观察光学系统及使用了该系统的图象显示装置的制作方法

专利名称：观察光学系统及使用了该系统的图象显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及观察光学系统及使用了该系统的图像显示装置，特别是涉及进行了改进的观察光学系统及使用了该系统的头载显示器等图像显示装置，该观察光学系统通过小型的、极大地抑制了光量损耗的目镜光学系统，能够观察利用反射型液晶显示元件等的反射光来显示图像的那种显示元件的明亮的图像。
背景技术：
本发明还涉及例如在头载显示器等图像显示装置的光学系统中透过外界等进行观察的透明观察光学系统。
近年来，伴随头载显示器和眼镜型显示器的发展，紧凑的目镜光学系统的开发取得了进展，设计出了特开平7-333551号、特开平8-50256号、或特开平8-234137号等中记载的采用薄型紧凑的偏心棱镜的目镜光学系统。它们都是反射面具有放大能力、光路曲折的紧凑的目镜光学系统，使用具有变形的反射面或具有一个对称面的旋转非对称反射面，修正由具有放大能力的偏心反射面发生的旋转非对称偏心像差。
另外，关于显示观察图像的液晶显示元件，为了形成更明亮的容易观察的图像，开发了反射型液晶显示元件，特开平10-268306号公报中公开了还包含其照明形态的反射型液晶显示元件。
另外，作为使用反射型液晶显示元件等的比透射型更明亮的反射型图像显示元件的目镜光学系统，已知有美国专利第5771124号。
可是，美国专利第5771124号中公开的目镜光学系统必须用玻璃构成全部光学零件，变得很重，另外，结构本身也由于零件个数多而变得庞大。另外，由于朝向反射型图像显示元件的照明光以相对于画面的垂直方向倾斜很大的方向入射，所以损失了亮度。
因此，根据特开平10-268306号，虽然考虑了从大致垂直于观察光学系统的反射型图像显示元件的显示面的方向进行照明，但美国专利第5771124号中的目镜光学系统由于欠缺紧凑性等，所以并不是所希望的。
因此，可以考虑将紧凑性好的特开平7-333551号、特开平8-50256号、特开平8-234137号等中设计的目镜光学系统和大致垂直于基于特开平10-268306号的显示面进行照明的反射型图像显示元件组合起来，构成明亮而紧凑的观察光学系统。
可是，使用上述现有的偏心棱镜的目镜光学系统由于以使用透射型的图像显示元件为前提，所以图像显示元件和偏心棱镜的入射面之间的距离短。因此，不能取得将照亮反射型图像显示元件的显示面的光学构件配置在图像显示元件和偏心棱镜之间的空间，所以反射型图像显示元件与美国专利第5771124号一样，不得不将光源相对于光轴配置得呈较大的倾斜状态，以便使照明光从倾斜的方向照射显示面。
在相对于光轴倾斜较大地配置反射型图像显示元件的情况下，特别是在使用反射型液晶显示元件的情况下，由于反射型图像显示元件对其视角的依赖性，不能充分地发挥反射型图像显示元件的亮度。另外，由于物体表面相对于光轴倾斜，所以为了能垂直于无弯曲、扭曲的光轴观察其像，目镜光学系统的负担太大。
另外，为了用构成这样的现有的目镜光学系统的厚的棱镜光学系统构成透视外界等的透明光学系统，一般是用同一形状的面构成接目一侧的表面和外界一侧的表面，使透明光路的放大能力为0。
可是，在上述棱镜光学系统接目一侧的表面不是平面的情况下，即使透明光路的放大能力为0，其角放大率也不是1，在用一只眼观察该棱镜光学系统、使另一只眼裸露的罩在一只眼上的头载型图像显示装置的情况下，如果用两只眼观察，则存在不能使左右两眼中的像合成一个像的问题。
发明的公开本发明就是鉴于现有技术中的以上的问题而完成的，其目的在于提供一种使用由偏心棱镜构成的目镜光学系统和反射型图像显示元件的小型明亮、高性能的观察光学系统及使用了它的图像显示装置。
本发明的另一个目的在于提供这样一种观察光学系统，即在透过由图像显示元件形成显示图像的棱镜光学系统等目镜光学系统透明地观察外界等的情况下，与用肉眼观察的情况相同，能看到外界等。
达到上述第一个目的的本发明的第一个观察光学系统备有反射型图像显示装置和目镜光学系统，上述反射型图像显示装置通过反射从形成观察用的图像的显示面的前侧入射的照明光束，显示图像，上述目镜光学系统将上述图像引导到应位于观察者的眼球的瞳孔位置，该观察光学系统的特征在于上述图像显示装置有照明装置；以及引导照明光束的照明光导光光学装置，以便能从上述显示面的前侧照射从上述照明装置射出的光束，上述目镜光学系统备有棱镜构件，该棱镜构件有使从上述反射型图像显示装置反射的显示光束通过上述照明光导光光学装置后入射到棱镜内的入射面；使光束在棱镜内反射的至少一个反射面；以及将光束射出到棱镜外的射出面，上述棱镜构件的上述至少一个反射面相对于光轴偏心配置，形成旋转非对称的曲面形状，用来修正由于该偏心而发生的偏心像差，同时对光束提供放大能力，将其构成为，上述棱镜构件的入射面和上述反射型图像显示装置的显示面之间的间隔满足下面的条件式，将上述图像引导到上述瞳孔位置。
0.6＜L/H＜3.1式中，L是反射型图像显示装置的显示面与光轴相交的图像中心位置和棱镜构件的入射面与光轴相交的位置之间的间隔，H是反射型图像显示装置的像高(在显示面为四边形的情况下为对角线长度)。
达到上述另一目的的本发明的第二个观察光学系统备有形成供观察者观察的第一像的像形成构件；将上述像形成构件形成的像引导到观察者的眼球中的目镜光学系统；以及配置在比上述目镜光学系统更靠近上述第二像一侧的透明光学元件，以便将与上述第一像不同的第二像引导到观察者的眼球中，该观察光学系统的特征在于上述目镜光学系统至少有曲面形状的反射面，以便使来自上述第一像的光束反射，引导到观察者眼球一侧，上述反射面具有使来自透过了上述透明光学元件的上述第二像的光束透过的作用，上述透明光学元件被配置在比上述反射面更靠近上述第二像一侧，与上述反射面相距某一间隔，将其构成为，来自上述第二像的光束透过上述透明光学元件和上述目镜光学系统时，上述透明光学元件和上述目镜光学系统合成的光学放大能力P大约为0，而且，角放大率β大约为1。
达到上述另一目的的本发明的第三个观察光学系统备有形成供观察者观察的第一像的像形成构件；将上述像形成构件形成的像引导到观察者的眼球中的目镜光学系统；以及配置在比上述目镜光学系统更靠近上述第二像一侧的透明光学元件，以便将与上述第一像不同的第二像引导到观察者的眼球中，该观察光学系统的特征在于上述目镜光学系统至少有曲面形状的反射面，以便使来自上述第一像的光束反射，引导到观察者眼球一侧，上述反射面具有使来自透过了上述透明光学元件的上述第二像的光束透过的作用，上述透明光学元件被配置在比上述反射面更靠近上述第二像一侧，与上述反射面紧密接触，将其构成为，来自上述第二像的光束透过上述透明光学元件和上述目镜光学系统时，上述透明光学元件和上述目镜光学系统合成的光学放大能力P大约为0。
达到上述另一目的的本发明的第四个观察光学系统备有形成供观察者观察的第一像的像形成构件；将上述像形成构件形成的像引导到观察者的眼球中的目镜光学系统；以及配置在比上述目镜光学系统更靠近上述第二像一侧的透明光学元件，以便将与上述第一像不同的第二像引导到观察者的眼球中，该观察光学系统的特征在于上述目镜光学系统至少有曲面形状的反射面，以便使来自上述第一像的光束反射，引导到观察者眼球一侧，上述反射面具有使来自透过了上述透明光学元件的上述第二像的光束透过的作用，上述透明光学元件被配置在比上述反射面更靠近上述第二像一侧，与上述反射面紧密接触，将其构成为，来自上述第二像的光束透过上述透明光学元件和上述目镜光学系统时，上述透明光学元件和上述目镜光学系统合成的角放大率β大约为1。
以下顺便说明本发明中取上述结构的理由和作用。
在发明的第一方面中，观察光学系统备有反射型图像显示装置和目镜光学系统，上述反射型图像显示装置通过反射从形成观察用的图像的显示面的前侧入射的照明光束，显示图像，上述目镜光学系统将该图像引导到应位于观察者的眼球的瞳孔位置，在该观察光学系统中，该图像显示装置有照明装置，以及引导照明光束的照明光导光光学装置，以便能从显示面的前侧照射从该照明装置射出的光束。
这样，在发明的第一方面的观察光学系统中，备有引导照明光束的照明光导光光学装置，以便能从反射型图像显示装置的显示面的前侧照射从照明装置射出的光束，因此，能从前侧大致垂直地照亮显示面，能构成明亮的观察光学系统。
另外，由于目镜光学系统备有棱镜构件，该棱镜构件有使从图像显示装置反射的显示光束入射到棱镜内的入射面；使光束在棱镜内反射的至少一个反射面；以及将光束射出到棱镜外的射出面，所以能构成薄而小型的观察光学系统。
另外，由于该棱镜构件的至少一个反射面相对于光轴偏心配置，形成旋转非对称的曲面形状，用来修正由于该偏心而发生的偏心像差，同时对光束提供放大能力，所以能构成既有高的光学性能、且小型、重量轻的高性能的观察光学系统。
透镜式的折射光学元件由于其边界面有曲率，所以能开始具有放大能力。因此，光线在透镜的边界面上折射时，不能避免发生由折射光学元件的色散特性引起的色像差。其结果，一般情况下出于修正色像差的目的，可以附加另一折射光学元件。
另一方面，反射镜或棱镜等之类的反射光学元件即使在其反射面上具有放大能力，在原理上也不发生色像差，不需要只是为了修正色像差的目的而附加另一光学元件。因此，使用反射光学元件的光学系统与使用折射光学元件的光学系统相比，从修正色像差的观点来看，前者能减少光学元件的构成个数。
同时，使用反射光学元件的反射光学系统由于使光路折叠，所以与折射光学系统相比，能使光学系统本身减小。
另外，由于反射面的偏心误差灵敏度比折射面的高，所以组装调整时要求的精度高。可是，在反射光学元件中，由于棱镜的各个面的相对位置关系是固定的，所以作为棱镜单体控制偏心即可，不需要在必要以上的组装精度、调整上花费工时。
另外，棱镜有作为折射面的入射面和射出面、以及反射面，与只有反射面的反射镜相比，像差修正的自由度大。特别是反射面分担了所希望的放大能力的大部分，减小了作为折射面的入射面和射出面的放大能力，所以与反射镜相比，能经常确保增大像差修正的自由度，且与透镜等之类的折射光学元件相比，能显著减小色像差的发生。另外，由于在棱镜内部充满比空气的折射率高的透明体，所以与空气相比能延长光路长度，比起配置在空气中的透镜或反射镜等，光学系统能薄型化、小型化。
另外，目镜光学系统不用说其中心的性能，就是其周边也要求具有良好的成像性能。在一般的共轴光学系统的情况下，由于轴外光线的高度符号在光圈前后颠倒，所以相对于光学元件的光圈的对称性被破坏，致使轴外像差恶化。因此，一般是将光圈夹在中间配置折射面，充分地满足相对于光圈的对称性，进行轴外像差的修正。
在发明的第一方面中，如上所述，由具有入射面、至少一个反射面和射出面的棱镜构件构成，使其至少一个反射面相对于光轴偏心配置，形成旋转非对称的曲面形状，用来修正由于该偏心而发生的偏心像差，同时对光束提供放大能力，所以不仅中心而且轴外像差也能得以良好地修正。
由于采取这样的发明的第一方面的基本结构，所以与使用折射光学系统或旋转对称的反射光学系统的光学系统相比，能获得光学元件的构成个数少、从中心至周边性能良好的小型的目镜光学系统。
这里，在逆光线跟踪中，将通过瞳孔中心到达反射型图像显示元件的显示面的中心的光线作为轴上主光线时，如果本发明的棱镜构件的至少一个反射面相对于轴上主光线不偏心，则轴上主光线中的入射光线和反射光线取同一光路，由此轴上主光线在光学系统中被遮断。其结果，只有中心部分被遮光的光束才形成像故中心变暗，或者不是全部都在中心成像。
另外，当然也能使带有放大能力的反射面相对于轴上主光线偏心。
另外，在使带有放大能力的反射面相对于轴上主光线偏心的情况下，在构成棱镜构件的面中希望至少有一个反射面是旋转非对称面。
以下详细说明其理由。首先说明所使用的坐标系、旋转非对称面。轴上主光线将用与光学系统的第一面交叉之前的直线定义的光轴作为Z轴，将与该Z轴正交、而且构成目镜光学系统的各面的偏心面内的轴定义为Y轴，将与上述光轴正交、而且与上述Y轴正交的轴作为X轴。另外，光线的跟踪方向如上所述，用从瞳孔朝向反射型图像显示元件的逆光线跟踪进行说明。
一般说来，在只用球面透镜构成的球面透镜系统中，使由球面发生的球面像差和彗形像差、像面弯曲等像差在几个面上互相修正，作为整体呈像差少的结构。
另一方面，为了用个数少的面很好地修正像差，所以采用旋转对称非球面等。这是为了减少在球面上发生的各种像差本身。
可是，在偏心的光学系统中，不可能用旋转对称光学系统修正由偏心发生的旋转非对称的像差。由该偏心发生的旋转非对称的像差有畸变像差、像面弯曲、甚至也在轴上发生的像散、彗形像差等。
首先，说明旋转非对称的像面弯曲。例如，从无限远的物点入射到偏心的凹面镜上的光线接触凹面镜后反射成像，但光线接触凹面镜后，在像的边界一侧为空气的情况下，至像面后侧的焦距为光线接触部分的曲率半径的一半。于是，如图23所示，形成相对于轴上主光线倾斜的像面。这样，为了修正旋转非对称的像面弯曲，不可能采用旋转对称的光学系统。
为了用作为倾斜的像面弯曲的发生源的凹面镜M本身修正该倾斜的像面弯曲，用旋转非对称的面构成凹面镜M，在该例中如果沿Y轴正向曲率增大(折射能力强)，沿Y轴负向曲率减小(折射能力弱)，则能进行修正。另外，通过将具有与上述结构相同效果的旋转非对称面配置在与凹面镜M不同的光学系统中，能用个数少的构件获得平的像面。
另外，把旋转非对称面作成为其面内及面外都没有旋转对称轴的旋转非对称面形状的面有利于提高自由度、修正像差。
其次，说明旋转非对称的像散。与上述说明相同，在偏心配置的凹面镜M上即使对于轴上光线，也发生图24所示的像散。为了修正该像散，与上述说明相同，通过适当地改变旋转非对称面的X轴方向的曲率和Y轴方向的曲率，能进行修正。
再说明旋转非对称的彗形像差。与上述说明相同，在偏心配置的凹面镜M上即使对于轴上光线，也发生图25所示的彗形像差。为了修正该彗形像差，随着离开旋转非对称面的X轴的原点，改变面的倾角，同时根据Y轴的正负，适当地改变面的倾角，能进行修正。
另外，在本发明的目镜光学系统中，也可以是这样的结构，即具有上述反射作用的至少一个面相对于轴上主光线偏心，是旋转非对称面形状具有放大能力。如果采用这样的结构，则由于使该反射面具有放大能力，所以能用该面本身修正所发生的偏心像差，通过减弱棱镜折射面的放大能力，能减小色像差本身的发生。
另外，本发明中使用的上述旋转非对称面最好是只一面有对称面的面对称自由曲面。这里，所谓本发明中使用的自由曲面是用下式(a)定义的曲面。另外，该定义式中的Z轴成为自由曲面的轴。Z=cr2/[1+√{1-(1+k)c2r2}]+Σj=266CjXmYn]]>···(a)这里，(a)式的第一项是球面项，第二项是自由曲面项。在球面项中，c顶点的曲率k圆锥常数r=√(X2+Y2)自由曲面项Σj=266CjXmYn]]>=C2X+C3Y+C4X2+C5XY+C6Y2+C7X3+C8X2Y+C9XY2+C10Y3+C11X4+C12X3Y+C13X2Y2+C14XY3+C15Y4+C16X5+C17X4Y+C18X3Y2+C19X2Y3+C20XY4+C21Y5+C22X6+C23X5Y+C24X4Y2+C25X3Y3+C26X2Y4+C27XY5+C28Y6+C29X7+C30X6Y+C31X5Y2+C32X4Y3+C33X3Y4+C34X2Y5+C35XY6+C36Y7······式中，CJ(J是2以上的整数)是系数。
上述自由曲面一般说来，X-Z面、Y-Z面都不具有对称面，但在本发明中通过使X的奇次项全部为0，就成为存在一个与Y-Z面平行的对称面的自由曲面了。例如，在上述定义式(a)中，通过使C2、C5、C7、C9、C12、C14、C16、C18、C20、C23、C25、C27、C29、C31、C33、C35、…各项的系数为0，就能实现。
另外，通过使Y的奇次项全部为0，就成为存在一个与X-Z面平行的对称面的自由曲面了。例如，在上述定义式中，通过使C3、C5、C8、C10、C12、C14、C17、C19、C21、C23、C25、C27、C30、C32、C34、C36、…各项的系数为0，就能实现。
另外将上述对称面方向的任意一方作为对称面，与其对应的方向的偏心、例如相对于与Y-Z面平行的对称面，光学系统的偏心方向为Y轴方向，相对于与X-Z面平行的对称面，光学系统的偏心方向为X轴方向，所以既能有效地修正由于偏心而发生的旋转非对称的像差，同时又能提高制作效率。
另外，如上所述，上述定义式(a)是作为一例示出的，本发明的特征在于通过使用只一面有对称面的旋转非对称面，修正由于偏心而发生的旋转非对称的像差，同时提高制作效率，即使对于其他任意的定义式来说，当然也能获得同样的效果。
可是，在本发明中，重要的是能这样构成，即棱镜构件的入射面和反射型图像显示元件的显示面之间的间隔满足下面的条件式，将显示图像引导到瞳孔位置。
0.6＜L/H＜3.1…(1)式中，L是反射型图像显示装置的显示面与光轴相交的图像中心位置和棱镜构件的入射面与光轴相交的位置之间的间隔，H是反射型图像显示装置的像高(在显示面为四边形的情况下，为对角线长度)。
该条件式(1)是在棱镜构件的入射面和反射型图像显示装置的显示面之间配置照明光导光光学装置用的条件式，如果超过上限3.1，则其间隔过大，在上述目镜光学系统中难以达到，同时观察光学系统本身大型化，导致与本发明的目的相反的结果。如果超过其下限0.6，则其间隔过窄，照明光导光光学装置的光束分离面相对于光轴的倾角变得过小，如果使照明光大致垂直地入射到反射型图像显示装置的显示面上，则由于遮光而难以照明全部显示面。
重要的是还希望满足如下条件0.7＜L/H＜2.0…(1-1)该条件的上限的含义与上述相同。
重要的是还希望满足如下条件0.8＜L/H＜1.5…(1-2)该条件的上限的含义与上述相同。
另外，在本发明中，作为反射型图像显示装置并无限定，例如能使用反射型液晶显示元件。
可是，在本发明的观察光学系统中，如上所述，由于将棱镜构件的入射面和反射型图像显示元件的显示面之间的间隔取得较大，将照明光导光光学装置配置在该间隔中，所以较容易发生色像差。因此，希望将衍射光学元件配置在棱镜构件的入射面一侧，以便修正该色像差。
