(57)【要約】  【課題】  良好な光学性能を保持しつつ量産性やコスト面で有利であり、しかも薄型で光学部品も軽量・コンパクトな投影光学系を提供する。  【解決手段】  縮小側の１次像面ＳＯから拡大側の２次像面ＳＩへの拡大投影を行うための投影光学系であって、２次像面ＳＩ側から順に２面以上の反射面を有し、２次像面ＳＩ側から数えて２面目までの反射面のうち少なくとも１面が負のパワーを有し、正又は負のパワーを有するフレネル反射面Ｆを全系中に少なくとも１面有する。【選択図】      図１
2005234452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縮小側の１次像面から拡大側の２次像面への拡大投影を行うための投影光学系であって、２次像面側から順に２面以上の反射面を有し、２次像面側から数えて２面目までの反射面のうち少なくとも１面が負のパワーを有し、正又は負のパワーを有するフレネル反射面を全系中に少なくとも１面有することを特徴とする投影光学系。
【請求項２】
２次像面側から数えて２面目の反射面が負のパワーを有することを特徴とする請求項１記載の投影光学系。
【請求項３】
前記フレネル反射面が負のパワーを有することを特徴とする請求項１又は２記載の投影光学系。
【請求項４】
２次像面側から数えて２面目の反射面が負のパワーを有するフレネル反射面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の投影光学系。
【請求項５】
２次像面側から数えて１面目の反射面が正のパワーを有するフレネル反射面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の投影光学系。
【請求項６】
前記フレネル反射面の巨視的な面の法線が２次像面の法線に対して略平行であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の投影光学系。
【請求項７】
さらに少なくとも１つの屈折光学素子を有し、その屈折光学素子が前記フレネル反射面より１次像面側の光路中に位置することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の投影光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は投影光学系に関するものであり、例えば、反射型のフレネル光学素子をリアプロジェクションに好適な光学構成において有する投影光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
縮小側の１次像面から拡大側の２次像面への拡大投影を行うための投影光学系において、光路中で２次像面により近い位置に負ミラーを配置することは広画角化に有効である。広画角化を図るために負ミラーを用いた投影光学系としては、例えば特許文献１〜３で提案されているものが挙げられる。特許文献１には、１次像面側から順に、集光作用を有する凹面鏡と、拡散作用を有する凸面鏡と、光路を折り返す平面ミラーと、でリアプロジェクションを行う投影光学系が記載されている。特許文献２には、１次像面側から順に、４枚の投写結像用非球面ミラーと、１枚の光路折り返し用平面ミラーと、でリアプロジェクションを行う投影光学系が記載されている。特許文献３には、１次像面側から順に、屈折光学レンズと、凸面鏡と、光路を折り返す平面ミラーと、でリアプロジェクションを行う投影光学系が記載されている。また特許文献４には、投影装置の薄型化を図るためにフレネルミラーをスクリーン面に対向するように配置した投影光学系が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−１７４８５３号公報
【特許文献２】特開２００２−１９６４１３号公報
【特許文献３】特開２００３−１４９７４４号公報
【特許文献４】特許第２９８６１０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１〜３記載の投影光学系では装置全体の薄型化が十分に達成されていない。ミラーの負パワーを強くすれば、その広画角化により薄型化の達成は可能であるが、強い正のペッツバール和が発生することになるため像面性が悪化してしまう。また、曲面形状を有する負ミラーが光路の折り返しに際する干渉を生じさせ易いという問題もある。特許文献４記載の投影光学系では、拡大共役側に凸のオリジナル面を持つフレネル反射面で歪曲収差を補正しているが、そのようなフレネル反射面を用いると、拡大共役面に対する光線の張り角が画面周辺部できつくなってしまう。その結果、スクリーン周辺部で表面反射が発生して照度が低下し、投影画像に照度ムラが生じることになる。
【０００４】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、良好な光学性能を保持しつつ量産性やコスト面で有利であり、しかも薄型で光学部品も軽量・コンパクトな投影光学系を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、第１の発明の投影光学系は、縮小側の１次像面から拡大側の２次像面への拡大投影を行うための投影光学系であって、２次像面側から順に２面以上の反射面を有し、２次像面側から数えて２面目までの反射面のうち少なくとも１面が負のパワーを有し、正又は負のパワーを有するフレネル反射面を全系中に少なくとも１面有することを特徴とする。
【０００６】
第２の発明の投影光学系は、上記第１の発明において、２次像面側から数えて２面目の反射面が負のパワーを有することを特徴とする。
