JP4583569B2 - 観察光学系および撮像光学系 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察光学系及び撮像光学系に関し、特に、観察者の頭部又は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及びカメラなどの撮像装置に用いる光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、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。
【０００３】
従来、画像表示手段の表示面の画像を、３面からなる全て回転非対称の透過面および反射面で構成された光学系を用いて虚像を表示し、観察者に視認させる提案が特開平８−２３４１３７号、特開平９−１９７３３６号、及び特開平９−１９７３３７号でなされている。また、画像表示手段の表示面の画像を、全反射面やビームスプリッター面を用いて凹面鏡へと光を導き拡大された虚像を表示し、観察者に視認させる提案が米国特許第５９５９７８１号でなされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平８−２３４１３７号、特開平９−１９７３３６号、及び特開平９−１９７３３７号の場合には、プリズムが単一の媒質で構成されているため色収差補正手段を有しておらず、倍率色収差等が補正不足となるため高解像度化が困難となっている。また、特開平９−１９７３３６号、及び特開平９−１９７３３７号の場合には、プリズムが長さ方向（Ｙ方向）に長くなってしまっている。また、米国特許第５９５９７８１号の場合には、部品点数が多いためコスト高で組み立てが困難となるだけでなく、ビームスプリッターに偏光ビームスプリッターを用いて偏光特性等を利用するために、プリズム媒質をガラスなどの複屈折性が極めて小さい材料を用いる必要が生じ、重量が重くなるという問題が発生する。また、この重量の問題を避けるためにプラスチック材料で光学系を構成すると、ビームスプリッターに偏光ビームスプリッターを利用できず、ハーフミラー等を用いる必要が生じる。しかしそれでは、電子画像からの光が観察者の眼に到達するまでにハーフミラー面で減光されてしまうので、暗い画像しか観察できないという問題が発生してしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、携帯電話や携帯情報端末、及び頭部装着型の虚像観察装置に用いることができる程度に小型で、軽量、かつ明るく、さらに高解像度を有する観察光学系又は撮像光学系を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明による光学系は、瞳面と像面との間に配置された光学系において、前記光学系が、少なくとも第１プリズムと、第２プリズムと、前記第１プリズムと前記第２プリズムとの間に挟まれ且つ両プリズムに貼り合わせて構成されたホログラフィック素子とを含み、前記光学系を介して前記瞳面と前記像面とを結ぶ光路内を進む光束を第１光束としたときに、前記第１プリズムが、前記瞳側に配置されていて前記第１光束を透過させる作用と反射する作用とを兼ね備えた第１−１面と、前記第１−１面を境に前記瞳とは反対側に配置された第１−２面と、前記像面側に配置されていて前記第１光束を透過させる第１−３面とを有し、前記第２プリズムが、前記第１−２面と同一形状を有して対向配置されていて前記第１光束を少なくとも２回透過させる第２−１面と、前記第２プリズムの前記第２−１面を境に前記瞳とは反対側に配置されていて前記第１光束を反射する第２−２面とを有し、前記ホログラフィック素子が、前記第１光束が該ホログラフィック素子に対して第１の入射角度で入射したときにはその光束を回折反射し、第２及び第３の入射角度で入射したときにはその光束を透過するように形成することによって、前記第１プリズムの前記第１−２面が前記第１光束を透過させる作用と反射する作用とを兼ね備えるように構成され、前記第１プリズムの前記第１−１面が、前記第１光束が該第１−１面に対して全反射臨界角を超えた入射角度で入射したときにはその光束を反射し、全反射臨界角を超えない入射角度で入射したときにはその光束を透過させるような全反射面となるように構成することによって、前記反射と透過の両作用を兼ね備えるように構成されていることを特徴としている。
【０００７】
そして、本発明の観察光学系は、上記光学系を含んだ観察光学系において、前記像面に観察者が観察する画像を表示する画像表示素子を配置し、前記瞳面に観察者の眼球が位置するように射出瞳を形成し、前記画像表示素子から射出された第１光束が、少なくとも、前記第１−３面を透過して前記第１プリズム内に入射し、前記第１−２面に対して前記第１の入射角度で入射することによって前記ホログラフィック素子により回折反射され、前記第１−１面で全反射され、前記第１−２面に対して前記第２の入射角度で入射することによって前記ホログラフィック素子を透過して前記第１プリズムから一旦射出し、前記第２−１面を透過して前記第２プリズム内に入射し、前記第２−２面で反射され、前記第２−１面に対して前記第３の入射角度で入射することによって前記ホログラフィック素子を透過して前記第２プリズムを射出し、前記第１−２面を透過して再度前記第１プリズム内に入射し、前記第１−１面を透過することによって前記第１プリズムを射出して前記射出瞳側に導かれるように構成したことを特徴としている。
【０００８】
例えば、本発明の画像観察光学系は、画像表示装置に表示された電子画像を観察するために射出瞳を生成する全体として正の屈折力を有する虚像観察装置において、第１プリズムおよび第２プリズムで構成し、前記第１プリズムを回転非対称な屈折面と、射出瞳側に全反射および透過の機能を有する回転対称面又は回転非対称面と、シリンドリカル基板又は平面基板の上に体積型ホログラム素子が配置された面とで構成し、前記第２プリズムを面形状が第１プリズムのシリンドリカル基板又は平面基板の上に体積型ホログラム素子が配置された面と同様に形成された入射面と、回転対称又は回転非対称な反射面で構成する。
【０００９】
その場合、前記第１プリズムの前記第１−２面と前記第２プリズムの前記第２−１面は、プリズム面形状を共に平面に構成し、その平面上にホログラフィック素子を貼りつけてそれらの面でホログラフィック素子を挟むか、あるいは、前記第１プリズムの前記第１−２面と前記第２プリズムの前記第２−１面の面形状を共に曲面状に構成し、その曲面上にホログラフィック素子を貼りつけてそれらの面でホログラフィック素子を挟んで構成する。また、前記第１−２面と前記第２−１面に貼りつけるホログラフィック素子を、回転非対称なパワーを有する体積型ホログラムで構成する。
【００１０】
第１−２面と第２−１面の面上に回転非対称なパワーを有する体積型ホログラムを配置すれば、光軸に対して偏心して配置された曲面で発生するプリズムの回転非対称な倍率色収差を補正することができるため、高解像な画像表示が可能となる。
【００１１】
一般に回折角度の大きな回折光学素子は、素子内部に有する格子構造のピッチが細かくなり製造が困難となることが知られている。しかし、本発明における体積型ホログラム素子は光路分割と倍率色収差補正を目的としたものであり、反射回折角度がほぼ正反射に近く光学的パワーを小さく構成することができるため、製造が容易となる。
【００１２】
平面フィルム状に供給された体積型ホログラム素子用の感光材料は、シリンドリカル形状への湾曲加工は比較的容易であるが、Ｘ方向およびＹ方向の両方向に同時に曲率を持つ基板形状に加工することは困難である。
そこで、本発明において平面状に形成されたプリズム面を基板としてその平面上に前記体積型ホログラムを配置すれば、生産も容易な構成をとることができる。
【００１３】
また、本発明において、シリンドリカル形状に形成されたプリズム面を基板としてそのシリンドリカル形状面上に体積型ホログラムを用いれば、さらに良好なＹ方向のディストーション補正やＹ方向成分のテレセントリック性を補正することが可能となる。
【００１４】
本発明のように、第１−２面と第２−１面の面上に回転非対称なパワーを有する体積型ホログラムを配置すれば、各画角の主光線を分離した位置において倍率色収差を補正するため、より高精度かつ容易な倍率色収差補正をすることができる。このことを、図１９を用いて説明する。
図１９は、光学系の像面と瞳面との間における回折素子の配置と収差補正上の効果との関係を説明するための原理図であり、(a)は回折素子を像面から比較的離れた位置に配置した構成、(b)は回折素子を像面の近くに配置した構成を示している。なお、わかりやすく説明するために、図１９においては、プリズムをレンズで置き換えて光路を折り曲げない状態にしてある。
図１９(a)では回折素子が２つのレンズの間に配置され、図１９(b)では回折素子がレンズと像面との間に配置されている。
【００１５】
ここで、図１９(a)の場合、回折素子は、各画角の主光線が余り分離されない位置に配置されているため、複数の画角の光線が重なった領域において、一画角における光線の倍率色収差を補正するパワーを持つように回折素子を構成すると、他の画角における光線の倍率色収差が生じてしまう。これに対し、図１９(b)の場合、回折素子は、各画角の主光線が図１９(a)に比べてより一層分離された位置に配置されているため、各画角の光線が重ならない状態で倍率色収差を補正するパワーを持つように回折素子を構成でき、より高精度な倍率色収差を行なうことができる。
【００１６】
ところで、偏心収差の補正能力を向上させ、回転非対称なディストーション補正やテレセントリック性の良好な光学系とするために、第１プリズムと第２プリズムとの間に空気間隔を設けることも考えられる。しかし、その場合、屈折による光路のスライド量を少なくするために、第１プリズムと第２プリズムとの間隔を極力狭い状態にして一定に維持しながらセッティングするのがメカ構成上難しい。
その点、本発明のように、第１プリズムと第２プリズムとを、ホログラフィック素子を挟んで接合すれば、プリズム間に空気間隔を設ける必要がなくなるため、微調整の難しいエアギャップの調整が不要になり、機構上有利になる。しかも、上述のように、像面に近い位置にホログラフィック素子を配置することができるため、ディストーションを補正するためにプリズム面に強い曲面を設けても、その曲面から生じる強い倍率色収差を良好に補正することができる。
【００１７】
さらに、本発明のように構成すれば、ホログラフィック素子を第１プリズムと第２プリズムで挟むことで防塵できるので、別途に防塵部材を設けなくてもゴミ等が拡大観察されてしまうのを防ぐことができ、また、外部からのホログラフィック素子への水分の侵入によりホログラフィック素子が膨張して回折効率のピーク波長が変化してしまうのを防ぐことができる。
【００１８】
また、本発明において、前記第１プリズムの全反射および屈折の作用を兼ねる面、例えば上記第１−１面は、回転非対称なディストーション補正やテレセントリック性の良好な光学系とするために自由曲面などの回転非対称な面が望ましいが、球面、非球面、アナモルフィック面などの回転対称な面で構成することも可能である。
