JP6647195B2

JP6647195B2 - コリメータレンズ

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Publication number: JP6647195B2
Application number: JP2016511887A
Authority: JP
Inventors: 保貴寺嶋; 照夫山下
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2035-03-30
Also published as: CN106104351A; JPWO2015152161A1; WO2015152161A1; TW201600880A; TWI687714B

Description

本発明は、コリメータレンズに関連し、詳細には、光源からの光線を平行光に変換するために使用されるコリメータレンズに関連する。

レーザ光源等の光源からの発散光束を平行光に変換するレンズであるコリメータレンズが知られている。

このようなコリメータレンズとしては、例えば、レーザ光源を用いた投射型画像表示装置の光学系に組み込まれるものが知られている（特許文献１、２）。

特許文献１のコリメータレンズでは、温度上昇に伴う作動距離（ワーキングディスタンス）の変化を抑えるために色収差特性が改善されている。そして、このレンズは、レーザ光源からの波長が３７５ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の光を対象とし、開口数が０．２以上０．７５以下であり、（１）レンズの厚さをＤ、レンズの焦点距離をｆとしたとき、Ｄ／ｆ＞０．８５が成立し、且つ（２）アッベ数をνｄとしたとき、νｄ＞５７が成立することを特徴としている。

また、特許文献２のコリメータレンズでは、コリメートされた平行光の像面スポットの増大を防ぐために、レンズの光源側面（第１面）及び射出側面（第２面）を凸形状とし、これらの少なくとも一方の面に回折構造が設けられている。

国際公開ＷＯ２０１０／１１６８６２特開２０１１−１４５３８７号公報

例えば、投影型画像表示装置に用いられる場合、コリメータレンズは、レーザ光源等の光源から射出する発散光束を平行光束に変換することを主な機能とする。近年、投影画像の大型化や高精細化等の要求に伴い、画像表示装置に輝度向上が求められている。これに伴い、画像表示装置の光学系に用いられるコリメータレンズに対して、高ＮＡ化とともに、レンズ透過率の向上が求められている。

本発明はこのような課題に対してなされたものであり、高ＮＡ化とともに、レンズ透過率が向上したコリメータレンズを提供することを目的とする。

本発明によれば、
光源から射出された波長３８０ｎｍ〜７００ｎｍの光線を平行光束に変換する、ガラス材料からなるコリメータレンズであって、
前記光源に対向する面と反対側に、凸部が設けられた面を有し、
開口数ＮＡが０．６以上であり、
焦点距離ｆに対する中心レンズ厚ｔの割合ｔ／ｆが１．３以下であり、
前記凸部が設けられた面の最大面角度が６５°以下であり、
前記ガラス材料は屈折率ｎｄが１．５９以上であり、
前記ガラス材料のＴｉＯ₂、ＷＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｂｉ₂Ｏ₃の合計含有量が０〜４０ｗｔ％である、
コリメータレンズが提供される。

本発明によれば、高ＮＡ化とともに、レンズ透過率が向上したコリメータレンズが提供される。

本発明の好ましい実施形態のコリメータレンズの形状を示す概略的な側面図である。図１のコリメータレンズが組み込まれた投影型画像表示装置の光源部の構成を概略的に示すブロック図である。図１のコリメータレンズが組み込まれた他の投影型画像表示装置の光源部の構成を概略的に示すブロック図である。本発明の他の好ましい実施態様のコリメータレンズの形状を示す概略的な側面図である。本発明の別の好ましい実施態様のコリメータレンズの形状を示す概略的な側面図である。本発明の更に別の好ましい実施態様のコリメータレンズの形状を示す概略的な側面図である。本発明のコリメータレンズで用いられる非球面の一例の構成を説明するための図面である。本発明のＮＡ０．６以上のレンズにおける、レンズの射出側面の最大面角度とレンズの透過率の関係を示す図面である。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面に沿って説明する。図１は、本発明の好ましい実施態様のコリメータレンズ１の形状を示す概略的な側面図である。本実施態様のコリメータレンズ１は、レーザ装置等の光源から射出される波長３８０ｎｍ乃至７００ｎｍの光線を平行光に変換するために使用されるガラスレンズである。具体的には、例えば、液晶プロジェクタ等の投影型画像表示装置の光学系で使用される。

図１に示されているように、コリメータレンズ１は、単レンズであって、外縁に環状のコバ部が設けられた所謂両凸レンズ形状を有している。詳細には、使用時に光源Ｓに対向する面（光源側面）２と、この光源側面２と反対側の面（射出側面）４の両面が凸面形状を備えている。本実施態様では、光源側面２および射出側面４の両面が球面である。さらに、コリメータレンズ１は、外縁部に、フランジ状のコバ部６を備えている。なお、コバ部６は、投影型画像表示装置等に組み込む際に装置内のレンズ固定部材に固定するためには有用であるが、設けなくてもよい。

