(57)【要約】  結像レンズであって、該結像レンズは、熱的に引き起こされる応力複屈折に対して低減された感受性を有し、画像面に対象面を結像し：前記対象面と前記画像面との間に位置する開口絞りと；前記開口絞りの対象面の側に位置する第1レンズ要素群と；前記開口絞りの画像面の側に位置する第2レンズ要素群と、を有し、前記開口絞りのすぐ近くにある、対象面と画像面との双方の側のレンズ要素群が、熱応力複屈折メトリックで特徴付けられるように、熱応力複屈折に対して無視できるほどの感受性を有するガラスを用いて作製され；及び、前記第1レンズ要素群又は前記第2レンズ要素群内の他のレンズ要素群が、前記開口絞りのすぐ近くにあるレンズ要素群ではなく、熱応力複屈折メトリックで特徴付けられるように、熱応力複屈折に対して最大で中程度の感受性を有するガラスを用いて作製される、結像レンズ。
2013531807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像レンズであって、該結像レンズは、熱的に引き起こされる応力複屈折に対して低減された感受性を有し、画像面に対象面を結像し：
前記対象面と前記画像面との間に位置する開口絞りと；
前記開口絞りの対象面の側に位置する第1レンズ要素群と；
前記開口絞りの画像面の側に位置する第2レンズ要素群と、を有し、
前記開口絞りのすぐ近くにある、対象面と画像面との双方の側のレンズ要素群が、熱応力複屈折メトリックで特徴付けられるように、熱応力複屈折に対して無視できるほどの感受性を有するガラスを用いて作製され；及び、
前記第1レンズ要素群又は前記第2レンズ要素群内の他のレンズ要素群が、前記開口絞りのすぐ近くにあるレンズ要素群ではなく、熱応力複屈折メトリックで特徴付けられるように、熱応力複屈折に対して最大で中程度の感受性を有するガラスを用いて作製される、結像レンズ。
【請求項２】
前記熱応力複屈折メトリックは、前記ガラスの熱膨張係数、前記ガラスの応力光学係数、及び、前記ガラスの光吸収係数に関するファクタを含む、請求項１記載の結像レンズ。
【請求項３】
前記熱応力複屈折メトリックは、前記ガラスの弾性係数、前記ガラスの熱伝導率、前記ガラスのポアソン比、前記ガラス内の光学パワー密度、前記レンズ要素の厚さ、又は、前記レンズ要素の開口部サイズに関する、少なくとも１つの追加的なファクタを更に含む、請求項２記載の結像レンズ。
【請求項４】
前記熱応力複屈折メトリックは、以下によって与えられ：
【数１６】
2013531807.tif 000018
ここで、ρは熱膨張係数であり、κは応力光学係数であり、αは光吸収係数である、請求項２記載の結像レンズ。
【請求項５】
前記熱応力複屈折メトリックは、以下によって与えられ：
【数１７】
2013531807.tif 000019
ここで、ρは熱膨張係数であり、κは応力光学係数であり、αは光吸収係数であり、Ｅは弾性係数であり、Ｋは熱伝導率であり、μはポアソン比である、請求項２記載の結像レンズ。
【請求項６】
熱応力複屈折に対して無視できるほどの感受性を有するガラスが、Ｍ１≦０．１ｘ１０−６Ｗ−１の条件を満たし、かつ、熱応力複屈折に対して最大で中程度の感受性を有するガラスが、Ｍ１＜１．６０ｘ１０−６Ｗ−１の条件を満たす、請求項５記載の結像レンズ。
【請求項７】
前記レンズ要素の全てがＭ１≦０．８０ｘ１０−６Ｗ−１の条件を満たす、請求項６記載の結像レンズ。
【請求項８】
前記レンズ要素の少なくとも１つが、０．８０ｘ１０−６Ｗ−１≦Ｍ１≦１．６０ｘ１０−６Ｗ−１であるガラスを用いて作製される、請求項６記載の結像レンズ。
【請求項９】
前記熱応力複屈折メトリックは、以下によって与えられ：
【数１８】
2013531807.tif 000020
ここで、Ｉ０は前記ガラス内の光学パワー密度であり、Ｌは前記レンズ要素の厚さであり、ρは熱膨張係数であり、κは応力光学係数であり、αは光吸収係数であり、Ｅは弾性係数であり、Ｋは熱伝導率であり、μはポアソン比である、請求項２記載の結像レンズ。
【請求項１０】
前記レンズ要素の作製に用いられる前記ガラスが、適切な画像品質性能を達成することに関連する特性のために選択され、その画像品質性能には反射率と色分散特性とを含む、請求項１記載の結像レンズ。
【請求項１１】
前記レンズ要素のうちの１つ以上についてその１つ以上の表面が、非球面形状を有する、請求項１記載の結像レンズ。
【請求項１２】
前記結像レンズは、回折光学要素又は偏光補償器を更に含む、請求項１記載の結像レンズ。
【請求項１３】
前記結像レンズは、多層誘電被膜を備えたミラーを更に含み、異なる波長帯域に対して、経路長を別々に変化させ、それによって、色収差を低減する、請求項１記載の結像レンズ。
【請求項１４】
前記結像レンズは古典的なダブルガウスレンズの形状を有する、請求項１記載の結像レンズ。
【請求項１５】
前記結像レンズは古典的なダブルガウスレンズの形状を有するが、前記開口絞りに近接するレンズ要素の１つはクラウンガラスを用いて作製される、請求項１記載の結像レンズ。
【請求項１６】
前記結像レンズは偏光を結像するように使用される、請求項１記載の結像レンズ。
【請求項１７】
前記結像レンズは、デジタル投影システムのリレーレンズ又は投影レンズである、請求項１記載の結像レンズ。
【請求項１８】
レンズシステムであって、該レンズシステムは熱的に引き起こされる応力複屈折に対して低減された感受性を有し、対象面を画像面に結像し：
前記対象面と前記画像面との間に位置する開口絞りと；
複数のレンズ要素と、を含み、
前記結像レンズが前記対象面を前記画像面に結像するよう用いられるとき、少なくとも最大光学パワー密度を透過光から受けるレンズ要素が、熱応力複屈折メトリックで特徴付けられるように、熱応力複屈折に対して無視できるほどの感受性を有するガラスを用いて作製され；及び、
他のレンズ要素が、前記熱応力複屈折メトリックで特徴付けられるように、熱応力複屈折に対して最大で中程度の感受性を有するガラスを用いて作製される、レンズシステム。
【請求項１９】
前記熱応力複屈折メトリックが、以下によって与えられ：
【数１９】
2013531807.tif 000021
ここで、ρは熱膨張係数であり、κは応力光学係数であり、αは光吸収係数であり、Ｅは弾性係数であり、Ｋは熱伝導率であり、μはポアソン比である、請求項１８記載のレンズシステム。
【請求項２０】
熱応力複屈折に対して無視できるほどの感受性を有するガラスが、Ｍ１≦０．１ｘ１０−６Ｗ−１の条件を満たし、かつ、熱応力複屈折に対して最大で中程度の感受性を有するガラスが、Ｍ１＜１．６０ｘ１０−６Ｗ−１の条件を満たす、請求項１８記載のレンズシステム。
【請求項２１】
前記レンズ要素が少なくとも２つのレンズ群の中に配置され、前記開口絞りのそれぞれの側に少なくとも１つのレンズ群を備えている、請求項１８記載のレンズシステム。
【請求項２２】
前記開口絞りに最も近い何れか一方のレンズ群のレンズ要素が、前記熱応力複屈折メトリックで特徴付けられるように、熱応力複屈折に対して最大で中程度の感受性を有するガラスを用いて作製される、請求項２１記載のレンズシステム。
【請求項２３】
前記レンズ要素の１つ以上が少なくとも１つのハウジング内にアセンブリされ、前記レンズ要素、又は、レンズ要素のハウジングのうち少なくとも１つが冷却されて、前記適応される光学パワーによって引き起こされる、前記少なくとも１つのレンズ要素上の熱負荷を変化させる、請求項１８記載のレンズシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学画像システムに関連し、さらに詳しくは、透過光によって伝えられる熱負荷に起因する応力複屈折に対して低感度な画像レンズに関連する。
【背景技術】
【０００２】
投影及び電子表示システムは広く使用され、画像コンテンツを表示する。投影システムの場合は、従来型のフィルムベースのシステムであれ、新しい電子システムであれ、光源（一般的にはランプ）からの光は画像変調要素（例えばフィルムや１つ又は複数の空間光変調）に方向付けられ、その画像変調要素は画像データを透過光に伝達する。一般的には、その後、フィルムや光変調アレイは表示面やスクリーンに結像される。
【０００３】
他の側面として、高品質の投影システムに対する関心が高まっており、その投影システムは、３次元（３Ｄ）の又は認識される立体的コンテンツを表示し、お客さんに向上した視覚体験を提供することができる。歴史的には、立体的コンテンツはフィルム媒体を用いて劇場で投影され、そうして、各々の目に対して１つ、２セットのフィルムが２つの分離した投影装置にロードされる。そして、左目と右目の画像は、偏光を用いて同時に投影され、そこでは或る偏光が左目に提示される画像用に用いられ、直交偏光の光が右目に提示される画像用に用いられる。観客は相応の直交性偏光メガネをかけ、そのメガネは各々の目に対して或る偏光画像をブロックするが、直交する偏光画像を通過する。
【０００４】
近年、ステレオ投影を提供する電子又はデジタルシネマプロジェクタが商品化されてきている。特に、Texas  Instruments,  Inc.,  Dallas,  TXによって開発されたデジタルライトプロセッサ（ＤＬＰ）やデジタルマクロミラーデバイス（ＤＭＤ）に基づくプロジェクタが、ステレオと非ステレオバージョンの両方で劇場では使用されている。ＤＬＰデバイスは多くの特許で説明され、例えば、米国特許４，４４１，７９１（特許文献１）、米国特許５，５３５，０４７（特許文献２）及び米国特許５，６００，３８３（特許文献３）（全てHornbeckに属する）である。
【０００５】
図１Ａは、ＤＬＰ空間光変調器を用いたプロジェクタ１００の単純化した構成図を示す。光源５０（一般的にはキセノンアークランプ）が多色非偏光を、例えばフィリップス・プリズムのようなプリズムアセンブリ５５内へ供給する。フィリップス・プリズムとして示されるプリズムアセンブリ５５は多色光を赤色、緑色、及び青色の成分波長帯域に分割し、各帯域を対応する空間光変調器（ＳＬＭ）１７０ｒ、１７０ｇ、又は、１７０ｂに方向付ける。次に、プリズムアセンブリ５５は、その空間光変調器１７０ｒ、１７０ｇ及び１７０ｂから変調された光を再結合し、そして、表示スクリーン又は他の適当な表面上に投影するため、この非偏光光を画像レンズ２００に供給する。ＤＬＰベースのプロジェクタは、デスクトップから大映画館までのほとんどの投影アプリケーションに対して、必要な光のスループット、コントラスト比、及び、色域を供給する性能を実証してきた。交代に、透過光の偏光状態を変化させることにより光を変調する液晶装置（ＬＣＤｓ）が、ＤＬＰ装置に代わって使用することが可能であり、より高い解像度とより大きいデバイスサイズという相対的利点を備えているが、投影された画像のコントラスト供給、コントラスト均一性、及び色の均一性の点でより大きな問題がある。
【０００６】
これらのＳＬＭベースのプロジェクタ（ＤＬＰ又はＬＣＤ）から立体視画像を形成する従来の方法は、左目と右目のコンテンツを区別するため、２つの主な技術のうちの一方を使用する。１つは、例えばDolby  Laboratories  によって活用される、あまり一般的でない技術であり、色空間分割を用い、例えば、Maximus他による米国特許出願公開２００７／０１２７１２１（特許文献４）で説明されている。白色光照明システムにおいてフィルタが使用され、フレーム時間の部分に対し、各主要色の部分を遮断する。各々の目に関連したステレオコンテンツに調整された適切な色が、その目に対する各変調器に提示される。視聴者は相応のフィルタセットを着用し、それは同様に、２つの３色（ＲＧＢ）スペクトルセットのうちの１つだけを透過する。色空間分割は、スクリーンで、及び、視聴者のメガネについて、プロジェクタからの偏光を扱う際の問題を回避するが、光の非効率性とメガネのコストは問題である。
【０００７】
立体視画像を形成する第２の方法は、偏光を使用する。例えばSvardal他による米国特許６，７９３，３４１（特許文献５）が或る方法について説明し、その方法では、２つの直交偏光状態が分離した空間光変調器によって供給され、スクリーンに同時に投影され、そのスクリーンは一般的には反射光の偏光状態を保持する特性を有する。視聴者は偏光メガネを着用し、そのメガネは左目と右目の偏光透過軸を備え、それぞれに対して直交する方向に合わされている。この構成は光の効率的な使用を与えるが、高価な構造になり得る。
【０００８】
他のアプローチは、Real-D,  Beverly  Hills,  CAによって商品化されたアプローチであり、従来のプロジェクタを使用し、そのプロジェクタを修正し、一方から他方へ迅速に切り替わる交互の偏光状態を変調する。詳しくは、図１Ａに示されるように、ＤＬＰプロジェクタが修正され、例えば、図１Ａの破線で表される位置９０で、光の出力経路に偏光器と偏光器スイッチングデバイスとを有する。その偏光器スイッチングデバイスが必要なのは、ＤＬＰプロジェクタは変調されているが非偏光の光を出力するからである。この出力は非偏光である、というのは、非偏光の光源（ランプ）が使用され、一般的なＤＬＰデバイスウインドウが極性をなくしているからである（応力に起因する複屈折のため）。例えばRobinson他の米国特許７，５２８，９０６（特許文献６）のような無彩色偏光切替器を偏光器の後の位置９０に置くことが可能である。この種の切替器（ZScreemTM）は、例えば線形の偏光状態のように、２つの直交する偏光状態間で偏光を交互に交替し、それぞれの目に、２つの異なる画像の提示を可能にし、ユーザは投影された画像を偏光メガネで観察する。
【０００９】
偏光器の偏光コントラスト仕様は、偏光器の効率を上げるためのトレードオフとして、少量（〜５０：１）なので、左目と右目の画像間の画像クロストークが発生することがある。これは視聴者にゴースト画像を実感させることがあり、例えば、左目は、明るい左目画像だけでなく、薄暗い右目画像も見る。Real-Dは、この問題に対して様々なソリューションを提供し、そこには画像のゴーストを低減するために画像コンテンツのリアルタイムなデジタル・プレプロセッシングを使用することを含む。詳しくは、デジタル・プロセッサがクロストークモデルを適用し、左目画像と右目画像を比較することにより潜在的なゴーストを推定し、そしてその推定ゴースト画像を差し引く。“Ghost-compensation  for  improved  stereoscopic  projection”と題するM.Cowan他による米国特許公開２００６／０２６８１０４（特許文献７）は、こうしたアプローチを詳しく説明している。他の例として、Chen他による米国特許７，５１８，６６２（特許文献８）では、ZScreen切替器の偏光コントラストは、表題の偏光補償器によって改良される。
【００１０】
様々な理由により、例えば、光効率を改善するため、色域を拡大するため、光源の寿命を延ばすため、及び、現行の交換コストを低減するため等の理由により、２Ｄであれ３Ｄであれ、プロジェクタの伝統的なランプ（キセノンアーク、タングステンハロゲン、又はＵＨＰ）を半導体光源（レーザやＬＥＤ）に置き換える継続的な推進力が存在する。しかし、現在まで、レーザベースの投影システムの要望は実現されておらず、一つには、コンパクトで、ロバストで、低・中間コストで、視覚可能な波長レーザ技術が商品化可能な形態で出現しなかったからであり、特に緑色と青色についてである。近年の青色ダイオードレーザとコンパクトな緑色ＳＨＧレーザの出現により、例えばMicrovisionのような会社から、低コストで、レーザベースの、ピコ・プロジェクタがマーケットに達している。
【００１１】
平行して、デジタルシネマプロジェクションをサポートするコンパクトで高出力の視覚可能なレーザに対する障害も、同様に、無くなり始め、Laser  Light  Engines  (Salem,  NH)及びNecsel  (Milpitas,  CA)といった会社がプロトタイプの又は早期プロダクトのレーザデバイスを実際に示している。例えば、Necsel（以前はNovaluxとして知られていた）は、緑色（５３２ｎｍ）と青色（４６５ｎｍ）のレーザアレイを売り出し、それぞれ３−５ワットの光学出力パワーを供給している。これらの出力レベルで、システム効率損失を許容し、大会議室やホームシアター用の小型サイズのプロジェクタ（〜１５００ルーメン出力）が、色毎に単一のレーザデバイスを用いて実現することができる。しかし、映画の場合は、スクリーンのサイズとスクリーンの利得に応じて、スクリーン上の輝度は１０，０００−４０，０００ルーメン、又は、スクリーンに入射する組み合わされた光学パワー（ｆｌｕｘ）は４０−１７０ワットを要する。同様に、内部の光学的効率損失を許容すると、これは、４０−１２０ワットの光学パワーが各色チャンネルでレーザ源から必要とされることを意味する。現在は、これらのパワーレベルは、各色チャンネルで複数のレーザアレイの出力を光学的に組み合わせることによってのみ達成可能である。最終的には、レーザ技術は進歩し、そうして単一のコンパクトなレーザデバイスが各色を駆動することができるようになる。もちろん、それぞれのアプローチは、単純さ、コスト、及び、レーザの故障の受け易さのトレードオフについて、有利な点と不利な点を有する。
【００１２】
単純化すると、デジタルシネマプロジェクタは、図１Ａの光源５０に使用される従来型のランプを多数のレーザデバイスで代替することにより、供給することが可能である。さらに、レーザが本来的に偏光した光源である場合は、より効率的な３Ｄ投影が供給され、付属の偏光器なしで、偏光切替器が位置９０で使用される。しかし、この単純化した視点は、デジタルシネマのような高パワーのレーザベースの投影アプリケーションには現実的でない。示唆したように、スクリーン上で４０−１７０光学ワットを供給する投影システムは、ずっと高い光レベルを内部的に受け、最も高い光レベル（ｆｌｕｘ又はワットで）が光源アセンブリで発生し、最も低い光レベルがおそらくは投影レンズの出力表面で発生する。レーザ光は、その空間及び時間コヒーレンスのため、ｆｌｕｘレベルが同程度のときも、インコヒーレントな（ランプ）光源からの光ビームよりも小さいボリュームへ、より高いパワー密度でフォーカスする。最も高い内部パワー密度は、光が集中する場所、例えば、積分バー、空間光変調器、アパーチャストップ、又は中間画像で発生する。もちろん、これらの高い光レベルは付随する熱の問題をもたらし、照明光、イメージング光、又は、迷光でさえ内部表面又は物質に衝突するからである。
