(57)【要約】【課題】小型でありながらも、射出瞳の位置を観察者の瞳孔の動きに追従させ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、画像を形成する画像形成素子１０１と、該画像形成素子からの光に射出瞳１０７を形成させる接眼光学系１０６と、画像形成素子からの光を反射して接眼光学系に導く光学素子１０４とを有する。該光学素子は、光学的パワーを有し、接眼光学系の画像形成素子側の焦点位置Ｏを中心として回動することで射出瞳を移動させる。【選択図】図１
2008046253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を形成する画像形成素子と、
該画像形成素子からの光に射出瞳を形成させる接眼光学系と、
前記画像形成素子からの光を反射して前記接眼光学系に導く光学素子とを有し、
該光学素子は、光学的パワーを有し、前記接眼光学系の画像形成素子側の焦点位置を中心として回動することで前記射出瞳を移動させることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記画像形成素子における前記光が射出又は反射する領域の中心から前記射出瞳の中心に至る光線を中心光線とするとき、
前記光学素子は、該中心光線が辿る光路上での前記接眼光学系の画像形成素子側焦点位置を中心として回動することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記光学素子の回動中心は、該光学素子の反射面上に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記光学素子は、正の光学的パワーを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記画像形成素子は、２次元画像を形成する画像形成面を有する素子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記画像形成素子は、光源からの光を２次元方向に走査して画像を形成する素子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記接眼光学系は、前記画像形成素子からの光を反射する内部反射面を有する導光素子により構成され、
該導光素子は、前記画像形成素子からの入射光を前記光学素子に向けて射出し、該光学素子で反射して該導光素子に再入射した光を射出して前記射出瞳を形成させることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項８】
観察者の瞳孔の位置を検出する検出手段と、
該検出手段により検出された位置情報に基づいて前記光学素子を回動させる制御手段とを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１つに記載の画像表示装置と、
該画像表示装置に対して画像情報を供給する画像供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像形成素子により形成された画像を接眼光学系を介して観察させる画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
頭部装着型ディスプレイやデジタルカメラ等の電子ビューファンダといった画像表示装置では、透過型液晶素子、反射型液晶素子又は有機ＥＬ素子などの２次元表示素子が使用されている。そして、多くの画像表示装置では、２次元表示素子と接眼光学系とを組み合わせて、表示画像を虚像として観察できるように構成されている。また、光源からの光を２次元方向に走査する走査素子を用い、観察者の網膜上に直接画像を形成する網膜描画型画像表示装置も提案されている。
【０００３】
このような画像表示装置において、特に観察視野が広い場合に該観察視野の端部を観察しようとして観察者が眼球を大きく動かすと、その眼球運動に伴って瞳孔も大きく動く。この場合に、画像表示装置の射出瞳径が小さいと、射出光束が瞳孔から外れてしまい、画像が観察できなくなる。このため、通常は、大きな射出瞳径を持つように接眼光学系を設計する。また、射出瞳が原理的に小さくなりやすい走査型画像表示装置では、レンズアレイや拡散板等の拡大手段によって射出光束の拡がり角を大きくするようにしている（特許文献１参照）。
【０００４】
ここで、射出瞳径を大きくする場合には、該射出瞳径を観察者の瞳孔の径以上に設定する。これにより、眼球運動によって瞳孔が動いても、射出光束が瞳孔に常に入射し、観察者は画像をけられることなく観察することができる。但し、射出瞳径が大きくなるほど、実際に観察者の瞳孔に入射する光量は減少し、この結果、観察画像が暗くなってしまう。
【０００５】
また、画像表示装置における中間結像面に拡散板を配置すると、接眼光学系を通して拡大観察する際に、その拡散板のパターンが表示画像と重なって観察され、観察画像の品位を低下させる。
【０００６】
さらに、射出瞳径を大きくすると、観察者が近眼、遠視、乱視及び老眼などの視度調節機能に問題を持つ場合、画像表示装置で画像を観察する場合には眼鏡やコンタクトレンズを装着することが必要になり、観察者に煩わしさを感じさせる。
【０００７】
これに対し、射出瞳径を小さく設定し、マックスウェル視（Maxwellian view）により画像を観察させる画像表示装置が提案されている。マックスウェル視は、光源からの光をレンズによって一度瞳孔に集束させ、その後に眼球内に入れて光を見ることである。マックスウェル視による画像観察を行わせる光学系を用いると、人間の目の視度に関わらず、高解像度の画像が観察できる。これは瞳孔に入る光束が細いため、近視、遠視、乱視及び老眼などの視度に影響を受けなくなるためである。さらに、光源からの射出光を効果的に瞳孔に入射させることが可能になり、非常に明るい画像を観察することができる。
