JP2020197558A - 観察光学系及びそれを有する画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 広視野角でありながら、高性能且つ軽量化を達成することが可能な観察光学系を提供すること。【解決手段】 画像表示面に表示された画像を観察するための観察光学系であって、前記観察光学系は、フレネルレンズと回折光学素子を有し、以下の条件式を満足することを特徴とする観察光学系。５．０＜Ｆｄｏ／Ｆ＜２０．０Ｆｄｏ：回折光学素子の焦点距離Ｆ：全系の焦点距離【選択図】図１

Description

本発明は、例えば液晶等の画像表示素子に表示された原画像を拡大表示し、観察するヘッドウントディスプレイ等に好適な観察光学系に関する。

従来より、ＣＲＴやＬＣＤ等の画像表示素子を用いて表示された原画像を、観察光学系を介して拡大表示し、大画面画像を使用者に与えることで、臨場感のある体験を提供するヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置が知られている。

近年、画像表示装置に関しては、さらなる高臨場感を得ることが望まれており、その要素として、広視野角且つ高精細な画像であることが重要である。そのためには画像表示装置に用いられる観察光学系が広視野角に対応し、且つ高い光学性能を有することが求められている。そして、例えば頭部に装着する、或いは手で持つタイプの画像表示装置においては、軽量化が求められている。従来より、高性能化を図った観察光学系として回折光学素子を配した観察光学系が知られている。

特許文献１は、回折光学素子を有した観察光学系であり、倍率色収差の補正を図っている。しかしながら、視野角は４０度であり、臨場感のある体験を提供するための視野角としてはさらに広視野角にする必要がある。広視野角を想定すると、特許文献１の構成では、中心肉厚が増加し、重量や倍率色収差の発生が増加する（倍率色収差が増加する詳細な理由は、［発明を実施するための形態］にて後述する。）。

よって、それを補正するための回折光学素子に求められる焦点距離は短くなり、回折光学素子の格子ピッチが細かくなりすぎる。その結果、光線有効面に対する壁面の割合が大きくなるため、壁面に入射する光線が増加し、光学性能が低下する。そこで、広視野角でありながら、高い光学性能を有し、且つ軽量な観察光学系を得るには、レンズ構成を適切に設定する必要がある。

特開２００３−３２９９３５号公報

本発明は、画像表示面に表示される画像を、軽量化しつつ、広視野角でありながら高い光学性能で観察することができる観察光学系及びそれを有する画像表示装置の提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る観察光学系は、
画像表示面に表示される画像を観察するための観察光学系であって、フレネルレンズと回折光学素子を有し、回折光学素子の焦点距離を適切に設定することを特徴とする。

本発明によれば、画像表示面に表示される画像を、軽量化しつつ、広視野角でありながら高い光学性能で観察することができる観察光学系及びそれを有する画像表示装置の提供を実現できる。

本発明の実施例１のレンズ断面図 （Ａ）、（Ｂ）本発明の実施例１のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図 本発明の実施例２のレンズ断面図 （Ａ）、（Ｂ）本発明の実施例２のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図 本発明の実施例３のレンズ断面図 （Ａ）、（Ｂ）本発明の実施例３のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図 本発明の実施例４のレンズ断面図 （Ａ）、（Ｂ）本発明の実施例４のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図 本発明のフレネルレンズの中心輪帯の面頂点から、端部までの光軸方向の長さと壁面の長さ（段差）、及びフレネルレンズの中心輪帯の面頂点から、端部までの直径、フレネルレンズの有効径定義説明図 （Ａ）フレネルレンズを広視野観察光学系に適用した場合の軸上光線と軸外光線、（Ｂ）連続的な形状のレンズを広視野観察光学系に適用した場合の軸上光線と軸外光線

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

本発明の観察光学系は、画像表示面に表示される画像を観察するための観察光学系であって、前記観察光学系は、フレネルレンズと回折光学素子を有し、以下の条件式を満足することを特徴としている。

５．０＜Ｆｄｏ／Ｆ＜２０．０
Ｆｄｏ：回折光学素子の焦点距離
Ｆ：全系の焦点距離
図１は本発明の実施例１の観察光学系を有する画像表示画像のレンズ断面図である。図２（Ａ）（Ｂ）は本発明の実施例１の観察光学系のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図である。

図３は本発明の実施例２の観察光学系を有する画像表示画像のレンズ断面図である。図４（Ａ）（Ｂ）は本発明の実施例２の観察光学系のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図である。

