TWI476452B - Diffractive optical systems and optical machines - Google Patents

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Description

繞射光學系統及光學機器
本發明係關於一種應用繞射之光學系統，特別是關於一種觀察光學系統及投射光學系統等中適合的光學系統、光學機器。
一般而言，為了減少特別是像差等光學性能來提高成像性能，係使用利用透鏡之折射的光學元件(主要以玻璃製造)(如參照專利文獻1)。光學系統往往為了充分減少關於基準光譜線之賽德耳(Seidel)5像差及色像差，需要增加像差修正自由度，導致構成該光學系統之透鏡片數不得已地增加。
[專利文獻1]美國專利第6130785號公報
特別是用於配戴在頭部之觀察裝置的光學系統，及用於電子取景器等之光學系統中，先前為了提高光學性能，而增加構成光學系統之透鏡片數，或是為了充分修正光學系統之色像差，而使用折射率或分散不同之複數個光學材料，或是比重大之光學材料(玻璃)，導致光學系統之大型化及重型化，而有在裝置構成上不妥當的問題。
本發明係鑑於此種問題而形成者，其目的為提供一種適合觀察光學系統及投射光學系統等之小型輕薄型且具有優異之光學性能的繞射光學系統及光學機器。
按照例示本發明之第一態樣提供一種繞射光學系統，係包含繞射光學元件，其特徵為：前述繞射光學元件具有：凹透鏡成分，其係具有第一繞射光學面；及光學構件，其係具有第二繞射光學面；前述凹透鏡成分與前述光學構件配置成前述第一繞射光學面與前述第二繞射光學面彼此相對，將前述凹透鏡成分之光軸上的厚度設為t，將前述繞射光學系統之焦點距離設為f時，滿足以下數學式之0.003＜t/f＜0.3的條件。
本說明書中，所謂「配置成第一繞射光學面與第二繞射光學面彼此相對」的表現方式，係對應於包含：「配置成第一繞射光學面與第二繞射光學面彼此接觸」之狀態，與「配置成第一繞射光學面與第二繞射光學面彼此隔開間隔而相對」之狀態的廣泛概念。
此外，按照例示本發明之第二態樣提供一種光學機器，其特徵為：具有前述態樣之繞射光學系統。
如以上之說明，採用本發明可提供如適合觀察光學系統及投射光學系統等之小型輕薄型，且具有優良的光學性能(特別是色像差修正)的繞射光學系統及光學機器。
以下，就本發明之實施形態，參照圖式作說明。針對先前折射光學系統及反射光學系統無法達到之高性能化、小型化，而進行各種嘗試，例如在光碟用之拾取用透鏡等的光學系統中***繞射光學面。但是，具有此種繞射光學面之單層型的光學繞射元件，存在因偏離設計波長之波長帶的光而發生閃爍，損害畫質及成像性能的問題。其之使用限定於使用在雷射光源等之單一波長或窄波長帶。
因此，近年來提出有稱為複層型(或是疊層型)之繞射光學元件。此種類型之繞射光學元件係具有形成鋸齒狀之繞射光學面(起伏圖樣(relief pattern))，以使具有不同折射率及分散之複數個光學元件要素分離或密合的形式而層疊，在希望之寬波長帶(如可視光區域)的大致全部區域保持高繞射效率。亦即，具有波長特性良好之特徵。
在此，就複層型之繞射光學元件的構造作說明，一般而言，如第一(a)圖所示，係由第一材質而構成之第一光學元件要素11，及由與其相比折射率及分散值不同之第二材質而構成的第二光學元件要素12而構成，各個光學元件要素相對之面如圖所示地形成鋸齒狀。而後，為了對特定之二個波長滿足消色條件，而將第一光學元件要素11之格柵高度(溝的高度)h1決定成指定的值，並將第二光學元件要素12之格柵高度h2決定成另外指定的值。藉此，對特定之二個波長的繞射效率為1.0，對其他波長亦可獲得相當高之繞射效率。另外，所謂繞射效率，係定義成在透過型之繞射光學元件中，入射於該繞射光學元件之光的強度I0 ，與透過繞射光學元件之光中包含的一次繞射光之強度I1 的比率η(=I1 /I0 )。
此外，如第一(b)圖所示，提出有使第一光學元件要素11中之繞射光學面11a的格柵高度h1與第二光學元件要素12中之繞射光學面12a的格柵高度h2一致之密合複層型的繞射光學元件PF。該密合複層型之繞射光學元件PF係在第一光學元件要素11中形成繞射光學面之面狀地使第二光學元件要素12密合接合的構成，且具有以下優點：繞射光學面之格柵高度的誤差靈敏度(公差)比分離複層型寬鬆，或是格柵面之面粗度的誤差靈敏度(公差)寬鬆等製造容易的優點，以及生產性優，量產性高，有助於光學製品之成本降低的優點。此外，在第一光學元件要素11及第二光學元件要素12中，亦可先精密地形成任何一方之光學元件要素，其後，流入UV硬化型樹脂等而將另一方光學元件要素成型。此時，優點是具有先形成之格柵成為模型，爾後成型之格柵亦可精密地形成，而兩者完全不產生偏心。如此，藉由將繞射光學元件形成複層型，可對大致全部波長適用繞射光學元件，而可輕易地使用於利用寬波長帶之白色光的靜物相機的攝像透鏡，及在可視帶域使用之接眼透鏡等。
