JP7485857B2 - 光学システム及び頭部装着型表示機器 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０２１年１１月３０日に中国特許庁に出願された、出願番号が２０２１１１４５０３８３．９であり、発明の名称が「光学システム及び頭部装着型表示機器」である中国特許出願の優先権を主張し、その全ての内容は、参照により本願に組み込まれる。

本願は、光学結像の技術分野に関し、より具体的に、本願は、光学システム及び頭部装着型表示機器に関する。

近年、拡張現実（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ、ＡＲ）技術及び仮想現実（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ、ＶＲ）技術などは、スマートウェアラブル機器に適用され、急速に発展している。拡張現実技術及び仮想現実技術の核心部品は、いずれも表示光学システムである。表示光学システムの表示効果の良否によって、スマートウェアラブル機器の品質が直接に決定される。

従来の関連技術は、ＶＲ機器を例とする。従来のＶＲ機器の多くは、１枚式レンズ＋表示画面（ｄｉｓｐｌａｙ）の組み合わせによって形成された表示光学システムを用いている。しかし、光路結像要件に基づき、レンズが表示画面から遠く離れることになり、その結果、ＶＲ機器のサイズが大きくなり、製品の小型化に不利であり、ユーザの装着時の使用感が悪くなる恐れがある。また、現在のＶＲ機器には、折り返し光路を採用する技術案もあり、この技術案は、ＶＲ機器の小型化、軽量化を実現できるが、製作コストが高く、光効率が低く（＜２５％）、ゴーストが生じるという問題がある。

本願の目的は、光学システム及び頭部装着型表示機器の新しい技術案を提供することにある。

本願の１つの局面によれば、光学システムが提供されている。前記光学システムは、入射光の伝播方向に沿って順次に接合して設けられた第三のレンズ、第二のレンズ及び第一のレンズを含み、
前記第一のレンズと前記第二のレンズとの接合する２つの面がともにフレネル面である。

選択的に、前記第一のレンズ及び前記第二のレンズの屈折力がともに正であり、前記第三のレンズの屈折力が負である。

選択的に、前記第一のレンズの有効焦点距離ｆ１と前記光学システムの有効焦点距離ｆとが、１．５＜ｆ１／ｆ＜２．２２を満たし、
前記第二のレンズの有効焦点距離ｆ２と前記光学システムの有効焦点距離ｆとが、１．５＜ｆ２／ｆ＜２．２２を満たし、
前記第三のレンズの有効焦点距離ｆ３と前記光学システムの有効焦点距離ｆとが、－９＜ｆ３／ｆ＜－５を満たす。

選択的に、前記第一のレンズの有効焦点距離ｆ１が３０ｍｍ≦ｆ１≦４０ｍｍであり、
前記第二のレンズの焦点距離ｆ２が３０ｍｍ≦ｆ２≦４０ｍｍであり、
前記第三のレンズの焦点距離ｆ３が－１８０ｍｍ≦ｆ３≦－１００ｍｍであり、
前記第一のレンズ、前記第二のレンズ及び前記第三のレンズが同一光軸上に位置する。

選択的に、前記光学システムの有効焦点距離ｆが１８ｍｍ≦ｆ≦２０ｍｍである。

選択的に、接合する２つの前記フレネル面がコバ領域で額縁接合方式によって接合接続される。

選択的に、前記第二のレンズと前記第三のレンズとの接合する２つの面がともに非球面である。

選択的に、接合する２つの前記非球面は、
２つの前記非球面がコバ領域で額縁接合方式によって接合接続される方式と、
２つの前記非球面の間が面接合方式によって接合接続される方式とのうち、いずれかの方式で接合接続される。

選択的に、前記第一のレンズと前記第二のレンズとの間、及び前記第二のレンズと前記第三のレンズとの間が、それぞれ光透過性の光学接着剤を介して接合されており、前記光学接着剤の屈折率が１．１～１．３である。

本願のもう１つの局面によれば、頭部装着型表示機器が提供されている。

前記頭部装着型表示機器は、上記のいずれか一種の光学システムを含む。

本願の有益な効果は、次のとおりである。

本願の実施例では、直接透過型光路構造設計が提案されており、３枚の光学レンズを接合するとともに、光学レンズの面形状を最適化設計することで、短焦点、高光効率、高解析力の光学要件が実現され、形成された光学システムは、例えば頭部装着型表示機器（例えば、ＶＲ機器）に適用可能である。

