JP2020030302A - 観察光学系及びそれを有する観察装置 - Google Patents

観察光学系及びそれを有する観察装置 Download PDF

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Abstract

【課題】広視野かつ高い光学性能を有しつつ全系が薄型に構成することが容易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、半透過反射の面よりなる第１面、画像表示面側が透過の面よりなる正の屈折力の第１レンズ、観察面側が半透過反射の第２面であり画像表示面側が透過の面よりなる第２レンズを有し、前記第１レンズと前記第２レンズは空気間隔を隔てて配置されており、前記画像表示面からの光束は順に、前記第２レンズを透過し、前記第１レンズに入射し、前記第１面で前記画像表示面側へ反射した後、第１レンズを透過し、前記第２レンズの第２面で観察面側へ反射し、前記第１レンズを透過した後に、観察面に入射することを特徴としている。【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。
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）。
特開平７−１２０６７９号公報
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。
ここで、特許文献１に開示されている各実施例は、共心光学系をベースとする構成のため光学系全系の屈折力（焦点距離の逆数）は主に２つの反射面にて分担する構成をとっている。また、各実施例において、正の屈折力を有する反射面は像面側（画像表示面側）に配置した半透過面のみであり、この反射面には強い屈折力を持つこととなる。このとき、正の屈折力の半透過面の曲率は強まることとなり、光学系の薄型化（ここでは、レンズ外径端と像面または画像表示面までの距離を厚さと定義する）は困難であった。特許文献１の実施例８および９では、観察面（瞳面）側に正レンズを配置する構成を開示しているが、その屈折力の分担は小さく正の屈折力の半透過面が主たる屈折力を分担する構成は同様である。
つまり、共心光学系をベースとする観察光学系では、光学系の厚みを薄型化することが大きな課題となっている。
本発明は、広視野かつ高い光学性能を有しつつ全系が薄型に構成することが容易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、半透過反射の面よりなる第１面、画像表示面側が透過の面よりなる正の屈折力の第１レンズ、観察面側が半透過反射の第２面であり画像表示面側が透過の面よりなる第２レンズを有し、前記第１レンズと前記第２レンズは空気間隔を隔てて配置されており、前記画像表示面からの光束は順に、前記第２レンズを透過し、前記第１レンズに入射し、前記第１面で前記画像表示面側へ反射した後、第１レンズを透過し、前記第２レンズの第２面で観察面側へ反射し、前記第１レンズを透過した後に、観察面に入射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全系が薄型に構成することが容易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Φ３．５ｍｍ、アイレリーフ１８ｍｍ） 実施例２のレンズ断面図 実施例２の縦収差図（瞳径Φ３．５ｍｍ、アイレリーフ１８ｍｍ） 実施例３のレンズ断面図 実施例３の縦収差図（瞳径Φ３．５ｍｍ、アイレリーフ１８ｍｍ） 実施例４のレンズ断面図 実施例４の縦収差図（瞳径Φ３．５ｍｍ、アイレリーフ１８ｍｍ） 実施例５のレンズ断面図 実施例５の縦収差図（瞳径Φ３．５ｍｍ、アイレリーフ１８ｍｍ） 偏光を利用した観察光学系の光路の説明図 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ための観察光学系である。観察面側から画像表示面側へ順に、半透過反射の面よりなる第１面、画像表示面側が透過の面よりなる正の屈折力の第１レンズ、観察面側が半透過反射の第２面であり画像素子面側が透過の面よりなる第２レンズを有している。第１レンズと第２レンズは空気間隔を隔てて配置されている。
画像表示面からの光束は順に、第２レンズを透過し、第１レンズに入射し、第１面で画像表示面側へ反射した後、第１レンズを透過し、第２レンズの第２面で観察面側へ反射し、第１レンズを透過した後に、観察面に入射する。
図１、図３、図５、図７、図９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４、図６、図８は本発明の実施例１乃至５の縦収差図（瞳径Φ３．５ｍｍ、アイレリーフ１８ｍｍ）である。また、図１１は本発明の観察光学系に偏光を利用した構成の説明図である。図１２は非球面形状の説明図である。
レンズ断面図において、ＳＰは絞り、（観察面）、（瞳面）である。ＩＤは画像表示面である。Ｇ１は第１レンズ、Ｇ２は第２レンズである。ＨＭ１は半透過反射面、ＨＭ２は半透過反射面である。Ｅは偏光板である。
