JP4751534B2 - 光学系及びそれを用いた装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学系及びそれを用いた装置に関し、特に、観察光学系や撮像光学系であって、例えば、観察者の頭部又は顔面に保持することができ、また、携帯電話や携帯情報端末に付加することができる画像表示装置等に用いる光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、個人が大画面の画像を楽しむことを目的として、画像表示装置、特に、頭部や顔面に装着するタイプの画像表示装置の開発が盛んになされている。また、近年、携帯電話の普及や携帯情報端末の画像や文字データを大画面で見たいというニーズが高まっている。
【０００３】
このような中、特定の光線入射角幅の光のみを反射回折し、それ以外の光線入射角の光を透過するビームスプリッターと類似する機能を有する反射型ホログラム素子を用いた車両用表示装置が、特許第２，９９３、３１９号で提案されている。この特許第２，９９３、３１９号のものでは、反射型ホログラム素子の角度選択性の性質を用いてビームスプリッター機能を実現することで、光源からの光を高効率で観察者へ導くことができることが提案されている。
【０００４】
また、空気中の球面基板上に形成された反射型ホログラム素子と、同じく空気中の平面基板上に形成された反射型ホログラムとを組み合わせた観察光学系が、米国特許第４，８７４，２１４号で提案されている。この場合に、平面基板上に形成された反射型ホログラムは、角度選択性の性質を用いてビームスプリッター機能を実現している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許第２，９９３、３１９号では、緑の波長領域に対応する単色（単バンド：波長帯域）の反射型ホログラム素子で、角度選択性の性質を利用してホログラムビームスプリッターを実現するための手段のみが提案されており、例えば、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）等の複数バンド光（３バンド光）において、反射型ホログラム素子の角度選択性を利用したビームスプリッターを実現しようとする場合については考慮がなされていない。
【０００６】
また、反射型ホログラム素子の角度選択性を利用したビームスプリッター機能を実現するための光学パワー配置等の具体的構成が記載されていない。
【０００７】
また、米国特許第４，８７４，２１４号で提案されている観察光学系は、球面に球面形状を有するホログラム素子を備えている。ところで、ホログラム素子には、幾何形状による光学的パワーと、ホログラム素子の回折効果による光学的パワーとの２種類が存在する。例えば、球面形状の基板部材にホログラム素子を設けた場合の２種類のパワーを図を用いて説明すると、ホログラム素子は、図２７（ａ）に示すように、ホログラム素子内部の周期構造のピッチ等、干渉縞の密度の違いによるパワーを有し、また、図２７（ｂ）に示すように、その幾何形状による光学的パワーを有する。そして、幾何形状による光学的パワーは、ホログラム基板の曲率半径をＲとした場合、従来の光学屈折レンズ及び反射鏡の場合、次式により光学パワーΦを算出することができる。
【０００８】
屈折系の場合：Φ＝（ｎ−1 ）（１／Ｒ）
表面鏡の場合：Φ＝２／Ｒ
裏面鏡の場合：Φ＝２ｎ／Ｒ
ただし、Φ：幾何形状による光学パワー
ｎ：媒質の屈折率
Ｒ：ホログラム基板の曲率半径
したがって、表面鏡と裏面鏡を比較した場合、幾何形状によってある一定量の光学パワーを得るために、裏面鏡は表面鏡に対して1 ／ｎだけ緩い曲率半径Ｒで構成できることが分かる。
【０００９】
すなわち、裏面鏡のように、反射型ホログラム素子の内部をガラスやプラスチック等の屈折率ｎの媒質で満たすことで、幾何形状を緩い曲率半径Ｒとしても、大きな幾何形状による光学パワーが得られることを意味する。
【００１０】
このように、緩い曲率半径Ｒで、大きな光学パワーを発生させられる構成を光学系に採用することで、このホログラム面で発生する収差を抑制することができるのである。
【００１１】
しかし、上記米国特許第４，８７４，２１４号に記載の観察光学系は、平面と球面との間がガラスやプラスチック媒質で満たされていないため、球面形状を有する幾何形状による光学パワーを必要量確保するために、幾何形状をより小さな曲率半径Ｒで構成する必要がある。
【００１２】
より小さな曲率半径Ｒで幾何形状を構成すると、この反射面で発生する収差が増大し、良好な画像表示が困難となってしまう。また、像面と上記平面との間の光路に光学面が存在しないため、ディストーションを良好に補正することが困難となってしまう。
【００１３】
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、複数の波長において高効率に利用され、明るく色再現性が良く、良好に収差補正された表示画像の観察が可能であり、組み立てが容易で、振動等の衝撃に強く、軽く、コンパクトな画像表示装置用の観察光学系、さらには撮像光学系、及び、それらを用いた装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する本発明の光学系は、像面と光学的瞳との間に配置された全体として正のパワーを有する光学系において、
前記光学系が、屈折率が１より大きい第１のプリズムと、屈折率が１より大きい第２のプリズムと、前記第１のプリズムと前記第２のプリズムとの間に接合配置された体積型ホログラム素子とを含み、
前記体積型ホログラム素子は、少なくとも第１の波長においてブラッグ回折をするように最適化された第１の体積型ホログラムと、前記第１の波長と異なる第２の波長においてブラッグ回折をするように最適化された第２の体積型ホログラムとを含み、かつ、前記体積型ホログラム素子は、少なくとも前記第１の波長における前記体積型ホログラム素子の各位置によってそれぞれ異なる第１の入射角と第１の反射回折角と、少なくとも前記第２の波長における前記体積型ホログラム素子の各位置によってそれぞれ異なる第２の入射角と第２の反射回折角とで回折効率が最大となるように構成され（例えば、単層の体積型ホログラムフィルムに複数の波長により多重露光して形成した素子や、積層型ホログラム素子を含む。第１と第２の波長とは、ＲＧＢの波長領域の中の少なくとも２つの波長でもよいし、ＲＧＢの例えばＲの波長領域の中から２つの波長を選択し、その中の第１の波長Ｒ１と第２の波長Ｒ２の２波長でもよい。）、
前記第１のプリズムが前記光学的瞳側に配置され、前記第２のプリズムが前記像面側に配置され、
前記第２プリズムは、前記体積型ホログラム素子の配置された面とは別の面に、少なくとも１面の反射面を備えて形成され、
前記光学的瞳から前記像面に到る逆方向あるいは順方向に進む光束であって、少なくとも前記第１の波長の光線成分と前記第２の波長の光線成分とを含んだ光束が、前記第１プリズム側から前記第２プリズム側に向かって順に、前記体積型ホログラム素子を透過し、前記第２プリズム内の前記反射面にて反射され、前記第２プリズム内において前記体積型ホログラム素子によって反射回折されるように構成され、
前記第１の体積型ホログラムと前記第２の体積型ホログラムのホログラム表面の干渉縞の形状、間隔が相互に同じであり、ホログラム媒質内の干渉縞の間隔と傾きが相互に異なるものからなることを特徴とするものである。
【００１５】
以下、本発明において上記構成をとる理由と作用について説明する。
【００１６】
本発明の光学系は、像面と光学的瞳との間に配置された全体として正のパワーを有する光学系であり、光学的瞳から像面に光束を通すときを逆光線追跡、像面から光学的瞳に光束を通すときを順光線追跡とする。像面に画像表示素子を配置し、光学的瞳位置近傍に観察者の眼の瞳を位置させる、光束を順光線追跡の方向に通すとき、観察光学系あるいは接眼光学系として使用でき、像面に銀塩フィルム、ＣＣＤ等の撮像素子を配置し、光学的瞳の前方に位置する被写体からの光束を逆光線追跡の方向に通すとき、撮像光学系として使用できる。
【００１７】
本発明による光学系は、像面と光学的瞳との間に配置された全体として正のパワーを有する光学系であり、屈折率が１より大きい第１のプリズムと、屈折率が１より大きい第２のプリズムと、その第１のプリズムと第２のプリズムとの間に接合配置された体積型ホログラム素子とを含むものである。そして、第１のプリズムが光学的瞳側に、第２のプリズムが像面側に配置され、さらに、第２プリズムは、体積型ホログラム素子の配置された面とは別の面に、少なくとも１面の反射面を備えて形成されるものである。
【００１８】
また、体積型ホログラム素子は多重記録又は多層記録されたものからなり、少なくとも第１の波長においてブラッグ回折をするように最適化された第１の体積型ホログラムと、第１の波長と異なる第２の波長においてブラッグ回折をするように最適化された第２の体積型ホログラムとを含むものであり、かつ、少なくとも第１の波長における体積型ホログラム素子の各位置によってそれぞれ異なる第１の入射角と第１の反射回折角と、少なくとも第２の波長における体積型ホログラム素子の各位置によってそれぞれ異なる第２の入射角と第２の反射回折角とで回折効率が最大となるように構成されているものである。
【００１９】
このような体積型ホログラム素子には、例えば、単層の体積型ホログラムフィルムに複数の波長により多重露光して形成した素子（多重記録）や、積層した別々の層に別々の波長の体積型ホログラムを別々に記録してなる積層型ホログラム素子を含むものであり、また、第１の波長と第２の波長とは、ＲＧＢの波長領域の中の少なくとも２つの波長であってもよいし、ＲＧＢの例えばＲの波長領域の中から２つの波長を選択し、その中の第１の波長Ｒ１と第２の波長Ｒ２の２波長であってもよい。
【００２０】
そして、光学的瞳から像面に到る逆方向あるいは順方向に進む光束であって、少なくとも第１の波長の光線成分と第２の波長の光線成分とを含んだ光束が、第１プリズム側から第２プリズム側に向かって順に、体積型ホログラム素子を透過し、第２プリズム内の反射面にて反射され、第２プリズム内において体積型ホログラム素子によって反射回折されるように構成された光学系である。
【００２１】
このように、光学系の内部を、第１のプリズム、第２のプリズム、及び、体積型ホログラム素子のガラスやプラスチック材料等で満たすことで、各光学作用面の面形状による光学的パワーを大きくし、球面収差やコマ収差等の収差を良好に補正することができる。
【００２２】
本発明の光学系は、第１のプリズムと第２のプリズムとの間に体積型ホログラム素子が接合配置された構成となっている。
【００２３】
光路を分岐するための第１のプリズムと第２のプリズムとの境界に配置するビームスプリッターとして体積型ホログラム素子を用いれば、透過時に損失がほとんどなく、反射回折時に１００％近い回折効率のものを得ることができ、光量損失のない明るい画像表示、撮像が可能になる。また、光学的瞳側の第１プリズムと像面側の第２プリズムとの２つのプリズムを体積型ホログラム素子を挟んで接合させて１つの部材として構成すれば、空気間隔の存在による組み立て時の光軸ズレやセッティングの煩雑性を解消でき、組み立てが容易で、振動等の衝撃に強い観察光学系あるいは撮像光学系を達成することができる。