本發明係關於應用此種複層型之繞射光學元件的小型輕薄型之光學系統者。特別是藉由指定之光學材料形成構成繞射光學元件之第一光學元件要素及第二光學元件要素，而獲得小型輕薄型且具有優異光學性能之光學系統者。
以下，就本實施形態之繞射光學系統作說明。本實施形態之繞射光學系統具有：具有第一繞射光學面之凹透鏡成分、與具有第二繞射光學面之光學構件，前述凹透鏡成分與前述光學構件配置成前述第一繞射光學面與前述第二繞射光學面彼此相對。亦即，係由凹透鏡成分與光學構件構成複層型之繞射光學元件。如此，藉由在光學系統中***複層型之繞射光學元件，可實現一種涵蓋寬廣波長範圍良好地修正色像差，確保充分高之繞射效率的小型輕薄型且具有優異光學性能的光學系統。換言之，本實施形態之繞射光學系統藉由利用複層型之繞射光學元件的特性，在一側之格柵形成層上賦予折射力，增加像差修正自由度，而達成優異之光學性能。
另外，前述之繞射光學系統可用作攝影透鏡光學系統、接眼光學系統等之觀察光學系統，或是可在物體面附近放置顯示元件以用作投射光學系統。
構成複層型之繞射光學元件的二個光學元件要素，需要由一方之光學元件要素為相對性高折射率低分散的材料，且另一方光學元件要素為由相對性低折射率高分散的材料而構成，不過任何一方材料即使配置於物體側(光之入射側)亦無妨。密合複層型之繞射光學元件特別重要的是選定相對性高折射率低分散的材料與低折射率高分散之材料的組合。就密合複層型之繞射光學元件要素來說，為了使製造上之誤差靈敏度減低至希望之程度，在d線上之二個繞射光學構件(本光學系統中，係凹透鏡與光學構件)的折射率差宜為0.45以下。此外，二個繞射光學構件之折射率差更宜為0.2以下。
前述構成中，將凹透鏡成分之光軸上的厚度設為t，將繞射光學系統之焦點距離設為f時，宜滿足以下數學式(1)的條件。
0.003＜t/f＜0.3...(1)
前述條件式(1)係適切規定身為繞射光學系統全體薄型、輕型化重要的要素之凹透鏡成分的厚度t者。高於該條件式(1)之上限值時，凹透鏡成分之厚度過厚，不但損害小型輕型化，且因凹透鏡成分之構成材料(樹脂)增加光的吸收，而容易產生視野差色等的不妥當。另外，低於條件式(1)之下限值時，凹透鏡成分之厚度過薄，可能無法獲得指定之繞射光，或是會在光軸附近成型困難等之不妥當。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(1)之上限值設為0.2。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(1)之下限值設為0.005。
此外，將d線(波長587.6nm)上之凹透鏡成分與光學構件的折射率差設為ΔNd時，宜滿足以下數學式(2)的條件。
0.005＜ΔNd＜0.45...(2)
前述條件式(2)係就構成繞射光學元件之凹透鏡成分與光學構件的折射率差ΔNd規定適切之範圍者。高於該條件式(2)之上限值時，折射率差ΔNd過大，而發生繞射光學面之格柵對製造誤差的靈敏度過大的不妥當。另外，低於條件式(2)之下限值時，要求於繞射光學面之格柵高度過大，在製造上不利，或是因格柵之壁面(階差部分：第一(b)圖中以符號13表示)產生陰影，導致閃光之繞射效率降低，並且發生因入射於格柵之壁面的光散射或反射導致雜散光變大，而成為損害畫質的原因。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(2)之上限值設為0.2。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(2)之下限值設為0.15。
此外，將凹透鏡成分之焦點距離設為fN(＜0)，將繞射光學系統之焦點距離設為f時，宜滿足以下數學式(3)之條件。
-8.5＜fN/f＜-0.3...(3)
前述條件式(3)係規定凹透鏡成分之焦點距離fN與繞射光學系統之焦點距離f的適切比率者。高於該條件式(3)之上限值時消色不足。另外，低於條件式(3)之下限值時消色過剩，並且緣端之厚度過厚而成形困難。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(3)之上限值設為-0.5。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(3)之下限值設為-5.0。
又，將凹透鏡成分之光軸上的厚度設為t，將繞射光學系統之光軸上的總厚設為s，並將從瞳孔至像面之距離設為L時，宜滿足以下數學式(4)之條件。
0.00015＜(t‧s)/L2 ＜0.1...(4)
