观察光学系统和包括该观察光学系统的观察装置

摘要

本发明涉及观察光学系统和包括该观察光学系统的观察装置。一种用于观察显示在图像显示表面上的图像的观察光学系统从观察表面侧到图像显示表面侧依次地包括：第一透镜，具有第一透射反射表面和第一透射表面；以及第二透镜，具有第二透射反射表面和第二透射表面，其中，第一透镜和第二透镜隔着插入其间的间隔布置；来自图像显示表面的光透射通过第二透镜、被第一透射反射表面反射、被第二透射反射表面反射、透射通过第一透镜、然后向观察表面侧行进；并且适当地设置第一透镜的焦距和观察光学系统的焦距。

权利要求

1.一种用于观察显示在图像显示表面上的图像的观察光学系统，其特征在于，所述观察光学系统从观察表面侧到图像显示表面侧依次地包括：第一透镜，具有第一透射反射表面和第一透射表面；以及第二透镜，具有第二透射反射表面和第二透射表面，其中，第一透镜和第二透镜隔着插入其间的间隔布置，其中，来自图像显示表面的光透射通过第二透镜、被第一透射反射表面反射、被第二透射反射表面反射、透射通过第一透镜、然后向观察表面侧行进，其中满足以下条件式：

2.0＜fG1/f＜10.0，其中，fG1是第一透镜的焦距，并且f是观察光学系统的焦距。

2.根据权利要求1所述的观察光学系统，其中，满足以下条件式：-5.0＜RHM2/f＜-1.0，其中，RHM2是第二透射反射表面的曲率半径。

3.根据权利要求1所述的观察光学系统，其中，满足以下条件式：

2.0＜fG1/f＜9.0。

4.根据权利要求1所述的观察光学系统，其中，满足以下条件式：

0.1＜(RG1a+RG1b)/(RG1a-RG1b)＜5.0，其中，RG1a是第一透镜的观察表面侧的表面的曲率半径，并且RG1b是第一透镜的图像显示表面侧的表面的曲率半径。

5.根据权利要求1所述的观察光学系统，其中，满足以下条件式：

0.1＜DG1/DG2＜3.0，其中，DG1是第一透镜的中心厚度，并且DG2是第二透镜的中心厚度。

6.根据权利要求1所述的观察光学系统，其中，第一透射反射表面是第一透镜的观察表面侧的表面。

7.根据权利要求1所述的观察光学系统，其中，第一透射反射表面是平坦表面。

8.根据权利要求1所述的观察光学系统，其中，第一透镜的图像显示表面侧的表面是非球面表面，并且其中，满足以下条件式：

0.001＜sagG1b/f＜0.200，其中，sagG1b是非球面表面的最大有效直径端参考球面表面的垂度与非球面表面的垂度之间的差。

9.根据权利要求1所述的观察光学系统，还包括布置在第二透镜的图像显示表面侧的具有正折光力的第三透镜。

10.一种观察装置，其特征在于，包括：根据权利要求1至9中的任一项所述的观察光学系统；以及具有图像显示表面的图像显示元件。

11.根据权利要求10所述的观察装置，其中，满足以下条件式：

0.1＜DG1/OAL＜0.5，其中，OAL是从第一透射反射表面到图像显示表面的距离，并且DG1是第一透镜的中心厚度。

12.根据权利要求10所述的观察装置，其中，满足以下条件式：

0.4＜OAL/f＜2.0，

其中，OAL是从第一透射反射表面到图像显示表面的距离。

说明书

观察光学系统和包括该观察光学系统的观察装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种观察光学系统。本发明涉及一种适合于例如用于将在图像显示元件(例如，液晶显示器(LCD))上显示的原始图像扩大和显示以供观察的头戴式显示器的观察光学系统。

背景技术

[0002] 近年，已知有用于经由观察光学系统扩大和显示使用图像显示元件(例如，LCD)显示的原始图像并向用户呈现大画面图像以由此提供逼真体验的头戴式显示器和其它这样的图像显示装置(观察装置)。

[0003] 这里，考虑到安装在头上，图像显示装置需要具有小的结构。换句话说，用于图像显示装置的观察光学系统作为整个系统需要具有小的尺寸，同时具有宽视场和高光学性能。

[0004] 在相关技术中，已知一种具有宽视场和高光学性能并且使用反射表面的同心光学系统作为具有小尺寸结构的观察光学系统(美国专利No.5,517,366)。

[0005] 在美国专利N0.5,517,366中，公开了使用两个半透射表面的同心光学系统。在所述同心光学系统由两个半透射球面表面形成的情况下，通过旋转对称校正像散和彗形像差，并且通过使用两个反射表面来校正像场弯曲。

