JP7076160B2

JP7076160B2 - 接眼レンズ光学システム及び頭部装着型ディスプレイ

Info

Publication number: JP7076160B2
Application number: JP2020541940A
Authority: JP
Inventors: 曹鴻鵬; 郭建飛; 彭華軍
Original assignee: 深▲ゼン▼納徳光学有限公司
Priority date: 2019-07-29
Filing date: 2019-07-29
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2039-07-29
Also published as: EP3809184A4; WO2021016810A1; US20210033866A1; JP2021536023A; US11300792B2; EP3809184A1

Description

本発明は、接眼レンズ光学システム及び頭部装着型再生装置に関し、より詳しくは、接眼レンズ光学システム及び頭部装着型ディスプレイに関する。

電子デバイスが超小型化に発展しており、及び新規のコンピュータ、マイクロエレクトロニクス、光電デバイスや通信理論並びに技術が発展するとともに、ウェアラブルコンピューティングのような「人間本位」、「人機一体」に基づく新しいパターは可能となり、軍事、工業、医療、教育、消費等の分野に応用されてきている。典型的なウェアラブルコンピューティングのシステムアーキテクチャにおいて、頭部装着型表示装置は肝心な構成要素である。頭部装着型表示装置は光学技術を介して、小型画像表示装置（例えば透過型又は反射型液晶ディスプレイ、有機電界発光素子、ＤＭＤデバイス）から発されるビデオ画像の光をユーザの瞳孔に導き、ユーザの目に近い範囲において仮想の拡大画像を実現し、ユーザに直観的で目に見える画像、ビデオ、文字情報を提供する。接眼レンズ光学システムは頭部装着型表示装置の核であり、小型画像を人の目の前に表示して仮想の拡大画像を形成するという機能を実現するものである。

頭部装着型表示装置は体積がコンパクトで、軽量で、頭部装着が容易になり、負荷が軽減される等の方向に進んでいる。同時に、広視野角及び快適な視覚体験も次第に頭部装着型表示装置の優劣を評価する肝心な要素となっている。広視野角は高臨場感の視覚体験効果を決めるものであり、高画質、低歪みは視覚体験の快適性を決めるものである。これらの要求を満たすために、光学システムは広視野角、高画像解像度、低歪み、小像面湾曲、小体積等の指標をできるだけ実現する必要があり、上記光学性能を同時に満たすことはシステムの設計及び収差の最適化に対して大きなチャレンジである。

それぞれ、正の焦点距離、負の焦点距離、正の焦点距離、正の焦点距離及び負の焦点距離を有する５枚の同軸レンズが組合せられて通常の光学システムが構成される。特許文献１（米国特許第７９７８４１７号明細書）、特許文献２（中国特許第１０３９８８１１１号明細書）、特許文献３（中国特許第１０４７３０７０６号明細書）、特許文献４（中国特許公開番号ＣＮ１０３２１７７８２Ａ）、特許文献５（中国特許第１０４６８５４０２号明細書）、特許文献６（米国特許第８３４５１３９号明細書）、特許文献７（中国特許第１０１８８７１６６号明細書）、特許文献８（中国特許第１０４６０３６６９号明細書）は、それぞれ同軸の正・負・正の３枚のレンズの形で構成された光学システムを提供し、低歪み（＜３％）、高画質の効果を実現した。しかし、上記光学システムの有効視野角が小さく、それぞれ、１６°～３７°であり、広視野角効果が実現されていない。

特許文献９（中国特許第１０７０２４７６６号明細書）は、正レンズ、負レンズ、正レンズ、正レンズ及び負レンズで構成され、全体として正・負・正・正・負の光学システムと見なすことができる、頭部に装着して表示するための接眼レンズシステムを提供する。当該接眼レンズシステムは、広視野角の効果（＞４０°）を実現することができる。しかし、当該接眼レンズの第２の負レンズは、曲率により、光学システム全体の性能比をより効率的に向上し、前部レンズの外径値を大きくし、光学製品全体の加工難易度を増やした。

米国特許第７９７８４１７号明細書中国特許第１０３９８８１１１号明細書中国特許第１０４７３０７０６号明細書中国特許公開番号ＣＮ１０３２１７７８２Ａ中国特許第１０４６８５４０２号明細書米国特許第８３４５１３９号明細書中国特許第１０１８８７１６６号明細書中国特許第１０４６０３６６９号明細書中国特許第１０７０２４７６６号明細書

