JP4341108B2 - 虚像観察光学装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオカメラのビューファインダ、ヘッドマウント型デイスプレイ等に使用して好適な虚像観察光学装置に関し、特に、反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空間光変調素子（Spatial Light Modulator ：ＳＬＭ）は、映像信号を入力し、その画像データに基づいて各画素毎に光を変調するように構成されたデバイスである。空間光変調素子を透過する光を変調する透過型と空間光変調素子を反射する光を変調する反射型がある。本発明の虚像観察光学装置は後者の反射型空間光変調素子を使用する。
【０００３】
空間光変調素子は液晶、デジタルマイクロミラー等を使用する。特に液晶を使用するものは液晶型空間光変調素子と称される。液晶には、旋光（偏光導波）モード型、複屈折モード型、光散乱モード型、光吸収モード型等がある。一般的に使用される液晶として、旋光（偏光導波）モード型のツイステッドネマティック（ＴＮ）動作モードを使用するＴＮ液晶、複屈折動作モード型のスーパーツイステッドネマティック（ＳＴＮ）動作モードを使用するＳＴＮ液晶及び強誘電性液晶（ＦＬＣ）動作モードを使用するＦＬＣ型の液晶がある。
【０００４】
図２２を参照してのＴＮ液晶又はＳＴＮ液晶を用いた反射型空間光変調素子の構造及び動作原理を説明する。ＴＮ又はＳＴＮ液晶反射型空間光変調素子９０は１対の電極部とその間に挿入された液晶材料９５と下側の反射板９６とを含む。上側の電極部はガラス基板９１Ａとその内側（下側）の透明電極９２Ａとその内側（下側）の配向膜９３Ａとを含み、下側の電極部はガラス基板９１Ｂとその内側（上側）の透明電極９２Ｂとその内側（上側）の配向膜９３Ｂとを含む。
【０００５】
上側の電極部のガラス基板９１Ａの外側（上側）には偏光子９４Ａが配置され、下側の電極部のガラス基板９１Ｂの外側（下側）には検光子９４Ｂが配置されている。２つの偏光子９４Ａ、９４Ｂの偏光方向は互いに直交している。
【０００６】
配向膜９３Ａ、９３Ｂは液晶材料９５の分子の配向方向を揃える機能を有し、上側の電極部に設けられた配向膜９３Ａの配向方向は上側の電極部に設けられた偏光子９４Ａの偏光方向と平行であり、下側の電極部に設けられた配向膜９３Ｂの配向方向は下側の電極部に設けられた検光子９４Ｂの偏光方向と平行である。即ち、２つの配向膜９３Ａ、９３Ｂの配向方向は互いに直交している。
【０００７】
図２２Ａは透明電極９２Ａ、９２Ｂに電圧が印加されていない電圧非印加状態を示し、図２２Ｂは透明電極９２Ａ、９２Ｂに電圧が印加されている電圧印加状態を示す。図２２Ａの電圧非印加状態では液晶材料９５の分子の配向は捻れ状態となり、図２２Ｂの電圧印加状態では液晶材料９５の分子は垂直方向に整列した状態となる。ＴＮ液晶の場合、電圧非印加状態における分子の捻れ角は９０度である。
【０００８】
図２２Ａの電圧非印加状態では、上側の偏光子９４Ａからの偏光９７Ａは液晶材料９５を透過することによって偏光方向が回転する。従って、この偏光９７Ｂは下側の偏光子９４Ｂを透過し、反射板９６に到達する。反射板９６を反射した偏光９７Ｃは同様に液晶材料９５を透過することによって偏光方向が回転し、上側の偏光子９４Ａを透過する。即ち、入射光と同一経路に戻る。
【０００９】
しかしながら、図２２Ｂの電圧印加状態では、上側の偏光子９４Ａからの偏光９７Ａは液晶材料９５を透過することによって偏光方向が回転しない。従って、この偏光は下側の偏光子９４Ｂを透過することができず、反射板９６に到達しない。即ち、入射光に対する反射光は得られない。
【００１０】
図２３を参照してのＦＬＣを用いた反射型空間光変調素子の構造及び動作原理を説明する。ＦＬＣ反射型空間光変調素子１００は１対の電極部とその間に挿入された液晶材料１０５とを含む。上側の電極部はガラス基板１０１Ａとその内側（下側）の透明電極１０２Ａとその内側（下側）の配向膜１０３Ａとを含み、下側の電極部はシリコン基板１０１Ｂとその内側（上側）のアルミ電極１０２Ｂとその内側（上側）の配向膜１０３Ｂとを含む。アルミ電極１０２Ｂは反射膜としても機能する。上側の電極部のガラス基板１０１Ａの外側（上側）には偏光子１０４が配置されている。
【００１１】
図２３Ａは透明電極１０２Ａ及びアルミ電極１０２Ｂに第１の方向の電圧が印加された第１の電圧方向状態を示し、図２３Ｂは透明電極１０２Ａ及びアルミ電極１０２Ｂに第２の方向の電圧が印加された第２の電圧方向状態を示す。図２３Ｃに示すように、第１の電圧方向状態では液晶材料１０５は入射偏光に対して複屈折効果を示さないが、第２の電圧方向状態では液晶材料１０５は入射偏光に対して複屈折効果を示す。
【００１２】
図２３Ａの第１の電圧方向状態では、液晶材料１０５は複屈折効果を示さないから、偏光子１０４からの偏光１０７Ａは液晶材料１０５を透過し、偏波状態を変えることなく、アルミ電極（反射膜）１０２Ｂに到達する。アルミ電極（反射膜）１０２Ｂを反射した偏向１０７Ｂは再び液晶材料１０５を透過し、偏波状態を変えることなく、偏光子１０４に到達する。即ち、入射光の偏波状態と同一の偏波状態の光が偏光子１０４に戻る。従って、偏光子１０４より出射光が得られる。
【００１３】
しかしながら、図２３Ｂの第２の電圧方向状態では、偏光子１０４からの偏光１０７Ａは液晶材料１０５を透過することによって複屈折効果を受け、直線偏光が円偏光に変化する。円偏光はアルミ電極（反射膜）１０２Ｂを反射し、それによって円偏光１０７Ｂの回転方向は反対方向となる。回転方向が反対となった円偏光１０７Ｂは再び液晶材料１０５を透過することによって複屈折効果を受け、直線偏光となる。この直線偏光は偏光子１０４の偏光方向と直交しており、従って、偏光子１０４を通過しない。
【００１４】
図２４はＦＬＣ（強誘電性液晶）を用いた反射型空間光変調素子を有する虚像観察光学系の例を示す。この虚像観察光学系はＦＬＣ反射型空間光変調素子１００と偏光子１０４とハーフミラー１１１と検光子１１２とを有する。偏光子１０４の偏光方向と検光子１１２の偏光方向は互いに直交している。
【００１５】
ＦＬＣ反射型空間光変調素子１００は図２３に示したＦＬＣ反射型空間光変調素子と同様であり、詳細な説明は省略する。空間光変調素子は通常、照明用光源装置と共に使用される。図示しない照明用光源装置からの光１０７Ａは偏光子１０４を経由してハーフミラー１１１に到達する。ハーフミラー１１１を反射した光１０７ＡはＦＬＣ反射型空間光変調素子１００を経由して再びハーフミラー１１１に到達する。ハーフミラー１１１を透過した偏光１０７Ｂは検光子１１２に到達する。
【００１６】
上述のように第１の電圧方向状態では、液晶材料１０５は複屈折効果を示さないから、偏光子１０４からの偏光１０７Ａは偏波状態を変化させることなく、検光子１１２に到達する。従って、照明用光源装置からの光は検光子１１２を透過しない。しかしながら、第２の電圧方向状態では、液晶材料１０５は複屈折効果を示し、偏光子１０４からの偏光１０７Ｂは偏波状態を変化させて検光子１１２に到達する。従って、照明用光源装置からの光は検光子１０４を透過して出力される。
【００１７】
このように、照明用光源装置を使用する理由は、照明用光源装置からの光が液晶材料１０５による複屈折効果を受けないときに、黒表示（ノーマリブラック）とするためである。これは、液晶材料１０５の複屈折効果によって生成される位相差は、液晶材料１０５の膜厚及び入射光の入射角に依存するためである。
【００１８】
図２５を参照して従来の反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置の例を説明する。この例は米国特許第５５９６４５１号に記載された例であり、詳細は同特許を参照されたい。本例の虚像観察光学装置は、立方体形状の偏光ビームスプリッタキューブ１２５（以下に単にキューブと称する。）を有し、その対角面に偏光ビームスプリッタ１２５Ｅが形成されている。
【００１９】
図示のようにキューブ１２５の第１の面１２５Ａに対応して照明用光源装置１２１及び偏光子１２３、第２の面１２５Ｂに対応して反射型空間光変調器１２２、第３の面１２５Ｃに対応して四分の一波長板１２６及び反射ミラー１２７が配置されている。
【００２０】
照明用光源装置１２１からの光は偏光子１２３を経由し、偏光ビームスプリッタ１２５Ｅによって偏向され、反射型空間光変調器１２２に到達する。反射型空間光変調器１２２からは、変調された反射光が出力される。この反射光は偏光ビームスプリッタ１２５Ｅ及び四分の一波長板１２６を経由し、反射ミラー１２７の凹型反射面を反射する。この反射光は、再び四分の一波長板１２６を経由し、偏光ビームスプリッタ１２５Ｅによって偏向され（符号１２８Ａ）観察領域１３０の人間の瞳１３１に到達する。
【００２１】
本例の虚像観察光学装置は次のような欠点を有する。
（１）照明用光源装置１２１からの光の一部は破線１２８Ｂにて示すように、迷光として直接的に瞳１３１に到達する。この迷光１２８Ｂは反射型空間光変調器１２２によって表示される画像データのノイズとなり、画像情報のコントラストを低下させる。
【００２２】
（２）立方体形状の偏光ビームスプリッタキューブ１２５を使用するため、照明用光源装置１２１からの光の入射面１２５Ａ、反射型空間光変調器１２２に対応する面１２５Ｂ、四分の一波長板１２６及び反射ミラー１２７に対応する面１２５Ｃ、観察領域１３０へ光が出射する面１２５Ｄ及び偏光ビームスプリッタ面１２５Ｅは平面であり、光学的自由度を有する面が少ない。従って、例えば、反射型空間光変調器１２２の画素ピッチが小さい場合等では十分な解像度が得られないことがある。
（３）反射型空間光変調器１２２の寸法が一定であると仮定した場合、見かけの表示画面の寸法を大きくするためには画角を大きくしなければならない。画角を大きくすると焦点距離ｆは小さくなる。焦点距離ｆを小さくするとペッツバール和ＰＳの絶対値が大きくなる。即ち、画像の湾曲度は大きくなる。
【００２３】
ペッツバール和ＰＳは、画像の平坦度又は湾曲度を表すパラメータであり、次の式に示すように、屈折率ｎ及び焦点ｆの関数である。
【００２４】
【数１】
ＰＳ＝Σ（１／ｎｆ）
【００２５】
ペッツバール和がゼロ、即ち、ＰＳ＝０の場合は画像が平坦であることを表す。ペッツバール和ＰＳの絶対値が大きいほど、画像の湾曲度が大きいことを示す。図２５の例では、反射ミラー１２７の凹型反射面のみによって光学系全体の屈折力を負担しており、ｎ＝−１，ｆ> ０である。従って、ペッツバール和はＰＳ< ０となる。
【００２６】
（４）偏光ビームスプリッタキューブと反射ミラーが別個の構成部品であるため、部品点数が多くなり、製造費等が高くなる。また、キューブと反射ミラーの間に空気層があるため、この空気層が無い場合と比べて焦点距離が長くなる。
（５）偏光ビームスプリッタキューブは製造費が高く及び重量が大きいため、装置の製造費及び重量が大きくなる。
【００２７】
図２６を参照して従来の反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置の他の例を説明する。この例も上述の米国特許第５５９６４５１号に記載された例であり、詳細は同特許を参照されたい。本例の虚像観察光学装置は、図２５を参照して説明した虚像観察光学装置にて、小さな寸法の立方体形状の偏光ビームスプリッタキューブ１２４（以下に単にキューブと称する。）を付加的に設けた構成を有する。
【００２８】
小さな寸法のキューブ１２４は大きな寸法のキューブ１２５と同様な構成を有し、その対角面に偏光ビームスプリッタ１２４Ｅが形成されている。図示のように、小さな寸法のキューブ１２４の第１の面１２４Ａに対応して照明用光源装置１２１、第２の面１２４Ｂに対応して反射型空間光変調器１２２、第３の面１２４Ｃに対応して大きな寸法のキューブ１２５が配置され、この大きな寸法のキューブ１２５の第３の面１２５Ｃに対応して四分の一波長板１２６及び反射ミラー１２７が配置されている。
【００２９】
照明用光源装置１２１からの光は小さなキューブ１２４の偏光ビームスプリッタ１２４Ｅによって偏向され、反射型空間光変調器１２２に到達する。反射型空間光変調器１２２からは、変調された反射光が出力される。この反射光は２つの偏光ビームスプリッタ１２４Ｅ及び１２５Ｅと四分の一波長板１２６を経由し、反射ミラー１２７の凹型反射面を反射する。この反射光は、再び四分の一波長板１２６を経由し、偏光ビームスプリッタ１２５Ｅによって偏向され（符号１２８Ａ）観察領域１３０の人間の瞳１３１に到達する。
【００３０】
本例の虚像観察光学装置では、照明用光源装置１２１からの光の一部は破線１２８Ｂにて示すように偏光ビームスプリッタ１２４Ｅを透過するが、観察領域１３０に到達しない。従って、迷光によって画像データにノイズが生ずることはない。従って、本例では上述の３つの欠点の内、第１の欠点（１）は回避されるが、他の欠点は依然として残る。
【００３１】
図２７を参照して従来の虚像観察光学系の他の例を説明する。図２７Ａに示す虚像観察光学系は、照明用光源装置１４１とＦＬＣ反射型空間光変調素子１４２Ａと偏光ビームスプリッタ１４３と凹面反射鏡１４４とを有する。本例の偏光ビームスプリッタ１４３はガラス基板の上に偏光性光束分割膜を塗布した構造を有する。図２７Ｂに示す虚像観察光学系では、空間光変調素子としてＴＮ結晶型反射型空間光変調素子１４２Ｂを使用し、更に、偏光ビームスプリッタ１４３と凹面反射鏡１４４の間に四分の一波長板１４５を設ける。
【００３２】
照明用光源装置１４１からの光は偏光ビームスプリッタ１４３を経由して反射型空間光変調素子１４２Ａ、１４２Ｂに到達する。反射型空間光変調素子１４２Ａ、１４２Ｂからの光は偏光ビームスプリッタ１４３によって偏向され凹面反射鏡１４４を反射して観察空間１３０の瞳１３１に達する。
【００３３】
図２７の例では、立方体形状の偏光ビームスプリッタキューブを使用する代わりに板状の偏光ビームスプリッタ１４３を使用する。従って、上述の第５の欠点は回避される。しかしながら、この例では、次のような欠点が存在する。
（１）光学系の寸法関係が同一の場合、キューブを使用する場合に比べて、屈折力を発生する反射鏡の焦点距離が長くなり、光学的な倍率が小さくなる。光学的倍率が小さくなると見かけの表示画像の寸法が小さくなる。尚、虚像結像のための焦点距離は、虚像距離が無限遠の場合、反射型空間光変調素子と反射鏡の主点間の物理的距離をその間の媒質の屈折率によって除した値である。
（２）板状の偏光ビームスプリッタでは、全可視光帯域にてＰ偏光透過率及びＳ偏光透過率の両者を高くすることは困難である。図２７Ｂに示す例のように、反射型光空間変調素子として反射型ＴＮ液晶空間光変調素子を使用し、反射鏡と偏光ビームスプリッタの間に四分の一波長板を配置した場合でも、光利用効率を十分高くすることができない。
（３）例えば、構成面を曲面にすることができる内部充填型の偏光ビームスプリッタと比べた場合、自由面光学的自由度を有する面が少ない。従って、解像度、像面湾曲量等の収差補正が十分に達成できない場合がある。
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】
図２８を参照して虚像観察光学装置の他の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と反射型空間光変調器２０と第１及び第２のハーフミラー２１、２２と凹面反射鏡２３とを有する。
【００３５】
虚像観察光学装置は更に、映像信号１を入力するシステムコントローラ２とシステムコントローラ２からの信号を入力する照明用光源装置駆動回路４及び反射型空間光変調器駆動回路６とを含む制御回路を有する。照明用光源装置駆動回路４はシステムコントローラ２からの信号に基づいてを照明用光源装置１０に光源駆動信号を供給し、反射型空間光変調器駆動回路６はシステムコントローラ２からの信号に基づいて反射型空間光変調器２０に駆動信号を供給する。
【００３６】
照明用光源装置１０は光源１１とリフレクタ１２と導光板１３及び反射板１４とを有する。光源１１からの光は直接又はリフレクタ１２を反射して導光板１３に導入される。導光板１３に導入された光の一部は、直接、前面１３Ａより出射されるが、他の部分は２つの面１３Ａ、１３Ｂ及び反射板１４の間を繰り返し反射した後に前面１３Ａより出射される。導光板１３の断面を楔形にすることによって、導光板１３の前面１３Ａから出射される光の強さは、光源１１から近い部分から遠い部分まで均一化される。
【００３７】
導光板１３からの光は光学フィルム１５に到達する。光学フィルム１５は導光板１３からの光束の発散角ＤＡを制御する機能を有し、その性能は半値発散角ＨＤＡによって表される。半値発散角ＨＤＡは光強度がピーク値の半分になる立体角の２分の１になる角度である。
【００３８】
光学フィルム１５を経由した光は、第１のハーフミラー２１を反射し、反射型空間光変調器２０に到達し、それによって変調される。反射型空間光変調器２０からの光は、第１のハーフミラー２１を透過し第２のハーフミラー２２を反射し、凹面反射鏡２３を反射し、第２のハーフミラー２２を透過して観察空間１３０の瞳１３１に到達する。
【００３９】
図２９は図２８の虚像観察光学装置の光学系を模式的に示した図である。図２９を参照して図２８の虚像観察光学装置の光学系を詳細に説明する。この図から明らかなように、この虚像観察光学装置の光学系は、基本的には、光源光学系と接眼光学系からなる。光源光学系は照明用光源装置１０からの光を反射型空間光変調器２０に導くための光束分割素子、即ち、第１のハーフミラー２１を含む。接眼光学系は反射型空間光変調器２０からの光を偏向する光束分割素子、即ち、第２のハーフミラー２２と反射素子、即ち、凹面反射鏡２３とを有する。
【００４０】
反射型空間光変調器２０と光源光学系の光束分割素子、即ち、第１のハーフミラー２１のなす角をαとする。反射型空間光変調器２０の中心を通る光線、即ち、主光線が接眼光学系の光束分割素子、即ち、第２のハーフミラー２２と交わる点をＰとし、更に、主光線が反射素子、即ち、凹面反射鏡２３と交わる点をＱとする。
【００４１】
点Ｐにおける面法線ベクトルをＡ、点Ｑにおける面法線ベクトルをＢとし、２つのベクトルＡ、Ｂのなす角をβとする。本例では、αは４５度、βは１３５度である。また、図示のように、ベクトルＢと接眼光学系の光束分割素子２２のなす角は４５度である。
【００４２】
接眼光学系の反射素子２３上の点Ｑと光束分割素子２２上の点Ｐの間の距離をｆ1 ´とし、反射型空間光変調器２０から光束分割素子２２上の点Ｐまでの距離をｆ2 ´とする。反射素子、即ち、凹面反射鏡２３の焦点距離ｆ´はこの２つの距離の和に等しい。
【００４３】
【数２】
ｆ´＝ｆ1 ´＋ｆ2 ´
【００４４】
接眼光学系の反射素子２３上の点Ｑから光束分割素子、即ち、第２のハーフミラー２２の下端までの距離をＬ´とし、第２のハーフミラー２２の下端から観察空間１３０の瞳Ｏまでの距離をＲ´とする。距離Ｌ´は光学系の厚さを表し、距離Ｒ´はアイレリーフを表す。
【００４５】
この例では、焦点距離ｆ´が比較的長いという欠点がある。また、上述の２つのベクトルＡ、Ｂの間の角度βが比較的小さい、例えば、１３５度である。従って、光学系の厚さ距離Ｌ´を小さくすることができなかった。更に、アイレリーフ又は距離Ｒ´を大きくすることできなかった。
