特表 2022-514806 広視野角・高画質接眼レンズ光学システム及び設備

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-02-16

(54)【発明の名称】広視野角・高画質接眼レンズ光学システム及び設備

(51)【国際特許分類】

   G02B 25/00 20060101AFI20220208BHJP

   G02B 13/18 20060101ALI20220208BHJP

   G02B 27/02 20060101ALI20220208BHJP

【ＦＩ】

G02B25/00 A

G02B13/18

G02B27/02 Z

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021504311

(86)(22)【出願日】2019-11-26

(85)【翻訳文提出日】2021-03-19

(86)【国際出願番号】 CN2019120967

(87)【国際公開番号】W WO2021102685

(87)【国際公開日】2021-06-03

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】517291003

【氏名又は名称】深▲ゼン▼納徳光学有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100179316

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 寛奈

(72)【発明者】

【氏名】曹鴻鵬

(72)【発明者】

【氏名】郭建飛

(72)【発明者】

【氏名】彭華軍

【テーマコード（参考）】

2H087

2H199

【Ｆターム（参考）】

2H087KA00

2H087LA12

2H087PA02

2H087PA03

2H087PA04

2H087PA17

2H087PB02

2H087PB03

2H087PB04

2H087QA02

2H087QA03

2H087QA06

2H087QA07

2H087QA12

2H087QA14

2H087QA17

2H087QA21

2H087QA22

2H087QA25

2H087QA32

2H087QA34

2H087QA41

2H087QA42

2H087QA45

2H087QA46

2H087RA04

2H087RA05

2H087RA12

2H087RA13

2H087RA47

2H087UA01

2H199CA43

2H199CA58

2H199CA83

2H199CA85

(57)【要約】

本発明は、目視観察側からマイクロディスプレまでの間に光軸方向に順に配列される第１のレンズ群及び第２のレンズ群を含み、第１のレンズ群が１枚又は複数枚のレンズで構成され、第２のレンズ群がフレネルレンズを含み、フレネルレンズがフレネル面を含む広視野角・高画質接眼レンズ光学システム及び設備に関する。新規の光学面形状であるフレネル面形状と従来の光学球面及び非球面の面形状の組合せを用い、かつ各レンズ及びレンズ群の焦点距離が所定の条件を満たす場合、システム収差が大きく除去され、各光学部材の感度が低減され、部材の加工及び組み付けをしやすく、特に広視野角、低歪み、低色差、低像面湾曲、低非点収差等の光学指標を同時に実現した。観察者は、本発明に係る接眼レンズ光学システムにより、フルフレームで高精細度、無歪み、均一な画質の大画面を見、高臨場感の視覚体験を達成することができる。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

目視観察側からマイクロディスプレまでの間に光軸方向に順に配列される第１のレンズ群及び第２のレンズ群を含み、前記第１のレンズ群が１枚又は複数枚のレンズで構成され、前記第２のレンズ群がフレネルレンズを含み、前記フレネルレンズがフレネル面を含む広視野角・高画質接眼レンズ光学システムであって、
前記フレネル面の中心からエッジまでの範囲がＮ段に分けられ得、なかでも、第ｎ段における周波数がｆｎであり、Ｎとｎが以下の関係式（１）、（２）を満たし、

【数1】

前記フレネルレンズの焦点距離がＦ４であり、光学システムの総焦点距離がＦであり、前記Ｆ４と前記Ｆが以下の関係式（３）を満たすことを特徴とする、広視野角・高画質接眼レンズ光学システム。

【数2】

【請求項2】

前記フレネルレンズの開口径がＤ４であり、かつ前記Ｄ４と前記Ｆ４が以下の関係式（４）を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の接眼レンズ光学システム。

【数3】

【請求項3】

前記フレネルレンズにおけるマイクロディスプレイデバイスに近接する側の光学面からマイクロディスプレイデバイスまでの距離がｆｄであり、かつ前記ｆｄと前記Ｆが以下の関係式（５）を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の接眼レンズ光学システム。

