JP2006317604A - 画像表示装置及びそれを用いた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被走査面上に高画質の画像を容易に表示することができ、さらに複数の発光点を有する光源手段を用いれば複数の発光点からの光束で被走査面上を走査し、良好な画像を高速に形成することができる画像表示装置を得ること。
【解決手段】 画像情報に基づいて光変調された光ビームを発する光源手段と、該光源手段からの光ビームを所定形状の光束径に変換する変換光学系と、該変換光学系からの光ビームを2次元方向に走査する走査手段と、該走査手段で走査された光ビームを被走査面上に結像させる走査光学系と、該走査光学系の結像面に形成される2次元画像を観察する接眼光学系を有する画像表示装置において、該変換光学系から射出する光束は収束光束であり、該走査光学系は非回転対称な１つの反射面から構成され、該走査光学系の反射面のうち中心光束が入射する位置でのパワーが正であること。
【選択図】 図１

Description

本発明は画像情報によって光変調された光ビームを２次元方向に走査することにより形成された２次元画像を観察する走査型の画像表示装置に関し、例えばデジタルスチルカメラ、ビデオカメラ等の撮像装置に搭載される電子ビューファインダや、ヘッドマウントディスプレイ等に好適なものである。

従来、透過型液晶素子、反射型液晶素子、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次元表示素子を用いず走査手段を使って光ビームで所定面上を２次元走査し、画像を表示し観察する画像表示装置が提案されている（特許文献１〜５）。

例えば光源手段から出射した光束を２次元方向に走査し、観察者の網膜上に直接画像を形成する、網膜直接描画型の走査型の画像表示装置が提案されている（特許文献１，２）。特許文献１で開示されている網膜走査型の画像表示装置では、２次元方向に走査した光束を１次結像面上に結像させ、さらに接眼光学系を通して観察者の網膜上に２次元画像を形成する。該装置では、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走査手段が使われている。このような走査型の画像表示装置の走査手段として、微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＳＹＳＴＥＭ：ＭＥＭＳ）技術を利用して製作された、小型軽量で高速可能なミラーが用いられている。

このような装置において走査される光ビームは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。

特許文献２では、このような小さな射出瞳径を拡大する方法を開示している。特許文献２では、走査されたビームは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光拡散手段を配置し、これを透過させることにより光束の広がり角を拡大する方法を開示している。

また、特許文献３や特許文献４では、回転非対称な面を備えた、屈折率ｎが１以上の材質で作られたプリズム部材を用いた画像表示装置を開示している。プリズム部材を用いることで、光路を折り畳んで光学系を小型化しつつ、光路長を実際の透過距離のｎ倍（ｎ＞１）として光路長を長く確保している。しかし、これらの光学系では、中間結像面がプリズムの内部に存在するため、特許文献２にて開示されている光拡散手段を利用することができない。

また、特許文献５では、走査された光を走査面上に結像させる光学系として、屈折率が１より大きい媒質で満たされたプリズムを用いた光学系を開示している。この光学系では、走査面に配置された拡散板としての接眼光学系を通して、該走査面に結像した画像を観察している。
米国特許５，４６７，１０４号 米国特許５，７０１，１３２号 特開２００１−４９５５号公報（段落０２３９〜０２４１，図２０等） 特開２００１−１９４６１７号公報（段落００８７〜０１０４，図２等） 特開２００４−４５４９６号公報（段落００８７〜０１０４，図２等）

走査手段で走査された光ビームを中間結像面に結像させる光学系としては、レンズ（屈折光学素子）を用いる構成やプリズム部材とレンズを用いる構成等が適用できる。屈折光学素子を用いた光学系において、色収差の残存が多いと画像の画質が低下してくる。光学系の色収差を補正するには、分散の異なる光学素子が必要となり、光学系全体が複数及び大きくなってくる。

また、走査手段に対して光源手段からの光ビームが大きな角度で入射した場合、被走査面に形成した画像には所謂走査歪みが生じる。

さらに、光源手段とし複数の発光点を有する光源手段を用い、複数の光ビームで同時に被走査面上を走査する構成は、２次元画像を高速に形成することができる。

しかしながら、複数の発光点が直線状もしくは平面状に並び、発光点からの光束をそれぞれ所定形状の光束径にして（ビーム化して）走査手段に入射させる場合、すべての発光点からの光束を所望の光学性能を持ち、被走査面上に導光するには、光学系を適切に構成しないと形成される画像の画質が大きく低下してくる。

本発明は、被走査面上に高画質の画像を容易に表示することができ、さらに複数の発光点を有する光源手段を用いれば複数の発光点からの光束で被走査面上を走査し、良好なる画像を高速に形成することができる画像表示装置の提供を目的とする。

