JP4727034B2 - 観察光学系および撮像光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察光学系及び撮像光学系に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することができ、又は、携帯電話や携帯情報端末に付加することができる画像表示装置及びカメラなどの撮像装置に用いる光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、個人が大画面の画像を楽しむことを目的として、画像表示装置、特に、頭部や顔面に装着するタイプの画像表示装置の開発が盛んになされている。また、近年、携帯電話や携帯情報端末の普及に伴い、携帯電話や携帯情報端末の画像や文字データを大画面で見たいというニーズが高まっている。
【０００３】
そのような装置の一部に利用可能な導光装置としては、従来、ホログラムを用いた導光装置が、特開平５−２２４０１８号公報で提案されている。また、ホログラムを用いた画像表示装置が、特開平６−２５００２２号や特開平８−１１３０５９号公報、米国特許第４７１１５１２号公報で提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平５−２２４０１８号公報に記載の導光装置の場合、１枚のＨＯＥ素子でもって、入射領域、又は入射領域及び射出領域において、夫々１回づつのみしか回折させていないため、ＨＯＥ素子１枚あたりの回折角が大きくなる。そのためには、ＨＯＥ中の縞のピッチを細かくする必要が生じ、露光の際の許容振動幅が小さくなり、露光光学系の位置精度が厳しくなり、ＨＯＥ露光用感光材料に許容される露光可能最大周波数がより高いものが必要となるため、製造が困難である。
【０００５】
また、特開平６−２５００２２号公報に記載の画像表示装置の場合、１枚のＨＯＥ素子でもって、入射領域及び射出領域において、夫々１回づつのみしか回折させていないため、ＨＯＥ素子１枚あたりの回折角が大きくなり、製造が困難である。
しかも、上記画像表示装置の光学系は、非共軸光学系のため偏心収差が発生するが、この発生した偏心収差を枚数の少ないＨＯＥ面のみで補正することは困難である。
また、全反射回数が２回程度と少ないので、導光板を薄型に保ったまま導光板の長さ方向に長い距離をとって導光させるためには、導光板の厚みを厚くしなければならない。
さらに、上記画像表示装置の光学系は、リレー光学系を構成していない、即ち、光学系中で中間結像させないため、より小さな画像表示素子を用いて構成した場合には、広い観察画角を得ることができない。
【０００６】
また、特開平８−１１３０５９号公報や米国特許第４７１１５１２号公報の画像表示装置の場合、入射領域及び射出領域に夫々１枚ずつのＨＯＥ素子を配置しているが、入射領域および射出領域において夫々１回ずつのみしかＨＯＥ素子で回折させていないため、ＨＯＥ素子１枚あたりの回折角を大きくする必要が生じ、製造が困難である。
しかも、光学系が非共軸光学系のため偏芯収差が発生するが、この発生した偏心収差を少ないＨＯＥ面のみで補正することは困難である。
さらに、米国特許第４７１１５１２号公報では、全反射を６回させているが、この程度の全反射回数では、導光板を薄型に保ったままで、導光板の長さ方向に長い距離をとって導光させるためには、導光板の厚みを厚くしなければならない。
さらにまた、上記画像表示装置も、リレー光学系でないため、より小さな画像表示素子を用いて構成した場合には、広い観察画角を得ることができない。
【０００７】
そこで、本発明は、携帯電話や携帯情報端末、及び頭部装着型の虚像観察装置に用いることができる程度に小型で、軽量、かつ明るく、さらに高解像度を有し、且つ、製造が容易な観察光学系又は撮像光学系を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明による観察光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ観察光学系において、前記像面に観察者が観察する画像を表示する画像表示素子を配置し、前記瞳面に観察者の眼球が位置するように射出瞳を形成し、前記画像表示素子から射出された光束が、前記プリズムを経由した後に、前記導光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記回折素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら前記導光板の第２の領域へと向かい、前記第２の領域において前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記射出瞳とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し前記導光板から射出して前記射出瞳に導かれるように構成したことを特徴とする。
また、本発明による観察光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ観察光学系において、前記像面に観察者が観察する画像を表示する画像表示素子を配置し、前記瞳面に観察者の眼球が位置するように射出瞳を形成し、前記画像表示素子から射出された光束が、前記プリズムを経由した後に、前記導光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら前記導光板の第２の領域へと向かい、前記第２の領域において前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記射出瞳とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し前記導光板から射出して前記射出瞳に導かれるように構成したことを特徴とする。
また、本発明による観察光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ観察光学系において、前記像面に観察者が観察する画像を表示する画像表示素子を配置し、前記瞳面に観察者の眼球が位置するように射出瞳を形成し、前記画像表示素子から射出された光束が、前記プリズムを経由した後に、前記導光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら前記導光板の第２の領域へと向かい、前記第２の領域において前記導光板の前記射出瞳とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過されて、前記導光板から射出して前記射出瞳に導かれるように構成したことを特徴とする。
また、本発明による観察光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ観察光学系において、前記像面に観察者が観察する画像を表示する画像表示素子を配置し、前記瞳面に観察者の眼球が位置するように射出瞳を形成し、前記画像表示素子から射出された光束が、前記プリズムを経由した後に、前記導光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記回折素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら前記導光板の第２の領域へと向かい、前記第２の領域において前記導光板の前記射出瞳とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過されて、前記導光板から射出して前記射出瞳に導かれるように構成したことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による撮像光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ撮像光学系において、前記像面に物体像を撮像する撮像素子を配置し、前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りを配置し、前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板の第２の領域に入射し、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し、前記導光板の前記物体とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら第１の領域へと向かい、前記第１の領域において前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記プリズム側に設けられた前記回折素子を透過して前記導光板から射出し、前記プリズムを経由して前記撮像素子に導かれるように構成したことを特徴とする。
また、本発明による撮像光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ撮像光学系において、前記像面に物体像を撮像する撮像素子を配置し、前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りを配置し、前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板の第２の領域に入射し、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子で透過され、前記導光板の前記物体とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら第１の領域へと向かい、前記第１の領域において前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過されて、前記導光板から射出し、前記プリズムを経由して前記撮像素子に導かれるように構成したことを特徴とする。
また、本発明による撮像光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ撮像光学系において、前記像面に物体像を撮像する撮像素子を配置し、前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りを配置し、前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板の第２の領域に入射し、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子を回折透過し、前記導光板の前記物体とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら第１の領域へと向かい、前記第１の領域において前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過されて、前記導光板から射出し、前記プリズムを経由して前記撮像素子に導かれるように構成したことを特徴とする。
また、本発明による撮像光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ撮像光学系において、前記像面に物体像を撮像する撮像素子を配置し、前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りを配置し、前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板の第２の領域に入射し、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過され、前記導光板の前記物体とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら第１の領域へと向かい、前記第１の領域において前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記プリズム側に設けられた前記回折素子を透過して前記導光板から射出し、前記プリズムを経由して前記撮像素子に導かれるように構成したことを特徴とする。
【００１１】
本発明の基本原理について図を用いて説明する。
図１は本発明による光学系の概念図、図２は本発明による光学系を構成する導光板に入射する光の反射状態を示す原理説明図、図３は図１の構成において軸上光線が導光板内部で中間結像される状態を説明するための概念図である。なお、説明の便宜上、図の右側から光線追跡をすることとする。
【００１２】
本発明の光学系は、図１に示すように、瞳面１と像面５との間に導光板３と偏心プリズム４を有している。
導光板３は、図２に示すように、基盤ガラスの入射領域の両面に回折素子として第１のＨＯＥ（体積型ホログラフィック素子）、第２のＨＯＥを夫々設けると共に、射出領域の両面に回折素子として第３のＨＯＥ、第４のＨＯＥを夫々設けて構成されている。なお、基盤としては透明ガラスの代わりに透明プラスチックを用いてもよい。
【００１３】
ここで、導光板に設けられた第２ＨＯＥに対し臨界角以下の入射角度でもって入射する所定波長の軸上光線の導光板内での反射状態について、第２ＨＯＥに対し垂直に入射する光を用いて説明する。
第２ＨＯＥに垂直に入射した光は、そのまま第２ＨＯＥを透過して、第１ＨＯＥに入射する。第１ＨＯＥは、この入射位置Ｑ１においてこの第１の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。第１ＨＯＥで回折反射された光は第２の入射角度でもって第２ＨＯＥに入射する。第２ＨＯＥは、この入射位置Ｑ２において第２の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。
【００１４】
第２ＨＯＥで回折反射された光は導光板に対して臨界角を超えた第３の入射角度でもって、第１ＨＯＥに入射する。第１ＨＯＥは、この入射位置Ｑ３において臨界角を超えた第３の入射角度でもって入射した光を全反射する。全反射された光は、同様に臨界角を超えた第３の入射角度でもって、第２ＨＯＥに入射する。第２ＨＯＥは、この入射位置Ｑ４において臨界角を超えた第３の入射角度でもって入射した光を全反射する。全反射された光は、以下、両側のガラス又はプラスチックでできた基盤面及び基盤面に設けられたＨＯＥで同様の全反射を繰り返して射出領域に設けられた第４ＨＯＥの所定位置へと導かれる。
【００１５】
第４ＨＯＥは、所定位置Ｑｍにおいて臨界角を超えた第３の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。第４ＨＯＥで回折反射された光は導光板に対して第４の入射角度でもって、第３ＨＯＥに入射する。第３ＨＯＥはこの入射位置Ｑｎにおいて第４の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。第３ＨＯＥで回折反射された光は導光板に対して臨界角以下の第５の入射角度でもって（図２においては垂直、即ち、０度の入射角でもって）第４ＨＯＥに入射し、そのまま第４ＨＯＥを透過して導光板を射出する。
【００１６】
このように、導光板の入射領域において別個のＨＯＥで２回回折させると共に、射出領域においても別個のＨＯＥを介して２回回折させれば、１回あたりの回折角度が大きくならずに済む。
【００１７】
一般に回折角度の大きな回折光学素子は、素子内部に有する格子構造のピッチが細かくなり製造が困難となることが知られている。
本発明の光学系では、上述のように、導光板の入射領域および射出領域に夫々複数枚以上のＨＯＥ素子を配置したので、ＨＯＥ素子の１回あたりの回折角度が大きくならないように抑えることができ、ＨＯＥ中の干渉縞のピッチを大きくすることができる。また、露光の際の許容振動幅が軽減され、露光光学系の位置精度も緩和される。更に、ＨＯＥ露光用感光材料に要求される露光可能最大周波数がより低いもので可能となる。
【００１８】
なお、図２に示すような導光板は、小型化のために回転非対称な光学作用面が配置され、光軸が折れ曲がっている偏心光学系として構成されており、特に導光板に光を入射させた後に全反射させて所定位置まで導いて射出させるために回転非対称な光学的作用を有するＨＯＥ素子を配置しているため、このままでは、大きな偏心収差が発生してしまう。そこで、本発明では、図１に示すように、導光板の外部に少なくとも１面に自由曲面を有する偏心プリズムを配置して、導光板を介して生じる偏心収差を補正することができるようにしている。
【００１９】
また、本発明の光学系のように、導光板内部での全反射回数が１０回以上となるように構成すれば、導光板の厚さを薄型に保ち且つ長い距離を導光させることができる。
更に、導光板内における全反射回数が２０回以上となるように構成すればより好ましく、３０回以上となるように構成すればより一層好ましい。
【００２０】
また、本発明の光学系は、入射光束が導光板内部で中間像を結像するリレー光学系として構成されているのが好ましい。
図３は、本発明のリレー光学系の概念を簡略化して示したものである。図３においては、説明の便宜上、１枚の導光板を入射領域の導光板と射出領域の導光板とが分かれているものとして示すとともに、光線の全反射を省略している。また、右上側の導光板に軸上光束が入射するものとして説明する。
導光板の入射領域に入射した射出瞳からの軸上光束は、導光板の入射領域両側に設けられたＨＯＥを介して２回回折反射された後にその途中で中間結像位置で一旦結像し、導光板の射出領域に入射し、導光板の射出領域両側に設けられたＨＯＥを介して２回回折反射されて導光板の射出領域より射出し、偏心プリズムに入射する。
【００２１】
このように、本発明の光学系を、入射光束が導光板の入射領域から射出領域に至るまでの間で中間結像するリレー光学系として構成すれば、接眼側の光学系で発生する収差をリレー光学系の中間結像位置より像側の光学系で補正することができ、しかも、リレー光学系により小さな画像表示素子を中間結像面に大きく投影することで、見かけ上大きな画像表示素子を接眼光学系に用いたものと光学的に等価になる。これにより小さな画像表示素子を用いても広い観察画角を得ることができる。
一方、上記従来の光学系のように、リレー光学系を構成しないで接眼光学系だけで画像表示装置を構成しようとすると、広い観察画角を達成するためには、接眼光学系側のパワーを強くする、即ち、焦点距離を短くして倍率を上げる必要があるが、接眼光学系のパワーを強くしすぎると収差が悪くなる。
従って、本発明の光学系は、リレー光学系方式で構成するのが、これらの諸問題を防ぐために有用である。なお、中間像を結像することができれば、リレー光学系を構成するための光学要素は、プリズム、レンズなどどのようなものであってもよい。
【００２２】
このように、図１に示す本発明の光学系は、導光板３内部に入射した光束が、入射領域で少なくとも２回回折反射された後に全反射を繰り返して導光板内部の中間結像位置で結像した後、全反射を繰り返しながら射出領域に導かれ、射出領域で少なくとも２回回折反射されて射出領域から射出して、自由曲面プリズム４に第１面４1より入射し、第２面４2、第３面４3で反射されて、第４面４4より射出した後、像面位置で結像するように構成されている。
【００２３】
また、本発明の光学系は、瞳径をＰＤ（Ｐｕｐｉｌ Ｄｉａｍａｔｅｒ）、アイリリーフをＥＲ（Ｅｙｅ Ｒｅｌｉｅｆ）とした時、次の条件式(1)を満足することが望ましい。
０．１ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．９ ……(1)
瞳径ＰＤが下限を超えて小さくなると、回折の影響により高解像度な画像を観察、撮像等をすることが困難となる。
一方、瞳径ＰＤが上限を超えて大きくなると瞳径が大きくなりすぎ収差補正が困難となり、更に光学系が大型化してしまう。
【００２４】
また、本発明の光学系は、次の条件式(2)を満足することがより望ましい。
１．０ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．６ ……(2)
条件式(2)の上限及び下限の意味は上記条件式(1)と同様である。
【００２５】
更に、本発明の光学系は、次の条件式(3)を満足することがより一層望ましい。
１．０ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．３ ……(3)
条件式の上限及び下限の意味は上記条件式(1)と同様である。
【００２６】
また、本発明の光学系は、導光板内における軸上主光線の入射位置から射出位置までの距離をＬとしたとき、次の条件式(4)を満足することが望ましい。
３０．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ ２００．０ｍｍ ……(4)
下限を超えて距離Ｌが短いと、導光板における、観察者の顔面側に偏心プリズムなどの光学系が設けられている場合、観察者の顔面にその光学系が干渉してしまい、また、導光板における、観察者の顔面とは対向する側に偏心プリズムなどの光学系が設けられている場合、その光学系がシースルー観察を遮断してしまう。
一方、上限を超えて距離Ｌが長くなると、装置が大きくなりすぎ、また重量も重くなり頭部への装着が困難となる。
【００２７】
また、本発明の光学系は、次の条件式(5)を満足することがより望ましい。
３５．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ １４０．０ｍｍ ……(5)
条件式(5)の上限及び下限の意味は上記条件式(4)と同様である。
【００２８】
更に、本発明の光学系は、次の条件式(6)を満足することがより一層望ましい。
４０．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ ７０．０ｍｍ ……(6)
条件式(6)の上限及び下限の意味は上述と同様である。
【００２９】
なお、本発明の光学系は、瞳面と像面とが導光板の同一面側に位置する場合と瞳面と像面とが導光板を隔てて位置する場合のいずれにも適用可能である。
【００３０】
また、本発明の観察光学系に用いる画像表示素子は、透過型と反射型のいずれのタイプのものもであってもよい。
【００３１】
そして、本発明の光学系において、前記画像表示素子を前記反射型の画像表示素子で構成する場合、照明光源を備え、前記プリズムを前記照明光源からの照明光を前記反射型の画像表示素子に導き、更に、前記反射型の画像表示素子で反射した光束を前記導光板の入射領域に導くようにするのが好ましい。
【００３２】
なお、本発明の光学系では、図２に示すように、ホログラフフィク素子を、前記導光板の夫々の側において入射領域と射出領域とで夫々別体に設けて構成しているが、ホログラフィック素子を、前記導光板の夫々の側において入射領域から射出領域に至るまで一体に形成し、且つ、入射領域の所定位置から射出領域の所定位置に至るまでの領域において光束が、全反射臨界角を超えた角度でもって前記導光板内を１０回以上全反射するように構成してもよい。
【００３３】
また、本発明の観察光学系は、前記導光板を隔てて前記射出瞳とは反対側に撮像素子を設け、前記射出瞳位置に眼球が位置したときの観察者の像が前記導光板を透過して撮像されるように構成してもよい。
【００３４】
また、本発明の光学系では、前記ホログラフィック素子は上述のように体積型ホログラム（ＨＯＥ）で構成されているのが好ましい。
【００３５】
また、本発明の光学系は、前記導光板の面形状が平面形状に形成されているのが好ましい。なお、前記導光板の面形状が曲面形状に形成されていてもよい。
【００３６】
また、本発明において、導光板の板面形状を一方向へ曲率を持つ曲面形状に形成すれば、光学系全体をより小型化することができる。
【００３７】
ところで、平面フィルム状に供給された体積型ホログラム素子用の感光材料は、シリンドリカル形状への湾曲加工は比較的容易であるが、Ｘ方向およびＹ方向の両方向に同時に曲率を持つ基盤形状に加工することは困難である。
そこで、導光板の板面形状を平面形状に形成し、その平面基盤上に体積型ホログラムを配置すれば、生産も容易な構成をとることができる。
【００３８】
なお、体積型ホログラムは、基盤面に貼りつけるか、又は、基盤面に埋め込んで基盤面と面一になるようにする。
【００３９】
また、前記プリズムの前記偏心収差を補正する面は、回転非対称なディストーション補正やテレセントリック性の良好な光学系とするために自由曲面などの回転非対称な面が望ましいが、球面、非球面、アナモルフィック面などの回転対称な面で構成することも可能である。
【００４０】
また、本発明の観察光学系は、体積型ホログラムは、上述のような反射型ＨＯＥに限定されるものではなく、例えば、図２において、入射領域の第２ＨＯＥ又は射出領域の第４ＨＯＥに透過型ＨＯＥを用いて、回折透過させてもよい。
【００４１】
なお、本発明の光学系のこれらの構成は、上述のように、観察系だけでなく撮像系への適用も可能である。
即ち、本発明の観察光学系における、観察者が観察する画像を表示する画像表示素子、及び射出瞳を、本発明の撮像光学系では、物体像を撮像する撮像素子、及び物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りに、夫々置き換えて構成する。
そして、撮像光学系においても、上述の条件式など観察光学系に順じた構成とすると好ましい。
【００４２】
その他、本発明の光学系は、防塵部材で覆われていることが好ましい。
このように構成すれば、ゴミ等が拡大観察されてしまうのを防ぐことができる。また、ホログラフィック素子を有する導光板にあっては、防塵部材により外部からのホログラフィック素子への水分の侵入によりホログラフィック素子が膨張して回折のピーク波長が変化してしまうのを防ぐことができる。なお、その場合、防塵部材は、外部を覆う箱体と、導光板と瞳面との間を通る光を透過させる透明カバーとを備えているのが好ましい。また、その場合、透明カバーは、ガラス又はプラスチックなどを材料として形成された透明部材で構成してもよい。
【００４３】
また、画像表示素子と、以上のような本発明の何れかの観察光学系を接眼光学系として配置した本体部と、前記観察光学系の射出瞳を観察者の眼球位置に保持するように前記本体部を観察者頭部に支持する支持部材と、前記観察者の耳に音声を与えるスピーカー部材とを有して頭部装着型画像表示装置を構成することができる。
【００４４】
その場合の頭部装着型画像表示装置は、前記本体部が、右眼用の観察光学系と左眼用の観察光学系とを備え、前記スピーカー部材が、右耳用スピーカー部材と左耳用スピーカー部材とを有するように構成してもよい。
【００４５】
また、この頭部装着型画像表示装置は、前記スピーカー部材がイヤホンで構成されていてもよい。
【００４６】
なお、本発明の光学系において、プリズムは、観察光学系では逆光線追跡、撮像光学系では順光線追跡で、物点中心を通り、観察光学系では射出瞳、撮像光学系では明るさ絞りの中心を通過して像面の中心に到達する光線を軸上主光線としたとき、少なくとも１つの反射面が軸上主光線に対して偏心していないと、軸上主光線の入射光線と反射光線が同一の光路を通ることとなり、軸上主光線が光学系中で遮断されてしまう。その結果、中心部が遮光された光束のみで像を形成することになり、中心が暗くなったり、中心では全く像を結ばなくなったりしてしまう。そこで、本発明に用いるプリズムには偏心プリズムを用いている。
【００４７】
また、パワーを付けた反射面を軸上主光線に対して偏心させた場合、本発明で用いられるプリズム部材を構成する面のうち、少なくとも１つの面は回転非対称な面であることが望ましい。その中でも、特に、プリズム部材の少なくとも１つの反射面を回転非対称な面にすることが収差補正上は好ましい。
【００４８】
光路を折り曲げて、共通領域の光路を重複して利用するために光学系を偏心配置する必要がある。しかし、このように光路を折り曲げるために光学系を偏心光学系とすると、回転非対称なディストーションや回転非対称な像面湾曲などの偏心収差が発生する。この偏心収差を補正するために回転非対称な面を上述のように用いる。
【００４９】
また、本発明で用いられるホログラフィック素子の面が回転非対称な面であることが同様の理由で望ましい。
なお、ホログラフィック素子を設けるベース面は、上述のように平面形状が望ましいが、シリンドリカル面、球面、非球面、アナモルフィック面、トーリック面、対称面を１面のみ有する面、面対称自由曲面形状のいずれの形状に形成されていてもよい。
【００５０】
また、本発明で用いる回転非対称な面は、アナモルフィック面、トーリック面、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面で構成することができる。なお、好ましくは、対称面を１面のみ有する自由曲面で構成するとよい。
【００５１】
なお、本発明では、軸上主光線を、観察光学系においては、射出瞳の中心を通り画像表示素子の中心に到達する光線で逆光線追跡で、撮像光学系においては、明るさ絞りの中心を通り撮像素子の中心に到達する光線で順光線追跡で定義する。そして、軸上主光線が射出瞳又は明るさ絞りの中心から導光板の入射領域のＨＯＥ面に交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸と定義し、また、このＺ軸と直交し、かつ、導光板を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、さらに、Ｚ軸と直交し、かつ、Ｙ軸と直交する軸をＸ軸と定義する。また、射出瞳又は明るさ絞りの中心を本発明の観察光学系又は撮像光学系における座標系の原点とする。また、本発明においては、上述のように射出瞳から画像表示素子に向かう逆光線追跡、又は明るさ絞りから撮像素子に向かう順光線追跡で面番号をつけることとし、軸上主光線が、射出瞳から画像表示素子に至る方向又は明るさ絞りから撮像素子に至る方向をＺ軸の正方向、画像表示素子に向かうＹ軸の方向又は撮像素子に向かうＹ軸の方向をＹ軸の正方向、Ｙ軸とＺ軸と右手系を構成するＸ軸の方向をＸ軸の正方向と夫々定義する。
