JP2017211475A - 観察光学系及びそれを有する観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像表示素子に表示される映像を、装置全体の小型化を図りつつ、広視野でありながら高品位で高い光学性能で観察することが容易な、例えばヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置に搭載される場合に好適な観察光学系を提供する。【解決手段】画像表示面ＩＤに表示された画像を観察するための観察光学系Ｌ０であって、観察面ＳＰ側から画像表示面ＩＤ側へ順に、正の屈折力の第１レンズと、少なくとも１つのフレネルレンズとを有すること。【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示素子に表示された画像を観察する観察装置に好適な観察光学系に関する。

ヘッドマウントディスプレイ等の観察装置においては、高い臨場感が求められるため、広視野角でありながら高い光学性能を有する観察光学系を備えることが望ましい。さらに、観察光学系の軽量化が求められている。従来、フレネルレンズを用いて軽量化を図った観察光学系が知られている（特許文献１）。

特開平７−２４４２４６号公報

一般に、広視野角の観察光学系においては、レンズ素子に対して光線が広い角度で入射するため、フレネルレンズの各輪帯の壁面で不要光が発生し、画質が低下しやすくなる。また、観察面側にフレネルレンズを配置すると、フレネルレンズにゴミが付着したり、キズが付いたりして、画質が低下しやすくなる。

本発明は、広視野角でありながら高い光学性能を有する軽量な観察光学系を提供することを目的とする。

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って、観察面側から画像表示面側へ順に、正の屈折力のレンズと、少なくとも１つのフレネルレンズとを有することを特徴としている。

本発明によれば、広視野角でありながら高い光学性能を有する軽量な観察光学系が得られる。

本発明の実施例１の観察光学系のレンズ断面図 （Ａ）、（Ｂ） 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 本発明の実施例２の観察光学系のレンズ断面図 （Ａ）、（Ｂ） 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 本発明の実施例３の観察光学系のレンズ断面図 （Ａ）、（Ｂ） 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 本発明の実施例４の観察光学系のレンズ断面図 （Ａ）、（Ｂ） 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 本発明の実施例５の観察光学系のレンズ断面図 （Ａ）、（Ｂ） 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 本発明に係るフレネルレンズによる照明解析の説明図 本発明に係る観察視野画像の説明図 本発明に係るフレネルレンズの説明図

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詳細に説明する。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の第１レンズと、少なくとも１つのフレネルレンズを有している。そして少なくとも１つのフレネルレンズは、輪帯ピッチが中心（光軸上）から周辺に行くに従って小さくなるフレネルレンズを含む。

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。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。図１１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の観察光学系におけるフレネルレンズの各輪帯における壁面高さによる照明解析の説明図である。図１２（Ａ）、（Ｂ）は０．３ｍｍピッチのフレネルレンズによる観察視野画像の説明図である。図１３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明に係るフレネルレンズの説明図である。

レンズ断面図において、Ｌ０は観察光学系であり、正の屈折力の第１レンズ（正レンズ）ＬＰと少なくとも１つのフレネルレンズを有する。ここで第１レンズＬＰはレンズ面が曲率を有した曲面であり、該曲面で屈折作用をするレンズであって、フレネルレンズは含まれない。ＩＤは画像表示面であり、例えば液晶表示素子ＩＤ１が配置される。ＳＰは観察面であり、観察者の瞳が位置する。観察面ＳＰには絞りＳＰ１が配置される場合もある。

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、アイポイントと最も観察側のレンズ面の間隔を表す。なお、収差の評価については、画像表示面から光線を飛ばした観察面側での収差と、観察面側から光線を飛ばして画像表示面上での収差は一対一で対応するため、便宜上、画像表示面上での収差を評価している。また、各実施例の開口絞り径は、人間の瞳径の一例として３．５ｍｍに設定している。

各実施例に係る観察光学系は正の屈折力の第１レンズＬＰと１枚以上のフレネルレンズを有する。フレネルレンズは、図１３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輪帯に分割した形状を有する。また、フレネルレンズは、断面形状が鋸歯型のプリズムＦＰを同心円状に並べた形状を有する。各輪帯を構成するプリズムＦＰは、レンズ面（光屈折面、格子面）の角度が互いに異なる。またフレネルレンズの輪帯ピッチＰは中心（光軸上）から周辺に向かって小さくなっている。Ｈは各輪帯の壁面高さである。

