JP2014122941A - 光学素子及び観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投影光学機能と撮像光学機能を兼ね備えた光学素子を提供する。
【解決手段】本発明に係る光学素子は、画像表示面に表示される原画像を観察者眼球に投影する投影光学機能を備え、少なくとも４面の光学面を有し、少なくとも４面の光学面は互いに偏心して配備されており、かつ、少なくとも２面は回転非対称な形状を有する面を有し、少なくとも４面の光学面のうち、画像表示面に対向した光学面は、透過と反射の２つの作用を有し、かつ、その光学面で反射した光は光学素子から射出して撮像面に結像する撮像光学機能を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏心光学系である光学素子とその光学素子を用いた観察装置に関するものである。

従来、小型画像表示素子を用い、これらの表示素子の原画像を観察光学系によって拡大して観察者に呈示する観察装置が知られている。このような観察装置で像を観察するには、観察光学系の射出瞳と観察者の眼球の瞳孔に重なるようにしなければならない。また、射出瞳中心から離れると、瞳収差のために歪んだ見づらい画像を呈示することにもなる。観察者の頭部が多少動いたとしても、観察者の瞳孔位置と観察光学系の射出瞳中心ができるだけ一致していることが、高解像で呈示できる光学系が求められる。

このような要求を満たすための手段として、投影する光学系の射出瞳を拡散板で拡大する方法（特許文献１）、観察者眼球近傍を撮影して観察者の視線に追従して観察光学系射出瞳に投影する光学系（特許文献２〜６）などが開示されている。

特開２００４−３０１８７６号公報 特開２００６−５３３２１号公報 特開平１０−１７９５２１号公報 特開２００８−４６２５３号公報 特開２００８−２４１８２２号公報 特許４０４０７３０号公報

特許文献１は、瞳を拡大するために拡散ホログラムを用いるが、大きな光学素子が必要であり、コスト高につながる。特許文献２〜５は画像を表示させる光学系の他に、観察者の瞳を撮像する手段を準備しなければならず、装置全体が大型化してしまう。特許文献６はシースルー用光学部材の中に撮像光学系を形成しているが、部分的にシースルー像の透過率が変化する、または部分的に見えない部分が生じる恐れがある。

本発明の課題は、構成する光学素子が１個でありながら、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影すると同時に、観察者の眼球近傍を撮像することが可能な光学素子を提供することを目的としている。さらに、画像表示素子に対向する面を半透過面とし、反射した光は撮像素子上に結像するようにすることで、観察者の眼球近傍を撮影可能としている。そして、撮影された画像を用いて観察者の瞳孔に常に光学素子が形成する射出瞳内に入るように追尾することで、高い解像力で安定した観察像を呈示する光学素子を提供するところにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る光学素子は、
画像表示面に表示される原画像を観察者眼球に投影する投影光学機能を備えた光学素子において、
前記光学素子は、少なくとも４面の光学面を有し、少なくとも４面の光学面は互いに偏心して配備されており、かつ、少なくとも２面は回転非対称な形状を有する面を有し、
前記少なくとも４面の光学面のうち、前記画像表示面に対向した光学面は、透過と反射の２つの作用を有し、かつ、その光学面で反射した光は前記光学素子から射出して撮像面に結像する撮像光学機能を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、構成する光学素子が１個でありながら、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影する投影光学機能を有すると同時に、観察者の眼球近傍を撮像する撮像光学機能を有する光学素子を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る観察装置の構成を示す図 本発明の実施形態に係る観察装置（投影光学機能）の構成を示す図 本発明の実施形態に係る観察装置（撮像光学機能）の構成を示す図 偏心配置の凹面鏡により発生する像面湾曲を説明するための図 偏心配置の凹面鏡により発生する非点収差を説明するための図 偏心配置の凹面鏡により発生する軸上コマ収差を説明するための図 本発明の実施形態に係る光学素子（投影光学機能）のスポットダイアグラムを示す図 本発明の実施形態に係る光学素子（撮像光学機能）のスポットダイアグラムを示す図 本発明の実施形態に係る光学素子（投影光学機能）のディストーションマップを示す図 本発明の実施形態に係る光学素子（撮像光学機能）のディストーションマップを示す図

