JPWO2020045517A1 - レンズユニット及び画像観察装置 - Google Patents

Abstract

レンズユニット（１Ａ）は、第１レンズ（Ｌ１）と第２レンズ（Ｌ２）とを有する。第１レンズ（Ｌ１）は、フレネル構造を有する第１レンズ面（Ｌ１ｂ）を第２レンズ（Ｌ２）側に有し、正の屈折力を有するフレネルレンズである。第２レンズ（Ｌ２）は、フレネル構造を有する第２レンズ面（Ｌ２ａ）を第１レンズ（Ｌ１）側に有し、正の屈折力を有しているフレネルレンズである。

Description

本発明はレンズユニットとそれを備える画像観察装置に関する。

特開２０１４−２２８７１６号公報及び特開２０１３−０４５０２０号公報には、ヘッドマウントディスプレイやカメラの電子ビューファインダーなどユーザの眼前に配置される画像観察装置に搭載可能な接眼レンズが開示されている。

上述した画像観察装置で接眼レンズとして利用されるレンズユニットは、広視野角を有し、光軸方向において小型で、且つ軽量であることが望ましい。

本開示で提案するレンズユニットは、第１のレンズと第２のレンズとを有する。前記第１のレンズと前記第２のレンズは、画像の表示素子側から観察面側に向かって、前記第１のレンズ・前記第２のレンズの順番で並んでいる。前記第１のレンズは、フレネル構造を有する第１レンズ面を前記第２のレンズ側に有し、正の屈折力を有するフレネルレンズであり、前記第２のレンズは、フレネル構造を有する第２レンズ面を前記第１のレンズ側に有し、正の屈折力を有しているフレネルレンズである。この構造によると、広視野角を有し、光軸方向において小型で、且つ軽量なレンズユニットを実現できる。また、本開示で提案する画像観察装置は、前記レンズユニットを備える。

本開示で提案するレンズユニットのレンズ構成の第１の例を示す図である。 フレネルレンズの基となった凸レンズの接平面を説明するための図である。 本開示で提案するレンズユニットのレンズ構成の第２の例を示す図である。 本開示で提案するレンズユニットのレンズ構成の第３の例を示す図である。 本開示で提案するレンズユニットのレンズ構成の第４の例を示す図である。 本開示で提案するレンズユニットのレンズ構成の第５の例を示す図である。 本開示で提案するレンズユニットが搭載されるヘッドマウントディスプレイの例を示す図である。 図１に示す第１の例によるレンズ構成を有し且つ第１数値実施例によるレンズデータを有するレンズユニットの像面湾曲と非点収差とを示す収差図である。 図１に示す第１の例と同様のレンズ構成（すなわち、第１レンズと第２レンズとを有し、それらの互いに向き合う２つのレンズ面がフレネル構造を有し、第１レンズの表示面側のレンズ面と第２レンズＬ２の観察面側のレンズ面が概平面である。）を有するレンズユニットの別の例の光線図である。 図９Ａに示すレンズ構成を有し且つ第２数値実施例によるレンズデータを有するレンズユニットの像面湾曲と非点収差とを示す収差図である。 図３に示す第２の例によるレンズ構成を有し且つ第３数値実施例によるレンズデータを有するレンズユニットの像面湾曲と非点収差とを示す収差図である。 図４に示す第３の例によるレンズ構成を有し且つ第４数値実施例によるレンズデータを有するレンズユニットの像面湾曲と非点収差とを示す収差図である。 図５に示す第４の例のよるレンズ構成を有し且つ第５数値実施例によるレンズデータを有するレンズユニットの像面湾曲と非点収差とを示す収差図である。 図６に示す第５の例によるレンズ構成を有し且つ第６数値実施例によるレンズデータを有するレンズユニットの像面湾曲と非点収差とを示す収差図である。

以下において、本開示で提案するレンズユニットについて説明する。図１はレンズユニットの一例であるレンズユニット１Ａの構成を示す図である。レンズユニット１Ａは、光軸Ｚ１に沿って並んでいる第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とを有している。レンズユニット１Ａは、２つのレンズＬ１、Ｌ２だけで構成されている。

レンズユニット１Ａは、ユーザが表示素子に表示される静止画像または、動画像を見るための画像観察装置に搭載される接眼光学系として利用される。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７参照）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ＩＤを有している。表示面ＩＤ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。第１レンズＬ１と第２レンズＬ２は、表示面ＩＤ側から観察面ＳＰ側に向かって、第１レンズＬ１・第２レンズＬ２の順で並んでいる。第１レンズＬ１と表示面ＩＤとの間に他のレンズは配置されていない。また、第２レンズＬ２と観察面ＳＰとの間に他のレンズは配置されていない。レンズユニット１Ａがヘッドマウントディスプレイ１００に搭載される場合、２つのレンズユニット１Ａが左右に並んで配置される。なお、レンズユニット１Ａ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ユニット1Ａの数は1つでよい。

［第１の構成例］
第１レンズＬ１は、表示面ＩＤ側に向いているレンズ面Ｌ１ａと、第２レンズＬ２に向いている（観察面ＳＰ側に向いている）レンズ面Ｌ１ｂとを有している。第２レンズＬ２は、第１レンズＬ１に向いている（表示面ＩＤ側に向いている）レンズ面Ｌ２ａと、観察面ＳＰ側に向いているレンズ面Ｌ２ｂとを有している。観察面ＳＰに観察者の瞳が位置する。

