TWI451135B - Diffractive optical system and optical system - Google Patents

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TWI451135B TW097126623A TW97126623A TWI451135B TW I451135 B TWI451135 B TW I451135B TW 097126623 A TW097126623 A TW 097126623A TW 97126623 A TW97126623 A TW 97126623A TW I451135 B TWI451135 B TW I451135B
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Description

繞射光學系統及接目光學系統
本發明係有關一種繞射光學系統。
通常，光學系統中，為提高光學性能，尤其為抑制像差的產生以提高結像性能，使用利用折射之折射光學元件(主要由玻璃所形成之透鏡)。此時，為充分抑制基準光譜線相關之塞德耳之五像差及色像差，有必要增加像差補正之自由度，將不得不增加構成光學系統之透鏡的張數。
尤其，使用在觀察光學系統及電子觀景窗等之光學系統中，欲提高光學性能時，構成光學系統之透鏡的張數會有更增加的傾向。此外，要充分補正光學系統之色像差，必須使用折射率及分散不同之複數的光學材料，且亦必須使用比重較大的光學材料(玻璃)，而容易導致光學系統之大型化及重量化。
本發明係有鑑於前述課題而研創，其目的在提供一種具有小型輕量且優良之光學性能之折射光學系統。
為解決前述課題，本發明係於包含折射光學元件之折射光學系統中，其特徵為具備：具有第一正透鏡之第一透鏡成分；及具有第二正透鏡與負透鏡之第二透鏡成分；前述折射光學元件係具有：具有第一折射光學面之第一折射光學構件；及具有第二折射光學面之第二折射光學構件；前述第一折射光學構件與前述第二折射光學構 件，係前述第一折射光學面與第二折射光學面配置成互相對向；d線中之前述第一折射光學構件之折射率與前述第二折射光學構件之折射率係互異；其中，該第一繞射光學面與該第二繞射光學面配置成互相相接；將d線中的該第一繞射光學構件與該第二繞射光學構件之折射率差設為△Nd 、將該第一繞射光學構件與該第二繞射光學構件之主分散(NF -NC )之差設為△(NF -NC )時，滿足-15<△Nd /△(NF -NC )<-2之條件；其中配置有主光線之最大入射角度具有10度以下之繞射光學面之該繞射光學元件，以使相接於該第一正透鏡之光學面、該第二正透鏡之光學面及該負透鏡之光學面之中任何一個光學面。
本說明書中，「第一折射光學面與第二折射光學面配置成互相對向」之表示，係對應包含「第一折射光學面與第二折射光學面配置成互相相接」之狀態，與「第一折射光學面與第二折射光學面配置成隔著間隔互相對向」之狀態之廣泛的概念。
本發明之光學系統中，具備滿足必要條件之密著複層型或分離複層型之折射光學元件。其結果，遍及較廣的波長範圍有效補正色像差，且確保非常高的折射效率，而能達成小型輕量、小尺寸且高性能之光學系統。亦即，本發明中，藉由複層型之折射光學元件之作用，能達成具有小型輕量且優良之光學性能之折射光學系 統。
根據附圖說明本發明之實施形態。以下，在具體的說明本發明之實施形態之前，先說明本發明實施形態相關聯之技術性事項。以往，以折射光學系統及反射光學系統中未能達到之高性能化、小型化等為目標，嘗試很多例如將繞射光學面編入光碟用之拾波器用透鏡等之光學系統。然而，單層型繞射光學元件中，相對從設計波長外之波長的光產生很多繞射光斑，而容易損傷畫質、結像性能。其結果，適用單層型繞射光學元件者，係限於例如將單一波長之雷射光及較窄的波長區域之雷射光等作為使用光之光學系統。
近年來，提案有稱為複層型(或積層型)之繞射光學元件。複層型繞射光學元件，係藉由使具有例如與光軸形成旋轉對稱的鋸齒狀之繞射光學面之複數個繞射光學要件(繞射光學構件)，以互相分離或密著之狀態積層而構成。複層型繞射光學元件係遍及所期望之廣波長區域(例如可視光區域)之整體確保較高的繞射效率，進而能確保良好的波長特性。
複層型繞射光學元件係如第一(a)圖及第一(b)圖所示，配置在光的入射側由第一光學材料形成之第一繞射光學構件11、及配置在光的射出側而由折射率及分散值與第一光學材料不同之第二光學材料形成之第二繞射光學構件12所構成。而且，第一繞射光學構件11與第二繞射光學構件12相對向之一對的面11a及12a，係分別具有例如與光軸(未圖示)旋轉對稱的鋸齒狀之截面。此時，可將第一繞射光學構件11之繞射光學面11a之光 柵高度(凹槽高度)h1設定為既定值，將第二繞射光學構件12之繞射光學面12a之光柵高度h2設定為既定值，以使相對特定的兩個波長之光同時滿足除色條件。