本発明の画像表示装置は、画像情報に基づいて光変調された光ビームを発する光源手段と、該光源手段からの光ビームを所定形状の光束径に変換する変換光学系と、該変換光学系からの光ビームを2次元方向に走査する走査手段と、該走査手段で走査された光ビームを被走査面上に結像させる走査光学系と、該被走査面に形成される2次元画像を観察する接眼光学系を有する画像表示装置において、該変換光学系から射出する光束は収束光束であり、該走査光学系は非回転対称な１つの反射面から構成され、かつ該走査光学系の反射面のうち中心光束が入射する位置でのパワーが正であることを特徴としている。

本発明によれば、被走査面上に高画質の画像を容易に表示することができ、さらに複数の発光点を有する光源手段を用いれば複数の発光点からの光束で被走査面上を走査し、良好なる画像を高速に形成することができる画像表示装置が得られる。

図１は、本発明の実施例１における走査型の画像表示装置の垂直断面図である。

図１において、光源手段（光源）１０１は、不図示の表示画像の入力信号に基き、直接光変調された光束を放射している。光源１０１から射出した光束１０２は、光学系（変換光学系）１０３により所定形状の光束径とされ（ビーム化され）、走査手段１０４に入射する。走査手段１０４に入射した光束１０２は走査手段１０４によって２次元方向に走査され、反射面からなる走査光学系１０５に入射する。走査光学系１０５に入射した光束は、フィールドレンズ１０６を通過し、フィールドレンズ１０６の、走査光学系１０５とは反対側の面（１０６ｂ）上もしくはその近傍にある被走査面１１０上に結像し、スポット１０７を形成する。走査手段１０４により光束１０２で被走査面１１０上を走査する。このとき、スポット１０７が被走査面（結像面）１１０上を２次元に移動し、それに応じて光源手段１０１（１からの光束１０２）を直接光変調することで、被走査面１１０上に２次元の画像を形成する。被走査面１１０上に形成される２次元画像は、空中像である。観察者はこの空中像を直接又は接眼光学系１０８で虚像として拡大観察する。これによって光源手段１０１で光変調された光束に基づく画像を観察する。観察者は、接眼光学系１０８の射出瞳位置１０９もしくはその近傍に瞳(眼)を置くことで、画像を観察することができる。光源手段１０１の光変調方法は強度変調やパルス幅変調などを用いることができる。また、直接変調でなく、音響光学素子などを用いて外部変調しても良い。

実施例１及び以下の各実施例においては、以下の事を共通事項とする。走査手段１０４から走査光学系１０５を通り被走査面１１０に至るまでの光路で、走査手段１０４による2次元方向（水平垂直方向）の走査の、各方向の走査角の中心を通る光束を中心光束と定義し、その中心光束と走査光学系１０５の各部材との交点をヒットポイントと定義する。走査画面の長辺が水平方向（Ｘ方向）、短辺が垂直方向（Ｙ方向）としている（尚、長辺が垂直方向、短辺が水平方向としても良い）。また、走査手段１０４から被走査面１１０に至る光路において中心光束の主光線を含む面（主光線は反射されて面を形成する）を垂直断面（ＹＺ断面）とし、垂直断面に平行かつ、被走査面１１０の直線方向を垂直方向として定義する。垂直断面に直行し、走査中心を含む面を水平断面（ＸＺ断面）と定義する。さらに、走査光学系１０５の垂直断面（ＹＺ断面）内で、最も走査手段１０４に近い側に光線が走査されたときの、光線の主光線と走査光学系１０５の反射面との交点１０５ａにおける垂直断面方向の局所曲率半径をRnとする。さらに、走査光学系１０５の垂直断面内で、最も走査手段１０４から遠い側に光線が走査されたときの、光線の主光線と走査光学系の反射面との交点１０５ｂにおける垂直断面方向の局所曲率半径をＲｆとしている。

実施例１では、走査光学系１０５と結像面（被走査面）１１０の間にフィールドレンズ１０６を配置している。フィールドレンズ１０６は接眼光学系１０８に対しテレセントリックに光線を入射させる効果がある。フィールドレンズ１０６にテレセントリック性を持たせることで、接眼光学系１０８をその光軸方向に移動させ、視度調整を行った際にも、観察者により観察される画像の大きさが変化しないようにしている。なお、フィールドレンズ１０６の位置はこの位置に限ることなく、被走査面１１０と接眼光学系１０８の間に配置してもよい。また、フィールドレンズの代わりに、被走査面１１０上もしくはその近傍にフレネルレンズを配置し、光線の向きだけを変えても良い。また、フィールドレンズを配置せず、視度調整を行っても画像の大きさが変化しないような接眼光学系を構成しても良い。また、接眼光学系として共軸光学系を配置したが、これに限るものでなく、偏心光学系を採用しても良い。

