JP4035476B2 - 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 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を走査して観察者の眼内やスクリーン等に画像を形成し、観察させるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、プロジェクタ等の画像表示装置に好適な走査光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）やプロジェクタ等の画像表示装置には、透過型液晶、反射型液晶またはＥＬ素子を原画表示素子として用いられることが一般的であるが、最近では、光ビームを走査する手段を用いて２次元画像を表示する画像表示装置も提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、ＲＧＢの光を水平方向と垂直方向に走査し、光学系を介して観察者の網膜上に直接画像を形成する走査型画像表示装置が開示されている。
【０００４】
但し、この特許文献１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光走査手段として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く、観察者の瞳位置での光ビームも非常に径の小さなものとなり、十分な大きさの射出瞳径を得ることが難しい。
【０００５】
こうした小さな射出瞳径を拡大する方法としては、特許文献２，３に開示された技術がある。特許文献２では、走査されたビームが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射出瞳拡大手段を配置し、これを透過させることによって射出瞳拡大手段を透過した後の光束の広がり角を拡大するようにしている。
【０００６】
また、特許文献３では、走査型画像表示装置ではないものの、平行光により照明される液晶などの画像表示素子に入射した後の光を拡散板を透過させることで、同様に射出瞳を拡大するようにしている。
【０００７】
但し、これら特許文献２，３に開示の装置では、中間像透過型の射出瞳の拡大化手段を用いるため、光路が長くなり、装置が大型化し易い。
【０００８】
また、特許文献４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とし、光走査手段で反射させて眼球に導く、比較的小型の光学系が提案されている。該特許文献中には、透過型の拡散板により射出瞳を拡大するとの記載があるが、透過型拡散板を用いることに起因して大型化することが避けられない。つまり、この場合には小型接眼光学系の代表として知られる自由曲面プリズム（特許文献５および非特許文献１に記載されたもの）の２倍程度の大きさまで小型化できるに過ぎない。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許５，４６７，１０４号（ＦＩＧ．１等）
【特許文献２】
米国特許５，７０１，１３２号（ＦＩＧ．１等）
【特許文献３】
米国特許５，７５７，５４４号（ＦＩＧ．１等）
【特許文献４】
特開２００１−４９５５号公報（図１等）
【特許文献５】
特許第２９１１７５０号公報（図１等）
【００１０】
【非特許文献１】
光学,Vol.25,No.1,p2-7,1996
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、従来の走査型画像表示装置では、十分な大きさの射出瞳径を得るために、透過型の拡散板を用いて射出瞳を大きくし、観察し易くしているが、光学系の十分な小型化は達成されていない。
【００１２】
本発明では、射出瞳を大きくするための手段を用いたような場合でも、従来のものよりも更に小型化が図れる走査光学系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、本発明では、光源からの光を走査する光走査手段と、該光走査手段により走査される光を射出瞳に向かわせる光学系とを有する走査光学系において、上記光学系に、少なくとも反射作用を有し、中心画角主光線に対して偏心した第１の面と、この第１の面で反射した光線を再度前記第１の面に向けて反射する第２の面とを含ませるとともに、上記光学系において、光源から光走査手段を経た光によって中間像を形成させている。そして、第１の面は、第２の面から該第１の面に再度入射した中心画角主光線を、該第１の面における該中心画角主光線のヒットポイント上での法線に対して前回とは反対側に反射させる。また、上記中間像の位置又はこれに近接した位置に、第２の面としての拡散反射面を配置している。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に入る前に、各実施形態で使用される母線断面、子線断面、ローカル母線断面、ローカル子線断面の定義について説明する。
【００１５】
偏心系に対応していない従来系の定義では、各面頂点座標系でｚ軸を光軸とすると、ｙｚ断面が従来の母線断面（メリジオナル断面）、ｘｚ断面が子線断面（サジタル断面）となる。本実施形態は偏心系であるので、偏心系に対応したローカル母線断面、ローカル子線断面を新たに定義する。
【００１６】
まず、光源から発せられ、拡大像の中心と表示光学系の射出瞳の中心を通る光線を中心画角主光線と称する。各実施形態に対応した図では、中心画角主光線をＬ０として示している。
【００１７】
そして、この中心画角主光線の各面におけるヒットポイント上で、中心画角主光線の入射光と射出光を含む面をローカル母線断面とし、ヒットポイントを含みローカル母線断面と垂直で、各面頂点座標系の子線断面（通常の子線断面）と平行な面をローカル子線断面として定義する。ローカル母線断面での焦点距離とローカル子線断面での焦点距離については後述する。
【００１８】
以下、本発明の実施形態の主な特徴について説明する。
【００１９】
１．光源からの光を走査する光走査手段と、該光走査手段により走査される光を射出瞳面に向かわせる光学系とを有する走査光学系において、光学系は、少なくとも反射作用を有し、中心画角主光線に対して偏心した第１の面と、この第１の面で反射した光線を再度第１の面に向けて反射する第２の面とを含み、第１の面は、第２の面から該第１の面に再度入射した中心画角主光線を、該第１の面における該中心画角主光線のヒットポイント上での法線に対して前回とは略反対側に反射する。
【００２０】
これにより、光走査手段からの光は、第１の面での１回目の反射を含む第２の面までの光路（往路）と、第２の面（折り返し反射面）での反射後の第１の面での反射を含む光路（復路）とを略重複させ、長い光路長の光学系を小さな光学系としてまとめることができる。
【００２１】
ここで、折り返し反射面としての第２の面での反射の前後での第１の面での反射に着目した場合、第１の面への入射方向を示すベクトルと反射方向を示すベクトルのなす外積の方向が往路と復路でそれぞれ略正反対方向となるとも言える。なお、往路と復路で反射面として機能する面を複数設けて光路を形成することも可能である。
【００２２】
このように特徴付けられる折り返し反射面での反射を利用することにより、通常の対向した二面間で行われるいわゆるジグザグの反射に比べて、歪みの発生を抑制しつつ、狭い空間に長い光路を収めることができる。また、第１の面での反射は２回に限られず、３回以上反射させて、該第１の面の光学パワーを利用するようにしてもよい。
【００２３】
また、中心画角主光線において、折り返し反射面を含む各面での入射光と反射光を含む各平面が全て同一平面内に存在する場合が代表的ではあるが、入射光と反射光を含む面が必ずしも同一平面内に存在する必要はない。つまり、折り返し反射面で反射される光に上記平面に垂直な方向の成分を該折り返し反射面により与えるようにしてもよい。この場合、例えば、折り返し反射面に向けて光線を反射し、折り返し反射面で反射した光線が入射する第１の面に着目すると、第１の面への入射方向を示すベクトルと反射方向を示すベクトルとのなす外積の方向が、往路と復路のそれぞれで鈍角をなすこととなる。また、該外積間（外積同士）のなす内積が負になることによっても光路の構成を特徴付けることもできる。
【００２４】
さらに、折り返し反射面だけでなく、他の反射面においても、反射する光に上記平面に垂直な方向の成分を与えてもよい。
【００２５】
このようにすることで、各反射面は光線に対して上記平面と垂直方向の偏心も有することとなり、光学設計の自由度を増加させることができる。
【００２６】
１−２．光源からの光は、光走査手段を経て中間結像面を形成し、光走査手段は該光学系の射出瞳と共役な位置に配置され、光走査手段からの光は、中間結像面上に２次元画像を形成する。
【００２７】
光源像を中間像面に形成する光学系（リレー光学系）があり、このリレー光学系の絞りの位置に光走査手段を配置し、リレー光学系の絞り（光走査手段）と光学系の射出瞳を共役な関係にすれば、観察者が射出瞳面上に眼を置いたとき、光線がけられることがない。
【００２８】
１−３．光学系は往路、折り返し反射、復路と光線が進んだ後、光線に対し偏心した別の反射面で反射され、該往路とは別の光路を形成する。
【００２９】
これにより、往復光路から射出した後の光線を、往復光路に入射する光線と異なる方向に導くことができ、往復光路への入射光との干渉を避けることができる。
【００３０】
１−４．光走査手段は、２次元走査微小反射部材である。
【００３１】
１次元方向にのみ走査される反射部材を水平走査と垂直走査のそれぞれ用いたのでは、射出瞳と共役な位置に１つの反射部材を配置し、更にもう１つの反射部材を射出瞳と共役な位置（２回目の瞳結像面）に配置しなければならないために、光学系が大型化してしまう。また、細長い反射部材が２つ必要になるため、光走査手段も大型化する。これに対し、２次元方向に走査可能な１つの反射部材である２次元走査微小反射部材で水平走査と垂直走査を行えば、光走査手段として微小なデバイスを用いることができ、高速走査も可能となる。また、光学系も１回の瞳結像共役関係があればよいので、小型化が可能である。
【００３２】
２．光源からの光を走査する光走査手段と、該光走査手段により走査される光を射出瞳面に向かわせる光学系とを有する走査光学系において、光学系は、少なくとも反射作用を有し、中心画角主光線に対して偏心した第１の面と、この第１の面で反射した光線を再度第１の面に向けて反射する第２の面とを含み、第１の面は、第２の面から該第１の面に再度入射した中心画角主光線を、該第１の面における該中心画角主光線のヒットポイント上での法線に対して前回とは略反対側に反射し、また、第２の面が拡散反射作用を有するとともに、第２の面上又はこれに近接した位置に中間結像面が形成される。
【００３３】
言い換えれば、光学系は、第１の面への入射方向を示すベクトルと反射方向を示すベクトルとのなす外積間のなす内積が負になる場合を含み、かつ第２の面が拡散反射作用を有するとともに、第２の面上又はこれに近接した位置に中間結像面が形成される。
【００３４】
光路長が長い中間結像面を有する光学系では、光路（往路と復路）を重複させることにより、長い光路長を有する光学系を小さな光学系としてまとめられ、小型の表示光学系を実現できる。そして、往路と復路との間の折り返し反射面上に、中間結像面と拡散面を設けることにより、往路では細いビームを導く光学系が、復路では広い射出瞳をカバーできる拡散光学系がそれぞれ成り立ち、光学系の小型化と射出瞳拡大を両立することができる。
【００３５】
２−２．光学系は、複数の非回転対称な反射面を含む少なくとも３面が形成された透明体を有する。
【００３６】
