TWI406007B - Optical system and eyepiece - Google Patents

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TWI406007B
TWI406007B TW096125025A TW96125025A TWI406007B TW I406007 B TWI406007 B TW I406007B TW 096125025 A TW096125025 A TW 096125025A TW 96125025 A TW96125025 A TW 96125025A TW I406007 B TWI406007 B TW I406007B
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Description

光學系統及接目鏡
本發明係關於一種利用繞射的光學系統，尤其係關於一種用在小型輕量且高性能之觀察光學系統或投射光學系統的光學系統。
以往光學系統一般為了提升光學性能，尤其減低像差而提升成像性能，大多係採用利用折射(主要以玻璃製作)的光學元件。但是，為了充分減少關於基準譜線(spectral line)的塞德爾(Seidel)5像差及色像差，必須增加像差修正自由度，因此大多會發生光學元件的數量或大小或重量增加的情形。
因此設計出一種在凸面分別相向的狀態下由物體側依序配設具有平凸形形狀的第一透鏡；及同為平凸形的第二透鏡，而且在第一透鏡及第二透鏡之任一者的光學面上形成有繞射面的接目鏡(光學系統)(參照例如日本專利特開平11－38330號公報)。如此一來，可獲得一種為透鏡個數較少的簡單構成，而且可一面確保預定的良視距離(eye relief)，一面良好地修正倍率色像差的接目鏡。
然而，在如上所述之接目鏡中，在中心波長(例如d線)的光學特性(倍率色像差等)雖然良好，但是在其他波長域的光學特性則不太良好。
本發明係鑑於上述問題而研創者，目的在提供一種可在使用波長的全區域獲得良好光學特性的光學系統、及具備該光學系統的接目鏡。
為了達成如上所述之目的，本發明之光學系統係構成為具有由物體側依序排列的第一透鏡、及具有正的折射性的第二透鏡，具有形成有浮雕圖案(relief pattern)的第一光學元件要素、及密接接合在前述第一光學元件要素中形成有浮雕圖案之面上的第二光學元件要素的密接複層型繞射光學元件係設在第一透鏡及第二透鏡中之任一者的光學面上。
此外，於上述之發明中，第一光學元件要素及第二光學元件要素在d線之折射率的差為0.45以下，且當第一透鏡及第二透鏡之間在光軸上的空氣間隔為D，光學系統整體的焦距為f時，以滿足下式「0.002<D/f<2.0」之條件為佳。
此外，於上述之發明中，當第一透鏡的焦距為f1，第二透鏡的焦距為f2時，若f1>0且f2>0，以滿足下式「0<D/(f1×f2)<0.15」之條件為佳。
此外，於上述之發明中，當第一透鏡的焦距為f1，第二透鏡的焦距為f2時，若f1<0且f2>0且| f1 |>| f2 |，以滿足下式「－0.1<D/(f1×f2)<0」之條件為佳。
此外，於上述之發明中，最好第一透鏡及第二透鏡中之至少一者的光學面為非球面。
此外，於上述之發明中，最好在第一透鏡之與物體側相對向的面上設有密接複層型繞射光學元件。
再者，於上述之發明中，使用相對高折射率低色散之材料及低折射率高色散之材料中之其中一者來形成第一光學元件要素，並且使用另一者來形成第二光學元件要素，當第一光學元件要素及第二光學元件要素之阿貝數(Abbe number)的差為△vd，第一光學元件要素及第二光學元件要素在d線之折射率的差為△nd時，以滿足下式「50<△vd/△nd<2000」之條件為佳。
此外，於上述之發明中，當密接複層型繞射光學元件在d線的繞射效率為Ed，密接複層型繞射光學元件在g線的繞射效率為Eg，密接複層型繞射光學元件在C線的繞射效率為EC時，以滿足下式「(Eg＋EC)/2>0.9×Ed」之條件為佳。
再者，於上述之發明中，當浮雕圖案的最小間距為p，光學系統整體的焦距為f時，以滿足下式「0.0001<p/f<0.003」之條件為佳。
此外，於上述之發明中，當光學系統整體之焦距為f，光瞳徑為ψ，良視距離為R時，以滿足下式「0.1<ψ×R/f2 <2.0」之條件為佳。
此外，本發明之接目鏡係用以觀察物體之像的接目鏡，其特徵為具有本發明之光學系統而構成。
