JP2000098234A - 光学系及びそれを用いる画像観察装置 - Google Patents
光学系及びそれを用いる画像観察装置Info
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/017—Head mounted
- G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
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- Optics & Photonics (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 極めてシンプルな構成で、諸収差が良好に補
正され、広画角で表示素子の表示面に表示した画像情報
を良好に観察することができるヘッドマウントディスプ
レイに好適な光学系及びそれを用いる画像観察装置を得
ること。 【解決手段】焦平面と絞りとの間の光路中に配置した光
学系において、該光学系は第１の光学作用面と、第２の
光学作用面とを有し、該焦平面から該絞りへ光線トレー
スした光路中において、該焦平面から射出した光は、該
第２の光学作用面で反射した後、該第１の光学作用面で
反射し、該絞りに至っており、該第２の光学作用面は、
基準軸光線を含む平面を唯一の対称面とした所定形状の
回転非対称な非球面形状より成っていること。
正され、広画角で表示素子の表示面に表示した画像情報
を良好に観察することができるヘッドマウントディスプ
レイに好適な光学系及びそれを用いる画像観察装置を得
ること。 【解決手段】焦平面と絞りとの間の光路中に配置した光
学系において、該光学系は第１の光学作用面と、第２の
光学作用面とを有し、該焦平面から該絞りへ光線トレー
スした光路中において、該焦平面から射出した光は、該
第２の光学作用面で反射した後、該第１の光学作用面で
反射し、該絞りに至っており、該第２の光学作用面は、
基準軸光線を含む平面を唯一の対称面とした所定形状の
回転非対称な非球面形状より成っていること。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光学系及びそれを用
いる画像観察装置に関し、特にカメラのファインダーや
所謂ヘッドマウントディスプレイなどの画像観察装置及
びカメラなどの撮像装置に使用する場合に好適なもので
ある。
いる画像観察装置に関し、特にカメラのファインダーや
所謂ヘッドマウントディスプレイなどの画像観察装置及
びカメラなどの撮像装置に使用する場合に好適なもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】従来、ヘッドマウントディスプレイなど
においては装置全体を小型化するための光学系がいろい
ろ考案されている。
においては装置全体を小型化するための光学系がいろい
ろ考案されている。
【０００３】例えば特開昭５８−７８１１６号公報にお
いては、観察者の眼に対して傾けて設けた凹の球面反射
面を持つプリズム形状の光学素子により撮影光学系で得
られた１次結像面上の物体像を観察する光学装置が開示
されている。
いては、観察者の眼に対して傾けて設けた凹の球面反射
面を持つプリズム形状の光学素子により撮影光学系で得
られた１次結像面上の物体像を観察する光学装置が開示
されている。
【０００４】この従来例においては、反射面が傾いた球
面であるので、そこで発生する非点収差等の光学収差を
良好に補正することが難しい。同公報中にはこれらを改
善するために新たにレンズ系を追加する必要があること
が記載されている。
面であるので、そこで発生する非点収差等の光学収差を
良好に補正することが難しい。同公報中にはこれらを改
善するために新たにレンズ系を追加する必要があること
が記載されている。
【０００５】特開平５−３０３０５５号公報では、この
ようなレンズ系（リレーレンズ系）を追加したものが開
示されている。しかし、このようなリレーレンズ系を付
加することは、光学系の全長が長くなり、光学系のコン
パクト化を損なうという欠点がある。
ようなレンズ系（リレーレンズ系）を追加したものが開
示されている。しかし、このようなリレーレンズ系を付
加することは、光学系の全長が長くなり、光学系のコン
パクト化を損なうという欠点がある。
【０００６】特開平５−３０３０５４号公報，特開平５
−３０３０５６号公報，特開平５−３２３２２９号公報
ではコンパクト化及び光学系の収差を改善する目的で、
反射面に高次の非球面項を有する一般的な回転非球面、
円錐係数で定義される円錐関数による回転放物面や回転
楕円面、直交する座標軸においてそれぞれ異なる非球面
関数で表現されるトーリック非球面（またはアナモフィ
ック非球面）から成る一つの反射面を観察者の眼の光軸
に対して傾けて設けた光学系が開示されている。
−３０３０５６号公報，特開平５−３２３２２９号公報
ではコンパクト化及び光学系の収差を改善する目的で、
反射面に高次の非球面項を有する一般的な回転非球面、
円錐係数で定義される円錐関数による回転放物面や回転
楕円面、直交する座標軸においてそれぞれ異なる非球面
関数で表現されるトーリック非球面（またはアナモフィ
ック非球面）から成る一つの反射面を観察者の眼の光軸
に対して傾けて設けた光学系が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな一つの非球面の反射面の構成の光学系では、画像の
歪み（ディストーション）、像面の湾曲、直交する方向
のピント（非点収差）の全てを十分に補正することがで
きないという欠点があった。
うな一つの非球面の反射面の構成の光学系では、画像の
歪み（ディストーション）、像面の湾曲、直交する方向
のピント（非点収差）の全てを十分に補正することがで
きないという欠点があった。
【０００８】また、このように反射面を傾けた、所謂偏
心光学系のピント調整（視度調整）の方法としては、光
学系を移動して行うと光学性能の変化が大きいので、光
学系のピント面（画像表示素子や撮像素子）を移動して
行うのが望ましく、そのためには光学系をピント面に対
してテレセントリックな光学系にするのが望ましい。
心光学系のピント調整（視度調整）の方法としては、光
学系を移動して行うと光学性能の変化が大きいので、光
学系のピント面（画像表示素子や撮像素子）を移動して
行うのが望ましく、そのためには光学系をピント面に対
してテレセントリックな光学系にするのが望ましい。
【０００９】このような観点で、先の従来例をみると、
特開平５−３０３０５４号公報では非点収差とディスト
ーションの補正を行っているが、像面の湾曲が補正され
ないまま残っている。
特開平５−３０３０５４号公報では非点収差とディスト
ーションの補正を行っているが、像面の湾曲が補正され
ないまま残っている。
【００１０】又、特開平５−３２３２２９号公報では像
面湾曲と非点収差とディストーションの補正を行ってい
るが、ピント面に対して光線の角度が大きく傾いてお
り、液晶パネルやＣＣＤ等の表示素子あるいは撮像素子
をピント面に配する場合はこれらの素子の特性の角度依
存性により性能が大幅に劣化する欠点がある。
面湾曲と非点収差とディストーションの補正を行ってい
るが、ピント面に対して光線の角度が大きく傾いてお
り、液晶パネルやＣＣＤ等の表示素子あるいは撮像素子
をピント面に配する場合はこれらの素子の特性の角度依
存性により性能が大幅に劣化する欠点がある。
【００１１】また、これらで提案されている光学系にお
いては、ディストーションは補正されているとはいえ、
画像の歪みが一見して判別できる程度なので不十分であ
る。
いては、ディストーションは補正されているとはいえ、
画像の歪みが一見して判別できる程度なので不十分であ
る。
【００１２】このように、一つの非球面の反射面の構成
では全ての収差を十分に補正することができない欠点が
あった。
では全ての収差を十分に補正することができない欠点が
あった。
【００１３】また、特開平３−１８０８１０号公報で
は、観察者の視点を遠ざけて光学系に対するＦＮｏを大
きくし、光学系の焦点深度を大きくとることで像面の歪
みを直交する座標系（ｘ，ｙ，ｚ）のクロスターム（ｘ
ｙなど）を有する非球面で補正した光学系が開示されて
いる。
は、観察者の視点を遠ざけて光学系に対するＦＮｏを大
きくし、光学系の焦点深度を大きくとることで像面の歪
みを直交する座標系（ｘ，ｙ，ｚ）のクロスターム（ｘ
ｙなど）を有する非球面で補正した光学系が開示されて
いる。
【００１４】しかしながら、この光学系は視点を離して
画像を観察する方法であるので、広角化や大画面化を行
うことができず、また凸のミラーと凹のミラーを組み合
わせてテレフォトタイプの光学系にしているものの、全
体としての大きさが大きくコンパクト化を計れないとい
う欠点があった。
画像を観察する方法であるので、広角化や大画面化を行
うことができず、また凸のミラーと凹のミラーを組み合
わせてテレフォトタイプの光学系にしているものの、全
体としての大きさが大きくコンパクト化を計れないとい
う欠点があった。
【００１５】本発明は、極めてシンプルな構成でありな
がら、諸収差が良好に補正され、高画角であって、観察
系として用いたときは画像表示手段の表示面に表示した
画像情報を良好に観察することができる光学系及びそれ
を用いる画像観察装置の提供を目的とする。
がら、諸収差が良好に補正され、高画角であって、観察
系として用いたときは画像表示手段の表示面に表示した
画像情報を良好に観察することができる光学系及びそれ
を用いる画像観察装置の提供を目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の光学系
は、焦平面と絞りとの間の光路中に配置した光学系にお
いて、該光学系は第１の光学作用面と、第２の光学作用
面とを有し、該焦平面から該絞りへ光線トレースした光
路中において、該焦平面から射出した光は、該第２の光
学作用面で反射した後、該第１の光学作用面で反射し、
該絞りに至っており、該第１光学作用面及び第２の光学
作用面を介して、該焦平面の中心と該絞りの中心を結ぶ
光線を基準軸光線、該絞り中心を原点、該原点から該焦
平面の中心へトレースした該基準軸光線のうち、該原点
から伸びる線分を含む軸をＺ軸（該原点から該光学系に
向かう方向を正方向）、該基準軸光線を含む平面内で該
Ｚ軸に直交する軸をＹ軸（該原点から該焦平面の中心へ
光線トレースした該基準軸光線が該第１の光学作用面で
