(57)【要約】    【課題】  画像表示面に表示される画像情報を、全系の小型化及び軽量化を図りつつ、広視野角でありながら高い光学性能で観察することができる観察光学系を得ること。    【解決手段】  画像表示面に表示された画像を観察するための観察光学系であって、観察光学系は、観察面側から画像表示面側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズ、正の屈折力を有する第２レンズを有し、第１レンズはフレネルレンズよりなり、第１レンズの焦点距離をｆ１、第２レンズの焦点距離をｆ２とし、各々適切に設定すること。【選択図】    図１
2018132579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示面に表示された画像を観察するための観察光学系であって、前記観察光学系は、観察面側から画像表示面側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズ、正の屈折力を有する第２レンズを有し、前記第１レンズはフレネルレンズよりなり、前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記第２レンズの焦点距離をｆ２とするとき、
１．５０＜ｆ１／ｆ２＜２．７５
なる条件式を満足することを特徴とする観察光学系。
【請求項２】
前記第１レンズの画像表示面側はフレネル面であることを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
【請求項３】
前記第１レンズの観察面側は、光線有効域において連続的な面よりなることを特徴とする請求項１又は２に記載の観察光学系。
【請求項４】
全系の焦点距離をｆ、最も観察面側に位置するレンズの観察面側のレンズ面から前記第１レンズの画像表示面側のレンズ面までの距離をＬとするとき、
０．０１＜Ｌ／ｆ＜０．０９
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の観察光学系。
【請求項５】
前記第１レンズのフレネル面の中心輪帯に隣接する第１輪帯の格子壁面の光軸方向の長さをｈ１、ｄ線の波長の長さをλｄとするとき、
５０．０＜ｈ１／λｄ＜５００．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の観察光学系。
【請求項６】
前記第１レンズの観察面側の面の曲率半径をＲ１１、前記第１レンズの画像表示面側の面の曲率半径をＲ１２とするとき、
−１．５＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．８
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の観察光学系。
【請求項７】
前記第２レンズの観察面側の面の曲率半径をＲ２１、前記第２レンズの画像表示面側の面の曲率半径をＲ２２とするとき、
−１．５＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜−０．６
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の観察光学系。
【請求項８】
前記第１レンズの観察面側の面から前記第２レンズの画像表示面側の面までの距離をｄ、全系の焦点距離をｆとするとき、
０．２０＜ｄ／ｆ＜０．４５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の観察光学系。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の観察光学系と、画像情報を表示する画像表示素子を有し、前記観察光学系によって拡大された前記画像表示素子の画像情報を観察面側から観察することを特徴とする観察装置。
【請求項１０】
アイレリーフ１０ｍｍで、半視野角４５度における画像表示面の実際の像高をｙ、アイレリーフ１０ｍｍにおける観察面から画像表示面までの距離をＬａｌｌとするとき、
０．５＜ｙ／Ｌａｌｌ＜０．８
なる条件式を満足することを特徴とする請求項９に記載の観察装置。
【請求項１１】
アイレリーフ１０ｍｍで、半視野角４５度における画像表示面の理想像高をｙ０、アイレリーフ１０ｍｍで、半視野角４５度における画像表示面の実際の像高をｙとするとき、
−０．３０＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項９又は１０に記載の観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば液晶等の画像表示素子に表示された原画像を拡大表示し、観察するヘッドウントディスプレイ等に好適な観察光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、CRTやLCD等の画像表示素子を用いて表示された原画像を、観察光学系を介して拡大表示し、大画面画像を使用者に与えることで、臨場感のある観察ができるようにしたヘッドマウントディスプレイ等の観察装置が提案されている。近年、観察装置に関しては、さらなる高臨場感が得られることが望まれており、そのために観察装置に用いられる観察光学系には広視野角に対応し、且つ高い光学性能を有することが求められている。更に頭部に装着する、或いは手で持つタイプの観察装置に用いるときには観察光学系が小型であり、かつ軽量であることが求められている。
【０００３】
従来、広視野角且つ軽量化を図った観察光学系として光路中にフレネルレンズを配した接眼映像表示装置が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０７−２４４２４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
画像表示素子に表示される画像情報を広視野角でありながら、高い光学性能を有し、且つ全体が軽量な観察光学系を得るには、レンズ構成、特にフレネルレンズを用いるときにはフレネルレンズの形状やレンズ構成等を適切に設定する必要がある。
【０００６】
