JP7580975B2 - 観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学シースルータイプの観察装置に関する。

光学シースルータイプの観察装置として、特許文献１には、偏光分離素子、位相板および半透過反射面により構成された接眼光学系の前方（外界側）に、別の偏光分離素子をコンバイナーとして配置したものが開示されている。この観察装置では、表示素子からの光を観察させるための光学系をコンバイナーよりも観察側の接眼光学系だけで構成している。また特許文献２には、コンバイナーと表示素子との間にレンズとして作用する光学素子を配置した観察装置が開示されている。

米国特許公開２０１９／００２５６０２号公報 特許６３８６２１０号公報

上記のような光学シースルータイプの観察装置では、広画角化するとコンバイナーのサイズを大きくする必要がある。また接眼光学系の焦点距離は、接眼光学系とコンバイナーとの間の距離より大きく、最低でもその距離の２倍以上にする必要がある。さらに、広画角化のためには表示素子のサイズも大きくしなければならない。このため、観察装置の大型化や重量の増加につながる。

本発明は、小型の光学シースルータイプの観察装置を提供する。

本発明の一側面としての観察装置は、画像を表示する表示光を発する表示素子と、表示光と外界からの光である外界光を射出瞳に導く光学系とを有する。光学系は、第１の偏光分離素子と、反射面を含み、入射した光に対してパワーを有する第１の光学ユニットと、半透過反射面と、位相板と、第２の偏光分離素子とを含む第２の光学ユニットと、偏光板とを有し、互いに偏光方向が異なる２つの直線偏光を第１の偏光光および第２の偏光光とするとき、偏光板は、外界および表示素子から第１の偏光分離素子に向かう外界光および表示光のうち第１の偏光光を透過させ、光学系は、第１の偏光光としての外界光を、第１の偏光分離素子、半透過反射面、位相板および第２の偏光分離素子を透過させて射出瞳に向かわせ、第１の偏光光としての前記表示光を、第１の偏光分離素子を透過させ、反射面で反射し、第２の偏光光に変えて第１の偏光分離素子で反射し、半透過反射面および位相板を透過させ、第２の偏光分離素子で反射し、位相板を透過させ、半透過反射面で反射し、位相板および第２の偏光分離素子を透過させて射出瞳に向かわせ、表示光に、第１の光学ユニットから第２の光学ユニットまでの光路中に中間像を形成させることを特徴とする。

本発明によれば、小型の光学シースルータイプの観察装置を提供することができる。

実施例１の観察装置の構成を示す図。 実施例２の観察装置の構成を示す図。 実施例３の観察装置の構成を示す図。 実施例１の観察装置の光路図。 実施例２の観察装置の光路図。 実施例３の観察装置の光路図。 各実施例における位相板の遅相軸の傾き方向を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１である観察装置の断面を示している。本実施例の観察装置は、光学系１と表示素子２とを有する。Ｓは光学系１の射出瞳であり、ここには観察者の眼が配置される。光学系１は、液晶パネルや有機ＥＬ等の表示素子２の表示面２１から発せられた表示光１００２が射出瞳Ｓに向かって辿る順に、第１の偏光板５０、第１の偏光分離素子３０、第１の光学ユニット２０、（第１の偏光分離素子３０）および第２の光学ユニット１０により構成されている。

第１の偏光板５０は、図１に両矢印で示すように図１の紙面に平行な第１の偏光方向の直線偏光（以下、第１の偏光光という）を透過させる。第２の偏光分離素子１１０は、第１の偏光光を透過させ、図１に丸中黒で示すように第１の偏光方向に直交して図１の紙面に垂直な第２の偏光方向の直線偏光（以下、第２の偏光光という）を反射する。