【０００８】
但し、マックスウェル視を用いても、眼球運動を生じた場合や観察者と画像表示装置の相対位置がずれた場合には、瞳孔に射出光束が入射しなくなり、画像が観察できなくなってしまう。
【０００９】
このような問題を解決するため、特許文献２では、接眼光学系の焦点位置に可変頂角プリズムを配置し、該可変頂角プリズムの頂角を変化させることで射出瞳を移動させる画像表示装置が提案されている。
【特許文献１】米国特許５，７０１，１３２号明細書
【特許文献２】特開平９−１７１１４７号公報（段落００１６、図２等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２にて開示された画像表示装置でも、広視野角の画像を想定すると、その端部を観察する瞳孔の移動量が大きくなる。そして、この大きな移動量に応じて可変頂角プリズムの頂角を大きく変化させると、画像に大きな歪み変動が発生し、観察者に違和感を与える。また、可変頂角プリズムの頂角の可変量を大きくすると、該可変頂角プリズムが大きくなり、システム全体して大型化してしまう。
【００１１】
本発明は、小型でありながらも、射出瞳の位置を観察者の瞳孔の動きに追従させることができるようにした画像表示装置及び画像形成システムを提供することを目的の１つとしている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一側面としての画像表示装置は、画像を形成する画像形成素子と、該画像形成素子からの光に射出瞳を形成させる接眼光学系と、画像形成素子からの光を反射して接眼光学系に導く光学素子とを有する。そして、該光学素子は、光学的パワーを有し、接眼光学系の画像形成素子側の焦点位置を中心として回動することで射出瞳を移動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、回動することによって射出瞳を移動させる役割を有する光学素子にパワーを持たせることで、射出瞳を移動させる際に発生し得る画像の歪みの変動を小さく抑えることができる。また、接眼光学系とともに収差を良好に補正した画像を観察させることができる。さらに、光学素子に反射面を持たせることで、小さな動きで射出瞳を大きく移動させることが可能になり、小型でありながらも射出瞳の位置を大きく移動させることが可能な画像表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１には、本発明の実施例１である画像表示装置の垂直断面を示している。本実施例の画像表示装置は、画像形成素子１０１により形成された画像を、接眼光学系１０６を介して虚像として拡大観察させる装置である。
【００１６】
画像形成素子１０１は、２次元画像を形成（表示）する画像形成面を有し、照明ユニット１０２からの平行光束によって照明される。本実施例では、画像形成素子１０１として透過型液晶パネルが用いられている。但し、反射型液晶パネルや射出光のＮＡ（開口数）が制限された有機ＥＬ素子等を用いてもよい。
【００１７】
照明ユニット１０２は、点光源１０２ａと、照明光学系１０２ｂとにより構成されている。照明された画像形成素子１０１を射出した光束は、集光光学系１０３によって集光される。集光光学系１０３は、少なくとも１つの正レンズ１０３ａと反射面１０３ｂとを含む。また、正レンズ１０３ａと反射面１０３ｂとの間には、ハーフミラー１０５が配置されている。
【００１８】
画像形成素子１０１からの光束は、正レンズ１０３ａ及びハーフミラー１０５を透過して反射面１０３ｂで反射する。反射面１０３ｂで反射した光束は、ハーフミラー１０５で反射されて光束偏向ユニット（光学素子）１０４に入射する。
【００１９】
光束偏向ユニット１０４は、正の光学的パワー（光学的パワーは焦点距離の逆数の意味）を持った反射面１０４ａを有する。光束偏向ユニット１０４で反射した光束は、ハーフミラー１０５を透過して接眼光学系１０６に入射する。接眼光学系１０６から射出した光束は、射出瞳１０７を形成する。射出瞳１０７は、光学的に点光源１０２ａの共役点となる。
【００２０】
射出瞳１０７が形成される領域に観察者の瞳孔ＰＵを配置することで、観察者は画像形成素子１０１により形成された画像の虚像（以下、本実施例では観察画像という）を拡大観察できる。
【００２１】
ここで、図１には、射出瞳１０７の位置と観察者の瞳孔ＰＵの位置とが一致している状態を示す。これに対し、図２には、観察者の眼球運動や顔と画像表示装置との相対位置ずれによって射出瞳１０７の位置に対して瞳孔ＰＵの位置が上方にずれている状態を示す。本実施例では、射出瞳１０７の径が瞳孔ＰＵの径よりも小さいため、後述するように光束偏向ユニット１０４を回動させなければ、瞳孔ＰＵの位置がわずかに図１に示す位置からずれることによって、瞳孔ＰＵに光が入射しなくなってしまう。このとき、観察者は画像を観察することができなくなる。
【００２２】
このため、本実施例では、図３に示すように、光束偏向ユニット１０４を、点Ｏを中心として微小角度だけ回動させる。これにより、反射面１０４ａで反射して接眼光学系１０６に向かう光束の進行方向が変化し、この結果、接眼光学系１０６によって形成される射出瞳１０７の位置も図１に示す位置に対して変化する。光束偏向ユニット１０４を回動させる方向及び角度を、射出瞳１０７の位置が瞳孔ＰＵの位置に一致する（追従する）ように制御することで、瞳孔ＰＵが移動しても観察者は画像を観察することができる。
【００２３】
なお、図３では紙面に平行な平面内で光束偏向ユニット１０４を回動させて射出瞳１０７を同平面内で移動させているが、紙面に垂直な平面内で光束偏向ユニット１０４を回動させて射出瞳１０７を該垂直平面内で移動させることもできる。
