JP2003043361A - 偏心光学系及びそれを用いた投影表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学系の瞳を非円形とすることで明るく小型
の撮像及び像観察が可能な偏心光学系とそれを用いた投
影表示装置を提供する。 【解決手段】 少なくとも１つの反射面１２、１３を備
え、その少なくとも１つの反射面が光束にパワーを与え
る曲面形状を有し、かつ、直交する２軸方向で大きさの
異なる瞳を有し、以下の条件式を満足する偏心光学系１
０。 １＜ＥＰＤｘ／ＥＰＤｙ＜１００ だだし、ＥＰＤｘは瞳の最も長い軸（長軸）方向の長さ
であり、ＥＰＤｙは瞳の最も短い軸（短軸）方向の長さ
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、偏心光学系及びそ
れを用いた投影表示装置に関し、特に、非円形の瞳を有
することでより明るい撮像及び像観察が可能となる偏心
光学系とそれを用いた投影表示装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】小型の表示素子を用いて光学系により拡
大表示するものとして、特開平７−３３３５５１号や特
開平８−７６０３４号のもの等がある。これらは、表示
素子を凹面鏡を用いて虚像として拡大表示するものであ
る。何れも回転非対称な反射面を用いて収差の少ない投
影像を得るものである。このような光学系を用いた装置
の応用例としては、例えば特開２０００−２２１４４０
に示される投影光学系がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】撮像光学系において
は、入射瞳径が大きい程取り込める光量が増し、明るい
像が得られるが、回転対称な光学系の場合、大口径にな
ることから、レンズを固定するための鏡枠部分のレンズ
間隔やふち肉が足りなくなり、これを確保するために間
隔を厚くすると、全体が大きくなってしまう。また、収
差補正を十分に行うためには、多くの光学エレメントが
必要となってしまう。

【０００４】また、観察光学系の場合、射出瞳径が大き
い程観察者の眼球配置位置の自由度が大きくなるが、同
様に、回転対称な光学系の場合、全体が大きくなってし
まい、また、多くの光学エレメントが必要となってしま
う。

【０００５】観察光学系の場合に、射出瞳径を大きくす
る他の方法として、拡散作用を有する光学素子を配置
し、瞳の拡大を図ることも考えられるが、像が非常に暗
くなるため、消費電力が大きい明るい表示素子と大型な
電池が必要となり、例えば安価な携帯端末に利用するこ
とは不適当である。

【０００６】ところで、従来の表示素子を直接凹面鏡等
で拡大するタイプは、表示素子としてある程度大きなも
のを使用せざるを得ず、小型の表示装置を構成すること
はできなかった。また、表示素子の映像を空中に１回投
影する方式の場合は小型の表示素子を用いることが可能
であり、安価に大きい画面の表示を観察することが可能
な光学系であるが、接眼光学系の射出瞳位置が短く、頭
部直前に接眼光学系を配置する必要があり、手に持って
観察する場合には画面全面を観察することはできなかっ
た。

【０００７】本発明は従来技術のこのような問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、光学系の瞳を非円
形とすることで明るく小型の撮像及び像観察が可能な偏
心光学系とそれを用いた投影表示装置を提供することで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の偏心光学系は、少なくとも１つの反射面を備え、そ
の少なくとも１つの反射面が光束にパワーを与える曲面
形状を有し、かつ、直交する２軸方向で大きさの異なる
瞳を有し、以下の条件式を満足することを特徴とするも
のである。

【０００９】 １＜ＥＰＤｘ／ＥＰＤｙ＜１００ ・・・（１） だだし、ＥＰＤｘは瞳の最も長い軸方向の長さであり、
ＥＰＤｙは瞳の最も短い軸方向の長さである。

【００１０】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。上記条件式（１）は、本発明
に基づいて瞳の形状を非円形とすることを表すものであ
り、その下限の１を越えて小さくなるときは、瞳が円形
又は正方形に近い形になり、より明るい撮像及び像観察
が行えなくなる。他方、上限の１００を越えて大きくな
るときは、光学系のパワーの瞳形成のための負荷が大き
くなりすぎ、良好な結像性能が得られなくなる。 さら
に望ましくは、次の条件式を満足することが重要であ
る。

【００１１】 １．５＜ＥＰＤｘ／ＥＰＤｙ＜５０ ・・・（１−１） この条件式の下限及び上限の意味は前述と同様である。

【００１２】さらに望ましくは、次の条件式を満足する
ことが重要である。

【００１３】 ２．０≦ＥＰＤｘ／ＥＰＤｙ＜１０ ・・・（１−２） この条件式の下限及び上限の意味は前述と同様である。

【００１４】さらに、本発明において、光学面（反射
面、屈折面）を偏心配置させることにより、すなわち、
偏心光学系とすることにより、隣接している有効径同士
が干渉してしまうために、対称面方向（偏心方向）の瞳
径を大きくとることは困難であるが、対称面に垂直な方
向の有効径は重なり合うことがないために、対称面に平
行な方向の瞳径ＥＰＤｙに対して垂直方向の瞳径ＥＰＤ
ｘを大きくすることが可能である。

【００１５】また、光学面を偏心配置する際に発生する
偏心収差を補正するためには、回転非対称の光学面を有
することが重要である。

【００１６】また、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ
＞１）媒質で形成され、前記瞳に向かう光束をプリズム
内に入射する入射面と、その光束をプリズム内で反射す
る少なくとも１つの反射面と、光束をプリズム外に射出
する射出面とを有し、その少なくとも１つの反射面が、
光束にパワーを与える曲面形状を有する偏心プリズムを
備えていることが望ましい。

【００１７】レンズのような屈折光学素子は、その境界
面に曲率を付けることにより始めてパワーを持たせるこ
とができる。そのため、レンズの境界面で光線が屈折す
る際に、屈折光学素子の色分散特性による色収差の発生
が避けられない。その結果、色収差を補正する目的で別
の屈折光学素子が付加されるのが一般的である。

【００１８】一方、ミラーやプリズム等のような反射光
学素子は、その反射面にパワーを持たせても原理的に色
収差の発生はなく、色収差を補正する目的だけのために
別の光学素子を付加する必要はない。そのため、反射光
学素子を用いた光学系は、屈折光学素子を用いた光学系
に比べて、色収差補正の観点から光学素子の構成枚数の
削減が可能である。

【００１９】同時に、反射光学素子を用いた反射光学系
は、光路を折り畳むことになるために、屈折光学系に比
べて光学系自身を小さくすることが可能である。

【００２０】また、反射面は屈折面に比して偏心誤差感
度が高いため、組み立て調整に高い精度を要求される。
しかし、反射光学素子の中でも、プリズムはそれぞれの
面の相対的な位置関係が固定されているので、プリズム
単体として偏心を制御すればよく、必要以上の組み立て
精度、調整工数が不要である。

【００２１】さらに、プリズムは、屈折面である入射面
と射出面、それと反射面を有しており、反射面しかもた
ないミラーに比べて、収差補正の自由度が大きい。特
に、反射面に所望のパワーの大部分を分担させ、屈折面
である入射面と射出面のパワーを小さくすることで、ミ
ラーに比べて収差補正の自由度を大きく保ったまま、レ
ンズ等のような屈折光学素子に比べて、色収差の発生を
非常に小さくすることが可能である。また、プリズム内
部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているた
めに、空気に比べ光路長を長くとることができ、空気中
に配置されるレンズやミラー等よりは、光学系の薄型
化、小型化が可能である。

