JP7330796B2 - 光学系およびそれを用いた表示装置 - Google Patents
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Description
条件式(7)において、THは、色消しレンズ102における光線の入射面と射出面との間隔(距離)、すなわち色消しレンズ102のうち最も表示素子101に近い面の面頂点と、最も表示素子101から遠い面の面頂点との間隔である。本実施例において、間隔THは色消しレンズ102のレンズ厚である。flは、色消しレンズ102の焦点距離である。条件式(7)を満足することにより、色消しレンズ102において正レンズ102aと負レンズ102bとが隣接する貼り合わせ構成が成り立つ。また、本実施例のような貼り合わせレンズ(接合レンズ)以外でも、色消しレンズ102内における最も表示素子側の面と最も瞳側の面との間隔THを小さくすることで、複数の光学素子が隣接する構成を成立させることができる。
また好ましくは、式(4)が成り立つ条件の一つであるテレセントリック性を示す条件として、以下の条件式(8)を満足する。
条件式(8)において、α(deg)は、表示素子101から射出し射出瞳へ入射する各画角光束を定義したとき、表示素子101から射出する主光線のうち、画角中心光束の主光線とのなす角度が最も大きくなったときの角度(最大角度)である。ここで、画角中心光束の主光線とは、角度中心となる光束の主光線、すなわち中心画角主光線である。条件式(8)は、色消しレンズ102において、テレセントリック性の高い光学配置であることを意味する。このような条件を満足することにより、色消しレンズ102において、倍率色収差を小さく抑えることが可能になる。
条件式(9)において、φLは色消しレンズ102の光学パワー、φPは投影光学系の全系の光学パワーである。色消しレンズ102の光学パワーφLが一定以上の大きさの際に色収差の発生が大きくなり、色収差補正が必要となる。条件式(9)の下限を超えると、色消しレンズ102の光学パワーφLが小さくなり、色消しレンズ102で発生する色収差が小さい。上限を超えると色消しレンズ102による色収差の補正が困難になる。
本実施例のレンズ群である色消しレンズ102は、負レンズ102bと正レンズ102aとの貼り合わせレンズ(接合レンズ)である。ここで、正レンズ102aにおける光学パワー、アッベ数をそれぞれφ102a、ν102a、負レンズ102bにおける光学パワー、アッベ数をφ102b、ν102bとする。このとき、本実施例の色消しレンズ102は、以下の式(10)を満足する。
式(10)は、条件式(6)を満足するため、色収差の発生を小さくすることができる。
式(11)は、条件式(7)を満足する。
式(12)は条件式(8)を満足するため、倍率色収差の発生を小さくすることができる。
式(13)は、条件式(9)を満足する。
式(14)において、nは自由曲面プリズム103を構成する媒質の屈折率である。自由曲面プリズム103において、色収差は透過面においてのみ発生する。透過面で発生する色収差を小さくするには、入射面と射出面で色収差をキャンセルさせる、または、入射面と射出面の光学パワーを小さくして色収差発生そのものを小さくする必要がある。ただし、入射面や射出面にパワーを持たせ、発生する色収差をキャンセルする構成は、後述のように、収差補正の観点から好ましくない。このため、自由曲面プリズム103の透過面の光学パワーを小さくする構成が好ましい。
-0.01<φo<0.01 … (16)
このような光学パワーを持たせることで、自由曲面プリズム103での色収差発生を抑えることができる。
φ103b=0.00567 … (18)
次に、図2および図3を参照して、本実施例において複数の光学素子が必要な理由、すなわち自由曲面プリズム103だけでは色収差の発生を小さくする構成と光学パワー配置とが両立せず、色消しレンズ102が必要となることを説明する。図2は、光学パワー配置の説明図である。図3は、色消しレンズ配置の説明図である。なお、ここで説明するのは本実施例の紙面内断面(yz平面)における光学パワー配置である。また、瞳104の中心を通り、紙面内の画角光束のうち画角の中心を通り、かつ紙面奥行き方向の画角に対し同様に中心画角を通る光束を、中心画角主光線と定義する。
