TWI687714B

TWI687714B - 準直透鏡

Info

Publication number: TWI687714B
Application number: TW104110194A
Authority: TW
Inventors: 寺嶋保貴; 山下照夫
Original assignee: 日商Ｈｏｙａ股份有限公司
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2020-03-11
Also published as: JP6647195B2; CN106104351A; WO2015152161A1; JPWO2015152161A1; TW201600880A

Abstract

本發明提供一種高NA化、且透鏡透過率得以提高的準直透鏡。基於本發明，提供一種準直透鏡，其係由玻璃材料構成的準直透鏡1，該準直透鏡將由光源S射出的波長係380nm~700nm的光線轉換為平行光束，其中，於與面向光源之面相反之一側具有設置了凸部的面，數值孔徑NA係0.6以上，中心透鏡厚度t相對於焦距f之比例t/f係1.3以下，設置有凸部之面之最大面角度係65°以下，折射率nd係1.59以上，玻璃材料之TiO₂、WO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃之總含量係0~40wt%。

Description

準直透鏡

本發明有關準直透鏡，詳細而言，有關用於將來自光源之光線轉換為平行光的準直透鏡。

已知有一種準直透鏡，其係將來自雷射光源等光源之發散光束轉換為平行光的透鏡。

作為此種準直透鏡，已知有例如安裝於使用了雷射光源之投射型圖像顯示裝置之光學系統的準直透鏡(專利文獻1、2)。

對於專利文獻1之準直透鏡而言，由於抑制了伴隨溫度上昇的動作距離(工作距離)的變化，故色差特性得到改善。且，該透鏡之特徵在於，以來自於雷射光源之波長係375nm以上750nm以下的光作為對象，數值孔徑係0.2以上0.75以下，(1)將透鏡之厚度設為D、透鏡之焦距設為f時，D/f>0.85成立，且(2)將阿貝數設為ν d時，ν d>57成立。

又，對於專利文獻2之準直透鏡而言，為了防止準直後的平行光之像面光點(spot)之增大，使透鏡之光源側之面(第1面)以及射出側之面(第2面)為凸狀，於上述第1面及第2面之至少一個面設置繞射結構。

專利文獻1：國際公開WO2010/116862

專利文獻2：日本特開2011-145387號公報

例如在用於投影型圖像顯示裝置的情況下，準直透鏡以將由雷射光源等光源射出的發散光束轉換為平行光束作為主要功能。近年來，伴隨著投影圖像之大型化及高清晰化等要求，對於圖像顯示裝置要求亮度提高。伴隨於此，針對使用於圖像顯示裝置之光學系統中的準直透鏡，要求高NA化、以及透鏡透過率提高。

本發明針對上述課題完成，其目的在於，提供一種高NA化、且透鏡透過率得以提高的準直透鏡。

基於本發明，提供一種準直透鏡，其係由玻璃材料構成的準直透鏡，該準直透鏡將由光源射出的波長係380nm~700nm之光線轉換為平行光束，其中，於與面向上述光源之面相反之一側具有設置了凸部之面，數值孔徑NA係0.6以上，中心透鏡厚度t相對於焦距f之比例t/f係1.3以下，上述設置有凸部之面之最大面角度係65°以下，上述玻璃材料之折射率nd係1.59以上，上述玻璃材料之TiO₂、WO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃之總含量係0~40wt%。