[0006] 在美国专利No.5,517,366中公开的每个实施例中，在基于同心光学系统的配置的情况下，采用了整个光学系统的折光力(焦距的倒数)主要由两个反射表面分担的配置。而且，在每个实施例中，具有正折光力的反射表面仅为布置在像面侧(图像显示表面侧)的半透射表面，并且反射表面具有强折光力。此时，具有正折光力的半透射表面的曲率增加，并且难以减小光学系统的厚度(这里，透镜外径端与像面或图像显示表面之间的距离定义为“厚度”)。在美国专利No.5,517,366的实施例8和9中，公开了一种正透镜布置在观察表面(光瞳表面)上但其折光力的分担小的配置，并且同样地，在该配置中，折光力主要由具有正折光力的半透射表面分担。

[0007] 换句话说，在基于同心光学系统的观察光学系统的情况下，减小光学系统的厚度是一个大问题。

发明内容

[0008] 本发明的目的是提供一种观察光学系统，所述观察光学系统易于形成为作为整个系统具有小的厚度同时具有宽视场和高光学性能。

[0009] 根据本发明的至少一个实施例，提供了一种用于观察显示在图像显示表面上的图像的观察光学系统，所述观察光学系统从观察表面侧到图像显示表面侧依次地包括：第一透镜，具有第一透射反射表面和第一透射表面；以及第二透镜，具有第二透射反射表面和第二透射表面，第一透镜和第二透镜隔着插入其间的间隔布置，来自图像显示表面的光透射通过第二透镜、被第一透射反射表面反射、被第二透射反射表面反射、透射通过第一透镜、然后向观察表面侧行进，其中满足以下条件式：

[0010] 2.0＜fG1/f＜10.0，

[0011] 其中，fG1是第一透镜的焦距，并且f是观察光学系统的焦距。

[0012] 根据下面参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清晰。

附图说明

[0013] 图1是本发明的实施例1的透镜横截面图。

[0014] 图2是实施例1的纵向像差图(光瞳直径Φ：3.5mm，出瞳距离(eye relief)：18mm)。

[0015] 图3是本发明的实施例2的透镜横截面图。

[0016] 图4是实施例2的纵向像差图(光瞳直径Φ：3.5mm，出瞳距离：18mm)。

[0017] 图5是本发明的实施例3的透镜横截面图。

[0018] 图6是实施例3的纵向像差图(光瞳直径Φ：3.5mm，出瞳距离：18mm)。

[0019] 图7是本发明的实施例4的透镜横截面图。

[0020] 图8是实施例4的纵向像差图(光瞳直径Φ：3.5mm，出瞳距离：18mm)。

[0021] 图9是本发明的实施例5的透镜横截面图。

[0022] 图10是实施例5的纵向像差图(光瞳直径Φ：3.5mm，出瞳距离：18mm)。

[0023] 图11是使用偏振的观察光学系统的光路的说明图。

[0024] 图12A是非球面表面形状的说明图。

[0025] 图12B是非球面表面形状的说明图。

具体实施方式

[0026] 现在，参照附图描述本发明的至少一个示例实施例。

[0027] 根据本发明的至少一个实施例的观察光学系统是用于观察在图像显示表面上显示的图像的观察光学系统。该观察光学系统从观察表面侧到图像显示表面侧依次地包括：第一透镜，其具有正折光力，并且具有由半透射反射表面组成的第一透射反射表面和图像显示表面侧的透射的第一透射表面；以及第二透镜，其具有观察表面侧的半透射反射的第二透射反射表面和图像显示表面侧的透射的第二透射表面。第一透镜和第二透镜隔着空气间隔布置。

[0028] 来自图像显示表面的光束顺次地透射通过第二透镜，进入第一透镜，在第一透射反射表面上朝向图像显示表面侧反射，然后透射通过第一透镜，在第二透镜的第二透射反射表面上朝向观察表面侧反射，透射通过第一透镜，然后进入观察表面。

[0029] 图1、图3、图5、图7和图9是本发明的实施例1至5的透镜横截面图。而且，图2、图4、图6和图8是本发明的实施例1至5的纵向像差图(光瞳直径Φ：3.5mm，出瞳距离：18mm)。此外，图11是在根据至少一个实施例的观察光学系统中使用偏振的配置的说明图。图12A和图12B是非球面表面形状的说明图。

[0030] 在透镜横截面图中，光阑(观察表面，光瞳表面)由SP表示。图像显示表面由ID表示。第一透镜由G1表示，并且第二透镜由G2表示。第一透射反射表面由HM1表示，并且第二透射反射表面由HM2表示。偏振板由E表示。

[0031] 每个实施例的观察光学系统从观察表面SP侧到图像显示表面ID侧依次地包括：第一透镜G1，其具有正折光力，并且在观察表面SP侧具有半透射反射的第一透射反射表面HM1；空气间隔；以及第二透镜G2，其在观察表面SP侧具有半透射反射的第二透射反射表面HM2。作为图像显示表面ID，例如布置LCD的图像显示表面。在该实施例中，作为观察表面SP，定位观察者的光瞳。作为观察表面SP，在一些情况下可以布置光量孔径。