本願のその他の特徴及びその利点は、以下に図面を参照して本願の例示的な実施例について行われる詳しい説明によって明らかになる。

本願の実施例又は先行技術における技術案をより明確に説明するために、以下、実施例又は先行技術の説明に必要な図面を簡単に紹介する。明らかなことに、以下の説明における図面は本願の一部の図面に過ぎず、当業者にとって、創造的な努力をすることなく、提供された図面に基づいて他の図面を得ることもできる。

本願の実施例による光学システムの構造模式図である。 本願の実施例１による光学システムの結像原理の模式図である。 本願の実施例１による光学システムのスポットダイアグラムである。 本願の実施例１による光学システムの像面湾曲及び歪曲収差図である。 本願の実施例１による光学システムの分散マップである。 本願の実施例２による光学システムの結像原理の模式図である。 本願の実施例２による光学システムのスポットダイアグラムである。 本願の実施例２による光学システムの像面湾曲及び歪曲収差図である。 本願の実施例２による光学システムの分散マップである。 本願の実施例３による光学システムの結像原理の模式図である。 本願の実施例３による光学システムのスポットダイアグラムである。 本願の実施例３による光学システムの像面湾曲及び歪曲収差図である。 本願の実施例３による光学システムの分散マップである。

以下、本願の実施例における図面を参照して本願の実施例の技術案を説明するが、明らかなことに、記載された実施例は、本願の一部の実施例に過ぎず、全ての実施例ではない。本願の実施例に基づいて創造的な努力をせずに当業者によって得られた他の全ての実施例は、本願の保護範囲に属する。

以下の少なくとも１つの例示的な実施例に対する説明は、実際には単なる説明的なものであり、決して本願及びその適用又は使用に対するいかなる制限にもならない。

当業者に知られている技術、方法及び機器については、詳細な説明がなされないかもしれないが、適宜な場合、かかる技術、方法及び機器は、明細書の一部とみなされるべきである。

ここに示され議論される全ての例では、いずれの具体的な値も、制限とすべきではなく、単なる例示として解釈されるべきである。そのため、例示的な実施例の他の例では、異なる値を持っていてもよい。

なお、類似する符号及び英文字は、以下の図面において類似項目を表し、従って、ある項目が１つの図面において定義されれば、以降の図面においてそれをさらに議論する必要がないことに注意すべきである。

以下、図１から図１３を参照して、本願の実施例による光学システム及び頭部装着型表示機器について、詳しく説明する。

本願の実施例の１つの局面によれば、光学システムが提供されている。前記光学システムは、短焦点、高光効率、高解析力の直接透過型光学システムであり、例えばＶＲ機器（例えばＶＲメガネやＶＲヘルメット等）のような頭部装着型表示機器（ｈｅａｄ ｍｏｕｎｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ、ＨＭＤ）といった電子機器に好適に適用され、良い応用が期待できる。

本願の実施例による光学システムは、図１、図２、図６及び図１０に示すように、入射光の伝播方向に沿って順次に設けられた第三のレンズ３、第二のレンズ２及び第一のレンズ１を含み、前記第一のレンズ１と前記第二のレンズ２との接合する２つの面がともにフレネル面である。

本願の実施例による光学システムは、直接透過型光路構造設計であり、光路構造全体の設計が比較的に簡単であるから、光学システムの製作が比較的に容易である。

図２、図６及び図１０に示すように、前記光学システムは、表示画面（ｄｉｓｐｌａｙ）４をさらに含んでもよい。前記表示画面４は、光路構造内で、光線、即ち上記入射光を射出するために使用可能である。

つまり、本願の実施例による光学システム技術案においては、例えば接合して設けられた３つの光学レンズを含むレンズの組み合わせが１つ設計されており、図１、図２、図６及び図１０に示すように、前記入射光（例えば表示画面４から発した光）を人の目５に投射して結像するために用いるができる。

本願の実施例による光学システムは、３つの光学レンズを接合した設計により、即ち、光学システム内の前記第一のレンズ１、前記第二のレンズ２及び前記第三のレンズ３を接合することにより、超短焦点、高光効率、高解析の光学構造設計要件を実現できる。また、３つの光学レンズの接合と、各レンズの面形状の最適化設計との両方により、結像品質の向上にも寄与する。

さらに言えば、本願の実施例による光学システムの結像スポットサイズ（ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ）は１５°視野内で５０μｍ未満であり、全視野で８８μｍ未満である。

３つのレンズを接合した設計により、光学システムの迷光を低減することもできる。

また、接合後に形成された接合レンズの組み合わせを１つの光学組立体とすることができるため、光学組立体の組み立ての難易度が低下され、レンズ間での組み立てによる不純物の発生リスクが低減され、歩留まりが向上される。

