JPWO2016063418A1 - 偏心光学系、及び偏心光学系を用いた画像投影装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 小型、且つ、簡単な構造でありながら、高解像度で、画像を投影又は撮像することが可能となる偏心光学系、及び偏心光学系を用いた画像投影装置を提供する。【解決手段】 偏心光学系１は、光が透過可能な第１面１１、光が透過及び反射可能な第２面１２、並びに、光が透過及び内面反射可能な第３面１３を含む相互に偏心した少なくとも３つの光学面を持ち、内部が屈折率１より大きい媒質で満たされ、３つの光学面のうち少なくとも１つの光学面が回転非対称な形状を有する第１光学素子１０と、第１光学素子１０の第２面１２側に配置され、光が透過可能な第１面１１及び光が透過可能であって外部側に向けて凹形状を有する第２面１２を含む相互に偏心した少なくとも２つの光学面を持ち、内部が屈折率１より大きい媒質で満たされる第２光学素子２０と、第１光学素子１０の第３面１３側に配置され、光が透過可能なであって外部側に向けて凸形状を有する第１面３１及び光が透過可能な第２面３２を含む相互に偏心した少なくとも２つの光学面を持ち、内部が屈折率１より大きい媒質で満たされる第３光学素子と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、光学面を偏心して配置する偏心光学系、及び偏心光学系を用いた画像投影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光学系によって拡大した像を投影する画像投影装置が知られている。この画像投影装置は、携帯性の高いものとするために装置全体の小型化、軽量化が要望されている。また、画像を呈示するには、表示素子の原画像をある程度の大きさに拡大して、広い画角で投影すると共に、高い解像度で表現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、投影光学系を観察者視軸に対して偏心したプリズムを配備し、画像表示素子の拡大した虚像を投影するようにしたものが知られている。
例えば、特許文献１には、ホログラム素子を有するプリズムを備える画像投影装置が開示されている。また、特許文献２には、凹面で形成した反射面の外側に赤外線のみを反射する凹面を離間して配置し、使用者の視線を検出する装置が記載されている。
特開２０１０−９２０６１号公報 特開平３−１０１７０９号公報
非許文献
回折光学素子入門，（株）オプトロニクス社，平成９年５月２０日発行，Ｐ１８〜Ｐ２９
しかしながら、特許文献１のような画像投影装置では、ホログラム素子を使用するので、製造が非常に困難となり、コストが高くなる。また、波長選択性が高いため、波長の非常に狭いレーザ光のような光源を用いることとなるが、３原色の小型化されたチップは開発途上であり、高コストで消費電力が多い。さらに、ＬＥＤの一部の波長のみを使用する場合、狭帯域のバンドパスフィルターを通過させるため、光の利用効率が低くなる。また、特許文献２のような技術では、両凹面の間に空気層が存在するので、外界像が歪んで見えることになる。
本発明は、小型、且つ、簡単な構造でありながら、広視野、高解像度で、画像を投影又は撮像することが可能となる偏心光学系を提供することを目的としている。また、偏心光学系を眼球投影型の画像投影装置に用いた際に、収差の少ない良好な外界像を観察可能とする画像投影装置を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態である偏心光学系は、
光が透過可能な第１面、光が透過及び内面反射可能な第２面、並びに、光が透過及び内面反射可能な第３面を含む相互に偏心した少なくとも３つの光学面を持ち、内部が屈折率１より大きい媒質で満たされ、３つの光学面のうち少なくとも１つの光学面が回転非対称な形状を有する第１光学素子と、
光が透過可能であって前記第１光学素子側に向けて配置される第１面及び光が透過可能であって前記第１光学素子とは反対側に向けて配置され平面からなる第２面を含む相互に偏心した少なくとも２つの光学面を持ち、内部が屈折率１より大きい媒質で満たされ、前記第１光学素子の第２面側に配置される第２光学素子と、
光が透過可能であって前記第１光学素子とは反対側に向けて配置され平面からなる第１面及び光が透過可能であって前記第１光学素子の第３面に接合される第２面を含む相互に偏心した少なくとも２つの光学面を持ち、内部が屈折率１より大きい媒質で満たされる第３光学素子と、
を備える
ことを特徴とする。
また、本発明の一実施形態である偏心光学系では、
物体面から像面に至る光路中に回折光学面を備える
ことを特徴とする。
また、本発明の一実施形態である偏心光学系では、
前記第１光学素子の第１面の外部側に前記回折光学面を有する回折光学素子を備える
ことを特徴とする。
また、本発明の一実施形態である偏心光学系では、
前記回折光学面は、屈折率が異なる複数の光学部材を積層して形成される
ことを特徴とする。
また、本発明の一実施形態である偏心光学系では、
前記回折光学面は、前記第２光学素子の第２面に形成される
ことを特徴とする。
また、本発明の一実施形態である偏心光学系では、
前記第１光学素子の第２面と前記第２光学素子の第１面は、離間している
ことを特徴とする。
また、本発明の一実施形態である偏心光学系では、
前記第１光学素子の第２面と前記第２光学素子の第１面は、有効領域における面形状が同じである
ことを特徴とする。
また、本発明の一実施形態である偏心光学系では、
前記第１光学素子の第２面は、回転非対称面である
ことを特徴とする。
また、本発明の一実施形態である偏心光学系では、
前記第３光学素子の第１面に入射する中心主光線に対する光学系全体の屈折力は、以下の条件式（１）を満足する
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の偏心光学系。
−０．０５ ＜ φｇ ＜ ０．０５ （１）
ただし、
光学系全体の屈折力φｇは、光学系全体の焦点距離をｆｇとすると、φｇ＝１／ｆｇ
である。
ことを特徴とする。
また、本発明の一実施形態である画像投影装置は、
前記偏心光学系と、
前記第１光学素子の第１面に対向する位置に配置されて画像を表示する画像表示素子と、
を備える
ことを特徴とする。
本発明の一実施形態である偏心光学系によれば、小型、且つ、簡単な構造でありながら、高解像度で、画像を投影することが可能となる偏心光学系、及び偏心光学系を用いた画像投影装置を提供することが可能となる。
本発明の一実施形態に係る偏心光学系の断面図である。 本発明の一実施形態に係る偏心光学系の回折光学面を示す。 本発明の一実施形態に係る偏心光学系の複数の光学部材が積層された回折光学面を示す。 実施例１の偏心光学系の中心主光線を含む断面図である。 実施例１の偏心光学系の平面図である。 実施例１の偏心光学系の収差図である。 実施例１の偏心光学系の収差図である。 実施例１の偏心光学系の直視光路の中心主光線を含む断面図である。 実施例１の偏心光学系の直視光路の平面図である。 実施例１の偏心光学系の直視光路の収差図である。 実施例１の偏心光学系の直視光路の収差図である。 実施例２の偏心光学系の中心主光線を含む断面図である。 実施例２の偏心光学系の平面図である。 実施例２の偏心光学系の収差図である。 実施例２の偏心光学系の収差図である。 実施例２の偏心光学系の直視光路の中心主光線を含む断面図である。 実施例２の偏心光学系の直視光路の平面図である。 実施例２の偏心光学系の直視光路の収差図である。 実施例２の偏心光学系の直視光路の収差図である。 実施例３の偏心光学系の中心主光線を含む断面図である。 実施例３の偏心光学系の平面図である。 実施例３の偏心光学系の収差図である。 実施例３の偏心光学系の収差図である。 実施例３の偏心光学系の直視光路の中心主光線を含む断面図である。 実施例３の偏心光学系の直視光路の平面図である。 実施例３の偏心光学系の直視光路の収差図である。 実施例３の偏心光学系の直視光路の収差図である。 実施例４の偏心光学系の中心主光線を含む断面図である。 実施例４の偏心光学系の平面図である。 実施例４の偏心光学系の収差図である。 実施例４の偏心光学系の収差図である。 実施例４の偏心光学系の直視光路の中心主光線を含む断面図である。 実施例４の偏心光学系の直視光路の平面図である。 実施例４の偏心光学系の直視光路の収差図である。 実施例４の偏心光学系の直視光路の収差図である。 本実施形態の偏心光学系を眼鏡に内蔵して用いる画像投影装置を示す。
本発明の実施形態に係る偏心光学系、及び偏心光学系を用いた画像投影装置について図面を参照して以下に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る偏心光学系の断面図である。
本実施形態の偏心光学系１は、光が透過可能な第１面１１、光が透過及び反射可能な第２面１２、並びに、光が透過及び内面反射可能な第３面１３を含む相互に偏心した少なくとも３つの光学面を持ち、内部が屈折率１より大きい媒質で満たされ、３つの光学面のうち少なくとも１つの光学面が回転非対称な形状を有する第１光学素子１０と、第１光学素子１０の第２面１２側に配置され、光が透過可能な第１面１１及び光が透過可能であって平面からなる第２面１２を含む相互に偏心した少なくとも２つの光学面を持ち、内部が屈折率１より大きい媒質で満たされる第２光学素子２０と、第１光学素子１０の第３面１３側に配置され、光が透過可能であって平面からなる第１面３１及び第１光学素子１０の第３面１３に接合し、光が透過可能な第２面３２を含む相互に偏心した少なくとも２つの光学面を持ち、内部が屈折率１より大きい媒質で満たされる第３光学素子３０と、を備えることが好ましい。
ここで、このような偏心光学系１で構成することのメリットについて説明する。
まず、本実施形態の偏心光学系１は、光が透過可能な第１面１１、光が透過及び反射可能な第２面１２、並びに、光が透過及び内面反射可能な第３面１３を含む相互に偏心した少なくとも３つの光学面を持ち、内部が屈折率１より大きい媒質で満たされる第１光学素子１０を用いることで、偏心プリズムにより内部反射の光路をとる構成とすることができ、観察または撮影画像の色収差の発生を低減させることが可能となる。色収差補正のための光学素子の構成枚数の増大を抑えることが可能となる。光路を反射により折り畳むことができ、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となる。
また、第１光学素子１０は、３つの光学面のうち少なくとも１つの光学面が回転非対称な形状を有するので、構成する面の面形状として、光束に光学的パワーを与え、かつ、偏心収差を補正する上で好ましい。
さらに、第１光学素子１０の第２面１２側に配置され、光が透過可能な第１面２１及び光が透過可能であって平面からなる第２面２２を含む相互に偏心した少なくとも２つの光学面を持ち、内部が屈折率１より大きい媒質で満たされる第２光学素子２０を用いるので、第２光学素子２０を相互に偏心した２面で構成することができ、第１光学素子１０と第２光学素子２０の双方の向き合う面を、近くに配置することができ、且つ近似した形状にすることが可能となる。また、第２光学素子２０の第２面２２を観察者眼球（撮影光学系とする場合は入射瞳（絞り））に対して、光軸上で正対する位置に平面を配置でき、目に対して平面の形状にできる。したがって、これらの２面の工夫によりそれぞれで収差の発生を低減でき、広視野化に有利になる。また、第２光学素子２０の第２面２２を平面に形成することで、容易に加工できコストを抑えることが可能となると共に、外界光に対してパワーが０になるため、自然な外界像を観察することが可能となる。
さらに、第１光学素子１０の第３面１３側に配置され、光が透過可能であって外部側に平面からなる第１面３１及び光が透過可能であって第１光学素子１０の第３面１３に接合される第２面３２を含む相互に偏心した少なくとも２つの光学面を持ち、内部が屈折率１より大きい媒質で満たされる第３光学素子３０を用いるので、外界光に対して合成パワーを小さく（好ましくは略ゼロ）することになり、観察者は歪曲がほとんど無く、倍率略１倍に近づけた自然な光学シースルーが可能となる。