其結果，複層型繞射光學元件中，相對特定波長的光繞射效率為1.0，並且相對其他波長的光也能獲得相當高的繞射效率。此處，繞射效率係定義為，於透過型繞射光學元件，入射繞射光學元件之光的強度值I0 與透過繞射光學元件之光所包含之一次繞射光之強度值I1 之比率η(=I1 /I0 )。藉由採用如上述之複層型之構成，相對以廣波長域之光作為使用光之光學系統可適用繞射光學元件，亦能容易使用在例如使用白色光之照相機之攝影透鏡等之繞射光學元件。
尤其，藉由使第一光學材料及第二光學材料滿足既定之條件式(參照後述之條件式(1))，可使第一繞射光學構件11之繞射光學面11a之光柵高度h1與第二繞射光學構件12之繞射光學面12a之光柵高度h2一致，進而如第一(b)圖所示獲得繞射光學面11a與繞射光學面12a配置成互相相接之密著複層型之繞射光學元件(繞射光柵)PF。密著複層型之繞射光學元件中，相較於如第一(a)圖所示之一對繞射光學面隔著間隔配置成相對向之分離複層型繞射光學元件，在繞射光學面之光柵高度之誤差感度(公差)及繞射光學面之面粗度之誤差感度(公差)上，皆較緩和之製造上之優點。亦即，密著複層型之繞射光學元件係有生產性優良、量產性高、光學製品之成本下降之優點。
以下說明本發明實施形態之構成及作用。包含繞射光學元件之本發明實施形態之繞射光學系統，係適用於 例如接目光學系統之觀察光學系統時，從觀察眼側(與例如觀察物體之中間像相反側)依序具備具有第一正透鏡之第一透鏡成分與具有第二正透鏡與負透鏡之第二透鏡成分。又，適用於例如投射光學系統時，從螢幕側(與例如顯示元件之物體面相反側)依序具備具有第一正透鏡之第一透鏡成分與具有第二正透鏡與負透鏡之第二透鏡成分。而且，配置有密著複層型或分離複層型之繞射光學元件，以使相接於光學系統之光路徑中的既定位置，例如第一正透鏡之光學面、第二正透鏡之光學面及負透鏡之光學面之中任何一個光學面。
本發明之實施形態中，藉由於例如具有可適用在觀察光學系統及投射光學系統等之基本構成之光學系統，編入密著複層型或分離複層型之繞射光學元件，能確保遍及較廣的波長範圍有效補正色像差且確保十分高的繞射效率，且能達成小型輕量、小尺寸且高性能之光學系統。亦即，本發明之實施形態中，藉由密著複層型或分離複層型之繞射光學元件之作用，能達成適合於例如觀察光學系統及投射光學系統等之具有小型輕量且優良之光學性能之繞射光學系統。
構成複層型繞射光學元件之兩個繞射光學構件，係必須一方由相對的高折射率低分散之光學材料構成，另一方由相對的低折射率高分散之光學材料構成，但兩者之繞射光學構件皆配置於光的入射側亦可。尤其密著複層型繞射光學元件中，選定相對的高折射率低分散之光學材料與相對的低折射率高分散之光學材料之組合相當重要。要使密著複層型繞射光學元件於製造上之誤差感度緩和至所期望之程度，重要的係使兩個繞射光學構 件之繞射率差比0.45小，最好係比0.2小。
具體而言，本發明實施形態之繞射光學系統中於上述構成，d線(λ=587.6nm)中的第一繞射光學構件與第二繞射光學構件之繞射率差△Nd ，滿足以下之條件式(1)。
0.005<△Nd <0.45 (1)
條件式(1)係將構成複層型繞射光學元件之兩個繞射光學構件之繞射率差△Nd 制定適當的範圍。超過條件式(1)之上限值時，繞射率△Nd 變大，而會產生繞射光學面之光柵之製造誤差相關之感度太大之不良情況。在不足條件式(1)之下限值時，繞射光學面所要求之光柵高度會變太大，而製造上造成不利。再者，由光柵之壁面(形成段差之面部份：第一圖中以符號13表示)產生陰影，導致火焰光之繞射效率下降之同時，因入射光柵壁面之光的散亂及分散產生大的迷光而容易損傷畫質。此外，要充分發揮本發明實施形態之效果，係最好將條件式(1)之上限值設定為0.2。又，最好將條件式(1)之下限值設定為0.01。
此外，本發明實施形態之繞射光學系統中，構成複層型繞射光學元件之兩個繞射光學構件之中，一方(光之入射側或射出側)之繞射光學構件由相對的高折射率低分散之光學材料形成，另一方(光之射出側或入射側)之繞射光學構件由相對的低折射率高分散之光學材料形成，最好滿足以下之條件式(2)。條件式(2)中，△NC 為C線(λ=656.3nm)中的兩個繞射光學構件之繞射率差，△NF 為F線(λ=486.1nm)中的兩個繞射光學構件之繞射率差。
△NF -△NC <0 (2)
條件式(2)係以折射率與分散之關係制定條件式(1) 之條件者，且制定構成複層型之繞射光學元件之兩個繞射光學構件之折射率與分散之適當的分配。藉由滿足條件式(2)，遍及較廣波長範圍能確保充分高的繞射效率。亦即，未滿足條件式(2)時，無法獲得所需波長範圍之所須的繞射效率。
又，本發明實施形態之繞射光學系統中，最好滿足以下之條件式(3)。條件式(3)中，Ed 為主波長d線中的複層型繞射光學元件之繞射效率，Eg 為較主波長短之短波長g線(λ=435.8nm)中的複層型繞射光學元件之繞射效率。