特許文献１の接眼光学系は、最も眼（観察面）に近い位置に、鋸歯形状を有し、凹面を観察面側に向けたフレネルレンズを配している。そして、広視野角且つ全系の軽量化を図っている。特許文献１に開示されている接眼映像表示装置は、フレネルレンズの屈折力が強すぎるため、格子のピッチが細かくなったり、有効面に対する格子の段差の割合が大きくなる傾向があった。一般に格子のピッチが細かくなると、回折する角度が大きくなり、フレアが目立つ。また有効面に対する格子の段差の割合が大きくなると、段差に入射した光線が不要光となって、光学性能を低下させる原因となる。
【０００７】
本発明は、画像表示面に表示される画像情報を、全系の小型化及び軽量化を図りつつ、広視野角でありながら高い光学性能で観察することができる観察光学系及びそれを有する観察装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の観察光学系は、画像表示面に表示された画像を観察するための観察光学系であって、前記観察光学系は、観察面側から画像表示面側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズ、正の屈折力を有する第２レンズを有し、前記第１レンズはフレネルレンズよりなり、前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記第２レンズの焦点距離をｆ２とするとき、
１．５０＜ｆ１／ｆ２＜２．７５
なる条件式を満足することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、画像表示面に表示される画像情報を、全系の小型化及び軽量化を図りつつ、広視野角でありながら高い光学性能で観察することができる観察光学系が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１のレンズ断面図
【図２】（Ａ）、（Ｂ）  本発明の実施例１のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図
【図３】本発明の実施例２のレンズ断面図
【図４】（Ａ）、（Ｂ）  本発明の実施例２のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図
【図５】本発明の実施例３のレンズ断面図
【図６】（Ａ）、（Ｂ）  本発明の実施例３のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図
【図７】本発明の実施例４のレンズ断面図
【図８】（Ａ）、（Ｂ）  本発明の実施例４のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図
【図９】本発明の実施例５のレンズ断面図
【図１０】（Ａ）、（Ｂ）  本発明の実施例５のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図
【図１１】本発明のフレネルレンズの中心輪帯の面頂点から、端部までの光軸方向の長さと格子壁面の長さ(段差)、及びフレネルレンズの中心輪帯の面頂点から、端部までの直径、フレネルレンズの有効径等の定義の説明図
【図１２】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）  フレネル面の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて説明する。本発明の観察光学系は、画像表示面に表示された画像を観察するための観察光学系である。観察光学系は、観察面側から画像表示面側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズ、正の屈折力を有する第２レンズを有する。第１レンズはフレネルレンズよりなっている。本発明の観察光学系は第１レンズと第２レンズ以外にレンズを有する場合もある。
【００１２】
図１は本発明の実施例１の観察光学系を有する観察装置のレンズ断面図である。図２（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例１の観察光学系のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図である。図３は本発明の実施例２の観察光学系を有する観察装置のレンズ断面図である。図４（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例２の観察光学系のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図である。図５は本発明の実施例３の観察光学系を有する観察装置のレンズ断面図である。
【００１３】
図６（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例３の観察光学系のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図である。図７は本発明の実施例４の観察光学系を有する観察装置のレンズ断面図である。図８（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例４の観察光学系のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図である。図９は本発明の実施例５の観察光学系を有する観察装置のレンズ断面図である。図１０（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例５の観察光学系のアイレリーフ１０ｍｍとアイレリーフ２０ｍｍにおける縦収差図である。
【００１４】
図１１は本発明の第１レンズのフレネル面の中心輪帯の面頂点から、端部までの光軸方向の長さと壁面の長さ（段差）の定義を説明する図である。図１２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明に係るフレネルレンズの説明図である。
【００１５】
レンズ断面図において、Ｌ０観察光学系である。ＬＦは正の屈折力を有する第１レンズであり、フレネルレンズよりなっている。ＬＰは正の屈折力を有する第２レンズである。ここで第２レンズＬＰはレンズ面が曲率を有した曲面であり、該曲面で屈折作用のあるレンズであって、フレネル面を含まない。ＩＤは画像表示面であり、例えば液晶表示素子等の画像表示素子が配置される。ＳＰは観察面であり、観察者の瞳（アイポイント）が位置する。観察面ＳＰには絞り（ＳＰ１）が配置される場合もある。
【００１６】
各実施例のレンズ断面図において、アイレリーフは、光軸上におけるアイポイント（ＳＰ）と最も観察面ＳＰ側のレンズ面との間隔を表す。