【０００７】
第３の発明の投影光学系は、上記第１又は第２の発明において、前記フレネル反射面が負のパワーを有することを特徴とする。
【０００８】
第４の発明の投影光学系は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、２次像面側から数えて２面目の反射面が負のパワーを有するフレネル反射面であることを特徴とする。
【０００９】
第５の発明の投影光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、２次像面側から数えて１面目の反射面が正のパワーを有するフレネル反射面であることを特徴とする。
【００１０】
第６の発明の投影光学系は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記フレネル反射面の巨視的な面の法線が２次像面の法線に対して略平行であることを特徴とする。
【００１１】
第７の発明の投影光学系は、上記第１〜第６のいずれか１つの発明において、さらに少なくとも１つの屈折光学素子を有し、その屈折光学素子が前記フレネル反射面より１次像面側の光路中に位置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、正又は負のパワーを有するフレネル反射面が全系中に少なくとも１面設けられているため、像面性を良好にして良好な投影画像を得ることができる。さらに、光路の折り返しに際する干渉を容易に防止することができ、投影装置全体の軽量・薄型化を達成することができる。また、２次像面側から数えて２面目までの反射面のうち少なくとも１面が負のパワーを有する反射面になっているため、広画角化の達成が可能である。したがって、良好な光学性能を保持しつつ量産性やコスト面で有利であり、しかも薄型で光学部品も軽量・コンパクトな投影光学系を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る投影光学系の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１〜図５に、投影光学系の第１〜第５の実施の形態における１次像面ＳＯから２次像面ＳＩまでの投影光路全体の光学構成(光学配置，投影光路等)を側面図でそれぞれ示し、図６〜図１０に、図１〜図５の主要部を拡大してそれぞれ示す。各実施の形態の光学構成の上下配置は、図１〜図１０に示されているものに限らず、上下反対でもよい。つまり、実際の装置配置や光学系配置等の都合に合わせて、図１〜図１０における上側を下側としてもなんら問題はない。なお、図１〜図１０中、＊印が付された光学面は回転対称な非球面、＄印が付された光学面は回転非対称な非球面(いわゆる自由曲面)、Ｆ印が付された光学面は回転対称なフレネル非球面であることを示している。
【００１４】
第１〜第５の実施の形態は、縮小側の１次像面ＳＯから拡大側の２次像面ＳＩへの斜め方向の拡大投影を行う、画像投影装置用の斜め投影光学系である。したがって、１次像面ＳＯは光強度を変調することにより２次元画像を形成するライトバルブの画像形成面(例えば画像表示面)に相当し、２次像面ＳＩは投影像面(例えばスクリーン面)に相当する。１次像面ＳＯの近傍に位置するガラス板ＧＰ(図６〜図１０)はライトバルブのカバーガラスであり、各実施の形態ではライトバルブとしてデジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)を想定している。ただし、ライトバルブはこれに限らず、各実施の形態の斜め投影光学系に適した他の非発光・反射型(又は透過型)の表示素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わない。ライトバルブとしてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合、それに入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態(例えば±１２°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に強度変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが斜め投影光学系に入射してスクリーン面に投射される。なお、上記ライトバルブの代わりに自発光型表示素子を用いてもよい。映像表示素子として自発光型表示素子を用いれば、照明用の光源等が不要となるため、光学構成をより軽量で小型にすることができる。
【００１５】
各実施の形態の斜め投影光学系は、背面投写型画像投影装置(リアプロジェクター)に適した光学構成を有しているが、２次像面ＳＩから１次像面ＳＯへの斜め方向の縮小投影を行う斜め投影光学系として、画像読み取り装置に用いることも可能である。その場合、１次像面ＳＯは画像読み取り用の受光素子(例えばＣＣＤ：Charge Coupled Device)の受光面に相当し、２次像面ＳＩは読み取り画像面(つまり原稿面)に相当する。また、拡大側の２次像面ＳＩに到達する直前の反射面が平面反射面である実施の形態においては、それを構成する平面ミラーを取り除き、拡大側の２次像面ＳＩに到達する直前の反射面がフレネル反射面である実施の形態においては、それを構成するフレネルミラーを透過型のフレネルレンズに置き換え、その結果得られる２次像面ＳＩの位置にスクリーンを配置すれば、前面投写型画像投影装置(フロントプロジェクター)としての使用も可能である。そして、そのような形態における縮小光学系としても利用可能である。
【００１６】