【００２２】特に、偏心光学系の偏心方向に垂直な方
向、すなわち、対称面方向に垂直な方向においては、プ
リズム内部が空気よりも屈折率の高い透明体で満たされ
ている分曲率半径が大きくできるため、光学面のその方
向の有効幅を大きく取れるため、対称面に平行な方向の
瞳径ＥＰＤｙに対して垂直方向の瞳径ＥＰＤｘをより大
きくすることができる。そのため、同じ大きさの光学系
の場合、相対的に明るい光学系を構成することが可能に
なる。また、同じ明るさ光学系の場合、相対的に小型の
光学系を構成することが可能になる。

【００２３】なお、本発明においては、上記のように、
回転非対称の光学面を用いるが、回転非対称な曲面形状
としては、限定的でないが、自由曲面を用いることが望
ましい。自由曲面は、例えば米国特許第６，１２４，９
８９号（特開２０００−６６１０５号）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。

【００２４】このような偏心光学系に用いる偏心プリズ
ムとしては、プリズム内に光を入射する入射面と、その
光をプリズム内で反射する１つ以上の反射面と、反射光
をプリズム外に射出する射出面とを有する反射回数が１
回以上の公知の種々のものが何れも使用可能である。

【００２５】このような偏心プリズムの例としては、２
つの反射面を備え、入射面と第１反射面と第２反射面と
射出面からなり、入射面と第１反射面とを結ぶ光路が第
２反射面と射出面とを結ぶ光路とプリズム内で交差する
ようになっているものがある。

【００２６】このような形状の偏心プリズムは、収差補
正の自由度が高くなり、収差の発生が少ない。さらに、
２つの反射面の配置の対称性が高いので、この２つの反
射面で発生する収差が２つの反射面相互で補正し合い、
収差発生が少ない。また、光路がプリズム内で交差光路
を形成する構成のために、単に光路を折り返す構造のプ
リズムに比較して光路長を長く取ることが可能で、光路
長の長さの割にプリズムを小型化することができる。

【００２７】このような偏心プリズムの他の例として
は、３つの反射面を備え、その内の第３反射面が 入射
面を兼用した面にて形成され、第１反射面が射出面を兼
用した面にて形成されているものがある。

【００２８】このような形状の偏心プリズムは、３つの
反射面を有するために３回の反射面にパワーを分散する
ことが可能であり、収差発生を少なくすることが可能で
ある。また、光路がプリズム内で交差する構成のため
に、単に光路を折り返す構造のプリズムに比較して光路
長を長く取ることが可能である。

【００２９】また、２つの反射面を備え、入射面を兼用
した第２反射面と、第１反射面と、射出面とからなる偏
心プリズムを例示することができる。

【００３０】第２反射面と入射面とを兼用するこの形状
の偏心プリズムは、第２反射面で光線を大きく屈曲さ
せ、第１反射面は少ない屈曲角で光線を第２反射面へと
反射するために、プリズム光学系の入射光線方向の厚さ
を薄くすることが可能なものである。

【００３１】さらに、２つの反射面を備え、入射面と、
射出面を兼用した第１反射面と、第２反射面とからなる
偏心プリズム、あるいは、２つの反射面を備え、入射面
を兼用した第２反射面と、第１反射面と、射出面とから
なる偏心プリズムを例示することができる。

【００３２】第１反射面と射出面を兼用するこのこの形
状の偏心プリズムは、第１反射面で大きく光線を屈曲さ
せ、さらに第２反射面は少ない屈曲角で光線を射出面へ
と反射するために、プリズム光学系の射出光線方向の厚
さを薄くすることが可能なものである。

【００３３】さらに好ましくは、偏心プリズムは、対称
面を１面のみ有する自由曲面を備え、プリズムを構成す
る各面は略同一面内の対称面を有していることが好まし
い。この構成により、対称面と直交する方向には比較的
有効径を広く取ることが可能となり、縦横比が２以上の
横方向に大きな射出瞳径を取ることが可能となる。

【００３４】さて、以上のような対称面に垂直な方向に
瞳径が大きい本発明の偏心光学系は、前記条件式（１）
〜（１−２）の何れかを満足する入射瞳を形成するため
に、直交する２軸方向で大きさの異なる絞りを持った撮
像光学系あるいは結像光学系として用いることができ
る。このような撮像光学系あるいは結像光学系は明るく
小型のものとして構成することができる。

【００３５】また、以上のような対称面に垂直な方向に
瞳径が大きい本発明の偏心光学系、特に偏心プリズムを
用いた偏心光学系は、映像を表示する表示素子と、その
表示素子に表示された映像又はその中間像を投影するリ
レー光学系と、そのリレー光学系からの光束を観察者の
眼球に向けて収束する収束作用を有する接眼光学系とか
ら構成される投影表示装置の、リレー光学系として用い
ることも可能である。表示素子に表示された映像を接眼
光学系近傍に拡大投影することにより、小型で高性能な
リレー光学系を構成することが可能となる。

【００３６】小型の表示素子は生産性が良いことから、
安価に高画素のものを入手することが可能である。でき
れば表示画像の対角の長さが１インチ以下の表示素子を
用いることが望ましく、さらに好ましくは、０．５イン
チ以下の表示素子を使うことが、安価な表示装置を構成
する場合に有利となる。

【００３７】このように小型の表示素子を用いる場合に
は、虫眼鏡のような光学系で拡大するだけでは拡大倍率
が不足であり、十分な大きさの映像として観察すること
はできなかった。そこで、リレー光学系で表示素子の映
像を一度拡大投影し、リレー光学系で投影された像をさ
らに接眼光学系で拡大すると同時に、リレー光学系から
の光束を観察者眼球に収束する作用を有する接眼光学系
により構成することが重要である。

【００３８】小型の表示素子を接眼光学系近傍に拡大投
影するリレー光学系に本発明の対称面に垂直な方向に瞳
径が大きい偏心光学系を用いることにより、小型のリレ
ー光学系を構成することが可能となる。

【００３９】さらに、偏心光学系の対称面を両眼を結ぶ
直線と垂直になるように配置することで、対称面に垂直
な方向に大きい瞳が接眼光学系により拡大され、両眼で
の像観察及び手ぶれによる像のケラレの許容範囲を大き
くすることができる。

【００４０】さらに、対称面方向（瞳の長軸に対して直
交する方向）の観察可能範囲を広げるために、プリズム
シートやレンチキュラーシート等のような１次元方向に
拡散作用を有する拡散素子をリレー光学系による結像位
置近傍に付加することが望ましい。その際は、その１次
元方向に拡散作用を有する拡散素子の拡散方向を対称面
に平行に配置することが好ましい。

【００４１】また、対称面と直交する方向に表示素子の
長手方向を一致させることにより、対称面方向の光学面
の有効径が小さくてすむことから、装置の小型化につな
がり、かつ、収差発生量が少なくなり好ましい。

