JP2007171547A - フレネルレンズ、および、このフレネルレンズを用いた液晶プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】回折光学面を応用して色収差を減じ、良好な結像性能を得るフレネルレンズ、および、このフレネルレンズを用いた液晶プロジェクタを提供する。
【解決手段】光学部材の一方の面に幾何光学的フレネル面Ｆｆが形成されたフレネルレンズＦＬにおいて、この光学部材の他方の面に形成された回折格子溝３０からなる回折光学面Ｇｆを有し、フレネル面Ｆｆのいずれのフレネル段差ｈｆも、回折格子溝３０の格子段差ｈｄより大きく、且つ、回折光学面Ｇｆの屈折力の大きさが、フレネル面Ｆｆの屈折力の大きさより小さくなるように構成する。また、このフレネルレンズを用いて液晶プロジェクタ５０を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回折光学面を備えたフレネルレンズ、および、このフレネルレンズを用いた液晶プロジェクタに関する。

フレネルレンズは、薄型軽量化が可能なため、灯台の投射レンズからカメラファインダー、ルーペ、照明レンズに至るまで広く用いられている。近年では加工技術の進歩により、形状が精密に形成できるようになってきたため、その利用範囲が広がりを見せている（例えば、特許文献１参照）。

特公平６−２２２４６０号公報

しかしながら、このような従来のフレネルレンズにおいては、色消しは十分に行うことができず、大きな色収差によって結像性能が劣化するという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、回折光学面を応用して色収差を減じ、良好な結像性能を得るフレネルレンズを提供し、さらに、このフレネルレンズを用いた液晶プロジェクタを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係るフレネルレンズは、光学部材の一方の面に幾何光学的フレネル面が形成されたものであり、この光学部材の他方の面に回折格子溝からなる回折光学面が形成され、フレネル面のいずれのフレネル段差も、回折格子溝の格子段差より大きく、且つ、回折光学面の屈折力の大きさが、フレネル面の屈折力の大きさより小さくなるように構成される。また、本発明に係る液晶プロジェクタは、このフレネルレンズを用いて構成される。

本発明に係るフレネルレンズを以上のように構成すると、小型軽量で色収差が良好に補正されたフレネルレンズを提供することができ、また、このフレネルレンズを液晶プロジェクタに用いることで、この液晶プロジェクタを小型化かつ軽量化することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて本発明に係るフレネルレンズＦＬについて説明する。このフレネルレンズＦＬは、一方の面に幾何光学的フレネル面Ｆｆを有し、他方の面に回折光学面Ｇｆを有するレンズであり、フレネル面Ｆｆで生じる色収差を回折光学面Ｇｆで補正するように構成されている。

フレネル面Ｆｆは、図２に示すように、レンズ面を連続面ではなく階段状にしたものであり、同心円状のプリズムと考えることもでき、通常の凹レンズや凸レンズに比べて、レンズ自体の厚みを薄くできるという利点がある。このフレネル面Ｆｆは屈折力により光線を曲げるものである。一方、回折光学面Ｇｆは、図３に示すように、微小間隔当たり数百本程度の細かい等間隔のスリット状若しくは溝状の格子構造からなる回折格子溝３０を同心円状に備えて形成されており、光の回折現象を利用して光線を曲げるものである。

このような回折光学面Ｇｆは分散能が大きいため、フレネル面Ｆｆよりもその屈折力の大きさが大きいと、長波長の色収差が正側に、短波長の色収差が負側に大きく発生してしまい、良好な色消しができなくなってしまう。そのため、このようなフレネルレンズＦＬにおいて、回折光学面Ｇｆを効果的に作用させ、良好な色消しを達成するには、回折光学面Ｇｆの屈折力の大きさは、フレネル面Ｆｆの屈折力の大きさより小さいことが好ましい。

さらに述べると、幾何光学的フレネル面Ｆｆは、そのフレネル段差ｈｆのうち、最も小さなものが基準波長の５０倍以上であることが好ましい。これは、フレネル段差ｈｆが小さいと、段差の数が多くなり過ぎ、このフレネル面Ｆｆの加工が困難になるとともに、エッジＥｄおよび谷Ｖの部分が加工誤差によってなまった形状となり、光量損失とフレアが発生してしまうからである。そのため、フレネル段差ｈｆを基準波長の５０倍以上に設定することにより、フレネル面Ｆｆの段差数を増やさずに済み、光量損失とフレアを防ぐことができる。