本発明が解決しようとする課題は、従来技術の前記デメリットに対して、接眼レンズ光学システム及び頭部装着型ディスプレイを提供し、前記課題を解決することである。

本発明では、その課題を解決するために用いられる技術的手段は以下の通りである。

目視観察側から表示デバイス側まで光軸方向に同軸で順に配列される第１のレンズ、第２のレンズ、第３のレンズ、第４のレンズ及び第５のレンズを含む接眼レンズ光学システムであって、第２のレンズの焦点距離がｆ-_２であり、第３のレンズ及び第４のレンズで構成されるレンズ群の焦点距離がｆ_３４であり、第５のレンズの焦点距離がｆ_５であり、前記光学システムのディスプレイから第５のレンズの前記ディスプレイに近接する面までの距離である後焦点距離がｆ_ｄであり、システム全長がｆ_ｗであり、かつ以下の関係式（１）、（２）、（３）及び（４）を満たす接眼レンズ光学システム。

本発明のさらなる実施態様として、前記第１のレンズ、第３のレンズ及び第４のレンズが全て正レンズであり、第２のレンズ及び第５のレンズが全て負レンズであり、前記第１のレンズ、前記第２のレンズ、前記第３のレンズ、前記第４のレンズ及び前記第５のレンズがガラス材料又はプラスチック材料である。

本発明のさらなる実施態様として、前記第１のレンズ、第２のレンズ及び第３のレンズの材料が以下の関係式（５）、（６）及び（７）を満たす。

なかでも、Ｎｄ_１、Ｎｄ_２、Ｎｄ_３は、それぞれ、第１のレンズの材料の屈折率、第２のレンズの材料の屈折率及び第３のレンズの材料の屈折率である。

本発明のさらなる実施態様として、前記第１のレンズ、第２のレンズ及び第３のレンズの材料が以下の関係式（８）、（９）及び（１０）を満たす。

なかでも、Ｖｄ_１、Ｖｄ_２、Ｖｄ_３は、それぞれ、第１のレンズ、第２のレンズ、第３のレンズのアッベ数を示す。

本発明のさらなる実施態様として、
前記第１のレンズが目に向けて突出する第１の光学面と目に向けて凹む第２の光学面とを有し、
前記第２のレンズが目に向けて突出する第３の光学面と目に向けて凹む第４の光学面とを有し、
前記第３のレンズが目に向けて突出する第５の光学面と像面に向けて突出する第６の光学面とを有し、
前記第４のレンズが目に向けて突出する第７の光学面と像面に向けて突出する第８の光学面とを有し、
前記第５のレンズが像面に向けて凹む第９の光学面と目に向けて凹む第１０の光学面とを有する。

本発明のさらなる実施態様として、前記第１の光学面から第１０の光学面まで、合計１０個の光学面において、幾つかの光学面の表面形状が偶数次非球面の表面形状であり、その表面形状の公式が下記の式（１１）の通りである。

本発明のさらなる実施態様として、前記第１のレンズにおける第２の光学面、第３のレンズにおける第５の光学面及び第６の光学面、第４のレンズにおける第８の光学面が球面の表面形状であり、ほかの光学面が全て偶数次非球面の表面形状である。

本発明のさらなる実施態様として、前記第５のレンズの人の目に近接する側の光学面の曲率半径がＲ_５１であり、ディスプレイに近接する側の光学面の曲率半径がＲ_５２であり、Ｒ_５１とＲ_５２との間が以下の関係式（１２）を満たす。

本発明のさらなる実施態様として、前記第２のレンズの人の目に近接する側の光学面の曲率半径がＲ_２１であり、ディスプレイに近接する側の光学面の曲率半径がＲ_２２であり、Ｒ_２１とＲ_２２との間が以下の関係式（１３）を満たす。

本発明のさらなる実施態様として、前記第２のレンズ、第３のレンズ、第４のレンズ及び第５のレンズの焦点距離がさらに以下の関係式（１ａ）、（２ａ）、（３ａ）及び（４ａ）を満たす。