第１レンズＬ１は、レンズ面Ｌ１ｂにフレネル構造を有しているフレネルレンズであり、レンズ面Ｌ１ｂの作用により正の屈折力を有している。第２レンズＬ２は、レンズ面Ｌ２ａにフレネル構造を有しているフレネルレンズであり、レンズ面Ｌ２ａの作用により正の屈折力を有している。第１レンズＬ１と第２レンズＬ２は、フレネル構造を有するレンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａが互いに向き合うように配置されている。

レンズユニット１Ａの例においては、第１レンズＬ１の表示面ＩＤ側のレンズ面Ｌ１ａと第２レンズＬ２の観察面ＳＰ側のレンズ面Ｌ２ｂは概平面である。これら２つのレンズ面Ｌ１ａ、Ｌ２ｂは、球面或いは非球面、自由曲面であってもよい。

図２（ａ）に示すレンズ面Ｌｍ、Ｌｎは、第１レンズＬ１のレンズ面Ｌ１ｂ及び第２レンズＬ２のレンズ面Ｌ２ａの基となったレンズ面である。レンズ面Ｌｍは、レンズ面Ｌｎに向いた凸形状であり、負の曲率半径を有している（観察面ＳＰ側から表示面ＩＤ側に向かう方向を正方向とする）。レンズ面Ｌｎは、レンズ面Ｌｍに向って膨らんだ凸形状を有し、正の曲率半径を有している。（観察面ＳＰ側から表示面ＩＤ側に向かう方向を正方向としている。したがって、正の曲率半径は、レンズ面が曲率円の中心に対して表示面ＩＤ側に存在することを意味し、負の曲率半径は、レンズ面が曲率円の中心に対して観察面ＳＰ側に存在することを意味する。）レンズ面Ｌｍ、Ｌｎは、球面、非球面、又は自由曲面である。図２（ｂ）に示すように、レンズ面Ｌｍ、Ｌｎは、同心円状に並ぶ複数の曲面（輪帯）Ｒｂに分割される。この複数の輪帯Ｒｂが、光軸Ｚ１を中心として平面上で並ぶことにより、レンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａを構成している。輪帯ＲｂのピッチＰ（図２（ｂ）参照）は、レンズＬ１ｂ、Ｌ２ａの中心部を除くと、例えば、８０μｍ以上、１８００μｍ以下である。輪帯Ｒｂのサグ量Ｓｇ（図２（ｂ）参照）は、例えば、２５μｍ以上、３００μｍ以下である。第１レンズＬ１のレンズ面Ｌ１ｂの基となったレンズ面Ｌｍは、光を光軸Ｚ１側に屈折させる集光作用を有している。第２レンズＬ２のレンズ面Ｌ２ａの基となったレンズ面Ｌｎは、光を光軸Ｚ１側に屈折させる集光作用を有している。なお、以下の説明において、フレネル構造を有するレンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａの曲率半径とは、レンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａの基となった図２（ａ）に示すレンズ面Ｌｍ、Ｌｎの曲率半径を意味する。このことは、図３乃至図６で示す他の例のレンズユニットにおいても同様である。

このように、２つのレンズＬ１、Ｌ２がフレネル構造を有するので、レンズＬ１、Ｌ２が薄くても、十分な屈折力が得られる。その結果、広視野角（広画角）を有し、光軸方向において小型で、且つ軽量であるレンズユニット１Ａ及び画像観察装置が得られる。

また、ヘッドマウントディスプレイなどの画像観察装置では、表示面ＩＤに表示する画像自体を補正することによって、ディストーションや倍率色収差を軽減することが可能である。ところが、画像の補正では像面湾曲（及び非点収差）を低減することはできない。像面湾曲が大きいと、ユーザは画像にピントを合わせることができない。したがって、画像観察装置で利用される光学系においては、像面湾曲（及び非点収差）の低減が特に重要である。レンズユニット１Ａでは、フレネル構造が適用されたレンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａが向き合っている。そのため、例えばフレネル構造を有する２枚のレンズ面が同じ方向に向いている場合とは異なり、光軸方向におけるレンズユニット１Ａの中心（例えば、光軸に直交し且２つのレンズＬ１、Ｌ２の間に位置する平面）に対して、レンズユニット1Ａの構造を対称に近づけることができる。その結果、レンズ面Ｌ１ｂに起因する収差と、レンズ面Ｌ２ａに起因する収差とを相殺し、全体の収差をキャンセルすることが容易となり、像面湾曲（及び非点収差）の低減が可能となる。

また、フレネル構造を有するレンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａが互いに向き合っているので、これら２つのレンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａにゴミや塵が付着することを抑えることができる。レンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａの間の隙間は、図２（ｂ）で示されるように、２つのレンズＬ１、Ｌ２の縁に取り付けられる封止材によって封止されてもよい。こうすれば、レンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａにゴミや塵が付着することを、より効果的に抑えることができる。

なお、レンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａは、光軸Ｚ１の方向に起立し曲面Ｒｂに接続する面Ｒｃ（図２（ｂ）参照、同心円状に並ぶ複数のプリズムの垂直面、以下において「立ち面」と称する）を有している。立ち面Ｒｃは光軸Ｚ１の方向に対して傾斜していてもよい。複数の立ち面Ｒｃの傾斜角は、立ち面Ｒｃの位置（光軸Ｚ１からの距離）によって互いに異なっていてもよい。

