JP2005292513A - 光学素子および光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトでありながら光路長を確保することができるとともに、コストアップを招くことなく製造精度を向上させることができる光学素子が求められている。
【解決手段】 ２つの屈折面Ｒ１，Ｒ５と複数の反射面Ｒ２〜Ｒ４とを有する透明体を含み、光学系内に配置されたときに物体面の中心から各面を介して瞳の中心に向かう中心主光線ＰＲが該透明体の内部で交差する光学素子ＯＥにおいて、該透明体の両側に、光学作用を持たない突起部ＨＰを設け、これら両側の突起部を通る第１の平面ＰＰを境とする一方および他方の領域をそれぞれ第１および第２の領域Ｉ，ＩＩとするとき、上記複数の反射面を、中心主光線が進む順に、第１の領域と第２の領域とに交互に配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ビデオカメラやスチルカメラ、携帯機器用カメラ等の撮像装置、ヘッドマウントディスプレイやプロジェクタ等の表示装置等、各種光学装置に用いられる光学素子および光学系に関するものである。

非共軸光学系において、基準軸という概念を導入し、該光学系の構成面を非対称非球面にすることで、収差を十分に補正するための設計法が特許文献１に、またその設計例が都距文献２，３等に開示されている。

こうした非共軸光学系はオフアキシャル光学系と称され、像中心と瞳中心を通る光線に沿った基準軸を考えたとき、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（オフアキシャル曲面）を含む光学系として定義される。このオフアキシャル光学系では、基準軸は折れ曲がった形状となる。

このオフアキシャル光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がしやすい。また、光路の引き回しが比較的自由に行なえ、構成面を一体成形する手法で一体型の光学系を作りやすいという特徴も持っている。このため、スペース効率が良く、コンパクトで自由な形状の反射光学素子を構成することができる。

また、特許文献４および特許文献５には、プリズム内部で光路（基準軸）を交差させることにより、光路長を十分確保しつつ、コンパクトに構成した光学プリズムが開示されている。

但し、光学プリズムにおける収差補正等の理由により、光学プリズムの反射面の数を増加させた場合、各反射面の製造誤差である面形状誤差や面のくせによる影響が累積されることになり、各反射面にて許容できる誤差量は、反射面数が増えれば増えるほど小さく厳しいものとなる。このため、各反射面の面形状を高精度に保証しなければならない。

これらの光学プリズムの作製には、近年主にローコスト化の要求により、金型によるモールド成形が広く用いられている。また、光学素子を実際の光学装置に取り付ける場合、光学素子の両側に突起部を設け、該突起部を介して保持部材等により保持する必要があるが、このような突起部は、２方向に分割された型の分割部分において成型するのが一般的である。
特開平９−５６５０号公報（段落００４５〜００８７等） 特開平８−２９２３７１号公報（段落００４０〜００７１、図１〜３等） 特開平８−２９２３７２号公報（段落００４３〜００８９、図１〜３等） 特開平１１−０６４７３４号公報（段落００７７〜００８４、図２，３等） 特開２００３−５０７４号公報（段落００４６〜００４７、図１等）

図８には、特許文献５に開示されている反射光学素子Ｐを示している。また、図９には、図８の光学素子Ｐにおける光学面Ｒ１１〜Ｒ１５、中心主光線（基準軸）ＰＲ、さらに各光学面の法線ＲＶ１〜ＲＶ５を示したものである。各光学面の法線ＲＶ１〜ＲＶ５は互いに異なる方向に向かって延びている。

図１０は、図８の光学素子Ｐを２方向に分割された金型により成型するときの様子を示す模式図である。同図には、図８に示したＹ方向に金型を分割しており、光学素子Ｐの成型後はＹ方向に型が抜かれる。ここで、ＵＭは上型、ＤＭは下型である。

図１１において、光学面Ｒ１１とＲ１２に相当する型の面ＲＭ１１、ＲＭ１２は、型を抜く方向（Ｙ方向）に対してほぼ平行か急な角度に傾いているため、離型時に光学素子Ｐが変形しやすい。

