(57)【要約】  【課題】偏心収差と色収差とを効率的に抑えることができ、結像性能がよく、高解像度が得られるＨＯＥを用いた観察光学系を提供する。  【解決手段】入射面と反射面と射出面を有し、これらの面のうち少なくとも１つの面３2が自由曲面であって、前記自由曲面に体積型ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）４を密着させている。次の条件式を満足する。  −０．２０  ＜  φｘ／Ｐｘ  ＜  ０．３０  −０．２０  ＜  φｙ／Ｐｙ  ＜  ０．２０  ただし、φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Ｐｘは観察光学系全系のｘ方向のパワー、Ｐｙは観察光学系全系のｙ方向のパワーである。【選択図】  図１
2005202060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射面と反射面と射出面を有し、これらの面のうち少なくとも１つの面が自由曲面であって、該自由曲面に体積型ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）を密着させていることを特徴とする観察光学系。
【請求項２】
次の条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
−０．２０  ＜  φｘ／Ｐｘ  ＜  ０．３０
−０．２０  ＜  φｙ／Ｐｙ  ＜  ０．２０
ただし、φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Ｐｘは観察光学系全系のｘ方向のパワー、Ｐｙは観察光学系全系のｙ方向のパワーである。
【請求項３】
次の条件式を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の観察光学系。
−０．２８  ＜  φｘ／Φｘ      ＜  ０．３９
−０．２９  ＜  φｙ／Φｙ      ＜  ０．３５
−０．５２  ＜  φｍｘ／Φｍｘ  ＜  １．３０
−０．５２  ＜  φｍｙ／Φｍｙ  ＜  １．３０
ただし、φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘ方向の基板幾何形状のみのパワー、Φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）の基板幾何形状のみのパワー、φｍｘは光線有効範囲のｘ軸上の最大・最小値におけるｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｍｙは光線有効範囲のｘ軸上の最大・最小値におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Φｍｘは光線有効範囲のｘ軸上の最大・最小値におけるｘ方向の基板幾何形状のみのパワー、Φｍｙは光線有効範囲のｙ軸上の最大・最小値におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）の基板幾何形状のみのパワーである。
【請求項４】
前記体積型ホログラフィック光学素子は、プリズムに密着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の観察光学系。
【請求項５】
虚像と瞳の中心を結ぶ直線を視軸とした時、前記体積型ホログラフィック光学素子は前記視軸上に配置され、前記プリズムの視軸方向に対するパワーを打ち消すために、少なくとも１つのプリズムが視軸上に設けられ、外界像に対して表示素子の映像を重畳させて観察できることを特徴とする請求項４に記載の観察光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は観察光学系に関し、特に、観察者の頭部や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の観察光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、個人が大画面の画像を楽しむことを目的として、画像表示装置の開発が行われている。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、携帯電話の普及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。画像表示装置に用いる従来の光学系としては、例えば、次の特許文献１〜３に開示された光学系がある。ここでは、反射面にホログラフィック光学素子（以下、ＨＯＥとする。）を貼り付け、この面を偏心配置した構成が開示されている。このように、これらの特許文献には、小型な光学系が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−２６４６８２号公報
【特許文献２】特開２００２−１０７６５８号公報
【特許文献３】特開平１１−３２６８２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、これら従来の光学系には次のような問題がある。
特許文献１に記載の光学系では、ＨＯＥが設けられている面（基板）は平面である。しかしながら、ＨＯＥ自体は自由曲面パワーを有しているので、ＨＯＥ面は偏心配置されていることになる。そのため、偏心配置させたＨＯＥ面で偏心収差が発生する。特に、ＨＯＥ面に与えられた自由曲面パワーが、共軸光学系から外れるような大きな非対称性を有していると、ＨＯＥで発生する色収差も自由曲面に応じたものとなってしまう。そのため、結像性能は良くない。
【０００４】
また、特許文献２に記載の観察光学系では、ＨＯＥ面の基板面を球面とし、ＨＯＥのパワーを小さくしている。このようにすることで、偏心収差および、色収差の発生量を小さくしているが、補正が十分ではない。
【０００５】
また、特許文献３に記載の観察光学系では、偏心収差補正手段が存在しないため、十分な性能が得られていない。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、偏心収差と色収差とを効率的に抑えることができ、結像性能がよく、高解像度が得られるＨＯＥを用いた観察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】
上記目的を達成するため、本発明による観察光学系は、入射面と反射面と射出面を有し、前記反射面のうち少なくとも１つの面が自由曲面であるプリズムと、前記自由曲面に設けられた体積型ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）と、表示素子とを有する光学系であって、前記体積型ホログラフィック光学素子を密着させている基板の幾何学的な形状が自由曲面であることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明による観察光学系は、次の条件式(1)，(2)を満たすことを特徴としている。
−０．２０  ＜  φｘ／Ｐｘ  ＜  ０．３０                    …(1)
−０．２０  ＜  φｙ／Ｐｙ  ＜  ０．２０                    …(2)
ただし、φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Ｐｘは観察光学系全系のｘ方向のパワー、Ｐｙは観察光学系全系のｙ方向のパワーである。
【０００９】
また、本発明による観察光学系は、次の条件式(3)，(4)，(5)，(6)を満たすことを特徴としている。
−０．２８  ＜  φｘ／Φｘ      ＜  ０．３９                …(3)
−０．２９  ＜  φｙ／Φｙ      ＜  ０．３５                …(4)
−０．５２  ＜  φｍｘ／Φｍｘ  ＜  １．３０                …(5)
−０．５２  ＜  φｍｙ／Φｍｙ  ＜  １．３０                …(6)
ただし、φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘ方向の基板幾何形状のみのパワー、Φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）の基板幾何形状のみのパワー、φｍｘは光線有効範囲のｘ軸上の最大・最小値におけるｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｍｙは光線有効範囲のｘ軸上の最大・最小値におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Φｍｘは光線有効範囲のｘ軸上の最大・最小値におけるｘ方向の基板幾何形状のみのパワー、Φｍｙは光線有効範囲のｙ軸上の最大・最小値におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）の基板幾何形状のみのパワーである。
【００１０】
また、本発明による観察光学系は、前記体積型ホログラフィック光学素子は、プリズムに密着されていることを特徴としている。
また、本発明による観察光学系は、虚像と瞳の中心を結ぶ直線を視軸とした時、前記体積型ホログラフィック光学素子は前記視軸上に配置され、前記プリズムの視軸方向に対するパワーを打ち消すために、少なくとも１つのプリズムが視軸上に設けられ、外界像に対して表示素子の映像を重畳させて観察できることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、偏心収差と色収差とを効率的に抑えることができ、結像性能がよく、高解像度が得られるＨＯＥを用いた観察光学系が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施例の説明に先立ち、本発明の作用効果を説明する。
本発明の観察光学系は、光学作用面として、入射面と反射面と射出面を有している。そして、これらの面のうち、少なくとも１つの面が自由曲面である。そして更に、この自由曲面となっている光学作用面に、ＨＯＥを密着させている。なお、入射面、反射面及び射出面は基板に該当し、ここにＨＯＥが密着される。
本発明のように構成すれば、基板の幾何学的な形状を自由曲面にすることで、ＨＯＥ自体の非対称的な自由曲面パワーを小さくすることができる。そのため、ＨＯＥ自体で生じていた非対称的な色収差を、小さくすることが可能となる。その結果、本発明では、より高解像度な観察光学系を実現できる。
【００１３】
ここで、色収差の補正について、簡単に説明する。屈折（プリズム等の光学部材）と回折（ＨＯＥ）における色分散は、正負逆に発生する。従って、ＨＯＥを用いると、屈折面で発生した色収差を効率的に補正できる。ただし、ＨＯＥは、アッベ数−３．４５という大きな負の分散特性をもっている。そのため、あまり、大きなパワーを与えすぎることは、結像性能の妨げとなる。
また、表示素子に表示された映像を、観察光学系を介して観察する場合を考える。この場合、表示素子からＨＯＥ面に向かって、ほぼ平行に主光線が射出する。表示素子から射出した主光線は、ＨＯＥ面で絞りに向かって収斂する。このとき、収斂作用行うパワーの大部分を、基板の幾何形状によって得るようにする。すなわち、自由曲面のパワーを、入射面、反射面、射出面の少なくとも１面に持たせる。このようにすることで、ＨＯＥにおける収斂作用のためのパワーをずっと小さくすることができる。すなわち、ＨＯＥのパワーを、純粋に色収差補正のために利用することができる。
【００１４】
しかるに、効率的な色収差補正を行うためには、本発明の観察光学系は、次の条件式(1)，(2)を満足するのが望ましい。
−０．２０  ＜  φｘ／Ｐｘ  ＜  ０．３０                    …(1)
−０．２０  ＜  φｙ／Ｐｙ  ＜  ０．２０                    …(2)
