(57)【要約】【課題】比較的大型の光走査手段と反射型の光拡散手段を用いた場合であっても光分岐手段における光量の損失を抑制した走査型画像表示装置およびそれに用いる光学系を提供すること目的とする。【解決手段】光源からの光束を走査点で走査する走査手段を有する走査光学系と、表示光学系とを有する光学系であって、前記走査光学系と前記表示光学系は光路の一部が重複すると共に分離手段によって分離されており、前記走査光学系は前記走査点と共役な共役点を略前記分離手段の位置と重複した位置に形成することを特徴とする光学系を提供する。またそのような光学系を使用した操作型画像表示装置を提供する。【選択図】      図４
2004347687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光束を走査点で走査する走査手段を有する走査光学系と、表示光学系とを有する光学系であって、
前記走査光学系と前記表示光学系は光路の一部が重複すると共に分離手段によって分離されており、前記走査光学系は前記走査点と共役な共役点を略前記分離手段の位置と重複した位置に形成することを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記走査光学系は前記光源からの光束を所定の走査面上に走査し、前記走査面は前記表示光学系の略焦点位置におかれることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記走査面が反射拡散板であることを特徴とする請求項１乃至２に記載の光学系。
【請求項４】
前記走査点と前記光学系の射出瞳は共役な関係を有することを特徴とする請求項１乃至３に記載の光学系。
【請求項５】
前記光源からの光束を前記走査手段による走査と同期して変調することで前記走査面上に画像を表示することを特徴とする請求項１乃至４に記載の光学系。
【請求項６】
前記走査手段は光を反射する反射面を有し、前記反射面を傾けることで光を偏向することを特徴ととする請求項１乃至５に記載の光学系。
【請求項７】
前記走査手段が半導体プロセスを用いて製作された走査手段であることを特徴とする請求項１乃至６に記載の光学系。
【請求項８】
前記表示光学系は前記走査光学系と共有しない光路上に光学素子を有することを特徴とする請求項１乃至７に記載の光学系。
【請求項９】
少なくても反射作用を有する第一の面と、該第一の面で反射した光線を再度該第一の面に向けて反射する第二の面とを有し、前記第一の面に再度入射した光束がそのヒットポイント上での面の法線に関して、前回とは略反対側に反射して進む折り返し光路を含むことを特徴とする請求項１乃至８に記載の光学系。
【請求項１０】
光路に対して偏心した所定の反射面で複数回の反射を生じ、且つ当該複数回の反射におけるそれぞれの入射光と反射光のベクトルの外積間の内積が負になる場合を含むことを特徴とする請求項１乃至８に記載の光学系。
【請求項１１】
請求項項１乃至１０に記載の光学系を有した走査型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光束を、光走査手段を用いて走査することにより画像を表示する画像表示装置及びその光学系に関し、特に映像信号に基づいて所定の画像を表示する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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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の表示としては、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次元表示素子を使用しているものがある。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するように構成されたものが数多く提案されている。近年、そのような画像表示装置は、より高精細な画像が要求されているため、フラットパネルディスプレイ上に必要な画素数分を製作しなければならず、画素数が増えた分だけ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るなどの問題があった。
【０００３】
また２次元画像表示素子を用いず走査手段を使った表示装置が、米国特許５，４６７，１０４号などにて開示・提案されている。米国特許５，４６７，１０４号は、ＲＧＢの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。しかしながら、上記米国特許５，４６７，１０４号にて開示の走査型画像表示装置では、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るという問題がある。
【０００４】