隣り合う２つの輪帯Ｒｂの間に立ち面Ｒｃがあるために、光軸Ｚ１からの距離に応じて通過光の強弱が発生する。すなわち、通過光の輝度が光軸Ｚ１からの距離に応じて周期的に変化する。このことによって、表示画像上に環状の線（輪線と称する）が見える可能性がある。このような輪線が見えるのを抑えるために、輪帯ＲｂのピッチＰ（図２（ｂ）参照）は、輪帯Ｒｂの位置（光軸Ｚ１からの距離）に応じて変化していてもよい。すなわち、輪線が目立ちやすい位置ではピッチＰを小さくすることで、輪線の目立ちを抑えてもよい。

また、２つのレンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａにおけるピッチＰは互いに異なっていてもよい。すなわち、立ち面Ｒｃの位置（光軸Ｚ１からの距離）が、２つのレンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａの間で相互に異なっていてもよい。こうすることによって、通過光の強弱を低減でき、輪線の目立ちを抑えることができる。

輪帯Ｒｂのサグ量Ｓｇ（図２（ｂ）参照）を大きくすると、径方向での輪帯Ｒｂの幅が増し、レンズの解像度の劣化が抑えられる。そこで、輪帯Ｒｂのサグ量Ｓｇと輪帯ＲｂのピッチＰの双方を、光軸Ｚ１からの距離に応じて変化させてもよい。こうすることで、輪線の発生防止（通過光の強弱の低減）と、解像度の劣化の防止とを両立できる。すなわち、輪線が発生しない範囲において最も大きなピッチＰが、光軸Ｚ１からの距離に応じて決められてもよい。例えば、光軸Ｚ１の近くでは、ピッチＰを大きくして（サグ量Ｓｇを大きくして）十分な解像度を確保し、光軸Ｚ１からの距離が大きくなるに従ってピッチＰを小さくして（サグ量Ｓｇを小さくして）輪線の発生を抑えてもよい。

図２（ａ）では、光軸Ｚ１と直交する面Ｐｖ１と第１レンズＬ１のレンズ面Ｌ１ｂの接平面とがなす角度、すなわち、光軸Ｚ１と直交する面Ｐｖ１と、レンズ面Ｌ１ｂの基となったレンズ面Ｌｍの接平面とがなす角度θ１を、レンズ面Ｌ１ｂの接線角としている。ここで接線角θ１は、レンズ面Ｌ１ｂの接平面と、光軸Ｚ１と直交する面Ｐｖ１とがなす鋭角である。また、光軸Ｚ１と直交する面Ｐｖ２と、第２レンズＬ２のレンズ面Ｌ２ａの接平面とがなす角度、すなわち、光軸Ｚ１と直交する面Ｐｖ２と、レンズ面Ｌ２ａの基となったレンズ面Ｌｎの接平面とがなす角度θ２を、レンズ面Ｌ２ａの接線角としている。ここで、接線角θ２はレンズ面Ｌ２ａの接平面と、光軸Ｚ１と直交する面Ｐｖ２とがなす鋭角である。接線角をこのように定義したとき、レンズ面Ｌ１ｂの有効径の範囲内における接線角θ１の絶対値の最大は、３０度以上、５５度以下であるのが望ましい。また、レンズ面Ｌ２ａの有効径の範囲内における接線角θ２の絶対値の最大は、３０度以上、５５度以下であるのが望ましい。接線角θ１、θ２の絶対値の最大が３０度より小さくなると、十分な屈折力が得られなくなり、望ましい広視野角を実現できなくなる。また、接線角θ１、θ２の絶対値の最大が５５度よりも大きくなると、レンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａを構成する、同心円状に並ぶ複数の曲面Ｒｂ（同心円状に並ぶ複数のプリズム）のそれぞれの幅が小さくなり、光量の損失が過大となる。

レンズユニット１Ａにおいて、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２の合成焦点距離をＦとし、レンズユニット１ＡのイメージサークルをΦとしたとき、以下の条件を満たすのが望ましい。
条件：０．６×Φ−４．０≦Ｆ≦０．６×Φ＋８．０
合成焦点距離Ｆがこの範囲よりも小さくなると、イメージサークル内においてもユーザはピントを合わせることが難しくなる。反対に、合成焦点距離Ｆがこの範囲よりも大きくなると、十分な屈折力が得られなくなり、望ましい広視野角を実現するのが難しくなる。

［第２の構成例］
図３は、レンズユニットの他の例であるレンズユニット１Ｂの構成を示す図である。

レンズユニット１Ｂは、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２を有している。第１レンズＬ１は、レンズユニット１Ａの第１レンズＬ１と同様に、第２レンズＬ２側のレンズ面Ｌ１ｂにフレネル構造を有しているフレネルレンズであり、レンズ面Ｌ１ｂの作用により正の屈折力を有している。第２レンズＬ２は、レンズユニット１Ａの第２レンズＬ２と同様に、第１レンズＬ１側のレンズ面Ｌ２ａにフレネル構造を有しているフレネルレンズであり、レンズ面Ｌ２ａの作用により正の屈折力を有している。第１レンズＬ１と第２レンズＬ２は、フレネル構造を有するレンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａが互いに向き合うように配置されている。

レンズユニット１Ａと同様、レンズユニット１Ｂにおいても、レンズ面Ｌ１ｂの有効径の範囲内における接線角θ１（図２参照）の絶対値の最大は、３０度以上、５５度以下であるのが望ましい。また、レンズ面Ｌ２ａの有効径の範囲内における接線角θ２（図２参照）の絶対値の最大が、３０度以上、５５度以下であるのが望ましい。

