JP4006179B2 - 画像表示装置および画像表示システム - Google Patents
画像表示装置および画像表示システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP4006179B2 JP4006179B2 JP2000396209A JP2000396209A JP4006179B2 JP 4006179 B2 JP4006179 B2 JP 4006179B2 JP 2000396209 A JP2000396209 A JP 2000396209A JP 2000396209 A JP2000396209 A JP 2000396209A JP 4006179 B2 JP4006179 B2 JP 4006179B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical
- light
- image display
- light beam
- optical scanning
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/017—Head mounted
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/017—Head mounted
- G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)
- Control Of Indicators Other Than Cathode Ray Tubes (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光束を走査することに画像を形成し、表示する画像表示装置に関し、特に機械的な共振作用を利用した反射面の駆動により光束の走査を行う場合に適した画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光源からの光束を走査して観察者の眼内（網膜）に画像を形成し、画像を表示させる画像表示光学系（ないし画像表示装置）として、米国特許 5,356,181，米国特許 5,369,415，米国特許5,467,104 ，特許第 2874208 号など、種々のものが提案されている。
【０００３】
本願図９には、米国特許5,356,181 の画像表示光学系の構成を示している。この画像表示光学系では、光源３００からの光束を光変調器３０１で変調し、光学系３０２〜３０３を介して、水平／垂直の光偏向器３０４，３０５に入射させ、さらに望遠鏡系を構成する接眼光学系３０６を介して眼３１０に入射させる。光偏向器３０４，３０５により、眼３１０に入射する光は偏向させられ、網膜上に形成される像が走査され、これにより観察者は２次元画像を観察することが可能となる。
【０００４】
また、図１０には、米国特許 5,369,415の画像表示光学系の構成を示している。この画像表示光学系では、2 次元方向に走査される光源４０１からの光が平面型の光学系４０２を介して眼（網膜）４１０上を走査する。走査される光束は、平面型光学系４０２内の複数の平面反射点で順次反射し、回折光学系４０８で眼の方向に光路を変えられる。この構成により、偏向される光束は網膜４１０上を直接走査し、画像観察を可能とする。
【０００５】
また、図１１には、米国特許 5,467,104の画像表示光学系の構成を示している。この画像表示光学系では、赤、緑、青の光源５０１，５０２，５０３を光源ドライバ５０４，５０５，５０６で変調し、これら光源からの光を色合成手段５０７で合成する。そして、合成した光源からの光を眼５１０との間にある光学系により眼５１０の瞳を通過させ、網膜上に集光させる。眼と光源の間には、垂直方向・水平方向の走査手段５０８，５０９が光学系を介して配置されており、網膜上の集光点が走査される。
【０００６】
さらに、図１２には、特許第2874208 号の画像表示光学系の構成を示している。同図（Ｂ）に示すように、光源からの光束は光学系６０１ａを介してポリゴンミラーからなる偏向手段６０２により偏向され、光学系６０１ｂ，６０１ｃを介して眼６１０に入射する。また、同図（Ａ）には、光源から眼までの光路の構成を示しており、データ処理およびドライブ信号６２０によって駆動される光源６０３，６０４，６０５からの光は、コリメートレンズ６０６、色合成系６０７およびレンズ６０９を介して光ファイバ６１８に入射する。さらに、光ファイバ６１８を透過した後、レンズ６１９を介して波面曲率変調手段６３０および光束偏向器６４０を透過し、眼６１０に入射する。
【０００７】
これら従来の画像表示光学系は、光源からの光を像面である網膜上に結像させ、その像点を光路中に配置された走査手段により走査することにより、観察者に２次元の画像を表示するものである。
【０００８】
ところで、２次元画像を観察者に表示するための装置としては、液晶パネルなどの２次元の画像表示素子を光学系を通して虚像として拡大表示させるものがある。このような構成のものでは、より高精細な画像を表示しようとする場合、画像表示素子の画素数を増やすことになる。但し、大画素数を有し、しかも小型の画像表示素子は高価であり、装置全体のコスト上昇を招く。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一方で、上記した各走査タイプの画像表示装置のうち米国特許5,356,181 ，米国特許5,467,104 および特許第 2874208号に係るものでは、多数のレンズを使用しており、光学系ないし装置が大型化し易いという問題がある。
【００１０】
また、米国特許 5,369,415に係るものでは、平面型の光学系を用いて構成が比較的シンプルになっているものの、観察者の目のほうに光を向ける作用を、眼前の回折光学素子のみのため高画質を得ようとすると収差補正が難しくなる可能性があり、高画角化するのがむずかしい。
【００１１】
さらに、特許第 2874208号においては、偏向（走査）手段としてポリゴンミラーを用いているため、偏向手段さらには装置全体が大型化してしまうという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明は、構成が簡単で小型・安価であり、さらには光の高速走査が可能な走査型の画像表示装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の画像表示装置では、光源部と、この光源部からの光束を反射する反射面を駆動して光束を走査する光走査手段と、この光走査手段からの反射光束が入射する入射面、曲面により構成されて前記入射面から入射した光束を反射する少なくとも１つの内面反射面およびこの内面反射面で反射した光束を射出する射出面を有する光学素子と、この光学素子から射出した光束を反射により観察者の眼に導く反射素子とを有している。該光学素子の各面は、該入射面から入射した光束が交差することなく該射出面から射出するように配置されている。また、反射素子は、観察者の眼に対して凹面を向けた曲面形状の反射面を有する。そして、観察者の眼前に位置した反射素子に対して、光源部、光走査手段および光学素子が観察者の頭部側方に位置する。さらに、該光走査手段からの反射光束が観察者の頭部に近づく方向に進行して該光学素子に入射するように、該光源部、該光走査手段及び該光学素子が配置されている。
【００１４】
このように、光源部から射出された光束を光走査手段によって走査することで、走査速度を高速化し易く高精細な画像表示に適した画像表示装置とすることが可能となる。
【００１５】
しかも、少なくとも１つの内面反射面を有する光学素子を用いることで、光路を折り曲げることができ、装置の小型化を図ることが容易であるとともに、光学素子から射出した光束を反射素子を介して眼球に導く構成としているので、光学系の配置自由度を高めることが可能となる。
【００１６】
さらに、観察者の眼前に位置した反射素子に対して、光源部、光走査手段および光学素子を観察者に煩わしさを感じさせないように、頭部側方に位置するよう配置し、あたかも眼鏡を掛けているように快適に使用できる走査型の画像表示装置を実現することが可能となる。
【００１７】
そして、光学素子の内面反射面を曲面とすることで、光束を頭部側方から眼前の反射素子を介して眼球に導くことが可能な光学配置であるために発生し易い偏心収差等の諸収差を良好に補正して、高画質の画像を表示することが可能となる。
【００１８】
さらに、光走査手段として、微小電気機械システム（micro electro mechanical system ：ＭＥＭＳ）の技術を応用したデバイスであって、半導体プロセスにより製造されて反射面を機械的共振作用により駆動するデバイスを用いることにより、光走査手段自体を小型化することが可能であるとともにきわめて高速度での走査が可能となり、より小型で高精細な画像の表示を行える画像表示装置を実現することが可能となる。
【００１９】
なお、光学素子および反射素子からなる光学系によって光走査手段による光束の走査角度を拡大することにより、光走査手段の走査角度に比べて大きな画像を観察させることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明の第１実施形態である画像表示装置における光学系の概略構成を示している。また、図３には、上記光学系の光路図を示している。
【００２１】
これらの図において、６はＬＥＤや半導体レーザー等の発光体であり、光源制御回路９により発光制御される。７は発光体６から射出した光束をコリメート（略平行光化）するコリメート素子７ａと、コリメート素子７ａから射出した光束を内面反射によって後述する光走査素子１に導く導光プリズム７ｂとにより構成される導光光学系である。
【００２２】
なお、発光体６および導光光学系７により、請求の範囲にいう光源部が構成される。
【００２３】
１は光走査素子（光走査手段）であり、本実施形態では、半導体プロセスを用いて製造されたデバイスが用いられている。これにより、ポリゴンミラー等を用いる場合に比べて小型化を実現できる。
【００２４】