另外，在本发明的观察光学系统中，作为目镜光学系统使用的棱镜构件虽然能使用众所周知的各种偏心棱镜，但为了使光路折叠而小型化，希望使用至少备有一个面是兼作折射面和反射面的折射反射兼用面的这样一种类型的偏心棱镜。
作为具有代表性的偏心棱镜有这样构成的，它有使从反射型图像显示装置反射的显示光束通过照明光导光光学装置后，入射到棱镜内的入射面；使从该入射面入射的光束反射的第一反射面；使在该第一反射面上反射的光束反射的第二反射面；以及使在该第二反射面上反射的光束向棱镜外射出光束的射出面，第一反射面和射出面成为折射反射兼用面。
另外，还有这样构成的，它有使从反射型图像显示装置反射的显示光束通过照明光导光光学装置后，入射到棱镜内的入射面；使从该入射面入射的光束反射的第一反射面；使在该第一反射面上反射的光束反射的第二反射面；使在该第二反射面上反射的光束反射的第三反射面；以及使在该第三反射面上反射的光束向棱镜外射出光束的射出面，第二反射面和射出面成为折射反射兼用面。
另外，在本发明的观察光学系统中，照明光导光光学装置由透明构件构成，该透明构件备有使从照明装置射出的光束入射的第一面；使从第一面入射的光束全反射的第二面；以及使在第二面上全反射的光束反射的第三面，第二面使在第三面上反射的光束透过，从前方照亮反射型图像显示装置的显示面，同时使从反射型图像显示装置的显示面反射的显示光束透过，第三面构成了使透过了第二面的显示光束透过的光束分离面。
在此情况下，希望在该透明构件的第三面一侧配置偏移角补偿构件，用来补偿由该透明构件引起的偏移角。
当然，在照明光导光光学装置以外也可以不配置任何偏移角补偿构件。在此情况下，希望满足以下条件。
首先定义参数。

图19是表示通过照明光导光光学装置的轴上主光线的光路图，将通过照明光导光光学装置的第二面(一般为曲面或平面)与轴上主光线的交点的切平面和通过其第三面(一般为曲面或平面)与轴上主光线的交点的切平面构成的角度α定义为顶角。而且，将入射到第二面的轴上主光线和从第三面射出的轴上主光线构成的角度θ定义为偏移角。
一般说来，有顶角α的三角棱镜(设其折射率为n)的最小偏移角θmin由下式求得。
θmin=2sin-1[n·sin(α/2)]-α…(2)
这里，将从照明光导光光学装置的第二面通过第三面的轴上主光线的偏移角θ和三角棱镜的最小偏移角θmin的差θ-θmin定义为Δθ，上述三角棱镜有由通过照明光导光光学装置的第二面与轴上主光线的交点的切平面和通过其第三面与轴上主光线的交点的切平面构成的角度为α的顶角，如上定义后满足下式是重要的。
Δθ＜20°…(3)如果超过该条件式的上限值20°,Δθ增大，则由于各视场角的光束被照明光导光光学装置以大的角度折射，所以过分地发生偏心彗形像差和色像差，难以用目镜光学系统的棱镜构件消除、修正这些像差。
还希望最好满足Δθ＜10°…(3-1)条件式的上限值的意义与上式相同。
另外最好满足Δθ＜3° …(3-2)条件式的上限值的意义与上式相同。
本发明包括备有右眼用或左眼用以上的观察光学系统构成的图像显示装置。
另外，本发明包括备有一对右眼用和左眼用以上的观察光学系统构成的图像显示装置。
另外，该图像显示装置包括有位于观察者面部前方、支撑在观察者头部的支撑装置构成的图像显示装置。
其次，说明本发明的第二种观察光学系统。
图26是后面所述的实施例5的观察光学系统的光路图。参照该图进行说明，该观察光学系统的目镜光学系统包括棱镜光学系统210构成，棱镜光学系统210从射出光瞳201一侧逆光线跟踪算起，由兼作透射面和全反射面的第一面211、作为半透射半反射面的第二面212以及作为透射面的第三面213构成，来自配置在像面203上的图像显示元件的显示光从第三面213入射到棱镜光学系统210内，该入射光在第一面211上反射后，再在第二面212上反射，从第一面211射出到棱镜以外，入射到瞳孔位于射出光瞳201的位置的观察者眼球中，能放大观察像面203上的显示像。
在棱镜光学系统210的第二面212的前方相距某一间隔(包括轴上间隔为0者)配置着由另一透射棱镜构件构成的透明光学元件220，从射出光瞳201一侧逆光线跟踪算起，它由作为透射面的第一面221和第二面222构成，来自外界的光依次透过透明光学元件220的第二面222、第一面221、棱镜光学系统210的第二面212、第一面211，入射到瞳孔位于射出光瞳201的位置的观察者眼球中，形成外界像。能有选择地或重叠地观察外界像和像面203上的图像显示元件的显示像。另外，图26中，符号202示出了轴上主光线。
这样，在本发明中，观察光学系统备有形成供观察者观察的第一像的像形成构件(像面203的图像显示元件)；将该像形成构件形成的像引导到观察者眼球中构成的目镜光学系统(在此情况下，由棱镜光学系统210和衍射光学元件204构成)；以及透明光学元件220，该透明光学元件220配置在比目镜光学系统更靠近第二像一侧，以便将与第一像不同的第二像(在此情况下为外界像)引导到观察者眼球中，在该观察光学系统中，目镜光学系统有至少呈曲面形状的反射面212，以便反射来自第一像的光束，引导到观察者眼球一侧，反射面212具有使来自透过了透明光学元件220的第二像的光束透过的作用，透明光学元件220与反射面212相距某一间隔配置在比反射面212更靠近第二像一侧。
而且，在本发明中特征在于来自外界的光束透过透明光学元件220和棱镜光学系统210时，透明光学元件220和棱镜光学系统210合成的光学放大能力P大致为0，而且，角放大率β大致为1。这里，光学放大能力和角放大率都是轴上主光线2通过的位置处的光学放大能力和角放大率。
这样，由于使透明光学系统的光学放大能力P大致为0，使角放大率β大致为1，所以透过透明光学系统看到的像和用肉眼看到的像相同，用肉眼看到的像和通过透明光学系统看到的像容易会合在一起，例如在罩在单只眼上的头载型图像显示装置中容易用两眼观察外界像。
这里，光学放大能力P大致为0，意味着P在下述范围内-0.002＜P＜0.002(1/mm)…(4)如果超过该条件的上下限，则透过透明光学系统看到的像和用肉眼看到的像的成像位置过于不同，难以用两眼进行观察。
另外，角放大率β大致为1，意味着0.95＜β＜1.05…(5)如果超过该条件的上下限，则透过透明光学系统看到的像和用肉眼看到的像不能大小相同地成像，用两眼看到的左右像难以合在一起。
另外，所谓目镜光学系统和透明光学元件之间离开某一间隔，不是说用折射率与光学构件大致相等的粘接剂进行粘接、能忽视其粘接面上的光学放大能力的发生，而是说在目镜光学系统和透明光学元件之间发生的光学放大能力(例如空气透镜)也发生有助于透明光学系统的光学性能的作用，不限于中间夹着空气而分离，还包括用存在折射率差的粘接剂进行粘接、或者将液体、气体、流体封入的方法。另外，也可以在其间配置液晶光闸。
这里，通过构成为目镜光学系统所具有的反射面呈修正偏心像差的旋转非对称的曲面形状，修正像差方面较为理想。
其理由与用图23～图24说明的相同。
另外，在本发明的目镜光学系统中，有上述的反射作用的至少一个面相对于轴上主光线偏心，也可以呈旋转非对称面的形状而有放大能力的结构。如果采用这样的结构，则由于其反射面具有放大能力，所以能用该面本身修正所发生的偏心像差，通过减弱棱镜的折射面的放大能力，能减小色像差本身的发生。
另外，本发明中使用的上述的旋转非对称面最好是只一面有变形面或对称面的面对称自由曲面。这里，本发明中使用的所谓自由曲面是用上述式(a)定义的曲面。另外，该定义式中的Z轴成为自由曲面的轴。
另外，如上所述，上述定义式(a)是作为一例给出的，本发明的特征在于通过使用只一面有对称面的旋转非对称面，修正由于偏心而发生的旋转非对称的像差，同时还使制作效率提高，即使对于其他任意的定义式来说，当然也能获得同样的效果。
而且，希望构成为来自第二像的光束透过透明光学元件和目镜光学系统时给出的合成光学放大能力及角放大率最好满足以下条件，以便透明光学系统在目镜光学系统中发生的光学放大能力和角放大率互相抵消。
-0.002＜PX＜0.002(1/mm)…(6)-0.002＜PY＜0.002(1/mm)…(7)0.97＜βX＜1.03…(8)0.95＜βY＜1.05…(9)式中，全光学系统的偏心方向是Y轴方向，假设与轴上主光线平行的面是Y-Z面，与该Y-Z面正交的方向为X方向时，假设全系统的X方向的放大能力为PX,Y方向的放大能力为PY，全系统的X方向的角放大率为βX，全系统的Y方向的角放大率为βY。式中，人的纵向为Y轴方向。在人的纵向为X轴方向的情况下，条件(8)、(9)变成下式所示。
0.95＜βX＜1.05…(8)’0.97＜βY＜1.03…(9)’这里，关于角放大率之所以纵向和横向存在差异，是因为人的眼睛沿横向X比沿纵向Y能看得更细，Y方向的βY即使多少弱一些也不要紧，所以(8)和(9)之间存在差异。
上述条件(6)～(9)的上下限的意义与上述条件(4)和(5)的上下限的意义相同。
重要的是，全系统的X方向的放大能力PX,Y方向的放大能力PY最好满足下面的条件，-0.001＜PX＜0.001(1/mm) …(6-1)-0.001＜PY＜0.001(1/mm) …(7-1)另外，希望至少满足下面条件的某一方。
-0.0005＜PX＜0.0005(1/mm)…(6-2)-0.0005＜PY＜0.0005(1/mm)…(7-2)重要的是，全系统的X方向的角放大率βX、全系统的Y方向的角放大率βY最好满足下面的条件式，0.99＜βX＜1.01 …(8-1)0.99＜βY＜1.01 …(9-1)另外，重要的是，最好满足下面的条件式，0.995＜βX＜1.005…(8-2)0.995＜βY＜1.005…(9-2)
其次，假设眼睛一侧的第一棱镜(在图26中为棱镜光学系统210)的逆光线跟踪时的入射面与视场轴(轴上主光线)的交点处的X方向和Y方向的曲率为Cx1、Cy1，第一棱镜的射出面与视场轴的交点处的X方向和Y方向的曲率为Cx2、Cy2，配置在物体一侧的透明光学元件的入射面与视场轴的交点处的X方向和Y方向的曲率为Cx3、Cy3，透明光学元件的射出面的曲率为Cx4、Cy4时，在使第一棱镜和第二棱镜接近配置的情况下，Cx3/Cx2和Cy3/Cy2最好满足下面的条件。
0.3＜Cx3/Cx2＜1.2…(10)0.3＜Cy3/Cy2＜1.2…(11)如果超过上述条件式的下限0.3，则由于夹在上述的两个面之间的空气层的作用，该部分具有过大的正放大能力，在全系统的光学放大能力为0的情况下，为了将该部分的放大能力抵消，所以第二棱镜的射出面不得不具有强的负光学放大能力，角放大率变成1以下很多。另一方面，在角放大率大致为1的情况下也一样，第二棱镜的射出面不得不具有强的负光学放大能力，全体光学放大能力具有强的正放大能力，变得不能观察远方了。
如果超过上述条件式的上限1.2，则由于夹在上述的两个面之间的空气层的作用，该部分具有过大的负放大能力，在全系统的光学放大能力为0的情况下，为了将该部分的放大能力抵消，所以第二棱镜的射出面不得不具有强的正光学放大能力，角放大率变成1以上很多。另一方面，在角放大率大致为1的情况下也一样，第二棱镜的射出面不得不具有强的正光学放大能力，全体光学放大能力具有强的负放大能力，变得不能观察近处了。
另外，必要的是，最好满足以下条件0.4＜Cx3/Cx2＜1…(10-1)0.4＜Cy3/Cy2＜1…(11-1)可是，如图26所示，希望作为目镜光学系统至少有夹持着折射率大于1的介质的棱镜构件，该棱镜构件至少包括3个以上的具有透过或反射的一种光学作用的光学作用面，该3个面由第三面、第二面和第一面构成，上述第三面将来自第一像的光束入射到棱镜内，上述第二面离开透明光学元件某一间隔与其相对，具有使透过了透明光学元件的来自第二像的光束透过棱镜内的作用和使来自第一像的光束在棱镜内反射的作用，至少有呈曲面形状的反射面，上述第一面将来自第一像的光束射出到棱镜外。
在此情况下，希望第一面或第三面中的至少一者以修正偏心像差的旋转非对称的曲面形状构成，该曲面形状由只一面有变形面或对称面的面对称自由曲面构成。
另外，希望第一面以对棱镜内的光束兼有反射作用和透射作用的方式构成。
在此情况下，第一面的反射作用和透射作用的兼用面最好由全反射面构成，该全反射面使反射光束以超过全反射临界角的角度入射到该第一面上，然后使在反射面上返回的反射光束以不超过全反射临界角的角度入射后从棱镜射出。
另外，在本发明的观察光学系统中，也可以这样构成目镜光学系统和透明光学元件，即第一像观察视野范围在第二像观察视野范围内形成，上述第一像观察视野范围由来自第一像的光束从目镜光学系统射出决定，上述第二像观察视野范围由来自第二像的光束透过透明光学元件和目镜光学系统的一部分决定。
另外，对于与目镜光学系统的透明光学元件相对配置的反射面的光束反射区域来说，将透明光学元件的光学孔径构成得比目镜光学系统的反射面小，以便从透明光学元件透过的光束透过区域移动到像形成构件一侧，而且，将透明光学元件与其反射面接近像形成构件一侧的区域相对地配置，在其反射面不与透明光学元件相对的部分上涂敷遮光涂层，防止来自外界的照明光线的入射。
而且，可以将遮光构件配置在透明光学元件的前方或后方中的至少一方，该遮光构件能使来自外界像的光束透过与被遮断、或者透过与被减弱地进行切换，以便该第二像成为外界像。
另外，还可以将显示元件配置在透明光学元件的与目镜光学系统相反的一侧，以便用形成与第一像不同的像的显示元件形成第二像。
另外，可以将遮光构件配置在透明光学元件的前方或后方中的至少一方，该遮光构件能使来自外界像的光束透过与被遮断、或者透过与被减弱地进行切换，同时将显示第三像的显示元件配置在外界像和透明光学元件之间，以便第二像成为外界像。
另外，在本发明的观察光学系统中，还能这样构成引导来自第一像的光束的目镜光学系统内的光路、以及引导来自第二像的光束的透明光学元件内的光路都备有配置在另外的位置的瞳孔照射用的光源、以及接受该瞳孔的像的受光元件，以便检测观察者的视线。
在此情况下，检测视线的装置能这样构成至少瞳孔的像在目镜光学系统的光路内通过，从光路中与第一像分离，被导入受光元件中。这样由于将视线检测装置的光路兼作观察光路，所以能排除有可能从视线检测装置的光路入射的外界光、或来自瞳孔照射光源的杂散光等的影响，同时还能将视线检测光学系统削减大部分，能廉价、小型化。
另外，如果将从目镜光学系统射出的来自第一像的光束的光轴作为视场轴，以射出光瞳为中心，假设从该视场轴朝向与像形成构件相反一侧的方向由目镜光学系统规定的角度为θ，则希望以满足以下条件之关系来配置目镜光学系统、透明光学元件和射出光瞳。
θ≤60°如果配置关系满足该条件，则在透明光路以外，不通过观察光学系统能直接看到例如下方的键盘等。
另外，本发明备有以上任意的观察光学系统，还包括头载型观察光学装置，该头载型观察光学装置备有利用保持装置保持的本体部和将该本体部支撑在观察者头部上的支撑装置，上述保持装置用来保持该目镜光学系统、透明光学元件和形成第一像的像形成构件之间的间隔。
其次，说明本发明的第三、第四观察光学系统。
图44是后面所述的实施例7的观察光学系统的光路图。参照该图进行说明，该观察光学系统的目镜光学系统包括棱镜光学系统410构成，棱镜光学系统410从射出光瞳401一侧逆光线跟踪算起，由兼作透射面和全反射面的第一面411、作为半透射半反射面的第二面412、以及作为透射面的第三面413构成，来自配置在像面403上的图像显示元件的显示光从第三面413入射到棱镜光学系统410内，该入射光在第一面411上反射后，再在第二面412上反射，从第一面411射出到棱镜以外，入射到瞳孔位于射出光瞳401的位置的观察者眼球中，能放大观察像面403上的显示像。
在棱镜光学系统410的第二面412的前方紧密接触(包括粘接物)配置着由另一透射棱镜构件构成的透明光学元件420，从射出光瞳401一侧逆光线跟踪算起，它由作为透射面的第一面421(与棱镜光学系统410的第二面412的形状相同)和第二面422构成，来自外界的光依次透过透明光学元件420的第二面422、第一面421(=棱镜光学系统410的第二面412)、棱镜光学系统410的第一面411，入射到瞳孔位于射出光瞳401的位置的观察者眼球中，形成外界像。能有选择地或重叠地观察外界像和像面403上的图像显示元件的显示像。另外，图44中的符号402表示轴上主光线。
这样，在本发明的第三、第四观察光学系统中备有形成供观察者观察的第一像的像形成构件(像面403的图像显示元件)；以将该像形成构件形成的像引导到观察者眼球中的方式构成的目镜光学系统(在此情况下，由棱镜光学系统410和衍射光学元件404构成)；以及透明光学元件420，该透明光学元件420配置在比目镜光学系统更靠近第二像一侧，以便将与第一像不同的第二像(在此情况下，为外界像)引导到观察者眼球中，在该观察光学系统中，目镜光学系统至少有呈曲面形状的反射面412，以便反射来自第一像的光束，引导到观察者眼球一侧，反射面412具有使透过了透明光学元件420的来自第二像的光束透过的作用，透明光学元件420与反射面412紧密地接触配置，比反射面412更靠近第二像一侧。
而且，在本发明的第三观察光学系统中特征在于将其构成为，来自外界的光束透过透明光学元件420和棱镜光学系统410时，透明光学元件420和棱镜光学系统410合成的光学放大能力P大致为0。这里，光学放大能力是轴上主光线2通过的位置处的光学放大能力。
这样，由于通过使透明光学系统的光学放大能力P大致为0，透过透明光学系统看到的外界像和用肉眼看到的外界像能在相同的位置看到，所以容易看到透明的像。因此，例如在罩在单只眼上的头载型图像显示装置中容易用两眼观察外界像，特别是容易观察轴上的外界像部分。但是，在此情况下，在近轴光学理论上，成为正·负或负·正排列的两组望远光学系统，由于难以同时使透明光学元件420和棱镜光学系统410合成的角放大率β为1，所以难以使透过透明光学系统看到的外界像的放大率和用肉眼看到的外界像的放大率相等。因此，关于周边部分在左右眼中引起视野干扰，能有效地观察所看到的像。
在本发明的第四观察光学系统中特征在于将其构成为，来自外界的光束透过透明光学元件420和棱镜光学系统410时，透明光学元件420和棱镜光学系统410合成的角放大率β大致为1。这里，角放大率是轴上主光线2通过的位置处的角放大率。
