JP2014081481A

JP2014081481A - 観察光学系、及びそれを用いた観察装置

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Publication number: JP2014081481A
Application number: JP2012229072A
Authority: JP
Inventors: Koichi Takahashi; 浩一高橋
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2014-05-08

Abstract

【課題】広画角でかつ高い解像力を有する観察光学系、及び観察光学系を用いた観察装置を提供する。
【解決手段】観察光学系は、観察者の前方に配置され、光を拡散する拡散面と、第１面、第２面、及び第３面を有する少なくとも３面の光学面で構成され、前記光学面のうち、少なくとも２面は、回転非対称な形状を有し、物体面の映像の実像を前記拡散面に投影する第１光学系と、前記拡散面に投影された実像を観察者眼球に拡大された虚像として投影する第２光学系と、を備え、前記物体面の中心と前記拡散面の中心を結ぶ光線を軸上主光線としたとき、前記少なくとも３面の光学面は、それぞれ前記軸上主光線に対して偏心して配置され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観察光学系、及び観察光学系を用いた観察装置に関するものである。

従来、小型の映像生成装置を用い、これらの表示素子の原画像を光学系によって拡大して観察者に呈示する観察装置が知られている（特許文献１〜５）。この観察装置は、観察者頭部周辺に配備されるため、装置全体の小型化、軽量化することが要望されている。また、呈示する画像に高い臨場感を持たせるには、表示素子の原画像を可能な限り広画角に呈示すると共に、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、表示素子からの光束を観察者眼球に導く光学系は、表示素子と観察者眼球の間の経路に中間像を形成させることが有効となる。例えば、特許文献１、２及び３には、光路中に中間像を形成する光学系が開示されている。また、広画角の接眼光学系として、コンタクトレンズを用いれば焦点距離を短くできるため、広画角が望める。例えば、特許文献４および５には、コンタクトレンズを用いた観察装置が開示されている。

特開２００１−１６６２１１号公報特開２００１−２５５４８９号公報特許２０００−２２１４４０号公報特開平１０−６２７１２号公報特開平６−３４７７３１号公報

リレー光学系を用いて１次像を形成し、接眼光学系でその１次像を眼球に導く偏心光学系を備えた画像表示装置においては、リレー光学系を備えていない画像表示装置に比べると、リレー光学系により小さな表示素子を中間結像面に大きく拡大することで、見かけ上、大きな表示面を接眼光学系に用いたものと等価になる。したがって、小さな表示素子であっても広い観察画角を得ることが可能となるのである。

しかし、従来のリレー光学系を用いた観察光学系は、映像生成装置の原画像をリレーする際に、空中像を形成し、その中間像である空中像を接眼光学系で観察者眼球に投影するため、中間像の大きさに制限があり、十分な拡大率を確保することが困難であった。

特許文献１及び２は、観察像を表示する２次元画像表示素子と、２次元画像表示素子の実像を空中に投影するリレー光学系と、その実像を空中に拡大投影すると共に光軸を反射屈曲させる接眼鏡とを具備した視覚表示装置であるが、これらの光学系では、リレー光学系は複数個の球面、または非球面レンズを用い、さらに２面の偏心非球面からなる補正光学系を用いているために、光学系は大型化し、重量が増大する。

さらに、特許文献１は、リレー光学系と接眼鏡との間に相互に偏心した面で構成された偏心補正光学系を具備しており、コスト、重量ともに不利になる。特許文献２は、より広画角になると、接眼するプリズムが実現できないほど大型化する恐れがある。

特許文献３には、観察像を表示する画像表示素子と、画像表示素子の実像を空中に投影するリレー光学系と、その実像を空中に拡大投影すると共に光軸を反射屈曲させる接眼鏡とを具備した視覚表示装置が記載されている。この光学系では、接眼光学系に回転非対称な凹面の表面鏡を用いているため、より広画角になると、リレー光学系で発生する非対称な像面湾曲、歪曲収差などの収差補正を十分行うことができない。

一方、観察者眼球に近接または接触した状態で観察する所謂コンタクトレンズタイプの接眼光学系として、従来の技術として、特許文献４及び５が開示されている。

特許文献４に記載された接眼光学系では、コンタクトレンズを用いて目の前にあるディスプレイを観察するだけなので、画角を大きくしようとすると、ディスプレイが大きくなり、それに伴って装置も大型化するし、コストも高くなる。

特許文献５に記載された技術は、角膜頂点付近のみを映像生成装置の原画像に対応した屈折力とし、それ以外の部分は、通常の屈折力で外界像を観察する構成である。観察者眼球の瞳孔径は、このような状態では、３〜５mm程度であることがわかっている。角膜頂点付近の強い正の屈折力を有する部分の面積は、大きければ明るい拡大画像となるが、小さい面積であれば、画像が暗くなるのと同時に瞳孔位置に対する強い正のパワー部分が瞳孔中心からずれる可能性も出てくる。逆に、通常の外界観察に対しては、角膜頂点付近の強い正の屈折力を有する部分の面積は、大きければ外界像を見るときに中心付近の画像はぼけた部分ばかりになって、正しく認識できなくなる。また、小さい面積であっても、やはり、観察画像中心の像にはぼけた像が常に存在するので、観察者にとって違和感が生じる。

本発明は、広画角でかつ高い解像力を有する観察光学系、及び観察光学系を用いた観察装置を提供するところにある。

本発明の一実施形態である観察光学系は、
観察者の前方に配置され、光を拡散する拡散面と、
第１面、第２面、及び第３面を有する少なくとも３面の光学面で構成され、前記光学面のうち、少なくとも２面は、回転非対称な形状を有し、物体面の映像の実像を前記拡散面に投影する第１光学系と、
前記拡散面に投影された実像を観察者眼球に拡大された虚像として投影する第２光学系と、
を備え、
前記物体面の中心と前記拡散面の中心を結ぶ光線を軸上主光線としたとき、前記少なくとも３面の光学面は、それぞれ前記軸上主光線に対して偏心して配置される。

また、本発明の一実施形態である観察光学系では、
前記第１光学系は、前記少なくとも３面の光学面で囲まれ、屈折率が１以上の媒質で満たされている偏心プリズムである。

また、本発明の一実施形態である観察光学系では、
前記第１光学系の射出瞳は、前記偏心プリズムの射出面近傍に配置する。

また、本発明の一実施形態である観察光学系では、
前記軸上主光線を含む面内における前記第１光学系の上側最大画角の射出瞳から像面までの光路長をＯＰ_ux、
前記軸上主光線を含む面内における前記第１光学系の下側最大画角の射出瞳から像面までの光路長をＯＰ_ix、
としたとき、
以下の条件式（１）を満足する。
１．０５ ≦ ＯＰ_ux／ＯＰ_ix ≦ １．９５（１）