総合的に比較すると、本願の実施例による技術案は、レンズが表示画面から遠く離れて、ＶＲ機器のサイズが大きくなり、製品の小型化に不利であり、光効率が低いという従来の１枚式レンズ＋表示画面（ｄｉｓｐｌａｙ）の組み合わせの技術案による問題を解消した。それと同時に、折り返し光路を用いたことによる欠陥を改善することができ、その加工難易度及び生産コストが比較的低く、直接透過型光学構造も折り返し光路よりも簡単である。

例えば、図１及び図２に示すように、前記光学システムには、例えば１．４インチディスプレイであって、１００度の視野角を実現した表示画面４が設けられている。その上では、通常の１枚式レンズ（１Ｐ）構造又は２枚式レンズ（２Ｐ）構造の何れも、このタイプの表示画面を解像するのに不十分である。その原因は次のとおりである。

１枚式レンズ（１Ｐ）は、２つの表面の面形状自由度の最適化しかできず、その集光能力に限界があり、収差又は色収差も補正できず、全視野で解像可能な画素の大きさ（結像スポットサイズ；ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ）が約８０μｍ～１００μｍであり、さらに肝心なことは、短焦点という目的を達成できない問題がある。

２枚式レンズ（２Ｐ）は、レンズ表面の面形状最適化の自由度を増加させており、短焦点を実現できるが、解析力の制限が依然として存在し、比較的に良い結像品質要件を達成することができない。

本願の実施例技術案において、３つの光学レンズを接合することで、光学全長ＴＴＬを短縮する目的を達成することもできるし、迷光の発生を低減する（例えば、空気間隔での光線の乱反射回数及び放射面積を低減することにより、それによる迷光を低減する）こともできる。

本願の技術案では、短焦点光路構造が提供されており、そのうち、接合された２つのフレネル面を用いて、大きな屈折力（ｆｏｃａｌ ｐｏｗｅｒ）を提供している一方で、色収差の影響を考慮し、それに合わせて前記第三のレンズ３も用いて色収差をなくすようにしている。

説明すべきなのは、本願の実施例による技術案において、前記第一のレンズ１のフレネル面及び前記第二のレンズ２のフレネル面は、平面ベースを含むが、これに限定されるものではない。

つまり、前記第一のレンズ１のフレネル面及び前記第二のレンズ２のフレネル面が曲面ベースであってもよい。また、例えば、そのうちの１つのフレネル面が曲面ベースであり、もう１つのフレネル面が平面ベースである。曲面ベースの設計により、レンズのさらなる薄型化が可能になるため、光学システムの総質量の軽減に寄与する。当業者は、具体的な状況に応じてフレネル面のベースの形態を適切に調整可能であり、本願はここで具体的に限定しない。

本願のいくつかの例では、前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２の屈折力がともに正であり、前記第三のレンズ３の屈折力が負である。

本願の実施例による光学システムにおいて、前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２がともに正レンズとして設計され、前記第三のレンズ３が負レンズとして設計されており、２つの正レンズにより、大きな正屈折力を提供可能である一方で、負レンズの参加により、色収差をなくすことが可能となる、ということが理解できる。

図１、図２、図６及び図１０に示すように、前記第一のレンズ１と前記第二のレンズ２との接合する２つの表面がともにフレネル面である。

つまり、光路構造には、隣接して設けられた２つのフレネル面を有し、且つこれら２つのフレネル面が接合して設けられるように設計されている。この設計により、光路構造の低分散及び短焦点を実現できるとともに、迷光を低減することもできるため、形成された光学システムに高光効率の特徴を具備させるようになる。

本願のいくつかの例では、図１に示すように、前記第一のレンズ１が第一の表面１１及び第二の表面１２を含み、前記第二のレンズ２が第三の表面２１及び第四の表面２２を含み、光学システム全体において、前記第二の表面１２と前記第三の表面２１とが接合して設けられ、両方ともフレネル面に設定されており、前記第一の表面１１及び前記第四の表面２２がともに非球面である（さらに、これら２つの表面がともに凸面である）。

選択的に、本願の実施例の設計では、前記第一のレンズ１の第一の表面１１及び第二の表面１２には、それぞれ反射防止膜（Ａｎｔｉ－Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇ、ＡＲ）がメッキされている。

前記第一のレンズ１の２つの表面にそれぞれ反射防止膜がメッキされた場合、前記反射防止膜によって反射光が低減されることで、前記第一のレンズ１の２つの表面での光線の透過率を高めることができる。