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、観察面ＳＰ側が半透過反射の第１面ＨＭ１よりなる正の屈折力の第１レンズＧ１、空気間隔、観察面ＳＰ側が半透過反射の第２面ＨＭ２よりなる第２レンズＧ２を有する。画像表示面ＩＤは例えばＬＣＤの画像表示面が配置される。ここで観察面ＳＰは、観察者の瞳が位置する。観察面ＳＰには光量絞りが配置される場合もある。
各実施例のレンズ断面図において、アイレリーフは、光軸上におけるアイポイント（瞳位置）と最も観察面ＳＰ側のレンズ面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Φ（直径）３．５ｍｍ程度であるので、瞳径（ＥＰＤ）Φ３．５ｍｍとして、アイレイーフは代表的に１８ｍｍ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、観察面ＳＰ側から順に、観察面ＳＰ側に半透過反射面ＨＭ１を含む正の屈折力の第１レンズＧ１、空気間隔、観察面ＳＰ側に半透過反射面ＨＭ２を含む第２レンズＧ２を有する。
ここで、第１レンズＧ１の透過面は半透過反射面ＨＭ１と、半透過反射面ＨＭ２の間に配置している。これにより画像表示面ＩＤからの光束は第１レンズＧ１の内部を光束が３回通過する、所謂トリプルパス構成としている。この構成によれば、第１レンズＧ１の肉厚（レンズ厚）を増やすことなく、第１レンズＧ１の正の屈折力を分担する正の屈折力を強めることができる。このとき、正の屈折力を有する半透過反射面ＨＭ２の屈折力の分担を低減できるため、半透過反射面ＨＭ２のレンズ面の曲率を緩めることができ観察光学系の厚みを薄型化することができる。また、第１レンズＧ１と第２レンズＧ２の間に空気間隔を配置することで、レンズ面の形状の自由度を確保し、トリプルパス構成にて第１レンズＧ１の屈折力の分担を強めた場合に増加しやすい球面収差を良好に補正している。また、半透過面ＨＭ２は第２レンズＧ２の観察面ＳＰ側に配置し、第２レンズＧ２の内部を光束が１回通過する、所謂シングルパス構成としている。各実施例の観察光学系は、後述のように偏光を利用することで、光の利用効率を向上させている。ここで、偏光を利用する場合、光学材料の複屈折に起因して偏光状態が設計上の理想状態から変動する場合がある。この課題はとくに、光学系の軽量化を狙い、光学材料に樹脂材料を用いた場合に生じてくる。つまり、光学系全系において、光学材料中の光路長を短縮する構成をとることが好ましい。各実施例では、前述のように観察光学系の薄型化に寄与する第１レンズＧ１のみをトリプルパス構成で用いることにより、光学材料中の光路長を必要最小限に配置している。
以上の構成により、広視野かつ高い光学性能を有しつつ薄型化が容易な観察光学系を実現している。
各実施例をもとに、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。
第２面の曲率半径（非球面の場合は近軸曲率半径）をＲＨＭ２、観察光学系の焦点距離をｆとする。第１レンズＧ１の焦点距離をｆＧ１とする。第１レンズＧ１の観察面側のレンズ面の曲率半径（非球面の場合は近軸曲率半径）をＲＧ１ａ、第１レンズＧ１の画像表示面側のレンズ面の曲率半径（非球面の場合は近軸曲率半径）をＲＧ１ｂとする。第１レンズＧ１の中心肉厚ＤＧ１、第２レンズＧ２の中心肉厚ＤＧ２とする。
第１レンズＧ１の画像表示面ＩＤ側のレンズ面は非球面であり、観察面ＳＰ側から画像表示面ＩＤ側へのサグ量を正として、非球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ｓａｇＧ１ｂとする。
各実施例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、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（ガラスブロックは空気換算長）をＯＡＬとする。
ここで近軸曲率面のサグ量と非球面のサグ量の差分ｓａｇＧ１ｂは次のとおりである。非球面における近軸曲率面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）と定義する。各実施例に係る非球面の非球面量について図１２を用いて説明する。図１２（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１２（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１２（Ｂ）ではサグ量の差分Δの符号は正である。
この時、次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。
−５．０＜ＲＨＭ２／ｆ＜−１．０・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
２．０＜ｆＧ１／ｆ＜１０．０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
０．１＜（ＲＧ１ａ＋ＲＧ１ｂ）／（ＲＧ１ａ−ＲＧ１ｂ）＜５．０・・・（３）
０．１＜ＤＧ１／ＤＧ２＜３．０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
