JP2002162598A - 観察光学系および撮像光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】携帯電話や携帯情報端末、及び頭部装着型の虚
像観察装置に用いることができる程度に小型で、軽量、
かつ明るく、さらに高解像度を有し、且つ、製造が容易
な観察光学系又は撮像光学系を提供する。 【解決手段】瞳面１と像面５との間にプリズム４と、導
光板３とを含んで配置されている。導光板３は、入射領
域及び射出領域の夫々両面にホログラフィック素子（Ｈ
ＯＥ）６₁〜６₄を有し、且つ、光束を導光板内部で１０
回以上全反射する。ＨＯＥ６₁，６₂は、入射光束を夫々
回折して、入射角が導光板の全反射臨界角を超えた角度
となるように形成され、ＨＯＥ６₃，６₄は、射出領域に
導かれた光束を夫々回折して、入射角が導光板の全反射
臨界角を超えない角度となるように形成されている。プ
リズム４は、導光板３を射出した光束の偏心収差を補正
するための曲面を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、観察光学系及び撮
像光学系に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持す
ることができ、又は、携帯電話や携帯情報端末に付加す
ることができる画像表示装置及びカメラなどの撮像装置
に用いる光学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、個人が大画面の画像を楽しむこと
を目的として、画像表示装置、特に、頭部や顔面に装着
するタイプの画像表示装置の開発が盛んになされてい
る。また、近年、携帯電話や携帯情報端末の普及に伴
い、携帯電話や携帯情報端末の画像や文字データを大画
面で見たいというニーズが高まっている。

【０００３】そのような装置の一部に利用可能な導光装
置としては、従来、ホログラムを用いた導光装置が、特
開平５−２２４０１８号公報で提案されている。また、
ホログラムを用いた画像表示装置が、特開平６−２５０
０２２号や特開平８−１１３０５９号公報、米国特許第
４７１１５１２号公報で提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平５−２
２４０１８号公報に記載の導光装置の場合、１枚のＨＯ
Ｅ素子でもって、入射領域、又は入射領域及び射出領域
において、夫々１回づつのみしか回折させていないた
め、ＨＯＥ素子１枚あたりの回折角が大きくなる。その
ためには、ＨＯＥ中の縞のピッチを細かくする必要が生
じ、露光の際の許容振動幅が小さくなり、露光光学系の
位置精度が厳しくなり、ＨＯＥ露光用感光材料に許容さ
れる露光可能最大周波数がより高いものが必要となるた
め、製造が困難である。

【０００５】また、特開平６−２５００２２号公報に記
載の画像表示装置の場合、１枚のＨＯＥ素子でもって、
入射領域及び射出領域において、夫々１回づつのみしか
回折させていないため、ＨＯＥ素子１枚あたりの回折角
が大きくなり、製造が困難である。しかも、上記画像表
示装置の光学系は、非共軸光学系のため偏心収差が発生
するが、この発生した偏心収差を枚数の少ないＨＯＥ面
のみで補正することは困難である。また、全反射回数が
２回程度と少ないので、導光板を薄型に保ったまま導光
板の長さ方向に長い距離をとって導光させるためには、
導光板の厚みを厚くしなければならない。さらに、上記
画像表示装置の光学系は、リレー光学系を構成していな
い、即ち、光学系中で中間結像させないため、より小さ
な画像表示素子を用いて構成した場合には、広い観察画
角を得ることができない。

【０００６】また、特開平８−１１３０５９号公報や米
国特許第４７１１５１２号公報の画像表示装置の場合、
入射領域及び射出領域に夫々１枚ずつのＨＯＥ素子を配
置しているが、入射領域および射出領域において夫々１
回ずつのみしかＨＯＥ素子で回折させていないため、Ｈ
ＯＥ素子１枚あたりの回折角を大きくする必要が生じ、
製造が困難である。しかも、光学系が非共軸光学系のた
め偏芯収差が発生するが、この発生した偏心収差を少な
いＨＯＥ面のみで補正することは困難である。さらに、
米国特許第４７１１５１２号公報では、全反射を６回さ
せているが、この程度の全反射回数では、導光板を薄型
に保ったままで、導光板の長さ方向に長い距離をとって
導光させるためには、導光板の厚みを厚くしなければな
らない。さらにまた、上記画像表示装置も、リレー光学
系でないため、より小さな画像表示素子を用いて構成し
た場合には、広い観察画角を得ることができない。

【０００７】そこで、本発明は、携帯電話や携帯情報端
末、及び頭部装着型の虚像観察装置に用いることができ
る程度に小型で、軽量、かつ明るく、さらに高解像度を
有し、且つ、製造が容易な観察光学系又は撮像光学系を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明による光
学系は、瞳面と像面との間に配置された光学系におい
て、前記光学系は、少なくともプリズムと、導光板とを
含み、前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫
々両面にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を導
光板内部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記
射出領域に至らせるように構成され、前記導光板の前記
入射領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素子
は、夫々所定位置において所定波長で入射した光束を夫
々回折して、該光束の入射角が前記導光板の全反射臨界
角を超えた角度となるように形成され、前記導光板の前
記射出領域の両面に設けられた前記ホログラフィック素
子は、夫々所定位置において前記入射領域から前記射出
領域に導かれた光束を夫々回折して、該光束の入射角が
前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となって、前
記導光板から光束が射出されるように形成され、前記プ
リズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射出した
光束の偏心収差を補正するための曲面を備えていること
を特徴とする。

【０００９】また、本発明は、観察光学系として構成す
る場合には、前記像面に観察者が観察する画像を表示す
る画像表示素子を配置し、前記瞳面に観察者の眼球が位
置するように射出瞳を形成し、前記画像表示素子から射
出された光束が、前記プリズムを経由した後に、前記導
光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プリズム
側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し、前
記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前記ホ
ログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記
プリズム側に設けられた前記回折素子で回折反射され
て、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、
前記導光板内部で１０回以上全反射されながら前記導光
板の第２の領域へと向かい、前記第２の領域において前
記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィ
ック素子で回折反射され、前記導光板の前記射出瞳とは
反対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反
射されて、前記導光板の全反射臨界角を超えない角度と
なって、前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホ
ログラフィック素子を透過し前記導光板から射出して前
記射出瞳に導かれるようにするのが好ましい。

【００１０】また、本発明の光学系は、撮像光学系とし
て構成する場合には、前記像面に物体像を撮像する撮像
素子を配置し、前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞
る明るさ絞りを配置し、前記明るさ絞りを通過した物体
からの光束が、前記導光板の第２の領域に入射し、前記
導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック
素子を透過し、前記導光板の前記物体とは反対側に設け
られた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記
導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック
素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超
えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射
されながら第１の領域へと向かい、前記第１の領域にお
いて前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホロ
グラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前記プ
リズムとは反対側に設けられた前記ホログラフィック素
子で回折反射されて、前記プリズム側に設けられた前記
回折素子を透過して前記導光板から射出し、前記プリズ
ムを経由して前記撮像素子に導かれるようにするのが好
ましい。

【００１１】本発明の基本原理について図を用いて説明
する。図１は本発明による光学系の概念図、図２は本発
明による光学系を構成する導光板に入射する光の反射状
態を示す原理説明図、図３は図１の構成において軸上光
線が導光板内部で中間結像される状態を説明するための
概念図である。なお、説明の便宜上、図の右側から光線
追跡をすることとする。

【００１２】本発明の光学系は、図１に示すように、瞳
面１と像面５との間に導光板３と偏心プリズム４を有し
ている。導光板３は、図２に示すように、基盤ガラスの
入射領域の両面に回折素子として第１のＨＯＥ（体積型
ホログラフィック素子）、第２のＨＯＥを夫々設けると
共に、射出領域の両面に回折素子として第３のＨＯＥ、
第４のＨＯＥを夫々設けて構成されている。なお、基盤
としては透明ガラスの代わりに透明プラスチックを用い
てもよい。

【００１３】ここで、導光板に設けられた第２ＨＯＥに
対し臨界角以下の入射角度でもって入射する所定波長の
軸上光線の導光板内での反射状態について、第２ＨＯＥ
に対し垂直に入射する光を用いて説明する。第２ＨＯＥ
に垂直に入射した光は、そのまま第２ＨＯＥを透過し
て、第１ＨＯＥに入射する。第１ＨＯＥは、この入射位
置Ｑ１においてこの第１の入射角度でもって入射した光
を回折反射するように角度選択性を有して構成されてお
り、この入射光を回折反射する。第１ＨＯＥで回折反射
された光は第２の入射角度でもって第２ＨＯＥに入射す
る。第２ＨＯＥは、この入射位置Ｑ２において第２の入
射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選
択性を有して構成されており、この入射光を回折反射す
る。

【００１４】第２ＨＯＥで回折反射された光は導光板に
対して臨界角を超えた第３の入射角度でもって、第１Ｈ
ＯＥに入射する。第１ＨＯＥは、この入射位置Ｑ３にお
いて臨界角を超えた第３の入射角度でもって入射した光
を全反射する。全反射された光は、同様に臨界角を超え
た第３の入射角度でもって、第２ＨＯＥに入射する。第
２ＨＯＥは、この入射位置Ｑ４において臨界角を超えた
第３の入射角度でもって入射した光を全反射する。全反
射された光は、以下、両側のガラス又はプラスチックで
できた基盤面及び基盤面に設けられたＨＯＥで同様の全
反射を繰り返して射出領域に設けられた第４ＨＯＥの所
定位置へと導かれる。

【００１５】第４ＨＯＥは、所定位置Ｑｍにおいて臨界
角を超えた第３の入射角度でもって入射した光を回折反
射するように角度選択性を有して構成されており、この
入射光を回折反射する。第４ＨＯＥで回折反射された光
は導光板に対して第４の入射角度でもって、第３ＨＯＥ
に入射する。第３ＨＯＥはこの入射位置Ｑｎにおいて第
４の入射角度でもって入射した光を回折反射するように
角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折
反射する。第３ＨＯＥで回折反射された光は導光板に対
して臨界角以下の第５の入射角度でもって（図２におい
ては垂直、即ち、０度の入射角でもって）第４ＨＯＥに
入射し、そのまま第４ＨＯＥを透過して導光板を射出す
る。

【００１６】このように、導光板の入射領域において別
個のＨＯＥで２回回折させると共に、射出領域において
も別個のＨＯＥを介して２回回折させれば、１回あたり
の回折角度が大きくならずに済む。

【００１７】一般に回折角度の大きな回折光学素子は、
素子内部に有する格子構造のピッチが細かくなり製造が
困難となることが知られている。本発明の光学系では、
上述のように、導光板の入射領域および射出領域に夫々
複数枚以上のＨＯＥ素子を配置したので、ＨＯＥ素子の
１回あたりの回折角度が大きくならないように抑えるこ
とができ、ＨＯＥ中の干渉縞のピッチを大きくすること
ができる。また、露光の際の許容振動幅が軽減され、露
光光学系の位置精度も緩和される。更に、ＨＯＥ露光用
感光材料に要求される露光可能最大周波数がより低いも
ので可能となる。

【００１８】なお、図２に示すような導光板は、小型化
のために回転非対称な光学作用面が配置され、光軸が折
れ曲がっている偏心光学系として構成されており、特に
導光板に光を入射させた後に全反射させて所定位置まで
導いて射出させるために回転非対称な光学的作用を有す
るＨＯＥ素子を配置しているため、このままでは、大き
な偏心収差が発生してしまう。そこで、本発明では、図
１に示すように、導光板の外部に少なくとも１面に自由
曲面を有する偏心プリズムを配置して、導光板を介して
生じる偏心収差を補正することができるようにしてい
る。

【００１９】また、本発明の光学系のように、導光板内
部での全反射回数が１０回以上となるように構成すれ
ば、導光板の厚さを薄型に保ち且つ長い距離を導光させ
ることができる。更に、導光板内における全反射回数が
２０回以上となるように構成すればより好ましく、３０
回以上となるように構成すればより一層好ましい。

【００２０】また、本発明の光学系は、入射光束が導光
板内部で中間像を結像するリレー光学系として構成され
ているのが好ましい。図３は、本発明のリレー光学系の
概念を簡略化して示したものである。図３においては、
説明の便宜上、１枚の導光板を入射領域の導光板と射出
領域の導光板とが分かれているものとして示すととも
に、光線の全反射を省略している。また、右上側の導光
板に軸上光束が入射するものとして説明する。導光板の
入射領域に入射した射出瞳からの軸上光束は、導光板の
入射領域両側に設けられたＨＯＥを介して２回回折反射
された後にその途中で中間結像位置で一旦結像し、導光
板の射出領域に入射し、導光板の射出領域両側に設けら
れたＨＯＥを介して２回回折反射されて導光板の射出領
域より射出し、偏心プリズムに入射する。

【００２１】このように、本発明の光学系を、入射光束
が導光板の入射領域から射出領域に至るまでの間で中間
結像するリレー光学系として構成すれば、接眼側の光学
系で発生する収差をリレー光学系の中間結像位置より像
側の光学系で補正することができ、しかも、リレー光学
系により小さな画像表示素子を中間結像面に大きく投影
することで、見かけ上大きな画像表示素子を接眼光学系
に用いたものと光学的に等価になる。これにより小さな
画像表示素子を用いても広い観察画角を得ることができ
る。一方、上記従来の光学系のように、リレー光学系を
構成しないで接眼光学系だけで画像表示装置を構成しよ
うとすると、広い観察画角を達成するためには、接眼光
学系側のパワーを強くする、即ち、焦点距離を短くして
倍率を上げる必要があるが、接眼光学系のパワーを強く
しすぎると収差が悪くなる。従って、本発明の光学系
は、リレー光学系方式で構成するのが、これらの諸問題
を防ぐために有用である。なお、中間像を結像すること
ができれば、リレー光学系を構成するための光学要素
は、プリズム、レンズなどどのようなものであってもよ
い。

【００２２】このように、図１に示す本発明の光学系
は、導光板３内部に入射した光束が、入射領域で少なく
とも２回回折反射された後に全反射を繰り返して導光板
内部の中間結像位置で結像した後、全反射を繰り返しな
がら射出領域に導かれ、射出領域で少なくとも２回回折
反射されて射出領域から射出して、自由曲面プリズム４
に第１面４₁より入射し、第２面４₂、第３面４₃で反射
されて、第４面４₄より射出した後、像面位置で結像す
るように構成されている。

【００２３】また、本発明の光学系は、瞳径をＰＤ（Ｐ
ｕｐｉｌ Ｄｉａｍａｔｅｒ）、アイリリーフをＥＲ
（Ｅｙｅ Ｒｅｌｉｅｆ）とした時、次の条件式(1)を
満足することが望ましい。 ０．１ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．９ ……(1) 瞳径ＰＤが下限を超えて小さくなると、回折の影響によ
り高解像度な画像を観察、撮像等をすることが困難とな
る。一方、瞳径ＰＤが上限を超えて大きくなると瞳径が
大きくなりすぎ収差補正が困難となり、更に光学系が大
型化してしまう。

【００２４】また、本発明の光学系は、次の条件式(2)
を満足することがより望ましい。 １．０ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．６ ……(2) 条件式(2)の上限及び下限の意味は上記条件式(1)と同様
である。

【００２５】更に、本発明の光学系は、次の条件式(3)
を満足することがより一層望ましい。 １．０ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．３ ……(3) 条件式の上限及び下限の意味は上記条件式(1)と同様で
ある。

