JP4830653B2

JP4830653B2 - 画像表示装置

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Publication number: JP4830653B2
Application number: JP2006162791A
Authority: JP
Inventors: 徹長良
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-06-12
Filing date: 2006-06-12
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-06-12
Also published as: JP2007333812A

Description

本発明は、映像等の情報に対応して変調された光を、光学素子を介して人の目（観察者眼）に導くことにより画像を表示する画像表示装置に関し、特にヘッドマウントディスプレイやヘッドアップディスプレイのように小型・軽量な眼鏡型構成とすることが可能な画像表示装置に関する。

従来、携帯用ディスプレイとして個人用携帯端末ディスプレイ（ＰＤＡ）の直視型小型液晶表示器、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）やヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等、様々な画像表示装置が提案されている。従来のＨＭＤにおいてはＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の表示素子の画像を目に拡大投影するものが提案されているが、ＨＭＤとして適切な大きさにしようとすると画角が大きくできないこと、すなわち画角を大きくしようとすると装置全体が大きくなって実用的な装置構成とすることができない、という問題があった。

一方、より小型のスキャナとして、近年シリコンなどの半導体基板に、半導体製造技術を適用して形成した微小電気機械素子いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）として、例えば所要のパターンにエッチング等によって形成したミラー部がサスペンション機能を有する揺動軸、いわゆるトーションバー（捩り棒）で揺動可能に基板上に支持され、ミラー部とその周辺部に設けた電極対により静電力を発生させて、このミラー部を揺動運動させる静電駆動型の２次元走査素子が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
この静電駆動型の二次元走査素子は静電力で駆動され、揺動軸を回転軸とする回転によって、入射させた光の反射光路を変換することが可能であり、レーザ光のスイッチングやスキャニング作用を得ることができる。しかし、その駆動速度は、ポリゴンミラースキャナと比較してずっと低速度しか得られないものであった。

一方、揺動軸で揺動可能に支持したミラー部と、このミラー部の周辺に直交する二方向に平行磁場を発生させる磁場発生手段とを有し、ミラー部に設けたコイル部に電流を印加することにより電磁力を発生させて、このミラー部を揺動運動させる電磁駆動型の２次元走査素子も提案されている。この電磁駆動型の２次元走査素子は、電磁力が比較的大きいため、偏向角度と動作周波数を向上させやすいという利点がある。
このような２次元走査素子を用いて２次元画像を表示する光学装置として、例えば網膜上に２次元画像を走査して表示する網膜走査型表示装置が提案されている（例えば特許文献２参照。）。
このような微小なミラー部を揺動軸で揺動可能に基板上に支持するＭＥＭＳ型の２次元走査素子は、ポリゴンミラースキャナと比較すると格段に小型化が容易であり、光学系の小型化、構成の簡易化が可能となり、また回転体がなく発塵による不具合の発生が少なく、さらに省電力、静音、低振動、起動時間短縮などさまざまなメリットが得られる。

特開２００２−３１１３７６号公報特開２００４−１４５３６７号公報

しかしながら、上記特許文献２記載の網膜走査型表示装置においては、上述したようなＭＥＭＳ型２次元走査素子により走査される光を一旦対物レンズ、プリズム、接眼レンズ及びビームスプリッタを介して人の目に導く構造であることから、所望の広画角を得ようとすると、目の直前の光学素子であるビームスプリッタを大型化する必要があり、装置全体の大型化、重量化を招くという問題がある。

以上の問題に鑑みて、本発明は、小型・軽量な装置構成を保持し、かつ所望の広画角化が可能な画像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、情報に対応して変調した光を出射する光源と、入射光を少なくとも一方向に走査する走査素子と、光源から出射された光を前記走査素子に導く光学系と、を備えて成り、走査素子により反射された光が直接的に観察者眼に入射されて画像が表示される構成とする。
また、本発明は、上述の画像表示装置において、走査素子として２次元走査素子を用いて構成する。
更に、本発明は、上述の画像表示装置において、走査素子のスキャンミラーを複数のスキャンミラーに分割して構成する。