第１の光学ユニット２０は、第１の位相板（光学素子）２２０および平凸レンズ２１０により構成されている。第１の位相板２２０は、第１の偏光光の透過軸に対して＋４５°傾いた遅相軸を有するλ／４板である。第１の光学ユニット２０における＋の符号は、図７に示すように図１の断面をｙｚ断面とする右手系のｘｙｚ座標において表示光の進行方向を±ｚ軸方向とするときにＹ軸からＸ軸に向かう方向を示している。

平凸レンズ２１０における第１の位相板２２０側とは反対側の面２０１は、その表面に反射膜が形成された凹面鏡として作用する反射面となっている。

第２の光学ユニット１０は、第２の位相板１５０、平凹レンズ１４０、半透過反射面１０２、平凸レンズ１３０、第３の位相板１２０および第２の偏光分離素子１１０により構成されている。第２の位相板１５０は、第１の偏光光の透過軸に対して＋４５°傾いた遅相軸を有するλ／４板である。また第３の位相板１２０は、第１の偏光光の透過軸に対して－４５°傾いた遅相軸を有するλ／４板である。第２の光学ユニット１０における＋／－の符号は、図７に示すように図１の断面をＹＺ断面とする右手系のＸＹＺ座標において表示光の進行方向を±Ｚ軸方向とするときにＹ軸からＸ軸に向かう方向を＋で、その逆方向を－で示す。

平凹レンズ１４０と平凸レンズ１３０は屈折率が同じ（又は同じとみなせるほど近い）材料（媒質）により形成されており、それぞれの凹面と凸面の間に設けられた半透過反射面１０２となる半透過反射膜を挟んで互いに接合されている。第２の偏光分離素子１１０は、第１の偏光分離素子３０と同じく、第１の偏光光を透過させ、第２の偏光光を反射する。

また本実施例の観察装置は、外界からの光である外界光１００１が入射する位置に、第４の偏光光６０を有する。第４の偏光板６０は、外界光１００１のうち第１の偏光光のみを透過させる。

以上のように構成された観察装置において、外界からの外界光１００１のうち第１の偏光光は、第４の偏光板６０を透過し、第１の偏光分離素子３０を透過して第２の光学ユニット１０に入射する。第１の偏光光としての外界光１００１は、第２の位相板１５０によって該外界光の進行方向に向かって見たときに右回りの円偏光に変換される。この円偏光としての外界光１００１は、平凹レンズ１４０、半透過反射面１０２および平凸レンズ１３０を透過して第３の位相板１２０により第１の偏光光に戻される。第１の偏光光としての外界光１００１は、第２の偏光分離素子１１０を透過して射出瞳Ｓに到達する。このように、外界光１００１は、第２の光学ユニット１０の構成部品をそれぞれ１度だけ透過して射出瞳Ｓに到達する。

第２の光学ユニット１０において、曲面である半透過反射面１０２は屈折率が同じ材料により形成された平凹および平凸レンズ１４０、１３０の間に配置されているため、外界光１００１に対するパワーを持たない。したがって、外界光１００１は第２の光学ユニット１０のパワーを受けることなく射出瞳Ｓに到達する。これにより、自然な外界観察が可能となる。

表示素子２の表示面２１から出射して第１の偏光板５０を透過した第１の偏光光としての表示光１００２は、第１の偏光分離素子３０を透過して第１の光学ユニット２０に入射する。第１の偏光光としての表示光１００２は、第１の位相板２２０によって該表示光の進行方向に向かって見たときに（以下同じ）右回りの円偏光に変換される。この右回りの円偏光は平凸レンズ２１０を透過して反射面２０１で反射されて左回りの円偏光となり、該円偏光は、平凸レンズ２１０を再度透過し、第１の位相板２２０に再度入射して第２の偏光光に変換される。第２の偏光光としての表示光１００２は、第１の偏光分離素子３０により反射されて第２の光学ユニット１０に入射する。

