CN113424093A - 观察光学系统及具有该系统的图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

[问题]提供具有高光学性能的小型的观察光学系统。[解决方案]该观察光学系统被设计为观察在图像显示表面上显示的图像，并且具有负透镜和正透镜。该负透镜和/或正透镜具有菲涅耳形状的透镜表面，并且在Φr表示菲涅耳形状的透镜表面的光焦度(当存在多个菲涅耳形状的透镜表面时是光焦度的最大值)，Φf表示观察光学系统的整体系统的光焦度，hsag表示菲涅耳形状的透镜表面的最大壁表面的长度(mm)，以及λ代表d线的波长(mm)时，满足预定的条件表达式。

Description

观察光学系统及具有该系统的图像显示装置
技术领域
本发明涉及一种适用于诸如电子取景器之类的图像显示装置的观察光学系统。
背景技术
以往已知，观察光学系统包括多个透镜以便观察诸如液晶面板之类的图像显示平面。这种观察光学系统需要确保宽视场(高倍率)和良视距，以便增强可视性，并令人满意地校正各种像差。另外，为了减小观察光学系统的尺寸(薄度)，期望使用小图像显示平面。
专利文献1公开了一种具有宽视场的小型的观察光学系统。专利文献2公开了一种电子取景器，其将衍射光学元件应用于目镜并适当地设置高衍射效率的设计波长。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特许公开No.2018-101131
专利文献2：日本专利特许公开No.2003-329935
发明内容
本发明要解决的问题
但是，在专利文献1和2中公开的观察光学系统中，当为了增强光学性能而增加正透镜的光焦度时，正透镜的中心厚度增加。因此，观察光学系统的尺寸减小(厚度减小和重量减小)是困难的。
因而，本发明的目的是提供具有高光学性能的小型的观察光学系统，以及图像显示装置。
解决问题的手段
根据本发明的一个方面的观察光学系统是被配置为观察在图像显示平面上显示的图像的观察光学系统，其包括负透镜和正透镜，负透镜和正透镜中的至少一个具有具有菲涅耳形状的透镜表面，并且满足预定的条件表达式，其中Φr是具有菲涅耳形状的透镜表面的光焦度(当存在各自具有菲涅耳形状的多个透镜表面时是光焦度的最大值)，Φf是观察光学系统整体的光焦度，hsag是具有菲涅耳形状的透镜表面的壁表面的最大长度(mm)，并且λ是d线的波长(mm)。
根据本发明的另一方面的图像显示装置包括图像显示元件，以及根据权利要求1至10中的任一项所述的观察光学系统，其被配置为观察在图像显示元件的图像显示平面上显示的图像。
将在以下实施例中描述本发明的其它目的和特征。
发明的效果
本发明可以提供具有高光学性能的小型的观察光学系统以及图像显示装置。
附图说明
图1是根据示例1的观察光学系统的截面图。
图2是根据示例1的观察光学系统的像差图。
图3是根据示例2的观察光学系统的截面图。
图4是根据示例2的观察光学系统的像差图。
图5是根据示例3的观察光学系统的截面图。
图6是根据示例3的观察光学系统的像差图。
图7是根据示例4的观察光学系统的截面图。
图8是根据示例4的观察光学系统的像差图。
图9是根据示例5的观察光学系统的截面图。
图10是根据示例5的观察光学系统的像差图。
图11是根据示例6的观察光学系统的截面图。
图12是根据示例6的观察光学系统的像差图。
图13是根据示例7的观察光学系统的截面图。
图14是根据示例7的观察光学系统的像差图。
图15是根据示例8的观察光学系统的截面图。
图16是根据示例8的观察光学系统的像差图。
图17是根据示例9的观察光学系统的截面图。
图18是根据示例9的观察光学系统的像差图。
图19是根据示例10的观察光学系统的截面图。
图20是根据示例10的观察光学系统的像差图。
图21是根据示例11的观察光学系统的截面图。
图22是根据示例11的观察光学系统的像差图。
图23是根据示例12的观察光学系统的截面图。
图24是根据示例12的观察光学系统的像差图。
图25是根据示例13的观察光学系统的截面图。
图26是根据示例13的观察光学系统的像差图。
图27是各示例中的菲涅耳透镜的说明图。
图28是各示例中的菲涅耳透镜的说明图。
图29是根据该实施例的图像拾取系统的框图。
具体实施方式
现在参考附图，将给出根据本发明的实施例的详细描述。
图1是示出根据示例1的观察光学系统的透镜配置的截面图。图2是示出根据示例1的观察光学系统的各像差(球面像差、像散、畸变、色差)的像差图。类似地，图3和图4分别是根据示例2的观察光学系统的截面图和像差图。图5和图6分别是根据示例3的观察光学系统的截面图和像差图。图7和图8分别是根据示例4的观察光学系统的截面图和像差图。图9和图10分别是根据示例5的观察光学系统的截面图和像差图。图11和图12分别是根据示例6的观察光学系统的截面图和像差图。图13和图14分别是根据示例7的观察光学系统的截面图和像差图。图15和图16分别是根据示例8的观察光学系统的截面图和像差图。图17和图18分别是根据示例9的观察光学系统的截面图和像差图。图19和图20分别是根据示例10的观察光学系统的截面图和像差图。图21和图22分别是根据示例11的观察光学系统的截面图和像差图。图23和图24分别是根据示例12的观察光学系统的截面图和像差图。图25和图26分别是根据示例13的观察光学系统的截面图和像差图。图27和图28是各示例中的菲涅耳透镜LF的说明视图。图27和图28示出了以下项的定义的说明图：从菲涅耳透镜LF的表面顶点到中心环的端部在光轴方向上的长度、其壁表面的长度(台阶)、从菲涅耳透镜LF的表面顶点到中心环的端部的直径，以及菲涅耳透镜LF的有效直径。
为了在宽视场(在大约30度或更高的视角处)的图像显示平面上观察对角线长度大约为20mm或更小的小型显示面板(图像显示元件)，整个观察光学系统需要强的正光焦度。因此，观察光学系统中的各透镜单元需要强的正折光力和强的负折光力。但是，当各透镜的光焦度增加时，透镜的中心或外围部分的厚度增加，使得从小型化(薄化)的角度来看存在改进的空间。因而，如图1至图26中所示，根据该实施例的观察光学系统具有负透镜和正透镜，负透镜和正透镜中的至少一个具有具有菲涅耳形状的透镜表面(菲涅耳表面)，并且观察光学系统满足预定条件。
