JP4681825B2

JP4681825B2 - 走査型表示光学系

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Inventors: 亮山本; 尚郷谷口; 秀一小林
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Description

本発明は、光束を走査することにより画像を形成する走査型表示光学系に関し、特にデジタルスチルカメラ、ビデオカメラ等の撮像装置に搭載される電子ビューファインダや、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置に好適な光学系に関するものである。

上記のような画像表示装置において、光源から出射した光束を２次元方向に走査し、観察者の網膜上に直接画像を形成する網膜直接描画型の装置が提案されている。例えば、特許文献１で開示されている網膜走査型ディスプレイでは、２次元方向に走査した光束を１次結像面上に結像させ、さらに接眼光学系を通して観察者の網膜上に２次元画像を形成する。しかし、該装置では、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の小さなものとなる。

このような小さな射出瞳径を拡大する方法として、特許文献２には、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光拡散手段を配置し、これを透過させることにより光束の広がり角を拡大する方法が開示されている。

また、特許文献３や特許文献４にて提案の光学系では、回転非対称な面を備えた、屈折率ｎが１以上の材質で作られたプリズム部材を用いている。プリズム部材を用いることで、光路を折り畳んで光学系を小型化しつつ、光路長を実際の透過距離のｎ倍（ｎ＞１）として光路長を長く確保することが可能になる。しかし、これらの光学系では、中間結像面がプリズムの内部に存在するため、特許文献２にて開示されている光拡散手段は利用できない。

また、特許文献５では、走査された光を走査面上に結像させる光学系として、屈折率が１より大きい媒質で満たされたプリズムを用いた光学系が提案されている。この光学系では、走査面に配置された拡散板としての接眼光学系を通して、該走査面に結像した画像を観察する。
米国特許５，４６７，１０４号米国特許５，７０１，１３２号特開２００１−４９５５号公報（段落０２３９〜０２４１，図２０等）特開２００１−１９４６１７号公報（段落００８７〜０１０４，図２等）特開２００４−４５４９６号公報（段落００８７〜０１０４，図２等）

走査された光ビームを中間結像面に結像させる光学系としては、レンズを組み合わせる方法や特許文献５に示すようなプリズム部材を用いることができる。しかしながら、異なる分散を持つ媒質に光が入射した場合、色収差が発生し、画像の画質を低下させる。この光学系で色収差を補正しようとすると、更なる補正光学系が必要となり、光学系全体が大きくなってしまう。

また、走査手段に対して光源からのビームが大きな角度で入射した場合、走査面に結像した画像には所謂走査歪みが生じる。

また、観察者の網膜上に2次元画像を形成するには、走査面の後に、観察者の瞳と射出瞳とを略一致させるための接眼光学系が必要となる。接眼光学系を、該接眼光学系の光軸方向に移動させることで、観察者にとって観察しやすい視度に調整することが可能になる。しかしながら、走査面に入射する光束が、走査面に対して垂直な方向に対して大きく外れた方向から入射した場合、接眼光学系の移動により観察像の大きさが変化してしまう。

さらに、光源として１つの光源もしくは複数の光源からの光束を1本のビームにまとめるビーム合成系を持つ場合、光源からの光束をビーム化する光源光学系としては、回転対称の光学系を用いることが精度の面から望ましい。しかしながら、複数の光源が直線状もしくは平面状に並び、各光源からの光束をそれぞれビーム化して走査手段に入射させる場合、すべての光源に対して所望の性能を持ち、かつ小型な光源光学系を回転対称の光学部材だけで構成するのは難しい。

本発明は、小型で、従来に比べて高画質の画像を表示することが可能であり、さらに複数の光源を用いる場合にも適用が容易な走査型表示光学系を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、１つの観点としての本発明の走査型表示光学系は、（１又は複数の）光源と、光源からの光束を集光する第１の光学系と、該第１の光学系からの光束を走査する走査手段と、該走査手段により走査された光束を走査面上又はその近傍に結像させる第２の光学系とを有し、前記走査手段の中心から前記第２の光学系を介して前記走査面の中心に至る光線が辿る光路を光軸とするとき、該光軸は交差しており、前記第２の光学系は２枚の反射鏡からなり、かつ前記２枚の反射鏡はいずれも正の光学的パワーを有し、前記第１の光学系からの光束が、前記２枚の反射鏡の間を通って前記走査手段に入射することを特徴とする。

また、他の観点としての本発明の走査型表示光学系は、（１又は複数の）光源と、該光源からの光束を集光する第１の光学系と、該第１の光学系からの光束を走査する走査手段と、該走査手段により走査された光束を走査面上又はその近傍に結像させる第２の光学系とを有し、前記走査手段の中心から前記第２の光学系を介して前記走査面の中心に至る光線が辿る光路を光軸とするとき、該光軸は交差しており、前記第２の光学系は、２枚の反射鏡からなり、かつ前記第１の光学系は、入射面、射出面および２つの反射面を有し、これらの面で囲まれた領域は屈折率が１より大きい媒質で満たされており、前記第１の光学系からの光束が、前記２枚の反射鏡の間を通って前記走査手段に入射することを特徴とする。

第２の光学系を反射鏡のみで構成することで、レンズやプリズム部材など異なる媒質へ光束が入射することなく、色収差の生じない光学系を実現できる。また、２枚の反射鏡の光学的パワーをいずれも正とすることで、走査面に入射する光束に略テレセントリック性を持たせると共に、第２の光学系に必要な光学的パワーを２枚の反射鏡に分散させ、収差を低減させることができる。さらに、走査手段から走査面までの間で光軸が交差することで、表面反射鏡に対する光線の入射角を小さくできるため、収差の発生を抑えることができる。

この結果、より小型で、高画質の画像を表示可能な走査型表示光学系およびこれらを備えた画像表示装置、撮像装置等を実現することができる。

なお、第１の光学系をいわゆるプリズム体とすることで、該第１の光学系の光路を折り畳み、さらなる小型化を図ることができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である画像表示装置における走査型表示光学系の垂直断面における構成を示している。また、後述する数値例１には、本実施例の具体的数値例を示している。