第２の光学ユニット１０内において、第２の偏光光としての表示光１００２は、第２の位相板１５０によって左回りの円偏光に変換され、平凹レンズ１４０を透過する。この表示光１００２は、半透過反射面１０２および平凸レンズ１３０を透過し、第３の位相板１２０により第２の偏光光に変換されて第２の偏光分離素子１１０により反射される。この反射された第２の偏光光としての表示光１００２は、第３の位相板１２０により左回りの円偏光に変換される。円偏光としての表示光１００２は、平凸レンズ１３０を再度透過して、半透過反射面１０２で反射されて右回りの円偏光となり、再度平凹レンズ１４０を透過して第３の位相板１２０に入射する。

第３の位相板１２０に入射した右回りの円偏光としての表示光１００２は、第１の偏光光に変換される。第１の偏光光としての表示光１００２は、第２の偏光分離素子１１０を透過して射出瞳Ｓに到達する。第２の光学ユニット１０において、表示光１００２は、半透過反射面１０２で反射される際に結像に寄与するパワーを受ける。

このように本実施例における光学系は、外界光１００１を、第１の偏光分離素子３０および第２の光学ユニット２０を透過させて射出瞳に向かわせる。また表示光１００２を、第１の偏光分離素子３０を透過させ、第１の光学ユニット２０および第１の偏光分離素子３０で反射し、第２の光学ユニット２０内で２回反射させて射出瞳Ｓに向かわせる。このことは、後述する実施例２、３でも同様である。

上述した表示光１００２の光路において、第１の光学ユニット２０の反射面２０１は結像に寄与するパワーを有しており、ここで反射した表示光１００２に第１の光学ユニット２０から第２の光学ユニット１０までの光路中に中間像ＩＭＩを形成させる。すなわち、第１の光学ユニット２０はリレー光学系を構成する。そして、接眼光学系としての第２の光学ユニット１０は、この中間像ＩＭＩを第２の光学ユニット１０内の光路を通して射出瞳Ｓに眼を配置した観察者に観察させる。

以上説明したように外界光１００１の光路と表示光１００２の光路を形成することにより、外界に表示素子２に表示された画像を重畳させて観察することが可能となる。
なお、第３の位相板１２０を第１の偏光光の透過軸に対して＋４５°傾いた遅相軸を有するλ／４板とし、第２の偏光分離素子１１０が第１の偏光光を反射して第２の偏光光を透過するように構成しても、本実施例と同じ光路が形成される。

但し、本実施例のように第２の位相板１５０であるλ／４板と第３の位相板１２０であるλ／４板の遅相軸が互いに直交するようにすると、λ／４板が波長依存性を有する場合に発生する色づきを抑えることができ、好ましい。また、第１および第２の偏光板６０、５０を必ずしも設ける必要はないが、これらを設けることで外界光や表示光のコントラストを向上させたりゴースト等の不要光の発生を抑制したりすることができる。

また、本実施例では、第１の偏光分離素子３０から第１の光学ユニット２０に向かう光路と第１の光学ユニット２０から第１の偏光分離素子３０に向かう光路とを重複させたことにより、光学系１を中間像ＩＭＩを形成するにもかかわらず小型とすることができる。

さらに本実施例では、第１の光学ユニット２０の反射面２０１を凹面鏡として用いることで、透過面と比較して曲率が小さい面でも強いパワーが得られるようにしている。特に、反射面２０１を裏面鏡として、曲率が小さい面でもより強いパワーが得られるようにしている。これにより、収差を抑制することができるとともに、第１の光学ユニット２０を薄型化することができる。

次に、図４を用いて本実施例における表示光１００２の光路や結像についてさらに詳しく説明する。図４では、図１に示した構成要素のうち一部の図示を省略している。図４において、ωｖは半画角を示し、ＥＲは光学系１の射出瞳Ｓと第２の光学ユニット１０における最も出射瞳側の光学面との間の距離、すなわちアイレリーフを示している。ＥＰＲは射出瞳Ｓの半径を示す。