この光走査素子１には走査制御回路８が接続されており、この走査制御回路８からの電気信号によって光走査素子１の平面ミラー１ａが機械的共振作用により高速かつ大角度で揺動駆動される。
【００２５】
ここで、図２を用いて光走査素子１の構成および光学作用についてその概要を説明する。
【００２６】
光走査素子１は、不図示の半導体基板上に、揺動可能に支持された可動板が形成され、この可動板上に平面ミラー１ａが設けられた構成となっている。また、図示はしないが、基板上には永久磁石が、可動板にはコイルが設けられており、このコイルに対して通電制御を行うことで発生した磁界の作用により可動板（つまりは平面ミラー１ａ）を揺動駆動する。そして、可動板を機械的な共振状態とすることによって高速かつ大角度で平面ミラー１ａを揺動駆動することができる。
【００２７】
平面ミラー１ａは、互いに直交する水平走査軸１２ａおよび垂直走査軸１２ｂを中心として２方向に揺動可能となっており、平面ミラー１ａに入射した光１１の反射光は、例えば平面ミラー１ａが軸１２ａを中心に揺動したときにはその揺動角度に応じて１１ａ，１１ｂ，１１ｃのように偏向する。また、平面ミラー１ａが軸１２ｂを中心に揺動したときも同様であり、反射光１１ａ，１１ｂ，１１ｃの偏向方向に対して直交する方向に偏向される。つまり、平面ミラー１ａの揺動によって２次元方向に光束を偏向することができる。
【００２８】
２は表示光学系であり、プリズム状の光学素子２ａと反射素子２ｂとを有して構成されている。光学素子２ａは、図３に詳しく示すように、入射面２０１と、射出面２０６と、４つの内面反射面２０２〜２０５を有して構成されている。
【００２９】
なお、光学素子２ａと、上述したコリメート素子７ａおよび導光プリズム７ｂとの一部又は全てを一体の素子として構成してもよい。
【００３０】
図３において、平面ミラー１ａからの反射光は、入射面２０１を透過して光学素子２ａ内に入射する。
【００３１】
また、反射素子２ｂは、光学素子２ａから射出した光束を反射して観察者の眼３に導く。
【００３２】
なお、図示しないが、上述した光学系の各構成要素（発光体６〜反射素子２ｂ）は全て眼鏡のように観察者の頭部に装着可能な装着部材により保持されており、反射素子２ｂが観察者の眼３の前に配置されると、他の構成要素（発光体６〜光学素子２ａは観察者の頭部側方にユニット化されて配置されることになる。なお、反射素子２ｂは装着部材における眼鏡のレンズを保持する箇所に相当する位置にて保持され、発光体６〜光学素子２ａは装着部材の耳掛け柄に相当する部分に保持される。
【００３３】
このように構成された画像表示装置において、発光体６から射出した光束は、コリメート素子７ａにより略平行光化された後、導光プリズム７ｂの入射面を透過し、導光プリズム７ｂの内面反射面により反射して射出面から射出する。
【００３４】
導光プリズム７ｂから射出した光束は、光走査素子１によって２次元的に走査され、光学素子２ａの入射面２０１を透過して光学素子２ａ内に入射する。光学素子２ａ内に入射した光束は、内面反射面２０２，２０３，２０４，２０５の順で順次反射し、射出面２０６から射出する。ここで、図３から明らかなように、入射面２０１、内面反射面２０２，２０３，２０４，２０５および射出面２０６は、入射面２０１から入射した各光線が交差することなく射出面２０６から射出するように配置されている。
【００３５】
そして、光学素子２ａから射出した光束は、反射素子２ｂにて反射し、観察者の眼３に入射する。観察者の眼３に入射した光束は、網膜４上にて結像する。
【００３６】
光源制御回路９と走査制御回路８は、不図示のテレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤー、コンピュータ等の画像情報供給装置から映像信号の供給を受ける画像形成制御回路１０に接続されており、画像形成制御回路１０は、供給された映像信号に対応して光源制御回路９と走査制御回路８との同期をとるようにこれら回路（つまりは、発光体６の発光および光走査素子１への通電を）制御する。
【００３７】
なお、本実施形態の画像表示装置と上述した画像情報供給装置により画像表示システムが構成される。
【００３８】
ここで、網膜４上での光束（結像点）の走査について図３を用いて説明する。例えば、光走査素子１の平面ミラー１ａが初期位置（揺動角度がゼロ）のときの光束を１３ａとし、そのときの網膜４上での結像点を１４ａとすると、平面ミラー１ａが初期位置から揺動して光路が１３ｂ，１３ｃとなったときの結像点はそれぞれ１４ｂ，１４ｃとなる。このような結像点の走査が、平面ミラー１ａの２次元方向への揺動によって２次元的に行われる。
【００３９】
このような結像点の走査と、供給された映像信号に対応した発光体６の発光強度の制御とが同期して行われることにより、観察者の網膜４上に、映像信号に対応した画像が形成される。
【００４０】
なお、光学素子２ａと反射素子２ｂとからなる表示光学系は、光走査素子１による光束の走査角度を拡大する配置となっている。このため、光走査素子１（平面ミラー１ａ）による走査角度の大きさに比べて拡大された視野角を有する画像の観察が可能となる。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態によれば、光走査素子１として、反射面が機械的な共振作用によって往復運動を行うものを用いているため、光走査手段を小さくすることができる。また、光走査素子１の平面ミラー１ａと光学素子２ａの内面反射面とによって光路を複数回折り曲げているので、装置全体を小型化することができる。
【００４２】
また、テレビやビデオ等の映像信号を表示する場合、水平方向と垂直方向の走査周波数が大きく異なる。このような場合、少なくともより高い走査速度を要求される側を機械的な共振作用で駆動するとよい。
【００４３】
また、本実施形態では、反射素子２ｂは、眼３の側方から入射する光束を眼３の方に向けるために、眼３の光軸に対して傾いて配置されている。このため、反射素子２ｂにおいて偏心収差が発生し易いが、光学素子２ａの内面反射面２０２〜２０５のいずれかを、回転対称性を有さない曲面（あるいは一対の対称な形状の曲面を定める対称面が１以下の曲面）とし、さらに反射素子２ｂの反射面を回転対称性を有さない曲面（あるいは一対の対称な形状の曲面を定める対称面が１以下の曲面）とすることで、偏心収差等の諸収差を良好に補正することができる。
【００４４】
さらに、本実施形態において、発光体６と光走査素子１とを同一基板上に設ける一方、導光光学系７の素子７ａ，７ｂと光学素子２ａとを一体の光学素子ユニットとして構成すれば、上記基板上に光学素子ユニットを被せるようにして組み立てることが可能となる。
【００４５】
なお、本実施形態においては、発光体６が１つ（１色）とした場合について説明したが、図４に示すように、赤、青、緑の３つの色の光を発する発光体６ｒ，６ｂ，６ｇを設け、これら発光体６ｒ，６ｂ，６ｇからの光を、ダイクロイックプリズムなどの色合成素子７ｃを通して合成し、光走査素子１や表示光学系２に導くようにすれば、カラー画像を得ることができる。
【００４６】
なお、本実施形態にて説明した光走査素子１の構成は一例であり、半導体プロセスにより製造されるものであれば、他の構成のものを使用することも可能である。
【００４７】
（第２実施形態）
図５には、本発明の第２実施形態である画像表示装置における光学系の概略構成を示している。また、図７には、上記光学系の光路図を示している。
【００４８】
これらの図において、６はＬＥＤや半導体レーザー等の発光体であり、光源制御回路９により発光制御される。７は発光体６から射出した光束をコリメート（略平行光化）して後述する第１の光走査素子に導く導光光学系である。
【００４９】
なお、発光体６および導光素子７により、請求の範囲にいう光源部が構成される。
【００５０】
２１は光走査部（光走査手段）であり、本実施形態では、半導体プロセスを用いて製造されたデバイスが用いられている。これにより、ポリゴンミラー等を用いる場合に比べて小型化を実現できる。
【００５１】
この光走査部２１は、水平走査軸を中心に揺動可能な平面ミラー２１ａを有する第１の光走査素子と、垂直走査軸を中心に揺動可能な平面ミラー２１ｂを有する第２の光走査素子とから構成されている。
【００５２】
これら光走査素子には走査制御回路８が接続されており、この走査制御回路８からの電気信号によって光走査素子の平面ミラー２１ａ，２１ｂが揺動駆動される。平面ミラー21a は特に高速な駆動が要求されるため、機械的な共振作用が使用されている。
【００５３】
ここで、図６を用いて、第１および第２の光走査素子の構成および光学作用についてその概要を説明する。
【００５４】
第１の光走査素子は、不図示の半導体基板上に、揺動可能に支持された可動板が形成され、この可動板上に平面ミラー２１ａが設けられた構成となっている。また、図示はしないが、基板上には永久磁石が、可動板にはコイルが設けられており、このコイルに対して通電制御を行うことで発生した磁界の作用により可動板（つまりは平面ミラー２１ａ）を揺動駆動する。そして、可動板を機械的な共振状態とすることによって高速かつ大角度で平面ミラー２１ａを揺動駆動することができる。
【００５５】
平面ミラー２１ａは、水平走査軸２２ａを中心として揺動可能となっており、平面ミラー２１ａに入射した光１１の反射光は、平面ミラー２１ａが軸２２ａを中心に揺動したときにはその揺動角度に応じて１１ａ，１１ｂ，１１ｃのように偏向する。
【００５６】
そして、光１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、第１および第２の光走査素子の間に配置された中間素子２ｃに入射し、この中間素子２ｃの内面反射面で反射して第２の光走査素子に導かれる。
【００５７】
一方、第２の光走査素子は、第１の光走査素子と同様に、不図示の半導体基板上に、揺動可能に支持された可動板が形成され、この可動板上に平面ミラー２１ｂが設けられた構成となっている。また、図示はしないが、基板上には永久磁石が、可動板にはコイルが設けられており、このコイルに対して通電制御を行うことで発生した磁界の作用により可動板（つまりは平面ミラー２１ｂ）を揺動駆動する。そして、可動板を機械的な共振状態とすることによって高速かつ大角度で平面ミラー２１ｂを揺動駆動することができる。
