JPH10239614A

JPH10239614A - 走査光学装置

Info

Publication number: JPH10239614A
Application number: JP4347197A
Authority: JP
Inventors: Akira Sato; 彰佐藤
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1997-02-27
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 1998-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】小型，軽量で、しかも描画表示の精細度が高
く、射出瞳径が大きくて見やすいヘッドマウントディス
プレイ等を実現するための、走査光学装置を提供する。【解決手段】走査ミラー１は、透明基板４上にコレステ
リック液晶３を形成した構造となっている。このコレス
テリック液晶３は、右回りの円偏光を透過し、左回りの
円偏光を反射するように構成されている。走査ミラー２
は通常の反射ミラーである。矢印Ａで示すように右回り
の円偏光が入射すると、その入射光線は走査ミラー１を
透過し、走査ミラー２で反射されて左回りの円偏光とな
る。これが走査ミラー１で左回りの状態を保ったまま反
射され、再び走査ミラー２で反射されて右回りの円偏光
となる。そして、走査ミラー１を透過して射出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヘッドマウントデ
ィスプレイ等の表示装置やレーザー走査型プロジェクタ
等に応用される走査光学装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レーザーを走査して観察者の
網膜上に画像を描画表示する、ヘッドマウントディスプ
レイが提案されている。図８に、その基本構成を示す。
同図（ａ）は走査光学系のみの平面図であり、（ｂ）は
基本構成全体の正面図である。同図に示すように、半導
体レーザー等のレーザー光源２１から出たレーザー光
は、集光レンズ２２を透過した後、それぞれ画像の水平
方向，垂直方向に走査するように配置された走査ミラー
２３，２４で反射されて中間像２６を結び、これがハー
フミラー２５，凹面鏡２７より成る接眼光学系で、遠方
に虚像を結ぶように投影され、ハーフミラー２５を透過
して観察者の眼２８へと導かれる。

【０００３】また、走査光学系の別の構成として、図９
に示すように、レーザー光源２１から出て集光レンズ２
２を通過したレーザー光が、ハーフミラー２９で反射さ
れた後、垂直方向の走査ミラー２４で反射され、さらに
水平方向の走査ミラー２３で反射されて、再び走査ミラ
ー２４で反射された後、ハーフミラー２９を透過して射
出するものも提案されている。尚、同図の矢印で示すよ
うに各走査ミラーが駆動され、それぞれ画像の水平方向
或いは垂直方向に走査する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなヘッドマ
ウントディスプレイは、観察者の頭部に装着する構成で
あるため、装置ができるだけ小型で軽量である事が要求
されるので、走査光学系も軽くて小さい事が望ましい。
また、精細度の高い描画表示を行うためには、走査線数
を多くしなくてはならず、そのため、高速な走査を行う
べく走査ミラーが高速で振動する事が要求されるので、
やはり走査光学系は軽くて小さい事が望まれる。

【０００５】しかしながら、上記図８，図９に示したよ
うな従来の構成では、レーザー光が斜め方向から走査ミ
ラーに当たる事や、水平方向，垂直方向の各走査ミラー
が互いに接触しないように、或程度の距離を保って配置
しなければならない事により、走査ミラーが大きくなる
という問題を抱えていた。また、精細度の高い描画表示
を得ようとすると、高速な走査を行うために走査ミラー
を小さくしなければならず、それに伴い走査できるレー
ザー光のビーム径が小さくなるため、接眼光学系の射出
瞳径が小さくなり、見にくくなるという欠点を有してい
た。

【０００６】本発明は、上記不具合点を解消し、走査ミ
ラーひいては走査光学系を小型，軽量にする事により、
小型，軽量で、しかも描画表示の精細度が高く、射出瞳
径が大きくて見やすいヘッドマウントディスプレイ等を
実現するための、走査光学装置を提供する事を目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、光源から射出された光束を偏向器で偏
向して被走査面上を走査する走査光学装置において、前
記偏向器は、第１方向の偏光を透過し、第２方向の偏光
を反射する第１の走査ミラーと、偏光方向に拘らず反射
を行う第２の走査ミラーとを有し、前記第１方向の偏光
である前記光束は、前記第１の走査ミラーを透過して前
記第２の走査ミラーに反射され、前記第２方向の偏光と
なって前記第１の走査ミラーに反射され、前記第２の偏
光のまま再び前記第２の走査ミラーに反射され、前記第
１方向の偏光となって前記第１の走査ミラーを透過して
射出する構成とする。

