(57)【要約】【課題】高倍率化が容易であり、かつ諸収差も良好に補正でき、しかも小型の光学系を提供する。【解決手段】少なくとも反射作用を有する第１の面Ａと、この第１の面で反射した光線を再度第１の面に向けて反射する第２の面Ｃとを少なくとも含む複数の光学面Ａ〜Ｃを有し、第１の面は、第２の面から該第１の面に再度入射した中心画角主光線を、該第１の面における該主光線のヒットポイント上での法線に対して前回とは反対側に反射する。そして、上記複数の光学面のうち少なくとも１面を回折光学面とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも反射作用を有する第１の面と、この第１の面で反射した光線を再度前記第１の面に向けて反射する第２の面とを少なくとも含む複数の光学面を有し、
前記第１の面は、前記第２の面から該第１の面に再度入射した中心画角主光線を、該第１の面における中心画角主光線のヒットポイント上での法線に対して前回とは反対側に反射し、
かつ前記複数の光学面のうち少なくとも１面は回折光学面であることを特徴とする光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原画を拡大表示させるヘッドマウントディスプレイやプロジェクタ等の画像表示装置、さらにはデジタルカメラ等の撮影装置に好適な光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＲＴやＬＣＤ等の画像形成素子を用い、これらの画像形成素子に表示された原画を光学系を介して拡大表示させる画像表示装置として、ヘッドマウントディスプレイ等と称される頭部装着型のものがある。
【０００３】
このヘッドマウントディスプレイは、観察者が頭部に装着するため、特に装置全体の小型化、軽量化が要望されている。また、重量バランスや外観等を考慮すると、観察者の視軸方向（前後方向）に薄型であることが好ましい。さらに、表示される拡大像に迫力を持たせるために、できるだけ大きな拡大像が望まれている。
【０００４】
例えば特許文献１〜４においては、画像形成素子としてのＬＣＤ（液晶ディスプレイ）と、観察光学系としての薄型プリズムとを使用し、装置全体の薄型化を図った画像表示装置が提案されている。
【０００５】
図１７には、特許文献１にて提案されている画像表示装置を示している。この装置において、ＬＣＤ１１１から発せられた光は、小型の偏心プリズム１１２の入射面１１３に入射する。そして、プリズム１１２に形成した曲率を有した全反射面１１４と反射面１１５との間で光束が折り畳まれ、その後、面１１４より偏心プリズム１１２から射出して観察者の眼Ｅに導かれる。これにより、ＬＣＤ１１１に形成された原画の虚像が形成され、この虚像を観察者が観察する。
【０００６】
偏心プリズム１１２の反射面１１５は、偏心非回転対称面（アジムス角度により光学的パワーの異なる面であり、いわゆる自由曲面）で構成された偏心自由曲面より構成されている。
【０００７】
また、図１８に示す光学系は、共軸凹面鏡１０３と眼球光軸に対して４５°傾いたハーフミラー１０２とを用いて画像形成素子１０１に形成されたタイプである。図１７に示す画像表示装置は、この図１８に示す装置に比べて、装置全体の薄型化および観察視野の広画角化が容易である。
【０００８】
また、光学系の中に回折光学面を用いることで、屈折光学系で発生する色収差と逆の色収差を発生させ、光学系全体の諸収差を抑えた高画質の画像表示装置も提案されている。
【０００９】
例えば、特許文献５では、接眼光学系を構成する３面からなるプリズムの１面に回折光学面を配置し、装置全体の薄型化を残しつつ、偏心色収差の補正を行う光学系が提案されている。
【００１０】
また、特許文献６には、回折光学面を配置したリレー光学系により一旦中間像を形成し、凹面鏡を有する接眼光学系を偏心配置し、画像形成素子に形成された画像を観察者に導く光学系が提案されている。
【００１１】
さらに、特許文献７には、光源（ＬＥＤやＬＤ等）で発した光を走査して画像を投影し、回折光学面を配置したリレー光学系を用いてこの画像の中間像を形成させ、更に偏心配置された凹面鏡を有する接眼光学系により観察者に導くという、少なくとも３面からなるプリズム体を含む光学系が提案されている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平７−３３３５５１号公報
【特許文献２】
特開平８−５０２５６号公報
【特許文献３】
特開平８−１６０３４０号公報
【特許文献４】
特開平８−１７９２３８号公報
【特許文献５】
特開平１０−１４２０２５号公報
【特許文献６】
特許第２７０５８８０号公報
【特許文献７】
特開２０００−００４９５５号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、画像形成素子であるＬＣＤ等の高精細化が進み、従来と同程度の画素数を有しながらもより小型化された画像形成素子が開発されている。このような小型化された画像形成素子を用いると、装置の小型化には有利になるものの、従来と同様の広画角を達成するためには、光学系の倍率を上げる必要が生じる。
【００１４】
しかしながら、倍率を上げるために、光学系内で中間像を形成させると、光路長が長くなり、装置が大型化するという問題がある。
【００１５】
本発明は、高倍率化が容易であり、かつ諸収差も良好に補正でき、しかも小型の光学系を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の光学系では、少なくとも反射作用を有する第１の面と、この第１の面で反射した光線を再度第１の面に向けて反射する第２の面とを少なくとも含む複数の光学面を有し、第１の面は、第２の面から該第１の面に再度入射した中心画角主光線を、該第１の面における該主光線のヒットポイント上での法線に対して前回とは反対側に反射する。そして、上記複数の光学面のうち少なくとも１面を回折光学面としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１には、本発明の実施形態１であるヘッドマウントディスプレイやプロジェクタ等の画像表示装置の光学系（表示光学系）の構成を示している。
【００１８】
１は第１の光学系を構成する光学素子１であり、内部が屈折率が１より大きい透明媒質で満たされた透明体（プリズム体）上に３つの光学面Ａ，Ｂ，Ｃを有する。面Ａ（第１の面）、面Ｂ（第３の面）はともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面、面Ｃ（第２の面）は回折光学面としての作用を持つ反射面である。また、面Ａ，Ｂ，Ｃはいずれも偏心面である。また、面Ｃにおける後述する折り返し反射は、面Ｃに形成された反射膜による反射である。
【００１９】
２は第２の光学系である。３はＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の原画を形成する画像形成素子である。この画像形成素子３には駆動回路４が接続されており、駆動回路４には、パーソナルコンピュータ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤー等の画像情報供給装置５から画像信号が供給される。駆動回路４には画像供給装置５からの画像信号が入力され、駆動回路４は入力された画像信号に応じた原画を形成（表示）するように画像形成素子３を駆動する。Ｓは光学素子１および第２の光学系２からなる表示光学系の射出瞳である。
【００２０】
図１では、画像形成素子３から発した光の例として、画像形成素子３の表示面の中心を射出して射出瞳Ｓの中心に至る光線（ここでは中心画角主光線という）を示している。
【００２１】
画像形成素子３から発した光は、第２の光学系２を介して光学素子１に導かれる。光は面Ｂから光学素子１に入射し、面Ａで反射された後、面Ｃに導かれる。面Ｃに入射した光はほぼ反対側に折り返し反射され、面Ｃでの反射前の光と逆向きに進む。
【００２２】
面Ｃで折り返し反射された光は面Ａで再反射される。ここで、第１の面である面Ａは、第２の面である面Ｃから面Ａに再度入射した中心画角主光線を、面Ａにおける該主光線のヒットポイント上での法線に対して前回（面Ｂから面Ａに入射した光の面Ａでの反射）とは反対側に反射する。
【００２３】
面Ａで再反射された光は、面Ｂで反射され、面Ａから光学素子１を射出して、射出瞳Ｓに到達し、観察者の眼又はスクリーン等の被投射面に画像を投影する。
【００２４】
また、光学素子１において、光は、面Ｂ→面Ａ→面Ｃ（折り返し反射）→面Ａ→面Ｂ→面Ａの順に各面を辿り、面Ｃでの折り返し反射を境に、最終の反射面Ｂに至るまで、それまでの光路を逆にたどる。つまり、光学素子１内に、往路としての面Ｂ→面Ａ→面Ｃと、復路としての面Ｃ→面Ａ→面Ｂとが形成される。
【００２５】
なお、本実施形態において（以下の実施形態でも同様）、面Ｃのように往路を復路に変える折り返し反射作用を持つ面を折り返し面という。
【００２６】
このように、複数の偏心反射面Ａ，Ｂ，Ｃで光路を折り返し、往路と復路をほぼ重複させることにより、長い光路長を小型の光学素子１内に収めることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化することができる。
【００２７】
また、表示光学系内に往復光路を形成し、面Ｃに、往路と復路を重複させる折り返し反射面としての作用と、色収差や偏心収差の補正に寄与する回折光学面としての作用の２つの作用を持たせることで、効率良く諸収差を補正し、良好な光学性能を得ることができる。また、表示光学系から不要な面を取り除き、表示光学系全体を小型とし、かつ面Ａ，Ｂで光が屈折する際に発生する色収差を良好に補正することができる。
【００２８】
そして、この表示光学系を用いて、観察者の眼又はスクリーン等の被投射面に画像を投影する画像表示装置を構成することにより、小型で画角が大きく、かつ色収差や偏心収差が良好に補正された高品位な画像を表示可能な画像表示装置を実現することができる。
【００２９】
なお、本実施形態では、回折光学面を面Ｃとした場合について説明したが、回折光学面を第２の光学系２中に設けてもよい。この場合も、表示光学系から不要な面を取り除き、表示光学系全体を小型とし、かつ色収差等を補正できるという作用効果が得られ、更には光学素子１で発生した偏心収差を補正しやすくなるため、非常に良好な光学性能を得た画像表示装置を提供することができる。
【００３０】
また、本実施形態では、透明体により構成される光学素子１により往復光路を形成する場合について説明したが、光学素子１を複数のミラー部材を組み合わせて構成してもよい。
【００３１】
また、面Ａでの反射を光学素子１での内部全反射とすると、光量ロスが少なくなり好ましい。少なくとも面Ａにおける反射する光束と射出する光束とが共に入射する領域において、反射光束が内部全反射するようにすると、反射光束のすべてを内部全反射とする場合に対して設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。この場合、面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は反射膜による反射とする。
（実施形態２）
上記実施形態１では、画像表示装置に用いられる表示光学系について説明したが、同様の光学系を、撮像装置に用いられる撮像（結像）光学系としても用いることができる。
【００３２】
図２には、本発明の実施形態２であるデジタルスチルカメラ、ビデオカメラ等の撮像装置の光学系（撮像光学系）の構成を示している。
【００３３】
