JP4804644B2 - 観察光学系及び撮像光学系及びそれを用いた装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察光学系に関し、特に観察者の頭部または顔面に保持することができ、また、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】
そのような装置に利用しうる光学系としては、特開２００１−２７７３９号公報の図４、６において、偏心させた凹面ミラーと全反面を含む三角形状のプリズムに微小な空気間隔を設けて、２回の屈折面を有するプリズムを配置させた光学系が提案されている。また、図８、１１には、偏心させた凹面ミラーとハーフミラーを含む三角形状のプリズムと２回の屈折面を有するプリズムとを、空気間隔を空けて配置させたものと、接合させたものとが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そして、特開２００１−２７７３９号公報の図４、６、８、１１に記載の光学系は、色収差による像のコントラストの劣化を抑制するために、眼側のプリズムの最も眼側に近い屈折面が凹面で構成されている。
しかし、上記光学系のように眼側のプリズムの最も眼側に近い屈折面を凹面で構成すると、ペッツバール和が負に大きくなり像面湾曲の補正が困難となり、画像観察における視度ズレが顕著になる。
ペッツバール和は、画像の平坦度又は湾曲度を示し、光学系中の面の屈折率をｎ、焦点距離をｆとおくと、Σ（１／ｎｆ）で表すことができる。ペッツバール和が０の場合は、画像が平坦であるが、ペッツバール和の絶対値が大きいほど、画像の湾曲度が大きくなる。
そのため、上記光学系では、上記プリズムの偏心させた凹面ミラーの面にパワーを負担させて視度ズレを防止している。
【０００５】
ところで、偏心させた凹面ミラーにおいては、凹面ミラーのパワーが強くなると偏心収差量が増大することが知られている。従って、視度ズレを防ぐために単に偏心させた凹面ミラーを用いたままの構成では、凹面ミラーで発生する偏心収差量が大きくなってしまう。
そのため、上記光学系では、上記偏心させた凹面ミラーを備えたプリズムにおける画像表示側の屈折面にパワーを負担させるとともに、眼側のプリズムの第２屈折面を偏心プリズムより分離させ、その面にもパワーを負担させて、偏心収差量のバランスをとろうとしている。しかし、上記光学系の構成では凹面ミラーで発生する偏心収差量が大きくなりすぎるために、偏心収差を十分に補正することが難しい。
【０００６】
従って、特開２００１−２７７３９号公報に記載の光学系では、コンパクト性を維持して、偏心収差を補正するために自由曲面プリズムを用いて構成すると、光学面の微小な偏心によって、収差劣化が著しく発生してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、明るい表示画像の観察が可能であり、組み立てが容易で、振動などの衝撃に強く、軽く、コンパクトで、更に良好に収差補正された表示画像の観察が可能な観察光学系及びそれを用いた装置を提供することである。また、そのような光学系の光路を逆転させて物体像を形成する結像光学系を備えた撮像光学系及びそれを用いた装置にも応用可能である。
【０００８】
【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、観察者が観察する観察像を形成する観察像形成部材と、前記観察像形成部材によって形成された観察像を観察者眼球位置に形成される射出瞳に導く接眼光学部材とを有する観察光学系において、前記接眼光学部材が少なくとも、プリズム部材を含み、前記プリズム部材が第１プリズム部材と第２プリズム部材とからなり、前記第１プリズム部材が少なくとも、第１プリズム媒質を間に挟んで、前記観察像形成部材に対向して配置され、前記観察像からの光線を前記第１プリズム部材内に入射させる第１入射面と、前記第１入射面の一端に接し、前記第１プリズム部材内で光線を反射させる反射面と、前記第１入射面の他端と前記反射面の一端とに接し、前記第１プリズム部材外に光線を射出させる第１射出面とを有し、前記第２プリズム部材が少なくとも、第２プリズム媒質を間に挟んで、前記第１プリズム部材から射出した光線を前記第２プリズム部材内に入射させる第２入射面と、前記第２プリズム部材外に光線を射出させる第２射出面とを有し、前記第１プリズム部材の前記反射面が、反射時に光線に正のパワーを与えるような凹面形状の曲面に形成され、前記第１プリズム部材の前記第１入射面が、透過時に光線にパワーを与えるような曲面形状に形成され、前記第２プリズム部材の前記第２射出面が、透過時に光線に正のパワーを与えるような曲面形状に形成され、前記第１プリズム部材の前記反射面に色収差補正作用を有するホログラム素子を貼り合わせて構成し、軸上主光線と前記第１射出面とが交わる位置における接線における前記観察像形成部材側から前記交わる位置までの線と、前記観察光学系の最も射出瞳側の面から前記射出瞳に到る軸上主光線上の前記射出瞳側から前記交わる位置までの線とのなす角度をθとするとき、次の条件式(１６)を満たすことを特徴とする。
４５度 ＜ θ ＜ ９０度 ……(１６)
また、本発明による観察光学系は、前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、光学系全系のＸ軸方向のパワーをΦx、光学系全系のＹ軸方向のパワーをΦyとしたとき、次の条件式(１)，(２)を満足することを特徴とする。
０ ＜ φAx／Φx ＜ １．０ ……(１)
０ ＜ φAy／Φy ＜ １．０ ……(２)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
また、本発明による観察光学系は、前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(１０)，(１１)を満足することを特徴とする。
０．１ ＜ φAx／φBx ＜ ７．０ ……(１０)
０．１ ＜ φAy／φBy ＜ ７．０ ……(１１)
【０００９】
上述のように、偏心した凹面ミラーにおいて、凹面ミラーのパワーが強くなると偏心収差が増大することが知られている。ゆえに、凹面ミラーで発生する偏心収差を補正するためには、光学系全系のパワーを一定にすると共に、凹面ミラーのパワーを眼側の屈折面に分担させる必要がある。また、凹面ミラーのパワーを眼側の屈折面に分担させると、眼側の屈折面が眼側に凸面になるので、結果的にペッツバール和が小さくなり、視度ズレが良好に補正された光学系が実現できる。
【００１０】
しかし、眼側の面は屈折面であるため、凸面になると色収差が発生してしまう。
しかるに、ホログラム素子は負の分散性を持っていることが知られている。
従って、本発明の光学系では、凹面ミラーに反射型ホログラム素子を貼りつけて、眼側の屈折面で発生した色収差をホログラム素子の負の分散性を利用して打ち消しあうようにすることで、コントラストの高い画像観察を可能にしている。
【００１１】
ここで、凹面鏡の偏心方向がＹ軸方向である場合、眼側のプリズムの眼側の屈折面のＸ軸方向とＹ軸方向のパワーを夫々φAx、φAy、光学系全系のＸ軸方向とＹ軸方向のパワーを夫々Φx、Φyとおくと、視度ズレの小さい像観察を実現させる為には、次の条件式(1)，(2)を満足することが重要である。
０ ＜ φAx／Φx ＜ １．０ ……(1)
０ ＜ φAy／Φy ＜ １．０ ……(2)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
【００１２】
上記条件式(1)，(2)において、下限を超えて条件値が小さくなると、眼側の面が凹面になり、ペッツバール和が大きく負に傾き、視度ズレが大きく発生してしまう。他方、上限を超えて条件値が大きくなると、ペッツバール和が大きくなりすぎ、視度ズレが大きく発生してしまう。
【００１３】
更に望ましくは、次の条件式(3)，(4)を満足することが重要である。
０ ＜ φAx／Φx ＜ ０．７ ……(3)
０ ＜ φAy／Φy ＜ ０．７ ……(4)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
上記条件式(3)，(4)の下限及び上限の意味は上記条件式(1)，(2)と同様である。
【００１４】
更に望ましくは、次の条件式(5)，(6)を満足することが重要である。
０ ＜ φAx／Φx ＜ ０．５ ……(5)
０ ＜ φAy／Φy ＜ ０．５ ……(6)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
上記条件式(5)，(6)の下限及び上限の意味は上記条件式(1)，(2)と同様である。
【００１５】
ところで、ホログラム素子には、幾何形状による光学的パワーと、ホログラム素子の回折効果による光学的パワーとの２種類のパワーが存在する。例えば、球面形状の基盤部材にホログラム素子を設けた場合の２種類のパワーを図を用いて説明すると、ホログラム素子は、図４７(a)に示すように、ホログラム素子内部の周期構造のピッチなど、干渉縞の密度の違いによるパワーを有し、また、図４７(b)〜(d)に示すように、その幾何形状による光学的パワーを有する。そして、ホログラム素子における幾何形状による光学的パワーΦは、ホログラム基盤の曲率半径をＲとした場合、従来の光学屈折レンズおよび反射鏡と同様に、次の式(7)〜(9)により算出することができる。
屈折系の場合は、
Φ＝（ｎ−１）（１／Ｒ） ……(7)
表面鏡の場合は、
Φ＝２／Ｒ ……(8）
裏面鏡の場合は、
Φ＝２ｎ／Ｒ ……(9）
但し、Φはホログラム素子における幾何形状による光学的パワー、ｎは媒質の屈折率、Ｒはホログラム基盤の曲率半径である。
【００１６】
従って、表面鏡と裏面鏡とを比較した場合、幾何形状によってある一定の光学的パワーを得るために、裏面鏡は表面鏡に対して１／ｎだけ緩い曲率半径Ｒで構成できることがわかる。
すなわち、裏面鏡のように反射型ホログラム素子の内部を、ガラスやプラスチックなどの屈折率ｎの媒質で満たすことで、幾何形状を緩い曲率半径Ｒとしても、大きな幾何形状による光学的パワーが得られることを意味する。このように、緩い曲率半径Ｒで大きな光学的パワーが発生する構成を光学系に採用することで、このホログラム面で発生する収差を抑制することができる。
【００１７】
また、本発明の光学系では、上述のように凹面ミラーに反射型ホログラムを貼りつけるので、この面におけるパワーは、上記二種類のパワーを加算したものになる。凹面ミラーの偏心方向がＹ軸方向である場合、眼側のプリズムの眼側の屈折面のＸ軸方向とＹ軸方向のパワーを夫々φAx、φAy、凹面ミラーのＸ軸方向とＹ軸方向のパワーを夫々φBx、φByとおくと、偏心収差および色収差の補正のために、次の条件式(10)，(11)を満足することが重要である。
０．１ ＜ φAx／φBx ＜ ７．０ ……(10)
０．１ ＜ φAy／φBy ＜ ７．０ ……(11)
【００１８】
上記条件式(10)，(11)において、下限を超えて条件値が小さくなると、凹面鏡のパワーが大きくなり過ぎ、偏心収差が大きく発生し、コントラストの高い画像観察が困難になる。他方、上限を超えて条件値が大きくなると、眼側のプリズムの眼側の屈折面のパワーが大きくなりすぎ、色収差が大きく発生し、コントラストの高い画像観察が困難になる。
【００１９】
更に望ましくは、次の条件式(12)，(13)を満足することが重要である。
０．５ ＜ φAx／φBx ＜ ５．０ ……(12)
０．５ ＜ φAy／φBy ＜ ５．０ ……(13)
上記条件式(12)，(13)の下限及び上限の意味は上記条件式(10)，(11)と同様である。
【００２０】
更に望ましくは、次の条件式(14)，(15)を満足することが重要である。
１．０ ＜ φAx／φBx ＜ ５．０ ……(14)
１．０ ＜ φAy／φBy ＜ ５．０ ……(15)
上記条件式(14)，(15)の下限及び上限の意味は上記条件式(10)，(11)と同様である。
【００２１】
また、本発明においては、斜鏡面（第１プリズム部材の射出面）の傾斜角度が視軸に対して４５度からズレた角度とすることで、観察光学系全体の厚さを薄型化し、コンパクト化と軽量化を実現している。また、斜鏡面を４５度からズラしたことにより発生する偏心収差を補正するため、画像表示素子からの光をプリズムへ入射させる面（第１プリズム部材の第１入射面）、眼側の面（第２プリズム部材の第２射出面）をそれぞれ自由曲面で構成し、更に斜鏡面にパワーを持たせることで良好にコマ収差および像面湾曲を補正している。
【００２２】
ここで、視軸に対する斜鏡面の傾きをθと定義する。なお、斜鏡面が曲面の場合には軸上主光線と斜鏡面とが交わる位置における接線と視軸とのなす角度をθとする。
その場合、次の条件式(16)を満足することが重要である。
４５度 ＜ θ ＜ ９０度 ……(16)
【００２３】
条件式(16)の下限を超えて角度θが小さくなると、斜鏡面の傾きが小さくなりすぎ観察光学系が厚くなり大型で重量の重い観察光学系となってしまう。他方、上限を超えて角度θが大きくなると、観察光学系の第１プリズム部材の凹面ミラー面（第２反射面）の偏心量が大きくなりすぎ、偏心収差の補正が困難となりコントラストが高く、ディストーションが良好に補正された画像観察が困難となる。
【００２４】
更に望ましくは、次の条件式(17)を満足することが重要である。
５０度 ＜ θ ＜ ８０度 ……(17)
上記条件式(17)の下限および上限の意味は前述と同様である。
【００２５】
更に望ましくは、次の式(18)を満足することが重要である。
５５度 ＜ θ ＜ ７０度 ……(18)
上記条件式(18)の下限および上限の意味は前述と同様である。
【００２６】
また、本発明の光学系において、第１プリズム部材と第２プリズム部材とを接合して構成すれば、１つの部材として一体化するので、組み立て時の光軸ズレやセッティングの煩雑性を解消でき、組み立てが容易で、振動などの衝撃に強い観察光学系を達成することができる。また、２つのプリズム部材の間のゴミの侵入を防ぐことができる。
【００２７】
また、本発明の光学系において、第１プリズム部材と第２プリズム部材とを離して構成し、第１プリズム部材の第１射出面を、光が全反射臨界角を超えた入射角度で入射したときには反射し、全反射臨界角を超えない入射角度で入射したときには透過させるような全反射面としても用いるようにすれば、光量ロスがなく十分な明るさを確保することができる。また、その場合、プリズムの界面と外部の空間との屈折率差で反射するため、プリズムの界面において反射させるための薄膜などのコーティング等の手段を設けずに済みコストを低減させることができる。
【００２８】
なお、本発明の観察光学系は、第１プリズム部材と第２プリズム部材との間に、ハーフミラー、偏光ビームスプリッター、体積ホログラム素子（ＨＯＥ）のいずれかを設けて構成してもよい。
【００２９】
また、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材の媒質と前記第２プリズム部材の媒質とを、同種の媒質で構成するのが好ましい。
【００３０】
また、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材の第１射出面の面形状と前記第２プリズム部材の第２入射面の面形状とを、略同一形状にて構成するのが好ましい。
なお、ここで、略同一形状とは、製造誤差の範囲での面形状の相違は許容する趣旨である。
【００３１】
また、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材の前記反射面の面形状を回転対称な球面形状にて構成するのが好ましい。
ホログラム素子を設ける基盤面の形状を球面形状により構成すれば、ホログラム素子の媒質として液体状のフォトポリマー等を用い、プリズム面への吹き付けによりフォトポリマーを塗布して、生産する場合には、前記吹き付けのフォトポリマー噴射位置を前記球面の曲率中心に一致させることで、均一な厚さに塗布しやすい。
なぜならば、回転非対称面や回転対称な非球面の場合には、フォトポリマーの噴射位置から前記プリズム面までの距離が場所によって異なるため、噴射されたフォトポリマーの密度が均一に塗布できないが、球面の場合には上記のようにフォトポリマーの噴射位置を調整することでフォトポリマーの噴射位置から前記プリズム面までの距離を等しくすることができるからである。
【００３２】
また、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材とに備わる、光線を透過及び／又は反射させる光学作用面以外の非光学作用面に、ゴースト光が観察者の眼球へ入射するのを防止するためのゴースト光除去部材を設けるのが好ましい。
なお、ゴースト光除去部材は、前記第１プリズム部材の前記第１入射面を上面と定義したときの接眼光学部材の底面及び側面に設けることが効果的である。更に前記第１入射面内の光線有効径外や、前記第１プリズム部材の反射面内の光線有効径外や、前記第２プリズム部材の第２射出面内の光線有効径外の領域も非光学作用面に含まれ、この部分にゴースト光除去部材を設けることも有効である。
【００３３】
また、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材の第１入射面の面形状が回転非対称な曲面形状にて構成されているのが好ましい。
このように、画像表示素子などの画像形成部材の前面に透過面（前記第１プリズム部材の第１入射面）を配置すれば、ディストーションを良好に補正することができる。なお、この画像形成部材の前面の形状は回転対称面で構成することも可能であるが、観察光学系の小型化を目的として光学作用面を偏心配置した際の偏心収差を補正するためには、自由曲面を用いることが更に望ましい。
【００３４】
また、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材の第１入射面の前記回転非対称な曲面形状が、対称面が一面のみの自由曲面にて構成され、前記唯一の対称面が、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致しているのが好ましい。
【００３５】
また、本発明の観察光学系は、前記ホログラム素子が光線を反射回折により回転対称成分と回転非対称成分の両方の倍率色収差を補正するように構成されているのが好ましい。
反射型ホログラム素子で回転対称成分および回転非対称成分の倍率色収差補正を行うことで高いコントラストが実現できる。
【００３６】
また、本発明の観察光学系は、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の面形状が、前記接眼光学部材で発生する回転非対称なコマ収差又は非点収差の少なくとも一方の回転非対称な収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状にて構成されているのが好ましい。
【００３７】
また、本発明の観察光学系は、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の前記回転非対称な曲面形状は、対称面が一面のみの自由曲面にて構成され、前記唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致しているのが好ましい。
【００３８】
また、本発明において、前記第１プリズム部材を構成する面及び第２プリズム部材を構成する面は、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、トーリック面などの面で構成することも可能である。
【００３９】
そして、上記のように構成された本発明の観察光学系では、観察像形成部材で形成された観察像からの光束は、第１入射面を透過して第１プリズム部材内に入射し、第１射出面で反射し、反射した光束が反射面に設けられた体積型ホログラムに対し角度選択性の範囲内にある所定の入射角度で入射して反射回折させられた後に、第１射出面を透過し、第２入射面を透過して第２プリズム部材内へと射出される。
第２プリズム部材内へ入射した光束は、第２射出面をそのまま透過し、第２プリズム部材から射出されて、観察者の眼球へと導かれることとなる。
【００４０】
そして、本発明によれば、光量ロスが少なく明るい表示画像の観察が可能であり、しかも、組み立てが容易で、振動などの衝撃に強く、軽く、コンパクトで、更に、良好に補正された表示画像の観察が可能な観察光学系及びそれを用いた装置を得ることができる。
【００４１】
なお、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材の前記第１入射面と前記観察像形成部材との間に、例えば、プリズム、平行平板状のガラス、あるいは正又は負レンズなどの光学部材を配置してもよい。
【００４２】
また、本発明の観察光学系は、前記第２プリズム部材の前記第２射出面と前記射出瞳との間に、例えば、プリズム、平行平板状のガラス、あるいは正又は負レンズなどの光学部材を配置してもよい。
【００４３】
なお、本発明の光学系のこれらの構成は、観察系だけでなく撮像系への適用も可能である。
本発明の撮像光学系は、像面に配置された、物体像を撮像する撮像素子と、瞳面に配置された、物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りと、前記像面と前記瞳面との間に配置された、前記物体像を前記像面に導く結像光学部材とを有する撮像光学系において、前記結像光学部材が少なくとも、プリズム部材を含み、前記プリズム部材が第２プリズム部材と第１プリズム部材とからなり、前記第２プリズム部材が少なくとも、第２プリズム媒質を間に挟んで、前記明るさ絞りを通過した物体からの光線を前記第２プリズム部材内に入射させる第３入射面と、前記第２プリズム部材外に光線を射出させる第３射出面とを有し、前記第１プリズム部材が少なくとも、第１プリズム媒質を間に挟んで、前記第２プリズム部材から射出した光線を前記第１プリズム部材内に入射させる第４入射面と、前記第４入射面の一端に接し、前記第１プリズム部材内で光線を反射させる反射面と、前記撮像素子に対向して配置され、前記第４入射面の他端と前記反射面の一端とに接し、前記第１プリズム部材外に光線を射出させる第４射出面とを有し、前記第１プリズム部材の前記反射面が、反射時に光線に正のパワーを与えるような凹面形状の曲面に形成され、前記第１プリズム部材の前記第４射出面が、透過時に光線にパワーを与えるような曲面形状に形成され、前記第２プリズム部材の前記第３入射面が、透過時に光線にパワーを与えるような曲面形状に形成され、前記第１プリズム部材の前記反射面に色収差補正作用を有するホログラム素子を貼り合わせて構成し、軸上主光線と前記第４入射面とが交わる位置における接線における前記撮像素子側から前記交わる位置までの線と、前記撮像光学系の最も瞳面側の面から前記瞳面に到る軸上主光線上の前記瞳面側から前記交わる位置までの線とのなす角度をθとするとき、次の条件式(１６)を満たすことを特徴とする。
４５度 ＜ θ ＜ ９０度 ……(１６)
また、本発明による撮像光学系は、前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第３入射面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(１０)，(１１)を満足することを特徴とする。
