特許 6800611 観察光学系及びそれを有する観察装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6800611

(24)【登録日】2020年11月27日

(45)【発行日】2020年12月16日

(54)【発明の名称】観察光学系及びそれを有する観察装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 25/00 20060101AFI20201207BHJP

   G02B 3/08 20060101ALI20201207BHJP

【ＦＩ】

   G02B25/00 A

   G02B3/08

【請求項の数】32

【全頁数】32

(21)【出願番号】特願2016-104108(P2016-104108)

(22)【出願日】2016年5月25日

(65)【公開番号】特開2017-211474(P2017-211474A)

(43)【公開日】2017年11月30日

【審査請求日】2019年5月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126240

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 琢磨

(74)【代理人】

【識別番号】100124442

【弁理士】

【氏名又は名称】黒岩 創吾

(72)【発明者】

【氏名】江部 裕基

【審査官】 殿岡 雅仁

(56)【参考文献】

【文献】 特表平０６−５０９１８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５０７８３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５４５１３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２４４２４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／０３３６５３９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ９／００ − １７／０８

Ｇ０２Ｂ ２１／０２ − ２１／０４

Ｇ０２Ｂ ２５／００ − ２５／０４

(57)【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、
観察面側から画像表示面側へ順に配置された、正レンズ、第１フレネルレンズ、第２フレネルレンズを有し、
前記第１フレネルレンズと前記第２フレネルレンズはそれぞれ画像表示面側がフレネル面である正の屈折力のフレネルレンズであり、
前記第１フレネルレンズの焦点距離をｆ１、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
１．５＜ｆ１／ｆ＜５．０
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２フレネルレンズの焦点距離をｆ２、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
１．０＜ｆ２／ｆ＜６．０
なる条件式を満足す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フレネルレンズの観察面側の面の曲率半径をＲ１１、前記第１フレネルレンズの画像表示面側の面の曲率半径をＲ１２とするとき、
−１．４＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．６
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。

【請求項4】

前記第２フレネルレンズの観察面側の面の曲率半径をＲ２１、前記第２フレネル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）＜−０．５
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の何れか一項に記載の観察光学系。

【請求項5】

請求項１乃至４の何れか一項に記載の観察光学系と、画像を表示する画像表示素子とを有することを特徴とする観察装置。

【請求項6】

前記第１フレネルレンズの画像表示面側の面頂点から、前記第２フレネルレンズの観察面側の主点までの距離をｄ、最も観察面側に配置されたレンズの観察面側の面頂点から前記画像表示面までの距離をＬとするとき、
０．００５＜ｄ／Ｌ＜０．２００
なる条件式を満足することを特徴とする請求項５に記載の観察装置。

【請求項7】

前記第１フレネルレンズの中心厚をｄ１、前記第２フレネルレンズの中心厚をｄ２、最も観察面側に配置されたレンズの観察側の面頂点から前記画像表示面までの距離をＬとするとき、
０．０１＜（ｄ１＋ｄ２）／Ｌ＜０．１０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項５又は６に記載の観察装置。

【請求項8】

アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角４５度における画像表示面の実像高をｙ、アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角４５度における画像表示面の理想像高をｙ０とするとき、
−０．３＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１
なる条件式を満足することを特徴とする請求項５乃至７の何れか一項に記載の観察装置。

【請求項9】

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配置された、正レンズ、第１フレネルレンズ、第２フレネルレンズを有し、
前記第１フレネルレンズは観察面側がフレネル面である負の屈折力のフレネルレンズであり、前記第２フレネルレンズは画像表示面側がフレネル面である正の屈折力のフレネルレンズであり、
前記第１フレネルレンズの焦点距離をｆ１、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
１．５＜｜ｆ１｜／ｆ＜５．０
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10】

前記第２フレネルレンズの焦点距離をｆ２、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
３．０＜ｆ２／ｆ＜６．５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項９に記載の観察光学系。

【請求項11】

前記第１フレネルレンズの観察面側の面の曲率半径をＲ１１、前記第１フレネルレンズの画像表示面側の面の曲率半径をＲ１２とするとき、
０．６＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜１．５
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に記載の観察光学系。

【請求項12】

前記第２フレネルレンズの観察面側の面の曲率半径をＲ２１、前記第２フレネル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９乃至１１の何れか一項に記載の観察光学系。

【請求項13】

請求項９乃至１２の何れか一項に記載の観察光学系と、画像を表示する画像表示素子とを有することを特徴とする観察装置。

【請求項14】

前記第１フレネルレンズの画像表示面側の面頂点から、前記第２フレネルレンズの観察面側の主点までの距離をｄ、最も観察面側に配置されたレンズの観察面側の面頂点から前記画像表示面までの距離をＬとするとき、
０．００５＜ｄ／Ｌ＜０．２００
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。

【請求項15】

前記第１フレネルレンズの中心厚をｄ１、前記第２フレネルレンズの中心厚をｄ２、最も観察面側に配置されたレンズの観察側の面頂点から前記画像表示面までの距離をＬとするとき、
０．０１＜（ｄ１＋ｄ２）／Ｌ＜０．１５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の観察装置。

【請求項16】

アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角４５度における画像表示面の実像高をｙ、アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角４５度における画像表示面の理想像高をｙ０とするとき、
−０．３＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１３乃至１５の何れか一項に記載の観察装置。

【請求項17】

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配置された、正レンズ、第１フレネルレンズ、第２フレネルレンズ、第３フレネルレンズを有し、
前記第１フレネルレンズと前記第３フレネルレンズはそれぞれ画像表示面側がフレネル面である正の屈折力のフレネルレンズであり、前記第２フレネルレンズは観察面側がフレネル面である負の屈折力のフレネルレンズであり、
前記第１フレネルレンズの焦点距離をｆ１、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
１．５＜ｆ１／ｆ＜５．０
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18】

前記第３フレネルレンズの焦点距離をｆ３、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
１．０＜ｆ３／ｆ＜６．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１７に記載の観察光学系。

【請求項19】

前記第１フレネルレンズの観察面側の面の曲率半径をＲ１１、前記第１フレネルレンズの画像表示面側の面の曲率半径をＲ１２とするとき、
−１．４＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．６
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１７又は１８に記載の観察光学系。

【請求項20】

前記第３フレネルレンズの観察面側の面の曲率半径をＲ３１、前記第３フレネルレンズの画像表示面側の面の曲率半径をＲ３２とするとき、
−１．５＜（Ｒ３２＋Ｒ３１）／（Ｒ３２−Ｒ３１）＜−０．５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１７乃至１９の何れか一項に記載の観察光学系。

【請求項21】

請求項１７乃至２０の何れか一項に記載の観察光学系と、画像を表示する画像表示素子とを有することを特徴とする観察装置。

【請求項22】

前記第２フレネルレンズの画像表示面側の面頂点から、前記第３フレネルレンズの観察面側の主点までの距離をｄ、最も観察面側に配置されたレンズの観察面側の面頂点から前記画像表示面までの距離をＬとするとき、
０．００５＜ｄ／Ｌ＜０．２００
なる条件式を満足することを特徴とする請求項２１に記載の観察装置。

【請求項23】

前記第１フレネルレンズの中心厚をｄ１、前記第３フレネルレンズの中心厚をｄ３、最も観察面側に配置されたレンズの観察側の面頂点から前記画像表示面までの距離をＬとするとき、
０．０１＜（ｄ１＋ｄ３）／Ｌ＜０．１０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項２１又は２２に記載の観察装置。

