JP6579810B2 - 観察光学系及びそれを有する画像表示装置 - Google Patents
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Description
本発明は、画像表示素子の画像表示面に表示された画像情報を拡大して観察するヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置に好適な観察光学系に関する。
従来、ＣＲＴやＬＣＤ等の画像表示素子を用いて表示された画像情報を、観察光学系を介し、拡大表示して観察者に映像の臨場感を提供する画像表示装置（ヘッドマウントディスプレイ等）が知られている。近年、臨場感を提供する画像表示装置に対しては、さらなる高臨場感を得ることが望まれており、そのため、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。
また、画像表示装置を装着するユーザーの顔形状や眼鏡装着の有無等により、各々のアイレリーフが異なることから、アイレリーフの変化時においても収差変動が少ないことが要望されている。広視野でありながらも高い光学性能を有し、且つアイレリーフの変化時においても収差変動を軽減するには、観察光学系を構成する各レンズを適切に設定する必要がある。
従来、アイポイント側である観察側から順に、正の屈折力の第１レンズ、正の屈折力の第２レンズ、正の屈折力の第３レンズ、負の屈折力の第４レンズで構成され、第３レンズと第４レンズを接合した観察光学系が知られている（特許文献１）。特許文献１では接合レンズを用いて色収差の補正を行った広視野角の観察光学系を開示している。この他、観察側から順に、正の屈折力の第１レンズ、正の屈折力の第２レンズで構成した観察光学系が知られている（特許文献２）。特許文献２では２つのレンズより構成し、全系の軽量化を図ったヘッドマウントディスプレイ用の広視野角の観察光学系を開示している。
ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置に搭載される観察光学系において、広視野でありながら、高い光学性能を有し、且つアイレリーフの変化時の収差変動を軽減するには、観察光学系を構成する各レンズを適切に設定することが重要になってくる。特許文献１では全体として４つのレンズより構成し、接合レンズの材料間の色分散の大小関係を適切に設定して色収差を良好に補正している。
しかしながら、観察側から見た時に全系が強いテレフォトタイプになっており、観察側からの周辺の光線を強く光軸方向に曲げた後、画面周辺に向かって強く跳ね上げるレンズ構成となっている。このため、広視野部における像面湾曲、非点収差が大きくなり、瞳を回転させた時の臨場感を損なう傾向があった。また、周辺光線の入射高さが高い位置におけるレンズの屈折力が大きく、アイレリーフの変化時において像面湾曲、非点収差の変動が大きくなる傾向があった。
特許文献２では全体として２つのレンズより構成し、全系の軽量化を図っている。特許文献２の観察光学系は正の屈折力の２つのレンズのみから構成されているため、倍率色収差と像面湾曲の補正が必ずしも十分でなく、また、眼を回転させた時の臨場感を損なう傾向があった。特許文献１、２においては、いずれも広視野でありながら、高い光学性能を有し、且つアイレリーフの変化時の収差変動を軽減しようとする課題及び課題を解決するための構成については何ら記載されていない。
本発明は、広視野でありながら、高い光学性能を有し、且つアイレリーフの変化時の収差変動を軽減することが容易な観察光学系及びそれを有する画像表示装置の提供を目的とする。
本発明の観察光学系は、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、観察側から画像表示面側へ順に配置された、正の屈折力の第１レンズと、負の屈折力の第２レンズと、正の屈折力の第３レンズから構成され、前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記第２レンズの焦点距離をｆ２、前記第３レンズの焦点距離をｆ３、アイレリーフ１０ｍｍ、半視野角５０度における画像表示面側での実像高及び理想像高を各々ｙ及びｙ０とするとき、
０．４０＜ｆ１／√（−ｆ２×ｆ３）＜０．８０
−０．４０＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．２０
なる条件式を満足することを特徴としている。
０．４０＜ｆ１／√（−ｆ２×ｆ３）＜０．８０
−０．４０＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．２０
なる条件式を満足することを特徴としている。
本発明によれば、広視野でありながら、高い光学性能を有し、且つアイレリーフの変化時の収差変動を軽減することが容易な観察光学系が得られる。
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。本発明の観察光学系は、例えばヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置において、液晶又は有機ＥＬ等からなる表示パネル（画像表示素子）の画像表示面に表示された画像を観察するのに用いられる。尚、各実施例の観察光学系は、デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置の電子ビューファインダーに用いても良い。観察光学系は観察側から画像表示面側へ順に、正の屈折力の第１レンズ、負の屈折力の第２レンズ、正の屈折力の第３レンズより構成される。
本発明の画像表示装置は、観察光学系と、画像情報を表示する画像表示素子を有し、画像情報を観察光学系によって拡大し、観察光学系を介して観察する。
図１は本発明の実施例１の観察光学系のレンズ構成を示すレンズ断面図である。図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の実施例１の観察光学系において各々アイレリーフ１０ｍｍ正視、アイレリーフ２０ｍｍ正視、アイレリーフ２６ｍｍ正視における縦収差図である。図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の実施例１の観察光学系において各々アイレリーフ１０ｍｍ瞳回転中心、アイレリーフ２０ｍｍ瞳回転中心、アイレリーフ２６ｍｍ瞳回転中心における縦収差図である。