【００２４】
光束偏向ユニット１０４を回動させて射出瞳１０７を移動させる原理及びそのメリットについて、図４Ａ〜図４Ｄを用いて説明する。図４Ａ〜図４Ｄは、本実施例に対応する光学系を展開して概略的に示した図である。
【００２５】
図４Ａにおいて、画像形成素子４０１から射出した光束４０２は、集光光学系４０３により瞳４０４を形成し、光束偏向ユニット４０５を経て接眼光学系４０６に入射する。接眼光学系４０６により、光束は射出瞳４０７を形成する。
【００２６】
ここで、図４Ｂに示すように観察者の瞳孔ＰＵが上側に移動した場合に、その移動に合わせて射出瞳４０７を上方向に移動させる方法の１つとして、図４Ｃに示す方法がある。すなわち、画像形成素子４０１の位置を右方に移動させて、射出瞳４０７の共役点である瞳４０４を右方に移動させる方法である。しかし、画像形成素子４０１を移動させるには、照明ユニットも合わせて移動させる必要があるなど、装置の大型化を招きやすい。図４Ｃにおいて、主光線の向きに注目すると、射出瞳４０７が移動した後の主光線ＣＲ’は、移動前の主光線ＣＲに対して異なる角度で光束偏向ユニット４０５に向かう。
【００２７】
これに対し、本実施例では、光束偏向ユニット４０５を回動可能としている。光束偏向ユニット４０５を、点Ｏを中心に回動させると、図４Ｄに示すように、光束偏向ユニット４０５から瞳孔ＰＵに向かう主光線ＣＲ’の向きは変化する。一方、画像形成素子４０１から光束偏向ユニット４０５に向かう主光線ＣＲ’の向きは、射出瞳４０７が移動する前の主光線ＣＲの向きと一致する。これにより、画像形成素子４０１および集光光学系４０２を固定したまま、射出瞳４０７の位置を移動させることが可能になる。
【００２８】
また、光束偏向ユニット１０４の回動中心Ｏは、接眼光学系１０６の観察者側から見た後側焦点位置、つまりは画像形成素子側焦点位置に位置するように配置する。言い換えれば、回動中心Ｏは、画像形成素子１０１の光射出領域（画像形成領域）の中心から射出瞳１０７（つまりは観察画像）の中心に至る中心光線（主光線ＣＲ，ＣＲ′）が辿る光路上での接眼光学系１０６の画像形成素子側焦点位置に設定されている。そして、該回動中心Ｏは、光束偏向ユニット１０４の反射面１０４ａ上に設定される。
【００２９】
ここで、「焦点位置」は、厳密な焦点位置だけでなく、該画像表示装置において光学的に焦点位置とみなせる範囲を含む意味である。また、「反射面１０４ａ上」は、厳密に反射面１０４ａと一致する場合だけでなく、光学的に反射面１０４ａと一致しているとみなせる範囲を含む意味である。これらにおいて、「みなせる範囲」とは、例えば、接眼光学系１０６の焦点距離の１０％以内の範囲である。
【００３０】
このような配置設定において、光束偏向ユニット１０４を、点Ｏを中心として回動させることにより、射出瞳１０７の位置を容易に移動させることが可能になる。特に、回動中心Ｏを観察画像の中心を通る中心光線（が辿る光路）上に設定することで、光束偏向ユニット１０４の回動だけで射出瞳１０７の位置を移動させることができる。また、接眼光学系１０６の焦点位置で光束の向きを変化させるため、歪み以外の収差の変動についてはほとんど無視することができる。
【００３１】
また、光束偏向ユニット１０４の反射面１０４ａに光学的パワーを持たせることで、接眼光学系１０７への入射光束の向きだけを動かすことができる。このため、光学的な歪み補正効果を持たせることもできる。すなわち、光束偏向ユニット１０４を回動させることによって生じる画像の歪みを低減させることができる。
【００３２】
しかも、反射面１０４ａに光学的パワーを持たせることにより、接眼光学系４０６と併せて各種収差の補正を行うことも可能である。このことは、接眼光学系１０６の構成の簡略化にもつながる。
【００３３】
さらに、反射面１０４ａのパワーを正とすることで、光束偏向ユニット１０４に入射した光束が広がることなく接眼光学系１０６へと向かう。このため、接眼光学系１０６の小型化を図ることができる。
【００３４】
また、反射面１０４ａを有する光束偏向ユニット１０４を回動させることで、レンズ等の屈折光学素子を回動させる場合に比べて、同じ回動量でも射出瞳１０７の移動量を大きくすることができる。したがって、小型でありながらも、射出瞳１０７の大きな移動量を確保できる。さらに、屈折光学素子を回動させた場合に顕著な色収差の変動の発生を抑えることも可能である。
【００３５】
但し、射出瞳の移動量が微小量で足りる場合は、図５に示すように、光学的パワー（屈折力）を有する屈折光学素子５０１を回動させて射出瞳１０７の位置を移動させても構わない。移動量が微小である場合には、屈折光学素子５０１を透過させても顕著な色収差の変動は生じない。なお、屈折光学素子５０１の回動中心は、屈折光学素子５０１の前側主平面（図５における射出瞳側の主平面）と中心光線との交点である。また、図１において反射面１０４aを用いた場合と同様に、屈折光学素子５０１は正のパワーを持つ光学素子であることが好ましい。図５において、４０４は射出瞳４０７の共役点である瞳である。
【００３６】
なお、本実施例では、光束偏向ユニット１０４を回動のみさせる場合について説明するが、回動と平行移動によって光束の向きを変化させるようにしてもよい。この場合も、光束偏向ユニット１０４の回動中心は、上記と同じ位置に設定するとよい。
【００３７】
また、本実施例では、１つの光束偏向ユニット１０４によって射出瞳１０７の位置を移動させる場合について説明するが、複数の光束偏向ユニットにより射出瞳の位置を移動させるようにしてもよい。
【実施例２】
【００３８】
図６には、本発明の実施例２である画像表示装置の構成を示す。実施例１では、液晶パネル等の２次元画像を形成する画像形成面を有する素子を画像形成素子として用いたが、本実施例では、画像形成素子として光を２次元方向に走査する素子を用いる。