【００４６】
以上の問題に鑑みて、本発明は、反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置において、迷光による画像データのノイズを最小化することを目的とする。
【００４７】
本発明は、反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置において、接眼光学系の反射素子の焦点距離を小さくし光学系の倍率を大きくすることを目的とする。
【００４８】
本発明は、反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置において、光学系の厚さを最小化し、装置全体の寸法を小型化することを目的とする。
【００４９】
本発明は、反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置において、アイレリーフを大きくすることを目的とする。
【００５０】
本発明は、反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置において、光学系の収差を低減することを目的とする。
【００５１】
【課題を解決するための手段】
本発明による虚像観察光学装置は、反射型空間光変調素子と、該反射型空間光変調素子に照明用光線を提供するための照明用光源装置と、上記照明用光源装置から発せられる照明用光線の光路上に配置され、上記照明用光源装置からの照明用光線を反射して上記反射型空間光変調素子に導く第１の光束分割面を有する光束分割素子を含む光源光学系と、上記反射型空間光変調素子によって変調された画像光線の上記光束分割素子を透過した出射側に配置され、上記反射型空間光変調素子からの画像光線の入射側に屈折面と、該屈折面から入射した上記画像光線を全反射させる平面の第２の光束分割面と、該第２の光束分割面によって全反射された上記画像光線を反射し、上記第２の光束分割面を透過屈折させて観察空間に導く、自由曲面又は反射型ホログラフィック面より成る反射面とを有する全反射屈折光学素子と、を備え、上記反射型空間光変調素子の中心を通る主光線が上記反射面によって反射される点における上記反射面の法線ベクトルと上記第２の光束分割面における法線ベクトルとのなす角は、上記反射面及び上記第２の光束分割面の各面における光線が反射する側をベクトルの正の方向として、１３６度以上且つ１７９度以下であり、上記反射型空間光変調素子の中心を通る主光線が上記照明用光源装置から上記光束分割素子に至る光路を通る光線のうち上記光束分割素子において反射することなく該光束分割素子を透過する光線が、上記全反射屈折光学素子の上記屈折面から入射して上記反射面で反射されるように、上記全反射屈折光学素子の上記屈折面と、上記光源光学系の上記光束分割素子の上記第１の光束分割面とが配置され、上記反射型空間光変調素子の中心を通る主光線が上記照明用光源装置から上記光束分割素子に至る光路を通る光線のうち上記光束分割素子において反射することなく該光束分割素子を透過する光線の、上記全反射屈折光学素子の上記反射面により反射された後、上記第２の光束分割面を透過する光路が、上記観察空間から外れた領域に向かう構成とされる。
【００５２】
従って、本発明によると、光束分割素子に立てた面法線ベクトルと反射素子に立てた面法線ベクトルのなす角βが１３６度以上且つ１７９度以下であるため、従来の値、例えば、１３５度より大きい。従って、照明用光源装置からの迷光が観察空間に到達することはない。また、光学系の寸法を従来の虚像観察光学装置より小さくすることができる。
【００５３】
本発明によると、例えば、図３に示すように、虚像観察光学装置は、反射型空間光変調素子と、該反射型空間光変調素子に照明用光線を提供するための照明用光源装置と、上記照明用光源装置からの照明光線を上記反射型空間光変調素子に導くための光源光学系と、上記反射型空間光変調素子からの画像光線を観察空間に導くための接眼光学系とを有し、上記光源光学系は上記照明用光源装置からの照明光線を偏向させて上記反射型空間光変調素子に導くための光束分割素子を含み、該接眼光学系は内部に屈折率が１より大きい媒質によって充填された屈折光学素子を含み、該接眼光学系屈折光学素子は上記反射型空間光変調素子からの画像光線を受け入れるための屈折面と上記画像光線を偏向させるための光束分割面と該光束分割面によって偏向された光を反射させて上記観察空間に導くための反射面とを有する。
【００５４】
こうして本発明によると、光学系を屈折光学素子によって構成するため、屈折光学素子の各面を曲面、例えば、回転対称軸を有さない自由曲面又は回転対称軸を有する非球面にすることができる。それによって、屈折光学素子の各面に、収差補正機能及び屈折力を付与することができる。
【００５５】
本発明によると、例えば、図５に示すように、虚像観察光学装置は、反射型空間光変調素子と、該反射型空間光変調素子に照明用光線を提供するための照明用光源装置と、上記照明用光源装置からの照明光線を上記反射型空間光変調素子に導くための光源光学系と、上記反射型空間光変調素子からの画像光線を観察空間に導くための接眼光学系とを有し、上記光源光学系及び上記接眼光学系はそれぞれ内部に屈折率が１より大きい媒質によって充填された屈折光学素子を含み、上記光源光学系屈折光学素子は上記照明用光源装置からの照明光線を受け入れるための第１の屈折面と上記反射型空間光変調素子からの画像光線を受け入れるための第２の屈折面と上記照明用光源装置からの照明光線を偏向させて上記反射型空間光変調素子に導くための光束分割面を含み、上記接眼光学系屈折光学素子は上記画像光線を受け入れるための屈折面と上記画像光線を偏向させるための光束分割面と該光束分割面によって偏向された光を反射させて上記観察空間に導くための反射面とを有する。
【００５６】
本発明によると、光学系は光源光学系屈折光学素子と接眼光学系屈折光学素子を接合して１つの屈折光学素子として一体的な構造を有するため、製造工程が簡単となり、コンパクトな構造の虚像観察光学系が得られる。
【００５７】
本発明によると、例えば、図７に示すように、虚像観察光学装置は、反射型空間光変調素子と、該反射型空間光変調素子に照明用光線を提供するための照明用光源装置と、上記照明用光源装置からの照明光線を上記反射型空間光変調素子に導くための光源光学系と、上記反射型空間光変調素子からの画像光線を観察空間に導くための接眼光学系とを有し、上記光源光学系は内部に屈折率が１より大きい媒質によって充填された屈折光学素子を含み、上記接眼光学系は内部に屈折率が１より大きい媒質によって充填された２つの屈折光学素子を含み、上記光源光学系屈折光学素子は上記照明用光源装置からの照明光線を受け入れるための第１の屈折面と上記反射型空間光変調素子からの画像光線を受け入れるための第２の屈折面と上記照明用光源装置からの照明光線を偏向させて上記反射型空間光変調素子に導くための光束分割面を含み、上記接眼光学系の第１の屈折光学素子は上記光源光学系屈折光学素子からの画像光線を受け入れるための屈折面と上記画像光線を偏向させるための光束分割面と該光束分割面によって偏向された光を反射させて再び上記光束分割面に導くための反射面とを含み、上記接眼光学系の第２の屈折光学素子は上記接眼光学系の第１の屈折光学素子の光束分割面からの光を受け入れるための第１の屈折面と該第１の屈折面からの光を上記観察空間に導くための第２の屈折面とを有する。
【００５８】
上記光源光学系屈折光学素子、上記接眼光学系の第１及び第２の屈折光学素子、は光学的に密着接合されている。
【００５９】
本発明によると、光源光学系の屈折光学素子と接眼光学系の屈折光学素子を、互いに接合された１つ又は２つの屈折光学素子より構成することができるから、虚像観察光学装置の組立作業が簡単化され、小型化される。
【００６０】
本発明によると、例えば、図８に示すように、虚像観察光学装置は、反射型空間光変調素子と、該反射型空間光変調素子に照明用光線を提供するための照明用光源装置と、上記照明用光源装置からの照明光線を上記反射型空間光変調素子に導くための光源光学系と、上記反射型空間光変調素子からの画像光線を観察空間に導くための接眼光学系とを有し、上記光源光学系は内部に屈折率が１より大きい媒質によって充填された屈折光学素子を含み、上記接眼光学系は内部に屈折率が１より大きい媒質によって充填された２つの屈折光学素子を含み、上記光源光学系屈折光学素子は上記照明用光源装置からの照明光線を受け入れるための第１の屈折面と上記反射型空間光変調素子からの画像光線を受け入れるための第２の屈折面と上記照明用光源装置からの照明光線を偏向して上記反射型空間光変調素子に導くための光束分割面を含み、上記接眼光学系の第１の屈折光学素子は上記光源光学系屈折光学素子からの画像光線を受け入れるための屈折面と上記画像光線を偏向させるための光束分割面と該光束分割面によって偏向された光を反射させて再び上記光束分割面に導くための反射面とを含み、上記接眼光学系の第２の屈折光学素子は上記接眼光学系の第１の屈折光学素子の光束分割面からの光を受け入れるための第１の屈折面と該第１の屈折面からの光を上記観察空間に導くための第２の屈折面とを有する。
【００６１】
本発明によると、光学系は光源光学系屈折光学素子と接眼光学系の２つの屈折光学素子からなり、多数の光学面を有する。従って、これらの屈折光学素子の各面を自由曲面、球面、非球面等の曲面にすることによって収差を低減し屈折力を付与することができる。また、屈折光学素子と屈折光学素子の間に、偏光子、検光子、四分の一波長板等を配置することができる。
【００６２】
本発明によると、例えば、図９及び図１０に示すように、虚像観察光学装置は、反射型空間光変調素子と、該反射型空間光変調素子に照明用光線を提供するための照明用光源装置と、上記照明用光源装置からの照明光線を上記反射型空間光変調素子に導くための光源光学系と、上記反射型空間光変調素子からの画像光線を観察空間に導くための接眼光学系とを有し、上記光源光学系は上記照明用光源装置からの照明光線を偏向させて上記反射型空間光変調素子に導くための光束分割素子を含み、該接眼光学系は内部に屈折率が１より大きい媒質によって充填された屈折光学素子を含み、該接眼光学系屈折光学素子は上記反射型空間光変調素子からの画像光線を受け入れるための第１の屈折面と上記画像光線を偏向させるための光束分割面と該光束分割面によって偏向された光を反射させるための反射面と該反射面からの光を上記観察空間に導くための第２の屈折面とを有し、上記第１及び第２の屈折面は上記反射型空間光変調素子の中心を通る主光線を回転対称軸とする回転対称な曲面に形成されている。
【００６３】
従って、本発明によると、接眼光学系が１つの屈折光学素子より形成されているため、虚像観察光学装置の組立工程が簡単化される。また、接眼光学系の屈折光学素子の屈折面及び反射面を曲面にすることによって各種の収差を除去することができる。
【００６４】
【発明の実施の形態】
図１を参照して本発明の虚像観察光学装置の第１の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と反射型空間光変調器２０と第１及び第２のハーフミラー２１、２２と凹面反射鏡２３とを有する。
【００６５】
ハーフミラー２１、２２は反射型ホログラム面であってよい。ハーフミラー２１、２２の代わりに偏光ビームスプリッタを設け、適宜、四分の一波長板を設けてよい。凹面反射鏡２３は反射型ホログラフィック面であってよく、非球面に形成されてよい。尚、非球面は回転対称軸を有する球面でない曲面の意味である。更に、凹面反射鏡２３は回転対称軸を有さない自由曲面であってよい。図示していないが、偏光子及び検光子を設けて良い。
【００６６】
虚像観察光学装置は更に、映像信号１を入力するシステムコントローラ２とシステムコントローラ２からの信号を入力する照明用光源装置駆動回路４及び反射型空間光変調器駆動回路６とを含む制御回路を有する。
【００６７】
照明用光源装置１０は光源１１とリフレクタ１２と導光板１３及び反射板１４とを有する。
【００６８】
本例の虚像観察光学装置の構成素子は図２８を参照して説明した虚像観察光学装置の構成素子と同様であってよい。しかしながら、本例の虚像観察光学装置の構成素子間の相対的は位置関係は図２８の例と異なる。
【００６９】
図２８の例の場合と同様に、照明用光源装置１０からの光の一部は第１のハーフミラー２１を反射して反射型空間光変調器２０に到達するが、他は部分は第１のハーフミラー２１を透過して凹面反射鏡２３に到達し、それを反射する。しかしながら、本例では、凹面反射鏡２３を反射した迷光２００は観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。従って、本例では、迷光２００によって画像データに対するノイズが生成されることはない。
【００７０】
図２を参照して図１の虚像観察光学装置の光学系の動作の詳細を説明する。図２は図２９に対応した図であり、同一の部分については同一の参照符号が付されている。本例の光学系は、図２９の例と同様に、照明用光源装置１０からの光を反射型空間光変調素子２０に導き、反射型空間光変調素子２０からの光を接眼光学系に導くための光源光学系と光源光学系からの光を観察空間１３０の瞳１３１に導くための接眼光学系とを含む。
【００７１】
光源光学系は照明用光源装置１０からの光を偏向して反射型空間光変調素子２０に導くための光束分割素子２１を含む。接眼光学系は光源光学系からの光を偏向するための光束分割素子２２と光束分割素子２２からの光を観察空間１３０の瞳１３１に導くための反射素子２３とを有する。
【００７２】
本例では、第１のハーフミラー２１が光源光学系の光束分割素子であり、第１のハーフミラー２１と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。また、第２のハーフミラー２２が接眼光学系の光束分割素子であり、凹面反射鏡２３が反射素子である。従って、第２のハーフミラー２２に立てた面法線ベクトルＡと凹面反射鏡２３に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【００７３】
本例では、αは４５度、βは１４５度である。また、ベクトルＢと第２のハーフミラー２２のなす角は５５度である。本例の２つのベクトルＡ、Ｂのなす角βは、図２８及び図２９にて示した例の２つのベクトルＡ、Ｂのなす角βより大きい。
【００７４】
同様に、凹面反射鏡２３上の点Ｑと第２のハーフミラー２２上の点Ｐの間の距離をｆ1 とし、反射型空間光変調器２０から第２のハーフミラー２２上の点Ｐまでの距離をｆ2 とする。凹面反射鏡２３の焦点距離ｆはこの２つの距離の和に等しい。
【００７５】
【数３】
ｆ＝ｆ1 ＋ｆ2
【００７６】
本例の凹面反射鏡２３の焦点距離ｆの値を、図２９の例の凹面反射鏡２３の焦点距離ｆ´の値と比較すると、本例の凹面反射鏡２３の焦点距離ｆの値のほうがより小さい。
【００７７】
【数４】
ｆ< ｆ´
【００７８】
従って、本例の虚像観察光学装置では光学系の倍率を従来の場合より大きくすることができる。
【００７９】
凹面反射鏡２３上の点Ｑから第２のハーフミラー２２の下端までの距離をＬとし、第２のハーフミラー２２の下端から観察空間１３０の瞳Ｏまでの距離をＲとする。距離Ｌは光学系の厚さを表し、距離Ｒはアイレリーフを表す。
【００８０】
本例の光学系の厚さＬ及びアイレリーフＲの値を、それぞれ図２９の例の光学系の厚さＬ´及びアイレリーフＲ´の値と比較すると、本例の光学系の厚さＬの値の方が小さく、本例のアイレリーフＲの値の方が大きい。
【００８１】
【数５】
Ｌ< Ｌ´
Ｒ> Ｒ´
【００８２】
図１に示した本発明による虚像観察光学装置の第１の例に基づく実施例を示すと次のようになる。
（１）照明用光源装置１０
（ａ）光源１１： 冷陰極管
（ｂ）光学フィルム１５：半値発散角ＨＤＡ≒１５°
（２）反射型空間光変調素子２０
（ａ）液晶： ＴＮ型
（ｂ）表示部： 対角線長さＤＬ＝０．５５インチ
（ｃ）画素： ＶＧＡ ６４０×４８０
（３）光学系の配置
（ａ）光源光学系の光束分割素子＝第１のハーフミラー２１
α≒４５°
（ｂ）接眼光学系の光束分割素子＝第２のハーフミラー２２
反射素子＝凹面反射鏡２３
β≒１４５°
【００８３】
図３を参照して本発明による虚像観察光学装置の第２の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と偏光子１７と反射型空間光変調器２０と偏光ビームスプリッタ２５と検光子２６と全反射屈折光学素子３０とを有する。偏光ビームスプリッタ２５は例えば、反射型ホログラムであってよい。尚、図示されていないが適宜、四分の一波長板が設けられてよい。本例の照明用光源装置１０は図１の第１の例の照明用光源装置１０と同様であってよい。
【００８４】
検光子２６は表示画像のコントラストを向上させるため及び迷光を低減するために設けられ、その偏光方向は、偏光子１７の偏光方向と直交するように、即ち、クロスニコルの関係となるように配置されている。
【００８５】
本例の接眼光学系は全反射屈折光学素子３０によって構成されている。ここに屈折光学素子はプリズムのように複数の屈折面及び反射面を有する光学素子であるが、プリズムは複数の光学的平面を有するのに対して、屈折光学素子は複数の光学的平面又は曲面を有する。全反射屈折光学素子３０は、屈折率が１より大きい媒質によって充填された構造を有し、凹面の屈折面３１と平面の光束分割面３２と内側に凹面の反射面３３とを有する。屈折面３１及び反射面３３は非回転対称な収差を低減するために自由曲面を有する。自由曲面は回転対称軸を有さない曲面形状の意味である。反射面３３は、反射型ホログラフィック面によって形成されてよい。
【００８６】
本例の虚像観察光学装置は更に、システムコントローラ２、照明用光源装置駆動回路４及び反射型空間光変調器駆動回路６とを含む制御回路を有する。
【００８７】
照明用光源装置１０からの光は光学フィルム１５及び偏光子１７を経由し、偏光ビームスプリッタ２５を反射し、反射型空間光変調器２０に到達する。反射型空間光変調器２０からの光は偏光ビームスプリッタ２５及び検光子２６を経由して全反射屈折光学素子３０に到達する。
【００８８】
全反射屈折光学素子３０の屈折面３１を経由した光は、全反射条件下にて光束分割面３２を反射して、反射面３３に到達する。反射面３３を反射した光は光束分割面３２を経由して観察空間１３０の瞳１３１に到達する。
【００８９】
次に本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部は偏光ビームスプリッタ２５及び検光子２６を透過して全反射屈折光学素子３０の反射面３３を反射する。反射面３３を反射した迷光２００は光束分割面３２を経由することによって観察空間１３０より離れる方向に偏向される。従って、迷光２００が観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【００９０】
本例では、偏光ビームスプリッタ２５が光源光学系の光束分割素子であり、偏光ビームスプリッタ２５と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。全反射屈折光学素子３０の光束分割面３２が接眼光学系の光束分割素子であり、反射面３３が反射素子である。従って、全反射屈折光学素子３０の光束分割面３２に立てた面法線ベクトルＡと反射面３３に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【００９１】
