JP2005292308A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 走査部材により描画を行う画像表示装置において、大きい射出瞳が確保可能であって、小型で歪みが少なく光の利用効率の高い画像観察の可能な光学系を有する画像表示装置の実現を目的とする。
【解決手段】 変調した光束を発する光源と、該光源からの光束を該変調に同期して二次元的に操作する走査手段と、該光束に対して偏心した３面以上の光学面を有する第１のプリズム状光学素子を有して、該走査された光束を該光学素子に入射させて該光学素子内部の所定の被走査面上に中間像を生成し、該中間像からの光束を該プリズム状光学素子から射出させて観察者に提示する光学系を有する画像表示装置において、該走査手段により走査された光束が該光学素子に入射する入射光束有効領域が、該光学素子内において該中間像からの光束が該光学面で内部反射される反射光束有効領域と重なりを有しないことを特徴とする画像表示装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、走査型手段を使用した画像情報を光学系を介して観察者に表示させる走査型の画像表示装置に関し、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等に好適な画像表示装置に関する。

現在、ＨＭＤの表示素子としては、透過型液晶、反射型液晶、またはＥＬ素子を使ったものが提案されている。しかしながらこれらの素子は、表示に必要な画素分を全て作り込まなければならないため、画素欠陥が発生し易く、素子自体の価格が非常に高くなる。

これに対して、液晶やＥＬなどの２次元画像表示素子を用いず、線状の光束を発生する光源とその光束を走査する走査型手段を使って画像を表示する表示装置が、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。

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号に開示された技術がある。米国特許５，７０１，１３２号では、走査型手段によりレンズアレイや拡散板等の被走査面に変調したビームを走査して像を形成し、当該被走査面を透過して観察させる像を観察者に提示する構成が開示されている。

また、特開平１１−８４２９１は、光源からの光をポリゴンミラー状の偏向器を介した後自由曲面プリズムを用いて中間像を形成し、該中間像を自由曲面プリズムを用いて観察者に導く構成を開示している。

特開２００１―４９５５，特開２００１−１９４６１７には、偏心自由曲面光学系を用いて、光源からの光をやや太いビームにして、走査部材で反射させ眼球に導き、比較的小型の光学系を提案している。
米国特許５，４６７，１０４号 米国特許５，７０１，１３２号 特開平１１−８４２９１ 特開２００１―４９５５ 特開２００１−１９４６１７

しかしながら、小径ビームを用いながら射出瞳を拡大するために米国特許５，７０１，１３２号に開示の構成を使用した場合、中間像透過型の被走査面を用いるため、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。一方、走査部材に入射するビーム径を太くして射出瞳を大きくすると、走査部材を介して被走査面上に形成する中間像の収差補正が困難になるため高い光学性能の実現が困難になり、光学系サイズが増大する。また、大型の走査部材が必要となるため、装置の大型化や、走査に要する電力が増大する等の課題を有している。

本発明は、上記課題に鑑み、更なる光学系の小型化、特に長い光路長を必要とする光学系に対しても小型化の図れる構成を提案し、歪みの少ない画像観察の可能な光学系を提案し、小径ビーム即ち小型の走査部材を用いつつも大きい射出瞳が確保できる光学系を提案し、光量ロスがほとんどない明るく小型の光学系を提案することで、小型で高画質の映像提示が出来、電力消費の少ない画像表示装置の実現を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る画像表示装置は、外部からの信号により変調した光束を発する光源と、該光源からの光束を該変調に同期して二次元的に操作する走査手段と、該光束に対して偏心した３面以上の光学面を同一媒質上に有する第１のプリズム状光学素子を有して、該走査手段により走査された光束を該光学素子に入射させて該光学素子内部の所定の被走査面上に結像して中間像を生成すると共に、該生成した中間像からの光束を該プリズム状光学素子から射出させて観察者に虚像として提示する光学系を有する画像表示装置において、該走査手段により走査された光束が該光学素子に入射する入射光束有効領域が、該光学素子内において該中間像からの光束が該光学面で内部反射される際の反射光束有効領域と重なりを有しないことを特徴とする。

本発明の構成によれば、更なる光学系の小型化、特に長い光路長を必要とする光学系に対しても小型化の図れる構成が可能となる。また、歪みの少ない画像観察、小径ビーム即ち小型の走査部材を用いつつも大きい射出瞳の確保、光量ロスがほとんどない明るく小型の光学系が達成でき、低コストで小型で省電力の画像表示装置の提供が可能になる。

以下、図面を参照して本発明の実施に係る各実施例について具体的に説明する。

図１は本発明の画像表示装置の第１の実施例である光学系の垂直断面における光路図である。図中、１は有効光束に対して偏心した曲率を有する複数の反射面を有し、前記複数の反射面を含む有効光束に対して偏心した３面以上の光学面を同一媒質上に有するプリズム状の第１の光学素子、２は有効光束に対して偏心した光学面を有するプリズム状の第２の光学素子、３は反射型の２次元走査手段、４は集束光学系、ＬＳは光源、ＥＰは走査手段３と略共役な光学系射出瞳である。以下、図１を用いて本実施例を説明する。

