(57)【要約】      （修正有）【課題】サイズが小さく、重量が軽く、視野角が大きく、且つ解像度が高い利点を有する光学レンズを提供する。【解決手段】光学レンズ１１０、出光側ＥＳから入光側ＩＳへ順に配列される、第一レンズ１１２、第二レンズ１１４及び第三レンズ１１６を含む。入光側では、ライトバルブ１５０が設置される。光学レンズは、ライトバルブからの映像光束ＩＭを受け、映像光束は、出光側で絞りＳＴを形成する。絞りは、映像光束のビームシュリンケージの最小断面積を有する。【選択図】図１
2019109496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学レンズであって、
出光側から入光側へ順に配列される第一レンズ、第二レンズ、及び第三レンズを含み、
前記入光側には、ライトバルブが設置され、前記光学レンズは、前記ライトバルブからの映像光束を受け、前記映像光束は、前記出光側で絞りを形成し、前記絞りは、前記映像光束のビームシュリンケージの最小断面積を有する、光学レンズ。
【請求項２】
請求項1に記載の光学レンズであって、
前記光学レンズは、0.3＜B/D＜2.5を満たし、
Bは、前記光学レンズのレンズ総長さであり、Dは、前記光学レンズにおける最も大きいレンズの開口である、光学レンズ。
【請求項３】
請求項1に記載の光学レンズであって、
前記光学レンズは、0.1＜A/B＜3.5を満たし、
Aは、前記絞りと前記光学レンズとの光軸上での距離であり、Bは、前記光学レンズのレンズ総長さである、光学レンズ。
【請求項４】
請求項1に記載の光学レンズであって、
前記光学レンズは、2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30を満たし、
Aは、前記絞りと前記光学レンズとの光軸上での距離であり、Bは、前記光学レンズのレンズ総長さであり、Cは、前記光学レンズと前記ライトバルブとの前記光軸上での距離であり、Dは、前記光学レンズにおける最も大きいレンズの開口であり、FOVは、前記光学レンズの視野である、光学レンズ。
【請求項５】
請求項1に記載の光学レンズであって、
前記光学レンズは、E/F＜1を満たし、
前記絞りの形状は、円形であり、Eは、前記絞りの直径であり、前記ライトバルブは、矩形又は正方形であり、Fは、前記ライトバルブの対角線の長さである、光学レンズ。
【請求項６】
請求項1に記載の光学レンズであって、
前記光学レンズの視野は、40度である、光学レンズ。
【請求項７】
請求項1に記載の光学レンズであって、
前記第一レンズ、前記第二レンズ、及び前記第三レンズの屈折力は、順に、正、負、及び正である、光学レンズ。
【請求項８】
請求項1に記載の光学レンズであって、
前記第一レンズは、双凸レンズであり、前記第二レンズは、双凹レンズであり、前記第三レンズは、双凸レンズである、光学レンズ。
【請求項９】
請求項1に記載の光学レンズであって、
前記第一レンズ、前記第二レンズ、及び前記第三レンズは、プラスチック非球面レンズである、光学レンズ。
【請求項１０】
請求項1に記載の光学レンズであって、
前記第一レンズ及び前記第三レンズは、ガラス非球面レンズであり、前記第二レンズは、プラスチック非球面レンズである、光学レンズ。
【請求項１１】
請求項1に記載のであって、
前記三レンズと前記ライトバルブとの間に位置する第四レンズをさらに含む、光学レンズ。
【請求項１２】
請求項11に記載の光学レンズであって、
前記第一レンズ、前記第二レンズ、前記第三レンズ、及び前記第四レンズの屈折力は、順に負、正、負、及び正である、光学レンズ。
【請求項１３】
請求項11に記載の光学レンズであって、
前記第一レンズは、凸凹レンズであり、且つ前記入光側に面する凸面を有し、前記第二レンズは、双凸レンズであり、前記第三レンズは、凸凹レンズであり、且つ前記出光側に面する凸面を有し、前記第四レンズは、双凸レンズである、光学レンズ。
【請求項１４】
請求項11に記載の光学レンズであって、
前記第一レンズ、前記第二レンズ、前記第三レンズ、及び前記第四レンズは、プラスチック非球面レンズである、光学レンズ。
【請求項１５】
請求項1に記載の光学レンズであって、
前記光学レンズと前記絞りとの間に設置される第一プリズムをさらに含み、
前記映像光束は、前記光学レンズを離れて前記第一プリズムを通過して前記絞りに集光し、そして、前記映像光束は、前記絞りを通過した後に発散する、光学レンズ。
【請求項１６】
請求項1に記載の光学レンズであって、
前記絞りは、導波路素子のカップリング入口に形成され、前記映像光束は、前記絞りを通過して前記カップリング入口を経由して前記導波路素子に進入し、そして、前記導波路素子のカップリング出口に伝播して目標に投射する、光学レンズ。
【請求項１７】
請求項1に記載の光学レンズであって、
前記光学レンズにより投射される虚像のサイズは、前記ライトバルブのサイズの約190倍である、光学レンズ。
