JP2019056745A - ヘッドマウントディスプレイ及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】新たに部品を追加することなくレーザー光の減光を可能とし、装置を小型化できるヘッドマウントディスプレイ及び画像表示装置を提供すること。
【解決手段】
画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイを構成する光合成分離部２０において、レーザー光源部１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂからの各色の光Ｒ，Ｇ，Ｂの光合成や光分離をするに際して、分離した各色の成分光のうち光量の小さい第１成分光Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１を合成し、変調光を生成することで、光源側において射出されるレーザー光の減光をする。
【選択図】図４

Description

本発明は、頭部に装着して映像を観察者に提示するヘッドマウントディスプレイ及び画像表示装置に関する。

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の映像表示技術の１つとして、眼の網膜に直接レーザーを照射し、使用者（あるいは観察者）に画像を視認させる画像表示装置が知られている（例えば、特許文献１等参照。）。ただし、上記のようなレーザーを利用した網膜走査型のヘッドマウントディスプレイ等においては、眼を保護する観点から網膜に照射される光のエネルギーを小さくする必要がある。しかし画像を形成するという観点からは、レーザー光源側すなわち発光源として、安定的なレーザー発振の状態を維持して、かつ、十分な範囲の階調を確保するためには、現存するレーザー光源では、少なくともある程度（例えば数十〜数百ｍＷ程度）以上の出力を有するものとしたい、という要請がある。数十〜数百ｍＷ程度の出力となるレーザー光源とする場合には、眼を保護する観点から、映像光としてはごく僅かの成分のみ（例えば出力されるものののうち０．１％以下）を使用すればよく、大半の成分を眼に到達する前に除去すればよい。例えば、眼に到達する光のエネルギーを小さくする手段として、特許文献１においては、減光フィルターを設けている。

しかしながら、上記のようなＨＭＤや画像表示装置において、光源にレーザー光を利用するために新たに減光フィルターを配置すると、部品数が増え、装置の小型化の妨げとなる可能性がある。

なお、上記のような眼の網膜に直接レーザーを照射可能とするための減光とは目的が異なるが、プロジェクターやヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の光源にレーザー光を適用する場合において、減光のためのフィルターを設けることも知られている（例えば、特許文献２，３等参照。）。また、特許文献３では、表示装置（混色装置）において、安定して白色を表現すべく、各色光のうち青色光を透過または反射し、他の色光よりも減衰させる光強度減衰部についても言及がある。

特開２００５−５５７８０号公報 特開２０１７−０７６０８６号公報 特開２０１５−０２２２５１号公報

本発明は、新たに部品を追加することなくレーザー光の減光を可能とし、装置を小型化できるヘッドマウントディスプレイ及び画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係るヘッドマウントディスプレイは、各色の光をそれぞれ射出する複数のレーザー光源部と、複数のレーザー光源部からの各色の光を分離して合成する光合成分離部と、光合成分離部からの光を走査する光走査部とを備え、光合成分離部は、分離した各色の成分光のうち光量の小さい成分光を合成し、光走査部に向けて射出する。

上記ヘッドマウントディスプレイでは、映像光を形成するための光源側を構成する部材である光合成分離部において、レーザー光源部からの各色の光の合成や分離をするに際して、分離した各色の成分光のうち光量の小さい成分光を合成することで、光源側から射出されるレーザー光の減光を可能としている。したがって、例えば光源装置の光路下流側等において、減光のための部品を新たに追加することなくレーザー光の減光を可能とし、装置の小型化を図ることができる。

本発明の具体的な側面では、光合成分離部は、各色の光のうち少なくとも１つの色光について、反射によって光量の小さい成分光を分離する。この場合、反射によって光量の小さい成分光を分離することで、例えば光合成分離部における当該反射のための部材が破損して反射不能になっても、本来光量の小さい成分光が向かうべき方向すなわち観察者（装着者あるいは使用者）の眼に向かう方向にエネルギーの高い成分が向かう可能性を低減できる。

本発明の別の側面では、複数のレーザー光源部のうち、少なくとも１つのレーザー光源部は、他のレーザー光源部と光射出方向が異なる。この場合、光射出方向が互いに異なる２つのレーザー光源部からの光を１つの部材（例えば１枚のダイクロイックミラー）で合成できるので、光合成分離部の構成部品を減らすことができる。

本発明のさらに別の側面では、光合成分離部は、複数のレーザー光源部からの第１色光と第２色光とを合成する第１ダイクロイックミラーと、第１ダイクロイックミラーを経た光と第３色光とを合成するとともに各色の成分光のうち光量の大きい成分光を分離する第２ダイクロイックミラーとを有する。この場合、第１及び第２ダイクロイックミラーにおいて、第１〜第３色光を合成することで、フルカラーの画像表示が可能となる。さらに、第２ダイクロイックミラーにおいて、各色の成分光のうち光量の大きい成分光を分離することで、減光のための部品を新たに追加することなくレーザー光の減光を行える。

本発明のさらに別の側面では、光合成分離部により分離された各色の成分光のうち光量の大きい成分光を受光する光検出部をさらに備える。この場合、光量の大きい成分光を光検出部で受光することで、受光時のノイズの影響が低減され、光検出部における検出を安定的に行うことができ、適切な光源側の光量調整が可能になる。

本発明のさらに別の側面では、光合成分離部は、複数のレーザー光源部にそれぞれ対応して各レーザー光源部光射出方向に対応して設けられる複数の光分離部を有する。この場合、複数の光分離部により、各色の光について、光量の小さい成分と大きい成分光とに分離できる。