【請求項24】

アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角４５度における画像表示面の実像高をｙ、アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角４５度における画像表示面の理想像高をｙ０とするとき、
−０．３＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１
なる条件式を満足することを特徴とする請求項２１乃至２３の何れか一項に記載の観察装置。

【請求項25】

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配置された、正レンズ、第１フレネルレンズ、第２フレネルレンズを有し、
前記第１フレネルレンズは画像表示面側がフレネル面である正の屈折力のフレネルレンズであり、前記第２フレネルレンズは観察面側がフレネル面である負の屈折力のフレネルレンズであり、
前記第２フレネルレンズの焦点距離をｆ２、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
１．５＜｜ｆ２｜／ｆ＜５．０
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26】

前記第１フレネルレンズの焦点距離をｆ１、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
３．０＜ｆ１／ｆ＜６．５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項２５に記載の観察光学系。

【請求項27】

前記第２フレネルレンズの観察面側の面の曲率半径をＲ２１、前記第２フレネルレンズの画像表示面側の面の曲率半径をＲ２２とするとき、
０．６＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜１．５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項２５又は２６に記載の観察光学系。

【請求項28】

前記第１フレネルレンズの観察面側の面の曲率半径をＲ１１、前記第１フレネル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）＜−０．６
なる条件式を満足することを特徴とする請求項２５乃至２７の何れか一項に記載の観察光学系。

【請求項29】

請求項２５乃至２８の何れか一項に記載の観察光学系と、画像を表示する画像表示素子とを有することを特徴とする観察装置。

【請求項30】

前記第２フレネルレンズの観察面側の面頂点から、前記第１フレネルレンズの画像表示面側の主点までの距離をｄ、最も観察面側に配置されたレンズの観察面側の面頂点から前記画像表示面までの距離をＬとするとき、
０．００５＜ｄ／Ｌ＜０．２００
なる条件式を満足することを特徴とする請求項２９に記載の観察装置。

【請求項31】

前記第１フレネルレンズの中心厚をｄ１、前記第２フレネルレンズの中心厚をｄ２、最も観察面側に配置されたレンズの観察側の面頂点から前記画像表示面までの距離をＬとするとき、
０．０１＜（ｄ１＋ｄ２）／Ｌ＜０．１５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項２９又は３０に記載の観察装置。

【請求項32】

アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角４５度における画像表示面の実像高をｙ、アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角４５度における画像表示面の理想像高をｙ０とするとき、
−０．３＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１
なる条件式を満足することを特徴とする請求項２９乃至３１の何れか一項に記載の観察装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液晶等の画像表示素子に表示された原画像を観察するヘッドマ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】

ヘッドマウントディスプレイ等の観察装置においては、観察装置に用いられる観察光学系が広視野角に対応し、高い光学性能を有することが求められている。さらに、装置全体の軽量化が求められている。特許文献１は、鋸歯形状を有する凹面を観察側に向けたフレネルレンズが最も眼に近い位置に配置された観察光学系を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平７−２４４２４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の観察光学系は、フレネルレンズを１枚だけ用いているため、高い光学性能を得ることが難しい。広視野でありながら、高い光学性能を有し、全体が軽量な観察光学系を得るには、フレネルレンズの数や配置、形状を適切に設定する必要がある。

【0005】

本発明は、広視野でありながら、高い光学性能を有し、小型の観察光学系及びそれを有する観察装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一側面としての観察光学系は、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配置された、正レンズ、第１フレネルレンズ、第２フレネルレンズを有し、前記第１フレネルレンズと前記第２フレネルレンズはそれぞれ画像表示面側がフレネル面である正の屈折力のフレネルレンズであり、前記第１フレネルレンズの焦点距離をｆ１、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、１．５＜ｆ１／ｆ＜５．０なる条件式を満足することを特徴とする。
また、本発明の他の側面としての観察光学系は、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配置された、正レンズ、第１フレネルレンズ、第２フレネルレンズを有し、前記第１フレネルレンズは観察面側がフレネル面である負の屈折力のフレネルレンズであり、前記第２フレネルレンズは画像表示面側がフレネル面である正の屈折力のフレネルレンズであり、前記第１フレネルレンズの焦点距離をｆ１、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、１．５＜｜ｆ１｜／ｆ＜５．０なる条件式を満足することを特徴とする。
また、本発明の他の側面としての観察光学系は、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配置された、正レンズ、第１フレネルレンズ、第２フレネルレンズ、第３フレネルレンズを有し、前記第１フレネルレンズと前記第３フレネルレンズはそれぞれ画像表示面側がフレネル面である正の屈折力のフレネルレンズであり、前記第２フレネルレンズは観察面側がフレネル面である負の屈折力のフレネルレンズであり、前記第１フレネルレンズの焦点距離をｆ１、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、１．５＜ｆ１／ｆ＜５．０なる条件式を満足することを特徴とする。
また、本発明の他の側面としての観察光学系は、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配置された、正レンズ、第１フレネルレンズ、第２フレネルレンズを有し、前記第１フレネルレンズは画像表示面側がフレネル面である正の屈折力のフレネルレンズであり、前記第２フレネルレンズは観察面側がフレネル面である負の屈折力のフレネルレンズであり、前記第２フレネルレンズの焦点距離をｆ２、前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、１．５＜｜ｆ２｜／ｆ＜５．０なる条件式を満足することを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、広視野でありながら、高い光学性能を有し、小型の観察光学系及びそれを有する観察装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【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】（Ａ）、（Ｂ） 正の屈折力の２枚のレンズにおいて、観察側面に有限の曲率をつけた際の光路図と、画像表示側面に有限の曲率をつけた際の光路図

【図12】（Ａ）、（Ｂ） 正の屈折力と負の屈折力のレンズの各々１枚において、負の屈折力のレンズの画像表示側面に有限の曲率をつけた際の光路図と負の屈折力のレンズの観察側面に有限の曲率をつけた際の光路図

【図13】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ） 本発明に係るフレネルレンズの説明図

【発明を実施するための形態】

【0009】

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第１フレネルレンズ、第２フレネルレンズを有している。観察光学系に含まれるフレネルレンズが正の屈折力のときは、フレネルレンズの画像表示面側がフレネル形状よりなる。観察光学系に含まれるフレネルレンズが負の屈折力のときは、フレネルレンズの観察面側がフレネル形状である。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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）は本発明に係るフレネルレンズ集合体を正の屈折力の２枚のレンズにおいて、観察面側の面に有限の曲率をつけた際の光路図と、画像表示面側の面に有限の曲率をつけた際の光路図である。

【0013】

図１２（Ａ）は本発明に係るフレネルレンズ集合体を正の屈折力のレンズと負の屈折力のレンズの各々１枚において、負の屈折力の画像表示面側の面に有限の曲率をつけた際の光路図とである。図１２（Ｂ）は負の屈折力のレンズの観察面側の面に有限の曲率をつけた際の光路図である。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。

【0014】

レンズ断面図において、Ｌ０は観察光学系であり、正の屈折力のレンズ（正レンズ）ＬＰとフレネルレンズ集合体ＦＬを有する。ここでレンズ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。

【0015】

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。

【0016】

本発明に係るフレネルレンズ集合体ＦＬは複数のフレネルレンズを有することによって、全系の軽量化を維持しつつ、高い光学性能を得ている。

【0017】

本発明において、観察光学系Ｌ０を構成するフレネルレンズ集合体ＦＬは、観察面ＳＰ側から画像表示面ＩＤ側へ順に第１フレネルレンズＬ１、第２フレネルレンズＬ２を有している。フレネルレンズが正の屈折力のときは、フレネルレンズの画像表示面ＩＤ側がフレネル形状よりなる。フレネルレンズが負の屈折力のときは、フレネルレンズの観察面ＳＰ側がフレネル形状である。