ここで、偏心光学系１を画像投影装置に使用する場合の光線追跡について説明する。画像表示素子５０の表示面としての像面Ｉｍを射出した光線は、第１光学素子１０へ第１面１１から入射し、第２面１２で反射する。第２面１２で反射した光線は、第３面１３でさらに反射し、第２面１２から第１光学素子１０を射出する。第１光学素子１０を射出した光線は、第２光学素子２０へ第１面２１から入射し、第２面２２から射出する。第２光学素子２０を射出した光線は、射出瞳としての開口絞りＳを通過して、観察者の瞳Ｅに投影される。
また、偏心光学系１の直視光路では、図示しない像面を射出した光線は、第３光学素子３０へ第１面３１から入射し、第２面３２から射出する。第３光学素子３０を射出した光線は、第１光学素子１０へ第３面１３から入射し、第２面１２から射出する。第１光学素子１０を射出した光線は、第２光学素子２０へ第１面２１から入射し、第２面２２から射出する。第２光学素子２０を射出した光線は、射出瞳としての開口絞りＳを通過して、観察者の瞳Ｅに投影される。
すなわち、本実施形態の偏心光学系１によれば、小型、且つ、簡単な構造でありながら、高解像度で、画像を投影又は撮像することが可能となる。
図２は、本発明の一実施形態に係る偏心光学系の回折光学面を示す。
本実施形態の偏心光学系１では、物体面から像面に至る光路中に回折光学面６０を備えることが好ましい。このように、物体面から像面に至る光路中に回折光学面６０を備えることで、色収差を補正することが可能となる。回折光学面６０の材料は、低融点ガラス又は熱可塑性樹脂でよい。
回折光学面６としては、フレネルゾーンプレート、キノフォーム、バイナリオプティックス、ホログラム等を用いる。例えば、図２（ａ）に示す回折光学面６０は、透明部６ａと不透明部６ｂとが交互に配設される振幅変調型である。不透明部６ｂの厚みは、略０である。図２（ｂ）に示す回折光学面６０は、屈折率が異なる高屈折率６ｃと低屈折率６ｄとが交互に配設され、屈折率差による位相差によって回折作用を持たせる。図２（ｃ）に示す回折光学面６０は、矩形状の凹凸が交互に配設され、厚みの差による位相差によって回折作用を持たせる。図２（ｄ）に示す回折光学面６０は、表面を鋸歯状に形成したものであり、キノフォームと呼ばれ、連続的な厚みの差による位相差によって回折作用を持たせる。図２（ｅ）及び図２（ｆ）は、キノフォームをそれぞれ４段階、８段階で近似したバイナリー素子である。
また、本実施形態の偏心光学系１では、第１光学素子１０の第１面１１の外部側に回折光学面６０を有する回折光学素子６１を備えることが好ましい。第１光学素子１０の第１面１１の外部側に回折光学素子６１を備えるので、入射角のバラツキが小さくなり、回折光学素子６１の回折効果が瞳面内において均一となる。
また、本実施形態の偏心光学系１では、回折光学面６０は、第２光学素子２０の第２面２２に形成されることが好ましい。回折光学面６０が第２光学素子２０の第２面２２に形成されることで、光学素子を増やすことなく、回折による収差補正効果を得ることが可能となる。
図３は、本発明の一実施形態に係る偏心光学系の複数の光学部材が積層された回折光学面を示す。
回折光学面６０は、屈折率が異なる複数の光学部材６ｅ，６ｆを積層して形成されることが好ましい。光学部材６ｅ，６ｆは、それぞれ、一方の面が平面、他方の面がキノフォーム面であって、それぞれのキノフォーム面をあわせて回折光学面６０を構成する。屈折率が異なる複数の光学部材６ｅ，６ｆを積層して回折光学面６０を形成するので、通常の回折光学素子と比較して波長に依存した不要次数光の発生が抑制され、解像力がより向上する。
また、本実施形態の偏心光学系１では、第１光学素子１０の第２面１２と第２光学素子２０の第１面２１は、離間していることが好ましい。第１光学素子１０の第２面１２と第２光学素子２０の第１面２１が離間していることで、第１光学素子１０の第２面１２での内部反射が全反射となる。
また、本実施形態の偏心光学系１では、第１光学素子１０の第２面１２と第２光学素子２０の第１面２１は、有効領域における面形状が同じであることが好ましい。第１光学素子１０の第２面１２と第２光学素子２０の第１面２１の面形状が同じなので、収差発生を抑えることが可能となる。
また、本実施形態の偏心光学系１では、第１光学素子１０の第２面１２は、回転非対称面であることが好ましい。第１光学素子１０の第２面１２は、内部反射と共に射出透過する２つの光学作用を有する面であるため、２回の収差補正効果を有することになる。この面では第３面と同様に、偏心収差を含めた収差補正に大きく作用するため、回転非対称面とすることで、光学系全体の光学性能の向上に寄与する。
また、本実施形態の偏心光学系１では、第３光学素子３０の第１面３１に入射する中心主光線Ｌｃに対する光学系全体の屈折力は、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
−０．０５ ＜ φｇ ＜ ０．０５ （１）
ただし、
光学系全体の屈折力φｇは、光学系全体の焦点距離をｆｇとすると、φｇ＝１／ｆｇ
である。
観察者が本光学系を用いて自然な外界像を観察するために必要な条件である。条件式（１）の上限を超えて大きくなると、外界光に対する光学系のパワーが大きくなり、視度がプラスになるため、ピントがボケて見にくい外界像になる。条件式（１）の下限を超えて小さくなると、光学系のパワーが負に大きくなり、視度がマイナスになるため、フォーカスするのが困難になり、観察者に負担をかけるまたは、外界像が見られないことになる。
次に、本発明の一実施形態に係る各実施例について説明する。
図４は、実施例１の偏心光学系の中心主光線を含む断面図である。図５は、実施例１の偏心光学系の平面図である。図６及び図７は、実施例１の偏心光学系の収差図である。
実施例１の偏心光学系１は、像面Ｉｍ1（投影光学系においては画像表示面、撮像光学系においては結像（撮像）面）から物体面（投影光学系においては虚像または実像の投影像面、撮像光学系においては物体面）へ向かって順に、第１光学素子１０と、第２光学素子２０と、を有し、第２光学素子２０の物体面側に射出瞳としての開口絞りＳが形成される。像面Ｉｍ1から射出瞳の中心を通り、物体面の中心までの光線を中心主光線Ｌｃとしたとき、第１光学素子１０と第２光学素子２０の各面は、それぞれ中心主光線Ｌｃに対して偏心して配置される。
第１光学素子１０の第１面１１、第２面１２、及び第３面１３は、回転非対称な自由曲面からなる。第２光学素子２０の第１面２１は、回転非対称な自由曲面、第２光学素子２０の第２面２２は、平面からなる。
偏心光学系１を画像投影装置に使用する場合の光線追跡について説明する。画像表示素子５０の表示面としての像面Ｉｍ1を射出した光線は、カバーガラス５１の入射面５１ａ及び射出面５１ｂを通過し、第１光学素子１０へ第１面１１から入射する。第１面１１から入射した光線は、第２面１２で反射し、第３面１３でさらに反射し、第２面１２から第１光学素子１０を射出する。第１光学素子１０を射出した光線は、第２光学素子２０へ第１面２１から入射し、第２面２２から射出する。第２光学素子２０を射出した光線は、射出瞳としての開口絞りＳを通過して、観察者の瞳又はスクリーン等に投影される。
また、実施例１の偏心光学系１は、第１光学素子１０の第３面１３を透過面として使用する直視光路を有する。
図８は、実施例１の偏心光学系の直視光路の中心主光線を含む断面図である。図９は、実施例１の偏心光学系の直視光路の平面図である。図１０及び図１１は、実施例１の偏心光学系の直視光路の収差図である。
偏心光学系１を直視光路として使用する場合、外界側の仮想像面Ｉｍ2から観察眼球側の仮想物体面へ向かって順に、第３光学素子３０と、第１光学素子１０と、第２光学素子２０と、を有し、第２光学素子２０の物体面側に射出瞳としての開口絞りＳが形成される。像面Ｉｍ2から射出瞳の中心を通り、物体面の中心までの光線を中心主光線Ｌｃとしたとき、第３光学素子３０、第１光学素子１０、及び第２光学素子２０の各面は、それぞれ中心主光線Ｌｃに対して偏心して配置される。
第１光学素子１０の第２面１２及び第３面１３は、回転非対称な自由曲面からなる。第２光学素子２０の第１面２１は、回転非対称な自由曲面、第２光学素子２０の第２面２２は、平面からなる。第３光学素子３０の第１面３１は、平面、第３光学素子３０の第２面３２は、回転非対称な自由曲面からなる。
偏心光学系１の直視光路の光線追跡について説明する。像面Ｉｍ2を射出した光線は、図１に示したように、光量調整部６０を透過し、第３光学素子３０へ第１面３１から入射し、第２面３２から射出する。第３光学素子３０の第２面３２から射出した光線は、第１光学素子１０へ第３面１３から入射する。第３面１３から入射した光線は、第２面１２から第１光学素子１０を射出する。第１光学素子１０を射出した光線は、第２光学素子２０へ第１面２１から入射し、第２面２２から射出する。第２光学素子２０を射出した光線は、射出瞳としての開口絞りＳを通過して、観察者の瞳又はスクリーン等に投影される。
なお、実施例１の偏心光学系１は、像面Ｉｍ1に画像表示素子５０を配置した画像投影装置に使用する場合と、Ｉｍ1に画像撮像素子を配置した画像撮像装置に使用する場合と、がある。また、図８及び図９では、理想レンズＩＬを図示しているが、実際には、理想レンズＩＬが無い状態にして、像面Ｉｍ2がより遠方に存在することになる。なお、実施例の開口絞りＳの位置を結像面（撮像面）、像面Ｉｍ1の位置を開口絞りに置き換えても結像光学系として成立する。
実施例１の偏心光学系１を観察光学系とした場合、の仕様は、
水平画角、３４．０°、
垂直画角、２１．０°、
瞳径、８ｍｍ、
画像表示素子の大きさ、１５．７ｍｍ×９．７ｍｍ、
である。
図１２は、実施例２の偏心光学系の中心主光線を含む断面図である。図１３は、実施例２の偏心光学系の平面図である。図１４及び図１５は、実施例２の偏心光学系の収差図である。
実施例２の偏心光学系１は、像面Ｉｍ1から物体面へ向かって順に、回折光学面６０を形成する回折光学素子６１と、第１光学素子１０と、第２光学素子２０と、を有し、第２光学素子２０の物体面側に射出瞳としての開口絞りＳが形成される。像面Ｉｍ1から射出瞳の中心を通り、物体面の中心までの光線を中心主光線Ｌｃとしたとき、第１光学素子１０と第２光学素子２０の各面は、それぞれ中心主光線Ｌｃに対して偏心して配置される。
第１光学素子１０の第１面１１、第２面１２、及び第３面１３は、回転非対称な自由曲面からなる。第２光学素子２０の第１面２１は、回転非対称な自由曲面、第２光学素子２０の第２面２２は、平面からなる。回折光学素子６１の第１面６１ａは、図２に示したような回折光学面６０からなる。
偏心光学系１を画像投影装置に使用する場合の光線追跡について説明する。画像表示素子５０の表示面としての像面Ｉｍ1を射出した光線は、カバーガラス５１の入射面５１ａ及び射出面５１ｂを通過し、回折光学素子６１の第１面６１ａ及び第２面６１ｂを通過し、第１光学素子１０へ第１面１１から入射する。第１面１１から入射した光線は、第２面１２で反射し、第３面１３でさらに反射し、第２面１２から第１光学素子１０を射出する。第１光学素子１０を射出した光線は、第２光学素子２０へ第１面２１から入射し、第２面２２から射出する。第２光学素子２０を射出した光線は、射出瞳としての開口絞りＳを通過して、観察者の瞳又はスクリーン等に投影される。
また、実施例２の偏心光学系１は、第１光学素子１０の第３面１３を透過面として使用する直視光路を有する。
図１６は、実施例２の偏心光学系の直視光路の中心主光線を含む断面図である。図１７は、実施例２の偏心光学系の直視光路の平面図である。図１８及び図１９は、実施例１の偏心光学系の直視光路の収差図である。
