JP2004102204A

JP2004102204A - 投影観察装置

Info

Publication number: JP2004102204A
Application number: JP2002304555A
Authority: JP
Inventors: Kokichi Kenno; 研野　孝吉
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2004-04-02
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: JP4129976B2; US7317565B2; US20050206985A1

Abstract

【課題】観察方向により異なる映像を１つの表示面に同時に少なくとも２つ観察可能に表示する簡単な構成で照明効率の良い投影観察装置。
【解決手段】１つの表示面に観察方向により異なる映像を同時に少なくとも２つ観察可能に表示する投影観察装置であり、少なくとも２つ表示素子１_１、１_２と、その表示素子１_１、１_２に表示された映像を異なる方向から拡大投影する少なくとも２つの投影光学系２_１、２_２と、その投影光学系２_１、２_２で投影された像近傍に配置された共通の拡散板４と、投影光学系２_１、２_２各々の射出瞳を観察者眼球Ｅ_１、Ｅ_２に投影する共通の接眼光学系３とを備えている投影観察装置。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影観察装置に関し、特に、１つの投影面に投影された映像を同時に、異なる方向から観察可能にする投影観察装置に関すものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特許文献１には、ダブルレンチキュラースクリーンを使って観察方向により異なる画像の表示を同一のスクリーン上で行う方法が示されている。また、特許文献２には、回帰性スクリーンと２つのプロジェクターにより立体映像を表示するシステムが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−２３０７３８号公報
【０００４】
【特許文献２】
特開平１０−１１５８７８号公報
【０００５】
【特許文献３】
米国特許第６，１２４，９８９号明細書
【０００６】
【特許文献４】
特開２０００−６６１０５号公報
【０００７】
【特許文献５】
特開平９−１２７３１２号公報
【０００８】
【特許文献６】
特開２０００−１７１６１８号公報
【０００９】
【特許文献６】
特開２００１−２８１５８３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ダブルレンチキュラースクリーンを用い方法は、２つのレンチキュラースクリーンの位置合わせを厳密にする必要がある。また、プロジェクターの光を効率的に観察者に向けることができない。そこで、明るい観察像を得るためには非常に高輝度の光源が必要になる。
【００１１】
また、回帰性スクリーンを用いる方法では、プロジェクター（投影光学系）の射出瞳位置に光線が収束してしまうために、効率の良い明るい観察像を観察することができない。
【００１２】
また、映像表示装置において、１つの表示面に見る角度により異なる映像を表示する技術として、レンチキュラーシートやパララックスバリア方式等が使われていたが、明るい観察像を解像度を下げることなく観察できるものはなかった。
【００１３】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、映像を１つの投影面投影し、投影された映像を少なくとも２つの異なる方向から観察可能な投影観察装置を提供することである。また、その際、簡単な構成でありながら、明るい映像を観察可能にする。また、少ない照明光量で明るい映像を観察可能にする。
【００１４】
【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投影観察装置は、少なくとも２つ表示素子と、前記少なくとも２つの表示素子に表示された映像を異なる方向から拡大投影する少なくとも２つの投影光学系と、前記少なくとも２つの投影光学系で投影された像近傍に配置された共通の拡散板と、前記投影光学系各々の射出瞳を観察者側に投影する共通の接眼光学系とを備えていることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明のもう１つの投影観察装置は、少なくとも２つ表示素子と、前記少なくとも２つの表示素子に表示された映像を異なる方向から拡大投影する少なくとも２つの投影光学系と、前記少なくとも２つの投影光学系で投影された像近傍に配置された共通の透過型ホログラムからなる拡散板と、前記投影光学系各々の射出瞳を観察者側に投影する共通の凹面鏡からなる接眼光学系とを備えていることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の投影観察装置は、上記構成において、前記投影光学系の光軸の何れか一方が前記接眼光学系と交差し、交差する点における前記接眼光学系の垂線とその光軸とのなす角が１０°以上であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の投影観察装置は、上記構成において、前記投影光学系の少なくとも１つは、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で形成された偏心プリズムを１個以上備えた偏心プリズム光学系からなり、前記偏心プリズムは、表示素子から射出された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つの反射面が曲面形状を有し、その曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明において上記構成をとる理由とその作用について説明する。この説明において、観察方向が２つ以上ある場合に、特別な場合を除いて、それらの観察方向用の光学部材、素子、映像、射出瞳、観察者眼球等が共通でなく、別々のものである場合には、それらの部材等を示す符号の後に下付き数字“１”、“２”等を付加して、それぞれ対応する観察方向用のものであることを区別する。
【００１９】
図１に、本発明の投影観察装置における光学系の概念図を示す。
【００２０】
本発明の投影観察装置は、異なる方向から同時に、少なくとも２つの映像を観察可能にする投影観察装置である。そのため、本発明の投影観察装置では、少なくとも２つの表示素子１_１、１_２を備えていえる。この２つの表示素子１_１、１_２に異なる映像を表示すれば、少なくとも２人の観察者が、同時に異なる映像を見ることができる。なお、同一の映像を表示しても構わない。この少なくとも２つの表示素子１_１、１_２に表示された映像を観察者が見るためには、光学系が必要である。そこで、本発明の投影観察装置では、２つの投影光学系２_１、２_２が表示素子１_１、１_２に対応して配置されている。
これらの投影光学系２_１、２_２は、図１に示すように、投影像５_１、５_２を完全に重ねて接眼光学系３近傍に投影するか、図２に示すように、少なくとも一部が重なるように接眼光学系３近傍に投影する。この構成により、投影面（投影像５_１、５_２が投影される領域）が小さくなるので、接眼光学系３を小さくすることができる。
【００２１】
そして接眼光学系３は、投影光学系２_１、２_２の射出瞳を観察者眼球Ｅ_１、Ｅ_２側に形成する働きを持っている。ここで、観察者眼球Ｅ_１、Ｅ_２側に形成された投影光学系２_１、２_２の射出瞳の像を６_１、６_２とする。このように、本発明は投影光学系２_１、２_２各々の射出瞳を、観察者眼球Ｅ_１、Ｅ_２側に投影する接眼光学系３を備えている。よって、観察者が、観察者眼球Ｅ_１、Ｅ_２を射出瞳６_１、６_２（投影光学系２_１、２_２の射出瞳像）に一致させることにより、投影光学系２_１、２_２を射出した投影光線を効率良く観察者眼球Ｅ_１、Ｅ_２に集めることが可能になる。この結果、低出力の光源を用いて表示素子１_１、１_２を照明しても、観察者は明るい観察像を観察することが可能となる。なお、本発明の投影観察装置は、投影光学系２_１、２_２の射出瞳を、観察者眼球Ｅ_１、Ｅ_２に投影しているいうこともできる。
【００２２】
さらに、本発明の投影観察装置では、投影像５_１、５_２近傍に共通の単一の拡散板４を配置している。そして、拡散板４の拡散特性を利用して、図３に示すように、接眼光学系３で投影された投影光学系２の小さい射出瞳像６を、観察しやすい大きさの瞳径の射出瞳像６０に拡大している。これにより、観察者の眼Ｅの位置が多少ずれても投影像５_１、５_２（図１、図２）を観察することが可能な、見やすい投影観察装置を提供することが可能となる。なお、拡散板４も投影面近傍に配置されるので、小型化ができる。
【００２３】
なお、上述のように、接眼光学系３と拡散板４は、何れも投影光学系２、２_１、２_２により投影された投影像５_１、５_２の近傍に配置される。よって、接眼光学系３の少なくとも１面に、拡散作用をする拡散面を一体に設けてもよい。また、拡散板４を接眼光学系３とは別体のものとしてもよい。
【００２４】
さて、以上のような本発明の投影観察装置においては、投影光学系２_１、２_２の光軸が接眼光学系３と交差する。そこで、何れか一方の光軸が交差する点における接眼光学系３の垂線とその光軸とのなす角が１０°以上であることが望ましい。
【００２５】
図４に示すように、投影光学系２_１、２_２から接眼光学系３が構成する投影面中心に伸びる光軸は、拡散板４と接眼光学系３の略中心を通過して観察者Ｍ_１、Ｍ_２の眼球位置に到達する。なお、ここでは拡散板４の拡散作用を考えないとしている。
【００２６】
ところで、本発明の投影観察装置のように、１つの投影面に投影された映像を、少なくとも２人以上で観察する個人用ディスプレイとしての使用を考えると、投影面と観察者との距離は４０ｃｍ〜１ｍ程度になる。一方、２人以上の観察者、ここでは２人の観察者Ｍ_１、Ｍ_２が顔を寄せて合って観察することは余りないので、両者の顔の中心間の距離は４０ｃｍ以上離れると思われる。この場合、投影光学系２１の光軸と投影光学系２２の光軸とのなす角度は、５３°〜２２．６°になる。このように、お互いの顔が近づくことによる心理的ファクターを考えると、点Ｐにおける接眼光学系３の垂線Ｎと投影光学系２_１、２_２の光軸の少なくとも何れか一方の光軸とのなす角αが１０°以上であることが望ましい。ここで、点Ｐは、投影光学系２_１、２_２の光軸の少なくとも何れか一方が、接眼光学系３と交差する点である。また、接眼光学系３の垂線Ｎとは接眼光学系３の主面に対する垂線であり、接眼光学系３をフレネルレンズやフレネル反射鏡で構成する場合は、そのレンズや反射鏡に対する垂線となる。
【００２７】
