JP2019207342A - 観察光学系及びそれを有する観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アイレリーフが長く大瞳径で且つ広画角の画像を提示しながら、薄型に構成した小型・軽量の観察光学系を得ること。【解決手段】 画像表示面に表示された画像を観察するための観察光学系であって、観察光学系は、観察面側から画像表示面側へ順に、半透過反射面よりなる第１面、半透過反射面よりなる第２面、透過面よりなる第３面より成り、第１面と第２面の間および第２面と第３面はそれぞれ屈折率が１より大きい媒質で満たされており、観察面から画像表示面側へと光路をとったとき、観察面からの光束は順に、第１面を透過、第２面で反射、第１面で反射、第２面を透過、第３面を透過し、画像表示面に入射し、第２面は観察面側に凹形状、第３面は観察面側に凸形状であることを特徴としている。【選択図】 図１

Description

本発明は、画像表示素子に表示された画像を拡大虚像として提示するヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の観察装置に好適な観察光学系に関する。特にアイレリーフが長く大瞳径で観察しやすく広画角の画像を観察することができ、且つ眼前の画像光学素子が小型で全長が薄い観察光学系に関する。

ＨＭＤ等の観察装置では、臨場感を増すために画像表示素子の画像情報を広画角で観察できることが望まれている。また、頭部装着するために全系が小型・軽量であること、頭部装着時のモーメントを低減するために薄型であること等も望まれている。

更に、装着時にすぐ良好な画像が観察できる面、中心から周辺までの観察時の眼球回転によるケラレや光学性能劣化の抑制面、メガネ使用の観察者に対応できる面などから、大瞳径、ハイアイポイント（アイレリーフが長い）ことも望まれている。

従来、広視野で小型化を図った観察光学系が知られている。特許文献１の小型コリメーター装置において、図２に示される光学系は、観察者側の平凸レンズの両面を半透過反射面とし、平凹レンズとの境界である曲面で接合されたレンズ構成となっている。また、偏光を適宜利用することによって平凸レンズ内で２つの半透過反射面間を往復した光を選択的に瞳に導くことを容易としている。

特開２０００−２７５５６６号公報

従来、観察光学系には、アイレリーフが長く大瞳径で且つ広画角の画像を提示しつつ、観察光学系を薄型に構成することが要望されている。

一般に、観察光学系において、アイレリーフが長く大瞳径で且つ広画角の画像を提示しようとすると、瞳から像面（表示面）への逆光線追跡で全反射が生じてくる。このためアイレリーフが長く、瞳径が大きく、かつ広画角化を図るのは大変困難である。また、アイレリーフと同程度の曲率半径を有する曲率の強いレンズ面を用いると、中心肉厚が薄くても周辺まで含めた光学系全体は厚くなってしまい、全系が大型化してくる。

本発明は、アイレリーフが長く大瞳径で且つ広画角の画像を提示しながら、光学系の薄型化及び全系の小型・軽量化が容易な観察光学系及びそれを有する観察装置の提供を目的とする。

本発明の観察光学系は、画像表示面に表示された画像を観察するための観察光学系であって、前記観察光学系は、観察面側から画像表示面側へ順に、半透過反射面よりなる第１面、半透過反射面よりなる第２面、透過面よりなる第３面より成り、
前記第１面と前記第２面の間及び前記第２面と前記第３面の間は共に屈折率が１より大きい媒質で満たされており、観察面から画像表示面側へと光路をとったとき、観察面からの光束は順に、前記第１面を透過、前記第２面で反射、前記第１面で反射、前記第２面を透過、前記第３面を透過し、画像表示面に入射し、前記第２面は観察面側に凹形状、前記第３面は観察面側に凸形状であることを特徴としている。

本発明によれば、アイレリーフが長く大瞳径で且つ広画角の画像を提示しながら、薄型に構成した小型・軽量の観察光学系並びにそれを用いた観察装置を得ることができる。

本発明の実施例１の観察光学系の要部断面図である。 実施例１の観察光学系における偏光利用構成例を説明する図である。 本発明における面形状に関する条件を説明するための図である。 条件式に用いるパラメータを説明するための図である。 本発明の実施例１の観察光学系の光路断面図である。 本発明の実施例１の観察光学系の縦収差図である。 本発明の実施例２の観察光学系の要部断面図である。 本発明の実施例２の観察光学系の光路断面図である。 本発明の実施例２の観察光学系の縦収差図である。