０．００１ ＜ ｓａｇＧ１ｂ／ｆ ＜ ０．２００ ・・・・・・・（５）
０．１＜ＤＧ１／ＯＡＬ＜０．５・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）
０．４＜ＯＡＬ／ｆ＜２．０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（７）
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）は半透過反射の第２面ＲＨＭ２の曲率半径と観察光学系の焦点距離の比を規定する。条件式（１）を満足することで、第２面ＲＨＭ２の曲率を緩める配置として、観察光学系の厚みを薄型化している。
条件式（１）の下限を超えると、第２面ＲＨＭ２の曲率半径が大きくなりすぎる。このとき、反射面利用時の正の屈折力が緩まりすぎるため、観察光学系が大型化してしまう、若しくは、広い視野角を確保することが困難となる。一方、上限を超えると、第２面ＲＨＭ２の曲率半径が小さくなりすぎ、観察光学系の厚みを薄型化するのが困難となる。
条件式（２）は正の屈折力の第１レンズＧ１の焦点距離と観察光学系の焦点距離の比を規定する。条件式（２）を満足することで、第１レンズＧ１の屈折力分担を最適化し、観察光学系の厚みを薄型化している。
条件式（２）の下限を超えると、第１レンズＧ１の焦点距離が観察光学系の焦点距離に比して短くなりすぎ、球面収差の補正が困難となる。一方、上限を超えると、第１レンズＧ１の焦点距離が観察光学系の焦点距離に比して長くなりすぎる。このとき、第２面ＲＨＭ２の屈折力分担が増大しすぎることにより、観察光学系の厚みが増大するのでよくない。
条件式（３）は第１レンズＧ１のレンズ形状因子を規定する。条件式（３）を満足することで、第１レンズＧ１に適切な屈折力を配置しつつ、中心肉厚が増大しすぎない構成としている。
条件式（３）の下限を超えると、第１レンズＧ１のレンズ形状が強い両凸形状となり、コバ厚を確保するため中心肉厚が増大してしまう。一方、上限を超えると、第１レンズＧ１のレンズ形状が観察面ＳＰ側に凹形状で、メニスカス形状となるとともに、所望の屈折力を確保するのが困難となる。このとき、第２面ＲＨＭ２の屈折力分担が増大しすぎることにより、観察光学系の厚みが増大するのでよくない。
条件式（４）は第１レンズＧ１の中心肉厚と第２レンズＧ２の中心肉厚の比を規定する。条件式（４）を満足することで、第１レンズＧ１の中心肉厚と第２レンズＧ２の中心肉厚を最適化し、観察光学系の高性能化を実現している。つまり、シングルパス構成で用いる第２レンズＧ２の中心肉厚に対して、トリプルパス構成で用いる第１レンズＧ１の肉厚を制限する配置をとることで、光学材料中の光路長を必要以上に増大させない構成としている。
条件式（４）の下限を超えると、第１レンズＧ１の中心肉厚が第２レンズＧ２の中心肉厚に比して小さくなりすぎる。このとき、観察光学系における光学材料中の光路長短縮の観点からは有利であるが、第１レンズＧ１に所望の屈折力を配置しつつ所定の長さのコバ厚を確保することが困難となる。つまり、第２面ＲＨＭ２の屈折力分担が増大しすぎることにより、観察光学系の厚みが増大してしまう。
一方、上限を超えると第１レンズＧ１の中心肉厚が第２レンズＧ２の中心肉厚に比して大きくなりすぎる。つまり、トリプルパス構成として用いる第１レンズＧ１の中心肉厚が増大することにより、観察光学系における光学材料中の光路長が大幅に増大してしまう。このとき、後述のように偏光を利用する構成をとる場合、光学材料の複屈折に起因して偏光状態が設計理想状態から変動してしまうのでよくない。
条件式（５）は正の屈折力の第１レンズＧ１の画像表示面ＩＤ側のレンズ面における非球面形状をサグ量として規定する。第１レンズＧ１の画像表示面ＩＤ側のレンズ面の非球面サグ量を最適化することで、とくに球面収差を良好に補正している。前述のように、第１レンズＧ１はトリプルパス構成で用いるため、第１レンズＧ１を非球面として配置することは、観察光学系の収差補正の観点から有利な構成であり、観察光学系をより高性能化することが容易となる。また、条件式（５）を満足することにより、第１レンズＧ１のレンズコバ厚を所定量確保するのに有利な構成となり、第１レンズＧ１の中心肉厚を薄型化することが容易となる。
条件式（５）の下限を超えると、第１レンズＧ１の画像表示面ＩＤ側のレンズ面の非球面サグ量が小さくなりすぎ、略球面形状となることで球面収差の補正が困難となるとともに、レンズコバ厚の確保のためレンズ中心肉厚が増大してしまう。一方、上限を超えると、第１レンズＧ１の画像表示面ＩＤ側のレンズ面の非球面サグ量が大きくなりすぎる。このとき、球面収差が補正過剰となるのでよくない。
条件式（６）は第１レンズＧ１の中心肉厚と観察光学系のレンズ全長（瞳面を除く観察光学系の第１面の光軸上面の頂点から画像表示面ＩＤまでの距離、ガラスブロックは空気換算長）の比を規定する。条件式（６）を満足することで、第１レンズＧ１の中心肉厚を最適化し、光学系の薄型化と高い光学性能を得ている。