第１の実施の形態(図１，図６)は、１次像面ＳＯ側で斜めテレセントリックの共軸系を、平面ミラーである第１，第３ミラーＭ１，Ｍ３とフレネルミラーである第２ミラーＭ２とで折り返した投影光学系の例である。斜めテレセントリックとは、１次像面ＳＯ側から見た投影光学系の瞳位置が十分遠くにあり、その中心が１次像面ＳＯの中心を通る面法線上から外れていることを意味する。この実施の形態に対応する後記実施例１では、１次像面ＳＯの中心から、そのローカル座標系のｖｘベクトル方向(１次像面ＳＯの法線に平行で、面ＳＯから面Ｓ１の方向)に２００００ｍｍ、ｖｙベクトル方向(ｖｘベクトルに垂直で紙面内略上方向)に１０００ｍｍシフトした所に瞳の中心が位置する。よって、１次像面ＳＯ側の任意の点を通過する主光線は、１次像面ＳＯの法線に対して約２．８６度傾いていることになる。また、その瞳半径は２８９２．２６４ｍｍである。このように斜めテレセントリックにすることは、光路の折り返しに際する干渉条件を和らげることができるという点で有利である。一方、テレセントリックにすれば、ＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズム等を用いて１次像面ＳＯを照明する照明光と、１次像面ＳＯから射出する投影光と、の分離角をより有効に使って、１次像面ＳＯ上でのＦナンバー値を下げることができる。したがって、テレセントリックにすることは斜めテレセントリックにするよりも明るさの面で有利である。
【００１７】
上記斜めテレセントリックに加え、実際には屈折レンズ群ＧＵ(Ｓ５〜Ｓ１７)が１次像面ＳＯに対してシフトしているため、光線は屈折レンズ群ＧＵを全体に斜めに通過する。本実施形態においては、開口絞りＳＴは面Ｓ１１のみである。光線を斜めに通過させるために、面Ｓ１１は傾けて配置される、あるいは、面Ｓ１１の近傍にさらに絞り面を追加することが好ましい。後述する実施例１では、シミュレーション上の光線トレースを行う際、斜めテレセントリックの瞳を通過する全ての初期光線が１次像面ＳＯから出発して２次像面ＳＩ上に到達するという条件下で、光路の計算やスポットダイアグラム，歪曲等の計算を行っている。
【００１８】
１次像面ＳＯ上から射出した光線は、１次像面ＳＯのカバーガラスＧＰとプリズムＰＲを順に通過する。面Ｓ１〜Ｓ４はノンパワーの光学面であり、屈折レンズ群ＧＵには含まれない。プリズムＰＲは反射型のマイクロデバイス(液晶表示素子やデジタル・マイクロミラー・デバイス等)を用いるときに照明光と投影光とを分離するものであるが、透過型のマイクロデバイスを使用する際には無くてもよい。また、プリズムＰＲの代わりに、ワイヤグリッド等の偏光選択反射素子を用いてもよい。次に、面Ｓ５〜Ｓ１７から成る屈折レンズ群ＧＵを通過する。この屈折レンズ群ＧＵにおいて、面Ｓ５は回転対称な非球面であり、面Ｓ１６は回転非対称な拡張非球面である。屈折レンズ群ＧＵから射出した光線は、第１ミラーＭ１の平面反射面Ｓ１８で反射され、第２ミラーＭ２のフレネル反射面Ｓ１９で反射され、第３ミラーＭ３の平面反射面Ｓ２０で反射された後、２次像面ＳＩに到達する。
【００１９】
第１の実施の形態は共軸系を折り曲げたものであるが、光路図から分かるように、光束がレンズの半分程度のみを通過するような光学面においては、回転非対称な面形状を利用することによって像面や歪曲収差を良好に補正することができる。後述する第２〜第４の実施の形態でもこれと同様の効果を利用している。このような回転非対称な形状を有する光学面は、研磨や回転加工で製造可能な球面や回転対称面と比べると、製造や評価を行う上で難易度が高い。このため、その面精度の向上及び環境による影響を考慮した形状とすることが好ましい。例えば、面Ｓ１６と面Ｓ１７から成る回転非対称レンズ(自由曲面レンズ)は肉厚があるが、その製造に樹脂を用いる射出成型等の製法を採用すれば、樹脂の流れを円滑にできるため高い面精度が期待できる。後述する第２〜第５の実施の形態のように、回転対称レンズや回転非対称レンズとして光学的にノンパワーに近くなる形状のレンズを用いた場合には、環境変化に対する光学的感度が低くなる(例えば温度変化による光学的なパワーの変動が小さくなる)ため、高い光学性能が期待できる。
【００２０】
図１の光路図では、投影装置の枠線から投影光学系の縮小側部分がはみ出ているが、図２１に示すように、屈折レンズ群ＧＵの最終面Ｓ１７と第１ミラーＭ１(Ｓ１８)との間に平面ミラーＭ０を配置して光路を折り返せば(矢印)、投影装置を薄型化することができる。図２１では紙面(ＸＹ平面)上で光路を折り返しているが、紙面から浮くように光路を折り返せば、２次像面ＳＩのローカル座標系のｙ方向(画面短辺方向)に投影装置を薄型化することができる。
【００２１】
第２の実施の形態(図２，図７)は、非テレセントリックの非軸対称光学系を用いた例である。非テレセントリックな投影光学系には、反射型のマイクロデバイスを用いたときに大きくて重いプリズム等を用いなくてもよいという利点がある。また、１次像面ＳＯ側でテレセントリックにするための正のパワーが不要である点でも有利である。
【００２２】
１次像面ＳＯ上から射出した光線は、第１の実施の形態と同様、１次像面ＳＯのカバーガラスＧＰを通過する。次に、面Ｓ３〜Ｓ１５から成る屈折レンズ群ＧＵを通過する。この屈折レンズ群ＧＵにおいて、面Ｓ３，Ｓ１４は回転対称な非球面であり、面Ｓ５〜Ｓ７は接合レンズ群を構成している。開口絞りＳＴは面Ｓ４と面Ｓ５の両方に設けられているが、面Ｓ４と面Ｓ５との間に１枚の開口絞りを設けてもよく、鏡胴で補ってもよい。面Ｓ３〜Ｓ１５から成る屈折レンズ群ＧＵは群として共軸系であるが、第２の実施の形態は全体として非軸系を構成しているため、屈折レンズ群ＧＵの光軸と１次像面ＳＯの法線とは非平行である。このように構成することで、光路の折り曲げに際する干渉を緩和するとともに、像面性を良好に保っている。屈折レンズ群ＧＵから射出した光線は、第１ミラーＭ１の平面反射面Ｓ１６で反射され、第２ミラーＭ２のフレネル反射面Ｓ１７で反射され、第３ミラーＭ３の平面反射面Ｓ１８で反射された後、２次像面ＳＩに到達する。