以下、本発明の観察光学系及びそれを有する観察装置について説明する。

本発明の観察光学系は、画像表示面に表示された画像を観察するための観察光学系である。観察光学系は、観察面側から画像表示面側へ順に、半透過反射面よりなる第１面、半透過反射面よりなる第２面、透過面よりなる第３面より成る。

第１面と第２面の間及び第２面と第３面の間は共に屈折率が１より大きい媒質で満たされている。観察面から画像表示面側へと光路をとったとき、観察面からの光束は順に、第１面を透過、第２面で反射、第１面で反射、第２面を透過、第３面を透過し、画像表示面に入射する。第２面は観察面側に凹形状であり、第３面は観察面側に凸形状である。

図１は、本発明の実施例１の観察光学系の要部断面図である。図５は、本発明の実施例１の観察光学系の光路断面図である。図６は、本発明の実施例１の観察光学系の縦収差図である。実施例１は、瞳径EPD:23.752mm (瞳半径Rp:11.876)、アイレリーフER:20.00mmで、半画角ω:42.5°の光を像高y':13.02mmに結像させる焦点距離f:17.50mmの観察光学系である。

図７は、本発明の実施例２の観察光学系の要部断面図である。図８は、本発明の実施例２の観察光学系の光路断面図である。図９は、本発明の実施例２の観察光学系の縦収差図である。実施例２は、瞳径EPD:20mm (Rp:10)、中心アイレリーフt0:18.50mm、周辺ER:16.58mmで半画角ω: 40°の光を像高y': 10.70mmに結像させる近軸焦点距離焦点距離f:15.60mmの観察光学系である。

要部断面図において、Ｓは観察面（瞳面）（絞り面）、ＩＭは画像表示面である。

１は観察光学系である。観察光学系１は観察面Ｓから第１面Ｒ１と第２面Ｒ２からなる第１レンズ１１と、第２面Ｒ２と第３面Ｒ３からなる第２レンズ１２を有する。第１面Ｒ１と第２面Ｒ２に半透過反射膜が形成されている。第１レンズ１１と第２レンズ１２は接合された構成となっている。

そのため、光学面は実質的に第１面Ｒ１、第２面Ｒ２、第３面Ｒ３の３つの面である。また、第１レンズ１１と第２レンズ１２とは共に屈折率ｎがｎ（＞１）の同じ媒質で構成されており、第２面Ｒ２を透過する際は屈折は生じず単純に透過するのみである。また、第１面Ｒ１は曲率半径ｒ１が∞、又は有限の値である。第２面Ｒ２、第３面Ｒ３はそれぞれ有限の曲率半径ｒ２、ｒ３を有する。

本実施例では第２面Ｒ２は瞳側（観察面側）に凹形状であり、第３面Ｒ３は瞳側に凸形状である。第１面Ｒ１、第２面Ｒ２の２つの面は半透過反射面であり反射面として作用する場合と透過面として作用する場合との両方がある。第３面Ｒ３は透過面としてのみ作用する。

縦収差図においては、無限遠物点からの光が観察面Ｓから画像表示面ＩＭに結像した場合の図となっている。実施例１は左より順に瞳半径Rp=11.876mmを１に正規化した時の球面収差、画角に対する像面湾曲、歪曲を示している。像面湾曲の図においては、破線がメリディオナル像面、実線がサジタル像面の湾曲を表している。

図９は、実施例２の観察光学系１の縦収差図である。左より順に瞳半径Rp=10mmを１に正規化した時の球面収差、画角に対する像面湾曲、歪曲を示している。

次に画像表示面ＩＭから出射した光束の光路について説明する。画像表示面ＩＭから出た光は、第３面Ｒ３で屈折・透過し、半透過反射面よりなる第２面Ｒ２を透過した一部の光が半透過反射面よりなる第１面Ｒ１に向かう。第１面Ｒ１で反射された一部の光は第２面Ｒ２に向かい、第２面Ｒ２で反射された一部の光が再度第１面Ｒ１に向かう。そして第１面Ｒ１を透過した光は観察光学系１の観察面（瞳）Ｓに到達する。