実施例１の表示光学系（１０３〜１０６）では、光学系の大きさの制限から、走査手段１０４として微小ミラーを利用している。微小ミラーを用いた場合、走査される光束径が細くなり、結果として射出瞳径も小さくなってくる。これにより、観察者が射出瞳の位置に眼（瞳）を合わせるのが困難になる場合がある。そこで、図示はしないが、走査面１１０上又はその近傍に、入射光束の収束角に対して、射出光束の発散角が大きくなるような光拡散作用を有した光学部材を配置し、射出瞳の径を拡大して画像観察を容易に行えるようにするのが良い。この拡散部材は、図１７に示すようにフィールドレンズ１０６の一方の面１０６Ｃを平面として、その平面上に形成しても良い。もちろん、拡散作用を持った光学部材を配置せず、細いビームのまま観察しても構わない。

光学系１０３は、光源１０１を射出した光束が通過する順に、入射面１０３a、反射面１０３b、射出面１０３ｃの３つの光学面を持つ光学素子（プリズム）より成っている。光学素子１０３のうち、反射面１０３bが光学素子１０３の主たるパワーを負担している。また、光学素子１０３の３面全てで回転対称軸を持たない非回転対称面を用いており、光束に対し斜めに光学面が配置されることで生じる偏心収差を補正している。

ここで、実施例１は以下の特徴を有する。

◎ヒットポイントにおいて走査光学系１０５の反射面は正の光学的パワーを持つ。実施例１において、走査光学系１０５は主として走査手段１０４により発生する像面湾曲を補正する作用を持つ。そのため、走査光学系１０５の反射面は画像の中心から周辺に行くに従い、走査手段１０４から離れた位置に結像させるような光学的パワーを持つ。このとき、画像中心の走査光学系１０５の光学的パワーが負であった場合、画像の周辺ではより強い負の光学的パワーが必要とされるため、画像の周辺に行くに従い収差補正が困難となる。画像の中心付近が正の光学的パワーを持つことで、周辺に行くに従い面の光学的パワーが弱くなる。これにより、結果として反射面に対し大きく傾いて入射する光束に対し、弱い光学的パワーのみ与え、収差の発生を抑えている。

◎走査手段１０４から被走査面１１０までの光路中における中心光束を含む垂直断面（ＹＺ面）において、走査光学系１０５の反射面と走査光束の主光線の各交点のうち、最も走査手段１０４に近い交点１０５ａにおける垂直断面方向の局所曲率半径をRn、最も走査手段１０４から遠い交点１０５ｂにおける垂直断面方向の局所曲率半径をRfとするとき、その曲率半径比φ=Rf/Rnが、
１ ＜ φ ＜ ２
を満足する。これは、走査手段１０４からより遠い側において、走査光学系１０５への光束入射角が大きくなるため、走査光学系１０５の断面方向の見かけのパワーが増大してしまうためである。この範囲の上限を超えると、走査手段１０４から遠い側と近い側での光路差が大きくなり、１枚のミラーでの補正が困難になる。下限を下回ると、走査手段１０４から遠い側の光学的パワーが近い側より強くなり、像面湾曲の補正が難しくなる。

◎光学系１０３を射出し走査手段１０４に入射する入射光束の主光線と、中心光束のうち、走査手段１０４から走査光学系１０５までの光路中における光束の主光線の成す角度をα(度)とするとき、
１０° ＜ α ＜ ４０°
を満足している。走査手段１０４に対し光束が斜めに入射すると、被走査面１１０上にいわゆる走査歪みが発生する。この走査歪みを可能な限り抑えるため、入射角はなるべく小さくすることが望ましい。この範囲の上限を超えると、走査歪みが大きく発生し、電気的な補正を行うことも困難になる。下限を下回ると、走査手段１０４への入射光束と走査手段１０４により走査された光束が物理的に干渉してしまうので良くない。

◎被走査面１１０上における、中心光束の拡大率は、垂直方向（Ｙ方向）の拡大率をPv、水平方向（Ｘ方向）の拡大率をＰｈとするとき、
１ ＜ Ｐｖ ＜ ５
１ ＜ Ｐｈ ＜ ５
を満足している。この拡大率が上限を超えると、被走査面１１０上での光源像が大きくなり、生成される画像の解像度が低下してくる。逆に小さすぎた場合、被走査面１１０上でスポットの間隔が空いてしまい、結果として走査線が観察者に認識され画像の品位が低下してくる。