【００２３】
図２の光路図では、投影装置の枠線から投影光学系の縮小側部分がはみ出ているが、図７に示す屈折レンズ群ＧＵの面Ｓ９と面Ｓ１０との間に、図２２に示すように平面ミラーＭ０を配置して、図７の紙面(ＸＹ平面)から浮くように光路を折り返せば(図２２中の矢印)、投影装置の厚さの軽減と２次像面ＳＩのローカル座標系のｙ方向(画面短辺方向)への投影装置の小型化とが可能である。これは後述する第３，第４の実施の形態においても同様である。また、図２１と同様に紙面内(ＸＹ平面内)で折り返してもよい。
【００２４】
第３の実施の形態(図３，図８)では、第１ミラーＭ１が正の光学的パワーを有し、かつ、回転対称な非球面を有する曲面ミラーであり、第２ミラーＭ２が負の光学的パワーを有し、かつ、回転対称な非球面を有する曲面ミラーである。また、２次像面ＳＩの１つ手前の面を構成している第３ミラーＭ３が、正の光学的パワーを有するフレネルミラーである。平面ミラーを１枚も用いていないにもかかわらず、２次像面ＳＩと第３ミラーＭ３とで挟まれた空間内に、１次像面ＳＯから第２ミラーＭ２までの光学要素が効率的に収まっている。この第３の実施の形態は、２次像面ＳＩ側から数えて２枚目の反射面にフレネル反射面を用いていない唯一の例である。第１〜第５の実施の形態のなかで後記相対的な薄さが３番目ということもあるが(表２６)、歪曲収差がもっとも小さい例でもあり、また、第２ミラーＭ２から発生する大きい正のペッツバール和が第１ミラーＭ１の正のパワーで緩和されているという特徴もある。
【００２５】
第４の実施の形態(図４，図９)では、２次像面ＳＩ側から数えて１面目が正のパワーを有するフレネル反射面であり、２面目が負のパワーを有するフレネル反射面となっている。その効果として、後述する投影装置の厚さ(Ｄ／Ｖ２)が最小になっており(表２６)、像面性も良好である。
【００２６】
第５の実施の形態(図５，図１０)は、前記第１の実施の形態と同様、１次像面ＳＯ側で斜めテレセントリックな構成になっており、実絞りは設けられていない。この実施の形態に対応する後記実施例５では、１次像面ＳＯの中心から、そのローカル座標系のｖｘベクトル方向に１００４００ｍｍ、ｖｙベクトル方向に−２００００ｍｍシフトした所に瞳の中心が位置し、その瞳半径は１４４９１．４９２ｍｍである。１次像面ＳＯ上から射出した光線は、１次像面ＳＯのカバーガラスＧＰを通過し、正のパワーを有する第１ミラーＭ１の回転対称な非球面反射面で反射され、回転非対称レンズＧＬ(面Ｓ４，面Ｓ５)を通過する。実際の開口絞りは面Ｓ３と面Ｓ４の近傍に位置する。回転非対称レンズＧＬから射出した光線は、負のパワーを有する第２ミラーＭ２の回転対称な非球面反射面Ｓ６で反射され、正のパワーを有する第３ミラーＭ３の回転非対称な非球面反射面Ｓ７で反射され、負のパワーを有する第４ミラーＭ４のフレネル反射面Ｓ８で反射され、第５ミラーＭ５の平面反射面Ｓ９で反射された後、２次像面ＳＩに到達する。
【００２７】
縮小側の１次像面ＳＯから拡大側の２次像面ＳＩへの拡大投影を行うための投影光学系においては、各実施の形態のように、２次像面ＳＩ側から順に２面以上の反射面を有し、２次像面ＳＩ側から数えて２面目までの反射面のうち少なくとも１面が負のパワーを有し、正又は負のパワーを有するフレネル反射面を全系中に少なくとも１面有することが好ましい。２次像面ＳＩ側から数えて２面目までの反射面のうち、少なくとも１面を負のパワーを有する反射面とすることにより、広画角化を達成することができる。なかでも、各実施の形態のように、２次像面ＳＩ側から数えて２面目の反射面に負のパワーを持たせれば、効果的に広画角化を達成することができる。
【００２８】
また、正又は負のパワーを有するフレネル反射面を全系中に少なくとも１面用いることにより、像面性を良好にして良好な投影画像を得ることが可能となる。曲面ミラーの場合、広画角化・薄型化を達成するために負パワーを強くすると、強い正のペッツバール和の発生により像面性が悪化してしまう。それに対してフレネル反射面では、その巨視的面形状を略平面にすることも可能である。つまり、像面性を悪化させることなく負パワーを強くすることができるため、良好な光学性能を保持しつつ広画角化・薄型化を達成することができる。また、フレネル反射面を構成する反射光学素子は、通常の曲面反射面を有する反射光学素子に比べ、空間に占める割合が小さいため光路の折り返しに際する干渉防止が容易であり、軽量・薄型化が可能であるため投影装置全体の軽量・薄型化を達成することができる。さらに、フレネル反射面を用いることにより他の光学要素の構成を単純化することが可能になるため、製造難易度の高い大型の非球面ミラーを用いなくても広画角化の達成が可能となる。
【００２９】
