JPH1123819A - 色分離位相格子及びこれを用いた画像表示装置、レンズ、光情報記録再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 階段状の断面を有する色分離位相格子の好適
な設計値を提供すると共に、これを用いた投写型の画像
表示装置、レンズ、光情報記録再生装置を提供する。 【解決手段】 ３つの波長λ₁，λ₂及びλ₃の光を透過
する材料の表面に、ｍ段の階段状断面形状が周期的に設
けられ、波長λ₁，λ₂及びλ₃に対する材料の屈折率を
ｎ₁、ｎ₂及びｎ₃としたとき、階段の段差ｄ及び全段数
分の高さｔが下記の式を満足する。 ０．９５＜ｄ（ｎ₁−１）／λ₁＜１．０５ ０．９＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₂−１）／λ₂ｍ−（ｍ＋１）
＜１．１ ０．９＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₃−１）／λ₃ｍ−（ｍ−１）
＜１．１ λ₂＜λ₁＜λ₃

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光に周期的な位相
遅れを与えることにより回折現象を生じさせる位相型の
回折格子（位相格子）、特に、複数の波長からなる光を
回折の効果により分光する色分離位相格子、及び、この
色分離位相格子を用いた投写型の画像表示装置、レン
ズ、光情報記録再生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】複数の波長を含む光束から特定の波長の
光を取り出す分光手段として、多くの手段が知られてい
る。そのうちの１つとして、階段状の位相格子を用いて
色分離を実現する方法が米国特許第４２７７１３８号に
開示されている。この米国特許では、位相格子を構成す
る各段の大きさを、基準波長の整数倍の位相遅れを発生
するように設定している。その結果、基準波長の光は回
折せず、他の波長の光は回折を生ずる。

【０００３】また、投写型の画像表示装置において、投
射画像を明るくするためにカラーフィルタを用いない
「カラーフィルタレス方式」が提案されている。例えば
特開平４−６０５３８号公報にこの方式が開示されてい
る。この方式では光軸に対する傾斜角が異なる３枚のダ
イクロイックミラーを用いて光源からの光束をＲ
（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色に分光する。それ
ぞれの光束は所定の角度差を有する光路を進んでカラー
フィルタを備えていない液晶パネルに入射する。液晶パ
ネルは３原色のそれぞれに対応した３画素を１組として
各組に対応するマイクロレンズを備えており、入射角度
の異なるＲ、Ｇ、Ｂそれぞれの光は対応する各画素に集
光する。このようにして、光源の光を効率よく利用する
ことができる。

【０００４】また、位相型の回折レンズを用いて屈折レ
ンズにない特徴を有する光学系が提案されている。特開
平６−２４２３７３号公報にて開示された技術は、屈折
レンズの色収差を回折レンズで打ち消すものであり、軸
上色収差のない単レンズが実現できる。特開平７−９８
４３１号公報に開示された技術は、回折レンズを用いて
光軸上に０次回折光のスポットと１次回折光のスポット
を有する２焦点レンズを実現するものである。

【０００５】また、光情報記録再生装置において、高密
度記録のために対物レンズの開口数を大きくすると共に
光源の波長を短波長化することが行われている。レンズ
の開口数を大きくした場合、情報記録媒体が傾いたとき
に発生するコマ収差の量も大きくなる。これを改善する
ために情報記録媒体の保護樹脂の厚み（基材厚）を薄く
している。しかし、薄型の高密度記録媒体用に設計され
た大口径レンズの光学系で厚い記録媒体を用いた場合、
球面収差が発生するため情報記録面上に十分な集光が行
われず、情報の読み出しが困難になる。

【０００６】一方、１台の光情報記録再生装置で基材厚
の異なる複数種の光ディスクを再生できるようにするこ
とが望まれている。球面収差の発生量はレンズの開口の
大きさの３乗に比例するため、開口を制限することによ
って球面収差の低減が可能である。この技術について
は、例えば特開平９−２２５３９号公報、特開平８−３
２１０６５号公報等に開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、米国特
許第４２７７１３８号には実使用上の好適な設計範囲が
開示されていない。本発明の第１の目的は、階段状の断
面を有する位相格子を用いて色分離を実現する方法にお
いて、実使用上好適な設計値を提供することにある。

【０００８】また、特開平４−６０５３８号公報に開示
されたカラーフィルタレス方式は、色分離方式としてダ
イクロイックミラーを用いているが、この場合、光源、
液晶パネル、及び投射レンズを一直線上に配置すること
が原理的に不可能であるため、小型化等の障害になる。
本発明の第２の目的は、位相格子を用いて色分離素子を
実現することにより、非常に小さな光学系を用いた投射
型の画像表示装置を提供することにある。

【０００９】また、特開平６−２４２３７３号公報に開
示された屈折レンズの色収差を回折レンズで打ち消す技
術は、光源の波長が変化しても焦点距離変化がないよう
に補正する方法に用いることができる。しかし、この公
報に開示された技術内容は波長変化として半導体レーザ
の波長変動を対象としており、せいぜい±２０ｎｍ程度
の領域であり、それ以上の波長域において性能を補償で
きるものではない。また、特開平７−９８４３１号公報
に開示された２焦点レンズを実現する技術は、レンズ開
口を内周部と外周部とに分割し、その一部に２焦点作用
を付加したものであるが、これも単一波長を目的とした
設計であって、波長によって開口を変化させるものでは
ない。

【００１０】また、特開平９−２２５３９号公報に開示
された開口を制限することによって球面収差を低減する
技術ではディスクの種類に応じて開口制限用のアパーチ
ャを挿入したり退去する必要があり、そのための機構が
必要である。特開平８−３２１０６５号公報に開示され
た技術では液晶シャッタを用いて可動部を無くしている
が高コストである。また、いずれの方法でも、開口制限
手段を対物レンズアクチュエータ上に構成して一体駆動
しようとすればアクチュエータの負担が過大になる。一
方、光学基台に固定して用いる方法は、対物レンズがト
ラッキング制御によりシフトした場合に開口の中心軸が
レンズの光軸とずれることとなり、ディセンタによる収
差が発生するので望ましくない。本発明の第３の目的
は、色分離型位相格子を用いることによって、開口制限
を目的とする機械的な可動部及び制御回路を不要とした
光情報記録再生用装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による色分離位相
格子は、３つの波長λ₁，λ₂及びλ₃の光を透過する材
料の表面に、３段以上の階段状の断面形状が周期的に設
けられた色分離位相格子であって、前記材料の波長
λ₁，λ₂及びλ₃に対する屈折率をｎ₁、ｎ₂及びｎ₃と
し、前記階段の段数をｍとしたとき、前記階段の段差ｄ
及び全段数分の高さｔが下記の式を満足することを特徴
とする。