条件式（６）の下限を超えると、第１レンズＧ１の中心肉厚が小さくなりすぎる。このとき、第１レンズＧ１に所望の屈折力を配置しつつ十分なコバ厚を確保することが困難となり、第２面ＲＨＭ２の屈折力分担が増大しすぎることにより、観察光学系の厚みが増大してしまう。一方、上限を超えると第１レンズＧ１の中心肉厚が大きくなりすぎる。ここで、第１レンズＧ１はトリプルパス構成で用いるため、第１レンズＧ１の光学材料中の光路長が増大しすぎることとなる。このとき、後述のように偏光を利用する構成をとる場合、光学材料の複屈折に起因して偏光状態が設計理想状態から変動してしまうのでよくない。
条件式（７）はレンズ全長と観察光学系の焦点距離の比を規定する。条件式（７）を満足することで観察光学系の小型化を実現している。
条件式（７）の下限を超えると、観察光学系の焦点距離に比してレンズ全長が短くなりすぎる。このとき、球面収差と像面湾曲の補正が困難となる。一方、上限を超えると、レンズ全長が大型化するのでよくない。
より好ましくは条件式（１）乃至（７）の数値範囲を以下の範囲とするのがよい。
−４．０＜ＲＨＭ２／ｆ＜−１．５・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１ａ）
３．０＜ｆＧ１／ｆ＜９．０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２ａ）
０．５＜（ＲＧ１ａ＋ＲＧ１ｂ）／（ＲＧ１ａ−ＲＧ１ｂ）＜３．５・・・（３ａ）
０．３＜ＤＧ１／ＤＧ２＜２．０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４ａ）
０．０１＜ｓａｇＧ１ｂ／ｆ＜０．１・・・・・・・・・・・・・・・・・（５ａ）
０．１５＜ＤＧ１／ＯＡＬ＜０．４・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６ａ）
０．６＜ＯＡＬ／ｆ＜１．５・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（７ａ）
更に好ましくは条件式（１ａ）乃至（７ａ）の数値範囲を以下の範囲とするのがよい。
−３．５＜ＲＨＭ２／ｆ＜−２．０・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１ｂ）
４．０＜ｆＧ１／ｆ＜８．０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２ｂ）
１．０≦（ＲＧ１ａ＋ＲＧ１ｂ）／（ＲＧ１ａ−ＲＧ１ｂ）＜２．５・・・（３ｂ）
０．５＜ＤＧ１／ＤＧ２＜１．８・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４ｂ）
０．０２＜ｓａｇＧ１ｂ／ｆ＜０．０６・・・・・・・・・・・・・・・・（５ｂ）
０．２＜ＤＧ１／ＯＡＬ＜０．３・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６ｂ）
０．８＜ＯＡＬ／ｆ＜１．０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（７ｂ）
また、各実施例のうち実施例１乃至４において、第１面ＨＭ１は平面として配置している。
後述のように、好ましくは第１面ＨＭ１として偏光選択性半透過反射素子を用いるのがよい。偏光選択性半透過反射素子としては、例えば、旭化成株式会社製、商品名「ＷＧＦ」がある。このようなフイルム状の偏光素子は曲面への適用も可能であるが、平面として配置することで、フイルム湾曲時の応力による軸方位ズレや面形状変化、外観不良などのリスクを低減することができる。
また、各実施例１乃至５において下記構成をとることで、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の光路を図１と図１１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ＨＭ１は、観察面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を配置することで、半透過反射の第１面ＨＭ１を構成する。また、図１の第２面ＨＭ２はハーフミラー：Ｃを配置することで、半透過反射の第２面ＨＭ２を構成する。また、画像表示面ＩＤ側に配置した平行平板には第２の４分の１波長板：Ｄ、偏光板：Ｅを配置する。
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。
つぎに、偏光利用構成における光路選択、並びに作用について図１１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ＨＭ２を透過し、第１面ＨＭ１で反射し、第２面ＨＭ２で反射し、第１面ＨＭ１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Ａ、Ｂを第１レンズＧ１の瞳面側の面上に一体構成した例を示したが、レンズ面とは独立した位置に、例えば平板形状として別体として配置してもよい。
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（全観察画角）５０度の観察光学系である。
