WO2020246509A1 - フレネルレンズ、及び画像観察装置 - Google Patents

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    • G02B2027/012—Head-up displays characterised by optical features comprising devices for improving the contrast of the display / brillance control visibility comprising devices for attenuating parasitic image effects

Definitions

  • the present invention relates to a Fresnel lens and an image observation device.
  • a Fresnel lens is composed of a plurality of prisms arranged from the optical axis toward the outer circumference of the lens.
  • the Fresnel lens is disclosed in Patent Document 1 below.
  • Each prism has a substantially triangular cross section and has an effective surface and an ineffective surface.
  • the effective surface faces the outer circumference of the Fresnel lens and is inclined with respect to the optical axis.
  • the effective surface corresponds to a convex lens having a desired optical performance obtained by dividing the lens surface into a plurality of annular regions.
  • the non-effective surface faces the optical axis and is parallel to the optical axis.
  • the light of the image reaches not only the effective surface of the prism but also the ineffective surface.
  • This light is reflected by the non-effective surface and may reach the observer's eyes.
  • the light reflected by the ineffective surface and reaching the observer's eyes causes flare. That is, it appears that the light spreads around the light emitting point in the image due to the light reflected on the non-effective surface.
  • An example of the Fresnel lens proposed in the present disclosure has a plurality of prisms arranged from the optical axis toward the outer circumference.
  • Each of the plurality of prisms has an effective surface that faces the outer periphery of the Fresnel lens and is inclined with respect to the optical axis, and a non-effective surface that faces the optical axis. It has the top of the prism between it and the ineffective surface.
  • the ineffective surface has a first surface and a second surface closer to the top of the prism than the first surface, and at least the first surface. The surface of is inclined with respect to the optical axis. According to this Fresnel lens, flare can be suppressed.
  • An example of the image observation device proposed in the present disclosure includes the Fresnel lens and a display element. According to this image observation device, flare can be suppressed.
  • the ineffective surface may be bent at the boundary between the first surface and the second surface.
  • the ineffective surface may be entirely curved, some of which may function as the first surface and some of which may function as the second surface.
  • both the first surface and the second surface may be inclined with respect to the optical axis. In this case, the angle between the first surface and the second surface with respect to the optical axis may be the same.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing the top of a prism having a second ineffective surface.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing the top of a prism having no second non-effective surface. It is a figure which shows the head-mounted display which is an example of an image observation apparatus.
  • the Fresnel lens proposed in the present disclosure will be described below.
  • the Fresnel lens 10 shown in FIG. 1 and the like will be described as an example of the Fresnel lens proposed in the present disclosure.
  • the Fresnel lens 10 is mounted on an image observation device having a display element.
  • the Fresnel lens 10 is used as an eyepiece optical system in a head-mounted display 100 (see FIG. 6).
  • the head-mounted display 100 has a display element ID arranged in front of the user (observer).
  • the display element ID is, for example, a liquid crystal display device, an organic EL (electroluminescence) display device, a micro LED display device, or the like.
  • two Fresnel lenses 10 are arranged side by side.
  • the Fresnel lens 10 In the head-mounted display 100, in addition to the Fresnel lens 10, another Fresnel lens located in the direction of the optical axis Z1 with respect to the Fresnel lens 10 may also be used.
  • the image observation device on which the Fresnel lens 10 is mounted is not limited to the head-mounted display 100, and may be applied to, for example, an electronic viewfinder of a camera.
  • the plurality of prisms 11 are arranged on a plane intersecting the optical axis Z1 (for example, a plane perpendicular to the optical axis 1, a concave surface, a convex surface, etc.).
  • the Fresnel lens 10 is arranged so that the prism 11 projects toward the display element ID.
  • the Fresnel lens 10 may be arranged such that the prism 11 projects toward the observer's pupil.
  • each prism 11 When the Fresnel lens 10 is viewed in the direction of the optical axis Z1, each prism 11 is an annular shape centered on the optical axis Z1.
  • the plurality of prisms 11 are arranged in the radial direction (direction orthogonal to the optical axis Z1) when the Fresnel lens 10 is viewed in the direction of the optical axis Z1.
  • Each prism 11 has an effective surface Es and an ineffective surface Ns. Further, each prism 11 has a top portion 11c between the effective surface Es and the non-effective surface Ns.
  • the effective surface Es faces the outer circumference of the Fresnel lens 10 and is inclined with respect to the optical axis Z1.
  • the effective surface Es is inclined so that the distance from the optical axis Z1 to the normal line De of the effective surface Es increases toward the front side (display element ID side in FIG. 1) of the Fresnel lens 10.
  • the effective surface Es corresponds to a convex lens having the optical performance required for an image observation device, in which the lens surface is divided into a plurality of annular regions.
  • the Fresnel lens 10 is formed by arranging the divided lens surfaces along a surface (for example, a plane perpendicular to the optical axis 1, a concave surface, a convex surface, etc.) that intersects the optical axis Z1.