【請求項１８】
請求項1に記載の光学レンズであって、
前記光学レンズは、
0.3＜B/D＜2.5、
0.1＜A/B＜3.5、
2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30、及び
E/F＜1
のうちの１つ又は全ての条件を満たし、
Aは、前記絞りと前記光学レンズとの光軸上での距離であり、Bは、前記光学レンズのレンズ総長さであり、Cは、前記光学レンズと前記ライトバルブとの前記光軸上での距離であり、Dは、前記光学レンズにおける最も大きいレンズの開口であり、FOVは、前記光学レンズの視野であり、前記絞りの形状は、円形であり、Eは、前記絞りの直径であり、前記ライトバルブは、矩形又は正方形であり、Fは、前記ライトバルブの対角線の長さである、光学レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学レンズに関し、特に、光学レンズを有する導波路表示器に関する。
【背景技術】
【０００２】
導波路（waveguide）を有する表示器（導波路表示器と言う）は、その映像源の種類に基づいて、自発光式パネルアーキテクチャ、透過式パネルアーキテクチャ、及び反射式パネルアーキテクチャを有するものに分けることができる。自発光式又は透過式パネルアーキテクチャを有する導波路表示器では、上述の各種形式のパネルにより提供された映像光束が、光学レンズを通過し、カップリング入口から導波路に進入する。続いて、映像光束は、導波路においてカップリング出口に伝播し、人間の目の位置に投射することで、映像を形成する。そのうち、反射式パネルアーキテクチャの導波路表示器では、その光源により提供された照明光束が照明光学装置において伝播し後に、照明プリズムにより照明光束が反射式パネルに照射され、反射式パネルが照明光束を映像光束に変換し、これにより、反射式パネルは、映像光束を光学レンズに伝播させ、映像光束は、光学レンズを通過して導波路に導入される。続いて、映像光束は、導波路においてカップリング出口に伝播し、そして、人間の目の位置に投射する。光学レンズは、映像源（パネル）により提供された映像について、所定距離を離れるところで虚像を形成させることができ、この虚像は、人間の目により網膜上で結像することができる。光学レンズは、導波路表示器に用いられ、設計上でのサイズや重量の考量が重要な議題である。
【０００３】
なお、この“背景技術”の部分が、本発明の内容への理解を助けるためだけのものであるため、この“背景技術”の部分に開示されている内容は、当業者に知られていない技術を含む可能性がある。よって、この“背景技術”の部分に開示されている内容は、該内容、又は、本発明の１つ又は複数の実施例が解決しようとする課題が本発明出願前に既に当業者に周知されていることを意味しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、サイズが小さく、重量が軽く、視野角（angle  of  view）が大きく、且つ解像度（resolution）が高い光学レンズを提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的及び利点は、本発明に開示されている技術的特徴からさらに理解することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の１つ又は一部又は全部の目的或いは他の目的を達成するために、本発明の一実施例は、光学レンズを提供し、それは、出光側から入光側へ順に配列される第一レンズ、第二レンズ、及び第三レンズを含む。入光側には、ライトバルブが設置される。光学レンズは、ライトバルブにより提供された映像光束を受けるために用いられる。映像光束は、出光側で絞り（stop）を形成する。絞りは、映像光束のビームシュリンケージ（beam  shrinkage）の最小断面積を有する。
【０００７】
上述により、本発明の実施例は、少なくとも、次のような１つの利点又は作用効果を有する。即ち、本発明の好適な実施例では、光学レンズの設計が予め設定されている規範に合うことで、光学レンズ全体の長さを短くさせ、表示器の外観（体積）を小さくさせることができ、また、光学レンズにおけるすべてのレンズの材料を考量することで、光学レンズを軽量化し、表示器の重量を軽くさせることができる。また、導波路の視野（FOV）が大きくならないようにする時に、光学レンズの設計が複雑になり、これにより、表示器の体積が大きくなり、重量が重くなる問題を来すことがある。よって、本発明の光学レンズは、サイズが小さく、重量が軽く、視野角が大きく、且つ解像度が高い利点を有する。
【０００８】
本発明の上述の特徴及び利点をより明らかにするために、以下、実施例を挙げて、添付した図面を参照することにより、詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施例における導波路表示器の概略図である。
