(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの光源と、
その光源から出射される光束を画像信号に応じて変調する変調手段と、
その変調手段によって変調された光束の波面曲率を変調する波面曲率変調手段と、
その波面曲率変調手段によって変調された光束を走査する走査手段と、
その走査手段によって走査された光束を観察者の瞳孔に入射するための光学手段と
を備え、前記観察者の網膜に前記画像信号に対応する画像を表示する画像表示装置であって、
前記波面曲率変調手段は、
入射したレーザ光を透過光と、透過光の垂直方向に反射された反射光とに分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで反射又は透過された光束を集光する集光手段と、
前記光束を反射する反射手段と、
当該反射手段を前記光束の光軸方向に移動させる移動手段とを備え、
前記反射手段で反射された光束は、集光手段を通過し、ビームスプリッタに入射し、透過又は反射され、前記走査手段に入射することを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記ビームスプリッタは、前記変調手段により変調された光束のうち、所定の方向の直線偏光を透過し、前記所定の方向と直交する方向の直線偏光を反射する偏光ビームスプリッタであり、
前記集光手段と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられた１／４波長板を備えたことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記１／４波長板は、前記光軸方向に直交する面上で回転可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
少なくとも１つの光源と、
その光源から出射される光束を画像信号に応じて変調する変調手段と、
その変調手段によって変調された光束の波面曲率を変調する波面曲率変調手段と、
その波面曲率変調手段によって変調された光束を走査する走査手段と、
その走査手段によって走査された光束を観察者の瞳孔に入射するための光学手段と
を備え、前記観察者の網膜に前記画像信号に対応する画像を表示する画像表示装置であって、
前記波面曲率変調手段は、
入射したレーザ光を透過光と、透過光の垂直方向に反射された反射光とに分離するビームスプリッタと、
当該ビームスプリッタで反射又は透過された光束を集光する集光手段と、
前記集光手段で集光された光束が入射され、当該光束の光軸方向に対して位置の異なる複数の反射面を有する反射手段と、
当該反射手段を、前記光軸方向と直交し、位置の異なる反射面にて光束を反射可能な方向に移動させる移動手段と
を備えたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項５】
前記波面曲率変調手段は、前記移動手段とは別に前記反射手段の位置を調整するための位置調整手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記反射手段で反射した光を検出する光検出手段を備え、
前記位置調整手段は、前記光検出手段によって検出された光の位置に応じて前記反射手段の位置を調整することを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記波面曲率変調手段は、前記走査手段より光源側に配置され、かつ前記走査手段上に光束が入射する位置と観察者の瞳孔位置とが光学的に共役の関係にあることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光束を走査して眼の網膜に直接画像を投影する画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、１インチ四方程度の小型の液晶ディスプレイ等をヘッドバンド等に固定し、これを観察者の頭部に装着して映像等を提供する、いわゆるヘッドマウントディスプレイという装置が知られている。この装置における立体画像を提供する手段として、左目用のディスプレイには左目から見た視点の映像を、右目用のディスプレイには右目から見た視点の映像をそれぞれ表示した、両眼の視野角の差による立体視の手段等が利用されている。
【０００３】
前記小型の液晶ディスプレイは、電圧の印加によって結晶の並びの方向性が変化する性質の液晶を利用して、光の３原色である赤、緑、青の３色のカラーフィルターの遮蔽をおこなうことでディスプレイとして機能している。液晶はそれ自体が発光せず、カラーフィルターを介して透過するバックライト等の光が光源であり、液晶ディスプレイはその光を透過もしくは遮断することで映像を表現している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この液晶ディスプレイと観察者の網膜との位置関係は一定であり、観察者の眼に入射される対象物の像は視覚的に立体でありながらも奥行き感のない立体像となり、観察者が違和感を感じる原因となっていた。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、より自然な感覚に近い立体視を可能な画像表示装置を実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の画像表示装置は、少なくとも１つの光源と、その光源から出射される光束を画像信号に応じて変調する変調手段と、その変調手段によって変調された光束の波面曲率を変調する波面曲率変調手段と、その波面曲率変調手段によって変調された光束を走査する走査手段と、その走査手段によって走査された光束を観察者の瞳孔に入射するための光学手段とを備え、前記観察者の網膜に前記画像信号に対応する画像を表示する画像表示装置であって、前記波面曲率変調手段は、入射したレーザ光を透過光と、透過光の垂直方向に反射された反射光とに分離するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射又は透過された光束を集光する集光手段と、前記集光手段で集光された光束が入射され、当該光束を反射する反射手段と、当該反射手段を前記光束の光軸方向に移動させる移動手段とを備え、前記反射手段で反射された光束は、集光手段を通過し、ビームスプリッタに入射し、透過又は反射され、前記走査手段に入射することを特徴とする。
【０００７】
この構成の画像表示装置では、移動手段が反射手段を光束の光軸方向に移動することで、波面曲率変調手段に入射した光束の波面曲率を変調することができる。
【０００８】
また、請求項２に係る発明の画像表示装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記ビームスプリッタは、前記変調手段により変調された光束のうち、所定の方向の直線偏光を透過し、前記所定の方向と直交する方向の直線偏光を反射する偏光ビームスプリッタであり、前記画像表示装置は、さらに、前記集光手段と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられた１／４波長板とを備えている。