【００２４】
また、体積型ホログラム素子を第１プリズムと第２プリズムで挟んで接合すれば、体積ホログラム素子を防塵できるので、別個に防塵部材を設けなくてもゴミ等が拡大観察あるいは像面に写されてしまうのを防ぐことができ、また、外部からの体積ホログラム素子への水分の侵入により体積ホログラム素子が膨張して回折効率のピーク波長が変化してしまうのを防ぐことができる。
【００２５】
そして、本発明の光学系は、第１の体積型ホログラムと第２の体積型ホログラムのホログラム表面の干渉縞の形状、間隔が相互に同じであり、ホログラム媒質内の干渉縞の間隔と傾きが相互に異なるものからなるものである。
【００２６】
このような選定の意味を以下に説明する。
【００２７】
分かりやすくするために、図８（ａ）に示すように、体積型ホログラム素子６として、３層の体積型ホログラム６_R 、６_G 、６_B が積層されたものを考える。ここで、体積型ホログラム６_R はＲの波長領域中の特定の波長に対してブラッグ回折をするように最適化されたホログラムであり、体積型ホログラム６_G はＧの波長領域中の特定の波長に対してブラッグ回折をするように最適化されたホログラムであり、体積型ホログラム６_B はＢの波長領域中の特定の波長に対してブラッグ回折をするように最適化されたホログラムであるとする。
【００２８】
体積型ホログラムの性質として、ブラッグ回折をするように最適化された波長においては回折効率は最大になるが、その波長以外でも最適化波長からのずれに応じて回折効率を持つのが一般的である。したがって、図８（ａ）に示すように、体積型ホログラム素子６の特定の位置Ａに、Ｂ波長領域の特定波長の光２０_B がその位置Ａで最適化された入射角ｉ_B で入射し、体積型ホログラム素子６中の体積型ホログラム６_B により回折光２１_B として回折角ｒ_B で最大効率で回折される場合、入射光２０_B は他の体積型ホログラム６_R 、６_G によってもそれそれ回折光２１_BR、２１_BGとして若干なりとも回折される。そして、そのＢ波長領域の特定波長の回折光２１_BR、２１_BGの回折角ｒ_BR、ｒ_BGは、一般には、体積型ホログラム６_B による回折角ｒ_B とは異なることになる。このように、同一波長（この場合は、Ｂ波長領域の特定波長）が体積型ホログラム素子６によって異なる複数の方向に回折されてしまう場合、このような体積型ホログラム素子６をビームスプリッターとして用いる本発明が対象とする光学系は、結像性能が悪化してしまうことになる（色収差のみならず、単色収差も発生する。）。
【００２９】
このような１つの波長の光が複数の方向へ回折される現象を防止するために、本発明においては、体積型ホログラム素子６を構成する体積型ホログラム６_R 、６_G 、６_B のホログラム表面での干渉縞の形状、間隔を相互に同じものとするものである。このように構成することにより、図８（ａ）の回折角ｒ_BR、ｒ_BGは何れも回折角ｒ_B と同じになり、図８（ｂ）に示すように、回折光２１_BR、２１_BGそれぞれが回折光２１_B と一致することになり、体積型ホログラム素子６の何れの位置においても、何れの波長の入射光も特定の回折角で回折されることになり、何れの波長の光も複数の方向へ回折されることはなくなる。
【００３０】
ここで、体積型ホログラムで回折される光の回折角は、ホログラム表面での干渉縞の形状、間隔によって決まること、すなわち、体積型ホログラム素子６を構成する体積型ホログラム６_R 、６_G 、６_B のホログラム表面での干渉縞の形状、間隔が相互に同じであれば、３つの体積型ホログラム６_R 、６_G 、６_B による回折角は同じであることを説明する。
【００３１】
図９のような両側を等方均質媒質に挟まれた体積型ホログラムを考える。入射側の等方均質媒質を領域Ｉ、体積型ホログラムを領域II、透過側の等方均質媒質を領域III とし、ｘ軸、ｚ軸を図のように決める。
【００３２】
位相型の体積型ホログラム中に記録された格子（干渉縞）は、
ε＝ε_II＋Δε・ｃｏｓ（Ｋ・ｒ） ・・・（１１）
のように表すことができる。ここで、ε_IIはホログラムの平均誘電率、Δεはホログラムの誘電率変調の振幅である。また、ｒは位置ベクトル、Ｋは格子ベクトルであって、
Ｋ＝２π／Λ（ｓｉｎφ，０，ｃｏｓφ） ・・・（１２）
のように表すことができる。ここで、Λは格子間隔（干渉縞の間隔）、φはＫとｚ軸とのなす角である。なお、（ｓｉｎφ，０，ｃｏｓφ）は、ｘ成分がｓｉｎφ、ｙ成分が０、ｚ成分がｃｏｓφのベクトルを表す。以下、同じ。
【００３３】
Ｓ偏光について、ホログラム内の波動方程式は、
∇² Ｅ＋ｋ² εＥ＝０ ・・・（１３）
で表せ、Ｅは電場、ｋは真空中の波数ベクトルの大きさであり、次式のように表せる。
【００３４】
ｋ＝２π／λ ・・・（１４）
格子（干渉縞）の周期性からＦｌｏｑｕｅｔの定理が適用でき、ホログラム中の電場Ｅは、

のように表すことができる。ｊは虚数単位、ρは参照光（０次回折光）の波数ベクトルである。ｉは整数で、ホログラムの場合は回折次数に相当し、Ｓ_i （ｚ）はｉ次回折光の電場の振幅、σ_i はｉ次回折光の波数ベクトルになる。
【００３５】
また、ρは、
ρ＝２π／λ×√ε_II（ｓｉｎθ，０，ｃｏｓθ） ・・・（１７）
のように表せ、ここで、θはホログラム中での参照光（０次光）の入射角である。
【００３６】
ホログラムから射出されたｉ次回折光は、位相整合条件により、次式のように波数ベクトルのホログラム面接線成分が保存される必要がある。
【００３７】
ｋ_Ii・ｘ₀ ＝σ_i ・ｘ₀ ＝ｋ_IIIi・ｘ₀ ・・・（１８）
ここで、ｋ_Ii、ｋ_IIIiはそれぞれホログラム外の反射及び透過のｉ次回折光の波数ベクトル、ｘ₀ はｘ軸方向の単位ベクトルを表す。
【００３８】
（１２）、（１６）、（１７）式から、（１８）式の第２項は、
σ_i ・ｘ₀ ＝２π／λ×√ε_II×ｓｉｎθ−ｉ２π／Λ×ｓｉｎφ
・・・（１９）
となり、ホログラム表面での格子（干渉縞）間隔Λ_s は、
Λ_s ＝Λ／ｓｉｎφ ・・・（２０）
であるから、（１９）式は次のように書くことができる。
【００３９】
σ_i ・ｘ₀ ＝２π／λ×√ε_II×ｓｉｎθ−ｉ２π／Λ_s ・・・（２１）
領域Ｉにおいて、回折光の波数ベクトルの大きさは、等方均質媒質のため、次のように表せる。
【００４０】
｜ｋ_Ii｜＝２π／λ×√ε_I ・・・（２２）
ここで、ε_I は領域Ｉの誘電率を表す。
【００４１】
よって、領域Ｉでの回折光波数ベクトルのｚ成分は、

となり、領域Ｉでの波数ベクトルは次式のようになる。ここで、ｚ₀ はｚ軸方向の単位ベクトルである。
【００４２】

領域III での波数ベクトルも、同様にして、領域III の誘電率をε_III とすると、次式のようになる。
【００４３】

（２４）、（２５）式は、位相型の体積型ホログラムにおいて、ホログラムから射出される回折式の波数ベクトルが格子（干渉縞）の３次元的な構造に依存するものでなく、表面の格子間隔に依存することを示している。
【００４４】
したがって、薄いホログラムと同様に、位相型の体積型ホログラムから射出された光の回折方向は、表面での格子（干渉縞）間隔で決定されることが分かる。
【００４５】
Ｐ偏光の場合は、ホログラム内の波動方程式が磁場Ｈに関して次のように書くことができる。
【００４６】
∇² Ｈ−（∇ε／ε×∇）Ｈ＋ｋ² εＨ＝０ ・・・（２６）
・・・（１３）
Ｓ偏光と同様にＦｌｏｑｕｅｔの定理を用いて、ホログラム中の磁場Ｈは、
Ｈ＝ΣＵ_i （ｚ）ｅｘｐ（−ｊσ_i ・ｒ） ・・・（２７）
ⁱ
のように表すことができる。ここで、Ｕ_i （ｚ）はｉ次回折光の磁場の振幅である。
【００４７】
Ｐ偏光も、Ｓ偏光同様に、ホログラムから射出されたｉ次回折光は、位相整合条件により、波数ベクトルのホログラム面接線成分が保存され、領域Ｉ及びIII における波数ベクトルは（２４）、（２５）式と同じになり、光の回折方向は表面での格子（干渉縞）間隔で決定されることが分かる。
【００４８】
振幅型のホログラムについても、内部を伝播する電磁波は、Ｆｌｏｑｕｅｔの定理により、（１５）、（２７）式のように記述することができる。
【００４９】
したがって、位相型の体積型ホログラムと同様に、光の回折方向は表面での格子（干渉縞）間隔で決定される。
【００５０】
以上より、体積型ホログラムの光の回折方向は、薄いホログラム同様に、格子（干渉縞）の３次元的な構造に依存するものでなく、ホログラム表面での干渉縞の間隔によって決定されることが明らかになった。
【００５１】
なお、干渉縞の形状、間隔が相互に同じとは、同じ位置で全く同じ場合だけでなく、干渉縞の傾きが±５°、好ましくは±１°、その間隔が±５％、好ましくは±１％異なるものまで含む意味である。
【００５２】
ところで、本発明の光学系は、光学系内部をガラスあるいはプラスチック等の屈折率が１より大きな透明媒質で構成しているため、反射面及び反射型ホログラム面による反射時の形状による光学パワーが、より緩い曲率半径Ｒで確保できる。そのため、各反射面での収差発生を抑制することができ、良好な収差補正がなされている。また、光学系内部を屈折率が１より大きな透明媒質で構成しているため像面の前面に屈折面を配置することができ、良好なディストーション補正が可能になる。
【００５３】
また、本発明の光学系は、第１プリズム媒質と第２プリズム媒質とを、同種の媒質で構成するのが好ましい。
【００５４】
また、本発明の光学系は、第１プリズムの体積型ホログラム素子が接合される面の面形状と第２プリズムの前記体積型ホログラム素子が接合される面の面形状とが、略同一形状にて構成するのが好ましい。
【００５５】
なお、ここで、略同一形状とは、製造誤差の範囲での面形状の相違は許容する趣旨である。
【００５６】
本発明の光学系において、体積型ホログラム素子はフィルムタイプの平面のホログラム素子であることが一般的であり、この平面のホログラム素子を貼り付ける基板である第１プリズムの面と第２プリズムの面の形状は、平面及びシリンドリカル面であることが望ましい。
【００５７】
ここで、第１プリズム、第２プリズムの面配置の具体例としては、後記の実施例のように、光学的瞳から像面に光線が到る順に、第１プリズムが、少なくとも、第１プリズム媒質を間に挟んで、光学的瞳からの光線を第１プリズム内に入射させる第１入射面と、第１プリズム外に光線を射出させる第１射出面とを有し、第２プリズムが、少なくとも、第２プリズム媒質を間に挟んで、第１プリズムから射出した光線を第２プリズム内に入射させる第２入射面と、第２プリズム内で光線を反射させる反射面と、第２プリズム外に光線を射出させる第２射出面とを有し、第２プリズムのその反射面が、反射時に光線に正のパワーを与えるような凹面形状の曲面に形成されているものとすることが望ましい。
【００５８】
この場合に、本発明の光学系は、第１プリズムの第１入射面を、透過時に光線にパワーを与えるような曲面形状に形成し、第２プリズムの第２射出面を、透過時に光線にパワーを与えるような曲面形状に形成することが望ましい。
【００５９】
