JP2011069902A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光の調整に用いる検出用レーザ光の出射範囲を適切に選択することができる画像表示装置を提供する。
【解決手段】画像表示装置は、レーザ光を出射する光源部と、光源部から出射されたレーザ光を２次元方向に走査する走査部の走査範囲のうち無効走査範囲で走査されたタイミング検出用レーザ光が入射する位置に配置された光検出部と、画像形成用レーザ光を投射する投射部と、無効走査範囲で走査されて投射部に向かうタイミング検出用レーザ光を遮断する遮光部と、走査部と遮光部との間のレーザ光の光路上に設けられたレンズと、光源部からのレーザ光の出射を制御する制御部とを備えている。レンズの有効径を、有効走査範囲で走査された画像形成用レーザ光が全てレンズの有効径内を通過できる最小の径とし、制御部は、タイミング検出用レーザ光がレンズの有効領域内に入射するように、光源部からタイミング検出用レーザ光を出射させるようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、画像表示装置に関する。さらに詳細には、レーザから出射されたレーザ光を２次元方向に走査して画像を表示する画像表示装置に関する。

従来より、複数のレーザから出射されたレーザ光を走査部により２次元方向に走査して画像を表示する走査型画像表示装置が知られている。この種の走査型画像表示装置として、例えば、網膜走査型画像表示装置やスクリーン走査型画像表示装置が知られている。網膜走査型画像表示装置は投射対象をユーザの網膜とするものであり、スクリーン走査型画像表示装置は投射対象をスクリーンとするものである。

この種の走査型画像表示装置では、走査部による走査を高速に行う必要があり、例えば、ガルバノミラーなどのようにレーザ光の方向を変える偏向素子が用いられている。偏向素子は駆動信号を入力して動作させるものであるが、高速に偏向させようとすると駆動信号に対する応答性が悪くなり偏向動作の遅延が生じる。この遅延は、偏向素子の個体差によって異なるため、走査部による走査位置が正確に把握できない。

そこで、従来の走査型画像表示装置では、走査部で走査されたレーザ光が入射する位置に光検出部を配設しており、この光検出部によるレーザ光の検出に基づき、光源部であるレーザからのレーザ光の出射タイミングを調整している（例えば、特許文献１参照）。

この光検出部は、画像を表示するために投射対象に投射するレーザ光（以下、「画像形成用レーザ光」という）の走査範囲（以下、「有効走査範囲」という）内にあると、画像形成の妨げとなるため、有効走査範囲以外に配置されている。そして、画像形成用レーザ光とは別に、専用のレーザ光（以下、「タイミング検出用レーザ光」という）を走査部による走査範囲が有効走査範囲外のときに走査部に入射させるようにしている。

ところで、タイミング検出用レーザ光を走査部に入射させて光検出部で検出するまでは、走査部の走査位置がどこにあるか把握することができていない。そのため、従来においては、所定期間連続してタイミング検出用レーザ光を走査部に入射することとしている。

そのため、このような走査型画像表示装置は、有効走査範囲外で走査されたタイミング検出用レーザ光の光路上に遮光部を設けており、これにより、タイミング検出用レーザ光が投射対象に投射されることを防止している。

特開２００８−２３３５６２号公報

ところで、上記光走査型画像表示装置においては、レンズなどの光学系を有効走査範囲の領域より十分大きい径とすれば、設計は容易で画質への弊害も無いが、低コスト化、省スペース化の要請があり、特にヘッドマウント型のものでは、レンズなどの光学系の小型化が求められている。

しかしながら、走査部と遮光部との間の光路上に配置されるレンズは、画像形成用レーザ光のみならず、タイミング検出用レーザ光も通過することから、単に小さくしただけでは、表示する画像の品質に悪影響を及ぼしてしまうことになる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、表示する画像の品質に悪影響を及ぼすことなく、走査部と遮光部との間の光路上に配置されるレンズの小型化を図ることができる画像表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、画像表示装置において、画像信号を含む駆動信号に応じた強度のレーザ光を出射する光源部と、前記光源部から出射されたレーザ光を２次元方向に走査する走査部と、前記走査部の走査範囲のうち無効走査範囲で走査されたタイミング検出用レーザ光が入射する位置に配置された光検出部と、前記走査部の走査範囲のうち有効走査範囲で走査された画像形成用レーザ光を投射対象に投射する投射部と、前記走査部と前記投射部との間の前記レーザ光の光路上に設けられ、前記無効走査範囲で走査されて前記投射部に向かう前記タイミング検出用レーザ光を遮断する遮光部と、前記走査部と前記遮光部との間の前記レーザ光の光路上に設けられたレンズと、前記光検出部による前記タイミング検出用レーザ光の検出タイミングに基づき、前記光源部からの前記レーザ光の出射を制御する制御部と、を備え、前記レンズの有効径を、前記有効走査範囲で走査された画像形成用レーザ光が全て当該レンズの有効径内を通過できる最小の径とし、前記光検出部は、前記レンズの有効径内に配置され、前記制御部は、前記タイミング検出用レーザ光が前記レンズの有効領域内の光検出部に入射するように、前記光源部から前記タイミング検出用レーザ光を出射させることとした。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の画像表示装置において、前記レンズに前記画像形成用レーザ光が入射する領域は略方形状の領域であり、前記制御部は、前記レンズの有効領域内でかつ前記略方形状の領域外にあり前記略方形状の領域の左右又は上下に位置する領域のうち、最も広い領域内に入射するように、前記光源部から前記タイミング検出用レーザ光を出射させることとした。

また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載の画像表示装置において、前記光検出部は複数設けられており、前記制御部は、前記レンズの有効領域内でかつ前記略方形状の領域外にあり前記略方形状の領域の左右又は上下に位置する領域のうち、少なくとも２つの領域内に前記タイミング検出用のレーザ光を入射することとした。