根據本發明，可在使用波長的全區域獲得良好光學特性。
以下一面參照圖式，一面説明本發明之較佳實施例。以往已進行以在折射光學系統或反射光學系統中並無法達成的高性能化、小型化等為目標而將繞射光學面併入光學系統中的各種嚐試。然而，在具有如上所述之繞射光學面的單層繞射光學元件中，因偏離設計波長之波長域的光而產生眩光(flare)，而有損及畫質、成像性能的問題，其使用係限於在雷射光源等單一波長或在狹窄波長域的使用。
因此，近年來已提出一種被稱為複層型(或者層疊型)的繞射光學元件。該類繞射光學元件係具有形成為鋸齒狀之繞射光學面(浮雕圖案)，且以使複數個具有不同折射率及色散之繞射元件要素分離或密接的形式使其疊層者，係具有在所希望之寬波長域(例如可視光區域)的大致整個區域保有較高的繞射效率，亦即波長特性良好的特徵。其中，關於如上所述之繞射光學元件之性質，請詳見「『繞射光學元件入門』應用物理學會日本光學會監修平成18年增補改訂版發行」。其中，實施例所示之繞射光學面的資料係以超高折射率法表示，同樣詳見「『繞射光學元件入門』應用物理學會日本光學會監修平成18年增補改訂版發行」。
在此就複層型繞射光學元件的構造加以說明，一般而言，如第一圖(a)所示，係由由第一材質構成的第一光學元件要素51；及折射率或色散值與該第一光學元件要素51不同的第二材質構成的第二光學元件要素52所構成，各個光學元件要素51、52相對向的面係如圖所示形成為鋸齒狀。接著，以對特定的2波長滿足消色條件的方式，將第一光學元件要素51的浮雕圖案的高度h1決定為預定值，將第二光學元件要素52的浮雕圖案的高度h2決定為其他預定值。藉此，相對於特定之2波長，繞射效率為1.0，相對於其他波長，亦可獲得相當高的繞射效率。其中，所謂繞射效率係指於透射型繞射光學元件中，入射至該繞射光學元件之光的強度I0 及一次繞射光的強度I1 的比例η(＝I1 /I0 )。
其中，在第一圖(a)所示之分離複層型繞射光學元件DOE’中，由於構成該元件之第一光學元件要素51及第二光學元件要素52中，各個浮雕圖案53、54的高度h1、h2不同，因此必須具有複數個模具，並且使用該等模具，以相同步驟分別製造第一及第二光學元件要素51、52，甚至必須精度佳地對位，因而在生產時非常繁瑣。
因此，已提出一種使第一光學元件要素51中之浮雕圖案53的高度h1、及第二光學元件要素52中之浮雕圖案54的高度h2相一致的密接複層型繞射光學元件DOE(參照第一圖(b))。該密接型繞射光學元件DOE係構成為使第二光學元件要素52密接接合在第一光學元件要素51中形成有浮雕圖案53的面上，與分離型相比較，具有繞射光柵高度的誤差敏感度(公差)較平緩、或光柵面之面粗糙度的誤差敏感度(公差)較平緩等容易製造的優點，而且生產性佳而量產性高。因此，具有便於降低光學製品之成分的優點。如上所示，藉由將繞射光學元件之構成形成為密接複層型，可將繞射光學元件適用於大致全波長，而且容易用在利用寬帶之白色光的照相機的攝像透鏡或在可見光範圍所使用的接目鏡等。
本發明係關於利用如上所示之密接複層型繞射光學元件的小型輕量光學系統。接著，本實施例之光學系統係構成為具有由物體側依序排列的第一透鏡及具有正的折射性的第二透鏡，在第一透鏡及第二透鏡之任一者的光學面上設有密接複層型繞射光學元件。藉此可獲得一種在使用波長的全區域具有良好光學特性之小型且高性能的光學系統。其中，如上所示之光學系統既可作為攝影透鏡光學系統加以使用，亦可藉由在像面附近配設顯示元件，而作為投射光學系統加以使用。
此時最好在第一透鏡之與物體側相對向的面上設置密接複層型繞射光學元件。如此一來，來自物體的光會在垂直於密接複層型繞射光學元件的浮雕圖案的附近射入。因此可減輕於浮雕圖案的段差部分中斜光線不會以正規角度射入而產生漫射光的不良情形。此外，由於最靠近物體側的繞射光學元件為密接型，因此可減輕例如透過浮雕圖案之光以外的漫射光經由透鏡面或鏡筒面等的反射而對成像面造成不良影響的不良情形。
此外，當在繞射光學元件整體具有正的折射性時，第一光學元件要素最好具有正的折射性，但第二光學元件要素可具有正或負之任何折射性。只要對照設計要件，而適於達成規格、像差修正等來構成即可。此時，若在繞射光學面具有正的折射性即具有負的色散，因此可在繞射光學元件整體達成良好的消色。
