JP6824769B2 - 観察光学系及びそれを有する観察装置 - Google Patents

観察光学系及びそれを有する観察装置 Download PDF

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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ものである。
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、臨場感のある観察ができるようにしたヘッドマウントディスプレイ等の観察装置が提案されている。近年、観察装置に関しては、さらなる高臨場感が得られることが望まれており、そのために観察装置に用いられる観察光学系には広視野角に対応し、且つ高い光学性能を有することが求められている。更に頭部に装着する、或いは手で持つタイプの観察装置に用いるときには観察光学系が小型であり、かつ軽量であることが求められている。
従来、広視野角且つ軽量化を図った観察光学系として光路中にフレネルレンズを配した接眼映像表示装置が知られている(特許文献1)。
特開平07−244246号公報
画像表示素子に表示される画像情報を広視野角でありながら、高い光学性能を有し、且つ全体が軽量な観察光学系を得るには、レンズ構成、特にフレネルレンズを用いるときにはフレネルレンズの形状やレンズ構成等を適切に設定する必要がある。
特許文献1の接眼光学系は、最も眼(観察面)に近い位置に、鋸歯形状を有し、凹面を観察面側に向けたフレネルレンズを配している。そして、広視野角且つ全系の軽量化を図っている。特許文献1に開示されている接眼映像表示装置は、フレネルレンズの屈折力が強すぎるため、格子のピッチが細かくなったり、有効面に対する格子の段差の割合が大きくなる傾向があった。一般に格子のピッチが細かくなると、回折する角度が大きくなり、フレアが目立つ。また有効面に対する格子の段差の割合が大きくなると、段差に入射した光線が不要光となって、光学性能を低下させる原因となる。
本発明は、画像表示面に表示される画像情報を、全系の小型化及び軽量化を図りつつ、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観察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、前記観察光学系は、観察面側から画像表示面側へ順に、正の屈折力を有する第1レンズ、正の屈折力を有する第2レンズを有し、前記第1レンズはフレネルレンズであり、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とするとき、
1.50<f1/f2<2.75
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、画像表示面に表示される画像情報を、全系の小型化及び軽量化を図りつつ、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が得られる。
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 本発明の実施例5のレンズ断面図 (A)、(B) 本発明の実施例5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格子壁面の長さ(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等の定義の説明図 (A)、(B)、(C) フレネル面の説明図
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説明する。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る。観察光学系は、観察面側から画像表示面側へ順に、正の屈折力を有する第1レンズ、正の屈折力を有する第2レンズを有する。第1レンズはフレネルレンズよりなっている。本発明の観察光学系は第1レンズと第2レンズ以外にレンズを有する場合もある。
図1は本発明の実施例1の観察光学系を有する観察装置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観察装置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観察装置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観察装置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は本発明の実施例5の観察光学系を有する観察装置のレンズ断面図である。図10(A)、(B)は本発明の実施例5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11は本発明の第1レンズのフレネル面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)の定義を説明する図である。図12(A)、(B)、(C)は本発明に係るフレネルレンズの説明図である。