【０００９】
この構成の画像表示装置では、請求項１に係る発明の作用に加え、１／４波長板に入射した光束は、１／４波長板によって直線偏光から円偏光に変化することができる。
【００１０】
また、請求項３に係る発明の画像表示装置は、請求項２に記載の発明の構成に加え、前記１／４波長板は、前記光軸方向に直交する面上で回転可能に構成されている。
【００１１】
この構成の画像表示装置では、請求項２に係る発明の作用に加え、波面曲率変調手段は、前記１／４波長板は、前記光軸方向に直交する面上で回転することができる。
【００１２】
また、請求項４に係る発明の画像表示装置は、少なくとも１つの光源と、その光源から出射される光束を画像信号に応じて変調する変調手段と、その変調手段によって変調された光束の波面曲率を変調する波面曲率変調手段と、その波面曲率変調手段によって変調された光束を走査する走査手段と、その走査手段によって走査された光束を観察者の瞳孔に入射するための光学手段とを備え、前記観察者の網膜に前記画像信号に対応する画像を表示する画像表示装置であって、前記波面曲率変調手段は、入射したレーザ光を透過光と、透過光の垂直方向に反射された反射光とに分離するビームスプリッタと、当該ビームスプリッタで反射又は透過された光束を集光する集光手段と、前記集光手段で集光された光束が入射され、当該光束の光軸方向に対して位置の異なる複数の反射面を有する反射手段と、当該反射手段を、前記光軸方向と直交し、位置の異なる反射面にて光束を反射可能な方向に移動させる移動手段とを備えている。
【００１３】
この構成の画像表示装置では、光束の光軸方向に対して位置の異なる複数の反射面を有する光学素子によって、波面曲率変調手段に入射した光束の波面曲率を変調することができる。
【００１４】
【００１５】
【００１６】
また、請求項５に係る発明の画像表示装置は、請求項１乃至４の何れかに記載の発明の構成に加え、前記波面曲率変調手段は、前記移動手段とは別に前記反射手段の位置を調整するための位置調整手段を備えている。
【００１７】
この構成の画像表示装置では、請求項１乃至４の何れかに係る発明の作用に加え、波面曲率変調手段は、位置調整手段によって移動手段とは別に反射手段の位置を調整することができる。
【００１８】
また、請求項６に係る発明の画像表示装置は、請求項５に記載の発明の構成に加え、前記光学素子を反射した光又は前記焦点距離可変光学素子を透過した光を検出する光検出手段を備え、前記位置調整手段は、前記光検出手段によって検出された光の位置に応じて前記反射手段の位置を調整することを特徴とする構成となっている。
【００１９】
この構成の画像表示装置では、請求項５に係る発明の作用に加え、位置調整手段は、光検出手段によって検出された光の位置に応じて反射手段の位置を調整することができる。
【００２０】
また、請求項７に係る発明の画像表示装置は、請求項１乃至６の何れかに記載の発明の構成に加え、前記波面曲率変調手段は、前記走査手段より光源側に配置され、かつ前記走査手段上に光束が入射する位置と観察者の瞳孔位置とが光学的に共役の関係にあることを特徴とする構成となっている。
【００２１】
この構成の画像表示装置では、請求項１乃至６の何れかに係る発明の作用に加え、波面曲率変調手段を走査手段より光源側に配置し、走査手段上の光束が入射する位置と観察者の瞳孔位置とを光学的に共役の関係にすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る画像表示装置の一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、本発明に係る網膜走査型ディスプレイ１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、網膜走査型ディスプレイ１の全体構成を示す全体構成図である。
【００２３】
図１に示すように、網膜走査型ディスプレイ１には、外部から供給される映像信号を処理するための光源ユニット部２が設けられている。光源ユニット部２には、外部からの映像信号が入力され、それに基づいて映像を合成するための要素となる各信号を発生する映像信号供給回路３が設けられ、この映像信号供給回路３から映像信号４、水平同期信号５、垂直同期信号６、及び奥行き信号７が出力される。また、光源ユニット部２には、映像信号供給回路３から映像信号４として伝達される赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各映像信号をもとにそれぞれレーザ光を出射する、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１を、それぞれ駆動するためのＲレーザドライバ１０，Ｇレーザドライバ９，Ｂレーザドライバ８が設けられている。さらに、各レーザより出射されたレーザ光を平行光にコリメートするように設けられた第１コリメート光学系１４と、それぞれコリメートされたレーザ光を合成するダイクロイックミラー１５と、合成されたレーザ光を光ファイバ１７に導く結合光学系１６とが設けられている。尚、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１として、レーザダイオード等の半導体レーザや固体レーザを利用してもよい。また、光源ユニット部２が、本発明における変調手段である。
【００２４】
また、網膜走査型ディスプレイ１には、光源ユニット部２から伝搬されたレーザ光を再度平行光にコリメートする第２コリメート光学系１８と、コリメートされたレーザ光を変調するための波面曲率変調手段１００と、変調されたレーザ光をポリゴンミラー１９ａを利用して水平方向に走査する水平走査系１９と、水平走査系１９に走査され第１リレー光学系２０を介して入射されたレーザ光を、ガルバノミラー２１ａを利用して垂直方向に走査する垂直走査系２１とが設けられ、垂直走査系２１に走査されたレーザ光を観察者の瞳孔２４に入射するように第２リレー光学系２２が設けられている。第１リレー光学系２０は、水平走査系１９のポリゴンミラー１９ａ上で結像されるレーザ光と、垂直走査系２１のガルバノミラー２１ａ上で結像されるレーザ光とが共役となるように、また、第２リレー光学系２２は、ガルバノミラー２１ａ上で結像されるレーザ光と、観察者の瞳孔２４の位置で結像されるレーザ光とが共役となるように、各々設けられている。尚、水平走査系１９及び垂直走査系２１が、本発明における走査手段であり、第１リレー光学系２０及び第２リレー光学系２２が、本発明における光学手段である。
【００２５】
さらに、駆動回路２３は、映像信号供給回路３の出力する奥行き信号７に基づいて、波面曲率変調手段１００を駆動させるために設けられている。水平走査系１９，垂直走査系２１は各々映像信号供給回路３に接続され、映像信号供給回路３より出力される水平同期信号５，垂直同期信号６にそれぞれ同期してレーザ光を走査するように構成されている。
【００２６】