屈曲した方向の成分を含む方向を正方向）と定義し、該
第２の光学作用面は、該基準軸光線を含む平面を唯一の
対称面とした回転非対称な非球面形状であり、（Ａ）該
第２の光学作用面での光線有効範囲内の任意の点ｉ上の
接面法線を中心にした接面内全アジムス方向の局所的曲
率半径のうち、局所的曲率半径の絶対値が最大となるア
ジムス方向をｕｉ軸、該ｕｉ軸に垂直なアジムス方向を
ｖｉ軸と定義し、該任意の点ｉにおける該ｕｉ軸方向の
局所的曲率半径をｒ２Ｌｕｉ、該ｖｉ軸方向の局所的曲
率半径をｒ２Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦１２．０ （Ｂ）該対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ２ｉとする
とき、該θ２ｉの絶対値は、該対称面に垂直で且つ該Ｚ
軸を含む若しくは該Ｚ軸に平行な面と、該第２の光学作
用面との交線上の任意の点において該対称面に近い側か
ら遠い側へ向けて単調に増加する、（Ｃ）該θ２ｉは、 ０°≦θ２ｉ≦３５° （但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス
方向が２つ以上存在する場合は、ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖ
ｉ＝１，θ２ｉ＝０°とし、該θ２ｉは、該Ｙ軸正方向
を上にして該原点側から該第２の光学作用面を見た場合
に、該対称面の右側では時計周りを正方向、該対称面の
左側では反時計周りを正方向とする。）の条件（Ａ），
（Ｂ），（Ｃ）のうち、少なくとも１つを満足すること
を特徴としている。
は、焦平面と絞りとの間の光路中に配置した光学系にお
いて、該光学系は第１の光学作用面と、第２の光学作用
面とを有し、該焦平面から該絞りへ光線トレースした光
路中において、該焦平面から射出した光は、該第２の光
学作用面で反射した後、該第１の光学作用面で反射し、
該絞りに至っており、該第１光学作用面及び第２の光学
作用面を介して、該焦平面の中心と該絞りの中心を結ぶ
光線を基準軸光線、該絞り中心を原点、該原点から該焦
平面の中心へトレースした該基準軸光線のうち、該原点
から伸びる線分を含む軸をＺ軸（該原点から該光学系に
向かう方向を正方向）、該基準軸光線を含む平面内で該
Ｚ軸に直交する軸をＹ軸（該原点から該焦平面の中心へ
光線トレースした該基準軸光線が該第１の光学作用面で
屈曲した方向の成分を含む方向を正方向）と定義し、該
第２の光学作用面は、該基準軸光線を含む平面を唯一の
対称面とした回転非対称な非球面形状であり、（Ａ）該
第２の光学作用面での光線有効範囲内の任意の点ｉ上の
接面法線を中心にした接面内全アジムス方向の局所的曲
率半径のうち、局所的曲率半径の絶対値が最大となるア
ジムス方向をｕｉ軸、該ｕｉ軸に垂直なアジムス方向を
ｖｉ軸と定義し、該任意の点ｉにおける該ｕｉ軸方向の
局所的曲率半径をｒ２Ｌｕｉ、該ｖｉ軸方向の局所的曲
率半径をｒ２Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦１２．０ （Ｂ）該対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ２ｉとする
とき、該θ２ｉの絶対値は、該対称面に垂直で且つ該Ｚ
軸を含む若しくは該Ｚ軸に平行な面と、該第２の光学作
用面との交線上の任意の点において該対称面に近い側か
ら遠い側へ向けて単調に増加する、（Ｃ）該θ２ｉは、 ０°≦θ２ｉ≦３５° （但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス
方向が２つ以上存在する場合は、ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖ
ｉ＝１，θ２ｉ＝０°とし、該θ２ｉは、該Ｙ軸正方向
を上にして該原点側から該第２の光学作用面を見た場合
に、該対称面の右側では時計周りを正方向、該対称面の
左側では反時計周りを正方向とする。）の条件（Ａ），
（Ｂ），（Ｃ）のうち、少なくとも１つを満足すること
を特徴としている。
【００１７】請求項２の発明の光学系は、焦平面と絞り
との間の光路中に配置した光学系において、該光学系は
第１の光学作用面と、第２の光学作用面とを有し、該焦
平面から該絞りへ光線トレースした光路中において、該
焦平面から射出した光は、該第２の光学作用面で反射し
た後、該第１の光学作用面で反射し、該絞りに至ってお
り、該第１光学作用面及び第２の光学作用面を介して、
該焦平面の中心と該絞りの中心を結ぶ光線を基準軸光
線、該絞り中心を原点、該原点から該焦平面の中心へト
レースした該基準軸光線のうち、該原点から伸びる線分
を含む軸をＺ軸（該原点から該光学系に向かう方向を正
方向）、該基準軸光線を含む平面内で該Ｚ軸に直交する
軸をＹ軸（該原点から該焦平面の中心へ光線トレースし
た該基準軸光線が該第１の光学作用面で屈曲した方向の
成分を含む方向を正方向）と定義し、該第１の光学作用
面は、該基準軸光線を含む平面を唯一の対称面とした回
転非対称な非球面形状であり、（Ｄ）該第１の光学作用
面での光線有効範囲内の任意の点ｉ上の接面法線を中心
にした接面内全アジムス方向の局所的曲率半径のうち、
局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス方向をｕ
ｉ軸、該ｕｉ軸に垂直なアジムス方向をｖｉ軸と定義
し、該任意の点ｉにおける該ｕｉ軸方向の局所的曲率半
径をｒ１Ｌｕｉ、該ｖｉ軸方向の局所的曲率半径をｒ１
Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦２．０ （Ｅ）該対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ１ｉとする
とき、該θ１ｉの絶対値は、該対称面に垂直で且つ該Ｚ
軸を含む若しくは該Ｚ軸に平行な面と、該第１の光学作
用面との交線上の任意の点において該対称面に近い側か
ら遠い側へ向けて単調に増加する、（Ｆ）該θ１ｉは、 ０°≦θ１ｉ≦２１° （但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス
方向が２つ以上存在する場合は、ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖ
ｉ＝１，θ１ｉ＝０°とし、該θ１ｉは、該Ｙ軸正方向
を上にして該原点側から該第１の光学作用面を見た場合
に、該対称面の右側では時計周りを正方向、該対称面の
左側では反時計周りを正方向とする。）の条件（Ｄ），
（Ｅ），（Ｆ）のうち、少なくとも１つを満足すること
を特徴としている。
との間の光路中に配置した光学系において、該光学系は
第１の光学作用面と、第２の光学作用面とを有し、該焦
平面から該絞りへ光線トレースした光路中において、該
焦平面から射出した光は、該第２の光学作用面で反射し
た後、該第１の光学作用面で反射し、該絞りに至ってお
り、該第１光学作用面及び第２の光学作用面を介して、
該焦平面の中心と該絞りの中心を結ぶ光線を基準軸光
線、該絞り中心を原点、該原点から該焦平面の中心へト
レースした該基準軸光線のうち、該原点から伸びる線分
を含む軸をＺ軸（該原点から該光学系に向かう方向を正
方向）、該基準軸光線を含む平面内で該Ｚ軸に直交する
軸をＹ軸（該原点から該焦平面の中心へ光線トレースし
た該基準軸光線が該第１の光学作用面で屈曲した方向の
成分を含む方向を正方向）と定義し、該第１の光学作用
面は、該基準軸光線を含む平面を唯一の対称面とした回
転非対称な非球面形状であり、（Ｄ）該第１の光学作用
面での光線有効範囲内の任意の点ｉ上の接面法線を中心
にした接面内全アジムス方向の局所的曲率半径のうち、
局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス方向をｕ
ｉ軸、該ｕｉ軸に垂直なアジムス方向をｖｉ軸と定義
し、該任意の点ｉにおける該ｕｉ軸方向の局所的曲率半
径をｒ１Ｌｕｉ、該ｖｉ軸方向の局所的曲率半径をｒ１
Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦２．０ （Ｅ）該対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ１ｉとする
とき、該θ１ｉの絶対値は、該対称面に垂直で且つ該Ｚ
軸を含む若しくは該Ｚ軸に平行な面と、該第１の光学作
用面との交線上の任意の点において該対称面に近い側か
ら遠い側へ向けて単調に増加する、（Ｆ）該θ１ｉは、 ０°≦θ１ｉ≦２１° （但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス
方向が２つ以上存在する場合は、ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖ
ｉ＝１，θ１ｉ＝０°とし、該θ１ｉは、該Ｙ軸正方向
を上にして該原点側から該第１の光学作用面を見た場合
に、該対称面の右側では時計周りを正方向、該対称面の
左側では反時計周りを正方向とする。）の条件（Ｄ），
（Ｅ），（Ｆ）のうち、少なくとも１つを満足すること
を特徴としている。
【００１８】請求項３の発明の光学機器は請求項１又は
２の発明の光学系を備えることを特徴としている。
２の発明の光学系を備えることを特徴としている。
【００１９】請求項４の発明の光学系は、原画を観察者
に拡大して観察せしめる光学系において、該光学系は第
１の光学作用面と、第２の光学作用面とを有し、該原画
から射出した光は、該第２の光学作用面で反射した後、
該第１の光学作用面で反射することによって、該観察者
の眼に導光されており、該原画の中心から射出し、該第
２光学作用面及び第１の光学作用面を介して、該光学系
の射出瞳中心を通る光線を基準軸光線、該射出瞳中心を
原点、該原点から逆トレースした該基準軸光線のうち、
該原点から伸びる線分を含む軸をＺ軸（該原点から該観
察光学系に向かう方向を正方向）、該基準軸光線を含む
平面内で該Ｚ軸に直交する軸をＹ軸（該原点から逆トレ
ースした該基準軸光線が該第１の光学作用面で屈曲した
方向の成分を含む方向を正方向）と定義し、該第２の光
学作用面は、該基準軸光線を含む平面を唯一の対称面と
した回転非対称な非球面形状であり、（Ａ）該第２の光
学作用面での光線有効範囲内の任意の点ｉ上の接面法線
を中心にした接面内全アジムス方向の局所的曲率半径の