(Eg +EC )/(2×Ed )>0.8 (3)
條件式(3)係將相對廣頻域化之使用光之繞射效率的平衡制定適當的範圍。超過條件式(3)之下限值時，相對主波長之d線，於相對的短波長之g線及長波長之C線之中至少一方之波長，繞射效率會太過下降，而折射光斑變大，會損傷畫質造成不佳。亦即，火焰光以外之波長的光及畫角的光等成為不必要的繞射光而光斑的產生變大，而無法獲得良好的畫質。此外，要充分發揮本發明實施形態之效果，係最好將條件式(3)之下限值設定為0.9。又，最好將條件式(3)之上限值設定為0.99。
又，本發明實施形態之繞射光學系統中，繞射光學元件具有密著複層型之形態，最好滿足以下之條件式(4)。條件式(4)中，△Nd 係上述d線中的第一繞射光學構件與第二繞射光學構件之折射率差，△(NF -Nc)係第一繞射光學構件與第二繞射光學構件之主分散(NF -NC )之差。
-15<△Nd /△(NF -NC )<-2 (4)
條件式(4)係對形成密著複層型之繞射光學元件之高折射率低分散之光學材料與低折射率高分散之光學材料之主分散(平均分散)之差制定適當的範圍。超過條件式(4)之上限值時，相對遍及廣頻域之波長將無法獲得所需之高的繞射效率。其結果，火焰光以外之波長的光及畫角的光等成為不必要的繞射光而光斑的產生變大，無法獲得良好的畫質而不佳。不足條件式(4)之下限值時，同樣的相對遍及廣頻域之波長將無法獲得所需之高的繞射效率而不佳。此外，要充分發揮本發明實施形態之效果，係最好將條件式(4)之上限值設定為-3。又，最好將條件式(4)之下限值設定為-12。
又，本發明實施形態之繞射光學系統中，最好配置主光線之最大入射角度具有10度以下之繞射光學面之複層型繞射光學元件，以使相接於第一正透鏡之光學面、第二正透鏡之光學面及負透鏡之光學面之中任何一個光學面。光傾斜入射繞射光學元件之壁面時，光會在繞射光學元件之壁面反射，而有造成陰影之部分之虞，此外亦成為產生光斑之原因。相對於此，以光盡可能平行地入射繞射光學元件之壁面時，會以繞射光學元件抑制光反射，為較佳。尤其，由於具備第一正透鏡、第二正透鏡及負透鏡之至少三張透鏡，因此最好以上述方式設想繞射光學元件之配置。
再者，最好滿足以下之條件式(5)。條件式(5)中，ψ為繞射光學面之有效徑(直徑)，f為繞射光學系統之焦點距離。
0.1<ψ/f<3.0 (5)
條件式(5)係對繞射光學面之有效徑(直徑)ψ制定適 當的範圍。超過條件式(5)之上限值時，繞射光學面之有效徑ψ會太大，繞射光學面之製作變得困難，進而導致複層型繞射光學元件之成本提高。此外，從外部來的有害光容易入射繞射光學面，且容易因光斑等導致畫質下降而不佳。不足條件式(5)之下限值時，又，繞射光學面之有效徑ψ太小，繞射光學面之光柵間距有變小之傾向，複層型繞射光學元件之製作變得困難，不僅導致成本提高，且因繞射光學面之光柵而產生的光斑變大容易導致畫質下降而造成不佳。此外，要充分發揮本發明實施形態之效果，係最好將條件式(5)之上限值設定為1.5。又，最好將條件式(5)之下限值設定為0.3。
又，本發明實施形態之繞射光學系統中，繞射光學元件具有密著複層型之形態，最好滿足以下之條件式(6)。條件式(6)中，h為第一繞射光學面及第二繞射光學面之光柵高度，D為沿第一繞射光學構件之光軸之厚度及沿第二繞射光學構件之光軸之厚度之中較小一方之厚度。
0.05<h/D<2.0 (6)
條件式(6)係為達成比較薄的密著複層型之繞射光學元件，而制定必要的條件。超過條件式(6)之上限值時，繞射光學面之光柵相對的變太高，形成光柵形狀變得困難。又，光柵之段差部分變大，藉由入射壁面之光的散亂等容易產生迷光而不佳。不足條件式(6)之下限值時，繞射光學構件相對的變太厚，同樣不易形成光柵形狀。此外，由於光學材料使光的內部吸收增加，複層型繞射光學元件之透過率，進而光學系統之透過率下降，容易產生染色，畫質惡化而不佳。此外，要充分發揮本 發明實施形態之效果，係最好將條件式(6)之上限值設定為0.7。又，最好將條件式(6)之下限值設定為0.02。
又，本發明實施形態之繞射光學系統中，從例如觀察眼側或螢幕側依序具備第一正透鏡、及具有第二正透鏡與負透鏡之第二透鏡成分，最好配置複層型之繞射光學元件，以使相接於觀察眼側(或螢幕側)之第一正透鏡之光學面及第二正透鏡之光學面之中任何一個光學面。藉由該構成，能有效進行除色，並且達成小尺寸之光學系統。
又，本發明實施形態之繞射光學系統中，第一繞射光學構件及第二繞射光學構件中的繞射光學面之光柵之壁面，最好相對光軸傾斜形成為對應相對入射光線之光軸之傾斜。藉由該構成，能使斜入射複層型繞射光學元件之光線在壁面之散亂及反射防患於未然而能抑制光斑的產生，進而能獲得光斑較少之良好的影像。