１は第１の光学系を構成する光学素子であり、内部が屈折率が１より大きい透明媒質で満たされた透明体（プリズム体）上に３つの光学面Ａ，Ｂ，Ｃを有する。面Ａ（第１の面）、面Ｂ（第３の面）はともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面、面Ｃ（第２の面）は回折光学面としての作用を持つ反射面である。また、面Ａ，Ｂ，Ｃはいずれも偏心面である。また、面Ｃにおける後述する折り返し反射は、面Ｃに形成された反射膜による反射である。
【００３４】
２は第２の光学系で、６はＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等、光電変換作用を有する撮像素子である。Ｓは光学素子１および第２の光学系２からなる撮像光学系の入射瞳であり、この位置に絞りを置いて不要光の入射を防いでいる。
【００３５】
図２においては、外界から撮像光学系に入射する光の例として、入射瞳Ｓの中心を通り撮像素子６の受光面の中心に至る光線（ここでは中心画角主光線という）を示している。
【００３６】
外界からの光は、面Ａから光学素子１に入射し、面Ｂで反射され、面Ａで反射された後、面Ｃに導かれる。面Ｃに入射した光はほぼ反対側に折り返し反射され、面Ａで再反射される。
【００３７】
ここで、第１の面である面Ａは、第２の面である面Ｃから面Ａに再度入射した中心画角主光線を、面Ａにおける該主光線のヒットポイント上での法線に対して前回（面Ｂから面Ａに入射した光の面Ａでの反射）とは反対側に反射する。
面Ａで再反射され、面Ｂに向かった光は、面Ｂから光学素子１を射出して第２の光学系２に向う。第２の光学系２を通過した光は撮像素子６に導かれ撮像素子６の受光面にて結像する。撮像素子６の光電変換作用によって、外界像の画像信号を取得することができる。
【００３８】
撮像素子６からの画像信号は、画像処理回路７により各種画像処理が施され、半導体メモリや磁気ディスク、光ディスク等の記録媒体に記録される。
また、本実施形態では、光学素子１において、光は面Ａ→面Ｂ→面Ａ→面Ｃ（折り返し反射）→面Ａ→面Ｂの順に各面を辿り、面Ｃでの折り返し反射を境に、透過面Ｂに至るまでそれまでの光路を逆にたどる。つまり、光学素子１内に往路としての面Ｂ→面Ａ→面Ｃと復路  としての面Ｃ→面Ａ→面Ｂとが形成される。
【００３９】
このように、複数の偏心反射面Ａ，Ｂ，Ｃで光路を折り返し、往路を復路をほぼ重複させることにより、長い光路長を小型の光学素子１内に収めることができる。これにより、撮像光学系、さらには撮像装置全体をも小型化することができる。
【００４０】
また、上記のように撮像光学系内に往復光路を形成し、面Ｃに、光路を重複させる折り返し面としての作用と、色収差や偏心収差の補正に寄与する回折光学面としての作用の２つの作用を持たせることで、効率良く諸収差を補正し、良好な光学性能を得ることができる。また、撮像光学系から不要な面を取り除き、撮像光学系全体を小型にし、かつ面Ａ，Ｂでの屈折の際に発生する色収差補正を可能とする。
【００４１】
そして、この撮像光学系を用いて撮像装置を構成することにより、小型で画角が大きく、かつ色収差や偏心収差が良好に補正された高品位な画像を撮影可能な撮像装置を実現することができる。
【００４２】
なお、本実施形態では、回折光学面を面Ｃとした場合について説明したが、回折光学面を第２の光学系２中に設けてもよい。この場合も、撮像光学系から不要な面を取り除き、撮像光学系全体を小型にし、かつ色収差等を補正できるという作用効果が得られ、更には光学素子１で発生した偏心収差を補正しやすくなるため、非常に良好な光学性能を得た画像表示装置を提供することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、透明体により構成される光学素子１により往復光路を形成する場合について説明したが、光学素子１を複数のミラー部材を組み合わせて構成してもよい。
【００４４】
また、面Ａでの反射を光学素子１での内部全反射とすると、光量ロスが少なくなり好ましい。少なくとも面Ａにおける反射する光束と射出する光束とが共に入射する領域において、反射光束が内部全反射するようにすると、反射光束のすべてを内部全反射とする場合に対して設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。この場合、面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は反射膜による反射とする。
【００４５】
（実施形態３）
図３には、本発明の実施形態３であるヘッドマウントディスプレイやプロジェクタ等の画像表示装置の表示光学系の構成を示している。
【００４６】
１１は第１の光学系を構成する光学素子であり、内部が屈折率が１より大きい透明媒質で満たされた透明体（プリズム体）上に３つの光学面Ａ，Ｂ，Ｃを有する。面Ａ（第１の面）、面Ｂ（第３の面）はともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面、面Ｃ（第２の面）は回折光学面としての作用を持つ反射面である。また、面Ａ，Ｂ，Ｃはいずれも偏心面である。また、面Ｃにおける後述する折り返し反射は、面Ｃに形成された反射膜による反射である。
【００４７】
１２は第２の光学系である。１３はＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の原画を形成する画像形成素子である。この画像形成素子１３には駆動回路１４が接続されており、駆動回路１４には、パーソナルコンピュータ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤー等の画像情報供給装置１５から画像信号が供給される。駆動回路１４には画像供給装置１５からの画像信号が入力され、駆動回路１４は入力された画像信号に応じた原画を形成（表示）するように画像形成素子１３を駆動する。Ｓは光学素子１１および第２の光学系１２からなる表示光学系の射出瞳である。
【００４８】
図３では、画像形成素子１３から発した光の例として、画像形成素子１３の表示面の中心を射出して射出瞳Ｓの中心に至る光線（ここでは中心画角主光線という）を示している。
【００４９】
画像形成素子１３から発した光は、第２の光学系１２を介して光学素子１１に導かれる。光はＢ面から光学素子１１に入射し、面Ａで反射された後、面Ｃで反射され、面Ａに導かれる。面Ａに入射した光はほぼ反対側に折り返し反射され、面Ａでの折り返し反射前の光と逆向きに進む。
面Ａで反射された光は面Ｃで再反射され、面Ａでも再反射される。ここで、第１の面である面Ａは、第２の面である面Ｃから面Ａに再度入射した中心画角主光線を、面Ａにおける該主光線のヒットポイント上での法線に対して前回（面Ｂから面Ａに入射した光の面Ａでの反射）とは反対側に反射する。また、この関係は、面Ｃでの２回の反射についても同様である。
【００５０】
面Ａで再反射された光は、面Ｂで反射され、面Ａから光学素子１１を射出して、射出瞳Ｓに到達し、観察者の眼又はスクリーン等の被投射面に画像を投影する。
【００５１】
光学素子１１において、光は、面Ｂ→面Ａ→面Ｃ→面Ａ（折り返し反射）→面Ｃ→面Ａ→面Ｂ→面Ａの順に各面を辿り、面Ａでの折り返し反射を境に、最終の反射面Ｂに至るまで、それまでの光路を逆にたどる。つまり、光学素子１１内に、往路としての面Ｂ→面Ａ→面Ｃ→面Ａと、復路としての面Ａ→面Ｃ→面Ａ→面Ｂとが形成される。
【００５２】
このように、複数の偏心反射面Ａ，Ｂ，Ｃで光路を折り返し、往路と復路をほぼ重複させることにより、長い光路長を小型の光学素子１１内に収めることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化することができる。
【００５３】
また、表示光学系内に往復光路を形成し、面Ｃに、光路を重複させる折り返し面としての作用と、色収差や偏心収差の補正に寄与する回折光学面としての作用の２つの作用を持たせることで、効率良く諸収差を補正し、良好な光学性能を得ることができる。また、表示光学系から不要な面を取り除き、表示光学系全体を小型とし、かつ面Ａ，Ｂで光が屈折する際に発生する色収差を良好に補正することができる。
【００５４】
そして、この表示光学系を用いて、観察者の眼又はスクリーン等の被投射面に画像を投影する画像表示装置を構成することにより、小型で画角が大きく、かつ色収差や偏心収差が良好に補正された高品位な画像を表示可能な画像表示装置を実現することができる。
【００５５】
なお、本実施形態では、回折光学面を面Ｃとした場合について説明したが、回折光学面を第２の光学系２中に設けてもよい。この場合も、表示光学系から不要な面を取り除き、表示光学系全体を小型とし、かつ色収差等を補正できるという作用効果が得られ、更には光学素子１１で発生した偏心収差を補正しやすくなるため、非常に良好な光学性能を得た画像表示装置を提供することができる。
【００５６】
また、本実施形態では、透明体により構成される光学素子１１により往復光路を形成する場合について説明したが、光学素子１１を複数のミラー部材を組み合わせて構成してもよい。
【００５７】
また、面Ａでの反射を光学素子１１での内部全反射とすると、光量ロスが少なくなり好ましい。少なくとも面Ａにおける反射する光束と射出する光束とが共に入射する領域において、反射光束が内部全反射するようにすると、反射光束のすべてを内部全反射とする場合に対して設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。この場合、面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は反射膜による反射とする。
【００５８】
（実施形態４）
上記実施形態３では、画像表示装置に用いられる表示光学系について説明したが、同様の光学系を、撮像装置に用いられる撮像（結像）光学系としても用いることができる。
【００５９】
図４には、本発明の実施形態４であるデジタルスチルカメラ、ビデオカメラ等の撮像装置の光学系（撮像光学系）の構成を示している。
【００６０】
１１は第１の光学系を構成する光学素子であり、内部が屈折率が１より大きい透明媒質で満たされた透明体（プリズム体）上に３つの光学面Ａ，Ｂ，Ｃを有する。面Ａ（第１の面）、面Ｂ（第３の面）はともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面、面Ｃ（第２の面）は回折光学面としての作用を持つ反射面である。また、面Ａ，Ｂ，Ｃはいずれも偏心面である。また、面Ｃにおける後述する折り返し反射は、面Ｃに形成された反射膜による反射である。さらに、面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
【００６１】
１２は第２の光学系で、１６はＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等、光電変換作用を有する撮像素子である。Ｓは光学素子１および第２の光学系２からなる撮像光学系の入射瞳であり、この位置に絞りを置いて不要光の入射を防いでいる。
【００６２】
図４においては、外界から撮像光学系に入射する光の例として、入射瞳Ｓの中心を通り撮像素子１６の受光面の中心に至る光線（ここでは中心画角主光線という）を示している。
【００６３】
外界からの光は、面Ａから光学素子１１に入射し、面Ｂで反射され、面Ａで反射された後、面Ｃで反射され、面Ａに導かれる。面Ａに入射した光はほぼ反対側に折り返し反射され、面Ａでの折り返し反射前の光と逆向きに進む。
【００６４】
面Ａで折り返し反射された光は面Ｃで再反射され、面Ａでも再反射される。ここで、第１の面である面Ａは、第２の面である面Ｃから面Ａに再度入射した中心画角主光線を、面Ａにおける該主光線のヒットポイント上での法線に対して前回（面Ｂから面Ａに入射した光の面Ａでの反射）とは反対側に反射する。また、この関係は、面Ｃでの２回の反射についても同様である。
【００６５】