負のパワーを有するフレネル反射面を用いた場合には、曲面反射面を用いた場合よりも、投影装置の小型化と広画角化を図る際に光路の折り曲げが容易になる。例えばフロントプロジェクターにおいて、最も２次像面ＳＩ側の反射面として負パワーのフレネル反射面を用いた場合でも、装置を薄型化しつつ広画角化を達成することが可能である。２次像面ＳＩ側から数えて２面目の反射面として、負のパワーを有するフレネル反射面を用いた場合には、例えばリアプロジェクターにおいて、広画角化，像面性の改善，干渉防止等が特に容易になる。さらに、２次像面ＳＩ側から数えて３面目の反射面として、第１，第２，第４の実施の形態のように、平面反射面を用いることにより、光路の折り返しが更に容易になる。２次像面ＳＩ側から数えて１面目の反射面として、正のパワーを有するフレネル反射面を用いた場合には、２次像面ＳＩに対する光線入射角(すなわちスクリーン入射角)を緩くすることができるため、リアプロジェクション・フロントプロジェクションのいずれにおいても明るく照度ムラの少ない画像を得ること(つまり照度分布の改善と明るさの向上)が可能となる。
【００３０】
各実施の形態のように、少なくとも１つの屈折光学素子を有し、その屈折光学素子がフレネル反射面より１次像面ＳＯ側の光路中に位置することが好ましい。屈折光学素子は誤差感度が低いため、反射光学素子に比べて製造難易度が低く、その調整(例えば保持枠に対する位置決め調整)も反射光学素子に比べて容易である。したがって、屈折光学素子をフレネル反射面より１次像面ＳＯ側の光路中に配置すれば、精度の高い光学構成にすることができる。また、屈折光学素子では負ミラーで発生するペッツバール和を補正しにくいので、フレネル反射面と屈折光学素子との組み合わせは良好な像面性を得る上で有効である。
【００３１】
フレネル反射面の巨視的な面の法線は、２次像面ＳＩの法線に対して略平行であることが好ましい。このような面配置には、投影装置を小型化する際の光路の折り返しが容易になるというメリットがある。例えば第４の実施の形態では、第２，第３ミラーＭ２，Ｍ３とも面配置が上記条件を満たすことにより、効果的に薄型化を達成している。
【００３２】
また、すべての実施の形態においてフレネル反射面は、その法線が２次像面ＳＩの法線に対して略平行になっており、かつ、巨視的面形状が平面になっている。これにより空間を効率的に使うことが可能となる。さらに、その面法線を各実施の形態の状態から数度以上傾けたり、巨視的面形状を曲面にしたりすれば、フレネル反射面の形状によるケラレを有利に緩和することができる。また、スクリーン近傍に集光作用や発散作用を持たせるためのフレネル面，レンチキュラー等を配置する場合には、それにより発生するモアレを考慮してフレネル形状のピッチを設計する必要がある。例えば、２次像面ＳＩ側から１面目にフレネル反射面を用いる場合、１次像面ＳＯ上に位置するマイクロデバイスの画素ピッチに投影倍率βをかけた値の５０分の１から２分の１程度のピッチにするのが好ましい。２次像面ＳＩ側から２面目にフレネル反射面を用いる場合、１００分の１から４分の１程度のピッチにするのが好ましい。
【００３３】
フレネル反射面での回折により発生する迷光を軽減するには、投影光学系を通過させる光の波長の１０倍以上又は１０分の１以下のピッチにすることが好ましい。隣接する画像の一部が理想点からかけ離れた位置に飛んでしまわないようにするには、１次像面ＳＯ上の１点からの光束がフレネル反射面に入射したときの直径の２倍以下であることが好ましい。また、１次像面ＳＯ上の１点からの光束がフレネル反射面に入射したときの直径と同じピッチのフレネル反射面を用いた場合には、１画素に対して平均的に約１本の線が像として現れるが、フレネルのピッチをそれより細かくした方が射影された像としてはより自然となるので好ましい。１次像面ＳＯ上の異なる点からの光束がフレネル反射面に入射したときの直径はそれぞれ異なるため、それぞれの光束がフレネル反射面に入射するときの光束幅の差を考慮して、一様のピッチでないフレネル反射面を用いることが好ましい。
【００３４】
なお、各実施の形態においてフレネル反射面を構成する反射型光学素子(フレネルミラー)は、射出成形，プレス成形，切削成形等により製造された光学部品に反射作用をもたらすコーティング(金属薄膜等)を施すことにより得られる。上記光学部品の材料としては、プラスチック(紫外線硬化型樹脂等)，ガラス，金属等が挙げられる。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明を実施した投影光学系を、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１〜５は、前述した第１〜第５の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、各実施の形態を表す光学構成図(図１〜図１０)は、対応する実施例の光学配置，投影光路等をそれぞれ示している。
【００３６】
表１〜表２４に実施例１〜５の光学構成を示す。そのなかでも、表１，表２；表６，表７；表１０，表１１；表１５，表１６；表２０，表２１は、縮小側の１次像面(ＳＯ；拡大投影における物面に相当する。)から拡大側の２次像面(ＳＩ；拡大投影における像面に相当する。)までを含めた全系の光学配置をコンストラクションデータで示している。コンストラクションデータ(その１)において、Ｓｎ(ｎ＝１，２，３，．．．)は縮小側から数えてｎ番目の面であり、その面の曲率半径がＣＲ(ｍｍ)、その面から次の拡大側面までの軸上面間隔がＴ(ｍｍ)であり、軸上面間隔Ｔに位置する媒質のｄ線に対する屈折率，アッベ数がＮｄ，νｄである。なお、面Ｓ１と面Ｓ２を構成している屈折光学素子は１次像面ＳＯを覆うカバーガラスであり、開口絞りＳＴに関してはその絞り半径をあわせて示す。
【００３７】
