JP7285263B2 - 接眼光学系及び画像観察装置 - Google Patents
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Description
画像観察装置は、例えばヘッドマウントディスプレイ100(図2参照)である。ヘッドマウントディスプレイ100は、ユーザ(観察者)の眼前に配置される表示面Dsと、後述するレンズ系S1或いはレンズ系S2とを有している。表示面Dsは、例えば、液晶表示装置や、有機EL(electroluminescence)表示装置、マイクロOLED表示装置などである。レンズ系S1(S2)がヘッドマウントディスプレイ100に搭載される場合、2つのレンズ系S1(S2)が左右に並んで配置される。なお、レンズ系S1(S2)が搭載される画像観察装置はヘッドマウントディスプレイ100に限られず、例えばカメラの電子ビューファインダーなどであってもよい。この場合、画像観察装置に搭載されるレンズ系S1(S2)の数は1つでよい。
図3は第1の実施形態に係るレンズ系S1の構成を示す図である。レンズ系S1は1枚のフレネルレンズFLで構成されている。レンズ系は、後において説明するように、2枚のフレネルレンズで構成されてもよい。フレネルレンズFLは、表示面Ds側に向いているレンズ面Lfを有している。レンズ面Lfはフレネル構造を有している。フレネルレンズFLは、レンズ面Lfとは反対側に、レンズ面Lnを有している。レンズ面Lnは、例えば、凸状の非球面形状を有する。
式(1):
0mm≦X≦10mm:P=0.00021(X-10)^4+0.6
10mm<X:P=0.6mm
式(1)において、「P」は溝ピッチ(mm)であり、「X」は光軸LC(レンズ中心)からの距離(mm)である。また、図5のグラフにおいて、光軸LCからの距離が0mmでの溝ピッチは、光軸LCから最も内側に位置している溝までの距離を意味する。言い換えれば、光軸LCからの距離が0mmでの溝ピッチは、レンズの中心にあるプリズム3(図1おいてプリズム3A)の半径である。これらの定義は、以降の説明において同様である。
条件(1-1):
破線PL2:P≦(0.00021(X-10)^4+0.6)×1.5
破線PL3:P≧(0.00021(X-10)^4+0.6)×0.5
線PL2:P≦0.9
線PL3:0.3≦P
条件(2-1):
P≦(0.00021(X-10)^4+0.6)×1.5
P≧(0.00021(X-10)^4+0.6)×0.9
溝ピッチが条件(2-1)の範囲を満たすことにより、溝ピッチが条件(2-1)の範囲よりも小さくなる場合に比して、解像度(精細度)の高い像を得ることが容易となる。
条件(2-2):
0.54≦P≦0.90
溝ピッチが条件(2-2)の範囲を満たすことにより、溝ピッチが条件(2-2)の範囲よりも小さくなる場合に比して、10mm<Xの領域で解像度(精細度)の高い像を得ることが容易となる。
条件(3-1):
P≦(0.00021(X-10)^4+0.6)×1.1
P≧(0.00021(X-10)^4+0.6)×0.5
溝ピッチが条件(3-1)の範囲を満たすことにより、輪線を低減することがさらに容易となる。
条件(3-2):
0.30≦P≦0.66
溝ピッチPが条件(3-2)の範囲を満たすことにより、10mm<Xの領域で輪線を低減することが、さらに容易となる。
条件(4)
光軸LCからの距離が0mmの位置:1.35≦P≦4.05mm
光軸LCからの距離が5mmの位置:0.37≦P≦1.10mm
光軸LCからの距離が10mmの位置:0.30≦P≦0.90mm
溝ピッチPが条件(4)の範囲内であることにより、条件(4)の範囲よりも大きくなる場合に比して、輪線を低減することが容易となる。また、溝ピッチPが条件(4)の範囲よりも小さくなる場合に比して、解像度(精細度)の高い像を得ることが容易となる。
条件(5)
光軸LCからの距離が0mmの位置:2.43≦P≦4.05mm
光軸LCからの距離が5mmの位置:0.66≦P≦1.10mm
光軸LCからの距離が10mmの位置:0.54≦P≦0.9mm