また、本発明の一実施形態である観察光学系では、
前記第１光学系の前記第２面をローカル座標で定義する関数をｆ（ｘ，ｙ）とし、
前記第２面のローカル座標（ｘ，ｙ）におけるｘの２階偏微分値をｃｘ（ｘ，ｙ）、
前記第２面のローカル座標（ｘ，ｙ）の値を（η，ζ）とすると、
以下の条件式（２）を満足する。
ｃｘ（η，ζａ）＜ｃｘ（η，ζｂ）（２）
ただし、
ζａ＜ ζｂ、
ηは、任意の数、
である。

また、本発明の一実施形態である観察光学系では、
前記第１光学系の前記第２面をローカル座標で定義する関数をｆ（ｘ，ｙ）とし、
前記第２面のローカル座標（ｘ，ｙ）におけるｙの２階偏微分値をｃｙ（ｘ，ｙ）、
前記第２面のローカル座標（ｘ，ｙ）の値を（η，ζ）とすると、
以下の条件式（２）を満足する。
ｃｙ（η，ζａ）＜ｃｙ（η，ζｂ）（３）
ただし、
ζａ＜ ζｂ、
ηは、任意の数、
である。

また、本発明の一実施形態である観察光学系では、
前記第２光学系は、観察者の眼球に配置するコンタクトレンズである。

また、本発明の一実施形態である観察光学系では、
前記拡散面は、曲面である。

また、本発明の一実施形態である観察光学系では、
前記拡散面は、球面である。

前記第２光学系は、観察者の眼球の前方に配置する接眼光学系である。

また、本発明の一実施形態である観察光学系では、
前記拡散面は、調光ガラスである。

また、本発明の一実施形態である観察光学系では、
前記拡散面に対して、前記第２光学系とは反対側にシースルーレンズを配置する。

また、本発明の一実施形態である観察光学系では、
前記シースルーレンズは、フレネルレンズである。

また、本発明の一実施形態である観察装置では、
前記観察光学系と、
前記物体面に配置されて映像を表示する映像生成部と、
を備え、
前記映像生成部に表示される映像は、前記第１面を透過し、前記第２面で反射され、前記第１面で反射され、前記第３面とその近傍に配備された前記射出瞳を通り、前記拡散面に投影される。

また、本発明の一実施形態である観察装置では、
前記映像生成部は、映像信号によって変調されたレーザ光を２次元デジタルマイクロミラーデバイスで反射することによって表示する。

また、本発明の一実施形態である観察装置では、
前記映像生成部は、映像信号によって変調されたレーザ光を２次元に走査することによって表示する。

また、本発明の一実施形態である観察装置では、
前記映像生成部は、前記レーザ光を偏向する偏向ミラーを有し、
前記偏向ミラーの反射位置は、前記第１光学系の入射瞳近傍に配置され、
前記第１光学系の入射瞳位置と前記拡散面は、互いにチルト又はシフトしている。

また、本発明の一実施形態である観察装置では、
前記映像生成部は、反射型液晶又は半透過型液晶であり、
前記映像生成部を照明する照明部を備える。

また、本発明の一実施形態である観察装置では、
前記照明部は、偏光ビームスプリッターを有する。

また、本発明の一実施形態である観察装置では、
前記照明部は、回折光学素子を有する。

また、本発明の一実施形態である観察装置では、
眼鏡型の筺体を備え、
前記映像生成部は、眼鏡型の筺体内に配置される。

また、本発明の一実施形態である観察装置では、
前記第１光学系は、眼鏡型の筺体内に配置される。

また、本発明の一実施形態である観察装置では、
眼鏡型のレンズを備え、
前記拡散面は、眼鏡型のレンズに相当する面の内側に配置される。

本発明の一実施形態によれば、広画角でかつ高い解像力を有する観察光学系、及び観察光学系を用いた観察装置を提供することが可能となる。

本実施形態の観察光学系及び観察装置の構成を示す。実施例１の第１光学系６０の光路図を示す。実施例１の第１光学系６０のディストーションマップを示す。本実施形態の第１光学系６０と同様の構成で上下対称の光路長になるように設計した変形例１の偏心プリズムの光路図である。図４の変形例１の光学系のディストーションマップを示す。図４の変形例１の光学系の物体位置及び像位置を移動させることで斜め投影するようにした変形例２の光路図である。図６の変形例２の光学系のディストーションマップである。実施例１の第１光学系６０の第２面６２の形状を示す図である。実施例１の第１光学系６０の第２面６２の形状を形成している関数をｘで２階偏微分した結果を示す図である。実施例１の第１光学系６０の第２面６２の形状を形成している関数をｙで２階偏微分した結果を示す図である。実施例２の第１光学系６２の光路図を示す図である。実施例２の第１光学系のディストーションマップを示す図である。実施例２の第１光学系の第２面の形状を示す図である。実施例２の第１光学系の第２面の形状を形成している関数をｘで２階偏微分した結果を示す図である。実施例２の第１光学系の第２面の形状を形成している関数をｙで２階偏微分した結果を示す図である。本実施形態の観察光学系の第２光学系４０をコンタクトレンズ４１のみの場合の実施例３の光路図である。拡散面５０を球面とした実施例４を示す。拡散面５０の曲率半径は５０ｍｍとしている。本実施形態の第２光学系４０である接眼光学系を観察者眼球１０の前方に配置する例を示す図である。第２光学系４０である接眼光学系を観察者眼球１０の前方に配置する他の例を示す図である。第１光学系には偏心プリズム、第２光学系にはコンタクトレンズを適用した場合の外界像を観察する場合の光路図を示す。ダイクロイックミラーまたはダイクロイックプリズムにより３つのレーザ光が１つになった後の第１光学系の概念を示す図である。本実施形態の反射型表示素子と第１光学系６０と、その間に反射型表示素子を照明する照明部を配置した光路図である。

本発明の一実施形態である観察光学系は、
観察者の前方に配置され、光を拡散する拡散面と、
第１面、第２面、及び第３面を有する少なくとも３面の光学面で構成され、光学面のうち、少なくとも２面は、回転非対称な形状を有し、物体面の映像の実像を拡散面に投影する第１光学系と、
拡散面に投影された実像を観察者眼球に拡大された虚像として投影する第２光学系と、
を備え、
物体面の中心と拡散面の中心を結ぶ光線を軸上主光線としたとき、少なくとも３面の光学面は、それぞれ軸上主光線に対して偏心して配置される。

