JP5851157B2 - 接眼レンズ系および画像観察装置 - Google Patents

Description

この発明は、接眼レンズ系および画像観察装置に関する。

物体像を、虚像として拡大結像する接眼レンズ系は、従来から、ルーペや、顕微鏡等の種々の光学機器に広く用いられている。
あるいは、内視鏡の「光ファイバ束による像伝送体」の対物側端面に観察対象部位の像を結像させ、この像を光ファイバ束の接眼側端面に伝送し、伝送された像を観察物体として、接眼レンズ系により虚像として拡大して観察することも行なわれている。

さらに近年では、バーチャルリアリティ用、あるいは、映画やゲームといった映像コンテンツを、液晶表示素子やＥＬ表示素子等の「小型の画像表示素子」上に２次元的に表示し、表示された２次元的な画像を「観察物体」として、接眼レンズ系により虚像として拡大して観察することも行なわれている。

接眼レンズ系は、これを観察者の頭部や顔に装着して用いることも多く、軽量でコンパクトであることが好ましい。

接眼レンズ系を、４枚と言う少ないレンズ枚数で軽量・コンパクトに構成したものが知られている（特許文献）。

特許文献１に記載された接眼レンズ系を初めとし、従来から知られた接眼レンズ系は、物体側のテレセントリック性が低い。

液晶表示素子や有機ＥＬ表示素子等に表示される２次元画像や、内視鏡の光ファイバ束の対物側端面に結像した観察対象部位の像を、接眼レンズ系を介して観察する場合、物体側テレセントリック性が低いと、明るさや色が画角によって異なる原因となり、高精細な観察画像を良好に得ることが困難である。

近来、内視鏡や「映画やゲームといった映像コンテンツ」で観察する「拡大虚像」は高解像度であることが要求され、接眼レンズ系には「収差が良好に補正されている」ことが求められている。

この発明は、上述した事情に鑑みて為されたものであって、物体側に良好なテレセントリック性を持ち、良好な収差補正が可能な接眼レンズ系およびこれを用いる画像観察装置の実現を課題とする。

この発明の接眼レンズ系は「画像表示素子に２次元的に表示される画像の像を、虚像と
して拡大結像する接眼レンズ系」であって、以下の如き特徴を有する（請求項１）。
即ち、接眼レンズ系は、物体側に配置され、負の屈折力を持つ第１群と、この第１群の
眼球側に配置され、正の屈折力を持つ第２群と、により構成される。
第１群は、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズである。
第２群は、２枚もしくは３枚の正レンズで構成される。

物体側がテレセントリックで、全系の焦点距離：Ｆ（＞０）、第１群の焦点距離：Ｆ１（＜０）、第２群の焦点距離：Ｆ２（＞０）が、条件：
（１） −５＜Ｆ１／Ｆ＜−１
（２） １．３≦Ｆ２／Ｆ＜３
を満足する。

なお、参考例として、請求項１記載の接眼レンズ系の、第１群の画像表示素子側にさらに「凹面を物体側に向け、両面が非球面である正メニスカスレンズ」を、像面湾曲補正レンズとして付加配置することが考えられる。

この発明の画像観察装置は「２次元的に表示される画像の、虚像を拡大して観察する画
像観察装置」であって、画像の虚像を形成する光学系として、請求項１記載の接眼レンズ系を用いることを特徴とする（請求項２）。

請求項２記載の画像観察装置は、２次元の画像を表示する画像表示素子と、請求項１記載の接眼レンズ系を用いる「ヘッドマウント型の画像観察装置」であることができる（請求項３）。

説明を補足すると、条件（１）、（２）は、接眼レンズ系全系の屈折力に対する、第１群と第２群の屈折力の適当な範囲を定める条件である。

第１群は「負の屈折力」を有するから、観察物体からの光を「眼球側に向けて発散」させる作用を持つ。
このような発散作用を第１群に持たせることにより、「小さい観察物体」を観察する場合でも画角を広げることができ、観察物体を広い画角の拡大虚像として結像させることができ、拡大虚像が観察しやすくなる。