うち、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス方
向をｕｉ軸、該ｕｉ軸に垂直なアジムス方向をｖｉ軸と
定義し、該任意の点ｉにおける該ｕｉ軸方向の局所的曲
率半径をｒ２Ｌｕｉ、該ｖｉ軸方向の局所的曲率半径を
ｒ２Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦１２．０ （Ｂ）該対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ２ｉとする
とき、該θ２ｉの絶対値は、該対称面に垂直で且つ該Ｚ
軸を含む若しくは該Ｚ軸に平行な面と、該第２の光学作
用面との交線上の任意の点において該対称面に近い側か
ら遠い側へ向けて単調に増加する、（Ｃ）該θ２ｉは、 ０°≦θ２ｉ≦３５° （但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス
方向が２つ以上存在する場合は、ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖ
ｉ＝１，θ２ｉ＝０°とし、該θ２ｉは、該Ｙ軸正方向
を上にして該原点側から該第２の光学作用面を見た場合
に、該対称面の右側では時計周りを正方向、該対称面の
左側では反時計周りを正方向とする。）の条件（Ａ），
（Ｂ），（Ｃ）のうち、少なくとも１つを満足すること
を特徴としている。
に拡大して観察せしめる光学系において、該光学系は第
１の光学作用面と、第２の光学作用面とを有し、該原画
から射出した光は、該第２の光学作用面で反射した後、
該第１の光学作用面で反射することによって、該観察者
の眼に導光されており、該原画の中心から射出し、該第
２光学作用面及び第１の光学作用面を介して、該光学系
の射出瞳中心を通る光線を基準軸光線、該射出瞳中心を
原点、該原点から逆トレースした該基準軸光線のうち、
該原点から伸びる線分を含む軸をＺ軸（該原点から該観
察光学系に向かう方向を正方向）、該基準軸光線を含む
平面内で該Ｚ軸に直交する軸をＹ軸（該原点から逆トレ
ースした該基準軸光線が該第１の光学作用面で屈曲した
方向の成分を含む方向を正方向）と定義し、該第２の光
学作用面は、該基準軸光線を含む平面を唯一の対称面と
した回転非対称な非球面形状であり、（Ａ）該第２の光
学作用面での光線有効範囲内の任意の点ｉ上の接面法線
を中心にした接面内全アジムス方向の局所的曲率半径の
うち、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス方
向をｕｉ軸、該ｕｉ軸に垂直なアジムス方向をｖｉ軸と
定義し、該任意の点ｉにおける該ｕｉ軸方向の局所的曲
率半径をｒ２Ｌｕｉ、該ｖｉ軸方向の局所的曲率半径を
ｒ２Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦１２．０ （Ｂ）該対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ２ｉとする
とき、該θ２ｉの絶対値は、該対称面に垂直で且つ該Ｚ
軸を含む若しくは該Ｚ軸に平行な面と、該第２の光学作
用面との交線上の任意の点において該対称面に近い側か
ら遠い側へ向けて単調に増加する、（Ｃ）該θ２ｉは、 ０°≦θ２ｉ≦３５° （但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス
方向が２つ以上存在する場合は、ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖ
ｉ＝１，θ２ｉ＝０°とし、該θ２ｉは、該Ｙ軸正方向
を上にして該原点側から該第２の光学作用面を見た場合
に、該対称面の右側では時計周りを正方向、該対称面の
左側では反時計周りを正方向とする。）の条件（Ａ），
（Ｂ），（Ｃ）のうち、少なくとも１つを満足すること
を特徴としている。
【００２０】請求項５の発明は請求項４の発明におい
て、前記光学系は、前記第１の光学作用面と前記第２の
光学作用面、そして第３の光学作用面を有する透明な光
学材料よりなる光学素子を有し、前記原画からの光は、
該第３の光学作用面より該光学素子に入射し、順に、該
第２の光学作用面、該第１の光学作用面で反射した後、
該第２の光学作用面より出射することを特徴としてい
る。
て、前記光学系は、前記第１の光学作用面と前記第２の
光学作用面、そして第３の光学作用面を有する透明な光
学材料よりなる光学素子を有し、前記原画からの光は、
該第３の光学作用面より該光学素子に入射し、順に、該
第２の光学作用面、該第１の光学作用面で反射した後、
該第２の光学作用面より出射することを特徴としてい
る。
【００２１】請求項６の発明の光学系は、原画を観察者
に拡大して観察せしめる光学系において、該光学系は第
１の光学作用面と、第２の光学作用面とを有し、該原画
から射出した光は、該第２の光学作用面で反射した後、
該第１の光学作用面で反射することによって、該観察者
の眼に導光されており、該原画の中心から射出し、該第
２光学作用面及び第１の光学作用面を介して、該光学系
の射出瞳中心を通る光線を基準軸光線、該射出瞳中心を
原点、該原点から逆トレースした該基準軸光線のうち、
該原点から伸びる線分を含む軸をＺ軸（該原点から該観
察光学系に向かう方向を正方向）、該基準軸光線を含む
平面内で該Ｚ軸に直交する軸をＹ軸（該原点から逆トレ
ースした該基準軸光線が該第１の光学作用面で屈曲した
方向の成分を含む方向を正方向）と定義し、該第１の光
学作用面は、該基準軸光線を含む平面を唯一の対称面と
した回転非対称な非球面形状であり、（Ｄ）該第１の光
学作用面での光線有効範囲内の任意の点ｉ上の接面法線
を中心にした接面内全アジムス方向の局所的曲率半径の
うち、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス方
向をｕｉ軸、該ｕｉ軸に垂直なアジムス方向をｖｉ軸と
定義し、該任意の点ｉにおける該ｕｉ軸方向の局所的曲
率半径をｒ１Ｌｕｉ、該ｖｉ軸方向の局所的曲率半径を
ｒ１Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦２．０ （Ｅ）該対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ１ｉとする
とき、該θ１ｉの絶対値は、該対称面に垂直で且つ該Ｚ
軸を含む若しくは該Ｚ軸に平行な面と、該第１の光学作
用面との交線上の任意の点において該対称面に近い側か
ら遠い側へ向けて単調に増加する、（Ｆ）該θ１ｉは、 ０°≦θ１ｉ≦２１° （但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス
方向が２つ以上存在する場合は、ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖ
ｉ＝１，θ１ｉ＝０°とし、該θ１ｉは、該Ｙ軸正方向
を上にして該原点側から該第１の光学作用面を見た場合
に、該対称面の右側では時計周りを正方向、該対称面の
左側では反時計周りを正方向とする。）の条件（Ｄ），
（Ｅ），（Ｆ）のうち、少なくとも１つを満足すること
を特徴としている。
に拡大して観察せしめる光学系において、該光学系は第
１の光学作用面と、第２の光学作用面とを有し、該原画
から射出した光は、該第２の光学作用面で反射した後、
該第１の光学作用面で反射することによって、該観察者
の眼に導光されており、該原画の中心から射出し、該第
２光学作用面及び第１の光学作用面を介して、該光学系
の射出瞳中心を通る光線を基準軸光線、該射出瞳中心を
原点、該原点から逆トレースした該基準軸光線のうち、
該原点から伸びる線分を含む軸をＺ軸（該原点から該観
察光学系に向かう方向を正方向）、該基準軸光線を含む
平面内で該Ｚ軸に直交する軸をＹ軸（該原点から逆トレ
ースした該基準軸光線が該第１の光学作用面で屈曲した
方向の成分を含む方向を正方向）と定義し、該第１の光
学作用面は、該基準軸光線を含む平面を唯一の対称面と
した回転非対称な非球面形状であり、（Ｄ）該第１の光
学作用面での光線有効範囲内の任意の点ｉ上の接面法線
を中心にした接面内全アジムス方向の局所的曲率半径の
うち、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス方
向をｕｉ軸、該ｕｉ軸に垂直なアジムス方向をｖｉ軸と
定義し、該任意の点ｉにおける該ｕｉ軸方向の局所的曲
率半径をｒ１Ｌｕｉ、該ｖｉ軸方向の局所的曲率半径を
ｒ１Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦２．０ （Ｅ）該対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ１ｉとする
とき、該θ１ｉの絶対値は、該対称面に垂直で且つ該Ｚ
軸を含む若しくは該Ｚ軸に平行な面と、該第１の光学作
用面との交線上の任意の点において該対称面に近い側か
ら遠い側へ向けて単調に増加する、（Ｆ）該θ１ｉは、 ０°≦θ１ｉ≦２１° （但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス
方向が２つ以上存在する場合は、ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖ
ｉ＝１，θ１ｉ＝０°とし、該θ１ｉは、該Ｙ軸正方向
を上にして該原点側から該第１の光学作用面を見た場合
に、該対称面の右側では時計周りを正方向、該対称面の
左側では反時計周りを正方向とする。）の条件（Ｄ），
（Ｅ），（Ｆ）のうち、少なくとも１つを満足すること
を特徴としている。
【００２２】請求項７の発明は請求項６の発明におい
て、前記光学系は、前記第１の光学作用面と前記第２の
光学作用面、そして第３の光学作用面を有する透明な光
学材料よりなる光学素子を有し、前記原画からの光は、
該第３の光学作用面より該光学素子に入射し、順に、該
第２の光学作用面、該第１の光学作用面で反射した後、
該第２の光学作用面より出射することを特徴としてい
る。
て、前記光学系は、前記第１の光学作用面と前記第２の
光学作用面、そして第３の光学作用面を有する透明な光
学材料よりなる光学素子を有し、前記原画からの光は、
該第３の光学作用面より該光学素子に入射し、順に、該
第２の光学作用面、該第１の光学作用面で反射した後、
該第２の光学作用面より出射することを特徴としてい
る。
【００２３】請求項８の発明の画像観察装置は請求項４