上述したように、本発明の画像表示装置においては、画像、映像等の情報に対応して変調された光源からの光を、走査素子を介して、かつ走査素子から観察者眼に直接的に光を入射させて画像を表示する構成とするものである。
このように、本発明においては、走査素子から直接的に、すなわち何らの光学素子を介することなく、又は、光学素子を介在させる場合は光学的作用を受けることなく、直接的に画像光を目に入射させる構成とするものである。このようすることによって、広画角化を図るにあたって、装置全体の大型化、重量化を抑制することが可能である。
また、走査素子として２次元走査素子を用いることによって、より小型で簡易な装置構成の画像表示装置を提供することができる。
更に、走査素子のスキャンミラーを複数のスキャンミラーに分割して構成することによって、例えば水平方向に関してスキャンミラーを分割することによって、水平方向に広い画角を持って表示を行うことが可能となり、且つ、個々のスキャンミラーが大型化しないことによって、十分高い周波数をもってスキャンさせることができ、良好な解像度をもって表示を行うことができる。

本発明によれば、小型・軽量な装置構成を保持しつつ、比較的広い画角をもって表示することが可能な画像表示装置を提供することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
図１は本発明の実施形態例に係る画像表示装置の一例の模式的な概略構成図である。この画像表示装置１００は、半導体レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）や半導体発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等の、映像情報等に対応して変調して光を出射することが可能な光源１と、コリメートレンズ等より成る光学系２と、前述したＭＥＭＳ型構成等の走査素子１０とより構成される。本発明においては、この走査素子１０を観察者眼の直前に配置して、走査素子１０のスキャンミラー１８により反射された光が直接的、すなわち光学素子を介することなく、或いはこの光に光学的機能を殆ど及ぼさない光学素子を介して観察者眼の瞳に入射する構成とするものである。走査素子１０としては、例えば直交する２方向に高速で振動（揺動）可能とされるＭＥＭＳ型の２次元走査素子を用いることができる。
このような構成において、光源１から出射された光は、コリメータレンズ等の光学系２により例えば平行光、もしくはある焦点距離をもった発散光に変換されて、矢印Ｌｉで示すように走査素子１０のスキャンミラー１８に入射される。スキャンミラー１８により反射された光は矢印Ｌｏで示すように、観察者眼２００に直接的に入射される。図１においてはスキャンミラー１８の振動する様子を破線１８ａ、実線１８ｂ、破線１８ｃで示す。この振動により観察者眼２００からはθｐで示す広い画角をもって画像が認識される。

またこの場合、上述したように光源１から出た光をコリメータレンズで平行光もしくはある焦点距離をもった発散光に変換することで、仮想的に無限遠もしくはコリメータで設定されたある焦点距離に元画像をもつ画像表示装置１００を構成できる。この装置１００は光源１からの光を例えばコリメートする光学系２以外にレンズ等の光学素子を用いないため、極めて小型化することが可能である。

このように光源１からの光を走査素子１０により直接的に観察者眼２００に対してスキャンして画像を表示する場合は、図１に示すように、走査素子１０のスキャンミラー１８の大きさ、すなわち幅及び高さによって表示できる角度すなわち画角が変わる。画角を大きくするためにはミラーを大きくするか、走査素子１０から観察者眼２００までの距離をなるべく小さくする必要がある。これに対し、表示する画像の解像度を上げるためには走査素子１０の走査周波数を上げる必要があるので、スキャンミラー１８をなるべく小さくして可動部の重量を低減化する必要がある。なお、１次元走査素子、すなわち１方向にスキャンするミラーを２枚使用する場合は、走査する２枚目のミラーを非常に大きくする必要があるため、装置の小型化には不向きである。したがって、小型・軽量化を図り、かつ良好な画像を表示するためには、走査素子として２次元走査素子を用い、且つその大きさをできるだけ小さくすることが望ましい。

図１に示す画像表示装置において、画像の表示される位置は光源１を光学系２によってコリメートするレンズの焦点位置で決定される。そのため、もし近遠視等で像の位置を動かしたい場合には光学系２のコリメートレンズの場所を調整することで、像の位置を合わせることができ、視度補正を行うことが可能となる。
なお、走査素子１０から観察者眼２００までの距離は２０ｍｍ以下とすることが望ましい。このような構成とすることによって、上述した視度補正が容易となる。

また、走査素子１０による表示は片方の観察者眼２００に対してしか行えないため、両目用には、図１に示す装置を独立して２系統設けることが必要である。２つの光学系の間隔を調整することで適切な表示が可能になる。また、表示する画像信号の位置を適切にずらすことによって、立体視も可能となる。