図４を参照して本発明による虚像観察光学装置の第３の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と偏光子１７と反射型空間光変調器２０と偏光ビームスプリッタ２５と検光子２６と全反射屈折光学素子３０−１と屈折光学素子３０−２とを有する。
【００９２】
本例の虚像観察光学装置を図３の第２の例の虚像観察光学装置と比べると、屈折光学素子３０−２が付加された点が異なり、それ以外の構成は第２の例と同様であってよい。従って、ここでは、屈折光学素子３０−２以外の構成の説明は省略する。
【００９３】
本例の接眼光学系は全反射屈折光学素子３０−１及び屈折光学素子３０−２によって構成されている。屈折光学素子３０−２は第１及び第２の屈折面３４、３５を有し、これらは回転対称軸を有さない自由曲面に形成されてよい。
【００９４】
本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部は偏光ビームスプリッタ２５及び検光子２６を透過して全反射屈折光学素子３０−１の反射面３３を反射する。反射面３３を反射した迷光２００は光束分割面３２及び屈折光学素子３０−２を経由することによって観察空間１３０より離れる方向に偏向される。従って、迷光２００が観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【００９５】
本例では、第２の例と同様に、偏光ビームスプリッタ２５が光源光学系の光束分割素子であり、偏光ビームスプリッタ２５と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。全反射屈折光学素子３０−１の光束分割面３２が接眼光学系の光束分割素子であり、反射面３３が反射素子である。従って、全反射屈折光学素子３０−１の光束分割面３２に立てた面法線ベクトルＡと反射面３３に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【００９６】
図３及び図４に示した本発明による虚像観察光学装置の第２及び第３の例に基づく実施例を示すと次のようになる。
（１）照明用光源装置１０
（ａ）光源１１： 発光ダイオード（ＬＥＤ）
（ｂ）光学フィルム１５：半値発散角ＨＤＡ≒１５°
（２）反射型空間光変調素子２０
（ａ）液晶： ＦＬＣ型
（ｂ）表示部： 対角線長さＤＬ＝０．５５インチ
（ｃ）画素： ＶＧＡ ６４０×４８０
（３）光学系の配置
（ａ）光源光学系の光束分割素子＝偏光ビームスプリッタ２５
α≒４５°
（ｂ）接眼光学系の光束分割素子＝全反射屈折光学素子３０、３０−１の光束分割面３２
反射素子＝全反射屈折光学素子３０、３０−１の反射面３３
β≒１４５°
【００９７】
図５を参照して本発明による虚像観察光学装置の第４の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と反射型空間光変調器２０と屈折光学素子４０−１及び全反射屈折光学素子４０−２とを有する。
【００９８】
本例によると、光源光学系は屈折光学素子４０−１によって構成され、接眼光学系は全反射屈折光学素子４０−２によって構成される。
【００９９】
屈折光学素子４０−１は凹面の第１及び第２の屈折面４１、４３とハーフミラー４２とを有する。ハーフミラー４２は反射型ホログラム面であってよい。全反射屈折光学素子４０−２は屈折面４４と平面の光束分割面４７と内側に凹面の反射面４８とを有する。
【０１００】
屈折光学素子４０−１と全反射屈折光学素子４０−２は、別個の屈折光学素子として構成されてよいが、ハーフミラー４２及び屈折面４４を介して光学的に密着接合されてよい。２つの屈折光学素子４０−１、４０−２が光学的に密着接合されている場合、ハーフミラー４２及び屈折面４４は屈折光学素子４０−１、４０−２の内部に形成された面である。
【０１０１】
屈折光学素子４０−１及び全反射屈折光学素子４０−２によって構成される光源光学系及び接眼光学系は偏心光学系である。従って、屈折光学素子４０−１の第１及び第２の屈折面４１、４３及び全反射屈折光学素子４０−２の反射面４８は非回転対称な収差を低減するために自由曲面に形成されている。全反射屈折光学素子４０−２の反射面４８は、例えば、反射型ホログラフィック面であってよい。尚、ハーフミラー４２の代わりに偏光ビームスプリッタを設け、四分の一波長板を設けてよい。又、図示していないが、適宜、偏光子及び検光子を設けてよい。
【０１０２】
照明用光源装置１０からの光は光学フィルム１５を経由し、屈折光学素子４０−１の第１の屈折面４１を経由し、ハーフミラー４２を反射し、第２の屈折面４３を経由して、反射型空間光変調器２０に到達する。反射型空間光変調器２０からの光は、屈折光学素子４０−１の第２の屈折面４３及びハーフミラー４２を経由して全反射屈折光学素子４０−２に到達する。
【０１０３】
全反射屈折光学素子４０−２に到達した光は屈折面４４を経由し、全反射条件下にて全反射屈折光学素子４０−２の光束分割面４７を反射する。光束分割面４７を反射した光は、反射面４８を反射し、光束分割面４７を経由して観察空間１３０の瞳１３１に到達する。
【０１０４】
次に本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部はハーフミラー４２及び屈折面４４を透過して全反射屈折光学素子４０−２の反射面４８を反射する。反射面４８を反射した迷光２００は光束分割面４７を経由することによって観察空間１３０より離れる方向に偏向される。従って、本例では迷光２００が観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【０１０５】
本例では、屈折光学素子４０−１のハーフミラー４２が光源光学系の光束分割素子であり、従って、ハーフミラー４２と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。また、全反射屈折光学素子４０−２の光束分割面４７が接眼光学系の光束分割素子であり、反射面４８が反射素子である。従って、全反射屈折光学素子４０−２の光束分割面４７に立てた面法線ベクトルＡと反射面４８に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【０１０６】
図６を参照して本発明による虚像観察光学装置の第５の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と反射型空間光変調器２０と屈折光学素子４０−１と全反射屈折光学素子４０−２と屈折光学素子４０−３とを有する。
【０１０７】
本例の虚像観察光学装置を図５の第４の例の虚像観察光学装置と比べると、第の屈折光学素子４０−３が付加された点が異なり、それ以外の構成は第４の例と同様であってよい。従って、ここでは、屈折光学素子４０−３以外の構成の説明は省略する。
【０１０８】
本例の接眼光学系は全反射屈折光学素子４０−２及び屈折光学素子４０−３によって構成されている。第２の屈折光学素子４０−３は第１及び第２の屈折面４６、４９を有し、これらは回転対称軸を有さない自由曲面に形成されてよい。
【０１０９】
本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部はハーフミラー４２及び屈折面４４を透過して全反射屈折光学素子４０−２の反射面４８を反射する。反射面４８を反射した迷光２００は光束分割面４７及び屈折光学素子４０−３を経由することによって観察空間１３０より離れる方向に偏向される。従って、迷光２００が観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【０１１０】
本例では、第４の例と同様に、ハーフミラー４２が光源光学系の光束分割素子であり、ハーフミラー４２と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。全反射屈折光学素子４０−２の光束分割面４７が接眼光学系の光束分割素子であり、反射面４８が反射素子である。従って、全反射屈折光学素子４０−２の光束分割面４７に立てた面法線ベクトルＡと反射面４８に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【０１１１】
図５及び図６に示した本発明による虚像観察光学装置の第４及び第５の例に基づく実施例を示すと次のようになる。
（１）照明用光源装置１０
（ａ）光源１１： 発光ダイオード（ＬＥＤ）
（ｂ）光学フィルム１５：半値発散角ＨＤＡ≒１５°
（２）反射型空間光変調素子２０
（ａ）液晶： ＴＮ型
（ｂ）表示部： 対角線長さＤＬ＝０．５５インチ
（ｃ）画素： ＶＧＡ ６４０×４８０
（３）光学系の配置
（ａ）光源光学系の光束分割素子＝屈折光学素子４０−１のハーフミラー４２
α≒４０°
（ｂ）接眼光学系の光束分割素子＝全反射屈折光学素子４０−２の光束分割面４７
反射素子＝全反射屈折光学素子４０−２の屈折面４８
β≒１４０°
【０１１２】
図７を参照して本発明による虚像観察光学装置の第６の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と反射型空間光変調器２０とガラス製屈折光学素子５０とを有する。ガラス製屈折光学素子５０は図示のように４つのガラス製屈折光学素子５０−１、５０−２、５０−３、５０−４を含む。
【０１１３】
本例によると、光源光学系は第１のガラス製屈折光学素子５０−１によって構成され、接眼光学系は第２、第３及び第４のガラス製屈折光学素子５０−２、５０−３、５０−４によって構成されている。
【０１１４】
光源光学系は凹面の第１の屈折面５１とハーフミラー５２と凸面の第２の屈折面５３を有する。接眼光学系は第３の屈折面５４と偏光ビームスプリッタ５７及び四分の一波長板５６と内側に凹面の反射面５８と凹面の第４の屈折面５９とを有する。ハーフミラー５２及び第３の屈折面５４は紙面に垂直な中心軸を有する円筒面であってよい。
【０１１５】
ガラス製屈折光学素子５０は、別個の４つのガラス製屈折光学素子５０−１、５０−２、５０−３、５０−４より構成されてよいが、光学的に密着接合することによって１つのガラス製屈折光学素子として構成されてよい。１つのガラス製屈折光学素子として構成された場合、ハーフミラー５２、偏光ビームスプリッタ５７及び四分の一波長板５６はガラス製屈折光学素子５０の内部に形成された面である。
【０１１６】
ハーフミラー５２は反射型ホログラム面であってよい。反射面５８は、例えば、反射型ホログラフィック面であってよい。尚、図示していないが、適宜、偏光子及び検光子を設けてよい。
【０１１７】
ガラス製屈折光学素子５０の第１、第２及び第３の屈折面５１、５３、５９及び反射面５８は、主として、歪曲及び像面湾曲を補正するために非球面にて構成されている。非球面とは、対称軸を有する非球面状曲面の意味である。
【０１１８】
照明用光源装置１０からの光は光学フィルム１５を経由し、ガラス製屈折光学素子５０の第１の屈折面５１を経由して円筒面状のハーフミラー５２を反射する。ハーフミラー５２を円筒面状にすることによって照明用光源装置１０からの照明用光は効率的に均一に反射型空間光変調器２０に導かれる。ハーフミラー５２からの光は、第２の屈折面５３を経由して、反射型空間光変調器２０に到達する。反射型空間光変調器２０からの光は、第２の屈折面５３を経由して、ハーフミラー５２に到達する。
【０１１９】
ハーフミラー５２を経由した光は、偏光ビームスプリッタ５７を反射し、四分の一波長板５６を経由して反射面５８に到達する。反射面５８を反射した光は、再び四分の一波長板５６を通過する。
【０１２０】
反射面５８に入射する直線偏光は四分の一波長板５６を通過することによって円偏光となる。反射面５８を反射した円偏光は四分の一波長板５６を通過することによって直線偏光となる。帰路の直線偏光は、往路の直線偏光と直交する偏波状態を有する。四分の一波長板５６からの直線偏光は、偏光ビームスプリッタ５７及び第３の屈折面５９を経由して観察空間１３０の瞳１３１に到達する。
【０１２１】
次に本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部はハーフミラー５２を透過して反射面５８を反射する。反射面５８を反射した迷光２００は第３の屈折面５９を経由することによって観察空間１３０より離れる方向に偏向される。従って、本例では迷光２００が観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【０１２２】
本例では、第１のガラス製屈折光学素子５０−１のハーフミラー５２が光源光学系の光束分割素子であり、従って、ハーフミラー５２と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。また、第２のガラス製屈折光学素子５０−２の偏光ビームスプリッタ５７が接眼光学系の光束分割素子であり、第４のガラス製屈折光学素子５０−４の反射面５８が反射素子である。従って、偏光ビームスプリッタ５７に立てた面法線ベクトルＡと反射面５８に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【０１２３】
図７に示した本発明による虚像観察光学装置の第６の例に基づく実施例を示すと次のようになる。
（１）照明用光源装置１０
（ａ）光源１１： 発光ダイオード（ＬＥＤ）
（ｂ）光学フィルム１５：半値発散角ＨＤＡ≒２０°
（２）反射型空間光変調素子２０
（ａ）液晶： ＴＮ型
（ｂ）表示部： 対角線長さＤＬ＝０．４５インチ
（ｃ）画素： ＳＶＧＡ ８００×６００
（３）光学系の配置
（ａ）光源光学系の光束分割素子＝ガラス製屈折光学素子５０のハーフミラー５２
α≒４５°
（ｂ）接眼光学系の光束分割素子＝ガラス製屈折光学素子５０の光束分割面５７
反射素子＝ガラス製屈折光学素子５０の反射面５８
β≒１４５°
【０１２４】
図８を参照して本発明による虚像観察光学装置の第７の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と偏光子１７と反射型空間光変調器２０とガラス製屈折光学素子６０−１と第１及び第２のプラスチック製屈折光学素子６０−２、６０−３とを有する。
【０１２５】
本例によると、光源光学系はガラス製屈折光学素子６０−１によって構成され、接眼光学系は第１及び第２のプラスチック製屈折光学素子６０−２、６０−３によって構成される。尚、本例では、接眼光学系の第１及び第２のプラスチック製屈折光学素子６０−２、６０−３を互いに光学的に密着接合して１体的な屈折光学素子に形成してよい。更に、ガラス製屈折光学素子６０−１と第１及び第２のプラスチック製屈折光学素子６０−２、６０−３とを互いに光学的に密着接合して１体的な屈折光学素子に形成してよい。
【０１２６】
ガラス製屈折光学素子６０−１は凹面の第１の屈折面６１と偏光ビームスプリッタ６３と凸面の第２の屈折面６２とを有する。第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２は検光子６４とハーフミラー６７と内側に凹面の反射面６８とを有する。第２のプラスチック製屈折光学素子６０−３は平面の第１の屈折面６６と凹面の第２の屈折面６５とを有する。
【０１２７】
ガラス製屈折光学素子６０−１の第１及び第２の屈折面６１、６２と第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２の反射面６８と第２のプラスチック製屈折光学素子６０−３の屈折面６５は非球面に形成されている。ガラス製屈折光学素子６０−１の偏光ビームスプリッタ６３は反射型ホログラム面であってよい。第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２の反射面６８は、例えば、反射型ホログラフィック面であってよい。ハーフミラー６７の代わりに偏光ビームスプリッタを設け、更に四分の一波長板を設けてよい。
【０１２８】
検光子６４は表示画像のコントラストを向上させるため及び迷光を低減するために設けられ、その偏光方向は、偏光子１７の偏光方向と直交するように、即ち、クロスニコルの関係となるように配置されている。
【０１２９】
照明用光源装置１０からの光は光学フィルム１５及び偏光子１７を経由し、ガラス製屈折光学素子６０−１の第１の屈折面６１を経由して偏光ビームスプリッタ６３を反射し、第２の屈折面６２を経由して、反射型空間光変調器２０に到達する。反射型空間光変調器２０からの光は、ガラス製屈折光学素子６０−１の第２の屈折面６２及び偏光ビームスプリッタ６３を経由して、第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２に到達する。
【０１３０】
第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２に到達した光は、検光子６４を経由してハーフミラー６７及び反射面６８を反射し、ハーフミラー６７を透過して第２のプラスチック製屈折光学素子６０−３に到達する。第２のプラスチック製屈折光学素子６０−３に到達した光は第１及び第２の屈折面６６、６５を経由して観察空間１３０の瞳１３１に到達する。
【０１３１】
次に本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部はガラス製屈折光学素子６０−１の偏光ビームスプリッタ６３を透過して第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２の反射面６８を反射する。反射面６８を反射した迷光２００は第２のプラスチック製屈折光学素子６０−３の屈折面６５を経由することによって観察空間１３０より離れる方向に偏向される。従って、本例では迷光２００が観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【０１３２】
本例では、ガラス製屈折光学素子６０−１の偏光ビームスプリッタ６３が光源光学系の光束分割素子であり、従って、偏光ビームスプリッタ６３と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。また、第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２のハーフミラー６７が接眼光学系の光束分割素子であり、反射面６８が反射素子である。従って、第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２のハーフミラー６７に立てた面法線ベクトルＡと反射面６８に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【０１３３】
図８に示した本発明による虚像観察光学装置の第７の例に基づく実施例を示すと次のようになる。
（１）照明用光源装置１０
（ａ）光源１１： 発光ダイオード（ＬＥＤ）
（ｂ）光学フィルム１５：半値発散角ＨＤＡ≒２０°
（２）反射型空間光変調素子２０
（ａ）液晶： ＦＬＣ型
（ｂ）表示部： 対角線長さＤＬ＝０．４５インチ
（ｃ）画素： ＳＶＧＡ ８００×６００