図１中、光源ＬＳは、不図示の表示画像の入力信号に基き、適宜変調された光束を放射する。光源ＬＳから射出した光束は、集束光学系４により集束光束とされ、走査手段３に入射する。走査手段３により光束は２次元方向に偏向され、面２ｃより光学素子２に入射する。光学素子２に入射した光束は、反射面２ｂで反射された後、光学素子１の面１ｂと接合された透過面２ａを通過して光学素子１に入射する。光学素子１に入射した光は、面１ａで反射されて所定の被走査面上に中間像を形成する。このとき、被走査面は中間像が結像される位置を結んで構成される面であって、光学素子１の内部又は光学面と略一致して生成される。

図１では、図の断面内（垂直方向）で走査手段３の振れる様子を示しており、走査手段３が基準状態の時を実線で、一方向に最大に振れた状態を点線で、逆方向に最大に振れた状態を一点鎖線で表している。同様に集束光学系を通過した光束が走査手段３が上述したそれぞれの状態の時に反射された光束をそれぞれ実線、点線、一点鎖線で表している。

面１ｃ（Ａ）は該被走査面近傍に配置された反射面であり、光源から集束光学系４、光学素子２、光学素子１の反射面１ａを介して反射面１ｃ（Ａ）に入射した光が再度光学素子１の反射面１ａに入射するように、光線を逆向きに反射させる折り返し反射面となっている。反射面１ｃ（Ａ）で反射された光束は、面１ａで再度反射され、次に反射面１ｂで反射された後、透過面１ａを通過して走査手段３と略共役の射出瞳ＥＰを形成する。観察者は射出瞳ＥＰ近傍に眼を置くことで、被走査面上に形成される画像を観察することができる。

ここで、走査手段３を射出してから被走査面までの光路上にある光学素子２の透過面２ｃ，反射面２ｂ，光学素子２と光学素子１との接合面である透過面２ａ，光学素子１の反射面１ａは走査光学系としての作用を持ち、集束光学系４と併せて、光源ＬＳを発した光束を被走査面上に結像させる投射光学系として作用している。一方、被走査面から面１ａ，１ｂ，１ａの順で射出瞳ＥＰを形成する光路上にある光学素子１による光学系は、被走査面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。

図１においては、被走査面近傍の折り返し反射面１ｃ（反射面Ａ）により光路を折り返し、光学素子１に投射光学系、接眼光学系という２つの光学系の作用を持たせたことによって、少ない素子数で光学系を構成することを可能としている。また、投射光学系、接眼光学系という２つの光学系の光路を光学素子１内に収めているので、全体の光路長に対して光学系をコンパクトにすることが出来る。

特に、被走査面近傍の反射面１ｃ（Ａ）の前後で反射面１ａを共用するように配置して走査光学系の光路（走査光路）と接眼光学系の光路（接眼光路）との大部分を光学素子１内に収める構成としているため、光学系コンパクト化の効果が大きい。即ち、走査手段３、光学素子２を経て光学素子１に入射した光を光学素子内の反射面１ａにより反射させているため光学素子サイズに比して光学素子内の走査光路をより長くとる（走査光路をより長く小型の光学素子内に収める）ことが出来るし、また、接眼光路に対しては複数の偏心反射面１ａ，１ｂを用いて光路を折り畳むよう構成して、接眼光路をより長く小型の光学素子内に収めると共に光学素子を一方向に薄型とすることが出来る。

また、本発明は、投射光学系における光学素子１への入射面２ａを光学素子１内での反射面１ｂと接合して面１ｂの一部として用いつつ、光学素子への入射面２ａの光束有効領域と、接眼光学系における光学素子１内での反射面１ａ，１ｂの光束有効領域とが重なりを持たないように構成している。

そのため、光学素子１に投射光学系、接眼光学系という２つの光学系の作用を持たせたにも関わらず、光量損失の少ない、明るい光学系を提供することが可能となる。また、接合したことにより、光学素子１，２より成る光学部材を強固にするとともに、光源、走査手段等と位置調整する部品点数を削減し、最終組み立て時の調整を容易にすることが出来る。

また、本実施例においては、走査手段３として反射型の走査手段を用いている。走査手段３を反射型の走査手段とすることにより、走査手段の振れ角に対して光線の振れ角を２倍とることが出来るため、少ない電力で走査手段を駆動することが可能となる。更に、本実施例においては、走査手段３を２次元走査手段としている。１次元光源アレイと１次元走査手段より成る構成に対しては光源数の削減が図れるし、１次元走査手段を２つ用いる構成に対しては走査手段数の削減とともに光学系構成の簡素化も図れるため、低コスト且つ小型の画像表示装置が提供出来る。

