(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの光源と、
当該光源から出射される光束を画像信号に応じて変調する変調手段と、
当該変調手段によって変調された光束を第１の方向に偏向する第１の偏向手段と、
当該第１の偏向手段によって偏向された光束を前記第１の方向にほぼ垂直な第２の方向に偏向する第２の偏向手段と、
前記第１および第２の偏向手段によって偏向された光束を観察者の瞳孔に入射するための第１の光学手段とを備えた画像表示装置であって、
前記第１の光学手段は、
少なくとも一組の曲率半径Ｒの凹面鏡と曲率半径ｒの凸面鏡とを備え、当該凹面鏡および当該凸面鏡のそれぞれの光軸および曲率中心が略一致するようにそれぞれの鏡面が対向し、
さらに、前記観察者の瞳孔が配置される位置を転送する瞳孔位置転送手段を備え、
前記第１および第２の偏向手段のうち少なくとも一方の偏向中心が前記曲率中心を含む前記光軸に垂直な面内に存在し、前記偏向中心と前記曲率中心との間の距離ｈが以下の関係を満たしており、前記曲率中心に対して前記第１および第２の偏向手段のうち少なくとも一方の偏向中心に対称な位置に、前記観察者の瞳孔が配置されることを特徴とする画像表示装置。
【数１】
0004082075.tif 000005
【請求項２】
少なくとも１つの光源と、
当該光源から出射される光束を画像信号に応じて変調する変調手段と、
当該変調手段によって変調された光束を第１の方向に偏向する第１の偏向手段と、
当該第１の偏向手段によって偏向された光束を前記第１の方向にほぼ垂直な第２の方向に偏向する第２の偏向手段と、
前記第１の偏向手段によって前記第１の方向に偏向された光束を前記第２の偏向手段に入射するための第２の光学手段と、
前記第２の偏向手段によって前記第２の方向に偏向された光束を観察者の瞳孔に入射するための第１の光学手段とを備えた画像表示装置であって、
前記第１および第２の光学手段は、少なくとも一組の曲率半径Ｒの凹面鏡と曲率半径ｒの凸面鏡とをそれぞれ備え、各組の凹面鏡および凸面鏡のそれぞれの鏡面は光軸および曲率中心が略一致するように対向し、
前記第２の光学手段の曲率中心に対して前記第１の偏向手段の偏向中心に対称な位置に前記第２の偏向手段の偏向中心が配置され、
前記第１の偏向手段の偏向中心と前記第２の光学手段の曲率中心とを含む前記光軸に垂直な第１の面と、前記第２の偏向手段の前記偏向中心と前記第１の光学手段の曲率中心とを含む前記光軸に垂直な第２の面とが直交し、
前記第１および第２の偏向手段のそれぞれの前記偏向中心と前記第１および第２の光学手段のそれぞれの前記曲率中心とが前記第２の面内に存在し、前記偏向中心と前記曲率中心との間の距離ｈが以下の関係を満たすことを特徴とする画像表示装置。
【数２】
0004082075.tif 000006
【請求項３】
前記第１の光学手段の曲率中心に対して前記第２の偏向手段の偏向中心に対称な位置に、前記観察者の瞳孔が配置されることを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記第１または第２の光学手段は前記観察者の瞳孔が配置される位置を転送する瞳孔位置転送手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記瞳孔位置転送手段は、凹面鏡と凸面鏡とを備えていることを特徴とする請求項１または４に記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記第１の光学手段または前記瞳孔位置転送手段において、
最終段の反射が行われる前記凹面鏡の鏡面の一部が、光束の一部を透過することを特徴とする請求項２、３及び５の何れかに記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記第１または第２の光学手段は前記観察者の瞳孔が配置される位置に結像される像の結像倍率を変換する倍率変換手段を備えたことを特徴とする請求項１、及び３乃至６の何れかに記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記光源から出射された光束の波面曲率を調整もしくは変調する波面曲率変調手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光束を走査して観察者の網膜上に直接画像を投影する画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年レーザ、ＬＥＤ等の光源が発する微弱な光束を偏向装置で二次元的に偏向して観察者の瞳孔に入射することにより網膜上に直接描画を行う、いわゆる網膜走査型ディスプレイと呼ばれる装置が知られている。例えば、当該装置は本願出願人による特許第２８７４２０８号公報等において提案されている。この網膜走査型ディスプレイは、例えば、眼鏡と同様に観察者の頭部に装着して使用するように構成されており、高精細で画角の大きな画像を提供することができる。
【０００３】