本発明のさらなる実施態様として、前記第１のレンズ、第２のレンズ及び第３のレンズの屈折率Ｎｄ_１、Ｎｄ_２、Ｎｄ_３がさらに以下の関係式（５ａ）、（６ａ）及び（７ａ）を満たす。

本発明のさらなる実施態様として、前記第１のレンズ、第２のレンズ及び第３のレンズのアッベ数Ｖｄ_１、Ｖｄ_２、Ｖｄ_３がさらに以下の関係式（８ａ）、（９ａ）及び（１０ａ）を満たす。

本発明のさらなる実施態様として、前記第５のレンズの曲率半径Ｒ_５１とＲ_５２との間がさらに以下の関係式（１２ａ）を満たす。

本発明のさらなる実施態様として、前記第２のレンズの曲率半径Ｒ_２１とＲ_２２との間がさらに以下の関係式（１３ａ）を満たす。

小型画像表示ユニットと、人の目と前記小型画像表示ユニットとの間に位置する接眼レンズとを備える頭部装着型ディスプレイにおいて、前記接眼レンズが上記のいずれか１項に記載の接眼レンズ光学システムを含む頭部装着型ディスプレイ。

本発明のさらなる実施態様として、前記第５のレンズにおける第１０の光学面と前記小型画像表示ユニットとの間の距離が調整可能である。

本発明のさらなる実施態様として、前記頭部装着型ディスプレイは２つの同様な前記接眼レンズ光学システムを含む両眼頭部装着型ディスプレイである。

本発明の効果としては、５枚のレンズの組合せを用い、各レンズの焦点距離が所定の条件を満たす場合システム収差が大きく除去され、特に広視野角、低歪み、低色収差、低像面湾曲、低非点収差等の光学指標を同時に実現した。したがって、観察者は、本発明に開示される接眼レンズ光学システムにより、フルフレームで高精細度、無歪み、均一な画質の大画面を見、高臨場感の視覚体験を達成することができる。

本発明の実施例又は従来技術中の技術的手段をより明確に説明するために、以下に添付図面及び実施例を参照しながら本発明をさらに説明する。以下の説明中の添付図面は本発明の一部の実施例に過ぎず、当業者であれば、創造的活動を行うことなく、さらにこれらの添付図面に応じて他の添付図面を得ることができる。

本発明の第１の実施例に提供される接眼レンズ光学システムの概略構成図である。本発明の第１の実施例に提供される接眼レンズ光学システムのスポットダイアグラムの概略図である。本発明の第１の実施例に提供される接眼レンズ光学システムの横色収差の概略図である。本発明の第１の実施例に提供される接眼レンズ光学システムの像面湾曲カーブの概略図である。本発明の第１の実施例に提供される接眼レンズ光学システムのディストーションカープの概略図である。本発明の第１の実施例に提供される接眼レンズ光学システムの伝達関数ＭＴＦの概略図である。本発明の第２の実施例に提供される接眼レンズ光学システムの概略構成図である。本発明の第２の実施例に提供される接眼レンズ光学システムのスポットダイアグラムの概略図である。本発明の第２の実施例に提供される接眼レンズ光学システムのディストーションカープの概略図である。本発明の第２の実施例に提供される接眼レンズ光学システムの伝達関数ＭＴＦの概略図である。本発明の第３の実施例に提供される接眼レンズ光学システムの概略構成図である。本発明の第３の実施例に提供される接眼レンズ光学システムのスポットダイアグラムの概略図である。本発明の第３の実施例に提供される接眼レンズ光学システムの像面湾曲カーブの概略図である。本発明の第３の実施例に提供される接眼レンズ光学システムの伝達関数ＭＴＦの概略図である。本発明の第４の実施例に提供される接眼レンズ光学システムの概略構成図である。本発明の第４の実施例に提供される接眼レンズ光学システムのスポットダイアグラムの概略図である。本発明の第４の実施例に提供される接眼レンズ光学システムの像面湾曲カーブの概略図である。本発明の第４の実施例に提供される接眼レンズ光学システムのディストーションカープの概略図である。本発明の第４の実施例に提供される接眼レンズ光学システムの伝達関数ＭＴＦの概略図である。本発明の第５の実施例に提供される接眼レンズ光学システムの概略構成図である。本発明の第５の実施例に提供される接眼レンズ光学システムのスポットダイアグラムの概略図である。本発明の第５の実施例に提供される接眼レンズ光学システムの像面湾曲カーブの概略図である。本発明の第５の実施例に提供される接眼レンズ光学システムのディストーションカープの概略図である。本発明の第５の実施例に提供される接眼レンズ光学システムの伝達関数ＭＴＦの概略図である。