図１中、光源１０１は、レーザーダイオード（ＬＤ）、ＬＥＤ素子、有機ＥＬ素子等により構成され、画像信号が入力された変調回路１５０によって発光強度が変調される。入力される画像信号としては、撮影光学系により形成された被写体像を光電変換する撮像素子（光電変換素子）の出力から生成された撮像信号やパーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオデッキ等の画像情報供給装置から入力された映像信号等がある。これは、他の実施例でも同様である。

光源１０１から射出した光束（発散光束）１０２は、光源光学系（第１の光学系）１０３によって集光、すなわちコリメートされて略平行ビーム化され、該光源光学系１０３の最終面であるミラー１１０で反射した後、走査デバイス１０４に入射する。光源光学系１０３は、複数の屈折面により構成されており、図中には、各屈折面と後述する数値例２中の各面との対応関係を示すための符号を付している。

走査デバイス１０４によって、ビーム化された光束１０２は２次元方向に走査され、走査光学系（第２の光学系）１０５に入射する。走査光学系１０５は２枚の正の光学的パワー（光学的パワー＝焦点距離の逆数）を持つ表面反射鏡１０５ａ，１０５ｂにより構成されている。

走査光学系１０５に入射した光束は、走査デバイス側から光束１０２が進む順に配置された表面反射鏡１０５ａ，１０５ｂによって反射され、走査面１０６上又はその近傍に結像してスポット１０７を形成する。

走査デバイス１０４により光束１０２が走査されることにより、スポット１０７が走査面上を２次元方向に移動し、光源１０１の強度変調に合わせて走査面１０６上に２次元の画像が形成される。

本実施例における走査型表示光学系による画像生成について図２（ａ），（ｂ）を用いて説明する。図２（ａ），（ｂ）は、走査面１０６上でのスポット１０７の動きを示す。スポット１０７は、走査面１０６上で横方向に高速に、縦方向に低速で走査されるラスタスキャンにより２次元画像を生成する。このとき、スポット１０７は、図２（ａ）において左から右に走査（往路走査２０１)されるだけでなく、右から左に走査（復路走査２０２)されながら、すなわち往復走査されながら、画像を形成する。往復走査をする場合、右から左へ描画するラインと、左から右へ描画するラインにおいて、その描画開始位置がずれてしまうと、図２（ｂ）に示すように、往路走査２０１の画像と復路走査２０２の画像がずれてしまう。

これを解決するために、本実施例では光検出器１０８を配置し、スポット１０７がある特定の位置を通るときのタイミングを検出し、往復の画像のずれが生じないようにしている。

図１において、光検出器１０８には、表面反射鏡１０５ａから走査面１０６に向かう光束の一部が不図示のミラーによって図の紙面の手前側に引き出されて入射する。光検出器１０８を走査面１０６と光学的に同じ位置に配置することで、集光されたスポットが光検出器１０８に入射することになり、光検出器１０８の分解能を向上させることができる。

ここで、本実施例は以下の特徴を有する。

Ｉ．走査光学系１０５を、光学透過面を持たない表面反射鏡のみで構成している。これにより、走査光学系１０５において色収差が発生しないため、プリズム部材などの光学透過面をもつ光学部材を用いる場合に比べて、より高品質な画像を提供できる。

II．２枚の表面反射鏡１０５ａ，１０５ｂは回転対称軸を持たない、回転非対称面で構成される。回転非対称面を用いることで、反射鏡を光束に対して斜めに配置することにより発生する偏心収差を抑えることが可能になる。

III．２枚の反射鏡１０５ａ，１０５ｂの間の空間を利用して、光源光学系１０３からの光束１０２が走査デバイス１０４に入射する。これにより、走査デバイス１０４への光束１０２の入射角を１０度程度に小さく設定することができ、走査デバイス１０４に光束１０２が斜めに入射することで発生する走査歪みを小さくすることができる。

IV．２枚の表面反射鏡１０５ａ，１０５ｂの位置に関して、走査デバイス１０４の中心（光束を走査する偏向面の中心）を通り、走査面１０６の中心１０７に至る光線（基準光線）の辿る光路を基準光軸ＡＸＬと定義し、該基準光軸ＡＸＬ上における走査デバイス１０４から反射鏡１０５ａまでの距離をＬ１とし、基準光軸ＡＸＬ上における反射鏡１０５ｂから走査面１０６までの距離Ｌ２とするとき、
０．６＜Ｌ１／Ｌ２＜１．５ …（１）
なる条件を満たすのが好ましい。

ここで、条件式（１）は、基準光軸ＡＸＬ上における面間距離の比を規定している。上記条件の下限を下回ると、走査面１０６に対して垂直な方向の長さが大きくなってしまい、光学系全体が大型化する。さらに、下限を下回る場合、２つの反射面間にある主平面の位置が大きく片側に寄ることになり、結果として一方の反射面のパワーだけが強くなることになり、偏心収差の補正が困難になる。また上記条件の上限を上回ると、表面反射鏡１０５ｂから走査面１０６までの距離が相対的に小さくなり、光路に対して表面反射鏡１０５ｂや走査デバイス１０４が物理的に干渉してしまう。

本実施例（数値例１）では、
Ｌ１／Ｌ２＝１．２１
であり、条件式（１）を満たし、Ｌ１の方がＬ２よりも長い。

Ｖ．走査デバイス１０４から走査面１０６に至る基準光軸ＡＸＬが、一回交差している。具体的には、基準光軸ＡＸＬのうち走査デバイス１０４から表面反射鏡１０５ａに至る部分と、表面反射面１０５ｂから走査面１０６に至る部分とが交差している。このように基準光軸ＡＸＬが交差することで、表面反射鏡１０５ａ，１０５ｂに対する光束の入射角を小さくできるため、表面反射鏡１０５ａ，１０５ｂで反射する際の収差の発生を抑えることができる。

