JP4738798B2 - 画像観察装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display：ＨＭＤ）等に好適な画像観察装置に関する。
現在、ＨＭＤに用いられる表示素子としては、透過型液晶素子、反射型液晶素子、またはＥＬ（Electroluminescence）素子等がある。これらの素子は、必要な画素分を素子に全て作り込まなければならないため、画素欠陥が発生しやすく、素子自体の製造が難しい。
また液晶素子やＥＬ素子などの２次元画像表示素子を用いず、走査手段を使って画像を表示し、観察する表示装置も提案されている（特許文献１）。
特許文献１は、ＲＧＢの各色の光を水平方向と垂直方向に走査し、光学系を介して網膜上に直接画像を形成する走査型画像表示装置を開示している。特許文献１の走査型画像表示装置では、非常に高速に光を走査することが要求されるため、光を走査するミラー等の走査部に非常に小型のデバイスが使われている。したがって、走査される光ビームがきわめて細いものとなり、観察者の瞳位置での光ビームが非常に径（射出瞳径）の小さなものとなっている。
こうした小さな射出瞳径を拡大する方法も提案されている（特許文献２、３）。
特許文献２では、中間結像面上にレンズアレイや拡散板等の拡大手段を配置して、走査されたビームがそこを透過することにより、光束の広がり角を拡大するようにしている。
また、特許文献３では、走査型の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素子などの画像表示素子に入射した後の光が拡散板を透過するように構成し、特許文献２と同様に射出瞳径を拡大している。
一方、偏心自由曲面光学系を用いた比較的小型の光学系も提案されている（特許文献４）。特許文献４の光学系は、光源からの光をやや太いビームにして、走査部材を介して観察者の眼球に導いている。また、特許文献４の文中には、透過型の拡散板により射出瞳径を拡大するとの記載もある。
また、走査手段を左右の眼に対応する光学系で共有している画像表示装置も知られている（特許文献５）。
特許文献５に開示された画像表示装置は、図４に示すように、１つの水平走査手段（左右共用）１５と、２つの垂直走査手段１６Ｌ，１６Ｒ（左右用）を備えている。そして、右眼用、左眼用の２つの光源１Ｒ，１Ｌからの光が、コリメータレンズ２Ｒ，２Ｌを介して水平、垂直走査手段で走査され、光学系（６Ｌ，６Ｒ，７Ｌ，７Ｒ）で眼球ＥＲに光が導かれる。特許文献５の画像表皮装置は、このように走査手段を共用することにより、装置全体の簡素化を図っている。
米国特許第５，４６７，１０４号 米国特許第５，７０１，１３２号 米国特許第５，７５７，５４４号 特開２００１−４９５５号公報 特開平１１−９５１４４号公報
先の特許文献２、３の構成では、一旦中間像を形成して射出瞳径の拡大を図る拡大手段を用いているため、光路が長くなり、装置が大型化してしまう傾向がある。
又特許文献５では、水平、垂直用の両走査手段を用いており、複雑な構成になっている。特許文献５の構成において、さらに広画角なＨＭＤを得ようとすると、垂直方向の走査手段が水平方向に非常に長いものとなり、極端に大型化してしまう傾向がある。
本発明は、走査手段で２次元画像を形成するタイプの画像観察装置であって、小型の画像観察装置の提供を目的とする。
本発明は、画像情報に基づいて光変調した光束を発振する左眼用と右眼用の光源手段と、前記左眼用と右眼用の光源手段からの光に対して共有の２次元走査ミラーと、前記２次元走査ミラーで走査される左眼用と右眼用の光束を観察者の左右の眼に導光する左眼用と右眼用の光学系とを有する画像観察装置であって、左眼用と右眼用の光源手段からの光束のうち中心画角主光線における前記２次元走査ミラーでの反射以後の中心画角主光線を含む平面は同一平面であり、基準状態での前記２次元走査ミラーと、前記左眼用と右眼用の光学系を射出した位置で左右の中心画角光線に対して垂直な面とのなす角度をθ度とするとき、
５° ＜ θ ＜ ８０°
を満足することを特徴としている。
本発明によれば、小型の画像観察装置が得られる。
図１、図２を用いて本発明の画像観察装置の実施例を説明する。
図１，２において、１は２次元走査ミラー（走査ミラー）、２は左眼用の光学系、３は右眼用の光学系、６は光源、７はコリメータレンズ、８（８Ｌ，８Ｒ）は光学系２，３の射出瞳であり、観察者の瞳が配置されるべき位置である。
図１は、走査ミラー１から左眼と右眼の射出瞳８（８Ｌ、８Ｒ）までのビーム光路断面図（上面図）であり、図２は、光源６から左眼の射出瞳８Ｌまでのビーム光路断面図（上面図及び側面図）である。