一方、回折光学面Ｇｆは、回折格子溝３０のピッチｐのうち最小のものが基準波長の５倍以上であり、格子段差（回折格子溝３０の高さ）ｈｄが最も小さいフレネル段差ｈｆより小さく（いずれのフレネル段差ｈｆも格子段差ｈｄより大きく）、基準波長の１０以下の整数倍であることが好ましい。最小ピッチｐが基準波長の５倍以上という条件は、回折格子溝３０のピッチｐが細かくなると、回折効率の低下が生じてしまい、光を有効に用いることができなくなってしまうからである。また、格子段差ｈｄによる光路差が整数倍という条件は、その整数倍の次数にて回折格子溝３０をブレーズし、回折効率を高めて使うために重要な条件である。

このようなフレネルレンズＦＬは、フレネル面Ｆｆの近軸屈折力をΦＦとし、回折光学面Ｇｆの近軸屈折力をΦｄとしたとき、下の条件式（１）を満足することが好ましい。

０．０１ ＜ ｜Φｄ／ΦＦ｜ ＜ ０．３ （１）

条件式（１）は、幾何光学的フレネル面Ｆｆと回折光学面Ｇｆの適切な屈折力配分を示すものであり、この条件は良好な色消しのために重要なものである。条件式（１）の上限を超えると、回折光学面Ｇｆの屈折力が強すぎてしまい、短波長の軸上色収差が正側に、長波長の軸上色収差が負側に大きくなり、良好な結像性能を得ることができなくなる。また、条件式（１）の下限を下回ると、逆に回折光学面Ｇｆの屈折力が弱すぎてしまい、短波長の軸上色収差が負側に、長波長の軸上色収差が正側に大きくなり、良好な結像性能を得ることができなくなる。これは、一般のガラスのアッベ数が２０〜８０程度に対し、回折光学面は−３．４５と負分散で小さい値を取るため、両者のバランスを取って色消しをするために重要な条件である。なお、本条件の効果をより発揮するには、上限を０．２、下限を０．０３とすることが望ましい。

ところで、本実施例におけるフレネルレンズＦＬのように、回折光学面Ｇｆを有する回折光学素子としては、図３（ａ）に示すようなレンズ（回折素子要素１０）の一方の面に回折格子溝３０を形成した単層型の回折光学素子と、図３（ｂ）に示すように、異なる材料である２種類の回折素子要素１０，２０から構成され、同一の回折格子溝３０で密着している、いわゆる密接複層型の回折光学素子や、図示しないが、各回折素子要素の対向する面に各々回折格子溝を形成して所定の間隔を設けて配置した分離複層型の回折光学素子が知られている。このような複層型の回折光学素子は、所望の広波長領域（例えば、可視光領域）のほぼ全域で高い回折効率が保たれる、すなわち、波長特性が良好であるという特徴を有している。

本実施例におけるフレネルレンズＦＬにおいて、回折光学面Ｇｆが複層型の場合に、この回折光学面Ｇｆを形成する回折格子溝３０の格子高さをｈｄとし、最小ピッチをｐとしたときに、下の条件式（２）を満足することが好ましい。

０．００１ ＜ ｈｄ／ｐ ＜ ２．０ （２）

この条件式（２）は、回折光学面Ｇｆの適切なアスペクト比（ｈｄ／ｐ）を示すものであり、この条件は、製造上並びにフレアを減ずる対策のために重要である。条件式（２）の上限を超えると、アスペクト比が大きくなり過ぎて、製造が困難になる傾向となり、不都合である。さらには、回折フレア発生量が大きくなって良好な結像性能が得られなくなる。一方、条件式（２）の下限を下回ると、回折光学面Ｇｆを構成する回折格子溝３０のピッチが緩くなりすぎてしまい、その結果、色消し作用が十分に得られなくなる不都合が生じる。なお、本条件の効果をより発揮するには上限を１．０、下限を０．００８とすることが好ましい。

また、回折光学面Ｇｆを密接複層型で構成した場合、この回折光学面Ｇｆを形成するそれぞれの回折素子要素１０，２０の、基準線であるｄ線に対する屈折率の差をΔｎｄとし、同じくｄ線に対するアッベ数の差をΔνｄとしたとき、下の条件式（３）および（４）を満足することが好ましい。