図５は本発明の実施例３の観察光学系を有する画像表示画像のレンズ断面図である。図６（Ａ）（Ｂ）は本発明の実施例３の観察光学系のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図である。

図７は本発明の実施例４の観察光学系を有する画像表示画像のレンズ断面図である。図８（Ａ）（Ｂ）は本発明の実施例４の観察光学系のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図である。

図９は本発明のフレネルレンズの中心輪帯の面頂点から、端部までの光軸方向の長さと壁面の長さ（段差量）の定義を説明する図である。

図１０はフレネルレンズと連続的な形状のレンズの光路図である。ｈａはフレネルレンズ（Ａ）のアイレリーフ１０ｍｍ、半視野角４５度における主光線の表示側レンズ面での光線高さを表す。ｈｂは連続的な形状のレンズ（Ｂ）のアイレリーフ１０ｍｍ、半視野角４５度における主光線の表示側レンズ面での光線高さを表す。

レンズ断面図において、Ｌ０は観察光学系であり、Ｌｆｒｅはフレネルレンズ、Ｌ２はフレネルレンズＬｆｒｅを除き最も観察側に位置するレンズ、Ｌ３は観察側から数えて３番目に位置するレンズを意味する。Ｆｒｅ１，Ｆｒｅ２はフレネル構造を有する面を示している。フレネルレンズは一般的な成形方法として、射出成形や圧縮成形が挙げられる。ＤＯは回折光学素子を有する面を意味する。回折光学素子ＤＯは単層型ではなく、積層型としても良い。ＩＤは画像表示面であり、例えば液晶表示素子が配置される。ＳＰは観察面であり、観察者の瞳が位置する。観察面ＳＰには絞りが配置される場合もある。

各実施例のレンズ断面図において、アイレリーフは、光軸上におけるアイポイントと最も観察面側のレンズ面の間隔を表す。なお、収差の評価において、画像表示面側に発光点を設けて観察面側に到達した光線の収差と、観察面側に発光点を設けて画像表示面側に到達した光線の収差は一対一で対応するため、便宜上、画像表示面での収差を評価している。なお、便宜上、画像表示面での光線の高さを像高として説明する。また、各実施例の開口絞り径は、人間の瞳径の一例として、３．５ｍｍに設定している。

また、眼鏡の装着有無や顔の形状の差異によってアイレリーフが異なることから、本発明ではアイレリーフの収差の変動を抑えており、アイレリーフが異なっても高性能な光学系を達成している。代表的に、アイレイーフ１０ｍｍと２０ｍｍの際の収差について図示している。

次に本発明の構成について説明する。

本発明は、フレネルレンズＬｆｒｅ、回折光学素子ＤＯを有する。フレネルレンズＬｆｒｅにより、軽量化を図るとともに、観察光学系Ｌ０の厚みを薄くできている。薄くできているその効果について説明する。図１０（Ｂ）は連続的な形状のレンズの光路図を示し、広視野角に対応させるほど、中心肉厚を大きくさせる必要がある。一方、図１０（Ａ）はフレネルレンズの光路図を示し、広視野角に対応させても、中心肉厚は、フレネル構造を取ることにより、図１０（Ｂ）に比して薄くできている。故に、軸外の光線高さｈａをｈｂより低くすることができ、倍率色収差の発生量を低減している。そして、残存した倍率色収差を回折光学素子ＤＯによって補正し、以下の条件式を満たしている。

５．０＜Ｆｄｏ／Ｆ＜２０．０ ・・・（１）
Ｆｄｏ：回折光学素子の焦点距離
Ｆ：全系の焦点距離
（１）式は回折光学素子ＤＯの焦点距離と全系の焦点距離の比を規定している。フレネルレンズＬｆｒｅにより、屈折するレンズで発生する倍率色収差の発生量を低減しているので、残存した倍率色収差の補正に必要な回折光学素子ＤＯの焦点距離は全系の焦点距離に比して、長くできる。それによって、回折光学素子ＤＯの格子ピッチが細かくなりすぎることを防ぎ、光学性能を向上させている。

条件式（１）の下限を超えると、回折光学素子ＤＯの焦点距離が短くなりすぎて、回折光学素子ＤＯの格子ピッチが細かくなりすぎ、光学性能が低下する。逆に、上限を超えると、回折光学素子ＤＯの焦点距離が長くなりすぎて、倍率色収差を良好に補正することができない。