以下、上記配置をとる理由と作用について説明する。

第１光学系は、少なくとも３面の光学面で構成され、そのうち少なくとも２面の光学面は、回転非対称な形状を有する面を有し、かつ、少なくとも３面の光学面はそれぞれ、物体面の中心と拡散面の中心を結ぶ軸上主光線に対して偏心して配置された偏心光学系である。

このような第１光学系を用いることによって、映像生成部の映像を拡散面に投影する第１光学系を観察者頭部近傍に配備させることが可能となり、観察装置を小型に構成することができる。さらに、偏心して配置された光学系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できるのである。

以下に図を用いて詳細に説明する。

図１は、本実施形態の観察光学１系及び観察装置１００の構成を示す。

この図において、観察者眼球を１０、観察者瞳孔位置を２０、観察者視軸を３０、第２光学系を４０、拡散面を５０、第１光学系を６０、映像生成部としての画像表示素子を７０、第１光学系の第１面（ＴＩＲ面）を６１、第２面（凹面反射面）を６２、第３面（射出面）を６３で示す。

この図は、観察者の頭部の断面図に、本実施形態の観察光学系１が搭載された眼鏡型の観察装置１００を装着した状態を示している。映像生成部７０は、アスペクト比が３：４、表示面の大きさは０．２４インチである。拡散面５０は、眼鏡型映像表示装置である観察装置１００の眼鏡レンズに相当する部分に配備された液晶である。第２光学系４０は、特殊なコンタクトレンズとしている。観察者眼球位置１での瞳径は３ｍｍである。

映像生成部７０から発した光線は、互いに偏心した３つの面で構成された偏心プリズム６０である第１光学系６０の第１面６１から偏心プリズム６０内に入射し、第２面６２で内部反射し、再び第１面６１で内部反射し、第３面６３から射出し、観察者眼球１０の前面に配備された眼鏡型観察装置の内側の面の拡散面５０上に実像を形成する。一方、第２光学系４０は、観察者眼球１０の角膜上に配備された特殊なコンタクトレンズであり、観察者眼球１０の屈折力（視力）を考慮し、拡散面５０上に合焦するようにコンタクトレンズの屈折力が決まっている。したがって、観察者は、拡散面５０上に形成された実像を拡大された虚像として観察することができる。

図２は、実施例１の第１光学系６０の光路図を示す。図３は、実施例１の第１光学系６０のディストーションマップを示す。

第１光学系６０は設計の利便性から、像面Ｉｍから映像生成部７０の物体面としての表示面Ｏｂに到達する逆光線追跡によって示されている。そのため、図２は、表示面におけるディストーションマップを示している。

ここで、第１光学系６０がこのような偏心光学系、特に、内部反射の偏心プリズム６０で構成され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。

また、第１光学系６０は、第１面、第２面、及び第３面を有する少なくとも３面の光学面で囲まれ、屈折率が１以上の媒質で満たされている偏心プリズム６０である。

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、光学系の薄型化、小型化が可能である。

また、観察光学系１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、観察光学系１を構成する光学系に１個の偏心プリズム６０を用いて、少なくとも、映像生成部７０から射出された像光をプリズム内に入射させ、かつ内部反射する第１面６１と、その第１面６１から入射した光束を内部反射させる第２面６２と、射出させる第３面６３で構成し、少なくともその反射面を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、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。

このような基本構成をとることで、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、映像生成部７０の表示面の中心から眼前の拡散面５０の中心に到達する光線を軸上主光線Ｌｃ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Ｌｃに対して偏心していないと、軸上主光線Ｌｃ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Ｌｃ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Ｌｃ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、第１光学系６０の偏心プリズム６０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。本実施形態では、軸上主光線Ｌｃと像面Ｉｍの交点を座標原点としている。絞りＳの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、光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記Ｚ軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸とする。

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、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、本実施形態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が自由曲面ＦＦＳのＺ軸となる。また、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 Ｃ_jＸ^mＹⁿ （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 Ｃ_jＸ^mＹⁿ
^j=2
＝Ｃ₂Ｘ＋Ｃ₃Ｙ
＋Ｃ₄Ｘ²＋Ｃ₅ＸＹ＋Ｃ₆Ｙ²
＋Ｃ₇Ｘ³＋Ｃ₈Ｘ²Ｙ＋Ｃ₉ＸＹ²＋Ｃ₁₀Ｙ³
＋Ｃ₁₁Ｘ⁴＋Ｃ₁₂Ｘ³Ｙ＋Ｃ₁₃Ｘ²Ｙ²＋Ｃ₁₄ＸＹ³＋Ｃ₁₅Ｙ⁴
＋Ｃ₁₆Ｘ⁵＋Ｃ₁₇Ｘ⁴Ｙ＋Ｃ₁₈Ｘ³Ｙ²＋Ｃ₁₉Ｘ²Ｙ³＋Ｃ₂₀ＸＹ⁴
＋Ｃ₂₁Ｙ⁵
＋Ｃ₂₂Ｘ⁶＋Ｃ₂₃Ｘ⁵Ｙ＋Ｃ₂₄Ｘ⁴Ｙ²＋Ｃ₂₅Ｘ³Ｙ³＋Ｃ₂₆Ｘ²Ｙ⁴
＋Ｃ₂₇ＸＹ⁵＋Ｃ₂₈Ｙ⁶
＋Ｃ₂₉Ｘ⁷＋Ｃ₃₀Ｘ⁶Ｙ＋Ｃ₃₁Ｘ⁵Ｙ²＋Ｃ₃₂Ｘ⁴Ｙ³＋Ｃ₃₃Ｘ³Ｙ⁴
＋Ｃ₃₄Ｘ²Ｙ⁵＋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、本実施形態の自由曲面は、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、第１光学系６０を偏心プリズムで構成する場合に、少なくとも第１面６１〜第３面６３の３つの面でプリズムを構成し、第１面６１を映像生成部７０から射出された光束を媒質内に入射させる入射面にて構成し、第２面６２をその第１面６１から入射した光束を内部反射させる反射面で構成し、再び第１面６１で内部反射し、第３面６３をその第１面６１から反射した光束をプリズムから射出させる透過面で構成し、第１面６１〜第３面６３共に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が収差補正上より望ましい。

また、偏心プリズムの第１面６１は、映像生成部７０からの光束を入射する透過面であると共に、第２面６２の反射光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６１は１つの面で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２面６２の光束が射出される部分では全反射するように、第１面６１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６１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６１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。

また、第１光学系６０の射出瞳位置は、偏心プリズム６０の射出面と一致又は略一致することが好ましい。

第１光学系６０の射出瞳位置は、偏心プリズムの射出面と略一致させることで、偏心プリズムの射出面の近傍に絞りＳを設けて射出光線を制限することができる。偏心プリズム内部に射出瞳がある、または射出瞳の一部がプリズム内にあると、特に軸外光線の周辺光線を制御できず、収差補正されていない光束が結像することになる。逆にプリズム射出面から離れてしまうと、絞りＳを位置決めし、固定するための部材が発生し、コストアップにつながる。

