JP4574774B2 - 映像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、映像表示装置に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することを可能にする頭部又は顔面装着式映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型の映像表示装置の中、走査型の頭部装着式映像表示装置（いわゆるＨＭＤ）の従来技術には次のものがある。
【０００３】
従来技術１（特開平８−５４５７８号）：図９に示すように、レーザからの光束をＡ−Ｏ変調器で変調し、その変調光は多角形走査装置（ポリゴンミラー）で１次元方向に走査され、２枚の中継ミラーを経て光ファイバリボンの入射端に入射され、その出射端からその１次元走査像が出射する際に光ファイバリボンの出射端が振動されて２次元走査像が形成され、その走査像が投影光学系と凹面鏡を経て観察者眼球内に投影されることにより、映像が表示される。
【０００４】
従来技術２（特開平９−５９０３号）：図１０に示すように、ＬＥＤアレイからの光束が対物レンズを経て回転反射鏡（ポリゴンミラー）でＬＥＤアレイの配置方向と直角な方向に走査され、かつ、左右の観察光路に分けられ、それぞれ固定反射鏡を経て中間実像を形成して接眼レンズにより観察者の左右の眼球に走査像が投影されることにより、両眼に映像が表示される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９の従来技術１の場合、光学系は、凹面鏡１個＋光ファイバリボンの後のレンズ５個（投影光学系）＋光ファイバリボン１個＋中継ミラー２個＋ポリゴンミラー１個＋レンズ１個（リレーレンズ）＋光源１個（レーザ）の計１２個以上の光学部品が必要である。
【０００６】
また、図１０の従来技術２の場合、片眼用には、光源１個＋レンズ５個＋ミラー１個＋ポリゴンミラー１個の計８個の光学部品が必要で、両眼用には、光源１個＋レンズ７個＋ミラー２個＋ポリゴンミラー１個の計１１個の光学部品が必要となる。
【０００７】
このように、従来技術においては光学系を構成する部品点数が非常に多いので、各部品の位置調整が大変である。
【０００８】
また、映像表示素子、レンズ、スキャンミラー等で構成される光学系全体の大きさが大きいので、顔面に装着するＨＭＤ光学系としては不適切である。
【０００９】
本発明はこのような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、少ない光学素子によって構成された小型な走査型映像表示装置用の光学系を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の第１の映像表示装置は、映像を表示する映像表示素子と、映像表示素子を発する光を走査する走査手段と、前記映像表示素子によって形成され走査手段により走査された映像を投影する投影光学系とからなる映像表示装置において、
瞳と映像表示素子の間に投影光学系と走査手段が配置され、
投影光学系が中間像を形成し、
逆光線追跡で、投影光学系の中、瞳から中間像を経て走査手段に至る部分の光学系が、折り曲げ光路が面対称な２つの光学系により構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜３が対応する。
【００１２】
この第１の映像表示装置の作用効果を説明する。投影光学系を図１の展開光路図に示すような構成とする。図１（ａ）は、音響光学偏向器ＡＯＤのような透過型の走査手段を用いる場合、図１（ｂ）は、ガルバノミラー、ポリゴンミラーのような反射型の走査手段を用いる場合を示す。また、簡単のために２次元走査手段を使用する場合で説明する。
【００１３】
順光線追跡で、映像表示素子１を発した光は、集光光学系２で集光され、瞳位置付近に配置された走査手段３に入射する。走査手段３で走査された光は、リレー光学系４により中間像５を形成し、接眼光学系６により瞳（逆光線追跡の入射瞳）７に入射する。このような構成にすると、走査手段３が瞳位置付近にあるので、順光線追跡で瞳に投影される光がケラレないし、走査手段３の大きさを小さくすることができる。
【００１４】
この図１（ａ）、図１（ｂ）の構成において、逆光線追跡で、接眼光学系６とリレー光学系４が中間像５に関して対称な構成だと、それぞれの光学系で発生する収差が打ち消しあうので、投影光学系の中、瞳７から中間像５を経て走査手段３に至る部分全体の収差を良好にすることができる。その結果、投影光学系を構成する光学面の面数を削減でき、投影光学系を単純で小型なものにすることができる。
【００１５】
これは、特に、光学系のディストーションを制御して、光学系の直線走査性や等速走査性を確保する上で有効である。
【００１６】
また、偏心光学系において対称面を逆光線追跡の入射瞳に対して２０〜７０°（最も好ましくは、４５°程度）傾斜させると、走査手段３（逆光線追跡の射出瞳）を光学系の上部に配置できるので、走査手段３により光学系全体の前後方向の突出量が増加することがない。これは、特に、ＨＭＤ光学系において重要である。
【００１７】
なお、ここで、図１（ａ）や図１（ｂ）に示されているように、「接眼光学系とリレー光学系が、中間像に関して折り曲げ光路が面対称である。」という表現をしないで、「折り曲げ光路が面対称な２つの光学系により構成される」という表現をした理由を以下に補足する。
【００１８】
投影光学系を偏心光学系で構成する場合、逆光線追跡で、瞳７から中間像５までの光学系（接眼光学系６）、中間像５、中間像５から走査手段３までの光学系（リレー光学系４）等は、基本的に全て偏心している。その結果、必ずしも、図１（ａ）や図１（ｂ）のように、中間像５全部が両光学系の間に位置しているとは限らない。特に、投影光学系を小型化しようとすると、中間像５の一部が両光学系の一部に重なってしまうケースも出てくる。この場合でも、両光学系の折り曲げ光路を面対称な構成とすることで、基本的に上述した作用効果が得られる。
なお、本発明において、「折り曲げ光路が面対称」とは、光路の長さ、折り曲げ角度が対称面に対して完全に対称と言う意味ではなく、光路を折り曲げる回数、折り曲げ方向が面対称的であると言う意味である。
【００１９】
本発明の第２の映像表示装置は、第１の映像表示装置において、折り曲げ光路が面対称な２つの光学系の間に、中間像の半分以上が含まれることを特徴とするものである。
【００２０】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜３が対応する。
【００２１】
この第２の映像表示装置の作用効果を説明する。逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳から中間像を経て走査手段に至る部分の光学系を、折り曲げ光路が面対称な２つの光学系により構成する場合、中間像の一部が両光学系の一部に重なっても両光学系による収差の打ち消し合う効果を得ることができる。この場合、中間像の半分以上を両光学系の間に配置することで、この収差の打ち消し効果を十分に得ることができる。
【００２２】
これは、特に、瞳から投影光学系までの距離（アイリリーフ）を確保する必要があるＨＭＤ光学系の場合に重要である。
【００２３】
本発明の第３の映像表示装置は、第１の映像表示装置において、折り曲げ光路が面対称な構成をなす２つの光学系のそれぞれが、パワーを有し光軸に対して偏心した反射面を２面以上含み、この反射面がプリズム部材の面として構成されていることを特徴とするものである。
【００２４】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜３が対応する。
【００２５】
この第３の映像表示装置の作用効果を説明する。２回以上の反射による折り畳みの効果で、接眼光学系、リレー光学系を小型化することができる。
【００２６】
また、接眼光学系、リレー光学系のそれぞれの光学系において、パワーを有する偏心反射面で２回以上反射させることで、偏心収差を良好に補正することができる。これは、特に、光学系で直線走査性や等速走査性を確保するために重要である。
【００２７】
この構成においては、投影光学系の中の接眼光学系とリレー光学系のパワーの主体を反射作用に持たせるので、投影光学系での色収差の発生が少なくなる。
【００２８】
また、光学的パワーを有し光軸に対して偏心した反射面はレンズ作用とミラー作用を持つので、光学系を構成する部品点数を削減し光学系を小型化できる。
【００２９】
この場合、光学的パワーを有し光軸に対して偏心した反射面をプリズム部材の１面として構成すると、逆光線追跡で瞳からプリズム部材に入射する光線が入射面で屈折されるので、以降の面への軸外光線の入射光線高を低く設定することができる。そのため、光学系を小型にできると共に、より大きな画角を実現することができる。また、軸外光線の従属光線高も低くなるので、コマ収差等の発生を抑制することもできる。
【００３０】
また、一般に、反射面は屈折面より偏心誤差を厳しく制御しなければならないので、組み立て調整作業が大変になる。しかし、反射面をプリズム部材の１面として構成すれば、この反射面の調整作業が削減できる。
【００３１】
この場合、折り曲げ光路が面対称な２つの光学系の両者を１つのプリズム部材として構成すると、製作性がより向上し好ましい。また、２つの光学系を中間像付近で２つのプリズム部材に分割すると、２つのプリズム部材の中間像側の面でディストーションを制御できるのでの、光学系のｆアークサインθレンズ特性を向上させたり瞳収差の補正を行うことができるので好ましい。
【００３２】
本発明の第４の映像表示装置は、第１の映像表示装置において、折り曲げ光路が面対称な２つの光学系の中、瞳側光学系が、瞳から映像表示素子に向かう逆光線追跡で、少なくとも、プリズム部材へ入射する第１透過面、光学的パワーを有し光軸に対して偏心（displacementあるいはtilt）した第１反射面、第２反射面を含み、第１透過面と第２反射面が同一面であることを特徴とするものである。
【００３３】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜３が対応する。
【００３４】
この第４の映像表示装置の作用効果を説明する。折り曲げ光路が面対称な２つの光学系の中、瞳側光学系（接眼光学系）も走査手段側光学系（リレー光学系）も２回以上反射していることになるので、折り畳みの効果で光学系を小型化できる。 また、瞳から走査手段に至る光学系（接眼光学系＋リレー光学系）が反射作用を中心に構成されているので、発生する色収差が少なくなる。
【００３５】
また、瞳から走査手段に至る光学系の瞳側光学系（接眼光学系）が兼用面を少なくとも１面（第１透過面＝第２反射面）含むので、瞳から走査手段に至る光学系全体（接眼光学系＋リレー光学系）としては兼用面を２面含むことになる。よって、透過と反射という２つの作用を同一面で行うので、光学系を構成する面を削減して光学系を単純で小型化なものにすることができる。また、成形で製作する際の型が少なくて済むので、製作コストが下がる。
【００３６】
この場合、瞳から走査手段に至る光学系の瞳側光学系（接眼光学系）の第２反射面における反射作用を全反射とすれば、光学系をより小型化できるので好ましい。
【００３７】
本発明の第５の映像表示装置は、映像を表示する映像表示素子と、映像表示素子を発する光を走査する走査手段と、前記映像表示素子によって形成され走査手段により走査された映像を投影する投影光学系とからなる映像表示装置において、
瞳と映像表示素子の間に投影光学系と走査手段が配置され、
投影光学系が中間像を形成し、
逆光線追跡で、投影光学系の中、瞳から走査手段に至る部分が、面形状に関する対称面を１面だけ持ち、その対称面内方向のみで偏心しており、
逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳から走査手段に至る部分が、少なくとも４面の反射面を持ち、
逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳から走査手段に至る部分が、次式を満足することを特徴とする映像表示装置。
【００３８】
φ2 θ1 ／φ1 θ2 ＞１ ・・・（１）
ここで、逆光線追跡で、面形状に関する対称面内方向における瞳から投影光学系に入射する半画角をθ2 、対称面と直交面方向における瞳から投影光学系に入射する半画角をθ1 、対称面方向の映像表示に必要な走査手段の片側振れ角をφ2 、対称面と直交面方向の映像表示に必要な走査手段の片側振れ角をφ1 とする。
【００３９】
ここで、補足として、走査手段の片側振れ角φ1 、φ2 に関して、必ずしも走査手段が±φ振れるという訳ではない。例えば走査ミラーの振れ角の一部を利用して映像表示を行う場合は、映像表示に使うのが±φということであり、その場合のφが片側振れ角φ1 、φ2 となる。