ここで、本発明で使用する自由曲面は、次式(7)により定義する。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００５２】
……(7)
ただし、(7)式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。また球面項中、Ｃは頂点の曲率、ｋはコーニック定数（円錐定数）、ｒ＝√（Ｘ2＋Ｙ2）である。
【００５３】
自由曲面項は次式(8)のように展開することができる。
……(8)
ただし、Ｃj（ｊは２以上の整数）は係数である。
【００５４】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面ともに対称面を持つことはないが、本発明では、Ｘの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。このような自由曲面は、例えば、上記定義式(7)においては、Ｃ2、Ｃ5、Ｃ7、Ｃ9、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって達成することが可能である。
【００５５】
また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。このような自由曲面は、例えば、上記定義式(7)においては、Ｃ3、Ｃ5、Ｃ8、Ｃ10、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項の係数を０にすることによって達成することが可能である。
【００５６】
また上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性も向上させることが可能となる。
【００５７】
また、上記定義式(7)は、上述のように１つの例として示したものであり、本発明において、対称面を１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるという特徴を有しているが、上記定義式(7)以外の他のいかなる定義式に対しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５８】
本発明において、プリズム部材に設けられた反射面の形状を、唯一の対称面を１面のみ有した面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５９】
また、アナモルフィック面の形状は次の式(9)により定義される。なお、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。
Ｚ＝（Ｃｘ・Ｘ2＋Ｃｙ・Ｙ2）／［１＋｛１−（１＋Ｋｘ）Ｃｘ2・Ｘ2
−（１＋Ｋｙ）Ｃｙ2・Ｙ2｝1/2]
＋ΣＲｎ｛（１−Ｐｎ）Ｘ2
＋（１＋Ｐｎ）Ｙ2｝(n+1)
……(9)
【００６０】
ここで、例としてｎ＝４（４次項）を考えると、上記式(9)は、展開したとき、次式(10)で表わすことができる。
Ｚ＝（Ｃｘ・Ｘ2＋Ｃｙ・Ｙ2）／［１＋｛１−（１＋Ｋｘ）Ｃｘ2・Ｘ2
−（１＋Ｋｙ）Ｃｙ2・Ｙ2｝1/2]
＋Ｒ１｛（１−Ｐ１）Ｘ2＋（１＋Ｐ１）Ｙ2｝2
＋Ｒ２｛（１−Ｐ２）Ｘ2＋（１＋Ｐ２）Ｙ2｝3
＋Ｒ３｛（１−Ｐ３）Ｘ2＋（１＋Ｐ３）Ｙ2｝4
＋Ｒ４｛（１−Ｐ４）Ｘ2＋（１＋Ｐ４）Ｙ2｝5
……(10)
ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ量、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とは、
Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ
の関係にある。
【００６１】
また、トーリック面にはＸトーリック面とＹトーリック面があり、夫々次の式(11)，(12)により定義される。面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線がトーリック面の軸となる。
Ｘトーリック面は、次の式(11)で定義される。
Ｆ（Ｘ）＝Ｃｘ・Ｘ2／[１＋｛１−（１＋Ｋ）Ｃｘ2・Ｘ2｝1/2]
＋ＡＸ4＋ＢＸ6＋ＣＸ8＋ＤＸ10・・・・・・
Ｚ＝Ｆ（Ｘ）＋（１／２）Ｃｙ｛Ｙ2＋Ｚ2−Ｆ（Ｘ）2｝ ……(11)
Ｙトーリック面は、次の式(12)で定義される。
Ｆ（Ｙ）＝Ｃｙ・Ｙ2／[１＋｛１−（１＋Ｋ）Ｃｙ2・Ｙ2｝1/2]
＋ＡＹ4＋ＢＹ6＋ＣＹ8＋ＤＹ10・・・・・・
Ｚ＝Ｆ（Ｙ）＋（１／２）Ｃｘ｛Ｘ2＋Ｚ2−Ｆ（Ｙ）2｝ ……(12)
ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ量、ＣｘはＸ軸方向曲率、ＣｙはＹ軸方向曲率、Ｋは円錐係数、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは非球面係数である。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とは、
Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ
の関係にある。
【００６２】
ホログラフィック素子には、レリーフ型ホログラムと体積型ホログラムがある。レリーフ型ホログラムは、入射角選択性や波長選択性が小さく、特定の入射角、波長の光を回折して必要次数光として結像させるが、それ以外の入射角、波長の光についても、回折効率が低下した状態で回折してしまい、不要次数光として結像させてしまうという性質を有する。一方、体積型ホログラムは入射角選択性や波長選択性が高く、特定の波長、入射角の光のみを回折して必要次数光として結像させ、それ以外の光については殆どを０次光として透過又は反射させてしまい、不要次数光を結像させ難いという特性を有している。
従って、本発明のように第１プリズムに用いるホログラフィック素子として反射型体積ホログラムを用いれば、不要次数光による像ブレの発生を防ぐことができ、鮮明な観察画像を得ることができる。
【００６３】
なお、本発明におけるホログラフィック素子である体積型ホログラム（ＨＯＥ）は以下のように定義する。図３６は本発明におけるＨＯＥを定義するための原理図である。
まず、ＨＯＥ面に入射し、さらに射出する波長λの光線追跡は、基準波長λ0＝ＨＷＬに対して定義されるＨＯＥ面上での光路差関数Φ0を用いて、次式(13)で与えられる。
ｎdＱd・Ｎ＝ｎiＱi・Ｎ＋ｍ（λ／λ0）∇Ф0・Ｎ ……(13)
ただし、ＮはＨＯＥ面の法線ベクトル、ｎi（ｎd）は入射側（射出側）の屈折率、Ｑi（Ｑd）は入射（射出）ベクトル（単位ベクトル）である。また、ｍ＝ＨＯＲは射出光の回折次数である。
【００６４】
ＨＯＥが基準波長λ0の２点光源、すなわち図３６に示すように点Ｐ1＝（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ１）を光源とする物体光、および点Ｐ2＝（ＨＸ２，ＨＹ２，ＨＺ２）を光源とする参照光の干渉によって製造される（定義される）とすれば、
Φ0＝Φ0 2P
＝ｎ2・ｓ2・ｒ2−ｎ1・ｓ1・ｒ1
となる。ただし、ｒ1（ｒ2）は点Ｐ1（点Ｐ2）からＨＯＥ面の所定の座標までの距離（＞０）、ｎ1（ｎ2）は製造時（定義時）にＨＯＥを置く媒質の、点Ｐ1（点Ｐ2）を配置した側の屈折率であり、ｓ1＝ＨＶ１、およびｓ2＝ＨＶ２は光の進行方向を考慮する符号である。この符号は光源が発散光源（実点光源）である場合に、ＲＥＡ＝＋１、逆に光源が収束する光源（仮想点光源）の場合にＶＩＲ＝−１となる。なお、レンズデータ中におけるＨＯＥの定義として、製造時（定義時）にＨＯＥを置く媒質の屈折率ｎ1（ｎ2）は、レンズデータ中でＨＯＥ面が接している媒質の、点Ｐ1（点Ｐ2）が存在する側の屈折率とする。
【００６５】
一般的な場合、ＨＯＥを製造する際の参照光と物体光は球面波とは限らない。この場合のＨＯＥの光路差関数Φ0は、多項式で表した付加的な位相項Φ0 Poly（基準波長λ0における光路差関数）を加えて次式(14)で表わすことができる。
Φ0＝Φ0 2P＋Φ0 Poly ……(14)
ここで、多項式は、
であり、一般には
ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）2＋ｍ＋３ｎ｝／２
で定義することができる。ただし、Ｈjは各項の係数である。
【００６６】
さらに光学設計の便宜から、光路差関数Φ0を
Φ0＝Φ0 Poly
のように付加項のみで表し、それによってＨＯＥを定義することもできる。例えば、２点光源Ｐ1（点Ｐ2）を一致させると光路差関数Φ0の干渉による成分Φ0 2Pはゼロとなるので、この場合は実質的に付加項（多項式）のみで光路差関数を表示したことに相当する。
以上のＨＯＥに関する説明は、すべてＨＯＥ原点を基準とするローカル座標に対するものである。
【００６７】
以下に、ＨＯＥを定義する構成パラメータの例を示す。
【００６８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の観察光学系および撮像光学系の実施例について説明する。
なお、実施例の構成パラメータは後に示すことにする。各実施例においては、例えば図４に示すように、軸上主光線２を、射出瞳１（又は明るさ絞り１４）の中心（観察者眼球の旋回中心位置）から導光板３、プリズム４、画像表示素子として設けられたＬＣＤ５（又は撮像素子１３）の中心に至る光線で定義する。そして、軸上主光線２が導光板３の射出瞳側の面と交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交し、かつ、プリズム４を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸と定義する。また、射出瞳１（又は明るさ絞り１４）の中心をこの座標系の原点とする。そして、軸上主光線２が射出瞳１（又は明るさ絞り１４）からＬＣＤ５（又は撮像素子１３）に至る方向をＺ軸の正方向、ＬＣＤ５（又は撮像素子１３）に向かうＹ軸の方向をＹ軸の正方向、Ｙ軸とＺ軸と右手系を構成するＸ軸の方向をＸ軸の正方向と夫々定義する。
【００６９】
各実施例では、導光板３およびプリズム４はこのＹ−Ｚ平面内で偏心を行なっており、また、導光板３およびプリズム４に設けられる各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【００７０】
偏心面については、対応する座標系の原点から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向を夫々、Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、上記式(7)のＺ軸）のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の夫々を中心とする傾き角（夫々α，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正は夫々の軸の正方向に対して半時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。その他、球面の曲率半径、面間隔、媒質の屈折率、アッベ数は慣用法によって与えるものとする。
【００７１】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は上記(7)式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００７２】
また、自由曲面の他の定義式として、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は次式(15)により定義する。その定義式(15)のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺ軸の高さの極座標で定義され、ＲはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＡはＺ軸周りの方位角でＹ軸から測った回転角で表わされる。
【００７３】
Ｘ＝Ｒ×ｃｏｓ(A)
Ｙ＝Ｒ×ｓｉｎ(A)
Ｚ＝Ｄ2
＋Ｄ3Ｒｃｏｓ(A)＋Ｄ4Ｒｓｉｎ(A)
＋Ｄ5Ｒ2ｃｏｓ(2A)＋Ｄ6（Ｒ2−１）＋Ｄ7Ｒ2ｓｉｎ(2A)
＋Ｄ8Ｒ3ｃｏｓ(3A)＋Ｄ9（３Ｒ3−２Ｒ）ｃｏｓ(A)
＋Ｄ10（３Ｒ3−２Ｒ）ｓｉｎ(A)＋Ｄ11Ｒ3ｓｉｎ(3A)
＋Ｄ12Ｒ4ｃｏｓ(4A)＋Ｄ13（４Ｒ4−３Ｒ2）ｃｏｓ(2A)
＋Ｄ14（６Ｒ4−６Ｒ2＋１）＋Ｄ15（４Ｒ4−３Ｒ2）ｓｉｎ(2A)
＋Ｄ16Ｒ4ｓｉｎ(4A)
＋Ｄ17Ｒ5ｃｏｓ(5A)＋Ｄ18（５Ｒ5−４Ｒ3）ｃｏｓ(3A)
＋Ｄ19（１０Ｒ5−１２Ｒ3＋３Ｒ）ｃｏｓ(A)
＋Ｄ20（１０Ｒ5−１２Ｒ3＋３Ｒ）ｓｉｎ(A)
＋Ｄ21（５Ｒ5−４Ｒ3）ｓｉｎ(3A)＋Ｄ22Ｒ5ｓｉｎ(5A)
＋Ｄ23Ｒ6ｃｏｓ(6A)＋Ｄ24（６Ｒ6−５Ｒ4）ｃｏｓ(4A)
＋Ｄ25（１５Ｒ6−２０Ｒ4＋６Ｒ2）ｃｏｓ(2A)
＋Ｄ26（２０Ｒ6−３０Ｒ4＋１２Ｒ2−１）
＋Ｄ27（１５Ｒ6−２０Ｒ4＋６Ｒ2）ｓｉｎ(2A)
＋Ｄ28（６Ｒ6−５Ｒ4）ｓｉｎ(4A)＋Ｄ29Ｒ6ｓｉｎ(6A)・・・
……(15)
なお、上記においてＸ方向に対称な面として表した。ただし、Ｄm（ｍは２以上の整数）は係数である。
【００７４】
また、回転非対称面な自由曲面の形状は次の式(16)により定義することもできる。その定義式(16)のＺ軸が回転非対称面の軸となる。
Ｚ＝ΣnΣmＣnmＸnＹn-m ……(16)
ただし、ΣnはΣのｎが０〜ｋ、ΣmはΣのｍが０〜ｎを表わす。
【００７５】
また、面対称自由曲面（対称面を１つのみ有する回転非対称面）を、この回転非対称面を表わす式(16)により定義する場合は、その対称面により生ずる対称性をＸ方向に求める場合は、Ｘの奇数次項を０に（例えばＸ奇数次項の係数を０にする）、その対称面により生ずる対称性をＹ方向に求める場合は、Ｙの奇数次項を０に（例えば、Ｙ奇数次項の係数を０にする）すればよい。
【００７６】
また、回転対称非球面の形状は次式(19)により定義する。その定義式(19)のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
Ｚ＝（Ｙ2／Ｒ）／[１＋｛１−Ｐ(Ｙ2／Ｒ2)｝1/2]
＋Ａ4Ｙ4＋Ａ6Ｙ6＋Ａ8Ｙ8＋Ａ10Ｙ10・・・
……(19)
ただし、ＹはＺに垂直な方向であり、Ｒは近軸曲率半径、Ｐは円錐係数、Ａ4、Ａ6、Ａ8、Ａ10は非球面係数である。
【００７７】
なお、本発明の実施例では、上記(7)式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記(15)式、(16)式を用いても同様の作用効果が得られるのは言うまでもない。
【００７８】
【実施例】
第１実施例
実施例１では、観察光学系として説明する。画像表示素子としては、大きさが０．４７インチタイプの縦横９．６ｍｍ×７．２ｍｍで、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤを使用している。また、観察画角は、水平全画角２５．００°、垂直全画角１８．８８°であり、瞳径（ＰＤ）は、Φ１．５ｍｍ、アイレリーフ（ＥＲ）は、１８ｍｍである。
本発明の実施例１に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図４に示す。実施例１の観察光学系は、像面と瞳面との間に配置されており、少なくともプリズム４と、導光板３とを含んで構成されている。像面側には、観察者が観察する画像を表示する画像表示素子としてＬＣＤ５が配置されている。また、ＬＣＤ５に表示された観察像を観察するために瞳面に射出瞳１を形成するようになっている。
なお、以下の実施例の説明において、光学系の面番号は原則として射出瞳１からＬＣＤ５に至る順番で追跡（逆光線追跡）し、プリズムにおける各面の順番も逆光線追跡に合わせて表すこととする。また、光学系を介して射出瞳１とＬＣＤ５とを結ぶ光路内を進む光束を第１光束ということとする。
【００７９】
プリズム４は、第１面４1〜第４面４4を有している。導光板３には、第１の領域及び第２の領域の夫々両面に、体積型ホログラム（ＨＯＥ）６1〜６4が設けられている。また、導光板３は、前記第１の領域と前記第２の領域との間で光束を１０回以上全反射させるように構成されている。なお、図４においては、第１の領域が入射領域、第２の領域が射出領域を構成している。
導光板３の前記第１の領域の両面に設けられたＨＯＥ６1，６2は、所定波長で入射した光束を夫々回折反射させることで、該光束が導光板３の全反射臨界角を超えた角度となるように形成されている。
また、導光板３の前記第２の領域の両面に設けられたＨＯＥ６3，６4は、導光板３の全反射臨界角を超えた角度で入射した光束を夫々回折反射させることで、導光板３から光束が射出されるように形成されている。
プリズム４の第１面４1〜第４面４4は、導光板３を射出した光束の偏心収差を補正するための面として自由曲面で構成されている。
【００８０】
そして、本実施例の観察光学系では、ＬＣＤ５から射出された第１光束は、第４面４4を透過してプリズム４の内部に入射した後、第３面４3、第２面４2で反射され、第１面４1を透過して、プリズム４から射出される。その後、第１光束は、導光板３の第１の領域に設けられたＨＯＥ６2に対し臨界角以下の入射角度でもって入射する。
【００８１】
ＨＯＥ６2に対し臨界角以下の第１の入射角度で入射した光は、そのままＨＯＥ６2を透過して、ＨＯＥ６1に入射する。ＨＯＥ６1は、この入射位置においてこの第１の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。ＨＯＥ６1で回折反射された光は第２の入射角度でもってＨＯＥ６2に入射する。ＨＯＥ６2は、この入射位置において第２の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。
【００８２】
ＨＯＥ６2で回折反射された光は導光板３に対して臨界角を超えた第３の入射角度でもって、ＨＯＥ６1に入射する。ＨＯＥ６1は、この入射位置において臨界角を超えた第３の入射角度でもって入射した光を全反射する。全反射された光は、同様に臨界角を超えた第３の入射角度でもって、ＨＯＥ６2に入射する。ＨＯＥ６2は、この位置において臨界角を超えた第３の入射角度でもって入射した光を全反射する。全反射された光は、以下、導光板３の両側のガラス又はプラスチックでできた基盤面の外部との界面で同様の全反射を繰り返し、且つ、その途中の所定位置で一旦結像されて第２の領域に設けられたＨＯＥ６4の所定位置へと導かれる。
【００８３】
ＨＯＥ６4は、所定位置に臨界角を超えた第３の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。ＨＯＥ６4で回折反射された光は導光板に対して第４の入射角度でもって、ＨＯＥ６3に入射する。ＨＯＥ６3はこの入射位置において第４の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。ＨＯＥ６3で回折反射された光は導光板３に対して臨界角以下の第５の入射角度でもってＨＯＥ６4に入射し、そのままＨＯＥ６4を透過して導光板３を射出して射出瞳１へと導かれる。
【００８４】
なお、本発明の実施例においては、観察光学系として説明することとするが、観察光学系の像面にＬＣＤ５に換えて撮像素子１３を配置し、瞳面（射出瞳１の位置）に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞り１４を配置することにより、撮像光学系として構成することができる。
その場合には、第１の領域が射出領域、第２の領域が入射領域となる。そして、明るさ絞り１４を通過した物体からの光束が、導光板３の第２の領域に入射し、ＨＯＥ６4を透過し、ＨＯＥ６3で回折反射された後、ＨＯＥ６4で回折反射されて、導光板３の全反射臨界角を超えた角度となって、導光板３の内部で１０回以上全反射され、且つ、その途中の所定位置で一旦結像して第１の領域へと向かい、第１の領域においてＨＯＥ６1で回折反射された後、ＨＯＥ６2で回折反射されて、ＨＯＥ６1を透過して導光板３から射出する。導光板３から射出した光束は、プリズム４の第１面４1を透過してプリズム４の内部に入射した後、第２面４2、第３面４3で反射され、第４面４4を透過して、プリズム４を射出し、撮像素子１４に導かれるようにする。
【００８５】
その他、体積型ホログラムは、Ｒ，Ｇ，Ｂの３層を貼り合わせて構成されており、カラー像を観察することができるようになっている。
また、図４に示すように、導光板３は面形状が平面状に形成されている。また、本実施例の光学系は導光板３の同一面側に射出瞳１とプリズム４が位置して構成されている。
【００８６】
次に、第１実施例の数値データを示す。数値データ中、“ＦＦＳ”は自由曲面を示している。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図５に、横収差を表す収差図を図６に夫々示す。図５中、縦軸はＸ方向の像高、横軸はＹ方向の像高を示している。また、図６中、夫々(a)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＹ方向の横収差、(b)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＸ方向の横収差、(c)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、(d)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、(e)はＸ正方向最大画角、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、(f)はＸ正方向最大画角、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、(g)はＸ正方向最大画角、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＹ方向の横収差、(h)はＸ正方向最大画角、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＸ方向の横収差、(i)はＸ正方向最大画角、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、(j)はＸ正方向最大画角、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、(k)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、(l)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差を示している。
【００８７】
【００８８】
【００８９】
【００９０】
【００９１】
第２実施例
第２実施例の光学系を図７に示す。図７は、第２実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
本実施例の光学系は、導光板３が長さ方向に沿って曲面形状に形成されている。また、プリズム４は第２面４2と第３面４3の面形状が平面形状に、第１面４1と第４面４4の面形状が自由曲面形状にそれぞれ形成されている。その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。
【００９２】
第３実施例
本発明の光学系の第３実施例を図８に示す。図８は、第３実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
本実施例の光学系は、射出瞳１とプリズム４とが導光板３を隔てて位置するように構成されている。また、プリズム４は第１面４1〜第３面４3を有しており、第１面４1が透過面と反射面とを兼ね備えた面、第２面４2が反射面、第３面４3が透過面として構成されている。
【００９３】
そして本実施例では、ＬＣＤ５から射出された第１光束は、第３面４3を透過してプリズム４の内部に入射した後、第１面４1、第２面４2で反射され、第１面４1を透過して、プリズム４から射出される。その後、第１光束は、導光板３の第１の領域に設けられたＨＯＥ６1に対し臨界角以下の入射角度でもって入射する。
【００９４】
ＨＯＥ６1に対し臨界角以下の第１の入射角度で入射した光は、そのままＨＯＥ６1を透過して、ＨＯＥ６2に入射する。ＨＯＥ６2は、この入射位置においてこの第１の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。ＨＯＥ６2で回折反射された光は第２の入射角度でもってＨＯＥ６1に入射する。ＨＯＥ６1は、この入射位置において第２の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。
【００９５】
ＨＯＥ６1で回折反射された光は導光板３に対して臨界角を超えた第３の入射角度でもって、ガラス又はプラスチックでできた基盤面に入射する。以下、導光板３の両側の基盤面の外部との界面で同様の全反射を繰り返し、且つ、その途中の所定位置で一旦結像されて第２の領域に設けられたＨＯＥ６4の所定位置へと導かれる。
その他の作用効果は第１実施例とほぼ同じである。
【００９６】
第４実施例
本発明の光学系の第４実施例を図９に示す。図９は、第４実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
本実施例の光学系は、ＨＯＥ６1’と６2’とが、導光板３の夫々の側において入射領域から射出領域に至るまで一体に形成され、且つ、入射領域の所定位置から射出領域の所定位置に至るまでの領域において光束が、全反射臨界角を超えた角度でもって前記導光板内部で１０回以上全反射するように構成されている。
また、本実施例では、ＨＯＥ６’2は、プリズム４からの入射光の入射位置においてこの第１の入射角度でもって入射した光を回折透過するように角度選択性を有し、この入射光を回折透過して第２の入射角度でもってＨＯＥ６’1に入射するように構成されている。
【００９７】
また、画像表示素子５は反射型ＬＣＤで構成されている。また、プリズム４の近傍には照明光源７が設けられている。プリズム４は、２個のプリズム８，９をハーフミラー１０を挟んで接合して構成されており、照明光源７からの照明光をハーフミラー１０で反射して、反射型ＬＣＤ５に照射し、反射型ＬＣＤ５で反射された光束をハーフミラー１０を透過して導光板３の入射領域へと導くようになっている。また、プリズム９の瞳側面には遮光部材１１が設けられており、ハーフミラー１０を透過した照明光源７からの照明光が観察者の瞳に入射して観察を邪魔するのを防止している。なお、プリズム４の第１面４1〜第３面４3の少なくともいずれかが自由曲面形状に形成されている。
その他の、構成及び作用効果は第１実施例とほぼ同じである。
【００９８】
また、本発明の光学系に用いるプリズムは、上記実施例のタイプのものに限定されるものではなく、図１０〜図２０に示すようなプリズムを用いてもよい。
【００９９】
図１０の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が反射面として、第３面３４が入射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第３面３４で屈折してプリズム内に入射し、第２面３３で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１００】
図１１の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が第１の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第３の反射面と入射面とを兼ね備えた面として、第３面３４が第２の反射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２面３３で屈折してプリズム内に入射し、第１面３２で反射し、第３面３４で反射した後、第２面３３で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０１】
図１２の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が第３の反射面として、第３面３４が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面として、第４面３５が第１の反射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第３面３４で屈折してプリズム内に入射し、第４面３５で反射した後、第３面３４で反射し、第２面３３で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０２】
図１３の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が同一面上の異なる位置に第１の反射面と第３の反射面とを備えた面として、第３面３４が第２の反射面として、第４面３５が入射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第２面３３に備わる第１の反射面で反射し、第３面３４で反射した後、第２面３３に備わる第３の反射面で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０３】