レンズ断面図において、L0観察光学系である。LFは正の屈折力を有する第1レンズであり、フレネルレンズよりなっている。LPは正の屈折力を有する第2レンズである。ここで第2レンズLPはレンズ面が曲率を有した曲面であり、該曲面で屈折作用のあるレンズであって、フレネル面を含まない。IDは画像表示面であり、例えば液晶表示素子等の画像表示素子が配置される。SPは観察面であり、観察者の瞳(アイポイント)が位置する。観察面SPには絞り(SP1)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(SP)と最も観察面SP側のレンズ面との間隔を表す。
各収差図は、左から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示している。球面収差図では、d線(波長587.6nm)、g線(波長435.8nm)に対する球面収差を示している。非点収差図において、S、Mはそれぞれ、サジタル像面、メリディオナル像面における非点収差を示している。歪曲収差はd線について示している。色収差図ではg線における色収差を示している。
なお、収差の評価においては、画像表示面ID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SP側に発光点を設けて画像表示面ID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IDでの収差を評価している。また、各実施例の絞りSP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、本件は、アイレリーフが人によって異なったり、眼鏡をかけた状態に対応するため、アイレリーフによる収差の変動を抑えている。よって、代表的にアイレリーフ10mmと20mmの際の収差について図示している。
図11は本発明に係る第1レンズLFのフレネル面の各要素を定義するための説明図である。Freはフレネル面であり、同心円状の複数の格子FPが所定の格子ピッチで配列されている。F0は中心輪帯であり、連続した面であり、球面や非球面等からなっている。Laは光軸である。Φ1はフレネル面の有効径である。Φ0はフレネル面Freの中心輪帯F0の有効径である。即ち中心輪帯F0の一方の端部FL2から他方の端部FL2までの直径である。Frは格子が形成されたフレネル輪帯である。
図11では第11レンズLFのフレネル面Freの中心輪帯F0の面頂点FL1から、端部FL2までの光軸La方向の長さをh0、光軸Laから数えたときの第n番目の格子(輪帯)の壁面の長さをhnとしている。h1は第1レンズLFのフレネル面Freの中心輪帯F0に隣接する第1輪帯の格子壁面の光軸方向の長さである。
次に本発明の観察光学系L0の構成について説明する。本発明の観察光学系L0は、正の屈折力を有する第1レンズLF、正の屈折力を有する第2レンズLPを有する。第1レンズLFはフレネルレンズよりなっている。観察光学系L0を複数のレンズで構成することによって、各面の曲率を緩めて、これにより各面での収差発生量を減らし、全体としての収差量も減らしている。
そして、第2レンズLPに比して第1レンズLFを観察面SP側に配置している。それにより、フレネル面の格子の突起部の成形不良(面ダレ)等による不要光(ゴースト)が、観察者のピント位置に対して、視度のずれ量が増えるのを軽減し、視認しやすくなるようにして、光学性能を向上させている。
各実施例において、第1レンズLFの焦点距離をf1、第2レンズLPの焦点距離をf2とする。このとき、
1.50<f1/f2<2.75 ・・・(1)
なる条件式を満足する。
次に前述の条件式の技術的意味について説明する。条件式(1)は正の屈折力を有する第1レンズLFの屈折力と正の屈折力を有する第2レンズLPの屈折力の比を規定している。第2レンズLPの正の屈折力を第1レンズLFの正の屈折力に対して大きくしている。それにより、第1レンズLFの格子のピッチが細かくなりすぎたり、有効面に対する格子の段差の割合が大きくなりすぎたりすることを抑制し、高い光学性能を得ている。
条件式(1)の下限を超えて、第1レンズLFの正の屈折力が強くなりすぎると、第1レンズLFの格子のピッチが細かくなりすぎたり、有効面に対する格子の段差の割合が大きくなりすぎる。そして回折によるフレアや段差が起因する不要光が多く発生し、光学性能が低下してくる。
逆に、条件式(1)の上限を超えて、第2レンズLPの正の屈折力が強くなりすぎると、主に、像面湾曲、非点収差が増大する。また、第2レンズLPの偏肉比が大きくなりすぎて、重量が増大するので良くない。
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。
1.55<f1/f2<2.65 ・・・(1a)
さらに好ましくは、条件式(1a)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
1.57<f1/f2<2.55 ・・・(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得ている。
本発明の観察光学系L0は、第1レンズLFの画像表示面ID側がフレネル面Fre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と、光学性能が向上する。すなわち光学性能を向上させる観点で画像表示面ID側の面の曲率は強くなる。よって、画像表示面ID側をフレネル面Freとすることで、軽量化を図っている。