偏心光学系１を直視光路として使用する場合、像面Ｉｍ2から物体面へ向かって順に、第３光学素子３０と、第１光学素子１０と、第２光学素子２０と、を有し、第２光学素子２０の物体面側に射出瞳としての開口絞りＳが形成される。像面Ｉｍ2から射出瞳の中心を通り、物体面の中心までの光線を中心主光線Ｌｃとしたとき、第３光学素子３０、第１光学素子１０、及び第２光学素子２０の各面は、それぞれ中心主光線Ｌｃに対して偏心して配置される。
第１光学素子１０の第２面１２及び第３面１３は、回転非対称な自由曲面からなる。第２光学素子２０の第１面２１は、回転非対称な自由曲面、第２光学素子２０の第２面２２は、平面からなる。第３光学素子３０の第１面３１は、平面、第３光学素子３０の第２面３２は、回転非対称な自由曲面からなる。
偏心光学系１の直視光路の光線追跡について説明する。像面Ｉｍ2を射出した光線は、第３光学素子３０へ第１面３１から入射し、第２面３２から射出する。第３光学素子３０の第２面３２から射出した光線は、第１光学素子１０へ第３面１３から入射する。第３面１３から入射した光線は、第２面１２から第１光学素子１０を射出する。第１光学素子１０を射出した光線は、第２光学素子２０へ第１面２１から入射し、第２面２２から射出する。第２光学素子２０を射出した光線は、射出瞳としての開口絞りＳを通過して、観察者の瞳又はスクリーン等に投影される。
なお、実施例２の偏心光学系１は、像面Ｉｍ1に画像表示素子５０を配置した画像投影装置に使用する場合と、Ｉｍ1に画像撮像素子を配置した画像撮像装置に使用する場合と、がある。また、図１６及び図１７では、理想レンズＩＬを図示しているが、実際には、理想レンズＩＬが無い状態にして、像面Ｉｍ2がより遠方に存在することになる。
実施例２の偏心光学系１を観察光学系とした場合、の仕様は、
水平画角、３４．０°、
垂直画角、２１．０°、
瞳径、１２ｍｍ、
画像表示素子の大きさ、１５．７ｍｍ×９．７ｍｍ、
アスペクト比、４：３、
である。
図２０は、実施例３の偏心光学系の中心主光線を含む断面図である。図２１は、実施例３の偏心光学系の平面図である。図２２及び図２３は、実施例３の偏心光学系の収差図である。
実施例３の偏心光学系１は、像面Ｉｍ1から物体面へ向かって順に、第１光学素子１０と、第２光学素子２０と、を有し、第２光学素子２０の物体面側に射出瞳としての開口絞りＳが形成される。像面Ｉｍ1から射出瞳の中心を通り、物体面の中心までの光線を中心主光線Ｌｃとしたとき、第１光学素子１０と第２光学素子２０の各面は、それぞれ中心主光線Ｌｃに対して偏心して配置される。
第１光学素子１０の第１面１１、第２面１２、及び第３面１３は、回転非対称な自由曲面からなる。第２光学素子２０の第１面２１は、回転非対称な自由曲面、第２光学素子２０の第２面２２は、回折光学面６０からなる。
偏心光学系１を画像投影装置に使用する場合の光線追跡について説明する。画像表示素子５０の表示面としての像面Ｉｍ1を射出した光線は、カバーガラス５１の入射面５１ａ及び射出面５１ｂを通過し、第１光学素子１０へ第１面１１から入射する。第１面１１から入射した光線は、第２面１２で反射し、第３面１３でさらに反射し、第２面１２から第１光学素子１０を射出する。第１光学素子１０を射出した光線は、第２光学素子２０へ第１面２１から入射し、第２面２２から射出する。第２光学素子２０を射出した光線は、射出瞳としての開口絞りＳを通過して、観察者の瞳又はスクリーン等に投影される。
また、実施例３の偏心光学系１は、第１光学素子１０の第３面１３を透過面として使用する直視光路を有する。
図２４は、実施例３の偏心光学系の直視光路の中心主光線を含む断面図である。図２５は、実施例３の偏心光学系の直視光路の平面図である。図２６及び図２７は、実施例３の偏心光学系の直視光路の収差図である。
偏心光学系１を直視光路として使用する場合、像面Ｉｍ2から物体面へ向かって順に、第３光学素子３０と、第１光学素子１０と、第２光学素子２０と、を有し、第２光学素子２０の物体面側に射出瞳としての開口絞りＳが形成される。像面Ｉｍ2から射出瞳の中心を通り、物体面の中心までの光線を中心主光線Ｌｃとしたとき、第３光学素子３０、第１光学素子１０、及び第２光学素子２０の各面は、それぞれ中心主光線Ｌｃに対して偏心して配置される。
第１光学素子１０の第２面１２及び第３面１３は、回転非対称な自由曲面からなる。第２光学素子２０の第１面２１は、回転非対称な自由曲面、第２光学素子２０の第２面２２は、回折光学面６０からなる。第３光学素子３０の第１面３１は、回折光学面６０、第３光学素子３０の第２面３２は、回転非対称な自由曲面からなる。
偏心光学系１の直視光路の光線追跡について説明する。像面Ｉｍ2を射出した光線は、第３光学素子３０へ第１面３１から入射し、第２面３２から射出する。第３光学素子３０の第２面３２から射出した光線は、第１光学素子１０へ第３面１３から入射する。第３面１３から入射した光線は、第２面１２から第１光学素子１０を射出する。第１光学素子１０を射出した光線は、第２光学素子２０へ第１面２１から入射し、第２面２２から射出する。第２光学素子２０を射出した光線は、射出瞳としての開口絞りＳを通過して、観察者の瞳又はスクリーン等に投影される。
なお、実施例３の偏心光学系１は、像面Ｉｍ1に画像表示素子５０を配置した画像投影装置に使用する場合と、Ｉｍ1に画像撮像素子を配置した画像撮像装置に使用する場合と、がある。また、図２４及び図２５では、理想レンズＩＬを図示しているが、実際には、理想レンズＩＬが無い状態にして、像面Ｉｍ2がより遠方に存在することになる。
実施例３の偏心光学系１を観察光学系とした場合、の仕様は、
水平画角、３４．０°、
垂直画角、２１．０°、
瞳径、８ｍｍ、
画像表示素子の大きさ、１５．７ｍｍ×９．７ｍｍ、
である。
図２８は、実施例４の偏心光学系の中心主光線を含む断面図である。図２９は、実施例４の偏心光学系の平面図である。図３０及び図３１は、実施例４の偏心光学系の収差図である。
実施例４の偏心光学系１は、像面Ｉｍ1から物体面へ向かって順に、第１光学素子１０と、第２光学素子２０と、を有し、第２光学素子２０の物体面側に射出瞳としての開口絞りＳが形成される。像面Ｉｍ1から射出瞳の中心を通り、物体面の中心までの光線を中心主光線Ｌｃとしたとき、第１光学素子１０と第２光学素子２０の各面は、それぞれ中心主光線Ｌｃに対して偏心して配置される。
第１光学素子１０の第１面１１、第２面１２、及び第３面１３は、回転非対称な自由曲面からなる。第２光学素子２０の第１面２１は、回転非対称な自由曲面、第２光学素子２０の第２面２２は、平面からなる。回折光学素子６１は、図３に示したような回折光学面６０を形成する。
偏心光学系１を画像投影装置に使用する場合の光線追跡について説明する。画像表示素子５０の表示面としての像面Ｉｍ1を射出した光線は、カバーガラス５１の入射面５１ａ及び射出面５１ｂを通過し、回折光学素子６１の第１面６１ａ、接合面６１ｃ、及び第２面６１ｂを通過し、第１光学素子１０へ第１面１１から入射する。第１面１１から入射した光線は、第２面１２で反射し、第３面１３でさらに反射し、第２面１２から第１光学素子１０を射出する。第１光学素子１０を射出した光線は、第２光学素子２０へ第１面２１から入射し、第２面２２から射出する。第２光学素子２０を射出した光線は、射出瞳としての開口絞りＳを通過して、観察者の瞳又はスクリーン等に投影される。
また、実施例４の偏心光学系１は、第１光学素子１０の第３面１３を透過面として使用する直視光路を有する。
図３２は、実施例４の偏心光学系の直視光路の中心主光線を含む断面図である。図３３は、実施例４の偏心光学系の直視光路の平面図である。図３４及び図３５は、実施例４の偏心光学系の直視光路の収差図である。
偏心光学系１を直視光路として使用する場合、像面Ｉｍ2から物体面へ向かって順に、第３光学素子３０と、第１光学素子１０と、第２光学素子２０と、を有し、第２光学素子２０の物体面側に射出瞳としての開口絞りＳが形成される。像面Ｉｍ2から射出瞳の中心を通り、物体面の中心までの光線を中心主光線Ｌｃとしたとき、第３光学素子３０、第１光学素子１０、及び第２光学素子２０の各面は、それぞれ中心主光線Ｌｃに対して偏心して配置される。
第１光学素子１０の第２面１２及び第３面１３は、回転非対称な自由曲面からなる。第２光学素子２０の第１面２１は、回転非対称な自由曲面、第２光学素子２０の第２面２２は、平面からなる。第３光学素子３０の第１面３１は、平面、第３光学素子３０の第２面３２は、回転非対称な自由曲面からなる。
偏心光学系１の直視光路の光線追跡について説明する。像面Ｉｍ2を射出した光線は、第３光学素子３０へ第１面３１から入射し、第２面３２から射出する。第３光学素子３０の第２面３２から射出した光線は、第１光学素子１０へ第３面１３から入射する。第３面１３から入射した光線は、第２面１２から第１光学素子１０を射出する。第１光学素子１０を射出した光線は、第２光学素子２０へ第１面２１から入射し、第２面２２から射出する。第２光学素子２０を射出した光線は、射出瞳としての開口絞りＳを通過して、観察者の瞳又はスクリーン等に投影される。
なお、実施例４の偏心光学系１は、像面Ｉｍ1に画像表示素子５０を配置した画像投影装置に使用する場合と、Ｉｍ1に画像撮像素子を配置した画像撮像装置に使用する場合と、がある。また、図３２及び図３３では、理想レンズＩＬを図示しているが、実際には、理想レンズＩＬが無い状態にして、像面Ｉｍ2がより遠方に存在することになる。
実施例４の偏心光学系１を観察光学系とした場合、の仕様は、
水平画角、３４．０°
垂直画角、２１．０°
瞳径、１２ｍｍ
画像表示素子の大きさ、１５．７ｍｍ×９．７ｍｍ
である。
以下に、上記実施例１〜実施例４の構成パラメータを示す。
ここで、本実施形態で用いる座標系について説明する。
図１に示すように、中心主光線Ｌｃが、偏心光学系１の第２光学素子２０の第２面２２に交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交し、かつ、光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、光軸と直交し、かつ、Ｙ軸と直交する軸、すなわち図１において紙面手前から奥に向かう軸をＸ軸とする。光線の追跡方向は、射出瞳側の図示しない物体面から像面Ｉｍに向かう光線追跡で説明する。
また、本実施形態で用いる回転非対称面は、自由曲面であることが好ましい。
本実施形態で用いられる自由曲面ＦＦＳの形状は、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が自由曲面ＦＦＳのＺ軸となる。なお、データの記載されていない係数項は０である。
Ｚ＝ｃｒ2 ／［１＋√｛１−（１＋ｋ）ｃ2ｒ2 ｝］
66
＋Σ Ｃj Ｘm Ｙn （ａ）
j=2
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。
また、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 Ｘm Ｙn
j=2
＝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
・・・・・・
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、本実施形態では、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。
なお、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、本発明の自由曲面は、回転非対称な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、回折光学面は、位相差関数法を用いて定義する。回折光学素子の設計においては、その回折光学面に光路差関数を付加して表すことができ（非特許文献１参照）、その光路長の付加量は、光軸からの高さｈ、ｎ次（偶数次）の光路差関数係数Ｐｎを用いて、以下の式（ｂ）で表すことができる。
φ（ｈ）＝Ｐ２ｈ２＋Ｐ４ｈ４＋Ｐ６ｈ６＋・・・ （ｂ）