前述條件式(4)係以瞳孔至像面之距離L規定適當之凹透鏡成分的厚度t與繞射光學系統之總厚s者。高於該條件式(4)之上限值時，繞射光學系統之總厚s與凹透鏡成分之厚度t的至少一方過大，而發生不妥當：導致透鏡系統大型化，或是凹透鏡成分之厚度變厚而成形困難，或是光之吸收增加。另外，低於條件式(4)之下限值時，繞射光學系統之總厚s與凹透鏡成分之厚度t的至少一方過小，而發生不妥當：慧形像差之修正容易不足，或是因凹透鏡成分之厚度不足而成形困難。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(4)之上限值設為0.005。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(4)之下限值設為0.003。
又，將d線、g線、C線及F線之光譜在光軸方向的擴散幅度設為Δ，將繞射光學系統之焦點距離設為f時，宜滿足以下數學式(5)之條件。
0.001＜Δ/f＜0.1...(5)
前述條件式(5)係規定軸上色像差之適切修正範圍的條件者。該條件式(5)高於上限值時，軸上色像差過大，成為差色之圖像，而大幅損害畫質。另外，將條件式(5)低於下限值時，格柵溝之間距過小，不但製造困難，且很可能因窄間距之格柵而發生閃爍，以致損害畫質。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(5)之上限值設為0.08。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(5)之下限值設為0.002。
又，將在d線之繞射效率設為Ed，將在g線之繞射效率設為Eg，將在C線之繞射效率設為EC時，宜滿足以下數學式(6)之條件。
(Eg+EC)/(2×Ed)＞0.8...(6)
前述條件式(6)係就繞射效率對於已寬波長域化之使用光的平衡規定適切之範圍者。低於該條件式(6)之下限值時，對主波長之d線，相對短波長之g線及長波長之C線中，至少一方波長中之繞射效率過低，以致繞射閃爍變大而損害畫質。亦即，閃光之以外波長及畫角等的光成為不需要之繞射光，而很可能發生閃爍，無法獲得良好之畫質。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(6)之上限值設為0.95。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(6)之下限值設為0.9。
又，將凹透鏡成分之光軸上的厚度設為t，將光學構件之光軸上的厚度設為dN，並將繞射光學系統之光軸上的總厚設為s時，宜滿足以下數學式(7)之條件。
0.03＜(t+dN)/s＜0.5...(7)
前述條件式(7)係規定繞射透鏡部分之厚度(在凹透鏡成分之光軸上的厚度t上加上光學構件之光軸上的厚度dN者)的適切範圍者。高於該條件式(7)之上限值時，因為繞射透鏡部分之厚度過厚，成形困難，因樹脂導致光之吸收亦增加，閃爍變大，無法獲得良好之畫質，因此不宜。另外，低於條件式(7)之下限值時，繞射透鏡部分之厚度過薄，無法獲得指定之繞射光，因而不宜。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(7)之上限值設為0.3。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(7)之下限值設為0.05。
又，將第一繞射光學面之格柵高度設為h，將凹透鏡成分之光軸上的厚度與光學構件之光軸上的厚度中較薄一方的厚度設為d時，宜滿足以下數學式(8)之條件。
10＜h/d＜500...(8)
前述條件式(8)係規定為了形成薄格柵之格柵高度h以及凹透鏡成分之光軸上厚度與光學構件之光軸上厚度中較薄一方的厚度d之適切關係者。藉由滿足該條件式(8)，可獲得良好之畫質。又，高於條件式(8)之上限值時，格柵高度h對前述厚度d相對過高，不僅製作格柵形狀困難，還會發生格柵之階差部分變大，因照到階差部分之光所造成的散射等，而容易發生雜散光的不妥當。另外，低於條件式(8)之下限值時，形成格柵之光學材料過厚，不僅製作格柵形狀困難，還會發生材料之內部吸收增加，而有光學系統整體之透過率惡化，或是容易引起差色的不妥當。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(8)之上限值設為300。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(8)之下限值設為20。
再者，在本實施形態之繞射光學系統中，為了達成更優異之光學性能及規格，宜滿足以下之條件式。
將在d線上之前述凹透鏡成分與前述光學構件之折射率差設為ΔNd，將d線作為基準之前述凹透鏡成分與前述光學構件的阿貝常數(Abbe constant)之差設為Δνd時，宜滿足以下數學式(9)之條件。
50＜Δν d/ΔNd＜2000...(9)
