CN103201666B - 光学系统、图像显示装置和成像装置 - Google Patents

光学系统、图像显示装置和成像装置 Download PDF

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Abstract

该光学系统（100）具有棱镜（12）和衍射光学元件（13）。并且，棱镜（12）具有用于校正偏心像差的非旋转对称的非球面表面，且衍射光学元件（13）包括衍射光学表面（DM），该衍射光学表面具有关于光学系统（100）的光轴（Ax）不对称的栅格结构。将衍射光学表面（DM）的对于e线(546.074nm)的折射率差视为ΔNe，满足以下条件：0.53>ΔNe>0.005。

Description

光学系统、图像显示装置和成像装置
技术领域
本发明涉及具有自由形状表面棱镜的光学系统、图像显示装置以及成像装置，该棱镜含有衍射光学元件。
背景技术
近年来，正开始使用关于光轴不对称的非球面表面，即，“自由形状表面（free-shapedsurface）”。与旋转对称的光学系统不同，自由形状表面具有布局上的自由度和像差校正上的自由度，且因此有益于使得有可能获得小的且高性能的光学系统。特别地，涉及具有自由形状表面的棱镜的技术使得有可能利用用于注射模制的玻璃和/或树脂的材料上的和模制技术上的进步来获得高度精确的形状，且由此具有实现小的、高规格和高性能的光学系统的高潜力。但是，棱镜的分光性能可导致光学系统的色差。
专利文件1公开了一种光学系统，其中衍射光学元件（DOE）被设置在具有自由形状表面的偏心棱镜和入瞳之间，以便校正由偏心棱镜引起的色差，由此有可能校正在单一偏心棱镜中剩余的剩余色差。
现有技术列表
专利文件
专利文件1：日本专利公开号3559624（B2）
发明内容
本发明要解决的问题
然而，在专利文件1公开的光学系统中，衍射光学元件的折射率差是0.59，且栅格（lattice）的制造误差灵敏度太大。
本发明的一个目的是提供一种高性能的光学系统，其中由棱镜引起的色差可以以更令人满意的方式被校正。
解决问题的手段
根据第一方面的光学系统包括棱镜和衍射光学元件。所述棱镜具有用于校正偏心像差的非旋转对称的非球面表面，且所述衍射光学元件包括衍射光学表面，所述衍射光学表面具有关于所述光学系统的光轴不对称的栅格结构。满足以下条件：
0.53>ΔNe>0.005(1)
其中ΔNe表示所述衍射光学表面对于e线（546.074nm）的折射率差。
根据第二方面的图像显示装置包括根据第一方面的光学系统以及用于显示通过所述光学系统引导并形成的图像的显示元件。
根据第三方面的图像显示装置包括根据第一方面的光学系统以及用于对通过所述光学系统引导并形成的图像进行成像的成像元件。
本发明的有益效果
本发明使得可以获得这样的高性能的光学系统：在该光学系统中，可以以令人满意的方式来校正由棱镜引起的色差。
附图说明
图1是光学系统100的侧视图；
图2A是衍射光学元件13的示意性横截面图，图2B是示出使用等高线CL1从+Z侧观看的衍射光学元件13的实例的平面图，图2C是示出使用等高线CL2从+Z侧观看的衍射光学元件13的另一实例的平面图；
图3是示出根据第一实施例的像差校正状态的点列图（spotdiagram）；
图4是根据第二实施例的光学系统200的侧视图；
图5是衍射光学元件23的示意性横截面图；
图6是示出根据第二实施例的像差校正状态的点列图；
图7是根据第三实施例的光学系统300的侧视图；
图8是示出根据第三实施例的像差校正状态的点列图；
图9是根据第四实施例的光学系统400的侧视图；
图10是示出根据第四实施例的像差校正状态的点列图；
图11A是示出头戴式图像显示器50的整体配置的透视图，图11B是安装主体501的侧视图；
图12是示出投影装置60的配置的示意图；以及
图13A是示出照相机（camera）70的整体配置的透视图，图13B是示出照相机70的配置的示意图。
具体实施方式
(第一实施例)
<光学系统100的整体配置>
图1是示出根据第一实施例的光学系统100的整体配置的侧视图。参考图1，将使用入射在光阑（stop）14上的光的光轴Ax的方向作为Z轴方向并使用垂直于Z轴方向的平面作为XY平面来进行描述。在图1中绘制了图像元件（imageelement）11和光阑14以帮助理解；但是，图像元件11和光阑14不包括在光学系统100中。如果例如光学系统100被用于诸如投影仪的图像显示装置，则图像元件11是诸如液晶面板的图像显示元件（见图12）。如果例如光学系统100被用于诸如照相机的成像装置，则图像元件11是诸如CCD的成像元件（见图13）。
如图1所示，光学系统100具有包括第一到第三表面121-123的偏心棱镜12，以及用于校正由偏心棱镜12引起的色差的衍射光学元件13。偏心棱镜12的第一到第三表面121-123是关于光轴Ax不对称的非旋转对称的非球面表面，用以校正偏心像差。图1示出的光学系统100将在图像元件11中产生的光引导朝向光阑14（见图12）或将从光阑14进入的光引导朝向图像元件11（见图13）。光阑14能够调整光量。
