CN103765292A - 目镜系统及图像观察装置 - Google Patents

Abstract

实现在物体侧带有良好的远心性，可进行良好的像差校正的目镜系统。是将观察物体的像作为虚像放大成像的目镜系统，具有配置于图像显示元件侧、带有负屈光力的第一组G1、以及配置于该第一组的眼球侧、带有正屈光力的第二组G2，第一组是双凹透镜和双凸透镜的接合透镜，第二组G2由两块或三块正透镜构成，在物体侧是远心的，满足条件（1）、（2）。

Description

目镜系统及图像观察装置

技术领域

本发明涉及目镜（接眼レンズ）系统及图像观察装置。 

背景技术

将物体像作为虚像放大成像的目镜系统，以往广泛用于放大镜（loupe）、显微镜等的各种的光学设备中。 

或者，也进行以下的操作：使观察对象部位的像在内视镜的“采用光纤束的像传输体”的对物侧端面成像，使该像向光纤束的接眼侧端面传输，将传输的像作为观察物体，利用目镜系统作为虚像来放大观察。 

而且，近年来，也有如下的操作：将虚拟现实用或者电影、游戏之类的影像内容在液晶显示元件、EL显示元件等的小型的图像显示元件上二维地显示，将显示的二维图像作为观察物体，利用目镜系统作为虚像而放大观察。 

目镜系统多将其安装于观察者的头部或脸部使用，优选重量轻且紧凑。 

迄今已知能用四块这样较少的透镜块数轻量/紧凑地构成目镜系统。 

迄今已知的目镜系统中，物体侧的远心（telecentric）性低。 

在经由目镜系统观察在液晶显示元件、有机EL显示元件等显示的二维图像、或在内视镜的光纤束的对物侧端面成像的观察对象部位的像时，物体侧的远心性低，则导致亮度或颜色随视角而不同，难以良好地得到高清晰度的观察图像。 

近来，用内视镜或电影、游戏之类的影像内容观察的放大虚像，要求有高分辨率，需要寻求在目镜系统中良好地校正像差。 

现有技术文献 

专利文献 

专利文献1：日本特开平11-23984号公报 

发明内容

发明要解决的课题 

本发明要解决的课题是实现在物体侧具有良好的远心性、可进行良好的像差校正的目镜系统及使用它的图像观察装置。 

解决课题的手段 

1.目镜系统是将观察物体的像作为虚像放大成像的目镜系统，具有如下的特征。即，目镜系统通过具有配置于物体侧、带有负屈光力的第一组、以及配置于该第一组的眼球侧、带有正屈光力的第二组而构成。第一组是双凹透镜和双凸透镜的接合透镜，第二组由两块或三块正透镜构成。 

物体侧是远心的，整个系统的焦点距离F（＞0）、第一组的焦点距离F1（＜0）、第二组的焦点距离F2（＞0）满足以下的条件（1）、（2）。 

（1）-5＜Fl/F＜-1 

（2）0.5＜F2/F＜3 

2.上述1的目镜系统能够在第一组的图像显示元件侧，还附加配置凹面朝向物体侧、两面为非球面的正弯月透镜作为像面弯曲校正透镜。 

3.一种图像观察装置，是以二维方式显示的图像的、把虚像放大观察的图像观察装置，其特征在于，作为形成图像的虚像的光学系统，使用上述1或2的目镜系统。 

4.上述3的图像观察装置能够是使用显示二维图像的图像显示元件、以及上述1或2的目镜系统的头戴型的图像观察装置。 

补充说明： 

条件（1）、（2）是确定相对于目镜系统整个系统的屈光力的、第一组和第二组的屈光力的适当范围的条件。 

第一组具有负屈光力，因而带有使来自观察物体的光向眼球侧发散的作用。 

通过使第一组带有这样的发散作用，即使在观察小的观察物体时也能够扩大视角，能够使观察物体成像为广视角的放大虚像，放大虚像变得易于观察。 

条件（1）的参数Fl/F的绝对值越小，第一组的负屈光力越强，使物体光向眼球侧发散的效果越大，但超过条件（1）的下限时，上述发散效果变得过度，需要增大使来自观察物体的光束向眼球集光的第二组的“透镜直径”，有目镜系统整体大型化，成本也变高的不良之处。此外，难以确保物体侧的远心性。 