[0032] 在每个实施例中的透镜横截面图中，出瞳距离表示在光轴上的眼点(光瞳位置)和最靠近观察表面SP侧的透镜表面R1之间的间隔。在像差的评估中，在图像显示表面ID侧设置有发光点的情况下到达观察表面SP侧的光线的像差与在观察表面SP侧设置有发光点的情况下到达图像显示表面ID侧的光线的像差一一对应，因此为了方便起见，评估图像显示表面ID上的像差。

[0033] 在像差图中的球面像差图中，实线“d”表示d线(波长：587.6nm)，点划线“g”表示g线(波长：435.8nm)。在像散图中，ΔS(实线)表示d线的弧矢像面，ΔM(虚线)表示d线的子午像面。示出了关于d线的畸变。示出了关于g线的倍率色差。

[0034] 光瞳直径由EPD表示。视角(半视角)由“ω”表示。数值是以mm为单位的表示稍后将描述的数值数据的值。

[0035] 这里，作为示例，人的光瞳直径为约3.5mm的Φ(直径)，因此示出了纵向像差，其中光瞳直径(EPD)Φ为3.5mm并且出瞳距离代表性地位于18mm的位置处。

[0036] 现在，描述每个实施例的配置。

[0037] 根据每个实施例的观察光学系统从观察表面SP侧起依次地包括：具有正折光力且在观察表面SP侧具有第一透射反射表面HM1的第一透镜G1；空气间隔；以及在观察表面SP侧具有第二透射反射表面HM2的第二透镜G2。

[0038] 在该实施例中，第一透镜G1的第一透射表面布置在第一透射反射表面HM1和第二透射反射表面HM2之间。结果，提供了所谓的“三通配置”，其中来自图像显示表面ID的光束通过第一透镜G1三次。根据该配置，可以在不增加第一透镜G1的厚度(透镜厚度)的情况下增加分担正折光力的第一透镜G1的正折光力。此时，可以减小具有正折光力的第二透射反射表面HM2的折光力分担，其结果是可以减小第二透射反射表面HM2的透镜表面的曲率，并因此可以减小观察光学系统的厚度。此外，在第一透镜G1和第二透镜G2之间布置有空气间隔的情况下，确保了透镜表面的形状的灵活性，并且在三通配置中当第一透镜G1的折光力分担增加时趋于增加的球面像差被令人满意地校正。此外，第二透射反射表面HM2布置在第二透镜G2的观察表面SP侧，以提供所谓的“单通配置”，其中光束通过第二透镜G2一次。根据每个实施例的观察光学系统使用如下所述的偏振来提高光的使用效率。这里，当使用偏振时，由于光学材料的双折射性而导致偏振状态可能会与设计的理想状态不同。尤其是当为了减轻光学系统的重量而使用树脂材料作为光学材料时会出现这个问题。换句话说，优选的是采用在整个光学系统中减小光学材料中的光程长度的配置。在每个实施例中，在如上所述的三通配置中仅使用有助于减小观察光学系统的厚度的第一透镜G1，以实现光学材料中的光程长度最小化的布置。

[0039] 利用上述配置，实现了一种观察光学系统，该观察光学系统容易在具有宽视场和高光学性能的同时减小厚度。

[0040] 基于每个实施例，描述了更优选的配置。

[0041] 在根据至少一个实施例的观察光学系统中，更优选的是满足以下提供的条件式中的至少一个。

[0042] 第二透射反射表面的曲率半径(在非球面表面的情况下为近轴曲率半径)由RHM2表示，并且观察光学系统的焦距由“f”表示。第一透镜G1的焦距由fG1表示。第一透镜G1的观察表面侧的表面的曲率半径(在非球面表面的情况下的近轴曲率半径)由RG1a表示，并且第一透镜G1的图像显示表面侧的表面的曲率半径(在非球面表面的情况下的近轴曲率半径)由RG1b表示。第一透镜G1的中心厚度(光轴上的厚度)由DG1表示，并且第二透镜G2的中心厚度由DG2表示。

[0043] 第一透镜G1的图像显示表面ID侧的表面是非球面表面，并且在非球面表面的最大有效直径端近轴曲率表面(参考球面表面)的垂度(sag amount)与非球面表面的垂度之间的差由sagG1b表示，其中从观察表面SP侧到图像显示表面ID侧的垂度为正。

[0044] 在包括根据每个实施例的观察光学系统和被配置为显示图像信息的图像显示元件的观察装置(该观察装置被配置为用于经由观察光学系统观察已经通过观察光学系统扩大的图像显示元件上的图像信息)中，从第一透射反射表面到图像显示表面的距离由OAL表示。然而，应该注意，这里使用的“距离”是指空气等效长度，并且忽略了对图像形成没有贡献的光学构件(例如玻璃块)的存在。