这样，由于通过使透明光学系统的角放大率β大致为1，透过透明光学系统看到的外界像和用肉眼看到的外界像能用相同的放大率看到，所以例如在罩在单只眼上的头载型图像显示装置中容易在左右眼中将两个像合在一起。但是，在此情况下，由于难以使透明光学元件420和棱镜光学系统410合成的放大能力P同时为0，所以透过透明光学系统看到的外界像的成像位置和用肉眼看到的外界像的成像位置不同，在远景情况下多少难以看到，但在观察近景的情况下不成问题。
以上，所谓光学放大能力P大致为0，意味着P在下述范围内-0.002＜P＜0.002(1/mm)…(12)如果超过该条件的上下限，则透过透明光学系统看到的像和用肉眼看到的像的成像位置过于不同，难以用两眼进行观察。
另外，角放大率β大致为1，意味着0.95＜β＜1.06…(13)如果超过该条件的上下限，则透过透明光学系统看到的像和用肉眼看到的像不能大小相同地成像，用两眼看到的左右像难以合在一起。
另外，所谓使透明光学元件420与棱镜光学系统410的反射面412紧密地接触，包括将透明光学元件420的第一面421和棱镜光学系统410的第二面412作成同一形状的面，使两者紧密接触、或接近、或利用其折射率与这些光学构件的折射率大致相等的粘接剂进行粘接等任意一种能忽视在它们的面上发生光学放大能力的情况。
这里，通过构成为目镜光学系统所具有的反射面呈修正偏心像差的旋转非对称的曲面形状，在修正像差方面较为理想。
其理由与用图23～图24说明的相同。
另外，在本发明的目镜光学系统中，有上述的反射作用的至少一个面相对于轴上主光线偏心，也可以呈旋转非对称面的形状而有放大能力的结构。如果采用这样的结构，则由于其反射面具有放大能力，所以能用该面本身修正所发生的偏心像差，通过减弱棱镜的折射面的放大能力，能减小色像差本身的发生。
另外，本发明中使用的上述的旋转非对称面最好是只一面有变形面或对称面的面对称自由曲面。这里，本发明中使用的所谓自由曲面是用上述式(a)定义的曲面。另外，该定义式中的Z轴成为自由曲面的轴。
另外，如上所述，上述定义式(a)是作为一例给出的，本发明的特征在于通过使用只一面有对称面的旋转非对称面，修正由于偏心而发生的旋转非对称的像差，同时还使制作效率提高，即使对于其他任意的定义式来说，当然也能获得同样的效果。
而且，在本发明的第三观察光学系统中，希望构成为来自第二像的光束透过透明光学元件和目镜光学系统时给出的合成光学放大能力最好满足以下条件，以便透明光学系统在目镜光学系统中发生的光学放大能力互相抵消。
-0.002＜PX＜0.002(1/mm)…(14)-0.002＜PY＜0.002(1/mm)…(15)式中，全光学系统的偏心方向是Y轴方向，与轴上主光线平行的面定为Y-Z面，与该Y-Z面正交的方向定为X方向时，全系统的X方向的放大能力定为PX,Y方向的放大能力定为PY。
上述条件(14)、(15)的上下限的意义与上述条件(12)的上下限的意义相同。
重要的是，全系统的X方向的放大能力PX,Y方向的放大能力PY最好满足下面的条件，-0.001＜PX＜0.001(1/mm)…(14-1)-0.001＜PY＜0.001(1/mm)…(15-1)另外，希望至少满足下面条件的某一方。
-0.0005＜PX＜0.0005(1/mm)…(14-2)-0.0005＜PY＜0.0005(1/mm)…(15-2)另外，在本发明的第四观察光学系统中，希望构成为来自第二像的光束透过透明光学元件和目镜光学系统时给出的合成角放大率最好满足以下条件，以便透明光学系统在目镜光学系统中发生的角放大率互相抵消。
0.97＜βX＜1.03…(16)0.95＜βY＜1.06…(17)式中，全光学系统的偏心方向是Y轴方向，与轴上主光线平行的面定为Y-Z面，与该Y-Z面正交的方向定为X方向时，全系统的X方向的角放大率定为βX，全系统的Y方向的角放大率定为βY。式中，人的纵向为Y轴方向。在人的纵向为X轴方向的情况下，条件(16)、(17)变成下式所示。
0.95＜βX＜1.05…(16)’0.97＜βY＜1.03…(17)’这里，关于角放大率之所以纵向和横向存在差异，是因为人的眼睛沿横向X比沿纵向Y能看得更细，Y方向的βY即使多少弱一些也不要紧，所以(16)和(17)之间存在差异。
上述条件(16)、(17)的上下限的意义与上述条件(13)的上下限的意义相同。
重要的是，全系统的X方向的角放大率βX、全系统的Y方向的角放大率βY最好满足下面的条件式，0.99＜βX＜1.01 …(16-1)0.99＜βY＜1.01 …(17-1)另外，重要的是最好满足下面的条件式，0.995＜βX＜1.005…(16-2)0.995＜βY＜1.005…(17-2)可是，如图44所示，希望作为目镜光学系统至少有夹持着折射率大于1的介质的棱镜构件，该棱镜构件至少包括3个以上的具有透过或反射的一种光学作用的光学作用面，该3个面最好由第三面、第二面和第一面构成，上述第三面将来自第一像的光束入射到棱镜内，上述第二面与透明光学元件紧密接触配置，具有使透过了透明光学元件的来自第二像的光束透过棱镜内的作用和使来自第一像的光束在棱镜内反射的作用，至少有呈曲面形状的反射面，上述第一面将来自第一像的光束射出到棱镜外。
在此情况下，希望第一面或第三面中的至少一者以修正偏心像差的旋转非对称的曲面形状构成，该曲面形状由只一面有变形面或对称面的面对称自由曲面构成。
另外，希望第一面以对棱镜内的光束兼有反射作用和透射作用的方式构成。
在此情况下，第一面的反射作用和透射作用的兼用面最好由全反射面构成，该全反射面使反射光束以超过全反射临界角的角度入射到该第一面上，然后使在反射面上返回的反射光束以不超过全反射临界角的角度入射后从棱镜射出。
另外，在本发明的第三、第四观察光学系统中，也可以这样构成目镜光学系统和透明光学元件，即第一像观察视野范围在第二像观察视野范围内形成，上述第一像观察视野范围由来自第一像的光束从目镜光学系统射出决定，上述第二像观察视野范围由来自第二像的光束透过透明光学元件和目镜光学系统的一部分决定。
另外，对于与目镜光学系统的透明光学元件相对配置的反射面的光束反射区域来说，将透明光学元件的光学孔径构成得比目镜光学系统的反射面小，以便从透明光学元件透过的光束透过区域移动到像形成构件一侧，而且，将透明光学元件与其反射面接近像形成构件一侧的区域相对地配置，在其反射面不与透明光学元件相对的部分上涂敷遮光涂层，防止来自外界的闪光入射。
而且，可以将遮光构件配置在透明光学元件的前方，该遮光构件能使来自外界像的光束透过与被遮断、或者透过与被减弱地进行切换，以便该第二像成为外界像。
另外，还可以将显示元件配置在透明光学元件的与目镜光学系统相反的一侧，以便用形成与第一像不同的像的显示元件形成第二像。
另外，可以将遮光构件配置在透明光学元件的前方，该遮光构件能使来自外界像的光束透过与被遮断、或者透过与被减弱地进行切换，同时将显示第三像的显示元件配置在外界像和透明光学元件之间，以便第二像成为外界像。
另外，在本发明的第三、第四观察光学系统中，还能这样构成引导来自第一像的光束的目镜光学系统内的光路、以及引导来自第二像的光束的透明光学元件内的光路都备有配置在另外的位置的瞳孔照射用的光源、以及接受该瞳孔的像的受光元件，以便检测观察者的视线。
在此情况下，检测视线的装置能这样构成至少瞳孔的像在目镜光学系统的光路内通过，从光路中与第一像分离，被导入受光元件中。这样由于将视线检测装置的光路兼作观察光路，所以能排除有可能从视线检测装置的光路入射的外界光、或来自瞳孔照射光源的杂散光等的影响，同时还能将视线检测光学系统削减大部分，能廉价、小型化。
另外，如果将从目镜光学系统射出的来自第一像的光束的光轴作为视场轴，以射出光瞳为中心，假设从该视场轴朝向与像形成构件相反一侧的方向由目镜光学系统规定的角度为θ，则希望以满足以下条件之关系来配置目镜光学系统、透明光学元件和射出光瞳，θ≤60°如果配置关系满足该条件，则在透明光路以外，不通过观察光学系统能直接看到例如下方的键盘等。
另外，本发明备有以上任意的观察光学系统，还包括头载型观察光学装置，该头载型观察光学装置备有利用保持装置保持的本体部和将该本体部支撑在观察者头部上的支撑装置，上述保持装置用来保持该目镜光学系统、透明光学元件和形成第一像的像形成构件之间的间隔。
附图的简单说明图1是本发明的实施例1的观察光学系统的剖面图。
图2是本发明的实施例2的观察光学系统的Y-Z剖面图。
图3是本发明的实施例2的观察光学系统的X-Z方向的光路图。
图4是本发明的实施例3的观察光学系统的剖面图。
图5是本发明的实施例4的观察光学系统的剖面图。
图6是本发明的实施例1的观察光学系统的横像差图。
图7是本发明的实施例2的观察光学系统的横像差图。
图8是本发明的实施例3的观察光学系统的横像差图。
图9是本发明的实施例3的观察光学系统的横像差图。
图10是示出本发明的观察光学系统的棱镜中能适用的偏心棱镜之一例的图。
图11是示出本发明的观察光学系统的棱镜中能适用的偏心棱镜的另一例的图。
图12是示出本发明的观察光学系统的棱镜中能适用的偏心棱镜的另一例的图。
图13是示出本发明的观察光学系统的棱镜中能适用的偏心棱镜的另一例的图。
图14是示出本发明的观察光学系统的棱镜中能适用的偏心棱镜的另一例的图。
图15是示出本发明的观察光学系统的棱镜中能适用的偏心棱镜的另一例的图。
图16是示出本发明的观察光学系统的棱镜中能适用的偏心棱镜的另一例的图。
图17是示出本发明的观察光学系统的棱镜中能适用的偏心棱镜的另一例的图。
图18是示出本发明的观察光学系统的棱镜中能适用的偏心棱镜的另一例的图。
图19是表示通过照明光导光光学装置轴上主光线的光路图。
图20是表示将采用本发明的观察光学系统的头载型双眼用图像显示装置戴在观察者头部的状态的图。
图21是图20的剖面图。
图22是表示将采用本发明的观察光学系统的头载型单眼用图像显示装置戴在观察者头部的状态的图。
图23是说明由偏心的反射面发生的像面弯曲用的示意图。
图24是说明由偏心的反射面发生的像散用的示意图。
图25是说明由偏心的反射面发生的彗形像差用的示意图。
图26是本发明的实施例5的观察光学系统的光路图。
图27是本发明的实施例5的观察光学系统的透明光学系统部分的剖面图。
图28是本发明的实施例6的观察光学系统的透明光学系统部分的剖面图。
图29是通过实施例5的透明光学系统看到的方孔图像和用肉眼看到的方孔图像重叠后的图。
图30是通过实施例6的透明光学系统看到的方孔图像和用肉眼看到的方孔图像重叠后的图。
图31是表示本发明的第二观察光学系统的另一形态的观察光学系统的结构的图。
图32是表示图31所示实施形态的变形例的结构的图。
图33是表示另一形态的观察光学系统的结构的图。
图34是表示又一形态的观察光学系统的结构的图。
图35是表示再一形态的观察光学系统的结构的图。
图36是表示本发明的第二观察光学系统的目镜光学系统中能适用的偏心棱镜之一例的图。
图37是表示本发明的第二观察光学系统的目镜光学系统中能适用的偏心棱镜另一例的图。
图38是表示本发明的第二观察光学系统的目镜光学系统中能适用的偏心棱镜另一例的图。
图39是表示本发明的第二观察光学系统的目镜光学系统中能适用的偏心棱镜另一例的图。
图40是表示本发明的第二观察光学系统的目镜光学系统中能适用的偏心棱镜另一例的图。
图41是表示本发明的第二观察光学系统的目镜光学系统中能适用的偏心棱镜另一例的图。
图42是表示本发明的第二观察光学系统的目镜光学系统中能适用的偏心棱镜另一例的图。
图43是采用本发明的第二观察光学系统的图像显示装置的剖面图。
图44是本发明的实施例7的观察光学系统的光路图。
图45是本发明的实施例7的观察光学系统的透明光学系统部分的剖面图。
图46是本发明的实施例8的观察光学系统的透明光学系统部分的剖面图。
图47是通过实施例7的透明光学系统看到的方孔图像和用肉眼看到的方孔图像重叠后的图。
图48是通过实施例8的透明光学系统看到的方孔图像和用肉眼看到的方孔图像重叠后的图。
图49是表示本发明的第三、第四观察光学系统的另一形态的观察光学系统的结构图。
图50是表示图49的实施形态的变形例的结构的图。
图51是表示另一形态的观察光学系统的结构的图。
图52是表示又一形态的观察光学系统的结构的图。
图53是表示再一形态的观察光学系统的结构的图。
图54是表示本发明的第三、第四观察光学系统的目镜光学系统中能适用的偏心棱镜之一例的图。
图55是表示本发明的第三、第四观察光学系统的目镜光学系统中能适用的偏心棱镜另一例的图。
图56是表示本发明的第三、第四观察光学系统的目镜光学系统中能适用的偏心棱镜另一例的图。
图57是表示本发明的第三、第四观察光学系统的目镜光学系统中能适用的偏心棱镜另一例的图。
图58是表示本发明的第三、第四观察光学系统的目镜光学系统中能适用的偏心棱镜另一例的图。
图59是表示本发明的第三、第四观察光学系统的目镜光学系统中能适用的偏心棱镜另一例的图。
图60是表示本发明的第三、第四观察光学系统的目镜光学系统中能适用的偏心棱镜另一例的图。
图61是采用本发明的第三、第四观察光学系统的图像显示装置的剖面图。
实施发明用的最佳形态以下，说明本发明的观察光学系统的实施例1～4。用逆光线跟踪说明这些实施例，但能将反射型图像显示元件配置在像面上，通过将观察者的眼球的瞳孔配置在其光瞳位置，作为观察光学系统用。另外，将在后面给出该实施例的结构参数。
在实施例1～4中，如图1所示，用从物体中心射出后通过光瞳2的中心，到达像面3中心的光线定义轴上主光线1。而且，将轴上主光线1入射到光瞳2的面上的位置作为构成观察光学系统的光学面的原点，将沿着入射到光瞳2的面上的轴上主光线1的方向作为Z轴正方向，将包含该Z轴和像面中心的平面作为Y-Z平面，将通过原点与Y-Z平面正交、从图纸的正面指向背面一侧的方向作为X轴正方向，将与X轴、Z轴构成右手正交坐标系的轴作为Y轴。在图1中，示出了关于原点定义的坐标系。另外，关于实施例2，设想轴上主光线1从棱镜10的第三面13射出之后垂直于轴上主光线1的假想面，将沿着从该假想面射出的轴上主光线1的方向作为新的Z轴方向，将沿着轴上主光线1的传播方向的方向作为Z轴正方向，将包含该Z轴和像面中心的平面作为Y-Z平面，将通过原点与Y-Z平面正交、从图纸的正面指向背面一侧的方向作为X轴正方向，将与X轴、Z轴构成右手正交坐标系的轴作为Y轴。
在实施例1～4中，在关于光瞳2的中心规定的坐标系的Y-Z平面内，进行棱镜10的各面的偏心，另外，将其各旋转非对称自由面的唯一的对称面作为Y-Z面。
对于棱镜10的偏心面来说，从关于光瞳2的中心规定的坐标系的原点，给出该面的面顶位置的偏心量(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向分别为X、Y、Z)、以及将该面的中心轴(对于自由曲面来说，为前面的式(a)中的Z轴，对于非球面来说，为后面的式(b)中的Z轴)的各X轴、Y轴、Z轴作为中心的倾角(分别为α、β、γ(°))。另外，在此情况下，α和β为正时，对于各轴的正向来说，意味着反时针旋转，γ为正时，对于Z轴的正向来说，意味着顺时针旋转。
另外，在实施例2中，偏移角补偿棱镜7在照明光导光棱镜6一侧的面(第11面)、照明光导光棱镜6在偏移角补偿棱镜7一侧的面(第12面、第20面)给出以该面相对于关于假想面规定的坐标系的各中心轴即X轴、Y轴、Z轴为中心的倾角(分别为α、β、γ(°))。另外，对于照明光导光棱镜6的透镜面(第22面)来说，从关于假想面规定的坐标系的原点，给出该面的面顶位置的偏心量(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向分别为X、Y、Z)、以及将该面的中心轴的各X轴、Y轴、Z轴作为中心的倾角(分别为α、β、γ(°))。
另外，在构成实施例的光学系统的光学作用面中特定的面和继其之后的面构成共轴光学系统的情况下，给出面间隔，此外，根据习惯用法给出介质的折射率、阿贝数。
另外，虽然用逆光线跟踪说明作为本发明的第二观察光学系统的实施例5～6，但如图26所示，通过将图像显示元件配置在目镜光学系统的像面203上，使观察者的眼球的瞳孔位于其射出光瞳201所在位置，具有作为显示像的观察光学装置的功能，通过目镜光学系统的棱镜光学系统210和透明光学元件220，从射出光瞳201观察外界，能使外界透明。另外，将在后面给出这些实施例的结构参数。
在实施例5～6中，如图26所示，用从物体中心射出后通过射出光瞳201的中心，到达像面203中心或外界中心的光线定义轴上主光线202。而且，将光瞳201的中心作为构成观察光学系统的光学面的原点，将沿着入射到观察光学系统的第一面211上的轴上主光线202的方向作为Z轴正方向，将包含该Z轴和像面中心的平面作为Y-Z平面，将通过原点与Y-Z平面正交、从图纸的正面指向背面一侧的方向作为X轴正方向，将与X轴、Z轴构成右手正交坐标系的轴作为Y轴。在图26中，示出了关于原点定义的坐标系。
在实施例5、6中，在关于光瞳201的中心规定的坐标系的Y-Z平面内，进行棱镜构件210、220的各面的偏心，另外，将其各旋转非对称自由面的唯一的对称面作为Y-Z面。
对于棱镜构件210、220的偏心面来说，从关于光瞳201的中心规定的坐标系的原点，给出该面的面顶位置的偏心量(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向分别为X、Y、Z)、以及将该面的中心轴(对于自由曲面来说，为前面的式(a)中的Z轴，对于非球面来说，为后面的式(b)中的Z轴)的各X轴、Y轴、Z轴作为中心的倾角(分别为α、β、γ(°))。另外，在此情况下，α和β为正时，对于各轴的正向来说，意味着反时针旋转，γ为正时，对于Z轴的正向来说，意味着顺时针旋转。
另外，在构成实施例5、6的光学系统的光学作用面中特定的面和继其之后的面构成共轴光学系统的情况下，给出面间隔，此外，根据习惯用法给出介质的折射率、阿贝数。