また、図１２には、上型ＵＭを製作する際に面ＲＭ１１，ＲＭ１２を切削するときの様子を示している。ここで、Ｂは切削機に取り付けられたバイトである。通常、型の面を切削する際には、該面の法線方向にバイトＢが当たるようにする。しかし、図１２から分かるように、面ＲＭ１１を切削するときのバイトＢの位置と、面ＲＭ１２を切削するときのバイトＢの位置とでは、角度にして１８０°近く異なる。ところが、通常の切削機は、このように大きなバイト位置の変更に対応できず、せいぜい８０°から１２０°程度のバイト位置の変更が可能であるにすぎない。また、面ＲＭ１１とＲＭ１２の間隔が狭ければ、バイトＢ自体が面ＲＭ１１とＲＭ１２の間に入らなくなるため、バイトＢによる切削ができなくなる。

このように、離型時の変形や型の切削等の観点から、それぞれの光学面の法線と型を抜く方向とのなす角度は小さいほうが好ましいといえる。

２方向のみではなく、３方向や４方向に型を分割すれば、これらの問題は多少解決されるが、３方向や４方向に型を分割する場合、それぞれの型の位置精度を保つことが難しく、透過面よりも要求精度が厳しい反射面を成型するのには適さない。さらに、２方向に型を分割する場合と比較して、成型装置の構造が複雑になり、コストアップにつながる。

つまり、上記のように内部で基準軸が交差するような光学素子は、型のパーティング面を工夫しなければならない。このことは、特許文献４にて開示されている光学素子に対しても同様である。

そこで、本発明は、コンパクトでありながら光路長を確保することができるとともに、コストアップを招くことなく製造精度を向上させることができる光学素子およびこれを用いた光学系を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、１つの観点としての本発明では、２つの屈折面と複数の反射面とを有する透明体を含み、光学系内に配置されたときに物体面の中心から各面を介して瞳の中心に向かう中心主光線が該透明体の内部で交差する光学素子において、該透明体の両端に、光学作用を持たない突起部を設け、これら両側の突起部を通る第１の平面を境とする一方および他方の領域をそれぞれ第１および第２の領域とするとき、上記複数の反射面を、中心主光線が進む順に、第１の領域と第２の領域とに交互に配置している。

また、他の観点としての本発明では、２つの屈折面と複数の反射面とを有する透明体を含み、物体面の中心から上記各面を介して瞳の中心に向かう中心主光線が該透明体の内部で交差する光学素子を有する光学系において、該光学素子の両端に、光学作用を持たない突起部をそれぞれ設け、これら両側の突起部を通る第１の平面を境とする一方および他方の領域をそれぞれ第１および第２の領域とするとき、上記複数の反射面を、中心主光線が進む順に、第１の領域と第２の領域とに交互に配置している。

上記発明によれば、コンパクトでありながら光路長を確保することができるだけでなく、面形状の誤差の発生やコストアップを抑えることができる光学素子および光学系を得ることができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である光学素子および該光学素子を成型するための型を示す。図１において、ＯＥは光学素子、ＰＰは上型ＵＭと下型ＤＭのパーティング面である。また、ＨＰは光学素子ＯＥを後述する保持部材により保持するための基準となる突起部であり、光学素子ＯＥの左右両側に平板形状又は直方体形状に形成されている。この突起部ＨＰは、上下型ＵＭ，ＤＭのパーティング面ＰＰ近傍に、光学素子ＯＥに一体成型されている。

ここで、パーティング面ＰＰは、光学素子ＯＥの成型後において実際に存在する面ではなく、仮想上の面であるが、本実施例では、光学素子ＯＥの両側に形成された２つの突起部ＨＰを通る平面（第１の平面）として定義する。

本実施例では、光学素子ＯＥの光学面Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５は下型ＤＭで形成され、光学面Ｒ２、Ｒ４は上型ＵＭで形成される。ここで、光学面Ｒ１、Ｒ５は透過面（屈折面）であり、他の光学面Ｒ２〜Ｒ４は内部反射面である。なお、これら光学面は、平面であってもよいし、曲率を持っていてもよい。また、回転対称面であってもよいし、回転非対称面であってもよい。

