CN112424669A - 目镜光学系统以及头戴式显示器 - Google Patents
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Abstract
目镜光学系统(EL)具备菲涅尔透镜(L1)，该菲涅尔透镜具有形成于观察物体侧的透镜面的多个菲涅尔环带(FR)，多个菲涅尔环带(FR)沿着具有关于菲涅尔透镜(L1)的中心轴旋转对称的形状的非球面呈同心圆状排列配置，且满足以下的条件式：0＜PAE1/PAC1≤0.50其中，PAE1：在菲涅尔透镜(L1)的距中心轴半径为15mm以上的部分形成的菲涅尔环带(FR)的径向的平均间距，PAC1：除了第1菲涅尔环带(FR)(1)以外的、在菲涅尔透镜(L1)的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带(FR)的径向的平均间距。
Description
技术领域
本发明涉及目镜光学系统以及头戴式显示器。
背景技术
例如，在专利文献1中，公开有具备目镜光学系统的头戴式显示器。在这种目镜光学系统中，为了谋求薄型化、轻量化、广角化，良好地校正像差，正在使用菲涅尔透镜。然而，在现有的菲涅尔透镜中容易产生眩光(flare)。
先前技术文献
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菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜具有形成于观察物体侧的透镜面的多个菲涅尔环带，所述多个菲涅尔环带沿着具有关于所述菲涅尔透镜的中心轴旋转对称的形状的非球面而呈同心圆状排列配置，且满足以下的条件式：
0＜PAE1/PAC1≤0.50
其中，PAE1：所述多个菲涅尔环带中，在所述菲涅尔透镜的距中心轴半径为15mm以上的部分形成的菲涅尔环带的径向的平均间距，
PAC1：所述多个菲涅尔环带中，除了位于所述菲涅尔透镜的最靠中心轴侧的第1菲涅尔环带以外的、在所述菲涅尔透镜的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带的径向的平均间距。
第2方式的头戴式显示器具备：图像显示部，其能够显示图像；以及目镜光学系统，其用于观察显示于所述图像显示部的图像，所述目镜光学系统为第1方式的目镜光学系统。
附图说明
图1是第1实施例的目镜光学系统的透镜结构图。
图2是表示第1实施例的目镜光学系统的菲涅尔透镜的形状的放大图。
图3是第1实施例的目镜光学系统的诸多像差图。
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点状图。
图6是第1实施例的目镜光学系统的眩光的比较图。
图7是第2实施例的目镜光学系统的透镜结构图。
图8是表示第2实施例的目镜光学系统的菲涅尔透镜的形状的放大图。
图9是第2实施例的目镜光学系统的诸多像差图。
图10是第2实施例的目镜光学系统的横像差图。
图11是第2实施例的目镜光学系统的点状图。
图12是第2实施例的目镜光学系统的眩光的比较图。
图13是第3实施例的目镜光学系统的透镜结构图。
图14是表示第3实施例的目镜光学系统的菲涅尔透镜的形状的放大图。
图15是第3实施例的目镜光学系统的诸多像差图。
图16是第3实施例的目镜光学系统的横像差图。
图17是第3实施例的目镜光学系统的点状图。
图18是第3实施例的目镜光学系统的眩光的比较图。
图19是第4实施例的目镜光学系统的透镜结构图。
图20是表示第4实施例的目镜光学系统的菲涅尔透镜的形状的放大图。
图21是第4实施例的目镜光学系统的诸多像差图。
图22是第4实施例的目镜光学系统的横像差图。
图23是第4实施例的目镜光学系统的点状图。
图24是第4实施例的目镜光学系统的眩光的比较图。
图25是第5实施例的目镜光学系统的透镜结构图。
图26是表示第5实施例的目镜光学系统的菲涅尔透镜的形状的放大图。
图27是第5实施例的目镜光学系统的诸多像差图。
图28是第5实施例的目镜光学系统的横像差图。
图29是第5实施例的目镜光学系统的点状图。
图30是第5实施例的目镜光学系统的眩光的比较图。
图31是本实施方式的菲涅尔透镜与现有的菲涅尔透镜的比较图。
图32的(A)是测定眩光的测定装置的概略图，(B)是表示菲涅尔环带的一部分的剖视图。
图33是头戴式显示器的外观图。
具体实施方式
以下，参照图对本实施方式的目镜光学系统、以及头戴式显示器进行说明。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，具备菲涅尔透镜L1而构成，该菲涅尔透镜L1具有形成于观察物体侧的透镜面的多个菲涅尔环带FR。本实施方式的目镜光学系统EL也可以为图7所示的目镜光学系统EL(2)，也可以为图13所示的目镜光学系统EL(3)，也可以为图19所示的目镜光学系统EL(4)，也可以为图25所示的目镜光学系统EL(5)。
例如，如图31所示，多个菲涅尔环带FR中，位于菲涅尔透镜L1的最靠中心轴侧的第1菲涅尔环带FR(1)形成为与菲涅尔透镜L1的中心轴同轴的圆盘状。第1菲涅尔环带FR(1)具有非球面形状的菲涅尔面部FRa(1)。多个菲涅尔环带FR中，自菲涅尔透镜L1的中心轴侧起数第2个以后的菲涅尔环带FR形成为与菲涅尔透镜L1的中心轴同轴的圆环状。第2个以后的菲涅尔环带FR具有非球面形状的菲涅尔面部FRa、以及台阶壁状的壁面部FRb。另外，第1菲涅尔环带FR(1)形成为并非环带状(圆环状)的形状(圆盘状)，但在本实施方式中，设为第1菲涅尔环带FR(1)也包含于多个菲涅尔环带FR中。在图31以及下述图2、图8、图14、图20、图26中，图示了多个菲涅尔环带FR中，自菲涅尔透镜L1的中心轴侧起数第2个以及第3个的菲涅尔环带(第2菲涅尔环带FR(2)以及第3菲涅尔环带FR(3))中的菲涅尔面部FRa以及壁面部FRb的符号，省略了第4个以后的菲涅尔环带FR中的菲涅尔面部FRa以及壁面部FRb的符号的图标。
多个菲涅尔环带FR沿着具有关于菲涅尔透镜L1的中心轴旋转对称的形状的非球面(以下为方便起见，有时称为配置基准非球面)呈同心圆状排列配置。例如，各菲涅尔环带FR的顶部沿着关于菲涅尔透镜L1的中心轴旋转对称的非球面排列配置。并且，例如，形成于相邻的菲涅尔环带FR的边界的谷部也可以沿着关于菲涅尔透镜L1的中心轴旋转对称的非球面排列配置。
各菲涅尔环带FR的菲涅尔面部FRa的形状为将构成获得所期望的光学性能的非球面透镜(例如，参照图31的双点划线)的非球面(以下为方便起见，称为形状基准非球面)分割为环带状的分割面的形状。由此，能够获得比通常的非球面透镜薄的菲涅尔透镜L1。在本实施方式中，多个菲涅尔环带FR沿着具有比平面的曲率大且比形状基准非球面(菲涅尔面部FRa)的曲率小的中间的曲率的非球面(配置基准非球面)配置，而并非如现有的菲涅尔透镜(例如，参照图31的双点划线)那样沿着相对于中心轴垂直的平面配置。由此，与现有的菲涅尔透镜相比，可抑制菲涅尔透镜L1变厚，且可使多个菲涅尔环带FR的径向的间距(顶部的间隔)在菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分更大。即，与现有的菲涅尔透镜相比，可使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分中的菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量变少。因此，能够使在使用头戴式显示器时被视觉辨认的情况较多的视野中心部(即，菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分)所产生的眩光减少。
在本实施方式的目镜光学系统EL中，优选为满足以下条件式(1)。
0＜PAE1/PAC1≤0.50…(1)