【００５８】
平面ミラー２１ｂは、垂直走査軸２２ｂを中心として揺動可能となっており、中間素子２ｃから平面ミラー２１ｂに入射した光の反射光は、平面ミラー２１ｂが軸２２ｂを中心に揺動したときにはその揺動角度に応じて１１ａ′，１１ｂ′，１１ｃ′のように偏向する。
【００５９】
このように構成された第１および第２の光走査素子における平面ミラー２１ａ，２１ｂの揺動によって２次元方向に光束を偏向することができる。
【００６０】
２は表示光学系であり、上述したプリズム状の中間素子２ｃと、プリズム状の光学素子２ａと反射素子２ｂとを有して構成されている。中間素子２ｃは、図７に詳しく示すように、入射面と射出面と内面反射面２０７とを有する。また、光学素子２ａは、入射面２０８と、射出面２１３と、４つの内面反射面２０９〜２１２を有して構成されている。
【００６１】
なお、光学素子２ａと上述した導光光学系７の素子と中間素子２ｃとを全て一体の素子として構成してもよい。
【００６２】
図７において、平面ミラー２１ｂからの反射光は、入射面２０８を透過して光学素子２ａ内に入射する。
【００６３】
また、反射素子２ｂは、光学素子２ａから射出した光束を反射して観察者の眼３に導くため、観察者の目の側に凹面を向けた構成となっている。
【００６４】
なお、図示しないが、上述した光学系の各構成要素（発光体６〜反射素子２ｂ）は全て眼鏡のように観察者の頭部に装着可能な装着部材により保持されており、反射素子２ｂが観察者の眼３の前に配置されると、他の構成要素（発光体６〜光学素子２ａは観察者の頭部側方に配置されることになる。なお、反射素子２ｂは装着部材における眼鏡のレンズを保持する箇所に相当する位置にて保持され、発光体６〜光学素子２ａは装着部材の耳掛け柄に相当する部分に保持される。
【００６５】
このように構成された画像表示装置において、発光体６から射出した光束は、導光光学系７により略平行光化された後、まず第１の光走査素子の平面ミラー２１ａに入射し、ここで水平方向の偏向を受けて中間素子２ｃに入射する。
【００６６】
中間素子２ｃに入射した光束は、その内面反射面２０７によって反射し、第２の光走査素子２１ｂに向かって射出する。そして、第２の光走査素子の平面ミラー２１ｂに入射し、ここで垂直方向の偏向を受けて、光学素子２ａの入射面２０８を透過して光学素子２ａ内に入射する。光学素子２ａ内に入射した光束は、内面反射面２０９，２１０，２１１，２１２の順で順次反射し、射出面２１３から射出する。ここで、図７から明らかなように、入射面２０８、内面反射面２０９，２１０，２１１，２１２および射出面２１３は、入射面２０９から入射した各光線が交差することなく射出面２１３から射出するように配置されている。
【００６７】
そして、光学素子２ａから射出した光束は、反射素子２ｂにて反射し、観察者の眼３に入射する。観察者の眼３に入射した光束は、網膜４上にて結像する。
【００６８】
光源制御回路９と走査制御回路８は、不図示のテレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤー、コンピュータ等の画像情報供給装置から映像信号の供給を受ける画像形成制御回路１０に接続されており、画像形成制御回路１０は、供給された映像信号に対応して光源制御回路９と走査制御回路８との同期をとるようにこれら回路（つまりは、発光体６の発光および第１，第２の光走査素子への通電を）制御する。
【００６９】
なお、本実施形態の画像表示装置と上述した画像情報供給装置により画像表示システムが構成される。
【００７０】
ここで、網膜４上での光束（結像点）の走査について図７を用いて説明する。例えば、第１の光走査素子の平面ミラー２１ａが初期位置（揺動角度がゼロ）のときの光束を１３ａとし、そのときの網膜４上での結像点を１４ａとすると、平面ミラー１ａが初期位置から揺動して光路が１３ｂ，１３ｃとなったときの結像点はそれぞれ１４ｂ，１４ｃとなる。このような結像点の走査が、平面ミラー２１ａ、２１ｂの２次元方向への揺動によって２次元的に行われる。
【００７１】
このような結像点の走査と、供給された映像信号に対応した発光体６の発光強度の制御とが同期して行われることにより、観察者の網膜４上に、映像信号に対応した画像が形成される。
【００７２】
なお、光学素子２ａおよび反射素子２ｂとからなる表示光学系は、第１および第２の光走査素子による光束の走査角度を拡大する配置となっている。このため、第１および第２の光走査素子（平面ミラー２１ａ，２１ｂ）の走査角度に対して拡大された視野角を有する画像の観察が可能となる。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１および第２の光走査素子とが、半導体プロセスを利用して製作される光走査手段であるため、光走査手段を小さくすることができる。特に、テレビやビデオ等の画像のように、水平走査と垂直走査の速度が大きく異なる画像を表示する場合、より高速の走査が要求される側に機械的な共振作用によりミラーを振動させると効果的である。
【００７４】
また、両光走査素子の平面ミラー２１ａ，２１ｂと光学素子２ａの内面反射面とによって光路を複数回折り曲げているので、装置全体を小型化することができる。
【００７５】
また、本実施形態では、反射素子２ｂは、眼３の側方から入射する光束を眼３の方に向けるために、眼３の光軸に対して傾いて配置されている。このため、反射素子２ｂにおいて偏心収差が発生し易いが、光学素子２ａの内面反射面２０９〜２１２のいずれかを、回転対称性を有さない曲面（あるいは一対の対称な形状の曲面を定める対称面が１以下の曲面）とし、さらに反射素子２ｂの反射面を回転対称性を有さない曲面（あるいは一対の対称な形状の曲面を定める対称面が１以下の曲面）とすることで、偏心収差等の諸収差を良好に補正することができる。また、反射素子2 ｂは、観察者の眼の側に向かって凹面を向ける構成としたが、同様の作用を有する反射型のホログラム等であっても同様の効果が得られる。
【００７６】
さらに、本実施形態において、発光体６と第１および第２の光走査素子とを同一基板上に設ける一方、導光光学系７の素子と光学素子２ａと中間素子２ｃとを一体の光学素子ユニットとして構成すれば、上記基板上に光学素子ユニットを被せるようにして組み立てることが可能となる。
【００７７】
なお、本実施形態においては、発光体６が１つ（１色）とした場合について説明したが、図８に示すように、赤、青、緑の３つの色の光を発する発光体６ｒ，６ｂ，６ｇを設け、これら発光体６ｒ，６ｂ，６ｇからの光を、ダイクロイックプリズムなどの色合成素子７ｃを通して合成し、第１および第２の光走査素子や表示光学系２に導くようにすれば、カラー画像を得ることができる。
【００７８】
なお、本実施形態にて説明した第１および第２の光走査素子の構成は一例であり、半導体プロセスにより製造されるものであれば、他の構成のものを使用することも可能である。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光源部から射出された光束を光走査手段によって走査することで、走査速度を高速化し易く高精細な画像表示に適した画像表示装置とすることができる。
【００８０】
しかも、少なくとも１つの内面反射面を有する光学素子を用いることで、光路を折り曲げることができ、装置の小型化を図ることが容易であるとともに、光学素子から射出した光束を反射素子を介して眼球に導く構成としているので、光学系の配置自由度を高めることができる。したがって、観察者の眼前に位置した反射素子に対して、光源部、光走査手段および光学素子を観察者に煩わしさを感じさせないように、頭部側方に位置するよう配置することができ、あたかも眼鏡を掛けているように快適に使用できる走査型の画像表示装置を実現することができる。
【００８１】
さらに、光学素子の内面反射面を曲面とすることで、光束を頭部側方から眼前の反射素子を介して眼球に導くことが可能な光学配置であるために発生し易い偏心収差等の諸収差を良好に補正して、高画質の画像を表示することができる。
【００８２】
さらに、光走査手段として、半導体プロセスにより製造されて反射面を機械的共振作用により駆動するデバイスを用いるようにすれば、光走査手段自体を小型化することができるとともにきわめて高速度での走査が行え、より小型で高精細な画像の表示を行える画像表示装置を実現することができる。
【００８３】
また、光学素子および反射素子からなる光学系によって光走査手段による光束の走査角度を拡大するようにすれば、光走査手段の走査角度に比べて大きな画像の観察が可能な画像表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である画像表示装置の光学系の構成を示す概略図である。
【図２】上記第１実施形態の光学系を構成する光走査素子の構成を示す概略図である。
【図３】上記第１実施形態の光学系の光路図である。
【図４】上記第１実施形態の光源部の変形例である。
【図５】本発明の第２実施形態である画像表示装置の光学系の構成を示す概略図である。
【図６】上記第２実施形態の光学系を構成する光走査素子の構成を示す概略図である。
【図７】上記第２実施形態の光学系の光路図である。
【図８】上記第２実施形態の光源部の変形例である。
【図９】従来の画像表示光学系の説明図である。
【図１０】従来の画像表示光学系の説明図である。
【図１１】従来の画像表示光学系の説明図である。
【図１２】従来の画像表示光学系の説明図である。
【符号の説明】
１ 光走査素子
１ａ，２１ａ，２１ｂ 平面ミラー
２ 表示光学系
２ａ 光学素子
２ｂ 反射素子
２ｃ 中間素子
３ 眼
４ 網膜
５ 瞳孔
６ 発光体
７ 導光光学系
８ 走査制御回路
９ 光源制御回路
１０ 画像表示制御向路
１１ 光束
１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂ 走査軸
１３ａ〜１３ｃ 光束
１４ａ〜１４ｃ 結像点
２０１〜２１３ 光学素子の光学面