また、本発明の光学系は、第１プリズムと第２プリズムの備えた光線を透過及び反射させる光学作用面以外の非光学作用面に、ゴースト光が観察者の眼球へ入射しないようなゴースト光除去部材を設けるのが好ましい。
【００６０】
ゴースト光除去部材は、第２プリズムの第２射出面を上面と定義したときの光学部材の底面及び側面に設けることが効果的である。さらに、第２射出面内の光線有効径外や、第２プリズムの反射面内の光線有効径外や、第１プリズムの第１入射面内の光線有効径外の領域も非光学作用面に含まれ、この部分にゴースト光除去部材を設けることも有効である。
【００６１】
また、本発明の光学系は、第１プリズムの第１入射面の面形状が回転非対称な収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状にて構成されているのが好ましい。
【００６２】
また、本発明の光学系は、第１プリズムの第１入射面の回転非対称な曲面形状は、対称面が１面のみの自由曲面にて構成され、前記唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致しているのが好ましい。
【００６３】
また、本発明の光学系は、第２プリズムの第２射出面の面形状が回転非対称な曲面形状にて構成されているのが好ましい。
【００６４】
このように、画像表示素子（光学的瞳から像面に逆方向に光束が進む場合で、像面に画像表示素子が配置される観察光学系の場合）又は撮像素子（光学的瞳から像面に順方向に光束が進む場合で、像面に撮像素子が配置される場合）の前面に透過面（第２プリズムの第２射出面）を配置すれば、ディストーションを良好に補正することができる。なお、この画像表示素子又は撮像素子の前面の形状は回転対称面で構成することも可能であるが、光学系の小型化を目的として光学作用面を偏心配置した際の偏心収差を補正するためには、自由曲面を用いることが更に望ましい。
【００６５】
また、本発明の光学系は、第２プリズムの第２射出面の回転非対称な曲面形状が、対称面が１面のみの自由曲面にて構成され、その唯一の対称面が、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致しているのが好ましい。
【００６６】
なお、本発明において、第１プリズムを構成する面及び第２プリズムを構成する面は、回転非対称なディストーション補正やテレセントリック性の良好な光学系とするために自由曲面等の回転非対称な面が望ましいが、球面、非球面、アナモルフィック面等の回転対称な面で構成することも可能である。
【００６７】
また、本発明の光学系は、体積型ホログラム素子が光線を反射回折により回転対称成分と回転非対称成分の両方の倍率色収差を補正するように構成されているのが好ましい。
【００６８】
反射型の体積型ホログラム素子で回転対称成分及び回転非対称成分の倍率色収差補正を行うことで高いコントラストが実現できる。
【００６９】
また、反射型の体積型ホログラム素子の角度選択性の性質を応用してビームスプリッター機能を実現するためには、本発明の光学系において下記の２つの条件式の少なくとも何れかを満足することが望ましい。
【００７０】
−０．２０＜ＰＸ４／ＰＸ＜０．５０ ・・・（１）
−０．２０＜ＰＹ４／ＰＹ＜０．３０ ・・・（２）
ここで、光学的瞳の中心を通る軸上主光線の方向をＺ軸方向にとり、光学系、光学面の偏心方向をＹ軸方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸に直交する方向をＸ軸方向とし、光学的瞳側から軸上主光線と平行なＹ−Ｚ面内の微小な高さｄの光線を入射し、光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に投影したときのなす角をδｙとし、δｙ／ｄをＹ方向の光学系のパワーＰＹ、光学的瞳側から軸上主光線と平行なＸ−Ｚ面内の微小な高さｄの光線を入射し、光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に直交する面であって軸上主光線を含む面に投影したときのなす角をδｘとし、δｘ／ｄをＸ方向の光学系のパワーＰＸとする。同様に光学系を構成する第２プリズム内の反射面のＹ方向のパワーＰＹ４、Ｘ方向のパワーＰＸ４とする。
【００７１】
上記条件式（１）、（２）の値が下限の−０．２０を越えて小さくなると、偏心して配置されている反射面の光学面パワーが負に大きくなりすぎ、その反射面で発生する偏心収差が補正できなくなる。また、反射型ホログラム面における透過時の光線入射角バラツキ幅が大きくなり、多重回折が発生してしまう。その結果、高精細な画像表示が困難となり、また、体積型ホログラム素子がビームスプリッターとして機能しなくなる。
【００７２】
また、条件式（１）、（２）の値が上限のそれぞれ０．５０、０．３０を越えて大きくなると、偏心して配置されている反射面の光学面パワーが正に大きくなりすぎ、その反射面で発生する偏心収差が補正できなくなる。また、反射型ホログラム面における光線入射角バラツキ幅が大きくなり、多重回折が発生してしまう。その結果、高精細な画像表示が困難となり、また、体積型ホログラム素子がビームスプリッターとして機能しなくなる。
【００７３】
さらに望ましくは、下記の２つの条件式の少なくとも何れかを満足することが望ましい。
【００７４】
０．００＜ＰＸ４／ＰＸ＜０．３５ ・・・（１−１）
−０．１０＜ＰＹ４／ＰＹ＜０．２０ ・・・（２−１）
これらの条件式の下限及び上限の意味は前述と同様である。
【００７５】
さらに望ましくは、下記の２つの条件式の少なくとも何れかを満足することが望ましい。
【００７６】
０．１５＜ＰＸ４／ＰＸ＜０．２５ ・・・（１−２）
０．００＜ＰＹ４／ＰＹ＜０．１０ ・・・（２−２）
これらの条件式の下限及び上限の意味は前述と同様である。
【００７７】
なお、後記の実施例１の場合のこれらの条件式の値は次の通りである。
【００７８】
ＰＸ４／ＰＸ＝０．１９０
ＰＹ４／ＰＹ＝０．０４５
以上の本発明の光学系は、像面に２次元画像表示素子を配置し、光学的瞳側から２次元画像表示素子の拡大像が観察可能な観察光学系として構成することができる。
【００７９】
その場合、例えば、その観察光学系として内蔵した本体部と、その観察光学系の光学的瞳を観察者の眼球位置に保持するように本体部を観察者頭部に支持する支持部材と、観察者の耳に音声を与えるスピーカー部材とを有する頭部装着型画像表示装置として構成することができる。
【００８０】
そして、その本体部が、右眼用の観察光学系と左眼用の観察光学系とを備え、スピーカー部材が、右耳用スピーカー部材と左耳用スピーカー部材とを有するように構成することができる。また、そのスピーカー部材としてイヤホンで構成することができる。
【００８１】
また、本発明の光学系は、観察系だけでなく、撮像系への適用も可能である。
そのためには、像面に撮像素子を配置し、光学的瞳側から物体光を入射して物体像を撮像可能に構成すればよい。
【００８２】
なお、本発明では、軸上主光線を、観察光学系においては順光線追跡で、２次元画像表示素子の中心から射出瞳を構成する光学的瞳中心に到達する光線で、撮像光学系においては逆光線追跡で、明るさ絞りを構成する光学的瞳中心を通り撮像素子の中心に到達する光線で定義する。そして、軸上主光線が射出瞳又は明るさ絞りの中心から第１プリズムの第１入射面に交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸と定義し、また、このＺ軸と直交し、かつ、第１プリズムを構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、さらに、Ｚ軸と直交し、かつ、Ｙ軸と直交する軸をＸ軸と定義する。また、射出瞳又は明るさ絞りの中心を本発明の観察光学系又は撮像光学系における座標系の原点とする。また、本発明においては、上述のように射出瞳から２次元画像表示素子に向かう順、又は、明るさ絞りから撮像素子に向かう順で面番号をつけることとし、軸上主光線が、射出瞳から２次元画像表示素子に至る方向又は明るさ絞りから撮像素子に至る方向をＺ軸の正方向、２次元画像表示素子に向かうＹ軸の方向又は撮像素子に向かうＹ軸の方向をＹ軸の正方向、Ｙ軸とＺ軸と右手系を構成するＸ軸の方向をＸ軸の正方向とそれぞれ定義する。
【００８３】
ここで、本発明で使用する自由曲面は、次式（ａ）により定義する。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００８４】

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。
【００８５】
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。
【００８６】
自由曲面項は、

ただし、Ｃ_j （ｊは２以上の整数）は係数であり、ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）² ＋ｍ＋３ｎ｝／２＋１（ｍ，ｎは０以上の整数）の関係にある。
【００８７】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明では、Ｘの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。このような自由曲面は、例えば、上記定義式においては、Ｃ₂ 、Ｃ₅ 、Ｃ₇ 、Ｃ₉ 、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₆、Ｃ₁₈、Ｃ₂₀、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₂₉、Ｃ₃₁、Ｃ₃₃、Ｃ₃₅・・・の各項の係数を０にすることによって達成することが可能である。
【００８８】
また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。このような自由曲面は、例えば、上記定義式においては、Ｃ₃ 、Ｃ₅ 、Ｃ₈ 、Ｃ₁₀、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₇、Ｃ₁₉、Ｃ₂₁、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₃₀、Ｃ₃₂、Ｃ₃₄、Ｃ₃₆・・・の各項の係数を０にすることによって達成することが可能である。
【００８９】
また、上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性も向上させることが可能となる。
【００９０】
また、上記定義式（ａ）は、上述のように１つの例として示したものであり、本発明において、対称面を１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるという特徴を有しているが、上記定義式（ａ）以外の他のいかなる定義式に対しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００９１】
本発明において、第２プリズムに設けられた反射面の形状を、唯一の対称面を１面のみ有した面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００９２】