選択的に、前記第一のレンズ１の第一の表面１１には、前記反射防止膜の他に、さらに硬化膜がメッキされている。

これは、前記第一のレンズ１の第一の表面１１が外部に面しているため、擦り傷、打ち傷などの損傷を回避する必要があり、前記硬化膜をメッキすることで、前記第一のレンズ１の使用寿命を延ばすことができるからである。前記第一の表面１１に硬化膜をメッキすること、即ち、前記第一の表面１１に対して硬化処理を行うことで、前記第一の表面１１の硬度、強度等を向上させることができる。これは、光学システム全体の使用寿命を延ばすのに有利である。

もちろん、本願の実施例では、前記第一のレンズ１の第一の表面１１に硬化膜がメッキされているのに限らず、前記第一のレンズ１の第二の表面１２に硬化膜がメッキされていてもよく、当業者は、具体的なニーズに応じて柔軟に調整可能であり、本願はここで具体的に制限しない。

また、本願の実施例では、前記第一のレンズ１は、以下のパラメータをさらに有する。

本願のいくつかの例では、前記第一のレンズ１の第一の表面１１の半径Ｒ_１の絶対値が、４０ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ_１）≦５０ｍｍを満たし、前記第一のレンズ１の第二の表面１２の半径Ｒ_２の絶対値が、２０ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ_２）≦４０ｍｍを満たし、前記第一の表面１１及び前記第二の表面１２の円錐係数Ｋ_１の絶対値が、Ａｂｓ（Ｋ_１）≦２０を満たす。

そのうち、前記第一の表面１１と前記第二の表面１２とは、面形状の設計が異なる。具体的に、外側を向く前記第一の表面１１が非球面（例えば凸面）に設計されるのに対して、前記第二の表面１２がフレネル面に設計されており、フレネル面と非球面との組み合わせによって形成された第一のレンズ１を光路構造に適用することで、短焦点、高解像の効果の実現に寄与する。

本願の実施例では、前記第一のレンズ１の面形状を最適化した後、加工難易度及びコストを考慮すると、前記第一のレンズ１の円錐係数（Ｃｏｎｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）、即ちＫ_１値を例えば［－１０，１０］に設計し、かつ、前記第一のレンズ１のフレネル面の半径Ｒを２３ｍｍよりも大きく設定することがより好ましい。

本願のいくつかの例では、図１に示すように、前記第二のレンズ２が第三の表面２１及び第四の表面２２を含み、そのうち、前記第三の表面２１がフレネル面に設計され、前記第四の表面２２が非球面（例えば凸面）に設計されている。

選択的に、前記第三の表面２１及び第四の表面２２にも反射防止膜がメッキされている。

そのうち、前記反射防止膜によって反射光が低減されることで、前記第二のレンズ２の２つの表面での光線の透過率を高められる。

また、本願の実施例では、前記第二のレンズ２は、以下のパラメータをさらに有する。

本願のいくつかの例では、前記第二のレンズ２の第三の表面２１の半径Ｒ_３の絶対値が、２０ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ_３）≦３０ｍｍを満たし、前記第二のレンズ２の第四の表面２２の半径Ｒ_４の絶対値が、５０ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ_４）≦９０ｍｍを満たし、前記第三の表面２１及び前記第四の表面２２の円錐係数Ｋ_２の絶対値が、Ａｂｓ（Ｋ_２）≦２０を満たす。

本願の実施例では、前記第二のレンズ２の面形状を最適化した後、加工難易度及びコストを考慮すると、前記第二のレンズ２の円錐係数（Ｃｏｎｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）、即ちＫ_２値を［－１０，１０］に設計し、かつ、前記第二のレンズ２のフレネル面の半径を２３ｍｍよりも大きく設定することがより好ましい。これは、前記第一のレンズ１と基本的に同じである。

説明すべきなのは、前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２がともにフレネル面を有する。レンズの面形状の加工を考慮すると、面形状のパラメータをある範囲内に設定する必要があり、さもなければ、加工精度が低かったり、カッタが破損したりするリスクがある（これは、歯形の加工が難しくて、歯形の鋭角が小さいほど、加工の傾斜角及び動作が難しくなるからである）。だからこそ、円錐係数Ｋ値を［－１０，１０］の範囲に設定し、各レンズのフレネル面のＲ値を２３ｍｍ以上に設定することが好ましい。

本願の実施例による技術案において、前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２、即ち２つの正レンズのいずれについても、非球面（例えば凸面）＋フレネル面の組み合わせ形態を利用可能であり、屈折率＆アッベ数の異なる材料の選択と組み合わせに基づいて、光路構造の低分散及び短焦点を実現した。