次に、ＭＥＭＳ型の２次元走査素子１０の構成例について、図２を参照して説明する。図２は、本発明の画像表示装置に用いて好適な２次元型の走査素子１０の概略斜視構成図である。この走査素子１０には、レーザ等の入射光を反射するスキャンミラー１８と、スキャンミラー１８を支持する例えば四角形状の内枠部１９と、内枠部１９を支持する例えば四角形状の外枠部２０が設けられる。スキャンミラー１８は一対の捩り棒より成る主軸トーションバー１６ａ及び１６ｂにより内枠部１９に支持される。またこの内枠部１９は、主軸トーションバー１６ａ及び１６ｂの振動軸とほぼ直交する方向を振動軸とする一対の捩り棒より成る副軸トーションバー１２ａ及び１２ｂにより外枠部２０に支持される。このような構成とすることによって、スキャンミラー１８と、内枠部１９とは互いに直交する方向を軸として振動する。また本例では、スキャンミラー１８を振動させる軸を主軸とし、内枠部１９を振動させる軸を副軸としている。またこの例においては、主軸トーションバー１６ａ及び１６ｂを静電力により、副軸トーションバー１２ａ及び１２ｂを電磁力により駆動する構成としており、副軸トーションバー１２ａ及び１２ｂの対向する方向と直交する方向（主軸の延長する方向）に電磁駆動用マグネット１１ａ及び１１ｂを、外枠部２０を挟みこむように配置した例を示す。

主軸トーションバー１６ａ及び１６ｂ、副軸トーションバー１２ａ及び１２ｂは、内側に保持する部材を左右にそれぞれ一定の角度だけねじれるよう所定の弾性力を有する部材であり、それぞれスキャンミラー１８及び内枠部１９、内枠部１９及び外枠部２０と一体形成してもよい。

外枠部２０の対角線上の角部付近には、副軸電極１４ａ及び１４ｂが設けられる。副軸電極１４ａから引き出された配線部は、副軸トーションバー１２ａを介して内枠部１９の外縁部に敷設され、その縁に沿って数ターンのコイル状にパターン形成され、副軸電磁駆動用コイル１３として構成される。そしてコイル１３の終端は、副軸トーションバー１２ｂを介して、副軸電極１４ｂに接続される。
このような構成として、副軸電極１４ａ及び１４ｂに対して例えば駆動周波数が６０Ｈｚの交流電圧を印加すると電磁力が発生し、副軸トーションバー１２ａ及び１２ｂのねじれ作用によって矢印ｒｓで示す方向に振動する。この場合副軸トーションバー１２ａ１２ｂの振動方式は非共振式であり、振動波形は鋸波状となる。

一方、外枠部２０の副軸電極１４ａ及び１４ｂを設けた対角線上とは交差する他の対角線上の角部付近に、主軸電極１５ａ及び１５ｂが設けられる。主軸電極１５ａ及び１５ｂからは、例えば図２に示す外枠部２０の裏面側を通って配線部が形成され、例えば副軸トーションバー１２ａ及び１２ｂを介して内枠部１９の主軸トーションバー１６ａ及び１６ｂとは互いに微小な間隙を介して対向する例えば櫛歯状の静電駆動用電極１７ａ及び１７ｂに接続される。主軸トーションバー１６ａ及び１６ｂの両側にもこの静電駆動用電極１７ａ及び１７ｂとピッチを同一とした櫛歯状突起を設け、互いの櫛歯を微小な間隙を介して噛み合わせることにより、静電容量を大とすることができる。
このような構成において、主軸電極１５ａ及び１５ｂの間に、スキャンミラー１８の共振周波数とほぼ一致する例えば１８ｋＨｚ程度の交流電圧を印加することにより静電駆動される。このとき主軸トーションバー１６ａ及び１６ｂのねじれ作用によって矢印ｒｍで示す方向に高速に振動する。この主軸１６ａ及び１６ｂの駆動方式は静電式であり、振動方式は共振式であり、振動波形は正弦波である。

なお、スキャンミラー１８の共振周波数を人間の可聴帯域範囲外に設定することにより、動作中、すなわち画像表示中において共振が外部に伝わって耳障りな音として観察者に聞こえることを回避できるので、不愉快に感じないという利点を有する。
人間の可聴帯域は一般的に２０Ｈｚ以上２０ｋＨｚ以下程度とされているが、スキャンミラー１８の共振周波数がこの範囲内、特に１８ｋＨｚ未満程度の大多数の人間の耳に聞こえる周波数である場合は、スキャンミラー１８の共振が外部に伝わって耳障りな音として利用者に聞こえてしまう恐れがある。
この振動をなるべく外部に伝えないように、２次元走査素子１０の機械的機構部の設計を工夫しても、どうしても原理的に振動が外部に伝わり、共振音が発生してしまう。そのため、根本的に聞こえなくするには人間の可聴範囲外に共振周波数を設定することが望ましい。この周波数としては、大多数の人間には聞こえない、また聞こえたとしても耳障りにならないように１８ｋＨｚ以上であればよい。
このように、スキャンミラー１８の共振周波数を１８ｋＨｚ以上にすることによって、殆どの使用者（観察者）に共振音が聞こえず、聞こえても影響度を少なくすることができ、実質的に不愉快さを十分に抑制ないしは回避することができる。
なお、例えば画像表示に加えて音楽再生等も可能とし、比較的高音域の音源を含む音楽番組の視聴に供する場合などにおいては、スキャンミラーの共振周波数をより高く、２０ｋＨｚ以上程度とすることが望ましい。