レンズユニット１Ａと異なり、レンズユニット１Ｂは、第１レンズＬ１のレンズ面Ｌ１ａよりも表示面ＩＤ側に、第３レンズ面Ｌ３ａを有している。レンズユニット１Ｂは、第１レンズＬ１に対して表示面ＩＤ側に配置されている第３レンズＬ３を有し、第３レンズ面Ｌ３ａは第３レンズＬ３に形成されている。レンズユニット１Ｂは３つのレンズＬ３、Ｌ１、Ｌ２で構成されている。第１レンズＬ１のレンズ面Ｌ１ａと、第２レンズＬ２のレンズ面Ｌ２ｂと、第３レンズＬ３のレンズ面Ｌ３ｂは概平面である。

第３レンズ面Ｌ３ａにおける光軸Ｚ１から離れた外周領域Ｒ２（図３参照）は、光軸Ｚ１から離れる方向に光を屈折させる面である。すなわち、第３レンズＬ３は、光軸Ｚ１から離れた外周領域Ｒ２（図３参照）において、負の屈折力を有している。この構造によると、視野角（画角）を広げることが容易となる。また、第３レンズＬ３は、第１レンズＬ１とは別個のレンズであるので、例えば、屈折力を有する第３レンズ面Ｌ３ａが第１レンズＬ１の表示面ＩＤ側に形成される後述するレンズユニット１Ｃ（図４参照）に比して、第１レンズＬ１の形成が容易となる。ここで、外周領域Ｒ２は、「第３レンズ面Ｌ３ａの有効径×１／２」から「第３レンズ面Ｌ３ａの有効径」までの領域であるのが望ましい。第３レンズ面Ｌ３ａの有効径×１／２よりも光軸Ｚ１寄りの領域が、光軸Ｚ１から離れる方向に光を屈折させる面であると、画面中央の解像度が悪化するので望ましくない。

第３レンズＬ３の屈折率は、第１レンズＬ１の屈折率及び第２レンズＬ２の屈折率のそれぞれよりも高いことが望ましい。こうすると、第３レンズＬ３によって、視野角を効果的に増すことができる。

第１レンズＬ１の屈折率、第２レンズＬ２の屈折率、及び、第３レンズＬ３の屈折率を、それぞれｎ１、ｎ２、ｎ３とする。このとき、レンズユニット１Ｂは、
条件：
ｎ１≦１．５４、
ｎ２≦１．５４、及び
ｎ３≧１．６
を満たすことが望ましい。
こうすると、第３レンズＬ３によって視野角を効果的に増すことができる。なお、本明細書の説明で、屈折率はいずれもｄ線（５８７．６ｎｍ）を基準とする。

また、第１レンズＬ１のアッベ数、第２レンズＬ２のアッベ数、及び、第３レンズＬ３のアッベ数を、それぞれν１、ν２、ν３とする。このとき、レンズユニット１Ｂは、
条件：
ν１≧５５、
ν２≧５５、及び
ν３≦２８
を満たすことが望ましい。こうすることによって、色収差を良好に補正することが可能となる。なお、本明細書の説明で、アッベ数はいずれもｄ線（５８７．６ｎｍ）を基準とする。

第３レンズＬ３の表示面ＩＤ側のレンズ面である第３レンズ面Ｌ３ａは、非球面であることが望ましい。こうすることによって、さらに良好な収差補正が可能となる。図３において、第３レンズＬ３は、光軸Ｚ１と交わる中心と、外側領域Ｒ２と、中心と外側領域Ｒ２との間の領域である中間領域Ｒ４とを含んでいる。中心での厚さをＴ１とし、中間領域Ｒ４での（最小）厚さをＴ２とし、外周領域Ｒ２での（最大）厚さをＴ３とする。このとき、第３レンズＬ３は、
条件：Ｔ３＞Ｔ１＞Ｔ２
を満たすのが望ましい。このレンズユニット１Ｂによると、像面湾曲（非点収差）を適切に補正できる。

厚さＴ１、Ｔ２、Ｔ３は、具体的には、
条件：
０．５ｍｍ≦Ｔ１≦４．０ｍｍ、
０．５ｍｍ≦Ｔ２≦４．０ｍｍ、及び
２．４ｍｍ≦Ｔ３≦６．５ｍｍ
を満たすのが望ましい。このレンズユニット１Ｂによると、像面湾曲（及び非点収差）を適切に補正できる。なお、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の厚さは、望ましくは、２ｍｍ以下である。

レンズユニット１Ｂにおいて、第３レンズＬ３、第１レンズＬ１、及び第２レンズＬ２の合成焦点距離をＦとし、レンズユニット１ＢのイメージサークルをΦとしたとき、以下の条件を満たすのが望ましい。
条件：０．６×Φ−４．０≦Ｆ≦０．６×Φ＋８．０
合成焦点距離Ｆがこの範囲よりも小さくなると、イメージサークル内においても像面湾曲の変化量が大きくなり、ユーザはピントを合わせることが難しくなる。反対に、合成焦点距離Ｆがこの範囲よりも大きくなると、十分な屈折力が得られなくなり、望ましい広視野角を実現するのが難しくなる。

合成焦点距離ＦとイメージサークルΦは、以下の条件を満たすことがさらに望ましい。
条件：０．６×Φ≦Ｆ≦０．６×Φ＋６．０
合成焦点距離Ｆがこの範囲にあることにより、合成焦点距離Ｆがこの範囲にあることにより、ユーザがピントを合わせることが容易となり、また、望ましい広視野角を実現するのが容易となる。