【0018】

各実施例においてフレネルレンズは図１３（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フレネル格子（プリズム）ＦＰのみを平面上に同心円状に並べた形状よりなっている。同心円状の複数のフレネル格子は角度が異なるか、又は同一である。またフレネル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。

【0019】

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。

【0020】

次に例としてフレネル集合体ＦＬが２枚のフレネルレンズより構成され、第１フレネルレンズＬ１が正の屈折力を有し、第２フレネルレンズＬ２が正の屈折力を有する場合の光学特性について説明する。ここで、正の屈折力の第１フレネルレンズＬ１と正の屈折力の第２フレネルレンズＬ２は共に画像表示面ＩＤ側の面をフレネル形状としている。その技術的内容を図１１に基づいて説明する。

【0021】

図１１の光学系は、説明の便宜上、片面が平らな通常のレンズを2枚配した場合を示している。図１１（Ａ）は観察面ＳＰ側に有限の曲率をつけた場合であり、観察面ＳＰ側に凸面を向けた形になり、特に広視野の場合、レンズ面の曲率に対して光線が斜入射になりすぎて、高次の収差が多く発生する。主に非点収差、像面湾曲が増大する。

【0022】

図１１（Ｂ）は画像表示面ＩＤ側に有限の曲率をつけた場合であり、画像表示面ＩＤ側に凸面を向けた形になり、曲率に対して光線が緩やかに入射する。このため、非点収差、像面湾曲を低減できる。すなわち、曲率の強い面を画像表示面ＩＤ側に配した方が、高い光学性能が得られる。便宜上、片面を平らにしたが、曲率の大きい面は画像表示面ＩＤ側になるので、画像表示面ＩＤ側の面をフレネル形状にすることによって、より軽量になる。

【0023】

次に、例としてフレネルレンズ集合体ＦＬが２枚のフレネルレンズより構成され、第１フレネルレンズＬ１が正の屈折力を有し、第２フレネルレンズＬ２が負の屈折力を有する場合の光学特性について説明する。ここで、負の屈折力の第２フレネルレンズＬ２は、観察面ＳＰ側の面をフレネル形状とし、正の屈折力の第１フレネルレンズＬ１は、画像表示面ＩＤ側の面をフレネル形状としている。正の屈折力の第１フレネルレンズＬ１の画像表示面ＩＤ側をフレネル形状としている理由は、前述したのと同様である。

【0024】

負の屈折力の第２フレネルレンズＬ２のフレネル形状を観察面ＳＰ側の面とした技術的内容を図１２（Ａ）、（Ｂ）に基づいて説明する。図１２（Ａ）、（Ｂ）の光学系は、説明の便宜上、片面が平らな通常のレンズを２枚配している。

【0025】

図１２（Ａ）は負の屈折力の第２フレネルレンズＬ２の画像表示面ＩＤ側の面に有限の曲率をつけた場合であり、画像表示面ＩＤ側に凹面を向けた形になり、特に広視野の場合、曲率に対して光線が斜入射になりすぎて、高次の収差が多く発生する。主に非点収差、像面湾曲が増大する。

【0026】

図１２（Ｂ）は負の屈折力の第２フレネルレンズＬ２の観察面ＩＤ側の面に有限の曲率をつけた場合であり、観察面ＳＰ側に凹面を向けた形になるため、曲率に対して光線が緩やかに入射する。このため、主に非点収差、像面湾曲を低減できる。すなわち、曲率の強い面を観察面ＳＰに配した方が、より高い光学性能が得られる。

【0027】

便宜上、片面を平らにしたが、負の屈折力の第２フレネルレンズＬ２の曲率の大きい面は観察面ＳＰ側になるので、観察面ＳＰ側の面をフレネル形状にすることによって、より軽量になる。

【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達成している。

【0029】

フレネルレンズ集合体ＦＬが２枚のフレネルレンズより構成され、第１フレネルレンズＬ１が負の屈折力を有し、第２フレネルレンズＬ２が正の屈折力を有する場合の光学特性も前述したのと同様である。またフレネルレンズ集合体ＦＬが３枚のフレネルレンズより構成され、第１フレネルレンズＬ１が正の屈折力を有し、第２フレネルレンズＬ２が負の屈折力を有し、第３フレネルレンズＬ３が正の屈折力を有する場合の光学特性も前述したのと同様である。

【0030】

次に各実施例の観察光学系Ｌ０及び観察光学系Ｌ０を有する観察装置について説明する。実施例１の観察光学系Ｌ０は、観察面ＳＰ側より順に、正の屈折力のレンズ（正レンズＬＰ）、第１フレネルレンズＬ１、第２フレネルレンズＬ２を有する。実施例２の観察光学系Ｌ０は観察面ＳＰ側より順に、第１フレネルレンズＬ１、第２フレネルレンズＬ２を有する。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。

【0031】

第１フレネルレンズＬ１は正の屈折力を有し、第２フレネルレンズＬ２は正の屈折力を有する。第１フレネルレンズＬ１の焦点距離をｆ１、観察光学系Ｌ０の焦点距離をｆとする。第２フレネルレンズＬ２の焦点距離をｆ２とする。第１フレネルレンズＬ１の観察面ＳＰ側の面の曲率半径をＲ１１とする。第１フレネルレンズＬ１の画像表示面ＩＰ側の面の曲率半径をＲ１２とする。第２フレネルレンズＬ２の観察面側の面の曲率半径をＲ２１とする。第２フレネルレンズＬ２の画像表示面側の面の曲率半径をＲ２２とする。

【0032】

実施例１、２の観察光学系Ｌ０を有する観察装置は画像表示素子を有する。観察光学系Ｌ０によって拡大された画像表示素子の画像を、観察光学系Ｌ０を介して観察面ＳＰ側から観察する。このとき第１フレネルレンズＬ１の画像表示面ＩＤ側の面頂点から、第２フレネルレンズＬ２の観察面ＳＰ側の主点までの距離をｄとする。最も観察面ＳＰ側に配置されたレンズ（実施例１では正レンズＬＰ、実施例２では第１フレネルレンズＬ１）の観察面ＳＰ側の面頂点から画像表示面ＩＤまでの距離をＬとする。

【0033】

第１フレネルレンズＬ１の中心厚をｄ１、第２フレネルレンズＬ２の中心厚をｄ２とする。アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角４５度における画像表示面ＩＤの実像高をｙ、アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角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。

【0034】

１．５＜ｆ１／ｆ＜５．０ ・・・（１Ｘ）
１．０＜ｆ２／ｆ＜６．０ ・・・（２Ｘ）
−１．４＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．６ ・・・（３Ｘ）
−１．５＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜−０．５ ・・・（４Ｘ）
０．００５＜ｄ／Ｌ＜０．２００ ・・・（５Ｘ）
０．０１＜（ｄ１＋ｄ２）／Ｌ＜０．１０ ・・・（６Ｘ）
−０．３＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１ ・・・（７Ｘ）

【0035】

更に好ましくは条件式（１Ｘ）乃至（７Ｘ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
１．８＜ｆ１／ｆ＜４．７ ・・・（１Ｘａ）
１．５＜ｆ２／ｆ＜５．８ ・・・（２Ｘａ）
−１．３＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．７ ・・・（３Ｘａ）
−１．４＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜−０．７ ・・・（４Ｘａ）
０．０２＜ｄ／Ｌ＜０．１５ ・・・（５Ｘａ）
０．０２＜（ｄ１＋ｄ２）／Ｌ＜０．０８ ・・・（６Ｘａ）
−０．２６＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１２ ・・・（７Ｘａ）