  • the non-effective surface Ns is a surface facing the optical axis Z1. That is, the normal line Dn of the ineffective surface Ns extends toward the optical axis Z1.
  • FIG. 2A is a diagram showing a cross section of the Fresnel lens 10 proposed in the present disclosure.
  • the ineffective surface Ns has a slope inclined with respect to the optical axis Z1.
  • the ineffective surface Ns is inclined so that the distance from the optical axis Z1 to the ineffective surface Ns increases as it approaches the top 11c.
  • the distance between the ineffective surface Ns and the optical axis Z1 is the distance in the direction orthogonal to the optical axis Z1.
  • This inclination of the ineffective surface Ns can suppress the occurrence of flare.
  • the ineffective surface Ns has a slope, but only in some prisms 11, the ineffective surface Ns may have a slope.
  • FIG. 2B is a diagram for explaining the flare generation mechanism caused by the ineffective surface.
  • the Fresnel lens 90 whose ineffective surface Ns is parallel to the optical axis Z1 is shown.
  • the observer sees the light emitting point Lp of the display element ID
  • the light L1 emitted from the light emitting point Lp is refracted by the effective surface Es of the prism 91A and reaches the observer's pupil. From the light emitting point Lp, in addition to the light L1, light that reaches the ineffective surface Ns is generated.
  • the light L2 is reflected by the ineffective surface Ns of the prism 91B outside the prism 91A and reaches the observer's pupil.
  • the light L3 enters the prism 91C from the effective surface Es of the prism 91C inside the prism 91A, is reflected by the non-effective surface Ns, and reaches the observer's pupil.
  • the observer sees the light emitting point Lp of the display element ID, it is reflected not only by the light L1 that is refracted by the effective surface Es and reaches the observer's pupil but also by the ineffective surface Ns and is reflected by the observer's pupil.
  • Lights L2 and L3 that reach the area are generated.
  • the effective light L1 emitted from the light emitting point Lp is refracted by the effective surface Es of the prism 11A and observed. It reaches the eyes of the person. Further, the above-mentioned ineffective lights L2 and L3 are generated from the light emitting point Lp. (The direction in which the ineffective lights L2 and L3 shown in FIG. 2A exit from the light emitting point Lp is the same as the direction in which the ineffective lights L2 and L3 shown in FIG.
  • the non-effective surface Ns is inclined with respect to the optical axis Z1, and an angle ⁇ n is secured between the non-effective surface Ns and the direction of the optical axis Z1. Therefore, the ineffective light L2 is totally reflected by the ineffective surface Ns of the prism 11B outside the prism 11A, but deviates from the position of the observer's pupil. Further, since the non-effective surface Ns is inclined with respect to the optical axis Z1, the non-effective light L3 also deviates from the position of the observer's pupil. In other words, the angle ⁇ n is designed in each prism 11 so that the ineffective lights L2 and L3 deviate from the position of the observer's pupil. Therefore, the occurrence of flare can be suppressed.
  • the angle ⁇ n between the ineffective surface Ns and the optical axis Z1 is larger than the draft.
  • the "draft" is a slope formed on the surface of the mold in order to facilitate separation between the mold and the molded product (Fresnel lens 10) when the Fresnel lens 10 is molded using the mold.
  • the slope is inclined with respect to the separation direction between the mold and the molded product.
  • the draft is, for example, 1 to 5 degrees.
  • the angle ⁇ n between the ineffective surface Ns and the direction of the optical axis Z1 is larger than, for example, 5 degrees.
  • the angle ⁇ n is preferably greater than 15 degrees.
  • the angle ⁇ n is more preferably greater than 20 degrees.
  • the angle ⁇ n is even more preferably greater than 30 degrees.
  • the angle ⁇ n is smaller than 40 degrees. More preferably, the angle ⁇ n is less than 35 degrees.
  • the angle ⁇ n of the non-effective surface Ns may change according to the distance from the optical axis Z1 to the prism 11. By doing so, it is possible to more effectively prevent the ineffective lights L2 and L3 from reaching the observer's eyes.
  • the angle ⁇ n may increase as the distance from the optical axis Z1 to the prism 11 increases.
  • the angle ⁇ n may decrease as the distance from the optical axis Z1 to the prism 11 increases.
  • 3 and 4 are diagrams for explaining the relationship between the distance from the optical axis Z1 to the prism and the angle ⁇ n.
  • FIG. 3A represents a prism 91 (a prism in which the ineffective surface Ns is not inclined) close to the optical axis Z1
  • FIG. 3B is a prism having a relatively large distance from the optical axis Z1. It represents 91.
  • the plurality of effective surfaces Es constituting the Fresnel lens correspond to the divided lens surfaces of the convex lens. Therefore, as shown in FIG. 3A, the inclination of the effective surface Es becomes relatively gentle at a position close to the optical axis Z1, and as shown in FIG. 3B, a position far from the optical axis Z1. Then, the inclination of the effective surface Es becomes relatively steep.
