JP7462115B2 - 光学システム及び頭部装着型表示機器 - Google Patents

Description

（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２０２１１１４４５２９５．Ｘであり、発明の名称が「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。

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。

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。そのため、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。

従来の関連技術は、ＶＲ機器を例とする。現在のＶＲ機器において、１．４インチの表示画面に基づいて広視野角（ＦＯＶ）及び短光学全長（ＴＴＬ）を実現しようとする場合、通常の光学技術案としては、折り返し光路構造であるが、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。

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。

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、３つのフレネル面があり、そのうちの２つのフレネル面が隣接して設けられており、
前記第三のレンズの屈折力が正であり、
前記光学システムの視野角が１００度以上である。

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。

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。

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。

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一方がフレネル面であり、他方が非球面であり、
前記第三のレンズのフレネル面と前記第二のレンズの第四の表面とが隣接して設けられている。

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に設定される。

選択的に、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に設定される。

選択的に、前記第一のレンズの有効焦点距離ｆ１が３０ｍｍ≦ｆ１≦４０ｍｍであり、
前記第二のレンズの有効焦点距離ｆ２が４０ｍｍ≦ｆ２≦４６０ｍｍであり、
前記第三のレンズの有効焦点距離ｆ３が６５ｍｍ≦ｆ３≦１１５ｍｍである。

選択的に、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の材質がＣＯＰ材料、ＯＫＰ材料、ＥＰ材料又はＰＭＭＡ材料である。

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。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。

本願の有益な効果は、次のとおりである。

本願の実施例では、３枚の光学レンズを用い、３つのフレネル面を光路構造内に設計することで、強い集光能力を提供して、光学システムの光学全長ＴＴＬを減らし、視野角ＦＯＶを大きくすることができるだけでなく、光学システムの光効率を高いレベルで維持することができる直接透過型光学構造設計案が提供されており、そのうち、２つのフレネル面が隣接して設けられており、迷光の低減に寄与する。本願の実施例による技術案は、短焦点、高光効率、大ＦＯＶの光学設計要件を実現しており、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、軽量化の発展トレンドの実現に寄与する。

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る詳しい説明によって明らかになる。

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、創造的な努力をすることなく、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。

本願の実施例による光学システムの構造模式図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

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もならない。

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、適宜な場合、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。

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。

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。

以下、図１から図９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。

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、高光効率、大ＦＯＶの直接透過型光学構造技術案であり、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。

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、３つのフレネル面があり、そのうちの２つのフレネル面が隣接して設けられており、
前記第三のレンズ３の屈折力が正であり、
前記光学システムの視野角が１００度以上である。

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

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。

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。

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、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。

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、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との３つの光学レンズの取り合わせ・組み合わせに基づいたものであり、これら３つのレンズの面形状の組み合わせは、いずれもフレネル面＋非球面として設計されており、光路構造内の３つのフレネル面によれば、大きな屈折力（ｆｏｃａｌ ｐｏｗｅｒ）を提供し、超短焦点を実現することができ、それに、２つのフレネル面が隣接して設けられた取り合わせは、迷光の低減に寄与する。また、前記第三のレンズ３の面形状を合理的に設定することで、高解析及び低分散の実現に寄与する。

説明すべきなのは、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、前記第二のレンズ２及び前記第三のレンズ３のフレネル面は、平面ベースを含むが、これに限定されるものではない。

つまり、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のフレネル面が曲面ベースであってもよく、当業者は、具体的な状況に応じてフレネル面のベースの形態を調整可能であり、本願はここで具体的に限定しない。曲面ベースを採用すると、レンズをさらに薄型化にすることができる。

本願の実施例では、３枚の光学レンズを用い、３つのフレネル面を光路構造内に設計することで、強い集光能力を提供して、光学システムの光学全長ＴＴＬを減らし、視野角ＦＯＶを大きくすることができるだけでなく、光学システムの光効率を高いレベルにすることができる直接透過型光学構造設計案が提供されており、そのうち、２つのフレネル面が隣接して設けられており、この設計は、迷光の低減に寄与する。

本願の実施例による技術案は、短焦点、高光効率、大ＦＯＶの光学設計要件を実現しており、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、軽量化の発展トレンドの実現に寄与する。