【００１９】
また、本発明の観察光学系では、上述のように、第１プリズム内に入射した光束を体積型ホログラムに対し第１の入射角度で入射させ反射回折させた後に、瞳側の面（第１−１面）に対し全反射臨界角より大きな入射角で入射させて全反射条件を満たすことで全反射させている。全反射された光束は体積型ホログラム面へと第２の入射角度でもって再入射するが、体積型ホログラムの角度選択性の範囲から外れるため、回折効率が極めて低くなり、実質的にはそのまま素通りして、前記第２プリズム内へと射出される。
【００２０】
第２プリズム内へ入射した光束は、入射面および反射面で屈折および反射された後、前記体積型ホログラム面へと第３の入射角度でもって再入射するが、それ以前に入射して回折反射した第１の入射角度とは大きく異なる入射角度で入射し、体積型ホログラムの角度選択性の範囲から外れるため、回折効率が極めて低くなり、実質的にはそのまま素通りして、前記第１プリズム内へと導かれる。第１プリズム内へ入射した光束は、瞳側の面（第１−１面）に対し全反射臨界角を超えない入射角で入射して透過し、第１プリズムから射出されて、観察者の眼球へと導かれることとなる。
【００２１】
よって、本発明において、全反射面および体積型ホログラム素子を用いて光束の反射および透過の作用を使い分けるように構成すれば、光路分岐のために偏光ビームスプリッターを設ける必要がなく、一般に光学ガラスに比べて複屈折の性質が大きいプラスチック材料でもってプリズム部材を構成することができるため、軽量で生産性のよい虚像観察装置を提供することができる。しかも、光路分岐の目的でハーフミラー等も設ける必要がないので、光量ロスが少ない明るい電子画像を観察者に提供することが可能となる。
【００２２】
また、本発明のように、全反射および透過の作用を有する面と、体積型ホログラムを有する面との間の同一領域のプリズム内を３回通過させるようにすれば、光学系の厚さ方向（Ｚ方向）の薄型化と長さ方向（Ｙ方向）の短縮化を達成することができる。
【００２３】
また、本発明では、前記瞳面の中心と前記像面の中心とを結ぶ光線を軸上主光線とし、前記射出瞳を通過する位置での前記軸上主光線の直線を延長した線を視軸とし、前記像面に配置された画像表示素子の表示した画像面からの垂線と前記視軸とのなす角度をθ（図２０参照）としたとき、次の条件式（１）を満足するように前記画像素子表示素子が配置されていることが重要である。
４０．０（°） ＜ ｜θ｜ ＜ １００．０（°） ・・・・・（１）
【００２４】
上記条件式(1)の上限を超えてθが大きくなると、全反射面の傾きが大きくなり光学系の厚さ（Ｚ方向）が大きくなる上に、第２プリズムの反射面の偏心量が大きくなり偏心収差の補正が困難となる。
また、上記条件式(1)の下限を超えてθが小さくなると、全反射面の臨界角条件を満たすことが困難となる。
【００２５】
また、本発明では、次の条件式(2)を満足することがより望ましい。
６０．０（°）＜｜θ｜＜８５．０（°） ……(2)
【００２６】
さらに、本発明では、次の条件式(3)を満足することがより一層望ましい。
６５．０（°）＜｜θ｜＜７３．０（°） ……(3)
【００２７】
なお、本発明の観察光学系は、前記第１プリズムの前記第１−３面と前記画像表示素子との間に、例えば、プリズム、平行平板状のガラス、あるいは正又は負レンズなどの光学部材を配置してもよい。
【００２８】
また、本発明の観察光学系は、前記第１プリズムの前記第１−１面と前記射出瞳との間に、例えば、プリズム、平行平板状のガラス、あるいは正又は負レンズなどの光学部材を配置してもよい。
【００２９】
また、本発明の観察光学系は、前記第１プリズムが、前記第１−３面から前記第１−２面に至るまでの光路中に、前記第１光束を反射して前記第１−２面に導く反射面を有していてもよい。
【００３０】
また、本発明の観察光学系は、前記第２プリズムが、前記第２−１面から前記第２−２面に至るまでの光路中に、前記第１光束を反射して前記第２−２面に導く反射面を有していてもよい。
【００３１】
なお、本発明の光学系のこれらの構成は、観察系だけでなく撮像系への適用も可能である。
本発明の撮像光学系は、上記光学系を含んだ撮像光学系において、前記像面に物体像を撮像する撮像素子を配置し、前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りを配置し、前記明るさ絞りを通過した物体光が、少なくとも、前記第１−１面を透過して前記第１プリズム内に入射し、前記第１−２面に対して前記第３の入射角度で入射することによって前記ホログラフィック素子を透過して前記第１プリズムから一旦射出し、前記第２−１面を透過して前記第２プリズム内に入射し、前記第２−２面で反射され、前記第２−１面に対して前記第２の入射角度で入射することによって前記ホログラフィック素子を透過して前記第２プリズムを射出し、前記第１−２面を透過して再度前記第１プリズム内に入射し、前記第１−１面で全反射され、前記第１−２面に対して前記第１の入射角度で入射することによって前記ホログラフィック素子により回折反射され、前記第１−３面を透過することによって前記第１プリズムを射出して前記撮像素子に導かれるように構成したことを特徴としている。
即ち、本発明の観察光学系における、観察者が観察する画像を表示する画像表示素子、及び射出瞳を、本発明の撮像光学系では、物体像を撮像する撮像素子、及び物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りに、それぞれ置き換えて構成する。
そして、撮像光学系においても、上述の条件式など観察光学系に順じた構成とすると好ましい。
【００３２】
さらに、本発明の撮像光学系は、前記第２プリズムの媒質を液体とし、前記第２プリズムの反射面をデフォーマブルミラー（形状可変ミラー）として構成することで、第２プリズムを撮像光学系のフォーカシング機構として用いることも可能である。
【００３３】
その他、本発明の観察光学系は、前記第２プリズムの前記第２−２面を光束が該第２−２面に対して全反射臨界角を超えた入射角度で入射したときには反射し、全反射臨界角を超えない入射角度で入射したときには透過させるような全反射面となるように構成してもよい。また、さらにその第２−２面側に光を透過する光学部材を設けてもよい。
このように構成すれば、シースルー観察が可能となり、通常の外部観察に支障を来たすことなく、本発明の観察光学系を用いた頭部又は顔面装着式画像表示装置を装着し続けることができ、頭部又は顔面装着式画像表示装置の着脱の手間を省くことができる。
また、外部の観察像と画像表示素子からの像とを重ねあわせた多重像を観察することもできる。
なお、これらシースルー観察を可能にする場合には、第２プリズムの前記第２−２面側に設ける光学部材はガラスやプラスチック等の透明部材で構成する。
なお、シースルー観察を可能とするために、第２−２面をハーフミラーで構成してもよい。
【００３４】
また、画像表示素子と、以上のような本発明の何れかの観察光学系を接眼光学系として配置した本体部と、前記観察光学系の射出瞳を観察者の眼球位置に保持するように前記本体部を観察者頭部に支持する支持部材と、前記観察者の耳に音声を与えるスピーカー部材とを有して頭部装着型画像表示装置を構成することができる。
【００３５】
その場合の頭部装着型画像表示装置は、前記本体部が、右眼用の観察光学系と左眼用の観察光学系とを備え、前記スピーカー部材が、右耳用スピーカー部材と左耳用スピーカー部材とを有するように構成してもよい。
【００３６】
また、この頭部装着型画像表示装置は、前記スピーカー部材がイヤホンで構成されていてもよい。
【００３７】
なお、本発明の光学系において、観察光学系では逆光線追跡、撮像光学系では順光線追跡で、物点中心を通り、観察光学系では瞳、撮像光学系では明るさ絞りの中心を通過して像面の中心に到達する光線を軸上主光線としたとき、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通ることとなり、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。そこで、本発明に用いるプリズムには偏心プリズムを用いている。
【００３８】
また、パワーを付けた反射面を軸上主光線に対して偏心させた場合、本発明で用いられるプリズム部材を構成する面のうち、少なくとも１つの面は回転非対称な面であることが望ましい。その中でも、特に、プリズム部材の少なくとも１つの反射面を回転非対称な面にすることが収差補正上は好ましい。
【００３９】
光路を折り曲げて、共通領域の光路を重複して利用するためには、光学系を偏心配置する必要がある。しかし、このように光路を折り曲げるために光学系を偏心光学系とすると、回転非対称なディストーションや回転非対称な像面湾曲などの偏心収差が発生する。この偏心収差を補正するために回転非対称な面を上述のように用いる。
【００４０】
また、本発明で用いられるホログラフィック素子のパワーの面も回転非対称な面であることが同様の理由で望ましい。
なお、ホログラフィック素子を設けるベース面の面形状は、上述のような平面形状やシリンドリカル形状の他に、球面、非球面、アナモルフィック面、トーリック面、対称面を１面のみ有する面、面対称自由曲面形状のいずれの形状に形成されていてもよい。
【００４１】
また、本発明で用いる回転非対称な面は、アナモルフィック面、トーリック面、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面で構成することができる。なお、好ましくは、対称面を１面のみ有する自由曲面で構成するとよい。
【００４２】
なお、本発明では、軸上主光線を、観察光学系においては、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逆光線追跡で、撮像光学系においては、明るさ絞りの中心を通り撮像素子の中心に到達する光線で順光線追跡で定義する。そして、軸上主光線が射出瞳又は明るさ絞りの中心から第１プリズムの射出瞳側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、第１プリズム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、Ｙ軸と直交する軸をＸ軸と定義する。また、射出瞳又は明るさ絞りの中心を本発明の観察光学系又は撮像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、又は明るさ絞りから撮像素子に向かう順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又は明るさ絞りから撮像素子に至る方向をＺ軸の正方向、画像表示素子に向かうＹ軸の方向又は撮像素子に向かう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。
ここで、本発明で使用する自由曲面は、次式(4)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。
【００４３】