溝ピッチPが条件(5)の範囲内であることにより、溝ピッチが条件(5)の範囲よりも小さくなる場合に比して、解像度(精細度)の高い像を得ることが容易となる。
条件(6)
光軸LCからの距離が0mmの位置:1.35≦P≦2.97mm
光軸LCからの距離が5mmの位置:0.37≦P≦0.80mm
光軸LCからの距離が10mmの位置:0.30≦P≦0.66mm
溝ピッチPが条件(6)の範囲内であることにより、条件(6)の範囲よりも大きくなる場合に比して、輪線を低減することが容易となる。
図6は第2の実施形態に係るレンズ系S2の構成を示す図である。レンズ系S2は光軸方向で並んでいる2枚のフレネルレンズFL1、FL2で構成されている。第1のフレネルレンズFL1は、表示面Ds側に向いているレンズ面L1nを有している。レンズ面L1nは、例えば、非球面形状のレンズ面である。第1のフレネルレンズFL1は、レンズ面L1nとは反対側に、フレネル構造を有しているレンズ面L1fを有している。第2のフレネルレンズFL2は、第1のフレネルレンズFL1に向いており且つフレネル構造を有しているレンズ面L2fを有している。したがって、第1のフレネルレンズFL1のレンズ面L1fと第2のフレネルレンズFL2のレンズ面L2fは互いに向き合っている。第2のフレネルレンズFL2は、レンズ面L2fとは反対側に、概平面L2nを有している。
式(2):
0mm≦X≦18mm:P=-0.00039(X-18)^3+0.2
18mm<X:P=0.2mm
なお、図7のグラフにおいても、式(2)において、「P」は溝ピッチ(mm)であり、「X」は光軸LC(レンズ中心)からの距離(mm)である。また、図7のグラフにおいて、光軸LCからの距離が0mmでの溝ピッチは、光軸LCから最も内側に位置している溝までの距離を意味する。
条件(7-1):
破線PL5:P≦(-0.00039(X-18)^3+0.2)×1.5
破線PL6:P≧(-0.00039(X-18)^3+0.2)×0.5
条件(7-2):
破線PL5:P≦0.3
破線PL6:0.1≦P
溝ピッチが条件(7-2)の範囲を満たすことにより、溝ピッチが条件(7-2)の範囲よりも大きくなる場合に比して、18mm<Xの領域で輪線を低減することが容易となる。また、条件(7-2)の範囲よりも小さくなる場合に比して、18mm<Xの領域で解像度(精細度)の高い像を得ることが容易となる。
P≦(-0.00039(X-18)^3+0.2)×1.5
P≧(-0.00039(X-18)^3+0.2)×0.9
溝ピッチが条件(8-1)の範囲を満たすことにより、溝ピッチが条件(8-1)の範囲よりも小さくなる場合に比して、解像度(精細度)の高い像を得ることが容易となる。
条件(8-2):
0.18≦P≦0.30
溝ピッチが条件(8-2)の範囲を満たすことにより、18mm<Xの領域で輪線を低減することが、さらに容易となる。
P≦(-0.00039(X-18)^3+0.2)×1.2
P≧(-0.00039(X-18)^3+0.2)×0.5
溝ピッチが条件(9-1)の範囲を満たすことにより、輪線を低減することがさらに容易となる。
条件(9-2):
0.10≦P≦0.24
溝ピッチが条件(9-2)の範囲を満たすことにより、18mm<Xの領域で輪線を低減することが、さらに容易となる。
条件(10)
光軸LCからの距離が0mmの位置:1.25≦P≦3.75mm
光軸LCからの距離が5mmの位置:0.53≦P≦1.59mm
光軸LCからの距離が18mm以上となる位置:0.10≦P≦0.30mm
溝ピッチが条件(10)の範囲内であることにより、条件(10)の範囲よりも大きくなる場合に比して、輪線を低減することが容易となる。また、溝ピッチが条件(10)の範囲よりも小さくなる場合に比して、解像度(精細度)の高い像を得ることが容易となる。なお、条件(10)において、光軸LCからの距離が10mmの位置で0.20≦P≦0.60mmが満たされてもよい。
条件(11)
光軸LCからの距離が0mmの位置:2.22≦P≦3.75mm
光軸LCからの距離が5mmの位置:0.95≦P≦1.59mm
光軸LCからの距離が18mm以上となる位置:0.18≦P≦0.30mm
