CN108474935B

CN108474935B - 目镜光学系统及头戴式显示器

Info

Publication number: CN108474935B
Application number: CN201780005066.1A
Authority: CN
Inventors: 松本实保; 关根淳; 高木英嗣
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2037-05-09
Also published as: CN108474935A; TW201809774A; EP3489734A1; JP6954283B2; EP3489734B1; TWI712828B; KR20190025544A; JPWO2018008249A1; US20190072763A1; US10921583B2; EP3489734A4; KR102455114B1; WO2018008249A1

Abstract

目镜光学系统(EL)具备从视点(EP)侧起依次排列的具有正屈光力的第1透镜组(G1)和具有正屈光力的第2透镜组(G2)，第2透镜组(G2)具有接合两个光学构件而成的接合透镜，该接合透镜的接合面是构成衍射光栅的衍射光学面，构成第1透镜组(G1)的透镜中的一侧的透镜面为第1菲涅尔面(FSa)，第2透镜组(G2)的接合透镜中的一侧的透镜面为第2菲涅尔面(FSb)。

Description

目镜光学系统及头戴式显示器

技术领域

本发明涉及一种目镜光学系统及头戴式显示器。

背景技术

例如专利文献1中，公开有一种具备目镜光学系统的头戴式显示器。此种目镜光学系统从减轻重量的观点来看优选为薄型。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-49305号公报

发明内容

第1方式的目镜光学系统，具备从视点侧起依次排列的具有正屈光力的第1透镜组和具有正屈光力的第2透镜组，上述第1透镜组以及上述第2透镜组中的一方，具有接合至少两个光学构件而成的接合透镜，上述接合透镜的接合面是构成衍射光栅的衍射光学面，构成上述第1透镜组及上述第2透镜组的透镜中至少任意透镜面为菲涅尔面。

第2方式的头戴式显示器，具备能够显示图像的图像显示部和用于观察显示于上述图像显示部的图像的目镜光学系统，上述目镜光学系统为所述的目镜光学系统。

附图说明

图1是第1实施例的目镜光学系统的透镜构成图。

图2是第1实施例的目镜光学系统的光路图。

图3是第1实施例的目镜光学系统的各像差图。

图4是第1实施例的目镜光学系统的横像差图。

图5是第1实施例的目镜光学系统的光点图。

图6是第2实施例的目镜光学系统的透镜构成图。

图7是第2实施例的目镜光学系统的光路图。

图8是第2实施例的目镜光学系统的各像差图。

图9是第2实施例的目镜光学系统的横像差图。

图10是第2实施例的目镜光学系统的光点图。

图11是第3实施例的目镜光学系统的透镜构成图。

图12是第3实施例的目镜光学系统的光路图。

图13是第3实施例的目镜光学系统的各像差图。

图14是第3实施例的目镜光学系统的横像差图。

图15是第3实施例的目镜光学系统的光点图。

图16是第4实施例的目镜光学系统的透镜构成图。

图17是第4实施例的目镜光学系统的光路图。

图18是第4实施例的目镜光学系统的各像差图。

图19是第4实施例的目镜光学系统的横像差图。

图20是第4实施例的目镜光学系统的光点图。

图21是示出衍射光学元件的一例的示意图。

图22(a)是示出菲涅尔面的一例的示意图，(b)是用于说明菲涅尔面的高宽比的示意图。

图23是头戴式显示器的外观图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本实施方式的目镜光学系统及头戴式显示器。作为本实施方式的目镜光学系统EL的一例的目镜光学系统EL(1)，如图1所示，具备从视点EP侧起依次排列的具有正屈光力的第1透镜组G1和具有正屈光力的第2透镜组G2而构成。第1透镜组G1及第2透镜组G2中的一方(图1的例中的第2透镜组G2)具有接合两个光学构件(图1的例中的第2透镜L2及第3透镜L3)而成的接合透镜。该接合透镜的接合面是构成衍射光栅DG的衍射光学面。构成第1透镜组G1及第2透镜组G2的透镜中的至少任意透镜面为菲涅尔面。据此，便可获得一种既薄型且具有大视场角并良好地校正了色差等各像差的目镜光学系统。此外，本说明书中的菲涅尔面是通过使光折射来改变光行进方向的面，而衍射光学面是通过使光衍射来改变光行进方向的面。

本实施方式的目镜光学系统EL，可用于观察例如以图像显示部11显示的图像。本实施方式的目镜光学系统EL，亦可是图6所示的目镜光学系统EL(2)，亦可是图11所示的目镜光学系统EL(3)，亦可是图16所示的目镜光学系统EL(4)。