また、請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の画像表示装置において、前記レンズは、前記走査部と前記遮光部との間の前記レーザ光の光路上に形成される中間像面を形成するレンズであることとした。

また、請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の画像表示装置において、前記走査部は、第１方向に相対的に高速にレーザ光を走査する高速走査部と、前記第１方向に略直交する第２方向に相対的に低速にレーザ光を走査する低速走査部と、を有し、前記高速走査部はその偏向面の角度を正弦波状に揺動させることによりレーザ光を走査するものであり、前記光検出部は、前記高速走査部の偏向面がその揺動中心位置又はその近傍にあるときに当該高速走査部の偏向面により走査されたレーザ光が入射する位置に配置するようにした。

本発明によれば、走査部と遮光部との間の光路上に配置されるレンズの有効径を有効走査範囲で走査された画像形成用レーザ光が全て当該レンズの有効径内に通過できる最小の径とし、さらに、タイミング検出用レーザ光がレンズの有効領域内に入射するように、光源部からタイミング検出用レーザ光を出射させる。そのため、例えば、レンズの端部にレーザ光が出射されることにより迷光を防止することができ、表示する画像の品質に悪影響を及ぼすことなく、走査部と遮光部との間の光路上に配置されるレンズの小型化を図ることができる。

網膜走査型画像表示装置の外観図である。 網膜走査型画像表示装置の電気的構成及び光学的構成を示す図である。 高速走査部及び低速走査部の各偏向素子による走査範囲の説明図である。 レンズをレーザ光の入射面側から見たときの図である。 レンズと走査範囲との関係を示す図である。 タイミング検出用レーザ光が迷光となる様子を示す図である。 出射領域を示す図である。 タイミング検出用レーザ光を出射する範囲を示す図である。 光検出部の位置を示す図である。 タイミング検出用レーザ光を出射する範囲を示す図である。 光検出部の位置と走査方向との関係を示す図である。

以下に、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、画像信号に応じたレーザ光を走査部により走査して、ユーザの少なくとも一方の網膜上でレーザ光を走査してユーザに画像を認識させる網膜走査型画像表示装置を例に挙げて説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、画像信号に応じたレーザから出射される強度のレーザ光を走査部により走査してスクリーン上に画像を投影するスクリーン走査型画像表示装置等、レーザ光を走査して画像を表示する他の走査型画像表示装置に対して適用することができる。

［１．網膜走査型画像表示装置の構成］
まず、本発明の一実施形態に係る網膜走査型画像表示装置（以下、「ＲＳＤ」という）の構成について、図１及び図２を参照して具体的に説明する。

［１．１．ＲＳＤ１の外観］
図１に示すように、本実施形態に係るＲＳＤ１は、コントロールユニット２、頭部装着具５を有しており、コントロールユニット２と頭部装着具５とは伝送ケーブル部４を介して接続されている。伝送ケーブル部４は、コントロールユニット２から出射されたレーザ光を伝送する後述の光ファイバケーブル５０を有する。また、この伝送ケーブル部４には、後述の投影部６に備えられる高速走査部８０及び低速走査部９０と同じく後述の光源部２０との間で同期をとるための高速駆動信号６１及び低速駆動信号６２を伝送する駆動信号伝送用ケーブルも有する。

コントロールユニット２は、後述する内蔵のコンテンツ記憶部１２に記憶されたコンテンツ情報Ｆに基づいて画像信号Ｓを生成し、この画像信号Ｓに応じた強度のレーザ光（以下、「画像光」ともいう）を伝送ケーブル部４へ出射する。なお、コントロールユニット２は、図示しない外部入出力端子から画像信号やコンテンツ情報などを入力することができる。また、ここでコンテンツ情報とは、文字画像、絵柄画像などを含む静止画像データや動画像データなどにより構成される。

頭部装着具５は、投影部６と、この投影部６を支持する眼鏡型フレーム１４とから構成される。投影部６は、伝送ケーブル部４の光ファイバケーブル５０を介して伝送されてきた画像光を２次元方向に走査し、ユーザの眼へ投射する。これにより、ユーザの眼の網膜上で画像光が２次元方向に走査され、ユーザは画像信号Ｓに応じた画像を視認する。

また、投影部６には、ユーザの眼１０１と対向する位置にハーフミラー１５が設けられている。外光Ｌａはハーフミラー１５を透過してユーザの眼１０１に入射され、投影部６から出射される画像光Ｌｂはハーフミラー１５で反射してユーザの眼１０１に入射される。これにより、ユーザは外光Ｌａによる外景に画像光Ｌｂによる画像を重ねて視認することができる。

このようにＲＳＤ１は、外光を透過しつつ、画像光をユーザの眼１０１に投射するシースルー型のヘッドマウントディスプレイとしている。

［１．２．ＲＳＤ１の電気的構成及び光学的構成］
次に、ＲＳＤ１の電気的構成及び光学的構成について図２を参照して説明する。

コントロールユニット２は、駆動制御部１０と、光源部２０と、操作部４０とを有している。

駆動制御部１０は、ＲＳＤ１全体を制御する制御部１１と、コンテンツ情報Ｆを記憶するコンテンツ記憶部１２と、画像を合成するための要素となる信号等を発生する駆動信号供給回路１３とを有している。

制御部１１は、その内部に記憶されている制御プログラムにしたがって後述する所定の処理を実行することによって、ＲＳＤ１全体を制御する。この制御部１１は、ＣＰＵ、フラッシュメモリ、ＲＡＭ、ＶＲＡＭ、複数の入出力Ｉ／Ｆなどを有し、これらはデータ通信用のバスにそれぞれ接続されており、このバスを介して各種情報の送受信を行う。