０．１ ＜ φAx／φBx ＜ ７．０ ……(１０)
０．１ ＜ φAy／φBy ＜ ７．０ ……(１１)
【００４４】
即ち、本発明の観察光学系における、観察像形成部材、射出瞳、及び接眼光学部材を、本発明の撮像光学系では、撮像素子、明るさ絞り、及び結像光学系にそれぞれ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準じた構成とすると好ましい。
【００４５】
その他、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材の前記反射面側に光を透過する光学部材を設けてもよい。
このように構成すれば、シースルー観察が可能となり、通常の外部観察に支障を来たすことなく、本発明の観察光学系を用いた頭部又は顔面装着式画像表示装置を装着し続けることができ、頭部又は顔面装着式画像表示装置の着脱の手間を省くことができる。
また、外部の観察像と画像表示素子からの像とを重ねあわせた多重像を観察することもできる。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
なお、本発明の光学系において、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。
【００５０】
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つの面は上述のように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。
【００５１】
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は、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。
【００５２】
また、本発明で用いられるホログラム素子のパワーの面も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、第１プリズム部材の第１入射面と第２プリズム部材の第２射出面の面形状は、曲面形状であれば、回転対称な球面形状、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。
【００５３】
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。
【００５４】
なお、本発明では、軸上主光線を、観察光学系においては、射出瞳中心を通り観察像形成部材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第２プリズム部材の第２射出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、第２プリズム部材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観察像形成部材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、射出瞳から観察像形成部材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、観察像形成部材に向かう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軸の正方向とそれぞれ定義する。
ここで、本発明で使用する自由曲面は、次式(19)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。
【００５５】
……(19)
ただし、(19)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。
【００５６】
自由曲面項は次式(20)のように展開することができる。
……(20)
ただし、Ｃj（ｊ＝［（ｍ＋ｎ）2＋ｍ＋３ｎ］／２＋１）は係数である。
【００５７】
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(19)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。
【００５８】
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(4)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。
【００５９】
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。
【００６０】
また、上記定義式(19)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(19)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。
【００６１】
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。
【００６２】
また、アナモルフィック面の形状は次の式(21)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。
【００６３】
ここで、例としてｎ＝４（４次項）を考えると、上記式(21)は、展開したとき、次式(22)で表わすことができる。
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。
【００６４】
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、それぞれ次の式(23)，(24)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(23)で定義される。
Ｙトーリック面は、次の式(24)で定義される。
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。
【００６５】
ホログラム素子には、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、本発明に用いるホログラム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。
【００６６】
なお、本発明におけるホログラム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４８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(25)で与えられる。
ｎdＱd×Ｎ＝ｎiＱi×Ｎ＋ｍ（λ／λ0）∇Ф0×Ｎ ……(25)
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。
【００６７】
ＨＯＥが基準波長λ0の２点光源、すなわち図４４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。
【００６８】
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(26)で表わすことができる。
Φ0＝Φ0 2P＋Φ0 Poly ……(26)
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。
【００６９】
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。
【００７０】
以下に、ＨＯＥを定義する構成パラメータの例を示す。
【００７１】
【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。実施例においては、例えば図１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）から第２プリズム４、第１プリズム３、観察像形成部材として設けられた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が第２プリズム４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軸の正方向とそれぞれ定義する。
【００７２】
本実施例では、第１プリズムおよび第２プリズムはこのＹ−Ｚ平面内で偏心を行なっており、また、第１プリズムおよび第２プリズム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。
【００７３】
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軸方向をそれぞれ、Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、上記式(19)のＺ軸）のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のそれぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。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。
【００７４】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は上記(19)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。
【００７５】
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(27)により定義する。その定義式(27)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。
【００７６】
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。
【００７７】
また、回転非対称な自由曲面の形状は次の式(28)により定義することもできる。その定義式(28)のＺ軸が回転非対称面の軸となる。
Ｚ＝ΣnΣmＣnmＸnＹn-m ……(28)
ただし、ΣnはΣのｎが０〜ｋ、ΣmはΣのｍが０〜ｎを表わす。
【００７８】
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(28)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。
【００７９】
また、回転対称非球面の形状は次式(29)により定義する。その定義式(29)のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
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。
【００８０】
なお、本発明の実施例では、上記(19)式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記(28)式、(29)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。
【００８１】
【実施例】
第１実施例
本実施例では、観察光学系を用いた画像表示装置として説明する。
本発明の第１実施例に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図１に示す。本実施例の観察光学系は、像面側に観察者が観察する画像を表示する画像形成部材として配置されたＬＣＤ５と、画像形成部材によって形成された観察像を観察するために観察者の眼球位置（瞳面）に形成する射出瞳１に導く接眼光学部材を有している。
【００８２】
接眼光学部材は、第１プリズム３と、第２プリズム４を含んで構成されている。
なお、各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、第１および第２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。
【００８３】
第１プリズム３は、ガラス又はプラスチックなどの透明なプリズム媒質を挟んで、第１入射面３3、反射面３2、第１射出面３1を有している。
第２プリズム４は、ガラス又はプラスチックなどの透明なプリズム媒質を挟んで、第２入射面４2、第２射出面４1を有している。
なお、第１プリズム３のプリズム媒質と第２プリズム４のプリズム媒質は、共にガラス又は共にプラスチックというように、同じ媒質で構成されている。
【００８４】
第１プリズム３の第１入射面３3は、ＬＣＤ５側に設けられていて、観察像からの光線を透過して第１プリズム３内に入射させる作用を有し、透過時にその光線にパワーを与えるような自由曲面形状に形成されている。
反射面３2は、第１プリズム３内で光線を反射させる作用を有し、反射時に光線に正のパワーを与えるような凹面形状の曲面（ここでは球面）に形成されている。また、反射面３2には、色収差補正作用を有する反射型の体積ホログラム素子（ＨＯＥ）が貼り合わされている。
第１射出面３1は、自由曲面形状に形成され、第１プリズム３外に光線を射出させる作用を有している。
【００８５】
第２プリズムの第２入射面４2は、第１プリズム３側に設けられていて、自由曲面形状に形成され、第１プリズム３から射出した光線を透過して第２プリズム４内に入射させる作用を有している。
第２射出面４1は、第２プリズム４外に光線を射出させる作用を有し、透過時に光線に正のパワーを与えるような自由曲面形状に形成されており、前記接眼光学部材で発生する回転非対称なコマ収差又は非点収差の少なくとも一方の回転非対称な収差を補正する作用を有している。
【００８６】
なお、第１プリズム３の第１入射面３3、第２プリズム４の第２射出面４1の自由曲面における唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ面）に一致している。
また、第１プリズム３の第１射出面３1の自由曲面形状と第２プリズム４の第２入射面４2の自由曲面形状とは、略同一の形状でもって構成されている。
【００８７】
また、第１プリズム３と第２プリズム４は、第１入射面３3と第２入射面４2の間にハーフミラーを挟んで接合されている。
【００８８】
そして、このように構成された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１入射面３3を透過して第１プリズム３の内部に入射した後、第１射出面３1に入射する。第１射出面３1に入射した第１光束のうち所定割合の光は、ハーフミラーで反射され、反射面３2に貼り付けられた反射型ＨＯＥ６に向かい、反射面３2で回折反射され、第１射出面３1に入射する。第１射出面３1に入射した光のうち所定割合の光はハーフミラーを透過し、次いで第２プリズム４の第２入射面４1を透過して第２プリズム４の内部に入射し、第２射出面４2を透過することによって第２プリズム４から射出して射出瞳１側に導かれる。
【００８９】
なお、本発明の各実施例においては、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。
【００９０】
その場合には、第１プリズム３の第１入射面３3は、第１プリズム３外に光線を射出させる面（第４射出面）として作用し、第１射出面３1は、第２プリズム４から射出した光線を第１プリズム３内に入射させる面（第４入射面）として作用する。また、第２プリズム４の第２入射面４2は、第２プリズム４外に光線を射出させる面（第３射出面）として作用し、第２射出面４1は、明るさ絞り１４を通過した物体からの光線を第２プリズム４内に入射させる面（第３入射面）として作用する。
【００９１】
そして、本発明を撮像光学系として構成した場合には、明るさ絞り１４を通過した物体からの光線は、第２プリズム４の第３入射面４1を透過して第２プリズム４内に入射した後、第２プリズム４の第３射出面４2に入射する。第３射出面４2に入射した第１光束の入射光のうち所定割合の光は、ハーフミラーを透過して、第２プリズム４から射出し、次いで、第１プリズムの第４入射面３1を透過して第１プリズム３内に入射する。その後光束は、第１プリズム３の反射面３2に向かい反射面３2に貼り付けられた反射型ＨＯＥ６で回折反射されて、第４入射面３1に入射する。第４入射面３1に入射した光のうち所定割合の光は、ハーフミラーで反射され、第４射出面３3を透過して、第１プリズム３を射出して、撮像素子１３に導かれる。
【００９２】
その他、ＨＯＥ６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。
【００９３】
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。
本実施例に用いる画像表示素子は、サイズが縦８．４４８ｍｍ×横１１．２６４ｍｍ、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤを使用している。また、観察画角は、水平全画角が３０．０度、垂直全画角が２２．７度であり、瞳径はΦ４．０ｍｍ、焦点距離は２１．０２ｍｍ、アイリリーフは２８．７９ｍｍ、作動距離ＷＤは６．７２ｍｍである。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図２に、ＲＧＢそれぞれの波長領域における横収差を表す収差図を図３〜５にそれぞれ示す。図２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３〜５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。なお、上記収差図の説明は、本発明の各実施例の収差図に共通である。
【００９４】
数値データ１
【００９５】
【００９６】
【００９７】
【００９８】
【００９９】
第２実施例
本発明の第２実施例に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図６に示す。
本実施例では、第１プリズム３の第１射出面３1と第２プリズム４の第２入射面４2が球面に形成されている。
その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。
【０１００】
次に、第２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。
本実施例に用いる画像表示素子は、サイズが縦８．４４８ｍｍ×横１１．２６４ｍｍ、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤを使用している。また、観察画角は、水平全画角が３０．０度、垂直全画角が２２．７度であり、瞳径はΦ４．０ｍｍ、焦点距離は２１．０２ｍｍ、アイリリーフは２８．６４ｍｍ、作動距離ＷＤは６．７４ｍｍである。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図７に、ＲＧＢそれぞれの波長領域における横収差を表す収差図を図８〜１０にそれぞれ示す。
【０１０１】
数値データ２
【０１０２】
【０１０３】
【０１０４】
【０１０５】
【０１０６】
第３実施例
本発明の第３実施例に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図１１に示す。
本実施例では、第１プリズム３の第１射出面３1と第２プリズム４の第２入射面４2がＸ方向のシリンドリカル面に形成されている。
その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。
【０１０７】
次に、第３実施例の数値データを示す。数値データ中、“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＣＹＬ”はシリンドリカル面を示している。
本実施例に用いる画像表示素子は、サイズが縦８．４４８ｍｍ×横１１．２６４ｍｍ、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤを使用している。また、観察画角は、水平全画角が３０．０度、垂直全画角が２２．７度であり、瞳径はΦ４．０ｍｍ、焦点距離は２１．０２ｍｍ、アイリリーフは２８．３４ｍｍ、作動距離ＷＤは６．８８ｍｍである。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図１２に、ＲＧＢそれぞれの波長領域における横収差を表す収差図を図１３〜１５にそれぞれ示す。
【０１０８】
数値データ３
【０１０９】
【０１１０】
【０１１１】
【０１１２】
【０１１３】
第４実施例
本発明の第４実施例に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図１６に示す。
本実施例では、第１プリズム３の第１射出面３1と第２プリズム４の第２入射面４2がＹ方向のシリンドリカル面に形成されている。
その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。
【０１１４】
次に、第４実施例の数値データを示す。数値データ中、“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＣＹＬ”はシリンドリカル面を示している。
本実施例に用いる画像表示素子は、サイズが縦８．４４８ｍｍ×横１１．２６４ｍｍ、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤを使用している。また、観察画角は、水平全画角が３０．０度、垂直全画角が２２．７度であり、瞳径はΦ４．０ｍｍ、焦点距離は２１．０２ｍｍ、アイリリーフは２８．８２ｍｍ、作動距離ＷＤは７．０１ｍｍである。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図１７に、ＲＧＢそれぞれの波長領域における横収差を表す収差図を図１８〜２０にそれぞれ示す。
【０１１５】
数値データ４
【０１１６】
【０１１７】
【０１１８】
【０１１９】
【０１２０】
第５実施例
本発明の第５実施例に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図２１に示す。
本実施例では、第１プリズム３の第１射出面３1と第２プリズム４の第２入射面４2が平面に形成されている。
その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。
【０１２１】
次に、第５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。
本実施例に用いる画像表示素子は、サイズが縦８．４４８ｍｍ×横１１．２６４ｍｍ、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤを使用している。また、観察画角は、水平全画角が３０．０度、垂直全画角が２２．７度であり、瞳径はΦ４．０ｍｍ、焦点距離は２１．０２ｍｍ、アイリリーフは２８．８３ｍｍ、作動距離ＷＤは７．１０ｍｍである。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図２２に、ＲＧＢそれぞれの波長領域における横収差を表す収差図を図２３〜２５にそれぞれ示す。
【０１２２】
数値データ５
【０１２３】
【０１２４】
【０１２５】
【０１２６】
