投影观察装置的制作方法

专利名称：投影观察装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种投影观察装置，特别涉及可以从不同方向观察投影(或形成)到规定位置的影像(映像)的投影观察装置。
背景技术：
本发明涉及以下的
背景技术：
专利文献1特开平6-230738号公报专利文献2特开平10-115878号公报专利文献3特开平11-84291号公报专利文献4特开2001-281583号公报专利文献5特开平9-127312号公报专利文献6特开2000-171618号公报专利文献7美国专利第6,124,989号说明书专利文献8特开2000-66105号公报专利文献9特开平9-258642号公报在专利文献1中，公开了在同一显示屏上显示随观察方向不同而不同的图像的方法。其中使用了两面凸的显示屏。在专利文献2中，公开了显示立体影像的系统。其中使用了循环型显示屏和两个投影仪。本发明人本人在专利文献3中提出了通过两眼来观察图像的显示装置。其中将两个偏转镜和偏心棱镜组合起来。在专利文献4中，提出了构成小型光扫描装置的方法，其中把单一2维扫描反射镜和偏心棱镜组合起来使用。
但是，使用两面凸的显示屏的方法时，必须使两个两面凸的显示屏的位置严格对准。此外，由于两台投影仪的光不能高效地朝向观察者，因此，为获得明亮的观察影像，必须使用亮度非常高的光源。
而使用利用循环型显示屏的方法时，光线会聚在投影仪(投影光学系统)的射出光瞳位置上。因此，不能观察到效率高的明亮的观察影像。
此外，关于影像显示装置，有在一个显示面上显示随观察角度不同而不同的影像的技术。作为其例子，有双凸透镜片和视差屏方式等。但是，这些技术不能实现在不降低分辨率的情况下，观察到明亮的观察影像。

发明内容
本发明就是鉴于现有技术的这些问题点而作出的。其目的在于提供一种投影观察装置。该装置可以同时从不同方向观察投影到规定位置的影像或者形成于规定位置的影像。本发明还提供结构简单、照明效率高的投影观察装置。
为达到上述目的的本发明的第1投影观察装置的特征在于，具有显示器件，其用于显示影像；投影光学系统，其用于对显示于所述显示器件的影像进行扩大投影；扩散板，其配置在由所述投影光学系统所投影的像的近旁；目镜光学系统，其将所述投影光学系统的射出光瞳投影到观察者一侧；所述扩散板的按光强度为1/2峰值时的全宽(下面有时简称为“半峰值全宽”，其中全宽是指角度的宽度，单位为“度”)计算的扩散角小于等于20°。
本发明的第2投影观察装置的特征在于，具有扫描装置，其用于使来自光源的光束偏转；投影光学系统，其用于将来自所述扫描装置的光线聚光到规定位置；扩散板，其配置在所述规定位置的近旁；目镜光学系统，其将所述投影光学系统的射出光瞳投影到观察者一侧。
所述扩散板的按光强度为1/2峰值时的全宽计算的扩散角小于等于20°。
本发明的第3投影观察装置的特征在于，具有至少两个扫描装置，其用于使来自光源的光束偏转；至少两个投影光学系统，其用于将来自所述各扫描装置的光聚光到规定位置；扩散板，其配置在所述规定位置的近旁；共用目镜光学系统，其将所述投影光学系统各自的射出光瞳投影到观察者一侧，配置所述投影光学系统，使得所述投影光学系统的任意一个光轴与所述目镜光学系统交叉，在交点上的所述目镜光学系统的垂线与该光轴之间的夹角大于等于10°。


图1是本发明的第1投影观察装置的光学系统的概念图。
图2是本发明的第2投影观察装置的光学系统的概念图。
图3是用于计算本发明中的透过型扩散板的算术平均粗度Ra和凹凸的平均间隔Sm之间的关系的图。
图4表示透过型扩散板的扩散面上的入射角与折射角的关系。
图5是用于计算本发明中的反射型扩散板的算术平均粗度Ra和凹凸的平均间隔Sm之间的关系的图。
图6表示反射型扩散板的扩散面上的入射角与反射角的关系。
图7表示本发明的扩散板的Sm/Ra与扩散半角之间的关系。
图8表示本发明的第3投影观察装置的光学系统的概念图。
图9是用于说明2维偏心配置投影光学系统的情况下的投影光学系统的光轴与目镜光学系统的垂线的夹角的图。
图10是3维偏心配置投影光学系统的情况下的与图9相同的图。
图11是旋转对称的透镜系统与偏心棱镜组合起来构成投影光学系统的情况下的光学系统的示意图。
图12表示根据本发明构成的投影观察装置的光学系统的概念图和投影观察装置的配置例。
图13是第一次通过时曲折的透过型全息图构成的扩散板和目镜光学系统的凹面镜的组合的光路图。
图14是第二次通过时曲折的透过型全息图构成的扩散板和目镜光学系统的凹面镜的组合的光路图。
图15是在目镜光学系统的凹面镜偏心的情况下的第一次通过时曲折的透过型全息图构成的扩散板和目镜光学系统的凹面镜的组合的光路图。
图16是包含本发明的实施例1的目镜光学系统的光轴的光路图。
图17是包含本发明的实施例2的目镜光学系统的光轴的光路图。
图18是包含本发明的实施例3的目镜光学系统的光轴的光路图。
图19是从本发明的实施例4的光学系统的光源到扫描面的整体的Y-Z剖面内的光路图。
图20是图19的主要部分的Y-Z剖面内的光路图。
图21是从本发明的实施例5的光学系统的光源到扫描面的整体的Y-Z剖面内的光路图。
图22是图21的主要部分的Y-Z剖面内的光路图。
图23是本发明的实施例6的Y-Z剖面内的光路图。
图24表示本发明的实施例6的用作扩散板的透过型全息图的摄影配置。
图25表示本发明的实施例6的射出光瞳位置的RGB射出光瞳像的重叠状态和0次光及表面反射光的入射位置。
图26是本发明的实施例7的Y-Z剖面内的光路图。
图27表示本发明的实施例7的用作扩散板的透过型全息图的摄影配置。
图28表示本发明的实施例7的射出光瞳位置的RGB射出光瞳像的重叠状态和0次光及表面反射光的入射位置。
图29是本发明的实施例8的Y-Z剖面内的光路图。
图30表示本发明的实施例8的用作扩散板的透过型全息图的摄影配置。
图31表示本发明的实施例8的射出光瞳位置的RGB射出光瞳像的重叠状态和0次光及表面反射光的入射位置。
图32是本发明的实施例9的Y-Z剖面内的光路图。
图33表示本发明的实施例9的用作扩散板的透过型全息图的摄影配置。
图34表示本发明的实施例9的射出光瞳位置的RGB射出光瞳像的重叠状态和0次光及表面反射光的入射位置。
图35是本发明的实施例10的Y-Z剖面内的光路图。
图36表示本发明的实施例10的用作扩散板的透过型全息图的摄影配置。
图37表示本发明的实施例10的射出光瞳位置的RGB射出光瞳像的重叠状态和0次光及表面反射光的入射位置。
图38是本发明的实施例11的Y-Z剖面内的光路图。
图39表示本发明的实施例11的用作扩散板的透过型全息图的摄影配置。
图40表示本发明的实施例11的射出光瞳位置的RGB射出光瞳像的重叠状态和0次光及表面反射光的入射位置。
图41是本发明的实施例12的Y-Z剖面内的光路图。
图42表示本发明的实施例12的用作扩散板的透过型全息图的摄影配置。
图43表示本发明的实施例12的射出光瞳位置的RGB射出光瞳像的重叠状态和0次光及表面反射光的入射位置。
图44是本发明的实施例13的Y-Z剖面内的光路图。
图45表示本发明的实施例13的用作扩散板的透过型全息图的摄影配置。
图46表示本发明的实施例13的射出光瞳位置的RGB射出光瞳像的重叠状态和0次光及表面反射光的入射位置。
图47表示将图1所示结构的投影观察装置作为立体观察装置时的一个示例图。
图48是表示图47的立体观察装置对观察用光瞳进行扩大的原理的说明图。
图49是本发明的立体观察装置的一个实施例的示意图。
图50是本发明的立体观察装置的另一个实施例的示意说明51是把图50的实施例更加具体化的示例的侧视图。
图52是图51的实施例的变形例的从侧方看到的概略结构图，图53表示可应用于本发明的反射型立体观察装置的反射型显示板的一个实施例。
图54表示可应用于本发明的反射型立体观察装置的反射型显示板的另一实施例。
图55是可应用于本发明的反射型立体观察装置的反射型显示板的另一实施例的从侧方看到的概略结构图。
图56是可应用于本发明的反射型立体观察装置的反射型显示板的另一实施例的从侧方看到的概略结构图。
图57是应用了本发明的立体观察系统的产品的1个实施例的示意说明图。
图58是应用了本发明的立体观察系统的产品的另一实施例的示意说明图。
图59是应用了本发明的立体观察系统的产品的另一实施例的示意说明图。
图60是应用了本发明的立体观察系统的产品的另一实施例的示意说明图。
图61是应用了本发明的立体观察系统的产品的另一实施例的示意说明图。
图62是应用了本发明的投影观察装置的手术用立体观察系统的1个实施例的说明图。
图63是表示将本发明的投影观察装置构成为双筒体视显微镜时的外观的斜视图。
图64是加入光学系统的透视图。
图65是将本发明的投影观察装置应用于移动电话时的斜视图。
图66是将本发明的投影观察装置应用于移动电话的其它情况的斜视图。
图67是用于说明本发明中用于防止用作目镜光学系统的菲涅尔透镜的重影光的结构的例子的图。
图68是用于说明将图67所示的菲涅尔透镜成型的模具的制作方法的图。
具体实施例方式
下面，对本发明采用上述结构的原因及其作用加以说明。
图1表示本发明的第1投影观察装置的光学系统的概念图。本发明的投影观察装置具有显示器件1、投影光学系统2、扩散板5、目镜光学系统4。显示器件1用于显示影像。投影光学系统2用于对显示在显示器件1上的影像进行扩大投影。所投影的影像3被投影到规定的第1位置。扩散板5配置在由上述投影光学系统2所投影的影像3的近旁、亦即配置在规定的第1位置的近旁。目镜光学系统4将投影光学系统2的射出光瞳投影到规定的第2位置。在观察时，该规定的第2位置是与观察者的眼球E一致的位置。并且，规定的第2位置也可以不与观察者的眼球E的位置严格一致。因此，也可以多少有些偏差。
图1所示的投影观察装置中，在一个显示面(投影面)上同时显示了左右眼EL、ER用的影像，但是，也可以只显示其中一只眼用的影像。
在图1的情况下，为了显示左右眼用的影像，配置有两个显示器件1L、1R。在这两个显示器件1L、1R上可以显示彼此相同的影像或不同的影像。此外，作为相同影像，既可以是没有左右视差的影像，也可以是具有左右视差的影像。进而，与显示器件1L、1R相对应，配置有两个投影光学系统2L、2R。因此，显示在显示器件1L上的影像由投影光学系统2L投影到规定的第1位置。显示在显示器件1R上的影像由投影光学系统2R投影到规定的第1位置。
该规定的第1位置是公共的显示面(投影面)。这里配置有单一的目镜光学系统4。因此，对两个显示器件1L、1R、两个投影光学系统2L、2R以及所投影的影像3L、3R来说，目镜光学系统4是公共的光学系统。
如图1所示，由两个投影光学系统2L、2R所投影的影像3L、3R(以下称为投影像3L、3R)以完全重叠的状态投影到目镜光学系统4的近旁。按照此结构，即使目镜光学系统4很小，也可以将各种影像显示在小显示面上。这里，所谓各种影像是指左右不同的影像、左右相同的影像或左右影像虽然相同但却具有视差的影像。并且，即使投影像3L、3R的重叠程度多少错开一点也没有关系。
该目镜光学系统4将投影光学系统2L、2R的射出光瞳投影到观察者一侧。在图1中，用6L、6R来表示被投影的投影光学系统2L、2R的射出光瞳(下面称为射出光瞳像)。观察者的眼球EL、ER位于该射出光瞳像6L、6R的位置。因此，其结果是目镜光学系统4将投影光学系统2L、2R各自的射出光瞳投影到观察者眼球EL、ER的近旁。通过设置这样的目镜光学系统4，可以将从投影光学系统2L、2R射出的投影光线高效地集中到观察者眼球EL、ER。其结果，当照明显示器件1L、1R时，即使采用低输出的光源，也可以观察到明亮的观察像。
而且，本发明中，在投影像3L、3R的近旁配置有公共的单一扩散板5。并且使该扩散板5具有规定的扩散特性。由此，如图1所示，即使在射出光瞳像6L、6R的光瞳直径很小时，也可以将其扩大为射出光瞳像60L、60R。此时，通过适当地设定扩大率，可以得到具有易于观察的大小的射出光瞳像60L、60R。其结果，即使观察者眼球EL、ER的位置多少偏离射出光瞳像6L、6R的位置，也可以将投影像3L、3R作为观察像来进行观察。亦即，可以提供易于观察的投影观察装置。
并且，目镜光学系统4和扩散板5都配置在由投影光学系统2L、2R所投影的投影像3L、3R(规定的第1位置)的近旁。因此，也可以在目镜光学系统4的至少一个面上一体地设置起到扩散作用的扩散面以作为扩散板5。或者，也可以分体形成扩散板5与目镜光学系统4。
这里，扩散板5的按半峰值全宽计算的扩散角最好是小于等于20°。当扩散板5的按半峰值全宽计算的扩散角超过了20°时，扩散角就会变得过大。在这样的情况下，虽然观察视野扩大了，但观察像的亮度变暗。因此，照明观察物体的照明装置体积变大。如图1所示，当用两眼EL、ER来观察左右相同的观察像时，如上所述，按半峰值全宽计算的扩散角最好小于大于20°。当扩散角大于该值时，观察像就会变暗。
而且，扩散板5的按半峰值全宽计算的扩散角最好大于等于10°，这样，就可以用两眼EL、ER来进行观察，从而构成容易观察的投影观察装置。
图2表示本发明的第2投影观察装置的光学系统的概念图。该投影观察装置也在一个显示面上同时显示了左右眼EL、ER用的投影像3L、3R。但是，也可以只显示任意一只眼用的影像。
在图2的情况下，准备有用于左右眼的两个光源7L、7R。来自这些光源7L、7R的光束入射到左右扫描装置8L、8R后被偏转。被偏转的光束入射到投影光学系统9L、9R，聚光到规定的第1位置。在该聚光位置，根据扫描图案形成投影像3L、3R。在此情况下，投影像3L、3R既可以是左右不同的影像，也可以是左右相同的影像，或虽然左右相同但具有视差的影像。投影像3L、3R最好是完全重合，但也可以多少有些偏差。并且，在投影像3L、3R的近旁配置有目镜光学系统4。
扫描装置8L、8R对来自光源的光束进行2维偏转。这里，作为扫描装置8L、8R，可以采用专利文献4或专利文献3所示的结构。例如，有如专利文献4所示的单一2维扫描反射镜，亦即万向结构的扫描反射镜、或者如专利文献3所提出的将光束偏转到相互正交方向的两个偏转镜的组合等。
图2的结构中，目镜光学系统4也将投影光学系统9L、9R的射出光瞳投影到观察者一侧。用6L、6R来表示被投影的投影光学系统9L、9R的射出光瞳，亦即射出光瞳像。观察者眼球EL、ER位于该射出光瞳像6L、6R的位置。其结果是目镜光学系统4将投影光学系统9L、9R各自的射出光瞳投影到观察者眼球EL、ER的近旁。通过设置这样的目镜光学系统4，在图2的结构中，也可以使从扫描装置8L、8R射出的投影光线高效地聚光到观察者眼球EL、ER。其结果是即使采用低输出的光源7L、7R，也可以观察到明亮的观察像。