【００２６】また、本発明の光学系は、導光板内におけ
る軸上主光線の入射位置から射出位置までの距離をＬと
したとき、次の条件式(4)を満足することが望ましい。 ３０．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ ２００．０ｍｍ ……(4) 下限を超えて距離Ｌが短いと、導光板における、観察者
の顔面側に偏心プリズムなどの光学系が設けられている
場合、観察者の顔面にその光学系が干渉してしまい、ま
た、導光板における、観察者の顔面とは対向する側に偏
心プリズムなどの光学系が設けられている場合、その光
学系がシースルー観察を遮断してしまう。一方、上限を
超えて距離Ｌが長くなると、装置が大きくなりすぎ、ま
た重量も重くなり頭部への装着が困難となる。

【００２７】また、本発明の光学系は、次の条件式(5)
を満足することがより望ましい。 ３５．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ １４０．０ｍｍ ……(5) 条件式(5)の上限及び下限の意味は上記条件式(4)と同様
である。

【００２８】更に、本発明の光学系は、次の条件式(6)
を満足することがより一層望ましい。 ４０．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ ７０．０ｍｍ ……(6) 条件式(6)の上限及び下限の意味は上述と同様である。

【００２９】なお、本発明の光学系は、瞳面と像面とが
導光板の同一面側に位置する場合と瞳面と像面とが導光
板を隔てて位置する場合のいずれにも適用可能である。

【００３０】また、本発明の観察光学系に用いる画像表
示素子は、透過型と反射型のいずれのタイプのものもで
あってもよい。

【００３１】そして、本発明の光学系において、前記画
像表示素子を前記反射型の画像表示素子で構成する場
合、照明光源を備え、前記プリズムを前記照明光源から
の照明光を前記反射型の画像表示素子に導き、更に、前
記反射型の画像表示素子で反射した光束を前記導光板の
入射領域に導くようにするのが好ましい。

【００３２】なお、本発明の光学系では、図２に示すよ
うに、ホログラフフィク素子を、前記導光板の夫々の側
において入射領域と射出領域とで夫々別体に設けて構成
しているが、ホログラフィック素子を、前記導光板の夫
々の側において入射領域から射出領域に至るまで一体に
形成し、且つ、入射領域の所定位置から射出領域の所定
位置に至るまでの領域において光束が、全反射臨界角を
超えた角度でもって前記導光板内を１０回以上全反射す
るように構成してもよい。

【００３３】また、本発明の観察光学系は、前記導光板
を隔てて前記射出瞳とは反対側に撮像素子を設け、前記
射出瞳位置に眼球が位置したときの観察者の像が前記導
光板を透過して撮像されるように構成してもよい。

【００３４】また、本発明の光学系では、前記ホログラ
フィック素子は上述のように体積型ホログラム（ＨＯ
Ｅ）で構成されているのが好ましい。

【００３５】また、本発明の光学系は、前記導光板の面
形状が平面形状に形成されているのが好ましい。なお、
前記導光板の面形状が曲面形状に形成されていてもよ
い。

【００３６】また、本発明において、導光板の板面形状
を一方向へ曲率を持つ曲面形状に形成すれば、光学系全
体をより小型化することができる。

【００３７】ところで、平面フィルム状に供給された体
積型ホログラム素子用の感光材料は、シリンドリカル形
状への湾曲加工は比較的容易であるが、Ｘ方向およびＹ
方向の両方向に同時に曲率を持つ基盤形状に加工するこ
とは困難である。そこで、導光板の板面形状を平面形状
に形成し、その平面基盤上に体積型ホログラムを配置す
れば、生産も容易な構成をとることができる。

【００３８】なお、体積型ホログラムは、基盤面に貼り
つけるか、又は、基盤面に埋め込んで基盤面と面一にな
るようにする。

【００３９】また、前記プリズムの前記偏心収差を補正
する面は、回転非対称なディストーション補正やテレセ
ントリック性の良好な光学系とするために自由曲面など
の回転非対称な面が望ましいが、球面、非球面、アナモ
ルフィック面などの回転対称な面で構成することも可能
である。

【００４０】また、本発明の観察光学系は、体積型ホロ
グラムは、上述のような反射型ＨＯＥに限定されるもの
ではなく、例えば、図２において、入射領域の第２ＨＯ
Ｅ又は射出領域の第４ＨＯＥに透過型ＨＯＥを用いて、
回折透過させてもよい。

【００４１】なお、本発明の光学系のこれらの構成は、
上述のように、観察系だけでなく撮像系への適用も可能
である。即ち、本発明の観察光学系における、観察者が
観察する画像を表示する画像表示素子、及び射出瞳を、
本発明の撮像光学系では、物体像を撮像する撮像素子、
及び物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りに、夫々
置き換えて構成する。そして、撮像光学系においても、
上述の条件式など観察光学系に順じた構成とすると好ま
しい。

【００４２】その他、本発明の光学系は、防塵部材で覆
われていることが好ましい。このように構成すれば、ゴ
ミ等が拡大観察されてしまうのを防ぐことができる。ま
た、ホログラフィック素子を有する導光板にあっては、
防塵部材により外部からのホログラフィック素子への水
分の侵入によりホログラフィック素子が膨張して回折の
ピーク波長が変化してしまうのを防ぐことができる。な
お、その場合、防塵部材は、外部を覆う箱体と、導光板
と瞳面との間を通る光を透過させる透明カバーとを備え
ているのが好ましい。また、その場合、透明カバーは、
ガラス又はプラスチックなどを材料として形成された透
明部材で構成してもよい。

【００４３】また、画像表示素子と、以上のような本発
明の何れかの観察光学系を接眼光学系として配置した本
体部と、前記観察光学系の射出瞳を観察者の眼球位置に
保持するように前記本体部を観察者頭部に支持する支持
部材と、前記観察者の耳に音声を与えるスピーカー部材
とを有して頭部装着型画像表示装置を構成することがで
きる。

【００４４】その場合の頭部装着型画像表示装置は、前
記本体部が、右眼用の観察光学系と左眼用の観察光学系
とを備え、前記スピーカー部材が、右耳用スピーカー部
材と左耳用スピーカー部材とを有するように構成しても
よい。

【００４５】また、この頭部装着型画像表示装置は、前
記スピーカー部材がイヤホンで構成されていてもよい。

【００４６】なお、本発明の光学系において、プリズム
は、観察光学系では逆光線追跡、撮像光学系では順光線
追跡で、物点中心を通り、観察光学系では射出瞳、撮像
光学系では明るさ絞りの中心を通過して像面の中心に到
達する光線を軸上主光線としたとき、少なくとも１つの
反射面が軸上主光線に対して偏心していないと、軸上主
光線の入射光線と反射光線が同一の光路を通ることとな
り、軸上主光線が光学系中で遮断されてしまう。その結
果、中心部が遮光された光束のみで像を形成することに
なり、中心が暗くなったり、中心では全く像を結ばなく
なったりしてしまう。そこで、本発明に用いるプリズム
には偏心プリズムを用いている。

【００４７】また、パワーを付けた反射面を軸上主光線
に対して偏心させた場合、本発明で用いられるプリズム
部材を構成する面のうち、少なくとも１つの面は回転非
対称な面であることが望ましい。その中でも、特に、プ
リズム部材の少なくとも１つの反射面を回転非対称な面
にすることが収差補正上は好ましい。

【００４８】光路を折り曲げて、共通領域の光路を重複
して利用するために光学系を偏心配置する必要がある。
しかし、このように光路を折り曲げるために光学系を偏
心光学系とすると、回転非対称なディストーションや回
転非対称な像面湾曲などの偏心収差が発生する。この偏
心収差を補正するために回転非対称な面を上述のように
用いる。

【００４９】また、本発明で用いられるホログラフィッ
ク素子の面が回転非対称な面であることが同様の理由で
望ましい。なお、ホログラフィック素子を設けるベース
面は、上述のように平面形状が望ましいが、シリンドリ
カル面、球面、非球面、アナモルフィック面、トーリッ
ク面、対称面を１面のみ有する面、面対称自由曲面形状
のいずれの形状に形成されていてもよい。

【００５０】また、本発明で用いる回転非対称な面は、
アナモルフィック面、トーリック面、対称面を１面のみ
有する面対称自由曲面で構成することができる。なお、
好ましくは、対称面を１面のみ有する自由曲面で構成す
るとよい。

【００５１】なお、本発明では、軸上主光線を、観察光
学系においては、射出瞳の中心を通り画像表示素子の中
心に到達する光線で逆光線追跡で、撮像光学系において
は、明るさ絞りの中心を通り撮像素子の中心に到達する
光線で順光線追跡で定義する。そして、軸上主光線が射
出瞳又は明るさ絞りの中心から導光板の入射領域のＨＯ
Ｅ面に交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ
軸と定義し、また、このＺ軸と直交し、かつ、導光板を
構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、さらに、
Ｚ軸と直交し、かつ、Ｙ軸と直交する軸をＸ軸と定義す
る。また、射出瞳又は明るさ絞りの中心を本発明の観察
光学系又は撮像光学系における座標系の原点とする。ま
た、本発明においては、上述のように射出瞳から画像表
示素子に向かう逆光線追跡、又は明るさ絞りから撮像素
子に向かう順光線追跡で面番号をつけることとし、軸上
主光線が、射出瞳から画像表示素子に至る方向又は明る
さ絞りから撮像素子に至る方向をＺ軸の正方向、画像表
示素子に向かうＹ軸の方向又は撮像素子に向かうＹ軸の
方向をＹ軸の正方向、Ｙ軸とＺ軸と右手系を構成するＸ
軸の方向をＸ軸の正方向と夫々定義する。ここで、本発
明で使用する自由曲面は、次式(7)により定義する。な
お、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。

【００５２】 ……(7) ただし、(7)式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項
である。また球面項中、Ｃは頂点の曲率、ｋはコーニッ
ク定数（円錐定数）、ｒ＝√（Ｘ²＋Ｙ²）である。

【００５３】自由曲面項は次式(8)のように展開するこ
とができる。 ……(8) ただし、Ｃ_j（ｊは２以上の整数）は係数である。

【００５４】上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、
Ｙ−Ｚ面ともに対称面を持つことはないが、本発明で
は、Ｘの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ
面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。
このような自由曲面は、例えば、上記定義式(7)におい
ては、Ｃ₂、Ｃ₅、Ｃ₇、Ｃ₉、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₆、Ｃ₁₈、
Ｃ₂₀、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₂₉、Ｃ₃₁、Ｃ₃₃、Ｃ₃₅・・
・の各項の係数を０にすることによって達成することが
可能である。

【００５５】また、Ｙの奇数次項を全て０にすることに
よって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自
由曲面となる。このような自由曲面は、例えば、上記定
義式(7)においては、Ｃ₃、Ｃ₅、Ｃ₈、Ｃ₁₀、Ｃ₁₂、
Ｃ₁₄、Ｃ₁₇、Ｃ₁₉、Ｃ₂₁、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₃₀、Ｃ
₃₂、Ｃ₃₄、Ｃ₃₆・・・の各項の係数を０にすることによ
って達成することが可能である。

【００５６】また上記対称面の方向の何れか一方を対称
面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面
と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向
に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方
向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非
対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性も向上
させることが可能となる。

【００５７】また、上記定義式(7)は、上述のように１
つの例として示したものであり、本発明において、対称
面を１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心に
より発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性
も向上させるという特徴を有しているが、上記定義式
(7)以外の他のいかなる定義式に対しても同様の効果が
得られることは言うまでもない。

【００５８】本発明において、プリズム部材に設けられ
た反射面の形状を、唯一の対称面を１面のみ有した面対
称自由曲面形状にて構成することができる。

【００５９】また、アナモルフィック面の形状は次の式
(9)により定義される。なお、面形状の原点を通り、光
学面に垂直な直線がアナモルフィック面の軸となる。 Ｚ＝（Ｃｘ・Ｘ²＋Ｃｙ・Ｙ²）／［１＋｛１−（１＋Ｋｘ）Ｃｘ²・Ｘ² −（１＋Ｋｙ）Ｃｙ²・Ｙ²｝^1/2] ＋ΣＲｎ｛（１−Ｐｎ）Ｘ² ＋（１＋Ｐｎ）Ｙ²｝⁽ⁿ⁺¹⁾ ……(9)

【００６０】ここで、例としてｎ＝４（４次項）を考え
ると、上記式(9)は、展開したとき、次式(10)で表わす
ことができる。 Ｚ＝（Ｃｘ・Ｘ²＋Ｃｙ・Ｙ²）／［１＋｛１−（１＋Ｋｘ）Ｃｘ²・Ｘ² −（１＋Ｋｙ）Ｃｙ²・Ｙ²｝^1/2] ＋Ｒ１｛（１−Ｐ１）Ｘ²＋（１＋Ｐ１）Ｙ²｝² ＋Ｒ２｛（１−Ｐ２）Ｘ²＋（１＋Ｐ２）Ｙ²｝³ ＋Ｒ３｛（１−Ｐ３）Ｘ²＋（１＋Ｐ３）Ｙ²｝⁴ ＋Ｒ４｛（１−Ｐ４）Ｘ²＋（１＋Ｐ４）Ｙ²｝⁵ ……(10) ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ
量、ＣｘはＸ軸方向曲率、ＣｙはＹ軸方向曲率、Ｋｘは
Ｘ軸方向円錐係数、ＫｙはＹ軸方向円錐係数、Ｒｎは球
面項回転対称成分、Ｐｎは非球面項回転非対称成分であ
る。なお、Ｘ軸方向曲率半径Ｒｘ、Ｙ軸方向曲率半径Ｒ
ｙと曲率Ｃｘ，Ｃｙとは、 Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ の関係にある。

【００６１】また、トーリック面にはＸトーリック面と
Ｙトーリック面があり、夫々次の式(11)，(12)により定
義される。面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線が
トーリック面の軸となる。Ｘトーリック面は、次の式(1
1)で定義される。 Ｆ（Ｘ）＝Ｃｘ・Ｘ²／[１＋｛１−（１＋Ｋ）Ｃｘ²・Ｘ²｝^1/2] ＋ＡＸ⁴＋ＢＸ⁶＋ＣＸ⁸＋ＤＸ¹⁰・・・・・・ Ｚ＝Ｆ（Ｘ）＋（１／２）Ｃｙ｛Ｙ²＋Ｚ²−Ｆ（Ｘ）²｝ ……(11) Ｙトーリック面は、次の式(12)で定義される。 Ｆ（Ｙ）＝Ｃｙ・Ｙ²／[１＋｛１−（１＋Ｋ）Ｃｙ²・Ｙ²｝^1/2] ＋ＡＹ⁴＋ＢＹ⁶＋ＣＹ⁸＋ＤＹ¹⁰・・・・・・ Ｚ＝Ｆ（Ｙ）＋（１／２）Ｃｘ｛Ｘ²＋Ｚ²−Ｆ（Ｙ）²｝ ……(12) ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ
量、ＣｘはＸ軸方向曲率、ＣｙはＹ軸方向曲率、Ｋは円
錐係数、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは非球面係数である。なお、Ｘ
軸方向曲率半径Ｒｘ、Ｙ軸方向曲率半径Ｒｙと曲率Ｃ
ｘ，Ｃｙとは、 Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ の関係にある。