在图27和图28中，Fre是菲涅耳表面(菲涅耳形状的透镜表面)，并且以预定光栅间距来布置多个同心菲涅耳光栅FP。La是光轴。hea是菲涅耳透镜LF的有效直径。Fr是其中形成菲涅耳光栅的菲涅耳环。另外，在图27和图28中，h1表示从菲涅耳透镜LF的表面顶点FL1到端部FL2的在沿着光轴La的方向(光轴方向)上的长度，并且hn表示从光轴La开始计数的第n菲涅耳光栅(环)的壁面的长度。
各像差图(图2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24和26)示出观察光学系统何时具有-1的屈光度(标准屈光度)。与各示例相应的观察光学系统适用于诸如数码相机和摄像机之类的图像拾取装置中的观察光学系统。在示出观察光学系统中的透镜配置的各截面图中(图1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23和25)，左侧是图像显示平面侧，并且右侧是观察侧。
在各截面图中，L1表示第一透镜单元，L2表示第二透镜单元，L3表示第三透镜单元，L4表示第四透镜单元，L5表示第五透镜单元，DI表示图像显示平面，EP表示眼点，并且CG1和CG2各自表示护罩玻璃。只要来自图像显示平面的最外周的光线穿过观察者的瞳孔，眼点EP就可以在光轴方向上移动。从透镜的最后的表面到眼点EP的距离被定义为良视距。护罩玻璃CG1、CG2是保护图像显示平面和透镜的板，并且可以被设置在图像显示平面和透镜单元之间，或者被设置在透镜单元和眼点EP之间。由于护罩玻璃CG1和CG2不是必需的，因此它们不一定被设置在观察光学系统中。
在各像差图中，d和c表示d线和C线，ΔM和ΔS表示子午像面和矢状像面，并且横向色差基于C线。在光路图和像差图中，焦距大约为32mm的理想透镜被部署在眼点EP的位置处并形成图像。波长指示d线的波长。
在各示例中，在调整屈光度时，第一至第二透镜单元、第一至第三透镜单元、第一至第四透镜单元或第二至第四透镜单元被沿着光轴一体地移动。在各示例中，通过将透镜单元移动到观察侧，屈光度从+侧改变至-侧。在各示例中，例如，可以一体地移动单个透镜、两个相邻的透镜单元或三个透镜单元以调整屈光度。
在示例1至5中，第一透镜单元L1包括单个负透镜。第二透镜单元L2包括单个正透镜。由于瞳孔近轴光线和物体近轴光线二者都在高位置处通过，因此第一透镜单元L1和第二透镜单元L2引起所有像差。因而，负透镜被部署在第一透镜单元L1的近轴光线高的位置处并且校正这些像差当中的色差和球面像差。此外，负折光力校正Petzval和并且控制场曲。另外，具有高物体近轴光线的第二透镜单元L2校正彗形像差和像散。这种正透镜和负透镜的组合可以抵消非对称像差并促进像差校正。
在示例1中，第一透镜单元L1和第二透镜单元L2各自具有非球面表面。在示例2至示例5中，第二透镜单元L2具有非球面表面。由此，可以校正球面像差、彗形像差和场曲。示例1中具有正折光力的第二透镜单元L2具有菲涅耳结构(菲涅耳形状的透镜表面)。示例2和示例5中具有负折光力的第一透镜单元L1具有菲涅耳结构。示例3和示例4中具有负折光力的第一透镜单元L1和具有正折光力的第二透镜单元L2各自具有菲涅耳结构。可以通过将第一透镜L1设置为球面表面来设计示例1。由此，可以通过降低制造难度来实现易于制造的观察光学系统。
在示例6和示例7中，第一透镜单元L1包括单个正透镜。第二透镜单元L2包括单个负透镜。第三透镜单元L3包括单个正透镜。因为瞳孔近轴光线和物体近轴光线二者都在高位置处通过，所以第二透镜单元L2和第三透镜单元L3引起所有像差。因而，负透镜被部署在第二透镜单元L2的近轴光线高的位置处并且校正这些像差当中的色差和球面像差。此外，负折光力校正Petzval和并且控制场曲。另外，具有高物体近轴光线的第三透镜单元L3校正彗形像差和像散。这种正透镜和负透镜的组合可以抵消非对称像差并促进像差校正。
在示例6和示例7中，第一透镜单元L1、第二透镜单元L2和第三透镜单元L3各自具有非球面表面。由此，可以校正球面像差、彗形像差和场曲。示例6中具有正折光力的第一透镜单元L1具有菲涅耳结构(菲涅耳形状的透镜表面)。示例7中具有正折光力的第三透镜单元L3具有菲涅耳结构。可以通过将第二透镜L2设置为球面表面来设计示例6和示例7。由此，可以通过降低制造难度来实现易于制造的观察光学系统。
在示例8至示例11中，第一透镜单元L1包括单个正透镜。第二透镜单元L2包括单个负透镜。第三透镜单元L3包括单个正透镜。第四透镜单元L4包括单个正透镜。因为瞳孔近轴光线和物体近轴光线二者都在高位置处通过，所以第二透镜单元L2、第三透镜单元L3和第四透镜单元L4引起所有像差。因而，负透镜被部署在第二透镜单元L2的近轴光线高的位置处并且校正这些像差当中的色差和球面像差。此外，负折光力校正Petzval和并且控制场曲。另外，具有高物体近轴光线的第三透镜单元L3校正彗形像差和像散。这种正透镜和负透镜的组合可以抵消非对称像差并促进像差校正。
在示例8和示例9中，第一透镜单元L1、第二透镜单元L2、第三透镜单元L3和第四透镜单元L4各自具有非球面表面。由此，可以校正球面像差、彗形像差和场曲。示例9中具有正折光力的第四透镜单元L4具有菲涅耳结构(菲涅耳形状的透镜表面)。示例10中具有负折光力的第二透镜单元L2具有菲涅耳结构。示例11中的第一透镜单元L1和第二透镜单元L2中的每个都具有菲涅耳结构。可以通过将第二透镜单元L2设置为球面表面来设计示例8至示例11。由此，可以通过降低制造难度来实现易于制造的观察光学系统。
在示例12中，第一透镜单元L1包括单个负透镜。第二透镜单元L2包括单个正透镜。第三透镜单元L3包括单个负透镜。第四透镜单元L4包括单个正透镜。第五透镜单元L5包括单个正透镜。因为瞳孔近轴光线和物体近轴光线二者都在高位置处通过，所以第三透镜单元L3和第四透镜单元L4引起所有像差。因而，负透镜被部署在第三透镜单元L3的近轴光线高的位置处并且校正这些像差当中的色差和球面像差。此外，负折光力校正Petzval和并且控制场曲。另外，具有高物体近轴光线的第四透镜单元L4校正彗形像差和像散。这种正透镜和负透镜的组合可以抵消非对称像差并促进像差校正。
在示例12中，第一透镜单元L1、第二透镜单元L2、第三透镜单元L3、第四透镜单元L4和第五透镜单元L5各自具有非球面表面。由此，可以校正球面像差、彗形像差和场曲。示例12中的第一透镜单元L1、第二透镜单元L2、第四透镜单元L4和第五透镜单元L5各自具有菲涅耳结构(菲涅耳形状的透镜表面)。可以通过将第三透镜单元L3设置为球面表面来设计示例12。由此，可以通过降低制造难度来实现易于制造的观察光学系统。
