JPWO2017022670A1 - 接眼光学系および電子ビューファインダー - Google Patents

Abstract

像面側（２２）に配置される画像表示デバイス（１５）に表示された画像を射出側（２１）に配置される眼（５）に投影する接眼光学系（１０）であって、射出側から像面側に向かって、射出側に凸の正の屈折力の第１のレンズ（Ｌ１）と、正の屈折力の第２のレンズ（Ｌ２）と負の屈折力の第３のレンズ（Ｌ３）とを貼り合せたレンズであって、射出側に凸の負の屈折力のメニスカスタイプの第１の接合レンズ（Ｂ１）と、射出側に凸の正の屈折力のメニスカスタイプの第４のレンズ（Ｌ４）と、正の屈折力の第５レンズ（Ｌ５）と負の屈折力の第６のレンズ（Ｌ６）とを貼り合せたレンズであって、射出側に凸の正の屈折力のメニスカスタイプの第２の接合レンズ（Ｂ２）とを有する接眼光学系を提供する。

Description

本発明は、電子ビューファインダーに好適な接眼光学系に関するものである。

日本国特開２０１２−４２８４４号公報には、小型化、アイポイントの確保、視野角の確保を行った場合においても、画質を確保しやすい電子ビューファインダーを提供することが記載されている。この文献には、正屈折力を有し、射出側に凸面を向けた単レンズである第１レンズ群と、負屈折力を有し表示面側と射出側の双方に凹面を向けた両凹単レンズである第２レンズ群と、正屈折力を有し表示面側と射出側の双方に凸面を向けた両凸単レンズである第３レンズ群を備えた光学系が開示されている。

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）向けの電子ビューファインダーにおいては、小型で、より鮮明な像が得られる光学系が求められている。

本発明の態様の１つは、像面側に配置される画像表示デバイスに表示された画像を射出側に配置される眼に投影する接眼光学系であって、射出側から像面側に向かって、射出側に凸の正の屈折力の第１のレンズと、正の屈折力の第２のレンズと負の屈折力の第３のレンズとを貼り合せたレンズであって、射出側に凸の負の屈折力のメニスカスタイプの第１の接合レンズと、射出側に凸の正の屈折力のメニスカスタイプの第４のレンズと、正の屈折力の第５レンズと負の屈折力の第６のレンズとを貼り合せたレンズであって、射出側に凸の正の屈折力のメニスカスタイプの第２の接合レンズとを有する接眼光学系である。

電子ビューファインダー用の接眼光学系は高画角であることが求められる。大きな画角を確保するためにはレンズ配置は非対称であることが好ましい。一方、収差補正のためには、レンズ配置は対称であることが好ましい。特に、ＨＭＤ用の接眼光学系においては、高画角であることが要望される。一方、ＨＭＤでは、眼と画面との実際の距離が近いために眼の位置が少しずれると、画像と眼との位置関係が変化する。したがって、収差が良好に補正されていないと、画像（映像）の見え方が大きく変わり見にくくなる。

本発明の接眼光学系は、射出側から像面側に向かって、射出側に凸の第１のレンズと、射出側に凸のメニスカスタイプの第１の接合レンズと、射出側に凸のメニスカスタイプの第４のレンズと、射出側に凸のメニスカスタイプの第２の接合レンズとを配置している。すなわち、この接眼光学系は、４群構成の全てのレンズが射出側、すなわち、眼の方向に凸で、全体として非対称なレンズ配置を有する。したがって、画角を大きくしやすい。一方、第１の接合レンズ、第４のレンズおよび第２の接合レンズは像面側が凹のメニスカスタイプであり、非対称な配置であっても、光学系を通過する光線の径を広げずにレンズ面を通過させることができる。このため、この接眼光学系は、非対称な配置であっても、収差補正能力を確保しやすい構成である。