然而，雖不依存光路徑中之繞射光學面之位置，進而複層型之繞射光學元件之位置而能獲得除色之效果，但藉由將第二透鏡成份做為貼合透鏡，將密著複層型之繞射光學元件編入該貼合透鏡之接合面，能使繞射光學元件之耐久性提高而較佳。再者，使用具黏接性之樹脂作為形成繞射光學構件之光學材料時，能使該樹脂作用為黏接劑而較佳。又，貼合透鏡中，亦可配置曲率較強的凹面，以使相接於繞射光學元件之物體側(觀察物體側、顯示元件側等)。藉由該構成，因應光線之通過條件而能使至繞射面之入射角設定較小。
再者，本發明實施形態之繞射光學系統中，為達成更優良之光學性能及規格，例如貼合透鏡之接合面最好 將凸面朝向第一正透鏡側(觀察眼側、螢幕側等)，將複層型之繞射光學元件編入貼合透鏡之接合面。而且，最好滿足以下之條件式(7)~(10)。條件式(7)中，PS為繞射光學系統之珀茲伐和，f為如上述所示之繞射光學系統之焦點距離。
條件式(8)係與擴大觀察例如形成於小型顯示器所形成之影像、透過物鏡而形成之影像等之觀察光學系統相關連，H為瞳徑(直徑)，R為容眼距(從視點到最接近觀察眼側之光學面之距離)，f為如上述所示之繞射光學系統之焦點距離。條件式(9)及(10)中，△W為光譜線d、g、C、F之軸上色像差之最大擴展幅，f為如上述所示之繞射光學系統之焦點距離。再者，條件式(10)中，Ed 、Eg 及EC 係如上述所示，分別為d線、g線及C線中的複層型繞射光學元件之繞射效率。
0.0002<PS/f<0.01 (7)
0.15<H×R/f2 <5.0 (8)
0.001<△W/f<0.05 (9)
(Eg +Ed +EC )×f/△W>200 (10)
條件式(7)係對以焦點距離f將用以確保良好的像面平坦性之光學系統整體之珀茲伐和PS規格化之值制定適當的範圍。超過條件式(7)之上限值時，像面彎曲會於負側變太大，無法獲得良好的畫質而不佳。不足條件式(7)之下限值時，像面彎曲會於正側變太大，無法獲得良好的畫質而不佳。此外，要充分發揮本發明實施形態之效果，係最好將條件式(7)之上限值設定為0.005。又，最好將條件式(7)之下限值設定為0.0005。
條件式(8)係制定將本發明實施形態之繞射光學系 統適用於觀察光學系統時之瞳徑H、容眼距R及焦點距離f之間之適當的關係。除構成觀察光學系統外，確保適當的長度之容眼距亦為重要。超過條件式(8)之上限值時，容眼距R會太長，易導致光學系統之大型化而不佳。不足條件式(8)之下限值時，容眼距R會太短，在眼鏡穿戴狀態下之觀察變得困難。又，因瞳徑亦縮小，容易遮斷有效光束，實際於使用時觀察變不易而不佳。瞳的形狀不一定須為圓形狀，依照用途及設計規格，為矩形或橢圓形亦可。該等形狀之瞳係藉由調整透鏡形狀及光圈形狀來達成。此外，要充分發揮本發明實施形態之效果，係最好將條件式(8)之上限值設定為2.0。又，最好將條件式(8)之下限值設定為0.08。
條件式(9)係制定軸上色像差之適當的補正範圍。超過條件式(9)之上限值時，色像差變太大，成為受染色之畫像畫質受大損傷而不佳。在不足條件式(9)之下限值時，必須使用異常分散性玻璃等之特殊的光學材料。此外，要充分發揮本發明實施形態之效果，係最好將條件式(9)之上限值設定為0.02。又，最好將條件式(9)之下限值設定為0.002。
條件式(10)係對使用光之波長遍及廣頻域之光學系統所要求之所需的繞射效率及色像差補正制定之條件式。條件式(10)係表示其數值越大，繞射效率相對遍及廣頻域之波長越高，軸上色像差較小。不足條件式(10)之下限值時，要達成所需之繞射效率及色像差補正變得困難而不佳。此外，要充分發揮本發明實施形態之效果，係最好將條件式(10)之下限值設定為400。
尤其，實施形態之繞射光學系統中，條件式(9)及(10) 係於具備第一正透鏡、第二正透鏡及負透鏡之光學系統，因具有複層型之繞射光學元件而有很大的幫助。
實際上構成本發明實施形態之繞射光學系統之際，最好滿足以下所述之要件。本發明實施型態的複層型之繞射光學元件中，為有效保持成形性，確保優良之量產性，形成繞射光學構件之光學材料之黏度(未硬化物黏度)最好為5mPa‧s以上50000mPa‧s以下。使用黏度5mPa‧s以下之樹脂作為光學材料時，於成型中樹脂容易流動，而有作業性降低之情況。此外，使用50000mPa‧s以上之樹脂時，造成樹脂流動不易而作業性變差，且氣泡容易混入。
再者，構成複層型之繞射光學元件之繞射光學構件皆以UV硬化型樹脂形成，但由生產上之理由，從提高生產效率之觀點較佳。此時，能削減複層型之繞射光學元件之製造所花費的製程時間，亦使成本下降而較佳。又，為複層型之繞射光學元件之小型輕量化，進而為繞射光學系統之小型輕量化，形成一對繞射光學構件之樹脂材料的比重最好皆為2.0以下。樹脂係比重比玻璃小，因此使用樹脂來形成複層型之繞射光學元件係對光學系統之輕量化非常有效。此外，進一步謀求光學系統之小型輕量化係使用比重為1.6以下之樹脂來形成複層型之繞射光學元件較佳。