ただし、Ｐ２、Ｐ４、Ｐ６、・・・は、それぞれ２次、４次、６次、・・・の係数である。
光路差関数φ（ｈ）は、回折面上での光軸からの高さｈの点において、回折光学素子構造により回折されなかった場合の仮想的な光線と、回折光学素子構造により回折された光線との光路差を示す。
各実施例では、このＹ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っている。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、各実施例の光学系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いる。また、偏心後は、偏心前の原点に戻り、面間隔で与えられたＺ軸方向に進んで次の面の原点とする。
屈折率、アッベ数については、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。各面の偏心は、上記のように、基準面からの偏心量で表わす。曲率半径に記載する“∞”は、無限大であることを示している。
なお、記号“ｅ”は、それに続く数値が１０を底にもつ、べき指数であることを示している。例えば「１．０ｅ−５」は「１．０×１０-5」であることを意味している。
実施例１（電子像観察）
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) 1.5254 56.2
3 FFS[1] 0.05 偏心(2)
4 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
5 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
6 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
7 FFS[3] 0.00 偏心(4)
8 ∞ 8.07 偏心(5)
9 ∞ 1.10 1.5163 64.1
10 ∞ 0.00
像 面 ∞ 0.00

FFS[1]
Ｃ4 -4.2863e-003 Ｃ6 -1.3959e-003 Ｃ8 -3.9491e-005
Ｃ10 -1.0646e-004 Ｃ11 1.7841e-006 Ｃ13 3.3026e-006
Ｃ15 -1.7526e-006 Ｃ17 -3.4738e-007 Ｃ19 2.3458e-007
Ｃ21 -6.3352e-008 Ｃ22 -2.2115e-009 Ｃ24 -1.3047e-008
Ｃ26 6.4137e-009 Ｃ28 -8.7516e-010 Ｃ30 1.3231e-010
Ｃ32 -5.2597e-011 Ｃ34 7.0339e-011 Ｃ36 5.3328e-011

