JP2019211663A

JP2019211663A - 観察光学系及びそれを有する観察装置

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Publication number: JP2019211663A
Application number: JP2018108494A
Authority: JP
Inventors: 欣久田代; Yoshihisa Tashiro
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2019-12-12

Abstract

【課題】広視野かつ高い光学性能を有しつつ全系が小型であるとともに、観察者の眼の位置の変動に対してロバストな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、観察面側から画像表示面側へ順に、近軸曲率面が観察面側に凹面を向けた半透過反射面よりなる第１面と、近軸曲率面が観察面側に凹面を向けた半透過反射面よりなる第２面を含む光学素子を有し、前記第１面と前記第２面は各々異なる非球面形状の非球面よりなり、観察面側から画像表示面側へのサグ量を正として、前記第１面の最大有効径端における近軸曲率面のサグ量と非球面のサグ量の差分をｓａｇＲ１ａ、前記第２面の最大有効径端における近軸曲率面のサグ量と非球面のサグ量の差分をｓａｇＲ２ａを設定すること。【選択図】図１

Description

本発明は観察光学系に関する。例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の画像表示素子に表示された原画像を拡大表示し、観察するヘッドウントディスプレイ等に好適な観察光学系に関するものである。

近年、ＬＣＤ等の画像表示素子を用いて表示された原画像を、観察光学系を介して拡大表示し、大画面画像を使用者に与えることで、臨場感のある体験を提供するヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置（観察装置）が知られている。

ここで、画像表示装置に関しては、頭部に装着することを鑑みて、その構成が小型であることが求められている。つまり、画像表示装置に用いられる観察光学系は、広視野かつ高い光学性能を有しつつ、全系が小型であることが求められている。また、頭部装着型の画像表示装置においては、ユーザーの様々な頭部形状に対応する必要がある。ゆえに、観察光学系においては観察者の眼の位置が変動しても良好な観察ができる、所謂ロバストな構成をとることが重要になってくる。

従来、広視野かつ高い光学性能を有し、小型な構成の観察光学系として反射面を用いた共心光学系が知られている（特許文献１、２）。

特開平７−１２０６７９号公報米国特許出願公開第２０１７／００９７５０８号明細書

特許文献１では、２つの半透過面を用いた共心光学系が開示されている。２つの半透過球面にて共心光学系を構成することで回転対称性より非点収差とコマ収差を補正し、２つの反射面を用いることで像面湾曲を補正している。

引用文献１は共心光学系をベースに収差補正を実施している。このため、アイレリーフの位置（射出瞳位置）が変化した場合、光学系の回転対称性が崩れ軸外の収差補正が不十分となる。

つまり、観察者の眼の位置の光軸方向の変動に対して、収差変動の補正が困難である。また、球面系による共心光学系においては、球面収差の補正に限界がある。

ゆえに、引用文献１の各実施例における射出瞳径は最大でΦ（直径）７ｍｍ程度であり、観察者の眼の位置の瞳面内における変動に対して、収差補正に限界があった。

特許文献２では、特許文献１と同様に２つの半透過面を用いた光学系が開示されている。２つの半透過面にて略共心光学系として構成する点も同様であるが、１枚のレンズ構成の実施例３においては、２つの半透過面を同一形状の非球面として構成している点が異なる。

ここで、開示された非球面形状は非球面量が小さい配置をとっており、略球面同等の収差の補正効果を担っている。つまり、引用文献１と同様にアイレリーフの位置が変化した場合への対応が困難である。

ここで、射出瞳径に関しては、Φ１５ｍｍを確保しており、観察者の眼の位置の瞳面内における変動についてロバスト性を確保している。しかし、実施例３では、画像表示素子の画像表示面のサイズがΦ６７ｍｍ程度の大型画像表示素子を用いる構成としている。つまり、この構成そのままでは、画像表示装置が大型化してしまうこととなる。

一方、小型の画像表示素子に対応するため、光学系全系を比例縮小すると、射出瞳径も比例縮小されてしまう。

つまり、小型の画像表示素子を用いて大きな射出瞳径を確保するためには、光学系の大口径化が必須要件となり、引用文献２に開示された光学系では対応が困難であった。

また、実施例３に開示されている光学系は、光学的パワー（焦点距離の逆数）を有する２つの半透過面を同一形状にて構成していることから、全系の近軸的パワーは面間隔にて与えられることとなる。

この構成では、ペッツバール和を常に０とすることができるが、収差補正の自由度がないため観察者の眼の位置の変動に対してロバストな設計を実施することが困難である。

画像表示素子に表示される画像情報を広視野で全系が小型で高い光学性能を有し、かつ観察者の眼の位置の変動に対しても良好なる観察を容易にするには、観察光学系を構成する光学素子の構成を適切に設定する必要がある。

本発明は、広視野かつ高い光学性能を有しつつ全系が小型であるとともに、観察者の眼の位置の変動に対してロバストな観察光学系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、
観察面側から画像表示面側へ順に、近軸曲率面が観察面側に凹面を向けた半透過反射面よりなる第１面と、近軸曲率面が観察面側に凹面を向けた半透過反射面よりなる第２面を含む光学素子を有し、
前記第１面と前記第２面は各々異なる非球面形状の非球面よりなり、
観察面側から画像表示面側へのサグ量を正として、前記第１面の最大有効径端における近軸曲率面のサグ量と非球面のサグ量の差分をｓａｇＲ１ａ、前記第２面の最大有効径端における近軸曲率面のサグ量と非球面のサグ量の差分をｓａｇＲ２ａとするとき、
ｓａｇＲ１ａ×ｓａｇＲ２ａ＞０
なる条件式を満足することを特徴としている。