光源６は、不図示であるが、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の３色の発光ダイオード（ＬＥＤ）で構成され、ダイクロイックプリズム等で３色のＬＥＤが光学的に等価の位置となるように配置されている。光源６は左眼用と右眼用に独立して設けられており（６Ｌ，６Ｒ（不図示））、図２では左眼用の光源６Ｌを図示している。光源６を構成する３色のＬＥＤは、画像情報に応じて独立して発光時間、強度の変調が可能であり、走査ミラー１、光学系２，３等から見れば、あたかも色、強度、階調の変更が可能な白色の点光源として扱える。
コリメータレンズ７（７Ｌ，７Ｒ（不図示））は光源６（６Ｌ，６Ｒ（不図示））からの光を略平行光として、走査ミラー１に導く。走査ミラー１は、画像情報に基づいて変調された光源６からの光を、水平方向・垂直方向に２次元的に走査し、所定面上で２次元画像を形成する。走査ミラー１によって走査された光は、光学系２，３に入射し、光学系２，３によって観察者の両眼（射出瞳８）に導かれる。光学系２，３は、走査によって形成された２次元画像（２次元像）を観察者に拡大虚像として観察させる。
走査ミラー１は光学系２，３の中間位置に配置され、双方の光学系で共有している。左眼用の光源６Ｌは、図２に示すごとく、走査ミラー１より右側で、かつ走査ミラー１から射出瞳８Ｌまでのローカル母線断面（画角中心光線が走査ミラー１で反射後に形成する平面Ｈ、ＸＺ平面）よりも上部（平面Ｈの鉛直方向）に配置されている。右眼用の光源６Ｒは、不図示であるが、左眼用の光源６Ｌと鏡対称に、走査ミラー１より左側で、かつ平面Ｈよりも上部に配置されている。こうすることにより、左右の観察系が機械的に干渉することなく配置でき、光学系全体をコンパクトにできる。なお光源６（６Ｌ，６Ｒ）は、平面Ｈの下部に配置してもよい。
また、平面Ｈ上での走査ミラー１の機械的な振れ角は±６．２５°であり、光学的な振れ角は±１２．５°である。このとき、射出瞳８面上では、±１５°（左右水平方向）の画角光線が得られる。もちろん垂直方向も同時に走査され、射出瞳８面上では、±１１．３°（上下鉛直方向）の画角光線が得られる。
以下左眼用の各要素について詳細に説明する。右眼用の各要素の説明については省略するが、左眼用の各要素と対称で作用も同様である。
光学系２は、プリズムＰ１、プリズムＰ２、拡散反射板４によって構成されている。プリズムＰ１の射出面Ｐ１ｅとプリズムＰ２の入射面Ｂはほぼ同形状であり、接合されている。但し、射出面Ｐ１ｅと入射面Ｂは微小の空気層を介して配置してもよい。
プリズムＰ１は５つの光学面（Ｐ１ａ〜Ｐ１ｅ）を有している。そのうち、Ｐ１ａ，Ｐ１ｅは透過面（入射面Ｐ１ａ，射出面Ｐ１ｅ）であり、Ｐ１ｂ，Ｐ１ｃ，Ｐ１ｄは反射面である。
プリズムＰ２は３つの光学面Ａ１，Ａ２，Ｂを有している。光学面Ａ１は、反射（２回の内面全反射）と透過作用を有する。光学面Ｂは、一部に微小透過開口（微小透過ピンホール）５が設けられ、その周囲が反射面となっている。光学面Ａ２は、反射作用のみの面である。光学面Ｂは、入射面及び反射面として作用している。光学面Ａ１は、射出面（拡散反射板４へ向かう射出面と射出瞳８に向かう射出面）、入射面（拡散反射板４からプリズムＰ２に入射するときの入射面）、反射面（内部全反射を２回する）として作用している。
拡散反射板４は平行平板形状であり、プリズムＰ２側の面が拡散作用を有し、反対側の面が折り返し反射面４ａとなっている。
プリズムＰ１の反射面Ｐ１ｂ，Ｐ１ｃ，Ｐ１ｄ、プリズムＰ２の光学面Ａ２、拡散反射板４の折り返し反射面４ａには反射膜が形成されている。プリズムＰ２の光学面Ｂの微小透過開口部５以外の部分にも反射膜が形成されている。なお反射膜として金属膜を採用している。金属膜は分光反射率特性がフラットで反射光の色付きが目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないという利点がある。
まず図１に示した走査ミラー１から射出瞳８Ｌまでの光路について説明する。
走査ミラー１で反射走査された各画角の光線は、プリズムＰ１の入射面Ｐ１ａから入射し、反射面Ｐ１ｂ，Ｐ１ｃ，Ｐ１ｄで順に反射し、射出面Ｐ１ｅより射出する。このときプリズムＰ１の内部で光源６の像を一度中間結像する。すなわち、この中間結像面で１度目の２次元画像が形成されることになる。
プリズムＰ１の射出面Ｐ１ｅより射出した光は、プリズムＰ２の光学面Ｂに形成した微小透過開口５から入射し、光学面Ａ１（内部全反射）、光学面Ａ２と順に反射し、再度光学面Ａ１に臨界角度以下で入射して、光学面Ａ１から射出する。
そしてプリズムＰ２を射出後、拡散反射板４上で光源６の中間像を再度形成する。すなわち、拡散反射板４上に２度目の２次元画像が形成されることになる。拡散反射板４で拡散反射した光束は、Ｆナンバーが小さな（明るい）太い光束を形成する（不図示）。また、拡散反射板４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。すなわち、拡散反射板４で反射した光は、プリズムＰ２の光学面Ａ１に再入射し、光学面Ａ２で反射、光学面Ａ１で内部全反射、光学面Ｂで射出瞳８（眼球）側に反射された後、光学面Ａ１よりプリズム２から射出して、射出瞳８に到達する。
