(57)【要約】    【課題】  装置全体が小型で被走査面上に形成した画像情報を良好に観察することができる画像表示装置を得ること。    【解決手段】  光源手段からの画像情報に基づいて光変調され出射した光束で２次元走査可能な走査手段と走査光学系によって被走査面上を走査し、倒立の画像情報を形成し、該被走査面上の画像情報を接眼光学系によって瞳位置から観察する画像表示装置において、該走査光学系と、接眼光学系は、１つのプリズム部材に形成した複数の光学面のうちの互いに異った複数の光学面と、１つの共有する光学面とを利用していること。【選択図】  図１
2006184726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源手段と、該光源手段からの光を２次元走査可能な走査手段と、該走査手段によって走査された光で被走査面上に２次元画像情報を形成走査光学系と、該被走査面上の画像情報を観察者に導光する接眼光学系とを有する画像表示装置において、複数の光学面を備えるプリズム部材を有し、該走査光学系と接眼光学系とは、該プリズム部材に形成された複数の光学面のうちの互いに異った複数の光学面と、１つの共有する光学面とを利用していることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記プリズム部材は、前記走査手段により走査された光が入射する入射面と、前記被走査面からの光を前記観察者に向けて射出する射出面と、前記入射面と前記射出面の間の光路上に配置された複数の反射面とを有し、該被走査面上あるいはその近傍に、光路を折り返す折り返し反射面が配置されていることを特徴とする請求項１の画像表示装置。
【請求項３】
前記折り返し反射面は、該折り返し反射面に入射する光束の集束角に対し、該折り返し反射面で反射射出する光束の発散角が大きくなるような光拡散作用を有していることを特徴とする請求項２の画像表示装置。
【請求項４】
前記プリズム部材は、前記走査手段により走査された光が入射する入射面と、前記被走査面からの光を前記観察者に向けて射出する射出面と、前記入射面と前記射出面の間の光路上に配置された複数の反射面とを有し、前記走査手段から前記被走査面までの間の光路上で最も前記被走査面に近い反射面と、前記射出面とが、異なる面で構成されることを特徴とする請求項１の画像表示装置。
【請求項５】
前記プリズム部材は、前記走査手段により走査された光が入射する入射面と、前記被走査面からの光を前記観察者に向けて射出する射出面と、前記入射面と前記射出面の間の光路上に配置された複数の反射面とを有し、前記入射面の有効領域である第１の領域と、前記被走査面から前記観察者までの間の光路上で前記被走査面からの光を反射する反射面の有効領域である第２の領域とが、離れていることを特徴とする請求項１の画像表示装置。
【請求項６】
前記プリズム部材は、３以上の内面反射面を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項の画像表示装置。
【請求項７】
前記プリズム部材は、前記被走査面から前記観察者までの間の光路上に２以上の反射面を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項の画像表示装置。
【請求項８】
視度調整の為に前記光源手段と、前記被走査面とを同期して移動させる機構を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項の画像表示装置。
【請求項９】
前記プリズム部材は、前記走査手段からの光が入射する入射面、該入射面からの光を反射する第１の反射面、該第１の反射面からの光を前記被走査面側に出射させる第１の光学面、該被走査面を介して該第１の光学面に入射した光を全反射する第２の光学面、該第２の光学面で全反射した光を反射する第２の反射面とを有し、、該第２の反射面で反射した光は該第２の光学面から観察者に向けて出射することを特徴とする請求項１〜９の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの画像情報に基づいて光変調した光束で、光走査手段を用いて被走査面上を走査することにより該被走査面上に画像を表示し、観察するようにした頭部装着型ディスプレイや、電子式ビューファンダーシステム等に好適な画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、頭部装着型ディスプレイ装置やデジタルカメラ等の電子ビューファンダーシステムにおける画像表示として、透過型液晶、反射型液晶、または有機ＥＬ素子などのいわゆるフラットパネルと呼ばれる２次元表示素子が使用されている。そしてこれら２次元表示素子を接眼光学系と組み合わせ、表示画像を虚像として観察している。
【０００３】
近年、そのような画像表示装置には、より高精細な画像表示が要求されている。このため、フラットパネルディスプレイ上に数多くの画素を製作することが求められている。
【０００４】
一般に画素数が増えると画素欠陥が増加したり、フラットパネルの大きさに対して、相対的に画素の大きさが小さくなり製造が困難になってくる。
【０００５】
また２次元画像表示素子を用いず走査手段を使った画像表示装置が提案されている（特許文献１）。