本発明の実施例の目的、技術的手段及びメリットがより分かりやすいように、以下に本発明の実施例中の技術的手段及び添付図面を参照しながら明確で完全に説明を行う。明らかに、説明される実施例は本発明の全部の実施例ではなく、一部の実施例である。本発明の実施例に基づき、当業者が創造的活動を行うことなく、得られた全ての他の実施例は、何れも本発明の保護範囲に属する。

図１に示すように、さらに、図７、図１１、図１５及び図２０を参照し、目視観察側から表示デバイス側まで光軸方向に同軸で順に配列される第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２、第３のレンズＬ３、第４のレンズＬ４及び第５のレンズＬ５を含む接眼レンズ光学システムであって、第２のレンズＬ２の焦点距離がｆ-_２であり、第３のレンズＬ３及び第４のレンズＬ４で構成されるレンズ組合せの焦点距離がｆ_３４であり、第５のレンズＬ５の焦点距離がｆ_５であり、光学システムのディスプレイから第５のレンズＬ５のディスプレイに近接する光学面までの距離がｆ_ｄであり、システム全長がｆ_ｗであり、かつ以下の関係式（１）～（４）を満たす接眼レンズ光学システム。

第１のレンズＬ１、第３のレンズＬ３及び第４のレンズＬ４は全て正レンズであり、第２のレンズＬ２及び第５のレンズＬ５は全て負レンズであり、第１のレンズＬ１、第３のレンズＬ３及び第４のレンズＬ４は全て正レンズであり、第２のレンズＬ２及び第５のレンズＬ５は全て負レンズであり、第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２、第３のレンズＬ３、第４のレンズＬ４及び第５のレンズＬ５はガラス材料又はプラスチック材料である。

第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２及び第３のレンズＬ３の材料は以下の関係式（５）～（１０）を満たす。

Ｎｄ_１、Ｎｄ_２、Ｎｄ_３は、それぞれ、第１のレンズの材料の屈折率、第２のレンズの材料の屈折率及び第３のレンズの材料の屈折率であり、Ｖｄ_１、Ｖｄ_２、Ｖｄ_３は、それぞれ、第１のレンズ、第２のレンズ、第３のレンズのアッベ数を示す。

なかでも、上記Ｎｄ_１の値は１．４０、１．９０、１．５０、１．４５、１．６１、１．６６、１．５７、１．７０、１．７３、１．８２、１．４９、１．８３であってもよい。
Ｎｄ_２の値は１．４０、１．８０、１．４４、１．４９、１．７７、１．５５、１．６２、１．６５、１．６８、１．７０、１．７３、１．５０、１．７４であってもよい。
Ｎｄ_３の値は１．６０、１．９０、１．６２、１．６９、１．７７、１．８６、１．８８、１．６５、１．７０、１．７３、１．８０、１．７１、１．８２であってもよい。
Ｖｄ_１の値は４０、９５、４２、９０、５０．６、４２．９、８９．３、８７、４４．４、４６．８、５７．４、６０、７５．５、８０であってもよい。
Ｖｄ_２の値は２０．４、５５、１９、６０、２０、５７．６、５５．４、４９．８、１９．５、２１、２６．２、２８．５、３０．３、４５．５であってもよい。
Ｖｄ_３の値は３０、５５．６、２８、５７、２８．３、２９．１、２９．９、５５．８、５６．６、３５、３７．４、３８．１、４０．３、４６．８、５５であってもよい。

第１のレンズＬ１は目に向けて突出する第１の光学面１と目に向けて凹む第２の光学面２とを有し、
第２のレンズＬ２は目に向けて突出する第３の光学面３と目に向けて凹む第４の光学面４とを有し、
第３のレンズＬ３は目に向けて突出する第５の光学面５と像面に向けて突出する第６の光学面６とを有し、
第４のレンズＬ４は目に向けて突出する第７の光学面７と像面に向けて突出する第８の光学面８とを有し、
第５のレンズＬ５は像面に向けて凹む第９の光学面９と目に向けて凹む第１０の光学面１０とを有する。

