JP2010117542A - ビーム走査型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等の表示装置で、走査ビームの偏向手段上の入射位置が走査手段に近いと収差が大きくなり、解像度が低下する。
【解決手段】偏向手段上のビーム入射位置と走査手段の水平方向の距離が一定値以上になるように、偏向手段全体を傾けることで、収差の影響を抑え、画像の解像度の悪化を防ぐ。
【選択図】図５

Description

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。

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。

図１に眼鏡型のＨＭＤ構造の例を示す（例えば、特許文献１）。図１では眼鏡フレームにレーザ光を発光するレーザ源１０１、１１０、およびレーザ光の波面を制御する波面変更手段１０２、１０９、レーザ光を二次元方向に走査する走査手段１０３、１０８を搭載している。レーザ光は、走査手段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手段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。ここで偏向手段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。また走査手段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。
特開平１０−３０１０５５号公報

しかしながらレーザ走査方式の表示装置においては、走査手段から偏向手段に対して斜めにビームを投射すると解像度が悪化するという問題が生じる。

図１に示されるような偏向手段１０４、１０７は、ホログラム光学素子やプリズムなどの光学部品で構成されるため、偏向手段に入射したビームは、偏向手段から出射されるときに収差の影響を受ける。レーザ走査方式の表示装置において高い解像度を実現するためには、偏向手段がビームに与える収差の影響を低く抑え、網膜上でのビームスポット径を小さくする必要がある。しかしながら、走査手段からのビームが偏向手段に入射する入射角が大きい場合、ビームが偏向手段から受ける収差（特に非点収差）が大きくなり、網膜上のビームスポット径を小さくすることが困難になる。特に図１の眼鏡型ＨＭＤのように走査手段が偏向手段に対して斜め方向からビームを投射する場合、偏向手段上のビームの入射位置と走査手段の水平方向距離が近いほど非点収差の影響が大きくなり、解像度が悪化する。そのため、図１に示されるような眼鏡型ＨＭＤでは、走査手段と偏向手段の水平方向の距離が遠い画素（視野中心や鼻側寄りの視野の画素）は解像度が高いが、走査手段と偏向手段の距離が近い場素（耳側寄りの視野の画素）では解像度が低い、といった事態が生じる。この例を図３、図４を用いて説明する。

図４は図１の眼鏡型ＨＭＤを側面から見た場合の、走査手段１０３と偏向手段１０４の関係図である。図４において、走査手段１０３と偏向手段１０４の間の水平方向の距離をＤとする。この距離Ｄは走査手段１０３によって走査されたビームが、偏向手段１０４上に入射するまでの水平方向の距離であり、走査手段１０３の走査状況によって変動する。この点について、図３を用いて説明する。図３は走査手段１０３が水平方向にビームを走査する際の図であり、偏向手段１０４上のビームの入射位置は、走査手段１０３の動作に従って、最近点３０１（耳側）から、最遠点３０３（鼻側）のまでの範囲で変化する。図４の水平方向距離Ｄは、ビームが最近点３０１に入射する際に最も小さくなり、ビームが最遠点３０３に入射する際に最も大きくなる。

走査手段からのビームが偏向手段に入射する際の垂直方向の入射角αは、図４から明らかなように水平方向距離Ｄが小さくなるほど大きくなる。そのため、垂直方向入射角αはビームが偏向手段の最近点３０１側（耳側）に入射するときの方が、最遠点３０３側（鼻側）に入射するときよりも大きくなる。走査ビームが偏向手段に入射する際の垂直方向入射角αが大きくなると、偏向手段に入射した際に、偏向手段上でビームの断面形状は斜めに引き伸ばされる。そのため、ビームの非点収差が大きくなり、ビーム走査型表示装置の解像度が悪化する原因となる。

このように、走査手段が偏向手段に対して斜めからビームを入射するビーム走査型表示装置においては、偏向手段上でのビームの入射位置と走査手段の水平方向の距離が近いほど収差の影響が大きくなり解像度が悪化するという課題が生じる。特許文献１ではこのような問題に対する考慮がなされていない。