在示例13中，第一透镜单元L1包括单个正透镜。第二透镜单元L3包括单个负透镜。第三透镜单元L3包括单个正透镜。第四透镜单元L4包括单个正透镜。第五透镜单元L5包括单个正透镜。因为瞳孔近轴光线和物体近轴光线二者都在高位置处通过，所以第二透镜单元L2、第三透镜单元L3和第四透镜单元L4引起所有像差。因而，负透镜被部署在第三透镜单元L3的近轴光线高的位置处并且校正各种像差当中的色差和球面像差。此外，负折光力校正Petzval和并且控制场曲。另外，具有高物体近轴光线的第四透镜单元L4校正彗形像差和像散。这种正透镜和负透镜的组合可以抵消非对称像差并促进像差校正。
在示例13中，第一透镜单元L1、第二透镜单元L2、第三透镜单元L3、第四透镜单元L4和第五透镜单元L5各自具有非球面表面。由此，可以校正球面像差、彗形像差和场曲。示例13中的第五透镜单元L5具有菲涅耳结构(菲涅耳形状的透镜表面)。可以通过将第二透镜单元L2设置为球面表面来设计示例13。由此，可以通过降低制造难度来实现易于制造的观察光学系统。
现在将给出根据各示例的观察光学系统满足的条件的描述。根据各示例的观察光学系统包括负透镜和正透镜，并且负透镜和正透镜中的至少一个具有具有菲涅耳形状的透镜表面(菲涅耳表面)。其中Φr是菲涅耳形状的透镜表面的光焦度，Φf是观察光学系统整体的光焦度，hsag是菲涅尔形状的透镜表面上的最大壁长度或台阶量(mm)，并且λ是d线的波长(mm)，满足以下条件表达式(1)和(2)。当存在多个菲涅耳形状的透镜表面时，光焦度Φr为是光焦度的最大值。
0.1<|Φr/Φf|<5.0...(1)
20<hsag/λ<180...(2)
菲涅耳形状的透镜表面中的透镜表面的最大光焦度Φr表述如下。
(i)当透镜表面位于光入射侧时，
[表达式1]
Figure BDA0003203616840000091
(ii)当透镜表面位于光出射侧时，
[表达式2]
Figure BDA0003203616840000092
在此，N'表示菲涅耳形状的透镜表面的光出射侧的介质的折射率。N表示菲涅耳形状的透镜表面的光入射侧的介质的折射率。R是菲涅耳形状的透镜表面的曲率半径。当透镜表面是非球面表面时，曲率半径R是透镜表面的近轴曲率半径。现在将给出条件表达式(1)和(2)的技术含义的描述。条件表达式(1)是用于适当地设置菲涅耳形状的透镜表面上的最大壁长度(台阶量)与观察光学系统整体的光焦度之间的比率的条件表达式。如果该值高于条件表达式(1)中的上限，那么菲涅耳形状的透镜表面的光焦度变得太强，并且横向色差、彗形像差和场曲增加，使得难以校正这些像差。另一方面，如果该值低于条件表达式(1)中的下限，那么菲涅耳形状的透镜表面的光焦度变得太弱，并且从第一透镜表面到眼点EP在光轴上的距离增加。
条件表达式(2)是用于适当地设置菲涅耳形状的透镜表面上的最大壁长度(台阶量)与d线的波长之间的比率的条件表达式。如果该值高于条件表达式(2)中的上限，那么菲涅耳形状的透镜表面上的最大壁长度(台阶量)变得太大，并且入射在壁表面上的光的比率增加，使得不必要的光(重影)增加并且光学性能恶化。另一方面，当该值低于条件表达式(2)中的下限时，菲涅耳形状的透镜表面上的壁表面的长度(台阶量)变得太小，衍射光的强度增加，并且光学性能恶化。
为了实现更小的观察光学系统，观察光学系统优选地满足以下条件表达式(1a)和(2a)：
0.09<|Φr/Φf|<4.50...(1a)
23<hsag/λ<176...(2a)
更优选地，观察光学系统满足以下条件表达式(1b)和(2b)：
0.085<|Φr/Φf|<4,000...(1b)
25.52<hsag/λ<170.20...(2b)
更优选地，观察光学系统满足以下条件表达式(3)至(12)中的至少一个：
0.01<|Φfl/Φf|<3.00...(3)
0.02<Φfp/Φf<3.00...(4)
-0.30<Φfn/Φf<-0.20...(5)
0.05<Tfd/f<3.00...(6)
0.01<Tfr/f<0.30...(7)
0.05<Yp/f<0.60...(8)
0.1<atan((α-β)/(1-αβ))*60<12.0(单位:分钟)...(9)
0.2<|Φl|/Φf<6.0...(10)
1.0<Φlp/Φf<3.0...(11)
-5.0<Φln/Φf<-0.5...(12)
在上述各条件表达式中，Φfl是具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜的光焦度，Φfp是具有菲涅耳形状的透镜表面的正透镜的光焦度，并且Φfn是具有菲涅尔形状的透镜表面的负透镜的光焦度。光焦度Φfn是存在多个菲涅尔形状的透镜表面时光焦度的最小值。Tfd是从观察光学系统的图像显示平面侧的透镜表面到观察光学系统的观察侧的透镜表面在光轴上的距离，并且Tfr是观察光学系统的具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜在光轴上的厚度。f是整体观察光学系统的焦距，并且Yp是图像显示平面的对角线长度的一半。满足α＝(ep+hsag)/(hea/2)和β＝ep/(hea/2)。在此，ep是从观察光学系统的最后的透镜表面(观察光学系统中具有折光力的透镜当中最靠近观察位置的透镜)到眼点EP的距离(良视距)，并且hea是菲涅耳形状的透镜表面的有效直径。Φl是观察光学系统中透镜的光焦度的最大值，Φlp是观察光学系统中正透镜的光焦度的最大值，并且Φln是观察光学系统中负透镜的光焦度的最大值。
现在将给出条件表达式(3)至(12)的技术含义的描述。条件表达式(3)是用于适当地设置具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜的光焦度与整体观察光学系统的光焦度的比率的条件表达式。如果该值高于条件表达式(3)中的上限，那么具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜的光焦度变得太强，并且横向色差、彗形像差和场曲增加，使得难以校正这些像差。另一方面，当该值低于条件表达式(3)中的下限时，具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜的光焦度变得太弱，并且从第一透镜表面到眼点EP在光轴上的距离增加。