而且，本发明也在投影像3L、3R的近旁配置有公共的单一扩散板5。并使该扩散板5具有规定的扩散特性。从而，如图2所示，即使在射出光瞳像6L、6R的光瞳直径很小时，也可以将其扩大为射出光瞳像60L、60R。此时，通过适当地设定扩大率，可以得到具有易于观察的大小的射出光瞳像60L、60R。其结果是，即使观察者眼球EL、ER的位置多少偏离射出光瞳像6L、6R的位置，也可以将投影像3L、3R作为观察像来进行观察。亦即，可以提供易于观察的投影观察装置。
并且，目镜光学系统4和扩散板5都配置在由扫描装置8L、8R形成的投影像3L、3R的近旁。因此，也可以在目镜光学系统4的至少一个面上一体地设置起到扩散作用的扩散面，将其作为扩散板5。或者，也可以分体形成扩散板5与目镜光学系统4。
这里，扩散板5的按半峰值全宽计算的扩散角最好是小于等于20°。当扩散板5的按半峰值全宽计算的扩散角超过了20°时，扩散角就变得过大。在这样的情况下，虽然观察视野被扩大，但观察像的亮度变暗。因此，照明观察物体的照明装置的体积变大。如图2所示，当用两眼EL、ER观察左右相同的观察像时，如上所述的按半峰值全宽计算的扩散角最好不超过20°。扩散角超过此值时，观察像会变暗。
而且，扩散板5的按半峰值全宽计算的扩散角最好大于等于10°，这样，就可以用两眼EL、ER来观察，构成容易观察的投影观察装置。
此外，按照图1、图2的配置，假设作为左右投影像3L、3R，观察到两眼具有视差的影像。在此情况下，由于用左右眼观察的影像不同，当扩散角大时，就会引起串扰。因此，不能识别为立体像，而是观察到重影。因此，扩散板5的按半峰值全宽计算的扩散角最好小于等于8°。
此外，扩散板5的按光强度为1/10峰值时的全宽(下面有时简称为“1/10峰值全宽”)计算的扩散角最好不超过12°。因为至少扩散到12°以上的光线不会到达观察者，所以满足上述条件可以有效利用照明光。并且，最好是具有扩散光强度从半峰值全宽开始急剧降低的特性。
其次，对为得到如上所述的扩散角的扩散板5的表面粗糙度进行说明。
图3是扩散板5为透过型的情况。假设在到透过型扩散板5的距离为40cm的位置，把光线扩大到φ63mm。则光线的扩散角必须具有按半角为4.5°的扩散角。当在扩散板5表面的微细凹凸上使光线折射时，假定该凹凸的形状为正弦(sin)波形状，扩散面的折射率为1.5。那么，如图4所示，假设入射角为θ，曲折角为θ′，根据θ′-θ＝4.5°和斯奈尔(折射定律)公式可知，入射角θ必须具有约8.86°的倾斜。亦即，表面粗糙的倾斜角的最大值必须为8.86°。
这里，由于假定面的形状为平滑的sin波形状，该形状可表示为y＝a×sin(2πx/T)这里，a表示振幅、T表示周期。因而，其斜率为(斜率)＝dy/dx＝a×cos(2πx/T)×2π/T由于x＝2πm(m为整数)时斜率最大，因此(斜率最大值)＝a×2π/T只要求出8.86°时的a/T即可。
(斜率最大值)＝a/T×2π＝8.86/180×π＝0.154从该式来求a/T，则a/T＝0.0246这里根据JIS B601，粗糙度算术平均值Ra与a的关系在形状为正弦波的情况下为Ra/2=a]]>而且，凹凸的平均间隔Sm与上述周期T的关系为Sm＝T因此，关于表面粗糙度，得到以下结果Sm＝28.7Ra
在此情况下，扩散面的最大倾角为8.83°，当折射率为1.5时，就可以得到光线的扩散半角为4.5°，扩散全角为9°的扩散板。
其次，图5是扩散板5为反射型的情况。假设在到反射型扩散板5的距离为40cm的位置，把光线扩大到φ63mm。则光线的扩散角就必须具有半角为4.5°的扩散角。当在扩散板5表面的微细凹凸上使光线反射时，假定该凹凸的形状为sin波形状。在此情况下，如图6所示，假设入射角、反射角为θ，由于2θ＝4.5°，由此可知，入射角θ必须具有4.5°的一半、即约2.25°的倾斜角。亦即，表面粗糙的倾斜角的最大值必须为2.25°。这里，由于假定该面的形状是平滑的SIN波形状，该形状可表示为y＝a×sin(2πx/T)因而，该斜率为(斜率)＝dy/dx＝a×cos(2πx/T)×2π/T由于x＝2πm(m为整数)时斜率最大，因此(斜率最大值)＝a×2π/T只要求出2.25°时的a/T即可。
(斜率最大值)＝a/T×2π＝2.25/180×π＝0.03927从该式来求a/T，则a/T＝0.00625这里根据JIS B601，粗糙度算术平均值Ra与a的关系，在形状为正弦波时为Ra/2=a]]>而且，凹凸的平均间隔Sm与上述周期T的关系为Sm＝T因此，关于粗糙表面，得到以下结果Sm＝113.14Ra这种情况下，扩散面的最大倾角为2.25°，可以得到通过反射扩散半角为4.5°，扩散全角为9°的反射型扩散板。
也可以对2次透过型扩散板、背面镜型扩散板进行研究。在此情况下，Sm/Ra与扩散板的关系如图7所示。这里，假设扩散面的凹凸面能够近似为sin波形状。
从上述的讨论可以看出，扩散板的表面粗糙度最好满足以下条件5＜(Sm/Ra)＜1000…(1)该条件是使扩散板5具有理想的扩散特性而必须的条件。并且，这里，假设扩散特性是由表面的微细凹凸形状提供的特性。作为使光线扩散的方法，利用扩散板5表面的微细凹凸形状时，最好扩散特性很少依赖于波长。此外，反射也只限于在扩散板5表面的菲涅尔(Fresnel)反射。因此，与其它方法相比，透过率降低少。而且，通过进行AR(防止反射)涂覆等，可以进一步提高透过率。
进而，满足下列条件则更为理想10＜(Sm/Ra)＜500…(1-1)此外，本发明的扩散板5的扩散面也可以是满足下列条件的随机凹凸形状。从而，以宽的射出光瞳直径，得到没有闪烁感的清晰明亮的观察像。
扩散板最好满足下列条件1次透过型扩散板5＜(Sm/Ra)×(Ep/400)＜70…(2)2次透过型扩散板10＜(Sm/Ra)×(Ep/400)＜80 …(3)表面反射型扩散板50＜(Sm/Ra)×(Ep/400)＜200 …(4)背面反射型扩散板80＜(Sm/Ra)×(Ep/400)＜250 …(5)这里，Sm是JIS B0601所规定的表面凹凸的平均距离(μm)，Ra是表面中心线的平均粗度(μm)，Ep是从扩散面到观察者的眼的位置之间的距离(eye point单位为mm)。
当低于上述条件式(2)～(5)的下限时，扩散角会变得过小，因而很难获得大光瞳直径。而当超出上限时，光线过分扩散，因而观察像变暗。
并且，当在目镜光学系统4中使用菲涅尔透镜时，最好是将扩散面的凹凸形状作成随机配置。若凹凸形状呈周期性的话，菲涅尔透镜的间距(pitch)和扩散面之间就会产生莫尔干涉条纹。而且，该莫尔干涉条纹重叠在观察像上。结果产生难看的影像。
最好对上述条件式(2)～(5)，分别进一步作如下限定1次透过型扩散板10＜(Sm/Ra)×(Ep/400)＜40 …(2-1)2次透过型扩散板15＜(Sm/Ra)×(Ep/400)＜60 …(3-1)表面反射型扩散板70＜(Sm/Ra)×(Ep/400)＜150…(4-1)背面反射型扩散板100＜(Sm/Ra)×(Ep/400)＜200 …(5-1)而且，在扩散板的扩散面上，表面凹凸的平均间隔Sm可以满足条件(6)。
Sm＜200μm…(6)该条件(6)与观察画面的粗糙感有关。特别是在本发明的投影观察装置中，从投影光学系统2、21、22射出光束很细(数值孔径NA很小)的光线。然后，利用该很细的光束，在扩散板4的近旁形成投影像。此时，Sm的大小对影像的粗糙感(闪烁)影响很大。因此，扩散面既满足条件(2)～(5)，又满足条件(6)是很重要的。
对不满足该条件(6)的情况、亦即Sm大于等于200μm的情况进行说明。在此情况下，在很严重的时候，当观察者移动眼睛时，屏幕整体看起来像是在微微地眨眼。换句话说，看见了闪烁。此外，即使并未达到如此严重的地步，图像也会变得不清晰。这就好像将影像投影到例如毛玻璃上那样。其结果，不能观察到鲜明的影像。
进而，最好是满足以下条件Sm＜100μm …(6-1)
进而，最好满足以下条件Sm＜50μm …(6-2)本发明人已在特願2001-370950中公开了满足上述条件的本发明的扩散板5。其中公开了扩散板的制造方法。可以使用利用这种制造方法所制造的扩散板。可以用以下方法制造该扩散板(1)喷砂制造法。在基板上喷涂粒径有限制的球形小珠。从而，在基板表面上形成凹面群、或者与该凹面群相似的凹面群、或者形成与这些凹面群互补的凸面群。由于这些凹面群随机配置，因此形成扩散面。从而制成扩散板。
(2)在(1)的制造方法中，利用复制方法。在金属基板上喷涂球形小珠，形成随机配置的凹面群。利用该金属基板作为模型，将该随机配置的凹面群复制到透明基板上，从而制成扩散板。
(3)在(1)的制造方法中，利用转印的方法。首先，在金属基板上形成加工层。在该金属基板(加工层)上喷涂球形小珠，形成随机配置的凹面群。继而，将形成于加工层上的随机配置的凹面群相似地转印到金属基板表面。然后，用该金属基板作为模型，将随机配置的凹面群复制到透明基板上。从而制成扩散板。
(4)在上述制造方法中，使用球形小珠的粒径为0.01mm至2mm的玻璃珠。
(5)在上述制造方法中，喷涂球形小珠的空气压力为0.5～3.0kg/cm2。
(6)在上述制造方法中，金属基板是黄铜。
(7)在上述制造方法中，金属基板是比球形小珠硬度高的金属。
(8)在上述制造方法中，当把形成于金属基板表面的凹面群复制到透明基板时，采用注射模塑成形或加压成形。
(9)通过在基板上喷雾树脂液滴使其附着，形成随机配置的凸面群。继而，将随机配置的凸面群相似地转印到基板侧(基板表面)。或者，把与该凸面群互补的凹面群相似地转印到基板侧(基板表面)，从而制成扩散板。
而且，可以使用在专利文献5中所述的扩散板。该扩散板是将透明基体的单面或两面粗糙化后制成的。作为将透明基体的单面或两面粗糙化的方法，有例如下述(1)～(4)的方法。
(1)蚀刻处理方法。该方法对透明基体的单面或双面进行蚀刻处理。
(2)采用涂覆或印刷的方法。该方法在树脂中加入填充剂，将其分为单层或多层设置在透明基体的单面或两面上。为实现此方法，使用涂覆或印刷。此外，根据需要，使用与水或有机溶剂一起分散的涂料或油墨。
(3)使用静电粉末涂料或粉末电镀涂料的方法。该方法中，将树脂或填充剂，或由它们的混合物组成的粉末设置在透明基板的单面或两面上。为实现此方法，使用静电粉末涂料或粉末电镀涂料。
(4)通过加压成形或注射模塑成形等薄膜化成形的方法。该方法是通过加热和加压使有机或无机的填充剂与树脂一起熔化。进而，将该熔化物通过加压成形或注射模塑成形等使其薄膜化并成形。在此情况下，该扩散板的HAZE值(JISK7105)最好是在10～40的范围内。
此外，也可以使用按专利文献6制造的扩散板。制造该扩散板的方法包括层叠工序，其在基体上直接或通过其它层来层叠粘结层；埋入工序，其通过加压介质，将填充剂埋入粘结层；清除工序，其清除附着在通过上述工序所得的层叠体中的剩余填充剂。
作为目镜光学系统4，如上所述，最好是由菲涅尔面构成。作为菲涅尔面，有菲涅尔透镜或菲涅尔反射镜。此外，目镜光学系统4也可以由偏心菲涅尔反射面来构成。通过用菲涅尔面来构成目镜光学系统4，可以构成薄型目镜光学系统4。其结果，可以使投影观察装置体积小而且很容易折叠起来，此外，也可以如后面的实施例那样，由一片凹面镜来构成投影观察装置。
此外，可以用反射光学系统来构成目镜光学系统4。从而，投影到观察者一侧的投影光学系统(2L、2R或9L、9R)的射出光瞳(射出光瞳像)的像差的产生变少。其结果是，即使不提高扩散板5的扩散特性也可以得到宽的观察视野。此外，可以在不增加与扩散到不需要的方向的扩散光的减少部分相对应的照明光量的情况下，观察到明亮的观察像。特别是，如本发明所述，在目镜光学系统4的光轴偏心的光学系统中，会产生很大的偏心像差。而且，在目镜光学系统4是单体的情况下，很难设置其它校正该偏心像差的面。从这点考虑，可以说最好是使用本来就很少产生偏心像差的反射光学系统。
此外，当用菲涅尔面来构成目镜光学系统4时，能够使目镜光学系统4变薄。这是由于菲涅尔面可以由大约平面来构成。此外，反射型菲涅尔面中，轮带状(輪带状)的反射面为光学作用面。该轮带状的反射面与垂直于光轴的面所成的角度比折射型的菲涅尔面(菲涅尔透镜)小。因此，如果是反射型菲涅尔面，则可以减少使用菲涅尔透镜时存在的在菲涅尔端面(非作用面)上发生重影光的现象。此外，也可提高光线的透过效率。并且，如后所述，最好使扫描装置81、82所决定的两个光轴所成的角度较大。
图8表示本发明的第3投影观察装置的光学系统的概念图。本发明的第3投影观察装置是可以由多个观察者从不同方向同时观察影像的投影观察装置。图8所示的投影观察装置与图2相同，具有两个光源71、72和两个扫描装置81、82以及两个投影光学系统91、92。而且，在目镜光学系统4和扩散板5的近旁形成投影像31、32。而且，它具有这样的结构将两个影像投影到不同观察者M1、M2的眼E1、E2中。此外，在图8中，用61、62来表示由目镜光学系统4所投影的投影光学系统91、92的射出光瞳，也就是射出光瞳像。此外，用601、602来表示由扩散板5扩大后的射出光瞳像。并且，也可以同样构成如图1所示的投影观察装置，亦即使用两个显示器件和两个投影光学系统的投影观察装置。
如图8所示，形成于目镜光学系统4近旁的投影像31、32至少有一部分重叠。通过该结构，即使显示面很小，也能够在很小的显示面上显示不同影像。并且，该显示面是由目镜光学系统4和扩散板5构成。
按照图8的结构，通过投影光学系统91、92从扫描装置81、82到达目镜光学系统4的光轴与目镜光学系统4交叉。因此，在与任意一个光轴交叉的点处，目镜光学系统4的垂线与该光轴所成的角度最好是大于等于10°。关于此点，用图9加以说明。
如图9所示，从扫描装置81、82通过投影光学系统91、92到达目镜光学系统4的光轴，通过扩散板5和目镜光学系统4的大约中心位置，到达观察者M1、M2的眼球位置。这里，假定不考虑扩散板5的扩散作用。