……(4)
ただし、(4)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。
【００４４】
自由曲面項は次式(5)のように展開することができる。

……(5)
ただし、Ｃ_j（ｊは２以上の整数）は係数である。
【００４５】
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。このような自由曲面は、例えば、上記定義式(4)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。
【００４６】
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(4)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。
【００４７】
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も向上させることが可能となる。
【００４８】
また、上記定義式(4)は、上述のように１つの例として示したものであり、本発明において、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特徴を有しているが、上記定義式(4)以外の他のいかなる定義式に対しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４９】
本発明において、プリズム部材に設けられた反射面の形状を、唯一の対称面を１面のみ有した面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５０】
また、アナモルフィック面の形状は次の式(6)により定義される。なお、面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線がアナモルフィック面の軸となる。

【００５１】
ここで、例としてｎ＝４（４次項）を考えると、上記式(6)は、展開したとき、次式(7)で表わすことができる。

ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ量、ＣｘはＸ軸方向曲率、ＣｙはＹ軸方向曲率、ＫｘはＸ軸方向円錐係数、ＫｙはＹ軸方向円錐係数、Ｒｎは球面項回転対称成分、Ｐｎは非球面項回転非対称成分である。なお、Ｘ軸方向曲率半径Ｒｘ、Ｙ軸方向曲率半径Ｒｙと曲率Ｃｘ，Ｃｙとは、
Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ
の関係にある。
【００５２】
また、トーリック面にはＸトーリック面とＹトーリック面があり、それぞれ次の式(8)，(9)により定義される。面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線がトーリック面の軸となる。
Ｘトーリック面は、次の式(8)で定義される。

ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ量、ＣｘはＸ軸方向曲率、ＣｙはＹ軸方向曲率、Ｋは円錐係数、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは非球面係数である。なお、Ｘ軸方向曲率半径Ｒｘ、Ｙ軸方向曲率半径Ｒｙと曲率Ｃｘ，Ｃｙとは、
Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ
の関係にある。
【００５３】
ホログラフィック素子には、レリーフ型ホログラムと体積型ホログラムがある。レリーフ型ホログラムは、入射角選択性や波長選択性が小さく、特定の入射角、波長の光を回折して必要次数光として結像させるが、それ以外の入射角、波長の光についても、回折効率が低下した状態で回折してしまい、不要次数光として結像させてしまうという性質を有する。一方、体積型ホログラムは入射角選択性や波長選択性が高く、特定の波長、入射角の光のみを回折して必要次数光として結像させ、それ以外の光については殆どを０次光として透過させてしまい、不要次数光を結像させ難いという特性を有している。
従って、本発明のように第１プリズムに用いるホログラフィック素子として反射型体積ホログラムを用いれば、不要次数光による像ブレの発生を防ぐことができ、鮮明な観察画像を得ることができる。
【００５４】
なお、本発明におけるホログラフィック素子である体積型ホログラム（ＨＯＥ）は以下のように定義する。図２１は本発明におけるＨＯＥを定義するための原理図である。
まず、ＨＯＥ面に入射し、さらに射出する波長λの光線追跡は、基準波長λ₀＝ＨＷＬに対して定義されるＨＯＥ面上での光路差関数Φ₀を用いて、次式(10)で与えられる。
ｎ_dＱ_d・Ｎ＝ｎ_iＱ_i・Ｎ＋ｍ（λ／λ₀）∇Ф₀・Ｎ ……(10)
ただし、ＮはＨＯＥ面の法線ベクトル、ｎ_i（ｎ_d）は入射側（射出側）の屈折率、Ｑ_i（Ｑ_d）は入射（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である。
【００５５】
ＨＯＥが基準波長λ₀の２点光源、すなわち図２１に示すように点Ｐ₁＝（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ１）を光源とする物体光、および点Ｐ₂＝（ＨＸ２，ＨＹ２，ＨＺ２）を光源とする参照光の干渉によって製造される（定義される）とすれば、
Φ₀＝Φ₀ ^2P
＝ｎ₂・ｓ₂・ｒ₂−ｎ₁・ｓ₁・ｒ₁
となる。ただし、ｒ₁（ｒ₂）は点Ｐ₁（点Ｐ₂）からＨＯＥ面の所定の座標までの距離（＞０）、ｎ₁（ｎ₂）は製造時（定義時）にＨＯＥを置く媒質の、点Ｐ₁（点Ｐ₂）を配置した側の屈折率であり、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。なお、レンズデータ中におけるＨＯＥの定義として、製造時（定義時）にＨＯＥを置く媒質の屈折率ｎ₁（ｎ₂）は、レンズデータ中でＨＯＥ面が接している媒質の、点Ｐ₁（点Ｐ₂）が存在する側の屈折率とする。
【００５６】
一般的な場合、ＨＯＥを製造する際の参照光と物体光は球面波とは限らない。
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Φ₀ ^Poly（基準波長λ₀における光路差関数）を加えて次式(11)で表わすことができる。
Φ₀＝Φ₀ ^2P＋Φ₀ ^Poly ……(11)
ここで、多項式は、

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、Ｈ_jは各項の係数である。
【００５７】
さらに光学設計の便宜から、光路差関数Φ₀を
Φ₀＝Φ₀ ^Poly
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Φ₀ ^2Pはゼロとなるので、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。
【００５８】
以下に、ＨＯＥを定義する構成パラメータの例を示す。