【０１２７】
第６実施例
本発明の第６実施例に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図２６に示す。
本実施例では、第１プリズム３と第２プリズム４とが離れて構成され、第１射出面３1と、第２入射面４ 2との間には隙間が設けられており、第１プリズム３の第１射出面３1は第１入射面３3を経たＬＣＤ５からの光を全反射する全反射面としても用いられるように構成されている。また、第１プリズム３の第１射出面３1、第２プリズム４の第２入射面４2は球面に形成されている。
その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。
【０１２８】
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１入射面３3を透過して第１プリズム３の内部に入射した後、第１射出面３1に全反射臨界角を超えた角度で入射し、全ての入射光が第１射出面３1で反射され、反射面３2に貼り付けられた反射型ＨＯＥ６に向かい、反射面３2で回折反射され、全反射臨界角を超えない角度で第１射出面３1に入射する。第１射出面３1に入射した全ての光は第１射出面３1を透過し、第２プリズム４の第２入射面４1を透過して第２プリズム４の内部に入射し、第２射出面４2を透過することによって第２プリズム４から射出して射出瞳１側に導かれる。
【０１２９】
次に、第６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。
本実施例に用いる画像表示素子は、サイズが縦８．４４８ｍｍ×横１１．２６４ｍｍ、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤを使用している。また、観察画角は、水平全画角が３０．０度、垂直全画角が２２．７度であり、瞳径はΦ４．０ｍｍ、焦点距離は２１．０２ｍｍ、アイリリーフは２８．４５ｍｍ、作動距離ＷＤは６．３８ｍｍである。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図２７に、ＲＧＢそれぞれの波長領域における横収差を表す収差図を図２８〜３０にそれぞれ示す。
【０１３０】
数値データ６
【０１３１】
【０１３２】
【０１３３】
【０１３４】
【０１３５】
第７実施例
本発明の第７実施例に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図３１に示す。
本実施例では、第１実施例の光学系の構成に加えて第２プリズム４の第２射出面４1と射出瞳１との間に正レンズ７が配置されている。
このように正レンズを入れると、交線に与えるパワーを補強することができ、観察画角を広げることができる。
その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。
なお、本実施例のように正レンズを入れる構成は、その他の上記各実施例の構成にも適用可能である。
【０１３６】
以上の各実施例に示したように、第１プリズムの射出面と第２プリズムの入射面は、接合されていても離れていてもよい。
なお、第１プリズムの第１射出面と第２プリズムの第２入射面との間は上記実施例で述べたような全反射又はハーフミラーで構成する以外に偏光ビームスプリッタや体積型ホログラムを入れて構成してもよい。
また、第１プリズムと第２プリズムとの間には、第１〜５実施例で用いたハーフミラーの他に、偏光ビームスプリッター、体積型ホログラム素子のいずれを設けてもよい。
【０１３７】
第８実施例
本発明の第８実施例を図３２に示す。図３２は第８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。図３３は、第１実施例の構成において第１プリズム３の第１入射面３3から入射し、第１プリズム３の第１射出面３1を反射しないで透過した光がゴースト光として悪影響を与えることを示す説明図である。
第１実施例の構成において、光束が第１射出面３1に入射した場合、ハーフミラーで所定割合の光は、第１射出面３1で反射しないで透過する。
そして、その透過光が例えば、図３３に示す接眼光学系の底面４3や側面（紙面に垂直な方向の面）に光が当たり、その反射光がゴースト光として観察者の眼球に入射するおそれがある。
そこで、本実施例では、図３２に示すように、第１実施例の構成に加えて、第１プリズム３の側面や第２プリズム４の側面及び底面４3にゴースト光除去部材８として黒色塗料など光を吸収する性質を有する部材をペイント処理を施す等して設けている。なお、本実施例では、ゴースト光除去部材８を、第１プリズム３の第１入射面３3内の光線有効径外や、第１プリズム３の反射面３2内の光線有効径外や、第２プリズム４の第２射出面４1内の光線有効径外の領域などの非光学作用面（第１プリズム３と第２プリズム４において、第１光束を透過又は反射させる光学作用面以外の面）に含まれる部位にも設けている。
【０１３８】
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カメラ等がある。以下にその実施形態を例示する。
【０１３９】
その一例として、図３４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３５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３５に示すように画像表示素子５を備えた接眼光学系１００として用いており、この接眼光学系１００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。
【０１４０】
すなわち、画像表示装置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１０２には、図３４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３５に示すように、接眼光学系１００の射出瞳と第２プリズム４の第２射出面４1との間にカバー部材９１が配置されている。このカバー部材９１としては、平行平面板、正レンズあるいは負レンズの何れを用いてもよい。
【０１４１】
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を有する画像表示装置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３４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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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３６にその片眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着（この場合は、左眼に装着）した状態を示す。この構成では、画像表示素子５を備えた接眼光学系１００を１組備えた画像表示装置１０２が前フレーム１０８の対応する眼の前方位置に取り付けられ、その前フレーム１０８には左右に連続して図示のような側頭フレーム１０３が設けられており、画像表示装置１０２を観察者の片眼前に保持できるようになっている。その他の構成は図３４の場合と同様であるので、説明は省略する。
【０１４４】
また、図３７〜図３９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３７は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図３８は同後方斜視図、図３９は電子カメラ４０の構成を示す断面図である。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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、明るさ絞り１４と第１プリズム３と第２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。なお、第１プリズム３は、本発明の実施例１〜７の第１プリズム３の構成に加えて、反射面３2に設けられたホログラム６からの回折反射光が第４射出面３3に至る光路の途中に反射面３4を有している。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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
なお、図３９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、本発明の実施例１〜７に示すような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。
また、接眼光学系５９を本発明の実施例１〜８に示すような２つのプリズム３，４からなる何れかのタイプの接眼光学部材を用いて構成してもよい。
【０１５１】
次に、図４０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、また、本発明の観察光学系を電子カメラ４０の接眼光学系５９に夫々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１〜７に示すような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からなる。そして、その第１プリズム３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。
【０１５２】
この接眼光学系５９は、本発明の実施例１〜７に示すような観察光学系と同様の形態を持つ偏心プリズム光学系３，４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２つのプリズム３，４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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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第２プリズム４の第３入射面４1となる。しかし、この入射面４1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。
【０１５６】
次に、図４１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１〜７に示すような光学系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４１(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３４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４１(b)に示すように構成されている。
【０１５７】
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４１(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３５）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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
次に、図４２〜４４は、本発明の撮像光学系を情報処理装置の一例であるパソコンに内蔵した構成を示す概念図である。
【０１６０】
図４２はパソコン３００のカバーを開いた前方斜視図、図４３はパソコン３００の撮影光学系３０３の断面図、図４４は図４２の状態の側面図である。図４２〜図４４に示されるように、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、図示を省略した情報処理手段や記録手段と、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とを有している。ここで、モニター３０２は、図示しないバックライトにより背面から照明する透過型液晶表示素子や、前面からの光を反射して表示する反射型液晶表示素子や、ＣＲＴディスプレイ等であってよい。また、図中、撮影光学系３０３は、モニター３０２の右上に内蔵されているが，その場所に限らず、モニター３０２の周囲や、キーボード３０１の周囲のどこであってもよい。
【０１６１】
この撮影光学系３０３は、撮影光路３０４上に、本発明の撮像光学系からなる変倍対物光学系１００と、像を受像する撮像素子チップ１６２とを有している。これらはパソコン３００に内蔵されている。
【０１６２】
ここで、撮像素子チップ１６２上には付加的にＩＲカットフィルター１８０が貼り付けられて撮像ユニット１６０として一体に形成され、変倍対物光学系２００の鏡枠２０１の後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、変倍対物光学系２００と撮像素子チップ１６２の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠２０１の先端には、変倍対物光学系２００を保護するためのカバーガラス２０２が配置されている。なお、鏡枠２０１中の変倍対物光学系２００の駆動機構は図示を省いてある。また、第２プリズム４は、本発明の実施例１〜７の第２プリズム４の第３入射面に対応する面４1が反射面として構成され、底面に対応する面４3が第３入射面として構成され、第３射出面に対応する面４1が第３入射面４3からの入射光を全反射する全反射面としても用いられて構成されている。
【０１６３】
撮像素子チップ１６２で受光された物体像は、端子１６６を介して、パソコン３００の処理手段に入力され、電子画像としてモニター３０２に表示される。図４３には、その一例として、操作者の撮影された画像３０５が示されている。また、この画像３０５は、処理手段を介し、インターネットや電話を介して、遠隔地から通信相手のパソコンに表示されることも可能である。
【０１６４】
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撮像光学系を内臓した例を図４５に示す。
【０１６５】
図４５(a)は携帯電話４００の正面図、図４５(b)は側面図、図４５(c)は撮影光学系４０５の断面図である。図４５(a)〜(c)に示されるように、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、操作者自身や通話相手等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、通信電波の送信と受信を行うアンテナ４０６と、画像情報や通信情報、入力信号等の処理を行う処理手段（図示せず）とを有している。ここで、モニター４０４は液晶表示素子である。また、図中、各構成要素の配置は、特にこれらに限られない。この撮影光学系４０５は、撮影光路４０７上に配置された本発明の撮像光学系からなる変倍対物光学系２００と、像を受光する撮像素子チップ１６２とを有している。これらは、携帯電話４００に内蔵されている。
【０１６６】
ここで、撮像素子チップ１６２上には付加的にＩＲカットフィルター１８０が貼り付けられて撮像ユニット１６０として一体に形成され、変倍対物光学系２００の鏡枠２０１後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、変倍対物光学系２００と撮像素子チップ１６２の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠２０１の先端には、変倍対物光学系２００を保護するためのカバーガラス２０２が配置されている。なお、鏡枠２０１中の変倍対物光学系２００の駆動機構は図示を省いてある。また、第２プリズム４は、本発明の実施例１〜７の第２プリズム４の第３入射面に対応する面４1が反射面として構成され、底面に対応する面４3が第３入射面として構成され、第３射出面に対応する面４1が第３入射面４3からの入射光を全反射する全反射面としても用いられて構成されている。
【０１６７】
撮像素子チップ１６２で受光された物体像は、端子１６６を介して、図示していない処理手段に入力され、電子画像としてモニター４０４に、又は、通信相手のモニターに、又は、両方に表示される。また、通信相手に画像を送信する場合、撮像素子チップ１６２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処理機能が処理手段には含まれている。
【０１６８】
次に、本発明による光学系を構成するプリズムに体積型ホログラムのような回折素子を設けるときの望ましい構成を図４６に示す。図中、偏心プリズムＰ１，Ｐ２は、夫々、本発明の観察光学系又は撮像光学系中に含まれる第１プリズム３，第２プリズム４である。いま、像面Ｃ（例えば、画像表示素子５の表示面、撮像素子１３の撮像面）が、図のように四角形を形成するとき、偏心プリズムＰ１の第１−１面（第１プリズム３の第１入射面３3）又は偏心プリズムＰ２の第２−２面（第２プリズム４の第２射出面４1）が面対称自由曲面に形成された場合その対称面Ｄが、この像面Ｃを形成する４つの辺の少なくとも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。
【０１６９】
さらに、この像面Ｃが正方形や長方形といった４つの内角がそれぞれ略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、像面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が像面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。
【０１７０】
さらに、偏心プリズムＰ１，Ｐ２を構成する光学面である第１−１面（第１プリズム３の第１入射面３3）、第１−２面（第１プリズム３の第１射出面３1）、第１−３面（第１プリズム３の反射面３2）、第２−１面（第２プリズム４の第２入射面４2）、第２−２面（第２プリズム４の第２射出面４1）等の内、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６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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
（１）前記観察光学系は、前記第２プリズム部材の前記第２射出面と、前記第１プリズム部材の前記反射面とによって、少なくとも正のパワーを配分するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
【０１７３】
（２）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材とが接合されていることを特徴とする上記（１）に記載の観察光学系。
【０１７４】
（３）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材との間にハーフミラーが設けられていることを特徴とする上記（２）に記載の観察光学系。
【０１７５】
（４）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材との間に偏光ビームスプリッタが設けられていることを特徴とする上記（２）に記載の観察光学系。
【０１７６】
（５）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材との間に体積ホログラム素子が設けられていることを特徴とする上記（２）に記載の観察光学系。
【０１７７】
（６）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材とが離れて構成されていることを特徴とする上記（１）に記載の観察光学系。
【０１７８】
（７）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、光学系全系のＸ軸方向のパワーをΦx、光学系全系のＹ軸方向のパワーをΦyとしたとき、次の条件式(1)，(2)を満足することを特徴とする請求項１、上記（１）〜（６）のいずれかに記載の観察光学系。
０ ＜ φAx／Φx ＜ １．０ ……(1)
０ ＜ φAy／Φy ＜ １．０ ……(2)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
【０１７９】
（８）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、光学系全系のＸ軸方向のパワーをΦx、光学系全系のＹ軸方向のパワーをΦyとしたとき、次の条件式(3)，(4)を満足することを特徴とする請求項１、上記（１）〜（６）のいずれかに記載の観察光学系。
０ ＜ φAx／Φx ＜ ０．７ ……(3)
０ ＜ φAy／Φy ＜ ０．７ ……(4)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
【０１８０】
（９）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、光学系全系のＸ軸方向のパワーをΦx、光学系全系のＹ軸方向のパワーをΦyとしたとき、次の条件式(5)，(6)を満足することを特徴とする請求項１、上記（１）〜（６）のいずれかに記載の観察光学系。
０ ＜ φAx／Φx ＜ ０．５ ……(5)
０ ＜ φAy／Φy ＜ ０．５ ……(6)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
【０１８１】
（１０）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(10)，(11)を満足することを特徴とずる請求項１、上記（１）〜（９）のいずれかに記載の観察光学系。
０．１ ＜ φAx／φBx ＜ ７．０ ……(10)
０．１ ＜ φAy／φBy ＜ ７．０ ……(11)
【０１８２】
（１１）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(12)，(13)を満足することを特徴とずる請求項１、上記（１）〜（９）のいずれかに記載の観察光学系。
０．５ ＜ φAx／φBx ＜ ５．０ ……(12)
０．５ ＜ φAy／φBy ＜ ５．０ ……(13)
【０１８３】
（１２）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(14)，(15)を満足することを特徴とずる請求項１、上記（１）〜（９）のいずれかに記載の観察光学系。
１．０ ＜ φAx／φBx ＜ ５．０ ……(14)
１．０ ＜ φAy／φBy ＜ ５．０ ……(15)
【０１８４】
（１３）視軸に対する前記第１プリズム部材の前記第１射出面の傾きをθとし、又は、該第１射出面が曲面の場合には、軸上主光線と該第１射出面とが交わる位置における接線と視軸とのなす角度をθとしたとき、次の条件式(16)を満足することを特徴とする請求項１、上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の観察光学系。