面Ａで再反射された光は、面Ｂから光学素子１１を射出して、第２の光学系１２を通過した後、撮像素子１６の受光面にて結像する。撮像素子１６の光電変換作用によって、外界像の画像信号を取得することができる。
【００６６】
撮像素子１６からの画像信号は、画像処理回路１７により各種画像処理が施され、半導体メモリや磁気ディスク、光ディスク等の記録媒体に記録される。
【００６７】
光学素子１１において、光は、面Ａ→面Ｂ→面Ａ→面Ｃ→面Ａ（折り返し反射）→面Ｃ→面Ａ→面Ｂの順に各面を辿り、面Ａでの折り返し反射を境に、最終の反射面Ｂに至るまで、それまでの光路を逆にたどる。つまり、光学素子１１内に、往路としての面Ｂ→面Ａ→面Ｃ→面Ａと、復路としての面Ａ→面Ｃ→面Ａ→面Ｂとが形成される。
【００６８】
このように、複数の偏心反射面Ａ，Ｂ，Ｃで光路を折り返し、往路を復路をほぼ重複させることにより、長い光路長を小型の光学素子１１内に収めることができる。これにより、撮像光学系、さらには撮像装置全体をも小型化することができる。
【００６９】
また、撮像光学系内に往復光路を形成し、面Ｃに、光路を重複させる折り返し面としての作用と、色収差や偏心収差の補正に寄与する回折光学面としての作用の２つの作用を持たせることで、効率良く諸収差を補正し、良好な光学性能を得ることができる。また、撮像光学系から不要な面を取り除き、撮像光学系全体を小型とし、かつ面Ａ，Ｂで光が屈折する際に発生する色収差を良好に補正することができる。
【００７０】
そして、この撮像光学系を用いて撮像装置を構成することにより、小型で画角が大きく、かつ色収差や偏心収差が良好に補正された高品位な画像を撮影可能な撮像装置を実現することができる。
【００７１】
なお、本実施形態では、回折光学面を面Ｃとした場合について説明したが、回折光学面を第２の光学系２中に設けてもよい。この場合も、撮像光学系から不要な面を取り除き、撮像光学系全体を小型にし、かつ色収差等を補正できるという作用効果が得られ、更には光学素子１１で発生した偏心収差を補正しやすくなるため、非常に良好な光学性能を得た画像表示装置を提供することができる。
【００７２】
また、本実施形態では、透明体により構成される光学素子１１により往復光路を形成する場合について説明したが、光学素子１１を複数のミラー部材を組み合わせて構成してもよい。
【００７３】
また、面Ａでの反射を光学素子１１での内部全反射とすると、光量ロスが少なくなり好ましい。少なくとも面Ａにおける反射する光束と射出する光束とが共に入射する領域において、反射光束が内部全反射するようにすると、反射光束のすべてを内部全反射とする場合に対して設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。この場合、面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は反射膜による反射とする。
【００７４】
上記実施形態１〜４において、光学素子１，１１の折り返し面に入射した光線（中心画角主光線）が反射されて射出されるとき、該折り返し面の前後で光線が所定の角度θをなすように入射し反射される場合、角度θは、
｜θ｜＜６０°    …（１）
を満たすことが望ましい。この条件を外れると、折り返し反射後の光路（復路）が往路を逆戻りせず、往復光路というよりジグザグ光路になってしまい、光学素子１，１１が大型化する。
【００７５】
また、好ましくは、
｜θ｜＜３０°    …（２）
を満たすとよい。条件式（２）の条件を外れると、折り返し反射後の光路（復路）が往路を逆戻りすることはできるが、往路と復路が重ならず、光学素子１，１１の小型化の程度が小さくなる。
【００７６】
そして、より好ましくは、
｜θ｜＜２０°    …（３）
を満たすとよい。条件式（３）を満たすことにより、光学素子１，１１の十分な小型化を図ることができる。
【００７７】
以下、本発明の具体的な数値実施例について説明する。偏心系に対応していない従来系の定義では、各光学面は、それぞれの面頂点を基準とした座標系で表される。すなわち、ｚ軸を光軸とし、  ｙｚ断面が従来の母線断面（メリジオナル断面）であり、ｘｚ断面が子線断面（サジタル断面）となる。
【００７８】
しかし、上記各実施形態で説明した光学系は偏心系であるので、偏心系に対応したローカル母線断面，ローカル子午線断面を新たに定義する。
中心画角主光線の各面のヒットポイント上で、中心画角主光線の入射光と射出光を含む面をローカル母線断面とし、ヒットポイントを含みローカル母線断面と垂直で各面頂点座標系の子線断面（通常の子線断面）と平行な面をローカル子線断面として定義する。
【００７９】
各面における中心画角主光線のヒットポイント近傍での曲率を計算し、各面の中心画角主光線に対するローカル母線断面の曲率半径をｒｙ、ローカル子線断面の曲率半径ｒｘを定義する。このとき、光学系中にある回折光学面（ＤＯＥ面）において、
｜ｒｙ／ｒｘ｜＜４    …（４）
なる条件を満たすことが望ましい。条件式（４）を満たさないようなＤＯＥ面の形状は、表示光学系または撮像光学系の色収差や偏心収差の抑制もしくは補正が良好に行えなくなる。
【００８０】
［数値実施例１］
図５は，本発明の光学系の数値実施例１を示す断面図である。この数値実施例１は、上記実施形態３，４に対応するものである。光学素子１１は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、折り返し面（面Ａ）を含む３つの光学面Ａ〜Ｃを有する。
【００８１】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８は同一面（面Ａ）であり、Ｓ３，Ｓ９は同一面（面Ｂ）である。また、Ｓ５，Ｓ７は同一面（面Ｃ）である。Ｓ６は折り返し反射作用を持つ折り返し面であり、Ｓ５，Ｓ７はＤＯＥ面である。
第２の光学系１２は、それぞれ２面を有する２つの光学素子２１，２２により構成されている。各光学素子２１、２２は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体である。
【００８２】
これら全ての面は紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状をしている。尚、図中のｘ、ｙ、ｚは観察者の視軸方向をｚ軸、紙面内でｚ軸に垂直な方向をｙ軸、紙面に垂直な方向をｘ軸とした座標定義である。
【００８３】
本数値実施例１の光学データを表１に，中心画角主光線に対するローカルデータを表９に示す．
【００８４】
ここで、表１の光学データの見方を説明する。なお、ここでの説明は、以下に説明するすべての数値実施例に共通する。
【００８５】
まず、最も左の項目ＳＵＲＦは面番号を示している。また、Ｘ，Ｙ，ＺおよびＡは，面Ｓ１の中心を原点（０，０，０）とし、図中に示したｙ軸，ｚ軸と紙面奥向きにｘ軸をとった座標系における各面の面頂点の位置（ｘ，ｙ，ｚ），並びに、図面上で反時計回り方向を正方向とするｘ軸回りの回転角度ａ（単位：度）である。              Ｒは曲率半径である。ＴＹＰの項は面形状の種類を表し、Ｓ
【００８６】
ＰＨは球面であり，ＦＦＳは以下の式に従う回転非対称面である。
【００８７】
ｚ＝（１／Ｒ）＊（ｘ２＋ｙ２）／（１＋（１−（１＋ｋ）＊（１／Ｒ）２＊（ｘ２＋ｙ２））（１／２））＋ｃ２＋ｃ４＊ｙ＋ｃ５＊（ｘ２−ｙ２）＋ｃ６＊（−１＋２＊ｘ２＋２＊ｙ２）＋ｃ１０＊（−２＊ｙ＋３＊ｘ２＊ｙ＋３＊ｙ３）＋ｃ１１＊（３＊ｘ２＊ｙ−ｙ３）＋ｃ１２＊（ｘ４−６＊ｘ２＊ｙ２＋ｙ４）＋ｃ１３＊（−３＊ｘ２＋４＊ｘ４＋３＊ｙ２−４＊ｙ４）＋ｃ１４＊（１−６＊ｘ２＋６＊ｘ４−６＊ｙ２＋１２＊ｘ２＊ｙ２＋６＊ｙ４）＋ｃ２０＊（３＊ｙ−１２＊ｘ２＊ｙ＋１０＊ｘ４＊ｙ−１２＊ｙ３＋２０＊ｘ２＊ｙ３＋１０＊ｙ５）＋ｃ２１＊（−１２＊ｘ２＊ｙ＋１５＊ｘ４＊ｙ＋４＊ｙ３＋１０＊ｘ２＊ｙ３−５＊ｙ５）＋ｃ２２＊（５＊ｘ４＊ｙ−１０＊ｘ２＊ｙ３＋ｙ５）＋ｃ２３＊（ｘ６−１５＊ｘ４＊ｙ２＋１５＊ｘ２＊ｙ４−ｙ６）＋ｃ２４＊（−５＊ｘ４＋６＊ｘ６＋３０＊ｘ２＊ｙ２−３０＊ｘ４＊ｙ２−５＊ｙ４−３０＊ｘ２＊ｙ４＋６＊ｙ６）＋ｃ２５＊（６＊ｘ２−２０＊ｘ４＋１５＊ｘ６−６＊ｙ２＋１５＊ｘ４＊ｙ２＋２０＊ｙ４−１５＊ｘ２＊ｙ４−１５＊ｙ６）＋ｃ２６＊（−１＋１２＊ｘ２−３０＊ｘ４＋２０＊ｘ６＋１２＊ｙ２−６０＊ｘ２＊ｙ２＋６０＊ｘ４＊ｙ２−３０＊ｙ４＋６０＊ｘ２＊ｙ４＋２０＊ｙ６）  ＋・・・・・・    （５）
【００８８】
また、ＴＹＰの欄でＦＦＳの横に記された数値は，その面の形状が同表の下側に記載された非球面係数ｋおよびｃ＊＊に対応する非回転対称形状であることを示している。但し、記載されていないｃ＊＊の値は０である。
【００８９】
ＴＹＰの項にあるＤＯＥは回折光学面を意味し、ベース面の定義を次に述べる。ベース面の形状は、まずＤＯＥ面におけるローカルなｙｚ平面で以下の式に従った非球面の輪郭を最初に定義する。
【００９０】
ｚ＝  Ｒ＊ｙ２／［１＋［１−  （１＋ｋ）Ｒ２＊ｙ２］１／２］＋  Ａ＊ｙ４  ＋Ｂ＊ｙ６  ＋Ｃ＊ｙ８  ＋Ｄ＊ｙ１０
ここで、Ｒは曲率半径である。
【００９１】
次に、同表の下側に記載されたＤＯＥ面の形状を示す欄にある、ＲＤＸの値をＲｄｘとした場合、ＤＯＥのローカル座標のｘ＝０、ｚ＝−Ｒｄｘを通り、ＤＯＥ面のローカルなｙ軸と平行な軸に対して、上記で定義した非球面の輪郭を回転させたものがベース面となる。
【００９２】
また各数値実施例に用いている全てのＤＯＥ面は、ｋ＝０、Ａ＝Ｂ＝Ｃ＝Ｄ＝０である。
【００９３】
さらに、ベース面に位相関数が以下の式に従って付加されている。
【００９４】
2004233907.tif 000003
ＤＯＥ面の位相関数は同表の下側に記載された、ｃ＊＊に対応する回転非対称形状であることを示している。但し、記載されていないｃ＊＊の値は０である。
【００９５】
Ｎｄ，νｄ（但し、表にはｖｄと記す）はそれぞれ、その面以降の媒質のｄ線波長での屈折率とアッベ数を示しており，屈折率Ｎｄの符号の変化はその面で光が反射されることを示している。
【００９６】
また、媒質が空気層の場合は，屈折率Ｎｄのみを１．００００として表示し、アッベ数νｄは省略している。
【００９７】
また、折り返し面での中心画角主光線の入射光線と反射光線とのなす角度θの絶対値を｜θ｜として記載している。
【００９８】
また、ＤＯＥ面における中心画角主光線のヒットポイントにおけるローカル母線断面の曲率半径ｒｙと、ローカル子線断面の曲率半径ｒｘ、またｒｙをｒｘで割った値の絶対値を｜ｒｙ／ｒｘ｜として記載している。
【００９９】
本光学系を表示光学系として用いる場合において、ＳＩを画像形成素子１３の原画表示面とすると、ＳＩからの光はＳ１３から光学素子２２に入射してＳ１２から射出し、更にＳ１１から光学素子２１に入射してＳ１０から射出し、光学素子１１に向う。
【０１００】
光学素子１１に向った光は、Ｓ９から光学素子１１に入射し、Ｓ８で反射し、Ｓ７で反射し、その後Ｓ６（折り返し面）で反射し、Ｓ５で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ３で反射し、Ｓ２から光学素子１１を射出して射出瞳Ｓ１に導かれる。この際、光学素子１１内で画像形成素子１３の原画表示面の両端からの光線が交わっており、ＳＩに表示された原画の中間像が形成されている。
【０１０１】
光学素子１１内に中間像を形成することで、第２の光学系１２のパワーを弱めてもコンパクトな構成とすることができ、第２の光学系１２における余計な収差の発生を抑え、第２の光学系１２の複雑化を防止できる。
【０１０２】
本数値実施例おいては、Ｓ７での反射からＳ５での反射の間に中間像が形成されているが、中間像は必ずしもこの間にある必要はない。また、中間像点からの発散光束を略平行光束に変換する接眼光学系部分の収差補正を容易にするように、中間像が、接眼光学系部分での像面湾曲や非点収差の発生する状況に合わせて、適宜湾曲したり非点隔差を有したりするように結像されていることが好ましい。