其中，PAE1：多个菲涅尔环带FR中，在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以上的部分形成的菲涅尔环带FR的径向的平均间距，
PAC1：多个菲涅尔环带FR中，除了位于菲涅尔透镜L1的最靠中心轴侧的第1菲涅尔环带FR(1)以外的、在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带FR的径向的平均间距。
条件式(1)为规定在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以上的部分排列形成的菲涅尔环带FR的径向的平均间距相对于在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分排列形成的菲涅尔环带FR的径向的平均间距之比的条件式。通过满足条件式(1)，在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中，菲涅尔环带FR的径向的平均间距变大，菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量变少。因此，可使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。
若条件式(1)的对应值高于上限值，则在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中，菲涅尔环带FR的径向的平均间距变小，菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量变多。因此，难以使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。为了使本实施方式的效果可靠，也可以使条件式(1)的上限值优选为0.45。为了避免菲涅尔透镜L1的制作变得困难，也可以使条件式(1)的下限值优选为0.30以上。
在本实施方式的目镜光学系统EL中，也可以满足以下条件式(2)。
0＜PAE2/PAC1≤0.55…(2)
其中，PAE2：多个菲涅尔环带FR中，在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm
22.5mm的部分形成的菲涅尔环带FR的径向的平均间距。
条件式(2)为规定在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm
22.5mm的部分排列形成的菲涅尔环带FR的径向的平均间距相对于在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分排列形成的菲涅尔环带FR的径向的平均间距之比的条件式。通过满足条件式(2)，在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中，菲涅尔环带FR的径向的平均间距变大，菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量变少。因此，可使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。
若条件式(2)的对应值高于上限值，则在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中，菲涅尔环带FR的径向的平均间距变小，菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量变多。因此，难以使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。为了使本实施方式的效果可靠，也可以使条件式(2)的上限值优选为0.51。为了避免菲涅尔透镜L1的制作变得困难，也可以使条件式(2)的下限值优选为0.30以上。
在本实施方式的目镜光学系统EL中，也可以满足以下条件式(3)。
0＜PAE3/PAC1≤0.60…(3)
其中，PAE3：多个菲涅尔环带FR中，在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm
20mm的部分形成的菲涅尔环带FR的径向的平均间距。
条件式(3)为规定在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm
20mm的部分排列形成的菲涅尔环带FR的径向的平均间距相对于在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分排列形成的菲涅尔环带FR的径向的平均间距之比的条件式。通过满足条件式(3)，在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中，菲涅尔环带FR的径向的平均间距变大，菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量变少。因此，可使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。
若条件式(3)的对应值高于上限值，则在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中，菲涅尔环带FR的径向的平均间距变小，菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量变多。因此，难以使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。为了使本实施方式的效果可靠，也可以使条件式(3)的上限值优选为0.55。为了避免菲涅尔透镜L1的制作变得困难，也可以使条件式(3)的下限值优选为0.30以上。
在本实施方式的目镜光学系统EL中，也可以满足以下条件式(4)。
PAC1≥1.0[mm]…(4)
条件式(4)为规定在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分排列形成的菲涅尔环带FR的径向的平均间距的条件式。通过满足条件式(4)，在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中，菲涅尔环带FR的径向的平均间距变大，菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量变少。因此，可使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。
若条件式(4)的对应值低于下限值，则在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中，菲涅尔环带FR的径向的平均间距变小，菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量变多。因此，难以使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。为了使本实施方式的效果可靠，也可以使条件式(4)的下限值优选为1.5[mm]。为了避免菲涅尔透镜L1大型化，也可以使条件式(4)的上限值优选为3.5[mm]以下。
在本实施方式的目镜光学系统EL中，也可以满足以下条件式(5)。
PMX1/PMN1≥10.0…(5)
其中，PMX1：多个菲涅尔环带FR的径向的最大间距，
PMN1：多个菲涅尔环带FR的径向的最小间距。