図４は本発明の実施例２の観察光学系のレンズ構成を示すレンズ断面図である。図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の実施例２の観察光学系において各々アイレリーフ１０ｍｍ正視、アイレリーフ２０ｍｍ正視、アイレリーフ２６ｍｍ正視における縦収差図である。図６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の実施例２の観察光学系において各々アイレリーフ１０ｍｍ瞳回転中心、アイレリーフ２０ｍｍ瞳回転中心、アイレリーフ２６ｍｍ瞳回転中心における縦収差図である。
図７は本発明の実施例３の観察光学系のレンズ構成を示すレンズ断面図である。図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の実施例３の観察光学系において各々アイレリーフ１０ｍｍ正視、アイレリーフ２０ｍｍ正視、アイレリーフ２６ｍｍ正視における縦収差図である。図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の実施例３の観察光学系において各々アイレリーフ１０ｍｍ瞳回転中心、アイレリーフ２０ｍｍ瞳回転中心、アイレリーフ２６ｍｍ瞳回転中心における縦収差図である。
図１０は本発明の実施例４の観察光学系のレンズ構成を示すレンズ断面図である。図１１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の実施例４の観察光学系において各々アイレリーフ１０ｍｍ正視、アイレリーフ２０ｍｍ正視、アイレリーフ２６ｍｍ正視における縦収差図である。図１２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の実施例４の観察光学系において各々アイレリーフ１０ｍｍ瞳回転中心、アイレリーフ２０ｍｍ瞳回転中心、アイレリーフ２６ｍｍ瞳回転中心における縦収差図である。
図１３は本発明の実施例５の観察光学系のレンズ構成を示すレンズ断面図である。図１４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の実施例５の観察光学系において各々アイレリーフ１０ｍｍ正視、アイレリーフ２０ｍｍ正視、アイレリーフ２６ｍｍ正視における縦収差図である。図１５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の実施例５の観察光学系において各々アイレリーフ１０ｍｍ瞳回転中心、アイレリーフ２０ｍｍ瞳回転中心、アイレリーフ２６ｍｍ瞳回転中心における縦収差図である。
図１６は内視野角が削れる様子の説明図である。図１７は内視野角が確保される様子の説明図である。図１８（Ａ）、（Ｂ）は瞳正視状態と瞳回転状態における光学性能評価の説明図である。
レンズ断面図において右方は表示パネル側（画像表示面側）、左方は観察側（射出瞳側）（アイポイント側）である。レンズ断面図においてＬ０は観察光学系である。ＩＰは観察のためのアイポイント（射出瞳）である。ＩＤは液晶又は有機ＥＬ等よりなる表示パネル（画像表示面）である。Ｌ１は正の屈折力の第１レンズ、Ｌ２は負の屈折力の第２レンズ、Ｌ３は正の屈折力の第３レンズである。
収差図のうち球面収差図において、ｄはｄ線（波長５８７．６ｎｍ）、ｇはｇ線（波長４３５．８ｎｍ）、ＦはＦ線（波長４８６．１ｎｍ）を示す。非点収差図においてＳはｄ線のサジタル像面、Ｍはｄ線のメリディオナル像面を示す。倍率色収差はｇ線について示している。
次に各実施例の観察光学系について説明する。各実施例のレンズ断面図において、ＳＰは開口絞りである。画像表示面ＩＤにはＬＣＤ等の表示素子が配置される。ここでアイレリーフとは、光軸上における、アイポイントＩＰからアイポイント側に最も近いレンズ面Ｒａまでの間隔を表す。なお、収差の評価については、画像表示面ＩＤから光線を飛ばしたアイポイントＩＰ側での収差と、アイポイントＩＰ側から光線を飛ばした画像表示面ＩＤ上での収差は一対一で対応するため、便宜上、画像表示面ＩＤ上での収差を評価している。
収差評価方法は、図１８（Ａ）のように瞳の正視状態と図１８（Ｂ）の瞳回転状態の２通りである。図１８（Ａ）の正視状態は、注視方向が光軸上にある場合の中心と周辺の光学性能を評価する状態を表し、アイポイントＩＰに開口絞りＳＰを配置することで、同等の状態を再現できる。図１８（Ｂ）の瞳回転状態は、瞳ＨＰが回転した場合の注視方向の中心の光学性能を評価する状態を表している。瞳ＨＰの回転中心（本実施例は、例として、アイポイントＩＰの位置からさらに１０ｍｍ、最もアイポイント側のレンズと光軸間隔を空けた位置）に開口絞りＳＰを配置することで再現できる。
また、本実施例の開口絞りＳＰの開口径は、人間の瞳径の一例として３．５ｍｍに設定しているが、設計時の開口絞りＳＰの開口径は、瞳ＨＰの回転や位置ずれを考慮して１０ｍｍ以上に設定している。
各実施例の観察光学系Ｌ０は観察側から順に、正の屈折力の第１レンズＬ１と、負の屈折力の第２レンズＬ２と、正の屈折力の第３レンズＬ３から構成されている。第１レンズＬ１の焦点距離をｆ１、第２レンズＬ２の焦点距離をｆ２、第３レンズＬ３の焦点距離をｆ３とする。このとき、
０．４０＜ｆ１／√（−ｆ２×ｆ３）＜０．８０ ・・・（１）
なる条件式を満足する。
０．４０＜ｆ１／√（−ｆ２×ｆ３）＜０．８０ ・・・（１）
なる条件式を満足する。
各実施例の観察光学系Ｌ０は観察側（アイポイントＩＰ側）から正レンズ、負レンズ、正レンズのトリプレットタイプより構成している。これによって、周辺光線の曲がりが緩やかになり、特に像面湾曲と非点収差が良好に補正され、瞳を回転させた際にも臨場感を損なうことなく観察することができるようにしている。そして条件式（１）を満足することを特徴としている。
条件式（１）は高い光学性能を有し、且つアイレリーフの変化時の光学性能の変動を軽減するためのものである。条件式（１）は、第２レンズＬ２の焦点距離と第３レンズＬ３の焦点距離の積の平方根に対する、第１レンズＬ１の焦点距離の比に関する。第２レンズＬ２と第３レンズＬ３の焦点距離に対して、第１レンズＬ１の焦点距離を適切な範囲で短くすることによって、アイポイントＩＰに最も近い側に位置する第１レンズＬ１のパワー（屈折力）分担を大きくしている。