全実施例におけるグローバル座標系(Ｘ，Ｙ，Ｚ)の原点(Ｇｏ)は１次像面ＳＯ中心に位置し、その座標ベクトルは互いに直交した単位ベクトルＶＸ(１，０，０)、ＶＹ(０，１，０)、ＶＺ(０，０，１)で定義される。よって、コンストラクションデータ(その２)における１次像面ＳＯの原点(ｏ)はグローバル座標系の原点(Ｇｏ)と同一の点となる。なお、ベクトルＶＸは１次像面ＳＯの面法線と平行で、原点(Ｇｏ)を起点として１次像面ＳＯより１つ２次像面ＳＩ側の面の方向をとる単位ベクトルである。ベクトルＶＹはベクトルＶＸに直交し、原点(Ｇｏ)を起点として１次像面ＳＯの短辺方向で２次像面ＳＩ方向に向く単位ベクトルである。ベクトルＶＺは原点(Ｇｏ)を起点とし、ベクトルＶＸとベクトルＶＹに直交した右手系で定義されるものである。
【００３８】
各面の面頂点におけるグローバル座標はコンストラクションデータ(その２)に記載するとおりである。共軸系の部分(ブロック)においては、軸上面間隔Ｔを利用してグローバル座標を定義する。つまり、共軸ブロック内の特定の面を面ＳＬｉとし、その面ＳＬｉが所属するブロックで最も１次像面ＳＯ側の面を面ＳＬとし、その面ＳＬの面頂点を点Ｌｏとし、面ＳＬのｖｘベクトル(単位ベクトル)をベクトルＬｏｖｘとしたとき、面ＳＬｉの面頂点の位置は、点Ｌｏから面ＳＬｉの直前までのブロック内の面に付属する軸上面間隔Ｔの和の分、ベクトルＬｏｖｘ方向に移動した位置Ｌｉとなる。そして面ＳＬｉのローカルベクトルは、面ＳＬｉの３つの直交する単位ベクトルを、点Ｌｉを起点とするように移動させたものとなる。
【００３９】
実施例２を例にとって説明すると、面Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ１８，及びＳＩは共軸ブロックに所属しないため、それぞれのグローバル座標表記はコンストラクションデータ(その２)の値そのものとなる。面Ｓ１と面Ｓ２は面ＳＯから面Ｓ２までの面から成る共軸ブロックに属するから、面ＳＯを面ＳＬと考え、面Ｓ１の面頂点は、点Ｌｏ＝(０，０，０)がベクトルＬｏｖｘ＝(１，０，０)方向に軸上面間隔Ｔ＝０．５ｍｍ移動した点(０．５，０，０)となり、面Ｓ２の面頂点は点ＬｏがベクトルＬｏｖｘ方向に３．５ｍｍ(０．５ｍｍ＋３ｍｍ)移動した点(３．５，０，０)となる。また、それぞれの直交座標ベクトルは、ｖｘ＝(１，０，０)，ｖｙ＝(０，１，０)，ｖｚ＝(０，０，１)となる。面Ｓ４から面Ｓ１５までは、面Ｓ３から面Ｓ１５までの面から成る共軸ブロックに属するから、面Ｓ３を面ＳＬとして同様の手順を用いる。
【００４０】
なお、実施例１〜４では共軸部分が多いため、軸上面間隔Ｔを用いた表記としているが、実施例５では共軸部分が少ないため全ての面についての面頂点とベクトルデータを記載している。また、コンストラクションデータ(その１)における各面の曲率半径ＣＲの符号は、ローカルな直交座標系のｘ軸に対するものであり、正の場合はその曲率中心がローカルｖｘベクトル上の正の方向に存在する。ただし、フレネル反射面の曲率半径ＣＲは巨視的面形状の曲率半径である。
【００４１】
コンストラクションデータ(その１)において、＊印が付された面は回転対称な非球面であり、その面形状は面頂点を原点とするローカルな直交座標系(ｘ，ｙ，ｚ)を用いた以下の式(AS)で定義される。＄印が付された面は回転非対称な拡張非球面であり、その面形状は面頂点を原点とするローカルな直交座標系(ｘ，ｙ，ｚ)を用いた以下の式(BS)で定義される。また、Ｆ印が付された面は回転対称なフレネル反射面であり、その面形状は面頂点を原点とするローカルな直交座標系(ｘ，ｙ，ｚ)を用いた以下の式(FS)で定義される。表３〜表５；表８，表９；表１２〜表１４；表１７〜表１９；表２２〜表２４に、回転対称非球面データ，拡張非球面データ及びフレネル非球面データを示す。ただし、表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０-n，Ｅ＋ｎ＝×１０+nである。
【００４２】
ｘ＝(Ｃ０・ｈ2)／{１＋√(１−ε・Ｃ０2・ｈ2)}＋Σ(Ａｉ・ｈi)  …(AS)
ｘ＝(Ｃ０・ｈ2)／{１＋√(１−ε・Ｃ０2・ｈ2)}＋Σ(Ｂｊｋ・ｙj・ｚk)  …(BS)
Ｒ(ｈ)＝Σ(Ｆｍ・ｈm)  …(FS)
ただし、式(AS),(BS),(FS)中、
ｘ：高さｈの位置でのｘ軸方向の基準面からの変位量(面頂点基準)、
ｈ：ｘ軸に対して垂直な方向の高さ(ｈ2＝ｙ2＋ｚ2)、
Ｃ０：面頂点での曲率(正負はｘ軸に対するものであり、正の場合その曲率中心がベクトルｖｘ上の正方向に存在する。)、
ε：２次曲面パラメータ、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数、
Ｂｊｋ：ｙのｊ次、ｚのｋ次の拡張非球面係数、
Ｆｍ：ｍ次のフレネル非球面係数、
Ｒ(ｈ)：高さｈの位置での曲率半径(フレネル回転中心軸と平行なベクトルをＲｖｘとし、Ｒｖｘベクトル回りの半径を高さｈとし、Ｒｖｘベクトルをローカルな直交座標系のｘ軸方向のベクトルとして定義される面(平面とは限らない)を巨視的な面Ｓｆとし、面Ｓｆ上で任意の高さｈと交差する点をＰとすると、点Ｐにおけるフレネル反射面の面形状はＲｖｘベクトル上に中心を持ち点Ｐを通る球に従う。Ｒ(ｈ)の符号は、点Ｐを含みＲｖｘベクトルと直交する平面と回転中心軸とが交わる点から見て、Ｒ(ｈ)の中心がＲｖｘベクトル方向にある場合に正とする。なお、面Ｓｆはフレネル反射面の巨視的な形状を表す面であり、各実施例における面Ｓｆは全て平面である。)、
である。
【００４３】
表２５に、１次像面ＳＯの画面サイズ(ｍｍ)と投影倍率を示す。１次像面ＳＯの画面形状は長方形であり、１次像面ＳＯの±Ｙ方向が画面短辺方向、±Ｚ方向が画面長辺方向である。投影倍率は、１次像面ＳＯの中心と開口絞りＳＴの中心とを通る光線を「中心主光線」とした近軸トレースによる計算結果である。つまり、βｙはｘｙ断面上での近軸トレースにより計算した投影倍率の絶対値、βｚはβｙに直交する方向の投影倍率の絶対値であり、βはβｙとβｚの平均値{＝(βｙ＋βｚ)／２}である。