構成密接複層型繞射光學元件的光學元件要素係必須由相對高折射率低色散的材料及低折射率高色散的材料所構成，任一者均可在物體側。具體而言，必須使用高折射率低色散的材料及低折射率高色散的材料中的其中一者來形成第一光學元件要素51(參照第一圖(b))，並且使用另一者來形成第二光學元件要素52(參照第一圖(b))，為用以形成密接複層型繞射光學元件的必要構成要件。此外，為了減低製造上的誤差敏感度，最好第一光學元件要素51及第二光學元件要素52在d線之折射率的差為0.45以下，以0.2以下為更佳。
接著，在本實施例中，當第一透鏡與第二透鏡之間在光軸上的空氣間隔為D，光學系統整體的焦距為f時，則滿足以下列條件式(1)所表示的條件。
0.002<D/f<2.0………(1)
條件式(1)係利用與焦距f的距離來界定第一透鏡與第二透鏡之空氣間隔D之適當範圍。若滿足該條件式(1)，即使縮短全長，亦可獲得具有良好光學特性的光學系統。其中，當D/f超過條件式(1)的上限時，光學系統的全長會變得過長，而不僅損及小型化，甚至軸外像差的發生亦會變大而產生無法獲得良好成像性能的不良情形。尤其，在主光線更為上側之光線的彗形像差(comatic aberration)會變大，而有易在＋側發生歪曲像差的傾向。
另一方面，當D/f超過條件式(1)的下限時，光學系統之出射光瞳(exit pupil)位置會過於靠近，易於不符合例如在攝像元件入射至遠心附近的條件。此時，隨著所謂像高變高，而變得容易發生遮光(shading)。此外，傾向彗形像差的修正變得不充分，而無法獲得充分的成像性能。其中，於條件式(1)中，以將D/f的上限設為1.0、並將下限設為0.003為更佳。此外，於條件式(1)中，以將D/f的上限設為0.1、並將下限設為0.003為更佳。
此時，第一透鏡及第二透鏡中之至少一者的光學面最好為非球面。如此一來，即使採用密接複層型繞射光學元件而且縮短光學系統的全長，亦可良好地修正軸外像差等各像差。
但是，當第一透鏡的焦距為f1，第二透鏡的焦距為f2時，光學系統整體的焦距f係作為薄壁系統的合成焦距而由下列(21)式計算出。此外，藉由改變(21)式的形式，可得(22)式。
1/f＝(1/f1)＋(1/f2)－D/(f1×f2)………(21) D/(f1×f2)＝{(1/f1)＋(1/f2)}－1/f………(22)
根據該(22)式，當f1>0且f2>0時，最好滿足以下列條件式(2)表示的條件。
0<D/(f1×f2)<0.15………(2)
條件式(2)係表示若D/(f1×f2)的值很小而在零附近時，藉由使第一透鏡與第二透鏡接近預定之f1及f2的值，可獲得光學系統整體充分的折射性。藉此可獲得縮短透鏡間的距離而縮短全長之折射性較大的光學系統(例如接目鏡)。
其中，當D/(f1×f2)超過條件式(2)的上限時，光學系統整體的折射性會變弱，而無法獲得充分的折射性(倍率)。此外，透鏡與像面的距離過近，而會產生難以配置反射鏡或稜鏡的不良情形。此外，歪曲像差會在一側變得過大，而無法獲得良好的像。另一方面，當透鏡彼此相接時，由於會產生在光軸附近出現干涉條紋的不良情形或在透鏡面造成損傷的不良情形，因此D/(f1×f2)的下限係設為0。其中，於條件式(2)中，以將D/(f1×f2)的上限設為0.1為更佳。
此外，當f1<0且f2>0且| f1 |>| f2 |時，最好滿足以下列條件式(3)表示的條件。
－0.1<D/(f1×f2)<0………(3)
當第一透鏡具有負的折射性，而且第二透鏡具有正的折射性時，由於會出現因透鏡造成的消色作用，因此為了達成預定的消色，可放寬浮雕圖案的間距。因此，眩光發生變小，而且易於製造繞射光學元件，故較為理想，但另一方面當使透鏡彼此相接近時，則會產生折射性變小的不良情形。條件式(3)係關於光學系統的全長、折射性及像差顯示適當平衡者。
當D/(f1×f2)超過條件式(3)的下限時，透鏡間的距離會變長而使全長變長，並無法獲得小型的光學系統。此外，歪曲像差在＋側變得過大，而無法獲得良好的像。另一方面，當透鏡彼此相接時，由於會產生在光軸附近出現干涉條紋的不良情形或在透鏡面造成損傷的不良情形，因此D/(f1×f2)的上限係設為0。其中，於條件式(3)中，以將D/(f1×f2)的下限設為－0.01為更佳。
此外，當第一光學元件要素51及第二光學元件要素52之阿貝數(Abbe number)的差為△vd，第一光學元件要素51及第二光學元件要素52在d線之折射率的差為△nd時，最好滿足以下列條件式(4)所表示的條件。
50<△v d/△nd<2000………(4)