FFS[2]
Ｃ4 -7.6464e-003 Ｃ6 -6.7293e-003 Ｃ8 -1.3155e-005
Ｃ10 -9.2812e-005 Ｃ11 1.8078e-007 Ｃ13 1.0283e-006
Ｃ15 3.2919e-006 Ｃ17 -1.3339e-007 Ｃ19 -2.8011e-008
Ｃ21 -1.3364e-007 Ｃ22 2.6476e-010 Ｃ24 4.1315e-009
Ｃ26 -2.1428e-009 Ｃ28 3.3556e-009

FFS[3]
Ｃ4 -1.4606e-002 Ｃ6 -2.8786e-003 Ｃ8 2.0132e-004
Ｃ10 -9.4027e-004 Ｃ11 2.1591e-005 Ｃ13 3.4944e-005
Ｃ15 -1.2805e-005 Ｃ17 -2.4519e-006 Ｃ19 1.1114e-005
Ｃ21 -1.1433e-005 Ｃ22 -4.8092e-008 Ｃ24 -3.4380e-007
Ｃ26 -2.8262e-007 Ｃ28 1.3987e-006 Ｃ30 6.4424e-009
Ｃ32 6.4127e-009 Ｃ34 -1.8332e-009 Ｃ36 -4.7097e-008