  • the angles of incidence ⁇ e1 and ⁇ e2 of the non-effective light L3 on the non-effective surface Ns are closer to the prism 91 ((a) in FIG. 3) than the prism 91 closer to the optical axis Z1 ((a) in FIG. 3).
  • b)) becomes smaller.
  • the incident angle ⁇ e2 shown in FIG. 3B is smaller than the incident angle ⁇ e1 shown in FIG. 3A.
  • the ineffective surface Ns and the optical axis Z1 Even if the angle ⁇ n with respect to the direction is relatively small, it is possible to prevent the ineffective light L3 from reaching the ineffective surface Ns.
  • the incident angles ⁇ e1 and ⁇ e2 of the ineffective light L3 with respect to the ineffective surface Ns differ depending on the distance from the optical axis Z1, it is desirable that the angle ⁇ n of the ineffective surface Ns also changes depending on the distance from the optical axis Z1.
  • FIG. 4 shows the ineffective lights L21, L22, L23, and L24 emitted from the light emitting points Lp1 and Lp2.
  • the ineffective lights L21 and L22 emitted from the light emitting point Lp1 near the optical axis Z1 reach the Fresnel lens 10.
  • a part of the ineffective light (light L24) emitted from the light emitting point Lp2 far from the optical axis Z1 passes outside the Fresnel lens 10. Therefore, the closer to the outer peripheral portion of the Fresnel lens 10, the less effective light L2 (see FIG. 2A) reaches the observer's pupil.
  • the angle ⁇ n between the ineffective surface Ns and the direction of the optical axis Z1 is small, it is possible to suppress the ineffective light L2 (see FIG. 2A) from reaching the observer's pupil. it can. Therefore, the angle ⁇ n of the non-effective surface Ns may be relatively small on the outer peripheral portion of the Fresnel lens 10.
  • FIG. 5A is an enlarged cross-sectional view showing the top portion 11c of the prism 11.
  • the prism 11 has a curved surface Cs on its top 11c.
  • the Fresnel lens 10 can be easily molded.
  • the ineffective surface Ns of the prism 11 includes a first ineffective surface Ns1 relatively far from the top 11c and a second ineffective surface Ns2 relatively close to the top 11c.
  • the first ineffective surface Ns1 and the second ineffective surface Ns2 are aligned in the direction of the optical axis Z1.
  • the above-mentioned angle ⁇ n is secured between the first ineffective surface Ns1 and the direction of the optical axis Z1.
  • the angle ⁇ n of the first non-effective surface Ns1 may change according to the distance from the optical axis Z1 as described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • the angle between the second ineffective surface Ns2 and the direction of the optical axis Z1 is smaller than the angle ⁇ n between the first ineffective surface Ns1 and the direction of the optical axis Z1.
  • FIG. 5A a part of the light emitted from the light emitting point Lp1 (light L4 in FIG. 5A) is refracted by the curved surface Cs and is incident on the prism 11.
  • the second ineffective surface Ns2 prevents the light L4 from reaching the observer's pupil.
  • FIG. 5B shows a prism 11 that does not have such a second ineffective surface Ns2.
  • the position of the light emitting point Lp1 and the direction of the light L4 emitted from the light emitting point Lp1 are the same as those in FIG. 5A.
  • FIG. 5B shows a prism 11 that does not have such a second ineffective surface Ns2.
  • the ineffective surface Ns when the ineffective surface Ns does not have the second ineffective surface Ns2 and is inclined with respect to the optical axis Z1 as a whole, it is refracted by the curved surface Cs and the ineffective surface Ns. Light L4 traveling along Ns is generated. When this light L4 reaches the observer's eyes, it causes flare.
  • the second ineffective surface Ns2 since the second ineffective surface Ns2 is formed on the ineffective surface Ns, the second ineffective surface Ns2 blocks the light L4 and emits light to the observer's pupil. Prevents L4 from reaching.
  • the light L5 emitted from the light emitting point Lp2 and reflected by the outer surface of the second ineffective surface Ns2 is blocked by the first ineffective surface Ns1, and the light L5 reaches the observer's pupil. You can also prevent it from happening.
  • the second ineffective surface Ns2 is, for example, parallel to the optical axis Z1.
  • the second non-effective surface Ns2 may be inclined with respect to the optical axis Z1.
  • the angle between the second ineffective surface Ns2 and the optical axis Z1 may be the same as the draft described above, or may be larger than the draft.
  • the distance H4 (in the direction along the optical axis Z1) from the top 11c of the prism 11 (the uppermost end of the prism 11) to the boundary M between the second ineffective surface Ns2 and the first ineffective surface Ns1.
  • Distance is larger than the diameter of the curved surface Cs.
  • the circle R is the circle having the largest diameter among the virtual circles tangent to the inside of the curved surface Cs.
  • the diameter of the curved surface Cs is, for example, 3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less. Therefore, when the diameter of the curved surface Cs is larger than 3 ⁇ m, the distance H4 from the top 11c to the boundary M between the second ineffective surface Ns2 and the first ineffective surface Ns1 is, for example, larger than 3 ⁇ m.