以上の光路を辿る際に、観察面Ｓ側に凸形状の第３面Ｒ３での屈折による発散作用と、観察面Ｓ側に凹形状の第２面Ｒ２での反射による集光作用により、画像表示面ＩＭ上の点を発した発散光束が略平行光に変換されて観察面Ｓに導かれる。そのため、画像表示面ＩＭ上に表示された画像は、観察面Ｓの近傍に瞳孔を置いた観察者により、無限遠方に出来た虚像として観察される。

実施例２と実施例１との違いは第１面Ｒ１が有限の曲率半径ｒ１を持ち、観察面Ｓ側に凹形状の面としたことであり、その他はほぼ同じである。唯一の追加点は、第１面Ｒ１を観察面Ｓ側に凹形状の面としたために、第１面Ｒ１の有効径の外側の鏡面端部までの周辺アイレリーフＥＲを示した点である。

各実施例において好ましい構成について説明する。第３面Ｒ３の有効面における光軸からの高さがＨ３である点の、第３面Ｒ３の面頂点からの光軸方向の距離をＤ３とする。第３面Ｒ３上の有効径範囲内の任意の点Ｐ３ａにおけるＤ３／Ｈ３の値のうちの最大値を（Ｄ３／Ｈ３）ｍａｘとする。観察光学系の焦点距離をｆ、第２面Ｒ２の反射時の焦点距離をｆ２とする。第３面Ｒ３の曲率半径をｒ３、第２面Ｒ２の曲率半径をｒ２とする。

第１面Ｒ１から第２面Ｒ２までで第１レンズ１１が構成され、第２面Ｒ２から第３面Ｒ３までで第２レンズ１２が構成され、第１レンズ１１の媒質の屈折率をｎ１、第２レンズ１２の媒質の屈折率をｎ２とする。第１面Ｒ１の有効面における光軸からの高さがＨ１である点の、第１面Ｒ１の面頂点からの光軸方向の距離をＤ１とする。第１面Ｒ１上の有効径範囲内の任意の点Ｐ１ａにおけるＤ１／Ｈ１の値のうちの絶対値が最大となる値を（Ｄ１／Ｈ１）ｍａｘとする。第１面Ｒ１の曲率半径をｒ１とする。

このとき、次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。

０．０１＜（Ｄ３／Ｈ３）ｍａｘ＜０．２０ ・・・（１）
１．０＜ｆ／ｆ２＜１．５ ・・・（２）
−０．４＜ｒ２／ｒ３≦０．０ ・・・（３）
−０．１５＜ｎ１−ｎ２＜０．１５ ・・・（４）
−０．２＜（Ｄ１／Ｈ１）ｍａｘ＜０．２ ・・・（５）
−０．２＜ｒ２／ｒ１＜０．５ ・・・（６）
次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。ここで焦点距離ｆは無限遠からの光束が第１面Ｒ１（透過）、第２面Ｒ２（反射）、第１面Ｒ１（反射）、第２面Ｒ２（透過）、第３面Ｒ３（透過）を介したときに定義される値である。

反射面の焦点距離ｆＲは反射面の曲率半径をＲ、反射面側の媒質の屈折率をｎとするとき、
ｆＲ＝ｎ／Ｒ
で求められるものである。

まず条件式（１）に係るパラメータについて説明する。図３は、各実施例における面形状に関する条件の説明図である。第ｉ面Ｒｉの光軸からの高さをＨｉとし、高さＨｉにおける第ｉ面Ｒｉの面頂点からの光軸方向の距離をＤｉとする。この際、高さＨｉは図のｙ軸の正方向を高さＨｉの正方向とするものとし、距離Ｄｉは図のｚ軸の正方向を距離Ｄｉの正方向とするものとする。

従って図３（Ａ）に示すように、第ｉ面Ｒｉが観察面Ｓ側に凸形状の場合はＤｉ＞０、図３（Ｂ）に示すように観察面Ｓ側に凹形状の場合はＤｉ＜０である。

本実施例では図３（Ａ）に示す場合と同様に第３面Ｒ３が瞳Ｓ側に凸形状の面であるため、第３面Ｒ３上の光軸からの任意の高さＨ３の点に対する第３面Ｒ３の面頂点からの光軸方向の距離Ｄ３は正である。第３面Ｒ３上の有効径範囲内の任意の点におけるＤ３／Ｈ３の値の最大値を（Ｄ３／Ｈ３）ｍａｘとする。このとき、条件式（１）を満足している。