【数4】

【請求項4】

前記Ｆ４と前記Ｆがさらに以下の関係式（６）を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の接眼レンズ光学システム。

【数5】

【請求項5】

前記Ｄ４と前記Ｆ４がさらに以下の関係式（７）を満たすことを特徴とする、請求項２に記載の接眼レンズ光学システム。

【数6】

【請求項6】

前記ｆｄと前記Ｆがさらに以下の関係式（８）を満たすことを特徴とする、請求項３に記載の接眼レンズ光学システム。

【数7】

【請求項7】

前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群の各前記レンズが全てガラス材料又はプラスチック材料から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の接眼レンズ光学システム。

【請求項8】

前記フレネルレンズが一般的な光学面をさらに含み、前記一般的な光学面が平面、球面又は非球面の面形状であることを特徴とする、請求項１に記載の接眼レンズ光学システム。

【請求項9】

前記第１のレンズ群中の各前記レンズの面形状が球面の面形状、偶数次非球面の面形状又はフレネル面形状であり、かつ前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群に少なくとも１つの軸対称非球面レンズがあることを特徴とする、請求項１に記載の接眼レンズ光学システム。

【請求項10】

それぞれ人の左右の目の位置に対応する２つのマイクロディスプレイデバイスを備える広視野角・高画質接眼レンズ光学設備であって、人の目と前記マイクロディスプレイデバイスとの中間位置に設けられ、前記マイクロディスプレイデバイスに示す画面を高画質、低歪み、広視野角の特徴で人の目に投射する請求項１～９に記載の光学システムをさらに備えることを特徴とする、広視野角・高画質接眼レンズ光学設備。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、頭部装着表示設備光学システムに関し、より詳しくは、広視野角・高画質接眼レンズ光学システム及び設備に関する。

【背景技術】

【0002】

電子デバイスが超小型化に発展しており、及び新規のコンピュータ、マイクロエレクトロニクス、光電デバイスや通信理論並びに技術が発展しているとともに、ウェアラブルコンピューティングのような「人間本位」、「人機一体」に基づく新しいパターンが可能となっている。軍事、工業、医療、教育、消費等の分野に応用されてきている。典型的なウェアラブルコンピューティングのシステムアーキテクチャにおいて、頭部装着型表示装置は肝心な構成要素である。頭部装着型表示装置は光学技術を介して、小型画像表示装置（例えば透過型又は反射型液晶ディスプレイ、有機電界発光素子、ＤＭＤデバイス）から発されるビデオ画像の光をユーザの瞳孔に導き、ユーザの目に近い範囲において仮想の拡大画像を実現し、ユーザに直観的で目に見える画像、ビデオ、文字情報を提供する。接眼レンズ光学システムは頭部装着型表示装置の核であり、小型画像を人の目の前に表示して仮想の拡大画像を形成するという機能を実現するものである。

【0003】

頭部装着型表示装置は体積がコンパクトで、軽量で、頭部装着が容易になり、負荷が軽減される等の方向に進んでいる。同時に、広視野角及び快適な視覚体験も次第に頭部装着型表示装置の優劣を評価する肝心な要素となっている。広視野角は高臨場感の視覚体験効果を決めるものであり、高画質、低歪みは視覚体験の快適性を決めるものである。これらの要求を満たすために、光学システムは広視野角、高画像解像度、低歪み、小像面湾曲、小体積等の指標をできるだけ実現する必要があり、上記光学性能を同時に満たすことはシステムの設計及び収差の最適化に対して大きなチャレンジである。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来の光学構造の画質が高くなく、歪み及び視野角があまり大きくない。本発明が解決しようとする課題は、従来技術の前記デメリットに対して、接眼レンズの光学構造、システム及び設備を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明では、その課題を解決するために、新規のフレネル面形状と従来の球面及び非球面の面形状を用いて創造的で合理的に組み合わせ、高画質、広視野角であり、加工しやすい接眼レンズ光学システムを構築するという技術的手段が用いられる。