再者，於第一繞射光學構件及第二繞射光學構件之空氣之界面(與繞射光學面相反側之光學面)具有正折射力之折射面。該正折射力之折射面最好形成為非球面形狀。將色素混入形成第一繞射光學構件及第二繞射光學構件之中至少一方之樹脂，亦可使之具有色濾光器之效 果。例如，為了CCD之迷光對策，構成紅外線截止濾鏡等，亦能構成小型之攝影光學系統。
此外，可在光學系統之光路徑中的適當位置隨意設置光圈，但以遮斷(截止)不必要的光線僅使有助於結像之有效光線通過之方式構成光圈較佳。例如，使透鏡框本身作用為開口光圈亦可，或藉由定位在離開透鏡之位置之機械構件構成光圈亦可。光圈之開口部之形狀並不限定於圓形狀，例如為橢圓狀或矩形狀亦可。
將本發明實施形態之繞射光學系統適用於觀察光學系統時，最好使用於其放大鏡倍率B為二倍以上且二十倍以下之觀察光學系統。此外，由編入本發明實施形態之繞射光學系統而獲得之複數的構成要素構成之光學系統，亦未脫離本發明之範圍。再者，有關編入折射率分布型透鏡、結晶材料透鏡等而獲得之繞射光學系統亦相同。以下說明作為本實施形態之具體的數值例之實施例。本實施形態之各實施例中，相對接目光學系統適用本發明實施形態之繞射光學系統。
[第一實施例]
第二圖係概略顯示第一實施例之接目光學系統之構成的圖。參照第二圖，第一實施例之接目光學系統係於透過例如物鏡系統而形成之中間像之觀察物體OB與視點EP之間之光路徑中，從視點側(觀察眼側)依序具備：使非球面形狀之凸面朝向視點側且使非球面形狀之凸面朝向觀察物體側之第一正透鏡(亦稱兩凸透鏡)L1；由使非球面形狀之凸面朝向視點側之第二正透鏡(亦稱正彎月透鏡)L21與使凸面朝向視點側之負透鏡(亦稱負彎月透鏡)L22構成之第二透鏡成分(亦稱貼合透 鏡)S2；及作為玻璃蓋之平行平面板P3。將密著複層型之繞射光學元件PF編入第二透鏡成分(亦稱貼合透鏡)S2之接合面。此外，該接目光學系統之全畫角為39.8度。
於包含第一實施例之各實施例中，非球面係將與光軸垂直的方向之高度設為y、將沿從非球面之頂點中的接平面到高度y中的非球面上之位置之光軸之距離(弛垂量)設為z、將頂點曲率半徑設為r、將圓錐係數設為κ、將n次之非球面係數設為Cn 時，用以下之數式(a)表示。後述之表(1)~(3)中，形成為非球面形狀之透鏡面係於面號碼之右側附上*印。
z=(y2 /r)/[1+{1-κ‧y2 /r2 }1/2 ]+C2 ‧y2 +C4 ‧y4 +C6 ‧y6 +C8 ‧y8 +C10 ‧y10 (a)
於以下之表(1)揭示第一實施例之接目光學系統之基本規格之值。表(1)之主要基本規格中，f表示接目光學系統之焦點距離、R表示容眼距。又，表(1)之光學構件基本規格中，第一列之面號碼係表示從視點側之面之順序、第二列之r係表示各面之曲率半徑(非球面時係頂點曲率半徑)、第三列之d係各面之軸上間隔，即面間隔、第四列之n(d)係相對d線(λ=587.6nm)之折射率、第五列之n(g)係相對g線(λ=435.8nm)之折射率、第六列之n(C)係相對C線(λ=656.3nm)之折射率、第七列之n(F)係相對F線(λ=486.1nm)之折射率。曲率半徑r係朝向視點側以凸面之曲率半徑為正、朝向視點側以凹面之曲率半徑為負。
又，表(1)之光學構件基本規格中，密著複層型之繞射光學元件PF係依據超高折射率(UH1法)表現。超 高折射率法中，將密著複層型之繞射光學元件PF之繞射光學面視為「薄的透鏡」，藉由非常高的折射率之媒質與非球面式表現繞射光學面之光學特性。
具體而言，第一實施例之情況，表(1)之光學構件基本規格中的第4面對應繞射光學元件PF之入射面(配置在光的入射側之第一繞射光學構件之入射面)，第七面對應負透鏡(亦稱負彎月透鏡)L22之入射面。而且，第五面之折射率數據及第六面之非球面數據表現密著複層型之繞射光學元件PF之繞射光學面之光學特性。又，表(1)之光學構件基本規格中的A、B、C、D係分別表示相對於對應第五面之d線、g線、C線、F線之折射率。此外，表(1)中的標示於以下表(2)及表(3)中亦相同。
C=0.111704255×105 ,D=0.827473110×104
(非球面數據)
1面：κ=1.0000 C2 =0
C4 =-8.14380×10-5 C6 =-1.50000×10-7
C8 =1.39980×10-8 C10 =-1.58070×10-10
2面：κ=1.0000 C2 =0
C4 =7.14350×10-5 C6 =-8.94640×10-7
C8 =1.66610×10-8 C10 =-1.30130×10-10
3面：κ=1.0000 C2 =0
C4 =1.16680×10-4 C6 =-1.60920×10-6
C8 =2.44700×10-8 C10 =-1.22680×10-10