本实施方式的目镜光学系统EL优选为，接合透镜中的一侧的透镜面为菲涅尔面。据此，可将目镜光学系统薄型化。此外，本说明书中的菲涅尔面或非球面的透镜面，是不包含接合透镜的接合面的概念。

本实施方式的目镜光学系统EL优选为，接合透镜中与菲涅尔面不同的透镜面为非球面。据此，可良好地校正像散等各像差。

本实施方式的目镜光学系统EL亦可为，第1透镜组G1及第2透镜组G2中不包含接合透镜的透镜组(图1的例中的第1透镜组G1)中，具有至少一个透镜，该一个透镜中的一侧的透镜面是菲涅尔面。据此，可将目镜光学系统薄型化。

本实施方式的目镜光学系统EL优选为，第1透镜组G1及第2透镜组G2中的一方由具有正屈光力的接合透镜构成，第1透镜组G1及第2透镜组G2中的另一方由具有正屈光力的一个透镜构成。据此，可做成薄型的目镜光学系统，同时可扩大视场角，良好地校正像散等各像差。并且，可将菲涅尔面的菲涅尔台阶(段差)的高宽比设计得较小，从而使目镜光学系统的制造更为容易。

本实施方式的目镜光学系统EL亦可为，第2透镜组G2由具有正屈光力的接合透镜构成，第1透镜组G1由具有正屈光力的一个透镜构成。据此，可做成薄型的目镜光学系统，同时可扩大视场角，良好地校正像散等各像差。并且，可将菲涅尔面的菲涅尔台阶的高宽比设计得较小，从而使目镜光学系统的制造更为容易。

本实施方式的目镜光学系统EL亦可为，具备从视点EP侧起依次排列的上述第1透镜组G1、上述第2透镜组G2、以及具有非球面透镜的第3透镜组G3而构成。据此，可良好地校正像散等各像差。并且，可将菲涅尔面的菲涅尔台阶的高宽比设计得较小，从而使目镜光学系统的制造更为容易。

本实施方式的目镜光学系统EL亦可为，第1透镜组G1的焦距短于第2透镜组G2的焦距。据此，可通过使靠近目镜光学系统EL的瞳位置(出射瞳位置)的第1透镜组G1具有强屈光力(power)来良好地校正球面像差等各像差。

本实施方式的目镜光学系统EL优选为，第1透镜组G1及第2透镜组分别具有形成有菲涅尔面的透镜，并满足以下条件式(1)。

1.00＜fR2/fR1···(1)

其中，

fR1：第1透镜组G1中形成有菲涅尔面的透镜的焦距，

fR2：第2透镜组G2中形成有菲涅尔面的透镜的焦距。

条件式(1)是针对第1透镜组G1中形成有菲涅尔面的透镜与第2透镜组G2中形成有菲涅尔面的透镜的焦距之比规定适当范围的条件式。通过满足条件式1，第1透镜组G1中形成有菲涅尔面的透镜的焦距，将短于第2透镜组G2中形成有菲涅尔面的透镜的焦距。亦即，第1透镜组G1中形成有菲涅尔面的透镜的屈光力(power)，大于第2透镜组G2中形成有菲涅尔面的透镜的屈光力。如此，可通过使靠近目镜光学系统EL的瞳位置(出射瞳位置)的第1透镜组G1的形成有菲涅尔面的透镜具有强屈光力，来良好地校正球面像差等各像差。

若条件式(1)的对应值低于下限值，则第1透镜组G1中形成有菲涅尔面的透镜的焦距，将比第2透镜组G2中形成有菲涅尔面的透镜的焦距长。因此，将难以使第1透镜组G1中形成有菲涅尔面的透镜具有强屈光力，从而难以校正球面像差等各像差。

此外，优选为将条件式(1)的上限值设为小于1.80，更优选为设为小于1.70。据此，可防止由于第1透镜组G1中形成有菲涅尔面的透镜的屈光力过强，导致该菲涅尔面的菲涅尔台阶的高宽比过大，从而难以制造具备形成有菲涅尔面的透镜的目镜光学系统EL。

本实施方式的目镜光学系统EL优选为，接合透镜通过由第1光学元件要素DE1与第2光学元件要素DE2所构成的密着复层型的衍射光学元件DOE接合而成，并在第1光学元件要素DE1与第2光学元件要素DE2的界面，形成构成衍射光栅DG的衍射光学面。据此，可在期望的波长区域(例如可见光区域)中保持高衍射效率，波长特性变得良好。