【００４２】また、接眼光学系をフレネルレンズあるい
はフレネル反射鏡のようなフレネル素子で構成すること
により、接眼光学系折り畳み時の装置の厚さを薄くする
ことが可能となり、携帯性に優れた表示装置になる。

【００４３】さらに好ましくは、接眼光学系も回転非対
称面を用いて構成することが好ましい。特に、物体中心
を射出して観察者の虹彩中心を通過し、眼底中心に到達
する軸上主光線が接眼光学系に対して偏心して入射する
偏心光学系の場合、接眼光学系を回転非対称な面で構成
することにより、偏心によって発生する像の台形歪み
や、像面の傾き等の偏心収差を補正することが可能とな
る。また、リレー光学系を上記のように偏心光学系で構
成すると、リレー光学系と偏心収差の補正を分担するこ
とが可能となり、さらに好ましい。

【００４４】

【発明の実施形態】以下に、まず本発明の偏心光学系及
びそれを用いた投影表示装置の光学系の数値実施例につ
いて説明する。

【００４５】実施例１〜６の構成パラメータは後記する
が、座標系は、実施例１〜４の場合は、明るさ絞り（開
口絞り）（入射瞳）５位置から撮像面（撮像素子）６に
向う順光線追跡で、図１に示すように、軸上主光線２
を、光学系の明るさ絞り５の中心を垂直に通り、撮像面
６の中心に至る光線で定義する。また、実施例５〜６の
場合は、射出瞳１（観察者瞳）位置から表示素子３に向
う逆光線追跡で、図５、図６に示すように、軸上主光線
２を、光学系の射出瞳１の中心を垂直に通り、表示素子
３の中心に至る光線で定義する。そして、実施例１〜４
の場合は順光線追跡において、実施例５〜６の場合は逆
光線追跡において、明るさ絞り５あるいは射出瞳１の中
心を偏心光学系の偏心光学面の原点として、軸上主光線
２に沿う方向をＺ軸方向とし、明るさ絞り５あるいは射
出瞳１から光学系の明るさ絞り５あるいは射出瞳１に面
した面に向かう方向をＺ軸正方向とし、光学系の対称面
（偏心方向の平面）をＹ−Ｚ平面とし、Ｚ軸に直交し、
撮像面６あるいは表示素子３から離れる方向をＹ軸正方
向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ
軸とする。

【００４６】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（ａ）式のＺ軸、非球面につい
ては、後記の（ｂ）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。

【００４７】また、本発明で用いられる自由曲面の面の
形状は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開
２０００−６６１０５号）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。

【００４８】また、非球面は、以下の定義式で与えられ
る回転対称非球面である。

【００４９】 Ｚ＝（ｙ² ／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）ｙ² ／Ｒ² ｝^{1 /2}］ ＋Ａｙ⁴ ＋Ｂｙ⁶ ＋Ｃｙ⁸ ＋Ｄｙ¹⁰＋…… ・・・（ｂ） ただし、Ｚを光の進行方向を正とした光軸（軸上主光
線）とし、ｙを光軸と垂直な方向にとる。ここで、Ｒは
近軸曲率半径、Ｋは円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…はそ
れぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。
この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。

【００５０】なお、データの記載されていない自由曲
面、非球面に関する項は０である。屈折率については、
ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記して
ある。長さの単位はｍｍである。

【００５１】さて、以下に示す実施例１〜４は、偏心プ
リズム１０を撮像光学系として用い、焦点距離が３．７
ｍｍ、Ｆナンバーが２．８、物点無限遠の設計例であ
り、３．６ｍｍ×２．７ｍｍの撮像素子６を使用するも
のである。それぞれ入射瞳を構成する明るさ絞り５の開
口径の最も長い軸と最も短い軸の比が２倍以上である。

【００５２】実施例１は、図１（ａ）に対称面（Ｙ−Ｚ
面）に沿った断面図、図１（ｂ）にＸ−Ｚ面に投影した
光路図を示すように、第１面１１から第４面１４を有す
る偏心プリズム１０からなり、第１面１１は入射面、第
２面１２は第１面１１で屈折されてプリズム内に入射し
た光束を反射する第１反射面、第３面１３は第２面１２
で反射された光束を反射する第２反射面、第４面１４は
第３面１２で反射された光束を屈折してプリズム外に射
出する射出面であり、入射面１１と第１反射面１２とを
結ぶ光路が第２反射面１３と射出面１４とを結ぶ光路と
プリズム内で交差するようになっている。そして、撮像
素子６はその射出面１４に面して配置され、その撮像素
子６の撮像面上に被写体の像を結像する。

【００５３】この実施例は、２つの反射面１２、１３を
有し、各反射面における偏心角が比較的小さいことか
ら、その面における偏心収差の発生量が少なくてすみ、
それぞれに大きなパワーを持たせることができる。加え
て、２つの屈折面１１、１４に関しても、全反射面を兼
ねる必要性がないために、大きなパワーを持たせること
ができる。したがって、結像性能が非常に良好である。

【００５４】また、パワーをそれぞれの面に分散配置す
ることが可能であり、１つの面のパワーを小さくするこ
とができるため、対称面（Ｙ−Ｚ面）に垂直な方向の曲
率を小さくすることができ、その方向の瞳径を大きくと
ることが可能である。

【００５５】実施例２は、図２に図１と同様の図を示す
ように、第１面１１から第３面１３を有する偏心プリズ
ム１０からなり、第１面１１は入射面、第２面１２は第
１面１１で屈折されてプリズム内に入射した光束を反射
する第１反射面と、第２反射面１３で反射された光束を
屈折してプリズム外に射出する射出面とを兼用する面、
第３面１３は第２反射面１３である。そして、撮像素子
６は第２面１２に面して配置され、その撮像素子６の撮
像面上に被写体の像を結像する。

【００５６】この実施例は、全反射面と屈折面を兼ねる
面１２を持たせることにより、光路を折り返してコンパ
クトな構成をとることができる。また、第２反射面１３
における偏心角が小さいために、大きな正パワーを持た
せることができ、レトロフォーカスタイプの配置をとる
ことで、広角な場合において良好な結像性能を得ること
ができる。

【００５７】実施例３は、図３に図１と同様の図を示す
ように、第１面１１から第３面１３を有する偏心プリズ
ム１０からなり、第１面１１は入射面と、第２反射面１
３で反射された光束を第２面１２に向けて全反射する第
３反射面とを兼用する面、第２面１２は第１面１１で屈
折されてプリズム内に入射した光束を全反射する第１反
射面と、第３反射面１１で反射された光束を屈折してプ
リズム外に射出する射出面とを兼用する面、第３面１３
は第２反射面１３である。そして、撮像素子６は第２面
１２に面して配置され、その撮像素子６の撮像面上に被
写体の像を結像する。

【００５８】この実施例は、全反射面を２面１１、１２
用いることにより、非常にコンパクトな構成をとること
ができる。また、第２反射面１３における偏心角が小さ
いために、大きな正パワーを持たせることができ、画角
が小さい場合に収差補正効果が良好である。