また、軸上主光線Ｌｃを含む面内における第１光学系６０の上側最大画角の射出瞳から像面Ｉｍまでの光路長をＯＰ_ux、軸上主光線Ｌｓを含む面内における第１光学系６０の下側最大画角の射出瞳から像面Ｉｍまでの光路長をＯＰ_ix、としたとき、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
１．０５ ≦ ＯＰ_ux／ＯＰ_ix ≦ １．９５（１）

ここで、本実施形態の観察光学系１と観察者頭部のレイアウト上の関係を、図１を用いて説明する。図１においては、本光学系を搭載した眼鏡型のヘッドマウントディスプレイを想定している。このように、第１光学系６０は観察者頭部の側部に配置され、眼鏡のテンプル部の中に映像生成部７０と共に搭載されている。そして第１光学系６０から射出する向きは斜めに映像を投影するため、眼鏡の外側と内側では明らかに射出後の光路長が異なる。つまり、外側は短く、内側は長い。第１光学系６０のＹＺ面内における上側最大画角の射出瞳から像面までの光路長ＯＰ_ux、ＹＺ面内における下側最大画角の射出瞳から像面までの光路長ＯＰ_ix、としたとき、条件式（１）を満足することにより、適切な比率で上側と下側の光路長差をつけることになり、斜めに投影することになり、観察者の頭部と光学系及び光線の干渉をさせることが可能になる。

条件式（１）の下限を下回ると、上下の光路長差が小さくなり、斜めに投影するメリットが少なくなる。

条件式（１）の上限を上回ると、上下の光路長差が大きくなりすぎ、斜め投影によるディストーションの補正が困難になる。

また、第１光学系６０の第２面６２をローカル座標で定義する関数をｆ（ｘ，ｙ）とし、第２面６２のローカル座標（ｘ，ｙ）におけるｘの２階偏微分値をｃｘ（ｘ，ｙ）、第２面６２のローカル座標（ｘ，ｙ）の値を（η，ζ）とすると、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
ｃｘ（η，ζａ）＜ｃｘ（η，ζｂ）（２）
ただし、
ζａ＜ ζｂ、
ηは、任意の数、
である。

さらに、第１光学系６０の第２面６２をローカル座標で定義する関数をｆ（ｘ，ｙ）とし、第２面６２のローカル座標（ｘ，ｙ）におけるｙの２階偏微分値をｃｙ（ｘ，ｙ）、第２面６２のローカル座標（ｘ，ｙ）の値を（η，ζ）とすると、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
ｃｙ（η，ζａ）＜ｃｙ（η，ζｂ）（３）
ただし、
ζａ＜ ζｂ、
ηは、任意の数、
である。

通常、本実施形態のように斜め投影をさせると、台形歪が発生する。以下に台形歪に関して説明する。

図４は、本実施形態の第１光学系６０と同様の構成で上下対称の光路長になるように設計した変形例１の偏心プリズムの光路図である。図５は、図４の変形例１の光学系のディストーションマップを示す。また、図６は、図４の変形例１の光学系の物体位置及び像位置を移動させることで斜め投影するようにした変形例２の光路図である。図７は、図６の変形例２の光学系のディストーションマップである。第１光学系６０は、設計の利便性から、像面Ｉｍから映像生成部７０の物体面としての表示面Ｏｂに到達する逆光線追跡によって示されているため、図５及び図７は、表示面におけるディストーションマップを示している。

図５のディストーションマップは、ほぼ対称な形状のマップが、図７では上側の方が下側よりもＸ方向、Ｙ方向共に短く、台形になっている。つまり、図６において物体面ＯｂのＵ部から射出し、射出瞳を介して像面ＩｍのＵ’部に到達する方が図７のディストーションマップにおける上部に相当する。一方、図６において物体面のＬ部から射出し、瞳を介して像面のＬ’部に到達する方が図７のディストーションマップにおける下部に相当する。これは、物体距離が長い方が、倍率が小さくなっているためである。

したがって、この台形ディストーションを補正するためには、投影光学系である偏心プリズム６０のＵ部からＵ‘部までの光線が通過する部分が、Ｌ部からＬ’部までの光線が通過する部分よりも倍率を大きくするような作用があればよい。この偏心プリズム６０の第３面６３は射出瞳位置の近傍であるため、軸上から軸外までのすべての光束が略同じ部分を通過するため、この面で屈折力の差異をつけることは困難である。

第１面６１は内部反射と物体面から入射する２つの作用を有する。そして、内部反射する部分と射出する部分は一部オーバーラップしている。したがって、たとえば、Ｕ−Ｕ‘部の光束の第２面内部反射部分に強い負のパワーをつけ、Ｌ−Ｌ’部の内部反射部分に弱い負パワーとすることが有効になるが、この第１面６１は内部反射と透過の２つの作用を同時に行っている部分があること、像面に近接する面であるため、軸外の収差補正を行うために必要な屈折力、すなわち、パワー配分をするため、単純に台形ディストーション補正のためだけに形状を決めることができない。

第２面６２はこの偏心プリズム６０の主な正のパワーを有する面であり、この面のパワーが光学系全体のパワーに大きく作用する。したがって、たとえば、Ｕ−Ｕ‘部の光束が通過する第２面６２の内部反射部分の正のパワーは、Ｌ−Ｌ’部の光束の第２面６２の内部反射部分の正パワーよりも弱くすることが台形ディストーション補正に有効となる。

つまり、第２面６２は、第３面６３に近い位置（図６において左側）から離れるにしたがって、つまりＺの値が大きくなるにしたがって、正のパワーが強くなるようにすれば、上記台形歪を補正することが可能となる。

第２面６２を構成する面形状は、どんな面であっても構わないが、良好に収差補正を行うには回転非対称な形状を有する方が望ましい。すなわち上述の（ａ）で定義されている自由曲面で定義された面である。どのような面であっても面形状は関数で定義されており、その関数をｘ及びｙによってそれぞれ２階偏微分を行うことで、曲面のＸ方向、Ｙ方向の曲率を求めることができる。

第２面６２を定義する関数ｆ（ｘ，ｙ）において、第２面６２のローカル座標（ｘ，ｙ）におけるｘの２階の偏微分値を

とすると、条件式（１）を満たしていることが、第２面６２が第３面６３に近い位置から離れるにしたがって、ｘ方向の正のパワーが強くなるようになるため、ｘ方向の台形ディストーション補正に有効に作用する。