【図２Ａ】図1の光学レンズの像面湾曲（filed  curvature）図及び歪曲（distortion）図である。
【図２Ｂ】図1の光学レンズの横色収差（transverse  chromatic  aberration）図である。
【図２Ｃ】図1の光学レンズの変調伝達関数（modulation  transfer  function）曲線図である。
【図２Ｄ】図1の光学レンズの光路差（optical  path  difference）図である。
【図２Ｅ】図1の光学レンズの横レイファンプロット（transverse  ray  fan  plot）である。
【図３】本発明のもう１つの実施例における導波路表示器の概略図である。
【図４】本発明のもう１つの実施例における導波路表示器の概略図である。
【図５】本発明のもう１つの実施例における導波路表示器の概略図である。
【図６Ａ】図5の光学レンズの像面湾曲図及び歪曲図である。
【図６Ｂ】図5の光学レンズの横色収差図である。
【図６Ｃ】図5の光学レンズの変調伝達関数曲線図である。
【図６Ｄ】図5の光学レンズの光路差図である。
【図６Ｅ】図5の光学レンズの横向レイファンプロットである。
【図７】本発明のもう１つの実施例における導波路表示器の概略図である。
【図８】本発明のもう１つの実施例における導波路表示器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の上述した及び他の技術的内容、特徴、機能及び作用効果は、添付した図面に基づく次のような好ましい実施例における詳細な説明により明確になる。なお、次の実施例に言及されている方向についての用語、例えば、上、下、左、右、前又は後などは、添付した図面の方向に過ぎない。よって、使用されている方向の用語は、本発明を説明するためだけのものであり、本発明を限定するためのものではない。
【００１１】
図1は、本発明の一実施例における導波路表示器の概略図である。図1に示すように、本実施例における導波路表示器100は、導波路素子130を有する頭部装着表示装置に応用されるが、本発明は、これに限定されない。本実施例では、導波路表示器100は、光学レンズ110、照明プリズム（第二プリズム）120、導波路素子130、及びライトバルブ150を含む。光学レンズ110の入光側ISでは、ライトバルブ150が設置される。ライトバルブ150は、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital  Micromirror  Device、DMD）、反射型液晶表示器（Liquid  crystal  on  silicon、LCoS）などの映像表示素子であっても良いが、他の実施例では、ライトバルブ150は、透光型空間光変調器、例えば、透光型液晶パネル（Transparent  Liquid  Crystal  Panel）などであっても良く、本発明は、ライトバルブ150の形態及びその種類について限定しない。照明プリズム120は、光学レンズ110とライトバルブ150との間に設置される。ライトバルブ150により提供された映像光束IMは、照明プリズム120を通過して光学レンズ110に進入する。光学レンズ110は、映像光束IMを受けるために用いられる。本実施例では、ライトバルブ150と照明プリズム120との間には、グラスカバー（cover  glass）140が、ライトバルブ150をダストによる影響から保護するために設置される。
【００１２】
本実施例では、映像光束IMは、光学レンズ110を通過した後に、光学レンズ110の出光側ESで絞り（stop）STを形成する。本実施例では、映像光束IMにより形成された絞りSTは、導波路素子130の中に位置する。絞りSTは、映像光束IMのビームシュリンケージの最小断面積を有する。例えば、本実施例では、絞りSTは、X軸及びY軸により形成された参考平面上に位置し、例えば、円形であり、且つX軸方向上及びY軸方向上での直径（サイズ）が一致する。本実施例では、映像光束IMは、光学レンズ110を通過した後に絞りSTを形成し、絞りSTは、映像光束IMのビームシュリンケージの最小断面積を有する。よって、映像光束IMは、光学レンズ110を通過した後に絞りSTに収束し、且つ絞りSTを通過した後に発散する。本実施例では、映像光束IMは、絞りSTを通過した後に導波路素子130において伝播し、そして、所定目標に投射する。一実施例では、前記所定目標は、例えば、人間の目である。
【００１３】