【００５９】実施例４は、図４に図１と同様の図を示す
ように、第１面１１から第３面１３を有する偏心プリズ
ム１０からなり、第１面１１は入射面と、第１反射面１
２で反射された光束を第３面１３に向けて全反射する第
２反射面とを兼用する面、第２面１２は第１反射面１
２、第３面１３は射出面である。そして、撮像素子６は
第３面１３に面して配置され、その撮像素子６の撮像面
上に被写体の像を結像する。

【００６０】この実施例は、全反射面と屈折面を兼ねる
面１１を持たせることにより、光路を折り返して非常に
薄くできる。また、第１反射面１２における偏心角が小
さいために、大きな正パワーを持たせることができ、画
角が小さい場合に結像性能が良好である。

【００６１】なお、実施例１〜４の第１面１１〜第４面
１４あるいは第１面１１〜第３面１３は全て回転非対称
の自由曲面からなる。

【００６２】実施例５、６は、偏心プリズム光学系のう
ち実施例１のタイプのものをリレー光学系３１として用
いた投影表示装置であり、観察画角は水平１３°、垂直
１０°、観察者眼球位置に当たる射出瞳１から映像まで
の距離は３０ｃｍであり、８．９×６．７ｍｍの画像表
示素子３を使用するものである。それぞれ、瞳１の径の
最も長い軸と最も短い軸の比が３倍以上である。

【００６３】図５に実施例５の対称面（Ｙ−Ｚ面）に沿
った断面図、図６にＸ−Ｚ面に投影した光路図、図７
（ａ）、（ｂ）にそれぞれ図５、図６の画像表示素子
３、リレー光学系３１、接眼光学系３２近傍の拡大図を
示す。

【００６４】また、図８、図９、図１０に実施例６のそ
れぞれ図５、図６、図７に対応する図を示す。

【００６５】実施例５、６の光学系は、それぞれ図５〜
図７、図８〜図１０に示すように、射出瞳１に面した接
眼光学系３２は射出瞳１側の面がフレネル透過面、反対
側の面が平面のフレネルレンズからなり、その入射側に
光路折り返し用の反射面（平面鏡）３３が配置され、そ
の反射面３３に面してリレー光学系３１が配置されてい
る。このリレー光学系３１は画像表示素子３に面した偏
心プリズム１０からなり、この実施例の偏心プリズム１
０は、画像表示素子３に面する第４面１４と、反射面３
３に面する第１面１１と、第１面１１と第４面１４の間
に配置された２つの反射面の第２面１２、第３面１３と
からなり、偏心プリズム１０は対称面（Ｙ−Ｚ面）に対
して面対称な構成になっている。

【００６６】これらの実施例において、画像表示素子３
からの表示光は偏心プリズム１０の第４面１４で屈折し
てプリズム内に入射し、第３面１３と第２面１２で内部
反射を繰り返し、第１面１１で屈折してプリズム外に射
出し、その光束は反射面３３で折り返され、接眼光学系
３２のフレネルレンズ面上に画像表示素子３の拡大像を
結像し、接眼光学系３２で屈折された光束は射出瞳１に
収束する。

【００６７】ここで、リレー光学系３１の第１面１１近
傍が射出瞳１と共役になっており、偏心プリズム１０の
第１面１１の外形あるいはその面１１に設けた遮光部が
射出瞳１の外形を決めることになる。したがって、この
面１１に横長の開口を形成することなり、この開口が射
出瞳１の形状を決めることになる。

【００６８】なお、実施例５〜６の偏心プリズム１０の
第１面１１〜第４面１４は全て回転非対称の自由曲面か
らなり、接眼光学系３２のフレネル透過面は回転対称非
球面からなる。

【００６９】一般に、観察光学系においては、光学系の
射出瞳位置に観察者の瞳を置くことで像観察が可能であ
り、射出瞳径が大きい程広い範囲での観察が可能である
が、前記したように、撮像光学系と同様の理由で射出瞳
径を大きくとることは困難である。

【００７０】しかし、実施例１〜４にあげたような偏心
プリズム光学系の場合は、対称面に垂直な方向において
は隣接する有効径同士の干渉が起こらないため、対称面
に垂直な方向に瞳径を拡大することは容易である。した
がって、リレー光学系３１として、実施例１〜４にあげ
たような偏心プリズム光学系を用いることが好ましい
が、その中、実施例１のタイプのが偏心プリズム光学系
が最も性能が良好なので、これらの実施例５、６におい
ても、リレー光学系３１として採用している。

【００７１】なお、実施例５、６は、接眼光学系３２は
拡散性がないものとして設計されており、拡散性に関し
ては、所望の拡散性なり、拡散素子を利用して構成する
ことができる。例えば、接眼光学系３２近傍に上下方向
に拡散性を持ったレンチキュラーシートを配置し、上下
方向にのみ瞳を拡大することによりさらに広い観察範囲
を確保することができる。

【００７２】ここで、上記実施例１〜６の条件式（１）
の値を示しておく。

【００７３】 実施例 １ ２ ３ ４ ５ ６ ＥＰＤｘ／ＥＰＤｙ 2.0 2.0 2.0 3.0 3.0 5.3 ＥＰＤｘ 2.64 2.64 2.64 3.96 45 80 ＥＰＤｙ 1.32 1.32 1.32 1.32 15 15 。

【００７４】以下に上記各実施例の数値データを示す
が、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は
非球面、“ＲＥ”は反射面、“ＦＲ”はフレネル面をそ
れぞれ示す。

【００７５】 実施例１ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ ∞ 1 ∞（絞り） 2 ＦＦＳ 偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(2) 1.5254 56.2 4 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(3) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ 偏心(4) 像 面 ∞ 偏心(5) ＦＦＳ Ｃ₄ -3.7713×10^-2 Ｃ₆ -4.9650×10^-2 Ｃ₈ 1.0472×10^-2 ＦＦＳ Ｃ₄ -2.4586×10^-2 Ｃ₆ -1.6561×10^-2 Ｃ₈ 1.3619×10^-3 Ｃ₁₀ 1.7444×10^-3 Ｃ₁₁ 1.7953×10^-4 Ｃ₁₃ -6.2356×10^-4 Ｃ₁₅ 2.5742×10^-4 ＦＦＳ Ｃ₄ 2.3289×10^-2 Ｃ₆ 3.0032×10^-2 Ｃ₈ 9.5056×10^-4 Ｃ₁₀ 4.0053×10^-4 Ｃ₁₁ 1.8381×10^-4 Ｃ₁₃ -5.1377×10^-4 Ｃ₁₅ 2.6854×10^-4 ＦＦＳ Ｃ₄ -3.9081×10^-2 Ｃ₆ 1.7968×10^-1 Ｃ₈ 1.2950×10^-2 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.50 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 6.00 α -21.98 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 2.70 Ｚ 3.20 α -66.98 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ -2.00 Ｚ 3.20 α -90.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ -2.70 Ｚ 3.20 α -93.04 β 0.00 γ 0.00 。