本願のいくつかの例では、図１に示すように、前記第三のレンズ３が第五の表面３１及び第六の表面３２を含み、そのうち、前記第五の表面３１と前記第二のレンズ２の第四の表面２２とも接合して設けられており、前記第五の表面３１が非球面であり、このように、前記第三のレンズ３と前記第二のレンズ２との間が非球面接合の形態が形成される。

例えば、前記第三のレンズ３の屈折力が負である。

本願の技術案の設計では、前記第三のレンズ３は、中央が薄く周辺が厚いレンズである負レンズとされ、光を発散させる能力を有する。前記第三のレンズ３は、光路構造全体で色収差をなくすために使用可能である。

前記第三のレンズ３は、例えば、両凹レンズ（即ち、２つの表面がともに凹面）であってもよいし、平凹レンズ（即ち、一方の表面が凹面で、他方の表面が平面）であってもよい。

好ましくは、前記第五の表面３１が凹面に設定され、前記第六の表面３２が平面又は凹面に設定されている。このように、前記第三のレンズ３の凹面と前記第二のレンズ２の凸面とが良好に接合されて、非球面接合を形成可能となる。

選択的に、前記第五の表面３１及び前記第六の表面３２には、ともに反射防止膜（Ａｎｔｉ－Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇ、ＡＲ）がメッキされている。

前記第三のレンズ３の２つの表面にそれぞれ反射防止膜がメッキされた場合、前記反射防止膜によって反射光が低減されることで、前記第三のレンズ３の２つの表面での光線の透過率を高めることができる。

また、本願の実施例では、前記第三のレンズ３は、以下のパラメータをさらに有する。

本願のいくつかの例では、前記第三のレンズ３の第六の表面３２の半径Ｒ_６の絶対値が、２００ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ_６）≦５００ｍｍを満たす。

そのうち、前記第六の表面３２と前記表示画面４とが隣接して設けられている。

本願の１つの具体的な例において、図１に示すように、前記光学システムは、表示画面４と、前記第一のレンズ１と、前記第二のレンズ２と、前記第三のレンズ３とを含んでもよく、前記表示画面４から射出された入射光は、反射防止膜がメッキされた前記第三のレンズ３の第六の表面３２を経て前記第三のレンズ３の内部に入り込み、前記第三のレンズ３を経た伝達光線は、発散されてから前記第二のレンズ２に入り込み、前記第二のレンズ２の２つの表面の両方にも反射防止膜がメッキされているため、光線は、前記第二のレンズ２を経て集光され、そして、前記第一のレンズ１に入り込み、前記第一のレンズ１も集光する正レンズであり、前記第一のレンズ１の光線伝送を経た後、人の目５に入り込んで結像する。光学システム全体に光路の折り返しがなく、かつ、各レンズの表面のいずれにも反射防止膜がメッキされているため、光線の伝達効率が高い。

本願のいくつかの例では、前記第一のレンズ１の有効焦点距離ｆ_１と前記光学システムの有効焦点距離ｆとが、１．５＜ｆ_１／ｆ＜２．２２という関係を満たし、前記第二のレンズ２の有効焦点距離ｆ_２と前記光学システムの有効焦点距離ｆとが、１．５＜ｆ_２／ｆ＜２．２２という関係を満たし、前記第三のレンズ３の有効焦点距離ｆ_３と前記光学システムの有効焦点距離ｆとが、－９＜ｆ_３／ｆ＜－５という関係を満たす。

本願の実施例による光学システムは、有効焦点距離ｆ値が小さいという特徴を有する。

本願のいくつかの例では、前記第一のレンズ１の有効焦点距離ｆ_１が３０ｍｍ≦ｆ_１≦４０ｍｍであり、前記第二のレンズ２の焦点距離ｆ_２が３０ｍｍ≦ｆ_２≦４０ｍｍであり、前記第三のレンズ３の焦点距離ｆ_３が－１８０ｍｍ≦ｆ_３≦－１００ｍｍであり、前記第一のレンズ１、前記第二のレンズ２及び前記第三のレンズ２が同一光軸上に位置する。

本願のいくつかの例では、前記光学システムの有効焦点距離ｆが１８ｍｍ≦ｆ≦２０ｍｍである。

さらに、前記光学システムの有効焦点距離ｆが１９．０ｍｍ～１９．５ｍｍである。

そのうち、前記第一のレンズ１の有効焦点距離ｆ_１及び前記第二のレンズ２の焦点距離ｆ２がともに前記レンズ群の有効焦点距離ｆよりも大きい。本願では、短焦点の光学システムが提供されている。光学システム全体に光路の折り返しがなく、直接透過型の光学システムになっており、高鮮明な結像を実現できる。