【００３９】
光源６０１から射出した光束６０２は、コリメータレンズ６０３により平行なビームに変換され、反射面６０４を経て走査ユニット（走査型画像形成素子）６０５に入射する。走査ユニット６０５は、入射した光束６０２を反射しつつ２次元方向に走査する。走査された光束６０２は、ハーフミラー６０６により反射され、光束偏向ユニット６０７へと入射する。
【００４０】
光束偏向ユニット６０７の反射面で反射した光束６０２は、ハーフミラー６０６を透過し、接眼光学系６０８から射出して射出瞳６０９を形成する。観察者は瞳孔ＰＵを射出瞳６０９の位置に配置する。これにより、接眼光学系６０８から射出した走査光により網膜上に２次元画像が描画され、観察者は眼の残像現象により２次元画像を認識することができる。
【００４１】
本実施例の走査ユニット６０５は、数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの高い周波数で光を走査する必要がある。走査ユニット６０５としては、例えば、マイクロマシン技術を用いて作成されたＭＥＭＳ（micro-electro mechanical systems）ミラーデバイスが用いられる。
【００４２】
ここで、図７を用いて、ＭＥＭＳミラーデバイスの例を説明する。ＭＥＭＳミラーデバイス７０１は、偏向面（反射面）を持つ微小ミラー７０２がトーションバー７０３及び７０４で支持された構造を有する。微小ミラー７０２は、トーションバー７０３がねじれることで軸７０５を中心とした共振往復運動を、さらにトーションバー７０４がねじれることで軸７０６を中心とした往復運動を行う。この往復運動により微小ミラー７０２の法線方向が２次元的に変化し、微小ミラー７０２に入射する光束を反射することで該光束を２次元方向に走査する。
【００４３】
このようなＭＥＭＳミラーデバイスを用いることで、走査ユニット６０５を小型化することが可能になる。
【００４４】
なお、走査ユニット６０５は、図７のように１つの素子で２次元方向に光を走査可能なＭＥＭＳミラーデバイス以外に、回転多面鏡による１次元走査を２つ組み合わせたり、１次元走査が可能なＭＥＭＳミラーデバイスを２つ組み合わせたりして構成してもよい。
【００４５】
図７のようなＭＥＭＳミラーデバイスを走査ユニット６０５として用いると、微小ミラー７０２の大きさが小さくなるため、射出瞳６０９の径も小さくなる。実際の射出瞳６０９の径は、０．５〜１．５ｍｍ程度となることが多い。これに対し、表示画角が大きくなると、観察者の眼球運動によって瞳孔は数ｍｍ移動する。観察者の瞳孔径は２〜７ｍｍ程度であるので、図８Ａのように画角の端部を観察する場合に光束が瞳孔から外れてしまい、画像を観察できなくなることが生じる。
【００４６】
このため、本実施例では、光束偏向ユニット６０７を、点Ｏを中心として回動させる。これにより、光束偏向ユニット６０７に入射した光束の反射後の進行方向が変化し、図８Ｂに示すように射出瞳６０９の位置が移動する。
【００４７】
ここで、本実施例における光束偏向ユニット６０７の回動中心Ｏは、基本的に実施例１と同様に設定されている。すなわち、回動中心Ｏは、接眼光学系６０８の観察者側から見た後側焦点位置、すなわち画像形成素子側焦点位置に位置するように配置する。言い換えれば、回動中心Ｏは、走査ユニット６０５の光反射領域（微小ミラーのうち光を反射する領域）の中心から射出瞳１０７の中心に至る中心光線が辿る光路上での接眼光学系１０６の画像形成素子側焦点位置に設定されている。また、回動中心Ｏは、光束偏向ユニット１０４の反射面上に設定される。
【００４８】
なお、図８では紙面に平行な平面内で光束偏向ユニット６０７を回動させて射出瞳６０９を同平面内で移動させているが、紙面に垂直な平面内で光束偏向ユニット６０７を回動させて射出瞳６０９を該垂直平面内で移動させることもできる。
【実施例３】
【００４９】
図９には、本発明の実施例３である画像表示装置の構成を示している。本実施例は、実施例２と同様に、ＭＥＭＳミラーデバイスにより構成される走査ユニットを用いているが、接眼光学系として、非回転対称面を有する導光素子としてのプリズムを用いている点が実施例２と異なる。
【００５０】
光源９０１を射出した光束９０２は、コリメータレンズ９０３により平行なビームに変換され、反射ミラー９０４を介して走査ユニット９０５に入射する。走査ユニット９０５によって２次元方向に走査された光束９０２は、プリズム９０６の入射面９０６ａから該プリズム９０６内に入射する。
【００５１】
プリズム９０６に入射した光束は、該プリズム９０６内に形成されたハーフミラー面９０６ｂを透過して、入出射面９０６ｃから一旦プリズム９０６の外部に射出する。入出射面９０６ｃから射出した光束９０２は、透過素子９０７を透過して光束偏向ユニット９０８に入射する。
【００５２】
光束偏向ユニット９０８の反射面で反射された光束は、再び透過素子９０７を透過して、入出射面９０６ｃから再びプリズム９０６内に入射する。プリズム９０６に再入射した光束９０２は、ハーフミラー面９０６ｂによって反射され、射出面９０６ｄを通ってプリズム９０６から射出し、射出瞳９０９を形成する。
【００５３】
本実施例においても、光束偏向ユニット９０８を点Ｏを中心として回動させることで、射出瞳９０９の位置を移動させることができる。図１０に示すように、射出瞳９０９を上下方向に移動させる場合は、光束偏向ユニット９０８を図の紙面に平行な平面内で回動させる。また、射出瞳９０９を図９の紙面に垂直な平面内で移動させる場合は、光束偏向ユニット９０８を該垂直平面内で回動させる。
【実施例４】
【００５４】