作为本发明的投影观察装置，可考虑作为个人用显示器来使用。利用该个人用显示器至少由不少于2人在不同方向进行观察形成在1个显示面上的影像。在这样的情况下，显示面和观察者之间的距离约为40cm～1m左右。另一方面，不少于2人的观察者、这里是两个观察者M1、M2不是将脸紧贴到一起进行观察。因此，可以认为两者的脸的中心之间的距离不小于40cm。在这样的情况下，投影光学系统91的光轴和投影光学系统92的光轴所成的角度为53°～22.6°。因此，当考虑到由于相互的脸的贴近而引起的心理因素时，在点P处目镜光学系统4的垂线N与投影光学系统91、92的光轴(通过投影光学系统91、92，从扫描装置81、82入射到目镜光学系统4的光轴)中的至少任意一个光轴所成的角度α最好不小于10°。这里，点P是投影光学系统91、92的光轴中的至少任意一个光轴与目镜光学系统4的交点。此外，所谓目镜光学系统4的垂线N是指相对于目镜光学系统4的主面的垂线。并且，在用菲涅尔透镜或菲涅尔反射镜构成目镜光学系统4的情况下，是相对于该透镜或反射镜的垂线。
图9是将扫描装置81、82和投影光学系统91、92以2维偏心方式进行配置时的示意图。在以3维偏心方式进行配置的情况下，也可得出同样的结论。图10是将扫描装置81、82和投影光学系统91、92进行3维偏心配置时的示意图。并且，在图10中，只图示了其中一个扫描装置81和投影光学系统91。分别用161、162来表示投影光学系统91、92的射出光瞳。用61、62来表示射出光瞳像。这里，表示射出光瞳像的61、62是由目镜光学系统4对射出光瞳161、162进行投影所得的投影像。
如图10所示，当将投影光学系统91、92进行3维偏心配置时，与图9相同，最好也使在点P处垂线N与投影光学系统91、92的光轴所成的角度α不小于10°。
顺便说明一下，在本发明的情况下，扩散板5的按半峰值全宽计算的扩散角最好不超过20°。通过使扩散板5具有上述条件的扩散特性，可以使各观察者分别观察到各投影像31、32。当超过该条件的上限20°时，若投影像31、32是不同的影像时，就会发生把不同的影像看成重影的“串扰”。因此，导致观察者不能正确观察到显示内容。此外，当超过上限20°时，扩散角变得过大。观察像的亮度会变暗。因此，为了确保必要的光量，光源71、72的体积会变大。在投影像31、32是相同影像的情况下，不会产生串扰问题。
此外，最好是扩散板5具有按1/10峰值全宽计算的扩散角不超过40°的扩散特性。至少扩散到40°以上的光线不会到达观察者。因此，通过满足上述条件，减少了浪费的照明光，提高了照明光的利用效率。其结果是，可以使用小型低输出的光源作为光源71、72。并且，最好是具有使扩散光强度从半峰值全宽开始急剧降低的特性。
而且，扩散板5最好具有按1/10峰值全宽计算的扩散角不超过30°的扩散特性。满足上述条件可以高效地利用照明。因为至少扩散到30°以上的光线很少到达观察者，所以满足上述条件可以高效地利用与照明。并且，最好是具有使扩散光强度从半峰值全宽开始急剧降低的特性。
其次，图9、图10所示结构为从倾斜方向将由扫描装置81、82所扫描的影像向目镜光学系统4投影的配置。按照这样的配置，当由旋转对称的光学系统构成投影光学系统91、92时，所投影的像成为梯形变形像(ァォリ像)并发生像失真。如图10所示通过将由扫描装置81、82扫描形成的显示面、投影光学系统91、92的主面、以及目镜光学系统4的主面平行配置，并使投影光学系统91、92为与光轴垂直地偏移的状态来校正该像失真。或者，通过配置该3者，使它们满足夏以姆傅鲁库(シャィムフルクShymfluk)法则，来校正该像失真。
此外，也可以对这样的像失真进行电气校正。在此情况下，对电气地清除该像失真进行预估，预先使由扫描装置81、82形成的像失真。当然也可以同时利用上述光学校正方法和电气校正方法。
此外，作为投影光学系统91、92，最好使用偏心光学系统。在此情况下，投影光学系统91、92最好具有旋转非对称面。并且，作为旋转非对称的曲面形状，虽然没有限制，但最好是利用自由曲面。自由曲面例如是专利文献7(专利文献7)中的(a)式所定义的自由曲面，该定义式的Z轴为自由曲面的轴。
此外，投影光学系统91、92中的至少一个由偏心棱镜光学系统构成。该偏心棱镜光学系统具有一个或一个以上的偏心棱镜，这些偏心棱镜由折射率(n)大于1(n＞1)的介质形成。该偏心棱镜具有使光束入射到棱镜内的入射面；在棱镜内反射该光束的至少一个反射面；将光束射出到棱镜外的射出面。并且，入射到入射面的光束是从扫描装置或显示器件射出的光束。
而且，偏心棱镜的至少一个反射面具有为光束提供折射力的曲面形状，该曲面形状最好是以校正由于偏心而产生的像差的旋转非对称面形状构成。从而，可以大幅度地提高像失真的校正能力。特别是在至少有两个投影光学系统91、92的光轴相互所成的角度大于等于30°时最理想。
并且，在本发明中，作为投影光学系统91、92而使用的偏心棱镜光学系统可以使用一个或多个偏心棱镜。或者如图11的图意图所示，也可以使用将旋转对称的透镜系统和偏心棱镜组合起来的系统。
作为偏心棱镜的1个例子，存在具有下列结构和特征的棱镜其设有·入射面，其使来自扫描装置81、82的光束入射到棱镜内；·第1反射面，其用于在棱镜内反射从该入射面入射到棱镜内的光束；·第2反射面，其用于在棱镜内反射由该第1反射面所反射的光束；·射出面，其用于把该第2反射面所反射的光束射出到棱镜外；具有使从入射面朝向第1反射面的光束与从第2反射面朝向射出面的光束在棱镜内交叉的面配置；·入射面、第1反射面、第2反射面、射出面中的至少一面由旋转非对称面构成。
当使用这样的偏心棱镜时，棱镜内的光路为交叉光路，在反射面(第1反射面和第2反射面)上的入射角变小。其结果，可以减少偏心像差的发生。
或者，作为用作投影光学系统91、92的偏心棱镜的又一个例子，存在具有下列结构和特征的棱镜。
·入射面，其使来自扫描装置81、82的光束入射到棱镜内；·第1反射面，其用于在棱镜内反射从该入射面入射到棱镜内的光束；·第2反射面，其用于在棱镜内反射由该第1反射面所反射的光束；·射出面，其用于把该第2反射面所反射的光束射出到棱镜外；·该入射面和第2反射面共用一面；该第2反射面和入射面共用型的偏心棱镜在第2反射面上使光线大幅度曲折。另一方面，第1反射面以很小的曲折角将光线反射到第2反射面。因此，该偏心棱镜可以减薄棱镜光学系统的入射光线方向的厚度。
如上所述，当用偏心棱镜光学系统构成投影光学系统91、92时，存在着如下的优点。即，当从倾斜方向向目镜光学系统4入射由扫描装置81、82形成的影像时，通过将偏心棱镜光学系统构成为面对称形状，可以容易地校正梯形变形像的像失真。亦即，由于该倾斜配置所发生的像失真，从规定方向观察时为非对称的形状。但是，该非对称形状与由于偏心棱镜光学系统所发生的非对称像失真的发生方向一致。因此，可以根据偏心棱镜光学系统的偏心像差，校正该像失真，使像差校正变得容易进行。并且，假设投影光学系统91、92的光轴与目镜光学系统4的交点为P，所谓规定方向是指包含该点P的偏心棱镜光学系统的对称面方向。
当然，在此情况下，对这样的像失真也可以进行电气校正。在这样的情况下，通过对电气地清除该像失真进行预估，预先使由扫描装置81、82形成的像失真。当然也可以同时利用上述光学校正方法和电气校正方法。
顺便提一下，假设这样采用面对称形状的偏心棱镜光学系统来构成投影光学系统91、92。但在这样的情况下，也必须使在点P的目镜光学系统4的垂线与投影光学系统91、92的光轴(至少其中一个)所成的角度大于等于如上所述的10°。
其次，用图11来对偏心棱镜和扫描装置的优选配置进行说明。在图11中，点P是偏心棱镜光学系统91的光轴与目镜光学系统4的交点。偏心棱镜光学系统91具有对称面，并配置偏心棱镜光学系统91，使对称面包含点P。此外，在偏心棱镜光学系统91的入射面侧(物体面侧)配置有扫描装置81。由该扫描装置81在目镜光学系统4的近旁形成影像。此时，对扫描装置81绕光轴进行旋转配置，使得形成影像的光束移动的方向，亦即纵扫描方向或横扫描方向与目镜光学系统4的纵或横方向大约一致。对偏心棱镜光学系统92和扫描装置82也进行同样的配置。
通过对扫描装置81、82进行这样的配置，可以用面对称形状的偏心棱镜光学系统来校正旋转非对称的像失真。该旋转非对称的像失真是由于投影光学系统91、92相对于目镜光学系统4倾斜配置而发生的畸变。
此外，不仅如此，还可以将投影光学系统91、92的偏心棱镜光学系统都作成相同形状。例如，作成相互面对称的形状。如果这样作的话，与将左右投影光学系统91、92形状不同的情况相比较，可以大幅度地降低投影光学系统91、92的制造成本。
并且，作为扫描装置81、82，可以采用如专利文献4所示的在2维方向扫描的具有万向结构的扫描反射镜。在这样的情况下，就不一定要用投影光学系统91、92。
顺便提一下，在上述图1、图2、图8～图11结构的投影观察装置中，作为扩散板5，假设以具有定向性扩散特性的微细凹凸面或粗糙面构成的扩散板为主。但是，作为扩散板5，也可以把由全息图构成的扩散板用于各投影观察装置。作为由全息图构成的扩散板，可以考虑透过型全息图和反射型全息图。这里，在记录于体积型感光材料中的全息图的情况下，透过型全息图的波长选择性较低，而反射型全息图的波长选择性较高。在用于显示彩色图像的投影观察装置的情况下，为了使R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)3种波长的光扩散，必须多重记录3个全息干涉条纹。因此，作为全息图，最好是利用波长选择性较低的透过型全息图。而为了构成小型的投影观察装置，最好采用凹面镜(包含菲涅尔凹面反射镜)作为目镜光学系统，并且把它与由这样的透过型全息图构成的扩散板组合起来构成该投影观察装置。以下，在本发明中，把由透过型全息图构成的扩散板作为扩散板。
下面，对投影观察装置进行说明。该投影观察装置采用了由凹面镜24构成的目镜光学系统和扩散板25。而且，扩散板25使用透过型全息图。但是，以后在这样构成的投影观察装置中，省略显示器件、光源以及扫描装置的图示。并且，与图1和图2等相同，目镜光学系统配置在投影光学系统2、9的入射侧。以后在这样构成的投影观察装置中，只表示左右或多个光学系统中的任意1个，省略其它来进行说明。
图12(a)中表示根据本发明构成的投影观察装置的光学系统的概念图，在图12(b)中表示该投影观察装置的配置例。在图12(b)中，凹面镜24由菲涅尔凹面反射镜构成。如上所述，省略了显示器件、光源以及扫描装置的图示。在图12(b)中，显示在显示器件中的影像，或者来自这些光源的光束被扫描装置偏转。所形成的影像被投影光学系统2(9)扩大投影。在该投影像的近旁配置有扩散板25和目镜光学系统。
目镜光学系统由凹面镜24构成，将投影光学系统2(9)的射出光瞳形成在规定的位置。该规定位置与观察者M的眼球大约一致。在该投影观察装置中，通过目镜光学系统24形成投影光学系统2(9)的射出光瞳像6。该射出光瞳像6由扩散板25扩大为具有容易观察的大小的射出光瞳像60。从而，即使观察者M的眼E的位置多少偏离射出光瞳像6的位置，也可以把投影像作为观察像来进行观察。其结果与图1等情况相同，可以得到容易观察的投影观察装置。
这里，如图12(a)所示，本发明的扩散板25配置在目镜光学系统的凹面镜24的入射侧。因此，从投影光学系统2(9)到射出光瞳像60位置的光线，往复共计2次通过透过型全息图25。这就是本发明的特征点。由于具有这样的特征，光线在透过型全息图25上衍射两次。根据上述情况，本发明主动地使第1次(入射到凹面镜24之前)通过透过型全息图25的角度与第2次(入射到凹面镜24之后)通过透过型全息图25的角度不同。通过这样的处理，利用该全息图的角度选择性，可以避开其中一次衍射。关于用于此目的的配置，后面加以说明。
而且，扩散板25与上述扩散板5相同，基于同样的理由，其按半峰值全宽计算的扩散角最好小于等于20°。而且，按半峰值全宽计算的扩散角最好大于等于10°。
该扩散板25最好具有按1/10峰值全宽计算的扩散角小于等于40°的扩散特性。进而，具有按1/10峰值全宽计算的扩散角小于等于30°的扩散特性则更为理想。
与图1、图2的情况相同，在采用观察立体像的结构的情况下，扩散板25的按半峰值全宽计算的扩散角最好小于等于8°。此外，按1/10峰值全宽计算的扩散角最好小于等于12°。
其次，对扩散板25的曲折作用和波长分散的关系、目镜光学系统的凹面镜24和扩散板25的配置关系进行说明。可根据参考光与来自扩散光源(2次光源)的物体光之间的干涉记录来制作扩散板25。此时，假定是参考光和物体光是配置在同轴(在轴online)时的记录。在此情况下，如图13(a)所示，来自投影光学系统2(9)的轴上主光线26第1次入射到扩散板25，在扩散板25上并不曲折而直接通过。进而，直接通过扩散板25的主光线被凹面镜24反射而改变方向。被反射的主光线从背面侧入射到扩散板25，并直接通过扩散板25。此时，第1次入射时的入射光的入射角度如果满足透过型全息图(扩散板25)的再现光入射角度(衍射效率处于峰值近旁的角度)的话，则当第1次透过时，在直接通过的主光线的周围分布有由衍射引起的扩散光。在第2次透过时，该扩散光几乎全部直接通过。另一方面，当第2次入射时，入射光的入射角度若满足再现光入射角度的话，当第1次透过时，轴上主光线26并不衍射，几乎全部直接通过。而当第2次透过时，在直接通过的主光线的周围分布有由衍射产生的扩散光。无论哪种情况，0次光270和主光线271都沿相同方向行进。图13(a)就是表示这种情况的图。但扩散光未图示。在该图中，只图示了未被扩散板25衍射的0次光270和被衍射的扩散光中的主光线(中心光线)271。在该图中，0次光270和主光线271都沿相同方向行进，到达装置的射出光瞳像60的中心。从而，如图13(a)所示，当扩散板25只具有扩散作用而不具有光路的曲折作用时，不仅扩散光而且未被衍射扩散的0次光270也到达射出光瞳像60。结果在所观察的影像中心看到0次光270的光点，因此不理想。
因此，作为扩散板25，使用以离轴(offline)配置的关系记录的扩散板。离轴配置的关系中参考光与物体光相互不同轴。按这样的离轴配置记录的扩散板25，当满足再现光入射角度而衍射时，在产生光线曲折的同时产生波长分散。根据该曲折方向，采用如图13(b)、(c)所示的光路以及如图14(a)、(b)所示的光路。其中，图13(b)、(c)是在第1次入射时满足扩散板25的再现光入射角度条件的情况。另一方面，图14(a)、(b)是第2次入射时满足该条件的情况。图13(b)、图14(a)表示扩散板25的曲折方向是相对于相对法线的入射角衍射角变小的方向的情况。图13(c)、图14(b)是相对于入射角衍射角变大的方向的情况。在各图中省略了扩散光的图示。分别用27R、27G、27B来表示通过扩散板25衍射而曲折的R、G、B的波长的主光线(中心光线)。作为扩散板25，假定使用具有光线曲折作用的透过型全息图。在此情况下，如从各图所知，可将未被全息图衍射的0次光270从衍射光27R、27G、27B中分离出来。其结果是可以使其不入射到装置的射出光瞳像60。具体来说，最好是如下构成即在装置的射出光瞳像60的位置，距离射出光瞳像60的中心大于等于该光瞳直径的1/2的位置，入射0次光270。