ただし、φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Ｐｘは観察光学系全系のｘ方向のパワー、Ｐｙは観察光学系全系のｙ方向のパワーである。
条件式(1)，(2)の上限値の範囲又は下限値の範囲を外れると、ＨＯＥのパワーが大きすぎることになる。そのために、ＨＯＥで発生した色収差を、その他の屈折面で除去することが困難となり、良好な光学性能を達成できない。
【００１５】
望ましくは、本発明の観察光学系は、次の条件式(1')，(2')を満足するのがよい。
−０．１５  ＜  φｘ／Ｐｘ  ＜  ０．２０                    …(1')
−０．１５  ＜  φｙ／Ｐｙ  ＜  ０．１５                    …(2')
さらに、望ましくは、本発明の観察光学系は、次の条件式(1")，(2")を満足するのがよい。
−０．１０  ＜  φｘ／Ｐｘ  ＜  ０．１５                    …(1")
−０．１０  ＜  φｙ／Ｐｙ  ＜  ０．１０                    …(2")
【００１６】
光学系の諸収差を補正するために、基板における面の幾何形状は、中心部と周辺部とでパワーが異なるような形状となる。従って、ＨＯＥの前後に屈折面を設ける構成の場合、この屈折面において非対称かつ非線形的な色収差が発生する。
そこで、これらの非対称かつ非線形的な色収差を効率よく補正する必要が生じる。そのために、基板における面の幾何形状に対応させて、ＨＯＥ自体のパワーも、中心部と周辺部のパワーも異ならせるのが望ましい。
しかるに、本発明の観察光学系は、次の条件式(3)，(4)，(5)，(6)を満足するのが望ましい。
−０．２８  ＜  φｘ／Φｘ      ＜  ０．３９                …(3)
−０．２９  ＜  φｙ／Φｙ      ＜  ０．３５                …(4)
−０．５２  ＜  φｍｘ／Φｍｘ  ＜  １．３０                …(5)
−０．５２  ＜  φｍｙ／Φｍｙ  ＜  １．３０                …(6)
ただし、φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘ方向の基板幾何形状のみのパワー、Φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）の基板幾何形状のみのパワー、φｍｘは光線有効範囲のｘ軸上の最大・最小値におけるｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｍｙは光線有効範囲のｘ軸上の最大・最小値におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Φｍｘは光線有効範囲のｘ軸上の最大・最小値におけるｘ方向の基板幾何形状のみのパワー、Φｍｙは光線有効範囲のｙ軸上の最大・最小値におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）の基板幾何形状のみのパワーである。
【００１７】
下限値を下回って条件式の値が小さくなると、ＨＯＥ自体のパワーが小さくなりすぎ、色収差補正不足となる。
一方、上限値を上回って条件式の値が大きくなると、ＨＯＥ自体のパワーが大きくなりすぎる。その結果、ＨＯＥにおける色収差補正発生量が大きくなりすぎ、補正過剰となる。
【００１８】
望ましくは、本発明の観察光学系は、次の条件式(3')，(4')，(5')，(6')を満足するのがよい。
−０．１８  ＜  φｘ／Φｘ      ＜  ０．２９                …(3')
−０．１９  ＜  φｙ／Φｙ      ＜  ０．２５                …(4')
−０．４２  ＜  φｍｘ／Φｍｘ  ＜  １．２０                …(5')
−０．４２  ＜  φｍｙ／Φｍｙ  ＜  １．２０                …(6')
さらに、望ましくは、本発明の観察光学系は、次の条件式(3")，(4")，(5")，(6")を満足するのがよい。
−０．０８  ＜  φｘ／Φｘ      ＜  ０．１９                …(3")
−０．０９  ＜  φｙ／Φｙ      ＜  ０．１５                …(4")
−０．３２  ＜  φｍｘ／Φｍｘ  ＜  １．１０                …(5")
−０．３２  ＜  φｍｙ／Φｍｙ  ＜  １．１０                …(6")
【００１９】
また、本発明の観察光学系においては、ＨＯＥはプリズムに密着されていることが望ましい。このようにすることで、ＨＯＥへ入射する光線の入射角及び回折角を小さくすることができる。その結果、ＨＯＥのパワーを小さくすることができる。これは、ＨＯＥにおける偏心収差、色収差の発生量が小さくなることを意味する。この結果、より高解像な観察像が可能となるので好ましい。
また、本発明による観察光学系においては、虚像と瞳の中心を結ぶ直線を視軸とした時、ＨＯＥは前記視軸上に配置され、前記プリズムの視軸方向に対するパワーを打ち消すために、少なくとも１つのプリズムが視軸上に設けられ、外界像に対して表示素子の映像を重畳させて観察できるようにしている。
このように構成すれば、視界をさえぎることがないため、歩行時など使用する場合、安全である。また、必要な情報映像を外界像に重畳させて表示することが可能であり、ナビゲーションとして有効である。
【００２０】
なお、本発明の観察光学系においては、軸上主光線を、射出瞳中心を通り画像表示素子の中心に到達する光線で定義する。そして、軸上主光線が射出瞳の中心から最初の光学系の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、ＨＯＥを密着させる基板を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、さらに、Ｚ軸と直交し、かつ、各面のローカル座標面上でＹ軸と直交する軸をＸ軸と定義する。なお、上記基板としては光学部材、例えばプリズム部材がある。
また、射出瞳の中心を本発明の観察光学系における座標系の原点とする。また、本発明においては、上述のように射出瞳から画像表示素子に向かう逆光線追跡で面番号をつけることとし、軸上主光線が射出瞳から画像表示素子に至る方向をＺ軸の正方向、画像表示素子に向かう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。
【００２１】
ここで、本発明で使用する自由曲面は、次式(7)により定義する。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
2005202060.tif 000003
ただし、(7)式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。また球面項中、Ｃは頂点の曲率、ｋはコーニック定数（円錐定数）、ｒ＝√（Ｘ2＋Ｙ2）である。
【００２２】
自由曲面項は次式(8)のように展開することができる。
2005202060.tif 000004
ただし、Ｃj（ｊは２以上の整数）は係数である。
【００２３】
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。ただし、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(8)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。本発明においても、対称面が１つだけ存在する自由曲面を用いることができる。
【００２４】
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(8)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。
【００２５】
また、上記対称面を１つの方向に定め、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。このようにすることで、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。
【００２６】
また、上記定義式(7)は、上述のように１つの例として示したものである。よって、上記定義式(7)以外の他のいかなる定義式で自由曲面を定義した場合でも、その自由曲面では、上記の効果と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００２７】
また、本発明では、反射面の形状を、唯一の対称面を１面のみ有した面対称な自由曲面形状にて構成することができる。この反射面としては、例えば、プリズムに設けられた反射面がある。
【００２８】
また、本発明で用いるＨＯＥを、以下のように定義する。図３０は本発明で用いるＨＯＥを定義するための原理図である。
ＨＯＥ面に入射し、さらに射出する光線についての光線追跡は、次式(9)で行うことができる。
ｎdＱd・Ｎ＝ｎiＱi・Ｎ＋ｍ（λ／λ0）∇Ф0・Ｎ    ……(9)
ただし、ＮはＨＯＥ面の法線ベクトル、λは光線の波長、λ0（＝ＨＷＬ）は基準波長である。また、ｎi及びｎdは、それぞれ入射側及び射出側の屈折率、Ｑi及びＱdは、それぞれ入射及び射出ベクトル（単位ベクトル）である。また、ｍ（＝ＨＯＲ）は射出光の回折次数、Φ0は基準波長λ0に対して定義されるＨＯＥ面上での光路差関数である。
【００２９】
図３０に示すように、ＨＯＥが、２つの点光源Ｐ1及びＰ2（基準波長λ0）から発した光の干渉によって製造される（定義される）とする。ここで、点Ｐ1＝（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ１）からの光は物体光、点Ｐ2＝（ＨＸ２，ＨＹ２，ＨＺ２）からの光は参照光である。この場合、光路差関数は、
Φ0＝Φ02P
＝ｎ2・ｓ2・ｒ2−ｎ1・ｓ1・ｒ1
となる。
ただし、ｒ1は点Ｐ1からＨＯＥ面の所定の座標までの距離（＞０）、ｒ2は点Ｐ2からＨＯＥ面の所定の座標までの距離（＞０）である。また、ｎ1は、製造時（定義時）に、ＨＯＥに対して点Ｐ1が位置している側の屈折率である。また、ｎ2は、製造時（定義時）に、ＨＯＥに対して点Ｐ2が位置している側の屈折率である。また、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。
【００３０】
一般的な場合、ＨＯＥを製造する際の参照光と物体光は、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Φ0Poly（基準波長λ0における光路差関数）を加えて次式(10)で表わすことができる。
Φ0＝Φ02P＋Φ0Poly                    ……(10)
ここで、多項式は、
2005202060.tif 000005
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。
【００３１】
さらに光学設計の便宜から、光路差関数Φ0を
Φ0＝Φ0Poly
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Φ02Pはゼロとなる。よって、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。
【００３２】
以下に、ＨＯＥを定義する構成パラメータの例を示す。
面番号    曲率半径        間隔
物体面      ∞            ∞
絞り        ∞          １００
２    １５０          −７５
ＨＯＥ：
ＨＶ１（ｓ1）＝ＲＥＡ（＋１）
ＨＶ２（ｓ2）＝ＶＩＲ（−１）
ＨＯＲ（ｍ）  ＝１
ＨＸ１＝０    ，ＨＹ１＝-3.40×109    ，ＨＺ１＝-3.40×109