（３）光学系の配置
（ａ）光源光学系の光束分割素子＝ガラス製屈折光学素子６０−１の偏光ビームスプリッタ６３
α≒４５°
（ｂ）接眼光学系の光束分割素子＝プラスチック製屈折光学素子６０−２のハーフミラー６７
反射素子＝プラスチック製屈折光学素子６０−２の反射面６８
β≒１４５°
【０１３４】
図９を参照して本発明による虚像観察光学装置の第８の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と偏光子１７と反射型空間光変調器２０とハーフミラー２１と検光子２６とプラスチック製屈折光学素子７０とを有する。本例によると、接眼光学系はプラスチック製屈折光学素子７０によって構成される。
【０１３５】
プラスチック製屈折光学素子７０は球面の第１の屈折面７１とハーフミラー７２と内側の凹面の反射面７３と非球面の第２の屈折面７４とを有する。ハーフミラー７２はプラスチック製屈折光学素子７０の内部に形成された面である。ハーフミラー７２は反射型ホログラム面であってよい。反射面７３は反射型ホログラフィック面であってよく、非球面に形成されている。尚、ハーフミラー７２の代わりに偏光ビームスプリッタを設け、更に四分の一波長板を設けてよい。
【０１３６】
照明用光源装置１０からの光は光学フィルム１５及び偏光子１７を経由し、ハーフミラー２１を反射して、反射型空間光変調器２０に到達する。反射型空間光変調器２０からの光は、ハーフミラー２１及び検光子２６を経由して、プラスチック製屈折光学素子７０に到達する。
【０１３７】
プラスチック製屈折光学素子７０に到達した光は、第１の屈折面７１を経由してハーフミラー７２及び反射面７３を反射し、ハーフミラー７２及び第２の屈折面７４を経由して観察空間１３０の瞳１３１に到達する。
【０１３８】
次に本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部はハーフミラー２１及び検光子２６を透過してプラスチック製屈折光学素子７０の反射面７３を反射する。しかしながら、本例では、プラスチック製屈折光学素子７０の反射面７３を反射した迷光は観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【０１３９】
図１０を参照して本発明による虚像観察光学装置の第９の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と偏光子１７と反射型空間光変調器２０とハーフミラー２１と検光子２６とプラスチック製屈折光学素子８０とを有する。本例によると、接眼光学系はプラスチック製屈折光学素子８０によって構成される。
【０１４０】
本例の虚像観察光学装置を図９の第８の例と比較すると、プラスチック製屈折光学素子の反射面の位置が異なり、それ以外の構成は同様であってよい。
【０１４１】
プラスチック製屈折光学素子８０は球面の第１の屈折面８１とハーフミラー８２と内側の凹面の反射面８３と非球面の第２の屈折面８４とを有する。ハーフミラー８２はプラスチック製屈折光学素子８０の内部に形成された面である。ハーフミラー８２は反射型ホログラム面であってよい。反射面８３は反射型ホログラフィック面であってよく、非球面に形成されている。尚、ハーフミラー７２の代わりに偏光ビームスプリッタを設け、更に四分の一波長板を設けてよい。
【０１４２】
照明用光源装置１０からの光は光学フィルム１５及び偏光子１７を経由し、ハーフミラー２１を反射して、反射型空間光変調器２０に到達する。反射型空間光変調器２０からの光は、ハーフミラー２１及び検光子２６を経由して、プラスチック製屈折光学素子８０に到達する。
【０１４３】
プラスチック製屈折光学素子８０に到達した光は、第１の屈折面８１を経由してハーフミラー８２を透過し、反射面８３及びハーフミラー８２を反射し、第２の屈折面８４を経由して観察空間１３０の瞳１３１に到達する。
【０１４４】
次に本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部はハーフミラー２１及び検光子２６を透過してプラスチック製屈折光学素子８０に到達する。しかしながら、本例では、プラスチック製屈折光学素子８０に到達した迷光は観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【０１４５】
図９及び図１０に示した例では、ハーフミラー２１が光源光学系の光束分割素子であり、従って、ハーフミラー２１と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。また、プラスチック製屈折光学素子７０、８０のハーフミラー７２、８２が接眼光学系の光束分割素子であり、反射面７３、８３が反射素子である。従って、ハーフミラー７２、８２に立てた面法線ベクトルＡとプラスチック製屈折光学素子７０、８０の反射面７３、８３に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【０１４６】
図９及び図１０に示した本発明による虚像観察光学装置の第８及び第９の例に基づく実施例を示すと次のようになる。
（１）照明用光源装置１０
（ａ）光源１１： 発光ダイオード（ＬＥＤ）
（ｂ）光学フィルム１５：半値発散角ＨＤＡ≒２０°
（２）反射型空間光変調素子２０
（ａ）液晶： ＦＬＣ型
（ｂ）表示部： 対角線長さＤＬ＝０．５５インチ
（ｃ）画素： ＶＧＡ ６４０×８００
（３）光学系の配置
（ａ）光源光学系の光束分割素子＝ハーフミラー２１
α≒４５°
（ｂ）接眼光学系の光束分割素子＝プラスチック製屈折光学素子７０、８０のハーフミラー７２、８２
反射素子＝プラスチック製屈折光学素子７０、８０の反射面７３、８３
β≒１３５°
【０１４７】
図１１に本発明による虚像観察光学装置の第１０の例の光線図を示す。本例の虚像観察光学装置の構成は図７に示した第６の例の構成と同様であるが、本例では四分の一波長板５６が除去されている点が異なる。図示のように、観察空間の出射瞳が存在する点に原点を設け、光軸に沿ってｚ軸、光軸に垂直な面内にて水平方向にｘ軸、垂直方向にｙ軸をとる。図示のように虚像観察光学系より遠ざかる方向にｚ軸の正の方向をとる。本例の光学系の仕様を次に示す。
【０１４８】
瞳径： 水平方向の径１２ｍｍ×垂直方向の径４ｍｍ
（光線収差及び解像度の演算は瞳径４ｍｍにて実施した。）
アイレリーフ：２０ｍｍ
水平画角：３２度
垂直画角：２４度
歪曲：５％以下
【０１４９】
上述にように、実際には、照明光源装置１０からの光は光源光学系、空間光変調器及び接眼光学系を経由して観察空間の出射瞳に到達するが、ここでは、光路を逆に辿る。従って、図示のように、観察空間の出射瞳ＳＴＯから虚像ＯＢＪへの光を想定する。この光は接眼光学系、空間光変調素子及び光源光学系を経由して照明用光源装置に至る。
【０１５０】
このように光路の経路に存在する光学系の面に、順に番号を付する。例えば、ガラス製屈折光学素子５０の屈折面５９には数字３が付され、偏光ビームスプリッタ５７には往路と帰路に対してそれぞれ数字４及び６が付され、反射面５８には数字５が付されている。尚、空間光変調器２０の画素表示面には数字１０が付され、空間光変調器２０の偏光子の両面には、それぞれ往路と帰路に対して８及び９と１１及び１２が付されている。
【０１５１】
各光学面は次の非球面を表す式によって表される。この式の右辺のRDY は曲率半径、Ｋ、ａ、ｂ、ｃ、ｄは定数である。
【０１５２】
【数６】
ｚ＝RDY ・h2[1+(1-(1+K)RDY2h2)1/2]-1
+ah4+bh6+ch8+dh10
h2=x2+y2
【０１５３】
図１２に本例の虚像観察光学装置の光学系のデータを示し、図１３に各光学面のレンズデータを示す。図１２の光学系のデータを簡単に説明する。面番号は図１１に示す光学系の各要素に付された面の番号である。ＯＢＪは虚像位置、ＳＴＯは瞳、ＩＭＧは照明用光源装置である。面番号８〜１２は空間光変調器の各構成面を示す。ＡＳＰは非球面であることを示す。ＲＥＦＬは反射面を示し、ＲＥＦＬの表示がないのは屈折面を示す。
【０１５４】
図１３のレンズデータを簡単に説明する。レンズデータを簡単に説明する。Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｋは数６の式の係数、ＸＤＥ、ＹＤＥ、ＺＤＥはＸＹＺ方向の偏心、ＡＤＥ、ＢＤＥ、ＣＤＥはＸＹＺ軸周りのチルトである。また、表中、ＧＬＢＧ１は瞳座標基準、ＩＣ：Ｙは非球面の曲面が複数存在する場合に第１の面を対象とすることを意味する。
【０１５５】
図１４〜図１８は本例の虚像観察光学装置の各面の光線収差を示す曲線である。各図の右側に図示したように、３つの波長λについて、光線収差を求めた。縦軸は主光線の像面上の位置と他の光線の像面上の位置との距離であり単位はｍｍである。横軸は入射瞳における光線高さであり最大値は±２ｍｍである。各図の中央の最初の括弧はＸＹ座標、次の括弧は水平画角及び垂直画角である。
【０１５６】
図１９〜図２１はＭＴＦ（Modulation Transfer function）を示す。縦軸は変調度、横軸はデフォーカス位置である。光線収差の場合と同様の３つの波長を使用したが、３つの波長が１対１対１の割合の合成光線を使用した。各図の左側の括弧は水平画角及び垂直画角である。
【０１５７】
以上本発明の実施例について詳細に説明してきたが、本発明は上述の実施例に限ることなく本発明の要旨を逸脱することなく他の種々の構成が採り得ることは当業者にとって容易に理解されよう。
【０１５８】
上述の例では、反射型空間光変調素子として、液晶を含む液晶型空間光変調素子を使用した。しかしながら、本発明の虚像観察光学装置は、反射型空間光変調素子であればどのような形式のものでも使用可能であり、例えば、デジタルマイクロミラーデバイス等の他の反射型空間光変調素子を使用してもよい。
【０１５９】
また、このように液晶型空間光変調素子以外の反射型空間光変調素子を使用する場合、上述の例と同様に、光源光学系及び接眼光学系において、偏光子及び検光子、四分の一波長板等の位相差板、マイクロレンズ、ディフューザ等の光学素子を適宜組み合わせて使用してよい。
【０１６０】
上述の例では、照明用光源装置として、光源及び導光板を含む装置を使用したが、これ以外の照明用光源装置も可能である。例えば、拡散板又はフライアイレンズとレーザ光源を組み合わせたものであってもよい。
【０１６１】
【発明の効果】
本発明によると、接眼光学系の光束分割素子に立てた面法線ベクトルＡと反射素子に立てた面法線ベクトルＢのなす角βは１３６度以上１７９度以下であり、従って、迷光によるゴーストが低減した虚像観察光学装置を提供することができる利点がある。
【０１６２】
本発明によると、接眼光学系の光束分割素子に立てた面法線ベクトルＡと反射素子に立てた面法線ベクトルＢのなす角βは１３６度以上１７９度以下であり、従って、薄型且つ軽量の虚像観察光学装置を提供することができる利点がある。
【０１６３】
本発明によると、接眼光学系の光束分割素子に立てた面法線ベクトルＡと反射素子に立てた面法線ベクトルＢのなす角βは１３６度以上１７９度以下であり、従って、高倍率且つ高解像度の虚像観察光学装置を提供することができる利点がある。
【０１６４】
本発明によると、光学系の屈折光学素子の内の１つの屈折光学素子を複屈折が十分小さいもの（通常、ガラス製にする）にすることによって、表示画像のコントラストの劣化を最小化することができる利点がある。従って、光学系を構成する全ての屈折光学素子を複屈折が十分小さいもの（通常ガラス製にする）にする場合と比べて、製造コスト及び光学系の重量が小さくすることができる利点を有する。
【０１６５】
本発明によると、光学系の光束分割素子又は反射素子を屈折光学素子の１面に設けることによって、組立工程を簡略化することができる利点を有する。
【０１６６】
本発明によると、屈折光学素子の各面を適当な形状の自由曲面又は非球面に形成することによって、像面湾曲及び歪曲収差を補正することができる。従って、高解像度の虚像観察光学装置を提供することができる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の虚像観察光学装置の第１の例を示す図である。
【図２】本発明の虚像観察光学装置の第１の例の詳細を説明するための説明図である。
【図３】本発明の虚像観察光学装置の第２の例を示す図である。
【図４ 】本発明の虚像観察光学装置の第３の例を示す図である。
【図５】本発明の虚像観察光学装置の第４の例を示す図である。
【図６ 】本発明の虚像観察光学装置の第５の例を示す図である。
【図７】本発明の虚像観察光学装置の第６の例を示す図である。
【図８】本発明の虚像観察光学装置の第７の例を示す図である。
【図９】本発明の虚像観察光学装置の第８の例を示す図である。
【図１０】本発明の虚像観察光学装置の第９の例を示す図である。
【図１１】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例の光線図である。
【図１２】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例の光学系のデータを示す図である。
【図１３】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例のレンズデータを示す図である。
【図１４】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例の光線収差を示す図である。
【図１５】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例の光線収差を示す図である。
【図１６】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例の光線収差を示す図である。
【図１７】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例の光線収差を示す図である。
【図１８】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例の光線収差を示す図である。
【図１９】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例のＭＴＦを示す図である。
【図２０】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例のＭＴＦを示す図である。
【図２１】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例のＭＴＦを示す図である。
【図２２】旋光（偏光導波）型液晶を用いた反射型空間光変調素子の構成及び動作を説明するための説明図である。
【図２３】複屈折型液晶（ＦＬＣ）を用いた反射型空間光変調素子の構成及び動作を説明するための説明図である。
【図２４】従来の複屈折型液晶（ＦＬＣ）を用いた反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学系の構成の概略を説明するための説明図である。
【図２５】従来の虚像観察光学装置の第１の例を示す図である。
【図２６】従来の虚像観察光学装置の第２の例を示す図である。
【図２７】従来の虚像観察光学装置の第３及び第４の例を示す図である。
【図２８】 虚像観察光学装置の一例を示す図である。
【図２９】 図２８に示す虚像観察光学装置の一例の詳細を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１０…照明用光源装置、 １１…光源、 １２…リフレクタ、 １３…導光板、１３Ａ…前面（出射面）、 １３Ｂ…背面、 １４…反射板、 １５…光学フィルム、 １７…偏光子、 ２０…反射型空間光変調器、 ２１，２２…ハーフミラー、 ２３…反射鏡、 ２５…偏光ビームスプリッタ、 ２６…検光子、 ３０，３０−１…全反射屈折光学素子、 ３０−２…屈折光学素子、 ３１…屈折面、 ３２…光束分割面、 ３３…反射面、 ３４，３４…屈折面、 ４０−１…屈折光学素子、 ４０−２…全反射屈折光学素子、 ４０−３…屈折光学素子、 ４１…屈折面、 ４２…ハーフミラー、 ４３，４４，４６…屈折面、４７…光束分割面、 ４８…反射面、 ４９…屈折面、 ５０，５０−１，５０−２，５０−３…ガラス製屈折光学素子、 ５０−４…ガラス製屈折光学素子、 ５１…屈折面、 ５２…ハーフミラー、 ５３…屈折面、 ５６…四分の一波長板、 ５７…偏光ビームスプリッタ、 ５８…反射面、 ５９…屈折面、 ６０−１…ガラス製屈折光学素子、 ６０−２，６０−３…プラスチック製屈折光学素子、 ６１，６２…屈折面、 ６３…偏光ビームスプリッタ、 ６４…検光子、 ６５，６６…屈折面、 ６７…ハーフミラー、 ６８…反射面、 ７０…プラスチック製屈折光学素子、 ７１…屈折面、 ７２…ハーフミラー、 ７３…反射面、 ７４…屈折面、 ８０…プラスチック製屈折光学素子、 ８１…屈折面、 ８２…ハーフミラー、 ８３…反射面、 ８４…屈折面、 ９０…液晶型反射型空間光変調素子、 ９１Ａ，９１Ｂ…ガラス基板、 ９２Ａ，９２Ｂ…透明電極、 ９３Ａ，９３Ｂ…配向板、 ９４Ａ…偏光子、 ９４Ｂ…検光子、 ９５…液晶材料、 ９６…反射板、 １００…ＦＬＣ型反射型空間光変調素子、 １０１Ａ…ガラス基板、 １０１Ｂ…シリコン基板、 １０２Ａ…透明電極、 １０２Ｂ…アルミ電極、１０３Ａ，１０３Ｂ…配向膜、 １０４…偏光子、 １０５…液晶材料、 １１１…ハーフミラー、 １１２…検光子、 １３０…観察空間、 １３１…瞳、 ２００…迷光
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオカメラのビューファインダ、ヘッドマウント型デイスプレイ等に使用して好適な虚像観察光学装置に関し、特に、反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空間光変調素子（Spatial Light Modulator ：ＳＬＭ）は、映像信号を入力し、その画像データに基づいて各画素毎に光を変調するように構成されたデバイスである。空間光変調素子を透過する光を変調する透過型と空間光変調素子を反射する光を変調する反射型がある。本発明の虚像観察光学装置は後者の反射型空間光変調素子を使用する。
【０００３】
空間光変調素子は液晶、デジタルマイクロミラー等を使用する。特に液晶を使用するものは液晶型空間光変調素子と称される。液晶には、旋光（偏光導波）モード型、複屈折モード型、光散乱モード型、光吸収モード型等がある。一般的に使用される液晶として、旋光（偏光導波）モード型のツイステッドネマティック（ＴＮ）動作モードを使用するＴＮ液晶、複屈折動作モード型のスーパーツイステッドネマティック（ＳＴＮ）動作モードを使用するＳＴＮ液晶及び強誘電性液晶（ＦＬＣ）動作モードを使用するＦＬＣ型の液晶がある。
【０００４】
図２２を参照してのＴＮ液晶又はＳＴＮ液晶を用いた反射型空間光変調素子の構造及び動作原理を説明する。ＴＮ又はＳＴＮ液晶反射型空間光変調素子９０は１対の電極部とその間に挿入された液晶材料９５と下側の反射板９６とを含む。上側の電極部はガラス基板９１Ａとその内側（下側）の透明電極９２Ａとその内側（下側）の配向膜９３Ａとを含み、下側の電極部はガラス基板９１Ｂとその内側（上側）の透明電極９２Ｂとその内側（上側）の配向膜９３Ｂとを含む。
