CN102103221B

CN102103221B - 菲涅耳光学元件以及使用了该菲涅耳光学元件的光学系统

Info

Publication number: CN102103221B
Application number: CN201010507680.8A
Authority: CN
Inventors: 研野孝吉; 大出寿
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: US8194332B2; US20110149418A1; CN102103221A; JP2011128327A

Abstract

菲涅耳光学元件以及使用了该菲涅耳光学元件的光学系统。本发明的目的是提供焦距长且精度高的、可以观察高精细的观察像的菲涅耳光学元件以及使用了该菲涅耳光学元件的光学系统。作为解决手段，本发明的菲涅耳光学元件的特征在于：具有使光透过折射或者反射的多个斜面，相邻的所述斜面的倾斜角的变化量是固定的。

Description

菲涅耳光学元件以及使用了该菲涅耳光学元件的光学系统

技术领域

本发明涉及菲涅耳透镜或菲涅耳反射镜等的菲涅耳光学元件以及使用了该菲涅耳光学元件的光学系统。

背景技术

以往，在专利文献1和2中公开了如下的菲涅耳光学元件：从投影仪照射光线而在菲涅耳面附近投影实像，该菲涅耳光学元件作为高效地将该光线向观察者方向反射的屏幕。此外，在专利文献3中公开了反射面没有屈光力而反射与平面镜倾斜的状态几乎等同的投影像的线性菲涅耳反射镜。

现有技术文献

专利文献1：日本特许第4128599号公报

专利文献2：日本特许第4149493号公报

专利文献3：日本特开平3-209403号公报

发明内容

然而，以往并不存在被配置成焦距长且具有成像作用而使用的高精度的菲涅耳反射镜。

本发明是鉴于现有技术中的这种状况而提出的，其目的在于：提供一种焦距长且精度高的、可以观察高精细的观察像的菲涅耳光学元件以及使用了该菲涅耳光学元件的光学系统。

为了实现该目的，本发明的菲涅耳光学元件的特征在于：具有使光透过折射或者反射的多个斜面，相邻的所述斜面的倾斜角的变化量是固定的。

此外，特征在于：所述多个斜面是对按照下面的定义式(a)提供的旋转对称非球面进行近似而形成的，并且满足下面的条件式(1)。

Z＝(Y²/R)/[1+{1-(1+k)Y²/R²}^1/2]+aY⁴+bY⁶+cY⁸+dY¹⁰+... ...(a)

-1＜K＜0 ...(1)

其中，X、Y、Z分别是三轴右手正交坐标系的坐标，

R是近轴曲率半径，

k是圆锥常数，

a、b、c、d、...分别是4次、6次、8次、10次的非球面系数。

此外，特征在于：所述多个斜面是对按照下面的定义式(a)提供的旋转对称非球面进行近似而形成的，并且满足下面的条件式(2)。

Z＝(Y²/R)/[1+{1-(1+k)Y²/R²}^1/2]+aY⁴+bY⁶+cY⁸+dY¹⁰+... ...(a)

-0.5＜K＜-0.2 ...(2)

其中，X、Y、Z分别是三轴右手正交坐标系的坐标，

R是近轴曲率半径，

k是圆锥常数，

a、b、c、d、...分别是4次、6次、8次、10次的非球面系数。

此外，特征在于：所述多个斜面是对按照下面的定义式(a)提供的旋转对称非球面进行近似而形成的，并且满足下面的条件式(3)。

Z＝(Y²/R)/[1+{1-(1+k)Y²/R²}^1/2]+aY⁴+bY⁶+cY⁸+dY¹⁰+... ...(a)

-0.4＜K＜-0.3 ...(3)

其中，X、Y、Z分别是三轴右手正交坐标系的坐标，

R是近轴曲率半径，

k是圆锥常数，

a、b、c、d、...分别是4次、6次、8次、10次的非球面系数。

此外，特征在于：针对每个规定的区域划分所述多个斜面，按照所述区域内的倾斜角固定的方式改变齿距。

另外，特征在于：满足下面的条件式(4)。

A＞B ...(4)