本発明によれば、広視野かつ高い光学性能を有しつつ全系が小型であるとともに、観察者の眼の位置の変動に対してロバストな観察光学系が得られる。

実施例１のレンズ断面図実施例１の縦収差図（瞳径Φ１７ｍｍ、アイレリーフ１０ｍｍ、２５ｍｍ）実施例１の縦収差図（瞳径Φ３．５ｍｍ、アイレリーフ１０ｍｍ、２５ｍｍ）実施例２のレンズ断面図実施例２の縦収差図（瞳径Φ１７ｍｍ、アイレリーフ１０ｍｍ、２５ｍｍ）実施例３のレンズ断面図実施例３の縦収差図（瞳径Φ１７ｍｍ、アイレリーフ１０ｍｍ、２５ｍｍ）実施例４のレンズ断面図実施例４の縦収差図（瞳径Φ１５ｍｍ、アイレリーフ１０ｍｍ、２５ｍｍ）実施例５のレンズ断面図実施例５の縦収差図（瞳径Φ１７ｍｍ、アイレリーフ１０ｍｍ、２５ｍｍ）参考例のレンズ断面図参考例の縦収差図（瞳径Φ１７ｍｍ、アイレリーフ１０ｍｍ、２５ｍｍ）参考例の縦収差図（瞳径Φ３．５ｍｍ、アイレリーフ１０ｍｍ、２５ｍｍ）偏光を利用した構成の説明図非球面形状の説明図

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。

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際に使用される。観察光学系は観察面側から画像表示面側へ順に、近軸曲率面が観察面側に凹面を向けた半透過反射面よりなる第１面と、近軸曲率面が観察面側に凹面を向けた半透過反射面よりなる第２面を含む光学素子を有している。第１面と第２面は各々異なる非球面形状の非球面よりなっている。

図１、４、６、８、１０は本発明の実施例１乃至５のレンズ断面図である。また、図２、図５、図７、図９、図１１は本発明の実施例１乃至５の縦収差図（アイレリーフ（ＥＲ）１０ｍｍ、２５ｍｍ）である。また、図３は本発明の実施例１の縦収差図（瞳径Φ３．５ｍｍ、アイレリーフ１０ｍｍ、２５ｍｍ）である。

また、図１２は参考例のレンズ断面図である。また、図１３は参考例の縦収差図（アイレリーフ１０ｍｍ、２５ｍｍ）である。また、図１４は参考例の縦収差図（瞳径Φ３．５ｍｍ、アイレリーフ１０ｍｍ、２５ｍｍ）である。

図１５は本発明に係る光学素子の光路の説明図である。図１６は非球面形状の説明図である。

レンズ断面図において、Ｇは光学素子である。Ｒ１は第１の半透過反射面よりなる第１面、Ｒ２は第２の半透過反射面よりなる第２面である。ＳＰは絞り（観察面）（瞳面）である。ＩＤは画像表示面である。

各実施例の観察光学系は、観察面ＳＰ側から画像表示面ＩＤ側へ順に、第１の半透過反射面よりなる第１面Ｒ１と、第２の半透過反射面よりなる第２面Ｒ２よりなる光学素子Ｇにて構成している。ここで、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２は各々形状の異なる非球面形状の非球面である。画像表示面ＩＤは、例えばＬＣＤの画像表示面が配置される。瞳面ＳＰは観察面であり、観察者の瞳が位置する。瞳面ＳＰには光量絞りが配置される場合もある。光学素子Ｇと他の光学部材を有していても良い。

各実施例のレンズ断面図において、アイレリーフ（ＥＲ）は、光軸上におけるアイポイント（瞳位置）と最も観察面側の第１面（レンズ面）Ｒ１の間隔を表す。なお、収差の評価において、画像表示面ＩＤ側に発光点を設けて観察面ＳＰ側に到達した光線の収差と、観察面ＳＰ側に発光点を設けて画像表示面ＩＤ側に到達した光線の収差は一対一で対応するため、便宜上、画像表示面ＩＤにおける収差を評価している。

各収差図のうち球面収差図において、実線のｄはｄ線（波長５８７．６ｎｍ）、点線のｇはｇ線（波長４３５．８ｎｍ）を示す。非点収差図においてΔＳ（実線）はｄ線のサジタル像面、ΔＭ（破線）はｄ線のメリディオナル像面を示す。歪曲はｄ線について示している。倍率色収差はｇ線について示している。

ＥＰＤは瞳径である。ωは画角（半画角）である。数値は後述する数値データをｍｍ単位で表したときの値である。

ここで、人間の瞳径は一例としてΦ３．５ｍｍ程度であるが、各実施例の観察光学系の瞳径（設計上光学性能が考慮された瞳径）は観察者の眼の位置の変動を考慮してΦ３．５ｍｍより大きい値としている。また、眼鏡の装着有無や顔の形状の差異によってアイレリーフが異なることから、各実施例ではアイレリーフの変化による収差の変動を抑えている。代表的に、アイレイーフ１０ｍｍとアイレリーフ２５ｍｍの位置における縦収差を図示している。