４５度 ＜ θ ＜ ９０度 ……(16)
【０１８５】
（１４）視軸に対する前記第１プリズム部材の前記第１射出面の傾きをθとし、又は、該第１射出面が曲面の場合には、軸上主光線と該第１射出面とが交わる位置における接線と視軸とのなす角度をθとしたとき、次の条件式(17)を満足することを特徴とする請求項１、上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の観察光学系。
５０度 ＜ θ ＜ ８０度 ……(17)
【０１８６】
（１５）視軸に対する前記第１プリズム部材の前記第１射出面の傾きをθとし、又は、該第１射出面が曲面の場合には、軸上主光線と該第１射出面とが交わる位置における接線と視軸とのなす角度をθとしたとき、次の条件式(18)を満足することを特徴とする請求項１、上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の観察光学系。
５５度 ＜ θ ＜ ７０度 ……(18)
【０１８７】
（１６）前記第１プリズム媒質と前記第２プリズム媒質とが同種の媒質で構成された請求項１、上記（１）〜（１５）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１８８】
（１７）前記第１プリズム部材の第１射出面の面形状と前記第２プリズム部材の第２入射面の面形状とが、略同一形状にて構成された請求項１、上記（１）〜（１６）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１８９】
（１８）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材の備えた光線を透過及び／又は反射させる光学作用面以外の非光学作用面に、ゴースト光が観察者の眼球へ入射しないようなゴースト光除去部材を設けた請求項１、上記（１）〜（１７）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１９０】
（１９）前記第１プリズムの第１入射面の面形状が回転非対称な曲面形状にて構成されている請求項１、上記（１）〜（１８）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１９１】
（２０）前記ホログラム素子が光線を反射回折により回転対称成分と回転非対称成分の両方の倍率色収差を補正するように構成された請求項１、上記（１）〜（１９）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１９２】
（２１）前記回転非対称な曲面形状は、対称面が一面のみの自由曲面にて構成され、前記唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致している上記（２０）に記載の観察光学系。
【０１９３】
（２２）前記第２プリズム部材の前記第２射出面の面形状が、前記接眼光学部材で発生する回転非対称なコマ収差又は非点収差の少なくとも一方の回転非対称な収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状にて構成されている請求項１、上記（１）〜（２１）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１９４】
（２３）前記回転非対称な曲面形状は、対称面が一面のみの自由曲面にて構成され、前記唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致している上記（２２）に記載の観察光学系。
【０１９５】
（２４）請求項１、上記（１）〜（２２）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。
【０１９６】
（２５）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上記（２４）に記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１９７】
（２６）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上記（２４）又は（２５）に記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１９８】
（２７）前記撮像光学系は、前記第２プリズム部材の前記第３入射面と、前記第１プリズム部材の前記反射面とによって、少なくとも正のパワーを配分するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の撮像光学系。
【０１９９】
（２８）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材とが接合されていることを特徴とする上記（２７）に記載の撮像光学系。
【０２００】
（２９）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材との間にハーフミラーが設けられていることを特徴とする上記（２８）に記載の撮像光学系。
【０２０１】
（３０）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材との間に偏光ビームスプリッタが設けられていることを特徴とする上記（２８）に記載の撮像光学系。
【０２０２】
（３１）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材との間に体積ホログラム素子が設けられていることを特徴とする上記（２８）に記載の撮像光学系。
【０２０３】
（３２）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材とが離れて構成されていることを特徴とする上記（２７）に記載の撮像光学系。
【０２０４】
（３３）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第３入射面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、光学系全系のＸ軸方向のパワーをΦx、光学系全系のＹ軸方向のパワーをΦyとしたとき、次の条件式（１），（２）を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３２）のいずれかに記載の撮像光学系。
０ ＜ φAx／Φx ＜ １．０ ……(１)
０ ＜ φAy／Φy ＜ １．０ ……(２)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
【０２０５】
（３４）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第３入射面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、光学系全系のＸ軸方向のパワーをΦx、光学系全系のＹ軸方向のパワーをΦyとしたとき、次の条件式(３)，(４)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３２）のいずれかに記載の撮像光学系。
０ ＜ φAx／Φx ＜ ０．７ ……(３)
０ ＜ φAy／Φy ＜ ０．７ ……(４)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
【０２０６】
（３５）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第３入射面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、光学系全系のＸ軸方向のパワーをΦx、光学系全系のＹ軸方向のパワーをΦyとしたとき、次の条件式(５)，(６)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３２）のいずれかに記載の撮像光学系。
０ ＜ φAx／Φx ＜ ０．５ ……(５)
０ ＜ φAy／Φy ＜ ０．５ ……(６)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
【０２０７】
（３６）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第３入射面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(１０)，(１１)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３５）のいずれかに記載の撮像光学系。
０．１ ＜ φAx／φBx ＜ ７．０ ……(１０)
０．１ ＜ φAy／φBy ＜ ７．０ ……(１１)
【０２０８】
（３７）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第３入射面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(１２)，(１３)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３５）のいずれかに記載の撮像光学系。
０．５ ＜ φAx／φBx ＜ ５．０ ……(１２)
０．５ ＜ φAy／φBy ＜ ５．０ ……(１３)
【０２０９】
（３８）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第３入射面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(１４)，(１５)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３５）のいずれかに記載の撮像光学系。
１．０ ＜ φAx／φBx ＜ ５．０ ……(１４)
１．０ ＜ φAy／φBy ＜ ５．０ ……(１５)
【０２１０】
（３９）視軸に対する前記第１プリズム部材の前記第４入射面の傾きをθとし、又は、該第４入射面が曲面の場合には、軸上主光線と該第４入射面とが交わる位置における接線と視軸とのなす角度をθとしたとき、次の条件式(１６)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３８）のいずれかに記載の撮像光学系。
４５度 ＜ θ ＜ ９０度 ……(１６)
【０２１１】
（４０）視軸に対する前記第１プリズムの前記第４入射面の傾きをθとし、又は、該第４入射面が曲面の場合には、軸上主光線と該第４入射面とが交わる位置における接線と視軸とのなす角度をθとしたとき、次の条件式(１７)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３８）のいずれかに記載の撮像光学系。
５０度 ＜ θ ＜ ８０度 ……(１７)
【０２１２】
（４１）視軸に対する前記第１プリズム部材の前記第４入射面の傾きをθとし、又は、該第４入射面が曲面の場合には、軸上主光線と該第４入射面とが交わる位置における接線と視軸とのなす角度をθとしたとき、次の条件式(１８)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３８）のいずれかに記載の撮像光学系。
５５度 ＜ θ ＜ ７０度 ……(１８)
【０２１３】
（４２）前記第１プリズム媒質と前記第２プリズム媒質とが同種の媒質で構成された請求項４、上記（２７）〜（４１）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０２１４】
（４３）前記第１プリズム部材の第４入射面の面形状と前記第２プリズム部材の第３射出面の面形状とが、略同一形状にて構成された請求項４又は上記（２７）〜（２９）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０２１５】
（４４）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材の備えた光線を透過及び／又は反射させる光学作用面以外の非光学作用面に、ゴースト光が観察者の眼球へ入射しないようなゴースト光除去部材を設けた請求項４、上記（２７）〜（４３）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０２１６】
（４５）前記第１プリズム部材の第４射出面の面形状が回転非対称な曲面形状にて構成されている請求項４、上記（２７）〜（４４）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０２１７】
（４６）前記ホログラム素子が光線を反射回折により回転対称成分と回転非対称成分の両方の倍率色収差を補正するように構成された請求項４、上記（２７）〜（４５）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０２１８】
（４７）前記回転非対称な曲面形状は、対称面が一面のみの自由曲面にて構成され、前記唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致している上記（４６）に記載の撮像光学系。
【０２１９】
（４８）前記第２プリズム部材の前記第３入射面の面形状が、前記接眼光学部材で発生する回転非対称なコマ収差又は非点収差の少なくとも一方の回転非対称な収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状にて構成されている請求項４、上記（２７）〜（４７）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０２２０】
（４９）前記回転非対称な曲面形状は、対称面が一面のみの自由曲面にて構成され、前記唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致している上記（４８）に記載の撮像光学系。
【０２２１】
【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、明るい表示画像の観察や明るい物体像の撮像が可能であり、組み立てが容易で、振動などの衝撃に強く、軽量、コンパクトで、さらに良好に収差補正された観察光学系及びそれを用いた装置、撮像光学系及びそれを用いた装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第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２】第１実施例の像歪みを表す収差図である。
【図３】第１実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を表す収差図である。
【図４】第１実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を表す収差図である。
【図５】第１実施例のＢバンド（青バンド）の横収差を表す収差図である。
【図６】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７】第２実施例の像歪みを表す収差図である。
【図８】第２実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を表す収差図である。
【図９】第２実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を表す収差図である。
【図１０】第２実施例のＢバンド（青バンド）の横収差を表す収差図である。
【図１１】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１２】第３実施例の像歪みを表す収差図である。
【図１３】第３実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を表す収差図である。
【図１４】第３実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を表す収差図である。
【図１５】第３実施例のＢバンド（青バンド）の横収差を表す収差図である。
【図１６】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１７】第４実施例の像歪みを表す収差図である。
【図１８】第４実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を表す収差図である。
【図１９】第４実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を表す収差図である。
【図２０】第４実施例のＢバンド（青バンド）の横収差を表す収差図である。
【図２１】本発明の第５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２２】第５実施例の像歪みを表す収差図である。
【図２３】第５実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を表す収差図である。
【図２４】第５実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を表す収差図である。
【図２５】第５実施例のＢバンド（青バンド）の横収差を表す収差図である。
【図２６】本発明の第６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２７】第６実施例の像歪みを表す収差図である。
【図２８】第６実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を表す収差図である。
【図２９】第６実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を表す収差図である。
【図３０】第６実施例のＢバンド（青バンド）の横収差を表す収差図である。
【図３１】本発明の第７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３２】本発明の第８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３３】第１実施例の構成においてホログラム素子を回折しないで透過した光がゴースト光として悪影響を与えることを示す説明図である。
【図３４】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３５】図３４の断面図である。
【図３６】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３７】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３８】図３７の電子カメラの後方斜視図である。
【図３９】図３７の電子カメラの１つの構成を示す断面図である。
【図４０】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４１】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４２】本発明の撮像光学系を内蔵した情報処理装置のパソコンの前方斜視図である。
【図４３】図４２のパソコンの撮影光学系の断面図である。
【図４４】図４２の状態の側面図である。
【図４５】本発明の撮像光学系を携帯電話に内蔵した例を示す概念図であって、(a)は携帯電話の正面図、(b)は携帯電話の側面図、(c)は撮影光学系の断面図である。
【図４６】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４７】球面形状の基盤部材にホログラム素子を設けた場合の２種類のパワーの説明図であり、 (a)は正面図、(b)，(c)，(d)は側面図である。
【図４８】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 第１プリズム
３1 第１射出面（第４入射面）
３2 反射面
３3 第１入射面（第４射出面）
３4 反射面
４ 第２プリズム
４1 第２射出面（第３入射面）
４2 第２入射面（第３射出面）
４3 底面
５ ＬＣＤ
６ 体積型ホログラム
７ 正レンズ
８ ゴースト除去部材
１３ 撮像素子
１４ 明るさ絞り
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 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
１６０ 撮像ユニット
１６２ 撮像素子チップ
１６６ 端子
１８０ ＩＲカットフィルター
２００ 変倍対物光学系
２０１ 鏡枠
２０２ カバーガラス
３００ パソコン
３０１ キーボード
３０２ モニター
３０３，４０５ 撮影光学系
３０４，４０７ 撮影光路
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
４０４ モニター
４０６ アンテナ
Ｐ１、Ｐ２ 偏心プリズム
Ｃ 像面
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、観察光学系に関し、特に観察者の頭部または顔面に保持することができ、また、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】
そのような装置に利用しうる光学系としては、特開２００１−２７７３９号公報の図４、６において、偏心させた凹面ミラーと全反面を含む三角形状のプリズムに微小な空気間隔を設けて、２回の屈折面を有するプリズムを配置させた光学系が提案されている。また、図８、１１には、偏心させた凹面ミラーとハーフミラーを含む三角形状のプリズムと２回の屈折面を有するプリズムとを、空気間隔を空けて配置させたものと、接合させたものとが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そして、特開２００１−２７７３９号公報の図４、６、８、１１に記載の光学系は、色収差による像のコントラストの劣化を抑制するために、眼側のプリズムの最も眼側に近い屈折面が凹面で構成されている。
しかし、上記光学系のように眼側のプリズムの最も眼側に近い屈折面を凹面で構成すると、ペッツバール和が負に大きくなり像面湾曲の補正が困難となり、画像観察における視度ズレが顕著になる。
ペッツバール和は、画像の平坦度又は湾曲度を示し、光学系中の面の屈折率をｎ、焦点距離をｆとおくと、Σ（１／ｎｆ）で表すことができる。ペッツバール和が０の場合は、画像が平坦であるが、ペッツバール和の絶対値が大きいほど、画像の湾曲度が大きくなる。
そのため、上記光学系では、上記プリズムの偏心させた凹面ミラーの面にパワーを負担させて視度ズレを防止している。
【０００５】
ところで、偏心させた凹面ミラーにおいては、凹面ミラーのパワーが強くなると偏心収差量が増大することが知られている。従って、視度ズレを防ぐために単に偏心させた凹面ミラーを用いたままの構成では、凹面ミラーで発生する偏心収差量が大きくなってしまう。