波面曲率変調手段１００は、入射したレーザ光を透過光と、透過光の垂直方向に反射された反射光とに分離するビームスプリッタ１０１と、ビームスプリッタ１０１に反射されたレーザ光を収束する凸レンズ１０２と、凸レンズ１０２に収束されたレーザ光を入射方向に反射する、可動可能な可動ミラー１０３とで構成されている。ビームスプリッタ１０１は、斜面に誘電体多層膜の施された直角プリズム２つが張り合わされたキューブ状の形状を成しており、その斜面１０１ａ（図２参照）において、入射光の光量の約５０％を直角方向に反射し、約５０％を透過するようになっている。
【００２７】
また、可動ミラー１０３は、例えばガラス等の透過性の板材の表面に金属膜の鏡面コートを施した反射面１０４ａ（図２参照）を有するミラー１０４と、例えば圧電型のピエゾ素子を積層した圧電アクチュエータ１０５とで構成され、圧電アクチュエータ１０５は、駆動回路２３からの駆動電圧が印加されることで駆動され、圧電アクチュエータ１０５に固定したミラー１０４と凸レンズ１０２との位置関係が変動されるようになっている。可動ミラー１０３の可動方向はミラー１０４の鏡面に対し垂直方向（図２中Ｘ軸方向）で、ビームスプリッタ１０１と凸レンズ１０２とを通過するレーザ光の光軸が直線上で一致するように構成されている。尚、圧電アクチュエータ１０５が、本発明における移動手段であり、ミラー１０４が、本発明における反射手段である。
【００２８】
さらに、可動ミラー１０３は、可動ミラー１０３の光軸方向における基準位置の微調整を行う位置調整手段１２０の移動調整部１２０ａに固定され、凸レンズ１０２と可動ミラー１０３との間の距離を移動調整部１２０ａに固定されたネジ送り微動台１２０ｂのネジを回転させることで微調整できるようになっている。この位置調整手段１２０は、圧電アクチュエータ１０５に駆動電圧が印加されていない場合、或いは位置調整用の所定の基準電圧が印加されている場合において、観察者が可動ミラー１０３の可動基準となる位置に可動ミラー１０３を移動させる調整を行うために設けられている。個々の光学系は微妙な個体差を有するので、可動ミラー１０３の可動基準となる位置、すなわち初期位置において、レーザ光の所定の波面曲率が初期値となるようにするには、可動ミラー１０３を初期位置に移動させる微調整が必要となる。この位置調整手段１２０によって、観察者の個人差よって眼の焦点位置が異なっても、波面曲率変調手段１００の効果が同様に得られるように微調整を行うことができる。
【００２９】
次に、本発明の一実施の形態の画像表示装置が、外部からの映像信号を受けてから、観察者の網膜上に映像を投影するまでの過程について、図１を参照して説明する。
【００３０】
図１に示すように、本実施の形態の網膜走査型ディスプレイ１では、光源ユニット部２に設けられた映像信号供給回路３が外部からの映像信号の供給を受けると、映像信号供給回路３は、赤，緑，青の各色のレーザ光を出力させるためのＲ映像信号，Ｇ映像信号，Ｂ映像信号からなる映像信号４と、水平同期信号５と、垂直同期信号６と、奥行き信号７とを出力する。Ｒレーザドライバ１０，Ｇレーザドライバ９，Ｂレーザドライバ８は各々入力されたＲ映像信号，Ｇ映像信号，Ｂ映像信号に基づいてＲレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１に対してそれぞれの駆動信号を出力する。この駆動信号に基づいて、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１はそれぞれレーザ光を発生し、各々を第１コリメート光学系１４に出力する。点光源から発生されるレーザ光は、この第１コリメート光学系１４によってそれぞれが平行光にコリメートされ、さらに、ダイクロイックミラー１５に入射されて１つの光束となるよう合成された後、結合光学系１６によって光ファイバ１７に入射されるよう導かれる。
【００３１】
光ファイバ１７によって伝搬されたレーザ光は、光ファイバ１７から出射される際に第２コリメート光学系１８によって再度コリメートされ、波面曲率変調手段１００に入射される。
【００３２】
ここで、波面曲率の変調について説明する。光源から発した光は、光源を中心とした全方位に等速、同位相で進む光の波、いわゆる等位球面波として伝搬されるが、光源と観察者との距離に応じてその球面波の持つ曲率半径が異なってくる。光源が近ければ曲率半径の小さい像として、また、光源が遠ければ曲率半径の大きい像として観察者の眼に入射される。観察者はこの曲率半径のズレを認識し、遠近感を感じることができる。この光の球面波の曲率、つまり波面曲率を人工的に変調させ映像等で表現することによって、本発明では、より自然な感覚に近い立体視を観察者に提供することを可能としている。この、波面曲率の変調を実現する波面曲率変調手段１００については後述する。
【００３３】
波面曲率変調手段１００から出射されたレーザ光は、水平走査系１９のポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂに入射される。ポリゴンミラー１９ａは、図示外の光センサによって出力されたＢＤ（Beam Detector）信号をもとに回転速度が算出され、このＢＤ信号をもとに映像信号供給回路３の出力する水平同期信号５と同期するように等速回転の速度が調整されている。ポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂに入射したレーザ光は水平方向に走査されて第１リレー光学系２０を介し、垂直走査系２１のガルバノミラー２１ａの偏光面２１ｂに対し出射される。第１リレー光学系２０ではポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂ上で結像される像とガルバノミラー２１ａの偏光面２１ｂ上で結像される像とが共役の関係となるように調整され、また、ポリゴンミラー１９ａの面倒れが補正されている。ガルバノミラー２１ａは、ポリゴンミラー１９ａと同様に垂直同期信号６に同期して、その偏光面２１ｂが入射光を垂直方向に反射するように往復振動をしており、このガルバノミラー２１ａによってレーザ光は垂直方向に走査される。水平走査系１９及び垂直走査系２１によって水平方向及び垂直方向に２次元に走査されたレーザ光は、ガルバノミラー２１ａの偏光面２１ｂ上で結像した像と、観察者の瞳孔２４の位置で結像する像とが共役の関係となるように設けられた第２リレー光学系２２により観察者の瞳孔２４から入射され、網膜上に投影される。観察者はこのように２次元走査されて網膜上に投影されたレーザ光により画像を認識することができる。
【００３４】
次に図２及び図３を参照して、網膜走査型ディスプレイ１における波面曲率の変調の方法について説明する。図２及び図３は、波面曲率変調手段１００によりレーザ光が変調される態様を示す模式図である。
【００３５】
図２に示すように、波面曲率変調手段１００のビームスプリッタ１０１には、第２コリメート光学系１８（図１参照）によって平行光にコリメートされたレーザ光が、入射光として−Ｙ方向に入射される。入射されたレーザ光の光量のうち約５０％が斜面１０１ａで反射され、その反射方向（−Ｘ方向）に設けられた凸レンズ１０２に入射する。ところで、図１に示す、駆動回路２３より圧電アクチュエータ１０５に印加される駆動電圧が０または所定の基準値の場合に、可動ミラー１０３のミラー１０４の反射面１０４ａが凸レンズ１０２の主点に対し距離ｆだけ離れた位置に固定されるように、位置調整手段１２０のネジ送り微動台１２０ｂが観察者によってあらかじめ操作され調整されている。反射面１０４ａと凸レンズ１０２の主点との間の距離がｆの場合、凸レンズ１０２に入射したレーザ光は凸レンズ１０２によって屈折され収束し、反射面１０４ａ上で焦点を結ぶ。この場合、レーザ光は反射面１０４ａによって入射光と同軸方向に反射され（＋Ｘ方向）、ミラー１０４への入射の際には収束光であったレーザ光は、反射後には拡散光となって再度凸レンズ１０２に入射する。