前述條件式(9)係為了在涵蓋指定之波長帶獲得高繞射效率，規定構成密合複層型之繞射光學元件的高折射率低分散之材料與低折射率高分散之材料的光學構件之適切關係者。高於該條件式(9)之上限值時，無法獲得在涵蓋寬廣波長域之高繞射效率，閃光之以外波長及畫角等的光成為不需要之繞射光，很可能發生閃爍，而無法獲得良好之畫質。另外，低於條件式(9)之下限值時，同樣地無法獲得在涵蓋寬廣波長帶之高繞射效率。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(9)之上限值設為700。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(9)之下限值設為100。
又，將在d線上之繞射效率設為Ed，將在g線上之繞射效率設為Eg，將在C線上之繞射效率設為EC，將繞射光學系統之焦點距離設為f，並將d線、g線、C線及F線之光譜的光軸方向之擴散幅度設為Δ時，宜滿足以下數學式(10)之條件。
(Ed+Eg+EC)‧f/Δ＞200...(10)
前述條件式(10)係規定適切之軸上色像差的修正範圍與繞射效率之寬波長帶化的條件者。該條件式(10)顯示若其數值愈大，則對涵蓋寬波長帶之波長繞射效率愈高，軸上色像差愈小。又，低於條件式(10)之下限值時，達到所要之繞射效率及色像差修正困難，因此不宜。又，為了確實獲得本實施形態之效果，宜將條件式(10)之下限值設為400。
實際上，構成本實施形態之繞射光學系統時，更宜滿足以下所述之要件。
本實施形態中之繞射光學系統的透鏡構成，從觀察側或屏幕側起，包含第一凸透鏡成分、及第二凸透鏡成分與(形成有第一繞射光學面之)凹透鏡成分的接合透鏡而構成。而後，凹透鏡與光學構件中，一方由相對高折射率低分散材料而形成，另一方由相對低折射率高分散材料而形成。又，構成繞射光學系統之基礎透鏡(本實施形態係凹透鏡)亦可為玻璃或樹脂，不過，使用折射率及分散種類多之玻璃時，有利於成像性能之高性能化，使用樹脂時，因為比重(比玻璃)小，所以有利於透鏡系統之輕型化。
又，第一繞射光學面配設於朝向瞳孔之凹面，前述第一繞射光學面之格柵的階差部分宜對光軸傾斜而形成。藉由該構成，可減少因傾斜入射之光線造成散射及反射所造成的閃爍，而可獲得良好之畫質。又，為了抑制雜散光及閃爍之發生，宜將繞射光學面之階差部分的表面(參照第一(b)圖之編號13)形成微細之階梯狀，或是塗黑(亦即所謂黑化處理)。
又，形成繞射光學面(格柵)之光學構件(本光學系統係凹透鏡成分及光學構件)，為了良好地保持成形性，並確保優異之量產性，構成任何一方光學元件要素之材料的黏度(未硬化物黏度)至少宜為5mPa‧s以上，50000mPa‧s以下。該黏度為5mPa‧s以下時，在成形中樹脂容易流動，形成精密之形狀困難，作業性亦低劣。此外，黏度為50000mPa‧s以上時，樹脂不易流動，作業性差，或容易混入氣泡。
再者，形成繞射光學面(格柵)之光學構件，為了使生產效率提高，均宜使用UV硬化型樹脂而形成。藉此，可精簡工時，亦有助於成本降低，方為妥當。
此外，如前述，形成繞射光學面(格柵)之光學構件均係樹脂時，為了小型化、輕型化，此等樹脂之比重均宜為2.0以下。因為樹脂的比重比玻璃的小，所以在光學系統之輕型化上非常有效。進一步發揮效果時，比重更宜為1.6以下。
又，形成繞射光學面(格柵)之光學構件中，亦可在任何樹脂中混入色素，而使其具有彩色濾光器效果。例如為了因應CCD之雜散光的對策，亦可構成紅外線截止濾光器等，而構成小型攝像光學系統。
又，光圈可隨意地設置於光學系統之光程中，不過，宜構成截止不需要之光線，而僅使有用於成像之光線通過。例如亦可將透鏡框本身作為孔徑光闌，亦可在從透鏡離開之位置，以機械構件構成光圈。又，光圈之形狀依設計規格，不限於圓形，亦可為橢圓或矩形。
又，將本實施形態之繞射光學系統用於觀察光學系統時，宜使用於其放大鏡倍率為二倍以上，且二十倍以下之觀察光學系統。又，由***本繞射光學系統而獲得之複數個構成要素而構成的光學系統，亦並非脫離本發明之範圍者。再者，關於***折射率分布型透鏡、結晶材料透鏡等而獲得之繞射光學系統亦同樣。
[實施例]
以下，依據圖式說明各實施例。以下顯示表一至表三，而此等係第一至第三實施例中之各諸元表。任何一個表中均是面編號表示透鏡面從眼點EP側起的順序，r表示各透鏡面之曲率半徑，d表示身為從各光學面至其次之光學面(或像面)在光軸上之距離的面間隔，nd表示對d線(波長587.56nm)的折射率，ng表示對g線(波長435.8nm)的折射率，nC表示對C線(波長656.3nm)的折射率，nF表示對F線(波長486.1nm)的折射率。另外曲率半徑r係朝向眼點側，將凸面之曲率作為正，朝向眼點側，將凹面之曲率半徑作為r。又，曲率半徑r之「0.00000」表示平面。又，表中亦顯示對應於前述條件式(1)至(10)之值(條件式對應值)。
又，表中之曲率半徑、面間隔及其他長度單位通常使用「mm」。但是，由於光學系統即使正比例放大或正比例縮小仍可獲得同等之光學性能，因此單位不限定於「mm」，亦可使用其他適當之單位。