【０００６】
特許文献１では、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色光を水平方向と垂直方向に走査し、光学系を介して網膜上に直接画像を形成する技術を示している。
【０００７】
特許文献１にて開示の走査型の画像表示装置では、非常に高速に光を走査することが要求されるため、光を走査するミラー等の走査部に非常に小型のデバイスが使われている。したがって、走査される光ビームがきわめて細いものとなり、観察者の瞳位置での光ビームが非常に径の小さなものとなっている。
【０００８】
こうした小さな射出瞳径を拡大する方法が提案されている（特許文献２、３）。
【０００９】
特許文献２では、走査されたビームが形成する曲率を有した中間結像面上に、レンズアレイや拡散板等の拡大手段を配置し、透過させることにより、拡大手段を透過した後の光束の広がり角を拡大するようにしている。
【００１０】
また、特許文献３では、走査型の画像表示装置ではないものの、平行光により照明される液晶などの画像表示素子に入射した後の光を拡散板を透過させることで、同様に射出瞳を拡大するようにしている。
【００１１】
これら特許文献２、３の構成では、中間像透過型の射出瞳の拡大手段を用いるため、光路が長くなり、装置が大型化してくる傾向があった。
【００１２】
この他にも走査型の画像表示装置が提案されている（特許文献４〜６）。
【００１３】
特許文献４、５では、光学系として非回転対称な面を持つ、屈折率ｎが１以上の材質で作られたプリズム部材を用い光学系を構成している。プリズム部材を用いることで、光路を折りたたむことが可能で、かつその光路長が実際の透過距離のｎ倍となるため、光学系を小型に構成し、かつその光路長を長く取ることができる。
【００１４】
しかし特許文献４、５で示される光学系では、射出瞳の拡大手段を持たないため、観察者が観察可能な射出瞳径は小さなままとなる。
また、特許文献６では、プリズム部材と折り返し反射面を用いた画像表示装置を開示している。特許文献６では、プリズム部材に加え折り返し反射面を持つことで、光路をさらに折りたたみ、プリズムの小型化を図っている。
【００１５】
しかし、この例では、画像の階調の表現手法についての記載がない。また走査手段として１次元方向の走査を行う走査手段を組み合わせ２次元走査を行うものが提示されており、２次元走査を行うには走査手段そのものが大型化しやすい。
【００１６】
一方、半導体プロセスの進歩に伴い微小機械システム（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ＳＹＳＴＥＭ：ＭＥＭＳ）により、小型軽量でありながら高速の走査手段を作る技術が提案されている（特許文献７、８）。
【００１７】
特許文献７ではプレーナ型ガルバノミラーおよびその製造方法が開示されている。
【００１８】
又、特許文献８では、走査用の光偏向素子を、半導体プロセスを用いて製造する技術が開示されている。
【特許文献１】米国特許第５４６７１０４号
【特許文献２】米国特許第５７０１１３２号
【特許文献３】米国特許第５７６７５４４号
【特許文献４】特開２００１−４９５５号公報
【特許文献５】特開２００１−１９４６１７号公報
【特許文献６】特開平１１−１２５７９１号公報
【特許文献７】特開平０７−１７５００５号公報
【特許文献８】特開平０８−３３４７２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
特許文献２、３に開示された技術では、中間像透過型の射出瞳の拡大手段を用いるため光路が長くなるが、これを回避するために反射型の光拡散手段を用いて光路を折りたたむことが考えられる。この作用により光学系を小さく構成できるが、その一方で反射型の光拡散手段に入射する光と反射して拡散する光の光路が重複することになり光路を分岐するための手段が必要になる。
【００２０】
半透過型のミラー等を用いて、反射型の光拡散手段に入射する光路と射出する光路を分離することが考えられるがこの方法では、光量の損失が発生してしまう。
また、特許文献４、５に開示されている光学系の構成では、中間結像面がプリズムの内部に存在するため、中間結像面に瞳拡大手段を配置することができず、瞳径が小さなままとなり、画像の観察が困難となる。
【００２１】
本発明は、走査手段とプリズム部材を含む光学系の構成を適切に設定することにより、装置全体が小型で被走査面上に形成した画像情報を良好に観察することができる画像表示装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の画像表示装置は、光源手段と、該光源手段からの光を２次元走査可能な走査手段と、該走査手段によって走査された光で被走査面上に２次元画像情報を形成走査光学系と、該被走査面上の画像情報を観察者に導光する接眼光学系とを有する画像表示装置において、複数の光学面を備えるプリズム部材を有し、該走査光学系と接眼光学系とは、該プリズム部材に形成された複数の光学面のうちの互いに異った複数の光学面と、１つの共有する光学面とを利用していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば装置全体が小型で被走査面上に形成した画像情報を良好に観察することができる画像表示装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