条件表达式(4)是用于适当地设置具有菲涅耳形状的透镜表面的正透镜的光焦度与整体观察光学系统的光焦度之间的比率的条件表达式。如果该值高于条件表达式(4)中的上限，那么具有菲涅耳形状的透镜表面的正透镜的光焦度变得太强，并且横向色差、彗形像差和场曲增加，使得难以校正这些像差。另一方面，当该值低于条件表达式(4)中的下限时，具有菲涅耳形状的透镜表面的正透镜的表面的光焦度变得太弱，并且从第一透镜表面到眼点EP在光轴上的距离增加。
条件表达式(5)是用于适当地设置具有菲涅耳形状的透镜表面的负透镜的光焦度与整体观察光学系统的光焦度之间的比率的条件表达式。当该值高于条件表达式(5)中的上限时，具有菲涅耳形状的透镜表面的正透镜的光焦度变得太弱，并且从第一透镜表面到眼点EP在光轴上的距离增加。另一方面，当该值低于条件表达式(5)中的下限时，具有菲涅耳形状的透镜表面的正透镜的光焦度变得太强，并且横向色差、彗形像差和曲率场增加，从而使得难以校正这些像差。
条件表达式(6)是用于适当地设置观察光学系统中具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜在光轴上的厚度与观察光学系统的焦距之间的比率的条件表达式。当该值高于条件表达式(6)中的上限时，观察光学系统的具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜在光轴上的厚度过度增加，并且从第一透镜表面到眼点EP在光轴上的距离增加。另一方面，如果该值低于条件表达式(6)中的下限，那么观察光学系统中具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜在光轴上的厚度变得过小，并且变得难以确保各透镜的边缘厚度和中心厚度。
条件表达式(7)是用于适当地设置观察光学系统中具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜在光轴上的厚度与观察光学系统的焦距之间的比率的条件表达式。当该值高于条件表达式(7)中的上限时，观察光学系统的具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜在光轴上的厚度过度增加，并且从第一透镜表面到眼点EP在光轴上的距离增加。另一方面，如果该值低于条件表达式(7)中的下限，那么变得难以确保边缘厚度和中心厚度。
条件表达式(8)是用于适当地设置图像显示平面的对角线长度的一半与观察光学系统的焦距之间的比率的条件表达式。如果该值高于条件表达式(8)中的上限，那么观察光学系统的焦距变得太短，并且横向色差、彗形像差和场曲增加，使得难以校正这些像差。另一方面，如果该值低于条件表达式(8)中的下限，那么变得难以获得期望的视角。
条件表达式(9)是用于适当地设置从观察光学系统的最后透镜表面到眼点EP的距离(良视距)、具有菲涅尔形状的透镜表面的透镜的有效直径与最大壁长度(台阶量)之间的关系的条件表达式。当该值高于条件表达式(9)中的上限时，入射到壁表面的光的比率增加，因此不必要的光增加，并且光学性能恶化。另一方面，当该值低于条件表达式(9)中的下限时，具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜中的最大壁表面长度(台阶量)的量变得太小，衍射光的强度增加，并且光学性能恶化。
条件表达式(10)是用于适当地设置观察光学系统的透镜的光焦度与整体观察光学系统的光焦度之间的比率的条件表达式。如果该值高于条件表达式(10)中的上限，那么观察光学系统的透镜的光焦度变得太强，并且横向色差、彗形像差和场曲增加，使得难以校正这些像差。另一方面，当该值低于条件表达式(10)中的下限时，具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜的光焦度变得太弱，并且从第一透镜表面到眼点EP在光轴上的距离增加。
条件表达式(11)是用于适当地设置观察光学系统中的正透镜的光焦度与整体观察光学系统的光焦度之间的比率的条件表达式。如果该值高于条件表达式(11)中的上限，那么具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜的光焦度变得太强，并且横向色差、彗形像差和场曲增加，使得难以校正这些像差。另一方面，当该值低于条件表达式(11)中的下限时，具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜的光焦度变得太弱，并且从第一透镜表面到眼点EP在光轴上的距离增加。
条件表达式(12)是用于适当地设置观察光学系统中的负透镜的光焦度与整体观察光学系统的光焦度之间的比率的条件表达式。当该值高于条件表达式(12)中的上限时，具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜的光焦度变得太弱，并且从第一透镜表面到眼点EP在光轴上的距离增加。另一方面，当该值低于条件表达式(12)中的下限时，具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜的光焦度变得太强，并且横向色差、彗形像差和场曲增加，使得难以校正这些像差。
更优选地，观察光学系统满足以下条件表达式(3a)至(12a)中的至少一个：
0.04<|Φfl/Φf|<2.50...(3a)
0.04<Φfp/Φf<2.40...(4a)
-2.40<Φfn/Φf<-0.60...(5a)
0.1<Tfd/f<2.20...(6a)
0.03<Tfr/f<0.2...(7a)
0.13<Yp/f<0.50...(8a)
0.4<atan((α-β)/(1-αβ))*60<9.9(单位:分钟)...(9a)
0.66<|Φl|/Φf<5.0...(10a)
0.96<Φflp/Φf<2.7...(11a)
-4.43<Φfln/Φf<-0.7...(12a)
更优选地，观察光学系统满足以下条件表达式(3b)至(12b)中的至少一个：
0.076<|Φfl/Φf|<1.813...(3b)
0.076<Φfp/Φf<1.783...(4b)
-1.813<Φfn/Φf<-0.892...(5b)
0.151<Tfd/f<1.34...(6b)
0.066<Tfr/f<0.102...(7b)
0.221<Yp/f<0.358...(8b)
0.715<atan((α-β)/(1-αβ))*60<7.74(单位:分钟)...(9b)
1.127<|Φl|/Φf<3.878...(10b)