【００６２】ホログラフィック素子には、レリーフ型ホ
ログラムと体積型ホログラムがある。レリーフ型ホログ
ラムは、入射角選択性や波長選択性が小さく、特定の入
射角、波長の光を回折して必要次数光として結像させる
が、それ以外の入射角、波長の光についても、回折効率
が低下した状態で回折してしまい、不要次数光として結
像させてしまうという性質を有する。一方、体積型ホロ
グラムは入射角選択性や波長選択性が高く、特定の波
長、入射角の光のみを回折して必要次数光として結像さ
せ、それ以外の光については殆どを０次光として透過又
は反射させてしまい、不要次数光を結像させ難いという
特性を有している。従って、本発明のように第１プリズ
ムに用いるホログラフィック素子として反射型体積ホロ
グラムを用いれば、不要次数光による像ブレの発生を防
ぐことができ、鮮明な観察画像を得ることができる。

【００６３】なお、本発明におけるホログラフィック素
子である体積型ホログラム（ＨＯＥ）は以下のように定
義する。図３６は本発明におけるＨＯＥを定義するため
の原理図である。まず、ＨＯＥ面に入射し、さらに射出
する波長λの光線追跡は、基準波長λ₀＝ＨＷＬに対し
て定義されるＨＯＥ面上での光路差関数Φ₀を用いて、
次式(13)で与えられる。 ｎ_dＱ_d・Ｎ＝ｎ_iＱ_i・Ｎ＋ｍ（λ／λ₀）∇Ф₀・Ｎ ……(13) ただし、ＮはＨＯＥ面の法線ベクトル、ｎ_i（ｎ_d）は入
射側（射出側）の屈折率、Ｑ_i（Ｑ_d）は入射（射出）ベ
クトル（単位ベクトル）である。また、ｍ＝ＨＯＲは射
出光の回折次数である。

【００６４】ＨＯＥが基準波長λ₀の２点光源、すなわ
ち図３６に示すように点Ｐ₁＝（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ
１）を光源とする物体光、および点Ｐ₂＝（ＨＸ２，Ｈ
Ｙ２，ＨＺ２）を光源とする参照光の干渉によって製造
される（定義される）とすれば、 Φ₀＝Φ₀ ^2P ＝ｎ₂・ｓ₂・ｒ₂−ｎ₁・ｓ₁・ｒ₁ となる。ただし、ｒ₁（ｒ₂）は点Ｐ₁（点Ｐ₂）からＨＯ
Ｅ面の所定の座標までの距離（＞０）、ｎ₁（ｎ₂）は製
造時（定義時）にＨＯＥを置く媒質の、点Ｐ₁（点Ｐ₂）
を配置した側の屈折率であり、ｓ₁＝ＨＶ１、およびｓ₂
＝ＨＶ２は光の進行方向を考慮する符号である。この符
号は光源が発散光源（実点光源）である場合に、ＲＥＡ
＝＋１、逆に光源が収束する光源（仮想点光源）の場合
にＶＩＲ＝−１となる。なお、レンズデータ中における
ＨＯＥの定義として、製造時（定義時）にＨＯＥを置く
媒質の屈折率ｎ₁（ｎ₂）は、レンズデータ中でＨＯＥ面
が接している媒質の、点Ｐ₁（点Ｐ₂）が存在する側の屈
折率とする。

【００６５】一般的な場合、ＨＯＥを製造する際の参照
光と物体光は球面波とは限らない。この場合のＨＯＥの
光路差関数Φ₀は、多項式で表した付加的な位相項Φ₀
^Poly（基準波長λ₀における光路差関数）を加えて次式
(14)で表わすことができる。 Φ₀＝Φ₀ ^2P＋Φ₀ ^Poly ……(14) ここで、多項式は、 であり、一般には ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）²＋ｍ＋３ｎ｝／２ で定義することができる。ただし、Ｈ_jは各項の係数で
ある。

【００６６】さらに光学設計の便宜から、光路差関数Φ
₀を Φ₀＝Φ₀ ^Poly のように付加項のみで表し、それによってＨＯＥを定義
することもできる。例えば、２点光源Ｐ₁（点Ｐ₂）を一
致させると光路差関数Φ₀の干渉による成分Φ₀ ^2Pはゼロ
となるので、この場合は実質的に付加項（多項式）のみ
で光路差関数を表示したことに相当する。以上のＨＯＥ
に関する説明は、すべてＨＯＥ原点を基準とするローカ
ル座標に対するものである。

【００６７】以下に、ＨＯＥを定義する構成パラメータ
の例を示す。 面番号 曲率半径 間隔 物体面 ∞ ∞ 絞り ∞ １００ ２ １５０ −７５ ＨＯＥ： ＨＶ１（ｓ₁）＝ＲＥＡ（＋１） ＨＶ２（ｓ₂）＝ＶＩＲ（−１） ＨＯＲ（ｍ） ＝１ ＨＸ１＝０ ，ＨＹ１＝-3.40×10⁹ ，ＨＺ１＝-3.
40×10⁹ ＨＸ２＝０ ，ＨＹ２＝ 2.50×10 ，ＨＺ２＝-7.
04×10 ＨＷＬ（λ₀）＝５４４ Ｈ１＝ -1.39×10^-21， Ｈ２＝ -8.57×10^-5， Ｈ
３＝ -1.50×10^-4

【００６８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の観察光学系および
撮像光学系の実施例について説明する。なお、実施例の
構成パラメータは後に示すことにする。各実施例におい
ては、例えば図４に示すように、軸上主光線２を、射出
瞳１（又は明るさ絞り１４）の中心（観察者眼球の旋回
中心位置）から導光板３、プリズム４、画像表示素子と
して設けられたＬＣＤ５（又は撮像素子１３）の中心に
至る光線で定義する。そして、軸上主光線２が導光板３
の射出瞳側の面と交差するまでの直線によって定義され
る光軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交し、かつ、プリズム
４を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記
光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸と定
義する。また、射出瞳１（又は明るさ絞り１４）の中心
をこの座標系の原点とする。そして、軸上主光線２が射
出瞳１（又は明るさ絞り１４）からＬＣＤ５（又は撮像
素子１３）に至る方向をＺ軸の正方向、ＬＣＤ５（又は
撮像素子１３）に向かうＹ軸の方向をＹ軸の正方向、Ｙ
軸とＺ軸と右手系を構成するＸ軸の方向をＸ軸の正方向
と夫々定義する。

【００６９】各実施例では、導光板３およびプリズム４
はこのＹ−Ｚ平面内で偏心を行なっており、また、導光
板３およびプリズム４に設けられる各回転非対称自由曲
面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。

【００７０】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軸方向を夫々、Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸
（自由曲面については、上記式(7)のＺ軸）のＸ軸，Ｙ
軸，Ｚ軸の夫々を中心とする傾き角（夫々α，β，γ
（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβ
の正は夫々の軸の正方向に対して半時計回りを、γの正
はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。その他、
球面の曲率半径、面間隔、媒質の屈折率、アッベ数は慣
用法によって与えるものとする。

【００７１】また、本発明で用いられる自由曲面の面の
形状は上記(7)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。

【００７２】また、自由曲面の他の定義式として、Ｚｅ
ｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は次式(15)によ
り定義する。その定義式(15)のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多
項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対
するＺ軸の高さの極座標で定義され、ＲはＸ−Ｙ面内の
Ｚ軸からの距離、ＡはＺ軸周りの方位角でＹ軸から測っ
た回転角で表わされる。

【００７３】 Ｘ＝Ｒ×ｃｏｓ(A) Ｙ＝Ｒ×ｓｉｎ(A) Ｚ＝Ｄ₂ ＋Ｄ₃Ｒｃｏｓ(A)＋Ｄ₄Ｒｓｉｎ(A) ＋Ｄ₅Ｒ²ｃｏｓ(2A)＋Ｄ₆（Ｒ²−１）＋Ｄ₇Ｒ²ｓｉｎ(2A) ＋Ｄ₈Ｒ³ｃｏｓ(3A)＋Ｄ₉（３Ｒ³−２Ｒ）ｃｏｓ(A) ＋Ｄ₁₀（３Ｒ³−２Ｒ）ｓｉｎ(A)＋Ｄ₁₁Ｒ³ｓｉｎ(3A) ＋Ｄ₁₂Ｒ⁴ｃｏｓ(4A)＋Ｄ₁₃（４Ｒ⁴−３Ｒ²）ｃｏｓ(2A) ＋Ｄ₁₄（６Ｒ⁴−６Ｒ²＋１）＋Ｄ₁₅（４Ｒ⁴−３Ｒ²）ｓｉｎ(2A) ＋Ｄ₁₆Ｒ⁴ｓｉｎ(4A) ＋Ｄ₁₇Ｒ⁵ｃｏｓ(5A)＋Ｄ₁₈（５Ｒ⁵−４Ｒ³）ｃｏｓ(3A) ＋Ｄ₁₉（１０Ｒ⁵−１２Ｒ³＋３Ｒ）ｃｏｓ(A) ＋Ｄ₂₀（１０Ｒ⁵−１２Ｒ³＋３Ｒ）ｓｉｎ(A) ＋Ｄ₂₁（５Ｒ⁵−４Ｒ³）ｓｉｎ(3A)＋Ｄ₂₂Ｒ⁵ｓｉｎ(5A) ＋Ｄ₂₃Ｒ⁶ｃｏｓ(6A)＋Ｄ₂₄（６Ｒ⁶−５Ｒ⁴）ｃｏｓ(4A) ＋Ｄ₂₅（１５Ｒ⁶−２０Ｒ⁴＋６Ｒ²）ｃｏｓ(2A) ＋Ｄ₂₆（２０Ｒ⁶−３０Ｒ⁴＋１２Ｒ²−１） ＋Ｄ₂₇（１５Ｒ⁶−２０Ｒ⁴＋６Ｒ²）ｓｉｎ(2A) ＋Ｄ₂₈（６Ｒ⁶−５Ｒ⁴）ｓｉｎ(4A)＋Ｄ₂₉Ｒ⁶ｓｉｎ(6A)・・・ ……(15) なお、上記においてＸ方向に対称な面として表した。た
だし、Ｄ_m（ｍは２以上の整数）は係数である。

【００７４】また、回転非対称面な自由曲面の形状は次
の式(16)により定義することもできる。その定義式(16)
のＺ軸が回転非対称面の軸となる。 Ｚ＝Σ_nΣ_mＣ_nmＸⁿＹ^n-m ……(16) ただし、Σ_nはΣのｎが０〜ｋ、Σ_mはΣのｍが０〜ｎを
表わす。

【００７５】また、面対称自由曲面（対称面を１つのみ
有する回転非対称面）を、この回転非対称面を表わす式
(16)により定義する場合は、その対称面により生ずる対
称性をＸ方向に求める場合は、Ｘの奇数次項を０に（例
えばＸ奇数次項の係数を０にする）、その対称面により
生ずる対称性をＹ方向に求める場合は、Ｙの奇数次項を
０に（例えば、Ｙ奇数次項の係数を０にする）すればよ
い。

【００７６】また、回転対称非球面の形状は次式(19)に
より定義する。その定義式(19)のＺ軸が回転対称非球面
の軸となる。 Ｚ＝（Ｙ₂／Ｒ）／[１＋｛１−Ｐ(Ｙ²／Ｒ²)｝^1/2] ＋Ａ₄Ｙ⁴＋Ａ₆Ｙ⁶＋Ａ₈Ｙ⁸＋Ａ₁₀Ｙ¹⁰・・・ ……(19) ただし、ＹはＺに垂直な方向であり、Ｒは近軸曲率半
径、Ｐは円錐係数、Ａ₄、Ａ₆、Ａ₈、Ａ₁₀は非球面係数
である。

【００７７】なお、本発明の実施例では、上記(7)式を
用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記(15)
式、(16)式を用いても同様の作用効果が得られるのは言
うまでもない。

【００７８】

【実施例】第１実施例 実施例１では、観察光学系として説明する。画像表示素
子としては、大きさが０．４７インチタイプの縦横９．
６ｍｍ×７．２ｍｍで、中心視度が−１．０ＤのＬＣＤ
を使用している。また、観察画角は、水平全画角２５．
００°、垂直全画角１８．８８°であり、瞳径（ＰＤ）
は、Φ１．５ｍｍ、アイレリーフ（ＥＲ）は、１８ｍｍ
である。本発明の実施例１に係る観察光学系の光軸を含
むＹ−Ｚ断面図を図４に示す。実施例１の観察光学系
は、像面と瞳面との間に配置されており、少なくともプ
リズム４と、導光板３とを含んで構成されている。像面
側には、観察者が観察する画像を表示する画像表示素子
としてＬＣＤ５が配置されている。また、ＬＣＤ５に表
示された観察像を観察するために瞳面に射出瞳１を形成
するようになっている。なお、以下の実施例の説明にお
いて、光学系の面番号は原則として射出瞳１からＬＣＤ
５に至る順番で追跡（逆光線追跡）し、プリズムにおけ
る各面の順番も逆光線追跡に合わせて表すこととする。
また、光学系を介して射出瞳１とＬＣＤ５とを結ぶ光路
内を進む光束を第１光束ということとする。

【００７９】プリズム４は、第１面４₁〜第４面４₄を有
している。導光板３には、第１の領域及び第２の領域の
夫々両面に、体積型ホログラム（ＨＯＥ）６₁〜６₄が設
けられている。また、導光板３は、前記第１の領域と前
記第２の領域との間で光束を１０回以上全反射させるよ
うに構成されている。なお、図４においては、第１の領
域が入射領域、第２の領域が射出領域を構成している。
導光板３の前記第１の領域の両面に設けられたＨＯＥ６
₁，６₂は、所定波長で入射した光束を夫々回折反射させ
ることで、該光束が導光板３の全反射臨界角を超えた角
度となるように形成されている。また、導光板３の前記
第２の領域の両面に設けられたＨＯＥ６₃，６₄は、導光
板３の全反射臨界角を超えた角度で入射した光束を夫々
回折反射させることで、導光板３から光束が射出される
ように形成されている。プリズム４の第１面４₁〜第４
面４₄は、導光板３を射出した光束の偏心収差を補正す
るための面として自由曲面で構成されている。

【００８０】そして、本実施例の観察光学系では、ＬＣ
Ｄ５から射出された第１光束は、第４面４₄を透過して
プリズム４の内部に入射した後、第３面４₃、第２面４₂
で反射され、第１面４₁を透過して、プリズム４から射
出される。その後、第１光束は、導光板３の第１の領域
に設けられたＨＯＥ６₂に対し臨界角以下の入射角度で
もって入射する。

【００８１】ＨＯＥ６₂に対し臨界角以下の第１の入射
角度で入射した光は、そのままＨＯＥ６₂を透過して、
ＨＯＥ６₁に入射する。ＨＯＥ６₁は、この入射位置にお
いてこの第１の入射角度でもって入射した光を回折反射
するように角度選択性を有して構成されており、この入
射光を回折反射する。ＨＯＥ６₁で回折反射された光は
第２の入射角度でもってＨＯＥ６₂に入射する。ＨＯＥ
６₂は、この入射位置において第２の入射角度でもって
入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構
成されており、この入射光を回折反射する。

【００８２】ＨＯＥ６₂で回折反射された光は導光板３
に対して臨界角を超えた第３の入射角度でもって、ＨＯ
Ｅ６₁に入射する。ＨＯＥ６₁は、この入射位置において
臨界角を超えた第３の入射角度でもって入射した光を全
反射する。全反射された光は、同様に臨界角を超えた第
３の入射角度でもって、ＨＯＥ６₂に入射する。ＨＯＥ
６₂は、この位置において臨界角を超えた第３の入射角
度でもって入射した光を全反射する。全反射された光
は、以下、導光板３の両側のガラス又はプラスチックで
できた基盤面の外部との界面で同様の全反射を繰り返
し、且つ、その途中の所定位置で一旦結像されて第２の
領域に設けられたＨＯＥ６₄の所定位置へと導かれる。