【００３６】
反射面１０４ａで＋Ｘ方向に反射され凸レンズ１０２に入射する拡散光は、反射面１０４ａに反射される前に凸レンズ１０２が収束した収束光の収束角度と同じ広がり角度を持ち、さらに収束時と同一の光学系において同一の光路を通過するので、この拡散光は凸レンズ１０２の通過時に収束時と同じ角度で屈折され、平行光にコリメートされることになる。平行光にコリメートされたレーザ光は再度ビームスプリッタ１０１に入射され、その光量の約５０％が斜面１０１ａを通過し、第２コリメート光学系１８からの入射光とは直角を成す方向（＋Ｘ方向）に、波面曲率変調手段１００からの出射光として出射される。
【００３７】
また、図３に示すように、駆動回路２３（図１参照）からの所定の駆動電圧が印加されると圧電アクチュエータ１０５が駆動し、この駆動によって可動ミラー１０３が＋Ｘ方向に移動される。この場合、ミラー１０４の反射面１０４ａと凸レンズ１０２の主点との距離がｆ−ｄに変動される。第２コリメート光学系１８から−Ｙ方向に平行光として入射された入射光であるレーザ光は、上記の場合と同様に、ビームスプリッタ１０１の斜面１０１ａでその約５０％を−Ｘ方向に反射され凸レンズ１０２に入射される。凸レンズ１０２は、＋Ｘ方向から入射されたレーザ光を屈折して収束させるように−Ｘ方向に出射するが、可動ミラー１０３のミラー１０４の反射面１０４ａは、凸レンズ１０２の有する焦点距離ｆよりｄだけ凸レンズ１０２に近い位置に移動されているので、レーザ光は反射面１０４ａ上では収束されない。レーザ光は反射面１０４ａによって＋Ｘ方向に反射された後に、距離ｄだけ進んだ位置、すなわち距離ｆ−２ｄの位置で焦点を結び、凸レンズ１０２に再度入射する。
【００３８】
凸レンズ１０２は入射されたレーザ光を、その広がりを収束する方向に屈折させるが、凸レンズ１０２自体の屈折率については変動がないので、焦点距離ｆの位置から発せられる光を平行光にコリメートする凸レンズ１０２は、距離ｆ−２ｄの位置で発せられる光を平行にコリメートすることはできない。従って、距離ｆ−２ｄで焦点を結んだレーザ光は凸レンズ１０２に入射することで、レーザ光の広がり角度は小さくなるものの平行光にはコリメートされず、凸レンズ１０２を通過したレーザ光は凸レンズ１０２の通過後の広がり角度を維持したままビームスプリッタ１０１に入射する。ビームスプリッタ１０１に入射したレーザ光はその約５０％が斜面１０１ａを通過し、その広がり角度を維持したまま、すなわち拡散光として＋Ｘ方向に出射される。波面曲率変調手段１００は出射光として所定の広がり角度を有するレーザ光、すなわち平行光とは異なり波面曲率の大きな拡散光としてレーザ光を出射する。
【００３９】
拡散光として波面曲率変調手段１００より出射され、図１に示す、水平走査系１９のポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂに入射されるレーザ光の、この偏光面１９ｂ上での波面曲率は、見かけ上の発光点１２５から発せられた光と同等の波面曲率となる。また、反射面１０４ａと凸レンズ１０２の主点との距離がｆの場合に出射される平行光の、ポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂ上での波面曲率は、無限遠から発せられた光と同等の波面曲率となる。ここで、第１リレー光学系２０によってポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂ上で結像される像とガルバノミラー２１ａの偏光面２１ｂ上で結像される像とが、また、第２リレー光学系２２によってガルバノミラー２１ａの偏光面２１ｂ上で結像される像と観察者の瞳孔２４の位置で結像される像とがそれぞれ共役の関係となるように各リレー光学系が設けられているので、ポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂ上で結像される像と観察者の瞳孔２４の位置で結像される像とは共役の関係にある。従って、ポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂ上におけるレーザ光の波面曲率が、観察者の瞳孔２４の位置での波面曲率と同じとなる。
【００４０】
観察者が瞳孔２４から眼の中に入射したレーザ光の見かけ上の発光点１２５にピントを合わせると、レーザ光は観察者の網膜上で結像する。ところで、観察者は、ピント合わせ動作（いわゆる調節作用）により、レーザ光の波面曲率の違いを識別することができるので、観察者はレーザ光の波面曲率の違いに基づく遠近感を認識することができる。すなわち、波面曲率の大きいレーザ光は近い位置より発せられたと感じ、波面曲率の小さいレーザ光は遠い位置より発せられたと感じる。従って、この場合、観察者には見かけ上の発光点１２５と、瞳孔２４の位置に共役な偏光面１９ｂとの距離に相当する位置に、レーザ光の発光点が存在するように認識される。
【００４１】
波面曲率変調手段１００の凸レンズ１０２の焦点距離が、例えば４ｍｍであったとすると、可動ミラー１０３が約３０μｍの可動を行うだけで、波面曲率変調手段１００は約３０ｃｍ〜無限遠の遠近感を表現することができる。また、凸レンズ１０２の焦点距離が２ｍｍであった場合は、可動ミラー１０３が約１０μｍの可動を行うだけで、波面曲率変調手段１００は約３０ｃｍ〜無限遠の遠近感を表現することができる。例えば、波面曲率が小さい略平行の光束のレーザ光が走査され眼に入射された場合には、観察者は数十ｍ遠方のスクリーン上に提示された画面として認識でき、また、波面曲率が大きいレーザ光が走査され眼に入射された場合には、観察者は数十ｃｍ先のスクリーン上に提示された画面として認識できる。
【００４２】
以上説明したように、本実施の形態の網膜走査型ディスプレイ１では、映像信号供給回路３が出力したＲ，Ｇ，Ｂ各映像信号に基づいて発生されたＲ，Ｇ，Ｂ各レーザ光が合成され、波面曲率変調手段１００に入射される。波面曲率変調手段１００は入射されたレーザ光の波面曲率を変調し、水平走査系１９に出射する。水平走査系１９は入射されたレーザ光を水平方向に走査して垂直走査系２１に対して出射し、垂直走査系２１は入射されたレーザ光を垂直方向に走査して観察者の瞳孔２４に入射する。観察者は入射されたレーザ光の波面曲率の違いを識別して遠近感を認識することができる。
【００４３】