本発明は前記課題を解決するものでビーム走査型表示装置において、走査手段の動作状況によらず、偏向手段上のビーム入射位置と走査手段の水平方向の距離が一定値以上になるように、偏向手段全体を傾けることで、収差の影響を抑え、画像の解像度の悪化を防ぐことを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のビーム走査型表示装置は、ビームを出力する光源と、前記光源からのビームの波面形状を変化させる波面形状変更手段と、前記波面形状変更手段からのビームを走査する走査手段と、前記走査手段で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ変更する偏向手段と、前記偏向手段を保持する保持手段と、ユーザが正面を見る際の視線に垂直な面である基準面に対する前記偏向手段の傾きを変更する可動部とを備えることを特徴とする。

本構成によって、偏向手段による収差を低減し、ユーザに良好な画像を表示することが可能になる。

また本発明の可動部は基準面との角度変位の水平成分が、垂直成分より大きくなる向きに前記偏向手段の傾きを変更することを特徴とする。

本構成によって、走査手段との水平方向の距離が小さい走査領域を走査手段から遠ざけることが可能になり、収差を低減し、ユーザに良好な画像を表示することが可能になる。

また本発明の偏向手段は偏向したビームの集光点を少なくとも二つ以上保持することを特徴とする。

本構成によって、偏向手段が傾いた場合でもユーザの瞳孔に走査ビームを届けることが可能になる。

また本発明のビーム走査型表示装置は前記偏向手段の保持する集光点に対して、ある集光点がユーザの瞳孔に位置する際と、他の集光点がユーザの瞳孔に位置する際とで前記偏向手段の前記基準面に対する傾きが異なることを特徴とする。

本構成によって、偏向手段の状況によらずにユーザに映像を提示することが可能になる。

また本発明のビーム走査型表示装置は、前記基準面に対する前記偏向手段の傾きが大きいほど、画像の表示範囲を大きくすることを特徴とする。

本構成によって収差が大きい部分の画素を用いないようにすることができ、ユーザに低画質の映像を提示することを避けることができる。

また本発明のビーム走査型表示装置は、画像の表示範囲を変更する際に、前記走査手段が走査範囲を変更することを特徴とする。

本構成によって走査手段の制御によって画像の表示範囲を適切に変更することが可能になる。

また本発明のビーム走査型表示装置は、前記基準面に対して前記偏向手段の傾きが小さい場合には、ユーザが正面を見る際の視線が前記偏向手段に交わる点と前記走査手段との水平方向の距離よりも、表示する画像の中心と前記走査手段との水平方向の距離が大きくなるように画像の表示位置を設定することを特徴とする。

本構成によって収差が大きい部分の画素を用いないようにすることができ、ユーザに低画質の映像を提示することを避けることができる。

また本発明のビーム走査型表示装置は、ユーザの体の位置、加速度、傾き具合、心拍数、呼吸数の少なくとも一つを動作数値として検出する動作検出手段を備え、前記動作検出手段の検出結果に応じて、前記可動部は、前記基準面に対する前記偏向手段の傾きを変更することを特徴とする。

本構成によってユーザの動きにあわせて表示装置の形状を適切に変更することが可能になる。

また本発明のビーム走査型表示装置は、前記動作数値の数値もしくは前記動作数値の単位時間当たりの変化量の少なくとも一方が一定値を超えた場合には、前記可動部は、前記基準面に対する前記偏向手段の傾きを小さくすることを特徴とする。

本構成によって、外界に注意を向ける必要のある場合に、眼鏡レンズが傾いているなどの事態を防止し、ユーザが外界を認識することを妨げない処置を行うことが可能になる。

本構成によって、ユーザの瞳孔位置が動いた場合にも、走査ビームを瞳孔に届け、映像を表示することが可能になる。

また本発明のビーム走査型表示装置は、前記保持手段と前記偏向手段の間に遮蔽部を設け、前記保持手段に対して前記偏向手段が傾きを有する状態においても、前記保持手段と前記偏向手段の間に隙間が生じることを防止することを特徴とする。

本構成によって、外部からの光やゴミなどが表示装置の内部に入り、ユーザに不快感を与えることを防止することが可能になる。

偏向手段上のビーム入射位置と走査手段の水平方向の距離が一定値以上になるように、偏向手段全体を傾けることで、収差の影響を抑え、画像の解像度の悪化を防ぐことができる。