こうした小さな射出瞳径を拡大する方法として、米国特許５，７０１，１３２号および米国特許５，７５７，５４４号に開示された技術がある。米国特許５，７０１，１３２号では、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。
【０００５】
また、米国特許５，７５７，５４４号では、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。
【０００６】
しかしながら、これら米国特許に開示の構成では、中間像透過型の射出瞳拡大手段を用いるため、光路が長くなり、装置が大型化してしまうという問題がある。
【０００７】
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実現できるようになった。特開平０７−１７５００５（プレーナ方ガルバノミラーおよびその製造方法：日本信号株式会社）や特開平０８−３３４７２３（光偏向素子：オリンパス光学工業）では、半導体プロセスを用いて製造された走査手段が開示・提案されている。また同様に、ＳＰＩＥ，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ＃４４０−１９（Ｊｕｎｅ  ２００１）、”Ｗａｆｅｒ  ｓｃａｌｅ  ｐａｃｋａｇｉｎｇ  ｆｏｒ  ａ  ＭＥＭＳ  ｖｉｄｅｏ  ｓｃａｎｎｅｒ“においては、頭部装着型表示装置用の２次元走査手段のＭＥＭＳに関して紹介さている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
米国特許５，７０１，１３２号および米国特許５，７５７，５４４号に開示された技術では、中間像透過型の射出瞳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。光路を分岐するための手段として半透過型のミラー等を用いることが考えられるが光量の損失が発生してしまう。
【０００９】
一方、光の拡散特性をうまく利用して、光路を分岐するための手段として図１に示すような構成が考えられる。光源からの光束５０５を光走査手段５０２によりスクリーン５０３上を走査させる場合に関して説明する。不図示の光学系により光束５０５はスクリーン５０３上に光源像を作るように構成されており、光走査手段５０２が軸５０１を中心として傾くとき図中５０４ａ，ｂ，ｃのように光を走査する。光反射手段（スクリーン）５０３に、拡散作用を持たせると拡散光５０６の様に反射光は拡散し入射光５０４と異なる方向に反射する。光走査手段５０２の周囲に、穴明きミラーなどの光路分岐手段５０７をおくと、大きく拡散した光のみが反射されることになり光量ロスが少なく入射光と拡散射出光を分離することが可能となる。しかしながら、入射光５０４ａの様にスクリーン中心に向かう光束に対しては、拡散光５０６のうち正反射に近い成分は光路分岐手段５０７にあたることなくロスをしてしまう。
【００１０】
したがって光路分岐による損失を減らすためには、できるだけ光走査手段５０２を小型化するなどして、光路分岐手段５０７における光走査手段５０２を設置するための開口の面積を小さくすることが重要である。
【００１１】
しかしながら、特開平０７−１７５００５（プレーナ型ガルバノミラーおよびその製造方法：日本信号株式会社）や特開平０８−３３４７２３（光偏向素子：オリンパス光学工業）などが開示している光走査手段であるＭＥＭＳ走査手段では、反射面の周りにトーションバーがあり、光分岐手段として穴あきミラーなどを構成する場合、穴の大きさが大きくなってしまう。また、特に特開平０８−３３４７２３やＳＰＩＥ，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ＃４４０７−１９（Ｊｕｎｅ  ２００１）、Ｗａｆｅｒ  ｓｃａｌｅ  ｐａｃｋａｇｉｎｇ  ｆｏｒ  ａ  ＭＥＭＳ  ｖｉｄｅｏ  ｓｃａｎｎｅｒ記載のＭＥＭＳ走査手段では、反射面から離れた位置にカバーガラスが存在している場合もあり、光分岐手段の開口を大きくする必要が生じて有効に作用させることが難しい。
【００１２】
本発明は、上記問題点を解決して、比較的大型の光走査手段と反射型の光拡散手段を用いた場合であっても光分岐手段における光量の損失を抑制した走査型画像表示装置およびそれに用いる光学系を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明に係る光学系は、光源からの光束を走査点で走査する走査手段を有する走査光学系と、表示光学系とを有する光学系であって、前記走査光学系と前記表示光学系は光路の一部が重複すると共に分離手段によって分離されており、前記走査光学系は前記走査点と共役な共役点を略前記分離手段の位置と重複した位置に形成することを特徴としている。
【００１４】