図１１Ａ及び図１１Ｂには、本発明の実施例４である画像表示装置の構成を示している。本実施例では、実施例３と同様に、画像形成素子として走査ユニットを用い、かつ接眼光学系としてプリズムを用いている。但し、本実施例では、光学系を途中で図１１Ａの紙面に垂直な方向に折り曲げた３次元的な光学配置を有する。このため、図１１Ａの垂直断面図だけでなく、図１１Ｂとして光学系を上方から見たときの透過図を加えている。
【００５５】
また、本実施例では、観察者の瞳孔ＰＵの位置を検出し、検出された瞳孔の位置に対して射出瞳の位置を追従させるよう光束偏向ユニットの回動を制御する機構を備えている。この制御機構は、上述した他の実施例にも適用することができる。
【００５６】
図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて、光源１１０１を射出した光束１１０２は、コリメータレンズ１１０３によって平行なビームとされ、反射面１１０４を介して走査ユニット１１０４に入射する。
【００５７】
走査ユニット１１０４で走査された光束１１０２は、複数の内部反射面を有する第１のプリズムにより構成されるリレー光学系１１０５に入射面１１０５ｇから入射する。リレー光学系１１０５に入射した光束は、射出面１１０５ａから射出して、ねじり反射面１１０６に入射する。ねじり反射面１１０６に入射した光束１１０２は、ここで図１１Ｂの紙面に垂直な方向（図１１Ａの紙面に平行な方向）に折り曲げられる。折り曲げられた光束１１０２は、接眼光学系を構成する第２のプリズム１１０７に入射面１１０７ａから入射する。
【００５８】
第２のプリズム１１０７に入射した光束１１０２は、その内部反射面１１０７ｂで全反射して入出射面１１０７ｃから射出し、光束偏向ユニット１１０８に入射する。光束偏向ユニット１１０８の反射面で光束１１０２は反射され、再び入出射面１１０７ｃから透過面１１０７ｃからプリズム光学系１１０７に入射する。その後、内部反射面１１０７ｂ及び内部反射面１１０７ｄで全反射し、今度は面１１０７ｂを透過して第２のプリズム１１０７から射出し、射出瞳１１０９を形成する。観察者は、瞳孔を射出瞳１１０９の位置に配置することで、画像を観察することができる。
【００５９】
ここで、図１２Ａに示すように、観察者の瞳孔１２０１が射出瞳１１０９に対して移動すると、そのままでは観察者は画像を観察できない。
【００６０】
そこで、本実施例では、制御ユニット１２０２が図２５に示すフローチャートに従って瞳孔１２０１の位置に対して射出瞳１１０９の位置を追従させるよう光束偏向ユニット１１０８の回動位置を制御する。
【００６１】
制御ユニット１２０２は、まずステップ（図２５ではＳと記す）２０１において、瞳孔１２０１の位置を瞳孔位置検出ユニット１１１０により検出する。瞳孔の位置を検出する方法は従来多数提案されており、いずれの方法を採用してもよい。例えば、ＣＣＤセンサ等の撮像素子によって眼球の映像を取得し、該映像中の瞳孔に対応する特徴的な画素領域を演算処理により特定するようにしてもよい。このようにして瞳孔位置検出ユニット１１１０により検出された瞳孔１２０１の現在位置情報は、制御ユニット１２０２に送られる。
【００６２】
制御ユニット１２０２は、ステップ２０２において、瞳孔位置検出ユニット１１１０により検出された瞳孔位置が前回のサンプリング時に検出した瞳孔位置に対して変化したか否かを判別する。瞳孔位置の変化がなかった場合は、そのままリターンする。瞳孔位置の変化があった場合は、ステップ２０３に進み、瞳孔位置検出ユニット１１１０により検出された瞳孔位置の情報に基づいて射出瞳１１０９の必要移動量を演算し、さらに該必要移動量に対応する光束偏向ユニット１１０８の回動角を算出する。
【００６３】
こうして求めた回動角に応じて、制御ユニット１２０２は、ステップ２０４にて光束偏向ユニット１１０８を回動駆動するアクチュエータ１２０３を動作させる。これにより、図１２Ｂに示すように、瞳孔１２０１の位置に対して射出瞳１１０９の位置を一致させる。
【００６４】
以上説明した射出瞳の瞳孔に対する追従制御を画像表示装置によって画像を表示している間常時行うことで、瞳孔１２０１の位置に対して射出瞳１１０９の位置を常に一致させることができる。これにより、観察者の眼球運動等によって瞳孔１２０１の位置が動いても、画像を常に観察させることが可能になる。
【００６５】
なお、本実施例で説明した追従制御と同様の手法を用いて、一対の画像表示装置を観察者の両眼に対して配置した場合における画像表示装置間の間隔、いわゆる眼幅の自動調節を行うことも可能である。
【００６６】
以下、上記実施例１〜４の数値例について説明する。各実施例では、光源側から射出瞳側に順に説明したが、数値例では射出瞳側から逆に光線を追跡した形で説明する。
【００６７】
表１〜４にはそれぞれ、実施例１〜４に対応した数値例を記述する。各数値例では、光源の位置を絶対座標系の基準として表記する。具体的には、絶対座標系における３次元の座標軸を以下のようにＺ軸、Ｙ軸、Ｘ軸と定義する。
【００６８】
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。
【００６９】
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度をなす直線とする。
【００７０】
Ｘ軸：原点を通り、Ｚ軸及びＹ軸に垂直となる直線とする。
【００７１】
また、光学系を構成する第ｉ面の面形状の表記ではローカル座標系を設定し、そのローカル座標系に基づいた関数により表現する。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、反時計回り方向を正方向とする角度θｇｉ（単位はdegree）で表す。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だけ傾いている。
【００７２】