图2A是衍射光学元件13的示意性横截面图；图2B是示出使用等高线CL1从+Z侧观看的衍射光学元件13的实例的平面图；以及图2C是示出使用等高线CL2从+Z侧观看的衍射光学元件13的另一实例的平面图。衍射光学元件13为单层类型（表面浮雕型），其包括UV固化树脂材料或玻璃材料。如图2A所示，衍射光学元件13包括相息图类型（kinoform-type）的衍射光学表面DM，其具有连续的锯齿形的栅格结构。衍射光学表面DM具有作为向外凸出的曲面的衍射表面131以及以间距P1形成的沿着Z轴方向延伸的边缘表面（edgesurface）132。间距P1从光轴Ax朝向周边逐渐变窄。边缘表面132的高度h是一致的，而不考虑边缘表面132是朝向中心还是朝向周边。
在图2A中，边缘表面132是直线状的，并与光轴Ax平行。但是，边缘表面132可以是直线状的且相对于光轴Ax倾斜、是曲面状的或阶梯状的。具有阶梯状的边缘表面导致由具有不同波长的光产生的耀斑（flare）更均匀。
如图2B所示，衍射光学元件13A的衍射光学表面DB具有栅格结构，该栅格结构关于从图像元件11到光阑14（见图1）的光轴Ax不对称。特别地，当从基线BL和等高线CL1观看时，衍射光学表面DM相对于光轴Ax是椭圆的。在衍射光学元件13A中，等高线CL1（即，边缘表面）的间距P2同样沿着Y轴方向从光轴Ax朝向周边逐渐变窄。衍射光学元件13A的力（power）在等高线CL1之间的间隔较大的X轴方向上较弱，而衍射光轴元件13A的力在等高线CL1之间的间隔较小的Y轴方向上较强。
图2C示出的衍射光学元件13B是衍射光学元件13的另一实例。在图2C中，等高线CL2具有圆角矩形形状，且衍射光学元件13B同样具有关于光轴Ax不对称的栅格结构。在衍射光学元件13B中，等高线CL2（即，边缘表面）的间距P3同样沿着Y轴方向从光轴Ax朝向周边逐渐变窄。衍射光学元件13B的力在等高线CL1之间的间隔较大的X轴方向上较弱，而衍射光学元件13B的力在等高线CL1之间的间隔较小的Y轴方向上较强。
使用图2B和2C所示的衍射光学元件13A和13B作为实例描述了衍射光学元件13；但是各种修改是可能的。
以下部分再次参考图1。在光学系统100中，由图像元件11产生的光在偏心棱镜12的第一表面121处被折射，并进入偏心棱镜12。随后，该光被偏心棱镜12的第二表面122和第三表面123顺序地反射，且随后再次入射在偏心棱镜12的第二表面上。该光随后在偏心棱镜12的第二表面122处折射，并从偏心棱镜12出射。已从偏心棱镜12出射的光通过衍射光学元件13，由此校正由偏心棱镜12引起的色差。
<光学系统100的概况>
<<衍射光学元件13的概况>>
衍射光学元件13优选地满足数值关系（1）中示出的条件。
0.53>ΔNe>0.005(1)
数值关系（1）限定了衍射光学元件13的衍射光学表面DM对于e线的折射率差ΔNe的合适范围。
有必要使衍射光学元件13的在衍射光学表面DM的光轴Ax方向的两侧上的折射率不同。在衍射光学元件13中，例如，作为形成衍射光学元件13的材料的UV固化树脂的折射率高于空气的折射率；因此，UV固化树脂的折射率和空气的折射率之间的沿着e线的折射率差是ΔNe。更具体地，数值关系（1）中的上限值优选地为0.53，以便降低制造误差灵敏度。
如果超过数值关系（1）中的上限值，折射率差ΔNe将会太大，且衍射光学元件13的制造误差灵敏度将会太大。为了最大化与数值关系（1）相关的效果，更希望上限值为0.2。相反地，如果折射率差ΔNe低于数值关系（1）中的下限值，折射率差ΔNe将太小，且将有必要增大衍射光学元件13的边缘表面132的高度（见图2A），以便获得必要的衍射。因此，如果折射率差ΔNe低于数值关系（1）的下限值，将存在制造衍射光学元件13方面的缺点，且边缘表面132将影响入射光。对于闪耀光（blazelight）的衍射效率将降低，且由入射在边缘表面132上的入射光的散射或反射引起的杂散光将增加。因此，为了最大化与数值关系（1）有关的效果，下限值更优选为0.01。
衍射光学元件13的屈光力（refractivepower）优选地满足在数值关系（2）和（3）中示出的条件。
1×10-1>Φs/Φ>1×10-7(2)
数值关系（2）限定了(Φs/Φ)的合适范围，其中Φs表示在近轴力（paraxialpower）最强的方向（图2的X轴方向）上相对于e线的衍射光学元件13的屈光力，且Φ表示光学系统100整体的相对于e线的屈光力。
如果Φs/Φ超过数值关系（2）的上限值，则该力将太小，且存在不足的色差校正性能。相反，如果Φs/Φ小于数值关系（2）的下限值，则将存在在该力最大的方向上栅格的制造误差灵敏度太大的增加的可能性，且将存在色差校正过度的趋势，不利地影响图像质量。为了使效果最大化，数值关系（2）的上限值更优选地为1×10-4，下限值更优选地为1×10-6。
5.0>Φs/Φm>1.02(3)
数值关系（3）限定了(Φs/Φm)的合适范围，其中Φm表示具有所述不对称的栅格结构的衍射光学元件13的在近轴力最弱的方向（图2中的X轴方向）上的对于e线的屈光力。
超过数值关系（3）的上限值的Φs/Φm是不利的，这是因为力差将过大，在近轴力较强的方向与近轴力较弱的方向之间的色差的外观的差异将较大，且在像差校正方面来说缺少平衡。相反，小于数值关系（3）的下限值的Φs/Φm将导致力差太小，且不同方向上的色差校正不充分，使得图像质量受到不利的影响。还将存在在所述力最大的方向上的栅格的制造误差灵敏度太大的问题的增加的可能性。为了最大化该效果，数值关系（3）的上限值优选地为3.0，而下限值优选地为1.05。