本願の実施例による技術案において、異なるレンズ間の接合方式は２種類ある。

（１）レンズのコバ領域のみを接合することにより、接合されたレンズを密着させる方式であり、このとき、レンズの有効径領域に接着剤がなく、この方式は、額縁接合方式である。

（２）レンズのコバ領域及び有効径領域の両方に光学接着剤を塗布することにより、接合されたレンズを密着させる方式であり、この方式は、面接合方式である。

本願のいくつかの例では、接合する２つの前記フレネル面がコバ領域で額縁接合方式によって接合接続される。

前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２がともにフレネル面を有し、フレネル面のベースの歯状構造を考慮すると、好ましくは、これら２つのレンズのコバ領域を接合によって接続することにより、前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２を密着させる。２つのフレネル面の接合は、額縁接合方式を採用した方が信頼性が高い。

本願のいくつかの例では、前記第二のレンズ２と前記第三のレンズ３との接合する２つの表面がともに非球面である。

例えば、前記第二のレンズ２の凸面と前記第三のレンズ３の凹面とが接合して設けられている。

本願のいくつかの例では、接合する２つの前記非球面は、
２つの前記非球面がコバ領域で額縁接合方式によって接合接続される方式と、
２つの前記非球面の間が面接合方式によって接合接続される方式とのうち、いずれかの方式で接合接続されてもよい。

本願において、前記第三のレンズ３と前記第二のレンズ２とも接合して設けられている。

具体的に、前記第三のレンズ３の非球面と前記第二のレンズ２の非球面とが接合接続され、即ち、当該２つのレンズの間が非球面の接合になっており、２つの接合方式がともに利用可能であるが、コバ領域及び有効径領域の両方に光学接着剤を塗布する技術案では、光学接着剤によって覆われる領域がより広くなるため、このように接合した方は、堅牢性が高く、安定性がよいが、レンズのスカートを接合する技術案に比べて、歩留まりが低くなる。当業者は、特定のニーズに応じて、レンズ間の接合方式を柔軟に選択可能である。

本願のいくつかの例では、前記第一のレンズ１と前記第二のレンズ２との間、及び前記第二のレンズ２と前記第三のレンズ３との間は、ともに光透過性の光学接着剤６を介して接合されており、前記光学接着剤６の屈折率が１．１～１．３に設定される。

前記入射光の伝播経路や偏向規則などに影響を与えないように、３つのレンズを接合する際に用いられた光学接着剤は、低屈折率の光学接着剤であることが好ましい。

本願の実施例による光学システムにおいて、前記第二のレンズ２は、前記第一のレンズ１と前記第三のレンズ３との間に介設され、前記第一のレンズ１、前記第三のレンズ３と接合して設けられることで、接合レンズ群が形成される。形成された前記接合レンズ群については、前記第二のレンズ２と前記第一のレンズ１との接合する面がともにフレネル面であり、前記第二のレンズ２と前記第三のレンズ３との接合する面が非球面であり、各レンズ間で空気間隔の問題をこれ以上考慮する必要がなく、短焦点の実現に寄与するだけでなく、迷光の除去をより良く実現することもできる。

本願のいくつかの例では、前記第一のレンズ１と前記第二のレンズ２は、材質が同じであり、両方ともＣＯＰ材料であり、前記第三のレンズ３がＯＫＰ材料又はＥＰ材料である。

本願の実施例による技術案において、各レンズ（即ち前記第一のレンズ１、前記第二のレンズ２及び前記第三のレンズ３）について、材料の選択上で、短焦点及び色収差の考慮に基づいて、高屈折率及び高・低アッベ数の材料の組み合わせを選択して最適化設計を行う。

説明すべきなのは、前記第一のレンズ１、前記第二のレンズ２及び前記第三のレンズ３は、上記材料に限らず、例えばＰＭＭＡ材料、ガラス材料等を含む他の材料を用いることも可能である。

本願のいくつかの例では、前記第一のレンズ１の中心厚さ値ｈ_１が２ｍｍ≦ｈ_１≦４ｍｍであり、前記第二のレンズ２の中心厚さｈ_２が３ｍｍ≦ｈ_２≦５ｍｍであり、前記第三のレンズ３の中心厚さｈ_３が２ｍｍ≦ｈ_３≦４ｍｍである。

各レンズの厚さが厚すぎないので、光路構造全体の重量を低減させるのに有利である。

［実施例１］
実施例１では、光学システムが提供されており、表１によって光学システムの構造パラメータが示されており、図２によって当該光学システムの構造が示されている。

