专利名称：光学系统、图像显示装置和成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有自由形状表面棱镜的光学系统、图像显示装置以及成像装置，该棱镜含有衍射光学兀件。
背景技术：
近年来，正开始使用关于光轴不对称的非球面表面，即，“自由形状表面(free-shaped surface)”。与旋转对称的光学系统不同，自由形状表面具有布局上的自由度和像差校正上的自由度，且因此有益于使得有可能获得小的且高性能的光学系统。特别地，涉及具有自由形状表面的棱镜的技术使得有可能利用用于注射模制的玻璃和/或树脂的材料上的和1旲制技术上的进步来获得闻度精确的形状，且由此具有实现小的、闻规格和高性能的光学系统的高潜力。但是，棱镜的分光性能可导致光学系统的色差。专利文件I公开了一种光学系统，其中衍射光学元件(DOE)被设置在具有自由形状表面的偏心棱镜和入瞳之间，以便校正由偏心棱镜引起的色差，由此有可能校正在单一偏心棱镜中剩余的剩余色差。现有技术列表专利文件专利文件1:日本专利公开号3559624 (B2)
发明内容
本发明要解决的问题然而，在专利文件I公开的光学系统中，衍射光学元件的折射率差是0.59，且栅格(lattice)的制造误差灵敏度太大。本发明的一个目的是提供一种高性能的光学系统，其中由棱镜引起的色差可以以更令人满意的方式被校正。解决问题的手段根据第一方面的光学系统包括棱镜和衍射光学兀件。所述棱镜具有用于校正偏心像差的非旋转对称的非球面表面，且所述衍射光学元件包括衍射光学表面，所述衍射光学表面具有关于所述光学系统的光轴不对称的栅格结构。满足以下条件:0.53>ΔΝθ>0.005 (I)其中Δ Ne表不所述衍射光学表面对于e线(546.074nm)的折射率差。根据第二方面的图像显示装置包括根据第一方面的光学系统以及用于显示通过所述光学系统引导并形成的图像的显示元件。根据第三方面的图像显示装置包括根据第一方面的光学系统以及用于对通过所述光学系统引导并形成的图像进行成像的成像元件。本发明的有益效果本发明使得可以获得这样的高性能的光学系统:在该光学系统中，可以以令人满意的方式来校正由棱镜引起的色差。
图1是光学系统100的侧视图；图2A是衍射光学元件13的示意性横截面图，图2B是示出使用等高线CLl从+Z侧观看的衍射光学元件13的实例的平面图，图2C是示出使用等高线CL2从+Z侧观看的衍射光学元件13的另一实例的平面图；图3是示出根据第一实施例的像差校正状态的点列图(spot diagram)；图4是根据第二实施例的光学系统200的侧视图；图5是衍射光学元件23的示意性横截面图；图6是示出根据第二实施例的像差校正状态的点列图；图7是根据第三实施例的光学系统300的侧视图；图8是示出根据第三实施例的像差校正状态的点列图；图9是根据第四实施例的光学系统400的侧视图；图10是示出根据第四实施例的像差校正状态的点列图；图1lA是示出头戴式图像显示器50的整体配置的透视图，图1lB是安装主体501的侧视图；图12是示出投影装置60的配置的示意图；以及图13A是示出照相机(camera) 70的整体配置的透视图，图13B是示出照相机70的配置的示意图。
具体实施例方式(第一实施例)<光学系统100的整体配置>图1是示出根据第一实施例的光学系统100的整体配置的侧视图。参考图1，将使用入射在光阑(stop)14上的光的光轴Ax的方向作为Z轴方向并使用垂直于Z轴方向的平面作为XY平面来进行描述。在图1中绘制了图像元件(image element)ll和光阑14以帮助理解；但是，图像兀件11和光阑14不包括在光学系统100中。如果例如光学系统100被用于诸如投影仪的图像显示装置，则图像元件11是诸如液晶面板的图像显示元件(见图12)。