例如图21所示，本实施方式的衍射光学元件DOE是由，由第1光学材料所构成的第1光学元件要素DE1、以及由折射率或色散值与第1光学材料不同的第2光学材料所构成的第2光学元件要素DE2构成。在第1光学元件要素DE1与第2光学元件要素DE2的界面，构成剖面观察时为锯齿状的衍射光栅DG的衍射光学面形成为环状。本实施方式的衍射光学元件DOE中的衍射光栅DG的光栅节距，按照衍射光学元件DOE中的半径方向的位置而不同。衍射光栅DG的壁面部DW，虽在衍射光学元件DOE的中心侧会沿光轴延伸，但随着朝向衍射光学元件DOE的外周侧其相对于光轴倾斜越大。如此，以在衍射光学面的各环中当出射光线的最大角大于入射光线的最小角时会成为出射光线的最大角与入射光线的最小角的平均值附近的倾斜角、当出射光线的最大角小于入射光线的最小角时会成为入射光线的最小角附近的倾斜角的方式，使壁面部DW倾斜，由此来减低壁面部DW处的光线的折射或反射。

本实施方式的菲涅尔面(FSa，FSb)，例如图22(a)所示，形成为剖面观察时为锯齿状的环状。各菲涅尔面的菲涅尔台阶的节距，按照形成有菲涅尔面的菲涅尔透镜中的半径方向的位置而不同。菲涅尔面的壁面部FW，虽在菲涅尔透镜的中心侧会沿光轴延伸，但在菲涅尔透镜的外周侧，随着菲涅尔面的菲涅尔台阶的节距越小，其相对于光轴倾斜越大。如此，以在菲涅尔面的各环中，当出射光线的最大角大于入射光线的最小角时会成为出射光线的最大角与入射光线的最小角的平均值附近的倾斜角、当出射光线的最大角小于入射光线的最小角时会成为入射光线的最小角附近的倾斜角的方式，使壁面部FW倾斜，由此来减低壁面部FW处的光线的折射或反射。此处，如图22(b)所示，将菲涅尔面的切线与光轴的夹角设为α，将以θ＝90°－α表示的角度设为切线角θ。本说明书中，将基于此接线角θ而以|b/a|＝|tanθ|表示的比，定义为各菲涅尔面的菲涅尔台阶的高宽比。此外，菲涅尔面可形成为球面形状，亦可形成为非球面形状，亦可形成为剖面观察时为直线状。

本实施方式的目镜光学系统EL优选为满足以下条件式(2)。

0＜f/fDOE＜0.15···(2)

其中，

f：目镜光学系统EL的焦距，

fDOE：衍射光学元件DOE的焦距。

条件式(2)是针对目镜光学系统EL与衍射光学元件DOE的焦距之比规定适当范围的条件式。若条件式(2)的对应值超过上限值，则由于对于目镜光学系统EL，衍射光学元件DOE的屈光力会过强，导致形成于衍射光学元件DOE的衍射光栅DG的节距过小，从而难以制造具备衍射光学元件DOE的目镜光学系统EL。为确保实现本实施方式的效果，条件式(2)的上限值优选可设为0.10。

本实施方式的目镜光学系统EL优选为，第1透镜组G1具有形成有菲涅尔面的透镜，并满足以下条件式(3)。

0＜f/fR1＜0.60···(3)

其中，

f：目镜光学系统EL的焦距，

fR1：第1透镜组G1中的形成菲涅尔面的透镜的焦距。

条件式(3)是针对目镜光学系统EL与第1透镜组G1中形成有菲涅尔面的透镜的焦距之比规定适当范围的条件式。若条件式(3)的对应值超过上限值，则由于对于目镜光学系统EL，第1透镜组G1中形成有菲涅尔面的透镜的屈光力会过强，导致该菲涅尔面的菲涅尔台阶的高宽比过大，从而难以制造具备形成有菲涅尔面的透镜的目镜光学系统EL。为确保实现本实施方式的效果，条件式(3)的上限值优选可设为0.50。

本实施方式的目镜光学系统EL优选为，第1透镜组G1具有形成有菲涅尔面的透镜，并满足以下条件式(4)。

0＜AS1＜5.0···(4)