第２面を定義する関数ｆ（ｘ，ｙ）において、第２面のローカル座標（ｘ，ｙ）におけるｙの２階の偏微分値を

とすると、条件式（２）を満たしていることが、第２面６２が第３面６３に近い位置から離れるにしたがって、ｙ方向の正のパワーが強くなるようになるため、Ｙ方向の台形ディストーション補正に有効に作用する。

図８は、実施例１の第１光学系６０の第２面６２の形状を示す図である。図９は、実施例１の第１光学系６０の第２面６２の形状を形成している関数をｘで２階偏微分した結果を示す図である。図１０は、実施例１の第１光学系６０の第２面６２の形状を形成している関数をｙで２階偏微分した結果を示す図である。

さらに、図１１は、実施例２の第１光学系６２の光路図を示す図である。図１２は、実施例２の第１光学系のディストーションマップを示す図である。図１３は、実施例２の第１光学系の第２面の形状を示す図である。図１４は、実施例２の第１光学系の第２面の形状を形成している関数をｘで２階偏微分した結果を示す図である。図１５は、実施例２の第１光学系の第２面の形状を形成している関数をｙで２階偏微分した結果を示す図である。

図９及び図１４からわかるように、ｘの２階偏微分値はｙの値が大きくなるにしたがって、大きくなっている。また、図１０及び図１５からわかるように、ｙの２階偏微分値はｙの値が大きくなるにしたがって、大きくなっている。

このように、第２面の特性が条件式（２）及び（３）を満足している偏心プリズム６０であれば、実施例１及び実施例２のディストーションマップである図３及び図１２のように、台形歪が小さい良好なディストーションを示す。

また、本実施形態の観察光学系では、第２光学系４０は、観察者の眼球１０に配置するコンタクトレンズ４１であることが好ましい。

図１６は、本実施形態の観察光学系の第２光学系４０をコンタクトレンズ４１のみの場合の実施例３の光路図である。

図１６では、無限遠物点の光束をコンタクトレンズ４１によって約１２ＭＭ先の眼鏡内面の拡散面５
０上に結像したことを想定している。コンタクトレンズ４１は、眼球から眼鏡内面である拡散面５０までの距離を焦点距離とし、さらに観察者の視力を考慮して設計される。たとえば、一般的な眼球と眼鏡の距離である１２ＭＭとすると、度数に換算すると、+８３ジオプタとなる。観察者の視力が０．
０８だとすると、コンタクトレンズ４１の度数は−５ジオプタとなるため、この場合には、設計値は＋７８ジオプタとなる。このような構成であれば、第１光学系６０で拡散面上に投影された画像を拡大した虚像として観察することができる。

また、本実施形態の観察光学系の第２光学系４０がコンタクトレンズ４１の場合、拡散面５０は、曲面であることが好ましい。

第２光学系４０が観察者眼球上に配備されたコンタクトレンズ４１であって、軸外の画像を観察する場合には、観察者の眼球を回転させて観察する。そのため、観察者にとって物体面である拡散面５０はコンタクトレンズ４１の焦点距離上の物体に焦点が合うことになる。したがって、拡散面５０は湾曲していることが望ましい。また、第１光学系６０の像面Ｉｍは、この湾曲した拡散面５０に略一致した湾曲した像面Ｉｍになっていることが望ましい。

また、拡散面５０は、球面であることが好ましい。

図１７は、拡散面５０を球面とした実施例４を示す。拡散面５０の曲率半径は５０ｍｍとしている。

第２光学系４０のコンタクトレンズ４１と眼球の組み合わせに対しては、眼球回旋中心に対して略球面上に焦点を結ぶため、拡散面５０は球面になっているとなお望ましい。それに合わせて、第１光学系６０の像面湾曲が球面になっていれば、なお良い。

また、第２光学系４０は、観察者の眼球の前方に配置する接眼光学系であることが好ましい。

図１８は、本実施形態の第２光学系４０である接眼光学系を観察者眼球１０の前方に配置する例を示す図である。図１９は、第２光学系４０である接眼光学系を観察者眼球１０の前方に配置する他の例を示す図である。

図１８に示す例では、観察者眼球１０の前方に屈折レンズ４２を配置している。また、屈折レンズ４２の前方には、拡散面５０としての液晶素子５０を配置し、そのさらに前方にシースルーレンズ８１を配置している。なお、第２光学系としての接眼光学系は、液晶素子上に形成された像を拡大投影して観察者瞳孔位置近傍に射出瞳を形成し、眼球１０に導光することができれば、どんな光学系でもよい。たとえば、図１８では屈折レンズ４２を想定しているが、図１９に示すような配置で、液晶表示面５０を下向きにして観察者の目の上側に配置し、液晶表示面の下に配備した偏心プリズムを接眼光学系４０に用いることも可能である。

また、拡散面５０は、調光ガラスであることが好ましい。

第１光学系６０の像を表示する拡散面５０であればどんな面であってもよい。しかしながら、液晶素子やエレクトロクロミズムなどの透過する光の量を電気的に調整することができる調光ガラスであれば、映像生成部７０の映像を観察する時は透過率を下げ、外界像を見るときは透過率を上げる。さらに電子像と外界像を重畳させて見るときは中間の状態にする。

また、拡散面５０に対して、第２光学系４０とは反対側にシースルーレンズを配置することが好ましい。

観察者の前方に調光ガラスなどの拡散面５０を配備した場合には、第２光学系４０のパワーをキャンセルし、さらに外界像が正立像になるように考慮したシースルーレンズ８１を配備することで、観察者は外界像を観察することが可能となる。

図２０は、第１光学系６０には偏心プリズム、第２光学系４０にはコンタクトレンズ４１を適用した場合の外界像を観察する場合の光路図を示す。

液晶素子５０の裏側には、フレネルレンズ８２が貼り付けてあることを想定している。さらに、液晶素子５０が透明なモードを有する場合には、外界からの光を取り込むことができる。しかし、コンタクトレンズ４１は強い正のパワーを有するため、そのままでは観察することができない。

そこで、図２０に示すように、液晶素子５０の裏側にフレネルレンズ８２を形成し、その外側には両面フレネルレンズ８３を配備し、一度中間像を形成して液晶素子５０の面に外界像を形成するようにしている。この構成であれば、ケプラー型のアフォーカル光学系を構成し、かつ光路中に一度外界像形成してその像をリレーするため、観察者は正立像の外界像を観察することが可能となる。

また、図１８に示した第１光学系６０に偏心プリズム、第２光学系４０に接眼光学系を配備し、さらに、液晶素子５０と負レンズを配備している光路の構成では、ガリレオ型のアフォーカル光学系を構成しているため、観察者は正立像の外界像を観察することが可能となる。