[0045] 这里，近轴曲率表面的垂度与非球面表面的垂度之间的差sagG1b如下。非球面表面中的近轴曲率表面定义为由离光轴的高度相对于最大光学有效表面的直径的百分之十确定的量(参考R)。参照图12A和图12B描述每个实施例中的非球面表面的非球面量。图12A和图12B是具有球面形状的透镜表面的垂度和具有非球面形状的透镜表面的垂度的说明图。“垂度”是指从相对于光轴从透镜表面的顶点竖立的垂直表面到离光轴高度“h”处的透镜表面的位置的光轴方向上的距离。

[0046] 在图12A和图12B中，当透镜表面的曲率具有符号“+”时，垂度为“正”。当在距光轴高度“h”处参考球面表面的垂度和近轴曲率处非球面表面的垂度分别由αspherical和αaspherical表示时，垂度之间的差α由下式表示：

[0047] α＝αspherical-αaspherical

[0048] 在图12B中，垂度之间的差α具有符号“+”。

[0049] 此时，优选的是满足以下条件式中的至少一个。

[0050] -5.0＜RHM2/f＜-1.0····················(1)

[0051] 2.0＜fG1/f＜10.0··················(2)

[0052] 0.1＜(RG1a+RG1b)/(RG1a-RG1b)＜5.0···(3)

[0053] 0.1＜DG1/DG2＜3.0················(4)

[0054] 0.001＜sagG1b/f＜0.200············(5)

[0055] 0.1＜DG1/OAL＜0.5················(6)

[0056] 0.4＜OAL/f＜2.0·················(7)

[0057] 接下来，描述条件式的技术含义。

[0058] 在条件式(1)中，定义了半透射反射的第二透射反射表面的曲率半径RHM2与观察光学系统的焦距的比率。当满足条件式(1)时，实现了减小第二透射反射表面HM2的曲率以减小观察光学系统的厚度的布置。

[0059] 当条件式(1)的比率下降到低于条件式(1)的下限时，第二透射反射表面的曲率半径RHM2变得过大。此时，使用反射表面时的正折光力变得过低，结果观察光学系统的尺寸不利地增大，或者变得难以确保宽视角。相反，当条件式(1)的比率超过其上限时，第二透射反射表面的曲率半径RHM2变得过小，并且变得难以减小观察光学系统的厚度。

[0060] 在条件式(2)中，定义具有正折光力的第一透镜G1的焦距与观察光学系统的焦距的比率。当满足条件式(2)时，第一透镜G1的折光力的分担被最优化以减小观察光学系统的厚度。

[0061] 当条件式(2)的比率降到低于条件式(2)的下限时，第一透镜G1的焦距相对于观察光学系统的焦距变得过短，并且变得难以校正球面像差。相反，当条件式(2)的比率超过其上限时，第一透镜G1的焦距相对于观察光学系统的焦距变得过长。此时，第二透射反射表面HM2的折光力的分担增加太多，结果观察光学系统的厚度不利地增大。

[0062] 在条件式(3)中，定义了第一透镜G1的透镜形状因子。当满足条件式(3)时，实现了这样的配置：其中在第一透镜G1上设置适当的折光力的同时中心厚度不会增加太多。

[0063] 当条件式(3)的比率降到低于条件式(3)的下限时，第一透镜G1的透镜形状变为强双凸形状，并且中心厚度不利地增加以便确保边缘厚度。相反，当条件式(3)的比率超过其上限时，第一透镜G1的透镜形状变为朝向观察表面SP侧凹入的弯月形状，并且变得难以确保期望的折光力。此时，第二透射反射表面HM2的折光力的分担增加得太多，因此观察光学系统的厚度不利地增加。

[0064] 在条件式(4)中，定义第一透镜G1的中心厚度与第二透镜G2的中心厚度的比率。当满足条件式(4)时，第一透镜G1的中心厚度和第二透镜G2的中心厚度被优化，并且实现了观察光学系统的提高的性能。换句话说，当采用这样的布置(在该布置中，相对于在单通配置中使用的第二透镜G2的中心厚度，限制在三通配置中使用的第一透镜G1的厚度)时，提供了光学材料中的光程长度不增加到大于必需的程度的配置。

[0065] 当条件式(4)的比率降到低于条件式(4)的下限时，第一透镜G1的中心厚度相对于第二透镜G2的中心厚度变得过小。此时，这在减小观察光学系统中的光学材料中的光程长度方面是有利的，但是变得难以在第一透镜G1上配置期望的折光力的同时确保预先确定的长度的边缘厚度。换句话说，第二透射反射表面HM2的折光力的分担增加太多，结果是观察光学系统的厚度不利地增加。

[0066] 相反，当条件式(4)的比率超过其上限时，第一透镜G1的中心厚度相对于第二透镜G2的中心厚度变得过大。换句话说，在三通配置中使用的第一透镜G1的中心厚度增加，结果是观察光学系统中的光学材料中的光程长度显著地增加。此时，当如后所述采用使用偏振的配置时，由于光学材料的双折射性而导致偏振状态不利地与设计的理想状态不同。