総合的に比較すると、本願の実施例による光路設計案は、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るという従来の１枚式レンズ＋表示画面（ｄｉｓｐｌａｙ）の技術案による問題を解消した。

それと同時に、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る。折り返し光路技術案には、コストが高く、光効率が低く、ゴーストが生じるなどの欠点がある。本願の実施例による技術案に用いられたのは、直接透過型光学技術案であり、強い集光能力（ｆｏｃａｌ ｐｏｗｅｒ、屈折力）を提供して、光学システムの光学全長ＴＴＬを減らし、光学システムの視野角ＦＯＶを大きくすることができるだけでなく、光効率を向上させ、光効率を高いレベルで維持することができる。

例えば、図１及び図２に示すように、前記光学システムには、例えば１．４インチディスプレイであって、１００度の視野角を実現した表示画面４が設けられている。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。

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ず、全視野で解像可能な画素の大きさ（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。

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（スポットサイズ；ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ）が約６０μｍ～８０μｍである。

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いる。そのうち、３つのフレネル面を取り合わせて用いることで、大きな屈折力を提供することができる一方で、表示画面４に近い側の前記第三のレンズ３は、色収差をなくす処理に使用可能であり、結像品質の向上に寄与する。

なお、説明すべきなのは、本願の実施例による光学システムには３つのフレネル面のみが設けられることに限定されない。前記光学システムは、さらに多くのレンズを含み、光路構造内にさらに多くのフレネル面を設けてもよく、当業者は、具体的な状況に応じて柔軟に調整可能である。

本願のいくつかの例では、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。

本願の実施例で提供される３つのレンズは、いずれも正レンズとして設計されている。

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、入射光として前記第三のレンズ３（正レンズ）を経た後、前記第二のレンズ２（正レンズ）に入り込み、入射光が前記第二のレンズ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の入射光伝送を経た後、人の目５に入り込んで結像する。光路構造全体は、光路折り返しの技術案に係らず、直接透過型光路構造である。

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る。前記光学システムに当該設計を用いると、迷光の低減に寄与する。

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ており、両方ともフレネル面であり、
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。

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１の第一の表面１１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１１が例えば非球面（さらに、前記第一の表面１１が凸面）に設定されており、前記第一のレンズ１の第二の表面１２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１（正レンズ）は、非球面＋フレネル面の２つの面形状の組み合わせ形態が形成されている。

選択的に、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、それぞれ反射防止膜（Ａｎｔｉ－Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇ、ＡＲ）がメッキされている。

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、前記第一のレンズ１の２つの表面での光線の透過率を高めることができる。

選択的に、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。

もちろん、本願の実施例では、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ず、前記第一のレンズ１の第二の表面１２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。

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。

本願のいくつかの例では、前記第一のレンズ１の第一の表面１１の半径Ｒ_１の絶対値が、５０ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ_１）≦８０ｍｍを満たし、前記第一のレンズ１の第二の表面１２の半径Ｒ_２の絶対値が、２５ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ_２）≦３０ｍｍを満たし、前記第一の表面１１及び前記第二の表面１２の円錐係数Ｋ_１の絶対値が、Ａｂｓ（Ｋ_１）≦１０を満たす。

そのうち、前記第一の表面１１と前記第二の表面１２とは、面形状の設計が異なる。

具体的に、外側を向く前記第一の表面１１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１２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１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。

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Ｋ_１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。

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。

例えば、前記第二のレンズ２の第三の表面２１がフレネル面であり、前記第二のレンズ２の第四の表面２２が非球面に設定される（さらに、前記第四の表面１１も凸面である）。

前記第二のレンズ２も正レンズであり、前記第一のレンズ１と前記第三のレンズ３との間に位置し、前記第二のレンズ２が前記第一のレンズ１により近い位置に設けられている。

選択的に、前記第二のレンズ２の第三の表面２１及び第四の表面２２に反射防止膜（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。

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。

本願のいくつかの例では、前記第二のレンズ２の第二の表面２１の半径Ｒ_３の絶対値が、２５ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ_３）≦３０ｍｍを満たし、前記第二のレンズ２の第三の表面２２の半径Ｒ_４の絶対値が、Ａｂｓ（Ｒ_４）≧１２０ｍｍを満たし、前記第三の表面２１及び前記第四の表面２２の円錐係数Ｋ_２の絶対値が、Ａｂｓ（Ｋ_２）≦１０を満たす。