更に本発明に係る走査型画像表示装置は、上記のような光学系を用いることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる走査型画像表示装置の実施例である光学系に関して以下に具体的に説明する。図２は、本発明にかかる光学系の構成を示したものである。
【００１６】
光源３０１は、入力信号に対して変調される光源であり、光源３０１より放射した光束３１２は、集光光学系３０２によりビーム化され、走査手段の偏向点３０３に向かう。偏向点３０３は、反射型の走査手段であり、光束３１２は偏向される。例えば、偏向角のことなる光束の例として、３１２ａ，３１２ｂを示した。瞳結像用光学系３０５は、偏向点３０３と共役になる瞳共役点３０６を、瞳結像用光学系３０５の外に形成するように構成されており、走査された光束３１２ａ，３１２ｂは、瞳共役点３０６を透過する。瞳共役点３０６は、反射手段３０７の一部の透過領域を透過するように構成されており、その透過領域を透過した光束３１２ａ，３１２ｂは、光学系３０８を介して被走査面３０９上に集光するように構成されている。走査手段と光源３０１の同期をとり制御することにより、被走査面３０９上には、所望の画像が表示される。
【００１７】
被走査面３０９は、反射型の拡散作用を有する面として構成されている。したがって被走査面３０９に入射した光束は、反射拡散して光学系３０８の方に反射する。拡散反射した光線３１２ａ”，３１２ｂ”は、光学系３０８を通り反射手段３０７にその殆んどが反射され光学系３１０の方に向かう。光学系３０８と光学系３１０は、被走査面３０９上に形成された画像を観察するための接眼光学系としての機能を有するように構成されているため、観察者は、射出瞳３１１を瞳として当該画像を観察することが可能となる。被走査面３０９上の集光点３１２ａ’で拡散反射した拡散反射光線３１２ａ”の一部は、反射手段３０７上の瞳共役点３０６に対応する透過領域を透過し、その一部は光学系３１０の方に反射しないが、瞳共役点３０６を反射手段３０７上に設けることで反射手段３０７上の透過領域を減少して拡散量を制御することでその損失を少なくすることができる。
【００１８】
図３は、図２の光路を展開した構成説明図であり、同じ符番のものは、図２と同じ機能を表すものである。
【００１９】
瞳結像光学系３０５は偏向点３０３の共役点である瞳共役点３０６を空間中に形成できるため、被走査面３０９は、瞳共役点３０６から走査されていることと等価となり、走査手段の機械的な部品の配置などの制約を軽減することができる。また、偏向点３０３と瞳共役点３０６には共役関係があるため、走査手段の光偏向角θとその有効面積Ｄの積が一定となる。したがって、走査手段をＭＥＭＳ技術を用いて作成する場合などに、当該積θＤの値を使用する光学系に対して最適化することが可能となる。
【００２０】
また、図１と図２を比べてもわかるように、被走査面３０９を反射面として構成することで、光路を折りたたむことができ小型化を達成することができる。さらに、被走査面に拡散特性を持たせることで、観察者が観察可能なビーム径を太くすることができる。加えて、被走査面３０９上で、光源３０１からの光束を集光させ光源像を形成することで、被走査面３０９を反射拡散面としても画質の劣化を防ぐことができる。
【００２１】
（実施例１）
本発明にかかる第１の実施例を図４を用いて説明する。図４は、走査型画像観察装置の光学系の構成を示す。
【００２２】
図４中、光源１０１は、表示すべき画像の入力信号に基づいて、不図示の駆動制御回路により変調される。光源１０１より、放射した光束１１２は、集光光学系１０２、反射手段１１４を介して走査手段１１３に向かう。走査手段１１３の内部には、走査デバイスがあり、偏向点１０３で光を偏向する。走査手段１１３は、カバーガラス１０４などで覆われていてもよく、この場合には光束１０２は、カバーガラス１０４より入射し、偏向点１０３で偏向され、再度カバーガラス１０４を透過して射出する。走査手段１１３より偏向される光束の例を、光束１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃとして記述した。走査手段１１３により偏向された光束は、瞳結像用光学系１０５に入射する。瞳結像用光学系１０５は、光源からの光束が入射する側から、入射面１０５ａ，反射面１０５ｂ，反射面１０５ｃ，反射面１０５ｄ，射出面１０５ｅとから成り、偏向点１０３と瞳共役点１０６を、瞳結像用光学系１０５の外に形成するように構成している。瞳結像用光学系１０５を構成する面１０５ａから１０５ｅは、回転対称軸を有さない非回転対称面、また光束に対して偏心した面で構成されていてもよい。
【００２３】