また、図中のＰＲは中心主光線である。ここで本実施例において、中心主光線とは、該光学素子を光学系内に配置したときに、物体面の中心から各光学面を介して瞳の中心に至る光線をいい、該光学系がオフアキシャル光学系である場合には、この中心主光線が辿る経路が基準軸となる。

不図示の物体面から発せられた中心主光線ＰＲは、まず透過面Ｒ１から光学素子ＯＥ内に入射し、反射面Ｒ２、Ｒ３およびＲ４を介して透過面Ｒ５に至り、該透過面Ｒ５から光学素子ＯＥの外部に射出する。

ここで、図１から明らかなように、中心主光線ＰＲは、光学素子ＯＥ内の３箇所（図中において丸で囲んだ箇所）で交差している。

また、透過面Ｒ１から反射面Ｒ２に向かうとき、反射面Ｒ２から反射面Ｒ３に向かうとき、反射面Ｒ３から反射面Ｒ４に向かうとき、および反射面Ｒ４から透過面Ｒ５に向かうときのそれぞれにおいて、必ずパーティング面ＰＰを横切っている。

反射面に関して言い換えると、パーティング面ＰＰを境として上側の領域を第１の領域Ｉ、下側の領域を第２の領域IIとしたとき、反射面Ｒ２〜Ｒ４は、中心主光線ＰＲが進む順に、第１の領域Ｉと第２の領域IIとに交互に配置されている。なお、本実施例では、透過面Ｒ１、Ｒ５を含めた全ての光学面が、中心主光線ＰＲが進む順に第１の領域Ｉと第２の領域IIとに交互に配置されている。

このような光学面の配置を採ることで、各光学面の面法線と型ＵＭ，ＤＭを抜く方向（型の分割方向：図中のＹ方向）とのなす角度が、図８〜１０にて説明した従来の光学素子に比べて小さくなる。この理由を図２Ａおよび図２Ｂを用いて説明する。

図２Ａは、反射面Ｒａで反射した中心主光線ＲＰが、パーティング面ＰＰを横切らずに次の反射面Ｒｂに向かう様子を示している。また、図２Ｂは、反射面Ｒａで反射した中心主光線ＰＲがパーティング面ＰＰを横切って次の反射面Ｒｂに向かう様子を示している。ここで、φは反射面Ｒａの面法線ＲＶａと型を抜く方向（Ｙ方向）とのなす角度を示す。また、ＲＶｂは、次の反射面Ｒｂの面法線である。

これらの図から明らかなように、図２Ｂのように、反射面Ｒａから反射面Ｒｂに向かう中心主光線ＰＲがパーティング面ＰＰを横切る方が、φは小さくなる。これは、図２Ａの反射面Ｒａを、その面法線ＲＶａがより上を向くように傾けた場合、反射面Ｒｂはパーティング面ＰＰよりも下側に配置されることになるからである。つまり、図１のように、中心主光線ＰＲが１つの反射面から次の反射面に向かうときに必ずパーティング面ＰＰ、すなわち２つの突起部ＨＰを通る平面を横切るように構成すれば、反射面の面法線と型を抜く方向とのなす角度が小さくなる。このことは、本実施例では、透過面Ｒ１と次の反射面Ｒ２の間および反射面Ｒ４と次の透過面Ｒ５との間にも言えることである。

一方、図２Ｃは、図２Ｂに示した反射面Ｒｂを、パーティング面ＰＰと平行な方向にずらした（反射面Ｒａから遠ざけた）場合を示す図である。この場合、図２Ｂと比較してφは大きくなっている。つまり、反射面の面間隔が大きいとφは大きくなってしまう。このため、光学素子ＯＥにおいて面間隔が長くなる１つの光学面と次の光学面である、第１の領域Ｉで左右方向、すなわちパーティング面ＰＰに沿う方向のうち一方の最端部に配置された光学面と、第２の領域IIで左右のうち他方の最端部に配置された光学面（以下、これらを最端部の光学面という）の面法線と、型を抜く方向とのなす角度が小さくなるようにパーティング面ＰＰを決める必要がある。