尚、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。本発明の変形例を図４乃至図１４を参照して説明する。図４及び図５は、入射光側の光路上にラインＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサ４０１を設け、その出力値に基づいて前述の位置調整手段１２０による可動ミラー１０３の基準位置の調整が自動で行われるようにした変形例を示す図である。図６は、ラインＣＣＤセンサ４０１の出力値に基づいて行われる位置調整手段１２０の移動の制御を示すフローチャートである。図７は、ビームスプリッタ１０１の代わりに偏光ビームスプリッタ１０６を用いた場合の波面曲率変調手段１００の変形例を示す図である。図８は、１／４波長板１０７を通過するレーザ光の偏光方向について説明するための模式図である。図９は、回転された１／４波長板１０７を通過するレーザ光の偏光方向について説明するための模式図である。図１０及び図１１は、可動ミラー１０３の代わりに可動多段ミラー１１１を用いた場合の波面曲率変調手段１００の変形例を示す図である。図１２は、可動ミラー１０３の代わりに可変焦点レンズ３０１を用いた場合の網膜走査型ディスプレイ１の全体構成を示す全体構成図である。図１３及び図１４は、可動ミラー１０３の代わりに可変焦点レンズ３０１を用いた場合の変形例を示す図である。
【００４４】
図４及び図５に示す変形例は、入射光側のレーザ光の光路上にラインＣＣＤセンサ４０１を設け、ラインＣＣＤセンサ４０１の出力値に基づいて位置調整手段１２０を制御するようにした場合の変形例である。図４及び図５に示すように、本変形例では、駆動回路２３（図１参照）より圧電アクチュエータ１０５に印加される駆動電圧が０または所定の基準値の場合に、反射面１０４ａと凸レンズ１０２の主点との距離がｆとなるように、可動ミラー１０３の位置が自動的に調整されるようになっている。この調整は可動ミラー１０３に固定された位置調整手段１２０によって行われる。位置調整手段１２０は、移動調整部１２０ａとパルスモータ微動台１２０ｃによって形成され、パルスモータ微動台１２０ｃに固定された移動調整部１２０ａに、可動ミラー１０３の圧電アクチュエータ１０５が固定されている。尚、ラインＣＣＤセンサ４０１が、本発明における光検出手段である。
【００４５】
また、ビームスプリッタ１０１の入射光側に、レーザ光の光軸の通過位置を基準として、ビームスプリッタ１０１から距離Ｌ２の位置にラインＣＣＤセンサ４０１が設けられている。パルスモータ微動台１２０ｃはこのラインＣＣＤセンサ４０１に、パルスモータ微動台駆動部４０４、ミラー位置制御部４０３、及びＣＣＤ出力読み取り部４０２を介して接続されている。
【００４６】
入射光として波面曲率変調手段１００に−Ｙ方向に入射したレーザ光は、ビームスプリッタ１０１の斜面１０１ａで−Ｘ方向に反射され、その斜面１０１ａのレーザ光の光軸通過位置から距離Ｌ１離れた位置に設けられた凸レンズ１０２に入射する。凸レンズ１０２を通過したレーザ光は、図４に示す例においては距離ｆ、図５に示す例においては距離ｆ−ｄの距離に位置するミラー１０４の反射面１０４ａで＋Ｘ方向に反射され、凸レンズ１０２を再通過し、ビームスプリッタ１０１に再入射する。レーザ光は、斜面１０１ａでその約５０％を＋Ｘ方向に透過されるが、その約５０％は入射光側（＋Ｙ方向）に反射される。ラインＣＣＤセンサ４０１は、この反射されたレーザ光を読み取ることができるように設けられている。
【００４７】
尚、波面曲率変調手段１００から出射されるレーザ光、すなわち出射光は、図中＋Ｘ方向に進み、図１に示す水平走査系１９のポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂで結像する。この場合における、レーザ光の光軸の通過位置を基準として、斜面１０１ａと偏光面１９ｂとの距離をＬ３とする。偏光面１９ｂと観察者の瞳孔２４とは光学的に共役の関係となるように、第１リレー光学系２０及び第２リレー光学系２２によって調整されているので、観察者の瞳孔２４の位置でのレーザ光の波面曲率半径は、偏光面１９ｂの位置での波面曲率半径としてみなされる。
【００４８】
ラインＣＣＤセンサ４０１には複数のＣＣＤ素子（図示外）が列設されており、各ＣＣＤ素子においてレーザ光とその光量を検知することができる。ビームスプリッタ１０１より入射光側（＋Ｙ方向）に反射されたレーザ光は、ラインＣＣＤセンサ４０１によってその光量が読み取られ、その検出値がＣＣＤ出力読み取り部４０２に出力される。ところで、レーザ光はそのビーム端において徐々に光量が落ちていく光束である。ＣＣＤ出力読み取り部４０２は、光束の中心、すなわち光軸における光量の所定の基準値、例えば１／ｅ２となる位置を各ＣＣＤ素子からの出力をもとに読み取り、ミラー位置制御部４０３に出力し、ミラー位置制御部４０３では、その位置をビームの端として、そのレーザ光のビーム径を決定する。ミラー位置制御部４０３は、決定したビーム径に基づいてパルスモータ微動台１２０ｃを駆動するための演算を行い、その結果に基づいた信号をパルスモータ微動台駆動部４０４に出力する。パルスモータ微動台駆動部４０４は、入力された信号に基づいて、パルスモータ微動台１２０ｃを駆動させるための駆動電圧を発生してパルスモータ微動台１２０ｃをＸ軸方向に移動させることで、移動調整部１２０ａを介してパルスモータ微動台１２０ｃに固定された可動ミラー１０３も移動され、その位置が制御される。この制御の各処理について、図６のフローチャートを参照して詳しく説明する。以下、フローチャートの各ステップを「Ｓ」と略記する。
【００４９】
図６に示すように、網膜走査型ディスプレイ１では図示外の入力手段によって「虚像提示位置の設定値Ｒを入力」がなされる（Ｓ１）。虚像提示位置の設定値Ｒとはあらかじめ定められた波面曲率半径の初期値であり、通常、波面曲率半径が無限大となる値を初期値として用いるが、この場合は数値計算上、無限大とみなされるしきい値が入力される。次に、ミラー位置制御部４０３は、「あらかじめ設定された計算式もしくはテーブルに基づき、設定値Ｒからミラーの位置Ｚを求める」（Ｓ２）。個々の光学系には個体差があり、多少の誤差が発生する。しかし、基準となる光学系を用いて、あらかじめ、初期状態におけるミラー１０４の反射面１０４ａと凸レンズ１０２の主点との位置関係に基づくミラー１０４の位置Ｚと、設定値Ｒと関係が定められている。これに基づいてＲとＺとの関係式、もしくはＲとＺとの関係に基づくテーブルが設定されており、Ｓ４以降の各ステップにおける誤差修正のためのループ動作を低減させるために、ミラー位置制御部４０３では、初期状態のミラー１０４の位置ＺがＳ２において求められる。さらに、ミラー位置制御部４０３は、Ｓ２の結果に基づき、パルスモータ微動台駆動部４０４に制御信号を出力する。パルスモータ微動台駆動部４０４はこの制御信号に基づいてパルスモータ微動台１２０ｃを駆動させる駆動電圧を発生し、パルスモータ微動台１２０ｃに印加する。そして、パルスモータ微動台１２０ｃは「パルスモータによりミラーを位置Ｚまで移動」させる（Ｓ３）。すなわち、ミラー１０４は初期位置Ｚに移動される。
【００５０】