次に各実施例の構成について説明する。各実施例の観察光学系は、観察側から順に、瞳面（観察面）（観察瞳）ＳＰ、第１面Ｒ１、第２面Ｒ２にて構成している。ここで、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２は各々形状の異なる非球面形状としている。２つの半透過反射面を用いた必要最小限のレンズ構成を採ることで観察光学系の小型化を実現している。また、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２は、近軸曲率において瞳面ＳＰ側に凹面を向けた形状とすることで共心光学系に近い配置を採り、非点収差とコマ収差を良好に補正している。

第１面Ｒ１の最大有効径端における近軸曲率面のサグ量と非球面のサグ量の差分（観察面側から画像表示面側へのサグ量を正とする）をｓａｇＲ１ａとする。第２面Ｒ２の最大有効径端における近軸曲率面のサグ量と非球面のサグ量の差分（観察面側から画像表示面側へのサグ量を正とする）をｓａｇＲ２ａとする。このとき、
ｓａｇＲ１ａ×ｓａｇＲ２ａ＞０・・・（１）
なる条件式を満足する。

ここで、近軸曲率とは最大光学有効面の半径に対する光軸からの高さ１割で決まる量（参照Ｒ）をいう。

各実施例に係る非球面の非球面量について図１６を用いて説明する。図１６（Ａ）、（Ｂ）は球面形状のレンズ面のサグ量と非球面形状のレンズ面のサグ量の説明図である。

サグ量とはレンズ面頂点から光軸に対して立った垂直面から光軸からある高さｈでのレンズ面の位置の光軸方向の距離をいう。

図１６（Ａ）、（Ｂ）においてレンズ面の曲率が「プラス符号」となっているときサグ量は「プラス」となる。サグ量の差分Δは光軸からのある高さｈにおける近軸曲率における参照球面のサグ量をΔ球、非球面のサグ量をΔ非とする。

このとき、
Δ＝Δ球−Δ非
である。図１６（Ｂ）ではサグ量の差分Δの符号は正である。

次に前述の条件式の技術的意味について説明する。

条件式（１）は第１面Ｒ１と第２面Ｒ２の２つの半透過反射面の非球面量の関係を規定している。条件式（１）を満足するように非球面形状を設定することにより、観察瞳ＳＰ位置の変動に対してロバストな観察光学系（観察光学系の瞳径の拡大に対する球面収差の補正、アイレリーフの変動に対する非点収差とコマ収差の補正）を実現している。条件式（１）は、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２において、付与する非球面形状は同一方向となることを意味している。

つまり、球面構成の共心光学系をベースとして、観察光学系としての対称性を極端に崩すことなく非球面を追加することが重要である。

ここで、図１２に示す比較例１を参考に、２つの半透過反射面として適切な非球面形状を用いることの意味を説明する。比較例１は、実施例１と同様の仕様の観察光学系を、球面のみで構成している。図１４に示す参考例１の縦収差図（Ａ）、（Ｂ）を参照すると、アイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２５ｍｍにおいて像面湾曲の変動の補正が不十分であることがわかる。

つまり、アイレリーフ１０ｍｍにおいて良好な観察光学系を構成しても、アイレリーフ位置が遠方に変化すると画面周辺域で大きな視度ズレが発生することとなる。一方、条件式（１）を満足する非球面形状を採用した実施例１においては、図３（Ａ）、（Ｂ）を参照すると、アイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２５ｍｍにおいて像面湾曲の変動を良好に補正できている。

以上の構成により、広視野かつ高い光学性能を有しつつ観察光学系が小型であるとともに、観察瞳ＳＰの位置の変動に対してロバストな観察光学系を達成している。

各実施例においてより好ましくは条件式（１）の数値範囲を以下の範囲とするのがよい。

ｓａｇＲ１ａ×ｓａｇＲ２ａ＞０．０１・・・（１ａ）
更に好ましくは条件式（１ａ）の数値範囲を以下の範囲とするのがよい。

ｓａｇＲ１ａ×ｓａｇＲ２ａ＞０．０２・・・（１ｂ）
各実施例をもとに、本発明のより好ましい構成について説明する。本発明の観察光学系において、より好ましくは次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。

光学素子の焦点距離をｆとする。観察光学系は観察瞳ＳＰを有する。観察瞳ＳＰは光学設計・評価における仮想的な絞りであるが、アイレリーフ位置に実際の開口絞りとして配置してもよい。観察面における最大瞳径（瞳が矩形の場合は、矩形が外接する円の直径）をＥＰＤとする。ＥＰＤは前記観察瞳ＳＰの開口径に対応している。ＥＰＤを拡大しつつ瞳内全域において光学性能を確保することにより、観察者の眼の位置が瞳面内で変動した場合においても良好な虚像が観察可能となる。第１面と第２面の距離をｄとする。第１面の近軸曲率半径をＲ１ｒとする。第２面の近軸曲率半径をＲ２ｒとする。ここで、近軸曲率とは最大光学有効面の半径に対する光軸からの高さ１割で決まる量（参照Ｒ）をいう。

観察光学系と、画像情報を表示する画像表示素子を有し、観察光学系によって、拡大された画像表示素子の画像情報を観察光学系を介して観察する観察装置において、第１面から画像表示面までの距離をＯＡＬとする。ここで焦点距離ｆとは無限遠からの光束が半透過反射面で反射するときは各半透過面で反射し、集光するときの光路に基づいて算出された距離をいう。