【００１７】
各収差図は、左から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示している。球面収差図では、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）、ｇ線（波長４３５．８ｎｍ）に対する球面収差を示している。非点収差図において、Ｓ、Ｍはそれぞれ、サジタル像面、メリディオナル像面における非点収差を示している。歪曲収差はｄ線について示している。色収差図ではｇ線における色収差を示している。
【００１８】
なお、収差の評価においては、画像表示面ＩＤ側に発光点を設けて観察面側に到達した光線の収差と、観察面ＳＰ側に発光点を設けて画像表示面ＩＤ側に到達した光線の収差は一対一で対応するため、便宜上、画像表示面ＩＤでの収差を評価している。また、各実施例の絞りＳＰの開口絞り径は、人間の瞳径の一例として３．５ｍｍに設定している。また、本件は、アイレリーフが人によって異なったり、眼鏡をかけた状態に対応するため、アイレリーフによる収差の変動を抑えている。よって、代表的にアイレリーフ１０ｍｍと２０ｍｍの際の収差について図示している。
【００１９】
図１１は本発明に係る第１レンズＬＦのフレネル面の各要素を定義するための説明図である。Ｆｒｅはフレネル面であり、同心円状の複数の格子ＦＰが所定の格子ピッチで配列されている。Ｆ０は中心輪帯であり、連続した面であり、球面や非球面等からなっている。Ｌａは光軸である。Φ１はフレネル面の有効径である。Φ０はフレネル面Ｆｒｅの中心輪帯Ｆ０の有効径である。即ち中心輪帯Ｆ０の一方の端部ＦＬ２から他方の端部ＦＬ２までの直径である。Ｆｒは格子が形成されたフレネル輪帯である。
【００２０】
図１１では第１１レンズＬＦのフレネル面Ｆｒｅの中心輪帯Ｆ０の面頂点ＦＬ１から、端部ＦＬ２までの光軸Ｌａ方向の長さをｈ０、光軸Ｌａから数えたときの第ｎ番目の格子（輪帯）の壁面の長さをｈｎとしている。ｈ１は第１レンズＬＦのフレネル面Ｆｒｅの中心輪帯Ｆ０に隣接する第１輪帯の格子壁面の光軸方向の長さである。
【００２１】
次に本発明の観察光学系Ｌ０の構成について説明する。本発明の観察光学系Ｌ０は、正の屈折力を有する第１レンズＬＦ、正の屈折力を有する第２レンズＬＰを有する。第１レンズＬＦはフレネルレンズよりなっている。観察光学系Ｌ０を複数のレンズで構成することによって、各面の曲率を緩めて、これにより各面での収差発生量を減らし、全体としての収差量も減らしている。
【００２２】
そして、第２レンズＬＰに比して第１レンズＬＦを観察面ＳＰ側に配置している。それにより、フレネル面の格子の突起部の成形不良（面ダレ）等による不要光（ゴースト）が、観察者のピント位置に対して、視度のずれ量が増えるのを軽減し、視認しやすくなるようにして、光学性能を向上させている。
【００２３】
各実施例において、第１レンズＬＦの焦点距離をｆ１、第２レンズＬＰの焦点距離をｆ２とする。このとき、
１．５０＜ｆ１／ｆ２＜２．７５    ・・・（１）
なる条件式を満足する。
【００２４】
次に前述の条件式の技術的意味について説明する。条件式（１）は正の屈折力を有する第１レンズＬＦの屈折力と正の屈折力を有する第２レンズＬＰの屈折力の比を規定している。第２レンズＬＰの正の屈折力を第１レンズＬＦの正の屈折力に対して大きくしている。それにより、第１レンズＬＦの格子のピッチが細かくなりすぎたり、有効面に対する格子の段差の割合が大きくなりすぎたりすることを抑制し、高い光学性能を得ている。
【００２５】
条件式（１）の下限を超えて、第１レンズＬＦの正の屈折力が強くなりすぎると、第１レンズＬＦの格子のピッチが細かくなりすぎたり、有効面に対する格子の段差の割合が大きくなりすぎる。そして回折によるフレアや段差が起因する不要光が多く発生し、光学性能が低下してくる。
【００２６】
逆に、条件式（１）の上限を超えて、第２レンズＬＰの正の屈折力が強くなりすぎると、主に、像面湾曲、非点収差が増大する。また、第２レンズＬＰの偏肉比が大きくなりすぎて、重量が増大するので良くない。
【００２７】
さらに好ましくは、条件式（１）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
１．５５＜ｆ１／ｆ２＜２．６５    ・・・（１ａ）
さらに好ましくは、条件式（１ａ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
１．５７＜ｆ１／ｆ２＜２．５５    ・・・（１ｂ）
【００２８】
以上の構成により、広視野でありながら高い光学性能を有し、且つ軽量な観察光学系を得ている。
【００２９】
本発明の観察光学系Ｌ０は、第１レンズＬＦの画像表示面ＩＤ側がフレネル面Ｆｒｅであることが望ましい。人間の眼に相当する絞りに対してコンセントリック形状を為すと、光学性能が向上する。すなわち光学性能を向上させる観点で画像表示面ＩＤ側の面の曲率は強くなる。よって、画像表示面ＩＤ側をフレネル面Ｆｒｅとすることで、軽量化を図っている。
【００３０】
さらに、観察光学系Ｌ０は、第１レンズＬＦの観察面ＳＰ側が、光線有効域において段差のない連続的な面形状よりなることが望ましい。人間の眼に相当する絞りに対してコンセントリック形状を為すと、光学性能が向上するため、観察面ＳＰ側の面の曲率は緩くなる。よって、観察面ＳＰ側の面を連続的な形状とすることしても、フレネル面Ｆｒｅに対して、重量の増大は小さいので重量も重くならずに、且つ回折によるフレアや段差が起因する不要光の発生を軽減している。
【００３１】
各実施例において更に好ましくは次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。全系の焦点距離をｆ、最も観察面側に位置するレンズの観察面側のレンズ面から第１レンズＬＦの画像表示面側のレンズ面までの距離をＬとする。第１レンズのフレネル面の中心輪帯に隣接する第１輪帯の格子壁面の光軸方向の長さをｈ１、ｄ線の波長の長さをλｄとする。
【００３２】
第１レンズＬＦの観察面ＳＰ側の面の曲率半径をＲ１１、第１レンズＬＦの画像表示面ＩＤ側の面の曲率半径をＲ１２とする。第２レンズＬＰの観察面ＳＰ側の面の曲率半径をＲ２１、第２レンズＬＰの画像表示面ＩＤ側の面の曲率半径をＲ２２とする。第１レンズＬＦの観察面ＳＰ側の面から第２レンズＬＰの画像表示面ＩＤ側の面までの距離をｄとする。観察光学系Ｌ０と、画像情報を表示する画像表示素子を有し、観察光学系Ｌ０によって拡大された画像表示素子の画像情報を観察面ＳＰ側から観察する観察装置においては次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。