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。

（実施の形態１）
図１に、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）を示す。図２は、図１の一部の詳細図である。

図１、図２の構成図において、各構成要素とその関係を記す。

光源１０１、１１０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、後述する波面形状変更手段や走査手段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。

なお、図２では２１１は赤色の半導体レーザ光源、２１２は青色の半導体レーザ光源とし、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）素子の組合せとして図示してあるが、２１３が緑色の半導体レーザ光源でもよいし、各光源が固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ、発光ダイオードでもよい。

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。

なお、光源１０１、１１０は、図２の２１４の光検出手段を含んでもよい。光検出手段は、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。偏向手段により眼の方向へ偏向されたビームの多くは、角膜表面に対して斜めから入射するが、眼球に対して正面からのビームは、角膜表面に対して垂直に入射するために、ビームの反射率が比較的高くなるため、反射光の強度検出によって視線方向を検出できる。

波面形状変更手段１０２、１０９は、前記光源１０１、１１０からのビームの波面形状をそれぞれ変化させて、後述の偏向手段１０４、１０７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。

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、偏向手段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。

「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。

図２では２０１の集光点距離水平成分変更手段と、２０２の集光点距離垂直成分変更手段とを光路に直列に配置しており、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。２０１は水平方向のシリンドリカルレンズであり、２０２は垂直方向のシリンドリカルレンズであり、それぞれ単振動駆動することによって、水平方向および垂直方向の曲率を変更し、走査ビームの水平方向および垂直方向のビームウェスト位置を変更する。

なお、図２の波面形状変更手段では、シリンドリカルレンズを用いて波面形状を変更するが、他の手段として、シリンドリカルレンズとミラーを組み合わせて、ミラーの方を単振動駆動することで走査ビームのビームウェスト位置を変更する方法を用いても良い（図９）。この場合、ミラーをＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーとして構成することで、より高速な駆動を行うことが可能になる。

またシリンドリカルレンズの代わりに、回折光学素子を用いても良い。この場合、光学素子が薄く軽量になるため、より高速な駆動を行うことが可能になる。

また液晶レンズや、液体レンズ等の可変形状レンズや、ＥＯ素子（電気−光変換素子）などを用いて走査ビームのビームウェスト位置を変更する方法を用いてもよい。この場合、レンズやミラーの位置を直接移動させる必要がなくなるため、高速な制御が可能になり、かつ表示装置が余分な振動を発生しなくなる効果がある。

走査手段１０３、１０８は、それぞれ前記波面形状変更手段１０２、１０９からのビームを２次元走査する。走査手段は角度を２次元的に変更できる単板小型ミラーで、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）マイクロミラーである。

なお、走査手段は水平走査用と垂直走査用のように２種以上の走査手段の組合せで実現してもよい。

なお、走査手段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。

偏向手段１０４、１０７は、前記走査手段１０３、１０８で走査されたビームの向きをそれぞれユーザの眼に向かう方向へ変更する。１０４、１０７の偏向手段では、メガネのレンズの内側（眼の側）に、例えばフォトポリマー層が形成され、フォトポリマー層にはリップマン体積ホログラムが形成されて、走査手段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、光源波長の光のみが回折し、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は回折の影響を受け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。

なお、偏向手段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。この場合、偏向手段にホログラムを用いる場合より、偏向手段の製造が簡単になる。

保持手段１１３は、メガネ型ＨＭＤのフレーム部分であり、眼鏡レンズおよび偏向手段１０４，１０７を保持する。

制御手段１０５、１１１は、ＨＭＤ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、波面形状変更手段、走査手段の動作が制御手段１０５、１１１によって行われる。

また制御手段１０５，１０８はユーザに表示する内容を決定する手段を備える。

図９に本実施の形態における制御手段１０５、１１１の機能ブロック図を示す。各機能ブロックの詳細については後述する。

なお、制御手段１０５、１１１は、携帯電話等の周辺機器と無線接続して映像音声信号を受信する通信手段を備えてもよい。また制御手段１０５、１１１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。

なお、制御手段１０５、１１１はひとつであってもよく、制御手段１０５もしくは１１１が左右の眼に対応するレーザ光源、波面形状変更手段、走査手段、ヘッドホンの動作を制御してもよい。この場合、制御手段が１つで済むためにコストが削減され、また表示装置が軽量化される効果がある。