条件式（１）の下限を超えると、第３面Ｒ３がほぼ平面となるため、第３面Ｒ３を瞳Ｓ側に凸形状の面にすることによる全反射の回避の能力が低くなる。また、上限を超えると、第３面Ｒ３の曲率が大きくなり過ぎ、観察光学系１の周辺部まで含めた全体の厚みＴｍが厚くなるとともに、観察光学系１から画像表示面ＩＭまでの周辺部まで含めたバックフォーカスＢＦを確保するのが困難になる。

更に望ましくは、条件式（１）は、
０．０１５＜（Ｄ３／Ｈ３）ｍａｘ＜０．１００・・・（１ａ）
とするのが良い。

これによれば、下限値を下回る際の全反射回避の能力低下を更に防ぎつつ、上限値を超える際の全体の厚みＴｍの薄型化、全体のバックフォーカスＢＦを確保するのが容易となる。

図４は各条件式に用いるパラメータを説明するための図である。図１と同じ要素には同じ符号を用いている。図４に図示した光線は，最大半画角ωの角度で観察面（瞳）Ｓの上端部を通る最大画角上側マージナル光線である。

ここまでの観察光学系１を説明するにあたって、画像表示面ＩＭからの光が観察面Ｓに至る順光線追跡の光路順で説明した。しかし、観察面Ｓを入射瞳として逆光線追跡した場合、画像表示面ＩＭは本実施例の観察光学系１における無限遠方からの物体を結像させる像面となるが、これは光路順が違うだけでどちらも同義である。そのため、以降の説明における光路順は、説明の便宜上、観察面Ｓから画像表示面（像面）ＩＭに向かう逆光線追跡の順で説明する。

ｈ１は最大画角上側マージナル光線の第１面Ｒ１への入射高である。ω’は該光線が第１面Ｒ１に屈折・入射した後に第１面Ｒ１の面法線と成す角度である。ｈ２は第１面Ｒ１で屈折された光線が第２面Ｒ２に入射する際の入射高である。また、θ２は該光線が第２面Ｒ２に入射するヒットポイントと第２面Ｒ２の曲率中心を結んだ線が光軸となす角度である。ｈ１’は該光線が第２面Ｒ２にて反射された後に第１面Ｒ１へ再入射する際の入射高、α１はその際の第１面Ｒ１での面法線に対して該光線が成す角度である。α２は第１面Ｒ１で反射された該光線が第３面Ｒ３に入射する際の入射角である。

ｈ３は第３面Ｒ３に入射する際の該光線の入射高、θ３は第３面Ｒ３上の入射高ｈ３の位置と第３面Ｒ３の曲率中心とを結んだ線が光軸となす角度である。Ｔｃは観察光学系１の中心肉厚、Ｔｍは観察光学系１の最大肉厚である。ＢＦは観察光学系１の周辺部まで含めた画像表示面ＩＭ側の最小クリアランスである。ＥＲはアイレリーフであり、観察面Ｓから第１面Ｒ１までの距離である。

本実施例においては、第１面Ｒ１が平面である。このため、アイレリーフＥＲは観察面Ｓから第１面Ｒ１までの間隔ｔ０と等しい。Ｒｐは観察面（瞳）Ｓの瞳半径である。

次に、本発明の観察光学系をＨＭＤ等の観察装置に適用する際の課題と、その対策について述べる。広画角で観察できる即ち半画角ωが大きいこと、瞳径が大である即ち瞳半径Ｒｐが大きいこと、ハイアイポイントである即ちアイレリーフｔ０が長いこと、これらは全て高さｈ２が増大する。

最大画角の上側マージナル光線はｈ１＝Ｒｐ＋ｔ０×ｔａｎωの位置で第１面Ｒ１に入射する。第１面Ｒ１で屈折して第１面Ｒ１の法線に対してω’＝ａｓｉｎ（ｓｉｎ（ω）／ｎ）の角度となって光軸から高さがｈ１より高いｈ２の高さで第２面Ｒ２に入射するためである。