其中，

AS1：第1透镜组G1中的菲涅尔面的菲涅尔台阶的高宽比的最大值。

条件式(4)是针对第1透镜组G1中的菲涅尔面的菲涅尔台阶的高宽比的最大值规定适当范围的条件式。若条件式(4)的对应值超过上限值，则第1透镜组G1中的菲涅尔面的菲涅尔台阶的高宽比的最大值会过大，从而难以制造具备形成有菲涅尔面的透镜的目镜光学系统EL。为确保实现本实施方式的效果，条件式(4)的上限值优选可设为1.5。

本实施方式的目镜光学系统EL优选为，第1透镜组G1及第2透镜组G2分别具有形成有菲涅尔面的透镜，并满足以下条件式(5)。

0＜AS2＜2.5···(5)

其中，

AS2：第2透镜组G2中的菲涅尔面的菲涅尔台阶的高宽比的最大值。

条件式(5)是针对第2透镜组G2中的菲涅尔面的菲涅尔台阶的高宽比的最大值规定适当范围的条件式。若条件式(5)的对应值超过上限值，则第2透镜组G2中的菲涅尔面的菲涅尔台阶的高宽比的最大值会过大，从而难以制造具备形成有菲涅尔面的透镜的目镜光学系统EL。为确保实现本实施方式的效果，条件式(5)的上限值优选可设为1.5。

本实施方式的头戴式显示器，具备上述结构的目镜光学系统而构成。作为其具体例，基于图23说明具备上述目镜光学系统EL的头戴式显示器。图23所示的头戴式显示器1在固定于使用者头部的状态下使用。头戴式显示器1具有图像显示部11、目镜光学系统EL(图23中未图示)、以及收容此等部件的外壳12而构成。并且，在外壳12的左右侧部配设用于向使用者提供声音信息的扬声器14。并且，在外壳12的后部安装有用于将外壳12固定于使用者头部的头带16。

图像显示部11及目镜光学系统EL在外壳12固定于使用者头部的状态下，与使用者的眼对置配置而构成。虽省略详细图示，但是图像显示部11采用例如液晶显示元件等而构成。并且，目镜光学系统EL对应于使用者的双眼而设有2组。此种头戴式显示器中，若图像显示部11显示既定图像，则来自图像显示部11的光线将透过目镜光学系统EL到达使用者的眼。据此，使用者可通过目镜光学系统EL看见图像显示部11显示的图像。此外，图像显示部11显示的图像可为静止图像亦可为动态图像。并且，图像显示部11亦可构成为，将右眼用的视差图像与左眼用的视差图像分别显示，通过使用者通过目镜光学系统EL观看该视差图像，使其能被辨识为立体图像。根据以上结构，通过搭载目镜光学系统EL，可获得一种既薄型且具有大视场角并良好地校正了色差等各像差的头戴式显示器。

【实施例】

以下，基于附图说明本申请的各实施例。图1、图6、图11、及图16中显示第1～第4实施例的目镜光学系统EL{EL(1)～EL(4)}的透镜结构及屈光力分配。各透镜组的记号处所附的(+)或(-)符号表示各透镜组的屈光力。

在这些图1、图6、图11、及图16中，分别将各透镜组用符号G与数字(或字母)的组合来表示，将各透镜用符号L与数字(或字母)的组合来表示。于此情形下，为避免因符号、数字的种类及数量过多而复杂化，就各实施例分别独立使用符号与数字的组合来表示透镜组等。因此，即使在实施例间使用同一符号与数字的组合，亦不意味其代表同一结构。

以下示出表1～表4，其中表1是示出第1实施例，表2是示出第2实施例，表3是示出第3实施例，表4是示出第4实施例中的各参数的值的表。各实施例中，选取d线(波长λ＝587.6nm)、e线(波长λ＝546.1nm)、g线(波长λ＝435.8nm)、C线(波长λ＝656.3nm)、F线(波长λ＝486.1nm)作为像差特性的计算对象。

各表的[各参数数据]中，f表示目镜光学系统的焦距，fDOE表示衍射光学元件的焦距，fR1表示形成有第1菲涅尔面的透镜的焦距，fR2表示形成有第2菲涅尔面的透镜的焦距。并且，[各参数数据]中，ω表示视场角(单位为“°”)，ER表示适眼距，TL表示从最视点侧的透镜面至图像显示部的距离。[透镜数据]中，面编号表示从视点侧计数的各透镜面的编号，R表示各透镜面的曲率半径，D表示各透镜面的间隔，νd表示对应d线(波长λ＝587.6nm)的阿贝数，nd表示对应d线(波长λ＝587.6nm)的折射率。此外，附于第1栏(面编号)右侧的*a，表示其透镜面为非球面。附于第1栏(面编号)右侧的*b，表示其透镜面为非球面形状的菲涅尔面。附于第1栏(面编号)右侧的*c，表示其透镜面为构成衍射光栅的衍射光学面。曲率半径的“∞”表示平面或开口，省略空气的折射率nd＝1.000000的记载。