在衍射光学元件13中，偏心（eccentricity）量优选地满足数值关系（4）中示出的条件。
2.0>δ/fe>0.001(4)
数值关系（4）限定了(δ/fe)的合适范围，其中δ表示具有不对称的栅格结构的衍射光学元件13的这样的横截面的光轴相对于光阑14的光轴Ax的偏心量：沿着该横截面，近轴力最强；且fe表示对于e线的焦距。
如果δ/fe超过数值关系（4）的上限值，则衍射表面的偏心量将会太大，X轴方向与Y轴方向上的光斑尺寸（spotsizes）之间的差异将太大，不可能获得极佳的图像质量。还将存在问题，因为加工将是更困难的。为了最大化该效果，数值关系（4）的上限值优选地为0.95，且下限值优选地为0.003。
在衍射光学元件13中，衍射效率优选地满足数值关系（5）中示出的条件。
(Eg+EC)/(2×Ee)>0.8(5)
在数值关系（5）中，Ee表示对于主波长（e线：546.074nm）的衍射效率，Eg表示对于小于主波长的波长（g线：435.8nm）的衍射效率，且Ec表示对于大于主波长的波长（C线：656.3nm）的衍射效率。数值关系（5）限定了当带宽增加时衍射效率的平衡的合适范围。
如果(Eg+EC)/(2×Ee)低于数值关系（5）的下限值，则衍射效率将在较小或较大的波长下降低，衍射耀斑（diffractionflare）将增加，并将产生杂散光。为了防止大带宽可见光域中的杂散光，下限值优选为0.9。为了使与数值关系（5）有关的效果最大化，下限值理想地是0.95。如果数值关系（5）的下限是0.95，则耀斑量将被进一步减少，并且该光学系统可更容易地被用于要求高度限定的图像质量的照相镜头（photographylens）。
为了实现更好的性能和规格，光学系统100优选地满足以下数值关系（6）到（8）。
-20.0<ΔNe/Δ(Ng–Nc)<-2.0(6)
在数值关系（6）中，Ng表示衍射光学元件13的对于g线（453.8nm）的折射率，且Nc表示衍射光学元件13的对于C线（656.3nm）的折射率。Δ(Ng–Nc)表示例如具有低折射率和低色散的UV固化树脂与具有高折射率和高色散的空气的主色散差。
如果ΔNe/Δ(Ng–Nc)超过数值关系（6）的上限值，则不能获得跨宽波长带宽的高折射效率。相反，如果ΔNe/Δ(Ng–Nc)小于条件关系（6）的下限值，则同样不能获得跨宽波长带宽的高折射效率。为了获得跨宽波长带宽的足够高的折射效率，下限值优选地为-8.0。而且，为了最大化效果，上限值优选地为-2.8。
Φm/Φ>1×10-7(7)
数值关系（7）限定了(Φm/Φ)的合适范围。
如果(Φm/Φ)小于数值关系（7）的下限值，则Φm将变得相对太强，且将存在过剩色差的问题的增加的可能性。为了最大化效果，下限值优选地为1×10-5。
h/λe<100.0(8)
数值关系（8）限定了(h/λe)的合适范围，其中h表示在图2A中示出的衍射光学元件13的高度，λe表示对应于基准波长的e线的波长。
超过数值关系（8）的上限值的h/λe呈现这样的问题，衍射光学元件13的边缘表面132的高度h将会太大，对于斜对地（diagonally）入射的光的折射效率将降低，并产生不必要的耀斑。边缘表面132的高度h是沿着通过边缘表面附近的主要光束的角度的方向的高度，且不限于光轴Ax的方向上的高度。关于高度h，光轴方向上的高度通常被认为是根据标量理论的闪耀高度（blazeheight），其由折射率差和设计的中央波长的倍式（multiple）限定。但是，对于从与光轴方向不同的方向入射的光，该闪耀将不是最佳的，且衍射效率将下降。因此，边缘表面132的高度h是沿着通过边缘表面附近的主要光束的角度的方向的高度。
为了减轻由衍射光学元件13的边缘表面132引起的散射和闪耀光的折射效率降低，优选地使边缘表面132具有朝向光阑14的坡度并且是倾斜的。具体地，优选地使边缘表面132具有沿着主要光束的坡度。换句话说，边缘表面132被取向为朝向光阑14。而且，其中使用模具通过树脂成形来形成衍射光学元件13的制造方法也是优选的，这部分地是因为可降低成本。进一步优选地，边缘表面部分具有阶梯状或粗糙表面结构，以阻止规则反射（regularreflection），这将减少杂散光。为了最大化效果，上限值优选地为50.0。
从实际构造光学系统100的角度来说，优选地，满足以下条件。当构造偏心棱镜12时，优选地使用树脂或模制玻璃通过注射模制法来产生偏心棱镜12。为了使诸如在用于高精细图像的光学系统中由内部应变引起的双折射最小化，使用模制玻璃的注射模制法是优选的。使用模具形成玻璃或树脂也是有益的，这是因为加工和制造将变得便利且成本将降低。
使用UV固化树脂形成衍射光学元件13将改善产品的坚固性，且因此从生产角度来说是优选的。这将使得可以降低工作量和成本，且是有益的。为了缩减尺寸和成本，优选地，形成衍射光学元件13的光学材料是具有不大于2.0的比重的树脂材料。树脂具有比玻璃小的相对比重，且因此对于减轻光学系统的重量是有效的。为了进一步增强效果，相对比重优选地不大于1.6。不管衍射光学元件13的屈光力是正的还是负的，高折射率的峰侧（peakside）被制造为更尖，以使制造期间衍射效率的降低最小化。换句话说，在负力的例子中，在较靠近光阑14的一侧上，折射率必须较低。