【実施例１】
【００２５】
図１は本発明の走査型の画像表示装置の実施例１の光学系の垂直断面図である。
【００２６】
図１において、光源１０１は、画像入力手段ＳＩからの表示画像の入力信号に基き、直接変調され光変調した複数の色光の光束を放射している。光源１０１から射出した光束１０２は、色合成手段１０８（光路を展開したガラスブロックとして示している。）を介し、集束光学系１０３により集束光束とされ、走査手段１０４に入射する。
【００２７】
１０８ａ，１０８ｂは色合成手段１０８の入射面と射出面である。
【００２８】
集光光学系１０３は、負レンズと正レンズの接合レンズより成っている。１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃは接合レンズの各面を示している。
【００２９】
走査手段１０４により光束１０２は２次元方向に偏向され、プリズム光学系（プリズム部材）１０５に入射する。プリズム光学系１０５に入射した光束１０２は、光源１０１からの光束が入射する側から順に、入射面１０５ａ、反射面１０５ｂ、透過面１０５ｃを通過し被走査面１０６に入射する。被走査面１０６上には、走査手段１０４による光束の走査により２次元画像が形成される。また、被走査面１０６は平面の折り返し反射面（拡散面）となっており、入射した光束１０２は被走査面１０６上もしくはその近傍にてスポットを結び、被走査面１０６で反射され再び透過面１０５ｃ面よりプリズム光学系１０５へ入射する。
【００３０】
プリズム光学系１０５に再び入射した光束１０２は、光学面１０５ｄで全反射、更に反射面１０５ｅで反射された後、光学面１０５ｄを透過して走査手段１０４の共役点となる射出瞳１０７に入射する。
【００３１】
観察者は射出瞳１０７近傍に眼を置くことで、被走査面１０６上に形成される画像を観察している。
【００３２】
以上のように本実施例では、光源手段１０１からの画像情報に基づいて光変調され出射した光束で２次元走査可能な走査手段１０４と、走査光学系によって被走査面１０６上を走査し、倒立の画像情報を形成し、該被走査面上の画像情報を接眼光学系によって瞳位置１０７から観察している。
【００３３】
ここで、被走査面１０６を中心に、走査手段１０４を射出してから被走査面１０６に入射するまでに介する面は光学面１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃの３面である。これらの１０５ａ〜１０５ｃは、走査手段１０４で偏向された光束１０２を被走査面１０６上に結像させる走査光学系としての作用を持ち、被走査面１０６から射出瞳１０７までの光学面１０５ｃ〜１０５ｅによる光学系は、被走査面１０６上に形成された画像を観察者が拡大観察するための接眼光学系としての作用をもつ。
【００３４】
この走査光学系と、接眼光学系という２つの光学系の作用を１つのプリズム光学系１０５により構成している。そして、走査光学系と接眼光学系は、１つのプリズム部材１０５に形成した複数の光学面のうちの互いに異った複数の光学面と、１つの共有する光学面とを利用している。以下、実施例１中で走査光学系と記載した場合は、光学面１０５ａ〜１０５ｃによる光学系を、接眼光学系と記載した場合には光学面１０５ｃ〜１０５ｅによる光学系を示すものとする。
【００３５】
走査光学系の光路上で光源像として中間像を持つことなく、被走査面１０６上に倒立像として集光させるため、各面のパワーを弱め曲率を小さくしている。また、１つの面を２つの光学面１０５ｂ、１０５ｄに分割することで光学的な自由度が増し、走査光学系及び接眼光学系の光学性能を良好に維持している。
【００３６】
さらに、走査光学系と接眼光学系で光学面１０５ｃを共通に用いることで、光学系全体の小型化を図っている。
【００３７】
なお、プリズム光学系１０５の光学面１０５ａ〜１０５ｅの１以上は、回転対称軸を持たない非回転対称面で構成される。また、反射面１０５ｂと全反射面１０５ｄは異なる係数を持つ関数で表記される非回転対称面で構成されている。
【００３８】
このように共役関係にある走査手段１０４と射出瞳１０７の間の光路上に、光源１０１の像が倒立像となる結像面としての被走査面１０６を１つだけ有する構成を取ることにより、走査手段１０４から被走査面１０６までの光路を短くすることができ、光学系の小型化を安易にしている。
【００３９】
また、走査光学系と接眼光学系を、共通に利用する面を持つ１つのプリズム部材１０５により構成することで、光学系の構成を簡単にしている。なお、本実施例ではプリズム光学系１つで光学系を構成したが、走査光学系・接眼光学系の２つの光学系で共通に利用する面を持つプリズムが１つでもあれば、その他にプリズム及び光学系があっても構わない。
【００４０】
また、本実施例では、光源１０１の位置を、射出する光束１０２の中心軸上で移動させ、それに同期させ被走査面１０６を入射光束に沿う方向に移動させることにより、視度調整を行っている。このとき、観察者により観察される画像の位置が、被走査面１０６の移動により紙面内方向にシフトしてしまう場合、走査手段１０４を紙面に垂直かつ走査手段１０４の偏向点を中心とした軸の周りで回転させることで、発生するシフトを打ち消してもよい。