後述する数値データにおいて、フレネルレンズ面Ｆｒｅにおける曲率半径ｒは図１３（Ａ）に示すレンズ面の曲率半径ｒに相当する。フレネルレンズ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）、有効寸法（有効径）ｗ、ｖ等は図１３（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レンズ面Ｆｒｅの曲率半径はフレネルレンズとする前のレンズ面の曲率半径ｒを用いている。

各実施例の観察光学系では、最も観察面ＳＰ側に正の屈折力の第１レンズＬＰを配置することで、フレネルレンズの各輪帯の壁面に対する見込み角度を小さく設定している。またフレネルレンズの輪帯ピッチ（格子ピッチ）については、光軸から離れた周辺部に比べて中心部は輪帯ピッチが大きくなるようにすることで、中心視野領域における回折フレアの影響を少なくしている。これによって、広視野でありながら、軽量且つ高い光学性能を有した観察光学系を得ている。

各実施例において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。少なくとも１つのフレネルレンズの各輪帯における壁面高さをＨとする。全系（観察光学系Ｌ０）の焦点距離をｆとする。正の屈折力の第１レンズＬＰの焦点距離をｆ１とする。少なくとも１つのフレネルレンズの輪帯ピッチをＰ、フレネルレンズの各輪帯における壁面高さをＨとする。

第１レンズＬＰの観察面側のレンズ面の曲率半径をＲ１、画像表示面側のレンズ面の曲率半径をＲ２とする。第１レンズＬＰの画像表示素子側の面から最も観察面側に配置されているフレネルレンズの観察面側の面までの光軸上の距離をＬ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。

０．００１＜Ｈ／ｆ＜０．０１０ ・・・（１）
０．７５＜ｆ１／ｆ＜４．００ ・・・（２）
１．００＜Ｐ／Ｈ＜５．００ ・・・（３）
０．０＜（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）＜１．０ ・・・（４）
０．００１＜Ｌ／ｆ＜０．０８０ ・・・（５）

また観察光学系と、画像情報を表示する画像表示素子を有し、観察光学系によって拡大された画像表示素子の画像情報を、観察光学系を介して観察面側から観察する観察装置においては、次の条件式を満足するのが良い。アイレリーフ１０ｍｍにおける観察半視野角の最大値をα（度）とする。このとき次の条件式を満足するのが良い。
５０．０°＜α＜７０．０° ・・・（６）

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（１）は、フレネルレンズの各輪帯における壁面高さＨと全系の焦点距離ｆとの比を規定している。条件式（１）の下限を超えると各輪帯の壁面高さが低くなってフレネルレンズの周辺部における輪帯ピッチが狭くなるため好ましくない。

上限を超えると、各輪帯の壁面高さが高くなることで見込み角度が大きくなって観察に際して各輪帯の壁面段差等を認識してしまうため好ましくない。さらに望ましくは、条件式（１）の数値範囲を条件式（１ａ）とすることで、より高い光学性能を有した観察装置を実現することが容易となる。
０．００２＜Ｈ／ｆ＜０．００９ ・・・（１ａ）

条件式（２）は、全系の焦点距離に対する正の屈折力の第１レンズＬＰの焦点距離の比を規定している。条件式（２）の下限を超えて第１レンズＬＰの屈折力が強くなりすぎると光学性能が低下してくる。逆に上限を超えて第１レンズＬＰの屈折力が弱くなりすぎると、特に周辺視野光束について全光束に対する各輪帯の壁面が占める領域が大きくなり各輪帯の壁面段差を認識するようになるため好ましくない。さらに望ましくは、条件式（２）の数値範囲を条件式（２ａ）とすることで、より高い光学性能を有した観察装置を実現することが容易となる。
０．８５＜ｆ１／ｆ＜３．００ ・・・（２ａ）

条件式（３）は回折フレアの影響に関する。条件式（３）はフレネルレンズの周辺部の輪帯ピッチの最小ピッチＰに関する。条件式（３）は、フレネルレンズの輪帯ピッチと各輪帯の壁面高さの比を規定している。条件式（３）の下限を超えて輪帯ピッチが狭くなりすぎると回折影響が大きくなる。逆に上限を超えて輪帯ピッチが大きくなりすぎるとフレネルレンズを採用することによる軽量効果が少なくなってくる。さらに望ましくは、条件式（３）の数値範囲を条件式（３ａ）とすることで、より高い光学性能を有した観察装置を実現することが容易となる。
１．００＜Ｐ／Ｈ＜３．００ ・・・（３ａ）