０．０１ ≦ Δｎｄ ≦ ０．３ （３）
１０ ＜ Δνｄ ＜ ４５ （４）

この条件式（３）および（４）の条件を満たすような２種類の材料を選択して回折素子要素１０，２０とすることにより、回折光学面Ｇｆは広い波長領域で良好な回折効率を得ることができる。この条件式（３）および（４）の範囲外では、波長広帯域に亘って、十分に高い回折効率が得られない。このため、実用的な回折光学素子としてのフレネルレンズＦＬが得られなくなる不都合が生じる。なお、本条件の効果をより発揮するには、条件式（３）において、上限を０．３、下限を０．０２とすることが好ましく、条件式（４）において、上限を２０．０、下限を８．０とすることが好ましい。

図４に示すように、この密接複層型の回折光学面Ｇｆの回折格子溝３０に入射角θで光束Ｂが入射すると、この回折格子溝３０のピッチｐに対して、回折格子溝３０の壁部Ｗで遮られる光線の幅ｘ（幾何学関係により影となる部分の影響であって、回折効率が悪化する）は、その格子高さをｈｄとすると、ｈｄ・ｔａｎθとなる。そのため、この回折格子溝３０を透過する光束は、ｐ−ｈｄ・ｔａｎθとなり、ピッチｐの回折格子溝３０に入射する光線に対する透過する光線の割合は（１−（ｈｄ・ｔａｎθ）／ｐ）となる。以上より、本実施例に係るフレネルレンズＦＬは、次の条件式（５）を満足することが好ましい。

（１−（ｈｄ・ｔａｎθ）／ｐ）² ＞ ０．８ （５）

条件式（５）の左辺は高さがｈｄでピッチがｐの回折格子溝３０に入射角θで入射する光束における回折効率（光量の損失割合）を示すものであり、この回折効率が８０％以上であれば実用レベルと判断して、その使用可能な入射角度範囲を定めたものである。この条件式（５）の下限を下回ると、すなわち、光束Ｂの入射角θが大きくなると、回折効率が低くなりすぎてしまい、回折フレアによる影響が出て良好な結像性能を得ることができない。

なお、本実施例に係るフレネルレンズＦＬは、その回折光学面Ｇｆが単層型、複層型に拘わらず、フレネル面Ｆｆが形成された光学部材（図３（ａ）においては回折素子要素１０）のｄ線に対する屈折率をｎｄ１とし、ｄ線に対するアッベ数をνｄ１としたとき、さらには次に示す条件式（６）および（７）を満足することが好ましい。

１．４５ ≦ ｎｄ１ （６）
４５ ≦ νｄ１ （７）

この条件式（６）および（７）は、幾何光学的フレネル面Ｆｆが形成された光学部材の屈折率ｎｄ１とアッベ数νｄ１の適切なる範囲を示すものである。条件式（６）の下限を下回ると、基準波長（ｄ線）に対する屈折率が低くなりすぎてしまい、諸収差の発生が大きくなる不都合が生じる。また、条件式（７）の下限を下回ると、基準波長（ｄ線）に対するアッベ数が小さくなりすぎてしまい、色収差の発生が大きくなる不都合が生じる。なお、本条件の効果をより発揮するには、条件式（６）において、下限を１．４８とすることが好ましく、条件式（７）において、下限を５０．０とすることが好ましい。

本実施例に係るフレネルレンズＦＬを実際に構成するときは、平行平面板をベースとして、その片側に幾何光学的フレネル面Ｆｆを形成し、その逆側に回折光学面Ｇｆを形成することが製造上好ましく、このフレネルレンズＦＬを搭載する装置内のレイアウト上も、コンパクト化しやすく都合が良い。また、実際の製作にあたっては、軽量化の効果をさらに発揮させるために、光学樹脂による射出成形法によって製作することが好ましい。より具体的には、アクリル、ＺＥＯＮＥＸ（登録商標）４８０Ｒ、ポリカーボネート等の光学材料が好ましい。

このフレネルレンズＦＬは、少なくともＦ線、ｄ線およびＣ線からなる波長領域の光を透過する部材で形成されていることが好ましく、その色収差バランスに関しては、所定の波長域での軸上色収差の拡がり幅が小さいことが好ましい。回折光学面Ｇｆは負分散であるため、基準波長に対して長波長および短波長のいずれの光線も軸上色収差が負であることが望ましい。また、このフレネルレンズＦＬは、結像光学系、照明光学系等あらゆる光学系に適用が可能であり、いずれにおいても、薄型軽量で、且つ、十分な色消し性能を達成することができる。また、平行平板素子として使うのみでなく、レンズ曲面上等にフレネル面Ｆｆや回折光学面Ｇｆを配設しても良い。なお、幾何光学的フレネル面Ｆｆの形状は、球面であれば比較的製作しやすいが、非球面形状とすれば、収差補正の自由度が増すため好都合である。また、本実施例に係るフレネルレンズＦＬに屈折率分布型レンズ、ＥＤガラスなどと組み合わせることにより、さらなる高性能化が達成できる。