【００７６】 実施例２ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ ∞ 1 ∞（絞り） 2 ＦＦＳ 偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(2) 1.5254 56.2 4 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(3) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ 偏心(2) 像 面 ∞ 偏心(4) ＦＦＳ Ｃ₄ 6.5298×10^-2 Ｃ₆ 1.4771×10^-2 Ｃ₈ -1.8241×10^-2 Ｃ₁₀ -7.5328×10^-3 Ｃ₁₁ -1.7515×10^-3 Ｃ₁₃ -5.4506×10^-3 Ｃ₁₅ -4.3474×10^-3 ＦＦＳ Ｃ₄ 8.3489×10^-3 Ｃ₆ -4.4299×10^-3 Ｃ₈ -1.2105×10^-3 Ｃ₁₀ 9.4380×10^-4 Ｃ₁₁ -3.9914×10^-4 Ｃ₁₃ -3.3477×10^-4 Ｃ₁₅ 2.9265×10^-5 ＦＦＳ Ｃ₄ 4.4908×10^-2 Ｃ₆ 2.7760×10^-2 Ｃ₈ 1.2253×10^-3 Ｃ₁₀ 2.1370×10^-3 Ｃ₁₁ -2.1865×10^-4 Ｃ₁₃ -1.2762×10^-3 Ｃ₁₅ 2.6150×10^-4 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ -0.00 Ｚ 0.30 α 23.65 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ -0.68 Ｚ 2.49 α -70.45 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 1.91 Ｚ 4.35 α -111.32 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ -1.74 Ｚ 3.38 α -95.28 β 0.00 γ 0.00 。

【００７７】 実施例３ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ ∞ 1 ∞（絞り） 2 ＦＦＳ 偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(2) 1.5254 56.2 4 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(3) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(1) 1.5254 56.2 6 ＦＦＳ 偏心(2) 像 面 ∞ 偏心(4) ＦＦＳ Ｃ₄ -4.9324×10^-4 Ｃ₆ -2.5190×10^-3 Ｃ₈ 1.1338×10^-3 Ｃ₁₀ 2.1877×10^-4 Ｃ₁₁ 6.4924×10^-4 ＦＦＳ Ｃ₄ -6.2678×10^-3 Ｃ₆ -2.2321×10^-3 Ｃ₈ 8.0504×10^-4 Ｃ₁₀ 1.9094×10^-4 Ｃ₁₁ -3.6994×10^-4 ＦＦＳ Ｃ₄ 4.0168×10^-2 Ｃ₆ 4.0030×10^-2 Ｃ₈ -6.9254×10^-5 Ｃ₁₀ -7.3632×10^-4 Ｃ₁₁ -1.0170×10^-4 Ｃ₁₃ -4.8054×10^-4 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 1.61 Ｚ 0.87 α -19.17 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ -0.21 Ｚ 2.05 α -63.05 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 3.44 Ｚ 4.09 α -134.77 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ -0.59 Ｚ 1.75 α 116.59 β 0.00 γ 0.00 。

【００７８】 実施例４ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ ∞ 1 ∞（絞り） 2 ＦＦＳ 偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(2) 1.5254 56.2 4 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(1) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ 偏心(3) 像 面 ∞ 偏心(4) ＦＦＳ Ｃ₄ -5.2306×10^-3 Ｃ₆ 1.0275×10^-2 Ｃ₈ -2.3620×10^-3 Ｃ₁₀ 1.4971×10^-3 Ｃ₁₁ -2.5683×10^-3 ＦＦＳ Ｃ₄ -3.7302×10^-2 Ｃ₆ -2.5384×10^-2 Ｃ₈ -1.6857×10^-3 Ｃ₁₀ 2.5153×10^-4 Ｃ₁₁ -6.8123×10^-4 Ｃ₁₃ 3.0058×10^-4 Ｃ₁₅ -2.4258×10^-4 ＦＦＳ Ｃ₄ -2.2664×10^-1 Ｃ₆ -1.2206×10^-1 Ｃ₈ -2.4876×10^-2 Ｃ₁₀ 4.4687×10^-2 Ｃ₁₁ 5.4606×10^-3 Ｃ₁₃ 1.5571×10^-2 Ｃ₁₅ 9.6179×10^-3 Ｃ₁₇ 4.0767×10^-3 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 1.93 Ｚ 1.53 α 10.53 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.12 Ｚ 3.57 α -18.79 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 4.71 Ｚ 2.96 α 63.49 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 5.43 Ｚ 3.34 α 52.37 β 0.00 γ 0.00 。

【００７９】 実施例５ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ 偏心(1) 1 ∞（瞳） 2 ＡＳＳ（ＦＲ） 偏心(2) 1.4917 55.3 3 ∞ 偏心(2) 4 ∞（ＲＥ） 偏心(3) 5 ＦＦＳ 偏心(4) 1.5254 56.2 6 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(5) 1.5254 56.2 7 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(6) 1.5254 56.2 8 ＦＦＳ 偏心(7) 像 面 ∞ 偏心(8) ＡＳＳ Ｒ 31.96 Ｋ -8.8437×10^-1 Ａ -2.0647×10^-7 Ｂ -3.0494×10^-11 Ｃ -2.1945×10^-14 Ｄ 8.5889×10^-18 ＦＦＳ Ｃ₄ 9.2295×10^-3 Ｃ₆ 1.0552×10^-2 Ｃ₈ -4.2651×10^-4 Ｃ₁₀ -4.4852×10^-4 ＦＦＳ Ｃ₄ 8.1507×10^-3 Ｃ₆ 7.5266×10^-3 Ｃ₈ -4.1911×10^-5 Ｃ₁₀ -2.4883×10^-5 Ｃ₁₁ -4.8280×10^-6 Ｃ₁₃ 7.0342×10^-6 Ｃ₁₅ 9.5946×10^-6 ＦＦＳ Ｃ₄ -9.9670×10^-3 Ｃ₆ -7.0982×10^-3 Ｃ₈ 1.1892×10^-4 Ｃ₁₀ 1.1226×10^-4 Ｃ₁₁ -8.7286×10^-6 Ｃ₁₃ 5.7717×10^-6 Ｃ₁₅ 8.4187×10^-6 ＦＦＳ Ｃ₄ 4.0092×10^-2 Ｃ₆ 2.7574×10^-2 Ｃ₈ -1.4521×10^-3 Ｃ₁₀ -2.0492×10^-3 Ｃ₁₁ -8.5257×10^-4 Ｃ₁₃ -1.1062×10^-3 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 300.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 300.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 335.00 α 25.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ -33.59 Ｚ 306.82 α 64.87 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ -45.48 Ｚ 298.55 α 82.16 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ -36.62 Ｚ 295.47 α 132.78 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ -42.28 Ｚ 308.45 α 153.14 β 0.00 γ 0.00 偏心(8) Ｘ 0.00 Ｙ -43.03 Ｚ 310.30 α 158.16 β 0.00 γ 180.00 。