コリメータレンズ１は、射出側面２の最大面角度が６５°以下が好ましい。この最大面角度は、５５°以下が更に好ましく、５０°以下が一層好ましい。尚、面角度θとは、レンズ面上有効径内の一位置における法線とレンズ中心軸Ｚとがなす角度を意味する。最大面角度が６５°以下であると、プレス成形性や研削または研磨加工性等のレンズ加工性が良好なものとなり、さらにレンズの形状評価が容易になる効果がある。

さらに、コリメータレンズ１は、ｔ／ｆ（ｔ：中心レンズ厚、ｆ：焦点距離）が、１．３以下が好ましい。１．３を超えると実用上十分なワーキングディスタンス（作動距離）（ＷｏｒｋｉｎｇＤｉｓｔａｎｃｅ；ＷＤ）、例えば１ｍｍ以上のＷＤを確保することができなくなるためである。このｔ／ｆは、１．２０以下がより好ましい。十分なＷＤの確保に加え、レンズ加工性の観点から、ｔ／ｆは好ましくは０．３〜１．３、更に好ましくは０．３〜０．８５、一層好ましくは０．３〜０．８０である。

さらに、ｔ／ｆの上限と下限について詳述する。ｔ／ｆの上限は、ＷＤの確保の観点から、１．２０以下、１．００以下、０．８０以下、０．７０以下の順に好ましい。ｔ／ｆの下限は、レンズ加工性の観点から、０．３０以上、０．４０以上、０．５０以上の順に好ましい。

尚、本明細書において、「ワーキングディスタンス（作動距離）（ＷｏｒｋｉｎｇＤｉｓｔａｎｃｅ；ＷＤ）」とは、例えば、図１に示されているように、光源Ｓ、詳細には光源中の点状の発光部位と、コリメータレンズ１の光源側面２の最も光源に近い部位の間の距離を指す。

また、コリメータレンズ１の開口数ＮＡは０．６以上である。ＮＡの上限は、ＷＤの確保と最大面角度を６５°以下とするため、例えば０．９以下が好ましい。

さらに、ＮＡの上限は、０．８５以下、０．８０以下、または０．７５以下とすることができる。ＮＡの下限は、０．６超（０．６＜）、０．６５以上、０．７０以上、または０．７１以上とすることができる。

コリメータレンズ１を製造する方法には、ガラス材料を用いた、精密プレス成形や研削加工、研磨加工による方法等がある。
コリメータレンズ１を形成する材料として、例えば以下の２種類の組成系を有するガラス材料（ガラスＩ、ガラスＩＩ）を用いることができる。

ガラスＩは、Ｂ₂Ｏ₃を含有するとともに、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｇｄ₂Ｏ₃、及びＹ₂Ｏ₃等の希土類酸化物から選択される少なくとも一種を含有するガラス材料である。
ガラスＩＩは、Ｐ₂Ｏ₅を含有するとともに、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＷＯ₃、ＴｉＯ₂、及びＢｉ₂Ｏ₃から選択される少なくとも一種を含有するガラス材料である。

コリメータレンズ１を形成するガラス材料には、ガラスＩまたはガラスＩＩにおいて、ＴｉＯ₂、ＷＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｂｉ₂Ｏ₃の合計含有量が０〜４０ｗｔ％であることが好ましい。ＴｉＯ₂、ＷＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｂｉ₂Ｏ₃の合計含有量は、プレス性向上等の観点から、０〜２８ｗｔ％がより好ましく、０〜１６ｗｔ％が、更に好ましい。

また、コリメータレンズ１を形成するガラス材料として、ガラスＩの中では、レンズ透過率の観点から、ＴｉＯ₂＋ＷＯ₃＋Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｂｉ₂Ｏ₃／（（希土類酸化物の合計含有量）＋Ｔａ₂Ｏ₅）≦１．１であることが好ましい。この割合は、０．９以下がより好ましく、０．５以下が更に好ましい。

コリメータレンズ１を形成するガラス材料は、屈折率ｎｄが１．５９以上である。この屈折率ｎｄは、１．６８以上がより好ましく、１．７５以上が更に好ましく、１．８０以上がいっそう好ましい。このような屈折率ｎｄにすることにより、射出側面の最大面角度を小さくすることができるからである。