条件式（４）は、第１レンズＬＰのシェイプファクター（レンズ形状）を規定している。条件式（４）の下限を下まわると、両凸形状のようになり観察面である眼の位置に対してコンセントリックな形状から乖離することで非点収差が増大する。逆に上限を超えると、画像表示素子面ＩＤ側のレンズ面の屈折力が強くなりすぎて眼の位置がずれたとき光学性能が大きく低下してくる。さらに望ましくは、条件式（４）の数値範囲を次の如く設定すると、高い光学性能を有した観察装置を実現することが容易となる。
０．５０＜（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）＜０．８５ ・・・（４ａ）

条件式（５）は、第１レンズＬＰの画像表示面ＩＤ側のレンズ面から最も観察面ＳＰ側に配置される第１のフレネルレンズＬ１の観察面ＳＰ側の面までの距離を規定している。条件式（５）の下限を超えると物理的干渉が発生してくるので良くない。上限を超えると、観察光学系Ｌ０全体が大型化してしまって全体の軽量化が困難になる。さらに望ましくは、条件式（５）の数値範囲を条件式（５ａ）とすることで、より高い光学性能を有した観察装置を実現することが容易となる。
０．００２＜Ｌ／ｆ＜０．０７５ ・・・（５ａ）

本発明の観察装置は、上記記載の観察光学系Ｌ０と、画像情報を表示する画像表示素子ＩＤ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光学系を介して観察する。

条件式（６）はこのような観察装置において好ましい構成に関する。条件式（６）は、図１における開口絞りＳＰ、つまり観察面ＳＰの位置に対して入射する主光線の角度の最大値を規定している。条件式（６）の下限を超えると視野角が狭くなって臨場感を感じることが少なくなり、かつフレネル構造体に起因して良好なる観察ができなくなることも少ない。

逆に上限値を超えると、臨場感を感じる視野角としても飽和してくる。更にフレネルレンズの各輪帯の角度がつきすぎて高い光学性能を維持することが困難になる。さらに望ましくは、条件式（６）の数値範囲を条件式（６ａ）とすることで、より高い光学性能を有した観察装置を実現することが容易となる。
５２．０°＜α＜６３．０° ・・・（６ａ）

各実施例において、フレネルレンズの少なくとも１面は、非球面形状とするのが良く、これによれば収差補正を効率よく行うことが容易となる。またフレネルレンズは、観察面ＳＰ側および画像表示面ＩＤ側の両面に屈折力を有するのが良い。これによれば、より効率的にフレネルレンズの屈折力を配置することができる、もしくはフレネル面の屈折力を分担するなどによって回折フレア等に対する影響を低減することが容易となる。

［実施例１］
以下、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、観察側より順に正の屈折力の第１レンズＬＰ、正の屈折力の第１フレネルレンズＬ１、正の屈折力の第２フレネルレンズＬ２から構成されている。実施例１の観察光学系Ｌ０は半視野角５５°の広視野角である。

本実施例で用いているフレネルレンズに関しては観察側ＳＰから配置される順に、第１フレネルレンズ、第２フレネルレンズと定義する。第１レンズＬＰは非球面形状のレンズ面を有した屈折レンズであり、主に球面収差を補正している。平板樹脂で構成されるフレネルレンズに比して重量比率が高い第１レンズＬＰについては、周辺視野光束の入射高さが低い位置に配していることにより、全系の重量の増大を防いでいる。

本実施例では第１レンズＬＰは樹脂材料を用いているが特にこの限りでなく、硝子を用いても良い。第１レンズＬＰによって、後続のフレネルレンズの各輪帯の壁面に対する見込み角度を抑制しており、次にその理由を説明する。

図１１は２枚のフレネルレンズＬ１、Ｌ２のみで構成された光学系における照明解析の説明図である。図１１（Ａ）によると、順に面光源Ｓａ、開口絞りＳＰ、正の屈折力の第１フレネルレンズＬ１、正の屈折力の第２フレネルレンズＬ２および被照射面Ｓｃにて構成されている。この場合、開口絞りＳＰの位置が眼の位置（観察位置）ＳＰに相当する。

一般にフレネルレンズの各輪帯の壁面部は光束の無効領域となる。このため、特に観察側に配置された第１フレネルレンズＬ１については各輪帯の壁面高さがある値を超えて大きくなると、無効光束の領域が大きくなって照度段差等の観察の際に違和感を覚えることが懸念される。