◎走査手段１０４への入射光束と、前記中心光束とが交差するように構成している。この構成にすることにより、観察者側から見て、光学系の奥行きを短くすることが可能になる。電子ビューファインダとしての適用を考えた場合、奥行きの長い光学系は好ましくない。また、中心光束と入射光束が交差せず配置することは可能であるが、その場合走査手段１０４との物理的な配置により、光源の像の拡大率が大きくなりやすく、高い解像度を保つことが困難になる。

◎中心光束を含む垂直断面（ＹＺ面）の各位置において、走査光学系１０４の垂直断面方向の局所曲率半径をＲＹ、それに直交する方向の局所曲率半径をＲＸとするとき、
ＲＹ ＞ ＲＸ
を満足している。垂直断面（ＹＺ面）内では光束が走査光学系１０５に対し斜めに入射する。このため、同じ曲率半径を与えると垂直断面方向の見かけの光学的パワーが垂直断面方向に直行する水平断面の光学的パワーに比べ大きくなり、非点収差が発生する。そのため、垂直断面方向の曲率半径ＲＹをそれに直交する方向（水平方向）の曲率半径ＲＸより常に大きくし、非点収差の発生を抑えている。

なお、以上説明した６つの特徴は、以下で説明する実施例２および３においても同様である。

実施例１の走査型の画像表示装置における画像生成について図２を用いて説明する。図２は被走査面１１０上でのスポット１０７の動きを示す。スポット１０７は、被走査面上で図２のように横方向（水平方向、Ｘ方向）に高速に、縦方向（垂直方向、Ｙ方向）に低速で走査されるラスタスキャンにより、被走査面１１０上に２次元画像を形成する。このとき、スポット１０７は図２中で左から右に移動する走査(往路走査２０１)だけでなく、右から左に移動する走査(復路走査２０２)を持つ往復走査をしながら、画像を形成する。

往復走査をする場合、左から右へ描画するライン２０１と、右から左へ描画するライン２０２において、その描画開始位置がずれてしまうと、図２(ｂ)のように、往路走査２０１の画像と復路走査２０２の画像がずれ解像度を低下させる。これを解決するために、実施例１では図１に示すように光路中に光検出器１１１を配置し、スポット１０７がある特定の位置を通るときのタイミングを検出し（同期信号を検出し）、往復の画像のずれが生じないようにしている。

図１中で光検出器１１１は、不図示のミラーにより紙面手前側に光束の一部を引き出された光束が入射している。光検出器１１１を被走査面１１０と光学的に同じ位置に配置することで、集光されたスポットが光検出器１１１に入射することになり、光検出器１１１の分解能を向上させている。なお、上記の説明では横方向に高速に、縦方向に低速に走査と記載したが、縦方向、横方向を入れ替え、縦方向に低速に、横方向に高速に走査しても良い。

実施例１では、光源１０１として発光点が離散的に配置されたアレイ状の発光素子を使用している。発光点を複数持った光源手段による走査画像の形成については、例えばUSP6362912などに記載されている構成が適用できる。USP6362912では、２つ乃至４つのファイバ端から射出した光を走査し、被走査面上で夫々の描画領域を繋ぎあわせ１つの走査画像を生成する手法について記述している。実施例１におけるアレイ発光素子及びそれを用いた場合の描画方法を、図３を用いて説明する。なお、図３では説明を簡単にするため、光源手段から射出した光束の主光線のみを描いている。同様に簡単のため、光学系１０３および走査光学系１０５を簡略化して記述する。また、フィールドレンズ１０６は簡単のため省略する。実施例１では、光源１０１は２つの発光点１０１a、１０１bより成っている。２つの発光点１０１a、１０１bから射出した光束は光学系１０３により集光光束とされ、走査手段１０４上で瞳結像する。この瞳結像したビームは、走査手段１０４により２次元方向に走査され、走査光学系１０５を介して被走査面１１０上に結像する。このとき、被走査面１１０上で、発光点１０１aと１０１ｂに対応するスポット３０１aと３０１bはそれぞれ描画範囲３０２aと３０２bの間で移動し、それぞれの範囲に対応した画像を描画する。この２つの描画範囲３０２a、３０２bを繋ぎ合わせることで、範囲３０３で示される画像を描画することができる。２つの描画範囲３０２aと３０２bの繋ぎ目は、電気的に処理を行い繋ぎ目が認知できないように補正を行う。なお、実施例１では２つの発光点１０１ａ，１０１ｂを仮定したが、発光点の個数は２個に限らず、描画画像の水平解像度の１/２までの範囲で自由に選択することができる。たとえば水平解像度のピッチ１/２の発光点がある場合、垂直方向に目標とする画像の垂直解像度分、水平方向に１画素分の走査を行うことで、目標とする解像度の画像を得ることができる。この光源としては微小な発光点を持つレーザやLED、有機EL素子などの光源手段を選ぶことができる。実施例１では、各発光点に対し１つの光源手段しか記載されていないが、実際には各発光点に対応する位置に赤、緑、青の各色の波長の光束を発する光源手段を配置し、被走査面上で色を重ね合わせることで、カラー画像を生成しても良い。

