JP4725847B2

JP4725847B2 - Ｄｏｅレンズおよびこのｄｏｅレンズを有する照明光学系

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Publication number: JP4725847B2
Application number: JP2006020422A
Authority: JP
Inventors: 香織向井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2006-01-30
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2026-01-30
Also published as: JP2006235618A

Description

本発明は、回折光学面を備えたＤＯＥレンズおよびこのＤＯＥレンズを有する照明光学系に関する。

従来、照明光学系において、ランプ等の光源からの光束を略平行光束にするためのレンズとして、非球面を利用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような照明光学系としては、少ないレンズ枚数で、より広い角度の光束を取り込むことができる光学系が望ましい。一方、画像を取得するような結像光学系と比較すると、照明光学系に要求される結像性能は比較的緩やかである。

特開平１０−１１１４７９号公報

しかしながら、このような照明光学系に用いられる屈折を利用した非球面レンズは、非常に広い角度の光束を取り込むことができる開口数（ＮＡ）の大きなレンズであるが、広い角度の光束を略平行光束にするため、曲率がきつく、厚いレンズ形状となる。そのため、重量が大きくなり、光源部の小型化が困難であるという課題がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、照明光学系等に用いることができ、容易に製造可能で薄型の回折光学面を備えたＤＯＥレンズおよびこのＤＯＥレンズを有する照明光学系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ＤＯＥレンズは非球面形状を利用した回折光学面を備えるものであり、この非球面形状が、双曲面で決定され、前記回折光学面が超高屈折率法で設計され、ｍを回折の次数（但し、ｍ＝１）とし、λを波長（単位μｍ）とし、Ｋを円錐係数とし、ｎｕを前記超高屈折率法における仮想的な屈折率としたとき、前記回折光学面が、以下の条件式

を満足する。そして、本発明に係る照明光学系は光源とこのＤＯＥレンズとを有して構成される。

本発明に係るＤＯＥレンズを以上のように構成すると、薄型にすることができるとともに、回折光学面のピッチをある一定値以上にすることができるため、製造を容易にすることができる。また、照明光学系にこのＤＯＥレンズを用いることにより、小型化、軽量化が可能となる。

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ＤＯＥレンズを液晶プロジェクタの照明光学系に用いた場合について説明する。液晶プロジェクタ１０は、ハロゲンランプ等で構成される光源１１から放射された光を直接、又は、ミラー１２で反射させ、本実施例に係るコンデンサレンズ（ＤＯＥレンズ１３）により略平行光束（光源の中心から射出される光束で±５°以内を想定）に変換する照明光学系１４と、略平行光束に変換された照明光を透過させる透過型ＬＣＤデバイス１５と、このＬＣＤデバイス１５を透過した光線をスクリーン１７に投射する投射光学系１６とから構成される。

本実施例に係るＤＯＥレンズ１３は、光の回折を利用して光線を曲げる回折光学面Ｇｆが設けられている。そのため、光源１１から放射された光のレンズ面に対する入射角を大きくする必要がないため、平行平面板形状で光源１１からの光束を略平行光束にすることが可能であり、ＤＯＥレンズ１３を薄く、かつ、軽量にすることができる、また、光源１１とＤＯＥレンズ１３との間の作動距離を大きくすることができる。

ところで、このような回折光学面Ｇｆは、細かい溝状の格子構造を同心円状に備えて形成されており、非球面形状が利用される。この回折光学面Ｇｆを超高屈折率法で設計した場合、その面形状は、式（１）となる。なお、式（１）において、Ｚは光軸方向の頂点位置からのサグ量、Κは円錐係数、Ｒは曲率半径、および、Ｙは径方向の大きさを表す。