[0067] 在条件式(5)中，将具有正折光力的第一透镜G1的图像显示表面ID侧的表面的非球面表面形状定义为垂度。第一透镜G1的图像显示表面ID侧的表面的非球面垂度被优化以特别令人满意地校正球面像差。如上所述，在第一透镜G1用于三通配置的情况下，将第一透镜G1布置为非球面表面是在校正观察光学系统的像差方面有利的配置，并且变得更容易实现观察光学系统的更高性能。而且，当满足条件式(5)时，获得了有利于确保第一透镜G1的透镜边缘厚度的预先确定的量的配置，并且变得更容易减小第一透镜G1的中心厚度。

[0068] 当条件式(5)的比率降到低于条件式(5)的下限时，第一透镜G1的图像显示表面ID侧的表面的非球面垂度变得过小以形成基本上球形的形状，结果变得难以校正球面像差，并且不利地增加了用于确保透镜边缘厚度的透镜的中心厚度。相反，当条件式(5)的比率超过其上限时，第一透镜G1的图像显示表面ID侧的表面的非球面垂度变得过大。此时，不利地过度校正了球面像差。

[0069] 在条件式(6)中，定义了第一透镜G1的中心厚度与观察光学系统的总透镜长度(除了光瞳表面之外的观察光学系统的从第一透射反射表面的光轴上的表面的顶点到图像显示表面ID的距离，其中玻璃块是空气等效长度)的比率。当满足条件式(6)时，第一透镜G1的中心厚度被优化以减小光学系统的厚度并获得高光学性能。

[0070] 当条件式(6)的比率降到低于条件式(6)的下限时，第一透镜G1的中心厚度变得过小。此时，变得难以在第一透镜G1上配置期望的折光力的同时确保足够的边缘厚度，并且第二透射反射表面HM2的折光力的分担增加太多，结果是观察光学系统的厚度不利地增加。相反，当条件式(6)的比率超过其上限时，第一透镜G1的中心厚度变得过大。这里，第一透镜G1用于三通配置中，因此第一透镜G1的光学材料中的光程长度增加太多。此时，当如后所述采用使用偏振的配置时，由于光学材料的双折射性而导致偏振状态不利地与设计的理想状态不同。

[0071] 在条件式(7)中，定义了总透镜长度与观察光学系统的焦距的比率。当满足条件式(7)时，实现观察光学系统的尺寸减小。

[0072] 当条件式(7)的比率降到低于条件式(7)的下限时，相对于观察光学系统的焦距，总透镜长度变得过短。此时，变得难以校正球面像差和像场弯曲。相反，当条件式(7)的比率超过其上限时，不利地增加了总透镜长度。

[0073] 更优选的是，如下设置条件式(1)至(7)的数值范围。

[0074] -4.0＜RHM2/f＜-1.5·············(1a)

[0075] 3.0＜fG1/f＜9.0···············(2a)

[0076] 0.5＜(RG1a+RG1b)/(RG1a-RG1b)＜3.5····(3a)

[0077] 0.3＜DG1/DG2＜2.0··············(4a)

[0078] 0.01＜sagG1b/f＜0.1·············(5a)

[0079] 0.15＜DG1/OAL＜0.4··············(6a)

[0080] 0.6＜OAL/f＜1.5···············(7a)

[0081] 还更优选的是，如下设置条件式(1a)至(7a)的数值范围。

[0082] -3.5＜RHM2/f＜-2.0··············(1b)

[0083] 4.0＜fG1/f＜8.0···············(2b)

[0084] 1.0≤(RG1a+RG1b)/(RG1a-RG1b)＜2.5…·(3b)

[0085] 0.5＜DG1/DG2＜1.8··············(4b)

[0086] 0.02＜sagG1b/f＜0.06·············(5b)

[0087] 0.2＜DG1/OAL＜0.3··············(6b)

[0088] 0.8＜OAL/f＜1.0··············(7b)

[0089] 而且，在实施例中的实施例1至4中，第一透射反射表面HM1布置为平坦表面。

[0090] 如稍后所述，优选的是使用具有偏振选择特性的半透射反射元件作为第一透射反射表面HM1。作为半透射反射元件，已知例如由Asahi Kasei Corporation制造的产品名“WGF”。这种膜状偏振元件也适用于弯曲表面，但是当偏振元件被布置为平坦表面时，可以减少由于膜弯曲时产生的应力导致的轴向取向的偏移、表面形状的变化、外观缺陷和其它风险。

[0091] 而且，当在实施例1至5中的每一个中采用以下配置时，可以在抑制正常观察光路中光量的减少的同时减少来自光路的透射的甚至没被半透射表面反射一次的幻影光(不期望的光的泄漏)。