から７のいずれか１項の光学系と原画を表示する画像表
示手段とを有することを特徴としている。
から７のいずれか１項の光学系と原画を表示する画像表
示手段とを有することを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明の光学系の基本構成の光学
的作用について図１及び図２を用いて説明する。図１及
び図２は光学系を画像観察光学系として用いた場合を示
している。図中、Ｓは観察者の望ましき瞳孔位置（絞り
位置）、Ｓ１は第一の反射面（光学作用面）、Ｓ２は第
２の反射面（光学作用面）である。これらの各光学作用
面Ｓ１，Ｓ２は滑らかな面より成っている。Ｐは焦平面
としての画像表示手段（表示デバイス）の表示面が置か
れる。
的作用について図１及び図２を用いて説明する。図１及
び図２は光学系を画像観察光学系として用いた場合を示
している。図中、Ｓは観察者の望ましき瞳孔位置（絞り
位置）、Ｓ１は第一の反射面（光学作用面）、Ｓ２は第
２の反射面（光学作用面）である。これらの各光学作用
面Ｓ１，Ｓ２は滑らかな面より成っている。Ｐは焦平面
としての画像表示手段（表示デバイス）の表示面が置か
れる。
【００２５】以下、光学系の説明は便宜上瞳孔Ｓ側から
光が射出し、表示面Ｐに至る系で説明するが、実際の画
像観察光学系などの場合は、表示面Ｐから光が発し、瞳
孔Ｓ側に光が入射する系となる。
光が射出し、表示面Ｐに至る系で説明するが、実際の画
像観察光学系などの場合は、表示面Ｐから光が発し、瞳
孔Ｓ側に光が入射する系となる。
【００２６】図１，２の光学系において、光学系を介し
て表示面Ｐの中心Ｐｏと瞳孔Ｓの中心を結ぶ光路をとる
光線を基準軸Ｌｏとする。又、表示面Ｐ上の各点と瞳孔
Ｓの中心を結ぶ光路をとる光線を主光線Ｌとする。
て表示面Ｐの中心Ｐｏと瞳孔Ｓの中心を結ぶ光路をとる
光線を基準軸Ｌｏとする。又、表示面Ｐ上の各点と瞳孔
Ｓの中心を結ぶ光路をとる光線を主光線Ｌとする。
【００２７】図１に示すように、第１の反射面Ｓ１は瞳
孔Ｓからの主光線Ｌが第１の反射面Ｓ１における反射に
より像側に向かってほぼテレセントリックとなり、さら
に平均像面が基準軸光線Ｌｏに垂直な平面Ｈに略重なる
ような形状に決定されている。
孔Ｓからの主光線Ｌが第１の反射面Ｓ１における反射に
より像側に向かってほぼテレセントリックとなり、さら
に平均像面が基準軸光線Ｌｏに垂直な平面Ｈに略重なる
ような形状に決定されている。
【００２８】ここで、平均像面とは略無限遠の物体から
発し、瞳孔Ｓを通る光束を紙面内で基準軸光線Ｌｏを含
む断面（後述ＹＺ断面）と基準軸光線Ｌｏを含み紙面に
垂直な断面（後述ＸＺ断面）に分けて考え、それぞれの
断面内の光線の結像位置の中間点を含む面のことであ
る。
発し、瞳孔Ｓを通る光束を紙面内で基準軸光線Ｌｏを含
む断面（後述ＹＺ断面）と基準軸光線Ｌｏを含み紙面に
垂直な断面（後述ＸＺ断面）に分けて考え、それぞれの
断面内の光線の結像位置の中間点を含む面のことであ
る。
【００２９】図１においては、ある画角の光束において
点ＭｅがＹＺ断面内の光線の結像点であり、点ＳａがＸ
Ｚ断面内の光線の結像点である。このとき主光線Ｌにお
ける点Ｍｅと点Ｓａとの中点Ｑが平均像面上の点とな
り、点Ｍｅと点Ｓａの差が非点収差である。主光線のテ
レセントリック性と像の歪みは反射面の全体的な形状に
影響され、各光束の結像状態（像面、非点収差）は面の
局所的な形状に影響される。
点ＭｅがＹＺ断面内の光線の結像点であり、点ＳａがＸ
Ｚ断面内の光線の結像点である。このとき主光線Ｌにお
ける点Ｍｅと点Ｓａとの中点Ｑが平均像面上の点とな
り、点Ｍｅと点Ｓａの差が非点収差である。主光線のテ
レセントリック性と像の歪みは反射面の全体的な形状に
影響され、各光束の結像状態（像面、非点収差）は面の
局所的な形状に影響される。
【００３０】従来例で記したように、これらの収差の補
正を一つの反射面で達成することは困難である。したが
って、本発明では、第一の反射面Ｓ１は、主光線のテレ
セントリック性と像の歪みを補正し、かつ平均像面を前
記平面Ｈにそろえることを主眼とし、残存する非点収差
は第２の反射面Ｓ２で補正を行っている。
正を一つの反射面で達成することは困難である。したが
って、本発明では、第一の反射面Ｓ１は、主光線のテレ
セントリック性と像の歪みを補正し、かつ平均像面を前
記平面Ｈにそろえることを主眼とし、残存する非点収差
は第２の反射面Ｓ２で補正を行っている。
【００３１】第２の光学作用面Ｓ２は図２に示すよう
な、主に光束の非点収差を補正する形状をとる。具体的
にはＹＺ断面内の光線の局所的な結像倍率が第１の光学
作用面Ｓ１に近い側（Ａ）から遠い側（Ｂ）に向かって
大きくなるようにＸＺ断面内の光線の局所的な結像倍率
が第１の光学作用面に近い側（Ａ）から遠い側（Ｂ）に
向かって小さくなるようにすればよい。局所的な面の倍
率とは、図２に示すように当該面の物体距離ｂ’に対す
る像距離ｂ”の比ｂ”／ｂ’のことである。
な、主に光束の非点収差を補正する形状をとる。具体的
にはＹＺ断面内の光線の局所的な結像倍率が第１の光学
作用面Ｓ１に近い側（Ａ）から遠い側（Ｂ）に向かって
大きくなるようにＸＺ断面内の光線の局所的な結像倍率
が第１の光学作用面に近い側（Ａ）から遠い側（Ｂ）に
向かって小さくなるようにすればよい。局所的な面の倍
率とは、図２に示すように当該面の物体距離ｂ’に対す
る像距離ｂ”の比ｂ”／ｂ’のことである。
【００３２】本発明はこの考え方にもとづいて、第１の
光学作用面Ｓ１や第２の光学作用面Ｓ２を最適な形状に
設定することで像面湾曲や非点収差を補正している。
光学作用面Ｓ１や第２の光学作用面Ｓ２を最適な形状に
設定することで像面湾曲や非点収差を補正している。
【００３３】ここで、図８の如く、瞳孔Ｓの中心（射出
瞳中心）を原点、原点から逆トレースした基準軸光線Ｌ
ｏのうち、原点から伸びる線分を含む軸をＺ軸（原点か
ら光学系に向かう方向を正方向）、基準軸光線Ｌｏを含
む平面内でＺ軸に直交する軸をＹ軸（原点から逆トレー
スした基準軸光線Ｌｏが第１の光学作用面で屈曲した方
向の成分を含む方向を正方向）、Ｚ軸，Ｙ軸に直交する
軸をＸ軸（便宜上、紙面手前から奥を正方向）としたＸ
ＹＺ座標系を定義する。
瞳中心）を原点、原点から逆トレースした基準軸光線Ｌ
ｏのうち、原点から伸びる線分を含む軸をＺ軸（原点か
ら光学系に向かう方向を正方向）、基準軸光線Ｌｏを含
む平面内でＺ軸に直交する軸をＹ軸（原点から逆トレー
スした基準軸光線Ｌｏが第１の光学作用面で屈曲した方
向の成分を含む方向を正方向）、Ｚ軸，Ｙ軸に直交する
軸をＸ軸（便宜上、紙面手前から奥を正方向）としたＸ
ＹＺ座標系を定義する。
【００３４】本実施形態において、第２の光学作用面Ｓ
２は、ＹＺ平面（基準軸光線Ｌｏを含む平面）を唯一の
対称面とした回転非対称な非球面形状であり、以下の条
件（Ａ）〜（Ｃ）のうち、少なくとも１つを満足する形
状としている。
２は、ＹＺ平面（基準軸光線Ｌｏを含む平面）を唯一の
対称面とした回転非対称な非球面形状であり、以下の条
件（Ａ）〜（Ｃ）のうち、少なくとも１つを満足する形
状としている。
【００３５】（Ａ）第２の光学作用面での光線有効範囲
内の任意の点ｉ上の接面法線を中心にした接面内全アジ
ムス方向の局所的曲率半径のうち、局所的曲率半径の絶
対値が最大となるアジムス方向をｕｉ軸、ｕｉ軸に垂直
なアジムス方向をｖｉ軸と定義し、任意の点ｉにおける
ｕｉ軸方向の局所的曲率半径をｒ２Ｌｕｉ、ｖｉ軸方向
の局所的曲率半径をｒ２Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦１２．０ （Ｂ）対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ２ｉとすると
き、θ２ｉの絶対値は、対称面に垂直で且つＺ軸を含む
若しくはＺ軸に平行な面と、第２の光学作用面との交線
上の任意の点において対称面に近い側から遠い側へ向け
て単調に増加する、 （Ｃ）θ２ｉは、 ０°≦θ２ｉ≦３５° 但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス方
向が２つ以上存在する場合は、ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ
＝１，θ２ｉ＝０°とし、θ２ｉは、Ｙ軸正方向を上に
して原点側から第２の光学作用面を見た場合に、対称面
の右側では時計周りを正方向、対称面の左側では反時計
周りを正方向とする。
内の任意の点ｉ上の接面法線を中心にした接面内全アジ
ムス方向の局所的曲率半径のうち、局所的曲率半径の絶
対値が最大となるアジムス方向をｕｉ軸、ｕｉ軸に垂直
なアジムス方向をｖｉ軸と定義し、任意の点ｉにおける
ｕｉ軸方向の局所的曲率半径をｒ２Ｌｕｉ、ｖｉ軸方向
の局所的曲率半径をｒ２Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦１２．０ （Ｂ）対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ２ｉとすると
き、θ２ｉの絶対値は、対称面に垂直で且つＺ軸を含む
若しくはＺ軸に平行な面と、第２の光学作用面との交線
上の任意の点において対称面に近い側から遠い側へ向け
て単調に増加する、 （Ｃ）θ２ｉは、 ０°≦θ２ｉ≦３５° 但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス方
向が２つ以上存在する場合は、ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ
＝１，θ２ｉ＝０°とし、θ２ｉは、Ｙ軸正方向を上に
して原点側から第２の光学作用面を見た場合に、対称面
の右側では時計周りを正方向、対称面の左側では反時計
周りを正方向とする。
【００３６】又、本実施形態において、第１の光学作用
面Ｓ１は、ＹＺ平面（基準軸光線Ｌｏを含む平面）を唯
一の対称面とした回転非対称な非球面形状であり、以下
の条件（Ｄ）〜（Ｆ）のうち、少なくとも１つを満足す
る形状としている。
面Ｓ１は、ＹＺ平面（基準軸光線Ｌｏを含む平面）を唯
一の対称面とした回転非対称な非球面形状であり、以下
の条件（Ｄ）〜（Ｆ）のうち、少なくとも１つを満足す
る形状としている。
【００３７】（Ｄ）第１の光学作用面での光線有効範囲
内の任意の点ｉ上の接面法線を中心にした接面内全アジ
ムス方向の局所的曲率半径のうち、局所的曲率半径の絶