図４は２次元偏心的に投影光学系２_１、２_２を配置した場合であるが、３次元偏心的に配置する場合も同様のことがいえる。図５は、影光学系２_１、２_２を３次元偏心的に配置した時の模式図である。なお、図５では一方の投影光学系２_１のみしか図示していない。また、投影光学系２_１、２_２の射出瞳をそれぞれ６_１’、６_２’で示し、それらの接眼光学系３による投影像である射出瞳像を６_１、６_２で示してある。図５に示すように、投影光学系２_１、２_２を３次元偏心的に配置する場合も、図４と同様に、点Ｐにおける垂線Ｎと投影光学系２１の光軸とのなす角αを、１０°以上にすることが望ましい。
【００２８】
ところで、図４、図５に示す構成では、接眼光学系３に対して斜め方向から表示素子１_１、１_２の映像を投影する配置となっている。このような配置で、投影光学系２、２_１、２_２を回転対称な光学系で構成すると、投影された像はアオリ像となって像歪みを発生する。この像歪みは、図５に示すように、表示素子１_１、１_２の表示面と、投影光学系２_１、２_２の主面と、接眼光学系３の主面とを平行に配置し、投影光学系２_１、２_２を光軸に垂直にシフトした形態にすることにより補正できる。あるいは、シャイムフルクの法則を満たすようにこの三者を配置することにより、その像歪みを補正することができる。
【００２９】
また、このような像歪みは、表示素子１_１、１_２に表示する像を、その像歪みをキャンセルするように予め歪ませておくことにより、電気的に補正することもできる。
【００３０】
さらに、上記の光学的な補正方法と電気的な補正方法の両方を用いることも可能なことは言うまでもない。
【００３１】
また、投影光学系２、２１、２２としては偏心光学系を使うことが望ましい。その場合、投影光学系２、２_１、２_２は回転非対称面を有することが望ましい。なお、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、例えば特許文献３（特許文献４）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。
【００３２】
また、投影光学系２_１、２_２の少なくとも１つは、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で形成された偏心プリズムを１個以上備えた偏心プリズム光学系から構成する。その偏心プリズムは、表示素子から射出された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する。そして、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、その曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されているものとするのが好ましい。これにより、像歪補正能力が格段に向上する。特に、少なくとも２つの投影光学系２_１、２_２の光軸の相互になす角が３０°以上の場合には好ましい。
【００３３】
なお、本発明において投影光学系２_１、２_２として用いる偏心プリズム光学系は、偏心プリズムを１個又は複数個用いたものでもよい。あるいは、図６に模式的に示すように、回転対称なレンズ系と偏心プリズムを組み合わせたものを用いてもよい。
【００３４】
偏心プリズムの１例としては、表示素子１_１、１_２からの光束をプリズム内に入射させる入射面と、その入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、その第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、その第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備え、その入射面から第１反射面へ向かう光束と第２反射面から射出面へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置を有し、入射面、第１反射面、第２反射面、射出面の少なくとも１面が非回転対称面からなる偏心プリズムがある。
【００３５】
このような偏心プリズムを用いると、プリズム内の光路が交差光路になり、反射面（第１反射面と第２反射面）での入射角度が小さくなる。その結果、偏心収差の発生がを少なくすることができる。
【００３６】
あるいは、投影光学系２_１、２_２に用いる偏心プリズムのもう１つの例としては、表示素子１_１、１_２からの光束をプリズム内に入射させる入射面と、その入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、その第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、その第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備え、その入射面と第２反射面とを１面で兼用した偏心プリズムがある。
【００３７】
この第２反射面と入射面とを兼用するタイプの偏心プリズムは、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。
【００３８】
さて、以上のように、投影光学系２_１、２_２を偏心プリズム光学系で構成すると、以下のような利点がある。それは、接眼光学系３に対て斜め方向から表示素子１_１、１_２の映像を投影する場合、偏心プリズム光学系を面対称形状に構成することにより、アオリ像の像歪みを補正することが容易になることである。すなわち、この斜め配置により発生する像歪みは、所定の方向から見た時に非対称な形状をしているが、偏心プリズム光学系によって発生する非対称な像歪みの発生方向と一致する。そのため、偏心プリズム光学系の偏心収差によりその像歪みを補正することが可能となり、収差補正が容易になる。なお、所定の方向とは、投影光学系２_１、２_２の光軸が接眼光学系３と交差する点Ｐとし、この点Ｐを含む偏心プリズム光学系の対称面方向のことである。
【００３９】
もちろん、この場合も、このような像歪みは、表示素子１_１、１_２に表示する像をその像歪みをキャンセルするように予め歪ませて表示することにより、電気的に補正することもできる。さらに、上記の光学的な補正方法と電気的な補正方法の両方を用いることも可能なことは言うまでもない。
【００４０】
ところで、このように投影光学系２_１、２_２を面対称形状の偏心プリズム光学系で構成して用いる場合においても、点Ｐにおける接眼光学系３の垂線と投影光学系２_１、２_２の光軸（少なくとも一方）とのなす角を、上記の通り１０°以上とする必要がある。
【００４１】
次に、偏心プリズム光学系と表示素子の好ましい配置を、図６を用いて説明する。図６において、点Ｐは偏心プリズム光学系２_１の光軸と接眼光学系３との交点である。偏心プリズム光学系２_１は対称面を有し、対称面が点Ｐを略含むように偏心プリズム光学系２_１が配置されている。また、偏心プリズム光学系２_１の入射面側（物体面側）には、表示素子１_１が配置されている。そして、表示素子１_１の表示画面が接眼光学系３近傍に投影されたときに、投影された表示画面の縦又は横方向が接眼光学系３の縦又は横方向と略一致するように、表示素子１_１を光軸の周りで回転させて配置する。偏心プリズム光学系２_２と表示素子１_２についても同じように配置する。
【００４２】
このような表示素子１_１、１_２の配置により、接眼光学系３に対する投影光学系２_１、２_２の斜め配置によって発生する回転非対称な像歪みを、面対称形状の偏心プリズム光学系で補正できる。それだけでなく、何れの投影光学系２_１、２_２の偏心プリズム光学系も、同一形状のものとして用意すればよい。よって、例えば相互に面対称な形状のように、左右の投影光学系２_１、２_２を異なる形状に構成する場合に比べて、投影光学系２_１、２_２の製造コストを大幅に下げることが可能となる。
【００４３】
次に、拡散板について説明する。拡散板４の拡散角は、半値全幅で２０°以下であることが好ましい。前述のように、異なる方向から映像を見ることができるように、本発明の投影観察装置は、投影光学系２_１、２_２が、接眼光学系３に対して所定の角度で配置されている。しかしながら、このように配置しても、拡散板４で拡散された光が広がりすぎると、一方の観察者の眼球に届くべき投影像の光が、弱いながらも他方の観察者の目に届く場合がある。そこで、拡散板４に上記条件の拡散特性を持たせることにより、観察者別に投影像５_１、５_２を観察させることが可能となる。
【００４４】
この条件の上限の２０°を上回ると、投影像２_１、２_２が異なる場合、投影像５_１、５_２がダブって見える「クロストーク」が発生してしまう。そのため、観察者は、表示内容を正しく観察することができなくなってしまう。なお、投影像５_１、５_２が同じものである場合は問題ない。また、拡散角が大きくなりすぎると、観察像の明るさが暗くなる。そのため、観察物体を照明する照明装置が大掛かりになってしまう。なお、拡散特性は、半値全幅から急に拡散光強度が低下することが好ましい。
【００４５】
また、拡散板４は、１０分の１全幅で拡散角が４０°以下となる拡散特性を有することが好ましい。これは、１０分の１全幅で少なくとも４０°以上に拡散する光線は観察者に届かないので、上記条件を満足することにより、無駄な照明光が減り、照明光の利用効率が向上する。その結果、表示素子１、１_１、１_２を照明する光源として、小型で低出力のものを使うことが可能となる。よって、装置全体をコンパクトにすることができる。
【００４６】
さらに、拡散板４は、１０分の１全幅で拡散角が３０°以下となる拡散特性を有することが好ましい。少なくとも３０°以上に拡散する光線が観察者に届く割合は比較的少ないので、上記条件を満足することが更なる照明の効率的利用につながる。
【００４７】
次に、上記のような拡散角を得るための拡散板４の表面粗さについて説明する。
【００４８】
図７は拡散板４が透過型の場合である。透過型拡散板４から４０ｃｍの距離でφ６３ｍｍの大きさに光線を拡大しようとすると、光線の拡散角は半値幅で４．５°の拡散角を持つことが必要になる。拡散板４表面の微細な凹凸で光線を屈折させる場合、その凹凸の形状をｓｉｎ波形状と仮定し、拡散面の屈折率を１．５とする。すると、図８に示すように、入射角をθ、屈折角をθ’とし、θ’−θ＝４．５°とスネルの式から、入射角θは約８．８６°の傾きを持つ必要があることが分かる。つまり、表面荒さの傾きの最大値は８．８６°であることが必要である。ここで、面の形状は滑らかなｓｉｎ波形状としていることから、その形状は、
ｙ＝ａ×ｓｉｎ（２πｘ／Ｔ）
で表される。ここで、ａは振幅、Ｔは周期である。そして、その傾きは、
（傾き）＝ｄｙ／ｄｘ＝ａ×ｃｏｓ（２πｘ／Ｔ）×２π／Ｔ
となる。傾きが最大になるのは、ｘ＝２πｍ（ｍは整数）のときであるから、
（傾きの最大値）＝ａ×２π／Ｔ
となり、これが８．８６°になるときのａ／Ｔを求めればよいことになる。
【００４９】
（傾きの最大値）＝ａ／Ｔ×２π＝８．８６／１８０×π＝０．１５４
これからａ／Ｔを求めると、
ａ／Ｔ＝０．０２４６
となる。ここで、ＪＩＳ　Ｂ０６０１による算術平均荒さＲａとａの関係は、形状が正弦波の場合は、