条件式(5)为规定多个菲涅尔环带FR的径向的最大间距相对于多个菲涅尔环带FR的径向的最小间距之比的条件式。菲涅尔环带FR的径向的间距越位于菲涅尔透镜L1的中心轴侧则越相对性地变大。通过满足条件式(5)，在菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分中，菲涅尔环带FR的径向的间距变大，菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量变少。因此，可使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。
若条件式(5)的对应值低于下限值，则在菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分中，菲涅尔环带FR的径向的间距变小，菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量变多。因此，难以使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。为了使本实施方式的效果可靠，也可以使条件式(5)的下限值优选为15.0。为了避免菲涅尔透镜L1的制作变得困难，也可以使条件式(5)的上限值优选为35.5以下。
在本实施方式的目镜光学系统EL中，也可以满足以下条件式(6)。
1＜PMX2/PMN2≤7.5…(6)
其中，PMX2：多个菲涅尔环带FR中，在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带FR的径向的最大间距，
PMN2：多个菲涅尔环带FR中，在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带FR的径向的最小间距。
条件式(6)为规定在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分排列形成的菲涅尔环带FR的径向的最大间距相对于在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分排列形成的菲涅尔环带FR的径向的最小间距之比的条件式。通过满足条件式(6)，在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中，菲涅尔环带FR的径向的间距的变化变得平缓，菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量变少。因此，可使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。
若条件式(6)的对应值高于上限值，则在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中，菲涅尔环带FR的径向的间距的变化变得陡峭，菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量变多。因此，难以使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。为了使本实施方式的效果可靠，也可以使条件式(6)的上限值优选为6.5。
在本实施方式的目镜光学系统EL中，也可以满足以下条件式(7)。
1＜PMX3/PMN3≤2.5…(7)
其中，PMX3：多个菲涅尔环带FR中，除了第1菲涅尔环带FR(1)以外的在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带FR的径向的最大间距，
PMN3：多个菲涅尔环带FR中，除了第1菲涅尔环带FR(1)以外的在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带FR的径向的最小间距。
条件式(7)为规定在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分排列形成的菲涅尔环带FR的径向的最大间距相对于除了第1菲涅尔环带FR(1)以外的情况下的在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分排列形成的菲涅尔环带FR的径向的最小间距之比的条件式。通过满足条件式(7)，在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中，菲涅尔环带FR的径向的间距的变化变得平缓，菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量变少。因此，可使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。
若条件式(7)的对应值高于上限值，则在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中，菲涅尔环带FR的径向的间距的变化变得陡峭，菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量变多。因此，难以使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。为了使本实施方式的效果可靠，也可以使条件式(7)的上限值优选为2.0。
在本实施方式的目镜光学系统EL中，也可以满足以下条件式(8)。
QE1/QC1≥2.0…(8)
其中，QE1：多个菲涅尔环带FR中，在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm
22.5mm的部分形成的菲涅尔环带FR的数量，
QC1：多个菲涅尔环带FR中，除了第1菲涅尔环带FR(1)以外的在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带FR的数量。
条件式(8)为规定在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm
22.5mm的部分排列形成的菲涅尔环带FR的数量相对于在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分排列形成的菲涅尔环带FR的数量的条件式。通过满足条件式(8)，在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中的菲涅尔环带FR的数量变少，故而可使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。
若条件式(8)的对应值低于下限值，则菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中的菲涅尔环带FR的数量变多，故而难以使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。为了使本实施方式的效果可靠，也可以使条件式(8)的下限值优选为2.5。为了避免菲涅尔透镜L1的制作变得困难，也可以使条件式(8)的上限值优选为5.0以下。
在本实施方式的目镜光学系统EL中，也可以满足以下条件式(9)。
QE2/QC1≥1.0…(9)
其中，QE2：多个菲涅尔环带FR中，在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm
20mm的部分形成的菲涅尔环带FR的数量，
QC1：多个菲涅尔环带FR中，除了第1菲涅尔环带FR(1)以外的在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带FR的数量。
条件式(9)为规定在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm
20mm的部分排列形成的菲涅尔环带FR的数量相对于在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分排列形成的菲涅尔环带FR的数量的条件式。通过满足条件式(9)，在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中的菲涅尔环带FR的数量变少，故而可使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。
若条件式(9)的对应值低于下限值，则在菲涅尔透镜L1的距中心轴半径为15mm以下的部分中的菲涅尔环带FR的数量变多，故而难以使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。为了使本实施方式的效果可靠，也可以使条件式(9)的下限值优选为1.5。为了避免菲涅尔透镜L1的制作变得困难，也可以使条件式(9)的上限值优选为3.0以下。
在本实施方式的目镜光学系统EL中，多个菲涅尔环带FR中的壁面部FRb相对于菲涅尔透镜L1的中心轴平行地延伸，但并不限定于此。例如，如图32的(B)所示，菲涅尔环带FR的壁面部FRb也可以向与(相对于菲涅尔透镜L1的中心轴)菲涅尔面部FRa倾斜的方向相反侧的方向倾斜。由此，入射至菲涅尔环带FR中的菲涅尔面部FRa的光难以到达壁面部FRb，故而可使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。
在本实施方式的目镜光学系统EL中，也可以在多个菲涅尔环带FR中的壁面部FRb设置未图示的遮光部件。由此，即便入射至菲涅尔环带FR中的菲涅尔面部FRa的光到达壁面部FRb，也通过遮光部件而遮光，故而可使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。作为设置于菲涅尔环带FR的壁面部FRb的遮光部件，例如，可列举能够涂布于壁面部FRb的固化型丙烯酸胺基甲酸酯涂料、苯二甲酸树脂珐琅涂料等使用黑色合成树脂的涂料。
在本实施方式的目镜光学系统EL中，供各菲涅尔环带FR的顶部配置的非球面(配置基准非球面)使用下式(A)表示。
[数学式1]
其中，Zd：菲涅尔透镜L1的距中心轴的距离y处的配置基准非球面的(菲涅尔透镜L1的中心轴方向的)凹陷量，
Rd：配置基准非球面中的基准球面的曲率半径(近轴曲率半径)，
kd：配置基准非球面的圆锥常数，
A2i：(2×i)次的非球面系数。
并且，成为菲涅尔环带FR中的菲涅尔面部FRa的基础的形状基准非球面使用下式(B)表示。
[数学式2]
其中，Zr：菲涅尔透镜L1的距中心轴的距离y处的形状基准非球面的(菲涅尔透镜L1的中心轴方向的)凹陷量，
Rr：形状基准非球面中的基准球面的曲率半径(近轴曲率半径)，
kr：形状基准非球面的圆锥常数，
B2i：(2×i)次的非球面系数。
此处，关于配置基准非球面的凹陷量Zd与形状基准非球面的凹陷量Zr的关系，可使用下式(C)来定义。
[数学式3]
(Zr-Zd)/Sg＝q+m···(C)
其中，Sg：菲涅尔环带FR中的壁面部FRb的中心轴方向的长度，
q：式(C)的左边的除法运算的商，
m：式(C)的左边的除法运算的余数。
而且，菲涅尔环带FR中的菲涅尔面部FRa基于式(A)
(C)使用下式(D)表示。另外，在图31以及下述图2、图8、图14、图20、图26中，对自通过非球面的顶点的切平面(基准面)向眼点(eye point)侧前进的方向的值标注负(-)的符号，表示菲涅尔面部FRa的凹陷量Zf(配置基准非球面的凹陷量Zd以及形状基准非球面的凹陷量Zr)。
[数学式4]
Zf＝Zr-(q×Sg)···(D)
其中，Zf：菲涅尔透镜L1的距中心轴的距离y处的菲涅尔面部FRa的(菲涅尔透镜L1的中心轴方向的)凹陷量。
在本实施方式的目镜光学系统EL中，也可以满足以下条件式(10)。
kd≤-5.0…(10)
条件式(10)为规定供多个菲涅尔环带FR配置的非球面(配置基准非球面)的式(A)中的圆锥常数的条件式。通过满足条件式(10)，可使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。
若条件式(10)的对应值高于上限值，则在接近菲涅尔透镜L1的中心轴的区域中的菲涅尔环带FR的不连续部(壁面部FRb)的数量增加，故而欠佳。为了使本实施方式的效果可靠，也可以使条件式(10)的上限值优选为-10.0。为了避免眩光的减少变得困难，也可以使条件式(10)的下限值优选为-30.0以上。
在本实施方式的目镜光学系统EL中，也可以满足以下条件式(11)。
kd＜kr…(11)
条件式(11)为规定配置基准非球面中的圆锥常数与形状基准非球面中的圆锥常数的关系的条件式。通过满足条件式(11)，可使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少。
另外，并不限定于各菲涅尔环带FR的顶部沿着配置基准非球面排列配置的情况，即便在各菲涅尔环带FR的谷部沿着配置基准非球面排列配置的情况下，也可以基于式(A)表示配置基准非球面。并不限定于菲涅尔环带FR的壁面部FRb相对于菲涅尔透镜L1的中心轴平行地延伸的情况，即便在菲涅尔环带FR的壁面部FRb相对于菲涅尔透镜L1的中心轴倾斜的情况下，也可以基于式(A)表示配置基准非球面。菲涅尔环带FR中的壁面部FRb的中心轴方向的长度Sg设为固定的值，但也可以为针对每个菲涅尔环带FR而不同的值。并且，菲涅尔透镜L1的外径较理想的是直径为30mm
75mm。
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33对具备上述目镜光学系统EL的头戴式显示器进行说明。图33所示的头戴式显示器1在固定于使用者的头部的状态下使用。头戴式显示器1具有图像显示部11、目镜光学系统EL(在图33中未图示)、以及收容它们的壳体12而构成。并且，在壳体12的左右侧部，配设用于对使用者提供声音信息的扬声器14。并且，在壳体12的后部，安装用于将壳体12固定于使用者的头部的带16。
图像显示部11以及目镜光学系统EL以在将壳体12固定于使用者的头部的状态下，与使用者的眼睛对置地配置的方式构成。图像显示部11虽然省略详细的图标，但例如使用液晶显示元件等构成。并且，目镜光学系统EL与使用者的两眼对应地设置2组。在这种头戴式显示器1中，若图像显示部11显示既定的图像，则来自图像显示部11的光透过目镜光学系统EL到达使用者的眼睛。由此，使用者可经由目镜光学系统EL观察由图像显示部11显示的图像。根据以上的结构，通过搭载目镜光学系统EL，可获得薄型而且具有广视场角，良好地校正了像散等诸多像差的头戴式显示器。
另外，图像显示部11所显示的图像既可为静止图像也可以为动态图像。并且，图像显示部11也可以以如下方式构成：分别显示右眼用的视差图像与左眼用的视差图像，通过使用者经由目镜光学系统EL观察该视差图像而识别为立体图像。并且，图像显示部11并不限定于与壳体12一体地设置的结构。例如，也可以为将与壳体分开设置能够显示图像的移动终端等作为图像显示部装设于壳体而使用的结构。
[实施例]
以下，基于附图对本实施方式的实施例的目镜光学系统EL进行说明。图1、图7、图13、图19、以及图25是表示第1
第5实施例的目镜光学系统EL{EL(1)
EL(5)}的透镜结构的图。图2、图8、图14、图20、以及图26是表示第1
第5实施例的目镜光学系统EL{EL(1)
EL(5)}的菲涅尔透镜L1的形状的放大图。
在这些图1、图2、图7、图8、图13、图14、图19、图20、图25以及图26中，通过符号L与数字(或字母)的组合而分别表示各透镜。在该情况下，为了防止符号、数字的种类以及数量变多而繁杂化，针对每个实施例分别独立地使用符号与数字的组合来表示透镜组等。因此，即便在实施例间使用相同的符号与数字的组合，也并非是指相同的结构。