本発明のさらに別の側面では、複数の光分離部は、各色の光のうち光量の小さい成分光を反射し、光量の大きい成分光を透過させることにより分離する。この場合、複数の光分離部において、各色光について、反射によって光量の小さい成分光を分離し、透過によって光量の大きい成分光を分離しているので、複数の光分離部のうちいずれかが破損して反射不能になっても、本来光量の小さい成分光が向かうべき方向すなわち観察者（装着者あるいは使用者）の眼に向かう方向に、エネルギーの高い光量の大きい成分光が向かうことを回避でき、より安全性を高めることができる。

本発明のさらに別の側面では、複数の光分離部を経た各色の光のうち光量の大きい成分光を受光する各色用の複数の光検出部をさらに備える。この場合、各色用の複数の光検出部において、各色に対応するレーザー光源部の出力状態を確認でき、光源側の光量調整が可能になる。この際、特に、光量の大きい成分光を光検出部で受光することで、受光時のノイズの影響が低減され、光検出部における検出を安定的に行うことができ、色光ごとに適切な光源側の光量調整が可能になる。

本発明のさらに別の側面では、光合成分離部は、複数の光分離部を経た各色光のうち光量の小さい成分光を、同一の光路上に導いて合成する。この場合、確実に、各色光のうち光量の小さい成分光を合成して光走査部に向けて射出することができる。

本発明に係る画像表示装置は、各色の光をそれぞれ射出する複数のレーザー光源部と、複数のレーザー光源部からの各色の光を反射及び透過により光合成及び光分離する光合成分離部と、光合成分離部からの光を走査する光走査部とを備え、光合成分離部は、分離した各色の成分光のうち光量の小さい成分光を合成し、光走査部に向けて画像光として射出する。

上記画像表示装置では、映像光を形成するための光源側を構成する部材である光合成分離部において、レーザー光源部からの各色の光の合成や分離をするに際して、分離した各色の成分光のうち光量の小さい成分光を合成することで、光源側から射出されるレーザー光の減光を可能としている。したがって、例えば光源装置の光路下流側等において、減光のための部品を新たに追加することなくレーザー光の減光を可能とし、装置の小型化を図ることができる。

第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイについて概念的に説明する図である。 ヘッドマウントディスプレイを構成する光源装置について説明するための図である。 ダイクロイックミラーの波長特性を示すグラフである。 図２の光源装置における光路について説明するための図である。 第２実施形態に係るヘッドマウントディスプレイを構成する光源装置について説明するための図である。 ダイクロイックミラーの波長特性を示すグラフである。 図５の光源装置における光路について説明するための図である。 光検出の方法について一変形例を説明するための図である。

〔第１実施形態〕
以下、図１等を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）について、一例を詳細に説明する。

図１に概念的に示すように、本実施形態のヘッドマウントディスプレイ１００は、観察者の頭部に装着して使用される頭部搭載型表示装置であり、観察者又は使用者に対して画像光（映像光）を視認させることができる画像表示装置である。ここでは、一例として、ヘッドマウントディスプレイ１００は、観察者に映像光による画像と外界像とを重畳した状態で視認させるようになっている。

ヘッドマウントディスプレイ１００は、図１に示すように、左眼用の表示ユニット１００Ａと右眼用の表示ユニット１００Ｂとを有した左右一対の構成となっている。なお、表示ユニット１００Ａ，１００Ｂは、例えばフレーム（図示略）に支持固定され、観察者の頭部に装着可能となっている。

まず、右眼用の各部について、表示ユニット１００Ａは、映像光生成部２００Ａと、反射ミラーＭＲａとを備える。装着時において、映像光生成部２００Ａは、観察者の右の側頭部に配置されるようになっており、反射ミラーＭＲａは、観察者の眼前（右眼前方）に配置されるようになっている。

映像光生成部２００Ａは、光源装置５０Ａと、集光レンズ６０Ａと、光走査部７０Ａとを備え、これらは筐体ＳＣａに収納されている。

光源装置５０Ａは、波長の異なる複数の色光を合成して映像光となるべき変調光を生成し、射出する。光源装置５０Ａの詳しい構造について詳しくは、図２等を参照して後述するが、本実施形態において、光源装置５０Ａは、発生させた各色の成分光のうち、光量の小さい成分光を合成し、光走査部７０Ａに向けて射出する構成となっている。

集光レンズ６０Ａは、光源装置５０Ａの光射出側に設けられ、光源装置５０Ａからの変調光を、所望の状態で光走査部７０Ａに向かわせるべく調整するためのレンズである。

光走査部７０Ａは、光源装置５０Ａから射出され集光レンズ６０Ａを経た変調光を反射ミラーＭＲａに向けて空間的（２次元的）に走査する光スキャナーである。

次に、右眼用の各部のうち、反射ミラーＭＲａは、例えば、非球面のハーフミラー等で構成される。観察者の眼前に配置される反射ミラーＭＲａは、観察者の右眼ＥＹａを覆うのに十分な大きさを有し、光走査部７０Ａで走査された変調光を映像光として観察者の右眼ＥＹａに向けて入射させる機能を有する。すなわち、反射ミラーＭＲａは、変調光を観察者の眼の方向に偏向させて映像光とする機能を有する偏向部である。なお、反射ミラーＭＲａは、例えばハーフミラーで構成することで、外界像を視認しながら映像光を視認することができるシースルー型とすることができる。また、反射ミラーＭＲａについては、例えば、回折格子の一つであるホログラム素子（ホログラムミラー）で構成することも考えられる。このホログラム素子は、特定波長帯域にある光については回折させ、それ以外の波長帯域にある光については透過する性質を有する半透過膜である。すなわち、この場合も、シースルー型とすることができる。