ここで、第２面Ｒ２の曲率半径ｒ２は、曲率をきつくして高さｈ２と高さｈ１との差が大きくなることを抑制する。それとともに、第２面Ｒ２で反射し、第１面Ｒ１に戻った際のマージナル光線の光軸からの高さｈ１’が高さｈ２よりも低くなるようにして観察光学系１の径を小型化することが望ましい。

結果として観察光学系１の主パワーを第２面Ｒ２に担わせることが望ましく、全系の焦点距離ｆと第２面Ｒ２反射時の焦点距離ｆ２との比が条件式（２）を満足するのが良い。

条件式（２）の下限値以下となると、第２面Ｒ２の曲率半径ｒ２が緩くなり、観察光学系１の径、特に第１レンズ１１の有効径が大型化する。条件式（２）以上となると第２面Ｒ２の曲率半径ｒ２がきつくなり、第１レンズ１１の中心肉厚が厚くなる。

第２面Ｒ２が球面の場合、第２面Ｒ２の光軸からの高さｈ２の点と第２面Ｒ２の曲率中心とを結ぶ線と光軸との成す角度θ２を用いると、ｈ２はｈ２＝ｒ２×ｓｉｎθ２としても与えられる。

曲率半径ｒ２は、第２面Ｒ２の前後の媒質の屈折率をそれぞれｎ，ｎ’とした場合、ｒ２＝ｆ２×（ｎ’−ｎ）であり、前記条件式（２）の制約もあって自由度が低いため、高さｈ２が大きいことは角度θ２が大きい状況を引き起こす。光軸から高さｈ２で第２面Ｒ２で反射されたマージナル光線は、第１面Ｒ１の法線に対して角度α１で入射し、角度α１で反射する。角度α１を他のパラメータで表すと、α１＝２×θ２−ω’となっており、角度θ２が大きくなると角度α1が大きくなり、第１面Ｒ１での反射が全反射となる臨界角を超えやすくなる。

従来技術である特許文献１に開示の観察光学系のように第３面Ｒ３が平面の場合は、第３面Ｒ３法線に対しても角度α１でマージナル光線が入射することになるため、第３面Ｒ３で全反射が生じてしまい、マージナル光線が像面に到達できない状況が生じ得る。即ち、観察光学系として考えた場合には、瞳径を大きく出来ない状況が生じやすい。

そこで、各実施例では第３面Ｒ３に適切な曲率を持たせることによって、第３面Ｒ３へのマージナル光線の入射位置の高さｈ３における入射角度を減少させることによって全反射を抑制し、観察光学系の瞳径を大きくさせている。第３面Ｒ３が球面の場合、第３面Ｒ３の光軸からの高さｈ３はｈ３＝ｒ３×ｓｉｎ（θ３）である。第３面Ｒ３を画像表示面側に凹面（瞳面側に凸面）形状としてθ３＞０とすることにより、第３面Ｒ３へのマージナル光線の入射位置の高さｈ３における入射角度α２をα２＝α１−θ３＝２×θ２−ω’−θ3 として入射角度を減少させている。

以上の構成において、第３面Ｒ３の曲率半径ｒ３に関する条件としては、観察光学系の主パワーを担う第２面Ｒ２の曲率半径ｒ２との比において、条件式（３）を満足するのが良い。

条件式（３）の上限を超えると、全反射が生じやすくなる。条件式（３）の下限値以下となると、観察光学系１全体の厚みＴｍが厚くなるとともに、観察光学系１から画像表示面ＩＭまでの周辺部まで含めたバックフォーカスＢＦが短くなるので良くない。

また、各実施例では、望ましい構成として第１レンズ１１と第２レンズ１２とに同一の屈折率ｎの媒質を用いている。第１レンズ１１と第２レンズ１２とに同一の屈折率ｎの媒質を用いることで、第２面Ｒ２を最も曲率の大きい面として観察光学系１の主パワーを担う面としながらも透過時に屈折が生じず、透過時の収差の発生がなくなるという利点を有する。

しかしながら、必ずしも第１レンズ１１と第２レンズ１２とに同一の屈折率ｎの媒質を用いることに限定するものではない。第１レンズ１１と第２レンズ１２とに異なった屈折率の媒質を用いる場合は、それぞれの媒質の屈折率をｎ１，ｎ２とする。このとき、条件式（４）を満足することが望ましい。

