JP2001194617A - 映像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 少ない光学素子によって構成された小型な走
査型映像表示装置用の光学系。 【解決手段】 映像を表示する映像表示素子１４と、映
像表示素子１４を発する光を走査する走査手段１３と、
映像表示素子１４によって形成され走査手段１３により
走査された映像を投影する投影光学系３０とからなる映
像表示装置において、瞳１１と映像表示素子１４の間に
投影光学系３０と走査手段１３が配置され、投影光学系
３０が中間像１５を形成し、逆光線追跡で、投影光学系
３０の中、瞳１１から中間像１５を経て走査手段１３に
至る部分の光学系が、折り曲げ光路が面対称な２つの光
学系３１、３２により構成されている映像表示装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、映像表示装置に関
し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することを可能
にする頭部又は顔面装着式映像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型の映像表示装置の中、走査型の頭
部装着式映像表示装置（いわゆるＨＭＤ）の従来技術に
は次のものがある。

【０００３】従来技術１（特開平８−５４５７８号）：
図９に示すように、レーザからの光束をＡ−Ｏ変調器で
変調し、その変調光は多角形走査装置（ポリゴンミラ
ー）で１次元方向に走査され、２枚の中継ミラーを経て
光ファイバリボンの入射端に入射され、その出射端から
その１次元走査像が出射する際に光ファイバリボンの出
射端が振動されて２次元走査像が形成され、その走査像
が投影光学系と凹面鏡を経て観察者眼球内に投影される
ことにより、映像が表示される。

【０００４】従来技術２（特開平９−５９０３号）：図
１０に示すように、ＬＥＤアレイからの光束が対物レン
ズを経て回転反射鏡（ポリゴンミラー）でＬＥＤアレイ
の配置方向と直角な方向に走査され、かつ、左右の観察
光路に分けられ、それぞれ固定反射鏡を経て中間実像を
形成して接眼レンズにより観察者の左右の眼球に走査像
が投影されることにより、両眼に映像が表示される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図９の
従来技術１の場合、光学系は、凹面鏡１個＋光ファイバ
リボンの後のレンズ５個（投影光学系）＋光ファイバリ
ボン１個＋中継ミラー２個＋ポリゴンミラー１個＋レン
ズ１個（リレーレンズ）＋光源１個（レーザ）の計１２
個以上の光学部品が必要である。

【０００６】また、図１０の従来技術２の場合、片眼用
には、光源１個＋レンズ５個＋ミラー１個＋ポリゴンミ
ラー１個の計８個の光学部品が必要で、両眼用には、光
源１個＋レンズ７個＋ミラー２個＋ポリゴンミラー１個
の計１１個の光学部品が必要となる。

【０００７】このように、従来技術においては光学系を
構成する部品点数が非常に多いので、各部品の位置調整
が大変である。

【０００８】また、映像表示素子、レンズ、スキャンミ
ラー等で構成される光学系全体の大きさが大きいので、
顔面に装着するＨＭＤ光学系としては不適切である。

【０００９】本発明はこのような従来技術の問題点を解
決するためになされたものであり、その目的は、少ない
光学素子によって構成された小型な走査型映像表示装置
用の光学系を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の第１の映像表示装置は、映像を表示する映像表示素
子と、映像表示素子を発する光を走査する走査手段と、
前記映像表示素子によって形成され走査手段により走査
された映像を投影する投影光学系とからなる映像表示装
置において、瞳と映像表示素子の間に投影光学系と走査
手段が配置され、投影光学系が中間像を形成し、逆光線
追跡で、投影光学系の中、瞳から中間像を経て走査手段
に至る部分の光学系が、折り曲げ光路が面対称な２つの
光学系により構成されていることを特徴とするものであ
る。

【００１１】この映像表示装置は、後記の実施例１〜３
が対応する。

【００１２】この第１の映像表示装置の作用効果を説明
する。投影光学系を図１の展開光路図に示すような構成
とする。図１（ａ）は、音響光学偏向器ＡＯＤのような
透過型の走査手段を用いる場合、図１（ｂ）は、ガルバ
ノミラー、ポリゴンミラーのような反射型の走査手段を
用いる場合を示す。また、簡単のために２次元走査手段
を使用する場合で説明する。

【００１３】順光線追跡で、映像表示素子１を発した光
は、集光光学系２で集光され、瞳位置付近に配置された
走査手段３に入射する。走査手段３で走査された光は、
リレー光学系４により中間像５を形成し、接眼光学系６
により瞳（逆光線追跡の入射瞳）７に入射する。このよ
うな構成にすると、走査手段３が瞳位置付近にあるの
で、順光線追跡で瞳に投影される光がケラレないし、走
査手段３の大きさを小さくすることができる。

【００１４】この図１（ａ）、図１（ｂ）の構成におい
て、逆光線追跡で、接眼光学系６とリレー光学系４が中
間像５に関して対称な構成だと、それぞれの光学系で発
生する収差が打ち消しあうので、投影光学系の中、瞳７
から中間像５を経て走査手段３に至る部分全体の収差を
良好にすることができる。その結果、投影光学系を構成
する光学面の面数を削減でき、投影光学系を単純で小型
なものにすることができる。

【００１５】これは、特に、光学系のディストーション
を制御して、光学系の直線走査性や等速走査性を確保す
る上で有効である。

【００１６】また、偏心光学系において対称面を逆光線
追跡の入射瞳に対して２０〜７０°（最も好ましくは、
４５°程度）傾斜させると、走査手段３（逆光線追跡の
射出瞳）を光学系の上部に配置できるので、走査手段３
により光学系全体の前後方向の突出量が増加することが
ない。これは、特に、ＨＭＤ光学系において重要であ
る。

【００１７】なお、ここで、図１（ａ）や図１（ｂ）に
示されているように、「接眼光学系とリレー光学系が、
中間像に関して折り曲げ光路が面対称である。」という
表現をしないで、「折り曲げ光路が面対称な２つの光学
系により構成される」という表現をした理由を以下に補
足する。

【００１８】投影光学系を偏心光学系で構成する場合、
逆光線追跡で、瞳７から中間像５までの光学系（接眼光
学系６）、中間像５、中間像５から走査手段３までの光
学系（リレー光学系４）等は、基本的に全て偏心してい
る。その結果、必ずしも、図１（ａ）や図１（ｂ）のよ
うに、中間像５全部が両光学系の間に位置しているとは
限らない。特に、投影光学系を小型化しようとすると、
中間像５の一部が両光学系の一部に重なってしまうケー
スも出てくる。この場合でも、両光学系の折り曲げ光路
を面対称な構成とすることで、基本的に上述した作用効
果が得られる。なお、本発明において、「折り曲げ光路
が面対称」とは、光路の長さ、折り曲げ角度が対称面に
対して完全に対称と言う意味ではなく、光路を折り曲げ
る回数、折り曲げ方向が面対称的であると言う意味であ
る。

【００１９】本発明の第２の映像表示装置は、第１の映
像表示装置において、折り曲げ光路が面対称な２つの光
学系の間に、中間像の半分以上が含まれることを特徴と
するものである。

【００２０】この映像表示装置は、後記の実施例１〜３
が対応する。

【００２１】この第２の映像表示装置の作用効果を説明
する。逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳から中間像を
経て走査手段に至る部分の光学系を、折り曲げ光路が面
対称な２つの光学系により構成する場合、中間像の一部
が両光学系の一部に重なっても両光学系による収差の打
ち消し合う効果を得ることができる。この場合、中間像
の半分以上を両光学系の間に配置することで、この収差
の打ち消し効果を十分に得ることができる。

【００２２】これは、特に、瞳から投影光学系までの距
離（アイリリーフ）を確保する必要があるＨＭＤ光学系
の場合に重要である。

【００２３】本発明の第３の映像表示装置は、第１の映
像表示装置において、折り曲げ光路が面対称な構成をな
す２つの光学系のそれぞれが、パワーを有し光軸に対し
て偏心した反射面を２面以上含み、この反射面がプリズ
ム部材の面として構成されていることを特徴とするもの
である。

【００２４】この映像表示装置は、後記の実施例１〜３
が対応する。

【００２５】この第３の映像表示装置の作用効果を説明
する。２回以上の反射による折り畳みの効果で、接眼光
学系、リレー光学系を小型化することができる。

【００２６】また、接眼光学系、リレー光学系のそれぞ
れの光学系において、パワーを有する偏心反射面で２回
以上反射させることで、偏心収差を良好に補正すること
ができる。これは、特に、光学系で直線走査性や等速走
査性を確保するために重要である。