観察者は、射出瞳８の位置付近に左眼を置くことにより、拡散反射面４上に形成された２次元画像の拡大像を視認することが可能となる。
なお、２次元走査ミラー１と微小透過開口５と射出瞳８とは、互いに共役の関係にある。
プリズムＰ２と拡散反射板４によって形成される往復光路について、再度簡潔に説明する。
プリズムＰ１の射出面Ｐ１ｅからの光は順に、光学面Ｂ（透過１）→光学面Ａ１（反射１）→光学面Ａ２（反射２）→光学面Ａ１（透過２）→折り返し反射面４ａ（＋拡散面）→光学面Ａ１（透過３）→光学面Ａ２（反射３）→光学面Ａ１（反射４）→光学面Ｂ（反射５）→光学面Ａ１（透過４）を介する。このように、折り返し反射面４での反射を境に、それまでの光路を逆にたどっていることが分かる。光学面Ｂ（透過１）から折り返し反射面４までが往路、折り返し反射面４から光学面Ｂ（反射５）までが復路である。この往復光路により、長い光路長が必要な２回中間結像するタイプの光学系であっても、光学系をコンパクトにしている。
なお図１、図２は、拡散反射板４で正反射した光線のみを示している。射出瞳８の径はφ１．５である。
本実施例では、走査ミラー１として、最大有効径が３ｍｍ以下の非常に小さい走査ミラーを使用している。この走査ミラー１で水平・垂直の走査を行い、画像情報に基づく光束を光学系２、３に導光している。
２次元走査ミラー１の有効径はφ２．５、透過開口部５の大きさ（開口部）は、直径φ３であり、これらは互いに共役関係にある。
また走査ミラー１で反射した光の１回目の中間結像面は、プリズムＰ１への光線入射後の、１回目反射面Ｐ１ｂと２回目反射面Ｐ１ｃの間の位置Ｑ１に形成される。２回目の中間結像面は、折り返し反射面（拡散反射板４）近傍の位置Ｑ２に形成される。このように左眼と右眼で各々の外側（耳側）に１つと、左眼と右眼で各々内側（鼻側）にもう１つの中間結像面を形成している。また該同一平面に鉛直な面に対する２次元走査ミラー１の傾き角θは１５°である。
次に本実施例の特徴について説明する。
本実施例では、図２、図３に示すように左眼用と右眼用の光源手段６からの光束のうち中心画角主光線における２次元走査ミラー１での反射以後の中心画角主光線を含む平面は、いずれも１つの同一平面Ｈ（ＸＺ面）にあり、基準状態での２次元走査ミラー１と、左眼用と右眼用の光学系２，３を射出した位置で左右の中心画角光線に対して垂直な面（平面Ｈに対して垂直な平面Ｖ（ＸＹ平面））に対する角度をθ度とするとき、
５° ＜ θ ＜ ８０°
を満足している。なお、２次元走査ミラー１の基準状態とは、走査ミラーが駆動されていない状態であり、例えば機械的な振れ角が±６．２５°であった場合、その中心０°の状態を言う。
角度θの下限値を下回ると、２次元走査ミラー１から左眼用の光学系２への光路と右眼用の光源６Ｒから２次元走査ミラーへの光路が重なり、左右の光源６Ｌ、６Ｒの配置が難しくなる。上限値を超えた場合は、２次元走査ミラーへの光の入射角度が大きくなるため、２次元走査ミラーの駆動特有のズレによる歪み発生が大きくなり好ましくない。
好ましくは、
１０°＜ θ ＜ ６０°
とするのが良い。
更に好ましくは、数値範囲を下記条件式を満足すると、左右の光源配置に余裕ができ、かつ２次元走査部材駆動特有のズレによる歪みほとんど影響ないレベルになる。
１０°＜ θ ＜ ５０°
本実施例の光学系における折り返し反射させる反射面（折り返し反射面）は、偏心した１面以上の反射面Ａｉと共有させてもよい。こうした場合、光学面を削減できるため光学系を小型化できる。
２次元走査ミラー１は微小径のため、細いビーム（φ１〜２ｍｍ）を反射偏向して走査する。ＨＭＤは観察光学系のため、細いビームのまま眼球に入射したままだと、十分は射出瞳径が得られず、疲労の原因になる。
そこで中間結像面Ｑ２近傍に拡散反射板４を入れて、中間結像面Ｑ２まではビーム光学系のため小型化を容易にし、かつ射出瞳８の径も大きくしている。反射型のものを使用すれば光線がもどってくるため、拡散反射板４に入射する前の光学部材と反射後の光学部材を共有化でき小型化に有利となる。
光源６からの光は、２次元走査ミラー６を経て中間結像面Ｑ１、Ｑ２を形成し、２次元走査ミラー６は光学系２、３の射出瞳８と共役な位置に置かれ、２次元走査ミラー１からの光は、中間結像面上Ｑ１、Ｑ２に２次元画像を形成している。
光学系２、３の一部で光源からの光で中間結像を形成するリレー光学系を形成し、このリレー光学系の絞りに相当する位置に２次元走査ミラー１を置き、リレー光学系の絞り（走査反射部材）と光学系の射出瞳８を共役な関係にして、観察者が射出瞳８面上に眼を置いたとき、光線がけられないようにしている。