表１において、人の目５（絞り）から表示画面４まで順に番号付けられた光学面番号（Ｓｕｒｆａｃｅ）、光軸上での各光学面の曲率（Ｃ）、人の目５（絞り）から表示画面４までの光軸上での各光学面と次の光学面との距離（Ｔ）、及び偶数次の非球面係数α_２、α_３、α_４がそれぞれ示されている。

そのうち、非球面係数は以下の方程式を満たすことが可能である。

式（１）において、ｚは光軸方向に沿った座標、Ｙはレンズ長単位を単位としたラジアル座標であり、Ｃは曲率（１／Ｒ）、Ｋは円錐係数（Ｃｏｎｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）、αｉは各高次項の係数、２ｉは非球面の高乗（ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ Ａｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）であり、本願の技術案設計では、像面湾曲のなだらかさを考慮し、高次項のない球面係数は、４次までとする。

上記の実施例１から分かるように、
前記第一のレンズ１の有効焦点距離ｆ_１＝３１．１２８ｍｍであり、前記第二のレンズ２の有効焦点距離ｆ_２＝３５．８１ｍｍであり、前記第三のレンズ３の有効焦点距離ｆ_３＝－１２４．８０４ｍｍであり、前記光学システムの有効焦点距離ｆ＝１９．２４８ｍｍである。

実施例１の光学システムの性能の良否は、次のようなパラメータで反映される。

図３に示すように、結像スポットサイズは、最大視野１．０Ｆで最大となり、その最大値が８８μｍ未満である。

図４に示すように、Ｔ＆Ｓ方向の像面湾曲は、いずれのＲＧＢ波長についても、１．５ｍｍ未満であり、歪曲収差は、最大視野で最大となり、３７％未満である。

図５に示すように、ＲＧＢ最大分散は、０．９Ｆの視野位置にあり、４５０ｎｍ～６３０ｎｍのＲＧＢ全体で、ＬＣＡが１７０ｎｍである。

［実施例２］
実施例２では、光学システムが提供されており、表２によって光学システムの構造パラメータが示されており、図６によって当該光学システムの構造が示されている。

上記の実施例２から分かるように、
前記第一のレンズ１の有効焦点距離ｆ_１＝３１．５９ｍｍであり、前記第二のレンズ２の有効焦点距離ｆ_２＝３３．６３ｍｍであり、前記第三のレンズ３の有効焦点距離ｆ_３＝－１０６．７７ｍｍであり、前記光学システムの有効焦点距離ｆ＝１９．２８ｍｍである。

実施例２の光学システムの性能の良否は、次のようなパラメータで反映される。

図７に示すように、結像スポットサイズは、最大視野１．０Ｆで最大となり、その最大値が７６μｍ未満である。

図８に示すように、Ｔ＆Ｓ方向の像面湾曲は、いずれのＲＧＢ波長についても、１．２ｍｍ未満であり、歪曲収差は、最大視野で最大となり、３５％未満である。

図９に示すように、ＲＧＢ最大分散は、０．９Ｆの視野位置にあり、４５０ｎｍ～６３０ｎｍのＲＧＢ全体で、ＬＣＡが１５５ｎｍである。

［実施例３］
実施例３光学システムが提供されており、表３によって光学システムの構造パラメータが示されており、図１０によって当該光学システムの構造が示されている。

上記の実施例３から分かるように、
前記第一のレンズ１の有効焦点距離ｆ_１＝３１．１ｍｍであり、前記第二のレンズ２の有効焦点距離ｆ_２＝３７．６５ｍｍであり、前記第三のレンズ３の有効焦点距離ｆ_３＝－１６８．８ｍｍであり、前記光学システムの有効焦点距離ｆ＝１９．０７ｍｍである。

実施例３の光学システムの性能の良否は、次のようなパラメータで反映される。

図１１に示すように、結像スポットサイズは、最大視野１．０Ｆで最大となり、その最大値が７０μｍ未満である。

図１２に示すように、Ｔ＆Ｓ方向の像面湾曲は、いずれのＲＧＢ波長についても、１．０ｍｍ未満であり、歪曲収差は、最大視野で最大となり、３４％未満である。

図１３に示すように、ＲＧＢの最大分散は、最大視野位置にあり、４５０ｎｍ～６３０ｎｍのＲＧＢ全体で、ＬＣＡが１５５ｎｍである。

上記の３つの実施例から分かるように、前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２によって正屈折力が提供され、前記第三のレンズ３によって負屈折力が提供されている。前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２の有効焦点距離が３０ｍｍ～４０ｍｍであり、前記第三のレンズ３の有効焦点距離ｆ_３が－１００～－１８０ｍｍであり、それらによって構成された光学システムの有効焦点距離ｆが１９．０～１９．５ｍｍである。