[0092] 关于每个实施例中的观察光学系统的光路，参照图1和图11描述使用偏振的配置。

[0093] 关于图1的第一透射反射表面HM1，具有偏振选择特性的半透射反射元件A和第一λ/4波长板B从观察表面SP侧到图像显示表面ID侧依次地布置，以形成半透射反射的第一透射反射表面HM1。而且，关于图1的第二透射反射表面HM2，半反射镜C被布置成形成半透射反射的第二透射反射表面HM2。此外，作为布置在图像显示表面ID侧的平行板，布置第二λ/4波长板D和偏振板E。

[0094] 这里，半透射反射元件A例如是线栅偏振器，其被配置为反射具有在与穿过偏振板E的光的方向相同的方向上偏振的线性偏振的光，并且透射具有与所述光正交的线性偏振的光。此时，其上由半透射反射元件A形成线栅的表面用作半透射反射表面。此外，第一λ/4波长板B和第二λ/4波长板D相对于偏振板E的偏振透射轴在其慢轴倾斜90°的状态下和在第一λ/4波长板B的慢轴倾斜45°的状态下布置。此外，例如，半反射镜C是由介电多层膜形成的半反射镜，并且用作半透射反射表面。

[0095] 接下来，参照图11描述使用偏振的配置的作用和光路的选择。

[0096] 从图像显示表面ID输出的光由偏振板E改变为线性偏振，由第二λ/4波长板D改变为圆偏振，并进入半反射镜C。到达半反射镜C的光的一部分被反射以具有反向圆偏振，并返回到第二λ/4波长板D。返回到第二λ/4波长板D的具有反向圆偏振的光作为具有线性偏振的光返回到偏振板E，该具有线性偏振的光是被第二λ/4波长板D在与第一次已通过偏振板E时的方向正交的方向上偏振的，并被偏振板E吸收。

[0097] 相反，已到达半反射镜C的光的另一部分透射通过其中以具有被第一λ/4波长板B在与已经通过偏振板E的光的方向相同的方向上偏振的线性偏振，并进入半透射反射元件A。这里，具有在与已经通过偏振板E的光的方向相同的方向上偏振的线性偏振的光通过半透射反射元件A的偏振选择性被反射。由半透射反射元件A反射的光被第一λ/4波长板B改变为与最初由第二λ/4波长板D获得的圆偏振反向的圆偏振，并进入半反射镜C。

[0098] 已经被半反射镜C反射的光被改变为与反射之前的光的圆偏振反向的圆偏振，进入第一λ/4波长板B以具有在与第一次已经通过偏振板E时的方向正交的方向上偏振的线性偏振，并进入半透射反射元件A。这里，具有在与已经通过偏振板E时的方向正交的方向上偏振的线性偏振的光通过半透射反射元件A的偏振选择性被透射，以被引导到出射光瞳SP。

[0099] 通过上述动作，仅仅已经透射通过第二透射反射表面HM2、被第一透射反射表面HM1反射、被第二透射反射表面HM2反射、并透射通过第一透射反射表面HM1的光被引导到光瞳SP。

[0100] 在图1中，示出了功能元件A和B一体地形成在第一透镜G1的光瞳表面侧的表面上的示例，但是功能元件A和B可以被布置为例如在独立于透镜表面的位置处具有平面形状的单独构件。

[0101] [实施例1]

[0102] 现在参照图1，描述根据本发明的实施例1的观察光学系统。

[0103] 实施例1涉及具有50°的总视角(总观察视角)的观察光学系统。

[0104] 在实施例1中，观察光学系统从观察表面SP侧起依次地包括：具有正折光力且具有平凸形状的第一透镜G1，其中半透射反射的第一透射反射表面HM1被布置在观察表面SP侧。观察光学系统还包括第二透镜G2，其具有正折光力并且具有朝向观察表面SP侧凹入的弯月形状，其中半透射反射的第二透射反射表面HM2布置在观察表面SP侧上。而且，第一透镜G1的图像显示表面ID侧具有非球面表面，以尤其令人满意地校正球面像差。此外，第二透镜G2的图像显示表面ID侧具有非球面表面，以尤其令人满意地校正像场弯曲。

[0105] 这里，利用具有三通配置的第一透镜G1以采用第二透射反射表面HM2的曲率减小的折光力布置，实现了观察光学系统的厚度的减小。

[0106] 利用上述配置，实现了易于配置为具有小的厚度同时具有宽视场和高光学性能的观察光学系统。

[0107] [实施例2]

[0108] 现在参照图3，描述根据本发明的实施例2的观察光学系统。根据实施例2的观察光学系统的基本配置与实施例1中的相同。实施例2与实施例1的不同之处在于，总视角增加为70°的宽视角，并且透镜的形状和表面间隔改变。

[0109] 在实施例2中，观察光学系统从观察表面SP侧依次地包括：具有正折光力且具有平凸形状的第一透镜G1，其中半透射反射的第一透射反射表面HM1布置在观察表面SP侧；以及具有负折光力且具有双凹形状的第二透镜G2，其中半透射反射的第二透射反射表面HM2布置在观察表面SP侧。