本実施例に係るフレネルレンズＦＬを液晶プロジェクタ５０の照明光学系に用いた場合について図５を用いて説明する。この液晶プロジェクタ５０は、ハロゲンランプやＬＥＤ等で構成される光源５１から放射された光を直接、又は、ミラー５２で反射させ、従来のフレネルレンズ５３により平行光束に変換してガラス吸収フィルター、偏光板、または、体積型ホログラムのような光学素子５４を透過させ、本実施例に係るフレネルレンズ５５（ＦＬ）で集光する照明光学系と、この照明光学系を通過した照明光を透過させる透過型ＬＣＤデバイス５６と、このＬＣＤデバイス５６を透過した光をスクリーン５８に投射する投射レンズ５７とから構成される。

この液晶プロジェクタ５０において、本実施例に係るフレネルレンズ５５（ＦＬ）は、回折光学面Ｇｆが光源側、すなわち、従来のフレネルレンズ５３で変換された平行光束が入射する側に位置するように配置されている。すなわち、本実施例に係るフレネルレンズ５５（ＦＬ）は、２つの光学的な共役点とフレネルレンズＦＬ迄の光軸上の距離のうち、長い方の側に回折光学面Ｇｆが位置するように配置されている。このように、本実施例に係るフレネルレンズＦＬを集光レンズとして用いるときは、２つの光学的な共役点とフレネルレンズＦＬ迄の光軸上の距離のうち、長い方の側に回折光学面Ｇｆが位置するように配置することで、この回折光学面Ｇｆに入射する光線の入射角を小さくすることができ、回折フレアによる損失を減らすことができる。

なお、従来のフレネルレンズ５３と本実施例に係るフレネルレンズ５５（ＦＬ）との間は、光線が略平行系であることが好ましい。これは、両フレネルレンズ５３，５５の間に配置する上述の光学素子５４に対して光線が斜めに入射すると、所定の特性が変化してしまうためである。また、この液晶プロジェクタ５０においては、従来のフレネルレンズ５３を、本実施例に係るフレネルレンズＦＬとしても良い。この場合も、２つの光学的な共役点と本実施例に係るフレネルレンズ迄の光軸上の距離のうち、長い方の側に回折光学面が位置するように配置することが好ましく、互いの回折光学面が対向するように配置されることが好ましい。

以下に、本発明に係るフレネルレンズＦＬの実施例を示すが、各実施例において、回折光学面Ｇｆの位相差は、通常の屈折率と後述する非球面式（８），（９）とを用いて行う超高屈折率法により計算した。超高屈折率法とは、非球面形状と回折光学面の格子ピッチとの間の一定の等価関係を利用するものであり、本実施例においては、回折光学面を超高屈折率法のデータとして、すなわち、後述する非球面式（８），（９）およびその係数より示している。なお、本実施例では収差特性の算出対象として、ｄ線、ｇ線、Ｃ線、Ｆ線を選んでいる。本実施例において用いられたこれらｄ線、ｇ線、Ｃ線、Ｆ線の波長と、各スペクトル線に対して設定した超高屈折率法の計算に用いられるための屈折率の値を下の表１に示す。

（表１）
波長 屈折率（超高屈折率法による）
ｄ線 587.562ｎｍ 10001
ｇ線 435.835ｎｍ 7418.6853
Ｃ線 656.273ｎｍ 11170.4255
Ｆ線 486.133ｎｍ 8274.7311

各実施例において、非球面は光軸に垂直な方向の高さ（入射高）をｈとし、非球面の頂点における接平面から高さｈにおける非球面上の位置までの光軸に沿った距離（非球面量）をｘとし、基準球面の曲率半径をｒとし、近軸曲率半径をＲとし、円錐係数をκとし、ｎ次の非球面係数をＣ_nとしたとき、条件式（８），（９）で表される。

