JPH11326816A - 走査型映像観察光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、十分な瞳径と視野角が得られ、か
つ走査手段において必要振幅と大きさの相反する関係を
断ち切ることにより高速走査が可能な構成とした走査型
映像観察光学系を提供することを目的とする。 【解決手段】 走査型映像観察光学系において、光束を
発光する光源１と、光束の強度を変調する強度変調手段
２と、光束を第１の方向に走査する第１の走査手段と、
光束を第２の方向に走査する第２の走査手段と、第１、
第２の走査手段で走査された光束を観察者の瞳に導く観
察光学系６と、第１の走査手段上で第２の方向に光束を
集光させる集光光学系１１とを備え、第１の走査手段３
は第１の方向と光軸に平行な第１の断面において瞳７と
共役、かつ第２の方向と光軸に平行な第２の断面におい
て第２の断面上の像面１５ｂと共役な位置に配設されて
いる構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばヘッドアッ
プディスプレイやヘッドマウントディスプレイに用いら
れる、光源から発光される光束を走査して観察者の瞳に
導き、観察者の残像現象を利用することにより観察者に
映像を提供する走査型映像観察光学系に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図７に、従来の一般的な走査型映像観察
光学系の構成図を示す。光源１より射出された光束は、
変調機２により光強度に変調をかけられ第１の走査ミラ
ー３に入射する。第１の走査ミラー３は回転軸３ａを中
心に回動可能に保持されており、所定の振幅、周波数で
回転振動する。この回転振動により、入射した光束は、
反射されると同時に第１の走査方向に走査される。

【０００３】第１の走査ミラー３で走査された光束は第
２の走査ミラー４に入射する。第２の走査ミラー４は第
１の走査ミラー３の回転軸３ａに垂直な回転軸４ａを持
ち、所定の振幅、周波数で回転振動する。この回転振動
により、入射した光束は、反射されると同時に第２の走
査方向に走査される。この光学系においては、第１の走
査方向と第２の走査方向は互いに垂直である。

【０００４】第１、第２の走査ミラー３、４により走査
された光束は、半透過面５で反射されて接眼レンズ６に
入射する。接眼レンズ６の片面は反射面６ａとなってお
り、光束を再び半透過面５側に折り返す。折り返された
光束は半透過面５を透過し観察者の瞳７に与えられる。
そして、残像現象により観察者に映像が観察される。

【０００５】このような映像観察光学系によると、液晶
表示素子などの２次元表示素子を用いないため、表示素
子の画素数に左右されず高精細な映像を提供することが
できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような映像観察
光学系において、映像の観察可能な視野角、及び観察者
の見易さにつながる射出瞳径は、走査部材の振幅、大き
さと密接な関係がある。この関係について走査部材２６
を例に図８、図９を用いて説明する。図８、図９は、映
像観察光学系の光軸を直線で表し、その直線上に各構成
要素を並べて便宜的に表した断面図であり、光束を反射
させる部材（走査ミラーと反射面を有する接眼レンズ）
についても光束が透過するように表している。以下、本
明細書においては、このような図を近軸配置図というこ
とにする。

【０００７】尚、図８、図９は走査部材２６の走査方向
に平行な平面における断面図であり、構成要素として
は、変調機２、走査部材２６、接眼レンズ６、走査部材
２６に光束を集光させるための集光光学系２７のみを図
示した簡略図である。走査部材２６は、できるだけ小さ
い構成とするために、瞳７に対して共役な位置に配置し
てある。

【０００８】まず、図８（ａ）、（ｂ）を用いて視野角
と走査部材２６の必要振幅の関係を説明する。視野角と
は、瞳に対する光束の最大の傾きである。図８（ａ）に
おいて視野角をａ₀で示し、この視野角ａ₀に対応した走
査部材２６の必要振幅をａ'₀で示す。視野角をａ₀＜ａ₁
であるａ₁とする場合、図８（ｂ）を見るとわかるよう
に走査角ａ'₁についてもａ'₀＜ａ'₁となる。つまり、視
野角が大きくなるとそれにつれて走査部材２６の必要振
幅も増大する。

