(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリズムと回折光学素子とを備える光学系であって、
前記プリズムは偏心収差を補正する非回転対称な非球面を有し、
前記回折光学素子は前記光学系の光軸の周りに非対称な格子構造を有する回折光学面を含み、
前記回折光学素子の前記回折光学面が前記プリズムの内部に形成されており、
ｅ線（５４６．０７４ｎｍ）における前記回折光学面の屈折率差をΔＮｅとすると、以下の条件を満たす光学系。
０．５３  ＞  ΔＮｅ  ＞  ０．００５  …（１）
【請求項２】
前記非対称な格子構造の最も近軸パワーの強い断面のｅ線における屈折力をΦｓ、前記光学系全体のｅ線における屈折力をΦとすると、以下の条件を満たす請求項１に記載の光学系
１×１０−１  ＞  Φｓ／Φ  ＞１×１０−７  …（２）
【請求項３】
前記非対称な格子構造の最も近軸パワーの強い断面のｅ線における屈折力をΦｓ、前記非対称な格子構造の最も近軸パワーの弱い方向のｅ線における屈折力をΦｍとすると、以下の条件を満たす請求項１又は請求項２に記載の光学系。
５．０  ＞  Φｓ／Φｍ  ＞  １．０２  …（３）
【請求項４】
前記非対称な格子構造の最も近軸パワーの強い断面の光軸が前記光学系の光軸に対する偏心量をδ、前記光学系全体のｅ線における焦点距離をｆｅとすると、以下の条件を満たす請求項1から請求項３のいずれか一項に記載の光学系。
２．０  ＞  δ／ｆｅ  ＞  ０．００１  …  （４）
【請求項５】
ｅ線（５４６．０７４ｎｍ）での回折効率をＥｅとし、ｇ線（４３５．８ｎｍ）での回折効率をＥｇとし、Ｃ線（６５６．３ｎｍ）での回折効率をＥＣとすると、以下の数式を満たす請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学系。
（Ｅｇ＋ＥＣ）  ／  （２×Ｅｅ）  ＞  ０．８  …  （５）
【請求項６】
前記回折光学素子は単層型又は複層型を含む請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光学系。
【請求項７】
前記光学系を通過した光が光量を調整する絞りに入射し、
前記回折光学素子における前記絞りに近い方が高屈折率で、前記回折光学素子における前記絞りから遠い方が低屈折率である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光学系。
【請求項８】
光量を調整する絞りを通過した光が前記光学系に入射し、
前記回折光学素子における前記絞りに近い方が高屈折率で、前記回折光学素子における前記絞りから遠い方が低屈折率である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光学系。
【請求項９】
前記回折光学素子の材料は紫外線硬化樹脂である請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の光学系。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光学系と、
前記光学系によって導いて結像された画像を表示する表示素子と、
を備える画像表示装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光学系と、
前記光学系によって導いて結像された画像を撮像する撮像素子と、
を備える画像撮像装置。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子を組込んだ自由曲面プリズムを有する光学系、画像表示装置及び画像撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光軸の周りに対称でない非球面、すなわち「自由曲面」が使われ始めている。自由曲面は、回転対称な光学系と異なりレイアウト上の自由度と収差補正上の自由度とを併せ持っているため、小型で高性能な光学系が得られる利点を有する。特に、自由曲面を有するプリズム技術は射出成形ガラスや樹脂の材料・成形技術の発展に伴い、高精度な形状を実現できるので小型でハイスペックかつ高性能な光学系を達成するポテンシャルが極めて高い。しかしながら、プリズムの分光性により光学系に色収差が生じてしまうことがある。
【０００３】
特許文献１は、偏心プリズムによる色収差を補正するために自由曲面を有する偏心プリズムと入射瞳との間に回折光学素子（ＤＯＥ）を配置することで、偏心プリズム単体に残留する色収差を補正することができる光学系が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３５５９６２４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示された光学系において、その回折光学素子の屈折率の差が０．５９となり、格子の製造誤差感度が大きくなりすぎる。
【０００６】
本発明は、プリズムによる色収差の補正により優れる高性能の光学系を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１観点の光学系は、プリズムと回折光学素子とを備える。また、プリズムは偏心収差を補正する非回転対称な非球面を有し、回折光学素子は光学系の光軸の周りに非対称な格子構造を有する回折光学面を含み、前記回折光学素子の前記回折光学面が前記プリズムの内部に形成されている。ここで、ｅ線（５４６．０７４ｎｍ）における回折光学面の屈折率差をΔＮｅとすると、以下の条件を満たす。