図１４の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面と、第４の反射面とを同一面上の異なる位置に備えた面として、第３面３４が第３の反射面として、第４面３５が第１の反射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２面３３に備わる入射面で屈折してプリズム内に入射し、第４面３５で反射した後、第２面３３に備わる第２の反射面で反射し、第３面３４で反射した後、第２面３３に備わる第４の反射面で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０４】
図１５の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が第１の反射面と、第３の反射面と射出面とを兼ね備えた面とを同一面上の異なる位置に備えた面として、第２面３３が第４の反射面として、第３面３４が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第３面３４に備わる入射面で屈折してプリズム内に入射し、第１面３２に備わる第１の反射面で反射した後、第３面３４に備わる第２の反射面で反射し、第１面３２に備わる第３の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０５】
図１６の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面と、第４の反射面と射出面とを兼ね備えた面とを同一面上の異なる位置に備えた面として、第２面３３が第５の反射面として、第３面３４が第１の反射面と第３の反射面とを兼ね備えた面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第１面３２に備わる入射面で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４に備わる第１の反射面で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第３面３４に備わる第３の反射面で反射した後、第１面３２に備わる第４の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０６】
図１７の場合は、プリズムＰは第１面３２と、第２面３３と、第３面３４、第４面３５とを備え、第１面３２が第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第３の反射面として、第３面３４が第１の反射面として、第４面３５が入射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０７】
図１８の場合は、プリズムＰは第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プリズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が第１プリズムＰ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第１プリズムＰ１における第３の反射面として、第３面３４が第１プリズムＰ１における第１の反射面として、第４面３５が第１プリズムＰ１における入射面として夫々構成されている。また、第２プリズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３とを備え、第１面４１が第２プリズムＰ２における第１の反射面と射出面を兼ね備えた面として、第２面４２が第２プリズムＰ２における第２の反射面として、第３面４３が第２プリズムＰ２における入射面として夫々構成されている。
【０１０８】
そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２プリズムＰ２の第３面４３で屈折してプリズム内に入射し、第３面４３に備わる第１の反射面で反射し、第２面４２で反射した後、第１面４１で屈折してプリズム外に射出し、さらに、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０９】
図１９の場合は、プリズムＰは第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プリズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が第１プリズムＰ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第１プリズムＰ１における第３の反射面として、第３面３４が第１プリズムＰ１における第１の反射面として、第４面３５が第１プリズムＰ１における入射面として夫々構成されている。また、第２プリズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３と、第４面４４とを備え、第１面４１が第２プリズムＰ２における射出面として、第２面４２が第２プリズムＰ２における第２の反射面として、第３面４３が第２プリズムＰ２における第１の反射面として、第４面４４が第２プリズムＰ２における入射面として夫々構成されている。
【０１１０】
そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２プリズムＰ２の第４面４４で屈折してプリズム内に入射し、第３面４３で反射し、第２面４２で反射し、第１面４１で屈折してプリズム外に射出し、さらに、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１１１】
図２０の場合は、プリズムＰは第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プリズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が第１プリズムＰ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第１プリズムＰ１における第３の反射面として、第３面３４が第１プリズムＰ１における第１の反射面として、第４面３５が第１プリズムＰ１における入射面として夫々構成されている。また、第２プリズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３と、第４面４４とを備え、第１面４１が第２プリズムＰ２における射出面として、第２面４２が第２プリズムＰ２における第２の反射面として、第３面４３が第２プリズムＰ２における第１の反射面として、第４面４４が第２プリズムＰ２における入射面として夫々構成されている。
【０１１２】
そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２プリズムＰ２の第４面４４で屈折してプリズム内に入射し、第３面４３で反射し、第２面４２で反射し、第１面４１で屈折してプリズム外に射出し、さらに、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。なお、図１９と図２０のプリズムとは、第２プリズムＰ２の第３面と第４面とを結ぶ光路と第１面と第２面とを結ぶ光路とが図１９では、交差しないのに対し、図２０では交差するようになっている点で構成が異なっている。
【０１１３】
次に、以上のような本発明による観察光学系、撮像光学系は、物体像を接眼レンズを通して観察する観察装置や、物体像を形成しその像をＣＣＤや銀塩フィルムといった撮像素子に受光させて撮影を行なう撮影装置として用いることが可能である。具体的には、顕微鏡、頭部装着型画像表示装置、内視鏡、プロジェクター、銀塩カメラ、デジタルカメラ、ＶＴＲカメラ、更には、観察光学系や撮像光学系を付加した情報処理装置、携帯電話等がある。以下にその実施形態を例示する。
【０１１４】
その一例として、図２１に頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を、図２２(a)にその断面図を示す。この構成は、本発明による観察光学系を図２２(a)に示すように接眼光学系として用いており、この接眼光学系１００と画像表示素子５からなる組を左右一対用意し、それらを眼幅距離だけ離して支持することにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装着型画像表示装置のようなポータブル型の画像表示装置１０２として構成されている。
【０１１５】
すなわち、画像表示装置本体１０２には、上記のような観察光学系が接眼光学系１００として用いられ、その接眼光学系１００が左右一対備えられ、それらに対応して像面に液晶表示素子からなる画像表示素子５が配置されている。そして、画像表示装置本体１０２には、図２１に示すように、左右に連続して図示のような側頭フレーム１０３が設けられ、画像表示装置本体１０２を観察者の眼前に保持できるようになっている。なお、図２２(a)では、観察光学系と、眼鏡用レンズ１５とを画像表示装置１０２本体の内部に一体的に組み込んで構成しているが、眼鏡用のレンズ１５を組み込まないで画像表示装置１０２を構成してもよい。
【０１１６】
また、側頭フレーム１０３にはスピーカ１０４が付設されており、画像観察と共に立体音響を聞くことができるようになっている。このようにスピーカ１０４を有する表示装置本体１０２には、映像音声伝達コード１０５を介してポータブルビデオカセット等の再生装置１０６が接続されており、観察者はこの再生装置１０６を図示のようにベルト箇所等の任意の位置に保持して、映像音響を楽しむことができるようになっている。図２１の符号１０７は再生装置１０６のスイッチ、ボリューム等の調節部である。なお、画像表示装置本体１０２の内部には映像処理、音声処理回路等の電子部品を内蔵させてある。
【０１１７】
なお、コード１０５は先端をジャックにして、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよい。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ鑑賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。
【０１１８】
また、図２２(b)に示すように、画像表示装置本体１０２には眼鏡のレンズ１５を組み込まないで構成し、画像表示装置本体１０２に接続された支持部材１０３’を眼鏡１６のフレーム１７に着脱可能に構成してもよい。この場合、図２２(a)のスピーカ１０４は支持部材１０３’に付設すればよい。
また、図２２(c)に示すように、左右の眼ごとに接眼光学系１００と画像表示素子５とを防塵部材１８で覆うと共に、防塵部材１８を眼鏡１６のフレーム１２に接続して構成してもよい。
【０１１９】
さらに、本発明による観察光学系は、接眼光学系を左右何れか一方の眼前に配置した片眼用の頭部装着型画像表示装置に用いてもよい。図２３に片眼に装着（この場合は、左眼に装着）する構成にした場合の様子を示す。図２３中、１１１は実施例に示された、ガラス又はプラスチックで構成された導光部の両面にホログラフィック素子を貼り合わせて構成された導光部材を示しており、導光部材１１１は、表示装置本体部１１４の下部に設けられた支持部材（図示省略）が観察者１１２の耳部１１３及び後頭部を介して固定されることにより、観察者１１２の顔面の左眼の前方に保持されている。なお、図示省略した支持部材の構成としては、例えば、特開平１０−２５７５８１号公報に記載の構成を用いることができる。
【０１２０】
即ち、本実施例の画像表示装置が観察者１１２の左耳のみで支持するタイプの場合には、表示装置本体部１１４の下部に設ける支持部材は、特開平１０−２５７５８１号公報に記載の「支持部、補助支持部」が観察者１１２の左の耳部１１３の耳殻の上側付根部分から下側付根部分にかけて湾曲形成されるようにして構成する。この場合には、スピーカであるイヤホン部１１５は、表示装置本体部１１４から音声信号を伝達するコード１１６が接続された左耳用のイヤホン部のみのモノラルタイプに構成するか、若しくは、左耳用のイヤホン部に加えて、表示装置本体部１１４から長く延びた図示しないコードに接続された右耳用のイヤホン部を取り付けてステレオタイプに構成する。
【０１２１】
また、本実施例の画像表示装置が観察者１１２の左右の耳で支持するタイプの場合には、表示装置本体部１１４の下部に設ける支持部材は、特開平１０−２５７５８１号公報に記載の「ヘッドバンド」を軸に、左右夫々に耳部の耳殻の上側付根部分から下側付根部分にかけて湾曲して形成される「支持部、補助支持部」を設けることに加えて、「掛止体」若しくは長さを調整する構成を付加することによって、頭部の大きさ及び耳の位置が夫々に異なる観察者の左右の耳の位置合わせに対応可能に構成できる。この場合には、ステレオタイプの左右のイヤホン部に夫々接続するコードを、「ヘッドバンド」に接続させるか若しくは「ヘッドバンド」の内部に埋設させ、イヤホン部近傍部分のコードのみが外部に露出するように構成することが望ましい。
【０１２２】
更に、表示装置本体部１１４には、インターネット接続やＴＶ信号受信を可能にするＣＰＵ回路等が内蔵され、また、それらの信号の送受信のためのアンテナ１１９が設けられている。
【０１２３】
更に、映像・音声信号等を外部から送信するためのケーブル１１７が、表示装置本体部１１４から外部に延びて、ビデオ再生装置１１８に接続されている。なお、図中、１１８ａはビデオ再生装置１１８のスイッチやボリュウム調整部である。また、ケーブル１１７の先端部１１７ａは、既存のビデオデッキ等に接続可能なジャックとして構成してもよい。さらに、その場合は、低価格タイプの装置として、表示装置本体部１１４に内蔵されたインターネット接続やＴＶ信号受信を可能にするＣＰＵ回路等とアンテナ１１９を省略し、このジャックを使って、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ鑑賞用にしたり、コンピュータに接続してコンピュータグラフィックスの映像や、インターネットからの映像等を受信するように構成してもよい。
【０１２４】
また、表示装置本体部１１４と導光部材１１１との間には、ＬＣＤ等の画像表示素子とプリズム部材を内蔵した画像形成ユニット部１２０と、観察者の顔の大きさに合わせて位置調整可能なフレーム部１２１が設けられている。このフレーム部１２１には、表示装置本体部１１４に内蔵のＣＰＵ回路とＬＣＤ等の画像表示素子とを電気的に接続するコードが内蔵されている。また、フレーム部１２１を位置調整可能にするために、フレーム自体を弾性体で構成しても良いし、あるいは、フレーム部１２１と表示装置本体部１１４との接合部分をギヤで構成してフレーム部１２１を表示装置本体部１１４に対して伸縮自在となるようにしてもよい。
【０１２５】
また、図２４〜図２６は、本発明による撮像光学系の要部構成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２４は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図２５は同後方斜視図、図２６は電子カメラ４０の構成を示す断面図である。
【０１２６】
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、シャッター釦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釦４５を押圧すると、それに連動して撮影用対物光学系４８を通して撮影が行なわれる。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。
【０１２７】
このＣＣＤ４９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には記録素子６１が配置され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、この記録素子６１は処理手段５２と別体に設けられてもよいし、フロッピーディスク等により電子的に記録書込を行な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。
【０１２８】
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と、フォーカシングのために光軸方向に位置調節可能な正レンズ群５７と、図４の実施例に示すような明るさ絞り１４と導光板３とプリズム４とを備えてなる。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群であり、画角を拡大している。このファインダー用対物光学系５３によって結像面９０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の視野枠上に形成される。
【０１２９】
なお、その視野枠は、ポロプリズム５５の第１反射面５６1と第２反射面５６2との間を分離し、その間に配置されている。なお、ポロプリズム５５は第１反射面５６1から第４反射面５６4でなる。このポロプリズム５５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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
なお、図２６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、本発明の２つのプリズム３，４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。
【０１３２】
次に、図２７は本発明の撮像光学系を電子カメラ４０の撮影部の対物光学系４８に、本発明の観察光学系を電子カメラ４０の接眼光学系５９に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合は、撮影用光路４２上に配置された撮影用対物光学系４８は、正レンズからなるカバー部材６５と本発明の実施例３に示すような導光板３、プリズム４からなる撮像光学系からなる。そして、そのプリズム４とＣＣＤ４９との間に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が配置されており、この撮影用対物光学系４８により形成された物体像は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、ＣＣＤ４９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の制御も行なう。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。
【０１３３】
この接眼光学系５９は、本発明の実施例３に示すような観察光学系と同様の形態を持つ導光板３、プリズム４とその射出瞳側に配置されたカバーレンズ９１とからなる。また、ＬＣＤ６０の背後にはそれを照明するバックライト９２が配置されている。なお、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）を導光板３、プリズム４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。
【０１３４】
このように構成されたカメラ４０は、撮影用対物光学系４８、接眼光学系５９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薄型化が実現できる。
【０１３５】
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、正レンズを配置しているが、負レンズあるいは平行平面板を用いてもよい。
【０１３６】
ここで、カバー部材を設けずに、本発明の撮像光学系の最も物体側に配置された面をカバー部材と兼用することもできる。本例では、その最も物体側の面は導光板３の入射面となる。しかし、この入射面が光軸に対して偏心配置されているため、この面がカメラ前面に配置されてしまうと、被写体側から見た場合、カメラ４０の撮影中心が自分からずれているように錯覚してしまい（一般的なカメラ同様、入射面の垂直方向を撮影していると感じるのが通常である。）、違和感を与えてしまう。そこで、本例のように、結像光学系の最も物体側の面が偏心面である場合には、カバー部材６５（又は、カバーレンズ５４）を設けることが、被写体側から見た場合に違和感を受けずに、既存のカメラと同じ感覚で撮影を受けることができ望ましい。
なお、導光板３の入射面にはホログラフィック素子が設けられているため、水分の侵入による回折のピーク波長の変化を防止するためにも、カバー部材６５、カバーレンズ９１は設けることが望ましい。
【０１３７】
次に、図２８は、本発明による撮像光学系を電子内視鏡の観察系の対物光学系８２に、本発明による観察光学系を電子内視鏡の観察系の接眼光学系８７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、接眼光学系８７は実施例３と略同様の形態の光学系を用いている。この電子内視鏡は、図２８(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な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、このビデオプロセッサ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、例えば図２１に示したような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２８(b)に示すように構成されている。
【０１３８】
光源装置７２から照明された光束は、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２８(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５（図２１）に表示されＨＭＤ７８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画像信号導伝手段９３を介して接眼部８１の液晶表示素子（ＬＣＤ）８６上に電子像として表示され、その表示像は本発明の観察光学系からなる接眼光学系８７を経て観察者眼球Ｅに導かれる。
【０１３９】
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。
【０１４０】
次に、図２９、３０は本発明の結像光学系を情報処理装置の一例であるパーソナルコンピュータ（以下、パソコンと称する）に内蔵した構成を示す概念図であり、図２９はパソコン３００の表示画面部１９９を開いた状態を示す前方斜視図、図３０はパソコン３００の撮影光学系３０３とモニター３０２の概略構成を示す表示画面部１９９の断面図である。なお、本実施例では、パソコン３００として、特に、持ち運びに便利な携帯型情報端末やノート型やブック型のパソコンを用いている。
【０１４１】
図２９、３０に示すように、パソコン３００は、外部から操作者が情報を入力するためのキーボード３０１と、図示省略したＣＰＵなどの情報処理装置やメモリなどの記憶装置と、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を有している。
【０１４２】
ここで、撮影光学系３０３は、本発明の撮像光学系に相当し、像面と瞳面との間にプリズム４と導光板３とを含んで構成されている。像面には、物体像を撮像する撮像素子としてＣＣＤ４９が配置されている。
プリズム４は、第１面４1〜第４面４4を有している。導光板３には、第１の領域及び第２の領域の夫々両面に、体積型ホログラム（ＨＯＥ）６1〜６4が設けられている。また、導光板３は、前記第２の領域と前記第１の領域との間で光束を１０回以上全反射させるように構成されている。なお、図３０においては、第１の領域が射出領域、第２の領域が入射領域を構成している。
【０１４３】
導光板３の前記第２の領域の両面に設けられたＨＯＥ６3，６4は、所定波長で入射した光束を夫々回折反射させることで、該光束が導光板３の全反射臨界角を超えた角度となるように形成されている。また、ＨＯＥ６1〜６4は、夫々導光板３の図２９からみて右側角部近傍に所定の大きさでもって設けられている。
また、導光板３の前記第１の領域の両面に設けられたＨＯＥ６1，６2は、導光板３の全反射臨界角を超えた角度で入射した光束を夫々回折反射させることで、導光板３から光束が射出されるように形成されている。
なお本実施例では、導光板３の第２の領域に設けられたＨＯＥ６4が物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りとしての役割を果たし、その入射面が瞳面になっている。
プリズム４の第１面４1〜第４面４4は、導光板３を射出した光束の偏心収差を補正するための面として自由曲面で構成されている。
【０１４４】
そして本実施例では、導光板３の第２の領域においてＨＯＥ６4を透過した物体からの入射光束が、ＨＯＥ６3で回折反射された後、ＨＯＥ６4で回折反射されて、導光板３の全反射臨界角を超えた角度となって、導光板３の内部で１０回以上全反射され、且つ、その途中の所定位置で一旦結像して第１の領域へと向かい、第１の領域においてＨＯＥ６1で回折反射された後、ＨＯＥ６2で回折反射されて、ＨＯＥ６1を透過して導光板３から射出する。導光板３から射出した光束は、プリズム４の第１面４1を透過してプリズム４の内部に入射した後、第２面４2、第３面４3で反射され、第４面４4を透過して、プリズム４を射出し、赤外カットフィルター５１を介して赤外光が除去された状態でＣＣＤ４９に導かれ、ＣＣＤ４９で撮像される。
【０１４５】
モニター３０２は、導光板３と導光板３の背面側（図３０において右側）に配置された透過型のＬＣＤ２０２とバックライト２０３とを備えて構成されている。そして、バックライト２０３により背面から照明されることによって透過型のＬＣＤ２０２に表示された像を、導光板３を介して観察者が透過観察することができるようになっている。なお、モニター３０２の構成要素としての導光板３は、外部からの水分や埃の侵入を防止するカバー部材としての役割も果たしている。
【０１４６】
表示画面部１９９の上側縁部２００は、撮影光学系３０３における導光板３のＨＯＥ６4への光線入射領域を遮光しない幅でもって形成されている。また、表示画面部１９９の下側縁部２０１は、ＣＣＤ４９やプリズム４が設けられていて、ＬＣＤ２０２が及ばないモニター３０２の下側領域部分を覆い隠すような幅でもって形成されている。
【０１４７】
撮像素子であるＣＣＤ４９で受光された物体像は、パソコン３００に設けられた情報処理手段（図示省略）に入力され、電子画像として液晶パネル２０２を介してモニター３０２の一部の領域又は全部の領域に表示される。図２９は、その一例として、ＨＯＥ６4が設けられた光線の入射領域より撮影光学系３０３を介して撮像された操作者の像が画像３０５として表示された状態を示している。
なお、撮影光学系３０３を介して撮像された操作者の画像情報を情報処理手段、通信ケーブル、インターネットや電話などの通信手段を用いて伝送することにより、このパソコンに表示された画像３０５と同じ画像を、遠隔地から通信先のパソコンや携帯電話などの表示画面に表示することも可能である。
【０１４８】
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の結像光学系を内蔵した例を図３１〜３４に示す。
図３１は携帯電話４００の正面図、図３２は図３１の側面図、図３３はモニター４０４と撮影光学系４０５の構成を示す断面図、図３４はモニター４０４と観察光学系４０６の構成を示す断面図である。
【０１４９】
図３１に示すように、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４０３と、操作者自身が通話相手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、観察光学系４０６と、通信電波の送受信を行なうアンテナ４１２と、画像情報や文字情報のデータ変換、通信制御、入力信号の制御等の処理を行なうＣＰＵなどの処理手段光学系に相当し、図３３に示すように、像面と瞳面との間にプリズム４と導光板３とを含んで構成されている。像面には、物体像を撮像する撮像素子としてＣＣＤ４９が配置されている。
プリズム４は、第１面４1〜第４面４4を有している。導光板３には、第１の領域及び第２の領域の夫々両面に、体積型ホログラム（ＨＯＥ）６1〜６4が設けられている。また、導光板３は、前記第２の領域と前記第１の領域との間で光束を１０回以上全反射させるように構成されている。なお、図３３においては、第１の領域が射出領域、第２の領域が入射領域を構成している。
【０１５０】
導光板３の前記第２の領域の両面に設けられたＨＯＥ６3，６4は、所定波長で入射した光束を夫々回折反射させることで、該光束が導光板３の全反射臨界角を超えた角度となるように形成されている。また、ＨＯＥ６1〜６4は、夫々導光板３の図３１において右側角部近傍の符号４０８，４０９に示す位置に所定の大きさでもって設けられている。
また、導光板３の前記第１の領域の両面に設けられたＨＯＥ６1，６2は、導光板３の全反射臨界角を超えた角度で入射した光束を夫々回折反射させることで、導光板３から光束が射出されるように形成されている。