図１１（Ｂ）は、観察側の第１フレネルレンズＬ１の各輪帯の壁面高さを１ｍｍとしたときの被照射面Ｓｂにおける照明解析結果例を示している。図１１（Ｂ）では、各輪帯の壁面の無効領域を占める光束が抜けて損失となることにより暗くなって観察される。

図１１（Ｃ）は、第１フレネルレンズＬ１と第２フレネルレンズＬ２の各輪帯にそれぞれ同じ壁面高さ０．１３ｍｍを設定したときの被照射面Ｓｂにおける照明解析結果を示している。第１フレネルレンズＬ１に比して第２フレネルレンズＬ２の各輪帯の壁面高さ影響の方が光束損失・段差認識に対して有利、つまり分布がなめらかであることがわかる。これは、正の屈折力を有する第１フレネルレンズＬ１の光学作用によって周辺視野光束について各輪帯の壁面との相対角度が小さくなることに起因する。

実施例１の例では正の屈折力の第１フレネルレンズＬ１の画像表示面ＩＤ側をフレネル面Ｆｒｅ１としている。また正の屈折力の第２フレネルレンズＬ２の画像表示面ＩＤ側をフレネル面Ｆｒｅ２としている。フレネル面Ｆｒｅ１とフレネル面Ｆｒｅ２を画像表示面ＩＤ側に凸を向けた形状とすることで、フレネル面への光線の入射角度の増大を抑制し、主に像面湾曲と非点収差の発生を抑えている。

最も観察面ＳＰ側に配置された第１フレネルレンズＬ１については、観察側を平面とし、画像表示素子ＩＤ側面に正の屈折力を持つ面を有しており、当該面は所謂フレネル構造を有している。このようなフレネルレンズを採用することで一般的な屈折レンズを用いた場合に比して中心肉厚を薄く設計できるため、全体の軽量化が容易となる。

一般にフレネルレンズは、輪帯ピッチが等ピッチまたは等サグタイプのものが知られている。いずれも一般的な球面形状について、光軸中心から周辺に向かって一定のピッチまたはサグ（壁面高さ）となると輪帯が順次更新されていく。

本実施例におけるフレネルレンズのフレネル構造面は壁面高さが一定の値になると次輪帯に更新されるタイプとしている。このような壁面高さＨが一定のタイプとすることで、光軸から離れた周辺視野領域に比べ、中心付近領域の輪帯の格子ピッチを大きく設定している。

輪帯のピッチが小さくなると、一般に知られている「回折方程式」から回折分離角（幅）が大きくなりフレア影響が無視できなくなる。このため、重視すべき中心視野領域の結像性能に寄与する光束が通過する光軸近傍領域については、輪帯幅を大きく確保する狙いがある。

例として、図１２はフレネルレンズの輪帯ピッチが等ピッチ０．３ｍｍのフレネルレンズによる中心視野０°における画像シミュレーションを実施した結果を原画像と比較して示している。実使用に対して誇張評価ではあるが狭い輪帯ピッチをもつフレネル構造の場合、回折角度が大きくなることに起因して点像強度分布が広がってしまい、その畳み込み積分となる画像として「Ｆ」文字のボケが大きくなることがわかる。

そこで各実施例では中心輪帯については数ｍｍ（３ｍｍ〜６ｍｍ）レベルの輪帯幅を持たせている。なお本実施例ではフレネルレンズの各輪帯の壁面高さ一定としているがこの限りでなく、後述する条件式の数値範囲を逸脱しない範囲にて輪帯毎に高さを微調整したりしても良い。また本実施例におけるフレネル面の各輪帯の形状は曲面形状としている。所望の視覚性能が許容できる範囲によっては、フレネル面の輪帯形状を直線として近似しても良い。以上の説明は後述する各実施例においても同様である。

実施例１では、フレネルレンズの各輪帯の壁面高さＨをＨ＝０．１５ｍｍとしており、全系焦点距離ｆ＝５３．２ｍｍの比である条件式（１）は条件式（１）＝０．００２８である。そして最小の輪帯ピッチＰはＰ＝０．２１ｍｍであり、条件式（３）の値は条件式（３）＝１．４０である。これによって、回折フレアの影響を低減している。

また観察面ＳＰ側に配置した第１レンズＬＰの屈折力については、条件式（２）＝２．３４となるような屈折力を持たせて特に広視野領域の光束を光軸に対して沿うようにしてフレネルレンズの各輪帯の壁面に対して張る角度を小さくしている。これによって、各輪帯の壁面の段差等の影響を低減している。さらに条件式（５）＝０．０３８として観察装置全体の小型軽量を実現している。