実施例１は観察面ＳＰ側から順に、観察面ＳＰ側に半透過反射の第１面ＨＭ１を配置した平凸形状の正の屈折力の第１レンズＧ１を有する。更に、観察面ＳＰ側に半透過反射の第２面ＨＭ２を配置した観察面ＳＰ側が凹形状でメニスカス形状の正の屈折力の第２レンズＧ２を配置している。また、第１レンズＧ１の画像表示面ＩＤ側を非球面として、とくに球面収差を良好に補正している。また、第２レンズＧ２の画像表示面ＩＤ面側を非球面として、とくに像面湾曲を良好に補正している。
ここで、第１レンズＧ１をトリプルパス構成とし、第２面ＨＭ２の曲率を緩める屈折力配置をとることで、観察光学系の薄型化を実現している。
以上の構成をとることで、広視野かつ高い光学性能を有しつつ薄型の構成が容易な観察光学系を実現している。
以下、図３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、全画角を７０度まで広視野角化し、各レンズ形状と面間隔を変更したことが異なる。
実施例２は観察面ＳＰ側から順に、観察面ＳＰ側に半透過反射の第１面ＨＭ１を配置した平凸形状の正の屈折力の第１レンズＧ１、観察面ＳＰ側に半透過反射の第２面ＨＭ２を配置した両凹形状の負の屈折力の第２レンズＧ２を配置している。
以下、図５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は、全画角６０度の観察光学系である。
実施例３は観察面ＳＰ側から順に、観察面ＳＰ側に半透過反射の第１面ＨＭ１を配置した平凸形状の正の屈折力の第１レンズＧ１を有する。更に、観察面ＳＰ側に半透過反射の第２面ＨＭ２を配置した両凹形状の負の屈折力の第２レンズＧ２、平凸形状の正の屈折力の第３レンズＧ３を配置している。第３レンズＧ３にて観察光学系全系の正の屈折力を分担し、第２面ＨＭ２の曲率を緩めつつ、第２レンズＧ２を負の屈折力のレンズとして配置することで、色収差を良好に補正している。
以下、図７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３と同じである。実施例４は実施例３と比較して、全画角を７０度まで広視野角化し、各レンズ形状と面間隔を変更したことが異なる。
実施例４は観察面ＳＰ側から順に、観察面ＳＰ側に半透過反射の第１面ＨＭ１を配置した平凸形状の正の屈折力の第１レンズＧ１を有する。更に、観察面ＳＰ側に半透過反射の第２面ＨＭ２を配置した瞳面側に凹形状でメニスカス形状の負の屈折力の第２レンズＧ２、平凸形状の正の屈折力の第３レンズＧ３を配置している。
以下、図９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は、全画角７０度の観察光学系である。
実施例５は観察面ＳＰ側から順に、観察面ＳＰ側に半透過反射の第１面ＨＭ１を配置した瞳面側が凹形状でメニスカス形状の正の屈折力の第１レンズＧ１を有する。更に、観察面ＳＰ側に半透過反射の第２面ＨＭ２を配置した瞳面側が凹形状でメニスカス形状の負の屈折力の第２レンズＧ２を配置している。更に、第２レンズＧ２の画像表示面ＩＤ側に平凸形状の正の屈折力の第３レンズＧ３を配置している。ここで、第１面ＨＭ１に観察面ＳＰ側に凹形状の曲率を持たせる構成とすることで、第１面ＨＭ１を反射面として利用する際、負の屈折力を持つことになる。これによれば、球面収差の補正効果を得るとともに、第２面ＨＭ２で反射時に発生する大きな負のペッツバール項を補償し、観察光学系全系の像面湾曲を良好に補正している。
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。ＥＰＤは瞳の径である。レンズ全長は、観察面側のレンズ面（ｒ２）から画像表示面ＩＤ側のレンズ面までの距離に空気換算でのバックフォーカスＢＦを加えた値である。
例えば、数値データ１では空気換算でのバックフォーカスは２．１６であるからレンズ全長は
２．６４＋３．６５＋４．００＋２．１６（ＢＦ）＝１２．４５
となる。
レンズ群データにおいて第１群は絞り（ｒ１）であり、第２群が観察光学系に相当している。
＊は非球面であることを示す。また、ｋ、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、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＝（ｈ２／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）２｝１／２］＋Ａ４×ｈ４＋Ａ６×ｈ６＋Ａ８×ｈ８＋Ａ１０×ｈ１０
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 vd 有効径
1(絞り) ∞ 18.00 3.50
2 ∞ 2.64 1.53110 55.9 26.00
3* -46.149 3.65 26.00
4 -47.347 -3.65 反射面 27.50
5* -46.149 -2.64 1.53110 55.9 26.00
6 ∞ 2.64 反射面 26.00
7* -46.149 3.65 26.00
8 -47.347 4.00 1.53110 55.9 27.50
9* -18.057 0.50 27.50
10 ∞ 1.00 1.51680 64.2 25.00
11 ∞ 1.00 25.00
像面 ∞