次に、ＣＣＤ出力読み取り部４０２が、「ＣＣＤ各素子の出力値を読み込む」（Ｓ４）。ラインＣＣＤセンサ４０１は、受光した＋Ｙ方向へのレーザ光の光量をＣＣＤ各素子によって読み取り、ＣＣＤ出力読み取り部４０２に出力する。ＣＣＤ出力読み取り部４０２は、その読み取った値をミラー位置制御部４０３に出力する。ミラー位置制御部４０３は、「ＣＣＤ各素子の出力値から光束のビーム半径ｒ１を決定する」ため、どのＣＣＤ素子でビームの端とみなす光量を得たかをＣＣＤ出力読み取り部４０２の出力値に基づいて求め、この結果に基づいてビーム半径ｒ１が決定される（Ｓ５）。ミラー位置制御部４０３では、波面曲率の変調前のレーザ光、すなわち入射光のビーム半径がｒ０であるとして、この＋Ｙ方向へ反射されたレーザ光の波面曲率Ｒ１と、観察者の瞳孔２４の位置と光学的に共役な位置であるポリゴンミラー１９ａの偏光面１９ｂでの波面曲率Ｒ２とが演算される。すなわち、「下記の式からＣＣＤ上での波面曲率半径Ｒ１および瞳孔上での波面曲率半径Ｒ２を計算する」ための演算がなされる（Ｓ６）。
Ｒ１＝ｒ１（Ｌ１＋Ｌ２−ｆ）／（ｒ１−ｒ０）・・・（１）
Ｒ２＝Ｒ１＋（Ｌ３−Ｌ２）                  ・・・（２）
数式（１）で求められた見かけ上の発光点１２５からラインＣＣＤセンサ４０１までの光路長、すなわち波面曲率半径Ｒ１が数式（２）に代入され、数式（２）では、観察者の瞳孔２４の位置での波面曲率Ｒ２が導き出される。
【００５１】
次に、ミラー位置制御部４０３は、「設定値Ｒと実測値Ｒ２とを比較する」ことを行い（Ｓ７）、
Ｒ２＜Ｒ＋δＲ・・・（３）
でない場合、（Ｓ７：ＮＯ）、「パルスモータによりミラーを１ステップだけレンズ側へ移動」する（Ｓ９）。ここで、δＲとは、波面曲率半径の設定値Ｒからのずれの許容値を示し、この許容値によって、瞳孔２４の位置におけるレーザ光の波面曲率半径の誤差または精度が決まる。すなわち、レーザ光の波面曲率半径の実測値Ｒ２が設定値Ｒより大きい場合は、レーザ光のビームの広がりが初期値より小さいことを意味し、凸レンズ１０２と可動ミラー１０３との間の距離が遠い状態であるので、ミラー位置制御部４０３はパルスモータ微動台駆動部４０４に信号を出し、パルスモータ微動台１２０ｃに駆動電圧を印加させ可動ミラー１０３と凸レンズ１０２との間の距離が近づくように１ステップ分、パルスモータ微動台１２０ｃを動作させる。そして、Ｓ４に戻る。
【００５２】
Ｓ７において、数式（３）が満たされた場合、すなわちレーザ光の波面曲率半径の実測値Ｒ２が設定値Ｒより小さい場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、ミラー位置制御部４０３は、「設定値Ｒと実測値Ｒ２とを比較する」（Ｓ８）。そして、
Ｒ２＞Ｒ−δＲ・・・（４）
でない場合、（Ｓ８：ＮＯ）、「パルスモータによりミラーを１ステップだけレンズと反対側へ移動」する（Ｓ１０）。すなわち、レーザ光の波面曲率半径の実測値Ｒ２が設定値Ｒより小さい場合は、レーザ光のビームの広がりが初期値より大きいことを意味し、図５に示すように、凸レンズ１０２と可動ミラー１０３との間の距離が近い状態であるので、ミラー位置制御部４０３はパルスモータ微動台駆動部４０４に信号を出し、パルスモータ微動台１２０ｃに駆動電圧を印加させ可動ミラー１０３と凸レンズ１０２との間の距離が離れるように１ステップ分、パルスモータ微動台１２０ｃを動作させる。そして、Ｓ４に戻る。
【００５３】
Ｓ８において、数式（４）が満たされた場合、すなわちレーザ光の波面曲率半径の実測値Ｒ２が設定値Ｒより大きい場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、
Ｒ２＝Ｒ±δＲ・・・（５）
となり、レーザ光の波面曲率半径が初期値の許容範囲内の値となったことを示し、ミラー位置制御部４０３は、可動ミラー１０３の位置Ｚが初期位置になったと判断し、処理を終了する。この状態において、図２に示す、本実施の形態における波面曲率変調手段１００において、観察者によるネジ送り微動台１２０ｂの調整がなされたのと同様の効果を得られる。
【００５４】
また、図７に示す変形例は、波面曲率変調手段１００のビームスプリッタ１０１の代わりに偏光ビームスプリッタ１０６を用いた場合の変形例である。図７に示すように、波面曲率変調手段１００の偏光ビームスプリッタ１０６には、第２コリメート光学系１８（図１参照）によって平行光にコリメートされたレーザ光が入射光として、＋Ｙ方向から入射される。
【００５５】
ところで、光は電磁波の一種であり、電磁波は電場と磁場の振動が伝搬する現象である。真空中を伝わる電磁波は光速で伝搬し、その電場と磁場の振動方向は互いに直交し、かつ進行方向に対し垂直な平面内にある平面波である。また、例えば白熱電球等から発せられる光の振動方向は任意の方向に一様に分布しているのに対し、レーザ光の振動方向（以下、「偏光方向」という。）は単一方向である。
【００５６】
偏光ビームスプリッタ１０６は斜面１０６ａに誘導体多層膜がコーティングされており、この斜面１０６ａではＸＹ平面に垂直な方向に偏光方向を有する光を反射し、ＸＹ平面と平行な方向に偏光方向を有する光が透過される。偏光ビームスプリッタ１０６に、ＸＹ平面に垂直な方向に偏光方向を有するレーザ光が＋Ｙ方向から入射した場合、斜面１０６ａで−Ｘ方向に反射され、１／４波長板１０７に入射する。
【００５７】
ところで、１／４波長板１０７は入射する直線偏光の、直交する電界の間の位相差を１／４波長だけ変化させる光学素子であるが、所定方向に偏光方向を有する直線偏光を円偏光に変化させる。また、入射する円偏光を直線偏光に変化させる。
【００５８】
１／４波長板１０７に入射したレーザ光は、１／４波長板１０７によって直線偏光から円偏光に変化されて−Ｘ方向に出射され、入射した凸レンズ１０２によって凸レンズ１０２の焦点距離と同じ距離ｆ離れた位置の可動ミラー１０３の反射面１０４ａで集光される。さらに、レーザ光は、反射面１０４ａで＋Ｘ方向に反射され、入射した凸レンズ１０２によって平行光にコリメートされ、１／４波長板１０７に入射される。円偏光として１／４波長板１０７に入射したレーザ光は、１／４波長板１０７によってＸＹ平面と平行な方向の直線偏光に変化され、偏光ビームスプリッタ１０６に対し出射される。偏光ビームスプリッタ１０６の斜面１０６ａは、入射したレーザ光がＸＹ平面に対し平行な直線偏光であるのでこのレーザ光を透過する。そして、偏光ビームスプリッタ１０６を透過したレーザ光は、波面曲率変調手段１００から出射光として＋Ｘ方向に出射される。
【００５９】
また、図中には示していないが、可動ミラー１０３が＋Ｘ方向に距離ｄ移動され、ミラー１０４の反射面１０４ａと凸レンズ１０２の主点との距離がｆ−ｄに変動された場合の波面曲率の変調の過程については、本実施の形態と同様である。この変形例において、偏光ビームスプリッタ１０６は、レーザ光の偏光方向に基づいて透過または反射を行うが、その場合の光量の損失が１０％未満であるので、ビームスプリッタ１０１による約５０％の光量の損失と比べ非常に少なく、波面曲率変調手段１００における総合的な光量の損失は大幅に低減されるという効果がある。
【００６０】
さらに、１／４波長板１０７に回転機構１３０を設け、１／４波長板１０７を任意に回転できるようにした場合について図７乃至図９を参照して説明する。図８及び図９で示す１／４波長板１０７は、図７で示す２点鎖線Ａ−Ａ’における矢視方向からみた図であり、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ軸方向として説明する。レーザ光は、図７に示す＋Ｘ方向から−Ｘ方向に向かって１／４波長板１０７に入射する。１／４波長板に入射する前のレーザ光（入射光）の偏光方向１０７ａはＸＹ平面に対して垂直方向で、図８及び図９においてはＺ軸方向である。１／４波長板１０７に紙面の表面から入射したレーザ光（入射光）は、前述と同じように円偏光に変化されて反射面１０４ａで反射された後、再度１／４波長板１０７に紙面の裏面から反射光として入射する。