ＣＰＵは、フラッシュメモリに記憶されている制御プログラムを実行することにより、ＲＳＤ１を構成する各部を動作させ、ＲＳＤ１が備える各種機能を実行させる演算処理装置である。また、ＣＰＵは、操作部４０から入力される情報を取得し、当該情報に応じた処理を行う。例えば、ＣＰＵは、操作部４０から入力される情報に基づき、コンテンツ情報Ｆを所定形式の画像信号Ｓ（例えば、ＮＴＳＣコンポジット信号、コンポーネント信号）に変換して駆動信号供給回路１３へ出力する。

駆動信号供給回路１３は、画像信号Ｓに基づいて、画像を形成するための要素となる三原色それぞれの色に応じた各色の画像信号を画素単位で生成する。すなわち、駆動信号供給回路１３からは、各色の画像信号として、Ｒ（赤色）駆動信号６０ｒ，Ｇ（緑色）駆動信号６０ｇ，Ｂ（青色）駆動信号６０ｂが生成されて出力される。なお、駆動信号供給回路１３は、後述するタイミング検出用レーザ光を出射するために、画像信号Ｓに基づいた駆動信号６０ｒ，６０ｇ，６０ｂに加え、このタイミング検出用のＲ駆動信号６０ｒを生成して出力する。また、駆動信号供給回路１３は、高速走査部８０で使用される高速駆動信号６１と、低速走査部９０で使用される低速駆動信号６２とをそれぞれ出力する。

光源部２０には、Ｒレーザドライバ６６，Ｇレーザドライバ６７，Ｂレーザドライバ６８が設けられる。Ｒレーザドライバ６６，Ｇレーザドライバ６７，Ｂレーザドライバ６８は、それぞれ駆動信号供給回路１３から出力されるＲ駆動信号６０ｒ，Ｇ駆動信号６０ｇ，Ｂ駆動信号６０ｂをもとに、Ｒレーザ６３，Ｇレーザ６４，Ｂレーザ６５へそれぞれ駆動電流を供給する。各レーザ６３，６４，６５は、各レーザドライバ６６，６７，６８から供給される駆動電流に応じて強度変調されたレーザ光（「光束」とも呼ぶ。）を出射する。各レーザ６３，６４，６５は、例えば、半導体レーザや高調波発生機構付き固体レーザとして構成することが可能である。なお、半導体レーザを用いる場合は駆動電流を直接変調して、レーザ光の強度変調を行うことができるが、固体レーザを用いる場合は、各レーザそれぞれに外部変調器を備えてレーザ光の強度変調を行う必要がある。

さらに、光源部２０には、コリメート光学系７１，７２，７３と、このコリメートされたレーザ光を合波するためのダイクロイックミラー７４，７５，７６と、結合光学系７７とが設けられている。各レーザ６３，６４，６５から出射したレーザ光は、コリメート光学系７１，７２，７３によってそれぞれ平行光化された後に、ダイクロイックミラー７４，７５，７６に入射される。その後、これらのダイクロイックミラー７４，７５，７６により、３原色の各レーザ光が波長選択的に反射・透過して結合光学系７７に達し、合波されて光ファイバケーブル５０へ出射される。このように光ファイバケーブル５０へ出射されるレーザ光は、画像光Ｌｂであり、強度変調された各色のレーザ光が合波されたものである。

投影部６は、光源部２０とユーザの眼１０１との間に配置されており、走査部３０、第２リレー光学系９５、及び後述する遮光部９６と光検出部９７を有している。走査部３０は、コリメート光学系７９、高速走査部８０、低速走査部９０、第１リレー光学系８５を有している。

コリメート光学系７９は、光源部２０で生成され、光ファイバケーブル５０を介して出射されるレーザ光を平行光化する。

高速走査部８０及び低速走査部９０は、光ファイバケーブル５０から入射され、コリメート光学系７９で平行光化されたレーザ光をユーザの網膜１０１ｂ上で走査して画像を投影するために、第１方向と第２方向に走査して走査光束とする光学系である。高速走査部８０は、コリメート光学系７９で平行光化されて入射するレーザ光を画像表示のために第１方向に往復走査する。また、低速走査部９０は、高速走査部８０で第１方向に走査され、第１リレー光学系８５を介して入射するレーザ光を第１方向に略直交する第２方向に走査する。なお、ここでは、第１方向及び第２方向は、表示する画像の水平方向を第１方向をとし、表示する画像の垂直方向を第２方向とするが、第１方向が垂直方向、第２方向が水平方向であっても良い。

高速走査部８０は、レーザ光を第１方向に走査するため偏向面（反射面）８２を有する共振型の偏向素子８１と、この偏向素子８１を共振させて偏向素子８１の偏向面８２を揺動させる駆動信号を高速駆動信号６１に基づいて発生する高速走査駆動回路８３を備えている。

一方、低速走査部９０は、レーザ光を第２方向に走査するため偏向面（反射面）９２を有する非共振型の偏向素子９１と、この偏向素子９１の偏向面９２を非共振状態で揺動させる駆動信号を低速駆動信号６２に基づいて発生する低速走査駆動回路９３とを備える。この低速走査部９０は、表示すべき画像の１フレームごとに、画像を形成するためのレーザ光を最初の走査線から最後の走査線に向かって第２方向に走査する。ここで「走査線」とは、高速走査部８０による第１方向への１走査を意味する。