また、イメージサークルΦが「４０ｍｍ≦Φ≦５０ｍｍ」を満たすとき、合成焦点距離Ｆは
条件：２５ｍｍ≦Ｆ≦３５ｍｍ
を満たすのが望ましい。合成焦点距離Ｆがこの範囲よりも小さくなると、イメージサークル内においてもユーザはピントを合わせることが難しくなる。反対に、合成焦点距離Ｆがこの範囲よりも大きくなると、十分な屈折力が得られなくなり、望ましい広視野角を実現するのが難しくなる。

また、イメージサークルΦが「４０ｍｍ≦Φ≦５０ｍｍ」を満たすとき、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２の合成焦点距離Ｆａは、
条件：２８ｍｍ≦Ｆａ≦３８ｍｍ
を満たすのが望ましい。
合成焦点距離Ｆａがこの範囲よりも小さくなると、イメージサークル内においてもユーザはピントを合わせることが難しくなる。反対に、合成焦点距離Ｆａがこの範囲よりも大きくなると、十分な屈折力が得られなくなり、望ましい広視野角を実現するのが難しくなる。

［第３の構成例］
図４はレンズユニットの他の例であるレンズユニット１Ｃの構成を示す図である。

レンズユニット１Ｃは、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２を有している。第１レンズＬ１は、レンズユニット１Ａの第１レンズＬ１と同様に、第２レンズＬ２側のレンズ面Ｌ１ｂにフレネル構造を有しているフレネルレンズであり、レンズ面Ｌ１ｂの作用により正の屈折力を有している。第２レンズＬ２は、レンズユニット１Ａの第２レンズＬ２と同様に、第１レンズＬ１側のレンズ面Ｌ２ａにフレネル構造を有しているフレネルレンズであり、レンズ面Ｌ２ａの作用により正の屈折力を有している。第１レンズＬ１と第２レンズＬ２は、フレネル構造を有するレンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａが互いに向き合うように配置されている。レンズユニット１Ｃは、２枚のレンズＬ１、Ｌ２だけで構成されている。

レンズユニット１Ａと同様、レンズユニット１Ｃにおいても、レンズ面Ｌ１ｂの有効径の範囲内における接線角θ１（図２参照）の絶対値の最大は、３０度以上、５５度以下であるのが望ましい。また、レンズ面Ｌ２ａの有効径の範囲内における接線角θ２（図２参照）の絶対値の最大が、３０度以上、５５度以下であるのが望ましい。

レンズユニット１Ｃは、第１レンズＬ１のレンズ面Ｌ１ａよりも表示面ＩＤ側に、光軸Ｚ１から離れる方向に光を屈折させる面を含むレンズ面（請求項に記載する第３レンズ面）を有している。レンズユニット１Ｃの例では、第１レンズＬ１は、表示面ＩＤ側にレンズ面Ｌ１ａを有し、レンズ面Ｌ１ａが、光軸Ｚ１から離れた外周領域Ｒ２に、光軸Ｚ１から離れる方向に光を屈折させる面を有している。この構造によると、外周領域Ｒ２に入射した光は光軸Ｚ１から離れるように屈折するので、視野角（画角）をさらに広げることができる。また、レンズユニット１Ｂと異なり、光を光軸Ｚ１から離れる方向に屈折させるレンズ面が第１レンズＬ１に形成されるので、少ないレンズ数で広い視野角を実現できる。

第１レンズＬ１の屈折率は、第２レンズＬ２の屈折率よりも大きいのが望ましい。こうすると、第１レンズＬ１によって、視野角を効果的に増すことができる。

第１レンズＬ１の屈折率、及び第２レンズＬ２の屈折率を、それぞれｎ１、ｎ２とする。このとき、第２レンズＬ２の屈折率ｎ２は１．５４以下であるのが望ましい。また、第１レンズＬ１の屈折率ｎ１は１．６以上であるのが望ましい。こうすると、第１レンズＬ１による視野角を効果的に増すことができる。

また、第１レンズＬ１のアッベ数、及び第２レンズＬ２のアッベ数を、それぞれν１、ν２とする。このとき、レンズユニット１Ｃは、
条件：ν１≦２８、ν２≧５５
を満たすことが望ましい。こうすることによって、色収差を適切に補正することが可能となる。

また、第１レンズＬ１の表示面ＩＤ側のレンズ面Ｌ１ａは、非球面であることが望ましい。こうすることによって、さらに良好な収差補正が可能となる。図４において、第１レンズＬ１は、光軸Ｚ１と交わる中心と、外側領域Ｒ２と、中心と外側領域Ｒ２との間の領域である中間領域Ｒ４とを含んでいる。中心での厚さをＴ１とし、中間領域Ｒ４での（最小）厚さをＴ２とし、外周領域Ｒ２での（最大）厚さをＴ３とする。このとき、第１レンズＬ１は、
条件：Ｔ３＞Ｔ１＞Ｔ２
を満たすのが望ましい。このレンズユニット１Ｃによると、像面湾曲（非点収差）を適切に補正できる。

厚さＴ１、Ｔ２、Ｔ３は、具体的には、
条件：
０．５ｍｍ≦Ｔ１≦４．０ｍｍ、
０．５ｍｍ≦Ｔ２≦４．０ｍｍ、
２．４ｍｍ≦Ｔ３≦６．５ｍｍ
を満たすのが望ましい。このレンズユニット１Ｃによると、像面湾曲（及び非点収差）を適切に補正できる。

第２レンズＬ２は観察面ＳＰ側に向いているレンズ面Ｌ２ｂを有している。レンズユニット１Ｃにおいて、レンズ面Ｌ２ｂは非球面である。これにより、レンズユニットの光学性能をさらに向上できる。