このような網膜走査型ディスプレイにおいて、偏向した光束を観察者の瞳孔に入射させるためのリレー光学系として反射ミラー等を利用する従来例が、特開平１１−１６０６５０号や特開平１１−１４２７６３号などに提案されている。また、リレー光学系としてホログラムなどの回折光学素子を利用する従来例が、特開平６−１２１２５６号や特開平１１−６４７８２号などに提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１１−１６０６５０号に提案された網膜走査型ディスプレイは、レンズ等の光学素子を利用しないため色収差は生じないが、球面収差、コマ収差、非点収差などの諸収差が無視できず、結像性能の劣化および走査における集光位置のズレが無視できないという問題点があった。また、特開平１１−１４２７６３号に提案された網膜走査型ディスプレイは、回転楕円体において焦点から出射した光がもう一つの焦点に集まる性質を利用したもので、集光位置のズレは発生しないが、結像性能の劣化が生じていた。さらに、楕円ミラーを利用するため、反射位置によって屈折力が異なり、すべての偏向方向で良好な結像を得るためには補正光学系が必要となっていた。また、偏向手段が等角速度で偏向しても、集光位置において光束の角速度が変換されてしまうため、これを解決するためには、例えばｆθレンズ等の速度補正光学系や、走査に同期して画像クロックを偏向する手段などの利用が考えられるが、網膜走査型ディスプレイの構成が複雑となるという問題点があった。
【０００５】
また、特開平６−１２１２５６号および特開平１１−６４７８２号に提案された網膜走査型ディスプレイでは、偏向の角速度が等速とはならなかった。さらに、前方を透過して観察するような、いわゆるシースルー動作を行うには、ホログラムが悪影響を与え、良好な観察ができないという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、色収差がなく、諸収差が小さく、かつ画像歪みのない網膜走査型ディスプレイを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の画像表示装置は、少なくとも１つの光源と、当該光源から出射される光束を画像信号に応じて変調する変調手段と、当該変調手段によって変調された光束を第１の方向に偏向する第１の偏向手段と、当該第１の偏向手段によって偏向された光束を前記第１の方向にほぼ垂直な第２の方向に偏向する第２の偏向手段と、前記第１および第２の偏向手段によって偏向された光束を観察者の瞳孔に入射するための第１の光学手段とを備えた画像表示装置であって、前記第１の光学手段は、少なくとも一組の曲率半径Ｒの凹面鏡と曲率半径ｒの凸面鏡とを備え、当該凹面鏡および当該凸面鏡のそれぞれの光軸および曲率中心が略一致するようにそれぞれの鏡面が対向し、さらに、前記観察者の瞳孔が配置される位置を転送する瞳孔位置転送手段を備え、前記第１および第２の偏向手段のうち少なくとも一方の偏向中心が前記曲率中心を含む前記光軸に垂直な面内に存在し、前記偏向中心と前記曲率中心との間の距離ｈが以下の関係を満たしており、前記曲率中心に対して前記第１および第２の偏向手段のうち少なくとも一方の偏向中心に対称な位置に、前記観察者の瞳孔が配置されることを特徴とする構成となっている。
【数３】
0004082075.tif 000002
【０００８】
この構成の画像表示装置では、２次元方向に偏向された光束を瞳孔に導くための光学系として少なくとも一組の曲率半径Ｒの凹面鏡と曲率半径ｒの凸面鏡とで構成された第１の光学手段を利用することができ、球面収差、コマ収差、歪曲収差、非点収差、色収差等の諸収差の影響をなくし、かつ第１または第２の偏向手段における光束の偏向の角速度と、瞳孔位置における光束の偏向の角速度とを等しくすることができる。また、観察者の瞳孔の配置位置と偏向中心とを共役の関係にすることができる。さらに、瞳孔位置転送手段により、観察者の瞳孔が配置される位置を転送することができる。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
また、請求項２に係る発明の画像表示装置は、少なくとも１つの光源と、当該光源から出射される光束を画像信号に応じて変調する変調手段と、当該変調手段によって変調された光束を第１の方向に偏向する第１の偏向手段と、当該第１の偏向手段によって偏向された光束を前記第１の方向にほぼ垂直な第２の方向に偏向する第２の偏向手段と、前記第１の偏向手段によって前記第１の方向に偏向された光束を前記第２の偏向手段に入射するための第２の光学手段と、前記第２の偏向手段によって前記第２の方向に偏向された光束を観察者の瞳孔に入射するための第１の光学手段とを備えた画像表示装置であって、前記第１および第２の光学手段は、少なくとも一組の曲率半径Ｒの凹面鏡と曲率半径ｒの凸面鏡とをそれぞれ備え、各組の凹面鏡および凸面鏡のそれぞれの鏡面は光軸および曲率中心が略一致するように対向し、前記第２の光学手段の曲率中心に対して前記第１の偏向手段の偏向中心に対称な位置に前記第２の偏向手段の偏向中心が配置され、前記第１の偏向手段の偏向中心と前記第２の光学手段の曲率中心とを含む前記光軸に垂直な第１の面と、前記第２の偏向手段の前記偏向中心と前記第１の光学手段の曲率中心とを含む前記光軸に垂直な第２の面とが直交し、前記第１および第２の偏向手段のそれぞれの前記偏向中心と前記第１および第２の光学手段のそれぞれの前記曲率中心とが前記第２の面内に存在し、前記偏向中心と前記曲率中心との間の距離ｈが以下の関係を満たすことを特徴とする構成となっている。
【数４】
0004082075.tif 000003
【００１２】