【００８０】 実施例６ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ 偏心(1) 1 ∞（瞳） 2 ＡＳＳ（ＦＲ） 偏心(2) 1.4917 55.3 3 ∞ 偏心(2) 4 ∞（ＲＥ） 偏心(3) 5 ＦＦＳ 偏心(4) 1.5254 56.2 6 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(5) 1.5254 56.2 7 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(6) 1.5254 56.2 8 ＦＦＳ 偏心(7) 像 面 ∞ 偏心(8) ＡＳＳ Ｒ 31.96 Ｋ -8.8437×10^-1 Ａ -2.0647×10^-7 Ｂ -3.0494×10^-11 Ｃ -2.1945×10^-14 Ｄ 8.5889×10^-18 ＦＦＳ Ｃ₄ 7.3929×10^-3 Ｃ₆ 2.2822 ×10^-2 Ｃ₈ -2.3833×10^-4 Ｃ₁₀ 6.1530×10^-5 ＦＦＳ Ｃ₄ 1.0023×10^-2 Ｃ₆ 1.3685 ×10^-2 Ｃ₈ 5.5504×10^-5 Ｃ₁₀ 1.5345×10^-4 Ｃ₁₁ 3.6418 ×10^-6 Ｃ₁₃ 1.7110×10^-5 Ｃ₁₅ 2.2890×10^-5 ＦＦＳ Ｃ₄ -7.7952×10^-3 Ｃ₆ 1.9009 ×10^-4 Ｃ₈ 3.1774×10^-4 Ｃ₁₀ 3.8811×10^-4 Ｃ₁₁ 6.4961 ×10^-6 Ｃ₁₃ 2.5085×10^-5 Ｃ₁₅ 3.0871×10^-5 ＦＦＳ Ｃ₄ 1.0720×10^-2 Ｃ₆ 3.1827×10^-2 Ｃ₈ 7.5980×10^-4 Ｃ₁₀ -1.0784×10^-3 Ｃ₁₃ -8.8990×10^-4 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 300.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 300.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 335.00 α 25.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ -34.75 Ｚ 305.84 α 63.17 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ -47.83 Ｚ 296.54 α 73.28 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ -38.33 Ｚ 296.21 α 120.52 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ -44.74 Ｚ 306.91 α 144.41 β 0.00 γ 0.00 偏心(8) Ｘ 0.00 Ｙ -45.69 Ｚ 308.67 α 151.53 β 0.00 γ 180.00 。

【００８１】上記実施例１、５の横収差をそれぞれ図１
１、図１２に示す。これらの横収差図において、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。

【００８２】ところで、実施例５、６に例示したような
光学系を用いる投影表示装置は、図１３、図１４に示す
ような携帯情報端末や、図１５、図１６に示すような携
帯電話の形態にも適用することができ、安価で消費電力
の少ない、極めて携帯性に優れた装置を提供することが
できる。

【００８３】図１３の場合は、接眼光学系３２を少なく
とも反射作用を有する光学素子３４で構成する例であ
る。この場合、表示装置の本体３０上に、観察者側から
見て、操作ボタン３６をリレー光学系３１より手前に配
置することが望ましい。この配置により、操作ボタン３
６のボタン操作をする手で光路を遮ることがなく、ボタ
ン操作する度に映像を遮断してしまう問題を避けること
が可能となる。また、リレー光学系３１は接眼光学系３
２の手前に配置することにより、接眼光学系３２で反射
された映像を無理なく観察することが可能となる。な
お、図１３において、観察者眼球位置をＥで示し、この
投影表示装置の横長の射出瞳１の位置に観察者の両眼あ
るいは片眼Ｅを一致させることにより、表示映像を無理
なく観察することができる。なお、画像表示素子は、リ
レー光学系３１の本体３０側に配置されるが、図示を省
く。

【００８４】さらに、図１４の場合、接眼光学系３２
は、本体３０から開閉する機構にすることによって、携
帯時はポケット等に収納することが可能となる。また、
このとき、電源も切断する機能を付けておくと、節電効
果が高い。

【００８５】さらに、開閉は観察者側を本体３０から持
ち上げて開閉する方向にすることによって、接眼光学系
３２の光学面が収納時に表面に露出することがなく、光
学系の光学面に汚れ等が付着し難くなりより好ましい。

【００８６】また、図１４の場合は、接眼光学系３２を
少なくとも透過作用を有する光学素子３５で構成するも
のである。この場合、表示装置の本体３０上に、観察者
側から見て、操作ボタン３６を接眼光学系３２より手前
に配置することが望ましい。この配置により、操作ボタ
ン３６のボタン操作をする手で光路を遮ることがなく、
ボタン操作する度に映像を遮断してしまう問題を避ける
ことが可能となる。また、リレー光学系３１の手前に接
眼光学系３２を配置することにより、無理なく映像を観
察することが可能となる。

【００８７】また、図１４の場合は、接眼光学系３２を
リレー光学系３１側に倒して収納するようにすることが
好ましい。これにより、リレー光学系３１を保護するカ
バーの役目を接眼光学系３２表面で代用することが可能
となる。

【００８８】さらに、図１３、図１４のどちらの使用形
態においても、リレー光学系３１と接眼光学系３２の間
に反射鏡３７（図１４）を配置し、光路を折り曲げるこ
とにより、リレー光学系３１から接眼光学系３２までの
距離を短くすることが可能となる。さらに好ましくは、
その反射鏡３７にパワーを持たせることにより、接眼光
学系３２の持つパワーを分散することが可能となり、よ
り大画面の映像を鮮明に表示することが可能となる。な
お、図１４の場合、反射鏡３７は実施例５、６の反射面
３３が対応している。

【００８９】また、その反射鏡３７は接眼光学系３２の
下に収納するようにすることにより、その光学素子が露
出することが防げ、防塵性が向上する。

【００９０】図１５、図１６は携帯電話３８に接眼光学
系３２をリレー光学系３１からなる投影表示装置を設け
てその横長の射出瞳１の位置でその表示映像を無理なく
観察できるようにしたものであり、携帯電話３８には、
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、通信電波の
送信と受信を行うアンテナ４０６と、操作者が情報を入
力する操作ボタン３６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投影表示する本発明の投影表
示装置が設けられている。図１５は、図１３に対応する
構成で、接眼光学系３２を携帯電話３８に対して開閉す
る機構を持っており、携帯時は折り畳んでポケット等に
収納することが可能となる。また、図１６は、図１４に
対応する構成であるが、接眼光学系３２は携帯電話３８
の本体表面に固定され、その内部にリレー光学系３１と
反射鏡３７が取り付けられており、折り畳まずにそのま
まポケット等に収納するものである。

【００９１】ところで、前記したように、本発明による
偏心光学系を撮像光学系や結像光学系として用いる場合
に、入射瞳を形成するために、偏心光学系の対称面に平
行な方向の瞳径ＥＰＤｙに対して垂直方向の瞳径ＥＰＤ
ｘが大きい明るさ絞り５を配置する。そのような明るさ
絞り５の形状としては、図１７（ａ）、（ｂ）に例示す
るように、楕円形状でもよいし（ａ）、長方形でもよい
（ｂ）。その他横長のどのような形状の開口から明るさ
絞り５を構成してもよい。

【００９２】図１８〜図２０は、本発明による偏心光学
系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１８は電子カメラ４０の外
観を示す前方斜視図、図１９は同後方斜視図、図２０は
電子カメラ４０の構成を示す断面図である。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。このＣＣ
Ｄ４９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には記録手
段６１が接続されており、撮影された電子画像を記録す
ることもできる。なお、この記録手段６１は処理手段５
２と別体に設けらてもよいし、フロッピー（登録商標）
ディスク等により電子的に記録書込を行うように構成し
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。