确定衍射光学元件13的衍射光学表面的形状的相位多项式如以下数值关系（9）所示。
[式1]
z = &Sigma; j = 1 C j x m y n - - - ( 9 )
在数值关系（9）中，j、m和n满足以下数值关系（10）。
j=[(m+n)2+m+3n]/2(10)
换句话说，X2的系数是C3，Y2的系数是C5，X4的系数是C10，且Y4的系数是C14。
<<偏心棱镜12的概况>>
确定第一到第三表面121-123的形状的相位多项式如以下数值关系（11）所示，所述第一到第三表面121-123是非旋转对称的非球面表面，用于校正偏心棱镜12中的偏心像差。
[式2]
z = ch 2 / { 1 + [ 1 - c 2 ( k + 1 ) h 2 &rsqb; 1 / 2 } + &Sigma; j = 2 C j x m y n - - - ( 11 )
这里，z表示与光轴Ax平行的表面的凹陷（sag）的量，c表示表面顶点（在光轴Ax上）曲率；h表示与光轴Ax的距离；且k表示圆锥系数。
在数值关系（11）中，j、m和n满足以下数值关系（12）。
j=[(m+n)2+m+3n]/2+1(12)
换句话说，X2的系数是C4，Y2的系数是C6，X2Y的系数是C8，y3的系数是C10，x4的系数是C11，X2Y2的系数是C13，Y4的系数是C15，X4Y的系数是C17，X2Y3的系数是C19，且Y5的系数是C21。
<光学系统100的具体实例>
表示形成光学系统100的偏心棱镜12以及衍射光学元件13的表面的数据如表1所示。在表1中，表面编号参考图1。
[表1]
表1中示出的多项式FFS[1]是用于确定作为偏心棱镜12的非球面表面的第二表面122的形状的数值关系（11）。表2示出了与第二表面122有关的数值关系（11）的系数。
[表2]
C4 —0．00260460069429
C6 0．0011413572285
C8 —0．249288022295×10-4
C10 0．217641632656×10-4
C11 —0．620447183907×10-5
C13 —0．307152033272×10-5
C15 —0．108279606677×10-5
C17 0．929921373917×10-6
C19 0．331741247354×1O-6
C21 0．499317344308×10-7
类似地，多项式FFS[2]是用于确定作为偏心棱镜12的非球面表面的第三表面123的形状的数值关系(11)。表3示出了与第三表面123有关的数值关系(11)的系数。
[表3]
C4 —0．00108113563583
C6 0．000779202297011
C8 一O．37375205533×1O-4
C10 —0．308653118589×10-4
C11 —0．335771552873×10-5
C13 —0．351052828936×10-5
C15 —0．544064599067×10-0
C17 0．161624698176×10-6
C19 —0．422047439642×10-7
C21 0．207996765958×10-7
类似地，多项式FFS[3]是用于确定作为偏心棱镜12的非球面表面的第一表面121的形状的数值关系(11)。表4示出了与第一表面121有关的数值关系(11)的系数。
[表4]
C4 0．0385031542161
C6 0．0236124588352
C8 O．00261079774853
C1O 0．000274678876742
C11 O．893560064743×10-4
C13 0．000566042251769
C15 0．15697908303×10-4
C17 —0．277198389115×10-4
C19 O．207462100627×10-4
C21 —0．598273618419×10-5
在表1中，偏心(1)表示偏心棱镜12的第二表面122的偏心参数。如表5所示，该偏心参数包括表示沿着x、Y和z的偏心的数据以及表示α、β和γ旋转的偏心数据。
[表5]
X 0．0 α 一4.04053871865
Y 一1.1160119198 β 0.0
Z 0.O γ 0.0
类似地，偏心(2)表示偏心棱镜12的第三表面123的偏心参数，这些参数如表6所示。
[表6]
X 0．0 α 20．8816676806
Y O．35411285394 β 0．0
Z 7．9 γ 0．0
类似地，偏心(3)表示偏心棱镜12的第一表面121的偏心参数，且这些参数如表7所示。
[表7]
X 0．0 α -69．1243297148
Y -15．1030603893 β 0．0
Z 6．97486591823 γ 0．0
类似地，偏心(4)表示当在图像元件11上形成图像时的偏心参数，且这些参数如表8所示。
[表8]
X 0．0 α 16．3625164085
Y 一1．23762852278 β 0．0
Z 0．0 γ 0．0
表1中示出的衍射光学元件13的衍射光学表面的形状由数值关系(9)确定，且其系数如表9所示。
[表9]
C3 -0．00032
C5 -0．00028
C10 0．103×1O-5
C14 0．8×10-6
在表10中示出了使用上述数据获得的与数值关系(1)到(8)有关的具体值。