【００５９】
また、本発明に用いる体積型ホログラム面において反射回折および透過させる原理を説明する。回折効率のシミュレーションをｋｏｇｅｌｎｉｋの理論に基づきＰ偏光成分光の回折効率をシミュレーションしたものを示す。図２２は回折効率の計算条件を示す説明図である。光源として、Ｒ，Ｇ，Ｂバンドの光用に中心波長がそれぞれ６３０ｎｍ、５２０ｎｍ、４７０ｎｍのＬＥＤ光源に狭帯域フィルターを用いて、各バンド幅を中心波長±５ｎｍ〜１０ｎｍ程度に狭めたものを用い、例としてＧバンドの軸上主光線における体積型ホログラム面での回折効率の計算結果を示す。尚、基準屈折率は１．５、屈折回折角度を０．０５としている。体積型ホログラム面への軸上主光線の入射角を５８．０°、反射回折角度を５８．１°とした場合の回折効率を図２３〜２５に示す。図２３，２４は波長が５２０ｎｍの軸上主光線の入射角に対する回折効率、図２５は波長に対する入射角度が５８．０°の軸上主光線の回折効率をそれぞれ示すグラフである。
【００６０】
図２３，２４より、波長５２０ｎｍの軸上主光線は入射角±５８．０°近傍では略１００％近い回折効率が得られることがわかる。また、図２５より、波長５２０ｎｍ±５ｎｍ程度の範囲では良好な反射回折効率が得られることがわかる。なお、反射回折後に第１−１面で全反射されて再度体積型ホログラム面へ入射するときの軸上主光線は、入射角２３．６°で入射するものとする。また、その後に第２プリズムの第２−２面で反射されて再度体積型ホログラム面へ入射するときの軸上主光線は、入射角１５．６°で入射するものとする。図２３より、上記入射および回折角度の特性を持った体積型ホログラム面の領域に±２３．６°、±１５．６°で入射した波長５２０ｎｍの軸上主光線は回折効率が低く、そのまま素通りすることがわかる。
【００６１】
なお、後述の実施例の説明においては、入射角５８．０°を体積型ホログラムに対する第１の入射角度、入射角２３．６°を体積型ホログラムに対する第２の入射角度、入射角１５．６°を体積型ホログラムに対する第３の入射角度とする。
【００６２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の観察光学系および撮像光学系の実施例について説明する。
なお、各実施例の構成パラメータは後に示すことにする。各実施例においては、例えば図１に示すように、軸上主光線２を、射出瞳１（又は明るさ絞り１４）の中心（観察者眼球の旋回中心位置）から第１プリズム３、第２プリズム４、画像表示素子として設けられたＬＣＤ５（又は撮像素子１３）の中心に至る光線で定義する。そして、軸上主光線２が第１プリズム３の射出瞳側の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（又は明るさ絞り１４）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（又は明るさ絞り１４）からＬＣＤ５（又は撮像素子１３）に至る方向をＺ軸の正方向、ＬＣＤ５（又は撮像素子１３）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。
【００６３】
各実施例では、第１プリズムおよび第２プリズムはこのＹ−Ｚ平面内で偏心を行なっており、また、第１プリズムおよび第２プリズムに設けられる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。
【００６４】
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(4)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。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。
【００６５】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は上記(4)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。
【００６６】
また、自由曲面の他の定義式として、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は次式(12)により定義する。その定義式(12)のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺ軸の高さの極座標で定義され、ＲはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＡはＺ軸周りの方位角でＹ軸から測った回転角で表わされる。
【００６７】

なお、上記においてＸ方向に対称な面として表した。ただし、Ｄ_m（ｍは２以上の整数）は係数である。
【００６８】
また、回転非対称面な自由曲面の形状は次の式(13)により定義することもできる。その定義式(13)のＺ軸が回転非対称面の軸となる。
Ｚ＝Σ_nΣ_mＣ_nmＸⁿＹ^n-m ……(13)
ただし、Σ_nはΣのｎが０〜ｋ、Σ_mはΣのｍが０〜ｎを表わす。
【００６９】
また、面対称自由曲面（対称面を１つのみ有する回転非対称面）を、この回転非対称面を表わす式(14)により定義する場合は、その対称面により生ずる対称性をＸ方向に求める場合は、Ｘの奇数次項を０に（例えばＸ奇数次項の係数を０にする）、その対称面により生ずる対称性をＹ方向に求める場合は、Ｙの奇数次項を０に（例えば、Ｙ奇数次項の係数を０にする）すればよい。
【００７０】
また、回転対称非球面の形状は次式(14)により定義する。その定義式(14)のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。

ただし、ＹはＺに垂直な方向であり、Ｒは近軸曲率半径、Ｐは円錐係数、Ａ₄、Ａ₆、Ａ₈、Ａ₁₀は非球面係数である。
【００７１】
なお、本発明の実施例では、上記(4)式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記(12)式、(13)式を用いても同様の作用効果が得られるのは言うまでもない。
【００７２】
【実施例】
実施例１、２では、観察光学系として説明する。画像表示素子としては、大きさが０．４７インチタイプの縦横９．６ｍｍ×７．２ｍｍで、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤを使用している。また、観察画角は、水平半画角１２．５°、垂直半画角９．４４°であり、瞳径は、Φ４．０ｍｍである。
本発明の実施例１、２に係る観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図１、４に夫々示す。実施例１、２の観察光学系はいずれも、像面と瞳面との間に配置されている。像面側には、観察者が観察する画像を表示する画像表示素子としてＬＣＤ５が配置されている。また、第１プリズム３と、第２プリズム４と、第１プリズム３と第２プリズム４との間に挟まれ且つ両プリズムに貼り合わされたホログラフィック素子として体積型ホログラム（ＨＯＥ）６とを有していて、ＬＣＤ５に表示された観察像を観察するために瞳面に射出瞳１を形成するようになっている。
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、第１および第２プリズムにおける各面の順番も逆光線追跡に合わせて表すこととする。また、光学系を介して射出瞳１とＬＣＤ５とを結ぶ光路内を進む光束を第１光束ということとする。
【００７３】
第１プリズム３は、第１−１面３₁〜第１−３面３₃を有している。第１−１面３₁は、瞳側に配置され、第１光束が全反射臨界角を超えた入射角度で入射したときにはその光束を全反射し、第１光束が全反射臨界角よりも小さい入射角度で入射したときにはその光束を透過させる全反射面で構成されていて、第１光束を透過させる作用と反射する作用とを兼ね備えた、第２の射出面及び第２の反射面として構成されている。
【００７４】
第１−２面３₂は、第１−１面３₁を境に瞳とは反対側に配置されており、体積型ホログラム６を挟んで第２プリズム４と接合している。第１−２面３₂の面上には体積型ホログラム６が貼り付けられていて、第１光束が第１の入射角度で入射したときには体積型ホログラム６によりその光束を回折反射し、第１光束が第２の入射角度及び第３の入射角度で入射したときには体積型ホログラム６によりその光束を透過させるように構成されており、第１−２面３₂は、第１光束を透過させる作用と反射する作用とを兼ね備えた、第１の反射面、第１の射出面及び第２の入射面として構成されている。第１−３面３₃は、像面側に配置されていて、第１光束を透過させる作用を有する、第１の入射面として構成されている。
【００７５】
第２プリズム４は、第２−１面４₁、第２−２面４₂を有している。第２−１面４₁は、第１プリズム３の第１−２面３₂と対向位置に配置され、体積型ホログラム６を挟んで第１プリズム３の第１−２面３₂と接合している。第２−１面４₁の面上には第１プリズム３の第１−２面３₂に貼り付けられた体積型ホログラム６が貼り付けられていて、第１光束が第２の入射角度及び第３の入射角度で入射したときには体積型ホログラム６によりその光束を透過させるように構成されており、第２−１面４₁は、第１光束を少なくとも２回透過させる作用を有する、入射面及び射出面として構成されている。
第２−２面４₂は、第２−１面４₁を境に瞳とは反対側に配置されていて、第１光束を反射する作用を有する、反射面として構成されている。
また、第１プリズムの第１−２面３₂と第２プリズムの第２−１面４ ₁ とは面形状が同一に形成されている。
【００７６】
体積型ホログラム６は、上述のように、第１光束が第１の入射角度で入射したときにはその光束を回折反射し、第１光束が第２の入射角度及び第３の入射角度で入射したときには、いずれもその光束を透過させるように形成することによって、第１プリズム３の第１−２面３₂が第１光束を反射する作用と透過させる作用とを兼ね備えると共に、第２プリズムの第２−１面４₁が第１光束を少なくとも２回透過させる作用を有するように構成されている。
【００７７】
そして、各実施例の観察光学系では、ＬＣＤ５から射出された第１光束は、第１−３面３₃を透過して第１プリズム３の内部に入射した後、第１−２面３₂に貼り付けられた体積型ホログラム６に対し第１の入射角度で入射して体積型ホログラム６により回折反射され、第１−１面３₁に対し全反射臨界角を超えた入射角度で入射して第１−１面３₁で全反射され、第１−２面３₂に貼り付けられた体積型ホログラム６に対し第２の入射角度で入射して体積型ホログラム６を透過して、第１プリズム３から一旦射出される。その後、第１光束は、第２プリズム４の第２−１面４₁を透過して第２プリズム４の内部に入射し、第２−２面４₂で反射され、第２−１面２₁に貼り付けられた体積型ホログラム６に対し第３の入射角度で入射して体積型ホログラム６を透過することによって第２プリズム４から射出される。その後、第１光束は、第１プリズム３の第１−２面３₂を透過して第１プリズム３の内部に入射し、第１−１面３₁に対し全反射臨界角よりも小さい入射角度で入射して第１−１面３₁を透過することによって第１プリズムを射出して射出瞳１側に導かれる。
【００７８】
なお、本発明の実施例においては、観察光学系として説明することとするが、観察光学系の像面にＬＣＤ５に換えて撮像素子１３を配置し、瞳面（射出瞳１の位置）に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞り１４を配置することにより、撮像光学系として構成することができる。
その場合には、明るさ絞り１４を通過した物体光が、少なくとも、第１プリズム３の第１−１面３₁に対し全反射臨界角よりも小さい入射角度で入射し第１−１面３₁を透過して第１プリズム３の内部に入射した後、第１−２面３₂に貼り付けられた体積型ホログラム６に対し第３の入射角度で入射して体積型ホログラム６を透過して第１プリズム３から一旦射出され、第２プリズム４の第２−１面４₁を透過して第２プリズム４の内部に入射し、第２−２面４₂で反射され、第２−１面４₁に貼り付けられた体積型ホログラム６に対し第２の入射角度で入射して体積型ホログラム６を透過することによって第２プリズム４から射出され、第１プリズム３の第１−２面３₂を透過して再度第１プリズム３の内部に入射し、第１−１面３₁に対し全反射臨界角を超えた入射角度で入射して第１−１面３₁で全反射され、第１−２面３₂に貼り付けられた体積型ホログラム６に対し第１の入射角度で入射して体積型ホログラム６により回折反射され、第１−３面３₃を透過することによって第１プリズム３を射出して撮像素子１３に導かれるようにする。
その他、各実施例では、体積型ホログラムは、Ｒ，Ｇ，Ｂの３層を貼り合わせて構成されており、カラー像を観察することができるようになっている。
【００７９】
第１実施例
第１実施例の光学系は、図１に示すように、第１プリズム３のＬＣＤ５側の面（第１−３面）３₃が自由曲面に、体積型ホログラム６が貼り付けられた面（第１−２面）３₂が平面に、瞳側の面（第１−１面）３₁が自由曲面に、第２プリズム４の体積型ホログラム６が貼り付けられた面（第２−１面）４₁が平面に、反射面（第２−２面）４₂が自由曲面にそれぞれ形成されている。
【００８０】
次に、第１実施例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は第２実施例においても同じく自由曲面を示している。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図２に、横収差を表す収差図を図３にそれぞれ示す。図２中、縦軸はＸ方向の像高、横軸はＹ方向の像高を示している。また、図３中、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。
【００８１】

