特許 7588229 光学システム及び頭部装着型表示機器

(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】

(24)【登録日】2024-11-13

(45)【発行日】2024-11-21

(54)【発明の名称】光学システム及び頭部装着型表示機器

(51)【国際特許分類】

   G02B 25/00 20060101AFI20241114BHJP

   G02B 13/18 20060101ALI20241114BHJP

   G02B 27/01 20060101ALI20241114BHJP

【ＦＩ】

G02B25/00

G02B13/18

G02B27/01

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023527725

(86)(22)【出願日】2021-12-21

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2024-01-15

(86)【国際出願番号】 CN2021140005

(87)【国際公開番号】W WO2023097812

(87)【国際公開日】2023-06-08

【審査請求日】2023-04-24

(31)【優先権主張番号】202111449752.2

(32)【優先日】2021-11-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】523155456

【氏名又は名称】ゴアテック・オプティカル・テクノロジー・カンパニー，リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＧＯＥＲＴＥＫ ＯＰＴＩＣＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．，ＬＴＤ

【住所又は居所原語表記】ＮＯ． １ Ｆａｂ．， Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒｋ Ｐｈａｓｅ ３， Ｎｏ． ３９９９， Ｈｕｉｘｉａｎ Ｒｏａｄ， Ｙｏｎｇｃｈｕｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ， Ｑｉｎｇｃｈｉ Ｓｕｂ－ｄｉｓｔｒｉｃｔ Ｏｆｆｉｃｅ， Ｗｅｉｆａｎｇ Ｈｉ－Ｔｅｃｈ Ｚｏｎｅ， Ｗｅｉｆａｎｇ， Ｓｈａｎｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【識別番号】100129425

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 護晃

(74)【代理人】

【識別番号】100168642

【弁理士】

【氏名又は名称】関谷 充司

(74)【代理人】

【識別番号】100217076

【弁理士】

【氏名又は名称】宅間 邦俊

(74)【代理人】

【氏名又は名称】池本 理絵

(72)【発明者】

【氏名】スン，チー

(72)【発明者】

【氏名】ジャオ，ポーガン

【審査官】堀井 康司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－２１１４７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１０１１３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２４４２４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－００２９３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／１１４９７０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－０２０９３５（ＪＰ，Ａ）

(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

Ｇ０２Ｂ ２７／０１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学システムであって、
入射光の伝播方向に沿って順次に設けられた第三のレンズ（３）、第二のレンズ（２）及び第一のレンズ（１）から構成され、
前記光学システムには、隣接して設けられた２つのフレネル面があり、少なくとも１つの前記フレネル面が曲面ベースであり、
前記第一のレンズ（１）と前記第二のレンズ（２）との間に第一の間隔Ｔ１が設けられており、前記第一の間隔Ｔ１が０．２ｍｍ≦Ｔ１≦１ｍｍに設定され、
前記第二のレンズ（２）と前記第三のレンズ（３）との間に第二の間隔Ｔ２が設けられており、前記第二の間隔Ｔ２が１ｍｍ≦Ｔ２≦３ｍｍに設定され、
前記第一のレンズ（１）、前記第二のレンズ（２）及び前記第三のレンズ（３）が同一光軸上に位置することを特徴とする光学システム。

【請求項2】

前記第一のレンズ（１）及び前記第二のレンズ（２）の屈折力がともに正であり、前記第三のレンズ（３）の屈折力が負である、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。

【請求項3】

前記第一のレンズ（１）と前記第二のレンズ（２）との隣接する２つの面がフレネル面であり、少なくとも１つの前記フレネル面が曲面ベースである、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。

【請求項4】

前記第一のレンズ（１）が第一の表面（１１）及び第二の表面（１２）を含み、前記第二のレンズ（２）が第三の表面（２１）及び第四の表面（２２）を含み、
前記第二の表面（１２）と前記第三の表面（２１）とが隣接して設けられ、両方ともフレネル面として設定されており、少なくとも１つの前記フレネル面が曲面ベースであり、
前記第一の表面（１１）及び前記第四の表面（２２）がともに非球面である、ことを特徴とする請求項３に記載の光学システム。

【請求項5】

前記第三のレンズ（３）が第五の表面（３１）及び第六の表面（３２）を含み、前記第五の表面（３１）及び前記第六の表面（３２）のうちの少なくとも１つが非球面である、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。

【請求項6】

前記第一のレンズ（１）と前記第二のレンズ（２）とは、材質が同じであり、両方ともＣＯＰ材料であり、
前記第三のレンズ（３）がＯＫＰ材料又はＥＰ材料である、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。

【請求項7】

前記第一のレンズ（１）の有効焦点距離ｆ１が２０ｍｍ≦ｆ１≦４０ｍｍであり、
前記第二のレンズ（２）の有効焦点距離ｆ２が２０ｍｍ≦ｆ２≦４０ｍｍであり、
前記第三のレンズ（３）の有効焦点距離ｆ３が－７５ｍｍ≦ｆ３≦－３５ｍｍである、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。

【請求項8】

前記光学システムの有効焦点距離ｆが、１５ｍｍ≦ｆ≦２５ｍｍを満たす、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか一項に記載の光学システムを含む、ことを特徴とする頭部装着型表示機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願の相互参照）
本願は、２０２１年１１月３０日に中国特許庁に出願された、出願番号が２０２１１１４４９７５２．２であり、発明名称が「光学システム及び頭部装着型表示機器」である中国特許出願の優先権を主張し、その全ての内容は、参照により本願に組み込まれる。