本発明の５枚のレンズの合計１０個の光学面において、幾つかの光学面は非球面の表面形状であり、好ましくは、第１のレンズＬ１における第１の光学面１、第２のレンズＬ２における第３の光学面３及び第４の光学面４、第４のレンズＬ４における第７の光学面７、第５のレンズＬ５における第９の光学面９及び第１０の光学面１０は偶数次非球面の表面形状であり、その表面形状の公式は下記の式（１１）の通りである。

なかでも、Ｚは光学面の矢高であり、ｃは非球面の頂点における曲率であり、ｋは非球面係数であり、α２、４、６…は各階の係数であり、ｒは曲面における点からレンズシステムの光軸までの距離の座標である。

第１のレンズＬ１における第２の光学面２、第３のレンズＬ３における第５の光学面５及び第６の光学面６、第４のレンズＬ４における第８の光学面８は球面の表面形状である。

第５のレンズＬ５の人の目に近接する側の第９の光学面９の曲率半径はＲ_５１であり、ディスプレイに近接する側の第１０の光学面１０の曲率半径はＲ_５２であり、Ｒ_５１とＲ_５２との間は以下の関係式を満たす。

当該式の下限値が０．５よりも大きいことで、第５のレンズＬ５は十分な負の屈折率を提供でき、より良く補正システムの収差のバランスをとり、良い光学効果を実現させることができる。その上限値が４．０よりも小さいことで、球面収差の補正難易度を低減し、大きな光学アパーチャを実現しやすくなる。前記式の値は０．５、４．０、０．５２、３．５、３．８、３．９１、３．６６、３．５８、０．５５、０．８、１．２、１．８、２．２、２．９、３．１５、２．５１、２．６３、２．９３、１．５１、１．３３、１．７１、１．６９、０．７７、０．５１、３．３９であってもよい。

第２のレンズＬ２の人の目に近接する側の第３の表面３の曲率半径はＲ_２１であり、ディスプレイに近接する側の第４の表面４の曲率半径はＲ_２２であり、Ｒ_２１とＲ_２２との間は以下の関係式を満たす。

前記式の下限値が０．８よりも大きいことで、第２のレンズＬ２は十分な負の屈折率を提供でき、より良く補正システムの収差のバランスをとり、良い光学効果を実現させることができる。その上限値が６．０よりも小さいことで、球面収差の補正難易度を低減し、大きな光学アパーチャを実現しやすくなる。前記式の値は０．８、６．０、１．０、５．２、０．９、５．５、０．８５、５．３、０．９３、０．９７、１．４７、１．６８、１．９６、２．３１、２．５、２．６６、２．７９、３．０１、３．２、３．４８、３．６１、３．８９、４．１２、４．４１、４．５２、４．６７、４．８１、４．９８、５．１１であってもよい。

以下に添付図面の説明及び具体的な実施の態様を参照しながら、本発明をさらに説明する。下記の各実施例の光路図において、表示デバイスから発される光は、順に第５のレンズＬ５、第４のレンズＬ４、第３のレンズＬ３、第２のレンズＬ２及び第１のレンズＬ１を経由して、最後に人の目に入る。絞りは本光学システムの結像の射出瞳であってもよく、バーチャルの光出射アパーチャである。人の目の瞳孔が絞り位置にある場合、最も好ましい結像効果を観察することができる。

以下の各実施例が提供するスポットダイアグラムは光学システム結像の幾何学的構造を反映し、回折効果を無視し、所定の視野、所定の波長の光線が像平面の断面に焦点を合わせて形成したスペックルにより示され、複数の視野及び複数の波長の光線を同時に含んでもよい。このため、スポットダイアグラムにおけるスペックルの密集度、形状サイズにより、光学システムの結像品質の優劣を直観的に評価し、スポットダイアグラムにおける異なる波長スペックルのずれの度合により、光学システムの色収差を直観的に評価することができる。スポットダイアグラムのＲＭＳ（ＲｏｏｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅ）半径（二乗平均平方根）が小さくなるほど、光学システムの結像品質が高くなる。