さらに、観察光学系L0は、第1レンズLFの観察面SP側が、光線有効域において段差のない連続的な面形状よりなることが望ましい。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と、光学性能が向上するため、観察面SP側の面の曲率は緩くなる。よって、観察面SP側の面を連続的な形状とすることしても、フレネル面Freに対して、重量の増大は小さいので重量も重くならずに、且つ回折によるフレアや段差が起因する不要光の発生を軽減している。
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。全系の焦点距離をf、最も観察面側に位置するレンズの観察面側のレンズ面から第1レンズLFの画像表示面側のレンズ面までの距離をLとする。第1レンズのフレネル面の中心輪帯に隣接する第1輪帯の格子壁面の光軸方向の長さをh1、d線の波長の長さをλdとする。
第1レンズLFの観察面SP側の面の曲率半径をR11、第1レンズLFの画像表示面ID側の面の曲率半径をR12とする。第2レンズLPの観察面SP側の面の曲率半径をR21、第2レンズLPの画像表示面ID側の面の曲率半径をR22とする。第1レンズLFの観察面SP側の面から第2レンズLPの画像表示面ID側の面までの距離をdとする。観察光学系L0と、画像情報を表示する画像表示素子を有し、観察光学系L0によって拡大された画像表示素子の画像情報を観察面SP側から観察する観察装置においては次の条件式のうち1つ以上を満足するのが良い。
アイレリーフ10mmで、半視野角45度における画像表示面IDの実際の像高をy、アイレリーフ10mmにおける観察面SPから画像表示面IDまでの距離をLallとする。アイレリーフ10mmで、半視野角45度における画像表示面ID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。
0.01<L/f<0.09 ・・・(2)
50.0<h1/λd<500.0 ・・・(3)
−1.5<(R12+R11)/(R12−R11)<−0.8 ・・・(4)
−1.5<(R22+R21)/(R22−R21)<−0.6 ・・・(5)
0.20<d/f<0.45 ・・・(6)
0.5<y/Lall<0.8 ・・・(7)
−0.30<(y−y0)/y0<−0.15 ・・・(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)は観察光学系における最も観察面SP側のレンズ面から第1レンズLFの画像表示面ID側のレンズ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(2)の下限を超えると、第1レンズLFが薄くなりすぎて、レンズが変形しやすくなり、光学性能が低下しやすくなるため好ましくない。逆に条件式(2)の上限を超えると、フレネル面が観察面SPのピント位置に近づくことになり、フレネル面の格子の突起部の成形不良(面ダレ)等による不要光(ゴースト)が多く発生してくる。
条件式(3)は、フレネル面Freの第一輪帯の格子壁面の高さ(格子の段差量)とd線の波長の長さの比を規定している。条件式(3)の下限を超えると、第1レンズLFのフレネル面の格子の段差が小さくなりすぎて、回折光の強度が増し、光学性能が低下してくる。逆に上限を超えると、第1レンズLFのフレネル面の格子の段差量が長くなりすぎ、格子壁面に入射した光の割合が増加し、不要光(ゴースト)が多く発生し光学性能が低下してくる。
条件式(4)は正の屈折力を有する第1レンズLFの形状因子を規定している。条件式(4)の下限を超えると、画像表示面ID側の面の曲率が強くなりすぎて主に像面湾曲、非点収差が増大してくる。逆に上限を超えると第1レンズLFの観察面SP側の面の曲率が強くなりすぎて、主に像面湾曲、非点収差が増大してくる。
条件式(5)は正の屈折力を有する第2レンズLPの形状因子(レンズ形状)を規定している。条件式(5)の下限を超えると、画像表示面ID側の面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第2レンズLPの観察面SP側の面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(6)は正の屈折力を有する第1レンズLFの観察面側SP側のレンズ面から正の屈折力を有する第2レンズLPの画像表示面ID側のレンズ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(6)の下限を超えると、レンズ間の間隔が短くなりすぎ、各部材をメカで保持することが困難となる。或いは、レンズの厚みが薄くなりすぎて、レンズ面が変形しやすくなり、光学性能が低下しやすくなってくる。逆に条件式(6)の上限を超えて、レンズ間の間隔が長くなりすぎると、特に画像表示面ID側に位置するレンズの有効径が大きくなり、重量が増大してくる。或いは、レンズの厚みが厚くなりすぎて、重量が増大してくる。
条件式(7)はアイレリーフ10mm、半視野角45度における画像表示面IDの実際の像高とアイレリーフ10mmにおけるアイポイントから画像表示面IDまでの距離の比を規定している。条件式(7)の下限を超えて、アイポイントから画像表示面IDまでの距離が長すぎると、観察光学系L0を構成するメカ構成が長くなり、重量が増大してくる。逆に条件式(7)の上限を超えて、アイレリーフ10mm、半視野角45度における画像表示面IDの実際の像高が大きくなりすぎると、画像表示面IDのサイズが大きくなることから、重量が増大してくる。