基於本發明，提供一種高NA化、且透鏡透過率得以提高的準直透鏡。

1‧‧‧準直透鏡

2‧‧‧光源側之面

4‧‧‧射出側之面

S‧‧‧光源

t‧‧‧中心透鏡厚度

f‧‧‧焦距

圖1係示出本發明之較佳實施例之準直透鏡之形狀的示意性側面圖。

圖2係示意性示出投影型圖像顯示裝置之光源部之構成的方塊圖，該投影型圖像顯示裝置安裝了圖1之準直透鏡。

圖3係示意性示出其它投影型圖像顯示裝置之光源部之構成的方塊圖，該其它投影型圖像顯示裝置安裝了圖1之準直透鏡。

圖4係示出本發明其它較佳實施例之準直透鏡之形狀的示意性側面圖。

圖5係示出本發明另一較佳實施例之準直透鏡之形狀的示意性側面圖。

圖6係示出本發明又一較佳實施例之準直透鏡之形狀的示意性側面圖。

圖7係用於說明本發明之準直透鏡中所使用的非球面之一例之構成的附圖。

圖8係示出本發明之NA係0.6以上的透鏡中的、透鏡之射出側之面之最大面角度與透鏡之透過率之關係的附圖。

以下，參照附圖對本發明較佳實施例進行說明。圖1係示出本發明之較佳實施例之準直透鏡1之形狀的示意性側面圖。本實施例之準直透鏡1係用於將由雷射裝置等的光源射出的波長係380nm至700nm之光線轉換為平行光的玻璃透鏡。具體而言，例如使用於液晶投影儀等投影型圖像顯示裝置的光學系統中。

如圖1所示，準直透鏡1係單透鏡，其具有於外緣設置了環狀之邊緣部之所謂的雙凸透鏡形狀。詳細而言，在使用時面向光源S之面(光源側之面)2、及與該光源側之面2相反一側之面(射出側之面)4的兩個面具備凸面形狀。於本實施例，光源側之面2及射出側之面4的兩個面係球面。進一步，準直透鏡1於外緣部具備凸緣狀之邊緣部6。此外，邊緣部6對於在安裝至投影型圖像顯示裝置等時固定至裝置內的透鏡固定部件有用，然而亦可不設置邊緣部6。

準直透鏡1之射出側之面2的最大面角度較佳係65°以下。該最大面角度進而更佳係55°以下、進一步更佳係50°以下。此外，面角度θ意味著，透鏡面上有效徑內的一處位置中的法線及透鏡中心軸Z所呈的角度。最大面角度係65°以下時，具有下述效果：壓製成型性及磨削或研磨加工性等透鏡加工性良好，進一步可使透鏡之形狀評價變得容易。

進一步，準直透鏡1之t/f(t：中心透鏡厚度、f：焦距)較佳係1.3以下。其原因在於，若t/f超過1.3，則無法確保實用上充分的工作距離(動作距離)(WorkingDistance；WD)、例如1mm以上的WD。該t/f更佳係1.20以下。除了確保充分的WD，自透鏡加工性之觀點出發，t/f較佳係0.3~1.3、進而更佳係0.3~0.85、進一步更佳係0.3~0.80。

進一步，對於t/f之上限及下限進行詳細敘述。自確保WD之觀點出發，t/f之上限以1.20以下、1.00以下、0.80以下、0.70以下的順序較佳。自透鏡加工性之觀點出發，t/f之下限以0.30以上、0.40以上、0.50以上的順序較佳。

此外，本說明書中，“工作距離(動作距離)(WorkingDistance；WD)”係指，例如如圖1所示，光源S、詳細係光源中的點狀之發光部位與準直透鏡1之光源側之面2之最接近光源之部位之間的距離。

又，準直透鏡1之數值孔徑NA係0.6以上。為了確保WD、使最大面角度係65°以下，NA之上限例如較佳係0.9以下。

進一步，可使NA之上限係0.85以下、0.80以下或0.75以下。可使NA之下限係超過0.6(0.6<)、0.65以上、0.70以上或0.71以上。

製造準直透鏡1之方法中，存在有基於精密壓製成型或磨削加工、研磨加工的方法等，上述方法中使用玻璃材料。

作為形成準直透鏡1之材料，例如可使用具有以下2種組成系之玻璃材料(玻璃I、玻璃II)。

玻璃I係含有B₂O₃、且含有選自La₂O₃、Gd₂O₃及Y₂O₃等稀土類氧化物之至少一種的玻璃材料。

玻璃II係含有P₂O₅、且含有選自Nb₂O₅、WO₃、TiO₂及Bi₂O₃之至少一種的玻璃材料。

對於形成準直透鏡1之玻璃材料而言，玻璃I或玻璃II中，TiO₂、WO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃之總含量較佳係0~40wt%。自提高壓製性等觀點出發，TiO₂、WO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃之總含量更佳係0~28wt%、進而更佳係0~16wt%。