Ｒａ／√２＝ａ
となり、さらに凹凸の平均間隔Ｓｍと上記周期Ｔの関係は、
Ｓｍ＝Ｔ
となる。これより、表面粗さに関しては以下の結果を得る。
【００５０】
Ｓｍ＝２８．７Ｒａ
の場合、拡散面の最大傾斜は８．８３°となり、屈折率１．５の場合、光線の拡散半角４．５°、拡散全角で９°の拡散板が得られる。
【００５１】
次に、図９は拡散板４が反射型の場合である。反射型拡散板４から４０ｃｍの距離でφ６３ｍｍの大きさに光線を拡大しようとすると、光線の拡散角は半値幅で４．５°の拡散角を持つことが必要になる。拡散板４表面の微細な凹凸で光線を反射させる場合、その凹凸の形状をｓｉｎ波形状と仮定すると、図１０に示すように、入射角、反射角をθとし、２θ＝４．５°から、入射角θは４．５°の半分の約２．２５°の傾きを持つ必要があることが分かる。つまり、表面荒さの傾きの最大値は２．２５°であることが必要である。ここで、面の形状は滑らかなｓｉｎ波形状としていることから、その形状は、
ｙ＝ａ×ｓｉｎ（２πｘ／Ｔ）
で表される。そして、その傾きは、
（傾き）＝ｄｙ／ｄｘ＝ａ×ｃｏｓ（２πｘ／Ｔ）×２π／Ｔ
となる。傾きが最大になるのは、ｘ＝２πｍ（ｍは整数）のときであるから、
（傾きの最大値）＝ａ×２π／Ｔ
となり、これが２．２５°になるときのａ／Ｔを求めればよいことになる。
【００５２】
（傾きの最大値）＝ａ／Ｔ×２π＝２．２５／１８０×π＝０．０３９２７これからａ／Ｔを求めると、
ａ／Ｔ＝０．００６２５
となる。ここで、ＪＩＳ　Ｂ０６０１による算術平均荒さＲａとａの関係は、形状が正弦波の場合は、
Ｒａ／√２＝ａ
となり、さらに凹凸の平均間隔Ｓｍと上記周期Ｔの関係は、
Ｓｍ＝Ｔ
となる。これより、表面粗さに関しては以下の結果を得る。
【００５３】
Ｓｍ＝１１３．１４Ｒａ
の場合、拡散面の最大傾斜は２．２５°となり、反射による拡散半角４．５°、拡散全角で９°の反射型拡散板４が得られる。
【００５４】
これを、２回透過型拡散板、裏面鏡型拡散板についても検討すると、Ｓｍ／Ｒａと拡散半角との関係は、拡散面の凹凸面をｓｉｎ波形状に近似できる場合は、図１１に示すようになる。
【００５５】
以上のような知見から、拡散板４の表面粗さは、以下の条件を満足することが望ましい。
【００５６】
５＜（Ｓｍ／Ｒａ）＜１０００　　　　　　　　　　　　　・・・（１）
この条件は、拡散板４に好ましい拡散特性を持たせるために必要な条件であり、拡散特性を表面の微細な凹凸形状により与える場合である。光線を拡散させる方法に、拡散板４表面の微細な凹凸形状を用いると、拡散特性に波長依存性が非常に少なくなり好ましい。また、透過率も他の方法に比べて拡散板４表面でのフレネル反射のみになり、透過率の低下が少ない。さらに、ＡＲ（反射防止）コート等を行うことにより、さらに透過率を上げることが可能である。
【００５７】
さらに好ましくは、
１０＜（Ｓｍ／Ｒａ）＜５００　　　　　　　　　　　・・・（１−１）
なる条件を満足することが好ましい。
【００５８】
また、本発明の拡散板４の拡散面は、以下条件を満足するようなランダムな凹凸形状にするのがよい。これにより、広い射出瞳径で、ざらつき感のないクリアーで明るい観察像を得ることができる。
【００５９】
１回透過型の拡散板では、
５＜（Ｓｍ／Ｒａ）×（Ｅｐ／４００）＜７０　　　　　　・・・（２）
２回透過型の拡散板では、
１０＜（Ｓｍ／Ｒａ）×（Ｅｐ／４００）＜８０　　　　　・・・（３）
表面反射型の拡散板では、
５０＜（Ｓｍ／Ｒａ）×（Ｅｐ／４００）＜２００　　　　・・・（４）
裏面反射型の拡散板では、
８０＜（Ｓｍ／Ｒａ）×（Ｅｐ／４００）＜２５０　　　　・・・（５）
なる条件を満足することが好ましい。ここで、ＳｍはＪＩＳ　Ｂ０６０１による表面の凹凸の平均間隔（μｍ）、Ｒａは表面の中心線平均粗さ（μｍ）、Ｅｐは拡散面から観察者の眼の位置までの距離（：アイポイント（ｍｍ））である。
【００６０】
上記条件式（２）〜（５）の下限を下回ると、拡散角が小さくなりすぎ、広い瞳径を得るとこが難しくなる。また、上限を上回ると、拡散しすぎてしまい観察像が暗くなってしまう。
【００６１】
なお、接眼光学系３にフレネルレンズを用いる場合には、拡散面の凹凸形状をランダムな配置にすることがより好ましい。凹凸形状に周期性があると、フレネルレンズのピッチと拡散面との間でモアレ縞が発生して観察像に重畳し、見にくい像となってしまう。
【００６２】
上記条件式（２）〜（５）については、それぞれ以下のようにさらに限定することがより望ましい。
【００６３】
１回透過型の拡散板では、
１０＜（Ｓｍ／Ｒａ）×（Ｅｐ／４００）＜４０　　　・・・（２−１）
２回透過型の拡散板では、
１５＜（Ｓｍ／Ｒａ）×（Ｅｐ／４００）＜６０　　　・・・（３−１）
表面反射型の拡散板では、
７０＜（Ｓｍ／Ｒａ）×（Ｅｐ／４００）＜１５０　　・・・（４−１）
裏面反射型の拡散板では、
１００＜（Ｓｍ／Ｒａ）×（Ｅｐ／４００）＜２００　・・・（５−１）
さらに好ましくは、拡散板の拡散面の表面の凹凸の平均間隔Ｓｍは、
Ｓｍ＜２００μｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（６）
なる条件を満足することが好ましい。この条件（１０）は、観察画面のザラザラ感に関係している。拡散面の凹凸が２００μｍ以上だと、特に本発明のように投影光学系２、２_１、２_２からの光束が細い（ＮＡが小さい）光線で拡散板４近傍に投影像を形成する投影観察装置においては、このＳｍが映像のザラザラ感（シンチレーション）に大きく影響する。そのため、条件（２）〜（９）を満足しながら、本条件（１０）を満足するような拡散面であることが重要である。この条件（１０）を満足しないで、Ｓｍが２００μｍ以上になると、ひどいときは観察者の眼を移動した場合に画面全体が細かく瞬くように見えるシンチレーションが見えてしまう。また、そこまでひどくなくても、映像がすりガラスに投影された映像のように画像のクリア感がなくなり、鮮やかな映像を観察することができない。
【００６４】
さらに好ましくは、
Ｓｍ＜１００μｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（６−１）
なる条件を満足することが好ましい。
【００６５】
さらに好ましくは、
Ｓｍ＜５０μｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（６−２）
なる条件を満足することが望ましい。
【００６６】
さて、以上のような条件を満足する本発明の拡散板４としては、本出願人による特願２００１−３７０９５０の作製方法で作製した拡散板が使用可能である。その拡散板としては、以下のものがある。
（１）サンドブラスト法により粒径が制限された球形ビーズを吹き付けて形成されたランダム配置の凹面群あるいはその凹面群に相似的な凹面群、又は、これら凹面群に相補的な凸面群を有する拡散板。
（２）金属基板に球形ビーズを吹き付けて形成されたランダム配置の凹面群を型として透明基板に複製することにより作製された（１）の拡散板。
（３）金属基板上に形成した加工層に球形ビーズを吹き付けて形成されたランダム配置の凹面群を金属基板表面に相似的に転写して形成されたランダム配置の凹面群を型として透明基板に複製することにより作製された（１）の拡散板。
（４）前記球形ビーズの粒径が０．０１ｍｍから２ｍｍのガラスビーズからなる（１）から（３）の拡散板。
（５）前記球形ビーズを吹き付ける空気圧が０．５〜３．０ｋｇ／ｃｍ２　である（４）の拡散板。
（６）前記金属基板が真鍮からなる（２）、（４）、（５）の拡散板。
（７）前記金属基板が前記球形ビーズより硬度の高い金属からなる（３）、（４）、（５）の拡散板。
（８）前記金属基板の表面に形成された凹面群を射出成形あるいはプレス成形により透明基板に複製した（２）〜（７）の拡散板。
（９）基板上に樹脂の液滴を噴霧して付着させることにより形成されたランダム配置の凸面群を基板表面に相似的に転写して形成されたランダム配置の凸面群、又は、その凸面群に相補的な凹面群を有する拡散板。
【００６７】
さらに、特許文献５に記載されている拡散板を使うことができる。この拡散板は、透明基体の片面又は両面を粗面化して作製したものである。透明基体の片面又は両面を粗面化する方法としては、例えば以下の（１）〜（４）の方法がある。（１）透明基体の片面又は両面をエッチング処理する方法、（２）樹脂にフィラーを、必要に応じて、水や有機溶剤と共に分散した塗料又はインクをコーティングや印刷を行うことにより、透明基体の片面若しくは両面上に単層又は多層に分けて設ける方法、（３）樹脂やフィラー単体又はこの混合物からなる粉体を静電粉体コーティングや粉体電着コーティングにより、透明基体の片面又は両面に設ける方法、（４）有機又は無機のフィラーを樹脂と共に、熱と圧力を加えることにより溶融し、この溶融物を押し出し成形や射出成形等によりフィルム化して成形する方法。この場合に、この拡散板のＨＡＺＥ値（ＪＩＳＫ７１０５）が、１０〜４０の範囲にあることが好ましい。
【００６８】
また、特許文献６で作製した拡散板を使うこともできる。この拡散板を作製する方法は、基体上に直接又は他の層を介して結着層を積層する工程と、フィラーを加圧媒体によって結着層に埋め込む工程と、その工程で得た積層体に付着した余剰フィラーを除去する工程とを具備している。
【００６９】
また、接眼光学系３としては、前記したように、フレネルレンズやフレネル反射鏡のようにフレネル面により構成されていることが望ましい。これにより、接眼光学系３を薄く構成でき、投影観察装置を小型で折り畳みやすいものにすることができる。また、後記の実施例のように凹面鏡１枚から構成されていてもよい。
【００７０】
また、接眼光学系３を反射光学系で構成することにより、接眼光学系３の瞳収差の発生が少なくなる。すなわち、観察者側に形成された投影光学系２の射出瞳の収差を小さくなる。その結果、拡散板４の拡散性を上げなくても、観察視域が広くとれる。また、不要な方向に拡散する光が少なくなる分、照明の光量を上げなくても明るい観察像を観察できる。特に、本発明のように、接眼光学系３の光軸が偏心している光学系においては偏心収差の発生が大きい。しかも、接眼光学系３がシンプルな場合は、この偏心収差を補正する面を他に設けることが難しい。このような点からも、元々偏心収差の発生が少ない反射光学系を使うことは好ましいといえる。
【００７１】
また、フレネル面は略平面で構成することが可能であることから、接眼光学系３をフレネル面で構成すると接眼光学系３を薄くすることが可能である。また、反射型のフレネル面では、光学作用面である輪帯状の反射面の光軸に垂直な面に対してなす角度が小さくなることにより、フレネルレンズで問題となるフレネル端面（非作用面）でのゴースト光の発生が少なくなる。また、光線の透過効率も高くできる。また、投影光学系２_１、２_２のなす角度を、前記のように大きくとる場合には望ましいものとなる。
【００７２】