本発明に係る光学素子は、少なくとも４面の光学面を有し、少なくとも４面の光学面は互いに偏心して配備されており、かつ、少なくとも２面は回転非対称な形状を有する面を有し、少なくとも４面の光学面のうち、画像表示素子に対向した光学面は、透過と反射の２つの作用を有し、かつその光学面で反射した光は光学素子から射出して撮像面に結像することを特徴としている。

このような光学素子を用いることによって画像表示素子の映像を観察者眼球に投影することによって、拡大された虚像を呈示すること（投影光学機能）ができる。さらに、投影するだけではなく、画像表示素子の原画像を射出する面の下側に位置する開口絞りから観察者眼球近傍を撮影すること（撮像光学機能）が可能となる。

このように、各光学面が偏心して配置された光学素子を使用することで、発生する光軸に対して非対称な収差を補正することが可能である。以下に図を用いて詳細に説明する。図１には、本発明に係る光学素子２について、画像表示素子と撮像素子を含んで構成された観察装置の構成を示したものである。

図１において、観察者眼球を１、観察者視軸を１ａ、光学素子を２、光学素子２の射出瞳を３、光学素子２の入射瞳を４、撮像素子を５、画像表示素子を６、光学素子２の第１面（透過及び内部反射面）を２１、第２面（投影用反射面）を２２、第３面（撮像用反射面）を２３、第４面（反射透過面）を２４、第５面（撮像用射出面）を２５で示す。光学素子２は、第１面２１〜第５面２５の光学面の間を、屈折率が１より大きい透明媒質で埋めた偏心プリズムで形成されている。なお、本実施例の光学素子２は、５面で形成した形態であるが、第２面２２と第３面２３を連続した１つの面で形成することで、光学素子２を４面で形成する形態とすることも可能である。

図１に示す光学素子２は、画像表示素子６から光学素子２を経て観察者眼球１に原画像を投影する投影光学機能と、観察者眼球１で反射した光を光学素子２を経て撮像素子５にて結像させる撮像光学機能を兼ね備えている。

画像表示素子６はアスペクト比が３：４、表示面の大きさは１．２インチ、観察者眼球１の位置での瞳径は６ｍｍ。撮像素子は２／３インチを想定しており、開口絞り３ｍｍ光線を示している図である。

先ず、光学素子２における虚像観察の投影光学機能に関して説明する。画像表示素子６から発した光は、光学素子２の第４面２４から光学素子２を構成する偏心プリズム内部に入射し、第１面２１で内部反射して第２面２２に向かう。第１面２１に対した入射光は臨界角以上の入射角を有している場合には全反射条件を満たすため、第１面２１は反射コーティングを施す必要がない。また、観察者の眼球へ射出する面でもあるため、反射コーティングはしないことが望ましい。第２面２２は裏面反射面とするために、たとえばアルミなどの金属コーティングを施されている。第２面２２で内部反射をした後は、再び第１面２１に向かい、第１面２１を透過して光学素子２から射出して観察者眼球１に入射する。光学素子２の射出瞳３は観察者瞳孔位置の近傍に形成されており、画像表示素子６の画面から射出した略全ての光は、観察者眼球１内に導かれるため、画面全体を拡大された虚像として観察することが可能となる。

ここで、光学素子２をこのような偏心光学系、特に、内部反射の偏心プリズムで構成することのメリットについて説明する。レンズのような屈折光学素子は、その境界面に曲率を付けることにより始めてパワーを持たせることができる。そのため、レンズの境界面で光線が屈折する際に、屈折光学素子の色分散特性による色収差の発生が避けられない。その結果、色収差を補正する目的で別の屈折光学素子が付加されるのが一般的である。

一方、ミラーやプリズム等のような反射光学素子は、その反射面にパワーを持たせても原理的に色収差の発生はなく、色収差を補正する目的だけのために別の光学素子を付加する必要はない。そのため、反射光学素子を用いた光学系は、屈折光学素子を用いた光学系に比べて、色収差補正の観点から光学素子の構成枚数の削減が可能である。