【００４１】
また、被走査面１０６の移動方向として、走査手段１０４の走査角の中心を通る光束の中心軸方向に移動させると、被走査面１０６に必要な有効面積が最も小さくなるため、この方向に移動させることが好ましい。
【００４２】
本実施例においては、光源１０１として赤、緑、青の光を独立に発する光源からの光を色合成手段により組み合わせ、各色の光源からの光束を映像信号にあわせ変調することで、カラー画像を観察者に提供しているが、単色の光源を用いても良い。
【００４３】
本実施例では、フルカラー画像の表示も想定し、色合成手段１０８としてダイクロイックプリズムを使用している。
【００４４】
図２は、本実施例における被走査面１０６上の折り返し反射面が有する、反射拡散作用の説明図である。
【００４５】
不図示の走査手段により走査され、プリズム光学系１０５に入射した光束１０２ａ〜１０２ｃは、被走査面１０６上もしくはその近傍にて結像し、被走査面１０６上を走査する。
【００４６】
ここで、被走査面１０６に入射する光束１０２は細い集束光束となっているが、被走査面１０６のもつ反射拡散作用により、射出する光束２０１ａ〜２０１ｃは広がりの大きな光束となる。光束２０１ａ〜２０１ｃの広がりが大きくなるため、射出瞳１０７に到達する光束はその径が拡大される。
【００４７】
また、本実施例では、走査手段１０４として１つのデバイスで２次元走査が可能な公知の２次元走査手段を用いている（例えば特開平８−３３４７２３号公報）。
【００４８】
図３に走査手段１０４の一例を示す。
【００４９】
図３は、半導体プロセス技術により作成された、微小機械システム（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）ＭＥＭＳより成る２次元走査が可能な偏向デバイス３０１を示している。偏向デバイス３０１は偏向面（反射面）を持つ微小ミラー３０２がトーションバー３０３及び３０４で支持された構造をもつ。微小ミラー３０２はトーションバー３０３がねじれることで軸３０５を略中心とした共振往復運動を、さらにトーションバー３０４がねじれることで軸３０６を略中心とした往復運動を行う。この往復運動により偏向面３０２の法線方向が２次元的に変化し、微小ミラー３０２に入射してくる光束を反射させ、２次元方向に走査している。
【００５０】
本実施例のように、小型の２次元走査手段により２次元走査された光束を、プリズム部材１０５の反射面を利用した走査光学系を用いて被走査面１０６上に結像させることで、光路長を短くし光学系の小型化を容易にしている。
【００５１】
さらに、走査光学系と接眼光学系を一体のプリズム光学系１０５で構築することで、光学系の部品点数を減らし光学系全体の構成を簡単にしている。
【実施例２】
【００５２】
図４は、本発明の走査型画像表示装置の実施例２の光学系の垂直断面図である。
【００５３】
図中、光源４０１は、画像入力手段ＳＩからの表示画像の入力信号に基き、直接変調され光変調した光束を放射する。
【００５４】
光源４０１から射出した光束４０２は、色合成手段４０９を介し、集束光学系４０３により集束光束とされ、走査手段４０４に入射する。
【００５５】
４０９ａ，４０９ｂは色合成手段４０９を構成する入射面と射出面である。４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃは集光光学系４０３を構成する負レンズと正レンズの接合レンズの各面を示している。
【００５６】
走査手段４０４により光束４０２は２次元方向に偏向され、プリズム光学系４０５に入射する。
【００５７】
プリズム光学系４０５に入射した光束４０２は、光源４０１からの光束が入射する側から順に、入射面４０５ａ、反射面４０５ｂ、透過面４０５ｃを通過し被走査面４０６に入射する。このとき走査手段４０４の２次元走査により非走査面４０６上に画像を形成する。
【００５８】
被走査面４０６は平面の折り返し反射面となっており、入射した光束４０２は被走査面４０６上もしくはその近傍にてスポットを結び、被走査面４０６で反射され再び透過面４０５ｃ面よりプリズム光学系４０５へ入射する。プリズム光学系４０５に再び入射した光束４０２は、光学面４０５ｄで全反射、更に反射面４０５ｅで反射された後、光学面４０５ｄを透過、回転対称面を持つアイレンズ４０８を透過して走査手段４０４の共役点となる射出瞳４０７に入射する。
【００５９】
観察者は射出瞳４０７近傍に眼を置くことで、被走査面４０６上に形成される画像を観察している。
【００６０】
ここで、被走査面４０６を中心に、走査手段４０４を射出してから被走査面４０６に入射するまでに介する面は光学面４０５ａ，４０５ｂ，４０５ｃの３面である。これらの光学面４０５ａ〜４０５ｃは、走査手段４０４で偏向された光束４０２を被走査面４０６上に結像させる走査光学系としての作用を持ち、被走査面４０６から射出瞳までの光学面４０５ｃ〜４０５ｅと回転対称レンズ４０８による光学系は、被走査面４０６上に形成された画像を観察者が観察するための接眼光学系としての作用をもつ。
【００６１】