【０００９】次に、図９（ａ）、（ｂ）を用いて射出瞳
径と走査部材２６の大きさの関係を説明する。図９
（ａ）において、射出瞳径をｄ₀で示し、この射出瞳径
ｄ₀の光束を得るために必要な走査部材２６の断面方向
の長さをｄ'₀で示す。射出瞳径をｄ₀＜ｄ₁であるｄ₁と
する場合、図９（ｂ）を見るとわかるように走査部材２
６の断面方向の長さｄ'₁についてもｄ'₀＜ｄ'₁となる。
つまり、射出瞳径が大きくなるとそれにつれて走査部材
２６の大きさも大きくなる。

【００１０】また、走査部材２６の振幅と大きさにも密
接な関係がある。この関係について図１０を用いて説明
する。図１０は、図８、図９と同様に従来の映像観察光
学系を簡略化した近軸配置図である。図１０（ａ）は、
走査部材２６が瞳７に共役で、結像倍率が等倍つまり瞳
７から接眼レンズ６までの距離をＬ、走査部材２６から
接眼レンズ６までの距離をＬ'とするとＬ／Ｌ'＝１とな
る場合を示す図である。この場合、走査部材２６の必要
な振幅ａ'、必要な断面方向の長さｄ'は各々視野角ａ、
射出瞳径ｄと同じである。

【００１１】図１０（ｂ）は、走査部材２６が瞳７に共
役で、結像倍率が等倍以下つまりＬ／Ｌ'＜１となる場
合を示す図である。この場合、図を見るとわかるよう
に、走査部材２６の必要振幅ａ'は視野角ａに比べて小
さくなるが、走査部材２６の必要な断面方向の長さｄ'
は射出瞳径ｄに比べて大きくなる。また、図示しない
が、結像倍率が等倍以上の場合は、走査部材２６の必要
な大きさは小さくなるが、必要振幅は大きくなる。つま
り、走査部材２６の必要振幅と大きさは完全に相反す
る。

【００１２】上記のように、視野角を大きくまた瞳径を
大きくする場合、走査部材の必要振幅、大きさはともに
増大し高速な走査が困難となる。また、従来の光学系に
おいて、ある視野角と瞳径を有する構成とする場合、走
査部材２６の必要振幅と大きさには上記のように相反す
る関係があり、その両方を小さくすることは原理的に不
可能である。

【００１３】本発明は、上記問題点を鑑みて、十分な瞳
径と視野角が得られ、かつ走査手段において必要振幅と
大きさの相反する関係を断ち切ることにより高速走査が
可能な構成とした走査型映像観察光学系を提供すること
を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、光束を発生する光源と、
光束の強度を変調する強度変調手段と、光束を光軸に対
して第１の方向に走査する第１の走査手段と、光束を光
軸に対して第１の方向とは異なる第２の方向に走査する
第２の走査手段と、第１、第２の走査手段で走査された
光束を観察者の瞳に導き観察可能にする観察光学系とを
備えた走査型映像観察光学系において、前記観察光学系
によって観察者が観察するための像が光軸と第１の方向
に平行な第１の断面に形成される光学的な位置を第１の
像面、光軸と第２の方向に平行な第２の断面に形成され
る光学的な位置を第２の像面とすると、前記観察光学系
は第１の像面と第２の像面が重ならないようになす光学
系であり、第１の走査手段は第１の断面において観察者
の瞳位置と略共役となる位置に、第２の断面において第
２の像面と略共役となる位置に配設されており、第２の
断面において第１の走査手段上に光束を集光させる集光
光学系を備えている構成とする。