ヘッドホン部１０６、１１２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。

なお、図１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１各部の全てが、１台のＨＭＤに含まれていてもよいし、ヘッドホン部がなくてもよい。また、各部が分散配置していてもよい。例えば、制御手段が走査手段や波面形状変更手段に一部含まれていてもよい。複数の機器で図１の各部を共有してもよい。例えば、レーザ光源を２つのＨＭＤで共有してもよい。

以下に、本実施の形態において、偏向手段上のビーム入射位置と走査手段の水平方向の距離が一定値以上になるように、偏向手段全体を傾けることで、収差の影響を抑える例を示す。なお、以下は簡単のためＨＭＤにおいてユーザの左眼に対する表示に関してのみ説明を行うが、右目に付いても同様の処理が行われる。

また本実施の形態では簡単のため、偏向手段を保持するメガネフレームである保持手段をユーザが正面を見る際の視線に垂直な面である基準面として利用しているが、保持手段は基準面に対して傾いていても良いし、平面でなくても良い。

本実施の形態では、表示装置は偏向手段１０４が保持手段１１３に対して水平方向の傾きを有しない「通常形状」と、偏向手段１０４が保持手段１１３に対して水平方向の傾きを有する「せり出し形状」の二つの形状をとる。図３に通常形状の構成図、図５にせり出し形状の構成図を示す。図５に示されるように、せり出し形状では、偏向手段１０４の内、走査手段１０３に近い部分が保持手段１１３に対して前方にせり出すように傾く。この形状を取ることで、偏向手段１０４上において走査ビームが入射する走査領域の各点と走査手段の間の距離を長くすることができ、走査ビームが受ける収差の量を低減することが可能になる。

なお本実施の形態のように、偏向手段１０４が眼鏡レンズと一体になっている場合、せり出し形状においては眼鏡レンズは偏向手段１０４と同様、保持手段１１３に対して傾くことになる。この場合、眼鏡レンズはユーザの視力を補正する機能を果たすことができなくなる。そのため、本実施の形態では、図１０に示すステップ１００１〜１００３を実行することで、ユーザが静止している場合にはせり出し形状をとることで、表示する画像の品質を向上させ、ユーザが歩行などの行動をとっている場合には通常形状をとることで、眼鏡レンズの機能を損なうことを防止する。以下に、ステップ１００１〜１００３における具体的な処理の内容を示す。

（ステップ１００１）形状判定
本ステップでは形状判定手段９０１が、ユーザの動作状態を検知し、表示装置がせり出し形状と通常形状のどちらの形状を取るべきかの判定を行う。

動作検出手段９０４は、ユーザの動作を検知するためのセンサーを備え、センサーからの入力に応じて、現在のユーザの動作状況を判定する。本実施の形態においては、動作検出手段９０４はセンサーとして加速度センサーを備えることで、表示装置の上下の振動を検知し、振動の程度からユーザが静止、歩行、走行といったユーザの状況を判断する。視線検出手段９０５は、光検出手段２１４の検出結果からユーザの視線の動きを検知する。

形状判定手段９０１は、視線検出手段９０５および動作検出手段９０４の検出結果から、現在のユーザの状況を判断し、現在の表示装置のとるべき形状を選択する。本実施の形態では、形状判定手段９０１は図１３に示すような判定表を保持し、この判定表を利用することで表示装置のとるべき形状の判断を行う。本実施の形態では、ユーザが静止している場合にはせり出し形状、ユーザが歩行や走行を行っている場合には通常形状を選択する。

なお表示装置の形状変更は、ユーザがユーザインターフェースを介して直接入力する方法を用いても良い。この場合、ユーザの動作状況にかかわらず、眼鏡型ＨＭＤの形状をユーザの好みの形状にすることが可能になる。

なお動作検知手段９０４は加速度センサー以外のセンサーを用いてユーザの状況を判断しても良い。例えばＧＰＳをセンサーとして用い、ユーザの現在地、ユーザ位置の移動速度からユーザの状況を判断しても良いし、心拍数や体温を検知するセンサーの情報からユーザの状況を判断しても良い。また複数種類のセンサーの情報を組み合わせてユーザの状況を判断しても良い。この場合、より正確にユーザの状況を検知することが可能になる。