【００１２】

【数１】 ０．９５＜ｄ（ｎ₁−１）／λ₁＜１．０５

【００１３】

【数２】 ０．９＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₂−１）／λ₂ｍ−
（ｍ＋１）＜１．１

【００１４】

【数３】 ０．９＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₃−１）／λ₃ｍ−
（ｍ−１）＜１．１

【００１５】

【数４】 λ₂＜λ₁＜λ₃ また、ｄ及びｔが下記の式を満足することが好ましい。

【００１６】

【数５】 ０．９７＜ｄ（ｎ₁−１）／λ₁＜１．０３

【００１７】

【数６】０．９５＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₂−１）／λ₂ｍ−
（ｍ＋１）＜１．０５

【００１８】

【数７】０．９５＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₃−１）／λ₃ｍ−
（ｍ−１）＜１．０５ また、３つの波長λ₁、λ₂、λ₃が下記の式を満足する
ことが好ましい。

【００１９】

【数８】 ５３０ｎｍ≦λ₁≦５６０ｎｍ

【００２０】

【数９】 ４５０ｎｍ≦λ₂≦４８０ｎｍ

【００２１】

【数１０】 ６１０ｎｍ≦λ₃≦６６０ｎｍ また、ｍが下記の式を満足することが好ましい。

【００２２】

【数１１】 ２＜ｍ＜６また、前記階段状の断面形状の
繰り返しピッチＴが、下記の式を満足することが好まし
い。

【００２３】

【数１２】 １０μｍ＜Ｔ＜３０μｍ また、段差ｄが下記の式を満足することが好ましい。

【００２４】

【数１３】 ０．９μｍ＜ｄ＜１．２μｍ 本発明による投写型の画像表示装置は、３原色を含む白
色光源と、前記光源からの射出光束を各３原色の波長成
分に分光する分光手段と、入射光束の透過率を画素毎に
変調することにより画像を形成する透過型の画像表示手
段と、前記画像表示手段が形成した画像をスクリーンに
投影する投影手段とを備えているものにおいて、前記分
光手段として上記のような構成の色分離位相格子を用い
たことを特徴とする。

【００２５】また、本発明による波長選択性レンズは、
２つの波長λ₁及びλ₂の光を透過する材料で作られた平
板上に透過光束の光軸を中心とする複数の輪帯が形成さ
れた位相型の回折レンズであって、光軸を含む断面の形
状が前記輪帯の部分で階段状であり、前記波長λ₁及び
λ₂に対する前記材料の屈折率をｎ₁及びｎ₂とし、前記
階段の段数をｍとしたとき、前記階段の段差ｄ及び全段
数分の高さｔが下記の式を満足することを特徴とする。

【００２６】

【数１４】 ０．９＜ｄ（ｎ₁−１）／λ₁＜１．１

【００２７】

【数１５】 λ₁＜λ₂のとき、０．９＜（ｍ＋１）ｔ
（ｎ₂−１）／λ₂ｍ−（ｍ−１）＜１．１ λ₁＞λ₂のとき、０．９＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₂−１）／
λ₂ｍ−（ｍ＋１）＜１．１ また、ｄ及びｔが下記の式を満足することが好ましい。

【００２８】

【数１６】 ０．９７＜ｄ（ｎ₁−１）／λ₁＜１．０３

【００２９】

【数１７】 λ₁＜λ₂のとき、０．９５＜（ｍ＋１）ｔ
（ｎ₂−１）／λ₂ｍ−（ｍ−１）＜１．０５ λ₁＞λ₂のとき、０．９５＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₂−１）
／λ₂ｍ−（ｍ−１）＜１．０５ また、ｍが下記の式を満足することが好ましい。

【００３０】

【数１８】 １＜ｍ＜５ また、レンズの有効径の内側領域が光軸を中心とする円
の内側の内周部と外側の外周部とに分割され前記内周部
又は外周部のいずれか一方にのみ前記複数の輪帯が設け
られていることが好ましい。

【００３１】本発明の波長選択性レンズは、曲面（球面
又は非球面）で構成された入射面又は射出面の少なくと
も一方の面上に光軸を中心とする輪帯が形成されたもの
であって、前記輪帯は少なくとも２段以上の階段状の断
面を有し、前記階段の面は前記輪帯を形成する前のレン
ズ面と略平行であり、レンズ内部を透過する波長λ₁の
光線が前記光線とレンズ面との交点における前記レンズ
面の法線となす角をθ、レンズ材料の波長λ1に対する
屈折率をｎ1とし、jを自然数とするとき、前記階段の面
と前記輪帯を形成する前のレンズ面との距離ｄが下記の
式を満足することを特徴とする。

【００３２】

【数１９】 ０．９５＜ｄ（ｎ₁−１）／（jλ₁ｃｏｓ
θ）＜１．０５ また、ｄが下記の式を満足することが好ましい。

【００３３】

【数２０】 ０．９８＜ｄ（ｎ₁−１）／（ｊλ₁ｃｏｓ
θ）＜１．０２ また、レンズの有効径の内側領域が光軸を中心とする円
の内側の内周部と外側の外周部とに分割され前記内周部
には光回折用の輪帯がなく、前記外周部には光回折用の
輪帯が形成されていることが好ましい。逆に、外周部に
は光回折用の輪帯を設けず、内周部に光回折用の輪帯を
設けてもよい。

【００３４】レンズ有効径の開口数が略０．６であっ
て、前記内周部の開口数が略０．４５であることも好ま
しい。また、前記波長λ₁の光成分と分離される光成分
の波長λ₂が下記の式を満足することも好ましい。