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回り方向にθｉをなす直線とする。
【００７３】
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回り方向に９０degreeをなす直線とする。
【００７４】
ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ＹＺ面に対して直交する直線とする。
【００７５】
各表において、Ｎｄｉ，νｄｉはそれぞれ、第ｉ面とｉ＋１面の間のｄ線に対する屈折率とアッベ数を表す。
【００７６】
また、各数値例において、回転対称軸を有さない非回転対称面の形状を以下の数式で表現する。数値例中では、非回転対称面をＳＰＳ  ＸＹＰと表記する。
【００７７】
【数１】
2008046253.tif 000003
【００７８】
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。また、この関数において、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得ることができる。
【００７９】
各実施例では、各面の面頂点をｙ、ｚ軸方向でシフト偏心、ｘ軸回りでチルト偏心のみさせている。このため、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、各面の従来の子線断面とローカル子線断面は異なる。
【００８０】
各数値例において、ｒｘ，ｒｙは、各光学面のローカル座標原点における曲率半径（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）である。また、ｄはローカル面間隔であり、第ｉ面と第ｉ＋１面での光線のヒットポイント間の距離（中心光線上が辿る光路上での距離であり、空気換算なしの値）を示す。ｓｈｉｆｔ，ｔｉｌｔはそれぞれ、ｙ、ｚ軸方向でシフト偏心量と、ｘ軸回りでチルト偏心量を示す。
【００８１】
また、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、各係数を表下段に示している。Ｍは、その面が反射面であることを示す。
【００８２】
さらに、各表において、「ｅ±Ｘ」は、「×１０±Ｘ」を示す。
【００８３】
＜数値例１＞
画像形成素子は、対角０．４インチの液晶パネルである。対角画角は３０ｄｅｇ、アスペクト比は４：３（水平２４ｄｅｇ、垂直１８ｄｅｇ）、射出瞳径はφ１ｍｍである。射出瞳の移動量は、図１の紙面に平行な面内での垂直方向（以下、単に垂直方向という）において±１．５ｍｍである。このとき、光束偏向ユニット（図１中の１０４）の反射面（第８面）は、該反射面と中心光線の光路との交点を中心として、垂直方向に±２．５ｄｅｇ（複号同順）だけ回動する。
【００８４】
表中の面番号との対応を図１３を用いて説明する。図１３は、図１と同じ光学系を示している。
【００８５】
射出瞳１０７        面番号１
面１０６ａ          面番号２
面１０６ｂ          面番号３
面１０６ｃ          面番号４
面１０６ｄ          面番号５
面１０５ａ          面番号６、１２
面１０５ｂ          面番号７、９、１１
面１０４ａ          面番号８
面１０３ａ          面番号１０
面１０３ｂ          面番号１３
面１０３ｃ          面番号１４
面１０３ｄ          面番号１５
面１０３ｅ          面番号１６
画像形成素子（画像形成面）１０１
面番号１７
【００８６】
【表１Ａ】
2008046253.tif 000004
【００８７】
【表１Ｂ】
2008046253.tif 000005
【００８８】
図１４Ａは、本数値例の画像形成素子（画像形成面）１０１上における図１４Ｂに丸囲み数字で示した位置１〜３での横収差図である。本収差図における波長は、６５６．２７ｎｍ、５８７．５６ｎｍ、４８６．１３ｎｍである。また、図１５は本数値例における射出瞳の移動量が０の場合と射出瞳が垂直方向において−１．５ｍｍ移動した際の画像歪みの変化を示している。
【００８９】
＜数値例２＞
対角画角は３０ｄｅｇ、アスペクト比は４：３（水平２４ｄｅｇ、垂直１８ｄｅｇ）である。走査ユニット（図６中の６０５）の微小ミラーは、第１０面であり、図６の紙面に垂直な方向を軸として該紙面に平行な面内で振動するときの垂直方向走査角は±３．１度である。また、図６の紙面に平行な方向を軸として該紙面に垂直な面内で振動するときの水平方向走査角は±４．１ｄｅｇである。
【００９０】
射出瞳径はφ１ｍｍ、射出瞳の移動量は、図の紙面に垂直な方向（以下、水平方向という）において±２．４ｍｍ、垂直方向において±１．５ｍｍである。このとき、光束偏向ユニット（図６中の６０７）の反射面（第８面）は、該反射面と中心光線の光路との交点を中心に、垂直方向に±２．７ｄｅｇ、水平方向に
【００９１】
【数２】
2008046253.tif 000006
【００９２】
（複号同順）の回動を行う。
【００９３】
光源の開口数は０．１６である。
【００９４】
表中の面番号との対応を図１６を用いて説明する。図１６は、図６と同じ光学系を示している。
【００９５】
射出瞳６０９        面番号１
面６０８ａ          面番号２
面６０８ｂ          面番号３
面６０８ｃ          面番号４
面６０８ｄ          面番号５
面６０６ａ          面番号６
面６０６ｂ          面番号７、９
面６０７            面番号８
走査ユニット６０５  面番号１０
面６０４            面番号１１
面６０３ａ          面番号１２