コリメータレンズ１を形成するガラス材料のアッベ数は、屈折率ｎｄが１．５９以上の高屈折率化を維持する観点から、その上限は５７以下であることが好ましい。さらに、アッベ数の上限は、高屈折率化の観点から、５０以下、または４５以下がより好ましい。アッベ数の下限は、特に制限はないが、２０以上が挙げられる。

さらに、コリメータレンズ１を形成するガラス材料は、精密プレス成形への適性の観点から、ガラス転移温度Ｔｇ≦６３０℃であることが好ましい。
これに関連し、コリメータレンズ１を形成するガラス材料では、Ｔｇ低下に寄与することから、ＺｎＯ含有量が３ｗｔ％以上が好ましく、８ｗｔ％以上が更に好ましく、１０ｗｔ％以上であることがいっそう好ましい。

このような本実施態様のコリメータレンズ１では、ＷＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｂｉ₂Ｏ₃の合計含有量を４０ｗｔ％以下に抑えているため、レンズ透過率が向上し、レーザ光源からの射出光の利用効率を高めることができる。

また、コリメータレンズ１では、レーザ光源からの射出光の利用効率が高められるため、投影型画像表示装置における投影画像の輝度が向上する。
現在、レーザ光源（レーザ・ダイオード（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ；ＬＤ））、特に緑色レーザは高出力化が課題であるが、高出力化は容易ではない。しかしながら、コリメータレンズの透過率が向上すれば、レーザ出力が低くても投影画像の輝度が向上し、十分な投影画像が得られるようになる。さらに、低消費電力化も達成できる。

図２は、本実施態様のコリメータレンズ１が組み込まれた投影型画像表示装置（例えば、液晶プロジェクタ）の光源部（照明光学系）１０の構成を概略的に示すブロック図である。

図２に示されているように、光源部１０は、それぞれが赤色光、緑色光、および青色光を発生させる３つのレーザ装置Ｒ、Ｇ、Ｂを備え、各レーザ（ＬＤ）装置Ｒ、Ｇ、Ｂの下流側にコリメータレンズ１がそれぞれ配置されている。コリメータレンズ１は、各レーザ装置Ｒ、Ｇ、Ｂから射出された発散光を平行光に変換する。

この光源部１０では、各コリメータレンズ１によって平行光とされた赤色光、青色光、および緑色光は、ダイクロイックプリズム等を備えた合波光学系１２によって合波され、投影光学系に送られる。

図３は、本実施態様のコリメータレンズ１が組み込まれた他の投影型画像表示装置（例えば、液晶プロジェクタ）の光源部（照明光学系）１４の構成を概略的に示すブロック図である。

図３に示されているように、光源部１４は、近紫外光レーザ装置のような単色光源（ＬＤ）１６を備え、単色光源１６の下流側にコリメータレンズ１が配置されている。コリメータレンズ１は、単色光源１６から射出された光線を平行光に変換する。

この光源部１４は、近紫外光を赤色光、青色光、および緑色光に変換する３つの部分を備えた変換部１８を備えている。この変換部１８では、赤色光、青色光、および緑色光に変換する３つの部分が順次、近紫外光の光路上に配置され、近紫外光を一定時間毎に、赤色光、青色光、および緑色光に変換していく。そして、これらの赤色光、青色光、および緑色光が、順次、投影光学系に送られる。

例えば、この実施形態のコリメータレンズ１は、所謂両凸形状を備えたコリメータレンズであったが、本発明は、このような両凸形状のコリメータレンズに限定されるものではない。本発明のコリメータレンズは、光源に対向する面と反対側に凸部が設けられた面を有し、さらに所定の条件を備えていればよい。

したがって、例えば、図４ないし図６に示されているような外形を備えたものであってもよい。すなわち、図４に示されているような、コバ部を備えず、光源Ｓに対向する面が平面であり、光源Ｓに対向する面２と反対側の面４が凸面である平凸レンズ１０４でもよい。光源に対向する面を平坦にすることにより、ワーキングディスタンス（ＷＤ）の確保やレンズ加工性の点で有利になる。また、光源に対向する面２と反対側の面４との間での偏心（ディセンタ）の問題が発生しなくなる。

また、図５に示されているような、コバ部を備えず、光源Ｓに対向する面が凸面であり、光源Ｓに対向する面２と反対側の面４も凸面である両凸１０５レンズでもよい。さらに、図６に示されているような、コバ部を備えず、光源Ｓに対向する面２が凹面であり、光源Ｓに対向する面と反対側の面４が凸面である凸メニスカスレンズ１０６でもよい。