そのため、上記光学系では、上記偏心させた凹面ミラーを備えたプリズムにおける画像表示側の屈折面にパワーを負担させるとともに、眼側のプリズムの第２屈折面を偏心プリズムより分離させ、その面にもパワーを負担させて、偏心収差量のバランスをとろうとしている。しかし、上記光学系の構成では凹面ミラーで発生する偏心収差量が大きくなりすぎるために、偏心収差を十分に補正することが難しい。
【０００６】
従って、特開２００１−２７７３９号公報に記載の光学系では、コンパクト性を維持して、偏心収差を補正するために自由曲面プリズムを用いて構成すると、光学面の微小な偏心によって、収差劣化が著しく発生してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、明るい表示画像の観察が可能であり、組み立てが容易で、振動などの衝撃に強く、軽く、コンパクトで、更に良好に収差補正された表示画像の観察が可能な観察光学系及びそれを用いた装置を提供することである。また、そのような光学系の光路を逆転させて物体像を形成する結像光学系を備えた撮像光学系及びそれを用いた装置にも応用可能である。
【０００８】
【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、観察者が観察する観察像を形成する観察像形成部材と、前記観察像形成部材によって形成された観察像を観察者眼球位置に形成される射出瞳に導く接眼光学部材とを有する観察光学系において、前記接眼光学部材が少なくとも、プリズム部材を含み、前記プリズム部材が第１プリズム部材と第２プリズム部材とからなり、前記第１プリズム部材が少なくとも、第１プリズム媒質を間に挟んで、前記観察像形成部材に対向して配置され、前記観察像からの光線を前記第１プリズム部材内に入射させる第１入射面と、前記第１入射面の一端に接し、前記第１プリズム部材内で光線を反射させる反射面と、前記第１入射面の他端と前記反射面の一端とに接し、前記第１プリズム部材外に光線を射出させる第１射出面とを有し、前記第２プリズム部材が少なくとも、第２プリズム媒質を間に挟んで、前記第１プリズム部材から射出した光線を前記第２プリズム部材内に入射させる第２入射面と、前記第２プリズム部材外に光線を射出させる第２射出面とを有し、前記第１プリズム部材の前記反射面が、反射時に光線に正のパワーを与えるような凹面形状の曲面に形成され、前記第１プリズム部材の前記第１入射面が、透過時に光線にパワーを与えるような曲面形状に形成され、前記第２プリズム部材の前記第２射出面が、透過時に光線に正のパワーを与えるような曲面形状に形成され、前記第１プリズム部材の前記反射面に色収差補正作用を有するホログラム素子を貼り合わせて構成し、軸上主光線と前記第１射出面とが交わる位置における接線における前記観察像形成部材側から前記交わる位置までの線と、前記観察光学系の最も射出瞳側の面から前記射出瞳に到る軸上主光線上の前記射出瞳側から前記交わる位置までの線とのなす角度をθとするとき、次の条件式(１６)を満たすことを特徴とする。
４５度 ＜ θ ＜ ９０度 ……(１６)
また、本発明による観察光学系は、前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、光学系全系のＸ軸方向のパワーをΦx、光学系全系のＹ軸方向のパワーをΦyとしたとき、次の条件式(１)，(２)を満足することを特徴とする。
０ ＜ φAx／Φx ＜ １．０ ……(１)
０ ＜ φAy／Φy ＜ １．０ ……(２)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
また、本発明による観察光学系は、前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(１０)，(１１)を満足することを特徴とする。
０．１ ＜ φAx／φBx ＜ ７．０ ……(１０)
０．１ ＜ φAy／φBy ＜ ７．０ ……(１１)
【０００９】
上述のように、偏心した凹面ミラーにおいて、凹面ミラーのパワーが強くなると偏心収差が増大することが知られている。ゆえに、凹面ミラーで発生する偏心収差を補正するためには、光学系全系のパワーを一定にすると共に、凹面ミラーのパワーを眼側の屈折面に分担させる必要がある。また、凹面ミラーのパワーを眼側の屈折面に分担させると、眼側の屈折面が眼側に凸面になるので、結果的にペッツバール和が小さくなり、視度ズレが良好に補正された光学系が実現できる。
【００１０】
しかし、眼側の面は屈折面であるため、凸面になると色収差が発生してしまう。
しかるに、ホログラム素子は負の分散性を持っていることが知られている。
従って、本発明の光学系では、凹面ミラーに反射型ホログラム素子を貼りつけて、眼側の屈折面で発生した色収差をホログラム素子の負の分散性を利用して打ち消しあうようにすることで、コントラストの高い画像観察を可能にしている。
【００１１】
ここで、凹面鏡の偏心方向がＹ軸方向である場合、眼側のプリズムの眼側の屈折面のＸ軸方向とＹ軸方向のパワーを夫々φAx、φAy、光学系全系のＸ軸方向とＹ軸方向のパワーを夫々Φx、Φyとおくと、視度ズレの小さい像観察を実現させる為には、次の条件式(1)，(2)を満足することが重要である。
０ ＜ φAx／Φx ＜ １．０ ……(1)
０ ＜ φAy／Φy ＜ １．０ ……(2)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
【００１２】
上記条件式(1)，(2)において、下限を超えて条件値が小さくなると、眼側の面が凹面になり、ペッツバール和が大きく負に傾き、視度ズレが大きく発生してしまう。他方、上限を超えて条件値が大きくなると、ペッツバール和が大きくなりすぎ、視度ズレが大きく発生してしまう。
【００１３】
更に望ましくは、次の条件式(3)，(4)を満足することが重要である。
０ ＜ φAx／Φx ＜ ０．７ ……(3)
０ ＜ φAy／Φy ＜ ０．７ ……(4)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
上記条件式(3)，(4)の下限及び上限の意味は上記条件式(1)，(2)と同様である。
【００１４】
更に望ましくは、次の条件式(5)，(6)を満足することが重要である。
０ ＜ φAx／Φx ＜ ０．５ ……(5)
０ ＜ φAy／Φy ＜ ０．５ ……(6)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
上記条件式(5)，(6)の下限及び上限の意味は上記条件式(1)，(2)と同様である。
【００１５】
ところで、ホログラム素子には、幾何形状による光学的パワーと、ホログラム素子の回折効果による光学的パワーとの２種類のパワーが存在する。例えば、球面形状の基盤部材にホログラム素子を設けた場合の２種類のパワーを図を用いて説明すると、ホログラム素子は、図４７(a)に示すように、ホログラム素子内部の周期構造のピッチなど、干渉縞の密度の違いによるパワーを有し、また、図４７(b)〜(d)に示すように、その幾何形状による光学的パワーを有する。そして、ホログラム素子における幾何形状による光学的パワーΦは、ホログラム基盤の曲率半径をＲとした場合、従来の光学屈折レンズおよび反射鏡と同様に、次の式(7)〜(9)により算出することができる。
屈折系の場合は、
Φ＝（ｎ−１）（１／Ｒ） ……(7)
表面鏡の場合は、
Φ＝２／Ｒ ……(8）
裏面鏡の場合は、
Φ＝２ｎ／Ｒ ……(9）
但し、Φはホログラム素子における幾何形状による光学的パワー、ｎは媒質の屈折率、Ｒはホログラム基盤の曲率半径である。
【００１６】
従って、表面鏡と裏面鏡とを比較した場合、幾何形状によってある一定の光学的パワーを得るために、裏面鏡は表面鏡に対して１／ｎだけ緩い曲率半径Ｒで構成できることがわかる。
すなわち、裏面鏡のように反射型ホログラム素子の内部を、ガラスやプラスチックなどの屈折率ｎの媒質で満たすことで、幾何形状を緩い曲率半径Ｒとしても、大きな幾何形状による光学的パワーが得られることを意味する。このように、緩い曲率半径Ｒで大きな光学的パワーが発生する構成を光学系に採用することで、このホログラム面で発生する収差を抑制することができる。
【００１７】
また、本発明の光学系では、上述のように凹面ミラーに反射型ホログラムを貼りつけるので、この面におけるパワーは、上記二種類のパワーを加算したものになる。凹面ミラーの偏心方向がＹ軸方向である場合、眼側のプリズムの眼側の屈折面のＸ軸方向とＹ軸方向のパワーを夫々φAx、φAy、凹面ミラーのＸ軸方向とＹ軸方向のパワーを夫々φBx、φByとおくと、偏心収差および色収差の補正のために、次の条件式(10)，(11)を満足することが重要である。
０．１ ＜ φAx／φBx ＜ ７．０ ……(10)
０．１ ＜ φAy／φBy ＜ ７．０ ……(11)
【００１８】
上記条件式(10)，(11)において、下限を超えて条件値が小さくなると、凹面鏡のパワーが大きくなり過ぎ、偏心収差が大きく発生し、コントラストの高い画像観察が困難になる。他方、上限を超えて条件値が大きくなると、眼側のプリズムの眼側の屈折面のパワーが大きくなりすぎ、色収差が大きく発生し、コントラストの高い画像観察が困難になる。
【００１９】
更に望ましくは、次の条件式(12)，(13)を満足することが重要である。
０．５ ＜ φAx／φBx ＜ ５．０ ……(12)
０．５ ＜ φAy／φBy ＜ ５．０ ……(13)
上記条件式(12)，(13)の下限及び上限の意味は上記条件式(10)，(11)と同様である。
【００２０】
更に望ましくは、次の条件式(14)，(15)を満足することが重要である。
１．０ ＜ φAx／φBx ＜ ５．０ ……(14)
１．０ ＜ φAy／φBy ＜ ５．０ ……(15)
上記条件式(14)，(15)の下限及び上限の意味は上記条件式(10)，(11)と同様である。
【００２１】
また、本発明においては、斜鏡面（第１プリズム部材の射出面）の傾斜角度が視軸に対して４５度からズレた角度とすることで、観察光学系全体の厚さを薄型化し、コンパクト化と軽量化を実現している。また、斜鏡面を４５度からズラしたことにより発生する偏心収差を補正するため、画像表示素子からの光をプリズムへ入射させる面（第１プリズム部材の第１入射面）、眼側の面（第２プリズム部材の第２射出面）をそれぞれ自由曲面で構成し、更に斜鏡面にパワーを持たせることで良好にコマ収差および像面湾曲を補正している。
【００２２】
ここで、視軸に対する斜鏡面の傾きをθと定義する。なお、斜鏡面が曲面の場合には軸上主光線と斜鏡面とが交わる位置における接線と視軸とのなす角度をθとする。
その場合、次の条件式(16)を満足することが重要である。
４５度 ＜ θ ＜ ９０度 ……(16)
【００２３】
条件式(16)の下限を超えて角度θが小さくなると、斜鏡面の傾きが小さくなりすぎ観察光学系が厚くなり大型で重量の重い観察光学系となってしまう。他方、上限を超えて角度θが大きくなると、観察光学系の第１プリズム部材の凹面ミラー面（第２反射面）の偏心量が大きくなりすぎ、偏心収差の補正が困難となりコントラストが高く、ディストーションが良好に補正された画像観察が困難となる。
【００２４】
更に望ましくは、次の条件式(17)を満足することが重要である。
５０度 ＜ θ ＜ ８０度 ……(17)
上記条件式(17)の下限および上限の意味は前述と同様である。
【００２５】
更に望ましくは、次の式(18)を満足することが重要である。
５５度 ＜ θ ＜ ７０度 ……(18)
上記条件式(18)の下限および上限の意味は前述と同様である。
【００２６】
また、本発明の光学系において、第１プリズム部材と第２プリズム部材とを接合して構成すれば、１つの部材として一体化するので、組み立て時の光軸ズレやセッティングの煩雑性を解消でき、組み立てが容易で、振動などの衝撃に強い観察光学系を達成することができる。また、２つのプリズム部材の間のゴミの侵入を防ぐことができる。
【００２７】
また、本発明の光学系において、第１プリズム部材と第２プリズム部材とを離して構成し、第１プリズム部材の第１射出面を、光が全反射臨界角を超えた入射角度で入射したときには反射し、全反射臨界角を超えない入射角度で入射したときには透過させるような全反射面としても用いるようにすれば、光量ロスがなく十分な明るさを確保することができる。また、その場合、プリズムの界面と外部の空間との屈折率差で反射するため、プリズムの界面において反射させるための薄膜などのコーティング等の手段を設けずに済みコストを低減させることができる。
【００２８】
なお、本発明の観察光学系は、第１プリズム部材と第２プリズム部材との間に、ハーフミラー、偏光ビームスプリッター、体積ホログラム素子（ＨＯＥ）のいずれかを設けて構成してもよい。
【００２９】
また、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材の媒質と前記第２プリズム部材の媒質とを、同種の媒質で構成するのが好ましい。
【００３０】
また、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材の第１射出面の面形状と前記第２プリズム部材の第２入射面の面形状とを、略同一形状にて構成するのが好ましい。
なお、ここで、略同一形状とは、製造誤差の範囲での面形状の相違は許容する趣旨である。
【００３１】
また、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材の前記反射面の面形状を回転対称な球面形状にて構成するのが好ましい。
ホログラム素子を設ける基盤面の形状を球面形状により構成すれば、ホログラム素子の媒質として液体状のフォトポリマー等を用い、プリズム面への吹き付けによりフォトポリマーを塗布して、生産する場合には、前記吹き付けのフォトポリマー噴射位置を前記球面の曲率中心に一致させることで、均一な厚さに塗布しやすい。
なぜならば、回転非対称面や回転対称な非球面の場合には、フォトポリマーの噴射位置から前記プリズム面までの距離が場所によって異なるため、噴射されたフォトポリマーの密度が均一に塗布できないが、球面の場合には上記のようにフォトポリマーの噴射位置を調整することでフォトポリマーの噴射位置から前記プリズム面までの距離を等しくすることができるからである。
【００３２】
また、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材とに備わる、光線を透過及び／又は反射させる光学作用面以外の非光学作用面に、ゴースト光が観察者の眼球へ入射するのを防止するためのゴースト光除去部材を設けるのが好ましい。
なお、ゴースト光除去部材は、前記第１プリズム部材の前記第１入射面を上面と定義したときの接眼光学部材の底面及び側面に設けることが効果的である。更に前記第１入射面内の光線有効径外や、前記第１プリズム部材の反射面内の光線有効径外や、前記第２プリズム部材の第２射出面内の光線有効径外の領域も非光学作用面に含まれ、この部分にゴースト光除去部材を設けることも有効である。
【００３３】
また、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材の第１入射面の面形状が回転非対称な曲面形状にて構成されているのが好ましい。
このように、画像表示素子などの画像形成部材の前面に透過面（前記第１プリズム部材の第１入射面）を配置すれば、ディストーションを良好に補正することができる。なお、この画像形成部材の前面の形状は回転対称面で構成することも可能であるが、観察光学系の小型化を目的として光学作用面を偏心配置した際の偏心収差を補正するためには、自由曲面を用いることが更に望ましい。
【００３４】
また、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材の第１入射面の前記回転非対称な曲面形状が、対称面が一面のみの自由曲面にて構成され、前記唯一の対称面が、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致しているのが好ましい。
【００３５】
また、本発明の観察光学系は、前記ホログラム素子が光線を反射回折により回転対称成分と回転非対称成分の両方の倍率色収差を補正するように構成されているのが好ましい。
反射型ホログラム素子で回転対称成分および回転非対称成分の倍率色収差補正を行うことで高いコントラストが実現できる。
【００３６】
また、本発明の観察光学系は、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の面形状が、前記接眼光学部材で発生する回転非対称なコマ収差又は非点収差の少なくとも一方の回転非対称な収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状にて構成されているのが好ましい。
【００３７】
また、本発明の観察光学系は、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の前記回転非対称な曲面形状は、対称面が一面のみの自由曲面にて構成され、前記唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致しているのが好ましい。
【００３８】
また、本発明において、前記第１プリズム部材を構成する面及び第２プリズム部材を構成する面は、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、トーリック面などの面で構成することも可能である。
【００３９】
そして、上記のように構成された本発明の観察光学系では、観察像形成部材で形成された観察像からの光束は、第１入射面を透過して第１プリズム部材内に入射し、第１射出面で反射し、反射した光束が反射面に設けられた体積型ホログラムに対し角度選択性の範囲内にある所定の入射角度で入射して反射回折させられた後に、第１射出面を透過し、第２入射面を透過して第２プリズム部材内へと射出される。
第２プリズム部材内へ入射した光束は、第２射出面をそのまま透過し、第２プリズム部材から射出されて、観察者の眼球へと導かれることとなる。
【００４０】
そして、本発明によれば、光量ロスが少なく明るい表示画像の観察が可能であり、しかも、組み立てが容易で、振動などの衝撃に強く、軽く、コンパクトで、更に、良好に補正された表示画像の観察が可能な観察光学系及びそれを用いた装置を得ることができる。
【００４１】
なお、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材の前記第１入射面と前記観察像形成部材との間に、例えば、プリズム、平行平板状のガラス、あるいは正又は負レンズなどの光学部材を配置してもよい。
【００４２】
また、本発明の観察光学系は、前記第２プリズム部材の前記第２射出面と前記射出瞳との間に、例えば、プリズム、平行平板状のガラス、あるいは正又は負レンズなどの光学部材を配置してもよい。
【００４３】
なお、本発明の光学系のこれらの構成は、観察系だけでなく撮像系への適用も可能である。
本発明の撮像光学系は、像面に配置された、物体像を撮像する撮像素子と、瞳面に配置された、物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りと、前記像面と前記瞳面との間に配置された、前記物体像を前記像面に導く結像光学部材とを有する撮像光学系において、前記結像光学部材が少なくとも、プリズム部材を含み、前記プリズム部材が第２プリズム部材と第１プリズム部材とからなり、前記第２プリズム部材が少なくとも、第２プリズム媒質を間に挟んで、前記明るさ絞りを通過した物体からの光線を前記第２プリズム部材内に入射させる第３入射面と、前記第２プリズム部材外に光線を射出させる第３射出面とを有し、前記第１プリズム部材が少なくとも、第１プリズム媒質を間に挟んで、前記第２プリズム部材から射出した光線を前記第１プリズム部材内に入射させる第４入射面と、前記第４入射面の一端に接し、前記第１プリズム部材内で光線を反射させる反射面と、前記撮像素子に対向して配置され、前記第４入射面の他端と前記反射面の一端とに接し、前記第１プリズム部材外に光線を射出させる第４射出面とを有し、前記第１プリズム部材の前記反射面が、反射時に光線に正のパワーを与えるような凹面形状の曲面に形成され、前記第１プリズム部材の前記第４射出面が、透過時に光線にパワーを与えるような曲面形状に形成され、前記第２プリズム部材の前記第３入射面が、透過時に光線にパワーを与えるような曲面形状に形成され、前記第１プリズム部材の前記反射面に色収差補正作用を有するホログラム素子を貼り合わせて構成し、軸上主光線と前記第４入射面とが交わる位置における接線における前記撮像素子側から前記交わる位置までの線と、前記撮像光学系の最も瞳面側の面から前記瞳面に到る軸上主光線上の前記瞳面側から前記交わる位置までの線とのなす角度をθとするとき、次の条件式(１６)を満たすことを特徴とする。
４５度 ＜ θ ＜ ９０度 ……(１６)
また、本発明による撮像光学系は、前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第３入射面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(１０)，(１１)を満足することを特徴とする。
０．１ ＜ φAx／φBx ＜ ７．０ ……(１０)
０．１ ＜ φAy／φBy ＜ ７．０ ……(１１)
【００４４】
即ち、本発明の観察光学系における、観察像形成部材、射出瞳、及び接眼光学部材を、本発明の撮像光学系では、撮像素子、明るさ絞り、及び結像光学系にそれぞれ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準じた構成とすると好ましい。
【００４５】
その他、本発明の観察光学系は、前記第１プリズム部材の前記反射面側に光を透過する光学部材を設けてもよい。
このように構成すれば、シースルー観察が可能となり、通常の外部観察に支障を来たすことなく、本発明の観察光学系を用いた頭部又は顔面装着式画像表示装置を装着し続けることができ、頭部又は顔面装着式画像表示装置の着脱の手間を省くことができる。
また、外部の観察像と画像表示素子からの像とを重ねあわせた多重像を観察することもできる。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
なお、本発明の光学系において、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。
【００５０】
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つの面は上述のように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。
【００５１】
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は、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。
【００５２】
また、本発明で用いられるホログラム素子のパワーの面も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、第１プリズム部材の第１入射面と第２プリズム部材の第２射出面の面形状は、曲面形状であれば、回転対称な球面形状、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。