【００４４】
表２６に、投影装置の厚さに関するデータＶ２，Ｄを示す。Ｖ２(ｍｍ)＝［２次像面ＳＩの短辺方向の幅］＝［１次像面ＳＯの短辺方向の幅(４．９２４８ｍｍ×２)にβをかけた値］であり、Ｄ(ｍｍ)＝［２次像面ＳＩの法線方向の投影装置の厚さ］である。投影装置の厚さはこれら２つの値Ｖ２，Ｄで表現することができ、ＤとＶ２との比(＝Ｄ／Ｖ２)が小さいほど投影装置がより薄いことを示している。実施例１，２，４では、光路図(図１，図２，図４)において１次像面ＳＯが厚さ方向に出っ張っているが、実施例１では屈折レンズ群ＧＵとフレネル反射面との間でＸＹ平面内で折り返したとき(図２１)の値であり、実施例２と実施例４ではＸＹ平面内(図の紙面内)から飛び出すように屈折レンズ群ＧＵ内で曲げたとき(図２２)の値である。全実施例において、２次像面ＳＩと、２次像面ＳＩから１次像面ＳＯに向かう光路中の１面目の反射面と、の２面が投影装置の厚さを決定している。
【００４５】
表２７に、２次像面ＳＩに対する主光線(すなわち１次像面ＳＯ上の各点から開口絞りＳＴ中心を通過して２次像面ＳＩに到達する光線)の入射角(°)を示す。入射角データは各実施例について２５点分(△印：最大入射角)あり、後述するスポット重心位置とほぼ一致している。投影光学系でリアプロジェクション装置を構成する場合、２次像面ＳＩ側から数えて１面目の反射面にフレネルミラーを用いると、２次像面ＳＩに入射する角度が緩くなるという効果が得られる。この効果は表２７のデータから明らかである。つまり、実施例３と実施例４は、投影装置の厚さが実施例１や実施例５よりも薄く、実施例４に関しては更に実施例２よりも薄いが、２次像面ＳＩ上での最大入射角の値は小さいことが分かる。
【００４６】
スポットダイアグラム(図１１〜図１５)と歪曲図(図１６〜図２０)で、各実施例の光学性能を示す。各スポットダイアグラムは、２次像面ＳＩでの結像特性(±１．５ｍｍスケール)を３波長(４５０ｎｍ，５４６ｎｍ，６３０ｎｍ)，２５個の評価ポイント(Ａ)〜(Ｙ)について示している。表２８〜表３２に、各評価ポイント(Ａ)〜(Ｙ)のスポット重心の投影位置を２次像面ＳＩのローカル座標(ｙ，ｚ；ｍｍ)で示す。いずれの実施例もＸＹ平面に対して面対称な光学系から成っているため、スポットダイアグラムは２次像面ＳＩ上でのｚ方向のプラス側の半分のみを示しており、残り半分は図示省略してある。
【００４７】
各歪曲図は、１次像面ＳＯでの長方形状網目に対応する２次像面ＳＩでの光線位置(ｍｍ，波長：５４６ｎｍ)を示している。つまり、１次像面ＳＯの短辺方向と長辺方向にそれぞれ仮想上の９本の線を等間隔で引き、その交点となる８１点を２次像面ＳＩ上に投影したときの理想的投影位置からの重心ズレを長い破線でつないだ歪曲格子を示している。短い破線は各点の理想的投影位置(歪曲無し)を示しており、その理想的投影位置は１次像面ＳＯのローカル座標(ｙ，ｚ)の値に投影倍率βｙ，βｚをかけた値を、２次像面ＳＩのローカル座標(ｙ，ｚ)上に置いたときの位置となる。なお、各歪曲図では画面の半分を省略せずに２次像面ＳＩの全域を示している。
【００４８】
【表１】
2005234452.tif 000003
【００４９】
【表２】
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【００５０】
【表３】
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【００５１】
【表４】
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【００５２】
【表５】
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【００５３】
【表６】
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【００５４】
【表７】
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【００５５】
【表８】
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【００５６】
【表９】
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【００５７】
【表１０】
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【００５８】
【表１１】
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【００５９】
【表１２】
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【００６０】
【表１３】
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【００６１】
【表１４】
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【００６２】
【表１５】
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【００６３】
【表１６】
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【００６４】
【表１７】