【0006】

目視観察側からマイクロディスプレまでの間に光軸方向に順に配列される第１のレンズ群及び第２のレンズ群を含み、前記第１のレンズ群が１枚又は複数枚のレンズで構成され、前記第２のレンズ群がフレネルレンズを含み、前記フレネルレンズがフレネル面を含み、
前記フレネル面の中心からエッジまでの範囲がＮ段に分けられ得、なかでも、第ｎ段における周波数がｆｎであり、Ｎとｎが以下の関係式（１）、（２）を満たす。

【0007】

【数1】

前記フレネルレンズの焦点距離がＦ４であり、光学システムの総焦点距離がＦであり、Ｆ４とＦが以下の関係式（３）を満たす広視野角・高画質接眼レンズ光学システムを構築する。

【0008】

【数2】

【0009】

本発明のさらなる実施態様として、前記フレネルレンズの開口径がＤ４であり、かつＤ４とＦ４が以下の関係式（４）を満たす。

【0010】

【数3】

【0011】

本発明のさらなる実施態様として、前記フレネルレンズにおけるマイクロディスプレイデバイスに近接する側の光学面からマイクロディスプレイデバイスまでの距離がｆｄであり、かつｆｄとＦが以下の関係式（５）を満たす。

【0012】

【数4】

【0013】

本発明のさらなる実施態様として、前記Ｆ４とＦがさらに以下の関係式（６）を満たす。

【0014】

【数5】

【0015】

本発明のさらなる実施態様として、前記Ｄ４とＦ４がさらに以下の関係式（７）を満たす。

【0016】

【数6】

【0017】

本発明のさらなる実施態様として、前記ｆｄとＦがさらに以下の関係式（８）を満たす。

【0018】

【数7】

【0019】

本発明のさらなる実施態様として、前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群の各レンズが全てガラス材料又はプラスチック材料から構成される。

【0020】

本発明のさらなる実施態様として、前記フレネルレンズが一般的な光学面をさらに含み、前記一般的な光学面が平面、球面又は非球面の面形状である。

【0021】

本発明のさらなる実施態様として、前記第１のレンズ群中の各レンズの面形状が球面の面形状、偶数次非球面の面形状又はフレネル面形状であり、かつ前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群に少なくとも１つの軸対称非球面レンズがある。

【0022】

本発明は、それぞれ人の左右の目の位置に対応する２つのマイクロディスプレイデバイスを備える広視野角・高画質接眼レンズ光学設備であって、人の目と前記マイクロディスプレイデバイスとの中間位置に設けられ、マイクロディスプレイデバイスに示す画面を高画質、低歪み、広視野角の特徴で人の目に投射する前記何れか１項に記載の光学システムをさらに備える、広視野角・高画質接眼レンズ光学設備をさらに提供する。

【0023】

本発明の効果としては、本発明は、新規のフレネル面形状と従来の光学球面及び非球面の面形状の組合せを用い、かつ各レンズ及びレンズ群の焦点距離が所定の条件を満たす場合システム収差が大きく除去され、各光学部材の感度が低減され、部材の加工及び組み付けをしやすく、特に広視野角、低歪み、低色差、低像面湾曲、低非点収差等の光学指標を同時に実現した。したがって、観察者は、本発明に開示される接眼レンズ光学システムにより、フルフレームで高精細度、無歪み、均一な画質の大画面を見、高臨場感の視覚体験を達成することができる。

【0024】

本発明の実施例又は従来技術中の技術的手段をより明確に説明するために、以下に添付図面及び実施例を参照しながら本発明をさらに説明する。以下の説明における添付図面は本発明の一部の実施例に過ぎず、当業者であれば、創造的活動を行うことなく、さらにこれらの添付図面に応じて他の添付図面を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明のフレネル面の面形状の概略図である。