以下，表示表1
表5，其中，表1为第1实施例，表2为第2实施例，表3为第3实施例，表4为第4实施例，表5为表示第5实施例中的规格的值的表。在各实施例中作为像差特性的计算对象，选择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)。
在各表的[规格数据]中，f表示目镜光学系统的焦距，ω表示视场角(单位为“°”)，ER表示镜目距(eye relief)，TL表示目镜光学系统的全长(自眼点至图像显示部(观察物体)的距离)，DA表示菲涅尔透镜的外径。并且，[规格数据]中所示的PAC1、PAE1、PAE2、以及PAE3与上述实施方式中所说明的相同。[规格数据]中所示的PMX1、PMN1、PMX2、PMN2、PMX3、以及PMN3与上述实施方式中所说明的相同。[规格数据]中所示的QC1、QE1、以及QE2与上述实施方式中所说明的相同。
在[透镜数据]中，分别面编号表示自眼点侧起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，nd表示针对d线(波长λ＝587.6nm)的折射率，νd表示针对d线(波长λ＝587.6nm)的阿贝数。另外，标注于第1栏(面编号)的右方的*a表示该透镜面为非球面。标注于第1栏(面编号)的右方的*b表示该透镜面为非球面形状的菲涅尔面(菲涅尔环带FR的菲涅尔面部)。曲率半径的“∞”表示平面或开口，省略了空气的折射率nd＝1.0000的记载。
在[非球面数据]中，在相应的透镜面为非球面形状的菲涅尔面的情况下，关于配置基准非球面表示上述式(A)的非球面系数，关于形状基准非球面表示上述式(B)的非球面系数。在相应的透镜面为一般性的非球面的情况下，表示使用下式(E)所表示的非球面系数。
[数学式5]
其中，Z：距透镜的中心轴的距离y处的非球面的(透镜的中心轴方向的)凹陷量，
R：非球面中的基准球面的曲率半径(近轴曲率半径)，
k：非球面的圆锥常数，
C2i：(2×i)次的非球面系数。
并且，在[非球面数据]中，“E-n”表示“×10-n”。例如，“1.234E-05”表示“1.234×10-5”。在[菲涅尔数据]中，“环带”表示自菲涅尔透镜的中心轴起数的菲涅尔环带的顺序。“谷坐标y”表示谷部距菲涅尔透镜的中心轴的距离，该谷部形成于与“环带”所示的顺序(N)－(N+1)对应的第(N)菲涅尔环带与第(N+1)菲涅尔环带的边界。“谷坐标z”表示形成于第(N)菲涅尔环带与第(N+1)菲涅尔环带的边界的谷部的(菲涅尔透镜的中心轴方向的)凹陷量。“山坐标y”表示第(N+1)菲涅尔环带的顶部距菲涅尔透镜的中心轴的距离。“山坐标z”表示第(N+1)菲涅尔环带的顶部的(菲涅尔透镜的中心轴方向的)凹陷量。“间距”表示第(N)菲涅尔环带与第(N+1)菲涅尔环带的间的径向(y方向)的间距。在[条件式对应值]中，分别表示各条件式的对应值。
另外，以下所有规格值中所揭载的焦距f、曲率半径R、其他长度的单位一般使用“mm”，但光学系统由于即便比例放大或比例缩小也可以获得同等的光学性能，故而并不限定于此。上文的表的说明在所有实施例中共通，省略以下的重复说明。
(第1实施例)
使用图1
图6以及表1对第1实施例进行说明。各实施例的目镜光学系统用作用于观察由图像显示部11显示的图像的目镜光学系统。图1是表示本实施方式的第1实施例的目镜光学系统的透镜结构的图。第1实施例的目镜光学系统EL(1)由具有正屈光力的双凸形状的菲涅尔透镜L1构成。
在菲涅尔透镜L1中的眼点EP侧的透镜面，形成非球面。在菲涅尔透镜L1中的图像显示部11侧(观察物体侧)的透镜面，形成多个菲涅尔环带FR。如图2所示，多个菲涅尔环带FR中，位于菲涅尔透镜L1的最靠中心轴侧的第1菲涅尔环带FR(1)形成为与菲涅尔透镜L1的中心轴同轴的圆盘状。第1菲涅尔环带FR(1)具有非球面形状的菲涅尔面部FRa(1)。多个菲涅尔环带FR中，自菲涅尔透镜L1的中心轴侧起数第2个以后的菲涅尔环带FR形成为与菲涅尔透镜L1的中心轴同轴的圆环状。第2个以后的菲涅尔环带FR具有非球面形状的菲涅尔面部FRa、以及台阶壁状的壁面部FRb。各菲涅尔环带FR的顶部沿着上述配置基准非球面排列配置。
在以下的表1中公开第1实施例的目镜光学系统的规格的值。
(表1)
[规格数据]
f＝41.65
ω＝±55°
ER＝14.30
TL＝68.91
DA＝66.00
PAC1＝2.02
PAE1＝0.69
PAE2＝0.96
PAE3＝1.11
PMX1＝9.60
PMN1＝0.45
PMX2＝9.60
PMN2＝1.70
PMX3＝2.34
PMN3＝1.70
QC1＝2
QE1＝9
QE2＝5
[透镜数据]
[非球面数据]
第1面
k＝-2.29
C4＝0.00E+00,C6＝-2.62E-09,C8＝4.41E-12,C10＝-2.34E-15,C12＝2.14E-19
C14＝0.00E+00,C16＝0.00E+00,C18＝0.00E+00,C20＝0.00E+00
第2面(配置基准非球面)
kd＝-12.45
A4＝0.00E+00,A6＝0.00E+00,A8＝0.00E+00,A10＝0.00E+00,A12＝0.00E+00
A14＝0.00E+00,A16＝0.00E+00,A18＝0.00E+00,A20＝0.00E+00
第2面(形状基准非球面)
kr＝-1.48
B4＝0.00E+00,B6＝-8.98E-09,B8＝1.22E-11,B10＝-4.89E-15,B12＝0.00E+00
B14＝0.00E+00,B16＝0.00E+00,B18＝0.00E+00,B20＝0.00E+00
[菲涅尔数据]
[条件式对应值]
条件式(1)PAE1/PAC1＝0.34
条件式(2)PAE2/PAC1＝0.48
条件式(3)PAE3/PAC1＝0.45
条件式(4)PAC1＝2.02
条件式(5)PMX1/PMN1＝21.31
条件式(6)PMX2/PMN2＝5.63
条件式(7)PMX3/PMN3＝1.37
条件式(8)QE1/QC1＝4.5
条件式(9)QE2/QC1＝2.5
条件式(10)kd＝-12.45
条件式(11)kr＝-1.48(＞kd)
图3是第1实施例的目镜光学系统的诸多像差图。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点状图。在各像差图中，分别为：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，分别为：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)。在点状图中，在纵轴表示场位置，在横轴表示散焦量。
图6是第1实施例的目镜光学系统的眩光的比较图。此处，对图6所示的眩光的测定方法进行叙述。作为图6所示的测定眩光的测定装置，假定图32的(A)所示的测定装置，通过光线追踪模拟而计算眩光。图32的(A)所示的测定装置是自光源侧起依次配置点光源Pm、作为受验透镜的目镜光学系统EL{EL(1)
EL(5)}、光圈Sm、测定光学系统Lm、以及受光器Dm。在目镜光学系统EL中的眼点EP的位置，配置光圈Sm。光圈Sm相当于人眼的虹膜光圈。图32的(A)所示的θ表示入射至人眼的光线的角度。
来自点光源Pm的光通过作为受验透镜的目镜光学系统EL，由光圈Sm限制，通过测定光学系统Lm到达受光器Dm。而且，可基于由受光器Dm检测的光的检测信号，计算来自点光源Pm的光以及眩光的信号值。在计算信号值时，以表示来自点光源Pm的光的信号值的范围变得明确的程度，使点光源Pm具有大小。多个菲涅尔环带FR中，自菲涅尔透镜L1的中心轴侧起数第2个以后的菲涅尔环带FR的顶部实际上并非完全的刃形状，如图32的(B)所示带有弧度。因此，在计算信号值时，进行将第2个以后的菲涅尔环带FR的顶部的曲率半径Rm设为50μm的近似。将利用这种测定装置，通过光线追踪而计算出的来自点光源Pm的光以及眩光的信号值(信号强度)表示于图6的眩光的比较图。