6面：κ=1.0000 C2 =0
C4 =6.90020×10-9 C6 =-2.91240×10-10
C8 =5.58910×10-12 C10 =-3.90380×10-14
(條件式對應值)
△Nd =0.038
△NF =0.0358
△NC =0.0392
Eg =0.944
EC =0.965
Ed =0.997
△(NF -NC )=-0.0034
ψ=15.3
f=17.898
h=0.015
D=0.2
PS=0.02463
H=3.0
R=15.000
△W=0.05227
(1)△Nd =0.038
(2)△NF -△NC =-0.0034
(3)(Eg +EC )/(2×Ed )=0.957
(4)△Nd /△(NF -NC )=-11.176
(5)ψ/f=0.8548
(6)h/D=0.075
(7)PS/f=0.00138
(8)H×R/f2 =0.141
(9)△W/f=0.00292
(10)(Eg +Ed +EC )×f/△W=995.056
第三圖係表示第一實施例之接目光學系統中的球面像差、非點像差、歪曲像差及彗形像差的圖。此外，像差狀況係顯示從視點側進行光線追蹤之結果。於各像差圖，分別為F N0表示F號、Y表示觀察物體OB中的物體高度(中間像之像高)、d係d線(λ=587.6nm)、g係g線(λ=435.8nm)、F係F線(λ=486.1nm)、C係C線(λ=656.3nm)。又，於表示非點像差之像差圖，實線係顯示弧矢像面，虛線係顯示子午像面。第三圖中的標示在以下之第五圖及第七圖亦相同。由第三圖之各像差圖明顯所示，可知第一實施 例之之接目光學系統中，雖為小型輕量，但遍及g線到C線之廣的波長範圍，將包含色像差之諸像差有效補正，且確保優良之光學性能。
[第二實施例]
第四圖係概略顯示第二實施例之接目光學系統之構成的圖。參照第四圖，第二實施例之接目光學系統係從視點側(觀察眼側)依序具備：使非球面形狀之凹面朝向視點側且使非球面形狀之凸面朝向觀察物體側之第一正透鏡(亦稱正彎月透鏡)L1；由使非球面形狀之凸面朝向視點側之第二正透鏡(亦稱正彎月透鏡)L21與使凸面朝向視點側之負透鏡(亦稱負彎月透鏡)L22構成之第二透鏡成分(亦稱貼合透鏡)S2；及作為玻璃蓋之平行平面板P3。將密著複層型之繞射光學元件PF編入第二透鏡成分(亦稱貼合透鏡)S2之接合面。此外，該接目光學系統之全畫角為38.2度。
於以下之表(2)揭示第二實施例之接目光學系統之基本規格之值。第二實施例中，亦與第一實施例之情況相同，表(2)之光學構件基本規格中的第四面對應繞射光學元件PF之入射面(配置在光的入射側之第一繞射光學構件之入射面)，第七面對應負透鏡(亦稱負彎月透鏡)L22之入射面。而且，第五面之折射率數據及第六面之非球面數據表現密著複層型繞射光學元件PF之繞射光學面之光學特性。
(非球面數據)
1面：κ=1.0000 C2 =0
C4 =-8.20000×10-5 C6 =-4.16140×10-7
C8 =2.16270×10-8 C10 =-4.19800×10-10
2面：κ=1.0000 C2 =0
C4 =7.85750×10-5 C6 =-7.81210×10-7
C8 =1.31650×10-8 C10 =-9.45250×10-11
3面：κ=1.0000 C2 =0
C4 =4.69960×10-5 C6 =-6.19500×10-7
C8 =3.26620×10-9 C10 =-2.05310×10-11
6面：κ=1.0000 C2 =0
C4 =1.75670×10-9 C6 =-2.40560×10-11
C8 =3.44950×10-13 C10 =-2.22770×10-15
(條件式對應值)
△Nd =0.038
△NF =0.0358
△NC =0.0392
Eg =0.944
EC =0.965
Ed =0.997
△(NF -NC )=-0.0034
ψ=17.84
f=18.583
h=0.015
D=0.2
PS=0.01063
H=3.0
R=18.9
△W=0.09592
(1)△Nd =0.038
(2)△NF -△NC =-0.0034
(3)(Eg +EC )/(2×Ed )=0.957
(4)△Nd /△(NF -NC )=-11.176
(5)ψ/f=0.96002
(6)h/D=0.075
(7)PS/f=0.00057
(8)H×R/f2 =0.164
(9)△W/f=0.00516
(10)(Eg +Ed +EC )×f/△W=562.992
第五圖係顯示第二實施例之接目光學系統中的球面像差、非點像差、歪曲像差及彗形像差的圖。由第五圖之各像差圖明顯所示，可知第二實施例之之接目光學系統中，與第一實施例同樣的，雖為小型輕量，但遍及g線到C線之較廣波長範圍，將包含色像差之各像差有效補正，且確保優良之光學性能。第二實施例中，像面之平坦性變得比第一實施例好。