具体的には、第２レンズＬ２のレンズ面Ｌ２ｂは、外周領域Ｒ３よりも光軸Ｚ１寄りの範囲に、観察面ＳＰに向かった凸形状を有している。すなわち、レンズ面Ｌ２ｂは、外周領域Ｒ３よりも光軸Ｚ１寄りの範囲に、負の曲率半径を有している凸面である。したがって、レンズ面Ｌ２ｂから出る光は光軸Ｚ１に向かって屈折する。すなわち、レンズ面Ｌ２ｂは正の屈折力を有する。この構造によると、第２レンズＬ２の屈折力を増すことができ、視野角をさらに増すことが可能となる。レンズ面Ｌ２ｂは球面であってもよい。レンズ面Ｌ２ｂの外周領域Ｒ３の厚さＴ５は、レンズ面Ｌ２ｂの外周領域Ｒ３の内側の領域での厚さＴ６よりも大きくてもよい。図４の例とは異なり、レンズ面Ｌ２ｂの全体が凸形状に形成されてもよい。

第２レンズＬ２の中心厚は、１．５ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下が望ましい。第２レンズＬ２の中心厚がこの範囲より小さくなると、第２レンズＬ２の剛性が低くなり、第２レンズＬ２自体が反ってしまい、レンズユニットの結像性能が悪化し、解像力が低下する。第２レンズＬ２の中心厚がこの範囲より大きくなると、レンズユニットの全長が大きくなり、小型化が困難になる。

レンズユニット１Ｃにおいて、第１レンズＬ１、及び第２レンズＬ２の合成焦点距離をＦとし、レンズユニット１ＢのイメージサークルをΦとしたとき、以下の条件を満たすのが望ましい。
条件：０．６×Φ−４．０≦Ｆ≦０．６×Φ＋８．０
合成焦点距離Ｆがこの範囲よりも小さくなると、イメージサークル内においても像面湾曲（及び非点収差）の変化量が大きくなり、ユーザはピントを合わせることが難しくなる。反対に、合成焦点距離Ｆがこの範囲よりも大きくなると、十分な屈折力が得られなくなり、望ましい広視野角を実現するのが難しくなる。

合成焦点距離ＦとイメージサークルΦは、以下の条件を満たすことがさらに望ましい。
条件：０．６×Φ≦Ｆ≦０．６×Φ＋６．０
合成焦点距離Ｆがこの範囲にあることにより、合成焦点距離Ｆがこの範囲にあることにより、レンズユニットを画像観察装置に搭載したときに、ユーザがピントを合わせることが容易となり、望ましい広視野角を実現するのが容易となる。

また、イメージサークルΦが「４０ｍｍ≦Φ≦５０ｍｍ」を満たすとき、合成焦点距離Ｆは
条件：２５ｍｍ≦Ｆ≦３５ｍｍ
を満たすのが望ましい。イメージサークルΦが「６０ｍｍ≦Φ≦７０ｍｍ」を満たすとき、合成焦点距離Ｆは
条件：３７ｍｍ≦Ｆ≦４７ｍｍ
を満たすのが望ましい。合成焦点距離Ｆがこの範囲よりも小さくなると、イメージサークル内においても像面湾曲（及び非点収差）の変化量が大きくなり、ユーザはピントを合わせることが難しくなる。反対に、合成焦点距離Ｆがこの範囲よりも大きくなると、十分な屈折力が得られなくなり、望ましい広視野角を実現するのが難しくなる。

［第４の構成例］
図５は、２枚のレンズＬ１、Ｌ２で構成されるレンズユニット１Ｃの変形例であるレンズユニット１Ｄを示す図である。レンズユニット１Ｄにおいて、第２レンズＬ２のレンズ面Ｌ２ｂは非球面である。第２レンズＬ２の外周部の厚さＴ５は、第２レンズＬ２の中心厚Ｔ４よりも大きい。言い換えると、レンズ面Ｌ２ｂの外周領域Ｒ３は、観察面ＳＰ側に膨らんでいる。第２レンズＬ２の中心厚Ｔ４は、望ましくは、０．５ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下である。中心厚Ｔ４がこの範囲よりも小さくなると、第２レンズＬ２の剛性が低くなり、第２レンズＬ２自体が反ってしまい、レンズユニットの結像性能が悪化し、解像力が低下する。第２レンズＬ２の中心厚Ｔ４がこの範囲より大きくなると、外周部Ｔ５の厚さが大きくなりすぎ、レンズユニットの全長が大きくなり、小型化が困難になる。

第２レンズＬ２が薄すぎると、第２レンズＬ２の内部で光の全反射が生じやすい。第２レンズＬ２の外周領域Ｒ３の内部において光が全反射すると、その光が第２レンズＬ２の中心部から観察面ＳＰ側に出射し、これが原因で、表示画像の中央部に白みがかかることがある。レンズユニット１Ｄの構造によると、第２レンズＬ２の外周領域Ｒ３においてレンズの厚さが確保されているので、第２レンズＬ２の外周領域Ｒ３の内部において全反射する光を低減できる。その結果、表示画像の中央部に白みがかかることを抑えることができる。第１レンズＬ１の構成、及び第２レンズＬ２のその他の構成は、レンズユニット１Ｃのものと同じでよい。