この接眼光学系の４群構成の主要なレンズである２つ（２組）の接合レンズのうちの第１の接合レンズは、全体として射出側に凸の負のメニスカスタイプであり、第２の接合レンズは全体として射出側に凸の正のメニスカスタイプである。したがって、これらの接合レンズは、両方とも射出側に凸のメニスカスタイプとして非対称な配置であるが、屈折力は負正で逆転（非対称）であり、この接眼光学系を通過する光線に対しては対称的な補正を可能としている。

このため、最小構成としては、第１のレンズと、第１の接合レンズと、第４のレンズと、第２の接合レンズとで構成された、全６枚という少ないレンズ枚数で構成された小型・高画角で、収差が良好に補正された接眼光学系を提供できる。

第１の接合レンズを構成する第２のレンズの屈折率ｎ２およびアッベ数ν２と、第３のレンズの屈折率ｎ３およびアッベ数ν３と、第２の接合レンズを構成する第５のレンズの屈折率ｎ５およびアッベ数ν５と、第６のレンズの屈折率ｎ６およびアッベ数ν６とは以下の条件を満たすことが望ましい。
０＜｜ｎ２−ｎ３｜＜０．２ ・・・（Ａ）
１５＜｜ν２−ν３｜＜５５ ・・・（Ｂ）
０．１＜｜ｎ５−ｎ６｜＜０．５・・（Ｃ）
０＜｜ν５−ν６｜＜３０ ・・・（Ｄ）
屈折率、アッベ数はｄ線の値である。また、条件（Ａ）の上限は０．１であることがさらに好ましく、条件Ｂの下限は２０、上限は４０であることがさらに好ましく、条件Ｄの上限は２０であることがさらに好ましい。

これらの条件で示されているように、第１の接合レンズは、屈折率が近く、アッベ数が１５より大きく、好ましくは２０以上異なるレンズの組み合わせであることが望ましい。第２の接合レンズは、アッベ数が３０より小さく、好ましくは２０以下と近く、屈折率が異なるレンズの組み合わせであることが望ましい。屈折率が近く、アッベ数が異なるレンズの組み合わせと、アッベ数が近く、屈折率が異なるレンズの組み合わせとを用いて色収差を補正することにより、軸上色収差に加えて倍率色収差の補正も容易となり、眼の位置が光軸に対して動いたときの色消しも可能となる。

この接眼光学系は、２つの接合レンズに加えて、射出側（眼球側）となる第１のレンズと、２つの接合レンズの間に位置する第４のレンズとを有する。これらのレンズはプラスチックレンズを採用することが可能であり、それらの少なくとも一方の面を非球面にすることにより収差補正能力を向上できる。たとえば、サジタル方向とタンジェンシャル方向の非点収差を画像高さ方向にできるだけ一致させることにより、眼の位置がシフトした時の画像の変動を抑制でき、画像を見やすい電子ビューファインダーを提供できる。

最も射出側の第１のレンズは、射出側に凸のメニスカスタイプであってもよい。接眼光学系を構成する全てのレンズ群を射出側に凸のメニスカスタイプとすることにより、さらにコンパクトな接眼光学系を提供できる。

この接眼光学系の最もコンパクトな配置の一形態は、第１の接合レンズを、第１のレンズと光軸上の最少空気間隔を隔てて配置し、第４のレンズの射出側の面の曲率半径の絶対値が第１の接合レンズの像面側の面の曲率半径の絶対値より大きい場合は、第４のレンズを周辺が第１の接合レンズに対して最少空気間隔となるように配置し、第２の接合レンズを、第４のレンズと光軸上の最少空気間隔を隔てて配置したものである。

本発明の他の態様の１つは、上記の接眼光学系と、像面側に配置された画像表示デバイスとを有する電子ビューファインダーである。コンパクトで、大きく鮮明な映像を映し出す電子ビューファインダーを提供できる。本発明の他の異なる態様の１つは、上記の電子ビューファインダーを有するヘッドマウントディスプレイである。

接眼光学系を含むヘッドマウントディスプレイの概要を示す図。 レンズデータを示す図であり、図２（ａ）は各レンズのデータ、図２（ｂ）は非球面のデータを示す。 接眼光学系の諸収差を示す図。 接眼光学系の倍率色収差を示す図。