【0002】

本願は、光学結像の技術分野に関し、より具体的に、本願は、光学システム及び頭部装着型表示機器に関する。

【背景技術】

【0003】

近年、拡張現実（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ、ＡＲ）技術及び仮想現実（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ、ＶＲ）技術などは、スマートウェアラブル機器に適用され、急速に発展している。拡張現実技術及び仮想現実技術の核心部品は、いずれも表示光学システムである。表示光学システムの表示効果の良否によって、スマートウェアラブル機器の品質が直接に決定される。現在、スマートウェアラブル機器は、また、小型化、軽量化の要件を満たす必要があるから、表示光学システムにも、それに応じた要件が求められている。

【0004】

従来の関連技術では、ＶＲ機器を例とする。従来のＶＲ機器の多くは、１枚式レンズと表示画面（ｄｉｓｐｌａｙ）との組み合わせによって形成された表示光学システムを用いている。しかし、光路結像要件に基づき、レンズが表示画面から遠く離れることになり、その結果、ＶＲ機器のサイズが大きくなり、製品の小型化に不利であり、更に、従来の光学構造は、一般的に重量も大きいことから、ユーザの装着時の使用体験が悪くなる恐れがある。また、現在のＶＲ機器には、折り返し光路を採用する技術案もあり、この技術案は、ＶＲ機器の小型化、軽量化を実現できるが、製作コストが高く、光効率が低く（＜２５％）、ゴーストが生じるという問題がある。

【0005】

そのため、従来の表示光学システムを新たに設計する必要性が非常に高い。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本願の目的は、光学システム及び頭部装着型表示機器の新しい技術案を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本願の１つの局面によれば、光学システムが提供されている。前記光学システムは、入射光の伝播方向に沿って順次に設けられた第三のレンズ、第二のレンズ及び第一のレンズを含み、
前記光学システムには、隣接して設けられた２つのフレネル面があり、少なくとも１つの前記フレネル面が曲面ベース（ｃｕｒｖｅｄ ｂａｓｅ）である。

【0008】

選択的に、前記第一のレンズ及び前記第二のレンズの屈折力がともに正であり、前記第三のレンズの屈折力が負である。

【0009】

選択的に、前記第一のレンズと前記第二のレンズとの隣接する２つの面がフレネル面であり、少なくとも１つの前記フレネル面が曲面ベースである。

【0010】

選択的に、前記第一のレンズが第一の表面及び第二の表面を含み、前記第二のレンズが第三の表面及び第四の表面を含み、
前記第二の表面と前記第三の表面とが隣接して設けられ、両方ともフレネル面として設定されており、少なくとも１つの前記フレネル面が曲面ベースであり、
前記第一の表面及び前記第四の表面がともに非球面である。

【0011】

選択的に、前記第一のレンズと前記第二のレンズとの間に第一の間隔Ｔ１が設けられており、前記第一の間隔Ｔ１が０．２ｍｍ≦Ｔ１≦１ｍｍに設定され、
前記第二のレンズと前記第三のレンズとの間に第二の間隔Ｔ２が設けられており、前記第二の間隔Ｔ２が１ｍｍ≦Ｔ２≦３ｍｍに設定され、
前記第一のレンズ、前記第二のレンズ及び前記第三のレンズが同一光軸上に位置する。

【0012】

選択的に、前記第三のレンズが第五の表面及び第六の表面を含み、前記第五の表面及び前記第六の表面のうちの少なくとも１つが非球面である。

【0013】

選択的に、前記第一のレンズと前記第二のレンズとは、材質が同じであり、両方ともＣＯＰ材料であり、
前記第三のレンズがＯＫＰ材料又はＥＰ材料である。

【0014】

選択的に、前記第一のレンズの有効焦点距離ｆ１が２０ｍｍ≦ｆ１≦４０ｍｍであり、
前記第二のレンズの有効焦点距離ｆ２が２０ｍｍ≦ｆ２≦４０ｍｍであり、
前記第三のレンズの有効焦点距離ｆ３が－７５ｍｍ≦ｆ３≦－３５ｍｍである。

【0015】

選択的に、前記光学システムの有効焦点距離ｆが、１５ｍｍ≦ｆ≦２５ｍｍを満たす。

【0016】

本願のもう１つの局面によれば、頭部装着型表示機器が提供されている。

【0017】

前記頭部装着型表示機器は、上記のいずれか一種の光学システムを含む。

【発明の効果】

【0018】

本願の有益な効果は、次のとおりである。

【0019】

本願の実施例では、短焦点かつ軽量の光学構造設計案が提案されており、複数（例えば３つ）のレンズによってレンズ群を構成し、隣接して設けられた２つのフレネル面を光路構造内に設計し、少なくとも１つのフレネル面を曲面ベースに設計しており、曲面ベースの設計により、レンズのさらなる薄型及び軽量化が可能になるため、当該設計によれば、光学システムの総重量を軽減可能であり、光学システム全体の光学全長ＴＴＬも低減可能であるとともに、結像品質を向上させることができる。形成された光学システムは、例えば頭部装着型表示機器（例えばＶＲ機器）に適用可能であり、頭部装着型表示機器の小型化、軽量化への開発動向の実現に寄与する。