条件式(8)は、アイレリーフ10mm、半視野角45度における画像表示面IDでの歪曲量を規定している。条件式(8)の下限を超えると、正の屈折力が強すぎるため、画面周辺の光線を強く光軸方向に曲げることになり、軸外の諸収差が増大してくる。逆に上限を超えると、正の屈折力が小さすぎるため、各レンズ位置における画面周辺光線の入射高が高くなりすぎ、有効径が増すので、重量が増大してくる。
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、且つ軽量な観察光学系が容易に得られる。
さらに好ましくは、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。
0.012<L/f<0.085 ・・・(2a)
75.0<h1/λd<450.0 ・・・(3a)
−1.4<(R12+R11)/(R12−R11)<−0.9 ・・・(4a)
−1.40<(R22+R21)/(R22−R21)<−0.65 ・・・(5a)
0.21<d/f<0.44 ・・・(6a)
0.55<y/Lall<0.75 ・・・(7a)
−0.27<(y−y0)/y0<−0.17 ・・・(8a)
さらに好ましくは、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。
0.014<L/f<0.080 ・・・(2b)
100.0<h1/λd<400.0 ・・・(3b)
−1.30<(R12+R11)/(R12−R11)<−0.95 ・・・(4b)
−1.30<(R22+R21)/(R22−R21)<−0.70 ・・・(5b)
0.215<d/f<0.430 ・・・(6b)
0.59<y/Lall<0.70 ・・・(7b)
−0.25<(y−y0)/y0<−0.18 ・・・(8b)
[実施例1]
図1を参照して、本発明の実施例1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、観察面SP側より画像表示面ID側へ順に、正の屈折力を有する第1レンズLF、正の屈折力を有する第2レンズLPから構成されている。2枚のレンズにて画像表示面ID側の面の正の屈折力を分担することにより、画像表示面ID側の各面での曲率を緩めて、諸収差の発生を抑えている。
条件式(1)を満足する適切な範囲で、第2レンズLPの正の屈折力を強めることで、第1レンズLFの格子のピッチが細かくなりすぎたり、有効面に対する格子の段差の割合が大きくなりすぎたりすることを抑制し、高い光学性能を得ている。さらに、第1レンズLFの画像表示面ID側をフレネル面とすることで、光学性能を向上させるために画像表示面ID側の面の曲率を強くした際の軽量化を容易にしている。
さらに、第1レンズLFの観察面SP側の面を光線有効域において段差のない連続的な面形状とすることで、フレネル構造による回折によるフレアや段差が起因する不要光の発生を防いでいる。さらに、条件式(2)を満足する適切な範囲で、第1レンズLFを観察面SP側に近づけることで、観察者のピント位置から視度をずらすことができ、フレネル面の格子の突起部の成形不良(面ダレ)等による不要光(ゴースト)の発生を軽減している。
さらに、条件式(3)を満足する適切な範囲で、第1レンズLFのフレネル面の第一輪帯の格子の段差量を小さくすることで、格子壁面に入射する光の割合を減らし、不要光(ゴースト)を低減している。さらに、条件式(4)を満足する適切な範囲で、第1レンズLFの観察面SP側の面の曲率に比して画像表示面ID側の面の曲率を強め、画像表示面ID側の面に凸形状を向ける。これによって、観察面SP側の面に対してコンセントリックな形として、軸外の光線の入射角を緩くし、軸外の諸収差の発生を抑制している。
さらに、条件式(5)を満足する適切な範囲で、第2レンズLPの観察面SP側の面の曲率に比して画像表示面ID側の面の曲率を強め、画像表示面ID側の面に凸形状を向ける。これによって、観察面SP側の面に対してコンセントリックな形として、軸外の光線の入射角を緩くし、軸外の諸収差の発生を軽減している。さらに、条件式(6)を満足する適切な範囲で、第1レンズLFの観察面SP側のレンズ面から第2レンズLPの画像表示面ID側のレンズ面までの面頂点までの距離を縮めることによって、特に第2レンズLPの有効径を小さくし、軽量化している。
さらに、条件式(7)を満足する適切な範囲で、観察面SPから画像表示面IDまでの距離を縮めることによって、観察光学系L0の重量を低減している。さらに、(8)を満足するように、歪曲量を適切に設定することで、画面周辺の光線を強く光軸方向に曲げることを防ぎ、光学性能の向上させている。
[実施例2]
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の観察光学系L0は、観察面SP側より画像表示面ID側へ順に、正の屈折力のレンズG3、正の屈折力を有する第1レンズLF、正の屈折力を有する第2レンズLPから構成されている。レンズG3はフレネルレンズよりなっている。レンズG3は観察面SP側がフレネル面である。レンズG3は第1レンズLFと正の屈折力を分担することで、各フレネル面での格子ピッチが細かくなりすぎることを防いでいる。その他は実施例1と同じである。