【００３５】

【数２１】 ６３０＜λ₂＜６６０ 本発明による光情報記録再生装置は、異なる波長の光を
射出する２つの光源と、光源の波長により実質的に開口
数を調節する開口調節手段と、光源からの光束を情報記
録媒体上に集光する集光手段と情報記録媒体からの反射
光束又は透過光束を検出するための検出手段とを有する
光情報記録再生装置において、前記開口調節手段とし
て、上記のような構成を有する波長選択性レンズを用い
たことを特徴とする。

【００３６】第１の光源の波長λ₁及び第２の光源の波
長λ₂は、下記の式を満足することが好ましい。

【００３７】

【数２２】 ６３０＜λ₁＜６６０

【００３８】

【数２３】 ７８０＜λ₂＜８１０

【００３９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて、図面と具体的な実施例を用いて説明する。

【００４０】（第１の実施形態）本発明の第１の実施形
態に係る色分離位相格子の斜視図を図１に示す。また、
この色分離位相格子の表面に形成された階段状の断面形
状を図２に示す。図２において、２１は入射面であり、
入射光束は２１に垂直に入射するものとする。第１の波
長をλ₁とし、λ₁に対する材料の屈折率をｎ₁とすると
き、ｄが下記の式（数２４）を満足すれば、波長λ₁の
光は、段差ｄによる位相遅れがちょうど１波長となるた
め、０次回折光の回折効率が１００％となり、位相格子
による回折作用を受けない。

【００４１】

【数２４】 ｄ＝λ₁／（ｎ₁−１） 前記の式（数４）を満足する第２及び第３の波長をλ₂
及びλ₃とし、各波長に対する材料の屈折率をｎ₂及びｎ
₃とし、段差がｄの段がｍ段ある階段状の断面形状を考
える。図３はｍ＝４の場合を例示したものである。この
位相格子の入射面側からλ₁、λ₂、λ₃の光が入射し、
位相格子を透過したとき、各波長の位相遅れは図４のよ
うになる。図４において、実線、破線及び点線がそれぞ
れλ₁、λ₂及びλ₃の光に相当する。

【００４２】回折効率は位相遅れが２πの整数倍からど
の程度ずれるかにより決まるので、図４の位相遅れから
素子の厚みがｄ増える毎に２πを引くと図５のようにな
る。回折効率はこのようにして得られた図５の位相遅れ
を基に考えればよい。この場合、λ₁に対しては平板と
同様の作用をし、λ₂、λ₃に対してはそれぞれ右上り又
は右下りの鋸歯状の位相格子として作用する。

【００４３】結局、素子に垂直に入射した光のうち、波
長λ₁の成分は回折せず直進し、λ₂及びλ₃の成分はそ
れぞれ右側及び左側に回折する。つまり、この位相格子
では、各波長成分は異なった回折次数に回折することに
なる。そのため、通常の回折格子による分光に比べて波
長毎の分離角を大きくすることができる。なお、本明細
書において、回折の次数のうち、位相格子の形状を略鋸
歯状として見たときに、鋸歯の厚くなる方向に回折する
成分を正の回折次数とし、鋸歯の薄くなる方向に回折す
る成分を負の回折次数として表すことにする。図３に示
した断面形状において、波長λ₂の成分を１次回折光と
し、λ₃の成分を−１次回折光として説明する。

【００４４】ここで、前記の式（数１〜３）は波長
λ₁、λ₂及びλ₃の成分がそれぞれ０次、１次、−１次
回折の方向に良好に回折するように位相格子を設計する
ための条件である。それぞれ上限を越えても下限を越え
ても回折効率が低下し好ましくない。また、更に好まし
くは、式（数５〜７）を満足する設計を行えば各波長に
対応する次数の回折効率を向上させることができる。

【００４５】また、画像表示装置等への応用を考えた場
合は、基準波長として、式（数８〜１０）を満足するよ
うにλ₁、λ₂及びλ₃を選択するのが好ましい。また、
前記の式（数１１）はｍについて好適な範囲を限定する
条件であり、下限を越えるとλ₂及びλ₃成分の回折効率
が満足に確保できない。また、上限を越えると、１つの
段当たりの幅（図２のｋの長さ）が短くなるため加工が
困難となる。更に、全段分の深さｔがピッチＴに対して
深くなることによって、回折効率がスカラー理論値から
はずれて低下してしまうため望ましくない。また、前記
の式（数１２）は好適な繰り返しピッチＴの範囲を示し
ている。Ｔがこの範囲の上限を越えた場合は分離角が小
さくなり過ぎるため本発明の特徴を活かすことができ
ず、また下限を越えた場合は加工が困難となる。

【００４６】以下に本実施形態の具体的な実施例につい
て説明する。

【００４７】

【実施例１】本実施例の色分離位相格子の断面形状を具
体的な寸法と共に図６に示す。また本実施例の設計に用
いた波長及び屈折率を表１に示す。

【００４８】

【表１】

【００４９】この位相格子の各基準波長における回折効
率は表２のようになった。

【００５０】

【表２】

【００５１】このとき、波長５４０ｎｍ、４６５ｎｍ、
６３０ｎｍの光はそれぞれ、０次、１次、−１次回折光
として回折する。

【００５２】

【実施例２】本実施例の色分離位相格子の断面形状図を
具体的な寸法と共に図７に示す。また本実施例の設計に
用いた波長及び屈折率を表３に示す。

【００５３】

【表３】

【００５４】この位相格子の各基準波長における回折効
率は表４のようになった。

【００５５】

【表４】

【００５６】このとき、波長５４０ｎｍ、４６５ｎｍ、
６３０ｎｍの光はそれぞれ、０次、１次、−１次回折光
として回折する。本実施例の位相格子は実施例１の場合
に比べて１周期当たりの段数が少なく設計されているの
で段の幅を長くすることができ、製造上も好ましい。