【００１５】上記構成においては、第１の走査手段は第
２の断面において第２の像面と略共役となる位置に配設
されており、さらに第２の断面おいて第１の走査手段上
に光束を集光させる集光光学系を備えているので、走査
手段を大きくすることなく第２の断面方向の瞳径の拡大
を図ることができる。この原理を図１１を用いて説明す
る。図１１（ａ）、（ｂ）は、像面１５と、接眼レンズ
６と、瞳７のみを示した簡単な近軸配置図である。瞳径
ｄは、像面１５上での光束の拡がり角ｃが大きい程大き
くなる。図１１（ｂ）を見るとわかるように、ｃ'＞ｃ
とすると、ｄ'＞ｄとなる。

【００１６】上記構成においては、第２の断面において
第２の像面と略共役となる位置に集光光学系により光束
を集光させているので、第２の像面における第２の方向
の光束の拡がり角が大きくなる。このことにより瞳径の
拡大を図っているので、走査部材の大きさを大きくする
ことにより瞳径の拡大を図る必要がなくなり、上記で示
した走査部材の必要な振幅と大きさの相反する関係を断
ち切ることができる。

【００１７】また、集光光学系により光束が集光される
位置に第１の走査手段を配設することにより、第１の走
査手段が走査する光束は第２の方向の光束径が非常に小
さいものとなる。つまり、第１の走査手段は第２の方向
に短い構成のものでよいことになる。さらに、第１の走
査手段は第１の断面において瞳位置と共役となる位置に
配置されているので、第１の方向においても短い構成の
ものでよいことになる。共役位置に配置した場合に、走
査手段を小さく構成できる原理については後述する。こ
のように、上記構成によると瞳径の拡大を図りつつ第１
の走査手段を小さく構成することが可能となる。

【００１８】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の走査型映像観察光学系において、第２の走査手段は、
第２の断面において観察者の瞳位置と略共役となる位置
に配設されている構成とする。

【００１９】走査部材（走査手段）の配設位置は、瞳と
共役な位置に近い程、小さい構成とすることができる。
このことについて、図１２を用いて説明する。図１２
は、瞳７、接眼レンズ６、像面１５、走査部材２６を含
む簡単な光学系の近軸配置図である。瞳７において、あ
る瞳径ｄを有する光束が接眼レンズ６を介して与えられ
るとする。この光束を走査する走査部材２６は、瞳７と
共役な位置Ｐ１に配設される場合に、最も小さい構成と
することができる。共役な位置Ｐ１からずれるほど、走
査する光束の幅が広くなり、大きな構成とする必要が生
じる。例えば、共役位置Ｐ１からずれた位置Ｐ２では、
共役位置Ｐ１より大きな走査部材２６を配設する必要が
ある。

【００２０】本光学系は、第１と第２の２つの走査手段
があるため、一般的な光学系においては、第１と第２の
２つの走査手段とも瞳と共役な位置に配置することはで
きない。例えば図１３に示すように、第１の走査部材３
を瞳７と共役な位置に配置して、第２の走査部材４を共
役から外れた位置に配置すると、瞳７と共役でない第２
の走査部材４は大きな構成となることは上記で説明した
ように当然のこととして、瞳７と共役な位置に配置した
第１の走査部材３も第２の走査部材４の必要光束をカバ
ーするために第２の断面方向の長さが長くなる構成とし
なければならない。尚、図１６において（ａ）は第１の
断面（第１の走査部材３の走査方向に平行な面）におけ
る近軸配置図であり、（ｂ）は第２の断面（第２の走査
部材４の走査方向に平行な面）における近軸配置図であ
る。

【００２１】本発明においては、第１の断面と第２の断
面における瞳との共役位置をそれぞれ設けて、２つの走
査手段をそれぞれの断面における共役位置に配設される
ように構成している。

【００２２】上記構成においては、第１の走査手段は第
１の断面において観察者の瞳位置と略共役となる位置に
配設されており、第２の走査手段は第２の断面において
観察者の瞳位置と略共役となる位置に配設されている。
つまり、第１の走査手段は、第１の断面上の辺の長さに
関して最も短い構成とすることができる。第２の走査手
段は第２の断面上の辺の長さに関して最も短い構成とす
ることができる。回転振動することにより走査を行う走
査部材の一例を図１４に示す。