この走査光学系及び接眼光学系という２つの光学系の作用を１つのプリズム光学系４０５と１つの回転対称レンズ４０８の２つの光学部材により構成している。以下、実施例２中で走査光学系と記載した場合は、光学面４０５ａ〜４０５ｃによる光学系を、接眼光学系と記載した場合には光学面４０５ｃ〜４０５ｅ及びアイレンズ４０８による光学系を示すものとする。
【００６２】
走査光学系の光路上で光源像として中間像を持つことなく、被走査面４０６上に倒立像として集光させるため、各面のパワーを弱め、曲率を小さくしている。
【００６３】
また、１つの面を２つの光学面４０５ｂ、４０５ｄに分割することで光学的な自由度が増し、走査光学系及び接眼光学系の光学性能を良好に維持している。
【００６４】
さらに、走査光学系と接眼光学系で光学面４０５ｃを共通に用いることで、光学系全体の小型化を図っている。
【００６５】
なお、プリズム光学系４０５の光学面４０５ａ〜４０５ｅの１以上は、回転対称軸を持たない非回転対称面で構成される。また、反射面４０５ｂと全反射面４０５ｄは異なる係数を持つ関数で表記される非回転対称面で構成されている。
【００６６】
これ以降、反射拡散作用を持つ被走査面４０９や走査手段４０４の作用、カラー画像の表示等については実施例１と同じであるため、説明を省略する。
【００６７】
このように共役関係にある走査手段４０４と射出瞳４０７の間の光路上に、光源４０１の像が倒立像となる結像面としての被走査面４０６を１つだけ有する構成を取ることにより、走査手段４０４から被走査面４０６までの光路を短くすることができ、光学系の小型化を容易にしている。
【００６８】
さらに本実施例では、アイレンズ４０８をレンズの中心軸方向に移動させることで、視度調整機能を持たせている。もちろん実施例１と同様、反射拡散面４０６と走査手段４０４を同期して動かすことで視度調整を行っても構わない。また、視度調整をアイレンズ４０８を動かすことで行わない場合には、アイレンズ４０８としては回転対称なレンズに限らず、アナモルフィック非球面や、非回転対称な面をもつレンズを用いても構わない。
【００６９】
また、プリズム部材４０５に光学プラスチックを用いた場合、プラスチック材はやわらかく傷つきやすいため、その保護が必要となる。アイレンズ４０８をプリズム部材４０５と観察者の間に配置することで、プリズム部材４０５が直接外部にさらされることがなくなるという保護部材の役割を持たせることもできる。
【００７０】
本実施例のように、走査手段４０４により２次元走査された光束を、プリズム部材４０５の反射面を利用した走査光学系を用いて被走査面４０６上に結像させることで、光路長を短くし光学系の小型化を容易にしている。
【００７１】
さらに、走査光学系と接眼光学系を１つプリズム光学系４０５と１つのレンズ４０８で構築することで、光学系の部品点数を減らし光学系全体の構成を簡単にしている。
【００７２】
また、観察者の瞳４０７とプリズム光学系４０５の間に、アイレンズ４０８を配置することで、視度調整機能や、プリズムの保護などの役割を持たせている。
【実施例３】
【００７３】
図５は、本発明の走査型画像表示装置の実施例３の光学系の垂直断面図である。
【００７４】
図中、光源５０１は、画像入力手段ＳＩからの表示画像の入力信号に基き、直接変調され光変調した光束を放射している。
【００７５】
光源５０１から射出した光束５０２は、色合成手段５０９を介し、集束光学系５０３により集束光束とされ、走査手段５０４に入射する。
【００７６】
５０９ａ，５０９ｂは色合成手段５０９を構成する入射面と射出面である。５０３ａ，５０３ｂ，５０３ｃは、集光光学系５０３を構成する負レンズと正レンズの接合レンズの各面を示している。
【００７７】
走査手段５０４により光束５０２は２次元方向に偏向され、プリズム光学系５０５に入射する。プリズム光学系５０５に入射した光束５０２は、光源５０１からの光束が入射する側から順に、入射面５０５ａ、反射面５０５ｂ、透過面５０５ｃを透過し被走査面５０６に入射する。このとき走査手段５０４の２次元走査により被走査面５０６上に画像を形成する。
【００７８】
被走査面５０６は曲率を持った折り返し反射面となっており、入射した光束５０２は被走査面５０６上もしくはその近傍にてスポットを結び、被走査面５０６で反射され再び透過面５０５ｃ面よりプリズム光学系５０５へ入射する。プリズム光学系５０５に再び入射した光束５０２は、光学面５０５ｄで全反射、更に反射面５０５ｅで反射された後、光学面５０５ｄを透過、さらにアイレンズ５０８を透過して走査手段５０４の共役点となる射出瞳５０７に入射する。
【００７９】
観察者は射出瞳５０７近傍に眼を置くことで、被走査面５０６上に形成される画像を観察している。
【００８０】
ここで、被走査面５０６を中心に、走査手段５０４を射出してから被走査面５０６に入射するまでに介する面は光学面５０５ａ，５０５ｂ，５０５ｃの３面である。これらの光学面５０５ａ〜５０５ｃは、走査手段５０４で偏向された光束５０２を被走査面５０６上に結像させる走査光学系としての作用を持ち、被走査面５０６から射出瞳までの５０５ｃ〜５０５ｅおよびアイレンズ５０８による光学系は、被走査面５０６上に形成された画像を観察者が観察するための接眼光学系としての作用をもつ。
【００８１】
この走査光学系と接眼光学系という２つの光学系の作用を１つのプリズム光学系４０５とアイレンズ５０８により構成している。以下、実施例３中で走査光学系と記載した場合、光学面５０５ａ〜５０５ｃによる光学系を、接眼光学系と記載した場合には光学面５０５ｃ〜５０５ｅによる光学系を示すものとする。