以下、右眼用の表示ユニット１００Ａにおいて、光源装置５０Ａからの光が観察者の右眼ＥＹａに到達するまでについて、簡単に説明する。まず、光源装置５０Ａが映像信号に基づき変調された変調光Ｌを生成するとともに射出する。次に、集光レンズ６０Ａが変調光Ｌを光源装置５０Ａから光走査部７０Ａまで導き、光走査部７０Ａが変調光Ｌを空間的（２次元的）に走査し、反射ミラーＭＲａに向けて射出する。そして、反射ミラーＭＲａが走査された変調光Ｌから映像光Ｌ１を生成し、映像光Ｌ１を観察者の右眼ＥＹａに導く。

同様に、左眼用の表示ユニット１００Ｂは、映像光生成部２００Ｂと、反射ミラーＭＲｂとを備え、装着時において、映像光生成部２００Ｂは、観察者の左の側頭部に配置され、反射ミラーＭＲｂは、観察者の眼前（左眼前方）に配置されるようになっている。また、映像光生成部２００Ｂは、光源装置５０Ｂと、集光レンズ６０Ｂと、光走査部７０Ｂとを備え、これらは筐体ＳＣｂに収納されている。なお、各部の機能については、左右の対称性により、左眼用の表示ユニット１００Ａの場合と同様であるので、詳しい説明を省略するが、例えば、光源装置５０Ｂは、光源装置５０Ａと同様の構成及び機能を有している。また、右眼用の表示ユニット１００Ａの場合と同様にして、左眼用の表示ユニット１００Ｂにおいても、光源装置５０Ｂからの光が観察者の左眼ＥＹｂに到達する。

以上のような構成により、映像信号に応じた画像を観察者に視認させることができる。なお、本実施形態のヘッドマウントディスプレイ１００は、両眼型のヘッドマウントディスプレイであるが、ヘッドマウントディスプレイ１００は、単眼型のヘッドマウントディスプレイであってもよい。すなわち、表示ユニット１００Ａ、１００Ｂのうちの一方を省略してもよい。

ここで、上記のようなヘッドマウントディスプレイ１００において、光源にレーザー光を用いた網膜走査型とする場合、安全上の理由から網膜に照射される光のエネルギーを小さくする（例えば、眼に入る際に数μＷ程度相当に抑える）必要がある。これに対して、例えば、減光フィルター（ＮＤフィルター）を光路中に設けることで十分な減光とすることも考えられるが、そうすると、部品数が増えてしまい、例えば装置の小型化の妨げとなる可能性がある。また、重量やコストの増大にもつながる可能性がある。

一方、画像を形成するという観点からは、レーザー光源側すなわち発光源として、安定的なレーザー発振の状態を維持して、かつ、十分な範囲の階調を確保するためには、現存するレーザー光源では、少なくともある程度（例えば数十〜数百ｍＷ程度）以上の出力を有するものとしたい、という要請がある。すなわち、数十〜数百ｍＷ程度の出力となるレーザー光源とする場合には、眼を保護する観点から、映像光としてはごく僅かの成分のみ（例えば出力されるものののうち０．１％以下）を使用すればよく、大半の成分を眼に到達する前に除去すればよい。

そこで、本実施形態では、光源装置５０Ａ，５０Ｂについて、変調光の生成及び射出に加えて、減光の機能を有する構成とすることで、新たに部品を追加することなく効率的にレーザー光の減光を可能とし、装置の小型化を図るようにしている。

以下、図２等を参照して、図１の光源装置５０Ａあるいは光源装置５０Ｂに相当する光源装置５０の一構成例について詳しく説明する。

まず、図２に示すように、光源装置５０（５０Ａ，５０Ｂ）は、複数のレーザー光源部として３つのレーザー光源部１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂを有する光源部１０と、２つのダイクロイックミラーとして第１及び第２ダイクロイックミラー２１、２２を有する光合成分離部２０と、各レーザー光源部１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの光の射出状態を検出するための光検出部３０とを備える。

光源部１０のうち、レーザー光源部１０Ｒは、第１色光としての赤色光を射出し、レーザー光源部１０Ｇは、第２色光としての緑色光を射出し、レーザー光源部１０Ｂは、第３色光としての青色光を射出する。このような３色の光を用いることにより、フルカラーの画像を表示することができる。なお、レーザー光源部１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂとしては、例えば、レーザーダイオード等を用いることができる。また、詳しい図示を省略するが、レーザー光源部１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂは、制御部による制御下で、それぞれに取り付けられた各駆動回路を介して独立した駆動制御がなされ、映像信号に基づき変調された変調光を生成可能にしている。レーザー光源部１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂから射出された３つの光は、光合成分離部２０に入射する。ここでは、一例として、レーザー光源部１０Ｇ及びレーザー光源部１０Ｂが平行に並び光射出方向を同じくするよう配置され、レーザー光源部１０Ｒが、レーザー光源部１０Ｇ及びレーザー光源部１０Ｂとは、光射出方向が異なるように配置されているものとする。具体的には、レーザー光源部１０Ｒの光射出方向とレーザー光源部１０Ｇの光射出方向とが直交している。さらに、これらの色光が交わる箇所に、両光射出方向に対して４５°で傾斜した面を設けるように、光合成分離部２０の第１ダイクロイックミラー２１が配置されている。