なお形状判定手段９０１は図１３に示すような判定表を用いず、視線検出手段９０５によるユーザの視線位置の結果に応じて、表示装置のとるべき形状を判定しても良い。例えばユーザの視線が正面を向いている場合には通常形状、ユーザの視線が耳側（走査手段側）を向いている場合にはせり出し形状を選択する。この場合、図７に示すようにユーザの眼球の移動に追従するように偏向手段１０４の集光点位置が移動する。そのためユーザが眼球を動かしても走査ビームを瞳孔内部に届けることができ、ユーザが眼球を動かすと映像が消える事態を防止することが可能になる。

動作検出手段９０４は、表示装置の取るべき形状を判定した後、判定結果を形状偏向手段９０２に通知する。

（ステップ１００２）形状変更
本ステップでは、形状変更手段９０２が前ステップの判定結果に基づいて、偏向手段１０４の傾きを偏向することで表示装置の形状を変更する。

本実施の形態においては、図５に示すように可動部５０１が保持部１１３と偏向手段１０４を結合する支柱部分に設置されており、可動部５０１が回転することによって、偏向手段１０４全体が水平方向に傾き、表示装置の形状が変更される。形状変更手段９０２は、前ステップの判定結果が通常形状であった場合には、偏向手段１０４の保持手段１１４に対する傾きがなくなるように可動部５０１を動作させ、前ステップの判定結果がせり出し形状であった場合には、偏向手段１０４が保持手段１１４に対して傾きを持つように可動部５０１を動作させる。図５に示されるように、せり出し形状では最近点３０１と走査手段１０３の水平方向の距離は長くなる。そのため非点収差の影響が抑えられ、ユーザの視野耳側の画素の解像度を高めることが可能になる。

なお本実施の形態では、図７に示すように偏向手段１０４は、二つの異なる集光点位置を保持する。ここで集光点位置とは、走査手段１０３からの走査ビームが、偏向手段１０４から反射した後に集光される位置であり、偏向手段１０４が二つの集光点位置を持つ場合、偏向手段１０４からの反射光は分光され、二つの集光点位置にそれぞれ集光される。図７の例では、走査手段１０３からの光は、集光点７０１、集光点７０２の二つにそれぞれ到達する。

ユーザに映像を表示させる場合には、集光点７０１あるいは集光点７０２のいずれかに集まる光がユーザの瞳孔内に入射する必要がある。ユーザの瞳孔にどちらの集光点の光も入射しない場合には、ユーザの網膜に光が届かないため、ユーザは映像を視認することができない。表示装置が図３に示す通常形状から、図５に示すせり出し形状に変化した場合、集光点７０１の位置は、偏向手段１０４が保持手段１１３に対して傾くに伴い、耳側（走査手段１０３側）に移動する。このため集光点７０１の位置は、ユーザの瞳孔の位置からズレることになり、集光点７０１に集まる光はユーザの網膜に届かなくなるため、ユーザは映像を視認できなくなる。これを防ぐため、眼鏡型ＨＭＤが図５に示すせり出し形状となった場合に、ユーザの瞳孔位置に走査ビームが届くように偏向手段１０４のもう一つの集光点７０２が設定されている。なおこのような偏向手段１０４は、偏向手段１０４をホログラムで実現し、走査手段１０３からの光が集光点７０１に集まる場合と捜査手段１０３からの光が集光点７０２に集まる場合の二つの光学性能を持つようにホログラムを多重露光することで実現できる。

なお可動部５０１は、偏向手段１０４の中央ではなく他の場所に設置しても良い。可動部５０１が耳側に設置されているほど、せり出し形状をとった場合に、保持手段１１３から、偏向手段１０４がせり出す部分が小さくなるため、表示装置の形状が眼鏡形状から大きく逸脱することを防ぐことができる。また可動部５０１が鼻側に設置されているほど、最近点３０１と走査手段１０３の水平方向の距離を大きくすることができるため、非点収差の影響をより小さく抑えることが可能になる。