【００８２】
走査光学系の光路上で光源像として中間像を持つことなく、倒立像として集光させるため、各面のパワーを弱め、曲率を小さくしている。
【００８３】
また、１つの面を２つの光学面５０５ｂ、５０５ｄに分割することで光学的な自由度が増し、走査光学系及び接眼光学系の光学性能を良好にしている。
【００８４】
さらに、走査光学系と接眼光学系で光学面５０５ｃを共通に用いることで、光学系全体の小型化を図っている。
【００８５】
なお、プリズム光学系５０５の光学面５０５ａ〜５０５ｅは、回転対称軸を持たない非回転対称面で構成される。
【００８６】
また、反射面５０５ｂと全反射面５０５ｄは異なる係数を持つ関数により表記される非回転対称面で構成されている。
【００８７】
このように共役関係にある走査手段５０４と射出瞳５０７の間の光路上に、結像面である被走査面５０６を１つだけ有する構成を取ることにより、走査手段５０４から被走査面５０６までの光路を短くすることができ、光学系の小型化を図っている。
【００８８】
本実施例のように、走査手段により２次元走査された光束を、プリズム部材５０５の反射面を利用した走査光学系を用いて被走査面５０６上に結像させることで、光路長を短くし光学系の小型化を容易にしている。
【００８９】
さらに、走査光学系と接眼光学系を一体のプリズム光学系５０５で構築することで、光学系の部品点数を減らし光学系全体の構成を簡単にしている。
【００９０】
また、被走査面５０６に曲率を持たせることで、発生する像面湾曲とディストーションの補正を切り分けて、収差補正を光学系側と被走査面に分担して行っている。被走査面５０６の曲率については、球面に限らず、回転対称非球面や、対称軸を持たない非回転対称面としても構わない。
【００９１】
さらに本実施例では、アイレンズ５０８をレンズの中心軸方向に移動させることで、視度調整機能を持たせることが可能になる。もちろん実施例１同様、反射拡散面５０６と走査手段５０４を同期して動かすことで視度調整を行っても構わない。また、視度調整をアイレンズ５０８を動かすことで行わない場合には、アイレンズ５０８としては回転対称なレンズに限らず、アナモルフィック非球面や、非回転対称な面をもつレンズを用いても構わない。
【００９２】
また、プリズム部材５０５に光学プラスチックを用いた場合、プラスチック材はやわらかく傷つきやすいため、その保護が必要となる。アイレンズ５０８をプリズム部材５０５と観察者の間に配置することで、プリズム部材５０５が直接外部にさらされることがなくなるという保護部材の役割を持たせることもできる。
【００９３】
以下に実施例１−３にあたる数値実施例を記述する。実施例中の説明では、光源側の光路から順に説明を行ったが、数値実施例では観察者の瞳位置側から逆に光線を追跡した形での記述とする。
【００９４】
表１〜３に各数値実施例を記述する。記述に際して、観察者の瞳位置を絶対座標系の基準として表記する。
【００９５】
絶対座標系における３次元の座標軸をＺ軸、Ｙ軸、Ｘ軸とし、
Ｚ軸：第０面の中心から第１面の中心（絶対座標原点）を通る直線で、この方向を正とする
Ｙ軸：第１面中心（絶対座標原点）を通り、Ｚ軸に対し反時計回りに９０度をなす直線
Ｘ軸：原点を通り、Ｚ軸及びＹ軸に垂直となる直線
と定義する。
【００９６】
また、光学系を構成する第ｉ面の面形状の表記にいたってはローカル座標系を設定して、そのローカル座標系に基づいた関数により表現することとする。第ｉ面のＹＺ面内でのチルト角は、絶対座標系のＺ軸に対して、反時計周りを正とした角度θｇｉ（単位はｄｅｇｒｅｅ）で表している。本実施例では、チルト角は、ＹＺ面内のみに設定している。第ｉ面のローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）のｙ，ｚ軸は、絶対座標系のＹＺ面内にあり、ＹＺ面内で、角度θｇｉ傾いている。
ｚ軸：ローカル座標の原点を通り、絶対座標系のＺ軸に対してＹＺ面内において反時計方向にθｉをなす直線
ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、ｚ方向に対しＹＺ面内において反時計方向に９０ｄｅｇｒｅｅなす直線
ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な直線
Ｎｄｉ，νｄｉは、第ｉ面とｉ＋１面の間のｄ線の屈折率とアッベ数を表している。
【００９７】
以下に本発明で使用する回転対称軸を有さない面形状を以下のような数式で表現する。
数値実施例中では、非回転対称面（表中はＳＰＳ  ＸＹＰと表記してある。）
【００９８】
【数１】
2006184726.tif 000003
【００９９】
この関数は、第ｉ面のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）により面形状を定義する関数である。
【０１００】
また、同上の関数で、ローカル座標系でｘの奇数次に関する項を０とすることで、ｙｚ平面に対して対称な面をえることができる。
【０１０１】
また、本実施例では、一部の面に回転対称性を有する回転対称非球面を用いており
その関数は、
【０１０２】
【数２】