この構成の画像表示装置では、２次元方向に偏向された光束を瞳孔に導くための光学系として少なくとも一組の曲率半径Ｒの凹面鏡と曲率半径ｒの凸面鏡とで構成された第１および第２の光学手段を利用することができ、球面収差、コマ収差、歪曲収差、非点収差、色収差等の諸収差の影響をなくし、かつ第１および第２の偏向手段における光束の偏向の角速度と、瞳孔位置における光束の偏向の角速度とを等しくすることができる。そして、光束が、第１の光学手段を通過後に、光路に対して９０度だけ回転した状態で略同一の構成の第２の光学手段を通過することができる。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
また、請求項３に係る発明の画像表示装置は、請求項２に記載の発明の構成に加え、前記第１の光学手段の曲率中心に対して前記第２の偏向手段の偏向中心に対称な位置に、前記観察者の瞳孔が配置されることを特徴とする構成となっている。
【００１６】
この構成の画像表示装置では、請求項２に係る発明の作用に加え、観察者の瞳孔の配置位置とそれぞれの偏向中心とを共役の関係にすることができる。
【００１７】
【００１８】
【００１９】
また、請求項４に係る発明の画像表示装置は、請求項３に記載の発明の構成に加え、前記第１または第２の光学手段は前記観察者の瞳孔が配置される位置を転送する瞳孔位置転送手段を備えている。
【００２０】
この構成の画像表示装置では、請求項３に係る発明の作用に加え、瞳孔位置転送手段が、第１または第２の光学手段は観察者の瞳孔が配置される位置を転送することができる。
また、請求項５に係る発明では、請求項１または４に記載の発明の構成に加え、前記瞳孔位置転送手段は、凹面鏡と凸面鏡とを備えていることを特徴とする構成となっている。
この構成の画像表示装置では、請求項１または４に係る発明の作用に加え、観察者の瞳孔の配置位置を任意の位置に転送することが可能となる。
また、請求項６に係る発明の画像表示装置は、請求項２、３及び５の何れかに記載の発明の構成に加え、前記第１の光学手段または前記瞳孔位置転送手段において、最終段の反射が行われる前記凹面鏡の鏡面の一部が、光束の一部を透過することを特徴とする構成となっている。
この構成の画像表示装置では、請求項２、３及び５の何れかに係る発明の作用に加え、凹面鏡の反射面を通して前方の実体を観察することができる。
【００２１】
また、請求項７に係る発明の画像表示装置は、請求項１、及び３乃至６の何れかに記載の発明の構成に加え、前記第１または第２の光学手段は前記観察者の瞳孔が配置される位置に結像される像の結像倍率を変換する倍率変換手段を備えている。
【００２２】
この構成の画像表示装置では、請求項１、及び３乃至６の何れかに係る発明の作用に加え、倍率変換手段が、第１または第２の光学手段は観察者の瞳孔が配置される位置に結像される像の結像倍率を変換することができる。
【００２３】
また、請求項８に係る発明の画像表示装置は、請求項１乃至７の何れかに記載の発明の構成に加え、前記光源から出射された光束の波面曲率を調整もしくは変調する波面曲率変調手段を備えている。
【００２４】
この構成の画像表示装置では、請求項１乃至７の何れかに係る発明の作用に加え、波面曲率変調手段が、光源から出射された光束の波面曲率を調整もしくは変調することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した画像表示装置の一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１〜図３を参照して、本実施の形態の一例である網膜走査型ディスプレイ１の全体の構成について説明する。図１は、網膜走査型ディスプレイ１の全体構成を示す全体構成図である。図２は、走査ミラー３０の斜視図である。図３は、反射光学系４０の特性を説明するための図である。
【００２６】
図１に示すように、網膜走査型ディスプレイ１には、外部から供給される映像信号を処理するための光源ユニット部２が設けられている。光源ユニット部２には、外部からの映像信号が入力され、それに基づいて映像を合成するための要素となる各信号を発生する映像信号供給回路３が設けられ、この映像信号供給回路３から映像信号４、水平同期信号および垂直同期信号が出力される。そして、この水平同期信号および垂直同期信号に基づいて走査ミラー３０を駆動するための水平走査系駆動回路２８および垂直走査系駆動回路２９がそれぞれ設けられている。また、光源ユニット部２には、映像信号供給回路３から映像信号４として伝達される赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各映像信号をもとにそれぞれレーザ光を出射する、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１を、それぞれ駆動するためのＲレーザドライバ１０，Ｇレーザドライバ９，Ｂレーザドライバ８が設けられている。さらに、各レーザより出射されたレーザ光を平行光にコリメートするように設けられた第１コリメート光学系１４と、それぞれコリメートされたレーザ光を合成するダイクロイックミラー１５と、合成されたレーザ光を光ファイバ１７に導く結合光学系１６とが設けられている。尚、光源ユニット部２が、本発明における「変調手段」である。
【００２７】