【００１３】
従来のランプベースのシステムでは、強い光によって生じる多くの問題が既に存在し、そのうちの幾つかがレーザベースのシステムにおいて増幅されるだけである。例えば、ランプベースのシステムでは、高輝度フォーカス光とランプからの周辺迷光とを受信する積分バーの入力アパーチャは、一般的には空冷式放熱アセンブリによって取り囲まれる。他の例として、デジタルシネマ投影システムでは、空間光変調器は一般的には循環冷却水で冷却される。
【００１４】
そうした高い光レベルでは、強い光（及び、特には残余ＵＶ光）は、物質の性能や信頼性に影響することがあり、その物質には、光学接着剤、セメント、又は、プリズム要素に使用されるポリマー、ダブレット、又は、液晶デバイスを含む。その結果、これらの物質は、熱的又は化学的変化から引き起こされる劣化を避けるよう、慎重に選ばれる必要がある。同様に、光学要素又はその取り付けアセンブリの熱膨張のミスマッチな係数に起因する機械的応力は、応力、変形、破損を避けるべく、最小化され対応されなければならない。
【００１５】
特に微妙な影響として、それは３Ｄ投影のシステムを含む偏光ベースの投影システムに影響するもので、高い強度の光のうち少ない部分が光学物質に吸収され、それによって、その要素に応力複屈折を生じる。また、それは透過光の偏光方向を変化させることがあり、それによって、画像コントラスト、画像コントラスト均一性、色均一性、又は、他の属性であって、認識されるスクリーン上の画像品質を低減する属性に影響を及ぼす。
【００１６】
空間光変調デバイスやシリコン上の液晶（ＬＣＯＳ）の場合は、特に、強い光がカウンター電極基板内で熱負荷と応力複屈折を生じる場所で問題が発生し、その基板はそのデバイス自体に対して内部にある。さらに状況を説明すると、図１Ｂは、従来技術のプロジェクタ１０１を例示し、入射する照明光ビーム１４０は、各色に対して、それぞれの変調光学システム８０へ方向付けられ、そのプロジェクタは、偏光ビームスプリッタ６０（偏光プリズムとしても知られる）、偏光補償器３６０、及び空間光変調器１７０ｇ、１７０ｂ、又は、１７０ｒを含むプロジェクタ・サブシステムである。変調光学システム８０からの変調ビームはＸプリズム６５を用いて組み合わされ、投影レンズ２７０に方向付けられて、表示スクリーン（不図示）に投影される。一般的には、変調光学システム８０内のコンポーネントの偏光の性質及び特性は、プロジェクタ１０１によって供給されるスクリーン上の偏光コントラストを決定する。
【００１７】
カウンター電極基板（不図示）は光学ガラスの薄いプレートであり、ＬＣＤ空間光変調器１７０ｇ、１７０ｂ及び１７０ｒ内のシリコン基板と平行に配置される。そして、液晶物質は、シリコン内に（又はその上に）形成されるピクセル構造と同様に、これらの基板の間の薄い隙間を埋める。対向する電極基板は、パターン透明電極（一般的にはＩＴＯの）で被覆され、電場が電極間に印加されることを可能にし、ピクセル的な基礎上で液晶分子の方向をコントロールする。
【００１８】
この構造は低い光強度で良好に動作し、そうして、ピクセルによって支配される偏光方向が、光が対向する電極基板を通過するように、維持され、そして、結果の偏光画像光は、偏光ビームスプリッタ、分析器、又はスイッチといった下流の偏光光学系に衝突することができ、偏光画像光は意図する方向を有する。しかし、高い光強度では、カウンター電極基板を透過する光の部分は、吸収され、充分な内部過熱により、応力複屈折を引き起こし、変わって、偏光方向を変化させる。
【００１９】
この課題を認識し、Schmidt他の米国特許５，５７６，８５４（特許文献９）は最適なガラスを識別する方法を提案し、そのガラスは、ＬＣＯＳパネルのカウンター電極基板を製作するように使用される。特に、彼らは候補となるガラスを識別する性能指数Ｍを提案し、以下の積で与えられる：
【００２０】
【数１】
2013531807.tif 000003
ここで、ρは熱膨張係数（ＣＴＥ）、κは応力光学係数、Ｅは弾性係数（Ｅ）である。Schmidt他は２つのガラスを特に有益な候補として特定した；極めて低い応力光学係数のSchott  SF-57、および、極めて低い熱膨張係数の石英ガラスである。Schmidt他によれば、石英ガラスの例では、加熱がガラスの最低限の膨張を生じ、また、わずかな熱に起因する応力を生じる。SF-57の例では、熱の応力係数自体はとても低く、これは熱から応力複屈折への直接の変換が少ないことを意味する。前述したように、同様の問題は、ＤＬＰ変調器のカバーグラスウィンドウに関して今も存在する；しかし、これらのデバイスは、偏光状態を維持するという期待とともに、強い偏光を変調するようには一般には使用されてこなかったので、応力複屈折を最小化するという目的をもって、ガラスの選択も、ガラスの備え付け設計も行われてこなかった。
【００２１】
投影ディスプレイにおけるガラスの選択と熱応力複屈折との関係は、Displays,  Vol.23,  pp.151-159,  2002に発行された、R.  Cline他による”Thermal  Stress  Birefringence  in  LCOS  Projection  Displays”の論文で探求されている。この論文は、投影ディスプレイシステムにおける偏光ビームスプリッタ６０（図１Ｂ）又はフィリップスプリズムアセンブリ５５（図１Ａ）の使用に適切なガラスを特定することに関連する。特に、著者は、候補となるガラスを評価する拡張した性能指数を導入し、その性能指数は、熱膨張係数（ρ）、応力光学係数（κ）、弾性係数（Ｅ）だけでなく、ガラスの熱伝導性（Ｋ）、光吸収率（α）、及びポアソン比（μ）を含む：
【００２２】
【数２】
2013531807.tif 000004
Cline他は、Schott  SF-57,  Ohara  PBH56,  及び石英ガラスだけが、高パワー偏光高感度プロジェクタ（１０００＋ルーメン）のプリズムに使用されることができ、一方で、Schott  SK5やSchott  BK7を含む広い範囲のガラスは低パワー（≦５００ルーメン）プロジェクタのプリズムに使用されることを提案する。
【００２３】
対照的に、Aastuen他の米国特許７，３５７，５１１（特許文献１０）では、発明者は、充分に低い応力複屈折（例えばSchott  SK5又はSchott  BK7）のためCline他により提案されるガラスは、実際には不適当であり、これらの代替ガラスからのコントラスト劣化は実際には大きすぎると示唆している。そして、Aastuen他は、代替の変調光学システム８０を提案し、そのシステムでは、偏光ビームスプリッタ６０の偏光コントラストは、偏光ビームスプリッタ６０と空間光変調器１７０との間に偏光補償器３６０を供給することにより（図１Ｂ参照）、プリズムを含むガラスの応力複屈折に関して改善することができ、そこには熱的に生じる応力複屈折も含む。彼らは、４分の１波長の遅延特性を有する偏光補償器３６０が、応力複屈折に対して充分な補償を与え、そうして、プリズムガラスの選択が、Schott  SF-57のような低い応力光学係数（κ）のガラスにもはや限定されないことを実証している。
【００２４】
また、マイクロリソグラフィーの領域も含み、不所望の複屈折が投影空間以外の領域で画像品質の問題を発生していることに留意する。例えば、Allan他の米国特許６，７８５，０５１（特許文献１１）は、２００ｎｍＵＶリソグラフィーを目的とする屈折／反射イメージングシステムについて説明している。そうしたスペクトル範囲では、利用可能な光学物質については非常狭い範囲の選択が、大きな固有複屈折を示すフッ化カルシウム（ＣａＦ２）のような結晶物質によって支配される。光学系内の累積複屈折や偏光状態の変化を低減するため、Allan他は、１つ又は複数の補正光学要素を提案し（光学プレート又はビームスプリッタ）、その要素は、同じタイプの本質的に複屈折な物質から作製される。この例では、補正光弾性複屈折は、外部に適用される応力又はひずみによって供給され（引張、圧縮、又は、せん断応力から）、機械的固定具、圧電アクチュエータ、熱要素、又は、他の応力発生器によって、その補正要素に与えられる。
【００２５】
同様に、Brunotte他の米国特許６，８７９，３７９（特許文献１２）は、ＣａＦ２のような本来的に複屈折な物質と補正要素とを含むレンズ要素を用いた、ＵＶマイクロリソグラフィック・イメージング・システムを開示する。その本来的な複屈折は、位置と角度に関する不所望の偏光回転効果を伝える。この例では、補正要素は光学プレート又はレンズであり、アパーチャストップに最も近く位置付けられ、またＣａＦ２から製作される。そして、機械的応力が、圧電アクチュエータを用いてパルス方式で印加され、その結果、応力複屈折が、本来的な複屈折によって生ずる角度依存の偏光効果を補償する要素につたえられる。
【００２６】
興味深いことに、Brunotte他（‘３７９）（特許文献１２）とAllan他（‘０５１）（特許文献１１）のソリューションは、本来的に複屈折な物質の限定的なセットを用いて、イメージングシステムに適用される。比較すると、Schmidt他（’８５４）（特許文献９）、Cline他、及び、Aastuen他（’５１１）（特許文献１０）によって提案されるソリューションは、低パワーのアプリケーションを目的とするランプベースの投影システムの状況で開発されたが、潜在的にはデジタルシネマに拡張可能である。しかし、これらのソリューションは、プロジェクタ１０１の変調光学システム８０の内部の光学要素（カバーガラスとプリズム）だけを対象としている。
【００２７】
レーザ投影システムでは、局部的な光強度とパワー密度は、白色光システムに比べて、感知できるほど高くなり、それは、レーザ光のコヒーレンス又はフォーカスパワーのためであり、さらに、熱効果が光学システム全体に生じることがある。極端な例では、非線形の光学物質内での光学的な自己集束効果が、光学損傷や光学破壊を発生することがある。
【００２８】
レーザベースのデジタルシネマプロジェクタの例では、自己集束のような永久損傷メカニズムはおそらくは密接な関係は無いが、熱的に引き起こされた応力複屈折のような他の熱的効果は、他の光学要素に影響を及ぼし、その光学要素には、プリズムアセンブリ、空間光変調器、又は、カバープレート、又はそのカウンター電極基板のような変調光学サブシステムの中に存在するもの以外のコンポーネントを含む。特に、多数の複雑なレンズ要素を含むイメージングレンズアセンブリであって、強いレーザ光をイメージするよう負荷が掛けられ、一方で、熱的に発生した応力複屈折や結果的に生じる偏光効果を受けない、イメージングレンズアセンブリの設計と使用は、デジタルシネマのパワーレベルで関心事であり、そのパワーレベルは、応力複屈折に対して以前に扱われた場合よりもずっと高いパワーレベルである。レンズ設計の当業者に知られているように、イメージングレンズアセンブリは、非平面レンズ要素の構成を利用し、その物質、厚さ、曲率、及び、相対配置は慎重に設計されて、収差と回折に関して、所望の画像品質を供給する。しかし、イメージングレンズシステムとその構成するレンズ要素の設計に関して、熱的に生じた応力複屈折を更にコントロールする追加的な複雑さは問題であって、いずれの先行技術にも教示も示唆もない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】米国特許４，４４１，７９１号
【特許文献２】米国特許５，５３５，０４７号
【特許文献３】米国特許５，６００，３８３号
【特許文献４】米国特許出願公開２００７／０１２７１２１号
【特許文献５】米国特許６，７９３，３４１号
【特許文献６】米国特許７，５２８，９０６号
【特許文献７】米国特許公開２００６／０２６８１０４号
【特許文献８】米国特許７，５１８，６６２号
【特許文献９】米国特許５，５７６，８５４号
【特許文献１０】米国特許７，３５７，５１１号
【特許文献１１】米国特許６，７８５，０５１号
【特許文献１２】米国特許６，８７９，３７９号
【特許文献１３】米国特許５８３，３３６号
【特許文献１４】米国特許４，７０４，０１１号
【特許文献１５】米国特許６，７９５，２５５号
【特許文献１６】米国特許５，１７２，２７５号
【特許文献１７】米国特許６，３１７，２６８号
【特許文献１８】米国特許６，９０９，４７３号
【特許文献１９】米国特許７，１７０，５７４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
本発明の課題は、上記の問題点を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明は、熱に起因する応力複屈折の感受性を低減した、対物面を画像面に結像する画像レンズについて示し、
対物面と画像面の間に位置するアパーチャストップと、
前記アパーチャストップの対物面上に置かれる第１レンズ要素群と、
前記アパーチャストップの画像面上に置かれる第２レンズ要素群と、を有し、
対物面と画像面との両方の上に、前記アパーチャストップに直接隣接した前記レンズ要素群は、熱の応力複屈折に対して無視できる程の感度を有するガラスを用いて、製作され、熱の応力複屈折メトリックに特徴を有し、
第１又は第２レンズ要素群の中の、前記アパーチャストップに直接隣接していない他のレンズ要素は、熱の応力複屈折に対して最大でも適度な感度を有するガラスを用いて製作され、熱の応力複屈折メトリックによって特徴付けられる。
【００３２】
結像レンズが偏光を用いて画像を生成するよう使用されるとき、その画像レンズの性能は、その画像光の吸収から生じる熱の変化に重大な影響を受けないという利点を有する。
【００３３】
さらに、そうした結像レンズは、応力複屈折に起因する偏光解消による左目と右目の画像間の好ましくないクロストークを生じることなく、立体視投影システムに使用できるという利点を有する。
【００３４】
低減した複屈折の感度が、受容可能な画像品質レベルを同時に達成しつつ、達成されるという追加的な利点も有する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本発明は、以下に示される例示的実施形態の詳細な説明からより容易に理解され、それは添付の図面とともに考慮されるだろう：
【図１Ａ】図１Ａは、先行技術のデジタル投影システムの部分を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、先行技術のデジタル投影システムの部分を示す。
【図２】図２は、本発明の結像レンズを組み込んだプロジェクタの全体的なシステム構成を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、例示的な光源アセンブリを示し、本発明の投影システムに用いられるような複数のレーザデバイスと１つのレーザコンバイナを含む。
【図３Ｂ】図３Ｂは、例示的な光源アセンブリを示し、本発明の投影システムに用いられるような複数のレーザデバイスと１つのレーザコンバイナを含む。
【図４】図４は、本発明の結像レンズの一般的な構造を示し、リレーレンズと投影レンズの双方を含む。
【図５Ａ】図５Ａは、先行技術のダブルガウスタイプの結像レンズを表す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、ガラスのグラフを表し、ガラスの屈折率とアッベ数に対して、光学ガラスをプロットする。
【図６Ａ】図６Ａは、第１の例示的な投影レンズの光学的設計を表し、中程度の熱応力複屈折と良好な画像品質を有する。
【図６Ｂ】図６Ｂは、ＭＴＦプロットを用いて、図６Ａの投影レンズの光学性能を表す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、第１の例示的なリレーレンズの光学的設計を表し、中程度の熱応力複屈折感度と良好な画像品質を有する。
【図６Ｄ】図６Ｄは、ＭＴＦプロットを用いて、図６Ｃのリレーレンズの光学性能を表す。
【図７Ａ】図７Ａは、レーザ結合アセンブリから発生した光ビームのプロフィールの等高線を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、レーザ結合アセンブリから発生した光ビームのプロフィールの断面を示す。
【図７Ｃ】図７Ｃは、空間光変調器に入射する、照明プロフィールの等高線を示す。
【図７Ｄ】図７Ｄは、空間光変調器に入射する、照明プロフィールの断面を示す。
【図７Ｅ】図７Ｅは、積分バーに続くテレセントリック空間内の光強度分布を示す。
【図７Ｆ】図７Ｆは、リレーレンズの開口絞りの近くの光強度分布を示す。
【図７Ｇ】図７Ｇは、投影レンズの開口絞りの近くの光強度分布を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、光学ガラス特性を示す表である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、光学ガラス特性を示す表である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、光学ガラス特性を示す表である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、光学ガラス特性を示す表である。