対値が最大となるアジムス方向をｕｉ軸、ｕｉ軸に垂直
なアジムス方向をｖｉ軸と定義し、任意の点ｉにおける
ｕｉ軸方向の局所的曲率半径をｒ１Ｌｕｉ、ｖｉ軸方向
の局所的曲率半径をｒ１Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦２．０ （Ｅ）対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ１ｉとすると
き、θ１ｉの絶対値は、対称面に垂直で且つＺ軸を含む
若しくはＺ軸に平行な面と、第１の光学作用面との交線
上の任意の点において対称面に近い側から遠い側へ向け
て単調に増加する、 （Ｆ）θ１ｉは、 ０°≦θ１ｉ≦２１° 但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス方
向が２つ以上存在する場合は、ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ
＝１，θ１ｉ＝０°とし、θ１ｉは、Ｙ軸正方向を上に
して原点側から第１の光学作用面を見た場合に、対称面
の右側では時計周りを正方向、対称面の左側では反時計
周りを正方向とする。
内の任意の点ｉ上の接面法線を中心にした接面内全アジ
ムス方向の局所的曲率半径のうち、局所的曲率半径の絶
対値が最大となるアジムス方向をｕｉ軸、ｕｉ軸に垂直
なアジムス方向をｖｉ軸と定義し、任意の点ｉにおける
ｕｉ軸方向の局所的曲率半径をｒ１Ｌｕｉ、ｖｉ軸方向
の局所的曲率半径をｒ１Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦２．０ （Ｅ）対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ１ｉとすると
き、θ１ｉの絶対値は、対称面に垂直で且つＺ軸を含む
若しくはＺ軸に平行な面と、第１の光学作用面との交線
上の任意の点において対称面に近い側から遠い側へ向け
て単調に増加する、 （Ｆ）θ１ｉは、 ０°≦θ１ｉ≦２１° 但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス方
向が２つ以上存在する場合は、ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ
＝１，θ１ｉ＝０°とし、θ１ｉは、Ｙ軸正方向を上に
して原点側から第１の光学作用面を見た場合に、対称面
の右側では時計周りを正方向、対称面の左側では反時計
周りを正方向とする。
【００３８】ところで、第２の光学作用面Ｓ２の光線有
効範囲は、表示面Ｐ上の任意の点から射出し、射出瞳Ｓ
の中心を通る主光線の内、Ｘ方向画角ゼロ、Ｘ方向最大
画角、Ｙ正方向最大画角、Ｙ方向画角ゼロ、Ｙ負方向最
大画角のＸ方向、Ｙ方向の組み合わせにより決まる６つ
の主光線と第２の光学作用面Ｓ２が反射で作用する面領
域とのそれぞれの交点を求め、この交点全てを含む範囲
と、該範囲をＹＺ平面に対して折り返した範囲とする。
効範囲は、表示面Ｐ上の任意の点から射出し、射出瞳Ｓ
の中心を通る主光線の内、Ｘ方向画角ゼロ、Ｘ方向最大
画角、Ｙ正方向最大画角、Ｙ方向画角ゼロ、Ｙ負方向最
大画角のＸ方向、Ｙ方向の組み合わせにより決まる６つ
の主光線と第２の光学作用面Ｓ２が反射で作用する面領
域とのそれぞれの交点を求め、この交点全てを含む範囲
と、該範囲をＹＺ平面に対して折り返した範囲とする。
【００３９】また、第１の光学作用面Ｓ１の光線有効範
囲は、表示面Ｐ上の任意の点から射出し、射出瞳Ｓの中
心を通る主光線の内、Ｘ方向画角ゼロ、Ｘ方向最大画
角、Ｙ正方向最大画角、Ｙ方向画角ゼロ、Ｙ負方向最大
画角のＸ方向、Ｙ方向の組み合わせにより決まる６つの
主光線と第１の光学作用面Ｓ１との交点を求め、この交
点全てを含む範囲と、該範囲をＹＺ平面に対して折り返
した範囲とする。
囲は、表示面Ｐ上の任意の点から射出し、射出瞳Ｓの中
心を通る主光線の内、Ｘ方向画角ゼロ、Ｘ方向最大画
角、Ｙ正方向最大画角、Ｙ方向画角ゼロ、Ｙ負方向最大
画角のＸ方向、Ｙ方向の組み合わせにより決まる６つの
主光線と第１の光学作用面Ｓ１との交点を求め、この交
点全てを含む範囲と、該範囲をＹＺ平面に対して折り返
した範囲とする。
【００４０】尚、本実施形態においては各面の光線有効
範囲を上記のように定義したが、それに限定されるもの
ではなく、各面の光線有効範囲を各光学作用面の鏡面部
領域から内側に設けた任意の領域とし、鏡面部から光線
有効範囲までの最短距離を５ｍｍ以上としても良い。こ
の範囲は、あくまでも本実施例の数値限定を適用する範
囲の指定であり、この範囲外に光線が入出射あるいは反
射しても構わない。
範囲を上記のように定義したが、それに限定されるもの
ではなく、各面の光線有効範囲を各光学作用面の鏡面部
領域から内側に設けた任意の領域とし、鏡面部から光線
有効範囲までの最短距離を５ｍｍ以上としても良い。こ
の範囲は、あくまでも本実施例の数値限定を適用する範
囲の指定であり、この範囲外に光線が入出射あるいは反
射しても構わない。
【００４１】ここで示したような形状を有する２つの反
射面により、像の歪み、像面、非点収差、テレセントリ
ック性を補正することが可能となるが、第２の光学作用
面Ｓ２と表示面Ｐの間の表示面の近傍に、第３の光学作
用面Ｓ３（不図示）を配置することにより、第２の光学
作用面Ｓ２の形状により変化する僅かな像の歪みやテレ
セントリック性のずれ、部分的な像面の変動をさらに良
くすることができる。
射面により、像の歪み、像面、非点収差、テレセントリ
ック性を補正することが可能となるが、第２の光学作用
面Ｓ２と表示面Ｐの間の表示面の近傍に、第３の光学作
用面Ｓ３（不図示）を配置することにより、第２の光学
作用面Ｓ２の形状により変化する僅かな像の歪みやテレ
セントリック性のずれ、部分的な像面の変動をさらに良
くすることができる。
【００４２】表示面Ｐの近傍に屈折面である第３の光学
作用面Ｓ３を設けることにより、表示面Ｐの各点（像
点）に至る光束の重なりが減少するので、面の局所的な
形状の変化で、像点の部分的な補正が可能となる。この
ように光学系に第３の光学作用面を設ければ、さきに述
べた第１の反射面Ｓ１、第２の反射面Ｓ２により補正し
きれない収差を容易に補正することができる。
作用面Ｓ３を設けることにより、表示面Ｐの各点（像
点）に至る光束の重なりが減少するので、面の局所的な
形状の変化で、像点の部分的な補正が可能となる。この
ように光学系に第３の光学作用面を設ければ、さきに述
べた第１の反射面Ｓ１、第２の反射面Ｓ２により補正し
きれない収差を容易に補正することができる。
【００４３】以上、わかりやすくするために各反射面を
空気上に配置して説明したが、以下の実施形態ではガラ
スやプラスチックなどの透明な光学材料を媒質として第
１の光学作用面Ｓ１、第２の光学作用面Ｓ２、そして屈
折面である第３の光学作用面Ｓ３をその上に形成したも
のを示す。このとき第２の光学作用面Ｓ２での反射を全
反射とし、表示面Ｐから射出する光束はまず第３の光学
作用面Ｓ３を透過して第２の光学作用面Ｓ２へ向かい、
この面で全反射して第１の光学作用面Ｓ１へ向かい、こ
の面で反射して再び第２の光学作用面へ向かい、今度は
この面Ｓ２を透過して観察者の瞳孔Ｓに達する。
空気上に配置して説明したが、以下の実施形態ではガラ
スやプラスチックなどの透明な光学材料を媒質として第
１の光学作用面Ｓ１、第２の光学作用面Ｓ２、そして屈
折面である第３の光学作用面Ｓ３をその上に形成したも
のを示す。このとき第２の光学作用面Ｓ２での反射を全
反射とし、表示面Ｐから射出する光束はまず第３の光学
作用面Ｓ３を透過して第２の光学作用面Ｓ２へ向かい、
この面で全反射して第１の光学作用面Ｓ１へ向かい、こ
の面で反射して再び第２の光学作用面へ向かい、今度は
この面Ｓ２を透過して観察者の瞳孔Ｓに達する。
【００４４】図３は本発明の画像観察光学系の１つの実
施形態の要部概略図である。図中、Ｂ１は光学素子であ
り、第１、第２、第３の光学作用面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を
有している。なお、いずれの面も回転非対称な非球面で
あって１つの対称面（ＹＺ平面）に対してのみ対称な形
状をしている。Ｓは観察者の望ましき瞳孔位置又は絞り
位置、Ｐは液晶ディスプレイ等の画像表示手段の表示面
である。
施形態の要部概略図である。図中、Ｂ１は光学素子であ
り、第１、第２、第３の光学作用面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を
有している。なお、いずれの面も回転非対称な非球面で
あって１つの対称面（ＹＺ平面）に対してのみ対称な形
状をしている。Ｓは観察者の望ましき瞳孔位置又は絞り
位置、Ｐは液晶ディスプレイ等の画像表示手段の表示面
である。
【００４５】第３の光学作用面Ｓ３の形状は対称面に対
してのみ対称な非球面であって、表示面Ｐの中心から出
射する（又は表示面Ｐに対して略垂直に対称面上に出射
する）基準軸光線Ｌｏがほぼ垂直に入射するよう配置し
ており、第２の光学作用面Ｓ２の形状は該対称面に対し
てのみ対称な非球面であって、第３の光学作用面Ｓ３を
屈折した基準軸光線Ｌｏに対して傾斜して配置してお
り、基準軸光線Ｌｏを全反射する。
してのみ対称な非球面であって、表示面Ｐの中心から出
射する（又は表示面Ｐに対して略垂直に対称面上に出射
する）基準軸光線Ｌｏがほぼ垂直に入射するよう配置し
ており、第２の光学作用面Ｓ２の形状は該対称面に対し
てのみ対称な非球面であって、第３の光学作用面Ｓ３を
屈折した基準軸光線Ｌｏに対して傾斜して配置してお
り、基準軸光線Ｌｏを全反射する。
【００４６】第１の光学作用面Ｓ１は該対称面に対して
のみ対称で全体として強い凹面の非球面反射面（面上に
反射膜を着けている）であって、第２の光学作用面Ｓ２
で全反射された基準軸光線Ｌｏに対して傾斜して配置し
ており、第１の光学作用面Ｓ１で反射された基準軸光線
Ｌｏは第２の光学作用面Ｓ２を透過して瞳孔Ｓに達して
いる。
のみ対称で全体として強い凹面の非球面反射面（面上に
反射膜を着けている）であって、第２の光学作用面Ｓ２
で全反射された基準軸光線Ｌｏに対して傾斜して配置し
ており、第１の光学作用面Ｓ１で反射された基準軸光線
Ｌｏは第２の光学作用面Ｓ２を透過して瞳孔Ｓに達して
いる。
【００４７】本実施形態の光学的作用について説明す
る。表示面Ｐで表示した画像から射出する光束はまず第
３の光学作用面Ｓ３を透過して第２の光学作用面Ｓ２へ