２次元走査ミラー１と光学系の射出瞳８の２つの共役面の光路間に、もうひとつの３つ目の共役面が存在し、そこに微小透過開口部５が位置するようにしている。
左右共用の２次元走査ミラー１を用いて広画角化する場合には、リレー光学系が２つあると好ましい。
従って、第１のリレー光学系の絞り位置に２次元走査ミラー１を置き、第２のリレー光学系の絞り（微小透過開口５）及び光学系２、３の射出瞳８の３者を共役な関係にして、広画角化しても光線がけられることがないようにしている。
光源手段６からの光で中間像面に２次元像を形成する光学系２は、反射面Ｂの光線有効エリア内に透過作用（光透過）を有する微小エリア（微小透過開口）５が存在し、透過微小エリア以外の光線有効エリアは反射作用のみを有する面としている。
光源手段６からの光は、反射面Ｂの該透過微小エリア５を透過し、拡散反射面５近傍に中間結像面を形成し、そこからの光束は反射面Ｂで反射して、拡大像を形成するようにしている。
まず光を透過させ、次にもどってくるときは反射するような光路分離手段としては、ハーフミラーが一般的である。しかしハーフミラーを透過した光が、もどって来て反射すると、光量が原理的に１／４（２５％）になってしまい、光利用効率が悪い。
そこで本実施例の光路分離手段である反射面Ｂは、中間像面までの光学系が、ビーム光学系のような時、光が透過する部分の面積が少ないので、その微小部分だけを反射面とせず開口５として光を透過させ（その部分だけ金属膜を施さない）、反射面Ｂに光が戻ってきた時は、光束エリアが広がっているため、微小部分は透過してしまうが、その微小部分以外の光線は全て反射して拡大像を眼側８に導光している。拡大像を観察したとき、透過エリア５が微小範囲のため実質的光量低下を感じない。ハーフミラーの使用よりも光利用効率を上げることができる。
反射時の有効エリアの面積Ｄａと微小透過部分の面積Ｄｂの比（Ｄｂ／Ｄａ）は、１０％以下が好ましい。この値が１０％の時は、透過時は１００％透過、反射時は９０％反射となるため、光利用効率は９０％である（表面反射、反射膜の吸収など考慮していない）。
またこの値を超えると、反射時の微小透過エリア部分５での光量が落ち、拡大像の観察時に明暗さを感じて好ましくない。また比Ｄｂ／Ｄａが５％以下（光利用効率９０％以上）なら、ほとんど微小透過エリア部分５での光量低下は感じなくなる。また微小透過エリア部分５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。微小透過エリア５の位置は、反射有効エリアＢ内で左右方向または上下方向どちらかで、対称の位置にあることが望ましい。こうすると微小透過エリア５を作成するとき位置精度がでやすい。
光学系２、３は２次元走査ミラー１からの光線に対し偏心した１面以上の反射面Ａｉで反射された光が拡散反射板４に至るまでの光路（往路）、拡散反射板４で折り返し逆方向に反射された後、偏心した１面以上の反射面Ａｉと反射面Ｂで反射し、光学面Ａｉより出射する光路（復路）を形成している。
こうすることにより光路を重複させて（往路と復路）、広画角化に必要な長い光路長の光学系を小さな光学系としてまとめられ、小型化を図っている。
光源６からの光は、２次元走査ミラー１を経て、往路、折り返し用の拡散反射板４、復路と光線が進んだ後、光線に対し偏心した反射面で反射され、該往路とは別の光路を形成し眼球８に導かれるようにしている。
これは往復行路から射出した後の光線を、往復行路に入射する光線と異なる方向に設定でき、往復光路への入射光との干渉を避けることができる。
往路と復路の折り返し拡散反射板４上に、中間結像面と拡散面を設定して、往路では細いビーム光学系、復路では広い射出瞳をカバーできる拡散光光学系が成り立ち、光学系の小型化と射出瞳の拡大を達成している。
光学系２、３は複数の非回転対称反射面を有する３面以上からなるプリズム体Ｐ１、Ｐ２を含んでいる。
本発明に係る光学系は偏心光学系であるため偏心収差が発生する。複数の非回転対称反射面を有することで、発生した偏心収差を互いキヤンセルさせ低減させている。
また走査部材による水平・垂直のアスペクト比を自由に設定しても、反射面が複数あるため、拡大表示画面のアスペクト比を必要な値（３：４または９：１６）にすることができ設計自由度があがる。非回転対称面は、ローカル母線断面を唯一の対称面とする面対称な形状が好ましい。これは対称性のない場合に比較して、加工及び製作を容易にすることができるからである。さらに３面以上からプリズム体とすると、従来の複数部品をプリズム体１つに置き換えられるので、組み立て調整が容易になる。
光学系２、３は１面以上の内部全反射面を有し、少なくとも２回以上内部全反射する構成を用いている。