[実施例3]
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側より画像表示面ID側へ順に、正の屈折力を有する第1レンズLF、正の屈折力を有する第2レンズLPから構成されている。第1レンズLFは画像表示面ID側はフレネル面である。第1レンズLFの中心輪帯F0の面頂点FL1から端部FL2までの光軸方向の長さh0を長くすることによって、正の屈折力を有する第1レンズLFの径方向の連続的な形状の領域の割合を増加させ、人間が注視しやすい画面範囲の光学性能を向上させている。その他は実施例1と同じである。
[実施例4]
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側より画像表示面ID側へ順に、正の屈折力を有する第1レンズLF、正の屈折力を有する第2レンズLP、負の屈折力を有するレンズG3から構成されている。負の屈折力を有するレンズG3を周辺画角光線の高い位置に配置することによって、主に倍率色収差を良好に補正している。その他は実施例1と同じである。
[実施例5]
図9を参照して、本発明の実施例5の観察光学系L0について説明する。実施例5の観察光学系L0は、観察面SP側より画像表示面ID側へ順に、正の屈折力を有する第1レンズLF、負の屈折力を有するレンズG3、正の屈折力を有する第2レンズLPから構成されている。レンズG3はフレネルレンズよりなっている。レンズG3は観察面SP側がフレネル面である。レンズG3は凹面に関しては観察面SP側がコンセントリックな形を形成する。
そして、観察面SP側の面の曲率を強めて、軸外諸収差の発生を軽減している。レンズG3は曲率を強めた観察面SP側をフレネル面として、軸外諸収差の発生を抑制しつつ全系の軽量化を図っている。その他は実施例1と同じである。
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等の画像表示素子と組み合わせた際、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。
各実施例においてフレネルレンズのフレネル面は図12(A)に示すように曲率半径rのレンズ面を同心円状の複数の領域に分割する。このとき曲率半径rの値に応じて断面形状が鋸歯型の格子FPを平面上に同心円状に並べた形状よりなっている。同心円状の複数の格子は角度が異なるか、又は同一である。また格子の格子ピッチは中心(光軸)から周辺に従って異なるか又は同一である。
フレネル面Freにおける曲率半径rは図12(A)に示すレンズ面の曲率半径rに相当する。フレネル面の焦点距離を求めるときのパラメータの1つは通常のレンズの焦点距離を求めるのと同様に曲率半径rを用いている。フレネルレンズの焦点距離fと板厚(中心厚)、有効径Φ1等は図12(B)、(C)に示すとおりである。後述する条件式におけるフレネル面の曲率半径はフレネル形状とする前のレンズ面の曲率半径rを用いている。
次に、各実施例における数値データを以下に示す。数値データにおいてiは観察面からの面の順序を示し、riは第i番目の光学面の曲率半径、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,νiはそれぞれd線に対する第i番目の光学部材の屈折率およびアッベ数を表す。また、非球面に記載されている、K,A4,A6,A8,A10などは非球面係数である。非球面形状は光軸からの高さhの位置での光軸方向の変位を、面頂点を基準にしてxとするとき以下の式で定義される。
x=(h2/R)/[1+{1−(1+k)(h/R)21/2]+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10
ただし、ここでRは曲率半径である。フレネル面は非球面効果を有する理想的な薄肉状態を表しており、実形状としては、表記した中心厚d内でフレネル形状とする。フレネル面は面番号の右隣に*Freと表記している。各数値データの面番号において1は観察面(絞り)、像面は画像表示面に相当している。
数値データ1において面番号2、3は第1レンズLF、面番号4、5は第2レンズLPに相当している。数値データ2において面番号6、7は第2レンズLP、面番号3、4は第1レンズLFに相当している。数値データ3において面番号4、5は第2レンズLP、面番号2、3は第1レンズLFに相当している。数値データ4において面番号2、3は第1レンズLF、面番号4、5は第2レンズLPに相当している。数値データ5において面番号6、7は第2レンズLP、面番号2、3は第1レンズLFに相当している。
レンズ全長は観察面から画像表示面IDまでの距離である。BFは画像表示面ID側のレンズ面から画像表示面までの距離である。また前述した数値データと各条件式との関係を表1に示す。
(数値データ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 ∞ 0.90 1.53110 56.0 48.76
3*Fre -74.354 0.70 52.00
4 ∞ 17.00 1.53110 56.0 53.30
5* -41.426 (可変) 55.34
像面 ∞