ところで、以上の図１〜図６の構成の投影観察装置においては、拡散板４として、拡散特性に指向性のある微細な凹凸面又は粗面からなるものを主として想定していたが、拡散板４としてホログラムをそれぞれの投影観察装置に用いてもよい。ホログラムからなる拡散板としては、透過型ホログラムと反射型ホログラムとが考えられる。ここで、体積型感光材料中に記録されたホログラムの場合、透過型ホログラムは波長選択性が低く、反射型ホログラムは波長選択性が高い。カラー像を表示する投影観察装置に用いる場合には、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）３波長の光を拡散させるめに３つのホログラム干渉縞を多重記録する必要があるため、ホログラムとしては波長選択性が比較的低い透過型ホログラムを用いる方が望ましい。そして、投影観察装置を小型に構成するには、接眼光学系として凹面鏡（フレネル凹面反射鏡を含む）を用いて透過型のホログラムからなる拡散板（以下、単にホログラム拡散板とする。）と組み合わせて構成することが望ましい。以下、ホログラム拡散板２５と凹面鏡２４からなる接眼光学系とを用いて構成する投影観察装置について説明するが、以後のこの構成の投影観察装置においては、表示素子、光源の図示は省く。しかしながら、図１〜図６と同様に、これらは投影光学系２の入射側に配置される。また、以後のこの構成の投影観察装置において、複数の観察方向に対応する複数の光学系の中、何れか１つだけを示し、他は省略して説明する。
【００７３】
図１２（ａ）に、本発明に基づき構成されたこのような投影観察装置の光学系の概念図を、また、図１２（ｂ）に、その投影観察装置の配置例を示す。なお、図１２（ｂ）において、凹面鏡２４はフレネル凹面反射鏡で構成されている。上記のように、表示素子、光源は図示を省かれている。図１２（ｂ）では、表示素子に表示された映像は、投影光学系２で拡大投影される。そして、その投影像近傍にはホログラム拡散板２５と、接眼光学系とが配置されている。接眼光学系は凹面鏡２４からなり、投影光学系２の射出瞳を所定の位置に形成する。この所定の位置は、観察者Ｍの眼球と略一致している。投影光学系２の接眼光学系２４により形成された射出瞳像６は、ホログラム拡散板２５によって観察しやすい大きさの射出瞳像６０に拡大される。これにより、観察者Ｍの眼Ｅの位置が射出瞳像６の位置から多少ずれても、投影像を観察像として観察することが可能になる。この結果、図１等の場合と同様に、観察しやすい投影観察装置が得られる。
【００７４】
ここで、本発明における特徴は、図１２（ａ）に示すように、ホログラム拡散板２５は接眼光学系の凹面鏡２４の入射側に配置される点である。そのため、投影光学系２から装置の射出瞳６０の位置に至る光線は、ホログラム拡散板２５を往復で計２回透過する。このような特徴を有するため、光はホログラム拡散板２５で２度回折されることになる。このことを踏まえて、本発明では１回目（凹面鏡２４に入射する前）のホログラム拡散板２５を透過する角度と、２回目（凹面鏡２４に入射した後）のホログラム拡散板２５を透過する角度とを積極的に異ならせて、そのホログラムの角度選択性により何れか一方での回折を避けるようにしている。そのための配置については、後記する。
【００７５】
そして、ホログラム拡散板２５は上記の拡散板４と同様に、その拡散角が、同様の理由で半値全幅で２０°以下であることが好ましい。また、ホログラム拡散板２５は、１０分の１全幅の拡散角が４０°以下となる拡散特性を有することが好ましい。さらに、１０分の１全幅で拡散角が３０°以下となる拡散特性を有することが好ましい。
【００７６】
次に、ホログラム拡散板２５の屈曲作用と波長分散の関係、接眼光学系の凹面鏡２４とホログラム拡散板２５の配置関係について説明する。ホログラム拡散板２５は、参照光と拡散光源（２次光源）からの物体光との干渉記録によって作製される。この時、参照光と物体光が同軸（インライン）配置での記録であると、図１３（ａ）に示したように、投影光学系２からの軸上主光線２６は、ホログラム拡散板２５に１回目の入射をしてホログラム拡散板２５で屈曲されずに直通する。そして、ホログラム拡散板２５を直通した主光線は、凹面鏡２４で反射されて方向を変え、ホログラム拡散板２５を裏面側から入射してホログラム拡散板２５を直通する。この際、１回目の入射の際に入射光の入射角度が、ホログラム拡散板２５の再生光入射角度（回折効率がピーク近傍になる角度）を満足していれば、１回目の透過の際に直通する主光線の周りに回折による拡散光が分布し、２回目の透過の際にはその拡散光はほとんど直通する。一方、２回目の入射の際に入射光の入射角度が、再生光入射角度を満足していれば、１回目の透過の際には軸上主光線２６は回折されずにほとんど直通し、２回目の透過の際に直通する主光線の周りに回折による拡散光が分布する。いずれの場合も、０次光２７_０と主光線２７_１は同じ方向に進む。図１３（ａ）はこの様子を示したものであり、拡散光は図示していない。この図では、ホログラム拡散板２５で回折されない０次光２７_０と回折された拡散光中の主光線（中心光線）２７_１のみを図示してあり、０次光２７_０と主光線２７_１は同じ方向に進み、装置の射出瞳６０の中心に達する。したがって、図１３（ａ）に示すように、ホログラム拡散板２５が拡散作用のみで、光路の屈曲作用を持たない場合は、拡散光だけでなく回折により拡散されない０次光２７_０が射出瞳６０に達する。その結果、観察される映像中心に０次光２７_０のスポットが見えることになり望ましくない。
【００７７】
そこで、ホログラム拡散板２５として、参照光と物体光が相互に同軸でないオフライン配置の関係で記録したものを用いる。このようなオフライン配置で記録したホログラム拡散板２５は、再生光入射角度を満足して回折する場合に光線の屈曲と共に波長分散が生じる。その屈曲方向によって図１３（ｂ）、（ｃ）のような光路と、図１４（ａ）、（ｂ）のような光路とをとる。ただし、図１３（ｂ）、（ｃ）はホログラム拡散板２５の再生光入射角度条件が１回目の入射の際に満足する場合であり、図１４（ａ）、（ｂ）は２回目の入射の際に満足する場合である。図１３（ｂ）、図１４（ａ）は、ホログラム拡散板２５の屈曲方向が法線に対する入射角に対して回折角が小さくなる方向の場合であり、図１３（ｃ）、図１４（ｂ）は、入射角に対して回折角が大きくなる方向の場合である。各図中、拡散光の図示は省き、ホログラム拡散板２５で回折して屈曲されたＲ、Ｇ、Ｂの波長の主光線（中心光線）をそれぞれ２７_Ｒ、２７_Ｇ、２７_Ｂで示してある。各図から明らかなように、ホログラム拡散板２５のとして光線の屈曲作用を持つ透過型ホログラムを用いると、ホログラムで回折されない０次光２７_０を主光線２７_Ｒ、２７_Ｇ、２７_Ｂから分離できる。その結果、装置の射出瞳６０に入射しないように構成可能になる。具体的には、装置の射出瞳６０の位置で、射出瞳６０の中心からその瞳径の２分の１以上離れて０次光２７_０が入射するように構成することが望ましい。
【００７８】
なお、透過型ホログラムでの屈曲角（偏角）を上記入射角と回折角の差の絶対値γで定義し、かつ、その屈曲角をｄ線（波長５８７．６ｎｍ）で測るとした場合、屈曲角γが小さすぎると、上記のように観察像中に０次光が入射する。逆に、大きすぎると、波長分散が大きくなりすぎて射出瞳６０でＲ、Ｇ、Ｂの３波長が重なる範囲、すなわち色再現性良く観察できる射出瞳範囲が小さくなりすぎてしまう。
【００７９】
したがって、ホログラム拡散板２５のｄ線での屈曲角（偏角）γは、
γ＞１°　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（７）
の関係を満たす必要がある。
【００８０】
さらに好ましくは、
γ＞２°　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（７−１）
なる条件を満足することが好ましい。
【００８１】
また、
γ＜４５°　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（８）
の関係を満たす必要がある。
【００８２】
さらに好ましくは、
γ＜２０°　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（８−１）
なる条件を満足することが好ましい。
【００８３】
さらに、Ｒを７００ｎｍの波長の光、Ｂを４００ｎｍの波長の光としたとき、主光線２７_Ｒと２７_Ｂの間の回折角の差は、小さい程望ましい。具体的には、１８°以下であることが、上記のように色再現性良く観察できる射出瞳範囲が小さくなりすぎないために必要である。また、装置の射出瞳６０の位置では、Ｒを７００ｎｍの波長の光、Ｂを４００ｎｍの波長の光としたとき、主光線２７_Ｒと２７_Ｂの間の入射位置の差も小さい程望ましい。具体的には、射出瞳６０の瞳径の２分の１以下であるように構成することが望ましい。
【００８４】
ところで、図１３、図１４においては、投影光学系２からの軸上主光線２６あるいは０次光２７_０は、凹面鏡２４に斜め（凹面鏡２４の入射位置での法線に対して角度βをなす。）に入射することを考えていた。ここで、軸上主光線２６あるいは０次光２７_０が凹面鏡２４に略直角（β≒０°）に入射すると、ホログラム拡散板２５を２度通過した後にホログラム拡散板２５から射出する主光線２７_Ｒ、２７_Ｇ、２７_Ｂは軸上主光線２６と略反対方向に向かう。そのため、装置の射出瞳６０の位置と投影光学系２が干渉することになる。そこで、凹面鏡２４に入射する投影光学系２からの軸上主光線２６又はその０次光２７_０の凹面鏡２４への入射角βは、
０°＜β＜４５°　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（９）
の関係を満たすことが望ましい。
【００８５】
また、図１３、図１４においては、投影光学系２からの軸上主光線２６がホログラム拡散板２５及びその裏面側の凹面鏡２４に入射する位置は、それぞれの略中心とした。また、ホログラム拡散板２５と凹面鏡２４の間には偏心はないものとした。その場合、図１３、図１４から明らかなように、ホログラム拡散板２５を２度通過した主光線２７_Ｒ、２７_Ｇ、２７_Ｂはホログラム拡散板２５に対して角度をなしている。そのため、装置の射出瞳６０はホログラム拡散板２５の正面には位置しない。その結果、観察者は斜め方向から投影された映像を見ることになり、観察される像はアオリ像となって像歪みが発生する。そこで、図１５（ａ）〜（ｃ）に示すように、凹面鏡２４をホログラム拡散板２５に対して偏心させて（何れの図も上方へ偏心させている。）、凹面鏡２４で反射された主光線２７_Ｒ、２７_Ｇ、２７_Ｂがホログラム拡散板２５を２度目に通過してホログラム拡散板２５に対して略直角をなすようにしている。なお、図１５（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ図１３（ａ）〜（ｃ）に対応する場合である。
【００８６】
なお、図１５ではホログラム拡散板２５上に斜め方向から投影像を入射させるので、ホログラム拡散板２５上での投影像もアオリ像となって像歪みが発生する。そのため、投影光学系２はこのようなアオリ像の像歪みを補正する機能を持ったものを使用するのが望ましい。