另外，虽然用逆光线跟踪说明作为本发明的第三、第四观察光学系统的实施例7～8，但如图44所示，通过将图像显示元件配置在目镜光学系统的像面403上，使观察者的眼球的瞳孔位于其射出光瞳401所在位置，具有作为显示像的观察光学装置的功能，通过目镜光学系统的棱镜光学系统410和透明光学元件420，从射出光瞳401观察外界，能使外界透明。另外，将在后面给出这些实施例的结构参数。
在实施例7、8中，如图44所示，用从物体中心射出后通过射出光瞳401的中心，到达像面403中心或外界中心的光线定义轴上主光线402。而且，将光瞳401的中心作为构成观察光学系统的光学面的原点，将沿着入射到观察光学系统的第一面411上的轴上主光线402的方向作为Z轴正方向，将包含该Z轴和像面中心的平面作为Y-Z平面，将通过原点与Y-Z平面正交、从图纸的正面指向背面一侧的方向作为X轴正方向，将与X轴、Z轴构成右手正交坐标系的轴作为Y轴。在图44中，示出了关于原点定义的坐标系。
在实施例7、8中，在关于光瞳401的中心规定的坐标系的Y-Z平面内，进行棱镜构件410、420的各面的偏心，另外，将其各旋转非对称自由面的唯一的对称面作为Y-Z面。
对于棱镜构件410、420的偏心面来说，从关于光瞳401的中心规定的坐标系的原点，给出该面的面顶位置的偏心量(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向分别为X、Y、Z)、以及将该面的中心轴(对于自由曲面来说，为前面的式(a)中的Z轴，对于非球面来说，为后面的式(b)中的Z轴)的各X轴、Y轴、Z轴作为中心的倾角(分别为α、β、γ(°))。另外，在此情况下，α和β为正时，对于各轴的正向来说，意味着反时针旋转，γ为正时，对于Z轴的正向来说，意味着顺时针旋转。
另外，在构成实施例7、8的光学系统的光学作用面中特定的面和继其之后的面构成共轴光学系统的情况下，给出面间隔，此外，根据习惯用法给出介质的折射率、阿贝数。
另外，用前面的(a)式定义本发明中使用的自由曲面的形状，该定义式的Z轴成为自由曲面的轴。
另外，非球面是由以下的定义式给出的旋转对称非球面。
Z=(Y2/R)/[1+{1-(1+K)Y2/R2}1/2]+AY4+BY6+CY8+DY10+……···(b)式中，将Z作为以光的传播方向为正的光轴(轴上主光线)，Y成为与光轴垂直的方向。这里，R是近轴曲率半径，K是圆锥常数，A、B、C、D分别是4次、6次、8次、10次非球面系数。该定义式的Z轴成为旋转对称非球面的轴。
另外，关于没有记录数据的自由曲面、非球面的项为0。关于折射率，记载d线(波长为587.56nm)的折射率。长度单位为mm。
另外，作为自由曲面的另一定义式，有由以下的(c)式给出的Zernike多项式。用下式定义该面的形状。该定义式的Z轴成为Zernike多项式的轴。旋转非对称面的定义，用X-Y面的Z轴高度的极坐标进行定义，A是X-Y面内的到Z轴的距离，R是用从Z轴测得的旋转角表示的Z轴旋转的方位角。
x=R×cos(A)y=R×sin(A)Z=D2+D3Rcos(A)+D4Rsin(A)+D6R2cos(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)········(c)另外，作为与X轴方向对称的光学系统，设计时利用D4、D5、D6、D10、D11、D12、D13、D14、D20、D21、D22、…。
作为另一面的例，可以举出以下的定义式(d)。
Z=∑∑CnmXY作为例，可以考虑k=7(7次项)，展开后用下式表示。
Z=C2+C3Y+C4|X|+C5Y2+C6Y|X|+C7X2+C8Y3+C9Y2|X|+C10YX2+C11|X3|+C12Y4+C13Y3|X|+C14Y2X2+C15Y|X3|+C16X4+C17Y5+C18Y4|X|+C19Y3X2+C20Y2|X3|+C21YX4+C22|X5|+C23Y6+C24Y5|X|+C25Y4X2+C26Y3|X3|+C27Y2X4+C28Y|X5|+C29X6+C30Y7+C31Y6|X|+C32Y5X2+C33Y4|X3|+C34Y3X4+C35Y2|X5|+C36YX6+C37|X7|···(d)另外，在本发明的实施例中，虽然用前面的(a)式表示自由曲面的形状，但不用说，用上述的(c)式、(d)式也能获得同样的作用效果。
另外，关于衍射光学元件，例如记载在“光学系统设计师用的小型光学元件”第6、7章(オプトロニクス社出版)和“SPIE”第126卷第46～53页(1977)等中，可见区域的阿贝数ν=-3.453，局部分散比θg,F=0.03，该衍射光栅的间隔能自由地改变，所以能与任意的非球面透镜面等效地处理。以下采用“SPIE”第126卷第46～53页(1977)中记载的“ultra-high index method”。
图1示出了本发明的实施例1的包含光轴的Y-Z剖面图。该实施例的观察光学系统水平视场角为22°，图像显示元件的大小为9.6×7.2mm，其对角线长度H为12mm，图像显示元件的显示面3与光轴相交的位置和棱镜10的入射面13与光轴相交的位置之间的间隔L为12.632mm,L/H=1.053(条件式(1)的值)，光瞳直径为4mm，从棱镜10的射出面11至射出光瞳的距离(瞳孔间隙)为30.0mm。
逆光线跟踪时，从物体一侧开始按照光通过的顺序，该实施例由射出光瞳2、棱镜10、衍射光学元件8、偏移角补偿棱镜7、照明光导光棱镜6、像面(反射型图像显示元件的显示面)3构成，另外，在照明光导光棱镜6的入射照明光的一侧，配置着光源4、菲涅尔透镜5。
棱镜10由第一面11至第三面13构成，该第一面11使来自物体一侧的光束入射到棱镜10内，同时使在第二面12上反射的光束在棱镜内反射，第三面13使在第一面11上反射的光束射出到棱镜外，第一面11成为兼有透射作用和反射作用的同一光学作用面。
另外，衍射光学元件8在该棱镜10一侧的面成为衍射面9，衍射光学元件8以反射侧的面粘接在偏移角补偿棱镜7上。
另外，照明光导光棱镜6是由第一面16、第二面17、第三面18构成的三角棱镜，第一面16是将来自光源4的发散光经菲涅尔透镜5后而呈大致平行的光束导入棱镜内的面，它垂直于照明光轴配置。该导入的照明光在第三面18上全反射，入射到用照明光导光棱镜6和偏移角补偿棱镜7的粘接面构成偏振光光束分离面的第二面17上后被反射，此次透过第三面18，大致垂直地照亮配置在像面3上的例如反射型液晶显示元件的显示面。
来自配置在像面3上的反射型液晶显示元件的显示面的显示光从照明光导光棱镜6的第三面18入射到棱镜内，此次透过第二面17的偏振光光束分离面，入射到偏移角补偿棱镜7内，通过配置着其射出侧的面上的衍射光学元件8，在其衍射面9上被衍射，从棱镜10的第三面13入射到棱镜10内，在第一面11上全反射，再在第二面12上反射，此次在第一面11上折射后射出到棱镜10外，进入位于射出光瞳2处的观察者眼球内，形成反射型液晶显示元件的显示图像的放大像。
从后面所述的结构参数的第二面至第五面是棱镜10，第六面是衍射面9，第七面是其基板面。第八面和第九面之间是偏移角补偿棱镜7，第九面、第十三面是偏振光光束分离面17，第九面和第十面之间、第十二面和第十三面之间、从第十三面至第十五面是照明光导光棱镜6，第十六面和第十七面之间是菲涅尔透镜5，第十六面是菲涅尔透镜面。第十八面是光源4。而且，从第二面至第十八面的各面用以第一面的射出光瞳2的中心为基准的偏心量表示。
图2示出了本发明的实施例2的包含光轴的Y-Z剖面图，图3示出X-Z方向的光路图。该实施例的观察光学系统水平视场角为22°，图像显示元件的大小为9.6×7.2mm，其对角线长度H为11.81mm，图像显示元件的显示面3与光轴相交的位置和棱镜10的入射面13与光轴相交的位置之间的间隔L为13.35mm,L/H=1.13084(条件式(1)的值)，光瞳直径为4mm，从棱镜10的射出面11至射出光瞳的距离(瞳孔间隙)为32mm。
逆光线跟踪时，从物体一侧开始按照光通过的顺序，该实施例由射出光瞳2、棱镜10、衍射光学元件8、偏移角补偿棱镜7、照明光导光棱镜6、像面(反射型图像显示元件的显示面)3构成，另外，在照明光导光棱镜6的入射照明光的一侧设有透镜面16’，在其前方配置着光源4。从图3可知，该实施例的特征在于光源4相对于照明光导光棱镜6向X方向偏心配置，照明光导光棱镜6的偏振光光束分离面17’在Y轴周围倾斜配置(棱镜10的面11～13在X轴周围倾斜配置)，而且，该偏振光光束分离面17’不是平面，而是由具有放大能力的自由曲面形成。
棱镜10与实施例1相同，由第一面11至第三面13构成，该第一面11使来自物体一侧的光束入射到棱镜10内，同时使在第二面12上反射的光束在棱镜内反射，第二面12使从第一面11入射的光束在棱镜内反射，第三面13使在第一面11上反射的光束射出到棱镜外，第一面11成为兼有透射作用和反射作用的同一光学作用面。
另外，衍射光学元件8的与该棱镜10相反一侧(偏移角补偿棱镜7一侧)的面成为衍射面9。
另外，照明光导光棱镜6是由第一面16’、第二面17’、第三面18构成的三角棱镜，第一面16’由凸状球面透镜面构成，第二面17’由非平面的自由曲面构成，第一面16’的透镜面是将来自光源4的发散光束变换成近似于平行光的发散光束导入棱镜内的面，它垂直于照明光轴配置。该导入的照明光在第三面18的平面上全反射，入射到由照明光导光棱镜6和偏移角补偿棱镜7的粘接面构成偏振光光束分离面的呈自由曲面的第二面17’上，一边对偏心像差进行某种程度的补偿，一边作为大致的平行光被反射，此次透过第三面18，大致垂直地照明配置在像面3上的例如反射型液晶显示元件的显示面。
来自配置在像面3上的反射型液晶显示元件的显示面的显示光从照明光导光棱镜6的第三面18进入到棱镜内，此次透过第二面17’的偏振光光束分离面，进入到偏移角补偿棱镜7内，在配置在其射出侧的衍射光学元件8的衍射面9上被衍射，从棱镜10的第三面13进入到棱镜10内，在第一面11上全反射，再在第二面12上反射，此次在第一面11上折射后射出到棱镜10外，进入位于射出光瞳2处的观察者眼球内，形成反射型液晶显示元件的显示图像的放大像。
从后面所述的结构参数的第二面至第五面是棱镜10，第五面是假想面，第八面是衍射面9的基板面，第九面是衍射面9。第十面和第十一面之间是偏移角补偿棱镜7，第十二面、第二十面是偏振光光束分离面17’，第十二面和第十三面之间、第十九面和第二十面之间、从第二十面至第二十二面是照明光导光棱镜6，第二十二面是聚光透镜面。另外，第十四面和第十五面之间、第十七面和第十八面之间是LCD偏振片，第十五面和第十六面(像面)之间、第十六面(像面)和第十七面之间是LCD基板玻璃。另外，第二十三面是光源4。而且，从第二面至第六面(假想面)的各面用以第一面的射出光瞳2的中心为基准的偏心量表示，从第六面至第二十一面之间由沿轴上主光线1的轴上间隔来指定面的位置，其中，关于第十一面、第十二面、第二十面(=第十二面)，只给出这些面的中心轴相对于光轴的倾角β，作为偏心量。关于第二十二面的透镜面，给出了在关于第六面的假想面规定的坐标系中该面的面顶位置的偏心量，光源4的位置由沿着来自第二十二面的轴上主光线1的轴上间隔给出。
另外，由于实施例2的光学系统是这样构成的，所以对于棱镜10来说，能将照明光源4配置在与反射型图像显示元件的显示面3不同的方向(例如，在将显示面3配置在棱镜10的上方的情况下，能将照明光源4配置在棱镜10的右侧或左侧)，能将头载显示器等图像显示装置构成小型结构。另外，与实施例1的情况相比，不需要菲涅尔透镜，这一部分能使光学系统紧凑化。另外，由于能使离开光源4靠近像面3的偏振光光束分离面17’具有使来自光源4的照明光大致平行化的放大能力的一部分，所以照明均匀，同时能用比较大的光源4。
图4示出了本发明的实施例3的包含光轴的Y-Z剖面图。该实施例的观察光学系统水平视场角为22°，图像显示元件的大小为9.6×7.2mm，其对角线长度H为12mm，图像显示元件的显示面3与光轴相交的位置和棱镜10的入射面13与光轴相交的位置之间的间隔L为11.52mm,L/H=0.96(条件式(1)的值)，Δθ=0.50°(条件式(3)的值)，光瞳直径为4mm，从棱镜10的射出面11至射出光瞳的距离(瞳孔间隙)为29.9mm。
该实施例进行逆光线跟踪时，从物体一侧开始按照光通过的顺序，由射出光瞳2、棱镜10、照明光导光棱镜6、像面(反射型图像显示元件的显示面)3构成，另外，在照明光导光棱镜6的入射照明光的一侧配置着光源4、菲涅尔透镜5。
棱镜10由第一面11至第三面13构成，该第一面11使来自物体一侧的光束入射到棱镜10内，同时使在第二面12上反射的光束在棱镜内反射，第二面12使从第一面11入射的光束在棱镜内反射，第三面13使在第一面11上反射的光束射出到棱镜外，第一面11成为兼有透射作用和反射作用的同一光学作用面。
另外，照明光导光棱镜6是由第一面16、第二面17、第三面18构成的三角棱镜，全部由平面构成，第一面16是将用菲涅尔透镜5使来自光源4的发散光呈大致平行的光束导入棱镜内的面，垂直于照明光轴配置。该导入的照明光在第三面18上全反射，入射到构成照明光导光棱镜6的偏振光光束分离面的第二面17上并被反射，此次透过第三面18，大致垂直地照明配置在像面3上的例如反射型液晶显示元件的显示面。
来自配置在像面3上的反射型液晶显示元件的显示面的显示光从照明光导光棱镜6的第三面18进入到棱镜内，此次透过第二面17的偏振光光束分离面，从棱镜10的第三面13进入到棱镜10内，在第一面11上全反射，再在第二面12上反射，此次在第一面11上折射后射出到棱镜10外，进入位于射出光瞳2处的观察者眼球内，形成反射型液晶显示元件的显示图像的放大像。
从后面所述的结构参数的第二面至第五面是棱镜10，第六面和第七面之间、第九面和第十面之间、从第十面至第十二面是照明光导光棱镜6，第十三面和第十四面是菲涅尔透镜5，其两面是菲涅尔透镜面。第十五面是光源4。而且，从第二面至第十五面的各面由以第一面的射出光瞳2的中心为基准的偏心量表示。
图5示出了本发明的实施例4的包含光轴的Y-Z剖面图。该实施例的观察光学系统水平视场角为22°，图像显示元件的大小为9.6×7.2mm，其对角线长度H为12mm，图像显示元件的显示面3与光轴相交的位置和棱镜10的入射面13与光轴相交的位置之间的间隔L为11.75mm,L/H=0.98(条件式(1)的值)，Δθ=0.41°(条件式(3)的值)，光瞳直径为4mm，从棱镜10的射出面11至射出光瞳的距离(瞳孔间隙)为29.9mm。
逆光线跟踪时，从物体一侧开始按照光通过的顺序，该实施例由射出光瞳2、棱镜10、照明光导光棱镜6、像面(反射型图像显示元件的显示面)3构成，另外，在照明光导光棱镜6的入射照明光的一侧配置着光源4、菲涅尔透镜5。
棱镜10由第一面11至第三面13构成，该第一面11使来自物体一侧的光束入射到棱镜10内，同时使在第二面12上反射的光束在棱镜内反射，第二面12使从第一面11入射的光束在棱镜内反射，第三面13使在第一面11上反射的光束射出到棱镜外，第一面11成为兼有透射作用和反射作用的同一光学作用面。
另外，照明光导光棱镜6是由第一面16、第二面17、第三面18构成的三角棱镜，第一面16、第三面18是平面，第二面17由凸球面构成，第一面16是将用菲涅尔透镜5使来自光源4的发散光呈大致平行的光束导入棱镜内的面，垂直于照明光轴配置。该导入的照明光在第三面18上全反射，入射到构成照明光导光棱镜6的偏振光光束分离面的第二面17上，此次透过第三面18，大致垂直地照明配置在像面3上的例如反射型液晶显示元件的显示面。
来自配置在像面3上的反射型液晶显示元件的显示面的显示光从照明光导光棱镜6的第三面18进入到棱镜内，此次透过第二面17的偏振光光束分离面，从棱镜10的第三面13进入到棱镜10内，在第一面11上全反射，再在第二面12上反射，此次在第一面11上折射后射出到棱镜10外，进入位于射出光瞳2处的观察者眼球内，形成反射型液晶显示元件的显示图像的放大像。
从后面所述的结构参数的第二面至第五面是棱镜10，第六面和第七面之间、第九面和第十面之间、从第十面至第十二面是照明光导光棱镜6，第十三面和第十四面是菲涅尔透镜5，其两面是菲涅尔透镜面。第十五面是光源4。而且，从第二面至第十五面的各面由以第一面的射出光瞳2的中心为基准的偏心量表示。
图26示出了本发明的实施例5的包含备有透明光学系统的观察光学装置的光轴的Y-Z剖面图。备有实施例6的透明光学系统的观察光学装置也同样构成。观察这些实施例的观察光学装置的像面的显示像时的水平视场角为22°，图像显示元件的大小为9.6×7.2mm，光瞳直径为4mm。
在观察图像显示元件的显示像的情况下，逆光线跟踪时，从物体一侧沿着光通过的顺序，该观察光学装置由射出光瞳201、棱镜光学系统210、衍射光学元件204、平行平板206、像面203构成，另外，在使外界透明时，逆光线跟踪时，从物体一侧沿着光通过的顺序，由射出光瞳201、棱镜光学系统210、透明光学元件220构成。
逆光线跟踪时，棱镜光学系统210由第一面211至第三面213构成，该第一面211使来自物体一侧的光束入射到棱镜210内，同时使在第二面212上反射的光束在棱镜内进行全反射，成为兼作透射面和全反射面的面，第二面212使从第一面211入射的光束在棱镜内全反射，同时使一部分透射到透明光学元件220一侧，成为半透射半反射面，第三面213使在第一面211上反射的光束射出到棱镜外，成为透射面。
另外，衍射光学元件204的像面203一侧的面成为衍射面205。平行平板206是照明像面203用的光学系统或构成滤光器之类的平板。
来自配置在像面203上的图像显示元件的显示面的显示光经平行平板206，被衍射光学元件204的衍射面205衍射，从棱镜光学系统210的第三面213进入到棱镜内，在第一面211上全反射，再在第二面212上反射，此次在第一面211上折射后射出到棱镜外，入射到瞳孔位于射出光瞳201处的观察者眼球中，形成图像显示元件的显示图像的放大像。