第２の光学ユニット１０は、基本的には平凸レンズ１３０と平凹レンズ１４０との接合レンズによって構成されている。平凸レンズ１３０と平凹レンズ１４０の材料の屈折率をＮ１、第２の光学ユニット１０の光軸上での厚みをＴ１、有効径（半径）をＥＡ１とするとき、
ＥＡ１＝ＥＰＲ＋（ＥＲ＋Ｔ１／Ｎ１）×ｔａｎ（ωｖ）
である。第２の光学ユニット１０の光軸上での第２の光学ユニット１０と第１の偏光分離素子３０との間の距離をＤ１とし、Ｄ１≧ＥＡ１とすると、射出瞳Ｓに到達する下側最大半画角－ωｖの外界からの光束のうち第１の偏光光のほぼ全てを第１の偏光分離素子３０を透過させることができる。この条件は必ずしも満足すべきものではないが、一般的にはＤ１＝ＥＡ１（または≒ＥＡ１）であり、本条件を満足する。

また第１の光学ユニット２０の光軸上での第１の光学ユニット１０と第１の偏光分離素子３０との間の距離をＤ２とするとき、第１の光学ユニット２０と第２の光学ユニット１０との干渉を避けるために、Ｄ２＞ＥＡ１としている。

特許文献１、２では、本実施例における第１の光学ユニット２０の位置付近に表示素子が配置されている。このため、第２の光学ユニット１０内の光路を無視するとしても、第２の光学ユニット１０の焦点距離ｆ１は、
ｆ１＞Ｄ１＋Ｄ２
である。

これに対して本実施例では、表示面２１に表示された画像の中間像ＩＭＩが第１の光学ユニット２０から第２の光学ユニット１０までの光路中に形成される。このため、
ｆ１＜Ｄ１＋Ｄ２ （１）
となる。

特に、本実施例では、中間像ＩＭＩが第１の偏光分離素子３０から第２の光学ユニット１０までの光路中に形成される。このため、第２の光学ユニット１０の光軸上での平凸レンズ１３０の厚みをＴ１１とするとき、
（Ｔ１１＋Ｔ１）／Ｎ１＜ｆ１＜Ｄ１ （２）
なる条件を満足することが好ましい。

ｆ１が条件式（２）の下限値を下回ると、中間像ＩＭＩのＮＡが大きくなり、第１の偏光分離素子３０または第１の光学ユニット２０のサイズが大きくなり、観察装置の厚み（図４の左右方向の寸法）増加するので、好ましくない。ｆ１が条件式（２）の上限値を超えると、第１の光学ユニット２０の焦点距離を短く（パワーを強く）する必要があり、収差補正が困難となる。また、表示面３０と第１の偏光分離素子３０との間の距離Ｄ３が大きくなり、観察装置の高さ（図４の上下方向の寸法）が大きくなるため、好ましくない。

また、平凸レンズ１３０と平凹レンズ１４０の材料の屈折率は完全に一致していなくてもよい。平凸レンズ１３０と平凹レンズ１４０の材料の屈折率をそれぞれＮ１１、Ｎ１２とし、平凸レンズ１３０と平凹レンズ１４０の接合面１０２の曲率半径をＲ１０２とするとき、接合面１０２を透過する光に対する光学的パワー（屈折力）φ１０２は、
φ１０２＝（Ｎ１２－Ｎ１１）／Ｒ１０２
となる。接合面１０２を透過する光に対する光学的パワーの絶対値｜φ１０２｜が、
｜φ１０２｜＜０．０００１［１／ｍｍ］
である場合には、Ｎ１２とＮ１１とが同一とみなしてよい。また、平凸レンズ１３０と平凹レンズ１４０の平面が微小の曲率を有していても、第２の光学ユニット１０の各構成要素を１回のみ透過する光に対する全体の光学的パワーφが、
｜φ｜＜０．０００１２５［１／ｍｍ］
であればよい。