【００２７】この構成においては、投影光学系の中の接
眼光学系とリレー光学系のパワーの主体を反射作用に持
たせるので、投影光学系での色収差の発生が少なくな
る。

【００２８】また、光学的パワーを有し光軸に対して偏
心した反射面はレンズ作用とミラー作用を持つので、光
学系を構成する部品点数を削減し光学系を小型化でき
る。

【００２９】この場合、光学的パワーを有し光軸に対し
て偏心した反射面をプリズム部材の１面として構成する
と、逆光線追跡で瞳からプリズム部材に入射する光線が
入射面で屈折されるので、以降の面への軸外光線の入射
光線高を低く設定することができる。そのため、光学系
を小型にできると共に、より大きな画角を実現すること
ができる。また、軸外光線の従属光線高も低くなるの
で、コマ収差等の発生を抑制することもできる。

【００３０】また、一般に、反射面は屈折面より偏心誤
差を厳しく制御しなければならないので、組み立て調整
作業が大変になる。しかし、反射面をプリズム部材の１
面として構成すれば、この反射面の調整作業が削減でき
る。

【００３１】この場合、折り曲げ光路が面対称な２つの
光学系の両者を１つのプリズム部材として構成すると、
製作性がより向上し好ましい。また、２つの光学系を中
間像付近で２つのプリズム部材に分割すると、２つのプ
リズム部材の中間像側の面でディストーションを制御で
きるのでの、光学系のｆアークサインθレンズ特性を向
上させたり瞳収差の補正を行うことができるので好まし
い。

【００３２】本発明の第４の映像表示装置は、第１の映
像表示装置において、折り曲げ光路が面対称な２つの光
学系の中、瞳側光学系が、瞳から映像表示素子に向かう
逆光線追跡で、少なくとも、プリズム部材へ入射する第
１透過面、光学的パワーを有し光軸に対して偏心（disp
lacementあるいはtilt）した第１反射面、第２反射面を
含み、第１透過面と第２反射面が同一面であることを特
徴とするものである。

【００３３】この映像表示装置は、後記の実施例１〜３
が対応する。

【００３４】この第４の映像表示装置の作用効果を説明
する。折り曲げ光路が面対称な２つの光学系の中、瞳側
光学系（接眼光学系）も走査手段側光学系（リレー光学
系）も２回以上反射していることになるので、折り畳み
の効果で光学系を小型化できる。 また、瞳から走査手
段に至る光学系（接眼光学系＋リレー光学系）が反射作
用を中心に構成されているので、発生する色収差が少な
くなる。

【００３５】また、瞳から走査手段に至る光学系の瞳側
光学系（接眼光学系）が兼用面を少なくとも１面（第１
透過面＝第２反射面）含むので、瞳から走査手段に至る
光学系全体（接眼光学系＋リレー光学系）としては兼用
面を２面含むことになる。よって、透過と反射という２
つの作用を同一面で行うので、光学系を構成する面を削
減して光学系を単純で小型化なものにすることができ
る。また、成形で製作する際の型が少なくて済むので、
製作コストが下がる。

【００３６】この場合、瞳から走査手段に至る光学系の
瞳側光学系（接眼光学系）の第２反射面における反射作
用を全反射とすれば、光学系をより小型化できるので好
ましい。

【００３７】本発明の第５の映像表示装置は、映像を表
示する映像表示素子と、映像表示素子を発する光を走査
する走査手段と、前記映像表示素子によって形成され走
査手段により走査された映像を投影する投影光学系とか
らなる映像表示装置において、瞳と映像表示素子の間に
投影光学系と走査手段が配置され、投影光学系が中間像
を形成し、逆光線追跡で、投影光学系の中、瞳から走査
手段に至る部分が、面形状に関する対称面を１面だけ持
ち、その対称面内方向のみで偏心しており、逆光線追跡
で、投影光学系の中の瞳から走査手段に至る部分が、少
なくとも４面の反射面を持ち、逆光線追跡で、投影光学
系の中の瞳から走査手段に至る部分が、次式を満足する
ことを特徴とする映像表示装置。

【００３８】 φ₂ θ₁ ／φ₁ θ₂ ＞１ ・・・（１） ここで、逆光線追跡で、面形状に関する対称面内方向に
おける瞳から投影光学系に入射する半画角をθ₂ 、対称
面と直交面方向における瞳から投影光学系に入射する半
画角をθ₁ 、対称面方向の映像表示に必要な走査手段の
片側振れ角をφ ₂ 、対称面と直交面方向の映像表示に必
要な走査手段の片側振れ角をφ₁ とする。

【００３９】ここで、補足として、走査手段の片側振れ
角φ₁ 、φ₂ に関して、必ずしも走査手段が±φ振れる
という訳ではない。例えば走査ミラーの振れ角の一部を
利用して映像表示を行う場合は、映像表示に使うのが±
φということであり、その場合のφが片側振れ角φ₁ 、
φ₂ となる。

【００４０】この映像表示装置は、後記の実施例１〜３
が対応する。

【００４１】この第５の映像表示装置の作用効果を説明
する。光学系を図１（ａ）、図１（ｂ）のように構成す
るとし、この光学系における最適な瞳倍率＝射出瞳径／
入射瞳径を考える。まず、瞳倍率を以下のように定義す
る。

【００４２】図１（ａ）の場合は、瞳収差の影響を除け
ば、スキャナ有効径＝瞳径である。しかし、ポリゴンミ
ラーやガルバノミラーのように反射型の走査手段３は、
一般に、図１（ｂ）のように光軸（軸上主光線）と走査
手段３の基準反射面が角度をなすために、接眼光学系６
とリレー光学系４の構成が同じでも、走査手段３の基準
反射面の角度によりスキャナ有効径は変化してしまう。
そこで、逆光線追跡で、リレー光学系４から走査手段３
に入射する半画角２φと瞳７から接眼光学系６に入射す
る半画角θとの比（２φ／θ）を順光線追跡における近
似的瞳倍率と考える（φは、最大画角時の走査手段の傾
角）。

【００４３】最適な瞳倍率を考えるのであるから、ま
ず、逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳７から走査手段
３に至る部分のみについて考える。

【００４４】投影光学系の中の瞳７から走査手段走査手
段３に至る部分が、少なくとも４面の反射面を持てば、
折り畳みの効果で光学系を小型化することができる。こ
の際、反射面のいくつかを偏心させることで、小型化の
効果をより大きくできる。

【００４５】特に、反射面がパワーを有する偏心反射面
の場合、接眼光学系６とリレー光学系４のそれぞれにお
いて２回以上反射させることで、偏心収差を良好に補正
することができる。これは、特に、光学系で直線走査性
や等速走査性を確保するために重要である。

【００４６】このとき、光学系が面形状に関する対称面
を１面だけ持ち、その対称面内のみで偏心していると、
光学系の製作性が向上して好ましい。この点についてＨ
ＭＤ光学系を例に説明する。

【００４７】ＨＭＤ光学系は、通常、観察者の水平方向
（左右方向）を広画角にするのが好ましいので、広い画
角を確保しやすい面形状の対称面と垂直方向を観察の水
平方向とし、投影光学系の対称面方向を観察者の上下方
向とするとよい。このように、ＨＭＤ光学系全体が対称
面を１面だけ持つと、投影光学系を両眼視用ＨＭＤ光学
系として使用する場合、左眼用光学系と右眼用光学系を
共通化することができ、コストを下げることができる。

【００４８】このとき、投影光学系を偏心させている面
内方向は、偏心した面と面が干渉しないように光学系を
構成する必要があるので、投影光学系を構成するのが難
しくなる。

【００４９】そこで、投影光学系を偏心させている方向
（投影光学系の面形状に関する対称面内方向）の順光線
追跡での瞳倍率を対称面との垂直方向の瞳倍率より大き
くし、リレー光学系付近の光束径を小さくした方が投影
光学系を構成しやすくなる。すなわち、次式を満足する
ことを望ましい。

【００５０】 本発明の第６の映像表示装置は、第５の映像表示装置に
おいて、以下の条件式を満足することを特徴とするもの
である。

【００５１】 ＮＡ₁ ／ＮＡ₂ ＞１ ・・・（２） ここで、順光線追跡で、対称面内方向における映像表示
から投影光学系への入射する光束の開口数をＮＡ₂ 、対
称面と垂直面方向における映像表示から投影光学系への
入射する光束の開口数をＮＡ₁ とする。

【００５２】この映像表示装置は、後記の実施例１〜３
が対応する。

【００５３】この第６の映像表示装置の作用効果を説明
する。多くの場合、逆光線追跡における入射瞳を円形に
する必要がある。この場合、条件式（１）を満足する
と、逆光線追跡における射出瞳（走査手段）は楕円形状
になる。映像表示素子を発した光が走査手段で楕円形状
になるためには、条件式（２）を満足した方が、投影光
学系の中、映像表示素子から走査手段までの光学系の構
成が容易になる。