本実施形態の光学系は偏心光学系であるため、偏心収差が発生する。しかし、複数の非回転対称反射面を設けることで、発生した偏心収差をキャンセル又は低減させることができる。また、光走査手段による水平・垂直方向のアスペクト比を自由に設定しても、非回転対称反射面が複数存在するため、拡大表示画面のアスペクト比を必要な値（３：４や９：１６等）に設定することができ、設計自由度が高まる。
【００３７】
なお、非回転対称面は、ローカル母線断面を唯一の対称面として持つ面対称形状であることが好ましい。これは、対称性のない場合に比較して、加工および製作が容易だからである。さらに、少なくとも３面を有する透明体を用いることにより、従来の複数部品を透明体１つに置き換えることができるので、組み立ておよび調整が容易になる。
【００３８】
２−３．光学系は、少なくとも１面の内部全反射面を有し、少なくとも２回、内部全反射する。
【００３９】
内部全反射面とは、透明体内での反射時に、光線が面の法線に対し、臨界角度以上で入射したとき、光が理論的に１００％反射する現象であり、金属膜反射や誘電体膜反射よりも光利用効率が高いため、その面での光量ロスをなくすことができる。往復光路中に内部全反射面を設ければ、少なくとも２回は内部全反射することになり、光学系全体での光量ロスを少なくすることができる。
【００４０】
３．光源からの光を走査する光走査手段と、該光走査手段により走査される光を射出瞳面に向かわせる光学系とを有する走査光学系において、光学系は、光路に対して偏心し、かつ向かい合った複数の非回転対称な反射面を有するとともに、拡散反射作用を有する拡散反射面を有し、拡散反射面上又はこれに近接した位置に中間結像面を形成し、拡散反射面で反射した光により、射出瞳面に光を導き拡大像を形成する。
【００４１】
複数の非回転対称な反射面を向かい合わせて配置すれば、光路がジグザグにでき、光学系の薄型化が可能となる。さらに、中間結像面の近傍に拡散反射面を設ければ、光学系の薄型化と射出瞳の拡大とを両立させることができる。
【００４２】
３−２．光学系には、光走査手段から中間結像面までの光路と中間結像面から拡大像までの光路とで共有される共有面が複数存在する。
【００４３】
これにより、不要な光学面を減らすことができ、光学系を小型化することができる。中間結像面から拡大像までの光学系は接眼光学系であり、光源から中間結像面までの光学系はリレー光学系である。一般に、リレー光学系は接眼光学系の２個分程度の光学パワー（焦点距離の逆数）が必要であるため、接眼光学系とリレー光学系の何面か（特に、中間結像面近傍側の面）を両光路で共有させるのが好ましい。共有面が複数あると、リレー光学系と接眼光学系の両方で光線を折り畳むことができるため、光学系全体を薄型化することができる。
【００４４】
３−３．該複数の共有面は、非回転対称な反射面である。
【００４５】
リレー系としての非回転対称反射面は、中間結像面での偏心収差を低減させ、接眼光学系としての非回転対称反射面は、接眼光学系での偏心収差を低減させることができる。
【００４６】
３−４．光学系は、複数の共有面を含む少なくとも３面が形成された透明体を有し、拡散作用を有した反射面は、該透明体とは別体である。
【００４７】
拡散作用を有した反射面を１つの部材として構成することにより、透明体とは独立させ、様々な拡散特性を持つ拡散部材に交換可能とすることができる。また、透明体の反射面近傍に中間結像面を形成し、その反射面に拡散作用を持たせることにより、透明体と拡散部材とを一体化してもよい。これにより、部品点数を減らすこともでき、拡散部材と透明体間の調整も不要となる。また、その反射面を、上述した往復光路の折り返し反射面に設定すれば、光学系の小型化も可能になる。
【００４８】
４．光源からの光を走査する光走査手段と、該光走査手段により走査される光を射出瞳面に向かわせる光学系とを有する走査光学系において、光学系は、反射面を含む複数の面を有し、反射面には、他の面からの光を反射する反射領域の内側に、該反射領域よりも面積が小さく、かつ該反射領域よりも光透過率が高い、光走査手段からの光を光学系内に入射させるための透過領域が形成されている。
【００４９】
光走査手段からの光を透過させ、次に他の面から戻ってきた光を反射する光路分離手段として、一般的に考えられるのはハーフミラーである。しかし、ハーフミラーを透過した光が戻ってきて反射すると、光量が原理的に１／４（２５％）になってしまい、光の利用効率が低い。
【００５０】
そこで、本実施形態では、光路分離手段として、上記反射領域と透過領域を有する反射面を用いる。光学系のうち光走査手段からの光が入射する部分では、光（ビーム）が通過する部分の面積は微小でよいので、その微小部分だけを反射領域とせずに透過領域とした（その領域だけ金属膜を施さないようにした）反射面を用いる。この反射面に光が戻ってきたときは、拡散板などで光束が広がっているため、微小透過領域を透過する光線以外の大部分の光線は反射される。このため、拡大像を観察したとき、該透過領域が微小であるため、観察者に実質的な光量低下を感じさせることがなく、ハーフミラーを使用した場合に比べて、光の利用効率を上げることができる。
【００５１】
ここで、上記反射面での反射領域（光線が入射する有効エリア）の面積Ｄａと透過領域の面積Ｄｂの比（Ｄｂ／Ｄａ）は、１０％以下が好ましい。この値が１０％のとき、表面反射や反射膜での光吸収などを考慮しない場合には、光走査手段からの光束は１００％が透過領域を透過して光学系に入射し、戻ってきた光束は、該反射面で９０％が反射するため、光の利用効率は９０％になる。また、Ｄｂ／Ｄａが１０％を超えると、戻ってきた光束のうち微小透過領域を透過する（反射しない）分が相対的に大きくなり、観察される拡大像に明暗が生じて好ましくない。
【００５２】
また、Ｄｂ／Ｄａが５％以下（光利用効率９０％以上）であれば、ほとんど透過領域による光量低下は感じなくなる。
【００５３】
なお、透過領域の形状は円または楕円形状が好ましいが、四角形でもよい。また、透過領域の位置は、反射領域内であって、透過領域と反射領域を含む反射面全体が左右方向または上下方向で対称となる位置とすることが望ましい。これにより、透過領域を作成するときに位置精度を出しやすい。図７には、上記反射面におけるＤｂ／Ｄａが１０％のとき（ａ）と、Ｄｂ／Ｄａが５％のとき（ｂ）を示している（５ａが反射領域、５ｂが透過領域である）。
【００５４】
ヘッドマウントディスプレイにおいて、拡大像が形成される位置は、観察者の眼から離れており（例えば、５０ｃｍ〜∞）、透過領域５ｂの位置は観察者の眼に近いため、拡大像を観察している観察者の眼の焦点は透過領域には合わず、かつ透過領域は微小であるため、透過領域の存在が目立つことはほとんどない。
【００５５】
また、透過領域と反射領域との境界付近に関して、反射領域に向かって徐々に透過率が下がり、反射率が上がるような処理を施すことにより、該境界をより目立ちにくくすることができる。
【００５６】
４−２．光学系は、拡散作用を有した反射面の近傍（反射面の位置又はこれに近接した位置）に中間結像面を形成する。
【００５７】
これにより、中間結像面まで細いビームとして光が入射する場合でも、射出瞳を拡大させることができ、観察し易くなる。また、透過領域を有する反射面での反射領域の面積Ｄａを透過領域の面積Ｄｂに対して大きくする（Ｄｂ／Ｄａを小さくする）ことができ、光の利用効率を高めることができる。
【００５８】
４−３．光学系の射出瞳の共役像が、上記反射面の透過領域上又はこれに近接する位置に形成される。
【００５９】
これにより、透過領域の面積Ｄｂを小さくする（Ｄｂ／Ｄａを小さくする）ことができ、透過領域による光量低下を抑制することができる。具体的には、透過領域から射出瞳の共役像までの距離が１０ｍｍ以下であることが望ましい。
【００６０】
その他．
さらに、複数の非回転対称な反射面は、ローカル母線断面での焦点距離の絶対値がローカル子線断面での焦点距離の絶対値より大きい。
【００６１】
ローカル母線断面は偏心断面であるため、偏心収差の発生がローカル子線断面よりも大きい。そこで、複数面のローカル母線断面上での光学パワーを、ローカル子線断面上での光学パワーよりも弱くしたパワー配置にすれば、ローカル母線断面上での偏心収差の発生を少なくすることが可能となる。
【００６２】
また、前述した折り返し反射面が曲面である場合は、折り返し反射面が平面の場合よりも、反射時に周辺画像の光線の方向を個々に制御できるため、光学系の小型化が可能となる。
【００６３】
さらに、折り返し反射面が非回転対称面であれば、周辺画像の光線方向を自由に制御できるため、回転対称な曲面の場合よりも更に小型化が可能となる。
【００６４】
この折り返し反射面には、ほぼ１００％近く光を反射する金属ミラーコーティングを施して、光量ロスをできるだけ少なくすることが望ましい。また、折り返し反射面は、複数の面を有する透明体と別体として設けても、透明体と一体に設けてもよい。
【００６５】
また、折り返し反射面は、光線をほぼ反対側に反射するが、中心画角主光線において、入射光線と反射光線とのなす角度θは、下記式を満足するとよい。
【００６６】
｜θ｜＜６０° （１）
条件式（１）の上限を超えると、折り返し反射後の光路（復路）が往路を逆戻りせず、往復光路というよりジグザク光路になってしまい光学系が大型化する。
【００６７】
さらに、θは下記式を満足するとなおよい。
【００６８】
｜θ｜＜３０° （２）
条件式（２）の条件を外れると、光線は逆戻りできるが、往路と復路とが十分に重ならず、光学系が大型化して、走査光学系全体を小型にすることが難しくなってくる。
【００６９】
さらに、θは下記式を満足することが望ましい。
【００７０】
｜θ｜＜２０° （３）
条件式（３）を満たすと、光学系ひいては走査光学系全体の十分な小型化が可能となる。
【００７１】
なお、光学系において、折り返し反射面と、往路と復路が通る偏心反射面とを共用してもよい。この場合、光学面を削減でき、さらに光学系を小型化することができる。
【００７２】
また、本実施形態の走査光学系をヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に適用する場合は、観察者の左右の眼に対しそれぞれ独立した光走査手段と光学系とを設けるとよい。つまり、２つの同一の光走査手段とそれに合わせた２つの同一の光学系とを設けるのがよい。これにより、１つの光走査手段から左右の光学系に光を分ける場合に比べて、明るい画像を表示することができる。
【００７３】
また、走査光学系は、左眼用も右眼用も偏心断面であるローカル母線断面を観察者の顔の上下方向に配置する（上下方向において光線を折り畳む）のがよい。通常、表示拡大像は左右方向に画角が広く、上下方向に画角が狭い（例えば、左右４：上下３）ため、偏心断面であり、偏心収差の発生が大きいローカル母線断面を画角の小さい上下方向に設定することにより、表示拡大像での偏心収差の発生を少なくすることができる。
【００７４】
本発明では、後に説明する中間結像面から射出瞳までの接眼光学系のローカル母線断面焦点距離をlocal-fy1、二次元走査部材から中間結像面までのローカル母線断面焦点距離をlocal-fy2とした時、以下の条件式を満足することが望ましい。
【００７５】
−２＜local-fy1／local-fy2＜１
上式の下限値以下になると、二次元走査部材から中間結像面までの負の光学パワーが強くなり、中間結像面を形成するにはコリメータ光学系の正の光学パワーを強くする必要を生じ、コリメータ光学系での収差の発生が大きくなる。
【００７６】
一方、上限値以上の場合、二次元走査部材から中間結像面までの正の光学パワーが強くなり、二次元走査部材の光学的振り角を小さくするため、広角化が困難となる。
【００７７】
以下、具体的な実施形態について、その数値実施例とともに説明する。