另外，透明光学系统220与棱镜光学系统210的第三面213的前方相距一定间隔配置，逆光线跟踪时，它由用第一面221和第二面222构成的透射棱镜构件构成，来自外界的光按照透明光学系统220的第二面222、第一面221、棱镜光学系统210的第二面212、第一面211的顺序透过后，入射到瞳孔位于射出光瞳201处的观察者眼球中，形成外界像。另外，能有选择地或重叠地观察外界像和像面203的显示像。
图27示出了实施例5的包含透明光学系统的光轴的Y-Z剖面图，图28示出了实施例6的包含透明光学系统的光轴的Y-Z剖面图。两实施例的棱镜光学系统210公用，虽然透明光学元件220的表面形状不同，但配置在棱镜光学系统210的第三面213的前方，逆光线跟踪时，由用第一面221和第二面222构成的透射棱镜构件构成。
图44示出了本发明的实施例7的包含备有透明光学系统的观察光学装置的光轴的Y-Z剖面图。备有实施例8的透明光学系统的观察光学装置也同样构成。观察这些实施例的观察光学装置的像面的显示像时的水平视场角为22°，图像显示元件的大小为9.6×7.2mm，光瞳直径为4mm。
在观察图像显示元件的显示像的情况下，逆光线跟踪时，从物体一侧沿着光通过的顺序，该观察光学装置由射出光瞳401、棱镜光学系统410、衍射光学元件404、平行平板406、像面403构成，另外，在使外界透明时，逆光线跟踪从物体一侧沿着光通过的顺序，由射出光瞳401、棱镜光学系统410、透明光学元件420构成。
逆光线跟踪时，棱镜光学系统410由第一面411至第三面413构成，该第一面411使来自物体一侧的光束入射到棱镜410内，同时使在第二面412上反射的光束在棱镜内进行全反射，成为兼作透射面和全反射面的面，第二面412使从第一面411入射的光束在棱镜内反射，同时使一部分透射到透明光学元件420一侧，成为半透射半反射面，第三面413使在第一面411上反射的光束射出到棱镜外，成为透射面。
另外，衍射光学元件404的像面403一侧的面成为衍射面405。平行平板406是照明像面403用的光学系统或构成滤光器之类的平板。
来自配置在像面403上的图像显示元件的显示面的显示光经平行平板406，被衍射光学元件404的衍射面405衍射，从棱镜光学系统410的第三面413进入到棱镜内，在第一面411上全反射，再在第二面412上反射，此次在第一面411上折射后射出到棱镜外，入射到瞳孔位于射出光瞳401处的观察者眼球中，形成图像显示元件的显示图像的放大像。
另外，透明光学系统420紧密配置在棱镜光学系统410的第三面413上，逆光线跟踪时，它由用第一面421和第二面422构成的透射棱镜构件构成，来自外界的光按照透明光学元件420的第二面422、第一面421=棱镜光学系统410的第二面412、第一面411的顺序透过后，入射到瞳孔位于射出光瞳401处的观察者眼球中，形成外界像。另外，能有选择地或重叠地观察外界像和像面403的显示像。
图45中示出了实施例7的包含透明光学系统的光轴的Y-Z剖面图，图46中示出了实施例8的包含透明光学系统的光轴的Y-Z剖面图。两实施例的棱镜光学系统410公用，虽然透明光学元件420的表面形状不同，但紧密地配置在棱镜光学系统410的第三面413上，逆光线跟踪时，由用第一面421和第二面422构成的透射棱镜构件构成。
实施例7是透明光学元件420和棱镜光学系统410合成的光学放大能力P大致为0的例，实施例8是合成的角放大率β大致为1的例。
以下示出实施例1～8的结构参数。表示实施例1～4的表中的“FFS”表示自由曲面，“ASS”表示非球面，“DOE”表示衍射面，“PBS”表示偏振光光束分离面，“FLS”表示菲涅尔透镜面，“LCD”表示反射型液晶显示元件的显示面，“RS”表示反射面，“HRP”表示假想面。另外，示出实施例5～8的透明光学系统结构参数、以及配置在这些实施例公用的像面203、403上的图像显示元件的观察光学系统的结构参数的表中的“FFS”表示自由曲面，“ASS”表示非球面，“DOE”表示衍射面，“LCD”表示图像显示元件的显示面，“RS”表示反射面，“HRP”表示假想面。
实施例1面曲率半径 面偏移折射阿贝数No. 间隔和倾斜系数物面 ∞ -1000.001 ∞(光瞳)(1)2 ASS① (2)1.525456.23 FFS①(RS) (3)1.525456.24 ASS①(RS) (2)1.525456.25 FFS② (4)6 ASS②(DOE) (5)1001.0682 -3.57 ∞ (5)1.492257.58∞ (6)1.516364.19∞(PBS) (7)1.516364.110∞ (8)像面∞(LCD)(RS) (9)12∞ (8)1.516364.113∞(PBS)(RS) (7)1.516364.114∞(RS) (8)1.516364.115∞ (10)16 ASS③(FLS)(11) 1.492257.517∞ (12)光源∞ (13)ASS①R -162.42K -2.6327×10+2A -4.6353×10-8B 5.3343×10-9C -1.4026e-012ASS②R 459974.36K -1.0000A 1.9948×10-8B -1.3816×10-10ASS③R -5.01K -3.5319×10-1A 4.0969×10-4
FFS①C4-7.2345×10-3C6-6.9125×10-3C84.4026×10-5C106.4432×10-5C111.4416×10-6C131.8224×10-6C154.1031×10-6C17-7.0792×10-8C189.9564×10-8C211.4815×10-7FFS②C4-1.9459×10-2C6-2.5266×10-2C83.3469×10-4C103.6981×10-4C11-1.3936×10-5C134.0624×10-5C15-4.6353×10-6C171.8299×10-6C19-6.3031×10-7C211.6919×10-6偏移和倾斜(1)X0.00 Y0.00 Z0.00α 0.00 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(2)X0.00 Y-2.98 Z30.33α 5.72 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(3)X0.00 Y2.28 Z40.11α -15.25β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(4)X0.00 Y18.69 Z35.95α 66.23β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(5)X0.00 Y20.15 Z37.39α 49.42 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(6)X0.00 Y20.91 Z38.04α 49.42 β 0.00 γ 0.00
偏移和倾斜(7)X 0.00 Y 24.20 Z 40.86α 49.42 β -30.00 γ 0.00偏移和倾斜(8)X 0.00 Y 27.08 Z 43.3α 49.42 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(9)X 0.00 Y 28.22 Z 44.31α 49.42 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(10)X 15.00 Y 23.29 Z 40.08α 49.42 β 60.00 γ 0.00偏移和倾斜(11)X 15.87 Y 22.91 Z 39.75α 49.42 β 60.00 γ 0.00偏移和倾斜(12)X 16.73 Y 22.53 Z 39.43α 49.42 β60.00 γ 0.00偏移和倾斜(13)X 21.06 Y 20.63 Z 37.80α 49.42 β 60.00 γ 0.00实施例2面曲率半径面 偏移折射阿贝数No. 间隔和倾斜系数物面∞ -1000.001 ∞(光瞳)2ASS① (1)1.525456.23FFS①(RS) (2)1.525456.24ASS①(RS) (1)1.525456.25FFS② (3)6∞(HRP) 1.50 (4)7∞ 1.40 1.525456.28∞ 0.00 1001.0682 -3.59-209750.722(DOE) 0.5010 ∞ 3.50 1.516364.111 FFS③0.13 (5)1.516364.112 FFS③(PBS) 3.50 (5)1.516364.113 ∞ 1.5614 ∞ 0.16 1.586034.515 ∞ 1.10 1.523059.4像面 ∞(LCD) -1.101.523059.4(RS)17 ∞ -0.161.586034.518 ∞ -1.5619 ∞ -3.501.516364.120 FFS③(PBS) 3.50 (5)1.516364.1(RS)21 ∞(RS)1.516364.122 7.21 -3.00 (6)光源 ∞ASS①R -176.22K -3.7387×101A -1.6692×10-6B 2.9814×10-9C -2.0018×10-12FFS①C4-6.8800×10-3C6-6.3619×10-3C84.1553×10-5C106.8837×10-5C111.2241×10-6C133.3302×10-6C152.5098×10-6C173.8987×10-8C191.2588×10-7C215.2527×10-8FFS②C4-2.3155×10-2C6-3.0035×10-2C84.7893×10-4C105.9168×10-4C117.4760×10-6C134.6108×10-5C151.6986×10-5C17-7.6840×10-7C19-3.8926×10-6C21-2.0872×10-6FFS③C45.4934×10-3C66.3953×10-3C71.0601×10-5C99.1337×10-5C11-9.3191×10-5C13-5.8444×10-5C15-6.3873×10-5偏移和倾斜(1)X0.00 Y-2.61 Z 32.27α 5.50 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(2)X0.00 Y3.08 Z 42.45α -14.95 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(3)X0.00 Y18.35 Z 39.28α 60.78 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(4)X0.00 Y18.86 Z 38.29α 49.61 β 0.00 γ0.00偏移和倾斜(5)X0.00 Y0.00 Z 0.00α 0.00 β -27.00 γ0.00偏移和倾斜(6)X9.72 Y0.00 Z -3.56α 0.00 β 54.00 γ0.00实施例3面曲率半径面偏移 折射阿贝数No. 间隔和倾斜系数物面 ∞ -1000.001∞(光瞳)2ASS① (1) 1.492257.53FFS①(RS) (2) 1.492257.54ASS①(RS) (1) 1.492257.55FFS② (3)6∞(4) 1.516364.17∞(5)像面 ∞(LCD)(RS) (6)9∞(5) 1.516364.110∞(RS)(4) 1.516364.111∞(RS)(5) 1.516364.112∞(7)13-30.06(FLS) (8) 1.492257.51412.35(FLS)(9)光源 ∞(10)ASS①R-123.45K2.4441×101A-2.7160×10-6B-1.6340×10-8FFS①C4-9.5216×10-3C6-9.5181×10-3C8-4.5578×10-5C10-3.7547×10-5C119.5818×10-7C13-8.0328×10-6C15-4.4319×10-6FFS②C4-4.3543×10-4C6-8.9975×10-3C8-5.4549×10-4C10-2.5114×10-3C11-2.6896×10-4C13-3.1730×10-5C15-2.4193×10-4偏移和倾斜(1)X0.00 Y1.13 Z29.92α 4.34 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(2)X0.00 Y1.88 Z38.79α -17.70 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(3)X0.00 Y16.33 Z35.91α 36.94 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(4)X0.00 Y18.19 Z35.83α 52.78 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(5)X 0.00 Y22.31 Z37.69α 82.86 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(6)X 0.00 Y24.94 Z40.37α 53.05 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(7)X 0.00 Y16.21 Z45.33α 125.46 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(8)X 0.00 Y15.40 Z45.91α 125.46 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(9)X 0.00 Y14.58 Z46.49α 125.46 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(10)X 0.00 Y6.47 Z52.27α 125.46 β 0.00 γ 0.00实施例4面曲率半径面 偏移折射阿贝数No. 间隔和倾斜系数物面 ∞-1000.001 ∞(光瞳)2 ASS①(1)1.492257.53 FFS①(RS)(2)1.492257.54 ASS①(RS)(1)1.492257.55 FFS②(3)6118.41 (4)1.516364.17∞ (5)像面 ∞(LCD)(RS) (6)9∞ (5)1.516364.110118.41(RS) (4)1.516364.111∞(RS) (5)1.516364.112∞ (7)13-30.06(FLS) (8)1.492257.51412.35(FLS) (9)光源 ∞ (10)ASS①R -120.91K 1.5416×101A -1.8088×10-6B -1.0868×10-8FFS①C4-9.5691×10-3C6-9.6261×10-3C8-2.0834×10-5C10-1.0268×10-5C11-1.4779×10-6C13-5.9133×10-6C15-2.3277×10-6FFS②C41.3701×10-3C6-1.0273×10-3C8-1.6989×10-4C10-2.1410×10-3C11-1.0113×10-4C13-2.2842×10-5C15-2.5071×10-4偏移和倾斜(1)X 0.00 Y1.16 Z29.92α4.31 β 0.00 γ 0.00