【図2】本発明の図１におけるＡ－Ａ部の拡大断面図である。

【図3】本発明の実施例１の接眼レンズ光学システムの概略構成図である。

【図4】本発明の実施例１の接眼レンズ光学システムのスペックルアレイの概略図である。

【図5】本発明の実施例１の接眼レンズ光学システムの歪みの概略図である。

【図6】本発明の実施例１の接眼レンズ光学システムの光学伝達函数ＭＴＦの概略図である。

【図7】本発明の実施例２の接眼レンズ光学システムの概略構成図である。

【図8】本発明の実施例２の接眼レンズ光学システムのスペックルアレイの概略図である。

【図9】本発明の実施例２の接眼レンズ光学システムの歪みの概略図である。

【図10】本発明の実施例２の接眼レンズ光学システムの光学伝達函数ＭＴＦの概略図である。

【図11】本発明の実施例３の接眼レンズ光学システムの概略構成図である。

【図12】本発明の実施例３の接眼レンズ光学システムのスペックルアレイの概略図である。

【図13】本発明の実施例３の接眼レンズ光学システムの歪みの概略図である。

【図14】本発明の実施例３の接眼レンズ光学システムの光学伝達函数ＭＴＦの概略図である。

【図15】本発明の実施例４の接眼レンズ光学システムの概略構成図である。

【図16】本発明の実施例４の接眼レンズ光学システムのスペックルアレイの概略図である。

【図17】本発明の実施例４の接眼レンズ光学システムの歪みの概略図である。

【図18】本発明の実施例４の接眼レンズ光学システムの光学伝達函数ＭＴＦの概略図である。

【図19】本発明の実施例５の接眼レンズ光学システムの概略構成図である。

【図20】本発明の実施例５の接眼レンズ光学システムのスペックルアレイの概略図である。

【図21】本発明の実施例５の接眼レンズ光学システムの歪みの概略図である。

【図22】本発明の実施例５の接眼レンズ光学システムの光学伝達函数ＭＴＦの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

本発明の実施例の目的、技術的手段及びメリットがより分かりやすいように、以下に本発明の実施例中の技術的手段及び添付図面を参照しながら明確で完全に説明を行う。明らかに、説明される実施例は本発明の全部の実施例ではなく、一部の実施例である。本発明の実施例に基づき、当業者が創造的活動を行うことなく、得られた全ての他の実施例は、何れも本発明の保護範囲に属する。

【0027】

本発明に係る広視野角・高画質接眼レンズ光学システムは、図１及び図２に示すように、以下の広視野角・高画質接眼レンズ光学システムを提供する。目視観察側からマイクロディスプレまでの間に光軸方向に順に配列される第１のレンズ群Ａ１及び第２のレンズ群Ａ２を含み、第１のレンズ群Ａ１が１枚又は複数枚のレンズで構成され、第２のレンズ群Ａ２がフレネルレンズを含み、フレネルレンズがフレネル面を含む広視野角・高画質接眼レンズ光学システムであって、
フレネル面の中心からエッジまでの範囲がＮ段に分けられ得、なかでも、第ｎ段における周波数がｆｎであり、Ｎとｎが以下の関係式（１）、（２）を満たす広視野角・高画質接眼レンズ光学システム。

【0028】

【数8】

【0029】

前記関係式２において、ｎの値は１、２、３、４、５……Ｎである。なかでも、異なる段における周波数ｆｎが異なってもよい。例えば、表１に示すように、フレネル面の組合せデータは下記の通りである。