条件式(19)の下限を下回ると、反射面103cに対し大きく斜めに入射する光束の非点収差を抑えることができない。一方、条件式(19)の上限を上回ると、xz平面に平行な断面内の光学パワーが強くなり、逆の非点収差が発生してしまう。このような曲率半径の関係が成り立つことで、反射面103cにおける非点収差の発生を抑えることができる。本実施例の自由曲面プリズム103では、Rx/Ry=1.74であり、式(19)の条件を満たしている。
また、表示素子101から射出する光束の主光線のうち、画角中心光束の主光線と成す角の最大角度α(deg)は、以下の式(21)で示され、条件式(8)を満足する。
自由曲面プリズム203は、透過面203a、反射透過面203b、および、反射面203cの三つの光学面から構成され、透過面203aは平面である。このため、透過面203aにおける光学パワーφ203aは0となる。すなわち、自由曲面プリズム203で色収差が発生する面は反射透過面203bのみとなる。反射透過面203bの、透過部と中心画角主光線との交点におけるパワーφ203bは、以下の式(22)で示され、条件式(16)を満足する。
このような構成により、透過面203aにおいて発生する色収差を無くし、反射透過面203bにおいて発生する色収差を小さくし、自由曲面プリズム203で発生する色収差を小さくすることができる。
また本実施例によれば、自由曲面プリズム203を構成する三つの光学面のうち一つの面を平面とすることで、自由曲面プリズム203を製作する際の加工が容易になる。
本実施例において、色消しレンズ502に関し、正レンズ502aにおける光学パワー、アッベ数をそれぞれφ502a、ν502a、負レンズ502bにおける光学パワー、アッベ数をφ502b、ν502bとする。このとき、以下の式(25)が成立し、条件式(6)を満足する。
このような色消しレンズ502と自由曲面プリズム501とを組み合わせることで、投影光学系503の全体での色収差発生を抑えることが可能になる。
fl=-1783 … (27)
また、表示素子101から射出する光束の主光線のうち、色消しレンズ102の光軸と成す最大角度α(deg)は、以下の式(28)のとおりであり、条件式(8)を満足する。
Y軸:第1面中心(絶対座標原点)を通り、Z軸に対し反時計回りに90度をなす直線
X軸:原点を通り、Z軸及びY軸に垂直となる直線
また、光学系を構成する第i面の面形状に関しては、ローカル座標系を設定し、ローカル座標系に基づく関数により表現する。第i面のYZ面内でのチルト角は、絶対座標系のZ軸に対して、反時計周りを正とした角度θgi(deg)で表される。本実施例において、チルト角は、YZ面内のみに設定されている。第i面のローカル座標系(x,y,z)のy軸、z軸は、絶対座標系のYZ面内にあり、YZ面内で、角度θgiだけ傾いている。z、y、zの各軸は、以下のように定義される。
y軸:ローカル座標の原点を通り、z方向に対しYZ面内において反時計方向に90degreeなす直線
x軸:ローカル座標の原点を通り、YZ面に対し垂直な直線
Ndi、νdiは、第i面と第(i+1)面との間のd線の屈折率およびアッベ数をそれぞれ表している。
[数値実施例1]
図6および図11を参照して、数値実施例1の表示装置(投影光学系)について説明する。図6は、本数値実施例の表示装置の断面図である。図6は、図1と同じ表示装置(投影光学系)である。図11は、本数値実施例の投影光学系の横収差図である。本数値実施例において、水平画角(紙面垂直方向)±20deg、垂直画角(紙面内方向)±11.57deg、瞳径7mmである。表1は、各面のローカル原点の位置を示す。表2は、非回転対称面の係数を示す。表3は、各種条件の値を示す。