偏移和倾斜(2)X0.00 Y1.82 Z 38.76α -17.65 β 0.00 γ0.00偏移和倾斜(3)X0.00 Y17.37 Z 35.09α 39.15 β 0.00 γ0.00偏移和倾斜(4)X0.00 Y17.84 Z 35.85α 50.44 β 0.00 γ0.00偏移和倾斜(5)X0.00 Y21.90 Z 37.79α 80.65 β 0.00 γ0.00偏移和倾斜(6)X0.00 Y24.45 Z 40.57α 51.94 β 0.00 γ0.00偏移和倾斜(7)X0.00 Y16.23 Z 45.31α 124.23 β 0.00 γ0.00偏移和倾斜(8)X0.00 Y15.41 Z 45.87α 124.23 β 0.00 γ0.00偏移和倾斜(9)X0.00 Y14.58 Z 46.44α 124.23 β 0.00 γ0.00偏移和倾斜(10)X0.00 Y8.33 Z 50.69α 124.23 β 0.00 γ0.00实施例5面曲率半径面 偏移折射阿贝数No. 间隔和倾斜系数物面∞ ∞1 ∞(光瞳)2 ASS① (1)1.525456.23 FFS① (2)4 FFS② (3)1.525456.25 ASS② (4)ASS①R-176.22K-3.7387×10+1A-1.6692×10-6B2.9814×10-9C-2.0018×10-12ASS②R-1062.55K5.4556×10+2A3.6429×10-6B5.0316×10-8C-1.1192×10-12FFS①C4-6.8800×10-3C6-6.3619×10-3C84.1553×10-5C106.8837×10-5C111.2241×10-6C133.3302×10-6C152.5098×10-6C173.8987×10-8C181.2588×10-7C215.2527×10-8FFS②C4-4.4160×10-3C6-2.4845×10-3C82.2623×10-4C102.3442×10-4C118.6043×10-6C131.7297×10-5C159.4774×10-6C178.8375×10-8C192.5550×10-7C211.6464×10-7偏移和倾斜(1)X0.00 Y -2.61 Z 32.27α 5.50 β0.00 γ 0.00偏移和倾斜(2)X0.00 Y 3.08 Z 42.45α -14.95 β0.00 γ 0.00偏移和倾斜(3)X0.00 Y 3.08 Z 42.95α -14.95 β0.00 γ 0.00偏移和倾斜(4)X0.00 Y -6.46 Z 48.00α 7.60 β0.00 γ 0.00实施例6面曲率半径面 偏移折射阿贝数No. 间隔和倾斜系数物面 ∞ ∞1 ∞(光瞳)(1)2 ASS① (2)1.525456.23 FFS① (3)4 FFS② (4)1.525456.25 FFS③ (5)ASS①R-176.22K-3.7387×10+1A-1.6692×10-6B2.9814×10-9C-2.0018×10-12FFS①C4-6.8800×10-3C6-6.3619×10-3C84.1553×10-5C106.8837×10-5C111.2241×10-6C133.3302×10-6C152.5098×10-6C173.8987×10-8C191.2588×10-7C215.2527×10-8FFS②C4-5.3827×10-3C6-3.9107×10-3C82.0464×10-5C102.0013×10-4C11-3.0583×10-8C132.9474×10-6C155.4444×10-6C17-1.1451×10-7C191.3958×10-7C213.3195×10-7FFS③C4-3.9314×10-4C64.9360×10-4C8-9.7487×10-6C101.6818×10-4C11-5.3888×10-6C13-2.1876×10-6C155.8586×10-6C17-7.0891×10-8C19-4.0581×10-8C213.4163×10-7偏移和倾斜(1)X0.00 Y -2.61 Z 32.27α 5.50 β0.00 γ 0.00偏移和倾斜(2)X0.00 Y 3.08 Z 42.45α -14.95 β0.00 γ 0.00偏移和倾斜(3)X0.00 Y 1.38 Z 42.12α -14.16 β0.00 γ0.00偏移和倾斜(4)X0.00 Y 1.25 Z 47.68α 9.11 β0.00 γ0.00实施例7面曲率半径面 偏移折射阿贝数No. 间隔和倾斜系数物面 ∞ ∞1 ∞(光瞳)2 ASS①(1)1.525456.23 FFS①(2)1.525456.24 ASS②(3)ASS①R-176.22K-3.7387×10+1A-1.6692×10-6B2.9814×10-8C-2.0018×10-12ASS②R-180.91K-1.7624×10+1A-8.6096×10-7B 1.0983×10-9C-6.2255 ×10-13FFS①C4-6.8800×10-3C6-6.3619×10-3C84.1553×10-5C106.8837×10-5C111.2241×10-6C133.3302×10-6C152.5098×10-6C173.8987×10-8C191.2588×10-7C215.2527×10-8偏移和倾斜(1)X0.00 Y-2.61 Z32.27α 5.50 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(2)X0.00 Y3.08 Z42.45α -14.95 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(3)X0.00 Y-2.88 Z48.00α 5.24 β 0.00 γ 0.00实施例8面曲率半径面 偏移折射阿贝数No. 间隔和倾斜系数物面∞∞1 ∞(光瞳)2ASS①(1)1.525456.23FFS①(2)1.525456.24ASS②(3)ASS①R-176.22K-3.7387×10+1A-1.6692×10-6B2.9814×10-9C-2.0018×10-12
ASS②R -329.91K 2.4830×10+2A -8.3359×10-6B 3.1774×10-8C -2.7221×10-11FFS①C4-6.8800×10-3C6-6.3619×10-3C84.1553×10-5C106.8837×10-5C111.2241×10-6C133.3302×10-6C152.5098×10-6C173.8987×10-8C191.2588×10-7C215.2527×10-8偏移和倾斜(1)X 0.00 Y -2.61 Z32.27α 5.50 β0.00 γ 0.00偏移和倾斜(2)X 0.00 Y 3.08 Z42.45α -14.95 β0.00 γ 0.00偏移和倾斜(3)X 0.00 Y -5.97 Z48.00α 4.73 β0.00 γ 0.00(实施例5～8的图像显示装置的观察光学系统)实施例8面曲率半径面 偏移折射阿贝数No. 间隔和倾斜系数物面∞-1000.001 ∞(光瞳)2ASS①(1)1.525456.23FFS①(RS)(2)1.525456.24ASS①(RS)(1)1.525456.25FFS②(3)6∞(HRP) 1.50(4)7∞ 1.40 1.525456.28∞ 0.00 1001.0682 -3.59 -209750.722(DOE)0.5010∞ 7.13 1.516364.111∞ 1.5612∞ 0.16 1.586034.513∞ 1.10 1.523059.4像面 ∞(LCD)ASS①R -176.22K -3.7387×10+1A -1.6692×10-6B 2.9814×10-8C -2.0018×10-12FFS①C4-6.8800×10-3C6-6.3619×10-3C84.1553×10-5C106.8837×10-5C111.2241×10-6C133.3302×10-6C152.5098×10-6C173.8987×10-8C191.2588×10-7C215.2527×10-8FFS②C4-2.3155×10-2C6-3.0035×10-2C84.7893×10-4C105.9168×10-4C117.4760×10-6C134.6108×10-5C151.6986×10-5C17-7.6840×10-7C19-3.8926×10-6C21-2.0872×10-6偏移和倾斜(1)X 0.00 Y-2.61 Z32.27α 5.50 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(2)X 0.00 Y3.08 Z42.45α -14.95 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(3)X 0.00 Y18.35 Z39.28α 60.78 β 0.00 γ 0.00偏移和倾斜(4)X 0.00 Y18.86 Z38.29α 49.61 β 0.00 γ 0.00上述实施例1～4的横像差分别示于图6～图9中。在这些横像差图中，括号内的数字表示(水平视场角、垂直视场角)，示出了该视场角内的横像差。
另外，通过上述实施例5、6的透明光学系统看到的方孔图像和用肉眼看到的方孔图像重叠后的图分别示于图29、图30中。可知在将各实施例的观察光学系统用于罩在单只眼上的头载型观察光学装置的情况下，如果用两眼观察外界，能容易地使外界像在左右眼中合在一起。
另外，通过上述实施例7、8的透明光学系统看到的方孔图像和用内眼看到的方孔图像重叠后的图分别示于图47、图48中。
另外，与上述实施例5、6的条件(6)～(11)有关的Px、Py、βx、βy、Cx3/Cx2、Cy3/Cy2的数值如下Px Py βx βy Cx3/Cx2 Cy3/Cy2实施例1 0.00050 0.00000 0.99920 0.99850 0.69950 0.56645实施例2 0.00060 -0.00010 0.99691 1.00130 0.83012 0.6268746另外，与上述实施例7、8的条件(14)～(17)有关的Px、Py、βx、βy的数值如下Px Py βx βy实施例1 0.00000 0.00000 1.03210 1.03252实施例2 0.00070 -0.00040 1.00929 1.05285其次，在图31中示出了本发明的第二观察光学系统的另一形态的观察光学系统的结构。其中包括反射型LCD(液晶显示元件)200；照明光源201；由照明用光学元件202、203构成的第一像形成构件；将在反射型LCD200上显示的第一像引导到观察者眼球E中的目镜光学系统204；为了引导外界像(第二像)而配置在目镜光学系统204的第二像一侧的透明光学元件205；以及配置在该第二像一侧能切换光束的透过与遮断、或者透过与减弱的遮光构件206，由上述结构形成本实施形态的观察光学系统。另外，为了检测视线，还配置了瞳孔照明光源207、接受该瞳孔像的受光元件208、以及CPU209，用来分析该受光元件208的瞳孔像，并根据该信息进行其他构件的控制。
照明光源201是LED或灯等，可以是白色光源，也可以是R、G、B配套光源。照明用光学元件202由光源201一侧的面具有正的放大能力的凸面210构成，具有物镜的作用。另外，从发生的像差的修正要求和提高生产率以降低成本的要求两者的调和观点看，如果强调像差的修正要求，则最好使该凸面210以增加设计自由度的方向从球面朝向旋转对称非球面、变形面、自由曲面变化，反之，如果强调降低成本的要求，则最好朝向生产率高的球面或旋转对称非球面变化。在照明用光学元件202和203之间的面211上形成半透射半反射涂层、光束分离涂层等，以便同时具有光的透射作用和反射作用。另外，视场检测用的瞳孔照明光源207由于不管是在红外光还是可见光区域，在波段宽度窄的光的情况下，即使反射该光，也能忽视对来自LCD200的第一像的观察的影响，所以对于其中的面211也可以作为以高反射率反射光源207的光的有波长选择性的面。
目镜光学系统204由具有第一面212、第二面213、第三面214这三个光学作用面的棱镜构成，从第三面214入射的光在第一面212上全反射，再在第二面213上反射，此次透过第一面212，形成射出光瞳，当观察者的眼球瞳孔位于此处时，能观察到LCD200的显示像。由于这三个面212～214偏心配置，所以最好用能修正偏心像差的变形面或自由曲面(特别希望图6中的剖面成为唯一对称面的自由曲面)构成。但是，如果谋求从生产率的观点看的调和，则第一面～第三面212～214中最好至少一个面用旋转对称非球面或球面构成。这时，如果着眼于面的精度，则最好使面的区域最宽、对二次光束具有透射和反射作用的第一面212成为能保证生产精度高的球面或旋转对称非球面。另外，如果着眼于由目镜光学系统204和透明光学元件205之间的空气透镜引起的像差性能和放大能力等，则最好使第二面213为球面或旋转对称非球面。
另外，能切换光束的透过与遮断、或者透过与减弱的遮光构件206，除了能切换光的透过和遮断的快门(机械式开口快门、液晶快门、遮帘快门)或仅仅是盖开闭的简单的门机构等以外，还可以是透射率分阶段地或连续地变化构成的液晶片等。而且，用CPU209控制该遮光构件206，以便例如根据由受光元件208接受的光瞳像，测量瞳孔的大小，在开大到某值以上的情况下，调整得亮一些，在开小到某值以下的情况下，调整得暗一些。另外，也可以利用图中未示出的测量仪测量外界像和LCD200的显示像的照度差，用CPU209根据该值控制遮光构件206的透射率。
另外，利用检测视线的信息，使LCD200上显示的像滚动，能具有与计算机画面上显示的光标相同的作用。
另外，如果目镜光学系统204的第二面213和透明光学元件205的大小相同，则容易组装。反之，为了减轻重量，在缩小透明光学元件205的情况下，为了防止照明光，最好在光学面或侧面设置遮光涂料层或镀层等遮光覆盖层215。
另外，作为图31中的实施形态的改进形态可以举出图32所示的形态。它是这样构成的，例如在将计算机画面的像显示在LCD200(可以是透射型LCD，也可以是反射型LCD)上的情况下，使视线向下容易确认键盘等，除了通过透明光学元件205的外界像以外，能直接看见下方的外界像。这样为了能确保下方视野，最好使瞳孔和目镜光学系统204的距离远一些，或使其下方的长度短一些，以便以视轴为基准，以瞳孔中心为中心，将目镜光学系统204及透明光学元件205收容在60°以内(θ≤60°)。但是，在垂直视场角或光学设计上有要求而受到限制的情况下，从对方调和的观点看，也可以在45°以内(θ≤45°)。
另外，作为另一形态，如图33所示，可以构成为通过透明光学元件205和目镜光学系统204，将与外界像不同的第三像引导到瞳孔E处。将LCD或LED、或显示由外界光产生的符号显示等、小型字符等的显示元件216配置在透明光学元件205的外界一侧。在外界视野上显示该显示元件216的像的情况下，将显示元件216配置在遮光构件206和透明光学元件205之间。另外，在并排设置外界像和显示元件216的像的情况下，如图33所示，将遮光构件206的一部分缩短，将显示元件216设置在该位置。在此情况下，为了使边界部分明显、且防止照明光等的入射，最好将遮光覆盖层215设置在空白部分。在该显示元件216上进行警告显示，或显示图中未示出的外界气温·湿度传感器或紫外线量测定传感器等的测定值，能用于显示工作时间或时刻等的伺服信息显示。
另外，在外界像的视野即使狭窄也可以的情况下，或者在装置整体的紧凑化·轻量化的要求强烈的情况下，如图34～图35所示，也可以小型地构成透明光学元件205。在图34的情况下，透明光学元件205被配置在下方，由于观察来自LCD200的像用的视轴和观察来自外界的像用的视轴大致一致，所以观察者不用旋转眼球就能进行两个像的观察。
另外，在图35的情况下，透明光学元件205被配置在上方，由于来自LCD200的像和外界像能局部重叠或完全并列设置，所以能减轻双重像的烦恼，而且能同时观察LCD200的像和外界像。
另外，在图34～图35中，虽然沿上下方向配置透明光学元件205，但也可以沿左右方向配置。另外，图31～图35是纵剖面图，LCD200完全配置在上方，但也可以旋转180°，将LCD200配置在下方，另外，还可以旋转90°，构成形成了从横向返回的光路的观察光学系统。
其次，在图49中示出了本发明的第三、第四观察光学系统的另一形态的观察光学系统的结构。其中包括反射型LCD(液晶显示元件)400；照明光源401；由照明用光学元件402、403构成的第一像形成构件；将在反射型LCD400上显示的第一像引导到观察者眼球E中的目镜光学系统404；为了引导外界像(第二像)而配置在目镜光学系统404的第二像一侧的透明光学元件405；以及配置在该第二像一侧能切换光束的透过与遮断、或者透过与减弱的遮光构件406，由上述结构形成本实施形态的观察光学系统。另外，为了检测视线，还配置了瞳孔照明光源407、接受该瞳孔像的受光元件408、以及CPU409，用来分析该受光元件408上的瞳孔像，并根据该信息进行其他构件的控制。
照明光源401是LED或灯等，可以是白色光源，也可以是R、G、B配套光源。照明用光学元件402由光源401一侧的面具有正的放大能力的凸面410构成，具有物镜的作用。另外，从发生的像差的修正要求和提高生产率以降低成本的要求两者的调和观点看，如果强调像差的修正要求，则最好使该凸面210以增加设计自由度的方向从球面朝向旋转对称非球面、变形面、自由曲面变化，反之，如果强调降低成本的要求，则最好朝向生产率高的球面或旋转对称非球面变化。在照明用光学元件402和403之间的面411上形成半透射半反射涂层、光束分离涂层等，以便同时具有光的透射作用和反射作用。另外，视场检测用的瞳孔照明光源407由于不管是在红外光还是可见光区域，在波段宽度窄的光的情况下，即使反射该光，也能忽视对来自LCD400的第一像的观察的影响，所以对于其中的面411也可以作为以高反射率反射光源407的光的有波长选择性的面。
目镜光学系统404由具有第一面412、第二面413、第三面414这三个光学作用面的棱镜构成，从第三面414入射的光在第一面412上全反射，再在第二面413上反射，此次透过第一面412，形成射出光瞳，当观察者的眼球瞳孔位于此处时，能观察到LCD400的显示像。由于这三个面412～414偏心配置，所以最好用能修正偏心像差的变形面或自由曲面(特别希望图6中的剖面成为唯一对称面的自由曲面)构成。但是，如果谋求从生产率的观点看的调和，则第一面～第三面412～414中最好至少一个面用旋转对称非球面或球面构成。这时，如果着眼于面的精度，则最好使面的区域最宽、对二次光束具有透射和反射作用的第一面412成为能保证生产精度高的球面或旋转对称非球面。另外，如果着眼于由目镜光学系统404和透明光学元件405之间的空气透镜引起的像差性能和放大能力等，则最好使第二面413为球面或旋转对称非球面。
另外，能切换光束的透过与遮断、或者透过与减弱的遮光构件406，除了能切换光的透过和遮断的快门(机械式开口快门、液晶快门、遮帘快门)或仅仅是盖开闭的简单的门机构等以外，还可以是透射率分阶段地或连续地变化构成的液晶片等。而且，用CPU409控制该遮光构件406，以便例如根据由受光元件408接受的光瞳像，测量瞳孔的大小，在开大到某值以上的情况下，调整得亮一些，在开小到某值以下的情况下，调整得暗一些。另外，也可以利用图中未示出的测量仪测量外界像和LCD400的显示像的照度差，用CPU409根据该值控制遮光构件406的透射率。
另外，利用检测视线的信息，使LCD400上显示的像滚动，能具有与计算机画面上显示的光标相同的作用。
另外，如果目镜光学系统404的第二面413和透明光学元件405的大小相同，则容易组装。反之，为了减轻重量，在缩小透明光学元件405的情况下，为了防止闪光，最好在光学面或侧面设置遮光涂料层或镀层等遮光覆盖层415。
另外，作为图49中的实施形态的改进形态可以举出图50所示的形态。它是这样构成的，例如在将计算机画面的像显示在LCD400(可以是透射型LCD，也可以是反射型LCD)上的情况下，使视线向下容易确认键盘等，除了通过透明光学元件405的外界像以外，能直接看见下方的外界像。这样为了能确保下方视野，最好使瞳孔和目镜光学系统404的距离远一些，或使其下方的长度短一些，以便以视轴为基准，以瞳孔中心为中心，将目镜光学系统404及透明光学元件405收容在60°以内(θ≤60°)。但是，在垂直视场角或光学设计上有要求而受到限制的情况下，从对方调和的观点看，也可以在45°以内(θ≤45°)。