【００７８】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１である走査光学系の光源８から射出瞳１までのビーム光路断面図である。また、図２には、中間結像面である拡散反射面２からの拡散反射光の光路図を示している。この走査光学系は、ヘッドマウントティスプレイ（ＨＭＤ）やスクリーン投射を行うプロジェクタ等の画像表示装置に用いられるものである。
【００７９】
光源８は、図では単一の光源として示しているが、実際には赤（ｒ）、緑（ｇ）、青（ｂ）の３色のＬＥＤ（レーザーダイオード等でもよい）から構成されており、色合成を行うダイクロイックプリズム等を介して３色のＬＥＤが光学的に等価の位置に配置されている。これら３色のＬＥＤは、その強度を変化（変調）させることができる。
【００８０】
また、光源８（３色のＬＥＤ）には、これを駆動する駆動回路１０が接続されており、駆動回路１０には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオ、テレビ等の画像情報供給装置１２から画像情報が入力される。駆動回路１０は、入力された画像情報に応じて光源８を変調駆動する（以下の実施形態でも同様である）。なお、本実施形態の画像表示装置と画像情報供給装置とにより画像表示システムが構成される。
【００８１】
光源８からの光は、コリメータレンズ７で略平行光束（ビーム）とされ、微小の２次元走査ミラー４によって反射される。本実施形態における２次元走査ミラー４の大きさは、最大有効寸法が３ｍｍ以下というきわめて小さいミラーを使用している（以下の実施形態でも同様である）。
【００８２】
この走査ミラー４としては、ＭＥＭＳ（Micro-ElectroMechanical System）等の微小デバイスが用いられ、２次元方向にミラー面を走査駆動が可能である。走査ミラー４の駆動も、画像情報供給装置１２からの垂直同期信号に基づいて上記駆動回路１０により行われる。
【００８３】
走査ミラー４が駆動されることにより、この走査ミラー４で反射したビームは、水平方向および垂直方向に同時に偏向走査され、画角光束を生み出す。それぞれの画角光束は、補正プリズム６を透過した後、往復プリズム３に入射する。
【００８４】
ここで、補正プリズム６と往復プリズム３の境界面はほぼ同じ面形状を有しており、補正プリズム６と往復プリズム３は微小な空気層を介して配置されている。
但し、これら補正プリズム６と往復プリズム３は空気層を介することなく接合されていてもよい。
【００８５】
往復プリズム３は３つの光学面を有し、内部がガラスやプラスチック等の光学媒質で満たされた透明体である。面Ａ１は反射作用と透過作用を有する内部全反射面、面Ｂは、図７（ａ），（ｂ）に示したように、反射領域５ａ内に微小透過領域（ピンホール）５ｂを有した反射面である。面Ａ２は反射面である。２は往復プリズム３とは別体として設けられた拡散反射面であり、拡散作用を有した折り返し反射面である。
【００８６】
面Ａ２および拡散反射面２には反射膜が形成されており、面Ｂのうち微小透過領域５ｂ以外の部分（反射領域５ａ）には、反射膜が形成されている。なお、反射膜は、金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差が少ないためである。
【００８７】
本実施形態では、面Ｂは入射面および反射面として機能し、面Ａ１は拡散反射面２へ向かう光の射出面、射出瞳１に向かう光の射出面、拡散反射面２からの光の入射面および往復光路に共用される反射面として機能する。また、面Ａ２は、往復光路に共用される反射面として機能する。
【００８８】
なお、本実施形態１では、光学面はすべて回転対称面である。
【００８９】
面Ｂの微小透過領域５ｂから往復プリズム３に入射した各画角光線は、面Ａ１に臨界角度以上の入射角で入射して内部全反射した後、面Ａ２で反射し、面Ａ１に臨界角度未満の入射角で入射して往復プリズム３から射出する。そして、往復プリズム３を射出した各画角光線は、拡散反射面２上又はこれに近接した位置に中間像を形成して、拡散反射面２で拡散反射し、図２に示すような、Ｆナンバーが小さな（すなわち、明るい）、太い光束を形成する。
【００９０】
拡散反射面２は折り返し反射面であり、入射した光を入射方向に対して略逆向きに戻すように反射する。ここでの中心画角主光線Ｌ０の折り返し反射面への入射光と反射光とのなす角度は、上述したθである。
【００９１】
その後、各画角光線は、往復プリズム３に面Ａ１から再入射し、面Ａ２、面Ａ１で反射され、面Ｂで射出瞳１（ヘッドマウントディスプレイでは観察者の眼球、プロジェクタではスクリーン）側に反射された後、面Ａ１から往復プリズム３を射出して、射出瞳１に到達する。
【００９２】
ヘッドマウントディスプレイでは、射出瞳１の位置付近に観察者が眼を置くことにより、拡大像を観察することが可能となる。
【００９３】
往復プリズム３おいて、光は面Ｂ（透過領域５ｂの透過）→面Ａ１（反射）→面Ａ２（反射）→面Ａ１（透過）→拡散反射面２（折り返し反射＋拡散）→面Ａ１（再透過）→面Ａ２（再反射）→面Ａ１（再反射）→面Ｂ（反射領域５ａでの反射）→面Ａ１（再々透過）の順に各面を辿っており、折り返し反射面での反射を境に、それまでの光路を逆に辿っている。面Ｂ（透過領域５ｂの透過）から折り返し反射面までが往路、折り返し反射面から面Ｂ（反射）までが復路であり、往路と復路とがほぼ重複した往復光路が形成されている。
【００９４】
また、本実施形態１では、ローカル母線断面上（図１および図２の紙面上）で微小走査ミラー４の機械的な振れ角は±４．２５°であり、光学的な振れ角は±８．５°である。また、このとき射出瞳面上では、±１０°（垂直）の画角光線が得られる。なお、水平方向も同時に走査される。
【００９５】
図１は、拡散反射面２で光束が拡散しないとした場合のビームトレース図であり、射出瞳径はφ１ｍｍとなっているが、図２に示した拡散反射光のトレースでは、射出瞳径はφ８ｍｍである。
【００９６】
（実施形態２〜５）
図３には本発明の実施形態２である走査光学系のビーム光路断面図（ビームトレース図）を、図４には本発明の実施形態３である走査光学系のビーム光路断面図を、図５には本発明の実施形態４である走査光学系のビーム光路断面図を、図６には本発明の実施形態５である走査光学系のビーム光路断面図をそれぞれ示している。
【００９７】
なお、図３〜図６は、射出瞳１と２次元微小走査ミラー４までのトレース図であり、コリメータレンズ７および光源８は省略している。また、中間結像面である拡散反射面２から射出瞳１までの反射拡散光のトレース図も省略している。
【００９８】
実施形態２〜５においては、射出瞳１への画角は共通であり、水平画角が±１５°、垂直画角が±１１．３°である。
【００９９】
さらに、拡散反射面２で拡散反射した場合の射出瞳径も共通であり、φ８ｍｍである。また、図３〜６のビームトレース図における射出瞳径はφ１〜１．３ｍｍであり、そのときの反射面Ｂの透過領域５ｂの大きさは、φ２〜５ｍｍである。
【０１００】
図３および図４に示す実施形態２および実施形態３の構成は、基本的に実施形態１の構成と同じであるが、拡散折り返し面２以外の全ての光学面に自由曲面（非回転対称面）を採用している点で実施形態１と異なる。また、補正プリズム６の両面も自由曲面である。
【０１０１】
実施形態２は、実施形態３に対して透過領域５ｂが小さくなるように各面の光学パワーを設定している。なお、図示はしないが、コリメータレンズ７にも自由曲面を採用すれば、光源８からの光を効率的に集めることができる。実施形態２および実施形態３での微小走査ミラー４のローカル子線断面（水平方向、図の紙面と垂直方向）での光学的振れ角は±１０．５°である。
【０１０２】
また、図５に示す実施形態４および図６に示す実施形態５の構成は、補正プリズム６がない点で実施形態１〜３（図１〜４）の構成と異なる。
【０１０３】
実施形態４および実施形態５において、微小走査ミラー４からの光は、直接、往復プリズム３の反射面Ｂの透過領域５ｂを往復プリズム３内に入射する。往復プリズム３内に入射した後の光路は実施形態１〜３と同じである。
【０１０４】
また、実施形態４および実施形態５においては、拡散反射面２以外の全ての光学面に自由曲面を採用している。
【０１０５】
実施形態４は実施形態５に対して透過領域５ｂが小さくなるように各面の光学パワーを設定している。実施形態４の微小走査ミラー４のローカル子線断面（水平方向、図の紙面と垂直方向）での光学的振れ角は±１４°であり、実施形態５では±１３°である。
【０１０６】
なお、これら実施形態２〜５での射出瞳面のローカル子線断面での画角は±１５°である。図３〜４から分かるように、微小走査ミラー４で反射した直後に光が入射する光学面（実施形態２，３では補正プリズム６の走査ミラー側の面）には負の光学パワーを持たせるとよい。これにより、微小走査ミラー４の光学的振れ角が小さくても、この負の光学パワーによって画角が拡大されるため、広画角を得やすい。
【０１０７】
また、実施形態１〜５までに共通する事項として、面Ａ１での反射を内部全反射とすると，光量の損失が少なくなり好ましい。また、少なくとも面Ａ１において反射光束と射出光束とが共用する領域（射出瞳１に向かう光束が射出する面Ａ１の下部と拡散反射面２へ向かう光束が射出する面Ａ１の上部）での反射を内部全反射とし、共用領域以外での反射を金属膜等の反射膜による反射とすると、面Ａ１での反射光束の全てを内部全反射させる場合に対して設計の自由度を上げつつ、同程度の明るさを確保できる。
【０１０８】
また、反射膜領域と共用領域との境界は、反射膜の境界（縁）がはっきりと観察者に見えてしまうおそれがあるので、該境界付近（反射膜領域内の下側と上側）は共有領域から遠ざかるにつれて徐々に反射率を上げて該境界を目立ちにくくすることが望ましい。
【０１０９】
（数値実施例）
以下、上記各実施形態の数値実施例を示す。各数値実施例では、ローカル近軸を用いており、まずこれについて説明する。
【０１１０】
図１〜図６はそれぞれ、上記各実施形態の要部断面図（ローカル母線断面図、添え字はｙ）であり、第１面（射出瞳１）の面頂点座標系を図１に示した。各実施形態では、各面の面頂点をｙ軸方向でのシフト偏心およびｘ軸回りのチルト偏心のみさせているため、従来の母線断面とローカル母線断面は同一断面であるが、各面の従来の子線断面とローカル子線断面は異なる。なお、前述した従来の母線断面、子線断面は従来近軸(general-paraxial axis )の定義であり、ローカル母線断面、ローカル子線断面はこれから述べるローカル近軸(local-paraxial axis)での定義である。さらに、ローカル近軸における、偏心系に対応したローカル曲率半径，ローカル面間隔，ローカル焦点距離，ローカル屈折力の定義も以下に説明する。
【０１１１】
各実施形態では、光源８から発せられ、拡大像の中心と光学系の射出瞳１の中心を通る光線を基準光線（中心画角主光線）とし、従来の各面の面頂点基準の曲率半径，面間隔，焦点距離，屈折力ではなく、基準光線の各面でのヒットポイント（入射点）を基準としたローカル曲率半径，ローカル面間隔，ローカル焦点距離，ローカル屈折力を用いている。
【０１１２】
ここで、ローカル曲率半径は光学面のヒットポイント上でのローカルな曲率半径（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）をいう。また、ローカル面間隔は、現在の面と次の面での２つのヒットポイント間の距離（基準光線上の距離、空気換算なしの値）をいう。また、ローカル焦点距離は、ローカル曲率半径、面の前後の屈折率およびローカル面間隔より、従来の焦点距離計算方法（近軸追跡）で計算した値である。ローカル屈折力（光学パワー）は、ローカル焦点距離の逆数である。