非球面データ
第3面
K = 0.00000e+000 A 4= 8.56541e-006 A 6= 4.20185e-008 A 8=-2.58046e-010 A10= 1.05604e-012

第5面
K = 0.00000e+000 A 4= 8.56541e-006 A 6= 4.20185e-008 A 8=-2.58046e-010 A10= 1.05604e-012

第7面
K = 0.00000e+000 A 4= 8.56541e-006 A 6= 4.20185e-008 A 8=-2.58046e-010 A10= 1.05604e-012

第9面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.25088e-004 A 6=-9.66087e-007 A 8= 3.48388e-009 A10=-2.46357e-012

各種データ

焦点距離 14.69
EPD（瞳径） 3.50
半画角（度） 25.00
レンズ全長 12.45
(in Air)
BF 2.16
(in Air)

入射瞳位置 0.00
射出瞳位置 16.35
前側主点位置 28.76
後側主点位置 -13.69

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
1 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
2 2 14.69 11.79 10.76 -13.69

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
G1 1 86.89
G2 8 52.47

（数値データ２）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd vd 有効径
1(絞り) ∞ 18.00 3.50
2 ∞ 4.00 1.53110 55.9 32.50
3* -41.601 2.18 32.50
4 -50.434 -2.18 反射面 33.50
5* -41.601 -4.00 1.53110 55.9 32.50
6 ∞ 4.00 反射面 32.50
7* -41.601 2.18 32.50
8 -50.434 5.00 1.53110 55.9 33.50
9* 46.037 1.06 28.00
10 ∞ 1.00 1.51680 64.2 30.00
11 ∞ 1.00 30.00
像面 ∞

非球面データ
第3面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.94709e-006 A 6= 7.31640e-008 A 8=-2.64352e-010 A10= 4.43224e-013