０．５３  ＞  ΔＮｅ  ＞  ０．００５  
【０００８】
第２観点の画像表示装置は、第１観点の光学系と、光学系によって導いて結像された画像を表示する表示素子と、を備える。
【０００９】
第３観点の画像撮像装置は、第１観点の光学系と、光学系によって導いて結像された画像を撮像する撮像素子と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、プリズムによる色収差の補正により優れる高性能の光学系が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】光学系１００の側面図である。
【図２】（ａ）は、回折光学素子１３の概念断面図である。  （ｂ）は、＋Ｚ側から見た回折光学素子１３の一例を等高線ＣＬ１で示した平面図である。  （ｃ）は、＋Ｚ側から見た回折光学素子１３の別の例を等高線ＣＬ２で示した平面図である。
【図３】第１実施形態の収差補正状態を示したスポットダイアグラムである。
【図４】第２実施形態の光学系２００の側面図である。
【図５】回折光学素子２３の概念断面図である。
【図６】第２実施形態の収差補正状態を示したスポットダイアグラムである。
【図７】第３実施形態の光学系３００の側面図である。
【図８】第３実施形態の収差補正状態を示したスポットダイアグラムである。
【図９】第４実施形態の光学系４００の側面図である。
【図１０】第４実施形態の収差補正状態を示したスポットダイアグラムである。
【図１１】（ａ）は、頭部装着型画像表示装置５０の全体構成を示した斜視図である。  （ｂ）は、装着本体５０１の側面図である。
【図１２】投影装置６０の構成を示した概略図である。
【図１３】（ａ）は、カメラ７０の全体構成を示した斜視図である。  （ｂ）は、カメラ７０の構成を示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
＜光学系１００の全体構成＞
図１は、第１実施形態の光学系１００の全体構成を示した側面図である。図１では、絞り１４に入射する光の光軸Ａｘの方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に垂直な平面をＸＹ平面として説明する。図１において、理解を助けるために画像を表示する画像素子１１と絞り１４とが描かれているが、光学系１００に付属されたものではない。画像素子１１とは、例えば光学系１００がプロジェクタなどの画像表示装置に用いられる場合には液晶パネルなどの画像表示素子である（図１２を参照）。例えば、光学系１００がカメラなどの画像撮像装置に用いられる場合には、画像素子１１はＣＣＤなどの画像撮像素子となる（図１３を参照）。
【００１３】
図１に示されたように、光学系１００は第１面１２１〜第３面１２３からなる偏心プリズム１２と、その偏心プリズム１２による色収差を補正する回折光学素子１３とを備えている。ここで、変心プリズム１２の第１面１２１〜第３面１２３は偏心収差を補正する光軸Ａｘの周りに対称でない非回転対称な非球面である。なお図１に示された光学系１００は、画像素子１１から発生する光を絞り１４に導き（図１２を参照）、又は絞り１４から入射した光を画像素子１１に導く（図１３を参照）。絞り１４は、光量の調整が可能であるものである。
【００１４】
図２（ａ）は回折光学素子１３の概念断面図で、（ｂ）は＋Ｚ側から見た回折光学素子１３の一例を等高線ＣＬ１で示した平面図で、（ｃ）は＋Ｚ側から見た回折光学素子１３の別の例を等高線ＣＬ２で示した平面図である。なお、回折光学素子１３は、紫外線硬化樹脂材料又はガラス材料により構成された単層型（表面レリーフ型）である。図２（ａ）に示されたように、回折光学素子１３は連続した鋸歯状の格子構造を有する、キノフォーム型の回折光学面ＤＭを含んでいる。回折光学面ＤＭは、凸状に膨らんでいる曲面である回折面１３１と、Ｚ軸方向に伸びた端面１３２とがピッチＰ１を持って形成されている。また、ピッチＰ１は光軸Ａｘから周辺に向かって徐々に狭くなっている。端面１３２の高さｈは中心でも周辺でも一定である。
【００１５】
図２（ａ）において、端面１３２は光軸Ａｘに平行な直線状となっているが、光軸Ａｘに対して傾斜した直線状となってもよいし、曲面状となってもよいし、階段状となってもよい。例えば、端面を階段状にすることで、各波長の光が端面で発生するフレア光が均一になる。
【００１６】
図２（ｂ）に示されたように、回折光学素子１３Ａの回折光学面ＤＭは、画像素子１１から絞り１４まで（図１を参照）の光軸Ａｘの周りに非対称な格子構造を有している。つまり、基準線ＢＬ及び等高線ＣＬ１から見ると、回折光学面ＤＭは光軸Ａｘに対して楕円状となっている。ここで、回折光学素子１３ＡにおいてＹ軸方向においても等高線ＣＬ１（即ち端面）のピッチＰ２は光軸Ａｘから周辺に向かって徐々に狭くなっている。また、等高線ＣＬ１同士の間隔が大きいＸ軸方向において回折光学素子１３Ａのパワーが弱く、等高線ＣＬ１同士の間隔が小さいＹ軸方向において回折光学素子１３Ａのパワーが強い。
【００１７】
図２（ｃ）に示された回折光学素子１３Ｂは回折光学素子１３の別の一例である。図２（ｃ）において、等高線ＣＬ２の形状が角丸長方形であり、回折光学素子１３Ｂも光軸Ａｘの周りに非対称な格子構造となっている。ここで、回折光学素子１３ＢにおいてＹ軸方向においても等高線ＣＬ２（即ち端面）のピッチＰ３は光軸Ａｘから周辺に向かって徐々に狭くなっている。また、等高線ＣＬ１同士の間隔が大きいＸ軸方向において回折光学素子１３Ｂのパワーが弱く、等高線ＣＬ１同士の間隔が小さいＹ軸方向において回折光学素子１３Ｂのパワーが強い。