同時に、反射光学素子を用いた反射光学系は、光路を折り畳むことになるために、屈折光学系に比べて光学系自身を小さくすることが可能である。また、反射面は屈折面に比して偏心誤差感度が高いため、組み立て調整に高い精度を要求される。

しかし、反射光学素子の中でも、プリズムはそれぞれの面の相対的な位置関係が固定されているので、プリズム単体として偏心を制御すればよく、必要以上の組み立て精度、調整工数が不要である。さらに、プリズムは、屈折面である入射面と射出面、それと反射面を有しており、反射面しかもたないミラーに比べて収差補正の自由度が大きい。特に、反射面に所望のパワーの大部分を分担させ、屈折面である入射面と射出面のパワーを小さくすることで、ミラーに比べて収差補正の自由度を大きく保ったまま、レンズ等のような屈折光学素子に比べて、色収差の発生を非常に小さくすることが可能である。

また、プリズム内部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているために、空気に比べ光路長を長くとることができ、空気中に配置されるレンズやミラー等よりは、光学素子の薄型化、小型化が可能である。また、観察光学系では、中心性能はもちろんのこと周辺まで良好な結像性能を要求される。

そこで、本発明では、上記のように、光学素子２は１個の偏心プリズムを用いて、少な
くとも、画像表示素子６から射出された像光をプリズム内に入射させる第４面２４、その第４面２４から入射した光束を内部反射及び射出させる第１面２１、第１面２１で反射した光束を内部反射させる第２面２２で構成し、それらの光学面のうち少なくとも２面の光学面には、光束に光学的パワーを与えかつ偏心収差を補正する回転非対称な曲面形状に構成することにより、中心ばかりでなく軸外収差も良好に補正することを可能にしている。

このような光学素子２の基本構成を採用することで、屈折光学系あるいは回転対称な結像光学系を用いた光学系に比べて光学素子の構成枚数が少なく、中心から周辺まで性能の良好な、小型の画像表示装置を得ることが可能となる。ここで、画像表示素子６の表示面の中心から眼前の拡散面の中心に到達する光線を軸上主光線としたとき、プリズムの少なくとも１つの反射面が軸上主光線に対して偏心していないと、軸上主光線の入射光線と反射光線が同一の光路をとることとなり、軸上主光線が光学系中で遮断されてしまう。その結果、中心部が遮光された光束のみで像を形成することになり、中心が暗くなったり、中心では全く像を結ばなくなったりしてしまう。また、パワーを付けた反射面を軸上主光線に対し偏心させることも当然可能である。

上記したように、本実施形態においては、光学素子２（投影光学機能）としての偏心プリズムを構成する反射面の面形状として、光束に光学的パワーを与えかつ偏心収差を補正する回転非対称な曲面形状に構成している。このような面形状は偏心収差を補正する上で好ましい。その理由を以下に詳述する。

まず、用いる座標系、回転非対称な面について説明する。光学系の絞り位置の中心を座標原点としている。絞り中心から紙面上右側を正として水平軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交し、かつ、撮像光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、Ｚ軸と直交し、かつ、Ｙ軸と直交する軸をＸ軸とする。光線の追跡方向は、像面である拡散面から物体面である画像表示素子からに向かう逆光線追跡で説明する。

一般に、球面レンズでのみ構成された球面レンズ系では、球面により発生する球面収差と、コマ収差、像面湾曲等の収差をいくつかの面でお互いに補正しあい、全体として収差を少なくする構成になっている。一方、少ない面数で収差を良好に補正するためには、回転対称非球面等が用いられる。これは、球面で発生する各種収差自体を少なくするためである。しかし、偏心した光学系においては、偏心により発生する回転非対称な収差を回転対称光学系で補正することは不可能である。この偏心により発生する回転非対称な収差は、歪曲収差、像面湾曲、さらに、軸上でも発生する非点収差、コマ収差がある。

まず、回転非対称な像面湾曲について説明する。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡に入射した光線は、凹面鏡に当たって反射結像されるが、光線が凹面鏡に当たって以降、像面までの後側焦点距離は、像界側が空気の場合、光線が当たった部分の曲率半径の半分になる。すると、図４に示すように、軸上主光線に対して傾いた像面を形成する。このように、回転非対称な像面湾曲を補正するには回転対称な光学系では不可能である。