【００８３】ＨＯＥ６₄は、所定位置に臨界角を超えた
第３の入射角度でもって入射した光を回折反射するよう
に角度選択性を有して構成されており、この入射光を回
折反射する。ＨＯＥ６₄で回折反射された光は導光板に
対して第４の入射角度でもって、ＨＯＥ６₃に入射す
る。ＨＯＥ６₃はこの入射位置において第４の入射角度
でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を
有して構成されており、この入射光を回折反射する。Ｈ
ＯＥ６₃で回折反射された光は導光板３に対して臨界角
以下の第５の入射角度でもってＨＯＥ６₄に入射し、そ
のままＨＯＥ６₄を透過して導光板３を射出して射出瞳
１へと導かれる。

【００８４】なお、本発明の実施例においては、観察光
学系として説明することとするが、観察光学系の像面に
ＬＣＤ５に換えて撮像素子１３を配置し、瞳面（射出瞳
１の位置）に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞り
１４を配置することにより、撮像光学系として構成する
ことができる。その場合には、第１の領域が射出領域、
第２の領域が入射領域となる。そして、明るさ絞り１４
を通過した物体からの光束が、導光板３の第２の領域に
入射し、ＨＯＥ６₄を透過し、ＨＯＥ６₃で回折反射され
た後、ＨＯＥ６₄で回折反射されて、導光板３の全反射
臨界角を超えた角度となって、導光板３の内部で１０回
以上全反射され、且つ、その途中の所定位置で一旦結像
して第１の領域へと向かい、第１の領域においてＨＯＥ
６₁で回折反射された後、ＨＯＥ６₂で回折反射されて、
ＨＯＥ６₁を透過して導光板３から射出する。導光板３
から射出した光束は、プリズム４の第１面４₁を透過し
てプリズム４の内部に入射した後、第２面４₂、第３面
４₃で反射され、第４面４₄を透過して、プリズム４を射
出し、撮像素子１４に導かれるようにする。

【００８５】その他、体積型ホログラムは、Ｒ，Ｇ，Ｂ
の３層を貼り合わせて構成されており、カラー像を観察
することができるようになっている。また、図４に示す
ように、導光板３は面形状が平面状に形成されている。
また、本実施例の光学系は導光板３の同一面側に射出瞳
１とプリズム４が位置して構成されている。

【００８６】次に、第１実施例の数値データを示す。数
値データ中、“ＦＦＳ”は自由曲面を示している。ま
た、本実施例の像歪みを表す収差図を図５に、横収差を
表す収差図を図６に夫々示す。図５中、縦軸はＸ方向の
像高、横軸はＹ方向の像高を示している。また、図６
中、夫々(a)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ方向画角がゼロを
通る主光線のＹ方向の横収差、(b)はＸ方向画角がゼ
ロ、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＸ方向の横収差、
(c)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ負方向最大画角を通る主光
線のＹ方向の横収差、(d)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ負方
向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、(e)はＸ正
方向最大画角、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＹ方向
の横収差、(f)はＸ正方向最大画角、Ｙ負方向最大画角
を通る主光線のＸ方向の横収差、(g)はＸ正方向最大画
角、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＹ方向の横収差、
(h)はＸ正方向最大画角、Ｙ方向画角がゼロを通る主光
線のＸ方向の横収差、(i)はＸ正方向最大画角、Ｙ正方
向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、(j)はＸ正
方向最大画角、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＸ方向
の横収差、(k)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ正方向最大画角
を通る主光線のＹ方向の横収差、(l)はＸ方向画角がゼ
ロ、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差を
示している。

【００８７】数値データ１ 瞳径 ：φ１．５ｍｍ 水平全画角：２５．００度 垂直前画角：１８．８８度 波長 ：５２５ｎｍ ＥＲ ：１８ｍｍ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 ＨＯＥ面 物体面 ∞ -1000.00 1 絞り面 0.00 偏心(1) 2 ∞ 0.00 偏心(1) 3 ∞ 0.00 偏心(2) 1.5163 64.1 4 ∞ 0.00 偏心(3) 1.5163 64.1 5 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 HOE[1] 6 ∞ 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 7 ∞ 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 8 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 HOE[2] 9 ∞ 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 10 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 11 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 12 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 13 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 14 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 15 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 16 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 17 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 18 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 19 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 20 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 21 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 22 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 23 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 24 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 25 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 26 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 27 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 28 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 29 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 30 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 31 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 32 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 33 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 34 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 35 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 36 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 37 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 38 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 39 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 40 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 41 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 42 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 43 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 44 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 45 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 46 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 47 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 48 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 49 ∞ 反射面 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 HOE[3] 50 ∞ 0.00 偏心(5) 1.5163 64.1 51 ∞ 反射面 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 HOE[4] 52 ∞ 0.00 偏心(4) 1.5163 64.1 53 ∞ 0.00 偏心(5) 54 ∞ 0.00 偏心(6) 55 ∞ 0.00 偏心(6) 56 FFS[1] 0.00 偏心(7) 1.5254 56.2 57 FFS[2] 反射面 0.00 偏心(8) 1.5254 56.2 58 FFS[3] 反射面 0.00 偏心(9) 1.5254 56.2 59 FFS[4] 0.00 偏心(10) 像 面 ∞ 0.00 偏心(11)

【００８８】偏心[1] Ｘ＝ 0.00 Ｙ＝ 0.00 Ｚ＝ 0.00 α＝ 0.00 β＝ 0.00 γ＝ 0.00 偏心[2] Ｘ＝ 0.00 Ｙ＝ 0.00 Ｚ＝ 18.00 α＝ 0.00 β＝ 0.00 γ＝ 0.00 偏心[3] Ｘ＝ 0.00 Ｙ＝ 0.00 Ｚ＝ 19.00 α＝ 0.00 β＝ 0.00 γ＝ 0.00 偏心[4] Ｘ＝ 0.00 Ｙ＝ 0.00 Ｚ＝ 19.00 α＝ 0.00 β＝ 0.00 γ＝ 0.00 偏心[5] Ｘ＝ 0.00 Ｙ＝ 0.00 Ｚ＝ 18.00 α＝ 0.00 β＝ 0.00 γ＝ 0.00 偏心[6] Ｘ＝ 0.00 Ｙ＝ 40.77 Ｚ＝ 15.00 α＝ 0.00 β＝ 0.00 γ＝ 0.00 偏心[7] Ｘ＝ 0.00 Ｙ＝ 40.77 Ｚ＝ 14.50 α＝ 0.00 β＝ 0.00 γ＝ 0.00 偏心[8] Ｘ＝ 0.00 Ｙ＝ 40.56 Ｚ＝ -3.51 α＝-22.23 β＝ 0.00 γ＝ 0.00 偏心[9] Ｘ＝ 0.00 Ｙ＝ 30.83 Ｚ＝ 6.19 α＝-67.75 β＝ 0.00 γ＝ 0.00 偏心[10] Ｘ＝ 0.00 Ｙ＝ 50.78 Ｚ＝ 6.33 α＝-90.40 β＝ 0.00 γ＝ 0.00 偏心[11] Ｘ＝ 0.00 Ｙ＝ 53.78 Ｚ＝ 6.33 α＝-90.40 β＝ 0.00 γ＝ 0.00

【００８９】 ＨＯＥ[1] ＨＶ１＝ＲＥＡ ＨＶ２＝ＲＥＡ ＨＯＲ＝1 ＨＸ１＝0.0 ＨＹ１＝0.0 ＨＺ１＝0.0 ＨＸ２＝0.0 ＨＹ２＝0.0 ＨＺ２＝0.0 ＨＷＬ＝525.00 Ｈ２＝ 5.8145×10^-1 Ｈ３＝-2.0659×10^-2 Ｈ５＝-2.1538×10^-2 Ｈ７＝-7.7619×10^-3 Ｈ９＝ 1.5407×10^-3 Ｈ10＝ 2.5714×10^-4 Ｈ12＝-3.3393×10^-4 Ｈ14＝ 1.6631×10^-5 Ｈ16＝-2.7007×10^-5 Ｈ18＝ 3.7914×10^-5 Ｈ20＝-1.2359×10^-5 ＨＯＥ[2] ＨＶ１＝ＲＥＡ ＨＶ２＝ＲＥＡ ＨＯＲ＝1 ＨＸ１＝0.0 ＨＹ１＝0.0 ＨＸ２＝0.0 ＨＹ２＝0.0 ＨＺ２＝0.0 ＨＷＬ＝525.0 Ｈ２＝ 4.9466×10^-1 Ｈ３＝ 2.2801×10^-3 Ｈ５＝-1.1129×10^-3 Ｈ７＝ 7.7762×10^-3 Ｈ９＝-1.5459×10^-3 Ｈ10＝-1.8260×10^-4 Ｈ12＝ 4.6538×10^-4 Ｈ14＝-4.7170×10^-5 Ｈ16＝ 1.9281×10^-5 Ｈ18＝-3.3546×10^-5 Ｈ20＝ 1.5050×10^-5 ＨＯＥ[3] ＨＶ１=ＲＥＡ ＨＶ２=ＲＥＡ ＨＯＲ＝1 ＨＸ１＝0.0 ＨＹ１＝0.0 ＨＺ１＝0.0 ＨＸ２＝0.0 ＨＹ２＝0.0 ＨＺ２＝0.0 ＨＷＬ＝525.0 Ｈ２＝-4.4001×10^-1 Ｈ３＝-1.6801×10^-2 Ｈ５＝-1.3627×10^-3 Ｈ７＝-5.1509×10^-4 Ｈ９＝ 8.7899×10^-6 Ｈ10＝ 1.8788×10^-4 Ｈ12＝ 4.1180×10^-6 Ｈ14＝ 1.6891×10^-7 Ｈ16＝ 1.4042×10^-6 Ｈ18＝-1.3723×10^-7 Ｈ20＝-2.2827×10^-9 ＨＯＥ[4] ＨＶ１＝ＲＥＡ ＨＶ２=ＲＥＡ ＨＯＲ＝1 ＨＸ１＝0.0 ＨＹ１＝0.0 ＨＺ１＝0.0 ＨＸ２＝0.0 ＨＹ２＝0.0 ＨＺ２＝0.0 ＨＷＬ＝525.0 Ｈ２＝-5.2805×10^-1 Ｈ３＝ 1.4959×10^-3 Ｈ５＝-1.0434×10^-3 Ｈ７＝ 2.6027×10^-5 Ｈ９＝ 8.2193×10^-6 Ｈ10＝-1.4081×10^-4 Ｈ12＝ 3.9954×10^-6 Ｈ14＝ 1.4860×10^-7 Ｈ16＝-2.6769×10^-6 Ｈ18＝ 1.6153×10^-7 Ｈ20＝-4.8026×10^-9

【００９０】 ＦＦＳ[1] Ｃ４＝-1.7627×10^-2 Ｃ６＝-3.2244×10^-2 Ｃ８＝-1.1610×10^-4 Ｃ10＝ 2.4210×10^-4 Ｃ11＝ 5.6144×10^-5 Ｃ13＝-2.6065×10^-5 Ｃ15＝-4.7726×10^-6 ＦＦＳ[2] Ｃ４＝ 7.3637×10^-3 Ｃ６＝ 6.0065×10^-3 Ｃ８＝-1.3464×10^-4 Ｃ10＝-2.2866×10^-5 Ｃ11＝-3.5298×10^-6 Ｃ13＝ 4.6769×10^-6 Ｃ15＝-9.8837×10^-7 ＦＦＳ[3] Ｃ４＝-9.7613×10^-3 Ｃ６＝ 1.6680×10^-2 Ｃ８＝-9.2368×10^-6 Ｃ10＝ 2.1238×10^-3 Ｃ11＝-6.5985×10^-4 Ｃ13＝ 3.0115×10^-5 Ｃ15＝ 2.9208×10^-4 ＦＦＳ[4] Ｃ４＝-2.0292×10^-2 Ｃ６＝-7.4393×10^-4 Ｃ８＝-6.7090×10^-4 Ｃ10＝-7.6222×10^-4 Ｃ11＝ 1.6262×10^-3 Ｃ13＝ 1.5184×10^-4 Ｃ15＝ 1.9271×10^-3

【００９１】第２実施例 第２実施例の光学系を図７に示す。図７は、第２実施例
にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
本実施例の光学系は、導光板３が長さ方向に沿って曲面
形状に形成されている。また、プリズム４は第２面４₂
と第３面４₃の面形状が平面形状に、第１面４₁と第４面
４₄の面形状が自由曲面形状にそれぞれ形成されてい
る。その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じであ
る。

【００９２】第３実施例 本発明の光学系の第３実施例を図８に示す。図８は、第
３実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図
である。本実施例の光学系は、射出瞳１とプリズム４と
が導光板３を隔てて位置するように構成されている。ま
た、プリズム４は第１面４₁〜第３面４₃を有しており、
第１面４₁が透過面と反射面とを兼ね備えた面、第２面
４₂が反射面、第３面４₃が透過面として構成されてい
る。

【００９３】そして本実施例では、ＬＣＤ５から射出さ
れた第１光束は、第３面４₃を透過してプリズム４の内
部に入射した後、第１面４₁、第２面４₂で反射され、第
１面４₁を透過して、プリズム４から射出される。その
後、第１光束は、導光板３の第１の領域に設けられたＨ
ＯＥ６₁に対し臨界角以下の入射角度でもって入射す
る。

【００９４】ＨＯＥ６₁に対し臨界角以下の第１の入射
角度で入射した光は、そのままＨＯＥ６₁を透過して、
ＨＯＥ６₂に入射する。ＨＯＥ６₂は、この入射位置にお
いてこの第１の入射角度でもって入射した光を回折反射
するように角度選択性を有して構成されており、この入
射光を回折反射する。ＨＯＥ６₂で回折反射された光は
第２の入射角度でもってＨＯＥ６₁に入射する。ＨＯＥ
６₁は、この入射位置において第２の入射角度でもって
入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構
成されており、この入射光を回折反射する。

【００９５】ＨＯＥ６₁で回折反射された光は導光板３
に対して臨界角を超えた第３の入射角度でもって、ガラ
ス又はプラスチックでできた基盤面に入射する。以下、
導光板３の両側の基盤面の外部との界面で同様の全反射
を繰り返し、且つ、その途中の所定位置で一旦結像され
て第２の領域に設けられたＨＯＥ６₄の所定位置へと導
かれる。その他の作用効果は第１実施例とほぼ同じであ
る。

【００９６】第４実施例 本発明の光学系の第４実施例を図９に示す。図９は、第
４実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図
である。本実施例の光学系は、ＨＯＥ６₁’と６₂’と
が、導光板３の夫々の側において入射領域から射出領域
に至るまで一体に形成され、且つ、入射領域の所定位置
から射出領域の所定位置に至るまでの領域において光束
が、全反射臨界角を超えた角度でもって前記導光板内部
で１０回以上全反射するように構成されている。また、
本実施例では、ＨＯＥ６’₂は、プリズム４からの入射
光の入射位置においてこの第１の入射角度でもって入射
した光を回折透過するように角度選択性を有し、この入
射光を回折透過して第２の入射角度でもってＨＯＥ６’
₁に入射するように構成されている。