スキャンミラー１８の材料としては、例えばシリコンで形成された保持基板の表面に、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等の酸化層と、シリコン等の半導体膜を順に積層したＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板から、保持基板と酸化層とを選択的に取り除いた半導体膜によって形成することができ、この半導体膜の平坦面が、光の入射面となるスキャンミラー１８として用いられる。スキャンミラー１８の平坦面には、反射率を高めるために、例えばアルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）などの反射膜が形成されていてもよい。図２に示す例においては、略楕円形のスキャンミラー１８を設ける例を示すが、その他長方形、正方形、その他の多角形状等としてもよい。

このような２次元型の走査素子１０において、スキャンミラーが複数のスキャンミラーに分割されて成る実施形態例の概略構成図を図３に示す。図３において、図２に対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図３に示す例においては、左右のうち片方の観察者眼２００に対向して６つのスキャンミラー１８を配置して走査素子を構成した例を示す。図３に示すように、この場合櫛歯状の静電駆動用電極１７ａ及び１７ｂに対向して微小な間隙を介して同様の櫛歯状の静電駆動用電極２１ａ及び２１ｂが内枠部１９に設けられた例を示す。
このような構成において、各スキャンミラー１８は矢印ｒｓで示す副軸方向の振動は同一の駆動部により駆動され、矢印ｒｍで示す主軸方向の振動は、それぞれ独立の駆動部により駆動される構成とすることもできる。

上述したように、表示する画像の画角は走査素子１０のスキャンミラー１８の大きさに応じて決まるため、このような２次元型の走査素子１０のスキャンミラー１８の縦横比は表示しようとする画面の大きさに対応して適切に選定することが望ましい。本発明の画像表示装置をＨＭＤに適用する場合は、臨場感を得るために水平方向で９０度程度以上の画角であることが望ましい。垂直方向は従来の画角すなわち２２度程度で問題ない。従って、垂直：水平比率は１：４や１：３といった広い角度比が必要とされる。そのため走査素子１０のスキャンミラー１８の縦横比も９：１６より大きな値が要求される。スキャンミラー１８の縦横比は実際の表示画像の縦横比と同じものであることが望ましい。しかしながら、図３に示すようにスキャンミラー１８を分割して設けることによって、一つ一つのスキャンミラー１８の横幅を小さく軽量な構成とすることができる。したがって、所望の解像度を得るに十分な高周波数をもって振動することが可能である。

一例として例えば観察者眼２００から４ｍｍの距離に９０度の表示画角を取ろうとすると、瞳の大きさを無視すると水平方向に８ｍｍの大きさのスキャンミラーが必要になってしまい、解像度を上げることが難しくなってしまう。そのため、図３に示す例のように、このスキャンミラーを複数に分割して１枚のミラーの面積を小さくすることで、スキャンミラー１８の振動周波数を高く、解像度の高い表示を可能としつつ、９０度程度の広い画角の表示を行うことができることとなる。これにより、スキャンミラー１８全体の縦横比を９：１６より広くすることが可能である。

画面上の走査方式としては、例えば片側はフレームで１走査、他方を１走査線で１走査とする。走査線走査方向は振動周波数を高くする必要がある。そのため、スキャンミラーの分割方向は水平方向とし、すなわち水平方向に分割されたスキャンミラーが並んで配置され、各々のスキャンミラー１８がまず水平方向に駆動されるようにする必要がある。つまり、図３に示す例においては、主軸トーションバー１６ａ及び１６ｂの延長方向が垂直方向、副軸トーションバー１２ａ及び１２ｂの延長方向が水平方向となる。水平方向の振動を高周波数で行い、これらの分割されたスキャンミラー１８が取り付けられているベースすなわち内枠部１９全体が垂直方向に比較的低周波数で振動する構成とする。このような構成とすることによって、画面上の走査を行うことが可能である。