如果例如光学系统100被用于诸如照相机的成像装置，则图像元件11是诸如CCD的成像元件(见图13)。如图1所示，光学系统100具有包括第一到第三表面121-123的偏心棱镜12，以及用于校正由偏心棱镜12引起的色差的衍射光学兀件13。偏心棱镜12的第一到第三表面121-123是关于光轴Ax不对称的非旋转对称的非球面表面，用以校正偏心像差。图1示出的光学系统100将在图像元件11中产生的光引导朝向光阑14 (见图12)或将从光阑14进入的光引导朝向图像元件11 (见图13)。光阑14能够调整光量。图2A是衍射光学元件13的示意性横截面图；图2B是示出使用等高线CLl从+Z侧观看的衍射光学元件13的实例的平面图；以及图2C是示出使用等高线CL2从+Z侧观看的衍射光学元件13的另一实例的平面图。衍射光学元件13为单层类型(表面浮雕型)，其包括UV固化树脂材料或玻璃材料。如图2A所示，衍射光学元件13包括相息图类型(kinoform-type)的衍射光学表面DM,其具有连续的锯齿形的栅格结构。衍射光学表面DM具有作为向外凸出的曲面的衍射表面131以及以间距Pl形成的沿着Z轴方向延伸的边缘表面(edge surface) 132。间距Pl从光轴Ax朝向周边逐渐变窄。边缘表面132的高度h是一致的，而不考虑边缘表面132是朝向中心还是朝向周边。在图2A中，边缘表面132是直线状的，并与光轴Ax平行。但是，边缘表面132可以是直线状的且相对于光轴Ax倾斜、是曲面状的或阶梯状的。具有阶梯状的边缘表面导致由具有不同波长的光产生的耀斑(flare)更均匀。如图2B所,衍射光学兀件13A的衍射光学表面DB具有栅格结构，该栅格结构关于从图像元件11到光阑14 (见图1)的光轴Ax不对称。特别地，当从基线BL和等高线CLl观看时，衍射光学表面DM相对于光轴Ax是椭圆的。在衍射光学元件13A中，等高线CLl(即，边缘表面)的间距P2同样沿着Y轴方向从光轴Ax朝向周边逐渐变窄。衍射光学元件13A的力(power)在等高线CLl之间的间隔较大的X轴方向上较弱，而衍射光轴元件13A的力在等高线CLl之间的间隔较小的Y轴方向上较强。图2C示出的衍射光学元件13B是衍射光学元件13的另一实例。在图2C中，等高线CL2具有圆角矩形形状，且衍射光学元件13B同样具有关于光轴Ax不对称的栅格结构。在衍射光学元件13B中，等高线CL2 (即，边缘表面)的间距P3同样沿着Y轴方向从光轴Ax朝向周边逐渐变窄。衍射光学元件13B的力在等高线CLl之间的间隔较大的X轴方向上较弱，而衍射光学元件13B的力在等高线CLl之间的间隔较小的Y轴方向上较强。使用图2B和2C所示的衍射光学元件13A和13B作为实例描述了衍射光学元件13 ;但是各种修改是可能的。以下部分再次参考图1。在光学系统100中，由图像兀件11产生的光在偏心棱镜12的第一表面121处被折射，并进入偏心棱镜12。随后,该光被偏心棱镜12的第二表面122和第三表面123顺序地反射，且随后再次入射在偏心棱镜12的第二表面上。该光随后在偏心棱镜12的第二表面122处折射，并从偏心棱镜12出射。已从偏心棱镜12出射的光通过衍射光学元件13，由此校正由偏心棱镜12引起的色差。<光学系统100的概况> 衍射光学元件13的概况>>衍射光学元件13优选地满足数值关系(1)中示出的条件。0.53>ΔΝe>0.005 (1)数值关系(1)限定了衍射光学元件13的衍射光学表面DM对于e线的折射率差ANe的合适范围。有必要使衍射光学元件13的在衍射光学表面DM的光轴Ax方向的两侧上的折射率不同。在衍射光学元件13中，例如，作为形成衍射光学元件13的材料的UV固化树脂的折射率高于空气的折射率；因此，UV固化树脂的折射率和空气的折射率之间的沿着e线的折射率差是Δ Ne。更具体地，数值关系(1)中的上限值优选地为0.53，以便降低制造误差灵敏度。