JP2012103572A - 光学系、画像表示装置及び画像撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光学系(100)は、プリズム(12)と回折光学素子(13)とを備える。また、プリズム(12)は偏心収差を補正する非回転対称な非球面を有し、回折光学素子(13)は光学系(100)の光軸(Ax)の周りに非対称な格子構造を有する回折光学面(DM)を含む。ここで、e線(546.074nm)における回折光学面(DM)の屈折率差をΔNeとすると、以下の条件を満たす。
0.53 > ΔNe > 0.005 …(1)
【選択図】 図1
Description
0.53 > ΔNe > 0.005
<光学系100の全体構成>
図1は、第1実施形態の光学系100の全体構成を示した側面図である。図1では、絞り14に入射する光の光軸Axの方向をZ軸方向とし、Z軸方向に垂直な平面をXY平面として説明する。図1において、理解を助けるために画像を表示する画像素子11と絞り14とが描かれているが、光学系100に付属されたものではない。画像素子11とは、例えば光学系100がプロジェクタなどの画像表示装置に用いられる場合には液晶パネルなどの画像表示素子である(図12を参照)。例えば、光学系100がカメラなどの画像撮像装置に用いられる場合には、画像素子11はCCDなどの画像撮像素子となる(図13を参照)。
また、回折光学素子13について、図2(b)及び(c)に示された回折光学素子13A及び13Bを例として説明したが、様々な変形が可能である。
<<回折光学素子13の概要>>
回折光学素子13は数式(1)の条件を満たすことが望ましい。
0.53 > ΔNe > 0.005 … (1)
数式(1)はe線(546.074nm)における回折光学素子13の回折光学面DMの屈折率差ΔNeの適切な範囲を規定する。
1×10−1 > Φs/Φ > 1×10−7 … (2)
数式(2)において、Φsは非対称な格子構造を有する回折光学素子13の最も近軸パワーの強い方向(図2のX軸方向)のe線における屈折力を示し、Φは光学系100全体のe線における屈折力を示し、(Φs/Φ)の適切な範囲を規定する。
数式(3)において、Φmは非対称な格子構造を有する回折光学素子13の最も近軸パワーの弱い方向(図2のY軸方向)のe線における屈折力を示し、(Φs/Φm)の適切な範囲を規定する。
2.0 > δ/fe > 0.001 … (4)
数式(4)において、δは非対称な格子構造を有する回折光学素子13の最も近軸パワーの強い断面の光軸が絞り14の光軸Axに対する偏心量を示し、feはe線における焦点距離を示し、(δ/fe)の適切な範囲を規定する。
(Eg+EC)/(2×Ee) > 0.8 … (5)
数式(5)において、Eeは主波長(e線546.074nm)の回折効率を示し、Egは主波長に対する短波長(g線435.8nm)の回折効率を示し、ECは主波長に対する長波長(C線656.3nm)の回折効率を示している。数式(5)は広帯域化した際の回折効率のパランスの適切な範囲を規定する。
−20.0 < ΔNe/Δ(Ng−Nc) < −2.0 … (6)
数式(6)において、Ngは回折光学素子13のg線(435.8nm)に対する屈折率を示し、Ncは回折光学素子13のC線(656.3nm)に対する屈折率を示している。また、Δ(Ng−Nc)は例えば高屈折率低分散である紫外線硬化樹脂と低屈折率高分散である空気との主分散の差を示している。
数式(7)は、(Φm/Φ)の適切な範囲を規定する。
数式(8)において、hは図2(a)に示された回折光学素子13の高さを示し、λeは基準波長となるe線の波長を示し、(h/λe)の適切な範囲を規定する。
… (9)
j=[(m+n)2+m+3n]/2 … (10)
すなわち、X2の係数はC3、Y2の係数はC5、X4の係数はC10、Y4の係数はC14となる。
偏心プリズム12において、偏心収差を補正する非回転対称な非球面である第1面121〜第3面123の形状を決める多項式は、以下の数式(11)に示されたとおりである。
zは光軸Axに平行な面のサグ量を示し、
cは面頂点(光軸Ax上)曲率を示し、
hは光軸Axからの距離を示し、
kはコーニック係数を示している。
j=[(m+n)2+m+3n]/2+1 … (12)
すなわち、X2の係数はC4、Y2の係数はC6、X2Yの係数はC8、Y3の係数はC10、X4の係数はC11、X2Y2の係数はC13、Y4の係数はC15、X4Yの係数はC17、X2Y3の係数はC19、Y5の係数はC21となる。
光学系100を構成する偏心プリズム12及び回折光学素子13の面データは表1に示されたとおりである。表1において、面番号は図1を参照する。
図3に示されたように、回折光学素子13は偏心プリズム12の透過面(第1面121及び第2面122)で発生する色収差を十分に補正している。
<光学系200の全体構成>
第2実施形態の光学系200の構成について、図4及び図5を参照しながら説明する。図4は第2実施形態の光学系200の側面図で、図5は回折光学素子23の概念断面図である。なお、画像素子11は光学系200に付属されるものではないが、理解を助けるために描かれている。また、第1実施形態で説明された構成要件には同じ符号を付して説明する。
光学系200を構成する偏心プリズム12及び回折光学素子23の面データは表12に示されたとおりである。表12において、面番号は図4を参照する。
<光学系300の全体構成>
第3実施形態の光学系300の構成について、図7を参照しながら説明する。図7は第3実施形態の光学系300の側面図である。なお、画像素子11は光学系300に付属されるものではないが、理解を助けるために描かれている。また、第1実施形態で説明された構成要件には同じ符号を付して説明する。
光学系300を構成する偏心プリズム12及び回折光学素子33の面データは表16に示されたとおりである。表16において、面番号は図7を参照する。
<光学系400の全体構成>
第4実施形態の光学系400の構成について、図9を参照しながら説明する。図9は第4実施形態の光学系400の側面図である。なお、画像素子11は光学系400に付属されるものではないが、理解を助けるために描かれている。なお、第1実施形態で説明された構成要件には同じ符号を付して説明する。