アイポイントＩＰに近いレンズほど、光軸からの周辺光線の高さは低くなり、屈折による像面湾曲、非点収差の発生は小さくなる。観察光学系Ｌ０は、アイレリーフが変化しても、常に第１レンズＬ１がアイポイントＩＰに最も近いという特徴を有しているため、第１レンズＬ１のパワー分担を大きくすることで、アイレリーフが変化したときの像面湾曲、非点収差の増大を軽減している。さらに、第１レンズＬ１の正の屈折力を第３レンズＬ３の正の屈折力に比べて強くすることによって、視野角を増大させている。
次にその理由を図１６と図１７を用いて説明する。図１６、図１７では便宜上、正の屈折力を有する第１レンズＬ１と正の屈折力を有する第３レンズＬ３のみを記し、また、光線は主光線のみ記載している。
本件は、例えば、左右の眼に対応した別個の光学系とパネルＩＤを用意し、視差をつけた異なる画像を観察する構成を想定している。その場合、右眼ＥＲ用の表示画像が左眼ＥＬに（且つ左眼ＥＬ用の表示画像が右眼ＥＲに）入らないよう、例えば中央に遮蔽物ＢＯを設ける構成が考えられる（また、レンズに塗りを入れる方法等も考えられる）。
その結果、内側の視野角は遮蔽物ＢＯで制限されることになる。同等の光量をパネルＩＤから得る条件、即ちパネルＩＤから第３レンズＬ３への出射角を同等で考える。図１６のように、正の屈折力を有する第３レンズＬ３の屈折力（第３レンズＬ３の焦点距離の逆数）が正の屈折力を有する第１レンズＬ１の屈折力（第１レンズ群Ｌ１の焦点距離の逆数）に比べて強いほど、瞳への内側入射角θ１（以下、内側視野角）は小さい。
対して、図１７のように正の屈折力を有する第１レンズＬ１の屈折力が正の屈折力を有する第３レンズＬ３の屈折力に比べて強いほど、瞳への内側入射角θ２（以下、内側視野角）は大きい。
以上により、第１レンズＬ１の正の屈折力を第３レンズＬ３の屈折力に比べて強めることによって、内側視野角を増大させている。
条件式（１）の下限を超えると、第１レンズＬ１の正の屈折力が適切な範囲を逸脱して強くなりすぎて、アイレリーフに関わらず、像面湾曲、非点収差が多く発生してくる。また、逆に上限を超えると、第２レンズＬ２と第３レンズＬ３の屈折力が強すぎて、周辺光線の入射高さが高い位置で周辺光束を強く屈折させるため、特にアイレリーフが近い状態での像面湾曲、非点収差が多く発生してくる。また、第１レンズＬ１の屈折力が弱すぎて、内側視野角のマージナル光線のケラレが大きくなり、視野角が実質的に減少する。
さらに望ましくは、条件式（１）の数値範囲を以下の条件式（１ａ）を満足させるのかが良い。
０．４５＜ｆ１／√（−ｆ２×ｆ３）＜０．７７ ・・・（１ａ）
さらに望ましくは、条件式（１ａ）の数値範囲を以下の条件式（１ｂ）を満足させるのが良い。
０．４９＜ｆ１／√（−ｆ２×ｆ３）＜０．７４ ・・・（１ｂ）
０．４５＜ｆ１／√（−ｆ２×ｆ３）＜０．７７ ・・・（１ａ）
さらに望ましくは、条件式（１ａ）の数値範囲を以下の条件式（１ｂ）を満足させるのが良い。
０．４９＜ｆ１／√（−ｆ２×ｆ３）＜０．７４ ・・・（１ｂ）
以上の構成によれば、広視野でありながら、高い光学性能を有し、且つアイレリーフの変化時の収差変動を軽減することができる。
各実施例において更に好ましくは次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。第１レンズＬ１の材料の屈折率をＮ１、第２レンズの材料の屈折率をＮ２、第３レンズの材料の屈折率をＮ３、観察光学系の焦点距離をｆとする。第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の光軸上の間隔（空気間隔）をｄ１２とする。
第１レンズＬ１の観察側のレンズ面から第３レンズＬ３の画像表示面側のレンズ面までの光軸上の長さ（レンズ構成長）をｄｔｏｔａｌとする。第２レンズＬ２と第３レンズＬ３の光軸上の間隔（空気間隔）をｄ２３とする。第１レンズＬ１の観察側のレンズ面の曲率半径をＲ１１、第１レンズＬ１の画像表示面側のレンズ面の曲率半径をＲ１２とする。
第２レンズＬ２の観察側のレンズ面の曲率半径をＲ２１、第２レンズＬ２の画像表示面側のレンズ面の曲率半径をＲ２２とする。第３レンズＬ３の観察側のレンズ面の曲率半径をＲ３１、第３レンズＬ３の画像表示面側のレンズ面の曲率半径をＲ３２とする。アイレリーフ１０ｍｍ、半視野角５０度における画像表示面側での実像高をｙ、アイレリーフ１０ｍｍ、半視野角５０度における画像表示面側での理想像高をｙ０とする。
このとき次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。
０．３０＜ｆ×{１／（ｆ１×Ｎ１）＋１／（ｆ２×Ｎ２）＋１／（ｆ３×Ｎ３）}＜０．８０
・・・（２）
０．００＜ｄ１２／ｄｔｏｔａｌ＜０．２０ ・・・（３）
０．００＜ｄ２３／ｄｔｏｔａｌ＜０．２０ ・・・（４）
−１．００＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．１０ ・・・（５）
０．３０＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜３．５０ ・・・（６）
−３．００＜（Ｒ３２＋Ｒ３１）／（Ｒ３２−Ｒ３１）＜−０．０５ ・・・（７）
−０．４０＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．２０ ・・・（８）
０．３０＜ｆ×{１／（ｆ１×Ｎ１）＋１／（ｆ２×Ｎ２）＋１／（ｆ３×Ｎ３）}＜０．８０
・・・（２）
０．００＜ｄ１２／ｄｔｏｔａｌ＜０．２０ ・・・（３）
０．００＜ｄ２３／ｄｔｏｔａｌ＜０．２０ ・・・（４）
−１．００＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．１０ ・・・（５）
０．３０＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜３．５０ ・・・（６）
−３．００＜（Ｒ３２＋Ｒ３１）／（Ｒ３２−Ｒ３１）＜−０．０５ ・・・（７）
−０．４０＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．２０ ・・・（８）
次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。条件式（２）は、観察光学系Ｌ０のペッツバール和を規定している。条件式（２）の下限を超えると負の屈折力の第２レンズＬ２の材料の屈折率が低すぎて、レンズ面の曲率を強めればならず、特にアイレリーフが近い状態での非点収差が増大する。逆に上限を超えると、像面湾曲が大きすぎて、瞳を回転させた時の視度変化が大きくなり、高い光学性能を得るのが困難になる。