【００９７】また、画像表示素子５は反射型ＬＣＤで構
成されている。また、プリズム４の近傍には照明光源７
が設けられている。プリズム４は、２個のプリズム８，
９をハーフミラー１０を挟んで接合して構成されてお
り、照明光源７からの照明光をハーフミラー１０で反射
して、反射型ＬＣＤ５に照射し、反射型ＬＣＤ５で反射
された光束をハーフミラー１０を透過して導光板３の入
射領域へと導くようになっている。また、プリズム９の
瞳側面には遮光部材１１が設けられており、ハーフミラ
ー１０を透過した照明光源７からの照明光が観察者の瞳
に入射して観察を邪魔するのを防止している。なお、プ
リズム４の第１面４₁〜第３面４₃の少なくともいずれか
が自由曲面形状に形成されている。その他の、構成及び
作用効果は第１実施例とほぼ同じである。

【００９８】また、本発明の光学系に用いるプリズム
は、上記実施例のタイプのものに限定されるものではな
く、図１０〜図２０に示すようなプリズムを用いてもよ
い。

【００９９】図１０の場合は、プリズムＰは、第１面３
２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２
が射出面として、第２面３３が反射面として、第３面３
４が入射面として夫々構成されている。そして、プリズ
ムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第３面３４で屈折
してプリズム内に入射し、第２面３３で反射し、第１面
３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置
においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するよ
うに構成されている。

【０１００】図１１の場合は、プリズムＰは、第１面３
２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２
が第１の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２
面３３が第３の反射面と入射面とを兼ね備えた面とし
て、第３面３４が第２の反射面として夫々構成されてい
る。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光
が第２面３３で屈折してプリズム内に入射し、第１面３
２で反射し、第３面３４で反射した後、第２面３３で反
射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出
瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上
に結像するように構成されている。

【０１０１】図１２の場合は、プリズムＰは、第１面３
２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備
え、第１面３２が射出面として、第２面３３が第３の反
射面として、第３面３４が入射面と第２の反射面とを兼
ね備えた面として、第４面３５が第１の反射面として夫
々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６
から射出した光が第３面３４で屈折してプリズム内に入
射し、第４面３５で反射した後、第３面３４で反射し、
第２面３３で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外
に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者
の眼球の網膜上に結像するように構成されている。

【０１０２】図１３の場合は、プリズムＰは、第１面３
２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備
え、第１面３２が射出面として、第２面３３が同一面上
の異なる位置に第１の反射面と第３の反射面とを備えた
面として、第３面３４が第２の反射面として、第４面３
５が入射面として夫々構成されている。そして、プリズ
ムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第４面３５で屈折
してプリズム内に入射し、第２面３３に備わる第１の反
射面で反射し、第３面３４で反射した後、第２面３３に
備わる第３の反射面で反射し、第１面３２で屈折してプ
リズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しな
い観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されてい
る。

【０１０３】図１４の場合は、プリズムＰは、第１面３
２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備
え、第１面３２が射出面として、第２面３３が入射面と
第２の反射面とを兼ね備えた面と、第４の反射面とを同
一面上の異なる位置に備えた面として、第３面３４が第
３の反射面として、第４面３５が第１の反射面として夫
々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６
から射出した光が第２面３３に備わる入射面で屈折して
プリズム内に入射し、第４面３５で反射した後、第２面
３３に備わる第２の反射面で反射し、第３面３４で反射
した後、第２面３３に備わる第４の反射面で反射し、第
１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の
位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像す
るように構成されている。

【０１０４】図１５の場合は、プリズムＰは、第１面３
２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２
が第１の反射面と、第３の反射面と射出面とを兼ね備え
た面とを同一面上の異なる位置に備えた面として、第２
面３３が第４の反射面として、第３面３４が入射面と第
２の反射面とを兼ね備えた面として夫々構成されてい
る。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光
が第３面３４に備わる入射面で屈折してプリズム内に入
射し、第１面３２に備わる第１の反射面で反射した後、
第３面３４に備わる第２の反射面で反射し、第１面３２
に備わる第３の反射面で反射し、第２面３３で反射した
後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に
射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の
眼球の網膜上に結像するように構成されている。

【０１０５】図１６の場合は、プリズムＰは、第１面３
２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２
が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面と、第４の反
射面と射出面とを兼ね備えた面とを同一面上の異なる位
置に備えた面として、第２面３３が第５の反射面とし
て、第３面３４が第１の反射面と第３の反射面とを兼ね
備えた面として夫々構成されている。そして、プリズム
Ｐは、ＬＣＤ３６から射出した光が第１面３２に備わる
入射面で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４に備
わる第１の反射面で反射した後、第１面３２に備わる第
２の反射面で反射し、第３面３４に備わる第３の反射面
で反射した後、第１面３２に備わる第４の反射面で反射
し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出
面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置に
おいた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するよう
に構成されている。

【０１０６】図１７の場合は、プリズムＰは第１面３２
と、第２面３３と、第３面３４、第４面３５とを備え、
第１面３２が第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面と
して、第２面３３が第３の反射面として、第３面３４が
第１の反射面として、第４面３５が入射面として夫々構
成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から
射出した光が第４面３５で屈折してプリズム内に入射
し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２
の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面に
備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３
１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結
像するように構成されている。

【０１０７】図１８の場合は、プリズムＰは第１プリズ
ムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プ
リズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３
４と、第４面３５とを備え、第１面３２が第１プリズム
Ｐ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面と
して、第２面３３が第１プリズムＰ１における第３の反
射面として、第３面３４が第１プリズムＰ１における第
１の反射面として、第４面３５が第１プリズムＰ１にお
ける入射面として夫々構成されている。また、第２プリ
ズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３
とを備え、第１面４１が第２プリズムＰ２における第１
の反射面と射出面を兼ね備えた面として、第２面４２が
第２プリズムＰ２における第２の反射面として、第３面
４３が第２プリズムＰ２における入射面として夫々構成
されている。

【０１０８】そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射
出した光が第２プリズムＰ２の第３面４３で屈折してプ
リズム内に入射し、第３面４３に備わる第１の反射面で
反射し、第２面４２で反射した後、第１面４１で屈折し
てプリズム外に射出し、さらに、第１プリズムＰ１の第
４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で
反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射
し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出
面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置に
おいた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するよう
に構成されている。

【０１０９】図１９の場合は、プリズムＰは第１プリズ
ムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プ
リズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３
４と、第４面３５とを備え、第１面３２が第１プリズム
Ｐ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面と
して、第２面３３が第１プリズムＰ１における第３の反
射面として、第３面３４が第１プリズムＰ１における第
１の反射面として、第４面３５が第１プリズムＰ１にお
ける入射面として夫々構成されている。また、第２プリ
ズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３
と、第４面４４とを備え、第１面４１が第２プリズムＰ
２における射出面として、第２面４２が第２プリズムＰ
２における第２の反射面として、第３面４３が第２プリ
ズムＰ２における第１の反射面として、第４面４４が第
２プリズムＰ２における入射面として夫々構成されてい
る。

【０１１０】そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射
出した光が第２プリズムＰ２の第４面４４で屈折してプ
リズム内に入射し、第３面４３で反射し、第２面４２で
反射し、第１面４１で屈折してプリズム外に射出し、さ
らに、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折してプリズ
ム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に
備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した
後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に
射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の
眼球の網膜上に結像するように構成されている。

【０１１１】図２０の場合は、プリズムＰは第１プリズ
ムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プ
リズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３
４と、第４面３５とを備え、第１面３２が第１プリズム
Ｐ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面と
して、第２面３３が第１プリズムＰ１における第３の反
射面として、第３面３４が第１プリズムＰ１における第
１の反射面として、第４面３５が第１プリズムＰ１にお
ける入射面として夫々構成されている。また、第２プリ
ズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３
と、第４面４４とを備え、第１面４１が第２プリズムＰ
２における射出面として、第２面４２が第２プリズムＰ
２における第２の反射面として、第３面４３が第２プリ
ズムＰ２における第１の反射面として、第４面４４が第
２プリズムＰ２における入射面として夫々構成されてい
る。

【０１１２】そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射
出した光が第２プリズムＰ２の第４面４４で屈折してプ
リズム内に入射し、第３面４３で反射し、第２面４２で
反射し、第１面４１で屈折してプリズム外に射出し、さ
らに、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折してプリズ
ム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に
備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した
後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に
射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の
眼球の網膜上に結像するように構成されている。なお、
図１９と図２０のプリズムとは、第２プリズムＰ２の第
３面と第４面とを結ぶ光路と第１面と第２面とを結ぶ光
路とが図１９では、交差しないのに対し、図２０では交
差するようになっている点で構成が異なっている。

【０１１３】次に、以上のような本発明による観察光学
系、撮像光学系は、物体像を接眼レンズを通して観察す
る観察装置や、物体像を形成しその像をＣＣＤや銀塩フ
ィルムといった撮像素子に受光させて撮影を行なう撮影
装置として用いることが可能である。具体的には、顕微
鏡、頭部装着型画像表示装置、内視鏡、プロジェクタ
ー、銀塩カメラ、デジタルカメラ、ＶＴＲカメラ、更に
は、観察光学系や撮像光学系を付加した情報処理装置、
携帯電話等がある。以下にその実施形態を例示する。

【０１１４】その一例として、図２１に頭部装着型で両
眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態
を、図２２(a)にその断面図を示す。この構成は、本発
明による観察光学系を図２２(a)に示すように接眼光学
系として用いており、この接眼光学系１００と画像表示
素子５からなる組を左右一対用意し、それらを眼幅距離
だけ離して支持することにより、両眼で観察できる据え
付け型又は頭部装着型画像表示装置のようなポータブル
型の画像表示装置１０２として構成されている。

【０１１５】すなわち、画像表示装置本体１０２には、
上記のような観察光学系が接眼光学系１００として用い
られ、その接眼光学系１００が左右一対備えられ、それ
らに対応して像面に液晶表示素子からなる画像表示素子
５が配置されている。そして、画像表示装置本体１０２
には、図２１に示すように、左右に連続して図示のよう
な側頭フレーム１０３が設けられ、画像表示装置本体１
０２を観察者の眼前に保持できるようになっている。な
お、図２２(a)では、観察光学系と、眼鏡用レンズ１５
とを画像表示装置１０２本体の内部に一体的に組み込ん
で構成しているが、眼鏡用のレンズ１５を組み込まない
で画像表示装置１０２を構成してもよい。

【０１１６】また、側頭フレーム１０３にはスピーカ１
０４が付設されており、画像観察と共に立体音響を聞く
ことができるようになっている。このようにスピーカ１
０４を有する表示装置本体１０２には、映像音声伝達コ
ード１０５を介してポータブルビデオカセット等の再生
装置１０６が接続されており、観察者はこの再生装置１
０６を図示のようにベルト箇所等の任意の位置に保持し
て、映像音響を楽しむことができるようになっている。
図２１の符号１０７は再生装置１０６のスイッチ、ボリ
ューム等の調節部である。なお、画像表示装置本体１０
２の内部には映像処理、音声処理回路等の電子部品を内
蔵させてある。

【０１１７】なお、コード１０５は先端をジャックにし
て、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよ
い。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ
鑑賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピ
ュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメ
ッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪
魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部
からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。

【０１１８】また、図２２(b)に示すように、画像表示
装置本体１０２には眼鏡のレンズ１５を組み込まないで
構成し、画像表示装置本体１０２に接続された支持部材
１０３’を眼鏡１６のフレーム１７に着脱可能に構成し
てもよい。この場合、図２２(a)のスピーカ１０４は支
持部材１０３’に付設すればよい。また、図２２(c)に
示すように、左右の眼ごとに接眼光学系１００と画像表
示素子５とを防塵部材１８で覆うと共に、防塵部材１８
を眼鏡１６のフレーム１２に接続して構成してもよい。

【０１１９】さらに、本発明による観察光学系は、接眼
光学系を左右何れか一方の眼前に配置した片眼用の頭部
装着型画像表示装置に用いてもよい。図２３に片眼に装
着（この場合は、左眼に装着）する構成にした場合の様
子を示す。図２３中、１１１は実施例に示された、ガラ
ス又はプラスチックで構成された導光部の両面にホログ
ラフィック素子を貼り合わせて構成された導光部材を示
しており、導光部材１１１は、表示装置本体部１１４の
下部に設けられた支持部材（図示省略）が観察者１１２
の耳部１１３及び後頭部を介して固定されることによ
り、観察者１１２の顔面の左眼の前方に保持されてい
る。なお、図示省略した支持部材の構成としては、例え
ば、特開平１０−２５７５８１号公報に記載の構成を用
いることができる。

【０１２０】即ち、本実施例の画像表示装置が観察者１
１２の左耳のみで支持するタイプの場合には、表示装置
本体部１１４の下部に設ける支持部材は、特開平１０−
２５７５８１号公報に記載の「支持部、補助支持部」が
観察者１１２の左の耳部１１３の耳殻の上側付根部分か
ら下側付根部分にかけて湾曲形成されるようにして構成
する。この場合には、スピーカであるイヤホン部１１５
は、表示装置本体部１１４から音声信号を伝達するコー
ド１１６が接続された左耳用のイヤホン部のみのモノラ
ルタイプに構成するか、若しくは、左耳用のイヤホン部
に加えて、表示装置本体部１１４から長く延びた図示し
ないコードに接続された右耳用のイヤホン部を取り付け
てステレオタイプに構成する。

【０１２１】また、本実施例の画像表示装置が観察者１
１２の左右の耳で支持するタイプの場合には、表示装置
本体部１１４の下部に設ける支持部材は、特開平１０−
２５７５８１号公報に記載の「ヘッドバンド」を軸に、
左右夫々に耳部の耳殻の上側付根部分から下側付根部分
にかけて湾曲して形成される「支持部、補助支持部」を
設けることに加えて、「掛止体」若しくは長さを調整す
る構成を付加することによって、頭部の大きさ及び耳の
位置が夫々に異なる観察者の左右の耳の位置合わせに対
応可能に構成できる。この場合には、ステレオタイプの
左右のイヤホン部に夫々接続するコードを、「ヘッドバ
ンド」に接続させるか若しくは「ヘッドバンド」の内部
に埋設させ、イヤホン部近傍部分のコードのみが外部に
露出するように構成することが望ましい。

【０１２２】更に、表示装置本体部１１４には、インタ
ーネット接続やＴＶ信号受信を可能にするＣＰＵ回路等
が内蔵され、また、それらの信号の送受信のためのアン
テナ１１９が設けられている。

【０１２３】更に、映像・音声信号等を外部から送信す
るためのケーブル１１７が、表示装置本体部１１４から
外部に延びて、ビデオ再生装置１１８に接続されてい
る。なお、図中、１１８ａはビデオ再生装置１１８のス
イッチやボリュウム調整部である。また、ケーブル１１
７の先端部１１７ａは、既存のビデオデッキ等に接続可
能なジャックとして構成してもよい。さらに、その場合
は、低価格タイプの装置として、表示装置本体部１１４
に内蔵されたインターネット接続やＴＶ信号受信を可能
にするＣＰＵ回路等とアンテナ１１９を省略し、このジ
ャックを使って、ＴＶ電波受信用チューナーに接続して
ＴＶ鑑賞用にしたり、コンピュータに接続してコンピュ
ータグラフィックスの映像や、インターネットからの映
像等を受信するように構成してもよい。