【００５７】（第２の実施形態）本発明の第２の実施形
態に係る投写型画像表示装置の光学系を図８に示す。図
８において、ランプ８１はＲ、Ｇ、Ｂの３原色を含む光
束を射出する光源であり、ランプ８１によって射出され
た３原色を含む光束は、コリメートレンズ８２で略平行
光束とされた後、色分離位相格子８３に入射する。色分
離位相格子８３により３原色に分割され、各色の光束は
マイクロレンズアレー８４を経て液晶パネル８５に結像
する。液晶パネル８５によって変調された画像情報は投
射レンズ８６によってスクリーン８７に投影される。

【００５８】マイクロレンズアレー８４を構成する各マ
イクロレンズは液晶パネルの３画素に対して１つ対応す
るように配置されている。図９はマイクロレンズにより
回折光が液晶の画素に集光する様子を示す模式図であ
る。色分離位相格子により分光された３原色に対応する
回折光成分９１、９２、９３はそれぞれ一定の分離角度
をもってマイクロレンズ９４に入射する。マイクロレン
ズ９４に入射した各光束はそれぞれの波長に対応する液
晶パネルの各画素９５、９６、９７に結像する。マイク
ロレンズ９４に垂直に入射してきたＧ成分の光束９１は
中央の画素９５に集光し、斜めに入射してきたＲ成分及
びＢ成分の光束９２、９３はそれぞれ上の画素９６又は
下の画素９７に結像する。このようにして、カラーフィ
ルタを用いないで液晶パネル上の画素を３原色で照明す
ることができる。

【００５９】以下に本実施形態の具体的な実施例につい
て説明する。

【００６０】

【実施例３】本実施例では色分離位相格子として実施例
１に説明した位相格子を用いた。実施例１の位相格子の
可視光全域における回折効率の計算結果を図１０に示
す。また、光源のスペクトル分布を図１１に示す。この
とき、光源からの光を位相格子で分光したときのスペク
トル分布は図１２のようになった。また、各回折光及び
これを合成して得られる白色光の色度座標は（表５）の
ようになり、満足な投射型画像表示装置が得られた。

【００６１】

【表５】

【００６２】

【実施例４】本実施例では色分離位相格子として実施例
２に説明した位相格子を用いた。実施例２の位相格子の
可視光全域における回折効率の計算結果を図１３に示
す。また、光源は実施例３と同じ光源を用いた。このと
き、光源からの光を位相格子で分光したときのスペクト
ル分布は図１４のようになった。各回折光及びこれを合
成して得られる白色光の色度座標は（表６）のようにな
り、満足な投射型画像表示装置が得られた。

【００６３】

【表６】

【００６４】（第３の実施形態）本発明の第３の実施形
態に係る波長選択性のレンズの概略斜視図を図１５に示
す。また、その断面輪郭を図１６に示す。このレンズ
は、基準波長λ₁に対しては０次回折光の回折効率が高
く、λ₂に対しては１次回折光の回折効率が高くなるよ
うに段差が設定されている。具体的には、段差の大きさ
をｄとし、第１の波長をλ₁、レンズ材料の波長λ₁にお
ける屈折率をｎ₁とするとき、前記の式（数２４）を満
足するとき波長λ₁の光は回折しないで透過する。λ₁及
びλ₂の両方の波長成分に対して好適な回折効率を得る
ための条件は式（数１４及び１５）であり、これらの式
の上限を越えても下限を越えても回折効率の低下を招
く。更に望ましくは式（数１６及び１７）を満足するこ
とが望ましい。

【００６５】なお、輪帯の半径は波長λ₂の光に対する
好適な焦点距離を選んで設計すればよい。また、波長λ
₂として、式（数２１）を満足する波長を選択すればＨ
ｅ−Ｎｅレーザを用いることができ、赤外用光学系など
の場合に可視光での組立調整が可能になるので好まし
い。

【００６６】以下に本実施形態の具体的な実施例につい
て説明する。

【００６７】

【実施例５】本実施例のレンズは図１５に示した形状の
ものを使用し、図１６中のｄ、ｔ、そして段数ｍは下記
のように設定した。

【００６８】ｄ＝１．５５２ μｍ ｔ＝４．６５５ μｍ ｍ＝３ また、λ₁、λ₂、ｎ₁、ｎ₂は表７に示すように設定し
た。

【００６９】

【表７】

【００７０】このとき、位相格子によるレンズの回折効
率は表８のようになった。

【００７１】

【表８】

【００７２】本実施例のレンズは入射光の波長が８００
ｎｍの場合にはレンズ作用を発揮しないで光をそのまま
透過し、６３２．８ｎｍの場合には輪帯のピッチによっ
て定まる焦点距離のレンズとして作用する。

【００７３】（第４の実施形態）つぎに、本発明の第４
の実施形態に係る波長選択性のレンズについて説明す
る。波長選択性のレンズを球面及び非球面からなる曲面
上に形成する場合には、光線が屈折により材料中を光軸
と非平行に透過することを考慮して段差を設定する必要
があり、前記の式（数１９）を満足することが望まし
い。この式で規定される範囲の上限を越えても下限を越
えても、基準波長λ₁の光に対する０次回折効率が低下
してしまうため、回折による光量ロスが発生し望ましく
ない。

【００７４】また、λ₂として前記の式（数２１）の範
囲を選択することにより、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光（６３
２．８ｎｍ）及び赤色半導体レーザ（６５０ｎｍ）に対
して特定の作用をさせることが可能となる。Ｈｅ−Ｎｅ
レーザ光源は計測機、干渉計などに広く用いられてお
り、また赤色半導体レーザはＤＶＤプレーヤに用いられ
ている。したがって、上記の波長域でレンズに特定の作
用をするように位相レンズを設計することが好ましい。

【００７５】以下に本実施形態の具体的な実施例につい
て説明する。

【００７６】

【実施例６】図１７に断面の輪郭を示すレンズは、赤外
域（λ1＝８００ｎｍ）にて使用するレンズである。λ₂
＝６３２．８ｎｍとして、レンズ面上に波長選択性の位
相格子を形成する。このレンズを装置に組み込んで調整
を行う際、可視光のＨｅ−Ｎｅレーザを用いることがで
きるので、作業性が改善される。また、この用途の場合
は波長λ₂に対する回折効率は必ずしも高く設定する必
要がなく、２段程度の段差の位相格子を用いてもよい。