  • the distance H4 from the top 11c of the prism 11 to the boundary M between the second ineffective surface Ns2 and the first ineffective surface Ns1 is smaller than half of the height H5 of the prism 11 (see FIG. 2A).
  • the distance H4 in this way, the size of the first ineffective surface Ns1 can be secured.
  • the height H5 of the prism 11 is the distance from the boundary between the ineffective surface Ns and the effective surface Es of two adjacent prisms 11 to the top 11c (distance in the direction along the optical axis Z1). Is.
  • each of the plurality of prisms 11 has an effective surface Es that faces the outside of the Fresnel lens 10 and is inclined with respect to the optical axis Z1, and an ineffective surface Ns that faces the optical axis Z1.
  • the top portion 11c of the prism 11 is provided between the effective surface Es and the non-effective surface Ns.
  • the ineffective surface Ns has a first ineffective surface Ns1 and a second ineffective surface Ns2 closer to the top 11c of the prism 11 than the first ineffective surface Ns1.
  • the first non-effective surface is inclined with respect to the optical axis Z1. According to this structure, it is possible to prevent the ineffective lights L2 and L3 from reaching the observer's pupil and causing flare.
  • the Fresnel lens proposed in the present disclosure is not limited to the above-mentioned example of the Fresnel lens 10.
  • the angle between the second ineffective surface Ns2 and the direction of the optical axis Z1 may be the same as the angle between the first ineffective surface Ns1 and the direction of the optical axis Z1. That is, the ineffective surface Ns may be a flat flat surface.
  • the ineffective surface Ns does not have to be bent at the boundary M between the first ineffective surface Ns1 and the second ineffective surface Ns2. That is, the ineffective surface Ns may be curved as a whole, and the first ineffective surface Ns1 and the second ineffective surface Ns2 may be smoothly connected.
  • the ineffective surface Ns has, in addition to the first ineffective surface Ns1 and the second ineffective surface Ns2, a third ineffective surface and a fourth ineffective surface having different angles. You may.