溝ピッチPが条件(11)の範囲内であることにより、溝ピッチが条件(11)の範囲よりも小さくなる場合に比して、解像度(精細度)の高い像を得ることが容易となる。なお、条件(11)において、光軸LCからの距離が10mmの位置で0.35≦P≦0.60mmが満たされてもよい。
条件(12)
光軸LCからの距離が0mmの位置:1.24≦P≦2.97mm
光軸LCからの距離が5mmの位置:0.53≦P≦1.27mm
光軸LCからの距離が18mm以上となる位置:0.10≦P≦0.24mm
溝ピッチPが条件(12)の範囲内であることにより、条件(12)の範囲を超える場合に比して、輪線を低減することが容易となる。なお、条件(12)において、光軸LCからの距離が10mmの位置で0.20≦P≦0.48mmが満たされてもよい。
条件(13)
光軸LCからの距離が0mmの位置:2.22≦P≦3.75mm
光軸LCからの距離が5mmの位置:0.53≦P≦1.27mm
光軸LCからの距離が18mm以上となる位置:0.10≦P≦0.30mm
溝ピッチPが条件(13)の範囲内であることにより、レンズ中心部で解像度(精細度)の高い像を得ることが容易となる。なお、条件(13)において、光軸LCからの距離が10mmの位置で0.20≦P≦0.48mmが満たされてもよい。
以下では、溝ピッチについての上述した条件の特定手順を説明する。
次に、全表示領域に亘って輝度が均一な画像を、準備したフレネルレンズ(レンズ系)を通して撮影した。図8は、その撮影条件を示す図である。この図に示すように、表示装置101から離してレンズ系Sを配置し、そのレンズ系Sから離して、カメラ本体103とレンズ102とからなるカメラユニット104を配置した。レンズ系Sからカメラユニット104までの距離Z1は12mmとした。表示装置101としては、Samsung Electronics株式会社製の「GalaxyS8」を使用し、カメラ本体103としては、ソニー株式会社製の「α6500」を使用し、レンズ102はソニー株式会社製の「SEL1018」を使用した。なお、表示装置101の画素を区画するブラックマトリックスは輪線の評価にとってノイズとなる可能性があるので、ブラックマトリックスが撮影画像に写らないようにレンズ系Sの位置(表示装置101からの距離Z2)を調整した。また、輪線は画面が明るいほど発生しやすいので、カメラ本体103の絞りは、明るい時の人間の瞳孔の大きさφ2.5mmに相当するF4.0とした。また、カメラ本体103の露出は、白飛びしない範囲でできるだけ明るい撮影画像が得られるように調整した。
図9のグラフで示されるように、視線角度に応じた階調値を撮影画像から得た。具体的には、撮影画像上の座標と視線角度との関係を、光線追跡(光路の演算)により算出した。そして、撮影画像から得られる座標と階調値との関係から、視線角度と階調値との関係を得た。こうして得られた階調値は視線角度に応じて漸進的に減少する。ここで、視線角度は、光軸LCに対する視線Vの角度θである(図10参照)。
階調値の変化から、空間周波数とコントラストの逆数とを算出した。空間周波数は次の式で定義され、視線角度に対応する空間周波数を算出することができる。ω=1/(x2-x0)
この式において、「ω」は空間周波数であり、「x0」と「x2」は、図9に示すように、隣り合う2つのピークの視線角度である。また、コントラストの逆数は、次の式で定義される。
Ci=(AVERAGE(y2,y0)+y1)/(AVERAGE(y2,y0)-y1)
Ciはコントラストの逆数である。y0、y1、y2は、それぞれ視線角度がx0、x1、x2の位置での階調値である。AVERAGE(y2,y0)は、隣り合う2つのピークの平均である。(以下では、コントラストの逆数を「コントラスト逆数」と称する。)
Cs=A1×ω+A2×ω^2+A3×ω^3
+A4×ω^4+A5×ω^5+A6×ω^6
+A7×ω^7+A8×ω^8+A9×ω^9
Csはコントラスト感度であり、ωが空間周波数である。A1~A9は図11Bの表で示す係数である。
式(3):η=Ci-Cs+5×(θ-40)