図7および図12を参照して、数値実施例2の表示装置(投影光学系)について説明する。図7は、本数値実施例の表示装置の断面図である。図7は、図4と同じ表示装置(投影光学系)である。図12は、本数値実施例の投影光学系の横収差図である。本数値実施例において、水平画角(紙面垂直方向)±20deg、垂直画角(紙面内方向)±11.57deg、瞳径7mmである。表4は、各面のローカル原点の位置を示す。表5は、非回転対称面の係数を示す。表6は、各種条件の値を示す。
図8および図13を参照して、数値実施例3の表示装置(投影光学系)について説明する。図8は、本数値実施例の表示装置の断面図である。図8は、図5と同じ表示装置(投影光学系)である。図13は、本数値実施例の投影光学系の横収差図である。本数値実施例において、水平画角(紙面垂直方向)±10deg、垂直画角(紙面内方向)±5deg、瞳径7mmである。表7は、各面のローカル原点の位置を示す。表8は、非回転対称面の係数を示す。表9は、各種条件の値を示す。
102 色消しレンズ(レンズ群)
103 自由曲面プリズム(光学プリズム)
103a 透過面(光学面)
103b 反射透過面(光学面)
103c 反射面(光学面)
Claims (9)
- 表示素子からの光束を導光する光学系であって、
互いに接合された正レンズ及び負レンズを含む複数のレンズと、
光学素子と、を有し、
前記正レンズまたは前記負レンズの少なくとも一方は、メニスカスレンズであり、
前記光学素子は、前記複数のレンズからの光束が入射する入射面と、該光束を反射させる反射面と、射出瞳へ向かって該光束が出射する出射面とを含み、
前記表示素子からの前記光束は、前記複数のレンズを介して前記光学素子の内部で複数回反射してから前記射出瞳へ向かい、
前記表示素子の側から数えたときの前記複数のレンズの順番をm(m=1…n)、第m番目のレンズの光学パワー及びアッベ数を各々φm 及びνmとし、前記複数のレンズの合成光学パワーをφ L 、前記光学系の全系の光学パワーをφ P とするとき、
0.1<|φL/φP|<0.8
なる条件式を満足することを特徴とする光学系。 - 前記複数のレンズのうち最も前記表示素子に近い面の面頂点と、最も前記表示素子から遠い面の面頂点との間隔をTH、前記複数のレンズの合成焦点距離をflとするとき、
|TH/fl|<0.5
なる条件式を満足することを特徴とする請求項1に記載の光学系。 - 前記射出瞳に入射する光線のうち中心画角における主光線とそれ以外の主光線とのなす角度の最大値をαとするとき、
0[degree]<α<10[degree]
なる条件式を満足することを特徴とする請求項1または2に記載の光学系。 - 光軸を含む断面における前記射出瞳の中心画角に入射する主光線との交点において、前記入射面の光学パワーをφi、前記出射面の光学パワーをφoとするとき、
-0.01[1/mm]<φi<0.01[1/mm]
-0.01[1/mm]<φo<0.01[1/mm]
なる条件式を満足することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光学系。 - 前記反射面は対称軸に対し軸対称であり、前記射出瞳の中心と前記対称軸とを含む断面を第1断面、該第1断面に垂直でかつ前記主光線を含む断面を第2断面とし、前記反射面と前記射出瞳に入射する主光線との交点のうち前記第1断面内において最も前記射出瞳から遠い交点において、前記反射面の前記第1断面における曲率半径をRy、前記第2断面における曲率半径をRxとするとき、
1<Ry/Rx<5
なる条件式を満足することを特徴とする請求項4に記載の光学系。 - 前記複数のレンズは、全体で正の光学パワーを有することを特徴とする請求項5に記載の光学系。
- 前記複数のレンズのうち前記表示素子の最も近くに配置されたレンズは正の光学パワーを有することを特徴とする請求項6に記載の光学系。
- 表示素子と、
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の光学系と、を有することを特徴とする表示装置。 - 前記光学系からの光束を導光する導光素子を更に有することを特徴とする請求項8に記載の表示装置。
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