【００４０】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜３が対応する。
【００４１】
この第５の映像表示装置の作用効果を説明する。光学系を図１（ａ）、図１（ｂ）のように構成するとし、この光学系における最適な瞳倍率＝射出瞳径／入射瞳径を考える。まず、瞳倍率を以下のように定義する。
【００４２】
図１（ａ）の場合は、瞳収差の影響を除けば、スキャナ有効径＝瞳径である。しかし、ポリゴンミラーやガルバノミラーのように反射型の走査手段３は、一般に、図１（ｂ）のように光軸（軸上主光線）と走査手段３の基準反射面が角度をなすために、接眼光学系６とリレー光学系４の構成が同じでも、走査手段３の基準反射面の角度によりスキャナ有効径は変化してしまう。そこで、逆光線追跡で、リレー光学系４から走査手段３に入射する半画角２φと瞳７から接眼光学系６に入射する半画角θとの比（２φ／θ）を順光線追跡における近似的瞳倍率と考える（φは、最大画角時の走査手段の傾角）。
【００４３】
最適な瞳倍率を考えるのであるから、まず、逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳７から走査手段３に至る部分のみについて考える。
【００４４】
投影光学系の中の瞳７から走査手段走査手段３に至る部分が、少なくとも４面の反射面を持てば、折り畳みの効果で光学系を小型化することができる。この際、反射面のいくつかを偏心させることで、小型化の効果をより大きくできる。
【００４５】
特に、反射面がパワーを有する偏心反射面の場合、接眼光学系６とリレー光学系４のそれぞれにおいて２回以上反射させることで、偏心収差を良好に補正することができる。これは、特に、光学系で直線走査性や等速走査性を確保するために重要である。
【００４６】
このとき、光学系が面形状に関する対称面を１面だけ持ち、その対称面内のみで偏心していると、光学系の製作性が向上して好ましい。この点についてＨＭＤ光学系を例に説明する。
【００４７】
ＨＭＤ光学系は、通常、観察者の水平方向（左右方向）を広画角にするのが好ましいので、広い画角を確保しやすい面形状の対称面と垂直方向を観察の水平方向とし、投影光学系の対称面方向を観察者の上下方向とするとよい。このように、ＨＭＤ光学系全体が対称面を１面だけ持つと、投影光学系を両眼視用ＨＭＤ光学系として使用する場合、左眼用光学系と右眼用光学系を共通化することができ、コストを下げることができる。
【００４８】
このとき、投影光学系を偏心させている面内方向は、偏心した面と面が干渉しないように光学系を構成する必要があるので、投影光学系を構成するのが難しくなる。
【００４９】
そこで、投影光学系を偏心させている方向（投影光学系の面形状に関する対称面内方向）の順光線追跡での瞳倍率を対称面との垂直方向の瞳倍率より大きくし、リレー光学系付近の光束径を小さくした方が投影光学系を構成しやすくなる。
すなわち、次式を満足することを望ましい。
【００５０】
１＜対称面内の瞳倍率／対称面と直交面内の瞳倍率
＝（２φ2 ／θ2 ）／（２φ1 ／θ1 ）
＝φ2 θ1 ／φ1 θ2
本発明の第６の映像表示装置は、第５の映像表示装置において、以下の条件式を満足することを特徴とするものである。
【００５１】
ＮＡ1 ／ＮＡ2 ＞１ ・・・（２）
ここで、順光線追跡で、対称面内方向における映像表示から投影光学系への入射する光束の開口数をＮＡ2 、対称面と垂直面方向における映像表示から投影光学系への入射する光束の開口数をＮＡ1 とする。
【００５２】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜３が対応する。
【００５３】
この第６の映像表示装置の作用効果を説明する。多くの場合、逆光線追跡における入射瞳を円形にする必要がある。この場合、条件式（１）を満足すると、逆光線追跡における射出瞳（走査手段）は楕円形状になる。映像表示素子を発した光が走査手段で楕円形状になるためには、条件式（２）を満足した方が、投影光学系の中、映像表示素子から走査手段までの光学系の構成が容易になる。
【００５４】
ＨＭＤ光学系の場合、観察者眼球位置における光学系の瞳は円形か横長形状であることが好ましい。このように、逆光線追跡における投影光学系の入射瞳が横長である場合、条件式（２）を満足することがより重要になる。
【００５５】
本発明の第７の頭部装着型映像表示装置は、映像表示素子に表示された映像を虚像として形成し、観察者眼球に導く以上の第１から第６の何れかに記載の映像表示装置と、この映像表示装置を観察者顔面前方に保持する支持部とを備えて構成されていることを特徴とするものである。
【００５６】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜２が対応する。
【００５７】
この第７の映像表示装置の作用効果を説明する。映像表示素子としてＬＣＤ（液晶表示素子）を用いたＨＭＤは、偏光フィルタとカラーフィルタを使用するので、光源光の利用効率が悪い。本発明の光学系の場合、光源光の利用効率が大きく向上する。
【００５８】
走査手段として、例えば静電駆動方式のマイクロマシンスキャナを使用すれば低消費電力化できるので、携帯用のＨＭＤとして最適である。
【００５９】
２次元走査を行う場合、映像表示素子は点状で良いので、２次元的な大きさを持つＬＣＤを使用する場合より光学系を小型化することができる。
【００６０】
本発明の第８の頭部装着型映像表示装置は、第７の頭部装着型映像表示装置において、映像表示装置を観察者の左右の眼に対応してそれぞれ１つずつ配置していることを特徴とするものである。
【００６１】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜２が対応する。
【００６２】
この第８の映像表示装置の作用効果を説明すると、左右に視差のある映像を表示すれば、立体視が可能となる。
【００６３】
本発明は、映像表示素子に表示された映像を実像として表示する第１から第６の何れかに記載の映像表示装置を備えて構成されているプロジェクタ、レーザビームプリンタ、バーコードリーダを含むものである。
【００６４】
これは、後記の実施例３が対応する。その作用効果を説明すると、映像表示素子としてＬＣＤを用いたプロジェクタは、偏光フィルタとカラーフィルタを使用するので、光源光の利用効率が悪い。本発明の光学系の場合、光源光の利用効率が大きく向上する。
【００６５】
また、本発明の光学系は、投影光学系にビーム整形機能を持たせることができるので、ＬＤを光源とする光学系のビーム整形用の光学素子を削減できる。
【００６６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の映像表示装置の実施例１から実施例３について図面を参照して説明する。
【００６７】
各実施例の逆光線追跡での構成パラメータは後記するが、その各実施例の構成パラメータにおいては、図２に示すように、逆光線追跡で、軸上主光線（ＨＭＤの場合、観察者視軸）１２を、光学系の射出瞳（逆光線追跡では入射瞳：観察者の瞳孔あるいは回旋中心位置）１１の中心を垂直に通り、スキャンミラー１３を経て映像表示素子１４中心に至る光線で定義する。そして、逆光線追跡において、瞳１１の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点として、軸上主光線１２に沿う方向をＺ軸方向とし、瞳１１から光学系の第１面２１に向かう方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と映像表示素子１４中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。図２には、この座標系を図示してある。その他の実施例を示す図４、図８については、この座標系の図示は省く。
【００６８】
実施例１〜３では、このＹ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の唯一の面形状に関する対称面をＹ−Ｚ面としている。
【００６９】
偏心面については、上記座標系の原点から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、下記の（ａ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。
【００７０】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面（仮想面を含む。）とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合に、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００７１】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は下記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００７２】
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
【００７３】
球面項中、
ｃ：頂点の曲率
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）
である。
【００７４】
自由曲面項は、
ただし、Ｃj （ｊは２以上の整数）は係数である。
【００７５】
なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００７６】
なお、自由曲面の他の定義式として、以下の（ｂ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表せられる。
【００７７】
なお、Ｘ軸方向に対称な光学系として設計するには、Ｄ4 ，Ｄ5 ，Ｄ6 、Ｄ10０，Ｄ11，Ｄ12，Ｄ13，Ｄ14，Ｄ20，Ｄ21，Ｄ22…を利用する。
【００７８】
その他の面の例として、次の定義式（ｃ）があげられる。
【００７９】
Ｚ＝ΣΣＣnmＸＹ
例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したとき、以下の式で表せる。
【００８０】
なお、本発明の実施例では、前記（ａ）式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記（ｂ）式、（ｃ）式を用いても同様の作用効果を得られるのは言うまでもない。
【００８１】
以下の実施例１から実施例３の全てにおいて、仕様は、水平画角３０°、垂直画角２２．７°、逆光線追跡における入射瞳径４ｍｍである。そして、実施例１、２が虚像を形成するＨＭＤ用光学系、実施例３がプロジェクタ、レーザビームプリンタ、バーコードリーダ等の実像形成用光学系である。
【００８２】
（実施例１）
この実施例はＨＭＤ用光学系である。図２に図示しない映像表示素子輝度変調手段により、映像信号に応じて映像表示素子１４の映像表示光を輝度変調し、映像信号に応じた２次元走査（ラスタスキャン）を行うことで、観察者眼球の１ｍ先に２次元虚像を形成する。
【００８３】
この光学系を左右両眼用に配置すれば、両眼視や立体視をすることができる。
【００８４】
ここでは、Ｙ方向の位置を徐々に変化させながらＸ方向の主走査を繰り返すことで２次元走査を行うこととする。
【００８５】
図２は、観察者の横から見た図（Ｙ−Ｚ平面図）である。これを、上下方向を逆方向に配置してもよい。また、これを観察者の上側から見た図（Ｘ−Ｚ平面図）となるように配置してもよい。これは全ての実施例について言えるが、以下の実施例ではいちいち説明しない。
【００８６】
また、以下の光路図では全て分かりやすいようにスキャナ１３の大きさを必要以上に大きくしている。
【００８７】
この光学系の光路は、逆光線追跡で、瞳１１→第１透過面２１（＝第２反射面２３）→第１反射面２２→第２反射面２３（＝第１透過面２１）で全反射→第３反射面２４（＝第２透過面２６＝第３透過面２７＝第４透過面２９）で全反射→第４反射面２５→第２透過面２６（＝第３反射面２４＝第３透過面２７＝第４透過面２９）→スキャナ１３で反射→第３透過面２７（＝第３反射面２４＝第２透過面２６＝第４透過面２９）→第５反射面２８→第４透過面２９（＝第３反射面２４＝第２透過面２６＝第３透過面２７）→映像表示素子１４の順に進む。
【００８８】
逆光線追跡で、瞳１１から投影光学系３０に入射した光を、接眼光学系３１により第２反射面２３と第３反射面２４の間付近に中間像１５として一度結像する。中間像１５を、リレー光学系３２の第３反射面２４と第４反射面２５で平行光に近づけ、スキャナ１３に導く。スキャナ１３の反射光を集光光学系３３の主に第５反射面２８で収束光として映像表示素子１４に導く。
【００８９】