又，表中在面編號右側註記＊符號之非球面，在將垂直於光軸之方向的高度設為y，將從非球面頂點上的切平面至高度y中非球面上的位置之沿著光軸的距離(垂度)設為S(y)，將基準球面之曲率半徑(近軸曲率半徑)設為r，將圓錐係數設為κ，並將n次之非球面係數設為Cn時，由以下之數學式(a)來表示。又，En表示×10n 。如1.234E-05=1.234×10-5 。
S(y)=(y2 /r)/{1+(1-κ‧y2 /
r2 )1/2 }+C2×y2 +C4×y4 +C6×y6 +C8×y8 +C10×y10 ...(a)
又，表中之透鏡諸元中，繞射光學面按照使用前述數學式(a)而進行之超高折射率法來表現。超高折射率法係將密合複層型之繞射光學元件的繞射光學面視為「薄透鏡」，藉由非常高之折射率的光學構件與非球面式來表現繞射光學面之光學特性者。如此，各實施例中，非球面透鏡面及繞射光學面均使用數學式(a)，不過用於非球面透鏡面之數學式(a)顯示透鏡面之非球面形狀者，用於繞射光學面之數學式(a)顯示繞射光學面之性能的諸元。又，本實施例之像差特性的算出對象，係選擇d線(波長587.6nm，折射率10001)、C線(波長656.3nm，折射率11170.4255)、F線(波長486.1nm，折射率8274.7311)及g線(波長435.8nm，折射率7418.6853)。
(第一實施例)
就第一實施例，使用第二圖至第四圖及表一作說明。如第二圖所示，第一實施例之接眼光學系統，如係在藉由物鏡系統所形成之中間影像這樣的觀察物體OB與眼點EP間之光程中，從眼點EP(觀察眼側)起依序具有：物體側透鏡面係非球面形狀，且凹面朝向眼點側的正彎月形透鏡L1(第一凸透鏡成分)；以及在眼點EP側透鏡面經由繞射光學面，而具備光學構件之雙凹透鏡L21(凹透鏡成分)與雙凸透鏡L22(第二凸透鏡成分)的接合透鏡L2而構成。亦即，第一實施例藉由雙凹透鏡L21與鄰接於其之光學構件而構成密合複層型之繞射光學元件PF。又，該接眼光學系統之全畫角係32.4度。
表一中顯示第一實施例中之各諸元表。又，表一中之面編號1至8與第二圖中之面編號1至8對應。表一中相當於面編號3之透鏡面表現了非球面，面編號5之折射率資料及非球面資料表現了密合複層型之繞射光學元件PF的繞射光學面之光學特性。
從表一所示之諸元表瞭解，本實施例之繞射光學系統完全滿足前述條件式(1)至(10)。
第三圖係顯示第一實施例之球面像差、像散像差、畸變像差及慧形像差之圖。又，像差狀況顯示從眼點EP側進行光線描跡的結果。各像差圖中，FNO表示F號碼，Y表示觀察物體OB中之物體高(中間影像之像高)，d表示d線(波長587.6nm)，g表示g線(波長435.6nm)，F表示F線(波長486.1nm)，C表示C線(波長656.3nm)。又，球面像差圖係顯示NA對最大口徑之值，像散像差圖及畸變像差圖係顯示像高之最大值，慧形像差圖係顯示各像高之值。又，像散像差圖之實線係表示徑向像面(sagittal image surface)，虛線表示子午像面(meridional image surface)。以上之像差圖的說明在其他實施例中亦同，而省略其說明。從各像差圖明瞭，第一實施例良好地修正了各像差，而確保優異之成像性能。
又，第四圖所示之曲線A及B係d線上之繞射效率成為100%的方式所設定之繞射效率的分布，且曲線A表示在雙凹透鏡L21之表面形成了繞射格柵溝之單層型繞射光學元件中的繞射效率，曲線B表示由前述雙凹透鏡L21與經由繞射光學面而鄰接於其之光學構件構成的複層型之繞射光學元件PF中的繞射效率。本實施例中，瞭解藉由將繞射光學元件PF形成複層型，而在從g線至C線的波長區域獲得0.95(95%)以上的高繞射效率(光強度)。
(第二實施例)
就第二實施例，使用第五圖、第六圖及表二作說明。如第五圖所示，第二實施例之接眼光學系統，係從眼點EP(觀察眼側)起依序具有：在眼點EP側透鏡面經由繞射光學面，而具備光學構件之雙凹透鏡L11(凹透鏡成分)與雙凸透鏡L12(第二凸透鏡成分)的接合透鏡L1，以及物體側透鏡面係非球面形狀的雙凸透鏡L2(第一凸透鏡成分)而構成。亦即，第二實施例藉由雙凹透鏡L11與鄰接於其之光學構件而構成密合複層型之繞射光學元件PF。又，該接眼光學系統之全畫角係31.1度。
表二中顯示第二實施例中之各諸元表。又，表二中之面編號1至8與第五圖中之面編號1至8對應。表二中相當於面編號7之透鏡面表現了非球面，面編號3之折射率資料及非球面資料表現了密合複層型之繞射光學元件PF的繞射光學面之光學特性。
從表二所示之諸元表瞭解，本實施例之繞射光學系統完全滿足前述條件式(1)至(10)。
第六圖係顯示第二實施例之球面像差、像散像差、畸變像差及慧形像差之圖。從各像差圖明瞭，第二實施例良好地修正了各像差，而確保優異之成像性能。
(第三實施例)