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 27.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 2.00 Ｚ 30.31
α 14.02 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -4.73 Ｚ 37.81
α -21.43 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 15.48 Ｚ 38.18
α 60.21 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 17.77 Ｚ 33.73
α 64.71 β 0.00 γ 0.00

実施例１（直視光路）
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) 1.5254 56.2
3 FFS[1] 0.05 偏心(2)
4 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
5 FFS[2] 0.00 偏心(3)
6 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
7 ∞ 0.00 偏心(4)
8 ∞ 100.00
9 理想レンズ 89.61
像 面 ∞ 0.00

FFS[1]
Ｃ4 -4.2863e-003 Ｃ6 -1.3959e-003 Ｃ8 -3.9491e-005
Ｃ10 -1.0646e-004 Ｃ11 1.7841e-006 Ｃ13 3.3026e-006
Ｃ15 -1.7526e-006 Ｃ17 -3.4738e-007 Ｃ19 2.3458e-007
Ｃ21 -6.3352e-008 Ｃ22 -2.2115e-009 Ｃ24 -1.3047e-008
Ｃ26 6.4137e-009 Ｃ28 -8.7516e-010 Ｃ30 1.3231e-010
Ｃ32 -5.2597e-011 Ｃ34 7.0339e-011 Ｃ36 5.3328e-011

FFS[2]
Ｃ4 -7.6464e-003 Ｃ6 -6.7293e-003 Ｃ8 -1.3155e-005
Ｃ10 -9.2812e-005 Ｃ11 1.8078e-007 Ｃ13 1.0283e-006
Ｃ15 3.2919e-006 Ｃ17 -1.3339e-007 Ｃ19 -2.8011e-008
Ｃ21 -1.3364e-007 Ｃ22 2.6476e-010 Ｃ24 4.1315e-009
Ｃ26 -2.1428e-009

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 27.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 2.00 Ｚ 30.31
α 14.02 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -4.73 Ｚ 37.81
α -21.43 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 43.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
実施例２（電子像観察）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -2000.00
1 絞り面 0.00
2 ∞ 0.00 偏心(1) 1.5254 56.2
3 FFS[1] 0.05 偏心(2)
4 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
5 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
6 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
7 FFS[3] 0.00 偏心(4)
8 ∞ 1.00 偏心(5)
9 ∞ 1.40 1.5254 56.2
10 回折面[1] 9.20
11 ∞ 1.10 1.5163 64.1
12 ∞ 0.00
像 面 ∞ 0.00

FFS[1]
Ｃ4 -2.4994e-003 Ｃ6 -7.4348e-005 Ｃ8 -1.6275e-005
Ｃ10 -4.1818e-005 Ｃ11 7.7689e-007 Ｃ13 -1.7201e-006
Ｃ15 3.0768e-006 Ｃ17 -8.3817e-008 Ｃ19 5.7713e-008
Ｃ21 -1.2903e-007 Ｃ22 -4.3804e-011 Ｃ24 1.0352e-009
Ｃ26 -1.3970e-009 Ｃ28 8.9016e-010 Ｃ30 1.0389e-010
Ｃ32 4.2045e-012 Ｃ34 1.0038e-010 Ｃ36 2.5564e-011

FFS[2]
Ｃ4 -5.8445e-003 Ｃ6 -4.7597e-003 Ｃ8 -1.2885e-005
Ｃ10 -2.4683e-005 Ｃ11 2.1300e-007 Ｃ13 1.2206e-006
Ｃ15 1.7599e-007 Ｃ17 -4.3260e-008 Ｃ19 1.2616e-008
Ｃ21 -6.3515e-009 Ｃ22 8.5223e-010 Ｃ24 3.2789e-009
Ｃ26 8.8298e-010 Ｃ28 7.7033e-009 Ｃ30 1.8234e-011
Ｃ32 -4.6299e-011 Ｃ34 -6.6938e-011 Ｃ36 -2.8363e-010

FFS[3]
Ｃ4 -1.3066e-002 Ｃ6 -1.8572e-002 Ｃ8 7.9275e-004
Ｃ10 3.6511e-004 Ｃ11 -3.7518e-006 Ｃ13 3.3436e-005
Ｃ15 3.0838e-005 Ｃ17 -1.4250e-006 Ｃ19 9.3135e-007
Ｃ21 2.7063e-006 Ｃ22 4.0253e-009 Ｃ24 -3.9068e-008
Ｃ26 -1.3621e-008 Ｃ28 2.6593e-008 Ｃ30 1.1021e-009
Ｃ32 -2.6400e-010 Ｃ34 -1.7730e-009 Ｃ36 -2.5628e-009

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 27.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -4.85 Ｚ 32.04
α 14.23 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -2.18 Ｚ 40.01
α -17.67 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 22.04 Ｚ 30.68
α 77.37 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 20.46 Ｚ 35.45
α 60.91 β 0.00 γ 0.00