[第三實施例]
第六圖係概略顯示第三實施例之接目光學系統之構成的圖。參照第六圖，第三實施例之接目光學系統係從視點側(觀察眼側)依序具備：使非球面形狀之凸面朝向視點側之第一正透鏡(亦稱兩凸透鏡)L1；由使凹面朝向第二正透鏡(亦稱兩凸透鏡)L21與視點側之負透鏡(亦稱負彎月透鏡)L22構成之第二透鏡成分(亦稱貼合透鏡)S2；及作為玻璃蓋之平行平面板P3。編入密著複層型之繞射光學元件PF以使第一正透鏡(亦稱兩凸透鏡)L1之觀察物體側之面相接。又，繞射光學元件PF之射出面(配置在光的射出側之第二繞射光學構件之射出面)，係將非球面形狀之凸面朝向觀察物體側。此外，該接目光學系統之全畫角係42.2度。
於以下之表(3)揭示第三實施例之接目光學系統之基本規格之值。第三實施例中，表(3)之光學構件基本規格中的第二面對應繞射光學元件PF之入射面(配置在光的入射側之第一繞射光學構件之入射面)，第六面對 應第二正透鏡(亦稱兩凸透鏡)L21之入射面。而且，第三面之折射率數據及第四面之非球面數據表現密著複層型之繞射光學元件PF之繞射光學面之光學特性。
(非球面數據)
1面：κ=-3.0000 C2 =0
C4 =4.75000×10-5 C6 =-1.24690×10-6
C8 =1.36500×10-8 C10 =-6.23160×10-11
4面：κ=1.0000 C2 =1.60000×10-7
C4 =-1.00000×10-9 C6 =4.37060×10-11
C8 =-5.33850×10-13 C10 =2.28480×10-15
5面：κ=-9.3788 C2 =0
C4 =-7.74480×10-6 C6 =-5.16060×10-7
C8 =5.51070×10-9 C10 =-2.62390×10-11
(條件式對應值)
△Nd =0.038
△NF =0.0358
△NC =0.0392
Eg =0.944
EC =0.965
Ed =0.997
△(NF -NC )=-0.0034
ψ=13.6
f=16.999
h=0.015
D=0.2
PS=0.03919
H=3.0
R=12.0
△W=0.04277
(1)△Nd =0.038
(2)△NF -△NC =-0.0034
(3)(Eg +EC )/(2×Ed )=0.957
(4)△Nd /△(NF -NC )=-11.176
(5)ψ/f=0.8000
(6)h/D=0.075
(7)PS/f=0.00231
(8)H×R/f2 =0.125
(9)△W/f=0.00252
(10)(Eg +Ed +EC )×f/△W=1154.994
第七圖係顯示第三實施例之接目光學系統中的球面像差、非點像差、歪曲像差及彗形像差的圖。由第七圖之各像差圖明顯所示，可知第三實施例之之接目光學系統中，亦與第一實施例及第二實施例同樣的，雖為小型輕量，但遍及g線到C線之較廣波長範圍，將包含色像差之諸像差有效補正，且確保優良之光學性能。第三實施例中，透鏡群L1~L22之部份比第一實施例及第二實施例更薄型化。
如以上所示，上述各實施例中，由於將滿足所需條件之密著複層型之繞射光學元件PF編入接目光學系統，因此藉由該複層型之繞射光學元件PF之作用，遍及g線到C線之廣的波長範圍，有效補正色像差，且確保充分高的繞射效率。亦即，各實施例中，達成小型輕量、小尺寸且高性能之接目光學系統。各實施例中，藉由以例如UV硬化型樹脂形成繞射光學元件PF，且以模具進行樹脂成形，加工製造變容易且能使得成本下降。
此外，上述各實施例中，雖將密著複層型之繞射光學元件PF編入接目光學系統，但並不限定於此，藉 由編入分離複層型之繞射光學元件亦可獲得同樣的效果。又，上述各實施例中，相對接目光學系統適用本發明之實施形態，但並不限定於此，相對具備接目光學系統以外之觀察光學系統、將配置在各實施例觀察物體之位置的顯示元件之影像投射於螢幕之投射光學系統、及與正透鏡貼合之透鏡之一般的繞射光學系統，能適用本發明之實施形態。或者，各實施例之繞射光學系統係於形成液晶顯示元件之映像的像來觀察之光學系統亦可使用。
又，上述各實施例中，基本規格中之焦點距離、容眼距、曲率半徑、中心厚度(軸上間隔)等之長度之單位，一般係使用「mm」之單位。然而，將光學系統比例擴大或比例縮小亦可獲得同等之光學性能，因此長度之單位並不限定於「mm」。
11‧‧‧第一繞射光學構件
12‧‧‧第二繞射光學構件
11a,12a‧‧‧繞射光學面
13‧‧‧光柵之壁面
h1,h2‧‧‧光柵高度(凹槽高度)
Li,Lii‧‧‧透鏡
Si‧‧‧貼合透鏡
EP‧‧‧視點
PF‧‧‧密著複層型之繞射光學元件
OB‧‧‧物體
L21‧‧‧第二正透鏡
L22‧‧‧負透鏡
L1‧‧‧第一正透鏡
S1‧‧‧第一透鏡成分