なお本実施例の撮影光学系４０５では、導光板３の第２の領域に設けられたＨＯＥ６4が物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りとしての役割を果たし、その入射面が瞳面になっている。
プリズム４の第１面４1〜第４面４4は、導光板３を射出した光束の偏心収差を補正するための面として自由曲面で構成されている。
【０１５１】
そして本実施例の撮影光学系４０５では、導光板３の第２の領域において、ＨＯＥ６4を透過した物体からの入射光束が、ＨＯＥ６3で回折反射された後、ＨＯＥ６4で回折反射されて、導光板３の全反射臨界角を超えた角度となって、導光板３の内部で１０回以上全反射され、且つ、その途中の所定位置で一旦結像して第１の領域へと向かい、第１の領域においてＨＯＥ６1で回折反射された後、ＨＯＥ６2で回折反射されて、ＨＯＥ６1を透過して導光板３から射出する。導光板３から射出した光束は、プリズム４の第１面４1を透過してプリズム４の内部に入射した後、第２面４2、第３面４3で反射され、第４面４4を透過して、プリズム４を射出し、赤外カットフィルター５１を介して赤外光が除去された状態でＣＣＤ４９に導かれ、ＣＣＤ４９で撮像される。
【０１５２】
モニター４０４は、導光板３と導光板３の背面側（図３３において右側）に配置された透過型のＬＣＤ２０２とバックライト２０３とを備えて構成されている。そして、バックライト２０３により背面から照明されることによって透過型のＬＣＤ２０２に表示された像を、導光板３を介して観察者が実像として透過観察することができるようになっている。なお、モニター４０４の構成要素としての導光板３は、外部からの水分や埃の侵入を防止するカバー部材としての役割も果たしている。
【０１５３】
そして、撮像素子であるＣＣＤ４９で受光された物体像は、携帯電話４００に設けられた情報処理手段２０６に入力され、電子画像として液晶パネル２０２を介してモニター４０４の一部の領域又は全部の領域に表示される。図３１は、その一例として、撮影光学系４０５により撮像された操作者の画像が表示された状態を示している。なお、撮像素子（ＣＣＤ）４９で受光された物体像は、処理手段２０６に入力された後、通信相手のモニターに、又は双方のモニターに表示されるようにすることも可能である。通信相手に画像を送信するには、撮像素子（ＣＣＤ）４９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変換処理機能を情報処理装置に備える。
【０１５４】
また、本実施例の観察光学系４０６は、図３４に示すように、像面と瞳面との間にプリズム４と導光板３とを含んで構成されている。像面には、観察者が観察する画像を表示する画像表示素子として小型のＬＣＤ２０４がその背面側（図３４において下側）にバックライト２０５を備えて配置されている。また、瞳面に射出瞳を形成するようになっている。
プリズム４は、第１面４1〜第４面４4を有している。導光板３には、第１の領域及び第２の領域の夫々両面に、体積型ホログラム（ＨＯＥ）６’1〜６’4が設けられている。また、導光板３は、前記第２の領域と前記第１の領域との間で光束を１０回以上全反射させるように構成されている。なお、図３４においては、第１の領域が入射領域、第２の領域が射出領域を構成している。
【０１５５】
導光板３の前記第１の領域の両面に設けられたＨＯＥ６’1，６’2は、所定波長で入射した光束を夫々回折反射させることで、該光束が導光板３の全反射臨界角を超えた角度となるように形成されている。
また、導光板３の前記第２の領域の両面に設けられたＨＯＥ６’3，６’4は、導光板３の全反射臨界角を超えた角度で入射した光束を夫々回折反射させることで、導光板３から光束が射出されるように形成されている。また、ＨＯＥ６’1〜６’4は、夫々導光板３の図３１において左側角部近傍の符号４１０，４１１に示す位置に所定の大きさでもって設けられている。
プリズム４の第１面４1〜第４面４4は、導光板３を射出した光束の偏心収差を補正するための面として自由曲面で構成されている。
【０１５６】
そして、本実施例の観察光学系４０６では、バックライト２０５で照明されてＬＣＤ２０４から射出された光束は、第４面４4を透過してプリズム４の内部に入射した後、第３面４3、第２面４2で反射され、第１面４1を透過して、プリズム４から射出される。その後、導光板３の第１の領域に設けられたＨＯＥ６’2に対し臨界角以下の入射角度でもって入射してＨＯＥ６’2 を透過し、ＨＯＥ６’1で回折反射された後、ＨＯＥ６’2で回折反射されて、導光板３の全反射臨界角を超えた角度となって、導光板３の内部で１０回以上全反射され、且つ、その途中の所定位置で一旦結像して第２の領域へと向かい、第２の領域においてＨＯＥ６’3で回折反射された後、ＨＯＥ６’4で回折反射されて、ＨＯＥ６’3を透過して導光板３から射出してモニター４０４におけるＨＯＥ６’4を通る光路上に設けられた射出瞳へと導かれる。
【０１５７】
このとき小型のＬＣＤ２０４とバックライト２０５によって形成された小さな画像は、導光板３を介して観察者の眼球Ｅに拡大投影されており、観察者は、小型のＬＣＤ２０４の面上に形成された画像を拡大投影された虚像として観察することになる。
【０１５８】
なお、この拡大投影された画像を観察する場合、観察者は、導光板３により形成される射出瞳位置に眼球Ｅを近付けなければならないため、モニター４０４の大部分の領域に表示されるＬＣＤ２０３の画像を見ることができないばかりか、却ってＬＣＤ２０３に表示された画像の光によって、観察光学系４０６による小型のＬＣＤ２０４に表示された画像の拡大観察を妨げられてしまう場合があり得る。そこで、そのような場合には、ＣＰＵ（処理手段）２０６によって、バックライト２０３の照明光の光量を減少させるかもしくは消すように制御することが望ましい。また、このようにすれば、更に、消費電力の効率化という効果も期待できる。
【０１５９】
次に、本発明による光学系を構成するプリズムに対し体積型ホログラムのような回折素子を導光板に設けるときの望ましい構成を図３５に示す。図中、偏心プリズムＰは、本発明の観察光学系又は撮像光学系中に含まれるプリズム４である。いま、回折素子の面Ｃが、図のように四角形を形成するとしたとき、偏心プリズムＰの第１面が面対称自由曲面に形成された場合その対称面Ｄが、この回折素子の面Ｃの四角形を形成する辺の少なくとも１つと平行になるように配置することが、美しい像形成の上で望ましい。
【０１６０】
さらに、この回折素子の面Ｃが正方形や長方形といった４つの内角が夫々略９０°にて形成されている場合には、面対称自由曲面の対称面Ｄは、回折素子の面Ｃの互いに平行関係にある２辺に対して平行に配置され、この対称面Ｄが回折素子の面Ｃを左右又は上下対称にさせる位置に一致するように構成することが好ましい。このように構成すれば、装置に組み込むときの組み込み精度が出しやすく、量産性に効果的である。
【０１６１】
さらに、偏心プリズムＰを構成する光学面である第１面、第２面、第３面、第４面等の中、複数の面又は全ての面が面対称自由曲面の場合には、複数の面又は全ての面の対称面が同一面Ｄの上に配置されるように構成することが、設計上も、収差性能上も望ましい。そして、この対称面Ｄと回折素子のパワーの面との関係は、上述と同様の関係にあることが望ましい。
【０１６２】
以上説明したように、本発明の光学系は、特許請求の範囲に記載された特徴のほかに下記に示すような特徴も備えている。
【０１６９】
（１）入射光束が前記導光板内部で中間結像するようにリレー光学系を構成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光学系。
【０１７０】
（２）瞳径をＰＤ、アイリリーフをＥＲとしたとき、次の条件式(1)を満足することを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）のいずれかに記載の観察光学系。
０．１ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．９ ……(1)
【０１７１】
（３）瞳径をＰＤ、アイリリーフをＥＲとしたとき、次の条件式(2)を満足することを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）のいずれかに記載の観察光学系。
１．０ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．６ ……(2)
【０１７２】
（４）瞳径をＰＤ、アイリリーフをＥＲとしたとき、次の条件式(3)を満足することを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）のいずれかに記載の観察光学系。
１．０ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．３ ……(3)
【０１７３】
（５）前記導光板内部における軸上主光線の入射位置から射出位置までの距離をＬとしたとき、次の条件式(4)を満足することを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の光学系。
３０．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ ２００．０ｍｍ ……(4)
【０１７４】
（６）前記導光板内部における軸上主光線の入射位置から射出位置までの距離をＬとしたとき、次の条件式(5)を満足することを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の光学系。
３５．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ １４０．０ｍｍ ……(5)
【０１７５】
（７）前記導光板内部における軸上主光線の入射位置から射出位置までの距離をＬとしたとき、次の条件式(6)を満足することを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の光学系。
４０．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ ７０．０ｍｍ ……(6)
【０１７６】
（８）前記瞳面と前記プリズムとが前記導光板の同一面側に位置することを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（７）のいずれかに記載の光学系。
【０１７７】
（９）前記瞳面と前記プリズムとが前記導光板を隔てた位置にあることを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（７）のいずれかに記載の光学系。
【０１７８】
（１０）前記画像表示素子が透過型の画像表示素子であることを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）〜（９）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１７９】
（１１）前記画像表示素子が反射型の画像表示素子であることを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）〜（９）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１８０】
（１２）照明光源を備えると共に、前記プリズムが、前記照明光源からの照明光を前記反射型の画像表示素子に導き、更に、前記反射型の画像表示素子で反射された光束を前記導光板の入射領域に導くように構成されていることを特徴とする上記（１１）に記載の観察光学系。
【０１８１】
（１３）前記ホログラフィック素子が、前記導光板の夫々の側において入射領域と射出領域とで夫々別体に設けられていることを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の光学系。
【０１８２】
（１４）前記ホログラフィック素子が、前記導光板の夫々の側において入射領域から射出領域に至るまで一体に形成され、且つ、入射領域の所定位置から射出領域の所定位置に至るまでの領域において光束が、全反射臨界角を超えた角度でもって前記導光板内部で１０回以上全反射するように構成されていることを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の光学系。
【０１８３】
（１５）前記導光板を隔てて前記射出瞳とは反対側に撮像素子を設け、観察者が前記導光板を介して前記画像表示素子に表示された像を観察しているときに観察者の像が前記導光板を透過して撮像されるようにしたことを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）〜（１４）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１８４】
（１６）前記導光板の面形状が平面形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（１５）のいずれかに記載の光学系。
【０１８５】
（１７）前記導光板の面形状が曲面形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（１５）のいずれかに記載の光学系。
【０１８６】
（１８）前記ホログラフィック素子が体積型ホログラムで構成されていることを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（１７）のいずれかに記載の光学系。
【０１８７】
（１９）前記画像表示素子から射出された光束が、前記導光板内部で２０回以上全反射するようにしたことを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）〜（１８）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１８８】
（２０）前記画像表示素子から射出された光束が、前記導光板内部で３０回以上全反射するようにしたことを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）〜（１８）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１８９】
（２１）前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板内部で２０回以上全反射するようにしたことを特徴とする請求項２、６〜８、請求項２に従属する上記（１）、（５）〜（９）、（１３）、（１４）、（１６）〜（１８）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０１９０】
（２２）前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板内部で３０回以上全反射するようにしたことを特徴とする請求項２、６〜８、請求項２に従属する上記（１）、（５）〜（９）、（１３）、（１４）、（１６）〜（１８）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０１９１】
（２３）前記プリズムは、前記偏心収差を補正するための曲面が自由曲面で構成されていることを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（２２）のいずれかに記載の光学系。
【０１９２】
（２４）請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）〜（２０）、（２３）のいずれかに記載の観察光学系を内蔵した本体部と、前記観察光学系の射出瞳を観察者の眼球位置に保持するように前記本体部を観察者頭部に支持する支持部材と、前記観察者の耳に音声を与えるスピーカー部材とを有していることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１９３】
（２５）上記（２４）に記載の頭部装着型画像表示装置において、前記本体部が、右眼用の観察光学系と左眼用の観察光学系とを備え、前記スピーカー部材が、右耳用スピーカー部材と左耳用スピーカー部材とを有するように構成されていることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１９４】
（２６）上記（２４）又は（２５）に記載の頭部装着型画像表示装置において、前記スピーカー部材がイヤホンで構成されていることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１９５】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、携帯電話や携帯情報端末そして頭部装着型の虚像観察装置に用いるのに適した、小型で、軽量、かつ明るく、さらに高解像度を有する観察光学系、撮像光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学系の概念図である。
【図２】本発明による光学系を構成する導光板に入射する光の反射状態を示す原理説明図である。
【図３】図１の構成において軸上光線が導光板内部で中間結像される状態を説明するための概念図である。
【図４】本発明の第１実施例にかかる光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図５】第１実施例の像歪みを表す収差図である。
【図６】第１実施例の横収差を表す収差図である。
【図７】本発明の第２実施例にかかる光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図８】本発明の第３実施例にかかる光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図９】本発明の第４実施例にかかる光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図１０】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムの一例を示す図である。
【図１１】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムの他の例を示す図である。
【図１２】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１３】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１４】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１５】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１６】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１７】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１８】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１９】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２０】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２１】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を示す図である。
【図２２】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を上側からみた図であり、(a)は図１７の断面図、(b)は(a)の一変形例を示す断面図、(c)は(a)の他の変形例を示す断面図である。
【図２３】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型で片眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を示す図である。
【図２４】本発明の撮像光学系及び観察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２５】図２４の電子カメラの後方斜視図である。
【図２６】図２４の電子カメラの１つの構成を示す断面図である。
【図２７】本発明の撮像光学系及び観察光学系を適用した別の電子カメラの概念図である。
【図２８】本発明の撮像光学系及び観察光学系を適用した電子内視鏡の概念図である。
【図２９】本発明の結像光学系を内蔵したパーソナルコンピュータの表示画面部を開いた状態を示す前方斜視図である。
【図３０】図２９のパーソナルコンピュータの撮影光学系とモニターの概略構成を示す表示画面部の断面図である。
【図３１】本発明の結像光学系を内蔵した携帯電話の正面図である。
【図３２】図３１の側面図である。
【図３３】図３１の携帯電話におけるモニター４０４と撮影光学系４０５の構成を示す断面図である。
【図３４】図３１の携帯電話におけるモニター４０４と観察光学系４０６の構成を示す断面図である
【図３５】本発明による光学系を構成するプリズムにＨＯＥを配置するときの好ましい構成を示す図である。
【図３６】本発明におけるＨＯＥを定義するための原理図である。
【符号の説明】
１ 射出瞳
２ 軸上主光線
３ 導光板
４ プリズム
４1 第１面
４2 第２面
４3 第３面
４4 第４面
５，２０２，２０４ ＬＣＤ
６1、６2、６3、６4、６1’、６2’ 体積型ホログラム（ＨＯＥ）
７ 照明用光源
８、９ プリズム
１０ ハーフミラー
１１ 遮光部材
１３ 撮像素子
１４ 明るさ絞り
１５ 眼鏡用レンズ
１６ 眼鏡
１７ フレーム
１８ 防塵部材
４０ カメラ
４１ 撮像光学系
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 負レンズ群
５５ ポロプリズム
５６1〜５６4 第１〜４反射面
５７ 正レンズ群
５９ 接眼光学系
６０ 液晶表示素子（ＬＣＤ）
６１ 記録素子
６５ カバー部材
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 結像面
９１ カバー部材
９２，２０３，２０５ バックライト
９３ 画像信号導伝手段
１００ 接眼光学系
１０２ 画像表示装置（本体）
１０３ 側頭フレーム
１０４ スピーカ
１０５ 映像音声伝達コード
１０６ 再生装置
１０７ 調節部
１０８ 前フレーム
１１１ 導光部材
１１２ 観察者
１１３ 耳部
１１４ 表示装置本体部
１１５ イヤホン部
１１６ コード
１１７ ケーブル
１１７ａ ケーブル先端部
１１８ ビデオ再生装置
１１８ａ スイッチ、ボリュウム調整部
１１９，４１２ アンテナ
１２０ 画像形成ユニット部
１９９ 表示画面部
２００ 上側縁部
２０１ 下側縁部
２０６ 情報処理手段
３００ パーソナルコンピュータ
３０１ キーボード
３０２，４０４ モニター
３０３，４０５ 撮影光学系
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
４０６ 観察光学系
Ｐ 偏心プリズム
Ｃ 回折素子の面
Ｄ 面対称自由曲面の対称面
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察光学系及び撮像光学系に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することができ、又は、携帯電話や携帯情報端末に付加することができる画像表示装置及びカメラなどの撮像装置に用いる光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、個人が大画面の画像を楽しむことを目的として、画像表示装置、特に、頭部や顔面に装着するタイプの画像表示装置の開発が盛んになされている。また、近年、携帯電話や携帯情報端末の普及に伴い、携帯電話や携帯情報端末の画像や文字データを大画面で見たいというニーズが高まっている。
【０００３】
そのような装置の一部に利用可能な導光装置としては、従来、ホログラムを用いた導光装置が、特開平５−２２４０１８号公報で提案されている。また、ホログラムを用いた画像表示装置が、特開平６−２５００２２号や特開平８−１１３０５９号公報、米国特許第４７１１５１２号公報で提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平５−２２４０１８号公報に記載の導光装置の場合、１枚のＨＯＥ素子でもって、入射領域、又は入射領域及び射出領域において、夫々１回づつのみしか回折させていないため、ＨＯＥ素子１枚あたりの回折角が大きくなる。そのためには、ＨＯＥ中の縞のピッチを細かくする必要が生じ、露光の際の許容振動幅が小さくなり、露光光学系の位置精度が厳しくなり、ＨＯＥ露光用感光材料に許容される露光可能最大周波数がより高いものが必要となるため、製造が困難である。
【０００５】
また、特開平６−２５００２２号公報に記載の画像表示装置の場合、１枚のＨＯＥ素子でもって、入射領域及び射出領域において、夫々１回づつのみしか回折させていないため、ＨＯＥ素子１枚あたりの回折角が大きくなり、製造が困難である。
しかも、上記画像表示装置の光学系は、非共軸光学系のため偏心収差が発生するが、この発生した偏心収差を枚数の少ないＨＯＥ面のみで補正することは困難である。
また、全反射回数が２回程度と少ないので、導光板を薄型に保ったまま導光板の長さ方向に長い距離をとって導光させるためには、導光板の厚みを厚くしなければならない。
さらに、上記画像表示装置の光学系は、リレー光学系を構成していない、即ち、光学系中で中間結像させないため、より小さな画像表示素子を用いて構成した場合には、広い観察画角を得ることができない。
【０００６】
また、特開平８−１１３０５９号公報や米国特許第４７１１５１２号公報の画像表示装置の場合、入射領域及び射出領域に夫々１枚ずつのＨＯＥ素子を配置しているが、入射領域および射出領域において夫々１回ずつのみしかＨＯＥ素子で回折させていないため、ＨＯＥ素子１枚あたりの回折角を大きくする必要が生じ、製造が困難である。
しかも、光学系が非共軸光学系のため偏芯収差が発生するが、この発生した偏心収差を少ないＨＯＥ面のみで補正することは困難である。
さらに、米国特許第４７１１５１２号公報では、全反射を６回させているが、この程度の全反射回数では、導光板を薄型に保ったままで、導光板の長さ方向に長い距離をとって導光させるためには、導光板の厚みを厚くしなければならない。
さらにまた、上記画像表示装置も、リレー光学系でないため、より小さな画像表示素子を用いて構成した場合には、広い観察画角を得ることができない。
【０００７】
そこで、本発明は、携帯電話や携帯情報端末、及び頭部装着型の虚像観察装置に用いることができる程度に小型で、軽量、かつ明るく、さらに高解像度を有し、且つ、製造が容易な観察光学系又は撮像光学系を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明による観察光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ観察光学系において、前記像面に観察者が観察する画像を表示する画像表示素子を配置し、前記瞳面に観察者の眼球が位置するように射出瞳を形成し、前記画像表示素子から射出された光束が、前記プリズムを経由した後に、前記導光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記回折素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら前記導光板の第２の領域へと向かい、前記第２の領域において前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記射出瞳とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し前記導光板から射出して前記射出瞳に導かれるように構成したことを特徴とする。
また、本発明による観察光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ観察光学系において、前記像面に観察者が観察する画像を表示する画像表示素子を配置し、前記瞳面に観察者の眼球が位置するように射出瞳を形成し、前記画像表示素子から射出された光束が、前記プリズムを経由した後に、前記導光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら前記導光板の第２の領域へと向かい、前記第２の領域において前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記射出瞳とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し前記導光板から射出して前記射出瞳に導かれるように構成したことを特徴とする。
また、本発明による観察光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ観察光学系において、前記像面に観察者が観察する画像を表示する画像表示素子を配置し、前記瞳面に観察者の眼球が位置するように射出瞳を形成し、前記画像表示素子から射出された光束が、前記プリズムを経由した後に、前記導光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら前記導光板の第２の領域へと向かい、前記第２の領域において前記導光板の前記射出瞳とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過されて、前記導光板から射出して前記射出瞳に導かれるように構成したことを特徴とする。