条件（１）のパラメータ：Ｆ１／Ｆの絶対値が小さいほど、第１群の負の屈折力は強く、物体光を眼球側に向けて発散させる効果は大きいが、条件（１）の下限を超えると、上記発散効果が過剰となり、観察物体からの光束を眼球に向けて集光する第２群の「レンズ径」を大きくする必要が生じ、接眼レンズ系が全体として大型化し、コストも高くなる不具合がある。また、物体側のテレセントリック性を確保することが困難になる。

条件（１）の上限を超えると、前記発散効果が不十分となり、観察しやすい範囲として、例えば、水平画角：４０度〜４５度の範囲を実現しようとすると、第２群に大きな正の屈折力が必要となり、第２群の正の屈折力の増大に伴い、収差が発生しやすく、その補正が困難となる。

第２群は「正の屈折力」を有するから、第１群により発散傾向を与えられた光束を、眼球に向かって収束させる。収差補正の観点からすると、第２群を「１枚の正レンズ」で構成することは困難であり、上記の如く「２〜３枚の正レンズ」を用い、これらに収差補正機能を分散することが好ましい。

条件（２）のパラメータ：Ｆ２／Ｆが小さいほど、第２群の持つ「正の屈折力」は大きくなり、条件（４）の下限を超えると、正の屈折力が過剰となり、大きな収差が発生しやすく、収差補正が困難になる。

条件（２）の上限を超えると、第２群の持つ「正の屈折力」が不足気味となり、接眼レンズ系と眼球との間隔が小さくなり易く、観察しやすい範囲として上に例示した、水平画角：４０度〜４５度を実現するのが困難である。

以上に説明したように、この発明によれば、新規な接眼レンズ系および画像観察装置を実現できる。

この発明の結像レンズ系は、上記の如く、物体側に良好なテレセントリック性を持ち、画角によって観察画像の明るさや色が異なることがなく、後述の実施例のように、性能良好であって高精細な拡大虚像を得ることができる。

また、上述の参考例のように、第１群の画像表示素子側にさらに「像面湾曲補正レンズ」を付加配置すると、観察する拡大虚像が大きい場合にも、像面湾曲による「像の変形」を有効に軽減することが可能となる。

実施例１の接眼レンズ系のレンズ構成を示す図である。 実施例２の接眼レンズ系のレンズ構成を示す図である。 実施例３の接眼レンズ系のレンズ構成を示す図である。 画像観察装置の実施の１形態を説明するための図である。 実施例１の収差図である。 実施例２の収差図である。 実施例３の収差図である。

以下、実施の形態を説明する。

図１〜図３は、接眼レンズ系の実施の形態を３例示している。これらの接眼レンズ系は、後述する実施例１〜３の接眼レンズ系にそれぞれ対応する。
これらの実施形態の接眼レンズ系は「液晶表示素子や有機ＥＬ表示素子等（以下「画像表示素子」と言う。）に表示される２次元画像」を観察物体として観察する場合を想定している。
なお、図２および図３に示す形態例では、第１群の画像表示素子側にさらに「像面湾曲補正レンズ」が付加配置されており、これら図２、図３に示す接眼レンズ系及び対応する実施例２、３は、何れも、前述の「参考例」に関するものであるが、繁雑を避けるため、以下においてこれらについても「実施の形態」、「実施例２、実施例３」と言う。

繁雑を避けるため、図１〜図３において符号を共通化する。即ち、図１〜図３において、図の左方を「画像表示素子側」、右方を「眼球側」とし、符号ＩＳをもって「画像表示素子の画像表示面」を表す。画像は画像表示面ＩＳに２次元画像として表示される。

符号Ｇ１をもって「第１群」、符号Ｇ２をもって「第２群」を表す。また、符号Ｅは眼球における「瞳」を表す。また、接眼レンズ系を構成するレンズに、画像表示面ＩＳ側から「通し番号」を付し、図１〜図３に示すように、レンズＬ１〜Ｌ６とする。

図１に実施の形態を示す接眼レンズ系は、図示の如く、４枚のレンズＬ１〜Ｌ４で構成されている。画像表示面ＩＳ側の２枚のレンズＬ１、Ｌ２は、負の屈折力の第１群Ｇ１を構成する。
レンズＬ１は「画像表示面側の曲率の大きい両凹レンズ」であり、レンズＬ２は「両凸レンズ」であり、これらレンズＬ１、Ｌ２は接合されて「接合レンズ」となっている。