なお、偏向素子８１，９１は、ここではガルバノミラーを用いることとするが、レーザ光を走査するようにその偏向面８２，９２を揺動又は回転させられるものであれば、圧電駆動、電磁駆動、静電駆動等いずれの駆動方式によるものであってもよい。また、本実施形態においては、高速走査部８０に共振タイプの偏向素子を用い、低速走査部９０を非共振タイプの偏向素子を用いることとしているが、これに限られない。例えば、低速走査部９０に共振タイプの偏向素子を用いてもよいし、どちらも非共振タイプの偏向素子としてもよい。

また、高速走査部８０と低速走査部９０との間でレーザ光を中継する第１リレー光学系８５は、偏向素子８１の偏向面８２によって第１方向に走査されたレーザ光を偏向素子９１の偏向面９２に収束させる。そして、このレーザ光が偏向素子９１の偏向面９２によって第２方向に走査される。偏向素子９１によって走査されたレーザ光は、正の屈折力を持つ２つのレンズ９５ａ，９５ｂが直列配置された第２リレー光学系９５を介して、眼１０１の前方に位置させたハーフミラー１５で反射されてユーザの瞳孔１０１ａに入射する。これにより、網膜１０１ｂ上に画像信号Ｓに応じた画像が投影され、ユーザは瞳孔１０１ａに入射するレーザ光（画像光Ｌｂ）を画像として認識する。また、ハーフミラー１５は外光Ｌａを透過してユーザの瞳孔１０１ａに入射させるようにしており、これによりユーザは外光Ｌａに基づく外景に画像光Ｌｂに基づく画像を重ねた画像を視認することができる。

なお、第２リレー光学系９５においては、レンズ９５ａによって、それぞれのレーザ光がそのレーザ光の中心線を相互に略平行にされ、かつそれぞれ収束レーザ光に変換される。そして、レンズ９５ｂによってそれぞれほぼ平行なレーザ光となると共に、これらのレーザ光の中心線がユーザの瞳孔１０１ａに収束するように変換される。なお、本実施形態においては、レンズ９５ｂとハーフミラー１５により投射部が構成される。

［２．レーザ光の出射タイミング調整処理］
次に、ＲＳＤ１におけるレーザ光の出射タイミング調整処理について説明する。

［２．１．レーザ光の出射タイミング］
図３には、高速走査部８０及び低速走査部９０の偏向素子８１，９１による最大走査範囲Ｇ（図３に示す高速最大走査範囲Ｘａ及び低速最大走査範囲Ｙａにより形成される範囲）と有効走査範囲Ｚ（図３に示す高速有効走査範囲Ｘ１及び低速有効走査範囲Ｙ１により形成される範囲）との関係が示されている。ここで、「最大走査範囲Ｇ」とは、高速走査部８０の偏向素子８１及び低速走査部９０の偏向素子９１がレーザ光を走査できる最大の範囲を意味する。

最大走査範囲Ｇのうち、偏向素子８１及び偏向素子９１による走査位置が有効走査範囲Ｚにあるタイミングで光源部２０から画像信号Ｓに応じて強度変調されたレーザ光（以下、「画像形成用レーザ光」という）が出射される。これにより、偏向素子８１及び偏向素子９１によって画像形成用レーザ光が有効走査範囲Ｚで走査され、１フレーム分の画像形成用レーザ光が有効走査範囲Ｚ内で走査される。この走査が１フレームの画像ごとに繰り返される。このように走査部３０により２次元方向に走査された画像形成用レーザ光は、第２リレー光学系９５及びハーフミラー１５を介してユーザの網膜１０１ｂ上で走査され、画像が投影される。これにより、ユーザが画像信号Ｓに応じた画像を視認することができる。なお、図３には、光源部２０からレーザ光が常時出射されたと仮定したときに偏向素子８１及び偏向素子９１によって走査されるレーザ光の軌跡γが仮想的に示されている。ただし、偏向素子８１による第１方向Ｘの走査線数は、１フレームあたり数百又は千程度あり、図３ではレーザ光の軌跡γを簡略して記載している。

［２．２．走査部３０の走査位置の検出］
走査部３０では、高速駆動信号６１に基づいて高速走査駆動回路８３から出力される駆動信号によって偏向素子８１の偏向面８２を揺動し、低速駆動信号６２に基づいて低速走査駆動回路９３から出力される駆動信号によって偏向素子９１の偏向面９２を揺動する。

しかし、偏向面８２，９２の揺動軌跡γ１，γ２（図３参照）は、駆動信号６１，６２の信号波形と完全には一致せず、位相差などが生じる。特に、偏向素子８１は偏向面８２を高速に揺動させる必要があり、また共振タイプの偏向素子であるため、高速駆動信号６１の信号波形との位相差は大きくなる。

そこで、本実施形態に係るＲＳＤ１では、図２及び図３に示すように、偏向面８２，９２によるレーザ光の走査タイミングを検出するために光検出部９７を配置している。ＲＳＤ１の駆動制御部１０は光源部２０から出射させたタイミング検出用レーザ光をこの光検出部９７で検出させて、画像形成用レーザ光の光源部２０からの出射タイミングを調整している。

［２．３．光検出部９７］
次に、タイミング検出用レーザ光を受光する光検出部９７について説明する。

光検出部９７は、最大走査範囲Ｇのうち有効走査範囲Ｚ外の無効走査範囲Ｎで走査されたタイミング検出用レーザ光が入射する位置に配置されている。なお、無効走査範囲Ｎにおける光検出部９７の背後には、有効走査範囲Ｚ外で走査されたタイミング検出用レーザ光や後述の強度検出用レーザ光がユーザの眼１０１に入射するのを防止するために遮光部９６が設けられている。遮光部９６は、例えば、図２に示すように、最大走査範囲Ｇのうち有効走査範囲Ｚで走査されたレーザ光が通過する開口を有する非透過性の板状部材を用いている。また、遮光部９６を、光検出部９７を固定するための固定部材として用いている。本実施形態においてはレンズ９５ａによって中間像面が形成され、この中間像面位置に遮光部９６を配置するようにしている。このようにすることで、遮光部９６を小型化することができ、しかも、走査部３０で走査されたレーザ光のビーム径が最も小さくなる位置であるため光検出部９７でのタイミング検出用レーザ光等の検出精度を向上させることができる。