0.931<Φlp/Φf<2.292...(11b)
-3.878<Φln/Φf<-0.858...(12b)
根据各示例的观察光学系统可以通过电图像处理来校正各种像差当中的畸变和横向色差。
现在将给出与本发明的示例1至示例16对应的数值示例1至数值示例16的描述。在各数值示例中，表面编号从图像显示平面侧开始顺序计数，r表示曲率半径，d表示间隔，nd和νd分别表示基于d线的折射率和阿贝数。某材料的阿贝数νd表示为νd＝(Nd-1)/(NF-NC)，其中Nd、NF、NC和Ng是夫琅和费谱线中d线(587.6nm)、F线(486.1nm)、C线(656.3nm)和g线(波长435.8nm)的折射率。另外，在各数值示例中，最靠近图像的两个表面是与光学块G对应的平面。K是圆锥常数，并且A4、A6、A8和A10分别是四阶、六阶、八阶和十阶非球面系数。非球面表面在表面编号的右侧标有*。
非球面形状被表述为x＝(h2/r)/[1+{1-(1+K)(h/r)2}1/2]+A4·h4+A6·h6+A8·h8+A10·h10，其中x是基于表面顶点的距光轴高度h处在光轴方向上的位移。r表示近轴曲率半径。例如，“e-Z”的表述意味着“10-Z”。菲涅尔表面(菲涅耳形状的透镜表面)表示具有非球面效果的理想小厚度状态，并且实际形状在所述中心厚度d内具有菲涅尔形状。菲涅耳表面在表面编号的右侧写为fre。表1至表12示出了上述各条件表达式与各数值示例之间的对应关系。
数值示例1
单位：mm
整体规格
焦距： 21.89
显示对角线长度：9.98
2ω[度] 26.17
表面数据
Figure BDA0003203616840000151
非球面数据
第五表面
K＝0.0 A4＝1.06325e-004
第七表面
K＝0.0 A4＝-2.95063e-004 A6＝8.34934e-006 A8＝-1.73516e-007
A10＝1.81211e-009
第八表面
K＝0.0 A4＝9.19120e-005 A6＝1.93888e-006
可变间隔
0dptr+1dptr-1dptr
Figure BDA0003203616840000161
菲涅尔光栅A中壁表面的长度h1：0.05
菲涅尔光栅A中壁表面的长度hn：0.05
菲涅尔光栅B中壁表面的长度h1：0.08
菲涅尔光栅B中壁表面的长度hn：0.08
数值示例2
整体规格
焦距： 21.82
显示对角线长度：9.98
2ω[度] 26.16
单位：mm
表面数据
Figure BDA0003203616840000162
非球面数据
第七表面
K＝0.0 A4＝-1.94884e-004 A6＝4.16216e-006
A8＝-1.44112e-007 A10＝1.61792e-009
第八表面
K＝0.0 A4＝9.93356e-005 A6＝-2.89266e-007
可变间隔
0dptr+1dptr-1dptr
D4 14.469 14.997 14.036
D10 1.185 0.657 1.619
菲涅尔光栅A中壁表面的长度h1：0.04
菲涅尔光栅A中壁表面的长度hn：0.04
菲涅尔光栅B中壁表面的长度h1：0.07
菲涅尔光栅B中壁表面的长度hn：0.07
数值示例3
单位：mm
整体规格
焦距： 21.80
显示对角线长度：9.98
2ω[度] 26.16
表面数据
Figure BDA0003203616840000181
第六表面
K＝0.0 A4＝-2.47882e-004 A6＝9.35287e-006
A8＝-1.90201e-007 A10＝1.96341e-009
第七表面
K＝0.0 A4＝-1.14659e-006 A6＝3.23812e-006
可变间隔
0dptr 1dptr-1dptr
D3 15.452 15.978 15.018
D7 2.636 2.110 3.070
菲涅尔光栅A中壁表面的长度h1：0.034
菲涅尔光栅A中壁表面的长度hn：0.034
菲涅尔光栅B中壁表面的长度h1：0.065
菲涅尔光栅B中壁表面的长度hn：0.065
数值示例4
单位：mm
整体规格
焦距： 21.78
显示对角线长度：9.98
2ω[度] 26.16
表面数据
Figure BDA0003203616840000191
第六表面
K＝0.0 A4＝-3.08279e-004 A6＝1.04626e-005 A8＝-1.94268e-007
A10＝2.03695e-009
第七表面
K＝0.0 A4＝-4.77431e-005 A6＝3.86916e-006
可变间隔
0dptr 1dptr-1dptr
D4 16.093 16.618 15.660
D10 2.623 2.097 3.055
菲涅尔光栅A中壁表面的长度h1：0.048
菲涅尔光栅A中壁表面的长度hn：0.048
菲涅尔光栅B中壁表面的长度h1：0.08
菲涅尔光栅B中壁表面的长度hn：0.08
数值示例5
整体规格
焦距： 21.80
显示对角线长度：9.98
2ω[度] 26.16
单位：mm
表面数据
Figure BDA0003203616840000201
第七表面
K＝0.0 A4＝-1.60262e-004 A6＝3.66117e-006 A8＝-1.39628e-007
A10＝1.58356e-009
第八表面
K＝0.0 A4＝1.09095e-004 A6＝-2.78560e-007
可变间隔
0dptr+1dptr-1dptr
D4 14.160 14.687 13.727
D8 1.089 0.562 1.522
菲涅尔光栅A中壁表面的长度h1：0.035
菲涅尔光栅A中壁表面的长度hn：0.035
菲涅尔光栅B中壁表面的长度h1：0.068
菲涅尔光栅B中壁表面的长度hn：0.068
数值示例6
单位：mm
整体规格
焦距： 16.09
显示对角线长度：9.98
2ω[度] 34.15
表面数据
Figure BDA0003203616840000221
第五表面
K＝2.07138e+000 A4＝1.34595e-004 A6＝8.71566e-007
第六表面
K＝-1.24408e+000 A4＝-1.60114e-004
第九表面
K＝-2.37653e+000 A4＝-1.56240e-004 A6＝1.01492e-006
A8＝-2.12223e-009
0dptr 1dptr-1dptr
D3 3.832 4.062 3.541