就第三實施例，使用第七圖、第八圖及表三作說明。如第七圖所示，第三實施例之接眼光學系統，係從眼點EP(觀察眼側)起依序具有：物體側透鏡面係非球面形狀，且凹面朝向眼點EP側的正彎月形透鏡(第一凸透鏡成分)L1；以及雙凸透鏡L21(第二凸透鏡成分)與在眼點EP側透鏡面經由繞射光學面，而具備光學構件之雙凹透鏡L22(凹透鏡成分)的接合透鏡L2而構成。亦即，第三實施例藉由雙凹透鏡L22與鄰接於其之光學構件而構成密合複層型之繞射光學元件PF。又，該接眼光學系統之全畫角係34.6度。
表三中顯示第三實施例中之各諸元表。表三中之面編號1至8與第七圖中之面編號1至8對應。表三中相當於面編號3之透鏡面表現了非球面，面編號6之折射率資料及面編號7之非球面資料表現了密合複層型之繞射光學元件PF的繞射光學面之光學特性。
從表三所示之諸元表瞭解，本實施例之繞射光學系統完全滿足前述條件式(1)至(10)。
第八圖係顯示第三實施例之球面像差、像散像差、畸變像差及慧形像差之圖。從各像差圖明瞭，第三實施例良好地修正了各像差，而確保優異之成像性能。
(第四實施例)
就第四實施例，使用第九圖、第十圖及表四作說明。如第九圖所示，第四實施例之接眼光學系統，係在藉由物鏡系統所形成之中間影像的觀察物體OB與眼點EP間之光程中，從眼點EP(觀察眼側)起依序具有：雙凸透鏡(凸透鏡成分)L1；與在觀察物體OB側透鏡面，經由繞射光學面具備光學構件，且凹面朝向眼點EP側的負彎月形透鏡L2(凹透鏡成分)之接合透鏡而構成。亦即，第四實施例藉由負彎月形透鏡L2與具備其光學構件而構成密合複層型之繞射光學元件PF。另外，該接眼光學系統之全畫角係26.7度。又，雙凸透鏡L1之眼點EP側透鏡面及光學構件之觀察物體OB側透鏡面均係非球面(相當於後述之表四中的面編號2及面編號6)。
表四中顯示第四實施例中之各諸元表。表四中之面編號1至6與第九圖中之面編號1至6對應。又，表四中藉由面編號4之折射率資料及非球面資料表現了密合複層型之繞射光學元件PF的繞射光學面之光學特性。
(表四) [透鏡諸元]
從表四所示之諸元表瞭解，本實施例之繞射光學系統完全滿足前述條件式(1)至(10)。
第十圖係顯示第四實施例之球面像差、像散像差、畸變像差及慧形像差之圖。從各像差圖明瞭，第四實施例良好地修正了各像差，而確保優異之成像性能。
(第五實施例)
就第五實施例，使用第十一圖、第十二圖及表五作說明。如第十一圖所示，第五實施例之接眼光學系統，係在藉由物鏡系統所形成之中間影像的觀察物體OB與眼點EP間之光程中，從眼點EP(觀察眼側)起依序具有：雙凸透鏡(凸透鏡成分)L1；凹面朝向眼點EP側之負彎月形透鏡L2(第一凹透鏡成分)；及在觀察物體OB側透鏡面經由繞射光學面具備光學構件，且凹面朝向眼點EP側之負彎月形透鏡L3(第二凹透鏡成分)之接合透鏡而構成。亦即，第五實施例藉由負彎月形透鏡L3與具備其之光學構件而構成密合複層型之繞射光學元件PF。又，該接眼光學系統之全畫角係15.2度。又，雙凸透鏡L1之眼點EP側透鏡面及光學構件之觀察物體OB側透鏡面均係非球面(相當於後述之表五中的面編號2及面編號7)。
表五中顯示第五實施例中之各諸元表。表五中之面編號1至7與第十一圖中之面編號1至7對應。又，表五中藉由面編號5之折射率資料及非球面資料表現了密合複層型之繞射光學元件PF的繞射光學面之光學特性。
從表五所示之諸元表瞭解，本實施例之繞射光學系統完全滿足前述條件式(1)至(10)。
第十二圖係顯示第5實施例之球面像差、像散像差、畸變像差及慧形像差之圖。從各像差圖明瞭，第五實施例良好地修正了各像差，而確保優異之成像性能。
(第六實施例)
就第六實施例，使用第十三圖、第十四圖及表六作說明。如第十三圖所示，第六實施例之接眼光學系統，係在藉由物鏡系統所形成之中間影像的觀察物體OB與眼點EP間之光程中，從眼點EP(觀察眼側)起依序具有：在眼點EP側透鏡面經由繞射光學面具備光學構件，且凸面朝向眼點EP側之負彎月形透鏡L1(凹透鏡成分)，與雙凸透鏡(凸透鏡成分)L2之接合透鏡而構成。亦即，第六實施例藉由負彎月形透鏡L1與具備其之光學構件而構成密合複層型之繞射光學元件PF。又，該接眼光學系統之全畫角係24.2度。又，光學構件之眼點EP側透鏡面及雙凸透鏡L2之觀察物體OB側透鏡面均係非球面(相當於後述之表六中的面編號2及面編號6)。
表六中顯示第六實施例中之各諸元表。表六中之面編號1至6與第十三圖中之面編號1至6對應。又，表六中藉由面編號3之折射率資料及面編號4之非球面資料表現了密合複層型之繞射光學元件PF的繞射光學面之光學特性。
從表六所示之諸元表瞭解，本實施例之繞射光學系統完全滿足前述條件式(1)至(10)。
第十四圖係顯示第六實施例之球面像差、像散像差、畸變像差及慧形像差之圖。從各像差圖明瞭，第六實施例良好地修正了各像差，而確保優異之成像性能。
為了作比較，而在表七上顯示前述各實施例中，透鏡系統中無繞射光學元件PF時，對於透鏡系統中有繞射光學元件PF時，發生何種程度之色像差(軸上色像差及倍率色像差)。