【００６１】
図８で示すように、１／４波長板１０７は、図７に示す回転機構１３０による回転が行われていないため、第１光学軸１０７ｂ，第２光学軸１０７ｃはＹ軸方向，Ｚ軸方向に対して４５°の傾きを持つ。この場合、紙面の裏側から１／４波長板１０７に円偏光として再入射するレーザ光（反射光）は、その偏光方向１０７ｅがＹ軸方向に変化され、１／４波長板１０７から、図７で示す＋Ｘ方向に出射される。
【００６２】
また、図９で示すように、回転機構１３０（図７参照）によって１／４波長板１０７が回転され、その第１光学軸１０７ｂ及び第２光学軸１０７ｃが、光軸１０７ｄを中心として反時計回りに角度θだけ回転された場合、第１光学軸１０７ｂ，第２光学軸１０７ｃはＹ軸方向，Ｚ軸方向に対して４５°−θの傾きを持つ。この場合、紙面の裏側から１／４波長板１０７に円偏光として再入射するレーザ光（反射光）は、その偏光方向１０７ｅがＹ軸方向から角度２θ分、反時計回りに回転した方向に変化され、１／４波長板１０７から、図７で示す＋Ｘ方向に出射される。
【００６３】
１／４波長板１０７から出射されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１０６に入射する。この場合、１／４波長板１０７の回転角度θを調整することで、偏光ビームスプリッタ１０６の斜面１０６ａを通過するレーザ光の光量を変化させることができる。斜面１０６ａを通過しなかったレーザ光は、＋Ｙ方向に反射され、ラインＣＣＤセンサ４０１によってその光量を検知することができるので、前述の場合と同様に波面曲率半径を求めることができ、位置調整手段１２０による可動ミラー１０３の位置の調整が可能である。
【００６４】
また、図１０及び図１１に示す変形例は、波面曲率変調手段１００の可動ミラー１０３の代わりに可動多段ミラー１１１を用いた場合の変形例である。図１０に示すように、波面曲率変調手段１００のビームスプリッタ１０１には、第２コリメート光学系１８（図１参照）によって平行光にコリメートされたレーザ光が入射光として、−Ｙ方向に入射される。ビームスプリッタ１０１では、入射したレーザ光の光量のうち約５０％が斜面１０１ａによって−Ｘ方向に反射される。ビームスプリッタ１０１から−Ｘ方向に出射されたレーザ光は凸レンズ１０２を通過し、凸レンズ１０２の主点から距離ｆの位置で焦点を結ぶようになっている。可動多段ミラー１１１は圧電アクチュエータ１１３によってＹ軸方向に変動可能になっており、可動多段ミラー１１１の多段ミラー１１２の反射面１１２ａ，１１２ｃは、凸レンズ１０２を通過する光速の光軸が反射面１１２ａまたは１１２ｃと直交するように可動多段ミラー１１１が移動した場合において、反射面１１２ａ，１１２ｃと凸レンズ１０２の主点との距離がそれぞれｆ，ｆ−ｄとなるように設けられている。すなわち反射面１１２ｃは反射面１１２ａより距離ｄだけ凸レンズ１０２に近い位置に設けられている。
【００６５】
凸レンズ１０２を−Ｘ方向に通過したレーザ光は、距離ｄ離れた反射面１１２ａ上で焦点を結び、反射面１１２ａによって＋Ｘ方向に反射される。反射されたレーザ光は、凸レンズ１０２の通過時と同じ光路をたどり凸レンズ１０２に入射される。凸レンズ１０２は通過するレーザ光を平行光にコリメートし、ビームスプリッタ１０１に対して出射する。ビームスプリッタ１０１の斜面１０１ａは、入射したレーザ光の光量のうち約５０％を透過し、波面曲率変調手段１００は、この透過されたレーザ光を平行光の出射光として＋Ｘ方向に出射する。
【００６６】
また、図１１に示すように、反射面１１２ｃが、凸レンズ１０２を通過するレーザ光の光軸と重なるように可動多段ミラー１１１が変動した場合、凸レンズ１０２を通過したレーザ光は反射面１１２ｃ上で焦点を結ばず、反射面１１２ｃによって＋Ｘ方向に反射され、反射面１１２ｃから距離ｄの位置で焦点を結ぶ。この位置から凸レンズ１０２に再度入射するレーザ光は、凸レンズ１０２の主点から−Ｘ方向の距離ｆ−２ｄの位置から発せられる光と同じ広がり角度を持って凸レンズ１０２に入射する。凸レンズ１０２の焦点距離はｆであるので、凸レンズ１０２はレーザ光を平行光にコリメートできず、Ｘ軸方向において見かけ上の発光点１２５から発せられた光と同じ広がり角度を持つ拡散光として、ビームスプリッタ１０１に対して出射される。ビームスプリッタ１０１の斜面１０１ａは、入射したレーザ光の光量のうち約５０％を透過し、波面曲率変調手段１００はこのレーザ光を出射光として＋Ｘ方向に出射する。
【００６７】
眼は波面曲率の違いを認識できるが、それほど敏感でもないので、波面曲率の変調は必ずしも無限遠から至近距離まで連続的に行う必要はない。例えば、波面曲率の半径が５０ｃｍ，１ｍ，３ｍ，５ｍ，無限遠と５段階程度の不連続な波面曲率の変調を行うだけでも、実質的に十分な効果を得ることができる。この変形例では、駆動回路２３（図１参照）が可動多段ミラー１１１をＹ軸方向に移動させるのに４段階の電圧制御を行えばよく、回路を単純化できるという効果がある。
【００６８】
また、図１２乃至図１４に示す変形例は、図１における波面曲率変調手段１００の可動ミラー１０３の代わりに可変焦点レンズ３０１を用いた場合の変形例である。図１２に示すように、網膜走査型ディスプレイ１の波面曲率変調手段３００は、可変焦点レンズ３０１と凸レンズ３０２とによって構成されている。また、可変焦点レンズ３０１には、本実施の形態と同様に、移動調整部１２０ａとネジ送り微動台１２０ｂとからなる位置調整手段１２０が設けられており、観察者がネジ送り微動台１２０ｂを操作して可変焦点レンズ３０１の位置を移動させることで、可変焦点レンズ３０１及び凸レンズ３０２の微妙な個体差による収差のばらつきを補正することができるようになっている。網膜走査型ディスプレイ１のその他の構成は、前述の本実施の形態の場合と同様の構成となっている。尚、可変焦点レンズ３０１が、本発明における焦点距離可変光学素子である。
【００６９】
次に、図１３に示すように、波面曲率変調手段３００の可変焦点レンズ３０１は、透明な流体３０４を２枚のダイヤフラム３０３の間に保持しており、駆動回路２３（図１２参照）からの駆動電圧が印加された圧電バイモルフ３０５が駆動してダイヤフラム３０３を変形させることによって、可変焦点レンズ３０１の焦点位置を変動させる。可変焦点レンズ３０１には、第２コリメート光学系１８（図１２参照）によって平行光にコリメートされたレーザ光が入射光として、−Ｘ方向から入射される。可変焦点レンズ３０１の主点と凸レンズ３０２の主点との間の距離は位置調整手段１２０によって距離２ｆ０に固定されている。
【００７０】
可変焦点レンズ３０１の焦点距離ｆ１が凸レンズ３０２と同じ距離ｆ０になるように調整された場合、可変焦点レンズ３０１を通過したレーザ光は、可変焦点レンズ３０１の主点と凸レンズ３０２の主点との中間で焦点を結び、凸レンズ３０２に対して−Ｘ方向の距離ｆ０から＋Ｘ方向に発せられた光として入射するので、凸レンズ３０２を通過するレーザ光は平行光にコリメートされる。波面曲率変調手段３００は、この平行光にコリメートされたレーザ光を出射光として＋Ｘ方向に出射する。