このような２次元走査手段の一例として、図２に示すようなデバイスが使用可能である。図２は、半導体プロセス技術により作成された、ＭＥＭＳ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次元方向に走査することが可能となる。

また、本実施例においては、被走査面と反射面Ａ（反射面１ｃ）を略一致させ、更に反射面Ａを曲面とすることで、投射光学系により形成された中間像の結像にはほとんど寄与せず主光線のみを偏向させる能力を負わせることが出来、投射光学系と接眼光学系によるディストーションを打ち消し合うようにして、観察者に歪みのない画像を観察させることが可能となる。

また、本発明は、投射光学系と接眼光学系の両者を有効光束を構成する任意の光線に対して偏心した構成とすることで、光学素子１に投射光学系、接眼光学系の両作用を兼用させ、且つ、光学素子１内に折り返し反射面Ａ（１ｃ）を用いて光路を重複させて光路長に対し小型の光学系で構成可能とするとともに、光学素子１への入射面２ａ（１ｂとの接合面）と光学素子１の反射面１ｂとを切り分けて明るい光学系としている。

即ち、図１で面１ｂの太線で示した箇所に反射膜を形成して接眼光学系の光束反射面として使い、反射膜非形成部である箇所より投射光学系としての光束を入射させる機能を負わせ、光量の損失を防止している。このように小型で明るい光学系を実現するために曲率を有する偏心面を用いたために、従来の共軸回転対称光学系では生じない非回転対称な収差（偏心収差）が発生する。この偏心収差を補正するために、光学系を構成する面を非回転対称な形状とすることが好ましい。接眼光学系として作用する面１ａ，１ｂにおいては、中間結像面からの光束を集束させるパワーを反射面のみの作用をする面１ｂに主として負わせると、反射面では透過面に比べて同じ曲率でも大きいパワーが得られるため、光学素子１を観察者の視軸方向に薄型に出来る。そのため、反射面１ｂを最もパワーの強い面とすることが好ましい。パワーの大きい偏心反射曲面では偏心収差の発生も大きくなるため、面１ｂを非回転対称面として偏心収差の発生を抑制することが収差補正上好ましい。更に、面１ａも非回転対称面として接眼光学系全体で偏心収差を補正すると、光学性能が向上する。一方、投射光学系の走査光学系部分に相当する面２ｃ，２ｂ，２ａ，１ａについても、偏心収差を補正するために、適宜非回転対称面とすることが好ましい。非回転対称面を増やせば、収差補正の自由度が向上するため、性能向上が見込めることは、走査光学系においても同様である。これら偏心光学面で構成された投射光学系と接眼光学系とでディストーションを打ち消しあうようにするため、折り返し反射面Ａ（１ｃ）も非回転対称面として非回転対称なディストーションを補正すれば、観察者に極めて歪みの少ない画像を提示できる。

また、図１においては、反射面Ａが拡散作用を持たないものとして説明したが、図３に示すように、反射面Ａを拡散反射面とすることで、瞳径を拡大することが可能である。

図３は、本実施例における被走査面近傍の折り返し反射面Ａを拡散反射面とした際に、拡散反射面Ａが有する反射拡散作用を説明する図である。光源ＬＳを発し、走査手段により適宜偏向され、プリズム光学系に入射した光束は、反射面Ａを被走査面として走査され、反射面Ａ上に中間像を形成する。ここで、反射面Ａに入射する光束は細い集束光束となっているが、反射面Ａに拡散作用を持たせたことにより、射出する光束は太線で示した広がりの大きな光束となる。光束の広がりが大きくなるため、射出瞳ＥＰに到達する光束はその径が拡大される。従って、光学系射出瞳中心からの観察者瞳位置のマージンが増大するため、容易に画像観察をすることが可能となる。

このように反射面Ａを拡散反射面とする場合は、投射光学系により形成される中間像面（被走査面）と反射面Ａとを略一致させる必要がある。そのために、投射光学系による最小錯乱円径が、被走査面上に形成する結像面のサイズと解像度から決まる画素ピッチの２倍以下になるようにすることが好ましい。この条件を満たすことで、拡散反射により射出瞳径を拡大しながら、極端な画質の低下を防ぐことが可能となる。更に望ましくは、投射光学系による最小錯乱円径が被走査面上に形成する結像面のサイズと解像度から決まる画素ピッチと等倍以下になるようにすると、実質的な画質の低下が生じず、より高画質での画像観察が可能となる。

また、このような拡散反射面Ａとして、反射面上に周期的な凹凸構造を有する反射型回折光学素子等が使用可能であるが、格子ピッチを画素ピッチ以下とすることで解像力の低下を防ぐことが好ましい。拡散反射面が周期的でないランダム凹凸構造の場合も、凹凸の最大ピッチが画素ピッチ以下となるようにすれば、同様の効果が得られる。

また、図１、図３においては光源として１つの光源しか図示していないが、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、各色の光源を映像信号にあわせて変調することで、カラー画像を観察者に提供することも可能である。