瞳共役点１０６は反射手段１０７の一部に設けられた透過部を通過し、光学系１０８を介して、走査手段１１３により偏向された光束が被走査面１０９上に光源像を形成するように構成してある。特に、瞳共役点１０６を反射手段１０７の透過部に略一致させることで当該透過部を小型化することが可能となる。反射手段１０７の透過部は反射板に開口を設けてもよく、また透明基材に反射膜を施すことにより製作した反射手段１０７の一部の反射膜を除去することで形成してもよい。１１２ａ’，１１２ｂ’，１１２ｃ’は被走査面１０９上に形成された光源像を示している。走査手段１１３の走査特性と、光源１０１の変調の同期をとることで、映像信号にもとづいた画像が表示される。
【００２４】
光学系１０８と光学系１１０とは、被走査面１０９を観察者が観察するための接眼光学系を構成する。
【００２５】
瞳共役点１０６より、射出した光束１１２は、被走査面１０９上に光源像１１２ａ’，ｂ’，ｃ’を形成するが、被走査面１０９は、拡散作用を有する反射面として構成されているため、入射した光束は、被走査面１０９で反射され再度光学系１０８の方に向かい、反射面１０７で、偏向され、接眼光学系の一部１１０に入射する。射観察者は、射出瞳１１１近傍に、観察者の目をおくことで、被走査面１０９上に形成される画像を観察することができる。これらの光路を形成するにあたり、反射面１０７は走査手段１１３により光束を走査することで被走査面１０９上に光源像を形成する走査光学系と、被走査面１０９上に形成された像を射出瞳に導光する表示光学系を分離する分離手段として機能している。
【００２６】
図５は、被走査面１０９上で、拡散された光束を説明するための図である。不図示の瞳結像光学系１０５より射出した光線は、反射手段１０７の一部に形成される透過部に設けられた瞳共役点１０６より被走査面１０９を走査するように構成されている。瞳共役点１０６においては、光束は集光されて細い光束となっている。被走査面１０９は、拡散作用を有するため、反射された光束は反射後光束の広がり角が大きくなる。光束の広がり角が大きくなるため、光学系１０８、１１０により構成される射出瞳１１１は、拡大される。
【００２７】
図５中で、被走査面１０９上に垂直に入射し光源像１１２ａ’を形成する光線は、被走査面１０９で反射したあと、その一部は、瞳共役点１０６が設けられた反射手段１０７上の透過部を透過してしまうため、すべての光束が射出瞳１１１の方に向かわず損失を生じてしまう。しかし、反射手段１０７上の透過部の大きさを小さく設定することで、その損失を少なくすることができる。また、反射手段１０７は射出瞳１１１から観察した場合には合焦位置とならないため、観察者には認識されにくい。
【００２８】
また、光源からの光は被走査面１０９に入射し光軸から離れる方向に反射する。こうすることにより中間瞳像を接眼光学系中の反射面上に微小の大きさで形成でき、この微小の中間瞳像を透過して、光源からの光束が入射するため全体として小型に構成することが可能である。
【００２９】
本実施例のように、瞳結像用光学系１０５により走査手段１１３の偏向点１０３の瞳共役点１０６を形成させることで、偏向点１０３と等価である瞳共役点を空間上に形成することができる。これにより、反射手段１０７上の透過部を小さく設定することで光量の損失を最小限に抑えることが可能となる。
【００３０】
被走査面１０９を反射型として構成し、光学系１０８を２回透過させるように構成することで、観察者が射出瞳１１１から被走査面１０９を観察する光路と、被走査面１０９上に画像を形成するための光を重複させることができ、光学系を小型に配置することが可能となる。
【００３１】
また、光学系１１０のように観察用の光路だけに独立して配置される光学系を配置することで、画像を観察する上での視度調整機能を持たせることが可能となる。
【００３２】
本実施例においては、光源１０１としては、単色光のものを使用してもよいが、赤、緑、青の光を独立に発光する光源を色合成手段により組みあわせた構成とし、映像信号に基づいて独立に各色の光源の発光特性を制御することで観察者がカラー画像を観察することが可能となることは言うまでもない。
【００３３】
また本実施例においては、走査手段１１３として、図６に図示した構成の走査手段を用いることができる。また、これ以外の走査手段を用いることも可能である。
【００３４】
図６は走査手段１１３内の、半導体プロセスで製造された走査デバイス１１３Ｍである。走査面１１５は、トーションバー１１６ｘをねじれ軸として、軸１０３ｘを略中心として、共振往復揺動運動する。またさらに、トーションバー１１６ｙをねじれ軸として、軸１０４ｙを軸として往復揺動運動する。２つの揺動運動を起こさせるアクチュエータとして、不図示の例えば、電磁力、静電気力などを使用したものが考えられる。
【００３５】
本実施例のように、瞳結像光学系を配置して、偏向点１０３の共役像を空間上に形成することで、反射手段１０７上の透過部を拡大することなく走査手段１１３における前記アクチュエータの配置、カバーガラス等の配置に自由度を持たせることが可能となる。
【００３６】
（実施例２）
本発明にかかる第２の実施例を図７を用いて説明する。図７は、走査型画像観察装置の光学系断面図である。
【００３７】