【０１０３】
また、光束がＳ５における反射からＳ２を射出するまでに、該光束に光学作用を与える面が接眼光学系部分に当たり、光学素子１１でのそれ以外の部分と第２の光学系１２とがリレー光学系に該当する。最終反射面として作用するときのＳ３は、射出面として作用する時のＳ２に対して非常に強いパワーを有した凹面鏡となっており、接眼光学系部分では収差を完全に補正することは困難である。このため、リレー光学系部分が接眼光学系部分での収差をキャンセルするような形の中間結像面ができるように中間像を形成することで、最終的な像観察における画質を向上させることが可能となる。
【０１０４】
なお、折り返し面Ｓ６と面Ｃ（Ｓ５，Ｓ７）とには反射膜が形成されている。
【０１０５】
また、ＤＯＥ面を反射面とすることで、効率良く諸収差を補正し、良好な光学性能を得ることができる。
【０１０６】
本数値実施例１の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ１０ｍｍ、画像サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０１０７】
また、このような表示光学系において、ローカル母線断面上での最周辺画像のうち、射出瞳Ｓ１より遠い方側の最周像高ｆ３と射出瞳中心を通る光線をｆ３中心光線、射出瞳Ｓ１より近い方側の最周像高ｆ２と射出瞳中心とを通る光線をｆ２中心光線とする。このとき、ｆ３中心光線とｆ２中心光線とが交差する点Ｐを通るような面を瞳結像面とする。これは全ての数値実施例において同様である。
【０１０８】
また、本光学系を撮像光学系として用いる場合、ｚ軸負方向無限遠方の物点からの光束を、絞りＳ１を通過させて光学素子１１に導き、Ｓ２から光学素子１１に入射させ、Ｓ３で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ５で反射し、Ｓ６（折り返し面）で反射した後、Ｓ７で反射し、Ｓ８で反射し、Ｓ９から光学素子１１を射出させて光学素子２１に導く。光学素子２１に導かれた光束は、Ｓ１０から光学素子２１に入射し、Ｓ１１より射出し、更にＳ１２から光学素子２２に入射し、Ｓ１３から射出して撮像素子１６の受光面ＳＩに結像する。
【０１０９】
Ｓ４，Ｓ８で反射する光束のうち、Ｓ２から射出もしくは入射する光束において、射出もしくは入射範囲で反射する光束は全反射するため、光量の損失は少ない。なお、面Ｃにおける反射と面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は反射膜による反射である。
【０１１０】
本数値実施例によれば、小型で広画角の光学系を実現することができる。
【０１１１】
［数値実施例２］
本発明の数値実施例２の断面図を図６に、光学データを表２に示す。本数値実施例２は、上記実施形態３，４に対応するものである。光学素子１１は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、折り返し面（面Ａ）を含む３つの光学面Ａ〜Ｃを有する。
【０１１２】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８は同一面（面Ａ）であり、Ｓ３，Ｓ９は同一面（面Ｂ）である。また、Ｓ５，Ｓ７は同一面（面Ｃ）である。Ｓ６は折り返し反射作用を持つ折り返し面である。
【０１１３】
第２の光学系を構成する光学素子１２は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、回折光学面（ＤＯＥ面）Ｓ１０を含む３つの光学面Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２を有する。
【０１１４】
これら全ての面は紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有している。
【０１１５】
本光学系を表示光学系として用いる場合において、ＳＩを画像形成素子１３の原画表示面とすると、ＳＩからの光はＳ１２から光学素子１２に入射し、Ｓ１１で裏面反射し、Ｓ１０から光学素子１２を射出して光学素子１１に向う。
【０１１６】
光学素子１１に向かった光は、Ｓ９から光学素子１１に入射し、Ｓ８で反射し、Ｓ７で反射し、その後Ｓ６（折り返し面）で反射し、Ｓ５で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ３で反射し、Ｓ２から光学素子１１を射出して射出瞳Ｓ１に導かれる。面ＣおよびＳ１１における反射と、面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は、反射膜による反射である。さらに面Ｂには、半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
【０１１７】
ＤＯＥ面（Ｓ１０）を瞳結像位置の近傍に置くことで、軸上色収差を効率良く抑制できる。また、数値実施例１と同様に、本数値実施例２でも、光学素子１１中に中間像が形成されている。
【０１１８】
本数値実施例２の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ１０ｍｍ、画像サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０１１９】
また、本数値実施例の光学系は、数値実施例１の光学系と同様に、ＳＩを撮像素子１６の受光面とする撮像光学系として用いることもできる。
【０１２０】
［数値実施例３］
本発明の数値実施例３の断面図を図７に、光学データを表３に示す。本数値実施例３は、上記実施形態３，４に対応するものである。光学素子１１は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、折り返し面（面Ａ）を含む３つの光学面Ａ〜Ｃを有する。
【０１２１】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８は同一面（面Ａ）であり、Ｓ３，Ｓ９は同一面（面Ｂ）である。また、Ｓ５，Ｓ７は同一面（面Ｃ）である。Ｓ６は折り返し反射作用を持つ折り返し面である。
【０１２２】
第２の光学系を構成する光学素子１２は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、回折光学面（ＤＯＥ面）Ｓ１１を含む３つの光学面Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２を有する。
【０１２３】
これら全ての面は紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有している。
【０１２４】
本光学系を表示光学系として用いる場合において、ＳＩを画像形成素子１３の原画表示面とすると、ＳＩからの光はＳ１２から光学素子１２に入射し、Ｓ１１で裏面反射し、Ｓ１０から光学素子１２を射出して光学素子１１に向かう。光学素子１１に向かった光は、Ｓ９から光学素子１１に入射し、Ｓ８で反射し、Ｓ７で反射し、その後Ｓ６（折り返し面）で反射し、Ｓ５で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ３で反射し、Ｓ２から光学素子１１を射出して射出瞳Ｓ１に導かれる。
【０１２５】
面ＣおよびＳ１１における反射と、面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は反射膜による反射である。更に、面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
【０１２６】
ＤＯＥ面（Ｓ１１）を反射面とすることで、効率良く諸収差を補正し、良好な光学性能を得ることができる。また、数値実施例１と同様に、本数値実施例３でも、光学素子１１中で中間像が形成されている。
【０１２７】
本数値実施例３の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ１０ｍｍ、画像サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０１２８】
また、本数値実施例の光学系は、数値実施例１の光学系と同様に、ＳＩを撮像素子１６の受光面とする撮像光学系として用いることもできる。
【０１２９】
［数値実施例４］
本発明の数値実施例４の断面図を図８に、光学データを表４に示す。本数値実施例４は、上記実施形態３，４に対応するものである。光学素子１１は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、折り返し面（面Ａ）を含む
３つの光学面Ａ〜Ｃを有する。
【０１３０】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８は同一面（面Ａ）であり、Ｓ３，Ｓ９は同一面（面Ｂ）である。また、Ｓ５，Ｓ７は同一面（面Ｃ）である。Ｓ６は折り返し反射作用を持つ折り返し面である。
【０１３１】
第２の光学系を構成する光学素子１２は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、回折光学面（ＤＯＥ面）Ｓ１２を含む３つの光学面Ｓ１０，Ｓ１１（Ｓ１３と同一面），Ｓ１２を有する。
【０１３２】
これら全ての面は紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有している。
【０１３３】
本光学系を表示光学系として用いる場合において、ＳＩを画像形成素子１３の原画表示面とすると、ＳＩからの光はＳ１３から光学素子１２に入射し、Ｓ１２で反射し、Ｓ１１で裏面反射し、Ｓ１０から光学素子１２を射出して光学素子１１に向かう。
【０１３４】
光学素子１１に向かった光は、Ｓ９から光学素子１１に入射し、Ｓ８で反射し、Ｓ７で反射し、その後Ｓ６（折り返し面）で反射し、Ｓ５で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ３で反射し、Ｓ２から光学素子１１を射出して射出瞳Ｓ１に導かれる。面ＣおよびＳ１１における反射と、面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は反射膜による反射である。さらに、面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
【０１３５】
ＤＯＥ面（Ｓ１２）を反射面とすることで、効率良く諸収差を補正し、良好な光学性能を得ることができる。
【０１３６】
また、数値実施例１と同様に、本数値実施例４においても、光学素子１１中に中間像が形成されている。
【０１３７】
本数値実施例４の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ１０ｍｍ、画像サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０１３８】
また、本数値実施例の光学系は、数値実施例１の光学系と同様に、ＳＩを撮像素子１６の受光面とする撮像光学系として用いることもできる。
【０１３９】
［数値実施例５］
本発明の数値実施例５の断面図を図９に、光学データを表５に示す。本数値実施例４は、上記実施形態３，４に対応するものである。光学素子１１は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、折り返し面（面Ａ）を含む３つの光学面Ａ〜Ｃを有する。
【０１４０】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８は同一面（面Ａ）であり、Ｓ３，Ｓ９は同一面（面Ｂ）である。また、Ｓ５，Ｓ７は同一面（面Ｃ）である。Ｓ６は折り返し反射作用を持つ折り返し面である。