并且，用上述入射角和衍射角的差的绝对值γ来定义在透过型全息图的曲折角(偏角)，并且，假定用d线(波长587.6nm)来测量该曲折角。在这样的情况下，如果曲折角γ过小，则如上所述，0次光入射到观察像中。反之，如果过大，则波长分散过大。其结果，在射出光瞳像60，在R、G、B的3个波长重叠的范围，亦即可以颜色再现性良好地进行观察的射出光瞳像范围会变得过小。
从而，扩散板25的用d线所测的曲折角(偏角)γ，可以满足以下条件。
γ＞1°…(7)进而，最好满足以下条件γ＞2°…(7-1)进而，最好满足以下条件γ＞10° …(7-2)此外，最好满足以下条件γ＜45° …(8)进而，最好满足以下条件γ＜20° …(8-1)将上述条件(7-2)和(8-1)组合起来即为下述条件(9)。因而，最好满足该条件10°＜γ＜20° …(9)对该条件(9)进一步进行说明。当低于该条件的下限10°时，0次光和使显示像成为可观察的标准观察光之间的分离变小。因此，观察者稍稍动动头，0次光就会进入眼睛而引起目眩的情况增多。此外，当超过该条件的上限20°时，由透过型全息图25所引起的色像差就会变大。其结果就会使观察范围变窄。
进而，当假定R为700nm波长的光，B为400nm波长的光时，衍射光27R、27B之间的衍射角的差越小越好。具体来说，最好是小于等于18°。如上所述，这是为了使能进行颜色再现性良好的观察的射出光瞳范围不要太小所必需的。此外，关于装置的射出光瞳像60的位置，当假定R为700nm波长的光，B为400nm波长的光时，衍射光27R、27B之间的入射位置的差也是越小越好。具体来说，最好是小于等于射出光瞳像60的光瞳直径的1/2。
在图13、图14中，考虑了来自投影光学系统2(9)的轴上主光线26或0次光270倾斜地(在凹面镜24的入射位置与法线的夹角为β)入射到凹面镜24的情况。这里，假定轴上主光线26或0次光270大约按直角(β≈0°)入射到凹面镜24上。在此情况下，在2次通过扩散板25后，从全息图射出的主光线27R、27G、27B朝向与轴上主光线26大约相反的方向。因此，装置的射出光瞳像60的位置与投影光学系统2(9)发生干涉。所以，来自投影光学系统2(9)并入射到凹面镜24的轴上主光线26或者其0次光270对凹面镜24的入射角β，最好满足以下条件。
0°＜β＜45°…(10)进而，最好满足以下条件。
5°＜β＜20°…(10-1)对该条件(10-1)进一步加以说明。当低于该条件的下限5°时，凹面镜24的偏心量变小。因此，在扩散板25上引起共轭再现，使可用于观察显示影像的光量降低。此外，当超过该条件的上限20°时，凹面镜24的偏心量变得过大。因此，被投影的光瞳像差变大，使得很难观察到均匀明亮的影像。
此外，在图13、图14中，假定来自投影光学系统2(9)的轴上主光线26入射到扩散板25和其背面侧的凹面镜24上的位置大约为它们各自的中心。此外，假定扩散板25和凹面镜24之间没有偏心。在此情况下，由图13、图14可知，2次通过扩散板25后的投影光(衍射光)27R、27G、27B相对扩散板25形成一角度。因而，装置的射出光瞳像60并不位于扩散板25的正面。因此，观察者从倾斜方向观看所投影的影像，所观察的影像会成为梯形变形像而发生像失真。
因此，如图15(a)～(c)所示，使凹面镜24相对扩散板25偏心(所有都是向上偏心)。这样一来，由凹面镜24所反射的主光线27R、27G、27B第2次通过扩散板25，相对扩散板25大约成直角。并且，图15(a)～(c)分别是对应于图13(a)～(c)的情况。
因为从投影光学系统2(9)将投影像沿倾斜方向入射到扩散板25上，所以在扩散板25上的投影像也成为梯形变形像而发生像失真。因此，最好是使用具有校正功能的投影光学系统2(9)，以校正这样的梯形变形像的像失真。
此外，使装置的射出光瞳像60位于扩散板25的正面。并使来自投影光学系统2(9)的轴上主光线26或0次光270倾斜入射到凹面镜24上。从而，可以得到作为噪声光的表面正反射光不会入射到装置的射出光瞳像60上的效果。该噪声光是从投影光学系统2(9)入射到扩散板25的投影光在该表面反射后的光。
并且，最好使上述曲折角(偏角)γ与入射到凹面镜24的入射角β之比γ/β满足下列条件0.01＜γ/β＜1000 …(11)进而，最好满足下列条件0.5＜γ/β＜2 …(11-1)对该条件(11-1)作进一步说明。当低于该条件的下限0.5时，透过型全息图25的曲折角就会变小。因此，在透过型全息图25上没有衍射的0次光入射到装置的射出光瞳像60。其结果导致光斑叠加到观察像中。此外，当超出上限2时，凹面镜24的偏心量变得较小。在此情况下，当入射到透过型全息图25上后，经凹面镜24反射之后，在透过型全息图25的背面，也有极其微量的光线通过菲涅尔反射被反射，再一次在凹面镜24上反射。然后，该光线入射到射出光瞳像60上。由于该光线作为光斑被观察到，因此不理想。
进而，最好是满足下列条件1＜γ/β＜1.5 …(11-2)从光斑角度考虑，这是比较理想的。
当使用扩散板25时，对显示器件1、1L、1R进行照明的光源，最好是利用单色性高的LED或LD。在此情况下，最好组合利用RGB三色。此外，使光束入射到扫描装置8、8L、8R、81、82的来源，作为光源7、7L、7R、71、72，最好也利用上述LED或LD。
以下，就本发明的投影观察装置的光学系统的实施例进行说明。
首先，对目镜光学系统4的实施例进行说明。用于本发明的投影观察装置的目镜光学系统4的实施例是实施例1至实施例3。此外，各实施例的光路图表示在图16至图18中。在各实施例中，利用从面11(物体面)到面12(像面)的逆光线跟踪来进行光线跟踪。这里，面11相当于观察者的瞳孔位置，面12相当于投影光学系统9L、9R、91、92(图2～图3、图9～图11)的射出光瞳161、162(图10)的位置。并且，实际的投影观察装置中在目镜光学系统的近旁配置有具有扩散作用的扩散面，或者具有扩散作用的扩散板。但是，在下面所示的实施例1至实施例3中，假定不存在扩散板或扩散面。
此外，各面以目镜光学系统4作为基准，以偏离其的偏心量来表示。此外，具有扩散作用的扩散面配置于目镜光学系统4的面近旁。
屏幕(目镜光学系统)的大小都是162.56×121.92mm的大小。
如图16所示，实施例1是将变形反射镜31作为目镜光学系统4的例子。
如图17所示，实施例2利用自由曲面作为反射镜32，并将其作为目镜光学系统4的例子。
如图18所示，实施例3是将菲涅尔背面反射镜33作为目镜光学系统4的例。这里，将菲涅尔背面反射镜33的入射面34作成平面，而将背面35作为菲涅尔反射面。
上述实施例1～3的结构参数将在后面说明。
其次，对投影光学系统9L、9R、91、92的实施例进行说明。用于本发明的投影观察装置的投影光学系统的实施例是实施例4和实施例5。
各实施例的光路图表示在图19至图22中。在实施例4和实施例5中，进行顺光线跟踪。亦即，按照从光源7朝向扫描面40的顺序进行光线跟踪。偏心的基准坐标是以光源7作为基准以距离它的偏心量来表示的。扫描面40的大小都是162.56×121.92mm。
实施例4表示在图19和图20中。图19是从光学系统的光源7到扫描面40的全体的Y-Z剖面内的光路图。图20是其主要部分的Y-Z剖面内的光路图。
从光源7发出的光线，经过凸平正透镜71成为大约平行的光。这里，凸平正透镜71构成了照明光学系统。此外，凸平正透镜71的第2面由非球面构成。大约平行的光束入射到扫描反射镜80上。该扫描反射镜80绕正交的两个轴转动。
由扫描反射镜80所反射的扫描光束顺序经偏心反射镜91和92反射后，在配置于远方的扫描面40上形成扫描线。这里，偏心反射镜91和92构成了投影光学系统9。此外，偏心反射镜91和92由自由曲面构成。
本实施例的扫描反射镜80绕正交的2轴(X轴、Y轴)的倾角为绕X轴的倾角是±10.9886°，绕Y轴的倾角是±13.3719°。
实施例5表示在图21和图22中。图21是从光学系统的光源7到扫描面40的全体的Y-Z剖面内的光路图。图22是其主要部分在Y-Z剖面内的光路图。
从光源7发出的光线，经过正凹凸透镜72成为大约平行的光。这里，正凹凸透镜72构成了照明光学系统。此外，正凹凸透镜72具有凹面朝向光源7侧的凹凸形状。正凹凸透镜72的第2面由非球面构成。成为大约平行的光束入射到扫描反射镜80上。该扫描反射镜80绕正交的两个轴转动。
由扫描反射镜80所反射的扫描光束，从偏心棱镜90的第1面93入射到棱镜内。这里，偏心棱镜90构成了投影光学系统9。偏心棱镜90的第2面94、第3面95由自由曲面构成。入射到棱镜内的光束由第2面94反射，继而由第3面95反射。此时，由第3面95反射的光束，与棱镜内从第1面93朝向第2面94的光路交叉。进而，从第4面96射出到棱镜外。继而，在配置于远方的扫描面40上形成扫描线。
该实施例的扫描反射镜80绕正交的2轴(X轴、Y轴)的倾角为绕X轴的倾角是±1.5924°，绕Y轴的倾角是±0.69452°。
其次，对投影光学系统2(9)的实施例6～13进行说明。投影光学系统2(9)是对射出光瞳进行扩大投影的光学系统。该投影光学系统2(9)是由凹面镜24和扩散板25组合而成的光学系统。这里，扩散板25由透过型全息图构成。此外，在实施例中，凹面镜24都由菲涅尔凹面反射镜24’构成。
此外，在各实施例中，将投影光学系统2(9)的射出光瞳16作为物体面，将装置的射出光瞳(射出光瞳16的扩大后的射出光瞳像)60作为像面。进而，光线跟踪是按照从投影光学系统2(9)的射出光瞳16的中心到装置的射出光瞳60的顺光线跟踪进行的。
实施例6的Y-Z剖面内的光路图表示在图23中。在图24中，表示用于该实施例的扩散板25的透过型全息图的摄影配置。在图25中，表示在该实施例中的射出光瞳60的位置上的射出光瞳像的重叠状态、以及0次光和表面反射光的入射位置。此时，射出光瞳像是波长400nm、波长586nm、波长700nm的像。并且，图24、图25中的数字以mm为单位。
实施例6对应于图13(b)。实施例6中，第1次入射时满足再现光入射角度条件，第2次入射时不衍射。而且，扩散板25的曲折方向是相对于相对法线的入射角衍射角变小的方向。
此外，菲涅尔凹面反射镜24’由菲涅尔背面镜构成。假设该菲涅尔背面镜的偏心量为MY、轴上主光线10的由透过型全息图25引起的偏角量为γ、入射到菲涅尔凹面反射镜24’的入射角为β，则MY＝89.27mmγ＝13.15°(在折射率为1.49的玻璃材料中)β＝7.02°(在折射率为1.49的玻璃材料中)此外，本实施例的透过型全息图25的曝光条件如图24中所示。这里，把原点作为轴上主光线10在透过型全息图25的面上的入射点。并如下定义曝光时的坐标系把全息图面作为X-Y面，把远离投影光学系统2(9)的射出光瞳16的方向作为Z轴。
这时，用于曝光的第1光源位置(X1，Y1，Z1)如下。并且，假定光源为点光源(X1，Y1，Z1)＝(0，297.11，-578.12)第2光源位置(X2，Y2，Z2)如下。此外，假定第2光源是以光源位置为中心具有φ82mm的面积的扩散面光源。
(X2，Y2，Z2)＝(0，235.57，-605.67)将按上述曝光条件制作的透过型全息图作为扩散板25使用。从而，由扩散板25所扩散的光束由菲涅尔凹面反射镜24’反射之后，在观察者瞳面成为φ60的扩大光瞳60。
实施例7的Y-Z剖面内的光路图表示在图26中。在图27中表示用于该实施例的扩散板25的透过型全息图的摄影配置。在图28中表示在该实施例中的射出光瞳60的位置上的射出光瞳像的重叠状态、以及0次光和表面反射光的入射位置。此时，射出光瞳像是波长400nm、波长586nm、波长700nm时的像。并且，图27、图28中的数字以mm为单位。
实施例7对应于图13(c)。实施例7中，第1次入射时满足再现光入射角度条件，第2次入射时不衍射。而且，扩散板25的曲折方向是相对于相对法线的入射角衍射角变大的方向。
菲涅尔凹面反射镜24’由菲涅尔背面镜构成。假设该菲涅尔背面镜的偏心量为MY、轴上主光线10的由透过型全息图25引起的偏角量为γ、入射到菲涅尔凹面反射镜24’的入射角为β，则MY＝130.46mmγ＝6.61°(在折射率为1.49的玻璃材料中)β＝10.29°(在折射率为1.49的玻璃材料中)此外，该实施例的透过型全息图25的曝光条件如图27中所示。这里，把原点作为轴上主光线10在透过型全息图25的面上的入射点。并如下定义曝光时的坐标系把全息图面作为X-Y面，把远离投影光学系统2(9)的射出光瞳16的方向作为Z轴。
这时，用于曝光的第1光源位置(X1，Y1，Z1)如下。并且，假定光源为点光源(X1，Y1，Z1)＝(0，297.11，-578.12)第2光源位置(X2，Y2，Z2)如下。假定第2光源是以光源位置为中心具有φ82mm的面积的扩散面光源。
(X2，Y2，Z2)＝(0，341.33，-553.14)将按上述曝光条件制作的透过型全息图作为扩散板25使用。从而，由扩散板25所扩散的光束，由菲涅尔凹面反射镜24’反射之后，在观察者瞳面成为φ60的扩大光瞳60。
实施例8的Y-Z剖面内的光路图表示在图29中。在图30中，表示用于该实施例的扩散板25的透过型全息图的摄影配置。在图31中，表示在该实施例中的射出光瞳60的位置上的射出光瞳像的重叠状态、以及0次光和表面反射光的入射位置。此时，射出光瞳像是波长400nm、波长586nm、波长700nm时的像。并且，图30、图31中的数字以mm为单位。
实施例8对应于图13(b)。实施例8中，第1次入射时满足再现光入射角度条件，第2次入射时不衍射。而且，扩散板25的曲折方向是相对于相对法线的入射角，衍射角变小的方向。