【０００５】
上側の電極部のガラス基板９１Ａの外側（上側）には偏光子９４Ａが配置され、下側の電極部のガラス基板９１Ｂの外側（下側）には検光子９４Ｂが配置されている。２つの偏光子９４Ａ、９４Ｂの偏光方向は互いに直交している。
【０００６】
配向膜９３Ａ、９３Ｂは液晶材料９５の分子の配向方向を揃える機能を有し、上側の電極部に設けられた配向膜９３Ａの配向方向は上側の電極部に設けられた偏光子９４Ａの偏光方向と平行であり、下側の電極部に設けられた配向膜９３Ｂの配向方向は下側の電極部に設けられた検光子９４Ｂの偏光方向と平行である。即ち、２つの配向膜９３Ａ、９３Ｂの配向方向は互いに直交している。
【０００７】
図２２Ａは透明電極９２Ａ、９２Ｂに電圧が印加されていない電圧非印加状態を示し、図２２Ｂは透明電極９２Ａ、９２Ｂに電圧が印加されている電圧印加状態を示す。図２２Ａの電圧非印加状態では液晶材料９５の分子の配向は捻れ状態となり、図２２Ｂの電圧印加状態では液晶材料９５の分子は垂直方向に整列した状態となる。ＴＮ液晶の場合、電圧非印加状態における分子の捻れ角は９０度である。
【０００８】
図２２Ａの電圧非印加状態では、上側の偏光子９４Ａからの偏光９７Ａは液晶材料９５を透過することによって偏光方向が回転する。従って、この偏光９７Ｂは下側の偏光子９４Ｂを透過し、反射板９６に到達する。反射板９６を反射した偏光９７Ｃは同様に液晶材料９５を透過することによって偏光方向が回転し、上側の偏光子９４Ａを透過する。即ち、入射光と同一経路に戻る。
【０００９】
しかしながら、図２２Ｂの電圧印加状態では、上側の偏光子９４Ａからの偏光９７Ａは液晶材料９５を透過することによって偏光方向が回転しない。従って、この偏光は下側の偏光子９４Ｂを透過することができず、反射板９６に到達しない。即ち、入射光に対する反射光は得られない。
【００１０】
図２３を参照してのＦＬＣを用いた反射型空間光変調素子の構造及び動作原理を説明する。ＦＬＣ反射型空間光変調素子１００は１対の電極部とその間に挿入された液晶材料１０５とを含む。上側の電極部はガラス基板１０１Ａとその内側（下側）の透明電極１０２Ａとその内側（下側）の配向膜１０３Ａとを含み、下側の電極部はシリコン基板１０１Ｂとその内側（上側）のアルミ電極１０２Ｂとその内側（上側）の配向膜１０３Ｂとを含む。アルミ電極１０２Ｂは反射膜としても機能する。上側の電極部のガラス基板１０１Ａの外側（上側）には偏光子１０４が配置されている。
【００１１】
図２３Ａは透明電極１０２Ａ及びアルミ電極１０２Ｂに第１の方向の電圧が印加された第１の電圧方向状態を示し、図２３Ｂは透明電極１０２Ａ及びアルミ電極１０２Ｂに第２の方向の電圧が印加された第２の電圧方向状態を示す。図２３Ｃに示すように、第１の電圧方向状態では液晶材料１０５は入射偏光に対して複屈折効果を示さないが、第２の電圧方向状態では液晶材料１０５は入射偏光に対して複屈折効果を示す。
【００１２】
図２３Ａの第１の電圧方向状態では、液晶材料１０５は複屈折効果を示さないから、偏光子１０４からの偏光１０７Ａは液晶材料１０５を透過し、偏波状態を変えることなく、アルミ電極（反射膜）１０２Ｂに到達する。アルミ電極（反射膜）１０２Ｂを反射した偏向１０７Ｂは再び液晶材料１０５を透過し、偏波状態を変えることなく、偏光子１０４に到達する。即ち、入射光の偏波状態と同一の偏波状態の光が偏光子１０４に戻る。従って、偏光子１０４より出射光が得られる。
【００１３】
しかしながら、図２３Ｂの第２の電圧方向状態では、偏光子１０４からの偏光１０７Ａは液晶材料１０５を透過することによって複屈折効果を受け、直線偏光が円偏光に変化する。円偏光はアルミ電極（反射膜）１０２Ｂを反射し、それによって円偏光１０７Ｂの回転方向は反対方向となる。回転方向が反対となった円偏光１０７Ｂは再び液晶材料１０５を透過することによって複屈折効果を受け、直線偏光となる。この直線偏光は偏光子１０４の偏光方向と直交しており、従って、偏光子１０４を通過しない。
【００１４】
図２４はＦＬＣ（強誘電性液晶）を用いた反射型空間光変調素子を有する虚像観察光学系の例を示す。この虚像観察光学系はＦＬＣ反射型空間光変調素子１００と偏光子１０４とハーフミラー１１１と検光子１１２とを有する。偏光子１０４の偏光方向と検光子１１２の偏光方向は互いに直交している。
【００１５】
ＦＬＣ反射型空間光変調素子１００は図２３に示したＦＬＣ反射型空間光変調素子と同様であり、詳細な説明は省略する。空間光変調素子は通常、照明用光源装置と共に使用される。図示しない照明用光源装置からの光１０７Ａは偏光子１０４を経由してハーフミラー１１１に到達する。ハーフミラー１１１を反射した光１０７ＡはＦＬＣ反射型空間光変調素子１００を経由して再びハーフミラー１１１に到達する。ハーフミラー１１１を透過した偏光１０７Ｂは検光子１１２に到達する。
【００１６】
上述のように第１の電圧方向状態では、液晶材料１０５は複屈折効果を示さないから、偏光子１０４からの偏光１０７Ａは偏波状態を変化させることなく、検光子１１２に到達する。従って、照明用光源装置からの光は検光子１１２を透過しない。しかしながら、第２の電圧方向状態では、液晶材料１０５は複屈折効果を示し、偏光子１０４からの偏光１０７Ｂは偏波状態を変化させて検光子１１２に到達する。従って、照明用光源装置からの光は検光子１０４を透過して出力される。
【００１７】
このように、照明用光源装置を使用する理由は、照明用光源装置からの光が液晶材料１０５による複屈折効果を受けないときに、黒表示（ノーマリブラック）とするためである。これは、液晶材料１０５の複屈折効果によって生成される位相差は、液晶材料１０５の膜厚及び入射光の入射角に依存するためである。
【００１８】
図２５を参照して従来の反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置の例を説明する。この例は米国特許第５５９６４５１号に記載された例であり、詳細は同特許を参照されたい。本例の虚像観察光学装置は、立方体形状の偏光ビームスプリッタキューブ１２５（以下に単にキューブと称する。）を有し、その対角面に偏光ビームスプリッタ１２５Ｅが形成されている。
【００１９】
図示のようにキューブ１２５の第１の面１２５Ａに対応して照明用光源装置１２１及び偏光子１２３、第２の面１２５Ｂに対応して反射型空間光変調器１２２、第３の面１２５Ｃに対応して四分の一波長板１２６及び反射ミラー１２７が配置されている。
【００２０】
照明用光源装置１２１からの光は偏光子１２３を経由し、偏光ビームスプリッタ１２５Ｅによって偏向され、反射型空間光変調器１２２に到達する。反射型空間光変調器１２２からは、変調された反射光が出力される。この反射光は偏光ビームスプリッタ１２５Ｅ及び四分の一波長板１２６を経由し、反射ミラー１２７の凹型反射面を反射する。この反射光は、再び四分の一波長板１２６を経由し、偏光ビームスプリッタ１２５Ｅによって偏向され（符号１２８Ａ）観察領域１３０の人間の瞳１３１に到達する。
【００２１】
本例の虚像観察光学装置は次のような欠点を有する。
（１）照明用光源装置１２１からの光の一部は破線１２８Ｂにて示すように、迷光として直接的に瞳１３１に到達する。この迷光１２８Ｂは反射型空間光変調器１２２によって表示される画像データのノイズとなり、画像情報のコントラストを低下させる。
【００２２】
（２）立方体形状の偏光ビームスプリッタキューブ１２５を使用するため、照明用光源装置１２１からの光の入射面１２５Ａ、反射型空間光変調器１２２に対応する面１２５Ｂ、四分の一波長板１２６及び反射ミラー１２７に対応する面１２５Ｃ、観察領域１３０へ光が出射する面１２５Ｄ及び偏光ビームスプリッタ面１２５Ｅは平面であり、光学的自由度を有する面が少ない。従って、例えば、反射型空間光変調器１２２の画素ピッチが小さい場合等では十分な解像度が得られないことがある。
（３）反射型空間光変調器１２２の寸法が一定であると仮定した場合、見かけの表示画面の寸法を大きくするためには画角を大きくしなければならない。画角を大きくすると焦点距離ｆは小さくなる。焦点距離ｆを小さくするとペッツバール和ＰＳの絶対値が大きくなる。即ち、画像の湾曲度は大きくなる。
【００２３】
ペッツバール和ＰＳは、画像の平坦度又は湾曲度を表すパラメータであり、次の式に示すように、屈折率ｎ及び焦点ｆの関数である。
【００２４】
【数１】
ＰＳ＝Σ（１／ｎｆ）
【００２５】
ペッツバール和がゼロ、即ち、ＰＳ＝０の場合は画像が平坦であることを表す。ペッツバール和ＰＳの絶対値が大きいほど、画像の湾曲度が大きいことを示す。図２５の例では、反射ミラー１２７の凹型反射面のみによって光学系全体の屈折力を負担しており、ｎ＝−１，ｆ> ０である。従って、ペッツバール和はＰＳ< ０となる。
【００２６】
（４）偏光ビームスプリッタキューブと反射ミラーが別個の構成部品であるため、部品点数が多くなり、製造費等が高くなる。また、キューブと反射ミラーの間に空気層があるため、この空気層が無い場合と比べて焦点距離が長くなる。
（５）偏光ビームスプリッタキューブは製造費が高く及び重量が大きいため、装置の製造費及び重量が大きくなる。
【００２７】
図２６を参照して従来の反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置の他の例を説明する。この例も上述の米国特許第５５９６４５１号に記載された例であり、詳細は同特許を参照されたい。本例の虚像観察光学装置は、図２５を参照して説明した虚像観察光学装置にて、小さな寸法の立方体形状の偏光ビームスプリッタキューブ１２４（以下に単にキューブと称する。）を付加的に設けた構成を有する。
【００２８】
小さな寸法のキューブ１２４は大きな寸法のキューブ１２５と同様な構成を有し、その対角面に偏光ビームスプリッタ１２４Ｅが形成されている。図示のように、小さな寸法のキューブ１２４の第１の面１２４Ａに対応して照明用光源装置１２１、第２の面１２４Ｂに対応して反射型空間光変調器１２２、第３の面１２４Ｃに対応して大きな寸法のキューブ１２５が配置され、この大きな寸法のキューブ１２５の第３の面１２５Ｃに対応して四分の一波長板１２６及び反射ミラー１２７が配置されている。
【００２９】
照明用光源装置１２１からの光は小さなキューブ１２４の偏光ビームスプリッタ１２４Ｅによって偏向され、反射型空間光変調器１２２に到達する。反射型空間光変調器１２２からは、変調された反射光が出力される。この反射光は２つの偏光ビームスプリッタ１２４Ｅ及び１２５Ｅと四分の一波長板１２６を経由し、反射ミラー１２７の凹型反射面を反射する。この反射光は、再び四分の一波長板１２６を経由し、偏光ビームスプリッタ１２５Ｅによって偏向され（符号１２８Ａ）観察領域１３０の人間の瞳１３１に到達する。
【００３０】
本例の虚像観察光学装置では、照明用光源装置１２１からの光の一部は破線１２８Ｂにて示すように偏光ビームスプリッタ１２４Ｅを透過するが、観察領域１３０に到達しない。従って、迷光によって画像データにノイズが生ずることはない。従って、本例では上述の３つの欠点の内、第１の欠点（１）は回避されるが、他の欠点は依然として残る。
【００３１】
図２７を参照して従来の虚像観察光学系の他の例を説明する。図２７Ａに示す虚像観察光学系は、照明用光源装置１４１とＦＬＣ反射型空間光変調素子１４２Ａと偏光ビームスプリッタ１４３と凹面反射鏡１４４とを有する。本例の偏光ビームスプリッタ１４３はガラス基板の上に偏光性光束分割膜を塗布した構造を有する。図２７Ｂに示す虚像観察光学系では、空間光変調素子としてＴＮ結晶型反射型空間光変調素子１４２Ｂを使用し、更に、偏光ビームスプリッタ１４３と凹面反射鏡１４４の間に四分の一波長板１４５を設ける。
【００３２】
照明用光源装置１４１からの光は偏光ビームスプリッタ１４３を経由して反射型空間光変調素子１４２Ａ、１４２Ｂに到達する。反射型空間光変調素子１４２Ａ、１４２Ｂからの光は偏光ビームスプリッタ１４３によって偏向され凹面反射鏡１４４を反射して観察空間１３０の瞳１３１に達する。
【００３３】
図２７の例では、立方体形状の偏光ビームスプリッタキューブを使用する代わりに板状の偏光ビームスプリッタ１４３を使用する。従って、上述の第５の欠点は回避される。しかしながら、この例では、次のような欠点が存在する。
（１）光学系の寸法関係が同一の場合、キューブを使用する場合に比べて、屈折力を発生する反射鏡の焦点距離が長くなり、光学的な倍率が小さくなる。光学的倍率が小さくなると見かけの表示画像の寸法が小さくなる。尚、虚像結像のための焦点距離は、虚像距離が無限遠の場合、反射型空間光変調素子と反射鏡の主点間の物理的距離をその間の媒質の屈折率によって除した値である。
（２）板状の偏光ビームスプリッタでは、全可視光帯域にてＰ偏光透過率及びＳ偏光透過率の両者を高くすることは困難である。図２７Ｂに示す例のように、反射型光空間変調素子として反射型ＴＮ液晶空間光変調素子を使用し、反射鏡と偏光ビームスプリッタの間に四分の一波長板を配置した場合でも、光利用効率を十分高くすることができない。
（３）例えば、構成面を曲面にすることができる内部充填型の偏光ビームスプリッタと比べた場合、自由面光学的自由度を有する面が少ない。従って、解像度、像面湾曲量等の収差補正が十分に達成できない場合がある。
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】
図２８を参照して虚像観察光学装置の他の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と反射型空間光変調器２０と第１及び第２のハーフミラー２１、２２と凹面反射鏡２３とを有する。
【００３５】
虚像観察光学装置は更に、映像信号１を入力するシステムコントローラ２とシステムコントローラ２からの信号を入力する照明用光源装置駆動回路４及び反射型空間光変調器駆動回路６とを含む制御回路を有する。照明用光源装置駆動回路４はシステムコントローラ２からの信号に基づいてを照明用光源装置１０に光源駆動信号を供給し、反射型空間光変調器駆動回路６はシステムコントローラ２からの信号に基づいて反射型空間光変調器２０に駆動信号を供給する。
【００３６】
照明用光源装置１０は光源１１とリフレクタ１２と導光板１３及び反射板１４とを有する。光源１１からの光は直接又はリフレクタ１２を反射して導光板１３に導入される。導光板１３に導入された光の一部は、直接、前面１３Ａより出射されるが、他の部分は２つの面１３Ａ、１３Ｂ及び反射板１４の間を繰り返し反射した後に前面１３Ａより出射される。導光板１３の断面を楔形にすることによって、導光板１３の前面１３Ａから出射される光の強さは、光源１１から近い部分から遠い部分まで均一化される。
【００３７】
導光板１３からの光は光学フィルム１５に到達する。光学フィルム１５は導光板１３からの光束の発散角ＤＡを制御する機能を有し、その性能は半値発散角ＨＤＡによって表される。半値発散角ＨＤＡは光強度がピーク値の半分になる立体角の２分の１になる角度である。
【００３８】
光学フィルム１５を経由した光は、第１のハーフミラー２１を反射し、反射型空間光変調器２０に到達し、それによって変調される。反射型空間光変調器２０からの光は、第１のハーフミラー２１を透過し第２のハーフミラー２２を反射し、凹面反射鏡２３を反射し、第２のハーフミラー２２を透過して観察空間１３０の瞳１３１に到達する。
【００３９】
図２９は図２８の虚像観察光学装置の光学系を模式的に示した図である。図２９を参照して図２８の虚像観察光学装置の光学系を詳細に説明する。この図から明らかなように、この虚像観察光学装置の光学系は、基本的には、光源光学系と接眼光学系からなる。光源光学系は照明用光源装置１０からの光を反射型空間光変調器２０に導くための光束分割素子、即ち、第１のハーフミラー２１を含む。接眼光学系は反射型空間光変調器２０からの光を偏向する光束分割素子、即ち、第２のハーフミラー２２と反射素子、即ち、凹面反射鏡２３とを有する。
【００４０】
反射型空間光変調器２０と光源光学系の光束分割素子、即ち、第１のハーフミラー２１のなす角をαとする。反射型空間光変調器２０の中心を通る光線、即ち、主光線が接眼光学系の光束分割素子、即ち、第２のハーフミラー２２と交わる点をＰとし、更に、主光線が反射素子、即ち、凹面反射鏡２３と交わる点をＱとする。
【００４１】
点Ｐにおける面法線ベクトルをＡ、点Ｑにおける面法線ベクトルをＢとし、２つのベクトルＡ、Ｂのなす角をβとする。本例では、αは４５度、βは１３５度である。また、図示のように、ベクトルＢと接眼光学系の光束分割素子２２のなす角は４５度である。
【００４２】
接眼光学系の反射素子２３上の点Ｑと光束分割素子２２上の点Ｐの間の距離をｆ1 ´とし、反射型空間光変調器２０から光束分割素子２２上の点Ｐまでの距離をｆ2 ´とする。反射素子、即ち、凹面反射鏡２３の焦点距離ｆ´はこの２つの距離の和に等しい。
【００４３】
【数２】
ｆ´＝ｆ1 ´＋ｆ2 ´
【００４４】
接眼光学系の反射素子２３上の点Ｑから光束分割素子、即ち、第２のハーフミラー２２の下端までの距離をＬ´とし、第２のハーフミラー２２の下端から観察空間１３０の瞳Ｏまでの距離をＲ´とする。距離Ｌ´は光学系の厚さを表し、距離Ｒ´はアイレリーフを表す。
【００４５】
この例では、焦点距離ｆ´が比較的長いという欠点がある。また、上述の２つのベクトルＡ、Ｂの間の角度βが比較的小さい、例えば、１３５度である。従って、光学系の厚さ距離Ｌ´を小さくすることができなかった。更に、アイレリーフ又は距離Ｒ´を大きくすることできなかった。
【００４６】
以上の問題に鑑みて、本発明は、反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置において、迷光による画像データのノイズを最小化することを目的とする。
【００４７】
本発明は、反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置において、接眼光学系の反射素子の焦点距離を小さくし光学系の倍率を大きくすることを目的とする。
【００４８】
本発明は、反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置において、光学系の厚さを最小化し、装置全体の寸法を小型化することを目的とする。
【００４９】
本発明は、反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置において、アイレリーフを大きくすることを目的とする。
【００５０】
本発明は、反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学装置において、光学系の収差を低減することを目的とする。
【００５１】
【課題を解決するための手段】