図２は、本発明の実施例２である観察装置の断面を示している。本実施例の観察装置は、光学系１Ａと表示素子２とを有する。光学系１Ａは、表示素子２の表示面２１から出射した表示光１００２が射出瞳Ｓに向かって辿る順に、第１の偏光板８０、第１の偏光分離素子３０、第１の位相板７０、第１の光学ユニット２０Ａ、（第１の位相板７０、第１の偏光分離素子３０）および第２の光学ユニット１０Ａにより構成されている。実施例１と同符号が付された構成要素は、実施例１と同じものである。

本実施例では、実施例１の光学系１から第１および第４の偏光板５０、６０を除いて、コンバイナーとして機能する第１の偏光分離素子３０の外界側に第１の偏光板８０を配置している。第１の偏光板８０は、第１の偏光光を透過させる。

第１の光学ユニット２０Ａは、両凸レンズ２１０Ａと、該両凸レンズ２１０Ａとは別体の反射面２０１とにより構成されている。なお、実施例１における第１の位相板２２０は設けられていない。第２の光学ユニット１０Ａは、平凹レンズ１４０、半透過反射面１０２、平凸レンズ１３０、第３の位相板１２０、第２の偏光分離素子１１０および第２の偏光板１６０により構成されている。第２の光学ユニット１０Ａは、実施例１における第２の光学ユニット１０から第２の位相板１５０を除き、最も射出瞳側に第２の偏光板１６０を設けたものである。第２の偏光板１６０は、第１の偏光光を透過させる。

本実施例では、実施例１における第１の位相板２２０と第２の位相板１５０の代わりに、第１の偏光分離素子３０よりも射出瞳側（第１および第２の光学ユニット側）に、１つの第１の位相板（光学素子）７０を配置している。第１の位相板７０は、第１方向に直線偏光した光の透過軸に対して４５°傾いた遅相軸を有するλ／４板である。

以上のように構成された観察装置において、外界光１００１のうち第１の偏光光は第１の偏光板８０を透過し、第１の偏光分離素子３０を透過して第１の位相板７０に入射する。第１の偏光光としての外界光１００１は、第１の位相板７０によって該外界光の進行方向に向かって見たときに右回りの円偏光に変換される。この円偏光はとしての外界光１００１は、平凹レンズ１４０、半透過反射面１０２および平凸レンズ１３０を透過して第３の位相板１２０により第１の偏光光に戻される。第１の偏光光としての外界光１００１は、第２の偏光分離素子１１０および第２の偏光板１６０を透過して射出瞳Ｓに到達する。このように、外界光１００１は、第２の光学ユニット１０Ａの構成部品をそれぞれ１度だけ透過して射出瞳Ｓに到達する。

本実施例においても、実施例１と同様に、第２の光学ユニット１０Ａにおいて曲面である半透過反射面１０２は屈折率が同じ材料により形成された平凹および平凸レンズ１３０、１４０の間に配置されているため、外界光１００１に対するパワーを持たない。したがって、外界光１００１は第２の光学ユニット１０Ａのパワーを受けることなく射出瞳Ｓに到達する。これにより、自然な外界観察が可能となる。

表示素子２の表示面２１から出射した表示光１００２のうち第１の偏光光は、第１の偏光板８０を透過し、第１の偏光分離素子３０を透過して第１の位相板７０に入射する。第１の偏光光としての表示光１００２は、第１の位相板７０によって該表示光の進行方向に向かって見たときに（以下同じ）右回りの円偏光に変換される。この右回りの円偏光は、両凸レンズ２１０Ａを透過して、曲面反射面２０１Ａで反射されて左回りの円偏光となり、該円偏光は両凸レンズ２１０Ａを再度透過し、第１の位相板７０に再度入射して第２の偏光光に変換される。第２の偏光光としての表示光１００２は、第１の偏光分離素子３０により反射されて第２の光学ユニット１０Ａに入射する。