本実施例において、「最端部の光学面」は、第１の領域Ｉで左側の突起部ＨＰに最も近い反射面Ｒ４と、第２の領域IIで右側の突起部ＨＰに最も近い透過面Ｒ５である。これら反射面Ｒ４と透過面Ｒ５との間の面間隔は、光学素子ＯＥにおいて最も長い。また、第２の領域IIで左側の突起部ＨＰに最も近い透過面Ｒ１と第１の領域Ｉで右側の突起部ＨＰに最も近い反射面Ｒ２も「最端部の光学面」に該当する。

反射面Ｒ４と透過面Ｒ５について説明すると、該反射面Ｒ４と透過面Ｒ５の面法線の型抜き方向に対する勾配（傾き）は、反射面Ｒ４から透過面Ｒ５に向かう中心主光線ＰＲ又は反射面Ｒ４の面頂点と透過面Ｒ５の面頂点とを結ぶ直線とパーティング面ＰＰの法線ｎとのなす角度θで概ね決まる。

光学素子ＯＥ内で中心主光線が交差する場合、両端の光学面から光学素子ＯＥの内側に向かって中心主光線ＰＲが進むので、面法線と型を抜く方向とのなす角度の制限を若干緩く規定することができ、具体的には、１０度程度緩く規定することができる。一般に、離型性や型の切削加工の容易さから、面法線と型を抜く方向とのなす角度は６０度以内であること、より好ましくは４０度以内であることが好ましい。この条件を満たすために、θは７０度以下、より好ましくは５０度以下に設定することが好ましい。

なお、透過面Ｒ１と反射面Ｒ２との間でも、上述したθの条件を満足するのが好ましい。

図３には、上記光学素子ＯＥをビデオカメラ等の撮像装置の電子ファインダやヘッドマウントディスプレイ等の表示装置に用いられる観察光学系に適用した様子を示している。

図３において、ＨＭは突起部ＨＰを用いて光学素子ＯＥを保持する保持部材であり、装置本体に一体的に設けられたり、固定されたりしている。突起部ＨＰの特定の面を基準面とし、その基準面を保持部材ＨＭの基準面に当接させ、両者を不図示の接着剤により接着することで、光学素子ＯＥが保持部材ＨＭによって位置決め保持される。

また、Ｄは液晶素子や自発光素子等からなる画像表示素子である。画像表示素子Ｄからの光は、透過面Ｒ１から光学素子ＯＥに入射し、反射面Ｒ２〜Ｒ４で反射した後、透過面Ｒ５から射出して観察者の眼Ｅに導かれる。

なお、上記実施例では、図１の左右方向（Ｚ方向）の両端に突起部ＨＰを設けた場合について説明したが、図４に示す光学素子ＯＥ’のように、Ｘ方向の両端に突起部ＨＰを設けてもよい。この場合も、パーティング面ＰＰの設定（定義）、パーティング面ＰＰに対する複数の反射面Ｒ１〜Ｒ４の配置およびθの満たすべき条件は、図１の実施例と同様である。

また、上記実施例では、突起部ＨＰを平板形状又は直方体形状に形成した場合について説明したが、突起部の形状はこれに限られない。例えば、立方体形状であってもよいし、一部を平面とした略円柱形状等としてもよい。

図５には、図３に示すように、Ｘ方向の両端に立方体形状の突起部ＨＰを設け、さらに該突起部ＨＰの形状を、その平面部分がパーティング面ＰＰに対して４５°の角度をなすものとした光学素子ＯＥ”を示している。そして、図５は、この光学素子ＯＥ”を、撮像光学系として用いた場合を示している。

図５において、ＨＭ”は突起部ＨＰを用いて光学素子ＯＥ”を保持する保持部材である。また、ＩＥはＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等からなる撮像素子（光電変換素子）である。不図示の被写体からの光は、透過面Ｒ１から光学素子ＯＥ”に入射し、反射面Ｒ２〜Ｒ４で反射した後、透過面Ｒ５”から射出して撮像素子ＩＥに導かれる。この撮像光学系は、携帯電話等の携帯情報端末に搭載される小型の撮像光学系に適する。