【００５４】ＨＭＤ光学系の場合、観察者眼球位置にお
ける光学系の瞳は円形か横長形状であることが好まし
い。このように、逆光線追跡における投影光学系の入射
瞳が横長である場合、条件式（２）を満足することがよ
り重要になる。

【００５５】本発明の第７の頭部装着型映像表示装置
は、映像表示素子に表示された映像を虚像として形成
し、観察者眼球に導く以上の第１から第６の何れかに記
載の映像表示装置と、この映像表示装置を観察者顔面前
方に保持する支持部とを備えて構成されていることを特
徴とするものである。

【００５６】この映像表示装置は、後記の実施例１〜２
が対応する。

【００５７】この第７の映像表示装置の作用効果を説明
する。映像表示素子としてＬＣＤ（液晶表示素子）を用
いたＨＭＤは、偏光フィルタとカラーフィルタを使用す
るので、光源光の利用効率が悪い。本発明の光学系の場
合、光源光の利用効率が大きく向上する。

【００５８】走査手段として、例えば静電駆動方式のマ
イクロマシンスキャナを使用すれば低消費電力化できる
ので、携帯用のＨＭＤとして最適である。

【００５９】２次元走査を行う場合、映像表示素子は点
状で良いので、２次元的な大きさを持つＬＣＤを使用す
る場合より光学系を小型化することができる。

【００６０】本発明の第８の頭部装着型映像表示装置
は、第７の頭部装着型映像表示装置において、映像表示
装置を観察者の左右の眼に対応してそれぞれ１つずつ配
置していることを特徴とするものである。

【００６１】この映像表示装置は、後記の実施例１〜２
が対応する。

【００６２】この第８の映像表示装置の作用効果を説明
すると、左右に視差のある映像を表示すれば、立体視が
可能となる。

【００６３】本発明は、映像表示素子に表示された映像
を実像として表示する第１から第６の何れかに記載の映
像表示装置を備えて構成されているプロジェクタ、レー
ザビームプリンタ、バーコードリーダを含むものであ
る。

【００６４】これは、後記の実施例３が対応する。その
作用効果を説明すると、映像表示素子としてＬＣＤを用
いたプロジェクタは、偏光フィルタとカラーフィルタを
使用するので、光源光の利用効率が悪い。本発明の光学
系の場合、光源光の利用効率が大きく向上する。

【００６５】また、本発明の光学系は、投影光学系にビ
ーム整形機能を持たせることができるので、ＬＤを光源
とする光学系のビーム整形用の光学素子を削減できる。

【００６６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の映像表示装置の
実施例１から実施例３について図面を参照して説明す
る。

【００６７】各実施例の逆光線追跡での構成パラメータ
は後記するが、その各実施例の構成パラメータにおいて
は、図２に示すように、逆光線追跡で、軸上主光線（Ｈ
ＭＤの場合、観察者視軸）１２を、光学系の射出瞳（逆
光線追跡では入射瞳：観察者の瞳孔あるいは回旋中心位
置）１１の中心を垂直に通り、スキャンミラー１３を経
て映像表示素子１４中心に至る光線で定義する。そし
て、逆光線追跡において、瞳１１の中心を偏心光学系の
偏心光学面の原点として、軸上主光線１２に沿う方向を
Ｚ軸方向とし、瞳１１から光学系の第１面２１に向かう
方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と映像表示素子１４中
心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面
に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正
方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸を
Ｙ軸とする。図２には、この座標系を図示してある。そ
の他の実施例を示す図４、図８については、この座標系
の図示は省く。

【００６８】実施例１〜３では、このＹ−Ｚ平面内で各
面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の
唯一の面形状に関する対称面をＹ−Ｚ面としている。

【００６９】偏心面については、上記座標系の原点か
ら、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、
Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸
（自由曲面については、下記の（ａ）式のＺ軸）のＸ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれ
α，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場
合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計
回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味
する。

【００７０】また、各実施例の光学系を構成する光学作
用面の中、特定の面（仮想面を含む。）とそれに続く面
が共軸光学系を構成する場合に、面間隔が与えられてお
り、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って
与えられている。

【００７１】また、本発明で用いられる自由曲面の面の
形状は下記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が
自由曲面の軸となる。

【００７２】 ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面
項である。

【００７３】球面項中、 ｃ：頂点の曲率 ｋ：コーニック定数（円錐定数） ｒ＝√（Ｘ² ＋Ｙ² ） である。

【００７４】自由曲面項は、 ただし、Ｃ_j （ｊは２以上の整数）は係数である。

【００７５】なお、データの記載されていない自由曲面
に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長
５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さ
の単位はｍｍである。

【００７６】なお、自由曲面の他の定義式として、以下
の（ｂ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。
この面の形状は以下の式により定義する。その定義式の
Ｚ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面
の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定
義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回
りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表せられる。

【００７７】 ｘ＝Ｒ×cos(A) ｙ＝Ｒ×sin(A) Ｚ＝Ｄ₂ ＋Ｄ₃ Ｒcos(A)＋Ｄ₄ Ｒsin(A) ＋Ｄ₅ Ｒ² cos(2A)＋Ｄ₆ （Ｒ² −１）＋Ｄ₇ Ｒ² sin(2A) ＋Ｄ₈ Ｒ³ cos(3A) ＋Ｄ₉ （３Ｒ³ −２Ｒ）cos(A) ＋Ｄ₁₀（３Ｒ³ −２Ｒ）sin(A)＋Ｄ₁₁Ｒ³ sin(3A) ＋Ｄ₁₂Ｒ⁴cos(4A)＋Ｄ₁₃（４Ｒ⁴ −３Ｒ² ）cos(2A) ＋Ｄ₁₄（６Ｒ⁴ −６Ｒ² ＋１）＋Ｄ₁₅（４Ｒ⁴ −３Ｒ² ）sin(2A) ＋Ｄ₁₆Ｒ⁴ sin(4A) ＋Ｄ₁₇Ｒ⁵ cos(5A) ＋Ｄ₁₈（５Ｒ⁵ −４Ｒ³ ）cos(3A) ＋Ｄ₁₉（１０Ｒ⁵ −１２Ｒ³ ＋３Ｒ）cos(A) ＋Ｄ₂₀（１０Ｒ⁵ −１２Ｒ³ ＋３Ｒ）sin(A) ＋Ｄ₂₁（５Ｒ⁵ −４Ｒ³ ）sin(3A) ＋Ｄ₂₂Ｒ⁵ sin(5A) ＋Ｄ₂₃Ｒ⁶cos(6A)＋Ｄ₂₄（６Ｒ⁶ −５Ｒ⁴ ）cos(4A) ＋Ｄ₂₅（１５Ｒ⁶ −２０Ｒ⁴ ＋６Ｒ² ）cos(2A) ＋Ｄ₂₆（２０Ｒ⁶ −３０Ｒ⁴ ＋１２Ｒ² −１） ＋Ｄ₂₇（１５Ｒ⁶ −２０Ｒ⁴ ＋６Ｒ² ）sin(2A) ＋Ｄ₂₈（６Ｒ⁶ −５Ｒ⁴ ）sin(4A) ＋Ｄ₂₉Ｒ⁶sin(6A)・・・・・ ・・・（ｂ） なお、Ｘ軸方向に対称な光学系として設計するには、Ｄ
₄ ，Ｄ₅ ，Ｄ₆ 、Ｄ₁₀０，Ｄ₁₁，Ｄ₁₂，Ｄ₁₃，Ｄ₁₄，Ｄ
₂₀，Ｄ₂₁，Ｄ₂₂…を利用する。

【００７８】その他の面の例として、次の定義式（ｃ）
があげられる。

【００７９】Ｚ＝ΣΣＣ_nmＸＹ 例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したと
き、以下の式で表せる。