2006184726.tif 000004
【０１０３】
として表現する。
ここで
【０１０４】
【数３】
2006184726.tif 000005
【０１０５】
である。この回転対称非球面に関しても、各ローカル座標系により定義される。
【０１０６】
各実施例では各面の面頂点をｙ軸方向でのシフト偏心、ｘ軸回りのチルト偏心しかさせていないため、従来の母線断面とローカル母線断面は同一断面であるが、各面の従来子線断面とローカル子線断面は異なる。
【０１０７】
数値実施例中の表１―３では、画像中心の光線の各光学面のヒットポイント上でのローカルな曲率半径（ローカル母線断面上の曲率半径、ローカル子線断面上の曲率半径）ｒｘ，ｒｙおよびローカル面間隔は現在の面と次の面との２つのヒットポイント間の距離（基準光線上の距離、空気換算なしの値）の値ｄおよび、偏心量ｓｈｉｆｔ，ｔｉｌｔ、屈折率ｎｄ・アッべ数νｄを示している。
【０１０８】
面の形状が自由曲面である面をＸＹＰ，球面である面をＳＰＨ、非球面である場合をＡＳＰとして示しており、各係数を表下段に示している。Ｍという表記は、その面が反射面であることを示している。
【０１０９】
以下の数値実施例１−３は、それぞれ実施例１−３が対応する。
数値実施例１
観察者の水平画角±１２度（紙面垂直）、垂直画角±９度（紙面内）である。
【０１１０】
走査手段は第１３面（実施例１中の１０４に対応）、水平方向偏向角（紙面内を軸とし、紙面垂直方向に振動）±５．４９度、垂直方向偏向角（紙面垂直方向を軸とし、紙面内で振動）±４．１１８度である。
【０１１１】
入射瞳径は１．３５ｍｍである。
【０１１２】
図１中の符番との対応は以下の通りである。
【０１１３】
瞳１０７  面番号１
面１０５ｄ  面番号２、４
面１０５ｅ  面番号３
面１０５ｃ  面番号５、７
面１０６  面番号６
面１０５ｂ  面番号８
面１０５ａ  面番号９
面１０４  面番号１０
面１０３ｃ  面番号１１
面１０３ｂ  面番号１２
面１０３ａ  面番号１３
面１０８ｂ  面番号１４
面１０８ａ  面番号１５
光源１０１  面番号１６
【０１１４】
【表１】
2006184726.tif 000006
【０１１５】
【表２】
2006184726.tif 000007
【０１１６】
【表３】
2006184726.tif 000008
【０１１７】
図６は本実施例における接眼光学系の、被走査面１０６（面番号７）上における横収差図である。図９ａ）〜ｃ）はそれぞれ図１の瞳１０７（面番号１）近傍に観察者が眼をおいたときの、画面中心、右上端、左下端の各位置における横収差図である。本収差図における波長は５８７．５６ｎｍである。
数値実施例２
観察者の水平画角±１２度（紙面垂直）、垂直画角±９度（紙面内）である。
【０１１８】
走査手段は第１５面（実施例２中の４０４に対応）、水平方向偏向角（紙面内を軸とし、紙面垂直方向に振動）±５．４９度、垂直方向偏向角（紙面垂直方向を軸とし、紙面内で振動）±４．１１８度である。
【０１１９】
入射瞳径は１．３５ｍｍである。
【０１２０】
図４中の符番との対応は以下の通りである。
瞳４０７  面番号１
面４０８ｂ  面番号２
面４０８ａ  面番号３
面４０５ｄ  面番号４、６
面４０５ｅ  面番号５
面４０５ｃ  面番号７、９
面４０６  面番号８
面４０５ｂ  面番号１０
面４０５ａ  面番号１１
面４０４  面番号１２
面４０３ｃ  面番号１３
面４０３ｂ  面番号１４
面４０３ａ  面番号１５
面４０９ｂ  面番号１６
面４０９ａ  面番号１７
光源４０１  面番号１８
【０１２１】
【表４】
2006184726.tif 000009
【０１２２】
【表５】
2006184726.tif 000010
【０１２３】
【表６】
2006184726.tif 000011
【０１２４】
図７は本実施例における接眼光学系の、被走査面４０６（面番号９）上における横収差図である。図１０ａ）〜ｃ）はそれぞれ図４の瞳４０７（面番号１）近傍に観察者が眼をおいたときの、画面中心、右上端、左下端の各位置における横収差図である。本収差図における波長は５８７．５６ｎｍである。
数値実施例３
観察者の水平画角±１２度（紙面垂直）、垂直画角±９度（紙面内）である。
【０１２５】
走査手段は第１５面（実施例３中の５０４に対応）、水平方向偏向角（紙面内を軸とし、紙面垂直方向に振動）±５．４９度、垂直方向偏向角（紙面垂直方向を軸とし、紙面内で振動）±４．１１８度である。
【０１２６】
入射瞳径は１．３５ｍｍである。
図５中の符番との対応は以下の通りである。
瞳５０７  面番号１
面５０８ｂ  面番号２
面５０８ａ  面番号３
面５０５ｄ  面番号４、６
面５０５ｅ  面番号５
面５０５ｃ  面番号７、９
面５０６  面番号８
面５０５ｂ  面番号１０
面５０５ａ  面番号１１
面５０４  面番号１２
面５０３ｃ  面番号１３
面５０３ｂ  面番号１４
面５０３ａ  面番号１５
面５０９ｂ  面番号１６
面５０９ａ  面番号１７
光源５０１  面番号１８
【０１２７】
【表７】
2006184726.tif 000012
【０１２８】
【表８】
2006184726.tif 000013
【０１２９】
【表９】
2006184726.tif 000014
【０１３０】