レンズＬ３とＬ４とは、正の屈折力の第２群Ｇ２を構成する。
これらレンズＬ３、Ｌ４は共に正レンズであるが、レンズＬ３は「凸面を画像表示面ＩＳ側に向けた正メニスカスレンズ」であり、レンズＬ４は「両凸レンズ」である。レンズＬ４は、両面が非球面であり「画像表示面ＩＳ側の面」では、周辺部分での曲率（負）が光軸近傍の曲率（正）と反転している。

即ち、第２群Ｇ２を、２枚のレンズＬ３、Ｌ４により構成することにより、これらレンズＬ３、Ｌ４に収差補正機能を分散させ、最も眼球側のレンズＬ４の両面を非球面とし、ディストーションや像面湾曲の補正を行なっている。

図２に実施の形態を示す接眼レンズ系は、図の如く、６枚のレンズＬ１〜Ｌ６で構成されている。最も画像表示面ＩＳ側のレンズＬ１は「凹面を物体側に向け、両面が非球面である正メニスカスレンズ」であって「像面湾曲補正レンズ」である。
像面湾曲補正レンズＬ１は、像面湾曲を軽減して、虚像の結像面を平坦化する所謂「フィールドフラットナーレンズ」であり、「それ自身のパワー」は弱い。

レンズＬ１に続くレンズＬ２、Ｌ３は第１群Ｇ１を構成し、さらに眼球側に配置された３枚のレンズＬ４、Ｌ５、Ｌ６は第２群Ｇ２を構成する。

第１群Ｇ１を構成するレンズＬ２、Ｌ３は、互いに接合された接合レンズである。
レンズＬ１は「画像表示面ＩＳ側の曲率が大きい両凹レンズ」で、レンズＬ２は「両凸レンズ」である。

第２群Ｇ２を構成する３枚のレンズＬ４、Ｌ５、Ｌ６は、共に正レンズであるが、レンズＬ４は「凹面を画像表示面ＩＳ側に向けた正メニスカスレンズ」であり、レンズＬ５は「両凸レンズ」、レンズＬ６は「凸面を画像表示面ＩＳ側に向けた正メニスカスレンズ」である。レンズＬ６は「両面が非球面」である。

図３に実施の形態を示す接眼レンズ系は、図の如く、５枚のレンズＬ１〜Ｌ５で構成されている。最も画像表示面ＩＳ側のレンズＬ１は「凹面を物体側に向け、両面が非球面である正メニスカスレンズ」であって「像面湾曲補正レンズ」である。
像面湾曲補正レンズＬ１はフィールドフラットナーレンズで「パワーの弱いレンズ」である。

レンズＬ１に続く２枚のレンズＬ２、Ｌ３は第１群Ｇ１を構成し、さらに眼球側に配置された２枚のレンズＬ４、Ｌ５は第２群Ｇ２を構成する。

第１群Ｇ１を構成するレンズＬ２、Ｌ３は、互いに接合された接合レンズであり、レンズＬ１は「画像表示面側の曲率が大きい両凹レンズ」で、レンズＬ２は「両凸レンズ」である。

第２群Ｇ２を構成するレンズＬ４、Ｌ５は共に正レンズであるが、レンズＬ４は「両凸レンズ」、レンズＬ５も「両凸レンズ」である。レンズＬ５は「両面が非球面」である。

図４に、接眼レンズ系の使用の１態様として「接眼レンズ系を用いたヘッドマウント型の画像観察装置」の１形態を示す。
図４において、符号１０は画像観察装置、符号２０は観察者の頭部を示している。

画像観察装置１０は、その要部である接眼レンズ系１１Ｌ、１１Ｒと画像表示素子１２Ｌ、１２Ｒがケーシング１３内に所定の位置関係に収納されている。そして、ケーシング１３が観察者の頭部２０に、バンドやフレーム等の適宜の装着手段により装着されるようになっている。

接眼レンズ系１１Ｌ、画像表示素子１２Ｌは「左眼用」であり、接眼レンズ１１Ｒ、画像表示素子１２Ｒは「右眼用」である。接眼レンズ系１１Ｌ、１１Ｒとしては請求項１に記載にもの、具体的には後述の実施例１記載のものが用いられる。
なお、画像観察装置の参考例として、接眼レンズ系１１Ｌ、１１Ｒとして後述の実施例２または３に記載のものを用いたものを挙げることができる。