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光束を走査することに画像を形成し、表示する画像表示装置に関し、特に機械的な共振作用を利用した反射面の駆動により光束の走査を行う場合に適した画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光源からの光束を走査して観察者の眼内（網膜）に画像を形成し、画像を表示させる画像表示光学系（ないし画像表示装置）として、米国特許 5,356,181，米国特許 5,369,415，米国特許5,467,104 ，特許第 2874208 号など、種々のものが提案されている。
【０００３】
本願図９には、米国特許5,356,181 の画像表示光学系の構成を示している。この画像表示光学系では、光源３００からの光束を光変調器３０１で変調し、光学系３０２〜３０３を介して、水平／垂直の光偏向器３０４，３０５に入射させ、さらに望遠鏡系を構成する接眼光学系３０６を介して眼３１０に入射させる。光偏向器３０４，３０５により、眼３１０に入射する光は偏向させられ、網膜上に形成される像が走査され、これにより観察者は２次元画像を観察することが可能となる。
【０００４】
また、図１０には、米国特許 5,369,415の画像表示光学系の構成を示している。この画像表示光学系では、2 次元方向に走査される光源４０１からの光が平面型の光学系４０２を介して眼（網膜）４１０上を走査する。走査される光束は、平面型光学系４０２内の複数の平面反射点で順次反射し、回折光学系４０８で眼の方向に光路を変えられる。この構成により、偏向される光束は網膜４１０上を直接走査し、画像観察を可能とする。
【０００５】
また、図１１には、米国特許 5,467,104の画像表示光学系の構成を示している。この画像表示光学系では、赤、緑、青の光源５０１，５０２，５０３を光源ドライバ５０４，５０５，５０６で変調し、これら光源からの光を色合成手段５０７で合成する。そして、合成した光源からの光を眼５１０との間にある光学系により眼５１０の瞳を通過させ、網膜上に集光させる。眼と光源の間には、垂直方向・水平方向の走査手段５０８，５０９が光学系を介して配置されており、網膜上の集光点が走査される。
【０００６】
さらに、図１２には、特許第2874208 号の画像表示光学系の構成を示している。同図（Ｂ）に示すように、光源からの光束は光学系６０１ａを介してポリゴンミラーからなる偏向手段６０２により偏向され、光学系６０１ｂ，６０１ｃを介して眼６１０に入射する。また、同図（Ａ）には、光源から眼までの光路の構成を示しており、データ処理およびドライブ信号６２０によって駆動される光源６０３，６０４，６０５からの光は、コリメートレンズ６０６、色合成系６０７およびレンズ６０９を介して光ファイバ６１８に入射する。さらに、光ファイバ６１８を透過した後、レンズ６１９を介して波面曲率変調手段６３０および光束偏向器６４０を透過し、眼６１０に入射する。
【０００７】
これら従来の画像表示光学系は、光源からの光を像面である網膜上に結像させ、その像点を光路中に配置された走査手段により走査することにより、観察者に２次元の画像を表示するものである。
【０００８】
ところで、２次元画像を観察者に表示するための装置としては、液晶パネルなどの２次元の画像表示素子を光学系を通して虚像として拡大表示させるものがある。このような構成のものでは、より高精細な画像を表示しようとする場合、画像表示素子の画素数を増やすことになる。但し、大画素数を有し、しかも小型の画像表示素子は高価であり、装置全体のコスト上昇を招く。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一方で、上記した各走査タイプの画像表示装置のうち米国特許5,356,181 ，米国特許5,467,104 および特許第 2874208号に係るものでは、多数のレンズを使用しており、光学系ないし装置が大型化し易いという問題がある。
【００１０】
また、米国特許 5,369,415に係るものでは、平面型の光学系を用いて構成が比較的シンプルになっているものの、観察者の目のほうに光を向ける作用を、眼前の回折光学素子のみのため高画質を得ようとすると収差補正が難しくなる可能性があり、高画角化するのがむずかしい。
【００１１】
さらに、特許第 2874208号においては、偏向（走査）手段としてポリゴンミラーを用いているため、偏向手段さらには装置全体が大型化してしまうという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明は、構成が簡単で小型・安価であり、さらには光の高速走査が可能な走査型の画像表示装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の画像表示装置では、光源部と、この光源部からの光束を反射する反射面を駆動して光束を走査する光走査手段と、この光走査手段からの反射光束が入射する入射面、曲面により構成されて前記入射面から入射した光束を反射する少なくとも１つの内面反射面およびこの内面反射面で反射した光束を射出する射出面を有する光学素子と、この光学素子から射出した光束を反射により観察者の眼に導く反射素子とを有している。該光学素子の各面は、該入射面から入射した光束が交差することなく該射出面から射出するように配置されている。また、反射素子は、観察者の眼に対して凹面を向けた曲面形状の反射面を有する。そして、観察者の眼前に位置した反射素子に対して、光源部、光走査手段および光学素子が観察者の頭部側方に位置する。さらに、該光走査手段からの反射光束が観察者の頭部に近づく方向に進行して該光学素子に入射するように、該光源部、該光走査手段及び該光学素子が配置されている。
【００１４】
このように、光源部から射出された光束を光走査手段によって走査することで、走査速度を高速化し易く高精細な画像表示に適した画像表示装置とすることが可能となる。
【００１５】
しかも、少なくとも１つの内面反射面を有する光学素子を用いることで、光路を折り曲げることができ、装置の小型化を図ることが容易であるとともに、光学素子から射出した光束を反射素子を介して眼球に導く構成としているので、光学系の配置自由度を高めることが可能となる。
【００１６】
さらに、観察者の眼前に位置した反射素子に対して、光源部、光走査手段および光学素子を観察者に煩わしさを感じさせないように、頭部側方に位置するよう配置し、あたかも眼鏡を掛けているように快適に使用できる走査型の画像表示装置を実現することが可能となる。
【００１７】
そして、光学素子の内面反射面を曲面とすることで、光束を頭部側方から眼前の反射素子を介して眼球に導くことが可能な光学配置であるために発生し易い偏心収差等の諸収差を良好に補正して、高画質の画像を表示することが可能となる。
【００１８】
さらに、光走査手段として、微小電気機械システム（micro electro mechanical system ：ＭＥＭＳ）の技術を応用したデバイスであって、半導体プロセスにより製造されて反射面を機械的共振作用により駆動するデバイスを用いることにより、光走査手段自体を小型化することが可能であるとともにきわめて高速度での走査が可能となり、より小型で高精細な画像の表示を行える画像表示装置を実現することが可能となる。
【００１９】
なお、光学素子および反射素子からなる光学系によって光走査手段による光束の走査角度を拡大することにより、光走査手段の走査角度に比べて大きな画像を観察させることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明の第１実施形態である画像表示装置における光学系の概略構成を示している。また、図３には、上記光学系の光路図を示している。
【００２１】
これらの図において、６はＬＥＤや半導体レーザー等の発光体であり、光源制御回路９により発光制御される。７は発光体６から射出した光束をコリメート（略平行光化）するコリメート素子７ａと、コリメート素子７ａから射出した光束を内面反射によって後述する光走査素子１に導く導光プリズム７ｂとにより構成される導光光学系である。
【００２２】
なお、発光体６および導光光学系７により、請求の範囲にいう光源部が構成される。
【００２３】
１は光走査素子（光走査手段）であり、本実施形態では、半導体プロセスを用いて製造されたデバイスが用いられている。これにより、ポリゴンミラー等を用いる場合に比べて小型化を実現できる。
【００２４】
この光走査素子１には走査制御回路８が接続されており、この走査制御回路８からの電気信号によって光走査素子１の平面ミラー１ａが機械的共振作用により高速かつ大角度で揺動駆動される。
【００２５】
ここで、図２を用いて光走査素子１の構成および光学作用についてその概要を説明する。
【００２６】
光走査素子１は、不図示の半導体基板上に、揺動可能に支持された可動板が形成され、この可動板上に平面ミラー１ａが設けられた構成となっている。また、図示はしないが、基板上には永久磁石が、可動板にはコイルが設けられており、このコイルに対して通電制御を行うことで発生した磁界の作用により可動板（つまりは平面ミラー１ａ）を揺動駆動する。そして、可動板を機械的な共振状態とすることによって高速かつ大角度で平面ミラー１ａを揺動駆動することができる。
【００２７】
平面ミラー１ａは、互いに直交する水平走査軸１２ａおよび垂直走査軸１２ｂを中心として２方向に揺動可能となっており、平面ミラー１ａに入射した光１１の反射光は、例えば平面ミラー１ａが軸１２ａを中心に揺動したときにはその揺動角度に応じて１１ａ，１１ｂ，１１ｃのように偏向する。また、平面ミラー１ａが軸１２ｂを中心に揺動したときも同様であり、反射光１１ａ，１１ｂ，１１ｃの偏向方向に対して直交する方向に偏向される。つまり、平面ミラー１ａの揺動によって２次元方向に光束を偏向することができる。
【００２８】
２は表示光学系であり、プリズム状の光学素子２ａと反射素子２ｂとを有して構成されている。光学素子２ａは、図３に詳しく示すように、入射面２０１と、射出面２０６と、４つの内面反射面２０２〜２０５を有して構成されている。
【００２９】
なお、光学素子２ａと、上述したコリメート素子７ａおよび導光プリズム７ｂとの一部又は全てを一体の素子として構成してもよい。