[表10]
fe 18．8676
φs 3．49487×10-7
φm 3．05801×10-7
δ 2．0
Eg 0．98594
EC 0．98375
Ee 0．99563
h(μm) 1．05273
λe(μm) 0．546074
φ(=1／fe) 0．0530
根据表10中的条件值，与数值关系(1)到(8)有关的计算结果在表11中示出。光学系统100满足如表11中所示的数值关系(1)到(8)所示的条件。
[表11]
数值关系(1) △Ne 0．51872
数值关系(2) Φs/Φ 6.594×10-6
数值关系(3) Φs／Φm 1．1429
数值关系(4) δ／fe 0．106
数值关系(5) (Eg+EC)／(2×Ee) 0．98917
数值关系(6) △Ne／△(Ng-NC) -6．1522
数值关系(7) Φm／Φ 3．144×10-6
数值关系(8) h／λe 1．9278
图3是示出根据第一实施例的像差校正的状态的光斑图。在图3中，在光斑图的左侧的四个数字中，顶行上的两个数字代表相对坐标(x，Y)，该相对坐标(x，Y)被表示为使得在矩形屏幕的中心处的坐标(x，Y)是（0.00,0.00），在右边缘的中心处的坐标是（0.00，-1.00），在右上角处的坐标是（1.00，-1.00），且在顶部边缘的中心处的坐标是（1.00，0.00）。在底行上的两个数字代表上述坐标（X，Y）和视轴（屏幕中央）之间的角度的X分量和Y分量（以度为单位）。
如图3所示，衍射光学元件13充分地校正在偏心棱镜12的透射表面（第一表面121和第二表面122）上产生的色差。
(第二实施例)
<光学系统200的整体配置>
现在将参考图4和5描述根据第二实施例的光学系统200的配置。图4是根据第二实施例的光学系统200的侧视图，图5是衍射光学元件23的示意性横截面图。图像元件11不包括在光学系统200中，但被示出以帮助理解。使用相同的附加标号描述在第一实施例中描述过的构成元件。
如图4所示，衍射光学元件23被斜对地设置在图像元件11和偏心棱镜12之间。在第二实施例中，衍射光学元件23是多层类型，如图5所示。图4中示出的衍射光学元件23对于坐标系统被斜对地设置；为了帮助理解，图5中使用的坐标系统与图4中使用的坐标系统相同。在图5中，-Y侧是图像元件11，+Y侧是偏心棱镜12。
如图5所示，通过使第一衍射光栅23A与第二衍射光栅23B彼此密切接触而获得衍射光学元件23。衍射光学元件23整体是矩形的，且第一衍射光栅23A的形状与在第一实施例中描述的衍射光学元件13的形状相同。在第一衍射栅格23A和衍射栅格23B之间形成衍射光学表面DM。衍射光学表面DM具有作为向外凸出的曲面的衍射表面231以及以间距P1形成的沿着Y轴方向延伸的边缘表面232。间距P1从光轴Ax朝向周边逐渐变窄。边缘表面232的高度h是一致的。虽然边缘表面232是直线状的，但它们可以是阶梯状的或曲面状的。具有阶梯状的边缘表面导致由具有不同波长的光产生的耀斑更均匀。
衍射光学元件23的衍射光学表面DM具有栅格结构，该栅格结构关于从图像元件11到光阑14（见图4）的光轴Ax不对称。换句话说，当使用如第一实施例的图2B和2C中所示的基线BL和等高线CL1、CL2观看时，衍射光学表面DM相对于光轴Ax具有椭圆的或圆角矩形的形状。
在衍射光学元件23中，在朝向偏心棱镜12的一侧上的第一衍射光栅23A具有较高的折射率，而在朝向图像元件11的一侧上的第二衍射光栅23B具有较低的折射率。第一衍射光栅23A的对于C线、e线和g线的折射率分别是1.5713、1.5598和1.5538。第二衍射光栅23B的对于C线、e线和g线的折射率分别是1.5491、1.5315和1.5233。
关于衍射光学元件23，为了保持良好的模制性能并获得优良的批量生产性，形成第一衍射光栅23A的材料的粘度（固化之前的粘度）优选地不小于40mPa·s。低于40mPa·s的粘度将使得树脂在模制期间更容易流动，导致更难以模制精确的形状。形成第二衍射光栅23B的材料的粘度优选地不小于2000mPa·s。
从UV固化树脂形成构成衍射光学材料23的所有光学部件将提高产品的坚固性，且由此在生产方面是优选的。这使得可以降低工作量和成本，并是有益的。
为了缩减尺寸和成本，优选地，形成衍射光学元件23的光学材料是具有不大于2.0的比重的树脂材料。树脂具有比玻璃小的相对比重，且因此对于降低光学系统的重量是有效的。为了进一步增强效果，比重优选地不大于1.6。
无论衍射光学元件13的屈光力是正的还是负的，高折射率的山侧（hillside）更锋利（sharper）这一点是重要的，以使制造期间衍射效率的降低最小化。换句话说，在发散力（divergingpower）的例子中，在较靠近光阑14处，折射率必须较低。
如图5所示，衍射光学元件23还具有板状玻璃板23C，该玻璃板23C用第二衍射光栅23B的-Y侧的虚线示例。
<光学系统200的具体实例>
表示形成光学系统200的偏心棱镜12以及衍射光学元件23的表面的数据如表12所示。在表12中，表面编号参考图4。
[表12]
表12中示出的多项式FFS[1]-FFS[3]的系数分别如用于描述第一实施例的表2、3和4中所示。偏心（1）到（4）分别如用于描述第一实施例的表5、6、7和8中所示。