なお、図４及び図５で示す第２レンズＬ２の観察面ＳＰ側のレンズ面Ｌ２ｂ（非球面）は、図１及び図３で示すレンズユニット１Ａ、１Ｂの第２レンズＬ２に適用されてもよい。

［第５の構成例］
図６は、２枚のレンズＬ１、Ｌ２で構成されるレンズユニット１Ｃのさらに別の変形例であるレンズユニット１Ｅを示す図である。レンズユニット１Ｅにおいて、第２レンズＬ２のレンズ面Ｌ２ｂは概平面である。レンズユニット１Ｅのその他の構造は、レンズユニット１Ｂと同様である。レンズユニット１Ｅにおいて、第２レンズＬ２の厚さは、望ましくは、０．５ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下である。

以上説明したように、本開示で提案するレンズユニット１Ａ〜１Ｅによれば、広視野角を有し、光軸方向において小型で、且つ軽量なレンズユニットを実現できる。

本開示で提案するレンズユニットについて数値実施例１〜６を説明する。
［表１−１］〜［表１−３］は、図１に示すレンズユニット１Ａのレンズデータ（数値実施例１）を示している。図８は、数値実施例１によるレンズユニットの像面湾曲と非点収差とを示す収差図である。
［表２−１］〜［表２−３］は、図１に示すレンズユニット１Ａと同様の構成（すなわち、第１レンズと第２レンズとを有し、それらの互いに向き合う２つのレンズ面がフレネル構造を有し、第１レンズの表示面側のレンズ面と第２レンズＬ２の観察面側のレンズ面が概平面である。）を有する他のレンズユニットのレンズデータ（数値実施例２）を示している。図９Ａは、数値実施例２によるレンズユニットの光線図であり、図９Ｂは、数値実施例２によるレンズユニットの像面湾曲と非点収差とを示す収差図である。
［表３−１］〜［表３−３］は、図３に示すレンズユニット１Ｂのレンズデータ（数値実施例３）を示している。図１０は、数値実施例３によるレンズユニットの像面湾曲と非点収差とを示す収差図である。
［表４−１］〜［表４−３］は、図４に示すレンズユニット１Ｃのレンズデータ（数値実施例４）を示している。図１１は、数値実施例４によるレンズユニットの像面湾曲と非点収差とを示す収差図である。
［表５−１］〜［表５−３］は、図５に示すレンズユニット１Ｄのレンズデータ（数値実施例５）を示している。図１２は、数値実施例５によるレンズユニットの像面湾曲と非点収差とを示す収差図である。
［表６−１］〜［表６−３］は、図６に示すレンズユニット１Ｅのレンズデータ（数値実施例６）を示している。図１３は、数値実施例６によるレンズユニットの像面湾曲と非点収差とを示す収差図である。

各数値実施例に対応する３つの表のうち最初の表（［表１−１］、［表２−１］など）において、「ｉ」は表示面ＩＤから計数した面の順番を示す。非球面のレンズ面についてはその面番号の右隣に＊を付し、フレネル構造を有するレンズ面についてはその面番号の右隣に＊（Ｆｒｅ）を付している。「ｒ」は、面の曲率半径（ｍｍ）を示す。フレネル構造を有するレンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａについては、その曲率半径として、レンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａの基となった図２（ａ）に示すレンズ面Ｌｍ、Ｌｎの曲率半径を示す。曲率半径が「∞」である面は平面であることを示す。表にある「ｄ」はｉ番目の面とｉ＋１番目の面との間の光軸上の間隔（ｍｍ）（すなわち、レンズ厚又は空気間隔）を示す。表にある「ｎｄ」はｉ番目の面を有する光学要素の材質（媒質）のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）における屈折率の値を示す。表にある「νｄ」はｉ番目の面を有する光学要素の材質のｄ線におけるアッベ数の値を示す。

各数値実施例に対応する３つの表のうち２番目の表（［表１−２］、［表２−２］など）は、非球面形状を有するレンズ面を表す関数を示す。これらの表は、フレネル構造を有するレンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａについては、レンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａの基となった非球面レンズＬｍ、Ｌｎの形状を表す。
非球面形状を規定する関数は、次の通りである。
Ｚ＝（ｈ^２／ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（ｈ^２／ｒ^２）｝^１／２］＋ΣＡｉ・ｈ^ｉ
ただし、
Ｚ：非球面の深さ（ｍｍ）
ｈ：光軸からの高さ（ｍｍ）
ｒ：曲率半径（ｍｍ）
Ｋ：コーニック係数Ａ
ｉ：第ｉ次（ｉは３以上の整数）の非球面係数とする。
なお、後述する非球面係数を示す表において、Ｅ±Ｎ（Ｎは整数）は、×１０^±Ｎを表し、例えば「０．１２３４５Ｅ−０５」は「０．１２３４５×１０^-5」を表している。

各数値実施例に対応する３つの表のうち３番目の表（［表１−３］、［表２−３］など）は、フレネル構造を有するレンズＬ１、Ｌ２の有効径（ｍｍ）、有効径の範囲におけるレンズ面Ｌ１ｂ、Ｌ２ａの接線角θ１、θ２（図２参照）の絶対値の最大、レンズユニットの合成焦点距離Ｆ（ｍｍ）、イメージサークルΦ（ｍｍ）、イメージサークルφと合成焦点距離Ｆの条件式から導き出される値（０．６×Φ−４．０、０．６×Φ＋８．０）を示している。また、数値実施例３に対応する［表３−３］は、接線角θ１、θ２の絶対値の最大などに加えて、第３レンズＬ３の中心厚Ｔ１、中間領域Ｒ４での厚さＴ２、外側領域Ｒ２での厚さＴ３、及び、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の合成焦点距離Ｆａを示している。数値実施例４〜６にそれぞれ対応する［表４−３］、［表５−３］、［表６−３］は、接線角θ１、θ２の絶対値の最大などに加えて、第１レンズＬ３の中心厚Ｔ１、中間領域Ｒ４での厚さＴ２、外側領域Ｒ２での厚さＴ３を示している。