また、本実施例においては、投射光学系の光路中で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て曲率を小さくすることができ、少ない光学面数で走査光学系の性能を良好にすることができる。

また、本実施例においては、折り返し反射面Ａを光学素子１の面１ｃとして堅固で組み立て調整の容易な構成としており、最終組み立てにおける工数を減らし、組み立て調整のコスト削減が図れる。

また、本実施例においては、折り返し反射面Ａを基準に考えると、折り返し反射面Ａの前後で同一面１ａで反射させて面１ｂ乃至面２ａへの光路を重複させており、少ない光学面数で光路重複度を高めて小型化を可能としている。即ち、反射面１ａを投射光学系の反射面且つ接眼光学系の反射面として共有することで、２ａ（１ｂと同一面）→１ａ→１ｃ（Ａ）→１ａ→１ｂの面Ａを折り返し地点とする往復光路をプリズム内に形成して両光学系の光路重複部分を増やしている。

また、１ａは上記２回の反射面としてだけでなく、接眼光学系における光学素子１からの光束射出面（透過面）としても作用させている。１ａをハーフミラー面として反射、透過の両作用を負わせることも可能であるが、反射の際には有効光束が臨界角以上の角度で面１ａに入射するようにして内部全反射させ、透過の際には有効光束が臨界角以下の角度で面１ａに入射するようにして光学素子１から射出するように各面を配置すると、光利用効率が格段に高められるため、非常に明るい画像表示を達成できる。

以上、本発明の一実施例を用いて説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、数多のバリエーションが考えられる。以下、数値実施例を用いつつ、その他の例を挙げて説明を加える。

図４は本発明の画像表示装置の第２の実施例の光学系の垂直断面における光路図である。上述した第１の実施例と本実施例との大きな違いは、折り返し反射面Ａを光学素子１とは別に設けたこと、光学素子１内に面１ｄ，１ｅを追加して光学素子２を省いたこと、反射面Ａの前後の反射面である走査光学系の反射面１ｄと接眼光学系の反射面１ａとを別面としたことである。以下、図４を用いて本実施例を説明する。

図４中、光源ＬＳは、不図示の表示画像の入力信号に基き、変調された光束を放射する。光源ＬＳから射出した光束は、集束光学系４により集光され、走査手段３に入射する。走査手段３により光束は２次元方向に偏向され、入射面１ｅより光学素子１に入射する。光学素子１に入射した光束は、反射面１ｄで反射された後、透過面１ｃを通過して所定の被走査面上に中間像を形成する。Ａは該被走査面近傍に配置された反射面であり、光源から集束光学系４、光学素子１を介して反射面Ａに入射した光が再度光学素子１に入射するように反射させる折り返し反射面となっている。反射面Ａで反射された光束は、透過面１ｃより再度光学素子１に入射し、面１ａに臨界角以上の角度で入射して内部全反射し、反射面１ｂで反射した後、面１ａに臨界角以下の角度で面１ａに入射し光学素子１を射出して走査手段３と略共役の射出瞳ＥＰを形成する。観察者は射出瞳ＥＰ近傍に眼を置くことで、被走査面上に形成される画像を観察することができる。

ここで、集束光学系４並びに走査手段３を射出してから被走査面までの光路上にある面１ｅ，１ｄ，１ｃは、光源ＬＳを発した光束を被走査面上に結像させる走査光学系としての作用を持ち、被走査面から面１ｃ，１ａ，１ｂ，１ａの順で射出瞳ＥＰを形成する光路上にある光学系は、被走査面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。

本実施例では、被走査面近傍の反射面Ａにより光路を折り返し、光学素子１に走査光学系、接眼光学系という２つの光学系の作用を持たせたことによって、少ない素子数で光学系を構成することを可能としている。また、走査光学系、接眼光学系という２つの光学系の光路を光学素子内に収めているので、全体の光路長に対して光学系をコンパクトにすることが出来る。特に、被走査面近傍の反射面Ａの前後に反射面を配置して走査光学系の光路（走査光路）と接眼光学系の光路（接眼光路）との大部分を光学素子１内に収める構成としているため、光学系コンパクト化の効果が大きい。

即ち、走査手段３を経て光学素子に入射した光を光学素子内の反射面１ｄにより反射させているため光学素子サイズに比して光学素子内の走査光路をより長くとる（走査光路をより長く小型の光学素子内に収める）ことが出来るし、また、接眼光路に対しては複数の偏心反射面１ａ，１ｂを用いて光路を折り畳むよう構成して、接眼光路をより長く小型の光学素子内に収めると共に光学素子を一方向に薄型とすることが出来る。

また、本実施例では、投射光学系における光学素子１への入射面１ｅの光束有効領域と、接眼光学系における光学素子１内での反射面１ａ，１ｂの光束有効領域とが重なりを持たないように構成している。そのため、光学素子１に投射光学系、接眼光学系という２つの光学系の作用を持たせたにも関わらず、光量損失の少ない、明るい光学系を提供することが可能となる。