また、本発明における体積型ホログラム素子の体積型ホログラム（ＨＯＥ）は以下のように定義する。図１１は本発明におけるＨＯＥを定義するための原理図である。
【００９３】
まず、ＨＯＥ面に入射し、さらに射出する波長λの光線追跡は、基準波長λ₀ ＝ＨＷＬに対して定義されるＨＯＥ面上での光路差関数Φ₀ を用いて、次式（ｂ）で与えられる。
【００９４】
ｎ_d Ｑ_d ×Ｎ＝ｎ_i Ｑ_i ×Ｎ＋ｍ（λ／λ₀ ）∇Ф₀ ×Ｎ ・・・（ｂ）
ただし、ＮはＨＯＥ面の法線ベクトル、ｎ_i （ｎ_d ）は入射側（射出側）の屈折率、Ｑ_i （Ｑ_d ）は入射（射出）ベクトル（単位ベクトル）である。また、ｍ＝ＨＯＲは射出光の回折次数である。
【００９５】
ＨＯＥが基準波長λ₀ の２点光源、すなわち、図１１に示すように、点Ｐ₁ ＝（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ１）を光源とする物体光、及び、点Ｐ₂ ＝（ＨＸ２，ＨＹ２，ＨＺ２）を光源とする参照光の干渉によって製造される（定義される）とすれば、
Φ₀ ＝Φ₀ ^2P ＝ｎ₂ ・ｓ₂ ・ｒ₂ −ｎ₁ ・ｓ₁ ・ｒ₁
となる。ただし、ｒ₁ （ｒ₂ ）は点Ｐ₁ （点Ｐ₂ ）からＨＯＥ面の所定の座標Ｐまでの距離（＞０）、ｎ₁ （ｎ₂ ）は製造時（定義時）にＨＯＥを置く媒質の点Ｐ₁ （点Ｐ₂ ）を配置した側の屈折率であり、ｓ₁ ＝ＨＶ１、及び、ｓ₂ ＝ＨＶ２は光の進行方向を考慮する符号である。この符号は、光源が発散光源（実点光源）である場合に、ＲＥＡ＝＋１、逆に光源が収束する光源（仮想点光源）の場合にＶＩＲ＝−１となる。なお、レンズデータ中におけるＨＯＥの定義として、製造時（定義時）にＨＯＥを置く媒質の屈折率ｎ₁ （ｎ₂ ）は、レンズデータ中でＨＯＥ面が接している媒質の、点Ｐ₁ （点Ｐ₂ ）が存在する側の屈折率とする。
【００９６】
一般的な場合、ＨＯＥを製造する際の参照光と物体光は球面波とは限らない。
この場合のＨＯＥの光路差関数Φ₀ は、多項式で表した付加的な位相項Φ₀ ^Poly（基準波長λ₀ における光路差関数）を加えて次式（ｃ）で表わすことができる。
【００９７】
Φ₀ ＝Φ₀ ^2P ＋Φ₀ ^Poly ・・・（ｃ）
ここで、多項式は、

であり、一般には、
ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）² ＋ｍ＋３ｎ｝／２
で定義することができる。ただし、Ｈ_j は各項の係数である。
【００９８】
さらに光学設計の便宜から、光路差関数Φ₀ を、
Φ₀ ＝Φ₀ ^Poly
のように付加項のみで表し、それによってＨＯＥを定義することもできる。例えば、２点光源Ｐ₁ （点Ｐ₂ ）を一致させると光路差関数Φ₀ の干渉による成分Φ₀ ^2P はゼロとなるので、この場合は実質的に付加項（多項式）のみで光路差関数を表示したことに相当する。
【００９９】
以上のＨＯＥに関する説明は、全てＨＯＥ原点を基準とするローカル座標に対するものである。
【０１００】
以下に、ＨＯＥを定義する構成パラメータの例を示す。

【０１０１】
後記の実施例１においては、波長６３０ｎｍを中心とする赤バンド光を角度選択的に回折するＨＯＥ▲１▼一層のみからなるように定義されているが、他の波長５２５ｎｍを中心とする緑バンド光のＨＯＥ、波長４７０ｎｍを中心とする青バンド光のＨＯＥについては、ホログラム表面の干渉縞の形状、間隔が赤バンド光のＨＯＥ▲１▼と同じになるので、式（ｃ）で表わされる光路差関数Φ₀ は同じになるため、表記していない。ただし、当然各ＨＯＥのホログラム媒質内の干渉縞の間隔と傾きは異なるので、ホログラム面内の離散的な６つの点における各ＨＯＥのホログラム媒質内の干渉縞の間隔と傾きを示して、赤・緑・青の３つの体積型ホログラムを示してある。
【０１０２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光学系の実施例１について説明する。
【０１０３】
なお、実施例１の構成パラメータは後に示すことにする。この実施例１を観察光学系の例であり、図１に示すように、軸上主光線２を、射出瞳１の中心（観察者眼球の旋回中心位置）から第１プリズム３、第２プリズム４、２次元画像表示素子として設けられたＬＣＤ５の中心に至る光線で定義する。そして、軸上主光線２が第１プリズム３の射出瞳１側の面３₁ に交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交し、かつ、プリズムを構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸と定義する。また、射出瞳１の中心をこの座標系の原点とする。そして、軸上主光線２が射出瞳１からＬＣＤ５に至る方向をＺ軸の正方向、ＬＣＤ５に向かうＹ軸の方向をＹ軸の正方向、Ｙ軸とＺ軸と右手系を構成するＸ軸の方向をＸ軸の正方向とそれぞれ定義する。
【０１０４】
実施例１では、第１プリズム３及び第２プリズム４はこのＹ−Ｚ平面内で偏心を行っており、また、第１プリズム３及び第２プリズム４に設けられる各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【０１０５】
偏心面については、光学系の原点の中心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、前記の（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。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。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【０１０６】
また、実施例１の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、球面の曲率半径、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。
【０１０７】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、前記の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【０１０８】
また、自由曲面の他の定義式として、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は次式（ｄ）により定義する。その定義式（ｄ）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、ＲはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＡはＺ軸回りの方位角で、Ｘ軸から測った回転角で表せられる。
【０１０９】

ただし、Ｄ_m （ｍは２以上の整数）は係数である。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 、Ｄ₁₀，Ｄ₁₁，Ｄ₁₂，Ｄ₁₃，Ｄ₁₄，Ｄ₂₀，Ｄ₂₁，Ｄ₂₂…を利用する。
【０１１０】
また、回転非対称面な自由曲面の形状は次の式（ｅ）により定義することもできる。その定義式（ｅ）のＺ軸が回転非対称面の軸となる。
【０１１１】
Ｚ＝Σ_n Σ_m Ｃ_nmＸⁿ Ｙ^n-m ・・・・（ｅ）
ただし、Σ_n はΣのｎが０〜ｋ、Σ_m はΣのｍが０〜ｎを表わす。
【０１１２】
なお、本発明の実施例１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（ｄ）式、（ｅ）式を用いても同様の作用効果が得られるのは言うまでもない。
【０１１３】
以下、実施例１について具体的に説明する。この実施例では、観察光学系を用いた画像表示装置として説明する。
【０１１４】
本発明の実施例１に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図１に示す。
この実施例の観察光学系は、像面側に観察者が観察する画像を表示する２次元画像表示素子として配置されたＬＣＤ５と、２次元画像表示素子によって形成された観察像を観察するために観察者の眼球位置（瞳面）に形成する射出瞳１に導く接眼光学部材を有している。
【０１１５】
接眼光学部材は、第１プリズム３と、第２プリズム４を含んで構成されている。なお、この実施例の説明において、光学系の面番号は原則として射出瞳１からＬＣＤ５に至る順番で追跡（逆光線追跡）し、第１及び第２プリズムにおける各面の順番も逆光線追跡に合わせて表すこととする。
【０１１６】
第１プリズム３は、ガラス又はプラスチック等の透明なプリズム媒質を挟んで、第１入射面３₁ 、第１射出面３₂ を有している。
【０１１７】
第２プリズム４は、ガラス又はプラスチック等の透明なプリズム媒質を挟んで、第２入射面４₁ 、反射面４₂ 、第２射出面４₃ を有している。
【０１１８】
第１プリズム３と第２プリズム４とは、その間にホログラム素子として反射型の体積型ホログラム（ＨＯＥ）６を挟んで接合されている。
【０１１９】
なお、第１プリズム３のプリズム媒質と第２プリズム４のプリズム媒質は、共にガラス又は共にプラスチックというように、同じ媒質で構成されている。
【０１２０】
第２プリズム４の第２射出面４₃ は、ＬＣＤ５側に配置されていて、観察像からの光線を透過して第２プリズム４内に入射させる作用を有し、透過時にその光線にパワーを与えるような対称面が１面のみの自由曲面形状に形成されている。
【０１２１】
反射面４₂ は、第２プリズム４内で光線を反射させる作用を有し、反射時に光線に正のパワーを与えるような凹面形状の曲面（ここでは自由曲面）に形成されている。また、反射面４₂ には、ミラーコーティングが施されている。
【０１２２】
第２入射面４₁ は、Ｘ軸方向に曲率を有し、Ｙ軸方向では曲率を持たないシリンドリカル面で形成され、第２プリズム４外に光線を射出させる作用を有する。
【０１２３】
第１プリズム３の第１射出面３₂ は、第２プリズム４側に配置されていて、第２プリズム４から射出した光線を透過して第１プリズム３内に入射させる作用を有し、第２プリズム４の第２入射面４₁ と略同一の形状で構成されている。
【０１２４】
第１入射面３₁ は、第１プリズム３外に光線を射出させる作用を有し、透過時に光線にパワーを与えるような対称面が一面のみの自由曲面形状に形成されており、前記接眼光学部材で発生する回転非対称なコマ収差又は非点収差の少なくとも一方の回転非対称な収差を補正する作用を有している。
【０１２５】
なお、第１プリズム３の第１入射面３₁ 、第２プリズム４の反射面４₂ 、第２射出面４₃ の自由曲面における唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ面）に一致している。
【０１２６】