…（１）

高次非球面形状を利用して回折光学面Ｇｆを構成すると、ＤＯＥレンズ１３の径が大きくなるに従い、回折光学面Ｇｆを形成する格子構造（回折格子）のピッチが狭くなる傾向にある。特に、大きな角度の光束を取り込むように設計された回折光学面Ｇｆでは、ピッチが細かくなりすぎて製造が困難になる。そこで、本実施例においては、回折光学面Ｇｆの形状として双曲面を基にしている。双曲面とは、ある２点からの距離の差が一定の点の集まりである双曲線を、その対称軸周りに回転させることで得られる曲面である。双曲面は、対称軸から離れるほど漸近線に近づく性質があるため、この双曲面を基に回折光学面Ｇｆを構成すると、ＤＯＥレンズ１３は、その光軸から離れるほど、回折光学面Ｇｆのブレーズ化された回折面はこの漸近線に近づく。そのため、径が大きくなっても回折光学面Ｇｆのピッチを所定値以上にすることができる。ここで、回折光学面Ｇｆのピッチｐと高さｈを図５に示す。

なお、式（１）において、双曲面になる条件はΚ＜−１のときであり、径方向の大きさＹが十分大きい場合、すなわち、ＤＯＥレンズ１３の円周部におけるピッチｐは、次式（２）のように表される。但し、式（２）において、ｍは回折光学面Ｇｆにおける回折の次数であり、λは回折光学面Ｇｆで回折される光線の波長（単位はμｍ）であり、ｎｕは超高屈折率法における仮想的な屈折率である。

…（２）

回折光学面Ｇｆのピッチｐが必要以上に細かくなり過ぎず、製造可能であるためには、ピッチｐが１μｍ以上であることが好ましく、｜Κ｜が１よりも十分大きい値であるときに、ピッチｐが１μｍ以上であるためには次式（３）を満たすことが必要である。

…（３）

このような回折光学面Ｇｆにおいて、ｍ次光を利用する場合の高さｈは、この回折光学面Ｇｆが形成されている基板の屈折率をｎｂとすると次式（４）により定義される。

…（４）

よって、径方向の大きさＹが十分大きい位置でのアスペクト比ｈ／ｐは、｜Κ｜≫１より、次式（５）のようになる。

…（５）

回折光学面Ｇｆのアスペクト比ｈ／ｐが大きい構造は製造が困難であるので、このアスペクト比ｈ／ｐは次式（６）の関係を満たすことが望ましい。

ｈ／ｐ＜２．５ …（６）

なお、さらに製造を容易にするためには、アスペクト比ｈ／ｐが次式（７）の関係を満たすことが好ましい。

ｈ／ｐ＜１ …（７）

また、本実施例に係るＤＯＥレンズ１３の開口数ＮＡは、次式（８）の条件を満たすことが好ましい。このＤＯＥレンズ１３を用いて光源１１からの光線をファイバーにリレーする場合において、多成分ガラスファイバーを用いたときには、０．４以上の開口数が必要だからである。

ＮＡ ≧ ０．４ …（８）

以下、本実施例に係る照明光学系１４に用いられるＤＯＥレンズ１３の具体的な実施例について説明する。まず、第１実施例に係るＤＯＥレンズ１３として図２に示すレンズＬ１を用いた場合について示す。この図１は、紙面左側から順に被照明面Ｐ、レンズＬ１、光源ＬＥＤが配置され、上述の液晶プロジェクタ１０の場合とは反対に、平行光束をレンズＬ１の回折光学面Ｇｆ側から入射させ、逆光線追跡して結像させた場合の光路を示している。このレンズＬ１の諸元を表１に示す。

表１における面番号１〜４は、本第１実施例に係るレンズＬ１に関するものであり、それぞれ図２における符号１〜４に対応する。なお、面番号に符号「＊」が付されている面は、回折光学面Ｇｆであることを示している。また、表１におけるｆはレンズＬ１の焦点距離を、ＮＡは開口数を、Κは円錐係数を、ｍは回折の次数を、ｒはレンズの曲率半径を、ｄはレンズの面間隔を示しており、以降の実施例においても同様である。また、円錐係数Κにおいて、「Ｅ０９」等は「×１０⁰⁹」を示す。また、以下の全ての諸元値において掲載されている焦点距離ｆ、入射瞳径、厚さ、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、光学系は比例拡大また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」に限定されることなく、他の適当な単位を用いることができる。