【図９Ａ】図９Ａは、図６Ａの第１の例示的投影レンズの、熱応力複屈折性能を要約した表である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図６Ｃの第１の例示的リレーレンズの、熱応力複屈折性能を要約した表である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、第２の例示的投影レンズの光学的設計を表し、低い熱応力感度と不十分な画像品質を有する。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、ＭＴＦプロットを用いて、図１０Ａの第２の例示的投影レンズの光学性能を表す。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、第２の例示的リレーレンズの光学的設計を表し、低い熱応力感度と不十分な画像品質を有する。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、ＭＴＦプロットを用いて、図１０Ｃの第２の例示的リレーレンズの光学的性能を表す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図１０Ａの第２の例示的投影レンズの熱応力複屈折性能を要約した表である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１０Ｃの第２の例示的リレーレンズの熱応力複屈折性能を要約した表である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、第３の例示的投影レンズの光学設計を表し、低い熱応力感度と良好な画像品質を有する。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、ＭＴＦプロットを用いて、図１２Ａの第３の例示的投影レンズの光学的性能を表す。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、第３の例示的リレーレンズの光学的設計を表し、低い熱応力感度と良好な画像品質を有する。
【図１２Ｄ】図１２Ｄは、ＭＴＦプロットを用いて、図１２Ｃの第３の例示的リレーレンズの光学的性能を表す。
【図１３Ａ】図１３Ａは、図１２Ａの第３の例示的投影レンズの熱応力複屈折性能を要約した表である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１２Ｃの第３の例示的リレーレンズの熱応力複屈折性能を要約した表である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、図１２Ａの第３の例示的投影レンズに対するレンズ設計パラメータを特定する表である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１２Ｃの第３の例示的リレーレンズに対するレンズ設計パラメータを特定する表である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態に従った、低減した熱応力複屈折感度を備えた画像レンズを設計する方法を示すフローチャートである。
【図１６】図１６は、本発明の一実施形態に従った、低減した熱応力複屈折感度を備えた画像レンズを設計する別の方法を示すフローチャートである。
【図１７】図１７は、本発明の投影レンズを用いながら、軸色を低減する方法を表す。  添付の図面は、本発明の概念を示す目的であり、原寸に比例したものでなくてもよいことを理解すべきである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本説明は詳しくは、本発明に従った装置の部分を形成する要素に向けられるか、又は、その装置とより直接的に協力する要素に向けられる。理解されるべきは、具体的に示されない又は説明されない要素は、当業者に周知の各種の形態をとってもよいことである。
【００３７】
本発明は、本明細書で説明される実施形態の組合せを含む。“或る特定の実施形態”及び類似への言及は、本発明の少なくとも一つの実施形態にある特徴へ言及する。“一実施形態”又は“特定の実施形態群”又は類似のものについての別々の参照は、必ずしも同じ実施形態又は実施形態群に言及するものではない。しかし、そのように示唆されているか、又は、当業者に特に明らかである場合でなければ、そうした実施形態群は相互に排他的ではない。“方法”又は“方法群”及び類似のものに言及する際の、単数形又は複数形の使用は、限定的ではない。留意すべき点として、特に断りの無い限り、又は、文脈上必要とされる場合を除き、“又は”の語は、本明細書中では非排他的な意味で用いられる。
【００３８】
本発明をより良く理解するため、全体の文脈を、本発明の装置と方法が動作可能である範囲内で説明することは有益である。図２の概略図は、プロジェクタ１０２の基本構成を示しており、そのプロジェクタは本発明の多数の実施形態で使用される。３つの照明アセンブリ１１０ｒ、１１０ｇ、及び、１１０ｂが示され、各々は、主要色の赤色、緑色、又は、青色（ＲＧＢ）の１つを各光源アセンブリ１１５から供給する。その光源アセンブリ１１５は、１つ以上の光源を有し、詳しくはレーザ光源デバイスである（そのレーザ光源デバイスは図２には示されないが、図３Ａと３Ｂに代表的な方法で示される）。
【００３９】
図３Ａは、複数のレーザアレイ１２０と１２０´からの光を組み合わせ、レーザ結合アセンブリ１２５を形成する、或る手法を示し、そのレーザ結合アセンブリは、光源アセンブリ１１５の一部分である（図２）。数ワット又はより多くの出力の、高パワー半導体（又はソリッドステート）のレーザアレイが、長年の間、赤色及び赤外線（ＩＲ）で容易に利用可能だった。これらのレーザは、一般的に、マルチモードレーザエミッタ１２２による単一モードの単一列を含む。しかし、高パワーで小型の緑色及び青色のレーザアレイだけが今になって利用可能になってきている。今までは、Necselの前述のレーザは、ＩＲポンプ、周波数２倍、ＶＥＣＳＥＬ（垂直拡張型空洞表面発光レーザ）のタイプのレーザであり、特別な期待を示してきた。重要なコンポーネントの加熱とパッケージの問題のため、現在利用可能なプレ商品化デバイスは、制約的な構造を有し、２つの平行な列のレーザエミッタ１２２を供給する（列ごとに２４エミッタ）。
【００４０】
その構成レーザアレイからの出力光ビームを近接して配置することは光学的には有利であるが、レーザアレイ１２０を相互に機械的に分離し、熱のクロストークと集中した熱負荷を低減することも望ましい。また、光源アセンブリ１１５（図２）を、電子デリバリとコネクション、関連する加熱と同じく、熱に敏感な光学投影システムから分離し、投影エンジンの光学性能を許容することは望ましい。図３Ａでは、１つ以上の分散型ミラー１６０が使用され、追加のレーザアレイ１２０´の光軸をレーザアレイ１２０と一致して位置づけ、多数の光ビーム１４０を供給し、各々は複数の個別の光ビーム１４０´を含み、関連するアパーチャ１３０を有する照明レンズ１５０へ一緒に方向付けられ、その照明レンズは照明アセンブリ１１０ｒ、１１０ｇ、及び、１１０ｂ（図２）それぞれのコンポーネントである。
【００４１】
次に、図３Ｂは、他の実施形態による例示的な照明アセンブリ１１０の一部を表す。その照明アセンブリ１１０は、２つのレーザ結合アセンブリ１２５を含む、所定の色の光源アセンブリ１１５を有する。そうした構成を用いて、パワー出力は増大され、より高いスクリーン・ルーメン条件を有する大規模スクリーンをサポートすることができる。この例では、２つのレーザ結合アセンブリ１２５の各々は、各側面でウインドウカット及び反射カットされた（完全な内部反射によって作用する）プリズム１２７を利用し、レーザアレイ１２０内のレーザエミッタ１２２からの光ビーム１４０の向きを共通の光路の下手へ変える。２つのレーザ結合アセンブリ１２５からの出力光は、照明ビーム結合器１３５によって共通光路の下手へ方向付けられ、照明レンズ１５０や光インテグレータ１５５で表されるような他の照明光学系へ方向付けられる。照明ビーム結合器１３５は、スペクトル的に（そのケースでは、レーザ組合せアセンブリ１２５のレーザアレイ１２０は、中心波長の反対側にクラスタ化される）、空間的に、又は偏光による方法を含む様々な手法で光ビーム１４０を組み合わせることができる。或るパスは選択的な２分の１波長板１３７を有することができる。
【００４２】
図２と３Ｂとを組み合わせて考えると、各照明アセンブリ１１０ｒ、１１０ｇ、及び、１１０ｂは、一般的には１つ以上の、透過する光ビームを形成し方向付ける照明レンズ１５０、光インテグレータ１５５、及び、更なる照明レンズ１５０、ミラー１６０を含み、それらは一緒に、照明光を光軸１４５に沿って関連する空間光変調器１７０に方向づける。例えば、光源アセンブリ１１５から入ってくる光は、照明レンズ１５０を用いて、光インテグレータ１５５に方向付けられる。結果的に生じる均一光は、光インテグレータ１５５の出力アパーチャを満たす。次に、その出力アパーチャは、光軸面の或る領域に再画像化され、そこに空間光変調器１７０が配置される。照明レンズ１５０と光インテグレータ１５５は、石英ガラスを用いて形成され、その結果、これらの要素の中に誘発される応力複屈折から発生するおそれのある如何なる偏光劣化効果をも低減する。
【００４３】
空間光変調器１７０は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであってもよく、例えば、ＤＬＰや他のタイプの反射型ＭＥＭＳデバイスであり、反射又は回折により変調する如何なるタイプのＭＥＭＳ変調器をも含む。空間光変調器１７０はまた、ＬＣＤタイプのデバイス、又は、他の技術のデバイスであってもよい。ＤＬＰタイプのデバイスの例では、変調は、表示面に向けられる“Ｏｎ”状態又は画像光、及び、ビームダンプ（不図示）に向けられる“Ｏｆｆ”状態光を供給する。プロジェクタ１０２が偏光光源の方向を切替え、立体画像投影（３Ｄ）をドライブする場合は、“偏光状態中立”の変調器デバイスが望ましい。詳しくは、空間光変調器１７０が好ましく、ピクセルの偏光状態を変調することにより、各ピクセルで光を変調せず、そうして、如何なるピクセルの入射光の偏光状態への如何なる変化も気づかず小さくなる。このことは、空間光変調器１７０が、入射光の偏光状態にかかわらず、好ましくは入射光をピクセルベースで等しく変調することを意味する。それ故、観客は、偏光感度グラスを着用し、そうして立体視又は３Ｄ画像を観察するものと思われる。また理解されるべき点として、プロジェクタ１０２は２次元として認識される従来の画像を供給することができる。
【００４４】
プロジェクタに外部的に付加した偏光スイッチングアクセサリにより３Ｄイメージを供給するプロジェクタと異なり、このプロジェクタ１０２では、照明アセンブリ１１０からの照明光は偏光されることを目的としている。詳しくは、光源は構成されて、一般的な偏光状態、即ち、この分野の用語で“ｓ−偏光”や“ｐ−偏光”として知られる偏光状態を供給する。照明アセンブリ１１０は様々な光学系を含むことができ、波長板や偏光子（不図示）を含み、光源の本来の偏光状態を調整し、保持し、又は、強調する。また、照明アセンブリ１１０は偏光スイッチ１３９を含むことができ、その偏光スイッチは電気光学的に又は電気機械的に動作され、その結果、光照明空間光変調器１７０の偏光状態を、ｓ−偏光、ｐ−偏光、又は、３Ｄ投影に有用な他の偏光状態（例えば左又は右回転）に変化させる。その結果、好ましくは、照明レンズ１５０や光源インテグレータ１５５を含む各種の照明コンポーネントは、偏光が保持される。照明アセンブリ１１０ｒ、１１０ｇ、及び、１１０ｂの各々の内部の光路は、同じ基本パターンをたどるが、或る色チャンネルからの光源（レーザ）特性と他の色チャンネルとの違いを調整するための相違が存在する。各照明アセンブリ１１０はそれ自身の偏光スイッチ１３９を有することができ、その偏光スイッチは互いに同期して動作されてもよく、又は、共通の偏光スイッチ１３９が複数の色チャンネルに使用されてもよい。
【００４５】
図２に示されるように、照明光は、１つ以上のミラー１６０の再方向付けにより、空間光変調器１７０上に方向付けられる。変調された画像光は、空間光変調器１７０のアドレスされたピクセルにより、透過光に伝えられる画像データを有し、共通の光学路を横断するよう組み合わされ、その光学路は結像レンズ２００を通って（投影スクリーンのような）表示面１９０の上へ通過する。例示の実施形態では、２色性コンバイナー（結合器）１６５は第１コンバイナー１６６と第２コンバイナー１６７とを含み、各コンバイナーは２色性要素であり、適切な薄いフィルムのコーティングを有し、光の波長に応じて光を選択的に透過、又は、反射する。このプロジェクタ１０２は、光学偏光状態の内部変調を用いて、３Ｄ画像コンテンツを供給するように設計されるので、２色性コンバイナー１６５と結像レンズ２００も偏光中立であるべきであり、そうして、これらの要素によっては、効率の違い、偏光コントラスト、又は、画像品質は、わずかしか又は全く生じない。同様に、表示面１９０は好ましくは偏光保存スクリーンである。
【００４６】
ミラー１６０は光学システムのプレーン内にある必要はないことに留意すべきである。それ故、緑色チャンネルの光路内のミラー１６０は、プレーンの外にあって、投影レンズ２７０へ通過する光を遮らず、その他の点は図２に示唆されるだろう。追加的に、２色性コンバイナー１６５が１組の傾いたガラス板として示されるが、他の例示的構成が用いられてもよく、それにはＸプリズム６５（図１Ｂ）、Ｖプリズム、又は、フィリップス（又はPlumbicon）タイプのプリズム（図１Ａ）が含まれる。他の実施形態では、ミラー１６０は、例えば、しばしばフィリップス・プリズムやＤＬＰデバイスと共に組み合わせて使用され、広く使用されるＴＩＲ（トータル・インターナル・リフレクション）プリズムのようなプリズムの形態で供給される。
【００４７】
図２では、結像レンズ２００は多要素アセンブリとして表され、複数のレンズ要素２０５を含み、対物面の空間光変調器１７０ｒ、１７０ｇ、及び、１７０ｂを、高倍率（一般的には１００ｘ−４００ｘ）で画面（表示面１９０）上に直接に結像する。
【００４８】
図４は、結像レンズ２００の設計について説明し、その実施形態では、結像レンズ２００は２つの部分、即ち、リレーレンズ２５０と投影レンズ２７０とを含み、それぞれ、多数のレンズ要素２０５を含み、そのレンズ要素は有限共役で動作し、レンズハウジング２４０内にアセンブリされる。例えば、リレーレンズ２５０は設計され、空間光変調器１７０の対物面からＦ／６光を集光し結像し、その結果、実空間中間画像２６０を対応する画面に形成する。次に、この中間画像２６０は投影レンズ２７０の対物面であり、その投影レンズは離れた画面（表示面１９０）に中間画像の拡大画像を供給し、その画面は許容範囲内の焦点深度では名目上の画面である。即ち、空間光変調器１７０は中間画像２６０に対して画像共役であり、また、その中間画像は表示面１９０に対して画像共役である。
【００４９】
リレーレンズ２５０は好ましくは、１５０−２００ｍｍ又はそれ以上の、長い作動距離を供給し、空間光変調器１７０の近くで、２色性コンバイナー１６５とミラー１６０（図２）の間隔を与える。例示的なリレーレンズ２５０は、１ｘ又はそれよりやや大きい横倍率で、空間光変調器１７０を結像し、実中間画像２６０を供給し、そのサイズは３５ｍｍ映画フィルムのフレームの画像領域に相当する。その結果、投影レンズ２７０は、潜在的には、３５ｍｍフィルム画像を投影するように設計される従来の投影レンズであってよく、例えば、ドイツのバードクロイツナッハのSchneider-Kreuznachによって現在製造される投影レンズである。
【００５０】
図４に表される結像レンズ２００は図２のものより複雑に見えるが、実際は、図４のリレーレンズ２５０と投影レンズ２７０とは設計、製造がより簡易であり、低コストであり、従って、同等な統一された結像レンズ２００が現在業務用のＤＬＰシネマプロジェクタの中にみられる。一つには、高倍率で作動するときよりも、１ｘ近くの倍率で作動する間に長い作動距離を供給する方が簡易であるからである。追加的に、この手法は、中間画像２６０で又はその近くで、移動ディフューザのような脱スペックル器（デスペックラー）１８０の挿入に便利な場所を与えて、レーザの脱スペックルを可能にする。このシステムでは、脱スペックル器１８０は好ましくは、小型レンズアレイであって、まばらに配置される小型レンズを含み、その小型レンズは１つ以上の結像ピクセルのサイズを有する。脱スペックル器１８０を動作させると、投影レンズ２７０は好ましくはリレーレンズ２５０よりも明るいレンズ（〜Ｆ／３）である。
【００５１】
こうした背景から、実験用のレーザベースのプロジェクタ１０２が発明者によってアセンブリされテストされ、そのプロジェクタは、図２、３Ａ，及び、３Ｂに表された一般的な構成を有するが、リレーレンズ２５０、中間画像２６０、及び、投影レンズ２７０を備えた図４の結像レンズ２００を利用する。動作中、或るプロトタイプ版のシステムは、偏光コントラストの消失を示した。そうして、プロジェクタが低輝度出力（例えば３０００ルーメン）で動作するときは、青色チャンネルの偏光コントラストが〜４００：１又はそれ以上になるが、プロジェクタが脱スペックル器１８０が無い場合で〜６０００ルーメン以上のレベルで動作するときは、〜１００：１に低下し、脱スペックル器１８０が動作する場合で〜１５０：１に低下する。詳しくは、青色光がより高い吸収レベルを有するので、偏光の変化又は消失は、青色イメージに対して最も明らかだった。偏光の変化は、偏光識別グラスを着用した観察者に認識される、投影される立体視画像のクロストーク又はゴーストを発生した。このクロストークは、Real-Dにより提案されるゴースト補正デジタルポストプロセッシング法を用いて改善することができるが、本発明は、好ましいソリューションを与え、内部レンズ設計補正が使用され、そうした補正の必要性を除去する。
【００５２】
詳しくは、偏光コントラストは光レベルによって低下するので、このことは、問題は熱的に引き起こされる応力複屈折に起因するという知見と一致する。明らかになるように、或るソリューションを提供し、そのソリューションは、リレーレンズ２５０と投影レンズ２７０の設計において、光学的ガラスを選択的に使用することを含む。これらのレンズは両方とも、図４の実施形態で示されるように、一般的にはダブルガウスタイプのレンズである。基本的なダブルガウスレンズは、１８００年代にさかのぼり、C.F.Gaussによって、その後Alvan  Clarkがその原型を発展した。始めに、C.F.  Gaussは、フラウンフォーファー望遠鏡の対物を、その単一の凹凸レンズ設計にメニスカスレンズを付加することにより、改良した。その後、Alvan  Clarkは、これらの２つのレンズをとって、背中合わせに配して、ダブルガウス設計を得た。Paul  Rudolphは、米国特許５８３，３３６（特許文献１３）で説明されるように、これをさらに改良し、接合ダブレットを使用して、色収差を補正した。ダブルガウスレンズは、背中合わせになった２つのガウスレンズからなり、開口絞り付近に位置する２群のレンズ要素２０８を形成し、Rudolphにより実証されるように、２群のレンズ要素は同一であっても良い。