【００８０】 Ｚ＝Ｃ₂ ＋Ｃ₃ ｙ＋Ｃ₄ ｜ｘ｜ ＋Ｃ₅ ｙ² ＋Ｃ₆ ｙ｜ｘ｜＋Ｃ₇ ｘ² ＋Ｃ₈ ｙ³ ＋Ｃ₉ ｙ² ｜ｘ｜＋Ｃ₁₀ｙｘ² ＋Ｃ₁₁｜ｘ³ ｜ ＋Ｃ₁₂ｙ⁴ ＋Ｃ₁₃ｙ³ ｜ｘ｜＋Ｃ₁₄ｙ² ｘ² ＋Ｃ₁₅ｙ｜ｘ³ ｜＋Ｃ₁₆ｘ⁴ ＋Ｃ₁₇ｙ⁵ ＋Ｃ₁₈ｙ⁴ ｜ｘ｜＋Ｃ₁₉ｙ³ ｘ² ＋Ｃ₂₀ｙ² ｜ｘ³ ｜ ＋Ｃ₂₁ｙｘ⁴ ＋Ｃ₂₂｜ｘ⁵ ｜ ＋Ｃ₂₃ｙ⁶ ＋Ｃ₂₄ｙ⁵ ｜ｘ｜＋Ｃ₂₅ｙ⁴ ｘ² ＋Ｃ₂₆ｙ³ ｜ｘ³ ｜ ＋Ｃ₂₇ｙ² ｘ⁴ ＋Ｃ₂₈ｙ｜ｘ⁵ ｜＋Ｃ₂₉ｘ⁶ ＋Ｃ₃₀ｙ⁷ ＋Ｃ₃₁ｙ⁶ ｜ｘ｜＋Ｃ₃₂ｙ⁵ ｘ² ＋Ｃ₃₃ｙ⁴ ｜ｘ³ ｜ ＋Ｃ₃₄ｙ³ ｘ⁴ ＋Ｃ₃₅ｙ² ｜ｘ⁵ ｜＋Ｃ₃₆ｙｘ⁶ ＋Ｃ₃₇｜ｘ⁷ ｜ ・・・（ｃ） なお、本発明の実施例では、前記（ａ）式を用いた自由
曲面で面形状が表現されているが、上記（ｂ）式、
（ｃ）式を用いても同様の作用効果を得られるのは言う
までもない。

【００８１】以下の実施例１から実施例３の全てにおい
て、仕様は、水平画角３０°、垂直画角２２．７°、逆
光線追跡における入射瞳径４ｍｍである。そして、実施
例１、２が虚像を形成するＨＭＤ用光学系、実施例３が
プロジェクタ、レーザビームプリンタ、バーコードリー
ダ等の実像形成用光学系である。

【００８２】（実施例１）この実施例はＨＭＤ用光学系
である。図２に図示しない映像表示素子輝度変調手段に
より、映像信号に応じて映像表示素子１４の映像表示光
を輝度変調し、映像信号に応じた２次元走査（ラスタス
キャン）を行うことで、観察者眼球の１ｍ先に２次元虚
像を形成する。

【００８３】この光学系を左右両眼用に配置すれば、両
眼視や立体視をすることができる。

【００８４】ここでは、Ｙ方向の位置を徐々に変化させ
ながらＸ方向の主走査を繰り返すことで２次元走査を行
うこととする。

【００８５】図２は、観察者の横から見た図（Ｙ−Ｚ平
面図）である。これを、上下方向を逆方向に配置しても
よい。また、これを観察者の上側から見た図（Ｘ−Ｚ平
面図）となるように配置してもよい。これは全ての実施
例について言えるが、以下の実施例ではいちいち説明し
ない。

【００８６】また、以下の光路図では全て分かりやすい
ようにスキャナ１３の大きさを必要以上に大きくしてい
る。

【００８７】この光学系の光路は、逆光線追跡で、瞳１
１→第１透過面２１（＝第２反射面２３）→第１反射面
２２→第２反射面２３（＝第１透過面２１）で全反射→
第３反射面２４（＝第２透過面２６＝第３透過面２７＝
第４透過面２９）で全反射→第４反射面２５→第２透過
面２６（＝第３反射面２４＝第３透過面２７＝第４透過
面２９）→スキャナ１３で反射→第３透過面２７（＝第
３反射面２４＝第２透過面２６＝第４透過面２９）→第
５反射面２８→第４透過面２９（＝第３反射面２４＝第
２透過面２６＝第３透過面２７）→映像表示素子１４の
順に進む。

【００８８】逆光線追跡で、瞳１１から投影光学系３０
に入射した光を、接眼光学系３１により第２反射面２３
と第３反射面２４の間付近に中間像１５として一度結像
する。中間像１５を、リレー光学系３２の第３反射面２
４と第４反射面２５で平行光に近づけ、スキャナ１３に
導く。スキャナ１３の反射光を集光光学系３３の主に第
５反射面２８で収束光として映像表示素子１４に導く。

【００８９】ここで、第１反射面２２と、図２中、破線
で示したシースループリズム４０との接合面にハーフミ
ラー膜を形成し、シースループリズム４０の瞳１１と反
対側に液晶シャッタ等の外界光の透過率を切り換える手
段を配置すれば、スーパーインポーズ機能やシースルー
機能が付加できる。

【００９０】ここで、シースループリズム４０とは、投
影光学系３０とシースループリズム４０の合成パワーが
外界光に対して略０となる光学素子のことである。

【００９１】次に、この場合の光源、走査手段、走査方
法について説明する。

【００９２】映像表示素子１４として、ＬＥＤ、ＬＤ等
が使用できる。

【００９３】また、走査手段１３としていくつかのもの
を使用することができるが、特開平１０−２０２２６号
に開示されているようなフォトリソグラフィーの工程を
利用して製作したいわゆるマイクロマシンスキャナは、
小型、低消費電力等の利点を持つので、本発明のような
ＨＭＤ用、特に携帯用ＨＭＤ用としては最適である。

【００９４】この場合、電磁駆動方式、静電駆動方式、
圧電素子駆動方式等、各種駆動方式のマイクロマシンス
キャナが使用できる。順光線追跡における光学系の瞳倍
率が大きく（例えば、２倍以上）、走査手段１３の面積
が小さい場合は、最も消費電力が小さく高速走査に対応
しやすい静電駆動方式が最適である。また、光学系の瞳
倍率が余り大きくなく（例えば、２倍以下）、走査手段
１３の面積が大きい場合は、大きな面積の走査手段を高
速で広角度走査しやすい圧電素子駆動方式が最適であ
る。

【００９５】この場合、往復振動するスキャナに対し
て、往路だけの片側走査でも、往路と復路両方の往復走
査でもどちらでもよいが、往復走査を行うと走査手段の
走査周波数を半分にできるので、高速走査に対応しやす
い。

【００９６】本実施例の投影光学系３０の利点として
は、プリズム部材１個で投影光学系３０を構成している
ので、光学系の部品点数と位置調整作業が削減できる。
よって、従来例に比べて大幅に部品点数を削減し、光学
系が小型化できる。また、コストが下がり、製作時に性
能を確保するのも容易になる。

【００９７】また、走査手段１３と映像表示素子１４を
投影光学系３０の上に配置できるので、重量バランスが
よい。

【００９８】また、ＨＭＤ光学系の場合、特に観察者の
前後方向の突出量を短縮することが重要になるが、本実
施例の構成の場合、スキャナ１３の厚みや映像表示素子
１４の大きさが、ＨＭＤ全体の前後方向の突出量に影響
しない構成となっている。

【００９９】例えば電磁駆動方式マイクロマシンスキャ
ナの場合、走査ミラーの両側に磁石を２個配置する構成
が考えられ、この構成では走査手段１３が横長形状にな
る。このように走査手段１３が横長形状になる場合で
も、本実施例の構成では、走査手段１３の横長方向を紙
面と垂直方向に配置すれば、前後方向の突出量が増加す
ることがない。

【０１００】このように、走査手段１３が光学系全体の
前後方向の突出量を増加させないようにするには、折り
曲げ光路を面対称にする対称面を、入射瞳１１に対して
２０〜７０°程度傾斜させるとよい。本実施例のように
４５°程度傾斜させるのが最も好ましい。

【０１０１】また、本実施例の投影光学系３０で５回反
射、スキャナ１３で１回反射の計６回反射しているの
で、折り畳みの効果により光学系を小型化できている。
また、反射作用を主体に投影光学系３０を構成している
ので、色収差の発生が少ない。

【０１０２】そして、反射作用と透過作用を兼ねる兼用
面が２個所２１、２４あるので、光学系３０を構成する
面数が削減でき、投影光学系３０を小型化できている。

【０１０３】また、第４反射面２５と第５反射面２８は
異なる光学作用を持つが、見かけ上連続性の良い構成と
なっている。よって、プリズム部材を成形で製作する際
に、１つの型でこの２面に対応でき製作性が良い。

【０１０４】この実施例の投影光学系３０の光路図の概
念図を図３に示す。投影光学系３０の中、逆光線追跡
で、瞳１１から走査手段１３へ至る部分の瞳側光学系３
１（図１の接眼光学系６）と走査手段側光学系３２（図
１のリレー光学系４）の折り曲げ光路とパワー配分が面
対称な構成となっており、この対称面付近に中間像（図
２の１５）を形成している。その結果、接眼光学系３１
で発生する収差とリレー光学系３２で発生する収差がキ
ャンセルされ、投影光学系３０全体としての収差が良好
に補正できている。その結果、少ない面数で投影光学系
３０の瞳１１から走査手段１３へ至る部分を構成でき、
光学系を小型化することができている。