向かい、この面Ｓ２で全反射して第１の光学作用面Ｓ１
へ向かい、この面Ｓ１で反射して収束光となり、再び第
２の光学作用面Ｓ２へ向かい、今度はこの面Ｓ２を透過
して観察者の瞳孔Ｓに達して観察者に表示面Ｐの虚像を
視認させる。
る。表示面Ｐで表示した画像から射出する光束はまず第
３の光学作用面Ｓ３を透過して第２の光学作用面Ｓ２へ
向かい、この面Ｓ２で全反射して第１の光学作用面Ｓ１
へ向かい、この面Ｓ１で反射して収束光となり、再び第
２の光学作用面Ｓ２へ向かい、今度はこの面Ｓ２を透過
して観察者の瞳孔Ｓに達して観察者に表示面Ｐの虚像を
視認させる。
【００４８】本実施形態の光学系は第１，第２の光学作
用面を偏心面で構成しているので、光学系の形状を表す
為に絶対座標系とローカル座標系を設定する。図４は絶
対座標系とローカル座標系の説明図である。これについ
て説明する。
用面を偏心面で構成しているので、光学系の形状を表す
為に絶対座標系とローカル座標系を設定する。図４は絶
対座標系とローカル座標系の説明図である。これについ
て説明する。
【００４９】絶対座標系は、既に図８を用いて説明した
座標系と同じものであるが、ここで再度の説明を行う。
絶対座標系の原点は観察者の望ましき瞳孔位置Ｓの中心
Ｏに設定し、Ｚ軸は点Ｏを通り瞳孔面に垂直な直線であ
り、紙面上にある。Ｙ軸は原点Ｏを通り紙面上でＺ軸に
対して反時計周りに90°の角度をなす直線である。Ｘ軸
は原点Ｏを通り、Ｙ，Ｚ軸に対して直交する直線であ
る。なお、Ｚ軸は画像表示手段の表示面Ｐの中心から表
示面Ｐに対して略垂直に発し、瞳孔Ｓの中心に至る基準
軸光線Ｌｏと重なっている。
座標系と同じものであるが、ここで再度の説明を行う。
絶対座標系の原点は観察者の望ましき瞳孔位置Ｓの中心
Ｏに設定し、Ｚ軸は点Ｏを通り瞳孔面に垂直な直線であ
り、紙面上にある。Ｙ軸は原点Ｏを通り紙面上でＺ軸に
対して反時計周りに90°の角度をなす直線である。Ｘ軸
は原点Ｏを通り、Ｙ，Ｚ軸に対して直交する直線であ
る。なお、Ｚ軸は画像表示手段の表示面Ｐの中心から表
示面Ｐに対して略垂直に発し、瞳孔Ｓの中心に至る基準
軸光線Ｌｏと重なっている。
【００５０】ローカル座標の原点Ｏｉは絶対座標（ＳＸ
ｉ，ＳＹｉ，ＳＺｉ）で各面毎に設定する。ローカル座
標のｚ軸はＹＺ平面内で原点Ｏｉを通り、絶対座標系の
Ｚ軸と角度Ａｉをなす直線である。ｙ軸は原点Ｏｉを通
りｚ軸に対して反時計周りに90°の角度をなす直線であ
る。ｘ軸は原点Ｏｉを通り、ｙ軸及びｚ軸に直交する直
線である。各面の形状はローカル座標で表す。
ｉ，ＳＹｉ，ＳＺｉ）で各面毎に設定する。ローカル座
標のｚ軸はＹＺ平面内で原点Ｏｉを通り、絶対座標系の
Ｚ軸と角度Ａｉをなす直線である。ｙ軸は原点Ｏｉを通
りｚ軸に対して反時計周りに90°の角度をなす直線であ
る。ｘ軸は原点Ｏｉを通り、ｙ軸及びｚ軸に直交する直
線である。各面の形状はローカル座標で表す。
【００５１】本発明の各実施形態において光学作用面の
形状は、円錐係数で定義される円錐関数にゼルニケ多項
式による非球面項を有する形状をしており、以下に示す
関数により表す。
形状は、円錐係数で定義される円錐関数にゼルニケ多項
式による非球面項を有する形状をしており、以下に示す
関数により表す。
【００５２】
【数１】
【００５３】+c1 (x2-y2) +c2 (-1+2x2+2y2) +c3 (-2y+3x2y+3y3) +c4 (3x2y-y3) +c5 (x4-6x2y2+y4) +c6 (-3x2+4x4+3y2-4y4) +c7 (1-6x2+6x4-6y2+12x2y2+6y4) +c8 (3y-12x2y+10x4y-12y3+20x2y3+10y5) +c9 (-12x2y+15x4y+4y3+10x2y3-5y5) +c10(5x4y-10x2y3+y5) +c11(x6-15x4y2+15x2y4-y6) +c12(6x6-30x4y2-30x2y4+6y6-5x4+30x2y2-5y4) +c13(15x6+15x4y2-15x2y4-15y6-20x4+20y4+6x2-6y2) +c14(20x6+60x4y2+60x2y4+20y6-30x4-60x2y2-30y4+12x2
+12y2-1) ここにc は曲率であり、 c＝1/r 、ただしr は各面の基
本曲率半径である。
+12y2-1) ここにc は曲率であり、 c＝1/r 、ただしr は各面の基
本曲率半径である。
【００５４】又、k は各面の円錐係数、cjは各面におけ
るj 番目のゼルニケ多項式の非球面係数である。
るj 番目のゼルニケ多項式の非球面係数である。
【００５５】表１は、実施例１の光学系の構成データー
である。ただし、f は光学素子Ｂ１の焦点距離に相当す
る値で、無限遠物体からの入射光の入射角度θと、その
光線が表示面Ｐで結像する像高ymから f = ym /tan(θ) として算出したものであり、ここでは単に焦点距離と呼
ぶこととする。
である。ただし、f は光学素子Ｂ１の焦点距離に相当す
る値で、無限遠物体からの入射光の入射角度θと、その
光線が表示面Ｐで結像する像高ymから f = ym /tan(θ) として算出したものであり、ここでは単に焦点距離と呼
ぶこととする。
【００５６】ここで、局所的な曲率半径ｒＬｘ及びｒＬ
ｙについてより詳細に説明する。図５は局所的な曲率半
径ｒＬｘ及びｒＬｙの説明図である。
ｙについてより詳細に説明する。図５は局所的な曲率半
径ｒＬｘ及びｒＬｙの説明図である。
【００５７】局所的な曲率半径ｒＬｘとは図５（Ａ）に
示すように面ＳｉとＸＺ平面に平行な平面（図ではｙ＝
ｙＴだけ離れている）との交線上における局所的な曲率
半径である。
示すように面ＳｉとＸＺ平面に平行な平面（図ではｙ＝
ｙＴだけ離れている）との交線上における局所的な曲率
半径である。
【００５８】又、局所的な曲率半径ｒＬｙとは図５
（Ａ）に示すように面ＳｉとＹＺ平面に平行な平面（図
ではｘ＝ｘＴだけ離れている）との交線上における局所
的な曲率半径である。ただし、各面の局所的な曲率半径
ｒＬｘ，ｒＬｙの符号は視軸（Ｚ軸）原点上の絶対座標
系に対して、実施例の構成データから決まる各面のロー
カル座標系によるものである。具体的には、ローカル座
標Ｚ軸に対して凹のとき負の値をとる。
（Ａ）に示すように面ＳｉとＹＺ平面に平行な平面（図
ではｘ＝ｘＴだけ離れている）との交線上における局所
的な曲率半径である。ただし、各面の局所的な曲率半径
ｒＬｘ，ｒＬｙの符号は視軸（Ｚ軸）原点上の絶対座標
系に対して、実施例の構成データから決まる各面のロー
カル座標系によるものである。具体的には、ローカル座
標Ｚ軸に対して凹のとき負の値をとる。
【００５９】そして、局所的な曲率半径ｒＬｘ，ｒＬｙ
を接面法線を中心に回転した全アジムス断面の曲率半径
を考えた時、曲率半径の絶対値が最大となるアジムス方
向をｕ軸、ｕ軸と直交する軸をｖ軸とし、ｕ軸方向と、
ｖ軸方向の局所的曲率半径をｒＬｕ，ｒＬｖとする。表
２に、第１、２の光学作用面のｒＬｕ，ｒＬｖを該作用
面の６点において表す。表中の座標は面のローカル座標
である。
を接面法線を中心に回転した全アジムス断面の曲率半径
を考えた時、曲率半径の絶対値が最大となるアジムス方
向をｕ軸、ｕ軸と直交する軸をｖ軸とし、ｕ軸方向と、
ｖ軸方向の局所的曲率半径をｒＬｕ，ｒＬｖとする。表
２に、第１、２の光学作用面のｒＬｕ，ｒＬｖを該作用
面の６点において表す。表中の座標は面のローカル座標
である。
【００６０】特に、本実施形態のように、光学素子の材
料の屈折率が約１．５４〜１．６程度の材料を使用する
場合には、該第２の光学作用面の形状は、下記の条件を
満たすことが更に望ましい。 (a1) ２．７≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦６．０ (c1) ０°≦θ２ｉ≦２６° 第１の光学作用面の形状は、下記の条件を満たすことが
さらに望ましい。 (d1) １．２≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦１．５５ (f1) ０°≦θ１ｉ≦１３° 図６は実施例１の光学系の収差図である。収差図は基準
軸光線Ｌｏ上の像点、基準軸光線Ｌｏに対してｙ方向に
±ωの像点、ｘ方向に+ ηの像点における横収差を示
す。
料の屈折率が約１．５４〜１．６程度の材料を使用する
場合には、該第２の光学作用面の形状は、下記の条件を
満たすことが更に望ましい。 (a1) ２．７≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦６．０ (c1) ０°≦θ２ｉ≦２６° 第１の光学作用面の形状は、下記の条件を満たすことが
さらに望ましい。 (d1) １．２≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦１．５５ (f1) ０°≦θ１ｉ≦１３° 図６は実施例１の光学系の収差図である。収差図は基準
軸光線Ｌｏ上の像点、基準軸光線Ｌｏに対してｙ方向に
±ωの像点、ｘ方向に+ ηの像点における横収差を示
す。
【００６１】又、図７は瞳孔Ｓから表示面Ｐへ光線追跡
した際の像の歪みを碁盤目状に示している。仮に表示面
Ｐにおける像の歪みが糸巻き型であるとき、その光学系
を表示面Ｐから瞳孔Ｓへ光線を追跡すれば、像の歪みは
逆の形のたる型になる。
した際の像の歪みを碁盤目状に示している。仮に表示面
Ｐにおける像の歪みが糸巻き型であるとき、その光学系
を表示面Ｐから瞳孔Ｓへ光線を追跡すれば、像の歪みは
逆の形のたる型になる。
【００６２】表３は実施例２の光学系の構成データーで
ある。表４には本実施例２の第１，第２の光学作用面の
局所的な曲率半径ｒＬｕ，ｒＬｖを該作用面の６点にお
いて表す。
ある。表４には本実施例２の第１，第２の光学作用面の
局所的な曲率半径ｒＬｕ，ｒＬｖを該作用面の６点にお
いて表す。
【００６３】本実施形態は光学素子の材料の屈折率を実
施例１よりも低いもの（屈折率１．５０〜１．５４）を
用いたものである。
施例１よりも低いもの（屈折率１．５０〜１．５４）を
用いたものである。
【００６４】本実施例においても実施例１と同様の条件
で第１，第２の光学作用面の面形状を決めることで、実
施例１と同様の効果が得られるが、特に、本実施形態の
ように、光学素子の材料に実施例１に比べて屈折率の小
さいものを使用する場合には、該第２の光学作用面の形