また、本実施形態に係るＲＳＤ１では、タイミング検出用レーザ光を出射するレーザをＲレーザ６３としている。

光検出部９７には、タイミング検出用レーザ光が入射されると、ＢＤ信号を駆動信号供給回路１３へ出力するＢＤセンサ９８が備えられている。このＢＤセンサ９８は、受光した光の強度に応じた電流をＢＤ信号として出力する。なお、ＢＤセンサ９８は、レーザ光を検出したときに急峻な立ち上がりのＢＤ信号を出力する。例えば、ＢＤセンサ９８として、２つのフォトダイオード（以下、「ＰＤ」という）が第１方向Ｘ（図３参照）に並んで配置され、一方のＰＤに流れる電流を変換して第１電圧とし、他方のＰＤに流れる電流を変換して第２電圧とし、電圧をシフトした第１電圧と、第２電圧とをコンパレータで比較することによってＢＤ信号を生成する。

生成されたＢＤ信号は駆動信号供給回路１３に出力され、駆動信号供給回路１３は、ＢＤ信号に基づいて、Ｒレーザ６３，Ｇレーザ６４，Ｂレーザ６５から出射する画像を表示するための各レーザ光の出射開始タイミングをそれぞれ調整する。すなわち、駆動信号供給回路１３は、ＢＤ信号の立ち上がりで走査部３０の走査位置が分かり、第１方向Ｘの走査線数や１秒当たりのフレーム数は規定されていることから、どのタイミングで画像形成用レーザ光を出射すれば有効走査範囲Ｚで走査されるかが分かる。従って、駆動信号供給回路１３は、ＢＤ信号の立ち上がりのタイミングに基づいて、レーザ光の出射開始タイミングを調整している。

以上のように構成されることにより、本実施形態に係るＲＳＤ１では、光検出部９７が備えているＢＤセンサ９８が検出したタイミング検出用レーザ光に基づいて、画像形成用レーザ光の出射タイミングを高精度に調整することができる。

［２．４．レンズ９５ａとレーザ光の出射との関係］
次に、走査部３０と遮光部９６との間の光路上に配置されるレンズ９５ａについて説明する。図４は、レンズ９５ａをレーザ光（画像光）の入射面側から見たときの図である。

図４に示すように、本実施形態に係るＲＳＤ１では、レンズ９５ａの直径Ｄ１を、入射される画像形成用レーザ光の全てがレンズ９５ａを有効に通過できる最小の径としている。ここで、「有効に通過できる」とは、レンズ９５ａに入射した画像形成用レーザ光が所望の収束レーザ光に変換され、レンズ９５ｂに入射して、ハーフミラー１５を介してユーザの眼に入射して画像を形成することを意味する。但し、本実施形態に係るＲＳＤ１では、有効走査範囲を変更することが可能であり、変更できる最大の範囲に有効走査範囲が設定されたときに、レンズ９５ａの直径Ｄ１を、入射される画像形成用レーザ光が全てレンズ９５ａの有効径内に通過できる最小の径としている。なお、以下の説明において、レンズ９５ａの領域のうち、画像形成用レーザ光が全て有効に通過できる領域を「有効領域ＤＡ」とし、その領域の直径を「有効径Ｄ２」とする。なお、「有効径」は、一般にマージンを持って定義されるものであり、また、製造上のばらつきもあることから、設計マージンや製造マージンを含んで規定されるものである。

また、図４に示すように、レンズ９５ａの直径Ｄ１を、入射される画像形成用レーザ光が全て有効径内を通過できる最小の径とした場合、レンズ９５ａにおいて有効走査範囲Ｚで走査されたレーザ光が入射する領域ＺＡの四隅が、レンズ９５ａの有効径Ｄ２の外周円が略接する位置になる。このようにすることで、レンズ９５ａのサイズを限界まで小さくすることができる。なお、ここで、「最小の径」とは厳密な意味での最小の径ではなく、最小の径と見なせるものであればよい。

また、本実施形態に係るＲＳＤ１では、レンズ９５ａの有効径Ｄ２は、レンズ９５ａの直径Ｄ１よりも小さく、レンズ９５ａの領域のうち有効領域ＤＡ外の領域である端部の一部は、レンズ９５ａを投影部６内で保持するための保持部として用いられる。

このように、レンズ９５ａを最小の径とすることにより、レンズ９５ａの低コスト化、省スペース化を図ることができ、さらに、ＲＳＤ１全体の低コスト化、小型化を図ることができる。

［２．５．タイミング検出用レーザ光の出射タイミング］
タイミング検出用レーザ光を走査部に入射させて光検出部９７で検出するまでは、走査部３０の走査位置がどこにあるか把握することができていない。そのため、従来においては、所定期間連続してタイミング検出用レーザ光を走査部３０に入射することとしている。

従って、タイミング検出用レーザ光を高速最大走査範囲Ｘａ（図３参照）全体に亘って連続して出射してしまうことになり、上述のようにレンズ９５ａの有効径を画像形成用レーザ光が全てレンズ９５ａの有効径内を通過できる最小の径とした場合、以下の問題が生じる。