另外，作为另一形态，如图49所示，可以构成为通过透明光学元件405和目镜光学系统404，将与外界像不同的第三像引导到瞳孔E处。将LCD或LED、或显示由外界光产生的符号显示等、小型字符等的显示元件416配置在透明光学元件405的外界一侧。在外界视野上显示该显示元件416的像的情况下，将显示元件416配置在遮光构件406和透明光学元件405之间。另外，在并排设置外界像和显示元件416的像的情况下，如图51所示，将遮光构件406的一部分缩短，将显示元件416设置在该位置。在此情况下，为了使边界部分明显、且防止闪光等的入射，最好将遮光覆盖层415设置在空白部分。在该显示元件416上进行警告显示，或显示图中未示出的外界气温·湿度传感器或紫外线量测定传感器等的测定值，能用于显示工作时间或时刻等的伺服信息显示。
另外，在外界像的视野即使狭窄也可以的情况下，或者在装置整体的紧凑化·轻量化的要求强烈的情况下，如图52～图53所示，也可以小型地构成透明光学元件405。在图52的情况下，透明光学元件405被配置在下方，由于观察来自LCD400的像用的视轴和观察来自外界的像用的视轴大致一致，所以观察者不用旋转眼球就能进行两个像的观察。
另外，在图53的情况下，透明光学元件405被配置在上方，由于来自LCD400的像和外界像能局部重叠或完全并列设置，所以能减轻双重像的烦恼，而且能同时观察LCD400的像和外界像。
另外，在图52～图53中，虽然沿上下方向配置透明光学元件405，但也可以沿左右方向配置。另外，图49～图53是纵剖面图，LCD400完全配置在上方，但也可以旋转180°，将LCD400配置在下方，另外，还可以旋转90°，构成形成了从横向返回的光路的观察光学系统。
可是，作为以上实施例的构成本发明的观察光学系统的棱镜10，虽然使用了上述实施例的内部反射次数为两次、第一面兼作折射面和反射面类型的棱镜，但在本发明的第一观察光学系统中作为棱镜10使用的棱镜不限于此。在图10～图18中示出了其例。另外，用逆光线跟踪进行说明。
在图10的情况下，棱镜P由第一面32、第二面33、第三面34构成，通过光瞳31入射的光在第一面32上折射后入射到棱镜P中，在第二面33上进行内部反射，入射到第三面34上后被折射，在像面36上成像。
在图11的情况下，棱镜P由第一面32、第二面33、第三面34、第四面35构成，通过光瞳31入射的光在第一面32上折射后入射到棱镜P中，在第二面33上进行内部反射，在第三面34上进行内部反射，入射到第四面35上后被折射，在像面36上成像。
在图12的情况下，棱镜P由第一面32、第二面33、第三面34、第四面35构成，通过光瞳31入射的光在第一面32上折射后入射到棱镜P中，在第二面33上进行内部反射，再入射到第一面32上后此次进行全反射，在第三面34上进行内部反射，入射到第四面35上后被折射，在像面36上成像。
在图13的情况下，棱镜P由第一面32、第二面33、第三面34、第四面35构成，通过光瞳31入射的光在第一面32上折射后入射到棱镜P中，在第二面33上进行内部反射，入射到第三面34上后进行全反射，入射到第四面35上进行内部反射，再入射到第三面34上后此次被折射，在像面36上成像。
在图14的情况下，棱镜P由第一面32、第二面33、第三面34构成，通过光瞳31入射的光在第一面32上折射后入射到棱镜P中，在第二面33上进行内部反射，在第三面34上进行内部反射，再入射到第一面32上此次进行全反射，再入射到第二面33上后此次被折射，在像面36上成像。
在图15的情况下，棱镜P由第一面32、第二面33、第三面34、第四面35构成，通过光瞳31入射的光在第一面32上折射后入射到棱镜P中，在第二面33上进行内部反射，入射到第三面34上进行内部反射，再次入射到第二面33上进行内部反射，入射到第四面35上后被折射，在像面36上成像。
在图16的情况下，棱镜P由第一面32、第二面33、第三面34、第四面35构成，通过光瞳31入射的光在第一面32上折射后入射到棱镜P中，在第二面33上进行内部反射，入射到第三面34上进行内部反射，再次入射到第二面33上进行内部反射，入射到第四面35上后进行内部反射，再次入射到第二面33上后此次被折射，在像面36上成像。
在图17的情况下，棱镜P由第一面32、第二面33、第三面34构成，通过光瞳31入射的光在第一面32上折射后入射到棱镜P中，在第二面33上进行内部反射，再入射到第一面32上此次进行全反射，在第三面34上进行内部反射，第三次入射到第一面32上后进行全反射，再次入射到第三面34上后此次被折射，在像面36上成像。
在图18的情况下，棱镜P由第一面32、第二面33、第三面34构成，通过光瞳31入射的光在第一面32上折射后入射到棱镜P中，在第二面33上进行内部反射，再入射到第一面32上此次进行全反射，在第三面34上进行内部反射，第三次入射到第一面32上进行全反射，再次入射到第三面34上进行内部反射，第四次入射到第一面32上后此次被折射，在像面36上成像。
另外，目镜光学系统204、404都使用了光学作用面为三面两次反射型的棱镜，但也可以是图36～图42、图54～图60所示类型的棱镜。另外，透明光学元件205、405不只是单一的光学元件，也可以是结合的光学元件或GRIH(折射率分布)光学元件。
以下，对图36～图42、图54～图60所示的目镜光学系统204、404进行若干说明。
在图36、图54的情况下，目镜光学系统204、404由第一面211、411、第二面212、412、第三面213、413、第四面214、414构成，逆光线跟踪通过射出光瞳位置E入射的光在第一面211、411上折射后入射到棱镜内，在第二面212、412上进行内部反射，在第三面213、413上进行内部反射，入射到第四面214、414上后被折射，在LCD200、400的位置成像。在该目镜光学系统204、404的情况下，透明光学元件205、405离开或紧密接触第二面212、412的外界像一侧配置。
在图37、图55的情况下，目镜光学系统204、404由第一面211、411、第二面212、412、第三面213、413、第四面214、414构成，逆光线跟踪通过射出光瞳位置E入射的光在第一面211、411上折射后入射到棱镜内，在第二面212、412上进行内部反射，入射到第三面213、413上后进行全反射，入射到第四面214、414上进行内部反射，再入射到第三面213、413上后此次被折射，在LCD200、400的位置成像。在该目镜光学系统204、404的情况下，透明光学元件205、405离开或紧密接触第二面212、412的外界像一侧配置。
在图38、图56的情况下，目镜光学系统204、404由第一面211、411、第二面212、412、第三面213、413、第四面214、414构成，逆光线跟踪通过射出光瞳位置E入射的光在第一面211、411上折射后入射到棱镜内，在第二面212、412上进行内部反射，入射到第三面213、413上进行内部反射，再次入射到第二面212、412上进行内部反射，入射到第四面214、414上后被折射，在LCD200、400的位置成像。在该目镜光学系统204、404的情况下，透明光学元件205、405离开或紧密接触第二面212、412的外界像一侧配置。
在图39、图57的情况下，目镜光学系统204、404由第一面211、411、第二面212、412、第三面213、413、第四面214、414构成，逆光线跟踪通过射出光瞳位置E入射的光在第一面211、411上折射后入射到棱镜内，在第二面212、412上进行内部反射，入射到第三面213、413上进行内部反射，再次入射到第二面212、412上进行内部反射，入射到第四面214、414上进行内部反射，再次入射到第二面212、412上后此次被折射，在LCD200、400的位置成像。在该目镜光学系统204、404的情况下，透明光学元件205、405离开或紧密接触第二面212、412的外界像一侧配置。
在图40、图58的情况下，目镜光学系统204、404由第一面211、411、第二面212、412、第三面213、413构成，逆光线跟踪通过射出光瞳位置E入射的光在第一面211、411上折射后入射到棱镜内，在第二面212、412上进行内部反射，再次入射到第一面211、411上后此次进行全反射，在第三面213、413上进行内部反射，第三次入射到第一面211、411上进行全反射，再次入射到第三面213、413上后此次被折射，在LCD200、400的位置成像。在该目镜光学系统204、404的情况下，透明光学元件205、405离开或紧密接触第二面212、412的外界像一侧配置。或者代替上述情况、或者除了上述情况外，再使另一透明光学元件205’、405’离开或紧密接触第三面213、413的外界像一侧配置。
在图41、图59的情况下，目镜光学系统204、404由第一面211、411、第二面212、412、第三面213、413构成，逆光线跟踪通过射出光瞳位置E入射的光在第一面211、411上折射后入射到棱镜内，在第二面212、412上进行内部反射，再次入射到第一面211、411上后此次进行全反射，在第三面213、413上进行内部反射，第三次入射到第一面211、411上进行全反射，再次入射到第三面213、413上进行内部反射，第四次入射到第一面211、411上后此次被折射，在LCD200、400的位置成像。在该目镜光学系统204、404的情况下，透明光学元件205、405离开或紧密接触第二面212、412的外界像一侧配置。或者代替上述情况、或者除了上述情况外，再使另一透明光学元件205’、405’离开或紧密接触第三面213、413的外界像一侧配置。
在图42、图60的情况下，目镜光学系统204、404由第一面211、411、第二面212、412、第三面213、413、第四面214、414构成，逆光线跟踪通过射出光瞳位置E入射的光在第一面211、411上折射后入射到棱镜内，在第二面212、412上进行内部反射，入射到第三面213、413上进行反射，入射到第四面214、414上被折射，在LCD200、400的位置成像。在该目镜光学系统204、404的情况下，透明光学元件205、405离开或紧密接触第二面212、412的外界像一侧配置。
上述这样的本发明的观察光学系统能作为例如头载型图像显示装置的光学系统用。下面示出其例。
首先，图20中示出了将头载型双眼用图像显示装置戴在观察者头部的状态，图21中示出了其剖面图。该结构如图21所示，将本发明的第一观察光学系统作为目镜光学系统100用，准备了左右一对由该目镜光学系统100和反射型图像显示元件101构成的组，通过使它们相距两眼之间的宽度的距离被支撑着，构成能用两眼观察的安装型或头载型图像显示装置，将其作为可携带型的图像显示装置102。
即，上述的观察光学系统作为目镜光学系统100用，在显示装置本体102中备有左右一对该目镜光学系统，与它们对应地在像面上配置着由反射型液晶显示元件构成的反射型图像显示元件101。而且，如图20所示，在显示装置本体102上左右连续的地设置着如图所示的头侧框架103，能将显示装置本体102保持在观察者的眼前。另外，为了保护各图像显示装置102的目镜光学系统100的棱镜10的第一面11(图1)，如图21所示，盖板构件91配置在目镜光学系统100的射出光瞳和第一面11之间。作为该盖板构件91也可以使用平行平板、正透镜或负透镜任意一种。
另外，在头侧框架103上附设着扬声器104，与观察图像的同时能听到立体音响。可携带型盒式录象带等再生装置106通过图像声音传递软线105这样连接在有扬声器104的显示装置本体102上，所以如图所示，观察者能将该再生装置106保持在皮带上等任意的位置，能欣赏图像音响。图20中的符号107是再生装置106的开关、音量等调节部分。另外，在显示装置本体102的内部安装着图像处理、声音处理电路等电子部件。
另外，软线105的前端作成插口，能安装在现有的录象走带机构等上。另外，还能连接在TV电波接收用调谐器上，作为TV鉴赏用，连接在计算机上能接收计算机图示的图像或来自计算机的信息图像等。另外，为了排斥有影响的软线，也可以连接天线，通过电波接收来自外部的信号。
另外，本发明的观察光学系统也可以用于将目镜光学系统配置在左右任意一侧眼前的单眼用的头载型图像显示装置。图22中示出了将该单眼用的图像显示装置戴在观察者头部(在此情况下戴在左眼上)的状态。在该结构中，由一组目镜光学系统100和反射型图像显示元件101构成的显示装置本体102被安装在与前框架108对应的眼的前方位置，在该前框架108上左右连续地设置着如图所示的头侧框架103，能将显示装置本体102保持在观察者的一只眼前。其他结构与图20的情况相同，说明从略。
可是，在上述这样的使用本发明的观察光学系统的两眼或单眼用头载型图像显示装置中，为了能与显示像同时观察外界像或有选择地观察显示像和外界像，如图21所示，最好这样构成将面向构成目镜光学系统100的偏心棱镜10的射出光瞳的反射面12作为半透射半反射面，与该半透射半反射面12相切地或离开若干距离配置另一偏心棱镜20，用来补偿由偏心棱镜10产生的偏移角或放大能力，能透过两个偏心棱镜10、20观察外界。在此情况下，最好这样构成将液晶快门之类的快门21配置在另一偏心棱镜20的入射侧(与观察者的眼相反的一侧)，上述快门21用来将用虚线表示的外界光遮断或使其透过，打开快门21能观察(透视)外界像，或者能观察外界像和显示像的重叠像，关闭快门21能观察显示元件101的显示像。
图43是本发明的第二观察光学系统，是例如将图31所示的观察光学系统作为目镜光学系统100用的情况下的与图21相同的剖面图。在此情况下，如图22所示，由该观察光学系统和反射型图像显示元件200构成的一组构成的显示装置本体100被安装在与前框架108对应的眼(在此情况下为左眼)的前方位置，构成能用一只眼观察的安装型或头载型图像显示装置之类的可携带型图像显示装置。
即，在显示装置本体100中采用上述的观察光学系统，对应地在像面上配置着由反射型液晶显示元件构成的反射型图像显示元件200。另外，在此情况下，为了保护图像显示装置100的观察光学系统的目镜光学系统204的第一面212，盖板构件221配置在目镜光学系统204的射出光瞳和第一面212之间。作为该盖板构件221也可以使用平行平板、正透镜或负透镜任意一种。
图61是本发明的第三、第四观察光学系统，是例如将图49所示的观察光学系统作为目镜光学系统100用的情况下的与图21相同的剖面图。在此情况下，如图22所示，由该观察光学系统和反射型图像显示元件400构成的一组构成的显示装置本体100被安装在与前框架108对应的眼(在此情况下为左眼)的前方位置，构成能用一只眼观察的安装型或头载型图像显示装置之类的可携带型图像显示装置。
即，在显示装置本体100中采用上述的观察光学系统，对应地在像面上配置着由反射型液晶显示元件构成的反射型图像显示元件400。另外，在此情况下，为了保护图像显示装置100的观察光学系统的目镜光学系统404的第一面412，盖板构件421配置在目镜光学系统404的射出光瞳和第一面412之间。作为该盖板构件421也可以使用平行平面板、正透镜或负透镜任意一种。
另外，本发明的第二～第四观察光学系统也可以用于两眼用的头载型图像显示装置。将该两眼用的头载型图像显示装置戴在观察者头部的状态与图20相同，准备左右一对图43、图61所示的由观察光学系统和反射型图像显示元件200、400构成的图像显示装置100，通过使它们相距两眼之间的宽度的距离被支撑着，构成能用两眼观察的安装型或头载型图像显示装置之类的可携带型的图像显示装置。其他结构与单眼用的情况相同，说明从略。
工业上利用的可能性从以上的说明可知，如果采用本发明，则能提供一种使用由偏心棱镜构成的目镜光学系统和反射型图像显示元件的小型明亮、高性能的观察光学系统及使用它的图像显示装置。
另外，通过使构成观察光学系统的透明光学元件和目镜光学系统构成的透明光学系统的光学放大能力P大约为0、使角放大率β大约为1，透过透明光学系统看到的像和用肉眼看到的像相同，用肉眼看到的像和通过透明光学系统看到的像容易合在一起，例如在罩在单只眼上的头载型图像显示装置中容易用两眼观察外界像。
另外，通过使由构成观察光学系统的透明光学元件和目镜光学系统构成的透明光学系统的光学放大能力P大约为0，能在同一位置看到透过透明光学系统看到的外界像和用肉眼看到的外界像，所以容易看到透明像，例如在罩在单只眼上的头载型图像显示装置中能用两眼观察外界像，特别是轴上的外界像部分。另外，通过使由透明光学元件和目镜光学系统构成的透明光学系统的角放大率β大约为1，能用相同的放大率看到透过透明光学系统看到的外界像和用肉眼看到的外界像，所以例如在罩在单只眼上的头载型图像显示装置中左右两眼中的两个像容易合在一起。
权利要求
1．一种观察光学系统，它备有反射型图像显示装置和目镜光学系统，上述反射型图像显示装置通过反射从形成观察用的图像的显示面的前侧入射的照明光束，显示图像，上述目镜光学系统将上述图像引导到应位于观察者的眼球的瞳孔位置，该观察光学系统的特征在于上述图像显示装置有照明装置；以及照明光导光光学装置，引导照明光束以便能从上述显示面的前侧照射从上述照明装置射出的光束，上述目镜光学系统备有棱镜构件，该棱镜构件有使从上述反射型图像显示装置反射的显示光束通过上述照明光导光光学装置后入射到棱镜内的入射面；使光束在棱镜内反射的至少一个反射面；以及将光束射出到挠镜外的射出面，上述棱镜构件的上述至少一个反射面相对于光轴偏心配置，形成旋转非对称的曲面形状，用来修正由于该偏心而发生的偏心像差，同时对光束提供放大能力，上述棱镜构件的入射面和上述反射型图像显示装置的显示面之间的间隔满足下面的条件式，将上述图像引导到上述瞳孔位置。0.6＜L/H＜3.1式中，L是反射型图像显示装置的显示面与光轴相交的图像中心位置和棱镜构件的入射面与光轴相交的位置之间的间隔，H是反射型图像显示装置的像高(在显示面为四边形的情况下为对角线长度)。