ここで、第１反射面２２と、図２中、破線で示したシースループリズム４０との接合面にハーフミラー膜を形成し、シースループリズム４０の瞳１１と反対側に液晶シャッタ等の外界光の透過率を切り換える手段を配置すれば、スーパーインポーズ機能やシースルー機能が付加できる。
【００９０】
ここで、シースループリズム４０とは、投影光学系３０とシースループリズム４０の合成パワーが外界光に対して略０となる光学素子のことである。
【００９１】
次に、この場合の光源、走査手段、走査方法について説明する。
【００９２】
映像表示素子１４として、ＬＥＤ、ＬＤ等が使用できる。
【００９３】
また、走査手段１３としていくつかのものを使用することができるが、特開平１０−２０２２６号に開示されているようなフォトリソグラフィーの工程を利用して製作したいわゆるマイクロマシンスキャナは、小型、低消費電力等の利点を持つので、本発明のようなＨＭＤ用、特に携帯用ＨＭＤ用としては最適である。
【００９４】
この場合、電磁駆動方式、静電駆動方式、圧電素子駆動方式等、各種駆動方式のマイクロマシンスキャナが使用できる。順光線追跡における光学系の瞳倍率が大きく（例えば、２倍以上）、走査手段１３の面積が小さい場合は、最も消費電力が小さく高速走査に対応しやすい静電駆動方式が最適である。また、光学系の瞳倍率が余り大きくなく（例えば、２倍以下）、走査手段１３の面積が大きい場合は、大きな面積の走査手段を高速で広角度走査しやすい圧電素子駆動方式が最適である。
【００９５】
この場合、往復振動するスキャナに対して、往路だけの片側走査でも、往路と復路両方の往復走査でもどちらでもよいが、往復走査を行うと走査手段の走査周波数を半分にできるので、高速走査に対応しやすい。
【００９６】
本実施例の投影光学系３０の利点としては、プリズム部材１個で投影光学系３０を構成しているので、光学系の部品点数と位置調整作業が削減できる。よって、従来例に比べて大幅に部品点数を削減し、光学系が小型化できる。また、コストが下がり、製作時に性能を確保するのも容易になる。
【００９７】
また、走査手段１３と映像表示素子１４を投影光学系３０の上に配置できるので、重量バランスがよい。
【００９８】
また、ＨＭＤ光学系の場合、特に観察者の前後方向の突出量を短縮することが重要になるが、本実施例の構成の場合、スキャナ１３の厚みや映像表示素子１４の大きさが、ＨＭＤ全体の前後方向の突出量に影響しない構成となっている。
【００９９】
例えば電磁駆動方式マイクロマシンスキャナの場合、走査ミラーの両側に磁石を２個配置する構成が考えられ、この構成では走査手段１３が横長形状になる。このように走査手段１３が横長形状になる場合でも、本実施例の構成では、走査手段１３の横長方向を紙面と垂直方向に配置すれば、前後方向の突出量が増加することがない。
【０１００】
このように、走査手段１３が光学系全体の前後方向の突出量を増加させないようにするには、折り曲げ光路を面対称にする対称面を、入射瞳１１に対して２０〜７０°程度傾斜させるとよい。本実施例のように４５°程度傾斜させるのが最も好ましい。
【０１０１】
また、本実施例の投影光学系３０で５回反射、スキャナ１３で１回反射の計６回反射しているので、折り畳みの効果により光学系を小型化できている。また、反射作用を主体に投影光学系３０を構成しているので、色収差の発生が少ない。
【０１０２】
そして、反射作用と透過作用を兼ねる兼用面が２個所２１、２４あるので、光学系３０を構成する面数が削減でき、投影光学系３０を小型化できている。
【０１０３】
また、第４反射面２５と第５反射面２８は異なる光学作用を持つが、見かけ上連続性の良い構成となっている。よって、プリズム部材を成形で製作する際に、１つの型でこの２面に対応でき製作性が良い。
【０１０４】
この実施例の投影光学系３０の光路図の概念図を図３に示す。投影光学系３０の中、逆光線追跡で、瞳１１から走査手段１３へ至る部分の瞳側光学系３１（図１の接眼光学系６）と走査手段側光学系３２（図１のリレー光学系４）の折り曲げ光路とパワー配分が面対称な構成となっており、この対称面付近に中間像（図２の１５）を形成している。その結果、接眼光学系３１で発生する収差とリレー光学系３２で発生する収差がキャンセルされ、投影光学系３０全体としての収差が良好に補正できている。その結果、少ない面数で投影光学系３０の瞳１１から走査手段１３へ至る部分を構成でき、光学系を小型化することができている。
【０１０５】
特に、収差の中でも、ディストーションが良好に制御されている。これは、２次元的な直線走査性・等速走査性を確保する上で重要である。この点について、以下に説明する。
【０１０６】
２次元走査を行った場合、逆光線追跡で、映像表示素子１４における各画角の主光線の結像位置の理想点からずれは、Ｘ方向（主走査方向）、Ｙ方向（副走査方向）共４．５μｍ以下である。これは、順光線追跡において、Ｘ方向（主走査方向）のディストーションが０．６％以下、Ｙ方向（副走査方向）のディストーションが０．５％以下であることを意味する。すなわち、２次元直線走査性が光学系で確保できているので、電気的像歪み補正なしに２次元的直線走査を行うことができる。
【０１０７】
投影光学系３０は、Ｘ方向（水平方向、主走査方向）では正弦波状に振動するスキャンミラーの振幅の６５％程度に対してｆアークサインθレンズ特性を持ち、Ｙ方向（垂直方向、副走査方向）では正弦波状に振動するスキャンミラーの振幅の４５％程度に対してｆアークサインθレンズ特性を持つ。よって、正弦波状に振動するスキャンミラーを使用する場合、Ｘ方向は振幅の６５％程度、Ｙ方向は振幅の４５％程度を使用すれば、電気的像歪み補正なしに２次元的な直線走査、等速走査を行うことができる。その結果、電気的像歪み補正を行う場合より、回路を簡単にできるし、より高速走査に対応できる（Ｘ方向のミラー振れ角φｘ＝±１２．４°の振幅の６５％が、Ｘ方向の映像表示に必要なミラー振れ角φｘ＝±８．０６°。Ｙ方向のミラー振れ角φｙ＝±１７．４°の振幅の４５％が、Ｙ方向の映像表示に必要なミラー振れ角φｙ＝±７．８４°）。
【０１０８】
また、電気的な等速走査性の補正を行えば、正弦波状に振動するミラーの振幅全部を利用することもできるし、スキャンミラー振れ角がリニアに変化するスキャナを利用することもできる。
【０１０９】
高速走査用のスキャンミラーは正弦波状に振動することが多い。そこで、本実施例では、順光線追跡でプラスのディストーションを発生させることで、正弦波状に振動するスキャナの振幅の６５％程度（Ｘ方向）あるいは４５％程度（Ｙ方向）に対するｆアークサインθレンズ特性を投影光学系３０に持たせた。映像表示に必要なスキャナ振れ角が本実施例程度の場合、順光線追跡でマイナスのディストーションを発生させて投影光学系３０をｆθレンズにする方が、ディストーションの制御量が少なくて済むので、光学系の設計が容易である。このように、Ｘ方向（主走査方向）やＹ方向（副走査方向）の投影光学系３０の特性をｆθ特性に変更する等の変形は容易である。
【０１１０】
映像表示素子１４の画素がＳＶＧＡ（８００×６００画素）レベルの場合、映像表示素子１４の大きさが５μｍ程度（主走査方向）×９μｍ程度（副走査方向）の場合、順光線追跡で形成される虚像において、画素が密着した状態になる。よって、画質が確保でき映像が観察しやすくなる。
【０１１１】
また、本実施例では、逆光線追跡で、スキャナ１３で反射後の光路をプリズム部材への入射、プリズム部材からの射出という構成にしているので、映像表示素子光のビーム整形が可能である。よって、ＬＤのように楕円状の断面形状を持つ映像表示素子１４を効率良く使用することができる。本実施例の場合、映像表示素子側のＮＡは、ＮＡｘ＝０．５０、ＮＡｙ＝０．２９で、横長断面を持つ映像表示素子光に対するビーム整形を行っている。
【０１１２】
また、逆光線追跡において、第５反射面２８でプラスの球面収差、第４透過面２９でマイナスの球面収差を発生させれば、映像表示素子１４の法線から離れるに従って暗くなるような配光特性を持つ映像表示素子１４の配光特性の補正を行うことができる。
【０１１３】
以上の例では、観察者の視軸を水平方向に設定した光路図を示しているが、視軸の角度の変更は可能である。本実施例の場合、視軸を下向き９°程度に設定すると、シースループリズム４０に対して外界光が垂直入射するので都合がよい。
【０１１４】
また、等速走査性を改善するために、中間像１５付近、例えば、第２反射面２３と第３反射面２４の間でプリズムを分割して投影光学系３０をプリズム２個構成としてもよい。
【０１１５】
また、反射作用と透過作用の兼用面を構成する面２１、２４を別々の面としてももちろんよい。
【０１１６】
（実施例２）
この実施例は、複数の映像表示素子を使用する場合の光学系の構成である。
【０１１７】
この実施例の投影光学系３０は、図４に示すように、実施例１と同様に、逆光線追跡で、瞳１１→第１透過面２１（＝第２反射面２３）→第１反射面２２→第２反射面２３（＝第１透過面２１）で全反射→第３反射面２４（＝第２透過面２６＝第３透過面２７＝第４透過面２９）で全反射→第４反射面２５→第２透過面２６（＝第３反射面２４＝第３透過面２７＝第４透過面２９）→スキャナ１３で反射→第３透過面２７（＝第３反射面２４＝第２透過面２６＝第４透過面２９）→第５反射面２８→第４透過面２９（＝第３反射面２４＝第２透過面２６＝第３透過面２７）→映像表示部１４’の順に進む光路を形成するようなプリズム部材１個からなり、反射作用と透過作用を兼ねる兼用面が２個所２１、２４あるものである。そして、逆光線追跡で、瞳１１から投影光学系３０に入射した光を、接眼光学系３１により第２反射面２３と第３反射面２４の間付近に中間像１５として一度結像する。中間像１５を、リレー光学系３２の第３反射面２４と第４反射面２５で平行光に近づけ、スキャナ１３に導く。スキャナ１３の反射光を集光光学系３３の主に第５反射面２８で収束光として映像表示部１４’に導く。なお、図４ではＧ光の光路のみを図示してある。
【０１１８】
この実施例２では、映像表示部１４’として、図５に断面図を示すように、ＲＧＢ−ＬＥＤ、ＲＧＢ−ＬＤのような波長の異なる３つの映像表示素子５１R 、５１G 、５１B を使用している。
【０１１９】
図５において、短波長光、例えば５００ｎｍ以下の波長の光を反射させるダイクロイックミラー５２を直角プリズムからなる光源プリズム５３と光源プリズム５４の接合面にコーティングし、長波長光、例えば６００ｎｍ以上の光を反射させるダイクロイックミラー５６を直角プリズムからなる光源プリズム５４と光源プリズム５５の接合面にコーティングしている。そして、Ｂ映像表示素子５１B 、Ｒ映像表示素子５１R 、Ｇ映像表示素子５１G を、それぞれ光源プリズム５３、光源プリズム５４、光源プリズム５５の虚像と共役な面に接着してある。
【０１２０】
映像表示部１４’のこの構成により、ＲＧＢ光を投影光学系３０に導き、カラー表示を行うことができる。
【０１２１】
このとき、例えば、水平方向８００画素×垂直方向６００画素のように虚像を構成する場合、図示しないＲＧＢ用強度変調装置により、映像信号に基づき各画素毎にＲＧＢ光のそれぞれを輝度変調する。
【０１２２】
この際、当然ながら、光源プリズム５２〜５５で発生する収差を考慮し、光源プリズム＋投影光学系プリズムの全体で収差補正を行って、虚像での性能を確保している。
【０１２３】
この実施例の利点として、本実施例のように、反射作用を主体とした投影光学系３０を使用すれば、投影光学系３０での色収差の発生が少なく色収差による結像性能の劣化はないが、結像位置（逆光線追跡での映像表示素子の位置）は波長によりやや異なる。本実施例のように、ＲＧＢ映像表示素子を各波長における虚像と共役な位置に配置すれば、ＤＯＥ（回折光学素子）等を使用し投影光学系の色収差を補正しなくても色収差の影響は全くなくなる。
【０１２４】
また、本実施例の場合、ＲＧＢ映像表示素子５１R 、５１G 、５１B を各光源プリズム５２〜５５に接着すればよいので、組み立ての際の各映像表示素子の位置合わせ精度が向上する。
【０１２５】
上記の例では、光源プリズムに垂直入射、垂直射出する設計例を示したが、光源プリズムに非垂直入射するようにしてもよい。また、光源プリズムを構成する各面を平面としたが、各面に収差補正をするための曲率を持たせてもよい。さらに、ダイクロイックミラー５２と５６の特性を逆にする等、ダイクロイックミラーの特性を変更してもよい。
【０１２６】
なお、上述したように、この構成は、逆光線追跡における波長による結像位置のずれの影響を除去することができるが、ＬＤ等を使用する場合、光源の波長変動の影響を除去するには、ＤＯＥを使用して光学系の色収差を補正してやればよい。
【０１２７】
また、ＲＧＢ映像表示素子の組み立てをラフに行い、ＲＧＢ映像表示素子の配置誤差を電気的に補正してもよい。また、映像表示部１４’を構成する光源光学系と走査手段１３を、図６に示すように支持部５７で一体保持する機械構成とすれば、単純に構成できるので好ましい。
【０１２８】