【００５３】
図５Ａは、従来技術のダブルガウスタイプの結像レンズ２００を表し、離れた画面（不図示）への光学軸１４５に沿って対物面１９５を結像する。一般的な基本形態では、それは、１組の内部の負レンズ要素２０６ｂと、外部対の正レンズ要素２０６aとからなり、その負レンズ要素は、開口絞り２３０の近くに位置するフリントタイプのガラスであり、その正レンズ要素は、クラウンタイプのグラスからなる。この例では、開口絞り２３０の一方の側と他方の側のレンズ要素設計（ガウスレンズアセンブリ）は同一ではない。
【００５４】
図５Bでは、グラスチャート２１０によって、クラウンとフリントのガラスの有意性が示され、それは“アッベ・ダイアグラム”であって、Schott  Glass,  Inc.によって公表された広く認識されたガラスチャートデータをプロットしている。クラウンガラス２１５は低い分散を有し（高いアッベ数vd>50で示される）、一般的には低い屈折率（nd）を有するが、フリントガラス２１７は比較的高い分散を有し（低いアッベ数  vd<50）、一般的にはより高い屈折率を有する。低フリント又は低クラウンは、中間的な分散特性を有し、中間的なアッベ数vd  〜５０の近くで見られる。また、図５Aでは、レンズ要素は、クラウンガラス２１５を用いて製造されるクラウンレンズ要素２２０、又は、フリントガラス２１７から製造されるフリントレンズ要素２２２の何れか一方として特定される。
【００５５】
ダブルガウス設計手法と、光学パワーを多数の要素にスプリットすることとの一般的な調和は、レンズシステムによって付与される光学収差を低減する。それは、今日使用される多数のカメラレンズの基礎を形成し、詳しくは、３５ｍｍ及び他の小型カメラの大口径の標準レンズである。完全に対称な設計は、コマ、ひずみ、及びTCA（横色収差又はラテラルカラー）を有しない。多数の設計の変形例が存在し、付加された追加レンズ要素を備え、又は、開口絞り２３０に関する非対称設計を備え、対称性は他の目的を達成するために犠牲になる。例えば、R.  Mercadoの米国特許４，７０４，０１１（特許文献１４）はダブルガウスタイプの写真のレンズについて述べるが、W.  Reinecke他の米国特許６，７９５，２５５（特許文献１５）は、フィルムからの投影画像のためのダブルガウスタイプのムービー・レンズについて述べ、さらに、同一出願人であるD.  DeJagerの米国特許５，１７２，２７５（特許文献１６）は、映画フィルムスキャニングに適用可能な複雑なダブルガウスタイプのレンズについて述べる。
【００５６】
図６Aは、第１の例示的投影レンズ２７０の設計を示し、その投影レンズは、２群のレンズ要素２０８を備えたダブルガウスレンズを有し、図４に示される結像レンズ２００の内部の投影レンズ２７０と類似する。投影レンズ２７０は、２つの内側負レンズ要素４０２と４０３とを有し、それらは開口絞り２３０の付近に位置付けられ、その開口絞りは、フリントレンズ要素２２２、Schott  SF1ガラスを用いて作られる負レンズ要素４０２、及び、Schott  SF2ガラスを用いて作られる負レンズ要素４０３である。また、投影レンズ２７０は、４つの外側正レンズ要素４００，４０１，４０４、及び、４０５を有し、それらは全てクラウンレンズ要素である。最も右にある最大の正レンズ要素４０５はOhara  S-BSM-10を用いて作られ、他の正レンズ要素４００，４０１、及び、４０４は、全て、Ohara  Glass  Inc.のOhara  S-LAM-60を用いて作られる。これらのガラスは、Schott  GlassのN-SK10及びN-LAF35にそれぞれ同等に近い。光線２３５は、投影レンズ２７０を通る光線の経路をトレースするよう示される。
【００５７】
図６Bは変調伝達関数（MTF）のプロット３００を示し、そのプロットは図６Aの例示的な投影レンズ２７０の広帯域MTF特性を表す。回折限界でないときは、MTFは結像領域にわたって、平均して５０ｃｙ／ｍｍで〜６５％であることが分かる。
【００５８】
図６Cは第１の例示的なリレーレンズ２５０の設計を表し、そのリレーレンズはダブルガウスレンズ設計の拡張版であり、図４に示されるリレーレンズ２５０に類似する。そのリレーレンズ２５０は、２群のレンズ要素２０８と視野レンズとを有し、そのリレーレンズは、空間光変調器１７０（対物面に位置付けられる）の中間画像２６０を（映像面で）形成するよう用いられる。このレンズ設計は、開口絞り２３０の周囲に位置付けられる１組の負レンズ要素４１２と４１３とを含み、それらはSchott  SF4ガラスを用いて作られたフリントレンズ要素２２２である。リレーレンズ２５０は、また、クラウンレンズ要素２２０である正レンズ要素４１０、４１１、４１４、及び、４１５の集合体を含む。正レンズ要素４１０と４１１は、Ohara  S-BAL25を用いて作成される。正レンズ要素４１４はOhara  S-LAM54を用いて作成され、さらに、正レンズ要素４１５はOhara  S-NSL3を用いて作成される。リレーレンズ２５０は、また、中間画像２６０近くに位置付けられる正視野レンズ４１６を含み、それはOhara  S-LAM54を用いて作成される。２色性コンバイナー１６５は、また、傾きの無い平面要素で表される。
【００５９】
図６Dは、図６Cのリレーレンズ２５０の光学特性をMTFプロット３００で表す。その光学特性は回折限界に近く、結像領域にわたって、５０ｃｙ／ｍｍで〜７９％の平均MTFを有する。
【００６０】
前述したように、従来の結像レンズ２００は、従来のリレーレンズ２５０（即ち、図６Cに示されるような）と従来の投影レンズ２７０（即ち、図６Aに示されるような）とを含み、適度に高いスクリーン輝度レベル（６，０００−１１，０００ルーメン）に対してレーザ光を表示面１９０に伝達する場合、低いスクリーンルーメンレベルでの〜４００：１の偏光コントラストと比較して、青色光偏光画像コントラストの〜１５０：１又はそれ以下への降下、及び、青色画像ゴーストを経験することが分かった。結像レンズアセンブリが存在しない場合、出力光の偏光コントラストの分離測定は、輝度レベルについてわずかな変化だけ示し、従って、リレーレンズ２５０と投影レンズ２７０とが主要な原因であることを確認した。特に、これらの測定は、青色チャンネル（４６５ｎｍ）偏光コントラストは〜１００：１に低下するが、緑色と赤色のコントラストレベルは高いままであった（〜３００：１）。まとめると、このデータは、偏光コントラストは熱により引き起こされる応力複屈折効果のため低下したことを強く示し、更に高いパワーレベルではより低下するだけであろう。大抵の光学ガラス（最も明白な石英ガラスを除き）が青色において高い吸収を経験するので、応力複屈折は、青色光吸収によって更に容易に引き起こされ得る。その結果、応力複屈折は、様々な程度で、異なる色チャンネルにおける画像品質に影響することがある。
【００６１】
熱により引き起こされる応力複屈折は、温度（T）によりガラス内に生じる屈折率の変化であり、多数のパラメータに機能的に依存し、そのパラメータには波長λ、ガラスの吸収（α）、ガラスの応力感受性（κ）、及び熱膨張の係数（ρ）を含む。また、それは、ガラスを通過する光の光強度（照射）やパワー密度（例えば、W／ｍｍ２、ｌｕｍｅｎｓ／ｍｍ２、又はｌｕｘの単位）の空間時間分布に依存する。
【００６２】
図７A−７Fは、例示的な光強度分布を表し、図２，３A、３B、及び、４に表されたプロジェクタ１０２の光学系を通過することができる。図３A及び３Bに表されるように、レーザ結合アセンブリ１２５は、多数の出力光ビーム１４０を生成し、それらは組み合わさってアパーチャ１３０を満たす、又は、部分的に満たす。レーザアレイ１２０の構造、即ち、そのレーザアレイはオフセットレーザエミッタ１２２の１つ以上の空間アレイを有することが可能であるため、表示される光ビーム１４０の内部の多数の個々の光ビーム１４０´が得られる。複数のレーザアレイ１２０からのビームを組み合わせることは、多数の個々の光ビーム１４０´を増加し、その多くは、アパーチャ１３０に到達する際に様々な光路長を横断している。個々の光ビーム１４０´が伝播すると、それらは統合し互いに中にオーバーラップする。光学システム内の位置に応じて、様々な個々の光ビーム１４０´によって横断される相対光路長と、光ホモジェナイザー、インテグレーター、又は、ディフューザー、幾つかの光ビーム１４０´、又は、レーザアレイ１２０のイメージ、又はそれらの組合せの使用とは、他の個々の光ビーム１４０´やそれらの組合せよりも識別可能であってもよい。その最終結果からは、光強度分布の断面が構造の変化する量を示すことができ、それは光学システム内部の場所に依存する。
【００６３】
この最後の点を説明するため、図７Aは光源アセンブリ１１５のアパーチャ１３０の近くのモデル化された光強度分布３２０を表し、そこでは最内部のレーザアレイ１２０からの個々の光ビーム１４０´は、最外部のレーザアレイからの光ビームよりもデフォーカスされる。図７Bは、スライス位置３２１で図７Aの光強度分布３２０を通る、２つの断面プロフィール３２２を示す。多数の光ビーム１４０´は互いに部分的にオーバーラップするだけで、オーバーラップの大きさは中心から端部まで異なるので、これらの光強度分布３２０は、空間的に一様であるというよりも、高度に構造化される。
【００６４】
図７Aに示されるのと類似するパターンは光学システムの至る所で再発生する。例えば、光インテグレーター１５５の角度遠距離場では（図３B）、類似するパターンの光強度分布３２６が図７Eに示されるように出現するが、積分バーの内部の複数の跳ね返りがそれをより複雑にしていた。設計意図によって、その積分バーは、名目上均一な光強度分布３２３を、図７Cの等高線図に示されるようにその出力フェースとして生成する。図７Dは、図７Cに示されるスライス位置３２４に対応して、対応する断面プロフィール３２５を示す。
【００６５】
次に、積分バーの出力フェースでの光強度分布３２３は再結像し、色チャンネルの空間光変調器１７０を照射する。リレーレンズ２５０（図４）は、空間光変調器１７０を再結像し、組み合わされた白色光画像（画像コンテンツに応じて）を実際の空間中間像２６０として形成し、その投影レンズ２７０は引き続き表示面１９０上に再結像する。リレーレンズ２５０と投影レンズ２７０の開口絞り２３０で、又は、その近くで、システム内に適応される光学拡散、又は、角度平均に応じて、高度に構造化された光強度パターンが現れ、図７Eの光強度分布３２６をエコーする。例えば、図７Fは、リレーレンズ２５０の開口絞り２３０の付近での例示的なモデル化された光強度分布３２７を示すが、図７Gは、投影レンズ２７０の開口絞り２３０の付近での例示的なモデル化された光強度分布３２８を示す（脱スペックル器１８０を含まずに）。
【００６６】
脱スペックル器１８０の使用は伝播する光が角度拡大されること、又は、投影レンズ内部で時空間的に平均化されること、又はその両方を可能にすることに留意する。その結果、投影レンズ２７０の開口絞り２３０で、又は、その近くでの光強度分布３２０の微細構造は、輪郭がはっきりしていないかもしれないし、時間的に静止していないかもしれない。それでも、リレーレンズ２５０と投影レンズ２７０の内部のレンズ要素２０５は、高い光学パワー密度を有する通過光を経て、特に開口絞り２３０の付近では、光強度分布３２６と３２７が、光強度分布の微細構造内の多数のピークに集中する光を有することができる。これらの光エネルギーの集中は、熱により生じる光学的な応力複屈折を、これらのレンズアセンブリの至る所で発生させるが、特に、開口絞り２３０近くのレンズ要素２０５においてである。
【００６７】
複屈折を理解する更なる背景として、光の伝播が波動方程式によって記述でき、式（３）を含み、その式は、平面偏光波Ψ（ｘ、ｔ）を距離ｘと時間ｔとの関数として記述し、A（ｘ、ｔ）は振幅関数であり、φ（ｘ、ｙ）は外乱の位相である：
【００６８】
【数３】
2013531807.tif 000005
伝播波の位相は以下のように記される：
【００６９】
【数４】
2013531807.tif 000006
ここで、ωは時間に関する位相の変化率であり、ｋは距離に関する位相の変化率であり、ｖは波の速度である。値ωは各周波数としても知られ、ω＝２π／ν、値ｋは伝播数であり、ここで、ｋ＝２π／λ０である。自由空間内の光の周波数νと波長λ０は、光の速度、ｃ＝λ０／νによって関連づけられる。
【００７０】
光が光学材料に入り横断すると、入射角、媒体に対する入射角の偏光方向、その光学材料の屈折率ｎ、及びその材料の厚さに応じて、変化する反射率と位相変化Δφを経験することができる。フレネルの式は、表面反射又は伝達をモデル化し、式（３）の振幅項に影響する。材料又は媒体の屈折率は、基本的には、その媒体中の速度ｖに対する真空中の光の速度ｃの比である（ｎ＝ｃ／ｖ）。式（４）への代入は屈折率に関して位相を表す：
【００７１】
【数５】
2013531807.tif 000007
一定屈折率の等方性物質でも、その物質の光路長（ｄ／ｎ）は或る角度から他の角度へ変化するので（ｄはその物質の厚さ）、差分位相変化Δφは異なるビーム伝播角を横切って発生する。しかし、複雑な構造の例、例えば複屈折物質では、回転と楕円率の差分量が伝達する光の中に発生し得る。それ故、差分位相変化Δφは、入射光の角度及び偏光状態に応じて発生する；（Δφ＝Δφｓｐ＝φｐ−φｐ）。この用語において、“ｓ”及び“ｐ”は、光の電界ベクトルが、或る平面への入射面と垂直に振動するか（ｓ−偏光）、又は、電界ベクトルが、入射角の全体範囲にわたって、入射面と平行に振動する、ｐ−偏光であるかどうかを表す。
【００７２】
複屈折物質は偏光に関して非等方性物質である。即ち、複屈折は屈折率の方向性変化（Δｎｓｐ＝ｎｓ−ｎｐ＝ｎｘ−ｎｙ）であり、固有の物質特性、複屈折性のサブ波長構造、又は、発生される機械的応力によって供給され得る。遅延特性は結果的に生じる位相変化Δφであり、距離（R＝Δφλ）として表現され、その位相変化Δφ（ｘ、ｄ、λ）＝２πｄ（Δｎ／λ）である。例えば、π／２（即ち９０°）位相変化Δφが適切に方向付けられた複屈折要素（波長板）によって供給され、その複屈折要素は４分の１の波の遅延特性を有し、それは５５０ｎｍで〜１３８ｎｍの遅延特性に等しい。
【００７３】
特に、均一な温度のアプリケーションは、接合要素のような光学部品の機械的応力σにおける変化を生じ、その変化は、その要素及び／又は取り付け物質の間の熱膨張係数の不一致に起因する。温度勾配は、前述した光強度分布微細構造に関連づけられるように、単一の均一な要素内に応力も引き起こす。製造又は加工プロセスの間に与えられる残留応力、又は、圧力荷重、慣性荷重、又は振動荷重の応力の状態は、光学要素内に複屈折を発生させ得る。本質的に、機械的に引き起こされたものであれ残留であれ、応力の影響は、光学素材の屈折率を変化させるだろう。
【００７４】
この例では、プロジェクタ１０２のリレーレンズと投影レンズの内部の充分な温度のアプリケーションは、特に局所的領域では、熱により引き起こされる光学応力複屈折を生じる。引き起こされる複屈折差は、２つの空間近接位置の間の、主な機械的応力、又は、応力テンソルの引き起こされる差、Δσ１，２＝（σ１（ｘ、ｙ、ｚ）−σ２（ｘ、ｙ、ｚ））に直接的に比例し、式（６）で与えられる；
【００７５】
【数６】
2013531807.tif 000008
ここで、κは物質の応力光学係数であり、ｍｍ２／Nの単位で与えられ、引き起こされる機械応力σは一般的にはN／ｍｍ２（即ちMPa）の単位で与えられる。引き起こされる応力σ、又は、同等に引き起こされる応力複屈折Δｎは、加熱により発生する物質温度変化に関して記述され得る：
【００７６】
【数７】
2013531807.tif 000009
ここで、ΔTは引き起こされる温度変化である。この式では、ρは熱膨張係数（CTE）であり、それは室温範囲のガラスの係数であり、一般的には１０−６／０Kの単位で与えられる。変数Eはヤング係数であり、等方性弾性物質の剛性の尺度であり、しばしばN／ｍｍ２の単位で与えられる。ポアソン比、無単位変数μは、ストレイン（伸張又は収縮）に対する、物質の直交応答の測定基準（メトリック）である。
【００７７】
引き起こされる温度変化ΔTは光吸収に関連することができる。振幅関数A（ｘ、ｔ）は拡張することが可能で、光吸収αへの依存性を示す：
【００７８】
【数８】
2013531807.tif 000010
ここで、A０は初期振幅である。これはベールの法則につながり、光吸収の指数表現を記述する：
【００７９】
【数９】
2013531807.tif 000011
ここで、I(X)はW／ｍ２単位の光強度（又は放射）であり、I０は初期光強度である。
【００８０】
ボリューム発熱Q(x)が以下に示され、単位はW／ｍ２であり、物質の厚さｘ内に吸収される光から得られ、光強度I(x)、内部透過率ｔi、又は、吸収係数αの関数として表される：
【００８１】
【数１０】
2013531807.tif 000012
熱伝導法則、即ち、フーリエ法則は、一次元形態では、ｑｘ＝−KｄT／ｄｘによって与えられ、ここでｑｘはW／ｍ２の局所的な熱流束であり、Kは熱伝導率（単位W・ｍ−１・K−１）である。熱伝達と平衡（安定状態）は、光学構造の熱伝導、対流、及び、放熱に依存するが、温度勾配や変化を決定する際に、しばしば伝導が最も重要な要因であることに留意する。また、ガラスを含む大抵の物質の熱伝導率Kは、広い温度範囲にわたってかなり一定である。フーリエの法則は統合されることができ、或る領域に影響を与える温度ΔTの変化を光吸収から導出する：
【００８２】
【数１１】
2013531807.tif 000013
ここで、Lは光学要素の軸の厚さである。
【００８３】
式（１１）を式（７）に代入することで、引き起こされる応力複屈折を入射する光強度と物質吸収に結びつける：