また、網膜走査型ディスプレイ１には、光源ユニット部２から伝搬されたレーザ光を再度平行光にコリメートする第２コリメート光学系１８と、コリメートされたレーザ光を水平および垂直方向に走査する走査ミラー３０と、走査されたレーザ光を観察者の瞳孔２４に入射するための反射光学系４０とが設けられている。尚、図２に示すように、走査ミラー３０は、ミラー面３１と、軸３２と、ミラー枠３３と、軸３４とで構成されており、ミラー面３１は、軸３２によってその上下方向をミラー枠３３に支持されており、水平走査系駆動回路２８から駆動電圧が印加された駆動装置（図示外）によって左右方向（図中矢印Ｄ方向）に回動可能となっている。また、ミラー枠３３は、その左右方向に突設された軸３４によって図示外の支持体に支持され、垂直走査系駆動回路２９から駆動電圧が印加された駆動装置（図示外）によって上下方向（図中矢印Ｅ方向）に回動可能となっている。尚、走査ミラー３０が、本発明における「第１の偏向手段」および「第２の偏向手段」である。
【００２８】
また、図１に示すように、反射光学系４０は、曲率半径Ｒの凹面鏡４１と曲率半径ｒの凸面鏡４２とで構成され、凹面鏡４１のミラー面４１ａと、凸面鏡４２のミラー面４２ａとが対向している。そして、凹面鏡４１と凸面鏡４２とは、それぞれの光軸（それぞれ焦点を通り、準線からなる面に対して直交する軸線）がほぼ同一線上に重なり、かつ、凹面鏡４１の曲率中心２０２と、凸面鏡４２の曲率中心２０２'とが略一致するようになっている。この曲率中心２０２，２０２'を含み、光軸に対して直交する面内において、曲率中心２０２，２０２'からの距離ｈの位置２０１（以下、「偏向中心２０１」という。）に、走査ミラー３０上の偏向点の位置、すなわち第２コリメート光学系１８から出射されるレーザ光の光束の中心がミラー面３１にあたる位置が配置され、また、曲率中心２０２，２０２'と偏向中心２０１とを結ぶ線上で、曲率中心２０２，２０２'に対して偏向中心２０１の点対称となる位置２０３（以下、「瞳孔位置２０３」という。）に、観察者の瞳孔２４が配置されている。尚、反射光学系４０が、本発明における「第１の光学手段」であり、瞳孔位置２０３が本発明における「偏向中心に対称な位置」である。
【００２９】
尚、反射光学系４０では、光軸と像点との距離、すなわち曲率中心２０２，２０２'と瞳孔位置２０３との距離である像高ｈは、曲率中心２０２，２０２'と偏向中心２０１との距離ｈと一致し、以下の式を満たす。
【数５】
0004082075.tif 000004
そして、偏向中心２０１から凹面鏡４１に入射し、そのミラー面４１ａで凸面鏡４２方向に反射されるレーザ光は、そのミラー面４２ａで再度凹面鏡４１方向に反射され、ミラー面４１ａで再び反射された後、すなわち３回反射を繰り返した後、瞳孔位置２０３に突入するようになっている。この原理については特公昭５７−５１０８３号、特公昭６０−３９２０５号等において詳しく説明されているので、ここでは図３を参照し、その特性について簡単に説明する。
【００３０】
次に、図３に示すように、反射光学系４０は、凸面鏡４２の曲率半径ｒが凹面鏡４１の曲率半径Ｒの約１／２となるように構成された光学系である。数式（１）は、偏向中心２０１を含み光軸と平行な直線と凹面鏡４１のミラー面４１ａとの交点（Ｍ）と、曲率中心２０２，２０２'（Ｋ）と、凸面鏡４２のミラー面４２ａと光軸との交点（Ｎ）とからなる三角形ＮＭＫが、その等辺と底辺との間の角度、すなわち凹面鏡４１に入射するレーザ光の反射角度がθである二等辺三角形となる条件を満たす。
【００３１】
そして、偏向中心２０１（Ｊ）と瞳孔位置２０３（Ｌ）とを結ぶ直線ＪＬを回転軸とした面において、凹面鏡４１と凸面鏡４２との位置関係は軸対称となる。従って、偏向中心２０１から凹面鏡４１に出射される光束が紙面と垂直な方向へずれて出射された場合、その偏向角（図示外）は、反射光学系４０を介して瞳孔位置２０３に入射する光束の偏向角と一致する。従って、偏向中心２０１において、直線ＪＬを回転軸とした等角速度の偏向は、反射光学系４０を通過後も瞳孔位置２０３において等角速度のまま保存されることとなる。
【００３２】
また、曲率中心２０２，２０２'を含む紙面に垂直な直線を回転軸とし、反射光学系４０が時計方向あるいは反時計方向に回転した場合において、その回転角が小さい場合には、その回転による偏向中心２０１および瞳孔位置２０３のズレの影響はほとんど無視することができ、略軸対称とみなすことができる。すなわち、偏向中心２０１において紙面と平行な方向への偏向角αは、瞳孔位置２０３においても偏向角αとして略一致するとみなすことができる。従って、偏向中心２０１において、曲率中心２０２，２０２'を含む紙面に垂直な直線を回転軸とした等角速度の偏向は、反射光学系４０を通過後も瞳孔位置２０３において等角速度のまま保存されることとなる。尚、この場合、凸面鏡４２の曲率半径ｒが凹面鏡４１の曲率半径Ｒの１／２より若干大きいとき、具体的には０．５２倍程度のときに、偏向角αの有効となる角度を最も大きくすることができる。
【００３３】
さらに、反射光学系４０は光路上において屈折率の変化の生ずる、例えばレンズ等の光学素子を通過しない光学系であるので、偏向中心２０１における光束の波面曲率は、偏向中心２０１と共役になる瞳孔位置２０３において保存されることとなる。
【００３４】
このような特性を有する反射光学系４０では、瞳孔位置２０３において、３次収差のうち球面収差、コマ収差、歪曲収差が補正される利点がある。また、数式（１）の条件を満たすことで、非点収差がほぼゼロに補正される。さらに、レンズ等を利用しないので色収差も生じない。
【００３５】
次に、本発明の一実施の形態の画像表示装置が、外部からの映像信号を受けてから、観察者の網膜上に映像を投影するまでの過程について、図１を参照して説明する。