図１では光路が、
第１面Ｒ１→第２面Ｒ２→第１面Ｒ１→第２面Ｒ２
となったときを示す。

０．００１＜｜ｓａｇＲ１ａ｜／ｆ＜０．２００・・・（２）
０．５＜ｆ／ＥＰＤ＜２．０・・・（３）
０．２＜ｄ／ｆ＜０．８・・・（４）
０．１＜ｄ／ＥＰＤ＜０．７・・・（５）
０．５＜Ｒ１ｒ／ＥＰＤ＜２．０・・・（６）
０．６＜Ｒ１ｒ／Ｒ２ｒ＜１．５・・・（７）
１．０＜ｓａｇＲ１ａ／ｓａｇＲ２ａ＜５．０・・・（８）
０．４＜ＯＡＬ／ｆ＜０．９・・・（９）
次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。

条件式（２）は第１の半透過反射面よりなる第１面Ｒ１における非球面形状をサグ量として規定している。第１面Ｒ１の非球面形状のサグ量を最適化することで、球面構成では実現困難な収差補正を良好に補正している。

具体的には、観察光学系の瞳径の拡大に対する球面収差を補正、及びアイレリーフの変動に対する非点収差とコマ収差を補正している。

条件式（２）の下限を超えると、第１面Ｒ１の非球面形状のサグ量が小さくなりすぎ、略球面形状となることで諸収差の補正が困難となる。一方、上限を超えると、第１面Ｒ１の非球面形状のサグ量が大きくなりすぎる。このとき、観察光学系としてのレンズ構成の対称性が崩れるため、非点収差やコマ収差を補正しつつ、観察瞳ＳＰの変動に対するロバスト性を確保するのが困難となるのでよくない。

条件式（３）は光学素子Ｇの焦点距離と観察面ＳＰにおける最大瞳径の比を規定している。条件式（３）は光学素子Ｇの口径比を規定している。条件式（３）を満足することで観察光学系が小型でありつつ、大きな観察光学系の瞳径を確保することが容易となる。

条件式（３）の下限を超えると、光学素子Ｇの口径比が小さくなりすぎる。このとき、大きな観察光学系の瞳径を確保する配置となるものの、瞳内全域において十分に球面収差を補正することが困難となる。一方、上限を超えると、光学素子Ｇの口径比が大きくなりすぎる。つまり、短い焦点距離において大きなを観察光学系の瞳径確保することが困難となり、観察光学系の瞳径の大型化と観察光学系の小型化を両立することが困難となる。

条件式（４）は第１面Ｒ１と第２面Ｒ２の光軸上の距離と光学素子Ｇの焦点距離の比を規定している。第１面Ｒ１と第２面Ｒ２との間隔を最適化することで、各面に対する光線の入射高さを制御し球面収差と像面湾曲を良好に補正している。

条件式（４）の下限を超えると、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２との間隔が短くなりすぎる。このとき、各面に対する光線の入射高さの変化が小さくなりすぎるため、とくに像面湾曲の補正が困難となる。

一方、上限を超えると第１面Ｒ１と第２面Ｒ２との間隔が大きくなりすぎる。このとき、第２面Ｒ２からの反射（瞳面からトレースして初回光線入射）時の軸上光線の入射高さが大きくなりすぎ、この第２面Ｒ２より発生する球面収差を他の面で補正することが困難となるのでよくない。

条件式（５）は第１面Ｒ１と第２面Ｒ２の光軸上の距離と観察面ＳＰにおける最大瞳径の比を規定している。条件式（５）を満足することで、大きな観察光学系の瞳径を確保しつつ球面収差と像面湾曲を良好に補正している。

条件式（５）の下限を超えると、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２の間隔が短くなりすぎる。このとき、各面に対する光線の入射高さの変化が小さくなりすぎるため、とくに像面湾曲の補正が困難となる。若しくは、瞳径が小さくなりすぎ、大きな観察光学系の瞳径を確保することが困難となる。一方、上限を超えると第１面Ｒ１と第２面Ｒ２の間隔が大きくなりすぎる。このとき、第２面Ｒ２からの反射時の軸上光線の入射高さが大きくなりすぎ、第２面Ｒ２より発生する球面収差を他の面で補正することが困難となる。若しくは、瞳径が大きくなりすぎ、この場合も球面収差の補正が困難となる。

条件式（６）は第１面Ｒ１の近軸曲率半径Ｒ１ｒと観察面ＳＰにおける最大瞳径の比を規定している。ここで、第１面Ｒ１は光線透過時の屈折作用と光線反射時の反射作用を１つの面で共有している。条件式（６）を満足することで、大きな観察光学系の瞳径を確保しつつ、アイレリーフの変動にも対応した観察者の眼の位置に対してロバストな観察光学系を容易にしている。

条件式（６）の下限又は上限のいずれ超えた場合においても、第１面Ｒ１の屈折作用と反射作用による収差補正のバランスが崩れるため、観察者の眼の位置に対してロバストな観察光学系の実現が困難となる。