超过条件（1）的上限时，所述发散效果变得不充分，要实现例如水平视角40度至45度的范围作为易于观察的范围时，需要使第二组具有大的正屈光力，随着第二组的正屈光力的增大，容易产生像差，其校正也变得困难起来。 

第二组具有正屈光力，因而使利用第一组而赋予了发散趋势的光束向眼球收敛。 

从像差校正的观点来看，难以用一块正透镜构成第二组，优选使用如上所述的两至三块的正透镜将像差校正功能分散给它们。 

条件（2）的参数F2/F越小，第二组带有的正屈光力越大，超过条件（4）的下限时，正屈光力变得过度，容易产生大的像差，像差校正变得困难起来。 

超过条件（2）的上限时，第二组带有的正屈光力有点不足，目镜系统和眼球的间隔容易变小，难以实现作为易于观察的范围的、以上例示的水平视角40度至45度。 

发明的效果 

如以上说明的那样，依据本发明，能够实现新的目镜系统及图像观察装置。 

如上所述，目镜系统在物体侧带有良好的远心性，观察图像的亮度或颜色不会随视角而不同，能够如后述的实施例那样，得到性能良好且高清晰度的放大虚像。 

此外，如上述2的目镜系统那样，通过在第一组的图像显示元件侧还附加配置像面弯曲校正透镜，在观察的放大虚像变大时，也能够有效减轻像面弯曲带来的像的变形。 

附图说明

图1是示出实施例1的目镜系统的透镜结构的图。 

图2是示出实施例2的目镜系统的透镜结构的图。 

图3是示出实施例3的目镜系统的透镜结构的图。 

图4是说明图像观察装置的实施的一方式的图。 

图5（a）是实施例1的像差图。 

图5（b）是实施例1的像差图。 

图6（a）是实施例2的像差图。 

图6（b）是实施例2的像差图。 

图7（a）是实施例3的像差图。 

图7（b）是实施例3的像差图。 

具体实施方式

以下，说明实施方式。 

图1至图3例示目镜系统的三个实施方式。这些目镜系统分别对应后述的实施例1～3的目镜。这些实施方式的目镜系统假设了如下的情况：把在液晶显示元件、有机EL显示元件等（以下称为图像显示元件。）显示的二维图像作为观察物体来进行观察。 

为了避免繁杂，在图1至图3中使符号同一化。即，在图1至图3中，设图的左方为“图像显示元件侧”，右方为“眼球侧”，以符号IS表示“图像显示元件的图像显示面”。图像在图像显示面IS作为二维图像显示。 

以符号G1表示第一组，以符号G2表示第二组。此外，符号E表示眼球中的瞳孔。此外，对构成目镜系统的透镜从图像显示面IS侧标记编号，如图1至图3所示，设为透镜L1～L6。 

在图1示出实施方式的目镜系统，如图所示，由四块透镜L1～L4构成。在图像显示面IS侧的两块透镜L1、L2构成负屈光力的第一组G1。 

透镜L1是“图像显示面侧的曲率大的双凹透镜”，透镜L2是“双凸透镜”，这些透镜L1、L2接合起来成为“接合透镜”。 

透镜L3和L4构成正屈光力的第二组G2。这些透镜L3、L4都是正透镜，透镜L3是使凸面朝向图像显示面IS侧的正弯月透镜，透镜L4是双凸透镜。透镜L4两面都是非球面，图像显示面IS侧的面中，周边部分的曲率（负）与光轴附近的曲率（正）相反。 