画像表示素子１２Ｌ、１２Ｒとしては、液晶表示素子やＥＬ表示素子等が用いられ、これらに２次元画像として表示される画像が、接眼レンズ系１１Ｌ、１１Ｒに対する「観察物体」となる。

以下、具体的な実施例を３例説明する。

以下に挙げる実施例１〜３において、「面番号」は、物体側から数えたレンズ面の番号であり、「Ｒ」は各レンズ面の曲率半径、「Ｄ」は「隣接レンズ面のレンズ面間距離」を表す。「Ｎ」はレンズ材質のｄ線の屈折率、「ｖ」はアッベ数を示す。

なお、 非球面は、以下の周知の式で表わされる。

Ｘ＝（Ｈ^２／Ｒ）／［１＋{１−ｋ(Ｈ／ｒ)^２}^１／２］
＋Ａ・Ｈ^４＋Ｂ・Ｈ^６＋Ｃ・Ｈ^８＋Ｄ・Ｈ^１０＋Ｅ・Ｈ^１２＋・・・
この式において、
「Ｘ」は、面の頂点を基準としたときの光軸からの高さ：Ｈの位置での光軸方向の変位、「ｋ」は円錐係数、Ａ〜Ｅ・・・は高次の非球面係数、「Ｒ」は近軸曲率半径である。なお、長さの元を持つ量の単位は「ｍｍ」である。

「実施例１」
実施例１は、上に図１に即して実施の形態を説明した接眼レンズ系の具体例である。

実施例１のレンズデータを表１に、非球面データを表２に示す。

なお、非球面の表示において、例えば「１．６．Ｅ−０４」は「１．６×１０^−４」を表す。他の実施例においても同様である。

実施例１の接眼レンズ系において、
全系の焦点距離：Ｆ＝１９．２ｍｍ
第１群Ｇ１の焦点距離：Ｆ１＝−４６．８ｍｍ
第２群の焦点距離：Ｆ２＝２７．６ｍｍ
である。
従って、条件（１）のパラメータ：Ｆ１/Ｆ＝−２．４、条件（２）のパラメータ：Ｆ２/Ｆ＝１．４である。

瞳Ｅの径は９ｍｍ、アイレリーフ（眼球に最も近いレンズ面と眼球（瞳）との距離）：２４ｍｍ、虚像の観察距離：１０ｍ、水平画角は４５度である。
従って、実施例１の接眼レンズ系を図４の画像観察装置に接眼レンズ系１１Ｌ、１１Ｒとして用いる場合、これら接眼レンズ径１１Ｌ、１１Ｒの光軸の成す「輻輳角」は、観察距離：１０ｍの位置で観察画像が重なり合うように設定される。

実施例１の接眼レンズ系は、瞳径を９ｍｍと大きくとり、軸上の解像度を重視したタイプである。

図５に実施例１の接眼レンズ系に関する収差図を示す。
図５（ａ）は縦収差、（ｂ）は横収差を示す。

収差図中、「Ｒ」は波長：６２９ｎｍの光、「Ｇ」は波長：５３８ｎｍの光、「Ｂ」は波長：４５８ｎｍの光を表す。以下の実施例の収差図においても同様である。

「実施例２」
実施例２は、上に図２に即して実施の形態を説明した接眼レンズ系（参考例）の具体例である。

実施例２のレンズデータを表３に、非球面データを表４に示す。

実施例２の接眼レンズ系において、
全系の焦点距離：Ｆ＝１９．０ｍｍ
第１群Ｇ１の焦点距離：Ｆ１＝−４３．１ｍｍ
第２群の焦点距離：Ｆ２＝２４．２ｍｍ
である。
従って、条件（１）のパラメータ：Ｆ１/Ｆ＝−２．３、条件（２）のパラメータ：Ｆ２/Ｆ＝１．３である。