如果超过数值关系(1)中的上限值，折射率差Δ Ne将会太大，且衍射光学元件13的制造误差灵敏度将会太大。为了最大化与数值关系(1)相关的效果，更希望上限值为0.2。相反地，如果折射率差ANe低于数值关系(I)中的下限值，折射率差ANe将太小，且将有必要增大衍射光学元件13的边缘表面132的高度(见图2A)，以便获得必要的衍射。因此，如果折射率差ANe低于数值关系(I)的下限值，将存在制造衍射光学元件13方面的缺点，且边缘表面132将影响入射光。对于闪耀光(blaze light)的衍射效率将降低，且由入射在边缘表面132上的入射光的散射或反射引起的杂散光将增加。因此，为了最大化与数值关系(I)有关的效果，下限值更优选为0.01。衍射光学元件13的屈光力(refractive power)优选地满足在数值关系(2)和
(3)中示出的条件。IX I(T1)Os/Φ>1 X 1(Γ7 (2)数值关系(2)限定了(Os/C>)的合适范围，其中Os表示在近轴力(paraxialpower)最强的方向(图2的X轴方向)上相对于e线的衍射光学元件13的屈光力，且Φ表不光学系统100整体的相对于e线的屈光力。如果Φ8/Φ超过数值关系(2)的上限值，则该力将太小，且存在不足的色差校正性能。相反，如果Os/Φ小于数值关系(2)的下限值，则将存在在该力最大的方向上栅格的制造误差灵敏度太大的增加的可能性，且将存在色差校正过度的趋势，不利地影响图像质量。为了使效果最大化，数值关系(2)的上限值更优选地为I X 10_4，下限值更优选地为1X10'5.0>Φ8/Φι >1.02(3)数值关系(3)限定了(Φ8/Φπι)的合适范围，其中Φπι表示具有所述不对称的栅格结构的衍射光学元件13的在近轴力最弱的方向(图2中的X轴方向)上的对于e线的屈光力。
超过数值关系(3)的上限值的Φ8/Φπι是不利的，这是因为力差将过大，在近轴力较强的方向与近轴力较弱的方向之间的色差的外观的差异将较大，且在像差校正方面来说缺少平衡。相反，小于数值关系(3)的下限值的Φ8/Φπι将导致力差太小，且不同方向上的色差校正不充分，使得图像质量受到不利的影响。还将存在在所述力最大的方向上的栅格的制造误差灵敏度太大的问题的增加的可能性。为了最大化该效果，数值关系(3)的上限值优选地为3.0，而下限值优选地为1.05。在衍射光学元件13中，偏心(eccentricity)量优选地满足数值关系(4)中示出的条件。2.0> δ /fe>0.001 (4)数值关系(4)限定了(δ/fe)的合适范围，其中δ表示具有不对称的栅格结构的衍射光学元件13的这样的横截面的光轴相对于光阑14的光轴Ax的偏心量:沿着该横截面，近轴力最强；且fe表示对于e线的焦距。如果δ /fe超过数值关系(4)的上限值，则衍射表面的偏心量将会太大，X轴方向与Y轴方向上的光斑尺寸(spot sizes)之间的差异将太大，不可能获得极佳的图像质量。还将存在问题，因为加工将是更困难的。为了最大化该效果，数值关系(4)的上限值优选地为0.95，且下限值优选地为0.003。在衍射光学元件13中，衍射效率优选地满足数值关系(5)中示出的条件。(Eg+EC)/(2XEe)>0.8(5)
在数值关系(5)中，Ee表示对于主波长(e线:546.074nm)的衍射效率，Eg表示对于小于主波长的波长(g线:435.8nm)的衍射效率,且Ec表不对于大于主波长的波长(C线:656.3nm)的衍射效率。数值关系(5)限定了当带宽增加时衍射效率的平衡的合适范围。如果(Eg+EC)/(2XEe)低于数值关系(5)的下限值，则衍射效率将在较小或较大的波长下降低，衍射耀斑(diffraction flare)将增加，并将产生杂散光。为了防止大带宽可见光域中的杂散光，下限值优选为0.9。