其中，A是相邻斜面的倾斜角的变化量，

B是形成斜面的设备的倾斜角分辨率。

另外，特征在于：满足下面的条件式(5)或条件式(6)。

0.6＜A/(n×B) ...(5)

或者

A/(n×B)＜0.4 ...(6)

其中，A是相邻斜面的倾斜角的变化量，

B是形成斜面的设备的倾斜角分辨率，

n是整数。

此外，特征在于：满足下面的条件式(7)或条件式(8)。

0.8＜A/(n×B) ...(7)

或者

A/(n×B)＜0.2 ...(8)

其中，A是相邻斜面的倾斜角的变化量，

B是形成斜面的设备的倾斜角分辨率，

n是整数。

而且，本发明的光学系统的特征在于：使用了所述菲涅耳光学元件。

在上面的本发明所涉及的光学系统中，可以提供一种焦距长且精度高的、能观察高精细的观察像的菲涅耳光学元件以及使用了该菲涅耳光学元件的光学系统。

附图说明

图1是用于说明本发明的菲涅耳光学元件的图。

图2是用于说明本发明的光学系统的坐标系的图。

图3是实施例1的光学系统的沿中心轴截取的截面图。

图4是实施例1的光学系统的平面图。

图5是示出实施例1的横向像差图的图。

图6是示出实施例1的横向像差图的图。

图7是实施例2的光学系统的沿中心轴截取的截面图。

图8是实施例2的光学系统的平面图。

图9是示出实施例2的横向像差图的图。

图10是示出实施例2的横向像差图的图。

图11是示出菲涅耳光学元件的另一实施例的图。

符号说明

1光学系统

2中心轴

3物面

4菲涅耳光学元件

5像面

S光圈(入射光瞳)

具体实施方式

下面，根据实施例来说明本发明的光学系统。

图1示出本实施方式的菲涅耳光学元件。

优选的是，本实施方式的菲涅耳光学元件4具有使光透过折射或者反射的多个斜面41，相邻的斜面41的倾斜角变化量A固定。

菲涅耳光学元件4是利用直线来近似球面或非球面的面的倾斜的光学元件。因此，由于可以将光学元件制作得较薄，所以被用于照明或聚光光学系统。

但是，在作为曲率缓且焦距长的光学元件来使用的情况下，相邻的齿距的变化量很小。在加工设备的加工精度不足的情况下，成为不连续的倾斜角，在倾斜角不连续的地方，可能会丧失像的连续性。

因此，本实施方式的菲涅耳光学元件4通过使相邻的斜面41的倾斜角变化量A固定来避免像的不连续性。

优选的是，可以作为反射目镜光学系统来使用，该反射目镜光学系统将40万像素以上的高清晰图像作为远方的虚像进行放大显示。

此外，优选满足下面的条件式。

0.5＜|d/f|

其中，f为焦距，d为外径。

该条件式示出了：在利用大反射面形成虚像的情况下，如果菲涅耳光学元件的面积较大，则不连续部分变多，这是所不期望的。

另外，因为即使光学系统的光瞳直径大，光束直径也是由人的瞳孔直径来决定，所以最大为Φ4mm，而在明亮的影像时为大约Φ2mm，因此在倾斜角的变化量不连续的情况下，具有这样的缺点：像丧失连续性，观察到不连续的观察像。

此外，优选满足下面的条件式。

0.5＜|f/Ep|＜1.5

其中，f为焦距，Ep为观察者的瞳孔与反射镜之间的距离。

该条件式是在确保反射镜与观察者的瞳孔之间的距离的同时将从影像显示面垂直射出的光束高效地引导到观察者的瞳孔的条件。如果低于下限，则从显示面射出的光束变为倾斜射出的光束，在观察像变暗的同时，为了确保相同的观察视角而需要较大的反射镜。此外，如果高于上限，则反射镜与观察者的瞳孔的位置过于靠近，使观察者具有压迫感。