発明の実施の形態

図１に、接眼光学系を備えたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の一例を示している。このＨＭＤ１は、ユーザー２の眼５の前方にセットされる電子ビューファインダー７を含む。電子ビューファインダー７は、接眼光学系１０と、接眼光学系１０に対して眼５と反対側に配置された画像表示デバイス１５とを含む。画像表示デバイス１５の一例は、液晶パネル（ＬＣＤ）、有機ＥＬなどである。この接眼光学系１０は、像面側２２に配置された画像表示デバイス１５に表示された画像を射出側２１の眼５に投影（結像）させ、ユーザー２が眼５を通して、対角長さ６ｍｍ〜数１０ｍｍ（本例では１８ｍｍ）の小型の画像表示デバイス（表示パネル）１５に表示された画像を３０度以上の視野各で拡大観察できるようにするものである。

この接眼光学系１０は、射出側２１に絞り（アイポイント、仮想絞り）１１が配置された設計となる。この接眼光学系１０は、眼５が配置される射出側２１から、画像表示デバイス１５が配置される像面側２２に向かって、射出側２１に凸の正の屈折力の第１のレンズＬ１と、正の屈折力の第２のレンズＬ２と負の屈折力の第３のレンズＬ３とを貼り合せたレンズであって、射出側２１に凸の負の屈折力のメニスカスタイプの第１の接合レンズＢ１と、射出側２１に凸の正の屈折力のメニスカスタイプの第４のレンズＬ４と、正の屈折力の第５のレンズＬ５と負の屈折力の第６のレンズＬ６とを貼り合せたレンズであって、射出側２１に凸の正の屈折力のメニスカスタイプの第２の接合レンズＢ２とを有し、全体として６枚のレンズＬ１〜Ｌ６により構成されている。

さらに具体的には、第１のレンズＬ１は、射出側２１に凸の正のメニスカスレンズであり、第２のレンズＬ２は、射出側２１に凸の正のメニスカスレンズであり、第３のレンズＬ３は、射出側に凸の負のメニスカスレンズであり、第４のレンズＬ４は、射出側２１に凸の正のメニスカスレンズであり、第５のレンズＬ５は両凸の正レンズであり、第６のレンズＬ６は両凹の負レンズである。第２のレンズＬ２および第３のレンズＬ３からなる第１の接合レンズＢ１は、第１のレンズＬ１と光軸２０上の最少空気間隔ｄ２（本例では０．２ｍｍ）を隔てて配置されている。第４のレンズＬ４は、射出側２１の面Ｓ６の曲率半径ｒ６の絶対値が第１の接合レンズＢ１の像面側２２の面Ｓ５の曲率半径ｒ５の絶対値より大きく、第４のレンズＬ４の周辺部分が第１の接合レンズＢ１の周辺部分に近接し、第４のレンズＬ４の周辺部分が第１の接合レンズＢ１の周辺部分に対して最少空気間隔、例えば０．２〜０．５ｍｍ程度になるように配置されている。さらに、第２の接合レンズＢ２は、第４のレンズＬ４と光軸２０上の最少空気間隔ｄ８を隔てて配置されている。

図２（ａ）に接眼光学系１０を構成する各レンズのデータを示している。曲率半径（ｒ）は射出側２１から順に並んだ各レンズ（各レンズ面Ｓ）の曲率半径（ｍｍ）、間隔ｄは各レンズ面の間の距離（ｍｍ）、有効径Ｒｅは各レンズ面の有効径（ｍｍ）、屈折率ｎは各レンズの屈折率（ｄ線）、アッベ数νは各レンズのアッベ数（ｄ線）、ｉｎｆは平面を示している。また、図２（ａ）には、各レンズの焦点距離（ｍｍ）と、各接合レンズの焦点距離（ｍｍ）を示している。なお、ｄ１０は、接眼光学系１０と画像表示デバイス１５との距離（バックフォーカス）を示す。