ｘ ＝ （ｈ²／ｒ）／（１＋（１−κ（ｈ²／ｒ²）^1/2）
＋Ｃ₂ｈ²＋Ｃ₄ｈ⁴＋Ｃ₆ｈ⁶＋Ｃ₈ｈ⁸＋Ｃ₁₀ｈ¹⁰ （８）
Ｒ ＝ １／（（１／ｒ）＋２Ｃ₂） （９）

なお、各実施例において、回折光学面が形成されたレンズ面には、表中の面番号の右側に＊印を付しており、非球面式（８），（９）は、この回折光学面の性能の諸元を示している。

（第１実施例）
図６は、第１実施例に係るフレネルレンズＬ１（ＦＬ）を示しており、フレネル面Ｆｆを物体側（光源側）に向けて配置し、このフレネル面Ｆｆに照射した光線を像面Ｉに結像させた場合を示している。また、回折光学面Ｇｆは、単層型で構成した場合を示している。そして、このように図６に示した第１実施例におけるフレネルレンズＬ１の諸元を表２に示す。表中、第１欄ｍは物体側からの各光学面の番号（右の＊は回折光学面として形成されているレンズ面）であって、図６に示した面番号１〜３に対応している。また、第２欄ｒは各光学面の曲率半径（回折光学面の場合は、ベースとなる非球面の基準となる球面の曲率半径）、第３欄ｄは各光学面から次の光学面（または像面Ｉ）までの光軸上の距離、さらに第４欄ｎｄ、第５欄ｎｇ、第６欄ｎＣ、および、第７欄ｎＦはそれぞれｄ線、ｇ線、Ｃ線、および、Ｆ線に対する屈折率を示している。また、非球面データにおいて、０（ゼロ）となるｎ次の非球面係数Ｃnは省略している。さらに、表には前記条件式（１）〜（７）に対応する値、すなわち、条件対応値も示している（本第１実施例の回折光学面Ｇｆは単層型であるため、条件式（３）〜（５）に対応する値は記載しない）。以上の表の説明は他の実施例においても同様である。

なお、本第１実施例では、面番号１がフレネル面Ｆｆに相当しており、この第１面（フレネル面Ｆｆ）を有する光学部材をアクリルで形成し、他方の面に回折光学面Ｇｆを形成し、これが第２面および第３面に相当している。また、以下の全ての諸元値において掲載される曲率半径ｒ、面間隔ｄその他の長さの単位は、特記の無い場合、一般に「ｍｍ」が使われるが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は「ｍｍ」に限定されることはなく、他の適当な単位を用いることもできる。

（表２）
有効径＝10.00
ｍ ｒ ｄ ｎｄ ｎｇ ｎＣ ｎＦ
1 60.00000 3.00000 1.491080 1.501900 1.488540 1.497070
2* 0.00000 0.00000 10001 7418.6853 11170.4255 8274.7311
3 0.00000 112.08623 1.000000
（フレネル面データ）
第１面 サグ量を０．２に固定
（非球面データ）
第３面 κ＝1.0000 Ｃ₂＝-3.00000×10^-8
（条件対応値）
Φｄ［ｍ^-1］＝1/1666.667
ΦＦ［ｍ^-1］＝1/113.963
ｈｄ＝λｄ／ΔＮｄ［μｍ］＝1.196
ｐ ［μｍ］＝97.93
フレネル面のピッチ＝0.2（一定）
（１）Φｄ／ΦＦ＝0.0684
（２）ｈｄ／ｐ＝0.0122
（６）ｎｄ１＝1.49108
（７）νｄ１＝57.6

このように第１実施例では上記条件式（１）、（２）、（６）、（７）は全て満たされていることがわかる。図７にこの第１実施例の球面収差、非点収差、歪曲収差、コマ収差、および、倍率色収差を示す。各収差図において、ＦＮＯはＦナンバーを、Ｙは像高を、ｄはｄ線を、ｇはｇ線を、ＣはＣ線を、ＦはＦ線をそれぞれ示している。なお、球面収差図において最大口径に対するＦナンバーの値、非点収差図と歪曲収差図では像高の最大値をそれぞれ示し、コマ収差図では各像高の値を示す。また、非点収差図では実線はサジタル像面を示し、破線はメリディオナル像面を示している。以上の収差図の説明は、他の実施例においても同様である。図７中の各収差図から明らかなように、第１実施例では、収差（特に軸上色収差）が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。なお、収差曲線にわずかなうねりが見られるのは、幾何光学的フレネルの段差によるものである。