図４は、実施例１における、走査光学系１０５の走査手段１０４から被走査面１１０までの中心光束を含む垂直断面（ＹＺ面）における、断面方向の局所曲率半径の変化を表す。図中、縦軸が曲率半径、横軸が断面方向の位置を表す。横軸方向において、左へ行くほど走査手段１０４に近く、右へ行くほど走査手段１０４から遠ざかる方向になる。図４のように、走査手段１０５から遠い側の曲率半径Rfが、走査手段１０５に近い側の曲率半径Rnより大きくなる。

走査光学系１０５を、光学透過面を持たない、表面反射面のみで構成することにより、走査光学系１０５において色収差が発生しない。走査光学系１０５をプリズムなどの光学透過面をもつ光学部材で構成するよりも、高品質な画像を形成することができる。また、表面反射鏡１０５は回転対称軸を持たない、非回転対称面で構成している。非回転対称面を用いることで、光学的パワーを有する反射鏡を光束に対し斜めに配置することにより発生する偏心収差を抑えている。

図５は、走査手段としての半導体プロセス技術により作成された、MEMS（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＳＹＳＴＥＭ）走査デバイス５０１の説明図である。偏向デバイス５０１は偏向面(反射面)を持つ微小ミラー５０２がトーションバー５０３及び５０４で支持された構造より成る。微小ミラー５０２はトーションバー５０３がねじれることで軸５０５を略中心とした共振往復運動を、さらにトーションバー５０４がねじれることで軸５０６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５０２の法線方向が２次元的に変化し、微小ミラー５０２に入射してくる光束を反射させ、2次元方向に走査する。このようなMEMS走査デバイスを用いることで、走査手段１０４を小型化している。もちろん、走査手段１０４として１次元の回転多面鏡を２つ組み合わせたものや、1次元のMEMS走査デバイスを２つ組み合わせたものなど、他の走査手段を用いても良い。

なお、共振デバイスによる走査速度変化に起因するムラなど、画像の歪みは画像歪み補正回路で電気的に補正を行う。これ以降の実施例においても、画像の歪みは電気的に補正を行っている。図１２に実施例１の被走査面１１０上の点１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃにおける結像性能を示す。

図６は本発明の実施例２の要部概略図である。なお、実施例２および以降に記す実施例３では、走査光学系近傍のみの構成を記述し、接眼光学系については記述を略す。また、実施例２以降で、実施例１と同じ符号が割り振られているものは、同じ効果を持つ部材である。

図６は、走査型の画像表示装置の垂直断面を示している。図６において、光源６０１は、不図示の表示画像の入力信号に基き、直接光変調された光束を放射している。光源６０１から射出した光束１０２は、光学系６０３により所定形状の光束径とされ（ビーム化され）、走査手段１０４に入射する。走査手段１０４に入射した光束１０２は走査手段１０４によって２次元方向に走査され、正のパワーを持つ表面反射鏡で構成される走査光学系６０５に入射する。走査光学系６０５に入射した光束は、被走査面１１０上またはその近傍に結像し、スポット１０７を形成する。走査手段１０４により光束１０２で被走査面１１０上を走査する。このとき、スポット１０７が被走査面１１０上を２次元に移動し、それに応じて光源手段６０１からの光束１０２の変調に合わせ被走査面１１０上に２次元的に走査して、その面上に画像を形成する。実施例２では、実施例１で用いていたフィールドレンズ１０６を用いず、直接被走査面１１０上にスポットを結像させている。ただし、フィールドレンズを被走査面１１０と接眼光学系の間に挿入しても良い。また、フィールドレンズの代わりに、被走査面１１０上もしくはその近傍にフレネルレンズを挿入し、光線の向きだけを変えても良い。