このようにスキャンミラーを分割する場合は、光が異なったスキャンミラーで反射して観察者眼に入射するため、図４に示すように、スキャンミラー１８Ａと１８Ｂとの相対的な角度及び入射角度によっては、境界部で光が入射しない隙間２５が生じる可能性がある。図４において、破線１８Ａ´及び１８Ｂ´はスキャンミラー１８Ａ及びＢが振動する様子を模式的に示し、また矢印ＬｉＡ及びＬｉＢはそれぞれスキャンミラー１８Ａ及び１８Ｂに入射する入射光、破線ＬｏＡ及び実線ＬｏＢはそれぞれスキャンミラー１８Ａ及び１８Ｂで反射された光の光束を示す。このような隙間の発生を回避するためには、スキャンミラーの有効領域の一番端で反射した光がある範囲内で瞳に入射する必要がある。
つまり、分割されたスキャンミラーのうち隣接するスキャンミラー１８Ａ及び１８Ｂから観察者眼２００に入射する光の境界が、これらスキャンミラー１８Ａ及び１８Ｂの走査角度を逆向きに最大にした状態で、図５Ａ又はＢに示すように、観察者眼の瞳の中心から半径ｒｅの半分以下に入射される構成とすることによって、瞳内に確実に隣接するスキャンミラー１８Ａ及び１８Ｂの反射光を入射させることができ、隙間を生じさせることを確実に回避することができる。

図５Ａに示す例では、隣接するスキャンミラー１８Ａ及び１８Ｂで反射させる光の境界が観察者眼２００に向かって交差し、確実に隙間なく入射している例を示す。
図５Ｂにおいては、隣接するスキャンミラー１８Ａ及び１８Ｂで反射させる光の境界が観察者眼に略平行に入射するが、その間隔ｄは、観察者眼２００の瞳の半径ｒｅの半分以下とされる例を示す。この場合は、殆ど隙間が認識されることなく、良好に画像を表示することが可能である。
なお、観察者眼２００に対して例えば偶数の分割されたスキャンミラーを用いる場合に、左側のスキャンミラー又はスキャンミラー群で反射した光を左の観察者眼に入射し、右側のスキャンミラー又はスキャンミラー群で反射した光は右側の観察者眼に入射する構成としてもよい。このような構成とする場合は左側のものを見ようと思って観察者が目を左側に動かすと、それまで見えにくかった像が見えやすくなるので、画像の表示形態としては好ましい。

また、上述したように、スキャンミラーの分割を行う場合は、駆動するスキャンミラーの数が増えるために、内枠部及びそのトーションバーを介して信号線を取り込むことが難しくなる。したがって、例えば図６に一実施形態例の概略平面構成図を示すように、分割されたスキャンミラー１８の駆動端子である静電駆動用電極１７ａ及び１７ｂ、静電駆動用固定側電極２１ａ及び２１ｂを例えば並列に接続してもよい。この場合、駆動端子は矢印ａ１及びａ２で模式的に示すように２本となり、供給する信号線の削減を図ることが可能である。図６において、図２及び図３と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。直列に接続する場合も同様に信号線の削減を図ることができる。同相もしくは逆相の接続が可能である。

このように、並列もしくは直列に各スキャンミラー１８の駆動端子を接続する場合は、各スキャンミラー１８の大きさは均等にすることが望ましい。また、図６に示すように、接続されて同期して振動する構成とされたスキャンミラー１８は振動方向に沿う方向に整列される構成とすることが望ましい。
また、各分割されたスキャンミラー１８は異なった画素を表示するため、各々のスキャンミラー１８にはそれぞれ異なった光源１から光が照射される構成とする必要がある。