光合成分離部２０は、複数のレーザー光源部１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂからの各色光について、光合成や光分離を行う。まず、光合成分離部２０のうち、第１ダイクロイックミラー２１は、既述のように、レーザー光源部１０Ｒからの赤色光の射出軸ＲＸとレーザー光源部１０Ｇからの緑色光の射出軸ＧＸとが交わる箇所において、両者に対して４５°傾けた配置となっている。ここで、第１ダイクロイックミラー２１は、図３中に示すグラフＧＲ１のような波長特性を有する。なお、グラフＧＲ１では、横軸を可視光波長λ（単位：ｎｍ）、縦軸を透過率Ｔ（％）としている。この場合、グラフＧＲ１から、第１ダイクロイックミラー２１は、長波長側の赤色光の波長帯域（６４０ｎｍ付近）の成分の大半を透過させるとともに、赤色光の波長帯域より短波長側の緑色光の波長帯域の成分の大半を反射する機能を有することが分かる。以上から、第１ダイクロイックミラー２１は、レーザー光源部１０Ｒからの赤色光を透過させレーザー光源部１０Ｇからの緑色光を反射することで、両者を合成するものとなっている。

一方、光合成分離部２０のうち、第２ダイクロイックミラー２２は、第１ダイクロイックミラー２１を経た赤色光及び緑色光の合成光とレーザー光源部１０Ｂからの青色光とを合成すべく、第１ダイクロイックミラー２１の光路下流側において、これらの色光の射出軸ＲＸと射出軸ＢＸとが交わる箇所において、両者に対して４５°傾けた配置となっている。また、第２ダイクロイックミラー２２は、図３中に示すグラフＧＲ２のような波長特性を有する。この場合、グラフＧＲ２から、第２ダイクロイックミラー２２は、長波長側の赤色光及び緑色光の波長帯域の成分の大半を透過させるとともに緑色光の波長帯域より短波長側の青色光の波長帯域（４６０ｎｍ付近）の成分の大半を反射する機能を有することが分かる。以上について、見方を変えると、第２ダイクロイックミラー２２は、各色光の成分について、一部を分離しつつ合成するものともなっている。具体的には、第２ダイクロイックミラー２２は、赤色光及び緑色光の成分のうち、ごく僅かの成分すなわち光量の小さい成分光を反射によって分離し、青色光の成分のうち、ごく僅かの成分すなわち光量の小さい成分光を透過によって分離し、これらを合成して射出している。また、一方で、第２ダイクロイックミラー２２によって、赤色光及び緑色光の成分のうち、ほとんどの成分すなわち光量の大きい成分光は、透過によって分離され、青色光の成分のうち、ほとんどの成分すなわち光量の大きい成分光は、反射によって分離されている。これらの成分は、光検出部３０に向かう。

光検出部３０は、光合成分離部２０により分離された各色の成分光のうち光量の大きい成分光を受光して、光の強度を測定するための装置である。すなわち、光検出部３０は、受光素子（フォトディテクター）である。ここでは、光検出部３０としては、例えばＲＧＢカラーセンサーフォトディテクターを採用することが考えられる。これにより、光合成分離部２０を経て入射した各色光の成分について光検出を行うことができる。

以下、図４を参照して、光源装置５０における各色光の光分離及び光合成から映像光となるべき変調光の生成や、減光による不要光の処理等についてさらに詳しく説明する。

まず、光源部１０のうち、レーザー光源部１０Ｒから射出される第１色光である赤色光Ｒの光路について説明する。レーザー光源部１０Ｒから射出された赤色光Ｒは、第１ダイクロイックミラー２１に入射する。第１ダイクロイックミラー２１の特性により、赤色光Ｒのほとんどが第１ダイクロイックミラー２１を透過する。さらに、第１ダイクロイックミラー２１を透過した赤色光Ｒは、第２ダイクロイックミラー２２に入射する。第２ダイクロイックミラー２２の特性により、赤色光Ｒのほとんどが第２ダイクロイックミラー２２を透過し、一部のごく僅かの成分のみが反射される。図示では、第２ダイクロイックミラー２２において反射されるごく僅かの成分すなわち光量の小さい成分を第１成分光Ｒ１とし、第２ダイクロイックミラー２２を透過する残りの大半の成分すなわち光量の大きい成分光を第２成分光Ｒ２とする。

次に、光源部１０のうち、レーザー光源部１０Ｇから射出される第２色光である緑色光Ｇの光路について説明する。レーザー光源部１０Ｇから射出された緑色光Ｇは、第１ダイクロイックミラー２１に入射する。第１ダイクロイックミラー２１の特性により、緑色光Ｇのほとんどが第１ダイクロイックミラー２１で反射される。さらに、第１ダイクロイックミラー２１で反射された緑色光Ｇは、第２ダイクロイックミラー２２に入射する。第２ダイクロイックミラー２２の特性により、緑色光Ｇのほとんどが第２ダイクロイックミラー２２を透過し、一部のごく僅かの成分のみが反射される。図示では、第２ダイクロイックミラー２２において反射されるごく僅かの成分すなわち光量の小さい成分を第１成分光Ｇ１とし、第２ダイクロイックミラー２２を透過する残りの大半の成分すなわち光量の大きい成分光を第２成分光Ｇ２とする。