また可動部５０１は支柱の形態ではなくても良いし、複数用意してもよい。例えば、図１１に示すように偏向手段１０４の両端に二つの可動部を設置し、可動部は偏向手段がせり出す方向に伸縮することで表示装置の形状を変更する方法を用いても良い。この場合、二つの可動部で偏向手段１０４と保持手段１１３を結合することになるため、偏向手段の位置を安定して保持することが可能になる。

（ステップ１００３）走査範囲変更
本ステップでは、走査範囲変更手段９０３が、走査手段１０３の走査範囲を制御することで、偏向手段１０４上でビームが入射する範囲を変更する。

前ステップで表示装置が通常形状となっている場合、前述のように偏向手段１０４上の耳側に入射するビームは、収差の影響が大きくなるため解像度を高くすることが出来ない。そのため、走査範囲変更手段９０３は通常形状では走査手段１０３による水平方向の走査範囲を、図３に示す中心点３０２から最遠点３０３に制限する。このことで解像度の高い部分の画素だけを使ってユーザに映像を表示することができる。

前ステップで表示装置がせり出し形状となっている場合、視野全面に渡って高い解像度を実現することができるため、走査範囲変更手段９０３は、走査手段１０３の水平方向の走査範囲を最近点３０１から最遠点３０３の範囲に広げる。このことで、ユーザに対して広視野の映像を表示することができる。

なお画像の表示範囲を変更する際には、走査手段１０３の走査範囲を変更するのではなく、光源１０１の出力を変更することで画像の表示位置、表示範囲を変更してもよい。この場合、走査手段１０３の走査角の変更など複雑な処理を避けることが可能になる。

なお偏向手段１０４と保持手段１１３の間に膜状の遮蔽部１２０１を設置し、表示装置がせり出し形状をとった際に、偏向手段１０４と保持手段１１３の間に隙間が生じないようにしてもよい。この場合、迷光やゴミなどが偏向手段１０４と保持手段１１３の隙間から進入し、ユーザに不快感を与えることを防ぐことができる。また遮蔽部１２０１は伸縮性のあるゴム状の素材を用いて実現しても良いし、通常形状では蛇腹上に折りたたまれ、せり出し形状では引き伸ばされる形状を持つことで実現しても良い。この場合、通常形状では遮蔽部１２０１は、偏向手段１０４と保持手段１１３の間に格納されるため、表示装置を小型化することが可能になる。

なお表示装置の形状は、通常形状とせり出し形状の二種類だけではなく、偏向手段１０４の保持手段１１３に対する傾きの度合いによって、複数のせり出し形状を用意してもよい。この場合、ユーザに表示する映像の視野角が低い場合には、せり出しの度合いを小さくすることで、表示装置の形状が眼鏡型から大きく逸脱することを防ぐことが可能になる。またユーザの視線の動きに応じて、偏向手段１０４の傾きの度合を調節することで、偏向手段の集光点がユーザの瞳孔から外れることを防止することも出来る。

（実施の形態２）
本実施の形態では、車両や航空機に搭載されるＨＵＤ（Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）をビーム走査型の表示装置で実現する際に、偏向手段に傾きを持たせることで解像度を改善する方法について例示する。

図１４に、本発明の実施の形態２におけるレーザ走査型のＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）の側面図、図１６に鳥瞰図を示す。

車１４０１の内部に、左目用レーザ走査ユニット１４０２および右目用レーザ走査ユニット１４１０が埋め込まれている。レーザ走査ユニット１４０２、１４１０は車のフロントガラス１４０３の下方に取り付けられており、本実施の形態で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。

なおレーザ走査ユニット１４０２、１４１０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１４０２、１４１０の交換や位置の変更が容易になる。またレーザ走査ユニット１４０２、１４１０は図１６に示すようにユーザを挟むように配置する方法のほかに、図１５に示すようにユーザの右側に両方ともが配置される方法をとっても良い。この場合、車体中央に走査ユニットを配置する必要がなくなるため、車中央の空間を広げ、デザイン性を高めることが可能になる。

レーザ走査ユニット１４０２、１４０３によって走査された光はフロントガラス１４０３の手前に配置され、保持部１１３によって保持される偏向手段１０４、１０７によって反射され、ハーフミラー１４０４を通過し、ドライバー１４０５の眼球１４０６、１４０９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１２０３越しに外界風景を確認しながら、レーザ走査ユニット１２０２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。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１２０４によって反射され、光検出手段２１４によって検出される。