【0036】

更に好ましくは条件式（１Ｘａ）乃至（７Ｘａ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
２．０＜ｆ１／ｆ＜４．４ ・・・（１Ｘｂ）
１．７＜ｆ２／ｆ＜５．６ ・・・（２Ｘｂ）
−１．２＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．８ ・・・（３Ｘｂ）
−１．３＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜−０．８ ・・・（４Ｘｂ）
０．０４＜ｄ／Ｌ＜０．０８ ・・・（５Ｘｂ）
０．０３＜（ｄ１＋ｄ２）／Ｌ＜０．０７ ・・・（６Ｘｂ）
−０．２５＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１５ ・・・（７Ｘｂ）

【0037】

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（１Ｘ）は、第１フレネルレンズＬ１の焦点距離と全系の焦点距離の比を規定している。条件式（１Ｘ）の下限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の屈折力が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、構成しているその他のレンズのレンズ枚数が少ない場合、各々の屈折力が強くなりすぎ、諸収差が増大する。逆に構成しているその他のレンズのレンズ枚数が多い場合、重量が増大する。

【0038】

条件式（２Ｘ）は、第２フレネルレンズＬ２の焦点距離と全系の焦点距離の比を規定している。条件式（２Ｘ）の下限を超えると、第２フレネルレンズＬ２の屈折力が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、構成しているその他のレンズのレンズ枚数が少ない場合、各々の屈折力が強くなりすぎ、諸収差が増大する。逆に構成しているその他のレンズのレンズ枚数が多い場合、全系の重量が増大する。

【0039】

条件式（３Ｘ）は、第１フレネルレンズＬ１の形状因子を規定している。条件式（３Ｘ）の下限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の画像表示面ＩＤ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の観察面ＳＰ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。

【0040】

条件式（４Ｘ）は、第２フレネルレンズＬ２の形状因子を規定している。条件式（４Ｘ）の下限を超えると、第２フレネルレンズＬ２の画像表示面ＩＤ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、第２フレネルレンズＬ２の観察面ＳＰ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。

【0041】

条件式（５Ｘ）は、第２フレネルレンズＬ２の光軸上の位置に関する。条件式（５Ｘ）を満足するように、第２フレネルレンズＬ２の前側主点位置を適切な範囲で観察面ＳＰ側に隣接する第１フレネルレンズＬ１に近づけることによって、軸上光線の入射高の高い位置に第２フレネルレンズＬ２を配している。これによって、全系の焦点距離に対する寄与分が高まり、実質的に第２フレネルレンズＬ２の屈折力を緩めることができ、主に非点収差や像面湾曲を低減している。

【0042】

条件式（５Ｘ）の下限を超えると、レンズ全長が長くなりすぎ、画像表示面ＩＤが大型化するため、全系の重量が増大する。また、逆に上限を超えると、第２フレネルレンズＬ２の屈折力が強すぎて、主に像面湾曲や非点収差の発生が増大する。

【0043】

条件式（６Ｘ）は、第１フレネルレンズＬ１の中心厚と第２フレネルレンズＬ２の中心厚の和に関する。条件式（６Ｘ）の下限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の中心厚と第２フレネルレンズＬ２の中心厚の一方或いは両方の厚みが薄くなりすぎて、フレネルレンズの形状が変形しやすくなり、光学性能が低下してくる。また、逆に上限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の中心厚と第２フレネルレンズＬ２の中心厚の一方或いは両方の厚みが厚くなりすぎて、フレネルレンズ集合体ＦＬの重量が増大する。

【0044】

条件式（７Ｘ）は、観察光学系Ｌ０のアイレリーフ１０ｍｍ、半視野角４５度における歪曲量を規定している。条件式（７Ｘ）の下限を超えると、正の屈折力が強すぎるため、周辺光線を強く光軸方向に曲げることになり、主に像面湾曲と非点収差が増大する。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周辺光線の入射高さが高くなり、有効径が増すので、フレネルレンズ集合体ＦＬの重量が増大する。

【0045】

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、かつ軽量な観察光学系が得られる。

【0046】

［実施例１］
以下、図１を参照して、本発明の実施例の観察光学系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側より順に、正レンズ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。

【0047】

正レンズ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。正レンズＬＰを周辺光線の入射高さの低い位置に配していることにより、重量の増大を防いでいる。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を球面に換算したとき（以下同じ）の形状を画像表示面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を抑制し、主に像面湾曲と非点収差を抑えている。

【0048】

条件式（５Ｘ）を満足する適切な範囲で、第２フレネルレンズＬ２の前側主点位置を適切な範囲で観察面ＳＰ側に隣接する第１フレネルレンズＬ１に近づけている。これによって、軸上光線の高い位置に第２フレネルレンズＬ２を配し、その結果、実質的に第２フレネルレンズＬ２の屈折力を緩めて、主に像面湾曲や非点収差の発生を抑えている。

【0049】

さらに、条件式（１Ｘ）を満足する適切な範囲で第１フレネルレンズＬ１の焦点距離を緩め、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。さらに、条件式（２Ｘ）を満足する適切な範囲で第２フレネルレンズＬ２の焦点距離を緩め、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。さらに、条件式（３Ｘ）を満足するように第１フレネルレンズＬ１を画像表示面ＩＤ側に凸形状とし、適切な範囲で強めることで、主に像面湾曲、非点収差の発生を抑えている。

【0050】

さらに、条件式（４Ｘ）を満足するように第２フレネルレンズＬ２を画像表示面ＩＤ側に凸形状とし、適切な範囲で強めることで、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。さらに、条件式（６Ｘ）を満足する適切な範囲で、第１フレネルレンズＬ１と第２フレネルレンズＬ２の厚みを薄くし、軽量化を図っている。さらに、条件式（７Ｘ）を満足するようにアイレリーフ１０ｍｍ、半視野角４５度における歪曲量を適切に設定することで、周辺光線の強い跳ね上げを抑制し、主に像面湾曲と非点収差の発生を抑えている。

【0051】

［実施例２］
以下、図３を参照して、本発明の実施例２による観察光学系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側より順に、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。

【0052】

正の屈折力の第１フレネルレンズＬ１のフレネル面Ｆｒｅ１と正の屈折力の第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を抑制し、主に像面湾曲と非点収差を抑えている。各条件式の技術的意味は実施例１と同様である。

【0053】

条件式（５Ｘ）を満足する適切な範囲で、第２フレネルレンズＬ２の前側主点位置を適切な範囲で観察面ＳＰ側に隣接する第１フレネルレンズＬ１に近づけている。これによって、軸上光線の高い位置に第２フレネルレンズＬ２を配し、その結果、実質的に第２フレネルレンズＬ２の屈折力を緩めて、主に像面湾曲や非点収差を抑えている。

【0054】

さらに、条件式（１Ｘ）を満足する適切な範囲で第１フレネルレンズＬ１の焦点距離を緩め、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。さらに、条件式（２Ｘ）を満足する適切な範囲で第２フレネルレンズＬ２の焦点距離を緩め、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。さらに、条件式（３Ｘ）を満足するように第１フレネルレンズＬ１を画像表示面ＩＤ側に凸形状とし、適切な範囲で強めることで、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。

【0055】

さらに、条件式（４Ｘ）を満足するように第２フレネルレンズＬ２を画像表示面ＩＤ側に凸形状とし、適切な範囲で強めることで、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。さらに、条件式（６Ｘ）を満足する適切な範囲で、第１フレネルレンズＬ１と第２フレネルレンズＬ２の厚みを薄くし、軽量化を図っている。さらに、条件式（７Ｘ）を満足するようにアイレリーフ１０ｍｍ、半視野角４５度における歪曲量を適切に設定することで、周辺光線の強い跳ね上げを抑制し、主に像面湾曲と非点収差の発生を抑えている。