図７中、光源２０１は、表示すべき画像の入力信号に基づいて、不図示の駆動制御回路により変調される。光源２０１より、放射した光束２１２は、集光光学系２０２を介して走査手段２１３に向かう。集光光学系２０２は、入射面２０２ａ、反射面２０２ｂ，２０２ｃおよび射出面２０２ｄとから構成されている。集光光学系より射出した光束は、走査手段２１３に向かう。走査手段２１３の内部には、走査デバイスがあり、偏向点２０３で光を入射した光を偏向する。走査手段２１３は、カバーガラス２０４がついており入射した光束は、カバーガラス２０４より入射し、偏向点２０３で偏向され、再度カバーガラス２０４を透過して射出する。走査手段２１３より偏向され光束の例を、光束２１２ａ，２１２ｂ，２１２ｃとして記述した。走査手段２１３により偏向された光束は、瞳結像用光学系２０５に入射する。瞳結像用光学系２０５は、光源からの光束が入射する側から、入射面２０５ａ，反射面２０５ｂ，反射面２０５ｃ，反射面２０５ｄ，射出面２０５ｅとから成り、偏向点２０３と瞳共役点２０６を、瞳結像用光学系２０５の外に形成するように構成している。瞳結像用光学系２０５を構成する面２０５ａ．〜２０５ｅは、回転対称軸を有さない非回転対称面、および光束に対して偏心した反射面で構成されることが望ましい。
【００３８】
瞳共役点２０６は反射手段２０７の一部から光学系２０８を介して、走査手段２１３により偏向された光束が被走査面２０９上に光源像を形成するように構成してある。２１２ａ’，２１２ｂ’，２１２ｃ’は被走査面２０９上に形成された光源像を示している。走査手段２１３の走査特性と、光源２０１の変調の同期をとることで、映像信号にもとづいた画像が表示される。
【００３９】
光学系２０８と光学系２１０とは、被走査面２０９を観察者が観察するための接眼光学系を構成する。
【００４０】
瞳共役点２０６より、射出した光束２１２は、被走査面２０９上に光源像２１２ａ’，ｂ’，ｃ’を形成するが、被走査面２０９は、拡散作用を有する反射面として構成されているため、入射した光束は、反射面２０９で反射され再度光学系２０８の方に向かい、反射面２０７で反射され、接眼光学系の一部２１０に入射する。射観察者は、射出瞳２１１近傍に、観察者の目をおくことで、被走査面２０９上に形成される画像を観察することができる。
【００４１】
以降の構成は、実施例１と同様であり説明は省略する。
【００４２】
実施例１と同様に本実施例においても、被走査面２０９上に垂直に入射し光源像２１２ａ’を形成する光線は、被走査面２０９で反射したあと、その一部は、瞳共役点２０６が設けられた反射手段２０７上の透過部を透過してしまうため、すべての光束が射出瞳２１１の方に向かわず損失を生じてしまう。しかし、反射手段２０７上の透過部の大きさを小さく設定することで、その損失を少なくすることができる。
【００４３】
本実施例のように、瞳結像用光学系２０５により走査手段２１３の偏向点２０３の瞳共役点２０６を形成させることで、偏向点２０３と等価である瞳共役点を空間上に形成することができる。これにより、反射手段２０７上の透過部を小さく設定することで光量の損失を最小限に抑えることが可能となる。
【００４４】
被走査面２０９を反射型として構成し、光学系２０８を２回透過させるように構成することで、観察者が射出瞳２１１から被走査面２０９を観察する光路と、被走査面２０９上に画像を形成するための光を重複させることができ、光学系を小型に配置することが可能となる。
【００４５】
また、光学系２１０のように観察用の光路だけに独立して配置される光学系を配置することで、画像を観察する上での視度調整機能を持たせることなどが可能となる。
【００４６】
本実施例において光源２０１としては、単色の光源をもちいてもよいが、赤、緑、青の光を独立に発光する光源を色合成手段により組みあわせた構成とし、不図示の映像信号に基づいて独立に各色の光源の強度などの発光特性を制御することで、観察者がカラー画像を観察することが可能となることは言うまでもない。
【００４７】
（実施例３）
本発明にかかる第３の実施例を図８を用いて説明する。図８は、走査型画像観察装置の光学系の構成を断面図である。
【００４８】
図８中、光源４０１は、表示すべき画像の入力信号に基づいて、不図示の駆動制御回路により変調される。光源４０１より放射した光束４１２は、集光光学系４０２を介して走査手段４１３に向かう。走査手段４１３の内部には走査デバイスがあり、偏向点４０３で、光を偏向する。走査手段４１３より偏向される光束の例を、光束４１２ａ，４１２ｂ，４１２ｃとして記述した。走査手段４１３により偏向された光束は、瞳結像用光学系４０５に入射する。瞳結像用光学系４０５は、光源からの光束が入射する側から、入射面４０５ａ，反射面４０５ｂ，反射面４０５ｃ，射出面４０５ｅとから成り、偏向点４０３と瞳共役点４０６を、瞳結像用光学系４０５の外に形成するように構成している。
【００４９】
瞳結像用光学系４０５を構成する面４０５ａ．〜４０５ｅは、回転対称軸を有さない非回転対称面で構成されている。