回折面[1]
P2 : -1.8010e-03 P4 : 3.9920e-06 P6 : -8.4264e-09

実施例２（直視光路）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -2000.00
1 絞り面 0.00
2 ∞ 0.00 偏心(1) 1.5254 56.2
3 FFS[1] 0.05 偏心(2)
4 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
5 FFS[2] 0.00 偏心(3)
6 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
7 ∞ 100.00 偏心(4)
8 理想レンズ 95.02
像 面 ∞ 0.00

FFS[1]
Ｃ4 -2.4994e-003 Ｃ6 -7.4348e-005 Ｃ8 -1.6275e-005
Ｃ10 -4.1818e-005 Ｃ11 7.7689e-007 Ｃ13 -1.7201e-006
Ｃ15 3.0768e-006 Ｃ17 -8.3817e-008 Ｃ19 5.7713e-008
Ｃ21 -1.2903e-007 Ｃ22 -4.3804e-011 Ｃ24 1.0352e-009
Ｃ26 -1.3970e-009 Ｃ28 8.9016e-010 Ｃ30 1.0389e-010
Ｃ32 4.2045e-012 Ｃ34 1.0038e-010 Ｃ36 2.5564e-011

FFS[2]
Ｃ4 -5.8445e-003 Ｃ6 -4.7597e-003 Ｃ8 -1.2885e-005
Ｃ10 -2.4683e-005 Ｃ11 2.1300e-007 Ｃ13 1.2206e-006
Ｃ15 1.7599e-007 Ｃ17 -4.3260e-008 Ｃ19 1.2616e-008
Ｃ21 -6.3515e-009 Ｃ22 8.5223e-010 Ｃ24 3.2789e-009
Ｃ26 8.8298e-010 Ｃ28 7.7033e-009 Ｃ30 1.8234e-011
Ｃ32 -4.6299e-011 Ｃ34 -6.6938e-011 Ｃ36 -2.8363e-010

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 27.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -4.85 Ｚ 32.04
α 14.23 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -2.18 Ｚ 40.01
α -17.67 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 45.30
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
実施例３（電子像観察）
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 回折面[1] 0.00 偏心(1) 1.5254 56.2
3 FFS[1] 0.05 偏心(2)
4 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
5 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
6 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
7 FFS[3] 0.00 偏心(4)
8 ∞ 11.45 偏心(5)
9 ∞ 1.10 1.5163 64.1
10 ∞ 0.00
像 面 ∞ 0.00

FFS[1]
Ｃ4 -2.1406e-003 Ｃ6 5.8792e-004 Ｃ8 -5.9741e-005
Ｃ10 -5.8674e-005 Ｃ11 2.0872e-006 Ｃ13 1.8477e-006
Ｃ15 1.2982e-006 Ｃ17 -2.3559e-007 Ｃ19 -2.0487e-008
Ｃ21 8.7185e-009 Ｃ22 1.0423e-010 Ｃ24 -1.0526e-008
Ｃ26 2.8592e-009 Ｃ28 -8.4148e-009 Ｃ30 5.3857e-010
Ｃ32 6.0293e-010 Ｃ34 -8.9376e-011 Ｃ36 2.6273e-010

FFS[2]
Ｃ4 -5.7991e-003 Ｃ6 -4.7242e-003 Ｃ8 -2.6683e-005
Ｃ10 -7.2210e-005 Ｃ11 1.0535e-006 Ｃ13 2.9845e-006
Ｃ15 1.9944e-006 Ｃ17 -1.5914e-007 Ｃ19 -9.9972e-008
Ｃ21 -2.0927e-007 Ｃ22 2.0063e-009 Ｃ24 7.3711e-009
Ｃ26 4.3437e-009 Ｃ28 2.1705e-008 Ｃ30 1.1101e-010
Ｃ32 1.3722e-011 Ｃ34 -1.0434e-010 Ｃ36 -5.6626e-010

FFS[3]
Ｃ4 -2.0078e-002 Ｃ6 -1.6534e-002 Ｃ8 1.4219e-004
Ｃ10 -4.8762e-004 Ｃ11 8.6784e-006 Ｃ13 4.3244e-005
Ｃ15 -3.1846e-005 Ｃ17 -1.3482e-006 Ｃ19 4.4177e-007
Ｃ21 1.4790e-006 Ｃ22 -8.9668e-009 Ｃ24 -6.9363e-008
Ｃ26 -1.7529e-007 Ｃ28 3.2984e-007 Ｃ30 2.1599e-009
Ｃ32 8.6523e-009 Ｃ34 -4.0534e-009 Ｃ36 4.5554e-009

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 22.84
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -4.19 Ｚ 27.82
α 15.74 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -4.38 Ｚ 33.51
α -18.97 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 17.20 Ｚ 31.54
α 64.13 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 17.79 Ｚ 30.22
α 63.37 β 0.00 γ 0.00

回折面[1]
P2 : -4.7267e-04 P4 : 7.2787e-08
実施例３（直視光路）
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 回折面[1] 0.00 偏心(1) 1.5254 56.2
3 FFS[1] 0.05 偏心(2)
4 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
5 FFS[2] 0.00 偏心(3)
6 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
7 回折面[2] 0.00 偏心(4)
8 ∞ 100.00
9 理想レンズ 90.91
像 面 ∞ 0.00

FFS[1]
Ｃ4 -2.1406e-003 Ｃ6 5.8792e-004 Ｃ8 -5.9741e-005
Ｃ10 -5.8674e-005 Ｃ11 2.0872e-006 Ｃ13 1.8477e-006
Ｃ15 1.2982e-006 Ｃ17 -2.3559e-007 Ｃ19 -2.0487e-008
Ｃ21 8.7185e-009 Ｃ22 1.0423e-010 Ｃ24 -1.0526e-008
Ｃ26 2.8592e-009 Ｃ28 -8.4148e-009 Ｃ30 5.3857e-010
Ｃ32 6.0293e-010 Ｃ34 -8.9376e-011 Ｃ36 2.6273e-010

FFS[2]
Ｃ4 -5.7991e-003 Ｃ6 -4.7242e-003 Ｃ8 -2.6683e-005
Ｃ10 -7.2210e-005 Ｃ11 1.0535e-006 Ｃ13 2.9845e-006
Ｃ15 1.9944e-006 Ｃ17 -1.5914e-007 Ｃ19 -9.9972e-008
Ｃ21 -2.0927e-007 Ｃ22 2.0063e-009 Ｃ24 7.3711e-009
Ｃ26 4.3437e-009 Ｃ28 2.1705e-008 Ｃ30 1.1101e-010
Ｃ32 1.3722e-011 Ｃ34 -1.0434e-010 Ｃ36 -5.6626e-010

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 22.84
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -4.19 Ｚ 27.82
α 15.74 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -4.38 Ｚ 33.51
α -18.97 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 41.32
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

回折面[1]
P2 : -4.7267e-04 P4 : 7.2787e-08

回折面[2]
P2 : 5.3652e-04 P4 : -9.6322e-08
実施例４（電子像観察）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -2000.00
1 絞り面 0.00
2 ∞ 0.00 偏心(1) 1.5254 56.2
3 FFS[1] 0.05 偏心(2)
4 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
5 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
6 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
7 FFS[3] 0.00 偏心(4)
8 ∞ 1.00 偏心(5)
9 ∞ 1.40 1.7331 48.9
10 回折面[1] 0.01 1.5839 30.2
11 ∞ 9.20
12 ∞ 1.10 1.5163 64.1
13 ∞ 0.00
像 面 ∞ 0.00