条件式（３）は、観察光学系Ｌ０の光学系全系の厚み（レンズ構成長）に対する第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の光軸上の間隔の比に関する。条件式（３）の下限を超えることは物理的にない。条件式（３）の上限を超えると、第２レンズＬ２が、周辺光線の入射高さが高い位置に配されることになり、周辺光線を強く跳ね上げすぎて、特にアイレリーフが近い状態での非点収差、像面湾曲が増大してくる。
条件式（４）は、観察光学系Ｌ０の光学系全系の厚みに対する第２レンズＬ２と第３レンズＬ３の光軸上の間隔の比に関する。条件式（４）の下限を超えることは物理的にない。条件式（４）の上限を超えると、第３レンズＬ３が、周辺光線の入射高さが高い位置に配されることになり、周辺光線を光軸方向に強く屈折させすぎて、特にアイレリーフが近い状態において非点収差、像面湾曲が増大してくる。
条件式（５）は、観察光学系Ｌ０に含まれる第１レンズＬ１の形状因子を規定する。条件式（５）の下限を超えて、第１レンズＬ１の画像表示面側のレンズ面の曲率半径の曲率が強すぎると、アイレリーフに関わらず非点収差が増大する。逆に上限を超えて、第１レンズＬ１の観察側のレンズ面の曲率半径が強すぎると、アイレリーフに関わらず非点収差が増大する。
条件式（６）は、観察光学系Ｌ０に含まれる第２レンズＬ２の形状因子を規定する。条件式（６）の下限を超えて、第２レンズＬ２の画像表示面側のレンズ面の曲率半径の曲率が強すぎると、特にアイレリーフが近い状態での非点収差が増大する。逆に上限を超えて、第２レンズＬ２の観察側のレンズ面の曲率半径が強すぎると、特にアイレリーフが近い状態での非点収差が増大する。
条件式（７）は、観察光学系Ｌ０に含まれる第３レンズＬ３の形状因子を規定する。条件式（７）の下限を超えて、第３レンズＬ３の画像表示面側のレンズ面の曲率半径の曲率が強すぎると、特にアイレリーフが近い状態での非点収差が増大する。逆に上限を超えて、第３レンズＬ３の観察側のレンズ面の曲率半径が強すぎると、特にアイレリーフが近い状態での非点収差が増大する。
条件式（８）は、観察光学系Ｌ０の歪曲率を規定する。条件式（８）の下限を超えると、正の屈折力が強すぎるため、周辺光線を強く光軸方向に曲げることになり、アイレリーフに関わらず像面湾曲と非点収差が増大する。逆に上限を超えると、負の屈折力が強すぎるため、周辺光線を強く跳ね上げることになり、アイレリーフに関わらず像面湾曲と非点収差が増大する。
更に好ましくは条件式（２）乃至（８）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
０．４０＜ｆ×{１／（ｆ１×Ｎ１）＋１／（ｆ２×Ｎ２）＋１／（ｆ３×Ｎ３）}＜０．７７
・・・（２ａ）
０．００＜ｄ１２／ｄｔｏｔａｌ＜０．１４ ・・・（３ａ）
０．００＜ｄ２３／ｄｔｏｔａｌ＜０．１２ ・・・（４ａ）
−０．９０＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．１５ ・・・（５ａ）
０．５０＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜３．４０ ・・・（６ａ）
−２．５０＜（Ｒ３２＋Ｒ３１）／（Ｒ３２−Ｒ３１）＜−０．１０ ・・・（７ａ）
−０．３８＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．２２ ・・・（８ａ）
０．４０＜ｆ×{１／（ｆ１×Ｎ１）＋１／（ｆ２×Ｎ２）＋１／（ｆ３×Ｎ３）}＜０．７７
・・・（２ａ）
０．００＜ｄ１２／ｄｔｏｔａｌ＜０．１４ ・・・（３ａ）
０．００＜ｄ２３／ｄｔｏｔａｌ＜０．１２ ・・・（４ａ）
−０．９０＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．１５ ・・・（５ａ）
０．５０＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜３．４０ ・・・（６ａ）
−２．５０＜（Ｒ３２＋Ｒ３１）／（Ｒ３２−Ｒ３１）＜−０．１０ ・・・（７ａ）
−０．３８＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．２２ ・・・（８ａ）
更に好ましくは条件式（２ａ）乃至（８ａ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
０．５０＜ｆ×{１／（ｆ１×Ｎ１）＋１／（ｆ２×Ｎ２）＋１／（ｆ３×Ｎ３）}＜０．７４
・・・（２ｂ）
０．００＜ｄ１２／ｄｔｏｔａｌ＜０．０８ ・・・（３ｂ）
０．００＜ｄ２３／ｄｔｏｔａｌ＜０．０７ ・・・（４ｂ）
−０．８４＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．１９ ・・・（５ｂ）
０．６５＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜３．３０ ・・・（６ｂ）
−２．３０＜（Ｒ３２＋Ｒ３１）／（Ｒ３２−Ｒ３１）＜−０．２５ ・・・（７ｂ）
−０．３５＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．２４ ・・・（８ｂ）
０．５０＜ｆ×{１／（ｆ１×Ｎ１）＋１／（ｆ２×Ｎ２）＋１／（ｆ３×Ｎ３）}＜０．７４
・・・（２ｂ）
０．００＜ｄ１２／ｄｔｏｔａｌ＜０．０８ ・・・（３ｂ）
０．００＜ｄ２３／ｄｔｏｔａｌ＜０．０７ ・・・（４ｂ）
−０．８４＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．１９ ・・・（５ｂ）
０．６５＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜３．３０ ・・・（６ｂ）
−２．３０＜（Ｒ３２＋Ｒ３１）／（Ｒ３２−Ｒ３１）＜−０．２５ ・・・（７ｂ）
−０．３５＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．２４ ・・・（８ｂ）
以下、本発明の各実施例の観察光学系について説明する。各実施例の観察光学系Ｌ０は、観察側（アイポイント側）より順に、正の屈折力の第１レンズＬ１、負の屈折力の第２レンズＬ２、正の屈折力の第３レンズＬ３から構成されている。