最後に、光源部１０のうち、レーザー光源部１０Ｂから射出される第３色光である青色光Ｂの光路について説明する。レーザー光源部１０Ｂから射出された青色光Ｂは、第２ダイクロイックミラー２２に入射する。第２ダイクロイックミラー２２の特性により、青色光Ｂのほとんどが第２ダイクロイックミラー２２で反射され、一部のごく僅かの成分のみが透過する。図示では、第２ダイクロイックミラー２２を透過するごく僅かの成分すなわち光量の小さい成分を第１成分光Ｂ１とし、第２ダイクロイックミラー２２において反射される残りの大半の成分すなわち光量の大きい成分光を第２成分光Ｂ２とする。

以上において、各色の光Ｒ，Ｇ，Ｂのうち光量の小さい第１成分光Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１は、描画用に用いられる。すなわち、映像光となるべき変調光Ｌ（図１参照）の成分として光源装置５０から射出される。

ここで、以上における光合成分離部２０の機能をまとめると、まず、光合成分離部２０は、第１ダイクロイックミラー２１において、レーザー光源部１０Ｒ，１０Ｇからの赤色光Ｒと緑色光Ｇとを合成し、第２ダイクロイックミラー２２において、第１ダイクロイックミラー２１を経た赤色光Ｒと緑色光Ｇとの合成光とレーザー光源部１０Ｂからの青色光Ｂとを合成して変調光Ｌを生成している。さらに、光合成分離部２０は、第２ダイクロイックミラー２２において、各色の成分光のうち光量の大きい成分光である第２成分光Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２を、映像光としての利用という観点からは不要光であるものとして、変調光Ｌから分離している。

映像光としては利用されない成分である第２成分光Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２は、第２ダイクロイックミラー２２を透過または反射により通過した先に配置された光検出部３０に入射する。これにより、第２成分光Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２は、光量計測に利用される。

光検出部３０は、既述のように、ＲＧＢカラーセンサーフォトディテクター等で構成されている。光検出部３０は、特定波長のみを透過するカラーフィルターを表面に有している、すなわち、Ｒ用、Ｇ用、Ｂ用とでそれぞれ異なる特性を有するフィルターが設けられている。これにより、光検出部３０は、同時に３つの異なる波長の成分光Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２を入射させても、各色光の光量を個別に計測することができる。光検出部３０での検出結果は、ＡＰＣ（Automatic Power Control）用に用いることができる。すなわち、１つの光検出部３０において、３つの色光について、射出パワーを常時モニタリングすることで、温度等による出射パワーの変動を制御することができる。また、以上の場合、映像光の抽出においては減光されるべき成分、すなわち不要光として排除されるべき成分である第２成分光Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２を有効利用している。比較として、例えば光路中にＮＤフィルターを設けて減光を行う場合には、かかる有効活用がされるとは考えにくく利用されないまま捨てられていると考えられる。これに対して、上記のような利用をした場合、光量の大きい成分光である第２成分光Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２を光検出部３０で受光して検出をしているので、受信時の反応において立ち上がりが大きくなり、受光時のノイズの影響が低減され、光検出部３０における検出を安定的に行うことができ、適切な光源側の光量調整が可能になる。

以上のように、本実施形態に係る画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ１００では、映像光を形成するための光源側を構成する部材である光合成分離部２０において、レーザー光源部１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂからの各色の光Ｒ，Ｇ，Ｂの光合成や光分離をするに際して、分離した各色の成分光のうち光量の小さい第１成分光Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１を合成することで、光源側から射出されるレーザー光の減光を可能としている。したがって、例えば光源装置５０の光路下流側等において、減光のための部品を新たに追加することなくレーザー光の減光を可能とし、装置の小型化を図ることができる。

また、上記の場合、少なくとも緑色光Ｇに関しては、光合成分離部２０の第１及び第２ダイクロイックミラー２１，２２において、反射によって光量の小さい第１成分光Ｇ１を分離している、すなわち観察者の眼に向かう映像光となるべき成分を反射によって導いていることで、例えば光合成分離部２０における第１及び第２ダイクロイックミラー２１，２２が破損して反射不能になっても緑色光Ｇのうちエネルギーの高い成分が、観察者の眼の方向に向かってしまうことを回避できる。また、赤色光Ｒについても、第２ダイクロイックミラー２２において第１成分光Ｒ１を反射によって導いているので、同様に回避される。なお、第２ダイクロイックミラー２２が破損した場合に備えて、第２ダイクロイックミラー２２を監視するセンサーや破損の検知に応じてレーザー光源部１０Ｂからの青色光Ｂを遮断するための装置等を別途設けてもよい。

〔第２実施形態〕
以下、図５等を参照して、第２実施形態に係るヘッドマウントディスプレイについて説明する。本実施形態は、第１実施形態の変形例であり、光源装置の構成を除いて、第１実施形態の場合と同様であるので、全体構成の図示や説明、さらには、光源装置以外についての各部の詳細な説明については省略する。

図５に示すように、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイを構成する光源装置の一構成例について詳しく説明する。なお、図５は、図２に対応する図であり、図７は、図４に対応する図である。

まず、図５に示すように、光源装置２５０は、複数のレーザー光源部として３つのレーザー光源部２１０Ｒ、２１０Ｇ、２１０Ｂを有する光源部２１０と、３つのレーザー光源部２１０Ｒ、２１０Ｇ、２１０Ｂに対応して設けられた３つの光分離部として第１、第２及び第３の光分離部２２０Ｒ、２２０Ｇ、２２０Ｂを有する光合成分離部２２０と、各レーザー光源部２１０Ｒ、２１０Ｇ、２１０Ｂの光の射出状態を検出するための複数の光検出部として３つの光検出部２３０Ｒ、２３０Ｇ、２３０Ｂを有する光検出装置２３０とを備える。