【０００８】また、前記第１の走査ミラーは、コレステ
リック液晶により構成され、そのコレステリック液晶
は、第１方向回りの円偏光を透過し、逆回りである第２
方向回りの円偏光を反射するように配向されている構成
とする。

【０００９】さらに、別の構成として、光源から射出さ
れた光束を偏向器で偏向して被走査面上を走査する走査
光学装置において、前記偏向器は、ハーフミラーである
第１の走査ミラーと、第１方向の偏光を反射し、第２方
向の偏光を透過する第２の走査ミラーとを有し、前記第
１方向の偏光である前記光束は、前記第１の走査ミラー
を略半分が透過して前記第２の走査ミラーに反射され、
前記第１方向の偏光のまま前記第１の走査ミラーに更に
略半分が反射され、前記第２方向の偏光となって前記第
２の走査ミラーを透過して射出する構成とする。

【００１０】そして、前記第２の走査ミラーは、コレス
テリック液晶により構成され、そのコレステリック液晶
は、第１方向回りの円偏光を反射し、逆回りである第２
方向回りの円偏光を透過するように配向されている構成
とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第
１の実施形態における走査光学系の基本構成を示す模式
図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は正面図で
ある。同図に示すように、矢印Ａ方向より入射した光
は、走査ミラー１を透過し、矢印Ｅ方向に駆動される走
査ミラー２で反射される事によって垂直方向に偏向され
る。そして、矢印Ｄ方向に駆動される走査ミラー１で反
射される事によって水平方向に偏向され、再び走査ミラ
ー２で反射される事によって垂直方向に偏向される。最
後に、走査ミラー１を透過し、矢印Ｂ方向に射出する。

【００１２】図２は、本発明の第２の実施形態における
走査光学系の基本構成を示す模式図であり、同図（ａ）
は平面図、同図（ｂ）は正面図である。同図に示すよう
に、矢印Ａ方向より入射した光は、走査ミラー１を透過
し、矢印Ｅ方向に駆動される走査ミラー２で反射される
事によって垂直方向に偏向される。そして、矢印Ｄ方向
に駆動される走査ミラー１で反射される事によって水平
方向に偏向され、最後に、走査ミラー２を透過し、矢印
Ｃ方向に射出する。

【００１３】このような構成において、走査ミラー１或
いは２は、上記のように必要に応じて光線を透過したり
反射したりしなくてはならないが、それを実現するため
に、本発明では、第１の方向の偏光を透過し、第２の方
向の偏光を反射するような性質のものをミラーとして使
用している。

【００１４】即ち、例えば円偏光を応用する場合、図３
に示すように、例えば左回りに配向したコレステリック
液晶２０に、その螺旋構造のピッチにほぼ等しい波長の
ランダム偏光を矢印ａのように入射させると、入射光の
選択反射効果により、左回りの円偏光は矢印ｂのように
全て反射され、右回りの円偏光は矢印ｃのように全て透
過する事になる。逆に、右回りに配向したコレステリッ
ク液晶に、その螺旋構造のピッチにほぼ等しい波長のラ
ンダム偏光を入射させると、右回りの円偏光は全て反射
され、左回りの円偏光は全て透過する事になる。本発明
では、この原理を応用する。

【００１５】図１，図２で示したような構成により、走
査ミラー１と走査ミラー２とを、走査駆動時の各々の駆
動領域を保ちながら、ほぼ平行に近接して配置する事が
可能となるので、反射面及び設置スペースを小さくする
事ができる。また、第２の実施形態においては、入射光
線が同一光路をたどって反射されないので、入射光と射
出光を分離するためのビームスプリッタ等の光路分割手
段が不要であり、装置の小型化，軽量化等に関して有効
である。これらの詳しい構成を以下に示す。