【００５３】
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。
【００５４】
なお、本発明では、軸上主光線を、観察光学系においては、射出瞳中心を通り観察像形成部材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第２プリズム部材の第２射出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、第２プリズム部材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観察像形成部材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、射出瞳から観察像形成部材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、観察像形成部材に向かう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軸の正方向とそれぞれ定義する。
ここで、本発明で使用する自由曲面は、次式(19)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。
【００５５】
ただし、(19)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。
【００５６】
自由曲面項は次式(20)のように展開することができる。
ただし、Ｃj（ｊ＝［（ｍ＋ｎ）2＋ｍ＋３ｎ］／２＋１）は係数である。
【００５７】
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(19)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。
【００５８】
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(4)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。
【００５９】
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。
【００６０】
また、上記定義式(19)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(19)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。
【００６１】
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。
【００６２】
また、アナモルフィック面の形状は次の式(21)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。
ここで、例としてｎ＝４（４次項）を考えると、上記式(21)は、展開したとき、次式(22)で表わすことができる。
Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ
の関係にある。
【００６４】
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、それぞれ次の式(23)，(24)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(23)で定義される。
Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ
の関係にある。
【００６５】
ホログラム素子には、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、本発明に用いるホログラム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。
【００６６】
なお、本発明におけるホログラム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４８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(25)で与えられる。
ｎdＱd×Ｎ＝ｎiＱi×Ｎ＋ｍ（λ／λ0）∇Ф0×Ｎ ……(25)
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。
【００６７】
ＨＯＥが基準波長λ0の２点光源、すなわち図４４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。
【００６８】
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(26)で表わすことができる。
Φ0＝Φ0 2P＋Φ0 Poly ……(26)
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。実施例においては、例えば図１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）から第２プリズム４、第１プリズム３、観察像形成部材として設けられた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が第２プリズム４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軸の正方向とそれぞれ定義する。
【００７２】
本実施例では、第１プリズムおよび第２プリズムはこのＹ−Ｚ平面内で偏心を行なっており、また、第１プリズムおよび第２プリズム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。
【００７３】
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軸方向をそれぞれ、Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、上記式(19)のＺ軸）のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のそれぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。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。
【００７４】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は上記(19)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。
【００７５】
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(27)により定義する。その定義式(27)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。
【００７６】
【００７７】
また、回転非対称な自由曲面の形状は次の式(28)により定義することもできる。その定義式(28)のＺ軸が回転非対称面の軸となる。
Ｚ＝ΣnΣmＣnmＸnＹn-m ……(28)
ただし、ΣnはΣのｎが０〜ｋ、ΣmはΣのｍが０〜ｎを表わす。
【００７８】
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(28)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。
【００７９】
また、回転対称非球面の形状は次式(29)により定義する。その定義式(29)のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
【００８０】
なお、本発明の実施例では、上記(19)式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記(28)式、(29)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。
【００８１】
【実施例】
第１実施例
本実施例では、観察光学系を用いた画像表示装置として説明する。
本発明の第１実施例に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図１に示す。本実施例の観察光学系は、像面側に観察者が観察する画像を表示する画像形成部材として配置されたＬＣＤ５と、画像形成部材によって形成された観察像を観察するために観察者の眼球位置（瞳面）に形成する射出瞳１に導く接眼光学部材を有している。
【００８２】
接眼光学部材は、第１プリズム３と、第２プリズム４を含んで構成されている。
なお、各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、第１および第２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。
【００８３】
第１プリズム３は、ガラス又はプラスチックなどの透明なプリズム媒質を挟んで、第１入射面３3、反射面３2、第１射出面３1を有している。
第２プリズム４は、ガラス又はプラスチックなどの透明なプリズム媒質を挟んで、第２入射面４2、第２射出面４1を有している。
なお、第１プリズム３のプリズム媒質と第２プリズム４のプリズム媒質は、共にガラス又は共にプラスチックというように、同じ媒質で構成されている。
【００８４】
第１プリズム３の第１入射面３3は、ＬＣＤ５側に設けられていて、観察像からの光線を透過して第１プリズム３内に入射させる作用を有し、透過時にその光線にパワーを与えるような自由曲面形状に形成されている。
反射面３2は、第１プリズム３内で光線を反射させる作用を有し、反射時に光線に正のパワーを与えるような凹面形状の曲面（ここでは球面）に形成されている。また、反射面３2には、色収差補正作用を有する反射型の体積ホログラム素子（ＨＯＥ）が貼り合わされている。
第１射出面３1は、自由曲面形状に形成され、第１プリズム３外に光線を射出させる作用を有している。
【００８５】
第２プリズムの第２入射面４2は、第１プリズム３側に設けられていて、自由曲面形状に形成され、第１プリズム３から射出した光線を透過して第２プリズム４内に入射させる作用を有している。
第２射出面４1は、第２プリズム４外に光線を射出させる作用を有し、透過時に光線に正のパワーを与えるような自由曲面形状に形成されており、前記接眼光学部材で発生する回転非対称なコマ収差又は非点収差の少なくとも一方の回転非対称な収差を補正する作用を有している。
【００８６】
なお、第１プリズム３の第１入射面３3、第２プリズム４の第２射出面４1の自由曲面における唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ面）に一致している。
また、第１プリズム３の第１射出面３1の自由曲面形状と第２プリズム４の第２入射面４2の自由曲面形状とは、略同一の形状でもって構成されている。
【００８７】
また、第１プリズム３と第２プリズム４は、第１入射面３3と第２入射面４2の間にハーフミラーを挟んで接合されている。
【００８８】
そして、このように構成された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１入射面３3を透過して第１プリズム３の内部に入射した後、第１射出面３1に入射する。第１射出面３1に入射した第１光束のうち所定割合の光は、ハーフミラーで反射され、反射面３2に貼り付けられた反射型ＨＯＥ６に向かい、反射面３2で回折反射され、第１射出面３1に入射する。第１射出面３1に入射した光のうち所定割合の光はハーフミラーを透過し、次いで第２プリズム４の第２入射面４1を透過して第２プリズム４の内部に入射し、第２射出面４2を透過することによって第２プリズム４から射出して射出瞳１側に導かれる。
【００８９】
なお、本発明の各実施例においては、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。
【００９０】
その場合には、第１プリズム３の第１入射面３3は、第１プリズム３外に光線を射出させる面（第４射出面）として作用し、第１射出面３1は、第２プリズム４から射出した光線を第１プリズム３内に入射させる面（第４入射面）として作用する。また、第２プリズム４の第２入射面４2は、第２プリズム４外に光線を射出させる面（第３射出面）として作用し、第２射出面４1は、明るさ絞り１４を通過した物体からの光線を第２プリズム４内に入射させる面（第３入射面）として作用する。
【００９１】
そして、本発明を撮像光学系として構成した場合には、明るさ絞り１４を通過した物体からの光線は、第２プリズム４の第３入射面４1を透過して第２プリズム４内に入射した後、第２プリズム４の第３射出面４2に入射する。第３射出面４2に入射した第１光束の入射光のうち所定割合の光は、ハーフミラーを透過して、第２プリズム４から射出し、次いで、第１プリズムの第４入射面３1を透過して第１プリズム３内に入射する。その後光束は、第１プリズム３の反射面３2に向かい反射面３2に貼り付けられた反射型ＨＯＥ６で回折反射されて、第４入射面３1に入射する。第４入射面３1に入射した光のうち所定割合の光は、ハーフミラーで反射され、第４射出面３3を透過して、第１プリズム３を射出して、撮像素子１３に導かれる。
【００９２】
その他、ＨＯＥ６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。
【００９３】
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。
本実施例に用いる画像表示素子は、サイズが縦８．４４８ｍｍ×横１１．２６４ｍｍ、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤを使用している。また、観察画角は、水平全画角が３０．０度、垂直全画角が２２．７度であり、瞳径はΦ４．０ｍｍ、焦点距離は２１．０２ｍｍ、アイリリーフは２８．７９ｍｍ、作動距離ＷＤは６．７２ｍｍである。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図２に、ＲＧＢそれぞれの波長領域における横収差を表す収差図を図３〜５にそれぞれ示す。図２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３〜５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。なお、上記収差図の説明は、本発明の各実施例の収差図に共通である。
【００９４】
数値データ１
第２実施例
本発明の第２実施例に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図６に示す。
本実施例では、第１プリズム３の第１射出面３1と第２プリズム４の第２入射面４2が球面に形成されている。
その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。
【０１００】
次に、第２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。
本実施例に用いる画像表示素子は、サイズが縦８．４４８ｍｍ×横１１．２６４ｍｍ、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤを使用している。また、観察画角は、水平全画角が３０．０度、垂直全画角が２２．７度であり、瞳径はΦ４．０ｍｍ、焦点距離は２１．０２ｍｍ、アイリリーフは２８．６４ｍｍ、作動距離ＷＤは６．７４ｍｍである。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図７に、ＲＧＢそれぞれの波長領域における横収差を表す収差図を図８〜１０にそれぞれ示す。
【０１０１】
数値データ２
第３実施例
本発明の第３実施例に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図１１に示す。
本実施例では、第１プリズム３の第１射出面３1と第２プリズム４の第２入射面４2がＸ方向のシリンドリカル面に形成されている。
その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。
【０１０７】
次に、第３実施例の数値データを示す。数値データ中、“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＣＹＬ”はシリンドリカル面を示している。
本実施例に用いる画像表示素子は、サイズが縦８．４４８ｍｍ×横１１．２６４ｍｍ、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤを使用している。また、観察画角は、水平全画角が３０．０度、垂直全画角が２２．７度であり、瞳径はΦ４．０ｍｍ、焦点距離は２１．０２ｍｍ、アイリリーフは２８．３４ｍｍ、作動距離ＷＤは６．８８ｍｍである。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図１２に、ＲＧＢそれぞれの波長領域における横収差を表す収差図を図１３〜１５にそれぞれ示す。
【０１０８】
数値データ３
第４実施例
本発明の第４実施例に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図１６に示す。
本実施例では、第１プリズム３の第１射出面３1と第２プリズム４の第２入射面４2がＹ方向のシリンドリカル面に形成されている。
その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。
【０１１４】
次に、第４実施例の数値データを示す。数値データ中、“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＣＹＬ”はシリンドリカル面を示している。
本実施例に用いる画像表示素子は、サイズが縦８．４４８ｍｍ×横１１．２６４ｍｍ、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤを使用している。また、観察画角は、水平全画角が３０．０度、垂直全画角が２２．７度であり、瞳径はΦ４．０ｍｍ、焦点距離は２１．０２ｍｍ、アイリリーフは２８．８２ｍｍ、作動距離ＷＤは７．０１ｍｍである。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図１７に、ＲＧＢそれぞれの波長領域における横収差を表す収差図を図１８〜２０にそれぞれ示す。
【０１１５】
数値データ４
第５実施例
本発明の第５実施例に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図２１に示す。
本実施例では、第１プリズム３の第１射出面３1と第２プリズム４の第２入射面４2が平面に形成されている。
その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。
【０１２１】
次に、第５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。
本実施例に用いる画像表示素子は、サイズが縦８．４４８ｍｍ×横１１．２６４ｍｍ、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤを使用している。また、観察画角は、水平全画角が３０．０度、垂直全画角が２２．７度であり、瞳径はΦ４．０ｍｍ、焦点距離は２１．０２ｍｍ、アイリリーフは２８．８３ｍｍ、作動距離ＷＤは７．１０ｍｍである。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図２２に、ＲＧＢそれぞれの波長領域における横収差を表す収差図を図２３〜２５にそれぞれ示す。
【０１２２】
数値データ５
第６実施例
本発明の第６実施例に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図２６に示す。
本実施例では、第１プリズム３と第２プリズム４とが離れて構成され、第１射出面３1と、第２入射面４ 2との間には隙間が設けられており、第１プリズム３の第１射出面３1は第１入射面３3を経たＬＣＤ５からの光を全反射する全反射面としても用いられるように構成されている。また、第１プリズム３の第１射出面３1、第２プリズム４の第２入射面４2は球面に形成されている。
その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。
【０１２８】
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１入射面３3を透過して第１プリズム３の内部に入射した後、第１射出面３1に全反射臨界角を超えた角度で入射し、全ての入射光が第１射出面３1で反射され、反射面３2に貼り付けられた反射型ＨＯＥ６に向かい、反射面３2で回折反射され、全反射臨界角を超えない角度で第１射出面３1に入射する。第１射出面３1に入射した全ての光は第１射出面３1を透過し、第２プリズム４の第２入射面４1を透過して第２プリズム４の内部に入射し、第２射出面４2を透過することによって第２プリズム４から射出して射出瞳１側に導かれる。
【０１２９】
次に、第６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。
本実施例に用いる画像表示素子は、サイズが縦８．４４８ｍｍ×横１１．２６４ｍｍ、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤを使用している。また、観察画角は、水平全画角が３０．０度、垂直全画角が２２．７度であり、瞳径はΦ４．０ｍｍ、焦点距離は２１．０２ｍｍ、アイリリーフは２８．４５ｍｍ、作動距離ＷＤは６．３８ｍｍである。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図２７に、ＲＧＢそれぞれの波長領域における横収差を表す収差図を図２８〜３０にそれぞれ示す。
【０１３０】
数値データ６
第７実施例
本発明の第７実施例に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図３１に示す。
本実施例では、第１実施例の光学系の構成に加えて第２プリズム４の第２射出面４1と射出瞳１との間に正レンズ７が配置されている。
このように正レンズを入れると、交線に与えるパワーを補強することができ、観察画角を広げることができる。
その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。
なお、本実施例のように正レンズを入れる構成は、その他の上記各実施例の構成にも適用可能である。
【０１３６】
以上の各実施例に示したように、第１プリズムの射出面と第２プリズムの入射面は、接合されていても離れていてもよい。
なお、第１プリズムの第１射出面と第２プリズムの第２入射面との間は上記実施例で述べたような全反射又はハーフミラーで構成する以外に偏光ビームスプリッタや体積型ホログラムを入れて構成してもよい。