また、本発明による観察光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ観察光学系において、前記像面に観察者が観察する画像を表示する画像表示素子を配置し、前記瞳面に観察者の眼球が位置するように射出瞳を形成し、前記画像表示素子から射出された光束が、前記プリズムを経由した後に、前記導光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記回折素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら前記導光板の第２の領域へと向かい、前記第２の領域において前記導光板の前記射出瞳とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過されて、前記導光板から射出して前記射出瞳に導かれるように構成したことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による撮像光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ撮像光学系において、前記像面に物体像を撮像する撮像素子を配置し、前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りを配置し、前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板の第２の領域に入射し、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し、前記導光板の前記物体とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら第１の領域へと向かい、前記第１の領域において前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記プリズム側に設けられた前記回折素子を透過して前記導光板から射出し、前記プリズムを経由して前記撮像素子に導かれるように構成したことを特徴とする。
また、本発明による撮像光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ撮像光学系において、前記像面に物体像を撮像する撮像素子を配置し、前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りを配置し、前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板の第２の領域に入射し、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子で透過され、前記導光板の前記物体とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら第１の領域へと向かい、前記第１の領域において前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過されて、前記導光板から射出し、前記プリズムを経由して前記撮像素子に導かれるように構成したことを特徴とする。
また、本発明による撮像光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ撮像光学系において、前記像面に物体像を撮像する撮像素子を配置し、前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りを配置し、前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板の第２の領域に入射し、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子を回折透過し、前記導光板の前記物体とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら第１の領域へと向かい、前記第１の領域において前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過されて、前記導光板から射出し、前記プリズムを経由して前記撮像素子に導かれるように構成したことを特徴とする。
また、本発明による撮像光学系は、少なくともプリズムと導光板とを含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ撮像光学系において、前記像面に物体像を撮像する撮像素子を配置し、前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りを配置し、前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板の第２の領域に入射し、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過され、前記導光板の前記物体とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら第１の領域へと向かい、前記第１の領域において前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記プリズム側に設けられた前記回折素子を透過して前記導光板から射出し、前記プリズムを経由して前記撮像素子に導かれるように構成したことを特徴とする。
【００１１】
本発明の基本原理について図を用いて説明する。
図１は本発明による光学系の概念図、図２は本発明による光学系を構成する導光板に入射する光の反射状態を示す原理説明図、図３は図１の構成において軸上光線が導光板内部で中間結像される状態を説明するための概念図である。なお、説明の便宜上、図の右側から光線追跡をすることとする。
【００１２】
本発明の光学系は、図１に示すように、瞳面１と像面５との間に導光板３と偏心プリズム４を有している。
導光板３は、図２に示すように、基盤ガラスの入射領域の両面に回折素子として第１のＨＯＥ（体積型ホログラフィック素子）、第２のＨＯＥを夫々設けると共に、射出領域の両面に回折素子として第３のＨＯＥ、第４のＨＯＥを夫々設けて構成されている。なお、基盤としては透明ガラスの代わりに透明プラスチックを用いてもよい。
【００１３】
ここで、導光板に設けられた第２ＨＯＥに対し臨界角以下の入射角度でもって入射する所定波長の軸上光線の導光板内での反射状態について、第２ＨＯＥに対し垂直に入射する光を用いて説明する。
第２ＨＯＥに垂直に入射した光は、そのまま第２ＨＯＥを透過して、第１ＨＯＥに入射する。第１ＨＯＥは、この入射位置Ｑ１においてこの第１の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。第１ＨＯＥで回折反射された光は第２の入射角度でもって第２ＨＯＥに入射する。第２ＨＯＥは、この入射位置Ｑ２において第２の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。
【００１４】
第２ＨＯＥで回折反射された光は導光板に対して臨界角を超えた第３の入射角度でもって、第１ＨＯＥに入射する。第１ＨＯＥは、この入射位置Ｑ３において臨界角を超えた第３の入射角度でもって入射した光を全反射する。全反射された光は、同様に臨界角を超えた第３の入射角度でもって、第２ＨＯＥに入射する。第２ＨＯＥは、この入射位置Ｑ４において臨界角を超えた第３の入射角度でもって入射した光を全反射する。全反射された光は、以下、両側のガラス又はプラスチックでできた基盤面及び基盤面に設けられたＨＯＥで同様の全反射を繰り返して射出領域に設けられた第４ＨＯＥの所定位置へと導かれる。
【００１５】
第４ＨＯＥは、所定位置Ｑｍにおいて臨界角を超えた第３の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。第４ＨＯＥで回折反射された光は導光板に対して第４の入射角度でもって、第３ＨＯＥに入射する。第３ＨＯＥはこの入射位置Ｑｎにおいて第４の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。第３ＨＯＥで回折反射された光は導光板に対して臨界角以下の第５の入射角度でもって（図２においては垂直、即ち、０度の入射角でもって）第４ＨＯＥに入射し、そのまま第４ＨＯＥを透過して導光板を射出する。
【００１６】
このように、導光板の入射領域において別個のＨＯＥで２回回折させると共に、射出領域においても別個のＨＯＥを介して２回回折させれば、１回あたりの回折角度が大きくならずに済む。
【００１７】
一般に回折角度の大きな回折光学素子は、素子内部に有する格子構造のピッチが細かくなり製造が困難となることが知られている。
本発明の光学系では、上述のように、導光板の入射領域および射出領域に夫々複数枚以上のＨＯＥ素子を配置したので、ＨＯＥ素子の１回あたりの回折角度が大きくならないように抑えることができ、ＨＯＥ中の干渉縞のピッチを大きくすることができる。また、露光の際の許容振動幅が軽減され、露光光学系の位置精度も緩和される。更に、ＨＯＥ露光用感光材料に要求される露光可能最大周波数がより低いもので可能となる。
【００１８】
なお、図２に示すような導光板は、小型化のために回転非対称な光学作用面が配置され、光軸が折れ曲がっている偏心光学系として構成されており、特に導光板に光を入射させた後に全反射させて所定位置まで導いて射出させるために回転非対称な光学的作用を有するＨＯＥ素子を配置しているため、このままでは、大きな偏心収差が発生してしまう。そこで、本発明では、図１に示すように、導光板の外部に少なくとも１面に自由曲面を有する偏心プリズムを配置して、導光板を介して生じる偏心収差を補正することができるようにしている。
【００１９】
また、本発明の光学系のように、導光板内部での全反射回数が１０回以上となるように構成すれば、導光板の厚さを薄型に保ち且つ長い距離を導光させることができる。
更に、導光板内における全反射回数が２０回以上となるように構成すればより好ましく、３０回以上となるように構成すればより一層好ましい。
【００２０】
また、本発明の光学系は、入射光束が導光板内部で中間像を結像するリレー光学系として構成されているのが好ましい。
図３は、本発明のリレー光学系の概念を簡略化して示したものである。図３においては、説明の便宜上、１枚の導光板を入射領域の導光板と射出領域の導光板とが分かれているものとして示すとともに、光線の全反射を省略している。また、右上側の導光板に軸上光束が入射するものとして説明する。
導光板の入射領域に入射した射出瞳からの軸上光束は、導光板の入射領域両側に設けられたＨＯＥを介して２回回折反射された後にその途中で中間結像位置で一旦結像し、導光板の射出領域に入射し、導光板の射出領域両側に設けられたＨＯＥを介して２回回折反射されて導光板の射出領域より射出し、偏心プリズムに入射する。
【００２１】
このように、本発明の光学系を、入射光束が導光板の入射領域から射出領域に至るまでの間で中間結像するリレー光学系として構成すれば、接眼側の光学系で発生する収差をリレー光学系の中間結像位置より像側の光学系で補正することができ、しかも、リレー光学系により小さな画像表示素子を中間結像面に大きく投影することで、見かけ上大きな画像表示素子を接眼光学系に用いたものと光学的に等価になる。これにより小さな画像表示素子を用いても広い観察画角を得ることができる。
一方、上記従来の光学系のように、リレー光学系を構成しないで接眼光学系だけで画像表示装置を構成しようとすると、広い観察画角を達成するためには、接眼光学系側のパワーを強くする、即ち、焦点距離を短くして倍率を上げる必要があるが、接眼光学系のパワーを強くしすぎると収差が悪くなる。
従って、本発明の光学系は、リレー光学系方式で構成するのが、これらの諸問題を防ぐために有用である。なお、中間像を結像することができれば、リレー光学系を構成するための光学要素は、プリズム、レンズなどどのようなものであってもよい。
【００２２】
このように、図１に示す本発明の光学系は、導光板３内部に入射した光束が、入射領域で少なくとも２回回折反射された後に全反射を繰り返して導光板内部の中間結像位置で結像した後、全反射を繰り返しながら射出領域に導かれ、射出領域で少なくとも２回回折反射されて射出領域から射出して、自由曲面プリズム４に第１面４1より入射し、第２面４2、第３面４3で反射されて、第４面４4より射出した後、像面位置で結像するように構成されている。
【００２３】
また、本発明の光学系は、瞳径をＰＤ（Ｐｕｐｉｌ Ｄｉａｍａｔｅｒ）、アイリリーフをＥＲ（Ｅｙｅ Ｒｅｌｉｅｆ）とした時、次の条件式(1)を満足することが望ましい。
０．１ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．９ ……(1)
瞳径ＰＤが下限を超えて小さくなると、回折の影響により高解像度な画像を観察、撮像等をすることが困難となる。
一方、瞳径ＰＤが上限を超えて大きくなると瞳径が大きくなりすぎ収差補正が困難となり、更に光学系が大型化してしまう。
【００２４】
また、本発明の光学系は、次の条件式(2)を満足することがより望ましい。
１．０ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．６ ……(2)
条件式(2)の上限及び下限の意味は上記条件式(1)と同様である。
【００２５】
更に、本発明の光学系は、次の条件式(3)を満足することがより一層望ましい。
１．０ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．３ ……(3)
条件式の上限及び下限の意味は上記条件式(1)と同様である。
【００２６】
また、本発明の光学系は、導光板内における軸上主光線の入射位置から射出位置までの距離をＬとしたとき、次の条件式(4)を満足することが望ましい。
３０．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ ２００．０ｍｍ ……(4)
下限を超えて距離Ｌが短いと、導光板における、観察者の顔面側に偏心プリズムなどの光学系が設けられている場合、観察者の顔面にその光学系が干渉してしまい、また、導光板における、観察者の顔面とは対向する側に偏心プリズムなどの光学系が設けられている場合、その光学系がシースルー観察を遮断してしまう。
一方、上限を超えて距離Ｌが長くなると、装置が大きくなりすぎ、また重量も重くなり頭部への装着が困難となる。
【００２７】
また、本発明の光学系は、次の条件式(5)を満足することがより望ましい。
３５．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ １４０．０ｍｍ ……(5)
条件式(5)の上限及び下限の意味は上記条件式(4)と同様である。
【００２８】
更に、本発明の光学系は、次の条件式(6)を満足することがより一層望ましい。
４０．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ ７０．０ｍｍ ……(6)
条件式(6)の上限及び下限の意味は上述と同様である。
【００２９】
なお、本発明の光学系は、瞳面と像面とが導光板の同一面側に位置する場合と瞳面と像面とが導光板を隔てて位置する場合のいずれにも適用可能である。
【００３０】
また、本発明の観察光学系に用いる画像表示素子は、透過型と反射型のいずれのタイプのものもであってもよい。
【００３１】
そして、本発明の光学系において、前記画像表示素子を前記反射型の画像表示素子で構成する場合、照明光源を備え、前記プリズムを前記照明光源からの照明光を前記反射型の画像表示素子に導き、更に、前記反射型の画像表示素子で反射した光束を前記導光板の入射領域に導くようにするのが好ましい。
【００３２】
なお、本発明の光学系では、図２に示すように、ホログラフフィク素子を、前記導光板の夫々の側において入射領域と射出領域とで夫々別体に設けて構成しているが、ホログラフィック素子を、前記導光板の夫々の側において入射領域から射出領域に至るまで一体に形成し、且つ、入射領域の所定位置から射出領域の所定位置に至るまでの領域において光束が、全反射臨界角を超えた角度でもって前記導光板内を１０回以上全反射するように構成してもよい。
【００３３】
また、本発明の観察光学系は、前記導光板を隔てて前記射出瞳とは反対側に撮像素子を設け、前記射出瞳位置に眼球が位置したときの観察者の像が前記導光板を透過して撮像されるように構成してもよい。
【００３４】
また、本発明の光学系では、前記ホログラフィック素子は上述のように体積型ホログラム（ＨＯＥ）で構成されているのが好ましい。
【００３５】
また、本発明の光学系は、前記導光板の面形状が平面形状に形成されているのが好ましい。なお、前記導光板の面形状が曲面形状に形成されていてもよい。
【００３６】
また、本発明において、導光板の板面形状を一方向へ曲率を持つ曲面形状に形成すれば、光学系全体をより小型化することができる。
【００３７】
ところで、平面フィルム状に供給された体積型ホログラム素子用の感光材料は、シリンドリカル形状への湾曲加工は比較的容易であるが、Ｘ方向およびＹ方向の両方向に同時に曲率を持つ基盤形状に加工することは困難である。
そこで、導光板の板面形状を平面形状に形成し、その平面基盤上に体積型ホログラムを配置すれば、生産も容易な構成をとることができる。
【００３８】
なお、体積型ホログラムは、基盤面に貼りつけるか、又は、基盤面に埋め込んで基盤面と面一になるようにする。
【００３９】
また、前記プリズムの前記偏心収差を補正する面は、回転非対称なディストーション補正やテレセントリック性の良好な光学系とするために自由曲面などの回転非対称な面が望ましいが、球面、非球面、アナモルフィック面などの回転対称な面で構成することも可能である。
【００４０】
また、本発明の観察光学系は、体積型ホログラムは、上述のような反射型ＨＯＥに限定されるものではなく、例えば、図２において、入射領域の第２ＨＯＥ又は射出領域の第４ＨＯＥに透過型ＨＯＥを用いて、回折透過させてもよい。
【００４１】
なお、本発明の光学系のこれらの構成は、上述のように、観察系だけでなく撮像系への適用も可能である。
即ち、本発明の観察光学系における、観察者が観察する画像を表示する画像表示素子、及び射出瞳を、本発明の撮像光学系では、物体像を撮像する撮像素子、及び物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りに、夫々置き換えて構成する。
そして、撮像光学系においても、上述の条件式など観察光学系に順じた構成とすると好ましい。
【００４２】
その他、本発明の光学系は、防塵部材で覆われていることが好ましい。
このように構成すれば、ゴミ等が拡大観察されてしまうのを防ぐことができる。また、ホログラフィック素子を有する導光板にあっては、防塵部材により外部からのホログラフィック素子への水分の侵入によりホログラフィック素子が膨張して回折のピーク波長が変化してしまうのを防ぐことができる。なお、その場合、防塵部材は、外部を覆う箱体と、導光板と瞳面との間を通る光を透過させる透明カバーとを備えているのが好ましい。また、その場合、透明カバーは、ガラス又はプラスチックなどを材料として形成された透明部材で構成してもよい。
【００４３】
また、画像表示素子と、以上のような本発明の何れかの観察光学系を接眼光学系として配置した本体部と、前記観察光学系の射出瞳を観察者の眼球位置に保持するように前記本体部を観察者頭部に支持する支持部材と、前記観察者の耳に音声を与えるスピーカー部材とを有して頭部装着型画像表示装置を構成することができる。
【００４４】
その場合の頭部装着型画像表示装置は、前記本体部が、右眼用の観察光学系と左眼用の観察光学系とを備え、前記スピーカー部材が、右耳用スピーカー部材と左耳用スピーカー部材とを有するように構成してもよい。
【００４５】
また、この頭部装着型画像表示装置は、前記スピーカー部材がイヤホンで構成されていてもよい。
【００４６】
なお、本発明の光学系において、プリズムは、観察光学系では逆光線追跡、撮像光学系では順光線追跡で、物点中心を通り、観察光学系では射出瞳、撮像光学系では明るさ絞りの中心を通過して像面の中心に到達する光線を軸上主光線としたとき、少なくとも１つの反射面が軸上主光線に対して偏心していないと、軸上主光線の入射光線と反射光線が同一の光路を通ることとなり、軸上主光線が光学系中で遮断されてしまう。その結果、中心部が遮光された光束のみで像を形成することになり、中心が暗くなったり、中心では全く像を結ばなくなったりしてしまう。そこで、本発明に用いるプリズムには偏心プリズムを用いている。
【００４７】
また、パワーを付けた反射面を軸上主光線に対して偏心させた場合、本発明で用いられるプリズム部材を構成する面のうち、少なくとも１つの面は回転非対称な面であることが望ましい。その中でも、特に、プリズム部材の少なくとも１つの反射面を回転非対称な面にすることが収差補正上は好ましい。
【００４８】
光路を折り曲げて、共通領域の光路を重複して利用するために光学系を偏心配置する必要がある。しかし、このように光路を折り曲げるために光学系を偏心光学系とすると、回転非対称なディストーションや回転非対称な像面湾曲などの偏心収差が発生する。この偏心収差を補正するために回転非対称な面を上述のように用いる。
【００４９】
また、本発明で用いられるホログラフィック素子の面が回転非対称な面であることが同様の理由で望ましい。
なお、ホログラフィック素子を設けるベース面は、上述のように平面形状が望ましいが、シリンドリカル面、球面、非球面、アナモルフィック面、トーリック面、対称面を１面のみ有する面、面対称自由曲面形状のいずれの形状に形成されていてもよい。
【００５０】
また、本発明で用いる回転非対称な面は、アナモルフィック面、トーリック面、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面で構成することができる。なお、好ましくは、対称面を１面のみ有する自由曲面で構成するとよい。
【００５１】
なお、本発明では、軸上主光線を、観察光学系においては、射出瞳の中心を通り画像表示素子の中心に到達する光線で逆光線追跡で、撮像光学系においては、明るさ絞りの中心を通り撮像素子の中心に到達する光線で順光線追跡で定義する。そして、軸上主光線が射出瞳又は明るさ絞りの中心から導光板の入射領域のＨＯＥ面に交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸と定義し、また、このＺ軸と直交し、かつ、導光板を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、さらに、Ｚ軸と直交し、かつ、Ｙ軸と直交する軸をＸ軸と定義する。また、射出瞳又は明るさ絞りの中心を本発明の観察光学系又は撮像光学系における座標系の原点とする。また、本発明においては、上述のように射出瞳から画像表示素子に向かう逆光線追跡、又は明るさ絞りから撮像素子に向かう順光線追跡で面番号をつけることとし、軸上主光線が、射出瞳から画像表示素子に至る方向又は明るさ絞りから撮像素子に至る方向をＺ軸の正方向、画像表示素子に向かうＹ軸の方向又は撮像素子に向かうＹ軸の方向をＹ軸の正方向、Ｙ軸とＺ軸と右手系を構成するＸ軸の方向をＸ軸の正方向と夫々定義する。
ここで、本発明で使用する自由曲面は、次式(7)により定義する。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００５２】
ただし、(7)式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。また球面項中、Ｃは頂点の曲率、ｋはコーニック定数（円錐定数）、ｒ＝√（Ｘ2＋Ｙ2）である。
【００５３】
自由曲面項は次式(8)のように展開することができる。
ただし、Ｃj（ｊは２以上の整数）は係数である。
【００５４】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面ともに対称面を持つことはないが、本発明では、Ｘの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。このような自由曲面は、例えば、上記定義式(7)においては、Ｃ2、Ｃ5、Ｃ7、Ｃ9、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって達成することが可能である。
【００５５】
また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。このような自由曲面は、例えば、上記定義式(7)においては、Ｃ3、Ｃ5、Ｃ8、Ｃ10、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項の係数を０にすることによって達成することが可能である。
【００５６】
また上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性も向上させることが可能となる。
【００５７】
また、上記定義式(7)は、上述のように１つの例として示したものであり、本発明において、対称面を１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるという特徴を有しているが、上記定義式(7)以外の他のいかなる定義式に対しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５８】
本発明において、プリズム部材に設けられた反射面の形状を、唯一の対称面を１面のみ有した面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５９】
また、アナモルフィック面の形状は次の式(9)により定義される。なお、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。
Ｚ＝（Ｃｘ・Ｘ2＋Ｃｙ・Ｙ2）／［１＋｛１−（１＋Ｋｘ）Ｃｘ2・Ｘ2
−（１＋Ｋｙ）Ｃｙ2・Ｙ2｝1/2]
＋ΣＲｎ｛（１−Ｐｎ）Ｘ2
＋（１＋Ｐｎ）Ｙ2｝(n+1)
……(9)
【００６０】
ここで、例としてｎ＝４（４次項）を考えると、上記式(9)は、展開したとき、次式(10)で表わすことができる。
Ｚ＝（Ｃｘ・Ｘ2＋Ｃｙ・Ｙ2）／［１＋｛１−（１＋Ｋｘ）Ｃｘ2・Ｘ2
−（１＋Ｋｙ）Ｃｙ2・Ｙ2｝1/2]
＋Ｒ１｛（１−Ｐ１）Ｘ2＋（１＋Ｐ１）Ｙ2｝2
＋Ｒ２｛（１−Ｐ２）Ｘ2＋（１＋Ｐ２）Ｙ2｝3
＋Ｒ３｛（１−Ｐ３）Ｘ2＋（１＋Ｐ３）Ｙ2｝4
＋Ｒ４｛（１−Ｐ４）Ｘ2＋（１＋Ｐ４）Ｙ2｝5
……(10)
ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ量、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とは、
Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ
の関係にある。
【００６１】
また、トーリック面にはＸトーリック面とＹトーリック面があり、夫々次の式(11)，(12)により定義される。面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線がトーリック面の軸となる。
Ｘトーリック面は、次の式(11)で定義される。
Ｆ（Ｘ）＝Ｃｘ・Ｘ2／[１＋｛１−（１＋Ｋ）Ｃｘ2・Ｘ2｝1/2]
＋ＡＸ4＋ＢＸ6＋ＣＸ8＋ＤＸ10・・・・・・
Ｚ＝Ｆ（Ｘ）＋（１／２）Ｃｙ｛Ｙ2＋Ｚ2−Ｆ（Ｘ）2｝ ……(11)
Ｙトーリック面は、次の式(12)で定義される。
Ｆ（Ｙ）＝Ｃｙ・Ｙ2／[１＋｛１−（１＋Ｋ）Ｃｙ2・Ｙ2｝1/2]
＋ＡＹ4＋ＢＹ6＋ＣＹ8＋ＤＹ10・・・・・・
Ｚ＝Ｆ（Ｙ）＋（１／２）Ｃｘ｛Ｘ2＋Ｚ2−Ｆ（Ｙ）2｝ ……(12)
ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ量、ＣｘはＸ軸方向曲率、ＣｙはＹ軸方向曲率、Ｋは円錐係数、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは非球面係数である。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とは、
Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ
の関係にある。
【００６２】
ホログラフィック素子には、レリーフ型ホログラムと体積型ホログラムがある。レリーフ型ホログラムは、入射角選択性や波長選択性が小さく、特定の入射角、波長の光を回折して必要次数光として結像させるが、それ以外の入射角、波長の光についても、回折効率が低下した状態で回折してしまい、不要次数光として結像させてしまうという性質を有する。一方、体積型ホログラムは入射角選択性や波長選択性が高く、特定の波長、入射角の光のみを回折して必要次数光として結像させ、それ以外の光については殆どを０次光として透過又は反射させてしまい、不要次数光を結像させ難いという特性を有している。
従って、本発明のように第１プリズムに用いるホログラフィック素子として反射型体積ホログラムを用いれば、不要次数光による像ブレの発生を防ぐことができ、鮮明な観察画像を得ることができる。
【００６３】