【００３６】
図１に示すように、本実施の形態の網膜走査型ディスプレイ１では、光源ユニット部２に設けられた映像信号供給回路３が外部からの映像信号の供給を受けると、映像信号供給回路３は、赤，緑，青の各色のレーザ光を出力させるためのＲ映像信号，Ｇ映像信号，Ｂ映像信号からなる映像信号４と、水平同期信号と、垂直同期信号とを出力する。Ｒレーザドライバ１０，Ｇレーザドライバ９，Ｂレーザドライバ８は各々入力されたＲ映像信号，Ｇ映像信号，Ｂ映像信号に基づいてＲレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１に対してそれぞれの駆動信号を出力する。この駆動信号に基づいて、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１はそれぞれレーザ光を発生し、各々を第１コリメート光学系１４に出力する。点光源から発生されるレーザ光は、この第１コリメート光学系１４によってそれぞれが平行光にコリメートされ、さらに、ダイクロイックミラー１５に入射されて１つの光束となるよう合成された後、結合光学系１６によって光ファイバ１７に入射されるよう導かれる。
【００３７】
光ファイバ１７によって伝搬されたレーザ光は、光ファイバ１７から出射される際に第２コリメート光学系１８によって再度コリメートされ、走査ミラー３０に入射される。そして、水平同期信号および垂直同期信号に同期して水平走査系駆動回路２８および垂直走査系駆動回路２９より走査ミラー３０の駆動装置（図示外）に駆動電圧が印加されることで、走査ミラー３０のミラー面３１が水平方向および垂直方向に回動され、このミラー面３１に入射されたレーザ光は、水平方向および垂直方向に走査されつつ反射される。さらに、この走査されたレーザ光は反射光学系４０の凹面鏡４１のミラー面４１ａに入射され、前述したように、凸面鏡４２のミラー面４２ａとの間で３回反射された後、走査ミラー３０と共役の位置にある観察者の瞳孔２４に入射され、網膜上に投影される。観察者はこのように２次元走査されて網膜上に投影されたレーザ光により画像を認識することができる。
【００３８】
以上説明したように、本実施の形態の網膜走査型ディスプレイ１では、光源ユニット部２から出射されたレーザ光を走査ミラー３０で水平方向および垂直方向に走査し、凹面鏡４１と凸面鏡４２とで構成された反射光学系４０に入射させ、走査ミラー３０の偏向面上と共役の関係となる位置に配置された観察者の瞳孔２４に入射することができる。走査されたレーザ光をこの反射光学系４０を通過させることで、観察者の網膜上に形成される画像に、３次収差のうち球面収差、コマ収差、歪曲収差および非点収差の影響が生じないようにすることができる。また、レンズ等を利用しないので色収差の影響も生じない。さらに、レーザ光を走査させることでレーザ光は等角速度に偏向されるが、反射光学系４０を通過してもその偏向速度が保存されるので、速度補正のための光学系等を利用せずとも観察者の網膜上に良好な画像を表示することができる。
【００３９】
尚、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、図４に示すように、第２コリメート光学系１８と反射光学系４０との間に反射光学系４０に同等な反射光学系５０を設け、第２コリメート光学系１８から出射されたレーザ光を水平走査系駆動回路２８に接続されたポリゴンミラー１９ａで水平方向に走査して反射光学系５０を通過させ、反射光学系５０から出射されたレーザ光を垂直走査系駆動回路２９に接続されたガルバノミラー２１ａで垂直方向に走査して反射光学系４０を通過させ、反射光学系４０から出射されたレーザ光を観察者の瞳孔２４に入射するようにしてもよい。尚、反射光学系５０が、本発明における「第２の光学手段」である。
【００４０】
この場合、図５に示すように、反射光学系５０は、ミラー面５１ａを有する曲率半径Ｒの凹面鏡５１と、ミラー面５２ａを有する曲率半径ｒの凸面鏡５２とで構成され、それぞれの配置関係は反射光学系４０と同様となっており、反射光学系５０の偏向中心２１１、曲率中心２１２および瞳孔位置２１３はそれぞれ反射光学系４０の偏向中心２０１、曲率中心２０２および瞳孔位置２０３に相当する。反射光学系５０と反射光学系４０とは、それぞれの光軸方向が互いに直交するように配置されている。すなわち、図中、反射光学系５０の光軸方向はＹ軸方向となり、反射光学系４０の光軸方向は紙面と垂直な方向となる。さらに、反射光学系５０の曲率中心２１２を含み偏向中心２１１と瞳孔位置２１３とを結ぶ線（Ｘ軸方向）と、反射光学系４０の曲率中心２０２を含み偏向中心２０１と瞳孔位置２０３とを結ぶ線（Ｙ軸方向）とがＸＹ平面上で直交し、かつ反射光学系５０の瞳孔位置２１３が反射光学系４０の偏向中心２０１と一致するように配置されている。
【００４１】