ここで内部全反射面とはプリズム内反射またはガラス内反射時に、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、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ている。
少なくとも２回以上内部全反射を用いて、該光学系全体での光量ロスを少なくしている。
眼球８から２次元走査ミラー１、光源６へのローカル母線断面での逆光線トレース上で、左眼８Ｌと右眼８Ｒからの光線はそれぞれ外側（耳側）に反射し、その後各々左眼と右眼の前を通り過ぎ、内側（鼻側）の２次元走査ミラー１に導かれるよう光学系を構成している。
１つの２次元走査ミラー１で、しかも長い光路長のＨＭＤ光学系を成り立たせるには、２次元走査ミラー１を左眼と右眼の中間（鼻付近）に置く必要がある。そしてこのような構成にすると長い光路長も左右方向に光路が展開されるため、上下の幅がコンパクトで長い光路長をＨＭＤ光学系の中に収めている。
光学系は２つの中間結像面を有し、ローカル母線断面上で左眼８Ｌと右眼８Ｒの各々の外側（耳側）に１つと、左眼８Ｌ、右眼８Ｒの各々内側（鼻側）にもう１つの中間結像面を有するようにしている。
１つの２次元走査ミラー１で広画角化可能とする為に、光源手段６からの光を２回中間結像させている。これにより設計自由度を広げている。
しかし中間結像を２回させると光学系での光路長が非常に長いものになり大型化してしまう。それで上記のような構成にして、１つの２次元走査ミラー１で広画角化とコンパクト化を両立させている。
ま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、光学系の小型化が容易となる。折り返し反射面が非回転対称面なら、周辺画像の光線方向を自由に制御できるため、曲面の場合よりも更に小型化が容易となる。この折り返し反射面には、ほぼ１００％近く反射する金属ミラーコーティングをして光量ロスをできるだけ少なくしている。
また折り返し反射面はプリズムと別体の部品でもプリズム面に施してもよい。
以下、本発明の実施例１の数値実施例を説明する。本実施例はローカル近軸を使っており、それについて説明する。図１、２において、第１面（射出瞳８）の面頂点座標系を図２に示した。本実施例では各面の面頂点をｘ軸方向でのシフト偏心、ｙ軸回りのチルト偏心しかさせていない。なお２次元走査ミラー１のみｘ軸回りのチルト偏心（１５°）させている。また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では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。
本実施例では、光源６から発せられ、拡大像中心と光学系２の射出瞳８中心を通る光線を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・屈折力でなく、中心画角主光線の各面でのヒットポイント点（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。
ここでローカル曲率半径は光学面のヒットポイント点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。又ローカル面間隔は現在の面と次の面との、２つのヒットポイント間の距離（中心画角主光線上の距離、空気換算なしの値）の値をいう。又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・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。ローカル屈折力はローカル焦点距離の逆数の値である。
なお本発明の各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。
本実施例の数値データを表１に示す。表１の従来近軸では（general-paraxial axis）、母線断面曲率半径ｒｘ・子線断面曲率半径ｒｙ・面間隔ｄ（第１面の面頂点座標系と平行）・偏心量（射出瞳から２次元走査ミラーまでの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、傾き偏心量をｔｉｌｔ度）・ｄ線の屈折率ｎｄ、アッべ数ｖｄを示し、ＦＸＹは自由曲面を表している。またＭがついたものは反射面であり＜Ｍ（ｄｉｆ）がついたものは拡散反射面＞、ｄ線の屈折率ｎｄは逆符号とした。なお表１は射出瞳から２次元走査ミラーへの逆トレースの数値データであり、傾き偏心量のｔｉｌｔ度は、図２でのｘｚ断面上での角度であるため、２次元走査ミラーのｘ軸回りのチルト偏心１５°（ｙｚ断面）は省略している。
ＦＸＹ（自由曲面）の定義式を以下に示す。（各面の面頂点座標系で）
ｍ ＋ ｎ £ １０
ｒ２＝ ｘ２ ＋ ｙ２
ｚ ：ｚ軸に平行な面のサグ
ｃ ：各面頂点座標での曲率
ｋ ：コーニック定数
Ｃｊ ：ｘｍｙｎの係数