すなわち、レンズ９５ａの有効径を画像形成用レーザ光が全てレンズ９５ａの有効径内を通過できる最小の径とした場合、走査部３０によってレーザ光が最大走査範囲Ｇで走査されたときのレンズ９５ａの位置での走査範囲は、図５に示すように、レンズ９５ａの有効領域ＤＡからはみ出す領域ＧＡとなる（図中、レーザ光の軌跡をγａで示している。）。そのため、有効走査範囲外に出射されたほとんどのレーザ光は遮光部９６によって遮光されるが、図５に示すように、タイミング検出用レーザ光がレンズ９５ａの端部（例えば、領域Ａ、Ｂ）に入射してしまい、タイミング検出用レーザ光が迷光となる。そして、この迷光により、例えば、表示画像の周囲の一部が迷光により明るく見えたりして、表示画像の画質に悪影響を及ぼすことになる。

図６は、タイミング検出用レーザ光が迷光となる様子を示している。偏向素子９１からのレーザ光がレンズ９５ａの端部に当たって有効走査範囲Ｚで走査されたレーザ光と同じ光路になったり、あるいは散乱したりして、散乱した光の一部は、ＲＳＤ１の内部で乱反射して網膜１０１ｂに到達する。その結果、表示画像の画質が劣化してしまう。

したがって、本実施形態に係るＲＳＤ１では、タイミング検出用レーザ光を、レンズ９５ａの有効領域ＤＡ内でかつ有効走査範囲Ｚ外の領域に出射するようにしている。なお、以下の説明において、走査部３０による走査範囲のうちタイミング検出用レーザ光を出射する領域を、「出射領域」という。出射領域に限ってタイミング検出用レーザ光を出射することにより、迷光の発生を防止し表示画像の劣化を防止することができる。

以下の説明では、出射領域のうち、有効走査範囲Ｚよりも上側にある領域を出射領域Ａといい、右側にある領域を出射領域Ｂといい、下側にある領域を出射領域Ｃといい、左側にある領域を出射領域Ｄという（図７参照）。

本実施形態に係るＲＳＤ１は、図８に示すように、出射領域Ａ〜Ｄのうち、最も広い領域の１つである出射領域Ａのうち一部の領域Ａａに、タイミング検出用レーザ光を出射するように構成している。

これにより、狭い出射領域（本実施形態における出射領域ＢやＤ）に光検出部９７を設ける場合と比較して、図９に示すように、光検出部９７を有効走査範囲Ｚから離して配置することができる。光検出部９７が有効走査範囲Ｚに近いときには、光検出部９７を精度よく配置しなければ、有効走査範囲Ｚ内に入ってしまう恐れがあるが、光検出部９７を有効走査範囲Ｚから離すことで、光検出部９７の位置決めが容易となる。

また、本実施形態に係るＲＳＤ１では、光検出部９７を、第１方向において高速最大走査範囲Ｘａの中央部に配置している（図９参照）。すなわち、光検出部９７を、高速走査部８０の偏向面８２がその揺動中心位置又はその近傍にあるときに高速走査部８０の偏向面８２により走査されたレーザ光が入射する位置に配置している。偏向面８２が正弦波状に揺動するため、偏向面８２の揺動速度は、第１方向において高速最大走査範囲Ｘａの中央部で最も速い。したがって、タイミング検出用レーザ光の検出タイミングをより高精度に取得することができる。

また、図９に示すように、光検出部９７を有効走査範囲Ｚよりも上側に設けることにより、有効走査範囲Ｚで画像形成用レーザ光が走査される前に、光検出部９７でタイミング検出用レーザ光を検出することができるので、有効走査範囲Ｚを走査する前に走査部３０から出射される画像形成用レーザ光の出射タイミングを調整することができ、既にタイミング調整がなされたレーザ光により画像を表示することができる。

なお、上述したＲＳＤ１では、図８に示すように、出射領域Ａの１箇所に光検出部９７に配置し、出射領域Ａのうち一部の領域Ａａに、タイミング検出用レーザ光を出射するように構成したが、さらに、出射領域Ｂの１箇所に光検出部９７に配置し、出射領域Ｂのうち一部の領域Ｂａに、タイミング検出用レーザ光を出射するようにしてもよい。この場合、タイミング検出用レーザ光のタイミングを取得する回数が増加するので、光源部２０が出射するレーザ光の出射タイミングをより高くすることができる。

また、上述したように出射領域Ａ〜Ｄのうち、最も広い領域にタイミング検出用レーザ光を出射するように構成した場合、第１方向よりも第２方向が長いときには、有効走査範囲Ｚの左右側に光検出部９７を設けることになる。このとき、図１１に示すように、第１方向を垂直方向にすることで、タイミング検出用レーザ光の検出タイミングを高精度に取得することができる。

走査部３０は、高速駆動信号６１や低速駆動信号６２に応じて動作するが、偏向素子８１，９１を高速に動作させる場合、高速駆動信号６１や低速駆動信号６２に対する応答性が悪くなり偏向動作の遅延が生じる。例えば、有効走査範囲Ｚで８００×６００の画素の画像を形成するための画像形成用レーザ光を走査するものとし、このとき最大走査範囲Ｇで１０００×８００の画素の画像が形成可能であるものとする。また、１秒間に３０フレームの画像が形成されるものとする。このとき、偏向素子８１の偏向面８２は１ライン分の揺動（第１方向への１回の揺動）が１／３０，０００秒であり、高速に揺動する。また、偏向面８２の揺動軌跡γ１（図３参照）は、低速駆動信号６２の信号波形との間の位相差が大きく、そのばらつきも大きい。さらに、１ラインは８００画素分であり、１画素あたりの時間は数十ナノ秒となる。しかも、偏向面８２は共振して揺動するため、偏向面８２の揺動中心Ｙ０では１画素あたりの時間が最も短い。