條件式(4)係用以界定高折射率低色散之材料及低折射率高色散之材料中之阿貝數的差△v d及折射率的差△nd之適當範圍。當不在以條件式(4)所界定之範圍內時，即使為由高折射率低色散之材料及低折射率高色散之材料所構成的密接複層型繞射光學元件，亦會產生浮雕圖案的高度變高，或者相對於各波長之繞射效率降低的不良情形。其中，於條件式(4)中，以將△v d/△nd的上限設為800，並且將下限設為100為更佳。
此外，當密接複層型繞射光學元件在d線的繞射效率為Ed，密接複層型繞射光學元件在g線的繞射效率為Eg，密接複層型繞射光學元件在C線的繞射效率為EC時，最好滿足以下列條件式(5)所表示的條件。
(Eg＋EC)/2>0.9×Ed………(5)
條件式(5)係用以界定寬帶波長中之繞射效率的適當範圍。當不在以條件式(5)所界定的範圍內時，短波長或長波長之任一繞射效率會降低，繞射眩光會變大而會損及畫質。具體而言，當Eg降低時，藍色系的繞射眩光會增大，當EC降低時，則紅色系的繞射眩光會增大，而有損於畫質。其中，於條件式(5)中，最好將Ed相關係數設在0.8至0.98的範圍，但0.9的值為藉由多數人的抽樣所得之經驗值。
若設在第一透鏡及第二透鏡之任一者的光學面上的密接複層型繞射光學元件係相對於光軸呈對稱，且具有通過最外側之光線(主光線)的入射角度為10度以下之繞射光學面(浮雕圖案)，當繞射光學面的有效徑(直徑)為C，光學系統整體的焦距為f時，最好滿足以下列條件式(6)所表示的條件。
0.1<C/f<3.0………(6)
條件式(6)係用以界定繞射光學面之有效徑(直徑)的適當距離。當C/f超過條件式(6)的上限時，有效徑會變得過大，而變得難以製作繞射光學面(浮雕圖案)，而導致成本上升。此外，來自外部的有害光變得易於進入繞射光學面，而容易因眩光等而導致畫質降低。另一方面，當C/f超過條件式(6)的下限時，供設置繞射光學面之透鏡的有效徑會變小，並且浮雕圖案的間距會變小，因此變得難以製作繞射光學面(浮雕圖案)，而不僅導致成本上升，且在繞射光學面之眩光的發生會變大而易於導致畫質降低。其中，於條件式(6)中，以將C/f的上限設為0.8，並且將下限設為0.1為更佳。
此外，若第一透鏡中與物體側相對向的面為凹面，並且第一透鏡中位於與物體側相反的面為凸面，而在該等之中之任一者的面上設置密接複層型繞射光學元件，當浮雕圖案的高度為h，第一光學元件要素中之光軸上的厚度及第二光學元件要素中之光軸上的厚度中較小者為d時，最好滿足以下列條件式(7)所表示的條件。
0.05<h/d<2.0………(7)
條件式(7)係表示形成溝深度較淺之浮雕圖案時的適當高度h、及光學元件要素之厚度d的關係。當h/d超過條件式(7)的上限時，由於相對而言溝的高度會變得過高，因此不僅難以製作浮雕圖案，連溝的段差部分亦會變大，而容易因照到該段差部分的光所造成的散射等而產生漫射光。另一方面，當h/d超過條件式(7)的下限時，由於相對而言光學元件要素變得過厚，因此不僅仍然難以製作浮雕圖案，光在光學元件要素中的內部吸收會增加，而使光學系統整體的透射率降低，或者容易產生顏色，而使畫質降低。其中，於條件式(7)中，亦可將h/d的上限設為1.0，並且將下限設為0.02。
此外，當浮雕圖案的最小間距為p，光學系統整體的焦距為f時，最好滿足以下列條件式(8)所表示的條件。
0.0001<p/f<0.003………(8)
條件式(8)係用以界定最小間距p與光學系統整體之焦距f之適當比例。當最小間距p較小時，繞射角會變得較大而使在繞射光學面的色分散變大，而在色像差修正方面具有效果，但其另一方面會較難以加工，而且在繞射光學面之眩光的發生亦會變大。因此，在適當範圍使用最小間距p係很重要的。
當p/f超過條件式(8)的上限時，最小間距p會變得過大，而無法達成充分的消色，而易於發生畫質降低之不良情形。當p/f超過條件式(8)的下限時，最小間距p會變得過小，如上所述，會較難以加工，而且在繞射光學面之眩光的發生亦會變大。此外，因不需要的眩光導致畫質降低，甚至導致繞射效率降低。
此外，以本實施例之光學系統的應用而言，針對放大觀察由小型顯示器或接物鏡等所形成的畫像之類的用途，當光學系統整體之焦距為f，光瞳徑為ψ，良視距離(eye relief)為R時，最好滿足以下列條件式(9)所表示的條件。
0.1<ψ×R/f2 <2.0………(9)
條件式(9)係表示當適用本實施例之光學系統於如上所述之觀察光學系統時之光瞳徑ψ、良視距離R、焦距f之適當關係。充分取得良視距離R在構成觀察光學系統方面是非常重要的。