表4中示出的衍射光学元件23的衍射光学表面的形状由数值关系（9）确定，且系数如表13中所示。
[表13]
C3 -0.0009
C5 -0.0015
使用上述参数获得的与用于描述第一实施例的数值关系(1)到(8)有关的参数的具体值如表14中所示。
[表14]
fe 19．1925
φs 1．63822×10-6
φm 9．82933×10-7
δ 0．1
Eg 0．98594
EC 0．98375
Ee 0．99563
h(μm) 20．000
λe(μm) 0．546074
φ(=1／fe) 0．0521
根据表14中示出的条件值，与数值关系(1)到(8)有关的计算结果如表15中所示。光学系统200满足如表15中所示的数值关系(1)到(8)中的条件。
[表15]
数值关系(1) △Ne 0．0283
数值关系(2) Φs/Φ 3．144×10-5
数值关系(3) Φs/Φm 1．66666
数值关系(4) δ／fe 0．00521
数值关系(5) (Eg+EC)／(2×Ee) 0．98917
数值关系(6) △Ne／△(Ng-NC) -6．1522
数值关系(7) Φm/Φ 1．886×10-5
数值关系(8) h／λe 36．625
图6是示出根据第二实施例的像差校正的状态的光斑图。如图6所示，衍射光学元件23充分地校正在偏心棱镜12的透射表面上（第一表面121和第二表面122）上产生的色差。
（第三实施例）
<光学系统300的整体配置>
现在将参考图7描述根据第三实施例的光学系统300的配置。图7是根据第三实施例的光学系统300的侧视图。图像元件11不包括在光学系统300中，但被示出以帮助理解。使用相同的附加标号描述在第一实施例中描述过的构成元件。
如图7所示，衍射光学元件33被斜对地设置在偏心棱镜12内。衍射光学元件33是通过使两个衍射光栅彼此密切接触而获得的多层类型，类似于在第二实施例中描述的衍射光学元件23。但是，衍射光学元件33不具有由第二实施例的图5中的虚线指示的玻璃板23C。在衍射光学元件33中，朝向图像元件11的一侧是具有较低折射率的衍射光栅，而朝向光阑14的一侧是具有较高折射率的衍射光栅。
<光学系统300的具体实例>
表示形成光学系统300的偏心棱镜12以及衍射光学元件33的表面的数据如表16所示。在表16中，表面编号参考图7。
[表16]
表13中示出的多项式FFS[1]-FFS[3]的系数分别如用于描述第一实施例的表2、3和4中所示。偏心(1)到(4)分别如用于描述第一实施例的表5、6、7和8中所示。
在第三实施例中，衍射光学元件33的每个表面同样是偏心表面。例如，用于图7中的表面编号5的偏心(5)的偏心参数如表17所示。
[表17]
X 0．0 α -69．1243297148
Y -12．9030603893 β 0．0
Z 6．97486591823 γ 0 0
用于图7的表面标号6和7的偏心(6)的偏心参数如表18中所示，该表面标号6和7是衍射光学元件33的衍射光学表面。
[表18]
X O．0 α -69．1243297148
Y -13．1030603893 β 0．0
Z 6．97486591823 γ 0．0
用于图7中的表面标号8的偏心(7)的偏心参数如表19所示。
[表19]
X 0．0 α -69．1243297148
Y -13．3030603893 β 0．0
Z 6．97486591823 γ 0．0
表7中示出的衍射光学元件33的衍射光学表面的形状由数值关系(9)确定，且系数如表20中所示。
[表20]
C3 -0．0012
C5 -0．0009
C10 -1．O×10-7
C14 -0．2×10-6
使用上述参数获得的与用于描述第一实施例的数值关系(1)到(8)有关的参数的具体值如表21中所示。
[表21]
fe 18．8314
φs 0．00157
φm 0．00118
δ --
Eg 0．98594
EC 0．98375
Ee 0．99563
h(μm) 20．000
λe(μm) 0．546074
φ(=1／fe) 0．05310
根据表21中示出的条件值，与数值关系（1）到（8）有关的计算结果如表22中所示。光学系统300满足如表22中所示的数值关系（1）到（8）中的条件。
[表22]
数值关系（1） ΔNe 0.0283
数值关系（2） Φs/Φ 0.0295
数值关系（3） Φs/Φm 1.33051
数值关系（4） δ/fe --
数值关系（5） (Eg+EC)/(2×Ee) 0.98917
数值关系（6） ΔNe/Δ(Ng-NC) -6.1522
数值关系（7） Φm/Φ 0.02222
数值关系（8） h/λe 36.625
图8是示出根据第三实施例的像差校正的状态的光斑图。如图8所示，衍射光学元件33充分地校正在偏心棱镜12的透射表面上（第一表面121和第二表面122）上产生的色差。
(第四实施例)
<光学系统400的整体配置>
现在将参考图9描述根据第四实施例的光学系统400的配置。图9是示出根据第四实施例的光学系统400的侧视图。图像元件11没有包括在光学系统400中，但被示出以帮助理解。使用相同的附加标号描述在第一实施例中描述过的构成元件。