此外，优选的是，多个斜面41是通过对按照后述的定义式(a)提供的旋转对称非球面进行近似而形成的，并且满足下面的条件式(1)。

-1＜K＜0 ...(1)

其中，K是圆锥常数(锥形常数)。

重要的是成为圆锥常数在-1至0之间的、长轴在光轴上的椭圆面。在该情况下，可以在有限的范围内对倾斜角固定的菲涅耳面进行近似。

此外，优选的是，多个斜面41是通过对按照后述的定义式(a)提供的旋转对称非球面进行近似而形成的，并且满足下面的条件式(2)。

-0.5＜K＜-0.2 ...(2)

其中，K是反射面的圆锥常数(锥形常数)。

通过满足该条件式(2)，可以在更宽的范围内对倾斜角固定的菲涅耳面进行近似。

此外，优选的是，多个斜面41是通过对按照后述的定义式(a)提供的旋转对称非球面进行近似而形成的，并且满足下面的条件式(3)。

-0.4＜K＜-0.3 ...(3)

其中，K是反射面的圆锥常数(锥形常数)。

通过满足该条件式(3)，可以在更宽的范围内对倾斜角固定的菲涅耳面进行近似。

另外，优选的是，针对每个规定的区域43划分多个斜面41，按照区域43内的倾斜角固定的方式使菲涅耳齿距42变化。

通过使菲涅耳齿距42变化，使倾斜角的变化量固定，能够减低像的不连续性。

另外，优选满足下面的条件式(4)。

A＞B ...(4)

其中，A是相邻斜面的倾斜角的变化量，B是形成斜面的设备的倾斜角分辨率。

如果不满足条件式(4)，则倾斜角的变化因舍入误差而变得离散，可能损害所观察的影像的平滑性。

另外，优选满足下面的条件式(5)或条件式(6)。

0.6＜A/(n×B) ...(5)

或者

A/(n×B)＜0.4 ...(6)

其中，A是相邻斜面的倾斜角变化量，B是形成斜面的设备的倾斜角分辨率，n是整数。

条件式(5)或条件式(6)规定了倾斜角的变化量，是用于使角度变化接近倾斜角分辨率的整数倍而减少舍入误差的条件式。如果不满足条件式(5)或条件式(6)，则残余接近0.5的舍入误差，可能损害所观察的影像的平滑性。

再者，优选满足下面的条件式(7)或条件式(8)。

0.8A/(n×B) ...(7)

或者

A/(n×B)＜0.2 ...(8)

下面，对使用了本发明的菲涅耳光学元件的光学系统的实施例进行说明。这些光学系统的结构参数在后面记述。

关于坐标系，如图2所示，将光学系统1的原点O设置在未图示的投影光学系统的中心轴与光学系统1的中心轴2的交点处(其中，从物面3入射到光圈S的中心主光线通过该中心轴2)，将从原点O朝向物面3的方向的中心轴2设为Z轴正方向，将图2的纸面设为Y-Z平面。并且，将从图2的原点O指向像面5的方向设为Y轴正方向，将与Y轴、Z轴构成右手正交坐标系的轴设为X轴正方向。

关于偏心面提供了：定义了该面的坐标系相对于上述光学系统1的原点O的偏心量(分别将X轴方向、Y轴方向、Z轴方向设为X、Y、Z)以及定义了分别以定义在光学系统1的原点O处的坐标系的X轴、Y轴、Z轴为中心的各个面的坐标系倾角(分别为α、β、γ(°))。在该情况下，α和β为正意味着相对于各个轴的正方向逆时针转动，γ为正意味着相对于Z轴的正方向顺时针转动。此外，使面的中心轴旋转α、β、γ是使定义各个面的坐标系首先绕着在光学系统的原点处定义的坐标系的X轴逆时针旋转α，接着，绕着该旋转后的新坐标系的Y轴逆时针旋转β，然后，绕着该旋转后的另一新坐标系的Z轴顺时针旋转γ。