また、本実施例においても、走査手段３として反射型の２次元走査手段を用いている。従って実施例１で示したと同様の効果を有し、低コスト且つ小型の画像表示装置が提供出来る。

また、本実施例においても、反射面Ａを被走査面に一致させて拡散作用を持たせることにより、射出瞳径を拡大することが可能である。

また、本実施例においても３色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、各色の光源を映像信号にあわせて変調することで、カラー画像を観察者に提供することも可能である。図４では、カラー画像の表示も想定し、色合成手段としてダイクロイックプリズム等を用いる場合のダミーガラス５を配置している。

また、本実施例においては、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することができる。また、実施例１においては折り返し反射面Ａの前後の光束反射面をともに面１ａとしていたものを、１ａ，１ｄという２つの面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性能を良好にすることができる。さらに、折り返し反射面Ａと面１ｃを分離したことで、面１ｃによる収差補正も可能となる。

なお、本実施例の光学素子１の１ａ〜１ｅの各面は、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１ｄと反射面１ａは異なる係数を持つ関数で表記される面で構成されている。

このように共役関係にある走査手段４と射出瞳７の間の光路上に、光源ＬＳの像が倒立像となる結像面としての被走査面を１つだけ有する構成を取ることにより、走査手段４から被走査面までの光路を短くすることができ、光学系の小型化が可能になる。

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つのプリズムにより構成することで、光学系の構成を簡単にすることができる。

表１に実施例２に対応する数値実施例のデータを記述する。表１において、観察者の水平画角は±１２度（紙面垂直）、垂直画角±９度（紙面内）である。

走査手段３の水平方向偏向角は（紙面内を軸とし、紙面垂直方向に振動）±５．４９度、垂直方向偏向角は（紙面垂直方向を軸とし、紙面内で振動）±４．１１８度である。入射瞳径は１．３５ｍｍである。

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。記述に際して、以下に説明するような観察者の瞳位置をグローバル座標系の基準として表記する。実施例３、４についても同様の基準に基づいて表記する。

グローバル座標系における３次元の座標軸をＺ軸、Ｙ軸、Ｘ軸とし、それぞれ以下のように定義する。
Ｚ軸：第１面の中心（絶対座標原点）を通る直線で、観察者の視軸方向（２次元走査手段が水平，垂直ともに振れ角±０°のときの光線が反射面Ａで正反射して射出瞳に到る光線が第２面から第１面へ到る際と並行で逆向きの方向）を正とする。
Ｙ軸：第１面中心（絶対座標原点）を通り、Ｚ軸に対し垂直な直線で、Ｚ軸に対し反時計回りに９０度をなす方向を正方向とする。
Ｘ軸：原点を通り、Ｚ軸及びＹ軸に垂直となる直線で紙面奥向きを正方向とする。

光学系を構成する各光学面に関しては、上記グローバル座標系における各光学面の面形状を表記するための座標系（ローカル座標系）の原点位置をＸ，Ｙ，Ｚで表し、グローバル座標系に対するローカル座標系のＹＺ面内での傾きをＡ（ローカル座標系ｚ軸がグローバル座標系Ｚ軸に対して反時計周りに傾く方向を正とした角度（単位はｄｅｇｒｅｅ））、グローバル座標系に対するローカル座標系のＸＺ面内での傾きをＢ（ローカル座標系ｚ軸がグローバル座標系Ｚ軸に対して反時計周りに傾く方向を正とした角度（単位はｄｅｇｒｅｅ））、グローバル座標系に対するローカル座標系のＸＹ面内での傾きをＣ（ローカル座標系ｙ軸がグローバル座標系Ｚ軸に対して反時計周りに傾く方向を正とした角度（単位はｄｅｇｒｅｅ））として記述する。このような記述により定義されるｘ，ｙ，ｚ軸による座標系を、各面のローカル座標系とする。

また、各面におけるＮｄ，ｖｄは、その面以降の媒質のｄ線の屈折率とアッベ数を表している。屈折率の符号が変化するものは、その面で反射することを示している。

本実施例で使用する回転対称軸を有さない非回転対称面形状について、以下のような数式で表現する。

数値実施例１中では、非回転対称面として、表中ＸＹＰと表記してある、以下の式を用いる。

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得ることができる。

以上のＸＹＰで表される面には符号Ａ，Ｂ，Ｃ，・・等を付し、その面の非球面係数Ｃ＊＊を表２に示した。

また、本実施例では、一部の面にローカル座標ｘｚ面とｙｚ面とで曲率の異なるアナモルフィック面を用いており、表中にＡＡＳとして表し、通常のＲ項にｙｚ断面での曲率半径を示し、ｘｙ断面での曲率半径をＲｘとして別途付記することとする。