次に、図７に断面図を参照にして、光源プリズムを用いた映像表示部１４’の他の例を簡単に説明する。変形プリズムを５３’〜５５’で示す。
【０１２９】
図７（ａ）は、各ＲＧＢ映像表示素子５１R 、５１G 、５１B の大きさのくぼみを形成した光源プリズム５３’〜５５’を使用し、その窪みに各映像表示素子を嵌め込めば、各映像表示素子の位置合わせ精度が向上し製作性が良くなる。
【０１３０】
図７（ｂ）は、映像表示素子５１B の光路に全反射作用の面５８を利用すれば、光源光学系が小型にできる。
【０１３１】
図７（ｃ）は、平板的基板からなるプリズム５３’の中を多重反射するようにすれば、光源プリズム全体の大きさを小型にできる。なお、符号５９は反射膜、符号６０は反射膜あるいはダイクロイックミラーである。
【０１３２】
図７（ｄ）は、複数映像表示素子５１R 、５１B の光路で多重反射を利用すれば、光源プリズムの小型化の効果がさらに大きくなる。
【０１３３】
（実施例３）
この実施例は、プロジェクタ用、レーザビームプリンタ用、バーコードリーダ用等の実像形成タイプの実施例であり、この実施例の投影光学系３０は、図８に示すように、実施例２と同様に、逆光線追跡で、図示しない、物体→瞳１１→第１透過面２１（＝第２反射面２３）→第１反射面２２→第２反射面２３（＝第１透過面２１）で全反射→第３反射面２４（＝第２透過面２６＝第３透過面２７＝第４透過面２９）で全反射→第４反射面２５→第２透過面２６（＝第３反射面２４＝第３透過面２７＝第４透過面２９）→スキャナ１３で反射→第３透過面２７（＝第３反射面２４＝第２透過面２６＝第４透過面２９）→第５反射面２８→第４透過面２９（＝第３反射面２４＝第２透過面２６＝第３透過面２７）→映像表示部１４’の順に進む光路を形成するようなプリズム部材１個からなり、反射作用と透過作用を兼ねる兼用面が２個所２１、２４あるものである。そして、逆光線追跡で、物体から瞳１１を経て投影光学系３０に入射した光を、接眼光学系３１により第２反射面２３と第３反射面２４の間付近に中間像１５として一度結像する。中間像１５を、リレー光学系３２の第３反射面２４と第４反射面２５で平行光に近づけ、スキャナ１３に導く。スキャナ１３の反射光を集光光学系３３の主に第５反射面２８で収束光として映像表示部１４’に導く。なお、図４ではＧ光の光路のみを図示してある。
【０１３４】
この実施例は、逆光線追跡で、入射瞳１１の左２００ｍｍの位置に実像を形成している。また、逆光線追跡の入射瞳１１とプリズム部材の間隔は２．５ｍｍである。
【０１３５】
この実施例の接眼光学系３１とリレー光学系３２のパワー配分は、実施例１、２とは異なる。実施例１、２では、逆光線追跡の方向で、接眼光学系３１のパワー配分は凹＋凸＋凹、リレー光学系３２のパワー配分は凹＋凸＋凹であったが、本実施例では、逆光線追跡で、瞳１１から走査手段１３へ向かう光学系の瞳側光学系（接眼光学系３１）のパワー配分は凹＋凸＋凸というパワー配分で、走査手段側光学系（リレー光学系３２）のパワー配分が凸＋凸＋凸である。この場合も、接眼光学系３１とリレー光学系３２は、折り曲げ光路が面対称である。
【０１３６】
実施例１、２のようにＨＭＤ光学系の場合は、瞳１１と光学系３０の間隔（アイリリーフ）を確保する必要があるが、プロジェクタ用、バーコードリーダ用等の実像形成用の場合は、瞳１１と光学系３０の間隔はむしろ小さくした方が、光学系全体を小型化できるので好ましい。
【０１３７】
この場合、この実施例のように、中間像１５を図１における接眼光学系６側に食い込ませた方が、光学系全体を小型化できるので好ましい。
【０１３８】
映像表示素子としてＬＣＤを用いたプロジェクタは、偏光フィルタとカラーフィルタを使用するので、光源光の利用率が悪い。この実施例のように、本発明の光学系の場合、光源光の利用効率が大きく向上する。
【０１３９】
なお、変形として、画角、Ｆナンバー、映像表示素子光の結像位置を変更し、レーザビームプリンタ用、バーコードリーダ用等、それぞれの光学系に最適な仕様に変更することができる。レーザビームプリンタ用等は、画角が大きくなるので、ｆアークサインθレンズとするためのディストーションの制御量が減り、ｆアークサインθレンズの設計がしやすくなる。
【０１４０】
以下に上記実施例１〜３の構成パラメータを示す。これら表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＲＳ”は反射面、“ＳＭ”はスキャンミラー、“ＩＤ”は映像表示素子を示す。
【０１４１】
【０１４２】
【０１４３】
【０１４４】
次に、上記実施例における条件式関係の値を示す。なお、主光線に対する上側マージナル光線と下側マージナル光線が非対称な場合は、両者の平均によりＮＡｙを求めた。何れの実施例もθｘ＝θ1 ＝１５°、θｙ＝θ2 ＝１１．３６°である。
【０１４５】
以上の実施例では、前記定義式の自由曲面により光学系を構成したが、他の定義の曲面でも光学系を構成できることはいうまでもない。
【０１４６】
以上、本発明の映像表示装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されず数々の変形が可能である。
【０１４７】
以上の本発明の映像表示装置は例えば次のように構成することができる。
【０１４８】
〔１〕 映像を表示する映像表示素子と、映像表示素子を発する光を走査する走査手段と、前記映像表示素子によって形成され走査手段により走査された映像を投影する投影光学系とからなる映像表示装置において、
瞳と映像表示素子の間に投影光学系と走査手段が配置され、
投影光学系が中間像を形成し、
逆光線追跡で、投影光学系の中、瞳から中間像を経て走査手段に至る部分の光学系が、折り曲げ光路が面対称な２つの光学系により構成されていることを特徴とする映像表示装置。
【０１４９】
〔２〕 折り曲げ光路が面対称な２つの光学系の間に、中間像の半分以上が含まれることを特徴とする上記１記載の映像表示装置。
【０１５０】
〔３〕 折り曲げ光路が面対称な構成をなす２つの光学系のそれぞれが、パワーを有し光軸に対して偏心した反射面を２面以上含み、この反射面がプリズム部材の面として構成されていることを特徴とする上記１記載の映像表示装置。
【０１５１】
〔４〕 折り曲げ光路が面対称な２つの光学系の中、瞳側光学系が、瞳から映像表示素子に向かう逆光線追跡で、少なくとも、プリズム部材へ入射する第１透過面、光学的パワーを有し光軸に対して偏心した第１反射面、第２反射面を含み、第１透過面と第２反射面が同一面であることを特徴とする上記１記載の映像表示装置。
【０１５２】
〔５〕 映像を表示する映像表示素子と、映像表示素子を発する光を走査する走査手段と、前記映像表示素子によって形成され走査手段により走査された映像を投影する投影光学系とからなる映像表示装置において、
瞳と映像表示素子の間に投影光学系と走査手段が配置され、
投影光学系が中間像を形成し、
逆光線追跡で、投影光学系の中、瞳から走査手段に至る部分が、面形状に関する対称面を１面だけ持ち、その対称面内方向のみで偏心しており、
逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳から走査手段に至る部分が、少なくとも４面の反射面を持ち、
逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳から走査手段に至る部分が、次式を満足することを特徴とする映像表示装置。
【０１５３】
φ2 θ1 ／φ1 θ2 ＞１ ・・・（１）
ここで、逆光線追跡で、面形状に関する対称面内方向における瞳から投影光学系に入射する半画角をθ2 、対称面と直交面方向における瞳から投影光学系に入射する半画角をθ1 、対称面方向の映像表示に必要な走査手段の片側振れ角をφ2 、対称面と直交面方向の映像表示に必要な走査手段の片側振れ角をφ1 とする。
【０１５４】
〔６〕 以下の条件式を満足することを特徴とする上記５記載の映像表示装置。
【０１５５】
ＮＡ1 ／ＮＡ2 ＞１ ・・・（２）
ここで、順光線追跡で、面形状に関する面称面内方向における映像表示から投影光学系への入射する光束の開口数をＮＡ2 、対称面と垂直面方向における映像表示から投影光学系への入射する光束の開口数をＮＡ1 とする。
【０１５６】
〔７〕 映像表示素子に表示された映像を虚像として形成し、観察者眼球に導く上記１から６の何れか１項記載の映像表示装置と、この映像表示装置を観察者顔面前方に保持する支持部とを備えて構成されていることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
【０１５７】
〔８〕 映像表示装置を観察者の左右の眼に対応してそれぞれ１つずつ配置していることを特徴とする上記７記載の頭部装着型映像表示装置。
【０１５８】
〔９〕 映像表示素子に表示された映像を実像として表示する上記１から６の何れか１項記載の映像表示装置を備えて構成されていることを特徴とするプロジェクタ、レーザビームプリンタ又はバーコードリーダ。
【０１５９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、投影光学系の中、逆光線追跡で瞳から中間像を経て走査手段に至る部分の光学系を、折り曲げ光路が面対称な構成の２つの光学系により構成することで、走査型映像表示装置用光学系を小型で高性能なものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の映像表示装置の基本構成を説明するための投影光学系の展開光路図である。
【図２】本発明の実施例１の映像表示装置の光学系の光路図である。
【図３】実施例１の光路図の概念図である。
【図４】本発明の実施例２の映像表示装置の光学系の光路図である。
【図５】実施例２の光源プリズムを用いた映像表示部の断面図である。
【図６】実施例２の映像表示部の保持方法の例を示す図である。
【図７】光源プリズムを用いた映像表示部の他の例の断面図である。
【図８】本発明の実施例３の実像形成タイプの装置の光学系の光路図である。
【図９】従来の走査型ＨＭＤの構成を示す図である。
【図１０】従来の別の走査型ＨＭＤの構成を示す図である。
【符号の説明】
１…映像表示素子
２…集光光学系
３…走査手段
４…リレー光学系
５…中間像
６…接眼光学系
７…瞳
１１…射出瞳（逆光線追跡では入射瞳）
１２…軸上主光線
１３…スキャンミラー（スキャナ、走査手段）
１４…映像表示素子
１４’…映像表示部
１５…中間像
２１…第１透過面
２２…第１反射面
２３…第２反射面
２４…第３反射面
２５…第４反射面
２６…第２透過面
２７…第３透過面
２８…第５反射面
２９…第４透過面
３０…投影光学系
３１…接眼光学系
３２…リレー光学系
３３…集光光学系
４０…シースループリズム
５１R …Ｒ映像表示素子
５１G …Ｇ映像表示素子
５１B …Ｂ映像表示素子
５２…ダイクロイックミラー
５３、５４、５５、５３’、５４’、５５’…光源プリズム
５６…ダイクロイックミラー
５７…支持部
５８…全反射面
５９…反射膜
６０…反射膜あるいはダイクロイックミラー
【発明の属する技術分野】
本発明は、映像表示装置に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することを可能にする頭部又は顔面装着式映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型の映像表示装置の中、走査型の頭部装着式映像表示装置（いわゆるＨＭＤ）の従来技術には次のものがある。
【０００３】
従来技術１（特開平８−５４５７８号）：図９に示すように、レーザからの光束をＡ−Ｏ変調器で変調し、その変調光は多角形走査装置（ポリゴンミラー）で１次元方向に走査され、２枚の中継ミラーを経て光ファイバリボンの入射端に入射され、その出射端からその１次元走査像が出射する際に光ファイバリボンの出射端が振動されて２次元走査像が形成され、その走査像が投影光学系と凹面鏡を経て観察者眼球内に投影されることにより、映像が表示される。
【０００４】
従来技術２（特開平９−５９０３号）：図１０に示すように、ＬＥＤアレイからの光束が対物レンズを経て回転反射鏡（ポリゴンミラー）でＬＥＤアレイの配置方向と直角な方向に走査され、かつ、左右の観察光路に分けられ、それぞれ固定反射鏡を経て中間実像を形成して接眼レンズにより観察者の左右の眼球に走査像が投影されることにより、両眼に映像が表示される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９の従来技術１の場合、光学系は、凹面鏡１個＋光ファイバリボンの後のレンズ５個（投影光学系）＋光ファイバリボン１個＋中継ミラー２個＋ポリゴンミラー１個＋レンズ１個（リレーレンズ）＋光源１個（レーザ）の計１２個以上の光学部品が必要である。
【０００６】