如图9所示，衍射光学元件43被形成为与偏心棱镜12的第一表面121密切接触。衍射光学元件43是通过使两个衍射光栅彼此密切接触而获得的多层类型，类似于第二实施例中描述的衍射光学元件23。但是，衍射光学元件43不具有在第二实施例的图5中由虚线指示的玻璃板23C。在衍射光学元件43中，朝向图像元件11的一侧是具有较低折射率的衍射光栅，而朝向偏心棱镜12的一侧是具有较高折射率的衍射光栅。
<光学系统400的具体实例>
表示形成光学系统400的偏心棱镜12以及衍射光学元件43的表面的数据如表23所示。在表23中，表面编号参考图9。
[表23]
表23中示出的多项式FFS[1]-FFS[3]的系数分别如用于描述第一实施例的表2、3和4中所示。
偏心（1）到（4）分别如用于描述第一实施例的表5、6、7和8中所示。在第四实施例中，衍射光学元件43与偏心棱镜12的第一表面121密切接触；因此，衍射光学元件43的表面编号6的偏心参数与用于第一表面121的偏心(3)的偏心参数相同。
用于图9中的作为衍射光学元件43的衍射光学表面的表面编号7和表面编号8的偏心(8)的偏心参数如表24中所示。
[表24]
X 0．0 α -69．1243297148
Y -15．2030603893 β 0．0
Z 6．97486591823 γ 0。0
用于图9中的表面编号9的偏心(9)的偏心参数如表25中所示。
[表25]
X 0．0 α -69．1243297148
Y -15．3030603893 β 0．0
Z 6．97486591823 γ 0．0
表9中示出的衍射光学元件43的衍射光学表面的形状由数值关系(9)确定，且系数如表26中所示。
[表26]
C3 -0．0012
C5 -0．0009
C10 -1．0×10-7
C14 -0．2×10-6
使用上述参数获得的与用于描述第一实施例的数值关系(1)到(8)有关的参数的具体值如表27中所示。
[表27]
fe 18．8392
φs 0．00157
φm 0．00118
δ --
Eg 0．98594
EC 0．98375
Ee 0．99563
h(μm) 20．000
λe(μm) 0．546074
φ(=1／fe) 0．05308
根据表27中示出的条件值，与数值关系(1)到(8)有关的计算结果如表28中所示。光学系统400满足如表28中所示的数值关系(1)到(8)中的条件。
[表28]
数值关系(1) △Ne 0．0283
数值关系(2) Φs/Φ 0．0295
数值关系(3) Φs/Φm 1．33051
数值关系(4) δ／fe --
数值关系(5) (Eg+EC)／(2×Ee) 0．98917
数值关系(6) △Ne／△(Ng-NC) -6．1522
数值关系(7) Φm/Φ 0．02222
数值关系(8) h／λe 36．625
图10是示出根据第四实施例的像差校正的状态的光斑图。如图10所示，充分地校正了在偏心棱镜12的透射表面上(第一表面121和第二表面122)上产生的色差。
(第一应用实例)
<图像显示装置：头戴式图像显示器50>
现在将参考图11描述作为根据第一应用实例的图像显示装置的实例的头戴式图像显示器（HMD）50。图11A是示出头戴式图像显示器50的整体配置的透视图，且图11B是安装主体501的侧视图。
如图11所示，头戴式图像显示器50包括安装主体501以及框架502，安装主体501容纳上述第二实施例中描述的光学系统200，框架502在安装主体501左面和右面为连续的并将该主体固定在观察者OS的眼睛前面。在图11B中，光学系统200被设置在安装主体501中，使得人的眼球EY位于上述第二实施例中描述的光阑14处。在第一应用实例中，使用在第二实施例中描述的光学系统200；但是，也可使用第一、第三和第四实施例中描述的光学系统100、300和400。
根据这样描述的配置，观察者OS可观察到其中由偏心棱镜12引起的色差已被衍射光学元件23校正的图像。
如图11A所示，安装主体501经由图像传输线503而被连接到诸如便携式盒式录像带等的显示装置504。观察者OS可将显示装置504保持在想要的位置，例如在所示例的腰带上，并观看图像。
(第二应用实例)
<图像显示装置——投影装置60>
现在将参考图12描述作为根据第二应用实例的图像显示装置的实例的诸如投影仪的投影装置60。在图12中，示例了个人计算机PC和屏幕SR以帮助理解；但是，个人计算机PC和屏幕SR不包括在投影装置60中。
如图12所示，在上述第二实施例中描述的光学系统200被用作投影装置60的投影光学系统。在图12中，使用个人电脑PC创建的图像和文本数据从输出被分支到监视器MT，并被输出到投影仪60的处理控制器601。投影仪60的处理控制器601处理该输入的数据并将经处理的数据输出到液晶面板602。液晶面板602显示对应于所输入的图像数据的图像。来自光源603的光具有由在液晶面板602上显示的图像的色调确定的透射水平，且随后被投射到直接设置在液晶面板602的前面的光学系统200上。
这样描述的配置使得观察者可以看到所投射的图像，其中偏心棱镜12的色差已被衍射光学元件23校正。
在第二应用实例中，在第二实施例中描述的光学系统200被用作投影装置60的投影光学系统；但是，也可使用在第一、第三和第四实施例中描述的光学系统100、300和400。
(第三应用实例)
<成像装置——照相机70>