[0110] [实施例3]

[0111] 现在参照图5，描述根据本发明的实施例3的观察光学系统。

[0112] 实施例3涉及具有60°的总视角的观察光学系统。

[0113] 在实施例3中，观察光学系统从观察表面SP侧起依次地包括：具有正折光力且具有平凸形状的第一透镜G1，其中半透射反射的第一透射反射表面HM1被布置在观察表面SP侧。观察光学系统还包括：具有负折光力且具有双凹形状的第二透镜G2，其中半透射反射的第二透射反射表面HM2布置在观察表面SP侧；以及具有正折光力且具有平凸形状的第三透镜G3。通过由第三透镜G3分担整个观察光学系统的正折光力以减小第二透射反射表面HM2的曲率，并且将第二透镜G2布置为具有负折光力的透镜，令人满意地校正了色差。

[0114] [实施例4]

[0115] 现在参照图7，描述根据本发明的实施例4的观察光学系统。根据实施例4的观察光学系统的基本配置与实施例3中的相同。实施例4与实施例3的不同之处在于，总视角增加为70°的宽视角，并且透镜的形状和表面间隔改变了。

[0116] 在实施例4中，观察光学系统从观察表面SP侧起依次地包括：具有正折光力且具有平凸形状的第一透镜G1，其中半透射反射的第一透射反射表面HM1被布置在观察表面SP侧。观察光学系统还包括：具有负折光力且具有朝向光瞳表面侧凹入的弯月形状的第二透镜G2，其中半透射反射的第二透射反射表面HM2布置在观察表面SP侧；以及具有正折光力且具有平凸形状的第三透镜G3。

[0117] [实施例5]

[0118] 现在参照图9，描述根据本发明的实施例5的观察光学系统。

[0119] 实施例5涉及具有70°的总视角的观察光学系统。

[0120] 根据实施例5的观察光学系统从观察表面SP侧起依次地包括：具有正折光力且具有朝向光瞳表面侧凹入的弯月形状的第一透镜G1，其中半透射反射的第一透射反射表面HM1布置在观察表面SP侧。观察光学系统还包括具有负折光力且具有朝向光瞳表面侧凹入的弯月形状的第二透镜G2，其中半透射反射的第二透射反射表面HM2布置在观察表面SP侧。观察光学系统还在第二透镜G2的图像显示表面ID侧包括具有正折光力且具有平凸形状的第三透镜G3。这里，通过采用第一透射反射表面HM1在观察表面SP侧具有凹形形状的曲率的配置，第一透射反射表面HM1在用作反射表面时具有负折光力。利用这种配置，获得了校正球面像差的效果，并且补偿了当光在第二透射反射表面HM2上反射时发生的大的负匹兹伐(Petzval)项，结果是令人满意地校正了整个观察光学系统的像场弯曲。

[0121] 接下来，描述本发明的实施例1至5、数值数据1至5以及参考示例的数据。

[0122] 在每组数值数据中，从观察表面(光阑)起的光路上的表面的编号由“i”表示。透镜表面和反射表面的曲率半径由“ri”表示。第i表面和第(i+1)表面之间的透镜厚度和空气间隔由“di”表示，关于d线的折射率和阿贝数分别由“ndi”和“vdi”表示。光瞳直径由EPD表示。总透镜长度是将空气等效的后焦距BF与从观察表面侧的透镜表面(r2)到图像显示表面ID侧的透镜表面的距离相加所获得的值。

[0123] 例如，在数值数据1中，空气等效后焦距是2.16，因此透镜总长度计算如下。

[0124] 2.64+3.65+4.00+2.16(BF)＝12.45

[0125] 在透镜组数据中，第一组是光阑(r1)，并且第二组对应于观察光学系统。

[0126] 符号“＊”表示非球面表面。另外，非球面表面系数由“k”、A4、A6、A8和A10表示。关于非球面形状，在距光轴高度“h”的位置处相对于表面顶点的光轴方向上的位移“x”由下式表示。

[0127] x＝(h2/R)/[1+{1-(1+k)(h/R)2}1/2]+A4×h4+A6×h6+A8×h8+A10×h10

[0128] 在该式中，R是近轴曲率半径。

[0129] 另外，上面提供的每个条件式与每组数值数据之间的关系在表1示出。

[0130] (数值数据1)

[0131] 单位：mm

[0132] 表面数据

[0133]

[0134] 非球面表面数据

[0135] 第三表面

[0136] K＝0.00000e+000         A4＝8.56541e-006       A6＝4.20185e-008[0137] A8＝-2.58046e-010       A10＝1.05604e-012

[0138] 第五表面

[0139] K＝0.00000e+000       A4＝8.56541e-006       A6＝4.20185e-008[0140] A8＝-2.58046e-010       A10＝1.05604e-012