状は、下記の条件を満たすことが更に望ましい。 (a2) １．８≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦３．７ (c2) ０°≦θ２ｉ≦２６° 又、該第１の光学作用面の形状は、下記の条件を満たす
ことがさらに望ましい。 (d2) １．０≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦１．５ (f2) ０°≦θ１ｉ≦８° 表５は、実施例３の構成データーである。表６には本実
施例の第１、第２の光学作用面の局所的な曲率半径ｒＬ
ｕｉ，ｒＬｖｉを該作用面の６点において表す。
で第１，第２の光学作用面の面形状を決めることで、実
施例１と同様の効果が得られるが、特に、本実施形態の
ように、光学素子の材料に実施例１に比べて屈折率の小
さいものを使用する場合には、該第２の光学作用面の形
状は、下記の条件を満たすことが更に望ましい。 (a2) １．８≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦３．７ (c2) ０°≦θ２ｉ≦２６° 又、該第１の光学作用面の形状は、下記の条件を満たす
ことがさらに望ましい。 (d2) １．０≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦１．５ (f2) ０°≦θ１ｉ≦８° 表５は、実施例３の構成データーである。表６には本実
施例の第１、第２の光学作用面の局所的な曲率半径ｒＬ
ｕｉ，ｒＬｖｉを該作用面の６点において表す。
【００６５】本実施形態は光学素子の材料に実施例２よ
りも更に低い屈折率のものを用いたもの（屈折率１．４
６〜１．５）である。
りも更に低い屈折率のものを用いたもの（屈折率１．４
６〜１．５）である。
【００６６】本実施形態においても実施例１と同様の条
件で第１、第２の光学作用面の面形状を決めることで、
実施例１と同様の効果が得られるが、特に、本実施形態
のように、光学素子の材料の屈折率の小さいものを使用
する場合には、該第２の光学作用面の形状は、下記の条
件を満たすことが更に望ましい。 (a3) １．３≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦５．２ (c3) ０°≦θ２ｉ≦３５° 又、該第１の光学作用面の形状は、下記の条件を満たす
ことがさらに望ましい。 (d3) １．１≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦１．４ (f3) ０°≦θ１ｉ≦１０° 表７は、実施例４の光学系の構成データーである。表８
には本実施例の第１、第２の光学作用面の局所的な曲率
半径ｒＬｕ，ｒＬｖを該作用面の６点において表す。本
実施例は実施例１よりも観察者が光学素子から更に離れ
た位置から観察できるように設計したものである。
件で第１、第２の光学作用面の面形状を決めることで、
実施例１と同様の効果が得られるが、特に、本実施形態
のように、光学素子の材料の屈折率の小さいものを使用
する場合には、該第２の光学作用面の形状は、下記の条
件を満たすことが更に望ましい。 (a3) １．３≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦５．２ (c3) ０°≦θ２ｉ≦３５° 又、該第１の光学作用面の形状は、下記の条件を満たす
ことがさらに望ましい。 (d3) １．１≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦１．４ (f3) ０°≦θ１ｉ≦１０° 表７は、実施例４の光学系の構成データーである。表８
には本実施例の第１、第２の光学作用面の局所的な曲率
半径ｒＬｕ，ｒＬｖを該作用面の６点において表す。本
実施例は実施例１よりも観察者が光学素子から更に離れ
た位置から観察できるように設計したものである。
【００６７】本実施形態においても実施例１と同様の条
件で第１、第２の光学作用面の面形状を決まることで、
実施例１と同様の効果が得られるが、特に、該第２の光
学作用面の形状は、下記の条件を満たすことが更に望ま
しい。 (a4) ４．５≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦１２ (c4) ０°≦θ２ｉ≦２５° 又、該第１の光学作用面の形状は、下記の条件を満たす
ことがさらに望ましい。 (d4) １．３≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦１．６ (f4) ０°≦θ１ｉ≦１３° 表９は、実施形態５の光学系の構成データーである。表
１０には本実施形態の第１、第２の光学作用面の局所的
な曲率半径ｒＬｕ，ｒＬｖを該作用面の６点において表
す。
件で第１、第２の光学作用面の面形状を決まることで、
実施例１と同様の効果が得られるが、特に、該第２の光
学作用面の形状は、下記の条件を満たすことが更に望ま
しい。 (a4) ４．５≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦１２ (c4) ０°≦θ２ｉ≦２５° 又、該第１の光学作用面の形状は、下記の条件を満たす
ことがさらに望ましい。 (d4) １．３≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦１．６ (f4) ０°≦θ１ｉ≦１３° 表９は、実施形態５の光学系の構成データーである。表
１０には本実施形態の第１、第２の光学作用面の局所的
な曲率半径ｒＬｕ，ｒＬｖを該作用面の６点において表
す。
【００６８】本実施形態は実施例１よりも観察者が広い
画角の画像を観察できるように設計したものである。
画角の画像を観察できるように設計したものである。
【００６９】本実施例においても実施例１と同様の条件
で第１、第２の光学作用面の面形状を決めることで、実
施例１と同様の効果が得られるが、特に、該第２の光学
作用面の形状は、下記の条件を満たすことが更に望まし
い。 (a5) ３≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦６．３ (c5) ０°≦θ２ｉ≦２７° 又、該第１の光学作用面の形状は、下記の条件を満たす
ことがさらに望ましい。 (d5) １．２≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦１．６ (f5) ０°≦θ１ｉ≦２１° 尚、以上の各実施形態において、例えば図３において画
像表示手段の表示面Ｐに撮像素子を配置し、絞りＳを入
射瞳として光学素子を撮像素子として用いても良く、こ
れによれば良好なる画像が得られる撮像光学系を達成す
ることができる。
で第１、第２の光学作用面の面形状を決めることで、実
施例１と同様の効果が得られるが、特に、該第２の光学
作用面の形状は、下記の条件を満たすことが更に望まし
い。 (a5) ３≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦６．３ (c5) ０°≦θ２ｉ≦２７° 又、該第１の光学作用面の形状は、下記の条件を満たす
ことがさらに望ましい。 (d5) １．２≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦１．６ (f5) ０°≦θ１ｉ≦２１° 尚、以上の各実施形態において、例えば図３において画
像表示手段の表示面Ｐに撮像素子を配置し、絞りＳを入
射瞳として光学素子を撮像素子として用いても良く、こ
れによれば良好なる画像が得られる撮像光学系を達成す
ることができる。
【００７０】
【外１】
【００７１】
【外２】
【００７２】
【外３】
【００７３】
【外４】
【００７４】
【外５】
【００７５】
【発明の効果】以上のように光学系の各要素を設定する
ことにより、極めてシンプルな構成でありながら、諸収
差が良好に補正され、広画角であって、観察系として用
いたときは画像表示手段の表示面に表示した画像情報を
良好に観察することができる光学系及びそれを用いる画
像観察装置を達成することができる。
ことにより、極めてシンプルな構成でありながら、諸収
差が良好に補正され、広画角であって、観察系として用
いたときは画像表示手段の表示面に表示した画像情報を
良好に観察することができる光学系及びそれを用いる画
像観察装置を達成することができる。
【００７６】又、極めてシンプルな構成でありながら、
諸収差が良好に補正され、広画角であって、観察系とし
て用いたときは画像表示手段の表示面に対して主光線が
略垂直に出射するというテレセントリック条件を満たす
光学系を利用した光学系及びそれを用いる画像観察装置
を達成することができる。
諸収差が良好に補正され、広画角であって、観察系とし
て用いたときは画像表示手段の表示面に対して主光線が
略垂直に出射するというテレセントリック条件を満たす
光学系を利用した光学系及びそれを用いる画像観察装置
を達成することができる。
【図１】本発明に係る光学系の光学作用を説明する図
【図２】本発明に係る光学系の光学作用を説明する図
【図３】画像観察光学系の一実施形態の要部概略図
【図４】各実施例の光学系の絶対座標系とローカル座標
系の説明図
系の説明図
【図５】局所的な曲率半径ｒＬｘ，ｒＬｙの説明図
【図６】実施例１の光学系の収差図
【図７】実施例１の光学系の像の歪みを表す図
【図８】ＸＹＺ座標系及びθｉの符号を説明するための
図
図
Ｓ 瞳孔 Ｌｏ 基準軸光線 Ｓ１ 第１の反射面（第１の光学作用面） Ｓ２ 第２の反射面（第２の光学作用面） Ｓ３ 第３の光学作用面 Ｐ 表示面（焦平面） Ｐｏ 表示面の中心 Ｂ１ 光学素子（光学系）
Claims (8)
- 【請求項１】 焦平面と絞りとの間の光路中に配置した
光学系において、該光学系は第１の光学作用面と、第２
の光学作用面とを有し、該焦平面から該絞りへ光線トレ
ースした光路中において、該焦平面から射出した光は、
該第２の光学作用面で反射した後、該第１の光学作用面
で反射し、該絞りに至っており、該第１光学作用面及び
第２の光学作用面を介して、該焦平面の中心と該絞りの
中心を結ぶ光線を基準軸光線、該絞り中心を原点、該原
点から該焦平面の中心へトレースした該基準軸光線のう
ち、該原点から伸びる線分を含む軸をＺ軸（該原点から
該光学系に向かう方向を正方向）、該基準軸光線を含む
平面内で該Ｚ軸に直交する軸をＹ軸（該原点から該焦平
面の中心へ光線トレースした該基準軸光線が該第１の光
学作用面で屈曲した方向の成分を含む方向を正方向）と