【0020】

本願のその他の特徴及びその利点は、以下に図面を参照して本願の例示的な実施例について行われた詳しい説明によって明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

本願の実施例又は先行技術における技術案をより明確に説明するために、以下、実施例又は先行技術の説明に必要な図面を簡単に紹介する。明らかなことに、以下の説明における図面は本願の一部の図面に過ぎず、当業者にとって、創造的な労働をすることなく、提供された図面に基づいて他の図面を得ることもできる。

【0022】

【図1】本願の実施例による光学システムの構造模式図である。

【図2】本願の実施例による光学システムの結像原理の模式図である。

【図3】本願の実施例１による光学システムのスポットダイアグラムである。

【図4】本願の実施例１による光学システムの像面湾曲及び歪曲収差図である。

【図5】本願の実施例１による光学システムの分散マップである。

【図6】本願の実施例２による光学システムのスポットダイアグラムである。

【図7】本願の実施例２による光学システムの像面湾曲及び歪曲収差図である。

【図8】本願の実施例２による光学システムの分散マップである。

【図9】本願の実施例３による光学システムのスポットダイアグラムである。

【図10】本願の実施例３による光学システムの像面湾曲及び歪曲収差図である。

【図11】本願の実施例３による光学システムの分散マップである。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本願の実施例における図面を参照して本願の実施例の技術案を説明するが、明らかなことに、記載された実施例は、本願の一部の実施例に過ぎず、全ての実施例ではない。本願の実施例に基づいて創造的な努力をせずに当業者によって得られた他の全ての実施例は、本願の保護範囲に属する。

【0024】

以下の少なくとも１つの例示的な実施例に対する説明は、実際には単なる説明的なものであり、決して本願及びその適用又は使用に対するいかなる制限にはならない。

【0025】

当業者に知られている技術、方法及び機器については、詳細な説明がなされないかもしれないが、適切な場合には、かかる技術、方法及び機器は、明細書の一部とみなされるべきである。

【0026】

ここに示され議論される全ての例では、いずれの具体的な値も、制限とすべきではなく、単なる例示として解釈されるべきである。そのため、例示的な実施例の他の例では、異なる値を持っていてもよい。

【0027】

なお、類似する符号及び英文字は、以下の図面において類似項目を表し、従って、ある項目が１つの図面において定義されれば、以降の図面においてそれをさらに議論する必要がないことに注意すべきである。

【0028】

以下、図１から図１１を参照して、本願の実施例による光学システム及び頭部装着型表示機器について、詳しく説明する。

【0029】

本願の実施例の１つの局面によれば、光学システムが提供されている。前記光学システムは、短焦点、軽量かつ高解像度の直接透過型光学システムであり、例えばＶＲ機器（例えばＶＲメガネやＶＲヘルメット等）のような頭部装着型表示機器（ｈｅａｄ ｍｏｕｎｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ、ＨＭＤ）といった電子機器に好適に適用され、良い応用が期待できる。

【0030】

本願の実施例による光学システムは、図１及び図２に示すように、入射光の伝播方向に沿って順次に設けられた第三のレンズ３、第二のレンズ２及び第一のレンズ１を含み、前記光学システムには、隣接して設けられた２つのフレネル面があり、少なくとも１つの前記フレネル面が曲面ベースである。

【0031】

本願の実施例による光学システムは、直接透過型の光路構造設計であり、光路構造が比較的に簡単であるので、その製作が比較的に容易である。

【0032】

説明すべきなのは、前記光学システムが、表示画面（ｄｉｓｐｌａｙ）４をさらに含んでもよい。

【0033】

前記表示画面４は、光路構造内で光線を射出するために、即ち光学システムに入射光を提供するために使用可能である。

【0034】

つまり、本願の実施例による光学システムの技術案において、例えば３枚の光学レンズを含むレンズの組み合わせが１つ設計されて適用されており、図１及び図２に示すように、当該レンズの組み合わせは、例えば表示画面４の出光側の位置に配設され、具体的には、表示画面４から射出された入射光の伝播方向に位置し、前記入射光を人の目５に投射して結像するために使用可能であるため、光学システムの結像機能が実現される。

【0035】

本願の実施例による光学システムは、スポットサイズが小さく（ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ値が約５０μｍ）、光学システム全体の結像品質が比較的に良い。

【0036】

本願の実施例による光学システムには、隣接して設けられた２つのフレネル面が備えられており、少なくとも１つのフレネル面が曲面ベースであり、従来の平面ベースのフレネル面のみを用いた技術案に比べると、曲面ベースのフレネル面を使用することで、光路構造設計の自由度を増加させ、結像品質のさらなる向上のための基礎を提供している。高鮮明度、短焦点の光学構造設計案の形成に寄与する。

【0037】

本願の実施例による光学システムは、技術案において少なくとも１つのフレネル面に曲面ベースが用いられているため、従来の平面ベースのフレネル面に比べて、結像品質を約２５％（３５μｍ ＶＳ ４８μｍ）向上させ、光学全長ＴＴＬ（Ｔｏｔａｌ Ｔｒａｃｋ Ｌｅｎｇｔｈ）を約１ｍｍ減少させ、光学システム全体の総重量を約８．２％減少させることが可能である。これにより、形成された光学システムは、軽量化、小型化の特徴を持つと同時に、結像品質が良いという特徴も持つことになる。