【００５０】
瞳共役点４０６は反射面４０７の一部に形成された透過領域４１５から光学系４１６に入射する。入射した光束は、面４１０で反射し、さらに透過面４０８を透過し、被走査面４０９に向かう。被走査面４０９上には走査角度に応じて例えば光源像４１２ａ，４１２ｂ，４１２ｃなどが形成される。走査手段４１３の駆動走査特性と、光源４０１の変調の同期をとることで、映像信号にもとづいた画像を表示するように構成されている。
【００５１】
光学系４１４と光学系４１６とは、被走査面４０９を観察者が観察するための接眼光学系を構成する。
【００５２】
瞳共役点４０６より、射出した光束４１２は、被走査面４０９上に光源像４１２ａ’，ｂ’，ｃ’を形成する。被走査面４０９は、拡散作用を有する反射面として構成されているため、入射した光束は、被走査面４０９で反射され再度透過面４０８の方に向かい、面４１０で反射し偏向され、反射面４０７に向かう。反射面４０７は、透過領域４１５以外は、反射面として構成されており、面４１０で反射した光束は、反射面４０７でその殆んどが反射し再度面４１０に向かう。面４１０では、今度は光は、透過し、光学系４１４より射出する。
【００５３】
観察者は、射出瞳４１１近傍に、観察者の目をおくことで、被走査面４０９上に形成される画像を観察することができる。本実施例においては、被走査面４０９が光学系４１６の外側に配置されているが、透過面４０８上に被走査面４０９を形成してもよい。
【００５４】
図９は、被走査面４０９上で、拡散された光束を説明するための図である。不図示の瞳結像光学系４０５より射出した光線は、反射手段４０７の一部に形成される透過領域４１５と一致するように配置された瞳共役点４０６より被走査面４０９を走査するように構成されている。透過領域４１５と瞳共役点４０６を一致させることにより、透過領域４１５から入射する光線を細い光束として、透過領域４１５の面積を最小限にしている。被走査面４０９は、拡散作用を有するため、反射された光束は反射後光束の広がり角が大きくなる。光束の広がり角が大きくなるため、射出瞳４１１は、拡大される。
【００５５】
図９中で、被走査面４０９上に垂直に入射し光源像４１２ａ’を形成する光線は、被走査面４０９で反射したあと、その一部は、瞳共役点４０６が設けられた反射面４０７上の透過領域４１５を透過してしまうため、すべての光束が射出瞳４１１の方に向かわず損失を生じてしまう。しかし、反射面４０７上の透過領域４１５の大きさを小さく設定することで、その損失を少なくすることができる。
【００５６】
本実施例のように、瞳結像用光学系４０５により走査手段４１３の偏向点４０３の瞳共役点４０６を形成させることで、偏向点４０３と等価である瞳共役点を空間上に形成することができる。これにより、反射面４０７上の透過領域４１５を小さく設定することで光量の損失を最小限に抑えることが可能となる。
【００５７】
被走査面４０９を反射型として構成し、光学面４１０を２回反射させるように構成することで、観察者が射出瞳４１１から被走査面４０９を観察する光路と、被走査面４０９上に画像を形成するための光を重複させることができ、光学系を小型に配置することが可能となる。
【００５８】
光学系４１６内においては、透過領域４１５から入射した光束は面４１０→面４０８→面４０９→面４０８→面４１０の順に各面を通過し、面４０９の反射を境に往路と逆方向の復路に導光されるような往復光路を形成している。往路と復路の境となる面４０９が折返し面となる。つまり、面４０９で反射を生じる前後で、例えば往路での面４１０上の光束のヒットポイントでの面の法線に関して、復路では往路と略反対側に反射して進む折り返し光路が形成される。このように、複数の偏心反射面間で折り返し光路を形成し、往路と復路をほぼ重複させることにより、長い光路長を小型な光学系４１６内に収めることが出来る。これにより、表示光学系全体をも小型にしている。また、利用できる反射の回数を増やすことができるために、一回の反射で与えられる光学的作用を弱めることが可能となり、諸収差の発生を抑制することができる。
【００５９】
このような折返し反射の前後の反射面、例えば面４１０での反射に着目した場合、光束の面４１０への入射方向と反射方向を示すベクトルの成す外積の方向が往路と復路でそれぞれ略正反対方向となる。このように特徴付けられる折返し面での反射を利用することにより、通常の略対向した二面間でのジグザグ反射に比べて、歪みの発生を抑制しつつ狭い空間に長い光路を納めることが可能となる。また、本実施形態では、面４１０において略同一の面における反射が二回行われる様子を示しているが、本発明はこれに限定されることはなく、複数回の折返しにより所定の反射面を３回以上反射させてその光学パワーを利用してもよい。また、このような複数回の反射を生じる反射面を複数有してもよい。
【００６０】