Ｃｊは各々自由曲面係数であるが、表１ではｘｍｙｎ表示してある。本自由曲面の場合、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ｒｘ・子線断面曲率半径ｒｙの値が面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｘ・子線断面曲率半径ｒｙと一致しない。そこでポイント（０，０）つまり面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｘ・子線断面曲率半径ｒｙも示した。
またローカル近軸（local-paraxial axis）ではローカル曲率半径ｌｏｃａｌ−ｒｘ，ｌｏｃａｌ−ｒｙ・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−ｆｘ，ｌｏｃａｌ−ｆｙ ・面の屈折率ｎｄ（反射面は逆符号）を示している。また各面でのヒットポイント座標（面頂点を０，０）、射出瞳での画角２Ｗｘ、２Ｗｙ（＋側、−側合計のフル画角）も示した。
表１
(general - paraxial axis)

n rx ry d shift tilt nd vd
1 0.00000 0.00000 25.328 0.000 0.000 1.000
2 0.00000 0.00000 0.000 0.000 0.000 1.000
3 0.00000 0.00000 0.000 0.000 0.000 1.000
4 0.00000 0.00000 0.000 0.000 0.000 1.000
5 0.00000 0.00000 0.000 0.000 0.000 1.000
6 0.00000 0.00000 0.000 0.000 0.000 1.000
7 0.00000 0.00000 0.000 0.000 0.000 1.000
FX 8 -241.43953 -241.43953 13.532 -0.064 4.102 1.571 33.80
FXY 9 -112.30604 -112.30604 -13.532 -4.749 -22.106 -1.571 33.80
FXY-M 10 -241.43953 -241.43953 20.598 -0.064 4.102 1.571 33.80
FXY-M 11 -108.55703 -108.55703 -22.822 24.106 28.627 -1.571 33.80
12 0.00000 0.00000 0.000 11.649 28.627 -1.571 33.80
13 0.00000 0.00000 0.000 11.649 28.627 -1.571 33.80
14 0.00000 0.00000 0.000 11.649 28.627 -1.571 33.80
15 0.00000 0.00000 2.224 11.649 28.627 -1.571 33.80
FXY 16 -241.43953 -241.43953 -1.995 -0.064 4.102 -1.000
17 0.00000 0.00000 0.000 -0.207 4.102 -1.000
18 0.00000 0.00000 -1.431 -0.207 4.102 -1.000
M(dif)19 -200.00000 -200.00000 0.000 19.742 9.102 1.000
20 0.00000 0.00000 3.425 19.742 9.102 1.000
FXY 21 -241.43953 -241.43953 20.598 -0.064 4.102 1.571 33.80
FXY-M 22 -108.55703 -108.55703 -20.598 24.106 28.627 -1.571 33.80
FXY-M 23 -241.43953 -241.43953 13.532 -0.064 4.102 1.571 33.80
FXY 24 -112.30604 -112.30604 13.897 -4.749 -22.106 1.571 33.80
25 0.00000 0.00000 0.000 -10.394 -22.106 1.571 33.80
26 0.00000 0.00000 0.000 -10.394 -22.106 1.571 33.80
27 0.00000 0.00000 0.636 -10.394 -22.106 1.571 33.80
M 28 -80.00000 -80.00000 -15.739 -8.828 -59.106 -1.571 33.80
M 29 50.00000 50.00000 -0.845 -1.930 -87.894 1.571 33.80
M 30 -60.00000 -60.00000 6.098 -24.915 -20.894 -1.571 33.80
31 20.00000 20.00000 -42.908 -26.869 19.106 -1.000
32 0.00000 0.00000 48.955 0.000 0.000 -1.000
33 0.00000 0.00000 0.000 -31.500 0.000 -1.000
34 0.00000 0.00000 0.000 -31.500 0.000 -1.000