【０１４１】
第２の光学系は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体である光学素子２１’と光学素子２２’とから構成されている。光学素子２１’はＳ９（本数値実施例では光学素子１１の面Ｂと光学素子２１’とが接合されているため、光学素子１１のＳ９と同一面とする）とＳ１０の２面を有し、光学素子２２’はＳ１１（ＤＯＥ面）とＳ１２の２面を有する。
【０１４２】
これら全ての面は紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有している。
【０１４３】
本光学系を表示光学系として用いる場合において、ＳＩを画像形成素子１３の原画表示面とすると、ＳＩからの光はＳ１２から光学素子２２’に入射し、Ｓ１１から射出する。光学素子２１’と光学素子１１とはＳ９で接合されているため、光学素子２１’のＳ１０に入射した光はＳ９から光学素子１１に入射する。
光学素子１１に入射した光は、Ｓ８で反射し、Ｓ７で反射し、その後Ｓ６（折り返し面）で反射し、Ｓ５で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ３で反射し、Ｓ２から光学素子１１を射出して射出瞳Ｓ１に導かれる。
【０１４４】
面Ｃにおける反射と面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は、反射膜による反射である。
【０１４５】
さらに、面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
【０１４６】
また、ＤＯＥ面（Ｓ１１）を透過面とすることで、格子の溝を深くすることができ、かつ寸法公差が緩いため、製造もし易い。
【０１４７】
また、数値実施例１と同様に、本数値実施例５でも、光学素子１１中に中間像が形成されている。
【０１４８】
本数値実施例５の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ１０ｍｍ、画像サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０１４９】
また、本実施例においても、実施例１同様に撮像装置を構成する光学系としても利用できる。
【０１５０】
［数値実施例６］
本発明の数値実施例６の断面図を図１０に、光学データを表６に示す。本数値実施例６は、上記実施形態１，２に対応するものである。光学素子１は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、折り返し面かつ回折光学面（面Ｃ）を含む３つの光学面Ａ〜Ｃを有する。
【０１５１】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は同一面（面Ａ）であり、Ｓ５は面Ｃである。また、Ｓ３，Ｓ７は同一面（面Ｂ）である。Ｓ５は折り返し反射作用を持つ折り返し面であるとともに、回折光学面（ＤＯＥ面）である。
【０１５２】
第２の光学系は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体である光学素子２により構成されている。光学素子２は、３つの光学面Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０を有する。
【０１５３】
これら全ての面は紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有している。
【０１５４】
本光学系を表示光学系として用いる場合において、ＳＩを画像形成素子３の原画表示面とすると、ＳＩからの光はＳ１０から光学素子２に入射し、Ｓ９で裏面反射し、Ｓ８から光学素子２を射出して光学素子１に向かう。
【０１５５】
光学素子１に向かった光は、Ｓ７から光学素子１に入射し、Ｓ６で反射し、その後Ｓ５（折り返し面）で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ３で反射し、Ｓ２から光学素子１を射出して射出瞳Ｓ１に導かれる。
面ＣおよびＳ９の反射と面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は、反射膜による反射である。
【０１５６】
さらに、面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。ＤＯＥ面（Ｃ面）を反射面とすることで、効率良く諸収差を補正し、良好な光学性能を得ることができる。
【０１５７】
また、数値実施例１と同様に、本数値実施例６でも、光学素子１中に中間像が形成されている。
【０１５８】
本数値実施例６の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ１０ｍｍ、画像サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０１５９】
また、本数値実施例の光学系は、数値実施例１の光学系と同様に、ＳＩを撮像素子６の受光面とする撮像光学系として用いることもできる。
【０１６０】
［数値実施例７］
本発明の数値実施例７の断面図を図１１に、光学データを表７に示す。本数値実施例７は、上記実施形態１，２に対応するものである。光学素子１は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、折り返し面（面Ｃ）を含む３つの光学面Ａ〜Ｃを有する。
【０１６１】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は同一面（面Ａ）であり、Ｓ５は面Ｃである。また、Ｓ３，Ｓ７は同一面（面Ｂ）である。Ｓ５は折り返し反射作用を持つ折り返し面である。
【０１６２】
第２の光学系は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体である光学素子２により構成されている。光学素子２は、回折光学面（ＤＯＥ面）Ｓ９を含む３つの光学面Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０を有する。
【０１６３】
これら全ての面は紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有している。
【０１６４】
本光学系を表示光学系として用いる場合において、ＳＩを画像形成素子３の原画表示面とすると、ＳＩからの光はＳ１０から光学素子２に入射し、Ｓ９で裏面反射し、Ｓ８から光学素子２を射出して光学素子１に向かう。
光学素子１に向かった光は、Ｓ７から光学素子１に入射し、Ｓ６で反射し、その後Ｓ５（折り返し面）で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ３で反射し、Ｓ２から光学素子１を射出して射出瞳Ｓ１に導かれる。
面ＣおよびＳ９の反射と面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は、反射膜による反射である。
【０１６５】
さらに、面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
ＤＯＥ面（Ｓ９）を瞳結像位置の近傍に置く反射面とすることで、軸上色収差を効率良く抑制することができるだけでなく、諸収差を補正して良好な光学性能を得ることができる。
【０１６６】
また、数値実施例１と同様に、本数値実施例７でも、光学素子１中に中間像が形成されている。
【０１６７】
本数値実施例６の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ１０ｍｍ、画像サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
また、本数値実施例の光学系は、数値実施例１の光学系と同様に、ＳＩを撮像素子６の受光面とする撮像光学系として用いることもできる。
【０１６８】
［数値実施例８］
本発明の数値実施例８の断面図を図１２に、光学データを表８に示す。本数値実施例８は、上記実施形態１，２に対応するものである。光学素子１は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、折り返し面（面Ｃ）を含む３つの光学面Ａ〜Ｃを有する。
【０１６９】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は同一面（面Ａ）であり、Ｓ５は面Ｃである。また、Ｓ３，Ｓ７は同一面（面Ｂ）である。Ｓ５は折り返し反射作用を持つ折り返し面である。
第２の光学系は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体である光学素子２により構成されている。光学素子２は、回折光学面（ＤＯＥ面）Ｓ９を含む３つの光学面Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０を有する。
【０１７０】
これら全ての面は紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有している。
【０１７１】
本光学系を表示光学系として用いる場合において、ＳＩを画像形成素子３の原画表示面とすると、ＳＩからの光はＳ１０から光学素子２に入射し、Ｓ９で裏面反射し、Ｓ８から光学素子２を射出して光学素子１に向かう。
光学素子１に向かった光は、Ｓ７から光学素子１に入射し、Ｓ６で反射し、その後Ｓ５（折り返し面）で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ３で反射し、Ｓ２から光学素子１を射出して射出瞳Ｓ１に導かれる。
【０１７２】
面ＣおよびＳ９における反射と面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は、反射膜による反射である。
【０１７３】
さらに、面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
ＤＯＥ面（Ｓ９）を反射面とすることで、効率良く諸収差を補正し、良好な光学性能を得ることができる。
【０１７４】
また、数値実施例１と同様に、本数値実施例８でも、光学素子１中に中間像が形成されている。
【０１７５】
本数値実施例８の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ１０ｍｍ、画像サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
また、本数値実施例の光学系は、数値実施例１の光学系と同様に、ＳＩを撮像素子６の受光面とする撮像光学系として用いることもできる。
【０１７６】
［数値実施例９］
本発明の数値実施例９の断面図を図１３に、光学データを表９に示す。本数値実施例９は、上記実施形態１，２に対応するものである。光学素子１は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、折り返し面（面Ｃ）を含む３つの光学面Ａ〜Ｃを有する。
【０１７７】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は同一面（面Ａ）であり、Ｓ５は面Ｃである。また、Ｓ３，Ｓ７は同一面（面Ｂ）である。Ｓ５は折り返し反射作用を持つ折り返し面である。
【０１７８】
第２の光学系は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体である光学素子２により構成されている。光学素子２は、回折光学面（ＤＯＥ面）Ｓ１０を含む３つの光学面Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０を有する。