実施例２では、光源６０１の配置が実施例1と異なる。図７、８に実施例２における光源６０１の配置と、実施例２における描画方法について記す。図７に示すように、光源６０１は、図６の垂直断面（ＹＺ面）に沿った方向に、２つの発光点７０１ａ，７０１ｂが並ぶ配置を取っている。２つの発光点７０１aと７０１bの距離は、被走査面１１０上における発光点７０１aおよび７０１bの像８０１a、８０１bが、ちょうど1画素に対応する距離だけ離れて像を結ぶ距離だけ離してある。この状態で、図８に示すように走査手段１０４により光束が垂直/水平方向に走査されることにより、被走査面１１０上で像８０１a、８０１ｂがそれぞれ走査され、同時に２つのライン上を動き、２ラインの描画を同時に行っている。

図９は、実施例２における、走査光学系６０５の走査手段１０４から被走査面１１０までの光路中の中心光束を含む垂直断面における、局所曲率半径の変化を表す。図中、縦軸が曲率半径、横軸が断面方向の位置を表す。横軸方向において、左へ行くほど走査手段１０４に近く、右へ行くほど走査手段１０４から遠ざかる方向になる。図９に示すように、走査手段１０５から遠い側の曲率半径Rfが、走査手段１０５に近い側の曲率半径Rnより大きい。

図１３に実施例２の被走査面１１０上における点１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃにおける結像性能を示す。

図１０は、本発明の実施例３の要部概略図である。図１０は、光学系の垂直断面を示している。

図１０において、光源手段１００１は、不図示の表示画像の入力信号に基き、直接光変調された光束を放射している。光源手段１００１から射出した光束１０２は、光学系１００３により所定形状の光束径とされ（ビーム化され）、走査手段１０４に入射する。走査手段１０４に入射した光束１０２は走査手段１０４によって２次元方向に走査され、正のパワーを持つ表面反射鏡で構成される走査光学系１００５に入射する。走査光学系１００５に入射した光束は、補正レンズ１０１１を透過した後、被走査面１１０上またはその近傍に結像し、スポット１０７を形成する。走査手段１０４により光束１０２で被走査面１１０上を走査する。このとき、スポット１０７が被走査面１１０上を２次元に移動しそれに応じて、光源手段１００１から放射される光束の変調に合わせて被走査面１１０上に２次元の画像を形成する。

実施例３においては、光源手段として1つの発光点しか図示していないが、光源手段としては単色光を放射する光源手段だけでなく、赤、緑、青色の光を独立に発する光源手段からの光を色合成手段により組み合わせ、各色光に基づく映像信号にあわせ光変調することで、カラー画像を形成しても良い。

図１１は、実施例３における、走査光学系１０５の走査手段１０４から被走査面１１０までの光路中の中心光束を含む垂直断面における、局所曲率半径の変化を表す。図中、縦軸が曲率半径、横軸が断面方向の位置を表す。横軸方向において、左へ行くほど走査手段１０４に近く、右へ行くほど走査手段１０４から遠ざかる方向になる。図１１に示すように、走査手段１０５から遠い側の曲率半径Rfが、走査手段１０５に近い側の曲率半径Rnより大きい。

また、補正レンズ１０１１は、走査光学系１００５側の面１０１１aが非回転対称非球面形状、被走査面１１０側の面１０１１bが平面形状である。補正レンズ１０１１を配置することで、走査光学系１００５で補正しきれなかった収差の補正を行っている。

図１４に実施例３の被走査面１１０上における点１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃにおける結像性能を示す。

図１５は、本発明の実施例４における、走査型画像表示装置を用いた、電子ビューファインダの構成図である。図１５において、画像表示装置の光学系の構成は、実施例１と同一である。

電荷連結素子(CCD)に代表されるような、画像を電気信号に変換することが可能な撮像素子１５０２により、撮像光学系１５０３により形成された像を電気信号に変換する。その電気信号を、歪み補正回路１５０１により、走査型画像表示装置の持つ歪みを補正するように表示画像信号生成回路１５０４、光源変調回路１５０５を介して光源手段１１０の光変調タイミングと走査手段１０４を制御することで、被走査面１１０上に歪みのない高画質な画像を形成している。

この歪み補正回路１５０１について、以下に詳細を示す。図１６は、歪み補正回路１５０１により歪んだ画像を矩形の画像に補正する様子を示している。走査手段１０４により走査された光束１０２は、走査光学系１０５を通り被走査面１１０上で、１６０２で示される範囲を走査する。しかし、範囲１６０２は完全な矩形を示さず、図１６のように歪んだ台形状に走査されている。このため、このまま画像を表示してしまうと、観察者は歪んだ画像を観察することになり、表示画像の品位が低下する。このため、歪み補正回路１５０１により、走査手段制御回路１５０６と光源変調回路１５０５へ入力する信号を、予め距離１６０３で示される距離に相当する時間分、光源手段１０１の発光するタイミングを変化させ、結果として観察者が観察する画像が範囲１６０１で示される、矩形の画像となるようにする。この発光タイミングの補正は、観察される歪みの光学的シミュレーションを行い、そのシミュレーション結果から補正データを構築する方法が使用できる。また特開平１０−３０１０５２号公報で開示されているように、実際の光学系において歪みを実測し、その実測データから歪みの補正量を算出し、補正を行ってもよい。