为了使与数值关系(5)有关的效果最大化，下限值理想地是0.95。如果数值关系(5)的下限是0.95，则耀斑量将被进一步减少，并且该光学系统可更容易地被用于要求高度限定的图像质量的照相镜头(photοgraphy lens)。为了实现更好的性能和规格，光学系统100优选地满足以下数值关系(6)到(8)。-20.0〈 Δ Ne/ Δ (Ng - Ne)〈_2.0 (6)在数值关系(6)中，Ng表示衍射光学元件13的对于g线(453.8nm)的折射率，且Ne表不衍射光学兀件13的对于C线(656.3nm)的折射率。Δ (Ng - Ne)表不例如具有低折射率和低色散的UV固化树脂与 具有高折射率和高色散的空气的主色散差。如果ΛΝθ/Λ (Ng-Nc)超过数值关系(6)的上限值，则不能获得跨宽波长带宽的高折射效率。相反，如果ΔΝθ/Λ (Ng-Nc)小于条件关系(6)的下限值，则同样不能获得跨宽波长带宽的高折射效率。为了获得跨宽波长带宽的足够高的折射效率，下限值优选地为-8.0。而且，为了最大化效果，上限值优选地为-2.8。Φm/Φ>1Χ10-7 (7)数值关系(7)限定了(Φπι/Φ)的合适范围。如果(Φπι/Φ)小于数值关系(7)的下限值，则Φπι将变得相对太强，且将存在过剩色差的问题的增加的可能性。为了最大化效果，下限值优选地为1Χ10_5。h/λ e<100.0 (8)数值关系(8)限定了(h/Xe)的合适范围，其中h表示在图2A中示出的衍射光学元件13的高度，λ e表示对应于基准波长的e线的波长。超过数值关系(8)的上限值的h/λ e呈现这样的问题，衍射光学元件13的边缘表面132的高度h将会太大，对于斜对地(diagonally)入射的光的折射效率将降低，并产生不必要的耀斑。边缘表面132的高度h是沿着通过边缘表面附近的主要光束的角度的方向的高度，且不限于光轴Ax的方向上的高度。关于高度h，光轴方向上的高度通常被认为是根据标量理论的闪耀高度(bIaze height),其由折射率差和设计的中央波长的倍式(muItiple)限定。但是，对于从与光轴方向不同的方向入射的光，该闪耀将不是最佳的，且衍射效率将下降。因此，边缘表面132的高度h是沿着通过边缘表面附近的主要光束的角度的方向的高度。为了减轻由衍射光学元件13的边缘表面132引起的散射和闪耀光的折射效率降低，优选地使边缘表面132具有朝向光阑14的坡度并且是倾斜的。具体地，优选地使边缘表面132具有沿着主要光束的坡度。换句话说，边缘表面132被取向为朝向光阑14。而且，其中使用模具通过树脂成形来形成衍射光学元件13的制造方法也是优选的，这部分地是因为可降低成本。进一步优选地，边缘表面部分具有阶梯状或粗糙表面结构，以阻止规则反射(regular ref lection),这将减少杂散光。为了最大化效果,上限值优选地为50.0。从实际构造光学系统100的角度来说，优选地，满足以下条件。当构造偏心棱镜12时，优选地使用树脂或模制玻璃通过注射模制法来产生偏心棱镜12。为了使诸如在用于高精细图像的光学系统中由内部应变引起的双折射最小化，使用模制玻璃的注射模制法是优选的。使用模具形成玻璃或树脂也是有益的，这是因为加工和制造将变得便利且成本将降低。使用UV固化树脂形成衍射光学元件13将改善产品的坚固性，且因此从生产角度来说是优选的。这将使得可以降低工作量和成本，且是有益的。为了缩减尺寸和成本，优选地，形成衍射光学元件13的光学材料是具有不大于2.0的比重的树脂材料。树脂具有比玻璃小的相对比重，且因此对于减轻光学系统的重量是有效的。为了进一步增强效果，相对比重优选地不大于1.6。不管衍射光学元件13的屈光力是正的还是负的，高折射率的峰侧(peak side)被制造为更尖，以使制造期间衍射效率的降低最小化。换句话说，在负力的例子中，在较靠近光阑14的一侧上，折射率必须较低。确定衍射光学元件13的衍射光学表面的形状的相位多项式如以下数值关系(9)所示。[式I]