ＨＸ２＝０    ，ＨＹ２＝ 2.50×10     ，ＨＺ２＝-7.04×10
ＨＷＬ（λ0）＝５４４
Ｈ１＝  -1.39×10-21，  Ｈ２＝  -8.57×10-5，  Ｈ３＝  -1.50×10-4
【００３３】
次に、ＨＯＥ面のローカルパワーについて説明する。図３１は本発明におけるＨＯＥのローカルパワーを説明するための説明図である。
ＨＯＥは、屈折率ｎ→∞の超高屈折率レンズで表現することができる（Ｓｗｅａｔｔ  Ｍｏｄｅｌ）。波長λ0における光路差関数Φ0で定義されたＨＯＥを、この超高屈折率レンズで表現すれば、そのサグ量Ｓ（ｘ，ｙ）は、図３１に示すような空気（ｎ＝１）との境界面で、
Ｓ（ｘ，ｙ）・（ｎ（λ）−１）＝ｍ（λ／λ0）Φ0
である。
【００３４】
サグ量がＳ（ｘ，ｙ）で与えられる面のローカル曲率Ｃｘ（面法線とｘ軸を含む面で切った曲率）は、一般に、次のように表される。
Ｃｘ＝（∂2Ｓ／∂ｘ2）／［｛１＋（∂Ｓ／∂ｘ）2＋（∂Ｓ／∂ｙ）2｝1/2
・｛１＋（∂Ｓ／∂ｘ）2｝］
一方、そのときのパワー（ｘ成分の屈折力）は、次のように表される。
１／ｆx＝−（ｎ（λ）−１）・Ｃx
そこで、ｎ→∞とすることにより、ＨＯＥのｘ成分のパワーとして、以下の式が得られる。
φx＝１／ｆx＝−ｍ（λ／λ0）（∂2Φ0／∂ｘ2）
同様に、ＨＯＥのｙ成分のパワーとして、以下の式が得られる。
φy＝１／ｆy＝−ｍ（λ／λ0）（∂2Φ0／∂ｙ2）
【００３５】
次に、全系の焦点距離の求め方を説明する。
光軸からＸ方向に高さ０．０１ｍｍほど離れた位置から、光軸に平行な光線を、光学系の物体側から入射させる。次に、光学系を射出する光線がＸ方向の軸上主光線となす角を求め、この角度から開口数ＮＡixを得る。そして、０．０１／ＮＡixを、Ｘ方向の焦点距離ＦＸ＝１／φxとする。同様に、光軸からＹ方向に高さ０．０１ｍｍほど離れた位置から、光軸に平行な光線を物体側から入射させる。次に、光学系を射出する光線がＹ方向の軸上主光線とのなす角を求め、この角度から開口数ＮＡiyを得る。そして、０．０１／ＮＡiyをＹ方向の焦点距離ＦＹ＝１／φyとする。
【００３６】
なお、本発明では、ＨＯＥを防塵部材で覆うことが望ましい。
ＨＯＥの材質には、吸湿作用を有するものがある。そのため、ＨＯＥを外気にさらしておくと、ＨＯＥが水分を吸収して膨張してしまう恐れがある。この場合、回折効率のピーク波長が変化してしまい、回折力に悪影響を及ぼしやすい。そこで、それを防ぐために、ＨＯＥを防塵部材で覆うことが望ましい。なお、観察光学系全体を防塵部材で覆ってもよい。防塵部材は、外部を覆う箱体と、該箱体に光が入射又は出射するための透明カバーを備えているのが好ましい。また、その場合、透明カバーは、ガラス又はプラスチックなどを材料として形成されるのが好ましい。また、防塵部材の内側において、透明カバーの面を基板にして、この面にＨＯＥを設けてもよい。このように構成すれば、ゴミ等が拡大観察されてしまうのを防ぐことができる。更に、水分の吸収によりＨＯＥが膨張して、回折のピーク波長が変化してしまうのを防ぐことができる。
【００３７】
また、以上の観察光学系のいずれかを、接眼光学系として用いて、頭部装着型画像表示装置を構成することができる。この場合、頭部装着型画像表示装置は、更に、画像表示素子と、観察光学系を配置した本体部と、支持部材を有する。なお、支持部材は、本体部を観察者の顔面に保持するために観察者の側頭部に装着されるようにするためのものである。
【００３８】
その場合、本体部に、観察光学系と、眼鏡のレンズを一体的に設けてもよい。
【００３９】
あるいは、支持部材を、眼鏡の側頭フレームに着脱可能となるように構成してもよい。
【００４０】
また、観察光学系をそれぞれ左右１組ずつ並設してもよい。このようにすると、両眼視用の頭部装着型画像表示装置を構成することができる。
【００４１】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。
各実施例においては、例えば図１に示す構成において、軸上主光線２を、射出瞳１の中心（観察者眼球の旋回中心位置）からプリズム３などの光学部材、画像表示素子として設けられたＬＣＤ５の中心に至る光線で定義する。そして、軸上主光線２が射出瞳１から最初の光学部材であるプリズム３の入射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３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からＬＣＤ５に至る方向をＺ軸の正方向、ＬＣＤ５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。
なお、射出瞳１からプリズム３に到るまでの軸上主光線２は、光軸としてみなすこともできる。そこで、この光軸に平行に光線を入射させ、この光線を光線追跡することで、前述の全系の焦点距離を求めることができる。
【００４２】
本発明の各実施例では、プリズム３は、このＹ−Ｚ平面内で偏心を行っている。また、プリズム３には回転非対称な面が設けられているが、各実施例では、この回転非対称な面の唯一の対称面がＹ−Ｚ面となっている。
【００４３】
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(7)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半時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。その他、球面の曲率半径、面間隔、媒質の屈折率、アッベ数は慣用法によって与えるものとする。
【００４４】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は上記(7)式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００４５】
本発明の各実施例に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図、及び横収差図を図１〜図１２に夫々示す。各実施例の観察光学系は、画像表示素子と接眼光学系とを有している。本発明の実施例では、画像表示素子として、ＬＣＤ５を用いている。また、接眼光学系は、射出瞳１を形成する光学系である。また、接眼光学系は、ＬＣＤ５により形成された画像を虚像として観察できるように、観察者の眼球中心位置に導く。なお、その際、中間像は形成されない。この接眼光学系は、正の屈折力を有するプリズム３と、プリズム３の自由曲面に密着されたＨＯＥを有している。
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、プリズム３における各面の順番も逆光線追跡に合わせて表わすこととする。
また、各実施例の画像観察光学系の横収差を示す図において、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。
その他、各実施例の観察光学系においては、ＨＯＥを、Ｒ，Ｇ，Ｂの３層を貼り合わせて構成し、カラー像を観察することができるように構成してもよい。
【実施例１】
【００４６】
図１は本発明の実施例１にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図、図２は実施例１の観察光学系の横収差図である。
実施例１の観察光学系は、プリズム３と、反射型ＨＯＥ４と、表示素子５を有して構成されている。
プリズム３は、第１面３1〜第４面３4を備えている。
第１面３1は、同一面上の異なる位置に、第１の反射面と、第３の反射面と、射出面とを備えた面として構成されている。
第２面３2は、回転非対称な自由曲面に形成され、反射型ＨＯＥ４が貼り付けられて、第４の反射面として構成されている。
第３面３3は、第２の反射面として構成されている。
第４面３4は、入射面として構成されている。
また、ＨＯＥ４は、瞳位置１から直線状の光軸（視軸）上に配置されている。
【００４７】
そして、本実施例では、表示素子５から射出した光が、プリズムの第４面３4よりプリズム内に屈折して入射する。続いて、入射した光は、第１面３1上の第１の反射面で反射し、第３面３3で反射し、第１面３1上の第３の反射面で反射した後、第２面３2に到達する。そして、第２面３2に貼られたＨＯＥ４で回折されて反射し、第１面３1上の射出面よりプリズム外に屈折して射出する。そして、プリズム外に射出した光は、その後に途中で結像することなく射出瞳１に到達する。観察者がこの射出瞳１の位置に眼球を位置させると、網膜上に表示素子５に表示された映像が結像する。その結果、観察者は表示素子５に表示された映像を観察することができる。
【００４８】
次に、実施例１の観察光学系を構成する光学部材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。なお、“ＦＦＳ”は以下の各実施例においても同じく自由曲面を示している。
【００４９】
数値データ１
全画角          Ｘ方向１２．０°  Ｙ方向９．０°
瞳径            Φ４ｍｍ
ＨＯＥ露光波長  ５３２ｎｍ
面番号  曲率半径      面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞      -1000.00
1    絞り面          0.00
2        ∞          0.00  偏心(1)   1.5091    56.2
3    FFS[1]          0.00  偏心(2)   1.5091    56.2  HOE[1]
4        ∞          0.00  偏心(1)   1.5091    56.2
5        ∞          0.00  偏心(3)   1.5091    56.2
6        ∞          0.00  偏心(1)   1.5091    56.2
7        ∞          0.00  偏心(4) 
像  面      ∞          0.00  偏心(5) 
【００５０】
FFS[1]
Ｃ４＝-6.5039×10-3    Ｃ６＝-6.1495×10-3    Ｃ８＝-1.7531×10-5
Ｃ10＝ 4.6048×10-6    Ｃ11＝-3.7049×10-5    Ｃ13＝-2.3993×10-5
Ｃ15＝-1.8978×10-6
偏心[1] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  0.00  Ｚ＝ 25.00
α＝  0.00  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[2] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  0.00  Ｚ＝ 28.13
α＝-25.76  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[3] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  0.00  Ｚ＝ 30.00
α＝  0.00  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[4] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝ 20.30  Ｚ＝ 28.06
α＝ 68.69  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[5] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝ 24.10  Ｚ＝ 32.29
α＝ 31.22  β＝  0.00  γ＝  0.00
【００５１】
HOE[1]
ＨＶ１＝ＲＥＡ      ＨＶ２＝ＲＥＡ      ＨＯＲ＝１