【0030】

【表1】

【0031】

フレネルレンズの焦点距離がＦ４であり、光学システムの総焦点距離がＦであり、Ｆ４とＦが以下の関係式（３）を満たす。

【0032】

【数9】

前記関係式（３）において、｜Ｆ４／Ｆ｜の値は、０．３、０．３４５５、１．１９３、０．３４７９、０．３７８７、０．４７２、１０．６１であってもよい。

【0033】

前記実施例において、新規のフレネル面形状と従来の光学球面及び非球面の面形状の組合せを用い、かつ各レンズ及びレンズ群の焦点距離が所定の条件を満たす場合システム収差が大きく除去され、各光学部材の感度が低減され、部材の加工及び組み付けをしやすく、広視野角、低歪み、低色差、低像面湾曲、低非点収差等の光学指標を実現した。

【0034】

更なる実施例において、フレネルレンズの開口径がＤ４であり、かつＤ４とＦ４が以下の関係式（４）を満たす。

【0035】

【数10】

前記関係式（４）において、｜Ｄ４／Ｆ４｜の値は、２．０５、０．０７３、０．３３８、０．４５、１．４５、２．５であってもよい。

【0036】

更なる実施例において、フレネルレンズにおけるマイクロディスプレイデバイスに近接する側の光学面からマイクロディスプレイデバイスまでの距離がｆｄであり、かつｆｄとＦが以下の関係式（５）を満たす。

【0037】

【数11】

前記関係式（５）において、ｆｄ／Ｆの値は、０．０５、０．０９５、０．２、０．３５５、０．４９９、０．８７、０．８９、１．０であってもよい。

【0038】

更なる実施例において、Ｆ４とＦがさらに以下の関係式（６）を満たす。

【0039】

【数12】

【0040】

更なる実施例において、Ｄ４とＦ４がさらに以下の関係式（７）を満たす。

【0041】

【数13】

【0042】

更なる実施例において、ｆｄとＦがさらに以下の関係式（８）を満たす。

【0043】

【数14】

【0044】

フレネルレンズの有効焦点距離の値の範囲をさらに最適化することにより、光学システムの光学性能と加工製造難易度のバランスがより良く取れた。

【0045】

更なる実施例において、第１のレンズ群Ａ１と第２のレンズ群Ａ２の各レンズが全てガラス材料又はプラスチック材料から構成されることで、前記接眼レンズ光学システムの各級の収差が十分に補正されると同時に、光学素子の製造コスト及び光学システムの重量も制御される。

【0046】

更なる実施例において、フレネルレンズが一般的な光学面をさらに含み、一般的な光学面が平面、球面又は非球面の面形状である。

【0047】

更なる実施例において、第１のレンズ群Ａ１中の各レンズの面形状が球面の面形状、偶数次非球面の面形状又はフレネル面形状であり、かつ第１のレンズ群Ａ１と第２のレンズ群Ａ２に少なくとも１つの軸対称非球面レンズがある。新規のフレネル面形状と従来の光学球面及び非球面の面形状の組合せを用い、かつ各レンズ及びレンズ群の焦点距離が所定の条件を満たす場合システム収差が大きく除去され、各光学部材の感度が低減され、部材の加工及び組み付けをしやすく、広視野角、低歪み、低色差、低像面湾曲、低非点収差等の光学指標を実現した。

【0048】

前記実施例において、非球面の式は以下の通りである。

【0049】

【数15】

なかでも、ｚは光学面の矢高であり、ｃは非球面の頂点における曲率であり、ｋは非球面係数であり、α２、４、６…は各階の係数であり、ｒは曲面における点からレンズシステムの光軸までの距離の座標である。

【0050】

以下に添付図面の説明及び具体的な実施の態様を参照しながら、本発明をさらに説明する。下記の各実施例の光路図において、マイクロディスプレから発される光は、順にフレネルレンズと第１のレンズ群Ａ１を経由した後、人の目に入る。絞りは接眼レンズ光学システムの結像の射出瞳であってもよく、バーチャルの光出射アパーチャである。人の目ＥＹＥの瞳孔が絞り位置にある場合、最も好ましい結像効果を観察することができる。