図８は本実施例における接眼光学系の、被走査面５０６（面番号９）上における横収差図である。図１１ａ）〜ｃ）はそれぞれ図１の瞳５０７（面番号１）近傍に観察者が眼をおいたときの、画面中心、右上端、左下端の各位置における横収差図である。本収差図における波長は５８７．５６ｎｍである。
【０１３１】
以上のように、本発明の各実施例によれば次のような効果が得られる。
【０１３２】
◎光源１０１を変調することにより、外部変調器などを用いることなく、小型な構成を可能としている。
【０１３３】
また、走査手段１０４として１つの素子で２次元方向の走査を可能にすることで、走査手段の構成がシンプルになり、システム全体を小型にしている。
【０１３４】
また、光学系にプリズム部材１０５を用いることで、光路を折りたたみ、かつ光路長を材質の屈折率ｎの比例倍分長く取り、光学系の小型化を容易にしている。
【０１３５】
さらに中間結像面（被走査面）１０６において光路を折り返し、走査光学系と接眼光学系で少なくとも１つの面を共用することで光学面数を減らし、光学系をさらに小型化にしている。
【０１３６】
◎プリズム部材１０５は、走査手段から被走査面１０６までの光路上に少なくとも１面の反射面を有し、走査手段から被走査面までの間の光路上にある、最も被走査面に近い反射面である第１の反射面１０５ｂと射出面とが、異なる面で構成することで、光学系の自由度を増やし、収差をより補正している。
【０１３７】
ここで異なる面とは、それぞれの面を多項式などの関数で表現した場合、２つの面を表す関数内の係数が少なくとも１つ以上異なることを指す。
【０１３８】
◎折り返し反射面が、反射面に入射する光束の集束角に対し、反射面より射出する光束の発散角が大きくなるような光拡散作用を持たせることで、光学系の解像度を低下させることなく、観察者の瞳位置１０７における光束を広げている。
【０１３９】
さらにその光拡散作用を持つ面を反射面とすることで、光路を折りたたみ光学系を小型化にしている。
【０１４０】
◎プリズム部材１０５は、入射面１０５ａの有効領域である第１の領域と、被走査面１０６から観察者までの間の光路上にある、裏面反射面である第２の反射面１０５ｅの有効領域である第２の領域とが、離れた（重なりを持たない）領域とすることで、第２反射面を反透過型のミラーにしたり、または第２反射面に入射光線透過のための透過領域を持たせることなく、第２反射面に入射した光束を光量ロス無しに観察者に導くことを容易にしている。
【０１４１】
◎プリズム部材１０５は、入射光束がプリズム内部での反射回数を３回以上とすることで、光学系の光路をより折りたたむことができ、光学系全体の小型化を容易にしている。
【０１４２】
◎プリズム部材１０５は、被走査面１０６から観察者１０７までの間の光路上に２面以上の反射面を配置することで、被走査面１０６から観察者１０７までの光路を折りたたみ光学系を小型化しながら、射出瞳１０７の位置を観察者の観察しやすい位置へと導いている。
【０１４３】
◎光源１０１と、被走査面１０６とを同期して移動させることで、視度調整を行うことにより、追加の光学部材を必要としないで視度調整を行い、光学系の構成をシンプルにしている。
【０１４４】
◎半導体プロセスを用いて作製された微小機械システム（ＭＥＭＳ）による走査手段を用いることで、走査手段の大きさを小さくして、装置全体の小型化を容易にしている。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】本発明の、実施例１の光学系の垂直断面図である
【図２】本発明に係る折り返し反射面の光拡散作用の説明図である
【図３】本発明に係る２次元走査手段の一例である
【図４】本発明の実施例２の光学系の垂直断面図である
【図５】本発明の実施例３の光学系の垂直断面図である
【図６】実施例１における、接眼光学系の被走査面上における横収差図である
【図７】実施例２における、接眼光学系の被走査面上における横収差図である
【図８】実施例３における、接眼光学系の被走査面上における横収差図である
【符号の説明】
【０１４６】
１０１、４０１、５０１    光源
１０２、４０２、５０２    光束
１０３、４０３、４０４    集束光学系
１０４、４０４、５０４    走査手段
１０５、４０５、５０５    プリズム光学系
１０６、４０６、５０６    被走査面（光拡散手段）
１０７、４０７、５０７    射出瞳
１０８、４０９、５０９    ダイクロイックプリズム
４０８、５０８            アイレンズ
２０１                    拡散光束
３０１                    偏向デバイス
３０２                    ミラー
３０３、３０４            トーションバー
３０５、３０６            軸
【図１】
2006184726.tif 000015
【図６】
2006184726.tif 000016
【図７】
2006184726.tif 000017
【図８】
2006184726.tif 000018
【図２】
2006184726.tif 000019
【図３】
2006184726.tif 000020
【図４】
2006184726.tif 000021
【図５】
2006184726.tif 000022