［実施例２］
以下、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、観察側より順に、正の屈折力の第１レンズＬＰ、正の屈折力の第１フレネルレンズＬ１、負の屈折力の第２フレネルレンズＬ２、正の屈折力の第３フレネルレンズＬ３から構成されている。実施例２の観察光学系Ｌ０は半視野角として６０°といった広視野を実現している。

第１レンズＬＰは非球面形状のレンズ面を有した屈折レンズであり、主に球面収差を補正している。正の屈折力の第１フレネルレンズＬ１のフレネル面Ｆｒｅ１と第３フレネルレンズＬ３のフレネル面Ｆｒｅ３を画像表示面ＩＤ１側としており、これらの面を開口絞りＳＰ１に対してコンセントリックな形状とすることで非点収差の発生を軽減している。さらに実施例２では、負の屈折力の第２フレネルレンズＬ２を配することにより、主に倍率色収差を良好に補正している。

実施例２では、フレネルレンズの各輪帯の壁面高さＨをＨ＝０．２ｍｍとしており、全系の焦点距離の比である条件式（１）の値は条件式（１）＝０．００４３である。輪帯ピッチＰはＰ＝０．２９ｍｍであり、条件式（３）の値は条件式（３）＝１．４５であり、これにより回折フレア影響を低減している。

第１レンズＬＰの屈折力については、条件式（２）＝１．７５となるような屈折力を持たせて特に広視野領域の光束を、光軸を沿うようにしてフレネルレンズの各輪帯の壁面に対して張る角度を小さくしている。これによって、フレネルレンズの各輪帯の壁面の段差による視認低下の影響を低減している。さらに条件式（５）＝０．０２７として観察光学系Ｌ０全体の小型軽量化を実現している。その他については、実施例１と同じである。

［実施例３］
以下、図５を参照して、本発明の実施例３による観察光学系Ｌ０について説明する。実施例３の観察光学系Ｌ０は、観察側より順に、正の屈折力の第１レンズＬＰ、負の屈折力の第１フレネルレンズＬ１、正の屈折力の第２フレネルレンズＬ２から構成されている。第１レンズＬＰは非球面形状のレンズ面を有した屈折レンズであり、主に球面収差を補正している。さらに、負の屈折力の第１フレネルレンズＬ１のフレネル面Ｆｒｅ１を観察面ＳＰ側、正の屈折力の第２フレネルレンズＬ２のフレネル面Ｆｒｅ２を画像表示面ＩＤ側としている。

フレネル面Ｆｒｅ１とフレネル面Ｆｒｅ２を開口絞りＳＰに対してコンセントリックな形状とすることで、フレネル面への光線入射角度を抑制し、主に像面湾曲と非点収差を抑えることができる。また、負の屈折力の第１フレネルレンズＬ１を配すことで、倍率色収差を良好に補正している。

実施例３では、フレネルレンズの各輪帯の壁面高さＨをＨ＝０．２５ｍｍとしており、全系の焦点距離の比である条件式（１）の値は、条件式（１）＝０．００４６である。輪帯ピッチＰはＰ＝０．２７ｍｍであり、条件式（３）の値は条件式（３）＝１．０８として、回折フレア影響を低減している。

第１レンズＬＰの屈折力については、条件式（２）＝０．９４となるような屈折力を持たせて特に広視野領域の光束を光軸に沿うようにしてフレネルレンズの各輪帯の壁面に対して張る角度を小さくしている。これによって、各輪帯の壁面の段差による視認低下の影響を低減している。さらに条件式（５）＝０．００３として観察光学系Ｌ０全体の小型軽量化を実現している。その他については、実施例１と同じである。

［実施例４］
以下、図７を参照して、本発明の実施例４による観察光学系Ｌ０について説明する。実施例４の観察光学系Ｌ０は、観察側より順に、正の屈折力の第１レンズＬＰ、正の屈折力の第１フレネルレンズＬ１、負の屈折力の第２フレネルレンズＬ２から構成されている。

第１レンズＬＰは非球面形状のレンズ面を有した屈折レンズであり、主に球面収差を補正している。正の屈折力の第１フレネルレンズＬ１のフレネル面Ｆｒｅ１は画像表示面ＩＤ側、および第２フレネルレンズＬ２のフレネル面Ｆｒｅ２を観察面ＳＰ側としている。これらの面を開口絞りＳＰ１に対してコンセントリックな形状とすることで非点収差の発生を軽減している。また、負の屈折力の第２フレネルレンズＬ２を配すことで、倍率色収差を良好に補正している。