その結果、タイミング検出用レーザ光を走査部３０に入射させて光検出部９７で検出するまでは、走査部３０による走査位置が正確に把握できない。

走査部３０が最大走査範囲Ｇで動作しているときに、高速駆動信号６１や低速駆動信号６２からある程度の走査位置が把握できるような場合には、個体差などによっても出射領域を超えないように、マージンを持ってタイミング検出用レーザ光を出射するようにする。

一方、個体差などが大きく、走査部３０が最大走査範囲Ｇで動作しているときに、出射領域を超えないようにマージンを持ってタイミング検出用レーザ光を出射できないときには、次のような制御を行うことで、出射領域を超えないようにすることができる。

まず、駆動信号供給回路１３は、低速駆動信号６２を出力して、偏向素子９１の偏向面９２による第２方向（垂直方向Ｙ）の走査位置が光検出部９７の位置Ｙ１（図３参照）内に位置するように、偏向面９２を駆動する。このとき、駆動信号供給回路１３は、高速駆動信号６１を出力していない。偏向素子８１は共振型の偏向素子でありその偏向面８２は、高速駆動信号６１が出力されていないとき、揺動中心に位置する。従って、このとき、走査部３０の走査位置は、光検出部９７の位置になる。

この状態で、駆動信号供給回路１３は、光源部２０からタイミング検出用レーザ光の出射を出射する。その後、駆動信号供給回路１３は、高速駆動信号６１を出力して、偏向面８２の揺動を開始する。偏向面８２は徐々に揺動振幅を大きくしていき、その後、振幅範囲が高速最大走査範囲Ｚａで安定する。このようにすることで、駆動信号供給回路１３は、タイミング検出用レーザ光が有効領域ＤＡを超える前に、光検出部９７によりタイミング検出用レーザ光を検出することができる。これにより走査部３０の走査位置がおおよそ把握できるので、出射領域を超えないように、マージンを持ってタイミング検出用レーザ光を出射するようにすることで、迷光の発生を抑制することができる。

本実施形態に係るＲＳＤ１は以上のように構成されているため、レンズ９５ａを最小の径に構成する際に、タイミング検出用レーザ光がレンズ９５ａの端部に入射して迷光することを防止することができる。その結果、表示画像に悪影響を及ぼす迷光の発生を防止するので、表示画像の画質の劣化を防止することができる。

なお、本実施形態に係るＲＳＤ１では、図２に示すように、高速走査部８０に入射したレーザ光は、第１リレー光学系８５を経て遮光部９６に到達する。そして、第１リレー光学系８５を構成するレンズ８５ａ，８５ｂについても、それぞれの直径を、入射される画像形成用レーザ光が全てその有効径内を通過できる最小の径とすることができる。

また、画像形成用レーザ光の強度の調整を行うために、光検出部９７に、強度調整用レーザ光が入射すると入射した強度に応じた受光信号を制御部１１へ出力する強度検出センサ（図示せず）を設けてもよい。強度調整用レーザ光が入射すると、入射した強度に応じた電圧の受光信号を制御部１１へ出力する。この強度検出センサは、例えば、一つのフォトダイオードと電流電圧変換回路とで構成される。

制御部１１は、受光信号を受信すると、この受光信号の電圧値と予め定めた設定値（以下、「設定電圧値」という）とを比較し、受光信号の電圧値と設定電圧値とが等しくなるようにフィードバック制御したＲＧＢ強度の指示を示す制御信号を駆動信号供給回路１３へ出力する。これにより、制御部１１は、駆動信号供給回路１３から各レーザドライバ６６，６７，６８へ各駆動信号６０ｒ，６０ｇ，６０ｂをそれぞれ出力させて、各レーザ６３，６４，６５から出射する画像を表示するためのレーザ光の強度をそれぞれ調整する。

制御部１１は、強度調整用レーザ光は、タイミング検出用レーザ光の出射タイミングと同様のタイミング（例えば、領域Ａａや領域Ｂｂ）とすることにより、強度調整用レーザ光が迷光となることを防止することができる。なお、強度調整用レーザ光はタイミング検出用レーザ光と共用するようにしてもよい。すなわち、タイミング検出用レーザ光を強度検出センサで検出させて、これによりレーザ光の強度を調整するようにしてもよい。また、強度調整用レーザ光をタイミング検出用レーザ光と別に生成する場合、強度調整用レーザ光とタイミング検出用レーザ光とを例えば、フレーム単位で交互にレーザから出射させるようにする。

なお、本実施形態では、タイミング検出用レーザ光や強度調整用レーザ光は、Ｒレーザ６３から出射するものであるが、Ｇレーザ６４又はＢレーザ６５から出射するようにしてもよい。さらに、Ｒレーザ６３，６４，６５の２以上を組み合わせて、これらのレーザから２色以上のレーザを出射させて、タイミング検出用レーザ光や強度調整用レーザ光とするようにしてもよい。