观察者两眼的眼睛间隙以光圈S的X偏心来表示。在水平截面的光路图中，以宽度60mm来示出。

此外，在构成各实施例的光学系统的光学作用面中特定面和与其相接的面构成共轴光学系统的情况下，赋予面间隔，此外，面的曲率半径、介质的折射率、阿贝数按照常用方法来赋予。

另外，在后面记述的结构参数中，没有记载数据的与非球面相关的项为0。关于折射率、阿贝数，标明了对应于d线(波长为587.56nm)的参数。长度的单位为mm。各个面的偏心如上所述，以相对于基准面的偏心量来表示。

此外，非球面是利用下面的定义式来提供的旋转对称非球面。

Z＝(Y²/R)/[1+{1-(1+k)Y²/R²}^1/2]+aY⁴+bY⁶+cY⁸+dY¹⁰+… ...(a)

其中，将Z设为轴，Y为与轴垂直的方向。在此，R是近轴曲率半径，K是圆锥常数，a、b、c、d、...分别是4次、6次、8次、10次的非球面系数。该定义式的Z轴成为旋转对称非球面的轴。

在图3中示出了实施例1的光学系统1的沿中心轴2截取的截面图，在图4中示出了光学系统1的平面图。但是，关于图4的平面图的光路，只示出了与一个入射光瞳对应的光路。此外，在图5和图6中示出了该实施例的光学系统整体的横向像差图。在该横向像差图中，在中央所示出的角度表示(水平方向视角，垂直方向视角)，并且示出了该视角处的Y方向(子午方向)与X方向(弧矢方向)的横向像差。

光学系统1由未图示的物面、菲涅耳光学元件4和像面5构成。

菲涅耳光学元件4由菲涅耳反射镜构成，相邻斜面的倾斜角的变化量在菲涅耳齿距为0.2mm的情况下为0.017°。

在光学系统1中，在逆光线追踪中，从物面入射的光束从作为入射光瞳的观察者眼球E入射到菲涅耳光学元件4，在菲涅耳反射面4a反射，从菲涅耳光学元件4射出且入射到像面5。

该实施例1的规格为：

视角：左右35°上下20°

入射光瞳直径(逆追踪)：15.00mm。

在图7中示出了实施例2的光学系统1的沿中心轴2截取的截面图，而在图8中示出光学系统1的平面图。另外，在图9和图10中示出了该实施例的光学系统整体的横向像差图。但是，关于图8的平面图的光路，只示出了与一个入射光瞳对应的光路。在该横向像差图中，在中央所示出的角度表示(水平方向视角，垂直方向视角)，并且示出了该视角处的Y方向(子午方向)与X方向(弧矢方向)的横向像差。

光学系统1由未图示的物面、菲涅耳光学元件4和像面5构成。

菲涅耳光学元件4由菲涅耳反射镜构成，相邻斜面的倾斜角的变化量在菲涅耳齿距为0.2mm的情况下为0.02769°。

在光学系统1中，在逆光线追踪中，从物面入射的光束从作为入射光瞳的观察者眼球E入射到菲涅耳光学元件4，在菲涅耳光学元件4处反射，并入射到像面5。

该实施例2的规格为：

视角：左右35°上下20°

入射光瞳直径(逆追踪)：15.00mm。

下面，示出上述实施例1和实施例2的结构参数。此外，下面的表中的“RE”表示反射面。

实施例1

面号曲率半径面间隔偏心折射率阿贝数

物面 ∞ -2000.00

1 ∞(光圈) 0.00 偏心(1)

4 ∞ 0.00 偏心(2) 1.4918 57.4

5 菲涅耳[1](RE) 0.00 偏心(3) 1.4918 57.4

6 ∞ 0.00 偏心(2)