実施例４では、フレネルレンズの各輪帯の壁面高さＨをＨ＝０．４０ｍｍとしており、全系の焦点距離の比である条件式（１）の値は、条件式（１）＝０．００８０である。輪帯ピッチＰはＰ＝０．９６ｍｍであり、条件式（３）の値は条件式（３）＝２．４０として、回折フレア影響を低減している。

第１レンズＬＰの屈折力については、条件式（２）＝１．３２となるような屈折力を持たせて特に広視野領域の光束を光軸に沿うようにしてフレネルレンズの各輪帯の壁面に対して張る角度を小さくしている。これによって、各輪帯の壁面の段差による視認低下の影響を低減している。さらに条件式（５）＝０．００３として観察光学系Ｌ０全体の小型軽量化を実現している。その他については、実施例１と同じである。

［実施例５］
以下、図９を参照して、本発明の実施例５による観察光学系Ｌ０について説明する。実施例５の観察光学系は、観察側より順に、正の屈折力の第１レンズＬＰ、負の屈折力の第２レンズＬＮ、正の屈折力の第１フレネルレンズＬ１から構成されている。

本実施例では少なくとも１つのフレネルレンズは第２レンズＬＮの画像表示面ＩＤ側に配置されている。第１レンズＬＰは非球面形状を有した屈折レンズであり、主に球面収差を補正している。さらに正の屈折力の第１フレネルレンズＬ１のフレネル面Ｆｒｅ１を画像表示面ＩＤ側としている。フレネル面Ｆｒｅ１を開口絞りＳＰ１に対してコンセントリックな形状とすることで、フレネル面への光線入射角度を抑制し、主に像面湾曲と非点収差を抑えることができる。

実施例５では、壁面高さＨ＝０．２ｍｍとしており、全系焦点距離の比である条件式（１）＝０．００３７、およびＰ＝０．５２ｍｍにより条件式（３）＝２．６０として、回折フレア影響を低減している。

また眼側に配置した第１レンズＬＰの屈折力については、条件式（２）＝１．０７となるような屈折力を持たせて特に広視野領域の光束を寝かせて各輪帯の壁面に対して張る角度を小さくすることができ壁面の段差による視認等の影響を低減している。さらに条件式（５）＝０．０７３として観察装置の小型軽量効果を実現している。その他については、実施例１と同じである。

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。

ｘ＝（ｈ²／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）²｝^1/2］＋A4ｈ⁴＋A6ｈ⁶＋A8ｈ⁸＋A10ｈ^１０
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。数値データ１、３、４において面番号２、３は第１レンズＬＰ、面番号４、５は第１フレネルレンズ、面番号６、７は第２フレネルレンズに相当している。数値データ２において面番号２、３は第１レンズＬＰ、面番号４、５は第１フレネルレンズ、面番号６、７は第２フレネルレンズ、面番号８、９は第３フレネルレンズに相当している。数値データ５において面番号２、３は第１レンズＬＰ、面番号４、５は第２レンズＮＰ、面番号６、７は第１フレネルレンズに相当している。

レンズ全長は観察面ＳＰ側の第１レンズ面から画像表示面ＩＤまでの距離である。ＢＦは最終レンズ面から画像表示面ＩＰまでの距離である。また前述した数値データに基づくパラメータと各条件式との関係を表１に示す。

（数値データ１）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2* 410.761 8.00 1.54000 56.0 49.00
3* -80.000 2.00 49.00
4 ∞ 1.20 1.53200 56.0 63.00
5*Fre -90.000 2.49 63.00
6 ∞ 1.20 1.49000 58.0 69.00
7*Fre -90.000 (可変) 69.00
像面 ∞

非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4=-3.66700e-006 A 6= 9.11471e-009 A 8=-7.83777e-012 A10= 1.57785e-015

第3面
K = 0.00000e+000 A 4=-9.84117e-007 A 6=-9.13282e-010 A 8= 5.73799e-013

第5面
K = 0.00000e+000 A 4=-3.30573e-007 A 6=-3.98357e-010 A 8=-9.37008e-013

第7面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.22105e-006 A 6= 1.98445e-009 A 8=-8.98292e-014

各種データ
ズーム比 1.00

焦点距離 53.20 53.20
Fナンバー 15.20 15.20
半画角（度） 55.00 45.00
像高 48.51 40.84
レンズ全長 74.13 84.13
BF 49.24 49.24

d 1 10.00 20.00
d 7 49.24 49.24

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -30.05 -60.90
前側主点位置 17.50 27.50
後側主点位置 -3.96 -3.96