【０１１３】
なお、各数値実施例では、従来の曲率半径，面間隔，偏心量，屈折率，アッべ数と、ローカル曲率半径，面の屈折率，ローカル面間隔，ローカル焦点距離を示している。
【０１１４】
また、上述した５つの実施形態に対応する数値実施例のデータを表１（数値実施例１）、表２，３（数値実施例２）、表４，５（数値実施例３）、表６，７（数値実施例４）および表８，９（数値実施例５）に示し、光路断面図を図１〜６に示した。表１〜表９の従来近軸（general-paraxial axis）では、母線断面曲率半径ｒｙ，子線断面曲率半径ｒｘ，面間隔ｄ（第１面の面頂点座標系と平行な距離），偏心量（母線断面上において第１面の面頂点座標系に対する各面の面頂点の平行偏心量をshift 、傾き偏心量（度）をtiltとする），ｄ線の屈折率ｎｄ、アッべ数νdを示す。また、ＦＦＳは自由曲面（非回転対称面）を表している。さらに、各表の左端に「Ｍ」が付された面は反射面であり、「Ｍ（dif） 」が付された面は拡散反射面である。ｄ線の屈折率ｎｄは逆符号としている。なお、表１〜表９は射出瞳１から走査ミラー４および光源８に向かって光路を逆トレースした場合の数値データである。
【０１１５】
ＦＦＳ（自由曲面）の定義式を以下に示す。下記式は各面の面頂点座標系での定義式である。
【０１１６】
【数１】
【０１１７】
上記定義式において、ｃ１，ｃ５，…は自由曲面係数である。但し、この自由曲面の場合、自由曲面係数の中に近軸に関与する係数があるため、従来近軸（general-paraxial axis ）の母線断面曲率半径ｒｙおよび子線断面曲率半径ｒｘの値が面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｙおよび子線断面曲率半径ｒｘと一致しない。そこで、ポイント（0，0）、つまりは面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｙおよび子線断面曲率半径ｒｘも示している。
【０１１８】
また、ローカル近軸(local-paraxial axis)では、ローカル曲率半径（local-ry,local-rx），ローカル面間隔（local-d ）（反射面は逆符号），ローカル焦点距離（local-fy,local-fx ）および面の屈折率ｎｄ（反射面は逆符号）を示している。さらに、各面でのヒットポイント座標（面頂点を（0，0）とする）および射出瞳での画角２ωy、２ωx（＋側、−側合計のフル画角）も示した。
【０１１９】
なお、表１（数値実施例１）に関してはすべて回転対称面を用いているので、従来近軸（general-paraxial axis ）のみ示した（面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｙおよび子線断面曲率半径ｒｘも省略）。
【０１２０】
また、表１の１８面は２次元走査ミラーであり、ZOOM１では、射出瞳へのローカル母線断面上の画角ωyとローカル子線断面上の画角ωxがともに０°の時の面データである。ZOOM２は射出瞳へのローカル母線断面上の画角ωy が＋１０°の時の面データ、ZOOM３は射出瞳へのローカル母線断面上の画角ωy が−１０°の時の面データである。
【０１２１】
また、接眼光学系ローカル焦点距離local-fy1,local-fx1（３面〜７面）と、二次元走査手段から中間像面までのローカル焦点距離local-fy2,local-fx2（表１中の１０〜１４面、表２〜５中の１１〜１６面、表６〜９中の１１〜１４面）を示した。また、表１については、光源から中間像面までのリレー系ローカル焦点距離（面１０〜２１面）も示した。
【０１２２】
（数値実施例１）
【０１２３】
【表１】
【０１２４】
（数値実施例２）
【０１２５】
【表２】
【０１２６】
【表３】
【０１２７】
（数値実施例３）
【０１２８】
【表４】
【０１２９】
【表５】
【０１３０】
（数値実施例４）
【０１３１】
【表６】
【０１３２】
【表７】
【０１３３】
（数値実施例５）
【０１３４】
【表８】
【０１３５】
【表９】
【０１３６】
（実施形態６）
図８には、本発明の実施形態６である走査光学系の構成および中心画角主光線の光路断面図を示している。なお、本実施形態において、実施形態１〜５と同符号を付した部材は、往復プリズム３を除き、実施形態１〜５と同様のものである。
【０１３７】
光源８からの光は、コリメータレンズ７で略平行光束（ビーム）とされた後、２次元走査ミラー４で反射偏向されることにより画角光束となって補正プリズム６を透過し、往復プリズム３の反射面Ｂの透過領域５ｂから往復プリズム３内に入射する。
【０１３８】
往復プリズム３の面Ｂは、２次元走査ミラー４からの光の入射面であると共に射出瞳１への最終反射面としても機能する。面Ｂには、実施形態１〜５と同様に、図７（ａ），（ｂ）に示した透過領域５ｂが反射領域５ａ内に形成されている。
【０１３９】
面Ａ１は、面Ｂの透過領域５ｂから入射した光を反射して面Ａ２に導き、さらに面Ａ２からの光を再度、面Ｂに戻すように反射する反射面である。さらに、面Ｂで反射した光を往復プリズム３から射出させる射出面としても機能する。
【０１４０】
また、面Ａ２は、面Ａ１からの光を透過射出させるとともに、拡散反射面２で反射された光を再度、往復プリズム３内に入射させるよう透過する透過面である。
【０１４１】
拡散反射面２は、入射した光を拡散するとともに、入射した光をほぼ逆向きに戻すように反射する折り返し反射面である。
【０１４２】
面Ｂの微小透過領域５ｂから往復プリズム３に入射した各画角光線は、面Ａ１に臨界角度以上の入射角で入射して内部全反射した後、面Ａ２を透過し、拡散反射面２に至る。このとき、各画角光線は、拡散反射面２上又はこれに近接した位置に中間像を形成する。そして、拡散反射面２で拡散反射した各画角光線は、再び面Ａ２を透過して往復プリズム３内に入射し、面Ａ１に臨界角度以上の入射角で入射して内部全反射した後、面Ｂの反射領域５ａで反射し、面Ａ１から往復プリズム３を射出して、射出瞳１に到達する。拡散反射面２における中心画角主光線Ｌ０である入射光と反射光とのなす角度はθである。
【０１４３】
往復プリズム３おいて、光は面Ｂ（透過領域５ｂの透過）→面Ａ１（反射）→面Ａ２（透過）→拡散反射面２（折り返し反射＋拡散）→面Ａ２（再透過）→面Ａ１（再反射）→面Ｂ（反射領域５ａでの反射）→面Ａ１（透過）の順に各面を辿っており、折り返し反射面での反射を境に、それまでの光路を逆に辿っている。面Ｂ（透過領域５ｂの透過）から折り返し反射面までが往路、折り返し反射面から面Ｂ（反射）までが復路であり、往路と復路がほぼ重複した往復光路が形成されている。
【０１４４】
なお、折り返し反射面である拡散反射面２に対する中心画角主光線Ｌ０の入射・反射で形成される角度θの範囲は、
｜θ｜＜４５° （４）
であることが望ましい。この条件を超えると、折り返し反射による往復光路を形成しにくくなり、好ましくない。一方、（４）を満たすように構成すれば、その他の面の配置構成等に関わらず折り返し反射による往復光路が形成されるため、光路長に対する光学系のサイズの小型化が比較的容易となる。
【０１４５】
更に望ましくは、
｜θ｜＜３０° （５）
であるとよい。この条件を満足すると、往路と復路の重複度が高くなるため、光学系をよりコンパクトにすることができる。
【０１４６】
（実施形態７）
図９には、本発明の実施形態７である走査光学系の構成および中心画角主光線の光路断面図を示している。なお、本実施形態において、実施形態１〜５と同符号を付した部材は、往復プリズム３を除き、実施形態１〜５と同様のものである。
【０１４７】
光源８からの光は、コリメータレンズ７で略平行光束（ビーム）とされた後、２次元走査ミラー４で反射偏向されることにより画角光束となって往復プリズム３の反射面Ｂの透過領域５ｂから往復プリズム３内に入射する。
【０１４８】
往復プリズム３の面Ｂは、２次元走査ミラー４からの光の入射面であると共に射出瞳１への最終反射面としても機能する。面Ｂには、実施形態１〜５と同様に、図７（ａ），（ｂ）に示した透過領域５ｂが反射領域５ａ内に形成されている。
【０１４９】
面Ａ１は、面Ｂの透過領域５ｂから入射した光を反射して面Ａ２に導き、さらに面Ａ２からの光を再度、面Ｂに戻すように反射する反射面である。さらに、面Ｂで反射した光を往復プリズム３から射出させる射出面としても機能する。
【０１５０】
また、面Ａ２は、拡散反射面であるとともに、面Ａ１から入射した光を略逆向きに戻すように反射する折り返し反射面でもある。
【０１５１】
面Ｂの微小透過領域５ｂから往復プリズム３に入射した各画角光線は、面Ａ１に臨界角度以上の入射角で入射して内部全反射した後、面Ａ２に至る。このとき、各画角光線は、面Ａ２上又はこれに近接した位置に中間像を形成する。そして、面Ａ２で拡散反射した各画角光線は、再び面Ａ１に臨界角度以上の入射角で入射して内部全反射した後、面Ｂの反射領域５ａで反射し、面Ａ１から往復プリズム３を射出して、射出瞳１に到達する。面Ａ２における中心画角主光線Ｌ０である入射光と反射光とのなす角度はθであり、上記式（４）若しくは（５）を満たす。
【０１５２】
往復プリズム３おいて、光は面Ｂ（透過領域５ｂの透過）→面Ａ１（反射）→面Ａ２（折り返し反射＋拡散）→面Ａ１（再反射）→面Ｂ（反射領域５ａでの反射）→面Ａ１（透過）の順に各面を辿っており、折り返し反射面での反射を境に、それまでの光路を逆に辿っている。面Ｂ（透過領域５ｂの透過）から折り返し反射面までが往路、折り返し反射面から面Ｂ（反射）までが復路であり、往路と復路がほぼ重複した往復光路が形成されている。
【０１７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光を走査して画像を表示する走査光学系において、射出瞳を十分大きくする手段を用いても従来のものよりも小型化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１である走査光学系のビーム光路図。
【図２】上記実施形態１の走査光学系における拡散反射後の光路図。
【図３】本発明の実施形態２である走査光学系のビーム光路図。
【図４】本発明の実施形態３である走査光学系のビーム光路図。
【図５】本発明の実施形態４である走査光学系のビーム光路図。
【図６】本発明の実施形態５である走査光学系のビーム光路図。
【図７】上記各実施形態の走査光学系において、反射面に形成された透過領域を示す図。
【図８】本発明の実施形態６である走査光学系のビーム光路図。
【図９】本発明の実施形態７である走査光学系のビーム光路図。
【符号の説明】
１ 射出瞳
２ 拡散反射面
３ 往復プリズム
４ ２次元微小走査ミラー
５ａ 反射領域
５ｂ 透過領域
６ 補正プリズム
７ コリメータレンズ
８ 光源
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を走査して観察者の眼内やスクリーン等に画像を形成し、観察させるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、プロジェクタ等の画像表示装置に好適な走査光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）やプロジェクタ等の画像表示装置には、透過型液晶、反射型液晶またはＥＬ素子を原画表示素子として用いられることが一般的であるが、最近では、光ビームを走査する手段を用いて２次元画像を表示する画像表示装置も提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、ＲＧＢの光を水平方向と垂直方向に走査し、光学系を介して観察者の網膜上に直接画像を形成する走査型画像表示装置が開示されている。