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Abstract

フレアを抑えることのできるフレネルレンズを提供する。フレネルレンズ（１０）を構成する複数のプリズム（１１）のそれぞれは、有効面（Ｅｓ）と非有効面（Ｎｓ）とを有している。各プリズム（１１）において、非有効面（Ｎｓ）は第１非有効面（Ｎｓ１）と、第１非有効面（Ｎｓ１）よりもプリズム（１１）の頂部（１１ｃ）に近い第２非有効面（Ｎｓ２）とを有している。第１非有効面は光軸（Ｚ１）に対して傾斜している。

Description

フレネルレンズ、及び画像観察装置
　本発明はフレネルレンズ及び画像観察装置に関する。
　フレネルレンズは光軸からレンズの外周に向かって並んでいる複数のプリズムで構成されている。下記特許文献１にフレネルレンズが開示されている。各プリズムは略三角形の断面を有し、有効面と非有効面とを有している。有効面は、フレネルレンズの外周に向いており且つ光軸に対して傾斜している。有効面は、所望の光学性能を有する凸レンズのレンズ面を複数の環状領域に分割したものに対応している。非有効面は、光軸に向いており且つ光軸と平行である。
国際公開第２０１７／１３８４８０号
　フレネルレンズを通して動画像を見ることのできる画像観察装置において、画像の光はプリズムの有効面だけでなく、非有効面にも到達する。この光は非有効面で反射し、観察者の眼に届くことがある。非有効面で反射して観察者の眼に届く光は、フレアの原因となる。すなわち、非有効面で反射する光に起因して、画像中の発光点の周囲に光が広がっているように見える。
　本開示で提案するフレネルレンズの一例は、光軸から外周に向かって並んでいる複数のプリズムを有している。前記複数のプリズムのそれぞれは、前記フレネルレンズの外周に向いており前記光軸に対して傾斜している有効面と、前記光軸に向いている非有効面とを有し、前記有効面と前記非有効面との間に前記プリズムの頂部を有している。前記複数のプリズムのうちの少なくとも１つにおいて、前記非有効面は第１の面と、前記第１の面よりも前記プリズムの前記頂部に近い第２の面とを有し、少なくとも前記第１の面は前記光軸に対して傾斜している。このフレネルレンズによると、フレアを抑えることができる。
　本開示で提案する画像観察装置の一例は前記フレネルレンズと表示素子とを含む。この画像観察装置によると、フレアを抑えることができる。
　なお、このフレネルレンズにおいて、非有効面は第１の面と第２の面との境で屈曲していてもよい。これとは異なり、非有効面は全体的に湾曲し、その一部が第１の面として機能し、他の一部が第２の面として機能してもよい。また、このフレネルレンズにおいて、第１の面と第２の面の双方が光軸に対して傾斜していてもよい。この場合、光軸に対する第１の面と第２の面との角度は同じであってもよい。
フレネルレンズの断面を示す概略図である。 本開示で提案するフレネルレンズの断面の拡大図である。 非有効面に起因するフレアの発生メカニズムを説明するための図である。 光軸からプリズムまでの距離と、非有効面の角度との関係を説明するための図である。 光軸からプリズムまでの距離と、非有効面の角度との関係を説明するための図である。 第２非有効面を有するプリズムの頂部を拡大して示す断面図である。 第２非有効面を有していないプリズムの頂部を拡大して示す断面図である。 画像観察装置の一例であるヘッドマウントディスプレイを示す図である。
　以下において、本開示で提案するフレネルレンズについて説明する。本明細書では、本開示で提案するフレネルレンズの例として、図１等に示すフレネルレンズ１０について説明する。
　フレネルレンズ１０は、表示素子を有する画像観察装置に搭載される。例えば、フレネルレンズ１０は、ヘッドマウントディスプレイ１００（図６参照）における接眼光学系として利用される。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素子ＩＤを有している。表示素子ＩＤは、例えば、液晶表示装置や、有機ＥＬ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示装置、マイクロＬＥＤ表示装置などである。フレネルレンズ１０がヘッドマウントディスプレイ１００に搭載される場合、２つのフレネルレンズ１０が左右に並んで配置される。ヘッドマウントディスプレイ１００においては、フレネルレンズ１０に加えて、フレネルレンズ１０に対して光軸Ｚ１の方向に位置する他のフレネルレンズも利用されてよい。フレネルレンズ１０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などに適用されてもよい。