【００３３】
アイレリーフ１０ｍｍで、半視野角４５度における画像表示面ＩＤの実際の像高をｙ、アイレリーフ１０ｍｍにおける観察面ＳＰから画像表示面ＩＤまでの距離をＬａｌｌとする。アイレリーフ１０ｍｍで、半視野角４５度における画像表示面ＩＤの理想像高をｙ０とする。このとき、次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。
０．０１＜Ｌ／ｆ＜０．０９                                  ・・・（２）
５０．０＜ｈ１／λｄ＜５００．０                            ・・・（３）
−１．５＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．８  ・・・（４）
−１．５＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜−０．６  ・・・（５）
０．２０＜ｄ／ｆ＜０．４５                                  ・・・（６）
０．５＜ｙ／Ｌａｌｌ＜０．８                                ・・・（７）
−０．３０＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１５                  ・・・（８）
【００３４】
次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。条件式（２）は観察光学系における最も観察面ＳＰ側のレンズ面から第１レンズＬＦの画像表示面ＩＤ側のレンズ面までの距離と全系の焦点距離の比を規定している。条件式（２）の下限を超えると、第１レンズＬＦが薄くなりすぎて、レンズが変形しやすくなり、光学性能が低下しやすくなるため好ましくない。逆に条件式（２）の上限を超えると、フレネル面が観察面ＳＰのピント位置に近づくことになり、フレネル面の格子の突起部の成形不良（面ダレ）等による不要光（ゴースト）が多く発生してくる。
【００３５】
条件式（３）は、フレネル面Ｆｒｅの第一輪帯の格子壁面の高さ（格子の段差量）とｄ線の波長の長さの比を規定している。条件式（３）の下限を超えると、第１レンズＬＦのフレネル面の格子の段差が小さくなりすぎて、回折光の強度が増し、光学性能が低下してくる。逆に上限を超えると、第１レンズＬＦのフレネル面の格子の段差量が長くなりすぎ、格子壁面に入射した光の割合が増加し、不要光（ゴースト）が多く発生し光学性能が低下してくる。
【００３６】
条件式（４）は正の屈折力を有する第１レンズＬＦの形状因子を規定している。条件式（４）の下限を超えると、画像表示面ＩＤ側の面の曲率が強くなりすぎて主に像面湾曲、非点収差が増大してくる。逆に上限を超えると第１レンズＬＦの観察面ＳＰ側の面の曲率が強くなりすぎて、主に像面湾曲、非点収差が増大してくる。
【００３７】
条件式（５）は正の屈折力を有する第２レンズＬＰの形状因子（レンズ形状）を規定している。条件式（５）の下限を超えると、画像表示面ＩＤ側の面の曲率が強くなりすぎて主に像面湾曲、非点収差が増大する。逆に上限を超えると第２レンズＬＰの観察面ＳＰ側の面の曲率が強くなりすぎて、主に像面湾曲、非点収差が増大する。
【００３８】
条件式（６）は正の屈折力を有する第１レンズＬＦの観察面側ＳＰ側のレンズ面から正の屈折力を有する第２レンズＬＰの画像表示面ＩＤ側のレンズ面までの距離と全系の焦点距離の比を規定している。
【００３９】
条件式（６）の下限を超えると、レンズ間の間隔が短くなりすぎ、各部材をメカで保持することが困難となる。或いは、レンズの厚みが薄くなりすぎて、レンズ面が変形しやすくなり、光学性能が低下しやすくなってくる。逆に条件式（６）の上限を超えて、レンズ間の間隔が長くなりすぎると、特に画像表示面ＩＤ側に位置するレンズの有効径が大きくなり、重量が増大してくる。或いは、レンズの厚みが厚くなりすぎて、重量が増大してくる。
【００４０】
条件式（７）はアイレリーフ１０ｍｍ、半視野角４５度における画像表示面ＩＤの実際の像高とアイレリーフ１０ｍｍにおけるアイポイントから画像表示面ＩＤまでの距離の比を規定している。条件式（７）の下限を超えて、アイポイントから画像表示面ＩＤまでの距離が長すぎると、観察光学系Ｌ０を構成するメカ構成が長くなり、重量が増大してくる。逆に条件式（７）の上限を超えて、アイレリーフ１０ｍｍ、半視野角４５度における画像表示面ＩＤの実際の像高が大きくなりすぎると、画像表示面ＩＤのサイズが大きくなることから、重量が増大してくる。
【００４１】
条件式（８）は、アイレリーフ１０ｍｍ、半視野角４５度における画像表示面ＩＤでの歪曲量を規定している。条件式（８）の下限を超えると、正の屈折力が強すぎるため、画面周辺の光線を強く光軸方向に曲げることになり、軸外の諸収差が増大してくる。逆に上限を超えると、正の屈折力が小さすぎるため、各レンズ位置における画面周辺光線の入射高が高くなりすぎ、有効径が増すので、重量が増大してくる。
【００４２】
以上の構成によれば、広視野でありながら、高い光学性能を有し、且つ軽量な観察光学系が容易に得られる。
【００４３】
さらに好ましくは、条件式（２）乃至（８）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
０．０１２＜Ｌ／ｆ＜０．０８５                                  ・・・（２ａ）
７５．０＜ｈ１／λｄ＜４５０．０                                ・・・（３ａ）
−１．４＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．９      ・・・（４ａ）
−１．４０＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜−０．６５  ・・・（５ａ）
０．２１＜ｄ／ｆ＜０．４４                                      ・・・（６ａ）
０．５５＜ｙ／Ｌａｌｌ＜０．７５                                ・・・（７ａ）