VI．２枚の反射鏡１０５ａ，１０５ｂのうち少なくとも１枚は、基準光軸ＡＸＬに対して偏心している。走査光学系１０５において、表面反射鏡１０５ａ，１０５ｂが偏心している面をＹＺ面、偏心していない面をＸＺ面と定義し、走査デバイス側の表面反射鏡１０５ａの該基準光軸ＡＸＬ上におけるＸＺ面内の局所曲率半径をφ_Ｍ１、ＹＺ面内の局所曲率半径をρ_Ｍ１、走査面側の表面反射鏡１０５ｂの該基準光軸ＡＸＬ上おけるＸＺ面内の局所曲率半径をφ_Ｍ２、ＹＺ面内の局所曲率半径をρ_Ｍ２とするとき、
これら表面反射鏡１０５ａ，１０５ｂの曲率半径比φ_Ｍ１／φ_Ｍ２およびρ_Ｍ１／ρ_Ｍ２は、
０．８＜φ_M1／φ_M2＜３ …（２）
０．８＜ρ_M1／ρ_M2＜３ …（３）
を満たすようにすることが好ましい。

条件式（２），（３）の上限値を上回ると、偏心収差の補正が十分でなくなる。また、これらの条件式の下限を下回ると、走査面１０６に対する光束の入射角が大きくなり、略テレセントリック性を保てなくなる。

本実施例（数値例１）では、
φ_Ｍ１／φ_Ｍ２＝１．９１
ρ_Ｍ１／ρ_Ｍ２＝２．２４
となり、条件式（２），（３）を満たす。

このように正の光学的パワーを持つ２枚の反射鏡を用いることで、走査光学系１０５を略テレセントリックな光学系とすることができる。つまり、走査面１０６に入射する光束を略平行光束とすることができる。該走査光学系１０５に略テレセントリック性を持たせることで、走査面１０６の後（すなわち、走査面１０６を挟んで走査光学系１０５とは反対側）に、図１中には示していない接眼光学系、すなわち走査面１０６からの光束を観察者の眼に向かわせる光学系を配置し、その接眼光学系を該接眼光学系の光軸方向に移動させて視度調節を行う際の画像の大きさ変化を小さくできる。また、ディストーションの変化も小さく抑えることが可能になる。さらに、２つの反射鏡の光学的パワーが近い光学系となることにより、走査光学系１０５において必要な光学的パワーを分散させ、収差の発生を抑えることができる。

以上説明した特徴Ｉ〜VIは、後述する他の実施例においても同様である。

また、本実施例においては、１つの光源しか示していないが、光源としては単色の光源だけでなく、赤、緑、青の光を独立に発する光源からの光をダイクロイックプリズム等、異なる波長の光を合成する素子を設け、赤、青、緑など異なる波長を発する複数の光源からの光束を１つに合成して走査デバイス１０４に入射させ、かつ各色の光源を画像信号に応じて変調することで、カラー画像を観察者に提供することも可能である。なお、本実施例背は画像信号に対する変調手段を光源の強度変調と記したが、光源のパルス幅変調(Pulse Width Modulation：ＰＷＭ)や外部変調器を用いた方法でももちろん構わない。

また、本実施例では、走査デバイス１０４として１つのデバイスで２次元方向への走査が可能なものを用いている。このような走査デバイス１０４としては、例えば図３に示すものがある。

図３は、半導体プロセス技術により作成された、ＭＥＭＳ（Micro-Eelectro Mechanical System）デバイス３０１を示している。該デバイス３０１は、反射面としての偏向面を持つ微小ミラー３０２がトーションバー３０３，３０４で支持された構造を持つ。微小ミラー３０２は、トーションバー３０３がねじれることで軸３０５を略中心とした往復運動を、さらにトーションバー３０４がねじれることで軸３０６を略中心とした往復運動を行う。該往復運動は、不図示の駆動回路によって少なくとも1軸は共振運動とされる。

この往復運動により、偏向面３０２の法線方向が２次元的に変化し、微小ミラー３０２に入射した光束を反射し、２次元方向に走査することが可能となる。他の実施例においても、このＭＥＭＳデバイス３０１を走査デバイスとして用いている。

このようなＭＥＭＳデバイスを用いることで、走査デバイス１０４を小型化することが可能になる。もちろん、走査デバイス１０４として、１次元の回転多面鏡を組み合わせたものや、互いに走査方向が直交する１次元のＭＥＭＳ走査デバイスを２つ組み合わせたものなど、他の走査デバイスを用いることもできる。

なお、共振デバイスによる走査速度の変化に起因する画像むらなどの画像の歪みは、光源１０１の変調に対して電気的な補正を行うことにより除去する。これ以降の実施例においても、共振デバイスによる画像の歪みはそのような電気的な補正により除去する。

本実施例のように、走査デバイスにより走査されたビームを、２枚の反射鏡からなる走査光学系により走査面上又はその近傍に結像させることで、光路を折り畳み、小型で、かつ高画質の画像を表示可能な画像表示装置を実現できる。

図４には、本発明の実施例２である走査型表示光学系の垂直断面における構成を示している。なお、本実施例において、実施例１と共通する機能を有する構成要素には、実施例１と同じ符号を付して説明に代える。

本実施例では、光源４０１として発光点が、走査面での走査方向に直交する方向における画素数と同じ数並んだ、１次元配列型の光源を用いる。該光源４０１は、図５に示すように、低出力のレーザーダイオード（ＬＤ）が直線状に配列されたバーアレイ光源である。ＬＤ５０１が水平方向の画素数、例えばＳＶＧＡ（８００×６００画素）の解像度を持つ画像を描く場合には８００個のＬＤが直線状に配置されて光源４０１を形成する。

これら複数のＬＤ５０１から射出した光束（発散光束）１０２は、光源光学系４０３によりそれぞれ集光（コリメート）されて略平行ビーム化され、該光源光学系１０３の最終面であるミラー１１０で反射した後、走査デバイス４０４上に瞳を形成する。図中、光源光学系４０３を構成する各屈折面には、後述する数値例２の各面との対応関係を示すための符号を付している。