接眼レンズ光学システムの概略構成図は、図１に示すように、目視観察側から表示デバイス側まで光軸方向に同軸で順に配列される第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２、第３のレンズＬ３、第４のレンズＬ４及び第５のレンズＬ５を含む。絞り側に近接する光学面の番号を１として、以下同様にして、絞りから像面方向の光学面まで順番に２、３、４、５、６、７、８、９、１０と番号をつける。本実施例は、光学システムの歪み、色収差及び像面湾曲等の収差を十分に補正し、体積が小さい場合広視野角の効果の達成を確保することができる。

図２に示すように、本実施例の各視野の光線は像平面（表示デバイス）におけるスペックルの半径が小さくて均一であり、異なる波長の光線は同一の視野に焦点を合わせて形成したスペックルのずれの度合が低く、光学システムの収差が良く補正された。接眼レンズ光学システムにより、全体が均一であり、光学性能が高い表示画像を観察することができる。

図３に示すように、光学システムの横色収差の変化曲線は、所定の視野、所定の色収差の大きさで、二次元平面の方式により各視野の色収差変化の大きさを示す。

図４～図６に示すように、本実施例の光学システムの像面湾曲及びディストーションカープは、本実施例の光学システムの超大の視野及び高い結像品質等の特徴を示している。

接眼レンズ光学システムの概略構成図は、図７に示すように、目視観察側から表示デバイス側まで光軸方向に同軸で順に配列される第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２、第３のレンズＬ３、第４のレンズＬ４及び第５のレンズＬ５を含む。絞り側に近接する光学面の番号を１として、以下同様にして、絞りから像面方向の光学面まで順番に２、３、４、５、６、７、８、９、１０と番号をつける。本実施例は、光学システムの歪み、色収差及び像面湾曲等の収差を十分に補正し、体積が小さい場合広視野角の効果の達成を確保することができる。

図８に示すように、本実施例の光学システムのスポットダイアグラムの概略図である。図面から分かるように、本実施例の各視野の光線は像平面（表示デバイス）におけるスペックルの半径が小さくて均一であり、異なる波長の光線は同一の視野に焦点を合わせて形成したスペックルのずれの度合が低く、光学システムの収差が良く補正された。光学システムにより、全体が均一であり、光学性能が高い表示画像を観察することができる。

図９～図１０を同時に参照する。本実施例の光学システムのディストーションカープは、本実施例の光学システムの超大の視野及び高い結像品質等の特徴を示している。

接眼レンズ光学システムの概略構成図は、図１１に示すように、目視観察側から表示デバイス側まで光軸方向に同軸で順に配列される第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２、第３のレンズＬ３、第４のレンズＬ４及び第５のレンズＬ５を含む。絞り側に近接する光学面の番号を１として、以下同様にして、絞りから像面方向の光学面まで順番に２、３、４、５、６、７、８、９、１０と番号をつける。本実施例は、光学システムの歪み、色収差及び像面湾曲等の収差を十分に補正し、体積が小さい場合広視野角の効果の達成を確保することができる。

図１１～図１４に示すように、本実施例の各視野の光線は像平面（表示デバイス）におけるスペックルの半径が小さくて均一であり、異なる波長の光線は同一の視野に焦点を合わせて形成したスペックルのずれの度合が低く、光学システムの収差が良く補正された。光学システムにより、全体が均一であり、光学性能が高い表示画像を観察することができる。

接眼レンズ光学システムの概略構成図は、図１５に示すように、目視観察側から表示デバイス側まで光軸方向に同軸で順に配列される第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２、第３のレンズＬ３、第４のレンズＬ４及び第５のレンズＬ５を含む。絞り側に近接する光学面の番号を１として、以下同様にして、絞りから像面方向の光学面まで順番に２、３、４、５、６、７、８、９、１０と番号をつける。本実施例は、光学システムの歪み、色収差及び像面湾曲等の収差を十分に補正し、体積が小さい場合広視野角の効果の達成を確保することができる。

図１６～図１９に示すように、添付図面は光学システム結像の幾何学的構造を反映するものである。本発明の第４の実施例の光学伝達関数ＭＴＦ及びスポットダイアグラムから分かるように、本実施例の各視野の光線は像平面（表示デバイスＩ）におけるスペックルの半径が小さくて均一であり、異なる波長の光線は同一の視野に焦点を合わせて形成したスペックルのずれの度合が低く、光学システムの収差が良く補正された。光学システムにより、全体が均一であり、光学性能が高い表示画像を観察することができる。なかでも、図１８によれば、本発明の第１実施例の光学システムの像面湾曲及びディストーションカープは、本実施例の光学システムの超大の視野及び高い結像品質等の特徴を示している。