−０．２７＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１７                      ・・・（８ａ）
【００４４】
さらに好ましくは、条件式（２ａ）乃至（８ａ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
０．０１４＜Ｌ／ｆ＜０．０８０                                  ・・・（２ｂ）
１００．０＜ｈ１／λｄ＜４００．０                              ・・・（３ｂ）
−１．３０＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．９５  ・・・（４ｂ）
−１．３０＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜−０．７０  ・・・（５ｂ）
０．２１５＜ｄ／ｆ＜０．４３０                                  ・・・（６ｂ）
０．５９＜ｙ／Ｌａｌｌ＜０．７０                                ・・・（７ｂ）
−０．２５＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１８                      ・・・（８ｂ）
【００４５】
［実施例１］
図１を参照して、本発明の実施例１の観察光学系Ｌ０について説明する。実施例１の観察光学系Ｌ０は、観察面ＳＰ側より画像表示面ＩＤ側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズＬＦ、正の屈折力を有する第２レンズＬＰから構成されている。２枚のレンズにて画像表示面ＩＤ側の面の正の屈折力を分担することにより、画像表示面ＩＤ側の各面での曲率を緩めて、諸収差の発生を抑えている。
【００４６】
条件式（１）を満足する適切な範囲で、第２レンズＬＰの正の屈折力を強めることで、第１レンズＬＦの格子のピッチが細かくなりすぎたり、有効面に対する格子の段差の割合が大きくなりすぎたりすることを抑制し、高い光学性能を得ている。さらに、第１レンズＬＦの画像表示面ＩＤ側をフレネル面とすることで、光学性能を向上させるために画像表示面ＩＤ側の面の曲率を強くした際の軽量化を容易にしている。
【００４７】
さらに、第１レンズＬＦの観察面ＳＰ側の面を光線有効域において段差のない連続的な面形状とすることで、フレネル構造による回折によるフレアや段差が起因する不要光の発生を防いでいる。さらに、条件式（２）を満足する適切な範囲で、第１レンズＬＦを観察面ＳＰ側に近づけることで、観察者のピント位置から視度をずらすことができ、フレネル面の格子の突起部の成形不良（面ダレ）等による不要光（ゴースト）の発生を軽減している。
【００４８】
さらに、条件式（３）を満足する適切な範囲で、第１レンズＬＦのフレネル面の第一輪帯の格子の段差量を小さくすることで、格子壁面に入射する光の割合を減らし、不要光（ゴースト）を低減している。さらに、条件式（４）を満足する適切な範囲で、第１レンズＬＦの観察面ＳＰ側の面の曲率に比して画像表示面ＩＤ側の面の曲率を強め、画像表示面ＩＤ側の面に凸形状を向ける。これによって、観察面ＳＰ側の面に対してコンセントリックな形として、軸外の光線の入射角を緩くし、軸外の諸収差の発生を抑制している。
【００４９】
さらに、条件式（５）を満足する適切な範囲で、第２レンズＬＰの観察面ＳＰ側の面の曲率に比して画像表示面ＩＤ側の面の曲率を強め、画像表示面ＩＤ側の面に凸形状を向ける。これによって、観察面ＳＰ側の面に対してコンセントリックな形として、軸外の光線の入射角を緩くし、軸外の諸収差の発生を軽減している。さらに、条件式（６）を満足する適切な範囲で、第１レンズＬＦの観察面ＳＰ側のレンズ面から第２レンズＬＰの画像表示面ＩＤ側のレンズ面までの面頂点までの距離を縮めることによって、特に第２レンズＬＰの有効径を小さくし、軽量化している。
【００５０】
さらに、条件式（７）を満足する適切な範囲で、観察面ＳＰから画像表示面ＩＤまでの距離を縮めることによって、観察光学系Ｌ０の重量を低減している。さらに、（８）を満足するように、歪曲量を適切に設定することで、画面周辺の光線を強く光軸方向に曲げることを防ぎ、光学性能の向上させている。
【００５１】
［実施例２］
図３を参照して、本発明の実施例２の観察光学系Ｌ０について説明する。実施例２の観察光学系Ｌ０は、観察面ＳＰ側より画像表示面ＩＤ側へ順に、正の屈折力のレンズＧ３、正の屈折力を有する第１レンズＬＦ、正の屈折力を有する第２レンズＬＰから構成されている。レンズＧ３はフレネルレンズよりなっている。レンズＧ３は観察面ＳＰ側がフレネル面である。レンズＧ３は第１レンズＬＦと正の屈折力を分担することで、各フレネル面での格子ピッチが細かくなりすぎることを防いでいる。その他は実施例１と同じである。
【００５２】
［実施例３］
図５を参照して、本発明の実施例３の観察光学系Ｌ０について説明する。実施例３の観察光学系Ｌ０は、観察面ＳＰ側より画像表示面ＩＤ側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズＬＦ、正の屈折力を有する第２レンズＬＰから構成されている。第１レンズＬＦは画像表示面ＩＤ側はフレネル面である。第１レンズＬＦの中心輪帯Ｆ０の面頂点ＦＬ１から端部ＦＬ２までの光軸方向の長さｈ０を長くすることによって、正の屈折力を有する第１レンズＬＦの径方向の連続的な形状の領域の割合を増加させ、人間が注視しやすい画面範囲の光学性能を向上させている。その他は実施例１と同じである。
【００５３】
［実施例４］
図７を参照して、本発明の実施例４の観察光学系Ｌ０について説明する。実施例４の観察光学系Ｌ０は、観察面ＳＰ側より画像表示面ＩＤ側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズＬＦ、正の屈折力を有する第２レンズＬＰ、負の屈折力を有するレンズＧ３から構成されている。負の屈折力を有するレンズＧ３を周辺画角光線の高い位置に配置することによって、主に倍率色収差を良好に補正している。その他は実施例１と同じである。
【００５４】
［実施例５］