また、第１プリズムと第２プリズムとの間には、第１〜５実施例で用いたハーフミラーの他に、偏光ビームスプリッター、体積型ホログラム素子のいずれを設けてもよい。
【０１３７】
第８実施例
本発明の第８実施例を図３２に示す。図３２は第８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。図３３は、第１実施例の構成において第１プリズム３の第１入射面３3から入射し、第１プリズム３の第１射出面３1を反射しないで透過した光がゴースト光として悪影響を与えることを示す説明図である。
第１実施例の構成において、光束が第１射出面３1に入射した場合、ハーフミラーで所定割合の光は、第１射出面３1で反射しないで透過する。
そして、その透過光が例えば、図３３に示す接眼光学系の底面４3や側面（紙面に垂直な方向の面）に光が当たり、その反射光がゴースト光として観察者の眼球に入射するおそれがある。
そこで、本実施例では、図３２に示すように、第１実施例の構成に加えて、第１プリズム３の側面や第２プリズム４の側面及び底面４3にゴースト光除去部材８として黒色塗料など光を吸収する性質を有する部材をペイント処理を施す等して設けている。なお、本実施例では、ゴースト光除去部材８を、第１プリズム３の第１入射面３3内の光線有効径外や、第１プリズム３の反射面３2内の光線有効径外や、第２プリズム４の第２射出面４1内の光線有効径外の領域などの非光学作用面（第１プリズム３と第２プリズム４において、第１光束を透過又は反射させる光学作用面以外の面）に含まれる部位にも設けている。
【０１３８】
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カメラ等がある。以下にその実施形態を例示する。
【０１３９】
その一例として、図３４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３５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３５に示すように画像表示素子５を備えた接眼光学系１００として用いており、この接眼光学系１００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。
【０１４０】
すなわち、画像表示装置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１０２には、図３４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３５に示すように、接眼光学系１００の射出瞳と第２プリズム４の第２射出面４1との間にカバー部材９１が配置されている。このカバー部材９１としては、平行平面板、正レンズあるいは負レンズの何れを用いてもよい。
【０１４１】
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を有する画像表示装置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３４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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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３６にその片眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着（この場合は、左眼に装着）した状態を示す。この構成では、画像表示素子５を備えた接眼光学系１００を１組備えた画像表示装置１０２が前フレーム１０８の対応する眼の前方位置に取り付けられ、その前フレーム１０８には左右に連続して図示のような側頭フレーム１０３が設けられており、画像表示装置１０２を観察者の片眼前に保持できるようになっている。その他の構成は図３４の場合と同様であるので、説明は省略する。
【０１４４】
また、図３７〜図３９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３７は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図３８は同後方斜視図、図３９は電子カメラ４０の構成を示す断面図である。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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、明るさ絞り１４と第１プリズム３と第２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。なお、第１プリズム３は、本発明の実施例１〜７の第１プリズム３の構成に加えて、反射面３2に設けられたホログラム６からの回折反射光が第４射出面３3に至る光路の途中に反射面３4を有している。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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
なお、図３９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、本発明の実施例１〜７に示すような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。
また、接眼光学系５９を本発明の実施例１〜８に示すような２つのプリズム３，４からなる何れかのタイプの接眼光学部材を用いて構成してもよい。
【０１５１】
次に、図４０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、また、本発明の観察光学系を電子カメラ４０の接眼光学系５９に夫々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１〜７に示すような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からなる。そして、その第１プリズム３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。
【０１５２】
この接眼光学系５９は、本発明の実施例１〜７に示すような観察光学系と同様の形態を持つ偏心プリズム光学系３，４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２つのプリズム３，４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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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第２プリズム４の第３入射面４1となる。しかし、この入射面４1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。
【０１５６】
次に、図４１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１〜７に示すような光学系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４１(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３４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４１(b)に示すように構成されている。
【０１５７】
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４１(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３５）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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
次に、図４２〜４４は、本発明の撮像光学系を情報処理装置の一例であるパソコンに内蔵した構成を示す概念図である。
【０１６０】
図４２はパソコン３００のカバーを開いた前方斜視図、図４３はパソコン３００の撮影光学系３０３の断面図、図４４は図４２の状態の側面図である。図４２〜図４４に示されるように、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、図示を省略した情報処理手段や記録手段と、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とを有している。ここで、モニター３０２は、図示しないバックライトにより背面から照明する透過型液晶表示素子や、前面からの光を反射して表示する反射型液晶表示素子や、ＣＲＴディスプレイ等であってよい。また、図中、撮影光学系３０３は、モニター３０２の右上に内蔵されているが，その場所に限らず、モニター３０２の周囲や、キーボード３０１の周囲のどこであってもよい。
【０１６１】
この撮影光学系３０３は、撮影光路３０４上に、本発明の撮像光学系からなる変倍対物光学系１００と、像を受像する撮像素子チップ１６２とを有している。これらはパソコン３００に内蔵されている。
【０１６２】
ここで、撮像素子チップ１６２上には付加的にＩＲカットフィルター１８０が貼り付けられて撮像ユニット１６０として一体に形成され、変倍対物光学系２００の鏡枠２０１の後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、変倍対物光学系２００と撮像素子チップ１６２の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠２０１の先端には、変倍対物光学系２００を保護するためのカバーガラス２０２が配置されている。なお、鏡枠２０１中の変倍対物光学系２００の駆動機構は図示を省いてある。また、第２プリズム４は、本発明の実施例１〜７の第２プリズム４の第３入射面に対応する面４1が反射面として構成され、底面に対応する面４3が第３入射面として構成され、第３射出面に対応する面４1が第３入射面４3からの入射光を全反射する全反射面としても用いられて構成されている。
【０１６３】
撮像素子チップ１６２で受光された物体像は、端子１６６を介して、パソコン３００の処理手段に入力され、電子画像としてモニター３０２に表示される。図４３には、その一例として、操作者の撮影された画像３０５が示されている。また、この画像３０５は、処理手段を介し、インターネットや電話を介して、遠隔地から通信相手のパソコンに表示されることも可能である。
【０１６４】
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撮像光学系を内臓した例を図４５に示す。
【０１６５】
図４５(a)は携帯電話４００の正面図、図４５(b)は側面図、図４５(c)は撮影光学系４０５の断面図である。図４５(a)〜(c)に示されるように、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、操作者自身や通話相手等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、通信電波の送信と受信を行うアンテナ４０６と、画像情報や通信情報、入力信号等の処理を行う処理手段（図示せず）とを有している。ここで、モニター４０４は液晶表示素子である。また、図中、各構成要素の配置は、特にこれらに限られない。この撮影光学系４０５は、撮影光路４０７上に配置された本発明の撮像光学系からなる変倍対物光学系２００と、像を受光する撮像素子チップ１６２とを有している。これらは、携帯電話４００に内蔵されている。
【０１６６】
ここで、撮像素子チップ１６２上には付加的にＩＲカットフィルター１８０が貼り付けられて撮像ユニット１６０として一体に形成され、変倍対物光学系２００の鏡枠２０１後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、変倍対物光学系２００と撮像素子チップ１６２の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠２０１の先端には、変倍対物光学系２００を保護するためのカバーガラス２０２が配置されている。なお、鏡枠２０１中の変倍対物光学系２００の駆動機構は図示を省いてある。また、第２プリズム４は、本発明の実施例１〜７の第２プリズム４の第３入射面に対応する面４1が反射面として構成され、底面に対応する面４3が第３入射面として構成され、第３射出面に対応する面４1が第３入射面４3からの入射光を全反射する全反射面としても用いられて構成されている。
【０１６７】
撮像素子チップ１６２で受光された物体像は、端子１６６を介して、図示していない処理手段に入力され、電子画像としてモニター４０４に、又は、通信相手のモニターに、又は、両方に表示される。また、通信相手に画像を送信する場合、撮像素子チップ１６２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処理機能が処理手段には含まれている。
【０１６８】
次に、本発明による光学系を構成するプリズムに体積型ホログラムのような回折素子を設けるときの望ましい構成を図４６に示す。図中、偏心プリズムＰ１，Ｐ２は、夫々、本発明の観察光学系又は撮像光学系中に含まれる第１プリズム３，第２プリズム４である。いま、像面Ｃ（例えば、画像表示素子５の表示面、撮像素子１３の撮像面）が、図のように四角形を形成するとき、偏心プリズムＰ１の第１−１面（第１プリズム３の第１入射面３3）又は偏心プリズムＰ２の第２−２面（第２プリズム４の第２射出面４1）が面対称自由曲面に形成された場合その対称面Ｄが、この像面Ｃを形成する４つの辺の少なくとも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。
【０１６９】
さらに、この像面Ｃが正方形や長方形といった４つの内角がそれぞれ略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、像面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が像面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。
【０１７０】
さらに、偏心プリズムＰ１，Ｐ２を構成する光学面である第１−１面（第１プリズム３の第１入射面３3）、第１−２面（第１プリズム３の第１射出面３1）、第１−３面（第１プリズム３の反射面３2）、第２−１面（第２プリズム４の第２入射面４2）、第２−２面（第２プリズム４の第２射出面４1）等の内、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６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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
（１）前記観察光学系は、前記第２プリズム部材の前記第２射出面と、前記第１プリズム部材の前記反射面とによって、少なくとも正のパワーを配分するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
【０１７３】
（２）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材とが接合されていることを特徴とする上記（１）に記載の観察光学系。
【０１７４】
（３）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材との間にハーフミラーが設けられていることを特徴とする上記（２）に記載の観察光学系。
【０１７５】
（４）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材との間に偏光ビームスプリッタが設けられていることを特徴とする上記（２）に記載の観察光学系。
【０１７６】
（５）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材との間に体積ホログラム素子が設けられていることを特徴とする上記（２）に記載の観察光学系。
【０１７７】
（６）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材とが離れて構成されていることを特徴とする上記（１）に記載の観察光学系。
【０１７８】
（７）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、光学系全系のＸ軸方向のパワーをΦx、光学系全系のＹ軸方向のパワーをΦyとしたとき、次の条件式(1)，(2)を満足することを特徴とする請求項１、上記（１）〜（６）のいずれかに記載の観察光学系。
０ ＜ φAx／Φx ＜ １．０ ……(1)
０ ＜ φAy／Φy ＜ １．０ ……(2)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
【０１７９】
（８）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、光学系全系のＸ軸方向のパワーをΦx、光学系全系のＹ軸方向のパワーをΦyとしたとき、次の条件式(3)，(4)を満足することを特徴とする請求項１、上記（１）〜（６）のいずれかに記載の観察光学系。
０ ＜ φAx／Φx ＜ ０．７ ……(3)
０ ＜ φAy／Φy ＜ ０．７ ……(4)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
【０１８０】
（９）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、光学系全系のＸ軸方向のパワーをΦx、光学系全系のＹ軸方向のパワーをΦyとしたとき、次の条件式(5)，(6)を満足することを特徴とする請求項１、上記（１）〜（６）のいずれかに記載の観察光学系。
０ ＜ φAx／Φx ＜ ０．５ ……(5)
０ ＜ φAy／Φy ＜ ０．５ ……(6)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
【０１８１】
（１０）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(10)，(11)を満足することを特徴とずる請求項１、上記（１）〜（９）のいずれかに記載の観察光学系。
０．１ ＜ φAx／φBx ＜ ７．０ ……(10)
０．１ ＜ φAy／φBy ＜ ７．０ ……(11)
【０１８２】
（１１）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(12)，(13)を満足することを特徴とずる請求項１、上記（１）〜（９）のいずれかに記載の観察光学系。
０．５ ＜ φAx／φBx ＜ ５．０ ……(12)
０．５ ＜ φAy／φBy ＜ ５．０ ……(13)
【０１８３】
（１２）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(14)，(15)を満足することを特徴とずる請求項１、上記（１）〜（９）のいずれかに記載の観察光学系。
１．０ ＜ φAx／φBx ＜ ５．０ ……(14)
１．０ ＜ φAy／φBy ＜ ５．０ ……(15)
【０１８４】
（１３）視軸に対する前記第１プリズム部材の前記第１射出面の傾きをθとし、又は、該第１射出面が曲面の場合には、軸上主光線と該第１射出面とが交わる位置における接線と視軸とのなす角度をθとしたとき、次の条件式(16)を満足することを特徴とする請求項１、上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の観察光学系。
４５度 ＜ θ ＜ ９０度 ……(16)
【０１８５】
（１４）視軸に対する前記第１プリズム部材の前記第１射出面の傾きをθとし、又は、該第１射出面が曲面の場合には、軸上主光線と該第１射出面とが交わる位置における接線と視軸とのなす角度をθとしたとき、次の条件式(17)を満足することを特徴とする請求項１、上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の観察光学系。
５０度 ＜ θ ＜ ８０度 ……(17)
【０１８６】
（１５）視軸に対する前記第１プリズム部材の前記第１射出面の傾きをθとし、又は、該第１射出面が曲面の場合には、軸上主光線と該第１射出面とが交わる位置における接線と視軸とのなす角度をθとしたとき、次の条件式(18)を満足することを特徴とする請求項１、上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の観察光学系。
５５度 ＜ θ ＜ ７０度 ……(18)
【０１８７】
（１６）前記第１プリズム媒質と前記第２プリズム媒質とが同種の媒質で構成された請求項１、上記（１）〜（１５）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１８８】
（１７）前記第１プリズム部材の第１射出面の面形状と前記第２プリズム部材の第２入射面の面形状とが、略同一形状にて構成された請求項１、上記（１）〜（１６）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１８９】
（１８）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材の備えた光線を透過及び／又は反射させる光学作用面以外の非光学作用面に、ゴースト光が観察者の眼球へ入射しないようなゴースト光除去部材を設けた請求項１、上記（１）〜（１７）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１９０】
（１９）前記第１プリズムの第１入射面の面形状が回転非対称な曲面形状にて構成されている請求項１、上記（１）〜（１８）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１９１】
（２０）前記ホログラム素子が光線を反射回折により回転対称成分と回転非対称成分の両方の倍率色収差を補正するように構成された請求項１、上記（１）〜（１９）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１９２】
（２１）前記回転非対称な曲面形状は、対称面が一面のみの自由曲面にて構成され、前記唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致している上記（２０）に記載の観察光学系。
【０１９３】
（２２）前記第２プリズム部材の前記第２射出面の面形状が、前記接眼光学部材で発生する回転非対称なコマ収差又は非点収差の少なくとも一方の回転非対称な収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状にて構成されている請求項１、上記（１）〜（２１）のいずれかに記載の観察光学系。