【００８４】
【数１２】
2013531807.tif 000014
この式は、本発明に有益な幾つかの性能指数、メトリック（ス）を示す。第１の熱応力複屈折メトリック：
【００８５】
【数１３】
2013531807.tif 000015
は、物質（ガラス）だけの応力複屈折メトリックであり、候補のガラスを選択するのに有益となりうる。第２の強度重み付けされた熱応力複屈折メトリック：
【００８６】
【数１４】
2013531807.tif 000016
は、光学要素への光強度（即ち、光学パワー密度）入射（I０）と、光学要素の軸の厚さ（L）とを計算に入れるので、有益である。
【００８７】
式（１２）では、距離ｘは物質内部の位置であって、式（９）で与えられる強度と式（１１）で与えられる温度変化とが、位置の関数として、応力複屈折Δｎの局所的変化を生ずるという事実に関連する。メトリックスM1又はM２にｘを含むことは、様々なレンズ要素のガラス選択に関して、少しだけの洞察を与えるだろう。
【００８８】
中間的な熱応力複屈折メトリック、M３＝M１・Lは、より薄いレンズ要素（厚さLよりも小さい）が、より高いM１の値を許容することができることを示す。しかし、後に分かるように、M１とI０の変動は、その選択と設計プロセスを特徴付ける傾向がある。
【００８９】
第２のメトリックM２は、レンズ要素２０５の中に存在するパワー密度を計算にいれ、そのパワー密度は、リレーレンズ２５０と投影レンズ２７０のレンズアセンブリを介して変化し得る。レンズ内の光強度分布が示すように（図７A−７E参照）、最高光強度を有する微細構造は開口絞り２３０の近くで発生する。その結果、発明者は、ガラスの選択は、これらの領域内のレンズ要素に対して最も重要であることを発見した。それ故、ピーク光強度（I０）が合理的に推測できる場合は、強度重み付けされた熱応力複屈折メトリックM２は有用であることが判明した。
【００９０】
発明者は、有限要素分析（FEA）を用いて、図６Aの投影レンズ２７０内の光吸収から、温度により引き起こされる応力を熱力学的にモデル化した。このモデル化は、投影レンズ２７０の開口絞り２３０に最も近い負レンズ要素４０２と４０３を通過する光学的流束レベルが、最も外側の正レンズ要素４００と４０５を通過する光レベルよりも８ｘ（又はそれ以上）高くなり、ΔTの局所的な温度変化を〜５℃にするということを示した。今度は、これらの局所的温度変化は機械的応力、及び、複屈折の屈折率変化Δｎを生じる。
【００９１】
こうした背景により、図８A−８Dで与えられる表は、主要なパラメータとともに、現在のガラスの種類に関するデータを名前で与え、そのパラメータには、それらの屈折率ｎｄ、アッベ数νｄ、内部透過率ｔi、吸収α（α＝−ｌｎ（ｔi）／ｘ）、応力光学係数κ、熱伝導率K、熱膨張係数（CTE）ρ、ポアソン比（μ）、ヤング係数（E）、及び、ガラスだけの性能指数M１を含む。吸収係数値（α）は、λ＝４６０ｎｍでの内部透過率の値を用いて計算された。他の評価波長を使用することもできるが、大抵のガラスはUVから青色までのスペクトル範囲での内部吸収の増大を経験し、従って、緑色や赤色のスペクトル範囲に比べて、応力複屈折の可能性を増大した。図８Aは、低い応力複屈折感受性をもつガラスの集合に対して、様々なガラス特性を示す。図８Bは、中程度（適度な）及び高い応力複屈折感受性をもつガラスの集合に対して、同じ特性を示す。図８Cと８Dは、それぞれ、図８Aと８Bのガラスに対して、熱応力複屈折メトリックスM1’、M1’’、及び、M１の計算値を示す。
【００９２】
図８A−８Dの表は、SchottとOharaのガラスカタログを組み合わせて、入手可能なガラス（＜１５％）の部分集合を示し、低い熱により引き起こされる応力複屈折に対して有利な特性を有する、ガラスの不均衡な配分を特徴づける。最も一般的なガラスの１つである、Schott  BK-7ガラスは、性能指数M１の充分に低い値（〜０．５１ｘ１０−６W−１）を有するが、新しい無鉛ガラス（例えばN-SF2やN-SF4）はそれらが置き換える元のガラス（SF-2やSF-4）よりも高いM１値を有する傾向がある。図８A−８Dの表は、Schott又はOharaのガラスだけを含むが、他のメーカーから入手可能な代替的又は同等のガラスが分析され設計に適切に使用されることも可能である。
【００９３】
図８A−８Dの表のガラスは、また、それらがクラウン又はフリントであると考えられるかどうかに応じて、識別される。このガラスメトリックによって、熱により引き起こされる応力複屈折を最小化することに関して、最も良好な可能性のガラスは、引き続き、石英ガラス（Schott  Lithosil-Qによって代表される）とSchott  SF-57（又はその同等物、例えばOhara  PBH56）であり、なぜならそれらは非常に低い又は無視できるほどの熱応力複屈折メトリック値（M1＜０．１ｘ１０−６W−１）を有するからである。これらのガラスはSchmidtその他により示されたガラスと同じものである。入手可能なガラスのあらゆる種類をほぼ網羅するこの表を分析すると、ガラスだけの熱応力複屈折メトリックM１は２５，０００：１の範囲にわたって、最良のガラス（Lithosil;  M１〜０．００１ｘ１０−６W−１）から最悪のガラス（Ohara  S-NPH2;  M１〜２８．５ｘ１０−６W−１）まで変化する点に留意する。とりわけ、石英ガラス、SF-57、及び、PBH56を含む、無視できるほどの応力複屈折感受性を有するガラス群（M1≒０．００１ｘ１０−６W−１から０．０５ｘ１０−６W−１まで）から、最良の低い応力複屈折感受性を有するガラス群、例えばSchott  LLF1やOhara  S-NSL36のようなガラス（M1≒０．３６ｘ１０−６W−１から０．４６ｘ１０−６W−１まで）まで、M１の値には〜８ｘ又はそれ以上の飛躍が存在する。
【００９４】
また、図８C−８Dの表は、２つの構成性能指数メトリックM１’とM1’’とを含む。第１の構成性能指数はM１’＝ρκαであり、主要なパラメータのみからなる：熱膨張係数（ρ）、応力光学係数（κ）、及び吸収係数（α）、それらの値は、様々なガラスの中で、それぞれ、〜３０ｘ、〜２００ｘ、及び、〜９５０ｘで広く変化する。第１の構成性能指数M１’に関して、石英ガラスは、その吸収とCTEがともに非常に低いので、最小の値を有するが、SF-57とPBH56はその応力光学係数が低いので良好である。同様に、ガラスだけの熱応力複屈折メトリックM１に関して最悪なガラスは、Schott  N-SF4とOhara  S-NPH4であり、同じく、第１の構成性能指数M１’に関しても最悪であり、Lithosil  石英ガラスよりも６，０００−１２，０００倍大きい値を有する。
【００９５】
しかし、レンズ設計のガラスを選択するため、低い又は中程度の応力複屈折感受性を有するガラスの中で、正確に識別することは重要である。幾つかの物質特性、即ち、ポアソン比μ、ヤング係数E、及び、熱伝導率Kは、すべて、〜２−２．５ｘの制限範囲内で個別に変化し、従って、ガラスだけの熱応力複屈折メトリックM１に二次的な影響を与える点に留意する。しかし、レンズ設計のガラス選択に際しては、こうした二次的な要素は重要になり得る。従って、図８C−８Dの表は、ちょうどこれらの項の二次的な構成性能要素M1’’も示し、M1’’＝E／（K（１−μ））、かつ、M1=M1’・M1’’である。
【００９６】
二次的な構成性能要素M1’’のデータ列をみるときには、石英ガラスは再び良好であることが留意され、それはポアソン比μと熱伝導係数Kが有利な値を有するからである。しかし、Ohara  S-NSL36,  Ohara  S-NSL-3,  Schott  LF-5,  及び、Schott  LLF1のようなガラスは、他のガラスに対して、比較的有利である、というのも、それらのM1’’の値は、最も不利なガラスよりも２−３ｘ低いからである。それ故、M1の代わりにM1’を使用することは、低い又は中程度のM1値に関する不正確な応力感受性表示を与え、潜在的に、レンズ設計の間に良好でないガラスを選択することにつながることがある。
【００９７】
図９Aと９Bに示される添付の表は、第１の例示的な設計、即ち、図６Aの投影レンズ２７０及び図６Cのリレーレンズ２５０の中のレンズ要素に対して、それぞれ、強度重み付けされた熱応力複屈折メトリックM2の推定値を与える。それぞれの表では、レンズ要素は、図６Aからのレンズ要素部品番号で識別される。両方の表で、ガラスだけの熱応力複屈折メトリックM１の値は、図８A−８Dの表で与えられる値に対応して、各レンズ要素に対して与えられる。M1の合計が、各レンズアセンブリに対して与えられる。強度重み付けされた熱応力複屈折メトリックM2を推定する際には、軸の厚さの値（L）がレンズ要素群に用いられるが、所定のレンズ要素群の横断開口部の平均レンズ厚さのような代替的な値が代わりに使用され得るだろう。その表は、各要素上の正規化されたパワーロードの値も含み、その値はW／ｍｍ２又luxの単位のモデル化された推定の光学的パワーロードに基づく。そして、強度重み付けされた熱応力複屈折メトリックM2が、その正規化されたパワーロードを用いて、各レンズ要素に対して推定される。M2の合計が各レンズアセンブリに対して与えられる。
【００９８】
図６A−６Bの第１の例示的な投影レンズ設計は、画像品質優先で設計され、熱により引き起こされる応力複屈折は無視されないが、二次的考察として取り扱われる。従って、図９Aの表は、複数のガラスを含むガラスの１セットを示し、そのガラスはすべて完全に、ガラスだけの熱応力複屈折メトリックの中程度の範囲（平均で、M1〜１．０ｘ１０−６W−１）の中にある。この設計で用いられるガラスは、無視できるほどのM１値を有する如何なるガラス（例えばPBH56や石英ガラス）も、又は、非常に高いM１値を有する如何なるガラス（例えばSchott  N-SF2やN-SF4）も含まない。様々な要素は同程度の熱応力複屈折メトリックM１値を有し、最高印加パワー密度は、空間光変調器１７０に最も近いレンズ要素４００−４０２で発生するので、強度重み付けされた熱応力複屈折メトリックM2の合計はレンズ要素４００−４０２によって決定付けられる。
【００９９】
図１０Aは第２の例示的な投影レンズ２７０を表している。図６Aの第１の例示的な投影レンズと同様に、このレンズは、一般的には、２つの群のレンズ要素２０８を有する古典的なダブルガウス形状であり、開口絞り２３０付近に４つの内側の負レンズ要素４２２，４２３，４２４、及び、４２５を有し、さらに、４つの外側の正レンズ要素４２０、４２１、４２６、及び、４２７を有する。このレンズは、熱応力複屈折を低減することを優先に設計され、それ故、全てのレンズ要素は、石英ガラスのレンズ要素４２８又はOhara  PBH56のレンズ要素４２９のどちらかである。特に、その４つの内側のフリントガラスレンズ要素４２２，４２３，４２４、及び、４２５は、非常に低い応力を有するOhara  PBH56を用いて作られ、その４つの外側のクラウンガラスレンズ要素４２０，４２１，４２６、及び、４２７は、最小吸収のクラウンガラス、石英ガラスを用いてすべて作られる。
【０１００】
図８A−８Dを考慮する際には、Schott  SF57のガラスとOhara  S-FSL-5が、Ohara  PBH56の〜１／２の、ガラスだけの熱応力複屈折メトリックM１の値を有することに留意する。しかし、他の考慮が設計の選択に影響する。特に、Schott  SF57タイプは供給が少ないが、一方、PBH56は容易に相当大量に入手できる。さらに、Ohara  S-FSL5ガラスは非常に高価であり（BK7の約１３倍）、ステインの高感受性に関してはあまり望ましくない。
【０１０１】
図１１Aの表は、図１０Aの第２の例示的な投影レンズに対する、熱応力複屈折メトリック値を示す。この配置構成は、大きく低減したM1性能指数を有し、図６Aの第１の例示的な投影レンズよりも、〜３５倍小さい値（図９Aの表に比較して）であることがわかる。しかし、図１０BのMTFプロット３００から分かるように、図１０Aの第２の例示的な投影レンズが６つではなく８つのレンズ要素を有しているにもかかわらず、画像品質は相対的に劣化した。特に、図６Bについて前述したように、第１の例示的な投影レンズは、結像領域にわたって５０ｃｙ／ｍｍで〜６５％のMTFを供給する。比較すると、図１０Aの第２の例示的な投影レンズは軸上の〜６８％のMTFを供給するが、平均して、許容できない軸外の３２％のMTFとなる。その軸外のMTFは、第１の例示的な投影レンズで達成されるもののたった半分である。
【０１０２】
同様に、図１０Cは第２の例示的なリレーレンズ２５０を表し、熱により引き起こされる応力複屈折の感受性を低減することに高い優先順位をもって設計された。特に、レンズ要素４３０−４３６の全ては、無視できるほどのM１値を有し、石英ガラスのレンズ要素４３７か、又は、SF-57のレンズ要素４３８のいずれかである。このレンズは、ダブルガウスタイプのレンズにより弱く類似する点を除き、図６Cのリレーレンズ２５０の一般的配置構成と同じである。しかし、図１０Aの投影レンズ２７０と同様に、開口絞り２３０の近くに位置する２つの最内側のレンズ要素４３２と４３３は負レンズであって、低応力フリントガラス（この例ではSF-57）を用いて作られる。外側のレンズ要素４３０、４３１、４３４、及び、４３５は、低吸収クラウン石英ガラスを用いて作られる。追加的に、中間画像２６０の近くに位置する視野レンズ要素４３６はSF-57を用いて作られる。
【０１０３】
図１１Bは、表を示し、その表は、図１０Cの第２の例示的なリレーレンズに対する熱応力複屈折メトリックM１とM２の値を与える。それらを図９Bで与えられる値と比較すると、図６Cの第１の例示的なリレーレンズよりも、ずっと低い（〜９０倍）ことが分かり、熱により引き起こされる応力複屈折の予想される感度が大きく低減することを示している。しかし、図１０Dの対応するMTFプロット３００によって実証されるように、図１０Cの第２の例示的なリレーレンズの画像品質は、図６Cの第１の例示的なリレーレンズと比べて、劣化した。特に、図６Dが第１の例示的なリレーレンズに対して、結像領域にわたって、５０ｃｙ／ｍｍで〜７９％のMTFを示した一方で、図１０Dは、第２の例示的なリレーレンズが軸上の〜７１％のMTF、及び、軸外の平均〜５６％のMTFしか供給しないことを示している。
【０１０４】
これらの結果は、良好な画像品質と低い熱により引き起こされる応力複屈折の双方を実現することに同等の優先度を与え、バランスの取れた設計手法が投影レンズとリレーレンズの双方の設計に有利であることを示している。図１２Aは、第３の例示的な投影レンズ２７０の設計を表し、バランスのとれた設計の強調が良好な画像品質と低い熱により引き起こされる応力複屈折の双方に与えられるという点で先行のものとは異なる。図６Aと１０Aに示される第１及び第２の例示的な投影レンズと同様に、この投影レンズの外観は２つの群のレンズ要素２０８を有する古典的なダブルガウス形状であるが、開口絞り２３０の左にある大きな負メニスカスレンズ要素４４２を除き、フリント（PBH56）の代わりにクラウン石英ガラスレンズ要素４４６であり、このレンズタイプの古典的な形状と逆行する。小さい負メニスカスレンズ要素４４３はフリントガラスPBH56のレンズ要素４４７である。しかし、他のレンズ要素、４つの外側のクラウンレンズ要素４４０、４４１、４４４、及び、４４５は、石英ガラスやPBH56のレンズ要素ではなく、Ohara  S-LAL18のレンズ要素である。
【０１０５】
このレンズシステムの設計を始める際には、Ohara  S-LAL18のような高指標、弱クラウンガラスがこれらの外側要素には有用であり、図１０Aの第２の例示的な投影レンズに対して、改善されたMTF性能を供給し、一方で、図６Aの第１の例示的な投影レンズに対して、改善した熱応力複屈折性能を供給する。候補となる高指標、弱クラウンガラスの中では、他のガラス、例えば、Ohara  S-LAL8（M１＝１．１５ｘ１０−６W−１）,  Ohara  S-LAL54（M１＝１．３１ｘ１０−６W−１）,  又は、Ohara  S-LAL61（M１＝１．５６ｘ１０−６W−１）,  又は、Ohara  S-LAH66（M１＝１．０９ｘ１０−６W−１）のような高指標、弱フリントガラスと比較して、Ohara  S-LAL18が利用可能な、最小のガラス単独熱応力複屈折メトリックM１値（M１＝０．７２６ｘ１０−６W−１）を有する。
【０１０６】
図１２Bは、図１２Aの第３の例示的な投影レンズ２７０のMTFプロット３００を表している。そのMTFは、全てのフィールド点で、５０ｃｙ／ｍｍで、平均〜５９％となる。画像品質は第１の例示的な投影レンズと全く同じほど良好ではないが（図６B参照）、第２の例示的な投影レンズにより供給される性能よりずっと良好である（図１０B参照）。
【０１０７】
図１３Aと１３Bの添付の表は、これらの第３の例示的な投影レンズ及びリレーレンズの設計に対して供給され、熱応力複屈折メトリックM１とM2の計算値を与える。これらの表は、投影レンズ２７０とリレーレンズ２５０に対する２つの代替的な設計の表と比較することができ、それらは図９A−９Bと図１１A−１１Bで与えられ、そうして、応力複屈折の低減、対、向上された画像品質の供給に関して異なるトレードオフを検討する。
【０１０８】
図１３Aの表は、ガラス単独の熱応力複屈折メトリックの合計がM1＝２．９５ｘ１０−６W−１であることを示しており、それは図６Aの第１の例示的なレンズの値よりも〜２倍小さい（図９A参照）。また、この表は、レンズ要素の厚さと入射光強度を考慮した、強度重み付けされた熱応力複屈折M２が、さらに大きく、３倍の向上に近づいていることを示している。最内側のレンズ要素４４２と４４３は、最も高い熱負荷を受けるが、それらのM１値はとても低いので、M２値は入射光強度が考慮されてさらに低いままである。その結果、最小のコントラスト損失がこれらの要素から期待される。外側のレンズ要素４４０，４４１、４４４、及び、４４５はより高いM１値を有するが、それらのパワー負荷はずっと小さく、それらのM２値は抑制される。
【０１０９】