さらに好ましくは、条件式（１）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

７．０＜Ｆｄｏ／Ｆ＜１９．６ ・・・（１Ａ）
より好ましくは、条件式（１Ａ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
９．０＜Ｆｄｏ／Ｆ＜１９．３ ・・・（１Ｂ）
以上の構成により、広視野でありながら高い光学性能を有し、且つ軽量な観察光学系を達成している。

さらに、次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。

０．６＜ｙｍａｘ／Ｌ＜１．２ ・・・（２）
Ｌｆ／Ｆ＜０．０９ ・・・（３）
Ｌｄｏ／Ｆ＜０．３ ・・・（４）
５０＜ｈｆｒｅ／λｄ＜５００ ・・・（５）
０．８＜ｈｄｏ／λｄ＜２．５ ・・・（６）
−１．３＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．５・・・（７）
−１．３＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜−０．５・・・（８）
−０．３＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１５ ・・・（９）
ｙｍａｘ：アイレリーフ１０ｍｍにおける最大像高
Ｌ：最も観察側のレンズ面から表示面までの距離
Ｌｆ：最も観察側のレンズ面からフレネル面までの距離
Ｌｄｏ：最も観察側のレンズ面から回折光学素子までの距離
ｈｆｒｅ：前記フレネルレンズの第一輪帯の段差量
ｈｆｒｅ：前記回折光学素子の光線有効域における最大段差量
Ｒ１１：最も観察側に位置するレンズの観察側面の曲率半径
Ｒ２１：最も観察側に位置するレンズの表示側面の曲率半径
Ｒ１２：観察側から数えて２番目に位置するレンズの観察側面の曲率半径
Ｒ２２：観察側から数えて２番目に位置するレンズの表示側面の曲率半径
ｙ：アイレリーフ１０ｍｍ，半視野角４５度における表示面の実像高
ｙ０：アイレリーフ１０ｍｍ，半視野角４５度における表示面の理想像高

さらに好ましくは、条件式（１）〜（９）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．７＜ｙｍａｘ／Ｌ＜１．１ ・・・（２Ａ）
Ｌｆ／Ｆ＜０．０７５ ・・・（３Ａ）
Ｌｄｏ／Ｆ＜０．２８ ・・・（４Ａ）
６５＜ｈｆｒｅ／λｄ＜４７０ ・・・（５Ａ）
０．８５＜ｈｄｏ／λｄ＜２．４ ・・・（６Ａ）
−１．２＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．５５・・・（７Ａ）
−１．２＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜−０．５５・・・（８Ａ）
−０．２７＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１６ ・・・（９Ａ）
より好ましくは、条件式（１Ａ）〜（９Ａ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．８＜ｙｍａｘ／Ｌ＜１．０ ・・・（２Ｂ）
Ｌｆ／Ｆ＜０．０６０ ・・・（３Ｂ）
Ｌｄｏ／Ｆ＜０．２６ ・・・（４Ｂ）
８０＜ｈｆｒｅ／λｄ＜４４０ ・・・（５Ｂ）
０．９＜ｈｄｏ／λｄ＜２．３ ・・・（６Ｂ）
−１．１＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．６・・・（７Ｂ）
−１．１＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜−０．６・・・（８Ｂ）
−０．２４＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１７ ・・・（９Ｂ）
さらに、前記フレネルレンズＬｆｒｅは、正の屈折力を有するのが良い。

さらに、次の条件式の条件式を満足するのが良い。

０．９＜Ｆｆｒｅ／Ｆ＜５．０・・・（１０）
Ｆｆｒｅ：前記フレネルレンズの焦点距離
さらに好ましくは、条件式（１０）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．９４＜Ｆｆｒｅ／Ｆ＜４．２５ ・・・（１０Ａ）
より好ましくは、条件式（１０Ａ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．９８＜Ｆｆｒｅ／Ｆ＜３．５ ・・・（１０Ｂ）
さらに、前記フレネルレンズＬｆｒｅは、表示側面をフレネル構造とするのが良い。

さらに、前記フレネルレンズＬｆｒｅは、光線有効域において観察側面を連続形状とするのが良い。

次に各条件式の技術的意味について説明する。

条件式（２）は、アイレリーフ１０ｍｍにおける最大像高と観察光学系Ｌ０の最も観察側のレンズ面から表示面までの距離の比を規定している。最大像高は、光線有効域において、主光線の通過する最大視野角に対応している。条件式（２）の下限を超えると、最も観察側の面から表示面までの距離が長すぎて、観察光学系Ｌ０を構成するメカ構成が長くなり、重量が増加する。逆に条件式（２）の上限を超えると、アイレリーフ１０ｍｍにおける最大像高が高くなりすぎ、表示面のサイズが大きくなることから、重量が増加する。