接眼レンズ光学システムの概略構成図は、図２０に示すように、目視観察側から表示デバイス側まで光軸方向に同軸で順に配列される第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２、第３のレンズＬ３、第４のレンズＬ４及び第５のレンズＬ５を含む。絞り側に近接する光学面の番号を１として、以下同様にして、絞りから像面方向の光学面まで順番に２、３、４、５、６、７、８、９、１０と番号をつける。本実施例は、光学システムの歪み、色収差及び像面湾曲等の収差を十分に補正し、体積が小さい場合広視野角の効果の達成を確保することができる。

図２１～図２４に示すように、本実施例の各視野の光線の像平面（表示デバイス）における結像は、周波数が５ｌｐの位置に９０％以上を達成した。異なる波長の光線は各視野における結像品質が良く、光学システムの全体の収差が良く補正された。光学システムにより、全体が均一であり、光学性能が高い表示画像を観察することができる。

以上の５つの実施例はいずれも有効焦点距離が１６．９ｍｍであり、視野角２ω＝４４°であり、かつ上記の実施例の各データは、表６に示すように、すべて明細書に記載されるパラメータの要求を満たすものである。

以下に本発明に係る頭部装着型ディスプレイをさらに説明する。

小型画像表示ユニットと、人の目と小型画像表示ユニットとの間に位置する接眼レンズとを備える頭部装着型ディスプレイにおいて、接眼レンズが上記のいずれか１項の接眼レンズ光学システムを含む頭部装着型ディスプレイ。

好ましくは、第５のレンズＬ５における第１０の光学面１０と小型画像表示ユニットとの間の距離が調整可能である。

好ましくは、頭部装着型ディスプレイは２つの同様な前記接眼レンズ光学システムを含む両眼頭部装着型ディスプレイである。２つの光学システムはそれぞれ観察者の左右の目に対応し、観察者は光学システムにより、広視野角、低歪み、低色収差、低像面湾曲、低非点収差等の性能による頭部装着表示効果を得ることができる。