【００８７】
また、装置の射出瞳６０をホログラム拡散板２５の正面に位置するようにし、かつ、投影光学系２からの軸上主光線２６あるいは０次光２７_０は凹面鏡２４に斜めに入射するようにすることが好ましい。投影光学系２からの投影光がホログラム拡散板２５に入射した際、投影光がその表面で反射してノイズ光になる場合がある。しかしながら、上記のように構成しておけば、表面正反射光を装置の射出瞳６０に入射させないようにする効果も得られる。
【００８８】
なお、上記の屈曲角（偏角）γと凹面鏡２４への入射角βの比γ／βは、
０．０１＜γ／β＜１０００　　　　　　　　　　　　　・・・（１０）
の関係を満たすことが望ましい。
【００８９】
ところで、ホログラム拡散板２５を用いる場合は、表示素子１、１_１、１_２を照明する光源は、単色性の高いＬＥＤやＬＤをＲＧＢ３色組み合わせてなる光源を用いることが望ましい。
【００９０】
また、本発明の投影観察装置に用いる表示素子としては、液晶表示素子、ＤＭＤ等の面型表示素子に限らず、特許文献７等に記載の、光源からの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ミラーと走査光学系とを組み合わせてなる表示素子を用いてもよい。この場合は、投影光学系は必ずしも必要なく、走査ミラーで２次元走査された光ビームを走査光学系で直接拡散板と接眼光学系位置近傍に集光させるようにしてもよい。あるいは、その走査面を投影光学系で拡散板と接眼光学系位置近傍に投影するようにしてもよい。
【００９１】
以下に、本発明の投影観察装置の実施例について説明する。
【００９２】
まず、接眼光学系３の実施例について説明する。本発明の投影観察装置に用いる接眼光学系の実施例は、実施例１乃至実施例３である。また、各実施例の光路図を、図１６〜図１８に示す。各実施例において、光線追跡を面１１（物体面）から面１２（像面）までの逆光線追跡で行っている。ここで、面１１は観察者瞳位置に相当し、面１２は投影光学系の射出瞳に相当する。なお、実際の投影観察装置では、接眼光学系近傍に拡散作用を有する拡散面、又は拡散作用を有する拡散板を配置してある。しかしながら、以下に示す実施例１〜３においては、拡散板あるいは拡散面はないものとしている。
【００９３】
また、各面は接眼光学系３を基準とし、そこからの偏心量で表しており、拡散作用を持つ拡散面は接眼光学系３の面近傍に配置する。
【００９４】
画面（接眼光学系）の大きさは、何れも１６２．５６×１２１．９２ｍｍの大きさである。
【００９５】
実施例１は、図１６に示すように、アナモルフィック反射鏡３１を接眼光学系３とて構成した例である。
【００９６】
実施例２は、図１７に示すように、自由曲面を反射面３２として接眼光学系３を構成した例である。
【００９７】
実施例３は、図１８に示すように、入射面３４を平面、裏面３５をフレネル反射面としたフレネル裏面反射鏡３３で接眼光学系３を構成した例である。
【００９８】
なお、以上の実施例１〜３の構成パラメータは後記する。
【００９９】
次に、投影光学系２の実施例について説明する。本発明の投影観察装置に用いる投影光学系の実施例は、実施例４乃至実施例６である。また、各実施例の光路図を、図１９〜図２１に示す。実施例４〜６においても、逆光線追跡により光線追跡を行っている。すなわち、観察する画像の投影面から表示素子１に向かう順に、光線追跡を行っている。なお、観察する画像の投影面は、接眼光学系３の近傍に仮想的に配置される映像面である。また、この投影面の近傍には拡散板が配置されている。
【０１００】
光線追跡は、この投影面を物体面とし、表示素子１表面を像面とする。絞り面には、投影光学系２の射出瞳６’（図５）が相当する。また、投影面（物体面）中心と絞り面（投影光学系２の射出瞳面）中心を通る光線を軸上主光線１０と定義する。軸上主光線１０が投影面の垂線となす角は３１．４７°である。この値は、以下の実施例４〜６においては、それぞれ後記の数値データにおける偏心（１）にαとβから求めることができる。
【０１０１】
実施例４は、図１９に示すように、投影光学系２は偏心プリズム２１からなる。その偏心プリズム２１は、第１面４１から第４面４４の４面を有している。実施例４では、表示素子１からの光束は第１面４１を経てプリズム内に入射し、第２面４２、第３面４３の順で内部反射され、第４面４４を経てプリズム外に射出し、図示しない接眼光学系３近傍に表示素子１に表示された映像を投影する。この偏心プリズム２１内では、第１面４１から第２面４２へ向かう光束と第３面４３から第４面４４へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置となっている。この例の場合、第４面４４は球面、第１面４１から第３面４３は自由曲面からなり、偏心プリズム２１は対称面を持たない３次元偏心した偏心プリズムである。
【０１０２】
この実施例の逆光線追跡での物体高は、１６２．５０×１２１．９２ｍｍ、入射瞳径φ５．０ｍｍ、像高は８．９４×６．７６ｍｍである。
【０１０３】
実施例５は、図２０に示すように、投影光学系２は偏心プリズム２１からなる。その偏心プリズム２１は、第１面４１から第４面４４の４面を有している。第５実施例では、表示素子１からの光束は第１面４１を経てプリズム内に入射し、第２面４２、第３面４３の順で内部反射され、第４面４４を経てプリズム外に射出し、図示しない接眼光学系３近傍に表示素子１に表示された映像を投影する。この偏心プリズム２１内では、第１面４１から第２面４２へ向かう光束と第３面４３から第４面４４へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置となっている。この例の場合、第１面４１から第４面４４は自由曲面からなり、偏心プリズム２１は対称面を１つ持つ２次元偏心した偏心プリズムである。
【０１０４】
この実施例の逆光線追跡での物体高は、１６２．５０×１２１．９２ｍｍ、入射瞳径φ５．０ｍｍ、像高は８．９４×６．７６ｍｍである。
【０１０５】
実施例６は、図２１に示すように、投影光学系２は偏心プリズム２２からなる。その偏心プリズム２２は、第１面４１から第３面４３の３面を有している。第６実施例では、表示素子１からの光束は第１面４１を経てプリズム内に入射し、第２面４２で内部反射され、そこでの反射光は再び第１面４１に入射して今度は全反射され、その反射光は第３面４３を経てプリズム外に射出し、図示しない接眼光学系３近傍に表示素子１に表示された映像を投影する。この偏心プリズム２２では、入射面と第２反射面とを第１面４１が兼用している。この例の場合、第１面４１から第３面４３は自由曲面からなり、偏心プリズム２２は対称面を１つ持つ２次元偏心した偏心プリズムである。
【０１０６】
この実施例の逆光線追跡での物体高は、１６２．５０×１２１．９２ｍｍ、入射瞳径φ５．０ｍｍ、像高は８．９４×６．７６ｍｍである。
【０１０７】
次に、投影光学系２の射出瞳を拡大投影する凹面鏡２４と透過型ホログラムからなる拡散板２５の組み合わせ光学系の実施例７〜１０について説明する。何れの実施例においても、凹面鏡２４はフレネル凹面反射鏡２４’から構成されている。また、各実施例において、光線追跡は、投影光学系２の射出瞳１６（射出瞳６’（図５）が相当する。）を物体面とし、装置の射出瞳（射出瞳１６の拡大された射出瞳像）６０を像面とし、投影光学系２の射出瞳１６の中心から装置の射出瞳６０までの順光線追跡で行っている。
【０１０８】
実施例７のＹ−Ｚ断面内の光路図を図２４に示す。また、図２５にこの実施例のホログラム拡散板２５に用いる透過型ホログラムの撮影配置を示す。そして、図２６にこの実施例における射出瞳６０位置での波長４００ｎｍ、波長５８６ｎｍ、波長７００ｎｍでの射出瞳像の重なり具合と、０次光及び表面反射光の入射位置を示す。なお、図２５、図２６中の数字はｍｍ単位である。
【０１０９】
実施例７は、図１３（ｂ）に対応して再生光入射角度条件が１回目の入射の際に満足し、２回目には回折せず、かつ、ホログラム拡散板２５の屈曲方向が法線に対する入射角に対して回折角が小さくなる方向の場合の例ある。また、フレネル凹面反射鏡２４’はフレネル裏面鏡で構成されており、そのフレネル裏面鏡の偏心量をＭＹ、軸上主光線１０のホログラム拡散板２５による偏角量をγ、フレネル凹面反射鏡２４’への入射角をβとするとすると、
ＭＹ＝８９．２７ｍｍ
γ＝１３．１５°（屈折率１．４９の硝材中で）
β＝７．０２°（屈折率１．４９の硝材中で）
である。
【０１１０】
また、この実施例のホログラム拡散板２５の露光条件は、図２５中に示す通り、露光の際の座標系をホログラム拡散板２５の面の軸上主光線１０の入射点を原点にして、ホログラム面をＸ−Ｙ面とし、投影光学系２の射出瞳１６から離れる方向をＺ軸とするとき、露光のための第１光源位置（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）は以下の通りであり、点光源とする。
【０１１１】
（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）＝（０，２９７．１１，−５７８．１２）
また、第２光源位置（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）は以下の通りであり、光源位置を中心にφ８２ｍｍの面積を持つ拡散面光源とする。
【０１１２】
（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）＝（０，２３５．５７，−６０５．６７）
以上の露光条件で作製した透過型ホログラムをホログラム拡散板２５として使用することにより、ホログラム拡散板２５により拡散された光束は、フレネル凹面反射鏡２４’で反射された後、観察者瞳面でφ６０の拡大瞳６０となる。
【０１１３】
実施例８のＹ−Ｚ断面内の光路図を図２７に示す。また、図２８にこの実施例のホログラム拡散板２５に用いる透過型ホログラムの撮影配置を示す。そして、図２９にこの実施例における射出瞳６０位置での波長４００ｎｍ、波長５８６ｎｍ、波長７００ｎｍでの射出瞳像の重なり具合と、０次光及び表面反射光の入射位置を示す。なお、図２８、図２９中の数字はｍｍ単位である。
【０１１４】
実施例８は、図１３（ｃ）に対応して再生光入射角度条件が１回目の入射の際に満足し、２回目には回折せず、かつ、ホログラム拡散板２５の屈曲方向が法線に対する入射角に対して回折角が大きくなる方向の場合の例ある。また、フレネル凹面反射鏡２４’はフレネル裏面鏡で構成されており、そのフレネル裏面鏡の偏心量をＭＹ、軸上主光線１０のホログラム拡散板２５による偏角量をγ、フレネル凹面反射鏡２４’への入射角をβとするとすると、
ＭＹ＝１３０．４６ｍｍ
γ＝６．６１°（屈折率１．４９の硝材中で）
β＝１０．２９°（屈折率１．４９の硝材中で）
である。
【０１１５】