非球面データ
第3面
K = 0.00000e+000 A 4= 9.06303e-006 A 6=-3.76059e-009

第5面
K = 0.00000e+000 A 4= 3.88214e-008 A 6=-3.26794e-009

各種データ
焦点距離 52.96 52.96
Fナンバー 15.13 15.13
半画角(度) 55.00 45.00
像高 49.05 41.80
レンズ全長 77.09 87.09
BF 48.49 48.49

d 1 10.00 20.00
d 5 48.49 48.49

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -33.14 -66.65
前側主点位置 18.60 28.60
後側主点位置 -4.46 -4.46

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 52.96 18.60 8.60 -4.46

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 140.00
2 4 78.00

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) 0.10
フレネルレンズLFの第一輪帯の段差量(h1)0.10
(数値データ2)
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 25.00
2*Fre 154.136 1.10 1.53110 56.0 48.00
3 -1278.956 0.50 48.65
4 -843.469 0.90 1.49200 58.0 49.11
5*Fre -78.386 0.70 50.10
6 ∞ 16.98 1.49200 58.0 51.13
7* -41.143 (可変) 55.45
像面 ∞

非球面データ
第5面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.06075e-005 A 6=-4.08131e-009

第7面
K = 0.00000e+000 A 4=-3.22682e-007 A 6=-3.26267e-009

各種データ

焦点距離 49.94 49.94
Fナンバー 2.00 2.00
半画角(度) 0.00 0.00
像高 45.40 39.16
レンズ全長 74.06 84.06
BF 43.88 43.88

d 1 10.00 20.00
d 7 43.88 43.88

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -36.14 -73.94
前側主点位置 18.77 28.77
後側主点位置 -6.06 -6.06

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 49.94 20.18 8.77 -6.06

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 259.07
2 4 175.58
3 6 83.62

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) 0.20
フレネルレンズLFの第一輪帯の段差量(h1)0.20
(数値データ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 100000.000 3.50 1.53110 56.0 48.76
3*Fre -80.546 0.70 52.00
4* 237.548 15.00 1.53110 56.0 53.30
5* -36.019 (可変) 55.34
像面 ∞

非球面データ
第3面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.35561e-005 A 6= 2.66207e-008 A 8=-1.06533e-011

第4面
K = 0.00000e+000 A 4=-2.18599e-005 A 6= 4.07744e-008 A 8=-2.04247e-011 A10= 1.57785e-015

第5面
K = 0.00000e+000 A 4= 2.20301e-006 A 6=-7.68945e-009 A 8= 1.19113e-011

各種データ

焦点距離 44.99 44.99
Fナンバー 12.85 12.85
半画角(度) 55.00 45.00
像高 43.00 36.35
レンズ全長 70.09 70.09
BF 40.89 40.89

d 1 10.00 20.00
d 5 40.89 40.89

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -37.93 -88.19
前側主点位置 19.31 29.31
後側主点位置 -4.10 -4.10

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 44.99 19.20 9.31 -4.10

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 151.54
2 4 60.03

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) 2.40
フレネルレンズLFの第一輪帯の段差量(h1)0.08
(数値データ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* ∞ 1.20 1.53110 56.0 47.52
3*Fre -60.784 1.00 48.02
4* 713.403 11.00 1.53110 56.0 49.31
5* -40.000 0.50 51.42
6* -86.712 3.20 1.63400 23.9 54.01
7 -350.000 (可変) 58.34
像面 ∞

非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.89729e-006 A 6=-8.84019e-010 A 8=-1.25103e-012 A10= 1.57785e-015

第3面
K = 0.00000e+000 A 4= 3.97631e-006 A 6=-3.55111e-009 A 8= 4.66493e-012 A10=-2.03020e-015

第4面
K = 0.00000e+000 A 4=-5.11143e-006 A 6= 7.48504e-009 A 8=-2.37822e-012

第5面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.77056e-006 A 6=-3.94962e-009 A 8= 6.60438e-012