【０１０５】特に、収差の中でも、ディストーションが
良好に制御されている。これは、２次元的な直線走査性
・等速走査性を確保する上で重要である。この点につい
て、以下に説明する。

【０１０６】２次元走査を行った場合、逆光線追跡で、
映像表示素子１４における各画角の主光線の結像位置の
理想点からずれは、Ｘ方向（主走査方向）、Ｙ方向（副
走査方向）共４．５μｍ以下である。これは、順光線追
跡において、Ｘ方向（主走査方向）のディストーション
が０．６％以下、Ｙ方向（副走査方向）のディストーシ
ョンが０．５％以下であることを意味する。すなわち、
２次元直線走査性が光学系で確保できているので、電気
的像歪み補正なしに２次元的直線走査を行うことができ
る。

【０１０７】投影光学系３０は、Ｘ方向（水平方向、主
走査方向）では正弦波状に振動するスキャンミラーの振
幅の６５％程度に対してｆアークサインθレンズ特性を
持ち、Ｙ方向（垂直方向、副走査方向）では正弦波状に
振動するスキャンミラーの振幅の４５％程度に対してｆ
アークサインθレンズ特性を持つ。よって、正弦波状に
振動するスキャンミラーを使用する場合、Ｘ方向は振幅
の６５％程度、Ｙ方向は振幅の４５％程度を使用すれ
ば、電気的像歪み補正なしに２次元的な直線走査、等速
走査を行うことができる。その結果、電気的像歪み補正
を行う場合より、回路を簡単にできるし、より高速走査
に対応できる（Ｘ方向のミラー振れ角φｘ＝±１２．４
°の振幅の６５％が、Ｘ方向の映像表示に必要なミラー
振れ角φｘ＝±８．０６°。Ｙ方向のミラー振れ角φｙ
＝±１７．４°の振幅の４５％が、Ｙ方向の映像表示に
必要なミラー振れ角φｙ＝±７．８４°）。

【０１０８】また、電気的な等速走査性の補正を行え
ば、正弦波状に振動するミラーの振幅全部を利用するこ
ともできるし、スキャンミラー振れ角がリニアに変化す
るスキャナを利用することもできる。

【０１０９】高速走査用のスキャンミラーは正弦波状に
振動することが多い。そこで、本実施例では、順光線追
跡でプラスのディストーションを発生させることで、正
弦波状に振動するスキャナの振幅の６５％程度（Ｘ方
向）あるいは４５％程度（Ｙ方向）に対するｆアークサ
インθレンズ特性を投影光学系３０に持たせた。映像表
示に必要なスキャナ振れ角が本実施例程度の場合、順光
線追跡でマイナスのディストーションを発生させて投影
光学系３０をｆθレンズにする方が、ディストーション
の制御量が少なくて済むので、光学系の設計が容易であ
る。このように、Ｘ方向（主走査方向）やＹ方向（副走
査方向）の投影光学系３０の特性をｆθ特性に変更する
等の変形は容易である。

【０１１０】映像表示素子１４の画素がＳＶＧＡ（８０
０×６００画素）レベルの場合、映像表示素子１４の大
きさが５μｍ程度（主走査方向）×９μｍ程度（副走査
方向）の場合、順光線追跡で形成される虚像において、
画素が密着した状態になる。よって、画質が確保でき映
像が観察しやすくなる。

【０１１１】また、本実施例では、逆光線追跡で、スキ
ャナ１３で反射後の光路をプリズム部材への入射、プリ
ズム部材からの射出という構成にしているので、映像表
示素子光のビーム整形が可能である。よって、ＬＤのよ
うに楕円状の断面形状を持つ映像表示素子１４を効率良
く使用することができる。本実施例の場合、映像表示素
子側のＮＡは、ＮＡｘ＝０．５０、ＮＡｙ＝０．２９
で、横長断面を持つ映像表示素子光に対するビーム整形
を行っている。

【０１１２】また、逆光線追跡において、第５反射面２
８でプラスの球面収差、第４透過面２９でマイナスの球
面収差を発生させれば、映像表示素子１４の法線から離
れるに従って暗くなるような配光特性を持つ映像表示素
子１４の配光特性の補正を行うことができる。

【０１１３】以上の例では、観察者の視軸を水平方向に
設定した光路図を示しているが、視軸の角度の変更は可
能である。本実施例の場合、視軸を下向き９°程度に設
定すると、シースループリズム４０に対して外界光が垂
直入射するので都合がよい。

【０１１４】また、等速走査性を改善するために、中間
像１５付近、例えば、第２反射面２３と第３反射面２４
の間でプリズムを分割して投影光学系３０をプリズム２
個構成としてもよい。

【０１１５】また、反射作用と透過作用の兼用面を構成
する面２１、２４を別々の面としてももちろんよい。

【０１１６】（実施例２）この実施例は、複数の映像表
示素子を使用する場合の光学系の構成である。

【０１１７】この実施例の投影光学系３０は、図４に示
すように、実施例１と同様に、逆光線追跡で、瞳１１→
第１透過面２１（＝第２反射面２３）→第１反射面２２
→第２反射面２３（＝第１透過面２１）で全反射→第３
反射面２４（＝第２透過面２６＝第３透過面２７＝第４
透過面２９）で全反射→第４反射面２５→第２透過面２
６（＝第３反射面２４＝第３透過面２７＝第４透過面２
９）→スキャナ１３で反射→第３透過面２７（＝第３反
射面２４＝第２透過面２６＝第４透過面２９）→第５反
射面２８→第４透過面２９（＝第３反射面２４＝第２透
過面２６＝第３透過面２７）→映像表示部１４’の順に
進む光路を形成するようなプリズム部材１個からなり、
反射作用と透過作用を兼ねる兼用面が２個所２１、２４
あるものである。そして、逆光線追跡で、瞳１１から投
影光学系３０に入射した光を、接眼光学系３１により第
２反射面２３と第３反射面２４の間付近に中間像１５と
して一度結像する。中間像１５を、リレー光学系３２の
第３反射面２４と第４反射面２５で平行光に近づけ、ス
キャナ１３に導く。スキャナ１３の反射光を集光光学系
３３の主に第５反射面２８で収束光として映像表示部１
４’に導く。なお、図４ではＧ光の光路のみを図示して
ある。

【０１１８】この実施例２では、映像表示部１４’とし
て、図５に断面図を示すように、ＲＧＢ−ＬＥＤ、ＲＧ
Ｂ−ＬＤのような波長の異なる３つの映像表示素子５１
_R 、５１_G 、５１_B を使用している。

【０１１９】図５において、短波長光、例えば５００ｎ
ｍ以下の波長の光を反射させるダイクロイックミラー５
２を直角プリズムからなる光源プリズム５３と光源プリ
ズム５４の接合面にコーティングし、長波長光、例えば
６００ｎｍ以上の光を反射させるダイクロイックミラー
５６を直角プリズムからなる光源プリズム５４と光源プ
リズム５５の接合面にコーティングしている。そして、
Ｂ映像表示素子５１_B、Ｒ映像表示素子５１_R 、Ｇ映像
表示素子５１_G を、それぞれ光源プリズム５３、光源プ
リズム５４、光源プリズム５５の虚像と共役な面に接着
してある。

【０１２０】映像表示部１４’のこの構成により、ＲＧ
Ｂ光を投影光学系３０に導き、カラー表示を行うことが
できる。

【０１２１】このとき、例えば、水平方向８００画素×
垂直方向６００画素のように虚像を構成する場合、図示
しないＲＧＢ用強度変調装置により、映像信号に基づき
各画素毎にＲＧＢ光のそれぞれを輝度変調する。

【０１２２】この際、当然ながら、光源プリズム５２〜
５５で発生する収差を考慮し、光源プリズム＋投影光学
系プリズムの全体で収差補正を行って、虚像での性能を
確保している。

【０１２３】この実施例の利点として、本実施例のよう
に、反射作用を主体とした投影光学系３０を使用すれ
ば、投影光学系３０での色収差の発生が少なく色収差に
よる結像性能の劣化はないが、結像位置（逆光線追跡で
の映像表示素子の位置）は波長によりやや異なる。本実
施例のように、ＲＧＢ映像表示素子を各波長における虚
像と共役な位置に配置すれば、ＤＯＥ（回折光学素子）
等を使用し投影光学系の色収差を補正しなくても色収差
の影響は全くなくなる。