次に、走査素子１０への入射光の入射態様について説明する。走査素子１０に対しては、この走査素子１０と観察者眼２００との間から光を入射させることが望ましい。しかしながら、両者の間隔が狭いことや、複数のミラーを使用する場合はそのままでは入射角度を選ぶことが難しいことから、図７にその一実施形態例の概略断面構成図を示すように、走査素子１０と観察者眼２００との間の位置まで光を導く光学部品、例えば導光板３０を用いることが望ましい。そしてこの導光板３０に、ホログラム等の光偏向手段を組み込む構成とすることにより、走査素子１０に光を入射することが可能である。図７において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図７においては、片方の観察者眼２００例えば右目に３つのスキャンミラー１８Ａ、１８Ｂ及び１８Ｃを対向して設ける例を示す。光源１Ａ、１Ｂ及び１Ｃから出射された光は導光板３０内のそれぞれ導波路３０Ａ、３０Ｂ及び３０Ｃに入射される。導波路３０Ａ、３０Ｂ及び３０Ｃの各入射位置に入射側回折領域３１Ａ、３１Ｂ及び３１Ｃが設けられ、ここにおいて各光が回折されて、それぞれ導波路３０Ａ、３０Ｂ及び３０Ｃ内を導波する。また、各スキャンミラー１８Ａ、１８Ｂ及び１８Ｃと対向する位置に出射側回折領域３２Ａ、３２Ｂ及び３２Ｃが設けられ、ここにおいて各光が回折されて、それぞれスキャンミラー１８Ａ、１８Ｂ及び１８Ｃに入射する。図７において破線１８Ａ´、１８Ｂ´及び１８Ｃ´はスキャンミラー１８Ａ、１８Ｂ及び１８Ｃが振動する様子を模式的に示す。これらスキャンミラー１８Ａ、１８Ｂ及び１８Ｃにより反射された光はそれぞれ矢印ＬｉＡ、ＬｉＢ及びＬｉＣで示すように観察者眼２００に向かう。矢印Ｗで示すように観察することによって、画像が認識される。

このように、複数のスキャンミラーを設ける場合は、スキャンミラー毎に個別に光を入射する必要があるため、光をスキャンミラーに導く光学素子、例えば導波路を複数設けることが必要である。このような導波路構成の光学素子を積層して一体化し、更に、走査素子１０を覆うパッケージ４０の一部として構成することも可能である。なお、ＭＥＭＳ型の走査素子は、スキャンミラー１８の空気抵抗を下げるために走査素子１０全体を収める筐体内を真空もしくは減圧状態としておく必要がある。このように、導光板３０をパッケージ４０と一体化することによって、走査素子１０を容易に真空もしくは減圧状態に保持することができる。また、走査素子１０と観察者眼２００との間の間隔を大きく広げることも可能となる。

なお、このように導光板３０を用いる構成とする場合は、走査素子１０のスキャンミラー１８Ａ、１８Ｂ及び１８Ｃで反射した光は、この光学素子すなわち導光板３０及びホログラム領域（出射側回折領域３２Ａ、３２Ｂ及び３２Ｃ）において何らの光学的作用を受けることなくそのまま通過して、直接的に観察者眼２００に入射される構成とすることが望ましい。
走査素子１０からの帰路にホログラム等に反応せずに通過させるためには、出射側回折領域を構成するホログラムを偏光ホログラムとして、導光板３０の走査素子１０と対向する側に、例えば４分の１波長板等の波長板３３を備える構成としてもよい。このような構成とする場合は、走査素子１０で反射して再度このホログラム領域に入射する光は偏光が９０度回転されるので、ホログラム領域と反応しないようにすることができ、そのまま通過して観察者眼２００に到達させることができる。

また、図８にその一実施形態例の要部の概略断面構成図を示すように、ホログラムの光入射角度依存性が大きいことを利用して、ホログラムに入射するまでの導波路内を導波する光線の反射角度θｇ（法線方向を一点鎖線ｖｇで示す）と、走査素子のスキャンミラー１８から観察者眼２００に向けて反射される光の出射角度θｍ（法線方向を一点鎖線ｖｍで示す）とを、
θｍ＜θｇ
の関係として、スキャンミラー１８により反射された光についてはホログラムの効率が略０となるように構成することも可能である。
また、図８に示すように、スキャンミラー１８から反射された光Ｌの入射角度では、観察者眼２００に入射しないような角度θｄ（＞θｍ、法線方向を一点鎖線ｖｄで示す）の回折光が生じるようにホログラムが設計されていてもよい。
このような構成とすることによって、スキャンミラー１８と観察者眼２００との間に光学素子、例えばホログラムが介在する構成とする場合においても、実質的にスキャンミラー１８で反射された光に対して光学的作用を生じることなく、また、光学的作用が生じても、観察者眼２００に入射されないようにすることによって、良好な画像の表示を行うことが可能である。

また、図９にその一実施形態例の要部の概略平面構成図を示すように、走査素子のスキャンミラー１８を分割すると共に、分割されたミラーと例えば同じ形状のミラーをダミーミラー１１８として設ける構成とし、このダミーミラー１１８により反射した光を検出することによって、スキャンミラー１８の角度検出を行うことも可能である。このように角度検出を行う場合は、高精度の角度制御を行うことができる。