第２レンズＬ２の焦点距離と第３レンズＬ３の焦点距離の積の平方根に対する第１レンズ群Ｌ１の焦点距離の比を条件式（１）を満足するようにしている。これにより、第１レンズＬ１の屈折力を適切な範囲で強め、第２レンズＬ２と第３レンズＬ３の屈折力を適切な範囲で弱めることで、視野角を拡大しつつ、アイレリーフの変化時の非点収差と像面湾曲の変動を抑えている。
さらに、観察光学系Ｌ０のペッツバール和に関する条件式（２）を満足することで、像面湾曲を抑え、瞳が回転した状態でも視度の変化を軽減している。さらに、第１レンズＬ１の観察側のレンズ面Ｒａから第３レンズＬ３の画像表示面側のレンズ面までの光軸上の間隔に対する第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の光軸上の間隔の比に関する条件式（３）を満足するようにしている。これにより周辺光線の入射高さが低い位置に第２レンズＬ２を設けることができ、第２レンズＬ２での光束の屈折による、像面湾曲と非点収差の増大を軽減している。
さらに、第１レンズＬ１の観察側のレンズ面から第３レンズＬ３の画像表示面側のレンズ面までの光軸上の間隔に対する第２レンズＬ２と第３レンズＬ３の光軸上の間隔の比に関する条件式（４）を満足するようにしている。これにより、周辺光線の入射高さが低い位置に第３レンズＬ３を設けることができ、第３レンズＬ３での光束の屈折による、像面湾曲と非点収差の増大を軽減している。さらに、第１レンズＬ１の形状因子に関する条件式（５）を満足することで、特に画像表示面側のレンズ面の曲率が強くなりすぎず、像面湾曲と非点収差の増大を軽減している。
さらに、第２レンズＬ２のレンズの形状因子に関する条件式（６）を満足することで、特に観察側のレンズ面の曲率が強くなりすぎず、像面湾曲と非点収差の増大を軽減している。さらに、第３レンズＬ３のレンズの形状因子に関する条件式（７）を満足することで、特に画像表示面側のレンズ面の曲率が強くなりすぎず、像面湾曲と非点収差の増大を軽減している。さらに、観察光学系Ｌ０の歪曲量に関する条件式（８）を満足するようにして、正の屈折力のレンズと負の屈折力のレンズの何れの屈折力も強くなりすぎず、像面湾曲と非点収差の増大を軽減している。
実施例１、２では第１レンズＬ１の観察側のレンズ面を非球面形状とし、アイレリーフが長い状態での像面湾曲と非点収差を良好に補正している。実施例１乃至５では第３レンズＬ３の観察側のレンズ面を非球面形状とし、アイレリーフが長い状態での像面湾曲と非点収差を良好に補正している。実施例１では第３レンズの画像表示面側のレンズ面を非球面形状とし、アイレリーフが短い状態での非点収差を良好に補正している。実施例２では第２レンズＬ２の観察側のレンズ面を非球面形状とし、アイレリーフが長い状態での像面湾曲と非点収差を良好に補正している。
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。
以下に本発明の各実施例に対応する数値データを示す。以下、数値データにおいて、観察側から画像表示面側へ順に、ｒｉは第ｉ番目の面の近軸曲率半径を示し、ｄｉは第ｉ番目の面と第ｉ＋１番目の面との間の軸上面間隔を示す。さらに、ｎｄｉは第ｉ番目の硝材のｄ線（波長＝５７８．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄｉは第ｉ番目の硝材のｄ線に対するアッベ数を示す。ｒ１は絞りＳＰを示す。
以下に本発明の各実施例に対応する数値データを示す。以下、数値データにおいて、観察側から画像表示面側へ順に、ｒｉは第ｉ番目の面の近軸曲率半径を示し、ｄｉは第ｉ番目の面と第ｉ＋１番目の面との間の軸上面間隔を示す。さらに、ｎｄｉは第ｉ番目の硝材のｄ線（波長＝５７８．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄｉは第ｉ番目の硝材のｄ線に対するアッベ数を示す。ｒ１は絞りＳＰを示す。
なお、長さの単位は、特記の無い場合［ｍｍ］である。ただし、観察光学系Ｌ０は、比例拡大または比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は［ｍｍ］に限定されることなく、他の適当な単位を用いることが出来る。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。
なお、数１式において、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。又、前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表１に示す。
（実施例1）
単位 mm
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2* 227.321 12.75 1.69680 55.5 46.10
3 -41.564 0.15 51.00
4 -89.228 4.00 1.84666 23.8 55.96
5 443.027 1.74 64.72
6* -5614.701 15.40 1.77250 49.6 65.07
7* -65.143 (可変) 69.68
像面 ∞
非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4=-5.38982e-006 A 6= 9.26789e-009 A 8=-1.39354e-011 A10= 6.77348e-015
第6面
K = 0.00000e+000 A 4= 3.46712e-008 A 6= 2.77586e-010 A 8=-2.61351e-012 A10= 2.81884e-015 A12=-8.40445e-019
第7面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.88792e-008 A 6=-5.57207e-010 A 8=-2.29416e-013 A10=-8.72376e-017
各種データ
アイレリーフ 10.00 20.00 26.00
焦点距離 54.00 54.00 54.00
Fナンバー 15.43 15.43 15.43
半画角（度） 44.60 39.29 34.74
像高 53.24 44.19 37.44