光源部２１０のうち、レーザー光源部２１０Ｒは、第１色光としての赤色光を射出し、レーザー光源部２１０Ｇは、第２色光としての緑色光を射出し、レーザー光源部２１０Ｂは、第３色光としての青色光を射出する。レーザー光源部２１０Ｒ、２１０Ｇ、２１０Ｂから射出された３つの光は、光合成分離部２２０を構成する３つの光分離部２２０Ｒ、２２０Ｇ、２２０Ｂにそれぞれ入射する。ここでは、一例として、３つのレーザー光源部１０Ｒ、１０Ｇ，１０Ｂが、平行に並び光射出方向を同じくするように配置されている。さらに、これらの色光に対応して、各色光の光射出方向に対して４５°で傾斜した面を設けるように、第１、第２及び第３の光分離部２２０Ｒ、２２０Ｇ、２２０Ｂが配置されている。

光合成分離部２２０は、複数のレーザー光源部２１０Ｒ、２１０Ｇ、２１０Ｂからの各色光について、光合成や光分離を行う。まず、光合成分離部２２０のうち、第１の光分離部２２０Ｒは、第１色光である赤色光を射出するレーザー光源部２１０Ｒに対応してレーザー光源部２１０Ｒの光射出方向に対応して設けられているミラー部材である。すなわち、図示のように、赤色光の射出軸ＲＸに対して４５°傾けた配置となっている。ここで、第１の光分離部２２０Ｒは、図６中に示すグラフＧＨ１のような波長特性を有する。なお、グラフＧＨ１では、横軸を可視光波長λ（単位：ｎｍ）、縦軸を透過率Ｔ（％）としている。この場合、グラフＧＨ１から、ミラー部材としての第１の光分離部２２０Ｒは、可視光の全波長帯域の成分の大半を透過させごく僅かの成分のみ反射する機能を有することが分かる。

同様に、光合成分離部２２０のうち、第２の光分離部２２０Ｇは、第２色光である緑色光を射出するレーザー光源部２１０Ｇに対応してレーザー光源部２１０Ｇの光射出方向に対応して設けられているミラー部材である。すなわち、図５に示すように、緑色光の射出軸ＧＸに対して４５°傾けた配置となっている。また、図６中に示すグラフＧＨ２のように、第２の光分離部２２０Ｇも、可視光の全波長帯域の成分の大半を透過させごく僅かの成分のみ反射する機能を有する。

同様に、光合成分離部２２０のうち、第３の光分離部２２０Ｂは、第３色光である青色光を射出するレーザー光源部２１０Ｂに対応してレーザー光源部２１０Ｂの光射出方向に対応して設けられているミラー部材である。すなわち、図５に示すように、青色光の射出軸ＢＸに対して４５°傾けた配置となっている。また、図６中に示すグラフＧＨ３のように、第３の光分離部２２０Ｂも、可視光の全波長帯域の成分の大半を透過させごく僅かの成分のみ反射する機能を有する。

さらに、図５に示すように、光合成分離部２２０において、３つの光分離部２２０Ｒ、２２０Ｇ、２２０Ｂの位置が揃えられていることにより、各光分離部２２０Ｒ、２２０Ｇ、２２０Ｂで反射された成分は、同一の光路上に導かれ合成される。以上により、光合成分離部２２０は、各色光について、光合成及び光分離を行うものとして機能する。すなわち、光合成分離部２２０は、各色光の成分について、一部を分離しつつ合成するものとなっている。具体的には、３つの光分離部２２０Ｒ、２２０Ｇ、２２０Ｂは、赤色光、緑色光及び青色光の成分のうち、ごく僅かの成分すなわち光量の小さい成分光を反射によって分離し、これらを合成して射出している。また、一方で、３つの光分離部２２０Ｒ、２２０Ｇ、２２０Ｂは、赤色光、緑色光及び青色光の成分のうち、ほとんどの成分すなわち光量の大きい成分光を透過によって分離している。これらの成分は、光検出装置２３０に向かう。

光検出装置２３０は、光合成分離部２２０により分離された各色の成分光のうち光量の大きい成分光を受光して、光の強度を測定するための装置である。すなわち、光検出装置２３０を構成する３つの光検出部２３０Ｒ、２３０Ｇ、２３０Ｂとしては、各色用の受光素子（フォトディテクター）を採用することが考えられる。これにより、光合成分離部２２０の３つの光分離部２２０Ｒ、２２０Ｇ、２２０Ｂをそれぞれ透過して入射した各色光の成分について個別に光検出を行うことができる。

以下、図７を参照して、光源装置２５０における各色光の光分離及び光合成から映像光となるべき変調光の生成や、減光による不要光の処理等についてさらに詳しく説明する。

まず、光源部２１０のうち、レーザー光源部２１０Ｒから射出される第１色光である赤色光Ｒの光路について説明する。レーザー光源部２１０Ｒから射出された赤色光Ｒは、ミラー部材としての第１の光分離部２２０Ｒにより、透過光と反射光に分離される。すなわち、第１の光分離部２２０Ｒの特性により、赤色光Ｒのほとんどが第１の光分離部２２０Ｒを透過し、一部のごく僅かの成分のみが反射される。図示では、第１の光分離部２２０Ｒにおいて反射されるごく僅かの成分すなわち光量の小さい成分を第１成分光Ｒ１とし、第１の光分離部２２０Ｒを透過する残りの大半の成分すなわち光量の大きい成分光を第２成分光Ｒ２とする。なお、第１成分光Ｒ１は、ミラー部材としての第２及び第３の光分離部２２０Ｇ、２２０Ｂの特性により、大半がこれらを透過する。