本発明による虚像観察光学装置は、反射型空間光変調素子と、該反射型空間光変調素子に照明用光線を提供するための照明用光源装置と、上記照明用光源装置から発せられる照明用光線の光路上に配置され、上記照明用光源装置からの照明用光線を反射して上記反射型空間光変調素子に導く第１の光束分割面を有する光束分割素子を含む光源光学系と、上記反射型空間光変調素子によって変調された画像光線の上記光束分割素子を透過した出射側に配置され、上記反射型空間光変調素子からの画像光線の入射側に屈折面と、該屈折面から入射した上記画像光線を全反射させる平面の第２の光束分割面と、該第２の光束分割面によって全反射された上記画像光線を反射し、上記第２の光束分割面を透過屈折させて観察空間に導く、自由曲面又は反射型ホログラフィック面より成る反射面とを有する全反射屈折光学素子と、を備え、上記反射型空間光変調素子の中心を通る主光線が上記反射面によって反射される点における上記反射面の法線ベクトルと上記第２の光束分割面における法線ベクトルとのなす角は、上記反射面及び上記第２の光束分割面の各面における光線が反射する側をベクトルの正の方向として、１３６度以上且つ１７９度以下であり、上記反射型空間光変調素子の中心を通る主光線が上記照明用光源装置から上記光束分割素子に至る光路を通る光線のうち上記光束分割素子において反射することなく該光束分割素子を透過する光線が、上記全反射屈折光学素子の上記屈折面から入射して上記反射面で反射されるように、上記全反射屈折光学素子の上記屈折面と、上記光源光学系の上記光束分割素子の上記第１の光束分割面とが配置され、上記反射型空間光変調素子の中心を通る主光線が上記照明用光源装置から上記光束分割素子に至る光路を通る光線のうち上記光束分割素子において反射することなく該光束分割素子を透過する光線の、上記全反射屈折光学素子の上記反射面により反射された後、上記第２の光束分割面を透過する光路が、上記観察空間から外れた領域に向かう構成とされる。
【００５２】
従って、本発明によると、光束分割素子に立てた面法線ベクトルと反射素子に立てた面法線ベクトルのなす角βが１３６度以上且つ１７９度以下であるため、従来の値、例えば、１３５度より大きい。従って、照明用光源装置からの迷光が観察空間に到達することはない。また、光学系の寸法を従来の虚像観察光学装置より小さくすることができる。
【００５３】
本発明によると、例えば、図３に示すように、虚像観察光学装置は、反射型空間光変調素子と、該反射型空間光変調素子に照明用光線を提供するための照明用光源装置と、上記照明用光源装置からの照明光線を上記反射型空間光変調素子に導くための光源光学系と、上記反射型空間光変調素子からの画像光線を観察空間に導くための接眼光学系とを有し、上記光源光学系は上記照明用光源装置からの照明光線を偏向させて上記反射型空間光変調素子に導くための光束分割素子を含み、該接眼光学系は内部に屈折率が１より大きい媒質によって充填された屈折光学素子を含み、該接眼光学系屈折光学素子は上記反射型空間光変調素子からの画像光線を受け入れるための屈折面と上記画像光線を偏向させるための光束分割面と該光束分割面によって偏向された光を反射させて上記観察空間に導くための反射面とを有する。
【００５４】
こうして本発明によると、光学系を屈折光学素子によって構成するため、屈折光学素子の各面を曲面、例えば、回転対称軸を有さない自由曲面又は回転対称軸を有する非球面にすることができる。それによって、屈折光学素子の各面に、収差補正機能及び屈折力を付与することができる。
【００５５】
本発明によると、例えば、図５に示すように、虚像観察光学装置は、反射型空間光変調素子と、該反射型空間光変調素子に照明用光線を提供するための照明用光源装置と、上記照明用光源装置からの照明光線を上記反射型空間光変調素子に導くための光源光学系と、上記反射型空間光変調素子からの画像光線を観察空間に導くための接眼光学系とを有し、上記光源光学系及び上記接眼光学系はそれぞれ内部に屈折率が１より大きい媒質によって充填された屈折光学素子を含み、上記光源光学系屈折光学素子は上記照明用光源装置からの照明光線を受け入れるための第１の屈折面と上記反射型空間光変調素子からの画像光線を受け入れるための第２の屈折面と上記照明用光源装置からの照明光線を偏向させて上記反射型空間光変調素子に導くための光束分割面を含み、上記接眼光学系屈折光学素子は上記画像光線を受け入れるための屈折面と上記画像光線を偏向させるための光束分割面と該光束分割面によって偏向された光を反射させて上記観察空間に導くための反射面とを有する。
【００５６】
本発明によると、光学系は光源光学系屈折光学素子と接眼光学系屈折光学素子を接合して１つの屈折光学素子として一体的な構造を有するため、製造工程が簡単となり、コンパクトな構造の虚像観察光学系が得られる。
【００５７】
本発明によると、例えば、図７に示すように、虚像観察光学装置は、反射型空間光変調素子と、該反射型空間光変調素子に照明用光線を提供するための照明用光源装置と、上記照明用光源装置からの照明光線を上記反射型空間光変調素子に導くための光源光学系と、上記反射型空間光変調素子からの画像光線を観察空間に導くための接眼光学系とを有し、上記光源光学系は内部に屈折率が１より大きい媒質によって充填された屈折光学素子を含み、上記接眼光学系は内部に屈折率が１より大きい媒質によって充填された２つの屈折光学素子を含み、上記光源光学系屈折光学素子は上記照明用光源装置からの照明光線を受け入れるための第１の屈折面と上記反射型空間光変調素子からの画像光線を受け入れるための第２の屈折面と上記照明用光源装置からの照明光線を偏向させて上記反射型空間光変調素子に導くための光束分割面を含み、上記接眼光学系の第１の屈折光学素子は上記光源光学系屈折光学素子からの画像光線を受け入れるための屈折面と上記画像光線を偏向させるための光束分割面と該光束分割面によって偏向された光を反射させて再び上記光束分割面に導くための反射面とを含み、上記接眼光学系の第２の屈折光学素子は上記接眼光学系の第１の屈折光学素子の光束分割面からの光を受け入れるための第１の屈折面と該第１の屈折面からの光を上記観察空間に導くための第２の屈折面とを有する。
【００５８】
上記光源光学系屈折光学素子、上記接眼光学系の第１及び第２の屈折光学素子、は光学的に密着接合されている。
【００５９】
本発明によると、光源光学系の屈折光学素子と接眼光学系の屈折光学素子を、互いに接合された１つ又は２つの屈折光学素子より構成することができるから、虚像観察光学装置の組立作業が簡単化され、小型化される。
【００６０】
本発明によると、例えば、図８に示すように、虚像観察光学装置は、反射型空間光変調素子と、該反射型空間光変調素子に照明用光線を提供するための照明用光源装置と、上記照明用光源装置からの照明光線を上記反射型空間光変調素子に導くための光源光学系と、上記反射型空間光変調素子からの画像光線を観察空間に導くための接眼光学系とを有し、上記光源光学系は内部に屈折率が１より大きい媒質によって充填された屈折光学素子を含み、上記接眼光学系は内部に屈折率が１より大きい媒質によって充填された２つの屈折光学素子を含み、上記光源光学系屈折光学素子は上記照明用光源装置からの照明光線を受け入れるための第１の屈折面と上記反射型空間光変調素子からの画像光線を受け入れるための第２の屈折面と上記照明用光源装置からの照明光線を偏向して上記反射型空間光変調素子に導くための光束分割面を含み、上記接眼光学系の第１の屈折光学素子は上記光源光学系屈折光学素子からの画像光線を受け入れるための屈折面と上記画像光線を偏向させるための光束分割面と該光束分割面によって偏向された光を反射させて再び上記光束分割面に導くための反射面とを含み、上記接眼光学系の第２の屈折光学素子は上記接眼光学系の第１の屈折光学素子の光束分割面からの光を受け入れるための第１の屈折面と該第１の屈折面からの光を上記観察空間に導くための第２の屈折面とを有する。
【００６１】
本発明によると、光学系は光源光学系屈折光学素子と接眼光学系の２つの屈折光学素子からなり、多数の光学面を有する。従って、これらの屈折光学素子の各面を自由曲面、球面、非球面等の曲面にすることによって収差を低減し屈折力を付与することができる。また、屈折光学素子と屈折光学素子の間に、偏光子、検光子、四分の一波長板等を配置することができる。
【００６２】
本発明によると、例えば、図９及び図１０に示すように、虚像観察光学装置は、反射型空間光変調素子と、該反射型空間光変調素子に照明用光線を提供するための照明用光源装置と、上記照明用光源装置からの照明光線を上記反射型空間光変調素子に導くための光源光学系と、上記反射型空間光変調素子からの画像光線を観察空間に導くための接眼光学系とを有し、上記光源光学系は上記照明用光源装置からの照明光線を偏向させて上記反射型空間光変調素子に導くための光束分割素子を含み、該接眼光学系は内部に屈折率が１より大きい媒質によって充填された屈折光学素子を含み、該接眼光学系屈折光学素子は上記反射型空間光変調素子からの画像光線を受け入れるための第１の屈折面と上記画像光線を偏向させるための光束分割面と該光束分割面によって偏向された光を反射させるための反射面と該反射面からの光を上記観察空間に導くための第２の屈折面とを有し、上記第１及び第２の屈折面は上記反射型空間光変調素子の中心を通る主光線を回転対称軸とする回転対称な曲面に形成されている。
【００６３】
従って、本発明によると、接眼光学系が１つの屈折光学素子より形成されているため、虚像観察光学装置の組立工程が簡単化される。また、接眼光学系の屈折光学素子の屈折面及び反射面を曲面にすることによって各種の収差を除去することができる。
【００６４】
【発明の実施の形態】
図１を参照して本発明の虚像観察光学装置の第１の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と反射型空間光変調器２０と第１及び第２のハーフミラー２１、２２と凹面反射鏡２３とを有する。
【００６５】
ハーフミラー２１、２２は反射型ホログラム面であってよい。ハーフミラー２１、２２の代わりに偏光ビームスプリッタを設け、適宜、四分の一波長板を設けてよい。凹面反射鏡２３は反射型ホログラフィック面であってよく、非球面に形成されてよい。尚、非球面は回転対称軸を有する球面でない曲面の意味である。更に、凹面反射鏡２３は回転対称軸を有さない自由曲面であってよい。図示していないが、偏光子及び検光子を設けて良い。
【００６６】
虚像観察光学装置は更に、映像信号１を入力するシステムコントローラ２とシステムコントローラ２からの信号を入力する照明用光源装置駆動回路４及び反射型空間光変調器駆動回路６とを含む制御回路を有する。
【００６７】
照明用光源装置１０は光源１１とリフレクタ１２と導光板１３及び反射板１４とを有する。
【００６８】
本例の虚像観察光学装置の構成素子は図２８を参照して説明した虚像観察光学装置の構成素子と同様であってよい。しかしながら、本例の虚像観察光学装置の構成素子間の相対的は位置関係は図２８の例と異なる。
【００６９】
図２８の例の場合と同様に、照明用光源装置１０からの光の一部は第１のハーフミラー２１を反射して反射型空間光変調器２０に到達するが、他は部分は第１のハーフミラー２１を透過して凹面反射鏡２３に到達し、それを反射する。しかしながら、本例では、凹面反射鏡２３を反射した迷光２００は観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。従って、本例では、迷光２００によって画像データに対するノイズが生成されることはない。
【００７０】
図２を参照して図１の虚像観察光学装置の光学系の動作の詳細を説明する。図２は図２９に対応した図であり、同一の部分については同一の参照符号が付されている。本例の光学系は、図２９の例と同様に、照明用光源装置１０からの光を反射型空間光変調素子２０に導き、反射型空間光変調素子２０からの光を接眼光学系に導くための光源光学系と光源光学系からの光を観察空間１３０の瞳１３１に導くための接眼光学系とを含む。
【００７１】
光源光学系は照明用光源装置１０からの光を偏向して反射型空間光変調素子２０に導くための光束分割素子２１を含む。接眼光学系は光源光学系からの光を偏向するための光束分割素子２２と光束分割素子２２からの光を観察空間１３０の瞳１３１に導くための反射素子２３とを有する。
【００７２】
本例では、第１のハーフミラー２１が光源光学系の光束分割素子であり、第１のハーフミラー２１と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。また、第２のハーフミラー２２が接眼光学系の光束分割素子であり、凹面反射鏡２３が反射素子である。従って、第２のハーフミラー２２に立てた面法線ベクトルＡと凹面反射鏡２３に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【００７３】
本例では、αは４５度、βは１４５度である。また、ベクトルＢと第２のハーフミラー２２のなす角は５５度である。本例の２つのベクトルＡ、Ｂのなす角βは、図２８及び図２９にて示した例の２つのベクトルＡ、Ｂのなす角βより大きい。
【００７４】
同様に、凹面反射鏡２３上の点Ｑと第２のハーフミラー２２上の点Ｐの間の距離をｆ1 とし、反射型空間光変調器２０から第２のハーフミラー２２上の点Ｐまでの距離をｆ2 とする。凹面反射鏡２３の焦点距離ｆはこの２つの距離の和に等しい。
【００７５】
【数３】
ｆ＝ｆ1 ＋ｆ2
【００７６】
本例の凹面反射鏡２３の焦点距離ｆの値を、図２９の例の凹面反射鏡２３の焦点距離ｆ´の値と比較すると、本例の凹面反射鏡２３の焦点距離ｆの値のほうがより小さい。
【００７７】
【数４】
ｆ< ｆ´
【００７８】
従って、本例の虚像観察光学装置では光学系の倍率を従来の場合より大きくすることができる。
【００７９】
凹面反射鏡２３上の点Ｑから第２のハーフミラー２２の下端までの距離をＬとし、第２のハーフミラー２２の下端から観察空間１３０の瞳Ｏまでの距離をＲとする。距離Ｌは光学系の厚さを表し、距離Ｒはアイレリーフを表す。
【００８０】
本例の光学系の厚さＬ及びアイレリーフＲの値を、それぞれ図２９の例の光学系の厚さＬ´及びアイレリーフＲ´の値と比較すると、本例の光学系の厚さＬの値の方が小さく、本例のアイレリーフＲの値の方が大きい。
【００８１】
【数５】
Ｌ< Ｌ´
Ｒ> Ｒ´
【００８２】
図１に示した本発明による虚像観察光学装置の第１の例に基づく実施例を示すと次のようになる。
（１）照明用光源装置１０
（ａ）光源１１： 冷陰極管
（ｂ）光学フィルム１５：半値発散角ＨＤＡ≒１５°
（２）反射型空間光変調素子２０
（ａ）液晶： ＴＮ型
（ｂ）表示部： 対角線長さＤＬ＝０．５５インチ
（ｃ）画素： ＶＧＡ ６４０×４８０
（３）光学系の配置
（ａ）光源光学系の光束分割素子＝第１のハーフミラー２１
α≒４５°
（ｂ）接眼光学系の光束分割素子＝第２のハーフミラー２２
反射素子＝凹面反射鏡２３
β≒１４５°
【００８３】
図３を参照して本発明による虚像観察光学装置の第２の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と偏光子１７と反射型空間光変調器２０と偏光ビームスプリッタ２５と検光子２６と全反射屈折光学素子３０とを有する。偏光ビームスプリッタ２５は例えば、反射型ホログラムであってよい。尚、図示されていないが適宜、四分の一波長板が設けられてよい。本例の照明用光源装置１０は図１の第１の例の照明用光源装置１０と同様であってよい。
【００８４】
検光子２６は表示画像のコントラストを向上させるため及び迷光を低減するために設けられ、その偏光方向は、偏光子１７の偏光方向と直交するように、即ち、クロスニコルの関係となるように配置されている。
【００８５】
本例の接眼光学系は全反射屈折光学素子３０によって構成されている。ここに屈折光学素子はプリズムのように複数の屈折面及び反射面を有する光学素子であるが、プリズムは複数の光学的平面を有するのに対して、屈折光学素子は複数の光学的平面又は曲面を有する。全反射屈折光学素子３０は、屈折率が１より大きい媒質によって充填された構造を有し、凹面の屈折面３１と平面の光束分割面３２と内側に凹面の反射面３３とを有する。屈折面３１及び反射面３３は非回転対称な収差を低減するために自由曲面を有する。自由曲面は回転対称軸を有さない曲面形状の意味である。反射面３３は、反射型ホログラフィック面によって形成されてよい。
【００８６】
本例の虚像観察光学装置は更に、システムコントローラ２、照明用光源装置駆動回路４及び反射型空間光変調器駆動回路６とを含む制御回路を有する。
【００８７】
照明用光源装置１０からの光は光学フィルム１５及び偏光子１７を経由し、偏光ビームスプリッタ２５を反射し、反射型空間光変調器２０に到達する。反射型空間光変調器２０からの光は偏光ビームスプリッタ２５及び検光子２６を経由して全反射屈折光学素子３０に到達する。
【００８８】
全反射屈折光学素子３０の屈折面３１を経由した光は、全反射条件下にて光束分割面３２を反射して、反射面３３に到達する。反射面３３を反射した光は光束分割面３２を経由して観察空間１３０の瞳１３１に到達する。
【００８９】
次に本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部は偏光ビームスプリッタ２５及び検光子２６を透過して全反射屈折光学素子３０の反射面３３を反射する。反射面３３を反射した迷光２００は光束分割面３２を経由することによって観察空間１３０より離れる方向に偏向される。従って、迷光２００が観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【００９０】
本例では、偏光ビームスプリッタ２５が光源光学系の光束分割素子であり、偏光ビームスプリッタ２５と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。全反射屈折光学素子３０の光束分割面３２が接眼光学系の光束分割素子であり、反射面３３が反射素子である。従って、全反射屈折光学素子３０の光束分割面３２に立てた面法線ベクトルＡと反射面３３に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【００９１】
図４を参照して本発明による虚像観察光学装置の第３の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と偏光子１７と反射型空間光変調器２０と偏光ビームスプリッタ２５と検光子２６と全反射屈折光学素子３０−１と屈折光学素子３０−２とを有する。
【００９２】
本例の虚像観察光学装置を図３の第２の例の虚像観察光学装置と比べると、屈折光学素子３０−２が付加された点が異なり、それ以外の構成は第２の例と同様であってよい。従って、ここでは、屈折光学素子３０−２以外の構成の説明は省略する。
【００９３】
本例の接眼光学系は全反射屈折光学素子３０−１及び屈折光学素子３０−２によって構成されている。屈折光学素子３０−２は第１及び第２の屈折面３４、３５を有し、これらは回転対称軸を有さない自由曲面に形成されてよい。
【００９４】
本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部は偏光ビームスプリッタ２５及び検光子２６を透過して全反射屈折光学素子３０−１の反射面３３を反射する。反射面３３を反射した迷光２００は光束分割面３２及び屈折光学素子３０−２を経由することによって観察空間１３０より離れる方向に偏向される。従って、迷光２００が観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【００９５】