【０１７９】
これら全ての面は紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有している。
【０１８０】
本光学系を表示光学系として用いる場合において、ＳＩを画像形成素子３の原画表示面とすると、ＳＩからの光はＳ１０から光学素子２に入射し、Ｓ９で裏面反射し、Ｓ８から光学素子２を射出して光学素子１に向かう。
【０１８１】
光学素子１に向かった光は、Ｓ７から光学素子１に入射し、Ｓ６で反射し、その後Ｓ５（折り返し面）で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ３で反射し、Ｓ２から光学素子１を射出して射出瞳Ｓ１に導かれる。面ＣおよびＳ９での反射と面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は、反射膜による反射である。
【０１８２】
さらに、面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
ＤＯＥ面（Ｓ１０）を透過面とすることで、格子の溝を深くすることができるだけでなく、かつ寸法公差が緩いために、製造がし易い。また、数値実施例１と同様に、本数値実施例９でも、光学素子１中に中間像が形成されている。
【０１８３】
本数値実施例９の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ１０ｍｍ、画像サイズ１２ｍｍ×９ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０１８４】
本数値実施例の光学系は、数値実施例１の光学系と同様に、ＳＩを撮像素子６の受光面とする撮像光学系として用いることもできる。
【０１８５】
［数値実施例１０］
本発明の数値実施例１０の断面図を図１４に、光学データを表１０に示す。本数値実施例１０は、上記実施形態１，２に対応するものである。光学素子１は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、折り返し面（面Ｃ）を含む３つの光学面Ａ〜Ｃを有する。
【０１８６】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は同一面（面Ａ）であり、Ｓ５は面Ｃである。また、Ｓ３，Ｓ７は同一面（面Ｂ）である。Ｓ５は折り返し反射作用を持つ折り返し面である。
【０１８７】
第２の光学系は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体である光学素子２により構成されている。光学素子２は、回折光学面（ＤＯＥ面）Ｓ８を含む３つの光学面Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０を有する。
【０１８８】
これら全ての面は紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有している。
【０１８９】
本光学系を表示光学系として用いる場合において、ＳＩを画像形成素子３の原画表示面とすると、ＳＩからの光はＳ１０から光学素子２に入射し、Ｓ９で裏面反射し、Ｓ８から光学素子２を射出して光学素子１に向かう。光学素子１に向かった光は、Ｓ７から光学素子１に入射し、Ｓ６で反射し、その後Ｓ５（折り返し面）で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ３で反射し、Ｓ２から光学素子１を射出して射出瞳Ｓ１に導かれる。
【０１９０】
面ＣおよびＳ９での反射と面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は、反射膜による反射である。
【０１９１】
さらに、面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
ＤＯＥ面（Ｓ８）を透過面とすることで、格子の溝を深くすることができるだけでなく、かつ寸法公差が緩いために、製造がし易い。
【０１９２】
また、数値実施例１と同様に、本数値実施例１０でも、光学素子１中に中間像が形成されている。
【０１９３】
本数値実施例１０の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ１０ｍｍ、画像サイズ１２ｍｍ×９ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０１９４】
また、本数値実施例の光学系は、数値実施例１の光学系と同様に、ＳＩを撮像素子６の受光面とする撮像光学系として用いることもできる。
【０１９５】
［数値実施例１１］
本発明の数値実施例１１の断面図を図１５に、光学データを表１１に示す。本数値実施例１１は、上記実施形態１，２に対応するものである。光学素子１は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、折り返し面（面Ｃ）を含む３つの光学面Ａ〜Ｃを有する。
【０１９６】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は同一面（面Ａ）であり、Ｓ５は面Ｃである。また、Ｓ３，Ｓ７は同一面（面Ｂ）である。Ｓ５は折り返し反射作用を持つ折り返し面である。
【０１９７】
第２の光学系２は、内部が光学媒質で満たされた平板状の透明体である光学素子２１”と、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体である光学素子２２”とから構成されている。
【０１９８】
光学素子２１”は、回折光学面（ＤＯＥ面）であるＳ８とＳ９とを有する。また、光学素子２２”は、３つの光学面Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２を有する。ＤＯＥ面Ｓ８の位相分布は回転対称である。
【０１９９】
これら全ての面は紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有している。
【０２００】
本光学系を表示光学系として用いる場合において、ＳＩを画像形成素子３の原画表示面とすると、ＳＩからの光はＳ１２から光学素子２２”に入射し、Ｓ１１で裏面反射し、Ｓ１０から光学素子２２”を射出し、Ｓ９から光学素子２１”に入射してＳ８から射出し、光学素子１に向かう。
【０２０１】
光学素子１に向かった光は、Ｓ７から光学素子１に入射し、Ｓ６で反射し、その後Ｓ５（折り返し面）で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ３で反射し、Ｓ２から光学素子１を射出して射出瞳Ｓ１に導かれる。
面ＣおよびＳ１１での反射と面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は、反射膜による反射である。
【０２０２】
さらに面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
【０２０３】
ＤＯＥ面（Ｓ８）はベース面を平面とすることで、製造がし易くくなり、さらにＤＯＥ面（Ｓ８）の位相分布を回転対称とすることで、加工精度を高くすることができる。
【０２０４】
また、数値実施例１と同様に、本数値実施例１１でも、光学素子１中に中間像が形成されている。
【０２０５】
本数値実施例１１の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ１０ｍｍ、画像サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０２０６】
また、本数値実施例の光学系は、数値実施例１の光学系と同様に、ＳＩを撮像素子６の受光面とする撮像光学系として用いることもできる。
【０２０７】
［数値実施例１２］
本発明の数値実施例１２の断面図を図１６に、光学データを表１２に示す。本数値実施例１２は、上記実施形態１，２に対応するものである。光学素子１は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、折り返し面（面Ｃ）を含む３つの光学面Ａ〜Ｃを有する。
【０２０８】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は同一面（面Ａ）であり、Ｓ５は面Ｃである。また、Ｓ３，Ｓ７は同一面（面Ｂ）である。Ｓ５は折り返し反射作用を持つ折り返し面である。
第２の光学系２は、内部が光学媒質で満たされた平板状の透明体である光学素子２１”と、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体である光学素子２２”とから構成されている。
【０２０９】
光学素子２１”は、回折光学面（ＤＯＥ面）であるＳ８とＳ９とを有する。また、光学素子２２”は、３つの光学面Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２を有する。ＤＯＥ面Ｓ８の位相分布は回転非対称である。
これら全ての面は紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有している。
【０２１０】
本光学系を表示光学系として用いる場合において、ＳＩを画像形成素子３の原画表示面とすると、ＳＩからの光はＳ１２から光学素子２２”に入射し、Ｓ１１で裏面反射し、Ｓ１０から光学素子２２”を射出し、Ｓ９から光学素子２１”に入射してＳ８から射出し、光学素子１に向かう。光学素子１に向かった光は、Ｓ７から光学素子１に入射し、Ｓ６で反射し、その後Ｓ５（折り返し面）で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ３で反射し、Ｓ２から光学素子１を射出して射出瞳Ｓ１に導かれる。
【０２１１】
面ＣおよびＳ１１での反射と面Ａにおいて内部全反射を行わない反射は、反射膜による反射である。
【０２１２】
さらに面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
ＤＯＥ面（Ｓ８）はベース面を平面とすることで、製造がし易くくなり、さらにＤＯＥ面（Ｓ８）の位相分布を回転非対称とすることで諸収差を良好に補正することができる。
【０２１３】
また、数値実施例１と同様に、本数値実施例１２でも、光学素子１中に中間像が形成されている。
【０２１４】
本数値実施例１２の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ１０ｍｍ、画像サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０２１５】
また、本数値実施例の光学系は、数値実施例１の光学系と同様に、ＳＩを撮像素子６の受光面とする撮像光学系として用いることもできる。
【０２１６】
また、上記各実施形態は本発明を実施した場合の例に過ぎず、本発明は上記各実施形態に様々な変更や改良が加えられて実施されるものである。
【０２１７】
【表１】
2004233907.tif 000004
【０２１８】
【表２】
2004233907.tif 000005
【０２１９】
【表３】
2004233907.tif 000006
【０２２０】
【表４】
2004233907.tif 000007
【０２２１】
【表５】
2004233907.tif 000008
【０２２２】
【表６】
2004233907.tif 000009
【０２２３】
【表７】
2004233907.tif 000010
【０２２４】
【表８】
2004233907.tif 000011
【０２２５】
【表９】
2004233907.tif 000012