なお偏向手段１０４および１０７は、図１６に示すようにフロントガラス１４０３の手前に別々に配置する方法の他に、図１５に示すように１つのホログラム上に多重露光することで、一枚のホログラムミラーとして実現する方法を用いても良い。この場合、１０４および１０７の面積を広げることが可能になり、ユーザにより広い視野角の映像を表示することが可能になる。

またハーフミラー１４０４は右目用と左目用の二つを用意しても良いし、一枚の横長形状のハーフミラーを用いても良い。

また本発明の実施の形態においては、ユーザの眼前にハーフミラー１４０４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手段２１４に反射させる。ハーフミラー１４０４は、車の天井１４０７に支持棒１４０８によって取り付けられており、この構造によってユーザの頭部への装置の装着を強制することなしに、ユーザの網膜上のスポットサイズの検出を行うことができる。なおハーフミラー１４０４および光検出器２１４は車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。なお光検出手段２１４は左目用と右目用の二つを用意する方法のほかに、光検出器２１４は１つのみを設置し、どちらか片方の目からの反射光を検出する方法を用いても良い。この場合、光検出２１４を増やすこと無くユーザの視線方向を検出することができるため、ビーム走査型表示装置のコストを削減することができる。

左目用レーザ走査ユニット１４０２は、光源１０１、波面形状変更手段１０２、走査手段１０３、制御回路１０５から構成されている。また左目用レーザ走査ユニット１４１０は、光源１１０、波面形状変更手段１０９、走査手段１０８、制御回路１１１から構成されている。図１７に本実施の形態における左目用レーザ走査ユニット１４０２内の光源１０１、波面形状変更手段１０２、偏向手段１０３の構造の例を示す。

図１７における光源１０１は、実施の形態１の図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から構成されている。なお本実施の形態において光検出手段２１４は光源１０１中には含まれず、図１４に示されるように車内の天井１４０７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手段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。

図１７における波面形状変更手段１０２は、１７０１の集光点距離水平成分変更手段と、１７０２の集光点距離垂直成分変更手段とを光路に直列に配置しており、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１７０１および１７０２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。なお１７０１、１７０２は実施の形態１における図２に示される２０１、２０２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。

なお右目用レーザ走査ユニット１４１０については、１４０２と同様の構造をとるため説明は省略する。

制御手段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、波面形状変更手段、走査手段、光検出器の動作が制御手段１０５によって行われる。また制御手段１０５は前記波面形状変更手段の動作を制御する機能も含む。本実施の形態において光検出手段２１４は天井に配置され、制御回路１０５はインパネ内部に設置されているが、光検出手段２１４と制御回路１０５間の通信は車の内部において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。

本実施の形態において、図１４のビーム走査型表示装置は、図１９に示すステップ１００１〜１００３を実行し、保持手段１１３に対する偏向手段１０４，１０７の傾きを変えることで、収差の影響を抑え、画質の劣化を防止する。なおステップ１００１〜１００３の処理の内容は実施の形態１と同様である。

なお、上記した各実施の形態での制御処理は、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等）に格納された上述した処理手順を実行可能な所定のプログラムデータが、ＣＰＵによって解釈実行されることで実現される。この場合、プログラムデータは、記録媒体を介して記憶装置内に導入されてもよいし、記録媒体上から直接実行されてもよい。なお、記録媒体は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスクメモリ、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤやＢＤ等の光ディスクやＳＤカード等のメモリカード等の記録媒体をいう。また、記録媒体は、電話回線や搬送路等の通信媒体も含む概念である。

本発明にかかるビーム走査型表示装置は、偏向手段の傾きを変更する可動部などを有し、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。

