7858273 レンズ、接眼光学系及び画像表示装置

(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】

(24)【登録日】2026-05-01

(45)【発行日】2026-05-14

(54)【発明の名称】レンズ、接眼光学系及び画像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 3/00 20060101AFI20260507BHJP

   G02B 27/02 20060101ALI20260507BHJP

   G02B 25/00 20060101ALI20260507BHJP

   G02B 17/08 20060101ALI20260507BHJP

   G02B 23/14 20060101ALI20260507BHJP

【ＦＩ】

G02B3/00

G02B27/02 Z

G02B25/00

G02B17/08

G02B23/14

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021159556

(22)【出願日】2021-09-29

(65)【公開番号】P2023049675

(43)【公開日】2023-04-10

【審査請求日】2024-09-24

(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】100090273

【弁理士】

【氏名又は名称】國分 孝悦

(72)【発明者】

【氏名】鳥居 嵩

【審査官】吉川 陽吾

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－１９６６６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－３０９８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０９５２０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１７８４９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１１５３７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１４６３０３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１１１９６０１５（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ３／００

Ｇ０２Ｂ ２７／０２

Ｇ０２Ｂ ２５／００

Ｇ０２Ｂ １７／０８

Ｇ０２Ｂ ２３／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

樹脂によって成形されるレンズであって、
前記成形の際に使用されるエジェクタピンの突き当て部であるエジェクタピン跡を有しており、
前記エジェクタピン跡は、前記レンズにおいて前記エジェクタピン跡が設けられている第１の側の光学有効径の外側であって前記第１の側の光学有効径に隣接する斜面に設けられ、
前記エジェクタピン跡を平面視した際に、前記エジェクタピン跡の少なくとも一部は、前記レンズにおいて前記エジェクタピン跡が設けられていない第２の側の光学有効径であって前記第１の側の光学有効径よりも大きい第２の側の光学有効径の内側に設けられていることを特徴とするレンズ。

【請求項2】

前記エジェクタピン跡は、前記斜面と略同一の表面粗さであることを特徴とする請求項１に記載のレンズ。

【請求項3】

前記エジェクタピン跡は、黒く塗られていることを特徴とする請求項１または２に記載のレンズ。

【請求項4】

前記レンズの外径は、φ５０以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレンズ。

【請求項5】

表示素子からの光を射出瞳に導く接眼光学系であって、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレンズと、
前記表示素子と前記レンズとの間に配置された第１の位相板と、
前記レンズにおいて前記第１の位相板が配置されている側の面とは反対側の面に配置された半透過反射面と、
前記レンズにおいて前記第１の位相板が配置されている側とは反対側に配置された第２の位相板と、
前記第２の位相板において前記レンズが配置されている側とは反対側に配置された偏光分離素子と、
を有することを特徴とする接眼光学系。

【請求項6】

前記偏光分離素子は、入射した第１の直線偏光を反射し、前記第１の直線偏光の偏光方向に略直交する偏光方向の第２の直線偏光を透過することを特徴とする請求項５に記載の接眼光学系。

【請求項7】

前記レンズに設けられている前記エジェクタピン跡は、前記表示素子と前記半透過反射面との間に配置されていることを特徴とする請求項５または６に記載の接眼光学系。

【請求項8】

請求項５乃至７のいずれか１項に記載の接眼光学系と、
前記表示素子と、
を有することを特徴とする画像表示装置。

【請求項9】

前記表示素子は、無偏光の光を放射し、
前記接眼光学系は、前記表示素子と前記第１の位相板との間に配置され、前記無偏光の光を直線偏光とする偏光板を更に有することを特徴とする請求項８に記載の画像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レンズ、レンズを用いた接眼光学系、及び接眼光学系を介して表示素子上の画像を拡大して観察するヘッドマウンテッドディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、ＨＭＤの分野において、接眼光学系の広画角化が求められている。また、ＨＭＤは、頭部に装着して映像を観察するため、軽量であること、鼻逃げ対応、眼幅対応等、小型化も同時に求められる。したがって、単純に接眼光学系を大きくすることによって広画角化を実現するのではなく、接眼光学系における非光学有効径の割合を小さくすることが求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５３６１１７３号公報