當ψ×R/f2 超過條件式(9)的上限時，良視距離R會變得過長，而易於導致光學系統大型化。另一方面，當ψ×R/f2 超過條件式(9)的下限時，良視距離R會變得過短，而難以觀察畫像。此外，由於光瞳徑ψ亦變小，因此容易被拒絕，而容易發生在使用時難以觀察畫像的不良情形。其中，光瞳的形狀並不一定為圓形，亦可視用途或設計規格，而為矩形或橢圓。此時，藉由設計透鏡的形狀或光圈的形狀，可達成如上所述之光瞳的形狀。此外，於條件式(9)中，以將ψ×R/f2 的上限設為1.0，將下限設為0.15為較佳。又，於條件式(9)中，以將ψ×R/f2 的上限設為1.0，並且將下限設為0.2為更佳。其中，ψ×R/f2 為0.3前後為更佳。
此外，在實際上構成本實施例之光學系統時，以滿足以下所述之要件為更佳。
首先，於第一及第二光學元件要素中，為了保持良好成形性，且確保優良量產性，構成任一方之光學元件要素之材料的黏度(未硬化物黏度)以至少為40Pa．s(帕斯卡(pascal)．秒)以上為佳。當該黏度為40Pa．s以下時，樹脂易在成形中流動，而會產生難以形成精密形狀的不良情形。然而，構成另一方之光學元件要素之材料的黏度則相反地以至少2000 Pa．s以上為佳。
此外，第一及第二光學元件要素為了提升生產效率，任一者均以使用UV硬化型樹脂來形成為佳。藉此可刪減工數，而便於帶來成本降低。
此外，如上所述，當第一及第二光學元件要素之材料均為樹脂時，為了達成小型化、輕量化，最好該等樹脂的比重均為2.0以下。與玻璃相比較，樹脂的比重較小，因此對於光學系統的輕量化極為有效。此外，為了發揮效果，以比重為1.6以下為更佳。再者，第一及第二光學元件要素係在其與空氣的界面具有正折射性之折射面，該折射面最好為非球面。
此外，第一及第二光學元件要素中，亦可將色素混入任何樹脂，而使其具有濾色效果。例如，藉由該方法，可構成紅外線截止濾鏡(cut filter)，亦可構成小型攝像光學系統。
此外，光圈係可隨意設置在光學系統中，但最好構成為截止不需要的光線，而僅通過對於成像有用的光線。例如，可將透鏡框本身設為開口光圈，亦可利用機械構件，在遠離透鏡的位置構成光圈。其中，光圈的形狀亦可按照設計規格，形成為橢圓或矩形，而非侷限於圓形。
當將本實施例之光學系統適用於攝影光學系統時，亦可在密接複層型繞射光學元件的內部或外部組入光學式低通濾波器。
此外，當將本實施例之光學系統適用於觀察光學系統時，則其放大鏡倍率以2倍以上、20倍以下為佳。
其中，由組入密接複層型繞射光學元件而得之3個以上的(複數個)構成要素所構成的光學系統亦未脫離本發明之範圍。此外，關於組入折射率分布型透鏡、結晶材料透鏡等所得之光學系統亦為相同。
此外，當d線、g線、C線及F線之軸上色像差中之最大擴展寬度為△時，最好滿足以下列條件式(10)所表示的條件。
0.001<△/f<0.02………(10)
條件式(10)係用以界定軸上色像差之適當修正範圍的條件。當△/f超過條件式(10)的上限時，軸上色像差會變得過大，形成有顏色的畫像而大幅損及畫質。其中，於條件式(10)中，以將△/f的上限設為0.003，並且將下限設為0.002為更佳。
實施例
以下根據所附圖式說明本發明之各實施例。於各實施例中，繞射光學面之相位差係藉由使用一般的折射率及後述之非球面式(23)、(24)所進行的超高折射率法來計算而得。所謂超高折射率法係指利用非球面形狀與繞射光學面之光柵間距之間之一定等效關係者，於本實施例中，繞射光學面係作為超高折射率法的資料，亦即，藉由後述之非球面式(23)、(24)及其係數予以表示。其中，在本實施例中，以像差特性的計算對象而言，係選擇d線(波長587.6nm、折射率10001)、C線(波長656.3nm、折射率11170.4255)、F線(波長486.1nm、折射率8274.7311)及g線(波長435.8nm、折射率7418.6853)。
於各實施例中，當垂直於光軸之方向的高度為y、沿著自非球面之頂點中的接平面至高度y中之非球面上之位置為止的光軸的距離(下沉量(sag))為S(y)、基準球面之曲率半徑為r、近軸曲率半徑為R、圓錐係數為κ、n次之非球面係數為Cn 時，非球面係以下列條件式(23)、(24)表示。
S(y)＝(y2 /r)/{1＋(1－κ．y2 /r2 )1/2 }＋C2 y2 ＋C4 y4 ＋C6 y6 ＋C8 y8 ＋C10 y10 ………(23) R＝1/{(1/r)＋2C2 }………(24)