「η」が輪線評価値である。また、「Ci」は撮影画像から得られるコントラスト逆数である。「Cs」は、上述した空間周波数ωと、係数A1~A9(図11B参照)とで表されるコントラスト感度である。「θ」は視線角度である。なお、輪線評価値ηの算出には、図9に示す3点が必要である。そのため、輪線評価値ηは極小値(図9においてy1)のある位置で算出され得る。
まず、1枚のフレネルレンズだけで構成されるレンズ系SG、SH、SIから得られた結果を示す。レンズ系SG、SH、SIはそれぞれ1枚のフレネルレンズFLを有する。
次に、2枚のフレネルレンズで構成されるレンズ系SA、SB、SC、SD、SEから得られた結果を示す。
Claims (9)
- 少なくとも1つのフレネルレンズを有する接眼光学系であって、
前記少なくとも1つのフレネルレンズのレンズ面は、同心円状に形成されている複数の溝を有し、
隣り合う2つの溝の間の距離であるピッチと前記複数の溝の深さの双方が、前記少なくとも1つのフレネルレンズの中心を通る光軸からの距離に応じて、前記少なくとも1つのフレネルレンズの径方向に連続的に並んでいる複数の溝に亘って漸進的に変化し、
前記少なくとも1つのフレネルレンズの数は1枚であり、
前記フレネルレンズの中心からの距離をX(mm)とし、前記ピッチをP(mm)としたとき、0mm≦X≦10mmの範囲では、XとPが以下の条件を満たす
P≦(0.00021(X-10)^4+0.6)×1.5
P≧(0.00021(X-10)^4+0.6)×0.5
接眼光学系。 - 前記溝の深さは、前記光軸からの距離に応じて漸進的に増大する範囲を有し、
前記溝のピッチは、前記範囲の少なくとも一部において、前記光軸からの距離に応じて漸進的に減少する
請求項1に記載の接眼光学系。 - 10mm<Xの範囲では、Pが以下の条件を満たす
0.3≦P≦0.9
請求項1に記載の接眼光学系。 - 前記光軸からの距離が0mmの位置で、前記ピッチが1.35mm以上、4.05mm以下であり、
前記光軸からの距離が5mmの位置で、前記ピッチが0.37mm以上、1.10mm以下であり、
前記光軸からの距離が10mmの位置で、前記ピッチが0.30mm以上、0.90mm以下である
請求項1に記載の接眼光学系。 - 少なくとも1つのフレネルレンズを有する接眼光学系であって、
前記少なくとも1つのフレネルレンズのレンズ面は、同心円状に形成されている複数の溝を有し、
隣り合う2つの溝の間の距離であるピッチと前記複数の溝の深さの双方が、前記少なくとも1つのフレネルレンズの中心を通る光軸からの距離に応じて、前記少なくとも1つのフレネルレンズの径方向に連続的に並んでいる複数の溝に亘って漸進的に変化し、
前記少なくとも1つのフレネルレンズは、光軸方向で並んでいる第1のフレネルレンズと第2のフレネルレンズとを含み、
前記光軸からの距離をX(mm)とし、前記第1のフレネルレンズと前記第2のフレネルレンズのそれぞれにおける前記ピッチをP(mm)としたとき、0mm≦X≦18mmの範囲では、XとPが以下の条件を満たす
P≦(-0.00039(X-18)^3+0.2)×1.5
P≧(-0.00039(X-18)^3+0.2)×0.5
接眼光学系。 - 前記溝の深さは、前記光軸からの距離に応じて漸進的に増大する範囲を有し、
前記溝のピッチは、前記範囲の少なくとも一部において、前記光軸からの距離に応じて漸進的に減少する
請求項5に記載の接眼光学系。 - 18mm<Xの範囲では、XとPが以下の関係を有する
0.10≦P≦0.30
請求項5に記載の接眼光学系。 - 前記第1のフレネルレンズと前記第2のフレネルレンズのそれぞれについて、
前記光軸からの距離が0mmの位置で、前記ピッチが1.25mm以上、3.75mm以下であり、
前記光軸からの距離が5mmの位置で、前記ピッチが0.53mm以上、1.59mm以下であり、
前記光軸からの距離が18mm以上の範囲で、前記ピッチが0.10mm以上、0.30mm以下である
請求項5に記載の接眼光学系。 - 請求項1乃至8のいずれかに記載の接眼光学系を有している画像観察装置。
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