权利要求
1.一种光学系统，包括棱镜和衍射光学元件；其中 所述棱镜具有用于校正偏心像差的非旋转对称的非球面表面； 所述衍射光学元件包括衍射光学表面，所述衍射光学表面具有关于所述光学系统的光轴不对称的栅格结构；以及满足以下条件: 0.53>ΔΝθ>0.005(I) 其中ANe表不所述衍射光 学表面对于e线(546.074nm)的折射率差。
2.根据权利要求1的光学系统，其中满足以下条件: 1Χ10-1>Φ8/Φ>1Χ10-7(2) 其中，表示所述不对称的栅格结构的这样的横截面对于e线的屈光力，沿着所述不对称的栅格结构的该横截面的近轴力是最强的；且Φ表示整个所述光学系统对于e线的屈光力。
3.根据权利要求1或2的光学系统，其中满足以下条件: 5.0>Φ8/Φπι>1.02(3) 其中，表示所述不对称的栅格结构的这样的横截面对于e线的屈光力，沿着所述不对称的栅格结构的该横截面的近轴力是最强的；且Φπι表示所述不对称的栅格结构对于e线的屈光力，沿着该不对称的栅格结构的近轴力是最弱的。
4.根据权利要求1到3中任一项的光学系统，其中满足以下条件:2.0> δ /fe>0.001(4) 其中，δ表所述不对称的栅格结构的这样的横截面的光轴相对于所述光学系统的光轴的偏心量，沿着所述不对称的栅格结构的该横截面的近轴力是最强的；且fe表示整个所述光学系统对于e线的焦距。
5.根据权利要求1到4中任一项的光学系统，其中满足以下数值关系: (Eg+EC)/(2XEe)>0.8(5) 其中，Ee表不对于e线(546.074nm)的衍射效率，Eg表不对于g线(435.8nm)的衍射效率，且EC表示对于C线(656.3nm)的衍射效率。
6.根据权利要求1到5中任一项的光学系统，其中所述衍射光学元件包括单层类型或多层类型。
7.根据权利要求1到6中任一项的光学系统,其中: 已通过了所述光学系统的光入射在用于调整光量的光阑上； 所述衍射光学元件在较靠近所述光阑的部分处具有较高的折射率；且 所述衍射光学元件在较远离所述光阑的部分处具有较低的折射率。
8.根据权利要求1到6中任一项的光学系统,其中: 已通过了用于调整光量的光阑的光入射在所述光学系统上； 所述衍射光学元件在较靠近所述光阑的部分处具有较高的折射率；且 所述衍射光学元件在较远离所述光阑的部分处具有较低的折射率。
9.根据权利要求1到8中任一项的光学系统，其中所述衍射光学元件的所述衍射光学表面被形成在所述棱镜的内部中。
10.根据权利要求1到9中任一项的光学系统，其中所述衍射光学元件的所述衍射光学表面被形成在所述棱镜的所述非球面表面上。
11.根据权利要求1到10中任一项的光学系统，其中形成所述衍射光学元件的材料是UV固化树脂。
12.—种图像显示装置，包括根据权利要求1到11中任一项的光学系统以及用于显示通过所述光学系统引导并形成的图像的显示元件。
13.一种图像显示装置，包括根据权利要求1到11中任一项的光学系统以及用于对通过所述光学系统引 导并形成的图像进行成像的成像元件。
全文摘要
该光学系统(100)具有棱镜(12)和衍射光学元件(13)。并且，棱镜(12)具有用于校正偏心像差的非旋转对称的非球面表面，且衍射光学元件(13)包括衍射光学表面(DM)，该衍射光学表面具有关于光学系统(100)的光轴(Ax)不对称的栅格结构。将衍射光学表面(DM)的对于e线(546.074nm)的折射率差视为ΔNe，满足以下条件0.53>ΔNe>0.005。
文档编号G02B17/08GK103201666SQ201180054288
公开日2013年7月10日 申请日期2011年10月19日 优先权日2010年11月12日
发明者铃木宪三郎 申请人:株式会社尼康