【０１２４】また、本実施例の場合、ＲＧＢ映像表示素
子５１_R 、５１_G 、５１_B を各光源プリズム５２〜５５
に接着すればよいので、組み立ての際の各映像表示素子
の位置合わせ精度が向上する。

【０１２５】上記の例では、光源プリズムに垂直入射、
垂直射出する設計例を示したが、光源プリズムに非垂直
入射するようにしてもよい。また、光源プリズムを構成
する各面を平面としたが、各面に収差補正をするための
曲率を持たせてもよい。さらに、ダイクロイックミラー
５２と５６の特性を逆にする等、ダイクロイックミラー
の特性を変更してもよい。

【０１２６】なお、上述したように、この構成は、逆光
線追跡における波長による結像位置のずれの影響を除去
することができるが、ＬＤ等を使用する場合、光源の波
長変動の影響を除去するには、ＤＯＥを使用して光学系
の色収差を補正してやればよい。

【０１２７】また、ＲＧＢ映像表示素子の組み立てをラ
フに行い、ＲＧＢ映像表示素子の配置誤差を電気的に補
正してもよい。また、映像表示部１４’を構成する光源
光学系と走査手段１３を、図６に示すように支持部５７
で一体保持する機械構成とすれば、単純に構成できるの
で好ましい。

【０１２８】次に、図７に断面図を参照にして、光源プ
リズムを用いた映像表示部１４’の他の例を簡単に説明
する。変形プリズムを５３’〜５５’で示す。

【０１２９】図７（ａ）は、各ＲＧＢ映像表示素子５１
_R 、５１_G 、５１_B の大きさのくぼみを形成した光源プ
リズム５３’〜５５’を使用し、その窪みに各映像表示
素子を嵌め込めば、各映像表示素子の位置合わせ精度が
向上し製作性が良くなる。

【０１３０】図７（ｂ）は、映像表示素子５１_B の光路
に全反射作用の面５８を利用すれば、光源光学系が小型
にできる。

【０１３１】図７（ｃ）は、平板的基板からなるプリズ
ム５３’の中を多重反射するようにすれば、光源プリズ
ム全体の大きさを小型にできる。なお、符号５９は反射
膜、符号６０は反射膜あるいはダイクロイックミラーで
ある。

【０１３２】図７（ｄ）は、複数映像表示素子５１_R 、
５１_B の光路で多重反射を利用すれば、光源プリズムの
小型化の効果がさらに大きくなる。

【０１３３】（実施例３）この実施例は、プロジェクタ
用、レーザビームプリンタ用、バーコードリーダ用等の
実像形成タイプの実施例であり、この実施例の投影光学
系３０は、図８に示すように、実施例２と同様に、逆光
線追跡で、図示しない、物体→瞳１１→第１透過面２１
（＝第２反射面２３）→第１反射面２２→第２反射面２
３（＝第１透過面２１）で全反射→第３反射面２４（＝
第２透過面２６＝第３透過面２７＝第４透過面２９）で
全反射→第４反射面２５→第２透過面２６（＝第３反射
面２４＝第３透過面２７＝第４透過面２９）→スキャナ
１３で反射→第３透過面２７（＝第３反射面２４＝第２
透過面２６＝第４透過面２９）→第５反射面２８→第４
透過面２９（＝第３反射面２４＝第２透過面２６＝第３
透過面２７）→映像表示部１４’の順に進む光路を形成
するようなプリズム部材１個からなり、反射作用と透過
作用を兼ねる兼用面が２個所２１、２４あるものであ
る。そして、逆光線追跡で、物体から瞳１１を経て投影
光学系３０に入射した光を、接眼光学系３１により第２
反射面２３と第３反射面２４の間付近に中間像１５とし
て一度結像する。中間像１５を、リレー光学系３２の第
３反射面２４と第４反射面２５で平行光に近づけ、スキ
ャナ１３に導く。スキャナ１３の反射光を集光光学系３
３の主に第５反射面２８で収束光として映像表示部１
４’に導く。なお、図４ではＧ光の光路のみを図示して
ある。

【０１３４】この実施例は、逆光線追跡で、入射瞳１１
の左２００ｍｍの位置に実像を形成している。また、逆
光線追跡の入射瞳１１とプリズム部材の間隔は２．５ｍ
ｍである。

【０１３５】この実施例の接眼光学系３１とリレー光学
系３２のパワー配分は、実施例１、２とは異なる。実施
例１、２では、逆光線追跡の方向で、接眼光学系３１の
パワー配分は凹＋凸＋凹、リレー光学系３２のパワー配
分は凹＋凸＋凹であったが、本実施例では、逆光線追跡
で、瞳１１から走査手段１３へ向かう光学系の瞳側光学
系（接眼光学系３１）のパワー配分は凹＋凸＋凸という
パワー配分で、走査手段側光学系（リレー光学系３２）
のパワー配分が凸＋凸＋凸である。この場合も、接眼光
学系３１とリレー光学系３２は、折り曲げ光路が面対称
である。

【０１３６】実施例１、２のようにＨＭＤ光学系の場合
は、瞳１１と光学系３０の間隔（アイリリーフ）を確保
する必要があるが、プロジェクタ用、バーコードリーダ
用等の実像形成用の場合は、瞳１１と光学系３０の間隔
はむしろ小さくした方が、光学系全体を小型化できるの
で好ましい。

【０１３７】この場合、この実施例のように、中間像１
５を図１における接眼光学系６側に食い込ませた方が、
光学系全体を小型化できるので好ましい。

【０１３８】映像表示素子としてＬＣＤを用いたプロジ
ェクタは、偏光フィルタとカラーフィルタを使用するの
で、光源光の利用率が悪い。この実施例のように、本発
明の光学系の場合、光源光の利用効率が大きく向上す
る。

【０１３９】なお、変形として、画角、Ｆナンバー、映
像表示素子光の結像位置を変更し、レーザビームプリン
タ用、バーコードリーダ用等、それぞれの光学系に最適
な仕様に変更することができる。レーザビームプリンタ
用等は、画角が大きくなるので、ｆアークサインθレン
ズとするためのディストーションの制御量が減り、ｆア
ークサインθレンズの設計がしやすくなる。

【０１４０】以下に上記実施例１〜３の構成パラメータ
を示す。これら表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＲＳ”
は反射面、“ＳＭ”はスキャンミラー、“ＩＤ”は映像
表示素子を示す。

【０１４１】 実施例１ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（絞り面） 2 ＦＦＳ 偏心(1) 1.5254 56.3 3 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(2) 1.5254 56.3 4 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(1) 1.5254 56.3 5 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(3) 1.5254 56.3 6 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(4) 1.5254 56.3 7 ＦＦＳ 偏心(3) 8 ∞ （ＳＭ） 偏心(5) 9 ＦＦＳ 偏心(3) 1.5254 56.3 10 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(6) 1.5254 56.3 11 ＦＦＳ 偏心(3) 像 面 ∞ （ＩＤ） 偏心(7) ＦＦＳ Ｃ₄ -6.2114×10^-3 Ｃ₆ -1.0767×10^-3 Ｃ₈ -6.2951×10^-5 Ｃ₁₀ 6.3644×10^-5 Ｃ₁₁ 1.6269×10^-5 Ｃ₁₃ 1.3564×10^-5 Ｃ₁₅ -3.7167×10^-6 Ｃ₁₇ 6.0053×10^-7 Ｃ₁₉ -4.5599×10^-7 Ｃ₂₁ 2.7997×10^-8 ＦＦＳ Ｃ₄ -1.3729×10^-2 Ｃ₆ -1.2100×10^-2 Ｃ₈ -1.7609×10^-5 Ｃ₁₀ -5.7491×10^-5 Ｃ₁₁ -1.1523×10^-6 Ｃ₁₃ -7.2826×10^-6 Ｃ₁₅ -3.2956×10^-6 Ｃ₁₇ 1.2258×10^-9 Ｃ₁₉ -7.1371×10^-8 Ｃ₂₁ -4.5231×10^-8 ＦＦＳ Ｃ₄ -2.6974×10^-2 Ｃ₆ 8.8790×10^-3 Ｃ₈ 4.8930×10^-3 Ｃ₁₀ -2.6684×10^-4 Ｃ₁₁ 3.4331×10^-5 Ｃ₁₃ -4.0567×10^-4 Ｃ₁₅ 1.3117×10^-5 Ｃ₁₇ -4.6764×10^-6 Ｃ₁₉ 1.2869×10^-5 Ｃ₂₁ 6.0464×10^-7 ＦＦＳ Ｃ₄ -1.3915×10^-2 Ｃ₆ 2.1396×10^-2 Ｃ₈ 2.1259×10^-3 Ｃ₁₀ 1.9963×10^-4 Ｃ₁₁ -1.2598×10^-4 Ｃ₁₃ -1.6631×10^-4 Ｃ₁₅ 2.8296×10^-5 Ｃ₁₇ 2.0501×10^-5 Ｃ₁₉ 2.1389×10^-5 Ｃ₂₁ 1.5835×10^-7 ＦＦＳ Ｃ₄ 3.5734×10^-2 Ｃ₆ 2.8095×10^-2 Ｃ₈ 4.1726×10^-4 Ｃ₁₀ 3.6961×10^-4 Ｃ₁₁ -3.6716×10^-6 Ｃ₁₃ -1.5178×10^-5 Ｃ₁₅ -2.5474×10^-5 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ -4.95 Ｚ 28.00 α 7.56 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 34.50 α -25.58 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 23.80 Ｚ 33.34 α 127.16 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 17.00 Ｚ 35.30 α 145.10 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 24.53 Ｚ 31.00 α 109.10 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ 14.60 Ｚ 33.00 α 115.99 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ 21.02 Ｚ 27.50 α 128.92 β 0.00 γ 0.00 。