また、図１０の従来技術２の場合、片眼用には、光源１個＋レンズ５個＋ミラー１個＋ポリゴンミラー１個の計８個の光学部品が必要で、両眼用には、光源１個＋レンズ７個＋ミラー２個＋ポリゴンミラー１個の計１１個の光学部品が必要となる。
【０００７】
このように、従来技術においては光学系を構成する部品点数が非常に多いので、各部品の位置調整が大変である。
【０００８】
また、映像表示素子、レンズ、スキャンミラー等で構成される光学系全体の大きさが大きいので、顔面に装着するＨＭＤ光学系としては不適切である。
【０００９】
本発明はこのような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、少ない光学素子によって構成された小型な走査型映像表示装置用の光学系を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の第１の映像表示装置は、映像を表示する映像表示素子と、映像表示素子を発する光を走査する走査手段と、前記映像表示素子によって形成され走査手段により走査された映像を投影する投影光学系とからなる映像表示装置において、
瞳と映像表示素子の間に投影光学系と走査手段が配置され、
投影光学系が中間像を形成し、
逆光線追跡で、投影光学系の中、瞳から中間像を経て走査手段に至る部分の光学系が、折り曲げ光路が面対称な２つの光学系により構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜３が対応する。
【００１２】
この第１の映像表示装置の作用効果を説明する。投影光学系を図１の展開光路図に示すような構成とする。図１（ａ）は、音響光学偏向器ＡＯＤのような透過型の走査手段を用いる場合、図１（ｂ）は、ガルバノミラー、ポリゴンミラーのような反射型の走査手段を用いる場合を示す。また、簡単のために２次元走査手段を使用する場合で説明する。
【００１３】
順光線追跡で、映像表示素子１を発した光は、集光光学系２で集光され、瞳位置付近に配置された走査手段３に入射する。走査手段３で走査された光は、リレー光学系４により中間像５を形成し、接眼光学系６により瞳（逆光線追跡の入射瞳）７に入射する。このような構成にすると、走査手段３が瞳位置付近にあるので、順光線追跡で瞳に投影される光がケラレないし、走査手段３の大きさを小さくすることができる。
【００１４】
この図１（ａ）、図１（ｂ）の構成において、逆光線追跡で、接眼光学系６とリレー光学系４が中間像５に関して対称な構成だと、それぞれの光学系で発生する収差が打ち消しあうので、投影光学系の中、瞳７から中間像５を経て走査手段３に至る部分全体の収差を良好にすることができる。その結果、投影光学系を構成する光学面の面数を削減でき、投影光学系を単純で小型なものにすることができる。
【００１５】
これは、特に、光学系のディストーションを制御して、光学系の直線走査性や等速走査性を確保する上で有効である。
【００１６】
また、偏心光学系において対称面を逆光線追跡の入射瞳に対して２０〜７０°（最も好ましくは、４５°程度）傾斜させると、走査手段３（逆光線追跡の射出瞳）を光学系の上部に配置できるので、走査手段３により光学系全体の前後方向の突出量が増加することがない。これは、特に、ＨＭＤ光学系において重要である。
【００１７】
なお、ここで、図１（ａ）や図１（ｂ）に示されているように、「接眼光学系とリレー光学系が、中間像に関して折り曲げ光路が面対称である。」という表現をしないで、「折り曲げ光路が面対称な２つの光学系により構成される」という表現をした理由を以下に補足する。
【００１８】
投影光学系を偏心光学系で構成する場合、逆光線追跡で、瞳７から中間像５までの光学系（接眼光学系６）、中間像５、中間像５から走査手段３までの光学系（リレー光学系４）等は、基本的に全て偏心している。その結果、必ずしも、図１（ａ）や図１（ｂ）のように、中間像５全部が両光学系の間に位置しているとは限らない。特に、投影光学系を小型化しようとすると、中間像５の一部が両光学系の一部に重なってしまうケースも出てくる。この場合でも、両光学系の折り曲げ光路を面対称な構成とすることで、基本的に上述した作用効果が得られる。
なお、本発明において、「折り曲げ光路が面対称」とは、光路の長さ、折り曲げ角度が対称面に対して完全に対称と言う意味ではなく、光路を折り曲げる回数、折り曲げ方向が面対称的であると言う意味である。
【００１９】
本発明の第２の映像表示装置は、第１の映像表示装置において、折り曲げ光路が面対称な２つの光学系の間に、中間像の半分以上が含まれることを特徴とするものである。
【００２０】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜３が対応する。
【００２１】
この第２の映像表示装置の作用効果を説明する。逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳から中間像を経て走査手段に至る部分の光学系を、折り曲げ光路が面対称な２つの光学系により構成する場合、中間像の一部が両光学系の一部に重なっても両光学系による収差の打ち消し合う効果を得ることができる。この場合、中間像の半分以上を両光学系の間に配置することで、この収差の打ち消し効果を十分に得ることができる。
【００２２】
これは、特に、瞳から投影光学系までの距離（アイリリーフ）を確保する必要があるＨＭＤ光学系の場合に重要である。
【００２３】
本発明の第３の映像表示装置は、第１の映像表示装置において、折り曲げ光路が面対称な構成をなす２つの光学系のそれぞれが、パワーを有し光軸に対して偏心した反射面を２面以上含み、この反射面がプリズム部材の面として構成されていることを特徴とするものである。
【００２４】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜３が対応する。
【００２５】
この第３の映像表示装置の作用効果を説明する。２回以上の反射による折り畳みの効果で、接眼光学系、リレー光学系を小型化することができる。
【００２６】
また、接眼光学系、リレー光学系のそれぞれの光学系において、パワーを有する偏心反射面で２回以上反射させることで、偏心収差を良好に補正することができる。これは、特に、光学系で直線走査性や等速走査性を確保するために重要である。
【００２７】
この構成においては、投影光学系の中の接眼光学系とリレー光学系のパワーの主体を反射作用に持たせるので、投影光学系での色収差の発生が少なくなる。
【００２８】
また、光学的パワーを有し光軸に対して偏心した反射面はレンズ作用とミラー作用を持つので、光学系を構成する部品点数を削減し光学系を小型化できる。
【００２９】
この場合、光学的パワーを有し光軸に対して偏心した反射面をプリズム部材の１面として構成すると、逆光線追跡で瞳からプリズム部材に入射する光線が入射面で屈折されるので、以降の面への軸外光線の入射光線高を低く設定することができる。そのため、光学系を小型にできると共に、より大きな画角を実現することができる。また、軸外光線の従属光線高も低くなるので、コマ収差等の発生を抑制することもできる。
【００３０】
また、一般に、反射面は屈折面より偏心誤差を厳しく制御しなければならないので、組み立て調整作業が大変になる。しかし、反射面をプリズム部材の１面として構成すれば、この反射面の調整作業が削減できる。
【００３１】
この場合、折り曲げ光路が面対称な２つの光学系の両者を１つのプリズム部材として構成すると、製作性がより向上し好ましい。また、２つの光学系を中間像付近で２つのプリズム部材に分割すると、２つのプリズム部材の中間像側の面でディストーションを制御できるのでの、光学系のｆアークサインθレンズ特性を向上させたり瞳収差の補正を行うことができるので好ましい。
【００３２】
本発明の第４の映像表示装置は、第１の映像表示装置において、折り曲げ光路が面対称な２つの光学系の中、瞳側光学系が、瞳から映像表示素子に向かう逆光線追跡で、少なくとも、プリズム部材へ入射する第１透過面、光学的パワーを有し光軸に対して偏心（displacementあるいはtilt）した第１反射面、第２反射面を含み、第１透過面と第２反射面が同一面であることを特徴とするものである。
【００３３】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜３が対応する。
【００３４】
この第４の映像表示装置の作用効果を説明する。折り曲げ光路が面対称な２つの光学系の中、瞳側光学系（接眼光学系）も走査手段側光学系（リレー光学系）も２回以上反射していることになるので、折り畳みの効果で光学系を小型化できる。 また、瞳から走査手段に至る光学系（接眼光学系＋リレー光学系）が反射作用を中心に構成されているので、発生する色収差が少なくなる。
【００３５】
また、瞳から走査手段に至る光学系の瞳側光学系（接眼光学系）が兼用面を少なくとも１面（第１透過面＝第２反射面）含むので、瞳から走査手段に至る光学系全体（接眼光学系＋リレー光学系）としては兼用面を２面含むことになる。よって、透過と反射という２つの作用を同一面で行うので、光学系を構成する面を削減して光学系を単純で小型化なものにすることができる。また、成形で製作する際の型が少なくて済むので、製作コストが下がる。
【００３６】
この場合、瞳から走査手段に至る光学系の瞳側光学系（接眼光学系）の第２反射面における反射作用を全反射とすれば、光学系をより小型化できるので好ましい。
【００３７】
本発明の第５の映像表示装置は、映像を表示する映像表示素子と、映像表示素子を発する光を走査する走査手段と、前記映像表示素子によって形成され走査手段により走査された映像を投影する投影光学系とからなる映像表示装置において、
瞳と映像表示素子の間に投影光学系と走査手段が配置され、
投影光学系が中間像を形成し、
逆光線追跡で、投影光学系の中、瞳から走査手段に至る部分が、面形状に関する対称面を１面だけ持ち、その対称面内方向のみで偏心しており、
逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳から走査手段に至る部分が、少なくとも４面の反射面を持ち、
逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳から走査手段に至る部分が、次式を満足することを特徴とする映像表示装置。
【００３８】
φ2 θ1 ／φ1 θ2 ＞１ ・・・（１）
ここで、逆光線追跡で、面形状に関する対称面内方向における瞳から投影光学系に入射する半画角をθ2 、対称面と直交面方向における瞳から投影光学系に入射する半画角をθ1 、対称面方向の映像表示に必要な走査手段の片側振れ角をφ2 、対称面と直交面方向の映像表示に必要な走査手段の片側振れ角をφ1 とする。
【００３９】
ここで、補足として、走査手段の片側振れ角φ1 、φ2 に関して、必ずしも走査手段が±φ振れるという訳ではない。例えば走査ミラーの振れ角の一部を利用して映像表示を行う場合は、映像表示に使うのが±φということであり、その場合のφが片側振れ角φ1 、φ2 となる。
【００４０】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜３が対応する。
【００４１】
この第５の映像表示装置の作用効果を説明する。光学系を図１（ａ）、図１（ｂ）のように構成するとし、この光学系における最適な瞳倍率＝射出瞳径／入射瞳径を考える。まず、瞳倍率を以下のように定義する。
【００４２】
図１（ａ）の場合は、瞳収差の影響を除けば、スキャナ有効径＝瞳径である。しかし、ポリゴンミラーやガルバノミラーのように反射型の走査手段３は、一般に、図１（ｂ）のように光軸（軸上主光線）と走査手段３の基準反射面が角度をなすために、接眼光学系６とリレー光学系４の構成が同じでも、走査手段３の基準反射面の角度によりスキャナ有効径は変化してしまう。そこで、逆光線追跡で、リレー光学系４から走査手段３に入射する半画角２φと瞳７から接眼光学系６に入射する半画角θとの比（２φ／θ）を順光線追跡における近似的瞳倍率と考える（φは、最大画角時の走査手段の傾角）。
【００４３】
最適な瞳倍率を考えるのであるから、まず、逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳７から走査手段３に至る部分のみについて考える。
【００４４】
投影光学系の中の瞳７から走査手段走査手段３に至る部分が、少なくとも４面の反射面を持てば、折り畳みの効果で光学系を小型化することができる。この際、反射面のいくつかを偏心させることで、小型化の効果をより大きくできる。
【００４５】
特に、反射面がパワーを有する偏心反射面の場合、接眼光学系６とリレー光学系４のそれぞれにおいて２回以上反射させることで、偏心収差を良好に補正することができる。これは、特に、光学系で直線走査性や等速走査性を確保するために重要である。
【００４６】
このとき、光学系が面形状に関する対称面を１面だけ持ち、その対称面内のみで偏心していると、光学系の製作性が向上して好ましい。この点についてＨＭＤ光学系を例に説明する。