FXY 8 K: 4.9698E+00 Y2: -1.8382E-03 X2: 4.8459E-05
Y2X: -1.3099E-05 X3: -3.7349E-06 Y4: -3.5111E-06
Y2X2: -1.1789E-06 X4: -4.9937E-08

FXY 9 K: -2.6430E+00 Y2: 1.9693E-04 X2: -1.3254E-03
Y2X: 1.4089E-05 X3: -5.2128E-06 Y4: -1.7249E-06
Y2X2: 8.6598E-07 X4: 8.4995E-07

FXY 10 K: 4.9698E+00 Y2: -1.8382E-03 X2: 4.8459E-05
Y2X: -1.3099E-05 X3: -3.7349E-06 Y4: -3.5111E-06
Y2X2: -1.1789E-06 X4: -4.9937E-08

FXY 11 K: 1.8063E+00 Y2: -1.3292E-03 X2: 5.9594E-04
Y2X: -1.3289E-05 X3: 1.1202E-05 Y4:-3.2506E-07
Y2X2: -1.3473E-06 X4: -2.6143E-07



FXY 16 K: 4.9698E+00 Y2: -1.8382E-03 X2: 4.8459E-05
Y2X: -1.3099E-05 X3: -3.7349E-06 Y4: -3.5111E-06
Y2X2: -1.1789E-06 X4: -4.9937E-08


FXY 21 K: 4.9698E+00 Y2: -1.8382E-03 X2: 4.8459E-05
Y2X: -1.3099E-05 X3: -3.7349E-06 Y4: -3.5111E-06
Y2X2: -1.1789E-06 X4: -4.9937E-08

FXY 22 K: 1.8063E+00 Y2: -1.3292E-03 X2: 5.9594E-04
Y2X: -1.3289E-05 X3: 1.1202E-05 Y4: -3.2506E-07
Y2X2: -1.3473E-06 X4: -2.6143E-07

FXY 23 K: 4.9698E+00 Y2: -1.8382E-03 X2: 4.8459E-05
Y2X: -1.3099E-05 X3: -3.7349E-06 Y4:-3.5111E-06
Y2X2: -1.1789E-06 X4: -4.9937E-08

FXY 24 K: -2.6430E+00 Y2: 1.9693E-04 X2: -1.3254E-03
Y2X: 1.4089E-05 X3: -5.2128E-06 Y4: -1.7249E-06
Y2X2: 8.6598E-07 X4: 8.4995E-07


n point ( x , y ) rx ry
8 ( 0.000, 0.000 ) -247.224 -127.905
9 ( 0.000, 0.000 ) -86.542 -117.504
10 ( 0.000, 0.000 ) -247.224 -127.905
11 ( 0.000, 0.000 ) -124.690 -84.244
12 ( 0.000, 0.000 ) 0.000 0.000
13 ( 0.000, 0.000 ) 0.000 0.000
14 ( 0.000, 0.000 ) 0.000 0.000
15 ( 0.000, 0.000 ) 0.000 0.000
16 ( 0.000, 0.000 ) -247.224 -127.905
17 ( 0.000, 0.000 ) 0.000 0.000
18 ( 0.000, 0.000 ) 0.000 0.000
19 ( 0.000, 0.000 ) -200.000 -200.000
20 ( 0.000, 0.000 ) 0.000 0.000
21 ( 0.000, 0.000 ) -247.224 -127.905
22 ( 0.000, 0.000 ) -124.690 -84.244
23 ( 0.000, 0.000 ) -247.224 -127.905
24 ( 0.000, 0.000 ) -86.542 -117.504
25 ( 0.000, 0.000 ) 0.000 0.000
26 ( 0.000, 0.000 ) 0.000 0.000
27 ( 0.000, 0.000 ) 0.000 0.000
28 ( 0.000, 0.000 ) -80.000 -80.000
29 ( 0.000, 0.000 ) 50.000 50.000
30 ( 0.000, 0.000 ) -60.000 -60.000
31 ( 0.000, 0.000 ) 20.000 20.000
32 ( 0.000, 0.000 ) 0.000 0.000
33 ( 0.000, 0.000 ) 0.000 0.000







(local - paraxial axis)

n local-rx local-ry local-fx local-fy local-d nd
FXY 8 -247.13702 -127.87755 -432.890 -223.993 15.447 1.571
FXY-M 9 -88.50181 -120.68528 28.169 38.413 -21.505 -1.571
FXY-M 10 -218.60629 -115.20030 -69.580 -36.667 26.059 1.571
FXY-M 11 -123.70343 -78.17622 39.373 24.883 -26.120 -1.571
12 0.00000 0.00000 0.000 0.000 0.000 -1.571
13 0.00000 0.00000 0.000 0.000 0.000 -1.571
14 0.00000 0.00000 0.000 0.000 0.000 -1.571
15 0.00000 0.00000 0.000 0.000 -7.198 -1.571
FXY 16 -174.34714 -91.32425 -305.390 -159.965 -0.022 -1.000
17 0.00000 0.00000 0.000 0.000 0.000 -1.000
18 0.00000 0.00000 0.000 0.000 -1.137 -1.000
M 19 -200.00000 -199.75385 -100.000 -99.877 0.246 1.000
20 0.00000 0.00000 0.000 0.000 0.870 1.000
FXY 21 -174.83857 -91.59893 -306.251 -160.447 19.795 1.571
FXY-M 22 -126.10038 -79.83868 40.136 25.412 -29.791 -1.571
FXY-M 23 -233.21748 -122.27759 -74.231 -38.920 19.418 1.571
FXY 24 -87.13352 -116.99594 0.000 0.000 16.342 1.571
25 0.00000 0.00000 0.000 0.000 0.000 1.571
26 0.00000 0.00000 0.000 0.000 0.000 1.571
27 0.00000 0.00000 0.000 0.000 6.524 1.571
M 28 -80.00000 -79.46374 25.463 25.292 -10.489 -1.571
M 29 50.00000 49.53014 15.914 15.765 21.359 1.571
M 30 -60.00000 -59.93035 19.097 19.075 -8.346 -1.571
31 20.00000 19.99258 35.032 35.019 -54.084 -1.000
32 0.00000 0.00000 0.000 0.000 -61.461 -1.000
33 0.00000 0.00000 0.000 0.000 0.000 -1.000