【0056】

次に実施例３の観察光学系Ｌ０は観察面ＳＰ側より順に正レンズＬＰ、第１フレネルレンズＬ１、第２フレネルレンズＬ２、第３フレネルレンズＬ３を有する。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。

【0057】

第１フレネルレンズＬ１は、正の屈折力を有し、第２フレネルレンズＬ２は負の屈折力を有し、第３フレネルレンズＬ３は正の屈折力を有する。第１フレネルレンズＬ１の焦点距離をｆ１、観察光学系Ｌ０の焦点距離をｆとする。第３フレネルレンズＬ３の焦点距離をｆ３とする。第１フレネルレンズＬ１の観察面ＳＰ側の面の曲率半径をＲ１１、第１フレネルレンズＬ１の画像表示面ＩＤ側の面の曲率半径をＲ１２とする。第３フレネルレンズＬ３の観察面ＳＰ側の面の曲率半径をＲ３１、第３フレネルレンズＬ３の画像表示面ＩＤ側の面の曲率半径をＲ３２とする。

【0058】

実施例３の観察光学系Ｌ０を有する観察装置は、画像情報を表示する画像表示素子を有する。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Ｌ０を介して観察面ＳＰ側から観察する。第１フレネルレンズＬ１の画像表示面ＩＤ側の面頂点から、第３フレネルレンズＬ３の観察面ＳＰ側の主点までの距離をｄとする。最も観察面ＳＰ側に配置されたレンズ（正レンズＬＰ）の観察面ＳＰ側の面頂点から画像表示面ＩＤまでの距離をＬとする。第１フレネルレンズＬ１の中心厚をｄ１、第３フレネルレンズＬ３の中心厚をｄ３とする。

【0059】

アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角４５度における画像表示面ＩＤの実像高をｙ、アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角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。

【0060】

１．５＜ｆ１／ｆ＜５．０ ・・・（１Ｗ）
１．０＜ｆ３／ｆ＜６．０ ・・・（２Ｗ）
−１．４＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．６ ・・・（３Ｗ）
−１．５＜（Ｒ３２＋Ｒ３１）／（Ｒ３２−Ｒ３１）＜−０．５ ・・・（４Ｗ）
０．００５＜ｄ／Ｌ＜０．２００ ・・・（５Ｗ）
０．０１＜（ｄ１＋ｄ３）／Ｌ＜０．１０ ・・・（６Ｗ）
−０．３＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１ ・・・（７Ｗ）

【0061】

更に好ましくは条件式（１Ｗ）乃至（７Ｗ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
１．８＜ｆ１／ｆ＜４．７ ・・・（１Ｗａ）
１．５＜ｆ３／ｆ＜５．８ ・・・（２Ｗａ）
−１．３＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．７ ・・・（３Ｗａ）
−１．４＜（Ｒ３２＋Ｒ３１）／（Ｒ３２−Ｒ３１）＜−０．７ ・・・（４Ｗａ）
０．０２＜ｄ／Ｌ＜０．１５ ・・・（５Ｗａ）
０．０２＜（ｄ１＋ｄ３）／Ｌ＜０．０８ ・・・（６Ｗａ）
−０．２６＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１２ ・・・（７Ｗａ）

【0062】

更に好ましくは条件式（１Ｗａ）乃至（７Ｗａ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
２．０＜ｆ１／ｆ＜４．４ ・・・（１Ｗｂ）
１．７＜ｆ３／ｆ＜５．６ ・・・（２Ｗｂ）
−１．２＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．８ ・・・（３Ｗｂ）
−１．３＜（Ｒ３２＋Ｒ３１）／（Ｒ３２−Ｒ３１）＜−０．８ ・・・（４Ｗｂ）
０．０４＜ｄ／Ｌ＜０．０８ ・・・（５Ｗｂ）
０．０３＜（ｄ１＋ｄ３）／Ｌ＜０．０７ ・・・（６Ｗｂ）
−０．２５＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１５ ・・・（７Ｗｂ）

【0063】

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（１Ｗ）は、第１フレネルレンズＬ１の焦点距離と全系の焦点距離の比を規定している。条件式（１Ｗ）の下限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の屈折力が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、構成しているその他のレンズのレンズ枚数が少ない場合、各々の屈折力が強くなりすぎ、諸収差が増大する。逆に構成しているその他のレンズのレンズ枚数が多い場合、重量が増大する。

【0064】

条件式（２Ｗ）は、第３フレネルレンズＬ３の焦点距離と全系の焦点距離の比を規定している。条件式（２Ｗ）の下限を超えると、第３フレネルレンズＬ３の屈折力が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、構成しているその他のレンズのレンズ枚数が少ない場合、各々の屈折力が強くなりすぎ、諸収差が増大する。逆に構成しているその他のレンズのレンズ枚数が多い場合、全系の重量が増大する。

【0065】

条件式（３Ｗ）は、第１フレネルレンズＬ１の形状因子を規定している。条件式（３Ｗ）の下限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の画像表示面ＩＤ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の観察面ＳＰ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。

【0066】

条件式（４Ｗ）は、第３フレネルレンズＬ３の形状因子を規定している。条件式（４Ｗ）の下限を超えると、第３フレネルレンズＬ３の画像表示面ＩＤ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、第３フレネルレンズＬ３の観察面ＳＰ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。

【0067】

条件式（５Ｗ）は、第３フレネルレンズＬ３の光軸上の位置に関する。条件式（５Ｗ）を満足するように、第３フレネルレンズＬ３の前側主点位置を適切な範囲で観察面ＳＰ側に隣接する第１フレネルレンズＬ１に近づけることによって、軸上光線の入射高の高い位置に第３フレネルレンズＬ３を配している。これによって、全系の焦点距離に対する寄与分が高まり、実質的に第３フレネルレンズＬ３の屈折力を緩めることができ、主に非点収差や像面湾曲の発生を低減している。

【0068】

条件式（５Ｗ）の下限を超えると、レンズ全長が長くなりすぎ、画像表示面ＩＤが大型化するため、全系の重量が増大する。また、逆に上限を超えると、第３フレネルレンズＬ３の屈折力が強すぎて、主に像面湾曲や非点収差が増大する。

【0069】

条件式（６Ｗ）は、第１フレネルレンズＬ１の中心厚と第３フレネルレンズＬ３の中心厚の和に関する。条件式（６Ｗ）の下限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の中心厚と第３フレネルレンズＬ３の中心厚の一方或いは両方の厚みが薄くなりすぎて、フレネルレンズの形状が変形しやすくなり、光学性能が低下してくる。また、逆に上限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の中心厚と第３フレネルレンズＬ３の中心厚の一方或いは両方の厚みが厚くなりすぎて、フレネルレンズ集合体ＦＬの重量が増大する。

【0070】

条件式（７Ｗ）は、観察光学系Ｌ０のアイレリーフ１０ｍｍ、半視野角４５度における歪曲量を規定している。条件式（７Ｗ）の下限を超えると、正の屈折力が強すぎるため、周辺光線を強く光軸方向に曲げることになり、主に像面湾曲と非点収差が増大する。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周辺光線の入射高さが高くなり、有効径が増すので、フレネルレンズ集合体ＦＬの重量が増大する。
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、かつ軽量な観察光学系が得られる。

【0071】

［実施例３］
以下、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側より順に、正レンズ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。