【００７７】（第５の実施形態）波長選択性の位相格子
をレンズ開口の一部に設けることにより、波長に応じて
焦点距離と共に開口数をも変化させることができる。こ
れにより、多機能の波長選択性レンズを構成することが
できる。以下に本実施形態の具体的な実施例を説明す
る。

【００７８】

【実施例７】図１８に本実施例の波長選択性レンズの概
略形状を斜視図で示す。このレンズの断面輪郭を図１９
に示す。レンズの有効径１９３が内周部１９１と外周部
１９２との２つの領域に分割されている。内周部１９１
には輪帯が形成されておらず、入射した光はそのまま透
過する。外周部１９２には周期的な階段状断面からなる
輪帯が形成されている。図１９における階段状部分の設
計パラメータｄ，ｔ及び段数ｍは下記のように設定し
た。

【００７９】ｄ＝１．２６５ μｍ ｔ＝５．０５８ μｍ ｍ＝４ また、λ₁、λ₂、ｎ₁、ｎ₂は表９に示すように設定し
た。

【００８０】

【表９】

【００８１】このとき波長６５０ｎｍ及び８００ｎｍに
おける回折効率は下記のようになった。

【００８２】

【表１０】

【００８３】このレンズに波長６５０ｎｍの平行光が入
射した場合、回折の影響を受けないため、そのまま直進
する。一方、波長８００ｎｍの平行光が入射した場合、
レンズ内周部１９１に入射した光束はそのまま透過し、
外周部１９２に入射した光束は回折作用を受けて発散す
る。つまり本実施例のレンズは、波長により開口を制限
する開口制限フィルタとして作用する。

【００８４】

【実施例８】図２０に断面の輪郭を示すレンズは、波長
選択機能のための輪帯を前記の（数１９）にしたがって
レンズ面上に形成したものである。波長はλ₁＝６５０
ｎｍ、λ₂＝７８０ｎｍとした。このレンズは、波長６
５０ｎｍの光に対して波長選択性レンズとして作用せ
ず、波長８００ｎｍの光に対しては回折作用による波長
選択性レンズの作用を発揮した。図２０のような断面形
状のレンズは、８００ｎｍの光に対しては凹レンズの作
用をする。波長選択機能のための輪帯を形成する前のレ
ンズは、波長６５０ｎｍに対して良好に収差が補正され
たレンズである。また、レンズ全体の有効径２０３は開
口数が０．６であるように設定し、波長選択性輪帯を形
成した部分の開口２０１は８００ｎｍの光に対する開口
数が０．４５になるように設定した。

【００８５】このレンズに８００ｎｍの光が入射した場
合、内周部２０１は波長選択性レンズと屈折レンズとの
複合レンズとして作用する。その結果、内周部２０１と
外周部２０２とで焦点距離が異なる。また、内周部２０
１の階段状断面の繰り返しピッチは前述の収差を補正す
るようなレンズとして設計した。一般に単レンズを設計
波長と異なる波長で使用した場合には球面収差が発生
し、その量は口径の３乗に比例する。このとき、レンズ
外周部に入射した光と内周部の０次回折光による光は、
内周部の−１次回折光の焦点位置上においては、焦点隔
差によるデフォーカスと球面収差が補正されていないこ
とに起因して良好に集光できずに拡がる。このため、内
周部が作るスポット形状には大きな影響を与えない。

【００８６】以上説明したように、良好に収差補正され
たレンズに本発明の波長選択機能を兼ね備えさせること
により、元のレンズの設計波長と異なる第２の波長でレ
ンズを使用した場合に発生する球面収差の補正と、開口
絞りの両方の働きをさせることができる。

【００８７】（第６の実施形態）ＣＤ（コンパクトディ
スク）とＤＶＤ（ディジタルビデオディスク）はいずれ
も光ピックアップを用いてディスクから情報を読み出す
が、ディスクの厚み、光源の波長、及びレンズの開口数
が両者では異なっている。つまり、ＣＤはディスク厚が
１．２ｍｍ、光源の波長が７８０ｎｍ、開口数が０．４
５であるのに対し、ＤＶＤはディスク厚が０．６ｍｍ、
光源の波長が６５０ｎｍ、開口数が０．６である。

【００８８】ＤＶＤ用として最適に設計された光学系を
用いてＣＤを再生した場合、上記の光学パラメータの違
いによって球面収差が発生し、光束をディスク上に良好
にフォーカスすることが困難である。したがって、満足
な再生信号が得られない。本発明による前述の波長選択
性レンズを用いれば、ＤＶＤ用に設計されたレンズであ
っても開口を制限することにより、球面収差の発生を緩
和してＣＤの良好な再生を行うことが可能である。

【００８９】例えば、レンズ全体の開口数を０．６と
し、光軸を中心とする円の内側の内周部の開口数を０．
４５とすることが望ましい。また、設計波長λ₁、λ₂と
して、前記の（数２２）及び（数２３）を満足する波長
を選択することが望ましい。以下に、本発明の具体的な
実施例を説明する。

【００９０】

【実施例９】図２１は本発明による光情報記録再生装置
に用いられる光ピックアップの光学系を示している。Ｄ
ＶＤの再生には６５０ｎｍで発振する第１の半導体レー
ザ７０１を用いる。光源７０１からの発散光束はビーム
スプリッタ７０３を透過し、コリメートレンズ７０４に
より略平行光束とされ、ビームスプリッタ７０５を透過
して波長選択性レンズ７０６に入射する。波長選択性レ
ンズ７０６は波長６５０ｎｍに対して０次回折光の回折
効率が１００％となる設計であるため、入射光束は回折
の影響を受けずに透過し、対物レンズ７０７により、デ
ィスク７０８に焦点を結ぶ。ディスク７０８からの反射
光は再び対物レンズ７０７を通過して平行光束となり、
波長選択性レンズ７０６を透過し、ビームスプリッタ７
０５によって反射され、検出光学系７０９を通って受光
素子７１０に入射する。