【０１２４】また、表示装置本体部１１４と導光部材１
１１との間には、ＬＣＤ等の画像表示素子とプリズム部
材を内蔵した画像形成ユニット部１２０と、観察者の顔
の大きさに合わせて位置調整可能なフレーム部１２１が
設けられている。このフレーム部１２１には、表示装置
本体部１１４に内蔵のＣＰＵ回路とＬＣＤ等の画像表示
素子とを電気的に接続するコードが内蔵されている。ま
た、フレーム部１２１を位置調整可能にするために、フ
レーム自体を弾性体で構成しても良いし、あるいは、フ
レーム部１２１と表示装置本体部１１４との接合部分を
ギヤで構成してフレーム部１２１を表示装置本体部１１
４に対して伸縮自在となるようにしてもよい。

【０１２５】また、図２４〜図２６は、本発明による撮
像光学系の要部構成を電子カメラのファインダー部の対
物光学系に組み込んだ構成の概念図を示す。図２４は電
子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図２５は同後方
斜視図、図２６は電子カメラ４０の構成を示す断面図で
ある。

【０１２６】電子カメラ４０は、この例の場合、撮影用
光路４２を有する撮影光学系４１、ファインダー用光路
４４を有するファインダー光学系４３、シャッター釦４
５、フラッシュ４６、液晶表示モニター４７等を含み、
カメラ４０の上部に配置されたシャッター釦４５を押圧
すると、それに連動して撮影用対物光学系４８を通して
撮影が行なわれる。撮影用対物光学系４８によって形成
された物体像が、ローパスフィルター、赤外カットフィ
ルター等のフィルター５１を介してＣＣＤ４９の撮像面
５０上に形成される。

【０１２７】このＣＣＤ４９で受光された物体像は、処
理手段５２を介し、電子画像としてカメラ背面に設けら
れた液晶表示モニター４７に表示される。また、この処
理手段５２には記録素子６１が配置され、撮影された電
子画像を記録することもできる。なお、この記録素子６
１は処理手段５２と別体に設けられてもよいし、フロッ
ピー（登録商標）ディスク等により電子的に記録書込を
行なうように構成してもよい。また、ＣＣＤ４９に代わ
って銀塩フィルムを配置した銀塩カメラとして構成して
もよい。

【０１２８】さらに、ファインダー用光路４４上には、
ファインダー用対物光学系５３が配置されており、この
ファインダー用対物光学系５３は、カバーレンズ５４
と、フォーカシングのために光軸方向に位置調節可能な
正レンズ群５７と、図４の実施例に示すような明るさ絞
り１４と導光板３とプリズム４とを備えてなる。また、
カバー部材として用いられているカバーレンズ５４は、
負のパワーを有するレンズ群であり、画角を拡大してい
る。このファインダー用対物光学系５３によって結像面
９０上に形成された物体像は、像正立部材であるポロプ
リズム５５の視野枠上に形成される。

【０１２９】なお、その視野枠は、ポロプリズム５５の
第１反射面５６₁と第２反射面５６₂との間を分離し、そ
の間に配置されている。なお、ポロプリズム５５は第１
反射面５６₁から第４反射面５６₄でなる。このポロプリ
ズム５５の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球
Ｅに導く接眼光学系５９が配置されている。

【０１３０】このように構成されたカメラ４０は、ファ
インダー用対物光学系５３を少ない光学部材で構成で
き、高性能・低コスト化が実現できると共に、対物光学
系５３の光路自体を折り曲げて構成できるため、カメラ
内部での配置の自由度が増し、設計上有利となる。

【０１３１】なお、図２６の構成において、撮影用対物
光学系４８の構成については言及しなかったが、撮影用
対物光学系４８としては屈折型同軸光学系の他に、本発
明の２つのプリズム３，４からなる何れかのタイプの撮
像光学系を用いることも当然可能である。

【０１３２】次に、図２７は本発明の撮像光学系を電子
カメラ４０の撮影部の対物光学系４８に、本発明の観察
光学系を電子カメラ４０の接眼光学系５９に組み込んだ
構成の概念図を示す。この例の場合は、撮影用光路４２
上に配置された撮影用対物光学系４８は、正レンズから
なるカバー部材６５と本発明の実施例３に示すような導
光板３、プリズム４からなる撮像光学系からなる。そし
て、そのプリズム４とＣＣＤ４９との間にローパスフィ
ルター、赤外カットフィルター等のフィルター５１が配
置されており、この撮影用対物光学系４８により形成さ
れた物体像はＣＣＤ４９の撮像面５０上に形成される。
このＣＣＤ４９で受光された物体像は、処理手段５２を
介し、液晶表示素子（ＬＣＤ）６０上に電子像として表
示される。また、この処理手段５２は、ＣＣＤ４９で撮
影された物体像を電子情報として記録する記録手段６１
の制御も行なう。ＬＣＤ６０に表示された画像は、接眼
光学系５９を介して観察者眼球Ｅに導かれる。

【０１３３】この接眼光学系５９は、本発明の実施例３
に示すような観察光学系と同様の形態を持つ導光板３、
プリズム４とその射出瞳側に配置されたカバーレンズ９
１とからなる。また、ＬＣＤ６０の背後にはそれを照明
するバックライト９２が配置されている。なお、この撮
影用対物光学系４８は他のレンズ（正レンズ、負レン
ズ）を導光板３、プリズム４の物体側あるいは像側にそ
の構成要素として含んでいてもよい。

【０１３４】このように構成されたカメラ４０は、撮影
用対物光学系４８、接眼光学系５９を少ない光学部材で
構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、光
学系全体を同一平面上に並べて配置できるため、この配
置平面と垂直方向の厚みの薄型化が実現できる。

【０１３５】なお、本例では、撮影用対物光学系４８の
カバー部材６５として、正レンズを配置しているが、負
レンズあるいは平行平面板を用いてもよい。

【０１３６】ここで、カバー部材を設けずに、本発明の
撮像光学系の最も物体側に配置された面をカバー部材と
兼用することもできる。本例では、その最も物体側の面
は導光板３の入射面となる。しかし、この入射面が光軸
に対して偏心配置されているため、この面がカメラ前面
に配置されてしまうと、被写体側から見た場合、カメラ
４０の撮影中心が自分からずれているように錯覚してし
まい（一般的なカメラ同様、入射面の垂直方向を撮影し
ていると感じるのが通常である。）、違和感を与えてし
まう。そこで、本例のように、結像光学系の最も物体側
の面が偏心面である場合には、カバー部材６５（又は、
カバーレンズ５４）を設けることが、被写体側から見た
場合に違和感を受けずに、既存のカメラと同じ感覚で撮
影を受けることができ望ましい。なお、導光板３の入射
面にはホログラフィック素子が設けられているため、水
分の侵入による回折のピーク波長の変化を防止するため
にも、カバー部材６５、カバーレンズ９１は設けること
が望ましい。

【０１３７】次に、図２８は、本発明による撮像光学系
を電子内視鏡の観察系の対物光学系８２に、本発明によ
る観察光学系を電子内視鏡の観察系の接眼光学系８７に
組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合、観察系
の対物光学系８２、接眼光学系８７は実施例３と略同様
の形態の光学系を用いている。この電子内視鏡は、図２
８(a)に示すように、電子内視鏡７１と、照明光を供給
する光源装置７２と、その電子内視鏡７１に対応する信
号処理を行なうビデオプロセッサ７３と、このビデオプ
ロセッサ７３から出力される映像信号を表示するモニタ
ー７４と、このビデオプロセッサ７３と接続され映像信
号等に記録するＶＴＲデッキ７５及びビデオディスク７
６と、映像信号を映像としてプリントアウトするビデオ
プリンタ７７と、例えば図２１に示したような頭部装着
型画像表示装置（ＨＭＤ）７８と共に構成されており、
電子内視鏡７１の挿入部７９の先端部８０と、その接眼
部８１は、図２８(b)に示すように構成されている。

【０１３８】光源装置７２から照明された光束は、ライ
トガイドファイバー束８８を通って照明用対物光学系８
９により、観察部位を照明する。そして、この観察部位
からの光が、カバー部材８５を介して、観察用対物光学
系８２によって物体像として形成される。この物体像
は、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフ
ィルター８３を介してＣＣＤ８４の撮像面上に形成され
る。さらに、この物体像は、ＣＣＤ８４によって映像信
号に変換され、その映像信号は、図２８(a)に示すビデ
オプロセッサ７３により、モニター７４上に直接表示さ
れると共に、ＶＴＲデッキ７５、ビデオディスク７６中
に記録され、また、ビデオプリンタ７７から映像として
プリントアウトされる。また、ＨＭＤ７８の画像表示素
子５（図２１）に表示されＨＭＤ７８の装着者に表示さ
れる。同時に、ＣＣＤ８４によって変換された映像信号
は画像信号導伝手段９３を介して接眼部８１の液晶表示
素子（ＬＣＤ）８６上に電子像として表示され、その表
示像は本発明の観察光学系からなる接眼光学系８７を経
て観察者眼球Ｅに導かれる。

【０１３９】このように構成された内視鏡は、少ない光
学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると
共に、対物光学系８０が内視鏡の長軸方向に並ぶため、
細径化を阻害することなく上記効果を得ることができ
る。

【０１４０】次に、図２９、３０は本発明の結像光学系
を情報処理装置の一例であるパーソナルコンピュータ
（以下、パソコンと称する）に内蔵した構成を示す概念
図であり、図２９はパソコン３００の表示画面部１９９
を開いた状態を示す前方斜視図、図３０はパソコン３０
０の撮影光学系３０３とモニター３０２の概略構成を示
す表示画面部１９９の断面図である。なお、本実施例で
は、パソコン３００として、特に、持ち運びに便利な携
帯型情報端末やノート型やブック型のパソコンを用いて
いる。

【０１４１】図２９、３０に示すように、パソコン３０
０は、外部から操作者が情報を入力するためのキーボー
ド３０１と、図示省略したＣＰＵなどの情報処理装置や
メモリなどの記憶装置と、情報を操作者に表示するモニ
ター３０２と、操作者自身や周辺の像を撮影するための
撮影光学系３０３を有している。

【０１４２】ここで、撮影光学系３０３は、本発明の撮
像光学系に相当し、像面と瞳面との間にプリズム４と導
光板３とを含んで構成されている。像面には、物体像を
撮像する撮像素子としてＣＣＤ４９が配置されている。
プリズム４は、第１面４₁〜第４面４₄を有している。導
光板３には、第１の領域及び第２の領域の夫々両面に、
体積型ホログラム（ＨＯＥ）６₁〜６₄が設けられてい
る。また、導光板３は、前記第２の領域と前記第１の領
域との間で光束を１０回以上全反射させるように構成さ
れている。なお、図３０においては、第１の領域が射出
領域、第２の領域が入射領域を構成している。

【０１４３】導光板３の前記第２の領域の両面に設けら
れたＨＯＥ６₃，６₄は、所定波長で入射した光束を夫々
回折反射させることで、該光束が導光板３の全反射臨界
角を超えた角度となるように形成されている。また、Ｈ
ＯＥ６₁〜６₄は、夫々導光板３の図２９からみて右側角
部近傍に所定の大きさでもって設けられている。また、
導光板３の前記第１の領域の両面に設けられたＨＯＥ６
₁，６₂は、導光板３の全反射臨界角を超えた角度で入射
した光束を夫々回折反射させることで、導光板３から光
束が射出されるように形成されている。なお本実施例で
は、導光板３の第２の領域に設けられたＨＯＥ６₄が物
体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りとしての役割を
果たし、その入射面が瞳面になっている。プリズム４の
第１面４₁〜第４面４₄は、導光板３を射出した光束の偏
心収差を補正するための面として自由曲面で構成されて
いる。

【０１４４】そして本実施例では、導光板３の第２の領
域においてＨＯＥ６₄を透過した物体からの入射光束
が、ＨＯＥ６₃で回折反射された後、ＨＯＥ６₄で回折反
射されて、導光板３の全反射臨界角を超えた角度となっ
て、導光板３の内部で１０回以上全反射され、且つ、そ
の途中の所定位置で一旦結像して第１の領域へと向か
い、第１の領域においてＨＯＥ６₁で回折反射された
後、ＨＯＥ６₂で回折反射されて、ＨＯＥ６₁を透過して
導光板３から射出する。導光板３から射出した光束は、
プリズム４の第１面４₁を透過してプリズム４の内部に
入射した後、第２面４₂、第３面４₃で反射され、第４面
４₄を透過して、プリズム４を射出し、赤外カットフィ
ルター５１を介して赤外光が除去された状態でＣＣＤ４
９に導かれ、ＣＣＤ４９で撮像される。

【０１４５】モニター３０２は、導光板３と導光板３の
背面側（図３０において右側）に配置された透過型のＬ
ＣＤ２０２とバックライト２０３とを備えて構成されて
いる。そして、バックライト２０３により背面から照明
されることによって透過型のＬＣＤ２０２に表示された
像を、導光板３を介して観察者が透過観察することがで
きるようになっている。なお、モニター３０２の構成要
素としての導光板３は、外部からの水分や埃の侵入を防
止するカバー部材としての役割も果たしている。

【０１４６】表示画面部１９９の上側縁部２００は、撮
影光学系３０３における導光板３のＨＯＥ６₄への光線
入射領域を遮光しない幅でもって形成されている。ま
た、表示画面部１９９の下側縁部２０１は、ＣＣＤ４９
やプリズム４が設けられていて、ＬＣＤ２０２が及ばな
いモニター３０２の下側領域部分を覆い隠すような幅で
もって形成されている。

【０１４７】撮像素子であるＣＣＤ４９で受光された物
体像は、パソコン３００に設けられた情報処理手段（図
示省略）に入力され、電子画像として液晶パネル２０２
を介してモニター３０２の一部の領域又は全部の領域に
表示される。図２９は、その一例として、ＨＯＥ６₄が
設けられた光線の入射領域より撮影光学系３０３を介し
て撮像された操作者の像が画像３０５として表示された
状態を示している。なお、撮影光学系３０３を介して撮
像された操作者の画像情報を情報処理手段、通信ケーブ
ル、インターネットや電話などの通信手段を用いて伝送
することにより、このパソコンに表示された画像３０５
と同じ画像を、遠隔地から通信先のパソコンや携帯電話
などの表示画面に表示することも可能である。

【０１４８】次に、情報処理装置の他の例として電話、
特に、その中でも持ち運びに便利な携帯電話に本発明の
結像光学系を内蔵した例を図３１〜３４に示す。図３１
は携帯電話４００の正面図、図３２は図３１の側面図、
図３３はモニター４０４と撮影光学系４０５の構成を示
す断面図、図３４はモニター４０４と観察光学系４０６
の構成を示す断面図である。

【０１４９】図３１に示すように、携帯電話４００は、
操作者の声を情報として入力するマイク部４０１と、通
話相手の声を出力するスピーカ部４０２と、操作者が情
報を入力する入力ダイアル４０３と、操作者自身が通話
相手の撮影像と電話番号等の情報を表示するモニター４
０４と、撮影光学系４０５と、観察光学系４０６と、通
信電波の送受信を行なうアンテナ４１２と、画像情報や
文字情報のデータ変換、通信制御、入力信号の制御等の
処理を行なうＣＰＵなどの処理手段光学系に相当し、図
３３に示すように、像面と瞳面との間にプリズム４と導
光板３とを含んで構成されている。像面には、物体像を
撮像する撮像素子としてＣＣＤ４９が配置されている。
プリズム４は、第１面４₁〜第４面４₄を有している。導
光板３には、第１の領域及び第２の領域の夫々両面に、
体積型ホログラム（ＨＯＥ）６₁〜６₄が設けられてい
る。また、導光板３は、前記第２の領域と前記第１の領
域との間で光束を１０回以上全反射させるように構成さ
れている。なお、図３３においては、第１の領域が射出
領域、第２の領域が入射領域を構成している。