從表七瞭解前述各實施例中，比較透鏡系統中無繞射光學元件與透鏡系統中有繞射光學元件PF時，軸上色像差及倍率色像差均惡化。換言之，瞭解因為前述之各實施例在接眼光學系統中***滿足所需條件之(密合複層型的)繞射光學元件PF，所以藉由該複層型之繞射光學元件PF的作用，涵蓋寬廣波長帶良好地修正了色像差。而這樣在各實施例中，可實現小型輕薄型且具有優異光學性能的接眼光學系統。
又，前述各實施例係在接眼光學系統中***密合複層型之繞射光學元件PF，不過不限定於此，藉由***分離複層型之繞射光學元件亦可獲得同樣之效果。
又，前述各實施例係在接眼光學系統中適用本發明，不過不限定於此，即使對於接眼光學系統以外之觀察光學系統，對屏幕投射配置於各實施例之觀察物體的位置之顯示元件的圖像之投射光學系統，或是具備凹透鏡之一般繞射光學系統，仍可適用本發明。
在此，就對於投射光學系統適用前述第一實施例之繞射光學系統(參照第二圖)的情況作說明時，如使用將正彎月形透鏡L1投入0.565mm眼點EP側之第一實施例的光學系統，藉由將配置於觀察物體OB之位置的顯示元件(如液晶顯示裝置等)之圖像投射於放置在眼點EP之位置前1m的屏幕上，可放大觀察前述顯示元件之圖像。又，此時投影倍率係41.97倍，並以對角長578mm(約23吋)放大投射顯示元件之圖像於屏幕上。第十五圖中顯示適用第一實施例之投射光學系統的球面像差、像散像差、畸變像差及慧形像差。從各像差圖明瞭，該投射光學系統良好地修正了各像差，而確保優異之成像性能。
其次，就使用前述實施形態之繞射光學系統的光學機器簡單作說明。
第十六圖係使用前述實施形態之繞射光學系統的頭戴式顯示器之概略構成圖。頭戴式顯示器係裝設於使用者之頭部而提供使用者影像及聲音的系統，且由頭戴耳機型之頭部裝設部40；可安裝於頭部裝設部40之顯示器單元部50；及供給聲音信號及影像信號至顯示器單元部50，並供給電力至各構件的再生機器部60而構成。
頭部裝設部40由裝設至使用者時位於該使用者左右耳附近的一對喇叭部41；藉由該喇叭部41賦予夾著使用者之頭部的施加力之支臂部42；及分別從一對喇叭部41弧狀延伸，而掛在使用者耳朵用的掛耳構件43而構成。喇叭部41分別具有可與顯示器單元部50之結合部51嵌合的形狀，在外側設有與該顯示器單元部50之電接點44。又，在喇叭部41尚未安裝顯示器單元部50時，藉由安裝虛擬蓋55而使外觀良好。
其次，顯示器單元部50由可嵌合於喇叭部41外側之結合部51；安裝於結合部51，具備收納後述之顯示器支臂53的空間之收納部52；及可收納於收納部52或拉出，在其頂端安裝有***液晶顯示元件或前述實施形態之繞射光學系統等的顯示部54之顯示器支臂53而構成。又，顯示器單元部50以與再生機器部60連接，將從再生機器部60供給之電力及影像信號供給至顯示部54，且將聲音信號供給至結合部51之方式組裝配線。
結合部51具有可與喇叭部41之電接點44連接的電接點(省略圖示)，經由該電接點(省略圖示)而供給聲音信號至喇叭部41。
顯示器支臂53如前述可收納於收納部52，本頭戴式顯示器裝設時，係以顯示部54位於使用者眼前之方式，而從收納部52送出顯示器支臂53來使用。又，不裝設時，可將顯示器支臂53收納於收納部52內。
如第十六圖所示，顯示部54藉由顯示器支臂53以懸臂樑構造而支撐。因而，要求顯示部54之小型化及輕型化。設於顯示部54內之該光學系統由液晶顯示元件，形成液晶顯示元件之影像的虛擬影像的繞射光學系統，照明液晶顯示元件之背光，及將背光之光聚光而擴散之照明光學元件而構成。照明光學元件之背光側成為將該背光之光聚光用的透鏡面，液晶顯示元件側成為毛玻璃狀或微透鏡陣列狀之擴散面，藉由該構成而將液晶顯示元件的照明分布均一化。又，透鏡面亦可係菲涅耳透鏡形狀。
在此，由於繞射光學系統係在前述之本實施形態中說明的繞射光學系統，且兼具折射作用之聚光作用與繞射作用，所以，藉由繞射作用而使因折射作用產生之色像差抵銷。因此，如前述，即使使用於頭戴式顯示器之接眼透鏡，而投影全彩之影像，仍可將高品質之影像提供使用者。
前述實施形態就光學機器之例，係顯示頭戴式顯示器，不過利用本實施形態之繞射光學元件的光學機器並非限定於此者，只要不脫離發明之要旨，還可對其他各種光學系統、光學機器(如相機、投影機等)應用，而可獲得良好之光學性能。
如前述，為了容易瞭解本發明，係附加實施形態之構成要件作說明，不過，本發明當然並非限定於此者。
11．．．第一光學元件要素
11a,11b．．．繞射光學面
12．．．第二光學元件要素
12a．．．繞射光學面
13．．．格柵之壁面(階差部分)
40．．．頭部裝設部
41．．．喇叭部
42．．．支臂部
43．．．掛耳構件
44．．．電接點
50．．．顯示器單元部
51．．．結合部
52．．．收納部
53．．．顯示器支臂
54．．．顯示部
55．．．虛擬蓋
60．．．再生機器部
EP．．．眼點