【実施例1】

【0051】

実施例１の接眼レンズの設計データは下記の表に示す通りである。

【0052】

【表2】

【0053】

図３は実施例１の接眼レンズ光学システムの２Ｄ構成図である。当該光学構造は４枚の光学レンズで構成され、第１のレンズ群Ａ１は第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２及び第３のレンズＬ３で構成される。なかでも、第１のレンズＬ１と第３のレンズＬ３は正レンズであり、第２のレンズＬ２は負レンズであり、第１の光学面１、第３の光学面３、第４の光学面４、第５の光学面５及び第６の光学面６は目に向けて突出する球面又は非球面の面形状であり、第２の光学面２は目に向けて凹む偶数次非球面の面形状である。第２のレンズ群Ａ２中のフレネルレンズはＬ４であり、第７の光学面７は偶数次非球面であり、第８の光学面８はフレネル面である。なかでも、第８の光学面８のフレネル面のパラメータである４次の項の係数は１．５７ｅ－０６であり、６次の項の係数は６．９ｅ－１０であり、８次の項の係数は－７．７５ｅ－１３であり、１０次の項の係数は４．４ｅ－１６である。フレネルレンズの焦点距離はＦ４であり、フレネル面の開口径はＤ４であり、光学構造のシステム総焦点距離はＦであり、第８の光学面８からマイクロディスプレイデバイスまでの距離はｆｄであり、その｜Ｆ４／Ｆ｜は１．１９３であり、｜Ｄ４／Ｆ４｜は１．４２５であり、ｆｄ／Ｆは０．６０５である。

【0054】

図４、図５、図６は、それぞれ、前記光学システムのスペックルアレイ図、歪み図及び光学伝達函数ＭＴＦ図である。本実施例の各視野の光線が像平面（表示デバイスＩ）の単位画素に高い解像度及び小さな光学歪みを有することが反映されている。単位周期における１０ｍｍ当たりの解像度が０．７８以上となり、光学システムの収差が良く補正され、接眼レンズ光学システムを介して、均一で光学性能が高い表示画像を観察することができる。

【実施例2】

【0055】

実施例２の接眼レンズの設計データは下記の表に示す通りである。

【0056】

【表3】

【0057】

図７は実施例２の接眼レンズ光学システムの２Ｄ構成図である。実施例１に比べ、実施例２の主な特徴は、前記光学構造が２枚の光学レンズで構成されることである。なかでも、第１のレンズ群Ａ１は第１のレンズＬ１で構成される。なかでも、第１のレンズＬ１は負レンズである。第１の光学面１と第２の光学面２の面形状は目に向けて突出する偶数次非球面の面形状であり、第２のレンズ群Ａ２中のフレネルレンズは第２のレンズＬ２である。なかでも、第３の光学面３は偶数次非球面であり、第４の光学面４はフレネル面である。第４の光学面４のフレネル面のパラメータである４次の項の係数は－４．１４６７０７８ｅ－０５であり、６次の項の係数は２．５７０２０７２ｅ－０７であり、８次の項の係数は－１．１２９２３５８ｅ－０９であり、１０次の項の係数は２．４４７３５５４ｅ－１２である。フレネルレンズの焦点距離はＦ４であり、フレネル面の開口径はＤ４であり、光学構造のシステム総焦点距離はＦであり、第４の光学面４からマイクロディスプレイデバイスまでの距離はｆｄであり、その｜Ｆ４／Ｆ｜は０．３４７９であり、｜Ｄ４／Ｆ４｜は１．９９３であり、ｆｄ／Ｆは０．９４１である。

【0058】

図８、図９、図１０は、それぞれ、前記光学システムのスペックルアレイ図、歪み図及び光学伝達函数ＭＴＦ図である。本実施例の各視野の光線が像平面（表示デバイスＩ）の単位画素に高い解像度及び小さな光学歪みを有することが反映されている。単位周期における１０ｍｍ当たりの解像度が０．１５以上となり、光学システムの収差が良く補正され、接眼レンズ光学システムを介して、均一で光学性能が高い表示画像を観察することができる。