本願の実施例では、前記第二のレンズ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、前記第二のレンズ２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２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。

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と前記第六の表面３２のうちの一方がフレネル面であり、他方が非球面であり、前記第三のレンズ３のフレネル面と前記第二のレンズ２の第四の表面２２とが隣接して設けられている。

さらに、前記第五の表面３１がフレネル面に設定されており、前記第六の表面３２が凹面に設定されている。このように、光路構造全体において、前記第二のレンズ２の第四の表面２２と隣接する面がフレネル面であり、前記表示画面４と隣接する面が凹面である。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。

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。

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。

本願の技術案では、前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２の２つのフレネル面＋非球面（凸面）と、前記第三のレンズ３のフレネル面＋非球面（凹面）の組み合わせとを併せて利用するように光学システムを最適化設計することで、短焦点、高光効率、低分散及び大ＦＯＶの特徴を良好に実現した。

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。

本願のいくつかの例では、前記第三のレンズ３の第五の表面３１の半径Ｒ_５の絶対値が、３０ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ_５）≦５０ｍｍを満たし、前記第三のレンズ３の第六の表面３２の半径Ｒ_６の絶対値が、１１０ｍｍ≦Ａｂｓ（Ｒ_６）≦１７０ｍｍを満たし、前記第五の表面３１及び前記第六の表面３２の円錐係数Ｋ_３の絶対値が、Ａｂｓ（Ｋ_３）≦１０を満たす。

本願の実施例では、前記第三のレンズ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、前記第三のレンズ３の円錐係数（Ｃｏｎｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）、即ちＫ２値を［－１０，１０］に設計し、かつ、前記第三のレンズ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。

説明すべきなのは、本願の実施例では、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、いずれも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）。だからこそ、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。

本願の実施例による光学システムの技術案において、前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２が、ともに非球面（凸面）＋フレネル面の組み合わせを利用した形態であり、前記第三のレンズ３が非球面（凹面）＋フレネル面の組み合わせ形態であり、そして、屈折率＆アッベ数の異なる材料の選択と取り合わせに基づけば、光路構造の低分散及び高解析を実現することができる。

本願の実施例による光学システムの技術案において、前記光学システムは、表示画面４、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を含み、そのうち、前記表示画面４が表示光源とて光線を発することができ、当該光線が入射光として各レンズに入り込むことができ、前記第一のレンズ１及び前記第二のレンズ２がいずれも正レンズであり、かつ両者が凸面＋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３も正レンズであり、フレネル面＋凹面である。これら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１の第一の表面１１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。その上では、図２に示すように、
前記表示画面４から射出された入射光は、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３１（凹面）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、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、入射光は、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。

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Ｔ_１が設けられており、前記第一の間隔Ｔ_１が０．２ｍｍ≦Ｔ_１≦１ｍｍに設定される。

本願のいくつかの例では、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Ｔ_２が設けられており、前記第二の間隔Ｔ_２が１ｍｍ≦Ｔ_２≦３ｍｍに設定される。

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。

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。

そのうち、前記第三のレンズ３が前記表示画面４に近い側に設けられている。

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Ｔ_３が設けられている。

選択的に、前記第三の間隔Ｔ_３が５ｍｍ≦Ｔ_３≦１５ｍｍに設定される。

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ｆ_１が３０ｍｍ≦ｆ_１≦４０ｍｍであり、
前記第二のレンズ２の有効焦点距離ｆ_２が４０ｍｍ≦ｆ_２≦４６０ｍｍであり、
前記第三のレンズ３の有効焦点距離ｆ_３が６５ｍｍ≦ｆ_３≦１１５ｍｍである。

本願の技術案では、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、いずれもフレネル面を有するように設計されており、大きな屈折力を提供することができ、光学システムに短焦点の特徴を具備させるようになる。

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、高鮮明な結像を実現できる。

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ｈ_１が２ｍｍ≦ｈ_１≦４ｍｍであり、前記第二のレンズ２の中心厚さｈ_２が３ｍｍ≦ｈ_２≦５ｍｍであり、前記第三のレンズ３の中心厚さｈ_３が２ｍｍ≦ｈ_３≦４ｍｍである。