（第２実施例）
次に、第２実施例として、回折光学面Ｇｆを密接複層型で構成したフレネルレンズＬ２（ＦＬ）について、図８を用いて説明する。この図８も、フレネル面Ｆｆを物体側（光源側）に向けてフレネルレンズＬ２を配置し、このフレネル面Ｆｆに照射した光線を像面Ｉに結像させた場合を示している。この第２実施例に係るフレネルレンズＬ２の諸元を表３に示す。なお、本第２実施例において、表２の第１欄ｍに示す面番号は、図８に示した面番号１〜５に対応しており、面番号１がフレネル面Ｆｆに相当しており、この第１面を有する光学部材をＺＥＯＮＥＸ４８０Ｒで形成している。また、この光学部材の他方の面（第２面）に第１の回折素子要素（図３（ｂ）における１０）として高屈折率低分散材料を用いて形成し、また、第２の回折素子要素（図３（ｂ）における２０）として低屈折率高分散材料を用いて形成して、密接複層型の回折光学面Ｇｆを構成し、この異なる回折素子要素の密接部分に回折格子溝（図３（ｂ）における３０）を形成して、これが面番号３および４に相当している。また、第２の回折素子要素の外側（像側）に位置する面が第５面に相当する。

（表３）
有効径＝15.00
ｍ ｒ ｄ ｎｄ ｎｇ ｎＣ ｎＦ
1 60.00000 3.00000 1.524700 1.536490 1.521960 1.531290
2 0.00000 0.20000 1.556900 1.570900 1.564700 1.553600
3* 0.00000 0.00000 10001 7418.6853 11170.4255 8274.7311
4 0.00000 0.20000 1.518900 1.538000 1.528900 1.514400
3 0.00000 1515.09847 1.000000
（フレネル面データ）
第１面 サグ量を０．２に固定
（非球面データ）
第４面 κ＝1.0000 Ｃ₂＝-3.30000×10^-8 Ｃ₄＝6.00000×10^-7
第５面 κ＝1.0000 Ｃ₄＝6.00000×10^-7
第３面 κ＝1.0000 Ｃ₄＝6.00000×10^-7
（条件対応値）
Φｄ［ｍ^-1］＝1/1515.230
ΦＦ［ｍ^-1］＝1/114.351
ｈ＝λｄ／ΔＮｄ［μｍ］＝15.45
ｐ ［μｍ］＝59.4
フレネル面ピッチ＝0.2（一定）
（１）Φｄ／ΦＦ＝0.0755
（２）ｈ／ｐ＝0.02601
（３）Δｎｄ＝0.038
（４）Δνｄ＝14.4
（５）（１−（ｈ・ｔａｎθ）／ｐ）²＞０．８となるθ＝２２．０９［度］
（６）ｎｄ１＝1.52470
（７）νｄ１＝56.2

このように第２実施例においても上記条件式（１）〜（７）は全て満たされていることがわかる。図９にこの第１実施例の球面収差、非点収差、歪曲収差、コマ収差、および、倍率色収差を示すが、各収差図から明らかなように、第２実施例でも、収差（特に軸上色収差）が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。この第２実施例においても収差曲線にわずかなうねりが見られるが、これは、幾何光学的フレネルの段差によるものである。なお、第２実施例においては、フレネルレンズＬ２を、異なる回折素子要素が密接した２層で構成される密接複層型回折光学素子として構成した場合を示したが、この他に、回折素子要素が分離した分離複層型回折光学素子であっても、また、密接した３層以上の回折素子要素から構成される密接複層型回折光学素子であっても有効である。特に、樹脂のみからなる複層型の回折格子で形成すれば、コストダウンのみならず薄型軽量化を計ることができる。

以上説明したように、本実施例に係るフレネルレンズＦＬ（Ｌ１，Ｌ２）によると、小型軽量で色収差が良好に補正されたフレネルレンズを得ることができる。なお、このフレネルレンズＦＬは、例えば、焦点近傍に光検出器を配設すれば薄型のコリメータとして使用することができ、逆に、焦点近傍にＬＥＤ等の光源を配設すれば小型軽量薄型の照明系を構成することができる。また、このフレネルレンズＦＬ（５５）を液晶プロジェクタ５０の照明光学系に用いることにより、高性能で小型化されたプロジェクタを提供することができる。