条件式（７）は第１面Ｒ１の近軸曲率半径Ｒ１ｒと第２面Ｒ２の近軸曲率半径Ｒ２ｒの比を規定する。２つの面の近軸曲率半径を最適化することで全系のペッツバール和を良好に補正している。条件式（７）の下限を超えると、第１面Ｒ１の近軸曲率半径Ｒ１ｒが第２面Ｒ２の近軸曲率半径Ｒ２ｒに比して小さくなりすぎる。このとき、第１面Ｒ１の反射時に生じる正のペッツバール項を第２面Ｒ２の反射時に生じる負のペッツバール項で補正することが困難となり、観察光学系のペッツバール和が正の方向に傾きすぎてしまう。

一方、下限を超えると、第１面Ｒ１の近軸曲率半径Ｒ１ｒが第２面Ｒ２の近軸曲率半径Ｒ２ｒに比して大きくなりすぎる。このとき、第２面Ｒ２の反射時に生じる負のペッツバール項を第１面Ｒ１の反射時に生じる正のペッツバール項で補正することが困難となり、観察光学系のペッツバール和が負の方向に傾きすぎてしまうのでよくない。

条件式（８）は第１面Ｒ１における非球面のサグ量と第２面Ｒ２における非球面のサグ量の比を規定している。

条件式（８）は第１面Ｒ１における非球面のサグ量に対して、第２面Ｒ２における非球面のサグ量が小さくなる面形状を規定している。

ここで、条件式（８）の非球面のサグ量を規定した各々の面の最大有効径端を通過する最軸外のマージナル光線（上線）は、第１面Ｒ１は屈折、第２面Ｒ２は反射の作用をもつ。同じ曲率半径を想定した場合、反射面は屈折面に比して大きな近軸作用（収差補正作用）を有する。ゆえに、全系における第１面Ｒ１の非球面作用（屈折）と第２面Ｒ２の非球面作用（反射）の収差補正バランスを考えると、条件式（８）を満足することが有効である。

条件式（８）下限を超えると、第１面Ｒ１における非球面のサグ量が第２面Ｒ２における非球面のサグ量に比して小さい構成となる。このとき、第２面Ｒ２にて生じる非球面作用（反射）が強まりすぎる配置となり、とくに軸外光束の非点収差の補正が困難となる。

一方、上限を超えると、第１面Ｒ１における非球面のサグ量が第２面Ｒ２における非球面のサグ量に比して大きすぎる構成となる。このとき、第１面Ｒ１にて生じる非球面作用（屈折）が強まりすぎる配置となり、とくに球面収差の補正が困難となる。

条件式（９）は第１面Ｒ１から画像表示面ＩＤまでの距離（光学全長）と光学素子Ｇの焦点距離の比を規定している。条件式（９）を満足することで観察光学系の小型化を図っている。

条件式（９）の下限を超えると、光学素子Ｇの焦点距離に比して光学全長が短くなりすぎる。このとき、球面収差と像面湾曲を補正するのが困難となる。一方、上限を超えると、光学全長が増大するのでよくない。

より好ましくは条件式（２）乃至（９）の数値範囲を以下の範囲とするのがよい。

０．００５＜｜ｓａｇＲ１ａ｜／ｆ＜０．１５０・・・（２ａ）
０．６５＜ｆ／ＥＰＤ＜１．７０・・・（３ａ）
０．２５＜ｄ／ｆ＜０．７０・・・（４ａ）
０．２０＜ｄ／ＥＰＤ＜０．６５・・・（５ａ）
０．８＜Ｒ１ｒ／ＥＰＤ＜１．８・・・（６ａ）
０．７＜Ｒ１ｒ／Ｒ２ｒ＜１．３・・・（７ａ）
１．０３５＜ｓａｇＲ１ａ／ｓａｇＲ２ａ＜４．０００・・・（８ａ）
０．５＜ＯＡＬ／ｆ＜０．８・・・（９ａ）
更に好ましくは条件式（２ａ）乃至（９ａ）の数値範囲を以下の範囲とするのがよい。

０．０１＜｜ｓａｇＲ１ａ｜／ｆ＜０．１０・・・（２ｂ）
０．８＜ｆ／ＥＰＤ＜１．３・・・（３ｂ）
０．３＜ｄ／ｆ＜０．６・・・（４ｂ）
０．３＜ｄ／ＥＰＤ＜０．６・・・（５ｂ）
１．０＜Ｒ１ｒ／ＥＰＤ＜１．６・・・（６ｂ）
０．８＜Ｒ１ｒ／Ｒ２ｒ＜１．１・・・（７ｂ）
１．０５＜ｓａｇＲ１ａ／ｓａｇＲ２ａ＜３．５０・・・（８ｂ）
０．６０＜ＯＡＬ／ｆ＜０．７５・・・（９ｂ）
また、各実施例１乃至５において偏光を利用した構成をとることで、正規の観察光路の光量低下を抑制しつつ、半透過面を１度も反射することなく透過する光路からのゴースト光（不要光漏れ）を低減することができる。

各実施例の観察光学系における光路を図１と図１５を参照して、偏光を利用した構成について説明する。

図１の第１面Ｒ１は、瞳面ＳＰ側から画像表示面ＩＤ側へ順に、
偏光選択性半透過反射素子：Ａ
第１の４分の１波長板：Ｂ
を有する。これによって、半透過反射面よりなる第１面Ｒ１を構成する。