【０００４】
但し、この特許文献１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光走査手段として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く、観察者の瞳位置での光ビームも非常に径の小さなものとなり、十分な大きさの射出瞳径を得ることが難しい。
【０００５】
こうした小さな射出瞳径を拡大する方法としては、特許文献２，３に開示された技術がある。特許文献２では、走査されたビームが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射出瞳拡大手段を配置し、これを透過させることによって射出瞳拡大手段を透過した後の光束の広がり角を拡大するようにしている。
【０００６】
また、特許文献３では、走査型画像表示装置ではないものの、平行光により照明される液晶などの画像表示素子に入射した後の光を拡散板を透過させることで、同様に射出瞳を拡大するようにしている。
【０００７】
但し、これら特許文献２，３に開示の装置では、中間像透過型の射出瞳の拡大化手段を用いるため、光路が長くなり、装置が大型化し易い。
【０００８】
また、特許文献４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とし、光走査手段で反射させて眼球に導く、比較的小型の光学系が提案されている。該特許文献中には、透過型の拡散板により射出瞳を拡大するとの記載があるが、透過型拡散板を用いることに起因して大型化することが避けられない。つまり、この場合には小型接眼光学系の代表として知られる自由曲面プリズム（特許文献５および非特許文献１に記載されたもの）の２倍程度の大きさまで小型化できるに過ぎない。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許５，４６７，１０４号（ＦＩＧ．１等）
【特許文献２】
米国特許５，７０１，１３２号（ＦＩＧ．１等）
【特許文献３】
米国特許５，７５７，５４４号（ＦＩＧ．１等）
【特許文献４】
特開２００１−４９５５号公報（図１等）
【特許文献５】
特許第２９１１７５０号公報（図１等）
【００１０】
【非特許文献１】
光学,Vol.25,No.1,p2-7,1996
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、従来の走査型画像表示装置では、十分な大きさの射出瞳径を得るために、透過型の拡散板を用いて射出瞳を大きくし、観察し易くしているが、光学系の十分な小型化は達成されていない。
【００１２】
本発明では、射出瞳を大きくするための手段を用いたような場合でも、従来のものよりも更に小型化が図れる走査光学系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、本発明では、光源からの光を走査する光走査手段と、該光走査手段により走査される光を射出瞳に向かわせる光学系とを有する走査光学系において、上記光学系に、少なくとも反射作用を有し、中心画角主光線に対して偏心した第１の面と、この第１の面で反射した光線を再度前記第１の面に向けて反射する第２の面とを含ませるとともに、上記光学系において、光源から光走査手段を経た光によって中間像を形成させている。そして、第１の面は、第２の面から該第１の面に再度入射した中心画角主光線を、該第１の面における該中心画角主光線のヒットポイント上での法線に対して前回とは反対側に反射させる。また、上記中間像の位置又はこれに近接した位置に、第２の面としての拡散反射面を配置している。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に入る前に、各実施形態で使用される母線断面、子線断面、ローカル母線断面、ローカル子線断面の定義について説明する。
【００１５】
偏心系に対応していない従来系の定義では、各面頂点座標系でｚ軸を光軸とすると、ｙｚ断面が従来の母線断面（メリジオナル断面）、ｘｚ断面が子線断面（サジタル断面）となる。本実施形態は偏心系であるので、偏心系に対応したローカル母線断面、ローカル子線断面を新たに定義する。
【００１６】
まず、光源から発せられ、拡大像の中心と表示光学系の射出瞳の中心を通る光線を中心画角主光線と称する。各実施形態に対応した図では、中心画角主光線をＬ０として示している。
【００１７】
そして、この中心画角主光線の各面におけるヒットポイント上で、中心画角主光線の入射光と射出光を含む面をローカル母線断面とし、ヒットポイントを含みローカル母線断面と垂直で、各面頂点座標系の子線断面（通常の子線断面）と平行な面をローカル子線断面として定義する。ローカル母線断面での焦点距離とローカル子線断面での焦点距離については後述する。
【００１８】
以下、本発明の実施形態の主な特徴について説明する。
【００１９】
１．光源からの光を走査する光走査手段と、該光走査手段により走査される光を射出瞳面に向かわせる光学系とを有する走査光学系において、光学系は、少なくとも反射作用を有し、中心画角主光線に対して偏心した第１の面と、この第１の面で反射した光線を再度第１の面に向けて反射する第２の面とを含み、第１の面は、第２の面から該第１の面に再度入射した中心画角主光線を、該第１の面における該中心画角主光線のヒットポイント上での法線に対して前回とは略反対側に反射する。
【００２０】
これにより、光走査手段からの光は、第１の面での１回目の反射を含む第２の面までの光路（往路）と、第２の面（折り返し反射面）での反射後の第１の面での反射を含む光路（復路）とを略重複させ、長い光路長の光学系を小さな光学系としてまとめることができる。
【００２１】
ここで、折り返し反射面としての第２の面での反射の前後での第１の面での反射に着目した場合、第１の面への入射方向を示すベクトルと反射方向を示すベクトルのなす外積の方向が往路と復路でそれぞれ略正反対方向となるとも言える。なお、往路と復路で反射面として機能する面を複数設けて光路を形成することも可能である。
【００２２】
このように特徴付けられる折り返し反射面での反射を利用することにより、通常の対向した二面間で行われるいわゆるジグザグの反射に比べて、歪みの発生を抑制しつつ、狭い空間に長い光路を収めることができる。また、第１の面での反射は２回に限られず、３回以上反射させて、該第１の面の光学パワーを利用するようにしてもよい。
【００２３】
また、中心画角主光線において、折り返し反射面を含む各面での入射光と反射光を含む各平面が全て同一平面内に存在する場合が代表的ではあるが、入射光と反射光を含む面が必ずしも同一平面内に存在する必要はない。つまり、折り返し反射面で反射される光に上記平面に垂直な方向の成分を該折り返し反射面により与えるようにしてもよい。この場合、例えば、折り返し反射面に向けて光線を反射し、折り返し反射面で反射した光線が入射する第１の面に着目すると、第１の面への入射方向を示すベクトルと反射方向を示すベクトルとのなす外積の方向が、往路と復路のそれぞれで鈍角をなすこととなる。また、該外積間（外積同士）のなす内積が負になることによっても光路の構成を特徴付けることもできる。
【００２４】
さらに、折り返し反射面だけでなく、他の反射面においても、反射する光に上記平面に垂直な方向の成分を与えてもよい。
【００２５】
このようにすることで、各反射面は光線に対して上記平面と垂直方向の偏心も有することとなり、光学設計の自由度を増加させることができる。
【００２６】
１−２．光源からの光は、光走査手段を経て中間結像面を形成し、光走査手段は該光学系の射出瞳と共役な位置に配置され、光走査手段からの光は、中間結像面上に２次元画像を形成する。
【００２７】
光源像を中間像面に形成する光学系（リレー光学系）があり、このリレー光学系の絞りの位置に光走査手段を配置し、リレー光学系の絞り（光走査手段）と光学系の射出瞳を共役な関係にすれば、観察者が射出瞳面上に眼を置いたとき、光線がけられることがない。
【００２８】
１−３．光学系は往路、折り返し反射、復路と光線が進んだ後、光線に対し偏心した別の反射面で反射され、該往路とは別の光路を形成する。
【００２９】
これにより、往復光路から射出した後の光線を、往復光路に入射する光線と異なる方向に導くことができ、往復光路への入射光との干渉を避けることができる。
【００３０】
１−４．光走査手段は、２次元走査微小反射部材である。
【００３１】
１次元方向にのみ走査される反射部材を水平走査と垂直走査のそれぞれ用いたのでは、射出瞳と共役な位置に１つの反射部材を配置し、更にもう１つの反射部材を射出瞳と共役な位置（２回目の瞳結像面）に配置しなければならないために、光学系が大型化してしまう。また、細長い反射部材が２つ必要になるため、光走査手段も大型化する。これに対し、２次元方向に走査可能な１つの反射部材である２次元走査微小反射部材で水平走査と垂直走査を行えば、光走査手段として微小なデバイスを用いることができ、高速走査も可能となる。また、光学系も１回の瞳結像共役関係があればよいので、小型化が可能である。
【００３２】
２．光源からの光を走査する光走査手段と、該光走査手段により走査される光を射出瞳面に向かわせる光学系とを有する走査光学系において、光学系は、少なくとも反射作用を有し、中心画角主光線に対して偏心した第１の面と、この第１の面で反射した光線を再度第１の面に向けて反射する第２の面とを含み、第１の面は、第２の面から該第１の面に再度入射した中心画角主光線を、該第１の面における該中心画角主光線のヒットポイント上での法線に対して前回とは略反対側に反射し、また、第２の面が拡散反射作用を有するとともに、第２の面上又はこれに近接した位置に中間結像面が形成される。
【００３３】
言い換えれば、光学系は、第１の面への入射方向を示すベクトルと反射方向を示すベクトルとのなす外積間のなす内積が負になる場合を含み、かつ第２の面が拡散反射作用を有するとともに、第２の面上又はこれに近接した位置に中間結像面が形成される。
【００３４】
光路長が長い中間結像面を有する光学系では、光路（往路と復路）を重複させることにより、長い光路長を有する光学系を小さな光学系としてまとめられ、小型の表示光学系を実現できる。そして、往路と復路との間の折り返し反射面上に、中間結像面と拡散面を設けることにより、往路では細いビームを導く光学系が、復路では広い射出瞳をカバーできる拡散光学系がそれぞれ成り立ち、光学系の小型化と射出瞳拡大を両立することができる。
【００３５】
２−２．光学系は、複数の非回転対称な反射面を含む少なくとも３面が形成された透明体を有する。
【００３６】
本実施形態の光学系は偏心光学系であるため、偏心収差が発生する。しかし、複数の非回転対称反射面を設けることで、発生した偏心収差をキャンセル又は低減させることができる。また、光走査手段による水平・垂直方向のアスペクト比を自由に設定しても、非回転対称反射面が複数存在するため、拡大表示画面のアスペクト比を必要な値（３：４や９：１６等）に設定することができ、設計自由度が高まる。
【００３７】
なお、非回転対称面は、ローカル母線断面を唯一の対称面として持つ面対称形状であることが好ましい。これは、対称性のない場合に比較して、加工および製作が容易だからである。さらに、少なくとも３面を有する透明体を用いることにより、従来の複数部品を透明体１つに置き換えることができるので、組み立ておよび調整が容易になる。
【００３８】
２−３．光学系は、少なくとも１面の内部全反射面を有し、少なくとも２回、内部全反射する。
【００３９】
内部全反射面とは、透明体内での反射時に、光線が面の法線に対し、臨界角度以上で入射したとき、光が理論的に１００％反射する現象であり、金属膜反射や誘電体膜反射よりも光利用効率が高いため、その面での光量ロスをなくすことができる。往復光路中に内部全反射面を設ければ、少なくとも２回は内部全反射することになり、光学系全体での光量ロスを少なくすることができる。