此外，菲涅尔凹面反射镜24’由菲涅尔背面镜构成。假设该菲涅尔背面镜的偏心量设为MY、轴上主光线10的由透过型全息图25引起的偏角量为γ、入射到菲涅尔凹面反射镜24’的入射角为β，则MY＝90.64mmγ＝14.28°(在折射率为1.62的玻璃材料中)β＝6.46°(在折射率为1.62的玻璃材料中)此外，该实施例的透过型全息图25的曝光条件如图30中所示。这里，把原点作为轴上主光线10在透过型全息图25的面上的入射点。并如下定义曝光时的坐标系把全息图面作为X-Y面，把远离投影光学系统2(9)的射出光瞳16的方向作为Z轴。
这时，用于曝光的第1光源位置(X1，Y1，Z1)如下。并且，假定光源为点光源(X1，Y1，Z1)＝(0，297.11，-578.12)此外，第2光源位置(X2，Y2，Z2)如下。并且，假定第2光源是以光源位置为中心具有φ82mm的面积的扩散面光源。
(X2，Y2，Z2)＝(0，235.70，-605.76)将按上述曝光条件制作的透过型全息图作为扩散板25使用。从而，由扩散板25所扩散的光束，由菲涅尔凹面反射镜24’反射之后，在观察者瞳面成为φ 60的扩大光瞳60。
实施例9的Y-Z剖面内的光路图表示在图32中。在图33中，表示用于该实施例的扩散板25的透过型全息图的摄影配置。在图34中，表示在该实施例中的射出光瞳60的位置上的射出光瞳像的重叠状态、以及0次光和表面反射光的入射位置。此时，射出光瞳像是波长400nm、波长586nm、波长700nm时的像。并且，图33、图34中的数字以mm为单位。
实施例9对应于图14(a)。实施例9中，第2次入射时满足再现光入射角度条件，第1次入射时不衍射。而且，扩散板25的曲折方向是相对于相对法线的入射角，衍射角变小的方向。
此外，菲涅尔凹面反射镜24’由菲涅尔背面镜构成。假设该菲涅尔背面镜的偏心量为MY、轴上主光线10的由透过型全息图25引起的偏角量为γ、入射到菲涅尔凹面反射镜24’的入射角为β，则MY＝89.27mmγ＝3.76°(在折射率为1.49的玻璃材料中)β＝10.80°(在折射率为1.49的玻璃材料中)此外，该实施例的透过型全息图25的曝光条件如图33中所示。这里，把原点作为轴上主光线10在透过型全息图25的面上的入射点。并把曝光时的坐标系设定为把全息图面作为X-Y面，把远离投影光学系统2(9)的射出光瞳16的方向作为Z轴。
这时，用于曝光的第1光源位置(X1，Y1，Z1)如下。并且，假定光源为点光源(X1，Y1，Z1)＝(0，0，-450)此外，第2光源位置(X2，Y2，Z2)如下。并且，假定第2光源是以光源位置为中心具有φ60mm的面积的扩散面光源。
(X2，Y2，Z2)＝(0，-41.73，-424.62)将按上述曝光条件制作的透过型全息图作为扩散板25使用。从而，由菲涅尔凹面反射镜24’反射之后，由扩散板25所扩散的光束，在观察者瞳面成为φ60的扩大光瞳60。
实施例10的Y-Z剖面内的光路图表示在图35中。在图36中，表示用于该实施例的扩散板25的透过型全息图的摄影配置。在图37中，表示在该实施例中的射出光瞳60的位置上的射出光瞳像的重叠状态、以及0次光和表面反射光的入射位置。此时，射出光瞳像是波长400nm、波长550nm、波长650nm时的像。并且，图36、图37中的数字以mm为单位。
实施例10对应于图13(b)。实施例10中，第1次入射时满足再现光入射角度条件，第2次入射时不衍射。而且，扩散板25的曲折方向是相对于相对法线的入射角，衍射角变小的方向。
此外，菲涅尔凹面反射镜24’由菲涅尔背面镜构成。假设该菲涅尔背面镜的偏心量为MY、轴上主光线10的由透过型全息图25引起的偏角量为γ、入射到菲涅尔凹面反射镜24’的入射角为β，则MY＝43.23mmγ＝15.00°(在折射率为1.4924的玻璃材料中)β＝3.36°(在折射率为1.4924的玻璃材料中)此外，该实施例的透过型全息图25的曝光条件如图36(a)中所示。这里，把原点作为轴上主光线10在透过型全息图25的面上的入射点。并把曝光时的坐标系设定为把全息图面作为X-Y面，把远离投影光学系统2(9)的射出光瞳16的方向作为Z轴。
其次，将全息图的尺寸表示在图36(b)中。这里，采用了纵×横为190mm×250mm的全息图。
此外，用于曝光的第1光源位置(X1，Y1，Z1)如下。并且，假定光源为点光源(X1，Y1，Z1)＝(0，297.11，-578.12)此外，第2光源中心位置(X2，Y2，Z2)如下。此外，如图36(c)所示，假定第2光源是具有纵×横为144.7mm×86.67mm面积的扩散面光源。
(X2，Y2，Z2)＝(0，136.36，-635.53)将按上述曝光条件制作的透过型全息图作为扩散板25使用。从而，由扩散板25所扩散的光束由菲涅尔凹面反射镜24’反射之后，如图37所示，成为纵×横为60mm×60mm的正方形的扩大光瞳60。并且，该范围是在观察者瞳面能够进行颜色再现性良好的观察的射出光瞳范围。而且，可得到其中的φ60的圆形光瞳。
在本实施例中，瞳的色像差为40.2mm。该色像差是波长450nm的射出光瞳像与波长650nm的射出光瞳像的偏移量。
并且，本实施例中，在将透过型全息图进行曝光时，使用了长方形的光源作为扩散面光源。并且射出光瞳为正方形。这样，因为能够使观察者观察颜色再现性良好的显示图像的范围比圆形光瞳的情况宽，因此较为理想。
下面的实施例11～实施例13的情况也是如此。
实施例11的Y-Z剖面内的光路图表示在图38中。在图39中，表示用于该实施例的扩散板25的透过型全息图的摄影配置。在图40中，表示在该实施例中的射出光瞳60的位置上的射出光瞳像的重叠状态、以及0次光和反射光的入射位置。此时，射出光瞳像是波长400nm、波长550nm、波长650nm时的像。并且，图39、图40中的数字以mm为单位。
实施例11对应于图14(a)。实施例11中，第2次入射时满足再现光入射角度条件，第1次入射时不衍射。而且，扩散板25的曲折方向是相对于相对法线的入射角，衍射角变小的方向。
此外，菲涅尔凹面反射镜24’由菲涅尔背面镜构成。假设该菲涅尔背面镜的偏心量为MY、轴上主光线10的由透过型全息图25引起的偏角量为γ、入射到菲涅尔凹面反射镜24’的入射角为β，则MY＝49.77mmγ＝12.30°(在折射率为1.4924的玻璃材料中)β＝12.60°(在折射率为1.4924的玻璃材料中)此外，该实施例的透过型全息图25的曝光条件如图39(a)中所示。这里，把原点作为轴上主光线10在透过型全息图25的面上的入射点。并把曝光时的坐标系设定为把全息图面作为X-Y面，把远离投影光学系统2(9)的射出光瞳16的方向作为Z轴。
其次，将全息图的尺寸表示在图39(b)中。这里，采用了纵×横为190mm×250mm的全息图。
此外，用于曝光的第1光源位置(X1，Y1，Z1)如下。并且，假定光源为点光源(X1，Y1，Z1)＝(0，-96.13，-439.65)此外，第2光源中心位置(X2，Y2，Z2)如下。并且，如图39(c)所示，假定第2光源是具有纵×横为112mm×60mm面积的扩散面光源。
(X2，Y2，Z2)＝(0，0，-450.00)将按上述曝光条件制作的透过型全息图作为扩散板25使用。从而，由菲涅尔凹面反射镜24’反射之后，由扩散板25所扩散的光束，如图40所示，成为纵×横为60mm×60mm的正方形的扩大光瞳60。并且，该范围是在观察者瞳面能够进行颜色再现性良好的观察的射出光瞳范围。而且，可得到其中的φ60的圆形光瞳。
在本实施例中，瞳的色像差为52mm。该色像差是波长450nm的射出光瞳像与波长650nm的射出光瞳像的偏移量。
实施例12的Y-Z剖面内的光路图表示在图41中。在图42中，表示用于该实施例的扩散板25的透过型全息图的摄影配置。在图43中，表示在该实施例中的射出光瞳60的位置上的射出光瞳像的重叠状态、以及0次光和表面反射光的入射位置。此时，射出光瞳像是波长400nm、波长550nm、波长650nm时的像。并且，图42、图43中的数字以mm为单位。
实施例12对应于图13(c)。实施例12中，第1次入射时满足再现光入射角度条件，第2次入射时不衍射。进而，扩散板25的曲折方向是相对于相对法线的入射角，衍射角变大的方向。
此外，菲涅尔凹面反射镜24’由菲涅尔背面镜构成。假设该菲涅尔背面镜的偏心量为MY、轴上主光线10的由透过型全息图25引起的偏角量为γ、入射到菲涅尔凹面反射镜24’的入射角为β，则MY＝157.23mmγ＝15.00°(在折射率为1.4924的玻璃材料中)β＝12.57°(在折射率为1.4924的玻璃材料中)此外，该实施例的透过型全息图25的曝光条件如图42(a)中所示。这里，把原点作为轴上主光线10在透过型全息图25的面上的入射点。并把曝光时的坐标系设定为把全息图面作为X-Y面，把远离投影光学系统2(9)的射出光瞳16的方向作为Z轴。
其次，将全息图的尺寸表示在图42(b)中。这里，采用了纵×横为190mm×250mm的全息图。
此外，用于曝光的第1光源位置(X1，Y1，Z1)如下。并且，假定光源为点光源(X1，Y1，Z1)＝(0，297.11，-578.12)此外，第2光源中心位置(X2，Y2，Z2)如下。并且，如图42(c)所示，假定第2光源是具有纵×横为144.44mm×86.67mm面积的扩散面光源。
(X2，Y2，Z2)＝(0，435.32，-482.72)将按上述曝光条件制作的透过型全息图作为扩散板25使用。从而，由扩散板25所扩散的光束由菲涅尔凹面反射镜24’反射之后，如图43所示，成为纵×横为60mm×60mm的正方形的扩大光瞳60。并且，该范围是在观察者瞳面能够进行颜色再现性良好的观察的射出光瞳范围。而且，可得到其中φ60的圆形光瞳。
本实施例中，瞳的色像差为40mm。并且，该色像差是波长450nm的射出光瞳像与波长650nm的射出光瞳像的偏移量。
实施例13的Y-Z剖面内的光路图表示在图44中。在图45中，表示用于该实施例的扩散板25的透过型全息图的摄影配置。在图46中，表示在该实施例中的射出光瞳60的位置上的射出光瞳像的重叠状态、以及0次光和表面反射光的入射位置。此时，射出光瞳像是在波长400nm、波长550nm、波长650nm时的像。并且，图45、图46中的数字以mm为单位。
实施例13对应于图14(b)。实施例13中，第2次入射时满足再现光入射角度条件，第1次入射时不衍射。而且，扩散板25的曲折方向是相对于相对法线的入射角，衍射角变大的方向。
此外，菲涅尔凹面反射镜24’由菲涅尔背面镜构成。假设该菲涅尔背面镜的偏心量为MY、轴上主光线10的由透过型全息图25引起的偏角量为γ、入射到菲涅尔凹面反射镜24’的入射角为β，则MY＝171.54mmγ＝15.00°(在折射率为1.4924的玻璃材料中)β＝2.88°(在折射率为1.4924的玻璃材料中)此外，该实施例的透过型全息图25的曝光条件如图45(a)中所示。这里，把原点作为轴上主光线10在透过型全息图25的面上的入射点。并把曝光时的坐标系设定为把全息图面作为X-Y面，把远离投影光学系统2(9)的射出光瞳16的方向作为Z轴。
其次，将全息图的尺寸表示在图45(b)中。这里，采用了纵×横为190mm×250mm的全息图。
此外，用于曝光的第1光源位置(X1，Y1，Z1)如下。并且，假定光源为点光源(X1，Y1，Z1)＝(0，116.62，-434.63)此外，第2光源中心位置(X2，Y2，Z2)如下。并且，如图45(c)所示，假定第2光源是具有纵×横为128mm×60mm面积的扩散面光源。
(X2，Y2，Z2)＝(0，0，-450.00)将按上述曝光条件制作的透过型全息图作为扩散板25使用。从而，由菲涅尔凹面反射镜24’反射之后，由扩散板25所扩散的光束，如图46所示，成为纵×横为60mm×60mm的正方形的扩大光瞳60。并且，该范围是在观察者瞳面能够进行颜色再现性良好的观察的射出光瞳范围。而且，可得到其中的φ60的圆形光瞳。
在本实施例中，瞳的色像差为68mm。并且，该色像差是波长450nm的射出光瞳像与波长650nm的射出光瞳像的偏移量。
在实施例6～9中，在装置的射出光瞳60的位置上，波长700nm的光轴与波长400nm的光轴的入射位置之差小于等于射出光瞳的光瞳直径的1/2。亦即，RGB的瞳所重叠的范围扩大。而且，可以看出，0次光和在全息图上的表面反射光未入射在该范围中。因此，能够进行颜色再现性良好的观察的射出光瞳范围扩大。这可以从图25、图28、图31、图34看出。
此外，在实施例10～13中，在装置的射出光瞳60的位置上，波长650nm的光轴与波长650nm的光轴的入射位置之差(色像差)小于等于射出光瞳的光瞳直径的大约1/2。亦即，RGB的瞳所重叠的范围扩大(都在纵×横为60mm×60mm的正方形的范围内)。而且，可以看出，0次光和在全息图上的表面反射光未入射在该范围中。因此，能够进行颜色再现性良好的观察的射出光瞳范围扩大。这可以从图37、图40、图43、图46看出。
并且，与实施例6～9比较，实施例10～13将0次光的入射位置设定在离扩大光瞳60更远的位置。
下面说明上述实施例1～13的结构参数。如上所述，在实施例1～3中，把从物体面11的中心发出，通过光阑面(配置在目镜光学系统4的入射面位置上)中心到达像面12的中心的光线，定义为轴上主光线10。此外，在实施例4～5中，把从光源7中心发出，通过形成光学系统的光瞳的扫瞄镜80的中心到达扫瞄面40的光线，定义为轴上主光线10。在实施例6～13中，把从投影光学系统2(9)的射出光瞳16的中心发出，通过扩散板25的中心到达装置的射出光瞳60中心的光线，定义为轴上主光线10。
在实施例1～3中，在逆光线跟踪时，以光阑面中心为原点，以光阑面为X-Y面，以垂直于光阑面的方向为Z轴方向，以朝向目镜光学系统4的背面方向为Z轴正方向。在实施例4～5中，在顺光线跟踪时，以光源7的中心为原点，以轴上主光线10的行进方向为Z轴正方向，以投影光学系统9的偏心面为Y-Z面。在实施例6～13中，在顺光线跟踪时，以投影光学系统2(9)的射出光瞳16的中心为原点，以瞳面为X-Y面，以垂直于瞳面的轴上主光线10的行进方向为Z轴正方向。
进而，对于偏心面给定偏心量和倾斜角，偏心量是指从光学系统的原点到该面的面顶位置的偏心量，倾斜角是指分别以该面的中心轴X轴、Y轴、Z轴作为中心的倾斜角(分别为α、β、γ(°))。
这里，将X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的偏心量分别设为X、Y、Z。此外，自由曲面的中心轴是上述(a)式的Z轴；非球面的中心轴是下述(b)式的Z轴；变形面的中心轴是下述(c)式的Z轴。