在图6的眩光的比较图中，纵轴的光强度(信号强度)是以与自点光源Pm出射的出射光的光强度对应的信号强度成为1的方式标准化，且对数显示的。横轴的位置x为受光器Dm中的受光面上的相对位置。位置x为约55
65[像素]的区域中的相对较高的信号强度表示来自点光源Pm的光的信号强度，较其靠外侧的区域中的相对较低的信号强度表示眩光的信号强度。
另外，将如图31的双点划线所示的比较用菲涅尔透镜作为受验透镜通过光线追踪模拟而计算出的来自点光源Pm的光以及眩光的信号值(信号强度)，作为比较数据来表示。比较用菲涅尔透镜为多个菲涅尔环带沿着球面呈同心圆状排列配置的菲涅尔透镜。根据图31可知，比较用菲涅尔透镜中的菲涅尔环带的不连续部(壁面部)的数量比现有的菲涅尔透镜少，比各实施例的菲涅尔透镜L1多。因此，若将各实施例的目镜光学系统EL{EL(1)
EL(5)}作为受验透镜计算的眩光小于将比较用菲涅尔透镜作为受验透镜计算的眩光，则根据菲涅尔环带的不连续部(壁面部)的数量的关联，能够评价为与现有的菲涅尔透镜相比眩光减少。
另外，在以下所示的各实施例的像差图以及眩光的比较图中，使用与本实施例同样的符号，并省略重复的说明。而且，根据各像差图以及眩光的比较图可知，在第1实施例中，良好地校正诸多像差，与现有的菲涅尔透镜相比眩光也减少，具有优异的成像性能。
(第2实施例)
使用图7
图12以及表2对第2实施例进行说明。图7是表示本实施方式的第2实施例的目镜光学系统的透镜结构的图。第2实施例的目镜光学系统EL(2)由具有正的屈光力的双凸形状的菲涅尔透镜L1构成。
在菲涅尔透镜L1中的眼点EP侧的透镜面，形成非球面。在菲涅尔透镜L1中的图像显示部11侧(观察物体侧)的透镜面，形成多个菲涅尔环带FR。如图8所示，多个菲涅尔环带FR中，位于菲涅尔透镜L1的最靠中心轴侧的第1菲涅尔环带FR(1)形成为与菲涅尔透镜L1的中心轴同轴的圆盘状。第1菲涅尔环带FR(1)具有非球面形状的菲涅尔面部FRa(1)。多个菲涅尔环带FR中，自菲涅尔透镜L1的中心轴侧起数第2个以后的菲涅尔环带FR形成为与菲涅尔透镜L1的中心轴同轴的圆环状。第2个以后的菲涅尔环带FR具有非球面形状的菲涅尔面部FRa、以及台阶壁状的壁面部FRb。各菲涅尔环带FR的顶部沿着上述配置基准非球面排列配置。
以下的表2公开第2实施例的目镜光学系统的规格的值。
(表2)
[规格数据]
f＝41.96
ω＝±55°
ER＝14.30
TL＝69.29
DA＝64.00
PAC1＝2.03
PAE1＝0.65
PAE2＝1.00
PAE3＝1.12
PMX1＝10.20
PMN1＝0.29
PMX2＝10.20
PMN2＝1.71
PMX3＝2.34
PMN3＝1.71
QC1＝2
QE1＝8
QE2＝5
[透镜数据]
[非球面数据]
第1面k＝-2.02
C4＝0.00E+00,C6＝-4.33E-09,C8＝8.40E-12,C10＝-6.13E-15,C12＝5.79E-19
C14＝0.00E+00,C16＝0.00E+00,C18＝0.00E+00,C20＝0.00E+00
第2面(配置基准非球面)
kd＝-14.00
A4＝0.00E+00,A6＝0.00E+00,A8＝0.00E+00,A10＝0.00E+00,A12＝0.00E+00
A14＝0.00E+00,A16＝0.00E+00,A18＝0.00E+00,A20＝0.00E+00
第2面(形状基准非球面)
kr＝-1.67
B4＝0.00E+00,B6＝-1.37E-08,B8＝2.32E-11,B10＝-1.29E-14,B12＝0.00E+00
B14＝0.00E+00,B16＝0.00E+00,B18＝0.00E+00,B20＝0.00E+00
[菲涅尔数据]
[条件式对应值]
条件式(1)PAE1/PAC1＝0.32
条件式(2)PAE2/PAC1＝0.50
条件式(3)PAE3/PAC1＝0.55
条件式(4)PAC1＝2.03
条件式(5)PMX1/PMN1＝35.23
条件式(6)PMX2/PMN2＝5.95
条件式(7)PMX3/PMN3＝1.37
条件式(8)QE1/QC1＝4.0
条件式(9)QE2/QC1＝2.5
条件式(10)kd＝-14.00
条件式(11)kr＝-1.67(＞kd)
图9是第2实施例的目镜光学系统的诸多像差图。图10是第2实施例的目镜光学系统的横像差图。图11是第2实施例的目镜光学系统的点状图。图12是第2实施例的目镜光学系统的眩光的比较图。而且，根据各像差图以及眩光的比较图可知，在第2实施例中，良好地校正诸多像差，与现有的菲涅尔透镜相比眩光也减少，具有优异的成像性能。
(第3实施例)
使用图13
图18以及表3对第3实施例进行说明。图13是表示本实施方式的第3实施例的目镜光学系统的透镜结构的图。第3实施例的目镜光学系统EL(3)由具有正的屈光力的双凸形状的菲涅尔透镜L1构成。
在菲涅尔透镜L1中的眼点EP侧的透镜面，形成非球面。在菲涅尔透镜L1中的图像显示部11侧(观察物体侧)的透镜面，形成多个菲涅尔环带FR。如图14所示，多个菲涅尔环带FR中，位于菲涅尔透镜L1的最靠中心轴侧的第1菲涅尔环带FR(1)形成为与菲涅尔透镜L1的中心轴同轴的圆盘状。第1菲涅尔环带FR(1)具有非球面形状的菲涅尔面部FRa(1)。多个菲涅尔环带FR中，自菲涅尔透镜L1的中心轴侧起数第2个以后的菲涅尔环带FR形成为与菲涅尔透镜L1的中心轴同轴的圆环状。第2个以后的菲涅尔环带FR具有非球面形状的菲涅尔面部FRa、以及台阶壁状的壁面部FRb。各菲涅尔环带FR的顶部沿着上述配置基准非球面排列配置。
以下的表3公开第3实施例的目镜光学系统的规格的值。
(表3)
[规格数据]
f＝41.82
ω＝±55°
ER＝14.30
TL＝66.83
DA＝64.00
PAC1＝2.37
PAE1＝0.70
PAE2＝1.16
PAE3＝1.26
PMX1＝8.90
PMN1＝0.28
PMX2＝8.90
PMN2＝1.97
PMX3＝2.76
PMN3＝1.97
QC1＝2
QE1＝7
QE2＝5
[透镜数据]
[非球面数据]
第1面
k＝18.64
C4＝0.00E+00,C6＝-4.59E-09,C8＝2.76E-12,C10＝3.29E-15,C12＝-5.20E-18
C14＝0.00E+00,C16＝0.00E+00,C18＝0.00E+00,C20＝0.00E+00
第2面(配置基准非球面)
kd＝-20.34
A4＝0.00E+00,A6＝0.00E+00,A8＝0.00E+00,A10＝0.00E+00,A12＝0.00E+00
A14＝0.00E+00,A16＝0.00E+00,A18＝0.00E+00,A20＝0.00E+00
第2面(形状基准非球面)
kr＝-1.72
B4＝0.00E+00,B6＝-9.08E-09,B8＝1.46E-11,B10＝-8.80E-15,B12＝0.00E+00
B14＝0.00E+00,B16＝0.00E+00,B18＝0.00E+00,B20＝0.00E+00
[菲涅尔数据]
[条件式对应值]
条件式(1)PAE1/PAC1＝0.30
条件式(2)PAE2/PAC1＝0.49
条件式(3)PAE3/PAC1＝0.53
条件式(4)PAC1＝2.37
条件式(5)PMX1/PMN1＝31.61
条件式(6)PMX2/PMN2＝4.51
条件式(7)PMX3/PMN3＝1.40
条件式(8)QE1/QC1＝3.5
条件式(9)QE2/QC1＝2.5
条件式(10)kd＝-20.34
条件式(11)kr＝-1.72(＞kd)