面６０３ｂ          面番号１３
光源６０１          面番号１４  
【００９６】
【表２Ａ】
2008046253.tif 000007
【００９７】
【表２Ｂ】
2008046253.tif 000008
【００９８】
図１７Ａは本数値例の光源６０１の位置における図１７Ｂに丸囲み数字で示した画角上の位置１〜３での横収差図である。本収差図における波長は６５６．２７ｎｍ、５８７．５６ｎｍ、４８６．１３ｎｍである。また、図１８は本数値例における射出瞳の移動量が０の場合と射出瞳が垂直方向に−１．５ｍｍ、水平方向に−２．４ｍｍ移動した際の画像歪みの変化を示している。
【００９９】
＜数値例３＞
対角画角は７５ｄｅｇ、アスペクト比は４：３（水平６０ｄｅｇ、垂直４５ｄｅｇ）である。走査ユニット（図９中の９０５）は、第１２面であり、垂直方向走査角は±８．６度である。また、水平方向走査角は±１３．１ｄｅｇである。
【０１００】
射出瞳径はφ１ｍｍ、射出瞳の移動量は水平方向において±４．０ｍｍ、垂直方向において±２．５ｍｍである。このとき、光束偏向ユニット（図９中の９０８）の反射面（第７面）は、該反射面と主光線の交点を中心に、紙面内方向に
【０１０１】
【数３】
2008046253.tif 000009
【０１０２】
、紙面垂直方向に±４．２ｄｅｇ（複号同順）の回動を行う。
【０１０３】
光源の開口数は０．１０である。
【０１０４】
表中の面番号との対応を図１９を用いて説明する。図１９は、図９と同じ光学系を示している。
【０１０５】
瞳９０９            面番号１
面９０６ｄ          面番号２
面９０６ｂ          面番号３
面９０６ｃ          面番号４、１０
面９０７ａ          面番号５、９
面９０７ｂ          面番号６、８
面９０８            面番号７
面９０６ａ          面番号１１
走査ユニット９０５  面番号１２
面９０４            面番号１３
面９０３ａ          面番号１４
面９０３ｂ          面番号１５
光源９０１          面番号１６
【０１０６】
【表３Ａ】
2008046253.tif 000010
【０１０７】
【表３Ｂ】
2008046253.tif 000011
【０１０８】
図２０Ａは本数値例の光源９０１の位置における図２０Ｂに丸囲み数字で示した画角上の位置１〜３での横収差図である。本収差図における波長は６５６．２７ｎｍ、５８７．５６ｎｍ、４８６．１３ｎｍである。また、図２１は本数値例における射出瞳の移動量が０の場合と射出瞳が垂直方向に−２．５ｍｍ、水平方向に−４．０ｍｍ移動した際の画像歪みの変化を示している。
【０１０９】
＜数値例４＞
対角画角は７５ｄｅｇ、アスペクト比は４：３（水平６０ｄｅｇ、垂直４５ｄｅｇ）である。走査ユニット（図１１Ｂ中の１１０４）は第１８面であり、垂直方向走査角は±７．５度である。水平方向走査角は±１０．０ｄｅｇである。
【０１１０】
射出瞳径はφ１ｍｍ、射出瞳の移動量は水平方向に±４．０ｍｍ、垂直方向に±２．５ｍｍである。このとき、光束偏向ユニット（図１１Ａ中の１１０８）の反射面（第６面）は、該反射面と中心光線の光路との交点を中心に、垂直方向に
【０１１１】
【数４】
2008046253.tif 000012
【０１１２】
、水平方向に±４．２ｄｅｇ（複号同順）の回動を行う。
【０１１３】
光源の開口数は０．１０である。
【０１１４】
表中の面番号との対応を図２２Ａ及び図２２Ｂを用いて説明する。図２２Ａ及び図２２Ｂは、図１１Ａ及び図１１Ｂと同じ光学系を示している。
【０１１５】
射出瞳１１０７        面番号１
面１１０７ｂ          面番号２、４、８
面１１０７ｄ          面番号３
面１１０７ｃ          面番号５、７
面１１０８            面番号６
面１１０７ａ          面番号９
面１１０６            面番号１０
面１１０５ａ          面番号１１
面１１０５ｂ          面番号１２
面１１０５ｃ          面番号１３
面１１０５ｄ          面番号１４
面１１０５ｅ          面番号１５
面１１０５ｆ          面番号１６
面１１０５ｇ          面番号１７
走査ユニット１１０４  面番号１８
面１１０３ａ          面番号１９
面１１０３ｂ          面番号２０
面１１０３ｃ          面番号２１
面１１０３ｄ          面番号２２
光源１１０１          面番号２３
【０１１６】
【表４Ａ】
2008046253.tif 000013
【０１１７】
【表４Ｂ】
2008046253.tif 000014
【０１１８】
【表４Ｃ】
2008046253.tif 000015
【０１１９】
【表４Ｄ】
2008046253.tif 000016
【０１２０】
図２３Ａは本数値例の光源１１０１の位置における図２３Ｂに丸囲み数字で示した画角上の位置１〜３での横収差図である。本収差図における波長は５８７．５６ｎｍである。また、図２４は本数値例における射出瞳の移動量が０の場合と射出瞳が垂直方向に−２．５ｍｍ、水平方向に−４．０ｍｍ移動した際の画像歪みの変化を示している。
【０１２１】
以上説明した各実施例によれば、小型で高精細な画像を表示できる画像表示装置を実現することができる。
【０１２２】
なお、実施例１から実施例４の画像表示装置と、この画像表示装置に画像情報を供給するためのパーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置を、電気的に接続することによって画像表示システムを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明の実施例１である画像表示装置の光学系の構成を示す垂直断面図。