画像表示面ＩＭ側の第２レンズ１２の媒質の屈折率ｎ２が第１レンズ１１の媒質の屈折率ｎ１に対して低いと、画角の大きいマージナル光線が接合した半透過の第２面Ｒ２で屈折して光軸側に曲がるため、第３面Ｒ３で全反射が生じる場合が高くなる。即ち、条件式（４）の上限を超えないようにすることで、第３面Ｒ３の曲率の増加を抑え、観察光学系１全体の薄型化を図りつつ、所定の長さのバックフォーカスＢＦの確保を容易にしている。

また、画像表示面ＩＭ側の第２レンズ１２の媒質の屈折率ｎ２が屈折率ｎ１に対して高いと、半透過面の透過時に発散パワーが強くなり観察光学系１全体としての短焦点距離化が困難になる。即ち、条件式（４）の下限を超えないようにすることで、観察光学系１全体の焦点距離を短くし易くし、広画角での観察を容易にしている。

また、第１面Ｒ１が平面であるとき、条件式（５）の値は０となる。

各実施例においては第１面Ｒ１に曲面を用いると、周辺まで含めたアイレリーフを長く確保することが難しくなる。このため、周辺まで含めた観察光学系１の厚みが厚くなる等を抑制するために、第１面Ｒ１の形状を適切に設定している。

第１面Ｒ１が観察面Ｓ側に凹形状の面であると、第１面Ｒ１上の光軸からの任意の高さＨ１に対する第１面Ｒ１の面頂点からの光軸方向の距離Ｄ１は負であるが、第１面Ｒ１は観察面Ｓ側に凸の形状でも良い。但し、第１面Ｒ１上の有効径範囲内の任意の点におけるＤ１／Ｈ１の値のうち絶対値｜Ｄ１／Ｈ１｜が最大のものを（Ｄ１／Ｈ１）ｍａｘとするとき、条件式（５）を満足するのが良い。

条件式（５）の下限を超えると、観察面Ｓ側に凹形状での第１面Ｒ１の曲率が大きくなり過ぎ、周辺まで含めたアイレリーフを長くすることが難しくなるとともに、観察光学系１の周辺部まで含めた全体の厚みＴｍが厚くなる。条件式（５）の上限を超えると、最大半画角の瞳上端を通るマージナル光線の入射高が高くなり、全反射が生じやすくなって、大瞳径とすることが困難となる。

更に望ましくは、条件式（５）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

−０．１＜（Ｄ１／Ｈ１）ｍａｘ＜０．１・・・（５ａ）
第１面Ｒ１の曲率半径ｒ１と第２面Ｒ２の曲率半径ｒ２との間には、条件式（６）を満足するのが良い。

条件式（６）の下限を超えると、最大半画角の瞳上端を通るマージナル光線の入射高が高くなり、全反射が生じやすくなって、大瞳径とすることが困難となる。条件式（６）の上限を超えると、透過と反射の両作用において（負のパワー）発散のパワーが強くなり過ぎ、焦点距離を短くすることが困難となって、広画角化が難しくなる。また、第１面Ｒ１の曲率がきつくなるため、周辺まで含めた観察光学系１の厚みＴｍが厚くなり、観察光学系１全体が厚くなる。

図２は本発明の観察光学系１の実施例１における偏光を利用した構成例の説明図である。図中、２１は偏光選択性半透過反射素子であり、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）からなり、例えばＳ偏光を透過し、Ｐ偏光を反射する。

２２は第一の四分の一波長板，２３は第二の四分の一波長板、２４は偏光板である。偏光選択性半透過反射素子２１は、例えば偏光板２４を通過した際と同じ方向に偏光した直線偏光を反射し、これに直交した直線偏光を透過するように構成されたワイヤーグリッド偏光子である。偏光選択性の半透過反射素子２１のワイヤーグリッド形成面が、前述の半透過反射面としての第１面Ｒ１として機能する。