（表１）
（全体諸元）
ｆ＝3
入射瞳径＝6
ＮＡ＝0.712
厚さ＝0.3
（面データ）
面番号ｒｄ硝材備考
1 ∞ 3 Ｐ
2* 60000 0.00 ＤＯＥＬ１
3 ∞ 0.3 石英
4 ∞ 2.79
（回折光学面データ）
第２面 Κ＝-0.389E09 ｍ＝2

この第１実施例においては、レンズＬ１を石英基板に回折光学面Ｇｆ（第２，３面）を形成して構成している。しかしながら、基板の材質は回折光学面Ｇｆが形成されたレンズＬ１の結像性能に対しては影響がなく、基板の屈折率で回折光学面Ｇｆの回折格子の高さｈが決まるだけである。よって、通常の光学ガラスを使用すること以外にも回折光学面Ｇｆが形成容易なように、モールド用低融点ガラスや樹脂の基板を使うことや、ガラス基板上に薄い樹脂層を設け、そこに回折光学面Ｇｆを形成することも可能である。

なお、超高屈折率法の適用においては、主波長をｄ線（５８７．５６２ｎｍ）とし、使用した回折光学面Ｇｆの屈折率は表２に示すとおりである。

（表２）
波長［ｎｍ］屈折率
Ｃ線 656.273 22339.85105
ｄ線 587.562 20001.00000
Ｆ線 486.133 16548.46223
ｇ線 435.835 14836.37057

図３に、本第１実施例における縦収差図を示す。回折光学面Ｇｆは、通常のガラスよりも色収差が発生しやすいため、軸上色収差が大きいが、球面収差は十分小さくすることができる。また、図４にレンズＬ１における回折光学面Ｇｆの、光軸を通る断面形状のうち光軸付近の形状を示し、図５に周辺部の断面形状を示す。光軸付近だけでなく、周辺部においても回折格子のピッチｐが１μｍ以上となっている。

この第１実施例において式（５）から求められるアスペクト比ｈ／ｐは２．２となる。また、実際の形状において、レンズＬ１の径方向の大きさＹが３．０ｍｍにおけるピッチｐが１．６５μｍとなり、高さｈが２．５６μｍとなることから、アスペクト比ｈ／ｐは１．５５となり式（６）の条件を満たしており、このレンズＬ１の回折光学面Ｇｆの製造は容易である。

なお、図６に、この第１実施例に係るレンズＬ１をコンデンサレンズとして２枚使用し、光源から放射された光を一旦、略平行光束に変換し、再度集光してファイバー等にリレーする場合の光路図を示す。なお、図６において、Ｓは光源、Ｐは絞り、Ｒはファイバーの入射部を示す。また、レンズＬ１は、互いの回折光学面Ｇｆが対向するように配置されている。

第１実施例に示したレンズＬ１では、回折光学面Ｇｆによる軸上色収差が発生しているが、この軸上色収差を補正するために、図７に示すように、回折光学面Ｇｆでない方の面に屈折力を持たせたレンズＬ２について第２実施例として説明する。この図７は、紙面左側から順に被照明面Ｐ、レンズＬ２、光源ＬＥＤが配置され、上述の第１実施例と同様に、液晶プロジェクタ１０の場合とは反対に、平行光束をレンズＬ１の回折光学面Ｇｆ側から入射させ、逆光線追跡して結像させた場合の光路を示している。このレンズＬ２の諸元を表３に示す。なお、表３における面番号１〜４は、本第２実施例に係るレンズＬ２に関するものであり、それぞれ図７における符号１〜４に対応する。なお、面番号に符号「＊」が付されている面は、回折光学面Ｇｆ若しくは非球面であることを示しており、非球面も上述の式（１）で表される。また、表３において、レンズＬ２は、ｄ線に対する屈折率（ｎｄ）が１．８４６６６であり、ｄ線に対するアッベ数（νｄ）が２３．８の光学ガラスが用いられている場合を示している。

（表３）
（全体諸元）
ｆ＝3
入射瞳径＝4.3
ＮＡ＝0.517
厚さ＝1
（面データ）
面番号ｒｄ硝材備考
1 ∞ 3 Ｐ
2* 187213.2 0.00 ＤＯＥＬ２
3* ∞ 1 光学ガラス
4 -2.937178 2.913
（回折光学面データ）
第２面 Κ＝-0.135791E11 ｍ＝1
（非球面データ）
第３面 Κ＝-3.975794