走査デバイス４０４は、１次元方向（図４の紙面内方向）にのみ光束１０２の走査を行う。走査デバイス４０４が１次元走査を行うことで、走査面１０６上に水平方向に延びるスポット１０７の列が描画される。このスポット１０７の位置に合わせて光源４０１内のＬＤ５０１を各々変調することで、走査面１０６上に２次元画像を形成することができる。

なお、本実施例では、描画される画像の解像度としてＳＶＧＡを例としたが、描画する画像の解像度はこれに限られるものではなく、例えばＶＧＡ（６４０×４８０画素）やＸＧＡ（１０２４×７６８画素）など、４：３のアスペクト比を持つ画像や、ＨＤＴＶ等の解像度である１９２０ｘ１０８０画素などの１６：９のアスペクト比を持つ画像など、様様な解像度やアスペクト比の画像を表示することができる。

また、図５では、光源としてＬＤを用いているが、その他、微小発光点を持つ発光ダイオード（ＬＥＤ）や有機ＥＬ素子などの光源も利用可能である。

また、本実施例では、図５に示した光源を単色光源アレイとして説明したが、各画素に対応するように射出する光の波長が異なる複数色の光源を配置することで、カラー画像を描くこともできる。

なお、本実施例では、走査デバイス４０４は１次元方向の走査のみを行うため、実施例１のような２次元方向の走査を行う走査デバイスは必要としない。このため、例えば、図６に示すような、偏向面６０１をトーションバー６０２のねじれによって往復運動させ、１次元走査のみを行うＭＥＭＳ走査デバイスやガルバノメータのような走査デバイスを用いることができる。

図７には、本発明の実施例３である走査型表示光学系の垂直断面における構成を示している。本実施例は、実施例２において説明した表示光学系に、走査面１０６を挟んで走査光学系１０５とは反対側に接眼光学系７０１を配置した例である。図中、接眼光学系７０１を構成する各屈折面には、後述する数値例３中の各面との対応関係を示すための符号を付している。

観察者は、接眼光学系７０１の射出瞳７０２の近傍に眼（瞳）を置くことにより、走査面１０６上に形成された空中像を虚像として拡大観察することができる。

本実施例のような表示光学系では、光学系の大きさの制限から、走査デバイス１０４として微小なミラーを利用することが一般的である。しかし、微小ミラーを用いた場合、走査されるビームの径が細くなり、結果として射出瞳径も小さくなってしまう。これにより、観察者が射出瞳の位置に眼（瞳）を合わせるのが困難になる。そこで、図示はしないが、走査面１０６上又はその近傍に、入射光束の収束角に対して、射出光束の発散角が大きくなるような光拡散作用を有した光学部材を配置し、射出瞳の径を拡大して画像観察を容易に行えるようにすることもできる。

このように、走査面１０６の後方（観察者の眼側）に接眼光学系７０１を配置することで、走査面１０６上に空中像として描画された２次元画像を拡大観察することが可能になる。

図８には、本発明の実施例４である走査型表示光学系の垂直断面の構成を示している。本実施例は、光源光学系を除いて実施例１と同様の構成を有し、実施例１と共通する機能を有する構成要素には実施例１と同符号を付して説明に代える。

本実施例の光源光学系８０３は、光源８０１を射出した光束が通過する順に、入射面８０３ａ、第１反射面８０３ｂ、第２反射面８０３ｃおよび射出面８０３ｄの４つの光学面を持ち、これら光学面によって囲まれた領域が、屈折率が１より大きい媒質により満たされたプリズム部材（透明体）により構成されている。また、光源８０１と光源光学系８０３との間には、光源８０１からの光束１０２を光源光学系８０３の入射面８０３ａに導くミラー８０４が配置されている。このミラー８０４によって、光源８０１から光源光学系８０３に至る光路を折り曲げて、光源８０１から光源光学系８０３までの系をコンパクトにまとめることができる。

光源光学系８０３（プリズム部材）の入射面８０３ａは、光源１０１に対してコンセントリックな曲率半径を持ち、射出面８０３ｄは平面である。また、第１反射面８０３ｂと第２反射面８０３ｃは、該光源光学系８０３内で主たる光学的パワーを持つ。入射面８０３ａおよび反射面８０３ｂ，８０３ｃの光学的パワーにより、光源８０１からの光束１０２が集光（コリメート）され、略平行ビームとして走査デバイス１０４に入射する。

第１反射面８０３ｂには、ＸＹ断面とＸＺ断面で曲率の異なるアナモルフィック面を用いて、入射光束に対して斜めに光学面を配置することによって発生する偏心収差の補正を行っている。

図８において、光源８０１は単一光源となっているが、光源８０１と光源光学系８０３との間に、ダイクロイックプリズム等、異なる波長の光束を合成する素子を設け、赤、青、緑など異なる波長を発する複数の光源からの光束を１つに合成して走査デバイス１０４に入射させることで、カラー画像を得ることもできる。

このように、光源光学系としてプリズム部材を用いることで、光源光学系の光路を折り畳み、小型化することが可能である。

ここで、光源光学系８０３における２つの反射面８０３ｂ，８０３ｃのうち少なくとも１つを、回転対称軸を持たない回転非対称面とすることで、光路を折り畳むことで発生する偏心収差の発生を低減することができる。

さらに、光源光学系８０３を単一のプリズム部材で構成することにより、２つの反射面に対する部品点数の削減を図ることができ、２つの反射面の配置を含めて組み立てが容易になる。

図９には、本発明の実施例５である走査型表示光学系の垂直断面の構成を示している。本実施例は、実施例４の変形例であり、光源と光源光学系との間には、ミラーが配置されていない。

光源光学系９０３は、実施例４と同様に、光源９０１を射出した光束９０２が通過する順に、入射面９０３ａ、第１反射面９０３ｂ、第２反射面９０３ｃおよび射出面９０３ｄの４つの光学面を持ち、これら光学面で囲まれた領域が、屈折率が１より大きい媒質により満たされたプリズム部材により構成されている。また、本実施例でも、第１反射面９０３ｂと第２反射面９０３ｃが主たる光学的パワーを持つ。但し、本実施例では、プリズム部材の４面全てが回転対称軸を持たない回転非対称面である。これにより、光束９０２に対して斜めに光学面が配置されることで生じる偏心収差を補正している。