又，作為形成準直透鏡1之玻璃材料，玻璃I中，自透鏡透過率之觀點出發，TiO₂+WO₃+Nb₂O₅+Bi₂O₃/((稀土類氧化物之總含量)+Ta₂O₅)

1.1較佳。該比例更佳係0.9以下、進而更佳係0.5以下。

形成準直透鏡1之材料之折射率nd係1.59以上。該折射率nd更佳係1.68以上、進而更佳係1.75以上、進一步更佳係1.80以上。其原因在於，使其係如此的折射率nd，可減小射出側之面的最大面角度。

對於形成準直透鏡1之玻璃材料之阿貝數而言，自維持折射率nd係1.59以上的高折射率化之觀點出發，其上限較佳係57以下。進一步，自高折射率化之觀點出發，阿貝數之上限更佳係50以下、或45以下。阿貝數之下限無特別限制，可舉出20以上。

進一步，自對於精密壓製成型之適性之觀點出發，形成準直透鏡1之玻璃材料之玻璃轉變溫度Tg

630℃較佳。

與此相關聯，形成準直透鏡1之玻璃材料中，因有助於降低Tg，ZnO含量較佳係3wt%以上、進而更佳係8wt%以上、進一步更佳係10wt%以上。

上述本實施例之準直透鏡1中，將WO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃之總含量抑制為40wt%以下，故透鏡透過率得以提高，且可提高來自於雷射光源之射出光之利用效率。

又，對於準直透鏡1而言，來自於雷射光源之射出光之利用效率得到提高，故投影型圖像顯示裝置中的投影圖像之亮度提高。

目前，雷射光源(雷射二極體(LaserDiode；LD))、尤其係綠色雷射之高輸出化係一個課題，然而高輸出化並不容易。然而，如果準直透鏡之透過率得以提高，則即使雷射輸出低，投影圖像之亮度亦會提高，可得到充分的投影圖像。進一步，亦能實現低消費電力化。

圖2係示意性示出投影型圖像顯示裝置(例如液晶投影儀)之光源部(照明光學系統)10之構成的方塊圖，該投影型圖像顯示裝置安裝了本實施例之準直透鏡1。

如圖2所示，光源部10具備分別產生紅色光、綠色光及藍色光之3個雷射裝置R、G、B，於雷射(LD)裝置R、G、B之下游側分別配置有準直透鏡1。準直透鏡1將由各雷射裝置R、G、B射出的發散光轉換為平行光。

該光源部10中，利用具備二向稜鏡(dichroic prism)等的多工光學系統12對由各準直透鏡1準直而成為平行光之紅色光、藍色光及綠色光進行多工，並傳送至投影光學系統。

圖3係示意性示出其它投影型圖像顯示裝置(例如液晶投影儀)之光源部(照明光學系統)14之構成的方塊圖，該投影型圖像顯示裝置安裝了本實施例之準直透鏡1。

如圖3所示，光源部14具備類似近紫外光雷射裝置的單色光源(LD)16，於單色光源16之下游側配置有準直透鏡1。準直透鏡1將由單色光源16射出的光線轉換為平行光。

該光源部14具備轉換部18，該轉換部18具備將近紫外光轉換為紅色光、藍色光及綠色光之3個部分。該轉換部18中，轉換為紅色光、藍色光及綠色光之3個部分依序配置於近紫外光之光路上，每隔一定時間將近紫外光轉換為紅色光、藍色光及綠色光。且，將該等紅色光、藍色光及綠色光依序送至投影光學系統。

例如，該實施例之準直透鏡1係具備所謂的雙凸形狀之準直透鏡，然而本發明並非限於此種雙凸形狀之準直透鏡。本發明之準直透鏡具有於與面向光源之面之相反一側設置了凸部的面，進一步可具備特定條件。

故，例如可具備如圖4至圖6所示外形。即，可係如圖4所示的平凸透鏡104，其中，不具備邊緣部，面向光源S之面係平面，與面向光源S之面2相反一側之面4係凸面。藉由使面向光源之面係平坦的面，於確保工作距離(WD)及透鏡加工性之方面有利。又，不會產生面向光源之面2與相反側之面4之間之偏心(離心(decenter))的問題。