第5面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.94709e-006 A 6= 7.31640e-008 A 8=-2.64352e-010 A10= 4.43224e-013

第7面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.94709e-006 A 6= 7.31640e-008 A 8=-2.64352e-010 A10= 4.43224e-013

第9面
K = 0.00000e+000 A 4=-3.95815e-004 A 6= 2.77171e-006 A 8=-9.95674e-009 A10= 1.41139e-011

各種データ

焦点距離 15.85
EPD（瞳径） 3.50
半画角（度） 35.00
レンズ全長 13.90
(in Air)
BF 2.72
(in Air)

入射瞳位置 0.00
射出瞳位置 55.39
前側主点位置 20.46
後側主点位置 -14.85

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
1 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
2 2 15.85 13.24 2.46 -14.85

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
G1 1 78.33
G2 8 -44.52

（数値データ３）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd vd 有効径
1(絞り) ∞ 18.00 3.50
2 ∞ 3.00 1.53110 55.9 27.00
3* -38.483 1.87 27.00
4 -38.005 -1.87 反射面 27.50
5* -38.483 -3.00 1.53110 55.9 27.00
6 ∞ 3.00 反射面 27.00
7* -38.483 1.87 27.00
8 -38.005 1.83 1.63550 23.9 27.50
9* 99.896 1.00 23.30
10 ∞ 3.00 1.48749 70.2 20.60
11 -30.050 1.00 19.60
像面 ∞

非球面データ
第3面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.14783e-005 A 6= 8.12048e-008 A 8=-3.42503e-010 A10= 1.00372e-012

第5面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.14783e-005 A 6= 8.12048e-008 A 8=-3.42503e-010 A10= 1.00372e-012

第7面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.14783e-005 A 6= 8.12048e-008 A 8=-3.42503e-010 A10= 1.00372e-012

第9面
K = 0.00000e+000 A 4=-2.17485e-004 A 6= 1.14074e-006 A 8=-3.03928e-009 A10= 2.89322e-012

各種データ

焦点距離 12.96
EPD（瞳径） 3.50
半画角（度） 30.00
レンズ全長 11.70
(in Air)
BF 1.00
(in Air)

入射瞳位置 0.00
射出瞳位置 17.56
前側主点位置 23.10
後側主点位置 -11.96

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
1 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
2 2 12.96 10.70 5.10 -11.96

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
G1 1 72.46
G2 8 -43.10
G3 10 61.64

（数値データ４）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd vd 有効径
1(絞り) ∞ 18.00 3.50
2 ∞ 3.00 1.53110 55.9 32.00
3* -56.776 2.50 32.00
4 -43.078 -2.50 反射面 33.00
5* -56.776 -3.00 1.53110 55.9 32.00
6 ∞ 3.00 反射面 32.00
7* -56.776 2.50 32.00
8 -43.078 3.00 1.63550 23.9 33.00
9* -62.352 1.13 27.90
10 ∞ 4.00 1.51633 64.1 25.80
11 -31.372 1.00 25.20
像面 ∞

非球面データ
第3面
K = 0.00000e+000 A 4= 6.85461e-007 A 6= 3.53596e-008 A 8=-1.07426e-010 A10= 2.19948e-013

第5面
K = 0.00000e+000 A 4= 6.85461e-007 A 6= 3.53596e-008 A 8=-1.07426e-010 A10= 2.19948e-013

第7面
K = 0.00000e+000 A 4= 6.85461e-007 A 6= 3.53596e-008 A 8=-1.07426e-010 A10= 2.19948e-013

第9面
K = 0.00000e+000 A 4= 7.54434e-005 A 6=-9.46153e-007 A 8= 4.33138e-009 A10=-7.15247e-012

各種データ

焦点距離 15.12
EPD（瞳径） 3.50
半画角（度） 35.00
レンズ全長 14.63
(in Air)
BF 1.00
(in Air)

入射瞳位置 0.00
射出瞳位置 20.75
前側主点位置 26.71
後側主点位置 -14.12

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
1 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
2 2 15.12 13.63 8.71 -14.12

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
G1 1 106.90
G2 8 -233.40
G3 10 60.76