なお、当業者であれば、前記説明に応じて改善又は変形することができる。これらの改善及び変換の全ては、本発明に添付される特許請求の範囲の保護範囲に属すべきである。

Claims

目視観察側から表示デバイス側まで光軸方向に同軸で順に配列される正の屈折力を有する第１のレンズ、負の屈折力を有する第２のレンズ、正の屈折力を有する第３のレンズ、正の屈折力を有する第４のレンズ及び負の屈折力を有する第５のレンズからなる接眼レンズ光学システムであって、前記第２のレンズの焦点距離がｆ-_２であり、前記第３のレンズ及び前記第４のレンズで構成されるレンズ群の焦点距離がｆ_３４であり、前記第５のレンズの焦点距離がｆ_５であり、前記接眼レンズ光学システムのディスプレイから前記第５のレンズの前記ディスプレイに近接する面までの距離である後焦点距離がｆ_ｄであり、システム全長がｆ_ｗであり、かつ以下の関係式（１）、（２）、（３）及び（４）を満たすことを特徴とする、接眼レンズ光学システムであって、
前記第１のレンズが目に向けて突出する第１の光学面と目に向けて凹む第２の光学面とを有し、
前記第２のレンズが目に向けて突出する第３の光学面と目に向けて凹む第４の光学面とを有し、
前記第３のレンズが目に向けて突出する第５の光学面と像面に向けて突出する第６の光学面とを有し、
前記第４のレンズが目に向けて突出する第７の光学面と像面に向けて突出する第８の光学面とを有し、
前記第５のレンズが像面に向けて凹む第９の光学面と目に向けて凹む第１０の光学面とを有することを特徴とする、接眼レンズ光学システム。
前記第１のレンズ、前記第３のレンズ及び前記第４のレンズが全て正レンズであり、前記第２のレンズ及び前記第５のレンズが全て負レンズであり、前記第１のレンズ、前記第２のレンズ、前記第３のレンズ、前記第４のレンズ及び前記第５のレンズがガラス材料又はプラスチック材料であることを特徴とする、請求項１に記載の接眼レンズ光学システム。
前記第１のレンズ、前記第２のレンズ及び前記第３のレンズの材料が以下の関係式（５）、（６）及び（７）を満たし、
なかでも、Ｎｄ_１、Ｎｄ_２、Ｎｄ_３は、それぞれ、前記第１のレンズの材料の屈折率、前記第２のレンズの材料の屈折率及び前記第３のレンズの材料の屈折率であることを特徴とする、請求項２に記載の接眼レンズ光学システム。
前記第１のレンズ、前記第２のレンズ及び前記第３のレンズの材料が以下の関係式（８）、（９）及び（１０）を満たし、
なかでも、Ｖｄ_１、Ｖｄ_２、Ｖｄ_３は、それぞれ、前記第１のレンズ、前記第２のレンズ、前記第３のレンズのアッベ数を示すことを特徴とする、請求項３に記載の接眼レンズ光学システム。
前記第１の光学面から前記第１０の光学面まで、合計１０個の光学面において、幾つかの光学面の表面形状が偶数次非球面の表面形状であり、その表面形状の公式が下記の式（１１）の通りであることを特徴とする、請求項４に記載の接眼レンズ光学システム。
前記第１のレンズにおける前記第２の光学面、前記第３のレンズにおける前記第５の光学面及び前記第６の光学面、前記第４のレンズにおける前記第８の光学面が球面の表面形状であり、ほかの光学面が全て偶数次非球面の表面形状であることを特徴とする、請求項１に記載の接眼レンズ光学システム。
前記第５のレンズの人の目に近接する側の光学面の曲率半径がＲ_５１であり、前記ディスプレイに近接する側の光学面の曲率半径がＲ_５２であり、Ｒ_５１とＲ_５２との間が以下の関係式（１２）を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の接眼レンズ光学システム。
前記第２のレンズの人の目に近接する側の光学面の曲率半径がＲ_２１であり、前記ディスプレイに近接する側の光学面の曲率半径がＲ_２２であり、Ｒ_２１とＲ_２２との間が以下の関係式（１３）を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の接眼レンズ光学システム。
前記第２のレンズ、前記第３のレンズ、前記第４のレンズ及び前記第５のレンズの焦点距離がさらに以下の関係式（１ａ）、（２ａ）、（３ａ）及び（４ａ）を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の接眼レンズ光学システム。
前記第１のレンズ、前記第２のレンズ及び前記第３のレンズの屈折率Ｎｄ_１、Ｎｄ_２、Ｎｄ_３がさらに以下の関係式（５ａ）、（６ａ）及び（７ａ）を満たすことを特徴とする、請求項３に記載の接眼レンズ光学システム。
前記第１のレンズ、前記第２のレンズ及び前記第３のレンズのアッベ数Ｖｄ_１、Ｖｄ_２、Ｖｄ_３がさらに以下の関係式（８ａ）、（９ａ）及び（１０ａ）を満たすことを特徴とする、請求項４に記載の接眼レンズ光学システム。
前記第５のレンズの曲率半径Ｒ_５１とＲ_５２との間がさらに以下の関係式（１２ａ）を満たすことを特徴とする、請求項７に記載の接眼レンズ光学システム。
前記第２のレンズの曲率半径Ｒ_２１とＲ_２２との間がさらに以下の関係式（１３ａ）を満たすことを特徴とする、請求項８に記載の接眼レンズ光学システム。
小型画像表示ユニットと、人の目と前記小型画像表示ユニットとの間に位置する接眼レンズとを備える頭部装着型ディスプレイにおいて、前記接眼レンズが請求項１～１２のいずれか１項に記載の接眼レンズ光学システムを含むことを特徴とする、頭部装着型ディスプレイ。
前記第５のレンズにおける前記第１０の光学面と前記小型画像表示ユニットとの間の距離が調整可能であることを特徴とする、請求項１４に記載の頭部装着型ディスプレイ。
前記頭部装着型ディスプレイは２つの同様な前記接眼レンズ光学システムを含む両眼頭部装着型ディスプレイであることを特徴とする、請求項１４に記載の頭部装着型ディスプレイ。