其中，於各實施例中，在形成為非球面形狀之透鏡面係在表中之面號碼的右側標註＊ 記號。此外，於各實施例中，繞射光學面的相位差係藉由使用一般的折射率及上述非球面式(23)、(24)所進行的超高折射率法予以計算。因此，在非球面透鏡面及繞射光學面之任一者均係使用非球面式(23)、(24)，但是用在非球面透鏡面的非球面式(23)、(24)係表示透鏡面之非球面形狀本身，另一方面，用在繞射光學面的非球面式(23)、(24)係表示繞射光學面之性能的各種因素。
第一實施例
以下使用第二圖至第四圖說明本發明之第一實施例。各實施例之光學系統係作為用以觀察物體之像的接目鏡而予以使用者。如第二圖所示，第一實施例之光學系統(接目鏡)EL1係構成為具有由物體O側依序排列之具有正的折射性的第一透鏡L1；及同樣具有正的折射性的第二透鏡L2，在第一透鏡L1中之與物體O側相對向的面上黏貼有密接複層型繞射光學元件DOE。其中，在上述圖示中，係以符號H表示出射光瞳。物體O例如為液晶顯示裝置，可使用本實施例之光學系統(接目鏡)EL1放大觀察顯示在液晶顯示裝置的畫像。其中，該光學系統(接目鏡)EL1的全視角為35.4度。
此外，密接複層型繞射光學元件DOE係構成為由黏貼在第一透鏡L1之側依序具有第一光學元件要素51及第二光學元件要素52。其中，第一透鏡L1中之與物體O側相對向的面係稍具有曲率的凹面，第一透鏡L1中之位於物體O側相反側的面(與第二透鏡L2相對向的面)係凸面。此外，第二透鏡L2中之與第一透鏡L1相對向的面係凸面，第二透鏡L2中之位於第一透鏡L1相反側的面係凹面。
其中，在本實施例中，第一及第二透鏡L1、L2的材質均為日本Zeon公司製ZEONEX480R，第一光學元件要素51的材質為以下說明之相對低折射率高色散的紫外線硬化樹脂，第二光學元件要素52的材質為以下說明之相對高折射率低色散的紫外線硬化樹脂。
在此若說明上述之相對低折射率高色散的紫外線硬化樹脂，該樹脂係將2,2,3,3,4,4,5,5－八氟己烷－1,6－二丙烯酸酯、9,9－雙〔4－(2－丙烯醯氧基乙氧基)苯基〕茀及IRGACURE 184加以混合，進行預定的操作所產生的紫外線硬化性組成物。以下為方便起見，稱之為低折樹脂No.1。接著若說明相對高折射率低色散的紫外線硬化樹脂，該樹脂係在使三環癸烷二甲醇二丙烯酸酯及二(2－巰基二乙基)附加反應之後，添加IRGACURE 184所得之紫外線硬化性組成物。以下為方便起見，稱之為高折樹脂No.1。
在以下表1顯示第一實施例中之各透鏡的各因素。表1中之面號碼1至8係與第二圖中之面1至8相對應。其中，第一面為光瞳面。此外，表1中之r係表示透鏡面之曲率半徑(為非球面時係基準球面之曲率半徑)，d為透鏡面之間隔，n(d)係相對於d線的折射率，n(g)係相對於g線的折射率，n(C)係相對於C線的折射率，n(F)係相對於F線的折射率。其中，與前述條件式(1)至(10)(除了條件式(3)以外)相對應的值，亦即條件對應值亦顯示於以下。在此，於以下之所有各因素值中所揭示之曲率半徑r、面間隔d及其他長度的單位若沒有特別提及時，一般係使用「mm」，光學徑係無論比例放大或比例縮小均可獲得同等的光學性能，因此，單位亦可使用其他適當單位，而無須限定為「mm」。以上之表的說明在其他實施例之表中亦為相同。
其中，於表1中，關於形成為非球面形狀的透鏡面係在面號碼的右方標註＊ 記號。在本實施例中，相當於面號碼3及7的面為非球面，相當於面號碼6的面為繞射光學面。繞射光學面係以超高折射率法標記。利用n(d)＝10001等非常大的折射率值及非球面係數的組合來表現繞射光學面。
如上所示，在本實施例中可知均滿足上述條件式(1)至(10)(除了條件式(3)以外)。
第三圖係第一實施例中之各像差圖。各像差圖係顯示關於d線、g線、C線及F線的結果，FNO係表示F值(F－number，光圈值)，Y係表示像高。在球面像差圖中，係表示與最大口徑相對應之F值的值，在非點像差圖及歪曲像差圖中係分別顯示像高的最大值，在彗形像差圖中係顯示各像高的值。此外，於非點像差圖中，實線係表示弧矢像面(sagittal image surface)，虛線係表示子午像面(meridional image surface)。以上像差圖的說明在其他實施例中亦為相同。由各像差圖可知，在本實施例中，不僅d線，連g線、C線及F線，均可良好地修正各像差，而確保優異的成像性能。