図６Ａおよび図６Ｂには、本発明の実施例２である光学素子を示している。図中のＯＥ２は光学素子、Ｔ１は入射面（透過面、屈折面）、ＲＲは折り返し反射面、Ｒ１〜４は曲率を有する反射面、Ｔ２は射出面（透過面、屈折面）である。

また、ＰＰは、図７に示す上下に分割された型ＵＭ，ＤＭのパーティング面であり、ＨＰは光学素子ＯＥ２を不図示の保持部材により保持するための基準となる突起部である。保持部ＨＰはパーティング面ＰＰ近傍において、光学素子ＯＥ２の左右両側に一体成型される。なお、パーティング面ＰＰは、実施例１と同様に、成型後の光学素子ＯＥ２においては仮想上の面であるが、本実施例でも、光学素子ＯＥ２の両側に形成された２つの突起部ＨＰを通る平面（第１の平面）として定義する。また、ＰＲは中心主光線である。

不図示の物体からの光束（中心主光線ＰＲを含む）は、入射面Ｔ１を通り、折り返し反射面ＲＲによって折り曲げられ、反射面Ｒ１〜Ｒ４で順次反射され、射出面Ｔ２から射出する。

図７に示す上型ＵＭは、光学素子ＯＥ２の反射面ＲＲ、Ｒ２、Ｒ４を形成し、下型ＤＭは、反射面Ｒ１、Ｒ３および射出面Ｔ２を形成する。なお、入射面Ｔ１は、不図示の別の型によって形成される。

本実施例では、中心主光線ＰＲは、光学素子ＯＥ２内の２箇所（図中において丸で囲んだ箇所）で交差している。

また、反射面について見ると、パーティング面ＰＰを境として上側の領域を第１の領域Ｉ、下側の領域を第２の領域IIとしたとき、すべての反射面ＲＲ、Ｒ１〜Ｒ４は、中心主光線ＰＲが進む順に、第１の領域Ｉと第２の領域IIとに交互に配置されている。すなわち、折り返し反射面ＲＲから反射面Ｒ１に向かうとき、反射面Ｒ１から反射面Ｒ２に向かうとき、反射面Ｒ２から反射面Ｒ３に向かうとき、反射面Ｒ３から反射面Ｒ４に向かうとき、のそれぞれにおいて、必ずパーティング面ＰＰを横切っている。なお、本実施例では、反射面Ｒ４から透過面Ｒ５に向かうときも、パーティング面ＰＰを横切っている。

このような光学面の配置を採ることで、実施例１と同様に、各光学面の面法線と型ＵＭ，ＤＭを抜く方向とのなす角度が、図８〜１０にて説明した従来の光学素子に比べて小さくなる。

また本実施例において、１つの光学面と次の光学面との面間隔が長くなる（最も長くなる）のは、第１の領域Ｉで右端部、つまりは右側の突起部ＨＰに最も近い位置に配置された反射面Ｒ２と、第２の領域IIで左端部、つまりは左側の突起部ＨＰに最も近い位置に配置された反射面Ｒ３（以下、これらを最端部の光学面という）であり、これら反射面Ｒ２，Ｒ３の面法線と型を抜く方向とのなす角度が小さくなるようにパーティング面ＰＰを決める。

すなわち、反射面Ｒ２から反射面Ｒ３に向かう中心主光線ＰＲ又は反射面Ｒ２の面頂点と反射面Ｒ３の面頂点とを結ぶ直線とパーティング面ＰＰの法線ｎとのなす角度θを、７０°以下、より好ましくは５０°以下に設定する。なお、本実施例では、θは６９．３°である。これにより、反射面Ｒ２、Ｒ３の面法線の型抜き方向に対する勾配（傾き）が抑えられている。

このように構成された光学素子ＯＥ２は、図３や図５に示したような撮像装置や表示装置の撮像光学系又は観察光学系に用いられ、この際、突起部ＨＰを介して保持部材により保持される。

また、突起部ＨＰを、図４に示したように、図６Ａ，６Ｂとは異なる側の両端に設けるようにしてもよい。

また、本実施例の光学素子が有する反射面は、全反射条件を満たすような反射面としてもよいし、単層或いは複数層の反射膜を施してもよい。または、誘電体多層膜を用いて反射面としてもよいし、金属薄膜等を用いて反射面を形成してもよい。