また、本実施形態の観察装置１００では、観察光学系１と、物体面Ｏｂに配置されて映像を表示する映像生成部７０と、を備え、映像生成部７０に表示される映像は、第１面から入射し、第２反射面６２で反射され、第１反射面６１で反射され、第３面６３から射出し、射出瞳を通り、拡散面５０に投影される。

また、本実施形態の観察装置１００では、観察者頭部近傍に映像生成部７０を配備し、その表示面を少なくとも２回反射して観察者前方の拡散面５０に投影すれば、装置全体をコンパクトに構成することが可能である。

第１光学系６０が２回反射であれば、拡散面５０に投影される像は正立像となるので、第２光学系４０が屈折系であれば、そのまま投影すればよい。また、第２光学系４０に偏心プリズム等の反射型を用いる場合には、眼球に投影する像が正立像となるように反射回数を考慮する必要がある。一方、第１光学系６０が３回反射で第２光学系４０が屈折系であれば、映像生成部に表示する画像は反転像を表示することになる。

また、映像生成部７０は、映像信号によって変調されたレーザ光を２次元デジタルマイクロミラーデバイスで反射することによって表示することが好ましい。

２次元デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）の大きさ以上の光束としたレーザ光は、２次元微小ミラーアレイのＯＮ、ＯＦＦによって画像を形成することが可能となる。フルカラーで表示するには、ＲＧＢ（赤、緑、青）の３つのレーザ光源を用いる。第１光学系６０は、ＤＭＤで反射した光を像面上に結像することで、像面である拡散面５０に画像を投影することが可能となる。この場合の第１光学系６０は偏心プリズムであることが望ましい。

また、映像生成部７０は、映像信号によって変調されたレーザ光を２次元に走査することによって表示することが好ましい。

図２１は、ダイクロイックミラーまたはダイクロイックプリズムにより３つのレーザ光が１つになった後の第１光学系の概念を示す図である。

外部から入力された映像信号によって変調されたレーザ光をＭＥＭＳミラー等の偏向機によって拡散面上に２次元に走査することで、映像を形成することが可能である。フルカラーで表示するには、ＲＧＢ（赤、緑、青）の３つのレーザ光源を用いる。変調器によって独立に変調された３つのレーザ光はダイクロイックミラーまたは、ダイクロイックプリズムを用いて光軸を一致させ、見かけ上はひとつのレーザ光１１０となり、偏向ミラー１２０に入射され、２次元に偏向走査される。この場合には、上述の２次元画像を投影するのではなく、偏向ミラー１２０で２次元走査された光を第１光学系６０によって投影することになる。したがって、第１光学系６０から離れた位置に設定された入射瞳と一致した位置に配備された偏向ミラー１２０で反射偏向されて第１光学系６０に入射する。第１光学系６０では、レーザ光は、像面上を２次元走査することで、原画像を像面である拡散面５０に投影することが可能となる。

また、本実施形態の観察装置１００では、映像生成部７０は、反射型液晶又は半透過型液晶であり、映像生成部７０を照明する照明部９０を備えることが好ましい。

図２２は、本実施形態の反射型表示素子と第１光学系６０と、その間に反射型表示素子を照明する照明部９０を配置した光路図である。

映像生成部７０がＬＣＯＳ（反射型液晶表示装置）などの反射型表示素子の場合、映像生成部７０と第１光学系６０の間には表示素子を照明する照明部９０を配備する必要がある。光源９１から発した光は、ポーラライザー９２を介して直線偏光となり、照明プリズム９３に入射し、プリズム底面で全反射し、斜面のＰＢＳ９４で反射してプリズム９３から出射し、１/４波長板で円偏光となり、反射型表示素子７０で反射された光は、再び１/４波長板で入射した偏光とは直交する偏光となり、ＰＢＳ９４を透過して照明プリズム９３から第１光学系６０に入射し、原画像は像面に投影される。

また、本実施形態の観察装置１００では、照明部９０は、偏光ビームスプリッターを有することが好ましい。

図２２に示したような光路で直線偏光光（Ｓ偏向）を照明プリズム９３に入射した場合に、たとえばＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する偏光ビームスプリッターであれば、上述した効果で理論的には、１００％の光の利用効率となる。

また、本実施形態の観察装置１００では、照明部９０は、回折光学素子を有することが好ましい。

上述のＰＢＳ９４の代わりに回折光学素子ＨＯＥを用いることが可能である。その際に、偏光状態にかかわらず、光源９１からの光がＨＯＥに入射する角度に対しては、回折（反射）し、表示素子からの光の入射角に対しては、回折せずに透過するように設定することで、理論的には１００％の光の利用効率となる。

また、本実施形態の観察装置１００は、眼鏡型の筺体を備え、映像生成部７０は、眼鏡型の筺体内に配置されることが好ましい。加えて、第１光学系６０を眼鏡型の筺体内に配置すると、さらに好ましい。さらに、観察装置１００は、眼鏡型のレンズを備え、拡散面５０は、眼鏡型のレンズに相当する面の内側に配置されることが好ましい。

眼鏡型とすることにより、小型で軽量に作成することが可能となる。また、観察者頭部に装着して仕様することができ、眼鏡とほぼ同じ見た目で使用することが可能となる。

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２に示した実施例１は、第１光学系６０の実施例である。

実施例１の第１光学系６０では、物体面Ｏｂに水平画角３２°で０．２４インチのＬＣＤ７０を配置することを想定している。また、物体面側から光束が入射する第１面６１と、第１面６１から入射した光束を反射させる第２面６２と、第２面６２から反射された光束を反射させる第１面６１と、第１面６１から反射された光束を射出する第３面６３を備え、プリズム内において、軸上主光線Ｌｃは光路が交差しない自由曲面プリズム６０を用いている。第１面６１〜第３面６３は、面対称自由曲面で形成される。第３面６３から射出した光束は、像面Ｉｍである拡散面５０に結像する。射出瞳である絞りＳは第３面６３の近傍に射出光線の角度を考慮した角度で傾いて配置される。実施例１の像面Ｉｍへ射出する軸上主光線Ｌｃの角度は、４５°である。

図１１に示した実施例２は、第１光学系６０の実施例である。

実施例２の第１光学系６０では、物体面Ｏｂに水平画角３０．５°で０．２４インチのＬＣＤ７０を配置することを想定している。また、物体面側から光束が入射する第１面６１と、第１面６１から入射した光束を反射させる第２面６２と、第２面６２から反射された光束を反射させる第１面６１と、第１面６１から反射された光束を射出する第３面６３を備え、プリズム内において、軸上主光線Ｌｃは光路が交差しない自由曲面プリズム６０を用いている。第１面６１〜第３面６３は、面対称自由曲面で形成される。第３面６３から射出した光束は、像面Ｉｍである拡散面５０に結像する。射出瞳である絞りＳは第３面６３の近傍に射出光線の角度を考慮した角度で傾いて配置される。実施例１の像面Ｉｍへ射出する軸上主光線Ｌｃの角度は、３１°である。