第6面
K = 0.00000e+000 A 4= 3.58978e-007 A 6=-1.47504e-009 A 8= 1.50893e-012

各種データ

焦点距離 60.00 60.00
Fナンバー 17.14 17.14
半画角(度) 50.00 42.00
像高 54.18 45.93
レンズ全長 79.87 89.87
BF 52.97 52.97

d 1 10.00 20.00
d 7 52.97 52.97

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -26.51 -49.02
前側主点位置 14.70 24.70
後側主点位置 -7.03 -7.03

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 60.00 16.90 4.70 -7.03

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 114.38
2 4 71.68
3 6 -182.67

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) 0.10
フレネルレンズLFの第一輪帯の段差量(h1)0.10
(数値データ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 -5943.465 0.96 1.53110 56.0 50.92
3*Fre -81.454 0.50 51.91
4*Fre -150.546 1.50 1.64000 23.5 52.49
5 -499.468 0.50 53.03
6 -519.519 12.18 1.53110 56.0 53.60
7* -37.297 (可変) 56.23
像面 ∞

非球面データ
第4面
K = 0.00000e+000 A 4= 2.17893e-006 A 6=-2.20791e-010

第7面
K = 0.00000e+000 A 4= 2.92372e-006 A 6= 4.58045e-009 A 8=-1.33480e-012

各種データ

焦点距離 61.29 61.29
Fナンバー 17.51 17.51
半画角(度) 53.00 42.00
像高 59.88 47.78
レンズ全長 85.31 95.31
BF 59.67 59.67

d 1 10.00 20.00
d 7 59.67 59.67

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -29.42 -57.12
前側主点位置 19.12 29.12
後側主点位置 -1.62 -1.62

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 61.29 15.64 9.12 -1.62

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 155.49
2 4 -337.29
3 6 75.00

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) 0.06
フレネルレンズLFの第一輪帯の段差量(h1)0.06
L0 観察光学系 LF 正の屈折力を有する第1レンズ
LP 正の屈折力を有する第2レンズ G3 第3レンズ
ID 画像表示面 SP 観察面(開口絞り) Fre フレネル面

Claims (11)

  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、観察面側から画像表示面側へ順に、正の屈折力を有する第1レンズ、正の屈折力を有する第2レンズを有し、
    前記第1レンズはフレネルレンズであり、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とするとき、
    1.50<f1/f2<2.75
    なる条件式を満足することを特徴とする観察光学系。
  2. 前記第1レンズの画像表示面側の面はフレネル面であることを特徴とする請求項1に記載の観察光学系。
  3. 前記第1レンズの観察面側の面は、光線有効域において連続的な形状であ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。
  4. 全系の焦点距離をf、最も観察面側に位置するレンズの観察面側のレンズ面から前記第1レンズの画像表示面側のレンズ面までの距離をLとするとき、
    0.01<L/f<0.09
    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。
  5. 前記第1レンズのフレネル面の中心から前記第1レンズのフレネル面の輪帯を数えたときの第1輪帯の格子壁面の光軸方向の長さをh1、d線の波長の長さをλdとするとき、
    50.0<h1/λd<500.0
    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。
  6. 前記第1レンズの観察面側の面の曲率半径をR11、前記第1レンズの画像表示面側の面の曲率半径をR12とするとき、
    −1.5<(R12+R11)/(R12−R11)<−0.8
    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。
  7. 前記第2レンズの観察面側の面の曲率半径をR21、前記第2レンズの画像表示面側の面の曲率半径をR22とするとき、
    −1.5<(R22+R21)/(R22−R21)<−0.6
    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。
  8. 前記第1レンズの観察面側の面から前記第2レンズの画像表示面側の面までの距離をd、全系の焦点距離をfとするとき、
    0.20<d/f<0.45
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の観察光学系。
  9. 請求項1乃至8のいずれか1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観察装置。
  10. アイレリーフ10mmで、半視野角45度における画像表示面の実際の像高をy、アイレリーフ10mmにおける観察面から画像表示面までの距離をLallとするとき、
    0.5<y/Lall<0.8
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項9に記載の観察装置。
  11. アイレリーフ10mmで、半視野角45度における画像表示面の理想像高をy0、アイレリーフ10mmで、半視野角45度における画像表示面の実際の像高をyとするとき、
    −0.30<(y−y0)/y0<−0.15
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項9又は10に記載の観察装置。
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