また、回折光学素子１３について、図２（ｂ）及び（ｃ）に示された回折光学素子１３Ａ及び１３Ｂを例として説明したが、様々な変形が可能である。
【００１８】
図１に戻り、光学系１００において、画像素子１１から発生した光は偏心プリズム１２の第１面１２１で屈折して偏心プリズム１２に入射する。そして、光は偏心プリズム１２の第２面１２２及び第３面１２３に順に反射して再び偏心プリズム１２の第２面１２２に入射する。その後、光は偏心プリズム１２の第２面１２２で屈折されて偏心プリズム１２を射出する。偏心プリズム１２から射出した光は回折光学素子１３を通過し、その際に偏心プリズム１２による色収差が補正される。
【００１９】
＜光学系１００の概要＞
＜＜回折光学素子１３の概要＞＞
回折光学素子１３は数式（１）の条件を満たすことが望ましい。
０．５３  ＞  ΔＮｅ  ＞  ０．００５  …  （１）
数式（１）はｅ線（５４６．０７４ｎｍ）における回折光学素子１３の回折光学面ＤＭの屈折率差ΔＮｅの適切な範囲を規定する。
【００２０】
回折光学素子１３は、回折光学面ＤＭの光軸Ａｘ方向の両側で屈折率が異なることが必要である。すなわち、回折光学素子１３において例えばその材料である紫外線硬化樹脂の屈折率が空気より高いので、ｅ線における紫外線硬化樹脂の屈折率と空気の屈折率との屈折率差がΔＮｅとなる。より具体的には、製造上の誤差感度を低めるために、数式（１）の上限値を０．５３とすることが好ましい。
【００２１】
数式（１）の上限値を上回ると、屈折率差ΔＮｅが大きくなりすぎてしまい、回折光学素子１３の製造誤差感度が大きくなりすぎる。数式（１）の効果を十分に発揮するには、上限値を０．２とすることがより好ましい。反対に、数式（１）の下限値を下回ると、屈折率差ΔＮｅが小さくなりすぎてしまい、必要な回折を生じさせるためには回折光学素子１３の端面１３２の高さｈ（図２（ａ）を参照）を大きくしなければならない。このため、数式（１）の下限値を下回ると、回折光学素子１３は製造上不利となり、端面１３２により入射光に対する影響が生じてしまう。また、ブレーズ光の回折効率の低下と端面１３２に入射する入射光による散乱又は反射による迷光が大きくなってしまう。したがって、数式（１）の効果を十分に発揮するには、下限値を０．０１とすることがより好ましい。
【００２２】
回折光学素子１３において、その屈折力は数式（２）及び（３）の条件を満たすことが望ましい。
１×１０−１  ＞  Φｓ／Φ  ＞  １×１０−７  …  （２）
数式（２）において、Φｓは非対称な格子構造を有する回折光学素子１３の最も近軸パワーの強い方向（図２のＸ軸方向）のｅ線における屈折力を示し、Φは光学系１００全体のｅ線における屈折力を示し、（Φｓ／Φ）の適切な範囲を規定する。
【００２３】
数式（２）の上限値を上回ると、パワーが小さくなりすぎてしまい色収差補正の能力が不足してしまう。反対に、数式（２）の下限値を下回ると、最も強い方向の格子の製造誤差感度が大きくなりすぎる不都合も生じやすくなり、色収差の補正が過剰となりがちとなって、画質を損ねる原因となってしまう。なお、効果を十分に発揮するには数式（２）の上限値を１×１０−４とすることがより望ましい。また、下限値を１×１０−６とすることが望ましい。
【００２４】
５．０  ＞  Φｓ／Φｍ  ＞  １．０２  …  （３）
数式（３）において、Φｍは非対称な格子構造を有する回折光学素子１３の最も近軸パワーの弱い方向（図２のＹ軸方向）のｅ線における屈折力を示し、（Φｓ／Φｍ）の適切な範囲を規定する。
【００２５】
数式（３）の上限値を上回ると、パワー差が大きくなりすぎてしまい、近軸パワーの強い方向と弱い方向とで色収差の出方の差が大きくなって収差補正上アンバランスとなりがちとなって不都合である。反対に、数式（３）の下限値を下回ると、パワー差が小さくなりすぎてしまい、異なる方向での色収差の補正が十分でなくなり、画質を損ねる原因となってしまう。また、最も強い方向の格子の製造誤差感度が大きくなりすぎる不都合も生じやすくなる。なお、効果を十分に発揮するには数式（３）の上限値を３．０とすることが望ましい。また、下限値を１．０５とすることが望ましい。
【００２６】
回折光学素子１３において、偏心量は数式（４）の条件を満たすことが望ましい。
２．０  ＞  δ／ｆｅ  ＞  ０．００１  …  （４）
数式（４）において、δは非対称な格子構造を有する回折光学素子１３の最も近軸パワーの強い断面の光軸が絞り１４の光軸Ａｘに対する偏心量を示し、ｆｅはｅ線における焦点距離を示し、（δ／ｆｅ）の適切な範囲を規定する。
【００２７】
数式（４）の上限値を超えると、回折面の偏芯量が大きくなりすぎて、Ｘ軸方向とＹ軸方向のスポットの大きさの差が大きくなりすぎてしまい、優れた画質は得られない。また、加工しづらくなる不都合も生じる。なお、効果を十分に発揮するには数式（４）の上限値を０．９５とすることが望ましい。また、下限を０．００３とすることが望ましい。
【００２８】
回折光学素子１３において、回折効率は数式（５）の条件を満たすことが望ましい。
（Ｅｇ＋ＥＣ）／（２×Ｅｅ）  ＞  ０．８  …  （５）
数式（５）において、Ｅｅは主波長（ｅ線５４６．０７４ｎｍ）の回折効率を示し、Ｅｇは主波長に対する短波長（ｇ線４３５．８ｎｍ）の回折効率を示し、ＥＣは主波長に対する長波長（Ｃ線６５６．３ｎｍ）の回折効率を示している。数式（５）は広帯域化した際の回折効率のパランスの適切な範囲を規定する。
【００２９】