また、第一の四分の一波長板２２と第二の四分の一波長板２３とはそれぞれの遅相軸が９０°傾いた状態で配置され、且つ、偏光板２４の偏光透過軸に対して第一の四分の一波長板２２の遅相軸が４５°傾いた状態で配置されている。また、半透過反射面よりなる第２面Ｒ２は、例えば誘電体多層膜を形成されたハーフミラーとなっている。

本実施例の偏光を利用した構成における光路並びに光学作用について、以下に説明する。

画像表示面ＩＭから出た光は偏光板２４で直線偏光となり、第二の四分の一波長板２３によって円偏光となり、第３面Ｒ３を透過して第２面Ｒ２に向かう。第２面Ｒ２に到達した光の一部は第２面Ｒ２で反射されて逆回りの円偏光となり、第３面Ｒ３を透過しての第二の四分の一波長板２３に戻る。第二の四分の一波長板２３に戻った逆回り円偏光の光は、第二の四分の一波長板２３によって最初に偏光板２４を通過した際と直交した方向に偏光した直線偏光として偏光板２４に戻り、偏光板２４で吸収される。

一方、第２面Ｒ２に到達した光の一部は第２面Ｒ２を透過して第一の四分の一波長板２２によって偏光板２４を通過した際と同じ方向に偏光した直線偏光となって偏光選択性半透過反射素子２１に入射する。そのため、偏光選択性半透過反射素子２１の偏光選択性により第１面Ｒ１では光が反射される。第１面Ｒ１で反射された光は、第一の四分の一波長板２２によって最初に第二の四分の一波長板２３によって円偏光となった際と逆回りの円偏光となり、第２面Ｒ２に入射する。

第２面Ｒ２で反射された光は、第２面Ｒ２での反射前の光と逆回りの円偏光となり、第一の四分の一波長板２２に入射して最初に偏光板２４を通過した際と直交した方向に偏光した直線偏光になって偏光選択性の半透過反射素子２１に入射する。そして、第１面Ｒ１を透過して観察面（瞳）Ｓに導かれる。

以上の光学作用により、第３面Ｒ３を透過して、第２面Ｒ２を透過し、第１面Ｒ１で反射し、第２面Ｒ２で反射し、第１面Ｒ１を透過した光のみが観察面Ｓに導かれる。

次に各実施例の数値データについて示す。表１は実施例１の数値データである。表中、ｒの項はレンズ面の曲率半径、ｔは面間隔、ｎはレンズ面の後の媒質の屈折率を示している。

Ｓｉは観察面Ｓからの光路順の第ｉ番目の面を示す。Ｓ１は観察面Ｓ、Ｓ７は画像表示面ＩＭである。光路はＳ１，Ｓ２，Ｓ３…Ｓ７の順となっている。

第１面Ｒ１（第２面Ｓ２，第４面Ｓ４）は、曲率半径が∞の面であり、実施例１で説明した構成に従う光学系となっている。また、面Ｒ２である第３面Ｓ３，第５面Ｓ５と、面Ｒ３である第６面Ｓ６のいずれもが球面の構成である。

表２は実施例２の数値データである。表２中の記号は表１と同様であるが、本実施例では第１面Ｒ１（第２面Ｓ２，第４面Ｓ４）、第２面Ｒ２（第３面Ｓ３，第５面Ｓ５）、第３面Ｒ３（第６面Ｓ６）のいずれも非球面を用いている。そのため、第１面Ｒ１，第２面Ｒ２，第３面Ｒ３のそれぞれに対する非球面項の係数を下側に示してある。第１面Ｒ１，第２面Ｒ２，第３面Ｒ３に続くＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄが、各面における非球面項Ａ＊ｒ^４＋Ｂ＊ｒ^６＋Ｃ＊ｒ^８＋Ｄ＊ｒ^１０のそれぞれの係数である。各面の面形状は、表３上側のｒにある曲率半径の球面と、下側の非球面項とを足し合わせた形状となっている。

次に各実施例に対する前述の各条件式の値を表３に示す。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

各実施例は、アイレリーフ≧１６ｍｍ、半画角ω≧４０°（即ち、全画角２ω≧８０°），瞳半径Ｒｐ≧１０ｍｍ（瞳径ＥＰＤ≧２０ｍｍ）、焦点距離ｆ≦２０ｍｍのような広画角、長いアイレリーフ、大瞳径に好適である。また、この範囲外の観察光学系に対しても適用可能である。