レンズ全長 90.79 100.79 106.79
BF 46.75 46.75 46.75
d 1 10.00 20.00 26.00
d 7 46.75 46.75 46.75
単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
L1 1 51.43
L2 4 -87.42
L3 6 85.21
単位 mm
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2* 227.321 12.75 1.69680 55.5 46.10
3 -41.564 0.15 51.00
4 -89.228 4.00 1.84666 23.8 55.96
5 443.027 1.74 64.72
6* -5614.701 15.40 1.77250 49.6 65.07
7* -65.143 (可変) 69.68
像面 ∞
非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4=-5.38982e-006 A 6= 9.26789e-009 A 8=-1.39354e-011 A10= 6.77348e-015
第6面
K = 0.00000e+000 A 4= 3.46712e-008 A 6= 2.77586e-010 A 8=-2.61351e-012 A10= 2.81884e-015 A12=-8.40445e-019
第7面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.88792e-008 A 6=-5.57207e-010 A 8=-2.29416e-013 A10=-8.72376e-017
各種データ
アイレリーフ 10.00 20.00 26.00
焦点距離 54.00 54.00 54.00
Fナンバー 15.43 15.43 15.43
半画角（度） 44.60 39.29 34.74
像高 53.24 44.19 37.44
レンズ全長 90.79 100.79 106.79
BF 46.75 46.75 46.75
d 1 10.00 20.00 26.00
d 7 46.75 46.75 46.75
単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
L1 1 51.43
L2 4 -87.42
L3 6 85.21
（実施例2）
単位 mm
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2* 285.563 13.05 1.53156 55.8 35.84
3 -26.487 0.15 40.89
4* -34.404 4.00 1.63550 23.9 43.44
5 -114.385 1.00 51.33
6* 106.685 17.64 1.53156 55.8 61.08
7 -60.000 (可変) 64.00
像面 ∞
非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.12503e-005 A 6=-5.76267e-008 A 8= 3.02125e-011 A10=-3.99871e-014
第4面
K = 0.00000e+000 A 4=-2.53346e-005 A 6= 6.67721e-008 A 8=-2.27478e-011
第6面
K = 0.00000e+000 A 4= 9.81955e-006 A 6=-3.48881e-008 A 8= 4.33651e-011 A10=-2.34247e-014 A12= 4.20163e-018
各種データ
アイレリーフ 10.00 20.00 26.00
焦点距離 48.00 48.00 48.00
Fナンバー 13.71 13.71 13.71
半画角（度） 39.37 34.35 27.64
像高 39.38 32.81 25.14
レンズ全長 84.52 94.52 100.52
BF 38.67 38.67 38.67
d 1 10.00 20.00 26.00
d 7 38.67 38.67 38.67
単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
L1 1 46.27
L2 4 -78.96
L3 6 75.00
単位 mm
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2* 285.563 13.05 1.53156 55.8 35.84
3 -26.487 0.15 40.89
4* -34.404 4.00 1.63550 23.9 43.44
5 -114.385 1.00 51.33
6* 106.685 17.64 1.53156 55.8 61.08
7 -60.000 (可変) 64.00
像面 ∞
非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.12503e-005 A 6=-5.76267e-008 A 8= 3.02125e-011 A10=-3.99871e-014
第4面
K = 0.00000e+000 A 4=-2.53346e-005 A 6= 6.67721e-008 A 8=-2.27478e-011
第6面
K = 0.00000e+000 A 4= 9.81955e-006 A 6=-3.48881e-008 A 8= 4.33651e-011 A10=-2.34247e-014 A12= 4.20163e-018
各種データ
アイレリーフ 10.00 20.00 26.00
焦点距離 48.00 48.00 48.00
Fナンバー 13.71 13.71 13.71
半画角（度） 39.37 34.35 27.64
像高 39.38 32.81 25.14
レンズ全長 84.52 94.52 100.52
BF 38.67 38.67 38.67
d 1 10.00 20.00 26.00
d 7 38.67 38.67 38.67
単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
L1 1 46.27
L2 4 -78.96
L3 6 75.00
（実施例3）
単位 mm