【0072】

正レンズ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。正レンズＬＰを周辺光線の入射高さの低い位置に配していることにより、重量の増大を防いでいる。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ＩＤとしている。フレネル面Ｆｒｅ１とフレネル面Ｆｒｅ３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入射角度を抑制し、主に像面湾曲と非点収差の発生を抑えている。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。

【0073】

条件式（５Ｗ）を満足する適切な範囲で、第３フレネルレンズＬ３の前側主点位置を適切な範囲で観察面側ＩＤに隣接する第１フレネルレンズＬ１に近づけることによって、軸上光線の高い位置に第３フレネルレンズＬ３を配する。その結果、実質的に第３フレネルレンズＬ３の屈折力を緩めて、主に像面湾曲や非点収差を抑えている。

【0074】

さらに、条件式（１Ｗ）を満足する適切な範囲で第１フレネルレンズＬ１の焦点距離を緩め、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。さらに、条件式（２Ｗ）を満足する適切な範囲で第３フレネルレンズＬ３の焦点距離を緩め、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。さらに、条件式（３Ｗ）を満足するように第１フレネルレンズＬ１を画像表示面ＩＤ側に凸形状とし、適切な範囲で強めることで、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。

【0075】

さらに、条件式（４Ｗ）を満足するように第３フレネルレンズＬ３を画像表示面ＩＤ側に凸形状とし、適切な範囲で強めることで、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。さらに、条件式（６Ｗ）を満足する適切な範囲で、第１フレネルレンズＬ１と第３フレネルレンズＬ３の厚みを薄くし、軽量化を図っている。さらに、条件式（７Ｗ）を満足するようにアイレリーフ１０ｍｍ、半視野角４５度における歪曲量を適切に設定することで、周辺光線の強い跳ね上げを抑制し、主に像面湾曲と非点収差を抑えている。

【0076】

実施例４の観察光学系Ｌ０は観察面ＳＰ側より順に、正レンズＬＰ、第１フレネルレンズＬ１、第２フレネルレンズＬ２を有する。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。

【0077】

第１フレネルレンズＬ１は負の屈折力を有し、第２フレネルレンズＬ２は正の屈折力を有する。第１フレネルレンズＬ１の焦点距離をｆ１、観察光学系Ｌ０の焦点距離をｆとする。第２フレネルレンズＬ２の焦点距離をｆ２とする。第１フレネルレンズＬ１の観察面ＳＰ側の面の曲率半径をＲ１１、第１フレネルレンズＬ１の画像表示面ＩＤ側の面の曲率半径をＲ１２とする。第２フレネルレンズＬ２の観察面ＳＰ側の面の曲率半径をＲ２１、第２フレネルレンズＬ２の画像表示面ＩＤ側の面の曲率半径をＲ２２とする。

【0078】

実施例４の観察光学系Ｌ０を有する観察装置は、画像表示素子を有する。観察光学系Ｌ０によって拡大された画像表示素子の画像を、観察光学系Ｌ０を介して観察面ＳＰ側から観察する。このとき第１フレネルレンズＬ１の画像表示面ＩＤ側の面頂点から、第２フレネルレンズＬ２の観察面ＳＰ側の主点までの距離をｄとする。最も観察面ＳＰ側に配置されたレンズ（正レンズＬＰ）の観察面ＳＰ側の面頂点から画像表示面ＩＤまでの距離をＬとする。

【0079】

第１フレネルレンズＬ１の中心厚をｄ１、第２フレネルレンズＬ２の中心厚をｄ２とする。アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角４５度における画像表示面ＩＤの実像高をｙ、アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角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。

【0080】

１．５＜｜ｆ１｜／ｆ＜５．０ ・・・（１Ｙ）
３．０＜ｆ２／ｆ＜６．５ ・・・（２Ｙ）
０．６＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜１．５ ・・・（３Ｙ）
−１．５＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜−０．６ ・・・（４Ｙ）
０．００５＜ｄ／Ｌ＜０．２００ ・・・（５Ｙ）
０．０１＜（ｄ１＋ｄ２）／Ｌ＜０．１５ ・・・（６Ｙ）
−０．３＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１ ・・・（７Ｙ）

【0081】

更に好ましくは条件式（１Ｙ）乃至（７Ｙ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
２．０＜｜ｆ１｜／ｆ＜４．９ ・・・（１Ｙａ）
３．４＜ｆ２／ｆ＜５．６ ・・・（２Ｙａ）
０．７＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜１．４ ・・・（３Ｙａ）
−１．４＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜−０．７ ・・・（４Ｙａ）
０．０１＜ｄ／Ｌ＜０．１０ ・・・（５Ｙａ）
０．０２＜（ｄ１＋ｄ２）／Ｌ＜０．１０ ・・・（６Ｙａ）
−０．２６＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１２ ・・・（７Ｙａ）

【0082】

更に好ましくは条件式（１Ｙａ）乃至（７Ｙａ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
２．２＜｜ｆ１｜／ｆ＜４．８ ・・・（１Ｙｂ）
３．６＜ｆ２／ｆ＜５．４ ・・・（２Ｙｂ）
０．７５＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜１．３０ ・・・（３Ｙｂ）
−１．３＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜−０．８ ・・・（４Ｙｂ）
０．０１５＜ｄ／Ｌ＜０．０６０ ・・・（５Ｙｂ）
０．０２５＜（ｄ１＋ｄ２）／Ｌ＜０．０６０ ・・・（６Ｙｂ）
−０．２５＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１９ ・・・（７Ｙｂ）

【0083】

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（１Ｙ）は、第１フレネルレンズＬ１の焦点距離と全系の焦点距離の比を規定している。条件式（１Ｙ）の下限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の屈折力が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、構成しているその他のレンズのレンズ枚数が少ない場合、各々の屈折力が強くなりすぎ、諸収差が増大する。逆に構成しているその他のレンズのレンズ枚数が多い場合、重量が増大する。

【0084】

条件式（２Ｙ）は、第２フレネルレンズＬ２の焦点距離と全系の焦点距離の比を規定している。条件式（２Ｙ）の下限を超えると、第２フレネルレンズＬ２の屈折力が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、構成しているその他のレンズのレンズ枚数が少ない場合、各々の屈折力が強くなりすぎ、諸収差が増大する。逆に構成しているその他のレンズのレンズ枚数が多い場合、全系の重量が増大する。

【0085】

条件式（３Ｙ）は、第１フレネルレンズＬ１の形状因子を規定している。条件式（３Ｙ）の下限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の画像表示面ＩＤ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の観察面ＳＰ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。

【0086】

条件式（４Ｙ）は、第２フレネルレンズＬ２の形状因子を規定している。条件式（４Ｙ）の下限を超えると、第２フレネルレンズＬ２の画像表示面ＩＤ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、第２フレネルレンズＬ２の観察面ＳＰ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。

【0087】

条件式（５Ｙ）は、第２フレネルレンズＬ２の光軸上の位置に関する。条件式（５Ｙ）を満足するように、第２フレネルレンズＬ２の前側主点位置を適切な範囲で観察面ＳＰ側に隣接する第１フレネルレンズＬ１に近づけることによって、軸上光線の入射高の高い位置に第２フレネルレンズＬ２を配している。これによって、全系の焦点距離に対する寄与分が高まり、実質的に第２フレネルレンズＬ２の屈折力を緩めることができ、主に非点収差や像面湾曲の発生を低減している。

【0088】

条件式（５Ｙ）の下限を超えると、レンズ全長が長くなりすぎ、画像表示面ＩＤが大型化するため、全系の重量が増大する。また、逆に上限を超えると、第２フレネルレンズＬ２の屈折力が強すぎて、主に像面湾曲や非点収差の発生が増大する。