条件式（３）は、観察光学系Ｌ０の最も観察側のレンズ面から、フレネルレンズＬｆｒｅが有するフレネル面までの距離と全系の焦点距離の比を規定している。条件式（３）の上限を超えると、フレネルレンズＬｆｒｅが有するフレネル面の視度が、観察者のピント位置に近づくことになり、フレネルレンズの突起部の成形不良（面ダレ）等による不要光が視認しやすくなり、光学性能が低下する。

条件式（４）は、観察光学系Ｌ０の最も観察側のレンズ面から、回折光学素子ＤＯまでの距離と全系の焦点距離の比を規定している。条件式（４）の上限を超えると、回折光学素子ＤＯの視度が、観察者のピント位置に近づくことになり、回折光学素子ＤＯの突起部の成形不良（面ダレ）等による不要光が視認しやすくなり、光学性能が低下する。また、軸外光線の高い位置に回折光学素子ＤＯが配されるので、径が大きくなりすぎて、径周辺部の格子ピッチが細かくなりすぎ、光学性能が低下する。

条件式（５）は、フレネルレンズＬｆｒｅが有するフレネル面の第一輪帯の段差量とｄ線の波長の比を規定している。条件式（５）の下限を超えると、段差が小さくなりすぎて、回折光の強度が増し、光学性能が低下する。逆に上限を超えると、フレネルレンズＬｆｒｅが有するフレネル面の段差が大きくなりすぎて、壁面に入射する光の割合が増えるので、不要光が増し、光学性能が低下する。

条件式（６）は、回折光学素子ＤＯの光線有効域における最大段差量とｄ線の波長の比を規定している。条件式（６）の下限を超えると、段差が小さくなりすぎて、可視域の波長の回折効率が低下する。逆に上限を超えると、段差が大きくなりすぎて、壁面に入射する光線が増加し不要光が増大する。

条件式（７）は、最も観察側に位置するレンズの形状因子を規定している。条件式（６）の下限を超えると、表示面側の曲率が強くなりすぎて主に像面湾曲、非点収差が増大する。逆に上限を超えると、観察面側の曲率が強くなりすぎて主に像面湾曲、非点収差が増大する。

条件式（８）は、観察側から数えて２番目に位置するレンズの形状因子を規定している。条件式（８）の下限を超えると、表示面側の曲率が強くなりすぎて主に像面湾曲、非点収差、歪曲収差が増大する。逆に上限を超えると、観察面側の曲率が強くなりすぎて主に像面湾曲、非点収差が増大する。

条件式（９）は、アイレリーフ１０ｍｍ，半視野角４５度における表示面での歪曲量を規定している。理想像高ｙ０は全系の焦点距離をｆ、半視野角をθとした際にｆ×ｔａｎθで表される。条件式（９）の下限を超えると、観察光学系Ｌ０を構成するレンズの正の屈折力が強すぎるため、軸外光線を強く光軸方向に曲げることになる。よって、軸外の諸収差が増加する。条件式（９）の上限を超えると、観察光学系Ｌ０を構成する各レンズの有効径が増加したり、表示面のサイズが大きくなるため重量が増加する。

さらに、フレネルレンズＬｆｒｅを、正の屈折力とすることで、正の屈折力を有するレンズ面をさらに軸外光線の高さの低い位置に配する事ができ、倍率色収差を低減している。

条件式（１０）は、正の屈折力を有するフレネルレンズＬｆｒｅの焦点距離と全系の焦点距離の比を規定している。条件式（１）の下限を超えると、正の屈折力を有するフレネルレンズＬｆｒｅの焦点距離が短くなりすぎる。その結果、フレネル面の格子ピッチが細かくなりすぎたり、光線有効域に対する壁面の割合が大きくなりすぎ、回折によるフレアや壁面が起因する不要光が大きくなりすぎ、光学性能が低下する。逆に上限を超えると、正の屈折力を有するフレネルレンズＬｆｒｅの焦点距離が長くなりすぎて、その分、観察光学系Ｌ０を構成する他のレンズ面の正の屈折力が強くなりすぎ、像面湾曲や非点収差を良好に補正できない。

正の屈折力を有するフレネルレンズＬｆｒｅの観察側面をフレネル面とすることが望ましい。人間の眼に相当する絞りに対してコンセントリック形状を為すこと光学性能が向上する。すなわち、正の屈折力を有するレンズの場合、光学性能観点では表示面の曲率が強くなる。よって表示側面をフレネル面とすることで、軽量の効果を増やすことができる。