数式（５）の下限値を下回ると、短波長又は長波長のいずれかで回折効率が低下してしまい、回折フレアが大きくなり迷光が発生する。なお、広帯域の可視光域で迷光を防ぐためには、下限値を０．９にすることが望ましい。また、数式（５）の効果を十分に発揮するには、下限値を０．９５にすることが好ましい。数式（５）の下限値を０．９５にすると、フレアがより少なくなり、高精細な画質が要求される写真レンズにもより使用しやすくなる。
【００３０】
さらに、光学系１００はより優れた性能・仕様を達成するために以下の数式（６）〜（８）を満たすことが望ましい。
−２０．０  ＜  ΔＮｅ／Δ（Ｎｇ−Ｎｃ）  ＜  −２．０  …  （６）
数式（６）において、Ｎｇは回折光学素子１３のｇ線（４３５．８ｎｍ）に対する屈折率を示し、Ｎｃは回折光学素子１３のＣ線（６５６．３ｎｍ）に対する屈折率を示している。また、Δ（Ｎｇ−Ｎｃ）は例えば高屈折率低分散である紫外線硬化樹脂と低屈折率高分散である空気との主分散の差を示している。
【００３１】
数式（６）の上限値を上回ると、波長広帯域にわたっての高い回折効率は得られない。反対に、条件式（６）の下限値を下回ると、同様に波長広帯域にわたっての高い回折効率は得られない。なお、回折光学素子１３が波長の広帯域にわたり十分に高い回折効率を得るためには、下限値を−８．０とすることが望ましい。また、効果を十分に発揮するには上限値を−２．８とすることが望ましい。
【００３２】
Φｍ／Φ  ＞  １×１０−７  …  （７）
数式（７）は、（Φｍ／Φ）の適切な範囲を規定する。
【００３３】
数式（７）の下限値を下回ると、相対的にΦｍが強くなりすぎてしまい、色収差が過剰に発生する不都合が生じやすくなる。なお、効果を十分に発揮するには下限値を１×１０−５とすることが望ましい。
【００３４】
ｈ／λｅ  ＜  １００．０  …  （８）
数式（８）において、ｈは図２（ａ）に示された回折光学素子１３の高さを示し、λｅは基準波長となるｅ線の波長を示し、（ｈ／λｅ）の適切な範囲を規定する。
【００３５】
数式（８）の上限値を上回ると、回折光学素子１３の端面１３２の高さｈが大きくなりすぎて、斜め入射光に対する回折効率が低下してしまい、不要なフレア光が発生し不都合である。なお、端面１３２の高さｈは、端面近傍を通る主たる光線角度の方向に沿っての高さであって、光軸Ａｘ方向の高さに限定したものではない。高さｈにおいて、光軸方向の高さが通常屈折率差と設計中心波長との乗算で定められるスカラー理論によるブレーズ高さとされることが多い。しかし、光軸方向とは異なる方向からの入射光に対しては最適ブレーズではないので回折効率が下がってしまう。このため、端面１３２の高さｈは端面近傍を通る主たる光線の角度の方向に沿っての高さとする。
【００３６】
回折光学素子１３の端面１３２による散乱とブレーズ光の回折効率の低下とを軽減するためには、端面１３２を絞り１４に向けて勾配を与え、傾けることが好ましい。すなわち、主光線に倣って勾配を与えることが好ましい。これは、端面１３２を絞り１４に向けると言い換えても同じである。そして、金型を用いて樹脂整形により回折光学素子１３を形成する製法がコストダウンも計れて好ましい。さらには、この端面部分には、階段状のステップや粗面として正反射を防ぐ構造とすれば迷光が減ってより好ましい。なお、効果を十分に発揮するには上限値を５０．０とすることが望ましい。
【００３７】
実際に光学系１００を構成するには、以下に述べる要件を満たすことが好ましい。偏心プリズム１２を構成する際は、樹脂ないしはモールドガラスによる射出成形で製作することが好ましい。高精細な画像用光学系など内部歪による複屈折を小さく押さえるためにはモールドガラスによる射出成形が望ましい。また、ガラスないしは樹脂の成形を金型で行なえば、加工製造が容易になりコストダウンを図れるという利点もある。
【００３８】
回折光学素子１３はＵＶ硬化型樹脂で構成されることが、生産効率がアップするので、生産上好ましい。この場合、工数が削減でき、コストダウンにも繋がり好都合である。また、小型軽量化のためには、回折光学素子１３を構成する光学材料は、比重が２．０以下の樹脂材料であることが好ましい。ガラスに比して樹脂は比重が小さいため、光学系の軽量化に有効である。そして、更に効果を発揮するには、比重が１．６以下であることが好ましい。さて、回折光学素子１３の屈折力が正パワーでも負パワーの場合でも、高屈折率の山側をシャープにさせることが、製造時に回折効率の低下を抑制するには重要である。すなわち、凹パワーの場合には、絞り１４に近い方を低屈折率とすることが必要である。
【００３９】
また、回折光学素子１３の回折光学面の形状を決める位相多項式は、以下の数式（９）に示されたとおりである。
【数１】
0005652747.tif 000002
…  （９）
【００４０】
ここで、数式（９）においてｊとｍ及びｎとは以下の数式（１０）を満たす。
ｊ＝［（ｍ＋ｎ）２＋ｍ＋３ｎ］／２  …  （１０）
すなわち、Ｘ２の係数はＣ３、Ｙ２の係数はＣ５、Ｘ４の係数はＣ１０、Ｙ４の係数はＣ１４となる。
【００４１】
＜＜偏心プリズム１２の概要＞＞
偏心プリズム１２において、偏心収差を補正する非回転対称な非球面である第１面１２１〜第３面１２３の形状を決める多項式は、以下の数式（１１）に示されたとおりである。
【数２】
0005652747.tif 000003
…  （１１）
【００４２】
ここで、
ｚは光軸Ａｘに平行な面のサグ量を示し、
ｃは面頂点（光軸Ａｘ上）曲率を示し、
ｈは光軸Ａｘからの距離を示し、
ｋはコーニック係数を示している。
【００４３】
また、数式（１１）においてｊとｍ及びｎとは以下の数式（１２）を満たす。