【０１４２】 実施例２ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（絞り面） 2 ＦＦＳ 偏心(1) 1.5254 56.3 3 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(2) 1.5254 56.3 4 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(1) 1.5254 56.3 5 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(3) 1.5254 56.3 6 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(4) 1.5254 56.3 7 ＦＦＳ 偏心(3) 8 ∞ （ＳＭ） 偏心(5) 9 ＦＦＳ 偏心(3) 1.5254 56.3 10 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(6) 1.5254 56.3 11 ＦＦＳ 偏心(3) 12 ∞ 偏心(7) 1.5254 56.3 13 ∞ 偏心(8) 像 面 ∞ （ＩＤ） 偏心(8) ＦＦＳ Ｃ₄ -6.2811×10^-3 Ｃ₆ -1.9499×10^-3 Ｃ₈ -1.0390×10^-4 Ｃ₁₀ 1.5240×10^-4 Ｃ₁₁ 2.2183×10^-5 Ｃ₁₃ 1.6940×10^-5 Ｃ₁₅ -9.2538×10^-6 Ｃ₁₇ 5.5511×10^-7 Ｃ₁₉ -9.0189×10^-7 Ｃ₂₁ 7.9309×10^-8 ＦＦＳ Ｃ₄ -1.4931×10^-2 Ｃ₆ -1.3184×10^-2 Ｃ₈ -3.3905×10^-5 Ｃ₁₀ -4.6610×10^-5 Ｃ₁₁ -1.4667×10^-6 Ｃ₁₃ -8.2728×10^-6 Ｃ₁₅ -3.8656×10^-6 Ｃ₁₇ -1.1075×10^-7 Ｃ₁₉ -1.3053×10^-7 Ｃ₂₁ -2.8304×10^-8 ＦＦＳ Ｃ₄ -1.8784×10^-2 Ｃ₆ 7.1951×10^-3 Ｃ₈ 4.3304×10^-3 Ｃ₁₀ -1.0891×10^-4 Ｃ₁₁ -1.1966×10^-4 Ｃ₁₃ -4.0734×10^-4 Ｃ₁₅ -3.4948×10^-5 Ｃ₁₇ 1.1296×10^-5 Ｃ₁₉ 1.3907×10^-5 Ｃ₂₁ 2.8300×10^-6 ＦＦＳ Ｃ₄ -6.3635×10^-3 Ｃ₆ 2.4180×10^-2 Ｃ₈ 2.3779×10^-3 Ｃ₁₀ 4.0471×10^-4 Ｃ₁₁ -1.0385×10^-4 Ｃ₁₃ -2.2060×10^-4 Ｃ₁₅ 2.6204×10^-5 Ｃ₁₇ 1.4206×10^-5 Ｃ₁₉ 2.5487×10^-5 Ｃ₂₁ -3.1633×10^-6 ＦＦＳ Ｃ₄ 2.5714×10^-2 Ｃ₆ 1.5015×10^-2 Ｃ₈ -2.0019×10^-4 Ｃ₁₀ -7.4748×10^-5 Ｃ₁₁ -1.0732×10^-5 Ｃ₁₃ 1.8829×10^-6 Ｃ₁₅ -9.9589×10^-5 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ -4.96 Ｚ 28.00 α 7.29 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 34.50 α -23.61 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 23.80 Ｚ 34.30 α 128.55 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 18.00 Ｚ 35.30 α 153.72 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 23.46 Ｚ 31.00 α 115.32 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ 15.00 Ｚ 33.00 α 116.88 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ 22.04 Ｚ 26.00 α 132.47 β 0.00 γ 0.00 偏心(8) Ｘ 0.00 Ｙ 24.99 Ｚ 23.30 α 132.47 β 0.00 γ 0.00 。

【０１４３】 実施例３ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ 200.00 1 ∞（絞り面） 2 ＦＦＳ 偏心(1) 1.5254 56.3 3 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(2) 1.5254 56.3 4 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(1) 1.5254 56.3 5 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(3) 1.5254 56.3 6 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(4) 1.5254 56.3 7 ＦＦＳ 偏心(3) 8 ∞ （ＳＭ） 偏心(5) 9 ＦＦＳ 偏心(3) 1.5254 56.3 10 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(6) 1.5254 56.3 11 ＦＦＳ 偏心(3) 12 ∞ 偏心(7) 1.5254 56.3 13 ∞ 偏心(8) 像 面 ∞ （ＩＤ） 偏心(8) ＦＦＳ Ｃ₄ 1.4001×10^-1 Ｃ₆ -1.5228×10^-2 Ｃ₈ -1.4154×10^-2 Ｃ₁₀ 1.0845×10^-3 Ｃ₁₁ -1.6169×10^-4 Ｃ₁₃ 5.2586×10^-4 Ｃ₁₅ -3.3895×10^-5 Ｃ₁₇ 7.6511×10^-6 Ｃ₁₉ -6.8949×10^-6 Ｃ₂₁ 3.9947×10^-7 ＦＦＳ Ｃ₄ -1.5367×10^-2 Ｃ₆ -1.6252×10^-2 Ｃ₈ -9.6363×10^-4 Ｃ₁₀ -2.3440×10^-5 Ｃ₁₁ 1.7274×10^-4 Ｃ₁₃ 1.4744×10^-4 Ｃ₁₅ -2.1277×10^-6 Ｃ₁₇ -4.4146×10^-5 Ｃ₁₉ -1.1692×10^-5 Ｃ₂₁ -1.3414×10^-7 ＦＦＳ Ｃ₄ -2.5485×10^-2 Ｃ₆ -2.8227×10^-3 Ｃ₈ 1.8150×10^-3 Ｃ₁₀ -2.3107×10^-4 Ｃ₁₁ -4.5195×10^-5 Ｃ₁₃ -2.1221×10^-4 Ｃ₁₅ 7.5676×10^-6 Ｃ₁₇ 3.9431×10^-6 Ｃ₁₉ 5.4560×10^-6 Ｃ₂₁ -2.5783×10^-7 ＦＦＳ Ｃ₄ -1.5086×10^-2 Ｃ₆ 1.5728×10^-2 Ｃ₈ 5.2722×10^-4 Ｃ₁₀ 5.8541×10^-5 Ｃ₁₁ -1.6948×10^-5 Ｃ₁₃ -1.8569×10^-4 Ｃ₁₅ -2.2067×10^-5 Ｃ₁₇ 2.5981×10^-7 Ｃ₁₉ 8.4046×10^-6 Ｃ₂₁ -1.5353×10^-6 ＦＦＳ Ｃ₄ 1.9160×10^-2 Ｃ₆ 1.1581×10^-2 Ｃ₈ -1.1125×10^-4 Ｃ₁₀ -1.4656×10^-4 Ｃ₁₁ -4.5367×10^-5 Ｃ₁₃ -1.8468×10^-4 Ｃ₁₅ -4.6933×10^-5 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ -4.98 Ｚ 3.00 α 3.05 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 9.00 α -26.82 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 23.80 Ｚ 10.08 α 113.90 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 17.63 Ｚ 10.30 α 144.58 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 24.55 Ｚ 6.00 α 108.66 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ 15.00 Ｚ 10.00 α 108.35 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ 23.70 Ｚ 1.83 α 112.47 β 0.00 γ 0.00 偏心(8) Ｘ 0.00 Ｙ 27.39 Ｚ 0.30 α 112.47 β 0.00 γ 0.00 。