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構成図 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 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通常形状を示す図 走査手段とビーム入射位置の間の水平方向距離と、入射角の関係図 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せり出し形状を示す図 本発明の実施の形態１における通常形状時における走査手段の水平方向の走査範囲を示す図 本発明の実施の形態１における偏向手段の持つ集光点位置を示す図 本発明の実施の形態１におけるユーザの視線方向と偏向手段の集光点位置の関係図 本発明の実施の形態１における制御手段の機能ブロック図 本発明の実施の形態１における偏向手段の傾きを偏向するフローチャート 本発明の実施の形態１における可動部の例を示す図 本発明の実施の形態１における遮蔽部の例を示す図 本発明の実施の形態１における表示装置の形状を判定する判定表の例を示す図 本発明の実施の形態２におけるビーム走査型表示装置の構成図 本発明の実施の形態２におけるビーム走査型表示装置の構成図 本発明の実施の形態２におけるビーム走査型表示装置の構成図 本発明の実施の形態２におけるビーム走査型表示装置の詳細構成図

符号の説明

１０１ 左眼用光源
１０２ 左眼用波面形状変更手段
１０３ 左眼用走査手段
１０４ 左眼用偏向手段
１０５ 左眼用制御手段
１０６ 左眼用ヘッドホン部
１１０ 右眼用光源
１０９ 右眼用波面形状変更手段
１０８ 右眼用走査手段
１０７ 右眼用偏向手段
１１１ 右眼用制御手段
１１２ 右眼用ヘッドホン部
２０１ 集光点距離水平成分変更手段
２０２ 集光点距離垂直成分変更手段
２１１ 赤色レーザ光源
２１２ 青色レーザ光源
２１３ 緑色レーザ光源
２１４ 光検出手段

Claims (11)

1. ビームを出力する光源と、
   前記光源からのビームの波面形状を変化させる波面形状変更手段と、
   前記波面形状変更手段からのビームを走査する走査手段と、
   前記走査手段で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ変更する偏向手段と、
   前記偏向手段を保持する保持手段と、
   ユーザが正面を見る際の視線に垂直な面である基準面に対する前記偏向手段の傾きを変更する可動部とを
   備えることを特徴とするビーム走査型表示装置。
2. 前記可動部は基準面との角度変位の水平成分が、垂直成分より大きくなる向きに
   前記偏向手段の傾きを変更することを特徴とする請求項１に記載のビーム走査型表示装置。
3. 前記偏向手段はビームの集光点を少なくとも二つ以上保持することを特徴とする請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
4. 前記偏向手段の保持する集光点に対して、
   ある集光点がユーザの瞳孔に位置する際と、
   他の集光点がユーザの瞳孔に位置する際とで前記偏向手段の前記基準面に対する傾きが異なることを特徴とする請求項３に記載のビーム走査型表示装置。
5. 前記基準面に対する前記偏向手段の傾きが大きいほど、画像の表示範囲を大きくすることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のビーム走査型表示装置。
6. 画像の表示範囲を変更する際に、
   前記走査手段が走査範囲を変更することを特徴とする請求項５に記載のビーム走査型表示装置。
7. 前記基準面に対して前記偏向手段の傾きが小さい場合には、
   ユーザが正面を見る際の視線が前記偏向手段に交わる点と前記走査手段との水平方向の距離よりも、
   表示する画像の中心と前記走査手段との水平方向の距離が大きくなるように画像の表示位置を設定することを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のビーム走査型表示装置。
8. ユーザの体の位置、加速度、傾き具合、心拍数、呼吸数の少なくとも一つを動作数値として検出する検出する動作検出手段を備え、
   前記動作検出手段の検出結果に応じて、前記可動部は、前記基準面に対する前記偏向手段の傾きを変更することを特徴とする請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
9. 前記動作数値の数値もしくは前記動作数値の単位時間当たりの変化量の少なくとも一方が一定値を超えた場合には、
   前記可動部は、前記基準面に対する前記偏向手段の傾きを小さくすることを特徴とする請求項８に記載のビーム走査型表示装置。
10. ユーザの視線を検出する視線検出手段を備え、
    前記視線検出手段の検出結果に応じて、前記可動部は、前記基準面に対する前記偏向手段の傾きを変更することを特徴とする請求項２に記載のビーム走査型表示装置。
11. 前記保持手段と前記偏向手段の間に遮蔽部を設け、
    前記基準面に対する前記偏向手段が傾きが大きい状態においても、前記保持手段と前記偏向手段の間に隙間が生じることを防止することを特徴とする請求項２に記載のビーム走査型表示装置。

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