ｊ＝［（ｍ＋ｎ）２＋ｍ＋３ｎ］／２＋１  …  （１２）
すなわち、Ｘ２の係数はＣ４、Ｙ２の係数はＣ６、Ｘ２Ｙの係数はＣ８、Ｙ３の係数はＣ１０、Ｘ４の係数はＣ１１、Ｘ２Ｙ２の係数はＣ１３、Ｙ４の係数はＣ１５、Ｘ４Ｙの係数はＣ１７、Ｘ２Ｙ３の係数はＣ１９、Ｙ５の係数はＣ２１となる。
【００４４】
＜光学系１００の具体例＞
光学系１００を構成する偏心プリズム１２及び回折光学素子１３の面データは表１に示されたとおりである。表１において、面番号は図１を参照する。
【表１】
0005652747.tif 000004
【００４５】
表１に示された多項式ＦＦＳ［１］は、偏心プリズム１２の非球面である第２面１２２の形状を決める数式（１１）で、表２は第２面１２２に関する数式（１１）の各係数を示している。
【表２】
0005652747.tif 000005
【００４６】
同様に、多項式ＦＦＳ［２］は偏心プリズム１２の非球面である第３面１２３の形状を決める数式（１１）で、表３は第３面１２３に関する数式（１１）の各係数を示している。
【表３】
0005652747.tif 000006
【００４７】
同様に、多項式ＦＦＳ［３］は偏心プリズム１２の非球面である第１面１２１の形状を決める数式（１１）で、表４は第１面１２１に関する数式（１１）の各係数を示している。
【表４】
0005652747.tif 000007
【００４８】
また表１において、偏心（１）は偏心プリズム１２の第２面１２２の偏心パラメータを示している。表５に示されたように、偏心パラメータはＸ、Ｙ、Ｚの偏心データと、α、β、γ回転を示した偏心データとを含んでいる。
【表５】
0005652747.tif 000008
【００４９】
同様に、偏心（２）は偏心プリズム１２の第３面１２３の偏心パラメータを示し、表６に示されている。
【表６】
0005652747.tif 000009
【００５０】
同様に、偏心（３）は偏心プリズム１２の第１面１２１の偏心パラメータを示し、表７に示されている。
【表７】
0005652747.tif 000010
【００５１】
また、偏心（４）は画像素子１１に結像された像の偏心パラメータを示し、表８に示されている。
【表８】
0005652747.tif 000011
【００５２】
一方、図１に示された回折光学素子１３の回折光学面の形状は数式（９）により決まり、その係数は表９に示されたとおりである。
【表９】
0005652747.tif 000012
【００５３】
つまり、上述のデータで求めた数式（１）〜（８）に関する具体的な数値は表１０に示されたとおりである。
【表１０】
0005652747.tif 000013
【００５４】
表１０の条件値によると、数式（１）から数式（８）に関する計算結果は表１１のとおりである。光学系１００は、表１１に示されたように数式（１）から数式（８）の条件を満たしている。
【表１１】
0005652747.tif 000014
【００５５】
また、図３は第１実施形態の収差補正状態を示したスポットダイアグラムである。図３において、スポットダイアグラムの左側の４つの数字の中、上段の２つの数字は、長方形の画面中央の座標（Ｘ，Ｙ）を（０．００，０．００）、右端中央の座標を（０、００，−１．００）、右上隅の座標を（１．００，−１．００）、上端中央の座標を（１．００，０．００）のように表現した場合の相対座標（Ｘ，Ｙ）を示している。下段の２つの数字は、視軸（画面中央）に対して上記座標（Ｘ，Ｙ）方向がなす角度のＸ成分、Ｙ成分（度表示）を示している。
図３に示されたように、回折光学素子１３は偏心プリズム１２の透過面（第１面１２１及び第２面１２２）で発生する色収差を十分に補正している。
【００５６】
（第２実施形態）
＜光学系２００の全体構成＞
第２実施形態の光学系２００の構成について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は第２実施形態の光学系２００の側面図で、図５は回折光学素子２３の概念断面図である。なお、画像素子１１は光学系２００に付属されるものではないが、理解を助けるために描かれている。また、第１実施形態で説明された構成要件には同じ符号を付して説明する。
【００５７】
図４に示されたように、回折光学素子２３は画像素子１１と偏心プリズム１２との間に斜めに配置されている。また、第２実施形態において図５に示されたように回折光学素子２３は複層型である。さらに、図４に示された回折光学素子２３が座標系に斜めに配置されているが、理解を助けるために図５は図４と同じ座標系が用いられている。図５において、−Ｙ側が画像素子１１で、＋Ｙ側が偏心プリズム１２である。
【００５８】
図５に示されたように、回折光学素子２３は、第１回折格子２３Ａと、第２回折格子２３Ｂとが密着されたものである。回折光学素子２３全体が矩形となり、第１回折格子２３Ａの形状は第１実施形態で説明された回折光学素子１３と同じである。また、第１回折格子２３Ａと回折格子２３Ｂとの間には回折光学面ＤＭが形成される。ここで、回折光学面ＤＭは、凸状に膨らんでいる曲面である回折面２３１と、Ｙ軸方向に伸びた端面２３２とがピッチＰ１を持って形成されている。また、ピッチＰ１は光軸Ａｘから周辺に向かって徐々に狭くなっている。端面２３２の高さｈは一定である。また、端面２３２が直線状となっているが、階段状となってもよいし、曲面状となってもよい。例えば、端面を階段状にすることで、各波長の光が端面で発生するフレア光を均一させる効果がある。
【００５９】