【００１６】図４は、本発明の第１の実施形態における
走査光学系の作用の詳細を示す模式図である。同図にお
いて、走査ミラー１は、透明基板４上にコレステリック
液晶３を形成した構造となっている。このコレステリッ
ク液晶３は、右回りの円偏光を透過し、左回りの円偏光
を反射するように構成されている。走査ミラー２は通常
の反射ミラーであり偏光方向に拘らず反射を行う。い
ま、同図の矢印Ａで示すように右回りの円偏光が入射す
ると、その入射光線は走査ミラー１を透過し、走査ミラ
ー２で反射されて左回りの円偏光となる。これが走査ミ
ラー１で左回りの状態を保ったまま反射され、再び走査
ミラー２で反射されて右回りの円偏光となる。そして、
走査ミラー１を透過して射出する。

【００１７】ここで、図５に示すように、走査ミラー１
と走査ミラー２を、それぞれ矢印Ｄ，矢印Ｅで表す如
く、互いに直交する軸周りに振動させる事により、矢印
Ａのように入射した光線が矢印Ｂのように射出するまで
に、２方向に偏向させる事ができる。このとき、図４に
示すように、入射光線は、走査ミラー２により、その振
動角θの４倍の角度で偏向される。また、図示しない
が、同じく入射光線は、走査ミラー１により、その振動
角の２倍の角度で偏向される（図１（ａ）参照）。

【００１８】尚、円偏光の回転方向については、本実施
形態におけるものとは逆に、走査ミラー１が左回りの円
偏光を透過して右周りの円偏光を反射するように構成
し、入射光線を左回りの円偏光とする事によっても同様
の機能が得られる。

【００１９】図６は、本発明の第２の実施形態における
走査光学系の作用の詳細を示す模式図である。同図にお
いて、走査ミラー２は、透明基板４上にコレステリック
液晶３を形成した構造となっている。このコレステリッ
ク液晶３は、右回りの円偏光を反射し、左回りの円偏光
を透過するように構成されている。走査ミラー１はハー
フミラーである。いま、同図の矢印Ａで示すように右回
りの円偏光が入射すると、その入射光線は走査ミラー１
を透過し、走査ミラー２で右回りの状態を保ったまま反
射される。これが走査ミラー１で反射されて左回りの円
偏光となる。そして、走査ミラー２を透過して射出す
る。

【００２０】ここで、第１の実施形態と同様に、走査ミ
ラー１と走査ミラー２を、それぞれ互いに直交する軸周
りに振動させる事により、入射光線を２方向に偏向させ
る事ができる。このとき、図６に示すように、入射光線
は、走査ミラー２により、その振動角θの２倍の角度で
偏向される。また、図示しないが、同じく入射光線は、
走査ミラー１により、その振動角の２倍の角度で偏向さ
れる（図２（ａ）参照）。

【００２１】尚、円偏光の回転方向については、本実施
形態におけるものとは逆に、走査ミラー２が左回りの円
偏光を反射して右周りの円偏光を透過するように構成
し、入射光線を左回りの円偏光とする事によっても同様
の機能が得られる。

【００２２】図７に、本発明を用いたヘッドマウントデ
ィスプレイの基本構成を示す。同図において、レーザー
光源７から出た光は、集光レンズ８を透過して収束光と
なり、四分の一波長板９によって例えば右回りの円偏光
に変換される。引き続きハーフミラー１０を通過し、走
査ミラー１へ入射する。走査ミラー１は、透明基板上に
コレステリック液晶を形成した構造となっており、この
コレステリック液晶は、右回りの円偏光を透過し、左回
りの円偏光を反射するように構成されているので、右回
りの円偏光である入射光線は全て透過し、走査ミラー２
へ入射する。

【００２３】走査ミラー２は、通常の反射ミラーである
ので、入射光線は全て反射されて左回りの円偏光とな
る。これが走査ミラー１で左回りの状態を保ったまま反
射され、再び走査ミラー２で反射されて右回りの円偏光
となる。そして、走査ミラー１を透過して射出する。こ
れらの過程において、入射光線は、走査ミラー２によ
り、その振動角の４倍の角度で紙面に垂直方向（観察者
から見て水平方向）に偏向される。また、走査ミラー１
により、その振動角の２倍の角度で紙面の上下方向に偏
向される。