本実施例では、１つのケースは、光学レンズ110が0.3＜B/D＜2.5を満たすことであり、そのうち、Bは、光学レンズ110のレンズ総長さであり、Dは、光学レンズ110における最大レンズの開口（Clear  aperture）であり、本実施例では、例えば、第一レンズ112の開口である。本実施例では、もう１つのケースは、光学レンズ110が0.1＜A/B＜3.5を満たすことであり、そのうち、Aは、絞りSTと光学レンズ110との光軸OA上での距離であり、即ち、絞りSTと第一レンズ112の出光面との距離である。本実施例では、またもう１つのケースは、光学レンズ110が2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30を満たすことであり、そのうち、Cは、光学レンズ110とライトバルブ150との光軸OA上での距離であり、照明プリズム120の、出光側ESに近い表面と、ライトバルブ150との光軸OA上での距離であっても良く、FOVは、光学レンズ110の視野である。本実施例では、さらにもう１つのケースは、光学レンズ110がE/F＜1を満たすことであり、そのうち、絞りSTの形状は、円形であり、Eは、絞りSTの直径であり、且つライトバルブ150は、矩形又は正方形であり、Fは、ライトバルブ150の対角線の長さである。本実施例では、他のケースは、光学レンズ110が0.3＜B/D＜2.5、0.1＜A/B＜3.5、2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30、及びE/F＜1を同時に満たすことである。そのうち、パラメータA、B、C、D、E、F、FOVの定義は、上記と同様である。本実施例では、パラメータA、B、C、D、E、Fは、例えば、それぞれ、15.5ｍｍ（millimeters）、7.51ｍｍ、10.4ｍｍ、8.6ｍｍ、3.76ｍｍ、7.93ｍｍであっても良い。なお、これらのパラメータの値は、本発明を限定するためのものでない。また、本実施例では、光学レンズ110の視野は、40度である。
【００１４】
本実施例では、光学レンズ110は、出光側ESから入光側ISへ順に配列される第一レンズ112、第二レンズ114、及び第三レンズ116を含む。第一レンズ112、第二レンズ114、及び第三レンズ116の屈折力（Dioptre）は、順に、正、負、及び正である。本実施例では、第一レンズ112は、双凸レンズであり、第二レンズ114は、双凹レンズであり、且つ第三レンズ116は、双凸レンズである。本実施例では、第一レンズ112及び第三レンズ116は、ガラス非球面レンズであり、第二レンズ114は、プラスチック非球面レンズである。もう１つの実施例では、第一レンズ112、第二レンズ114、及び第三レンズ116は、プラスチック非球面レンズである。
【００１５】
以下、光学レンズ110の一実施例を挙げる。なお、以下にリストされているデータは、本発明を限定するためのものでなく、また、当業者は、本発明を参照した上で、そのパラメータ又は設定を適切に変更することもできるが、これらの変更は、依然として、本発明の技術的範囲に属する。
【００１６】
【表１】
2019109496.tif 000003
図1及び表１を参照する。表１には、各レンズ（第一レンズ112乃至第三レンズ116を含む）の表面を示している。例えば、表面S1は、第一レンズ112の、出光側ESに面する表面であり、表面S2は、第一レンズ112の、入光側ISに面する表面であり、その他は、これに基づいて類推することができる。また、間隔とは、２つの隣接する表面の間の光軸OA上での直線距離である。例えば、表面S1に対応する間隔は、表面S1と表面S2との間の光軸OA上での直線距離であり、表面S2に対応する間隔は、表面S2と表面S3との間の光軸OA上での直線距離であり、その他は、これに基づいて類推することができる。
【００１７】
本実施例では、第一レンズ112、第二レンズ114、及び第三レンズ116は、非球面レンズであっても良い。非球面レンズの公式は、次の通りである。
【００１８】
【数１】
2019109496.tif 000004
上式では、Xは、光軸OA方向のオフセット（sag）であり、Rは、接触球（osculating  sphere）の半径であり、即ち、光軸OAに接近した処の曲率半径（表１に示す曲率半径のようなもの）である。ｋは、二次曲面係数（conic）であり、Yは、非球面の高さであり、即ち、レンズの中心からレンズの辺縁への高さであり、係数A2、A4、A6、A8、A10、A12は、非球面係数（aspheric  coefficient）である。本実施例では、係数A2は、0である。また、次の表２に示されているのは、各レンズの表面のパラメータ値である。
【００１９】
【表２】
2019109496.tif 000005