なお、超高屈折率法の適用においては、主波長をｄ線（５８７．５６２ｎｍ）とし、使用した回折光学面Ｇｆの屈折率は表４に示すとおりである。

（表４）
波長［ｎｍ］屈折率
Ｃ線 656.273 11170.41249
ｄ線 587.562 10001.00000
Ｆ線 486.133 8274.708217
ｇ線 435.835 7418.795629

図８に、本第２実施例における縦収差図を示す。球面収差のグラフで表される軸上色収差は、第１実施例の場合よりも各光線とも小さくなり、また、ｇ線の軸上色収差は負側に補正されている。回折光学面は、波長の長い光ほど大きく曲げる性質を有している。一方、屈折においては、波長が短いほど屈折率が高いため、短い波長の光ほど大きく曲がる。そのため、通常の屈折面と回折光学面とを組み合わせることにより、１枚の凸レンズでも色収差の補正が可能である。第１実施例と同様に、図９にレンズＬ２における回折光学面Ｇｆの光軸を通る断面形状のうち光軸付近の形状を示し、図１０に周辺部の断面形状を示す。この第２実施例においても、光軸付近だけでなく、周辺部においても回折格子のピッチｐが細かくなることはなく、周辺部のピッチｐはおおよそ８μｍとなっている。

この第２実施例において式（５）から求められるアスペクト比ｈ／ｐは０．１０となる。また、実際の形状において、径方向の大きさＹが２．４ｍｍにおけるピッチｐが８．２４μｍとなり、高さｈが０．６９μｍとなることから、アスペクト比ｈ／ｐは０．０８４となり式（６）の条件を満たしており、さらに式（７）の条件も満たしているため、このレンズＬ２の回折光学面Ｇｆの製造は容易である。

以上説明したように、照明光学系等に用いられるレンズに回折光学面を設けたＤＯＥレンズを用いることにより、ＤＯＥレンズを薄く、軽くすることができ、光学系全体を小型化・軽量化することができる。このとき、回折光学面を双曲面に基づいた高次非球面形状から決定される性能を有するように形成することにより、レンズの径が大きくなってもピッチあるいはアスペクト比をある一定値以上にすることができ製造が容易となる。

本発明に係る照明光学系を有する液晶プロジェクタの構成図である。第１実施例に係るＤＯＥレンズの断面図である。第１実施例の光学系の諸収差図である。第１実施例に係る回折光学面の光軸付近の断面図である。第１実施例に係る回折光学面の周辺部の断面図である。第１実施例に係るＤＯＥレンズを用いて光線をリレーする場合の断面図である。第２実施例に係るＤＯＥレンズの断面図である。第２実施例の光学系の諸収差図である。第２実施例に係る回折光学面の光軸付近の断面図である。第２実施例に係る回折光学面の周辺部の断面図である。

符号の説明

１１光源
１３，Ｌ１，Ｌ２ＤＯＥレンズ
１４照明光学系
Ｇｆ回折光学面

Claims

非球面形状を利用した回折光学面を備えるＤＯＥレンズであって、
前記非球面形状が、双曲面で決定され、
前記回折光学面が、超高屈折率法で設計され、ｍを回折の次数（但し、ｍ＝１）とし、λを波長（単位μｍ）とし、Ｋを円錐係数とし、ｎｕを前記超高屈折率法における仮想的な屈折率としたとき、前記回折光学面が、次式

を満足することを特徴とするＤＯＥレンズ。
前記回折光学面の高さをｈとし、ピッチをｐとし、前記回折光学面が形成された基板の屈折率をｎｂとしたとき、前記回折光学面のアスペクト比ｈ／ｐが、次式

を満足することを特徴とする請求項１に記載のＤＯＥレンズ。
前記回折光学面が形成されていない方の面が、非球面形状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＤＯＥレンズ。
光源と、
請求項１〜３のいずれかに記載のＤＯＥレンズとを有し、
前記光源から放射された光線を略平行光束に変換する照明光学系。