像面 ∞ 偏心(4)

菲涅耳[1]

R-674.00

K-0.338

偏心[1]

X 30.00 Y 0.00 Z 40.00

α0.00 β0.00 γ0.00

偏心[2]

X 0.00 Y 0.00 Z 295.00

α-18.02 β0.00 γ0.00

偏心[3]

X 0.00 Y 0.00 Z 300

α-18.02 β0.00 γ0.00

偏心[4]

X 0.00 Y 114.28 Z 142.92

α0.00 β0.00 γ0.00

实施例2

面号曲率半径面间隔偏心折射率阿贝数

物面 ∞ -2000.00

1 ∞(光圈) 0.00 偏心(1)

2 菲涅耳[1]反射面 0.00 偏心(2)

像面 ∞ 偏心(3)

菲涅耳[1]

R -413.84

K -0.345

偏心[1]

X 30.00 Y 0.00 Z 40.00

α0.00 β0.00 γ0.00

偏心[2]

X 0.00 Y 0.00 Z 300.00

α0.00 β0.00 γ0.00

偏心[3]

X 0.00 Y 108.45 Z 151.92

α0.00 β0.00 γ0.00

接着，示出上述各实施例的各种数据的值。

各种数据实施例1 实施例2

k -0.3380 -0.3450

f -225.9 -206.9

d 262.4 264.4

Ep 260.0 260.0

d/f -1.161 1.277

f/Ep -0.9842 -0.7958

接着，对菲涅耳光学元件的另一实施例进行说明。

在图11中示出使用了另一实施例的菲涅耳光学元件4的光学系统1的沿中心轴2截取的截面图。

光学系统1由未图示的物面、菲涅耳光学元件4和像面5构成。

在光学系统1中，在逆光线追踪中，从物面入射的光束从作为入射光瞳的观察者眼球E透过菲涅耳透镜6，在菲涅耳光学元件4处反射，并入射到像面5。

该菲涅耳光学元件上下不对称，菲涅耳原点配置在距离光轴+47.41mm的位置。

菲涅耳光学元件的规格为：

齿距：0.05mm

R：-294.607mm

k：0.680

a：-5.83170E-07

b：1.40590E-08。

此外，在使用范围为+16.1～-116.0mm的情况下，将图1所示的菲涅耳光学元件4按下面的方式进行区域43化，以确定斜面41的变化量，通过改变齿距42，能够适应有效直径宽且曲率半径小的菲涅耳光学元件。

负侧

区域齿距变化量

1. 0～-3.8[mm] 0.02°

2. -3.8～-7.4[mm] 0.04°

3. -7.4～-14.3[mm] 0.06°

4. -14.3～-24.5[mm] 0.08°

5. -24.5～-38.4[mm] 0.10°

6. -38.4～-55.7[mm] 0.12°

7. -55.7～-76.1[mm] 0.14°

8. -76.1～-100.3[mm] 0.16°

9. -100.3～-116.0[mm] 0.18°

正侧

区域齿距变化量

1. 0～4.2[mm] -0.02°

2. 4.2～9.4[mm] -0.04°

3. 9.4～16.1[mm] -0.06°

另外，在本实施方式的像面位置上，也可以替代未图示的投影光学系统而配置影像显示元件。而且，也可以利用菲涅耳光学元件来放大显示通过投影光学系统投影的影像。

此外，通过在由投影光学系统投影的投影像(本实施方式的像面)附近配置具有扩散性的扩散面，可以使投影光学系统的光束直径变细，减轻投影光学系统的负担。再者，能够确保即使观察者稍微移动也可以观察观察影像的较宽的观察区域。

而且，也可以配置与左右眼球相对应的两个投影光学系统，在将两个投影光学系统的投影像投影到扩散面的同时，按照不引起两个影像的串扰的方式控制扩散面的扩散角，以观察立体像。