ＨＸ１＝０          ＨＹ１＝０          ＨＺ１＝０
ＨＸ２＝０          ＨＹ２＝０          ＨＺ２＝０
ＨＷＬ＝532.00
Ｈ２＝-2.5341×10-3    Ｈ３＝-3.6769×10-3    Ｈ５＝ 1.5015×10-5
Ｈ７＝ 1.2265×10-4    Ｈ９＝ 4.2600×10-5    Ｈ10＝ 9.9120×10-5
Ｈ12＝ 6.2356×10-5    Ｈ14＝ 4.3353×10-6    Ｈ16＝-1.4129×10-6
Ｈ18＝ 3.5841×10-7    Ｈ20＝-3.7224×10-7
【実施例２】
【００５２】
図３は実施例２にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図、図４は実施例３の観察光学系の横収差図である。
実施例２の観察光学系の基本構成は、実施例１の観察光学系とほぼ同じである。
【００５３】
次に、実施例２の観察光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
数値データ２
全画角          Ｘ方向１６．０°  Ｙ方向１２．０°
瞳径            Φ４ｍｍ
ＨＯＥ露光波長  ５３２ｎｍ
面番号  曲率半径      面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞      -1000.00
1    絞り面          0.00
2        ∞          0.00  偏心(1)   1.5091    56.2
3    FFS[1]          0.00  偏心(2)   1.5091    56.2  HOE[1]
4        ∞          0.00  偏心(1)   1.5091    56.2
5        ∞          0.00  偏心(3)   1.5091    56.2
6        ∞          0.00  偏心(1)   1.5091    56.2
7        ∞          0.00  偏心(4) 
像  面      ∞          0.00  偏心(5) 
【００５４】
FFS[1]
Ｃ４＝-5.5770×10-3    Ｃ６＝-4.7844×10-3    Ｃ８＝ 2.1431×10-5
Ｃ10＝ 1.3883×10-5    Ｃ11＝-1.9038×10-5    Ｃ13＝-8.8970×10-6
Ｃ15＝-1.5285×10-5
偏心[1] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  0.00  Ｚ＝ 25.00
α＝  0.00  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[2] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  0.00  Ｚ＝ 29.48
α＝-23.49  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[3] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  0.00  Ｚ＝ 31.50
α＝  0.00  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[4] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝ 22.71  Ｚ＝ 28.78
α＝ 61.69  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[5] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝ 26.74  Ｚ＝ 33.78
α＝ 27.82  β＝  0.00  γ＝  0.00
【００５５】
HOE[1]
ＨＶ１＝ＲＥＡ      ＨＶ２＝ＲＥＡ      ＨＯＲ＝１
ＨＸ１＝０          ＨＹ１＝０          ＨＺ１＝０
ＨＸ２＝０          ＨＹ２＝０          ＨＺ２＝０
ＨＷＬ＝532.00
Ｈ２＝-2.2895×10-3    Ｈ３＝-2.5394×10-3    Ｈ５＝ -1.5469×10-3
Ｈ７＝ 3.2574×10-5    Ｈ９＝ 1.2352×10-5    Ｈ10＝ 5.1491×10-5
Ｈ12＝ 2.3645×10-5    Ｈ14＝ 4.1348×10-5    Ｈ16＝-1.1004×10-6
Ｈ18＝ 4.5145×10-7    Ｈ20＝-3.8698×10-7
【実施例３】
【００５６】
図５は実施例３にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図、図６は実施例３の観察光学系の横収差図である。
実施例３の観察光学系の基本構成は、実施例１の観察光学系とほぼ同じである。
【００５７】
次に、実施例３の観察光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
数値データ３
全画角          Ｘ方向１８．０°  Ｙ方向１３．５°
瞳径            Φ４ｍｍ
ＨＯＥ露光波長  ５３２ｎｍ
面番号  曲率半径      面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞      -1000.00
1    絞り面          0.00
2        ∞          0.00  偏心(1)   1.5091    56.2
3    FFS[1]          0.00  偏心(2)   1.5091    56.2  HOE[1]
4        ∞          0.00  偏心(1)   1.5091    56.2
5        ∞          0.00  偏心(3)   1.5091    56.2
6        ∞          0.00  偏心(1)   1.5091    56.2
7        ∞          0.00  偏心(4) 
像  面      ∞          0.00  偏心(5) 
【００５８】
FFS[1]
Ｃ4   -5.2658×10-3    Ｃ6   -4.5059×10-3    Ｃ8    2.5121×10-5
Ｃ10   1.1062×10-5    Ｃ11  -1.8001×10-5    Ｃ13  -7.6927×10-6
Ｃ15  -1.7000×10-5
偏心[1] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  0.00  Ｚ＝ 25.00
α＝  0.00  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[2] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  0.00  Ｚ＝ 29.80
α＝-23.63  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[3] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  0.00  Ｚ＝ 32.00
α＝  0.00  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[4] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝ 24.67  Ｚ＝ 29.07
α＝ 61.05  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[5] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝ 28.20  Ｚ＝ 33.33
α＝ 28.25  β＝  0.00  γ＝  0.00
【００５９】
HOE[1]
ＨＶ１＝ＲＥＡ      ＨＶ２＝ＲＥＡ      ＨＯＲ＝１
ＨＸ１＝０          ＨＹ１＝０          ＨＺ１＝０
ＨＸ２＝０          ＨＹ２＝０          ＨＺ２＝０
ＨＷＬ＝532.00
Ｈ２＝-1.9563×10-3    Ｈ３＝-2.8904×10-3    Ｈ５＝-1.9779×10-3
Ｈ７＝ 2.8587×10-5    Ｈ９＝ 1.0287×10-5    Ｈ10＝ 4.8623×10-5
Ｈ12＝ 2.0414×10-5    Ｈ14＝ 4.6067×10-5    Ｈ16＝-9.7348×10-7
Ｈ18＝ 3.1609×10-7    Ｈ20＝-1.8789×10-7
【実施例４】
【００６０】
図７は実施例４にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図、図８は実施例４の観察光学系の横収差図である。
実施例４の観察光学系の基本構成は、実施例１の観察光学系とほぼ同じである。
【００６１】
次に、実施例４の観察光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
数値データ４
全画角          Ｘ方向１６．０°  Ｙ方向１２．０°
瞳径            Φ４ｍｍ
ＨＯＥ露光波長  ５３２ｎｍ
面番号  曲率半径      面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞      -1000.00
1    絞り面          0.00
2        ∞          0.00  偏心(1)   1.5091    56.2
3    FFS[1]          0.00  偏心(2)   1.5091    56.2  HOE[1]
4        ∞          0.00  偏心(1)   1.5091    56.2
5        ∞          0.00  偏心(3)   1.5091    56.2
6        ∞          0.00  偏心(1)   1.5091    56.2
7        ∞          0.00  偏心(4) 
像  面      ∞          0.00  偏心(5) 
【００６２】
FFS[1]
Ｃ４＝-7.0566×10-3    Ｃ６＝-5.8935×10-3    Ｃ８＝ 6.8651×10-6
Ｃ10＝ 5.3674×10-6    Ｃ11＝ 1.8987×10-5    Ｃ13＝ 1.7698×10-5
Ｃ15＝ 1.9560×10-5
偏心[1] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  0.00  Ｚ＝ 25.00
α＝  0.00  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[2] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  0.00  Ｚ＝ 29.48
α＝-23.50  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[3] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  0.00  Ｚ＝ 31.50
α＝  0.00  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[4] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝ 22.77  Ｚ＝ 28.86