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。

本願のいくつかの例では、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の材質が、ＣＯＰ材料、ＯＫＰ材料、ＥＰ材料又はＰＭＭＡ材料である。

本願の技術案において、各レンズ（即ち前記第一のレンズ１、前記第二のレンズ２及び前記第三のレンズ３）について、材料の選択上で、短焦点及び色収差の考慮に基づいて、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。

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、高鮮明な結像を実現できる。

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４と合わせて１００度の視野角を実現した。
（２）歪曲収差が３８．３％よりも小さく、像面湾曲が１．１ｍｍよりも小さい。
（３）色収差が２３６ｕｍよりも小さい。虚像距離が１５００ｍｍである。
（４）光学システムのスポットサイズが７３ｕｍ未満であり、可視光帯域（４５０ｎｍ～６３０ｎｍ）での鮮明な結像を実現した。光学システム全体の有効焦点距離が１７ｍｍである。

［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。

表１において、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α_２、α_３、α_４がそれぞれ示されている。

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。

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、高次項のない球面係数は、４次までとする。

実施例１による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。

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７２μｍ未満であり、
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、最大視野で最大となり、３８．３％未満であり、
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２４６．８μｍである。

実施例１による光学システムにおいて、前記第一のレンズ１の重量が２．６２ｇであり、前記第二のレンズ２の重量が２．９６ｇであり、前記第三のレンズ３の重量が４．１ｇであり、これら３つのレンズの合計重量が９．６８ｇである。

［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。

当該光学システムは、図６に示すようになる。

表２において、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α_２、α_３、α_４がそれぞれ示されている。

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。

図７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８０μｍよりも小さい。

図８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、１．５ｍｍよりも小さく、歪曲収差は、最大視野で最大となり、４０％未満である。

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～６３０ｎｍのＲＧＢ全体で、ＬＣＡが２６５ｎｍである。

実施例２による光学システムにおいて、前記第一のレンズ１の重量が２．３９ｇであり、前記第二のレンズ２の重量が３．９ｇであり、前記第三のレンズ３の重量が４．２６ｇであり、これら３つのレンズの合計重量が１０．８９ｇである。

本願の実施例では、折り返し光路に係らない短焦点で高鮮明な直接透過型光学システムが提供されている。

（１）光路構造全体では、３つのフレネル鏡面の取り合わせによって、超短焦点を実現した。
（２）光路構造全体に３つのフレネル面を設けて、２つのフレネル面を隣接して設けることで、迷光の低減に寄与する一方、レンズの口径を減らして重量を軽減することができる。
（３）光学システムを最適化し、前記表示画面４に近い光学素子として、凹面＋フレネル面との２つの面形状の組み合わせである前記第三のレンズを利用することで、高解析及び低分散の特徴の実現に寄与する。
（４）異なるレンズ材料の選択、即ち、異なる屈折率及びアッベ数の選択と取り合わせにより、光路構造の低分散を実現した。

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。

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。

前記頭部装着型表示機器は、例えばＶＲ機器である。

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。

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。

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。

Claims (9)

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、３つのフレネル面があり、そのうちの２つのフレネル面が隣接して設けられており、
   前記第三のレンズ（３）の屈折力が正であり、
   前記光学システムの視野角が１００度以上であり、
   前記第一のレンズ（１）の有効焦点距離ｆ１が３０ｍｍ≦ｆ１≦４０ｍｍであり、
   前記第二のレンズ（２）の有効焦点距離ｆ２が４０ｍｍ≦ｆ２≦４６０ｍｍであり、
   前記第三のレンズ（３）の有効焦点距離ｆ３が６５ｍｍ≦ｆ３≦１１５ｍｍである、ことを特徴とする光学システム。
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、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
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る、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
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ており、両方ともフレネル面であり、
   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。
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）のうちの一方がフレネル面であり、他方が非球面であり、
   前記第三のレンズ（３）のフレネル面と前記第二のレンズ（２）の第四の表面（２２）とが隣接して設けられている、ことを特徴とする請求項４に記載の光学システム。
6. 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に設定される、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
7. 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に設定される、ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
8. 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）の材質が、ＣＯＰ材料、ＯＫＰ材料、ＥＰ材料又はＰＭＭＡ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。
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。