【００２３】走査部材２６は、軸２６ａを回転中心軸と
して矢印２８の方向に回転振動して、走査面２６ｂで光
束を偏向させながら反射することにより走査を行う。こ
のとき、回転振動のモーメントは、走査面２６ｂが小さ
い程小さくなり、高速振動が可能となる。しかし、ｂ₁
の長さがモーメントに与える影響はｂ₂に比べてはるか
に大きく、ｂ₁、ｂ₂がともに短くなくても、ｂ₁が短い
だけで回転振動のモーメントは十分小さくなる。

【００２４】この走査部材２６が、第１の走査手段であ
る場合は、ｂ₁は第１の断面上の長さとなる。第２の走
査手段である場合は、第２の断面上の長さとなる。つま
り、第１の走査手段は第１の断面上の長さに関して短い
構成とすることができ、第２の走査手段は第２の断面上
の長さに関して短い構成とすることができる上記のよう
な構成により、各走査手段の回転振動のモーメントを非
常に小さくできることになる。

【００２５】請求項３に記載の発明は、請求項１または
２に記載の走査型映像観察光学系において、第１、第２
の走査手段は反射ミラーからなり、該反射ミラーが回転
振動することにより光束が走査される構成とする。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。従来の技術で用いた図面上の構成要
素と同一のものについては同一の符号を付す。〈第１の
実施形態〉図１に第１の実施形態の走査型映像観察光学
系の近軸配置図を示す。３、４はそれぞれ回転振動によ
り光束を走査する第１の走査部材（第１の走査手段）、
第２の走査部材（第２の走査手段）である。第１の走査
部材３は、光軸に垂直な第１の方向に光束を走査する。
第２の走査部材４は、光軸と第１の方向に垂直な第２の
方向に光束を走査する。

【００２７】図１（ａ）は、光軸を含む第１の方向に平
行な面（第１の断面）における断面図である。図１
（ｂ）は、光軸を含む第２の方向に平行な面（第２の断
面）における断面図である。

【００２８】光源１から射出された光束は、変調機（強
度変調手段）２によって強度変調され集光光学系１１を
介して第１の走査部材３に入射する。集光光学系１１
は、第２の断面において第１の走査部材３上に光束を集
光させる。光束は第１の走査部材３により、第１の方向
に走査され、アナモルフィックレンズ８を介して第２の
走査部材４に与えられる。

【００２９】第２の走査部材４に入射した光束は、第２
の方向に走査され、アナモルフィックな光学系よりなる
接眼レンズ６を介して観察者の瞳７に与えられる。アナ
モルフィックレンズ８、接眼レンズ６は、第１の方向と
第２の方向とで異なる屈折力を有する光学系である。よ
って、接眼レンズ６の像面位置は、第１の断面と第２の
断面とで一致しない。それぞれの断面における像面を第
１の像面、第２の像面ということにし、図中１５ａ、１
５ｂで示す。各像面１５ａ、１５ｂで結像された光束が
残像現象を利用して映像として観察者に観察されること
になる。

【００３０】上記構成において、走査部材３、４は、小
さくなるように第１の断面において第１の走査部材３と
瞳７は共役、第２の断面において第２の走査部材４と瞳
７は共役となるように各々配設されている。つまり、各
々の走査部材３、４において、回転振動のモーメントに
大きく影響する方向の辺の長さを短くできるように構成
されている。

【００３１】また、集光光学系１１による第２の断面上
の光束の集光位置は第２の断面において第２の像面１５
ｂと共役となるように構成されている。このような構成
により第２の方向の瞳径の拡大を図っているので、走査
部材３、４の第２の方向の長さを長くすることにより達
成する必要がなくなり、先述のような走査部材の大きさ
と振幅の相反する関係が断ち切られている。さらに、こ
の集光位置に第１の走査部材３が配置されるように構成
されているため、第１の走査部材３の第２の方向の長さ
をより短く構成することができる。