また、球面である場合はＳＰＨとして示している。

図５は、本発明の画像表示装置の第３の実施例を構成する光学系の垂直断面における光路図である。前述した第１の実施例と本実施例との大きな違いは、折り返し反射面Ａを光学素子１とは別に設けたこと、光学素子１と光学素子２を接合せずに別体で用いたこと、光学素子２内に面２ｄを追加して光学素子２内での反射回数を増やしたこと、光学素子１の走査光束入射面１ｄと接眼光束反射面１ｂとを別の面として構成したことである。以下、図５を用いて本実施例を説明する。

図５中、光源ＬＳは、不図示の表示画像の入力信号に基き、直接変調された光束を射出する。光源ＬＳから射出した光束は、集束光学系４により集光とされ、走査手段３に入射する。走査手段３により光束は２次元方向に偏向され、面２ｄより光学素子２に入射する。光学素子２に入射した光束は、反射面２ｃ、２ｂで反射された後、透過面２ａを通過して光学素子１に向かう。光学素子１向かった光は面１ｂより光学素子１に入射した後、面１ａで反射され、面１ｃを通過して所定の被走査面上に中間像を形成する。

面Ａは該被走査面近傍に配置された反射面であり、面Ａでの反射直前の反射面１ａで反射されて反射面Ａに入射した光が、反射面１ａで再度反射されるように、光線を逆向きに反射させる折り返し反射面となっている。反射面Ａで反射された光束は、面１ｃより光学素子１に再度入射し、面１ａで再度反射され、次に反射面１ｂで反射された後、透過面１ａを通過して走査手段３と略共役の射出瞳ＥＰを形成する。観察者は射出瞳ＥＰ近傍に眼を置くことで、被走査面上に形成される画像を観察することができる。

ここで、走査手段３を射出してから被走査面までの光路上にある光学素子２の各面と光学素子１の入射面である透過面１ｂ，反射面１ａ，射出面である透過面１ｃは走査光学系としての作用を持ち、集束光学系４と併せて、光源ＬＳを発した光束を被走査面上に結像させる投射光学系として作用している。一方、被走査面から面１ｃ，１ａ，１ｂ，１ａの順で射出瞳ＥＰを形成する光路上にある光学素子１による光学系は、被走査面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。

本実施例は、被走査面近傍の折り返し反射面Ａにより光路を折り返し、光学素子１に投射光学系、接眼光学系という２つの光学系の作用を持たせたことによって、少ない素子数で光学系を構成することを可能としている。また、投射光学系、接眼光学系という２つの光学系の光路を光学素子１内に収めているので、全体の光路長に対して光学系をコンパクトにすることが出来る。特に、被走査面近傍の反射面Ａの前後で面１ｃ，１ａを共用するように配置して投射光学系の光路（投射光路）と接眼光学系の光路（接眼光路）との大部分を光学素子１内に収める構成としているため、光学系コンパクト化の効果が大きい。

即ち、走査手段３、光学素子２を経て透過面１ｄより光学素子１に入射した光を光学素子内の反射面１ａで反射させて光学素子１の透過面１ｃを介して反射面Ａに導いているため光学素子サイズに比して光学素子内の走査光路をより長くとる（走査光路をより長く小型の光学素子内に収める）ことが出来るし、また、接眼光路に対しては透過面１ｃより光学素子１に入射させた光を複数の偏心反射面１ａ，１ｂを用いて光路を折り畳むよう構成して、接眼光路をより長く小型の光学素子内に収めると共に光学素子を一方向に薄型とすることが出来る。

また、本発明は、投射光学系における光学素子１への入射面１ｄを光学素子１内での反射面１ｂと別面化して光学性能を向上させながら、光学素子への入射面１ｄの光束有効領域と、接眼光学系における光学素子１内での反射面１ａ，１ｂの光束有効領域とが重なりを持たないように構成している。そのため、光学素子１に投射光学系、接眼光学系という２つの光学系の作用を持たせたにも関わらず、光量損失の少ない、明るい光学系を提供することが可能となる。

また、本実施例においても、走査手段３として反射型の２次元走査手段を用いているため、実施例１と同様、低コスト且つ小型の画像表示装置が提供出来る。

また、本実施例においても、反射面Ａに拡散作用を持たせて、瞳径を拡大させている。

また、図５においてもカラー画像の表示を想定し、色合成手段としてダイクロイックプリズム等を用いる場合のダミーガラス５を配置している。

また、本実施例においては、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することができる。また、本実施例の光学素子１の１ａ〜１ｃの各面並びに光学素子２の２ａ〜２ｄの各面は、回転対称軸を持たない非回転対称面で構成される。これにより偏心収差を補正し、解像力の高い光学系とするとともに、平面の折り返し反射面Ａを用いても、走査光学系を含む投射光学系のディストーションと接眼光学系のディストーションとをうまく打ち消しあって歪みの極めて少ない光学系としている。

表３に実施例３に対応する数値実施例のデータを記述する。表３において、観察者の水平画角は±２５度（紙面垂直）、垂直画角は±１４度（紙面内）である。

走査手段３の水平方向偏向角は（紙面内を軸とし、紙面垂直方向に振動）±５．４９度、垂直方向偏向角は（紙面垂直方向を軸とし、紙面内で振動）±４．１１８度である。入射瞳径は１．４ｍｍである。