　図１で示すように、複数のプリズム１１は光軸Ｚ１と交差する面（例えば、光軸１に垂直な平面や、凹面、凸面など）に配置されている。図１において、フレネルレンズ１０はプリズム１１が表示素子ＩＤに向かって突出するように配置されている。図１とは異なり、フレネルレンズ１０はプリズム１１が観察者の瞳に向かって突出するように配置されてもよい。
　フレネルレンズ１０を光軸Ｚ１の方向で見たときに、各プリズム１１は光軸Ｚ１を中心とする環状である。複数のプリズム１１は、フレネルレンズ１０を光軸Ｚ１の方向で見たときに、径方向（光軸Ｚ１に直交する方向）で並んでいる。各プリズム１１は、有効面Ｅｓと非有効面Ｎｓとを有している。また、各プリズム１１は、有効面Ｅｓと非有効面Ｎｓとの間に頂部１１ｃを有している。有効面Ｅｓは、フレネルレンズ１０の外周に向いており且つ光軸Ｚ１に対して傾斜している。すなわち、光軸Ｚ１から有効面Ｅｓの法線Ｄｅまでの距離が、フレネルレンズ１０の前側（図１において、表示素子ＩＤ側）に向かって大きくなるように、有効面Ｅｓは傾斜している。有効面Ｅｓは、画像観察装置において求められる光学性能を有する凸レンズのレンズ面を、複数の環状領域に分割したものに対応している。分割されたレンズ面が光軸Ｚ１と交差する面（例えば、光軸１に垂直な平面や、凹面、凸面など）に沿って並べられて、フレネルレンズ１０を構成している。非有効面Ｎｓは光軸Ｚ１に向いた面である。すなわち、非有効面Ｎｓの法線Ｄｎは光軸Ｚ１に向かって延びている。
　図２Ａは本開示で提案するフレネルレンズ１０の断面を示す図である。この図に示すように、各プリズム１１において、非有効面Ｎｓは光軸Ｚ１に対して傾斜している斜面を有している。頂部１１ｃに近づくに従って、光軸Ｚ１から非有効面Ｎｓまでの距離が大きくなるように、非有効面Ｎｓは傾斜している。（非有効面Ｎｓと光軸Ｚ１との距離とは、光軸Ｚ１に対して直交する方向での距離である。）非有効面Ｎｓのこの傾斜によって、フレアの発生を抑えることができる。好ましくは、全てのプリズム１１において、非有効面Ｎｓは斜面を有するが、一部のプリズム１１においてのみ、非有効面Ｎｓは斜面を有してもよい。
　図２Ｂは、非有効面に起因するフレアの発生メカニズムを説明するための図である。この図では、フレネルレンズ１０とは異なり、非有効面Ｎｓが光軸Ｚ１と平行なフレネルレンズ９０が示されている。観察者が表示素子ＩＤの発光点Ｌｐを見たとき、発光点Ｌｐから出た光Ｌ１は、プリズム９１Ａの有効面Ｅｓで屈折し、観察者の瞳に届く。発光点Ｌｐからは、光Ｌ１の他にも、非有効面Ｎｓに到達する光が発生する。図の例では、光Ｌ２は、プリズム９１Ａの外側にあるプリズム９１Ｂの非有効面Ｎｓで反射して観察者の瞳に届く。また、光Ｌ３は、プリズム９１Ａの内側にあるプリズム９１Ｃの有効面Ｅｓからプリズム９１Ｃに入射し、非有効面Ｎｓで反射して観察者の瞳に届く。このように、観察者が表示素子ＩＤの発光点Ｌｐを見たとき、有効面Ｅｓで屈折して観察者の瞳に届く光Ｌ１だけでなく、非有効面Ｎｓで反射して観察者の瞳に届く光Ｌ２・Ｌ３が発生する。この光Ｌ２・Ｌ３がフレアの原因となる。以下では、光Ｌ２・Ｌ３で表されるように非有効面Ｎｓに向かう光を「非有効光」と称し、光Ｌ１で表されるように有効面Ｅｓに入射する光を「有効光」と称する。
　図２Ａで示すように、フレネルレンズ１０においても、観察者が表示素子ＩＤの発光点Ｌｐを見たとき、発光点Ｌｐから出た有効光Ｌ１は、プリズム１１Ａの有効面Ｅｓで屈折し、観察者の瞳に届く。また、発光点Ｌｐからは、上述した非有効光Ｌ２・Ｌ３が発生する。（図２Ａで示す非有効光Ｌ２・Ｌ３が発光点Ｌｐから出る方向と、図２Ｂで示す非有効光Ｌ２・Ｌ３が発光点Ｌｐから出る方向は同じである。）しかしながら、フレネルレンズ１０において、非有効面Ｎｓは光軸Ｚ１に対して傾斜し、非有効面Ｎｓと光軸Ｚ１の方向との間には角度θｎが確保されている。そのため、非有効光Ｌ２は、プリズム１１Ａの外側にあるプリズム１１Ｂの非有効面Ｎｓで全反射するものの、観察者の瞳の位置を逸れる。また、非有効面Ｎｓが光軸Ｚ１に対して傾斜しているので、非有効光Ｌ３も観察者の瞳の位置を逸れる。言い換えれば、非有効光Ｌ２・Ｌ３が観察者の瞳の位置を逸れるように、各プリズム１１において角度θｎが設計されている。このため、フレアの発生を抑えることができる。
　非有効面Ｎｓと光軸Ｚ１との角度θｎは、抜き勾配よりも大きい。「抜き勾配」とは、金型を利用したフレネルレンズ１０の成形時に、金型と成形品（フレネルレンズ１０）との分離を円滑化するために、金型表面に形成した斜面であり、この斜面は金型と成形品との分離方向に対して傾斜している。抜き勾配は例えば１度から５度である。これに対して、非有効面Ｎｓと光軸Ｚ１の方向との角度θｎは、例えば、５度よりも大きい。角度θｎは、好ましくは１５度よりも大きい。角度θｎは、より好ましくは２０度よりも大きい。角度θｎは、さらに好ましくは、３０度よりも大きい。また、角度θｎは４０度よりも小さい。より好ましくは、角度θｎは、３５度よりも小さい。