图15是第3实施例的目镜光学系统的诸多像差图。图16是第3实施例的目镜光学系统的横像差图。图17是第3实施例的目镜光学系统的点状图。图18是第3实施例的目镜光学系统的眩光的比较图。而且，根据各像差图以及眩光的比较图可知，在第3实施例中，良好地校正诸多像差，与现有的菲涅尔透镜相比眩光也减少，具有优异的成像性能。
(第4实施例)
使用图19
图24以及表4对第4实施例进行说明。图19是表示本实施方式的第4实施例的目镜光学系统的透镜结构的图。第4实施例的目镜光学系统EL(4)由自眼点EP侧起依次排列的具有正的屈光力的双凸形状的菲涅尔透镜L1、以及两侧的透镜面为非球面的非球面透镜L2构成。
在菲涅尔透镜L1中的眼点EP侧的透镜面，形成非球面。在菲涅尔透镜L1中的图像显示部11侧(观察物体侧)的透镜面，形成多个菲涅尔环带FR。如图20所示，多个菲涅尔环带FR中，位于菲涅尔透镜L1的最靠中心轴侧的第1菲涅尔环带FR(1)形成为与菲涅尔透镜L1的中心轴同轴的圆盘状。第1菲涅尔环带FR(1)具有非球面形状的菲涅尔面部FRa(1)。多个菲涅尔环带FR中，自菲涅尔透镜L1的中心轴侧起数第2个以后的菲涅尔环带FR形成为与菲涅尔透镜L1的中心轴同轴的圆环状。第2个以后的菲涅尔环带FR具有非球面形状的菲涅尔面部FRa、以及台阶壁状的壁面部FRb。各菲涅尔环带FR的顶部沿着上述配置基准非球面排列配置。
以下的表4公开第4实施例的目镜光学系统的规格的值。
(表4)
[规格数据]
f＝35.80
ω＝±55°
ER＝14.30
TL＝63.80
DA＝62.00
PAC1＝1.62
PAE1＝0.59
PAE2＝0.75
PAE3＝0.83
PMX1＝8.13
PMN1＝0.49
PMX2＝8.13
PMN2＝1.15
PMX3＝2.31
PMN3＝1.15
QC1＝4
QE1＝10
QE2＝6
[透镜数据]
[非球面数据]
第1面
k＝-3.92
C4＝0.00E+00,C6＝-9.21E-09,C8＝1.20E-11,C10＝-2.09E-15,C12＝-2.57E-18
C14＝0.00E+00,C16＝0.00E+00,C18＝0.00E+00,C20＝0.00E+00
第2面(配置基准非球面)
kd＝-12.45
A4＝0.00E+00,A6＝0.00E+00,A8＝0.00E+00,A10＝0.00E+00,A12＝0.00E+00
A14＝0.00E+00,A16＝0.00E+00,A18＝0.00E+00,A20＝0.00E+00
第2面(形状基准非球面)
kr＝-1.58
B4＝0.00E+00,B6＝-1.77E-08,B8＝2.29E-11,B10＝-8.01E-15,B12＝0.00E+00
B14＝0.00E+00,B16＝0.00E+00,B18＝0.00E+00,B20＝0.00E+00
第3面
k＝100.00
C4＝0.00E+00,C6＝-1.11E-09,C8＝3.55E-13,C10＝5.83E-17,C12＝0.00E+00
C14＝0.00E+00,C16＝0.00E+00,C18＝0.00E+00,C20＝0.00E+00
第4面
k＝-100.00
C4＝0.00E+00,C6＝-2.18E-09,C8＝-3.24E-12,C10＝2.36E-15,C12＝0.00E+00
C14＝0.00E+00,C16＝0.00E+00,C18＝0.00E+00,C20＝0.00E+00
[菲涅尔数据]
[条件式对应值]
条件式(1)PAE1/PAC1＝0.37
条件式(2)PAE2/PAC1＝0.46
条件式(3)PAE3/PAC1＝0.52
条件式(4)PAC1＝1.62
条件式(5)PMX1/PMN1＝16.76
条件式(6)PMX2/PMN2＝7.05
条件式(7)PMX3/PMN3＝2.00
条件式(8)QE1/QC1＝2.5
条件式(9)QE2/QC1＝1.5
条件式(10)kd＝-12.45
条件式(11)kr＝-1.58(＞kd)
图21是第4实施例的目镜光学系统的诸多像差图。图22是第4实施例的目镜光学系统的横像差图。图23是第4实施例的目镜光学系统的点状图。图24是第4实施例的目镜光学系统的眩光的比较图。而且，根据各像差图以及眩光的比较图可知，在第4实施例中，良好地校正诸多像差，与现有的菲涅尔透镜相比眩光也减少，具有优异的成像性能。
(第5实施例)
使用图25
图30以及表5对第5实施例进行说明。图25是表示本实施方式的第5实施例的目镜光学系统的透镜结构的图。第5实施例的目镜光学系统EL(5)由自眼点EP侧起依次排列的具有正的屈光力的双凸形状的第1菲涅尔透镜L1、以及具有正的屈光力的双凸形状的第2菲涅尔透镜L2构成。
在第1菲涅尔透镜L1中的眼点EP侧的透镜面，形成非球面。在第1菲涅尔透镜L1中的图像显示部11侧(观察物体侧)的透镜面，形成多个菲涅尔环带FR。如图26所示，多个菲涅尔环带FR中，位于菲涅尔透镜L1的最靠中心轴侧的第1菲涅尔环带FR(1)形成为与菲涅尔透镜L1的中心轴同轴的圆盘状。第1菲涅尔环带FR(1)具有非球面形状的菲涅尔面部FRa(1)。多个菲涅尔环带FR中，自菲涅尔透镜L1的中心轴侧起数第2个以后的菲涅尔环带FR形成为与菲涅尔透镜L1的中心轴同轴的圆环状。第2个以后的菲涅尔环带FR具有非球面形状的菲涅尔面部FRa、以及台阶壁状的壁面部FRb。各菲涅尔环带FR的顶部沿着上述配置基准非球面排列配置。
在第2菲涅尔透镜L2中的眼点EP侧的透镜面，形成非球面。在第2菲涅尔透镜L2中的图像显示部11侧(观察物体侧)的透镜面，形成多个菲涅尔环带FS。第2菲涅尔透镜L2的各菲涅尔环带FS具有与第1菲涅尔透镜L1的各菲涅尔环带FR同样的形状，但不满足条件式(1)等条件。
以下的表5公开第5实施例的目镜光学系统的规格的值。
(表5)
[规格数据]
f＝33.15
ω＝±55°
ER＝14.30
TL＝62.26
DA＝58.00
PAC1＝1.76
PAE1＝0.76
PAE2＝0.89
PAE3＝0.96
PMX1＝8.59
PMN1＝0.52
PMX2＝8.59
PMN2＝1.36
PMX3＝2.28
PMN3＝1.36
QC1＝3
QE1＝9
QE2＝6
[透镜数据]
[非球面数据]
第1面
k＝-5.69
C4＝0.00E+00,C6＝-4.13E-09,C8＝9.50E-12,C10＝-6.03E-15,C12＝-3.33E-19
C14＝0.00E+00,C16＝0.00E+00,C18＝0.00E+00,C20＝0.00E+00
第2面(配置基准非球面)
kd＝-13.00
A4＝0.00E+00,A6＝0.00E+00,A8＝0.00E+00,A10＝0.00E+00,A12＝0.00E+00
A14＝0.00E+00,A16＝0.00E+00,A18＝0.00E+00,A20＝0.00E+00
第2面(形状基准非球面)
kr＝-1.25
B4＝0.00E+00,B6＝-7.41E-09,B8＝2.01E-11,B10＝-1.30E-14,B12＝0.00E+00
B14＝0.00E+00,B16＝0.00E+00,B18＝0.00E+00,B20＝0.00E+00
第3面
k＝0.72
C4＝0.00E+00,C6＝-5.61E-09,C8＝9.74E-12,C10＝-3.75E-15,C12＝-1.97E-18
C14＝0.00E+00,C16＝0.00E+00,C18＝0.00E+00,C20＝0.00E+00
第4面(配置基准非球面)
kd＝-10.00
A4＝0.00E+00,A6＝0.00E+00,A8＝0.00E+00,A10＝0.00E+00,A12＝0.00E+00
A14＝0.00E+00,A16＝0.00E+00,A18＝0.00E+00,A20＝0.00E+00
第4面(形状基准非球面)
kr＝-3.05
B4＝0.00E+00,B6＝-1.55E-08,B8＝1.88E-11,B10＝-8.57E-15,B12＝0.00E+00