【０１４４】次に、上記実施例における条件式関係の値
を示す。なお、主光線に対する上側マージナル光線と下
側マージナル光線が非対称な場合は、両者の平均により
ＮＡｙを求めた。何れの実施例もθｘ＝θ₁ ＝１５°、
θｙ＝θ₂ ＝１１．３６°である。

【０１４５】以上の実施例では、前記定義式の自由曲面
により光学系を構成したが、他の定義の曲面でも光学系
を構成できることはいうまでもない。

【０１４６】以上、本発明の映像表示装置を実施例に基
づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定
されず数々の変形が可能である。

【０１４７】以上の本発明の映像表示装置は例えば次の
ように構成することができる。

【０１４８】〔１〕 映像を表示する映像表示素子と、
映像表示素子を発する光を走査する走査手段と、前記映
像表示素子によって形成され走査手段により走査された
映像を投影する投影光学系とからなる映像表示装置にお
いて、瞳と映像表示素子の間に投影光学系と走査手段が
配置され、投影光学系が中間像を形成し、逆光線追跡
で、投影光学系の中、瞳から中間像を経て走査手段に至
る部分の光学系が、折り曲げ光路が面対称な２つの光学
系により構成されていることを特徴とする映像表示装
置。

【０１４９】〔２〕 折り曲げ光路が面対称な２つの光
学系の間に、中間像の半分以上が含まれることを特徴と
する上記１記載の映像表示装置。

【０１５０】〔３〕 折り曲げ光路が面対称な構成をな
す２つの光学系のそれぞれが、パワーを有し光軸に対し
て偏心した反射面を２面以上含み、この反射面がプリズ
ム部材の面として構成されていることを特徴とする上記
１記載の映像表示装置。

【０１５１】〔４〕 折り曲げ光路が面対称な２つの光
学系の中、瞳側光学系が、瞳から映像表示素子に向かう
逆光線追跡で、少なくとも、プリズム部材へ入射する第
１透過面、光学的パワーを有し光軸に対して偏心した第
１反射面、第２反射面を含み、第１透過面と第２反射面
が同一面であることを特徴とする上記１記載の映像表示
装置。

【０１５２】〔５〕 映像を表示する映像表示素子と、
映像表示素子を発する光を走査する走査手段と、前記映
像表示素子によって形成され走査手段により走査された
映像を投影する投影光学系とからなる映像表示装置にお
いて、瞳と映像表示素子の間に投影光学系と走査手段が
配置され、投影光学系が中間像を形成し、逆光線追跡
で、投影光学系の中、瞳から走査手段に至る部分が、面
形状に関する対称面を１面だけ持ち、その対称面内方向
のみで偏心しており、逆光線追跡で、投影光学系の中の
瞳から走査手段に至る部分が、少なくとも４面の反射面
を持ち、逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳から走査手
段に至る部分が、次式を満足することを特徴とする映像
表示装置。

【０１５３】 φ₂ θ₁ ／φ₁ θ₂ ＞１ ・・・（１） ここで、逆光線追跡で、面形状に関する対称面内方向に
おける瞳から投影光学系に入射する半画角をθ₂ 、対称
面と直交面方向における瞳から投影光学系に入射する半
画角をθ₁ 、対称面方向の映像表示に必要な走査手段の
片側振れ角をφ ₂ 、対称面と直交面方向の映像表示に必
要な走査手段の片側振れ角をφ₁ とする。

【０１５４】〔６〕 以下の条件式を満足することを特
徴とする上記５記載の映像表示装置。

【０１５５】 ＮＡ₁ ／ＮＡ₂ ＞１ ・・・（２） ここで、順光線追跡で、面形状に関する面称面内方向に
おける映像表示から投影光学系への入射する光束の開口
数をＮＡ₂ 、対称面と垂直面方向における映像表示から
投影光学系への入射する光束の開口数をＮＡ₁ とする。

【０１５６】〔７〕 映像表示素子に表示された映像を
虚像として形成し、観察者眼球に導く上記１から６の何
れか１項記載の映像表示装置と、この映像表示装置を観
察者顔面前方に保持する支持部とを備えて構成されてい
ることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。

【０１５７】〔８〕 映像表示装置を観察者の左右の眼
に対応してそれぞれ１つずつ配置していることを特徴と
する上記７記載の頭部装着型映像表示装置。

【０１５８】

〔９〕 映像表示素子に表示された映像を
実像として表示する上記１から６の何れか１項記載の映
像表示装置を備えて構成されていることを特徴とするプ
ロジェクタ、レーザビームプリンタ又はバーコードリー
ダ。

【０１５９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、投影光学系の中、逆光線追跡で瞳から中間像
を経て走査手段に至る部分の光学系を、折り曲げ光路が
面対称な構成の２つの光学系により構成することで、走
査型映像表示装置用光学系を小型で高性能なものにする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の映像表示装置の基本構成を説明するた
めの投影光学系の展開光路図である。

【図２】本発明の実施例１の映像表示装置の光学系の光
路図である。

【図３】実施例１の光路図の概念図である。

【図４】本発明の実施例２の映像表示装置の光学系の光
路図である。

【図５】実施例２の光源プリズムを用いた映像表示部の
断面図である。

【図６】実施例２の映像表示部の保持方法の例を示す図
である。

【図７】光源プリズムを用いた映像表示部の他の例の断
面図である。

【図８】本発明の実施例３の実像形成タイプの装置の光
学系の光路図である。

【図９】従来の走査型ＨＭＤの構成を示す図である。

【図１０】従来の別の走査型ＨＭＤの構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…映像表示素子 ２…集光光学系 ３…走査手段 ４…リレー光学系 ５…中間像 ６…接眼光学系 ７…瞳 １１…射出瞳（逆光線追跡では入射瞳） １２…軸上主光線 １３…スキャンミラー（スキャナ、走査手段） １４…映像表示素子 １４’…映像表示部 １５…中間像 ２１…第１透過面 ２２…第１反射面 ２３…第２反射面 ２４…第３反射面 ２５…第４反射面 ２６…第２透過面 ２７…第３透過面 ２８…第５反射面 ２９…第４透過面 ３０…投影光学系 ３１…接眼光学系 ３２…リレー光学系 ３３…集光光学系 ４０…シースループリズム ５１_R …Ｒ映像表示素子 ５１_G …Ｇ映像表示素子 ５１_B …Ｂ映像表示素子 ５２…ダイクロイックミラー ５３、５４、５５、５３’、５４’、５５’…光源プリ
ズム ５６…ダイクロイックミラー ５７…支持部 ５８…全反射面 ５９…反射膜 ６０…反射膜あるいはダイクロイックミラー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 映像を表示する映像表示素子と、映像表
   示素子を発する光を走査する走査手段と、前記映像表示
   素子によって形成され走査手段により走査された映像を
   投影する投影光学系とからなる映像表示装置において、 瞳と映像表示素子の間に投影光学系と走査手段が配置さ
   れ、 投影光学系が中間像を形成し、 逆光線追跡で、投影光学系の中、瞳から中間像を経て走
   査手段に至る部分の光学系が、折り曲げ光路が面対称な
   ２つの光学系により構成されていることを特徴とする映
   像表示装置。
2. 【請求項２】 折り曲げ光路が面対称な２つの光学系の
   中、瞳側光学系が、瞳から映像表示素子に向かう逆光線
   追跡で、少なくとも、プリズム部材へ入射する第１透過
   面、光学的パワーを有し光軸に対して偏心した第１反射
   面、第２反射面を含み、第１透過面と第２反射面が同一
   面であることを特徴とする請求項１記載の映像表示装
   置。
3. 【請求項３】 映像を表示する映像表示素子と、映像表
   示素子を発する光を走査する走査手段と、前記映像表示
   素子によって形成され走査手段により走査された映像を
   投影する投影光学系とからなる映像表示装置において、 瞳と映像表示素子の間に投影光学系と走査手段が配置さ
   れ、 投影光学系が中間像を形成し、 逆光線追跡で、投影光学系の中、瞳から走査手段に至る
   部分が、面形状に関する対称面を１面だけ持ち、その対
   称面内方向のみで偏心しており、 逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳から走査手段に至る
   部分が、少なくとも４面の反射面を持ち、 逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳から走査手段に至る
   部分が、次式を満足することを特徴とする映像表示装
   置。 φ₂ θ₁ ／φ₁ θ₂ ＞１ ・・・（１） ここで、逆光線追跡で、面形状に関する対称面内方向に
   おける瞳から投影光学系に入射する半画角をθ₂ 、対称
   面と直交面方向における瞳から投影光学系に入射する半
   画角をθ₁ 、対称面方向の映像表示に必要な走査手段の
   片側振れ角をφ ₂ 、対称面と直交面方向の映像表示に必
   要な走査手段の片側振れ角をφ₁ とする。