【文献】特開２０２０－８５９５６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には、光学有効径の面精度が良いレンズの作製技術が開示されており、非光学有効径の領域であるフランジ部に、レンズの成形の際に使用するエジェクタピンが設置されている。また、特許文献１では、レンズの２面にある光学有効径の外側にエジェクタピンが設置されている。一般的に、エジェクタピンが設置されているレンズは、成形性がよい。しかしながら、特許文献１では、エジェクタピンの設置が考慮されたフランジ部によって、レンズが大型化する可能性があった。

【0005】

特許文献２には、偏光を用いた接眼光学系の構成が開示されている。この特許文献２には、上述した非光学有効径及びエジェクタピンの記載はないが、レンズの２面にある光学有効径の外側にエジェクタピンの設置を考慮したフランジ部を設けると、そのフランジ部によって接眼光学系が大型化してしまう可能性があった。

【0006】

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、接眼光学系に用いられるレンズにおいて、小型化と広画角化の両立を実現できる仕組み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】

【0007】

本開示のレンズは、樹脂によって成形されるレンズであって、前記成形の際に使用されるエジェクタピンの突き当て部であるエジェクタピン跡を有しており、前記エジェクタピン跡は、前記レンズにおいて前記エジェクタピン跡が設けられている第１の側の光学有効径の外側であって前記第１の側の光学有効径に隣接する斜面に設けられ、前記エジェクタピン跡を平面視した際に、前記エジェクタピン跡の少なくとも一部は、前記レンズにおいて前記エジェクタピン跡が設けられていない第２の側の光学有効径であって前記第１の側の光学有効径よりも大きい第２の側の光学有効径の内側に設けられている。
また、本発明は、上述したレンズを有する接眼光学系、及び、当該接眼光学系を有する画像表示装置を含む。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、接眼光学系に用いられるレンズの非光学有効径を小さくすることができ、その結果、レンズの小型化と広画角化の両立を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る画像表示装置の外観の一例を示す図である。

【図2】図１に示す画像表示装置のＡ－Ａ断面における内部構成の一例を示す図である。

【図3】図２に示すレンズの概略構成の一例を示す投影図である。

【図4】図２に示すレンズの概略構成の一例を示す投影図である。

【図5】図２に示すレンズの概略構成の一例を示す投影図である。

【図6】図２に示すレンズの概略構成の一例を示す投影図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。

【0011】

図１は、本発明の実施形態に係る画像表示装置１０の外観の一例を示す図である。ユーザー（不図示）は、頭部に画像表示装置１０を装着することによって、画像を観察することができる。ここで、画像表示装置１０としては、例えば、上述したヘッドマウンテッドディスプレイ（ＨＭＤ）を適用することが可能である。

【0012】

図２は、図１に示す画像表示装置１０のＡ－Ａ断面における内部構成の一例を示す図である。図２に示すように、画像表示装置１０は、接眼光学系１００、及び、表示素子２００を有して構成されている。

【0013】

接眼光学系１００は、表示素子２００からの光を射出瞳に導く光学系であり、具体的には、表示素子２００に表示された原画像を虚像として拡大投影してユーザーの眼Ｅに導く光学系である。この接眼光学系１００は、偏光板１１０、第１の位相板１２０、レンズ１３０、半透過反射面を構成するハーフミラー１４０、レンズ１５０、第２の位相板１６０、偏光分離素子を構成するＰＢＳ１７０、及び、鏡筒１８０を有して構成されている。そして、画像表示装置１０では、ユーザーの左右の眼Ｅのそれぞれに対応して、接眼光学系１００及び表示素子２００が設けられている。