また、この実施例のホログラム拡散板２５の露光条件は、図２８中に示す通り、露光の際の座標系をホログラム拡散板２５の面の軸上主光線１０の入射点を原点にして、ホログラム面をＸ−Ｙ面とし、投影光学系２の射出瞳１６から離れる方向をＺ軸とするとき、露光のための第１光源位置（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）は以下の通りであり、点光源とする。
【０１１６】
（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）＝（０，２９７．１１，−５７８．１２）
また、第２光源位置（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）は以下の通りであり、光源位置を中心にφ８２ｍｍの面積を持つ拡散面光源とする。
【０１１７】
（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）＝（０，３４１．３３，−５５３．１４）
以上の露光条件で作製した透過型ホログラムをホログラム拡散板２５として使用することにより、ホログラム拡散板２５により拡散された光束は、フレネル凹面反射鏡２４’で反射された後、観察者瞳面でφ６０の拡大瞳６０となる。
【０１１８】
実施例９のＹ−Ｚ断面内の光路図を図３０に示す。また、図３１にこの実施例のホログラム拡散板２５に用いる透過型ホログラムの撮影配置を示す。そして、図３２にこの実施例における射出瞳６０位置での波長４００ｎｍ、波長５８６ｎｍ、波長７００ｎｍでの射出瞳像の重なり具合と、０次光及び表面反射光の入射位置を示す。なお、図３１、図３２中の数字はｍｍ単位である。
【０１１９】
実施例９は、図１３（ｂ）に対応して再生光入射角度条件が１回目の入射の際に満足し、２回目には回折せず、かつ、ホログラム拡散板２５の屈曲方向が法線に対する入射角に対して回折角が小さくなる方向の場合の例ある。また、フレネル凹面反射鏡２４’はフレネル裏面鏡で構成されており、そのフレネル裏面鏡の偏心量をＭＹ、軸上主光線１０のホログラム拡散板２５による偏角量をγ、フレネル凹面反射鏡２４’への入射角をβとするとすると、
ＭＹ＝９０．６４ｍｍ
γ＝１４．２８°（屈折率１．６２の硝材中で）
β＝６．４６°（屈折率１．６２の硝材中で）
である。
【０１２０】
また、この実施例のホログラム拡散板２５の露光条件は、図３１中に示す通り、露光の際の座標系をホログラム拡散板２５の面の軸上主光線１０の入射点を原点にして、ホログラム面をＸ−Ｙ面とし、投影光学系２の射出瞳１６から離れる方向をＺ軸とするとき、露光のための第１光源位置（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）は以下の通りであり、点光源とする。
【０１２１】
（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）＝（０，２９７．１１，−５７８．１２）
また、第２光源位置（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）は以下の通りであり、光源位置を中心にφ８２ｍｍの面積を持つ拡散面光源とする。
【０１２２】
（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）＝（０，２３５．７０，−６０５．７６）
以上の露光条件で作製した透過型ホログラムをホログラム拡散板２５として使用することにより、ホログラム拡散板２５により拡散された光束は、フレネル凹面反射鏡２４’で反射された後、観察者瞳面でφ６０の拡大瞳６０となる。
【０１２３】
実施例１０のＹ−Ｚ断面内の光路図を図３３に示す。また、図３４にこの実施例のホログラム拡散板２５に用いる透過型ホログラムの撮影配置を示す。そして、図３５にこの実施例における射出瞳６０位置での波長４００ｎｍ、波長５８６ｎｍ、波長７００ｎｍでの射出瞳像の重なり具合と、０次光及び表面反射光の入射位置を示す。なお、図３４、図３５中の数字はｍｍ単位である。
【０１２４】
実施例１０は、図１４（ａ）に対応して再生光入射角度条件が２回目の入射の際に満足し、１回目には回折せず、かつ、ホログラム拡散板２５の屈曲方向が法線に対する入射角に対して回折角が小さくなる方向の場合の例ある。また、フレネル凹面反射鏡２４’はフレネル裏面鏡で構成されており、そのフレネル裏面鏡の偏心量をＭＹ、軸上主光線１０のホログラム拡散板２５による偏角量をγ、フレネル凹面反射鏡２４’への入射角をβとするとすると、
ＭＹ＝８９．２７ｍｍ
γ＝３．７６°（屈折率１．４９の硝材中で）
β＝１０．８０°屈折率１．４９の硝材中で）
である。
【０１２５】
また、この実施例のホログラム拡散板２５の露光条件は、図３４中に示す通り、露光の際の座標系をホログラム拡散板２５の面の軸上主光線１０の入射点を原点にして、ホログラム面をＸ−Ｙ面とし、投影光学系２の射出瞳１６から離れる方向をＺ軸とするとき、露光のための第１光源位置（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）は以下の通りであり、点光源とする。
【０１２６】
（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）＝（０，０，−４５０）
また、第２光源位置（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）は以下の通りであり、光源位置を中心にφ６０ｍｍの面積を持つ拡散面光源とする。
【０１２７】
（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）＝（０，−４１．７３，−４２４．６２）
以上の露光条件で作製した透過型ホログラムをホログラム拡散板２５として使用することにより、フレネル凹面反射鏡２４’で反射された後、ホログラム拡散板２５により拡散された光束は、観察者瞳面でφ６０の拡大瞳６０となる。
【０１２８】
図２６、図２９、図３２、図３５から明らかなように、実施例７〜１０においては、装置の射出瞳６０の位置で、波長７００ｎｍの光軸と波長４００ｎｍの光軸の入射位置の差が射出瞳の瞳径の２分の１以下であり、ＲＧＢの瞳が重なって色再現性良く観察できる射出瞳範囲が広くなっており、その範囲には０次光とホログラムでの表面反射光が入射していないことが分かる。
【０１２９】
以下に、上記実施例１〜１０の構成パラメータを示す。ここで、光線追跡は上記のように逆光線追跡で行う。実施例１〜３においては、軸上主光線１０を、物体面１１中心を出て絞り面（接眼光学系３の入射面位置に配置されている。）中心を通り、像面１２の中心に至る光線で定義する。また、実施例４〜６においては、投影光学系２の表示面（物体面）中心から絞り面（投影光学系２の射出瞳面）中心を通り、表示素子１の中心に至る光線で定義する。また、実施例７〜１０においては、軸上主光線１０を、投影光学系２の射出瞳１６の中心を出て透過型ホログラムからなる拡散板２５の中心通り装置の射出瞳６０中心に至る光線で定義する。
【０１３０】
そして、逆光線追跡において、実施例１〜３においては、絞り面中心を原点とし、絞り面をＸ−Ｙ面とし、絞り面に垂直な方向をＺ軸方向とし、接眼光学系３の裏面に向かう方向をＺ軸正方向としている。実施例４〜６においては、投影光学系２の表示面（物体面）中心を原点として、軸上主光線１０に沿う方向をＺ軸方向とし、物体面から投影光学系２の表示面に面した面に向かう方向をＺ軸正方向とし、図の面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。実施例７〜１０においては、順光線追跡において、投影光学系２の射出瞳１６の中心を原点とし、瞳面をＸ−Ｙ面とし、瞳に垂直な軸上主光線１０の進行方向をＺ軸正方向としている。
【０１３１】
偏心面については、光学系の原点の中心Ｏ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、下記（ｂ）式のＺ軸、アナモルフィック面については、下記（ｃ）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。
【０１３２】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、例えば特許文献３（特許文献４）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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
Ｚ＝（Ｙ^２／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）Ｙ^２／Ｒ^２｝^１　／２］＋ＡＹ^４＋ＢＹ^６＋ＣＹ^８＋ＤＹ^１０＋……　　　・・・（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。
【０１３５】
また、アナモルフィック面の形状は以下の式により定義する。面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線がアナモルフィック面の軸となる。
【０１３６】
Ｚ＝（Ｃｘ・Ｘ^２＋Ｃｙ・Ｙ^２）／［１＋｛１−（１＋Ｋｘ）Ｃｘ^２・Ｘ^２−（１＋Ｋｙ）Ｃｙ^２・Ｙ^２｝^１／２］＋ΣＲｎ｛（１−Ｐｎ）Ｘ^２＋（１＋Ｐｎ）Ｙ^２｝^{（ｎ＋１）}
ここで、例としてｎ＝４（４次項）を考えると、展開したとき、以下の式（ｃ）で表すことができる。
【０１３７】
Ｚ＝（Ｃｘ・Ｘ^２＋Ｃｙ・Ｙ^２）／［１＋｛１−（１＋Ｋｘ）Ｃｘ^２・Ｘ^２−（１＋Ｋｙ）Ｃｙ^２・Ｙ^２｝^１／２］＋Ｒ１｛（１−Ｐ１）Ｘ^２＋（１＋Ｐ１）Ｙ^２｝^２＋Ｒ２｛（１−Ｐ２）Ｘ^２＋（１＋Ｐ２）Ｙ^２｝^３＋Ｒ３｛（１−Ｐ３）Ｘ^２＋（１＋Ｐ３）Ｙ^２｝^４＋Ｒ４｛（１−Ｐ４）Ｘ^２＋（１＋Ｐ４）Ｙ^２｝^５・・・（ｃ）
ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのズレ量、ＣｘはＸ軸方向曲率、ＣｙはＹ軸方向曲率、ＫｘはＸ軸方向円錐係数、ＫｙはＹ軸方向円錐係数、Ｒｎは非球面項回転対称成分、Ｐｎは非球面項回転非対称成分である。なお、Ｘ軸方向曲率半径Ｒｘ、Ｙ軸方向曲率半径Ｒｙと曲率Ｃｘ、Ｃｙとの間には、
Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ
の関係にある。
【０１３８】
なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は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。
【０１３９】
以下に、上記実施例１〜１０の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面、“ＡＮＭ”はアナモルフィック面、“ＦＬ”はフレネル面、“ＲＥ”は反射面、“ＨＯＥ”は透過型ホログラム、“ＰＩＭ”は画像投影面をそれぞれ示す。
【０１４０】