关于[非球面数据]中表示的非球面系数，当与光轴垂直方向的高度(环位置)设为y，光轴方向的弛度量设为X(y)，基准球面的曲率半径(近轴曲率半径)设为r，圆锥常数设为κ，n次(n＝2，4，6，8，10)的非球面系数设为An的时，由下式(A)来表示。此外，2次的非球面系数A2为0，其记载省略。“E-n”表示“×10^-n”。例如，“1.234E-05”表示“1.234×10^-5”。

X(y)＝(y²/r)/{1+(1－(1+κ)×y²/r²)^1/2}+A4×y⁴+A6×y⁶+A8×y⁸+A10×y¹⁰…(A)

[衍射光学面数据]中，示出使用相位函数法计算的衍射光学面的相位系数。相位系数的基准波长设为587.6nm。决定衍射光学面的形状的相位多项式由以下数学式(B)来表示。

Z＝∑C_jx^myⁿΛ(B)

此处在(B)式中，j、m、n之间满足由以下数学式(C)表示的关系。

[菲涅尔面数据]中，ASa表示各菲涅尔面中的最大视场角主光线通过位置处的高宽比，ASb表示从各菲涅尔面中的最大视场角主光线通过位置的中心侧的第1中间位置(从中心至最大视场角主光线通过位置的7成的到达位置)处的高宽比，ASc表示从各菲涅尔面中的第1中间位置的中心侧的第2中间位置(从中心至最大视场角主光线通过位置的5成的到达位置)处的高宽比。[条件式对应值]中，分别示出各条件式的对应值。

此外，关于以下所有各参数值中刊载的焦距f、曲率半径R，虽其他长度一般使用「mm」作为单位，但对于光学系统，即使比例扩大或比例缩小亦可获得同等的光学性能，因此并不限于此单位。至此的表的说明在所有实施例中皆通用，省略以下的重复说明。

(第1实施例)

首先，针对本申请的第1实施例使用图1～图5及表1予以说明。各实施例的目镜光学系统作为用于观察图像显示部11显示的图像的目镜光学系统而被使用。图1是第1实施例的目镜光学系统EL(1)的透镜构成图，图2是第1实施例的目镜光学系统EL(1)的光路图。第1实施例的目镜光学系统EL(1)由从视点EP侧起依次排列的具有正屈光力的第1透镜组G1、具有正屈光力的第2透镜组G2及具有正屈光力的第3透镜组G3构成。

第1透镜组G1由具有正屈光力的平凸形状的第1透镜L1构成。第1透镜L1是在图像显示部11侧的透镜面形成有非球面形状的第1菲涅尔面FSa的菲涅尔透镜。

第2透镜组G2由接合正透镜构成，该接合正透镜由具有正屈光力的平凸形状的第2透镜L2及具有正屈光力的平凸形状的第3透镜L3构成。第2透镜L2与第3透镜L3隔着密着复层型的衍射光学元件DOE而接合，该衍射光学元件DOE在界面处形成有构成衍射光栅DG的衍射光学面。第2透镜L2是视点EP侧的透镜面形成为非球面形状的非球面透镜。第3透镜L3是在图像显示部11侧的透镜面形成有非球面形状的第2菲涅尔面FSb的菲涅尔透镜。

第3透镜组G3由具有正屈光力的弯月形状的第4透镜L4构成。第4透镜L4是两侧的透镜面形成为非球面形状的非球面透镜。第4透镜L4被配置为凹面朝向图像显示部11。

以下的表1中，示出第1实施例中的各参数。

(表1)

[各参数数据]

f＝21.77

fDOE＝384.62

fR1＝48.37

fR2＝69.03

ω＝±60°

ER＝10.0

TL＝25.0

[透镜数据]

[非球面数据]

第2面

κ＝0.0000

A4＝-1.0506E-05,A6＝1.1147E-07,A8＝-2.4011E-10,A10＝2.4908E-13

第3面

κ＝-49.695049

A4＝-2.47387E-06,A6＝-3.30138E-08,A8＝5.15408E-11,A10＝1.65242E-14

第7面

κ＝0.0000

A4＝5.91920E-06,A6＝-3.81010E-08,A8＝-1.16180E-10,A10＝2.64530E-13

第8面

κ＝0.0000

A4＝-5.83107E-06,A6＝2.52546E-07,A8＝-9.08748E-10,A10＝6.64101E-13

第9面

κ＝0.0000

A4＝1.65842E-06,A6＝1.79802E-07,A8＝-8.37315E-10,A10＝6.78955E-13

[衍射光学面数据]