前記実施態様のコリメータレンズ１では、光源に対向する面２および反対側の面４の両面が球面であったが、これらの面の一方または両方が非球面であっても良い。

図７に示すように、特に、光源に対向する面の反対側の凸面４Ａは、球面（点線）の近軸曲率半径（Ｒ₀）よりも、近軸曲率半径の周辺の曲率半径（Ｒ₁またはＲ₂）が大きくなるような非球面（実線）とすることが好ましい。レンズ周辺部での面角度が小さくなり、レンズ透過率向上に寄与するためである。この場合、図７に示されているように、レンズ中心軸Ｚから周辺（レンズ端部１ａ）に向かって曲率半径が増加していることが好ましい。ここで、近軸曲率半径とは、レンズの中心軸上における曲率半径のことを指す。

光源に対向する面の反対側の面の凸面を非球面とするとともに、光源に対向する面の凸面または凹面を非球面としてもよい。これにより、収差特性が更に改善される。

例えば、後述する実施例４の硝材が用いられ、以下のようなスペックを有する非球面レンズでもよい。

焦点距離（ｍｍ）２．１４
ＮＡ０．７
中心厚み（ｍｍ）１．８
平行光側有効直径（ｍｍ）３

（非球面データ）
光源側面平行光側面
Ｒ９．３３ −１．９４７
Ｋ０ −１．０６
Ａ４ −５．８４１Ｅ−０２ −１．１６９Ｅ−０２
Ａ６３．５６４Ｅ−０２ −８．９６８Ｅ−０４
Ａ８ −１．２１１Ｅ−０２５．８６４Ｅ−０５
Ａ１０１．８６９Ｅ−０３４．９５１Ｅ−０５

表１は、図４のレンズ形状において、レンズ透過率の射出側面４の最大面角度依存性を求める際に用いた硝材の構成成分（組成）を示したものである。

図８は、本発明のＮＡ０．６以上のレンズにおける、レンズの射出側面（図１における射出側面４）の最大面角度とレンズの透過率の関係（すなわち透過率の射出側面最大面角度依存性）を示す図面である。尚、ｔ／ｆは、１．３以下である。ｔ／ｆは、ＮＡ＝０．６０については、０．３０、０．４０、０．５０、０．６０、０．７５、０．８０、１．００、１．２０、１．３０、ＮＡ＝０．６５については、０．３０、０．４０、０．５０、０．６０、０．７５、０．８０、１．００、１．２０、１．３０、ＮＡ＝０．７１については、０．４０、０．６０、０．７１、０．８０、０．９０、１．００、１．１０、１．２０、１．２８、１．３０とした。

具体的には、図８は、下記表１に示す各硝材について、波長４３０ｎｍ（青色）におけるＮＡ０．６、０．６５、０．７１の場合のレンズ透過率を示している。なお、波長５３０ｎｍ（緑色）、波長６５０ｎｍ（赤色）のデータは記載していないが、一般的にガラス材料の内部透過率は、短波長側である紫色の４５０ｎｍ近辺以下になると急激に低下する。本明細書では、この波長域の波長（４３０ｎｍ）でのレンズ透過率をレンズ透過率の指標としてレンズの特性を検討した。
なお、図８中で、点線で囲まれた領域のプロットは、本願発明の実施例である。

図８の縦軸のレンズ透過率は、最大値を１として正規化している。図８に示されているように、レンズ透過率は、最大面角度が５５°以下において良好なものとなるが、６５°を超えると急激に悪化する。波長５３０ｎｍ、波長６５０ｎｍのデータも、図８の波長４３０ｎｍと同様な傾向を示した。

なお、最大面角度が６５°を超えるコリメータレンズでは、中心部と周辺部とでレンズ透過率が大きく異なるため、コリメータレンズにより変換された平行光において、コリメータレンズの中心部を通過した光と中心部周辺の周辺部を通過した光との間で輝度差が生じてしまう。輝度差を抑制しつつ、レンズ透過率を高める観点から、最大面角度の上限は、６５°以下、６０°以下、５５°以下の順に好ましい。最大面角度の下限は、ＮＡを０．６以上にする観点から、２０°以上とすることが好ましい。

表１には、各硝材の最大面角度とレンズ透過率の指標を示している。最大面角度は、図８の結果から６５°以下の場合は○、６５°を超える場合は×で示す。

レンズ透過率は指標として◎○×で示す。ここで、◎はグレードＡ（０．９８５以上）、○はグレードＢ（０．９７０以上、かつ０．９８５未満）、×はグレードＣ（０．９７０未満）である。前記（）内の値はレンズ透過率を正規化した値である。最大面角度の要件とレンズ透過率の双方の指標を満たす硝材は実施例、満たさない硝材は比較例として示す。