在此情况下，α和β为正意味着相对于各自的轴的正方向的反时针旋转方向，γ为正意味着相对于Z轴的正方向的顺时针旋转方向。并且，使面的中心轴旋转α、β、γ的方式如下将面的中心轴和其XYZ直角坐标系首先绕X轴沿反时针旋转方向旋转α，其次，绕新坐标系的Y轴旋转，使该旋转后的面的中心轴沿反时针旋转方向旋转β，并使旋转过1次的坐标系也绕Y轴反时针旋转β，继而，将旋转过2次的面的中心轴绕新坐标系的Z轴顺时针旋转γ。
此外，在本发明中所用的自由曲面的面的形状，例如可以是由专利文献7(专利文献8)的(a)式定义的自由曲面，该定义式的Z轴为自由曲面的轴。
此外，非球面是按以下的定义式给定的旋转对称非球面。
Z=Y2R1+1-(1+k)Y2R2+AY4+BY6+CY8+DY10+......----(b)]]>其中，Z为以光的行进方向为正方向的光轴(轴上主光线)，Y为垂直于光轴的方向。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轴为旋转对称非球面的轴。
此外，变形面的形状由下式定义。通过面形状的原点并垂直于光学面的直线为变形面的轴。
Z=CxX2+CyY21+1-(1+Kx)Cx2X2-(1+Ky)Cy2Y2+ΣRn((1-Pn)X2+(1+Pn)Y2)n+1]]>这里，作为例子，考虑n＝4(4次项)的情况展开时，可用下述式(c)来表示。
Z=CxX2+CyY21+1-(1+Kx)Cx2X2-(1+Ky)Cy2Y2]]>+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----(c)]]>其中，Z是距离面形状的原点的切平面的偏移量，Cx是X轴方向曲率，Cy是Y轴方向曲率，Kx是X轴方向圆锥系数，Ky是Y轴方向圆锥系数，Rn是非球面项旋转对称成分，Pn是非球面项旋转非对称成分。并且，在X轴方向曲率半径Rx、Y轴方向曲率半径Ry与曲率Cx、Cy之间，存在下列关系Rx=1Cx,]]>Ry=1Cy]]>并且，与未记录数据的自由曲面有关的项为0。折射率表示对d线(波长587.56nm)的测量值。长度的单位为mm。
以下，表示上述实施例1～13的结构参数。并且，下列表中的“FFS”表示自由曲面，“ASS”表示非球面，“ANM”表示变形面，“FL”表示菲涅尔面，“RE”表示反射面，“SM”表示扫描反射镜，“HOE”表示透过型全息图，“PIM”表示图像投影面。
实施例1面编号曲率半径面间隔偏心折射率阿贝数物体面∞偏心(1)1 ANM(1)(光阑面，RE)像面 ∞偏心(2)ANM(1)Rx-502.13Kx1.0632×10+1R1 5.3570×10-1R2 6.9470×10-1Ry-399.96Ky1.0632×10+1P1 1.0015×10-8P2 1.9188×10-13偏心(1)X -500.00Y 150.38Z -852.87α -10.00 β -30.00γ 0.00偏心(2)X 150.00 Y -45.12Z -255.86α 10.00 β30.00 γ0.00
实施例2面编号 曲率半径面间隔偏心折射率阿贝数物体面∞ 偏心(1)1 FFS(1)(光阑面，RE)像面 ∞ 偏心(2)FFS(1)C4 -9.4100×10-4C6-1.2455×10-3偏心(1)X -500.00 Y 150.38Z -852.87α -10.00β -30.00γ 0.00偏心(2)X 150.00Y -45.12Z -255.86α10.00 β30.00 γ 0.00实施例3面编号曲率半径面间隔偏心折射率阿贝数物体面∞偏心(1)1 ∞(光阑面) 1.516364.12 ASS(1)(RE，FL)偏心(2) 1.516364.13 ∞像面 ∞偏心(3)ASS(1)R -1039.03K 9.3942×10+1A -4.0647×10-8B 5.7192×10-12偏心(1)X -500.00 Y 150.38 Z -852.87α -10.00 β -30.00 γ 0.00
偏心(2)X0.00Y-0.07Z2.00α -0.49β0.00 γ0.00偏心(3)X150.00 Y-45.12 Z -255.86α 10.00β 30.00 γ0.00实施例4面编号曲率半径面间隔偏心 折射率阿贝数物体面∞1 1.36 偏心(1) 1.516364.12 ASS(1) 偏心(2)3 ∞(光阑面，SM) 偏心(3)4 FFS(1)(RE) 偏心(4)5 FSS(2)(RE) 偏心(5)像面 ∞ 偏心(6)ASS(1)R ∞K -6.4654×10+6A 1.4044×10-1B -2.8953×10-1FFS(1)C4 -7.9957×10-3C6 -1.5691×10-2C8 -8.7517×10-3C10-9.2783×10-4C11 -8.7817×10-4C8 -5.7719×10-4C15-3.5738×10-5FFS(2)C4 -9.5591×10-3C6 -1.0370×10-2C8 -1.0324×10-3C10-2.0894×10-4C11 -6.6411×10-6C13 -1.7961×10-5C15-2.8612×10-6
偏心(1)X 0.00 Y 0.00 Z 2.80α0.00 β 0.00 γ 0.00偏心(2)X 0.00 Y 0.00 Z 3.80α 0.00 β 0.00 γ0.00偏心(3)X 0.00 Y 0.00 Z 5.80α 45.00 β 0.00 γ0.00偏心(4)X 0.00 Y -2.00 Z 5.80α -45.00β 0.00γ 0.00偏心(5)X 0.00 Y -2.00 Z 8.00α -45.00 β 0.00 γ0.00偏心(6)X 0.00 Y -292.00Z 8.00α 0.00 β 0.00 γ0.00实施例5面编号曲率半径面间隔偏心 折射率阿贝数物体面∞1 -4.6344 偏心(1) 1.516364.12 ASS(1)偏心(2)3 ∞(光阑面，SM)偏心(3)4 ∞偏心(4) 1.516364.15 FSS(1)(RE)偏心(5) 1.516364.16 FSS(2)(RE)偏心(6) 1.516364.17 ∞偏心(7)
像面 ∞偏心(8)ASS(1)R -1.06K -5.4859×10-1A 2.2734×10-2B 5.2264×10-3FFS(1)C4-7.3742×10-2C6 -1.3926×10-1C8 -1.2695×10-2C101.3989×10-3C11 -1.1007×10-2C13 -6.4887×10-2C15 -7.2394×10-3FFS(2)C42.5914×10-1C6 -1.4332×10-2C8 -1.1310×10-2C10 -2.9605×10-4C11 3.4328×10-4C13 -2.9433×10-2C15 -2.0034×10-4偏心(1)X 0.00Y 0.00Z 2.80α0.00β0.00γ0.00偏心(2)X 0.00Y 0.00Z 3.80α0.00β0.00γ0.00偏心(3)X 0.00Y 0.00Z 5.80α 45.00β 0.00γ0.00偏心(4)X 0.00Y -1.00 Z 5.80α 90.00β0.00γ0.00偏心(5)X 0.00Y -6.00 Z 5.80α 112.50 β 0.00γ 0.00
偏心(6)X 0.00 Y -4.00 Z 3.80α 157.50 β 0.00γ0.00偏心(7)X 0.00 Y -4.00 Z 7.80α0.00 β 0.00 γ0.00偏心(8)X 0.00 Y -4.00 Z 288.86α0.00 β 0.00 γ0.00实施例6面编号 曲率半径面间隔偏心折射率阿贝数物体面 ∞1 HOE 偏心(1) 1.49 57.42 ∞(PIM) 偏心(2) 1.49 57.43 ASS(1)(RE，FL)偏心(3) 1.49 57.44 ∞偏心(1)像面∞偏心(4)ASS(1)R -816.43K -2.0000×10-6A 1.4845×10-11B -5.8165×10-15C 2.3649×10-19D -1.5631×10-24偏心(1)X 0.00 Y 0.00 Z 650.00α27.2 β 0.00γ 0.00偏心(2)
X 0.00Y 0.46 Z 650.89α27.2β0.00 γ0.00偏心(3)X 0.00Y MY Z 604.70α27.2β0.00 γ0.00偏心(4)X 0.00Y -205.69 Z 249.76α27.2β0.00 γ0.00实施例7面编号曲率半径面间隔偏心折射率阿贝数物体面∞1 HOE 偏心(1) 1.49 57.42 ∞(PIM) 偏心(2) 1.49 57.43 ASS(1)(RE，FL)偏心(3) 1.49 57.44 ∞偏心(1)像面 ∞偏心(4)ASS(1)R -816.43K -2.0000×10-6A 1.4845×10-11B -5.8165×10-15C 2.3649×10-19D -1.5631×10-24偏心(1)X 0.00 Y 0.00Z 650.00α27.2 β0.00γ0.00偏心(2)X 0.00 Y 0.46Z 650.89
α27.2β 0.00γ0.00偏心(3)X 0.00Y MY Z 584.08α27.2β 0.00γ0.00偏心(4)X 0.00Y -205.69Z 249.76α27.2β 0.00γ0.00实施例8面编号曲率半径面间隔偏心折射率阿贝数物体面∞1 HOE 偏心(1) 1.62 23.92 ∞(PIM) 偏心(2) 1.62 23.93 ASS(1)(RE，FL)偏心(3) 1.62 23.94 ∞偏心(1)像面 ∞偏心(4)ASS(1)R -835.62K 0.0332A 4.8760×10-9B -2.5964×10-13C 6.8805×10-18D -6.6177×10-23偏心(1)X 0.00 Y 0.00 Z 650.00α27.2 β 0.00 γ0.00偏心(2)X 0.00 Y 0.46 Z 650.89α27.2 β 0.00 γ0.00
偏心(3)X 0.00 Y MYZ 604.54α27.2 β 0.00 γ0.00偏心(4)X 0.00 Y -205.69 Z 249.76α27.2 β 0.00 γ0.00实施例9面编号曲率半径面间隔偏心折射率阿贝数物体面∞1 ∞偏心(1) 1.49 57.42 ∞(PIM) 偏心(2) 1.49 57.43 ASS(1)(RE，FL)偏心(3) 1.49 57.44 HOE 偏心(1)像面 观察者瞳面∞ 偏心(4)ASS(1)R -816.43K -2.0000×10-6A 1.4845×10-11B -5.8165×10-15C 2.3649×10-19D -1.5631×10-24偏心(1)X 0.00 Y 0.00Z 650.00α27.2 β 0.00 γ0.00偏心(2)X 0.00 Y 0.46Z 650.89α27.2 β 0.00 γ0.00偏心(3)
X 0.00 Y MY Z 604.70α27.2 β 0.00γ0.00偏心(4)X 0.00 Y -205.69Z 249.76α27.2 β 0.00γ0.00实施例10面编号曲率半径面间隔偏心折射率阿贝数物体面∞1 HOE 偏心(1) 1.4924 57.62 ∞(PIM) 偏心(1) 1.4924 57.63 ASS(1)(RE，FL)偏心(2) 1.4924 57.64 ∞偏心(1)像面 ∞偏心(3)ASS(1)R -794.83K -5.3753×10A 1.0973×10-6B 2.4736×10-11C -2.7488×10-16偏心(1)X 0.00 Y 0.00Z 650.00α25.00β 0.00 γ0.00偏心(2)X 0.00 Y MY Z 630.94α25.00β 0.00 γ0.00偏心(3)X 0.00 Y -190.18 Z 242.16α25.00β 0.00 γ0.00
实施例11面编号曲率半径面间隔偏心 折射率阿贝数物体面∞1 ∞(PIM) 偏心(1) 1.492457.62 ASS(1)(RE，FL)偏心(2) 1.492457.63 ∞偏心(1)4 HOE 偏心(1) 1.492457.6像面 ∞偏心(3)ASS(1)R -792.61K 0.0000A 3.70000×10-9B -2.3710×10-13C 5.4398×10-18偏心(1)X0.00 Y 0.00Z 650.00α 25.00 β 0.00γ 0.00偏心(2)X0.00 Y MY Z 627.89α 25.00 β0.00 γ0.00偏心(3)X0.00 Y -190.18 Z 242.16α 25.00 β0.00 γ0.00实施例12面编号曲率半径面间隔偏心折射率阿贝数物体面∞1HOE偏心(1) 1.492457.6
2∞(PIM) 偏心(1) 1.492457.63ASS(1)(RE，FL) 偏心(2) 1.492457.64∞ 偏心(1)像面 ∞ 偏心(3)ASS(1)R-407.45K-5.8103×10A-7.5130×10-7B7.5802×10-12C-3.1478×10-17偏心(1)X 0.00Y 0.00 Z 650.00α 25.00β 0.00 γ0.00偏心(2)X 0.00Y MY Z 577.79α 25.00β 0.00 γ0.00偏心(3)X 0.00Y -190.18 Z 242.16α 25.00β 0.00 γ0.00实施例13面编号曲率半径面间隔偏心 折射率阿贝数物体面∞1 ∞(PIM) 偏心(1) 1.492457.62 ASS(1)(RE，FL)偏心(2) 1.492457.63 ∞偏心(1)4 HOE 偏心(1) 1.492457.6像面 ∞偏心(3)ASS(1)
R-763.19K-2.3408A-1.8903×10-8B1.4268×10-13C-4.9692×10-19偏心(1)X 0.00 Y 0.00 Z 650.00α 25.00 β 0.00 γ0.00偏心(2)X 0.00 Y MY Z 571.11α 25.00 β 0.00 γ0.00偏心(3)X 0.00 Y -190.18 Z 242.16α 25.00 β 0.00 γ0.00其次，以具有图1结构的投影观察装置为例，对将本发明的投影观察装置作为立体观察装置的实施例进行说明。