【００４０】
３．光源からの光を走査する光走査手段と、該光走査手段により走査される光を射出瞳面に向かわせる光学系とを有する走査光学系において、光学系は、光路に対して偏心し、かつ向かい合った複数の非回転対称な反射面を有するとともに、拡散反射作用を有する拡散反射面を有し、拡散反射面上又はこれに近接した位置に中間結像面を形成し、拡散反射面で反射した光により、射出瞳面に光を導き拡大像を形成する。
【００４１】
複数の非回転対称な反射面を向かい合わせて配置すれば、光路がジグザグにでき、光学系の薄型化が可能となる。さらに、中間結像面の近傍に拡散反射面を設ければ、光学系の薄型化と射出瞳の拡大とを両立させることができる。
【００４２】
３−２．光学系には、光走査手段から中間結像面までの光路と中間結像面から拡大像までの光路とで共有される共有面が複数存在する。
【００４３】
これにより、不要な光学面を減らすことができ、光学系を小型化することができる。中間結像面から拡大像までの光学系は接眼光学系であり、光源から中間結像面までの光学系はリレー光学系である。一般に、リレー光学系は接眼光学系の２個分程度の光学パワー（焦点距離の逆数）が必要であるため、接眼光学系とリレー光学系の何面か（特に、中間結像面近傍側の面）を両光路で共有させるのが好ましい。共有面が複数あると、リレー光学系と接眼光学系の両方で光線を折り畳むことができるため、光学系全体を薄型化することができる。
【００４４】
３−３．該複数の共有面は、非回転対称な反射面である。
【００４５】
リレー系としての非回転対称反射面は、中間結像面での偏心収差を低減させ、接眼光学系としての非回転対称反射面は、接眼光学系での偏心収差を低減させることができる。
【００４６】
３−４．光学系は、複数の共有面を含む少なくとも３面が形成された透明体を有し、拡散作用を有した反射面は、該透明体とは別体である。
【００４７】
拡散作用を有した反射面を１つの部材として構成することにより、透明体とは独立させ、様々な拡散特性を持つ拡散部材に交換可能とすることができる。また、透明体の反射面近傍に中間結像面を形成し、その反射面に拡散作用を持たせることにより、透明体と拡散部材とを一体化してもよい。これにより、部品点数を減らすこともでき、拡散部材と透明体間の調整も不要となる。また、その反射面を、上述した往復光路の折り返し反射面に設定すれば、光学系の小型化も可能になる。
【００４８】
４．光源からの光を走査する光走査手段と、該光走査手段により走査される光を射出瞳面に向かわせる光学系とを有する走査光学系において、光学系は、反射面を含む複数の面を有し、反射面には、他の面からの光を反射する反射領域の内側に、該反射領域よりも面積が小さく、かつ該反射領域よりも光透過率が高い、光走査手段からの光を光学系内に入射させるための透過領域が形成されている。
【００４９】
光走査手段からの光を透過させ、次に他の面から戻ってきた光を反射する光路分離手段として、一般的に考えられるのはハーフミラーである。しかし、ハーフミラーを透過した光が戻ってきて反射すると、光量が原理的に１／４（２５％）になってしまい、光の利用効率が低い。
【００５０】
そこで、本実施形態では、光路分離手段として、上記反射領域と透過領域を有する反射面を用いる。光学系のうち光走査手段からの光が入射する部分では、光（ビーム）が通過する部分の面積は微小でよいので、その微小部分だけを反射領域とせずに透過領域とした（その領域だけ金属膜を施さないようにした）反射面を用いる。この反射面に光が戻ってきたときは、拡散板などで光束が広がっているため、微小透過領域を透過する光線以外の大部分の光線は反射される。このため、拡大像を観察したとき、該透過領域が微小であるため、観察者に実質的な光量低下を感じさせることがなく、ハーフミラーを使用した場合に比べて、光の利用効率を上げることができる。
【００５１】
ここで、上記反射面での反射領域（光線が入射する有効エリア）の面積Ｄａと透過領域の面積Ｄｂの比（Ｄｂ／Ｄａ）は、１０％以下が好ましい。この値が１０％のとき、表面反射や反射膜での光吸収などを考慮しない場合には、光走査手段からの光束は１００％が透過領域を透過して光学系に入射し、戻ってきた光束は、該反射面で９０％が反射するため、光の利用効率は９０％になる。また、Ｄｂ／Ｄａが１０％を超えると、戻ってきた光束のうち微小透過領域を透過する（反射しない）分が相対的に大きくなり、観察される拡大像に明暗が生じて好ましくない。
【００５２】
また、Ｄｂ／Ｄａが５％以下（光利用効率９０％以上）であれば、ほとんど透過領域による光量低下は感じなくなる。
【００５３】
なお、透過領域の形状は円または楕円形状が好ましいが、四角形でもよい。また、透過領域の位置は、反射領域内であって、透過領域と反射領域を含む反射面全体が左右方向または上下方向で対称となる位置とすることが望ましい。これにより、透過領域を作成するときに位置精度を出しやすい。図７には、上記反射面におけるＤｂ／Ｄａが１０％のとき（ａ）と、Ｄｂ／Ｄａが５％のとき（ｂ）を示している（５ａが反射領域、５ｂが透過領域である）。
【００５４】
ヘッドマウントディスプレイにおいて、拡大像が形成される位置は、観察者の眼から離れており（例えば、５０ｃｍ〜∞）、透過領域５ｂの位置は観察者の眼に近いため、拡大像を観察している観察者の眼の焦点は透過領域には合わず、かつ透過領域は微小であるため、透過領域の存在が目立つことはほとんどない。
【００５５】
また、透過領域と反射領域との境界付近に関して、反射領域に向かって徐々に透過率が下がり、反射率が上がるような処理を施すことにより、該境界をより目立ちにくくすることができる。
【００５６】
４−２．光学系は、拡散作用を有した反射面の近傍（反射面の位置又はこれに近接した位置）に中間結像面を形成する。
【００５７】
これにより、中間結像面まで細いビームとして光が入射する場合でも、射出瞳を拡大させることができ、観察し易くなる。また、透過領域を有する反射面での反射領域の面積Ｄａを透過領域の面積Ｄｂに対して大きくする（Ｄｂ／Ｄａを小さくする）ことができ、光の利用効率を高めることができる。
【００５８】
４−３．光学系の射出瞳の共役像が、上記反射面の透過領域上又はこれに近接する位置に形成される。
【００５９】
これにより、透過領域の面積Ｄｂを小さくする（Ｄｂ／Ｄａを小さくする）ことができ、透過領域による光量低下を抑制することができる。具体的には、透過領域から射出瞳の共役像までの距離が１０ｍｍ以下であることが望ましい。
【００６０】
その他．
さらに、複数の非回転対称な反射面は、ローカル母線断面での焦点距離の絶対値がローカル子線断面での焦点距離の絶対値より大きい。
【００６１】
ローカル母線断面は偏心断面であるため、偏心収差の発生がローカル子線断面よりも大きい。そこで、複数面のローカル母線断面上での光学パワーを、ローカル子線断面上での光学パワーよりも弱くしたパワー配置にすれば、ローカル母線断面上での偏心収差の発生を少なくすることが可能となる。
【００６２】
また、前述した折り返し反射面が曲面である場合は、折り返し反射面が平面の場合よりも、反射時に周辺画像の光線の方向を個々に制御できるため、光学系の小型化が可能となる。
【００６３】
さらに、折り返し反射面が非回転対称面であれば、周辺画像の光線方向を自由に制御できるため、回転対称な曲面の場合よりも更に小型化が可能となる。
【００６４】
この折り返し反射面には、ほぼ１００％近く光を反射する金属ミラーコーティングを施して、光量ロスをできるだけ少なくすることが望ましい。また、折り返し反射面は、複数の面を有する透明体と別体として設けても、透明体と一体に設けてもよい。
【００６５】
また、折り返し反射面は、光線をほぼ反対側に反射するが、中心画角主光線において、入射光線と反射光線とのなす角度θは、下記式を満足するとよい。
【００６６】
｜θ｜＜６０° （１）
条件式（１）の上限を超えると、折り返し反射後の光路（復路）が往路を逆戻りせず、往復光路というよりジグザク光路になってしまい光学系が大型化する。
【００６７】
さらに、θは下記式を満足するとなおよい。
【００６８】
｜θ｜＜３０° （２）
条件式（２）の条件を外れると、光線は逆戻りできるが、往路と復路とが十分に重ならず、光学系が大型化して、走査光学系全体を小型にすることが難しくなってくる。
【００６９】
さらに、θは下記式を満足することが望ましい。
【００７０】
｜θ｜＜２０° （３）
条件式（３）を満たすと、光学系ひいては走査光学系全体の十分な小型化が可能となる。
【００７１】
なお、光学系において、折り返し反射面と、往路と復路が通る偏心反射面とを共用してもよい。この場合、光学面を削減でき、さらに光学系を小型化することができる。
【００７２】
また、本実施形態の走査光学系をヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に適用する場合は、観察者の左右の眼に対しそれぞれ独立した光走査手段と光学系とを設けるとよい。つまり、２つの同一の光走査手段とそれに合わせた２つの同一の光学系とを設けるのがよい。これにより、１つの光走査手段から左右の光学系に光を分ける場合に比べて、明るい画像を表示することができる。
【００７３】
また、走査光学系は、左眼用も右眼用も偏心断面であるローカル母線断面を観察者の顔の上下方向に配置する（上下方向において光線を折り畳む）のがよい。通常、表示拡大像は左右方向に画角が広く、上下方向に画角が狭い（例えば、左右４：上下３）ため、偏心断面であり、偏心収差の発生が大きいローカル母線断面を画角の小さい上下方向に設定することにより、表示拡大像での偏心収差の発生を少なくすることができる。
【００７４】
本発明では、後に説明する中間結像面から射出瞳までの接眼光学系のローカル母線断面焦点距離をlocal-fy1、二次元走査部材から中間結像面までのローカル母線断面焦点距離をlocal-fy2とした時、以下の条件式を満足することが望ましい。
【００７５】
−２＜local-fy1／local-fy2＜１
上式の下限値以下になると、二次元走査部材から中間結像面までの負の光学パワーが強くなり、中間結像面を形成するにはコリメータ光学系の正の光学パワーを強くする必要を生じ、コリメータ光学系での収差の発生が大きくなる。
【００７６】
一方、上限値以上の場合、二次元走査部材から中間結像面までの正の光学パワーが強くなり、二次元走査部材の光学的振り角を小さくするため、広角化が困難となる。
【００７７】
以下、具体的な実施形態について、その数値実施例とともに説明する。
【００７８】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１である走査光学系の光源８から射出瞳１までのビーム光路断面図である。また、図２には、中間結像面である拡散反射面２からの拡散反射光の光路図を示している。この走査光学系は、ヘッドマウントティスプレイ（ＨＭＤ）やスクリーン投射を行うプロジェクタ等の画像表示装置に用いられるものである。
【００７９】
光源８は、図では単一の光源として示しているが、実際には赤（ｒ）、緑（ｇ）、青（ｂ）の３色のＬＥＤ（レーザーダイオード等でもよい）から構成されており、色合成を行うダイクロイックプリズム等を介して３色のＬＥＤが光学的に等価の位置に配置されている。これら３色のＬＥＤは、その強度を変化（変調）させることができる。
【００８０】
また、光源８（３色のＬＥＤ）には、これを駆動する駆動回路１０が接続されており、駆動回路１０には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオ、テレビ等の画像情報供給装置１２から画像情報が入力される。駆動回路１０は、入力された画像情報に応じて光源８を変調駆動する（以下の実施形態でも同様である）。なお、本実施形態の画像表示装置と画像情報供給装置とにより画像表示システムが構成される。