【００４７】
ＨＭＤ光学系は、通常、観察者の水平方向（左右方向）を広画角にするのが好ましいので、広い画角を確保しやすい面形状の対称面と垂直方向を観察の水平方向とし、投影光学系の対称面方向を観察者の上下方向とするとよい。このように、ＨＭＤ光学系全体が対称面を１面だけ持つと、投影光学系を両眼視用ＨＭＤ光学系として使用する場合、左眼用光学系と右眼用光学系を共通化することができ、コストを下げることができる。
【００４８】
このとき、投影光学系を偏心させている面内方向は、偏心した面と面が干渉しないように光学系を構成する必要があるので、投影光学系を構成するのが難しくなる。
【００４９】
そこで、投影光学系を偏心させている方向（投影光学系の面形状に関する対称面内方向）の順光線追跡での瞳倍率を対称面との垂直方向の瞳倍率より大きくし、リレー光学系付近の光束径を小さくした方が投影光学系を構成しやすくなる。
すなわち、次式を満足することを望ましい。
【００５０】
１＜対称面内の瞳倍率／対称面と直交面内の瞳倍率
＝（２φ2 ／θ2 ）／（２φ1 ／θ1 ）
＝φ2 θ1 ／φ1 θ2
本発明の第６の映像表示装置は、第５の映像表示装置において、以下の条件式を満足することを特徴とするものである。
【００５１】
ＮＡ1 ／ＮＡ2 ＞１ ・・・（２）
ここで、順光線追跡で、対称面内方向における映像表示から投影光学系への入射する光束の開口数をＮＡ2 、対称面と垂直面方向における映像表示から投影光学系への入射する光束の開口数をＮＡ1 とする。
【００５２】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜３が対応する。
【００５３】
この第６の映像表示装置の作用効果を説明する。多くの場合、逆光線追跡における入射瞳を円形にする必要がある。この場合、条件式（１）を満足すると、逆光線追跡における射出瞳（走査手段）は楕円形状になる。映像表示素子を発した光が走査手段で楕円形状になるためには、条件式（２）を満足した方が、投影光学系の中、映像表示素子から走査手段までの光学系の構成が容易になる。
【００５４】
ＨＭＤ光学系の場合、観察者眼球位置における光学系の瞳は円形か横長形状であることが好ましい。このように、逆光線追跡における投影光学系の入射瞳が横長である場合、条件式（２）を満足することがより重要になる。
【００５５】
本発明の第７の頭部装着型映像表示装置は、映像表示素子に表示された映像を虚像として形成し、観察者眼球に導く以上の第１から第６の何れかに記載の映像表示装置と、この映像表示装置を観察者顔面前方に保持する支持部とを備えて構成されていることを特徴とするものである。
【００５６】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜２が対応する。
【００５７】
この第７の映像表示装置の作用効果を説明する。映像表示素子としてＬＣＤ（液晶表示素子）を用いたＨＭＤは、偏光フィルタとカラーフィルタを使用するので、光源光の利用効率が悪い。本発明の光学系の場合、光源光の利用効率が大きく向上する。
【００５８】
走査手段として、例えば静電駆動方式のマイクロマシンスキャナを使用すれば低消費電力化できるので、携帯用のＨＭＤとして最適である。
【００５９】
２次元走査を行う場合、映像表示素子は点状で良いので、２次元的な大きさを持つＬＣＤを使用する場合より光学系を小型化することができる。
【００６０】
本発明の第８の頭部装着型映像表示装置は、第７の頭部装着型映像表示装置において、映像表示装置を観察者の左右の眼に対応してそれぞれ１つずつ配置していることを特徴とするものである。
【００６１】
この映像表示装置は、後記の実施例１〜２が対応する。
【００６２】
この第８の映像表示装置の作用効果を説明すると、左右に視差のある映像を表示すれば、立体視が可能となる。
【００６３】
本発明は、映像表示素子に表示された映像を実像として表示する第１から第６の何れかに記載の映像表示装置を備えて構成されているプロジェクタ、レーザビームプリンタ、バーコードリーダを含むものである。
【００６４】
これは、後記の実施例３が対応する。その作用効果を説明すると、映像表示素子としてＬＣＤを用いたプロジェクタは、偏光フィルタとカラーフィルタを使用するので、光源光の利用効率が悪い。本発明の光学系の場合、光源光の利用効率が大きく向上する。
【００６５】
また、本発明の光学系は、投影光学系にビーム整形機能を持たせることができるので、ＬＤを光源とする光学系のビーム整形用の光学素子を削減できる。
【００６６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の映像表示装置の実施例１から実施例３について図面を参照して説明する。
【００６７】
各実施例の逆光線追跡での構成パラメータは後記するが、その各実施例の構成パラメータにおいては、図２に示すように、逆光線追跡で、軸上主光線（ＨＭＤの場合、観察者視軸）１２を、光学系の射出瞳（逆光線追跡では入射瞳：観察者の瞳孔あるいは回旋中心位置）１１の中心を垂直に通り、スキャンミラー１３を経て映像表示素子１４中心に至る光線で定義する。そして、逆光線追跡において、瞳１１の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点として、軸上主光線１２に沿う方向をＺ軸方向とし、瞳１１から光学系の第１面２１に向かう方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と映像表示素子１４中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。図２には、この座標系を図示してある。その他の実施例を示す図４、図８については、この座標系の図示は省く。
【００６８】
実施例１〜３では、このＹ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の唯一の面形状に関する対称面をＹ−Ｚ面としている。
【００６９】
偏心面については、上記座標系の原点から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、下記の（ａ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。
【００７０】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面（仮想面を含む。）とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合に、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００７１】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は下記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００７２】
【００７３】
球面項中、
ｃ：頂点の曲率
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）
である。
【００７４】
自由曲面項は、
【００７５】
なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００７６】
なお、自由曲面の他の定義式として、以下の（ｂ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表せられる。
【００７７】
【００７８】
その他の面の例として、次の定義式（ｃ）があげられる。
【００７９】
Ｚ＝ΣΣＣnmＸＹ
例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したとき、以下の式で表せる。
【００８０】
【００８１】
以下の実施例１から実施例３の全てにおいて、仕様は、水平画角３０°、垂直画角２２．７°、逆光線追跡における入射瞳径４ｍｍである。そして、実施例１、２が虚像を形成するＨＭＤ用光学系、実施例３がプロジェクタ、レーザビームプリンタ、バーコードリーダ等の実像形成用光学系である。
【００８２】
（実施例１）
この実施例はＨＭＤ用光学系である。図２に図示しない映像表示素子輝度変調手段により、映像信号に応じて映像表示素子１４の映像表示光を輝度変調し、映像信号に応じた２次元走査（ラスタスキャン）を行うことで、観察者眼球の１ｍ先に２次元虚像を形成する。
【００８３】
この光学系を左右両眼用に配置すれば、両眼視や立体視をすることができる。
【００８４】
ここでは、Ｙ方向の位置を徐々に変化させながらＸ方向の主走査を繰り返すことで２次元走査を行うこととする。
【００８５】
図２は、観察者の横から見た図（Ｙ−Ｚ平面図）である。これを、上下方向を逆方向に配置してもよい。また、これを観察者の上側から見た図（Ｘ−Ｚ平面図）となるように配置してもよい。これは全ての実施例について言えるが、以下の実施例ではいちいち説明しない。
【００８６】
また、以下の光路図では全て分かりやすいようにスキャナ１３の大きさを必要以上に大きくしている。
【００８７】
この光学系の光路は、逆光線追跡で、瞳１１→第１透過面２１（＝第２反射面２３）→第１反射面２２→第２反射面２３（＝第１透過面２１）で全反射→第３反射面２４（＝第２透過面２６＝第３透過面２７＝第４透過面２９）で全反射→第４反射面２５→第２透過面２６（＝第３反射面２４＝第３透過面２７＝第４透過面２９）→スキャナ１３で反射→第３透過面２７（＝第３反射面２４＝第２透過面２６＝第４透過面２９）→第５反射面２８→第４透過面２９（＝第３反射面２４＝第２透過面２６＝第３透過面２７）→映像表示素子１４の順に進む。
【００８８】
逆光線追跡で、瞳１１から投影光学系３０に入射した光を、接眼光学系３１により第２反射面２３と第３反射面２４の間付近に中間像１５として一度結像する。中間像１５を、リレー光学系３２の第３反射面２４と第４反射面２５で平行光に近づけ、スキャナ１３に導く。スキャナ１３の反射光を集光光学系３３の主に第５反射面２８で収束光として映像表示素子１４に導く。
【００８９】
ここで、第１反射面２２と、図２中、破線で示したシースループリズム４０との接合面にハーフミラー膜を形成し、シースループリズム４０の瞳１１と反対側に液晶シャッタ等の外界光の透過率を切り換える手段を配置すれば、スーパーインポーズ機能やシースルー機能が付加できる。
【００９０】
ここで、シースループリズム４０とは、投影光学系３０とシースループリズム４０の合成パワーが外界光に対して略０となる光学素子のことである。
【００９１】
次に、この場合の光源、走査手段、走査方法について説明する。
【００９２】
映像表示素子１４として、ＬＥＤ、ＬＤ等が使用できる。
【００９３】
また、走査手段１３としていくつかのものを使用することができるが、特開平１０−２０２２６号に開示されているようなフォトリソグラフィーの工程を利用して製作したいわゆるマイクロマシンスキャナは、小型、低消費電力等の利点を持つので、本発明のようなＨＭＤ用、特に携帯用ＨＭＤ用としては最適である。
【００９４】
この場合、電磁駆動方式、静電駆動方式、圧電素子駆動方式等、各種駆動方式のマイクロマシンスキャナが使用できる。順光線追跡における光学系の瞳倍率が大きく（例えば、２倍以上）、走査手段１３の面積が小さい場合は、最も消費電力が小さく高速走査に対応しやすい静電駆動方式が最適である。また、光学系の瞳倍率が余り大きくなく（例えば、２倍以下）、走査手段１３の面積が大きい場合は、大きな面積の走査手段を高速で広角度走査しやすい圧電素子駆動方式が最適である。
【００９５】
この場合、往復振動するスキャナに対して、往路だけの片側走査でも、往路と復路両方の往復走査でもどちらでもよいが、往復走査を行うと走査手段の走査周波数を半分にできるので、高速走査に対応しやすい。
【００９６】
本実施例の投影光学系３０の利点としては、プリズム部材１個で投影光学系３０を構成しているので、光学系の部品点数と位置調整作業が削減できる。よって、従来例に比べて大幅に部品点数を削減し、光学系が小型化できる。また、コストが下がり、製作時に性能を確保するのも容易になる。
【００９７】
また、走査手段１３と映像表示素子１４を投影光学系３０の上に配置できるので、重量バランスがよい。
【００９８】
また、ＨＭＤ光学系の場合、特に観察者の前後方向の突出量を短縮することが重要になるが、本実施例の構成の場合、スキャナ１３の厚みや映像表示素子１４の大きさが、ＨＭＤ全体の前後方向の突出量に影響しない構成となっている。
【００９９】
例えば電磁駆動方式マイクロマシンスキャナの場合、走査ミラーの両側に磁石を２個配置する構成が考えられ、この構成では走査手段１３が横長形状になる。このように走査手段１３が横長形状になる場合でも、本実施例の構成では、走査手段１３の横長方向を紙面と垂直方向に配置すれば、前後方向の突出量が増加することがない。