【００８２】

【００８３】

【００８４】

【００８５】
条件式
条件式(1),(2),(3) ｜θ｜＝ 68.57°
【００８６】
第２実施例
第２実施例の光学系は、図４に示すように、第１プリズム３のＬＣＤ５側の面（第１−３面）３₃が自由曲面に、体積型ホログラム６が貼り付けられた面（第１−２面）３₂が平面に、瞳側の面（第１−１面）３₁が回転対称な非球面に、第２プリズム４の体積型ホログラム６が貼り付けられた面（第２−１面）４₁が平面に、反射面（第２−２面）４₂が自由曲面にそれぞれ形成されている。
【００８７】
次に、第２実施例の数値データを示す。

【００８８】

【００８９】

【００９０】

【００９１】

【００９２】
条件式
条件式(1),(2),(3) ｜θ｜＝ 69.03°
【００９３】
第３実施例
本発明の光学系の第３実施例を図５に示す。図５は、第３実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
本実施例の光学系は、第１、第２実施例の光学系の構成に、偏光ビームスプリッタ７、正レンズ８などの光学部材を加えて構成されている。
【００９４】
偏光ビームスプリッタ７は、第１プリズム部材３の第１−３面３₃とＬＣＤ５との間に配置されている。偏光ビームスプリッタ７の側方には、偏光板９、照明用光源（ＬＥＤ）１０が設けられている。
そして、ＬＥＤ１０より射出された照明光は、偏光板９を介して直線偏光成分の光に変換されて偏光ビームスプリッタ７に入射し、そのうちの所定の直線偏光成分の光が偏光ビームスプリッタ７の偏光面７’で反射されてＬＣＤ５側の面から射出して、ＬＣＤ５を照射する。その後、ＬＣＤ５で反射されることによって直線偏光成分が偏光されて、偏光ビームスプリッタ７に入射し、偏光面７’を透過して偏光ビームスプリッタ７から射出して第１プリズム３の第１−３面３₃に入射する。
【００９５】
また、本実施例では、第１プリズム３のＬＣＤ５側の面（第１−３面）３₃が自由曲面に、体積型ホログラム６が貼り付けられた面（第１−２面）３₂が平面に、瞳側の面（第１−１面）３₁が自由曲面又は回転対称非球面に、第２プリズム４の体積型ホログラム６が貼り付けられた面（第２−１面）４₁が平面に、反射面（第２−２面）４₂が自由曲面にそれぞれ形成されている。また、反射面（第２−２面）４₂には、ミラーコーティングが施されている。
正レンズ８は、第１プリズム３の第１−１面３₁と射出瞳１との間に配置されており、第１プリズム３の第１−１面３₁から射出された光像の収差を補正して射出瞳１に結像するようになっている。
【００９６】
第４実施例
本発明の光学系の第４実施例を図６に示す。図６は、第４実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
本実施例の光学系は、第１プリズム３が、第１−３面３₃と第１−２面３₂との間の光路中においてプリズム内の第１光束を反射する面３₄を配置して構成されている。
また、平行平板などのガラスでできたカバー部材１１が、第１プリズム３の第１−１面３₁と射出瞳１との間に配置されている。
【００９７】
なお、本実施例では、第１プリズム３のＬＣＤ５側の面（第１−３面）３₃が自由曲面に、体積型ホログラム６が貼り付けられた面（第１−２面）３₂が平面に、瞳側の面（第１−１面）３₁が自由曲面又は回転対称非球面に、第１−３面３₃と第１−２面３₂との間の光路中においてプリズム内の第１光束を反射する面３₄が自由曲面に、第２プリズム４の体積型ホログラム６が貼り付けられた面（第２−１面）４₁が平面に、反射面（第２−２面）４₂が自由曲面にそれぞれ形成されている。また、反射面（第２−２面）４₂には、ミラーコーティングが施されている。
【００９８】
第５実施例
本発明の光学系の第６実施例を図７に示す。図７は、第６実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
本実施例の光学系は、第２プリズム４が、第２−２面４₂と第２−１面４₁との間の光路中においてプリズム内の第１光束を反射する面４₃を配置して構成されている。
【００９９】
また、本実施例では、第１プリズム３のＬＣＤ５側の面（第１−３面）３₃が自由曲面に、体積型ホログラム６が貼り付けられた面（第１−２面）３₂が平面に、瞳側の面（第１−１面）３₁が自由曲面又は回転対称非球面に、第２プリズム４の体積型ホログラム６が貼り付けられた面（第２−１面）４₁が平面に、反射面（第２−２面）４₂が自由曲面に、第２−２面４₂と第２−１面４₁との間の光路中においてプリズム内の第１光束を反射する面４₃が自由曲面に、それぞれ形成されている。
また、負レンズ１２が、第１プリズム３の第１−１面３₁と射出瞳１との間に配置されている。
【０１００】
第６実施例
本発明の光学系の第６実施例を図８に示す。図８は、第６実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
本実施例の観察光学系は、瞳面から、第１プリズム３を通り抜けて第２プリズム３へと向かう光束を第２光束としたときに、上記各実施例の第２プリズム４の第２面４₂が、第２光束が全反射臨界角を超えた入射角度で入射したときにはその光束を反射し、第２光束が全反射臨界角よりも小さい入射角度で入射したときにはその光束を透過させる全反射面で構成されている。また、第２プリズム４の第２面４₂側にはプリズム１６が設けられており、ＬＣＤ５からの観察像のほかに、外部の像を透過観察することができるようになっている。
なお、第２プリズム４の第２面４₂は、上記のような全反射面とする代わりにハーフミラー面で構成してもよい。
【０１０１】
第７実施例
本発明の光学系の第７実施例を図９に示す。図９は第７実施例にかかる撮像光学系の光軸を含むＹ−Ｚ要部断面図である。
本実施例の撮像光学系は、上記第１〜第６実施例の構成においてＬＣＤ５を撮像素子１３に、射出瞳１を明るさ絞り１４に置き換えて構成され、さらに、第２プリズム４が内部の媒質を液体とし、第２プリズム４の反射面（第２−２面）４₂がデフォーマブルミラー面（形状可変ミラー）（参考文献：Gleb Vdovin, "Quick focusing of imaging optics using micromachined adaptive mirrors", Optics Communications,140,187-190(1997)）として構成されている。
【０１０２】
即ち、第２プリズム４は、プラスチック等で透明かつ中空状に形成され、その内部に液体が充填されて構成されており、液体のバッファーを備えたバッファー部１７を備えている。また、第２プリズム４は、デフォーマブルミラー面４₂の側方に蛇腹状に形状可変に形成された蛇腹部１８を備えてており、内部に充填されたバッファーの液圧によって蛇腹部１８が伸張又は収縮するようになっている。
【０１０３】
本実施例によれば、バッファー部１７を押圧して、第２プリズム４に液圧を加えることで、蛇腹部１８が第２−１面４ ₁ から離れる方向に広がり、デフォーマブルミラー面４₂の位置が変化する。デフォーマブルミラー面４₂の位置が変化すると、その面で反射されて撮像素子１３に向かう光束の光路長が変化すると共に、結像位置が変化する。
したがって、本実施例によれば、第２プリズム４を撮像光学系のフォーカシング機構として用いることができる。
【０１０４】
次に、以上のような本発明による観察光学系、撮像光学系は、物体像を接眼レンズを通して観察する観察装置や、物体像を形成しその像をＣＣＤや銀塩フィルムといった撮像素子に受光させて撮影を行なう撮影装置として用いることが可能である。具体的には、顕微鏡、頭部装着型画像表示装置、内視鏡、プロジェクター、銀塩カメラ、デジタルカメラ、ＶＴＲカメラ等がある。以下にその実施形態を例示する。
【０１０５】
その一例として、図１０に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、図１１にその断面図を示す。この構成は、本発明による観察光学系を図１２に示すように画像表示素子５を備えた接眼光学系１００として用いており、この接眼光学系１００を左右一対用意し、それらを眼幅距離だけ離して支持することにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装着型画像表示装置のようなポータブル型の画像表示装置１０２として構成されている。
【０１０６】
すなわち、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、その接眼光学系１００が左右一対備えられ、それらに対応して像面に液晶表示素子からなる画像表示素子５が配置されている。そして、画像表示装置本体１０２には、図１０に示すように、左右に連続して図示のような側頭フレーム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１１に示すように、接眼光学系１００の射出瞳と第１−１面３₁との間にカバー部材９１が配置されている。このカバー部材９１としては、平行平面板、正レンズあるいは負レンズの何れを用いてもよい。
【０１０７】
また、側頭フレーム１０３にはスピーカ１０４が付設されており、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を有する表示装置本体１０２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が接続されており、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、映像音響を楽しむことができるようになっている。図１０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。
【０１０８】
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し、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。
【０１０９】
さらに、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片眼用の頭部装着型画像表示装置に用いてもよい。図１２にその片眼装着用の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、画像表示素子５を備えた接眼光学系１００を１組備えた表示装置本体１０２が前フレーム１０８の対応する眼の前方位置に取り付けられ、その前フレーム１０８には左右に連続して図示のような側頭フレーム１０３が設けられており、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１０の場合と同様であり、説明は省く。
【０１１０】
また、図１３〜図１５は、本発明による撮像光学系の要部構成を電子カメラのファインダー部の対物光学系に組み込んだ構成の概念図を示す。図１３は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図１４は同後方斜視図、図１５は電子カメラ４０の構成を示す断面図である。
【０１１１】
電子カメラ４０は、この例の場合、撮影用光路４２を有する撮影光学系４１、ファインダー用光路４４を有するファインダー光学系４３、シャッター釦４５、フラッシュ４６、液晶表示モニター４７等を含み、カメラ４０の上部に配置されたシャッター釦４５を押圧すると、それに連動して撮影用対物光学系４８を通して撮影が行なわれる。撮影用対物光学系４８によって形成された物体像が、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５１を介してＣＣＤ４９の撮像面５０上に形成される。