【００８１】
光源８からの光は、コリメータレンズ７で略平行光束（ビーム）とされ、微小の２次元走査ミラー４によって反射される。本実施形態における２次元走査ミラー４の大きさは、最大有効寸法が３ｍｍ以下というきわめて小さいミラーを使用している（以下の実施形態でも同様である）。
【００８２】
この走査ミラー４としては、ＭＥＭＳ（Micro-ElectroMechanical System）等の微小デバイスが用いられ、２次元方向にミラー面を走査駆動が可能である。走査ミラー４の駆動も、画像情報供給装置１２からの垂直同期信号に基づいて上記駆動回路１０により行われる。
【００８３】
走査ミラー４が駆動されることにより、この走査ミラー４で反射したビームは、水平方向および垂直方向に同時に偏向走査され、画角光束を生み出す。それぞれの画角光束は、補正プリズム６を透過した後、往復プリズム３に入射する。
【００８４】
ここで、補正プリズム６と往復プリズム３の境界面はほぼ同じ面形状を有しており、補正プリズム６と往復プリズム３は微小な空気層を介して配置されている。
但し、これら補正プリズム６と往復プリズム３は空気層を介することなく接合されていてもよい。
【００８５】
往復プリズム３は３つの光学面を有し、内部がガラスやプラスチック等の光学媒質で満たされた透明体である。面Ａ１は反射作用と透過作用を有する内部全反射面、面Ｂは、図７（ａ），（ｂ）に示したように、反射領域５ａ内に微小透過領域（ピンホール）５ｂを有した反射面である。面Ａ２は反射面である。２は往復プリズム３とは別体として設けられた拡散反射面であり、拡散作用を有した折り返し反射面である。
【００８６】
面Ａ２および拡散反射面２には反射膜が形成されており、面Ｂのうち微小透過領域５ｂ以外の部分（反射領域５ａ）には、反射膜が形成されている。なお、反射膜は、金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差が少ないためである。
【００８７】
本実施形態では、面Ｂは入射面および反射面として機能し、面Ａ１は拡散反射面２へ向かう光の射出面、射出瞳１に向かう光の射出面、拡散反射面２からの光の入射面および往復光路に共用される反射面として機能する。また、面Ａ２は、往復光路に共用される反射面として機能する。
【００８８】
なお、本実施形態１では、光学面はすべて回転対称面である。
【００８９】
面Ｂの微小透過領域５ｂから往復プリズム３に入射した各画角光線は、面Ａ１に臨界角度以上の入射角で入射して内部全反射した後、面Ａ２で反射し、面Ａ１に臨界角度未満の入射角で入射して往復プリズム３から射出する。そして、往復プリズム３を射出した各画角光線は、拡散反射面２上又はこれに近接した位置に中間像を形成して、拡散反射面２で拡散反射し、図２に示すような、Ｆナンバーが小さな（すなわち、明るい）、太い光束を形成する。
【００９０】
拡散反射面２は折り返し反射面であり、入射した光を入射方向に対して略逆向きに戻すように反射する。ここでの中心画角主光線Ｌ０の折り返し反射面への入射光と反射光とのなす角度は、上述したθである。
【００９１】
その後、各画角光線は、往復プリズム３に面Ａ１から再入射し、面Ａ２、面Ａ１で反射され、面Ｂで射出瞳１（ヘッドマウントディスプレイでは観察者の眼球、プロジェクタではスクリーン）側に反射された後、面Ａ１から往復プリズム３を射出して、射出瞳１に到達する。
【００９２】
ヘッドマウントディスプレイでは、射出瞳１の位置付近に観察者が眼を置くことにより、拡大像を観察することが可能となる。
【００９３】
往復プリズム３おいて、光は面Ｂ（透過領域５ｂの透過）→面Ａ１（反射）→面Ａ２（反射）→面Ａ１（透過）→拡散反射面２（折り返し反射＋拡散）→面Ａ１（再透過）→面Ａ２（再反射）→面Ａ１（再反射）→面Ｂ（反射領域５ａでの反射）→面Ａ１（再々透過）の順に各面を辿っており、折り返し反射面での反射を境に、それまでの光路を逆に辿っている。面Ｂ（透過領域５ｂの透過）から折り返し反射面までが往路、折り返し反射面から面Ｂ（反射）までが復路であり、往路と復路とがほぼ重複した往復光路が形成されている。
【００９４】
また、本実施形態１では、ローカル母線断面上（図１および図２の紙面上）で微小走査ミラー４の機械的な振れ角は±４．２５°であり、光学的な振れ角は±８．５°である。また、このとき射出瞳面上では、±１０°（垂直）の画角光線が得られる。なお、水平方向も同時に走査される。
【００９５】
図１は、拡散反射面２で光束が拡散しないとした場合のビームトレース図であり、射出瞳径はφ１ｍｍとなっているが、図２に示した拡散反射光のトレースでは、射出瞳径はφ８ｍｍである。
【００９６】
（実施形態２〜５）
図３には本発明の実施形態２である走査光学系のビーム光路断面図（ビームトレース図）を、図４には本発明の実施形態３である走査光学系のビーム光路断面図を、図５には本発明の実施形態４である走査光学系のビーム光路断面図を、図６には本発明の実施形態５である走査光学系のビーム光路断面図をそれぞれ示している。
【００９７】
なお、図３〜図６は、射出瞳１と２次元微小走査ミラー４までのトレース図であり、コリメータレンズ７および光源８は省略している。また、中間結像面である拡散反射面２から射出瞳１までの反射拡散光のトレース図も省略している。
【００９８】
実施形態２〜５においては、射出瞳１への画角は共通であり、水平画角が±１５°、垂直画角が±１１．３°である。
【００９９】
さらに、拡散反射面２で拡散反射した場合の射出瞳径も共通であり、φ８ｍｍである。また、図３〜６のビームトレース図における射出瞳径はφ１〜１．３ｍｍであり、そのときの反射面Ｂの透過領域５ｂの大きさは、φ２〜５ｍｍである。
【０１００】
図３および図４に示す実施形態２および実施形態３の構成は、基本的に実施形態１の構成と同じであるが、拡散折り返し面２以外の全ての光学面に自由曲面（非回転対称面）を採用している点で実施形態１と異なる。また、補正プリズム６の両面も自由曲面である。
【０１０１】
実施形態２は、実施形態３に対して透過領域５ｂが小さくなるように各面の光学パワーを設定している。なお、図示はしないが、コリメータレンズ７にも自由曲面を採用すれば、光源８からの光を効率的に集めることができる。実施形態２および実施形態３での微小走査ミラー４のローカル子線断面（水平方向、図の紙面と垂直方向）での光学的振れ角は±１０．５°である。
【０１０２】
また、図５に示す実施形態４および図６に示す実施形態５の構成は、補正プリズム６がない点で実施形態１〜３（図１〜４）の構成と異なる。
【０１０３】
実施形態４および実施形態５において、微小走査ミラー４からの光は、直接、往復プリズム３の反射面Ｂの透過領域５ｂを往復プリズム３内に入射する。往復プリズム３内に入射した後の光路は実施形態１〜３と同じである。
【０１０４】
また、実施形態４および実施形態５においては、拡散反射面２以外の全ての光学面に自由曲面を採用している。
【０１０５】
実施形態４は実施形態５に対して透過領域５ｂが小さくなるように各面の光学パワーを設定している。実施形態４の微小走査ミラー４のローカル子線断面（水平方向、図の紙面と垂直方向）での光学的振れ角は±１４°であり、実施形態５では±１３°である。
【０１０６】
なお、これら実施形態２〜５での射出瞳面のローカル子線断面での画角は±１５°である。図３〜４から分かるように、微小走査ミラー４で反射した直後に光が入射する光学面（実施形態２，３では補正プリズム６の走査ミラー側の面）には負の光学パワーを持たせるとよい。これにより、微小走査ミラー４の光学的振れ角が小さくても、この負の光学パワーによって画角が拡大されるため、広画角を得やすい。
【０１０７】
また、実施形態１〜５までに共通する事項として、面Ａ１での反射を内部全反射とすると，光量の損失が少なくなり好ましい。また、少なくとも面Ａ１において反射光束と射出光束とが共用する領域（射出瞳１に向かう光束が射出する面Ａ１の下部と拡散反射面２へ向かう光束が射出する面Ａ１の上部）での反射を内部全反射とし、共用領域以外での反射を金属膜等の反射膜による反射とすると、面Ａ１での反射光束の全てを内部全反射させる場合に対して設計の自由度を上げつつ、同程度の明るさを確保できる。
【０１０８】
また、反射膜領域と共用領域との境界は、反射膜の境界（縁）がはっきりと観察者に見えてしまうおそれがあるので、該境界付近（反射膜領域内の下側と上側）は共有領域から遠ざかるにつれて徐々に反射率を上げて該境界を目立ちにくくすることが望ましい。
【０１０９】
（数値実施例）
以下、上記各実施形態の数値実施例を示す。各数値実施例では、ローカル近軸を用いており、まずこれについて説明する。
【０１１０】
図１〜図６はそれぞれ、上記各実施形態の要部断面図（ローカル母線断面図、添え字はｙ）であり、第１面（射出瞳１）の面頂点座標系を図１に示した。各実施形態では、各面の面頂点をｙ軸方向でのシフト偏心およびｘ軸回りのチルト偏心のみさせているため、従来の母線断面とローカル母線断面は同一断面であるが、各面の従来の子線断面とローカル子線断面は異なる。なお、前述した従来の母線断面、子線断面は従来近軸(general-paraxial axis )の定義であり、ローカル母線断面、ローカル子線断面はこれから述べるローカル近軸(local-paraxial axis)での定義である。さらに、ローカル近軸における、偏心系に対応したローカル曲率半径，ローカル面間隔，ローカル焦点距離，ローカル屈折力の定義も以下に説明する。
【０１１１】
各実施形態では、光源８から発せられ、拡大像の中心と光学系の射出瞳１の中心を通る光線を基準光線（中心画角主光線）とし、従来の各面の面頂点基準の曲率半径，面間隔，焦点距離，屈折力ではなく、基準光線の各面でのヒットポイント（入射点）を基準としたローカル曲率半径，ローカル面間隔，ローカル焦点距離，ローカル屈折力を用いている。
【０１１２】
ここで、ローカル曲率半径は光学面のヒットポイント上でのローカルな曲率半径（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）をいう。また、ローカル面間隔は、現在の面と次の面での２つのヒットポイント間の距離（基準光線上の距離、空気換算なしの値）をいう。また、ローカル焦点距離は、ローカル曲率半径、面の前後の屈折率およびローカル面間隔より、従来の焦点距離計算方法（近軸追跡）で計算した値である。ローカル屈折力（光学パワー）は、ローカル焦点距離の逆数である。
【０１１３】
なお、各数値実施例では、従来の曲率半径，面間隔，偏心量，屈折率，アッべ数と、ローカル曲率半径，面の屈折率，ローカル面間隔，ローカル焦点距離を示している。
【０１１４】
また、上述した５つの実施形態に対応する数値実施例のデータを表１（数値実施例１）、表２，３（数値実施例２）、表４，５（数値実施例３）、表６，７（数値実施例４）および表８，９（数値実施例５）に示し、光路断面図を図１〜６に示した。表１〜表９の従来近軸（general-paraxial axis）では、母線断面曲率半径ｒｙ，子線断面曲率半径ｒｘ，面間隔ｄ（第１面の面頂点座標系と平行な距離），偏心量（母線断面上において第１面の面頂点座標系に対する各面の面頂点の平行偏心量をshift 、傾き偏心量（度）をtiltとする），ｄ線の屈折率ｎｄ、アッべ数νdを示す。また、ＦＦＳは自由曲面（非回転対称面）を表している。さらに、各表の左端に「Ｍ」が付された面は反射面であり、「Ｍ（dif） 」が付された面は拡散反射面である。ｄ線の屈折率ｎｄは逆符号としている。なお、表１〜表９は射出瞳１から走査ミラー４および光源８に向かって光路を逆トレースした場合の数値データである。