図９において、光源９０１は、実施例１にて説明した変調回路によって強度変調される。光源９０１から射出した光束９０２は、光源光学系９０３により集光（コリメート）されて略平行ビーム化され、走査デバイス９０４に入射する。走査デバイス９０４に入射した光束９０２は２次元方向に走査され、走査光学系９０５に導かれる。

走査光学系９０５は、２枚の正の光学的パワーを持った表面反射鏡９０５ａ，９０５ｂで構成されている。走査光学系９０５に導かれた光束９０２は、走査デバイス側から表面反射鏡９０５ａ，９０５ｂの順で反射され、走査面９０６上又はその近傍に結像してスポット９０７を形成する。

走査デバイス９０４によって光束９０２が走査されることにより、スポット９０７が走査面１０６上を２次元方向に移動し、光源９０１の変調に応じて走査面９０６上に２次元の画像を形成する。なお、９０８は実施例１にて説明したのと同様の光検出器である。

ここで、表面反射鏡９０５ａ，９０５ｂはいずれも回転対称軸を持たない回転非対称面であり、いずれも正の光学的パワーを持っている。これにより、入射光束に対して表面反射鏡を斜めに配置することにより発生する偏心収差を補正している。

また、本実施例において、２枚の表面反射鏡９０５ａ，９０５ｂの位置に関して、
Ｌ１＝２０．５４，Ｌ２＝１７．１３
すなわち、
Ｌ１／Ｌ２＝１．２０
であり、上記条件式（１）を満たし、Ｌ１の方がＬ２よりも長い。

走査デバイス側の表面反射鏡９０５ａの基準光軸ＡＸＬ上におけるＸＺ面内の局所曲率半径をφ_Ｍ１、ＹＺ面内の局所曲率半径をρ_Ｍ１とし、走査面９０６側の表面反射鏡９０５ｂの基準光軸ＡＸＬ上におけるＸＺ面内の局所曲率半径をφ_Ｍ２、ＹＺ面内の局所曲率半径をρ_Ｍ２としたとき、２つの表面反射鏡９０５ａ，９０５ｂの曲率半径比φ_Ｍ１／φ_Ｍ２およびρ_Ｍ１／ρ_Ｍ２は、
φ_Ｍ１／φ_Ｍ２＝１．３８
ρ_Ｍ１／ρ_Ｍ２＝１．３１
となり、上記条件式（２），（３）を満たす。
２枚の反射鏡９０５ａ，９０５ｂの間の空間を利用して、光源光学系９０３からの光束９０２が走査デバイス９０４に入射する。これにより、走査デバイス９０４への光束９０２の入射角を１１．６度と小さく設定することができ、走査デバイス９０４に光束９０２が斜めに入射することで発生する走査歪みを小さくすることができる。

このように正の光学的パワーを持つ２枚の反射鏡を用いることで、走査光学系９０５を略テレセントリックな光学系とすることができる。該走査光学系９０５に略テレセントリック性を持たせることで、走査面９０６の後に、図には示していない接眼光学系を配置して、その接眼光学系を該接眼光学系の光軸方向に移動させて視度調節を行う際の画像の大きさ変化を小さくできる。またディストーションの変化も小さく抑えることが可能になる。さらに、２つの反射鏡の光学域パワーが近い光学系となることにより、走査光学系９０５に必要な光学的パワーを分散させ、収差の発生を抑えることもできる。

また、本実施例では、光源９０１として発光点が離散的に配置されたアレイ光源素子を使用している。発光点を複数持った光源による走査画像の生成については、例えば米国特許６，３６２，９１２にて述べられている。

図１８には、上記米国特許における実施例を示す。該実施例では、２本又は４本のファイバの端部から射出した光を走査し、走査面上でそれぞれの描画領域を繋ぎあわせて１つの走査画像を生成する手法を開示している。

図１８において、光源として２つのファイバ端４１０４，４１０６があり、各発光点から射出した光束は走査デバイス４１１０によって走査され、像面上の２つのエリア４１１２，４１２２に画像を形成する。

２つのエリアの継ぎ目４１１８の部分は、上記米国特許の明細書の２５段４７行目にあるように、画像データを電気的に補正し、継ぎ目が認識できないようにする。この実施例におけるアレイ光源素子およびそれを用いた場合の描画方法を、図１０を用いて説明する。

本実施例では、アレイ光源素子として発光点が３つある場合を示す。また、説明を簡単にするため、図１０では、光源から射出した光束の主光線のみを描くこととする。また、光源光学系９０３と走査光学系９０５についても、１つの光学素子として表記する。

３つの発光点１００１ａ〜１００１ｃから射出した光束は、光源光学系９０３により略平行ビーム化され、走査デバイス９０４上に瞳を結像する。この結像したビームは走査デバイス９０４によって２次元方向に走査され、走査光学系９０５により走査面９０６上に結像される。

このとき、走査面９０６上において発光点１００１ａ〜１００１ｃに対応するスポット１００２ａ〜１００２ｃは、走査デバイス９０４の走査によりそれぞれエリア１００３ａ〜１００３ｃの範囲で移動する。これによりできる３つの短冊状の画像を繋ぎ合せることで、１つの画面１００４の範囲に２次元画像を生成する。短冊状の画像の繋ぎ合わせに関しては、繋ぎ目が見えないように電気的な補正を行う。

本実施例では、発光点の数を３つとしたが、発光点の数は３つに限らず、任意に選ぶことができる。例えば、発光点の数と描画する画像の水平解像度とを一致させた場合、実施例２で説明したような１次元走査による描画と等しくなる。

また、光源として赤、緑、青の波長を持つ光源を各発光点の位置に並べ、走査面上で各色を混色させることにより、カラー画像を表示することも可能である。

また、光源としては、微小な発光点を有するＬＤやＬＥＤ、有機ＥＬ素子などを選ぶことが可能である。

このように複数の発光点が直線状に並んだ光源を想定した場合、回転対称の光学部材のみで光源光学系を構成しようとすると、例えば実施例２に示すように、複数枚のレンズを使用した光源光学系が必要となる。これに対し、本実施例の光源光学系のように、回転非対称面を組み合わせたプリズム部材を用いることで、複数の光源からの光を同時にビーム化する光源光学系を単一の部材で構成することができ、組み立てが容易になる。