光学系400を構成する偏心プリズム12及び回折光学素子43の面データは表23に示されたとおりである。表23において、面番号は図9を参照する。
<画像表示装置――頭部装着型画像表示装置50>
応用例1の画像表示装置の一例として、頭部装着型画像表示装置(HMD:Head Mounted Display)50について図11を参照しながら説明する。図11(a)は頭部装着型画像表示装置50の全体構成を示した斜視図で、(b)は装着本体501の側面図である。
<画像表示装置――投影装置60>
応用例2の画像表示装置の一例として、プロジェクタなどの投影装置60について図12を参照しながら説明する。図12は、投影装置60の構成を示した概略図である。図12において、理解を助けるためにパソコンPCとスクリーンSRとが書かれているが、投影装置60に付属されているものではない。
<画像撮像装置――カメラ70>
応用例3の画像撮像装置の一例として、カメラ70について図13を参照しながら説明する。図13(a)はカメラ70の全体構成を示した斜視図で、(b)はカメラ70の構成示した概略図である。
なお、本発明の光学素子を組み込んで得られる複数の構成要素からなる光学系も、本発明の範囲を逸脱するものではない。さらには、屈折率分布型レンズ、結晶材料レンズなどを組み込んで得られる光学系に関しても同様である。
また、本発明では複層型の回折光学素子として、一対の回折格子が密着した密着型について説明したが、一対の回折格子が分離した分離型にも適用される。
12 … プリズム
13、13A、13B、23、33、43 … 回折光学素子
14 … 入射瞳
23A、23B … 回折格子
23C … ガラス平板
50 … 頭部装着型画像表示装置
501 … 装着本体
502 … フレー
503 … 画像伝達コード
504 … 再生装置
60 … プロジェクタ
601 … 処理制御部
602 … 液晶パネル
603 … 光源
70 … カメラ
701 … カメラ本体
702 … 撮像光学系
703 … 撮像素子
100、200、300、400 … 光学系
121 … 第1面、 122 … 第2面、 123 … 第3面
131、231 … 回折面、 132、232 … 端面
Ax … 光軸
DM … 回折光学面
h … 回折光学素子の高さ
P1、P2、P3 … 端面同士の間隔
PC … パソコン
SR … スクリーン
Claims (13)
- プリズムと回折光学素子とを備える光学系であって、
前記プリズムは偏心収差を補正する非回転対称な非球面を有し、
前記回折光学素子は前記光学系の光軸の周りに非対称な格子構造を有する回折光学面を含み、
e線(546.074nm)における前記回折光学面の屈折率差をΔNeとすると、以下の条件を満たす光学系。
0.53 > ΔNe > 0.005 …(1) - 前記非対称な格子構造の最も近軸パワーの強い断面のe線における屈折力をΦs、前記光学系全体のe線における屈折力をΦとすると、以下の条件を満たす請求項1に記載の光学系
1×10−1 > Φs/Φ > 1×10−7 …(2) - 前記非対称な格子構造の最も近軸パワーの強い断面のe線における屈折力をΦs、前記非対称な格子構造の最も近軸パワーの弱い方向のe線における屈折力をΦmとすると、以下の条件を満たす請求項1又は請求項2に記載の光学系。
5.0 > Φs/Φm > 1.02 …(3) - 前記非対称な格子構造の最も近軸パワーの強い断面の光軸が前記光学系の光軸に対する偏心量をδ、前記光学系全体のe線における焦点距離をfeとすると、以下の条件を満たす請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の光学系。
2.0 > δ/fe > 0.001 …(4) - e線(546.074nm)での回折効率をEeとし、g線(435.8nm)での回折効率をEgとし、C線(656.3nm)での回折効率をECとすると、以下の数式を満たす請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の光学系。
(Eg+EC)/(2×Ee) > 0.8 …(5) - 前記回折光学素子は単層型又は複層型を含む請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の光学系。
- 前記光学系を通過した光が光量を調整する絞りに入射し、
前記回折光学素子における前記絞りに近い方が高屈折率で、前記回折光学素子における前記絞りから遠い方が低屈折率である請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の光学系。 - 光量を調整する絞りを通過した光が前記光学系に入射し、
前記回折光学素子における前記絞りに近い方が高屈折率で、前記回折光学素子における前記絞りから遠い方が低屈折率である請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の光学系。 - 前記回折光学素子の前記回折光学面が前記プリズムの内部に形成されている請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の光学系。
- 前記回折光学素子の前記回折光学面が前記プリズムの前記非球面に形成されている請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の光学系。
- 前記回折光学素子の材料は紫外線硬化樹脂である請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の光学系。
- 請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の光学系と、
前記光学系によって導いて結像された画像を表示する表示素子と、
を備える画像表示装置。 - 請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の光学系と、
前記光学系によって導いて結像された画像を撮像する撮像素子と、
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