なお、本発明におけるホログラフィック素子である体積型ホログラム（ＨＯＥ）は以下のように定義する。図３６は本発明におけるＨＯＥを定義するための原理図である。
まず、ＨＯＥ面に入射し、さらに射出する波長λの光線追跡は、基準波長λ0＝ＨＷＬに対して定義されるＨＯＥ面上での光路差関数Φ0を用いて、次式(13)で与えられる。
ｎdＱd・Ｎ＝ｎiＱi・Ｎ＋ｍ（λ／λ0）∇Ф0・Ｎ ……(13)
ただし、ＮはＨＯＥ面の法線ベクトル、ｎi（ｎd）は入射側（射出側）の屈折率、Ｑi（Ｑd）は入射（射出）ベクトル（単位ベクトル）である。また、ｍ＝ＨＯＲは射出光の回折次数である。
【００６４】
ＨＯＥが基準波長λ0の２点光源、すなわち図３６に示すように点Ｐ1＝（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ１）を光源とする物体光、および点Ｐ2＝（ＨＸ２，ＨＹ２，ＨＺ２）を光源とする参照光の干渉によって製造される（定義される）とすれば、
Φ0＝Φ0 2P
＝ｎ2・ｓ2・ｒ2−ｎ1・ｓ1・ｒ1
となる。ただし、ｒ1（ｒ2）は点Ｐ1（点Ｐ2）からＨＯＥ面の所定の座標までの距離（＞０）、ｎ1（ｎ2）は製造時（定義時）にＨＯＥを置く媒質の、点Ｐ1（点Ｐ2）を配置した側の屈折率であり、ｓ1＝ＨＶ１、およびｓ2＝ＨＶ２は光の進行方向を考慮する符号である。この符号は光源が発散光源（実点光源）である場合に、ＲＥＡ＝＋１、逆に光源が収束する光源（仮想点光源）の場合にＶＩＲ＝−１となる。なお、レンズデータ中におけるＨＯＥの定義として、製造時（定義時）にＨＯＥを置く媒質の屈折率ｎ1（ｎ2）は、レンズデータ中でＨＯＥ面が接している媒質の、点Ｐ1（点Ｐ2）が存在する側の屈折率とする。
【００６５】
一般的な場合、ＨＯＥを製造する際の参照光と物体光は球面波とは限らない。この場合のＨＯＥの光路差関数Φ0は、多項式で表した付加的な位相項Φ0 Poly（基準波長λ0における光路差関数）を加えて次式(14)で表わすことができる。
Φ0＝Φ0 2P＋Φ0 Poly ……(14)
ここで、多項式は、
ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）2＋ｍ＋３ｎ｝／２
で定義することができる。ただし、Ｈjは各項の係数である。
【００６６】
さらに光学設計の便宜から、光路差関数Φ0を
Φ0＝Φ0 Poly
のように付加項のみで表し、それによってＨＯＥを定義することもできる。例えば、２点光源Ｐ1（点Ｐ2）を一致させると光路差関数Φ0の干渉による成分Φ0 2Pはゼロとなるので、この場合は実質的に付加項（多項式）のみで光路差関数を表示したことに相当する。
以上のＨＯＥに関する説明は、すべてＨＯＥ原点を基準とするローカル座標に対するものである。
【００６７】
以下に、ＨＯＥを定義する構成パラメータの例を示す。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の観察光学系および撮像光学系の実施例について説明する。
なお、実施例の構成パラメータは後に示すことにする。各実施例においては、例えば図４に示すように、軸上主光線２を、射出瞳１（又は明るさ絞り１４）の中心（観察者眼球の旋回中心位置）から導光板３、プリズム４、画像表示素子として設けられたＬＣＤ５（又は撮像素子１３）の中心に至る光線で定義する。そして、軸上主光線２が導光板３の射出瞳側の面と交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交し、かつ、プリズム４を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸と定義する。また、射出瞳１（又は明るさ絞り１４）の中心をこの座標系の原点とする。そして、軸上主光線２が射出瞳１（又は明るさ絞り１４）からＬＣＤ５（又は撮像素子１３）に至る方向をＺ軸の正方向、ＬＣＤ５（又は撮像素子１３）に向かうＹ軸の方向をＹ軸の正方向、Ｙ軸とＺ軸と右手系を構成するＸ軸の方向をＸ軸の正方向と夫々定義する。
【００６９】
各実施例では、導光板３およびプリズム４はこのＹ−Ｚ平面内で偏心を行なっており、また、導光板３およびプリズム４に設けられる各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【００７０】
偏心面については、対応する座標系の原点から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向を夫々、Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、上記式(7)のＺ軸）のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の夫々を中心とする傾き角（夫々α，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正は夫々の軸の正方向に対して半時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。その他、球面の曲率半径、面間隔、媒質の屈折率、アッベ数は慣用法によって与えるものとする。
【００７１】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は上記(7)式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００７２】
また、自由曲面の他の定義式として、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は次式(15)により定義する。その定義式(15)のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺ軸の高さの極座標で定義され、ＲはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＡはＺ軸周りの方位角でＹ軸から測った回転角で表わされる。
【００７３】
Ｘ＝Ｒ×ｃｏｓ(A)
Ｙ＝Ｒ×ｓｉｎ(A)
Ｚ＝Ｄ2
＋Ｄ3Ｒｃｏｓ(A)＋Ｄ4Ｒｓｉｎ(A)
＋Ｄ5Ｒ2ｃｏｓ(2A)＋Ｄ6（Ｒ2−１）＋Ｄ7Ｒ2ｓｉｎ(2A)
＋Ｄ8Ｒ3ｃｏｓ(3A)＋Ｄ9（３Ｒ3−２Ｒ）ｃｏｓ(A)
＋Ｄ10（３Ｒ3−２Ｒ）ｓｉｎ(A)＋Ｄ11Ｒ3ｓｉｎ(3A)
＋Ｄ12Ｒ4ｃｏｓ(4A)＋Ｄ13（４Ｒ4−３Ｒ2）ｃｏｓ(2A)
＋Ｄ14（６Ｒ4−６Ｒ2＋１）＋Ｄ15（４Ｒ4−３Ｒ2）ｓｉｎ(2A)
＋Ｄ16Ｒ4ｓｉｎ(4A)
＋Ｄ17Ｒ5ｃｏｓ(5A)＋Ｄ18（５Ｒ5−４Ｒ3）ｃｏｓ(3A)
＋Ｄ19（１０Ｒ5−１２Ｒ3＋３Ｒ）ｃｏｓ(A)
＋Ｄ20（１０Ｒ5−１２Ｒ3＋３Ｒ）ｓｉｎ(A)
＋Ｄ21（５Ｒ5−４Ｒ3）ｓｉｎ(3A)＋Ｄ22Ｒ5ｓｉｎ(5A)
＋Ｄ23Ｒ6ｃｏｓ(6A)＋Ｄ24（６Ｒ6−５Ｒ4）ｃｏｓ(4A)
＋Ｄ25（１５Ｒ6−２０Ｒ4＋６Ｒ2）ｃｏｓ(2A)
＋Ｄ26（２０Ｒ6−３０Ｒ4＋１２Ｒ2−１）
＋Ｄ27（１５Ｒ6−２０Ｒ4＋６Ｒ2）ｓｉｎ(2A)
＋Ｄ28（６Ｒ6−５Ｒ4）ｓｉｎ(4A)＋Ｄ29Ｒ6ｓｉｎ(6A)・・・
……(15)
なお、上記においてＸ方向に対称な面として表した。ただし、Ｄm（ｍは２以上の整数）は係数である。
【００７４】
また、回転非対称面な自由曲面の形状は次の式(16)により定義することもできる。その定義式(16)のＺ軸が回転非対称面の軸となる。
Ｚ＝ΣnΣmＣnmＸnＹn-m ……(16)
ただし、ΣnはΣのｎが０〜ｋ、ΣmはΣのｍが０〜ｎを表わす。
【００７５】
また、面対称自由曲面（対称面を１つのみ有する回転非対称面）を、この回転非対称面を表わす式(16)により定義する場合は、その対称面により生ずる対称性をＸ方向に求める場合は、Ｘの奇数次項を０に（例えばＸ奇数次項の係数を０にする）、その対称面により生ずる対称性をＹ方向に求める場合は、Ｙの奇数次項を０に（例えば、Ｙ奇数次項の係数を０にする）すればよい。
【００７６】
また、回転対称非球面の形状は次式(19)により定義する。その定義式(19)のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
Ｚ＝（Ｙ2／Ｒ）／[１＋｛１−Ｐ(Ｙ2／Ｒ2)｝1/2]
＋Ａ4Ｙ4＋Ａ6Ｙ6＋Ａ8Ｙ8＋Ａ10Ｙ10・・・
……(19)
ただし、ＹはＺに垂直な方向であり、Ｒは近軸曲率半径、Ｐは円錐係数、Ａ4、Ａ6、Ａ8、Ａ10は非球面係数である。
【００７７】
なお、本発明の実施例では、上記(7)式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記(15)式、(16)式を用いても同様の作用効果が得られるのは言うまでもない。
【００７８】
【実施例】
第１実施例
実施例１では、観察光学系として説明する。画像表示素子としては、大きさが０．４７インチタイプの縦横９．６ｍｍ×７．２ｍｍで、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤを使用している。また、観察画角は、水平全画角２５．００°、垂直全画角１８．８８°であり、瞳径（ＰＤ）は、Φ１．５ｍｍ、アイレリーフ（ＥＲ）は、１８ｍｍである。
本発明の実施例１に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図４に示す。実施例１の観察光学系は、像面と瞳面との間に配置されており、少なくともプリズム４と、導光板３とを含んで構成されている。像面側には、観察者が観察する画像を表示する画像表示素子としてＬＣＤ５が配置されている。また、ＬＣＤ５に表示された観察像を観察するために瞳面に射出瞳１を形成するようになっている。
なお、以下の実施例の説明において、光学系の面番号は原則として射出瞳１からＬＣＤ５に至る順番で追跡（逆光線追跡）し、プリズムにおける各面の順番も逆光線追跡に合わせて表すこととする。また、光学系を介して射出瞳１とＬＣＤ５とを結ぶ光路内を進む光束を第１光束ということとする。
【００７９】
プリズム４は、第１面４1〜第４面４4を有している。導光板３には、第１の領域及び第２の領域の夫々両面に、体積型ホログラム（ＨＯＥ）６1〜６4が設けられている。また、導光板３は、前記第１の領域と前記第２の領域との間で光束を１０回以上全反射させるように構成されている。なお、図４においては、第１の領域が入射領域、第２の領域が射出領域を構成している。
導光板３の前記第１の領域の両面に設けられたＨＯＥ６1，６2は、所定波長で入射した光束を夫々回折反射させることで、該光束が導光板３の全反射臨界角を超えた角度となるように形成されている。
また、導光板３の前記第２の領域の両面に設けられたＨＯＥ６3，６4は、導光板３の全反射臨界角を超えた角度で入射した光束を夫々回折反射させることで、導光板３から光束が射出されるように形成されている。
プリズム４の第１面４1〜第４面４4は、導光板３を射出した光束の偏心収差を補正するための面として自由曲面で構成されている。
【００８０】
そして、本実施例の観察光学系では、ＬＣＤ５から射出された第１光束は、第４面４4を透過してプリズム４の内部に入射した後、第３面４3、第２面４2で反射され、第１面４1を透過して、プリズム４から射出される。その後、第１光束は、導光板３の第１の領域に設けられたＨＯＥ６2に対し臨界角以下の入射角度でもって入射する。
【００８１】
ＨＯＥ６2に対し臨界角以下の第１の入射角度で入射した光は、そのままＨＯＥ６2を透過して、ＨＯＥ６1に入射する。ＨＯＥ６1は、この入射位置においてこの第１の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。ＨＯＥ６1で回折反射された光は第２の入射角度でもってＨＯＥ６2に入射する。ＨＯＥ６2は、この入射位置において第２の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。
【００８２】
ＨＯＥ６2で回折反射された光は導光板３に対して臨界角を超えた第３の入射角度でもって、ＨＯＥ６1に入射する。ＨＯＥ６1は、この入射位置において臨界角を超えた第３の入射角度でもって入射した光を全反射する。全反射された光は、同様に臨界角を超えた第３の入射角度でもって、ＨＯＥ６2に入射する。ＨＯＥ６2は、この位置において臨界角を超えた第３の入射角度でもって入射した光を全反射する。全反射された光は、以下、導光板３の両側のガラス又はプラスチックでできた基盤面の外部との界面で同様の全反射を繰り返し、且つ、その途中の所定位置で一旦結像されて第２の領域に設けられたＨＯＥ６4の所定位置へと導かれる。
【００８３】
ＨＯＥ６4は、所定位置に臨界角を超えた第３の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。ＨＯＥ６4で回折反射された光は導光板に対して第４の入射角度でもって、ＨＯＥ６3に入射する。ＨＯＥ６3はこの入射位置において第４の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。ＨＯＥ６3で回折反射された光は導光板３に対して臨界角以下の第５の入射角度でもってＨＯＥ６4に入射し、そのままＨＯＥ６4を透過して導光板３を射出して射出瞳１へと導かれる。
【００８４】
なお、本発明の実施例においては、観察光学系として説明することとするが、観察光学系の像面にＬＣＤ５に換えて撮像素子１３を配置し、瞳面（射出瞳１の位置）に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞り１４を配置することにより、撮像光学系として構成することができる。
その場合には、第１の領域が射出領域、第２の領域が入射領域となる。そして、明るさ絞り１４を通過した物体からの光束が、導光板３の第２の領域に入射し、ＨＯＥ６4を透過し、ＨＯＥ６3で回折反射された後、ＨＯＥ６4で回折反射されて、導光板３の全反射臨界角を超えた角度となって、導光板３の内部で１０回以上全反射され、且つ、その途中の所定位置で一旦結像して第１の領域へと向かい、第１の領域においてＨＯＥ６1で回折反射された後、ＨＯＥ６2で回折反射されて、ＨＯＥ６1を透過して導光板３から射出する。導光板３から射出した光束は、プリズム４の第１面４1を透過してプリズム４の内部に入射した後、第２面４2、第３面４3で反射され、第４面４4を透過して、プリズム４を射出し、撮像素子１４に導かれるようにする。
【００８５】
その他、体積型ホログラムは、Ｒ，Ｇ，Ｂの３層を貼り合わせて構成されており、カラー像を観察することができるようになっている。
また、図４に示すように、導光板３は面形状が平面状に形成されている。また、本実施例の光学系は導光板３の同一面側に射出瞳１とプリズム４が位置して構成されている。
【００８６】
次に、第１実施例の数値データを示す。数値データ中、“ＦＦＳ”は自由曲面を示している。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図５に、横収差を表す収差図を図６に夫々示す。図５中、縦軸はＸ方向の像高、横軸はＹ方向の像高を示している。また、図６中、夫々(a)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＹ方向の横収差、(b)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＸ方向の横収差、(c)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、(d)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、(e)はＸ正方向最大画角、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、(f)はＸ正方向最大画角、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、(g)はＸ正方向最大画角、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＹ方向の横収差、(h)はＸ正方向最大画角、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＸ方向の横収差、(i)はＸ正方向最大画角、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、(j)はＸ正方向最大画角、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、(k)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、(l)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差を示している。
【００８７】
第２実施例
第２実施例の光学系を図７に示す。図７は、第２実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
本実施例の光学系は、導光板３が長さ方向に沿って曲面形状に形成されている。また、プリズム４は第２面４2と第３面４3の面形状が平面形状に、第１面４1と第４面４4の面形状が自由曲面形状にそれぞれ形成されている。その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。
【００９２】
第３実施例
本発明の光学系の第３実施例を図８に示す。図８は、第３実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
本実施例の光学系は、射出瞳１とプリズム４とが導光板３を隔てて位置するように構成されている。また、プリズム４は第１面４1〜第３面４3を有しており、第１面４1が透過面と反射面とを兼ね備えた面、第２面４2が反射面、第３面４3が透過面として構成されている。
【００９３】
そして本実施例では、ＬＣＤ５から射出された第１光束は、第３面４3を透過してプリズム４の内部に入射した後、第１面４1、第２面４2で反射され、第１面４1を透過して、プリズム４から射出される。その後、第１光束は、導光板３の第１の領域に設けられたＨＯＥ６1に対し臨界角以下の入射角度でもって入射する。
【００９４】
ＨＯＥ６1に対し臨界角以下の第１の入射角度で入射した光は、そのままＨＯＥ６1を透過して、ＨＯＥ６2に入射する。ＨＯＥ６2は、この入射位置においてこの第１の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。ＨＯＥ６2で回折反射された光は第２の入射角度でもってＨＯＥ６1に入射する。ＨＯＥ６1は、この入射位置において第２の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。
【００９５】
ＨＯＥ６1で回折反射された光は導光板３に対して臨界角を超えた第３の入射角度でもって、ガラス又はプラスチックでできた基盤面に入射する。以下、導光板３の両側の基盤面の外部との界面で同様の全反射を繰り返し、且つ、その途中の所定位置で一旦結像されて第２の領域に設けられたＨＯＥ６4の所定位置へと導かれる。
その他の作用効果は第１実施例とほぼ同じである。
【００９６】
第４実施例
本発明の光学系の第４実施例を図９に示す。図９は、第４実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
本実施例の光学系は、ＨＯＥ６1’と６2’とが、導光板３の夫々の側において入射領域から射出領域に至るまで一体に形成され、且つ、入射領域の所定位置から射出領域の所定位置に至るまでの領域において光束が、全反射臨界角を超えた角度でもって前記導光板内部で１０回以上全反射するように構成されている。
また、本実施例では、ＨＯＥ６’2は、プリズム４からの入射光の入射位置においてこの第１の入射角度でもって入射した光を回折透過するように角度選択性を有し、この入射光を回折透過して第２の入射角度でもってＨＯＥ６’1に入射するように構成されている。
【００９７】
また、画像表示素子５は反射型ＬＣＤで構成されている。また、プリズム４の近傍には照明光源７が設けられている。プリズム４は、２個のプリズム８，９をハーフミラー１０を挟んで接合して構成されており、照明光源７からの照明光をハーフミラー１０で反射して、反射型ＬＣＤ５に照射し、反射型ＬＣＤ５で反射された光束をハーフミラー１０を透過して導光板３の入射領域へと導くようになっている。また、プリズム９の瞳側面には遮光部材１１が設けられており、ハーフミラー１０を透過した照明光源７からの照明光が観察者の瞳に入射して観察を邪魔するのを防止している。なお、プリズム４の第１面４1〜第３面４3の少なくともいずれかが自由曲面形状に形成されている。
その他の、構成及び作用効果は第１実施例とほぼ同じである。
【００９８】
また、本発明の光学系に用いるプリズムは、上記実施例のタイプのものに限定されるものではなく、図１０〜図２０に示すようなプリズムを用いてもよい。
【００９９】
図１０の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が反射面として、第３面３４が入射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第３面３４で屈折してプリズム内に入射し、第２面３３で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１００】
図１１の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が第１の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第３の反射面と入射面とを兼ね備えた面として、第３面３４が第２の反射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２面３３で屈折してプリズム内に入射し、第１面３２で反射し、第３面３４で反射した後、第２面３３で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０１】
図１２の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が第３の反射面として、第３面３４が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面として、第４面３５が第１の反射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第３面３４で屈折してプリズム内に入射し、第４面３５で反射した後、第３面３４で反射し、第２面３３で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０２】
図１３の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が同一面上の異なる位置に第１の反射面と第３の反射面とを備えた面として、第３面３４が第２の反射面として、第４面３５が入射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第２面３３に備わる第１の反射面で反射し、第３面３４で反射した後、第２面３３に備わる第３の反射面で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０３】
図１４の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面と、第４の反射面とを同一面上の異なる位置に備えた面として、第３面３４が第３の反射面として、第４面３５が第１の反射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２面３３に備わる入射面で屈折してプリズム内に入射し、第４面３５で反射した後、第２面３３に備わる第２の反射面で反射し、第３面３４で反射した後、第２面３３に備わる第４の反射面で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０４】
図１５の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が第１の反射面と、第３の反射面と射出面とを兼ね備えた面とを同一面上の異なる位置に備えた面として、第２面３３が第４の反射面として、第３面３４が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第３面３４に備わる入射面で屈折してプリズム内に入射し、第１面３２に備わる第１の反射面で反射した後、第３面３４に備わる第２の反射面で反射し、第１面３２に備わる第３の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０５】
図１６の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面と、第４の反射面と射出面とを兼ね備えた面とを同一面上の異なる位置に備えた面として、第２面３３が第５の反射面として、第３面３４が第１の反射面と第３の反射面とを兼ね備えた面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第１面３２に備わる入射面で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４に備わる第１の反射面で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第３面３４に備わる第３の反射面で反射した後、第１面３２に備わる第４の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０６】
図１７の場合は、プリズムＰは第１面３２と、第２面３３と、第３面３４、第４面３５とを備え、第１面３２が第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第３の反射面として、第３面３４が第１の反射面として、第４面３５が入射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０７】
図１８の場合は、プリズムＰは第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プリズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が第１プリズムＰ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第１プリズムＰ１における第３の反射面として、第３面３４が第１プリズムＰ１における第１の反射面として、第４面３５が第１プリズムＰ１における入射面として夫々構成されている。また、第２プリズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３とを備え、第１面４１が第２プリズムＰ２における第１の反射面と射出面を兼ね備えた面として、第２面４２が第２プリズムＰ２における第２の反射面として、第３面４３が第２プリズムＰ２における入射面として夫々構成されている。
【０１０８】
そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２プリズムＰ２の第３面４３で屈折してプリズム内に入射し、第３面４３に備わる第１の反射面で反射し、第２面４２で反射した後、第１面４１で屈折してプリズム外に射出し、さらに、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０９】
図１９の場合は、プリズムＰは第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プリズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が第１プリズムＰ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第１プリズムＰ１における第３の反射面として、第３面３４が第１プリズムＰ１における第１の反射面として、第４面３５が第１プリズムＰ１における入射面として夫々構成されている。また、第２プリズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３と、第４面４４とを備え、第１面４１が第２プリズムＰ２における射出面として、第２面４２が第２プリズムＰ２における第２の反射面として、第３面４３が第２プリズムＰ２における第１の反射面として、第４面４４が第２プリズムＰ２における入射面として夫々構成されている。
【０１１０】
そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２プリズムＰ２の第４面４４で屈折してプリズム内に入射し、第３面４３で反射し、第２面４２で反射し、第１面４１で屈折してプリズム外に射出し、さらに、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１１１】