即，通过用两块透镜L3、L4构成第二组G2，使像差校正功能分散到这些透镜L3、L4，设最靠眼球侧的透镜L4的两面为非球面，进行扭曲或像面弯曲的校正。 

在图2示出实施方式的目镜系统，如图所示，由六块透镜L1～L6构成。最靠近图像显示面IS侧的透镜L1是“凹面朝向物体侧、两面为非球面的正弯月透镜”，是“像面弯曲校正透镜”。 

像面弯曲校正透镜L1是减轻像面弯曲、平坦化虚像的成像面的所谓“视场致平透镜（field flattener lens）”，“其自身的功率”较弱。 

继透镜L1后的透镜L2、L3构成第一组G1，而配置于眼球侧的三块透镜L4、L5、L6构成第二组G2。 

构成第一组G1的透镜L2、L3是相互接合的接合透镜。透镜L1是图像显示面IS侧的曲率大的双凹透镜，透镜L2是双凸透镜。 

构成第二组G2的三块透镜L4、L5、L6都是正透镜，透镜L4是使凹面朝向图像显示面IS侧的正弯月透镜，透镜L5是双凸透镜，透镜L6是使凸面朝向图像显示面IS侧的正弯月透镜。透镜L6的两面是非球面。 

在图3示出实施方式的目镜系统，如图所示，由五块透镜L1～L5构成。最靠近图像显示面IS侧的透镜L1使凹面朝向物体侧，是两面为非球面的正弯月透镜，是像面弯曲校正透镜。像面弯曲校正透镜L1是视场致平透镜，是功率较弱的透镜。 

继透镜L1之后的两块透镜L2、L3构成第一组G1，而配置于眼球侧的两块透镜L4、L5构成第二组G2。 

构成第一组G1的透镜L2、L3是互相接合的接合透镜，透镜L1是图像显示面侧的曲率大的双凹透镜，透镜L2是双凸透镜。 

构成第二组G2的透镜L4、L5都是正透镜，透镜L4为双凸透镜，透镜L5也是双凸透镜。透镜L5的两面是非球面。 

在图4，作为目镜系统的使用的一个方式，示出使用目镜系统的头戴型的图像观察装置的一个方式。在图4中，符号10表示图像观察装置，符号20表示观察者的头部。 

图像观察装置10中，作为其主要部分的目镜系统11L、11R和图像显示元件12L、12R以既定的位置关系收纳于壳体13内。而且，壳体13利用带或框架等的适当的安装方式安装于在观察者的头部20。 

目镜系统11L、图像显示元件12L是左眼用的，目镜11R、图像显示元件12R是右眼用的。作为目镜系统11L、11R，使用如上述1或2所记载的装置、具体而言后述的实施例1～3所记载的装置。 

作为图像显示元件12L、12R，使用液晶显示元件或EL显示元件等，在这些中作为二维图像而显示的图像，是相对于目镜系统11L、11R的观察物体。 

实施例 

以下，说明三个具体的实施例。 

在以下列举的实施例1～3中，面编号是从物体侧开始数的透镜面的编号，R表示各透镜面的曲率半径，D表示邻接透镜面的透镜面间距离。N表示透镜材质的d线的折射率，v表示阿贝数。 

此外，非球面用以下的众所周知的式子表示。 

X=(H²/R)/[1+(1-k(H/r)²}^1/2] 

+A·H⁴+B·H⁶+C·H⁸+D·H¹⁰+E·H¹²… 

在该式中，X是以面的顶点为基准时在离光轴高度H的位置处的光轴方向的位移，k是圆锥系数，A～E……是高次非球面系数，R是近轴曲率半径。此外，带有长度的基准的量的单位是mm。 

实施例1 

实施例1是结合图1说明了实施方式的目镜系统的具体例。表1示出实施例1的透镜数据，表2示出非球面数据。 

表1 

面编号	R	D	N	v	备注
						1		8.0
2	-17.6	1.0	1.9	19
						3	26.3	8.3	1.8	43
4	-31.0	0.2
						5	35.9	4.5	1.8	45
6	171.5	0.2
						7	18.5	9.6	1.5	56	非球面
8	-37.5	24.0			非球面
						9					瞳孔（Φ9）