D9 1.000 0.770 1.291
菲涅尔光栅A中壁表面的长度h1：0.053
菲涅尔光栅A中壁表面的长度hn：0.053
菲涅尔光栅B中壁表面的长度h1：0.09
菲涅尔光栅B中壁表面的长度hn：0.09
数值示例7
整体规格
焦距： 16.25
显示对角线长度：9.98
2ω[度] 34.15
单位：mm
表面数据
Figure BDA0003203616840000231
第五表面
K＝0.0 A4＝1.41723e-004 A6＝8.71566e-007
第六表面
K＝-1.58996e+000 A4＝-4.43891e-005
第八表面
K＝0.0 A4＝-2.16380e-004 A6＝1.23073e-006
第九表面
K＝-2.37653e+000 A4＝2.80757e-004 A6＝-6.01656e-006
A8＝7.36244e-008 A10＝-3.23183e-010
可变间隔
0dptr1dptr-1dptr
D3 2.653 2.8882.356
D9 1.000 0.765 1.296
菲涅尔光栅A中壁表面的长度h1：0.05
菲涅尔光栅A中壁表面的长度hn：0.05
菲涅尔光栅B中壁表面的长度h1：0.08
菲涅尔光栅B中壁表面的长度hn：0.08
数值示例8
单位：mm
整体规格
焦距： 19.00
显示对角线长度：12.87
2ω[度] 37.40
表面数据
Figure BDA0003203616840000251
第五表面
K＝-1.90130e+000 A4＝1.44492e-004 A6＝-1.56292e-006
A8＝1.24662e-008
第六表面
K＝-1.09467e+000 A4＝2.56093e-005 A6＝-4.44964e-006
A8＝5.09270e-008A10＝-4.41561e-010
第七表面
K＝-4.63251e-001 A4＝3.88818e-005 A6＝-1.72257e-007
A8＝3.11891e-010
第九表面
K＝-2.08074e+000 A4＝-8.72954e-005 A6＝2.69143e-007
A8＝-1.93777e-009A10＝4.42260e-012
第十一表面
K＝-9.75863e+000 A4＝-7.63496e-005 A6＝1.44143e-007
A8＝6.49972e-010A10＝-3.70039e-012
可变间隔
0dptr 2dptr-1dptr
D3 3.936 4.659 3.576
D11 1.760 1.038 2.121
菲涅尔光栅A中壁表面的长度h1：0.06
菲涅尔光栅A中壁表面的长度hn：0.06
菲涅尔光栅B中壁表面的长度h1：0.1
菲涅尔光栅B中壁表面的长度hn：0.1
数值示例9
单位：mm
整体规格
焦距： 19.04
显示对角线长度：12.87
2ω[度] 37.40
表面数据
Figure BDA0003203616840000271
第五表面
K＝-1.45977e-001 A4＝2.72146e-004 A6＝-1.73561e-006
A8＝2.19236e-008
第六表面
K＝-1.09467e+000 A4＝2.56093e-005 A6＝-4.44964e-006
A8＝5.09270e-008A10＝-4.41561e-010
第七表面
K＝-4.63251e-001 A4＝3.88818e-005 A6＝-1.72257e-007
A8＝3.11891e-010
第九表面
K＝-2.08074e+000 A4＝-8.72954e-005 A6＝2.69143e-007
A8＝-1.93777e-009A10＝4.42260e-012
第十一表面
K＝-2.28176e+006 A4＝-1.19689e-005 A6＝-4.67141e-007
A8＝5.52036e-009A10＝-1.99171e-011
可变间隔
0dptr 2dptr-1dptr
D3 2.989 3.718 2.627
D11 1.487 0.758 1.849
菲涅尔光栅A中壁表面的长度h1：0.05
菲涅尔光栅A中壁表面的长度hn：0.05
菲涅尔光栅B中壁表面的长度h1：0.09
菲涅尔光栅B中壁表面的长度hn：0.09
数值示例10
单位：mm
整体规格
焦距： 18.63
显示对角线长度：12.87
2ω[度] 37.40
表面数据
Figure BDA0003203616840000291
第五表面
K＝-1.45977e-001 A4＝2.72146e-004 A6＝-1.73561e-006
A8＝2.19236e-008
第六表面
K＝-1.09467e+000 A4＝2.56093e-005 A6＝-4.44964e-006
A8＝5.09270e-008A10＝-4.41561e-010
第七表面
K＝-4.63251e-001 A4＝3.88818e-005 A6＝-1.72257e-007
A8＝3.11891e-010
第九表面
K＝-2.08074e+000 A4＝-8.72954e-005 A6＝2.69143e-007
A8＝-1.93777e-009A10＝4.42260e-012
第十一表面
K＝-9.75863e+000 A4＝-7.63496e-005 A6＝1.44143e-007
A8＝6.49972e-010A10＝-3.70039e-012
可变间隔
0dptr 2dptr-1dptr
D3 1.581 2.273 1.233
D11 4.767 4.0755.115
菲涅尔光栅A中壁表面的长度h1：0.09
菲涅尔光栅A中壁表面的长度hn：0.09
菲涅尔光栅B中壁表面的长度h1：0.1
菲涅尔光栅B中壁表面的长度hn：0.1
数值示例11
单位：mm
整体规格
焦距： 18.83
显示对角线长度：12.87
2ω[度] 37.40
表面数据
Figure BDA0003203616840000311
第五表面
K＝-7.79739e+000 A4＝-4.73562e-004 A6＝4.06421e-006
A8＝2.58803e-008
第六表面
K＝-4.79729e+000 A4＝-6.05517e-004 A6＝2.42123e-006
A8＝5.09270e-008A10＝-4.41561e-010
第七表面