【００２４】上記走査ミラー１を透過して射出した光線
は、ハーフミラー１０で反射され、更にハーフミラー１
１で反射されて凹面鏡１２へと向かい、これにより遠方
へ虚像を結ぶように反射され、ハーフミラー１１を透過
して観察者の眼１３へと導かれる。尚、円偏光の回転方
向については、本構成におけるものとは逆に、走査ミラ
ー１が左回りの円偏光を透過して右周りの円偏光を反射
するように構成し、入射光線を左回りの円偏光とする事
によっても同様の機能が得られる。

【００２５】この構成において、走査ミラー１は、３０
Ｈｚで振動する共振ミラーから成り、片側５度の角度で
振動する事により、観察者から見て上下方向に２０度の
視野角を得られるように設定される。また、走査ミラー
２は、１５ｋＨｚで振動する共振ミラーから成り、片側
４度の角度で振動する事により、観察者から見て水平方
向（左右方向）に３２度の視野角を得られるように設定
される。走査ミラー２の振動周波数は、走査ミラー１の
振動周波数の整数倍となるように構成され、本実施形態
においては５００倍に設定されており、最高５００本の
水平ラインを描画表示する事ができる。

【００２６】以上の構成において、走査ミラー１と走査
ミラー２とはほぼ平行に配置され、レーザー光源７から
の光線は、それらにほぼ垂直に入射するように配置され
ており、ビーム径に対して小さい走査光学系を実現して
いる。また、それにより、小型で射出瞳径が大きいヘッ
ドマウントディスプレイを実現している。尚、本発明
は、レーザー走査型プロジェクタ等にも応用する事がで
きる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
小型，軽量で、しかも描画表示の精細度が高く、射出瞳
径が大きくて見やすいヘッドマウントディスプレイ等を
実現するための、走査光学装置を提供する事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態における走査光学系の基本構成
を示す模式図。

【図２】第２の実施形態における走査光学系の基本構成
を示す模式図。

【図３】コレステリック液晶の選択反射効果の説明図。

【図４】第１の実施形態における走査光学系の作用の詳
細を示す模式図。

【図５】走査ミラーの駆動の様子を示す模式図。

【図６】第２の実施形態における走査光学系の作用の詳
細を示す模式図。

【図７】本発明を用いたヘッドマウントディスプレイの
基本構成を示す図。

【図８】従来のヘッドマウントディスプレイの基本構成
を示す図。

【図９】その走査光学系の別の構成を示す図。

【符号の説明】

１，２走査ミラー４透明基板３，２０コレステリック液晶７レーザー光源８集光レンズ９四分の一波長板１０，１１ハーフミラー１２凹面鏡１３眼

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源から射出された光束を偏向器で偏向
して被走査面上を走査する走査光学装置において、前記偏向器は、第１方向の偏光を透過し、第２方向の偏
光を反射する第１の走査ミラーと、偏光方向に拘らず反
射を行う第２の走査ミラーとを有し、前記第１方向の偏光である前記光束は、前記第１の走査
ミラーを透過して前記第２の走査ミラーに反射され、前
記第２方向の偏光となって前記第１の走査ミラーに反射
され、前記第２の偏光のまま再び前記第２の走査ミラー
に反射され、前記第１方向の偏光となって前記第１の走
査ミラーを透過して射出する事を特徴とする走査光学装
置。
【請求項２】前記第１の走査ミラーは、コレステリッ
ク液晶により構成され、該コレステリック液晶は、第１
方向回りの円偏光を透過し、逆回りである第２方向回り
の円偏光を反射するように配向されている事を特徴とす
る請求項１に記載の走査光学装置。
【請求項３】光源から射出された光束を偏向器で偏向
して被走査面上を走査する走査光学装置において、前記偏向器は、ハーフミラーである第１の走査ミラー
と、第１方向の偏光を反射し、第２方向の偏光を透過す
る第２の走査ミラーとを有し、前記第１方向の偏光である前記光束は、前記第１の走査
ミラーを略半分が透過して前記第２の走査ミラーに反射
され、前記第１方向の偏光のまま前記第１の走査ミラー
に更に略半分が反射され、前記第２方向の偏光となって
前記第２の走査ミラーを透過して射出する事を特徴とす
る走査光学装置。
【請求項４】前記第２の走査ミラーは、コレステリッ
ク液晶により構成され、該コレステリック液晶は、第１
方向回りの円偏光を反射し、逆回りである第２方向回り
の円偏光を透過するように配向されている事を特徴とす
る請求項３に記載の走査光学装置。