FFS[1]
Ｃ4 -2.9115e-003 Ｃ6 -7.5330e-005 Ｃ8 -1.0606e-006
Ｃ10 -4.5703e-005 Ｃ11 1.1273e-006 Ｃ13 -2.8994e-006
Ｃ15 2.8997e-006 Ｃ17 -1.4190e-007 Ｃ19 6.3776e-008
Ｃ21 -1.2740e-007 Ｃ22 6.0481e-011 Ｃ24 4.4652e-009
Ｃ26 -1.5146e-010 Ｃ28 7.1438e-010 Ｃ30 5.5080e-011
Ｃ32 -2.7545e-011 Ｃ34 9.6825e-011 Ｃ36 3.5293e-011

FFS[2]
Ｃ4 -6.1023e-003 Ｃ6 -5.0647e-003 Ｃ8 -1.4210e-005
Ｃ10 -3.2754e-005 Ｃ11 1.8585e-007 Ｃ13 1.1720e-006
Ｃ15 7.9267e-007 Ｃ17 -4.9506e-008 Ｃ19 3.1952e-008
Ｃ21 1.9647e-009 Ｃ22 1.0437e-009 Ｃ24 5.9020e-009
Ｃ26 5.8321e-010 Ｃ28 6.7480e-009 Ｃ30 2.7311e-012
Ｃ32 -1.6257e-010 Ｃ34 -5.9592e-011 Ｃ36 -2.8335e-010

FFS[3]
Ｃ4 -1.1853e-002 Ｃ6 -1.9751e-002 Ｃ8 7.6282e-004
Ｃ10 3.6930e-004 Ｃ11 -5.3533e-006 Ｃ13 4.1536e-005
Ｃ15 4.7303e-005 Ｃ17 -1.1901e-006 Ｃ19 1.8677e-006
Ｃ21 3.3394e-006 Ｃ22 3.1796e-009 Ｃ24 -4.0130e-008
Ｃ26 -1.7468e-008 Ｃ28 2.9978e-009 Ｃ30 6.1395e-010
Ｃ32 -1.0933e-009 Ｃ34 -3.0620e-009 Ｃ36 -4.2073e-009

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 26.28
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -4.85 Ｚ 31.32
α 14.26 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -1.85 Ｚ 39.12
α -17.74 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 21.73 Ｚ 30.28
α 75.71 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 20.26 Ｚ 34.43
α 62.42 β 0.00 γ 0.00

回折面[1]
P2 : -1.8385e-03 P4 : 3.8537e-06 P6 : -1.2947e-08

実施例４（直視光路）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -2000.00
1 絞り面 0.00
2 ∞ 0.00 偏心(1) 1.5254 56.2
3 FFS[1] 0.05 偏心(2)
4 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
5 FFS[2] 0.00 偏心(3)
6 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
7 ∞ 0.00 偏心(4)
8 ∞ 100.00
9 ∞ 94.90
像 面 ∞ 0.00

FFS[1]
Ｃ4 -2.9115e-003 Ｃ6 -7.5330e-005 Ｃ8 -1.0606e-006
Ｃ10 -4.5703e-005 Ｃ11 1.1273e-006 Ｃ13 -2.8994e-006
Ｃ15 2.8997e-006 Ｃ17 -1.4190e-007 Ｃ19 6.3776e-008
Ｃ21 -1.2740e-007 Ｃ22 6.0481e-011 Ｃ24 4.4652e-009
Ｃ26 -1.5146e-010 Ｃ28 7.1438e-010 Ｃ30 5.5080e-011
Ｃ32 -2.7545e-011 Ｃ34 9.6825e-011 Ｃ36 3.5293e-011

FFS[2]
Ｃ4 -6.1023e-003 Ｃ6 -5.0647e-003 Ｃ8 -1.4210e-005
Ｃ10 -3.2754e-005 Ｃ11 1.8585e-007 Ｃ13 1.1720e-006
Ｃ15 7.9267e-007 Ｃ17 -4.9506e-008 Ｃ19 3.1952e-008
Ｃ21 1.9647e-009 Ｃ22 1.0437e-009 Ｃ24 5.9020e-009
Ｃ26 5.8321e-010 Ｃ28 6.7480e-009 Ｃ30 2.7311e-012
Ｃ32 -1.6257e-010 Ｃ34 -5.9592e-011 Ｃ36 -2.8335e-010

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 26.28
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -4.85 Ｚ 31.32
α 14.26 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -1.85 Ｚ 39.12
α -17.74 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 45.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
上記実施例１〜４について、条件式（１）の値を下記に示しておく。
実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４

φｇ（Ｘ） 0 0 0.00002 0
φｇ（Ｙ） 0 0 0.00001 0
図３６は、本実施形態の偏心光学系１を眼鏡Ｇに内蔵して用いる画像投影装置１００を示す。
本実施形態の画像投影装置１００では、本実施形態の偏心光学系１と、第１光学素子１０の第１面１１に対向する物体面に配置されて画像を表示する画像表示素子５０と、を備えるので、小型、且つ、簡単な構造でありながら、高解像度で投影することが可能となる。
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…偏心光学系
５０…画像表示素子（画像投影装置の場合），画像撮像素子（画像撮像装置の場合）
１０…第１光学素子
２０…第２光学素子
３０…第３光学素子
Ｉｍ…像面（画像投影装置の場合画像表示面，画像撮像装置の場合結像面）
Ｓ…開口絞り
６０…回折光学面

Claims (9)

  1. 光が透過可能な第１面、光が透過及び内面反射可能な第２面、並びに、光が透過及び内面反射可能な第３面を含む相互に偏心した少なくとも３つの光学面を持ち、内部が屈折率１より大きい媒質で満たされ、３つの光学面のうち少なくとも１つの光学面が回転非対称な形状を有する第１光学素子と、
    光が透過可能であって前記第１光学素子側に向けて配置される第１面及び光が透過可能であって前記第１光学素子とは反対側に向けて配置され平面からなる第２面を含む相互に偏心した少なくとも２つの光学面を持ち、内部が屈折率１より大きい媒質で満たされ、前記第１光学素子の第２面側に配置される第２光学素子と、
    光が透過可能であって前記第１光学素子とは反対側に向けて配置され平面からなる第１面及び光が透過可能であって前記第１光学素子の第３面に接合される第２面を含む相互に偏心した少なくとも２つの光学面を持ち、内部が屈折率１より大きい媒質で満たされる第３光学素子と、
    を備える
    ことを特徴とする偏心光学系。
  2. 物体面から像面に至る光路中に回折光学面を備える
    ことを特徴とする請求項１に記載の偏心光学系。
  3. 前記第１光学素子の第１面の外部側に前記回折光学面を有する回折光学素子を備える
    ことを特徴とする請求項２に記載の偏心光学系。
  4. 前記回折光学面は、屈折率が異なる複数の光学部材を積層して形成される
    ことを特徴とする請求項２又は３に記載の偏心光学系。
  5. 前記回折光学面は、前記第２光学素子の第２面に形成される
    ことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１つに記載の偏心光学系。
  6. 前記第１光学素子の第２面と前記第２光学素子の第１面は、離間している
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の偏心光学系。
  7. 前記第１光学素子の第２面と前記第２光学素子の第１面は、有効領域における面形状が同じである
    ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の偏心光学系。
  8. 前記第１光学素子の第２面は、回転非対称面である
    ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の偏心光学系。
  9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の偏心光学系と、
    前記第１光学素子の第１面に対向する位置に配置されて画像を表示する画像表示素子と、
    を備える
    ことを特徴とする画像投影装置。
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