そして、実施例１の観察光学系では、ＬＣＤ５から射出された赤・緑・青それぞれのバンド光は、第２射出面４₃ を透過して第２プリズム４の内部に入射した後、第２入射面４₁ に貼り付けられた体積型ホログラム６に対して、それぞれ第１の入射角、第２の入射角、第３の入射角で入射する。このとき、入射した赤・緑・青それぞれのバンド光は、体積型ホログラム６面において１００％近い反射回折効率でもってそれぞれ第１の反射回折角、第２の反射回折角、第３の反射回折角で回折反射され、反射面４₂ に向かい反射面４₂ で反射されて、第２入射面４₁ に貼り付けられた体積型ホログラム６に対して、それぞれ第１の入射角、第２の入射角、第３の入射角以外の入射角度で入射する。このときの入射角度は、体積型ホログラム６の高い回折効率を有する回折効率の角度選択性より外れるため、赤・緑・青それぞれのバンド光は、体積型ホログラム６を透過して、第２プリズム４から射出する。その後、それらの光束は、第１プリズム３の第１射出面３₂ を透過して第１プリズム３の内部に入射し、第１入射面３₁ を透過することによって第１プリズム３から射出して射出瞳１側に導かれる。
【０１２７】
なお、本発明の実施例１においては、観察光学系として説明することとしているが、観察光学系の像面にＬＣＤ５に換えて撮像素子１３を配置し、射出瞳１に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞り１４を配置することにより、撮像光学系として構成することができる。
【０１２８】
その場合には、第２プリズム４の第２射出面４₃ は、第２プリズム４外に光線を射出させる面として作用し、第２入射面４₁ は、第１プリズム３から射出した光線を第２プリズム４内に入射させる面として作用する。また、第１プリズム３の第１射出面３₂ は、第１プリズム３外に光線を射出させる面として作用し、第１入射面３₁ は、明るさ絞り１４を通過した物体からの光線を第１プリズム３内に入射させる面として作用する。
【０１２９】
また、体積型ホログラム６は、Ｒ，Ｇ，Ｂの３層を貼り合わせるか三重記録して構成されており、前記したように、波長６３０ｎｍを中心とする赤バンド光のホログラム、波長５２５ｎｍを中心とする緑バンド光のホログラム、波長４７０ｎｍを中心とする青バンド光のホログラムは何れも、ホログラム表面の干渉縞の形状、間隔が相互に同じであり、ホログラム媒質内の干渉縞の間隔と傾きが相互に異なるものからなる。
【０１３０】
そして、体積型ホログラム６のホログラム面の反射回折及び透過を兼用してビームスプリッターとして用いる領域においては、反射回折時にホログラム面の法線に対して主光線の入射角は、５０．６°〜５４．６°の角度分布で入射する。
この際、体積型ホログラム６の回折素子としての光学パワーを利用して光学系の他の屈折面４₃ 、３₁ により発生した色収差をキャンセルすることで、回転対称成分及び回転非対称成分の倍率色収差の補正を行っている。この入射した光線は略正反射に近い回折角度で射出される。また、体積型ホログラム６のホログラム面の反射回折及び透過を兼用してビームスプリッターとして用いる領域において、透過時にホログラム面の法線に対して主光線の入射角は、−１６．２°〜−１８．２°の角度分布で入射する。
【０１３１】
図７に、この実施例の回折効率のシミュレーション用モデル図を示す。媒質ｎ１中に接合されている体積型ホログラム素子６で中心屈折率ｎ、屈折率変調の振幅Δｎ、ホログラム厚さｔのとき、反射回折させたい光線が体積型ホログラム素子６のある座標位置Ａにおいて、法線に対して入射角ｉ°で入射し、反射回折角ｒ°で射出する。また、透過させたい光線が体積型ホログラム素子６の座標位置Ａに、法線に対して入射角ｓ°で入射するものとする。
【０１３２】
図４〜図６に、KogelnikのCoupled Wave theory に対して下記パラメータを適用して回折効率のシミュレーションを行った結果を示す。赤・緑・青のそれぞれのバンド光を１０％以上の回折効率で回折する領域を黒領域で示してある。
【０１３３】
媒質ｎ１＝１．５２、中心屈折率ｎ＝１．５２、屈折率変調の振幅Δｎ＝０．０１７、厚さｔ＝２５μｍ、入射角ｉ＝５０．６°、反射回折角ｒ＝５０．７°、各バンドの中心波長が、赤：０．６３μｍ、緑：０．５２５μｍ、青：０．４７μｍ
ここで、反射型ホログラム素子６について、KogelnikのCoupled Wave theory （The Bell System Technical Journal Vol.48,No.9,pp.2909-2947(Nov.1969)）によると、反射型ホログラム素子６の回折効率ηは、媒質での吸収が無視できる場合に、次式（Ａ）で与えられる。
【０１３４】
η＝１／［１＋（１−ξ² ／ν² ）／ｓｉｎｈ² ｛√（ν² −ξ² ）｝］
・・・（Ａ）
ここで、νとξは次式で与えられる。
【０１３５】
ν＝πｔΔｎ／｛λ√（ｃｏｓθ_R ・ｃｏｓθ_S ）｝
ξ＝ｔ／２×（ｋ_Rz＋Ｋ_z −ｋ_Sz）
ただし、
ｔ：感光材料の厚み
λ：真空中の波長
θ_R ：入射光とホログラム面法線ベクトルのなす角
θ_S ：回折光とホログラム面法線ベクトルのなす角
ｋ_Rz：入射光の波数ベクトルのホログラム面法線方向の成分
ｋ_Sz：回折光の波数ベクトルのホログラム面法線方向の成分
Ｋ_z ：回折格子ベクトルのホログラム面法線方向の成分
Δｎ：ホログラム媒質の屈折率変調の振幅
ｎ：ホログラム媒質の平均屈折率
である。
【０１３６】
ここで、光の波数ベクトルｋは、｜ｋ｜＝２πｎ／λで与えられ、回折格子ベクトルＫは、体積型ホログラムの干渉縞面に垂直なベクトルで干渉縞の周期（格子間隔）をΛとすると、｜Ｋ｜＝２π／Λで与えられる。なお、ブラッグの条件を満足する場合のＫ、ｋ_R 、ｋ_S 、Ｋ_z ｋ_Rz、ｋ_Szの関係を示すベクトルダイアグラムを図１０に示す。
【０１３７】
実施例１の体積型ホログラム６のホログラム面での入射角が５０．６°〜５４．６°で角度分布している中の入射角ｉ＝５０．６°、反射回折角ｒ＝５０．７°で反射回折する位置においては、再入射透過光が−１６．２°で体積型ホログラム６へ入射する。波長が、赤：０．６３μｍ±２０μｍ、緑：０．５２５μｍ±２０μｍ、青：０．４７μｍ±２０μｍの再入射透過光は、−１６．２°の入射角で再入射する際に、図４から、各バンドの高回折効率領域とは重なり合っておらず、そのまま透過できることが分かる。
【０１３８】
図５は、図４に対して、実施例１の体積型ホログラム６のホログラム面での入射角が５０．６°〜５４．６°で角度分布している中の入射角ｉ＝５２．４°、反射回折角ｒ＝５２．５°で反射回折する位置においての回折効率のシミュレーションを行った結果を示す。
【０１３９】
実施例１の体積型ホログラム６のホログラム面での入射角が５０．６°〜５４．６°で角度分布している中の入射角ｉ＝５２．４°、反射回折角ｒ＝５２．５°で反射回折する場所においては、再入射透過光が−１８．７°で体積型ホログラム６へ入射する。波長が、赤：０．６３μｍ±２０μｍ、緑：０．５２５μｍ±２０μｍ、青：０．４７μｍ±２０μｍの再入射透過光は、−１８．７°の入射角で再入射する際に、図５から、各バンドの高回折効率領域とは重なり合っておらず、そのまま透過できることが分かる。
【０１４０】
図６は、図４に対して、実施例１の体積型ホログラム６のホログラム面での入射角が５０．６°〜５４．６°で角度分布している中の入射角ｉ＝５４．６°、反射回折角ｒ＝５４．７°で反射回折する位置においての回折効率のシミュレーションを行った結果を示す。
【０１４１】
実施例１の体積型ホログラム６のホログラム面での入射角が５０．６°〜５４．６°で角度分布している中の入射角ｉ＝５４．６°、反射回折角ｒ＝５４．７°で反射回折する場所においては、再入射透過光が−１８．２°で体積型ホログラム６へ入射する。波長が、赤：０．６３μｍ±２０μｍ、緑：０．５２５μｍ±２０μｍ、青：０．４７μｍ±２０μｍの再入射透過光は、−１８．２°の入射角で再入射する際に、図６から、各バンドの高回折効率領域とは重なり合っておらず、そのまま透過できることが分かる。
【０１４２】
以上のことから、実施例１においては、図４〜図６に示すように、体積型ホログラム６をＬＣＤ５からの光束あるいは明るさ絞り１４を通った物体からの光束が透過する際に、赤・緑・青の波長の透過光束が、赤・緑・青のそれぞれのバンド光を１０％以上の回折効率で回折する領域を示す高回折効率領域の中、最も波長の短い青バンド光用の高回折効率領域より短波長側の領域の入射角度範囲を透過するように設定することにより、反射回折させる角度で入射する赤・緑・青のバンド光を高回折効率で同時に反射回折させ、また、透過させる角度で入射する赤・緑・青のバンド光をほとんど回折させることなく同時に透過させることができ、複数の波長の光を高効率に利用し、明るく色再現性の良い表示が可能なホログラムカラービームスプリッターあるいはそのホログラムカラービームスプリッターを用いた画像表示装置用の観察光学系、さらには撮像光学系を実現することができる。
【０１４３】
なお、実施例１の光学系は、焦点距離は２１．２ｍｍ、アイリリーフは２８．００ｍｍ、瞳径はφ４ｍｍ、ワーキングデスタンス（ＷＤ）は７．３４ｍｍ、用いる画像表示素子は、対角長０．５５インチ、アスペクト比４：３であり、サイズは縦８．４４８ｍｍ×横１１．２６４ｍｍである。また、中心視度は−１．０Ｄであり、観察画角は水平全画角３０．０°、垂直全画角２２．７°である。
【０１４４】
以下に実施例１の数値データを示すが、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＣＹＬ”はシリンドリカル面、“ＨＯＥ”は反射型ホログラム面、“ＲＥ”は反射面をそれぞれ示す。また、シリンドリカル面のＲｘ、ＲｙはそれぞれＸ軸方向曲率半径、Ｙ軸方向曲率半径を示す。なお、Λはホログラム媒質中の体積型ホログラムの屈折率分布の周期構造（干渉縞）の間隔、Λ_S はホログラム媒質表面の体積型ホログラムの屈折率分布の周期構造（干渉縞）の間隔、θはホログラム媒質中の体積型ホログラムの屈折率分布の周期構造（干渉縞）のホログラム媒質表面に対する傾き角である。
【０１４５】

【０１４６】
次に、上記実施例１の像歪みを表す収差図を図２に、横収差を表す収差図を図３にそれぞれ示す。この横収差図においては、括弧内に示された数字は（水平画角，垂直画角）を表し、その画角における横収差を示す。
【０１４７】
なお、上記表中のＨＯＥ▲１▼中の赤・緑・青バンド光用の３つのホログラムの干渉縞のホログラム媒質表面での干渉縞間隔Λ_S が相互に完全に同じではないのは、光線座標が波長毎に色収差によって若干ずれているからであり、ホログラム媒質表面での座標が同じ場合には、その３つのホログラムの干渉縞のホログラム媒質表面での干渉縞間隔Λ_S は同じになっている。
【０１４８】
ところで、図１２は、以上のような本発明の光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図の１つであり、体積型ホログラム６を回折しないで透過した光がゴースト光として悪影響を与えることを示す説明図である。
【０１４９】
以上のような実施例の構成において、光束が体積型ホログラム６に対して所定の入射角で入射した場合であっても、所定の波長領域の光線は、１００％回折反射するのではなく、極く僅かに回折反射しない不要次数光が発生して透過光が発生し得る。
【０１５０】
そして、その透過光が例えば、図１３に示す接眼光学系の底面３₃ や側面（紙面に垂直な方向の面）に光が当たり、その反射光がゴースト光として観察者の眼球に入射するおそれがある。