【００３０】
図３において、平面ミラー１ａからの反射光は、入射面２０１を透過して光学素子２ａ内に入射する。
【００３１】
また、反射素子２ｂは、光学素子２ａから射出した光束を反射して観察者の眼３に導く。
【００３２】
なお、図示しないが、上述した光学系の各構成要素（発光体６〜反射素子２ｂ）は全て眼鏡のように観察者の頭部に装着可能な装着部材により保持されており、反射素子２ｂが観察者の眼３の前に配置されると、他の構成要素（発光体６〜光学素子２ａは観察者の頭部側方にユニット化されて配置されることになる。なお、反射素子２ｂは装着部材における眼鏡のレンズを保持する箇所に相当する位置にて保持され、発光体６〜光学素子２ａは装着部材の耳掛け柄に相当する部分に保持される。
【００３３】
このように構成された画像表示装置において、発光体６から射出した光束は、コリメート素子７ａにより略平行光化された後、導光プリズム７ｂの入射面を透過し、導光プリズム７ｂの内面反射面により反射して射出面から射出する。
【００３４】
導光プリズム７ｂから射出した光束は、光走査素子１によって２次元的に走査され、光学素子２ａの入射面２０１を透過して光学素子２ａ内に入射する。光学素子２ａ内に入射した光束は、内面反射面２０２，２０３，２０４，２０５の順で順次反射し、射出面２０６から射出する。ここで、図３から明らかなように、入射面２０１、内面反射面２０２，２０３，２０４，２０５および射出面２０６は、入射面２０１から入射した各光線が交差することなく射出面２０６から射出するように配置されている。
【００３５】
そして、光学素子２ａから射出した光束は、反射素子２ｂにて反射し、観察者の眼３に入射する。観察者の眼３に入射した光束は、網膜４上にて結像する。
【００３６】
光源制御回路９と走査制御回路８は、不図示のテレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤー、コンピュータ等の画像情報供給装置から映像信号の供給を受ける画像形成制御回路１０に接続されており、画像形成制御回路１０は、供給された映像信号に対応して光源制御回路９と走査制御回路８との同期をとるようにこれら回路（つまりは、発光体６の発光および光走査素子１への通電を）制御する。
【００３７】
なお、本実施形態の画像表示装置と上述した画像情報供給装置により画像表示システムが構成される。
【００３８】
ここで、網膜４上での光束（結像点）の走査について図３を用いて説明する。例えば、光走査素子１の平面ミラー１ａが初期位置（揺動角度がゼロ）のときの光束を１３ａとし、そのときの網膜４上での結像点を１４ａとすると、平面ミラー１ａが初期位置から揺動して光路が１３ｂ，１３ｃとなったときの結像点はそれぞれ１４ｂ，１４ｃとなる。このような結像点の走査が、平面ミラー１ａの２次元方向への揺動によって２次元的に行われる。
【００３９】
このような結像点の走査と、供給された映像信号に対応した発光体６の発光強度の制御とが同期して行われることにより、観察者の網膜４上に、映像信号に対応した画像が形成される。
【００４０】
なお、光学素子２ａと反射素子２ｂとからなる表示光学系は、光走査素子１による光束の走査角度を拡大する配置となっている。このため、光走査素子１（平面ミラー１ａ）による走査角度の大きさに比べて拡大された視野角を有する画像の観察が可能となる。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態によれば、光走査素子１として、反射面が機械的な共振作用によって往復運動を行うものを用いているため、光走査手段を小さくすることができる。また、光走査素子１の平面ミラー１ａと光学素子２ａの内面反射面とによって光路を複数回折り曲げているので、装置全体を小型化することができる。
【００４２】
また、テレビやビデオ等の映像信号を表示する場合、水平方向と垂直方向の走査周波数が大きく異なる。このような場合、少なくともより高い走査速度を要求される側を機械的な共振作用で駆動するとよい。
【００４３】
また、本実施形態では、反射素子２ｂは、眼３の側方から入射する光束を眼３の方に向けるために、眼３の光軸に対して傾いて配置されている。このため、反射素子２ｂにおいて偏心収差が発生し易いが、光学素子２ａの内面反射面２０２〜２０５のいずれかを、回転対称性を有さない曲面（あるいは一対の対称な形状の曲面を定める対称面が１以下の曲面）とし、さらに反射素子２ｂの反射面を回転対称性を有さない曲面（あるいは一対の対称な形状の曲面を定める対称面が１以下の曲面）とすることで、偏心収差等の諸収差を良好に補正することができる。
【００４４】
さらに、本実施形態において、発光体６と光走査素子１とを同一基板上に設ける一方、導光光学系７の素子７ａ，７ｂと光学素子２ａとを一体の光学素子ユニットとして構成すれば、上記基板上に光学素子ユニットを被せるようにして組み立てることが可能となる。
【００４５】
なお、本実施形態においては、発光体６が１つ（１色）とした場合について説明したが、図４に示すように、赤、青、緑の３つの色の光を発する発光体６ｒ，６ｂ，６ｇを設け、これら発光体６ｒ，６ｂ，６ｇからの光を、ダイクロイックプリズムなどの色合成素子７ｃを通して合成し、光走査素子１や表示光学系２に導くようにすれば、カラー画像を得ることができる。
【００４６】
なお、本実施形態にて説明した光走査素子１の構成は一例であり、半導体プロセスにより製造されるものであれば、他の構成のものを使用することも可能である。
【００４７】
（第２実施形態）
図５には、本発明の第２実施形態である画像表示装置における光学系の概略構成を示している。また、図７には、上記光学系の光路図を示している。
【００４８】
これらの図において、６はＬＥＤや半導体レーザー等の発光体であり、光源制御回路９により発光制御される。７は発光体６から射出した光束をコリメート（略平行光化）して後述する第１の光走査素子に導く導光光学系である。
【００４９】
なお、発光体６および導光素子７により、請求の範囲にいう光源部が構成される。
【００５０】
２１は光走査部（光走査手段）であり、本実施形態では、半導体プロセスを用いて製造されたデバイスが用いられている。これにより、ポリゴンミラー等を用いる場合に比べて小型化を実現できる。
【００５１】
この光走査部２１は、水平走査軸を中心に揺動可能な平面ミラー２１ａを有する第１の光走査素子と、垂直走査軸を中心に揺動可能な平面ミラー２１ｂを有する第２の光走査素子とから構成されている。
【００５２】
これら光走査素子には走査制御回路８が接続されており、この走査制御回路８からの電気信号によって光走査素子の平面ミラー２１ａ，２１ｂが揺動駆動される。平面ミラー21a は特に高速な駆動が要求されるため、機械的な共振作用が使用されている。
【００５３】
ここで、図６を用いて、第１および第２の光走査素子の構成および光学作用についてその概要を説明する。
【００５４】
第１の光走査素子は、不図示の半導体基板上に、揺動可能に支持された可動板が形成され、この可動板上に平面ミラー２１ａが設けられた構成となっている。また、図示はしないが、基板上には永久磁石が、可動板にはコイルが設けられており、このコイルに対して通電制御を行うことで発生した磁界の作用により可動板（つまりは平面ミラー２１ａ）を揺動駆動する。そして、可動板を機械的な共振状態とすることによって高速かつ大角度で平面ミラー２１ａを揺動駆動することができる。
【００５５】
平面ミラー２１ａは、水平走査軸２２ａを中心として揺動可能となっており、平面ミラー２１ａに入射した光１１の反射光は、平面ミラー２１ａが軸２２ａを中心に揺動したときにはその揺動角度に応じて１１ａ，１１ｂ，１１ｃのように偏向する。
【００５６】
そして、光１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、第１および第２の光走査素子の間に配置された中間素子２ｃに入射し、この中間素子２ｃの内面反射面で反射して第２の光走査素子に導かれる。
【００５７】
一方、第２の光走査素子は、第１の光走査素子と同様に、不図示の半導体基板上に、揺動可能に支持された可動板が形成され、この可動板上に平面ミラー２１ｂが設けられた構成となっている。また、図示はしないが、基板上には永久磁石が、可動板にはコイルが設けられており、このコイルに対して通電制御を行うことで発生した磁界の作用により可動板（つまりは平面ミラー２１ｂ）を揺動駆動する。そして、可動板を機械的な共振状態とすることによって高速かつ大角度で平面ミラー２１ｂを揺動駆動することができる。
【００５８】
平面ミラー２１ｂは、垂直走査軸２２ｂを中心として揺動可能となっており、中間素子２ｃから平面ミラー２１ｂに入射した光の反射光は、平面ミラー２１ｂが軸２２ｂを中心に揺動したときにはその揺動角度に応じて１１ａ′，１１ｂ′，１１ｃ′のように偏向する。
【００５９】
このように構成された第１および第２の光走査素子における平面ミラー２１ａ，２１ｂの揺動によって２次元方向に光束を偏向することができる。
【００６０】
２は表示光学系であり、上述したプリズム状の中間素子２ｃと、プリズム状の光学素子２ａと反射素子２ｂとを有して構成されている。中間素子２ｃは、図７に詳しく示すように、入射面と射出面と内面反射面２０７とを有する。また、光学素子２ａは、入射面２０８と、射出面２１３と、４つの内面反射面２０９〜２１２を有して構成されている。
【００６１】
なお、光学素子２ａと上述した導光光学系７の素子と中間素子２ｃとを全て一体の素子として構成してもよい。
【００６２】
図７において、平面ミラー２１ｂからの反射光は、入射面２０８を透過して光学素子２ａ内に入射する。
【００６３】
また、反射素子２ｂは、光学素子２ａから射出した光束を反射して観察者の眼３に導くため、観察者の目の側に凹面を向けた構成となっている。
【００６４】
なお、図示しないが、上述した光学系の各構成要素（発光体６〜反射素子２ｂ）は全て眼鏡のように観察者の頭部に装着可能な装着部材により保持されており、反射素子２ｂが観察者の眼３の前に配置されると、他の構成要素（発光体６〜光学素子２ａは観察者の頭部側方に配置されることになる。なお、反射素子２ｂは装着部材における眼鏡のレンズを保持する箇所に相当する位置にて保持され、発光体６〜光学素子２ａは装着部材の耳掛け柄に相当する部分に保持される。