【0038】

本願の実施例では、短焦点かつ軽量の光学構造設計案が提案されており、そのうち、複数のレンズ（例えば３つの光学レンズ）によってレンズ群を構成し、隣接して設けられた２つのフレネル面を光路構造内に設計し、少なくとも１つのフレネル面を曲面ベースとしており、曲面ベースのフレネル面の使用により、レンズのさらなる薄型及び軽量化が可能になり、当該設計によれば、光学システムの総重量を軽減可能であり、光学システム全体の光学全長ＴＴＬも低減可能であるとともに、結像品質を向上させることができる。このように形成された光学システムは、例えば頭部装着型表示機器（例えばＶＲ機器）に適用可能であり、頭部装着型表示機器の小型化、軽量化のへの開発動向の実現に寄与する。

【0039】

総合的に比較すると、本願の実施例による技術案は、レンズが表示画面から遠く離れて、ＶＲ機器のサイズが大きくなり、製品の小型化に不利であり、光効率が低いという従来の１枚式レンズと表示画面（ｄｉｓｐｌａｙ）との組み合わせの技術案による問題を解消した。その同時に、折り返し光路を用いたことによる欠陥を改善することができ、その加工難易度及び生産コストが比較的低く、直接透過型の光学構造も、折り返し光路よりも簡単である。

【0040】

図１及び図２に示すように、本願の実施例による光学システムは、例えば表示画面４をさらに含み、前記表示画面４が例えば高ＰＰＩ（例えば、１．４インチ、画素サイズ（ｐｉｘｅｌ ｓｉｚｅ）２４μｍ）である。その上では、通常の１枚式レンズ（１Ｐ）構造又は２枚式レンズ（２Ｐ）構造の何れも、このタイプの表示画面を解像するのに不十分である。その原因は次のとおりである。

【0041】

１枚式レンズ（１Ｐ）は、２つの表面の面形状の自由度の最適化しかできず、その集光能力に限界があり、収差又は色収差も補正できなく、全視野で解像可能な画素の大きさ（即ち、結像スポットサイズ；ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ）が約８０μｍ～１００μｍであり、さらに肝心なことは、短焦点という目的を達成できない問題がある。

【0042】

２枚式レンズ（２Ｐ）は、レンズ表面の面形状の最適化の自由度を増加させており、短焦点を実現できるが、解析力の制限が依然として存在し、その全視野で解像可能な画素の大きさ（即ち、結像スポットサイズ；ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ）が約６０μｍ～８０μｍである。

【0043】

これに対して、本願の実施例で用いられた光学レンズの組み合わせ構造は、解析力をさらに向上させることができ、色収差をある程度に補正することができ、直接透過型の短焦点光路構造を形成しており、光学システム全体の結像スポットサイズが小さく、スポットサイズ値が約５０μｍであり、結像効果が比較的に良い。

【0044】

本願のいくつかの例では、図１及び図２に示すように、前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２の屈折力がともに正であり、前記第三のレンズ３の屈折力が負である。

【0045】

つまり、前記光学システム全体において、前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２が例えばともに正レンズであり、前記第三のレンズ３が例えば負レンズである。こうして、２枚の正レンズと１枚の負レンズとの取り合わせにより、直接透過型の短焦点かつ高解析力の光路構造が形成される。

【0046】

前記第一のレンズ１と前記第二のレンズ２は、それぞれのフレネル面とわせて大きな屈折力（ｆｏｃａｌ ｐｏｗｅｒ）を提供可能である一方で、色収差の影響を考慮して、色収差をなくすために使用可能な負レンズである前記第三のレンズ３を用いており、負レンズの参加により、光路構造の低分散効果を実現可能となる、ということが理解できる。

【0047】

本願のいくつかの例では、図１及び図２に示すように、前記第一のレンズ１と前記第二のレンズ２との隣接する２つの面がフレネル面であり、少なくとも１つの前記フレネル面が曲面ベースである。

【0048】

光路構造全体では、隣接する２つのフレネル面のうちの少なくとも１つのフレネル面が曲面ベースであることが理解できる。

【0049】

より好ましくは、隣接する２つのフレネル面がともに曲面ベースに設計される。このように、前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２をさらに薄型及び軽量化することができ、ひいては、光学システムの質量、ＴＴＬ値を小さくすることができ、結像品質を向上させることもできる。

【0050】

もちろん、一方のフレネル面が曲面ベースであり、他方のフレネル面が平面ベースであり、両者が隣接して設けられていてもよい。当業者は、具体的な状況に応じて柔軟に選択可能であり、本願はここで具体的に限定しない。

【0051】

本願の１つの具体的な実施例において、図１に示すように、前記第一のレンズ１が第一の表面１１及び第二の表面１２を含み、前記第二のレンズ２が第三の表面２１及び第四の表面２２を含み、
前記第二の表面１２と前記第三の表面２１とが隣接して設けられ、両方ともフレネル面として設定されており、少なくとも１つの前記フレネル面が曲面ベースであり、
前記第一の表面１１及び前記第四の表面２２がともに非球面である。

【0052】

さらに、前記第一の表面１１及び前記第四の表面２２がともに凸面である。

【0053】

選択的に、図１に示すように、本願の実施例による光学システムにおいて、前記第一のレンズ１の第一の表面１１が前記人の目５に直接に面し、前記第一の表面１１に反射防止膜及び硬化膜がメッキされており、前記第一のレンズ１の第二の表面１２と前記第二のレンズ２の第三の表面２１とが隣接して設けられ、前記第二の表面１２に反射防止膜がメッキされている。

【0054】

前記第一のレンズ１について、その第一の表面１１と第二の表面１２とは、面形状の設計が異なっている。前記第一の表面１１が非球面（凸面）に設定され、前記第二の表面１２が曲面ベースのフレネル面に設定されている。こうして、前記第一のレンズ１には、非球面と曲面ベースのフレネル面との２つの面形状の組み合わせが形成され、短焦点、高解像の効果を実現することができる。

【0055】

もちろん、前記第二の表面１２は、平面ベースのフレネル面であってもよい。

【0056】

説明すべきなのは、本願の実施例では、また、前記第一のレンズ１の第一の表面１１及び第二の表面１２には、それぞれ少なくとも一層の反射防止膜（Ａｎｔｉ－Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇ、ＡＲ）がメッキされるように設計されている。これは、前記第一のレンズ１の２つの表面にそれぞれ反射防止膜がメッキされた場合、前記反射防止膜によって反射光が低減されることで、正レンズの各表面での光線の透過率を高めることができるからである。

【0057】

例えば、前記第一のレンズ１の第一の表面１１には、前記反射防止膜（ＡＲ）の他に、さらに硬化膜がメッキされていてもよい。これは、前記第一のレンズ１の第一の表面１１が外部に面しているため、擦り傷、打ち傷などの損傷を回避する必要があり、前記硬化膜をメッキすることで、前記第一のレンズ１の使用寿命を延ばすことができるからである。前記第一の表面１１に硬化膜をメッキすること、即ち、前記第一の表面１１に対して硬化処理を行うことで、前記第一の表面１１の硬度、強度等を向上させることができる。これは、光学システム全体の使用寿命を延ばすのに有利である。

【0058】

もちろん、本願の技術案では、前記第一のレンズ１の第一の表面１１に硬化膜がメッキされているのに限られず、前記第一のレンズ１の第二の表面１２にも硬化膜がメッキされていてもよく、当業者は、具体的なニーズに応じて柔軟に調整可能であり、本願はここで具体的に制限しない。

【0059】

また、本願の実施例では、前記第一のレンズ１は、以下のパラメータをさらに有する。

【0060】

例えば、前記第一のレンズ１の第一の表面１１の半径Ｒ１の絶対値が、４５ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ１）≦６５ｍｍを満たし、
前記第一のレンズ１の第二の表面１２における曲面ベースの半径Ｒ０の絶対値が、４０ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ０）≦２００ｍｍを満たし、前記第二の表面１２の半径Ｒ２の絶対値が、２０ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ２）≦４０ｍｍを満たし、
前記第一のレンズ１の第一の表面１１及び第二の表面１２の円錐係数Ｋ１の絶対値が、Ａｂｓ（Ｋ１）≦１０を満たす。

【0061】

本願の実施例では、前記第一のレンズ１の面形状を最適化した後、加工の難易度及びコストを考慮すると、前記第一のレンズ１の円錐係数（Ｃｏｎｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）、即ち上記のＫ１値を［－１０，１０］に設計し、かつ、前記第一のレンズ１の曲面ベースのフレネル面（即ち第二の表面１２）の半径値を２３ｍｍよりも大きく設計することがより好ましい。

【0062】

本願のいくつかの例では、前記第二のレンズ２と前記第一のレンズ１とは、面形状の組み合わせ形態が同じであってもよく、図１及び図２に示すように、前記第二のレンズ２の前記第三の表面２１がフレネル面であり（例えば、曲面ベースのフレネル面であり）、前記第二のレンズ２の前記第四の表面２２が非球面（例えば、凸面）に設定される。

【0063】

説明すべきなのは、前記第一のレンズ１のフレネル面（即ち第二の表面１２）が曲面ベースである場合、前記第二のレンズ２のフレネル面（即ち第三の表面２１）が曲面ベースであってもよく、平面ベースであってもよい。

【0064】

選択的に、前記第三の表面２１及び前記第四の表面２２にも反射防止膜（Ａｎｔｉ－Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇ、ＡＲ）がメッキされている。前記反射防止膜によって反射光が低減されることで、前記第二のレンズ２の２つの表面での光線の透過率を高められる。

【0065】

また、本願の実施例では、前記第二のレンズ２は、以下のパラメータをさらに有する。

【0066】

本願のいくつかの例では、前記第三の表面２１における曲面ベースの半径Ｒ０'の絶対値が、６０ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ０'）≦１７０ｍｍを満たし、前記第三の表面２１の半径Ｒ３の絶対値が、２０ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ３）≦４０ｍｍを満たし、
前記第四の表面２２の半径Ｒ４の絶対値が、６０ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ４）≦８０ｍｍを満たし、
前記第二のレンズ２の第三の表面２１及び第四の表面２２の円錐係数Ｋ２の絶対値が、Ａｂｓ（Ｋ２）≦１０を満たす。

【0067】

前記第二のレンズ２の面形状の組み合わせは、前記第一のレンズ１の面形状の組み合わせと同じである。

【0068】

前記第二のレンズ２の面形状を最適化した後、加工の難易度及びコストを考慮すると、前記第二のレンズ２の円錐係数（Ｃｏｎｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）、即ちＫ２値を例えば［－１０，１０］に設計し、かつ前記第二のレンズ２の曲面ベースのフレネル面（第三の表面２１）の半径を２３ｍｍよりも大きく設計することがより好ましい。

【0069】

説明すべきなのは、前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２がともにフレネル面を有する。レンズの面形状の加工を考慮すると、面形状のパラメータをある範囲内に設定する必要があり、さもなければ、加工精度が低かったり、カッタが破損したりするリスクがある（これは、歯形の加工が難しくて、歯形の鋭角が小さいほど、加工の傾斜角及び動作が難しくなるからである）。そのため、円錐係数Ｋ値を［－１０，１０］に設定し、フレネル面のＲ値を２３ｍｍ以上に設定することが好ましい。

【0070】

例えば、前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２がともに非球面と曲面ベースのフレネル面との組み合わせ形態を利用し、屈折率及びアッベ数の異なる材料の選択と取り合わせに基づいて、光路構造の低分散及び短焦点を実現することができる。

【0071】

本願のいくつかの例では、図１及び図２に示すように、前記第三のレンズ３が第五の表面３１及び第六の表面３２を含み、前記第五の表面３１及び前記第六の表面３２のうちの少なくとも１つが非球面である。

【0072】

本願の技術案の設計では、前記第三のレンズ３は、中央が薄く周辺が厚い負レンズ（屈折力が負）とされ、光を発散させる能力を有する。前記第三のレンズ３は、光路構造全体において色収差をなくすために使用可能である。

【0073】

前記第三のレンズ３は、例えば、両凹レンズ（即ち、２つの表面がともに凹面）であってもよいし、平凹レンズ（即ち、一方の表面が凹面で、他方の表面が平面）であってもよい。

【0074】

より好ましくは、前記第五の表面３１が平面に設定され、前記第六の表面３２が凹面に設定されている。即ち、光路構造において、前記第四の表面２２と隣接する面が平面であり、前記表示画面４と隣接する面が凹面である。

【0075】

選択的に、前記第五の表面３１及び前記第六の表面３２には、ともに反射防止膜（Ａｎｔｉ－Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇ、ＡＲ）がメッキされている。

【0076】

前記第三のレンズ３の２つの表面にそれぞれ反射防止膜がメッキされた場合、前記反射防止膜によって反射光が低減されることで、前記第三のレンズ３の２つの表面での光線の透過率を高めることができる。

【0077】

本願におけるレンズ群及びレンズの面形状の組み合わせは、高解析及び低分散の特徴を好適に実現している。

【0078】

また、本願の実施例では、前記第三のレンズ３は、以下のパラメータをさらに有する。

【0079】

前記第三のレンズ３の第五の表面３１の半径Ｒ５の絶対値が、Ａｂｓ（Ｒ５）≧２００ｍｍを満たし、前記第三のレンズ３の第六の表面３２の半径Ｒ６の絶対値が、３０ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ６）≦６０ｍｍを満たし、前記第三のレンズ４の第五の表面３１及び第六の表面３２の円錐係数Ｋ３の絶対値が、Ａｂｓ（Ｋ３）≦１０を満たす。

【0080】

本願の１つの具体的な例において、図１に示すように、前記光学システムは、表示画面４と、前記第一のレンズ１と、前記第二のレンズ２と、前記第三のレンズ３とを含んでもよく、前記表示画面４が表示光源とされ、前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２が、非球面と曲面ベースのフレネル面とによって形成された光学素子とされ、前記表示画面４に近い側の前記第三のレンズ３が負レンズとして設定される。各レンズの各表面のいずれにも反射防止膜のメッキ（ＡＲ）処理が行われ、また、前記第一のレンズ１の第一の表面１１には、硬化膜による硬質化や反射防止膜処理も行われている。そのうえ、図２に示すように、前記表示画面４から射出された光線は、反射防止膜がメッキされた前記第三のレンズ３の第六の表面３２を経て前記第三のレンズ３の内部に入り込み、前記第三のレンズ３を経た伝達光線は、発散されてから前記第二のレンズ２に入り込み、前記第二のレンズ２の２つの表面の両方にも反射防止膜がメッキされているため、光線は、前記第二のレンズ２を経て集光され、そして、前記第一のレンズ１に入り込み、前記第一のレンズ１も集光する正レンズであり、前記第一のレンズ１の光線伝送を経た後、人の目５に入り込んで結像する。光学システム全体に光路の折り返しがなく、かつ、各レンズの表面のいずれにも反射防止膜がメッキされているため、光線の伝達効率が高い。

【0081】

本願の実施例の設計では、前記第一のレンズ１と前記第二のレンズ２との間に第一の間隔Ｔ１が設けられており、前記第三のレンズ３と前記第二のレンズ２との間に第二の間隔Ｔ２が設けられており、そのうち、前記第二の間隔Ｔ２が前記第一の間隔Ｔ１よりも大きい。

【0082】

本願のいくつかの例では、前記第一のレンズ１と前記第二のレンズ２との間に第一の間隔Ｔ１が設けられており、前記第一の間隔Ｔ１が０．２ｍｍ≦Ｔ１≦１ｍｍに設定され、前記第二のレンズ２と前記第三のレンズ３との間に第二の間隔Ｔ２が設けられており、前記第二の間隔Ｔ２が１ｍｍ≦Ｔ２≦３ｍｍに設定され、前記第一のレンズ１、前記第二のレンズ２及び前記第三のレンズ３が同一光軸上に位置する。

【0083】

本願の実施例による技術案において、前記第一のレンズ１と前記第二のレンズ２との間に狭いサイズの空気間隔が設けられているとともに、前記第二のレンズ２と前記第三のレンズ３との間にも狭い空気間隔が設けられている。本願の技術案では、各レンズ間の空気間隔に対して最適化設計を行うことで、光学システム全体の小型化の実現に寄与する。

【0084】

また、前記光学システムに表示画面４がさらに設けられている場合、各レンズの間隔を合理的に配置した後、前記第三のレンズ３と前記表示画面４との間の間隔寸法も考慮する必要がある。

【0085】

例えば、前記第三のレンズ３と前記表示画面４との間に第三の間隔Ｔ３が設けられている。

【0086】

選択的に、前記第三の間隔Ｔ３が５ｍｍ≦Ｔ３≦１５ｍｍに設定される。

【0087】

本願のいくつかの例では、前記第一のレンズ１と前記第二のレンズ２とは、材質が同じであり、両方ともＣＯＰ材料であり、前記第三のレンズ３がＯＫＰ材料又はＥＰ材料である。

【0088】

ＣＯＰ材料、ＯＫＰ材料、ＥＰ材料は、いずれも光透過性の樹脂材料であり、質量が軽く、これらの材料を用いてレンズを製作することにより、レンズ群の質量を低減し、軽量化を実現することができる。

【0089】

各レンズについて、材料の選択上、短焦点及び色収差の考慮に基づき、高屈折率及び高・低アッベ数の材料の組み合わせを選択して最適化設計を行う。

【0090】

当業者は、実際のニーズに応じて前記第一のレンズ１、前記第二のレンズ２及び前記第三のレンズ３の材質を合理的に選択することができ、上記の材料の種類に限定されるものではない。

【0091】

本願のいくつかの例では、前記第一のレンズ１の中心厚さ値ｈ１が２ｍｍ≦ｈ１≦４ｍｍであり、前記第二のレンズ２の中心厚さｈ２が３ｍｍ≦ｈ２≦５ｍｍであり、前記第三のレンズ３の中心厚さｈ３が２ｍｍ≦ｈ３≦４ｍｍである。

【0092】

各レンズの厚さが厚すぎないので、光路構造全体の重量を低減させるのに有利である。

【0093】

本願のいくつかの例では、前記第一のレンズ１の有効焦点距離ｆ１が２０ｍｍ≦ｆ１≦４０ｍｍであり、
前記第二のレンズ２の有効焦点距離ｆ２が２０ｍｍ≦ｆ２≦４０ｍｍであり、
前記第三のレンズ３の有効焦点距離ｆ３が－７５ｍｍ≦ｆ３≦－３５ｍｍである。

【0094】

説明すべきなのは、本願において、前記第一のレンズ１の有効焦点距離ｆ１及び前記第二のレンズ２の有効焦点距離ｆ２がともに前記光学システムの有効焦点距離ｆよりも大きい。前記第一のレンズ１の有効焦点距離ｆ１と前記第二のレンズ２の有効焦点距離ｆ２との和が、前記光学システムの有効焦点距離ｆの絶対値よりも大きい。

【0095】

本願のいくつかの例では、前記光学システムの有効焦点距離ｆが、１５ｍｍ≦ｆ≦２５ｍｍを満たす。

【0096】

本願では、短焦点の光学システムが提供されている。光学システム全体に光路の折り返しがなく、直接透過型の光学システムになっており、高鮮明の結像を実現できる。

【0097】

以下は、本願の実施例による技術案の１つの適用例である。

【0098】

（１）１．４インチの表示画面４と合わせて９０度の視野角を実現した。
（２）歪曲収差が３４．５％よりも小さく、像面湾曲が０．６ｍｍよりも小さい。
（３）色収差が１５８μｍよりも小さい。虚像距離が１５００ｍｍである。
（４）視野全体でスポットサイズがいずれも３５μｍよりも小さく、可視光帯域（４５０ｎｍ～６３０ｎｍ）での鮮明な結像を実現した。
（５）光学システム全体の有効焦点距離が１８．４ｍｍである。

【0099】

［実施例１］
実施例１では、光学システムが提供されており、表１によって光学システムの構造パラメータが示されている。

【0100】

表１には、人の目５（絞り）から表示画面４まで順に番号付けられた光学面番号（Ｓｕｒｆａｃｅ）、光軸上での各光学面の曲率（Ｃ）、人の目５（絞り）から表示画面４までの光軸上での各光学面と次の光学面との距離（Ｔ）、及び、偶数次の非球面係数α２、α３、α４がそれぞれ示されている。

【0101】

そのうち、非球面係数は以下の方程式を満たすことが可能である。

【数1】

【0102】

式（１）において、ｚは光軸方向に沿った座標、Ｙは、レンズ長単位を単位としたラジアル座標、Ｃは曲率（１／Ｒ）、Ｋは円錐係数（Ｃｏｎｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）、αｉは各高次項の係数、２ｉは非球面の高乗（ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ Ａｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）であり、本願の技術案設計では、像面湾曲のなだらかさを考慮して、高次項のない球面係数は、４次までとする。

【0103】

【表1】

【0104】

実施例１の光学システムの性能の良否は、次のようなパラメータで反映される。

【0105】

図３に示すように、スポットサイズは、最大視野１．０Ｆで最大となり、その最大値が３５μｍよりも小さい。
図４に示すように、Ｔ＆Ｓ方向の像面湾曲は、いずれのＲＧＢ波長についても、０．５ｍｍよりも小さく、歪曲収差は、最大視野位置で最大となり、３４．５％未満である。
図５に示すように、ＲＧＢの最大分散は、最大視野位置にあり、４５０ｎｍ～６１０ｎｍのＲＧＢ全体で、ＬＣＡが１５８ｎｍである。

【0106】

［実施例２］
実施例２では、光学システムが提供されており、表２によって光学システムの構造パラメータが示されている。

【0107】

【表2】

【0108】

最適な結像品質を達成した面形状パラメータの中で、
前記第一のレンズ１の第二の表面１２が曲面ベースのフレネル面であり、その半径値が４０ｍｍである。一方、４０ｍｍよりも小さい場合、結像品質が低下する。

【0109】

前記第一のレンズ１の第二の表面１２の半径値が４０ｍｍである時、対応する前記第二のレンズ２の第三の表面２１（曲面ベースのフレネル面）の曲面ベースの半径が１７０ｍｍである。

【0110】

実施例２の光学システムの性能の良否は、次のようなパラメータで反映される。

【0111】

図６に示すように、スポットサイズは、最大視野１．０Ｆで最大となり、その最大値が３０μｍよりも小さい。
図７に示すように、Ｔ及びＳ方向の像面湾曲は、いずれのＲＧＢ波長についても、０．５ｍｍよりも小さく、歪曲収差は、最大視野で最大となり、３１％未満である。
図８に示すように、ＲＧＢの最大分散は、最大視野位置にあり、４５０ｎｍ～６３０ｎｍのＲＧＢ全体で、ＬＣＡが１６０ｎｍである。

【0112】

［実施例３］
実施例３光学システムが提供されており、表３によって光学システムの構造パラメータが示されている。

【0113】

【表3】

【0114】

最適な結像品質を達成した面形状パラメータの中で、
前記第一のレンズ１の第二の表面１２が曲面ベースのフレネル面であり、その半径値が２００ｍｍである。一方、２００ｍｍよりも大きい場合、結像品質が低下する。

【0115】

前記第一のレンズ１の第二の表面１２の半径値が４０ｍｍである時、対応する前記第二のレンズ２の第三の表面２１（曲面ベースのフレネル面）の曲面ベースの半径が６２ｍｍである。

【0116】

実施例３の光学システムの性能の良否は、次のようなパラメータで反映される。

【0117】

図９に示すように、スポットサイズは、最大視野０．９Ｆで最大となり、その最大値が３１μｍよりも小さい。

【0118】

図１０に示すように、Ｔ＆Ｓ方向の像面湾曲は、いずれのＲＧＢ波長についても、０．５ｍｍよりも小さく、歪曲収差は、最大視野で最大となり、３８％未満である。

【0119】

図１１に示すように、ＲＧＢの最大分散は、最大視野位置にあり、４５０ｎｍ～６３０ｎｍのＲＧＢ全体で、ＬＣＡが１４０ｎｍである。

【0120】

本願の実施例では、折り返し光路に係らない短焦点の光学システムが提供されている。

【0121】

（１）３枚（又はそれ以上）のレンズの組み合わせによって超短焦点を実現した。
（２）非球面と曲面ベースのフレネル面との面形状の組み合わせ形態を利用して、狭い空気間隔、ひいては短いＴＴＬを実現した。
（３）異なる屈折率及びアッベ数の選択と取り合わせにより、光路の低分散を実現した。
（４）２つの凸レンズと凹レンズとの組み合わせにより、高解析及び低分散の特徴を実現した。

【0122】

本願のもう１つの局面によれば、頭部装着型表示機器が提供されている。

【0123】

前記頭部装着型表示機器は、上記のいずれか一種の光学システムを含む。

【0124】

前記頭部装着型表示機器は、例えばＶＲ機器である。

【0125】

上記の実施例では、各実施例の違いに重点を置いて述べたが、各実施例間の異なる最適化特徴は、矛盾しない限り、それらを組み合わせてより良い実施例を形成することができ、文章の簡潔さを考慮して、ここでは繰り返して説明しない。

【0126】

例を通じて本願のいくつかの特定実施例を詳しく説明したが、上記の例が説明のためのものであり、本願の範囲を制限するためのものではないことは、当業者が理解すべきである。当業者は、本願の範囲及び精神を逸脱することなく、上記の実施例を変更可能であることを理解すべきである。本願の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。

【符号の説明】

【0127】

１、第一のレンズ；２、第二のレンズ；３、第三のレンズ；４、表示画面；５、人の目；
１１、第一の表面；１２、第二の表面；
２１、第三の表面；２２、第四の表面；
３１、第五の表面；３２、第六の表面。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】