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 53.20 14.89 7.50 -3.96

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 124.71
2 4 169.17
3 6 183.67

（数値データ２）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2* 273.504 8.00 1.77250 49.6 48.00
3* -79.442 1.26 48.00
4 1000.000 1.50 1.49000 58.0 62.00
5*Fre -79.821 1.21 62.00
6*Fre -1500.000 1.00 1.64000 23.5 66.00
7 ∞ 3.00 66.00
8 -1100.000 1.20 1.49000 58.0 70.00
9*Fre -112.282 (可変) 70.00
像面 ∞

非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4=-3.06549e-006 A 6= 8.19002e-009 A 8=-7.48943e-012 A10= 1.57785e-015

第3面
K = 0.00000e+000 A 4=-7.50418e-007 A 6=-5.41742e-010 A 8= 8.09511e-013

第5面
K = 0.00000e+000 A 4=-2.72628e-008 A 6=-2.86482e-010 A 8=-9.40282e-013

第6面
K = 0.00000e+000 A 4=0.00000e+000 A 6=0.00000e+000 A 8=0.00000e+000

第9面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.22105e-006 A 6= 1.98445e-009 A 8=-8.98292e-014

各種データ
ズーム比 1.00

焦点距離 46.02 46.02
Fナンバー 13.15 13.15
半画角（度） 60.00 46.50
像高 44.89 36.34
レンズ全長 66.52 76.52
BF 39.34 39.34

d 1 10.00 20.00
d 9 39.34 39.34

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -31.28 -66.61
前側主点位置 16.03 26.03
後側主点位置 -6.68 -6.68

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 46.02 17.17 6.03 -6.68

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 80.49
2 4 150.93
3 6 -2343.74
4 8 255.09

（数値データ３）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2* 174.994 12.50 1.69680 55.5 50.00
3* -43.000 0.15 50.00
4*Fre -108.134 1.00 1.63400 23.9 65.00
5 ∞ 2.12 65.00
6 ∞ 1.00 1.53156 55.8 70.00
7*Fre -110.000 (可変) 70.00
像面 ∞

非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.88861e-006 A 6= 5.15277e-009 A 8=-7.63508e-012 A10= 1.57785e-015

第3面
K = 0.00000e+000 A 4= 2.84163e-006 A 6=-6.10903e-009 A 8= 1.58033e-011 A10=-1.42660e-014

第4面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.80555e-005 A 6= 3.04687e-008 A 8=-1.57283e-011 A10= 2.52068e-017

第7面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.97280e-005 A 6= 2.69617e-008 A 8=-1.15047e-011

各種データ
ズーム比 1.00

焦点距離 54.10 54.10
Fナンバー 15.46 15.46
半画角（度） 55.00 45.00
像高 49.94 41.58
レンズ全長 76.55 86.55
BF 49.79 49.79

d 1 10.00 20.00
d 7 49.79 49.79

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -28.80 -57.65
前側主点位置 16.86 26.86
後側主点位置 -4.31 -4.31

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 54.10 16.77 6.86 -4.31

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 50.73
2 4 -170.56
3 6 206.94

（数値データ４）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2* 174.000 12.50 1.53156 55.8 50.00
3* -43.044 0.15 50.00
4 973.437 1.50 1.53156 55.8 62.00
5*Fre -65.861 2.78 62.00
6*Fre -149.437 1.50 1.63400 23.9 70.00
7 -1503.437 (可変) 70.00
像面 ∞

非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4=-5.92944e-006 A 6= 1.70481e-008 A 8=-1.31727e-011 A10= 1.57785e-015

第3面
K = 0.00000e+000 A 4= 2.84163e-006 A 6=-6.10903e-009 A 8= 1.58033e-011 A10=-1.42660e-014

第5面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.88496e-005 A 6= 3.35376e-008 A 8=-1.28073e-011

第6面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.46446e-005 A 6= 2.85863e-008 A 8=-1.46135e-011 A10= 5.11813e-016

各種データ
ズーム比 1.00

焦点距離 50.16 50.16
Fナンバー 14.33 14.33
半画角（度） 60.00 46.50
像高 45.69 38.71
レンズ全長 72.30 82.30
BF 43.87 43.87

d 1 10.00 20.00
d 7 43.87 43.87

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -31.59 -63.92
前側主点位置 16.82 26.82
後側主点位置 -6.28 -6.28