図１３Aのデータを図９Aのデータと比較すると、応力複屈折に関するレンズ設計、特に、レンズ要素４４４に関して、改良するための更なる機会が示唆される。このレンズ要素が低いM１値のガラスを用いて作られる場合は、応力複屈折の感受性はある程度にまで改善することができるだろう。石英ガラス又はPBH56の使用は確かに応力複屈折に役立つだろうが、それらの分散特性は画像品質に対してネガティブな影響を与えるだろう。代替的に、ガラスチャート（図５B）の中央付近のガラス、例えば弱クラウン又は弱フリント、は、中間の分散と低い応力複屈折特性の両方を有し、この要素に使用することができ、応力複屈折を低減する間に、色収差をバランスするのに役立つ。
【０１１０】
一例として、低い指標（ｎｄ＝１．５１７）の弱クラウンガラス（νｄ＝５２．４）、例えばOhara  S-NSL36が代わりに使用されることが可能で、それは、高い指標（ｎｄ＝１．７２９）の弱クラウンガラス（νｄ＝５４．７）Ohara  S-LAL18  （M１＝０．７２６ｘ１０−６W−１）よりも小さいガラス単独の熱応力複屈折メトリック（M１＝０．４６３ｘ１０−６W−１）を有する。このことは有用であり、現在の第３の例示的な投影レンズに比べて、M2について応力複屈折の感受性を２５％潜在的に低減する。同様に、他の隣接するガラスも、例えば、Ohara  −BAL-11（低い指標のクラウン、ｎｄ＝１．５７２、νｄ＝５７．７、M１＝０．５２９ｘ１０−６W−１）,  Schott  LLF-1（低い指標の弱フリント、ｎｄ＝１．５４８、νｄ＝４５．８、M１＝０．３７５ｘ１０−６W−１）,  又は、Schott  LF5（低い指標のフリント、ｎｄ＝１．５８１、νｄ＝４０．９、M１＝０．４５３ｘ１０−６W−１）は全て比較的低いガラス単独の性能指数値（M１＜０．５３ｘ１０−６W−１）を有し、有利に使用されることができる。しかし、これらのガラスはOhara  S-LAL18より低い屈折率を有するので、レンズ要素４４４の形状、又は、そうした変化が適応された如何なるレンズ要素の形状も、同じ光学パワーを伝えるのに恐らくはより難しくなり、また、より多い収差を導くことがある。当然のことながら、そうした代用は、更なる設計最適化を招くこと無くなされ得ず、恐らくは、他の要素に対する補正ガラス変化を含む。例えば、別のレンズ要素がレンズ要素４４４と４４５の間に必要とされても良い（図１２A）。
【０１１１】
図８、１１Ａ、及び、１３Ａを考慮する際には、レンズ設計のガラスを選択するための閾値が提案され、そのレンズ設計では、応力複屈折の感受性は低いか又は無視できるほどでなければならない。詳しくは、低い熱により引き起こされる応力複屈折メトリック値（例えば、M１≦０．８０ｘ１０−６W−１）を有するガラスの選択を制限する、ガラス選択制限を適応することは、多くのケースで有益である。この制限は、石英ガラスやPBH56のような無視できるほどのＭ１ガラスを含むだけでなく、ガラスチャート中段の低指標の弱フリント又はクラウン（例えばLLF1,  S-NSL36）や他の同様のガラス（LF5,  S-BAL11）と一緒に、BK7（最も一般的に使用されるガラス）をも含む。それは、また、高指標、ガラスチャート中段のガラス（S-LAL18,SLAL7）M１=０．７３６ｘ１０−６W−１、高指標のフリント（SF6）、中指標のフリント（F2）、及び、色補正の有効な部分的分散特性を有する２つのガラス（N-PK52A及びN-FK51A）を含む。確かに、ガラスチャート中段に位置し、高い（ｎｄ＞１．７０）又は低い（ｎｄ＜１．６０）反射率を有するが、さらに低い応力複屈折感受性（例えば、M１〜０．２ｘ１０−６W−１）を有する、新しい光学ガラスの開発はこのクラスの設計問題にとても役に立つだろう。
【０１１２】
熱により引き起こされる応力複屈折が高い優先順位を有するレンズ設計のために、本発明者は、開口絞り２３０（例えば、図１２Ａのレンズ要素４４２と４４３）に最も近いレンズが無視できるほどの熱応力複屈折メトリックＭ１値（例えば、M１≦０．１ｘ１０−６W−１）を有するガラスを用いて作られる場合、有利な結果が得られることを発見した。小さい開口部（半径サイズ）を有する他のレンズ要素、又は、高パワー密度を受ける他のレンズ要素（一般的には、図１２Ａのレンズ要素４４１と４４４のような、開口絞り２３０から外側のレンズ要素の次のグループ化において）、又は、小さい対象に近い視野レンズ（例えば、図１２Ｃのレンズ要素４５６）は、これらの同様の無視できるほどのＭ１ガラスの使用から利益が得られるだろう。しかし、画像品質の最適化が他のガラス選択を動機付けする場合には、ガラスの選択を広げ、低いＭ１値のガラス（例えば、０．１ｘ１０−６W−１≦M１≦０．８ｘ１０−６W−１）を含むことは、たいへん有益である。より小さいパワー密度の照射に晒されるレンズ要素には、ガラス選択リストは更に緩和されることが可能で、例えば、追加的な適度のＭ１値のガラス（例えば、０．８ｘ１０−６W−１≦M１≦１．６ｘ１０−６W−１）を含む。この閾値はそのリストを拡張し、幾つかの高指標のフリントガラス（例えば、SF1,SF2,SF4）や高指標のガラスチャート中段のガラス（例えば、LAH-66,LAM60,LAL54,及び  LAL61）を含むので、レンズ設計の自由度はかなり広げられる。幾つかの例では、これらの同様の中程度のＭ１ガラス（０．８ｘ１０−６W−１≦M１≦１．６ｘ１０−６W−１）が、画像品質において相当な改善をもたらすと認められる場合は、より高いパワー密度を受けるさらに内部のレンズに使用されることができる。しかし、熱応力複屈折レベルを低く維持するため、そうしたレンズ要素の厚さ（Ｌ）は一般的には小さく維持されるべきである（例えば、数ミリメータ）。より制限的な低Ｍ１閾値（M１≦０．８０ｘ１０−６W−１）を使用することは、ガラスチャートの８５％以上を考慮から除外するが、より制限的でない中程度のＭ１閾値（M１≦１．６０ｘ１０−６W−１）を使用することは、ガラスの約６０％（現在のSchott及びOharaガラスカタログに対して）を除外する。明らかに、レンズ設計者は、画像品質要件を満足するためにM１＞１．６０ｘ１０−６W−１のガラスを選択することでき、特に、低いパワー密度を受けるレンズ要素にいえるが、しかし、これは、増加した熱応力複屈折感受性のコストが高くつくだろう。
【０１１３】
図１２Ａで示されるように、第３の例示的な投影レンズ２７０の処方は図１４Ａの表で与えられ、半径（レンズ形状又は曲率）のデータ、厚さ、及び材料が含まれる。全てのレンズ表面は、非球面、円環状、又は円筒状よりも球面の形状を有する。潜在的には、１つ以上のレンズ要素の、回転対称な非球面の使用は、より大きな設計の自由度を与え、そうして、より多くのレンズ要素が、画像品質を維持しつつ、低い熱応力複屈折感受性のガラス（例えば、M１≦１．６ｘ１０−６W−１の代わりにM１≦０．８０ｘ１０−６W−１）を用いて作られ得る。
【０１１４】
非球面係数のようなパラメータは、Code  VやZemaxのようなレンズ設計プログラムにおいて非球面を記述するのに一般的に使用され、さらに、“Lens  Design  Fundamentals”R.Kingslake  著(Academic  Press,  New  York,  1978)のような光学テキストで説明される。非球面は、通常は、レンズシステムの単色性の収差に対して改善（大きさの低減）を可能にする。しかし、非球面形状の使用は、レンズシステムの光学パワーを再分配することにより、同様に、色収差を間接的に改善することができる。そうした表面は、上述の伝統的なダブルガウスレンズ形態から逸脱する解決法をもたらしても良い。それ故、非球面の使用は、結像レンズ、又は、図１２Ａの投影レンズ２７０を含むレンズシステムの代替的な設計を可能にし、潜在的には、より良い画像品質特性と、低い熱応力複屈折感受性のための良好なガラス選択との両方をもたらす。例えば、第３の例示的な投影レンズの設計において、１つ以上の非球面を使用することは、Ｍ２値に従って高いパワー負荷を受けるレンズ要素４４４が、前記提案の収差補償レンズ要素の必要なく、より高い応力のOhara  S-LAL18ガラスから、低い応力のOhara  S-NSL36ガラスへスイッチされることを可能にするだろう。
【０１１５】
図１２Ｃは、第３の例示的なリレーレンズ２５０を表し、そのリレーレンズは、低い応力複屈折感受性と、良好な画像品質の両方を実現することに関して、バランスの取れた優先度で設計された。この第３の例示的なリレーレンズは、図６Ｃ及び１０Ｃの第１及び第２の例示的なリレーレンズと同様の一般的な構成を有するが、図１０Ｃのレンズよりも、古典的なダブルガウスタイプのレンズに類似している。このレンズシステムでは、開口絞り２３０の近くに位置する２つの最も内側のレンズ要素４５２と４５３は、低応力のフリントガラスPBH56を用いて作られた負のPBH56レンズ要素４５７である。画面又は中間像２６０の近くの視野レンズ要素４５６も、PBH56レンズ要素４５７である。レンズ要素４５１は低吸収のクラウンガラスの石英ガラスレンズ要素４５９である。他のレンズ要素４５０、４５４、及び、４５５は、Ohara  S-LAL18のレンズ要素４５８であり、比較的低いＭ１値（M１＝０．７２６ｘ１０−６W−１）を有する。図１２Ｃで示される、第３の例示的なリレーレンズ２５０の処方は、図１４Ｂの表で与えられ、半径、厚さ、及び、材料のデータが含まれる。
【０１１６】
図１３Ｂで与えられる表は、図１２Ｃの第３の例示的なリレーレンズの熱応力複屈折メトリック値を示す。図９Ｂ、１１Ｂ、及び、１３Ｂのデータを検討すると、第２の例示的なリレーレンズ（図１１Ｂ）の熱応力複屈折メトリックＭ１とＭ２が、第１の例示的なリレーレンズ（図９Ｂ）に比べて、ずっと低い（〜９０ｘ）ことが見て取れ、一方で、第３の例示的なリレーレンズ（図１３Ｂ）は、第１の例示的なリレーレンズに比べて２−３ｘだけ低い、熱応力複屈折メトリックＭ１とＭ２とを有する。しかし、熱応力複屈折感受性における小さな向上は、より良好な画像品質性能によって相殺される。
【０１１７】
図１２Ｄは、図１２Ｃの第３の例示的なリレーレンズの画像品質性能を特徴付けるＭＴＦプロット３００を示す。バランスの取れた設計意図により、この第３の例示的なリレーレンズの画像品質は、５０ｃｙ／ｍｍで〜７９％のＭＴＦを有し、第２の例示的なリレーレンズ（図１０Ｄ参照）に対して実質的に改善している。第３の例示的なリレーレンズは、全ての視野位置に対してほぼ回折限界の性能をもたらし、第１の例示的なリレーレンズ（図６Ｄ参照）にずっと類似している。
【０１１８】
図１２Ｃの第３の例示的なリレーレンズ２５０に対して、図１３Ｂの熱応力複屈折感受性を検査すると、レンズ要素４５４が、強度重み付けされた熱応力複屈折メトリックＭ２にとって支配的な要因であることが見て取れる。これは、レンズ要素４５４をSLAL-18（M１＝０．７２６ｘ１０−６W−１）からより低い応力ガラス、例えばOhara  S-NSL36（M１＝０．４６２ｘ１０−６W−１）に変更することが、熱応力複屈折感受性を大きく低減すること示唆している。もちろん、このガラスはより低い屈折率を有するので、レンズは光学パワーの損失を補償するよう再設計されなければならないだろうが、画像品質は名目上は維持される。追加のレンズ要素、非球面、又は、他の修正アプローチが、これを達成するよう用いられる。
【０１１９】
図１４Ａと１４Ｂで処方され、図１２Ａと１２Ｃで示されるレンズ設計は、本発明のプロジェクタ１０２において、作製され、アセンブリされ、及び、テストされる。このプロジェクタは、複数のレーザアレイ１２０と連結光学系とを含む光源アセンブリ１１５を、図２、３Ａ、及び、３Ｂに関連する設計原則に一般的に従って使用した。このプロジェクタは、また、図４の基本的な結像レンズ構成を使用し、図６Ａと６Ｃの第１の例示的な投影レンズとリレーレンズの代わりに、図１２Ａと１２Ｃの第３の例示的な投影レンズとリレーレンズを備える。
【０１２０】
図１２Ａと１２Ｃの第３の例示的な投影レンズとリレーレンズを使用する場合、脱スペックル器１８０のない〜２００：１の安定化偏光コントラストと、動作する脱スペックル器１８０のある〜２５０：１の偏光コントラストとを有し、〜１１，０００スクリーンルーメンを供給する操作プロジェクタにおいては、顕著に改善したレベルの偏光コントラストが観察された。前述したように、追加的な調整をレンズ設計に付加する事により、更なる改善が実現され得ることが期待される。
【０１２１】
前の議論を考慮すると、レンズ設計者は、一般的には、レンズ設計プログラムメリット関数を用いて、設計意図を表す個別に重み付けされた項を組み合わせるよう努力を傾けるに留意する。例えば、多元的なレンズ設計のメリット関数は、焦点距離、収差補正、動作距離、ガラス選択、及び多数の他のパラメータの項を含む。しかし、現在は、応力複屈折は設計コントロールパラメータ、又は、項として利用できず、それは、Code  V  TM(Optical  Research  Associates,  Pasadena,  CA)又はZemax  TM  (Zemax  Inc.,  Bellevue,  WA)のような一般的な光学設計プログラムのレンズ設計メリット関数に対して利用可能である。さらに、ガラス単独の熱応力複屈折メトリックＭ１が依存する多数の構成要因（例えばポアソン比（μ）、又は、応力光学係数（κ））は、レンズ設計プログラムのデータベース内にあるソースデータとして直接的には利用できない。その結果、画像品質を最適化しつつ、応力複屈折を低減するためには、レンズ設計者は、自動化されたコンピュータプロセッサ計算によって、今日典型的に行われるよりも、一般的にはより少なく導かれる必要があるだろう。
【０１２２】
幾つかの例では、レンズ設計プログラムが、レンズ設計者が追加的な光学材料をプログラムデータベースにインポートすることを可能にする性能を有してもよく、そして、Ｍ１とＭ２の式を、レンズ設計プログラムメリット関数に対する計算上の重み付けされたパラメータとして供給し、そうして、熱的に引き起こされる応力複屈折の低減した感受性を有する結像レンズの設計をより自動化する方法を提供する。
【０１２３】
メリット関数は、一般的には、１つ以上の画像品質性能の項と、熱応力複屈折メトリックを用いて計算された、熱的に引き起こされる応力複屈折性能の項に関連する、１つ以上の項を含むべきである。そして、レンズ設計は、そのメリット関数を最適化することにより自動的に最適化され得る。こうして、そのプログラムは、如何なる他の関連レンズ特性とも同様に、熱応力複屈折感受性と画像品質特性とを自動的にバランスするよう使用可能になるだろう。
【０１２４】
レンズ最適化プロセスを導くよう用いられるレンズ設計メリット関数Ｑの例は：
【０１２５】
【数１５】
2013531807.tif 000017
ここで、Ａｎは収差又は画像品質補正項であり（例えば、球面収差、非点収差、ＭＴＦ、ＰＳＦ（ポイントスプレッドファンクション）用の）、Ｇｍは幾何学的限界又は属性の項であり（例えば、動作距離、角度限界、集合的開口数（ＮＡ）又はＦ値（Ｆ／＃）、視角、拡大率、焦点距離、トラック長、レンズ要素厚さ限界、又は、焦点深度の）、Ｍ2,iはｉ番目のレンズ要素に対する強度重み付けされた熱応力複屈折メトリックの項である。重み付け要因のwa,wb,wc,wA,wB及びwCは、特定の応用例に従って、メリット関数における様々な項の相対的重要性を調整するよう用いられる。レンズ設計プロセスの早期において、光学パワー負荷の知識は制限されてもよいことが認識される。それ故、幾つかの実施形態では、レンズ設計メリット関数Ｑは、強度重み付けされたＭ２メトリックに代えてガラス単独の応力複屈折メトリックＭ１を表す熱応力複屈折の項を使用することができる。レンズ設計メトリック関数Ｑは、多数の他の項を含むことができ、自動化ガラス最適化を可能にする項も含む。この文脈では、他のレンズ設計パラメータ、例えばレンズ要素の曲率（半径）、厚さ、位置（連結しているか否かを含む）、非球面係数の使用、ガラス選択、又は、レンズ要素の数が利用可能であって、メリット関数Ｑに対してレンズを最適化しようとする場合に調整される。これらの変化するパラメータは、レンズ設計メリット関数の範囲内で、目標値、範囲、又は限界を有することができる。
【０１２６】
図１５は、熱的に引き起こされる応力複屈折の低減した感受性を有する結像レンズを設計する、例示的な方法のフローチャートを示し、熱的に引き起こされる応力複屈折性能の項を含むメリット関数を最適化するステップを含む。レンズ設計プロセスに入力されるのは、１組のレンズ設計要件５００である。レンズ設計要件は、画像品質要件や熱応力複屈折感受性要件と同様に、各種の幾何学的性質（例えば、焦点距離、Ｆ／＃、動作距離、及び、倍率）のようなレンズ設計属性を含むだろう。
【０１２７】
他にレンズ設計プロセスに入力されるのは、ガラス材料データ５０５のデータベースであり、レンズ設計プロセスに関連するガラス情報を有するメモリからアクセス可能である。好ましくは、そのガラス材料データ５０５は屈折率（ｎｄ）、アッベ数（νｄ）、吸収係数（α）、応力光学係数（κ）、熱伝導率（Ｋ）、熱膨張係数（ρ）、ポアソン比（μ）、及び、ヤング係数（Ｅ）を含むだろう。
【０１２８】
ガラス単独の複屈折メトリックスを計算するステップ５１０は、ガラス材料データ５０５内のガラスに対するガラス単独の熱応力複屈折メトリックス（例えばＭ１）を決定するために使用され、複屈折メトリックスを有するガラス材料データ５１５のアップデートされた表を決定する。一般的に、熱応力複屈折への無視できるほどの、又は、低い感受性が、熱により引き起こされる応力複屈折への低減された感受性を有する結像レンズを設計するために使用されるべきである。それ故、２組の候補のガラスを定義することは有益である：熱応力複屈折に無視できるほどの感受性（例えば、M１≦０．１ｘ１０−６W−１）を有する第１の候補ガラスの組、及び、熱応力複屈折に最大で中程度の感受性（例えば、０．１ｘ１０−６W−１≦M１≦０．１６ｘ１０−６W−１）を有する第２の候補ガラスの組である。
【０１２９】