この傾いた像面湾曲をその発生源である凹面鏡自身で補正するには、凹面鏡を回転非対称な面で構成し、この例ではＹ軸正の方向に対して曲率を強く（屈折力を強く）し、Ｙ軸負の方向に対して曲率を弱く（屈折力を弱く）すれば、補正することができる。また、上記構成と同様な効果を持つ回転非対称な面を、凹面鏡とは別に光学系中に配置することにより、少ない構成枚数でフラットの像面を得ることが可能となる。また、回転非対称な面は、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない回転非対称面形状の面とすることが、自由度が増え収差補正上は好ましい。

次に、回転非対称な非点収差について説明する。上記説明と同様に、偏心して配置され
た凹面鏡では、軸上光線に対しても図５に示すような非点収差が発生する。この非点収差を補正するためには、上記説明と同様に、回転非対称面のＸ軸方向の曲率とＹ軸方向の曲率を適切に変えることによって可能となる。

さらに、回転非対称なコマ収差について説明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡では、軸上光線に対しても図６に示すようなコマ収差が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転非対称面のＸ軸の原点から離れるに従って面の傾きを変えると共に、Ｙ軸の正負によって面の傾きを適切に変えることによって可能となる。また、本発明の結像光学系では、前述の反射作用を有する少なくとも１つの面が軸上主光線に対し偏心し、回転非対称な面形状でパワーを有する構成も可能である。このような構成をとれば、その反射面にパワーを持たせることで発生する偏心収差をその面自体で補正することが可能となり、プリズムの屈折面のパワーを緩めることで、色収差の発生自体を小さくすることができる。

また、本発明で用いる上記の回転非対称面は、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面であることが好ましい。ここで、本発明で使用する自由曲面とは、以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
Ｚ＝ｃｒ²／［１＋√｛１−（１＋ｋ）ｃ²ｒ² ｝］
66
＋Σ Ｃj Ｘ^m Ｙⁿ
j=2
・・・（ａ）
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
球面項中、
ｃ：頂点の曲率
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ² ＋Ｙ² ）
である。
自由曲面項は、
66
Σ Ｃj Ｘ^m Ｙⁿ
j=2
＝Ｃ1
＋Ｃ2 Ｘ＋Ｃ3 Ｙ
＋Ｃ4 Ｘ² ＋Ｃ5 ＸＹ＋Ｃ6 Ｙ²
＋Ｃ7 Ｘ³ ＋Ｃ8 Ｘ² Ｙ＋Ｃ9 ＸＹ² ＋Ｃ10Ｙ³
＋Ｃ11Ｘ⁴ ＋Ｃ12Ｘ³ Ｙ＋Ｃ13Ｘ² Ｙ² ＋Ｃ14ＸＹ³ ＋Ｃ15Ｙ⁴
＋Ｃ16Ｘ⁵ ＋Ｃ17Ｘ⁴ Ｙ＋Ｃ18Ｘ³ Ｙ² ＋Ｃ19Ｘ² Ｙ³ ＋Ｃ20ＸＹ⁴
＋Ｃ21Ｙ⁵
＋Ｃ22Ｘ⁶ ＋Ｃ23Ｘ⁵ Ｙ＋Ｃ24Ｘ⁴ Ｙ² ＋Ｃ25Ｘ³ Ｙ³ ＋Ｃ26Ｘ² Ｙ⁴
＋Ｃ27ＸＹ⁵ ＋Ｃ28Ｙ⁶
＋Ｃ29Ｘ⁷ ＋Ｃ30Ｘ⁶ Ｙ＋Ｃ31Ｘ⁵ Ｙ² ＋Ｃ32Ｘ⁴ Ｙ³ ＋Ｃ33Ｘ³ Ｙ⁴
＋Ｃ34Ｘ² Ｙ⁵ ＋Ｃ35ＸＹ⁶ ＋Ｃ36Ｙ⁷
・・・・・・（１）
ただし、Ｃj（ｊは２以上の整数）は係数である。

上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）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可能である。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。例えば、上記定義式においては、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可能である。