定義し、該第２の光学作用面は、該基準軸光線を含む平
面を唯一の対称面とした回転非対称な非球面形状であ
り、 （Ａ）該第２の光学作用面での光線有効範囲内の任意の
点ｉ上の接面法線を中心にした接面内全アジムス方向の
局所的曲率半径のうち、局所的曲率半径の絶対値が最大
となるアジムス方向をｕｉ軸、該ｕｉ軸に垂直なアジム
ス方向をｖｉ軸と定義し、該任意の点ｉにおける該ｕｉ
軸方向の局所的曲率半径をｒ２Ｌｕｉ、該ｖｉ軸方向の
局所的曲率半径をｒ２Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦１２．０ （Ｂ）該対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ２ｉとする
とき、該θ２ｉの絶対値は、該対称面に垂直で且つ該Ｚ
軸を含む若しくは該Ｚ軸に平行な面と、該第２の光学作
用面との交線上の任意の点において該対称面に近い側か
ら遠い側へ向けて単調に増加する、 （Ｃ）該θ２ｉは、 ０°≦θ２ｉ≦３５° （但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス
方向が２つ以上存在する場合は、ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖ
ｉ＝１，θ２ｉ＝０°とし、該θ２ｉは、該Ｙ軸正方向
を上にして該原点側から該第２の光学作用面を見た場合
に、該対称面の右側では時計周りを正方向、該対称面の
左側では反時計周りを正方向とする。）の条件（Ａ），
（Ｂ），（Ｃ）のうち、少なくとも１つを満足すること
を特徴とする光学系。 - 【請求項２】 焦平面と絞りとの間の光路中に配置した
光学系において、該光学系は第１の光学作用面と、第２
の光学作用面とを有し、該焦平面から該絞りへ光線トレ
ースした光路中において、該焦平面から射出した光は、
該第２の光学作用面で反射した後、該第１の光学作用面
で反射し、該絞りに至っており、該第１光学作用面及び
第２の光学作用面を介して、該焦平面の中心と該絞りの
中心を結ぶ光線を基準軸光線、該絞り中心を原点、該原
点から該焦平面の中心へトレースした該基準軸光線のう
ち、該原点から伸びる線分を含む軸をＺ軸（該原点から
該光学系に向かう方向を正方向）、該基準軸光線を含む
平面内で該Ｚ軸に直交する軸をＹ軸（該原点から該焦平
面の中心へ光線トレースした該基準軸光線が該第１の光
学作用面で屈曲した方向の成分を含む方向を正方向）と
定義し、該第１の光学作用面は、該基準軸光線を含む平
面を唯一の対称面とした回転非対称な非球面形状であ
り、 （Ｄ）該第１の光学作用面での光線有効範囲内の任意の
点ｉ上の接面法線を中心にした接面内全アジムス方向の
局所的曲率半径のうち、局所的曲率半径の絶対値が最大
となるアジムス方向をｕｉ軸、該ｕｉ軸に垂直なアジム
ス方向をｖｉ軸と定義し、該任意の点ｉにおける該ｕｉ
軸方向の局所的曲率半径をｒ１Ｌｕｉ、該ｖｉ軸方向の
局所的曲率半径をｒ１Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦２．０ （Ｅ）該対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ１ｉとする
とき、該θ１ｉの絶対値は、該対称面に垂直で且つ該Ｚ
軸を含む若しくは該Ｚ軸に平行な面と、該第１の光学作
用面との交線上の任意の点において該対称面に近い側か
ら遠い側へ向けて単調に増加する、 （Ｆ）該θ１ｉは、 ０°≦θ１ｉ≦２１° （但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス
方向が２つ以上存在する場合は、ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖ
ｉ＝１，θ１ｉ＝０°とし、該θ１ｉは、該Ｙ軸正方向
を上にして該原点側から該第１の光学作用面を見た場合
に、該対称面の右側では時計周りを正方向、該対称面の
左側では反時計周りを正方向とする。）の条件（Ｄ），
（Ｅ），（Ｆ）のうち、少なくとも１つを満足すること
を特徴とする光学系。 - 【請求項３】 請求項１又は２の光学系を備えることを
特徴とする光学機器。 - 【請求項４】 原画を観察者に拡大して観察せしめる光
学系において、該光学系は第１の光学作用面と、第２の
光学作用面とを有し、該原画から射出した光は、該第２
の光学作用面で反射した後、該第１の光学作用面で反射
することによって、該観察者の眼に導光されており、該
原画の中心から射出し、該第２光学作用面及び第１の光
学作用面を介して、該光学系の射出瞳中心を通る光線を
基準軸光線、該射出瞳中心を原点、該原点から逆トレー
スした該基準軸光線のうち、該原点から伸びる線分を含
む軸をＺ軸（該原点から該観察光学系に向かう方向を正
方向）、該基準軸光線を含む平面内で該Ｚ軸に直交する
軸をＹ軸（該原点から逆トレースした該基準軸光線が該
第１の光学作用面で屈曲した方向の成分を含む方向を正
方向）と定義し、該第２の光学作用面は、該基準軸光線
を含む平面を唯一の対称面とした回転非対称な非球面形
状であり、 （Ａ）該第２の光学作用面での光線有効範囲内の任意の
点ｉ上の接面法線を中心にした接面内全アジムス方向の
局所的曲率半径のうち、局所的曲率半径の絶対値が最大
となるアジムス方向をｕｉ軸、該ｕｉ軸に垂直なアジム
ス方向をｖｉ軸と定義し、該任意の点ｉにおける該ｕｉ
軸方向の局所的曲率半径をｒ２Ｌｕｉ、該ｖｉ軸方向の
局所的曲率半径をｒ２Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖｉ≦１２．０ （Ｂ）該対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ２ｉとする
とき、該θ２ｉの絶対値は、該対称面に垂直で且つ該Ｚ
軸を含む若しくは該Ｚ軸に平行な面と、該第２の光学作
用面との交線上の任意の点において該対称面に近い側か
ら遠い側へ向けて単調に増加する、 （Ｃ）該θ２ｉは、 ０°≦θ２ｉ≦３５° （但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス
方向が２つ以上存在する場合は、ｒ２Ｌｕｉ／ｒ２Ｌｖ
ｉ＝１，θ２ｉ＝０°とし、該θ２ｉは、該Ｙ軸正方向
を上にして該原点側から該第２の光学作用面を見た場合
に、該対称面の右側では時計周りを正方向、該対称面の
左側では反時計周りを正方向とする。）の条件（Ａ），
（Ｂ），（Ｃ）のうち、少なくとも１つを満足すること
を特徴とする光学系。 - 【請求項５】 前記光学系は、前記第１の光学作用面と
前記第２の光学作用面、そして第３の光学作用面を有す
る透明な光学材料よりなる光学素子を有し、前記原画か
らの光は、該第３の光学作用面より該光学素子に入射
し、順に、該第２の光学作用面、該第１の光学作用面で
反射した後、該第２の光学作用面より出射することを特
徴とする請求項４の光学系。 - 【請求項６】 原画を観察者に拡大して観察せしめる光
学系において、該光学系は第１の光学作用面と、第２の
光学作用面とを有し、該原画から射出した光は、該第２
の光学作用面で反射した後、該第１の光学作用面で反射
することによって、該観察者の眼に導光されており、該
原画の中心から射出し、該第２光学作用面及び第１の光
学作用面を介して、該光学系の射出瞳中心を通る光線を
基準軸光線、該射出瞳中心を原点、該原点から逆トレー
スした該基準軸光線のうち、該原点から伸びる線分を含
む軸をＺ軸（該原点から該観察光学系に向かう方向を正
方向）、該基準軸光線を含む平面内で該Ｚ軸に直交する
軸をＹ軸（該原点から逆トレースした該基準軸光線が該
第１の光学作用面で屈曲した方向の成分を含む方向を正
方向）と定義し、該第１の光学作用面は、該基準軸光線
を含む平面を唯一の対称面とした回転非対称な非球面形
状であり、 （Ｄ）該第１の光学作用面での光線有効範囲内の任意の
点ｉ上の接面法線を中心にした接面内全アジムス方向の
局所的曲率半径のうち、局所的曲率半径の絶対値が最大
となるアジムス方向をｕｉ軸、該ｕｉ軸に垂直なアジム
ス方向をｖｉ軸と定義し、該任意の点ｉにおける該ｕｉ
軸方向の局所的曲率半径をｒ１Ｌｕｉ、該ｖｉ軸方向の
局所的曲率半径をｒ１Ｌｖｉとするとき、 １．０≦ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖｉ≦２．０ （Ｅ）該対称面に対してｕｉ軸がなす角をθ１ｉとする
とき、該θ１ｉの絶対値は、該対称面に垂直で且つ該Ｚ
軸を含む若しくは該Ｚ軸に平行な面と、該第１の光学作
用面との交線上の任意の点において該対称面に近い側か
ら遠い側へ向けて単調に増加する、 （Ｆ）該θ１ｉは、 ０°≦θ１ｉ≦２１° （但し、局所的曲率半径の絶対値が最大となるアジムス
方向が２つ以上存在する場合は、ｒ１Ｌｕｉ／ｒ１Ｌｖ
ｉ＝１，θ１ｉ＝０°とし、該θ１ｉは、該Ｙ軸正方向
を上にして該原点側から該第１の光学作用面を見た場合
に、該対称面の右側では時計周りを正方向、該対称面の
左側では反時計周りを正方向とする。）の条件（Ｄ），
（Ｅ），（Ｆ）のうち、少なくとも１つを満足すること
を特徴とする光学系。 - 【請求項７】 前記光学系は、前記第１の光学作用面と
前記第２の光学作用面、そして第３の光学作用面を有す
る透明な光学材料よりなる光学素子を有し、前記原画か
らの光は、該第３の光学作用面より該光学素子に入射
し、順に、該第２の光学作用面、該第１の光学作用面で
反射した後、該第２の光学作用面より出射することを特
徴とする請求項６の光学系。 - 【請求項８】 請求項４から７のいずれか１項の光学系
と原画を表示する画像表示手段とを有することを特徴と
する画像観察装置。
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (3)
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| JP18992198 | 1998-06-19 | ||
| JP10-189921 | 1998-06-19 | ||
| JP11170223A JP2000098234A (ja) | 1998-06-19 | 1999-06-16 | 光学系及びそれを用いる画像観察装置 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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