　光軸Ｚ１からプリズム１１までの距離に応じて、非有効面Ｎｓの角度θｎは変化していてもよい。こうすることで、非有効光Ｌ２・Ｌ３が観察者の瞳に達することを、より効果的に防ぐことができる。有効面Ｅｓの角度（フレネルレンズ１０の光学特性）によっては、例えば、光軸Ｚ１からプリズム１１までの距離が大きくなるに従って、角度θｎは大きくなってもよい。反対に、有効面Ｅｓの角度によっては、光軸Ｚ１からプリズム１１までの距離が大きくなるに従って、角度θｎは小さくなってもよい。
　図３及び図４は、光軸Ｚ１からプリズムまでの距離と、角度θｎとの関係を説明するための図である。
　図３の（ａ）は、光軸Ｚ１に近いプリズム９１（非有効面Ｎｓが傾斜していないプリズム）を表し、図３の（ｂ）は、光軸Ｚ１からの距離が相対的に大きいプリズム９１を表している。上述したように、フレネルレンズを構成する複数の有効面Ｅｓは、凸レンズのレンズ面を分割したものに対応している。そのため、図３の（ａ）で示すように、光軸Ｚ１に近い位置では、有効面Ｅｓの傾斜は相対的に緩くなり、図３の（ｂ）で示すように、光軸Ｚ１から遠い位置では、有効面Ｅｓの傾斜は相対的に急になる。そのため、非有効光Ｌ３の非有効面Ｎｓへの入射角θｅ１・θｅ２は、光軸Ｚ１から近いプリズム９１（図３の（ａ））よりも、光軸Ｚ１から遠いプリズム９１（図３の（ｂ））において小さくなる。（すなわち、図３の（ｂ）で示す入射角θｅ２は、図３の（ａ）で示す入射角θｅ１より小さい。）そのため、光軸Ｚ１に近い位置では、非有効面Ｎｓと光軸Ｚ１の方向との角度θｎが相対的に小さくても、非有効光Ｌ３が非有効面Ｎｓに達することを防ぐことが可能となる。このように、非有効面Ｎｓに対する非有効光Ｌ３の入射角θｅ１・θｅ２が光軸Ｚ１からの距離によって異なるため、非有効面Ｎｓの角度θｎも光軸Ｚ１からの距離によって変えるのが望ましい。
　図４は、発光点Ｌｐ１・Ｌｐ２から出る非有効光Ｌ２１・Ｌ２２・Ｌ２３・Ｌ２４を示している。光軸Ｚ１に近い発光点Ｌｐ１から出た非有効光Ｌ２１・Ｌ２２は、フレネルレンズ１０に達する。これに対して、光軸Ｚ１から遠い発光点Ｌｐ２から出た非有効光のうち一部（光Ｌ２４）は、フレネルレンズ１０の外側を通過する。このため、フレネルレンズ１０の外周部に近づくに従って、観察者の瞳に非有効光Ｌ２（図２Ａ参照）が届きにくくなる。そのため、フレネルレンズ１０の外周部では、非有効面Ｎｓと光軸Ｚ１の方向との角度θｎが小さくても、非有効光Ｌ２（図２Ａ参照）が観察者の瞳に届くことを抑えることができる。このため、フレネルレンズ１０の外周部では、非有効面Ｎｓの角度θｎは相対的に小さくてよい。
　図５Ａは、プリズム１１の頂部１１ｃを拡大して示す断面図である。図５Ａで示すように、プリズム１１は、その頂部１１ｃに、湾曲面Ｃｓを有している。このような湾曲面Ｃｓを頂部１１ｃに形成することにより、フレネルレンズ１０の成形が容易となる。
　また、プリズム１１の非有効面Ｎｓは、頂部１１ｃから相対的に遠い第１非有効面Ｎｓ１と、頂部１１ｃに相対的に近い第２非有効面Ｎｓ２とを含んでいる。第１非有効面Ｎｓ１と第２非有効面Ｎｓ２は光軸Ｚ１の方向で並んでいる。第１非有効面Ｎｓ１と光軸Ｚ１の方向との間に、上述した角度θｎが確保されている。第１非有効面Ｎｓ１の角度θｎは、図３及び図４を参照しながら説明したように、光軸Ｚ１からの距離に応じて変化してもよい。第２非有効面Ｎｓ２と光軸Ｚ１の方向との角度は、第１非有効面Ｎｓ１と光軸Ｚ１の方向との角度θｎよりも小さい。
　図５Ａで示すように、発光点Ｌｐ１から出た光の一部（図５Ａにおいて光Ｌ４）は、この湾曲面Ｃｓで屈折し、プリズム１１に入射する。第２非有効面Ｎｓ２はこの光Ｌ４が観察者の瞳に到達することを防ぐ。図５Ｂは、このような第２非有効面Ｎｓ２を有していないプリズム１１を示している。この図において、発光点Ｌｐ１の位置や、発光点Ｌｐ１から出る光Ｌ４の方向は、図５Ａのそれらと同じである。図５Ｂで示すように、非有効面Ｎｓが第２非有効面Ｎｓ２を有しておらず、その全体において光軸Ｚ１に対して傾斜している場合、湾曲面Ｃｓで屈折し、非有効面Ｎｓに沿って進む光Ｌ４が発生する。この光Ｌ４が観察者の瞳に到達すると、フレアの原因となる。これに対して、図５Ａで示すプリズム１１においては、非有効面Ｎｓに第２非有効面Ｎｓ２が形成されているので、第２非有効面Ｎｓ２が光Ｌ４を遮り、観察者の瞳に光Ｌ４が到達することを防ぐ。
　なお、図５Ａで示すプリズム１１においては、発光点Ｌｐ２から出て第２非有効面Ｎｓ２の外面で反射した光Ｌ５を、第１非有効面Ｎｓ１で遮り、観察者の瞳に光Ｌ５が到達することを防ぐこともできる。
　第２非有効面Ｎｓ２は、例えば、光軸Ｚ１と平行である。第２非有効面Ｎｓ２は、光軸Ｚ１に対して傾斜していてもよい。この場合、第２非有効面Ｎｓ２と光軸Ｚ１との角度は、上述した抜き勾配と同じであってもよいし、或いは、抜き勾配より大きくてもよい。