K＝0.0 A4＝1.19583e-004 A6＝-8.70038e-007 A8＝3.11891e-010
第九表面
K＝-2.08074e+000 A4＝-1.14944e-004 A6＝3.43704e-007
A8＝-1.93777e-009A10＝4.42260e-012
第十一表面
K＝-9.75863e+000 A4＝-7.63496e-005 A6＝1.44143e-007
A8＝6.49972e-010A10＝-3.70039e-012
可变间隔
0dptr 2dptr-1dptr
D3 2.205 2.920 1.852
D11 1.000 0.2851.353
菲涅尔光栅A中壁表面的长度h1：0.03
菲涅尔光栅A中壁表面的长度hn：0.03
菲涅尔光栅B中壁表面的长度h1：0.063
菲涅尔光栅B中壁表面的长度hn：0.063
数值示例12
单位：mm
整体规格
焦距： 22.57
显示对角线长度：9.98
2ω[度] 25.42
表面数据
Figure BDA0003203616840000331
第四表面
K＝0.0 A4＝3.26544e-004 A6＝-2.58067e-005
第六表面
K＝-5.04712e-001 A4＝1.55251e-004 A6＝8.71566e-007
第七表面
K＝-1.24408e+000 A4＝-1.60114e-004
第十表面
K＝-2.37653e+000 A4＝-1.56240e-004 A6＝1.01492e-006
A8＝-2.12223e-009
第十一表面
K＝0.0 A4＝-1.20623e-004 A6＝1.29036e-006
可变间隔
0dptr 1dptr-1dptr
D4 5.2405.9274.392
D10 4.411 3.724 5.259
菲涅尔光栅A中壁表面的长度h1：0.015
菲涅尔光栅A中壁表面的长度hn：0.015
菲涅尔光栅B中壁表面的长度h1：0.035
菲涅尔光栅B中壁表面的长度hn：0.035
数值示例13
整体规格
焦距： 17.45
显示对角线长度：12.48
2ω[度] 38.82
单位：mm
表面数据
Figure BDA0003203616840000351
第五表面
K＝-1.08884e+000 A4＝8.42000e-005 A6＝-8.15000e-007
A8＝5.98000e-009 A10＝-2.31000e-011
第六表面
K＝-9.03298e-001 A4＝1.76342e-004 A6＝-6.18000e-007
A8＝-1.99000e-011 A10＝1.23000e-011
第九表面
K＝-1.06676e+000 A4＝9.97000e-005 A6＝-1.37000e-007
A8＝-1.31000e-009 A10＝9.42000e-012
第十一表面
K＝0.0 A4＝-1.25046e-004 A6＝7.77000e-007 A8＝-2.66000e-009
第十二表面
K＝0.0 A4＝-4.76149e-006 A6＝3.10404e-007 A8＝-8.18407e-010
第十三表面
K＝0.0 A4＝0.0 A6＝1.81911e-007
可变间隔
0dptr 2dptr-1dptr
D3 2.334 2.930 2.022
D11 1.595 1.000 1.905
菲涅尔光栅A中壁表面的长度h1：0.050
菲涅尔光栅A中壁表面的长度hn：0.050
菲涅尔光栅B中壁表面的长度h1：0.1
菲涅尔光栅B中壁表面的长度hn：0.1
[表1]
条件表达式 ex1 ex2 ex3 ex4
1 1.017 1.231 1.442 1.058
3 1.783 0.978 0.892 1.715
4 1.783 --- --- 1.715
5 --- -0.978 -0.892 ---
6 0.151 0.256 0.161 0.152
7 0.069 0.078 0.078 0.069
8 0.228 0.229 0.229 0.229
10 1.783 1.746 1.707 1.715
11 1.783 1.746 1.707 1.715
12 -0.932 -0.978 -0.892 -0.858
[表2]
条件表达式 ex5 ex6 ex7
1 1.400 0.856 1.012
3 0.991 1.276 1.529
4 --- 1.276 1.529
5 -0.991 --- ---
6 0.257 0.910 0.792
7 0.078 0.093 0.092
8 0.229 0.310 0.307
10 1.735 1.281 2.066
11 1.735 1.276 1.529
12 -0.991 -1.281 -2.066
[表3]
条件表达式 ex8 ex9 ex10
1 0.660 0.087 0.172
3 0.940 0.093 1.220
4 0.940 0.093 ---
5 --- --- -1.220
6 0.877 0.971 1.078
7 0.079 0.079 0.102
8 0.339 0.338 0.345
10 1.127 1.274 1.220
11 1.019 1.103 0.998
12 -1.127 -1.274 -1.220
[表4]
条件表达式 ex11 ex12 ex13
1 1.544 3.996 0.089
3 1.435 0.938 0.076
4 --- 0.938 0.076
5 -1.435 --- ---
6 1.029 0.909 1.340
7 0.101 0.066 0.086
8 0.342 0.221 0.358
10 1.435 3.878 1.628
11 0.992 2.292 1.415
12 -1.435 -3.878 -1.628
[表5]
条件表达式 ex1a ex2a ex3a ex4a
2 85.098 68.078 57.866 81.694
9 2.57 2.18 1.58 2.49
[表6]
条件表达式 ex5a ex6a ex7a
2 59.568 90.204 85.098
9 1.93 3.30 4.14
[表7]
条件表达式 ex8a ex9a ex10a
2 102.117 85.098 153.176
9 2.71 5.91 4.46
[表8]
条件表达式 ex11a ex12a ex13a
2 51.059 25.529 85.098
9 1.45 0.715 3.880