表2 

非球面系数	K	A	B	C	D
						7	-1.7	2.2E-05	-1.6E-07	1.1E-10	-1.2E-12
8	3.4	6.9E-05	-3.6E-07	8.6E-10	-1.1E-12

此外，在非球面的显示中，例如“1.6.E-04”表示“1.6×10^-4”。在其他实施例中也是同样的。 

在实施例1的目镜系统中，整个系统的焦点距离F＝19.2mm，第一组G1的焦点距离F1＝-46.8mm，第二组的焦点距离F2＝27.6mm。因此，条件（1）的参数F1/F＝-2.4，条件（2）的参数F2/F＝1.4。 

瞳孔E的直径为9mm，出瞳距离（eye relief）（离眼球最近的透镜面与眼球（瞳孔）的距离）为24mm，虚像的观察距离为10m，水平视角为45度。 

因此，在将实施例1的目镜系统在图4的图像观察装置中用作目镜系统11L、11R时，这些目镜径11L、11R的光轴所成的辐辏角（convergence angle），设定成在观察距离10m的位置与观察图像重合。 

实施例1的目镜系统是取瞳孔直径为较大的9mm、重视轴上的分辨率的类型。 

在图5示出与实施例1的目镜系统相关的像差图。图5（a）示出纵像差，图5（b）示出横像差。 

像差图中，R表示波长629nm的光，G表示波长538nm的光，B表示波长458nm的光。在以下的实施例的像差图中也是同样的。 

实施例2 

实施例2是根据图2说明了实施方式的目镜系统的具体例。表3表示实施例2的透镜数据，表4表示非球面数据。 

表3 

面编号	R	D	N	v	参考
						1		0.2
2		0.5	1.5	64	盖玻璃
						3		4.4
4	-7.0	2.5	1.5	56	非球面
						5	-6.1	0.6			非球面
6	-13.1	2.5	1.9	19
						7	100.0	8.0	1.9	41
8	-25.8	0.4
						9	-102.9	5.2	1.6	63
10	-27.7	0.3
						11	97.2	5.2	1.6	63
12	-49.6	0.5
						13	34.7	3.0	1.5	56	非球面
14	57.6	25.0			非球面
						15					瞳孔（Φ4）

表4 

非球面系数	K	A	B	C	D
						4	-0.9	-3.9E-04	1.6E-05	-1.3E-07	5.3E-10
5	-0.9	-8.0E-05	5.9E-06	-2.9E-08	3.3E-10
						13	1.9	4.8E-06	-6.2E-08	4.2E-11	-4.9E-13
14	-68.0	2.5E-06	1.6E-08	-3.0E-10	3.5E-13

[0094] 在实施例2的目镜系统中，整个系统的焦点距离F＝19.0mm，第一组G1的焦点距离Fl＝-43.1mm，第二组的焦点距离F2＝24.2mm。因此，条件（1）的参数F1/F＝-2.3，条件（2）的参数：F2/F＝1.3。 

瞳孔E的直径是4mm，出瞳距离25mm，虚像的观察距离10m，水平视角是45度。在将实施例2的目镜系统在图4的图像观察装置中用作目镜系统11L、11R时，这些目镜径11L、11R的光轴所成的辐辏角，设定为在观察距离10m的位置与观察图像重合。 

实施例2的目镜系统是如下的类型：使瞳孔直径与等于通常的瞳孔的平均值的4mm相等，与轴上的分辨率相比，更重视降低瞳孔的偏移/倾斜导致的观察图像的劣化。 

图6示出实施例2的目镜系统涉及的像差图。图6（a）表示纵像差，图6（b）表示横像差。 

实施例3 

实施例3是根据图3说明了实施方式的目镜系统的具体例。表5示出实施例3的透镜数据，表6示出非球面数据。 

表5 

面编号	R	D	N	v	备注
						1		0.2
2		0.7	1.5	64	盖玻璃
						3		3.8
4	-9.4	2.9	1.5	56	非球面
						5	-7.3	0.6			非球面
6	-13.1	3.0	1.9	19
						7	52.3	9.3	1.9	41
8	-23.9	0.4
						9	70.9	8.0	1.7	50
10	-45.7	0.4