また、表３に示す数値実施例２、及び以下に説明する表５に示す数値実施例３では、表中ＦＦＳと表す以下の非回転対称面形状の式を用いている。尚、数値実施例においては全てＹＺ面に対称な形状としたため、以下の式においては、Ｘの奇数次項をあらかじめ除去した式としている。

以上のＦＦＳで表される各面には符号Ａ，Ｂ，Ｃ，・・等を付し、その面の非球面係数Ｃ＊＊をそれぞれ表４、表６に示した。

図６は、本発明の第４の実施例である光学系の垂直断面における光路図である。

前述した第１の実施例と本実施例との大きな違いは、折り返し反射面Ａを光学素子１とは別に設けフィールドレンズの機能を果たす光学素子６の裏面反射面としたこと、光学素子２を追加して光学素子２内での反射回数を増やしたこと、走査手段から反射面Ａの間にも中間像を形成するよう構成したことである。以下、図６を用いて本実施例を説明する。

図６中、光源ＬＳから射出した光束は、集束光学系４により集光され、走査手段３に入射する。走査手段３により光束は２次元方向に偏向され、面２ｅより光学素子２に入射する。光学素子２に入射した光束は、反射面２ｄで反射された後中間像を形成し、更に反射面２ｃ、２ｂで反射された後、光学素子１の面１ｂとの接合面である透過面２ａを通過して光学素子１に入射する。光学素子１に入射した光は面１ａに臨界角以上の角度で入射して内部全反射され、面１ｃを通過して光学素子６に向かう。光学素子６に向かった光は、面６ａより光学素子６に入射した後、面６ｂ近傍の被走査面上に２回目の中間像を形成する。面６ｂは被走査面近傍に配置された反射面であり、本実施例での折り返し反射面Ａの役割を果たす裏面鏡となっており、反射面Ａ（面６ｂ）に到る直前の反射面１ａで反射されて反射面Ａに入射した光が反射面１ａで再度反射されるように、光線を逆向きに反射させる。反射面６ｂ（Ａ）で反射された光束は、面６ａより光学素子６を射出し、面１ｃより光学素子１に再度入射し、面１ａに臨界角以上の角度で入射し再度内部全反射され、次に反射面１ｂで反射された後、面１ａに臨界角以下の角度で入射して透過面１ａを通過し走査手段３と略共役の射出瞳ＥＰを形成する。観察者は射出瞳ＥＰ近傍に眼を置くことで、被走査面上に形成される画像を観察することができる。

ここで、走査手段３を射出してから被走査面までの光路上にある光学素子２の各面と光学素子１の反射面１ａ，透過面１ｃ，光学素子６の透過面６ａは走査光学系としての作用を持ち、集束光学系４と併せて、光源ＬＳを発した光束を被走査面上に結像させる投射光学系として作用している。一方、被走査面から面６ａ，１ｃ，１ａ，１ｂ，１ａの順で射出瞳ＥＰを形成する光路上にある光学素子６と１による光学系は、被走査面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。

本実施例は、被走査面近傍の折り返し反射面Ａにより光路を折り返し、光学素子６の透過面６ａと光学素子１とに投射光学系、接眼光学系という２つの光学系の作用を持たせたことによって、少ない素子数で光学系を構成することを可能としている。また、投射光学系、接眼光学系という２つの光学系の光路を光学素子６及び１内に収めているので、全体の光路長に対して光学系をコンパクトにすることが出来る。特に、被走査面近傍の反射面Ａの前後で面１ａ，１ｂ，１ｃを共用するように配置して投射光学系の光路と接眼光学系の光路との大部分を光学素子１内に収める構成としているため、光学系コンパクト化の効果が大きい。

即ち、走査手段３、光学素子２を経て透過面１ｂ（２ａ）より光学素子１に入射した光を光学素子内の反射面１ａで反射させて光学素子１の透過面１ｃを介して反射面Ａに導いているため光学素子サイズに比して光学素子内の走査光路をより長くとることが出来るし、また、接眼光路に対しては透過面１ｃより光学素子１に入射させた光を複数の偏心反射面１ａ，１ｂを用いて光路を折り畳むよう構成して、接眼光路をより長く小型の光学素子内に収めると共に光学素子を一方向に薄型とすることが出来る。

また、本実施例は、投射光学系における光学素子１への入射面２ａを光学素子１内での反射面１ｂと接合して面１ｂの一部として用いつつ、光学素子への入射面２ａの光束有効領域と、接眼光学系における光学素子１内での反射面１ａ，１ｂの光束有効領域とが重なりを持たないように構成している。そのため、光学素子１に投射光学系、接眼光学系という２つの光学系の作用を持たせたにも関わらず、光量損失の少ない、明るい光学系を提供することが可能となる。