図９を参照して、本発明の実施例５の観察光学系Ｌ０について説明する。実施例５の観察光学系Ｌ０は、観察面ＳＰ側より画像表示面ＩＤ側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズＬＦ、負の屈折力を有するレンズＧ３、正の屈折力を有する第２レンズＬＰから構成されている。レンズＧ３はフレネルレンズよりなっている。レンズＧ３は観察面ＳＰ側がフレネル面である。レンズＧ３は凹面に関しては観察面ＳＰ側がコンセントリックな形を形成する。
【００５５】
そして、観察面ＳＰ側の面の曲率を強めて、軸外諸収差の発生を軽減している。レンズＧ３は曲率を強めた観察面ＳＰ側をフレネル面として、軸外諸収差の発生を抑制しつつ全系の軽量化を図っている。その他は実施例１と同じである。
【００５６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等の画像表示素子と組み合わせた際、歪曲収差量や倍率色収差量によっては電気的な処理を表示側に加えても良い。
【００５７】
各実施例においてフレネルレンズのフレネル面は図１２（Ａ）に示すように曲率半径ｒのレンズ面を同心円状の複数の領域に分割する。このとき曲率半径ｒの値に応じて断面形状が鋸歯型の格子ＦＰを平面上に同心円状に並べた形状よりなっている。同心円状の複数の格子は角度が異なるか、又は同一である。また格子の格子ピッチは中心（光軸）から周辺に従って異なるか又は同一である。
【００５８】
フレネル面Ｆｒｅにおける曲率半径ｒは図１２（Ａ）に示すレンズ面の曲率半径ｒに相当する。フレネル面の焦点距離を求めるときのパラメータの１つは通常のレンズの焦点距離を求めるのと同様に曲率半径ｒを用いている。フレネルレンズの焦点距離ｆと板厚（中心厚）、有効径Φ１等は図１２（Ｂ）、（Ｃ）に示すとおりである。後述する条件式におけるフレネル面の曲率半径はフレネル形状とする前のレンズ面の曲率半径ｒを用いている。
【００５９】
次に、各実施例における数値データを以下に示す。数値データにおいてｉは観察面からの面の順序を示し、ｒｉは第ｉ番目の光学面の曲率半径、ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間のレンズ肉厚および空気間隔、ｎｉ，νｉはそれぞれｄ線に対する第ｉ番目の光学部材の屈折率およびアッベ数を表す。また、非球面に記載されている、Ｋ，Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０などは非球面係数である。非球面形状は光軸からの高さｈの位置での光軸方向の変位を、面頂点を基準にしてｘとするとき以下の式で定義される。
【００６０】
ｘ＝（ｈ2／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）2｝1/2］＋A4ｈ4＋A6ｈ6＋A8ｈ8＋A10ｈ10
【００６１】
ただし、ここでＲは曲率半径である。フレネル面は非球面効果を有する理想的な薄肉状態を表しており、実形状としては、表記した中心厚ｄ内でフレネル形状とする。フレネル面は面番号の右隣に＊Ｆｒｅと表記している。各数値データの面番号において１は観察面（絞り）、像面は画像表示面に相当している。
【００６２】
数値データ１において面番号２、３は第１レンズＬＦ、面番号４、５は第２レンズＬＰに相当している。数値データ２において面番号６、７は第２レンズＬＰ、面番号３、４は第１レンズＬＦに相当している。数値データ３において面番号４、５は第２レンズＬＰ、面番号２、３は第１レンズＬＦに相当している。数値データ４において面番号２、３は第１レンズＬＦ、面番号４、５は第２レンズＬＰに相当している。数値データ５において面番号６、７は第２レンズＬＰ、面番号２、３は第１レンズＬＦに相当している。
【００６３】
レンズ全長は観察面から画像表示面ＩＤまでの距離である。ＢＦは画像表示面ＩＤ側のレンズ面から画像表示面までの距離である。また前述した数値データと各条件式との関係を表１に示す。
【００６４】
(数値データ１)
単位 mm
面データ
面番号       r        d      nd         νd       有効径
1(絞り)    ∞     (可変)                          3.50
2          ∞       0.90   1.53110    56.0       48.76
3*Fre    -74.354    0.70                         52.00
4          ∞      17.00   1.53110    56.0       53.30
5*       -41.426  (可変)                         55.34
像面        ∞   
非球面データ
第3面
K = 0.00000e+000  A 4= 9.06303e-006  A 6=-3.76059e-009  
第5面
K = 0.00000e+000  A 4= 3.88214e-008  A 6=-3.26794e-009  
各種データ
焦点距離      52.96    52.96  
Fナンバー     15.13    15.13  
半画角（度）  55.00    45.00  
像高          49.05    41.80  
レンズ全長    77.09    87.09  
BF            48.49    48.49  
d 1           10.00    20.00  
d 5           48.49    48.49  
入射瞳位置     0.00     0.00  
射出瞳位置   -33.14   -66.65  
前側主点位置  18.60    28.60  
後側主点位置  -4.46    -4.46  
ズームレンズ群データ
群  始面    焦点距離  レンズ構成長  前側主点位置  後側主点位置
1    1       ∞           0.00         0.00         -0.00
2    2      52.96        18.60         8.60         -4.46
単レンズデータ
レンズ  始面  焦点距離
1       1    140.00
2       4     78.00
フレネルレンズLFの中心輪帯の面頂点から、端部までの光軸方向の長さ(h0) 0.10
フレネルレンズLFの第一輪帯の段差量(h1)0.10
【００６５】
(数値データ２)