【０１１５】
ＦＦＳ（自由曲面）の定義式を以下に示す。下記式は各面の面頂点座標系での定義式である。
【０１１６】
【数１】
上記定義式において、ｃ１，ｃ５，…は自由曲面係数である。但し、この自由曲面の場合、自由曲面係数の中に近軸に関与する係数があるため、従来近軸（general-paraxial axis ）の母線断面曲率半径ｒｙおよび子線断面曲率半径ｒｘの値が面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｙおよび子線断面曲率半径ｒｘと一致しない。そこで、ポイント（0，0）、つまりは面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｙおよび子線断面曲率半径ｒｘも示している。
【０１１８】
また、ローカル近軸(local-paraxial axis)では、ローカル曲率半径（local-ry,local-rx），ローカル面間隔（local-d ）（反射面は逆符号），ローカル焦点距離（local-fy,local-fx ）および面の屈折率ｎｄ（反射面は逆符号）を示している。さらに、各面でのヒットポイント座標（面頂点を（0，0）とする）および射出瞳での画角２ωy、２ωx（＋側、−側合計のフル画角）も示した。
【０１１９】
なお、表１（数値実施例１）に関してはすべて回転対称面を用いているので、従来近軸（general-paraxial axis ）のみ示した（面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｙおよび子線断面曲率半径ｒｘも省略）。
【０１２０】
また、表１の１８面は２次元走査ミラーであり、ZOOM１では、射出瞳へのローカル母線断面上の画角ωyとローカル子線断面上の画角ωxがともに０°の時の面データである。ZOOM２は射出瞳へのローカル母線断面上の画角ωy が＋１０°の時の面データ、ZOOM３は射出瞳へのローカル母線断面上の画角ωy が−１０°の時の面データである。
【０１２１】
また、接眼光学系ローカル焦点距離local-fy1,local-fx1（３面〜７面）と、二次元走査手段から中間像面までのローカル焦点距離local-fy2,local-fx2（表１中の１０〜１４面、表２〜５中の１１〜１６面、表６〜９中の１１〜１４面）を示した。また、表１については、光源から中間像面までのリレー系ローカル焦点距離（面１０〜２１面）も示した。
【０１２２】
（数値実施例１）
【０１２３】
【表１】
（数値実施例２）
【０１２５】
【表２】
【表３】
（数値実施例３）
【０１２８】
【表４】
【表５】
（数値実施例４）
【０１３１】
【表６】
【表７】
（数値実施例５）
【０１３４】
【表８】
【表９】
（実施形態６）
図８には、本発明の実施形態６である走査光学系の構成および中心画角主光線の光路断面図を示している。なお、本実施形態において、実施形態１〜５と同符号を付した部材は、往復プリズム３を除き、実施形態１〜５と同様のものである。
【０１３７】
光源８からの光は、コリメータレンズ７で略平行光束（ビーム）とされた後、２次元走査ミラー４で反射偏向されることにより画角光束となって補正プリズム６を透過し、往復プリズム３の反射面Ｂの透過領域５ｂから往復プリズム３内に入射する。
【０１３８】
往復プリズム３の面Ｂは、２次元走査ミラー４からの光の入射面であると共に射出瞳１への最終反射面としても機能する。面Ｂには、実施形態１〜５と同様に、図７（ａ），（ｂ）に示した透過領域５ｂが反射領域５ａ内に形成されている。
【０１３９】
面Ａ１は、面Ｂの透過領域５ｂから入射した光を反射して面Ａ２に導き、さらに面Ａ２からの光を再度、面Ｂに戻すように反射する反射面である。さらに、面Ｂで反射した光を往復プリズム３から射出させる射出面としても機能する。
【０１４０】
また、面Ａ２は、面Ａ１からの光を透過射出させるとともに、拡散反射面２で反射された光を再度、往復プリズム３内に入射させるよう透過する透過面である。
【０１４１】
拡散反射面２は、入射した光を拡散するとともに、入射した光をほぼ逆向きに戻すように反射する折り返し反射面である。
【０１４２】
面Ｂの微小透過領域５ｂから往復プリズム３に入射した各画角光線は、面Ａ１に臨界角度以上の入射角で入射して内部全反射した後、面Ａ２を透過し、拡散反射面２に至る。このとき、各画角光線は、拡散反射面２上又はこれに近接した位置に中間像を形成する。そして、拡散反射面２で拡散反射した各画角光線は、再び面Ａ２を透過して往復プリズム３内に入射し、面Ａ１に臨界角度以上の入射角で入射して内部全反射した後、面Ｂの反射領域５ａで反射し、面Ａ１から往復プリズム３を射出して、射出瞳１に到達する。拡散反射面２における中心画角主光線Ｌ０である入射光と反射光とのなす角度はθである。
【０１４３】
往復プリズム３おいて、光は面Ｂ（透過領域５ｂの透過）→面Ａ１（反射）→面Ａ２（透過）→拡散反射面２（折り返し反射＋拡散）→面Ａ２（再透過）→面Ａ１（再反射）→面Ｂ（反射領域５ａでの反射）→面Ａ１（透過）の順に各面を辿っており、折り返し反射面での反射を境に、それまでの光路を逆に辿っている。面Ｂ（透過領域５ｂの透過）から折り返し反射面までが往路、折り返し反射面から面Ｂ（反射）までが復路であり、往路と復路がほぼ重複した往復光路が形成されている。
【０１４４】
なお、折り返し反射面である拡散反射面２に対する中心画角主光線Ｌ０の入射・反射で形成される角度θの範囲は、
｜θ｜＜４５° （４）
であることが望ましい。この条件を超えると、折り返し反射による往復光路を形成しにくくなり、好ましくない。一方、（４）を満たすように構成すれば、その他の面の配置構成等に関わらず折り返し反射による往復光路が形成されるため、光路長に対する光学系のサイズの小型化が比較的容易となる。
【０１４５】
更に望ましくは、
｜θ｜＜３０° （５）
であるとよい。この条件を満足すると、往路と復路の重複度が高くなるため、光学系をよりコンパクトにすることができる。
【０１４６】
（実施形態７）
図９には、本発明の実施形態７である走査光学系の構成および中心画角主光線の光路断面図を示している。なお、本実施形態において、実施形態１〜５と同符号を付した部材は、往復プリズム３を除き、実施形態１〜５と同様のものである。
【０１４７】
光源８からの光は、コリメータレンズ７で略平行光束（ビーム）とされた後、２次元走査ミラー４で反射偏向されることにより画角光束となって往復プリズム３の反射面Ｂの透過領域５ｂから往復プリズム３内に入射する。
【０１４８】
往復プリズム３の面Ｂは、２次元走査ミラー４からの光の入射面であると共に射出瞳１への最終反射面としても機能する。面Ｂには、実施形態１〜５と同様に、図７（ａ），（ｂ）に示した透過領域５ｂが反射領域５ａ内に形成されている。
【０１４９】
面Ａ１は、面Ｂの透過領域５ｂから入射した光を反射して面Ａ２に導き、さらに面Ａ２からの光を再度、面Ｂに戻すように反射する反射面である。さらに、面Ｂで反射した光を往復プリズム３から射出させる射出面としても機能する。
【０１５０】
また、面Ａ２は、拡散反射面であるとともに、面Ａ１から入射した光を略逆向きに戻すように反射する折り返し反射面でもある。
【０１５１】
面Ｂの微小透過領域５ｂから往復プリズム３に入射した各画角光線は、面Ａ１に臨界角度以上の入射角で入射して内部全反射した後、面Ａ２に至る。このとき、各画角光線は、面Ａ２上又はこれに近接した位置に中間像を形成する。そして、面Ａ２で拡散反射した各画角光線は、再び面Ａ１に臨界角度以上の入射角で入射して内部全反射した後、面Ｂの反射領域５ａで反射し、面Ａ１から往復プリズム３を射出して、射出瞳１に到達する。面Ａ２における中心画角主光線Ｌ０である入射光と反射光とのなす角度はθであり、上記式（４）若しくは（５）を満たす。
【０１５２】
往復プリズム３おいて、光は面Ｂ（透過領域５ｂの透過）→面Ａ１（反射）→面Ａ２（折り返し反射＋拡散）→面Ａ１（再反射）→面Ｂ（反射領域５ａでの反射）→面Ａ１（透過）の順に各面を辿っており、折り返し反射面での反射を境に、それまでの光路を逆に辿っている。面Ｂ（透過領域５ｂの透過）から折り返し反射面までが往路、折り返し反射面から面Ｂ（反射）までが復路であり、往路と復路がほぼ重複した往復光路が形成されている。
【０１７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光を走査して画像を表示する走査光学系において、射出瞳を十分大きくする手段を用いても従来のものよりも小型化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１である走査光学系のビーム光路図。
【図２】上記実施形態１の走査光学系における拡散反射後の光路図。
【図３】本発明の実施形態２である走査光学系のビーム光路図。
【図４】本発明の実施形態３である走査光学系のビーム光路図。
【図５】本発明の実施形態４である走査光学系のビーム光路図。
【図６】本発明の実施形態５である走査光学系のビーム光路図。
【図７】上記各実施形態の走査光学系において、反射面に形成された透過領域を示す図。
【図８】本発明の実施形態６である走査光学系のビーム光路図。
【図９】本発明の実施形態７である走査光学系のビーム光路図。
【符号の説明】
１ 射出瞳
２ 拡散反射面
３ 往復プリズム
４ ２次元微小走査ミラー
５ａ 反射領域
５ｂ 透過領域
６ 補正プリズム
７ コリメータレンズ
８ 光源
Claims (6)
- 光源からの光を走査する光走査手段と、該光走査手段により走査される光を射出瞳に向かわせる光学系とを有する走査光学系であって、
前記光学系は、少なくとも反射作用を有し、中心画角主光線に対して偏心した第１の面と、この第１の面で反射した光線を再度前記第１の面に向けて反射する第２の面とを含むとともに、前記光源から前記光走査手段を経た光によって中間像を形成し、
前記第１の面は、前記第２の面から該第１の面に再度入射した前記中心画角主光線を、該第１の面における該中心画角主光線のヒットポイント上での法線に対して前回とは反対側に反射し、
前記中間像の位置又はこれに近接した位置に、前記第２の面としての拡散反射面が配置されていることを特徴とする走査光学系。 - 前記光学系は、該光学系の他の面からの光を反射する反射領域の内側に、該反射領域よりも面積が小さく、前記光走査手段からの光を該光学系内に入射させるための透過領域が形成された反射面を有することを特徴とする請求項１に記載の走査光学系。
- 前記光学系は、前記第１の面での１回目の反射を含む光路である往路から、前記第２の面での反射後における前記第１の面での反射を含む光路である復路へと光が進んだ後、該光に対して偏心した別の反射面で反射され、該往路とは別の光路を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の走査光学系。
- 前記光走査手段は、前記光学系の射出瞳と共役な位置に配置され、前記光走査手段からの光は、前記中間像の位置に２次元画像を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の走査光学系。
- 請求項１から４のいずれか１つに記載の走査光学系と、
入力された画像情報に応じて前記光走査手段を駆動する駆動回路とを有することを特徴とする走査型画像表示装置。 - 請求項５に記載の走査型画像表示装置と、
前記走査型画像表示装置に画像情報を入力する画像情報供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。
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