図２０の場合は、プリズムＰは第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プリズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が第１プリズムＰ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第１プリズムＰ１における第３の反射面として、第３面３４が第１プリズムＰ１における第１の反射面として、第４面３５が第１プリズムＰ１における入射面として夫々構成されている。また、第２プリズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３と、第４面４４とを備え、第１面４１が第２プリズムＰ２における射出面として、第２面４２が第２プリズムＰ２における第２の反射面として、第３面４３が第２プリズムＰ２における第１の反射面として、第４面４４が第２プリズムＰ２における入射面として夫々構成されている。
【０１１２】
そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２プリズムＰ２の第４面４４で屈折してプリズム内に入射し、第３面４３で反射し、第２面４２で反射し、第１面４１で屈折してプリズム外に射出し、さらに、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。なお、図１９と図２０のプリズムとは、第２プリズムＰ２の第３面と第４面とを結ぶ光路と第１面と第２面とを結ぶ光路とが図１９では、交差しないのに対し、図２０では交差するようになっている点で構成が異なっている。
【０１１３】
次に、以上のような本発明による観察光学系、撮像光学系は、物体像を接眼レンズを通して観察する観察装置や、物体像を形成しその像をＣＣＤや銀塩フィルムといった撮像素子に受光させて撮影を行なう撮影装置として用いることが可能である。具体的には、顕微鏡、頭部装着型画像表示装置、内視鏡、プロジェクター、銀塩カメラ、デジタルカメラ、ＶＴＲカメラ、更には、観察光学系や撮像光学系を付加した情報処理装置、携帯電話等がある。以下にその実施形態を例示する。
【０１１４】
その一例として、図２１に頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を、図２２(a)にその断面図を示す。この構成は、本発明による観察光学系を図２２(a)に示すように接眼光学系として用いており、この接眼光学系１００と画像表示素子５からなる組を左右一対用意し、それらを眼幅距離だけ離して支持することにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装着型画像表示装置のようなポータブル型の画像表示装置１０２として構成されている。
【０１１５】
すなわち、画像表示装置本体１０２には、上記のような観察光学系が接眼光学系１００として用いられ、その接眼光学系１００が左右一対備えられ、それらに対応して像面に液晶表示素子からなる画像表示素子５が配置されている。そして、画像表示装置本体１０２には、図２１に示すように、左右に連続して図示のような側頭フレーム１０３が設けられ、画像表示装置本体１０２を観察者の眼前に保持できるようになっている。なお、図２２(a)では、観察光学系と、眼鏡用レンズ１５とを画像表示装置１０２本体の内部に一体的に組み込んで構成しているが、眼鏡用のレンズ１５を組み込まないで画像表示装置１０２を構成してもよい。
【０１１６】
また、側頭フレーム１０３にはスピーカ１０４が付設されており、画像観察と共に立体音響を聞くことができるようになっている。このようにスピーカ１０４を有する表示装置本体１０２には、映像音声伝達コード１０５を介してポータブルビデオカセット等の再生装置１０６が接続されており、観察者はこの再生装置１０６を図示のようにベルト箇所等の任意の位置に保持して、映像音響を楽しむことができるようになっている。図２１の符号１０７は再生装置１０６のスイッチ、ボリューム等の調節部である。なお、画像表示装置本体１０２の内部には映像処理、音声処理回路等の電子部品を内蔵させてある。
【０１１７】
なお、コード１０５は先端をジャックにして、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよい。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ鑑賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。
【０１１８】
また、図２２(b)に示すように、画像表示装置本体１０２には眼鏡のレンズ１５を組み込まないで構成し、画像表示装置本体１０２に接続された支持部材１０３’を眼鏡１６のフレーム１７に着脱可能に構成してもよい。この場合、図２２(a)のスピーカ１０４は支持部材１０３’に付設すればよい。
また、図２２(c)に示すように、左右の眼ごとに接眼光学系１００と画像表示素子５とを防塵部材１８で覆うと共に、防塵部材１８を眼鏡１６のフレーム１２に接続して構成してもよい。
【０１１９】
さらに、本発明による観察光学系は、接眼光学系を左右何れか一方の眼前に配置した片眼用の頭部装着型画像表示装置に用いてもよい。図２３に片眼に装着（この場合は、左眼に装着）する構成にした場合の様子を示す。図２３中、１１１は実施例に示された、ガラス又はプラスチックで構成された導光部の両面にホログラフィック素子を貼り合わせて構成された導光部材を示しており、導光部材１１１は、表示装置本体部１１４の下部に設けられた支持部材（図示省略）が観察者１１２の耳部１１３及び後頭部を介して固定されることにより、観察者１１２の顔面の左眼の前方に保持されている。なお、図示省略した支持部材の構成としては、例えば、特開平１０−２５７５８１号公報に記載の構成を用いることができる。
【０１２０】
即ち、本実施例の画像表示装置が観察者１１２の左耳のみで支持するタイプの場合には、表示装置本体部１１４の下部に設ける支持部材は、特開平１０−２５７５８１号公報に記載の「支持部、補助支持部」が観察者１１２の左の耳部１１３の耳殻の上側付根部分から下側付根部分にかけて湾曲形成されるようにして構成する。この場合には、スピーカであるイヤホン部１１５は、表示装置本体部１１４から音声信号を伝達するコード１１６が接続された左耳用のイヤホン部のみのモノラルタイプに構成するか、若しくは、左耳用のイヤホン部に加えて、表示装置本体部１１４から長く延びた図示しないコードに接続された右耳用のイヤホン部を取り付けてステレオタイプに構成する。
【０１２１】
また、本実施例の画像表示装置が観察者１１２の左右の耳で支持するタイプの場合には、表示装置本体部１１４の下部に設ける支持部材は、特開平１０−２５７５８１号公報に記載の「ヘッドバンド」を軸に、左右夫々に耳部の耳殻の上側付根部分から下側付根部分にかけて湾曲して形成される「支持部、補助支持部」を設けることに加えて、「掛止体」若しくは長さを調整する構成を付加することによって、頭部の大きさ及び耳の位置が夫々に異なる観察者の左右の耳の位置合わせに対応可能に構成できる。この場合には、ステレオタイプの左右のイヤホン部に夫々接続するコードを、「ヘッドバンド」に接続させるか若しくは「ヘッドバンド」の内部に埋設させ、イヤホン部近傍部分のコードのみが外部に露出するように構成することが望ましい。
【０１２２】
更に、表示装置本体部１１４には、インターネット接続やＴＶ信号受信を可能にするＣＰＵ回路等が内蔵され、また、それらの信号の送受信のためのアンテナ１１９が設けられている。
【０１２３】
更に、映像・音声信号等を外部から送信するためのケーブル１１７が、表示装置本体部１１４から外部に延びて、ビデオ再生装置１１８に接続されている。なお、図中、１１８ａはビデオ再生装置１１８のスイッチやボリュウム調整部である。また、ケーブル１１７の先端部１１７ａは、既存のビデオデッキ等に接続可能なジャックとして構成してもよい。さらに、その場合は、低価格タイプの装置として、表示装置本体部１１４に内蔵されたインターネット接続やＴＶ信号受信を可能にするＣＰＵ回路等とアンテナ１１９を省略し、このジャックを使って、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ鑑賞用にしたり、コンピュータに接続してコンピュータグラフィックスの映像や、インターネットからの映像等を受信するように構成してもよい。
【０１２４】
また、表示装置本体部１１４と導光部材１１１との間には、ＬＣＤ等の画像表示素子とプリズム部材を内蔵した画像形成ユニット部１２０と、観察者の顔の大きさに合わせて位置調整可能なフレーム部１２１が設けられている。このフレーム部１２１には、表示装置本体部１１４に内蔵のＣＰＵ回路とＬＣＤ等の画像表示素子とを電気的に接続するコードが内蔵されている。また、フレーム部１２１を位置調整可能にするために、フレーム自体を弾性体で構成しても良いし、あるいは、フレーム部１２１と表示装置本体部１１４との接合部分をギヤで構成してフレーム部１２１を表示装置本体部１１４に対して伸縮自在となるようにしてもよい。
【０１２５】
また、図２４〜図２６は、本発明による撮像光学系の要部構成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２４は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図２５は同後方斜視図、図２６は電子カメラ４０の構成を示す断面図である。
【０１２６】
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、シャッター釦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釦４５を押圧すると、それに連動して撮影用対物光学系４８を通して撮影が行なわれる。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。
【０１２７】
このＣＣＤ４９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には記録素子６１が配置され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、この記録素子６１は処理手段５２と別体に設けられてもよいし、フロッピーディスク等により電子的に記録書込を行な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。
【０１２８】
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と、フォーカシングのために光軸方向に位置調節可能な正レンズ群５７と、図４の実施例に示すような明るさ絞り１４と導光板３とプリズム４とを備えてなる。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群であり、画角を拡大している。このファインダー用対物光学系５３によって結像面９０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の視野枠上に形成される。
【０１２９】
なお、その視野枠は、ポロプリズム５５の第１反射面５６1と第２反射面５６2との間を分離し、その間に配置されている。なお、ポロプリズム５５は第１反射面５６1から第４反射面５６4でなる。このポロプリズム５５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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
なお、図２６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、本発明の２つのプリズム３，４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。
【０１３２】
次に、図２７は本発明の撮像光学系を電子カメラ４０の撮影部の対物光学系４８に、本発明の観察光学系を電子カメラ４０の接眼光学系５９に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合は、撮影用光路４２上に配置された撮影用対物光学系４８は、正レンズからなるカバー部材６５と本発明の実施例３に示すような導光板３、プリズム４からなる撮像光学系からなる。そして、そのプリズム４とＣＣＤ４９との間に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が配置されており、この撮影用対物光学系４８により形成された物体像は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、ＣＣＤ４９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の制御も行なう。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。
【０１３３】
この接眼光学系５９は、本発明の実施例３に示すような観察光学系と同様の形態を持つ導光板３、プリズム４とその射出瞳側に配置されたカバーレンズ９１とからなる。また、ＬＣＤ６０の背後にはそれを照明するバックライト９２が配置されている。なお、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）を導光板３、プリズム４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。
【０１３４】
このように構成されたカメラ４０は、撮影用対物光学系４８、接眼光学系５９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薄型化が実現できる。
【０１３５】
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、正レンズを配置しているが、負レンズあるいは平行平面板を用いてもよい。
【０１３６】
ここで、カバー部材を設けずに、本発明の撮像光学系の最も物体側に配置された面をカバー部材と兼用することもできる。本例では、その最も物体側の面は導光板３の入射面となる。しかし、この入射面が光軸に対して偏心配置されているため、この面がカメラ前面に配置されてしまうと、被写体側から見た場合、カメラ４０の撮影中心が自分からずれているように錯覚してしまい（一般的なカメラ同様、入射面の垂直方向を撮影していると感じるのが通常である。）、違和感を与えてしまう。そこで、本例のように、結像光学系の最も物体側の面が偏心面である場合には、カバー部材６５（又は、カバーレンズ５４）を設けることが、被写体側から見た場合に違和感を受けずに、既存のカメラと同じ感覚で撮影を受けることができ望ましい。
なお、導光板３の入射面にはホログラフィック素子が設けられているため、水分の侵入による回折のピーク波長の変化を防止するためにも、カバー部材６５、カバーレンズ９１は設けることが望ましい。
【０１３７】
次に、図２８は、本発明による撮像光学系を電子内視鏡の観察系の対物光学系８２に、本発明による観察光学系を電子内視鏡の観察系の接眼光学系８７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、接眼光学系８７は実施例３と略同様の形態の光学系を用いている。この電子内視鏡は、図２８(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な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、このビデオプロセッサ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、例えば図２１に示したような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２８(b)に示すように構成されている。
【０１３８】
光源装置７２から照明された光束は、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２８(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５（図２１）に表示されＨＭＤ７８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画像信号導伝手段９３を介して接眼部８１の液晶表示素子（ＬＣＤ）８６上に電子像として表示され、その表示像は本発明の観察光学系からなる接眼光学系８７を経て観察者眼球Ｅに導かれる。
【０１３９】
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。
【０１４０】
次に、図２９、３０は本発明の結像光学系を情報処理装置の一例であるパーソナルコンピュータ（以下、パソコンと称する）に内蔵した構成を示す概念図であり、図２９はパソコン３００の表示画面部１９９を開いた状態を示す前方斜視図、図３０はパソコン３００の撮影光学系３０３とモニター３０２の概略構成を示す表示画面部１９９の断面図である。なお、本実施例では、パソコン３００として、特に、持ち運びに便利な携帯型情報端末やノート型やブック型のパソコンを用いている。
【０１４１】
図２９、３０に示すように、パソコン３００は、外部から操作者が情報を入力するためのキーボード３０１と、図示省略したＣＰＵなどの情報処理装置やメモリなどの記憶装置と、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を有している。
【０１４２】
ここで、撮影光学系３０３は、本発明の撮像光学系に相当し、像面と瞳面との間にプリズム４と導光板３とを含んで構成されている。像面には、物体像を撮像する撮像素子としてＣＣＤ４９が配置されている。
プリズム４は、第１面４1〜第４面４4を有している。導光板３には、第１の領域及び第２の領域の夫々両面に、体積型ホログラム（ＨＯＥ）６1〜６4が設けられている。また、導光板３は、前記第２の領域と前記第１の領域との間で光束を１０回以上全反射させるように構成されている。なお、図３０においては、第１の領域が射出領域、第２の領域が入射領域を構成している。
【０１４３】
導光板３の前記第２の領域の両面に設けられたＨＯＥ６3，６4は、所定波長で入射した光束を夫々回折反射させることで、該光束が導光板３の全反射臨界角を超えた角度となるように形成されている。また、ＨＯＥ６1〜６4は、夫々導光板３の図２９からみて右側角部近傍に所定の大きさでもって設けられている。
また、導光板３の前記第１の領域の両面に設けられたＨＯＥ６1，６2は、導光板３の全反射臨界角を超えた角度で入射した光束を夫々回折反射させることで、導光板３から光束が射出されるように形成されている。
なお本実施例では、導光板３の第２の領域に設けられたＨＯＥ６4が物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りとしての役割を果たし、その入射面が瞳面になっている。
プリズム４の第１面４1〜第４面４4は、導光板３を射出した光束の偏心収差を補正するための面として自由曲面で構成されている。
【０１４４】
そして本実施例では、導光板３の第２の領域においてＨＯＥ６4を透過した物体からの入射光束が、ＨＯＥ６3で回折反射された後、ＨＯＥ６4で回折反射されて、導光板３の全反射臨界角を超えた角度となって、導光板３の内部で１０回以上全反射され、且つ、その途中の所定位置で一旦結像して第１の領域へと向かい、第１の領域においてＨＯＥ６1で回折反射された後、ＨＯＥ６2で回折反射されて、ＨＯＥ６1を透過して導光板３から射出する。導光板３から射出した光束は、プリズム４の第１面４1を透過してプリズム４の内部に入射した後、第２面４2、第３面４3で反射され、第４面４4を透過して、プリズム４を射出し、赤外カットフィルター５１を介して赤外光が除去された状態でＣＣＤ４９に導かれ、ＣＣＤ４９で撮像される。
【０１４５】
モニター３０２は、導光板３と導光板３の背面側（図３０において右側）に配置された透過型のＬＣＤ２０２とバックライト２０３とを備えて構成されている。そして、バックライト２０３により背面から照明されることによって透過型のＬＣＤ２０２に表示された像を、導光板３を介して観察者が透過観察することができるようになっている。なお、モニター３０２の構成要素としての導光板３は、外部からの水分や埃の侵入を防止するカバー部材としての役割も果たしている。
【０１４６】
表示画面部１９９の上側縁部２００は、撮影光学系３０３における導光板３のＨＯＥ６4への光線入射領域を遮光しない幅でもって形成されている。また、表示画面部１９９の下側縁部２０１は、ＣＣＤ４９やプリズム４が設けられていて、ＬＣＤ２０２が及ばないモニター３０２の下側領域部分を覆い隠すような幅でもって形成されている。
【０１４７】
撮像素子であるＣＣＤ４９で受光された物体像は、パソコン３００に設けられた情報処理手段（図示省略）に入力され、電子画像として液晶パネル２０２を介してモニター３０２の一部の領域又は全部の領域に表示される。図２９は、その一例として、ＨＯＥ６4が設けられた光線の入射領域より撮影光学系３０３を介して撮像された操作者の像が画像３０５として表示された状態を示している。
なお、撮影光学系３０３を介して撮像された操作者の画像情報を情報処理手段、通信ケーブル、インターネットや電話などの通信手段を用いて伝送することにより、このパソコンに表示された画像３０５と同じ画像を、遠隔地から通信先のパソコンや携帯電話などの表示画面に表示することも可能である。
【０１４８】
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の結像光学系を内蔵した例を図３１〜３４に示す。
図３１は携帯電話４００の正面図、図３２は図３１の側面図、図３３はモニター４０４と撮影光学系４０５の構成を示す断面図、図３４はモニター４０４と観察光学系４０６の構成を示す断面図である。
【０１４９】
図３１に示すように、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４０３と、操作者自身が通話相手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、観察光学系４０６と、通信電波の送受信を行なうアンテナ４１２と、画像情報や文字情報のデータ変換、通信制御、入力信号の制御等の処理を行なうＣＰＵなどの処理手段光学系に相当し、図３３に示すように、像面と瞳面との間にプリズム４と導光板３とを含んで構成されている。像面には、物体像を撮像する撮像素子としてＣＣＤ４９が配置されている。
プリズム４は、第１面４1〜第４面４4を有している。導光板３には、第１の領域及び第２の領域の夫々両面に、体積型ホログラム（ＨＯＥ）６1〜６4が設けられている。また、導光板３は、前記第２の領域と前記第１の領域との間で光束を１０回以上全反射させるように構成されている。なお、図３３においては、第１の領域が射出領域、第２の領域が入射領域を構成している。
【０１５０】
導光板３の前記第２の領域の両面に設けられたＨＯＥ６3，６4は、所定波長で入射した光束を夫々回折反射させることで、該光束が導光板３の全反射臨界角を超えた角度となるように形成されている。また、ＨＯＥ６1〜６4は、夫々導光板３の図３１において右側角部近傍の符号４０８，４０９に示す位置に所定の大きさでもって設けられている。
また、導光板３の前記第１の領域の両面に設けられたＨＯＥ６1，６2は、導光板３の全反射臨界角を超えた角度で入射した光束を夫々回折反射させることで、導光板３から光束が射出されるように形成されている。
なお本実施例の撮影光学系４０５では、導光板３の第２の領域に設けられたＨＯＥ６4が物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りとしての役割を果たし、その入射面が瞳面になっている。
プリズム４の第１面４1〜第４面４4は、導光板３を射出した光束の偏心収差を補正するための面として自由曲面で構成されている。
【０１５１】
そして本実施例の撮影光学系４０５では、導光板３の第２の領域において、ＨＯＥ６4を透過した物体からの入射光束が、ＨＯＥ６3で回折反射された後、ＨＯＥ６4で回折反射されて、導光板３の全反射臨界角を超えた角度となって、導光板３の内部で１０回以上全反射され、且つ、その途中の所定位置で一旦結像して第１の領域へと向かい、第１の領域においてＨＯＥ６1で回折反射された後、ＨＯＥ６2で回折反射されて、ＨＯＥ６1を透過して導光板３から射出する。導光板３から射出した光束は、プリズム４の第１面４1を透過してプリズム４の内部に入射した後、第２面４2、第３面４3で反射され、第４面４4を透過して、プリズム４を射出し、赤外カットフィルター５１を介して赤外光が除去された状態でＣＣＤ４９に導かれ、ＣＣＤ４９で撮像される。
【０１５２】
モニター４０４は、導光板３と導光板３の背面側（図３３において右側）に配置された透過型のＬＣＤ２０２とバックライト２０３とを備えて構成されている。そして、バックライト２０３により背面から照明されることによって透過型のＬＣＤ２０２に表示された像を、導光板３を介して観察者が実像として透過観察することができるようになっている。なお、モニター４０４の構成要素としての導光板３は、外部からの水分や埃の侵入を防止するカバー部材としての役割も果たしている。
【０１５３】
そして、撮像素子であるＣＣＤ４９で受光された物体像は、携帯電話４００に設けられた情報処理手段２０６に入力され、電子画像として液晶パネル２０２を介してモニター４０４の一部の領域又は全部の領域に表示される。図３１は、その一例として、撮影光学系４０５により撮像された操作者の画像が表示された状態を示している。なお、撮像素子（ＣＣＤ）４９で受光された物体像は、処理手段２０６に入力された後、通信相手のモニターに、又は双方のモニターに表示されるようにすることも可能である。通信相手に画像を送信するには、撮像素子（ＣＣＤ）４９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変換処理機能を情報処理装置に備える。
【０１５４】
また、本実施例の観察光学系４０６は、図３４に示すように、像面と瞳面との間にプリズム４と導光板３とを含んで構成されている。像面には、観察者が観察する画像を表示する画像表示素子として小型のＬＣＤ２０４がその背面側（図３４において下側）にバックライト２０５を備えて配置されている。また、瞳面に射出瞳を形成するようになっている。
プリズム４は、第１面４1〜第４面４4を有している。導光板３には、第１の領域及び第２の領域の夫々両面に、体積型ホログラム（ＨＯＥ）６’1〜６’4が設けられている。また、導光板３は、前記第２の領域と前記第１の領域との間で光束を１０回以上全反射させるように構成されている。なお、図３４においては、第１の領域が入射領域、第２の領域が射出領域を構成している。
【０１５５】
導光板３の前記第１の領域の両面に設けられたＨＯＥ６’1，６’2は、所定波長で入射した光束を夫々回折反射させることで、該光束が導光板３の全反射臨界角を超えた角度となるように形成されている。
また、導光板３の前記第２の領域の両面に設けられたＨＯＥ６’3，６’4は、導光板３の全反射臨界角を超えた角度で入射した光束を夫々回折反射させることで、導光板３から光束が射出されるように形成されている。また、ＨＯＥ６’1〜６’4は、夫々導光板３の図３１において左側角部近傍の符号４１０，４１１に示す位置に所定の大きさでもって設けられている。
プリズム４の第１面４1〜第４面４4は、導光板３を射出した光束の偏心収差を補正するための面として自由曲面で構成されている。
【０１５６】
そして、本実施例の観察光学系４０６では、バックライト２０５で照明されてＬＣＤ２０４から射出された光束は、第４面４4を透過してプリズム４の内部に入射した後、第３面４3、第２面４2で反射され、第１面４1を透過して、プリズム４から射出される。その後、導光板３の第１の領域に設けられたＨＯＥ６’2に対し臨界角以下の入射角度でもって入射してＨＯＥ６’2 を透過し、ＨＯＥ６’1で回折反射された後、ＨＯＥ６’2で回折反射されて、導光板３の全反射臨界角を超えた角度となって、導光板３の内部で１０回以上全反射され、且つ、その途中の所定位置で一旦結像して第２の領域へと向かい、第２の領域においてＨＯＥ６’3で回折反射された後、ＨＯＥ６’4で回折反射されて、ＨＯＥ６’3を透過して導光板３から射出してモニター４０４におけるＨＯＥ６’4を通る光路上に設けられた射出瞳へと導かれる。
【０１５７】
このとき小型のＬＣＤ２０４とバックライト２０５によって形成された小さな画像は、導光板３を介して観察者の眼球Ｅに拡大投影されており、観察者は、小型のＬＣＤ２０４の面上に形成された画像を拡大投影された虚像として観察することになる。
【０１５８】
なお、この拡大投影された画像を観察する場合、観察者は、導光板３により形成される射出瞳位置に眼球Ｅを近付けなければならないため、モニター４０４の大部分の領域に表示されるＬＣＤ２０３の画像を見ることができないばかりか、却ってＬＣＤ２０３に表示された画像の光によって、観察光学系４０６による小型のＬＣＤ２０４に表示された画像の拡大観察を妨げられてしまう場合があり得る。そこで、そのような場合には、ＣＰＵ（処理手段）２０６によって、バックライト２０３の照明光の光量を減少させるかもしくは消すように制御することが望ましい。また、このようにすれば、更に、消費電力の効率化という効果も期待できる。
【０１５９】
次に、本発明による光学系を構成するプリズムに対し体積型ホログラムのような回折素子を導光板に設けるときの望ましい構成を図３５に示す。図中、偏心プリズムＰは、本発明の観察光学系又は撮像光学系中に含まれるプリズム４である。いま、回折素子の面Ｃが、図のように四角形を形成するとしたとき、偏心プリズムＰの第１面が面対称自由曲面に形成された場合その対称面Ｄが、この回折素子の面Ｃの四角形を形成する辺の少なくとも１つと平行になるように配置することが、美しい像形成の上で望ましい。