【０１００】
このように、走査手段１３が光学系全体の前後方向の突出量を増加させないようにするには、折り曲げ光路を面対称にする対称面を、入射瞳１１に対して２０〜７０°程度傾斜させるとよい。本実施例のように４５°程度傾斜させるのが最も好ましい。
【０１０１】
また、本実施例の投影光学系３０で５回反射、スキャナ１３で１回反射の計６回反射しているので、折り畳みの効果により光学系を小型化できている。また、反射作用を主体に投影光学系３０を構成しているので、色収差の発生が少ない。
【０１０２】
そして、反射作用と透過作用を兼ねる兼用面が２個所２１、２４あるので、光学系３０を構成する面数が削減でき、投影光学系３０を小型化できている。
【０１０３】
また、第４反射面２５と第５反射面２８は異なる光学作用を持つが、見かけ上連続性の良い構成となっている。よって、プリズム部材を成形で製作する際に、１つの型でこの２面に対応でき製作性が良い。
【０１０４】
この実施例の投影光学系３０の光路図の概念図を図３に示す。投影光学系３０の中、逆光線追跡で、瞳１１から走査手段１３へ至る部分の瞳側光学系３１（図１の接眼光学系６）と走査手段側光学系３２（図１のリレー光学系４）の折り曲げ光路とパワー配分が面対称な構成となっており、この対称面付近に中間像（図２の１５）を形成している。その結果、接眼光学系３１で発生する収差とリレー光学系３２で発生する収差がキャンセルされ、投影光学系３０全体としての収差が良好に補正できている。その結果、少ない面数で投影光学系３０の瞳１１から走査手段１３へ至る部分を構成でき、光学系を小型化することができている。
【０１０５】
特に、収差の中でも、ディストーションが良好に制御されている。これは、２次元的な直線走査性・等速走査性を確保する上で重要である。この点について、以下に説明する。
【０１０６】
２次元走査を行った場合、逆光線追跡で、映像表示素子１４における各画角の主光線の結像位置の理想点からずれは、Ｘ方向（主走査方向）、Ｙ方向（副走査方向）共４．５μｍ以下である。これは、順光線追跡において、Ｘ方向（主走査方向）のディストーションが０．６％以下、Ｙ方向（副走査方向）のディストーションが０．５％以下であることを意味する。すなわち、２次元直線走査性が光学系で確保できているので、電気的像歪み補正なしに２次元的直線走査を行うことができる。
【０１０７】
投影光学系３０は、Ｘ方向（水平方向、主走査方向）では正弦波状に振動するスキャンミラーの振幅の６５％程度に対してｆアークサインθレンズ特性を持ち、Ｙ方向（垂直方向、副走査方向）では正弦波状に振動するスキャンミラーの振幅の４５％程度に対してｆアークサインθレンズ特性を持つ。よって、正弦波状に振動するスキャンミラーを使用する場合、Ｘ方向は振幅の６５％程度、Ｙ方向は振幅の４５％程度を使用すれば、電気的像歪み補正なしに２次元的な直線走査、等速走査を行うことができる。その結果、電気的像歪み補正を行う場合より、回路を簡単にできるし、より高速走査に対応できる（Ｘ方向のミラー振れ角φｘ＝±１２．４°の振幅の６５％が、Ｘ方向の映像表示に必要なミラー振れ角φｘ＝±８．０６°。Ｙ方向のミラー振れ角φｙ＝±１７．４°の振幅の４５％が、Ｙ方向の映像表示に必要なミラー振れ角φｙ＝±７．８４°）。
【０１０８】
また、電気的な等速走査性の補正を行えば、正弦波状に振動するミラーの振幅全部を利用することもできるし、スキャンミラー振れ角がリニアに変化するスキャナを利用することもできる。
【０１０９】
高速走査用のスキャンミラーは正弦波状に振動することが多い。そこで、本実施例では、順光線追跡でプラスのディストーションを発生させることで、正弦波状に振動するスキャナの振幅の６５％程度（Ｘ方向）あるいは４５％程度（Ｙ方向）に対するｆアークサインθレンズ特性を投影光学系３０に持たせた。映像表示に必要なスキャナ振れ角が本実施例程度の場合、順光線追跡でマイナスのディストーションを発生させて投影光学系３０をｆθレンズにする方が、ディストーションの制御量が少なくて済むので、光学系の設計が容易である。このように、Ｘ方向（主走査方向）やＹ方向（副走査方向）の投影光学系３０の特性をｆθ特性に変更する等の変形は容易である。
【０１１０】
映像表示素子１４の画素がＳＶＧＡ（８００×６００画素）レベルの場合、映像表示素子１４の大きさが５μｍ程度（主走査方向）×９μｍ程度（副走査方向）の場合、順光線追跡で形成される虚像において、画素が密着した状態になる。よって、画質が確保でき映像が観察しやすくなる。
【０１１１】
また、本実施例では、逆光線追跡で、スキャナ１３で反射後の光路をプリズム部材への入射、プリズム部材からの射出という構成にしているので、映像表示素子光のビーム整形が可能である。よって、ＬＤのように楕円状の断面形状を持つ映像表示素子１４を効率良く使用することができる。本実施例の場合、映像表示素子側のＮＡは、ＮＡｘ＝０．５０、ＮＡｙ＝０．２９で、横長断面を持つ映像表示素子光に対するビーム整形を行っている。
【０１１２】
また、逆光線追跡において、第５反射面２８でプラスの球面収差、第４透過面２９でマイナスの球面収差を発生させれば、映像表示素子１４の法線から離れるに従って暗くなるような配光特性を持つ映像表示素子１４の配光特性の補正を行うことができる。
【０１１３】
以上の例では、観察者の視軸を水平方向に設定した光路図を示しているが、視軸の角度の変更は可能である。本実施例の場合、視軸を下向き９°程度に設定すると、シースループリズム４０に対して外界光が垂直入射するので都合がよい。
【０１１４】
また、等速走査性を改善するために、中間像１５付近、例えば、第２反射面２３と第３反射面２４の間でプリズムを分割して投影光学系３０をプリズム２個構成としてもよい。
【０１１５】
また、反射作用と透過作用の兼用面を構成する面２１、２４を別々の面としてももちろんよい。
【０１１６】
（実施例２）
この実施例は、複数の映像表示素子を使用する場合の光学系の構成である。
【０１１７】
この実施例の投影光学系３０は、図４に示すように、実施例１と同様に、逆光線追跡で、瞳１１→第１透過面２１（＝第２反射面２３）→第１反射面２２→第２反射面２３（＝第１透過面２１）で全反射→第３反射面２４（＝第２透過面２６＝第３透過面２７＝第４透過面２９）で全反射→第４反射面２５→第２透過面２６（＝第３反射面２４＝第３透過面２７＝第４透過面２９）→スキャナ１３で反射→第３透過面２７（＝第３反射面２４＝第２透過面２６＝第４透過面２９）→第５反射面２８→第４透過面２９（＝第３反射面２４＝第２透過面２６＝第３透過面２７）→映像表示部１４’の順に進む光路を形成するようなプリズム部材１個からなり、反射作用と透過作用を兼ねる兼用面が２個所２１、２４あるものである。そして、逆光線追跡で、瞳１１から投影光学系３０に入射した光を、接眼光学系３１により第２反射面２３と第３反射面２４の間付近に中間像１５として一度結像する。中間像１５を、リレー光学系３２の第３反射面２４と第４反射面２５で平行光に近づけ、スキャナ１３に導く。スキャナ１３の反射光を集光光学系３３の主に第５反射面２８で収束光として映像表示部１４’に導く。なお、図４ではＧ光の光路のみを図示してある。
【０１１８】
この実施例２では、映像表示部１４’として、図５に断面図を示すように、ＲＧＢ−ＬＥＤ、ＲＧＢ−ＬＤのような波長の異なる３つの映像表示素子５１R 、５１G 、５１B を使用している。
【０１１９】
図５において、短波長光、例えば５００ｎｍ以下の波長の光を反射させるダイクロイックミラー５２を直角プリズムからなる光源プリズム５３と光源プリズム５４の接合面にコーティングし、長波長光、例えば６００ｎｍ以上の光を反射させるダイクロイックミラー５６を直角プリズムからなる光源プリズム５４と光源プリズム５５の接合面にコーティングしている。そして、Ｂ映像表示素子５１B 、Ｒ映像表示素子５１R 、Ｇ映像表示素子５１G を、それぞれ光源プリズム５３、光源プリズム５４、光源プリズム５５の虚像と共役な面に接着してある。
【０１２０】
映像表示部１４’のこの構成により、ＲＧＢ光を投影光学系３０に導き、カラー表示を行うことができる。
【０１２１】
このとき、例えば、水平方向８００画素×垂直方向６００画素のように虚像を構成する場合、図示しないＲＧＢ用強度変調装置により、映像信号に基づき各画素毎にＲＧＢ光のそれぞれを輝度変調する。
【０１２２】
この際、当然ながら、光源プリズム５２〜５５で発生する収差を考慮し、光源プリズム＋投影光学系プリズムの全体で収差補正を行って、虚像での性能を確保している。
【０１２３】
この実施例の利点として、本実施例のように、反射作用を主体とした投影光学系３０を使用すれば、投影光学系３０での色収差の発生が少なく色収差による結像性能の劣化はないが、結像位置（逆光線追跡での映像表示素子の位置）は波長によりやや異なる。本実施例のように、ＲＧＢ映像表示素子を各波長における虚像と共役な位置に配置すれば、ＤＯＥ（回折光学素子）等を使用し投影光学系の色収差を補正しなくても色収差の影響は全くなくなる。
【０１２４】
また、本実施例の場合、ＲＧＢ映像表示素子５１R 、５１G 、５１B を各光源プリズム５２〜５５に接着すればよいので、組み立ての際の各映像表示素子の位置合わせ精度が向上する。
【０１２５】
上記の例では、光源プリズムに垂直入射、垂直射出する設計例を示したが、光源プリズムに非垂直入射するようにしてもよい。また、光源プリズムを構成する各面を平面としたが、各面に収差補正をするための曲率を持たせてもよい。さらに、ダイクロイックミラー５２と５６の特性を逆にする等、ダイクロイックミラーの特性を変更してもよい。
【０１２６】
なお、上述したように、この構成は、逆光線追跡における波長による結像位置のずれの影響を除去することができるが、ＬＤ等を使用する場合、光源の波長変動の影響を除去するには、ＤＯＥを使用して光学系の色収差を補正してやればよい。
【０１２７】
また、ＲＧＢ映像表示素子の組み立てをラフに行い、ＲＧＢ映像表示素子の配置誤差を電気的に補正してもよい。また、映像表示部１４’を構成する光源光学系と走査手段１３を、図６に示すように支持部５７で一体保持する機械構成とすれば、単純に構成できるので好ましい。
【０１２８】
次に、図７に断面図を参照にして、光源プリズムを用いた映像表示部１４’の他の例を簡単に説明する。変形プリズムを５３’〜５５’で示す。
【０１２９】
図７（ａ）は、各ＲＧＢ映像表示素子５１R 、５１G 、５１B の大きさのくぼみを形成した光源プリズム５３’〜５５’を使用し、その窪みに各映像表示素子を嵌め込めば、各映像表示素子の位置合わせ精度が向上し製作性が良くなる。
【０１３０】
図７（ｂ）は、映像表示素子５１B の光路に全反射作用の面５８を利用すれば、光源光学系が小型にできる。
【０１３１】
図７（ｃ）は、平板的基板からなるプリズム５３’の中を多重反射するようにすれば、光源プリズム全体の大きさを小型にできる。なお、符号５９は反射膜、符号６０は反射膜あるいはダイクロイックミラーである。
【０１３２】
図７（ｄ）は、複数映像表示素子５１R 、５１B の光路で多重反射を利用すれば、光源プリズムの小型化の効果がさらに大きくなる。
【０１３３】
（実施例３）
この実施例は、プロジェクタ用、レーザビームプリンタ用、バーコードリーダ用等の実像形成タイプの実施例であり、この実施例の投影光学系３０は、図８に示すように、実施例２と同様に、逆光線追跡で、図示しない、物体→瞳１１→第１透過面２１（＝第２反射面２３）→第１反射面２２→第２反射面２３（＝第１透過面２１）で全反射→第３反射面２４（＝第２透過面２６＝第３透過面２７＝第４透過面２９）で全反射→第４反射面２５→第２透過面２６（＝第３反射面２４＝第３透過面２７＝第４透過面２９）→スキャナ１３で反射→第３透過面２７（＝第３反射面２４＝第２透過面２６＝第４透過面２９）→第５反射面２８→第４透過面２９（＝第３反射面２４＝第２透過面２６＝第３透過面２７）→映像表示部１４’の順に進む光路を形成するようなプリズム部材１個からなり、反射作用と透過作用を兼ねる兼用面が２個所２１、２４あるものである。そして、逆光線追跡で、物体から瞳１１を経て投影光学系３０に入射した光を、接眼光学系３１により第２反射面２３と第３反射面２４の間付近に中間像１５として一度結像する。中間像１５を、リレー光学系３２の第３反射面２４と第４反射面２５で平行光に近づけ、スキャナ１３に導く。スキャナ１３の反射光を集光光学系３３の主に第５反射面２８で収束光として映像表示部１４’に導く。なお、図４ではＧ光の光路のみを図示してある。
【０１３４】
この実施例は、逆光線追跡で、入射瞳１１の左２００ｍｍの位置に実像を形成している。また、逆光線追跡の入射瞳１１とプリズム部材の間隔は２．５ｍｍである。
【０１３５】