【０１５０】導光板３の前記第２の領域の両面に設けら
れたＨＯＥ６₃，６₄は、所定波長で入射した光束を夫々
回折反射させることで、該光束が導光板３の全反射臨界
角を超えた角度となるように形成されている。また、Ｈ
ＯＥ６₁〜６₄は、夫々導光板３の図３１において右側角
部近傍の符号４０８，４０９に示す位置に所定の大きさ
でもって設けられている。また、導光板３の前記第１の
領域の両面に設けられたＨＯＥ６₁，６₂は、導光板３の
全反射臨界角を超えた角度で入射した光束を夫々回折反
射させることで、導光板３から光束が射出されるように
形成されている。なお本実施例の撮影光学系４０５で
は、導光板３の第２の領域に設けられたＨＯＥ６₄が物
体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りとしての役割を
果たし、その入射面が瞳面になっている。プリズム４の
第１面４₁〜第４面４₄は、導光板３を射出した光束の偏
心収差を補正するための面として自由曲面で構成されて
いる。

【０１５１】そして本実施例の撮影光学系４０５では、
導光板３の第２の領域において、ＨＯＥ６₄を透過した
物体からの入射光束が、ＨＯＥ６₃で回折反射された
後、ＨＯＥ６₄で回折反射されて、導光板３の全反射臨
界角を超えた角度となって、導光板３の内部で１０回以
上全反射され、且つ、その途中の所定位置で一旦結像し
て第１の領域へと向かい、第１の領域においてＨＯＥ６
₁で回折反射された後、ＨＯＥ６₂で回折反射されて、Ｈ
ＯＥ６₁を透過して導光板３から射出する。導光板３か
ら射出した光束は、プリズム４の第１面４₁を透過して
プリズム４の内部に入射した後、第２面４₂、第３面４₃
で反射され、第４面４₄を透過して、プリズム４を射出
し、赤外カットフィルター５１を介して赤外光が除去さ
れた状態でＣＣＤ４９に導かれ、ＣＣＤ４９で撮像され
る。

【０１５２】モニター４０４は、導光板３と導光板３の
背面側（図３３において右側）に配置された透過型のＬ
ＣＤ２０２とバックライト２０３とを備えて構成されて
いる。そして、バックライト２０３により背面から照明
されることによって透過型のＬＣＤ２０２に表示された
像を、導光板３を介して観察者が実像として透過観察す
ることができるようになっている。なお、モニター４０
４の構成要素としての導光板３は、外部からの水分や埃
の侵入を防止するカバー部材としての役割も果たしてい
る。

【０１５３】そして、撮像素子であるＣＣＤ４９で受光
された物体像は、携帯電話４００に設けられた情報処理
手段２０６に入力され、電子画像として液晶パネル２０
２を介してモニター４０４の一部の領域又は全部の領域
に表示される。図３１は、その一例として、撮影光学系
４０５により撮像された操作者の画像が表示された状態
を示している。なお、撮像素子（ＣＣＤ）４９で受光さ
れた物体像は、処理手段２０６に入力された後、通信相
手のモニターに、又は双方のモニターに表示されるよう
にすることも可能である。通信相手に画像を送信するに
は、撮像素子（ＣＣＤ）４９で受光された物体像の情報
を、送信可能な信号へと変換する信号変換処理機能を情
報処理装置に備える。

【０１５４】また、本実施例の観察光学系４０６は、図
３４に示すように、像面と瞳面との間にプリズム４と導
光板３とを含んで構成されている。像面には、観察者が
観察する画像を表示する画像表示素子として小型のＬＣ
Ｄ２０４がその背面側（図３４において下側）にバック
ライト２０５を備えて配置されている。また、瞳面に射
出瞳を形成するようになっている。プリズム４は、第１
面４₁〜第４面４₄を有している。導光板３には、第１の
領域及び第２の領域の夫々両面に、体積型ホログラム
（ＨＯＥ）６’₁〜６’₄が設けられている。また、導光
板３は、前記第２の領域と前記第１の領域との間で光束
を１０回以上全反射させるように構成されている。な
お、図３４においては、第１の領域が入射領域、第２の
領域が射出領域を構成している。

【０１５５】導光板３の前記第１の領域の両面に設けら
れたＨＯＥ６’₁，６’₂は、所定波長で入射した光束を
夫々回折反射させることで、該光束が導光板３の全反射
臨界角を超えた角度となるように形成されている。ま
た、導光板３の前記第２の領域の両面に設けられたＨＯ
Ｅ６’₃，６’₄は、導光板３の全反射臨界角を超えた角
度で入射した光束を夫々回折反射させることで、導光板
３から光束が射出されるように形成されている。また、
ＨＯＥ６’₁〜６’₄は、夫々導光板３の図３１において
左側角部近傍の符号４１０，４１１に示す位置に所定の
大きさでもって設けられている。プリズム４の第１面４
₁〜第４面４₄は、導光板３を射出した光束の偏心収差を
補正するための面として自由曲面で構成されている。

【０１５６】そして、本実施例の観察光学系４０６で
は、バックライト２０５で照明されてＬＣＤ２０４から
射出された光束は、第４面４₄を透過してプリズム４の
内部に入射した後、第３面４₃、第２面４₂で反射され、
第１面４₁を透過して、プリズム４から射出される。そ
の後、導光板３の第１の領域に設けられたＨＯＥ６’₂
に対し臨界角以下の入射角度でもって入射してＨＯＥ
６’₂ を透過し、ＨＯＥ６’₁で回折反射された後、Ｈ
ＯＥ６’₂で回折反射されて、導光板３の全反射臨界角
を超えた角度となって、導光板３の内部で１０回以上全
反射され、且つ、その途中の所定位置で一旦結像して第
２の領域へと向かい、第２の領域においてＨＯＥ６’₃
で回折反射された後、ＨＯＥ６’₄で回折反射されて、
ＨＯＥ６’₃を透過して導光板３から射出してモニター
４０４におけるＨＯＥ６’₄を通る光路上に設けられた
射出瞳へと導かれる。

【０１５７】このとき小型のＬＣＤ２０４とバックライ
ト２０５によって形成された小さな画像は、導光板３を
介して観察者の眼球Ｅに拡大投影されており、観察者
は、小型のＬＣＤ２０４の面上に形成された画像を拡大
投影された虚像として観察することになる。

【０１５８】なお、この拡大投影された画像を観察する
場合、観察者は、導光板３により形成される射出瞳位置
に眼球Ｅを近付けなければならないため、モニター４０
４の大部分の領域に表示されるＬＣＤ２０３の画像を見
ることができないばかりか、却ってＬＣＤ２０３に表示
された画像の光によって、観察光学系４０６による小型
のＬＣＤ２０４に表示された画像の拡大観察を妨げられ
てしまう場合があり得る。そこで、そのような場合に
は、ＣＰＵ（処理手段）２０６によって、バックライト
２０３の照明光の光量を減少させるかもしくは消すよう
に制御することが望ましい。また、このようにすれば、
更に、消費電力の効率化という効果も期待できる。

【０１５９】次に、本発明による光学系を構成するプリ
ズムに対し体積型ホログラムのような回折素子を導光板
に設けるときの望ましい構成を図３５に示す。図中、偏
心プリズムＰは、本発明の観察光学系又は撮像光学系中
に含まれるプリズム４である。いま、回折素子の面Ｃ
が、図のように四角形を形成するとしたとき、偏心プリ
ズムＰの第１面が面対称自由曲面に形成された場合その
対称面Ｄが、この回折素子の面Ｃの四角形を形成する辺
の少なくとも１つと平行になるように配置することが、
美しい像形成の上で望ましい。

【０１６０】さらに、この回折素子の面Ｃが正方形や長
方形といった４つの内角が夫々略９０°にて形成されて
いる場合には、面対称自由曲面の対称面Ｄは、回折素子
の面Ｃの互いに平行関係にある２辺に対して平行に配置
され、この対称面Ｄが回折素子の面Ｃを左右又は上下対
称にさせる位置に一致するように構成することが好まし
い。このように構成すれば、装置に組み込むときの組み
込み精度が出しやすく、量産性に効果的である。

【０１６１】さらに、偏心プリズムＰを構成する光学面
である第１面、第２面、第３面、第４面等の中、複数の
面又は全ての面が面対称自由曲面の場合には、複数の面
又は全ての面の対称面が同一面Ｄの上に配置されるよう
に構成することが、設計上も、収差性能上も望ましい。
そして、この対称面Ｄと回折素子のパワーの面との関係
は、上述と同様の関係にあることが望ましい。

【０１６２】以上説明したように、本発明の光学系は、
特許請求の範囲に記載された特徴のほかに下記に示すよ
うな特徴も備えている。

【０１６３】（１）請求項１に記載の光学系を含んだ観
察光学系において、前記像面に観察者が観察する画像を
表示する画像表示素子を配置し、前記瞳面に観察者の眼
球が位置するように射出瞳を形成し、前記画像表示素子
から射出された光束が、前記プリズムを経由した後に、
前記導光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プ
リズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折
透過され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設け
られた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前
記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導
光板内部で１０回以上全反射されながら前記導光板の第
２の領域へと向かい、前記第２の領域において前記導光
板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素
子で回折反射され、前記導光板の前記射出瞳とは反対側
に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され
て、前記導光板の全反射臨界角を超えない角度となっ
て、前記導光板の前記射出瞳側に設けられた前記ホログ
ラフィック素子を透過し前記導光板から射出して前記射
出瞳に導かれるように構成したことを特徴とする観察光
学系。

【０１６４】（２）請求項１に記載の光学系を含んだ観
察光学系において、前記像面に観察者が観察する画像を
表示する画像表示素子を配置し、前記瞳面に観察者の眼
球が位置するように射出瞳を形成し、前記画像表示素子
から射出された光束が、前記プリズムを経由した後に、
前記導光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プ
リズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折
透過され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設け
られた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前
記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記導
光板内部で１０回以上全反射されながら前記導光板の第
２の領域へと向かい、前記第２の領域において前記導光
板の前記射出瞳とは反対側に設けられた前記ホログラフ
ィック素子で回折反射され、前記導光板の前記射出瞳側
に設けられた前記ホログラフィック素子で回折透過され
て、前記導光板から射出して前記射出瞳に導かれるよう
に構成したことを特徴とする観察光学系。

【０１６５】（３）請求項１に記載の光学系を含んだ観
察光学系において、前記像面に観察者が観察する画像を
表示する画像表示素子を配置し、前記瞳面に観察者の眼
球が位置するように射出瞳を形成し、前記画像表示素子
から射出された光束が、前記プリズムを経由した後に、
前記導光板の第１の領域に入射し、前記導光板の前記プ
リズム側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過
し、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた
前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板
の前記プリズム側に設けられた前記回折素子で回折反射
されて、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となっ
て、前記導光板内部で１０回以上全反射されながら前記
導光板の第２の領域へと向かい、前記第２の領域におい
て前記導光板の前記射出瞳とは反対側に設けられた前記
ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の前
記射出瞳側に設けられた前記ホログラフィック素子で回
折透過されて、前記導光板から射出して前記射出瞳に導
かれるように構成したことを特徴とする観察光学系。

【０１６６】（４）請求項１に記載の光学系を含んだ撮
像光学系において、前記像面に物体像を撮像する撮像素
子を配置し、前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る
明るさ絞りを配置し、前記明るさ絞りを通過した物体か
らの光束が、前記導光板の第２の領域に入射し、前記導
光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素
子で回折透過され、前記導光板の前記物体とは反対側に
設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され
て、前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、
前記導光板内部で１０回以上全反射されながら第１の領
域へと向かい、前記第１の領域において前記導光板の前
記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で
回折反射され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に
設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射され
て、前記プリズム側に設けられた前記回折素子を透過し
て前記導光板から射出し、前記プリズムを経由して前記
撮像素子に導かれるように構成したことを特徴とする撮
像光学系。

【０１６７】（５）請求項１に記載の光学系を含んだ撮
像光学系において、前記像面に物体像を撮像する撮像素
子を配置し、前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る
明るさ絞りを配置し、前記明るさ絞りを通過した物体か
らの光束が、前記導光板の第２の領域に入射し、前記導
光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素
子で透過され、前記導光板の前記物体とは反対側に設け
られた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記
導光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック
素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超
えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射
されながら第１の領域へと向かい、前記第１の領域にお
いて前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた
前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板
の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素
子で回折透過されて、前記導光板から射出し、前記プリ
ズムを経由して前記撮像素子に導かれるように構成した
ことを特徴とする撮像光学系。

【０１６８】（６）請求項１に記載の光学系を含んだ撮
像光学系において、前記像面に物体像を撮像する撮像素
子を配置し、前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る
明るさ絞りを配置し、前記明るさ絞りを通過した物体か
らの光束が、前記導光板の第２の領域に入射し、前記導
光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素
子を透過し、前記導光板の前記物体とは反対側に設けら
れた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導
光板の前記物体側に設けられた前記ホログラフィック素
子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を超え
た角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反射さ
れながら第１の領域へと向かい、前記第１の領域におい
て前記導光板の前記プリズムとは反対側に設けられた前
記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導光板の
前記プリズム側に設けられた前記ホログラフィック素子
で回折透過されて、前記導光板から射出し、前記プリズ
ムを経由して前記撮像素子に導かれるように構成したこ
とを特徴とする撮像光学系。

【０１６９】（７）入射光束が前記導光板内部で中間結
像するようにリレー光学系を構成したことを特徴とする
請求項１〜３、上記（１）〜（６）のいずれかに記載の
光学系。

【０１７０】（８）瞳径をＰＤ、アイリリーフをＥＲと
したとき、次の条件式(1)を満足することを特徴とする
請求項２、上記（１）〜（３）、請求項２に従属する上
記（７）のいずれかに記載の観察光学系。 ０．１ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．９ ……(1)

【０１７１】（９）瞳径をＰＤ、アイリリーフをＥＲと
したとき、次の条件式(2)を満足することを特徴とする
請求項２、上記（１）〜（３）、請求項２に従属する上
記（７）のいずれかに記載の観察光学系。 １．０ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．６ ……(2)

【０１７２】（１０）瞳径をＰＤ、アイリリーフをＥＲ
としたとき、次の条件式(3)を満足することを特徴とす
る請求項２、上記（１）〜（３）、請求項２に従属する
上記（７）のいずれかに記載の観察光学系。 １．０ ≦ ＰＤ ≦ ＥＲ×０．３ ……(3)

【０１７３】（１１）前記導光板内部における軸上主光
線の入射位置から射出位置までの距離をＬとしたとき、
次の条件式(4)を満足することを特徴とする請求項１〜
３、上記（１）〜（１０）のいずれかに記載の光学系。 ３０．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ ２００．０ｍｍ ……(4)

【０１７４】（１２）前記導光板内部における軸上主光
線の入射位置から射出位置までの距離をＬとしたとき、
次の条件式(5)を満足することを特徴とする請求項１〜
３、上記（１）〜（１０）のいずれかに記載の光学系。 ３５．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ １４０．０ｍｍ ……(5)