回折光学素子２３の回折光学面ＤＭは、画像素子１１から絞り１４まで（図４を参照）の光軸Ａｘの周りに非対称な格子構造を有している。つまり、第１実施形態の図２（ｂ）及び（ｃ）に示されたように基準線ＢＬ及び等高線ＣＬ１、ＣＬ２から見ると、回折光学面ＤＭは光軸Ａｘに対して楕円状又は角丸長方形となっている。
【００６０】
さらに、回折光学素子２３において偏心プリズム１２側の第１回折格子２３Ａが高屈折率、画像素子１１側の第２回折格子２３Ｂが低屈折率となっている。第１回折格子２３ＡのＣ線、ｅ線及びｇ線に対する屈折率はそれぞれ１．５７１３、１．５５９８及び１．５５３８である。また、第２回折格子２３ＢのＣ線、ｅ線及びｇ線に対する屈折率はそれぞれ１．５４９１、１．５３１５及び１．５２３３である。
【００６１】
また、回折光学素子２３は成形性を良好に保ち、優れた量産性を確保するには、第１回折格子２３Ａを構成する材料の粘度（未硬化物粘度）は、少なくとも４０ｍＰａ・ｓ以上であることが好ましい。４０ｍＰａ・ｓ以下であると、成型中に樹脂が流れやすくなってしまうので精密形状を成形することが困難となってしまう不都合が生じる。一方、第２回折格子２３Ｂを構成する材料の粘度は、逆に少なくとも２０００ｍＰａ・ｓ以上であることが好ましい。
【００６２】
回折光学素子２３を形成する光学部材はいずれもＵＶ硬化型樹脂で構成されることが、生産効率がアップするので生産上好ましい。この場合、工数が削減できコストダウンにもつながり好都合である。
【００６３】
また、小型軽量化のためには、回折光学素子２３を構成する光学材料は比重が２．０以下の樹脂材料であることが好ましい。ガラスに比して樹脂は比重が小さいため、光学系の軽量化に有効である。そして、更に効果を発揮するには比重が１．６以下であることが好ましい。
【００６４】
さて、回折格子の屈折力が正パワーでも負パワーの場合でも、高屈折率の山側をシャープにさせることが、製造時に回折効率の低下を抑制するには重要である。すなわち、凹パワーの場合には、絞り１４側が低屈折率とすることが必要である。
【００６５】
また、図５に示されたように回折光学素子２３は第２回折格子２３Ｂの−Ｙ側に点線で描かれた平板状のガラス平板２３Ｃをさらに有している。
【００６６】
＜光学系２００の具体例＞
光学系２００を構成する偏心プリズム１２及び回折光学素子２３の面データは表１２に示されたとおりである。表１２において、面番号は図４を参照する。
【表１２】
0005652747.tif 000015
【００６７】
表１２に示された多項式ＦＦＳ［１］〜ＦＦＳ［３］の係数はそれぞれ第１実施形態で説明された表２、表３及び表４に示されたとおりである。また、偏心（１）〜偏心（４）は、それぞれ第１実施形態で説明された表５、表６、表７、及び表８に示されたとおりである。
【００６８】
一方、図４に示された回折光学素子２３の回折光学面の形状は数式（９）により決まり、その係数は表１３に示されたとおりである。
【表１３】
0005652747.tif 000016
【００６９】
つまり、上述のパラメータで求めた第１実施形態で説明された数式（１）〜（８）に関するパラメータの具体的な数値は表１４に示されたとおりである。
【表１４】
0005652747.tif 000017
【００７０】
表１４の条件値によると、数式（１）から数式（８）に関する計算結果は表１５のとおりである。光学系２００は、表１５に示されたように数式（１）から数式（８）の条件を満たしている。
【表１５】
0005652747.tif 000018
【００７１】
また、図６は第１実施形態の収差補正状態を示したスポットダイアグラムである。図６に示されたように、回折光学素子２３は偏心プリズム１２の透過面（第１面１２１及び第２面１２２）で発生する色収差を十分に補正している。
【００７２】
（第３実施形態）
＜光学系３００の全体構成＞
第３実施形態の光学系３００の構成について、図７を参照しながら説明する。図７は第３実施形態の光学系３００の側面図である。なお、画像素子１１は光学系３００に付属されるものではないが、理解を助けるために描かれている。また、第１実施形態で説明された構成要件には同じ符号を付して説明する。
【００７３】
図７に示されたように、回折光学素子３３は偏心プリズム１２の内部に斜めに配置されている。ここで、回折光学素子３３は第２実施形態で説明された回折光学素子２３と同様に２枚の回折格子を密着した複層型である。但し、回折光学素子３３は第２実施形態の図５で点線に示されたガラス平板２３Ｃが形成されていない。また、回折光学素子３３において画像素子１１側が低屈折率の回折格子で、絞り１４側が高屈折率の回折格子である。
【００７４】
＜光学系３００の具体例＞
光学系３００を構成する偏心プリズム１２及び回折光学素子３３の面データは表１６に示されたとおりである。表１６において、面番号は図７を参照する。
【表１６】
0005652747.tif 000019
【００７５】
表１３において、多項式ＦＦＳ［１］〜ＦＦＳ［３］の係数はそれぞれ第１実施形態で説明された表２、表３及び表４に示されたとおりである。また、偏心（１）〜偏心（４）は、それぞれ第１実施形態で説明された表５、表６、表７、及び表８に示されたとおりである。
【００７６】
また、第３実施形態では回折光学素子３３の各面も偏心面となっている。例えば図７の面番号５における偏心（５）の偏心パラメータは表１７に示されたとおりである。
【表１７】
0005652747.tif 000020
【００７７】
回折光学素子３３の回折光学面である図７の面番号６及び面番号７における偏心（６）の偏心パラメータは表１８に示されたとおりである。
【表１８】