【０１１２】
このＣＣＤ４９で受光された物体像は、処理手段５２を介し、電子画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター４７に表示される。また、この処理手段５２には記録素子６１が配置され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、この記録素子６１は処理手段５２と別体に設けられてもよいし、フロッピーディスク等により電子的に記録書込を行なうように構成してもよい。また、ＣＣＤ４９に代わって銀塩フィルムを配置した銀塩カメラとして構成してもよい。
【０１１３】
さらに、ファインダー用光路４４上には、ファインダー用対物光学系５３が配置されており、このファインダー用対物光学系５３は、カバーレンズ５４と、フォーカシングのために光軸方向に位置調節可能な正レンズ群５７と、図６の実施例に示すような明るさ絞り１と第１プリズム３と第２プリズム４とを備えてなる。また、カバー部材として用いられているカバーレンズ５４は、負のパワーを有するレンズ群であり、画角を拡大している。このファインダー用対物光学系５３によって結像面９０上に形成された物体像は、像正立部材であるポロプリズム５５の視野枠上に形成される。
【０１１４】
なお、その視野枠は、ポロプリズム５５の第１反射面５６₁と第２反射面５６₂との間を分離し、その間に配置されている。なお、ポロプリズム５５は第１反射面５６₁から第４反射面５６₄でなる。このポロプリズム５５の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系５９が配置されている。
【０１１５】
このように構成されたカメラ４０は、ファインダー用対物光学系５３を少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、対物光学系５３の光路自体を折り曲げて構成できるため、カメラ内部での配置の自由度が増し、設計上有利となる。
【０１１６】
なお、図１５の構成において、撮影用対物光学系４８の構成については言及しなかったが、撮影用対物光学系４８としては屈折型同軸光学系の他に、本発明の２つのプリズム３，４からなる何れかのタイプの撮像光学系を用いることも当然可能である。
【０１１７】
次に、図１６は本発明の撮像光学系を電子カメラ４０の撮影部の対物光学系４８に、本発明の観察光学系を電子カメラ４０の接眼光学系５９に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合は、撮影用光路４２上に配置された撮影用対物光学系４８は、正レンズからなるカバー部材６５と本発明の実施例１、２に示すような２つのプリズム３，４からなる何れかのタイプの撮像光学系からなる。そして、その第１プリズム３とＣＣＤ４９との間に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５１が配置されており、この撮影用対物光学系４８により形成された物体像はＣＣＤ４９の撮像面５０上に形成される。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）６０上に電子像として表示される。また、この処理手段５２は、ＣＣＤ４９で撮影された物体像を電子情報として記録する記録手段６１の制御も行なう。ＬＣＤ６０に表示された画像は、接眼光学系５９を介して観察者眼球Ｅに導かれる。
【０１１８】
この接眼光学系５９は、本発明の実施例１、２に示すような観察光学系と同様の形態を持つ偏心プリズム光学系３，４とその射出瞳側に配置されたカバーレンズ９１とからなる。また、ＬＣＤ６０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。なお、この撮影用対物光学系４８は他のレンズ（正レンズ、負レンズ）を２つのプリズム３，４の物体側あるいは像側にその構成要素として含んでいてもよい。
【０１１９】
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、高性能・低コスト化が実現できると共に、光学系全体を同一平面上に並べて配置できるため、この配置平面と垂直方向の厚みの薄型化が実現できる。
【０１２０】
なお、本例では、撮影用対物光学系４８のカバー部材６５として、正レンズを配置しているが、負レンズあるいは平行平面板を用いてもよい。
【０１２１】
ここで、カバー部材を設けずに、本発明の撮像光学系の最も物体側に配置された面をカバー部材と兼用することもできる。本例では、その最も物体側の面は第１プリズム３の入射面３₁となる。しかし、この入射面３₁が光軸に対して偏心配置されているため、この面がカメラ前面に配置されてしまうと、被写体側から見た場合、カメラ４０の撮影中心が自分からずれているように錯覚してしまい（一般的なカメラ同様、入射面の垂直方向を撮影していると感じるのが通常である。）、違和感を与えてしまう。そこで、本例のように、結像光学系の最も物体側の面が偏心面である場合には、カバー部材６５（又は、カバーレンズ５４）を設けることが、被写体側から見た場合に違和感を感じずに、既存のカメラと同じ感覚で撮影を受けることができ望ましい。
なお、プリズム３の入射面３₁にはホログラフィック素子が設けられているため、水分の侵入による回折のピーク波長の変化を防止するためにも、カバー部材６５、カバーレンズ９１は設けることが望ましい。
【０１２２】
次に、図１７は、本発明による撮像光学系を電子内視鏡の観察系の対物光学系８２に、本発明による観察光学系を電子内視鏡の観察系の接眼光学系８７に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合、観察系の対物光学系８２、接眼光学系８７は実施例１、２と略同様の形態の光学系を用いている。この電子内視鏡は、図１７(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、その電子内視鏡７１に対応する信号処理を行なうビデオプロセッサ７３と、このビデオプロセッサ７３から出力される映像信号を表示するモニター７４と、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ＶＴＲデッキ７５及びビデオディスク７６と、映像信号を映像としてプリントアウトするビデオプリンタ７７と、例えば図１０に示したような頭部装着型画像表示装置（ＨＭＤ）７８と共に構成されており、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１７(b)に示すように構成されている。
【０１２３】
光源装置７２から照明された光束は、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により、観察部位を照明する。そして、この観察部位からの光が、カバー部材８５を介して、観察用対物光学系８２によって物体像として形成される。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、その映像信号は、図１７(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と共に、ＶＴＲデッキ７５、ビデオディスク７６中に記録され、また、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５（図１１）に表示されＨＭＤ７８の装着者に表示される。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）８６上に電子像として表示され、その表示像は本発明の観察光学系からなる接眼光学系８７を経て観察者眼球Ｅに導かれる。
【０１２４】
このように構成された内視鏡は、少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、対物光学系８０が内視鏡の長軸方向に並ぶため、細径化を阻害することなく上記効果を得ることができる。
【０１２５】
次に、本発明による光学系を構成するプリズムに体積型ホログラムのような回折素子を設けるときの望ましい構成を図１８に示す。図中、偏心プリズムＰは、本発明の観察光学系又は撮像光学系中に含まれる第１プリズム３である。いま、回折素子の面Ｃが、図のように四角形を形成するとき、偏心プリズムＰの第１−１面が面対称自由曲面に形成された場合その対称面Ｄが、この回折素子６の面Ｃの四角形を形成する辺の少なくとも１つと平行になるように配置することが、美しい像形成の上で望ましい。
【０１２６】
さらに、この回折素子６の面Ｃが正方形や長方形といった４つの内角がそれぞれ略９０°にて形成されている場合には、面対称自由曲面の対称面Ｄは、回折素子６の面Ｃの互いに平行関係にある２辺に対して平行に配置され、この対称面Ｄが回折素子６の面Ｃを左右又は上下対称にさせる位置に一致するように構成することが好ましい。このように構成すれば、装置に組み込むときの組み込み精度が出しやすく、量産性に効果的である。
【０１２７】
さらに、偏心プリズムＰを構成する光学面である第１−１面、第１−２面、第１−３面等の内、複数の面又は全ての面が面対称自由曲面の場合には、複数の面又は全ての面の対称面が同一面Ｄの上に配置されるように構成することが、設計上も、収差性能上も望ましい。そして、この対称面Ｄと回折素子６のパワーの面との関係は、上述と同様の関係にあることが望ましい。
【０１２８】
以上説明したように、本発明の光学系は、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。
【０１２９】
（１）請求項２に記載の観察光学系において、前記第１プリズムの前記第１−３面と前記画像表示素子との間に、光学部材を配置したことを特徴とする観察光学系。
【０１３０】
（２）請求項２に記載の観察光学系において、前記第１プリズムの前記第１−１面と前記射出瞳との間に、光学部材を配置したことを特徴とする観察光学系。
【０１３１】
（３）請求項２に記載の観察光学系において、前記第１プリズムが、前記第１−３面から前記第１−２面に至るまでの光路中に、前記第１光束を反射して前記第１−２面へと導く反射面を有していることを特徴とする観察光学系。
【０１３２】
（４）請求項２に記載の観察光学系において、前記第２プリズムが、前記第２−１面から前記第２−２面に至るまでの光路中に、前記第１光束を反射して前記第２−２面へと導く反射面を有していることを特徴とする観察光学系。
【０１３３】
（５）請求項２に記載の観察光学系において、前記第１プリズムの前記第１−２面と前記第２プリズムの前記第２−１面とが、共にプリズム面形状を平面に形成され、その平面上にホログラフィック素子を貼りつけて構成されていることを特徴とする観察光学系。
【０１３４】
（６）請求項２に記載の観察光学系において、前記第１プリズムの前記第１−１面と前記第２プリズムの前記第２−１面とが、共にプリズム面形状を曲面に形成され、その曲面上にホログラフィック素子を貼りつけて構成されていることを特徴とする観察光学系。
【０１３５】
（７）上記（５）又は（６）に記載の観察光学系において、前記第１プリズムと前記第２プリズムとの間に貼りつけられたホログラフィック素子が、体積型ホログラムで構成されていることを特徴とする観察光学系。
【０１３６】
（８）請求項１，２、上記（１）〜（７）に記載の観察光学系において、前記第１プリズムの前記第１−１面の面形状が自由曲面形状で構成されていることを特徴とする観察光学系。
【０１３７】
（９）請求項１，２、上記（１）〜（７）に記載の観察光学系において、前記第１プリズムの前記第１−１面の面形状が回転対称非球面形状で構成されていることを特徴とする観察光学系。