また、本実施例においても、走査手段３として反射型の走査手段を用いている。

また、本実施例においても、反射面Ａに拡散作用を持たせて、瞳径を拡大させている。

また、図６においてもカラー画像の表示を想定し、色合成手段としてダイクロイックプリズム等を用いる場合のダミーガラス５を配置している。

また、本実施例においては、走査光学系の光路上で光源像として中間像を形成するよう構成したため、各面のパワーは強くなっているが、反射面２ｂ，２ｃ，２ｄで光路を交差させて光学素子２を小型にしている。また、本実施例では、光学素子６の透過面を非回転対称面で構成して、反射面Ａを平面の裏面反射面としながら、走査光学系を含む投射光学系のディストーションと接眼光学系のディストーションとをうまく打ち消しあって歪みの極めて少ない光学系としている。また、６ａ面を正の屈折力を有する屈折面とし、パワーの強い反射面１ｂで生じる像面湾曲を補正する働きを与えて、接眼系単独での光学性能も向上させている。

また、面１ｂとの接合面２ａより光学素子１に光束を入射させる際に、面２ａ近傍に光学系の入射瞳である走査手段の反射面３と共役な瞳を形成することで、面１ｂを大型化させずに走査光束の入射と接眼光束の反射とを切り分けて使うことが可能であり、小型化と光利用効率向上との。図６でも分かるように、光学素子１への走査光束入射面２ａ（１ｂ）の前後の反射面である反射面２ｂと反射面１ａとの間に瞳が形成されており、走査光学系光束の入射領域を狭め、面１ｂを小型化させている。

また、図６では、集束光学系４及びダミーガラス５と光学素子１，２とが干渉しているように描かれているが、実際には点線で表したミラーＶＭを配置して光路を紙面に垂直な方向に折り曲げることで、互いに干渉することなく、小型の画像表示装置が実現可能である。

表５に実施例４に対応する数値実施例３のデータを記述する。表５において、観察者の水平画角は±２５度（紙面垂直）、垂直画角は±１４度（紙面内）である。

走査手段３の水平方向偏向角は（紙面内を軸とし、紙面垂直方向に振動）±５．４９度、垂直方向偏向角は（紙面垂直方向を軸とし、紙面内で振動）±４．１１８度である。入射瞳径は１．４ｍｍである。

表６には、表５中でＦＦＳで表される面にそれぞれ符号Ａ，Ｂ，Ｃ，・・等を付し、その面の非球面係数Ｃ＊＊を示した。

本発明の実施例１の光路図。 本発明の実施例１の走査手段の具体構成例を説明する図。 本発明の実施例１において拡散反射板を使用した場合の光路図。 本発明の実施例２の光路図。 本発明の実施例３の光路図。 本発明の実施例４の光路図。

符号の説明

ＥＰ 射出瞳（眼球）
ＬＳ 光源
Ａ 折り返し反射面（拡散反射面）
１ 第１の光学素子（投射光学系と接眼光学系に兼用の光学素子）
２ 第２の光学素子（投射光学系の一部を構成する光学素子）
４ 集光光学系
５ ダイクロイックプリズムのダミーガラス
６ 第３の光学素子（フィールドレンズの役割を果たす光学素子）

Claims (7)

1. 外部からの信号により変調した光束を発する光源と、
   該光源からの光束を該変調に同期して二次元的に操作する走査手段と、
   該光束に対して偏心した３面以上の光学面を同一媒質上に有する第１のプリズム状光学素子を有して、該走査手段により走査された光束を該光学素子に入射させて該光学素子内部の所定の被走査面上に結像して中間像を生成すると共に、該生成した中間像からの光束を該プリズム状光学素子から射出させて観察者に虚像として提示する光学系を有する画像表示装置において、
   該走査手段により走査された光束が該光学素子に入射する入射光束有効領域が、該光学素子内において該中間像からの光束が該光学面で内部反射される際の反射光束有効領域と重なりを有しないことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記第１のプリズム状光学素子に入射した光束は該第１のプリズム状光学素子の光学面で少なくとも一回内部反射をされた後に前記中間像を結像し、且つ該中間像からの光束は少なくても二回内部反射をされた後に該第１のプリズム状光学素子から射出することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記中間像が形成される前記被走査面は前記第１のプリズム状光学素子上の光学面と略一致することを特徴とする請求項１乃至２に記載の画像表示装置。
4. 前記被走査面と一致する前記第１のプリズム状光学素子上の光学面は曲面であることを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
5. 前記被走査面と一致する前記第１のプリズム状光学素子上の光学面は拡散反射面であることを特徴とする請求項３乃至４に記載の画像表示装置。
6. 前記光学系は更に第２のプリズム状光学素子を有し、前記走査手段により走査された光束は該第２のプリズム状光学素子を介して前記第１のプリズム状光学素子に入射することを特徴とする請求項１乃至５に記載の画像表示装置。
7. 前記第１のプリズム状光学素子と第２のプリズム状光学素子は接合されていることを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
   

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