図１０にこの場合の画像表示装置の一実施形態例の概略断面構成図を示す。この場合、光源１から出射された光は光学系２を介して導光板３０に入射される。入射側回折領域３１で偏向された光は導光板３０内を導波され、ダミーミラー１１８及びスキャンミラー１８と対向する位置に設けられた出射側回折領域３２ｄ、３２で回折されて、それぞれダミーミラー１１８及びスキャンミラー１８に入射される。スキャンミラー１８で反射された光Ｌｉは例えば上述の図８において説明した構成とすることによって、そのまま観察者眼２００に入射される。一方、ダミーミラー１１８において反射された光は、例えば導光板３０の一部に外付けされたフォトダイオード等より成る光検出素子１１９において検出される。この光検出素子１１９は、図９内において模式的に示すように、例えば受光領域が半分に分割される構成とすることによって、各領域から検出された光の差分を信号Ｓａとして取り出すことによって、ダミーミラー１１８の角度情報を検出することが可能である。

図１１は、本発明の一実施形態例に係る画像表示装置の全体的な構成を示す概略構成図である。この例においては、右側観察者眼２００及び左側観察者眼２００Ｌそれぞれに対して、各４個のスキャンミラーを有する走査素子１０Ｒ及び１０Ｌをそれぞれパッケージ４０Ｒ及び４０Ｌ内に設ける例を示す。右目用及び左目用それぞれの光源１Ｒ及び１Ｌ、光学系２Ｒ及び２Ｌが、それぞれパッケージ４２Ｒ及び４２Ｌ内に収容されて、導光板３０Ｒ、３０Ｌの入射領域側に配置される。図１１においては、代表的に１つの光源及び１つの光学系を示すが、これらはそれぞれスキャンミラーの個数分設けられることが望ましい。また、この画像表示装置１００をＨＭＤ構成とする場合は、例えば右耳及び左耳に掛けて頭部に保持することを可能とする支持体４３Ｒ及び４３Ｌを、パッケージ４２Ｒ及び４２Ｌに取り付けてもよい。図示しないが、光源１Ｒ及び１Ｌ、走査素子１０Ｒ及び１０Ｌをそれぞれ適切に駆動する駆動電源や変調回路等の制御部が、例えばそれぞれパッケージ４０Ｒ及び４０Ｌ内、３２Ｒ及び４２Ｌ内に配置される。
このような構成とすることによって、極めて小型で軽量化が可能な画像表示装置を実現し、且つ、その画角を所望の広い角度に設定することが可能となる。
また、図１１に示すように、右側用導光板３０Ｒと左側用導光板３０Ｌとの間に間隔調整部４１を設け、各部が可動となる構成とすることによって、観察者眼の位置にあわせて表示位置を適切に選定することが可能である。
更に、図１１に示す例のように右目用と左目用とで異なる光源、光学系を用いる場合は、それぞれの目に入射する画像情報に適切なずれを生じさせることによって、立体視を行うことも可能である。

以上説明したように、本発明によれば、極めて小型で且つ軽量のＨＭＤ型構成の画像表示装置を提供することができる。
また本発明によれば、光学系の収差の影響を受けることなく、視度補正が簡単で調整範囲が広い画像表示装置を提供し、また広い視野角を実現することができる。
特に、走査素子のスキャンミラーを分割して複数のスキャンミラーを用いる構成とすることにより、縦横比の大きい高アスペクト比の画像表示も可能となる。
また、このように分割した複数のスキャンミラーを用いる場合においても、少ない信号線で駆動することが可能であり、また複数のスキャンミラーを同期して駆動することもできる。更に、複数の走査素子を例えば半位相ずらして駆動することも可能である。

また、複数のスキャンミラーに加えてダミーミラーを設け、このダミーミラーで反射された光を検出することにより、スキャンミラーの角度等の検出が可能であり、角度情報に基づいてスキャンミラーの角度制御を高精度に行うことも可能である。
分割した複数のスキャンミラーを用いる場合は更に、左に目を動かすと左側の画像が見え、右側に目を動かすと右側の画像が見えるような自然な画像の表示が可能となる。
更に、走査素子と観察者眼の間の狭い空間には、導光板等の光学素子を用いることによって、光を走査素子に入射させることが可能であり、また走査素子と観察者眼との間隔を最大化できる。このような光学素子を用いる場合は、分割された複数のスキャンミラーに個別に光源からの光を入射して画像を表示することができる。
また、走査素子からの反射光の光学素子への入射角度や光学素子例えばホログラムの回折角度を適切に選定することによって、走査素子からの反射光によるホログラムの回折等を防ぎ、良好な画像の表示を行うことが可能である。
更にまた、スキャンミラーの共振周波数を１８ｋＨｚ以上とすることによって、振動が外部に伝わって耳障りな共振音が聞こえることを十分抑制ないしは回避でき、観察者の不愉快さを抑制ないしは回避することができる。