【０１３８】
（１０）請求項２、上記（１）〜（９）のいずれかに記載の観察光学系において、前記瞳面の中心と前記像面の中心とを結ぶ光線を軸上主光線とし、前記射出瞳を通過する位置での前記軸上主光線の直線を延長した線を視軸とし、前記像面に配置された画像表示素子の表示した画像面からの垂線と前記視軸とのなす角度をθとしたとき、次の条件式(1)を満足するように前記画像表示素子が配置されていることを特徴とする観察光学系。
４０．０（°）＜｜θ｜＜１００．０（°） ……(1)
【０１３９】
（１１）上記（１０）に記載の観察光学系において、次の条件式(2)を満足するように前記画像表示素子が配置されていることを特徴とする観察光学系。
６０．０（°）＜｜θ｜＜８５．０（°） ……(2)
【０１４０】
（１２）上記（１１）に記載の観察光学系において、次の条件式(3)を満足するように前記画像表示素子が配置されていることを特徴とする観察光学系。
６５．０（°）＜｜θ｜＜７３．０（°） ……(3)
【０１４１】
（１３）請求項２、上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の観察光学系において、前記第２プリズムの前記第２−２面を光束が該第２−２面に対して全反射臨界角を超えた入射角度で入射したときにはその光束を反射し、全反射臨界角を超えない入射角度で入射したときにはその光束を透過させるような全反射面となるように構成したことを特徴とする観察光学系。
【０１４２】
（１４）上記（１３）に記載の観察光学系において、前記第２プリズムの前記第２−２面側に光を透過する光学部材が設けられていることを特徴とする観察光学系。
【０１４３】
（１５）前記請求項２、上記（１）〜（１４）のいずれかに記載の観察光学系を内蔵した本体部と、前記観察光学系の射出瞳を観察者の眼球位置に保持するように前記本体部を観察者頭部に支持する支持部材と、前記観察者の耳に音声を与えるスピーカー部材とを有していることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１４４】
（１６）上記（１５）に記載の頭部装着型画像表示装置において、前記本体部が、右眼用の観察光学系と左眼用の観察光学系とを備え、前記スピーカー部材が、右耳用スピーカー部材と左耳用スピーカー部材とを有するように構成されていることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１４５】
（１７）上記（１５）又は（１６）に記載の頭部装着型画像表示装置において、前記スピーカー部材がイヤホンで構成されていることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１４６】
（１８）前記請求項３に記載の撮像光学系において、前記第１プリズムの前記第１−３面と前記撮像素子との間に、光学部材を配置したことを特徴とする撮像光学系。
【０１４７】
（１９）前記請求項３に記載の撮像光学系において、前記第１プリズムの前記第１−１面と前記明るさ絞りとの間に、光学部材を配置したことを特徴とする撮像光学系。
【０１４８】
（２０）前記請求項３に記載の撮像光学系において、前記第１プリズムが、前記第１−２面から前記第１−３面に至るまでの光路中に、前記第１光束を反射して前記第１−３面へと導く反射面を有していることを特徴とする撮像光学系。
【０１４９】
（２１）前記請求項３に記載の撮像光学系において、前記第２プリズムが、前記第２−２面から前記第２−１面に至るまでの光路中に、前記第１光束を反射して前記第２−２面へと導く反射面を有していることを特徴とする撮像光学系。
【０１５０】
（２２）前記請求項３に記載の撮像光学系において、前記第１プリズムの前記第１−２面と前記第２プリズムの前記第２−１面とが、共にプリズム面形状を平面に形成され、その平面上にホログラフィック素子を貼りつけて構成されていることを特徴とする撮像光学系。
【０１５１】
（２３）前記請求項３に記載の撮像光学系において、前記第１プリズムの前記第１−２面と前記第２プリズムの前記第２−１面とが、共にプリズム面形状を曲面に形成され、その曲面上にホログラフィック素子を貼りつけて構成されていることを特徴とする撮像光学系。
【０１５２】
（２４）上記（２２）又は（２３）に記載の撮像光学系において、前記第１プリズムと前記第２プリズムとの間に貼りつけられたホログラフィック素子が、体積型ホログラムで構成されていることを特徴とする撮像光学系。
【０１５３】
（２５）請求項１，３、上記（１８）〜（２４）に記載の撮像光学系において、前記第１プリズムの前記第１−１面の面形状が、自由曲面形状で構成されていることを特徴とする撮像光学系。
【０１５４】
（２６）請求項１，３、上記（１８）〜（２４）に記載の撮像光学系において、前記第１プリズムの前記第１−１面の面形状が、非球面形状で構成されていることを特徴とする撮像光学系。
【０１５５】
（２７）請求項３、上記（１８）〜（２６）のいずれかに記載の撮像光学系において、前記明るさ絞りの中心と前記像面の中心とを結ぶ光線を軸上主光線とし、前記明るさ絞りを通過する位置での前記軸上主光線の直線を延長した線を視軸とし、前記像面に配置された撮像素子の撮像面からの垂線と前記視軸とのなす角度をθとしたとき、次の条件式(1)を満足するように前記撮像素子が配置されていることを特徴とする撮像光学系。
４０．０（°）＜｜θ｜＜１００（°） ……(1)
【０１５６】
（２８）上記（２７）に記載の撮像光学系において、次の条件式(2)を満足するように前記撮像素子が配置されていることを特徴とする撮像光学系。
６０．０（°）＜｜θ｜＜８５．０（°） ……(2)
【０１５７】
（２９）上記（２８）に記載の撮像光学系において、次の条件式(3)を満足するように前記撮像素子が配置されていることを特徴とする撮像光学系。
６５．０（°）＜｜θ｜＜７３．０（°） ……(3)
【０１５８】
（３０）請求項１，３、上記（１８）〜（２９）のいずれかに記載の撮像光学系において、前記第２プリズムの媒質を液体とし、前記第２プリズムの反射面を形状可変ミラーとした、フォーカシング機構を有することを特徴とする撮像光学系。
【０１５９】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、携帯電話や携帯情報端末そして頭部装着型の虚像観察装置に用いるのに適した、小型で、軽量、かつ明るく、さらに高解像度を有する観察光学系、撮像光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例にかかる光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図２】第１実施例の像歪みを表す収差図である。
【図３】第１実施例の横収差を表す収差図である。
【図４】本発明の第２実施例にかかる光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図５】本発明の第３実施例にかかる光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図６】本発明の第４実施例にかかる光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図７】本発明の第５実施例にかかる光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図８】本発明の第６実施例にかかる光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図９】本発明の第７実施例にかかる光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図１０】本発明の観察光学系を用いた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１１】図１０の断面図である。
【図１２】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１３】本発明の撮像光学系及び観察光学系を適用した電子カメラの外観を示す前方斜視図である。
【図１４】図１３の電子カメラの後方斜視図である。
【図１５】図１３の電子カメラの１つの構成を示す断面図である。
【図１６】本発明の撮像光学系及び観察光学系を適用した別の電子カメラの概念図である。
【図１７】本発明の撮像光学系及び観察光学系を適用した電子内視鏡の概念図である。
【図１８】本発明による光学系を構成するプリズムにＨＯＥを配置するときの好ましい構成を示す図である。
【図１９】光学系の像面と瞳面との間における回折素子の配置と収差補正上の効果との関係を説明するための原理図であり、(a)は回折素子を像面から比較的離れた位置に配置した構成、(b)は回折素子を像面の近くに配置した構成を示している。
【図２０】本発明の光学系における視軸と画像表示素子の画像面からの垂線とのなす角を示す説明図である。
【図２１】本発明におけるＨＯＥを定義するための原理図である。
【図２２】本発明の構成の体積型ホログラム面における回折効率の計算条件を示す説明図である。
【図２３】本発明の構成の体積型ホログラム面における波長が５２０ｎｍの軸上主光線の入射角に対する回折効率を、入射角度±８０°の範囲において示すグラフである。
【図２４】本発明の構成の体積型ホログラム面における波長が５２０ｎｍの軸上主光線の入射角に対する回折効率を、入射角度４０°〜８０°の範囲において示すグラフである。
【図２５】本発明の構成の体積型ホログラム面における波長に対する入射角度が５８．０°の軸上主光線の回折効率を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 射出瞳
２ 軸上主光線
３ 第１プリズム
３₁ 第１−１面
３₂ 第１−２面
３₃ 第１−３面
３₄ 第１−３面と第１−２面との間の光路中においてプリズム内の第１光束を反射する面
４ 第２プリズム
４₁ 第２−１面
４₂ 第２−２面
４₃ 第２−２面と第２−１面との間の光路中においてプリズム内の第１光束を反射する面
５ ＬＣＤ
６ 体積型ホログラム
７ 偏光ビームスプリッタ
７’ 偏光面
８ 正レンズ
９ 偏光板
１０ 照明用光源（ＬＣＤ）
１１ カバー部材
１２ 負レンズ
１３ 撮像素子
１４ 明るさ絞り
１５ 反射防止コーティング
１６ プリズム
１７ バッファー部
１８ 蛇腹部
１９ 平行平板
４０ カメラ
４１ 撮像光学系
４２ 撮影用光路
４３ ファインダー光学系
４４ ファインダー用光路
４５ シャッター
４６ フラッシュ
４７ 液晶表示モニター
４８ 撮影用対物光学系
４９ ＣＣＤ
５０ 撮像面
５１ フィルター
５２ 処理手段
５３ ファインダー用対物光学系
５４ 負レンズ群
５５ ポロプリズム
５６₁〜５６₄ 第１〜４反射面
５７ 正レンズ群
５９ 接眼光学系
６０ 液晶表示素子（ＬＣＤ）
６１ 記録素子
６５ カバー部材
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（ＨＭＤ）
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
８４ ＣＣＤ
８５ カバー部材
８６ 液晶表示素子（ＬＣＤ）
８７ 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
９１ カバー部材
９２ バックライト
９３ 画像信号導伝手段
１００ 接眼光学系
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
Ｐ 偏心プリズム
Ｃ 回折素子の面
Ｄ 面対称自由曲面の対称面