【００９１】ＣＤの再生の際には７８０ｎｍで発振する
第２の半導体レーザ７０２を用いる。半導体レーザ７０
２からの発散光束はビームスプリッタ７０３によって反
射され、コリメートレンズ７０４に入射し、略平行光束
とされ、ビームスプリッタ７０５を透過し、波長選択性
レンズ７０６に入射する。波長選択性レンズ７０６の外
周部７１１に入射した光束は回折作用を受け、対物レン
ズ７０７の有効径の外側へ発散する。したがって、波長
選択性レンズ７０６の内周部７１２に入射した光束のみ
が対物レンズ７０７に入射することになる。

【００９２】つまり、本波長選択性レンズ７０６の作用
により、ＣＤの再生時には対物レンズ７０７への入射光
束の開口制限を行うことができる。対物レンズ７０７で
集光された光束はＣＤ用ディスク７１４上に焦点を結
ぶ。ディスク７１４からの反射光は対物レンズ７０７に
より略平行光束とされた後、波長選択性レンズ７０６に
入射する。このとき、入射光束は波長選択性レンズ７０
６の内周部７１２のみに入射するので、ここでは損失な
く透過する。続いて、ビームスプリッタ７０５によって
反射した後、検出光学系７０９を通って受光素子７１０
上に焦点を結ぶ。

【００９３】本実施例の光情報記録再生装置に用いられ
る光ピックアップは、ＤＶＤ専用に設計された対物レン
ズをそのまま用いてＣＤ再生も可能な光学系を構成する
ことができる。したがって、ＤＶＤ専用プレーヤの光ピ
ックアップとＤＶＤ／ＣＤ互換プレーヤ用の光ピックア
ップとで対物レンズを共用することができるため製造管
理面、コスト面で有利である。また、可動部品なしで開
口制限ができるので、光ピックアップの小型化、組立工
程の簡素化を実現することもできる。

【００９４】

【実施例１０】本発明による光情報記録再生装置に用い
られる光ピックアップの光学系の別実施例を図２２に示
す。対物レンズ８０６には実施例８で説明したような波
長選択性機能を兼ね備えさせた集光レンズを用いた。波
長選択機能を付加する前のレンズとして、第１の波長に
おいて、ＮＡ＝０．６でＤＶＤ用のディスク厚みに対し
て良好に収差補正されているものを用いた。レンズ面に
形成した波長選択機能のための輪帯は波長の違いによっ
て生ずる球面収差だけでなく、ディスク厚みの違いによ
って発生する球面収差をも補正するように考慮し、波長
選択性輪帯を形成する範囲はＣＤ用の第２の波長に対し
てＮＡ＝０．４５となる開口とした。ＤＶＤの再生には
波長６５０ｎｍの光を射出する第１の半導体レーザ８０
１を用いる。第１の半導体レーザからの発散光はビーム
スプリッタ８０３を透過し、コリメートレンズ８０４に
より略平行光束となってビームスプリッタ８０５を透過
し、対物レンズ８０６に入射する。対物レンズ８０６に
は波長選択性領域８０７が形成されているが、波長６５
０ｎｍに対しては０次回折光が１００％となる構成であ
るため、その影響を受けずに集光されディスク８０８上
に焦点を結ぶ。ディスク８０８からの反射光は対物レン
ズ８０６によって平行光束となり、ビームスプリッタ８
０５によって反射され、検出光学系８０９により受光素
子８１０に集光される。

【００９５】ＣＤの再生の場合には７８０ｎｍの光を射
出する第２の半導体レーザ８０２を用いる。第２の半導
体レーザ８０２から射出する発散光束はビームスプリッ
タ８０３で反射されたのちコリメートレンズ８０４に入
射し略平行光束となってビームスプリッタ８０５を透過
し、対物レンズ８０６に入射する。対物レンズ８０６の
内周部には波長選択性領域８０７が形成されているの
で、内周部に入射した光束は波長選択性レンズ８０７で
回折してＮＡ＝０．４５の収束光束８１２として射出さ
れる。

【００９６】波長選択性レンズは、屈折レンズによって
発生する収差及び、ＣＤのディスク厚みによって発生す
る収差が打ち消されるため、ＣＤ用のディスク８１１上
に良好に焦点を結ぶ。一方、外周部及び波長選択性レン
ズの他の回折光は−１次回折光と異なる焦点距離である
ためディスク８１１の情報記録面と異なる位置に焦点を
結ぶ。また、収差補正が行われていないためディスク上
では拡がったスポットとなる。したがって、−１次回折
光のスポットプロファイルを乱さない。

【００９７】ディスク８１１により反射された光は再度
対物レンズ８０６を透過し、今度はビームスプリッタ８
０５により反射されて検出光学系８０９へ入射し、受光
素子８１０に焦点を結ぶ。

【００９８】本実施例の光学系では、ＣＤ再生時にディ
スク厚及び波長の違いによって発生する球面収差を波長
選択性レンズによって補正し、ＮＡの違いも波長選択性
レンズに開口絞りの働きをさせることにより解決してい
る。

【００９９】ＤＶＤの光学系を開口制限によりＣＤ再生
に用いた場合、対物レンズの移動によって、開口の光軸
と対物レンズの光軸がずれることにより収差が発生する
問題点を有するが、本実施例の光ピックアップでは、対
物レンズ上で開口制限できるため、その問題は発生しな
い。また、単純に開口制限する場合に比べて、波長選択
性レンズによって収差補正が可能であり、ピックアップ
の性能を向上することができる。

【０１００】なお、以上の説明において回折効率の計算
にはスカラー理論を用いた。位相格子の場合、スカラー
理論を用いた計算結果は厳密にはベクトル的に解析した
結果と異なる場合がある。ベクトル的な解析結果の場合
は、全体的に効率が低下し、その分、高次回折光が発生
する結果となる。しかしながら、波長によって回折効率
の高い回折次数が異なるという本発明の概念には影響を
与えない。また、全体的な回折効率の低下に関しては、
システム設計上、十分回避できる程度の問題であり、本
発明の実施例に示した内容を損なうものではない。

【０１０１】

【発明の効果】以上に説明したように、式（数１〜４）
を用いて設計された本発明の色分離位相格子によれば、
３原色を高効率で分離することができる。

【０１０２】また、投写型の画像表示装置において、色
分離手段として本発明の色分離位相格子を用いることに
よって、光源、液晶パネル及び投射レンズを１直線上に
配置でき、小型化をする際に有利となる。