単位 mm
面データ
面番号       r        d      nd         νd       有効径
1(絞り)    ∞     (可変)                         25.00
2*Fre    154.136    1.10   1.53110    56.0       48.00
3      -1278.956    0.50                         48.65
4       -843.469    0.90   1.49200    58.0       49.11
5*Fre    -78.386    0.70                         50.10
6          ∞      16.98   1.49200    58.0       51.13
7*       -41.143  (可変)                         55.45
像面        ∞   
非球面データ
第5面
K = 0.00000e+000  A 4= 1.06075e-005  A 6=-4.08131e-009  
第7面
K = 0.00000e+000  A 4=-3.22682e-007  A 6=-3.26267e-009  
各種データ
焦点距離      49.94    49.94  
Fナンバー      2.00     2.00  
半画角（度）   0.00     0.00  
像高          45.40    39.16  
レンズ全長    74.06    84.06  
BF            43.88    43.88  
d 1           10.00    20.00  
d 7           43.88    43.88  
入射瞳位置     0.00     0.00  
射出瞳位置   -36.14   -73.94  
前側主点位置  18.77    28.77  
後側主点位置  -6.06    -6.06  
ズームレンズ群データ
群  始面    焦点距離  レンズ構成長  前側主点位置  後側主点位置
1    1       ∞           0.00         0.00         -0.00
2    2      49.94        20.18         8.77         -6.06
単レンズデータ
レンズ  始面  焦点距離
1       1    259.07
2       4    175.58
3       6     83.62
フレネルレンズLFの中心輪帯の面頂点から、端部までの光軸方向の長さ(h0) 0.20
フレネルレンズLFの第一輪帯の段差量(h1)0.20
【００６６】
(数値データ３)
単位 mm
面データ
面番号       r        d      nd         νd       有効径
1(絞り)    ∞     (可変)                          3.50
2     100000.000    3.50   1.53110    56.0       48.76
3*Fre    -80.546    0.70                         52.00
4*       237.548   15.00   1.53110    56.0       53.30
5*       -36.019  (可変)                         55.34
像面        ∞   
非球面データ
第3面
K = 0.00000e+000  A 4=-1.35561e-005  A 6= 2.66207e-008  A 8=-1.06533e-011  
第4面
K = 0.00000e+000  A 4=-2.18599e-005  A 6= 4.07744e-008  A 8=-2.04247e-011  A10= 1.57785e-015  
第5面
K = 0.00000e+000  A 4= 2.20301e-006  A 6=-7.68945e-009  A 8= 1.19113e-011  
各種データ
焦点距離      44.99    44.99  
Fナンバー     12.85    12.85  
半画角（度）  55.00    45.00  
像高          43.00    36.35  
レンズ全長    70.09    70.09  
BF            40.89    40.89  
d 1           10.00    20.00  
d 5           40.89    40.89  
入射瞳位置     0.00     0.00  
射出瞳位置   -37.93   -88.19  
前側主点位置  19.31    29.31  
後側主点位置  -4.10    -4.10  
ズームレンズ群データ
群  始面    焦点距離  レンズ構成長  前側主点位置  後側主点位置
1    1       ∞           0.00         0.00         -0.00
2    2      44.99        19.20         9.31         -4.10
単レンズデータ
レンズ  始面  焦点距離
1       1    151.54
2       4     60.03
フレネルレンズLFの中心輪帯の面頂点から、端部までの光軸方向の長さ(h0) 2.40
フレネルレンズLFの第一輪帯の段差量(h1)0.08
【００６７】
(数値データ４)
単位 mm
面データ
面番号       r        d      nd         νd       有効径
1(絞り)    ∞     (可変)                          3.50
2*         ∞       1.20   1.53110    56.0       47.52
3*Fre    -60.784    1.00                         48.02
4*       713.403   11.00   1.53110    56.0       49.31
5*       -40.000    0.50                         51.42