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2 66.875 12.71 1.88300 40.8 38.94
3 -44.740 1.86 41.05
4 -35.000 4.00 1.92286 18.9 41.04
5 -80.575 0.15 45.63
6* 113.807 11.99 1.59522 67.7 48.39
7 -50.000 (可変) 50.35
像面 ∞
非球面データ
第6面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.30020e-005 A 6= 4.98066e-008 A 8=-1.48622e-010 A10= 2.19300e-013 A12=-1.24019e-016
各種データ
アイレリーフ 10.00 20.00 26.00
焦点距離 32.80 32.80 32.80
Fナンバー 9.37 9.37 9.37
半画角（度） 38.03 32.56 27.72
像高 25.65 20.94 17.23
レンズ全長 62.43 72.43 78.43
BF 21.72 21.72 21.72
d 1 10.00 20.00 26.00
d 7 21.72 21.72 21.72
単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
L1 1 32.07
L2 4 -70.00
L3 6 60.00
単位 mm
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2 66.875 12.71 1.88300 40.8 38.94
3 -44.740 1.86 41.05
4 -35.000 4.00 1.92286 18.9 41.04
5 -80.575 0.15 45.63
6* 113.807 11.99 1.59522 67.7 48.39
7 -50.000 (可変) 50.35
像面 ∞
非球面データ
第6面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.30020e-005 A 6= 4.98066e-008 A 8=-1.48622e-010 A10= 2.19300e-013 A12=-1.24019e-016
各種データ
アイレリーフ 10.00 20.00 26.00
焦点距離 32.80 32.80 32.80
Fナンバー 9.37 9.37 9.37
半画角（度） 38.03 32.56 27.72
像高 25.65 20.94 17.23
レンズ全長 62.43 72.43 78.43
BF 21.72 21.72 21.72
d 1 10.00 20.00 26.00
d 7 21.72 21.72 21.72
単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
L1 1 32.07
L2 4 -70.00
L3 6 60.00
（実施例4）
単位 mm
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2 595.264 12.88 1.85400 40.4 54.31
3 -60.287 2.00 58.81
4 -51.894 4.00 1.92286 18.9 59.16
5 -151.971 1.92 69.33
6* -145.860 13.04 1.85135 40.1 69.64
7 -52.632 (可変) 74.29
像面 ∞
非球面データ
第6面
K = 0.00000e+000 A 4=-2.81779e-006 A 6= 4.52965e-009 A 8=-5.27046e-012 A10= 3.29024e-015 A12=-8.52182e-019
各種データ
アイレリーフ 10.00 20.00 26.00
焦点距離 70.11 70.11 70.11
Fナンバー 20.03 20.03 20.03
半画角（度） 46.36 40.61 37.69
像高 73.51 60.11 54.16
レンズ全長 111.40 121.40 127.40
BF 67.56 67.56 67.56
d 1 10.00 20.00 26.00
d 7 67.56 67.56 67.56
単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
L1 1 64.69
L2 4 -87.06
L3 6 90.88
単位 mm
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2 595.264 12.88 1.85400 40.4 54.31
3 -60.287 2.00 58.81
4 -51.894 4.00 1.92286 18.9 59.16
5 -151.971 1.92 69.33
6* -145.860 13.04 1.85135 40.1 69.64
7 -52.632 (可変) 74.29
像面 ∞
非球面データ
第6面
K = 0.00000e+000 A 4=-2.81779e-006 A 6= 4.52965e-009 A 8=-5.27046e-012 A10= 3.29024e-015 A12=-8.52182e-019
各種データ
アイレリーフ 10.00 20.00 26.00
焦点距離 70.11 70.11 70.11
Fナンバー 20.03 20.03 20.03
半画角（度） 46.36 40.61 37.69
像高 73.51 60.11 54.16
レンズ全長 111.40 121.40 127.40
BF 67.56 67.56 67.56
d 1 10.00 20.00 26.00
d 7 67.56 67.56 67.56
単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
L1 1 64.69
L2 4 -87.06
L3 6 90.88
（実施例5）
単位 mm
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2 157.671 17.71 1.81600 46.6 53.94
3 -44.740 3.00 57.71
4 -37.870 4.00 1.84666 23.8 57.74
5 -71.835 0.15 66.97