【０１０３】また、本発明の波長選択性レンズは機械的
な可動部分や制御回路なしで開口制限を効率的に行うこ
とができる。また、本発明の波長選択性レンズを用いる
ことによって、波長に応じて最適な開口数で結像するレ
ンズを得ることができる。

【０１０４】また、別の波長選択性レンズは波長変化に
よって生じる球面収差を補正することができるため、使
用波長が大きく変化しても良好な性能を確保できる。ま
た、本発明の波長選択性レンズを用いた開口絞りを光ピ
ックアップに用いて光源の波長を切り替えることによ
り、それぞれの波長で最適な光束径の光を対物レンズに
入射させることが可能となる。これにより、基材厚の厚
い光ディスクと薄い光ディスクとの両方を１つのヘッド
で記録再生できる。また、開口を切り替えるための機械
的な可動部や制御回路が不要であるため、安価で小形に
構成することができる。

【０１０５】更に、レンズ本体に絞りがついているた
め、レンズがトラッキング制御によりシフトした場合で
もレンズの光軸と開口の中心とのずれが発生せず、収差
の面でも有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る色分離位相格子
の概略斜視図

【図２】図１の色分離位相格子の階段状の断面を示す図

【図３】図１の色分離位相格子の階段状断面の模式図

【図４】図３に対応して、位相格子を透過した光束の位
相遅れを示す図

【図５】図４から位相遅れ成分を抽出した図

【図６】実施例１の色分離位相格子の断面形状を具体的
な寸法と共に示す図

【図７】実施例１の色分離位相格子の断面形状を具体的
な寸法と共に示す図

【図８】本発明の第２の実施形態に係る投写型画像表示
装置の光学系を示す図

【図９】図８の光学系において、回折光がマイクロレン
ズにより液晶の画素に集光する様子を示す図

【図１０】実施例３に用いた位相格子の可視光全域にお
ける回折効率の計算結果を示す図

【図１１】光源のスペクトル分布を示す図

【図１２】各回折光のスペクトル分布を示す図

【図１３】実施例４に用いた位相格子の可視光全域にお
ける回折効率の計算結果を示す図

【図１４】各回折光のスペクトル分布を示す図

【図１５】本発明の第３の実施形態に係る波長選択性レ
ンズの斜視図

【図１６】図１５の波長選択性レンズの断面輪郭を示す
図

【図１７】本発明の第４の実施形態における実施例６の
波長選択性レンズの断面輪郭を示す図

【図１８】本発明の第５の実施形態における実施例７の
波長選択性レンズの斜視図

【図１９】図１８の波長選択性レンズの断面輪郭を示す
図

【図２０】実施例８の波長選択性レンズの断面輪郭を示
す図

【図２１】本発明の第６の実施形態における実施例９の
光情報記録再生装置の光学系を示す図

【図２２】実施例１０の光情報記録再生装置の光学系を
示す図

【符号の説明】

２１ 色分離位相格子の入射面 ８１ ランプ ８２ コリメートレンズ ８３ 色分離位相格子 ８４ マイクロレンズアレイ ８５ 液晶パネル ８６ 投写レンズ ８７ スクリーン ９１ 入射光束（緑） ９２ 入射光束（赤） ９３ 入射光束（青） ９４ マイクロレンズ ９５、９６、９７ 液晶の画素 １９１、２０１ 波長選択性レンズの内周部 １９２、２０２ 波長選択性レンズの外周部 １９３、２０３ 波長選択性レンズの有効径 ７０１、８０１ 第１の光源 ７０２、８０２ 第２の光源 ７０３、８０３ ビームスプリッタ ７０４、８０４ コリメートレンズ ７０５、８０５ ビームスプリッタ ７０６ 波長選択性レンズ ７０７、８０６ 対物レンズ ７０８、８０８ ＤＶＤ用ディスク ７０９、８０９ 検出光学系用レンズ ７１０、８１０ 受光素子 ７１１ 波長選択性レンズの外周部 ７１２ 波長選択性レンズの内周部 ７１３ 絞られた光束 ７１４、８１１ ＣＤ用ディスク ８０７ 波長選択領域 ８１２ ＮＡ＝０．４５の収束光束