また、図１の第２面Ｒ２は、瞳面ＳＰ側から画像表示面ＩＤ側へ順に、
ハーフミラー：Ｃ
第２の４分の１波長板：Ｄ
偏光板：Ｅ
を有する。これによって、半透過反射面よりなる第２面Ｒ２を構成する。

ここで、偏光選択性半透過反射素子Ａは、例えば偏光板Ｅ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。このとき、偏光選択性半透過反射素子Ａのワイヤーグリッド形成面が半透過反射面として機能する。また、第１の４分の１波長板Ｂと第２の４分の１波長板Ｄ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Ｅの偏光透過軸に対して第１の４分の１波長板Ｂの遅相軸が４５°傾いた状態で配置する。

また、ハーフミラーＣは、例えば誘電体多層膜により形成されたハーフミラーであり、半透過反射面として機能する。

次に、偏光利用構成における光路選択、並びに作用について図１５を参照して説明する。

画像表示面ＩＤから出た光は偏光板Ｅで直線偏光となり、第２の４分の１波長板Ｄによって円偏光となり、ハーフミラーＣに入射する。ハーフミラーＣに到達した光の一部は反射されて逆回りの円偏光となり、第２の４分の１波長板Ｄに戻る。第２の４分の１波長板Ｄに戻った逆回り円偏光の光は、第２の４分の１波長板Ｄによって最初に偏光板Ｅ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Ｅに戻り、偏光板Ｅで吸収される。

一方、ハーフミラーＣに到達した光の一部は透過して、第１の４分の１波長板Ｂによって偏光板Ｅ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Ａに入射する。

ここで、偏光選択性半透過反射素子Ａの偏光選択性により偏光板Ｅを通過した際と同じ方向に偏光した直線偏光の光は反射される。偏光選択性半透過反射素子Ａで反射された光は、第１の４分の１波長板Ｂによって最初に第２の４分の１波長板Ｄによって円偏光となった際と逆回りの円偏光となり、ハーフミラーＣに入射する。

ハーフミラーＣで反射された光は、反射前の光と逆回りの円偏光となり、第１の４分の１波長板Ｂに入射して最初に偏光板Ｅ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半透過反射素子Ａに入射する。ここで、偏光選択性半透過反射素子Ａの偏光選択性により偏光板Ｅを通過した際と直交した方向に偏光した直線偏光の光は透過して射出瞳ＳＰに導かれる。

以上の作用により、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瞳ＳＰに導かれることとなる。
ここで、図１では各機能素子面をレンズ曲面上に一体構成した例を示したが、偏光板や位相子はレンズ面とは独立した位置に、例えば平板形状として配置してもよい。

次に各実施例の構成について説明する。

［実施例１］
以下、図１を参照して、本発明の実施例１の観察光学系について説明する。

実施例１は、全画角７０度、観察面ＳＰの最大瞳径をΦ１７ｍｍとした観察光学系である。

実施例１は観察側から順に、瞳面ＳＰ、近軸曲率が瞳側に凹面を向けた半透過反射面である第１面Ｒ１、近軸曲率が瞳側に凹面を向けた半透過反射面である第２面Ｒ２にて構成している。ここで、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２は各々異なる非球面形状の非球面であり、１枚のレンズ（光学素子）Ｇにて構成している。また、各半透過反射面について条件式（１）を満足する非球面形状とすることで、観察光学系の瞳径の拡大に対する球面収差の補正、アイレリーフの変動に対する非点収差とコマ収差を補正している。

以上のように、２つの半透過反射面を用いるとともに、条件式（１）を満足する非球面形状を用いることにより、広視野かつ高い光学性能を有しつつ全系が小型であるとともに、観察者の眼の位置の変動に対してロバストな観察光学系を実現している。

［実施例２］
以下、図４を参照して、本発明の実施例２の観察光学系について説明する。実施例２の観察光学系の基本構成は、実施例１と同じである。実施例２は実施例１と比較して、各半透過反射面の面形状と面間隔を変更したことが異なる。

［実施例３］
以下、図６を参照して、本発明の実施例３の観察光学系について説明する。実施例３の観察光学系の基本構成は、実施例１と同じである。実施例３は実施例１と比較して、対応する画像表示素子の大きさと各半透過反射面の面形状と面間隔を変更したことが異なる。

［実施例４］
以下、図８を参照して、本発明の実施例４の観察光学系について説明する。実施例４の観察光学系の基本構成は、実施例１と同じである。実施例４は全画角６０度、観察面ＳＰの最大瞳径をΦ１５ｍｍとして各半透過反射面の面形状と面間隔を最適化し、観察光学系の小型化を優先した実施例である。

［実施例５］
以下、図１０を参照して、本発明の実施例５の観察光学系について説明する。実施例５の観察光学系の基本構成は、実施例１と同じである。実施例５では、観察光学系の光学素子Ｇを２枚のレンズＧ１、Ｇ２の接合レンズとして構成し、接合面に位相子（４分の１波長板）を配置した構成としている。これによれば、レンズの空気界面に位相子を配置する場合と比して、位相子の曲率を緩和する配置をとることができる。

つまり、位相子に生じる応力に起因する軸方位や位相量の面内変化を抑制できる。また、２枚のレンズＧ１、Ｇ２により封止された接合面に位相子を配置することで、吸水など外的環境変化についても強い構成を実現できる。