α＝ 62.61  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[5] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝ 26.71  Ｚ＝ 33.84
α＝ 26.02  β＝  0.00  γ＝  0.00
【００６３】
HOE[1]
ＨＶ１＝ＲＥＡ      ＨＶ２＝ＲＥＡ      ＨＯＲ＝１
ＨＸ１＝０          ＨＹ１＝０          ＨＺ１＝０
ＨＸ２＝０          ＨＹ２＝０          ＨＺ２＝０
ＨＷＬ＝532.00
Ｈ２＝-3.6986×10-3    Ｈ３＝ 1.5469×10-3    Ｈ５＝ 1.5469×10-3
Ｈ７＝ 6.0367×10-5    Ｈ９＝ 5.6796×10-5    Ｈ10＝-5.3750×10-5
Ｈ12＝-5.0271×10-5    Ｈ14＝-5.4609×10-5    Ｈ16＝-2.8522×10-7
Ｈ18＝-5.7518×10-8    Ｈ20＝-4.4905×10-7
【実施例５】
【００６４】
図９は実施例５にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図、図１０は実施例５の観察光学系の横収差図である。
実施例５の観察光学系は、プリズム３’と、反射型ＨＯＥ４と、表示素子５を有して構成されている。
プリズム３’は、第１面３1’〜第３面３3’を備えている。
第１面３1’は、同一面上の異なる位置に、第１の反射面と、射出面とを備えた面として構成されている。
第２面３2’は、回転非対称な自由曲面に形成され、反射型ＨＯＥ４が貼り付けられて、第２の反射面として構成されている。
第３面３3’は、入射面として構成されている。
また、ＨＯＥ４は、瞳位置１から直線状の光軸（視軸）上に配置されている。
【００６５】
そして、本実施例では、表示素子５から射出した光が、プリズムの第３面３3’よりプリズム内に屈折して入射する。続いて、入射した光は、第１面３1’上の第１の反射面で反射した後、第２面３2’に到達する。そして、第２面３2’に貼られたＨＯＥ４で回折されて反射し、第１面面３1’上の射出面よりプリズム外に屈折して射出する。そして、プリズム外に射出した光は、その後に途中で結像することなく射出瞳１に到達する。観察者がこの射出瞳１の位置に眼球を位置させると、網膜上に表示素子５に表示された映像が結像する。その結果、観察者は表示素子５に表示された映像を観察することができる。
【００６６】
次に、実施例５の観察光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
数値データ５
全画角          Ｘ方向３５．０°  Ｙ方向２６．６°
瞳径            Φ４ｍｍ
ＨＯＥ露光波長  ５３２ｎｍ
面番号  曲率半径      面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞      -1000.00
1    絞り面          0.00
2    非球面[1]       0.00  偏心(1)   1.5254    56.2
3    FFS[1]          0.00  偏心(2)   1.5254    56.2  HOE[1]
4    非球面[1]       0.00  偏心(1)   1.5254    56.2
5    FFS[2]          0.00  偏心(3) 
像  面      ∞          0.00  偏心(4) 
【００６７】
非球面[1]
曲率半径   -266.72
ｋ＝ 0.0000×10+0
ａ＝ 6.2671×10-7    ｂ＝-2.9401×10-10
FFS[1]
Ｃ４＝-7.6284×10-3    Ｃ６＝-7.3471×10-3    Ｃ８＝ 1.2616×10-5
Ｃ10＝ 2.6287×10-5    Ｃ11＝-8.7310×10-8    Ｃ13＝ 5.3321×10-7
Ｃ15＝ 7.1052×10-7    Ｃ17＝ 1.2404×10-7    Ｃ19＝ 7.9780×10-9
Ｃ21＝ 1.3510×10-7
FFS[2]
Ｃ４＝-1.3246×10-2    Ｃ６＝-1.2140×10-2    Ｃ８＝ 1.5806×10-4
Ｃ10＝ 2.8791×10-5    Ｃ11＝ 1.5165×10-5    Ｃ13＝ 4.9921×10-5
Ｃ17＝-1.0915×10-6    Ｃ19＝-2.4787×10-6 
偏心[1] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  6.53  Ｚ＝ 27.50
α＝ 18.63  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[2] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  0.94  Ｚ＝ 38.47
α＝-10.47  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[3] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝ 17.95  Ｚ＝ 33.01
α＝ 78.55  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[4] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝ 23.80  Ｚ＝ 36.89
α＝ 56.39  β＝  0.00  γ＝  0.00
【００６８】
FFS[1]
ＨＶ１＝ＲＥＡ      ＨＶ２＝ＲＥＡ      ＨＯＲ＝１
ＨＸ１＝０          ＨＹ１＝０          ＨＺ１＝０
ＨＸ２＝０          ＨＹ２＝０          ＨＺ２＝０
ＨＷＬ＝532.00
Ｈ３＝-4.7263×10-4    Ｈ５＝-5.3653×10-4    Ｈ７＝ 5.9312×10-5
Ｈ９＝ 3.3326×10-5    Ｈ10＝ 2.4729×10-7    Ｈ12＝-4.8047×10-7
Ｈ14＝ 7.3203×10-7    Ｈ16＝-3.0850×10-7    Ｈ18＝ 5.3851×10-8
Ｈ20＝-2.7544×10-7
【実施例６】
【００６９】
図１１は実施例６にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図、図１２は実施例６の観察光学系の横収差図である。
実施例６の観察光学系の基本構成は、実施例５の観察光学系とほぼ同じである。
【００７０】
次に、実施例６の観察光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
数値データ６
全画角          Ｘ方向２４．０°  Ｙ方向１８．１°
瞳径            Φ４ｍｍ
ＨＯＥ露光波長  ５３２ｎｍ
面番号  曲率半径      面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞      -1000.00
1    絞り面          0.00  
2    非球面[1]       0.00  偏心(1)   1.5254    56.2
3    FFS[1]          0.00  偏心(2)   1.5254    56.2  HOE[1]
4    非球面[1]       0.00  偏心(1)   1.5254    56.2
5    FFS[2]          0.00  偏心(3) 
像  面      ∞          0.00  偏心(4) 
【００７１】
非球面[1]
曲率半径   -374.44
ｋ＝ 0.0000×10+0
ａ＝ 2.1288×10-6    ｂ＝-2.4110×10-9
FFS[1]
Ｃ４＝-6.2690×10-3    Ｃ６＝-5.9153×10-3    Ｃ８＝ 2.2465×10-5
Ｃ10＝ 3.7253×10-5    Ｃ11＝ 1.1579×10-6    Ｃ13＝ 3.3460×10-6
Ｃ15＝ 3.4259×10-6    Ｃ17＝ 2.2775×10-7    Ｃ19＝ 1.5671×10-7
Ｃ21＝ 1.6731×10-7
FFS[2]
Ｃ４＝-8.5446×10-3    Ｃ６＝-8.2419×10-3    Ｃ８＝-1.8084×10-4
Ｃ10＝-2.3386×10-4    Ｃ11＝-4.2731×10-6    Ｃ13＝ 2.5176×10-5
Ｃ17＝-1.8668×10-7    Ｃ19＝-1.5066×10-6 
偏心[1] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  5.36  Ｚ＝ 27.53
α＝ 18.28  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[2] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝  0.86  Ｚ＝ 37.22
α＝ -9.39  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[3] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝ 14.15  Ｚ＝ 32.30
α＝ 76.61  β＝  0.00  γ＝  0.00
偏心[4] 
Ｘ＝  0.00  Ｙ＝ 24.99  Ｚ＝ 40.42
α＝ 53.14  β＝  0.00  γ＝  0.00
【００７２】
HOE[1]
ＨＶ１＝ＲＥＡ      ＨＶ２＝ＲＥＡ      ＨＯＲ＝１
ＨＸ１＝０          ＨＹ１＝０          ＨＺ１＝０
ＨＸ２＝０          ＨＹ２＝０          ＨＺ２＝０
ＨＷＬ＝532.00
Ｈ３＝-5.2413×10-4    Ｈ５＝-4.9669×10-4    Ｈ７＝ 5.0025×10-5
Ｈ９＝ 2.5123×10-5    Ｈ10＝ 5.8377×10-7    Ｈ12＝-9.2825×10-7
Ｈ14＝ 2.3516×10-7    Ｈ16＝-4.9147×10-7    Ｈ18＝-1.5439×10-7
Ｈ20＝-3.1012×10-7
【００７３】
次に、上記各実施例にかかる観察光学系の条件式パラメータの値を示す。
(実施例番号)      (1)    (2)    (3)    (4)    (5)    (6)
φｘ／Ｐｘ       0.13   0.10   0.12  -0.06   0.02   0.02
φｙ／Ｐｙ       0.00   0.06   0.08  -0.06   0.02   0.02
φｘ／Φｘ       0.19   0.15   0.18  -0.07   0.02   0.03
φｙ／Φｙ       0.00   0.11   0.15  -0.09   0.02   0.03
φｍｘ／Φｍｘ  -0.29  -0.29  -0.32   1.09   0.01   0.01
φｍｙ／Φｍｙ  -0.04  -0.25  -0.31   1.09   0.19   0.15
【００７４】
また、本発明の画像観察光学系に用いるプリズムは、上記実施例のタイプのものに限定されるものではなく、図１３〜図２３に示すようなプリズムを用いてもよい。
【００７５】
図１３のプリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備えている。ここで、第１面３２が射出面、第３面３４が入射面である。第２面３３は反射面であり、回転非対称な自由曲面形状となっている。そして、この自由曲面上に、ＨＯＥが貼り付けられている。