【実施例3】

【0059】

実施例３の接眼レンズの設計データは下記の表に示す通りである。

【0060】

【表4】

【0061】

図１１は実施例３の接眼レンズ光学システムの２Ｄ構成図である。実施例１、実施例２に比べ、実施例３の主な特徴は、前記光学構造が３枚の光学レンズで構成されることである。なかでも、第１のレンズ群Ａ１は第１のレンズＬ１と第２のレンズＬ２で構成され、なかでも、第１のレンズＬ１は正レンズであり、第２のレンズＬ２は負レンズである。第１の光学面１と第４の光学面４の面形状は目に向けて突出する偶数次非球面の面形状であり、第２の光学面２と第３の光学面３の面形状は目に向けて凹む偶数次非球面である。第２のレンズ群Ａ２中のフレネルレンズは第３のレンズＬ３であり、第５の光学面５は偶数次非球面であり、第６の光学面６はフレネル面である。フレネルレンズの焦点距離はＦ４であり、フレネル面の開口径はＤ４であり、光学構造のシステム総焦点距離はＦであり、第６の光学面からマイクロディスプレイデバイスまでの距離はｆｄであり、その｜Ｆ４／Ｆ｜は０．３７８７であり、｜Ｄ４／Ｆ４｜は２．０であり、ｆｄ／Ｆは０．７９１である。

【0062】

図１２、図１３、図１４は、それぞれ、前記光学システムのスペックルアレイ図、歪み図及び光学伝達函数ＭＴＦ図である。本実施例の各視野の光線が像平面（表示デバイスＩ）の単位画素に高い解像度及び小さな光学歪みを有することが反映されている。単位周期における１０ｍｍ当たりの解像度が０．５０以上となり、光学システムの収差が良く補正され、接眼レンズ光学システムを介して、均一で光学性能が高い表示画像を観察することができる。

【実施例4】

【0063】

実施例４の接眼レンズの設計データは下記の表に示す通りである。

【0064】

【表5】

【0065】

図１５は実施例４の接眼レンズ光学システムの２Ｄ構成図である。実施例１、実施例２、実施例３に比べ、実施例４の主な特徴は、前記光学構造が３枚の光学レンズで構成され、かつ第１のレンズ群Ａ１に１つのフレネルレンズを備えることである。なかでも、第１のレンズ群Ａ１は第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２で構成され、かつ第１のレンズＬ１は正レンズであり、第２のレンズＬ２はフレネルレンズである。なかでも、第１の光学面１の面形状は目に向けて突出する偶数次非球面の面形状であり、第２の光学面２の面形状は目に向けて凹む球面であり、第３の光学面３の面形状は目に向けて凹む偶数次非球面である。第２のレンズ群Ａ２中のフレネルレンズは第３のレンズＬ３であり、かつ第５の光学面５は偶数次非球面であり、第６の光学面６はフレネル面である。第６の光学面６のフレネル面のパラメータである４次の項の係数は－４．８３９６６４２ｅ－０５であり、６次の項の係数は９．６８１９００４ｅ－０８であり、８次の項の係数は－１．６０２０９ｅ－１０であり、１０次の項の係数は１．２９４１１２ｅ－１３である。フレネルレンズの焦点距離はＦ４であり、フレネル面の開口径はＤ４であり、光学構造のシステム総焦点距離はＦであり、第６の光学面６からマイクロディスプレイデバイスまでの距離はｆｄであり、その｜Ｆ４／Ｆ｜は０．４７２であり、｜Ｄ４／Ｆ４｜は１．４５であり、ｆｄ／Ｆは０．９３である。

【0066】

図１６、図１７、図１８は、それぞれ、前記光学システムのスペックルアレイ図、歪み図及び光学伝達函数ＭＴＦ図である。本実施例の各視野の光線が像平面（表示デバイスＩ）の単位画素に高い解像度及び小さな光学歪みを有することが反映されている。単位周期における１０ｍｍ当たりの解像度が０．３０以上となり、光学システムの収差が良く補正され、接眼レンズ光学システムを介して、均一で光学性能が高い表示画像を観察することができる。