さらに、正の屈折力を有するフレネルレンズＬｆｒｅの観察側面が、光線有効域において段差のない連続的な形状であることが望ましい。人間の眼に相当する絞りに対してコンセントリック形状を為すこと光学性能が向上する。すなわち、正の屈折力を有するレンズの場合、光学性能観点では観察側面の曲率が緩くなる。よって、観察側面を連続的な形状としても、フレネル面とした際に比して重量の増加は小さいので、重量も重くならずに、且つフレネル構造による回折等によるフレアや段差起因の不要光の発生を防ぐことができる。

以上の構成により、広視野でありながら、高い光学性能を有し、且つ軽量な観察光学系が得られる。

以下、図１を参照して、本発明の実施例の観察光学系Ｌ０について説明する。

実施例１の観察光学系Ｌ０は、正の屈折力を有するフレネルレンズＬｆｒｅより構成され、観察面側に回折光学素子ＤＯを有している。フレネルレンズＬｆｒｅにより、軽量化を図るとともに、観察光学系Ｌ０の厚みを薄くできている。それにより、観察光学系Ｌ０を構成するレンズの表示面側のレンズ面に到達する軸外光線の高さを低くし、倍率色収差の発生量を低減しつつ、残存した倍率色収差を回折光学素子ＤＯによって補正している。

条件式（１）を満足する適切な範囲で、回折光学素子ＤＯの焦点距離を長くすることによって、回折光学素子ＤＯの格子ピッチが細かくなりすぎることを防ぎ、光学性能を向上させている。

さらに、条件式（２）を満足する適切な範囲で、観察光学系Ｌ０の最も観察側のレンズ面から表示面までの距離を縮めることによって、観察光学系Ｌ０を軽量化している。

さらに、条件式（３）を満足する適切な範囲で、最も観察側のレンズ面から、フレネルレンズＬｆｒｅのフレネル面までの距離を近づけている。これにより、フレネル面の視度を観察者のピント位置から遠ざけ、フレネルレンズ突起部の成形不良（面ダレ）等による不要光を視認しにくくしている。

さらに、条件式（４）を満足するように、最も観察側のレンズ面を回折光学素子ＤＯとしている。これにより、回折光学素子ＤＯの視度を観察者のピント位置から遠ざけ、回折光学素子ＤＯの成形不良（面ダレ）等による不要光を視認しにくくしている。また、回折光学素子ＤＯの径を小さくして、格子ピッチが細かくなりすぎることを防ぎ、光学性能を向上させている。

さらに、条件式（５）を満足する適切な範囲で、フレネルレンズＬｆｒｅの第一輪帯の段差量を小さくすることで、壁面に入射する光の割合を減らし、不要光を低減している。

さらに、条件式（６）を満足する適切な範囲で、回折光学素子ＤＯの最大段差量を小さくすることによって、壁面に入射する光線の割合を減らし、不要光を低減している。

さらに、条件式（７）を満足する適切な範囲で、フレネルレンズＬｆｒｅの表示面側の曲率を強め、表示側に対して凸面を向けることによって、絞りに対してコンセントリック形状を為し、軸外光線のレンズ面に対する入射角を緩め、軸外の諸収差の発生を抑えている。

さらに、条件式（９）を満足するように、歪曲量を適切に設定することで、軸外光線を強く光軸方向に曲げることを防ぎ、軸外の諸収差の発生を抑えている。

さらに、フレネルレンズＬｆｒｅの表示側面をフレネル面Ｆｒｅ１としている。光学性能観点で曲率が強くなる面をフレネル面とすることで、光学性能を向上させつつ軽量効果を増やしている。

以下、図３を参照して、本発明の実施例２の観察光学系Ｌ０について説明する。実施例２以降、実施例１と重複する技術的説明は割愛する。

実施例２の観察光学系Ｌ０は、観察面ＳＰ側より順に、正の屈折力を有するフレネルレンズＬｆｒｅ、回折光学素子ＤＯを有する正の屈折力を有するレンズＬ２より構成されている。正の屈折力を有するレンズが２枚構成となることで、各レンズ面での曲率を緩め、軸外光線の入射角を緩め、軸外の諸収差の発生を抑えている。