第１のレンズＬ１の像面側２２の面Ｓ２と、第１の接合レンズＢ１の射出側２１の面Ｓ３と、第４のレンズＬ４の像面側２２の面Ｓ７と、第２の接合レンズＢ２の射出側２１の面Ｓ８とは、非球面である。非球面は、Ｘを光軸方向の座標、Ｙを光軸と垂直方向の座標、光の進行方向を正、Ｒを近軸曲率半径とすると、図２（ｂ）の係数Ｋ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４およびＣ５を用いて次式（１）で表わされる。なお、「Ｅｎ」は、「１０のｎ乗」を意味する。
Ｘ＝（１／Ｒ）Ｙ^２／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（１／Ｒ）^２Ｙ^２｝^１／２］
＋Ｃ１Ｙ^４＋Ｃ２Ｙ^６＋Ｃ３Ｙ^８＋Ｃ４Ｙ^１０＋Ｃ５Ｙ^１２ ・・・（１）

図３に、接眼光学系１０の球面収差、非点収差、歪曲収差を示している。非球面収差は、波長４６５ｎｍ（実線）と、波長５３２ｎｍ（破線）と、波長６３５ｎｍ（一点鎖線）とを示している。非点収差はタンジェンシャル光線Ｔとサジタル光線Ｓとを示している。図４に接眼光学系１０の倍率色収差をタンジェンシャル光線およびサジタル光線のそれぞれについて示している。

この接眼光学系１０は、全体として、射出側２１から、正のパワーの第１のレンズＬ１と、負のパワーの第１の接合レンズＢ１と、正のパワーの第４のレンズＬ４と、正のパワーの第２の接合レンズＢ２とが配置された、正負正正のパワーの組み合わせを有するレンズシステムである。射出側２１から像面側２２に向かって正負正正の組み合わせを有するレンズシステムは、像面側２２の光線をテレセントリックにしやすい。したがって、ＬＥＤ、有機ＥＬといった画像表示デバイス１５に表示される画像を入力して処理するのに適している。

電子ビューファインダー７に用いられる接眼光学系１０は、小型の画面を３０度以上の高画角で拡大観察するために強い正の屈折力を有している必要がある。この接眼光学系１０においては、接眼光学系１０を構成するレンズ群、すなわち、第１のレンズＬ１、第１の接合レンズＢ１、第４のレンズＬ４および第２の接合レンズＢ２を、すべて、眼５に向いた射出方向２１に凸で、像面側２２に凹のメニスカスタイプで構成している。特に、負のパワーの第１の接合レンズＢ１においても、凸面が眼５の方向（射出方向）２１に向いたメニスカスタイプにすることにより、パワーは負であるが画角を広げることに寄与するようにしている。このため、少ない枚数のレンズの組み合わせであるが、この接眼光学系１０においては３４．３度の最大画角が得られるようになっている。

この接眼光学系１０の主な性能を示す数値は以下の通りである。
焦点距離 ２９．９ｍｍ
Ｆナンバー ７．４
最大画角 ３４．３度
イメージサークル φ１８ｍｍ
バックフォーカス １１．６６ｍｍ

一般的に諸収差を補正するためには、射出側２１および像面側２２に対称的なレンズ配置を備えているレンズシステムであることが望ましい。一方、この接眼光学系１０は、すべてのレンズ群が射出方向２１の側に凸のメニスカスタイプであり、非対称なレンズ配置となっている。したがって、接眼光学系１０は、一般的には諸収差の補正が難しいと考えられているレンズ配置を備えている。さらに、本接眼光学系１０においては、全てのレンズ群Ｌ１、Ｂ１、Ｌ４およびＢ２を、射出側２１に凸のメニスカスタイプに統一することにより、逆に、非対称性は大きくなっており、この構成は画角を大きくすることに寄与している。