この実施例の接眼光学系３１とリレー光学系３２のパワー配分は、実施例１、２とは異なる。実施例１、２では、逆光線追跡の方向で、接眼光学系３１のパワー配分は凹＋凸＋凹、リレー光学系３２のパワー配分は凹＋凸＋凹であったが、本実施例では、逆光線追跡で、瞳１１から走査手段１３へ向かう光学系の瞳側光学系（接眼光学系３１）のパワー配分は凹＋凸＋凸というパワー配分で、走査手段側光学系（リレー光学系３２）のパワー配分が凸＋凸＋凸である。この場合も、接眼光学系３１とリレー光学系３２は、折り曲げ光路が面対称である。
【０１３６】
実施例１、２のようにＨＭＤ光学系の場合は、瞳１１と光学系３０の間隔（アイリリーフ）を確保する必要があるが、プロジェクタ用、バーコードリーダ用等の実像形成用の場合は、瞳１１と光学系３０の間隔はむしろ小さくした方が、光学系全体を小型化できるので好ましい。
【０１３７】
この場合、この実施例のように、中間像１５を図１における接眼光学系６側に食い込ませた方が、光学系全体を小型化できるので好ましい。
【０１３８】
映像表示素子としてＬＣＤを用いたプロジェクタは、偏光フィルタとカラーフィルタを使用するので、光源光の利用率が悪い。この実施例のように、本発明の光学系の場合、光源光の利用効率が大きく向上する。
【０１３９】
なお、変形として、画角、Ｆナンバー、映像表示素子光の結像位置を変更し、レーザビームプリンタ用、バーコードリーダ用等、それぞれの光学系に最適な仕様に変更することができる。レーザビームプリンタ用等は、画角が大きくなるので、ｆアークサインθレンズとするためのディストーションの制御量が減り、ｆアークサインθレンズの設計がしやすくなる。
【０１４０】
以下に上記実施例１〜３の構成パラメータを示す。これら表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＲＳ”は反射面、“ＳＭ”はスキャンミラー、“ＩＤ”は映像表示素子を示す。
【０１４１】
次に、上記実施例における条件式関係の値を示す。なお、主光線に対する上側マージナル光線と下側マージナル光線が非対称な場合は、両者の平均によりＮＡｙを求めた。何れの実施例もθｘ＝θ1 ＝１５°、θｙ＝θ2 ＝１１．３６°である。
以上の実施例では、前記定義式の自由曲面により光学系を構成したが、他の定義の曲面でも光学系を構成できることはいうまでもない。
【０１４６】
以上、本発明の映像表示装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されず数々の変形が可能である。
【０１４７】
以上の本発明の映像表示装置は例えば次のように構成することができる。
【０１４８】
〔１〕 映像を表示する映像表示素子と、映像表示素子を発する光を走査する走査手段と、前記映像表示素子によって形成され走査手段により走査された映像を投影する投影光学系とからなる映像表示装置において、
瞳と映像表示素子の間に投影光学系と走査手段が配置され、
投影光学系が中間像を形成し、
逆光線追跡で、投影光学系の中、瞳から中間像を経て走査手段に至る部分の光学系が、折り曲げ光路が面対称な２つの光学系により構成されていることを特徴とする映像表示装置。
【０１４９】
〔２〕 折り曲げ光路が面対称な２つの光学系の間に、中間像の半分以上が含まれることを特徴とする上記１記載の映像表示装置。
【０１５０】
〔３〕 折り曲げ光路が面対称な構成をなす２つの光学系のそれぞれが、パワーを有し光軸に対して偏心した反射面を２面以上含み、この反射面がプリズム部材の面として構成されていることを特徴とする上記１記載の映像表示装置。
【０１５１】
〔４〕 折り曲げ光路が面対称な２つの光学系の中、瞳側光学系が、瞳から映像表示素子に向かう逆光線追跡で、少なくとも、プリズム部材へ入射する第１透過面、光学的パワーを有し光軸に対して偏心した第１反射面、第２反射面を含み、第１透過面と第２反射面が同一面であることを特徴とする上記１記載の映像表示装置。
【０１５２】
〔５〕 映像を表示する映像表示素子と、映像表示素子を発する光を走査する走査手段と、前記映像表示素子によって形成され走査手段により走査された映像を投影する投影光学系とからなる映像表示装置において、
瞳と映像表示素子の間に投影光学系と走査手段が配置され、
投影光学系が中間像を形成し、
逆光線追跡で、投影光学系の中、瞳から走査手段に至る部分が、面形状に関する対称面を１面だけ持ち、その対称面内方向のみで偏心しており、
逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳から走査手段に至る部分が、少なくとも４面の反射面を持ち、
逆光線追跡で、投影光学系の中の瞳から走査手段に至る部分が、次式を満足することを特徴とする映像表示装置。
【０１５３】
φ2 θ1 ／φ1 θ2 ＞１ ・・・（１）
ここで、逆光線追跡で、面形状に関する対称面内方向における瞳から投影光学系に入射する半画角をθ2 、対称面と直交面方向における瞳から投影光学系に入射する半画角をθ1 、対称面方向の映像表示に必要な走査手段の片側振れ角をφ2 、対称面と直交面方向の映像表示に必要な走査手段の片側振れ角をφ1 とする。
【０１５４】
〔６〕 以下の条件式を満足することを特徴とする上記５記載の映像表示装置。
【０１５５】
ＮＡ1 ／ＮＡ2 ＞１ ・・・（２）
ここで、順光線追跡で、面形状に関する面称面内方向における映像表示から投影光学系への入射する光束の開口数をＮＡ2 、対称面と垂直面方向における映像表示から投影光学系への入射する光束の開口数をＮＡ1 とする。
【０１５６】
〔７〕 映像表示素子に表示された映像を虚像として形成し、観察者眼球に導く上記１から６の何れか１項記載の映像表示装置と、この映像表示装置を観察者顔面前方に保持する支持部とを備えて構成されていることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
【０１５７】
〔８〕 映像表示装置を観察者の左右の眼に対応してそれぞれ１つずつ配置していることを特徴とする上記７記載の頭部装着型映像表示装置。
【０１５８】
〔９〕 映像表示素子に表示された映像を実像として表示する上記１から６の何れか１項記載の映像表示装置を備えて構成されていることを特徴とするプロジェクタ、レーザビームプリンタ又はバーコードリーダ。
【０１５９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、投影光学系の中、逆光線追跡で瞳から中間像を経て走査手段に至る部分の光学系を、折り曲げ光路が面対称な構成の２つの光学系により構成することで、走査型映像表示装置用光学系を小型で高性能なものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の映像表示装置の基本構成を説明するための投影光学系の展開光路図である。
【図２】本発明の実施例１の映像表示装置の光学系の光路図である。
【図３】実施例１の光路図の概念図である。
【図４】本発明の実施例２の映像表示装置の光学系の光路図である。
【図５】実施例２の光源プリズムを用いた映像表示部の断面図である。
【図６】実施例２の映像表示部の保持方法の例を示す図である。
【図７】光源プリズムを用いた映像表示部の他の例の断面図である。
【図８】本発明の実施例３の実像形成タイプの装置の光学系の光路図である。
【図９】従来の走査型ＨＭＤの構成を示す図である。
【図１０】従来の別の走査型ＨＭＤの構成を示す図である。
【符号の説明】
１…映像表示素子
２…集光光学系
３…走査手段
４…リレー光学系
５…中間像
６…接眼光学系
７…瞳
１１…射出瞳（逆光線追跡では入射瞳）
１２…軸上主光線
１３…スキャンミラー（スキャナ、走査手段）
１４…映像表示素子
１４’…映像表示部
１５…中間像
２１…第１透過面
２２…第１反射面
２３…第２反射面
２４…第３反射面
２５…第４反射面
２６…第２透過面
２７…第３透過面
２８…第５反射面
２９…第４透過面
３０…投影光学系
３１…接眼光学系
３２…リレー光学系
３３…集光光学系
４０…シースループリズム
５１R …Ｒ映像表示素子
５１G …Ｇ映像表示素子
５１B …Ｂ映像表示素子
５２…ダイクロイックミラー
５３、５４、５５、５３’、５４’、５５’…光源プリズム
５６…ダイクロイックミラー
５７…支持部
５８…全反射面
５９…反射膜
６０…反射膜あるいはダイクロイックミラー
Claims (11)
- 映像を表示する映像表示素子と、前記映像表示素子が発する光を走査する走査手段と、前記映像表示素子によって形成され前記走査手段により走査された映像を投影する投影光学系とからなる映像表示装置において、
逆光線追跡で、前記投影光学系の入射瞳と前記映像表示素子の間に前記投影光学系と前記走査手段が配置され、
前記投影光学系が中間像を形成し、
前記投影光学系の前記走査手段に対向する面と、逆光線追跡で、前記投影光学系の入射瞳に対向する面と、が何れも、透過作用と反射作用を兼ねる兼用面であることを特徴とする映像表示装置。 - 前記投影光学系が、プリズム部材で構成され、
前記プリズム部材が、前記入射瞳から前記映像表示素子に向かう逆光線追跡で、少なくとも、前記プリズム部材へ入射する第１透過面、光学的パワーを有し光軸に対して偏心した第１反射面、第２反射面を含み、前記第１透過面と前記第２反射面が同一面であることを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。 - 映像を表示する映像表示素子と、前記映像表示素子が発する光を走査する走査手段と、前記映像表示素子によって形成され前記走査手段により走査された映像を投影する投影光学系とからなる映像表示装置において、
逆光線追跡で、前記投影光学系の入射瞳と前記映像表示素子の間に前記投影光学系と前記走査手段が配置され、
前記投影光学系が中間像を形成し、
逆光線追跡で、前記投影光学系の中、前記入射瞳から前記走査手段に至る光学系が、少なくとも一面以上の偏心面を有し、かつ、
該光学系の面形状に関する対称面を１面だけ持ち、前記偏心面の全ての面がその対称面内方向のみで偏心しており、
逆光線追跡で、前記投影光学系の中の前記入射瞳から前記走査手段に至る光学系が、少なくとも４面の反射面を持ち、
逆光線追跡で、前記投影光学系の中の前記入射瞳から前記走査手段に至る光学系が、次式を満足することを特徴とする映像表示装置。
φ2 θ1 ／φ1 θ2 ＞１ ・・・（１）
ここで、逆光線追跡で、前記投影光学系の中、前記入射瞳から前記走査手段に至る光学系の面形状に関する前記対称面内方向における前記入射瞳から前記投影光学系に入射する半画角をθ2 、前記対称面と直交面方向における前記入射瞳から前記投影光学系に入射する半画角をθ1 、前記対称面方向の映像表示に必要な前記走査手段の片側振れ角をφ2 、前記対称面と直交面方向の映像表示に必要な前記走査手段の片側振れ角をφ1 とする。 - 前記投影光学系が、リレー光学系と、接眼光学系を含み、
前記リレー光学系と、前記接眼光学系のそれぞれが、光軸に対して偏心した反射面を２面以上含むことを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。 - 逆光線追跡で、前記接眼光学系が、順に、第１透過面、第１反射面、第２反射面で構成され、
前記リレー光学系が、順に、第３反射面、第４反射面、第２透過面で構成される請求項４記載の映像表示装置。 - 前記第１透過面と、前記第２反射面は、同一面であり、前記第３反射面と、前記第２透過面は、同一面であることを特徴とする請求項５記載の映像表示装置。
- 逆光線追跡で、前記第１透過面が負のパワーを有し、前記第１反射面が正のパワーを有し、前記第２透過面が負のパワーを有し、前記第４反射面が正のパワーを有することを特徴とする請求項６記載の映像表示装置。
- 逆光線追跡で、前記第１透過面が負のパワーを有し、前記第１反射面が正のパワーを有し、前記第２透過面が正のパワーを有し、前記第４反射面が正のパワーを有することを特徴とする請求項６記載の映像表示装置。
- 前記投影光学系は、前記中間像において、前記接眼光学系を構成するプリズムと、前記リレー光学系を構成するプリズムと、に分割されることを特徴とする請求項４から８の何れか１項記載の映像表示装置。
- 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の映像表示装置。
ＮＡ 1 ／ＮＡ 2 ＞１ ・・・（２）
ここで、順光線追跡で、面形状に関する対称面内方向における前記映像表示素子から前記投影光学系への入射する光束の開口数をＮＡ 2 、前記対称面と垂直面方向における前記映像表示素子から前記投影光学系への入射する光束の開口数をＮＡ 1 とする。 - 前記投影光学系の前記走査手段に対向する面と、逆光線追跡で、前記投影光学系の入射瞳に対向する面と、が隣接していることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項記載の映像表示装置。
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