现在将参考图13描述作为根据第三应用实例的成像装置的实例的照相机70。图13A是示出照相机70的整体配置的透视图，且图13B是示出照相机70的配置的示意图。
如图13A所示，照相机70具有立方体的照相机主体701和直接设置在照相机主体的前面的成像光学系统702。如图13B所示，来自素材（subject）（未示出）的光通过成像光学系统702并入射在光学系统200上。该素材的图像通过设置在光学系统200的光路上的CCD或另一成像元件703而被成像。通过成像元件703成像的素材的图像作为图像而经由处理装置（未示出）被显示在设置于照相机的后表面上的液晶显示监视器（未示出）上。
这样的描述的配置使得照相机70的操作者可以观察到其中由偏心棱镜12引起的色差已被衍射光学元件23校正的图像。
在第三应用实例中，在第二实施例中描述的光学系统200被用作照相机70；但是，也可使用在第一、第三和第四实施例中描述的光学系统100、300和400。
工业适用性
已描述了本发明的优选实施例。对于本领域技术人员很明显，可通过在本发明的技术范围内对实施例做出各种修改而实施本发明。
包括多个通过并入本发明的光学元件而获得的构成元件的光学系统不脱离本发明的范围。这也适用于通过并入梯度折射率透镜、晶体材料透镜或类似的透镜而获得的光学系统。
尽管在本发明中描述了通过使一对衍射光栅彼此密切接触而获得的密切接触类型的衍射光学元件作为多层类型的衍射光学元件，但是本发明也适用于其中衍射光栅对彼此分离的分离型衍射光学元件。
对标号和符号的说明
11:图像显示元件
12:棱镜
13,13A,13B,23,33,43:衍射光学元件
14:入瞳
23A,23B:衍射光栅
23C:玻璃板
50:头戴式图像显示器
501:安装主体
502:框架
503:图像传输线
504:显示装置
60:投影装置
601:处理控制器
602:液晶面板
603:光源
70:照相机
701:照相机主体
702:成像光学系统
703:成像元件
100,200,300,400:光学系统
121:第一表面
122:第二表面
123:第三表面
131,231:衍射表面
132,232:边缘表面
Ax:光轴
DM:衍射光学表面
h:衍射光学元件的高度
P1,P2,P3:边缘表面之间的间隔
PC:个人计算机
SR:屏幕

Claims (12)

1.一种光学系统，包括棱镜和衍射光学元件；其中
所述棱镜具有用于校正偏心像差的非旋转对称的非球面表面；
所述衍射光学元件包括衍射光学表面，所述衍射光学表面具有关于所述光学系统的光轴不对称的栅格结构；以及
满足以下条件：
0.53>ΔNe>0.005(1)
其中ΔNe表示所述衍射光学表面对于e线(546.074nm)的折射率差，
其中满足以下条件：
1×10-1>Φs/Φ>1×10-7(2)
其中，Φs表示所述不对称的栅格结构的这样的横截面对于e线的屈光力，沿着所述不对称的栅格结构的该横截面的近轴力是最强的；且Φ表示整个所述光学系统对于e线的屈光力。
2.根据权利要求1的光学系统，其中满足以下条件：
5.0>Φs/Φm>1.02(3)
其中，Φs表示所述不对称的栅格结构的这样的横截面对于e线的屈光力，沿着所述不对称的栅格结构的该横截面的近轴力是最强的；且Φm表示所述不对称的栅格结构对于e线的屈光力，沿着该不对称的栅格结构的近轴力是最弱的。
3.根据权利要求1的光学系统，其中满足以下条件：
2.0>δ/fe>0.001(4)
其中，δ表示所述不对称的栅格结构的这样的横截面的光轴相对于所述光学系统的光轴的偏心量，沿着所述不对称的栅格结构的该横截面的近轴力是最强的；且fe表示整个所述光学系统对于e线的焦距。
4.根据权利要求1的光学系统，其中满足以下数值关系：
(Eg+EC)/(2×Ee)>0.8(5)
其中，Ee表示对于e线(546.074nm)的衍射效率，Eg表示对于g线(435.8nm)的衍射效率，且EC表示对于C线(656.3nm)的衍射效率。
5.根据权利要求1到4中任一项的光学系统，其中所述衍射光学元件包括单层类型或多层类型。
6.根据权利要求1到4中任一项的光学系统，其中：
已通过了所述光学系统的光入射在用于调整光量的光阑上；
所述衍射光学元件在较靠近所述光阑的部分处具有较高的折射率；且
所述衍射光学元件在较远离所述光阑的部分处具有较低的折射率。
7.根据权利要求1到4中任一项的光学系统，其中：
已通过了用于调整光量的光阑的光入射在所述光学系统上；
所述衍射光学元件在较靠近所述光阑的部分处具有较高的折射率；且
所述衍射光学元件在较远离所述光阑的部分处具有较低的折射率。
8.根据权利要求1到4中任一项的光学系统，其中所述衍射光学元件的所述衍射光学表面被形成在所述棱镜的内部中。
9.根据权利要求1到4中任一项的光学系统，其中所述衍射光学元件的所述衍射光学表面被形成在所述棱镜的所述非球面表面上。
10.根据权利要求1到4中任一项的光学系统，其中形成所述衍射光学元件的材料是UV固化树脂。
11.一种图像显示装置，包括根据权利要求1到4中任一项的光学系统以及用于显示通过所述光学系统引导并形成的图像的显示元件。
12.一种图像显示装置，包括根据权利要求1到4中任一项的光学系统以及用于对通过所述光学系统引导并形成的图像进行成像的成像元件。
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