さらに、全てのレンズ群Ｌ１、Ｂ１、Ｌ４およびＢ２を、射出側２１に凸のメニスカスタイプに統一することは非対称性を大きくするが、光線は凸面と凹面とを交互に通過する。したがって、この接眼光学系１０においては、通過する光線の径が広がらずに多数のレンズ面を通過することになり、コンパクトな設計でありながら、多数のレンズ面を用いて収差補正を行うことができるというメリットを有する。したがって、レンズ配置は非対称ではあるが、コンパクトで、かつ、収差補正能力の高い接眼光学系１０を実現できる。

さらに、本接眼光学系１０は、負のパワーの第１の接合レンズＢ１と、正のパワーの第２の接合レンズＢ２とを含む。これらの２つ（２組）の接合レンズＢ１およびＢ２は、４群構成の主要なレンズであり、特に、色収差の補正に寄与するレンズである。これらの接合レンズＢ１およびＢ２を、射出側２１に凸のメニスカスタイプとして非対称な配置、すなわち、両レンズＢ１およびＢ２の凸面を射出側２１に向ける配置にする一方で、屈折力は負正と逆転させて、非対称にしている。この接合レンズＢ１およびＢ２の配置により、接眼光学系１０を通過する光線に対して対称的な補正を実現可能である。このため、少ない枚数で構成された小型・高画角で、収差が良好に補正された接眼光学系１０を提供できる。

さらに、第１の接合レンズＢ１を構成する第２のレンズＬ２の屈折率ｎ２およびアッベ数ν２と、第３のレンズＬ３の屈折率ｎ３およびアッベ数ν３と、第２の接合レンズＢ２を構成する第５のレンズＬ５の屈折率ｎ５およびアッベ数ν５と、第６のレンズＬ６の屈折率ｎ６およびアッベ数ν６とについてのそれぞれの差分を以下のように設定している。
｜ｎ２−ｎ３｜＝０．０１ （条件（Ａ））
｜ν２−ν３｜＝２６．９１ （条件（Ｂ））
｜ｎ５−ｎ６｜＝０．１６ （条件（Ｃ））
｜ν５−ν６｜＝１０．６１ （条件（Ｄ））

したがって、第１の接合レンズＢ１および第２の接合レンズＢ２は条件（Ａ）〜（Ｄ）を満たす。すなわち、第１の接合レンズＢ１は、屈折率が近く、アッベ数が異なるレンズの組み合わせからなり、第２の接合レンズＢ２は、アッベ数が近く、屈折率が異なるレンズの組み合わせからなる。したがって、第１の接合レンズＢ１と第２の接合レンズＢ２とは配置が非対称であるとともに、タイプが異なる（タイプが非対称な）接合レンズとなっており、結果として対称的な補正能力を持たせることができる。このように、６枚４群構成という少ないレンズ構成の中に、タイプの異なる接合レンズＢ１およびＢ２を組み合わせることにより、軸上色収差に加えて倍率色収差も良好に補正でき、その結果は図３および図４の収差図に示す通りである。

電子ビューファインダー７においては、瞳径（明るい環境下で２〜３ｍｍ）よりも大きな瞳径について収差が良好に補正されていないと（本例ではφ１２ｍｍ）、瞳が偏芯した際に画像（映像）の見え方が大きく変わったり、光線が蹴られてしまうために見えなくなってしまうという課題がある。

本接眼光学系１０においては、レンズ群としては、凸面と凹面とを交互に光線を通過させることで諸収差の補正能力を上げ、さらに、４群の中にタイプの異なる２つの接合レンズＢ１およびＢ２を入れることで、コンパクトな構成で補正に有用なレンズ面を増やし、さらに、色収差の補正能力も向上させている。また、接合レンズ２組という構成は、トリプレット一組の構成に対して偏芯敏感度、特に、偏芯時の軸上収差、倍率色収差を大幅に改善できる。したがって、本接眼光学系（接眼レンズシステム）１０においては、眼５の位置が光軸２０に対して動いたときの色消しなどを含めた諸収差の補正が可能となり、偏芯敏感度を改善できる。