【0089】

条件式（６Ｙ）は、第１フレネルレンズＬ１の中心厚と第２フレネルレンズＬ２の中心厚の和に関する。条件式（６Ｙ）の下限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の中心厚と第２フレネルレンズＬ２の中心厚の一方或いは両方の厚みが薄くなりすぎて、フレネルレンズの形状が変形しやすくなり、光学性能が低下してくる。また、逆に上限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の中心厚と第２フレネルレンズＬ２の中心厚の一方或いは両方の厚みが厚くなりすぎて、フレネルレンズ集合体ＦＬの重量が増大する。

【0090】

条件式（７Ｙ）は、観察光学系Ｌ０のアイレリーフ１０ｍｍ、半視野角４５度における歪曲量を規定している。条件式（７Ｙ）の下限を超えると、正の屈折力が強すぎるため、周辺光線を強く光軸方向に曲げることになり、主に像面湾曲と非点収差が増大する。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周辺光線の入射高さが高くなり、有効径が増すので、フレネルレンズ集合体ＦＬの重量が増大する。
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、かつ軽量な観察光学系が得られる。

【0091】

［実施例４］
以下、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ＳＰ１側より順に、正レンズ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。

【0092】

正レンズＬ１は非球面形状の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。正レンズＬＰを周辺光線の入射高さの低い位置に配していることにより、重量の増大を防いでいる。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を抑制し、主に像面湾曲と非点収差を抑えている。

【0093】

条件式（５Ｙ）を満足する適切な範囲で、第２フレネルレンズＬ２の前側主点位置を適切な範囲で観察面側ＩＤに隣接する第１フレネルレンズＬ１に近づけることによって、軸上光線の高い位置に第２フレネルレンズＬ２を配する。その結果、実質的に第２フレネルレンズＬ２の屈折力を緩めて、主に像面湾曲や非点収差を抑えている。

【0094】

さらに、条件式（１Ｙ）を満足する適切な範囲で第１フレネルレンズＬ１の焦点距離を緩め、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。さらに、条件式（２Ｙ）を満足する適切な範囲で第２フレネルレンズＬ２の焦点距離を緩め、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。さらに、条件式（３Ｙ）を満足するように第１フレネルレンズＬ１を画像表示面ＩＤ側に凸形状とし、適切な範囲で強めることで、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。

【0095】

さらに、条件式（４Ｙ）を満足するように第２フレネルレンズＬ２を画像表示面ＩＤ側に凸形状とし、適切な範囲で強めることで、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。さらに、条件式（６Ｙ）を満足する適切な範囲で、第１フレネルレンズＬ１と第２フレネルレンズＬ２の厚みを薄くし、軽量化を図っている。さらに、条件式（７Ｙ）を満足するようにアイレリーフ１０ｍｍ、半視野角４５度における歪曲量を適切に設定することで、周辺光線の強い跳ね上げを抑制し、主に像面湾曲と非点収差を抑えている。

【0096】

実施例５の観察光学系Ｌ０は観察面ＳＰ側より順に、正レンズＳＰ、第１フレネルレンズＬ１、第２フレネルレンズＬ２を有する。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。

【0097】

第１フレネルレンズＬ１は正の屈折力を有し、第２フレネルレンズＬ２は負の屈折力を有する。第２フレネルレンズＬ２の焦点距離をｆ２、観察光学系Ｌ０の焦点距離をｆとする。第１フレネルレンズＬ１の焦点距離をｆ１とする。第１フレネルレンズＬ１の観察面ＳＰ側の面の曲率半径をＲ１１、第１フレネルレンズＬ１の画像表示面ＩＤ側の面の曲率半径をＲ１２とする。第２フレネルレンズＬ２の観察面ＳＰ側の面の曲率半径をＲ２１、第２フレネルレンズＬ２の画像表示面ＩＤ側の面の曲率半径をＲ２２とする。

【0098】

実施例５の観察光学系Ｌ０を有する観察装置は、画像表示素子を有する。観察光学系Ｌ０によって拡大された画像表示素子の画像を、観察光学系Ｌ０を介して観察面ＳＰ側から観察する。このとき、第２フレネルレンズＬ２の観察面ＳＰ側の面頂点から、第１フレネルレンズＬ１の画像表示面側の主点までの距離をｄとする。最も観察面ＳＰ側に配置されたレンズ（正レンズＬＰ）の観察面ＳＰ側の面頂点から画像表示面ＩＤまでの距離をＬとする。

【0099】

第１フレネルレンズＬ１の中心厚をｄ１、第２フレネルレンズＬ２の中心厚をｄ２とする。アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角４５度における画像表示面ＩＤの実像高をｙ、アイレリーフ１０ｍｍにおいて観察半視野角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。

【0100】

３．０＜ｆ１／ｆ＜６．５ ・・・（１Ｚ）
１．５＜｜ｆ２｜／ｆ＜５．０ ・・・（２Ｚ）
−１．５＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．６ ・・・（３Ｚ）
０．６＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜１．５ ・・・（４Ｚ）
０．００５＜ｄ／Ｌ＜０．２００ ・・・（５Ｚ）
０．０１＜（ｄ１＋ｄ２）／Ｌ＜０．１５ ・・・（６Ｚ）
−０．３＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１ ・・・（７Ｚ）

【0101】

更に好ましくは条件式（１Ｚ）乃至（７Ｚ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
３．４＜ｆ１／ｆ＜５．６ ・・・（１Ｚａ）
２．０＜｜ｆ２｜／ｆ＜４．９ ・・・（２Ｚａ）
−１．４＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．７ ・・・（３Ｚａ）
０．７＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜１．４ ・・・（４Ｚａ）
０．０１＜ｄ／Ｌ＜０．１０ ・・・（５Ｚａ）
０．０２＜（ｄ１＋ｄ２）／Ｌ＜０．１０ ・・・（６Ｚａ）
−０．２６＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１２ ・・・（７Ｚａ）

【0102】

更に好ましくは条件式（１Ｚａ）乃至（７Ｚａ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
３．６＜ｆ１／ｆ＜５．４ ・・・（１Ｚｂ）
２．２＜｜ｆ２｜／ｆ＜４．８ ・・・（２Ｚｂ）
−１．３＜（Ｒ１２＋Ｒ１１）／（Ｒ１２−Ｒ１１）＜−０．８ ・・・（３Ｚｂ）
０．７５＜（Ｒ２２＋Ｒ２１）／（Ｒ２２−Ｒ２１）＜１．３０ ・・・（４Ｚｂ）
０．０１５＜ｄ／Ｌ＜０．０６０ ・・・（５Ｚｂ）
０．０２５＜（ｄ１＋ｄ２）／Ｌ＜０．０６０ ・・・（６Ｚｂ）
−０．２５＜（ｙ−ｙ０）／ｙ０＜−０．１９ ・・・（７Ｚｂ）

【0103】

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（２Ｚ）は、第２フレネルレンズＬ２の焦点距離と全系の焦点距離の比を規定している。条件式（１Ｚ）は、第１フレネルレンズＬ１の焦点距離と全系の焦点距離の比を規定している。条件式（１Ｚ）の下限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の屈折力が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、構成しているその他のレンズのレンズ枚数が少ない場合、各々の屈折力が強くなりすぎ、諸収差が増大する。逆に構成しているその他のレンズのレンズ枚数が多い場合、重量が増大する。

【0104】

条件式（２Ｚ）の下限を超えると、第２フレネルレンズＬ２の屈折力が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、構成しているその他のレンズのレンズ枚数が少ない場合、各々の屈折力が強くなりすぎ、諸収差が増大する。逆に構成しているその他のレンズのレンズ枚数が多い場合、全系の重量が増大する。