PF．．．密合複層型之繞射光學元件
OB．．．觀察物體
L1．．．正彎月形透鏡、雙凸透鏡、負彎月形透鏡
L11．．．雙凹透鏡
L12．．．雙凸透鏡
L2．．．接合透鏡、負彎月形透鏡、雙凸透鏡
L21．．．雙凹透鏡、雙凸透鏡
L22．．．雙凸透鏡、雙凹透鏡
L3．．．負彎月形透鏡
h1．．．繞射光學面11a之格柵高度
h2．．．繞射光學面12a之格柵高度
第一圖係複層型之繞射光學元件的模式剖面圖，(a)係分離複層型之繞射光學元件的模式剖面圖，(b)係密合複層型之繞射光學元件的模式剖面圖。
第二圖係顯示第一實施例之光學系統的構成圖。
第三圖係第一實施例之各像差圖。
第四圖係顯示密合複層型之繞射光學元件對各波長的繞射效率圖。
第五圖係顯示第二實施例之光學系統的構成圖。
第六圖係第二實施例之各像差圖。
第七圖係顯示第三實施例之光學系統的構成圖。
第八圖係第三實施例之各像差圖。
第九圖係顯示第四實施例之光學系統的構成圖。
第十圖係第四實施例之各像差圖。
第十一圖係顯示第五實施例之光學系統的構成圖。
第十二圖係第五實施例之各像差圖。
第十三圖係顯示第六實施例之光學系統的構成圖。
第十四圖係第六實施例之各像差圖。
第十五圖係將第一實施例之光學系統適用於投射光學系統時的各像差圖。
第十六圖係使用繞射光學系統之頭戴式顯示器的概略構成圖。
1～8．．．面編號
EP．．．眼點
L1．．．正彎月形透鏡、雙凸透鏡、負彎月形透鏡
L2．．．接合透鏡、負彎月形透鏡、雙凸透鏡
L21．．．雙凹透鏡、雙凸透鏡
L22．．．雙凸透鏡、雙凹透鏡
PF．．．密合複層型之繞射光學元件

Claims (10)

  1. 一種繞射光學系統，係包含繞射光學元件，其特徵為：前述繞射光學元件具有：凹透鏡成分，其係具有第一繞射光學面；及光學構件，其係具有第二繞射光學面；前述凹透鏡成分與前述光學構件係依前述第一繞射光學面與前述第二繞射光學面彼此相對而配置，將前述凹透鏡成分之光軸上的厚度設為t，將前述繞射光學系統之焦點距離設為f時，滿足以下數學式0.003<t/f<0.3之條件，此外，將前述凹透鏡成分之焦點距離設為fN(<0)，將前述繞射光學系統之焦點距離設為f時，滿足以下數學式-8.5<fN/f<-0.3之條件。
  2. 如申請專利範圍第1項之繞射光學系統，其中將d線上之前述凹透鏡成分與前述光學構件的折射率差設為△Nd時，滿足以下數學式0.005<△Nd<0.45之條件。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之繞射光學系統，其中將前述凹透鏡成分之光軸上的厚度設為t，將前述繞射光學系統之光軸上的總厚設為s，並將從瞳孔至像面之距離設為L時，滿足以下數學式0.00015<(t‧s)/L2 <0.1 之條件。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之繞射光學系統，其中將d線、g線、C線及F線之光譜在光軸方向的擴散幅度設為△，將前述繞射光學系統之焦點距離設為f時，滿足以下數學式0.001<△/f<0.1之條件。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項之繞射光學系統，其中將在d線之繞射效率設為Ed，將在g線之繞射效率設為Eg，將在C線之繞射效率設為EC時，滿足以下數學式(Eg+EC)/(2×Ed)>0.8之條件。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項之繞射光學系統，其中將前述凹透鏡成分之光軸上的厚度設為t，將前述光學構件之光軸上的厚度設為dN，並將前述繞射光學系統之光軸上的總厚設為s時，滿足以下數學式0.03<(t+dN)/s<0.5之條件。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項之繞射光學系統，其中將前述第一繞射光學面之格柵高度設為h，將前述凹透鏡成分之光軸上的厚度與前述光學構件之光軸上的厚度中較薄一方的厚度設為d時，滿足以下數學式10<h/d<500之條件。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項之繞射光學系統，其中包含：第一凸透鏡成分、以及第二凸透鏡成分與前 述凹透鏡成分的接合透鏡，前述凹透鏡成分及前述光學構件中，一方係由相對高折射率低分散材料而形成，另一方係由相對低折射率高分散材料而形成。
  9. 如申請專利範圍第1項或第2項之繞射光學系統，其中前述第一繞射光學面配設於朝向瞳孔之凹面，前述第一繞射光學面之格柵的階差部分對光軸傾斜而形成。
  10. 一種光學機器，其特徵為：具有申請專利範圍第1項至第9項中任一項之繞射光學系統。
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