【００６５】
このように構成された画像表示装置において、発光体６から射出した光束は、導光光学系７により略平行光化された後、まず第１の光走査素子の平面ミラー２１ａに入射し、ここで水平方向の偏向を受けて中間素子２ｃに入射する。
【００６６】
中間素子２ｃに入射した光束は、その内面反射面２０７によって反射し、第２の光走査素子２１ｂに向かって射出する。そして、第２の光走査素子の平面ミラー２１ｂに入射し、ここで垂直方向の偏向を受けて、光学素子２ａの入射面２０８を透過して光学素子２ａ内に入射する。光学素子２ａ内に入射した光束は、内面反射面２０９，２１０，２１１，２１２の順で順次反射し、射出面２１３から射出する。ここで、図７から明らかなように、入射面２０８、内面反射面２０９，２１０，２１１，２１２および射出面２１３は、入射面２０９から入射した各光線が交差することなく射出面２１３から射出するように配置されている。
【００６７】
そして、光学素子２ａから射出した光束は、反射素子２ｂにて反射し、観察者の眼３に入射する。観察者の眼３に入射した光束は、網膜４上にて結像する。
【００６８】
光源制御回路９と走査制御回路８は、不図示のテレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤー、コンピュータ等の画像情報供給装置から映像信号の供給を受ける画像形成制御回路１０に接続されており、画像形成制御回路１０は、供給された映像信号に対応して光源制御回路９と走査制御回路８との同期をとるようにこれら回路（つまりは、発光体６の発光および第１，第２の光走査素子への通電を）制御する。
【００６９】
なお、本実施形態の画像表示装置と上述した画像情報供給装置により画像表示システムが構成される。
【００７０】
ここで、網膜４上での光束（結像点）の走査について図７を用いて説明する。例えば、第１の光走査素子の平面ミラー２１ａが初期位置（揺動角度がゼロ）のときの光束を１３ａとし、そのときの網膜４上での結像点を１４ａとすると、平面ミラー１ａが初期位置から揺動して光路が１３ｂ，１３ｃとなったときの結像点はそれぞれ１４ｂ，１４ｃとなる。このような結像点の走査が、平面ミラー２１ａ、２１ｂの２次元方向への揺動によって２次元的に行われる。
【００７１】
このような結像点の走査と、供給された映像信号に対応した発光体６の発光強度の制御とが同期して行われることにより、観察者の網膜４上に、映像信号に対応した画像が形成される。
【００７２】
なお、光学素子２ａおよび反射素子２ｂとからなる表示光学系は、第１および第２の光走査素子による光束の走査角度を拡大する配置となっている。このため、第１および第２の光走査素子（平面ミラー２１ａ，２１ｂ）の走査角度に対して拡大された視野角を有する画像の観察が可能となる。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１および第２の光走査素子とが、半導体プロセスを利用して製作される光走査手段であるため、光走査手段を小さくすることができる。特に、テレビやビデオ等の画像のように、水平走査と垂直走査の速度が大きく異なる画像を表示する場合、より高速の走査が要求される側に機械的な共振作用によりミラーを振動させると効果的である。
【００７４】
また、両光走査素子の平面ミラー２１ａ，２１ｂと光学素子２ａの内面反射面とによって光路を複数回折り曲げているので、装置全体を小型化することができる。
【００７５】
また、本実施形態では、反射素子２ｂは、眼３の側方から入射する光束を眼３の方に向けるために、眼３の光軸に対して傾いて配置されている。このため、反射素子２ｂにおいて偏心収差が発生し易いが、光学素子２ａの内面反射面２０９〜２１２のいずれかを、回転対称性を有さない曲面（あるいは一対の対称な形状の曲面を定める対称面が１以下の曲面）とし、さらに反射素子２ｂの反射面を回転対称性を有さない曲面（あるいは一対の対称な形状の曲面を定める対称面が１以下の曲面）とすることで、偏心収差等の諸収差を良好に補正することができる。また、反射素子2 ｂは、観察者の眼の側に向かって凹面を向ける構成としたが、同様の作用を有する反射型のホログラム等であっても同様の効果が得られる。
【００７６】
さらに、本実施形態において、発光体６と第１および第２の光走査素子とを同一基板上に設ける一方、導光光学系７の素子と光学素子２ａと中間素子２ｃとを一体の光学素子ユニットとして構成すれば、上記基板上に光学素子ユニットを被せるようにして組み立てることが可能となる。
【００７７】
なお、本実施形態においては、発光体６が１つ（１色）とした場合について説明したが、図８に示すように、赤、青、緑の３つの色の光を発する発光体６ｒ，６ｂ，６ｇを設け、これら発光体６ｒ，６ｂ，６ｇからの光を、ダイクロイックプリズムなどの色合成素子７ｃを通して合成し、第１および第２の光走査素子や表示光学系２に導くようにすれば、カラー画像を得ることができる。
【００７８】
なお、本実施形態にて説明した第１および第２の光走査素子の構成は一例であり、半導体プロセスにより製造されるものであれば、他の構成のものを使用することも可能である。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光源部から射出された光束を光走査手段によって走査することで、走査速度を高速化し易く高精細な画像表示に適した画像表示装置とすることができる。
【００８０】
しかも、少なくとも１つの内面反射面を有する光学素子を用いることで、光路を折り曲げることができ、装置の小型化を図ることが容易であるとともに、光学素子から射出した光束を反射素子を介して眼球に導く構成としているので、光学系の配置自由度を高めることができる。したがって、観察者の眼前に位置した反射素子に対して、光源部、光走査手段および光学素子を観察者に煩わしさを感じさせないように、頭部側方に位置するよう配置することができ、あたかも眼鏡を掛けているように快適に使用できる走査型の画像表示装置を実現することができる。
【００８１】
さらに、光学素子の内面反射面を曲面とすることで、光束を頭部側方から眼前の反射素子を介して眼球に導くことが可能な光学配置であるために発生し易い偏心収差等の諸収差を良好に補正して、高画質の画像を表示することができる。
【００８２】
さらに、光走査手段として、半導体プロセスにより製造されて反射面を機械的共振作用により駆動するデバイスを用いるようにすれば、光走査手段自体を小型化することができるとともにきわめて高速度での走査が行え、より小型で高精細な画像の表示を行える画像表示装置を実現することができる。
【００８３】
また、光学素子および反射素子からなる光学系によって光走査手段による光束の走査角度を拡大するようにすれば、光走査手段の走査角度に比べて大きな画像の観察が可能な画像表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である画像表示装置の光学系の構成を示す概略図である。
【図２】上記第１実施形態の光学系を構成する光走査素子の構成を示す概略図である。
【図３】上記第１実施形態の光学系の光路図である。
【図４】上記第１実施形態の光源部の変形例である。
【図５】本発明の第２実施形態である画像表示装置の光学系の構成を示す概略図である。
【図６】上記第２実施形態の光学系を構成する光走査素子の構成を示す概略図である。
【図７】上記第２実施形態の光学系の光路図である。
【図８】上記第２実施形態の光源部の変形例である。
【図９】従来の画像表示光学系の説明図である。
【図１０】従来の画像表示光学系の説明図である。
【図１１】従来の画像表示光学系の説明図である。
【図１２】従来の画像表示光学系の説明図である。
【符号の説明】
１ 光走査素子
１ａ，２１ａ，２１ｂ 平面ミラー
２ 表示光学系
２ａ 光学素子
２ｂ 反射素子
２ｃ 中間素子
３ 眼
４ 網膜
５ 瞳孔
６ 発光体
７ 導光光学系
８ 走査制御回路
９ 光源制御回路
１０ 画像表示制御向路
１１ 光束
１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂ 走査軸
１３ａ〜１３ｃ 光束
１４ａ〜１４ｃ 結像点
２０１〜２１３ 光学素子の光学面
Claims (8)
- 光源部からの光束を反射する反射面を駆動して光束を走査する光走査手段と、
該光走査手段からの反射光束が入射する入射面、曲面により構成されて前記入射面から入射した光束を反射する少なくとも１つの内面反射面および前記内面反射面で反射した光束を射出する射出面を有し、前記入射面から入射した光束が交差することなく前記射出面から射出するように各面が配置された光学素子と、
観察者の眼に対して凹面を向けた曲面形状の反射面を有し、前記光学素子から射出した光束を反射により観察者の眼に導く反射素子とを有し、
観察者の眼前に位置した前記反射素子に対して、前記光源部、前記光走査手段および前記光学素子が観察者の頭部側方に位置すると共に、前記光走査手段からの反射光束が観察者の頭部に近づく方向に進行して前記光学素子に入射するように、前記光源部、前記光走査手段及び前記光学素子が配置されていることを特徴とする画像表示装置。 - 前記光走査手段は、半導体プロセスにより製造され、前記反射面を機械的共振により駆動することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
- 前記光走査手段は、光束を二次元方向に反射させるよう反射面を駆動することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
- 前記光学素子および前記反射素子からなる光学系が、前記光走査手段による光束の走査角度を拡大するよう配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の画像表示装置。
- 前記光学素子の内面反射面が回転対称性を有さない曲面により構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の画像表示装置。