図2Aは、図1の光学レンズの像面湾曲（field  curvature）図及び歪曲図である。図2Bは、図1の光学レンズの横色収差図であり、それは、波長が465ｎｍ、525ｎｍ、630ｎｍの光によるシミュレーションデータ図であり、縦座標は、エアリーディスク（airy  disc）である。図2Cは、図1の光学レンズの変調伝達関数曲線図であり、そのうち、横座標は、焦点オフセット（focus  shift）であり、縦座標は、光学伝達関数のモジュラス（modulus  of  the  OTF）である。図2Dは、図1の光学レンズの光路差図である。図2Eは、図1の光学レンズの横レイファンプロット（transverse  ray  fan  plot）であり、525ｎｍを例とする。図2A乃至図2Eに示すものがすべて標準の範囲にあり、これは、実施例における光学レンズ110が良好な結像効果を達成できることを意味する。また、図2Dから分かるように、ライトバルブ150の能動表面上では、映像光束IMが有するOPDの範囲は、-2.0λ＜OPD＜2.0λであり、そのうち、OPDは、各視野における光路差であり、λは、各色の光の波長であり、映像光束IMは、赤色光、緑色光、青色光を含む。ライトバルブ150の能動表面は、映像光束IMが射出する表面である。ここで、この光路差の設計をさらに説明する。当業者に知られているように、光学レンズを設計する時に、光学シミュレーションの方式で光平面から逆方法（inverse  method）により、映像源が提供する映像光束の各視野における光路差を得ることができる。本実施例では、光学レンズ110の設計が予め設定されている規範（標準）に合い、少なくとも93lp/mmの解像度の映像を解像することができるので、光学レンズ110のサイズが小さく、重量が軽く、視野角が大きく、且つ解像度が高い利点を有する。
【００２０】
図3は、本発明のもう１つの実施例における導波路表示器の概略図である。図3に示すように、本実施例における導波路表示器200は、図1の導波路表示器100に類似したが、両者の主な相違点は、例えば、導波路表示器200が転換（turning）プリズム260（第一プリズム）及び導波路素子230をさらに含む設計にある。本実施例では、転換プリズム260は、光学レンズ110と絞りSTとの間に設置される。映像光束IMは、光学レンズ110を離れ、転換プリズム260を通過した後に、伝播方向が変わり、絞りSTに集める（集光する）ことができる。映像光束IMは、絞りSTを通過した後に発散する。本実施例では、導波路素子230は、カップリング入口232及びカップリング出口234を含む。カップリング入口232及びカップリング出口234は、例えば、映像光束が導波路素子230に入射する表面領域、及び、映像光束が導波路素子230を離れる表面領域である。絞りSTは、導波路素子230のカップリング入口232に形成される。映像光束IMは、絞りSTを通過し、カップリング入口232を経由して導波路素子230に進入し、そして、導波路素子230のカップリング出口234に伝播し、目標900に投射する。ここで、投射目標900は、例えば、人間の目である。
【００２１】
本実施例では、１つのケースは、光学レンズ110が0.3＜B/D＜2.5を満たすことであり、もう１つのケースは、光学レンズ110が0.1＜A/B＜3.5を満たすことであり、またもう１つのケースは、光学レンズ110が2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30を満たすことであり、さらにもう１つのケースは、光学レンズ110がE/F＜1を満たすことであり、他のケースは、光学レンズ110が0.3＜B/D＜2.5、0.1＜A/B＜3.5、2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30、及びE/F＜1を同時に満たすことである。そのうち、Aは、絞りSTと光学レンズ110との光軸OA上での距離である。本実施例では、Aは、第一レンズ112の表面S1と転換プリズム260の表面S7との光軸OA上での距離と、転換プリズム260の表面S7と絞りSTの表面との光軸OA上での距離との総和である。本実施例では、上述のパラメータA、B、C、D、E、Fは、例えば、それぞれ、11.8ｍｍ、7.51ｍｍ、10.4ｍｍ、8.6ｍｍ、3.76ｍｍ、7.93ｍｍである。なお、これらのパラメータの値は、本発明を限定するためのものでない。
【００２２】
図4は、本発明のもう１つの実施例における導波路表示器の概略図である。図4に示すように、本実施例における導波路表示器300は、図1の導波路表示器100に類似したが、両者の主な相違点は、例えば、導波路素子230の設計にある。また、本実施例では、絞りSTと第一レンズ112との間にガラスブロック又はプリズムが無い。映像光束IMは、光学レンズ110を離れた後に、空気中で伝播し、絞りSTに集める（集光する）ことができる。
【００２３】