【0105】

条件式（３Ｚ）は、第１フレネルレンズＬ１の形状因子を規定している。条件式（３Ｚ）の下限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の画像表示面ＩＤ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の観察面ＳＰ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。

【0106】

条件式（４Ｚ）は、第２フレネルレンズＬ２の形状因子を規定している。条件式（４Ｚ）の下限を超えると、第２フレネルレンズＬ２の画像表示面ＩＤ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。また、逆に上限を超えると、第２フレネルレンズＬ２の観察面ＳＰ側の面の曲率が強くなりすぎ、主に像面湾曲、非点収差が増大する。

【0107】

条件式（５Ｚ）は、第１フレネルレンズＬ１の光軸上の位置に関する。条件式（５Ｚ）を満足するように、第１フレネルレンズＬ１の前側主点位置を適切な範囲で画像表示面ＩＤ側に隣接する第２フレネルレンズＬ２に近づけることによって、軸上光線の入射高の高い位置に第１フレネルレンズＬ１を配している。これによって、全系の焦点距離に対する寄与分が高まり、実質的に第１フレネルレンズＬ１の屈折力を緩めることができ、主に非点収差や像面湾曲の発生を低減している。

【0108】

条件式（５Ｚ）の下限を超えると、レンズ全長が長くなりすぎ、画像表示面ＩＤが大型化するため、全系の重量が増大する。また、逆に上限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の屈折力が強すぎて、主に像面湾曲や非点収差の発生が増大する。

【0109】

条件式（６Ｚ）は、第１フレネルレンズＬ１の中心厚と第２フレネルレンズＬ２の中心厚の和に関する。条件式（６Ｚ）の下限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の中心厚と第２フレネルレンズＬ２の中心厚の一方或いは両方の厚みが薄くなりすぎて、フレネルレンズの形状が変形しやすくなり、光学性能が低下してくる。また、逆に上限を超えると、第１フレネルレンズＬ１の中心厚と第２フレネルレンズＬ２の中心厚の一方或いは両方の厚みが厚くなりすぎて、フレネルレンズ集合体ＦＬの重量が増大する。

【0110】

条件式（７Ｚ）は、観察光学系Ｌ０のアイレリーフ１０ｍｍ、半視野角４５度における歪曲量を規定している。条件式（７Ｚ）の下限を超えると、正の屈折力が強すぎるため、周辺光線を強く光軸方向に曲げることになり、主に像面湾曲と非点収差が増大する。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周辺光線の入射高さが高くなり、有効径が増すので、フレネルレンズ集合体ＦＬの重量が増大する。
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、かつ軽量な観察光学系が得られる。

【0111】

［実施例５］
以下、図９を参照して、本発明の実施例６の観察光学系Ｌ０について説明する。実施例６の観察光学系Ｌ０は、観察面ＳＰ側より順に、正レンズ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。

【0112】

正レンズＬＰは非球面形状の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。正レンズＬＰを周辺光線の高さの低い位置に配していることにより、重量の増大を防いでいる。負の屈折力の第２フレネルレンズＬ２のフレネル面Ｆｒｅ２を観察面ＳＰ側、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Ｆｒｅ２とフレネル面Ｆｒｅ１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を抑制し、主に像面湾曲と非点収差を抑えている。

【0113】

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。
条件式（５Ｚ）を満足する適切な範囲で、第１フレネルレンズＬ１の前側主点位置を適切な範囲で観察面ＳＰ側に隣接する第２フレネルレンズＬ２に近づけている。これによって、軸上光線の高い位置に第１フレネルレンズＬ１を配し、その結果、実質的に第１フレネルレンズＬ１の屈折力を緩めて、主に像面湾曲や非点収差を抑えている。

【0114】

さらに、条件式（２Ｚ）を満足する適切な範囲で第２フレネルレンズＬ２の焦点距離を緩め、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。さらに、条件式（１Ｚ）を満足する適切な範囲で第１フレネルレンズＬ１の焦点距離を緩め、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。さらに、条件式（４Ｚ）を満足するように第２フレネルレンズＬ２を画像表示面ＩＤ側に凸形状とし、適切な範囲で強めることで、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。

【0115】

さらに、条件式（３Ｚ）を満足するように第１フレネルレンズＬ１を画像表示面ＩＤ側に凸形状とし、適切な範囲で強めることで、主に像面湾曲、非点収差を抑えている。さらに、条件式（６Ｚ）を満足する適切な範囲で、第１フレネルレンズＬ１と第２フレネルレンズＬ２の厚みを薄くし、軽量化を図っている。さらに、条件式（７Ｚ）を満足するようにアイレリーフ１０ｍｍ、半視野角４５度における歪曲量を適切に設定することで、周辺光線の強い跳ね上げを抑制し、主に像面湾曲と非点収差を抑えている。

【0116】

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明の観察光学系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等の画像表示面と組み合わせた際、歪曲収差量や倍率色収差量によっては電気的な処理を画像表示面側に加えても良い。

【0117】

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。

【0118】

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

【0119】

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。

【0120】

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、４、５において面番号２、３はレンズ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。また数値データ２において面番号２、３は第１フレネルレンズ、面番号４、５は第２フレネルレンズに相当している。

【0121】

数値データ３において面番号２、３は正レンズ、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。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。

【0122】

（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 d7 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
画角 55.00 45.00
像高 48.51 40.84
レンズ全長(L) 64.13 64.13
BF 49.24 49.24
d 2.783

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

【0123】

（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 -800.000 1.50 1.53156 55.8 50.00
3*Fre -65.000 2.71 50.00
4 800.000 2.00 1.53156 55.8 65.00
5*Fre -65.000 d5 65.00
像面 ∞

非球面データ
第3面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.47795e-005 A 6=-4.92691e-009 A 8= 6.99900e-012 A10= 1.23590e-014

第5面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.53013e-005 A 6= 1.00039e-009 A 8=-9.98155e-012

各種データ
ズーム比 1.00

焦点距離 62.11 62.11
Fナンバー 17.75 17.75
画角 55.00 45.00
像高 65.32 52.22
レンズ全長(L) 66.43 66.43
BF 60.23 60.23
d 39.17
d 1 10.00 20.00
d 5 60.23 60.23

入射瞳位置 0.00 0.00
射出瞳位置 -18.60 -38.83
前側主点位置 13.17 23.17
後側主点位置 -1.89 -1.89

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 62.11 6.21 3.17 -1.89

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 133.00
2 4 113.18

【0124】

（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* 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 d9 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
画角 60.00 46.50
像高 44.89 36.34
レンズ全長(L) 56.52 56.52
BF 39.34 39.34
d 3.897
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

【0125】

（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* 174.994 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 d7 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
画角 55.00 45.00
像高 49.94 41.58
レンズ全長(L) 66.55 66.55
BF 49.79 49.79
d 2.771
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

【0126】

（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* 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 d7 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
画角 60.00 46.50
像高 45.69 38.71
レンズ全長(L) 62.30 62.30
BF 43.87 43.87
d 1.068
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

【0127】

【表1】

【符号の説明】

【0128】

Ｌ０ 観察光学系 ＦＬ フレネルレンズ集合体 ＬＰ 正レンズ
ＳＰ 観察面 ＩＤ 画像表示面
Ｌ１ 第１フレネルレンズ Ｌ２ 第２フレネルレンズ
Ｌ３ 第３フレネルレンズ
Ｆｒｅ１ 第１のフレネル面
Ｆｒｅ２ 第２のフレネル面
Ｆｒｅ３ 第３のフレネル面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】