Claims (4)

1. 瞳面と像面との間に配置された光学系において、
   前記光学系が、少なくとも第１プリズムと、第２プリズムと、前記第１プリズムと前記第２プリズムとの間に挟まれ且つ両プリズムに貼り合わせて構成されたホログラフィック素子とを含み、
   前記光学系を介して前記瞳面と前記像面とを結ぶ光路内を進む光束を第１光束としたときに、
   前記第１プリズムが、前記瞳面側に配置されていて前記第１光束を透過させる作用と反射する作用とを兼ね備えた第１−１面と、前記第１−１面を境に前記瞳面とは反対側に配置された第１−２面と、前記像面側に配置されていて前記第１光束を透過させる第１−３面とを有し、
   前記第２プリズムが、前記第１−２面と同一形状を有して対向配置されていて前記第１光束を少なくとも２回透過させる第２−１面と、前記第２プリズムの前記第２−１面を境に前記瞳面とは反対側に配置されていて前記第１光束を反射する第２−２面とを有し、
   前記ホログラフィック素子が、前記第１光束が該ホログラフィック素子に対して第１の入射角度で入射したときにはその光束を回折反射し、第２及び第３の入射角度で入射したときにはその光速を透過するように形成することによって、前記第１プリズムの前記第１−２面が前記第１光束を透過させる作用と反射する作用とを兼ね備えるように構成され、
   前記第１プリズムの前記第１−１面が、前記第１光束が該第１−１面に対して全反射臨界角を超えた入射角度で入射したときにはその光束を反射し、全反射臨界角を超えない入射角度で入射したときにはその光束を透過させるような全反射面となるように構成することによって、前記反射と透過の両作用を兼ね備えるように構成されていることを特徴とする光学系。
2. 前記請求項１に記載の光学系を含んだ観察光学系において、
   前記像面に観察者が観察する画像を表示する画像表示素子を配置し、
   前記瞳面に観察者の眼球が位置するように射出瞳を形成し、
   前記画像表示素子から射出された第１光束が、少なくとも、前記第１−３面を透過して前記第１プリズム内に入射し、前記第１−２面に対して前記第１の入射角度で入射することによって前記ホログラフィック素子により回折反射され、前記第１−１面で全反射され、前記第１−２面に対して前記第２の入射角度で入射することによって前記ホログラフィック素子を透過して前記第１プリズムから一旦射出し、前記第２−１面を透過して前記第２プリズム内に入射し、前記第２−２面で反射され、前記第２−１面に対して前記第３の入射角度で入射することによって前記ホログラフィック素子を透過して前記第２プリズムを射出し、前記第１−２面を透過して再度前記第１プリズム内に入射し、前記第１−１面を透過することによって前記第１プリズムを射出して前記射出瞳側に導かれるように構成したことを特徴とする観察光学系。
3. 前記請求項１に記載の光学系を含んだ撮像光学系において、
   前記像面に物体像を撮像する撮像素子を配置し、
   前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りを配置し、
   前記明るさ絞りを通過した物体光が、少なくとも、前記第１−１面を透過して前記第１プリズム内に入射し、前記第１−２面に対して前記第３の入射角度で入射することによって前記ホログラフィック素子を透過して前記第１プリズムから一旦射出し、前記第２−１面を透過して前記第２プリズム内に入射し、前記第２−２面で反射され、前記第２−１面に対して前記第２の入射角度で入射することによって前記ホログラフィック素子を透過して前記第２プリズムを射出し、前記第１−２面を透過して再度前記第１プリズム内に入射し、前記第１−１面で全反射され、前記第１−２面に対して前記第１の入射角度で入射することによって前記ホログラフィック素子により回折反射され、前記第１−３面を透過することによって前記第１プリズムを射出して前記撮像素子に導かれるように構成したことを特徴とする撮像光学系。
4. 前記瞳面の中心と前記像面の中心とを結ぶ光線を軸上主光線とし、前記射出瞳を通過する位置での前記軸上主光線の直線を延長した線を視軸とし、前記像面に配置された画像表示素子の表示した画像面からの垂線と前記視軸とのなす角度をθとしたとき、次の条件式（１）を満足するように前記画像素子表示素子が配置されている請求項２に記載の観察光学系。
   ４０．０（°） ＜ ｜θ｜ ＜ １００．０（°） ・・・・・（１）

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