- 前記反射素子の反射面が、回転対称性を有さない曲面により構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の画像表示装置。
- 前記光源部が、発光体と、この発光体からの光束をコリメートして前記光走査手段の反射面に導く導光光学系とを有して構成され、前記導光光学系を構成する素子が前記光学素子と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の画像表示装置。
- 請求項１から７のいずれか１つに記載の画像表示装置と、前記光走査手段による光束の走査によって形成される画像の情報を供給する画像情報供給装置とを有して構成される画像表示システム。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000396209A JP4006179B2 (ja) | 2000-12-26 | 2000-12-26 | 画像表示装置および画像表示システム |
| DE60137907T DE60137907D1 (de) | 2000-12-26 | 2001-12-21 | Bildanzeigevorrichtung und System |
| US10/024,137 US6657763B2 (en) | 2000-12-26 | 2001-12-21 | Image display apparatus and system |
| EP01310848A EP1225470B1 (en) | 2000-12-26 | 2001-12-21 | Image display apparatus and system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000396209A JP4006179B2 (ja) | 2000-12-26 | 2000-12-26 | 画像表示装置および画像表示システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002196277A JP2002196277A (ja) | 2002-07-12 |
| JP4006179B2 true JP4006179B2 (ja) | 2007-11-14 |
Family
ID=18861541
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000396209A Expired - Fee Related JP4006179B2 (ja) | 2000-12-26 | 2000-12-26 | 画像表示装置および画像表示システム |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6657763B2 (ja) |
| EP (1) | EP1225470B1 (ja) |
| JP (1) | JP4006179B2 (ja) |
| DE (1) | DE60137907D1 (ja) |
Families Citing this family (34)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ATE513244T1 (de) * | 2002-02-06 | 2011-07-15 | Brother Ind Ltd | Bildprojektionsvorrichtung |
| US7497574B2 (en) * | 2002-02-20 | 2009-03-03 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Retinal image display device |
| JP2004004256A (ja) * | 2002-05-31 | 2004-01-08 | Sony Corp | 光走査装置及び２次元画像形成装置 |
| JP2004045496A (ja) * | 2002-07-09 | 2004-02-12 | Olympus Corp | ２次元光走査装置及び映像表示装置 |
| JP4012007B2 (ja) | 2002-08-09 | 2007-11-21 | キヤノン株式会社 | 走査型表示光学系、走査型画像表示装置および走査型画像表示システム |
| US7554710B2 (en) * | 2002-10-16 | 2009-06-30 | Canon Kabushiki Kaisha | Two-dimensional scanning apparatus, and image displaying apparatus |
| WO2004049037A1 (ja) * | 2002-11-27 | 2004-06-10 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | 画像表示装置 |
| JP4035476B2 (ja) | 2003-04-23 | 2008-01-23 | キヤノン株式会社 | 走査光学系、走査型画像表示装置および画像表示システム |
| EP1688777B1 (en) | 2003-11-27 | 2008-06-11 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Optical scanner and image formation device using the same |
| JP4280652B2 (ja) * | 2004-02-04 | 2009-06-17 | キヤノン株式会社 | 電子ファインダを有する撮像装置 |
| JP4522109B2 (ja) * | 2004-02-19 | 2010-08-11 | キヤノン株式会社 | ２次元走査装置及びそれを用いた走査型画像表示装置 |
| CN101031839A (zh) * | 2004-09-28 | 2007-09-05 | 皇家飞利浦电子股份有限公司 | 二维微扫描器 |
| JP4830653B2 (ja) * | 2006-06-12 | 2011-12-07 | ソニー株式会社 | 画像表示装置 |
| JP4827654B2 (ja) * | 2006-08-11 | 2011-11-30 | キヤノン株式会社 | 走査型画像表示装置 |
| US20080043487A1 (en) * | 2006-08-21 | 2008-02-21 | Sprague Randall B | Light bar structure having light conduits and scanned light display system employing same |
| KR100860987B1 (ko) | 2006-12-01 | 2008-09-30 | 삼성전자주식회사 | 2차원 마이크로 광스캐너 |
| EP2365773B1 (en) | 2008-11-18 | 2019-06-12 | Stryker Corporation | Endoscopic led light source having a feedback control system |
| JP4780186B2 (ja) * | 2008-12-09 | 2011-09-28 | ソニー株式会社 | ホログラム記録フィルム及びその製造方法、並びに、画像表示装置 |
| JP5652124B2 (ja) * | 2009-12-28 | 2015-01-14 | 株式会社リコー | 走査型画像表示装置、携帯電話、携帯型情報処理装置、携帯型撮影装置 |
| JP5321740B2 (ja) * | 2010-05-12 | 2013-10-23 | コニカミノルタ株式会社 | 走査光学系およびそれを備えたプロジェクタ |
| CN102865928A (zh) * | 2012-10-23 | 2013-01-09 | 天津理工大学 | 基于电控双折射效应的红外图像微扫描系统 |
| EP2967299B1 (en) | 2013-03-15 | 2022-11-30 | Stryker Corporation | Endoscopic light source and imaging system |
| US10268041B2 (en) | 2014-05-24 | 2019-04-23 | Amalgamated Vision Llc | Wearable display for stereoscopic viewing |
| CN108196369B (zh) | 2015-01-06 | 2020-12-04 | 华为技术有限公司 | 一种近眼显示器 |
| JP6697253B2 (ja) | 2015-12-17 | 2020-05-20 | コピン コーポレーション | 装着型映像表示装置及び接眼光学系 |
| JP2017120278A (ja) | 2015-12-28 | 2017-07-06 | コピン コーポレーション | 装着型映像表示装置及び接眼光学系 |
| US10690904B2 (en) | 2016-04-12 | 2020-06-23 | Stryker Corporation | Multiple imaging modality light source |
| US10534185B1 (en) | 2017-02-14 | 2020-01-14 | Facebook Technologies, Llc | Multi-planar display with waveguide and lens stacks |
| US10895746B1 (en) | 2017-08-07 | 2021-01-19 | Facebook Technologies, Llc | Expanding field-of-view in direct projection augmented reality and virtual reality systems |