【０１５１】
そこで、本発明においては、図１２に示すように、図１のような構成に加えて、第１プリズム３の側面及び底面３₃ や第２プリズム４の側面にゴースト光除去部材として黒色塗料等光を吸収する性質を有する部材をペイント処理を施す等して設けている。なお、ゴースト光除去部材１５を、第２プリズム４の第２射出面４₃ 内の光線有効径外や、第２プリズムの反射面４₂ 内の光線有効径外や、第１プリズム３の第１入射面３₁ 内の光線有効径外の領域等の非光学作用面（第１プリズム３と第２プリズム４において、光束を透過又は反射させる光学作用面以外の面）に含まれる部位にも設けることが望ましい。
【０１５２】
次に、以上のような本発明による観察光学系、撮像光学系は、物体像を接眼レンズを通して観察する観察装置や、物体像を形成しその像をＣＣＤや銀塩フィルムといった撮像素子に受光させて撮影を行なう撮影装置として用いることが可能である。具体的には、顕微鏡、頭部装着型画像表示装置、内視鏡、プロジェクター、銀塩カメラ、デジタルカメラ、ＶＴＲカメラ、撮影装置を内蔵したパソコン、携帯電話等の情報処理装置等がある。以下にその実施形態を例示する。
【０１５３】
その一例として、図１４に頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を、図１５にその断面図を示す。この構成は、本発明による観察光学系を図１６に示すように画像表示素子５を備えた接眼光学系１００として用いており、この接眼光学系１００を左右一対用意し、それらを眼幅距離だけ離して支持することにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装着型画像表示装置のようなポータブル型の画像表示装置１０２として構成されている。
【０１５４】
すなわち、画像表示装置本体１０２には、上記のような観察光学系が接眼光学系１００として用いられ、その接眼光学系１００が左右一対備えられ、それらに対応して像面に液晶表示素子からなる画像表示素子５が配置されている。そして、画像表示装置本体１０２には、図１４に示すように、左右に連続して図示のような側頭フレーム１０３が設けられ、画像表示装置本体１０２を観察者の眼前に保持できるようになっている。なお、図１５に示すように、接眼光学系１００の射出瞳と第１プリズム３の第１入射面３₁ との間にカバー部材９１が配置されている。このカバー部材９１としては、平行平面板、正レンズあるいは負レンズの何れを用いてもよい。
【０１５５】
また、側頭フレーム１０３にはスピーカ１０４が付設されており、画像観察と共に立体音響を聞くことができるようになっている。このようにスピーカ１０４を有する表示装置本体１０２には、映像音声伝達コード１０５を介してポータブルビデオカセット等の再生装置１０６が接続されており、観察者はこの再生装置１０６を図示のようにベルト箇所等の任意の位置に保持して、映像音響を楽しむことができるようになっている。図１４の符号１０７は再生装置１０６のスイッチ、ボリューム等の調節部である。なお、画像表示装置本体１０２の内部には映像処理、音声処理回路等の電子部品を内蔵させてある。
【０１５６】
なお、コード１０５は先端をジャックにして、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよい。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ鑑賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。
【０１５７】
さらに、本発明による観察光学系は、接眼光学系を左右何れか一方の眼前に配置した片眼用の頭部装着型画像表示装置に用いてもよい。図１６にその片眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着（この場合は、左眼に装着）した状態を示す。この構成では、画像表示素子５を備えた接眼光学系１００を１組備えた表示装置本体１０２が前フレーム１０８の対応する眼の前方位置に取り付けられ、その前フレーム１０８には左右に連続して図示のような側頭フレーム１０３が設けられており、表示装置本体１０２を観察者の片眼前に保持できるようになっている。その他の構成は図１４の場合と同様であり、説明は省く。
【０１５８】
また、図１７〜図１９は、本発明による撮像光学系の要部構成を電子カメラのファインダー部の対物光学系に組み込んだ構成の概念図を示す。図１７は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図１８は同後方斜視図、図１９は電子カメラ４０の構成を示す断面図である。
【０１５９】
電子カメラ４０は、この例の場合、撮影用光路４２を有する撮影光学系４１、ファインダー用光路４４を有するファインダー光学系４３、シャッター釦４５、フラッシュ４６、液晶表示モニター４７等を含み、カメラ４０の上部に配置されたシャッター釦４５を押圧すると、それに連動して撮影用対物光学系４８を通して撮影が行なわれる。撮影用対物光学系４８によって形成された物体像が、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター５１を介してＣＣＤ４９の撮像面５０上に形成される。
【０１６０】
このＣＣＤ４９で受光された物体像は、処理手段５２を介し、電子画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター４７に表示される。また、この処理手段５２には記録素子６１が配置され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、この記録素子６１は処理手段５２と別体に設けられてもよいし、フロッピーディスク等により電子的に記録書込を行なうように構成してもよい。また、ＣＣＤ４９に代わって銀塩フィルムを配置した銀塩カメラとして構成してもよい。
【０１６１】
さらに、ファインダー用光路４４上には、ファインダー用対物光学系５３が配置されており、このファインダー用対物光学系５３は、カバーレンズ５４と、フォーカシングのために光軸方向に位置調節可能な正レンズ群５７と、明るさ絞り１４と第１プリズム３と第２プリズム４とを備えてなる。また、カバー部材として用いられているカバーレンズ５４は、負のパワーを有するレンズ群であり、画角を拡大している。なお、第２プリズム４は、本発明の実施例１のような第２プリズム４の構成に加えて、第２入射面４₁ に設けられたホログラム６からの回折反射光が第２射出面４₃ に至る光路の途中に反射面４₄ を有している。このファインダー用対物光学系５３によって結像面９０上に形成された物体像は、像正立部材であるポロプリズム５５の視野枠上に形成される。
【０１６２】
なお、その視野枠は、ポロプリズム５５の第１反射面５６₁ と第２反射面５６₂ との間を分離し、その間に配置されている。なお、ポロプリズム５５は第１反射面５６₁ から第４反射面５６₄ でなる。このポロプリズム５５の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系５９が配置されている。
【０１６３】
このように構成されたカメラ４０は、ファインダー用対物光学系５３を少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、対物光学系５３の光路自体を折り曲げて構成できるため、カメラ内部での配置の自由度が増し、設計上有利となる。
【０１６４】
なお、図１９の構成において、撮影用対物光学系４８の構成については言及しなかったが、撮影用対物光学系４８としては屈折型同軸光学系の他に、本発明の本発明の実施例１に示すような２つのプリズム３、４からなる何れかのタイプの撮像光学系を用いることも当然可能である。
【０１６５】
また、接眼光学系５９を本発明の実施例１に示すような２つのプリズム３、４からなる何れかのタイプの接眼光学部材を用いて構成してもよい。
【０１６６】
次に、図２０は本発明の撮像光学系を電子カメラ４０の撮影部の対物光学系４８に、本発明の観察光学系を電子カメラ４０の接眼光学系５９に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合は、撮影用光路４２上に配置された撮影用対物光学系４８は、正レンズからなるカバー部材６５と本発明の実施例１に示すような２つのプリズム３、４からなる何れかのタイプの撮像光学系からなる。そして、その第２プリズム４とＣＣＤ４９との間にローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター５１が配置されており、この撮影用対物光学系４８により形成された物体像はＣＣＤ４９の撮像面５０上に形成される。このＣＣＤ４９で受光された物体像は、処理手段５２を介し、液晶表示素子（ＬＣＤ）６０上に電子像として表示される。また、この処理手段５２は、ＣＣＤ４９で撮影された物体像を電子情報として記録する記録手段６１の制御も行なう。ＬＣＤ６０に表示された画像は、接眼光学系５９を介して観察者眼球Ｅに導かれる。
【０１６７】
この接眼光学系５９は、本発明の実施例１に示すような観察光学系と同様の形態を持つ偏心プリズム光学系３、４とその射出瞳側に配置されたカバーレンズ９１とからなる。また、ＬＣＤ６０の背後にはそれを照明するバックライト９２が配置されている。なお、この撮影用対物光学系４８は他のレンズ（正レンズ、負レンズ）を２つのプリズム３、４の物体側あるいは像側にその構成要素として含んでいてもよい。
【０１６８】
このように構成されたカメラ４０は、撮影用対物光学系４８、接眼光学系５９を少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、光学系全体を同一平面上に並べて配置できるため、この配置平面と垂直方向の厚みの薄型化が実現できる。
【０１６９】
なお、本例では、撮影用対物光学系４８のカバー部材６５として、正レンズを配置しているが、負レンズあるいは平行平面板を用いてもよい。
【０１７０】
ここで、カバー部材を設けずに、本発明の撮像光学系の最も物体側に配置された面をカバー部材と兼用することもできる。本例では、その最も物体側の面は第１プリズム３の第１入射面３₁ となる。しかし、この入射面３₁ が光軸に対して偏心配置されているため、この面がカメラ前面に配置されてしまうと、被写体側から見た場合、カメラ４０の撮影中心が自分からずれているように錯覚してしまい（一般的なカメラ同様、入射面の垂直方向を撮影していると感じるのが通常である。）、違和感を与えてしまう。そこで、本例のように、結像光学系の最も物体側の面が偏心面である場合には、カバー部材６５（又は、カバーレンズ５４）を設けることが、被写体側から見た場合に違和感を受けずに、既存のカメラと同じ感覚で撮影を受けることができ望ましい。
【０１７１】