又，可係如圖5所示的雙凸透鏡105，其中，不具備邊緣部，面向光源S之面係凸面，與面向光源S之面2相反一側之面4亦係凸面。進一步，可係如圖6所示的凸彎月形透鏡106，其中，不具備邊緣部，面向光源S之面2係凹面，與面向光源S之面相反一側之面4係凸面。

上述實施例之準直透鏡1中，面向光源之面2及相反側之面4的兩個面係球面，然而上述面之一個面或兩個面可係非球面。

較佳係，如圖7所示，尤其係使面向光源之面之相反側之凸面4A係下述非球面(實線)，其中，近軸曲率半徑之週邊之曲率半徑(R1或R2)大於球面(虛線)的近軸曲率半徑(R0)。其原因在於，透鏡週邊部處之面角度變小，有助於提高透鏡透過率。此時，如圖7所示，自透鏡中心軸Z向週邊(透鏡端部1a)曲率半徑增加較佳。此處，近軸曲率半徑係指透鏡之中心軸上的曲率半徑。

可使面向光源之面之相反一側之面的凸面係非球面、且使面向光源之面之凸面或凹面係非球面。由此，像差特性進一步得到改善。

例如可係使用了後述的實施例4之玻璃材、且具有以下規格(spec)之非球面透鏡。

(非球面數據)

實施例

表1中示出了針對圖4之透鏡形狀求出透鏡透過率之射出側之面4之最大面角度依存性時所使用的玻璃材之構成成分(組成)。

圖8係示出本發明之NA係0.6以上的透鏡中的、透鏡之射出側之面(圖1中的射出側之面4)之最大面角度與透鏡之透過率之關係(即透過率之射出側之面之最大面角度之依存性)的附圖。此外，t/f係1.3以下。在NA=0.60的情況下，使t/f係0.30、0.40、0.50、0.60、0.75、0.80、1.00、1.20、1.30；在NA=0.65的情況下，使t/f係0.30、0.40、0.50、0.60、0.75、0.80、1.00、1.20、1.30；在NA=0.71的情況下，使t/f係0.40、0.60、0.71、0.80、0.90、1.00、1.10、1.20、1.28、1.30。

具體而言，圖8針對下述表1所示的各玻璃材示出了波長係430nm(藍色)時的NA係0.6、0.65、0.71情況下的透鏡透過率。此外，雖然並未記載波長係530nm(綠色)、波長係650nm(紅色)之數據，然而一般而言，玻璃材料之內部透過率於短波長側之紫色的450nm附近以下時急劇下降。本說明書中，將該波長區域之波長(430nm)之透鏡透過率作為透鏡透過率之指標來研究透鏡的特性。

此外，圖8中，虛線所圍成的區域之標記為本申請發明之實施例。

對於圖8之縱軸之透鏡透過率而言，將最大值設為1而進行了規格化。如圖8所示，透鏡透過率在最大面角度係55°以下時良好；超過65°時，急劇惡化。波長530nm、波長650nm之數據亦顯示出了與圖8之波長430nm同樣的傾向。

此外，最大面角度超過65°之準直透鏡之透鏡透過率於中心部及週邊部有著很大的不同，故對於利用準直透鏡而轉換得到的平行光而言，於通過準直透鏡之中心部之光與通過中心部週邊之週邊部之光之間會產生亮度差。自抑制亮度差、同時提高透鏡透過率之觀點出發，最大面角度之上限以65°以下、60°以下、55°以下的順序較佳。自使NA係0.6以上的觀點出發，最大面角度之下限較佳係20°以上。

表1中示出了各玻璃材之最大面角度及透鏡透過率之指標。由圖8之結果可知，最大面角度係65°以下的情況以○表示、超過65°的情況以×表示。

[表1]

對於透鏡透過率而言，作為指標以◎○×表示。此處，◎係等級A(0.985以上)、○係等級B(0.970以上、且小於0.985)、×係等級C(小於0.970)。上述()內的值係對透鏡透過率進行了規格化之值。滿足最大面角度之必要條件及透鏡透過率此兩者之指標之玻璃材以實施例的形式示出、不滿足的玻璃材以比較例的形式示出。