図８〜図１３の収差図において、実線Ｘはサジタル方向、破線Ｙはメリディオナル方向の収差を示す。

［数値実施例１］

［数値実施例２］

［数値実施例３］

［数値実施例４］

［数値実施例５］

［数値実施例６］

本開示による技術は、上述した実施形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。上述した各数値実施例において示した各部の形状および数値は、いずれも本技術を実施する一例に過ぎず、これらによって本技術の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。また、上述した実施形態および実施例として、実質的に３枚のレンズからなるレンズユニット（レンズユニット１Ｂ）と２枚のレンズからなるレンズユニット（レンズユニット１Ａ、１Ｃ〜１Ｅ）を説明したが、レンズユニットは実質的に屈折力を有さないレンズをさらに備えてもよい。

Claims (17)

1. 第１のレンズと第２のレンズとを有し、前記第１のレンズと前記第２のレンズとが、画像が表示される表示面側から観察面側に向かって、前記第１のレンズ・前記第２のレンズの順番で並んでいるレンズユニットであって、
   前記第１のレンズは、フレネル構造を有する第１レンズ面を前記第２のレンズ側に有し、正の屈折力を有しているフレネルレンズであり、
   前記第２のレンズは、フレネル構造を有する第２レンズ面を前記第１のレンズ側に有し、正の屈折力を有しているフレネルレンズである
   レンズユニット。
2. 前記表示面側に向いた第３レンズ面が、前記第１レンズ面よりも前記表示面側に形成され、
   前記第３レンズ面は、少なくとも光軸から離れた外周領域に、前記光軸から離れる方向に光を屈折させる面を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載のレンズユニット。
3. 前記第１レンズに対して前記表示面側に配置される第３のレンズをさらに有し、
   前記第３レンズ面は前記第３のレンズに形成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載のレンズユニット。
4. 前記第３のレンズの屈折率は、前記第１のレンズの屈折率と前記第２のレンズの屈折率のそれぞれよりも高い
   ことを特徴とする請求項３に記載のレンズユニット。
5. 前記第１のレンズの屈折率、前記第２のレンズの屈折率、及び前記前記第３のレンズの屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３としたとき、
   条件：
   ｎ１≦１．５４
   ｎ２≦１．５４
   ｎ３≧１．６
   を満たすことを特徴とする請求項３に記載のレンズユニット。
6. 前記第３レンズ面は前記第１レンズに形成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載のレンズユニット。
7. 前記第１のレンズの屈折率は、前記第２のレンズの屈折率以上である
   ことを特徴とする請求項６に記載のレンズユニット。
8. 前記第２のレンズの屈折率は１．５４以下であることを特徴とする請求項７に記載のレンズユニット。
9. 前記第３レンズ面は非球面であることを特徴とする請求項２乃至８のいずれかに記載のレンズユニット。
10. 前記第３レンズ面が形成されているレンズは前記光軸と交わる中心と、前記外側領域と、前記中心と前記外側領域との間の領域である中間領域とを含み、
    前記中心での厚さをＴ１とし、
    前記中間領域での厚さをＴ２とし、
    前記外周領域での厚さをＴ３としたとき、
    条件：Ｔ３＞Ｔ１＞Ｔ２
    を満たすことを特徴とする請求項２乃至９のいずれかに記載のレンズユニット。
11. 前記第３レンズ面が形成されているレンズは前記光軸と交わる中心と、前記外側領域と、前記中心と前記外側領域との間の領域である中間領域とを含み、
    前記中心での厚さをＴ１とし、
    前記中間領域での厚さをＴ２とし、
    前記外周領域での厚さをＴ３としたとき、
    条件：
    ０．５ｍｍ≦Ｔ１≦４．０ｍｍ、
    ０．５ｍｍ≦Ｔ２≦４．０ｍｍ、及び
    ２．４ｍｍ≦Ｔ３≦６．５ｍｍ
    を満たすことを特徴とする請求項１０に記載のレンズユニット。
12. 前記レンズユニットの合成焦点距離をＦとし、前記レンズユニットのイメージサークルをΦとしたとき、
    条件：０．６×Φ−４．０≦Ｆ≦０．６×Φ＋８．０
    を満たすことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のレンズユニット。
13. 前記光軸と直交する面と前記第１レンズ面の接平面とがなす角度を第１の接線角とし、前記光軸と直交する面と前記第２レンズ面の接平面とがなす角度を第２の接線角としたとき、
    前記第１レンズ面の有効径の範囲内における前記第１の接線角の絶対値の最大が、３０度以上、５５度以下であり、
    前記第２レンズ面の有効径の範囲内における第２の接線角の絶対値の最大も、３０度以上、５５度以下である
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載のレンズユニット。
14. 前記第２のレンズは、前記観察面側に向いている第４レンズ面を有し、
    前記第４レンズ面は非球面である
    ことを特徴とする請求項１乃至図１３のいずれかに記載のレンズユニット。
15. 前記第４レンズ面は前記観察面側に向いた凸形状を有している
    ことを特徴とする請求項１４に記載のレンズユニット。
16. 前記第２のレンズの外周部の厚さは、前記第２のレンズの中心厚よりも大きい
    ことを特徴とする請求項１４に記載のレンズユニット。
17. 請求項１に記載のレンズユニットと、前記表示素子とを有している画像観察装置。
    
    

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