【０１９４】
（２３）前記回転非対称な曲面形状は、対称面が一面のみの自由曲面にて構成され、前記唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致している上記（２２）に記載の観察光学系。
【０１９５】
（２４）請求項１、上記（１）〜（２２）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。
【０１９６】
（２５）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上記（２４）に記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１９７】
（２６）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上記（２４）又は（２５）に記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１９８】
（２７）前記撮像光学系は、前記第２プリズム部材の前記第３入射面と、前記第１プリズム部材の前記反射面とによって、少なくとも正のパワーを配分するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の撮像光学系。
【０１９９】
（２８）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材とが接合されていることを特徴とする上記（２７）に記載の撮像光学系。
【０２００】
（２９）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材との間にハーフミラーが設けられていることを特徴とする上記（２８）に記載の撮像光学系。
【０２０１】
（３０）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材との間に偏光ビームスプリッタが設けられていることを特徴とする上記（２８）に記載の撮像光学系。
【０２０２】
（３１）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材との間に体積ホログラム素子が設けられていることを特徴とする上記（２８）に記載の撮像光学系。
【０２０３】
（３２）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材とが離れて構成されていることを特徴とする上記（２７）に記載の撮像光学系。
【０２０４】
（３３）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第３入射面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、光学系全系のＸ軸方向のパワーをΦx、光学系全系のＹ軸方向のパワーをΦyとしたとき、次の条件式（１），（２）を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３２）のいずれかに記載の撮像光学系。
０ ＜ φAx／Φx ＜ １．０ ……(１)
０ ＜ φAy／Φy ＜ １．０ ……(２)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
【０２０５】
（３４）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第３入射面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、光学系全系のＸ軸方向のパワーをΦx、光学系全系のＹ軸方向のパワーをΦyとしたとき、次の条件式(３)，(４)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３２）のいずれかに記載の撮像光学系。
０ ＜ φAx／Φx ＜ ０．７ ……(３)
０ ＜ φAy／Φy ＜ ０．７ ……(４)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
【０２０６】
（３５）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第３入射面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、光学系全系のＸ軸方向のパワーをΦx、光学系全系のＹ軸方向のパワーをΦyとしたとき、次の条件式(５)，(６)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３２）のいずれかに記載の撮像光学系。
０ ＜ φAx／Φx ＜ ０．５ ……(５)
０ ＜ φAy／Φy ＜ ０．５ ……(６)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。
【０２０７】
（３６）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第３入射面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(１０)，(１１)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３５）のいずれかに記載の撮像光学系。
０．１ ＜ φAx／φBx ＜ ７．０ ……(１０)
０．１ ＜ φAy／φBy ＜ ７．０ ……(１１)
【０２０８】
（３７）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第３入射面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(１２)，(１３)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３５）のいずれかに記載の撮像光学系。
０．５ ＜ φAx／φBx ＜ ５．０ ……(１２)
０．５ ＜ φAy／φBy ＜ ５．０ ……(１３)
【０２０９】
（３８）前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第３入射面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(１４)，(１５)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３５）のいずれかに記載の撮像光学系。
１．０ ＜ φAx／φBx ＜ ５．０ ……(１４)
１．０ ＜ φAy／φBy ＜ ５．０ ……(１５)
【０２１０】
（３９）視軸に対する前記第１プリズム部材の前記第４入射面の傾きをθとし、又は、該第４入射面が曲面の場合には、軸上主光線と該第４入射面とが交わる位置における接線と視軸とのなす角度をθとしたとき、次の条件式(１６)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３８）のいずれかに記載の撮像光学系。
４５度 ＜ θ ＜ ９０度 ……(１６)
【０２１１】
（４０）視軸に対する前記第１プリズムの前記第４入射面の傾きをθとし、又は、該第４入射面が曲面の場合には、軸上主光線と該第４入射面とが交わる位置における接線と視軸とのなす角度をθとしたとき、次の条件式(１７)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３８）のいずれかに記載の撮像光学系。
５０度 ＜ θ ＜ ８０度 ……(１７)
【０２１２】
（４１）視軸に対する前記第１プリズム部材の前記第４入射面の傾きをθとし、又は、該第４入射面が曲面の場合には、軸上主光線と該第４入射面とが交わる位置における接線と視軸とのなす角度をθとしたとき、次の条件式(１８)を満足することを特徴とする請求項４、上記（２７）〜（３８）のいずれかに記載の撮像光学系。
５５度 ＜ θ ＜ ７０度 ……(１８)
【０２１３】
（４２）前記第１プリズム媒質と前記第２プリズム媒質とが同種の媒質で構成された請求項４、上記（２７）〜（４１）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０２１４】
（４３）前記第１プリズム部材の第４入射面の面形状と前記第２プリズム部材の第３射出面の面形状とが、略同一形状にて構成された請求項４又は上記（２７）〜（２９）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０２１５】
（４４）前記第１プリズム部材と前記第２プリズム部材の備えた光線を透過及び／又は反射させる光学作用面以外の非光学作用面に、ゴースト光が観察者の眼球へ入射しないようなゴースト光除去部材を設けた請求項４、上記（２７）〜（４３）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０２１６】
（４５）前記第１プリズム部材の第４射出面の面形状が回転非対称な曲面形状にて構成されている請求項４、上記（２７）〜（４４）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０２１７】
（４６）前記ホログラム素子が光線を反射回折により回転対称成分と回転非対称成分の両方の倍率色収差を補正するように構成された請求項４、上記（２７）〜（４５）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０２１８】
（４７）前記回転非対称な曲面形状は、対称面が一面のみの自由曲面にて構成され、前記唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致している上記（４６）に記載の撮像光学系。
【０２１９】
（４８）前記第２プリズム部材の前記第３入射面の面形状が、前記接眼光学部材で発生する回転非対称なコマ収差又は非点収差の少なくとも一方の回転非対称な収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状にて構成されている請求項４、上記（２７）〜（４７）のいずれかに記載の撮像光学系。
【０２２０】
（４９）前記回転非対称な曲面形状は、対称面が一面のみの自由曲面にて構成され、前記唯一の対称面は、光軸の折り返し面（Ｙ−Ｚ平面）に一致している上記（４８）に記載の撮像光学系。
【０２２１】
【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、明るい表示画像の観察や明るい物体像の撮像が可能であり、組み立てが容易で、振動などの衝撃に強く、軽量、コンパクトで、さらに良好に収差補正された観察光学系及びそれを用いた装置、撮像光学系及びそれを用いた装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第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２】第１実施例の像歪みを表す収差図である。
【図３】第１実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を表す収差図である。
【図４】第１実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を表す収差図である。
【図５】第１実施例のＢバンド（青バンド）の横収差を表す収差図である。
【図６】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７】第２実施例の像歪みを表す収差図である。
【図８】第２実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を表す収差図である。
【図９】第２実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を表す収差図である。
【図１０】第２実施例のＢバンド（青バンド）の横収差を表す収差図である。
【図１１】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１２】第３実施例の像歪みを表す収差図である。
【図１３】第３実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を表す収差図である。
【図１４】第３実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を表す収差図である。
【図１５】第３実施例のＢバンド（青バンド）の横収差を表す収差図である。
【図１６】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１７】第４実施例の像歪みを表す収差図である。
【図１８】第４実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を表す収差図である。
【図１９】第４実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を表す収差図である。
【図２０】第４実施例のＢバンド（青バンド）の横収差を表す収差図である。
【図２１】本発明の第５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２２】第５実施例の像歪みを表す収差図である。
【図２３】第５実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を表す収差図である。
【図２４】第５実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を表す収差図である。
【図２５】第５実施例のＢバンド（青バンド）の横収差を表す収差図である。
【図２６】本発明の第６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２７】第６実施例の像歪みを表す収差図である。
【図２８】第６実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を表す収差図である。
【図２９】第６実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を表す収差図である。
【図３０】第６実施例のＢバンド（青バンド）の横収差を表す収差図である。
【図３１】本発明の第７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３２】本発明の第８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３３】第１実施例の構成においてホログラム素子を回折しないで透過した光がゴースト光として悪影響を与えることを示す説明図である。
【図３４】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３５】図３４の断面図である。
【図３６】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３７】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３８】図３７の電子カメラの後方斜視図である。
【図３９】図３７の電子カメラの１つの構成を示す断面図である。
【図４０】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４１】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４２】本発明の撮像光学系を内蔵した情報処理装置のパソコンの前方斜視図である。
【図４３】図４２のパソコンの撮影光学系の断面図である。
【図４４】図４２の状態の側面図である。
【図４５】本発明の撮像光学系を携帯電話に内蔵した例を示す概念図であって、(a)は携帯電話の正面図、(b)は携帯電話の側面図、(c)は撮影光学系の断面図である。
【図４６】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４７】球面形状の基盤部材にホログラム素子を設けた場合の２種類のパワーの説明図であり、 (a)は正面図、(b)，(c)，(d)は側面図である。
【図４８】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 第１プリズム
３1 第１射出面（第４入射面）
３2 反射面
３3 第１入射面（第４射出面）
３4 反射面
４ 第２プリズム
４1 第２射出面（第３入射面）
４2 第２入射面（第３射出面）
４3 底面
５ ＬＣＤ
６ 体積型ホログラム
７ 正レンズ
８ ゴースト除去部材
１３ 撮像素子
１４ 明るさ絞り
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 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
１６０ 撮像ユニット
１６２ 撮像素子チップ
１６６ 端子
１８０ ＩＲカットフィルター
２００ 変倍対物光学系
２０１ 鏡枠
２０２ カバーガラス
３００ パソコン
３０１ キーボード
３０２ モニター
３０３，４０５ 撮影光学系
３０４，４０７ 撮影光路
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
４０４ モニター
４０６ アンテナ
Ｐ１、Ｐ２ 偏心プリズム
Ｃ 像面
Ｄ 面対称自由曲面の対称面
Claims (7)
- 観察者が観察する観察像を形成する観察像形成部材と、前記観察像形成部材によって形成された観察像を観察者眼球位置に形成される射出瞳に導く接眼光学部材とを有する観察光学系において、
前記接眼光学部材が少なくとも、プリズム部材を含み、
前記プリズム部材が第１プリズム部材と第２プリズム部材とからなり、
前記第１プリズム部材が少なくとも、第１プリズム媒質を間に挟んで、前記観察像形成部材に対向して配置され、前記観察像からの光線を前記第１プリズム部材内に入射させる第１入射面と、前記第１入射面の一端に接し、前記第１プリズム部材内で光線を反射させる反射面と、前記第１入射面の他端と前記反射面の一端とに接し、前記第１プリズム部材外に光線を射出させる第１射出面とを有し、
前記第２プリズム部材が少なくとも、第２プリズム媒質を間に挟んで、前記第１プリズム部材から射出した光線を前記第２プリズム部材内に入射させる第２入射面と、前記第２プリズム部材外に光線を射出させる第２射出面とを有し、
前記第１プリズム部材の前記反射面が、反射時に光線に正のパワーを与えるような凹面形状の曲面に形成され、
前記第１プリズム部材の前記第１入射面が、透過時に光線にパワーを与えるような曲面形状に形成され、
前記第２プリズム部材の前記第２射出面が、透過時に光線に正のパワーを与えるような曲面形状に形成され、
前記第１プリズム部材の前記反射面に色収差補正作用を有するホログラム素子を貼り合わせて構成し、
軸上主光線と前記第１射出面とが交わる位置における接線における前記観察像形成部材側から前記交わる位置までの線と、前記観察光学系の最も射出瞳側の面から前記射出瞳に到る軸上主光線上の前記射出瞳側から前記交わる位置までの線とのなす角度をθとするとき、次の条件式(１６)を満たすことを特徴とする観察光学系。
４５度 ＜ θ ＜ ９０度 ……(１６) - 前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、光学系全系のＸ軸方向のパワーをΦx、光学系全系のＹ軸方向のパワーをΦyとしたとき、次の条件式(１)，(２)を満足することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
０ ＜ φAx／Φx ＜ １．０ ……(１)
０ ＜ φAy／Φy ＜ １．０ ……(２)
但し、φAx＞０、φAy＞０である。 - 前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第２射出面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(１０)，(１１)を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の観察光学系。
０．１ ＜ φAx／φBx ＜ ７．０ ……(１０)
０．１ ＜ φAy／φBy ＜ ７．０ ……(１１) - 像面に配置された、物体像を撮像する撮像素子と、瞳面に配置された、物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りと、前記像面と前記瞳面との間に配置された、前記物体像を前記像面に導く結像光学部材とを有する撮像光学系において、
前記結像光学部材が少なくとも、プリズム部材を含み、
前記プリズム部材が第２プリズム部材と第１プリズム部材とからなり、
前記第２プリズム部材が少なくとも、第２プリズム媒質を間に挟んで、前記明るさ絞りを通過した物体からの光線を前記第２プリズム部材内に入射させる第３入射面と、前記第２プリズム部材外に光線を射出させる第３射出面とを有し、
前記第１プリズム部材が少なくとも、第１プリズム媒質を間に挟んで、前記第２プリズムから射出した光線を前記第１プリズム部材内に入射させる第４入射面と、前記第４入射面の一端に接し、前記第１プリズム部材内で光線を反射させる反射面と、前記撮像素子に対向して配置され、前記第４入射面の他端と前記反射面の一端とに接し、前記第１プリズム部材外に光線を射出させる第４射出面とを有し、
前記第１プリズム部材の前記反射面が、反射時に光線に正のパワーを与えるような凹面形状の曲面に形成され、
前記第１プリズム部材の前記第４射出面が、透過時に光線にパワーを与えるような曲面形状に形成され、
前記第２プリズム部材の前記第３入射面が、透過時に光線にパワーを与えるような曲面形状に形成され、
前記第１プリズム部材の前記反射面に色収差補正作用を有するホログラム素子を貼り合わせて構成し、
軸上主光線と前記第４入射面とが交わる位置における接線における前記撮像素子側から前記交わる位置までの線と、前記撮像光学系の最も瞳面側の面から前記瞳面に到る軸上主光線上の前記瞳面側から前記交わる位置までの線とのなす角度をθとするとき、次の条件式(１６)を満たすことを特徴とする撮像光学系。
４５度 ＜ θ ＜ ９０度 ……(１６) - 前記第１プリズム部材の前記反射面の偏心方向がＹ軸方向である場合に、前記第２プリズム部材の前記第３入射面の屈折面におけるＸ軸方向のパワーをφAx、該屈折面におけるＹ軸方向のパワーをφAy、前記第１プリズム部材の前記反射面のＸ軸方向のパワーをφBx、該反射面のＹ軸方向のパワーをφByとしたとき、次の条件式(１０)，(１１)を満足することを特徴とする請求項４に記載の撮像光学系。
０．１ ＜ φAx／φBx ＜ ７．０ ……(１０)
０．１ ＜ φAy／φBy ＜ ７．０ ……(１１) - 前記ホログラム素子が、反射型体積ホログラムであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学系。
- 請求項１〜請求項６のいずれかに記載の光学系を備えた装置。
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