0005652747.tif 000021
【００７８】
図７の面番号８における偏心（７）の偏心パラメータは表１９に示されたとおりである。
【表１９】
0005652747.tif 000022
【００７９】
一方、図７に示された回折光学素子３３の回折光学面の形状は数式（９）により決まり、その係数は表２０に示されたとおりである。
【表２０】
0005652747.tif 000023
【００８０】
つまり、上述のパラメータで求めた第１実施形態で説明された数式（１）〜（８）に関するパラメータの具体的な数値は表２１に示されたとおりである。
【表２１】
0005652747.tif 000024
【００８１】
表２１の条件値によると、数式（１）から数式（８）に関する計算結果は表２２のとおりである。光学系３００は、表２２に示されたように数式（１）から数式（８）の条件を満たしている。
【表２２】
0005652747.tif 000025
【００８２】
また、図８は第１実施形態の収差補正状態を示したスポットダイアグラムである。図８に示されたように、回折光学素子３３は偏心プリズム１２の透過面（第１面１２１及び第２面１２２）で発生する色収差を十分に補正している。
【００８３】
（第４実施形態）
＜光学系４００の全体構成＞
第４実施形態の光学系４００の構成について、図９を参照しながら説明する。図９は第４実施形態の光学系４００の側面図である。なお、画像素子１１は光学系４００に付属されるものではないが、理解を助けるために描かれている。なお、第１実施形態で説明された構成要件には同じ符号を付して説明する。
【００８４】
図９に示されたように、回折光学素子４３は偏心プリズム１２の第１面１２１に密着して形成されている。ここで、回折光学素子４３は第２実施形態で説明された回折光学素子２３と同様に２枚の回折格子を密着した複層型である。但し、回折光学素子４３は第２実施形態の図５で点線に示されたガラス平板２３Ｃが形成されていない。また、回折光学素子４３において画像素子１１側が低屈折率の回折格子で、偏心プリズム１２側が高屈折率の回折格子である。
【００８５】
＜光学系４００の具体例＞
光学系４００を構成する偏心プリズム１２及び回折光学素子４３の面データは表２３に示されたとおりである。表２３において、面番号は図９を参照する。
【表２３】
0005652747.tif 000026
【００８６】
表２３において、多項式ＦＦＳ［１］〜ＦＦＳ［３］の係数はそれぞれ第１実施形態で説明された表２、表３及び表４に示されたとおりである。
【００８７】
また、偏心（１）〜偏心（４）は、それぞれ第１実施形態で説明された表５、表６、表７、及び表８に示されたとおりである。第４実施形態では、回折光学素子４３が偏心プリズム１２の第１面１２１に密着しているので、回折光学素子４３の面番号６の偏心パラメータも第１面１２１の偏心（３）と同じである。
【００８８】
さらに、回折光学素子４３の回折光学面である図９の面番号７及び面番号８における偏心（８）の偏心パラメータは表２４に示されたとおりである。
【表２４】
0005652747.tif 000027
【００８９】
図９の面番号９における偏心（９）の偏心パラメータは表２５に示されたとおりである。
【表２５】
0005652747.tif 000028
【００９０】
一方、図９に示された回折光学素子４３の回折光学面の形状は数式（９）により決まり、その係数は表２６に示されたとおりである。
【表２６】
0005652747.tif 000029
【００９１】
つまり、上述のパラメータで求めた第１実施形態で説明された数式（１）〜（８）に関するパラメータの具体的な数値は表２７に示されたとおりである。
【表２７】
0005652747.tif 000030
【００９２】
表２７の条件値によると、数式（１）から数式（８）に関する計算結果は表２８のとおりである。光学系４００は、表２８に示されたように数式（１）から数式（８）の条件を満たしている。
【表２８】
0005652747.tif 000031
【００９３】
また、図１０は第１実施形態の収差補正状態を示したスポットダイアグラムである。図１０に示されたように、偏心プリズム１２の透過面（第１面１２１及び第２面１２２）で発生する色収差が十分に補正されている。
【００９４】
（応用例１）
＜画像表示装置――頭部装着型画像表示装置５０＞
応用例１の画像表示装置の一例として、頭部装着型画像表示装置（ＨＭＤ:Head Mounted Display）５０について図１１を参照しながら説明する。図１１（ａ）は頭部装着型画像表示装置５０の全体構成を示した斜視図で、（ｂ）は装着本体５０１の側面図である。
【００９５】
図１１に示されたように、頭部装着型画像表示装置５０は、上述の第２実施形態で説明された光学系２００を収納した装着本体５０１と、装着本体５０１に左右に連続して本体を観察者ＯＳの眼前に固定するフレーム５０２とを備えている。図１１（ｂ）において、光学系２００は人の眼球ＥＹが上述の第２実施形態で説明された絞り１４に位置するように本体５０１内に配置されている。応用例１では、第２実施形態で説明された光学系２００が用いられたが、第１、第３及び第４実施形態で説明された光学系１００、３００及び４００が用いられてもよい。
【００９６】
このような構成によれば、観察者ＯＳは回折光学素子２３により偏心プリズム１２による色収差が補正された画像を観察することができる。
【００９７】
また、図１１（ａ）に示されたように装着本体５０１は画像伝達コード５０３を介してボータブルビデオカセット等の再生装置５０４に接続されている。観察者ＯＳはこの再生装置５０４を図示のようにベルト箇所等の任意の位置に保持して、画像を見ることができるようになっている。