S2‧‧‧第二透鏡成分
P3‧‧‧平面板
第一圖係用以說明複層型折射光學元件之基本的構成及作用的圖。
第二圖係概略顯示第一實施例之接目光學系統之構成的圖。
第三圖係顯示第一實施例之接目光學系統中的球面像差、非點像差、歪曲像差及彗形像差的圖。
第四圖係概略顯示第二實施例之接目光學系統之構成的圖。
第五圖係顯示第二實施例之接目光學系統中的球面像差、非點像差、歪曲像差及彗形像差的圖。
第六圖係概略顯示第三實施例之接目光學系統之構成的圖。
第七圖係顯示第三實施例之接目光學系統中的球面像差、非點像差、歪曲像差及彗形像差的圖。
EP‧‧‧視點
L1‧‧‧第一正透鏡
L21‧‧‧第二正透鏡
L22‧‧‧負透鏡
P3‧‧‧平面板
PF‧‧‧繞射光學元件
S2‧‧‧第二透鏡成分
OB‧‧‧物體

Claims (10)

  1. 一種繞射光學系統，係於包含繞射光學元件之繞射光學系統中，其特徵為：具備具有第一正透鏡之第一透鏡成分、及具有第二正透鏡與負透鏡之第二透鏡成分；該繞射光學元件係具有：具有第一繞射光學面之第一繞射光學構件；及具有第二繞射光學面之第二繞射光學構件；該第一繞射光學構件與該第二繞射光學構件，係該第一繞射光學面與該第二繞射光學面配置成相互相對向；及d線中的該第一繞射光學構件之折射率與該第二繞射光學構件之折射率互異；其中，該第一繞射光學面與該第二繞射光學面配置成互相相接；將d線中的該第一繞射光學構件與該第二繞射光學構件之折射率差設為△Nd 、將該第一繞射光學構件與該第二繞射光學構件之主分散(NF -NC )之差設為△(NF -NC )時，滿足-15<△Nd /△(NF -NC )<-2 之條件；其中配置有主光線之最大入射角度具有10度以下之繞射光學面之該繞射光學元件，以使相接於該第一正透鏡之光學面、該第二正透鏡之光學面及該負透鏡之光學面之中任何一個光學面。
  2. 如申請專利範圍第1項之繞射光學系統，其中，該第一繞射光學構件及第二繞射光學構件之中，一方之繞 射光學構件係由相對的高折射率低分散之光學材料形成，另一方之繞射光學構件係由相對的低折射率高分散之光學材料形成；將C線中的該第一繞射光學構件與該第二繞射光學構件之折射率差設為△NC 、將F線中的該第一繞射光學構件與該第二繞射光學構件之折射率差設為△NF 時，滿足△NF -△NC <0之條件。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之繞射光學系統，其中，將d線中的該繞射光學元件之繞射效率設為Ed 、將g線中的該繞射光學元件之繞射效率設為Eg 、將C線中的該繞射光學元件之繞射效率設為EC 時，滿足(Eg +EC )/(2×Ed )>0.8之條件。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之繞射光學系統，其中，將該繞射光學面之有效徑(直徑)設為ψ、將該繞射光學系統之焦點距離設為f時，滿足0.1<ψ/f<3.0之條件。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項之繞射光學系統，其中，該第一繞射光學面與該第二繞射光學面配置成互相相接；將該第一繞射光學面及該第二繞射光學面之光柵高度設為h，將沿該第一繞射光學構件之光軸之厚度及沿該第二繞射光學構件之光軸之厚度之中較小一方之厚度設為D時，滿足 0.05<h/D<2.0之條件。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項之繞射光學系統，其中，該繞射光學元件係配置成相接於該第一正透鏡之光學面及該第二正透鏡之光學面之中任何一個光學面。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項之繞射光學系統，其中，該第一繞射光學面及該第二繞射光學面之光柵之壁面係相對光軸傾斜形成為對應相對入射光線之方向之傾斜。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項之繞射光學系統，其中，該第二透鏡成分係貼合透鏡；該貼合透鏡之接合面係將凸面朝向該第一正透鏡側；該繞射光學元件係編入該貼合透鏡之接合面；將該繞射光學系統之珀茲伐和設為PS、將該繞射光學系統之焦點距離設為f時，滿足0.0002<PS/f<0.01之條件。
  9. 如申請專利範圍第1項或第2項之繞射光學系統，其中，d線中的該第一繞射光學透件與該第二繞射光學構件之折射率差△Nd 係滿足0.005<△Nd <0.45之條件。
  10. 一種接目光學系統，係為用以觀察物體之像的接目光學系統，具有申請專利範圍第1項至第9項中任一項之繞射光學系統。
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