さらに、条件式（８）を満足する適切な範囲で回折光学素子ＤＯを有する正の屈折力を有するレンズＬ２の表示面側の曲率を強め、表示側に対して凸面を向けることによって、絞りに対してコンセントリック形状を為し、軸外光線のレンズ面への入射角を緩め、軸外の諸収差の発生を抑えている。

さらに、フレネルレンズＬｆｒｅの観察側面を光線有効域において段差のない連続的な形状としている。これにより、光学性能観点で曲率が強くなる面をフレネル面とすることで、フレネル構造による回折等によるフレアや段差起因の不要光の発生を防ぐことができている。

以下、図５を参照して、本発明の実施例３の観察光学系Ｌ０について説明する。

実施例３の観察光学系Ｌ０は、観察面ＳＰ側より順に、正の屈折力を有するフレネルレンズＬｆｒｅ、回折光学素子ＤＯを有する正の屈折力を有するレンズＬ２、負の屈折力を有するレンズＬ３より構成されている。

負の屈折力を有するレンズＬ３を配することで、観察光学系Ｌ０の屈折する面で発生する倍率色収差をさらに低減できるため、残存する倍率色収差の補正に必要な回折光学素子ＤＯの焦点距離をさらに長くすることができ、光学性能をより向上させている。

以下、図７を参照して、本発明の実施例４の観察光学系Ｌ０について説明する。

実施例４の観察光学系Ｌ０は、観察面ＳＰ側より順に、正の屈折力を有するフレネルレンズＬｆｒｅ、正の屈折力を有するフレネルレンズＬ２より構成され、正の屈折力を有するフレネルレンズＬｆｒｅの観察面側に回折光学素子ＤＯを有している。正の屈折力を有するフレネルレンズが２枚構成となることで、より軽量化しつつ非点収差や像面湾曲を低減することができている。

さらに、正の屈折力を有するフレネルレンズＬ２の表示側面をフレネル面Ｆｒｅ２としている。光学性能観点で曲率が強くなる面をフレネル面とすることで、光学性能を向上させつつ軽量効果を増やしている。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等の画像表示面と組み合わせた際、歪曲収差量や倍率色収差量によっては電気的な処理を表示側に加えても良い。

次に、各実施形態におけるデータを以下に示す。ｉは物体面からの面の順序を示し、ｒｉはレンズ面の曲率半径、ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間のレンズ肉厚および空気間隔、ｎｉ，ｖｉはそれぞれｄ線に対する屈折率およびアッベ数を表す。

なお、各数値データにおいて近軸曲率半径の欄に＊と書かれている面は次の数１式に

よって定義される非球面形状である。

数１式は非球面形状を表す。ｘはレンズ面の頂点からの光軸方向の距離、ｈは光軸に対し垂直な方向の高さ、Ｒはレンズ面の頂点での近軸の曲率半径、ｋは円錐定数、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０はそれぞれ多項式係数（非球面係数）である。非球面係数を示す表において、「ｅ−ｉ」は１０を底とする指数表現、すなわち「１０^−ｉ」を表している。フレネル面は球面効果或いは非球面効果を有する理想的な薄肉状態を表している。なお、本発明の実施例のフレネル面は、平面を基盤とした形状である。曲率（非球面形状含む）が有限な形状を基盤とした形状においても適用可能である。その場合、基盤となっている曲率（非球面形状含む）を除去した形状に対して本発明が適用される。フレネル面は面番号の右隣に＊Ｆｒｅと表記している。また、本実施例は、フレネルレンズＬｆｒｅの輪帯の壁面の長さが第一輪帯から最周辺の輪帯まで全て等しいとしているが、これに限定されるものではない。
［数２］
ψ（ｈ，ｍ）＝（２π／ｍλ０）（Ｃ１ｈ２＋Ｃ２ｈ４＋Ｃ３ｈ６…）数２式は回折光学素子の位相形状を表す。光軸からの径方向の距離Ｈにおける位相形状ψ（ｈ，ｍ）をｍは回折次数、λ０は基準波長、２ｉ次項の位相係数をＣ２ｉとした時、上記のように表している。このとき、任意の波長λ、任意の回折次数ｍに対する回折面の屈折力φは、位相係数Ｃ１を用いて次のように表すことができる。

φ（λ，ｍ）＝−２Ｃ１ｍλ／λ０各実施例において、回折光の回折次数ｍは１であり、設計波長λ０はｄ線の波長（５８７．５６ｎｍ）である。

（数値実施例１）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd vd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2(回折) 154.863 2.00 1.53115 55.9 38.51
3*Fre -27.222 (可変) 39.43
像面 ∞