本発明を、上述してきた実施形態を通して説明したが、本実施形態によれば、以下の効果が期待できる。

（１）本実施形態に係るＲＳＤ１では、画像信号を含む駆動信号に応じた強度のレーザ光を出射する光源部２０と、光源部２０から出射されたレーザ光を２次元方向に走査する走査部３０と、走査部３０の走査範囲のうち無効走査範囲Ｎで走査されたタイミング検出用レーザ光が入射する位置に配置された光検出部９７と、走査部３０の走査範囲のうち有効走査範囲Ｚで走査された画像形成用レーザ光を投射対象に投射する投射部（レンズ９５ｂ及びハーフミラー１５）と、走査部３０と投射部（レンズ９５ｂ及びハーフミラー１５）との間のレーザ光の光路上に設けられ、無効走査範囲Ｎで走査されて投射部（レンズ９５ｂ及びハーフミラー１５）に向かうタイミング検出用レーザ光を遮断する遮光部９６と、走査部３０と遮光部９６との間のレーザ光の光路上に設けられたレンズ９５ａと、光検出部９７によるタイミング検出用レーザ光の検出タイミングに基づき、光源部２０からのレーザ光の出射を制御する制御部１１と、を備え、レンズ９５ａの有効径を、有効走査範囲Ｚで走査された画像形成用レーザ光が全てレンズ９５ａの有効径内を通過できる最小の径とし、光検出部９７は、レンズ９５ａの有効径内に配置され、制御部１１は、タイミング検出用レーザ光がレンズ９５ａの有効領域内の光検出部９７に入射するように、光源部２０からタイミング検出用レーザ光を出射させている。従って、表示する画像の品質に悪影響を及ぼすことなく、走査部と遮光部との間の光路上に配置されるレンズの小型化を図ることができる。

（２）また、レンズ９５ａに画像形成用レーザ光が入射する領域は略方形状の領域であり、制御部１１は、レンズ９５ａの有効領域内でかつ略方形状の領域外にあり略方形状の領域の左右又は上下に位置する領域のうち、最も広い領域内に入射するように、光源部２０からタイミング検出用レーザ光を出射させている。従って、光検出部９７を有効走査範囲Ｚから離して設置することができ、出射領域に配置する光検出部９７の位置決めが容易となる。

（３）また、光検出部９７は複数設けられており、制御部１１は、レンズ９５ａの有効領域内でかつ略方形状の領域外にあり略方形状の領域の左右又は上下に位置する領域のうち、少なくとも２つの領域内にタイミング検出用のレーザ光を入射している。従って、タイミング検出用レーザ光のタイミングを取得する回数が増加するので、光源部２０が出射するレーザ光の出射タイミングの検出精度をより高くすることができる。

（４）レンズ９５ａは、走査部３０と遮光部９６との間のレーザ光の光路上に形成される中間像面を形成するレンズである。従って、遮光部９６を小型化することができ、しかも、走査部３０で走査されたレーザ光のビーム径が最も小さくなる位置であるため光検出部９７でのタイミング検出用レーザ光等の検出精度を向上させることができる。

（５）走査部３０は、第１方向に相対的に高速にレーザ光を走査する高速走査部８０と、第１方向に略直交する第２方向に相対的に低速にレーザ光を走査する低速走査部９０と、を有し、高速走査部８０はその偏向面の角度を正弦波状に揺動させることによりレーザ光を走査するものであり、光検出部９７は、高速走査部８０の偏向面がその揺動中心位置又はその近傍にあるときに高速走査部８０の偏向面により走査されたレーザ光が入射する位置に配置した。従って、タイミング検出用レーザ光の検出タイミングをより高精度に取得することができる。

１ 網膜走査型画像表示装置（ＲＳＤ）
１０ 駆動制御部
１１ 制御部
１５ ハーフミラー
２０ 光源部
３０ 走査部
８０ 高速走査部
８５ａ レンズ
８５ｂ レンズ
９０ 低速走査部
９５ａ レンズ
９５ｂ レンズ
９６ 遮光部
９７ 光検出部

Claims (5)

1. 画像信号を含む駆動信号に応じた強度のレーザ光を出射する光源部と、
   前記光源部から出射されたレーザ光を２次元方向に走査する走査部と、
   前記走査部の走査範囲のうち無効走査範囲で走査されたタイミング検出用レーザ光が入射する位置に配置された光検出部と、
   前記走査部の走査範囲のうち有効走査範囲で走査された画像形成用レーザ光を投射対象に投射する投射部と、
   前記走査部と前記投射部との間の前記レーザ光の光路上に設けられ、前記無効走査範囲で走査されて前記投射部に向かう前記タイミング検出用レーザ光を遮断する遮光部と、
   前記走査部と前記遮光部との間の前記レーザ光の光路上に設けられたレンズと、
   前記光検出部による前記タイミング検出用レーザ光の検出タイミングに基づき、前記光源部からの前記レーザ光の出射を制御する制御部と、を備え、
   前記レンズの有効径を、前記有効走査範囲で走査された画像形成用レーザ光が全て当該レンズの有効径内を通過できる最小の径とし、
   前記光検出部は、前記レンズの有効径内に配置され、
   前記制御部は、前記タイミング検出用レーザ光が前記レンズの有効領域内の光検出部に入射するように、前記光源部から前記タイミング検出用レーザ光を出射させることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記レンズに前記画像形成用レーザ光が入射する領域は略方形状の領域であり、
   前記制御部は、前記レンズの有効領域内でかつ前記略方形状の領域外にあり前記略方形状の領域の左右又は上下に位置する領域のうち、最も広い領域内に入射するように、前記光源部から前記タイミング検出用レーザ光を出射させることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記光検出部は複数設けられており、
   前記制御部は、前記レンズの有効領域内でかつ前記略方形状の領域外にあり前記略方形状の領域の左右又は上下に位置する領域のうち、少なくとも２つの領域内に前記タイミング検出用のレーザ光を入射することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 前記レンズは、前記走査部と前記遮光部との間の前記レーザ光の光路上に形成される中間像面を形成するレンズであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
5. 前記走査部は、第１方向に相対的に高速にレーザ光を走査する高速走査部と、前記第１方向に略直交する第２方向に相対的に低速にレーザ光を走査する低速走査部と、を有し、前記高速走査部はその偏向面の角度を正弦波状に揺動させることによりレーザ光を走査するものであり、
   前記光検出部は、前記高速走査部の偏向面がその揺動中心位置又はその近傍にあるときに当該高速走査部の偏向面により走査されたレーザ光が入射する位置に配置されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の画像表示装置。

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