次に、図２１は、本発明による撮像光学系を電子内視鏡の観察系の対物光学系８２に、本発明による観察光学系を電子内視鏡の観察系の接眼光学系８７に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合、観察系の対物光学系８２、接眼光学系８７は実施例１と略同様の形態の光学系を用いている。この電子内視鏡は、図２１（ａ）に示すように、電子内視鏡７１と、照明光を供給する光源装置７２と、その電子内視鏡７１に対応する信号処理を行なうビデオプロセッサ７３と、このビデオプロセッサ７３から出力される映像信号を表示するモニター７４と、このビデオプロセッサ７３と接続され映像信号等に記録するＶＴＲデッキ７５及びビデオディスク７６と、映像信号を映像としてプリントアウトするビデオプリンタ７７と、例えば図１４に示したような頭部装着型画像表示装置（ＨＭＤ）７８と共に構成されており、電子内視鏡７１の挿入部７９の先端部８０と、その接眼部８１は、図２１（ｂ）に示すように構成されている。
【０１７２】
光源装置７２から照明された光束は、ライトガイドファイバー束８８を通って照明用対物光学系８９により、観察部位を照明する。そして、この観察部位からの光が、カバー部材８５を介して、観察用対物光学系８２によって物体像として形成される。この物体像は、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター８３を介してＣＣＤ８４の撮像面上に形成される。さらに、この物体像は、ＣＣＤ８４によって映像信号に変換され、その映像信号は、図２１（ａ）に示すビデオプロセッサ７３により、モニター７４上に直接表示されると共に、ＶＴＲデッキ７５、ビデオディスク７６中に記録され、また、ビデオプリンタ７７から映像としてプリントアウトされる。また、ＨＭＤ７８の画像表示素子５（図１５）に表示されＨＭＤ７８の装着者に表示される。同時に、ＣＣＤ８４によって変換された映像信号は画像信号導伝手段９３を介して接眼部８１の液晶表示素子（ＬＣＤ）８６上に電子像として表示され、その表示像は本発明の観察光学系からなる接眼光学系８７を経て観察者眼球Ｅに導かれる。
【０１７３】
このように構成された内視鏡は、少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、対物光学系８０が内視鏡の長軸方向に並ぶため、細径化を阻害することなく上記効果を得ることができる。
【０１７５】
次に、本発明の撮像光学系を情報処理装置の一例であるパソコンに内蔵した構成を示す概念図を図２２〜図２４に示す。
【０１７６】
図２２はパソコン３００のカバーを開いた前方斜視図、図２３はパソコン３００の撮影光学系３０３の断面図、図２４は図２２の状態の側面図である。図２２〜図２４に示されるように、パソコン３００は、外部から繰作者が情報を入力するためのキーボード３０１と、図示を省略した情報処理手段や記録手段と、情報を操作者に表示するモニター３０２と、操作者自身や周辺の像を撮影するための撮影光学系３０３とを有している。ここで、モニター３０２は、図示しないバックライトにより背面から照明する透過型液晶表示素子や、前面からの光を反射して表示する反射型液晶表示素子や、ＣＲＴディスプレイ等であってよい。また、図中、撮影光学系３０３は、モニター３０２の右上に内蔵されているが、その場所に限らず、モニター３０２の周囲や、キーボード３０１の周囲のどこであってもよい。
【０１７７】
この撮影光学系３０３は、撮影光路３０４上に、本発明の撮像光学系からなる対物光学系２００と、像を受光する撮像素子チップ２０４とを有している。これらはパソコン３００に内蔵されている。
【０１７８】
ここで、撮像素子チップ２０４上には付加的にＩＲカットフィルター２０３が貼り付けられて撮像ユニット２０６として一体に形成され、対物光学系２００の鏡枠２０１の後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、対物光学系２００と撮像素子チップ２０４の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠２０１の先端には、対物光学系２００を保護するためのカバーガラス２０２が配置されている。
【０１７９】
撮像素子チップ２０４で受光された物体像は、端子２０５を介して、パソコン３００の処理手段に入力され、電子画像としてモニター３０２に表示される、図２２には、その一例として、操作者の撮影された画像３０５が示されている。また、この画像３０５は、処理手段を介し、インターネットや電話を介して、遠隔地から通信相手のパソコンに表示されることも可能である。
【０１８０】
次に、情報処理装置の他の例として電話、特に、その中でも持ち運びに便利な携帯電話に本発明の撮像光学系を内蔵した例を図２５に示す。
【０１８１】
図２５（ａ）は携帯電話４００の正面図、図２５（ｂ）は側面図、図２５（ｃ）は撮影光学系４０５の断面図である。図２５（ａ）〜（ｃ）に示されるように、携帯電話４００は、操作者の声を情報として入力するマイク部４０１と、通話相手の声を出力するスピーカ部４０２と、操作者が情報を入力する入力ダイアル４０３と、操作者自身や通話相手等の撮影像と電話番号等の情報を表示するモニター４０４と、撮影光学系４０５と、通信電波の送信と受信を行うアンテナ４０６と、画像情報や通信情報、入力信号等の処理を行う処理手段（図示せず）とを有している。ここで、モニター４０４は液晶表示素子である。また、図中、各構成の配置位置は、特にこれらに限られない。この撮影光学系４０５は、撮影光路４０７上に配置された本発明の撮像光学系からなる２００と、像を受光する撮像素子チップ２０４とを有している。これらはこれらは、携帯電話４００に内蔵されている。
【０１８２】
ここで、撮像素子チップ２０４上には付加的にＩＲカットフィルター２０３が貼り付けられて撮像ユニット２０６として一体に形成され、対物光学系２００の鏡枠２０１の後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、対物光学系２００と撮像素子チップ２０４の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠２０１の先端には、対物光学系２００を保護するためのカバーガラス２０２が配置されている。
【０１８３】
撮像素子チップ２０４で受光された物体像は、端子２０５を介して、図示していない処理手段に入力され、電子画像としてモニター４０４に、又は、通信相手のモニターに、又は、両方に表示される。また、通信相手に画像を送信する場合、撮像素子チップ２０４で受光された物体像の情報を、送信可能な信号へと変換する信号処理機能が処理手段には含まれている。
【０１８４】
次に、本発明による光学系を構成するプリズムに体積型ホログラムのような回折素子を設けるときの望ましい構成を図２６に示す。図中、偏心プリズムＰ１、Ｐ２は、夫々、本発明の光学系中に含まれる第２プリズム４、第１プリズム３である。いま、像面Ｃ（例えば、画像表示素子５の表示面、撮像素子１３の撮像面）が、図のように四角形を形成するとき、偏心プリズムＰ１の第１−１面（第２プリズム４の第２射出面４₃ ）又は偏心プリズムＰ２の第２−２面（第１プリズム３の第１入射面３₁ ）が面対称自由曲面に形成された場合その対称面Ｄが、この像面Ｃを形成する４つの辺の少なくとも１つと平行になるように配置することが、美しい像形成の上で望ましい。
【０１８５】
さらに、この像面Ｃが正方形や長方形といった４つの内角がそれぞれ略９０°にて形成されている場合には、面対称自由曲面の対称面Ｄは、像面Ｃの互いに平行関係にある２辺に対して平行に配置され、この対称面Ｄが像面Ｃを左右又は上下対称にさせる位置に一致するように構成することが好ましい。このように構成すれば、装置に組み込むときの組み込み精度が出しやすく、量産性に効果的である。
【０１８６】
さらに、偏心プリズムＰ１、Ｐ２を構成する光学面である第１−１面（第２プリズム４の第２射出面４₃ ）、第１−２面（第２プリズム４の第２入射面４₁ ）、第１−３面（第２プリズム４の反射面４₂ ）、第２−１面（第１プリズム３の第１射出面３₂ ）、第２−２面（第１プリズム３の第１入射面３₁ ）等の内、複数の面又は全ての面が面対称自由曲面の場合には、複数の面又は全ての面の対称面が同一面Ｄの上に配置されるように構成することが、設計上も、収差性能上も望ましい。そして、この対称面Ｄと回折素子６のパワーの面との関係は、上述と同様の関係にあることが望ましい。
【０１８７】
以上、本発明の光学系及びそれを用いた装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【０１８８】
なお、本発明の光学系において、像面５に配置され２次元画像を形成する２次元画像表示素子としては、ＬＣＤに限らず、例えば、ＰＤＰ、ＤＭＤ、有機ＥＬ等を用いることもできる。さらに、ＬＣＤ、ＰＤＰ、ＤＭＤ、有機ＥＬ、ＬＥＤ等を１次元配列して形成した１次元画像をガルバノミラーやポリゴンミラー等でスキャニングして表示するものであってもよいし、ＬＥＤ等の点光源を２次元的にスキャニングして表示するものであってもよい。
【０１８９】
また、体積型ホログラム素子６は、各波長で個々に記録した体積型ホログラムを積層した積層型であっても、１層の体積型ホログラム記録媒体中に複数の波長で多重露光された多重記録型のものであってもよい。
【０１９０】
また、撮像素子は、ＣＣＤ等の電気的受光素子や銀塩フィルム等の感光素子を含むものである。
【０１９１】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、携帯電話や携帯情報端末そして頭部装着型の虚像観察装置に用いるのに適しており、複数の波長において高効率に利用され、明るく色再現性が良く、良好に収差補正された表示画像の観察が可能であり、組み立てが容易で、振動等の衝撃に強く、軽く、コンパクトな画像表示装置用の観察光学系、さらには撮像光学系、及び、それらを用いた装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図２】実施例１の像歪みを表す収差図である。
【図３】実施例１の横収差を表す収差図である。
【図４】実施例１の光学系の体積型ホログラムの入射角ｉ＝５０．６°、反射回折角ｒ＝５０．７°位置での赤・緑・青バンド光の高回折効率領域の入射角波長依存性を示す図である。
【図５】実施例１の光学系の体積型ホログラムの入射角ｉ＝５２．４°、反射回折角ｒ＝５２．５°位置での赤・緑・青バンド光の高回折効率領域の入射角波長依存性を示す図である。
【図６】実施例１の光学系の体積型ホログラムの入射角ｉ＝５４．６°、反射回折角ｒ＝５４．７°位置での赤・緑・青バンド光の高回折効率領域の入射角波長依存性を示す図である。
【図７】実施例１の回折効率のシミュレーション用モデル図である。
【図８】本発明における体積型ホログラム素子の基本原理を説明するための図である。
【図９】体積型ホログラムの光の回折方向はホログラム表面での干渉縞の間隔によって決定されることを説明するための図である。
【図１０】ブラッグの条件を満足する場合のＫ、ｋ_R 、ｋ_S 、Ｋ_z ｋ_Rz、ｋ_Szの関係を示すベクトルダイアグラムである。
【図１１】本発明におけるＨＯＥを定義するための原理図である。