なお、本発明は、光学素子の形状や光学面の数に依存するものではなく、２つの透過面と複数の反射面を有する透明体からなり、該透明体の内部で中心主光線が少なくとも１回交差する光学素子若しくは光学系のすべてに適用することができる。また、本発明は、撮像光学系、観察光学系のみならず、プロジェクタに用いられる投射光学系等も含む様々な光学装置の光学系に用いられる光学素子に適用することができる。

本発明の実施例１である光学素子の構成および該光学素子を成型する型の配置を示す断面図。 光学素子の光学面の面法線と光線と進み方との関係を示す図。 光学素子の光学面の面法線と光線と進み方との関係を示す図。 光学素子の光学面の面法線と光線と進み方との関係を示す図。 実施例１の光学素子を用いた光学系の構成を示す断面図。 実施例１の光学素子の変形例の構成を示す斜視図。 上記変形例の光学素子を用いた光学系の構成を示す断面図。 本発明の実施例２である光学素子の構成を示す斜視図。 実施例２の光学素子の構成を示す正面図。 実施例２の光学素子を成型するための型の配置を示す図。 従来の光学素子の断面図。 従来の光学素子の光学面とその面法線を示す図。 従来の光学素子を成型するための型の配置を示す図。 従来の光学素子を成型するための上型を示す図。 従来の光学素子を成型するための型を切削加工するときの模式図。

符号の説明

ＲＲ，Ｒ１〜Ｒ５ 光学面
ＲＶａ，ＲＶｂ，ＲＶ１〜５ 面法線
ＰＲ 中心主光線
ＯＥ，ＯＥ’，ＯＥ”，ＯＥ２ 光学素子
ＵＭ 上型
ＤＭ 下型
Ｂ バイト
ＰＰ パーティング面
ＨＰ 突起部

Claims (6)

1. ２つの屈折面と複数の反射面とを有する透明体を含み、光学系内に配置されたときに物体面の中心から前記各面を介して瞳の中心に向かう中心主光線が該透明体の内部で交差する光学素子であって、
   前記透明体の両側に、光学作用を持たない突起部がそれぞれ設けられており、
   該両側の突起部を通る第１の平面を境とする一方および他方の領域をそれぞれ第１および第２の領域とするとき、
   少なくとも前記複数の反射面が、前記中心主光線が進む順に、前記第１の領域と前記第２の領域とに交互に配置されていることを特徴とする光学素子。
2. 前記２つの屈折面および前記複数の反射面のうち、前記第１の領域において前記第１の平面に沿った第１の方向での最端部に配置された面の面頂点と前記第２の領域において前記第１の方向とは反対の第２の方向での最端部に配置された面の面頂点とを結んだ直線が、前記第１の平面の法線に対してなす角度をθとするとき、
   θ≦７０°
   なる条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. ２つの屈折面と複数の反射面とを有する透明体を含み、物体面の中心から前記各面を介して瞳の中心に向かう中心主光線が該透明体の内部で交差する光学素子を有する光学系であって、
   前記光学素子の両端に、光学作用を持たない突起部がそれぞれ設けられており、
   該両側の突起部を通る第１の平面を境とする一方および他方の領域をそれぞれ第１および第２の領域とするとき、
   前記複数の反射面が、前記中心主光線が進む順に、前記第１の領域と前記第２の領域とに交互に配置されていることを特徴とする光学系。
4. 前記２つの屈折面および前記複数の反射面のうち、前記第１の領域において前記第１の平面に沿った第１の方向での最端部に配置された面と前記第２の領域において前記第１の方向とは反対の第２の方向での最端部に配置された面との間を進む前記中心主光線が前記第１の平面の法線に対してなす角度をθとするとき、
   θ≦７０°
   なる条件を満たすことを特徴とする請求項３に記載の光学系。
5. 請求項１又は２に記載の光学素子と、
   前記突起部を用いて前記光学素子を保持する保持部材とを有することを特徴とする光学装置。
6. 請求項３又は４に記載の光学系と、
   前記突起部を用いて前記光学素子を保持する保持部材とを有することを特徴とする光学装置。

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