名目上レンズ設計の決定ステップ５２０は、ガラス材料データ５０５に応答して、レンズ設計要件５００を無効にする名目上レンズ設計５２５を決定する。好ましくは、名目上レンズ設計決定ステップ５２０は、一般的なレンズ設計ソフトウェアパッケージ（例えば、Code  VTM又はZemaxTM）の何れか一つを使用して実行され、そのレンズ設計ソフトウェアパッケージは、周知のレンズ設計方法を活用して、パーソナルコンピュータ上での使用できる。この試行は、一般的には、レンズ設計メリット関数Ｑと反復最適化プロセスとを使用して、始められる。一般的には、そうしたレンズ設計方法は、複数のレンズ要素の形状、サイズ、間隔、及び、光学ガラスを決定するためのレンズ設計ソフトウェアを使用することを含む。結果的に得られる名目上設計は、メモリに保存されることができ、更なる最適化と比較の両方のための基準として用いられる。
【０１３０】
メリット関数定義ステップ５６０は、例えば式１５で与えられるメリット関数５６５を定義するよう使用される。メリット関数５６５は、一般的には、１つ以上の画像品質性能の項と、熱により引き起こされる応力複屈折性能の項とを含み、そうして、高い画像品質と低い応力複屈折感受性を同時に実現するレンズ設計を選択することができる。
【０１３１】
メリット関数５６５は変化しやすく、レンズ設計者はレンズ設計メリット関数Ｑに項を加え又は削除してもよく、又は、設計試行の工程の間、感受性の重み付け要因、制限、又は、範囲を変化させてもよいことが理解される。
【０１３２】
僅かな又は低い複屈折ガラス置換ステップ５７０は、名目上レンズ設計５２５におけるガラスの代わりに、熱応力複屈折の僅かな又は低い感受性を有するガラスを用いるよう使用される。このステップは、コンピュータプロセッサにより実行されるソフトウェアを用いて自動的に行われ得る。代替的に、レンズ設計者により手動で行うこともできる。一実施形態では、レンズ設計者は、最大パワー密度を有する１つ以上のレンズ要素の代わりに、第１セットの候補ガラスからガラスを用いる。多くの例では、これらは、開口絞りのすぐ近くに位置するレンズ要素であるだろう。レンズ要素の残りのガラスは、第１又は第２のセットの候補ガラスから選択され得る。一般的に、名目上レンズ設計５２５の元のガラスに代用されるガラスは、その元のガラスの屈折率や分散特性にもっともよく一致する第１及び第２セットの候補ガラスからガラスを識別することにより決定される。
【０１３３】
次に、レンズ設計最適化ステップ５７５が、メリット関数５６５に応答して、最適化されたレンズ設計５８０を決定するよう使用される。コンピュータプロセッサは、最適化プロセスを用いて、このステップを実行し、レンズ要素の様々なパラメータ（例えば、厚さ、間隔、及び、形状）を調整し、そうして最良の性能を供給する。仮の結果と最終的な結果の両方がメモリに保存され得る。幾つかの例では、最適化プロセスは、レンズ要素のガラスを自動的に選択するよう使用されることもできる。メリット関数５６５は、画像品質性能の項と熱により引き起こされる応力複屈折性能の項の両方を含むので、最適化されたレンズ設計５８０は、これらの重要な設計属性の両方をバランスするだろう。レンズ設計者はメリット関数５６５内の対応する項の重み付けを調整することにより、或る属性又は他の属性の重要性を強調するよう選択することができる。当業者には周知の多くの最適化プロセスが存在し、それらの最適化プロセスは、最適化されたレンズ設計５８０を決定するように使用することができる。一般的な最適化プロセスの例には、減衰最小二乗法、正規直交化、及び、焼き鈍し法が含まれる。
【０１３４】
幾つかの例では、レンズ設計者は、レンズ設計最適化ステップ５７５によって決定される最適化されたレンズ設計５８０は、特定の応用例の要件を満足するには適当でないことを結論付けても良い。この例では、レンズ設計者は、例えば、１つ以上のレンズ要素の代わりに異なるガラスを用いたり、追加のレンズ要素を加えたり、１つ以上の表面に非球面形状を持たせるようにしたり、又は、回折光学表面を付加するようなステップをとるよう選択してもよい。そして、レンズ設計最適化ステップ５７５は再び実行され、新しい最適化されたレンズ設計５８０を決定する。
【０１３５】
熱応力複屈折メトリックを含むレンズ設計プログラムメリット関数を自動的に計算することの利点がなくとも、レンズ設計者は、本発明の原理に従うことで、熱応力複屈折の低減された感受性を有するレンズを良好に設計することができる。これは、図８Ａ−８Ｄ（又は、その拡張版）の表を用いることで実現され、光学材料の選択においてレンズ設計者を導き、そして、コンピュータ上でランする従来のレンズ設計プログラム内の最適化ツールを用いて、最適化されたレンズ設計を決定する。
【０１３６】
一般的には、このプロセスは、結像レンズが満足すべきレンズ性能基準セットを定義するステップを含み、１つ以上の画像品質性能基準、及び、熱により引き起こされる応力複屈折性能基準を含む。画像品質性能基準は、例えば、必要とされるＭＴＦ性能の仕様であり得る。熱により引き起こされる応力複屈折性能基準は、例えば、総計の熱応力複屈折メトリックの許容可能な最大値であり、各レンズ要素の強度重み付けされた熱応力複屈折メトリックを組み合わせる。
【０１３７】
最小の熱応力複屈折を呈するレンズ設計を製造するプロセスで考慮すべき最も重要な要因は、とりわけ高光学パワー密度条件下では、光学ガラスの選択である。２，３のガラス、例えば、ほぼゼロの応力係数を有するSchott  SF57やOhara  PBH56や、極めて低い吸収と低い熱膨張係数を有する石英ガラスが明らかに選択されるだろう。他の全てのガラスは、熱応力のもとでは、多少のより大きな偏光劣化の程度を与える。上述したガラス単独の熱応力複屈折メトリックＭ１のような性能指数が使用され、ガラスを最良（最小のメトリック値）から最悪（最大のメトリック値）までに順位付けするリストを生成し、例えば、図８Ｃ−８Ｄで与えられるリストであり、又はその拡大版である。また、このガラスリストに要約される特性は、所望の光学収差制御特性（指標及び分散）を有するガラスタイプを選択するためのレンズ設計プロセスの間、有益である。収差制御と熱応力複屈折制御の間のバランスは、前述したように、各レンズ要素のガラス選択に対してなされる必要がある。
【０１３８】
例示の目的のため、図１２Ａの第３の例示的な投影レンズ２７０を設計するのに使用されたプロセスと類似するレンズ設計プロセスは、今度は、図１６を参照して述べられるだろう。再び、このプロセスでは、レンズ設計者は、レンズ設計プログラム、プロセッサとメモリを備えたコンピュータの利点を享受するが、レンズ設計メリット関数Ｑは熱により引き起こされる応力複屈折を直接最適化するための項を有しない。代わりに、レンズ設計者は、図８Ａ−８Ｄの表、又はそれらのより完全な均等物を、レンズ設計者の試行への入力として、使用することができ、他のガラス製造者からのデータも潜在的に含む。図１５のプロセスと同様に、レンズ設計プロセスへの入力は、レンズ設計要件５００と、レンズ設計プロセスに関連するガラス情報を有する、ガラス材料データ５０５のデータベースのセットである。
【０１３９】
図１５のプロセスと同様に、ガラス単独の複屈折メトリック計算ステップ５１０は、ガラス材料データ５０５に対するガラス単独の熱応力複屈折メトリック（例えばＭ１）を決定するのに使用され、複屈折メトリックを有するガラス材料データ５１５の表のアップデートを決定する。同様に、名目上レンズ設計決定ステップ５２０は、名目上レンズ設計５２５を決定するように使用され、その名目上レンズ設計は、レンズ設計要件５００を無効にするが、良好でない熱応力複屈折感受性を有するガラスを用いるレンズ要素を含んでもよい。
【０１４０】
次に、僅かな応力複屈折ガラスの代替ステップ５３０が中間レンズ設計５３５を決定するように使用される。好ましくは、このステップは、名目上レンズ設計５２５内のレンズ要素を識別することを含み、そのレンズ要素は光学ガラスを含み、その光学ガラスは、僅かな応力複屈折感受性（例えば、Schott  SF57又はOhara  PBH56）を有する高指標／高分散のガラスの屈折率と分散特性にもっとも一致する。識別されたレンズ要素の光学ガラスは、僅かな応力複屈折感受性のガラスに代替され、そして、そのレンズ設計はレンズ設計ソフトウェアを用いて再最適化される。
【０１４１】
任意の他の光学要素が存在し、その光学要素が、高指標／高分散の僅かな応力複屈折のガラス（例えば、±０．１の範囲内の屈折率、及び、±２０以内のν数）に類似するガラスを有する場合、僅かな応力複屈折ガラスの代替ステップ５３０は、全てのそうしたレンズ要素に対して光学ガラスが代替されるまで、繰り返し適用され得る。
【０１４２】
同様に、任意の他の光学要素が存在し、その光学要素が、低指標／低分散の僅かな応力複屈折のガラス（例えば、石英ガラス）に類似するガラスを有する場合、僅かな応力複屈折ガラスの代替ステップ５３０は繰り返し適用され、光学ガラスを、全てのレンズ要素に対して、低指標／低分散の僅かな応力複屈折のガラスを有するレンズ要素で代替し、レンズ設計ソフトウェアを用いて、そのレンズ設計を再最適化する。
【０１４３】
他の実施形態では、僅かな応力複屈折ガラスの代替ステップ５３０は、名目上レンズ設計５２５内のどの要素が最も高い光学パワー密度を有するかを識別し、そうしたレンズ要素に代わって、僅かな応力複屈折のガラス（例えば、M１≦０．１ｘ１０−６W−１であるガラス）を用いる。一般には、識別されたレンズ要素の元の光学ガラスの屈折率とν数にもっとも一致する、僅かな応力複屈折ガラスが使用され、元の光学ガラスに代わって用いられる。一般には、最も高いパワー密度を有するレンズ要素は、開口絞り２３０に最も近いレンズ要素となるだろう。それ故、光学パワー密度を計算することは必ずしも必要というわけではない。幾つかの実施形態では、開口絞りに最も近接するレンズ要素の光学ガラスが、僅かな応力複屈折のガラスを用いて自動的に代替される。
【０１４４】
次に、低応力複屈折ガラスの代替ステップ５４０が使用され、レンズ要素群のうち１つの光学材料を、低い応力複屈折の感受性（例えば、M１≦０．８ｘ１０−６W−１）を有する光学材料で代替することにより、新しい中間レンズ設計５４５を決定する。好ましくは、このステップは、複屈折メトリックを有するガラス材料データ５１５から、選択されたレンズ要素の屈折率とν値にもっとも一致する、低い応力複屈折の感受性のガラスを識別することを含む。その選択されたレンズ要素の光学ガラスは、低い応力複屈折の感受性のガラスによって代替され、そして、レンズ設計は、レンズ設計ソフトウェアを用いて、再最適化される。低応力複屈折ガラスの代替ステップ５４０は、低応力複屈折感受性のガラスが全てのレンズ要素について代替されるまで、繰り返し適用され得る。
【０１４５】
次に、複合メトリックの評価及びレンズ設計のアップデートステップ５５０が使用され、最終的なレンズ設計５５５を決定する。このステップのため、中間レンズ設計５４５が分析されて、許容可能な画像品質性能であるかどうかが決定される。また、異なるレンズ要素上にロードする光学フラックスの推測が可能であるなら、レンズ要素形状を組み込んだレンズ要素に対して、熱応力複屈折メトリック（例えば、Ｍ２）を決定するよう分析される。中間レンズ設計５４５の画像品質性能がひどく劣化した場合は、代替のガラス選択がなされる。例えば、低いパワー密度を受けるレンズ要素の光学ガラスは、光学ガラスの拡張セットから材料を選択するようアップデートされ、そこでは、閾値の熱応力複屈折メトリックがある程度増加し、そうして、中間的な応力複屈折感受性のガラス（例えば、M１≦１．６ｘ１０−６W−１）を含む。
【０１４６】
追加的な補助ステップが可能であり、そのステップでは、レンズ設計は例えば有限要素分析（ＦＥＡ）によって熱機械的にモデル化され、そうして、レンズ要素内部の光吸収容積プロフィール、その結果の熱負荷と温度変化ΔＴ、そして、その結果の発生する応力複屈折Δｎをモデル化する。このモデル化は、レンズ要素とハウジング２４０の内部又はその周囲の熱伝導、対流、及び、照射効果を説明し、光吸収により付与される熱効果を低減するよう適用される、如何なるレンズ冷却技術をも含む。そして、その結果は使用され、レンズ設計予想を検査、又は、認証することができ、Ｍ２メトリックの使用を含む。結果的に得られる情報は、レンズ設計プロセスを導くことができ、所定のレンズ要素に対して、僅かな、低い、又は、適度な熱応力複屈折ガラスを検証し、又は、より制限的でないガラスを選択する機会を示唆する。
【０１４７】
幾つかの例では、低応力複屈折ガラスの代替ステップにおいてなされる１つ以上のガラス選択を緩和することが必要であってもよく、元の僅かな応力複屈折のガラスに代わって、低応力複屈折のガラスを使用する。もしそうであるなら、低応力複屈折ガラスの代替ステップ５４０によって選択された全てのガラスは再評価されるべきである。
【０１４８】
その結果の熱応力複屈折感受性が高すぎるか、又は、画像品質性能が低すぎる場合は、レンズ要素は選択的に選ばれ、非球面の使用は向上した画像品質性能をもたらしつつ、ガラス材料が、より厳しい閾値の熱応力複屈折メトリック（例えば、M１≦０．８ｘ１０−６W−１）を有して使用されることを可能にする。強調が、最大光学パワー密度を受けるレンズ要素に対する変化するガラスに向けられてもよい。
【０１４９】
本発明の説明で与えられる例示的なレンズ設計は、古典的なダブルガウスレンズ設計に基づいているが、当業者には、同じ基本的設計原則が、他のタイプの結像レンズ、又は、結像レンズのシステムの設計に使用されることができるのは明らかであり、そこには熱により引き起こされる応力複屈折の感受性を低減する必要が存在する。例えば、その設計原則は、アナスティグマートレンズ、ペッツバールレンズ、望遠レンズ、ズームレンズ、アフォーカルレンズ、及び、Ｆθレンズなどの周知のレンズ設計カテゴリに属する、結像レンズを設計するのに使用される。
【０１５０】
或る特定の例として、Ｆθレンズが、ポストオブジェクティブ又はプレオブジェクティブ走査構成のレーザプリンティングに使用され、そこでは、ガルバノメータのようなスキャナが開口絞り面に近接して配置され、Ｆθ対物レンズの全てのレンズ要素は、開口絞り面の或る側（プレ又はポスト）に配置される。Ｆθレンズは、一般的には、全てのレンズ要素を、開口絞りの何れかの側へ一つのグループにクラスタ化する。再び、開口絞りに最も近いレンズ要素は、熱的に引き起こされる応力複屈折を低減するため、慎重なガラス選択から最も利益を享受すると思われる要素である。他の例として、ズームレンズは、複数のレンズグループ（例えば２−４）を有することができ、移動するグループを含む。
【０１５１】
本発明のレンズ設計概念は、結像レンズへの応用に限定されないが、照明システムのような他のレンズシステムに使用されることも可能であり、又は、望遠鏡タイプの設計構成に基づいた光学システムのように複合反射―屈折光学システムに使用されてもよい。再び、開口絞りに近接したレンズ要素、又は、高いパワー密度を受ける他の要素は、おそらく、低減された応力複屈折感受性のガラスの使用により、利益を享受する要素である。本発明に従って、如何なるタイプのレンズシステムも、最大光学パワー密度を有するレンズ要素とともに用いる、僅かな応力複屈折の感受性のガラスを選択することにより作られ、そして、残りのレンズ要素に、最大でも中程度の応力複屈折の感受性を有するガラスを使用する。
【０１５２】
例示的な投影レンズ２７０の画像品質は、図６Ｂと９Ｂについて、１００ｃｙ／ｍｍで限定的なＭＴＦ性能（〜３０％）を示している。アッパーエンドのデジタシネマ産業のスクリーン上の解像度の仕様をサポートするため、４Ｋ水平解像度の認識できる画素を投影する性能が必要である。この目的を良好に達成するため、１００ｃｙ／ｍｍでのＭＴＦは４０％を越えるよう改善されることが望ましいだろう。同様に、５０ｃｙ／ｍｍで良好なＭＴＦ性能を供給し（６０−６５％に代わって、〜７５％又はそれ以上、）、２Ｋ解像度画像のための改善された画像品質を供給することが望ましいだろう。同時に、リレーレンズ２５０と投影レンズ２７０の、熱的に引き起こされる応力複屈折の感受性を更に低減することが望ましく、より明るいスクリーン（例えば、２０，０００−６０，０００ルーメン）を可能にするのと同様に、より多くの余裕を与えるだろう。
【０１５３】
こうした目的を達成するには幾つかの潜在的なアプローチが存在し、個別に又は組み合わされて適用することができる。確かに、上述したように、LF-5やS-NSL36のような代替ガラスを戦略的に選択することは、幾つかのレンズ要素に大きく役に立つ。１つ以上のレンズ要素上に非球面を使用することも、たいへん有効である。他のアプローチとして、本システムの光学速度を増加させることができ、そうして、投影レンズ２７０がＦ／２．５又はそれより明るく動作し、その結果、ＭＴＦ性能を向上させる。投影レンズ２７０は、回折限界よりむしろ収差限界であるが、これは或る改善を更にもたらすことができる。システム速度を増加することは、光がガラス領域に渡って広がるので、熱的に引き起こされる応力複屈折を低減するのに役立ち、それによって、ピークパワー密度を低減する。しかし、このアプローチは、レンズアセンブリと同じく、個々のレンズ要素をより高価にし、設計・作製をより難しくする。
【０１５４】
また、以下の点が認識される、即ち、レンズハウジング２４０、又は、より直接的にはレンズ要素自体が、放熱板、導電性テープ、液体冷却、受動又は強制空気、熱電気冷却デバイス、又は、他の技術を用いて、レンズ要素上の効果的な熱負荷、然るに、引き起こされる応力複屈折を低減するという目的をもって、受動的或いは能動的に冷却されるということである。そうした冷却は、それが充分に効果的で信頼できるのであれば、１つ以上のレンズ要素に対してガラスの選択を変更できる。また、以下の点が認識される、即ち、レンズハウジング２４０の内部のレンズ要素の取り付けは、慎重に行われる必要があり、そうして、内部のハウジング構成要素に対向するレンズ要素の熱膨張は、引き起こされる機械的応力から、応力複屈折を発生しないようにする。
【０１５５】
画像品質の問題を考慮すると、第３の例示的な投影レンズ（図１２Ａ）を含む、投影レンズ２７０のＭＴＦ性能は、主要な軸色又は縦色として知られる光学収差によって制限される。主要な軸色の補正で設計されたレンズでは、緑色光の最良のフォーカス面は、青色や赤色の最良フォーカス面からオフセットしている。これは、赤色と青色のチャンネルが最良のフォーカス面を有し、画像空間の同じ場所（表示面１９０で、又は、その近くで）でオーバーラップするが、それらは両方とも、最良フォーカスの緑色チャンネルの面から、長手方向にシフトされていることを意味している。