【0014】

レンズ１３０とレンズ１５０とは、ハーフミラー１４０を介して接合して構成されている。レンズ１３０は、樹脂によって成形される。また、レンズ１５０は、樹脂によって成形される方が軽くて好ましいが、ガラスによって形成されていてもよい。レンズ１５０をガラスによって形成する場合は、レンズ１５０の複屈折が非常に小さいため、高品位な画像観察が可能となる。

【0015】

図２に示す接眼光学系１００は、偏光を利用して光路を折り畳む光学系であり、以下にその光路について説明する。
まず、図２に示すように、表示素子２００とレンズ１３０との間に、表示素子２００の側から順に偏光板１１０及び第１の位相板１２０を配置する。また、レンズ１３０において、第１の位相板１２０が配置されている側の面とは反対側の面（レンズ１５０側の面）に、ハーフミラー１４０を蒸着して配置する。このハーフミラー１４０が蒸着された面が半透過反射面として作用する。次に、レンズ１５０とユーザーの眼Ｅとの間に、表示素子２００の側から順に第２の位相板１６０及び偏光分離素子を構成するＰＢＳ１７０を配置する。即ち、第２の位相板１６０は、レンズ１３０において第１の位相板１２０が配置されている側とは反対側に配置され、また、偏光分離素子を構成するＰＢＳ１７０は、第２の位相板１６０においてレンズ１３０が配置されている側とは反対側に配置されている。これらの第２の位相板１６０及びＰＢＳ１７０は、図２に示すように平面形状である。また、第１の位相板１２０と第２の位相板１６０は、位相差がλ／４の波長板である。また、第２の位相板１６０は、レンズ１５０に接触して保持されている。また、鏡筒１８０は、偏光板１１０と第１の位相板１２０とレンズ１３０を保持している。

【0016】

このとき、偏光板１１０を透過する光の偏光方向と第１の位相板１２０の遅相軸とは、略４５°傾いている。また、ＰＢＳ１７０を透過する光の偏光方向と第２の位相板１６０の遅相軸とは、略４５°傾いている。さらに、偏光板１１０を透過する光の偏光方向とＰＢＳ１７０を透過する光の偏光方向とは、略直交している。

【0017】

このように、接眼光学系１００が構成されている場合に、表示素子２００から出射した光は、偏光板１１０を透過して直線偏光となり、第１の位相板１２０を透過して円偏光となる。本実施形態においては、偏光板１１０は、表示素子２００と第１の位相板１２０との間に配置され、表示素子２００から出射された無偏光の光を直線偏光とする偏光板である。

【0018】

その後、第１の位相板１２０を透過した光は、レンズ１３０及びハーフミラー１４０を介して第２の位相板１６０を透過して直線偏光（第１の直線偏光）となる。この直線偏光（第１の直線偏光）の偏光方向がＰＢＳ１７０で透過する光の偏光方向と略直交しているため、第１の直線偏光は、ＰＢＳ１７０で反射して第２の位相板１６０を透過して円偏光となる。第２の位相板１６０を透過した円偏光は、ハーフミラー１４０で反射して第２の位相板１６０を透過して直線偏光（第２の直線偏光）となる。この直線偏光（第２の直線偏光）の偏光方向は、上述した第１の直線偏光とは異なり、ＰＢＳ１７０で透過する光の偏光方向と一致するため、第２の直線偏光は、ＰＢＳ１７０を透過してユーザーの眼Ｅに導かれる。即ち、偏光分離素子を構成するＰＢＳ１７０は、入射した第１の直線偏光を反射し、第１の直線偏光の偏光方向に略直交する偏光方向の第２の直線偏光を透過する。また、ユーザーの眼Ｅは、接眼光学系１００の射出瞳と略一致している。

