Ｄには、画像供給装置（図１参照）が接続される。
【００４５】
画像供給装置から入力された画像信号に応じて走査型表示装置４から射出されるビームが観察者の眼Ｅ内の網膜上を走査することで、観察者は画像を観察することができる。
【００４６】
また、本実施例ではヘッドマウントディスプレイについて説明したが、本発明はスクリーン上に画像を投影するプロジェクタ等の画像投射装置（走査型画像表示装置）にも適用可能である。プロジェクタに本発明を適用する場合には、低速走査方向の全視野角がスクリーン上の投影面積や観察者からスクリーンまでの距離によって変わることになるが、想定する使用状態に合わせて適切な値を設定すればよい。
【実施例４】
【００４７】
図６には、実施例１，２にて説明した走査型画像表示装置を用いたビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の撮像装置を示す。
【００４８】
撮影レンズ６０１により形成された被写体像は、光電変換素子である撮像素子６０２によって電気信号に変換される。撮像素子６０２としては、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどが用いられる。
【００４９】
撮像素子６０２からの出力が画像処理回路６０３において処理されることにより、画像が形成される。この画像は、半導体メモリ、磁気テープ、光ディスク等の記録媒体に記録される。また同時に、画像処理回路６０３にて形成された画像は、走査型画像表示装置によって構成される電子ビューファインダ６０５に表示される。観察者６０６は電子ビューファインダ６０５を観察しながら撮像を行う。
【００５０】
電子ビューファインダ６０５を見ている眼球６０６には、撮像装置を大きく横に振る（パンニングを行う）際に、表示画像の動きに追従する運動が生じる。この場合に、低速走査方向が水平方向（横方向）である場合、画像欠けが生じやすい。画像欠けが生じると、撮影者に違和感を与えるだけでなく、被写体の一部が一瞬見えなくなるなどの悪影響をもたらす。撮像装置では、水平方向にパンニングを行うことが多いため、低速走査方向が水平方向であると、画像欠けが観察される頻度も増加する。このため、低速走査方向を垂直方向に設定することで、画像欠けの発生を低減させることが可能になる。
【００５１】
また、特にデジタルスチルカメラでは、通常の左右方向を上下方向として撮影（いわゆる縦位置撮影）する場合がある。この場合、通常の位置（いわゆる横位置）の状態で垂直方向を低速走査方向としていても、縦位置においては水平方向が低速走査方向となってしまい、画像欠けが生じやすくなる。
【００５２】
このため、図７に示すように、カメラ本体７０１に対して、電子ビューファインダ（走査型画像表示装置）７０２を回転可能とする機構７０３を設けるとよい。図７（ａ）は、横位置で撮影している状態を示す。この状態では、撮影者（観察者）の眼の上下（垂直）方向と、電子ビューファインダ７０２の低速走査方向が一致している。
【００５３】
図７（ｂ）は、縦位置で撮影する状態を示す。この状態では、回転機構７０３によって図中の矢印方向に電子ビューファインダ７０２を９０°回転させる。これにより、縦位置撮影でも、撮影者（観察者）の眼の上下（垂直）方向と低速走査方向とを一致させることができる。
【００５４】
なお、本実施例では、カメラ本体７０１に設けられたセンサ７０４を用いて横位置か縦位置かを検出し、回転機構７０３をアクチュエータによって自動的に回転させる。センサ７０４は、例えば観察者の眼がカメラ本体７０１に対してどの向きにあるかを検出するものであってもよい。
【００５５】
また、回転機構７０３は手動によって回転させるものであってもよい。
【００５６】
さらに、電子ビューファインダ７０２の回転に伴い、表示画像のアスペクト比が撮影画面と一致するように、走査デバイス２０３による走査角を変化させてもよい。
【００５７】
また、本実施例では、回転機構によって電子ビューファインダを回転させる場合について説明したが、撮像装置の位置に応じて高速走査方向と低速走査方向を入れ換えることが可能な構成を有すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施例１である走査型画像表示装置の構成を示す概略図。
【図２】実施例１の装置に用いられる走査デバイスの構成を示す斜視図。
【図３Ａ】実施例１の装置による画像表示例を示す図。
【図３Ｂ】図３Ａとの比較例を示す図。
【図４】本発明の実施例２である走査型画像表示装置による画像表示例を示す図。
【図５】実施例１，２の装置を用いた本発明の実施例３であるヘッドマウントディスプレイを示す図。
【図６】実施例１，２の装置を用いた本発明の実施例４である撮像装置を示す図。
【図７】実施例４の変形例を示す図。
【図８】眼球運動による画像欠けの発生を説明する図。
【符号の説明】
【００５９】
１  ヘッドマウントディスプレイ
４  走査型画像表示装置
１０１，１０４  被走査面上のスポット
１０２  網膜上のスポット像
１０３，１０５  網膜上でのスポット像の位置
１０６  画像欠け
１０７，２０５ａ〜２０５ｃ  走査領域
２０１ａ〜２０１ｃ  光源
２０３，３０１  ２次元走査デバイス
２０６  被走査面
Ｅ，２０７，６０６  観察者の眼
２０９  接眼光学系
６０１  撮影レンズ
６０２  撮像素子
６０５，７０２  電子ビューファインダ
７０３  回転機構
【図３Ｂ】
2007121581.tif 000003
【図５】
2007121581.tif 000004
【図８】
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【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
2007121581.tif 000008
【図４】
2007121581.tif 000009
【図６】
2007121581.tif 000010
【図７】
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