【０１５６】
通常のレンズ設計原理に従う場合は、投影レンズ２７０をアポ黒マートとして設計することで改善された色補正が得られ、上記で引用したD.DeJagerの米国特許５，１７２，２７５号（特許文献１６）において行われるのと同じぐらい改善される。レンズ設計において一般的には、Schott  PSKやNKZFSガラスタイプのような変則的な分散ガラスからなる１つ以上のレンズ要素を有するレンズアセンブリを設計することで、二次的な軸色が除去される。残念ながら、これらのガラスは、熱応力複屈折感受性について最悪の値（M１〜３．５ｘ１０−６W−１）を有し、それ故、これらのガラスで軸色を固定しようとすることは、同時に、応力複屈折をかなり増加させるだろう。Schott  PK52とSchott  FK51は、有効な部分分散を供給し、熱応力感受性（M１〜０．３６ｘ１０−６W−１）について約１０ｘ良好であり、しかし、ガラスチャート上位（低指標（ｎｄ）と高アッベ数（νｄ））は他の妥協をもたらす。
【０１５７】
代替的に、“映画投影レンズ”と題する、同一出願人によるM.Harriganの米国特許６，３１７，２６８号（特許文献１７）において議論されているように、回折光学素子（ＤＯＥ）が軸色（軸色収差）を含む色収差の補正に特に使用される。回折光学素子は、ステップ構造でパターン化され、薄い位相素子を形成し、干渉と回折によって作動して光の伝播を生じる。それらは、平面の要素又はレンズ曲面上に形成され得る。本発明の例では、例えば図６Ａで表される例示的な位置９０で、１つ以上の回折光学要素３５０が投影レンズ２７０又はリレーレンズ２５０の中に供給される。回折光学素子の使用は、画像品質を向上させ、代替的なガラスの選択を可能にし、レンズ設計者がより低い応力複屈折感受性を有するガラス（Ohara  SNSL36のような弱クラウン、又は、Schott  LF5のような弱フリント）を主要な位置に使用することをより簡易にする。しかし、回折光学素子はフレア光を導き、それにより、ＡＮＳＩ又はインフレームのコントラストにおいて劣化を生ずるので、注意を要する。
【０１５８】
図１０Ａの第２の例示的な投影レンズ２７０について更に考慮すると、図１１Ａの対応する表と共に、非常に低い応力複屈折PBH56と石英ガラスだけを含み、ガラス選択と設計性能が許容するなら、熱的に引き起こされる応力複屈折の感受性を更に低減する相当の余地があることを示唆している。他のアプローチとして、投影レンズ２７０の中に、例えば図４の位置９０に、偏光補償器３６０を加えることも、有利になり得る。前の議論において、特に、Aastuen他による関連特許と図１Ｂに関して、偏光補償器３６０の使用はある程度議論された。プロジェクタ１０１の中には、偏光補償器が変調光学システム８０の中に一般的に存在し、偏光補償を、空間光変調器１７０ｒ、１７０ｇ、及び、１７０ｂ、偏光ビームスプリッタ６０、又は、その双方の組合せに供給する。例えば、Mi他の米国特許６，９０９，４７３号（特許文献１８）では、偏光補償が、垂直に並んだＬＣＤタイプの変調器と、細線格子の偏光ビームスプリッタの両方に供給され得る。Aastuen他の例では、同様の偏光補償が、薄いフィルム、ガラス埋め込み、偏光ビームスプリッタの基板ガラスの候補ガラスのリストを拡大する。
【０１５９】
多数の偏光補償器の例が存在し、それらは、ＬＣＤで偏光性能を拡張するよう開発され、垂直に並んだ、又は、ネマティックなＬＣＤ用に設計されたものを含む。これらの補償器は、一般的には、ポリマーフィルムを使用して角度変化する複屈折を供給し、空間的に異なる方法で構造化され、透過光ビームの部分で（即ち、或る空間と角度領域の範囲内で）偏光状態に影響し、光ビームの他の部分で偏光状態に影響を及ぼさない。代替的には、Tan他の米国特許７，１７０，５７４号（特許文献１９）で述べられるように、ロバストな偏光補償器が、ガラス基板に溶着された誘電薄膜層を有する複屈折格子構造を形成することにより、開発された。一般に、偏光補償器は、スキュー光線や斜光線の偏光状態により生じる差動効果を通常の入射光線よりも低減し、そのスキュー光線や斜光線は複屈折材料を通って異なる光路を横断する。
【０１６０】
本発明の例では、偏光補償器３６０は変調光学システム８０内には存在せず、空間光変調器１７０と偏光ビームスプリッタ６０に対して、横断する光ビーム１４０の偏光状態を調整する。代わりに、偏光補償器は、投影レンズ２７０内の位置９０に供給され、投影レンズ内で、応力複屈折効果の偏光補償を供給する。詳しくは、それは、残余の熱的に引き起こされる応力複屈折の補償を供給する。この例では、補償器は、応力複屈折に従って入射条件から逸脱する偏光の状態又は方向を回復し、そうして、それらは入射状態に類似し、所望の左目又は右目の偏光状態を観察者に供給し、その観察者は偏光感度メガネを着用している。入射偏光状態は、例えば、レーザデバイスや偏光スイッチ１３９によって、照明アセンブリ１１０内に大部分が定義された。理解されるべきは、１つ以上の偏光補償器３６０は、リレーレンズ２５０の中、又は、その周辺に供給され、そのレンズにより生じる応力複屈折効果を補償するということである。
【０１６１】
図４に示されるように、偏光補償器３６０は、結像レンズ２００内部の様々な例示的な位置９０に置かれることが可能であり、又は、位置９０は２色性組合せ器１６５とリレーレンズ２５０の双方に最も近くても良い。偏光補償は複数の部品により生じる偏光効果を補正することができ、その部品には投影レンズ２７０、リレーレンズ２５０、及び、２色性組合せ器１６５を含む。従って、偏光補償器３６０の使用は、投影レンズ２７０又はリレーレンズ２５０を他より広い範囲のガラスで設計することを可能にし、熱により引き起こされる応力複屈折の効果は別の方法で低減されるからである。それは画像品質の更なる向上のために設計の自由度を与える。
【０１６２】
第３の例示的な投影レンズ（図１２Ａ）に影響する、残余の二次的な軸色の問題に戻ると、赤色と青色のチャンネルは画像空間内の同じ位置（表示面１９０で、又は、その近傍）でオーバーラップする最良のフォーカス面を有するが、共に、緑色の最良のフォーカス面から長手方向にシフトしている。空間光変調器１７０は図１の異なる平面内に存在するので、この効果は、変調器の位置を調整することにより低減することができるが、その結果として、小さな倍率差という不利益を伴う。その色焦点誤差は厳しい観察者には判るほどに大きく、そして、この問題はより高い解像度で悪化することがある。偏光補償器３６０や回折光学素子３５０の使用に代わるものとして、追加的な光学要素を使用することができ、その光学要素は、緑色光に対して、赤色と青色の光路を増大させる。これは、全３色を、画像面で共通の焦点に効果的に配置するだろう。これを達成する単純な方法は、図１７に示されるように、第１表面ミラー３７０を使用することであり、そこでは、緑色光は多層被膜３７５の上層から反射されるが、青色と赤色の光は透過する。そして、赤色と青色の光は、より深くにある層から多層誘電被膜３７５の中へ反射され、そうして、このより低い層までの増大した移動距離は、投影レンズ２７０内の二次的な軸色の量と同じであるようになる。
【０１６３】
第１表面ミラー３７０は強調した方法で示されており、というのも、投影レンズ２７０内の二次的な軸色の量は物体空間で約５０ミクロンであり、そうして、上下間の被膜層の深さは赤色と青色の光は、被膜層（低減したＯＰＤ）の材料指標を通って２つのパスを経るので、それより小さい。緑色及び赤色／青色の画像は、中間画像２６０で、小さい画像シフト３７８だけ、一方から他方へ横方向にシフトするが、これは、空間光変調器１７０を適切に再配置することにより、調整され得る。
【０１６４】
留意する点は、このアイディアは拡張されて、各色に対して１つ、基板３７７上に形成される３つの反射層を有することで、主要な軸色も補正できるということである。このアプローチは、リレーレンズ２５０、投影レンズ２７０、又は、その両方の組合せを補正するように使用される。再び、その厚さは調整され、色の長手方向シフトを補償する。
【０１６５】
第１表面ミラー３７０は図１７では４５度で表されるが、本アイディアは、光路が何らかの物理的障害物によりブロックされていない限り、如何なる傾斜角でも、軸の色収差を補正するよう機能する。追加的に、第１表面ミラー３７０は、角度的に調整されることが可能で、導かれる色補正の量を変化させる。画像シフトが問題である場合は、そのシフトを是正するよう二反射配置が使用され、例えば、それぞれ補正被膜を有する二つの反射面をペンタプリズム型の構成に位置付けることによる。
【０１６６】
本発明は、熱的に引き起こされる応力複屈折を理解する基礎を与え、その中には、数値メトリックＭ１とＭ２（後者は適応される光学負荷を説明する）、比較上僅かな、低い、中程度の、又は、高い値の熱応力複屈折感受性（Ｍ１により測定されるように）を有するガラスの識別、及び、レンズ設計試行の間に、レンズアセンブリ内の異なるレンズ要素のガラスを選択的に使用する設計原則と方法をサポートすることを含む。本発明は、異なるレベルの熱応力感受性と結像性能を有する結像レンズの実際の設計例、及び、改善されたプロジェクタ性能に与える影響の実際の証拠を与えた。特に、熱応力の感受性閾値のセットが識別され、それらの閾値は、僅かな応力ガラス（０．１ｘ１０−６W−１≦M１）、低い応力ガラス（０．１ｘ１０−６W−１≦M１≦０．８ｘ１０−６W−１）、及び、中程度の応力ガラス（０．８ｘ１０−６W−１≦M１≦１．６ｘ１０−６W−１）を指定するのに使用され、それぞれ、レンズ設計に対して重要な特性を備えたガラスのセットを含む。理解されるべきは、本発明の精神及び適用範囲内では、こうした閾値は多少恣意的であることである。例えば、M１＝０．１２ｘ１０−６W−１の値を有するガラス（おそらくは未開発の）は、僅かな、又は、低い熱応力複屈折感度を有するものと考えられてもよい。実際、その認識は、関与するアプリケーションやレンズ設計者に依存してもよい。同様に、低い（M１≦０．８ｘ１０−６W−１）、及び、中程度（M１≦１．６ｘ１０−６W−１）の熱応力複屈折ガラスの閾値は、有益且つ有効であるが、再び、これらは多少恣意的である。例えば、低い閾値がM１≦０．９ｘ１０−６W−１又は、M１≦１．０ｘ１０−６W−１に設定されてもよく、中程度の閾値がM１≦１．８ｘ１０−６W−１に設定されてもよい。
【０１６７】
本発明は、特定の好ましい実施形態を参照して、詳細に説明されてきたが、様々な変形や修正が本発明の適用範囲内で達成され得ることは理解されるだろう。強調される点は、本明細書で述べた装置や方法は、多くの異なるタイプのシステムにおいて具体化されるということであり、それは広範囲のタイプの支援するハードウェア及びソフトウェアを使用して行われる。また、留意すべき点は、図面は原寸通りではないが、これらの実施形態で用いられる主要な部品と原則を例示するものであるということである。
[部品リスト]
５０  光源
５５  プリズムアセンブリ
６０  偏光ビームスプリッタ
６５  Ｘプリズム
８０  変調光学システム
９０  位置
１００  プロジェクタ
１０１  プロジェクタ
１０２  プロジェクタ
１１０  照明アセンブリ
１１０ｒ  照明アセンブリ
１１０ｇ  照明アセンブリ
１１０ｂ  照明アセンブリ
１１５  光源アセンブリ
１２０  レーザアレイ
１２０´  レーザアレイ
１２２  レーザエミッタ
１２５  レーザ組合せアセンブリ
１２７  カットプリズム
１３０  アパーチャ
１３５  照明ビームスプリッタ
１３７  半波長板
１３９  偏光スイッチ
１４０  光ビーム
１４０´  別個の光ビーム
１４５  光軸
１５０  照明レンズ
１５５  光インテグレータ
１６０  ミラー
１６５  二色性組合せ器
１６６  第１組合せ器
１６７  第２組合せ器
１７０  空間光変調器
１７０ｒ  空間光変調器
１７０ｇ  空間光変調器
１７０ｂ  空間光変調器
１８０  脱スペックル器
１９０  表示面
１９５  物体面
２００  結像レンズ
２０５  レンズ要素
２０６ａ  正レンズ要素
２０６ｂ  負レンズ要素
２０８  レンズ要素のグループ
２１０  ガラスチャート
２１５  クラウンガラス
２１７  フリントガラス
２２０  クラウンガラス要素
２２２  フリントガラス要素
２３０  開口絞り
２３５  光線
２４０  レンズハウジング
２４５  動作距離
２５０  リレーレンズ
２６０  中間画像
２７０  投影レンズ
３００  モデュレーショントランスファファンクション（ＭＴＦ）プロット
３２０  光強度分布
３２１  スライス位置
３２２  断面プロフィール
３２３  光強度分布
３２４  スライス位置
３２５  断面プロフィール
３２６  光強度分布
３２７  光強度分布
３２８  光強度分布
３５０  回折光学要素
３６０  偏光補償器
３７０  第１表面ミラー
３７５  多層被覆
３７７  基板
３７８  画像シフト
４００  レンズ要素
４０１  レンズ要素
４０２  レンズ要素
４０３  レンズ要素
４０４  レンズ要素
４０５  レンズ要素
４１０  レンズ要素
４１１  レンズ要素
４１２  レンズ要素
４１３  レンズ要素
４１４  レンズ要素
４１５  レンズ要素
４１６  レンズ要素
４２０  レンズ要素
４２１  レンズ要素
４２２  レンズ要素
４２３  レンズ要素
４２４  レンズ要素
４２５  レンズ要素
４２６  レンズ要素
４２７  レンズ要素
４２８  石英ガラスレンズ要素
４２９  ＰＢＨ５６レンズ要素
４３０  レンズ要素
４３１  レンズ要素
４３２  レンズ要素
４３３  レンズ要素
４３４  レンズ要素
４３５  レンズ要素
４３６  レンズ要素
４３７  石英ガラスレンズ要素
４３８  ＰＢＨ５６レンズ要素
４４０  レンズ要素
４４１  レンズ要素
４４２  レンズ要素
４４３  レンズ要素
４４４  レンズ要素
４４５  レンズ要素
４４６  石英ガラスレンズ要素
４４７  ＰＢＨ５６レンズ要素
４４８  Ｓ−ＬＡＬ１８レンズ要素
４５０  レンズ要素
４５１  レンズ要素
４５２  レンズ要素
４５３  レンズ要素
４５４  レンズ要素
４５５  レンズ要素
４５６  レンズ要素
４５７  ＰＢＨ５６レンズ要素
４５８  Ｓ−ＬＡＬ１８レンズ要素
４５９  石英ガラスレンズ要素
５００  レンズ設計要件
５０５  ガラス材料データ
５１０  ガラス単独の複屈折メトリックを計算するステップ
５１５  複屈折メトリックを有するガラス材料データ
５２０  名目上レンズ設計を決定するステップ
５２５  名目上レンズ設計
５３０  僅かな応力複屈折ガラスに代替するステップ
５３５  中間レンズ設計
５４０  低い応力複屈折ガラスに代替するステップ
５４５  中間レンズ設計
５５０  複合メトリックを評価し、レンズ設計をアップデートするステップ
５５５  最終レンズ設計
５６０  メリット関数を定義するステップ
５６５  メリット関数
５７０  僅かな且つ低い複屈折ガラスに代替するステップ
５７５  レンズ設計を最適化するステップ
５８０  最適化されたレンズ設計
【図１Ａ】
2013531807.tif 000022
【図１Ｂ】
2013531807.tif 000023
【図２】
2013531807.tif 000024
【図３Ａ】
2013531807.tif 000025
【図３Ｂ】
2013531807.tif 000026
【図４】
2013531807.tif 000027
【図５Ａ】
2013531807.tif 000028
【図５Ｂ】
2013531807.tif 000029
【図６Ａ】
2013531807.tif 000030
【図６Ｂ】
2013531807.tif 000031
【図６Ｃ】
2013531807.tif 000032
【図６Ｄ】
2013531807.tif 000033
【図７Ａ】
2013531807.tif 000034
【図７Ｂ】
2013531807.tif 000035
【図７Ｃ】
2013531807.tif 000036
【図７Ｄ】
2013531807.tif 000037
【図７Ｅ】
2013531807.tif 000038
【図７Ｆ】
2013531807.tif 000039
【図７Ｇ】
2013531807.tif 000040
【図８Ａ】
2013531807.tif 000041
【図８Ｂ】
2013531807.tif 000042
【図８Ｃ】
2013531807.tif 000043
【図８Ｄ】
2013531807.tif 000044
【図９Ａ】
2013531807.tif 000045
【図９Ｂ】
2013531807.tif 000046
【図１０Ａ】
2013531807.tif 000047
【図１０Ｂ】
2013531807.tif 000048
【図１０Ｃ】
2013531807.tif 000049
【図１０Ｄ】
2013531807.tif 000050
【図１１Ａ】
2013531807.tif 000051
【図１１Ｂ】
2013531807.tif 000052
【図１２Ａ】
2013531807.tif 000053
【図１２Ｂ】
2013531807.tif 000054
【図１２Ｃ】
2013531807.tif 000055
【図１２Ｄ】
2013531807.tif 000056
【図１３Ａ】
2013531807.tif 000057
【図１３Ｂ】
2013531807.tif 000058
【図１４Ａ】
2013531807.tif 000059
【図１４Ｂ】
2013531807.tif 000060
【図１５】
2013531807.tif 000061
【図１６】
2013531807.tif 000062
【図１７】
2013531807.tif 000063
【国際調査報告】
2013531807.tif 000064
2013531807.tif 000065
2013531807.tif 000066