本実施例では、１つのケースは、光学レンズ110が0.3＜B/D＜2.5を満たすことであり、もう１つのケースは、光学レンズ110が0.1＜A/B＜3.5を満たすことであり、またもう１つのケースは、光学レンズ110が2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30を満たすことであり、さらにもう１つのケースは、光学レンズ110がE/F＜1を満たすことであり、他のケースは、光学レンズ110が0.3＜B/D＜2.5、0.1＜A/B＜3.5、2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30、及びE/F＜1を同時に満たすことである。本実施例では、上述のパラメータA、B、C、D、E、Fは、例えば、それぞれ、8ｍｍ、7.51ｍｍ、10.4ｍｍ、8.6ｍｍ、3.76ｍｍ、7.93ｍｍである。なお、これらのパラメータの値は、本発明を限定するためのものでない。
【００２４】
図5は、本発明のもう１つの実施例における導波路表示器の概略図である。図5に示すように、本実施例における導波路表示器400は、例えば、導波路素子130を有する頭部装着表示装置であるが、本発明は、これに限定されない。本実施例では、導波路表示器400は、光学レンズ410、照明プリズム（第二プリズム）120、導波路素子130、及びライトバルブ150を含む。入光側ISでは、ライトバルブ150が設置される。照明プリズム120は、光学レンズ410とライトバルブ150との間に設置される。ライトバルブ150により提供された映像光束IMは、照明プリズム120を通過し、光学レンズ410に進入する。光学レンズ410は、映像光束IMを受けるために用いられる。本実施例では、ライトバルブ150と照明プリズム120との間には、ライトバルブ150を保護するために、グラスカバー（cover  glass）140が設けられる。
【００２５】
本実施例では、映像光束IMは、光学レンズ410を通過した後に、出光側ESで絞りSTを形成する。絞りSTは、映像光束IMのビームシュリンケージの最小断面積を有する。本実施例では、映像光束IMは、絞りSTを通過した後に導波路素子130に進入し、そして、所定目標に投射する。一実施例では、前記所定目標は、例えば、人間の目である。
【００２６】
本実施例では、１つのケースは、光学レンズ410が0.3＜B/D＜2.5を満たすことであり、そのうち、Bは、光学レンズ410のレンズ総長さであり、Dは、光学レンズ410における最も大きいレンズの開口であり、本実施例では、例えば、第二レンズ414の開口である。本実施例では、もう１つのケースは、光学レンズ410が0.1＜A/B＜3.5を満たすことであり、そのうち、Aは、絞りSTと光学レンズ410との光軸OA上での距離である。本実施例では、もう１つのケースは、光学レンズ410が2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30を満たすことであり、そのうち、Cは、光学レンズ410とライトバルブ150との光軸OA上での距離であり、FOVは、光学レンズ410の視野である。本実施例では、もう１つのケースは、光学レンズ410がE/F＜1を満たすことであり、そのうち、絞りSTの形状は、円形であり、Eは、絞りSTの直径であり、且つライトバルブ150は、矩形又は正方形であり、Fは、ライトバルブ150の対角線の長さである。本実施例では、他のケースは、光学レンズ410が0.3＜B/D＜2.5、0.1＜A/B＜3.5、2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30、及びE/F＜1を同時に満たすことである。ここで、上述のパラメータA、B、C、D、E、F、FOVの定義は、上記と同様である。本実施例では、上述のパラメータA、B、C、D、E、Fは、例えば、それぞれ、12.49ｍｍ、11.55ｍｍ、10.4ｍｍ、8.4ｍｍ、3.84ｍｍ、7.93ｍｍである。なお、これらのパラメータの値は、本発明を限定しない。また、本実施例では、光学レンズ410の視野は、40度である。
【００２７】
本実施例では、光学レンズ410は、出光側ESから入光側ISへ順に配列される第一レンズ412、第二レンズ414、第三レンズ416、及び第四レンズ418を含む。第一レンズ412、第二レンズ414、第三レンズ416、及び第四レンズ418の屈折力は、順に、負、正、負及び正である。本実施例では、第一レンズ412は、凸凹レンズであり、且つ入光側ISに面する凸面を有し、第二レンズ414は、双凸レンズであり、第三レンズ416は、凸凹レンズであり、且つ出光側ESに面する凸面を有し、第四レンズ418は、双凸レンズである。本実施例では、第一レンズ412、第二レンズ414、第三レンズ416、及び第四レンズ418は、プラスチック非球面レンズであるが、本発明は、これに限定されない。
【００２８】