さらに、この接眼光学系１０においては、２組の接合レンズＢ１およびＢ２と、単板のレンズＬ１およびＬ４との組み合わせで４群のシステムを構成しており、レンズＬ１およびＬ４は、プラスチックレンズで実現できる。このため、レンズＬ１およびＬ４の一方の面を非球面にすることが容易であり、非球面を導入することにより、さらに諸収差の補正を容易にすることができる。この点でも偏芯敏感度を大幅に改善できる。

このように、この接眼光学系１０においては、射出側２１に凸のメニスカスタイプのレンズ群を組み合わせることにより、高画角と、高い収差補正能力を備えたレンズシステムを実現している。さらに、射出側２１に凸のメニスカスレンズを組み合わせることにより、それぞれのレンズ群を接近して配置することが可能であり、全体をコンパクトにまとめることが可能となり、ＨＭＤ１に適した電子ビューファインダー７を提供できる。

なお、最も射出側２１の第１のレンズＬ１は、射出側２１に凸のメニスカスレンズを採用しているが、さらに大きな正のパワーを設けた方が良い場合は、最も射出側２１の第１のレンズＬ１として両凸の正レンズを採用したり、最も射出側２１の第１のレンズＬ１を複数の正のパワーのレンズで置き換えたりする構成も可能である。また、ＨＭＤ１に電子ビューファインダー７を適用した例を説明しているが、電子ビューファインダー７をカメラなどの撮像装置に組み込むことも可能であり、コンパクトで高性能はビューファインダー付のカメラを提供できる。

Claims (8)

1. 像面側に配置される画像表示デバイスに表示された画像を射出側に配置される眼に投影する接眼光学系であって、
   射出側から像面側に向かって、射出側に凸の正の屈折力の第１のレンズと、
   正の屈折力の第２のレンズと負の屈折力の第３のレンズとを貼り合せたレンズであって、射出側に凸の負の屈折力のメニスカスタイプの第１の接合レンズと、
   射出側に凸の正の屈折力のメニスカスタイプの第４のレンズと、
   正の屈折力の第５レンズと負の屈折力の第６のレンズとを貼り合せたレンズであって、射出側に凸の正の屈折力のメニスカスタイプの第２の接合レンズとを有する接眼光学系。
2. 請求項１において、
   前記第１のレンズと、前記第１の接合レンズと、前記第４のレンズと、前記第２の接合レンズとで構成される接眼光学系。
3. 請求項１または２において、
   前記第２のレンズの屈折率ｎ２およびアッベ数ν２と、前記第３のレンズの屈折率ｎ３およびアッベ数ν３と、前記第５のレンズの屈折率ｎ５およびアッベ数ν５と、前記第６のレンズの屈折率ｎ６およびアッベ数ν６とが以下の条件を満たす、接眼光学系。
   ０＜｜ｎ２−ｎ３｜＜０．２
   １５＜｜ν２−ν３｜＜５５
   ０．１＜｜ｎ５−ｎ６｜＜０．５
   ０＜｜ν５−ν６｜＜３０
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記第１のレンズの少なくとも一方の面、および前記第３のレンズの少なくとも一方の面は非球面である、接眼光学系。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記第１のレンズは、射出側に凸のメニスカスタイプである、接眼光学系。
6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記第１の接合レンズは、前記第１のレンズと光軸上の最少空気間隔を隔てて配置され、
   前記第４のレンズでは、射出側の面の曲率半径の絶対値が前記第１の接合レンズの像面側の面の曲率半径の絶対値より大きく、周辺が前記第１の接合レンズに対して最少空気間隔となるように配置され、
   前記第２の接合レンズは、前記第４のレンズと光軸上の最少空気間隔を隔てて配置されている、接眼光学系。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の接眼光学系と、
   像面側に配置された画像表示デバイスとを有する電子ビューファインダー。
8. 請求項７に記載の電子ビューファインダーを有するヘッドマウントディスプレイ。

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