反射光学系５０の偏向中心２０１にはポリゴンミラー１９ａの偏向面が配置され、このポリゴンミラー１９ａは、第２コリメート光学系１８から入射されたレーザ光（入射方向は任意）を＋Ｙ方向に走査しつつ反射して、凹面鏡５１のミラー面５１ａに入射させる。レーザ光は、前述と同様に凹面鏡５１のミラー面５１ａと凸面鏡５２のミラー面５２ａとの間で３回反射された後、反射光学系５０から出射され（−Ｙ方向）、瞳孔位置２１３、すなわち偏向中心２０１に配置されたガルバノミラー２１ａの偏向面において、偏向中心２１１のポリゴンミラー１９ａの偏向面と共役になる。そして、このガルバノミラー２１ａは、レーザ光を紙面と垂直な方向に走査しつつ反射して、反射光学系４０の凹面鏡４１のミラー面４１ａに入射させる。レーザ光は、この反射光学系４０でも反射光学系５０と同様に、凹面鏡４１のミラー面４１ａと凸面鏡４２のミラー面４２ａとの間で３回反射され、偏向中心２０１と共役になるように瞳孔位置２０３に出射される。瞳孔位置２０３には観察者の瞳孔２４が配置されており、瞳孔位置２０３と偏向中心２０１と、瞳孔位置２１３と偏向中心２１１とがそれぞれ共役の関係にあるので、第２コリメート光学系１８からポリゴンミラー１９ａの偏向面に入射されるレーザ光は、瞳孔２４の位置において共役となる。さらに、レーザ光はポリゴンミラー１９ａおよびガルバノミラー２１ａによって水平方向および垂直方向にそれぞれ走査され、観察者の瞳孔２４に位置において画像として形成される。
【００４２】
この変形例の特徴として、偏向中心２１１と瞳孔位置２１３とを結ぶ線（Ｘ軸方向）と、偏向中心２０１と瞳孔位置２０３とを結ぶ線（Ｙ軸方向）とが同一平面上で直交している。第２コリメート光学系１８でコリーメートされてからポリゴンミラー１９ａの偏向面に入射するレーザ光が反射光学系５０を通過する場合において、その通過箇所のミラー面５１ａ，５２ａが平面ではなく、レーザ光の奥行き方向に対しＸ軸方向に傾斜した球面であるので、レーザ光の断面上の任意の部分において光路差が生じてしまう。すなわち、反射光学系５０では、凹面鏡５１と凸面鏡５２との間を反射されつつ通過する間に変化されるレーザ光の断面の形状が、瞳孔位置２１３において偏向中心２１１と共役となるように収束する構成となっているが、そのレーザ光の収束位置に、Ｘ軸方向とＹ軸方向との間で若干のズレが生じてしまい、ポリゴンミラー１９ａの偏向面では円形であったレーザ光の断面が、ガルバノミラー２１ａの偏向面において、Ｘ軸方向に長径を有する楕円形となる。この非点収差は、数式（１）の条件を満たすことでほぼゼロに補正されるが、それでもわずかではあるが生ずる。しかし、反射光学系４０を通過する場合には、反射光学系５０を通過した場合と同様に、今度は、Ｙ軸方向に傾斜した反射面をレーザ光が通過することになるので、反射光学系５０，４０を通過したレーザ光の断面上の任意の部分の光路差は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に一様に相殺されて同じとなる。従って、本変形例では、非点収差が生じず、良好な画像を利用者の瞳孔２４に入射させることが可能となる。
【００４３】
また、図６に示す変形例は、図４に示す変形例に反射光学系６０を加えた例である。反射光学系６０は、反射光学系４０，５０と同等の光学系であり、ミラー面６１ａを有する曲率半径Ｒの凹面鏡６１と、ミラー面６２ａを有する曲率半径ｒの凸面鏡６２とで構成され、それぞれの配置関係は反射光学系４０，５０と同様となっており、反射光学系６０の偏向中心２２１、曲率中心（図示外）および瞳孔位置２２３はそれぞれ反射光学系４０，５０の偏向中心２０１，２１１、曲率中心２０２，２１２および瞳孔位置２０３，２１３に相当する。反射光学系６０は、その光軸と反射光学系４０の光軸とが平行になり、かつ反射光学系４０の瞳孔位置２０３が反射光学系６０の偏向中心２２１と一致して互いに向き合う構成となっている。このように反射光学系６０を配置した場合、前述と同様に、偏向中心２２１と瞳孔位置２２３とが共役の関係となるので、瞳孔位置２０３を瞳孔位置２２３に転送することができる。すなわち、観察者の瞳孔２４の配置位置を移動させることが可能となる。そして、さらに複数の反射光学系６０と同等の光学系を利用することで、瞳孔２４の位置を任意の位置に転送することが可能となる。尚、反射光学系６０が、本発明における「瞳孔位置転送手段」である。
【００４４】
また、図７に示すように、反射光学系４０の凹面鏡４１の一部をハーフミラー４１ｂとして構成してもよい。この場合、例えば光軸より瞳孔位置２０３寄りの部分の凹面鏡４１をハーフミラー４１ｂとすることで、反射光学系４０を通過するレーザ光の一部を瞳孔位置２０３に出射するとともに、凹面鏡４１の外方からの光束を通過させて瞳孔２４に入射させることができる。すなわち、瞳孔２４には、前述と同様に偏向中心２０１に配置された走査ミラー３０に走査され反射光学系４０を通過したレーザ光と、瞳孔２４に対して凹面鏡４１の外方の位置、例えば外界の物体２５の位置よりそのハーフミラー４１ｂ部分を透過して瞳孔２４に入射する光束とが合成されて入射される。
【００４５】
また、図８に示すように、反射光学系４０の光軸方向と平行方向、かつ凹面鏡４１より瞳孔位置２０３を通る延長線を光軸とした２つの焦点距離の異なるレンズ７０，７１を配置して、さらにその光軸上に利用者の瞳孔２４を配置することによって、偏向中心２０１と共役な瞳孔位置２０３に結像される画像の結像倍率を変更して観察者の瞳孔２４に入射させることが可能となる。レンズ７０の焦点距離をｆ、レンズ７１の焦点距離をｆ'とした場合、反射光学系４０の瞳孔位置２０３と、レンズ７０の主点の位置２３１と、レンズ７１の主点の位置２３２と、観察者の瞳孔位置２３３とは同軸上に配置される。反射光学系４０を通過し、さらに瞳孔位置２０３を通過した平行光であるレーザ光は、レンズ７０に入射し、レンズ７０の通過時に屈折されて、その主点から距離ｆの位置で焦点を結ぶ。そして、このレーザ光は、レンズ７０の屈折による収束角度と同一の広がり角度をもって、焦点位置から距離ｆ'だけ離れた位置にあるレンズ７１に入射する。レンズ７１の焦点距離はｆ'であるので、レーザ光は再度平行光にコリメートされ、瞳孔位置２３３において、瞳孔位置２０３で結像された画像が再度、形成されることになる。このとき、レンズ７０の通過前のレーザ光のビーム径を、レンズ７１の通過時においてｆ'／ｆの倍率に変換することが可能となる。すなわち、レンズ７０，７１の倍率の組合せによって、瞳孔２４に入射するレーザ光を拡大あるいは縮小することができる。尚、レンズ７０，７１が、本発明における「倍率変換手段」である。