n hitpoint( x ,y)
8 ( 0.064, 0.000 )
9 ( 5.491, 0.000 )
10 ( 13.910, 0.000 )
11 ( 12.433, 0.000 )
12 ( 18.571, 0.000 )
13 ( 18.571, 0.000 )
14 ( 18.571, 0.000 )
15 ( 18.571, 0.000 )
16 ( 30.102, 0.000 )
17 ( 30.107, 0.000 )
18 ( 30.107, 0.000 )
19 ( 9.920, 0.000 )
20 ( 9.912, 0.000 )
21 ( 29.922, 0.000 )
22 ( 10.078, 0.000 )
23 ( 7.786, 0.000 )
24 ( -1.493, 0.000 )
25 ( -7.950, 0.000 )
26 ( -7.950, 0.000 )
27 ( -7.950, 0.000 )
28 ( -9.247, 0.000 )
29 ( 6.838, 0.000 )
30 ( -2.890, 0.000 )
31 ( -0.545, 0.000 )
32 ( 6.348, 0.000 )
33 ( 0.688, 0.000 )

local_fx( 8-33) local_fy( 8-33) 2Wx 2Wy
-9.825 -12.355 30.00 11.30
本発明の実施例１の２次元走査ミラーから射出瞳までのビーム光路図（上面図）。 本発明の実施例１の光源から射出瞳までの左眼用全系ビーム光路図（上面図、側面図）。 本発明に係る２次元走査ミラーの配置の説明図 従来の画像表示装置の説明図
符号の説明
１・・・２次元走査ミラー
２・・・左眼用の光学系
３・・・右眼用の光学系
４・・・反射拡散板
５・・・透過微小ピンホール
６・・・光源手段
７・・・コリメータレンズ
８・・・射出瞳（眼球）

Claims (9)

  1. 画像情報に基づいて光変調した光束を発振する左眼用と右眼用の光源手段と、前記左眼用と右眼用の光源手段からの光に対して共有の２次元走査ミラーと、前記２次元走査ミラーで走査される左眼用と右眼用の光束を観察者の左右の眼に導光する左眼用と右眼用の光学系とを有する画像観察装置であって、左眼用と右眼用の光源手段からの光束のうち中心画角主光線における前記２次元走査ミラーでの反射以後の中心画角主光線を含む平面は同一平面であり、基準状態での前記２次元走査ミラーと、前記左眼用と右眼用の光学系を射出した位置で左右の中心画角光線に対して垂直な面とのなす角度をθ度とするとき、
    ５° ＜ θ ＜ ８０°
    を満足することを特徴とする画像観察装置。
  2. 前記左眼用と右眼用の光学系は、前記２次元走査ミラーで２次元走査して形成される２次元像を中間結像すると共に、中間結像面の近傍に配置された拡散反射板を有することを特徴とする請求項１の画像観察装置。
  3. 前記２次元走査ミラーは、前記左眼用と右眼用の光学系の射出瞳と共役な位置に置かれていることを特徴とする請求項１又は２の画像観察装置。
  4. 前記２次元走査ミラーと前記左眼用と右眼用の光学系の射出瞳の光路間に、もうひとつの共役面が存在しており、前記光源手段からの光は前記左眼用と右眼用の光学系により、２回の中間結像をしていることを特徴とする請求項３の画像観察装置。
  5. 前記左眼用と右眼用の光学系は、光線有効エリア内に光透過を有する微小エリアと、前記微小エリア以外の光線有効エリアは反射作用のみの反射面より成る光学面を含むプリズム体を有し、前記２次元走査ミラーからの光束は、前記光学面の前記微小エリアを透過し、中間結像面に２次元像を形成し、その後に前記光学面で反射して、拡大像を形成することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項の画像観察装置。
  6. 前記２次元走査ミラーと前記微小エリアと前記左眼用と右眼用の光学系の射出瞳は互いに共役関係にあることを特徴とする請求項５の画像観察装置。
  7. 前記左眼用と右眼用の光学系は前記２次元走査ミラーからの光線に対し偏心し、かつ光線の往路と復路で反射する１面以上の反射面を含んだプリズム体を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項の画像観察装置。
  8. 前記左眼用と右眼用の光学系は、複数の非回転対称反射面を有する３面以上の面を有するプリズム体を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項の画像観察装置。
  9. 前記左眼用と右眼用の光学系は、内部全反射を２回する全反射面を含むプリズム体を有していることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項の画像観察装置。
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