2．根据权利要求1所述的观察光学系统，其特征在于上述反射型图像显示装置由反射型液晶显示元件构成。
3．根据权利要求1或2所述的观察光学系统，其特征在于上述棱镜构件的入射面一侧备有衍射光学元件。
4．根据权利要求1至3中的任意一项所述的观察光学系统，其特征在于上述棱镜构件至少一面备有兼作折射面和反射面用的折射反射兼用面。
5．根据权利要求4所述的观察光学系统，其特征在于上述棱镜构件有使从上述反射型图像显示装置反射的显示光束通过上述照明光导光光学装置后入射到棱镜内的入射面；使从上述入射面入射的光束反射的第一反射面；使在上述第一反射面上反射的光束反射的第二反射面；以及使在上述第二反射面上反射的光束向棱镜外射出光束的射出面，上述第一反射面和上述射出面成为折射反射兼用面。
6．根据权利要求4所述的观察光学系统，其特征在于上述棱镜构件有使从上述反射型图像显示装置反射的显示光束通过上述照明光导光光学装置后入射到棱镜内的入射面；使从上述入射面入射的光束反射的第一反射面；使在上述第一反射面上反射的光束反射的第二反射面；使在上述第二反射面上反射的光束反射的第三反射面；以及使在上述第三反射面上反射的光束向棱镜外射出光束的射出面，上述第二反射面和上述射出面成为折射反射兼用面。
7．根据权利要求1至6中的任意一项所述的观察光学系统，其特征在于上述照明光导光光学装置由透明构件构成，该透明构件备有使从上述照明装置射出的光束入射的第一面；使从上述第一面入射的光束全反射的第二面；以及使在上述第二面上全反射的光束反射的第三面，上述第二面使在上述第三面上反射的光束透过，从前方对上述反射型图像显示装置的显示面进行照明，同时使从上述反射型图像显示装置的显示面反射的显示光束透过，上述第三面使透过了上述第二面的显示光束透过，如上构成光束分离面。
8．根据权利要求7所述的观察光学系统，其特征在于在上述透明构件的上述第三面一侧配置偏移角补偿构件，用来补偿由上述透明构件引起的偏移角。
9．根据权利要求7所述的观察光学系统，其特征在于在上述透明构件的上述第三面一侧没有配置补偿由上述透明构件引起的偏移角的任何偏移角补偿构件。
10．根据权利要求9所述的观察光学系统，其特征在于当把入射到上述照明光导光光学装置的第二面、从第三面射出的轴上主光线的偏移角θ、与具有通过上述第二面与轴上主光线的交点的切平面和通过上述第三面与轴上主光线的交点的切平面构成的角度α的顶角的三角棱镜的最小偏移角θmin之差、即θ-θmin定义为Δθ时，满足条件式Δθ＜20°…(3)
11．根据权利要求7所述的观察光学系统，其特征在于上述透明构件的上述第三面作为偏振光光束分离面。
12．根据权利要求7所述的观察光学系统，其特征在于上述透明构件的上述第三面相对于光轴偏心配置，形成旋转非对称的曲面形状，用来修正由于该偏心而发生的偏心像差。
13．根据权利要求7所述的观察光学系统，其特征在于上述照明装置相对于与上述棱镜构件的上述至少一个反射面的偏心方向不同的方向偏心配置，上述透明构件的上述第三面相对于与上述棱镜构件的上述至少一个反射面的偏心方向不同的方向偏心配置。
14．根据权利要求13所述的观察光学系统，其特征在于上述照明装置的偏心方向和上述透明构件的上述第三面的偏心方向与上述棱镜构件的上述至少一个反射面的偏心方向大致正交。
15．一种图像显示装置，其特征在于右眼用或左眼用的图像显示装置中备有权利要求1所述的上述观察光学系统。
16．一种图像显示装置，其特征在于右眼用和左眼用的图像显示装置中备有一对权利要求1所述的上述观察光学系统。
17．根据权利要求15或16所述的图像显示装置，其特征在于有将上述图像显示装置支撑在观察者头部的支撑装置，以便使其位于观察者面部的前方。
18．一种观察光学系统，它备有形成供观察者观察的第一像的像形成构件；将上述像形成构件形成的像引导到观察者的眼球中的目镜光学系统；以及配置在比上述目镜光学系统更靠近上述第二像一侧的透明光学元件，以便将与上述第一像不同的第二像引导到观察者的眼球中，该观察光学系统的特征在于上述目镜光学系统至少有曲面形状的反射面，以便使来自上述第一像的光束反射，引导到观察者眼球一侧，上述反射面具有使来自透过了上述透明光学元件的上述第二像的光束透过的作用，上述透明光学元件被配置在比上述反射面更靠近上述第二像一侧，与上述反射面相距某一间隔，来自上述第二像的光束透过上述透明光学元件和上述目镜光学系统时，上述透明光学元件和上述目镜光学系统合成的光学放大能力P大约为0，而且，角放大率β大约为1。
19．根据权利要求18所述的观察光学系统，其特征在于上述目镜光学系统具有的反射面以修正偏心像差的旋转非对称的曲面形状构成，来自上述第二像的光束透过上述透明光学元件和上述目镜光学系统时给出的合成光学放大能力及角放大率满足以下条件，以便上述透明光学系统在上述目镜光学系统中发生的光学放大能力和角放大率互相抵消，-0.002＜PX＜0.002…(3)-0.002＜PY＜0.002…(4)0.97＜βX＜1.03 …(5)0.95＜βY＜1.05 …(6)式中，全光学系统的偏心方向是Y轴方向，与轴上主光线平行的面定为Y-Z面，与该Y-Z面正交的方向定为X方向时，全系统的X方向的放大能力定为PX,Y方向的放大能力定为PY，全系统的X方向的角放大率定为βX，全系统的Y方向的角放大率定为βY。
20．根据权利要求18所述的观察光学系统，其特征在于上述目镜光学系统具有的反射面以修正偏心像差的旋转非对称的曲面形状构成，该曲面形状由只一面有变形面或对称面的面对称自由曲面构成。
21．根据权利要求18至20中的任意一项所述的观察光学系统，其特征在于上述目镜光学系统至少有夹持着折射率大于1的介质的棱镜构件，上述棱镜构件至少包括3个以上的具有透过或反射的一种光学作用的光学作用面，该3个面由第三面、第二面和第一面构成，上述第三面将来自上述第一像的光束入射到棱镜内，上述第二面离开上述透明光学元件某一间隔与其相对，具有使透过了上述透明光学元件的来自上述第二像的光束透过棱镜内的作用和使来自上述第一像的光束在棱镜内反射的作用，至少有上述呈曲面形状的反射面，上述第一面将来自上述第一像的光束射出到棱镜外。
22．根据权利要求21所述的观察光学系统，其特征在于上述第三面以修正偏心像差的旋转非对称的曲面形状构成，该曲面形状由只一面有变形面或对称面的面对称自由曲面构成。
23．根据权利要求21所述的观察光学系统，其特征在于上述第一面以修正偏心像差的旋转非对称的曲面形状构成，该曲面形状由只一面有变形面或对称面的面对称自由曲面构成。
24．根据权利要求21所述的观察光学系统，其特征在于上述第一面对上述棱镜内的光束兼有反射作用和透射作用。
25．根据权利要求24所述的观察光学系统，其特征在于上述第一面的反射作用和透射作用的兼用面由全反射面构成，该全反射面使反射光束以超过全反射临界角的角度入射到该第一面上，然后使在反射面上返回的反射光束以不超过全反射临界角的角度入射后从棱镜射出。
26．根据权利要求21所述的观察光学系统，其特征在于这样构成上述目镜光学系统和上述透明光学元件，即上述第一像观察视野范围在上述第二像观察视野范围内形成，上述第一像观察视野范围由来自上述第一像的光束从上述目镜光学系统射出决定，上述第二像观察视野范围由来自上述第二像的光束透过上述透明光学元件和上述目镜光学系统的一部分决定。
27．根据权利要求21所述的观察光学系统，其特征在于对于与上述目镜光学系统的上述透明光学元件相对配置的反射面的光束反射区域来说，将上述透明光学元件的光学孔径构成得比上述目镜光学系统的反射面小，以便从上述透明光学元件透过的光束透过区域移动到上述像形成构件一侧，而且，将上述透明光学元件与上述反射面接近上述像形成构件一侧的区域相对地配置，在上述反射面不与上述透明光学元件相对的部分上涂敷遮光涂层，防止来自外界的闪光入射。
28．根据权利要求21所述的观察光学系统，其特征在于将遮光构件配置在上述透明光学元件的前方或后方中的至少一方，该遮光构件能使来自外界像的光束透过与被遮断、或者透过与被减弱地进行切换，以便上述第二像成为外界像。
29．根据权利要求21所述的观察光学系统，其特征在于将显示元件配置在上述透明光学元件的与上述目镜光学系统相反的一侧，以便用形成与上述第一像不同的像的显示元件形成上述第二像。
30．根据权利要求21所述的观察光学系统，其特征在于将遮光构件配置在上述透明光学元件的前方或后方中的至少一方，该遮光构件能使来自外界像的光束透过与被遮断、或者透过与被减弱地进行切换，同时将显示第三像的显示元件配置在上述外界像和上述透明光学元件之间，以便上述第二像成为外界像。
31．根据权利要求21所述的观察光学系统，其特征在于引导来自上述第一像的光束的上述目镜光学系统内的光路、以及引导来自上述第二像的光束的上述透明光学元件内的光路都备有配置在另外的位置的瞳孔照射用的光源、以及接受上述瞳孔的像的受光元件，以便检测观察者的视线。
32．根据权利要求31所述的观察光学系统，其特征在于检测上述视线的装置能这样构成，即至少上述瞳孔的像在上述目镜光学系统的光路内通过，从光路中与上述第一像分离，被导入上述受光元件中。
33．根据权利要求21所述的观察光学系统，其特征在于如果将从上述目镜光学系统射出的来自上述第一像的光束的光轴作为视场轴，以射出光瞳为中心，假设从上述视场轴朝向与上述像形成构件相反一侧的方向由上述目镜光学系统规定的角度为θ，则以满足以下条件之关系来配置上述目镜光学系统、上述透明光学元件和上述射出光瞳，θ≤60°。
34．一种头载型观察光学装置，其特征在于备有权利要求21所述的观察光学系统，还备有利用保持装置保持的本体部和将上述本体部支撑在观察者头部上的支撑装置，上述保持装置用来保持上述目镜光学系统、上述透明光学元件和形成上述第一像的像形成构件之间的间隔。
35．一种观察光学系统，它备有形成供观察者观察的第一像的像形成构件；将上述像形成构件形成的像引导到观察者的眼球中的目镜光学系统；以及配置在比上述目镜光学系统更靠近上述第二像一侧的透明光学元件，以便将与上述第一像不同的第二像引导到观察者的眼球中，该观察光学系统的特征在于上述目镜光学系统至少有曲面形状的反射面，以便使来自上述第一像的光束反射，引导到观察者眼球一侧，上述反射面具有使透过了上述透明光学元件的来自上述第二像的光束透过的作用，上述透明光学元件被配置在比上述反射面更靠近上述第二像一侧，与上述反射面紧密接触，来自上述第二像的光束透过上述透明光学元件和上述目镜光学系统时，上述透明光学元件和上述目镜光学系统合成的光学放大能力P大约为0。
36．一种观察光学系统，它备有形成供观察者观察的第一像的像形成构件；将上述像形成构件形成的像引导到观察者的眼球中的目镜光学系统；以及配置在比上述目镜光学系统更靠近上述第二像一侧的透明光学元件，以便将与上述第一像不同的第二像引导到观察者的眼球中，该观察光学系统的特征在于上述目镜光学系统至少有曲面形状的反射面，以便使来自上述第一像的光束反射，引导到观察者眼球一侧，上述反射面具有使透过了上述透明光学元件的来自上述第二像的光束透过的作用，上述透明光学元件被配置在比上述反射面更靠近上述第二像一侧，与上述反射面紧密接触，来自上述第二像的光束透过上述透明光学元件和上述目镜光学系统时，上述透明光学元件和上述目镜光学系统合成的角放大率β大约为1。
37．根据权利要求35所述的观察光学系统，其特征在于上述目镜光学系统具有的反射面以修正偏心像差的旋转非对称的曲面形状构成，来自上述第二像的光束透过上述透明光学元件和上述目镜光学系统时给出的合成光学放大能力满足以下条件，以便上述透明光学系统在上述目镜光学系统中发生的光学放大能力互相抵消，-0.002＜PX＜0.002…(3)-0.002＜PY＜0.002…(4)式中，全光学系统的偏心方向是Y轴方向，与轴上主光线平行的面定为Y-Z面，与该Y-Z面正交的方向定为X方向时，全系统的X方向的放大能力定为PX,Y方向的放大能力定为PY。
38．根据权利要求36所述的观察光学系统，其特征在于上述目镜光学系统具有的反射面以修正偏心像差的旋转非对称的曲面形状构成，来自上述第二像的光束透过上述透明光学元件和上述目镜光学系统时给出的合成的角放大率满足以下条件，以便上述透明光学系统在上述目镜光学系统中发生的角放大率互相抵消，0.97＜βX＜1.03…(5)0.95＜βY＜1.05…(6)式中，全光学系统的偏心方向是Y轴方向，与轴上主光线平行的面定为Y-Z面，与该Y-Z面正交的方向定为X方向时，全系统的X方向的角放大率定为βX，全系统的Y方向的角放大率定为βY。
39．根据权利要求35至38中的任意一项所述的观察光学系统，其特征在于上述目镜光学系统具有的反射面以修正偏心像差的旋转非对称的曲面形状构成，该曲面形状由只一面有变形面或对称面的面对称自由曲面构成。
40．根据权利要求35至38中的任意一项所述的观察光学系统，其特征在于上述目镜光学系统至少有夹持着折射率大于1的介质的棱镜构件，上述棱镜构件至少包括3个以上的具有透过或反射的一种光学作用的光学作用面，该3个面由第三面、第二面和第一面构成，上述第三面将来自上述第一像的光束入射到棱镜内，上述第二面与上述透明光学元件紧密接触配置，具有使透过了上述透明光学元件的来自上述第二像的光束透过棱镜内的作用和使来自上述第一像的光束在棱镜内反射的作用，至少有上述呈曲面形状的反射面，上述第一面将来自上述第一像的光束射出到棱镜外。
41．根据权利要求35至38中的任意一项所述的观察光学系统，其特征在于上述第三面以修正偏心像差的旋转非对称的曲面形状构成，该曲面形状由只一面有变形面或对称面的面对称自由曲面构成。
42．根据权利要求35至38中的任意一项所述的观察光学系统，其特征在于上述第一面以修正偏心像差的旋转非对称的曲面形状构成，该曲面形状由只一面有变形面或对称面的面对称自由曲面构成。
43．根据权利要求39所述的观察光学系统，其特征在于上述第一面对上述棱镜内的光束兼有反射作用和透射作用。
44．根据权利要求43所述的观察光学系统，其特征在于上述第一面的反射作用和透射作用的兼用面由全反射面构成，该全反射面使反射光束以超过全反射临界角的角度入射到该第一面上，然后使在反射面上返回的反射光束以不超过全反射临界角的角度入射后从棱镜射出。
45．根据权利要求35至38中的任意一项所述的观察光学系统，其特征在于这样构成上述目镜光学系统和上述透明光学元件，即上述第一像观察视野范围在上述第二像观察视野范围内形成，上述第一像观察视野范围由来自上述第一像的光束从上述目镜光学系统射出决定，上述第二像观察视野范围由来自上述第二像的光束透过上述透明光学元件和上述目镜光学系统的一部分决定。
46．根据权利要求35至38中的任意一项所述的观察光学系统，其特征在于对于与上述目镜光学系统的上述透明光学元件相对配置的反射面的光束反射区域来说，将上述透明光学元件的光学孔径构成得比上述目镜光学系统的反射面小，以便从上述透明光学元件透过的光束透过区域移动到上述像形成构件一侧，而且，将上述透明光学元件与上述反射面接近上述像形成构件一侧的区域相对地配置，在上述反射面不与上述透明光学元件相对的部分上涂敷遮光涂层，防止来自外界的闪光入射。
47．根据权利要求35至38中的任意一项所述的观察光学系统，其特征在于将遮光构件配置在上述透明光学元件的前方，该遮光构件能使来自外界像的光束透过与被遮断、或者透过与被减弱地进行切换，以便上述第二像成为外界像。
48．根据权利要求35至38中的任意一项所述的观察光学系统，其特征在于将显示元件配置在上述透明光学元件的与上述目镜光学系统相反的一侧，以便用形成与上述第一像不同的像的显示元件形成上述第二像。
49．根据权利要求35至38中的任意一项所述的观察光学系统，其特征在于将遮光构件配置在上述透明光学元件的前方，该遮光构件能使来自外界像的光束透过与被遮断、或者透过与被减弱地进行切换，同时将显示第三像的显示元件配置在上述外界像和上述透明光学元件之间，以便上述第二像成为外界像。
50．根据权利要求35至38中的任意一项所述的观察光学系统，其特征在于将其构成为引导来自上述第一像的光束的上述目镜光学系统内的光路、以及引导来自上述第二像的光束的上述透明光学元件内的光路都备有配置在另外的位置的瞳孔照射用的光源、以及接受上述瞳孔的像的受光元件，以便检测观察者的视线。
51．根据权利要求50所述的观察光学系统，其特征在于检测上述视线的装置能这样构成，即至少上述瞳孔的像在上述目镜光学系统的光路内通过，从光路中与上述第一像分离，被导入上述受光元件中。
52．根据权利要求35至38中的任意一项所述的观察光学系统，其特征在于如果将从上述目镜光学系统射出的来自上述第一像的光束的光轴作为视场轴，以射出光瞳为中心，假设从上述视场轴朝向与上述像形成构件相反一侧的方向由上述目镜光学系统规定的角度为θ，则以满足以下条件之关系来配置上述目镜光学系统、上述透明光学元件和上述射出光瞳，θ≤60°。
53．一种头载型观察光学装置，其特征在于备有权利要求35至38中的任意一项所述的观察光学系统，还备有利用保持装置保持的本体部和将上述本体部支撑在观察者头部上的支撑装置，上述保持装置用来保持上述目镜光学系统、上述透明光学元件和形成上述第一像的像形成构件之间的间隔。
全文摘要
本发明涉及使用了由偏心棱镜构成的目镜光学系统和反射型图像显示元件的小型明亮、高性能的观察光学系统及使用了它的图像显示装置,备有反射型图像显示元件(3)和目镜光学系统,显示元件(3)有光源(4)、以及从显示面的前侧引导并照射来自光源的光束的照明光导光棱镜(6),目镜光学系统备有棱镜(10),该棱镜(10)有使从显示面反射的光束通过照明光导光棱镜(6)后入射到棱镜内的入射面(13)、反射面(12)、以及将光束射出到棱镜外的射出面(11),其至少一个反射面相对于光轴偏心配置,且由修正偏心像差、同时提供放大能力的旋转非对称曲面形状形成,棱镜(10)的入射面(13)和显示面之间的间隔满足规定的条件,将图像引导到光瞳(2)的位置。
文档编号G02B27/00GK1313958SQ00801028
公开日2001年9月19日 申请日期2000年3月13日 优先权日1999年4月2日
发明者研野孝吉, 武山哲英 申请人:奥林巴斯光学工业株式会社