例えば、光学レンズ410には、４つのレンズがあるが、本発明は、これに限定されない。絞りSTの直径は、約4mmであり、人間の目の瞳孔のサイズ（約3〜6mm）に近い。絞りSTのサイズは、ライトバルブ150の短辺の幅（例えば、3.888mm）にも近いが、ライトバルブ150の対角線（例えば、7.93mm）より小さい。そのうち、ライトバルブ150の対角線は、光学レンズ410の結像円IMA（image  circle）を表す。例えば、ライトバルブは、0.3インチの720P  DMD装置を使用する。この光学レンズ410の設計下で、人間の目には2メートル（M）以外のサイズが57インチ（inch）の虚像に相当するものが見え、この時の拡大率は、約190倍である。
【００２９】
また、本実施例における光学レンズ410が有する焦点距離と像高との関係式は、「像高＝焦点距離×tan（視野半角）」であり、そのうち、像高が、例えば、3.965mmであり、設計視野が40度のとき、視場半角は、20度であり、この場合、光学レンズ410の有効焦点距離は、約10.89mmである。
【００３０】
以下、光学レンズ410の一実施例を挙げる。なお、以下にリストされているデータは、本発明を限定するためのものでなく、また、当業者は、本発明を参照した上で、そのパラメータ又は設定を適切に変更することもできるが、これらの変更は、依然として、本発明の技術的範囲に属する。
【００３１】
【表３】
2019109496.tif 000006
図5及び表３を参照する。表３には、各レンズ（第一レンズ412乃至第四レンズ418を含む）の表面を示している。例えば、表面S1は、第一レンズ412の、出光側ESに面する表面であり、表面S2は、第一レンズ412の、入光側ISに面する表面であり、その他は、これに基づいて類推することができる。また、間隔とは、２つの隣接する表面の間の光軸OA上での直線距離を指す。例えば、表面S1に対応する間隔は、表面S1から表面S2までの光軸OA上での直線距離であり、表面S2に対応する間隔は、表面S2から表面S3までの光軸OA上での直線距離であり、その他は、これに基づいて類推することができる。
【００３２】
本実施例では、第一レンズ412、第二レンズ414、第三レンズ416、及び第四レンズ418は、非球面レンズであっても良い。非球面レンズの公式は、次の通りである。
【００３３】
【数２】
2019109496.tif 000007
上式では、Xは、光軸OA方向のオフセット（sag）であり、Rは、接触球（osculating  sphere）の半径であり、即ち、光軸OAに接近した処の曲率半径（表３に示す曲率半径のようなもの）である。ｋは、二次曲面係数（conic）であり、Yは、非球面の高さであり、即ち、レンズ中心のからレンズの辺縁への高さであり、係数A2、A4、A6、A8、A10、A12は、非球面係数（aspheric  coefficient）である。本実施例では、係数A2は、0である。また、次の表４に示されているのは、各レンズの表面のパラメータ値である。
【００３４】
【表４】
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図6Aは、図5の光学レンズの像面湾曲（field  curvature）図及び歪曲図である。図6Bは、図5の光学レンズの横色収差図であり、それは、波長が465ｎｍ、525ｎｍ、630ｎｍの光によるシミュレーションデータ図であり、縦座標は、エアリーディスク（airy  disc）である。図6Cは、図5の光学レンズの変調伝達関数曲線図であり、そのうち、横座標は、焦点オフセット（focus  shift）であり、縦座標は、光学伝達関数のモジュラス（modulus  of  the  OTF）である。図6Dは、図5の光学レンズの光路差図である。図6Eは、図5の光学レンズの横レイファンプロット（transverse  ray  fan  plot）であり、525ｎｍを例とする。図6A乃至図6Eに示すものがすべて標準の範囲にあり、これは、本実施例における光学レンズ410が良好な結像効果を達成できることを意味する。また、図6Dから分かるように、ライトバルブ150の能動表面上で、映像光束IMが有するOPDの範囲は、-1.5λ＜OPD＜1.5λであり、そのうち、OPDは、各視野における光路差であり、λは、各色の光の波長であり、映像光束IMは、赤色光、緑色光、青色光を含む。本実施例では、光学レンズ410の設計が予め設定されている規範（標準）に合うので、光学レンズ410のサイズが小さく、重量が軽く、視野角が大きく、且つ解像度が高い利点を有する。
【００３５】