同様に、レーザー光源部２１０Ｇから射出される第２色光である緑色光Ｇは、そのほとんどが第２の光分離部２２０Ｇを透過し、一部のごく僅かの成分のみが反射される。図示では、第２の光分離部２２０Ｇにおいて反射されるごく僅かの成分すなわち光量の小さい成分を第１成分光Ｇ１とし、第２の光分離部２２０Ｇを透過する残りの大半の成分すなわち光量の大きい成分光を第２成分光Ｇ２とする。なお、第１成分光Ｇ１は、ミラー部材としての第３の光分離部２２０Ｂの特性により、大半がこれを透過する。

同様に、レーザー光源部２１０Ｂから射出される第３色光である青色光Ｂは、そのほとんどが第３の光分離部２２０Ｂを透過し、一部のごく僅かの成分のみが反射される。図示では、第３の光分離部２２０Ｂにおいて反射されるごく僅かの成分すなわち光量の小さい成分を第１成分光Ｂ１とし、第３の光分離部２２０Ｂを透過する残りの大半の成分すなわち光量の大きい成分光を第２成分光Ｂ２とする。

以上において、各色の光Ｒ，Ｇ，Ｂのうち光量の小さい第１成分光Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１は、描画用、すなわち、映像光となるべき変調光の成分として光源装置２５０から射出される。

ここで、以上における光合成分離部２２０の機能をまとめると、まず、光合成分離部２２０は、３つの光分離部２２０Ｒ、２２０Ｇ、２２０Ｂにおいて、各色の光のうち光量の小さい成分光を反射し、光量の大きい成分光を透過させることにより、第２成分光Ｒ２，Ｇ２，Ｂを、映像光としての利用という観点からは不要光であるものとして、変調光Ｌから分離している。一方で、光合成分離部２２０は、各光分離部２２０Ｒ、２２０Ｇ、２２０Ｂを経た各色光のうち光量の小さい第１成分光Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１を、同一の光路上に導いて合成することで変調光Ｌを生成している。

また、上記のうち、映像光としては利用されない成分である第２成分光Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２は、各光分離部２２０Ｒ、２２０Ｇ、２２０Ｂを透過した先に配置された光検出装置２３０を構成する３つの光検出部２３０Ｒ、２３０Ｇ、２３０Ｂにそれぞれ入射する。これにより、第２成分光Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２は、光量計測に利用される。

３つの光検出部２３０Ｒ、２３０Ｇ、２３０Ｂは、既述のように、各色用の受光素子（フォトディテクター）で構成されている。光検出部２３０Ｒ、２３０Ｇ、２３０Ｂは、Ｒ用、Ｇ用、Ｂ用の各色に応じた特定波長のみを受光する。これにより、光検出部２３０Ｒ、２３０Ｇ、２３０Ｂは、同時に３つの異なる波長の成分光Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２の光量を個別に計測することができる。光検出部２３０Ｒ、２３０Ｇ、２３０Ｂでの検出結果は、ＡＰＣ用に用いることができる。すなわち、３つの色光について、射出パワーを常時モニタリングすることで、温度等による出射パワーの変動を制御することができる。また、以上の場合、映像光の抽出においては減光されるべき成分、すなわち不要光として排除されるべき成分である第２成分光Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２を有効利用している。また、上記のような利用をした場合、光量の大きい成分光である第２成分光Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２を光検出部２３０Ｒ、２３０Ｇ、２３０Ｂで受光して検出をしているので、受光時の反応において立ち上がりが大きくなり、受光時のノイズの影響が低減され、光検出部２３０Ｒ、２３０Ｇ、２３０Ｂにおける検出を安定的に行うことができ、適切な光源側の光量調整が可能になる。

以上のように、本実施形態に係る画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイにおいても、映像光を形成するための光源側を構成する部材である光合成分離部２２０において、レーザー光源部２１０Ｒ、２１０Ｇ、２１０Ｂからの各色の光Ｒ，Ｇ，Ｂの光合成や光分離をするに際して、分離した各色の成分光のうち光量の小さい第１成分光Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１を合成することで、光源側から射出されるレーザー光の減光を可能としている。したがって、例えば光源装置２５０の光路下流側等において、減光のための部品を新たに追加することなくレーザー光の減光を可能とし、装置の小型化を図ることができる。

また、本実施形態では、光合成分離部２２０において色分離や色合成を行うためのミラーをダイクロイックミラーに代えて同一の特性のミラーで構成できるので、製造コストが低減できる。

また、本実施形態では、全ての光Ｒ，Ｇ，Ｂについて、光合成分離部２２０において、映像光として取り出すべき光量の小さい成分光Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１を反射し、映像光として不要である光量の大きい成分光Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２を透過させることにより分離している。この場合、光合成分離部２２０を構成する光分離部２２０Ｒ、２２０Ｇ、２２０Ｂのうちいずれかが、仮に破損して反射不能になっても、本来光量の小さい成分光が向かうべき方向すなわち観察者の眼に向かう方向に、エネルギーの高い光量の大きい成分光Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２が向かうことを回避でき、より安全性を高めることができる。

〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

まず、上記において、光検出部又は光検出装置における光検出を行うタイミングについては、種々の方法が適用可能である。例えば図８に概念的に示すように、眼に対して走査により描画を行うタイミングに相当する想定描画領域ＳＣの範囲外の領域ＲＯを光Ｌ（Ｌ１）が走査しているタイミングを光検出のタイミングとして利用することが考えられる。また、時分割で画像を形成するに際して、各色が射出されているタイミングと同期して光検出を行うことで検出している時の色を認識可能とすることも考えられる。

また、上記において、各色のレーザー光源部の配置については、射出位置の遠方側から順に、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）としているが、これに限らず、種々の順番で配置することができる。また、各レーザー光源部の配置についても、所期の目的を果たすことが可能であれば、上記例示に限らず他の態様としてもよい。例えば第２実施形態において、図５または図７に示された３つのレーザー光源部のうち１つまたは２つの光射出方向を１８０°反転させてもよい。
また、ダイクロイックミラーの波長特性は、本実施形態に限らず分離した各色の成分光のうち光量が小さい成分光が合成され光走査部に向けて射出されるように構成されていればよい。例えば、第１実施形態において、レーザー光源部１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの配置について、赤（Ｒ）と青（Ｂ）とを入れ替えた構成とした場合、これに伴って、第１及び第２ダイクロイックミラー２１、２２の波長特性も図３に示したものとは異なる態様とすることで、上記と同様の分離合成を行うことができる。

また、各色の光合成については、種々の態様が考えられ、例えばクロスプリズム等を用いて３色の光を合成してもよい。

また、上記では、画像表示装置として、ヘッドマウントディスプレイを例示したが、これに限らず、例えば、小型のプロジェクターやＨＵＤにおいて、本願発明を適用することも可能である。

１０…光源部、１０Ｒ、１０Ｇ，１０Ｂ…レーザー光源部、２０…光合成分離部、２１…第１ダイクロイックミラー、２２…第２ダイクロイックミラー、３０…光検出部、５０，５０Ａ，５０Ｂ…光源装置、６０Ａ，６０Ｂ…集光レンズ、７０Ａ，７０Ｂ…光走査部、１００…ヘッドマウントディスプレイ、１００Ａ，１００Ｂ…表示ユニット、２００Ａ，２００Ｂ…映像光生成部、２１０…光源部、２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂ…レーザー光源部、２２０…光合成分離部、２２０Ｒ，２２０Ｇ，２２０Ｂ…光分離部、２３０…光検出装置、２３０Ｒ，２３０Ｇ，２３０Ｂ…光検出部、２５０…光源装置、Ｂ…青色光、ＢＸ…射出軸、ＥＹａ…右眼、ＥＹｂ…左眼、Ｇ…緑色光、ＧＨ１，ＧＨ２，ＧＨ３…グラフ、ＧＲ１，ＧＲ２…グラフ、ＧＸ…射出軸、Ｌ…変調光、Ｌ１…映像光、ＭＲａ…反射ミラー、ＭＲｂ…反射ミラー、Ｒ…赤色光、Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１…第１成分光、Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２…第２成分光、ＲＯ…領域、ＲＸ…射出軸、ＳＣ…描画区間、ＳＣａ…筐体、ＳＣｂ…筐体、Ｔ…透過率、λ…可視光波長

Claims (10)

1. 各色の光をそれぞれ射出する複数のレーザー光源部と、
   前記複数のレーザー光源部からの各色の光を分離して合成する光合成分離部と、
   前記光合成分離部からの光を走査する光走査部と
   を備え、
   前記光合成分離部は、分離した各色の成分光のうち光量の小さい成分光を合成し、前記光走査部に向けて射出する、ヘッドマウントディスプレイ。
2. 前記光合成分離部は、各色の光のうち少なくとも１つの色光について、反射によって光量の小さい成分光を分離する、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
3. 前記複数のレーザー光源部のうち、少なくとも１つのレーザー光源部は、他のレーザー光源部と光射出方向が異なる、請求項１及び２のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
4. 前記光合成分離部は、前記複数のレーザー光源部からの第１色光と第２色光とを合成する第１ダイクロイックミラーと、前記第１ダイクロイックミラーを経た光と第３色光とを合成するとともに各色の成分光のうち光量の大きい成分光を分離する第２ダイクロイックミラーとを有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
5. 前記光合成分離部により分離された各色の成分光のうち光量の大きい成分光を受光する光検出部をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
6. 前記光合成分離部は、前記複数のレーザー光源部にそれぞれ対応して各レーザー光源部光射出方向に対応して設けられる複数の光分離部を有する、請求項１及び２のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
7. 前記複数の光分離部は、各色の光のうち光量の小さい成分光を反射し、光量の大きい成分光を透過させることにより分離する、請求項６に記載のヘッドマウントディスプレイ。
8. 前記複数の光分離部を経た各色の光のうち光量の大きい成分光を受光する各色用の複数の光検出部をさらに備える、請求項６及び７のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
9. 前記光合成分離部は、前記複数の光分離部を経た各色光のうち光量の小さい成分光を、同一の光路上に導いて合成する、請求項６〜８のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
10. 各色の光をそれぞれ射出する複数のレーザー光源部と、
    前記複数のレーザー光源部からの各色の光を反射及び透過により光合成及び光分離する光合成分離部と、
    前記光合成分離部からの光を走査する光走査部と
    を備え、
    前記光合成分離部は、分離した各色の成分光のうち光量の小さい成分光を合成し、前記光走査部に向けて画像光として射出する、画像表示装置。

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