【００３２】ここで、具体的な映像表示を行った場合の
各々の走査部材３、４に求められる走査について図２を
用いて簡単に説明する。想定として、ハイビジョン相当
の映像を表示する場合を考える。ハイビジョン映像のア
スペクト比は１６：９、１秒間に表示しなければならな
いフレーム数は６０フレーム、必要な水平走査線数は約
１０００本である。

【００３３】水平方向の走査周波数は、水平走査線数×
フレーム数によって与えられるので６０kHzとなり、垂
直方向の走査周波数は、フレーム数でよいので６０Hzと
なる。このように、必要な走査周波数は水平方向の方が
垂直方向に比べて大きく、必要な走査角度も水平方向の
方が大きいので、水平方向の走査の方が圧倒的に高速な
走査を必要とする。一般に水平方向の走査は主走査、垂
直方向の走査は副走査と呼ばれる。

【００３４】本実施形態では、第２の走査部材４は、第
１の走査部材３より光学的に後方に配置されているた
め、第１の走査部材３の走査角度をカバーする大きさが
必要であり、かつ第２の走査部材４上に光束を集光させ
るような光学系も配置されていないため、第１の走査部
材３に比べて大きな構成とする必要がある。よって、小
さい構成が可能な第１の走査部材３を主走査に用いるこ
とで、本発明の効果がより発揮される構成とする。

【００３５】図３に、図１に示した本実施形態の走査型
映像観察光学系の具体的な構成例を示す。図３は第２の
断面における構成図である。走査部材３、４はそれぞれ
回転軸３ａ、４ａに支持された反射ミラーで構成されて
いる。９は、半透過面９ａが構成されているプリズムで
ある。

【００３６】接眼レンズ６は、片面６ａが裏面反射面と
なっている。第１、第２の走査部材３、４で走査された
光束はプリズム９に与えられ、半透過面９ａで反射さ
れ、接眼レンズ６の面６ａで反射された後、半透過面９
ａを透過して観察者の瞳７に与えられる。

【００３７】本構成例においては、接眼レンズ６を半透
過面９ａの反射側に配置する構成としたが、接眼レンズ
６を半透過面９ａの透過側（図の下方）に配置し、接眼
レンズ６で反射された光束が半透過面９ａで反射されて
瞳７に導かれる構成にすることも可能である。この場
合、半透過面９ａが外界（瞳の正面、図面の右側）から
の光束と映像表示光束を重合するコンバイナとして機能
するような構成とすることにより、外界の例えば風景な
どと表示を重ねて観察できるシースルー型の観察光学系
となる。

【００３８】〈第２の実施形態〉図４に第２の実施形態
の走査型映像観察光学系の近軸配置図を示す。図４
（ａ）、（ｂ）は第１の実施形態の図１（ａ）、（ｂ）
に対応する図である。第１の実施形態と異なる点のみを
説明する。本実施形態においては、第１の像面１５ａに
第１の方向に光束を拡散させる第１の光束１次元拡散部
材１２が配置されている。

【００３９】本実施形態においては、第１の実施形態の
効果に加えて、第１の光束１次元拡散部材１２により第
１の方向の瞳径の拡大も図られる。よって、走査手段
３、４を大きくすることなく、第１の方向、第２の方向
ともに大きな瞳径の光束が観察者の瞳７に与えられる。
尚、このような構成により、第１の走査部材３の第１の
方向の長さをより短くすることができる。

【００４０】図５に光束１次元拡散部材１２の構成例を
示す。本構成例は、最大高さ約０．３５μｍ、ピッチ約
３０μｍのグループを配置した回折格子を用いた例であ
る。図５はこの回折格子の部分拡大図を示した図であ
る。図６に、この回折格子に光束が入射された場合に得
られる光束拡散状態を模式的に示す。図中の円の大きさ
は光の強度比を、円の線種は光の波長を示す。図では、
波長を代表して緑（Ｇ）、青（Ｂ）、赤（Ｒ）の拡散状
態を示す。Ｇ、Ｒ、Ｂの円の線種をそれぞれ実線、点
線、一点鎖線とする。尚、図６のＡ、Ｂの長さと方向
は、図５のＡ、Ｂの長さと方向に対応する。