このプリズムＰでは、ＬＣＤ３６から射出した光が、第３面３４で屈折してプリズム内に入射する。続いて、この光は、第２面３３で回折及び反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出する。観察者は、射出瞳３１の位置に眼球を一致させることで、映像（画像）の観察が行える。
【００７６】
図１４のプリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備えている。ここで、第１面３２は、第１の反射面と射出面とを兼ね備えた面である。また、第２面３３は、第３の反射面と入射面とを兼ね備えた面であり、回転非対称な自由曲面形状となっている。そして、この自由曲面上に、ＨＯＥが貼り付けられている。また、第３面３４は、第２の反射面である。
このプリズムＰでは、ＬＣＤ３６から射出した光が、第２面３３で屈折してプリズム内に入射する。続いて、この光は、第１面３２で反射し、更に第３面３４で反射した後、第２面３３に到達する。そして、この光は、第２面３３で回折及び反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出する。観察者は、射出瞳３１の位置に眼球を一致させることで、映像（画像）の観察が行える。
【００７７】
図１５のプリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備えている。ここで、第１面３２は、射出面である。また、第２面３３は、第３の反射面であり、回転非対称な自由曲面形状となっている。そして、この自由曲面上に、ＨＯＥが貼り付けられている。また、第３面３４は、入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面である。また、第４面３５は、第１の反射面である。
このプリズムＰでは、ＬＣＤ３６から射出した光が、第３面３４で屈折してプリズム内に入射する。続いて、この光は、第４面３５で反射した後、第３面３４で反射し、第２面３３に到達する。そして、この光は、第２面３３で回折及び反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出する。観察者は、射出瞳３１の位置に眼球を一致させることで、映像（画像）の観察が行える。
【００７８】
図１６のプリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備えている。ここで、第１面３２は、射出面である。また、第２面３３は、第１の反射面と第３の反射面であり、回転非対称な自由曲面形状となっている。第１の反射面と第３の反射面は、同一面上の異なる場所に位置している。そして、第３の反射面の自由曲面上に、ＨＯＥが貼り付けられている。また、第３面３４は、第２の反射面である。また、第４面３５は、入射面である。
このプリズムＰでは、ＬＣＤ３６から射出した光が、第４面３５で屈折してプリズム内に入射する。続いて、この光は、第２面３３の第１の反射面で反射し、第３面３４で反射した後、第２面３３に到達する。そして、この光は、第２面３３の第３の反射面で回折及び反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出する。観察者は、射出瞳３１の位置に眼球を一致させることで、映像（画像）の観察が行える。
【００７９】
図１７のプリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備えている。ここで、第１面３２は、射出面である。また、第２面３３は、入射面と第２の反射面と、第４の反射面とを兼ね備えた面であり、回転非対称な自由曲面形状となっている。入射面と第２の反射面は、同一面上に共通の領域を有している。また、第４反射面は、同一面上の異なる場所に位置している。そして、第４の反射面の自由曲面上に、ＨＯＥが貼り付けられている。また、第３面３４は、第３の反射面である。また、第４面３５は、第１の反射面である。
このプリズムＰでは、ＬＣＤ３６から射出した光が、第２面３３の入射面で屈折してプリズム内に入射入射する。続いて、この光は、第４面３５で反射した後、第２面３３の第２の反射面で反射し、更に第３面３４で反射した後、第２面３３に到達する。そして、この光は、第２面３３の第４の反射面で回折及び反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出する。観察者は、射出瞳３１の位置に眼球を一致させることで、映像（画像）の観察が行える。
【００８０】
図１８のプリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備えている。ここで、第１面３２は、第１の反射面と第３の反射面と射出面とを兼ね備えた面である。また、第２面３３は、第４の反射面であり、回転非対称な自由曲面形状となっている。そして、この自由曲面上に、ＨＯＥが貼り付けられている。また、第３面３４は、入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面である。
このプリズムＰでは、ＬＣＤ３６から射出した光が、第３面３４の入射面で屈折してプリズム内に入射する。続いて、この光は、第１面３２の第１の反射面で反射した後、第３面３４の第２の反射面で反射し、更に第１面３２の第３の反射面で反射し、第２面３３に到達する。そして、この光は、第２面３３で回折及び反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出する。観察者は、射出瞳３１の位置に眼球を一致させることで、映像（画像）の観察が行える。
【００８１】
図１９のプリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備えている。ここで、第１面３２は、入射面、第２の反射面、第４の反射面及び射出面とを兼ね備えた面である。また、第２面３３は、第５の反射面であり、回転非対称な自由曲面形状となっている。そして、この自由曲面上に、ＨＯＥが貼り付けられている。また、第３面３４は、第１の反射面と第３の反射面とを兼ね備えた面である。
このプリズムＰでは、ＬＣＤ３６から射出した光が、第１面３２の入射面で屈折してプリズム内に入射する。続いて、この光は、第３面３４の第１の反射面で反射した後、第１面３２の第２の反射面で反射する。さらに、この光は、第３面３４の第３の反射面で反射した後、第１面３２の第４の反射面で反射し、第２面３３に到達する。そして、この光は、第２面３３で回折及び反射した後、第１面３２の射出面で屈折してプリズム外に射出する。観察者は、射出瞳３１の位置に眼球を一致させることで、映像（画像）の観察が行える。
【００８２】
図２０のプリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４、第４面３５とを備えている。ここで、第１面３２は、第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面である。また、第２面３３は、第３の反射面であり、回転非対称な自由曲面形状となっている。そして、この自由曲面上に、ＨＯＥが貼り付けられている。また、第３面３４は、第１の反射面である。また、第４面３５は、入射面である。
このプリズムＰでは、ＬＣＤ３６から射出した光が、第４面３５で屈折してプリズム内に入射する。続いて、この光は、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３に到達する。そして、この光は、第２面３３で回折及び反射した後、第１面に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出する。観察者は、射出瞳３１の位置に眼球を一致させることで、映像（画像）の観察が行える。
【００８３】
図２１のプリズムＰは、第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プリズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備えている。ここで、第１面３２は、第１プリズムＰ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面である。また、第２面３３は、第１プリズムＰ１における第３の反射面であり、回転非対称な自由曲面形状となっている。そして、この自由曲面上に、ＨＯＥが貼り付けられている。また、第３面３４は、第１プリズムＰ１における第１の反射面である。また、第４面３５が第１プリズムＰ１における入射面である。
また、第２プリズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３とを備えている。ここで、第１面４は、第２プリズムＰ２における射出面である。また、第３面４３は、第２プリズムＰ２における入射面である。
【００８４】
このプリズムＰでは、ＬＣＤ３６から射出した光が、第２プリズムＰ２の第３面４３で屈折してプリズム内に入射する。続いて、この光は、第３面４３に備わる第１の反射面で反射し、第２面４２で反射した後、第１面４１で屈折してプリズム外に射出する。さらに、この光は、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折して、プリズム内に入射する。続いて、この光は、第３面３４で反射した後、第１面３２の第２の反射面で反射し、第２面３３に到達する。そして、この光は、第２面３３で回折及び反射した後、第１面３２の射出面で屈折してプリズム外に射出する。観察者は、射出瞳３１の位置に眼球を一致させることで、映像（画像）の観察が行える。
【００８５】
図２２のプリズムＰは、第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プリズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備えている。ここで、第１面３２は、第１プリズムＰ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面である。また、第２面３３は、第１プリズムＰ１における第３の反射面であり、回転非対称な自由曲面形状となっている。そして、この自由曲面上に、ＨＯＥが貼り付けられている。また、第３面３４は、第１プリズムＰ１における第１の反射面である。また、第４面３５は、第１プリズムＰ１における入射面である。
また、第２プリズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３と、第４面４４とを備えている。ここで、第１面４１は、第２プリズムＰ２における射出面である。また、第２面４２は、第２プリズムＰ２における第２の反射面である。また、第３面４３は、第２プリズムＰ２における第１の反射面である。また、第４面４４は、第２プリズムＰ２における入射面である。
【００８６】
このプリズムＰでは、ＬＣＤ３６から射出した光が、第２プリズムＰ２の第４面４４で屈折してプリズム内に入射する。続いて、この光は、第３面４３で反射し、第２面４２で反射し、第１面４１で屈折してプリズム外に射出する。さらに、この光は、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折して、プリズム内に入射する。続いて、この光は、第３面３４で反射した後、第１面３２の第２の反射面で反射し、第２面３３に到達する。そして、この光は、第２面３３で回折及び反射した後、第１面３２の射出面で屈折してプリズム外に射出する。観察者は、射出瞳３１の位置に眼球を一致させることで、映像（画像）の観察が行える。
【００８７】