【０２２６】
【表１０】
2004233907.tif 000013
【０２２７】
【表１１】
2004233907.tif 000014
【０２２８】
【表１２】
2004233907.tif 000015
さらに、以上説明した各実施形態は、以下に示す各発明を実施した場合の例でもある。
【０２２９】
〔発明１〕  表示手段からの光線に対し偏心して配置された反射作用を有する第１の面と、この第１の面で反射した光線を再度前記第１の面に向けて反射する第２の面とを少なくとも含む複数の光学面を有し、
前記第１の面は、前記第２の面から該第１の面に再度入射した中心画角主光線が、該第１の面における該主光線のヒットポイント上での法線に対して前回とは反対側に反射し、
かつ前記複数の光学面のうち少なくとも１面は回折光学面であることを特徴とする光学系。
【０２３０】
これにより、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保でき、広画角を達成することができる。しかも、色収差や偏心収差の発生を抑制することができる。
【０２３１】
〔発明２〕  前記第２の面が前記回折光学面であることを特徴とする発明１に記載の光学系。
【０２３２】
〔発明３〕  前記第１の面および前記回折光学面である前記第２の面が、内部が光学媒質で満たされた透明体上にあることを特徴とする発明２に記載の光学系。
【０２３３】
本発明２、３によれば、第２の面を回折光学面とすることで効率良く諸収差を補正、特に色収差の補正に寄与し、良好な光学性能を得ることができる。
【０２３４】
〔発明４〕  前記複数の光学面のうち前記第１および第２の面以外の面が前記回折光学面であることを特徴とする発明１に記載の光学系。
【０２３５】
〔発明５〕  前記第１および第２の面が、内部が光学媒質で満たされた第１の透明体上にあり、
前記第１および第２の面以外の前記回折光学面が、内部が光学媒質で満たされた第２の透明体上にあることを特徴とする発明４に記載の光学系。
発明４、５によれば、光学系で発生した偏心収差を補正し、非常に良好な光学性能を得ることができる。
【０２３６】
〔発明６〕  前記回折光学面は、回転対称の曲面形状を有し、該曲面上に位相分布を有することを特徴とする発明１から５のいずれかに記載の光学系。
【０２３７】
〔発明７〕  前記回折光学面は、回転非対称の曲面形状を有し、該曲面上に位相分布を有することを特徴とする発明１から５のいずれかに記載の光学系。
【０２３８】
これら発明６，７によれば、回折光学面にパワーを持たせることができるため、不要な面を取り除くことができ、より小型化を図ることができる。特に、発明７のように、非回転対称の曲面上に位相分布を持たせることで、回折光学面でのパワーに対し自由度が増し、諸収差を適切に抑制することもできる。
【０２３９】
〔発明８〕  前記位相分布は、回転対称であることを特徴とする発明６又は７に記載の光学系。
【０２４０】
これにより、製造の負担が少なくなり、製造し易くなる。
【０２４１】
〔発明９〕  前記位相分布は、回転非対称であることを特徴とする発明６又は７に記載の光学系。
【０２４２】
これにより、諸収差を抑制するためにより適切な回折光学面を形成することができる。
【０２４３】
〔発明１０〕  前記回折光学面が反射作用を有する光学面であることを特徴とする発明１に記載の光学系。
【０２４４】
このように、回折光学面が反射作用を持つことで、屈折系で発生する色収差発生をキャンセルさせ、また光学系全体の諸収差を補正し、良好な光学性能を持たせることができる。
【０２４５】
〔発明１１〕  前記回折光学面が透過作用を有する光学面であることを特徴とする発明１に記載の光学系。
【０２４６】
このように、回折光学面が透過作用を持つことで、格子の溝が深くなってもその深さの公差が緩いため、製造がし易くなる。
【０２４７】
〔発明１２〕  該光学系内で物体からの光が中間結像を形成することを特徴とする発明１から１１にいずれかに記載の光学系。
このように中間像を形成することにより光学系の倍率を高くすることができる。
【０２４８】
〔発明１３〕  前記回折光学面が、前記物体の位置と中間結像位置との間に設けられていることを特徴とする発明１２に記載の光学系。
【０２４９】
このように、物体の位置と中間結像面との間に回折光学面を配置することにより、色収差と偏心収差を効率良く抑制し、良好な光学性能を得ることができる。
【０２５０】
〔発明１３〕  前記回折光学面は、物体からの光の瞳結像位置に近接して設けられていることを特徴する発明１２に記載の光学系。
【０２５１】
これにより、物体近傍に回折光学面を配置する場合に比べて格子ピッチを大きくすることができるため、回折光学面を製作し易い。
【０２５２】
〔発明１４〕  前記第１および第２の面と、第３の面とが内部が光学媒質で満たされた透明体上にあり、
前記透明体に入射する光線は、順に、前記第３の面を透過し、前記第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第３の面で反射し、前記第１の面を透過する光路又はその逆の順の光路を辿って前記透明体から射出することを特徴とする発明１に記載の光学系。
【０２５３】
〔発明１５〕  前記第１の面で反射して最初に前記第２の面に入射する中心画角光線との反射光線とのなす角度θが、
｜θ｜＜６０°
なる条件を満足することを特徴とする発明１４に記載の光学系。
【０２５４】
〔発明１６〕  前記第１および第２の面と、第３の面とが内部が光学媒質で満たされた透明体上にあり、
前記透明体に入射する光線は、順に、前記第３の面を透過して、前記第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第３の面で反射し、前記第１の面を透過する光路又はその逆の順の光路を辿って前記透明体から射出することを特徴とする発明１に記載の光学系。
【０２５５】
〔発明１７〕  前記第２の面で反射して最初に前記第１の面に入射する中心画角光線との反射光線とのなす角度θが、
｜θ｜＜６０°
なる条件を満足することを特徴とする発明１６に記載の光学系。
【０２５６】
〔発明１８〕  原画を形成する画像形成素子と、
前記原画からの光線を、観察者の眼又は被投射面に導く発明１から１７のいずれかに記載の光学系とを有することを特徴とする表示光学系。
【０２５７】
〔発明１９〕  請求項１８に記載の表示光学系を備えたことを特徴とする画像表示装置。
【０２５８】
〔発明２０〕  被写体像を光電変換する撮像素子と、
前記撮像素子の撮像面に被写体像を形成する発明１から１７のいずれかに記載の光学系とを有することを特徴とする撮像光学系。
【０２５９】
〔発明２１〕  請求項２０に記載の撮像光学系を備えたことを特徴とする撮像装置。
【０２６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保でき、広画角を達成することができる。しかも、色収差や偏心収差の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１である光学系を画像表示装置に適用した場合の光学系の構成図。
【図２】本発明の実施形態２である光学系を撮像装置に適用した場合の光学系の構成図。
【図３】本発明の実施形態３である光学系を画像表示装置に適用した場合の光学系の構成図。
【図４】本発明の実施形態４である光学系を撮像装置に適用した場合の光学系の構成図。
【図５】本発明の数値実施例１の光学系の断面図。
【図６】本発明の数値実施例２の光学系の断面図。
【図７】本発明の数値実施例３の光学系の断面図。
【図８】本発明の数値実施例４の光学系の断面図。
【図９】本発明の数値実施例５の光学系の断面図。
【図１０】本発明の数値実施例６の光学系の断面図。
【図１１】本発明の数値実施例７の光学系の断面図。
【図１２】本発明の数値実施例８の光学系の断面図。
【図１３】本発明の数値実施例９の光学系の断面図。
【図１４】本発明の数値実施例１０の光学系の断面図。
【図１５】本発明の数値実施例１１の光学系の断面図。
【図１６】本発明の数値実施例１２の光学系の断面図。
【図１７】従来の画像表示装置の概略図。
【図１８】従来の画像表示装置の概略図。
【符号の説明】
１，１１  光学素子（第１の光学系）
２，１２  第２の光学系
３，１３  画像形成素子
４，１４  撮像素子
【図１】
2004233907.tif 000016
【図２】
2004233907.tif 000017
【図３】
2004233907.tif 000018
【図４】
2004233907.tif 000019
【図５】
2004233907.tif 000020
【図６】
2004233907.tif 000021
【図７】
2004233907.tif 000022
【図８】
2004233907.tif 000023
【図９】
2004233907.tif 000024
【図１０】
2004233907.tif 000025
【図１１】
2004233907.tif 000026
【図１２】
2004233907.tif 000027
【図１３】
2004233907.tif 000028
【図１４】
2004233907.tif 000029
【図１５】
2004233907.tif 000030
【図１６】
2004233907.tif 000031
【図１７】
2004233907.tif 000032
【図１８】
2004233907.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】平成16年1月28日(2004.1.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
偏心プリズム１１２の反射面１１５は、偏心した非回転対称面（アジムス角度により光学的パワーの異なる面であり、いわゆる自由曲面）で構成されている。


【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
【特許文献１】
特開平７−３３３５５１号公報
【特許文献２】
特開平８−５０２５６号公報
【特許文献３】
特開平８−１６０３４０号公報
【特許文献４】
特開平８−１７９２３８号公報
【特許文献５】
特開２００１−１４２０２５号公報
【特許文献６】
特許第２７０５８８０号公報
【特許文献７】
特開２００１−００４９５５号公報


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
１は第１の光学系を構成する光学素子１であり、内部が屈折率が１より大きい透明媒質で満たされた透明体（プリズム体）上に３つの光学面Ａ，Ｂ，Ｃを有する。面Ａ（第１の面）、面B（第３の面）はともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面、面C（第２の面）は回折光学面としての作用を持つ反射面である。また、面Ａ，Ｂ，Ｃはいずれも後述する中心画角主光線に対して偏心した偏心面である。また、面Ｃにおける後述する折り返し反射は、面Ｃに形成された反射膜による反射である。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
また、光学素子１において、光は、面Ｂ→面Ａ→面Ｃ（折り返し反射）→面Ａ→面Ｂ→面Ａの順に各面を辿り、面Ｃでの折り返し反射を境に、最終の反射面である面Ｂに至るまで、それまでの光路を逆にたどる。つまり、光学素子１内に、往路としての面Ｂ→面Ａ→面Ｃと、復路としての面Ｃ→面Ａ→面Ｂとが形成される。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