【実施例5】

【0067】

実施例５の接眼レンズの設計データは下記の表に示す通りである。

【0068】

【表6】

【0069】

図１９は実施例５の接眼レンズ光学システムの２Ｄ構成図である。他の実施例に比べ、実施例５の主な特徴は、前記光学構造が４枚の光学レンズで構成されることである。なかでも、第１のレンズ群Ａ１は第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２及び第３のレンズＬ３で構成される。なかでも、第１のレンズＬ１と第３のレンズＬ３は正レンズであり、第２のレンズＬ２は負レンズであり、かつ第１の光学面１の面形状は目に向けて突出する球面の面形状であり、第３の光学面３、第４の光学面４、第５の光学面５の面形状は目に向けて突出する偶数次非球面の面形状であり、第２の光学面、第６の光学面６の面形状は目に向けて凹む偶数次非球面の面形状である。第２のレンズ群Ａ２中のフレネル光学レンズはＬ４であり、かつ第７の光学面７は偶数次非球面であり、第８の光学面８はフレネル面である。第８の光学面のフレネル面のパラメータである４次の項の係数は－１．６６８３３６７ｅ－０６であり、６次の項の係数は１．３７７７１８９ｅ－１０であり、８次の項の係数は－１．２９９６３７７ｅ－１１であり、１０次の項の係数は６．９６０７３２２ｅ－１５である。フレネルレンズの焦点距離はＦ４であり、フレネル面の開口径はＤ４であり、光学構造のシステム総焦点距離はＦであり、第６の光学面６からマイクロディスプレイデバイスまでの距離はｆｄであり、その｜Ｆ４／Ｆ｜は１０．６１であり、｜Ｄ４／Ｆ４｜は０．０７３であり、ｆｄ／Ｆは０．６２である。

【0070】

図２０、図２１、図２２は、それぞれ、前記光学システムのスペックルアレイ図、歪み図及び光学伝達函数ＭＴＦ図である。本実施例の各視野の光線が像平面（表示デバイスＩ）の単位画素に高い解像度及び小さな光学歪みを有することが反映されている。単位周期における１０ｍｍ当たりの解像度が０．５０以上となり、光学システムの収差が良く補正され、接眼レンズ光学システムを介して、均一で光学性能が高い表示画像を観察することができる。

【0071】

前記実施例１～実施例５の諸データは全て明細書に記載されるパラメータの要求を満たすものである。結果は下記の表７に示す通りである。

【0072】

【表7】

【0073】

別の実施例において、本発明は、広視野角・高画質接眼レンズ光学設備をさらに提供する。当該接眼レンズ光学設備は、それぞれ人の左右の目の位置に対応する２つのマイクロディスプレイデバイスを備えるものであり、人の目とマイクロディスプレイデバイスとの中間位置に設けられ、第１のレンズ群Ａ１とフレネルレンズＡ２を介して、各正負レンズの組合せを介して、システムの収差が十分に補正され、及び目に向けて突出する第１のレンズＬ１と、十分な正の視度を提供できるフレネルレンズとを用いて、マイクロディスプレイデバイスに示す画面を高画質、低歪み、広視野角の特徴で人の目に投射する光学システムをさらに備える。観察者は、接眼レンズ光学設備により、フルフレームで高精細度、無歪み、均一な画質の大画面を見、高臨場感の視覚体験を達成することができる。なかでも、マイクロディスプレイデバイスは有機電界発光素子又は透過型液晶ディスプレイである。

【0074】

なお、当業者であれば、前記説明に応じて改善又は変形することができる。これらの改善及び変換の全ては、本発明に添付される特許請求の範囲の保護範囲に属すべきである。

【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】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【国際調査報告】