ここで、画像表示素子として例えばＬＣＤ等の電子画像表示素子と組み合わせた場合、歪曲収差や倍率色収差については、各種公知の手法を適用し電子的に処理してもよい。

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

次に本発明の実施例１乃至５と数値データ１乃至５と参考例のデータを示す。

各数値データにおいて、ｉは観察面（絞り）からの光路の面の順序を示す。ｒｉはレンズ面及び反射面の曲率半径である。

ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間のレンズ肉厚および空気間隔である。ｎｄｉ、νｄｉはそれぞれｄ線に対する屈折率、アッベ数を示す。ここで全長とは絞りから像面までの光路の長さをいい、例えば実施例１では、
ｄ１（１０．０）＋８．６５＋８．６５＋８．６５＋１．５＝３７．４５
である。ｄ１はアイレリーフに相当している。

＊は非球面であることを示す。また、ｋ、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、Ａ１２は非球面係数である。非球面形状は光軸からの高さｈの位置での光軸方向の変位を面頂点を基準にしてｘとするとき
ｘ＝（ｈ^２／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）^２｝^１／２］＋Ａ４×ｈ^４＋Ａ６×ｈ^６＋Ａ８×ｈ^８＋Ａ１０×ｈ^１０
で表される。但しＲは近軸曲率半径である。
また、前述の各条件式と各数値データとの関係を表１に示す。

（数値データ１）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 17.00
2* -26.991 8.65 1.51630 64.1 28.50
3* -25.200 -8.65 反射面 34.60
4* -26.991 8.65 反射面 28.50
5* -25.200 1.50 34.60
像面 ∞

非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4= 4.67301e-005 A 6=-7.18079e-008

第3面
K = 0.00000e+000 A 4= 5.90011e-006 A 6= 1.17648e-008

第4面
K = 0.00000e+000 A 4= 4.67301e-005 A 6=-7.18079e-008

第5面
K = 0.00000e+000 A 4= 5.90011e-006 A 6= 1.17648e-008

焦点距離 15.38 15.38
Fナンバー 0.90 0.90
半画角（度） 35.00 35.00
全長 37.45 52.45
BF 1.50 1.50

d 1 10.00 25.00

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -69.45 21.79
前側主点位置 12.05 27.05
後側主点位置 -13.88 -13.88

レンズ群データ
群始面焦点距離レンズ構成長前側主点位置後側主点位置
SP 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
1 2 15.38 8.65 2.05 -13.88

（数値データ２）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 14.29
2* -17.204 7.48 1.51630 64.1 25.20
3* -19.975 -7.48 反射面 32.80
4* -17.204 7.48 反射面 25.20
5* -19.975 1.50 32.80
像面 ∞

非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4= 5.12806e-005 A 6=-2.77880e-007 A 8= 2.76157e-009 A10=-1.37466e-011

第3面
K = 0.00000e+000 A 4= 8.24285e-006 A 6=-2.92886e-008 A 8= 2.18298e-010 A10=-4.63176e-013

第4面
K = 0.00000e+000 A 4= 5.12806e-005 A 6=-2.77880e-007 A 8= 2.76157e-009 A10=-1.37466e-011

第5面
K = 0.00000e+000 A 4= 8.24285e-006 A 6=-2.92886e-008 A 8= 2.18298e-010 A10=-4.63176e-013

焦点距離 14.29 14.29
Fナンバー 0.84 0.84
半画角（度） 35.00 35.00
全長 33.93 48.93
BF 1.50 1.50

d 1 10.00 25.00
d 5 1.50 1.50

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -44.73 20.78
前側主点位置 9.87 24.87
後側主点位置 -12.79 -12.79

レンズ群データ
群始面焦点距離レンズ構成長前側主点位置後側主点位置
SP 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
1 2 14.29 7.48 -0.13 -12.79

（数値データ３）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 17.00
2* -23.006 9.00 1.51630 64.1 28.80
3* -25.946 -9.00 反射面 38.40
4* -23.006 9.00 反射面 28.80
5* -25.946 1.00 38.40
像面 ∞

非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4=-2.07671e-005 A 6= 2.31574e-007 A 8=-7.89664e-010 A10=-1.95707e-013

第3面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.71460e-006 A 6= 5.45462e-009 A 8= 1.47265e-011 A10=-6.18278e-014

第4面
K = 0.00000e+000 A 4=-2.07671e-005 A 6= 2.31574e-007 A 8=-7.89664e-010 A10=-1.95707e-013

第5面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.71460e-006 A 6= 5.45462e-009 A 8= 1.47265e-011 A10=-6.18278e-014

焦点距離 19.71 19.71
Fナンバー 1.16 1.16
半画角（度） 35.00 35.00
全長 41.00 56.00
BF 4.00 4.00

d 1 10.00 25.00

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -34.67 82.31
前側主点位置 9.66 24.66
後側主点位置 -15.71 -15.71

レンズ群データ
群始面焦点距離レンズ構成長前側主点位置後側主点位置
SP 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
1 2 19.71 9.00 -0.34 -15.71

（数値データ４）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 15.00
2* -18.644 6.00 1.51630 64.1 25.70
3* -19.789 -6.00 反射面 30.00
4* -18.644 6.00 反射面 25.70
5* -19.789 5.38 30.00
像面 ∞

非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.10663e-004 A 6= 1.58330e-006 A 8=-6.33282e-009 A10= 1.05962e-011

第3面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.78845e-005 A 6= 1.05079e-007 A 8=-2.00995e-010 A10= 9.28510e-013