１は第１の光学系を構成する光学素子であり、内部が屈折率が１より大きい透明媒質で満たされた透明体（プリズム体）上に３つの光学面Ａ，Ｂ，Ｃを有する。面Ａ（第１の面）、面B（第３の面）はともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面、面C（第２の面）は回折光学面としての作用を持つ反射面である。また、面Ａ，Ｂ，Ｃはいずれも後述する中心画角主光線に対して偏心した偏心面である。また、面Ｃにおける後述する折り返し反射は、面Ｃに形成された反射膜による反射である。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
撮像素子６からの画像信号は、画像処理回路７により各種画像処理が施され、半導体メモリや磁気ディスク、光ディスク等の記録媒体に記録される。
また、本実施形態では、光学素子１において、光は面Ａ→面Ｂ→面Ａ→面Ｃ（折り返し反射）→面Ａ→面Ｂの順に各面を辿り、面Ｃでの折り返し反射を境に、最終の透過面である面Ｂに至るまでそれまでの光路を逆にたどる。つまり、光学素子１内に往路としての面Ｂ→面Ａ→面Ｃと復路 としての面Ｃ→面Ａ→面Ｂとが形成される。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
なお、本実施形態では、回折光学面を面Ｃとした場合について説明したが、回折光学面を第２の光学系２中に設けてもよい。この場合も、撮像光学系から不要な面を取り除き、撮像光学系全体を小型にし、かつ色収差等を補正できるという作用効果が得られ、更には光学素子１で発生した偏心収差を補正しやすくなるため、非常に良好な光学性能を得た撮像装置を提供することができる。


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
１１は第１の光学系を構成する光学素子であり、内部が屈折率が１より大きい透明媒質で満たされた透明体（プリズム体）上に３つの光学面Ａ，Ｂ，Ｃを有する。面Ａ（第１の面）、面B（第３の面）はともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面、面C（第２の面）は回折光学面としての作用を持つ反射面である。また、面Ａ，Ｂ，Ｃはいずれも後述する中心画角主光線に対して偏心した偏心面である。また、面Ｃにおける後述する折り返し反射は、面Ｃに形成された反射膜による反射である。


【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】
１１は第１の光学系を構成する光学素子であり、内部が屈折率が１より大きい透明媒質で満たされた透明体（プリズム体）上に３つの光学面Ａ，Ｂ，Ｃを有する。面Ａ（第１の面）、面Ｂ（第３の面）はともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面、面C（第２の面）は回折光学面としての作用を持つ反射面である。また、面Ａ，Ｂ，Ｃはいずれも後述する中心画角主光線に対して偏心した偏心面である。また、面Ｃにおける後述する折り返し反射は、面Ｃに形成された反射膜による反射である。さらに、面Bには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。


【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
１２は第２の光学系で、１６はＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等、光電変換作用を有する撮像素子である。Ｓは光学素子１１および第２の光学系１２からなる撮像光学系の入射瞳であり、この位置に絞りを置いて不要光の入射を防いでいる。


【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
光学素子１１において、光は、面Ａ→面Ｂ→面Ａ→面Ｃ→面Ａ（折り返し反射）→面Ｃ→面Ａ→面Ｂの順に各面を辿り、面Ａでの折り返し反射を境に、最終の透過面である面Ｂに至るまで、それまでの光路を逆にたどる。つまり、光学素子１１内に、往路としての面Ｂ→面Ａ→面Ｃ→面Ａと、復路としての面Ａ→面Ｃ→面Ａ→面Ｂとが形成される。


【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８２】
これら全ての面は紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状をしている。尚、図中のｘ、ｙ、ｚは観察者の視軸方向又は物体の観察方向をｚ軸、紙面内でｚ軸に垂直な方向をｙ軸、紙面に垂直な方向をｘ軸とした座標定義である。


【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８３】
本数値実施例１の光学データを表１に示す。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８５】
まず、最も左の項目SURFは面番号を示している。また、Ｘ，Ｙ，ＺおよびＡは，面Ｓ１の中心を原点（０，０，０）とし、図中に示したｙ軸，ｚ軸と紙面奥向きにｘ軸をとった座標系における各面の面頂点の位置（ｘ，ｙ，ｚ），並びに、図面上で反時計回り方向を正方向とするｘ軸回りの回転角度ａ（単位：度）である。Ｒは曲率半径である。ＴＹＰの項は面形状の種類を表す。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
ＳＰＨは球面であり，ＦＦＳは以下の式に従う回転非対称面である。


【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８８】
また、ＴＹＰの欄ＦＦＳの横に記された数値は，その面の形状が同表の下側に記載された非球面係数ｋおよびｃ**に対応する非回転対称形状であることを示している。但し、記載されていないｃ**の値は０である。また、ｅ−Ｘは、１０−Ｘを示す。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９４】
φ(x,y) = 2π/λ(c1x + c2y＋c3x2 + c4 xy + c5y2 +c6x3+c7x2y +c8xy2
+ c9y3 + c10x4 + c11x3y + c12x2y2 + c13xy3 +c14y4 +c15x5 +c16x4y
+ c17x3y2+ c18x2y3 + c19xy4 + c20y5 +c21x6+c22x5y + c23x4y2
+ c24x3y3+ c25x2y4+ c24xy5 + c27y6)


【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９５】
Ｎｄ，νｄはそれぞれ、その面以降の媒質のｄ線波長での屈折率とアッベ数を示しており，屈折率Ｎｄの符号の変化はその面で光が反射されることを示している。


【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３９】
［数値実施例５］
本発明の数値実施例５の断面図を図９に、光学データを表５に示す。本数値実施例５は、上記実施形態３，４に対応するものである。光学素子１１は、内部が光学媒質で満たされたプリズム形状の透明体であり、折り返し面（面Ａ）を含む３つの光学面Ａ〜Ｃを有する。


【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６７】
本数値実施例７の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ１０ｍｍ、画像サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
また、本数値実施例の光学系は、数値実施例１の光学系と同様に、ＳＩを撮像素子６の受光面とする撮像光学系として用いることもできる。


【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１９９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２０９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２０９】
光学素子２１”は、回折光学面（ＤＯＥ面）であるＳ８とＳ９とを有する。また、光学素子２２”は、３つの光学面Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２を有する。ＤＯＥ面Ｓ８の位相分布は回転非対称である。
【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２１７】
【表１】
2004233907.tif 000034
【手続補正２４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２１８】
【表２】
2004233907.tif 000035
【手続補正２５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２１９】
【表３】
2004233907.tif 000036
【手続補正２６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２２０】
【表４】
2004233907.tif 000037
【手続補正２７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２２１】
【表５】
2004233907.tif 000038
【手続補正２８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２２２】
【表６】
2004233907.tif 000039
【手続補正２９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２２３】
【表７】
2004233907.tif 000040
【手続補正３０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２２４】
【表８】
2004233907.tif 000041
【手続補正３１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２２５】
【表９】
2004233907.tif 000042
【手続補正３２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２２６】
【表１０】
2004233907.tif 000043
【手続補正３３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２２７】
【表１１】
2004233907.tif 000044
【手続補正３４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２２８】
【表１２】
2004233907.tif 000045
【手続補正３５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2004233907.tif 000046
【手続補正３６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2004233907.tif 000047
【手続補正３７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１４】
2004233907.tif 000048
【手続補正３８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１６】
2004233907.tif 000049