其中，第四圖所示之曲線A及B係以利用d線使繞射效率為100%的方式所設定之繞射效率的分布，曲線A係表示在低折樹脂No.1的表面形成有浮雕圖案之單層繞射光學元件中的繞射效率，曲線B係表示由低折樹脂No.1及高折樹脂No.1所構成的密接複層型繞射光學元件中的繞射效率。於本實施例中，可在g線至C線的波長區域獲得0.95(95%)以上之高繞射效率(光強度)。
第二實施例
以下使用第五圖至第六圖說明本發明之第二實施例。如第五圖所示，第二實施例之光學系統(接目鏡)EL2係構成為具有自物體O側依序排列之具有負的折射性的第一透鏡L1、及具有正的折射性的第二透鏡L2，在第一透鏡L1中之與物體O側相對向的面上黏貼有密接複層型繞射光學元件DOE。其中，在上述圖示中係以符號H表示出射光瞳。該光學系統(接目鏡)EL2的全視角為24.3度。
由第五圖可知，第二實施例之光學系統(接目鏡)EL2的構成與第一實施例之光學系統EL1相同，對於各部標註與第一實施例相同的元件符號，且省略詳細說明。其中，與第一實施例不同之處在於第一透鏡L1具有負的折射性。此外，與第一實施例不同之處在於第二透鏡L2中之位於第一透鏡L1相反側的面為凹面。
在以下表2表示第二實施例中之各透鏡的各因素。表2中的面號碼1至8係與第五圖中之面1至8相對應。此外，於表2中，關於形成為非球面形狀的透鏡面係在面號碼的右方標註＊ 記號。在本實施例中，相當於面號碼3及4及7的面為非球面，相當於面號碼6的面為繞射光學面。其中，繞射光學面與第一實施例相同係以超高折射率法標記。
如上所示在本實施例中可知均滿足上述條件式(1)至(10)(除了條件式(2)以外)。
第六圖係第二實施例中之各像差圖。由各像差圖可知，在本實施例中，不僅d線，連g線、C線及F線，均可良好地修正各像差，而確保優異的成像性能。
第三實施例
以下使用第七圖至第八圖說明本發明之第三實施例。如第七圖所示，第三實施例之光學系統(接目鏡)EL3係構成為具有自物體O側依序排列之具有正的折射性的第一透鏡L11、及同樣具有正的折射性的第二透鏡L12，在第二透鏡L12中之與第一透鏡L11相對向的面上黏貼有密接複層型繞射光學元件DOE。其中，在上述圖示中係以符號H表示出射光瞳。該光學系統(接目鏡)EL3的全視角為40.0度。
此外，密接複層型繞射光學元件DOE係構成為自黏貼在第二透鏡L12之側依序具有第一光學元件要素51及第二光學元件要素52。其中，第一透鏡L11中之與物體O側相對向的面係平面，第一透鏡L11中之位於物體O側之相反側的面(與第二透鏡L12相對向的面)係凸面。此外，第二透鏡L12中之與第一透鏡L11相對向的面係凸面，第二透鏡L12中之位於第一透鏡L11之相反側的面係平面。
其中，在本實施例中，第一及第二透鏡L11、L12的材質均為丙烯酸系樹脂，第一光學元件要素51的材質(與前述第一實施例相同)為相對高折射率低色散的紫外線硬化樹脂，第二光學元件要素52的材質(與前述第一實施例相同)為相對上為低折射率高色散的紫外線硬化樹脂。
在以下表3表示第三實施例中之各透鏡的各因素。表3中的面號碼1至8係與第七圖中之面11至18相對應。此外，於表3中，關於形成為非球面形狀的透鏡面係在面號碼的右方標註＊ 記號。在本實施例中，相當於面號碼5的面為非球面，相當於面號碼4的面為繞射光學面。其中，繞射光學面與第一實施例相同係以超高折射率法標記。
如上所示在本實施例中可知均滿足上述條件式(1)至(10)(除了條件式(3)以外)。
第八圖係第三實施例中之各像差圖。由各像差圖可知，在本實施例中，雖然並不如前述之第一及第二實施例之程度，但不僅d線，連g線、C線及F線，均可良好地修正各像差，而確保優異的成像性能。其中，於各實施例中，本發明之發明人以D/f≒0.003的條件嚐試設計光學系統，與習知技術相比較，並未見到各像差大幅改善。
以上所示之本發明若在未脫離本發明之要旨的範圍內，即可適當改良，而並非限定為上述實施例。此外，在上述之各實施例中，係就作為接目鏡所使用之光學系統之例加以說明，但並非侷限於此，本實施例之光學系統亦可用在投射光學系統等。其中，當為接目鏡時，如第一及第二實施例所示，以在物體側之透鏡設置密接複層型繞射光學元件為更佳。其係基於主光線會以大致垂直的方式入射至形成有浮雕圖案的光學面，因此眩光會變得更少所致。
51．．．第一光學元件要素
52．．．第二光學元件要素
53．．．浮雕圖案
DOE．．．密接複層型繞射光學元件
EL1．．．光學系統(接目鏡)
EL2．．．光學系統(接目鏡)