【００９３】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、
ミラー６８、開口絞り５、本発明の偏心光学系を構成す
る実施例１のような偏心プリズム１０、フォーカス用レ
ンズ６６からなる。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で
あり、画角を拡大している。また、偏心プリズム１０の
後方に配置されているフォーカス用レンズ６６は光軸の
前後方向へ位置調節可能になっており、ファインダー用
対物光学系５３のピント調節に用いられる。このファイ
ンダー用対物光学系５３によって結像面６７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５７上に形成される。なお、視野枠５７は、ポロプ
リズム５５の第１反射面５６と第２反射面５８との間を
分離し、その間に配置されている。このポリプリズム５
５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。

【００９４】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。

【００９５】なお、図２０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
明による偏心プリズム１０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。

【００９６】次に、図２１は、本発明の偏心光学系から
なる撮像光学系を電子カメラ４０の撮影部の対物光学系
４８に組み込んだ構成の概念図を示す。この場合は、撮
影用光路４２上に配置された撮影用対物光学系４８に、
カバー部材６５、開口絞り５、実施例３のタイプの偏心
プリズム１０からなる本発明による撮像光学系を用いて
いる。この撮影用対物光学系４８により形成された物体
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５１を介して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、ＣＣ
Ｄ４９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。
この接眼光学系５９は偏心プリズムからなり、この例で
は、入射面６２と、反射面６３と、反射と屈折の兼用面
６４の３面から構成されている。また、２つの反射作用
を持った面６３、６４の中、少なくとも一方の面、望ま
しくは両方の面が、光束にパワーを与え、かつ、偏心収
差を補正する唯一の対称面を持つ面対称自由曲面にて構
成されている。そして、この唯一の対称面は、撮影用対
物光学系４８のプリズム１０が有する面対称自由曲面の
唯一の対称面と略同一平面上に形成されている。また、
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）をプリズム１０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。

【００９７】このように構成されたカメラ４０は、撮影
用対物光学系４８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
の厚みの簿型化が実現できる。

【００９８】なお、本例では、撮影用対物光学系４８の
カバー部材６５として平行平面板を配置しているが、前
例と同様に、パワーを持ったレンズを用いてもよい。次
に、図２２に、本発明による偏心光学系からなる撮像光
学系を電子内視鏡の観察系の対物光学系８２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は、カバー部材８５、開口絞り５、実施例２の
タイプの偏心プリズム１０を用いており、接眼光学系８
７も、実施例１のタイプの偏心プリズム１０、開口絞り
２、ミラー９０、接眼レンズ９１からなり、本発明によ
る偏心光学系を接眼光学系として用いている。この電子
内視鏡は、図２２（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、このビデオブロセッサ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、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２２（ｂ）に示すように構成されている。光源装
置７２から照明さた光束は、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２２（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の画像表示素子に表示されＨＭＤ
７８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接眼部８１の液晶表示素子（Ｌ
ＣＤ）８６上に電子像として表示され、その表示像は接
眼光学系８７を経て観察者眼球Ｅに導かれる。

【００９９】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。

【０１００】次に、図２３〜図２５は本発明による偏心
光学系からなる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である。

【０１０１】図２３はパソコン３００のカバーを開いた
前方斜視図、図２４はパソコン３００の撮影光学系３０
３の断面図、図２５は図２３の状態の側面図である。図
２３〜図２５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、Ｃ
ＲＴ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。

【０１０２】この撮影光学系３０３は、撮影光路３０４
上に、本発明の実施例３のような偏心プリズム１０から
なる対物光学系１００と、像を受光する撮像素子１６２
とを有している。これらはパソコン３００に内蔵されて
いる。

【０１０３】ここで、撮像素子１６２上には付加的にｌ
Ｒカットフィルター１８０が貼り付けられて撮像ユニッ
ト１６０として一体に形成され、対物光学系１００の鏡
枠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１００と撮像素子１６２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、鏡枠の先端には、対物光学系１００を
保護するためのカバーガラス１０２が配置されている。

【０１０４】撮像素子１６２で受光された物体像は、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２３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。

【０１０５】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に
よる偏心光学系からなる撮像光学系を内蔵した例を図２
６に示す。

【０１０６】図２６（ａ）は携帯電話４００の正面図、
図２６（ｂ）は側面図、図２６（ｃ）は撮影光学系４０
５の断面図である。図２６（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４
０３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実施例３の
ような偏心プリズム１０からなる対物光学系１００と、
像を受光する撮像素子１６２とを有している。これら
は、携帯電話４００に内蔵されている。

【０１０７】ここで、撮像素子１６２上には付加的にｌ
Ｒカットフィルター１８０が貼り付けられて撮像ユニッ
ト１６０として一体に形成され、対物光学系１００の鏡
枠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１００と撮像素子１６２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、鏡枠の先端には、対物光学系１００を
保護するためのカバーガラス１０２が配置されている。

【０１０８】撮影素子１６２で受光された物体像は、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１６２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。

【０１０９】以上の本発明の偏心光学系及びそれを用い
た投影表示装置等は例えば次のようい構成することがで
きる。

【０１１０】〔１〕 少なくとも１つの反射面を備え、
その少なくとも１つの反射面が光束にパワーを与える曲
面形状を有し、かつ、直交する２軸方向で大きさの異な
る瞳を有し、以下の条件式を満足することを特徴とする
偏心光学系。

【０１１１】１＜ＥＰＤｘ／ＥＰＤｙ＜１００ だだし、ＥＰＤｘは瞳の最も長い軸（長軸）方向の長さ
であり、ＥＰＤｙは瞳の最も短い軸（短軸）方向の長さ
である。

【０１１２】〔２〕 上記１において、回転非対称の光
学面を有することを特徴とする偏心光学系。

【０１１３】〔３〕 上記１又は２において、屈折率
（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で形成され、前
記瞳に向かう光束をプリズム内に入射する入射面と、そ
の光束をプリズム内で反射する少なくとも１つの反射面
と、光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、その
少なくとも１つの反射面が、光束にパワーを与える曲面
形状を有する偏心プリズムを備えていることを特徴とす
る偏心光学系。

【０１１４】〔４〕 上記３において、前記偏心プリズ
ムが、２つの反射面を備え、入射面と第１反射面と第２
反射面と射出面からなり、入射面と第１反射面とを結ぶ
光路が第２反射面と射出面とを結ぶ光路とプリズム内で
交差するようになっていることを特徴とする偏心光学
系。

【０１１５】〔５〕 上記３において、前記偏心プリズ
ムが、３つの反射面を備え、その内の第３反射面が入射
面を兼用した面にて形成され、第１反射面が射出面を兼
用した面にて形成されていることを特徴とする偏心光学
系。

【０１１６】〔６〕 上記３において、前記偏心プリズ
ムが、２つの反射面を備え、入射面と、射出面を兼用し
た第１反射面と、第２反射面とからなることを特徴とす
る偏心光学系。

【０１１７】〔７〕 上記３において、前記偏心プリズ
ムが、２つの反射面を備え、入射面を兼用した第２反射
面と、第１反射面と、射出面とからなることを特徴とす
る偏心光学系。