第２の光学ユニット１０Ａ内において、第２の偏光光としての表示光１００２は、平凹レンズ１４０、半透過反射面１０２および平凸レンズ１３０を透過して第３の位相板１２０により第２の偏光光に変換され、第２の偏光分離素子１１０により反射される。この反射された第２の偏光光としての表示光１００２は、第３の位相板１２０により左回りの円偏光に変換される。円偏光としての表示光１００２は、平凸レンズ１３０を再度透過し、半透過反射面１０２で反射されて右回りの円偏光となり、再度平凸レンズ１３０を透過して第３の位相板１２０に入射する。

第３の位相板１２０に入射した右回りの円偏光としての表示光１００２は、該第３の位相板１２０により第１の偏光光に変換され、該第１の偏光光としての表示光１００２は第２の偏光分離素子１１０および第２の偏光板１６０を透過して射出瞳Ｓに到達する。第２の光学ユニット１０Ａにおいて、表示光１００２は、半透過反射面１０２で反射される際に結像に寄与するパワーを受ける。

本実施例では、第２の偏光板１６０を設けたことにより、表示光１００２のコントラストを向上させたり、迷光の強度を低下させたりすることができる。

次に、図５を用いて本実施例における表示光１００２の光路や結像についてさらに詳しく説明する。図５では、図２に示した構成要素のうち一部の図示を省略している。図５において、ωｖ、ＥＲ、ＥＰＲ、ｆ１、Ｔ１、Ｔ１１、Ｄ１、Ｄ２およびＤ３は実施例１と同じ意味である。

本実施例でも、実施例１と同様に、表示面２１に表示された画像の中間像ＩＭＩが第１の光学ユニット２０Ａから第２の光学ユニット１０Ａまでの光路中に形成される。このため、式（１）の条件を満足する。

また本実施例でも、中間像ＩＭＩが第１の偏光分離素子３０から第２の光学ユニット１０Ａまでの光路中に形成されるように、式（２）の条件を満足することが好ましい。

また本実施例でも、第２の光学ユニット１０Ａの各構成要素を１回のみ透過する光に対する全体の光学的パワーφが、
｜φ｜＜０．０００１２５［１／ｍｍ］
であればよい。

図３は、本発明の実施例３である観察装置の断面を示している。本実施例の観察装置は、光学系１Ｂと表示素子２とを有する。光学系１Ｂは、表示素子２の表示面２１から出射した表示光１００２が射出瞳Ｓに向かって辿る順に、第３のレンズユニットとしてのレンズ４０、第１の偏光板８０、第１の偏光分離素子３０、第１の位相板７０、第１の光学ユニット２０Ｂ、（第１の位相板７０、第１の偏光分離素子３０）および第２の光学ユニット１０Ｂにより構成されている。実施例２と同符号が付された構成要素は、実施例１、２と同じものである。

第１の光学ユニット２０Ｂは、両凸レンズ２１０Ｂと、該両凸レンズ２１０Ｂの一面に設けられた反射面２０１Ｂとにより構成されている。レンズ４０と第１の光学ユニット２０Ｂによりリレー光学系が構成される。第２の光学ユニット１０Ｂは、半透過反射面１０２、平凸レンズ１３１、第３の位相板１２０、第２の偏光分離素子１１０、第２の偏光板１６０および平凹レンズ１４１により構成されている。

以上のように構成された観察装置において、外界光１００１のうち第１の偏光光は第１の偏光板８０を透過し、第１の偏光分離素子３０を透過して第１の位相板７０に入射する。第１の偏光光としての外界光１００１は、第１の位相板７０によって該外界光の進行方向に向かって見たときに右回りの円偏光に変換される。この円偏光はとしての外界光１００１は、半透過反射面１０２および平凸レンズ１３１を透過して第３の位相板１２０により第１の偏光光に戻される。第１の偏光光としての外界光１００１は、第２の偏光分離素子１１０、第２の偏光板１６０および平凹レンズ１４１を透過して射出瞳Ｓに到達する。このように、外界光１００１は、第２の光学ユニット１０Ｂの構成部品をそれぞれ１度だけ透過して射出瞳Ｓに到達する。