本例では、第２の例と同様に、偏光ビームスプリッタ２５が光源光学系の光束分割素子であり、偏光ビームスプリッタ２５と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。全反射屈折光学素子３０−１の光束分割面３２が接眼光学系の光束分割素子であり、反射面３３が反射素子である。従って、全反射屈折光学素子３０−１の光束分割面３２に立てた面法線ベクトルＡと反射面３３に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【００９６】
図３及び図４に示した本発明による虚像観察光学装置の第２及び第３の例に基づく実施例を示すと次のようになる。
（１）照明用光源装置１０
（ａ）光源１１： 発光ダイオード（ＬＥＤ）
（ｂ）光学フィルム１５：半値発散角ＨＤＡ≒１５°
（２）反射型空間光変調素子２０
（ａ）液晶： ＦＬＣ型
（ｂ）表示部： 対角線長さＤＬ＝０．５５インチ
（ｃ）画素： ＶＧＡ ６４０×４８０
（３）光学系の配置
（ａ）光源光学系の光束分割素子＝偏光ビームスプリッタ２５
α≒４５°
（ｂ）接眼光学系の光束分割素子＝全反射屈折光学素子３０、３０−１の光束分割面３２
反射素子＝全反射屈折光学素子３０、３０−１の反射面３３
β≒１４５°
【００９７】
図５を参照して本発明による虚像観察光学装置の第４の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と反射型空間光変調器２０と屈折光学素子４０−１及び全反射屈折光学素子４０−２とを有する。
【００９８】
本例によると、光源光学系は屈折光学素子４０−１によって構成され、接眼光学系は全反射屈折光学素子４０−２によって構成される。
【００９９】
屈折光学素子４０−１は凹面の第１及び第２の屈折面４１、４３とハーフミラー４２とを有する。ハーフミラー４２は反射型ホログラム面であってよい。全反射屈折光学素子４０−２は屈折面４４と平面の光束分割面４７と内側に凹面の反射面４８とを有する。
【０１００】
屈折光学素子４０−１と全反射屈折光学素子４０−２は、別個の屈折光学素子として構成されてよいが、ハーフミラー４２及び屈折面４４を介して光学的に密着接合されてよい。２つの屈折光学素子４０−１、４０−２が光学的に密着接合されている場合、ハーフミラー４２及び屈折面４４は屈折光学素子４０−１、４０−２の内部に形成された面である。
【０１０１】
屈折光学素子４０−１及び全反射屈折光学素子４０−２によって構成される光源光学系及び接眼光学系は偏心光学系である。従って、屈折光学素子４０−１の第１及び第２の屈折面４１、４３及び全反射屈折光学素子４０−２の反射面４８は非回転対称な収差を低減するために自由曲面に形成されている。全反射屈折光学素子４０−２の反射面４８は、例えば、反射型ホログラフィック面であってよい。尚、ハーフミラー４２の代わりに偏光ビームスプリッタを設け、四分の一波長板を設けてよい。又、図示していないが、適宜、偏光子及び検光子を設けてよい。
【０１０２】
照明用光源装置１０からの光は光学フィルム１５を経由し、屈折光学素子４０−１の第１の屈折面４１を経由し、ハーフミラー４２を反射し、第２の屈折面４３を経由して、反射型空間光変調器２０に到達する。反射型空間光変調器２０からの光は、屈折光学素子４０−１の第２の屈折面４３及びハーフミラー４２を経由して全反射屈折光学素子４０−２に到達する。
【０１０３】
全反射屈折光学素子４０−２に到達した光は屈折面４４を経由し、全反射条件下にて全反射屈折光学素子４０−２の光束分割面４７を反射する。光束分割面４７を反射した光は、反射面４８を反射し、光束分割面４７を経由して観察空間１３０の瞳１３１に到達する。
【０１０４】
次に本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部はハーフミラー４２及び屈折面４４を透過して全反射屈折光学素子４０−２の反射面４８を反射する。反射面４８を反射した迷光２００は光束分割面４７を経由することによって観察空間１３０より離れる方向に偏向される。従って、本例では迷光２００が観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【０１０５】
本例では、屈折光学素子４０−１のハーフミラー４２が光源光学系の光束分割素子であり、従って、ハーフミラー４２と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。また、全反射屈折光学素子４０−２の光束分割面４７が接眼光学系の光束分割素子であり、反射面４８が反射素子である。従って、全反射屈折光学素子４０−２の光束分割面４７に立てた面法線ベクトルＡと反射面４８に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【０１０６】
図６を参照して本発明による虚像観察光学装置の第５の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と反射型空間光変調器２０と屈折光学素子４０−１と全反射屈折光学素子４０−２と屈折光学素子４０−３とを有する。
【０１０７】
本例の虚像観察光学装置を図５の第４の例の虚像観察光学装置と比べると、第の屈折光学素子４０−３が付加された点が異なり、それ以外の構成は第４の例と同様であってよい。従って、ここでは、屈折光学素子４０−３以外の構成の説明は省略する。
【０１０８】
本例の接眼光学系は全反射屈折光学素子４０−２及び屈折光学素子４０−３によって構成されている。第２の屈折光学素子４０−３は第１及び第２の屈折面４６、４９を有し、これらは回転対称軸を有さない自由曲面に形成されてよい。
【０１０９】
本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部はハーフミラー４２及び屈折面４４を透過して全反射屈折光学素子４０−２の反射面４８を反射する。反射面４８を反射した迷光２００は光束分割面４７及び屈折光学素子４０−３を経由することによって観察空間１３０より離れる方向に偏向される。従って、迷光２００が観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【０１１０】
本例では、第４の例と同様に、ハーフミラー４２が光源光学系の光束分割素子であり、ハーフミラー４２と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。全反射屈折光学素子４０−２の光束分割面４７が接眼光学系の光束分割素子であり、反射面４８が反射素子である。従って、全反射屈折光学素子４０−２の光束分割面４７に立てた面法線ベクトルＡと反射面４８に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【０１１１】
図５及び図６に示した本発明による虚像観察光学装置の第４及び第５の例に基づく実施例を示すと次のようになる。
（１）照明用光源装置１０
（ａ）光源１１： 発光ダイオード（ＬＥＤ）
（ｂ）光学フィルム１５：半値発散角ＨＤＡ≒１５°
（２）反射型空間光変調素子２０
（ａ）液晶： ＴＮ型
（ｂ）表示部： 対角線長さＤＬ＝０．５５インチ
（ｃ）画素： ＶＧＡ ６４０×４８０
（３）光学系の配置
（ａ）光源光学系の光束分割素子＝屈折光学素子４０−１のハーフミラー４２
α≒４０°
（ｂ）接眼光学系の光束分割素子＝全反射屈折光学素子４０−２の光束分割面４７
反射素子＝全反射屈折光学素子４０−２の屈折面４８
β≒１４０°
【０１１２】
図７を参照して本発明による虚像観察光学装置の第６の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と反射型空間光変調器２０とガラス製屈折光学素子５０とを有する。ガラス製屈折光学素子５０は図示のように４つのガラス製屈折光学素子５０−１、５０−２、５０−３、５０−４を含む。
【０１１３】
本例によると、光源光学系は第１のガラス製屈折光学素子５０−１によって構成され、接眼光学系は第２、第３及び第４のガラス製屈折光学素子５０−２、５０−３、５０−４によって構成されている。
【０１１４】
光源光学系は凹面の第１の屈折面５１とハーフミラー５２と凸面の第２の屈折面５３を有する。接眼光学系は第３の屈折面５４と偏光ビームスプリッタ５７及び四分の一波長板５６と内側に凹面の反射面５８と凹面の第４の屈折面５９とを有する。ハーフミラー５２及び第３の屈折面５４は紙面に垂直な中心軸を有する円筒面であってよい。
【０１１５】
ガラス製屈折光学素子５０は、別個の４つのガラス製屈折光学素子５０−１、５０−２、５０−３、５０−４より構成されてよいが、光学的に密着接合することによって１つのガラス製屈折光学素子として構成されてよい。１つのガラス製屈折光学素子として構成された場合、ハーフミラー５２、偏光ビームスプリッタ５７及び四分の一波長板５６はガラス製屈折光学素子５０の内部に形成された面である。
【０１１６】
ハーフミラー５２は反射型ホログラム面であってよい。反射面５８は、例えば、反射型ホログラフィック面であってよい。尚、図示していないが、適宜、偏光子及び検光子を設けてよい。
【０１１７】
ガラス製屈折光学素子５０の第１、第２及び第３の屈折面５１、５３、５９及び反射面５８は、主として、歪曲及び像面湾曲を補正するために非球面にて構成されている。非球面とは、対称軸を有する非球面状曲面の意味である。
【０１１８】
照明用光源装置１０からの光は光学フィルム１５を経由し、ガラス製屈折光学素子５０の第１の屈折面５１を経由して円筒面状のハーフミラー５２を反射する。ハーフミラー５２を円筒面状にすることによって照明用光源装置１０からの照明用光は効率的に均一に反射型空間光変調器２０に導かれる。ハーフミラー５２からの光は、第２の屈折面５３を経由して、反射型空間光変調器２０に到達する。反射型空間光変調器２０からの光は、第２の屈折面５３を経由して、ハーフミラー５２に到達する。
【０１１９】
ハーフミラー５２を経由した光は、偏光ビームスプリッタ５７を反射し、四分の一波長板５６を経由して反射面５８に到達する。反射面５８を反射した光は、再び四分の一波長板５６を通過する。
【０１２０】
反射面５８に入射する直線偏光は四分の一波長板５６を通過することによって円偏光となる。反射面５８を反射した円偏光は四分の一波長板５６を通過することによって直線偏光となる。帰路の直線偏光は、往路の直線偏光と直交する偏波状態を有する。四分の一波長板５６からの直線偏光は、偏光ビームスプリッタ５７及び第３の屈折面５９を経由して観察空間１３０の瞳１３１に到達する。
【０１２１】
次に本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部はハーフミラー５２を透過して反射面５８を反射する。反射面５８を反射した迷光２００は第３の屈折面５９を経由することによって観察空間１３０より離れる方向に偏向される。従って、本例では迷光２００が観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【０１２２】
本例では、第１のガラス製屈折光学素子５０−１のハーフミラー５２が光源光学系の光束分割素子であり、従って、ハーフミラー５２と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。また、第２のガラス製屈折光学素子５０−２の偏光ビームスプリッタ５７が接眼光学系の光束分割素子であり、第４のガラス製屈折光学素子５０−４の反射面５８が反射素子である。従って、偏光ビームスプリッタ５７に立てた面法線ベクトルＡと反射面５８に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【０１２３】
図７に示した本発明による虚像観察光学装置の第６の例に基づく実施例を示すと次のようになる。
（１）照明用光源装置１０
（ａ）光源１１： 発光ダイオード（ＬＥＤ）
（ｂ）光学フィルム１５：半値発散角ＨＤＡ≒２０°
（２）反射型空間光変調素子２０
（ａ）液晶： ＴＮ型
（ｂ）表示部： 対角線長さＤＬ＝０．４５インチ
（ｃ）画素： ＳＶＧＡ ８００×６００
（３）光学系の配置
（ａ）光源光学系の光束分割素子＝ガラス製屈折光学素子５０のハーフミラー５２
α≒４５°
（ｂ）接眼光学系の光束分割素子＝ガラス製屈折光学素子５０の光束分割面５７
反射素子＝ガラス製屈折光学素子５０の反射面５８
β≒１４５°
【０１２４】
図８を参照して本発明による虚像観察光学装置の第７の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と偏光子１７と反射型空間光変調器２０とガラス製屈折光学素子６０−１と第１及び第２のプラスチック製屈折光学素子６０−２、６０−３とを有する。
【０１２５】
本例によると、光源光学系はガラス製屈折光学素子６０−１によって構成され、接眼光学系は第１及び第２のプラスチック製屈折光学素子６０−２、６０−３によって構成される。尚、本例では、接眼光学系の第１及び第２のプラスチック製屈折光学素子６０−２、６０−３を互いに光学的に密着接合して１体的な屈折光学素子に形成してよい。更に、ガラス製屈折光学素子６０−１と第１及び第２のプラスチック製屈折光学素子６０−２、６０−３とを互いに光学的に密着接合して１体的な屈折光学素子に形成してよい。
【０１２６】
ガラス製屈折光学素子６０−１は凹面の第１の屈折面６１と偏光ビームスプリッタ６３と凸面の第２の屈折面６２とを有する。第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２は検光子６４とハーフミラー６７と内側に凹面の反射面６８とを有する。第２のプラスチック製屈折光学素子６０−３は平面の第１の屈折面６６と凹面の第２の屈折面６５とを有する。
【０１２７】
ガラス製屈折光学素子６０−１の第１及び第２の屈折面６１、６２と第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２の反射面６８と第２のプラスチック製屈折光学素子６０−３の屈折面６５は非球面に形成されている。ガラス製屈折光学素子６０−１の偏光ビームスプリッタ６３は反射型ホログラム面であってよい。第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２の反射面６８は、例えば、反射型ホログラフィック面であってよい。ハーフミラー６７の代わりに偏光ビームスプリッタを設け、更に四分の一波長板を設けてよい。
【０１２８】
検光子６４は表示画像のコントラストを向上させるため及び迷光を低減するために設けられ、その偏光方向は、偏光子１７の偏光方向と直交するように、即ち、クロスニコルの関係となるように配置されている。
【０１２９】
照明用光源装置１０からの光は光学フィルム１５及び偏光子１７を経由し、ガラス製屈折光学素子６０−１の第１の屈折面６１を経由して偏光ビームスプリッタ６３を反射し、第２の屈折面６２を経由して、反射型空間光変調器２０に到達する。反射型空間光変調器２０からの光は、ガラス製屈折光学素子６０−１の第２の屈折面６２及び偏光ビームスプリッタ６３を経由して、第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２に到達する。
【０１３０】
第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２に到達した光は、検光子６４を経由してハーフミラー６７及び反射面６８を反射し、ハーフミラー６７を透過して第２のプラスチック製屈折光学素子６０−３に到達する。第２のプラスチック製屈折光学素子６０−３に到達した光は第１及び第２の屈折面６６、６５を経由して観察空間１３０の瞳１３１に到達する。
【０１３１】
次に本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部はガラス製屈折光学素子６０−１の偏光ビームスプリッタ６３を透過して第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２の反射面６８を反射する。反射面６８を反射した迷光２００は第２のプラスチック製屈折光学素子６０−３の屈折面６５を経由することによって観察空間１３０より離れる方向に偏向される。従って、本例では迷光２００が観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【０１３２】
本例では、ガラス製屈折光学素子６０−１の偏光ビームスプリッタ６３が光源光学系の光束分割素子であり、従って、偏光ビームスプリッタ６３と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。また、第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２のハーフミラー６７が接眼光学系の光束分割素子であり、反射面６８が反射素子である。従って、第１のプラスチック製屈折光学素子６０−２のハーフミラー６７に立てた面法線ベクトルＡと反射面６８に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【０１３３】
図８に示した本発明による虚像観察光学装置の第７の例に基づく実施例を示すと次のようになる。
（１）照明用光源装置１０
（ａ）光源１１： 発光ダイオード（ＬＥＤ）
（ｂ）光学フィルム１５：半値発散角ＨＤＡ≒２０°
（２）反射型空間光変調素子２０
（ａ）液晶： ＦＬＣ型
（ｂ）表示部： 対角線長さＤＬ＝０．４５インチ
（ｃ）画素： ＳＶＧＡ ８００×６００
（３）光学系の配置
（ａ）光源光学系の光束分割素子＝ガラス製屈折光学素子６０−１の偏光ビームスプリッタ６３
α≒４５°
（ｂ）接眼光学系の光束分割素子＝プラスチック製屈折光学素子６０−２のハーフミラー６７
反射素子＝プラスチック製屈折光学素子６０−２の反射面６８
β≒１４５°
【０１３４】
図９を参照して本発明による虚像観察光学装置の第８の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と偏光子１７と反射型空間光変調器２０とハーフミラー２１と検光子２６とプラスチック製屈折光学素子７０とを有する。本例によると、接眼光学系はプラスチック製屈折光学素子７０によって構成される。
【０１３５】
プラスチック製屈折光学素子７０は球面の第１の屈折面７１とハーフミラー７２と内側の凹面の反射面７３と非球面の第２の屈折面７４とを有する。ハーフミラー７２はプラスチック製屈折光学素子７０の内部に形成された面である。ハーフミラー７２は反射型ホログラム面であってよい。反射面７３は反射型ホログラフィック面であってよく、非球面に形成されている。尚、ハーフミラー７２の代わりに偏光ビームスプリッタを設け、更に四分の一波長板を設けてよい。
【０１３６】
照明用光源装置１０からの光は光学フィルム１５及び偏光子１７を経由し、ハーフミラー２１を反射して、反射型空間光変調器２０に到達する。反射型空間光変調器２０からの光は、ハーフミラー２１及び検光子２６を経由して、プラスチック製屈折光学素子７０に到達する。
【０１３７】
プラスチック製屈折光学素子７０に到達した光は、第１の屈折面７１を経由してハーフミラー７２及び反射面７３を反射し、ハーフミラー７２及び第２の屈折面７４を経由して観察空間１３０の瞳１３１に到達する。
【０１３８】