【００４１】図を見るとわかるように光束は１次元の方
向のみに拡散しており、さらに各波長においてほぼ均等
に拡散されていることがわかる。このように、回折格子
を用いて光束拡散を行うと精度よく所望の拡散を得るこ
とができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明の走査型映像観察光学系による
と、走査部材を小さい構成とすることができる。さら
に、第２の方向の瞳径の拡大を集光光学系を用いること
により達成しているので、走査部材の必要振幅と大きさ
の相反する関係を断ち切ることができる。従って、必要
振幅を小さくするような構成としても、走査部材を大き
くする必要がない。

【００４３】このような構成によると、小さい走査部材
により高速走査つまり高精細な映像の表示が可能とな
る。また、必要振幅を小さく構成できるので、視野角の
拡大可能な範囲が広くなる。さらに、走査部材を大きく
することなく瞳径の拡大を図ることができるので、瞳径
の拡大可能な範囲が広くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施形態の走査型映像観察光学系の第
１の断面（ａ）、第２の断面（ｂ）における近軸配置
図。

【図２】 ハイビジョン相当の映像を表示する場合の説
明図。

【図３】 第１の実施形態の走査型映像観察光学系の具
体的な構成例を示す図。

【図４】 第２の実施形態の走査型映像観察光学系の第
１の断面（ａ）、第２の断面（ｂ）における近軸配置
図。

【図５】 光束１次元拡散部材の構成例を示す図。

【図６】 図５に示した光束１次元拡散部材において得
られる光束拡散状態を模式的に示す図。

【図７】 従来の一般的な走査型映像観察光学系の構成
図。

【図８】 視野角と走査部材の必要振幅の関係を説明す
るための図。

【図９】 射出瞳径と走査部材の大きさの関係を説明す
るための図。

【図１０】 走査部材の振幅と大きさの関係を説明する
ための図。

【図１１】 像面上での光束の拡がり角と瞳径の大きさ
の関係を説明するための図。

【図１２】 走査部材の配置位置と大きさの関係を説明
するための図。

【図１３】 一つの走査部材のみを共役位置に配置した
場合の走査部材の大きさを説明するための図。

【図１４】 走査部材の一例を示す図。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 変調機 ３ 第１の走査部材 ４ 第２の走査部材 ６ 接眼レンズ ７ 瞳 １１ 集光光学系 １２ 第１の光束１次元拡散部材 １３ 第２の光束１次元拡散部材 １５ａ 第１の像面 １５ｂ 第２の像面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光束を発生する光源と、光束の強度を変
   調する強度変調手段と、光束を光軸に対して第１の方向
   に走査する第１の走査手段と、光束を光軸に対して第１
   の方向とは異なる第２の方向に走査する第２の走査手段
   と、第１、第２の走査手段で走査された光束を観察者の
   瞳に導き観察可能にする観察光学系とを備えた走査型映
   像観察光学系において、前記観察光学系によって観察者
   が観察するための像が光軸と第１の方向に平行な第１の
   断面に形成される光学的な位置を第１の像面、光軸と第
   ２の方向に平行な第２の断面に形成される光学的な位置
   を第２の像面とすると、前記観察光学系は第１の像面と
   第２の像面が重ならないようになす光学系であり、第１
   の走査手段は第１の断面において観察者の瞳位置と略共
   役となる位置に、第２の断面において第２の像面と略共
   役となる位置に配設されており、第２の断面において第
   １の走査手段上に光束を集光させる集光光学系を備えて
   いることを特徴とする走査型映像観察光学系。
2. 【請求項２】 第２の走査手段は、第２の断面において
   観察者の瞳位置と略共役となる位置に配設されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の走査型映像観察光学
   系。
3. 【請求項３】 第１、第２の走査手段は反射ミラーから
   なり、該反射ミラーが回転振動することにより光束が走
   査されることを特徴とする請求項１または２に記載の走
   査型映像観察光学系。