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【００６５】
【表１８】
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【００６６】
【表１９】
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【００６７】
【表２０】
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【００６８】
【表２１】
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【００６９】
【表２２】
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【００７０】
【表２３】
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【００７１】
【表２４】
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【００７２】
【表２５】
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【００７３】
【表２６】
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【００７４】
【表２７】
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【００７５】
【表２８】
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【００７６】
【表２９】
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【００７７】
【表３０】
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【００７８】
【表３１】
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【００７９】
【表３２】
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【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】第１の実施の形態(実施例１)の光学構成を示す側面図。
【図２】第２の実施の形態(実施例２)の光学構成を示す側面図。
【図３】第３の実施の形態(実施例３)の光学構成を示す側面図。
【図４】第４の実施の形態(実施例４)の光学構成を示す側面図。
【図５】第５の実施の形態(実施例５)の光学構成を示す側面図。
【図６】図１の要部拡大図。
【図７】図２の要部拡大図。
【図８】図３の要部拡大図。
【図９】図４の要部拡大図。
【図１０】図５の要部拡大図。
【図１１】実施例１のスポットダイアグラム。
【図１２】実施例２のスポットダイアグラム。
【図１３】実施例３のスポットダイアグラム。
【図１４】実施例４のスポットダイアグラム。
【図１５】実施例５のスポットダイアグラム。
【図１６】実施例１の歪曲図。
【図１７】実施例２の歪曲図。
【図１８】実施例３の歪曲図。
【図１９】実施例４の歪曲図。
【図２０】実施例５の歪曲図。
【図２１】第１の実施の形態(実施例１)を縮小側光路で折り返したときの光学構成を示す側面図。
【図２２】第２〜第４の実施の形態(実施例１〜４)を縮小側光路で折り返したときの光学構成を示す平面図。
【符号の説明】
【００８１】
ＳＯ    １次像面
ＳＩ    ２次像面
Ｍ１    第１ミラー(反射面)
Ｍ２    第２ミラー(反射面)
Ｍ３    第３ミラー(反射面)
Ｍ４    第４ミラー(反射面)
Ｍ５    第５ミラー(反射面)
ＳＴ    開口絞り
ＧＵ    屈折レンズ群(屈折レンズ)
ＧＬ    回転非対称レンズ(屈折レンズ)
【図１】
2005234452.tif 000035
【図２】
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【図３】
2005234452.tif 000037
【図４】
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【図５】
2005234452.tif 000039
【図６】
2005234452.tif 000040
【図７】
2005234452.tif 000041
【図８】
2005234452.tif 000042
【図９】
2005234452.tif 000043
【図１０】
2005234452.tif 000044
【図１１】
2005234452.tif 000045
【図１２】
2005234452.tif 000046
【図１３】
2005234452.tif 000047
【図１４】
2005234452.tif 000048
【図１５】
2005234452.tif 000049
【図１６】
2005234452.tif 000050
【図１７】
2005234452.tif 000051
【図１８】
2005234452.tif 000052
【図１９】
2005234452.tif 000053
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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