【０１４１】

【０１４２】

【０１４３】

【０１４４】

【０１４５】

【０１４６】

【０１４７】

【０１４８】

【０１４９】

【０１５０】
上記実施例４の像歪みを示す収差図を図２２に示す。また、実施例４の横収差図を図２３に示す。この横収差図において、括弧内に示された２つの数字は（水平（Ｘ方向）画角、垂直（Ｙ方向）画角）を表し、その画角における横収差を示す。
【０１５１】
次に、実施例１１として、図３６に投影観察装置の模式的斜視図を示す。なお、数値データは省略する。
【０１５２】
この実施例の投影観察装置は、接眼光学系３側から、面対称形状の偏心プリズム２３と偏心プリズム２１からなる投影光学系２を備えている。偏心プリズム２３は、第１面４１、第２面４２及び第３面４３を有する。第１面４１は透過面であって、偏心プリズム２１を射出した光がこの面から入射する。第２面４２は反射面であって、第１面４１からプリズム内に入射した光をこの面で反射（全反射あるいはミラー反射）させる。第３面４３は透過面であって、第２面４２で反射した光がこの面からプリズム外に射出する。また、偏心プリズム２１は、実施例５と同様の面配置の偏心プリズムである。偏心プリズム２１の射出面４４が偏心プリズム２３の第１面４１に向き合うように、２つの偏心プリズムが配置されている。そして、偏心プリズム２１の入射面４１に面して、表示素子１が配置されている。
【０１５３】
この実施例において、偏心プリズム２１内の軸上主光線が含まれる平面（対称面）と、偏心プリズム２３内の軸上主光線が含まれる平面（対称面）とは相互に４５°を成すように配置されている。すなわち、偏心プリズム２１から出る軸上主光線の周りで偏心プリズム２３が４５°回転した関係になるように、偏心プリズム２１と偏心プリズム２３が配置されている。そして、表示素子１は、偏心プリズム２１へ入射する軸上主光線の回りで４５°傾くように配置される。これにより、接眼光学系３上で投影光学系２から射出する軸上主光線の回りで、投影像が４５°傾くのを補償することができる。
【０１５４】
また、実施例１２として、数値データは省いているが、図３７にこの実施例の投影観察装置の模式的斜視図を示す。
【０１５５】
この実施例の投影観察装置は、接眼光学系３側から、面対称形状の偏心プリズム２１と偏心プリズム２１’からなる投影光学系２を用い、偏心プリズム２１と２１’は実施例５と同様の面配置の偏心プリズムである。そして、偏心プリズム２１’の入射面４１に面して表示素子１が配置されている。
【０１５６】
この実施例においても、偏心プリズム２１内の軸上主光線が含まれる平面（対称面）と、偏心プリズム２１’内の軸上主光線が含まれる平面（対称面）とは相互に４５°を成すように構成されている。また、偏心プリズム２１’から出る軸上主光線の周りで偏心プリズム２１が４５°回転した関係になるように、偏心プリズム２１と偏心プリズム２１’が配置されている。そして、表示素子１は、投影像が接眼光学系３上で投影光学系２から射出する軸上主光線の回りで４５°傾くのを補償するために、偏心プリズム２１’へ入射する軸上主光線の回りで４５°傾くように配置される。
【０１５７】
この実施例１１、１２のように、２つ以上の偏心プリズムを組み合わせて投影光学系２を構成することもできる。その場合に、各偏心プリズムを面対称形状の偏心プリズムとし、両者の対称面が相互に所定角度成すように組み合わせて任意の方向に軸上主光線を向け、その回転に伴う投影像の投影面（接眼光学系３）での傾きを表示素子１の軸上主光線の回りでの回転によって補償することが可能である。
【０１５８】
ところで、本発明で用いる拡散板４として、特願２００１−３７０９５０の作製方法に基づき、以下のようにして作製した。まず、サンドブラスト法により粒径が制限された球形ビーズを、型となる金属板に吹き付けた。次に、この金属板に形成されたランダム配置の凹面群を透明樹脂板に転写し複製した。このようにして、透明樹脂板の１面にランダムな凹凸形状が形成された１回透過型拡散板を作製した。サンプルは１１個作製した。それぞれのサンプル番号を＃１〜＃１１としたとき、これら＃１〜＃１１の拡散板の拡散光の角度分布は図３８のようになった。＃１〜＃１１の拡散板のＳｍ／Ｒａの値、その拡散角の半値全幅、１０分の１全幅は次の通りである。この結果から、上記実施例の拡散板４としては、＃１１の拡散板を使用することが望ましい。
【０１５９】