なお、上記の実施例１〜４はすべてアスペクト比４：３の２次元画像を生成することを想定している。しかし、各実施例はこれに限るものでなく、たとえば１６：９のアスペクト比を持つ画像を生成しても良い。
＜数値実施例＞
以下に、実施例１〜３に対応する、数値実施例を記述する。
表１〜３に各数値実施例を記述する。記述に際して、光源位置を絶対座標系の基準として表記する。尚、表１〜３はそれぞれ実施例１〜３に対応する。

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、
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
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
X軸：原点を通り、Z軸及びY軸に垂直となる直線
と定義する。

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。
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
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９０degreeなす直線
ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、YZ面に対し垂直な直線
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。

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。）

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、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。

数値実施例中の表１〜３では、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）rx、ry、偏心量shift、tilt、屈折率nd・アッべ数νｄを示している。

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。
＜数値実施例１＞
走査手段は第７面(実施例１中の１０４に対応)、水平方向偏向角(紙面内を軸とし、紙面垂直方向に振動)±２．２０度、垂直方向偏向角(紙面垂直方向を軸とし、紙面内で振動)±３．３０度である。発光点の個数は２個、発光点はx=1.33、-1.33mmに配置している。光源の開口数は０．０７である。
図１中の符号との対応は以下の通りである。
光源１０１ 面番号１
面１０３a 面番号２
面１０３b 面番号３
面１０３c 面番号４
走査手段１０４ 面番号７
走査光学系１０５ 面番号１０
フィールドレンズ１０６a 面番号１２
フィールドレンズ１０６b 面番号１３
被走査面１１０ 面番号１３に一致
面１０８a 面番号１４
面１０８b 面番号１５
面１０８c 面番号１６
面１０８d 面番号１７
面１０８e 面番号１８
瞳 面番号２０

図１２(a)は実施例１における、図１２(b)で示した被走査面１１０上の各位置に対応した横収差図である。本収差図における波長は656.27nm、587.56nm、486.13nmである。
＜数値実施例２＞
走査手段は第５面(実施例２中の１０４に対応)、水平方向偏向角(紙面内を軸とし、紙面垂直方向に振動)±６．１６度、垂直方向偏向角(紙面垂直方向を軸とし、紙面内で振動)±４．６２度である。光源の発光点の個数は２個であり、それぞれy=0.0017、-0.0017mmに配置してある。光源の開口数は０．１０である。
光源６０１ 面番号１
光源光学系１０３ 面番号２
走査手段１０４ 面番号５
走査光学系６０５ 面番号８
被走査面１１０ 面番号１０

図１３(a)は実施例２における、被走査面１１０上における、図１３(b)で示した被走査面１１０上の各位置に対応した横収差図である。本収差図における波長は656.27nm、587.56nm、486.13nmである。
＜数値実施例３＞
走査手段は第８面(実施例３中の１０４に対応)、水平方向偏向角(紙面内を軸とし、紙面垂直方向に振動)±７．５０度、垂直方向偏向角(紙面垂直方向を軸とし、紙面内で振動)±５．６２５度である。光源の発光点の個数は１個である。光源の開口数は０．１０である。
光源１００１ 面番号１
光源光学系１００３a 面番号２
光源光学系１００３b 面番号３
光源光学系１００３c 面番号４
光源光学系１００３d 面番号５
走査手段１０４ 面番号７
走査光学系１００５ 面番号１１
補正レンズ１０１１a 面番号１２
補正レンズ１０１１b 面番号１３
被走査面１１０ 面番号１４

図１４(a)は実施例３における、図１４(b)で示した被走査面１１０上の各位置に対応した横収差図である。本収差図における波長は656.27nm、587.56nm、486.13nmである。

以上のように各実施例によれば、
走査光学系を１つの反射面のみで構成しているため、構成要素の小型化が容易になる。さらに、反射面であるため、色収差が発生しない。また、走査光学系のパワーを正とすることで、走査手段から発生する像面湾曲の補正が容易である。光源手段からの光束が入射する光学系からの光束を収束光束とし、走査光学系に入射させることによって、走査光学系では像面湾曲の補正を行っている。光源手段からの光束が入射する光学系は結像に必要なパワーを有することで、１つの光学系に対する負荷を抑えている。また、画像中心の走査光学系の光学的パワーが負であった場合、画像の周辺ではより強い負の光学的パワーが必要とされるため、画像の周辺に行くに従い収差補正が困難となる。これに対して各実施例では画像の中心付近が正の光学的パワーを持つことで、周辺に行くに従い面の光学的パワーが弱くなることになり、結果として面に対し大きく傾いて入射する光束に対し、弱い光学的パワーのみ与え、収差の発生を抑えている。この結果、より小型で、高画質の画像を表示可能な走査型の光学系を備えた画像表示装置を実現することができる。