11	91.9	5.2	1.5	56	非球面
						12	-69.5	25.0			非球面
13					瞳孔（Φ4）

表6 

非球面系数

K

A

B

C

D

E

4

-5.0

1.6.E-04

-1.3.E-05

1.6.E-07

-3.2.E-10

5

-0.7

4.2.E-04

-5.1.E-06

-5.2.E-09

6.6.E-10

11

7.6

8.4.E-06

-4.5.E-08

2.9.E-10

-8.4.E-13

1.1.E-15

12

3.6

-4.5.E-06

6.4.E-08

-1.2.E-10

-9.6.E-15

3.9.E-16

在实施例3的目镜系统中，整个系统的焦点距离F＝18.9mm，第一组G1的焦点距离Fl＝-55.0mm，第二组的焦点距离F2＝26.9mm。因此，条件（3）的参数F1/F＝-2.9，条件（4）的参数F2/F＝1.4。 

瞳孔E的直径为4mm，出瞳距离25mm，虚像的观察距离10m，水平视角是45度。 

在将实施例3的目镜系统在图4的图像观察装置中用作目镜系统11L、11R时，这些目镜径11L、11R的光轴所成的辐辏角，设定为在观察距离10m的位置与观察图像重合。 

实施例3的目镜系统也是如下的类型：使瞳孔直径与等于通常的瞳孔的平均值的4mm相等，与轴上的分辨率相比，更重视降低瞳孔的偏移/倾斜带来的观察图像劣化，瞳孔的偏移/倾斜带来的观察图像的变差，比实施例2进一步有所降低。 

图7示出实施例3的目镜系统涉及的像差图。图7（a）表示纵像差，图7（b）表示横像差。 

实施例1～3的目镜系统的各像差都得到良好地校正，性能良好。 

实施例2、3的目镜最靠近图像显示面IS侧的透镜L1使凹面朝向物体侧，是两面为非球面的正弯月透镜，是像面弯曲校正透镜。由于该像面弯曲校正透镜L1的存在，可知与实施例1的目镜系统相比，像散、图像面弯曲得到更有效地校正。 

在物体侧带有良好的远心性、性能良好且能得到高清晰度的放大虚像的目镜系统，在头戴型等的图像观察装置中，能够实现观察图像的亮度或颜色不会随视角而不同的观察图像。 

符号说明 

G1、第一组            G2、第二组 

18、图像显示面        E、瞳孔 

10、图像观察装置      11L、11R、目镜系统 

12L、12R、图像显示元件 。

Claims (4)

1.一种目镜系统，用于把观察物体的像作为虚像放大成像，所述目镜系统的特征在于，

所述目镜系统具有配置于物体侧、带有负屈光力的第一组以及配置于该第一组的眼球侧、带有正屈光力的第二组，

第一组是双凹透镜和双凸透镜的接合透镜，

第二组由两块或三块正透镜构成，

物体侧是远心的，

整个系统的焦点距离F、第一组的焦点距离F1、第二组的焦点距离F2满足条件：

（1）-5＜Fl/F＜-1

（2）0.5＜F2/F＜3

其中，F＞0，F1＜0，F2＞0。

2.根据权利要求1所述的目镜系统，其特征在于，

在第一组的物体侧还附加配置有凹面朝向图像显示元件侧、两面为非球面的正弯月透镜作为像面弯曲校正透镜。

3.一种图像观察装置，是二维显示的图像的、把虚像放大观察的图像观察装置，其特征在于，

使用权利要求1或2所述的目镜系统作为形成所述图像的虚像的光学系统。

4.根据权利要求3所述的图像观察装置，其中，

所述图像观察装置是使用显示二维图像的图像显示元件以及权利要求1或2所述的目镜系统的头戴型图像观察装置。

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