B14＝0.00E+00,B16＝0.00E+00,B18＝0.00E+00,B20＝0.00E+00
[菲涅尔数据]
[条件式对应值]
条件式(1)PAE1/PAC1＝0.43
条件式(2)PAE2/PAC1＝0.51
条件式(3)PAE3/PAC1＝0.55
条件式(4)PAC1＝1.76
条件式(5)PMX1/PMN1＝16.38
条件式(6)PMX2/PMN2＝6.32
条件式(7)PMX3/PMN3＝1.68
条件式(8)QE1/QC1＝3.0
条件式(9)QE2/QC1＝2.0
条件式(10)kd＝-13.00
条件式(11)kr＝-1.25(＞kd)
图27是第5实施例的目镜光学系统的诸多像差图。图28是第5实施例的目镜光学系统的横像差图。图29是第5实施例的目镜光学系统的点状图。图30是第5实施例的目镜光学系统的眩光的比较图。而且，根据各像差图以及眩光的比较图可知，在第5实施例中，良好地校正诸多像差，与现有的菲涅尔透镜相比眩光也减少，具有优异的成像性能。
以上，根据各实施例，可实现使菲涅尔透镜L1的中心轴附近的部分所产生的眩光减少的目镜光学系统。
在各实施例中，也可以在多个菲涅尔环带FR中的壁面部FRb，涂布由使用黑色合成树脂的涂料所构成的未图示的遮光部件。作为使用黑色合成树脂的涂料，例如，可列举固化型丙烯酸胺基甲酸酯涂料、苯二甲酸树脂珐琅涂料等。
另外，以下的内容能够在不损害本实施方式的光学系统的光学性能的范围内适当采用。
作为本实施方式的目镜光学系统的数值实施例表示了1片以及2片结构的情况，但本申请并不限定于此，也可以构成其他结构(例如，3片等)的目镜光学系统。具体而言，也可以为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透镜或透镜组而成的结构。
透镜面可由球面或平面形成，也可以由非球面形成。在透镜面为球面或平面的情况下，透镜加工以及组装调整变得容易，可防止由加工以及组装调整的误差所致的光学性能的劣化。
在透镜面为非球面的情况下，非球面也可以为研削加工的非球面、以玻璃为模具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者。并且，透镜面也可以设为衍射光学面，也可以将透镜设为折射率分布型透镜(GRIN透镜)或塑料透镜。
符号说明
1：头戴式显示器
11：图像显示部(观察物体)
EL：目镜光学系统
L1：菲涅尔透镜
FR：菲涅尔环带
EP：眼点
Claims (13)
1.一种目镜光学系统，其具备菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜具有形成于观察物体侧的透镜面的多个菲涅尔环带，
所述多个菲涅尔环带沿着具有关于所述菲涅尔透镜的中心轴旋转对称的形状的非球面而呈同心圆状排列配置，且
满足以下的条件式：
0＜PAE1/PAC1≤0.50
其中，PAE1：所述多个菲涅尔环带中，在所述菲涅尔透镜的距中心轴半径为15mm以上的部分形成的菲涅尔环带的径向的平均间距，
PAC1：所述多个菲涅尔环带中，除了位于所述菲涅尔透镜的最靠中心轴侧的第1菲涅尔环带以外的、在所述菲涅尔透镜的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带的径向的平均间距。
2.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其中，
满足以下的条件式：
0＜PAE2/PAC1≤0.55
其中，PAE2：所述多个菲涅尔环带中，在所述菲涅尔透镜的距中心轴半径为
的部分形成的菲涅尔环带的径向的平均间距。
3.根据权利要求1或2所述的目镜光学系统，其中，
满足以下的条件式：
0＜PAE3/PAC1≤0.60
其中，PAE3：所述多个菲涅尔环带中，在所述菲涅尔透镜的距中心轴半径为
的部分形成的菲涅尔环带的径向的平均间距。
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，
满足以下的条件式：
PAC1≥1.0[mm]。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，
满足以下的条件式：
PMX1/PMN1≥10.0
其中，PMX1：所述多个菲涅尔环带的径向的最大间距，
PMN1：所述多个菲涅尔环带的径向的最小间距。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，
满足以下的条件式：
1＜PMX2/PMN2≤7.5
其中，PMX2：所述多个菲涅尔环带中，在所述菲涅尔透镜的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带的径向的最大间距，
PMN2：所述多个菲涅尔环带中，在所述菲涅尔透镜的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带的径向的最小间距。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，
满足以下的条件式：
1＜PMX3/PMN3≤2.5
其中，PMX3：所述多个菲涅尔环带中，除了所述第1菲涅尔环带以外的、在所述菲涅尔透镜的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带的径向的最大间距，
PMN3：所述多个菲涅尔环带中，除了所述第1菲涅尔环带以外的、在所述菲涅尔透镜的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带的径向的最小间距。
8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，
满足以下的条件式：
QE1/QC1≥2.0
其中，QE1：所述多个菲涅尔环带中，在所述菲涅尔透镜的距中心轴半径为
的部分形成的菲涅尔环带的数量，
QC1：所述多个菲涅尔环带中，除了所述第1菲涅尔环带以外的、在所述菲涅尔透镜的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带的数量。
9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，
满足以下的条件式：
QE2/QC1≥1.0；
其中，QE2：所述多个菲涅尔环带中，在所述菲涅尔透镜的距中心轴半径为
的部分形成的菲涅尔环带的数量，
QC1：所述多个菲涅尔环带中，除了所述第1菲涅尔环带以外的、在所述菲涅尔透镜的距中心轴半径为15mm以下的部分形成的菲涅尔环带的数量。
10.根据权利要求1至9中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，
所述非球面使用下式表示：
[数学式1]
其中，Zd：所述菲涅尔透镜的距中心轴的距离y处的所述非球面的凹陷量，
Rd：基准球面的曲率半径，
kd：圆锥常数，
A2i：(2×i)次的非球面系数；
且满足以下的条件式：
kd≤-5.0。
11.根据权利要求1至10中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，
在所述多个菲涅尔环带中的壁面部设置有遮光部件。
12.根据权利要求1至11中的任意一项所述的目镜光学系统，其中，
所述菲涅尔透镜的外径为
13.一种头戴式显示器，其具备：
图像显示部，其能够显示图像；以及
目镜光学系统，其用于观察显示于所述图像显示部的图像，
所述目镜光学系统是权利要求1至12中的任意一项所述的目镜光学系统。
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