非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4=-2.47208e-006

第2面(回折面)
C 2=-1.38495e-003 C 4= 6.97457e-007

第3面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.19918e-005 A 6=-2.79671e-008 A 8= 3.18436e-011 A10= 5.63848e-015

各種データ
ズーム比 1.00

焦点距離 39.13 39.13
Fナンバー 11.18 11.18
画角 55.00 40.00
像高 35.59 27.17
レンズ全長 50.82 60.82
BF 38.82 38.82

d 1 10.00 20.00
d 3 38.82 38.82

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -15.61 -45.62
前側主点位置 11.00 21.00
後側主点位置 -0.32 -0.32

ズームレンズ群データ
群 始面 焦点距離 レンズ構成長 前側主点位置 後側主点位置
1 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
2 2 39.13 2.00 1.00 -0.32

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 39.13



フレネルレンズＬＦの中心輪帯の面頂点から、端部までの光軸方向の長さ（ｈ０） ０．０５
フレネルレンズＬＦの第一輪帯の段差量（ｈ１） ０．０５
回折光学素子ＤＯの最大格子高さ ０．００１１

（数値実施例２）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd vd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2 598.466 1.20 1.49000 58.0 44.32
3*Fre -85.011 1.50 45.14
4(回折)-1597.468 6.00 1.53110 56.0 46.34
5* -48.992 (可変) 47.90
像面 ∞

非球面データ
第3面
K = 0.00000e+000 A 4=-6.65932e-006 A 6=-2.18528e-009

第4面(回折面)
C 2=-7.00000e-004

第5面
K = 0.00000e+000 A 4= 9.81100e-006 A 6=-9.83141e-010

各種データ
ズーム比 1.00

焦点距離 55.44 55.44
Fナンバー 15.84 15.84
画角 60.00 45.00
像高 58.27 44.82
レンズ全長 71.90 81.90
BF 53.20 53.20

d 1 10.00 20.00
d 5 53.20 53.20

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -21.18 -44.92
前側主点位置 14.11 24.11
後側主点位置 -2.24 -2.24

ズームレンズ群データ
群 始面 焦点距離 レンズ構成長 前側主点位置 後側主点位置
1 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
2 2 55.44 8.70 4.11 -2.24

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 152.00
2 4 84.30



フレネルレンズＬＦの中心輪帯の面頂点から、端部までの光軸方向の長さ（ｈ０） ０．１５
フレネルレンズＬＦの第一輪帯の段差量（ｈ１） ０．１５
回折光学素子ＤＯの最大格子高さ ０．００１０

(数値実施例3)
単位 mm

面データ
面番号 r d nd vd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2 498.468 1.60 1.49000 58.0 44.49
3*Fre -96.401 1.45 45.62
4 200.000 10.00 1.53110 56.0 48.35
5(回折) -37.187 1.75 49.84
6 -119.468 3.50 1.63400 23.9 51.94
7 -597.676 (可変) 56.03
像面 ∞

非球面データ
第3面
K = 0.00000e+000 A 4=-5.38589e-006 A 6=-2.99410e-009

第5面
K = 0.00000e+000 A 4= 9.89839e-006 A 6= 1.68132e-009

第5面(回折面)
C 2=-5.00000e-004 C 4=-2.74566e-008

各種データ
ズーム比 1.00

焦点距離 52.30 52.30
Fナンバー 14.94 14.94
画角 60.00 45.00
像高 55.51 43.01
レンズ全長 72.98 82.98
BF 44.68 44.68

d 1 10.00 20.00
d 7 44.68 44.68

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -29.83 -57.72
前側主点位置 15.59 25.59
後側主点位置 -7.62 -7.62

ズームレンズ群データ
群 始面 焦点距離 レンズ構成長 前側主点位置 後側主点位置
1 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
2 2 52.30 18.30 5.59 -7.62

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 165.00
2 4 56.59
3 6 -236.18


フレネルレンズＬＦの中心輪帯の面頂点から、端部までの光軸方向の長さ（ｈ０） ０．２５
フレネルレンズＬＦの第一輪帯の段差量（ｈ１） ０．２５
回折光学素子ＤＯの最大格子高さ ０．０００６

(数値実施例4)
単位 mm

面データ
面番号 r d nd vd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2 -5983.464 1.35 1.53110 56.0 43.42
3*Fre -65.664 1.94 44.87
4(回折) 12905.745 1.35 1.53110 56.0 46.22
5*Fre -49.000 (可変) 46.74
像面 ∞