【０１１８】〔８〕 直交する２軸方向で大きさの異な
る絞りを有し、撮像光学系として用いられることを特徴
とする上記１から７の何れか１項記載の偏心光学系。

【０１１９】

〔９〕 映像を表示する表示素子と、前記
表示素子に表示された映像又はその中間像を投影するリ
レー光学系と、前記リレー光学系からの光束を観察者の
眼球に向けて収束する収束作用を有する接眼光学系とか
ら構成される投影表示装置において、前記リレー光学系
として上記１から７の何れか１項記載の偏心光学系を用
いたことを特徴とする投影表示装置。

【０１２０】〔１０〕 上記９において、前記接眼光学
系は少なくとも反射作用を有することを特徴とする投影
表示装置。

【０１２１】〔１１〕 上記１０において、前記接眼光
学系はフレネル反射鏡からなることを特徴とする投影表
示装置。

【０１２２】〔１２〕 上記１１において、前記フレネ
ル反射鏡はフレネル自由曲面反射鏡からなることを特徴
とする投影表示装置。

【０１２３】〔１３〕 上記９において、前記接眼光学
系は少なくとも透過屈折作用を有することを特徴とする
投影表示装置。

【０１２４】〔１４〕 上記１３において、前記接眼光
学系はフレネルレンズからなることを特徴とする投影表
示装置。

【０１２５】〔１５〕 前記フレネルレンズは回転非対
称面形状の屈折面を有することを特徴とする投影表示装
置。

【０１２６】〔１６〕 像面に配置された、物体像を撮
像する撮像素子と、瞳面に配置された、物体からの光束
の明るさを絞る明るさ絞りと、前記像面と前記瞳面との
間に配置された、前記物体像を前記像面に導く結像光学
系とを有する撮像装置において、前記結像光学系として
上記１から７の何れか１項記載の偏心光学系を用いたこ
とを特徴とする投影表示装置。

【０１２７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、光学系の瞳を非円形とすることで明るく小型
の撮像及び像観察が可能な偏心光学系とそれを用いた投
影表示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の偏心光学系の対称面に沿っ
た断面図とそれに直交する面に投影した光路図である。

【図２】本発明の実施例２の偏心光学系の図１と同様の
図である。

【図３】本発明の実施例３の偏心光学系の図１と同様の
図である。

【図４】本発明の実施例４の偏心光学系の図１と同様の
図である。

【図５】本発明の実施例５の投影表示光学系の対称面に
沿った断面図である。

【図６】実施例５の投影表示光学系の対称面に直交する
面に投影した光路図である。

【図７】図５、図６の画像表示素子、リレー光学系、接
眼光学系近傍の拡大図である。

【図８】本発明の実施例６の投影表示光学系の対称面に
沿った断面図である。

【図９】実施例６の投影表示光学系の対称面に直交する
面に投影した光路図である。

【図１０】図８、図９の画像表示素子、リレー光学系、
接眼光学系近傍の拡大図である。

【図１１】実施例１の横収差を示す図である。

【図１２】実施例５の横収差を示す図である。

【図１３】本発明の投影表示装置を携帯情報端末に適用
した場合の斜視図である。

【図１４】本発明の投影表示装置を携帯情報端末に適用
した別の場合の斜視図である。

【図１５】本発明の投影表示装置を携帯電話に適用した
場合の斜視図である。

【図１６】本発明の投影表示装置を携帯電話に適用した
別の場合の斜視図である。

【図１７】本発明による偏心光学系を撮像光学系や結像
光学系として用いる場合の明るさ絞りの形状を例示する
ための図である。

【図１８】本発明による偏心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１９】図１８の電子カメラの後方斜視図である。

【図２０】図１８の電子カメラの１つの構成を示す断面
図である。

【図２１】本発明による偏心光学系を適用した別の電子
カメラの概念図である。

【図２２】本発明による偏心光学系を適用した電子内視
鏡の概念図である。

【図２３】本発明による偏心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２４】パソコンの撮影光学系の断面図である。

【図２５】図２３の状態の側面図である。

【図２６】本発明による偏心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。

【符号の説明】

１…射出瞳 ２…軸上主光線 ３…画像表示素子 ５…明るさ絞り（開口絞り） ６…撮像面（撮像素子） １０…偏心プリズム １１…第１面 １２…第２面 １３…第３面 １４…第４面 ３０…投影表示装置本体 ３１…リレー光学系 ３２…接眼光学系 ３３…反射面（平面鏡） ３４…反射作用を有する光学素子 ３５…透過作用を有する光学素子 ３６…操作ボタン ３７…反射鏡 ３８…携帯電話 ４０…電子カメラ ４１…撮影光学系 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…カバーレンズ ５５…ポロプリズム ５６…第１反射面 ５７…視野枠 ５８…第２反射面 ５９…接眼光学系 ６０…液晶表示素子（ＬＣＤ） ６１…記録手段 ６２…入射面 ６３…反射面 ６４…反射と屈折の兼用面 ６５…カバー部材 ６６…フォーカス用レンズ ６７…結像面 ６８…ミラー 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…ミラー ９１…接眼レンズ １００…対物光学系 １０２…カバーガラス １６０…撮像ユニット １６２…撮像素子 １８０…ｌＲカットフィルター 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 Ｅ…観察者眼球

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 25/00 Ｇ０２Ｂ 25/00 Ａ Ｇ０３Ｂ 13/06 Ｇ０３Ｂ 13/06 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ａ Ｆターム(参考） 2H018 AA11 2H040 BA01 CA11 CA23 CA30 GA02 2H042 CA12 CA17 CA18 DB00 DD09 DE00 2H087 KA02 KA06 KA07 KA10 KA14 KA23 RA05 RA06 RA34 TA01 TA04 TA05 TA06 5C058 EA11 EA26

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１つの反射面を備え、その少
   なくとも１つの反射面が光束にパワーを与える曲面形状
   を有し、かつ、直交する２軸方向で大きさの異なる瞳を
   有し、以下の条件式を満足することを特徴とする偏心光
   学系。 １＜ＥＰＤｘ／ＥＰＤｙ＜１００ だだし、ＥＰＤｘは瞳の最も長い軸（長軸）方向の長さ
   であり、ＥＰＤｙは瞳の最も短い軸（短軸）方向の長さ
   である。
2. 【請求項２】 請求項１において、屈折率（ｎ）が１よ
   りも大きい（ｎ＞１）媒質で形成され、前記瞳に向かう
   光束をプリズム内に入射する入射面と、その光束をプリ
   ズム内で反射する少なくとも１つの反射面と、光束をプ
   リズム外に射出する射出面とを有し、その少なくとも１
   つの反射面が、光束にパワーを与える曲面形状を有する
   偏心プリズムを備えていることを特徴とする偏心光学
   系。
3. 【請求項３】 映像を表示する表示素子と、前記表示素
   子に表示された映像又はその中間像を投影するリレー光
   学系と、前記リレー光学系からの光束を観察者の眼球に
   向けて収束する収束作用を有する接眼光学系とから構成
   される投影表示装置において、前記リレー光学系として
   請求項１又は２記載の偏心光学系を用いたことを特徴と
   する投影表示装置。