このように、走査光学系として、正の光学的パワーを持つ２枚の表面反射鏡からなる走査光学系を用いることで、色収差のない、テレセントリック性を有した小型の走査型表示光学系を構成することができる。

光源光学系としてプリズム部材を用いることで、光源光学系の光路を折り畳み、小型化を図ることが可能である。

図１１には、本発明の実施例６である走査型表示光学系の垂直断面の構成を示している。本実施例は、実施例５に示した表示光学系において、走査面９０６を挟んで走査光学系９０５とは反対側に接眼光学系１１０２を配置した例である。図中、接眼光学系１１０２を構成する各屈折面には、後述する数値例６中の各面との対応関係を示すための符号を付している。

本実施例では、走査面９０６上に形成された２次元画像（空中像）を、接眼光学系１１０２により射出瞳１１０３の位置に結像させる。観察者は射出瞳１１０３上又はその近傍に眼（瞳）を置くことで、走査面９０６上に形成された２次元画像を虚像として拡大観察することができる。本実施例では、実施例３と同様に、走査面９０６上又はその近傍に、光拡散部材１１０１を配置して、観察者による観察をより容易としている。但し、この光拡散部材を設けなくてもよい。

（数値例）
以下、実施例１〜６にそれぞれ対応する数値例１〜６（表１〜６）を記載する。各数値例では、光源の位置を絶対座標系の基準として表記する。

絶対座標系における３次元の座標軸をＺ軸、Ｙ軸、Ｘ軸とする。ここで、これらの軸を以下のように定義する。

Ｚ軸：第０面の中心から第１面の中心（絶対座標系の原点）を通る直線で、この方向を正とする。

Ｙ軸：第１面の中心（絶対座標系の原点）を通り、Ｚ軸に対して反時計回りに９０度をなす直線。

Ｘ軸：原点を通り、Ｚ軸およびＹ軸に直交する直線。

また、光学系を構成する第ｉ面の面形状の表記では、ローカル座標系を設定して、そのローカル座標系に基づいた関数により表現する。第ｉ面のＹＺ面内でのチルト角は、絶対座標系のＺ軸に対して、反時計回りを正とした角度θｇｉ（単位はdegree）で表す。本実施例では、チルト角は、ＹＺ面内のみに設定している。第ｉ面のローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）のｙ，ｚ軸は、絶対座標系のＹＺ面内にあり、ＹＺ面内で角度θｇｉ傾いている。これらの軸を以下のように定義する。

ｚ軸：ローカル座標系の原点を通り、絶対座標系のＺ軸に対してＹＺ面内において反時計回り方向にθｉをなす直線。

ｙ軸：ローカル座標系の原点を通り、ｚ方向に対してＹＺ面内において反時計回り方向に９０degreeをなす直線。

ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ＹＺ面に対して直交する直線。

また、各数値例において、Ｎｄｉ，νｄｉは、第ｉ面と第ｉ＋１面の間のｄ線での屈折率とアッベ数を表している。

また、回転対称軸を有さない回転非対称な面形状を以下の式で表現する。

この関数は、第ｉ面のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）により面形状を定義する関数である。

また、上記関数において、ローカル座標系でｘの奇数次に関する項を０とすることで、ｙｚ平面に対して対称な面を得ることができる。

また、本実施例では、一部の面にアナモルフィック非球面を用いており、その形状を示す関数は、

である。このアナモルフィック非球面に関しても、各ローカル座標系により定義される。

本実施例では、各面の面頂点を、ｙ，ｚ軸方向でのシフト偏心とx軸回りでのチルト偏心しかさせていない。このため、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。

数値例中の表１〜６では、各光学面のローカル座標原点における曲率半径（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）ｒｘ，ｒｙと、ローカル面間隔として、第ｉ面と第ｉ＋１面における基準光軸上での光線（基準光線）のヒットポイント間の距離（空気換算なしの値）dおよび、偏心量ｓｈｉｆｔ，ｔｉｌｔ、屈折率ｎｄ、アッべ数νｄを示している。

また、形状が回転非対称面（自由曲面）である面を「ＸＹＰ」として、球面である面を「ＳＰＨ」として、アナモルフィック非球面である面を「ＡＡＳ」としてそれぞれ示し、それらを表す関数の係数を表下段に示している。「Ｍ」は、その面が反射面であることを示している。

＜数値例１＞
走査デバイスは第７面(実施例１中の１０４に対応)であり、該走査デバイスの水平方向偏向角(紙面内を軸とした紙面に垂直な方向への振動角)は±６．６７度である。また、垂直方向偏向角(紙面に垂直な方向を軸とした紙面内での振動角)は±５．００度である。さらに、光源の開口数は０．０５である。

図１中の符号との対応は以下の通りである。

光源１０１面番号１
面１０３ａ面番号２
面１０３ｂ面番号３
面１０３ｃ面番号４
反射面１１０面番号５
走査デバイス１０４面番号７
走査光学系
反射鏡１０５ａ面番号１０
反射鏡１０５ｂ面番号１１
走査面１０６面番号１３

図１２（ａ）は本数値例における、図１２（ｂ）に示した走査面１０６上の各位置に対応した横収差図である。本収差図における波長は６５６．２７ｎｍ、５８７．５６ｎｍ、４８６．１３ｎｍである。

＜数値例２＞
走査デバイスは第１１面(実施例２中の４０４に対応)、垂直方向偏向角は±５．００度である。また、光源４０１の長さ（紙面奥行き方向）は１３ｍｍ、光源の発光点の個数は８００個である。また、光源の開口数は０．０５である。