图47表示将图1所示结构的投影观察装置作为立体观察装置时的一个示例图。这里，图47(a)是透过型立体观察装置的概略结构图，图47(b)是反射型立体观察装置的概略结构图。并且，在图47(b)中，为方便起见，只表示了右眼用结构而省略了左眼用结构。
图47(a)、(b)所示的立体观察装置具有如下结构显示器件1L、1R；投影光学系统2L、2R；目镜光学系统4；扩散板5(图47中省略其图示)。
投影光学系统2L、2R将由显示器件1L、1R所显示的影像投影到观察者一侧。此时，构成光学系统，使得所投影的影像投影到同一显示面上。目镜光学系统4配置于同一显示面的近旁。而且，把投影光学系统2L、2R的射出光瞳16L、16R投影到观察者一侧。观察者通过使瞳孔EL、ER与所投影的射出光瞳像的位置相一致，可以观察显示在显示器件1L、1R上的影像。扩散板5具有扩大观察用光瞳的作用。此外，目镜光学系统4和扩散板5配置在显示面位置。
显示面位置为由投影光学系统2L、2R所投影的显示器件1L、1R的影像的成像位置。而且，作为配置于该成像位置的目镜光学系统4，在透过型立体观察装置(图47(a))中设有菲涅尔透镜。而在反射型立体观察装置(图47(b))中设有菲涅尔反射镜。
使菲涅尔反射镜以及两个射出光瞳16L、16R的像成像到观察者一侧。菲涅尔透镜也是如此。由于这些菲涅尔面配置在显示面位置(或其近旁)，因此，所投影的影像图像质量不会劣化。此外，与凹面镜不同，其配置为平板状。
图48是表示在上述立体观察装置中，射出光瞳像(观察用光瞳)的扩大原理说明图。并且，在图48中，采用了透过型立体观察装置的结构。
在平面状的显示面位置或其近旁，与目镜光学系统4一起还配置有扩散板5。在图48中，目镜光学系统4具有将左右投影光学系统2L、2R的射出光瞳16L、16R成像在观察者一侧的规定位置。在此情况下，射出光瞳16L、16R的光瞳直径φ0投影为φ0′大小。
该规定位置是观察者的眼球(瞳孔)EL、ER所在的位置。这里，扩散板5通过其扩散作用，把本来应以φ0′的大小成像的6L、6R的光瞳像(左右投影光学系统2L、2R的射出光瞳16L、16R的像)扩大到φ1大小。并且，设定由扩散板5所扩大的左右射出光瞳像60L、60R，使它们在距离L的观察位置不会重叠。这是为了防止串扰的发生。由于只通过1次设置在显示面位置的扩散板5，因此在透过型立体观察装置中该扩散板5的扩散作用只作用1次。另一方面，由于反射型立体观察装置(图48未图示)中2次透过设置在显示面位置的扩散光学系统，因此作用2次。
图49是根据本发明的立体观察装置的一个实施例的示意图。图49(a)是从上方看见的概略结构图，图49(b)是图49(a)的侧视图。本实施例的立体观察装置为透过型。在显示面位置配置有目镜光学系统4。目镜光学系统4将投影光学系统2L、2R的射出光瞳16L、16R投影到观察者一侧。通过使观察者的眼球(瞳孔)EL、ER与该投影的位置相一致，观察者可对影像进行观察。
这里，作为目镜光学系统4，在观察者一侧使用了朝向菲涅尔面4a的菲涅尔透镜。在该菲涅尔透镜4的近旁，配置有用于扩大光瞳的扩散板5，由这些部件构成了透过型显示板。本实施例中，菲涅尔透镜面4a配置在由投影光学系统2L、2R所投影的投影像的成像位置。因此，不会发生由菲涅尔透镜面4a引起的图像质量的劣化。扩散板5的扩散面5a设置在菲涅尔透镜4的菲涅尔透镜面4a侧。扩散面5a配置在靠近菲涅尔透镜面4a的位置，以减少模糊和抑制图像质量的劣化。
此外，在本实施例中，透过型显示板用偏心光学系统来构成。亦即，菲涅尔透镜面4a为偏心菲涅尔透镜面，如图49(b)所示，菲涅尔透镜面4a的光轴位于中心的下侧。并且，菲涅尔透镜面4a具有正折射力。
如本实施例所述，当用偏心光学系统来构成透过型显示板时，显示板面本身不必变厚。因此，显示板的配置不会造成妨碍。并且，如本实施例所述，尽量接近地配置扩散面5a和菲涅尔面4a可以减少图像质量的劣化，因而比较理想。
图50是根据本发明的立体观察装置的另一个实施例的示意说明图。图50(a)是斜视图，图50(b)是侧视图。
本实施例的立体观察装置为反射型。而且，显示板设置有目镜光学系统4和用于扩大光瞳的扩散板5。具体来说，目镜光学系统4是菲涅尔反射镜4。目镜光学系统4将投影光学系统2L、2R的射出光瞳16L、16R投影到观察者一侧。观察者通过使瞳EL、ER与该投影的位置相一致，可对影像进行观察。
顺便说明一下，在反射型立体观察装置的情况下，必须配置各光学部件，使投影光学系统2L、2R与观察者的脸不会发生干涉。此外，观察者从正面观察显示板时，比较容易观察。因此，在本实施例中，使入射到显示板中心的投影光的入射光轴与从显示板中心射出的光线的出射光轴之间具有角度θ。此外，使菲涅尔反射镜4的光轴相对于显示板的中心沿上下方向(在图50中为上方向)偏心。
图51是把图50的实施例更加具体化的示例的侧视图。在图51的实施例中，在投影光学系统2R(2L)中采用球面透镜系统，并将显示器件1R(1L)配置在与透镜的光轴偏心的位置。通过这样作，投影光学系统2R(2L)就不会与观察者的脸发生干涉。显示板相对于观察者的眼和投影光学系统2R(2L)垂直配置。此外，采用非球面的菲涅尔反射镜作为显示板面。
并且，如上所述，最好是采用使观察者从正面观察显示板的结构，但在本实施例中，即使在显示板倾斜±30°的位置也可以使用。如果是倾斜±15°左右的话，可以观察到良好的影像。
图52是图51的实施例的变形例的示意图，是从侧面所看到的概略结构图。在图52中，观察者的视线固定在水平方向。在本实施例中，显示板和观察者眼球(瞳孔)ER(EL)的位置关系由下列两个量来决定。(1)显示板面的倾斜角度。(2)设置于显示板面的偏心菲涅尔透镜面的光轴的偏心量。通过将该两个量组合起来进行调整，能够以最佳状态进行观察。并且，投影光学系统2R(2L)相对于显示板面垂直配置。并且，在图52中，符号17是支撑臂，支撑臂17支撑着两个投影光学系统2R(2L)、显示器件1R(1L)以及显示板。此外，显示板面的倾斜角度α是连接显示板中心和观察者的瞳孔之间的连线与从显示板中心引出的垂线之间的夹角，从容易观察的观点来说，最好是将其设为小于等于±30°。
图52(a)的立体观察装置的显示板面的倾斜角度α为0°。图52(b)、(c)的立体观察装置的显示板面的倾斜角度α小于等于30°。并且，在图52的实施例中，与(c)的结构相比，(a)或(b)的结构由于易观看比较自然和成像作用的偏心量较少而更为有利。
其次，对用于本发明的立体观察装置的显示板的具体结构例进行说明。
图53是可应用于本发明的反射型立体观察装置的反射型显示板的实施例的示意图。这里，图53(a)是斜视图，图53(b)是从侧面看到的概略结构图。本实施例的显示板由菲涅尔面4a和由随机配置有凹面的扩散面5a形成一体来构成。具体来说，例如，利用菲涅尔面用的模具以及散射面用的随机配置的凹面模具，从两侧对聚碳酸酯或丙烯等塑料树脂进行加压使其一体成型。然后，在菲涅尔面4a上涂覆铝膜作为反射膜，然后，在其上涂布黑色涂料作为防护膜。
显示板的菲涅尔面4a具有对两个投影光学系统2L、2R的射出光瞳16L、16R的像进行成像的作用。因此，观察者可以使眼球(瞳孔)与该成像位置一致来观察影像。此外，扩散面5a具有扩大观察用的光瞳的作用。因此，观察者的眼球(瞳孔)即使多少偏离成像位置，也可以与一致时同样来观察影像。
并且，图53所示的本实施例的显示板作为偏心菲涅尔背面镜构成。这里，对表面镜与背面镜的菲涅尔面4a的曲率半径R进行考虑。
构成为背面镜时的曲率半径R为R＝2n·f构成为表面镜时的曲率半径R为R＝2f这里，n是折射率，f是焦点距离。
这样，用背面镜构成时可以加大菲涅尔面的曲率半径R。因此，有利于减少光瞳成像时的像差的发生。
而且，本实施例的显示板中，菲涅尔面4a由越接近周边曲率半径越大的非球面菲涅尔面构成。当采用这样的结构时，可以利用非球面来进一步减少和抑制观察用光瞳在成像时产生的像差，因此十分有利。
图54是反射型显示板的另一实施例的示意图。这里，图54(a)是从侧面所见的概略结构图，图54(b)是扩散装置的扩大图。本实施例的显示板代替图53所示的随机配置有凹面的扩散面5a，如图54(b)所示，作为扩散装置，在菲涅尔面4a上一体形成微小的凹面5b。并且，在菲涅尔面4a上涂覆有反射膜，构成背面菲涅尔反射镜。此外，本实施例中，显示板表面为平面，可以很容易地涂覆反射防止膜。
这样，根据本实施例的反射型显示板，实现成像作用的菲涅尔面4a和实现扩散作用的微小的凹面5b形成于同一背面。因此，图53所示的反射型显示板通常要2次通过扩散面，而本实施例的投影光只通过1次扩散面，因此只接受1次扩散作用。其结果就相应地难以产生模糊，可以减少和抑制图像质量的劣化。
图55是反射型显示板的另一实施例的示意图，是从侧面所见的概略结构图。本实施例的显示板在用菲涅尔表面镜构成目镜光学系统4，并用扩散板5来构成扩散装置。而且，把菲涅尔面4a与形成于扩散板5表面的具有扩散性的凹凸面5b′对置接近配置。
根据本实施例的显示板，菲涅尔反射镜面4a形成于表面，可以使它与具有扩散性的凹凸面5b′尽可能地紧贴。因此，可以尽量地减少和抑制由于2次通过扩散面所产生的模糊。并且，本实施例的显示板除了使表面菲涅尔反射镜4与扩散板5紧贴之外，也可以代替扩散板，将扩散性薄膜张贴在表面菲涅尔反射镜上。
图56是反射型显示板的另一实施例的示意图，它是从侧面所见的概略结构图。本实施例的显示板代替在图53的实施例所示的在偏心菲涅尔背面镜表面形成微小的凹凸面，采用粘合扩散性薄膜5c来构成。并且，扩散性薄膜5c既可以用内部散射式的薄膜，也可以用通过在表面形成的凹凸进行散射的薄膜。
其次，对本发明的投影观察装置的各种形式进行示例。这里，可采用凹面镜、菲涅尔反射镜等反射型镜作为目镜光学系统。可采用由凹凸面或粗糙面构成的扩散板，或者采用由透过型全息图构成的扩散板作为配置在目镜光学系统前面的扩散板。在显示板上，用图1或图2那样的配置进行投影并显示。
此外，在以下说明中，假定将反射型目镜光学系统与扩散板的组合作为显示板100。此外，如图1所示，假定投影装置101、101L、101R由显示器件1以及对显示在该显示器件1上的影像进行扩大投影的投影光学系统2所构成。或者，如图2所示，假设投影装置由使从光源7入射的光束偏转的扫瞄装置8以及对被偏转的光束进行投影聚光的投影光学系统9所构成。
图57是可应用本发明的立体观察系统的实施例的概略结构示意图。该系统具有上述各实施例所示的结构。本实施例中，左右投影装置101L、101R连接到投影装置控制装置102上。投影装置控制装置102可选择图像，并将所选择的图像发送到左右投影装置101L、101R进行显示。图像是由设置于立体(3D)图像输入装置中的照相机所拍摄的图像。立体(3D)图像输入装置是指立体(3D)内窥镜、或立体(3D)显微镜等，并具有左右照相机。
此外，作为其它可选择输入的图像还有通过个人计算机作成的具有视差的立体(3D)图像。因此，投影装置控制装置102也可以把这样的图像作为对输入显示板100的图像进行处理。亦即，投影装置控制装置102可以将这样的图像显示在投影装置101L、101R上。
其次，对应用了本发明的立体观察系统的产品的实施例进行说明。
图58是应用了本发明的立体观察系统的产品的1个实施例的示意说明图。本实施例的产品由以下部分构成反射型立体投影观察装置；支撑保持部103的支撑臂104；支撑着支撑臂104的安装有小脚轮的支撑部主体105。反射型立体投影观察装置是将显示板100和左右投影装置101L、101R一体地安装到保持部103上而构成的。
反射型立体投影观察装置从左右投影装置101L、101R将相互间具有视差的影像投影到显示板100上。进而，所投影的影像由显示板100反射，然后在观察者的左右眼EL、ER上成像。此时，使各观察用光瞳(光学系统的光瞳)扩大，对影像进行成像。
保持部103通过与支撑臂104连接的连接部104a，以沿箭头方向可转动的方式相连接。进而，支撑臂104通过连接部104b连接到支撑部主体105。此时，支撑臂104沿箭头方向可转动地连接。因此，保持部103通过将支撑臂104沿期望的方向转动，可以改变观察者的观察姿势。此外，在保持部103上设置有操作部103a，使沿期望方向的转动变得非常容易。
此外，支撑部主体105安装有小脚轮105a。从而，可以使支撑部主体105移动。因此，可以改变观察位置。
图59是应用了本发明的立体观察系统的产品的另一实施例的示意说明图。在该实施例的产品中，与图58相同，反射型立体投影观察装置由支撑臂104保持。但是，支撑着支撑臂104的支撑部主体105安装在天花板106上。根据本实施例这样的结构，可以节省放置立体投影观察装置的空间。
图60是应用了本发明的立体观察系统的产品的另一实施例的示意说明图。本实施例的产品具有把支撑臂104安装在手术用椅107上的结构。
显示板100安装在保持部件103b上，投影装置101L、101R安装在保持部件103c上。进而，保持部件103b可转动地安装在保持部件103c上。因此，可以把显示板100相对于投影装置101L、101R的方向改变为规定的方向。
保持部件103c通过连接部104c安装到支撑臂104上。这里，保持部件103c安装为可以作360°转动。因此，可以使显示板100和投影装置101L、101R的方向改变到规定方向。而且，在显示板100的左右侧方向设有把手108。因此，不必直接用手接触显示板100，就可以很容易地进行方向的调整操作。此外，手术用椅107上设有小脚轮107a。因此，通过使手术用椅107移动，可以改变观察位置。
图61是应用了本发明的立体观察系统的产品的另一实施例的示意说明图。本实施例的产品在支撑臂104上连接了两个保持部件103和手术用显微镜的图像输入部109。由两个保持部件103分别保持投影装置101L、101R以及显示板100。并且，支撑臂104通过连接部104c连接到安装有小脚轮105a的支撑部主体105上。而且，支撑臂104通过连接部104c可以转动。
在手术用显微镜的图像输入部109中内设有2台照相机。而且，其结构为将输入图像分别发送到立体投影观察装置的投影装置101L、101R上。因此，该结构可以使多个观察者同时观察手术用显微镜中的立体图像。
并且，图58～图61中所示的实施例的产品的立体观察系统可以应用于手术用显微镜的显示装置、内窥镜的显示装置、与医疗有关的立体信息图像的显示装置、利用了计算机的游戏机等娱乐产品的显示装置、各种立体(3D)的CAD图像等与业务有关的立体(3D)图像的显示装置等。