図３９に、本発明の投影観察装置を自動車のダッシュボード５０の一部に取り付け、運転者と助手席に乗っている同乗者の両者にそれぞれ別々の映像、例えば運転者にはナビゲーションの映像を、同乗者にはＴＶ映像を同時に表示して別々に観察可能にする例を示す図である。この場合、接眼光学系３は反射タイプのものを用い、図の投影光学系２_１は運転者用、投影光学系２_２は同乗者用になる。そして、接眼光学系３により投影された投影光学系２_１、２_２の射出瞳像６１、６２はそれぞれ運転者、同乗者の眼球近傍に位置することになり、拡散板４の拡散特性により観察しやすい大きさの瞳径の射出瞳にそれぞれ拡大される。
【０１６０】
以上の本発明の投影観察装置は例えば次のように構成することができる。
【０１６１】
〔１〕　少なくとも２つ表示素子と、前記少なくとも２つの表示素子に表示された映像を異なる方向から拡大投影する少なくとも２つの投影光学系と、前記少なくとも２つの投影光学系で投影された像近傍に配置された共通の拡散板と、前記投影光学系各々の射出瞳を観察者側に投影する共通の接眼光学系とを備えていることを特徴とする投影観察装置。
【０１６２】
〔２〕　前記拡散板の拡散角は、半値全幅で２０°以下であることを特徴とする請求項１記載の投影観察装置。
【０１６３】
〔３〕　前記拡散板の拡散角は、１０分の１全幅で４０°以下であることを特徴とする上記１又は２記載の投影観察装置。
【０１６４】
〔４〕　前記拡散板の表面粗さは、以下の条件を満足することを特徴とする上記１から３の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１６５】
５＜（Ｓｍ／Ｒａ）＜１０００　　　　　　　　　　　　　・・・（１）
ただし、ＳｍはＪＩＳ　Ｂ０６０１による表面の凹凸の平均間隔（μｍ）、Ｒａは表面の中心線平均粗さ（μｍ）である。
【０１６６】
〔５〕　以下の条件を満足することを特徴とする上記４記載の投影観察装置。
【０１６７】
１回透過型の拡散板では、
５＜（Ｓｍ／Ｒａ）×（Ｅｐ／４００）＜７０　　　　　　・・・（２）
２回透過型の拡散板では、
１０＜（Ｓｍ／Ｒａ）×（Ｅｐ／４００）＜８０　　　　　・・・（３）
表面反射型の拡散板では、
５０＜（Ｓｍ／Ｒａ）×（Ｅｐ／４００）＜２００　　　　・・・（４）
裏面反射型の拡散板では、
８０＜（Ｓｍ／Ｒａ）×（Ｅｐ／４００）＜２５０　　　　・・・（５）
ただし、ＳｍはＪＩＳ　Ｂ０６０１による表面の凹凸の平均間隔（μｍ）、Ｒａは表面の中心線平均粗さ（μｍ）、Ｅｐは拡散板の拡散面から観察者の眼の位置までの距離（ｍｍ）である。
【０１６８】
〔６〕　以下の条件を満足することを特徴とする上記４又は５記載の投影観察装置。
【０１６９】
Ｓｍ＜２００μｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（９）
〔７〕　前記接眼光学系がフレネルレンズからなることを特徴とする上記１から６の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１７０】
〔８〕　前記接眼光学系が反射面からなることを特徴とする上記１から６の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１７１】
〔９〕　前記接眼光学系がフレネル反射鏡からなることを特徴とする上記８記載の投影観察装置。
【０１７２】
〔１０〕　前記接眼光学系がフレネル裏面反射鏡からなることを特徴とする上記８記載の投影観察装置。
【０１７３】
〔１１〕　前記拡散面が前記接眼光学系の少なくとも１面に設けられていることを特徴とする上記７から１０の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１７４】
〔１２〕　少なくとも２つ表示素子と、前記少なくとも２つの表示素子に表示された映像を異なる方向から拡大投影する少なくとも２つの投影光学系と、前記少なくとも２つの投影光学系で投影された像近傍に配置された共通の透過型ホログラムからなる拡散板と、前記投影光学系各々の射出瞳を観察者側に投影する共通の凹面鏡からなる接眼光学系とを備えていることを特徴とする投影観察装置。
【０１７５】
〔１３〕　前記凹面鏡がフレネル凹面反射鏡からなることを特徴とする上記１２記載の投影観察装置。
【０１７６】
〔１４〕　前記投影光学系から装置の射出瞳に至る光線が前記透過型ホログラムからなる拡散板を２回透過する配置において、１回目に前記透過型ホログラムからなる拡散板を透過する角度と、２回目に前記透過型ホログラムからなる拡散板を透過する角度とが異なるように配置されていることを特徴とする上記１２又は１３記載の投影観察装置。
【０１７７】
〔１５〕　前記透過型ホログラムからなる拡散板が、光強度が半値全幅で２０°以下であることを特徴とする上記１２から１４の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１７８】
〔１６〕　前記透過型ホログラムからなる拡散板が、光強度が１／１０になる全幅の拡散角が４０°以下以下であることを特徴とする上記１２から１５の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１７９】
〔１７〕　前記投影光学系からの軸上主光線が前記凹面鏡に斜めに入射するように配置されていることを特徴とする上記１２から１６の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１８０】
〔１８〕　前記透過型ホログラムの１回目及び２回目透過時に回折されてない０次光が装置の射出瞳に入射しないように構成されていることを特徴とする上記１２から１７の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１８１】
〔１９〕　装置の射出瞳の位置で、前記透過型ホログラムの１回目及び２回目透過時に回折されてない０次光がその射出瞳の中心からその瞳径の２分の１以上離れて入射するように構成されていることを特徴とする上記１２から１８の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１８２】
〔２０〕　前記透過型ホログラムからなる拡散板が、回折による屈曲作用を有することを特徴とする上記１２から１９の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１８３】
〔２１〕　前記透過型ホログラムからなる拡散板によるｄ線の光軸の屈曲角をγとするとき、
γ＞１°　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（７）
の条件を満足することを特徴とする上記２０記載の投影観察装置。
【０１８４】
〔２２〕　前記透過型ホログラムからなる拡散板によるｄ線の光軸の屈曲角をγとするとき、
γ＜４５°　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（８）
の条件を満足することを特徴とする上記２０又は２１記載の投影観察装置。
【０１８５】
〔２３〕　前記透過型ホログラムからなる拡散板による波長７００ｎｍの光と波長４００ｎｍの光の間の光軸の回折角の差が１８°以下であることを特徴とする上記１２から２２の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１８６】
〔２４〕　装置の射出瞳の位置で、波長７００ｎｍの光軸と波長４００ｎｍの光軸の入射位置の差が射出瞳の瞳径の２分の１以下であることを特徴とする上記１２から２３の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１８７】
〔２５〕　前記凹面鏡へのｄ線の光軸の入射角をβとすると、
０°＜β＜４５°　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（９）
の関係を満たすことを特徴とする上記１２から２４の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１８８】
〔２６〕　前記透過型ホログラムからなる拡散板によるｄ線の光軸の屈曲角をγ、前記凹面鏡へのｄ線の光軸の入射角をβとすると、
０．０１＜γ／β＜１０００　　　　　　　　　　　　　・・・（１０）
の関係を満たすことを特徴とする上記１２から２５の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１８９】
〔２７〕　前記投影光学系の光軸の何れか一方が前記接眼光学系と交差し、交差する点における前記接眼光学系の垂線とその光軸とのなす角が１０°以上であることを特徴とする上記１から２６の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１９０】
〔２８〕　前記投影光学系の少なくとも１つは、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で形成された偏心プリズムを１個以上備えた偏心プリズム光学系からなり、前記偏心プリズムは、表示素子から射出された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つの反射面が曲面形状を有し、その曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されていることを特徴とする上記１から２７の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１９１】
〔２９〕　前記偏心プリズムの少なくとも１つが、前記表示素子からの光束をプリズム内に入射させる入射面と、その入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、その第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、その第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備え、その入射面から第１反射面へ向かう光束と第２反射面から射出面へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置の偏心プリズムからなることを特徴とする上記２８記載の投影観察装置。
【０１９２】
〔３０〕　前記偏心プリズムの少なくとも１つが、前記表示素子からの光束をプリズム内に入射させる入射面と、その入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、その第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、その第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備え、その入射面と第２反射面とを１面で兼用した偏心プリズムからなることを特徴とする上記２８記載の投影観察装置。
【０１９３】
〔３１〕　前記表示素子に表示する像を前記投影光学系による像歪みを補償するように歪ませて表示するように構成されていることを特徴とする上記１から３０の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１９４】
〔３２〕　前記偏心プリズム光学系は面対称形状に構成され、その投影光学系の光軸が前記接眼光学系と交差する点における前記接眼光学系の垂線とその光軸がなす角が１０°以上であることを特徴とする上記２８から３０の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１９５】
〔３３〕　前記交差する点を略含むように前記偏心プリズム光学系の対称面が配置され、前記偏心プリズム光学系に対応する前記表示素子の表示画面の縦又は横方向が前記接眼光学系近傍に投影されたときに、前記接眼光学系の縦又は横方向と略一致するように、前記偏心プリズム光学系の物体面に前記表示素子が配置されていることを特徴とする上記２８から３２の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１９６】
〔３４〕　前記投影光学系はアオリ像の像歪みを補正する機能を持ったものであることを特徴とする上記１から３３の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１９７】
〔３５〕　光源としてＬＥＤ又はＬＤを用いたことを特徴とする上記１から３４の何れか１項記載の投影観察装置。
【０１９８】
【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、観察方向により異なる映像を１つの表示面に同時に少なくとも２つ観察可能に表示する、簡単な構成で照明効率の良い投影観察装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の投影観察装置の光学系の概念図である。
【図２】映像を一部重ねて投影する本発明の投影観察装置の光学系の概念図である。
【図３】小さい射出瞳を観察しやすい大きさの瞳径の射出瞳に拡大する拡散板の機能を説明するための図である。
【図４】２次元偏心的に投影光学系を配置した場合の投影光学系の光軸が接眼光学系の垂線となす角度を説明するための図である。
【図５】３次元偏心的に投影光学系を配置した場合の図４と同様の図である。
【図６】回転対称なレンズ系と偏心プリズムを組み合わせて投影光学系を構成した場合の光学系を模式的に示す図である。
【図７】本発明における透過型拡散板の算術平均荒さＲａと凹凸の平均間隔Ｓｍとの関係を求めるための図である。
【図８】透過型拡散板の拡散面での入射角と屈折角の関係を示す図である。
【図９】本発明における反射型拡散板の算術平均荒さＲａと凹凸の平均間隔Ｓｍとの関係を求めるための図である。
【図１０】反射型拡散板の拡散面での入射角と反射角の関係を示す図である。
【図１１】本発明における拡散板のＳｍ／Ｒａと拡散半角との関係を示す図である。
【図１２】本発明に基づき構成された投影観察装置の光学系の概念図と投影観察装置の配置例を示す図である。
【図１３】１回目の通過で屈曲される透過型ホログラムからなる拡散板と接眼光学系の凹面鏡との組み合わせの光路図である。
【図１４】２回目の通過で屈曲される透過型ホログラムからなる拡散板と接眼光学系の凹面鏡との組み合わせの光路図である。
【図１５】接眼光学系の凹面鏡が偏心している場合の１回目の通過で屈曲される透過型ホログラムからなる拡散板と凹面鏡との組み合わせの光路図である。
【図１６】本発明の実施例１の接眼光学系の光軸を含む光路図である。
【図１７】本発明の実施例２の接眼光学系の光軸を含む光路図である。
【図１８】本発明の実施例３の接眼光学系の光軸を含む光路図である。
【図１９】本発明の実施例４の投影光学系の光路図である。
【図２０】本発明の実施例５の投影光学系の光路図である。
【図２１】本発明の実施例６の投影光学系の光路図である。
【図２２】実施例４の像歪みを示す収差図である。
【図２３】実施例４の横収差図である。
【図２４】本発明の実施例７のＹ−Ｚ断面内の光路図である。
【図２５】本発明の実施例７の拡散板に用いる透過型ホログラムの撮影配置を示す図である。
【図２６】本発明の実施例７の射出瞳位置でのＲＧＢの射出瞳像の重なり具合と０次光及び表面反射光の入射位置を示す図である。
【図２７】本発明の実施例８のＹ−Ｚ断面内の光路図である。
【図２８】本発明の実施例８の拡散板に用いる透過型ホログラムの撮影配置を示す図である。
【図２９】本発明の実施例８の射出瞳位置でのＲＧＢの射出瞳像の重なり具合と０次光及び表面反射光の入射位置を示す図である。
【図３０】本発明の実施例９のＹ−Ｚ断面内の光路図である。
【図３１】本発明の実施例９の拡散板に用いる透過型ホログラムの撮影配置を示す図である。
【図３２】本発明の実施例９の射出瞳位置でのＲＧＢの射出瞳像の重なり具合と０次光及び表面反射光の入射位置を示す図である。
【図３３】本発明の実施例１０のＹ−Ｚ断面内の光路図である。
【図３４】本発明の実施例１０の拡散板に用いる透過型ホログラムの撮影配置を示す図である。
【図３５】本発明の実施例１０の射出瞳位置でのＲＧＢの射出瞳像の重なり具合と０次光及び表面反射光の入射位置を示す図である。
【図３６】本発明の実施例１１の投影観察装置の模式的斜視図である。
【図３７】本発明の実施例１２の投影観察装置の模式的斜視図である。
【図３８】本発明において使用可能ないくつかの例の１回透過型拡散板の拡散光の角度分布を示す図である。
【図３９】本発明の投影観察装置を自動車のダッシュボードに取り付けた例を示す図である。
【符号の説明】
１、１_１、１_２…表示素子
２、２_１、２_２…投影光学系
３…接眼光学系
４…拡散板
５_１、５_２…表示像
６、６_１、６_２…射出瞳（投影光学系の射出瞳像）
６’、６_１’、６_２’…投影光学系の射出瞳
１０…軸上主光線
１１…観察者瞳位置に相当する面
１２…投影光学系の射出瞳に相当する面
２４…凹面鏡
２１、２１’、２２、２３…偏心プリズム
２４…凹面鏡（接眼光学系）
２４’…フレネル凹面反射鏡
２５…透過型ホログラムからなる拡散板
２６…投影光学系からの軸上主光線
２７_０…０次光
２７_１…拡散光中の主光線（中心光線）
２７_Ｒ、２７_Ｇ、２７_Ｂ…透過型ホログラムからなる拡散板で回折して屈曲されたＲ、Ｇ、Ｂの波長の主光線（中心光線）
３１…アナモルフィック反射鏡
３２…自由曲面の反射面
３３…フレネル裏面反射鏡
３４…入射面
３５…裏面（フレネル反射面）
４１…第１面
４２…第２面
４３…第３面
４４…第４面
５０…ダッシュボード
６０、６０１、６０２…拡大された射出瞳（投影光学系の射出瞳像）
Ｅ、Ｅ_１、Ｅ_２…観察者眼球
Ｍ、Ｍ_１、Ｍ_２…観察者

Claims

少なくとも２つ表示素子と、前記少なくとも２つの表示素子に表示された映像を異なる方向から拡大投影する少なくとも２つの投影光学系と、前記少なくとも２つの投影光学系で投影された像近傍に配置された共通の拡散板と、前記投影光学系各々の射出瞳を観察者側に投影する共通の接眼光学系とを備えていることを特徴とする投影観察装置。
少なくとも２つ表示素子と、前記少なくとも２つの表示素子に表示された映像を異なる方向から拡大投影する少なくとも２つの投影光学系と、前記少なくとも２つの投影光学系で投影された像近傍に配置された共通の透過型ホログラムからなる拡散板と、前記投影光学系各々の射出瞳を観察者側に投影する共通の凹面鏡からなる接眼光学系とを備えていることを特徴とする投影観察装置。
前記投影光学系の光軸の何れか一方が前記接眼光学系と交差し、交差する点における前記接眼光学系の垂線とその光軸とのなす角が１０°以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の投影観察装置。
前記投影光学系の少なくとも１つは、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で形成された偏心プリズムを１個以上備えた偏心プリズム光学系からなり、前記偏心プリズムは、表示素子から射出された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つの反射面が曲面形状を有し、その曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な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３の何れか１項記載の投影観察装置。