[0141] 第七表面

[0142] K＝0.00000e+000       A4＝8.56541e-006       A6＝4.20185e-008[0143] A8＝-2.58046e-010       A10＝1.05604e-012

[0144] 第九表面

[0145] K＝0.00000e+000         A4＝1.25088e-004       A6＝-9.66087e-007[0146] A8＝3.48388e-009        A10＝-2.46357e-012

[0147] 各种数据

[0148]

[0149]

[0150] 透镜单元数据

[0151]

[0152] 单透镜数据

[0153] 透镜     第一表面      焦距

[0154] G1         1          86.89

[0155] G2        8          52.47

[0156] (数值数据2)

[0157] 单位：mm

[0158] 表面数据

[0159]

[0160]

[0161] 非球面表面数据

[0162] 第三表面

[0163] K＝0.00000e+000          A4＝1.94709e-006          A6＝7.31640e-008[0164] A8＝-2.64352e-010        A10＝4.43224e-013

[0165] 第五表面

[0166] K＝0.00000e+000          A4＝1.94709e-006          A6＝7.31640e-008[0167] A8＝-2.64352e-010        A10＝4.43224e-013

[0168] 第七表面

[0169] K＝0.00000e+000          A4＝1.94709e-006          A6＝7.31640e-008[0170] A8＝-2.64352e-010        A10＝4.43224e-013

[0171] 第九表面

[0172] K＝0.00000e+000          A4＝-3.95815e-004         A6＝2.77171e-006[0173] A8＝-9.95674e-009        A10＝1.41139e-011

[0174] 各种数据

[0175]

[0176]

[0177] 透镜单元数据

[0178]

[0179] 单透镜数据

[0180] 透镜     第一表面    焦距

[0181] G1        1        78.33

[0182] G2        8        -44.52

[0183] (数值数据3)

[0184] 单位：mm

[0185] 表面数据

[0186]

[0187]

[0188] 非球面表面数据

[0189] 第三表面

[0190] K＝0.00000e+000         A4＝1.14783e-005          A6＝8.12048e-008[0191] A8＝-3.42503e-010       A10＝1.00372e-012

[0192] 第五表面

[0193] K＝0.00000e+000         A4＝1.14783e-005          A6＝8.12048e-008[0194] A8＝-3.42503e-010       A10＝1.00372e-012

[0195] 第七表面

[0196] K＝0.00000e+000         A4＝1.14783e-005          A6＝8.12048e-008[0197] A8＝-3.42503e-010       A10＝1.00372e-012

[0198] 第九表面

[0199] K＝0.00000e+000         A4＝-2.17485e-004         A6＝1.14074e-006[0200] A8＝-3.03928e-009       A10＝2.89322e-012

[0201] 各种数据

[0202]

[0203] 透镜单元数据

[0204]

[0205] 单透镜数据

[0206]

[0207] (数值数据4)

[0208] 单位：mm

[0209] 表面数据

[0210]

[0211] 非球面表面数据

[0212] 第三表面

[0213] K＝0.00000e+000          A4＝6.85461e-007          A6＝3.53596e-008[0214] A8＝-1.07426e-010        A10＝2.19948e-013

[0215] 第五表面

[0216] K＝0.00000e+000          A4＝6.85461e-007          A6＝3.53596e-008[0217] A8＝-1.07426e-010        A10＝2.19948e-013

[0218] 第七表面

[0219] K＝0.00000e+000          A4＝6.85461e-007          A6＝3.53596e-008[0220] A8＝-1.07426e-010        A10＝2.19948e-013

[0221] 第九表面

[0222] K＝0.00000e+000          A4＝7.54434e-005          A6＝-9.46153e-007[0223] A8＝4.33138e-009         A10＝-7.15247e-012

[0224] 各种数据

[0225]

[0226] 透镜单元数据

[0227]

[0228]

[0229] 单透镜数据

[0230]

[0231] (数值数据5)

[0232] 单位：mm

[0233] 表面数据

[0234]

[0235] 非球面表面数据

[0236] 第四表面

[0237] K＝0.00000e+000          A4＝-1.25436e-006         A6＝2.13936e-008[0238] A8＝-7.97923e-011        A10＝2.57813e-013

[0239] 第八表面

[0240] K＝0.00000e+000          A4＝-1.25436e-006         A6＝2.13936e-008[0241] A8＝-7.97923e-011        A10＝2.57813e-013

[0242] 第九表面

[0243] K＝0.00000e+000          A4＝8.53555e-005          A6＝-9.90936e-007[0244] A8＝4.17264e-009         A10＝-6.36954e-012

[0245] 各种数据

[0246]

[0247] 透镜单元数据

[0248]

[0249] 单透镜数据

[0250]

[0251] 表1

[0252]

[0253] 虽然参照示例性实施例描述了本发明，但是，应该理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应当被赋予最宽的解释，以便涵盖所有这类修改以及等同的结构和功能。