【００４６】
また、図９に示すように、網膜走査型ディスプレイ１の第２コリメート光学系１８と走査ミラー３０との間に、波面曲率変調手段１００を設けてもよい。本変形例における網膜走査型ディスプレイ１の波面曲率変調手段１００は、可変焦点レンズ１０１と凸レンズ１０２とによって構成されている。また、光源ユニット部２には波面曲率変調手段駆動回路２３が設けられており、この波面曲率変調手段駆動回路２３は、映像信号供給回路３から出力される奥行き信号に基づいて、接続された波面曲率変調手段１００に駆動電圧を印加するようになっている。網膜走査型ディスプレイ１のその他の構成は、前述の本実施の形態の場合と同様の構成となっている。
【００４７】
ここで、波面曲率の変調について説明する。光源から発した光は、光源を中心とした全方位に等速、同位相で進む光の波、いわゆる等位球面波として伝搬されるが、光源と観察者との距離に応じてその球面波の持つ曲率半径が異なってくる。光源が近ければ曲率半径の小さい像として、また、光源が遠ければ曲率半径の大きい像として観察者の網膜上に投影される。観察者はこの曲率半径のズレを認識し、遠近感を感じることができる。この光の球面波の曲率、つまり波面曲率を人工的に変調させ映像等で表現することによって、本変形例では、より自然な感覚に近い立体視を観察者に提供することを可能としている。
【００４８】
次に、図１０に示すように、波面曲率変調手段１００の可変焦点レンズ１０１は、透明な流体１０４を２枚のダイヤフラム１０３の間に保持しており、波面曲率変調手段駆動回路２３（図９参照）から出力される駆動電圧の印可された圧電バイモルフ１０５が駆動してダイヤフラム１０３を変形させることによって、可変焦点レンズ１０１の焦点位置を変動させる。可変焦点レンズ１０１には、第２コリメート光学系１８によって平行光にコリメートされたレーザ光が入射光として、−Ｘ方向から入射される。可変焦点レンズ１０１の主点と凸レンズ１０２の主点との間の距離は、２×ｆ０に固定されている。
【００４９】
可変焦点レンズ１０１の焦点距離ｆ１が凸レンズ１０２と同じ距離ｆ０になるように調整された場合、可変焦点レンズ１０１を通過したレーザ光は、可変焦点レンズ１０１の主点と凸レンズ１０２の主点との中間で焦点を結び、凸レンズ１０２に対して−Ｘ方向の距離ｆ０から＋Ｘ方向に発せられた光として入射するので、凸レンズ１０２を通過するレーザ光は平行光にコリメートされる。波面曲率変調手段１００は、この平行光にコリメートされたレーザ光を出射光として＋Ｘ方向に出射する。
【００５０】
また、図１１に示すように、圧電バイモルフ１０５の駆動によってダイヤフラム１０３が変動され、可変焦点レンズ１０１の焦点距離ｆ１がｆ０より小さくなるように調整された場合、−Ｘ方向より可変焦点レンズ１０１に入射したレーザ光は、可変焦点レンズ１０１を通過後、凸レンズ１０２の焦点距離ｆ０より長い距離ｆ１の位置で収束する。さらに、レーザ光は、凸レンズ１０２に対して−Ｘ方向の距離２ｆ０−ｆ１から＋Ｘ方向に発せられた光、すなわち凸レンズ１０２の焦点距離ｆ０よりも近い位置から発せられた光として入射する。この場合、焦点距離ｆ０である凸レンズ１０２を通過したレーザ光は平行光にコリメートされず、波面曲率変調手段１００は、このレーザ光を広がり角度を有する拡散光の出射光として＋Ｘ方向に出射する。この広がり角度を有する拡散光は、見かけ上の発光点１２５から発せられたレーザ光と同じ波面曲率を持つ。
【００５１】
そして、このように波面曲率を変調されたレーザ光が、走査ミラー３０で水平および垂直方向に走査され、反射光学系４０を通過して観察者の瞳孔２４に入射される。前述と同様に偏向中心２０１と瞳孔位置２０３とは共役の関係にあるので、偏向中心２０１、すなわち走査ミラー３０の偏向面におけるレーザ光の波面曲率が、瞳孔位置２０３において保存される。そして、観察者が瞳孔２４から眼の中に入射したレーザ光の見かけ上の発光点１２５にピントを合わせると、レーザ光は観察者の網膜上で結像する。ところで、観察者は、ピント合わせ動作（いわゆる調節作用）により、レーザ光の波面曲率の違いを識別することができるので、観察者はレーザ光の波面曲率の違いに基づく遠近感を認識することができる。すなわち、波面曲率の大きいレーザ光は近い位置より発せられたと感じ、波面曲率の小さいレーザ光は遠い位置より発せられたと感じる。従って、この場合、観察者には見かけ上の発光点１２５と、瞳孔２４の位置に共役な走査ミラー３０の偏向面との距離に相当する位置に、レーザ光の発光点が存在するように認識される。
【００５２】