なお、本数値例では、走査光学系１０５は数値例１と同じであるため、走査光学系１０５に対応した面番号１４および１５に対する諸係数は省略している。

図４中の符号との対応は以下の通りである。

光源４０１面番号１
面４０３ａ面番号２
面４０３ｂ面番号３
面４０３ｃ面番号４
面４０３ｄ面番号５
面４０３ｅ面番号６
面４０３ｆ面番号７
面４０３ｇ面番号８
反射面１１０面番号９
走査デバイス４０４面番号１１
走査光学系
反射鏡１０５ａ面番号１４
反射鏡１０５ｂ面番号１５
走査面１０６面番号１７

図１３（ａ）は本数値例における、図１３（ｂ）に示した走査面１０６上の各位置に対応した横収差図である。本収差図における波長は６５６．２７ｎｍ、５８７．５６ｎｍ、４８６．１３ｎｍである。

＜数値例３＞
本数値例では、接眼光学系７０１以外の光学系は数値例２と同様であるため、数値例としては接眼光学系７０１の諸数値のみを記載する。また、実施例３中では、光源側から順に説明をしているが、本数値例における接眼光学系７０１の数値は、観察者の瞳の位置から逆に光線を追跡した形で表記する。

本数値例において、観察者の観察画角が対角画角で±１５ｄｅｇとなるよう接眼光学系を設定している。接眼光学系の焦点距離は２１．８ｍｍ、入射瞳径は６ｍｍである。

図７の符号との対応は以下の通りである。

瞳７０２面番号１
面７０１ａ面番号２
面７０１ｂ面番号３
面７０１ｃ面番号４
面７０１ｄ面番号５
面７０１ｅ面番号６
面７０１ｆ面番号７
面７０１ｇ面番号８
走査面１０６面番号９

図１４には、本数値例の接眼光学系を用いた場合の走査面上での横収差図を示す。図１４（ａ）〜（ｃ）の順に、画角が０度、７．５度、１５度における横収差図である。

＜数値例４＞
走査デバイスは第９面(実施例４中の１０４に対応)、水平方向偏向角は±６．６７度、垂直方向偏向角は±５．００度である。また、光源の開口数は０．０５である。

なお、本数値例において、走査光学系１０５は数値例１と同じであるため、走査光学系１０５に対応した面番号１４および１５の諸係数は省略している。

図８の符号との対応は以下の通りである。

光源８０１面番号１
反射面８０４面番号２
入射面８０３ａ面番号３
反射面８０３ｂ面番号４
反射面８０３ｃ面番号５
反射面８０３ｄ面番号６
走査デバイス１０４面番号９
走査光学系
反射鏡１０５ａ面番号１２
反射鏡１０５ｂ面番号１３
走査面１０６面番号１５

図１５（ａ）は本数値例における、図１５（ｂ）に示した走査面１０６上の各位置に対応した横収差図である。本収差図における波長は６５６．２７ｎｍ、５８７．５６ｎｍ、４８６．１３ｎｍである。

＜数値例５＞
走査デバイスは第８面(実施例５中の９０４に対応)、垂直方向偏向角は±５．００度、水平方向偏向角は±３．３１度である。また、光源４０１の長さ(紙面奥行き方向)は４mm、光源の発光点の個数は３個である。さらに光源の開口数は０．１である。

図９の符号との対応は以下の通りである。

光源９０１面番号１
入射面９０３ａ面番号２
反射面９０３ｂ面番号３
反射面９０３ｃ面番号４
射出面９０３ｄ面番号５
走査デバイス９０４面番号８
走査光学系
反射鏡９０５ａ面番号１１
反射鏡９０５ｂ面番号１２
走査面９０６面番号１４

図１６（ａ）は本数値例における、図１６（ｂ）に示した走査面１０６上の各位置に対応した横収差図である。本収差図における波長は６５６．２７ｎｍ、５８７．５６ｎｍ、４８６．１３ｎｍである。

＜数値例６＞
本数値例では、接眼光学系１１０２以外の光学系は数値例５と同様であるため、数値例としては接眼光学系１１０２の諸数値のみを表記する。実施例５中では、光源側から順に説明をしているが、本数値例における接眼光学系１１０２の数値は、観察者の瞳の位置から逆に光線を追跡した形での記述とする。

本数値例において、観察者の角札画角は対角画角で±１５ｄｅｇとなるよう接眼光学系を設定している。接眼光学系の焦点距離は１９．０ｍｍ、入射瞳径は７ｍｍである。

図１１の符号との対応は以下の通りである。

瞳１１０３面番号１
面１１０２ａ面番号３
面１１０２ｂ面番号４
面１１０２ｃ面番号５
面１１０２ｄ面番号６
面１１０２ｅ面番号７
面１１０２ｆ面番号８
面１１０２ｇ面番号９
面１１０１ａ面番号１０
走査面９０６面番号１２

図１７には、本数値例の接眼光学系を用いた場合の走査面上での横収差図を示す。図１７（ａ）〜（ｃ）の順に、画角が０度、７．５度、１５度における横収差図である。

図１９（ａ）には、上記各実施例の表示光学系を搭載したデジタルスチルカメラ、ビデオカメラ等の撮像装置の例を示している。この図中、１２０１は撮像装置本体、１２０２は撮影光学系である。また、１２０３は撮影光学系１２０２により形成された被写体像を光電変換する撮像素子（光電変換素子）である。撮像素子１２０３からの出力信号は、画像処理回路１２０７によって撮像信号（映像信号）に変換され、上記各実施例の表示光学系を含む走査型表示装置１２０４の変調回路（図１参照）に入力される。表示光学系の光源は該撮像信号に応じて変調されるとともに、該変調と同期して走査デバイスが動作する。こうして表示光学系から射出した走査光束１２０８は、不図示の走査面上に空中像（２次元画像）を形成する。そして、接眼光学系１２０５を介して該空中像の虚像が観察者の眼（瞳）１２０６により観察される。