また上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向上させることが可能となる。

また、上記定義式（ａ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本発明は、対称面を１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。

また、光学素子２の第１面２１は画像表示素子からの光束を射出する透過面であると共に、第４面２４から入射された光束を内部反射する反射面となっている。このような構成により、偏心プリズムの第１面２１は１面で２つの作用を有するため、小型薄型にすることが可能となる。また、第１面２１の光束が射出される部分では全反射するように、第１面２１に入射する角度を臨界角以上に設定されていることが望ましいのだが、第１面２１の射出領域ではない部分では臨界角以下にすることもできる。その場合，第１面２１の全反射条件を満たさない反射領域に反射コーティングを施すことで画面全体を観察することが可能となる。

次に、光学素子２において観察者眼球近傍を撮影する撮像光学機能に関して説明する。観察者眼球近傍を照明するための照明手段（図示せず）によって、眼球近傍が明るく照明される。本実施形態では、可視域よりも長波長の赤外光（近赤外光を含む）を用いている。観察者眼球近傍から射出した光は、光学素子２の第１面２１から光学素子２を構成する偏心プリズム内に入射される。その際に、光学素子２の投影光学機能における射出瞳と、光学素子２（撮像光学機能）の開口絞りは、両者のエリアが重ならないことが望ましい。したがって、光学素子２（撮像光学機能）入射する軸上主光線は、光学素子２の投影光学機能におけるの軸上主光線に対して傾いて設定されることが望ましい。本実施形態においては２５度傾いて設定されている。

その後、光学素子２の投影光学機能にて使用した第２面２２に隣接する第３面２３で内部反射し、再び第１面２１に戻ることになる。その際、第１面２１での入射角は臨界角以上に設定されているため、反射コーティングを施していなくても全反射にて内部反射することになる。

その後、第４面２４では内部反射をする。第４面２４は、投影光学機能の光学面として作用するときは透過面であり、撮像光学機能の光学面として作用するときは反射面であればよい。したがって、ハーフミラー等でもその要件を満たすことが可能であるが、赤外光のみに対して反射率を有するようなダイクロイックミラーコーティングを施していると、赤外光で照明した部分の物体光のみが第４面２４で反射されることになる。したがって、投影光学機能で用いる光の波長に対しては反射しないため、原理的には透過面の作用を１００％利用できることになる。

その後、第５面２５を透過して撮像素子５（撮像面）に到達し、観察者眼球近傍を撮影することが可能となる。本実施形態では照明手段として赤外光（近赤外光を含む）を使用しているため、撮像素子５には、赤外光に感受率を有する２次元のイメージセンサを用い
ている。このような構成にて、観察者が観察する原画像に対する影響を抑えることが可能となる。

このような光学素子２（撮像光学機能）によって撮影された観察者眼球１の近傍の画像から、観察者眼球１の瞳孔位置を検出することができる。その観察者瞳孔位置と光学素子２（投影光学機能）の射出瞳３が重なるように、光学素子２（投影光学機能）の射出瞳３を追尾させる追尾機構を設けることで、観察者の頭部が動いた場合、あるいは観察者が眼球運動をした場合にも、光学素子２（投影光学機能）の射出瞳が観察者眼球１の瞳孔に追従するため、拡大した画像を常に呈示することが可能となる。

追尾機構は、光学素子２をステッピングモータやジンバルステージなどによって、光学素子２（投影光学機能）から射出する光線の角度を変化させるように制御される。または、光学素子２（投影光学機能）から射出する光線の位置を変化させるように制御されることで、観察者の瞳孔を追尾して、常に観察者瞳孔に射出瞳が重なるため、安定した観察を行うことになる。

さらに、光学素子２の投影光学機能においては、軸上主光線に沿って画像表示素子６の位置を前後に移動することができる移動手段を設けておくことが好ましい。観察者の視力によって画像表示素子の位置を前後に移動することで視度を変化させ、好適なピント状態で観察することが可能となる。

また、光学素子２の撮像光学機能においても、その軸上主光線に沿って移動することができる移動手段を設けておくことが好ましい。このような移動手段にて、撮像光学機能による撮影位置を適正な位置に調整し、観察者眼球１の瞳孔位置を的確に補足することが可能となる。