本発明に係るフレネルレンズを示す説明図である。 幾何光学的フレネル面を示す説明図である。 回折光学面を示す説明図であって、（ａ）は単層型で構成した場合を示し、（ｂ）は密接複層型で構成した場合を示す。 回折格子溝に入射する光束を示す説明図である。 本発明に係るフレネルレンズを用いた液晶プロジェクタを示す構成図である。 本発明に係るフレネルレンズの第１実施例におけるレンズ構成図である。 第１実施例における諸収差図である。 本発明に係るフレネルレンズの第２実施例におけるレンズ構成図である。 第２実施例における諸収差図である。

符号の説明

ＦＬ，Ｌ１，Ｌ２，５５ フレネルレンズ
Ｆｆ フレネル面 Ｇｆ 回折光学面
ｈｆ フレネル段差 ｈｄ 格子段差
１０ 第１の回折素子要素 ２０ 第２の回折素子要素 ３０ 回折格子溝
５０ 液晶プロジェクタ

Claims (12)

1. 光学部材の一方の面に幾何光学的フレネル面が形成されたフレネルレンズであって、
   前記光学部材の他方の面に回折格子溝からなる回折光学面が形成され、
   前記フレネル面のいずれのフレネル段差も、前記回折格子溝の格子段差より大きく、且つ、前記回折光学面の屈折力の大きさが、前記フレネル面の屈折力の大きさより小さいことを特徴とするフレネルレンズ。
2. 前記フレネル面が、前記フレネル段差の大きさのうち最も小さいものが基準波長の５０倍以上に形成され、
   前記回折格子溝が、ピッチが基準波長の５倍以上で、且つ、格子段差による光路差が基準波長の整数倍に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のフレネルレンズ。
3. 前記フレネル面の近軸屈折力をΦＦとし、前記回折光学面の近軸屈折力をΦｄとしたとき、次式
   ０．０１ ＜ ｜Φｄ／ΦＦ｜ ＜ ０．３
   を満足することを特徴とする請求項１または２に記載のフレネルレンズ。
4. 前記回折光学面が、第１の回折素子要素と第２の回折素子要素とからなる複層構造の回折格子溝で構成され、
   前記回折格子溝が１次光でブレーズされ、高さをｈｄ、最小ピッチをｐとしたとき、次式
   ０．００１ ＜ ｈｄ／ｐ ＜ ２．０
   を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフレネルレンズ。
5. 前記回折光学面が、前記第１の回折素子要素と前記第２の回折素子要素とが密接され、密接部分に前記回折格子溝が形成されて構成されたことを特徴とする請求項４に記載のフレネルレンズ。
6. 前記第１の回折素子要素と前記第２の回折素子要素との屈折率の差をΔｎｄとし、前記第１の回折素子要素と前記第２の回折素子要素とのアッベ数の差をΔνｄとしたとき、次式
   ０．０１ ≦ Δｎｄ ≦ ０．３
   １０ ＜ Δνｄ ＜ ４５
   を満足することを特徴とする請求項５に記載のフレネルレンズ。
7. 前記回折格子溝の格子高さをｈｄとし、前記回折格子溝のピッチをｐとし、前記回折格子溝に入射する光束の最大入射角をθとしたとき、次式
   （１−（ｈｄ・ｔａｎθ）／ｐ）² ＞ ０．８
   を満足することを特徴とする請求項５または６に記載のフレネルレンズ。
8. 前記第１の回折素子要素および前記第２の回折素子要素の少なくとも一方が樹脂で形成されていることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載のフレネルレンズ。
9. 前記第１の回折素子要素および前記第２の回折素子要素のいずれもが樹脂で形成されていることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載のフレネルレンズ。
10. 少なくとも、Ｆ線、ｄ線、および、Ｃ線からなる波長領域の光を透過する部材で構成されたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のフレネルレンズ。
11. 光源と、
    前記光源から放射された光を集光する請求項１〜１０のいずれかに記載のフレネルレンズと、
    前記フレネルレンズで集光された光を透過させる透過型ＬＣＤデバイスと、
    前記透過型ＬＣＤデバイスを透過した光をスクリーンに投射する投射レンズとから構成されることを特徴とする液晶プロジェクタ。
12. 前記フレネルレンズが、
    ２つの光学的な共役点のうち、前記フレネルレンズ迄の光軸上の距離のうち、長い方の側に前記回折光学面が位置することを特徴する請求項１１に記載の液晶プロジェクタ。

Images