| US10534209B1 (en) | 2017-08-21 | 2020-01-14 | Facebook Technologies, Llc | Liquid crystal structure for controlling brightness uniformity in a waveguide display |
| US10613332B1 (en) | 2018-02-15 | 2020-04-07 | Facebook Technologies, Llc | Near-eye display assembly with enhanced display resolution |
| DE102018205148B4 (de) * | 2018-04-05 | 2021-04-22 | Robert Bosch Gmbh | Brille zur Darstellung von erweiterter Realität |
| CN113260899B (zh) * | 2019-04-26 | 2024-04-02 | 松下知识产权经营株式会社 | 光学系统 |
| DE102022134417B3 (de) | 2022-12-21 | 2024-06-06 | OQmented GmbH | Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung eines Bildes auf einem Beobachtungsfeld unter Verwendung eines diffraktiv beeinflussten Wellenleiters und Augmented-Reality-Brille enthaltend eine solche Vorrichtung |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US392811A (en) * | 1888-11-13 | Show-stand | ||
| JP2874208B2 (ja) | 1989-09-08 | 1999-03-24 | ブラザー工業株式会社 | 画像表示装置 |
| DE69114790T2 (de) * | 1990-08-20 | 1996-04-18 | Sony Corp | Direktsicht-Bildwiedergabeapparat. |
| EP0562742A1 (en) * | 1992-03-25 | 1993-09-29 | Motorola, Inc. | Direct retinal scan display |
| US5369415A (en) * | 1992-06-29 | 1994-11-29 | Motorola, Inc. | Direct retinal scan display with planar imager |
| US5467104A (en) | 1992-10-22 | 1995-11-14 | Board Of Regents Of The University Of Washington | Virtual retinal display |
| US5715337A (en) * | 1996-09-19 | 1998-02-03 | The Mirco Optical Corporation | Compact display system |
| JP3865906B2 (ja) | 1997-06-27 | 2007-01-10 | オリンパス株式会社 | 画像表示装置 |
| JP2950306B2 (ja) * | 1997-11-27 | 1999-09-20 | 日本電気株式会社 | 画像表示装置 |
| US6151167A (en) * | 1998-08-05 | 2000-11-21 | Microvision, Inc. | Scanned display with dual signal fiber transmission |
| JP2000187177A (ja) * | 1998-12-22 | 2000-07-04 | Olympus Optical Co Ltd | 画像表示装置 |
| JP4372891B2 (ja) | 1999-06-22 | 2009-11-25 | オリンパス株式会社 | 映像表示装置 |
-
2000
- 2000-12-26 JP JP2000396209A patent/JP4006179B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2001
- 2001-12-21 EP EP01310848A patent/EP1225470B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2001-12-21 US US10/024,137 patent/US6657763B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2001-12-21 DE DE60137907T patent/DE60137907D1/de not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP1225470B1 (en) | 2009-03-11 |
| EP1225470A3 (en) | 2003-12-03 |
| US6657763B2 (en) | 2003-12-02 |
| JP2002196277A (ja) | 2002-07-12 |
| DE60137907D1 (de) | 2009-04-23 |
| EP1225470A2 (en) | 2002-07-24 |
| US20020101643A1 (en) | 2002-08-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4006179B2 (ja) | 画像表示装置および画像表示システム | |
| US6700552B2 (en) | Scanning display with expanded exit pupil | |
| JP2950306B2 (ja) | 画像表示装置 | |
| US5903397A (en) | Display with multi-surface eyepiece | |
| JP4522253B2 (ja) | 光走査装置及びそれを用いた画像表示装置 | |
| KR100709637B1 (ko) | 화상표시장치 | |
| JP6617947B2 (ja) | 画像表示装置及び画像表示システム | |
| JPH03256461A (ja) | ヘルメット装着形表示装置 | |
| JP4681825B2 (ja) | 走査型表示光学系 | |
| US20240142778A1 (en) | Virtual image display system with enhanced resolution for virtual reality and augmented reality devices | |
| US7190497B2 (en) | Scanning type image display optical system, scanning type image display apparatus, and image display system | |
| JP4574774B2 (ja) | 映像表示装置 | |
| JP2011215194A (ja) | 直視型の画像表示装置 | |
| JPH11109278A (ja) | 映像表示装置 | |
| JP4107102B2 (ja) | 画像表示装置 | |
| JP2003029197A (ja) | 走査型画像観察装置 | |
| JP2017026885A (ja) | 画像表示装置および画像表示装置の駆動方法 | |
| JPH1195158A (ja) | 映像観察装置 | |
| JPH11337864A (ja) | 走査型映像観察光学系 | |
| JP3935158B2 (ja) | 表示装置 | |
| JPH08338964A (ja) | 双眼式立体ディスプレィ装置 | |
| JP2005091553A (ja) | 光伝送装置 | |
| JPH1195161A (ja) | 走査式左右観察光学系 | |
| JP2011215185A (ja) | 直視型の画像表示装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20041108 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20041124 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050121 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20050215 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050418 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20050421 |
|
| A912 | Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 Effective date: 20050610 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070625 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070827 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100831 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110831 Year of fee payment: 4 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |