特許 7607125 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】2024-12-18

(45)【発行日】2024-12-26

(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 20060101AFI20241219BHJP

   G02B 13/18 20060101ALI20241219BHJP

   G02B 3/08 20060101ALI20241219BHJP

   G02B 27/02 20060101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

G02B25/00

G02B13/18

G02B3/08

G02B27/02 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023527726

(86)(22)【出願日】2021-12-21

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2024-01-11

(86)【国際出願番号】 CN2021139986

(87)【国際公開番号】W WO2023097811

(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】202111446819.7

(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】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 ３／０８

Ｇ０２Ｂ ２７／０２

Ｈ０４Ｎ ５／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学システムであって、
表示画面（１）、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（４）、第二のレンズ（３）及び第一のレンズ（２）からなるレンズ群から構成され、
前記レンズ群は、表示画面（１）の出光側の位置に配設されており、表示画面（１）から射出された光線の伝播方向に位置し、前記入射光を人の目（５）に投射して結像し、
前記第一のレンズ（２）が第一の表面（２１）及び第二の表面（２２）を含み、前記第二のレンズ（３）が第三の表面（３１）及び第四の表面（３２）を含み、前記第三のレンズ（４）が第五の表面（４１）及び第六の表面（４２）を含み、
前記第二の表面（２２）と前記第三の表面（３１）とが隣接して設けられており、両方ともフレネル面であり、
前記第一の表面（２１）及び前記第四の表面（３２）がともに凸面であり、前記第五の表面（４１）と前記第四の表面（３２）とが隣接して設けられており、前記第五の表面（４１）及び前記第六の表面（４２）のうちの少なくとも１つが非球面であり、
前記第一のレンズ（２）の第一の表面（２１）の半径Ｒ１の絶対値が、３５ｍｍ≦Ｒ１≦６５ｍｍを満たし、前記第一のレンズ（２）の第二の表面（２２）の半径Ｒ２の絶対値が、２０ｍｍ≦Ｒ２≦４０ｍｍを満たし、前記第一のレンズ（２）の第一の表面（２１）及び第二の表面（２２）の円錐係数Ｋ１の絶対値が、Ｋ１≦２０を満たし、
前記第二のレンズ（３）の第三の表面（３１）の半径Ｒ３の絶対値が、２０ｍｍ≦Ｒ３≦４０ｍｍを満たし、前記第二のレンズ（３）の第四の表面（３２）の半径Ｒ４の絶対値が、３０ｍｍ≦Ｒ４≦６０ｍｍを満たし、前記第二のレンズ（３）の第三の表面（３１）及び第四の表面（３２）の円錐係数Ｋ２の絶対値が、Ｋ２≦２０を満たし、
前記第三のレンズ（４）の第五の表面（４１）の半径Ｒ５の絶対値が、Ｒ５≧３０ｍｍを満たし、前記第三のレンズ（４）の第六の表面（４２）の半径Ｒ６の絶対値が、３０ｍｍ≦Ｒ６≦６０ｍｍを満たし、前記第三のレンズ（４）の第五の表面（４１）及び第六の表面（４２）の円錐係数Ｋ３の絶対値が、Ｋ３≦１０を満たし、
前記第一のレンズ（２）と前記第二のレンズ（３）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（４）と前記第二のレンズ（３）との間に第二の間隔Ｔ２が設けられており、
前記第三のレンズ（４）と前記表示画面（１）との間に第三の間隔Ｔ３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、前記第二の間隔Ｔ２が１ｍｍ≦Ｔ２≦３ｍｍに設定され、前記第二の間隔Ｔ２が前記第一の間隔Ｔ１よりも大きく、
前記第三の間隔Ｔ３が５ｍｍ≦Ｔ３≦１５ｍｍに設定され、
前記第一のレンズ（２）、前記第二のレンズ（３）及び前記第三のレンズ（４）が同一光軸上に位置し、
前記第一のレンズ（２）の中心厚さ値ｈ１が２ｍｍ≦ｈ１≦４ｍｍであり、前記第二のレンズ（３）の中心厚さｈ２が３ｍｍ≦ｈ２≦５ｍｍであり、前記第三のレンズ（４）の中心厚さｈ３が２ｍｍ≦ｈ３≦４ｍｍであり、
前記第一のレンズ（２）の有効焦点距離ｆ１が２０ｍｍ≦ｆ１≦４０ｍｍであり、
前記第二のレンズ（３）の有効焦点距離ｆ２が２０ｍｍ≦ｆ２≦４０ｍｍであり、
前記第三のレンズ（４）の有効焦点距離ｆ３が－７５ｍｍ≦ｆ３≦－３５ｍｍであり、
これにより、前記光学システムの結像スポットサイズが５０μｍ未満となる、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（２）及び前記第二のレンズ（３）の屈折力がともに正である、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】

前記第三のレンズ（４）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4】

前記第一のレンズ（２）と前記第二のレンズ（３）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（４）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5】

前記レンズ群の有効焦点距離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6】

請求項１から５の何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日に中国特許庁へ出願された、出願番号が２０２１１１４４６８１９．７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、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からなるレンズ群を含み、
前記レンズ群には、隣接して設けられた２つのフレネル面があり、
前記光学システムの結像スポットサイズが５０μｍ未満である。

【0008】

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、
前記第三のレンズと前記第二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が前記第一の間隔Ｔ１よりも大きく、
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。

【0009】

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る。

【0010】

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る。

【0011】

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ており、両方ともフレネル面であり、
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。

【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、
前記第五の表面と前記第四の表面とが隣接して設けられており、
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、前記第三のレンズの屈折力が負である。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

選択的に、前記レンズ群の有効焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦２５ｍｍを満たす。

【0017】

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。

【0018】

前記頭部装着型表示機器は、上記の何れか一項の光学システムを含む。

【発明の効果】

【0019】

本願の有益な効果は、次のとおりである。

【0020】

本願の実施例による技術案において、３枚のレンズを用いてレンズ群（３Ｐ構造）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、入射光側に近いレンズと組み合わせることで、光路の低分散及び短焦点を実現し、光効率の高い光学システムを形成し、高鮮明度の結像を実現することができる。本願の実施例では、短焦点、高解像度の直接透過型の光路構造設計案が提案されており、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。

【0021】

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】

【0022】

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。

【0023】

【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結像原理の模式図である。

【図7】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8】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9】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。

【発明を実施するための形態】

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

以下、図１及び図２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。

【0030】

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、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。

【0031】

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４、第二のレンズ３及び第一のレンズ２からなるレンズ群を含み、前記レンズ群には、隣接して設けられた２つのフレネル面があり、前記光学システムの結像スポットサイズ（ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ）が５０μｍ未満である。

【0032】

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、光路構造設計が比較的に簡単である。

【0033】

説明すべきなのは、前記光学システムが表示画面（ｄｉｓｐｌａｙ）１をさらに含んでもよい。前記表示画面１は、光路構造内で、光線、即ち上記入射光を射出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は、３枚のレンズを有する１組のレンズ群が設計されており、当該レンズ群は、例えば表示画面１の出光側の位置に配設されており、具体的に、表示画面１から射出された光線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用いるができる。

【0035】

本願の実施例による光学システムの結像スポットサイズ（ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ）が５０μｍ未満であり、当該スポットサイズ値が比較的に小さいため、光学システム全体の結像品質が比較的に良い（実際に、スポットサイズ値が小さいほど、光学システムの結像効果が良好になる）。

【0036】

さらに、例えば、スポットサイズがいずれも２つの表示画素よりも小さい。最終的にＰＰＩが１０００以上の表示光学システムの拡大表示の実現に寄与する。

【0037】

本願の実施例による技術案において、３枚のレンズを用いてレンズ群（３Ｐ構造）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、入射光側に近いレンズと組み合わせることで、光路の低分散及び短焦点を実現し、光効率の高い光学システムを形成し、高鮮明度の結像を実現することができる。

【0038】

本願の実施例では、短焦点、高解像度の直接透過型の光路構造設計案が提案されており、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。

【0039】

また、本願の実施例による光学システムの技術案は、加工の難易度及び製作コストの面で、従来の折り返し光路の技術案よりも若干低い。

【0040】

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、その加工の難易度及び生産コストが比較的低く、直接透過型光学構造も、折り返し光路よりも簡単である。

【0041】

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１をさらに含み、前記表示画面１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。そのうえ、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。

【0042】

１枚式レンズ（１Ｐ）は、２つの表面の面形状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、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。

【0043】

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であり、結像効果がよくない。

【0044】

これに対して、本願の実施例による技術案では、３枚式レンズ（３Ｐ）構造を用いており、画素の解析力をさらに向上させ、色収差をある程度に補正することができる。前記光学システムの結像スポットサイズ（ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ）は、５０μｍ未満である。３枚式レンズ（３Ｐ）構造で形成されたレンズ群は、短焦点である。光路構造中の空気間隔と短焦点を考慮して、隣接して設けられた２つのフレネル面も設計されている。そして、色収差の影響を考慮して、前記第三のレンズ４を用いて色収差をなくすようにしている。

【0045】

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２と前記第二のレンズ３との間に第一の間隔Ｔ１が設けられ、前記第三のレンズ４と前記第二のレンズ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が前記第一の間隔Ｔ１よりも大きく、前記第一のレンズ２、前記第二のレンズ３及び前記第三のレンズ４が同一光軸上に位置する。

【0046】

本願の実施例では、前記第一のレンズ２と前記第二のレンズ３との間に狭いサイズの空気間隔が設けられており、その同時に、前記第二のレンズ３と前記第三のレンズ４との間にも狭い空気間隔が設けられている。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。

【0047】

選択的に、前記第一の間隔Ｔ１が０．２ｍｍ≦Ｔ１≦１ｍｍに設定され、前記第二の間隔Ｔ２が１ｍｍ≦Ｔ２≦３ｍｍに設定され、前記第二の間隔Ｔ２が前記第一の間隔Ｔ１よりも大きい。

【0048】

上記の間隔寸法から分かるように、前記第一のレンズ２と前記第二のレンズ３との間、及び、前記第二のレンズ３と前記第三のレンズ４との間には、それぞれ合理的な寸法の狭い空気間隔が形成されており、これにより、形成された前記光学システムの超短焦点、高解像度をより良く実現することができる。

【0049】

また、前記レンズ群内の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４と前記表示画面１との間の間隔寸法も考慮する必要がある。

【0050】

例えば、前記第三のレンズ４と前記表示画面１との間に第三の間隔Ｔ３が設けられている。

【0051】

選択的に、前記第三の間隔Ｔ３が５ｍｍ≦Ｔ３≦１５ｍｍに設定される。

【0052】

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２及び前記第二のレンズ３の屈折力がともに正である。

【0053】

つまり、前記第一のレンズ２及び前記第二のレンズ３は、例えば、ともに正レンズとして設計されている。

【0054】

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２と前記第二のレンズ３との隣接する２つの面がフレネル面である。

【0055】

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することは、迷光の低減に寄与する。

【0056】

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２が第一の表面２１及び第二の表面２２を含み、前記第二のレンズ３が第三の表面３１及び第四の表面３２を含み、
前記第二の表面２２と前記第三の表面３１とが隣接して設けられており、両方ともフレネル面であり、
前記第一の表面２１と前記第四の表面３２がともに非球面である。

【0057】

本願の実施例による光学システムにおいて、図１及び図２に示すように、前記第一のレンズ２の第一の表面２１が外部に位置して、人の目５に直接に面し、前記第一の表面２１が例えば非球面（例えば凸面）に設定されるのに対して、前記第一のレンズ２の第二の表面２２がフレネル面に設定されており、このように、前記第一のレンズ２（正レンズ）は、非球面とフレネル面との２つの面形状の組み合わせ形態に形成されている。

【0058】

選択的に、前記第一のレンズ２の第一の表面２１及び第二の表面２２には、それぞれ反射防止膜（Ａｎｔｉ－Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇ、ＡＲ）がメッキされている。

【0059】

前記第一のレンズ２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、前記第一のレンズ２の２つの表面での光線の透過率を高めることができる。

【0060】

選択的に、前記第一のレンズ２の第一の表面２１には、前記反射防止膜の他に、さらに硬化膜がメッキされている。

【0061】

これは、前記第一のレンズ２の第一の表面２１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２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２１に硬化膜をメッキすること、即ち、前記第一の表面２１に対して硬化処理を行うことで、前記第一の表面２１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。

【0062】

もちろん、本願の実施例では、前記第一のレンズ２の第一の表面２１に硬化膜がメッキされているのに限らず、前記第一のレンズ２の第二の表面２２に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。

【0063】

また、本願の実施例では、前記第一のレンズ２は、以下のパラメータをさらに有する。

【0064】

例えば、前記第一のレンズ２の第一の表面２１の半径Ｒ１の絶対値が、３５ｍｍ≦Ｒ１≦６５ｍｍを満たし、前記第一のレンズ２の第二の表面２２の半径Ｒ２の絶対値が、２０ｍｍ≦Ｒ２≦４０ｍｍを満たし、前記第一のレンズ２の第一の表面２１及び第二の表面２２の円錐係数Ｋ１の絶対値が、Ｋ１≦２０を満たす。

【0065】

そのうち、前記第一の表面２１と前記第二の表面２２とは、面形状の設計が異なる。

【0066】

具体的には、外向きの前記第一の表面２１が非球面（例えば凸面）に設計されるのに対して、前記第二の表面２２がフレネル面に設計されており、フレネル面と非球面との組み合わせによって形成された第一のレンズ２を光路構造に適用することで、短焦点、高解像の効果の実現に寄与する。

【0067】

本願の実施例では、前記第一のレンズ２の面形状を最適化した後、加工難易度及びコストを考慮すると、前記第一のレンズ２の円錐係数（Ｃｏｎｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）、即ちＫ１値を例えば［－１０，１０］に設計し、かつ、前記第一のレンズ２のフレネル面の半径Ｒを２３ｍｍよりも大きく設計することがより好ましい。

【0068】

本願のいくつかの例では、前記第二のレンズ３と前記第一のレンズ２とは、面形状の組み合わせ形態が同じであり、両者の間に狭い空気間隔が保たれるようにしてもよい。

【0069】

例えば、前記第二のレンズ３の前記第三の表面３１がフレネル面であり、前記第二のレンズ３の前記第四の表面３２が非球面（例えば凸面）に設定される。

【0070】

前記第二のレンズ３（正レンズである）が前記第一のレンズ２と前記第三のレンズ４との間に位置し、かつ前記第二のレンズ３が前記第一のレンズ２の方により近くなるように設けられており、前記第一のレンズ２と組み合わせることで正レンズ群を形成することができ、両者によって光路構造全体に大きな屈折力を提供することができる。

【0071】

選択的に、前記第三の表面３１及び第四の表面３２にも反射防止膜がメッキされていている。

【0072】

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３の２つの表面での光線の透過率が高められる。

【0073】

また、本願の実施例では、前記第二のレンズ３は、以下のパラメータをさらに有する。

【0074】

本願のいくつかの例では、前記第二のレンズ３の第三の表面３１の半径Ｒ３の絶対値が、２０ｍｍ≦Ｒ３≦４０ｍｍを満たし、前記第二のレンズ３の第四の表面３２の半径Ｒ４の絶対値が、３０ｍｍ≦Ｒ４≦６０ｍｍを満たし、前記第二のレンズ３の第三の表面３１及び第四の表面３２の円錐係数Ｋ２の絶対値が、Ｋ２≦２０を満たす。

【0075】

本願の実施例では、前記第二のレンズ３の面形状を最適化した後、加工難易度及びコストを考慮すると、前記第二のレンズ３の円錐係数（Ｃｏｎｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）、即ちＫ２値を［－１０，１０］に設計し、かつ、前記第二のレンズ３のフレネル面の半径を２３ｍｍよりも大きく設計することがより好ましい。これは、前記第一のレンズ２と基本的に同じである。

【0076】

説明すべきなのは、前記第一のレンズ２及び前記第二のレンズ３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）。このことからこそ、円錐係数Ｋ値を［－１０，１０］の範囲に設定し、各レンズのフレネル面のＲ値を２３ｍｍ以上に設定することが好ましい。

【0077】

本願の実施例による技術案では、前記第一のレンズ２及び前記第二のレンズ３、即ち、２つの正レンズについて、ともに非球面（例えば凸面）とフレネル面との組み合わせ形態が用いられており、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した。

【0078】

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４が第五の表面４１及び第六の表面４２を含み、前記第五の表面４１と前記第四の表面３２とが隣接して設けられており、前記第五の表面４１及び前記第六の表面４２のうちの少なくとも１つが非球面である。

【0079】

例えば、前記第三のレンズ４の屈折力が負である。

【0080】

前記第三のレンズ４は、中央が薄く周辺が厚い負レンズであり、光を発散させる能力を有する。前記第三のレンズ４は、光路構造全体で色収差をなくすために使用可能である。

【0081】

前記第三のレンズ４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。

【0082】

好ましくは、前記第五の表面４１が平面に設けられ、前記第六の表面４２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３２と隣接する面が平面であり、前記表示画面１と隣接する面が凹面である。

【0083】

また、本願の実施例では、前記第三のレンズ４は、以下のパラメータをさらに有する。

【0084】

例えば、前記第三のレンズ４の第五の表面４１の半径Ｒ５の絶対値が、Ｒ５≧３０ｍｍを満たし、前記第三のレンズ４の第六の表面４２の半径Ｒ６の絶対値が、３０ｍｍ≦Ｒ６≦６０ｍｍを満たし、前記第三のレンズ４の第五の表面４１及び第六の表面４２の円錐係数Ｋ３の絶対値が、Ｋ３≦１０を満たす。

【0085】

選択的に、前記第五の表面４１及び前記第六の表面４２には、いずれも反射防止膜（Ａｎｔｉ－Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇ、ＡＲ）がメッキされている。

【0086】

前記第三のレンズ４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４の２つの表面での光線の透過率を高めることができる。

【0087】

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１と、前記第一のレンズ２、前記第二のレンズ３及び前記第三のレンズ４によって形成されたレンズ群とを含み、そのうち、前記表示画面１が表示光源として光線を発することができ、当該光線が入射光として前記レンズ群に入り込むことができ、前記第一のレンズ２及び前記第二のレンズ３がともに正レンズであり、かつ両者が非球面＋フレネル面の面形状の組み合わせ形態であり、前記第三のレンズ４が負レンズである。３つのレンズの各表面のいずれにも反射防止膜のメッキ処理が行われ、また、前記第一のレンズ２の第一の表面２１には、硬化膜による硬質化＋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１から発した結像光束（光線）は、反射防止膜がメッキされた前記第三のレンズ４の第六の表面４２を経て前記第三のレンズ４の内部に入り込み、前記第三のレンズ４を経た伝達光線は、発散されてから前記第二のレンズ３に入り込み、前記第二のレンズ３の２つの表面の両方にも反射防止膜がメッキされており、かつ正レンズであるため、光線は、前記第二のレンズ３を経て集光され、そして、前記第一のレンズ２に入り込み、前記第一のレンズ２も集光する正レンズであり、前記第一のレンズ２による光線伝送を経た後、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。

【0088】

本願のいくつかの例では、前記第一のレンズ２と前記第二のレンズ３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４がＯＫＰ材料又はＥＰ材料である。

【0089】

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。

【0090】

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。

【0091】

また、当業者は、実際のニーズに応じて前記第一のレンズ２、前記第二のレンズ３及び前記第三のレンズ４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。

【0092】

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

【0093】

本願のいくつかの例では、前記第一のレンズ２の有効焦点距離ｆ１が２０ｍｍ≦ｆ１≦４０ｍｍであり、前記第二のレンズ３の有効焦点距離ｆ２が２０ｍｍ≦ｆ２≦４０ｍｍであり、前記第三のレンズ４の有効焦点距離ｆ３が－７５ｍｍ≦ｆ３≦－３５ｍｍである。

【0094】

前記第一のレンズ２の有効焦点距離ｆ１及び前記第二のレンズ３の有効焦点距離ｆ２がともに前記レンズ群の有効焦点距離ｆよりも大きい。

【0095】

前記第一のレンズ２の有効焦点距離ｆ１と前記第二のレンズ３の有効焦点距離ｆ２との和が、前記第三のレンズ４の有効焦点距離ｆ３の絶対値よりも大きい。

【0096】

前記レンズ群の有効焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦２５ｍｍという関係を満たす。

【0097】

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。

【0098】

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。
（１）１．４インチの表示画面１と合わせて９０度の視野角を実現した。
（２）歪曲収差が３４．６％よりも小さく、像面湾曲が０．５ｍｍよりも小さい。
（３）色収差が１７８μｍよりも小さい。虚像距離が１５００ｍｍである。
（４）０～１．０Ｆのスポットサイズがいずれも２つの表示画素よりも小さく、可視光帯域（４５０ｎｍ～６３０ｎｍ）での鮮明な結像を実現した。
（５）システムの有効焦点距離が１９．２ｍｍ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、下記表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１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１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）である。

【0103】

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。

【0104】

【表1】

【0105】

本願の実施例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。

【0106】

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４４μｍ未満であり、この値が比較的小さくて、結像品質の向上に有利である。

【0107】

図４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未満であり、歪曲収差は、最大視野で最大となり、３４．６％未満である。

【0108】

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１７８ｎｍである。

【0109】

［実施例２］
実施例２では、光学システムが提供されており、下記表２によって当該光学システムの構造パラメータが示されている。当該光学システムは、図６に示すようになる。表２には、人の目５（絞り）から表示画面１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１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。

【0110】

【表2】

【0111】

本願の実施例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。

【0112】

図７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４８μｍ未満であり、この値が比較的小さくて、結像品質の向上に有利である。

【0113】

図８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未満であり、歪曲収差は、最大視野で最大となり、３５％未満である。

【0114】

図９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１７０ｎｍである。

【0115】

本願の実施例では、光路を折り返すことがない、短焦点で高鮮明の直接透過型光学システムが提供されている。

【0116】

（１）２枚の正レンズと１枚の負レンズとの組み合わせによって３枚式レンズ群（３Ｐ構造）を形成し、２つの正レンズの面形状を最適化して非球面＋フレネル面として設計し、２つのフレネル面を隣接するように設けることで、超短焦点を実現できる。
（２）前記レンズ群において、２つの正レンズと１つの負レンズとの組み合わせにより、高解析及び低分散の効果も奏した。
（３）屈折率及びアッベ数の異なる材料の選択及び互いの取り合わせにより、光路の低分散に寄与する。
（４）光学システム全体は、直接透過型光学構造であり、その加工コスト及び難易度が比較的低い。

【0117】

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。

【0118】

前記頭部装着型表示機器は、上記の何れか一種の光学システムを含む。

【0119】

前記頭部装着型表示機器は、例えばＶＲ機器である。

【0120】

上記の実施例では、各実施例間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については、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。

【0121】

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】

【0122】

１、表示画面；２、第一のレンズ；３、第二のレンズ；４、第三のレンズ；
２１、第一の表面；２２、第二の表面；
３１、第三の表面；３２、第四の表面；
４１、第五の表面；４２、第六の表面。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】