では、本発明の具体的な数値実施例について説明する。後述する実施例の構成パラメータにおいては、図に示すように、光学素子２の投影光学機能は逆光線追跡で、観察者視軸１ａ（軸上主光線）を、光学素子２（投影光学機能）の射出瞳３の中心を通り、像面（画像表示素子６）の中心に到る光線で定義する。また、光学素子２の撮像光学機能は、順光線追跡であり、入射瞳４の中心を通り、像面である撮像素子５の中心に到る光線で定義している。

撮像光学機能における軸上主光線（物体中心（観察者眼球１の瞳孔中心位置に相当）から入射瞳４中心を結ぶ線分）は、観察者視軸１ａ（投影光学機能の軸上主光線）に対して平行とならないようにすることで、投影光学機能における射出瞳３と、撮像光学機能における入射瞳４が積極的に重ならないようにしている。本実施形態では、撮像光学機能における軸上主光線は、投影光学機能における軸上主光線に対して、時計回り方向に２５度傾かせている。

この実施例においては、軸上主光線１ａの進行方向に沿った方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。図１〜図３に座標系が図示されている。

この実施例では、このＹ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。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、前記（ａ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、
その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。

また、実施例の光学素子２を構成する光学作用面の中、特定の面（仮想面を含む。）とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合に、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。

また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は前記（ａ）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。なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。

図２に示す本実施例の光学素子２（投影光学機能）は、水平画角°で１．２インチの画像表示素子６を想定しており、また、画像表示素子側６に、第４面２４と、第４面２４から入射した光束を反射させる第１面２１と、第１面２１から反射された光束を反射させる第３面２３と、第３面２３から反射された光束を射出する第１面２１を備え、第４面２４から第１面２１までの光路においてプリズム内で軸上主光線が交差しない偏心プリズム２を用いており、これら第１面２１〜第４面２４に面対称自由曲面を用いている。光学素子２（投影光学機能）のＸ方向の焦点距離はｍｍ、Ｙ方向の焦点距離はｍｍであり、瞳径はφ６．０ｍｍである。

図３に示す本実施例の光学素子２（撮像光学機能）は、水平画角１０°で２／３インチの撮像素子５を想定しており、物体側に入射面である第１面２１、内部反射面である第２面２２、再び内部反射させる第１面２１、内部反射面である第４面２４、第４面２４からの反射光を撮像素子に射出する第５面２５を備え、第１面２１から第５面２５までの光路においてプリズム内で軸上主光線が２箇所で交差する偏心プリズムを用いており、これら第１面２１、第２面２２、第４面２４に面対称自由曲面、第５面２５に回転対称非球面を用いている。

図１は、図２と図３の光学機能が第１面２１で一致するようにを重畳して描画した光路図である。図１から分かるように１つの光学素子２にて、投影光学機能と撮影光学機能が実現されていることが分かる。

光学素子２を構成する偏心プリズムは、第１面２１から第５面２５の５つの光学面からなり、その５つの面の間の屈折率が１より大きい透明媒質で埋められている。光学素子２（撮像光学機能）の瞳径はφ３．０ｍｍである。

以下に上記実施例の構成パラメータを示す。これら表中の“ＦＦＳ”は自由曲面を示す。

（数値実施例：投影光学機能）
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 ∞
2 ∞（絞り面） 30.00
3 FFS[1] 偏心(1) 1.6340 23.9
4 FFS[2] 偏心(2) 1.6340 23.9
5 FFS[1] 偏心(1) 1.6340 23.9
6 FFS[3] 偏心(3)
像 面 ∞ 偏心(4)

FFS[1]
Ｃ4 3.7479e-004 Ｃ6 -1.8072e-003 Ｃ8 -1.2789e-004
Ｃ10 1.6397e-005 Ｃ11 -3.5404e-006 Ｃ13 2.7427e-006
Ｃ15 -1.6060e-006 Ｃ17 1.5350e-007 Ｃ19 -1.5019e-009
Ｃ21 3.1921e-008 Ｃ67 2.0000e+001