第4面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.10663e-004 A 6= 1.58330e-006 A 8=-6.33282e-009 A10= 1.05962e-011

第5面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.78845e-005 A 6= 1.05079e-007 A 8=-2.00995e-010 A10= 9.28510e-013

焦点距離 16.07 16.07
Fナンバー 1.07 1.07
半画角（度） 30.00 30.00
全長 33.38 48.38
BF 5.38 5.38

d 1 10.00 25.00

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -35.70 35.02
前側主点位置 9.78 24.78
後側主点位置 -10.69 -10.69

レンズ群データ
群始面焦点距離レンズ構成長前側主点位置後側主点位置
SP 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
1 2 16.07 6.00 -0.22 -10.69

（数値データ５）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 17.00
2* -26.991 1.65 1.51630 64.1 28.50
3 -150.000 7.00 1.51630 64.1 34.60
4* -25.200 -7.00 反射面 34.60
5 -150.000 -1.65 1.51630 64.1 34.60
6* -26.991 1.65 反射面 28.50
7 -150.000 7.00 1.51630 64.1 34.60
8* -25.200 1.50 34.60
像面 ∞

非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4= 4.67301e-005 A 6=-7.18079e-008

第4面
K = 0.00000e+000 A 4= 5.90011e-006 A 6= 1.17648e-008

第6面
K = 0.00000e+000 A 4= 4.67301e-005 A 6=-7.18079e-008

第8面
K = 0.00000e+000 A 4= 5.90011e-006 A 6= 1.17648e-008

焦点距離 15.38 15.38
Fナンバー 0.90 0.90
半画角（度） 35.00 35.00
全長 37.45 52.45
BF 1.50 1.50

d 1 10.00 25.00

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -69.45 21.79
前側主点位置 12.05 27.05
後側主点位置 -13.88 -13.88

レンズ群データ
群始面焦点距離レンズ構成長前側主点位置後側主点位置
SP 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
1 2 15.38 8.65 2.05 -13.88

（参考例）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 17.52
2 -24.222 7.95 1.51630 64.1 28.00
3 -23.082 -7.95 反射面 34.60
4 -24.222 7.95 反射面 28.00
5 -23.082 1.50 34.60
像面 ∞

焦点距離 14.34 14.34
Fナンバー 0.84 0.84
半画角（度） 35.00 35.00
全長 35.34 50.34
BF 1.50 1.50

d 1 10.00 25.00

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -76.70 18.11
前側主点位置 11.71 26.71
後側主点位置 -12.84 -12.84

レンズ群データ
群始面焦点距離レンズ構成長前側主点位置後側主点位置
SP 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
1 2 14.34 7.95 1.71 -12.84

Ｒ１第１の半透過反射面Ｒ２第２の半透過反射面
ＳＰ絞りＧ光学素子ＩＤ画像表示面

Claims

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、
観察面側から画像表示面側へ順に、近軸曲率面が観察面側に凹面を向けた半透過反射面よりなる第１面と、近軸曲率面が観察面側に凹面を向けた半透過反射面よりなる第２面を含む光学素子を有し、
前記第１面と前記第２面は各々異なる非球面形状の非球面よりなり、
観察面側から画像表示面側へのサグ量を正として、前記第１面の最大有効径端における近軸曲率面のサグ量と非球面のサグ量の差分をｓａｇＲ１ａ、前記第２面の最大有効径端における近軸曲率面のサグ量と非球面のサグ量の差分をｓａｇＲ２ａとするとき、
ｓａｇＲ１ａ×ｓａｇＲ２ａ＞０
なる条件式を満足することを特徴とする観察光学系。
前記光学素子の焦点距離をｆとするとき、
０．００１＜｜ｓａｇＲ１ａ｜／ｆ＜０．２００
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
前記観察光学系は絞りを有し、前記光学素子の焦点距離をｆ、観察面における観察光学系の最大瞳径をＥＰＤとするとき、
０．５＜ｆ／ＥＰＤ＜２．０
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。
前記第１面と前記第２面の距離をｄ、前記光学素子の焦点距離をｆとするとき、
０．２＜ｄ／ｆ＜０．８
なる条件式を満足する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。
前記観察光学系は絞りを有し、前記第１面と前記第２面の距離をｄ、観察面における観察光学系の最大瞳径をＥＰＤとするとき、
０．１＜ｄ／ＥＰＤ＜０．７
なる条件式を満足する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。
前記観察光学系は絞りを有し、前記第１面の近軸曲率半径をＲ１ｒ、前記観察面における観察光学系の最大瞳径をＥＰＤとするとき、
０．５＜Ｒ１ｒ／ＥＰＤ＜２．０
なる条件式を満足する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。
前記第１面の近軸曲率半径をＲ１ｒ、前記第２面の近軸曲率半径をＲ２ｒとするとき、
０．６＜Ｒ１ｒ／Ｒ２ｒ＜１．５
なる条件式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。
前記観察光学系は、
１．０＜ｓａｇＲ１ａ／ｓａｇＲ２ａ＜５．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の観察光学系。
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。
前記第１面から前記画像表示面までの距離をＯＡＬ、前記光学素子の焦点距離をｆとするとき、
０．４＜ＯＡＬ／ｆ＜０．９
なる条件式を満足することを特徴とする請求項９に記載の観察装置。