本実施例では平凸レンズ１３１と平凹レンズ１４１の空気との界面である面Ｒ１、Ｒ２が曲面であるために、外界光１００１は屈折力を受ける。しかし、２つの面Ｒ１、Ｒ２を透過する際にパワーを互いに打ち消し合って外界光１００１に対する第２の光学ユニット１０Ｂ全体のパワーがほぼ０となるようにすることで、自然な外界観察を可能としている。

表示素子２の表示面２１から出射してレンズ４０を透過した表示光１００２のうち第１の偏光光は、第１の偏光板８０を透過し、第１の偏光分離素子３０を透過して第１の位相板７０に入射する。第１の偏光光としての表示光１００２は、第１の位相板７０によって該表示光の進行方向に向かって見たときに（以下同じ）右回りの円偏光に変換される。この右回りの円偏光は、両凸レンズ２１０Ｂを透過して、反射面２０１Ｂで反射されて左回りの円偏光となり、該円偏光は両凸レンズ２１０Ｂを再度透過し、第１の位相板７０に再度入射して第２の偏光光に変換される。第２の偏光光としての表示光１００２は、第１の偏光分離素子３０により反射されて第２の光学ユニット１０Ｂに入射する。

第２の光学ユニット１０Ｂ内において、第２の偏光光としての表示光１００２は、半透過反射面１０２および平凸レンズ１３１を透過して第３の位相板１２０により第２の偏光光に変換され、第２の偏光分離素子１１０により反射される。この反射された第２の偏光光としての表示光１００２は、第３の位相板１２０により左回りの円偏光に変換される。円偏光としての表示光１００２は、平凸レンズ１３１を再度透過し、半透過反射面１０２で反射されて右回りの円偏光となり、再度平凸レンズ１３１を透過して第３の位相板１２０に入射する。

第３の位相板１２０に入射した右回りの円偏光としての表示光１００２は、該第３の位相板１２０により第１の偏光光に変換され、該第１の偏光光としての表示光１００２は、第２の偏光分離素子１１０、第２の偏光板１６０および平凹レンズ１４１を透過して射出瞳Ｓに到達する。第２の光学ユニット１０Ｂにおいて、表示光１００２は、半透過反射面１０２を透過する際の屈折によりパワーを受け、半透過反射面１０２で反射される際にもパワーを受け、さらに平凹レンズ１４１の面Ｒ２を透過する際にも屈折により結像に寄与するパワーを受ける。

次に、図６を用いて本実施例における表示光１００２の光路や結像についてさらに詳しく説明する。図６では、図３に示した構成要素のうち一部の図示を省略している。図６において、ωｖ、ＥＲ、ＥＰＲ、ｆ１、Ｔ１、Ｔ１１、Ｄ１およびＤ２は実施例１、２と同じ意味である。ただし、Ｄ３はレンズ４０と第１の偏光分離素子３０との間の距離を示している。

本実施例でも、実施例１、２と同様に、表示面２１に表示された画像の中間像ＩＭＩが第１の光学ユニット２０Ｂから第２の光学ユニット１０Ｂまでの光路中に形成される。このため、式（１）の条件を満足する。

また本実施例でも、中間像ＩＭＩが第１の偏光分離素子３０と第２の光学ユニット１０Ｂと間に形成されるように式（２）の条件を満足することが好ましい。これは実施例１で説明した理由に加えて、第１の偏光分離素子３０と第１の光学ユニット２０Ｂとの間に中間像ＩＭＩが形成されると、レンズ４０の径が大きくなるためである。