図7は、本発明のもう１つの実施例の導波路表示器の概略図である。図7に示すように、本実施例の導波路表示器500は、図5の導波路表示器400に類似したが、両者の主な相違点は、例えば、導波路表示器500が転換プリズム260（第一プリズム）及び導波路素子230をさらに含む設計にある。本実施例では、転換プリズム260は、光学レンズ410と絞りSTとの間に設置される。映像光束IMは、光学レンズ410を離れ、転換プリズム260に通過した後に、伝播方向が変わり、絞りSTに集める（集光する）ことができる。映像光束IMは、絞りSTを通過した後に発散する。本実施例では、導波路素子230は、カップリング入口232及びカップリング出口234を含む。絞りSTは、導波路素子230のカップリング入口232に形成される。映像光束IMは、絞りSTを通過し、カップリング入口232を経由して導波路素子230に進入し、そして、導波路素子230のカップリング出口234に伝播し、目標900に投射する。ここで、投射目標900は、例えば、人間の目である。
【００３６】
本実施例では、１つのケースは、光学レンズ410が0.3＜B/D＜2.5を満たすことであり、もう１つのケースは、光学レンズ410が0.1＜A/B＜3.5を満たすことであり、またもう１つのケースは、光学レンズ410が2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30を満たすことであり、さらにもう１つのケースは、光学レンズ410がE/F＜1を満たすことであり、他のケースは、光学レンズ410が0.3＜B/D＜2.5、0.1＜A/B＜3.5、2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30、及びE/F＜1を同時に満たすことである。そのうち、Aは、絞りSTと光学レンズ410との光軸OA上での距離である。本実施例では、Aは、第一レンズ412の表面S1と転換プリズム260の表面S7との光軸OA上での距離と、転換プリズム260の表面S7と絞りSTの表面との光軸OA上での距離との総和である。本実施例では、上述のパラメータA、B、C、D、E、Fは、例えば、それぞれ、9.6ｍｍ、11.55ｍｍ、10.4ｍｍ、8.4ｍｍ、3.84ｍｍ、7.93ｍｍである。なお、これらのパラメータの値は、本発明を限定しない。
【００３７】
図8は、本発明のもう１つの実施例の導波路表示器の概略図である。図8に示すように、本実施例における導波路表示器600は、図5の導波路表示器400に類似したが、両者の主な相違点は、例えば、導波路素子230の設計にある。また、本実施例では、絞りSTと第一レンズ412との間には、ガラスブロック又はプリズムが無い。映像光束IMは、光学レンズ410を離れた後に、空気中で伝播し、絞りSTに集める（集光する）。
【００３８】
本実施例では、１つのケースは、光学レンズ410が0.3＜B/D＜2.5を満たすことであり、またもう１つのケースは、光学レンズ410が0.1＜A/B＜3.5を満たすことであり、さらにもう１つのケースは、光学レンズ410が2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30を満たすことであり、またもう１つのケースは、光学レンズ410がE/F＜1を満たすことであり、他のケースは、光学レンズ410が0.3＜B/D＜2.5、0.1＜A/B＜3.5、2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30、及びE/F＜1を同時に満たすことである。本実施例では、上述のパラメータA、B、C、D、E、Fは、例えば、それぞれ、6.45ｍｍ、11.55ｍｍ、10.4ｍｍ、8.4ｍｍ、3.84ｍｍ、7.93ｍｍである。なお、これらのパラメータの値は、本発明を限定するためのものでない。
【００３９】
以上のことから、本発明の実施例は、少なくとも、次のような１つの利点又は効果を有する。即ち、本発明の好適は実施例では、光学レンズの設計が予め設定されている規範に合うので、光学レンズのサイズが小さく、重量が軽く、視野角が大きく、且つ解像度が高い。
【００４０】
本発明は、前述した好適な実施例に基づいて以上のように開示されたが、前述した好適な実施例は、本発明を限定するためのものでなく、当業者は、本発明の思想と範囲を離脱しない限り、本発明に対して些細な変更と潤色を行うことができるので、本発明の保護範囲は、添付した特許請求の範囲に定まったものを基準とする。また、本発明の何れの実施例又は特許請求の範囲は、本発明に開示されたすべての目的又は利点又は特徴を達成する必要がない。また、要約の一部と発明の名称は、文献の検索を助けるためのみのものであり、本発明の権利範囲を限定するものでない。また、本明細書又は特許請求の範囲に言及している「第一」、「第二」などの用語は、要素（element）に名前を付け、または、異なる実施例又は範囲を区別するためのものみであり、要素の数量上での上限又は下限を限定するためのものでない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７】
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【図８】
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