项第5面系数

C2 -1.30E-03

C4 1.30E-06

[菲涅尔面数据]

[条件式对应値]

条件式(1)fR2/fR1＝1.43

条件式(2)f/fDOE＝0.06

条件式(3)f/fR1＝0.45

条件式(4)AS1＝0.9

条件式(5)AS2＝1.1

图3是第1实施例的目镜光学系统的各像差图。图4是第1实施例的目镜光学系统的横像差图。图5是第1实施例的目镜光学系统的光点图。在各像差图中，d表示d线(波长λ＝587.6nm)、e表示e线(波长λ＝546.1nm)、g表示g线(波长λ＝435.8nm)、C表示C线(波长λ＝656.3nm)、F表示F线(波长λ＝486.1nm)。在像散图中，实线表示弧矢像面，虚线表示子午像面。在横像差图中，RFH表示像高比(Relative Field Height)。在光点图中，纵轴表示景象方位，横轴表示散焦量。此外，在以下所示的各实施例的像差图中，亦使用与本实施例相同的符号，并省略重复的说明。而且，由各像差图可知，第1实施例中，各像差被良好地校正，并具有极佳的成像性能。

(第2实施例)

以下，针对本申请的第2实施例使用图6～图10及表2予以说明。图6是第2实施例的目镜光学系统EL(2)的透镜构成图，图7是第2实施例的目镜光学系统EL(2)的光路图。第2实施例的目镜光学系统EL(2)，由从视点EP侧起依次排列的具有正屈光力的第1透镜组G1、具有正屈光力的第2透镜组G2及具有正屈光力的第3透镜组G3构成。

第1透镜组G1由接合正透镜构成，该接合正透镜由具有正屈光力的平凸形状的第1透镜L1及具有正屈光力的平凸形状的第2透镜L2构成。第1透镜L1与第2透镜L2隔着密着复层型的衍射光学元件DOE而接合，该衍射光学元件DOE在界面处形成有构成衍射光栅DG的衍射光学面。第1透镜L1是视点EP侧的透镜面形成为非球面形状的非球面透镜。第2透镜L2是在图像显示部11侧的透镜面形成有非球面形状的第1菲涅尔面FSa的菲涅尔透镜。

第2透镜组G2由具有正屈光力的平凸形状的第3透镜L3构成。第3透镜L3是在图像显示部11侧的透镜面形成有非球面形状的第2菲涅尔面FSb的菲涅尔透镜。

以下的表2中，示出第2实施例中的各参数。

(表2)

[各参数数据]

f＝21.45

fDOE＝235.86

fR1＝49.44

fR2＝66.94

ω＝±60°

ER＝10.0

TL＝25.0

[透镜数据]

[非球面数据]

第1面

κ＝0.0000

A4＝-9.3810E-06,A6＝-1.5637E-08,A8＝3.1846E-11,A10＝3.9767E-14

第5面

κ＝0.0000

A4＝-4.50010E-06,A6＝1.42080E-08,A8＝-7.01920E-12,A10＝7.90970E-14

第7面

κ＝0.0000

A4＝6.43360E-07,A6＝5.07060E-09,A8＝-1.21920E-10,A10＝1.68810E-13

第8面

κ＝0.0000

A4＝4.04288E-06,A6＝1.78012E-08,A8＝-2.91991E-10,A10＝4.35850E-13

第9面

κ＝0.0000

A4＝5.64153E-06,A6＝-9.48474E-08,A8＝5.62078E-11,A10＝1.38325E-13

[衍射光学面数据]

[菲涅尔面数据]

[条件式对应値]

条件式(1)fR2/fR1＝1.35

条件式(2)f/fDOE＝0.09

条件式(3)f/fR1＝0.43

条件式(4)AS1＝1.0

条件式(5)AS2＝1.1

图8是第2实施例的目镜光学系统的各像差图。图9是第2实施例的目镜光学系统的横像差图。图10是第2实施例的目镜光学系统的光点图。而且，由各像差图可知，在第2实施例中，各像差被良好地校正，并具有极佳的成像性能。

(第3实施例)