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３つの波長λ₁，λ₂及びλ₃の光を透過
   する材料の表面に、３段以上の階段状の断面形状が周期
   的に設けられた色分離位相格子であって、前記波長
   λ₁，λ₂及びλ₃に対する前記材料の屈折率をｎ₁、ｎ₂
   及びｎ₃とし、前記階段の段数をｍとしたとき、前記階
   段の段差ｄ及び全段数分の高さｔが下記の式を満足する
   ことを特徴とする色分離位相格子。 ０．９５＜ｄ（ｎ₁−１）／λ₁＜１．０５ ０．９＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₂−１）／λ₂ｍ−（ｍ＋１）
   ＜１．１ ０．９＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₃−１）／λ₃ｍ−（ｍ−１）
   ＜１．１ λ₂＜λ₁＜λ₃
2. 【請求項２】 前記階段の段差ｄ及び全段数分の高さｔ
   が下記の式を満足することを特徴とする請求項１記載の
   色分離位相格子。 ０．９７＜ｄ（ｎ₁−１）／λ₁＜１．０３ ０．９５＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₂−１）／λ₂ｍ−（ｍ＋
   １）＜１．０５ ０．９５＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₃−１）／λ₃ｍ−（ｍ−
   １）＜１．０５
3. 【請求項３】 前記３つの波長λ1，λ2及びλ3が下記
   の式を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の
   色分離位相格子。 ５３０ｎｍ≦λ₁≦５６０ｎｍ ４５０ｎｍ≦λ₂≦４８０ｎｍ ６１０ｎｍ≦λ₃≦６６０ｎｍ
4. 【請求項４】 前記段数ｍが、２＜ｍ＜６を満足するこ
   とを特徴とする請求項１、２又は３記載の色分離位相格
   子。
5. 【請求項５】 前記階段状の断面形状の繰り返しピッチ
   Ｔが、１０μｍ＜Ｔ＜３０μｍを満足することを特徴と
   する請求項１、２、３又は４記載の色分離位相格子。
6. 【請求項６】 前記段差ｄが、０．９μｍ＜ｄ＜１．２
   μｍを満足することを特徴とする請求項１、２、３、４
   又は５記載の色分離位相格子。
7. 【請求項７】 ３原色を含む白色光源と、前記光源から
   の射出光束を各３原色の波長成分に分光する分光手段
   と、入射光束の透過率を画素毎に変調することにより画
   像を形成する透過型の画像表示手段と、前記画像表示手
   段が形成した画像をスクリーンに投影する投影手段とを
   備えている投写型の画像表示装置において、前記分光手
   段として請求項３、４、５又は６記載の色分離位相格子
   を用いたことを特徴とする投写型の画像表示装置。
8. 【請求項８】 ２つの波長λ₁及びλ₂の光を透過する材
   料で作られた平板上に透過光束の光軸を中心とする複数
   の輪帯が形成された位相型の回折レンズであって、光軸
   を含む断面の形状が前記輪帯の部分で階段状であり、前
   記波長λ₁及びλ₂に対する前記材料の屈折率をｎ₁及び
   ｎ₂とし、前記階段の段数をｍとしたとき、前記階段の
   段差ｄ及び全段数分の高さｔが下記の式を満足すること
   を特徴とする波長選択性レンズ。 ０．９＜ｄ（ｎ₁−１）／λ₁＜１．１ λ₁＜λ₂のとき、０．９＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₂−１）／
   λ₂ｍ−（ｍ−１）＜１．１ λ₁＞λ₂のとき、０．９＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₂−１）／
   λ₂ｍ−（ｍ＋１）＜１．１
9. 【請求項９】 前記階段の段差ｄ及び全段数分の高さｔ
   が下記の式を満足することを特徴とする請求項８記載の
   波長選択性レンズ。 ０．９７＜ｄ（ｎ₁−１）／λ₁＜１．０３ λ₁＜λ₂のとき、０．９５＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₂−１）
   ／λ₂ｍ−（ｍ−１）＜１．０５ λ₁＞λ₂のとき、０．９５＜（ｍ＋１）ｔ（ｎ₂−１）
   ／λ₂ｍ−（ｍ−１）＜１．０５
10. 【請求項１０】 前記段数ｍが、１＜ｍ＜５を満足する
    ことを特徴とする請求項８又は９記載の波長選択性レン
    ズ。
11. 【請求項１１】 レンズの有効径の内側領域が光軸を中
    心とする円の内側の内周部と外側の外周部とに分割され
    前記内周部又は外周部のいずれか一方にのみ前記複数の
    輪帯が設けられている請求項８、９又は１０記載の波長
    選択性レンズ。
12. 【請求項１２】 曲面で構成された入射面又は射出面の
    少なくとも一方の面上に光軸を中心とする輪帯が形成さ
    れた波長選択性レンズであって、前記輪帯は階段状の断
    面を有し、前記階段の面は前記輪帯を形成する前のレン
    ズ面と略平行であり、レンズ内部を透過する波長λ₁の
    光線が前記光線とレンズ面との交点における前記レンズ
    面の法線となす角をθ、レンズ材料の波長λ₁に対する
    屈折率をｎ₁とし、jを自然数とするとき、前記階段の面
    と前記輪帯を形成する前のレンズ面との距離ｄが下記の
    式を満足することを特徴とする波長選択性レンズ。 ０．９５＜ｄ（ｎ₁−１）／（jλ₁ｃｏｓθ）＜１．０
    ５
13. 【請求項１３】 前記距離ｄが下記の式を満足すること
    を特徴とする請求項１２記載の波長選択性レンズ。 ０．９８＜ｄ（ｎ₁−１）／（ｊλ₁ｃｏｓθ）＜１．０
    ２
14. 【請求項１４】 レンズの有効径の内側領域が光軸を中
    心とする円の内側の内周部と外側の外周部とに分割され
    前記内周部には光回折用の輪帯がなく、前記外周部には
    光回折用の輪帯が形成されていることを特徴とする請求
    項１２又は１３記載の波長選択性レンズ。
15. 【請求項１５】 レンズの有効径の内側領域が光軸を中
    心とする円の内側の内周部と外側の外周部とに分割され
    前記外周部には光回折用の輪帯がなく、前記内周部には
    光回折用の輪帯が形成されていることを特徴とする請求
    項１２又は１３記載の波長選択性レンズ。
16. 【請求項１６】 レンズ有効径の開口数が略０．６であ
    って、前記内周部の開口数が略０．４５であることを特
    徴とする請求項１４又は１５記載の波長選択性レンズ。
17. 【請求項１７】 前記波長λ₁の光成分と分離される光
    成分の波長λ₂が下記の式を満足することを特徴とする
    請求項１２、１３、１４、１５又は１６記載の波長選択
    性レンズ。 ６３０＜λ₂＜６６０
18. 【請求項１８】 異なる波長の光を射出する２つの光源
    と、光源の波長により実質的に開口数を調節する開口調
    節手段と、光源からの光束を情報記録媒体上に集光する
    集光手段と情報記録媒体からの反射光束又は透過光束を
    検出するための検出手段とを有する光情報記録再生装置
    において、前記開口調節手段として、請求項８、９、１
    ０又は１１記載の波長選択性レンズを用いたことを特徴
    とする光情報記録再生装置。
19. 【請求項１９】 異なる波長の光を射出する２つの光源
    と、光源の波長により実質的に開口数を調節する開口調
    節手段と、光源からの光束を情報記録媒体上に集光する
    集光手段と情報記録媒体からの反射光束又は透過光束を
    検出するための検出手段とを有する光情報記録再生装置
    において、前記開口調節手段及び前記集光手段として、
    請求項１２、１４、１６又は２０記載の波長選択性レン
    ズを用いたことを特徴とする光情報記録再生装置。
20. 【請求項２０】 第１の光源の波長λ₁及び第２の光源
    の波長λ₂が６３０＜λ ₁＜６６０、及び、７８０＜λ₂
    ＜８１０を満足することを特徴とする請求項１８又は１
    ９記載の光情報記録再生装置。