6*       -86.712    3.20   1.63400    23.9       54.01
7       -350.000  (可変)                         58.34
像面        ∞   
非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000  A 4= 1.89729e-006  A 6=-8.84019e-010  A 8=-1.25103e-012  A10= 1.57785e-015  
第3面
K = 0.00000e+000  A 4= 3.97631e-006  A 6=-3.55111e-009  A 8= 4.66493e-012  A10=-2.03020e-015  
第4面
K = 0.00000e+000  A 4=-5.11143e-006  A 6= 7.48504e-009  A 8=-2.37822e-012  
第5面
K = 0.00000e+000  A 4= 1.77056e-006  A 6=-3.94962e-009  A 8= 6.60438e-012  
第6面
K = 0.00000e+000  A 4= 3.58978e-007  A 6=-1.47504e-009  A 8= 1.50893e-012  
各種データ
焦点距離      60.00    60.00  
Fナンバー     17.14    17.14  
半画角（度）  50.00    42.00  
像高          54.18    45.93  
レンズ全長    79.87    89.87  
BF            52.97    52.97  
d 1           10.00    20.00  
d 7           52.97    52.97  
入射瞳位置     0.00     0.00  
射出瞳位置   -26.51   -49.02  
前側主点位置  14.70    24.70  
後側主点位置  -7.03    -7.03  
ズームレンズ群データ
群  始面    焦点距離  レンズ構成長  前側主点位置  後側主点位置
1    1       ∞           0.00         0.00         -0.00
2    2      60.00        16.90         4.70         -7.03
単レンズデータ
レンズ  始面  焦点距離
1       1    114.38
2       4     71.68
3       6   -182.67
フレネルレンズLFの中心輪帯の面頂点から、端部までの光軸方向の長さ(h0) 0.10
フレネルレンズLFの第一輪帯の段差量(h1)0.10
【００６８】
(数値データ５)
単位 mm
面データ
面番号       r        d      nd         νd       有効径
1(絞り)    ∞     (可変)                          3.50
2      -5943.465    0.96   1.53110    56.0       50.92
3*Fre    -81.454    0.50                         51.91
4*Fre   -150.546    1.50   1.64000    23.5       52.49
5       -499.468    0.50                         53.03
6       -519.519   12.18   1.53110    56.0       53.60
7*       -37.297  (可変)                         56.23
像面        ∞   
非球面データ
第4面
K = 0.00000e+000  A 4= 2.17893e-006  A 6=-2.20791e-010  
第7面
K = 0.00000e+000  A 4= 2.92372e-006  A 6= 4.58045e-009  A 8=-1.33480e-012  
各種データ
焦点距離      61.29    61.29  
Fナンバー     17.51    17.51  
半画角（度）  53.00    42.00  
像高          59.88    47.78  
レンズ全長    85.31    95.31  
BF            59.67    59.67  
d 1           10.00    20.00  
d 7           59.67    59.67  
入射瞳位置     0.00     0.00  
射出瞳位置   -29.42   -57.12  
前側主点位置  19.12    29.12  
後側主点位置  -1.62    -1.62  
ズームレンズ群データ
群  始面    焦点距離  レンズ構成長  前側主点位置  後側主点位置
1    1       ∞           0.00         0.00         -0.00
2    2      61.29        15.64         9.12         -1.62
単レンズデータ
レンズ  始面  焦点距離
1       1    155.49
2       4   -337.29
3       6     75.00
フレネルレンズLFの中心輪帯の面頂点から、端部までの光軸方向の長さ(h0) 0.06
フレネルレンズLFの第一輪帯の段差量(h1)0.06
【００６９】
【表１】
2018132579.tif 000003
【符号の説明】
【００７０】
Ｌ０  観察光学系      ＬＦ  正の屈折力を有する第１レンズ
ＬＰ  正の屈折力を有する第２レンズ      Ｇ３  第３レンズ
ＩＤ  画像表示面      ＳＰ  観察面（開口絞り）      Ｆｒｅ  フレネル面
【図１】
2018132579.tif 000004
【図２】
2018132579.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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