また、図１９（ｂ）には、上記各実施例の表示光学系を搭載したヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置の例を示している。この図において、１３０１は観察者の頭部に装着されたヘッドマウントディスプレイ本体、１３０２は該ヘッドマウントディスプレイ本体１３０１に内蔵された上記各実施例の表示光学系を含む走査型表示装置である。
走査型表示装置１３０２には、パーソナルコンピュータ等の画像情報供給装置１３０６が接続されており、該画像情報供給装置１３０６から走査型表示装置１３０２の変調回路（図１参照）に映像信号が入力される。表示光学系の光源は該映像信号に応じて変調されるとともに、該変調と同期して走査デバイスが動作する。こうして表示光学系から射出した走査光束１３０４は、不図示の走査面上に空中像（２次元画像）を形成する。そして、接眼光学系１３０３を介して該空中像の虚像が観察者の眼（瞳）１３０５により観察される。

図１９（ａ），（ｂ）のいずれの場合も、表示光学系（つまりは走査型表示装置１２０４，１３０２）が小型で、高画質の画像表示が可能であるため、これを搭載する撮像装置および画像表示装置の小型化、高性能化に有効である。

本発明の実施例１である走査光学系の垂直断面図である実施例１における画像生成に関する説明図である実施例１における走査デバイスの例を示す図である本発明の実施例２である走査型表示光学系の垂直断面図である。実施例２におけるバーアレイ光源の概略図である。実施例２における１次元走査デバイスの例を示す図である本発明の実施例３である走査型表示光学系の垂直断面図である。本発明の実施例４である走査型表示光学系の垂直断面図である。本発明の実施例５である走査型表示光学系の垂直断面図である。実施例５における離散配置アレイ光学素子を利用した２次元画像生成の説明図である。本発明の実施例６である走査型表示光学系の垂直断面図である。実施例１（数値例１）における走査面上での横収差図である。実施例２（数値例２）における走査面上での横収差図である。実施例３（数値例３）における走査面上での横収差図である実施例４（数値例４）における走査面上での横収差図である。実施例５（数値例５）における走査面上での横収差図である。実施例６（数値例６）における走査面上での横収差図である。公知の複数の光源を用いた走査型表示光学系の説明図である。（ａ）は各実施例の表示光学系を搭載した撮像装置の例、（ｂ）は該表示光学系を搭載した画像表示装置の例を示す図である。

符号の説明

１０１、４０１、８０１、９０１光源
１０３、４０３、８０３、９０３光源光学系
１０４、４０４、９０４走査デバイス
１０５、９０５走査光学系
１０６、９０６走査面
１０７、９０７、１００２ａ、１００２ｂ、１００２ｃスポット
１０８、９０８光検出器
７０１、１１０１接眼光学系
１１０１光拡散部材

Claims

光源と、
光源からの光束を集光する第１の光学系と、
該第１の光学系からの光束を走査する走査手段と、
該走査手段により走査された光束を走査面上又はその近傍に結像させる第２の光学系とを有し、
前記走査手段の中心から前記第２の光学系を介して前記走査面の中心に至る光線が辿る光路を光軸とするとき、該光軸は交差しており、
前記第２の光学系は２枚の反射鏡からなり、かつ前記２枚の反射鏡はいずれも正の光学的パワーを有し、
前記第１の光学系からの光束が、前記２枚の反射鏡の間を通って前記走査手段に入射することを特徴とする走査型表示光学系。
光源と、
該光源からの光束を集光する第１の光学系と、
該第１の光学系からの光束を走査する走査手段と、
該走査手段により走査された光束を走査面上又はその近傍に結像させる第２の光学系とを有し、
前記走査手段の中心から前記第２の光学系を介して前記走査面の中心に至る光線が辿る光路を光軸とするとき、該光軸は交差しており、
前記第２の光学系は、２枚の反射鏡からなり、
かつ前記第１の光学系は、入射面、射出面および２つの反射面を有し、これらの面で囲まれた領域は屈折率が１より大きい媒質で満たされており、
前記第１の光学系からの光束が、前記２枚の反射鏡の間を通って前記走査手段に入射することを特徴とする走査型表示光学系。
前記２枚の反射鏡を、前記光線が辿る順に第１の反射鏡および第２の反射鏡とするとき、
前記光軸上における前記走査手段から前記第１の反射鏡までの距離が、前記光軸上における前記第２の反射鏡から前記走査面までの距離よりも長いことを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型表示光学系。
以下の条件を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型表示光学系。
０．６＜Ｌ１／Ｌ２＜１．５
但し、Ｌ１は、前記２枚の反射鏡を前記光線が辿る順に第１の反射鏡および第２の反射鏡としたときの前記光軸上における前記走査手段から前記第１の反射鏡までの距離、Ｌ２は前記光軸上における前記第２の反射鏡から前記走査面までの距離である。
前記走査面を挟んで前記第２の光学系とは反対側に接眼光学系が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の走査型表示光学系。
前記第２の光学系から前記走査面に向かう光束が略テレセントリックな光束であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の走査型表示光学系。
前記２枚の反射鏡を、前記光線が辿る順に第１の反射鏡および第２の反射鏡とするとき、該第１および第２の反射鏡は前記光軸に対して偏心しており、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の走査型表示光学系。
０．８＜φ_Ｍ１／φ_Ｍ２＜３
０．８＜ρ_Ｍ１／ρ_Ｍ２＜３
但し、φ_Ｍ１，ρ_Ｍ１はそれぞれ、前記各反射鏡が偏心している面をＹＺ面とし、偏心していない面をＸＺ面としたときの前記第１の反射鏡の前記光軸上におけるＸＺ面内およびＹＺ面内での局所曲率半径であり、φ_Ｍ２，ρ_Ｍ２はそれぞれ、前記第２の反射鏡の前記光軸上におけるＸＺ面内およびＹＺ面内の局所曲率半径である。
前記２枚の反射鏡のうち少なくとも１枚は、回転対称軸を持たない反射鏡であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の走査型表示光学系。
請求項１から８のいずれか１つに記載の走査型表示光学系と、
前記光源を画像信号に基づいて変調する変調回路とを有することを特徴とする画像表示装置。
請求項１から８のいずれか１つに記載の走査型表示光学系と、
撮影光学系により形成された被写体像を光電変換する光電変換素子とを有することを特徴とする撮像装置。