【0019】

このように、図２に示す接眼光学系１００を、偏光を利用して光路を折り畳む光学系とすることで、薄型かつ焦点距離を短くでき、広画角な画像観察を実現することができる。

【0020】

表示素子２００は、本実施形態では、有機ＥＬとして無偏光の光が放射される表示素子としたが、液晶ディスプレイとして直線偏光の光が放射されるようにすることで、偏光板１１０が不要となり、薄型化とコスト低減を図ってもよい。

【0021】

図２に示す接眼光学系１００において、偏光板１１０と第１の位相板１２０は、粘着層で互いに貼り合わされており、平板形状の同一部品となっている。この同一部品となっている偏光板１１０と第１の位相板１２０は、鏡筒１８０に対して、粘着層で貼り付けられていてもよいが、保持手段はここで説明した粘着層に限定されるものではない。

【0022】

続いて、レンズ１５０に接触保持されている第２の位相板１６０の保持構成について説明する。第２の位相板１６０とＰＢＳ１７０は、粘着層で互いに貼り合わされており、平板形状の同一部品となっている。この同一部品となっている第２の位相板１６０とＰＢＳ１７０は、レンズ１５０に対して、粘着層で貼り付けられていてもよいが、保持手段はここで説明した粘着層に限定されるものではない。

【0023】

また、図２に示す接眼光学系１００では、レンズ１３０を両面非球面レンズとし、レンズ１５０を平凸形状の非球面レンズとすることで、収差補正効果を高めている。また、本実施形態においては、鏡筒１８０と接触するレンズは、レンズ１３０では無くレンズ１５０であってもよい。この際、鏡筒１８０によるレンズ１３０またはレンズ１５０の保持手段は、ＵＶ接着であってもよいが、保持手段はここで説明したＵＶ接着に限定されるものではない。

【0024】

続いて、図２に示すレンズ１３０の概略構成について説明する。
図３～図６は、図２に示すレンズ１３０の概略構成の一例を示す投影図である。

【0025】

まず、図３の説明を行う。
レンズ１３０は、図３に示すように、光学有効径１３１、光学有効径１３２、斜面１３３、フランジ部１３４、及び、エジェクタピン跡１３５を有して構成されている。

【0026】

光学有効径１３１は、レンズ１３０においてエジェクタピン跡１３５が設けられている第１の側３０１の光学有効径である。光学有効径１３２は、レンズ１３０においてエジェクタピン跡１３５が設けられていない第２の側３０２の光学有効径である。光学有効径１３１及び光学有効径１３２は、図２に示す光束を透過及び反射する領域であり、図３に示すように光学有効径１３２の方が光学有効径１３１よりも大きい領域となっている。斜面１３３は、レンズ１３０においてエジェクタピン跡１３５が設けられている第１の側３０１の光学有効径１３１に隣接する斜面である。この斜面１３３は、レンズ１３０の肉厚を略均等に維持するのに寄与する。また、斜面１３３は、光学有効径１３１と隣接する面のため、ゴーストの観点から粗面ではなく磨いてある方が好ましい。フランジ部１３４は、非光学有効径の領域である。

【0027】

エジェクタピン跡１３５は、レンズ１３０の成形の際に使用されるエジェクタピンの突き当て部である。例えば、エジェクタピン跡１３５は、成形されたレンズ１３０を金型から取り外すためのエジェクタピンにより押圧された部分である。そして、本実施形態では、エジェクタピン跡１３５は、図３に示すように、レンズ１３０においてエジェクタピン跡１３５が設けられている第１の側３０１の光学有効径１３１の外側の斜面１３３の領域に、設けられている。また、本実施形態では、エジェクタピン跡１３５の少なくとも一部は、レンズ１３０においてエジェクタピン跡１３５が設けられていない第２の側３０２の光学有効径１３２の内側に、設けられている。