EL3．．．光學系統(接目鏡)
H．．．出射光瞳
L1．．．第一透鏡
L2．．．第二透鏡
L11．．．第一透鏡
L12．．．第二透鏡
O．．．物體
第一圖係複層型繞射光學元件的模式剖面圖，(a)係非密接複層型繞射光學元件的模式剖面圖，(b)係密接複層型繞射光學元件的模式剖面圖。
第二圖係顯示第一實施例之光學系統之構成的示意圖。
第三圖係第一實施例之光學系統之各像差圖。
第四圖係顯示密接複層型繞射光學元件之繞射效率相對於各波長的示意圖。
第五圖係顯示第二實施例之光學系統之構成的示意圖。
第六圖係第二實施例之光學系統之各像差圖。
第七圖係顯示第三實施例之光學系統之構成的示意圖。
第八圖係第三實施例之光學系統之各像差圖。
1．．．面
2．．．面
3．．．面
4．．．面
5．．．面
6．．．面
7．．．面
8．．．面
51．．．第一光學元件要素
52．．．第二光學元件要素
DOE．．．密接複層型繞射光學元件
EL1．．．光學系統
H．．．出射光瞳
O．．．物體
L1．．．第一透鏡
L2．．．第二透鏡

Claims (10)

  1. 一種光學系統，係構成為具有由物體側依序排列的第一透鏡、及具有正的折射性的第二透鏡，其特徵為：具有形成有浮雕圖案的第一光學元件要素、及密接接合在前述第一光學元件要素中形成有前述浮雕圖案之面上的第二光學元件要素的密接複層型繞射光學元件係設在前述第一透鏡及前述第二透鏡中之任一者的光學面上；其中，前述第一光學元件要素及前述第二光學元件要素在d線之折射率的差為0.45以下；當前述第一透鏡及前述第二透鏡之間在光軸上的空氣間隔為D，光學系統整體的焦距為f時，即滿足下式0.002<D/f<2.0之條件。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中，當前述第一透鏡的焦距為f1，前述第二透鏡的焦距為f2時，若f1>0且f2>0，即滿足下式0<D/(f1×f2)<0.15之條件。
  3. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中，當前述第一透鏡的焦距為f1，前述第二透鏡的焦距為f2時，若f1<0且f2>0且| f1 |>| f2 |，即滿足下式-0.1<D/(f1×f2)<0之條件。
  4. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中，前述第一透鏡及前述第二透鏡中之至少一者的光學面為非球面。
  5. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中，在前述第一透鏡之與物體側相對向的面上設有前述密接複層 型繞射光學元件。
  6. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中，使用相對高折射率低色散之材料及低折射率高色散之材料中之其中一者來形成前述第一光學元件要素，並且使用另一者來形成前述第二光學元件要素；當前述第一光學元件要素及前述第二光學元件要素之阿貝數的差為△v d，前述第一光學元件要素及前述第二光學元件要素在d線之折射率的差為△nd時，即滿足下式50<△v d/△nd<2000之條件。
  7. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中，當前述密接複層型繞射光學元件在d線的繞射效率為Ed，前述密接複層型繞射光學元件在g線的繞射效率為Eg，前述密接複層型繞射光學元件在C線的繞射效率為EC時，即滿足下式(Eg+EC)/2>0.9×Ed之條件。
  8. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中，當前述浮雕圖案的最小間距為p，光學系統整體的焦距為f時，即滿足下式0.0001<p/f<0.003之條件。
  9. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中，當前述光學系統整體之焦距為f，光瞳徑為ψ，良視距離為R時，即滿足下式0.1<ψ×R/f2 <2.0之條件。
  10. 一種接目鏡，係用以觀察物體之像的接目鏡，其特徵為具有如申請專利範圍第1項至第9項中任一項之光學系統而構成。
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