実施例３の第１光学系６０では、物体面Ｏｂに水平画角３４°で０．２４インチのＬＣＤ７０を配置することを想定している。自由曲面プリズムの構成は、実施例１と同様である。実施例３の像面Ｉｍへ射出する軸上主光線Ｌｃの角度は、３１°である。また、像面Ｉｍの曲率半径は、５０ｍｍである。第２光学系４０は、コンタクトレンズである。

図１６に示した実施例４は、第２光学系４０の実施例である。

実施例４の第２光学系４０では、コンタクトレンズ４１を用いている。眼球側の面は球面、外側は非球面とし、屈折力を＋６３として、眼球から約１２ＭＭの眼鏡内面にフォーカスするようになってい
る。

図２０に示した実施例５は、第２光学系４０の実施例である。

実施例５の第２光学系４０では、コンタクトレンズ４１を用いている。拡散面５０と拡散面５０の裏面にフレネルレンズ面８２、その前方に両面のフレネルレンズ８３が配置されている。

以下に、上記実施例１〜実施例５の構成パラメータを示す。実施例１〜３の光線の追跡方向は、像面Ｉｍである拡散面５０から物体面Ｏｂである映像生成部７０に向かう逆光線追跡で説明する。

各実施例では、Ｙ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っている。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、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。

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、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
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
像面 ∞ 75.00 偏心(1)
r1 絞り面 0.00 偏心(2)
r2 FFS[1] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
r3 FFS[2] 0.00 偏心(4) 1.5254 56.2
r4 FFS[3] 0.00 偏心(5) 1.5254 56.2
r5 FFS[2] 0.00 偏心(4)
物体面 ∞ 0.00 偏心(6)

FFS[1]
Ｃ4 3.6893e-002 Ｃ6 6.4083e-002 Ｃ8 6.7871e-003
Ｃ10 -3.6624e-004 Ｃ11 1.3802e-004 Ｃ13 -4.2439e-004
Ｃ15 3.9371e-004 Ｃ17 5.3522e-005 Ｃ19 -2.6302e-004
Ｃ21 -1.6949e-005 Ｃ22 5.1378e-007 Ｃ24 -1.6316e-005
Ｃ26 1.1230e-005 Ｃ28 -3.9212e-007

FFS[2]
Ｃ4 6.6789e-003 Ｃ6 1.2870e-002 Ｃ8 5.9293e-003
Ｃ10 -4.2298e-004 Ｃ11 3.4687e-005 Ｃ13 -2.6633e-004
Ｃ15 1.8168e-004 Ｃ17 7.3571e-005 Ｃ19 -1.1884e-004
Ｃ21 -2.4134e-005 Ｃ22 3.5449e-005 Ｃ24 -1.6829e-005
Ｃ26 1.0632e-005 Ｃ28 1.5003e-006

FFS[3]
Ｃ4 2.8442e-002 Ｃ6 2.4977e-002 Ｃ8 4.2282e-003
Ｃ10 1.7421e-003 Ｃ11 3.4048e-005 Ｃ13 -4.7660e-004
Ｃ15 -1.3365e-004 Ｃ17 6.4510e-005 Ｃ19 2.2391e-005
Ｃ21 3.9161e-005 Ｃ22 -9.4746e-008 Ｃ24 -9.6547e-008
Ｃ26 -5.1188e-009 Ｃ28 -6.8168e-007

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 45.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 35.58 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 39.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 1.82 Ｚ 6.97
α -36.31 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 7.71 Ｚ 7.11
α -68.46 β 0.00 γ 0.00

偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 1.78 Ｚ 11.77
α -50.00 β 0.00 γ -180.00

実施例2
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
像面 ∞ 75.00 偏心(1)
r1 絞り面 0.00 偏心(1)
r2 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
r3 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
r4 FFS[3] 0.00 偏心(4) 1.5254 56.2
r5 FFS[2] 0.00 偏心(3)
物体面 ∞ 0.00 偏心(5)

FFS[1]
Ｃ4 4.8978e-002 Ｃ6 6.9232e-002 Ｃ8 3.6508e-003
Ｃ10 2.6931e-004 Ｃ11 -1.5318e-004 Ｃ13 -8.6377e-004
Ｃ15 2.0572e-004 Ｃ17 2.6159e-005 Ｃ19 -3.6139e-004
Ｃ21 -4.8713e-005

FFS[2]
Ｃ4 5.9829e-003 Ｃ6 8.4123e-003 Ｃ8 3.7368e-003
Ｃ10 3.0984e-004 Ｃ11 -9.9909e-005 Ｃ13 7.8477e-006
Ｃ15 8.8455e-005 Ｃ17 6.8287e-005 Ｃ19 -5.4763e-005
Ｃ21 -3.9312e-006

FFS[3]
Ｃ4 2.5179e-002 Ｃ6 2.2687e-002 Ｃ8 3.4068e-003
Ｃ10 1.5660e-003 Ｃ11 -1.0019e-004 Ｃ13 -1.9560e-004
Ｃ15 8.4734e-006 Ｃ17 7.6240e-005 Ｃ19 -9.3229e-006
Ｃ21 2.1578e-005

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 31.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.37 Ｚ 0.00
α 17.87 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 1.05 Ｚ 8.24
α -44.84 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 6.46 Ｚ 8.89
α -77.77 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.18 Ｚ 12.39
α -63.48 β 0.00 γ -180.00

実施例３
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
像面 50.00 75.00 偏心(1)
r1 絞り面 0.00 偏心(1)
r2 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
r3 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
r4 FFS[3] 0.00 偏心(4) 1.5254 56.2
r5 FFS[2] 0.00 偏心(3)
物体面 ∞ 0.00 偏心(5)

FFS[1]
Ｃ4 5.0097e-002 Ｃ6 4.2610e-002 Ｃ8 3.4705e-003
Ｃ10 1.9611e-003

FFS[2]
Ｃ4 9.1122e-003 Ｃ6 -3.4810e-004 Ｃ8 2.1544e-003
Ｃ10 2.5047e-004 Ｃ11 -1.5295e-004 Ｃ13 -1.5682e-004
Ｃ15 8.2666e-007

FFS[3]
Ｃ4 2.4243e-002 Ｃ6 1.4239e-002 Ｃ8 2.3263e-003
Ｃ10 1.1413e-003 Ｃ11 -1.6864e-005 Ｃ13 -3.9474e-005
Ｃ15 7.7222e-006