次に本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部はハーフミラー２１及び検光子２６を透過してプラスチック製屈折光学素子７０の反射面７３を反射する。しかしながら、本例では、プラスチック製屈折光学素子７０の反射面７３を反射した迷光は観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【０１３９】
図１０を参照して本発明による虚像観察光学装置の第９の例を説明する。本例の虚像観察光学装置は照明用光源装置１０と光学フィルム１５と偏光子１７と反射型空間光変調器２０とハーフミラー２１と検光子２６とプラスチック製屈折光学素子８０とを有する。本例によると、接眼光学系はプラスチック製屈折光学素子８０によって構成される。
【０１４０】
本例の虚像観察光学装置を図９の第８の例と比較すると、プラスチック製屈折光学素子の反射面の位置が異なり、それ以外の構成は同様であってよい。
【０１４１】
プラスチック製屈折光学素子８０は球面の第１の屈折面８１とハーフミラー８２と内側の凹面の反射面８３と非球面の第２の屈折面８４とを有する。ハーフミラー８２はプラスチック製屈折光学素子８０の内部に形成された面である。ハーフミラー８２は反射型ホログラム面であってよい。反射面８３は反射型ホログラフィック面であってよく、非球面に形成されている。尚、ハーフミラー７２の代わりに偏光ビームスプリッタを設け、更に四分の一波長板を設けてよい。
【０１４２】
照明用光源装置１０からの光は光学フィルム１５及び偏光子１７を経由し、ハーフミラー２１を反射して、反射型空間光変調器２０に到達する。反射型空間光変調器２０からの光は、ハーフミラー２１及び検光子２６を経由して、プラスチック製屈折光学素子８０に到達する。
【０１４３】
プラスチック製屈折光学素子８０に到達した光は、第１の屈折面８１を経由してハーフミラー８２を透過し、反射面８３及びハーフミラー８２を反射し、第２の屈折面８４を経由して観察空間１３０の瞳１３１に到達する。
【０１４４】
次に本例の場合の迷光について説明する。照明用光源装置１０からの光の一部はハーフミラー２１及び検光子２６を透過してプラスチック製屈折光学素子８０に到達する。しかしながら、本例では、プラスチック製屈折光学素子８０に到達した迷光は観察空間１３０の瞳１３１に到達することはない。
【０１４５】
図９及び図１０に示した例では、ハーフミラー２１が光源光学系の光束分割素子であり、従って、ハーフミラー２１と反射型空間光変調器２０のなす角がαである。また、プラスチック製屈折光学素子７０、８０のハーフミラー７２、８２が接眼光学系の光束分割素子であり、反射面７３、８３が反射素子である。従って、ハーフミラー７２、８２に立てた面法線ベクトルＡとプラスチック製屈折光学素子７０、８０の反射面７３、８３に立てた面法線ベクトルＢのなす角がβである。
【０１４６】
図９及び図１０に示した本発明による虚像観察光学装置の第８及び第９の例に基づく実施例を示すと次のようになる。
（１）照明用光源装置１０
（ａ）光源１１： 発光ダイオード（ＬＥＤ）
（ｂ）光学フィルム１５：半値発散角ＨＤＡ≒２０°
（２）反射型空間光変調素子２０
（ａ）液晶： ＦＬＣ型
（ｂ）表示部： 対角線長さＤＬ＝０．５５インチ
（ｃ）画素： ＶＧＡ ６４０×８００
（３）光学系の配置
（ａ）光源光学系の光束分割素子＝ハーフミラー２１
α≒４５°
（ｂ）接眼光学系の光束分割素子＝プラスチック製屈折光学素子７０、８０のハーフミラー７２、８２
反射素子＝プラスチック製屈折光学素子７０、８０の反射面７３、８３
β≒１３５°
【０１４７】
図１１に本発明による虚像観察光学装置の第１０の例の光線図を示す。本例の虚像観察光学装置の構成は図７に示した第６の例の構成と同様であるが、本例では四分の一波長板５６が除去されている点が異なる。図示のように、観察空間の出射瞳が存在する点に原点を設け、光軸に沿ってｚ軸、光軸に垂直な面内にて水平方向にｘ軸、垂直方向にｙ軸をとる。図示のように虚像観察光学系より遠ざかる方向にｚ軸の正の方向をとる。本例の光学系の仕様を次に示す。
【０１４８】
瞳径： 水平方向の径１２ｍｍ×垂直方向の径４ｍｍ
（光線収差及び解像度の演算は瞳径４ｍｍにて実施した。）
アイレリーフ：２０ｍｍ
水平画角：３２度
垂直画角：２４度
歪曲：５％以下
【０１４９】
上述にように、実際には、照明光源装置１０からの光は光源光学系、空間光変調器及び接眼光学系を経由して観察空間の出射瞳に到達するが、ここでは、光路を逆に辿る。従って、図示のように、観察空間の出射瞳ＳＴＯから虚像ＯＢＪへの光を想定する。この光は接眼光学系、空間光変調素子及び光源光学系を経由して照明用光源装置に至る。
【０１５０】
このように光路の経路に存在する光学系の面に、順に番号を付する。例えば、ガラス製屈折光学素子５０の屈折面５９には数字３が付され、偏光ビームスプリッタ５７には往路と帰路に対してそれぞれ数字４及び６が付され、反射面５８には数字５が付されている。尚、空間光変調器２０の画素表示面には数字１０が付され、空間光変調器２０の偏光子の両面には、それぞれ往路と帰路に対して８及び９と１１及び１２が付されている。
【０１５１】
各光学面は次の非球面を表す式によって表される。この式の右辺のRDY は曲率半径、Ｋ、ａ、ｂ、ｃ、ｄは定数である。
【０１５２】
【数６】
ｚ＝RDY ・h2[1+(1-(1+K)RDY2h2)1/2]-1
+ah4+bh6+ch8+dh10
h2=x2+y2
【０１５３】
図１２に本例の虚像観察光学装置の光学系のデータを示し、図１３に各光学面のレンズデータを示す。図１２の光学系のデータを簡単に説明する。面番号は図１１に示す光学系の各要素に付された面の番号である。ＯＢＪは虚像位置、ＳＴＯは瞳、ＩＭＧは照明用光源装置である。面番号８〜１２は空間光変調器の各構成面を示す。ＡＳＰは非球面であることを示す。ＲＥＦＬは反射面を示し、ＲＥＦＬの表示がないのは屈折面を示す。
【０１５４】
図１３のレンズデータを簡単に説明する。レンズデータを簡単に説明する。Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｋは数６の式の係数、ＸＤＥ、ＹＤＥ、ＺＤＥはＸＹＺ方向の偏心、ＡＤＥ、ＢＤＥ、ＣＤＥはＸＹＺ軸周りのチルトである。また、表中、ＧＬＢＧ１は瞳座標基準、ＩＣ：Ｙは非球面の曲面が複数存在する場合に第１の面を対象とすることを意味する。
【０１５５】
図１４〜図１８は本例の虚像観察光学装置の各面の光線収差を示す曲線である。各図の右側に図示したように、３つの波長λについて、光線収差を求めた。縦軸は主光線の像面上の位置と他の光線の像面上の位置との距離であり単位はｍｍである。横軸は入射瞳における光線高さであり最大値は±２ｍｍである。各図の中央の最初の括弧はＸＹ座標、次の括弧は水平画角及び垂直画角である。
【０１５６】
図１９〜図２１はＭＴＦ（Modulation Transfer function）を示す。縦軸は変調度、横軸はデフォーカス位置である。光線収差の場合と同様の３つの波長を使用したが、３つの波長が１対１対１の割合の合成光線を使用した。各図の左側の括弧は水平画角及び垂直画角である。
【０１５７】
以上本発明の実施例について詳細に説明してきたが、本発明は上述の実施例に限ることなく本発明の要旨を逸脱することなく他の種々の構成が採り得ることは当業者にとって容易に理解されよう。
【０１５８】
上述の例では、反射型空間光変調素子として、液晶を含む液晶型空間光変調素子を使用した。しかしながら、本発明の虚像観察光学装置は、反射型空間光変調素子であればどのような形式のものでも使用可能であり、例えば、デジタルマイクロミラーデバイス等の他の反射型空間光変調素子を使用してもよい。
【０１５９】
また、このように液晶型空間光変調素子以外の反射型空間光変調素子を使用する場合、上述の例と同様に、光源光学系及び接眼光学系において、偏光子及び検光子、四分の一波長板等の位相差板、マイクロレンズ、ディフューザ等の光学素子を適宜組み合わせて使用してよい。
【０１６０】
上述の例では、照明用光源装置として、光源及び導光板を含む装置を使用したが、これ以外の照明用光源装置も可能である。例えば、拡散板又はフライアイレンズとレーザ光源を組み合わせたものであってもよい。
【０１６１】
【発明の効果】
本発明によると、接眼光学系の光束分割素子に立てた面法線ベクトルＡと反射素子に立てた面法線ベクトルＢのなす角βは１３６度以上１７９度以下であり、従って、迷光によるゴーストが低減した虚像観察光学装置を提供することができる利点がある。
【０１６２】
本発明によると、接眼光学系の光束分割素子に立てた面法線ベクトルＡと反射素子に立てた面法線ベクトルＢのなす角βは１３６度以上１７９度以下であり、従って、薄型且つ軽量の虚像観察光学装置を提供することができる利点がある。
【０１６３】
本発明によると、接眼光学系の光束分割素子に立てた面法線ベクトルＡと反射素子に立てた面法線ベクトルＢのなす角βは１３６度以上１７９度以下であり、従って、高倍率且つ高解像度の虚像観察光学装置を提供することができる利点がある。
【０１６４】
本発明によると、光学系の屈折光学素子の内の１つの屈折光学素子を複屈折が十分小さいもの（通常、ガラス製にする）にすることによって、表示画像のコントラストの劣化を最小化することができる利点がある。従って、光学系を構成する全ての屈折光学素子を複屈折が十分小さいもの（通常ガラス製にする）にする場合と比べて、製造コスト及び光学系の重量が小さくすることができる利点を有する。
【０１６５】
本発明によると、光学系の光束分割素子又は反射素子を屈折光学素子の１面に設けることによって、組立工程を簡略化することができる利点を有する。
【０１６６】
本発明によると、屈折光学素子の各面を適当な形状の自由曲面又は非球面に形成することによって、像面湾曲及び歪曲収差を補正することができる。従って、高解像度の虚像観察光学装置を提供することができる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の虚像観察光学装置の第１の例を示す図である。
【図２】本発明の虚像観察光学装置の第１の例の詳細を説明するための説明図である。
【図３】本発明の虚像観察光学装置の第２の例を示す図である。
【図４ 】本発明の虚像観察光学装置の第３の例を示す図である。
【図５】本発明の虚像観察光学装置の第４の例を示す図である。
【図６ 】本発明の虚像観察光学装置の第５の例を示す図である。
【図７】本発明の虚像観察光学装置の第６の例を示す図である。
【図８】本発明の虚像観察光学装置の第７の例を示す図である。
【図９】本発明の虚像観察光学装置の第８の例を示す図である。
【図１０】本発明の虚像観察光学装置の第９の例を示す図である。
【図１１】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例の光線図である。
【図１２】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例の光学系のデータを示す図である。
【図１３】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例のレンズデータを示す図である。
【図１４】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例の光線収差を示す図である。
【図１５】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例の光線収差を示す図である。
【図１６】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例の光線収差を示す図である。
【図１７】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例の光線収差を示す図である。
【図１８】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例の光線収差を示す図である。
【図１９】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例のＭＴＦを示す図である。
【図２０】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例のＭＴＦを示す図である。
【図２１】本発明の虚像観察光学装置の第１０の例のＭＴＦを示す図である。
【図２２】旋光（偏光導波）型液晶を用いた反射型空間光変調素子の構成及び動作を説明するための説明図である。
【図２３】複屈折型液晶（ＦＬＣ）を用いた反射型空間光変調素子の構成及び動作を説明するための説明図である。
【図２４】従来の複屈折型液晶（ＦＬＣ）を用いた反射型空間光変調素子を使用する虚像観察光学系の構成の概略を説明するための説明図である。
【図２５】従来の虚像観察光学装置の第１の例を示す図である。
【図２６】従来の虚像観察光学装置の第２の例を示す図である。
【図２７】従来の虚像観察光学装置の第３及び第４の例を示す図である。
【図２８】 虚像観察光学装置の一例を示す図である。
【図２９】 図２８に示す虚像観察光学装置の一例の詳細を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１０…照明用光源装置、 １１…光源、 １２…リフレクタ、 １３…導光板、１３Ａ…前面（出射面）、 １３Ｂ…背面、 １４…反射板、 １５…光学フィルム、 １７…偏光子、 ２０…反射型空間光変調器、 ２１，２２…ハーフミラー、 ２３…反射鏡、 ２５…偏光ビームスプリッタ、 ２６…検光子、 ３０，３０−１…全反射屈折光学素子、 ３０−２…屈折光学素子、 ３１…屈折面、 ３２…光束分割面、 ３３…反射面、 ３４，３４…屈折面、 ４０−１…屈折光学素子、 ４０−２…全反射屈折光学素子、 ４０−３…屈折光学素子、 ４１…屈折面、 ４２…ハーフミラー、 ４３，４４，４６…屈折面、４７…光束分割面、 ４８…反射面、 ４９…屈折面、 ５０，５０−１，５０−２，５０−３…ガラス製屈折光学素子、 ５０−４…ガラス製屈折光学素子、 ５１…屈折面、 ５２…ハーフミラー、 ５３…屈折面、 ５６…四分の一波長板、 ５７…偏光ビームスプリッタ、 ５８…反射面、 ５９…屈折面、 ６０−１…ガラス製屈折光学素子、 ６０−２，６０−３…プラスチック製屈折光学素子、 ６１，６２…屈折面、 ６３…偏光ビームスプリッタ、 ６４…検光子、 ６５，６６…屈折面、 ６７…ハーフミラー、 ６８…反射面、 ７０…プラスチック製屈折光学素子、 ７１…屈折面、 ７２…ハーフミラー、 ７３…反射面、 ７４…屈折面、 ８０…プラスチック製屈折光学素子、 ８１…屈折面、 ８２…ハーフミラー、 ８３…反射面、 ８４…屈折面、 ９０…液晶型反射型空間光変調素子、 ９１Ａ，９１Ｂ…ガラス基板、 ９２Ａ，９２Ｂ…透明電極、 ９３Ａ，９３Ｂ…配向板、 ９４Ａ…偏光子、 ９４Ｂ…検光子、 ９５…液晶材料、 ９６…反射板、 １００…ＦＬＣ型反射型空間光変調素子、 １０１Ａ…ガラス基板、 １０１Ｂ…シリコン基板、 １０２Ａ…透明電極、 １０２Ｂ…アルミ電極、１０３Ａ，１０３Ｂ…配向膜、 １０４…偏光子、 １０５…液晶材料、 １１１…ハーフミラー、 １１２…検光子、 １３０…観察空間、 １３１…瞳、 ２００…迷光
Claims (15)
- 反射型空間光変調素子と、
該反射型空間光変調素子に照明用光線を提供するための照明用光源装置と、
上記照明用光源装置から発せられる照明用光線の光路上に配置され、上記照明用光源装置からの照明用光線を反射して上記反射型空間光変調素子に導く第１の光束分割面を有する光束分割素子を含む光源光学系と、
上記反射型空間光変調素子によって変調された画像光線の上記光束分割素子を透過した出射側に配置され、上記反射型空間光変調素子からの画像光線の入射側に屈折面と、該屈折面から入射した上記画像光線を全反射させる平面の第２の光束分割面と、該第２の光束分割面によって全反射された上記画像光線を反射し、上記第２の光束分割面を透過屈折させて観察空間に導く、自由曲面又は反射型ホログラフィック面より成る反射面とを有する全反射屈折光学素子と、を備え、
上記反射型空間光変調素子の中心を通る主光線が上記反射面によって反射される点における上記反射面の法線ベクトルと上記第２の光束分割面における法線ベクトルとのなす角は、上記反射面及び上記第２の光束分割面の各面における光線が反射する側をベクトルの正の方向として、１３６度以上且つ１７９度以下であり、
上記反射型空間光変調素子の中心を通る主光線が上記照明用光源装置から上記光束分割素子に至る光路を通る光線のうち上記光束分割素子において反射することなく該光束分割素子を透過する光線が、上記全反射屈折光学素子の上記屈折面から入射して上記反射面で反射されるように、上記全反射屈折光学素子の上記屈折面と、上記光源光学系の上記光束分割素子の上記第１の光束分割面とが配置され、
上記反射型空間光変調素子の中心を通る主光線が上記照明用光源装置から上記光束分割素子に至る光路を通る光線のうち上記光束分割素子において反射することなく該光束分割素子を透過する光線の、上記全反射屈折光学素子の上記反射面により反射された後、上記第２の光束分割面を透過する光路が、上記観察空間から外れた領域に向かう構成とされる
虚像観察光学装置。 - 上記照明用光源装置と上記光源光学系の光束分割素子の間に偏光子が配置された請求項１記載の虚像観察光学装置。
- 上記光源光学系の光束分割素子と上記観察空間の間に検光子が配置された請求項１又は２に記載の虚像観察光学装置。
- 上記光源光学系の光束分割素子は偏光性光束分割素子である請求項１記載の虚像観察光学装置。
- 上記光源光学系の光束分割素子は無偏光性光束分割素子である請求項１記載の虚像観察光学装置。
- 上記光源光学系の光束分割素子は反射型ホログラム光束分割素子である請求項１記載の虚像観察光学装置。
- 上記全反射屈折光学素子の第２の光束分割面は偏光性光束分割面である請求項１記載の虚像観察光学装置。
- 上記全反射屈折光学素子の第２の光束分割面は無偏光性光束分割面である請求項１記載の虚像観察光学装置。
- 上記全反射屈折光学素子の第２の光束分割面は反射型ホログラム光束分割面である請求項１記載の虚像観察光学装置。
- 上記全反射屈折光学素子の第２の光束分割面と上記反射面の間に四分の一波長板が配置されている請求項１記載の虚像観察光学装置。
- 上記全反射屈折光学素子の反射面、屈折面の少なくとも一つは回転対称軸を有さない自由曲面である請求項１記載の虚像観察光学装置。
- 上記照明用光源装置は光源と導光板とを含む請求項１記載の虚像観察光学装置。
- 上記反射型空間光変調素子は強誘電性液晶型の空間光変調素子である請求項１記載の虚像観察光学装置。
- 上記全反射屈折光学素子に隣接して配置され、屈折面を有し、上記全反射屈折光学素子の反射面により反射した光を該屈折面を経由して上記観察空間に導く屈折光学素子を、更に有する請求項１記載の虚像観察光学装置。
- 上記光源光学系は、上記照明用光源装置からの光の入射面又は上記反射型空間光変調素子側の面のうち少なくともいずれか一方の面に自由曲面をもった屈折光学素子を有する請求項１記載の虚像観察光学装置。
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