なお、本発明は、上述の各実施形態例において説明した例に限定されるものではなく、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能である。
例えば、走査素子のスキャンミラーを十分幅広に構成し、且つ目的とする高い周波数をもって振動することが可能である場合は、１つの観察者眼に対して１個のスキャンミラーにより画像を表示する構成とすることも可能である。また、その他図２及び図３等に示す２次元走査素子の駆動電極等の各部の構成や材料等においては、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施形態例に係る画像表示装置の概略構成図である。本発明の実施形態例に係る画像表示装置に用いる走査素子の一例の概略斜視構成図である。本発明の実施形態例に係る画像表示装置に用いる走査素子の一例の概略平面構成図である。本発明の実施形態例に係る画像表示装置の瞳への入射光の入射態様の説明図である。Ａ及びＢは本発明の実施形態例に係る画像表示装置の瞳への入射光の入射態様の説明図である。本発明の実施形態例に係る画像表示装置に用いる走査素子の一例の概略平面構成図である。本発明の実施形態例に係る画像表示装置の概略断面構成図である。本発明の実施形態例に係る画像表示装置の要部の概略断面構成図である。本発明の実施形態例に係る画像表示装置に用いる走査素子の一例の概略平面構成図である。本発明の実施形態例に係る画像表示装置の概略断面構成図である。本発明の実施形態例に係る画像表示装置の概略断面構成図である。

符号の説明

１．光源、２．光学系、１０．走査素子、１１ａ，１１ｂ．副軸電磁駆動用マグネット、１２ａ，１２ｂ．副軸トーションバー、１３．副軸電磁駆動用コイル、１４ａ，１４ｂ．副軸電極、１５ａ，１５ｂ．主軸電極、１６ａ，１６ｂ．副軸トーションバー、１７ａ，１７ｂ．静電駆動用電極、１８．スキャンミラー、１９．内枠部、２０．外枠部、２１ａ，２１ｂ．静電駆動用固定側電極、４０．パッケージ、１００．画像表示装置、２００．観察者眼

Claims

情報に対応して変調した光を出射する光源と、
分割された複数のスキャンミラーを配設し、入射光を２次元的に走査し、反射光が直接観察者眼に入射されて画像が表示されるようにした走査素子と、
前記光源から出射された光を前記走査素子に導く光学系と、
を備え、
前記分割されたスキャンミラーのうち隣接するスキャンミラー同士を、走査角度を逆向きで且つ最大にした状態で、前記観察者眼に入射する光の有効領域の境界線が、前記観察者眼の瞳中心から瞳半径の半分以下の範囲内に入射されるように配置した、
ことを特徴とする画像表示装置。
前記分割された複数のスキャンミラーは、一方向にはそれぞれ独立して駆動され、他の方向には同一の駆動部により駆動されることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
前記分割されたスキャンミラーがほぼ均等に分割され、一方向に配列されて成ることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
前記走査素子の分割されたスキャンミラーのそれぞれに対応して個別に光源が備えられることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
前記分割されたスキャンミラーの駆動電極が直列もしくは並列に接続され、同期して駆動されることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
前記スキャンミラーと同形状に形成され、前記複数のスキャンミラーの端部に設けられたダミーミラーと、
前記ダミーミラーにより反射した光を検出することによって、前記スキャンミラーの角度検出を行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
前記光源から出射される光を前記走査素子へ導く光学系に、導光板が用いられることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
前記分割された前記スキャンミラーに対して、前記光源から出射される光を前記走査素子に導く導光板及びホログラムがそれぞれ独立して設けられることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
前記光源から前記走査素子に至る光学系が、左右両方の前記観察者眼に対応して設けられ、前記左右の観察者眼の距離に対応して前記光学系の間の間隔が調整可能とされて成ることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
前記導光板の一部にホログラムが用いられ、前記導光板から前記走査素子に光を出射させることを特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
前記導光板中の光の伝播角度が、前記走査素子から観察者眼へ入射される光の最大照射角度よりも大とされることを特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
前記導光板が、前記走査素子を覆う筐体の一部を構成することを特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
前記ホログラムが偏光ホログラムであり、４分の１波長板と共に用いられることを特徴とする請求項８記載の画像表示装置。
前記走査素子で反射した光が前記ホログラム通過する際に発生する回折光の回折角度が、前記走査素子から前記観察者眼に入射する光の入射角度より大とされたことを特徴とする請求項８記載の画像表示装置。