また、図９においては、折返し面への入射光と反射光が紙面内にある場合を示しているが、必ずしもこのように設定される必要はない。つまり、折返し面で反射される光に紙面に垂直な方向の成分を折返し面により与えられてもよい。この場合には、例えば面４１０での反射に着目した場合、各面への入射方向を示すベクトルと反射方向を示すベクトルの成す外積の方向が往路と復路でそれぞれ鈍角である角度を成すこととなる。また、当該外積同士の成す内積が負になることによっても光路の構成が特徴づけられる。さらに、折返し面だけでなく、他の反射面においても紙面に垂直な方向の成分を反射される光に与えてもよい。このようにすることで、各反射面は光線に対して紙面と垂直方向の偏心も有することとなり、光学設計の自由度を向上することができる。
【００６１】
更に、折り畳まれた光路を形成する各反射面を偏心反射面とすることで、薄型の光学素子内で光路を折り畳むことが可能となり、更に小型且つ薄型の光学系内に長い光路長をとることができる。
【００６２】
なお、本実施例においては、被走査面４０９上で、走査される光束が、集光し光源と共役像を形成する構成となっているため、表示光学系を介して観察する画像の劣化はない。
【００６３】
また、光学系４１４のように観察用の光路だけに独立して配置される光学系を配置することで、画像を観察する上での視度調整機能を持たせることが可能となる。
【００６４】
本実施例においては、光源４０１としては、単色光のものを使用してもよいが、赤、緑、青の光を独立に発光する光源を色合成手段により組みあわせた構成とし、映像信号に基づいて独立に各色の光源の発光特性を制御することで観察者がカラー画像を観察することが可能となることは言うまでもない。
【００６５】
（数値実施例）
以下に実施例１−３にあたる数値実施例を記述する。
【００６６】
実施例中の説明では光源側からの光路から順に説明したが、数値実施例としたは観察者の瞳位置側から逆追跡した形で記述する。
【００６７】
表１〜表３に各数値実施例を記述する。記述に至っては観察者の瞳位置を絶対座標系の基準として表記する。
【００６８】
絶対座標系における３次元の座標軸をＺ軸，Ｙ軸，Ｘ軸として、それぞれ以下のように定義する。
Ｚ軸：第０面（光源側から見たときの射出瞳面。本実施例では逆トレースとしているため、入射瞳に相当する面）中心から第１面中心（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軸に対して、反時計周りに９０度をなす直線とする。
Ｘ軸：原点を通り、Ｚ軸およびＹ軸に垂直となる直線とする。
【００６９】
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。本発明にかかる各実施例では、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。ローカル座標系の各座標軸は以下のように定義する。
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をなす直線とする。
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９０度をなす直線とする。
ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な直線とする。
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。
【００７０】
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。）
【００７１】
【外１】
2004347687.tif 000003
【００７２】
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。ここで、各項の係数（Ｃｉｊ）はｘ、ｙに関する項の係数であり、以下に示す表中に記載した。また、第一項中において、ｃはベース面の曲率、ｒはｒ２＝ｘ２＋ｙ２で示される半径、ｋは上記係数である。以上の各係数により面の形状が表現される。
【００７３】
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。
【００７４】
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、以下のように表現する。
【００７５】
【外２】
2004347687.tif 000004
【００７６】
ここで
【外３】
2004347687.tif 000005
【００７７】
である。また、Ｒｉは曲率半径である。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ等は、ｈに関する係数であり、これにより面形状が定義される。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。
【００７８】