本発明の実施例１の画像観察装置の光学断面図 実施例１における、画像生成に関する説明図 実施例１における、アレイ光源素子を用いた画像生成に関する説明図 実施例１の走査光学系における、垂直断面上の局所曲率半径を表す説明図 実施例１における、走査手段の例を表す説明図 本発明実施例２の、走査光学系の光学断面図 実施例２における、光源手段の概略図 実施例２における、画像生成に関する説明図 実施例２の走査光学系における、垂直断面上の局所曲率半径を表す説明図 本発明の実施例３の走査光学系の光学断面図 実施例３の走査光学系における、垂直断面上の局所曲率半径を表す説明図 実施例１における走査光学系の、被走査面上の結像性能の説明図 実施例２における走査光学系の、被走査面上の結像性能の説明図 実施例３における走査光学系の、被走査面上の結像性能の説明図 本発明の実施例４の走査型の画像表示装置を用いた電子ビューファインダーの構成を表す説明図 実施例４における、歪み補正回路の効果を表す説明図である 実施例１におけるフィールドレンズの説明図

符号の説明

１０１、６０１、１００１ 光源
１０２ 光束
１０３、６０３、１００３ 光源光学系
１０４ 走査手段
１０５、６０５、１００５ 走査光学系
１０６ フィールドレンズ
１０７ スポット
１０８ 接眼光学系
１０９ 瞳
１１０ 被走査面
２０１、２０２ 走査スポット
３０１ａ、３０１ｂ、３０２ａ、３０２ｂ、３０３ 走査範囲
５０１ 走査デバイス
５０２ 微小ミラー
５０３、５０４ トーションバー
５０５、５０６ ねじれ軸
７０１ａ、７０１ｂ 発光点
８０１ａ、８０１ｂ 走査スポット
１０１１ 補正レンズ
１５０１ 歪み補正回路
１６０１ 矩形領域
１６０２ 走査領域
１６０３ 補正量

Claims (8)

1. 画像情報に基づいて光変調された光ビームを発する光源手段と、該光源手段から の光ビームを所定形状の光束径に変換する変換光学系と、該変換光学系からの光ビームを2次元方向に走査する走査手段と、該走査手段で走査された光ビームを被走査面に結像させる走査光学系と、該被走査面に形成される2次元画像を観察する接眼光学系を有する画像表示装置において、該変換光学系から射出する光束は収束光束であり、該走査光学系は非回転対称な１つの反射面から構成され、かつ該走査光学系の反射面のうち中心光束が入射する位置でのパワーが正であることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記中心光束の主光線と垂直方向とを含む垂直断面内において、前記走査光学系の反射面と各走査光束の主光線の交点のうち、該走査手段に最も近い交点における垂直断面方向の局所曲率半径をRn、該走査手段から最も遠い交点における垂直断面方向の局所曲率半径をRfとし、曲率半径比φを
   φ=Ｒｆ／Ｒｎ
   とするとき、
   １ ＜ φ ＜ ２
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１の画像表示装置。
3. 垂直断面内において、中心光束が入射する前記走査光学系の反射面での局所曲率半径をＲＹ、それに直交する水平断面内の局所曲率半径をＲＸとするとき、
   ＲＹ＞ＲＸ
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２の画像表示装置。
4. 前記変換光学系を射出し前記走査手段に入射する光束の主光線と、前記走査手段から前記走査光学系に至る中心光束の主光線の成す角度をα(度)としたとき、
   １０ ＜ α ＜ ４０
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１、２又は３の画像表示装置。
5. 前記走査手段への入射光束と、前記中心光束とが交差することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
6. 前記中心光束の垂直断面内の拡大率をＰｖ、水平断面内の拡大率をＰｈとするとき、
   １ ＜ Ｐｖ ＜ ５
   １ ＜ Ｐｈ ＜ ５
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
7. 被写体を撮像する撮像部と、該撮像部で得られた画像を請求項１から６のいずれか１項の画像表示装置で表示することを特徴とする撮像装置。
8. 前記被走査面上に形成される２次元画像の歪みを電気的に補正する、画像歪み補正回路を有することを特徴とする請求項７記載の撮像装置。