図２３のプリズムＰは、第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プリズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備えている。ここで、第１面３２は、第１プリズムＰ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面である。また、第２面３３は、第１プリズムＰ１における第３の反射面であり、回転非対称な自由曲面形状となっている。そして、この自由曲面上に、ＨＯＥが貼り付けられている。また、第３面３４は、第１プリズムＰ１における第１の反射面である。また、第４面３５は、第１プリズムＰ１における入射面である。
また、第２プリズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３と、第４面４４とを備えている。ここで、第１面４１は、第２プリズムＰ２における射出面である。また、第２面４２は、第２プリズムＰ２における第２の反射面である。また、第３面４３は、第２プリズムＰ２における第１の反射面である。また、第４面４４は、第２プリズムＰ２における入射面である。
【００８８】
このプリズムＰでは、ＬＣＤ３６から射出した光が、第２プリズムＰ２の第４面４４で屈折してプリズム内に入射する。続いて、この光は、第３面４３で反射し、第２面４２で反射し、第１面４１で屈折してプリズム外に射出する。さらに、この光は、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折して、プリズム内に入射する。続いて、この光は、第３面３４で反射した後、第１面３２の第２の反射面で反射し、第２面３３に到達する。そして、この光は、第２面３３で回折及び反射した後、第１面３２の射出面で屈折してプリズム外に射出する。観察者は、射出瞳３１の位置に眼球を一致させることで、映像（画像）の観察が行える。
なお、図２２のプリズムＰと図２３のプリズムＰは、第２プリズムＰ２の第３面と第４面とを結ぶ光路と第１面と第２面とを結ぶ光路が図２２では、交差しないのに対し、図２３では交差するようになっている点で構成が異なっている。
【００８９】
次に、以上の画像観察光学系を用いた画像表示装置を以下に例示する。
【００９０】
その一例として、頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を示す。図２４に画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を、図２５にその断面図を示す。この画像表示装置では、本発明による観察光学系を、図２５に示すように接眼光学系として用いている。この画像表示装置では、表示装置本体１０２が、接眼光学系１００と画像表示素子５からなる組を左右一対有している。そして、それらを眼幅距離だけ離して支持している。このようにすることにより、両眼で観察できる頭部装着型画像表示装置を実現している。なお、本例では、画像表示装置はポータブル型の画像表示装置１０２となっているが、備え付け型の画像表示装置にすることもできる。
【００９１】
画像表示装置本体１０２には、上記のような観察光学系が、接眼光学系１００として用いられている。そして、その接眼光学系１００が、左右一対備えられている。また、それらに対応して、液晶表示素子からなる画像表示素子５が、像面に配置されている。そして、画像表示装置本体１０２には、図２４に示すように、左右に連続して側頭フレーム１０３が設けられ、画像表示装置本体１０２を観察者の眼前に保持できるようになっている。なお、図２５では、裸眼による観察を前提とした構成である。よって、画像表示装置１０２本体の内部に、眼鏡用レンズを一体的に組み込んだ構成となっていない。しかしながら、眼鏡用のレンズを組み込んで、画像表示装置１０２を構成してもよい。
【００９２】
また、側頭フレーム１０３には、スピーカ１０４が付設されている。よって、観察者が、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を有する側頭フレーム１０３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が接続されている。そして、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おく。このようにすれば、観察者は映像音響を手軽に楽しむことができる。図２４の符号１０７は再生装置１０６のスイッチ、ボリューム等の調節部である。なお、画像表示装置本体１０２の内部には、映像処理、音声処理回路等の電子部品を内蔵させてある。
【００９３】
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。あるいは、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。
【００９４】
また、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画像表示装置に用いても良い。この場合、画像表示装置は、図２６に示すように、片眼用の頭部装着型画像表示装置となる。図２６に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、表示装置本体１０２が、接眼光学系１００と画像表示素子５からなる組を１組有している。そして、表示装置本体１０２が、前フレーム１０８に取り付けられている。なお、表示装置本体１０２は、観察者の左眼あるいは右眼のうち、一方の眼の位置に対応する位置に取り付けられている。そして、その前フレーム１０８には、左右に連続して側頭フレーム１０３が設けられておりている。このようにして、表示装置本体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２４，２５の場合と同様であり、説明は省く。
【００９５】
次に、図２７に電子カメラ４０の概念図を示す。この例では、接眼光学系５９に、本発明の観察光学系が組み込まれている。
撮影光路上に配置された撮影用対物光学系４８により、物体像がＣＣＤ４９の撮像面５０上に形成される。この時、物体からの光は、フィルター５１を経てＣＣＤ４９に入射する。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）５上に、電子像として表示される。また、ＣＣＤ４９で撮影された物体像は、電子情報として記録される。そこで、処理手段５２は、記録手段６１の制御も行う。ＬＣＤ５に表示された画像は、接眼光学系５９を介して、所定の位置に投影される。同時に、接眼光学系５９を介して、射出瞳も形成される。この射出瞳の位置に、観察者が眼球Ｅを一致させると、ＬＣＤ５に表示された画像を観察することができる。
この接眼光学系５９は、上記各実施例と同様の偏心プリズム光学系を用いることができる。ここでは図９と同様の偏心プリズム光学系が用いられている。また、接眼光学系５９は、楔形プリズム６と、カバーレンズ１１とを有する。このカバーレンズ１１は、偏心プリズム光学系の射出瞳側に配置されている。また、ＬＣＤ５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。
【００９６】
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る。その結果、カメラ４０の高性能・低コスト化が実現できる。更に、光学系全体を同一平面上に並べて配置できるため、カメラ４０において、この配置平面と垂直方向の厚みの薄型化が実現できる。
【００９７】
次に、図２８に電子内視鏡の概念図を示す。
この例では、観察系の接眼光学系８７に、本発明による観察光学系が組み込まれている。この例では、接眼光学系８７の第１プリズムに、本発明の上記各実施例の観察光学系を用いている。ここでは、図１の観察光学系が用いられている。
この電子内視鏡は、図２８(a)に示すように、電子内視鏡７１と、照明光を供給する光源装置７２と、ビデオプロセッサ７３と、モニター７４と、ＶＴＲデッキ７５及びビデオディスク７６と、ビデオプリンタ７７と、頭部装着型画像表示装置（ＨＭＤ）７８とで構成されている。
ここで、光源装置７２は、照明光を供給するためのものである。また、ビデオプロセッサ７３は、電子内視鏡７１に対応する信号処理を行うためのものである。また、モニター７４は、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ためのものである。また、ＶＴＲデッキ７５及びビデオディスク７６は、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ためのものである。また、ビデオプリンタ７７は、映像信号を映像としてプリントアウトするためのものである。また、頭部装着型画像表示装置（ＨＭＤ）７８は、例えば、図２４に示したようなものが使われる。
また、電子内視鏡７１の挿入部７９の先端部８０と、その接眼部８１は、図２８(b)に示すように構成されている。
【００９８】
光源装置７２から射出された光束は、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に導かれる。そして、照明用対物光学系８９により、この光束で観察部位を照明する。この観察部位からの光は、カバー部材８５を介して、観察用対物光学系８２を通過する。そして、観察用対物光学系８２によって、物体像が形成される。この時、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る。
この映像信号は、図２８(a)に示すビデオプロセッサ７３により、モニター７４上に直接表示される。また、ＶＴＲデッキ７５、ビデオディスク７６中に記録される。あるいは、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１０１（図２５）に表示される。観察者は、ＨＭＤ７８を装着者することで、物体像を観察することができる。
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）５上に電子像として表示される。そして、その表示像は、接眼光学系８７を介して、所定の位置に投影される。同時に、接眼光学系５９を介して、射出瞳も形成される。この射出瞳の位置に、観察者が眼球Ｅを一致させると、ＬＣＤ５に表示された画像を観察することができる。
【００９９】
このように構成された内視鏡は、少ない光学部材で光学系を構成することができる。その結果、内視鏡の高性能・低コスト化が実現できる。
【０１００】
次に、本発明による観察光学系で用いるＨＯＥ（回折素子）と自由曲面の望ましい位置関係を図２９に示す。ここで、ＨＯＥは、プリズムＰに設けられた自由曲面に密着されるものとする。また、この自由曲面は、面対称な自由曲面とする。また、ＨＯＥの面Ｃにおける外形形状は、四角形であるとする。
図中、偏心プリズムＰは、本発明の観察光学系中に含まれるプリズムである。いま、ＨＯＥの面Ｃが、第２面に設けられているとする。このとき、偏心プリズムＰにおける自由曲面の対称面Ｄが、このＨＯＥの外形形状における少なくとも１辺と平行になるように、自由曲面の形状を決定することが、美しい像を形成する上で望ましい。
【０１０１】
さらに、このＨＯＥの外形形状が正方形や長方形である場合、４つの内角がそれぞれ９０°となっている。このような場合には、自由曲面Ｄの対称面Ｄが、ＨＯＥの外形形状における互いに平行関係にある２辺に対して平行となるように、自由曲面の形状を決定することが望ましい。更に、この対称面がＨＯＥの面Ｃを、左右又は上下対称に分割する位置と一致するように、自由曲面の形状を決定することが好ましい。このようにすれば、装置に組み込むときの組み込み精度が出しやすく、また、量産性の向上に効果的である。
【０１０２】
さらに、偏心プリズムＰの光学面（例えば、光学面が３面の場合、第１面、第２面、第３面）のうち、複数の面又は全ての面が面対称自由曲面であるとする。この場合には、複数の面又は全ての面における対称面が、同一面となるように、各面の形状を決定することが、設計上も、収差性能上も望ましい。
そして、これらの自由曲面の対称面とＨＯＥのパワーの対称面を一致させることにより、さらに、設計上も、収差性能上も有利になり望ましい。