FFS[2]
Ｃ4 -2.1659e-003 Ｃ6 -4.2599e-003 Ｃ8 -6.0672e-005
Ｃ10 2.5676e-005 Ｃ11 -1.4447e-006 Ｃ13 1.7139e-006
Ｃ15 -2.4349e-007 Ｃ17 7.4164e-008 Ｃ19 -2.7166e-008
Ｃ21 -1.2440e-008 Ｃ22 2.5230e-010 Ｃ24 -6.8156e-010
Ｃ26 7.1352e-010 Ｃ28 5.7736e-010

FFS[3]
Ｃ4 -4.3367e-003 Ｃ6 -6.1642e-003 Ｃ8 -3.2267e-005
Ｃ10 1.3495e-005 Ｃ11 -6.2912e-007 Ｃ13 6.8871e-008
Ｃ15 -1.2948e-007 Ｃ17 5.8792e-008 Ｃ19 3.0210e-008
Ｃ21 1.2406e-008 Ｃ22 1.4285e-010

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 8.00 Ｚ -2.00
α 13.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -8.02 Ｚ 26.00
α -18.23 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 36.62 Ｚ 20.00
α 73.46 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 51.95 Ｚ 12.38
α 61.90 β 0.00 γ 0.00

（数値実施例：撮像光学機能）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 30.00 偏心(1)
1 ∞
2 ∞（絞り面） 偏心(2)
3 FFS[1] 偏心(3) 1.6340 23.9
4 FFS[2] 偏心(4) 1.6340 23.9
5 FFS[1] 偏心(3) 1.6340 23.9
6 FFS[3] 偏心(5) 1.6340 23.9
7 非球面[1] 偏心(6)
像 面 ∞ 偏心(7)

非球面[1]
曲率半径 ∞
k 0.0000e+000
a 2.6246e-004 b -1.3466e-006

FFS[1]
Ｃ4 3.7479e-004 Ｃ6 -1.8072e-003 Ｃ8 -1.2789e-004
Ｃ10 1.6397e-005 Ｃ11 -3.5404e-006 Ｃ13 2.7427e-006
Ｃ15 -1.6060e-006 Ｃ17 1.5350e-007 Ｃ19 -1.5019e-009
Ｃ21 3.1921e-008 Ｃ67 2.0000e+001

FFS[2]
Ｃ4 -3.2019e-003 Ｃ6 -6.0721e-003 Ｃ8 -1.4334e-004
Ｃ10 -6.8888e-005 Ｃ11 6.5127e-006 Ｃ13 1.3428e-005
Ｃ15 2.9181e-006 Ｃ17 3.4497e-006 Ｃ19 8.1277e-007
Ｃ21 3.3928e-007 Ｃ22 3.1380e-008 Ｃ24 2.2118e-007
Ｃ26 1.3816e-008 Ｃ28 5.4467e-009

FFS[3]
Ｃ4 -4.3367e-003 Ｃ6 -6.1642e-003 Ｃ8 -3.2267e-005
Ｃ10 1.3495e-005 Ｃ11 -6.2912e-007 Ｃ13 6.8871e-008
Ｃ15 -1.2948e-007 Ｃ17 5.8792e-008 Ｃ19 3.0210e-008
Ｃ21 1.2406e-008 Ｃ22 1.4285e-010

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -14.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 8.00 Ｚ -2.00
α 13.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -8.00 Ｚ 24.74
α -22.32 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 36.62 Ｚ 20.00
α 73.46 β 0.00 γ 0.00

偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ -25.29 Ｚ 13.00
α 80.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ -28.69 Ｚ 11.97
α 101.27 β 0.00 γ 0.00

図７は、光学素子２（投影光学機能）のスポットダイアグラムを、図８は、光学素子２（撮像光学機能）のスポットダイアグラムを示したものである。各図中のＲＭＳの数字は、左側にＸ、Ｙの各画角におけるスポットダイアグラムの自乗平均平方根の値を示す。図７は、Ｃ線（656.28）、ｄ線（587.56）、e線（546.07）、ｆ線（486.13）、ｇ線（435.84）の５波長を分布させて計算した結果であり、図８は、８３０nmの単色光について計算
した結果である。