非球面データ
第3面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.12872e-005 A 6=-1.26099e-007 A 8= 1.40552e-010

第4面(回折面)
C 2=-7.00000e-004

第5面
K = 0.00000e+000 A 4= 3.15506e-006 A 6= 6.20495e-008 A 8=-7.04494e-011

各種データ
ズーム比 1.00

焦点距離 50.00 50.00
Fナンバー 14.29 14.29
画角 60.00 45.00
像高 50.15 35.74
レンズ全長 63.45 73.45
BF 48.81 48.81

d 1 10.00 20.00
d 5 48.81 48.81

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -17.95 -42.28
前側主点位置 12.55 22.55
後側主点位置 -1.19 -1.19

ズームレンズ群データ
群 始面 焦点距離 レンズ構成長 前側主点位置 後側主点位置
1 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
2 2 50.00 4.64 2.55 -1.19

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 125.00
2 4 81.52


フレネルレンズＬＦの中心輪帯の面頂点から、端部までの光軸方向の長さ（ｈ０） ０．０７
フレネルレンズＬＦの第一輪帯の段差量（ｈ１） ０．０７
回折光学素子ＤＯの最大格子高さ ０．００１３

表１に各数値実施例の条件式の値を示す。

Ｌ０ 観察光学系、Ｌｆｒｅ フレネルレンズ、Ｌ２ 第二のレンズ、
Ｌ３ 第三のレンズ、ＩＤ 表示素子、ＳＰ 開口絞り、
Ｆｒｅ１ 第一のフレネル面、Ｆｒｅ２ 第二のフレネル面、
ＤＯ 回折光学素子、Ｓ サジタル像面、Ｍ メリディオナル像面、
ｄ ｄ線（波長）、ｇ ｇ線（波長）

Claims (14)

1. 画像表示面に表示された画像を観察するための観察光学系であって、
   前記観察光学系は、フレネルレンズと回折光学素子を有し、以下の条件式を満足することを特徴とする観察光学系。
   ５．０＜Ｆｄｏ／Ｆ＜２０．０
   Ｆｄｏ：回折光学素子の焦点距離
   Ｆ：全系の焦点距離
2. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
   ０．６＜ｙｍａｘ／Ｌ＜１．２
   ｙｍａｘ：アイレリーフ１０ｍｍにおける最大像高
   Ｌ：最も観察側のレンズ面から表示面までの距離
3. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の観察光学系。
   Ｌｆ／Ｆ＜０．０９
   Ｌｆ：最も観察側のレンズ面からフレネル面までの距離
4. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の観察光学系。
   Ｌｄｏ／Ｆ＜０．３
   Ｌｄｏ：最も観察側のレンズ面から回折光学素子までの距離
5. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の観察光学系。
   ５０＜ｈｆｒｅ／λｄ＜５００
   ｈｆｒｅ：前記フレネルレンズの第一輪帯の段差量
6. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の観察光学系。
   ０．８＜ｈｄｏ／λｄ＜２．５
   ｈｆｒｅ：前記回折光学素子の光線有効域における最大段差量
7. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の観察光学系。
   −１．３＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．５
   Ｒ１１：最も観察側に位置するレンズの観察側面の曲率半径
   Ｒ２１：最も観察側に位置するレンズの表示側面の曲率半径
8. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の観察光学系。
   −１．３＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜−０．５
   Ｒ１２：観察側から数えて２番目に位置するレンズの観察側面の曲率半径
   Ｒ２２：観察側から数えて２番目に位置するレンズの表示側面の曲率半径
9. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の観察光学系。
   −０．３＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１５
   ｙ：アイレリーフ１０ｍｍ，半視野角４５度における表示面の実像高
   ｙ０：アイレリーフ１０ｍｍ，半視野角４５度における表示面の理想像高
10. 前記フレネルレンズは、正の屈折力を有することを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の観察光学系。
11. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１０に記載の観察光学系。
    ０．９＜Ｆｆｒｅ／Ｆ＜５．０
    Ｆｆｒｅ：前記フレネルレンズの焦点距離
12. 前記フレネルレンズは、表示側面をフレネル構造とすることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の観察光学系。
13. 前記フレネルレンズは、光線有効域において観察側面を連続形状とすることを特徴とする請求項１２に記載の観察光学系。
14. 請求項１乃至請求項１３の何れか一項に記載の観察光学系と、画像情報を表示する画像表示素子を有し、前記観察光学系によって拡大された前記画像表示素子の画像情報を観察面側から観察することを特徴とする画像表示装置。