以下，针对本申请的第3实施例使用图11～图15及表3予以说明。图11是第3实施例的目镜光学系统EL(3)的透镜构成图，图12是第3实施例的目镜光学系统EL(3)的光路图。第3实施例的目镜光学系统EL(3)由从视点EP侧起依次排列的具有正屈光力的第1透镜组G1及具有正屈光力的第2透镜组G2构成。

在以下的表3中，示出第3实施例中的各参数。

(表3)

[各参数数据]

f＝20.97

fDOE＝257.85

fR1＝43.83

fR2＝72.26

ω＝±60°

ER＝10.0

TL＝25.0

[透镜数据]

[非球面数据]

第1面

κ＝0.0000

A4＝-1.1562E-05,A6＝-4.6672E-09,A8＝-8.5258E-11,A10＝8.8321E-14

第5面

κ＝0.0000

A4＝8.89510E-06,A6＝-3.17262E-08,A8＝3.91456E-11,A10＝-7.09111E-14

第7面

κ＝0.0000

A4＝-4.00176E-06,A6＝-6.79858E-09,A8＝5.11130E-12,A10＝3.43115E-15

[衍射光学面数据]

[菲涅尔面数据]

[条件式对应値]

条件式(1)fR2/fR1＝1.65

条件式(2)f/fDOE＝0.08

条件式(3)f/fR1＝0.48

条件式(4)AS1＝4.3

条件式(5)AS2＝1.9

图13是第3实施例的目镜光学系统的各像差图。图14是第3实施例的目镜光学系统的横像差图。图15是第3实施例的目镜光学系统的光点图。而且，由各像差图可知，在第3实施例中，各像差被良好地校正，并具有极佳的成像性能。

(第4实施例)

以下，针对本申请的第4实施例使用图16～图20及表4予以说明。图16是第4实施例的目镜光学系统EL(4)的透镜构成图，图17是第4实施例的目镜光学系统EL(4)的光路图。第4实施例的目镜光学系统EL(4)由从视点EP侧起依次排列的具有正屈光力的第1透镜组G1及具有正屈光力的第2透镜组G2构成。

第2透镜组G2由具有正屈光力的弯月形状的第3透镜L3构成。第3透镜L3是两侧的透镜面形成为非球面形状的非球面透镜。第3透镜L3被配置为凹面朝向图像显示部11。

在以下的表4中，示出第4实施例中的各参数。

(表4)

[各参数数据]

f＝24.92

fDOE＝381.01

fR1＝45.33

ω＝±60°

ER＝10.0

TL＝30.0

[透镜数据]

[非球面数据]

第1面

κ＝0.777552736

A4＝-1.0033E-05,A6＝-2.7721E-09,A8＝-8.8993E-11,A10＝9.1365E-14

第5面

κ＝0.0000

A4＝1.55037E-05,A6＝-4.11524E-08,A8＝2.83502E-11,A10＝-1.06404E-13

第6面

κ＝0.0000

A4＝7.69796E-06,A6＝1.04884E-08,A8＝-3.21843E-11,A10＝4.04558E-14

第7面

κ＝0.0000

A4＝-1.53344E-06,A6＝-8.23749E-09,A8＝1.95494E-11,A10＝1.50775E-14

[衍射光学面数据]

[菲涅尔面数据]

[条件式对应値]

条件式(2)f/fDOE＝0.07

条件式(3)f/fR1＝0.55

条件式(4)AS1＝3.1

图18是第4实施例的目镜光学系统的各像差图。图19是第4实施例的目镜光学系统的横像差图。图20是第4实施例的目镜光学系统的光点图。而且，由各像差图可知，在第4实施例中，各像差被良好地校正，并具有极佳的成像性能。

根据以上的各实施例，可实现一种既薄型且具有大视场角并良好地校正了色差等各像差的目镜光学系统。

虽作为本实施方式的目镜光学系统的数值实施例展示了2组及3组构成的情况，但本申请不限于此，亦可构成其他组构成(例如，4组等)的目镜光学系统。具体而言，亦可是在本实施方式的目镜光学系统的最靠物体侧或最靠像面侧追加了透镜或透镜组的结构。

透镜面可由球面或平面形成，亦可由非球面形成。在透镜面为球面或平面的情况下，透镜加工及组装调整会变得容易，能防止因加工及组装调整的误差所导致的光学性能的劣化。

在透镜面为非球面的情况下，非球面可是通过研磨加工作成的非球面、利用模具将玻璃形成为非球面形状的玻璃模制非球面、在玻璃的表面将树脂形成为非球面形状的复合型非球面的任一种。并且，透镜面可作成为衍射光学面，透镜亦可采用折射率分布型透镜(GRIN透镜)或塑料透镜。