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 50.16 18.43 6.82 -6.28

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 66.24
2 4 116.11
3 6 -261.83

（数値データ５）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 径
1(絞り) ∞ (可変) 3.50
2* 490.000 10.44 1.69680 55.5 50.00
3* -43.097 0.15 50.94
4* -146.950 2.80 1.58313 59.4 54.00
5 -6548.479 1.00 58.95
6 ∞ 1.20 1.53110 55.9 60.74
7*Fre -100.0 50.54 61.70
像面 ∞

非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.10891e-006 A 6=-1.49354e-010 A 8= 3.04055e-012 A10=-1.62972e-015

第3面
K = 0.00000e+000 A 4= 9.19803e-006 A 6=-1.34719e-008 A 8= 1.86282e-011 A10=-8.06902e-015

第4面
K = 0.00000e+000 A 4= 7.43384e-006 A 6=-1.27112e-008 A 8= 1.39752e-011 A10=-7.38289e-015

第7面
K = 0.00000e+000 A 4=-7.91050e-007 A 6= 2.18770e-009 A 8=-1.59410e-012

各種データ
ズーム比 1.00

焦点距離 53.75 53.75
Fナンバー 15.36 15.36
半画角（度） 60.00 46.50
像高 51.24 41.56
レンズ全長 76.13 86.13
BF 50.54 50.54

d 1 10.00 20.00

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -37.62 -81.93
前側主点位置 16.77 26.77
後側主点位置 -3.20 -3.20

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 53.75 14.44 6.77 -3.20

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 57.31
2 4 -257.83
3 6 188.29

Ｌ０ 観察光学系 ＬＰ 正の屈折力の第１レンズ Ｌ１ 第１フレネルレンズ
Ｌ２ 第２フレネルレンズ ＳＰ 観察面 ＩＤ 画像表示面

Claims (14)

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、観察面側から画像表示面側へ順に、正の屈折力の第１レンズと、少なくとも１つのフレネルレンズとを有することを特徴とする観察光学系。
2. 前記少なくとも１つのフレネルレンズは、中心から周辺に向かって輪帯ピッチが小さくなるフレネルレンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
3. 前記フレネルレンズの各輪帯における壁面高さをＨ、全系の焦点距離をｆとするとき、
   ０．００１＜Ｈ／ｆ＜０．０１０
   なる条件式を満足す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。
4. 前記第１レンズの焦点距離をｆ１、全系の焦点距離をｆとするとき、
   ０．７５＜ｆ１／ｆ＜４．００
   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。
5. 前記フレネルレンズの輪帯ピッチをＰ、前記フレネルレンズの各輪帯における壁面高さをＨとするとき、
   １．００＜Ｐ／Ｈ＜５．００
   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。
6. 前記第１レンズの観察面側のレンズ面の曲率半径をＲ１、前記第１レンズの画像表示面側のレンズ面の曲率半径をＲ２とするとき、
   ０．０＜（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）＜１．０
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の観察光学系。
7. 前記第１レンズの前記画像表示面側のレンズ面から最も観察面側に配置されているフレネルレンズの観察面側のレンズ面までの光軸上の距離をＬ、全系の焦点距離をｆとするとき、
   ０．００１＜Ｌ／ｆ＜０．０８０
   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。
8. 観察面側から画像表示面側へ順に配置された正の屈折力の第１フレネルレンズ、正の屈折力の第２フレネルレンズを有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。
9. 観察面側から画像表示面側へ順に配置された正の屈折力の第１フレネルレンズ、負の屈折力の第２フレネルレンズ、正の屈折力の第３フレネルレンズを有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。
10. 観察面側から画像表示面側へ順に配置された負の屈折力の第１フレネルレンズ、正の屈折力の第２フレネルレンズを有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。
11. 観察面側から画像表示面側へ順に配置された正の屈折力の第１フレネルレンズ、負の屈折力の第２フレネルレンズを有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。
12. 前記第１レンズの画像表示面側に負の屈折力の第２レンズを有し、前記少なくとも１つのフレネルレンズは、前記第２レンズの画像表示面側に配置された正の屈折力の第１フレネルレンズより構成され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。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の観察光学系と、画像を表示する画像表示素子を有することを特徴とする観察装置。
14. アイレリーフ１０ｍｍにおける観察半視野角の最大値をα（度）とするとき、
    ５０．０°＜α＜７０．０°
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１３に記載の観察装置。