【0028】

例えば、図３に示すレンズ１３０においてエジェクタピン跡１３５が設けられている第１の側３０１は、図２に示すレンズ１３０において表示素子２００が配置されている側（図２では上側）に相当する。また、例えば、図３に示すレンズ１３０においてエジェクタピン跡１３５が設けられていない第２の側３０２は、図２に示すレンズ１３０において半透過反射面を構成するハーフミラー１４０が配置されている側（図２では下側）に相当する。即ち、図３のレンズ１３０に設けられているエジェクタピン跡１３５は、図２に示す表示素子２００とハーフミラー１４０（半透過反射面）との間に配置されている。

【0029】

この図３に示すエジェクタピン跡１３５の配置により、エジェクタピン跡１３５によるフランジ部１３４の大型化を抑制でき、レンズ１３０の非光学有効径の割合を小さくすることができる。その結果、レンズ１３０の小型化と広画角化の両立を実現することができる。また、接眼光学系１００においては、図２に示すように、レンズ１３０は最も大きい部材であるため、接眼光学系１００の非光学有効径の割合を小さくすることができる。

【0030】

なお、接眼光学系１００は、偏光を利用した光学系でなくてもよい。また、レンズ１３０の外径は、眼幅対応や鼻逃げ対応のユーザビリティの観点から、φ５０以下であることが好ましい。

【0031】

また、図３に示すように、エジェクタピン跡１３５は、その少なくとも一部が、レンズ１３０においてエジェクタピン跡１３５が設けられていない第２の側３０２の光学有効径１３２の内側に設けられているため、ユーザーが視認可能となる。エジェクタピン跡１３５を目立たなくさせて外観品位を高めるために、エジェクタピン跡１３５を隣接する面となる斜面１３３と略同一の表面粗さで磨いてもよい。

【0032】

以下、図４～図６の説明を行う。なお、図４～図６において、図３に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。
本実施形態においては、エジェクタピン跡１３５の外観品位を高めるために、図４に示すように、エジェクタピン跡１３５は、黒く塗られていてもよい。本実施形態においては、第１の側３０１の黒く塗られる範囲は、エジェクタピン跡１３５のみに限定されるものでは無く、例えば、図５に示すように斜面１３３が含まれていてもよく、更には、図６に示すように光学有効径１３１以外の領域としてもよい。なお、図５～図６では、エジェクタピン跡１３５の位置を分かりやすくするため、エジェクタピン跡１３５の領域とそれ以外の領域の黒色濃度を変えているが、本実施形態においては、これらの領域の黒色濃度を同じにすることがより好適である。また、接眼光学系１００が偏光光学系でかつエジェクタピン跡１３５が表示素子２００とハーフミラー１４０との間に配置されている場合、ＰＢＳ１７０と第２の位相板１６０とハーフミラー１４０を介して、エジェクタピン跡１３５が視認されることになる。このため、図４～図６に示すようにエジェクタピン跡１３５を黒く塗って目立ちにくくすることで、外観品位を高めることができる。

【0033】

以上説明したように、本実施形態では、エジェクタピン跡１３５の少なくとも一部は、レンズ１３０においてエジェクタピン跡１３５が設けられていない第２の側３０２の光学有効径１３２の内側に、設けられている。
かかる構成によれば、接眼光学系１００に用いられるレンズ１３０の非光学有効径を小さくすることができ、その結果、レンズ１３０の小型化と広画角化の両立を実現することができる。

【0034】

なお、上述した本発明の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。即ち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

【符号の説明】

【0035】

１０：画像表示装置、１００：接眼光学系、１１０：偏光板、１２０：第１の位相板、１３０：レンズ、１３１：第１の側３０１の光学有効径、１３２：第２の側３０２の光学有効径、１３３：斜面、１３４：フランジ部、１３５：エジェクタピン跡、１４０：ハーフミラー、１５０：レンズ、１６０：第２の位相板、１７０：ＰＢＳ、１８０：鏡筒、２００：表示素子、Ｅ：ユーザーの眼

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】