由表1可知，實施例1~7所示的玻璃材中，使最大面角度為65°以下、nd=1.59以上、將TiO₂、WO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃之總含量抑制為40wt%以下，從而可得到良好的透鏡透過率特性。

由表1可知，比較例1之玻璃材不滿足最大面角度之必要條件。又，由表1可知，對於玻璃中的TiO₂、WO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃之總含量多的比較例2之玻璃材而言，透鏡透過率不充分。玻璃中的上述金屬離子之紫外線吸收大，會導致透鏡透過率惡化。

並不限於本發明之上述實施例，於權利要求書(申請專利範圍)所記載的技術思想的範圍內可進行各種變更、變形。

以下，一邊參照附圖一邊對本發明進行總結。如圖1所示，第1實施例之準直透鏡1係由玻璃材料構成的準直透鏡，其將由光源S射出的波長係380nm~700nm之光線轉換為平行光束。準直透鏡1於與面向光源S之面2相反之一側具有設置了凸部的面4。該準直透鏡1中，數值孔徑NA係0.6以上，t/f係1.3以下(t：中心透鏡厚度、f：焦距)。進一步，設置有凸部之面4之最大面角度θ係65°以下。又，形成準直透鏡1之玻璃材料之折射率nd係1.59以上，TiO₂、WO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃之總含量係0~40wt%。

準直透鏡1中，於與面向光源S之面之相反一側之面4上所設置的凸部可係非球面。

又，準直透鏡1中，面向光源S之面可係平坦面。

進一步，準直透鏡1中，例如如圖1所示，面向光源S之面設置有凸部。

於該面向光源之面上所設置的凸部可係非球面。

又，如圖6所示的實施例之準直透鏡106，本發明可係於面向光源S之面設置有凹部的構成。

本發明之準直透鏡中，光源S可係用於照明光學系統之光源。

又，本發明之準直透鏡中，該照明光學系統可係投影型圖像顯示裝置之照明光學系統。

如圖2及圖3所示，本發明之準直透鏡中，光源S可係雷射光源。

進一步，本發明可係使用上述總結的各準直透鏡之照明光學系統。

進一步，本發明可係具備此種照明光學系統之投影型圖像顯示裝置。

1‧‧‧準直透鏡

2‧‧‧光源側之面

4‧‧‧射出側之面

S‧‧‧光源

t‧‧‧中心透鏡厚度

Claims

一種準直透鏡，其係由玻璃材料構成的準直透鏡，該準直透鏡將由光源射出的波長係380nm~700nm之光線轉換為平行光束，其中，於與面向上述光源之面相反之一側具有設置了凸部的面，數值孔徑NA係0.6以上，中心透鏡厚度t相對於焦距f之比例t/f係1.3以下，上述設置有凸部之面之最大面角度係65°以下，上述玻璃材料之折射率nd係1.68以上，上述玻璃材料之TiO₂、WO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃之總含量係0~40wt%。
如申請專利範圍第1項之準直透鏡，其中，於與面向上述光源之面之相反一側之面上所設置的凸部係非球面。
如申請專利範圍第1或2項之準直透鏡，其中，上述面向光源之面係平坦面。
如申請專利範圍第1或2項之準直透鏡，其中，於上述面向光源之面上設置有凸部。
如申請專利範圍第4項之準直透鏡，其中，於上述面向光源之面上所設置的凸部係非球面。
如申請專利範圍第1或2項之準直透鏡，其中，於上述面向光源之面上設置有凹部。
如申請專利範圍第6項之準直透鏡，其中，於上述面向光源之面上所設置的凹部係非球面。
如申請專利範圍第1或2項之準直透鏡，其中，上述玻璃材料之TiO₂、WO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃之總含量係0~28wt%。
如申請專利範圍第1或2項之準直透鏡，其中，在上述玻璃材料中係滿足TiO₂+WO₃+Nb₂O₅+Bi₂O₃/((稀土類氧化物之總含量)+Ta₂O₅)
1.1。