また、反射光学系４０，５０，６０の凹面鏡の曲率半径または凸面鏡の曲率半径はそれぞれ同じ大きさでなくともよく、偏向中心と瞳孔位置との関係が共役となるように数式（１）の関係が満たされればよい。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明の画像表示装置では、２次元方向に偏向された光束を瞳孔に導くための光学系として少なくとも一組の曲率半径Ｒの凹面鏡と曲率半径ｒの凸面鏡とで構成された第１の光学手段を利用することができ、球面収差、コマ収差、歪曲収差、非点収差、色収差等の諸収差の影響をなくし、かつ第１または第２の偏向手段における光束の偏向の角速度と、瞳孔位置における光束の偏向の角速度とを等しくすることができる。また、観察者の瞳孔の配置位置と偏向中心とを共役の関係にすることができる。さらに、瞳孔位置転送手段により、観察者の瞳孔が配置される位置を転送することができる。従って、結像特性が良好で、かつ歪みのない画面を表示することができるとともに、観察者の瞳孔の配置位置を任意の位置に転送することが可能となる。
【００５４】
【００５５】
また、請求項２に係る発明の画像表示装置では、２次元方向に偏向された光束を瞳孔に導くための光学系として少なくとも一組の曲率半径Ｒの凹面鏡と曲率半径ｒの凸面鏡とで構成された第１および第２の光学手段を利用することができ、球面収差、コマ収差、歪曲収差、非点収差、色収差等の諸収差の影響をなくし、かつ第１および第２の偏向手段における光束の偏向の角速度と、瞳孔位置における光束の偏向の角速度とを等しくすることができる。そして、光束が、第１の光学手段を通過後に、光路に対して９０度だけ回転した状態で略同一の構成の第２の光学手段を通過することができる。従って、結像特性が良好で、かつ歪みのない画面を表示することができるとともに、第１の光学手段を通過した場合にわずかに生ずる非点収差を第２の光学手段を通過することで相殺することができ、良好な画像を表示することができる。
【００５６】
【００５７】
また、請求項３に係る発明の画像表示装置では、請求項２に係る発明の効果に加え、観察者の瞳孔の配置位置とそれぞれの偏向中心とを共役の関係にすることができる。従って、観察者の網膜上に、結像特性が良好で、かつ歪みのない画面を表示することができる。
【００５８】
【００５９】
また、請求項４に係る発明の画像表示装置では、請求項３に係る発明の効果に加え、瞳孔位置転送手段が、第１または第２の光学手段は観察者の瞳孔が配置される位置を転送することができる。従って、観察者の瞳孔の配置位置を任意の位置に転送することが可能となる。
また、請求項５に係る発明では、請求項１または４に係る発明の効果に加え、結像性能および角速度の等速性を損なうことなく、自由度の高い観察位置に画像を表示することができる。
また、請求項６に係る発明の画像表示装置では、請求項２、３及び５の何れかに係る発明の効果に加え、凹面鏡の反射面を通して前方の実体を観察することができる。従って、表示画像と実体とを同時に観察する、いわゆるシースルー動作を行うことができる。
【００６０】
また、請求項７に係る発明の画像表示装置では、請求項１、及び３乃至６の何れかに係る発明の効果に加え、倍率変換手段が、第１または第２の光学手段は観察者の瞳孔が配置される位置に結像される像の結像倍率を変換することができる。従って、観察者の瞳孔位置で形成される画像の画角を拡大もしくは縮小することができる。
【００６１】
また、請求項８に係る発明の画像表示装置では、請求項１乃至７の何れかに係る発明の効果に加え、波面曲率変調手段が、光源から出射された光束の波面曲率を調整もしくは変調することができる。従って、形成される虚像の提示位置を好ましい位置に設定することができ、かつ偏向中心と共役な関係の観察者の瞳孔位置までの光路長の影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、網膜走査型ディスプレイ１の全体構成を示す全体構成図である。
【図２】図２は、走査ミラー３０の斜視図である。
【図３】図３は、反射光学系４０の特性を説明するための図である。
【図４】図４は、反射光学系４０，５０を、それぞれの光軸が直交する方向に配置した変形例を示す図である。
【図５】図５は、反射光学系４０，５０の配置特性を説明するための図である。
【図６】図６は、反射光学系６０によって瞳孔位置を転送する変形例を示す図である。
【図７】図７は、凹面鏡４１の一部をハーフミラー４１ｂとして構成することでシースルー動作を行うことのできる変形例を示す図である。
【図８】図８は、瞳孔位置２０３に結像される画像の結像倍率を変更することができる変形例を示す図である。
【図９】図９は、波面曲率変調手段１００を利用して観察者に立体視を提供することのできる変形例を示す図である。
【図１０】図１０は、波面曲率変調手段１００によりレーザ光が変調される態様を示す模式図である。
【図１１】図１１は、波面曲率変調手段１００によりレーザ光が変調される態様を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 網膜走査型ディスプレイ
２ 光源ユニット部
１９ａ ポリゴンミラー
２１ａ ガルバノミラー
２４ 瞳孔
３０ 走査ミラー
４０，５０，６０ 反射光学系
４１ 凹面鏡
４１ｂ ハーフミラー
４２ 凸面鏡
７０ レンズ
７１ レンズ
１００ 波面曲率変調手段
２０１ 偏向中心
２０２ 曲率中心
２０３ 瞳孔位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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