（数値データ５）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd vd 有効径
1(絞り) ∞ 18.00 3.50
2 -90.909 4.00 1.48749 70.2 32.00
3 -35.422 1.50 32.00
4* -31.957 -1.50 反射面 33.00
5 -35.422 -4.00 1.48749 70.2 32.00
6 -90.909 4.00 反射面 32.00
7 -35.422 1.50 32.00
8* -31.957 2.62 1.63550 23.9 33.00
9* -41.393 1.00 28.00
10 ∞ 4.00 1.51633 64.1 25.40
11 -30.563 1.00 24.80
像面 ∞

非球面データ
第4面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.25436e-006 A 6= 2.13936e-008 A 8=-7.97923e-011 A10= 2.57813e-013

第8面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.25436e-006 A 6= 2.13936e-008 A 8=-7.97923e-011 A10= 2.57813e-013

第9面
K = 0.00000e+000 A 4= 8.53555e-005 A 6=-9.90936e-007 A 8= 4.17264e-009 A10=-6.36954e-012

各種データ

焦点距離 15.06
EPD（瞳径） 3.50
半画角（度） 35.00
レンズ全長 14.12
(in Air)
BF 1.00
(in Air)

入射瞳位置 0.00
射出瞳位置 22.95
前側主点位置 25.38
後側主点位置 -14.06

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
1 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
2 2 15.06 13.12 7.38 -14.06

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
G1 1 116.30
G2 8 -247.29
G3 10 59.19
ＨＭ１ 半透過反射面
ＨＭ２ 半透過反射面
Ｇ１ 第１レンズ
Ｇ２ 第２レンズ
ＳＰ 観察面
ＩＤ 画像表示面

Claims (12)

  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、観察面側から画像表示面側へ順に、半透過反射の面よりなる第１面、画像表示面側が透過の面よりなる正の屈折力の第１レンズ、観察面側が半透過反射の第２面であり画像表示面側が透過の面よりなる第２レンズを有し、前記第１レンズと前記第２レンズは空気間隔を隔てて配置されており、前記画像表示面からの光束は順に、前記第２レンズを透過し、前記第１レンズに入射し、前記第１面で前記画像表示面側へ反射した後、第１レンズを透過し、前記第２レンズの第２面で観察面側へ反射し、前記第１レンズを透過した後に、観察面に入射することを特徴とする観察光学系。
  2. 前記第２面の曲率半径をＲＨＭ２、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
    −５．０＜ＲＨＭ２／ｆ＜−１．０
    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。
  3. 前記第１レンズの焦点距離をｆＧ１、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
    ２．０＜Ｇ１／ｆ＜１０．０
    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。
  4. 前記第１レンズの観察面側のレンズ面の曲率半径をＲＧ１ａ、前記第１レンズの画像表示面側のレンズ面の曲率半径をＲＧ１ｂとするとき、
    ０．１＜（ＲＧ１ａ＋ＲＧ１ｂ）／（ＲＧ１ａ−ＲＧ１ｂ）＜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３のいずれか１項に記載の観察光学系。
  5. 前記第１レンズの中心肉厚をＤＧ１、前記第２レンズの中心肉厚をＤＧ２とするとき、
    ０．１＜ＤＧ１／ＤＧ２＜３．０
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の観察光学系。
  6. 前記第１面は前記第１レンズの観察面側の面であ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。
  7. 前記第１面は平面であ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レンズの画像表示面側のレンズ面は非球面であり、観察面側から画像表示面側へのサグ量を正として、前記非球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ｓａｇＧ１ｂ、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
    ０．００１＜ｓａｇＧ１ｂ／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乃至７のいずれか１項に記載の観察光学系。
  9. 前記第２レンズの画像表示面側に正の屈折力の第３レンズを有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の観察光学系。
  10. 請求項１乃至９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。
  11. 前記第１面から前記画像表示面までの距離（ガラスブロックは空気換算長）をＯＡＬ、前記第１レンズの中心肉厚をＤＧ１とするとき、
    ０．１＜ＤＧ１／ＯＡＬ＜０．５
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１０に記載の観察装置。
  12. 前記第１面から前記画像表示面までの距離（（ガラスブロックは空気換算長）をＯＡＬ、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
    ０．４＜ＯＡＬ／ｆ＜２．０
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の観察装置。
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