【０１０３】
以上説明したように、本発明の画像観察光学系は、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。
【０１０４】
（１）次の条件式(1'),(2')を満たすことを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
−０．１５  ＜  φｘ／Ｐｘ  ＜  ０．２０                    …(1')
−０．１５  ＜  φｙ／Ｐｙ  ＜  ０．１５                    …(2')
ただし、φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Ｐｘは観察光学系全系のｘ方向のパワー、Ｐｙは観察光学系全系のｙ方向のパワーである。
【０１０５】
（２）次の条件式(1"),(2")を満たすことを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
−０．１０  ＜  φｘ／Ｐｘ  ＜  ０．１５                    …(1")
−０．１０  ＜  φｙ／Ｐｙ  ＜  ０．１０                    …(2")
ただし、φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Ｐｘは観察光学系全系のｘ方向のパワー、Ｐｙは観察光学系全系のｙ方向のパワーである。
【０１０６】
（３）次の条件式(3')，(4')，(5')，(6')を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の観察光学系。
−０．１８  ＜  φｘ／Φｘ      ＜  ０．２９                …(3')
−０．１９  ＜  φｙ／Φｙ      ＜  ０．２５                …(4')
−０．４２  ＜  φｍｘ／Φｍｘ  ＜  １．２０                …(5')
−０．４２  ＜  φｍｙ／Φｍｙ  ＜  １．２０                …(6')
ただし、φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘ方向の基板幾何形状のみのパワー、Φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）の基板幾何形状のみのパワー、φｍｘは光線有効範囲のｘ軸上の最大・最小値におけるｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｍｙは光線有効範囲のｘ軸上の最大・最小値におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Φｍｘは光線有効範囲のｘ軸上の最大・最小値におけるｘ方向の基板幾何形状のみのパワー、Φｍｙは光線有効範囲のｙ軸上の最大・最小値におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）の基板幾何形状のみのパワーである。
【０１０７】
（４）次の条件式(3")，(4")，(5")，(6")を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の観察光学系。
−０．０８  ＜  φｘ／Φｘ      ＜  ０．１９                …(3")
−０．０９  ＜  φｙ／Φｙ      ＜  ０．１５                …(4")
−０．３２  ＜  φｍｘ／Φｍｘ  ＜  １．１０                …(5")
−０．３２  ＜  φｍｙ／Φｍｙ  ＜  １．１０                …(6")
ただし、φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Φｘは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｘ方向の基板幾何形状のみのパワー、Φｙは軸上主光線とＨＯＥ面との交点におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）の基板幾何形状のみのパワー、φｍｘは光線有効範囲のｘ軸上の最大・最小値におけるｘ方向のＨＯＥのみのパワー、φｍｙは光線有効範囲のｘ軸上の最大・最小値におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）のＨＯＥのみのパワー、Φｍｘは光線有効範囲のｘ軸上の最大・最小値におけるｘ方向の基板幾何形状のみのパワー、Φｍｙは光線有効範囲のｙ軸上の最大・最小値におけるｙ方向（偏心方向に平行な方向）の基板幾何形状のみのパワーである。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の実施例１にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図２】実施例１の観察光学系の横収差図である。
【図３】実施例２にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図４】実施例３の観察光学系の横収差図である。
【図５】実施例３にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図６】実施例３の観察光学系の横収差図である。
【図７】実施例４にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図８】実施例４の観察光学系の横収差図である。
【図９】実施例５にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図１０】実施例５の観察光学系の横収差図である。
【図１１】実施例６にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図１２】実施例６の観察光学系の横収差図である。
【図１３】本発明の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムの一例を示す図である。
【図１４】本発明の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムの他の例を示す図である。
【図１５】本発明の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１６】本発明の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１７】本発明の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１８】本発明の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１９】本発明の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２０】本発明の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２１】本発明の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２２】本発明の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２３】本発明の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２４】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２５】図２４の断面図である。
【図２６】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２７】本発明の観察光学系を適用した電子カメラの概念図である。
【図２８】本発明の観察光学系を適用した電子内視鏡の概念図である。
【図２９】本発明によるＨＯＥとプリズムを配置するときの望ましい構成を示す図である。
【図３０】本発明におけるＨＯＥを定義するための原理図である。
【図３１】本発明におけるＨＯＥのローカルパワーを説明するための説明図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１          瞳位置
２          軸上主光線
３，３’          プリズム
３1，３1’        第１面
３2，３2’        第２面
３3，３3’        第３面
３4          第４面
４          （反射型）ＨＯＥ
５，１０１          ＬＣＤ
６          楔形プリズム
１１        カバーレンズ
３２，４１  第１面
３３，４２  第２面
３４，４３  第３面
３５，４４  第４面
４８        撮影用対物光学系
４９，８４  ＣＣＤ
５０        撮像面
５１        フィルター
５２        処理手段
５９        接眼光学系
６１        記録手段
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
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
８７，１００          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
９２        バックライト
９３        画像信号導伝手段
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
Ｃ          ＨＯＥの面
Ｄ          面対称自由曲面の対称面
Ｐ          偏心プリズム
Ｐ１        第１プリズム
Ｐ２        第２プリズム
８５        カバー部材
【図１】
2005202060.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005202060.tif 000012
【図８】
2005202060.tif 000013
【図９】
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【図１０】
2005202060.tif 000015
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2005202060.tif 000018
【図１４】
2005202060.tif 000019
【図１５】
2005202060.tif 000020
【図１６】
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【図１７】
2005202060.tif 000022
【図１８】
2005202060.tif 000023
【図１９】
2005202060.tif 000024
【図２０】
2005202060.tif 000025
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
2005202060.tif 000029
【図２５】
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【図２６】
2005202060.tif 000031
【図２７】
2005202060.tif 000032
【図２８】
2005202060.tif 000033
【図２９】
2005202060.tif 000034
【図３０】
2005202060.tif 000035
【図３１】
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