【図１２】ゴースト光除去部材を設けた構成の観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図１３】体積型ホログラムを回折しないで透過した光がゴースト光として悪影響を与えることを示す説明図である。
【図１４】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を示す図である。
【図１５】図１４の断面図である。
【図１６】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型で片眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を示す図である。
【図１７】本発明の撮像光学系及び観察光学系を適用した電子カメラの外観を示す前方斜視図である。
【図１８】図１７の電子カメラの後方斜視図である。
【図１９】図１７の電子カメラの１つの構成を示す断面図である。
【図２０】本発明の撮像光学系及び観察光学系を適用した別の電子カメラの概念図である。
【図２１】本発明の撮像光学系及び観察光学系を適用した電子内視鏡の概念図である。
【図２２】本発明の撮像光学系が対物光学系として組み込れたパソコンのカバーを開いた前方斜視図である。
【図２３】パソコンの撮影光学系の断面図である。
【図２４】図２２の状態の側面図である。
【図２５】本発明の撮影光学系が対物光学系として組み込れた携帯電話の正面図、側面図、その撮影光学系の断面図である。
【図２６】本発明による光学系を構成するプリズムにＨＯＥを配置するときの好ましい構成を示す図である。
【図２７】球面形状の基板部材にホログラム素子を設けた場合の２種類のパワーの説明するための図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
１…射出瞳
２…軸上主光線
３…第１プリズム
３₁ …第１入射面
３₂ …第１射出面
３₃ …底面
４…第２プリズム
４₁ …第２入射面
４₂ …反射面
４₃ …第２射出面
４₄ …反射面
５…ＬＣＤ（像面）
６…体積型ホログラム（体積型ホログラム素子）（ＨＯＥ）
１３…撮像素子
１４…明るさ絞り
１５…ゴースト光除去部材
４０…カメラ
４１…撮像光学系
４２…撮影用光路
４３…ファインダー光学系
４４…ファインダー用光路
４５…シャッター
４６…フラッシュ
４７…液晶表示モニター
４８…撮影用対物光学系
４９…ＣＣＤ
５０…撮像面
５１…フィルター
５２…処理手段
５３…ファインダー用対物光学系
５４…負レンズ群
５５…ポロプリズム
５６₁ 〜５６₄ …第１〜４反射面
５７…レンズ群
５９…接眼光学系
６０…液晶表示素子（ＬＣＤ）
６１…記録素子
６５…カバー部材
７１…電子内視鏡
７２…光源装置
７３…ビデオプロセッサ
７４…モニター
７５…ＶＴＲデッキ
７６…ビデオディスク
７７…ビデオプリンタ
７８…頭部装着型画像表示装置（ＨＭＤ）
７９…挿入部
８０…先端部
８１…接眼部
８２…観察用対物光学系
８３…フィルター
８４…ＣＣＤ
８５…カバー部材
８６…液晶表示素子（ＬＣＤ）
８７…接眼光学系
８８…ライトガイドファイバー束
８９…照明用対物光学系
９０…結像面
９１…カバー部材
９２…バックライト
９３…画像信号導伝手段
１００…接眼光学系
１０２…画像表示装置（本体）
１０３…側頭フレーム
１０４…スピーカ
１０５…映像音声伝達コード
１０６…再生装置
１０７…調節部
１０８…前フレーム
２００…対物光学系
２０１…鏡枠
２０２…カバーガラス
２０３…ＩＲカットフィルター
２０４…撮像素子チップ
２０５…端子
２０６…撮像ユニット
３００…パソコン
３０１…キーボード
３０２…モニター
３０３…撮影光学系
３０４…撮影光路
３０５…画像
４００…携帯電話
４０１…マイク部
４０２…スピーカ部
４０３…入力ダイアル
４０４…モニター
４０５…撮影光学系
４０６…アンテナ
４０７…撮影光路
Ｐ１、Ｐ２…偏心プリズム
Ｃ…像面
Ｄ…面対称自由曲面の対称面
Ｅ…観察者眼球

Claims (18)

1. 像面と光学的瞳との間に配置された全体として正のパワーを有する光学系において、
   前記光学系が、屈折率が１より大きい第１のプリズムと、屈折率が１より大きい第２のプリズムと、前記第１のプリズムと前記第２のプリズムとの間に接合配置された体積型ホログラム素子とを含み、
   前記体積型ホログラム素子は、少なくとも第１の波長においてブラッグ回折をするように最適化された第１の体積型ホログラムと、前記第１の波長と異なる第２の波長においてブラッグ回折をするように最適化された第２の体積型ホログラムとを含み、かつ、前記体積型ホログラム素子は、少なくとも前記第１の波長における前記体積型ホログラム素子の各位置によってそれぞれ異なる第１の入射角と第１の反射回折角と、少なくとも前記第２の波長における前記体積型ホログラム素子の各位置によってそれぞれ異なる第２の入射角と第２の反射回折角とで回折効率が最大となるように構成され、
   前記第１のプリズムが前記光学的瞳側に配置され、前記第２のプリズムが前記像面側に配置され、
   前記第２プリズムは、前記体積型ホログラム素子の配置された面とは別の面に、少なくとも１面の反射面を備えて形成され、
   前記光学的瞳から前記像面に到る逆方向あるいは順方向に進む光束であって、少なくとも前記第１の波長の光線成分と前記第２の波長の光線成分とを含んだ光束が、前記第１プリズム側から前記第２プリズム側に向かって順に、前記体積型ホログラム素子を透過し、前記第２プリズム内の前記反射面にて反射され、前記第２プリズム内において前記体積型ホログラム素子によって反射回折されるように構成され、
   前記第１の体積型ホログラムと前記第２の体積型ホログラムのホログラム表面の干渉縞の形状、間隔が相互に同じであり、ホログラム媒質内の干渉縞の間隔と傾きが相互に異なるものからなることを特徴とする光学系。
2. 前記第１プリズム媒質と前記第２プリズム媒質とが同種の媒質で構成されていることを特徴とする請求項１記載の光学系。
3. 前記第１プリズムの前記体積型ホログラム素子が接合される面の面形状と前記第２プリズムの前記体積型ホログラム素子が接合される面の面形状とが、略同一形状にて構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光学系。
4. 前記第１プリズムの前記体積型ホログラム素子が接合される面の面形状と前記第２プリズムの前記体積型ホログラム素子が接合される面の面形状とが、平面あるいはシリンドリカル面であることを特徴とする請求項３記載の光学系。
5. 前記光学的瞳から前記像面に光線が到る順に、前記第１プリズムが、少なくとも、第１プリズム媒質を間に挟んで、前記光学的瞳からの光線を前記第１プリズム内に入射させる第１入射面と、前記第１プリズム外に光線を射出させる第１射出面とを有し、
   前記第２プリズムが、少なくとも、第２プリズム媒質を間に挟んで、前記第１プリズムから射出した光線を前記第２プリズム内に入射させる第２入射面と、前記第２プリズム内で光線を反射させる反射面と、前記第２プリズム外に光線を射出させる第２射出面とを有し、
   前記第２プリズムの前記反射面が、反射時に光線に正のパワーを与えるような凹面形状の曲面に形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の光学系。
6. 前記第１プリズムの前記第１入射面が、透過時に光線にパワーを与えるような曲面形状に形成され、
   前記第２プリズムの前記第２射出面が、透過時に光線にパワーを与えるような曲面形状に形成されていることを特徴とする請求項５記載の光学系。
7. 前記第１プリズムと前記第２プリズムの備えた光線を透過又は反射させる光学作用面以外の非光学作用面に、ゴースト光が観察者の眼球へ入射しないようなゴースト光除去部材を設けたことを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の光学系。
8. 前記第１プリズムの前記第１入射面の面形状が回転非対称な収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状にて構成されていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載の光学系。
9. 前記回転非対称な曲面形状は、対称面が１面のみの自由曲面にて構成され、前記唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致していることを特徴とする請求項８記載の光学系。
10. 前記第２プリズムの第２射出面の面形状が回転非対称な曲面形状にて構成されていることを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の光学系。
11. 前記回転非対称な曲面形状は、対称面が１面のみの自由曲面にて構成され、前記唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致していることを特徴とする請求項１０記載の光学系。
12. 前記体積型ホログラム素子が光線を反射回折により回転対称成分と回転非対称成分の両方の倍率色収差を補正するように構成されていることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項記載の光学系。
13. 前記第２プリズムの前記反射面が次の２つの条件式の少なくとも何れかを満足することを特徴とする請求項１から１２の何れか１項記載の光学系。
    −０．２０＜ＰＸ４／ＰＸ＜０．５０ ・・・（１）
    −０．２０＜ＰＹ４／ＰＹ＜０．３０ ・・・（２）
    ただし、光学系の偏心方向をＹ軸方向とし、光軸の折り返し面に直交する方向をＸ軸方向とし、ＰＸを光学系のＸ方向のパワー、ＰＹを光学系のＹ方向のパワー、ＰＸ４を第２プリズムの反射面のＸ方向のパワー、ＰＹ４を第２プリズムの反射面のＹ方向のパワーとする。
14. 請求項１から１３の何れか１項において、前記像面に２次元画像表示素子を配置し、前記光学的瞳側から前記２次元画像表示素子の拡大像が観察可能な観察光学系としたことを特徴とする光学系。
15. 請求項１４記載の光学系を観察光学系として内蔵した本体部と、前記観察光学系の前記光学的瞳を観察者の眼球位置に保持するように前記本体部を観察者頭部に支持する支持部材と、前記観察者の耳に音声を与えるスピーカー部材とを有していることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
16. 前記本体部が、右眼用の観察光学系と左眼用の観察光学系とを備え、前記スピーカー部材が、右耳用スピーカー部材と左耳用スピーカー部材とを有するように構成されていることを特徴とする請求項１５記載の頭部装着型画像表示装置。
17. 前記スピーカー部材がイヤホンで構成されていることを特徴とする請求項１５又は１６記載の頭部装着型画像表示装置。
18. 請求項１から１３の何れか１項において、前記像面に撮像素子を配置し、前記光学的瞳側から物体光を入射して物体像を撮像可能な撮像光学系としたことを特徴とする光学系。

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