また本実施例でも、第２の光学ユニット１０Ｂの各構成要素を１回のみ透過する光に対する全体の光学的パワーφが、
｜φ｜＜０．０００１２５［１／ｍｍ］
であればよい。

以上説明した各実施例によれば、小型の光学シースルータイプの観察装置を実現することができる。

なお、上記各実施例では、表示光により中間像の全体が第１の偏光分離素子から第２の光学ユニットまでの光路中に形成される場合について説明した。しかし、中間像の少なくとも一部が第１の偏光分離素子から第２の光学ユニットまでの光路中に形成されればよく、他の部分が第１の光学ユニットから第１の偏光分離素子までの光路中に形成されてもよい。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１ 光学系
２ 表示素子
Ｓ 射出瞳
３０ 第１の偏光分離素子
２０ 第１の光学ユニット
２０１ 反射面
１０ 第２の光学ユニット
１０２ 半透過反射面
１１０ 第２の偏光分離素子
７０、１２０、１５０ 位相板

Claims (8)

1. 画像を表示する表示光を発する表示素子と、
   前記表示光と外界からの光である外界光を射出瞳に導く光学系とを有する観察装置であって、
   前記光学系は、
   第１の偏光分離素子と、
   反射面を含み、入射した光に対してパワーを有する第１の光学ユニットと、
   半透過反射面と、位相板と、第２の偏光分離素子とを含む第２の光学ユニットと、
   偏光板とを有し、
   互いに偏光方向が異なる２つの直線偏光を第１の偏光光および第２の偏光光とするとき、
   前記偏光板は、前記外界および前記表示素子から前記第１の偏光分離素子に向かう前記外界光および前記表示光のうち前記第１の偏光光を透過させ、
   前記光学系は、
   前記第１の偏光光としての前記外界光を、前記第１の偏光分離素子、前記半透過反射面、前記位相板および前記第２の偏光分離素子を透過させて前記射出瞳に向かわせ、
   前記第１の偏光光としての前記表示光を、前記第１の偏光分離素子を透過させ、前記反射面で反射し、前記第２の偏光光に変えて前記第１の偏光分離素子で反射し、前記半透過反射面および前記位相板を透過させ、前記第２の偏光分離素子で反射し、前記位相板を透過させ、前記半透過反射面で反射し、前記位相板および前記第２の偏光分離素子を透過させて前記射出瞳に向かわせ、
   前記表示光に、前記第１の光学ユニットから前記第２の光学ユニットまでの光路中に中間像を形成させることを特徴とする観察装置。
2. 前記第２の光学ユニットの焦点距離をｆ１、前記第２の光学ユニットの光軸上での該第２の光学ユニットと前記第１の偏光分離素子３０との間の距離をＤ１、前記第１の光学ユニットの光軸上での該第１の光学ユニットと前記第１の偏光分離素子との間の距離をＤ２とするとき、
   ｆ１＜Ｄ１＋Ｄ２
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の観察装置。
3. 前記光学系は、前記表示光に、前記第１の偏光分離素子から前記第２の光学ユニットまでの光路中に前記中間像の少なくとも一部を形成させることを特徴とする請求項１または２に記載の観察装置。
4. 前記第２の光学ユニットは前記半透過反射面が設けられた凸面を有するレンズを含み、該レンズの材料の屈折率をＮ１、前記第２の光学ユニットの焦点距離をｆ１、前記第２の光学ユニットの光軸上での該第２の光学ユニットと前記第１の偏光分離素子３０との間の距離をＤ１、前記第２の光学ユニットの光軸上での厚みをＴ１、前記第２の光学ユニットの光軸上での前記レンズの厚みをＴ１１とするとき、
   （Ｔ１１＋Ｔ１）／Ｎ１＜ｆ１＜Ｄ１
   なる条件を満足することを特徴とする請求項３に記載の観察装置。
5. 前記第１の光学ユニットは、第２の位相板を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の観察装置。
6. 前記第２の偏光分離素子よりも前記射出瞳側に、前記第１の偏光光を透過させる偏光板を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の観察装置。
7. 前記反射面が凹面鏡であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の観察装置。
8. 前記凹面鏡が裏面鏡であることを特徴とする請求項７に記載の観察装置。