表１から、実施例１〜７に示す硝材では、最大面角度を６５°以下とし、ｎｄ＝１．５９以上、ＴｉＯ₂、ＷＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｂｉ₂Ｏ₃の合計含有量を４０ｗｔ％以下に抑えることで良好なレンズ透過率特性を得ることができることがわかる。

表１から、比較例１の硝材は、最大面角度の要件を満たしていないことがわかる。また、表１から、ガラス中のＴｉＯ₂、ＷＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｂｉ₂Ｏ₃の合計含有量が多い比較例２の硝材は、レンズ透過率が不十分であることがわかる。ガラス中でのこれら金属イオンは紫外線吸収が大きく、レンズ透過率を悪化させていると考えられる。

本発明の前記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内で種々の変更、変形が可能である。

以下、図面を参照しながら、本発明を総括する。
第１の実施形態のコリメータレンズ１は、図１に示されているように、光源Ｓから射出された波長３８０ｎｍ〜７００ｎｍの光線を平行光束に変換する、ガラス材料からなるコリメータレンズである。コリメータレンズ１は、光源Ｓに対向する面２と反対側に凸部が設けられた面４を有している。このコリメータレンズ１では、開口数ＮＡが０．６以上であり、ｔ／ｆが１．３以下（ｔ：中心レンズ厚、ｆ：焦点距離）である。さらに、凸部が設けられた面４の最大面角度θ６５°以下である。またコリメータレンズ１を形成するガラス材料は、屈折率ｎｄが１．５９以上であり、ＴｉＯ₂、ＷＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｂｉ₂Ｏ₃の合計含有量が０〜４０ｗｔ％である。

コリメータレンズ１では、光源Ｓに対向する面と反対側の面４に設けられた凸部を非球面とすることができる。

また、コリメータレンズ１において、光源Ｓに対向する面が平坦面でもよい。

さらに、コリメータレンズ１では、例えば図１に示されているように、光源Ｓに対向する面に、凸部が設けられている。
この光源に対向する面に設けられた凸部が非球面でもよい。

また、本発明は、図６に示されている実施態様のコリメータレンズ１０６のように、光源Ｓに対向する面に、凹部が設けられている構成でもよい。

本発明のコリメータレンズでは、光源Ｓは照明光学系に使用される光源であってもよい。
また、本発明のコリメータレンズでは、この照明光学系が、投影型画像表示装置の照明光学系であってもよい。

図２および図３に示されているように、本発明のコリメータレンズでは、光源Ｓがレーザ光源であってもよい。

さらに、本発明は、上記総括した各コリメータレンズを使用して照明光学系でもよい。
さらにまた、本発明は、このような照明光学系を備えた投写型画像表示装置でもよい。

１：コリメータレンズ
２：光源側面
４：射出側面
Ｓ：光源
ｔ：中心レンズ厚
ｆ：焦点距離

Claims

光源から射出された波長３８０ｎｍ〜７００ｎｍの光線を平行光束に変換する、ガラス材料からなるコリメータレンズであって、
前記光源に対向する面と反対側に、凸部が設けられた面を有し、
開口数ＮＡが０．６以上であり、
焦点距離ｆに対する中心レンズ厚ｔの割合ｔ／ｆが１．３以下であり、
前記凸部が設けられた面の最大面角度が６５°以下であり、
前記ガラス材料は屈折率ｎｄが１．６８以上であり、
前記ガラス材料のＴｉＯ₂、ＷＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｂｉ₂Ｏ₃の合計含有量が０〜４０ｗｔ％であり、さらに、
ＴｉＯ ₂ ＋ＷＯ ₃ ＋Ｎｂ ₂ Ｏ ₅ ＋Ｂｉ ₂ Ｏ ₃ ／（（希土類酸化物の合計含有量）＋Ｔａ ₂ Ｏ ₅ ）≦１．１である、
コリメータレンズ。
前記光源に対向する面と反対側の面に設けられた凸部が非球面である、
請求項１に記載のコリメータレンズ。
前記光源に対向する面が平坦面である、
請求項１または２に記載のコリメータレンズ。
前記光源に対向する面に、凸部が設けられている、
請求項１または２に記載のコリメータレンズ。
前記光源に対向する面に設けられた凸部が非球面である、
請求項４に記載のコリメータレンズ。
前記光源に対向する面に、凹部が設けられている、
請求項１または２に記載のコリメータレンズ。
前記光源に対向する面に設けられた凹部が非球面である、
請求項６に記載のコリメータレンズ。