瞳Ｅの径は４ｍｍ、アイレリーフ：２５ｍｍ、虚像の観察距離：１０ｍ、水平画角は４５度である。
実施例２の接眼レンズ系を図４の画像観察装置に接眼レンズ系１１Ｌ、１１Ｒとして用いる場合、これら接眼レンズ径１１Ｌ、１１Ｒの光軸の成す「輻輳角」は、観察距離：１０ｍの位置で観察画像が重なり合うように設定される。

実施例２の接眼レンズ系は、瞳径を４ｍｍと「通常の瞳の平均値」に等しくとり、軸上の解像度よりも、瞳のシフト・チルトによる観察画像の劣化の低減を重視したタイプである。

図６に実施例２の接眼レンズ系に関する収差図を示す。
図６（ａ）は縦収差、（ｂ）は横収差を示す。

「実施例３」
実施例３は、上に図３に即して実施の形態を説明した接眼レンズ系（参考例）の具体例である。

実施例３のレンズデータを表５に、非球面データを表６に示す。

実施例３の接眼レンズ系において、
全系の焦点距離：Ｆ＝１８．９ｍｍ
第１群Ｇ１の焦点距離：Ｆ１＝−５５．０ｍｍ
第２群の焦点距離：Ｆ２＝２６．９ｍｍ
である。
従って、条件（３）のパラメータ：Ｆ１/Ｆ＝−２．９、条件（４）のパラメータ：Ｆ２/Ｆ＝１．４である。

瞳Ｅの径は４ｍｍ、アイレリーフ：２５ｍｍ、虚像の観察距離：１０ｍ、水平画角は４５度である。
実施例３の接眼レンズ系を図４の画像観察装置に接眼レンズ系１１Ｌ、１１Ｒとして用いる場合、これら接眼レンズ径１１Ｌ、１１Ｒの光軸の成す「輻輳角」は、観察距離：１０ｍの位置で観察画像が重なり合うように設定される。

実施例３の接眼レンズ系も、瞳径を４ｍｍと「通常の瞳の平均値」に等しくとり、軸上の解像度よりも、瞳のシフト・チルトによる観察画像の劣化の低減を重視したタイプであるが、瞳のシフト・チルトによる観察画像の劣化は、実施例２のものよりもさらに低減化されている。

図７に実施例３の接眼レンズ系に関する収差図を示す。
図７（ａ）は縦収差、（ｂ）は横収差を示す。

実施例１〜３の接眼レンズ系共に、諸収差が良好に補正され、性能良好である。

実施例２、３の接眼レンズ系（参考例）は、最も画像表示面ＩＳ側のレンズＬ１が「凹面を物体側に向け、両面が非球面である正メニスカスレンズ」であって「像面湾曲補正レンズ」であり、この像面湾曲補正レンズＬ１の存在により、実施例１の接眼レンズ系に比して、非点収差・像面湾曲が「より有効」に補正されていることが分かる。

Ｇ１ 第１群
Ｇ２ 第２群
ＩＳ 画像表示面
Ｅ 瞳
１０ 画像観察装置
１１Ｌ、１１Ｒ 接眼レンズ系
１２Ｌ １２Ｒ 画像表示素子

特開平１１−２３９８４号公報

Claims (3)

1. 画像表示素子に２次元的に表示される画像の像を、虚像として拡大結像する接眼レンズ系であって、物体側に配置され、負の屈折力を持つ第１群と、この第１群の眼球側に配置され、正の屈折力を持つ第２群と、により構成され、
   第１群は、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズであり、
   第２群は、２枚もしくは３枚の正レンズで構成され、
   物体側がテレセントリックで、
   全系の焦点距離：Ｆ（＞０）、第１群の焦点距離：Ｆ１（＜０）、第２群の焦点距離：Ｆ２（＞０）が、条件：
   （１） −５＜Ｆ１／Ｆ＜−１
   （２） １．３≦Ｆ２／Ｆ＜３
   を満足することを特徴とする接眼レンズ系。
2. ２次元的に表示される画像の、虚像を拡大して観察する画像観察装置であって、
   上記画像の虚像を形成する光学系として請求項１記載の接眼レンズ系を用いることを特徴とする画像観察装置。
3. 請求項２記載の画像観察装置において、
   ２次元の画像を表示する画像表示素子と、請求項１記載の接眼レンズ系を用いるヘッドマウント型の画像観察装置。

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