数値実施例中の表１〜３では、画像中心と射出瞳中心を通る光線の各光学面のヒットポイント点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）のローカル面間隔値ｄおよび、偏心量ｓｈｉｆｔ，ｔｉｌｔ、屈折率ｎｄ・アッべ数νｄを示している。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
（数値実施例１）
図４に示した実施例について、観察者の水平画角±１２度（紙面内）、垂直画角±９度（紙面垂直）である。走査手段は、第３８面（実施例１中の１０３に相当）し、水平方向偏向角±６．２度、垂直方向偏向角±７．２度である。入射ひとみ径は、１．０ｍｍである。
【００８２】
図４中の符合と表１内での面番号（ｓｕｒ）の対応は以下のとおりである。その他の面は、光学的には作用のない面であり、ダミー面も記述している。
【００８３】
2004347687.tif 000006
2004347687.tif 000007
2004347687.tif 000008
2004347687.tif 000009
2004347687.tif 000010
2004347687.tif 000011
2004347687.tif 000012
（数値実施例２）
図７に示した実施例について、観察者の水平画角±１２度（紙面内）、垂直画角±９度（紙面垂直）である。走査手段は、第３８面（実施例１中の１０３に相当）し、水平方向偏向角±６．２度、垂直方向偏向角±７．２度である。入射ひとみ径は、１．０ｍｍである。
【００８４】
また、図７中の符合と表２内での面番号（ＳＵＲ）の表記の対応は以下のとおりである。
【００８５】
2004347687.tif 000013
2004347687.tif 000014
2004347687.tif 000015
2004347687.tif 000016
2004347687.tif 000017
2004347687.tif 000018
2004347687.tif 000019
2004347687.tif 000020
【００８６】
（数値実施例３）
図８に示した実施例について、観察者の水平画角±１２度（紙面内）、垂直画角±８度（紙面垂直）である。走査手段は、第３１面（実施例３中の４０３に相当）し、水平方向偏向角±４．５度、垂直方向偏向角±３．２度である。入射ひとみ径は、１．０ｍｍである。
【００８７】
また、図８中の符合と表３内での面番号（ＳＵＲ）の表記の対応は以下のとおりである。
【００８８】
2004347687.tif 000021
2004347687.tif 000022
2004347687.tif 000023
2004347687.tif 000024
2004347687.tif 000025
2004347687.tif 000026
【００８９】
【発明の効果】
本発明によれば、比較的大型の光走査手段と反射型の光拡散手段を用いた場合であっても光分岐手段における光量の損失を抑制した走査型画像表示装置およびそれに用いる光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】反射型走査の構成図
【図２】光学系概要説明図
【図３】図２に示した光学系の光路展開図
【図４】本発明の実施例１に係る光学系の構成概要図
【図５】本発明の実施例１に係る光学系における拡散光路説明図
【図６】走査手段の例を示す概要図
【図７】本発明の実施例２に係る光学系の構成概要図
【図８】本発明の実施例３に係る光学系の構成概要図
【図９】本発明の実施例３に係る光学系における拡散光路説明図
【符号の説明】
１０１、２０１、３０１、４０１  光源
１０２、２０２，３０２、４０２  集光光学系
１０３，２０３，３０３、４０３  偏向点
１０４，２０４  カバーガラス
１０５，２０５，３０５、４０５  瞳結像光学系
１０６、２０６，３０６、４０６  瞳共役点
１０７，２０７，３０７、４０７  反射手段
１０８，２０８、３０８  光学系
４０８  光学面
１０９，２０９，３０９、４０９  被走査面
１１０，２１０、３１０  光学系
４１０  光学面
１１１，２１１，３１１、４１１  射出瞳（観察者の瞳位置）
１１２，２１２，３１２、４１２  光束
１１３，２１３，４１３  走査手段
１１５  走査面
１１６  軸
【図１】
2004347687.tif 000027
【図２】
2004347687.tif 000028
【図３】
2004347687.tif 000029
【図４】
2004347687.tif 000030
【図５】
2004347687.tif 000031
【図６】
2004347687.tif 000032
【図７】
2004347687.tif 000033
【図８】
2004347687.tif 000034
【図９】
2004347687.tif 000035