【０１７５】（１３）前記導光板内部における軸上主光
線の入射位置から射出位置までの距離をＬとしたとき、
次の条件式(6)を満足することを特徴とする請求項１〜
３、上記（１）〜（１０）のいずれかに記載の光学系。 ４０．０ｍｍ ≦ Ｌ ≦ ７０．０ｍｍ ……(6)

【０１７６】（１４）前記瞳面と前記プリズムとが前記
導光板の同一面側に位置することを特徴とする請求項１
〜３、上記（１）〜（１３）のいずれかに記載の光学
系。

【０１７７】（１５）前記瞳面と前記プリズムとが前記
導光板を隔てた位置にあることを特徴とする請求項１〜
３、上記（１）〜（１３）のいずれかに記載の光学系。
光学系。

【０１７８】（１６）前記画像表示素子が透過型の画像
表示素子であることを特徴とする請求項２、上記（１）
〜（３）、請求項２に従属する上記（７）〜（１５）の
いずれかに記載の観察光学系。

【０１７９】（１７）前記画像表示素子が反射型の画像
表示素子であることを特徴とする請求項２、上記（１）
〜（３）、請求項２に従属する上記（７）〜（１５）の
いずれかに記載の観察光学系。

【０１８０】（１８）照明光源を備えると共に、前記プ
リズムが、前記照明光源からの照明光を前記反射型の画
像表示素子に導き、更に、前記反射型の画像表示素子で
反射された光束を前記導光板の入射領域に導くように構
成されていることを特徴とする上記（１７）に記載の観
察光学系。

【０１８１】（１９）前記ホログラフィック素子が、前
記導光板の夫々の側において入射領域と射出領域とで夫
々別体に設けられていることを特徴とする請求項１〜
３、上記（１）〜（１８）のいずれかに記載の光学系。

【０１８２】（２０）前記ホログラフィック素子が、前
記導光板の夫々の側において入射領域から射出領域に至
るまで一体に形成され、且つ、入射領域の所定位置から
射出領域の所定位置に至るまでの領域において光束が、
全反射臨界角を超えた角度でもって前記導光板内部で１
０回以上全反射するように構成されていることを特徴と
する請求項１〜３、上記（１）〜（１８）のいずれかに
記載の光学系。

【０１８３】（２１）前記導光板を隔てて前記射出瞳と
は反対側に撮像素子を設け、観察者が前記導光板を介し
て前記画像表示素子に表示された像を観察しているとき
に観察者の像が前記導光板を透過して撮像されるように
したことを特徴とする請求項２、上記（１）〜（３）、
請求項２に従属する上記（１）〜（２０）のいずれかに
記載の観察光学系。

【０１８４】（２２）前記導光板の面形状が平面形状に
形成されていることを特徴とする請求項１〜３、上記
（１）〜（２１）のいずれかに記載の光学系。

【０１８５】（２３）前記導光板の面形状が曲面形状に
形成されていることを特徴とする請求項１〜３、上記
（１）〜（２１）のいずれかに記載の光学系。

【０１８６】（２４）前記ホログラフィック素子が体積
型ホログラムで構成されていることを特徴とする請求項
１〜３、上記（１）〜（２３）のいずれかに記載の光学
系。

【０１８７】（２５）前記画像表示素子から射出された
光束が、前記導光板内部で２０回以上全反射するように
したことを特徴とする請求項２、上記（１）〜（３）、
請求項２に従属する上記（７）〜（２４）のいずれかに
記載の観察光学系。

【０１８８】（２６）前記画像表示素子から射出された
光束が、前記導光板内部で３０回以上全反射するように
したことを特徴とする請求項２、上記（１）〜（３）、
請求項２に従属する上記（７）〜（２４）のいずれかに
記載の観察光学系。

【０１８９】（２７）前記明るさ絞りを通過した物体か
らの光束が、前記導光板内部で２０回以上全反射するよ
うにしたことを特徴とする請求項３、上記（４）〜
（６）、請求項３に従属する上記（７）、（１１）〜
（１５）、（１９）、（２０）、（２２）〜（２４）の
いずれかに記載の撮像光学系。

【０１９０】（２８）前記明るさ絞りを通過した物体か
らの光束が、前記導光板内部で３０回以上全反射するよ
うにしたことを特徴とする請求項３、上記（４）〜
（６）、請求項３に従属する上記（７）、（１１）〜
（１５）、（１９）、（２０）、（２２）〜（２４）の
いずれかに記載の撮像光学系。

【０１９１】（２９）前記プリズムは、前記偏心収差を
補正するための曲面が自由曲面で構成されていることを
特徴とする請求項１〜３、上記（１）〜（２８）のいず
れかに記載の光学系。

【０１９２】（３０）請求項２、上記（１）〜（３）、
請求項２に従属する上記（７）〜（２６）、（２９）の
いずれかに記載の観察光学系を内蔵した本体部と、前記
観察光学系の射出瞳を観察者の眼球位置に保持するよう
に前記本体部を観察者頭部に支持する支持部材と、前記
観察者の耳に音声を与えるスピーカー部材とを有してい
ることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。

【０１９３】（３１）上記（３０）に記載の頭部装着型
画像表示装置において、前記本体部が、右眼用の観察光
学系と左眼用の観察光学系とを備え、前記スピーカー部
材が、右耳用スピーカー部材と左耳用スピーカー部材と
を有するように構成されていることを特徴とする頭部装
着型画像表示装置。

【０１９４】（３２）上記（３０）又は（３１）に記載
の頭部装着型画像表示装置において、前記スピーカー部
材がイヤホンで構成されていることを特徴とする頭部装
着型画像表示装置。

【０１９５】

【発明の効果】以上、本発明によれば、携帯電話や携帯
情報端末そして頭部装着型の虚像観察装置に用いるのに
適した、小型で、軽量、かつ明るく、さらに高解像度を
有する観察光学系、撮像光学系を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光学系の概念図である。

【図２】本発明による光学系を構成する導光板に入射す
る光の反射状態を示す原理説明図である。

【図３】図１の構成において軸上光線が導光板内部で中
間結像される状態を説明するための概念図である。

【図４】本発明の第１実施例にかかる光学系の光軸を含
むＹ−Ｚ断面図である。

【図５】第１実施例の像歪みを表す収差図である。

【図６】第１実施例の横収差を表す収差図である。

【図７】本発明の第２実施例にかかる光学系の光軸を含
むＹ−Ｚ断面図である。

【図８】本発明の第３実施例にかかる光学系の光軸を含
むＹ−Ｚ断面図である。

【図９】本発明の第４実施例にかかる光学系の光軸を含
むＹ−Ｚ断面図である。

【図１０】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能な
プリズムの一例を示す図である。

【図１１】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能な
プリズムの他の例を示す図である。

【図１２】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能な
プリズムのさらに他の例を示す図である。

【図１３】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能な
プリズムのさらに他の例を示す図である。

【図１４】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能な
プリズムのさらに他の例を示す図である。

【図１５】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能な
プリズムのさらに他の例を示す図である。

【図１６】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能な
プリズムのさらに他の例を示す図である。

【図１７】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能な
プリズムのさらに他の例を示す図である。

【図１８】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能な
プリズムのさらに他の例を示す図である。

【図１９】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能な
プリズムのさらに他の例を示す図である。

【図２０】本発明の光学系のプリズム部材に適用可能な
プリズムのさらに他の例を示す図である。

【図２１】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型で両
眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態
を示す図である。

【図２２】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型で両
眼装着用の画像表示装置を上側からみた図であり、(a)
は図１７の断面図、(b)は(a)の一変形例を示す断面図、
(c)は(a)の他の変形例を示す断面図である。

【図２３】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型で片
眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態
を示す図である。

【図２４】本発明の撮像光学系及び観察光学系を適用し
た電子カメラの外観を示す前方斜視図である。

【図２５】図２４の電子カメラの後方斜視図である。

【図２６】図２４の電子カメラの１つの構成を示す断面
図である。

【図２７】本発明の撮像光学系及び観察光学系を適用し
た別の電子カメラの概念図である。

【図２８】本発明の撮像光学系及び観察光学系を適用し
た電子内視鏡の概念図である。

【図２９】本発明の結像光学系を内蔵したパーソナルコ
ンピュータの表示画面部を開いた状態を示す前方斜視図
である。

【図３０】図２９のパーソナルコンピュータの撮影光学
系とモニターの概略構成を示す表示画面部の断面図であ
る。

【図３１】本発明の結像光学系を内蔵した携帯電話の正
面図である。

【図３２】図３１の側面図である。

【図３３】図３１の携帯電話におけるモニター４０４と
撮影光学系４０５の構成を示す断面図である。

【図３４】図３１の携帯電話におけるモニター４０４と
観察光学系４０６の構成を示す断面図である

【図３５】本発明による光学系を構成するプリズムにＨ
ＯＥを配置するときの好ましい構成を示す図である。

【図３６】本発明におけるＨＯＥを定義するための原理
図である。

【符号の説明】

１ 射出瞳 ２ 軸上主光線 ３ 導光板 ４ プリズム ４₁ 第１面 ４₂ 第２面 ４₃ 第３面 ４₄ 第４面 ５，２０２，２０４ ＬＣＤ ６₁、６₂、６₃、６₄、６₁’、６₂’ 体積型ホログ
ラム（ＨＯＥ） ７ 照明用光源 ８、９ プリズム １０ ハーフミラー １１ 遮光部材 １３ 撮像素子 １４ 明るさ絞り １５ 眼鏡用レンズ １６ 眼鏡 １７ フレーム １８ 防塵部材 ４０ カメラ ４１ 撮像光学系 ４２ 撮影用光路 ４３ ファインダー光学系 ４４ ファインダー用光路 ４５ シャッター ４６ フラッシュ ４７ 液晶表示モニター ４８ 撮影用対物光学系 ４９ ＣＣＤ ５０ 撮像面 ５１ フィルター ５２ 処理手段 ５３ ファインダー用対物光学系 ５４ 負レンズ群 ５５ ポロプリズム ５６₁〜５６₄ 第１〜４反射面 ５７ 正レンズ群 ５９ 接眼光学系 ６０ 液晶表示素子（ＬＣＤ） ６１ 記録素子 ６５ カバー部材 ７１ 電子内視鏡 ７２ 光源装置 ７３ ビデオプロセッサ ７４ モニター ７５ ＶＴＲデッキ ７６ ビデオディスク ７７ ビデオプリンタ ７８ 頭部装着型画像表示装置（ＨＭＤ） ７９ 挿入部 ８０ 先端部 ８１ 接眼部 ８２ 観察用対物光学系 ８３ フィルター ８４ ＣＣＤ ８５ カバー部材 ８６ 液晶表示素子（ＬＣＤ） ８７ 接眼光学系 ８８ ライトガイドファイバー束 ８９ 照明用対物光学系 ９０ 結像面 ９１ カバー部材 ９２，２０３，２０５ バックライト ９３ 画像信号導伝手段 １００ 接眼光学系 １０２ 画像表示装置（本体） １０３ 側頭フレーム １０４ スピーカ １０５ 映像音声伝達コード １０６ 再生装置 １０７ 調節部 １０８ 前フレーム １１１ 導光部材 １１２ 観察者 １１３ 耳部 １１４ 表示装置本体部 １１５ イヤホン部 １１６ コード １１７ ケーブル １１７ａ ケーブル先端部 １１８ ビデオ再生装置 １１８ａ スイッチ、ボリュウム調整部 １１９，４１２ アンテナ １２０ 画像形成ユニット部 １９９ 表示画面部 ２００ 上側縁部 ２０１ 下側縁部 ２０６ 情報処理手段 ３００ パーソナルコンピュータ ３０１ キーボード ３０２，４０４ モニター ３０３，４０５ 撮影光学系 ３０５ 画像 ４００ 携帯電話 ４０１ マイク部 ４０２ スピーカ部 ４０３ 入力ダイアル ４０６ 観察光学系 Ｐ 偏心プリズム Ｃ 回折素子の面 Ｄ 面対称自由曲面の対称面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 5/32 Ｇ０２Ｂ 5/32 Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ａ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 瞳面と像面との間に配置された光学系に
   おいて、 前記光学系は、少なくともプリズムと、導光板とを含
   み、 前記導光板は、入射領域及び射出領域において夫々両面
   にホログラフィック素子を有し、且つ、光束を導光板内
   部で１０回以上全反射して前記入射領域から前記射出領
   域に至らせるように構成され、 前記導光板の前記入射領域の両面に設けられた前記ホロ
   グラフィック素子は、夫々所定位置において所定波長で
   入射した光束を夫々回折して、該光束の入射角が前記導
   光板の全反射臨界角を超えた角度となるように形成さ
   れ、 前記導光板の前記射出領域の両面に設けられた前記ホロ
   グラフィック素子は、夫々所定位置において前記入射領
   域から前記射出領域に導かれた光束を夫々回折して、該
   光束の入射角が前記導光板の全反射臨界角を超えない角
   度となって、前記導光板から光束が射出されるように形
   成され、 前記プリズムは、少なくとも一つの面に前記導光板を射
   出した光束の偏心収差を補正するための曲面を備えてい
   ることを特徴とする光学系。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光学系を含んだ観察光
   学系において、 前記像面に観察者が観察する画像を表示する画像表示素
   子を配置し、 前記瞳面に観察者の眼球が位置するように射出瞳を形成
   し、 前記画像表示素子から射出された光束が、前記プリズム
   を経由した後に、前記導光板の第１の領域に入射し、前
   記導光板の前記プリズム側に設けられた前記ホログラフ
   ィック素子を透過し、前記導光板の前記プリズムとは反
   対側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折反射
   され、前記導光板の前記プリズム側に設けられた前記回
   折素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨界角を
   超えた角度となって、前記導光板内部で１０回以上全反
   射されながら前記導光板の第２の領域へと向かい、前記
   第２の領域において前記導光板の前記射出瞳側に設けら
   れた前記ホログラフィック素子で回折反射され、前記導
   光板の前記射出瞳とは反対側に設けられた前記ホログラ
   フィック素子で回折反射されて、前記導光板の全反射臨
   界角を超えない角度となって、前記導光板の前記射出瞳
   側に設けられた前記ホログラフィック素子を透過し前記
   導光板から射出して前記射出瞳に導かれるように構成し
   たことを特徴とする観察光学系。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の光学系を含んだ撮像光
   学系において、 前記像面に物体像を撮像する撮像素子を配置し、 前記瞳面に物体からの光束の明るさを絞る明るさ絞りを
   配置し、 前記明るさ絞りを通過した物体からの光束が、前記導光
   板の第２の領域に入射し、前記導光板の前記物体側に設
   けられた前記ホログラフィック素子を透過し、前記導光
   板の前記物体とは反対側に設けられた前記ホログラフィ
   ック素子で回折反射され、前記導光板の前記物体側に設
   けられた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、
   前記導光板の全反射臨界角を超えた角度となって、前記
   導光板内部で１０回以上全反射されながら第１の領域へ
   と向かい、前記第１の領域において前記導光板の前記プ
   リズム側に設けられた前記ホログラフィック素子で回折
   反射され、前記導光板の前記プリズムとは反対側に設け
   られた前記ホログラフィック素子で回折反射されて、前
   記プリズム側に設けられた前記回折素子を透過して前記
   導光板から射出し、前記プリズムを経由して前記撮像素
   子に導かれるように構成したことを特徴とする撮像光学
   系。