【０１６０】
さらに、この回折素子の面Ｃが正方形や長方形といった４つの内角が夫々略９０°にて形成されている場合には、面対称自由曲面の対称面Ｄは、回折素子の面Ｃの互いに平行関係にある２辺に対して平行に配置され、この対称面Ｄが回折素子の面Ｃを左右又は上下対称にさせる位置に一致するように構成することが好ましい。このように構成すれば、装置に組み込むときの組み込み精度が出しやすく、量産性に効果的である。
【０１６１】
さらに、偏心プリズムＰを構成する光学面である第１面、第２面、第３面、第４面等の中、複数の面又は全ての面が面対称自由曲面の場合には、複数の面又は全ての面の対称面が同一面Ｄの上に配置されるように構成することが、設計上も、収差性能上も望ましい。そして、この対称面Ｄと回折素子のパワーの面との関係は、上述と同様の関係にあることが望ましい。
【０１６２】
以上説明したように、本発明の光学系は、特許請求の範囲に記載された特徴のほかに下記に示すような特徴も備えている。
【０１６９】
（１）入射光束が前記導光板内部で中間結像するようにリレー光学系を構成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光学系。
【０１７０】
（２）瞳径をＰＤ、アイリリーフをＥＲとしたとき、次の条件式(1)を満足することを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）のいずれかに記載の観察光学系。
０．１ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．９ ……(1)
【０１７１】
（３）瞳径をＰＤ、アイリリーフをＥＲとしたとき、次の条件式(2)を満足することを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）のいずれかに記載の観察光学系。
１．０ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．６ ……(2)
【０１７２】
（４）瞳径をＰＤ、アイリリーフをＥＲとしたとき、次の条件式(3)を満足することを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）のいずれかに記載の観察光学系。
１．０ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．３ ……(3)
【０１７３】
（５）前記導光板内部における軸上主光線の入射位置から射出位置までの距離をＬとしたとき、次の条件式(4)を満足することを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の光学系。
３０．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ ２００．０ｍｍ ……(4)
【０１７４】
（６）前記導光板内部における軸上主光線の入射位置から射出位置までの距離をＬとしたとき、次の条件式(5)を満足することを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の光学系。
３５．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ １４０．０ｍｍ ……(5)
【０１７５】
（７）前記導光板内部における軸上主光線の入射位置から射出位置までの距離をＬとしたとき、次の条件式(6)を満足することを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の光学系。
４０．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ ７０．０ｍｍ ……(6)
【０１７６】
（８）前記瞳面と前記プリズムとが前記導光板の同一面側に位置することを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（７）のいずれかに記載の光学系。
【０１７７】
（９）前記瞳面と前記プリズムとが前記導光板を隔てた位置にあることを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（７）のいずれかに記載の光学系。
【０１７８】
（１０）前記画像表示素子が透過型の画像表示素子であることを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）〜（９）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１７９】
（１１）前記画像表示素子が反射型の画像表示素子であることを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）〜（９）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１８０】
（１２）照明光源を備えると共に、前記プリズムが、前記照明光源からの照明光を前記反射型の画像表示素子に導き、更に、前記反射型の画像表示素子で反射された光束を前記導光板の入射領域に導くように構成されていることを特徴とする上記（１１）に記載の観察光学系。
【０１８１】
（１３）前記ホログラフィック素子が、前記導光板の夫々の側において入射領域と射出領域とで夫々別体に設けられていることを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の光学系。
【０１８２】
（１４）前記ホログラフィック素子が、前記導光板の夫々の側において入射領域から射出領域に至るまで一体に形成され、且つ、入射領域の所定位置から射出領域の所定位置に至るまでの領域において光束が、全反射臨界角を超えた角度でもって前記導光板内部で１０回以上全反射するように構成されていることを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の光学系。
【０１８３】
（１５）前記導光板を隔てて前記射出瞳とは反対側に撮像素子を設け、観察者が前記導光板を介して前記画像表示素子に表示された像を観察しているときに観察者の像が前記導光板を透過して撮像されるようにしたことを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）〜（１４）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１８４】
（１６）前記導光板の面形状が平面形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（１５）のいずれかに記載の光学系。
【０１８５】
（１７）前記導光板の面形状が曲面形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（１５）のいずれかに記載の光学系。
【０１８６】
（１８）前記ホログラフィック素子が体積型ホログラムで構成されていることを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（１７）のいずれかに記載の光学系。
【０１８７】
（１９）前記画像表示素子から射出された光束が、前記導光板内部で２０回以上全反射するようにしたことを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）〜（１８）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１８８】
（２０）前記画像表示素子から射出された光束が、前記導光板内部で３０回以上全反射するようにしたことを特徴とする請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）〜（１８）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１８９】
（２１）前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板内部で２０回以上全反射するようにしたことを特徴とする請求項２、６〜８、請求項２に従属する上記（１）、（５）〜（９）、（１３）、（１４）、（１６）〜（１８）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０１９０】
（２２）前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板内部で３０回以上全反射するようにしたことを特徴とする請求項２、６〜８、請求項２に従属する上記（１）、（５）〜（９）、（１３）、（１４）、（１６）〜（１８）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０１９１】
（２３）前記プリズムは、前記偏心収差を補正するための曲面が自由曲面で構成されていることを特徴とする請求項１〜８、上記（１）〜（２２）のいずれかに記載の光学系。
【０１９２】
（２４）請求項１、３〜５、請求項１に従属する上記（１）〜（２０）、（２３）のいずれかに記載の観察光学系を内蔵した本体部と、前記観察光学系の射出瞳を観察者の眼球位置に保持するように前記本体部を観察者頭部に支持する支持部材と、前記観察者の耳に音声を与えるスピーカー部材とを有していることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１９３】
（２５）上記（２４）に記載の頭部装着型画像表示装置において、前記本体部が、右眼用の観察光学系と左眼用の観察光学系とを備え、前記スピーカー部材が、右耳用スピーカー部材と左耳用スピーカー部材とを有するように構成されていることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１９４】
（２６）上記（２４）又は（２５）に記載の頭部装着型画像表示装置において、前記スピーカー部材がイヤホンで構成されていることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１９５】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、携帯電話や携帯情報端末そして頭部装着型の虚像観察装置に用いるのに適した、小型で、軽量、かつ明るく、さらに高解像度を有する観察光学系、撮像光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学系の概念図である。
【図２】本発明による光学系を構成する導光板に入射する光の反射状態を示す原理説明図である。
【図３】図１の構成において軸上光線が導光板内部で中間結像される状態を説明するための概念図である。
【図４】本発明の第１実施例にかかる光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図５】第１実施例の像歪みを表す収差図である。
【図６】第１実施例の横収差を表す収差図である。
【図７】本発明の第２実施例にかかる光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図８】本発明の第３実施例にかかる光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図９】本発明の第４実施例にかかる光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図１０】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムの一例を示す図である。
【図１１】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムの他の例を示す図である。
【図１２】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１３】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１４】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１５】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１６】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１７】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１８】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１９】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２０】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２１】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を示す図である。
【図２２】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を上側からみた図であり、(a)は図１７の断面図、(b)は(a)の一変形例を示す断面図、(c)は(a)の他の変形例を示す断面図である。
【図２３】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型で片眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を示す図である。
【図２４】本発明の撮像光学系及び観察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２５】図２４の電子カメラの後方斜視図である。
【図２６】図２４の電子カメラの１つの構成を示す断面図である。
【図２７】本発明の撮像光学系及び観察光学系を適用した別の電子カメラの概念図である。
【図２８】本発明の撮像光学系及び観察光学系を適用した電子内視鏡の概念図である。
【図２９】本発明の結像光学系を内蔵したパーソナルコンピュータの表示画面部を開いた状態を示す前方斜視図である。
【図３０】図２９のパーソナルコンピュータの撮影光学系とモニターの概略構成を示す表示画面部の断面図である。
【図３１】本発明の結像光学系を内蔵した携帯電話の正面図である。
【図３２】図３１の側面図である。
【図３３】図３１の携帯電話におけるモニター４０４と撮影光学系４０５の構成を示す断面図である。
【図３４】図３１の携帯電話におけるモニター４０４と観察光学系４０６の構成を示す断面図である
【図３５】本発明による光学系を構成するプリズムにＨＯＥを配置するときの好ましい構成を示す図である。
【図３６】本発明におけるＨＯＥを定義するための原理図である。
【符号の説明】
１ 射出瞳
２ 軸上主光線
３ 導光板
４ プリズム
４1 第１面
４2 第２面
４3 第３面
４4 第４面
５，２０２，２０４ ＬＣＤ
６1、６2、６3、６4、６1’、６2’ 体積型ホログラム（ＨＯＥ）
７ 照明用光源
８、９ プリズム
１０ ハーフミラー
１１ 遮光部材
１３ 撮像素子
１４ 明るさ絞り
１５ 眼鏡用レンズ
１６ 眼鏡
１７ フレーム
１８ 防塵部材
４０ カメラ
４１ 撮像光学系
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 負レンズ群
５５ ポロプリズム
５６1〜５６4 第１〜４反射面
５７ 正レンズ群
５９ 接眼光学系
６０ 液晶表示素子（ＬＣＤ）
６１ 記録素子
６５ カバー部材
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 結像面
９１ カバー部材
９２，２０３，２０５ バックライト
９３ 画像信号導伝手段
１００ 接眼光学系
１０２ 画像表示装置（本体）
１０３ 側頭フレーム
１０４ スピーカ
１０５ 映像音声伝達コード
１０６ 再生装置
１０７ 調節部
１０８ 前フレーム
１１１ 導光部材
１１２ 観察者
１１３ 耳部
１１４ 表示装置本体部
１１５ イヤホン部
１１６ コード
１１７ ケーブル
１１７ａ ケーブル先端部
１１８ ビデオ再生装置
１１８ａ スイッチ、ボリュウム調整部
１１９，４１２ アンテナ
１２０ 画像形成ユニット部
１９９ 表示画面部
２００ 上側縁部
２０１ 下側縁部
２０６ 情報処理手段
３００ パーソナルコンピュータ
３０１ キーボード
３０２，４０４ モニター
３０３，４０５ 撮影光学系
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
４０６ 観察光学系
Ｐ 偏心プリズム
Ｃ 回折素子の面
Ｄ 面対称自由曲面の対称面
Claims (8)
- 少なくともプリズムと導光板とを含み、
前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、
前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、
前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、
前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、
瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ観察光学系において、
前記像面に観察者が観察する画像を表示する画像表示素子を配置し、
前記瞳面に観察者の眼球が位置するように射出瞳を形成し、
前記画像表示素子から射出された光束が、前記プリズムを経由した後に、前記導光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記回折素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら前記導光板の第２の領域へと向かい、前記第２の領域において前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記射出瞳とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し前記導光板から射出して前記射出瞳に導かれるように構成したことを特徴とする観察光学系。 - 少なくともプリズムと導光板とを含み、
前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、
前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、
前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、
前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、
瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ撮像光学系において、
前記像面に物体像を撮像する撮像素子を配置し、
前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りを配置し、
前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板の第２の領域に入射し、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し、前記導光板の前記物体とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら第１の領域へと向かい、前記第１の領域において前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記プリズム側に設けられた前記回折素子を透過して前記導光板から射出し、前記プリズムを経由して前記撮像素子に導かれるように構成したことを特徴とする撮像光学系。 - 少なくともプリズムと導光板とを含み、
前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、
前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、
前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、
前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、
瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ観察光学系において、
前記像面に観察者が観察する画像を表示する画像表示素子を配置し、
前記瞳面に観察者の眼球が位置するように射出瞳を形成し、
前記画像表示素子から射出された光束が、前記プリズムを経由した後に、前記導光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら前記導光板の第２の領域へと向かい、前記第２の領域において前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記射出瞳とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し前記導光板から射出して前記射出瞳に導かれるように構成したことを特徴とする観察光学系。 - 少なくともプリズムと導光板とを含み、
前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、
前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、
前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、
前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、
瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ観察光学系において、
前記像面に観察者が観察する画像を表示する画像表示素子を配置し、
前記瞳面に観察者の眼球が位置するように射出瞳を形成し、
前記画像表示素子から射出された光束が、前記プリズムを経由した後に、前記導光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら前記導光板の第２の領域へと向かい、前記第２の領域において前記導光板の前記射出瞳とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過されて、前記導光板から射出して前記射出瞳に導かれるように構成したことを特徴とする観察光学系。 - 少なくともプリズムと導光板とを含み、
前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、
前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、
前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、
前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、
瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ観察光学系において、
前記像面に観察者が観察する画像を表示する画像表示素子を配置し、
前記瞳面に観察者の眼球が位置するように射出瞳を形成し、
前記画像表示素子から射出された光束が、前記プリズムを経由した後に、前記導光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記回折素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら前記導光板の第２の領域へと向かい、前記第２の領域において前記導光板の前記射出瞳とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過されて、前記導光板から射出して前記射出瞳に導かれるように構成したことを特徴とする観察光学系。 - 少なくともプリズムと導光板とを含み、
前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、
前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、
前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、
前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、
瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ撮像光学系において、
前記像面に物体像を撮像する撮像素子を配置し、
前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りを配置し、
前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板の第２の領域に入射し、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子で透過され、前記導光板の前記物体とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら第１の領域へと向かい、前記第１の領域において前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過されて、前記導光板から射出し、前記プリズムを経由して前記撮像素子に導かれるように構成したことを特徴とする撮像光学系。 - 少なくともプリズムと導光板とを含み、
前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、
前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、
前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、
前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、
瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ撮像光学系において、
前記像面に物体像を撮像する撮像素子を配置し、
前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りを配置し、
前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板の第２の領域に入射し、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子を回折透過し、前記導光板の前記物体とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら第１の領域へと向かい、前記第１の領域において前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過されて、前記導光板から射出し、前記プリズムを経由して前記撮像素子に導かれるように構成したことを特徴とする撮像光学系。 - 少なくともプリズムと導光板とを含み、
前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を前記導光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領域に至らせるように構成され、
前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成され、
前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前記導光板から光束が射出されるように形成され、
前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えており、
瞳面と像面との間に配置されている光学系を含んだ撮像光学系において、
前記像面に物体像を撮像する撮像素子を配置し、
前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りを配置し、
前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光板の第２領域に入射し、前記導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過され、前記導光板の前記物体とは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら第１の領域へと向かい、前記第１の領域において前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前記プリズム側に設けられた前記回折素子を透過して前記導光板から射出し、前記プリズムを経由して前記撮像素子に導かれるように構成したことを特徴とする撮像光学系。
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