为减轻光晕(flare)及重影并达成高对比度度的光学性能，亦可对各透镜面施以宽波长区域中具有高透射率的反射防止膜。据此，可减轻光晕及重影并可达成高对比度度的高光学性能。

标号说明

1 头戴式显示器

11 图像显示部

EL 目镜光学系统

G1 第1透镜组

G2 第2透镜组

G3 第3透镜组

L1 第1透镜

L2 第2透镜

L3 第3透镜

L4 第4透镜

EP 视点

DOE 衍射光学元件

DG 衍射光栅

DE1 第1光学元件要素

DE2 第2光学元件要素

FSa 第1菲涅尔面

FSb 第2菲涅尔面

Claims

1.一种目镜光学系统，其具备从视点侧起依次排列的具有正屈光力的第1透镜组和具有正屈光力的第2透镜组；

上述第1透镜组及上述第2透镜组中的一方具有接合至少两个光学构件而成的接合透镜；

上述接合透镜的接合面是构成衍射光栅的衍射光学面；

构成上述第1透镜组及上述第2透镜组的透镜中的至少任意透镜面为菲涅尔面，

关于所述菲涅尔面的壁面部，在具有该菲涅尔面的透镜的中心侧沿光轴延伸，而在具有该菲涅尔面的透镜的外周侧，随着该菲涅尔面的菲涅尔台阶的节距越小，其相对于光轴倾斜越大。

2.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其中，

上述接合透镜中的一侧的透镜面为上述菲涅尔面。

3.根据权利要求2所述的目镜光学系统，其中，

上述接合透镜中与上述菲涅尔面不同的透镜面为非球面。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，

上述第1透镜组及上述第2透镜组中的不包含上述接合透镜的透镜组具有至少一个透镜，上述一个透镜中的一侧的透镜面为上述菲涅尔面。

5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，

上述第1透镜组及上述第2透镜组中的一方由具有正屈光力的上述接合透镜构成；

上述第1透镜组及上述第2透镜组中的另一方由具有正屈光力的一个透镜构成。

6.根据权利要求1至3中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，

上述第2透镜组由具有正屈光力的上述接合透镜构成；

上述第1透镜组由具有正屈光力的一个透镜构成。

7.根据权利要求1至3中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，

该目镜光学系统具备从视点侧起依次排列的上述第1透镜组、上述第2透镜组、以及具有非球面透镜的第3透镜组。

8.根据权利要求1至3中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，

上述第1透镜组及上述第2透镜组分别具有形成有上述菲涅尔面的透镜，并满足以下条件式：

1.00＜fR2/fR1

其中，fR1：上述第1透镜组中形成有上述菲涅尔面的透镜的焦距；

fR2：上述第2透镜组中形成有上述菲涅尔面的透镜的焦距。

9.根据权利要求1至3中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，

上述接合透镜隔着由第1光学元件要素和第2光学元件要素构成的密着复层型的衍射光学元件而接合，在上述第1光学元件要素与上述第2光学元件要素的界面处形成上述衍射光学面。

10.根据权利要求9所述的目镜光学系统，其中，

满足以下条件式：

0＜f/fDOE＜0.15

其中，f：上述目镜光学系统的焦距；

fDOE：上述衍射光学元件的焦距。

11.根据权利要求1至3中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，

上述第1透镜组具有形成有上述菲涅尔面的透镜，并满足以下条件式：

0＜f/fR1＜0.60

其中，f：上述目镜光学系统的焦距；

fR1：上述第1透镜组中形成有上述菲涅尔面的透镜的焦距。

12.根据权利要求1至3中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，

0＜AS1＜5.0

其中，AS1：上述第1透镜组中的上述菲涅尔面的菲涅尔台阶的高宽比的最大値。

13.根据权利要求1至3中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，

0＜AS2＜2.5

其中，AS2：上述第2透镜组中的上述菲涅尔面的菲涅尔台阶的高宽比的最大值。

14.根据权利要求1至3中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，

上述第1透镜组及上述第2透镜组分别具有形成有上述菲涅尔面的透镜；

上述第1透镜组中形成有上述菲涅尔面的透镜的屈光力比上述第2透镜组中形成有上述菲涅尔面的透镜的屈光力大。

15.一种头戴式显示器，其具备：

能够显示图像的图像显示部；以及

用于观察显示于上述图像显示部的图像的目镜光学系统；

上述目镜光学系统为权利要求1至14中的任意一项所述的目镜光学系统。