【図２】実施例１の光学系において眼球回転により画像が観察できなくなる現象を説明する図。
【図３】実施例１における射出瞳の移動を説明する図。
【図４Ａ】実施例１の光学系を模式的に示す図。
【図４Ｂ】実施例１において眼球回転により画像が観察できなくなる現象を模式的に示す図。
【図４Ｃ】画像形成素子を移動させた場合の射出瞳の移動を模式的に示す図。
【図４Ｄ】実施例１における射出瞳の移動原理を模式的に示す図。
【図５】透過光学素子を用いた場合の射出瞳の移動を説明する図。
【図６】本発明の実施例２である画像表示装置の光学系の構成を示す垂直断面図。
【図７】実施例２で用いられるＭＥＭＳミラーデバイスの例を示す斜視図。
【図８Ａ】実施例２において眼球回転により画像が観察できなくなる現象を模式的に示す図。
【図８Ｂ】実施例２における射出瞳の移動を説明する図である。
【図９】本発明の実施例３である画像表示装置の光学系の構成を示す垂直断面図。
【図１０】実施例２における射出瞳の移動を説明する図。
【図１１Ａ】本発明の実施例４である画像表示装置の光学系の構成を示す垂直断面図。
【図１１Ｂ】実施例４の光学系の上方から見た構成を示す図。
【図１２Ａ】実施例４における瞳孔位置の検出及び射出瞳追従制御を行うための構成を示す図。
【図１２Ｂ】実施例４における瞳孔位置の検出及び射出瞳追従制御を行うための構成を示す図。
【図１３】本発明の数値例１における各光学面を示す図。
【図１４Ａ】数値例１における画像形成素子上での横収差図。
【図１４Ｂ】数値例１における画像形成素子上での位置を示す図。
【図１５】数値例１における射出瞳の移動時の歪み変化を示す図。
【図１６】本発明の数値例２における各光学面を示す図。
【図１７Ａ】数値例２における光源の位置での横収差図。
【図１７Ｂ】数値例２における画角内での位置を示す図。
【図１８】数値例２における射出瞳の移動時の歪み変化を示す図。
【図１９】本発明の数値例３における各光学面を示す図。
【図２０Ａ】数値例３における光源の位置での横収差図。
【図２０Ｂ】数値例３における画角内での位置を示す図。
【図２１】数値例３における射出瞳の移動時の歪み変化を示す図。
【図２２Ａ】本発明の数値例４における各光学面を示す図。
【図２２Ｂ】数値例４における各光学面を示す図。
【図２３Ａ】数値例４における光源の位置での横収差図。
【図２３Ｂ】数値例４における画角内での位置を示す図。
【図２４】数値例４における射出瞳の移動時の歪み変化を示す図。
【図２５】実施例４における射出瞳追従制御を示すフローチャート。
【符号の説明】
【０１２４】
１０１、４０１  画像形成素子
１０２  照明ユニット
１０３、４０３  集光光学系
１０４、４０５、６０７、９０８、１１０８  光束偏向ユニット
１０５、６０６  ハーフミラー
１０６、４０６、６０８  接眼光学系
１０７、６０９、９０９、１１０９  射出瞳
５０１  屈折光学素子
６０１、９０１、１１０１  光源
６０３、９０３、１１０３  コリメータレンズ
６０４、９０４  反射面
６０５、７０１、９０５、１１０４  走査ユニット
７０２  微小ミラー
９０６、１１０５、１１０７  プリズム
１１１０  瞳孔位置検出ユニット
１２０１，ＰＵ  瞳孔
１２０２  射出瞳位置制御ユニット
１２０３  アクチュエータ
【図１２Ａ】
2008046253.tif 000017
【図１２Ｂ】
2008046253.tif 000018
【図１７Ａ】
2008046253.tif 000019
【図２０Ａ】
2008046253.tif 000020
【図２２Ｂ】
2008046253.tif 000021
【図１】
2008046253.tif 000022
【図２】
2008046253.tif 000023
【図３】
2008046253.tif 000024
【図４Ａ】
2008046253.tif 000025
【図４Ｂ】
2008046253.tif 000026
【図４Ｃ】
2008046253.tif 000027
【図４Ｄ】
2008046253.tif 000028
【図５】
2008046253.tif 000029
【図６】
2008046253.tif 000030
【図７】
2008046253.tif 000031
【図８Ａ】
2008046253.tif 000032
【図８Ｂ】
2008046253.tif 000033
【図９】
2008046253.tif 000034
【図１０】
2008046253.tif 000035
【図１１Ａ】
2008046253.tif 000036
【図１１Ｂ】
2008046253.tif 000037
【図１３】
2008046253.tif 000038
【図１４Ａ】
2008046253.tif 000039
【図１４Ｂ】
2008046253.tif 000040
【図１５】
2008046253.tif 000041
【図１６】
2008046253.tif 000042
【図１７Ｂ】
2008046253.tif 000043
【図１８】
2008046253.tif 000044
【図１９】
2008046253.tif 000045
【図２０Ｂ】
2008046253.tif 000046
【図２１】
2008046253.tif 000047
【図２２Ａ】
2008046253.tif 000048
【図２３Ａ】
2008046253.tif 000049
【図２３Ｂ】
2008046253.tif 000050
【図２４】
2008046253.tif 000051
【図２５】
2008046253.tif 000052