图62是应用本发明的投影观察装置的手术用立体观察系统的1个实施例的示意说明图。本实施例的产品在设有小脚轮105a的支撑部主体105上连接着自由臂110。进而，通过该自由臂110安装有支撑臂104。该支撑臂104可在3维方向自由移动，并可作360°自由转动。此外，在该支撑臂104上，通过连接部104d安装有保持部件103。该保持部件103同样也可以自由移动和自由转动。进而，在保持部件103上安装有投影装置101L、101R以及显示板100。
另一方面，在支撑臂104的顶端安装有手术用显微镜的图像输入部109。在图像输入部109中内设有2台照相机，其对患者P的患部进行摄影。所摄图像作为输入图像发送到立体投影观察装置。更详细地说，发送到投影装置101L、101R。
按照这样的结构，用图62的装置，可以一边用手术用显微镜观察患者P的患部的立体图像，一边进行手术。
此外，如上所述的本发明的投影观察装置可以构成为双筒体视显微镜。例如，在图63中示出其外观，在图64中示出光学系统的透视图。在本例的情况下，双筒体视显微镜130具有如下结构在载物台131上直立着镜柱132。在该镜柱132上安装有镜筒盒133。在镜筒盒133上设有调焦用螺旋136。因此，通过操作调焦用螺旋136，可以调整距离载物台131的高度。另一方面，在镜筒盒133的下端设有物镜光学系统镜筒134。此外，在镜筒盒133的上端安装有罩135。
进而，从图64可知，在物镜光学系统镜筒134、镜筒盒133、罩135内配置有光学系统。该光学系统配置有物镜光学系统111；左右成像光学系统114L、114R；光学元件118；左右投影光学系统2L、2R；用于使光轴弯曲的反射镜116。这里，光学元件118共计由4片平面镜构成，具有切换光路的作用以及扩大光路间隔的作用。
在该光学系统中，通过左右投影光学系统2L、2R，物体O的左眼用扩大像和右眼用扩大像被扩大投影到显示板100上。进而，通过显示板100，被扩大的左右射出光瞳60L、60R形成在左右眼的眼位(eye point)。其结果，通过观察者的两眼可以扩大观察到物体O的体视像(立体像)。
此外，如上所述的本发明中，反射型的显示板100由反射型目镜光学系统和扩散板组合而成。该显示板100不仅显示立体图像，也能够作为显示单一图像的投影观察装置。
在图65、图66中示出这种投影观察装置的例子。图65、图66是移动电话的例子。
在该移动电话138中设有话筒139、扬声器140、天线141、142以及本发明的投影观察装置。这里，话筒139将操作者的声音作为信息输入。扬声器140用于输出通话对方的声音。天线141用于进行通信电波的发送和接收。操作按钮142用于由操作者输入信息。
本发明的投影观察装置用于投影显示操作者自身或通话对方等的摄影像以及电话号码等信息。这里，设置有投影装置101和反射型显示板100，使在其射出光瞳60的位置上，可以毫不费力地观察该显示影像。
图65的移动电话具有将可显示板100相对于移动电话138打开关闭的机构。因此，在携带时可将其折叠起来收藏到衣袋等中。此外，图66的移动电话的显示板100固定在移动电话138的主体内部。因此，不必折叠可直接将其收藏到衣袋等中。
作为本发明的投影观察装置的目镜光学系统4，可以采用菲涅尔透镜或菲涅尔反射镜。在此情况下，必须注意重影光。在菲涅尔透镜的情况下，重影光是由于在轮带状的曲折作用面之间的非作用面上反射了周围的光线等而发生的。在菲涅尔反射镜的情况下，它也是由于在轮带状的反射作用面之间的非作用面上反射周围的光线等而发生的。当该重影光入射到射出光瞳60L、60R、601、602上时，就会妨碍观察。如图67所示，非作用面43位于构成菲涅尔面的轮带状的曲折作用面42之间。因此，在该非作用面43上，例如喷涂小玻璃珠55以形成毛面。此时，沿倾斜于菲涅尔透镜41的中心方向的方向进行喷涂。通过这样，可以使原来由该面反射成为重影光②的光扩散。优选通过这样来防止产生重影光。进而，若在该毛面上涂覆黑色涂料等使其具有光吸收性则更为理想。并且，在图67中，①表示标准的折射光。
并且，图67所示的示例是在菲涅尔透镜41上直接喷涂小玻璃珠55等把非作用面作成毛面的方法，但也有其它方法。例如，还有如下方法如图68所示，在制作菲涅尔透镜41的模具51中，在对应于非作用面43的面53上，与图67同样地沿倾斜方向喷涂小玻璃珠55以形成毛面。还可以将该毛面转印到菲涅尔透镜41上。在图68中，符号52表示的面是对应于菲涅尔透镜41的轮带状曲折作用面42的面。当用菲涅尔反射镜来构成目镜光学系统4时，最好也进行与上述同样的处理。
本发明的实施例所使用的扩散板是根据特願2001-370950的制作方法如下制作的。首先，通过喷砂法将粒径有限制的球形小珠喷涂到作为模具的金属板上。其次，把形成在该金属板上的随机配置的凹面群转印复制到透明树脂板上。这样，就制成了在透明树脂板的1面上形成随机凹凸形状的1次透过型扩散板。
共制作了11个样品。这里，假设各样品的编号为#1～#11。#1～#11扩散板的Sm/Ra值、该按半峰值全宽计算的扩散角、按1/10峰值全宽计算的扩散角如下所列。根据该结果，最好使用#11扩散板作为上述实施例的扩散板5。
样品 Sm/Ra扩散角半峰值全宽扩散角1/10峰值全宽#1 316.670.0960.858#2 206.250.1040.980#3 205.880.1141.164#4 163.640.1441.510#5 177.780.2302.236#6 223.530.1081.062#7 172.000.1481.572#8 174.070.1561.632#9 165.520.2862.572#10160.611.3683.470#11138.462.4705.040根据本发明，可提供如下的观察装置。它可以同时从不同方向对投影在规定位置的影像进行观察。或者，可以同时从不同方向对形成于规定位置的影像进行观察。此外，它结构虽然简单，但照明效率高。此外，根据本发明，可以在很小的显示面上，可观察地显示左右相同或左右具有视差的明亮的影像。
权利要求
1.一种投影观察装置，其特征在于，具有显示器件，其用于显示影像；投影光学系统，其用于对显示于所述显示器件的影像进行扩大投影；扩散板，其配置在由所述投影光学系统所投影的像的近旁；目镜光学系统，其将所述投影光学系统的射出光瞳投影到观察者一侧；所述扩散板的按光强度为1/2峰值时的全宽计算的扩散角小于等于20°。
2.如权利要求1所述的投影观察装置，其特征在于，所述扩散板的按光强度为1/10峰值时的全宽计算的扩散角小于等于40°。
3.如权利要求1所述的投影观察装置，其特征在于，所述扩散板的表面粗糙度满足下列条件5＜(Sm/Ra)＜1000 …(1)其中，Sm是JIS B0601所规定的表面凹凸的平均间隔(μm)，Ra是表面的中心线的平均粗度(μm)。
4.如权利要求3所述的投影观察装置，其特征在于，满足下列条件1次透过型扩散板5＜(Sm/Ra)×(Ep/400)＜70 …(2)2次透过型扩散板10＜(Sm/Ra)×(Ep/400)＜80…(3)表面反射型扩散板50＜(Sm/Ra)×(Ep/400)＜200 …(4)背面反射型扩散板80＜(Sm/Ra)×(Ep/400)＜250 …(5)其中，Sm是JIS B601所规定的表面凹凸的平均距离(μm)，Ra是表面的中心线的平均粗度(μm)，Ep是从扩散板的扩散面到观察者的眼睛的距离(mm)。
5.如权利要求3所述的投影观察装置，其特征在于，满足下列条件Sm＜200μm …(6)
6.如权利要求1所述的投影观察装置，其特征在于，所述目镜光学系统由菲涅尔透镜构成。
7.如权利要求1所述的投影观察装置，其特征在于，所述目镜光学系统由反射面构成。
8.如权利要求7所述的投影观察装置，其特征在于，所述目镜光学系统由菲涅尔反射镜构成。
9.如权利要求7所述的投影观察装置，其特征在于，所述目镜光学系统由菲涅尔背面反射镜构成。
10.如权利要求6所述的投影观察装置，其特征在于，所述扩散面设置于所述目镜光学系统的至少一个面上。
11.如权利要求1所述的投影观察装置，其特征在于，所述扩散板由透过型全息图构成，目镜光学系统由与所述投影光学系统共用的凹面镜构成。
12.如权利要求11所述的投影观察装置，其特征在于，具有不是所述显示器件的另一显示器件；不是所述投影光学系统的另一投影光学系统；所述另一投影光学系统用于对显示在所述另一显示器件上的影像进行扩大投影。
13.如权利要求12所述的投影观察装置，其特征在于，所述扩散板的按光强度为1/2峰值时的全宽计算的扩散角小于等于8°。
14.如权利要求12所述的投影观察装置，其特征在于，所述扩散板的按光强度为1/10峰值时的全宽计算的扩散角小于等于12°。
15.如权利要求11所述的投影观察装置，其特征在于，所述凹面镜由菲涅尔凹面反射镜构成。
16.如权利要求11所述的投影观察装置，其特征在于，从所述投影光学系统到装置的射出光瞳的光线2次透过所述扩散板，配置所述投影光学系统和所述扩散板，使得第1次透过所述扩散板的角度与第2次透过所述扩散板的角度不同。
17.如权利要求11所述的投影观察装置，其特征在于，所述扩散板的按光强度为1/10峰值时的全宽计算的扩散角小于等于40°。
18.如权利要求11所述的投影观察装置，其特征在于，其使来自所述投影光学系统的轴上主光线倾斜地入射到所述凹面镜。
19.如权利要求11所述的投影观察装置，其特征在于，射出所述扩散板的0次光不入射到所述投影观察装置的射出光瞳。
20.如权利要求11所述的投影观察装置，其特征在于，射出所述扩散板的0次光朝向所述投影观察装置的射出光瞳位置，所述0次光入射到距离射出光瞳的中心大于等于光瞳直径的1/2的位置。
21.如权利要求11所述的投影观察装置，其特征在于，所述扩散板具有由衍射引起的曲折作用。
22.如权利要求21所述的投影观察装置，其特征在于，满足下列条件γ＞1° …(7)这里，γ为由所述扩散板引起的d线的光轴的曲折角。
23.如权利要求21所述的投影观察装置，其特征在于，满足下列条件γ＜45° …(8)这里，γ为由所述扩散板引起的d线的光轴的曲折角。
24.如权利要求11所述的投影观察装置，其特征在于，由所述扩散板所引起的波长700nm的光与波长400nm的光之间的光轴衍射角之差小于等于18°。
25.如权利要求11所述的投影观察装置，其特征在于，在所述投影观察装置的射出光瞳的位置，波长700nm的光轴与波长400nm的光轴的入射位置之差小于等于所述射出光瞳的光瞳直径的1/2。
26.如权利要求11所述的投影观察装置，其特征在于，满足下列条件0°＜β＜45° …(10)这里，β为入射到所述凹面镜的d线的光轴的入射角。
27.如权利要求26所述的投影观察装置，其特征在于，所述投影光学系统具有校正梯形变形像的像失真的功能。
28.如权利要求11所述的投影观察装置，其特征在于，满足下列条件0.01＜γ/β＜1000 …(11)这里，γ为由所述透过型扩散板引起的d线的光轴的曲折角，β为入射到所述凹面镜的d线的光轴的入射角。
29.一种投影观察装置，其特征在于，具有扫描装置，其用于使来自光源的光束偏转；投影光学系统，其用于将来自所述扫描装置的光线聚光到规定位置；扩散板，其配置在所述规定位置的近旁；目镜光学系统，其将所述投影光学系统的射出光瞳投影到观察者一侧。所述扩散板的按光强度为1/2峰值时的全宽计算的扩散角小于等于20°。
30.如权利要求29所述的投影观察装置，其特征在于，对由所述扫描装置形成的像进行变形显示，以补偿由所述投影光学系统引起的像失真。
31.一种投影观察装置，其特征在于，具有至少两个扫描装置，其用于使来自光源的光束偏转；至少两个投影光学系统，其用于将来自所述各扫描装置的光聚光到规定位置；扩散板，其配置在所述规定位置的近旁；共用目镜光学系统，其将所述投影光学系统各自的射出光瞳投影到观察者一侧，配置所述投影光学系统，使得所述投影光学系统的任意一个光轴与所述目镜光学系统交叉，在交点上所述目镜光学系统的垂线与该光轴之间的夹角大于等于10°。
32.如权利要求31所述的投影观察装置，其特征在于，所述投影光学系统中的至少一个由偏心棱镜光学系统构成，该偏心棱镜光学系统具有一个或一个以上的由折射率大于1的介质形成的偏心棱镜，所述偏心棱镜具有入射面，其将由所述扫描装置所扫描的光束入射到棱镜内；至少一个反射面，其在偏心棱镜内反射光束；射出面，其将光束射出到棱镜外，该至少一个反射面具有为光束提供折射力的曲面形状，该曲面形状是校正由于偏心产生的像差的旋转非对称的面形状所述偏心棱镜光学系统构成为面对称形状，所述扫描装置配置在所述偏心棱镜光学系统的物体面上，由所述扫描装置所形成的扫描区域被投影到所述目镜光学系统的近旁，配置所述扫描装置，使得所投影的所述扫描区域的纵或横方向与所述目镜光学系统的纵或横方向大约一致。
33.如权利要求32所述的投影观察装置，其特征在于，所述反射面由第1反射面和第2反射面构成，所述第1反射面在棱镜内反射从所述入射面入射到棱镜内的光束，所述第2反射面在棱镜内反射由所述第1反射面所反射的光束，对各面进行配置，使得从所述入射面朝向所述第1反射面的光束与从所述第2反射面朝向所述射出面的光束在棱镜内交叉。
34.如权利要求32所述的投影观察装置，其特征在于，所述反射面由第1反射面和第2反射面构成，所述第1反射面在棱镜内反射从所述入射面入射到棱镜内的光束，所述第2反射面在棱镜内反射由所述第1反射面所反射的光束，所述入射面和所述第2反射面共用一个面。
全文摘要
本发明提供一种投影观察装置，该投影观察装置可以同时将至少两个随观察方向不同而不同的影像可观察地显示在一个显示面上，并且结构简单、照明效率高。该投影观察装置具有显示器件1L、1R，其用于显示影像；投影光学系统2L、2R，其用于对显示在显示器件1L、1R上的影像3L、3R进行扩大投影；扩散板5，其配置于由投影光学系统2L、2R所投影的像的近旁；目镜光学系统4，其将投影光学系统2L、2R的射出光瞳投影到观察者的眼球位置EL、ER。扩散板5的按光强度为1/2峰值时的全宽计算的扩散角小于等于20°。
文档编号G02B27/22GK1485646SQ03153178
公开日2004年3月31日 申请日期2003年8月8日 优先权日2002年8月9日
发明者研野孝吉, 森田和雄, 雄 申请人:奥林巴斯株式会社