[表9]
条件表达式 ex1b ex2b ex3b ex4b
2 136.156 119.137 110.627 136.158
9 4.10 3.81 3.01 4.14
[表10]
条件表达式 ex5b ex6b ex7b
2 115.733 153.176 136.156
9 3.75 5.59 6.61
[表11]
条件表达式 ex8b ex9b ex10b
2 170.195 153.176 170.195
9 4.50 5.91 4.95
[表12]
条件表达式 ex11b ex12b ex13b
2 107.223 59.568 170.195
9 3.04 1.665 7.740
现在参考图29，将给出根据该实施例的图像拾取系统的描述。图29是图像拾取系统100的框图。图像拾取系统100包括图像拾取光学系统101、图像传感器102、图像处理电路103、记录介质104和取景器光学系统单元(图像显示装置)105。
成像光学系统101被包括在透镜装置(可互换透镜)中。图像传感器102、图像处理电路103、记录介质104和取景器光学系统单元(图像显示装置)105被包括在图像拾取装置主体中。在这个实施例中，图像拾取系统100包括图像拾取装置主体和可附接到图像拾取装置主体并可从图像拾取装置主体拆卸的透镜装置。但是，本发明不限于此，并且可应用于其中图像拾取装置主体和透镜装置彼此集成的图像拾取装置。
图像传感器102对经由图像拾取光学系统101形成的光学图像(物体图像)进行光电转换，并输出图像数据。图像处理电路103对从图像传感器102输出的图像数据执行预定的图像处理，并形成图像。形成的图像被记录在诸如半导体存储器、磁带或光盘之类的记录介质104中。另外，在图像处理电路103中形成的图像被显示在取景器光学系统单元105上。取景器光学系统单元105包括图像显示元件1051和取景器光学系统(与各示例相应的观察光学系统)1052。图像显示元件1051包括液晶显示元件LCD、有机EL元件等。取景器光学系统1052是用于观察在图像显示元件1051的图像显示平面上显示的图像的观察光学系统。
各示例可以提供具有高光学性能的小型的观察光学系统和图像显示装置。
上述实施例仅仅是代表性示例，并且在实施本发明时可以对这些实施例进行各种修改和改变。

Claims (12)

1.一种观察光学系统，被配置为观察在图像显示平面上显示的图像，所述观察光学系统包括：
负透镜和正透镜，
其中所述负透镜和所述正透镜中的至少一个具有具有菲涅耳形状的透镜表面，并且
其中满足以下条件表达式：
0.1<|Φr/Φf|<5.0
20<hsag/λ<180
其中Φr是所述具有菲涅耳形状的透镜表面的光焦度(当存在各自具有菲涅耳形状的多个透镜表面时是光焦度的最大值)，Φf是所述观察光学系统整体的光焦度，hsag是所述具有菲涅耳形状的透镜表面上的壁表面的最大长度(mm)，并且λ是d线的波长(mm)。
2.根据权利要求1所述的观察光学系统，其中满足以下条件表达式：
0.01<|Φfl/Φf|<3.00
其中Φfl是所述负透镜和所述正透镜当中具有所述具有菲涅耳形状的透镜表面的透镜的光焦度(当存在各自具有菲涅耳形状的所述多个透镜表面时是光焦度的最大值)。
3.根据权利要求1或2所述的观察光学系统，其中所述正透镜具有所述具有菲涅耳形状的透镜表面并且满足以下条件表达式：
0.02<Φfp/Φf<3.00
其中Φfp是所述正透镜的光焦度(当存在各自具有菲涅耳形状的所述多个透镜表面时是光焦度的最大值)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的观察光学系统，其中所述负透镜具有所述具有菲涅耳形状的透镜表面并且满足以下条件表达式：
-0.30<Φfn/Φf<-0.20
其中Φfn是所述负透镜的光焦度(当存在各自具有菲涅耳形状的所述多个透镜表面时是光焦度的最大值)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的观察光学系统，其中满足以下条件表达式：
0.05<Tfd/f<3.00
其中Tfd是从所述观察光学系统的图像显示平面侧的透镜表面到所述观察光学系统的观察侧的透镜表面在光轴上的距离，并且f是所述观察光学系统整体的焦距。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的观察光学系统，其中满足以下条件表达式：
0.01<Tfr/f<0.30
其中Tfr是具有所述具有菲涅耳形状的透镜表面的负透镜和正透镜在光轴上的厚度，并且f是所述观察光学系统整体的焦距。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的观察光学系统，其中满足以下条件表达式：
0.05<Yp/f<0.60
其中Yp是所述图像显示平面的对角线长度的一半，并且f是所述观察光学系统整体的焦距。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的观察光学系统，其中满足以下条件表达式：
0.1<atan((α-β)/(1-αβ))*60<12.0(分钟)
α＝(ep+hsag)/(hea/2)
β＝ep/(hea/2)
其中ep是所述观察光学系统中的每个具有折光力的透镜当中从最靠近观察位置的透镜到眼点的距离，并且hea是所述具有菲涅耳形状的透镜表面的有效直径。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的观察光学系统，其中满足以下条件表达式：
0.2<|Φfl/Φf|<6.0
其中Φfl是所述观察光学系统中的透镜的光焦度的最大值。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的观察光学系统，其中满足以下条件表达式：
1.0<Φlp/Φf<3.0
其中Φlp是所述正透镜的光焦度的最大值。
11.根据权利要求1至9中的任一项所述的观察光学系统，其中满足以下条件表达式：
-5.0<Φln/Φf<-0.5
其中Φfln是所述负透镜的光焦度的最小值。
12.一种图像显示装置，包括：
图像显示元件；以及
根据权利要求1至11中的任一项所述的观察光学系统，被配置为观察在所述图像显示元件的图像显示平面上显示的图像。
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