此外，通过使用偏光板和偏光眼镜，或者通过使用了液晶光闸眼镜的时间分割显示，也可实现两眼立体视觉的效果。

另外，也可以通过使菲涅耳反射面成为半透射面，构成将外界影像与电子像进行重叠显示的所谓合并器。

再者，虽然被观察的虚像面(追踪时为物面)被假定为2m外，但是这也可以任意地设定。

Claims

1.一种菲涅耳光学元件，其特征在于，具有使光透过折射或者反射的多个斜面，相邻的所述斜面的倾斜角的变化量是固定的；

所述菲涅耳光学元件，满足下面的条件式(4)，

A﹥B …(4)

其中，所述菲涅耳光学元件，还满足下面的条件式(5)或条件式(6)，

0.6﹤A/(n×B) …(5)

或者

A/(n×B)﹤0.4 …(6)

其中，A是相邻斜面的倾斜角变化量，

B是形成斜面的设备的倾斜角分辨率；

n是3以上的整数；

其中，所述多个斜面是对按照下面的定义式(a)提供的旋转对称非球面进行近似而形成的，并且满足下面的条件式(1)，

Z＝(Y²/R)/[1+{1-(1+k)Y²/R²}^1/2]+aY⁴+bY⁶+cY⁸+dY¹⁰+... …(a)

-1﹤k﹤0 …(1)

其中，X、Y、Z分别是三轴右手正交坐标系的坐标，在以三轴右手正交坐标系的Z轴为中心轴的Y－Z平面中，

R是近轴曲率半径，

k是圆锥常数，

a、b、c、d、…分别是4次、6次、8次、10次的非球面系数。

2.一种菲涅耳光学元件，其特征在于，具有使光透过折射或者反射的多个斜面，相邻的所述斜面的倾斜角的变化量是固定的；

所述菲涅耳光学元件，满足下面的条件式(4)，

A﹥B …(4)

0.6﹤A/(n×B) …(5)

或者

A/(n×B)﹤0.4 …(6)

其中，A是相邻斜面的倾斜角变化量，

B是形成斜面的设备的倾斜角分辨率；

n是3以上的整数；

其中，所述多个斜面是对按照下面的定义式(a)提供的旋转对称非球面进行近似而形成的，并且满足下面的条件式(2)，

Z＝(Y²/R)/[1+{1-(1+k)Y²/R²}^1/2]+aY⁴+bY⁶+cY⁸+dY¹⁰+... …(a)

-0.5﹤k﹤-0.2 …(2)

R是近轴曲率半径，

K是圆锥常数，

a、b、c、d、…分别是4次、6次、8次、10次的非球面系数。

3.一种菲涅耳光学元件，其特征在于，具有使光透过折射或者反射的多个斜面，相邻的所述斜面的倾斜角的变化量是固定的；

所述菲涅耳光学元件，满足下面的条件式(4)，

A﹥B …(4)

0.6﹤A/(n×B) …(5)

或者

A/(n×B)﹤0.4 …(6)

其中，A是相邻斜面的倾斜角变化量，

B是形成斜面的设备的倾斜角分辨率；

n是3以上的整数；

其中，所述多个斜面是对按照下面的定义式(a)提供的旋转对称非球面进行近似而形成的，并且满足下面的条件式(3)，

Z＝(Y²/R)/[1+{1-(1+k)Y²/R²}^1/2]+aY⁴+bY⁶+cY⁸+dY¹⁰+... …(a)

-0.4﹤k﹤-0.3 …(3)

R是近轴曲率半径，

K是圆锥常数，

a、b、c、d、…分别是4次、6次、8次、10次的非球面系数。

4.根据权利要求1至3任意一项权利要求所述的菲涅耳光学元件，其特征在于，针对每个规定的区域划分所述多个斜面，按照所述区域内的倾斜角固定的方式改变齿距。

5.一种光学系统，其特征在于，使用了权利要求1至3任意一项权利要求所述的菲涅耳光学元件。