　図５Ａで示すように、プリズム１１の頂部１１ｃ（プリズム１１の最上端）から第２非有効面Ｎｓ２と第１非有効面Ｎｓ１との境Ｍまでの距離Ｈ４（光軸Ｚ１に沿った方向での距離）は、湾曲面Ｃｓの直径よりも大きい。距離Ｈ４をこのように設計することによって、言い換えれば、第２非有効面Ｎｓ２のサイズをこのように設計することによって、湾曲面Ｃｓで屈折した光に対して第２非有効面Ｎｓ２を有効に機能させることができる。なお、この説明において、「湾曲面Ｃｓの直径」とは、湾曲面Ｃｓの内側に接する仮想的な円Ｒ（図５Ａ参照）の直径である。円Ｒは、湾曲面Ｃｓの内側に接する仮想的な円のうち最も大きな直径を有する円である。湾曲面Ｃｓの直径は、例えば、３μｍ以上、２０μｍ以下である。したがって、湾曲面Ｃｓの直径が３μｍより大きい場合、頂部１１ｃから第２非有効面Ｎｓ２と第１非有効面Ｎｓ１との境Ｍまでの距離Ｈ４は、例えば、３μｍより大きい。
　また、プリズム１１の頂部１１ｃから第２非有効面Ｎｓ２と第１非有効面Ｎｓ１との境Ｍまでの距離Ｈ４は、プリズム１１の高さＨ５（図２Ａ参照）の半分よりも小さい。距離Ｈ４をこのように設計することによって、第１非有効面Ｎｓ１のサイズを確保できる。その結果、非有効光Ｌ２・Ｌ３（図３参照）が観察者の瞳に届くことを防ぐことができる。なお、この説明において、プリズム１１の高さＨ５は、隣り合う２つのプリズム１１の非有効面Ｎｓと有効面Ｅｓとの境から頂部１１ｃまでの距離（光軸Ｚ１に沿った方向での距離）である。
　以上説明したように、複数のプリズム１１のそれぞれは、フレネルレンズ１０の外側に向いており光軸Ｚ１に対して傾斜している有効面Ｅｓと、光軸Ｚ１に向いている非有効面Ｎｓとを有し、有効面Ｅｓと非有効面Ｎｓとの間にプリズム１１の頂部１１ｃを有している。各プリズム１１において、非有効面Ｎｓは第１非有効面Ｎｓ１と、第１非有効面Ｎｓ１よりもプリズム１１の頂部１１ｃに近い第２非有効面Ｎｓ２とを有している。第１非有効面は光軸Ｚ１に対して傾斜している。この構造によると、非有効光Ｌ２・Ｌ３が観察者の瞳に達し、フレアを生じることを抑えることができる。
　なお、本開示で提案するフレネルレンズは、上述したフレネルレンズ１０の例に限られない。
　例えば、第２非有効面Ｎｓ２と光軸Ｚ１の方向との角度は、第１非有効面Ｎｓ１と光軸Ｚ１の方向との角度と同じであってもよい。すなわち、非有効面Ｎｓは平らな平面であってもよい。
　さらに他の例では、非有効面Ｎｓは、第１非有効面Ｎｓ１と第２非有効面Ｎｓ２との間の境Ｍで屈曲していなくてもよい。すなわち、非有効面Ｎｓは全体的に湾曲し、第１非有効面Ｎｓ１と第２非有効面Ｎｓ２が滑らかに繋がっていてもよい。
　さらに他の例では、非有効面Ｎｓは、第１非有効面Ｎｓ１と第２非有効面Ｎｓ２とに加えて、それらとは角度の異なる第３非有効面や、第４非有効面を有してもよい。

 

Claims (9)

  1. 　光軸から外周に向かって並んでいる複数のプリズムを有しているフレネルレンズにおいて、
    　前記複数のプリズムのそれぞれは、前記フレネルレンズの外周に向いており前記光軸に対して傾斜している有効面と、前記光軸に向いている非有効面とを有し、前記有効面と前記非有効面との間に前記プリズムの頂部を有し、
    　前記複数のプリズムのうちの少なくとも１つにおいて、前記非有効面は、第１の面と、前記第１の面よりも前記プリズムの前記頂部に近い第２の面とを有し、少なくとも前記第１の面は前記光軸に対して傾斜している
    　フレネルレンズ。
  2. 　前記複数のプリズムのうちの前記少なくとも１つにおいて、
    　前記第２の面と前記光軸との角度は、前記第１の面と前記光軸との角度よりも小さい
    　請求項１に記載されるフレネルレンズ。
  3. 　前記少なくとも１つのプリズムは、前記頂部に湾曲面を有している
    　請求項１に記載されるフレネルレンズ。
  4. 　前記頂部から、前記第２の面と前記第１の面との境までの距離は、前記湾曲面の直径より大きい
    　請求項３に記載されるフレネルレンズ。
  5. 　前記頂部から、前記第２の面と前記第１の面との境までの距離は、前記プリズムの高さの半分よりも小さい
    　請求項２に記載されるフレネルレンズ。
  6. 　前記複数のプリズムのそれぞれは前記第１の面を有し、
    　前記第１の面の前記光軸との角度は、前記第１の面の前記光軸からの距離に応じて変化している
    　請求項１に記載されるフレネルレンズ。
  7. 　前記第１の面と前記光軸の方向との角度は、前記フレネルレンズの抜き勾配よりも大きい
    　請求項１に記載されるフレネルレンズ。
  8. 　前記第１の面と前記光軸の方向との角度は、５度より大きく、４０度以下である
    　請求項１に記載されるフレネルレンズ。
  9. 　請求項１のフレネルレンズと、表示素子とを有している画像観察装置。

     
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