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 31.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.64 Ｚ 0.00
α 16.97 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.86 Ｚ 7.10
α -50.44 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 9.21 Ｚ 9.88
α -83.60 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 2.01 Ｚ 13.88
α -62.64 β 0.00 γ -180.00

実施例４
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
像面 ∞ ∞
r1(絞り) ∞ 0.40
r2 非球面[1] 12.196
物体面 0.00 0.00

非球面[1]
曲率半径 -3.49
k -0.999289
a 0.6834e-003 b -0.2089e-004

実施例5
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
物体面 ∞ ∞
r1 ∞ 0.00
r2 フレネル面[1] 1.70 1.4918 57.4
r3 フレネル面[2] 1.50
r4 フレネル面[3] 1.70 1.4918 57.4
r5 ∞ 0.00
r6 ∞ 12.20
r7 非球面[1] 0.40 1.4918 57.4
r8 8.10 0.00
r9(絞り) ∞ 0.00
r10 ∞ 22.00
像面 -11.00 0.00

フレネル面[1]
曲率半径 0.49734
k 0.0000e+000

フレネル面[2]
曲率半径 -0.1187
k 0.0000e+000

フレネル面[3]
曲率半径 0.3465
k 0.0000e+000

非球面[1]
曲率半径 3.49
k -3.862634
a 7.3289e-003 b -7.6198e-004

上記実施例１〜３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
ＯＰ_ux／ＯＰ_ix 1.66 1.35 1.50

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…観察光学系
１０…眼球
２０…観察者瞳孔位置
３０…観察者視軸
４０…第２光学系
５０…拡散面
６０…第１光学系（偏心プリズム）
６１…第１面
６２…第２面
６３…第３面
７０…映像生成部（画像表示素子）

Claims

観察者の前方に配置され、光を拡散する拡散面と、
第１面、第２面、及び第３面を有する少なくとも３面の光学面で構成され、前記光学面のうち、少なくとも２面は、回転非対称な形状を有し、物体面の映像の実像を前記拡散面に投影する第１光学系と、
前記拡散面に投影された実像を観察者眼球に拡大された虚像として投影する第２光学系と、
を備え、
前記物体面の中心と前記拡散面の中心を結ぶ光線を軸上主光線としたとき、前記少なくとも３面の光学面は、それぞれ前記軸上主光線に対して偏心して配置される
ことを特徴とする観察光学系。
前記第１光学系は、前記少なくとも３面の光学面で囲まれ、屈折率が１以上の媒質で満たされている偏心プリズムである
請求項１に記載の観察光学系。
前記第１光学系の射出瞳は、前記偏心プリズムの射出面近傍に配置する
請求項２に記載の観察光学系。
前記軸上主光線を含む面内における前記第１光学系の上側最大画角の射出瞳から像面までの光路長をＯＰ_ux、
前記軸上主光線を含む面内における前記第１光学系の下側最大画角の射出瞳から像面までの光路長をＯＰ_ix、
としたとき、
以下の条件式（１）を満足する
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の観察光学系。
１．０５ ≦ ＯＰ_ux／ＯＰ_ix ≦ １．９５（１）
前記第１光学系の前記第２面をローカル座標で定義する関数をｆ（ｘ，ｙ）とし、
前記第２面のローカル座標（ｘ，ｙ）におけるｘの２階偏微分値をｃｘ（ｘ，ｙ）、
前記第２面のローカル座標（ｘ，ｙ）の値を（η，ζ）とすると、
以下の条件式（２）を満足する
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の観察光学系。
ｃｘ（η，ζａ）＜ｃｘ（η，ζｂ）（２）
ただし、
ζａ＜ ζｂ、
ηは、任意の数、
である。
前記第１光学系の前記第２面をローカル座標で定義する関数をｆ（ｘ，ｙ）とし、
前記第２面のローカル座標（ｘ，ｙ）におけるｙの２階偏微分値をｃｙ（ｘ，ｙ）、
前記第２面のローカル座標（ｘ，ｙ）の値を（η，ζ）とすると、
以下の条件式（２）を満足する
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の観察光学系。
ｃｙ（η，ζａ）＜ｃｙ（η，ζｂ）（３）
ただし、
ζａ＜ ζｂ、
ηは、任意の数、
である。
前記第２光学系は、観察者の眼球に配置するコンタクトレンズである
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の観察光学系。
前記拡散面は、曲面である
請求項７に記載の観察光学系。
前記拡散面は、球面である
請求項７に記載の観察光学系。
前記第２光学系は、観察者の眼球の前方に配置する接眼光学系である
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の観察光学系。
前記拡散面は、調光ガラスである
請求項１０に記載の観察光学系。
前記拡散面に対して、前記第２光学系とは反対側にシースルーレンズを配置する
請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の観察光学系。
前記シースルーレンズは、フレネルレンズである
請求項１２に記載の観察光学系。
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の観察光学系と、
前記物体面に配置されて映像を表示する映像生成部と、
を備え、
前記映像生成部に表示される映像は、前記第１面を透過し、前記第２面で反射され、前記第１面で反射され、前記第３面とその近傍に配備された前記射出瞳を通り、前記拡散面に投影される
ことを特徴とする観察装置。
前記映像生成部は、映像信号によって変調されたレーザ光を２次元デジタルマイクロミラーデバイスで反射することによって表示する
ことを特徴とする請求項１４に記載の観察装置。
前記映像生成部は、映像信号によって変調されたレーザ光を２次元に走査することによって表示する
ことを特徴とする請求項１４に記載の観察装置。
前記映像生成部は、前記レーザ光を偏向する偏向ミラーを有し、
前記偏向ミラーの反射位置は、前記第１光学系の入射瞳近傍に配置され、
前記第１光学系の入射瞳位置と前記拡散面は、互いにチルト又はシフトしている
ことを特徴とする請求項１６に記載の観察装置。
前記映像生成部は、反射型液晶又は半透過型液晶であり、
前記映像生成部を照明する照明部を備える
ことを特徴とする請求項１４に記載の観察装置。
前記照明部は、偏光ビームスプリッターを有する
ことを特徴とする請求項１８に記載の観察装置。
前記照明部は、回折光学素子を有する
ことを特徴とする請求項１８に記載の観察装置。
前記観察装置は、眼鏡型の筺体を備え、
前記映像生成部は、眼鏡型の筺体内に配置される
ことを特徴とする請求項１４乃至２０のいずれか１つに記載の観察装置。
前記第１光学系は、眼鏡型の筺体内に配置される
ことを特徴とする請求項２１に記載の観察装置。
前記観察装置は、眼鏡型のレンズを備え、
前記拡散面は、眼鏡型のレンズに相当する面の内側に配置される
ことを特徴とする請求項２１又は２２に記載の観察装置。