【００７１】
また、図１４に示すように、圧電バイモルフ３０５の駆動によってダイヤフラム３０３が変動され、可変焦点レンズ３０１の焦点距離ｆ１がｆ０より大きくなるように調整された場合、−Ｘ方向より可変焦点レンズ３０１に入射したレーザ光は、可変焦点レンズ３０１を通過後、凸レンズ３０２の焦点距離ｆ０より長い距離ｆ１の位置で収束する。さらに、レーザ光は、凸レンズ３０２に対して−Ｘ方向の距離２ｆ０−ｆ１から＋Ｘ方向に発せられた光、すなわち凸レンズ３０２の焦点距離ｆ０よりも近い位置から発せられた光として入射する。この場合、焦点距離ｆ０である凸レンズ３０２を通過したレーザ光は平行光にコリメートされず、波面曲率変調手段３００は、このレーザ光を広がり角度を有する拡散光の出射光として＋Ｘ方向に出射する。この広がり角度を有する拡散光は、見かけ上の発光点１２５から発せられたレーザ光と同じ波面曲率を持つ。この変形例では、ビームスプリッタ１０１を使用しないので、レーザ光の光量の損失を抑えることができ、また、質量の大きいレンズを稼働させないので、焦点距離変動タイミングの遅れ等が生じにくく、数十ｋＨｚ程度の高速で変調を行うことができるという効果がある。
【００７２】
また、圧電アクチュエータ１０５，１１３及び圧電バイモルフ３０５は圧電方式に限定されず、静電方式、磁気方式等のアクチュエータを用いることができる。また、偏光ビームスプリッタ１０６と１／４波長板１０７とを可動多段ミラー１１１と組み合わせて波面曲率変調手段１００を構成することもできる。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明の画像表示装置では、移動手段が反射手段を光束の光軸方向に移動することで、波面曲率変調手段に入射した光束の波面曲率を変調することができる。従って、光学素子の光軸方向の移動により観察者に遠近感のある画像を認識させることができるとともに、その光学素子の移動を高速に繰り返す場合には、より自然体の画像を観察者に認識させることができる。
【００７４】
また、請求項２に係る発明の画像表示装置では、請求項１に係る発明の効果に加え、
１／４波長板に入射した光束は、１／４波長板によって直線偏光から円偏光に変化することができる。
【００７５】
また、請求項３に係る発明の画像表示装置では、請求項２に係る発明の効果に加え、１／４波長板は、光軸方向と直交する面上で回転することができる。従って、観察者の瞳孔に入射する光量を１／４波長板の回転角によって容易に設定することができる。
【００７６】
また、請求項４に係る発明の画像表示装置では、光束の光軸方向に対して位置の異なる複数の反射面を有する光学素子によって、波面曲率変調手段に入射した光束の波面曲率を変調することができる。従って、位置の異なる反射面により観察者に遠近感のある画像を認識させることができるとともに、反射面の切り換えを高速に繰り返すことにより、より自然体の画像を観察者に認識させることができる。
【００７７】
【００７８】
また、請求項５に係る発明の画像表示装置では、請求項１乃至４の何れかに係る発明の効果に加え、波面曲率変調手段は、位置調整手段によって移動手段とは別に反射手段の位置を調整することができる。従って、観察者は位置調整手段を用いて適した焦点位置を容易に調整することができる。
【００７９】
また、請求項６に係る発明の画像表示装置では、請求項５に係る発明の効果に加え、位置調整手段は、光検出手段によって検出された光の位置に応じて反射手段の位置を調整することができる。従って、観察者に適した焦点位置を自動的に調整することができる。
【００８０】
また、請求項７に係る発明の画像表示装置では、請求項１乃至６の何れかに係る発明の効果に加え、波面曲率変調手段を走査手段より光源側に配置し、走査手段上の光束が入射する位置と観察者の瞳孔位置とを光学的に共役の関係にすることができる。従って、波面曲率変調手段より出射された光束が観察者の瞳孔に入射するまでの光路上の距離に基づく波面曲率への影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、網膜走査型ディスプレイ１の全体構成を示す全体構成図である。
【図２】図２は、波面曲率変調手段１００によりレーザ光が変調される態様を示す模式図である。
【図３】図３は、波面曲率変調手段１００によりレーザ光が変調される態様を示す模式図である。
【図４】図４は、入射光側の光路上にラインＣＣＤセンサ４０１を設け、その出力値に基づいて位置調整手段１２０による可動ミラー１０３の基準位置の調整が自動で行われるようにした変形例を示す図である。
【図５】図５は、入射光側の光路上にラインＣＣＤセンサ４０１を設け、その出力値に基づいて位置調整手段１２０による可動ミラー１０３の基準位置の調整が自動で行われるようにした変形例を示す図である。
【図６】図６は、ラインＣＣＤセンサ４０１の出力値に基づいて行われる位置調整手段１２０の移動の制御を示すフローチャートである。
【図７】図７は、ビームスプリッタ１０１の代わりに偏光ビームスプリッタ１０６を用いた場合の波面曲率変調手段１００の変形例を示す図である。
【図８】図８は、１／４波長板１０７を通過するレーザ光の偏光方向について説明するための模式図である。
【図９】図９は、回転された１／４波長板１０７を通過するレーザ光の偏光方向について説明するための模式図である。
【図１０】図１０は、可動ミラー１０３の代わりに可動多段ミラー１１１を用いた場合の波面曲率変調手段１００の変形例を示す図である。
【図１１】図１１は、可動ミラー１０３の代わりに可動多段ミラー１１１を用いた場合の波面曲率変調手段１００の変形例を示す図である。
【図１２】図１２は、可動ミラー１０３の代わりに可変焦点レンズ３０１を用いた場合の網膜走査型ディスプレイ１の全体構成を示す全体構成図である。
【図１３】図１３は、可動ミラー１０３の代わりに可変焦点レンズ３０１を用いた場合の変形例を示す図である。
【図１４】図１４は、可動ミラー１０３の代わりに可変焦点レンズ３０１を用いた場合の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１    網膜走査型ディスプレイ
１９    水平走査系
２０    第１リレー光学系
２１    垂直走査系
２２    第２リレー光学系
２４    瞳孔
１００    波面曲率変調手段
１０１    ビームスプリッタ
１０２    凸レンズ
１０３    可動ミラー
１０４    ミラー
１０５    圧電アクチュエータ
１０６    偏光ビームスプリッタ
１０７    １／４波長板
１１１    可動多段ミラー
１２０    位置調整手段
１３０    回転機構
３０１    可変焦点レンズ
４０１    ラインＣＣＤセンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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