6* 245.302 19.82 1.53156 55.8 73.44
7 -50.000 (可変) 76.76
像面 ∞
非球面データ
第6面
K = 0.00000e+000 A 4=-6.54253e-006 A 6= 1.40751e-008 A 8=-2.07698e-011 A10= 1.41217e-014 A12=-3.58207e-018
各種データ
アイレリーフ 10.00 20.00 26.00
焦点距離 45.00 45.00 45.00
Fナンバー 12.86 12.86 12.86
半画角（度） 43.74 37.62 33.62
像高 43.06 34.68 29.92
レンズ全長 85.29 95.29 101.29
BF 30.60 30.60 30.60
d 1 10.00 20.00 26.00
d 7 30.60 30.60 30.60
単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
L1 1 44.46
L2 4 -100.00
L3 6 80.00
単位 mm
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2 157.671 17.71 1.81600 46.6 53.94
3 -44.740 3.00 57.71
4 -37.870 4.00 1.84666 23.8 57.74
5 -71.835 0.15 66.97
6* 245.302 19.82 1.53156 55.8 73.44
7 -50.000 (可変) 76.76
像面 ∞
非球面データ
第6面
K = 0.00000e+000 A 4=-6.54253e-006 A 6= 1.40751e-008 A 8=-2.07698e-011 A10= 1.41217e-014 A12=-3.58207e-018
各種データ
アイレリーフ 10.00 20.00 26.00
焦点距離 45.00 45.00 45.00
Fナンバー 12.86 12.86 12.86
半画角（度） 43.74 37.62 33.62
像高 43.06 34.68 29.92
レンズ全長 85.29 95.29 101.29
BF 30.60 30.60 30.60
d 1 10.00 20.00 26.00
d 7 30.60 30.60 30.60
単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
L1 1 44.46
L2 4 -100.00
L3 6 80.00
Ｌ０ 観察光学系 Ｌ１ 第１レンズ Ｌ２ 第２レンズ Ｌ３ 第３レンズ
ＩＤ 表示素子 ＳＰ 開口絞り
ＩＤ 表示素子 ＳＰ 開口絞り
Claims (8)
- 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、
観察側から画像表示面側へ順に配置された、正の屈折力の第１レンズと、負の屈折力の第２レンズと、正の屈折力の第３レンズから構成され、
前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記第２レンズの焦点距離をｆ２、前記第３レンズの焦点距離をｆ３、アイレリーフ１０ｍｍ、半視野角５０度における画像表示面側での実像高及び理想像高を各々ｙ及びｙ０とするとき、
０．４０＜ｆ１／√（−ｆ２×ｆ３）＜０．８０
−０．４０＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．２０
なる条件式を満足することを特徴とする観察光学系。 - 前記第１レンズの材料の屈折率をＮ１、前記第２レンズの材料の屈折率をＮ２、前記第３レンズの材料の屈折率をＮ３、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
０．３０＜ｆ×｛１／（ｆ１×Ｎ１）＋１／（ｆ２×Ｎ２）＋１／（ｆ３×Ｎ３）｝＜０．８０
なる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。 - 前記第１レンズから第２レンズまでの光軸上での距離をｄ１２、前記第１レンズの観察側のレンズ面から前記第３レンズの画像表示面側のレンズ面までの光軸上での距離をｄｔｏｔａｌとするとき、
０．００＜ｄ１２／ｄｔｏｔａｌ＜０．２０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の観察光学系。 - 前記第２レンズから前記第３レンズまでの光軸上での距離をｄ２３、前記第１レンズの観察側のレンズ面から前記第３レンズの画像表示面側のレンズ面までの光軸上での距離をｄｔｏｔａｌとするとき、
０．００＜ｄ２３／ｄｔｏｔａｌ＜０．２０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の観察光学系。 - 前記第１レンズの観察側のレンズ面の曲率半径をＲ１１、前記第１レンズの画像表示面側のレンズ面の曲率半径をＲ１２とするとき、
−１．００＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．１０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の観察光学
系。 - 前記第２レンズの観察側のレンズ面の曲率半径をＲ２１、前記第２レンズの画像表示面側のレンズ面の曲率半径をＲ２２とするとき、
０．３０＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜３．５０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の観察光学系。 - 前記第３レンズの観察側のレンズ面の曲率半径をＲ３１、前記第３レンズの画像表示面側のレンズ面の曲率半径をＲ３２とするとき、
−３．００＜（Ｒ３２＋Ｒ３１）／（Ｒ３２−Ｒ３１）＜−０．０５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の観察光学系。 - 画像情報を表示する画像表示素子と、前記画像情報を拡大する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の観察光学系とを備えることを特徴とする画像表示装置。
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