また、本発明の観察光学系を用いて、観察装置を構成することができる。例えば、図１の画像表示面ＩＭを液晶ディスプレイやＥＬディスプレイなどの表示素子の画像表示面として使い、本発明の観察光学系と組み合わせても良い。これによれば画像表示素子上に適宜生成される画像を拡大した一方の眼で広画角に虚像を観察できる観察装置が出来る。

また、画像表示素子と観察光学系をそれぞれ２つ用意し、それぞれの画像表示面上に適宜生成された画像に対してそれぞれ対応する観察光学系を用いて両方の眼に導くことにより、広画角の画像を両眼で観察できる臨場感の高い観察装置が得られる。

尚、後者の構成において、２つの画像を１つの画像表示素子の異なる領域に形成すること、２つの画像にそれぞれ対応する眼に応じた視差を設けて立体視をさせること等は、本発明の範囲内での種々の変形および変更の範囲内である。

１ 観察光学系 １１ 第１レンズ １２ 第２レンズ
Ｒ１ 第１面 Ｒ２ 第２面 Ｒ３ 第３面
Ｓ 瞳 ＩＭ 像面

Claims (10)

1. 画像表示面に表示された画像を観察するための観察光学系であって、前記観察光学系は、観察面側から画像表示面側へ順に、半透過反射面よりなる第１面、半透過反射面よりなる第２面、透過面よりなる第３面より成り、
   前記第１面と前記第２面の間および前記第２面と前記第３面の間は共に屈折率が１より大きい媒質で満たされており、
   観察面から画像表示面側へと光路をとったとき、観察面からの光束は順に、前記第１面を透過、前記第２面で反射、前記第１面で反射、前記第２面を透過、前記第３面を透過して画像表示面に入射し、
   前記第２面は観察面側に凹形状、前記第３面は観察面側に凸形状であることを特徴とする観察光学系。
2. 前記第３面の有効面における光軸からの高さがＨ３である点の、前記第３面の面頂点からの光軸方向の距離をＤ３とし、前記第３面上の有効径範囲内の任意の点におけるＤ３／Ｈ３の値の最大値を（Ｄ３／Ｈ３）ｍａｘとするとき、
   ０．０１＜（Ｄ３／Ｈ３）ｍａｘ＜０．２０
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
3. 前記観察光学系の焦点距離をｆ、前記第２面の反射時の焦点距離をｆ２とするとき、
   １．０＜ｆ／ｆ２＜１．５
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の観察光学系。
4. 前記第３面の曲率半径をｒ３、前記第２面の曲率半径をｒ２とするとき、
   −０．４＜ｒ２／ｒ３≦０．０
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の観察光学系。
5. 前記第１面の有効面における光軸からの高さがＨ１である点の前記第１面の面頂点からの光軸方向の距離をＤ１とし、
   前記第１面上の有効径範囲内の任意の点におけるＤ１／Ｈ１の値の絶対値が最大となる値を（Ｄ１／Ｈ１）ｍａｘとするとき、
   −０．２＜（Ｄ１／Ｈ１）ｍａｘ＜０．２
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の観察光学系。
6. 前記第１面の曲率半径をｒ１、前記第２面の曲率半径をｒ２とするとき、
   −０．２＜ｒ２／ｒ１＜０．５
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の観察光学系。
7. 前記第１面から前記第２面までで第１レンズが構成され、前記第２面から前記第３面までで第２レンズが構成され、前記第１レンズの媒質の屈折率をｎ１、前記第２レンズの媒質の屈折率をｎ２とするとき、
   −０．１５＜ｎ１−ｎ２＜０．１５
   を満足することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の観察光学系。
8. 前記第１レンズの媒質の屈折率と前記第２レンズの媒質の屈折率は等しいことを特徴とする請求項７に記載の観察光学系。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の観察光学系と、画像情報を表示する画像表示素子を有し、前記観察光学系によって拡大された前記画像表示素子の画像情報を前記観察光学系を介して観察することを特徴とする観察装置。
10. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の観察光学系を２つと、画像情報を表示する画像表示素子を有し、前記観察光学系によって拡大された前記画像表示素子の画像情報を前記観察光学系を介して観察することを特徴とする観察装置。