図９は、光学素子２（投影光学機能）のディストーションマップを、図１０は光学素子２（撮像光学機能）のディストーションマップを示したものである。図９の最大値は６．９％。図１０の最大値は１０．８％である。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１…観察者眼球
１ａ…観察者視軸
２…光学素子
２１…第１面
２２…第２面
２３…第３面
２４…第４面
２５…第５面
３…射出瞳
４…入射瞳
５…撮像素子
６…画像表示素子

Claims (17)

1. 画像表示面に表示される原画像を観察者眼球に投影する投影光学機能を備えた光学素子において、
   前記光学素子は、少なくとも４面の光学面を有し、少なくとも４面の光学面は互いに偏心して配備されており、かつ、少なくとも２面は回転非対称な形状を有する面を有し、
   前記少なくとも４面の光学面のうち、前記画像表示面に対向した光学面は、透過と反射の２つの作用を有し、かつ、その光学面で反射した光は前記光学素子から射出して撮像面に結像する撮像光学機能を備えたことを特徴とする
   光学素子。
2. 前記投影光学機能における射出瞳と、前記撮像光学機能における入射瞳は、重ならないことを特徴とする
   請求項１に記載の光学素子。
3. 前記観察者眼球に対向した光学面から前記投影光学機能における射出瞳中心までの軸上主光線と、前記撮像光学機能における物体中心から入射瞳中心までの軸上主光線は、平行でないことを特徴とする
   請求項１または請求項２に記載の光学素子。
4. 前記画像表示面に対向した光学面は、ハーフミラーコーティングされた半透過面であることを特徴とする
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の光学素子。
5. 前記画像表示面に対向した光学面は、ダイクロイックミラーコーティングされた半透過面であることを特徴とする
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の光学素子。
6. 前記観察者眼球に対向した光学面を第１面とし、
   前記第１面を挟んで前記観察者眼球と対向する光学面を第２面とし、
   前記第１面を挟んで前記観察者眼球と対向する光学面を第３面とし、
   前記画像表示面に対向した光学面を第４面とし、
   前記撮像面に対向した光学面を第５面として有することを特徴とする
   請求項１から請求項５の何れか１項に記載の光学素子。
7. 前記画像表示面から射出された光は、前記第４面を透過し、前記第１面で反射し、前記第２面で反射し、前記第１面を透過して前記観察者眼球に投影されることを特徴とする
   請求項６に記載の光学素子。
8. 前記第１面に入射した光は、前記第３面で反射し、前記第１面で反射し、前記第４面で反射し、前記第５面を透過して前記撮像面に結像することを特徴とする
   請求項６または請求項７に記載の光学素子。
9. 前記第２面と前記第３面は、連続した１面で形成されたことを特徴とする
   請求項６から請求項８の何れか１項に記載の光学素子。
10. 請求項１から請求項９の何れか１項に記載の光学素子と、
    前記画像表示面を形成する画像表示素子と、
    前記撮像面を形成する撮像素子と、を備えたことを特徴とする
    観察装置。
11. 観察者眼球近傍を照明する照明手段を備えたことを特徴とする
    請求項１０に記載の観察装置。
12. 前記照明手段は、赤外光にて照明することを特徴とする
    請求項１１に記載の観察装置。
13. 前記観察者眼球の瞳孔位置と前記光学素子の射出瞳が重なるように、前記光学素子の射出瞳を移動させる追尾機構を備えたことを特徴とする
    請求項１０から請求項１２の何れか１項に記載の観察装置。
14. 前記追尾機構は、前記光学素子から射出される光線の角度を変化させるように制御することを特徴とする
    請求項１３に記載の観察装置。
15. 前記追尾機構は、投影光学素子から射出される光線の位置を変化させるように制御することを特徴とする
    請求項１３または請求項１４に記載の観察装置。
16. 前記画像表示素子は、前記投影光学機能における軸上主光線に沿って移動可能としたことを特徴とする
    請求項１０から請求項１５の何れか１項に記載の観察装置。
17. 前記撮像素子の位置は、前記撮像光学機能における軸上主光線に沿って移動可能としたことを特徴とする
    請求項１０から請求項１６の何れか１項に記載の観察装置。

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