本願の実施例では、折り返し光路に係らない短焦点の光学システムが提供されている。

（１）３つの光学レンズを接合して接合レンズ群を形成することで、超短焦点効果を実現しており、接合後のレンズ群が１つの光学素子として使用できるため、構成部材との組み立ての難易度が低下され、レンズ間での組み立てによる不純物の発生リスクが低減され、歩留まりが向上される。

（２）２つのフレネル面を接合するとともに、２つの非球面を接合することで、迷光を低減することができる。

本願のもう１つの局面によれば、頭部装着型表示機器が提供されている。

前記頭部装着型表示機器は、上記のいずれか一種の光学システムを含む。

前記頭部装着型表示機器は、例えばＶＲ機器である。

上記の実施例では、各実施例の違いに重点を置いて述べたが、各実施例間の異なる最適化特徴は、矛盾しない限り、それらを組み合わせてより良い実施例を形成することができ、文章の簡潔さを考慮して、ここでは繰り返して説明しない。

例を通じて本願のいくつかの特定実施例を詳しく説明したが、上記の例が説明のためのものであり、本願の範囲を制限するためのものではないことを当業者が理解すべきである。当業者は、本願の範囲及び精神を逸脱することなく、上記の実施例を変更可能であることを理解すべきである。本願の範囲は添付の特許請求の範囲によって規定される。

１…第一のレンズ、２…第二のレンズ、３…第三のレンズ、４…表示画面、５…人の目、６…光学接着剤、
１１…第一の表面、１２…第二の表面、
２１…第三の表面、２２…第四の表面、
３１…第五の表面、３２…第六の表面。

Claims (9)

1. 光学システムであって、
   入射光の伝播方向に沿って順次に接合して設けられた第三のレンズ（３）、第二のレンズ（２）及び第一のレンズ（１）から構成され、
   前記第一のレンズ（１）と前記第二のレンズ（２）との接合する２つの面がともにフレネル面であり、
   前記第一のレンズ（１）の有効焦点距離ｆ１と前記光学システムの有効焦点距離ｆとが、１．５＜ｆ１／ｆ＜２．２２を満たし、
   前記第二のレンズ（２）の有効焦点距離ｆ２と前記光学システムの有効焦点距離ｆとが、１．５＜ｆ２／ｆ＜２．２２を満たし、
   前記第三のレンズ（３）の有効焦点距離ｆ３と前記光学システムの有効焦点距離ｆとが、－９＜ｆ３／ｆ＜－５を満たす、ことを特徴とする光学システム。
2. 前記第一のレンズ（１）及び前記第二のレンズ（２）の屈折力がともに正であり、前記第三のレンズ（３）の屈折力が負である、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
3. 前記第一のレンズ（１）の有効焦点距離ｆ１が３０ｍｍ≦ｆ１≦４０ｍｍであり、
   前記第二のレンズ（２）の焦点距離ｆ２が３０ｍｍ≦ｆ２≦４０ｍｍであり、
   前記第三のレンズ（３）の焦点距離ｆ３が－１８０ｍｍ≦ｆ３≦－１００ｍｍであり、
   前記第一のレンズ（１）、前記第二のレンズ（２）及び前記第三のレンズ（３）が同一光軸上に位置する、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
4. 前記光学システムの有効焦点距離ｆが１８ｍｍ≦ｆ≦２０ｍｍである、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
5. 接合する２つの前記フレネル面がコバ領域で額縁接合方式によって接合接続される、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
6. 前記第二のレンズ（２）と前記第三のレンズ（３）との接合する２つの面がともに非球面である、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
7. 接合する２つの前記非球面は、
   ２つの前記非球面がコバ領域で額縁接合方式によって接合接続される方式と、
   ２つの前記非球面の間が面接合方式によって接合接続される方式とのうち、いずれかの方式で接合接続される、ことを特徴とする請求項６に記載の光学システム。
8. 前記第一のレンズ（１）と前記第二のレンズ（２）との間、及び前記第二のレンズ（２）と前記第三のレンズ（３）との間が、それぞれ光透過性の光学接着剤（６）を介して接合されており、前記光学接着剤（６）の屈折率が１．１～１．３である、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の光学システムを含む、ことを特徴とする頭部装着型表示機器。