【００９８】
（応用例２）
＜画像表示装置――投影装置６０＞
応用例２の画像表示装置の一例として、プロジェクタなどの投影装置６０について図１２を参照しながら説明する。図１２は、投影装置６０の構成を示した概略図である。図１２において、理解を助けるためにパソコンＰＣとスクリーンＳＲとが書かれているが、投影装置６０に付属されているものではない。
【００９９】
図１２に示されたように、投影装置６０の投影光学系としては上述の第２実施形態で説明された光学系２００が用いられている。図１２において、パソコンＰＣ上で作成された画像・原稿データは、モニターＭＴの出力から分岐してプロジェクタ６０の処理制御部６０１に出力される。プロジェクタ６０の処理制御部６０１では、この入力されたデータが処理され、液晶パネル６０２に出力される。液晶パネル６０２では、この入力画像データに応じた画像が表示される。そして、光源６０３からの光は、液晶パネル６０２に表示した画像の階調によってその透過量が決定された後、液晶パネル６０２直前に配置した光学系２００に投影される。
【０１００】
このような構成によれば、観察者は回折光学素子２３により偏心プリズム１２による色収差が補正された投影像を観察することができる。
【０１０１】
応用例２では、投影装置６０の投影光学系として第２実施形態で説明された光学系２００が用いられたが、第１、第３及び第４実施形態で説明された光学系１００、３００及び４００が用いられてもよい。
【０１０２】
（応用例３）
＜画像撮像装置――カメラ７０＞
応用例３の画像撮像装置の一例として、カメラ７０について図１３を参照しながら説明する。図１３（ａ）はカメラ７０の全体構成を示した斜視図で、（ｂ）はカメラ７０の構成示した概略図である。
【０１０３】
図１３（ａ）に示されたように、カメラ７０は立方体のカメラ本体７０１とその正面に配置された撮像光学系７０２とを有している。また、図１３（ｂ）に示されたように被写体（図示しない）からの光が撮像光学系７０２を通過して光学系２００に入射される。そして、光学系２００の光路に配置されたＣＣＤなどの撮像素子７０３により被写体の画像が撮像される。撮像素子７０３で撮像された被写体の画像は、処理手段（図示しない）を介して画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター（図示しない）に表示される。
【０１０４】
このような構成によれば、カメラ７０の操作者は回折光学素子２３により偏心プリズム１２による色収差が補正された画像を観察することができる。
【０１０５】
応用例３では、カメラ７０に第２実施形態で説明された光学系２００が用いられたが、第１、第３及び第４実施形態で説明された光学系１００、３００及び４００が用いられてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
以上、本発明の最適な実施形態について説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施例に様々な変更を加えて実施することができる。
なお、本発明の光学素子を組み込んで得られる複数の構成要素からなる光学系も、本発明の範囲を逸脱するものではない。さらには、屈折率分布型レンズ、結晶材料レンズなどを組み込んで得られる光学系に関しても同様である。
また、本発明では複層型の回折光学素子として、一対の回折格子が密着した密着型について説明したが、一対の回折格子が分離した分離型にも適用される。
【符号の説明】
【０１０７】
１１  …  画像表示素子
１２  …  プリズム
１３、１３Ａ、１３Ｂ、２３、３３、４３  …  回折光学素子
１４  …  入射瞳
２３Ａ、２３Ｂ  …  回折格子
２３Ｃ  …  ガラス平板
５０  …  頭部装着型画像表示装置
５０１  …  装着本体
５０２  …  フレー
５０３  …  画像伝達コード
５０４  …  再生装置
６０  …  プロジェクタ
６０１  …  処理制御部
６０２  …  液晶パネル
６０３  …  光源
７０  …  カメラ
７０１  …  カメラ本体
７０２  …  撮像光学系
７０３  …  撮像素子
１００、２００、３００、４００  …  光学系
１２１  …  第１面、  １２２  …  第２面、  １２３  …  第３面
１３１、２３１  …  回折面、  １３２、２３２  …  端面
Ａｘ  …  光軸
ＤＭ  …  回折光学面
ｈ  …  回折光学素子の高さ
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３  …  端面同士の間隔
ＰＣ  …  パソコン
ＳＲ  …  スクリーン
【図１】
0005652747.tif 000032
【図２】
0005652747.tif 000033
【図３】
0005652747.tif 000034
【図４】
0005652747.tif 000035
【図５】
0005652747.tif 000036
【図６】
0005652747.tif 000037
【図７】
0005652747.tif 000038
【図８】
0005652747.tif 000039
【図９】
0005652747.tif 000040
【図１０】
0005652747.tif 000041
【図１１】
0005652747.tif 000042
【図１２】
0005652747.tif 000043
【図１３】
0005652747.tif 000044