(57)【要約】【課題】  使用波長全域（可視光域）において、回折光学素子の回折効率が高く、且つ前記回折光学素子に入射する光の入射角依存を低減できるような前記回折光学素子を用い、特に液晶プロジェクタ等の投射型の表示装置等に好適な共軸系の投射用レンズを提供することを目的とする。【解決手段】  前記目的を達成するためには、共軸系の投射用ズームレンズにおいて、各レンズを通過する瞳近軸光線の光軸からの高さの絶対値が高い位置に積層型回折光学素子を導入し、前記回折光学素子面に入射する光線分布に応じて、前記回折光学素子を形成する円形若しくは楕円形の中心を、導入したレンズ基板の光軸に対してずらすことによって実現することができる。【選択図】  図１
2005164773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
広帯域の波長領域で使用する回折光学素子であり、前記回折光学素子はレンズ基板上に形成された回折格子を有し、前記回折格子のパターン形状は円形若しくは楕円形であり、前記円形若しくは楕円形の中心位置が、前記レンズ基板の光軸に対してずれていることを特徴とする前記回折光学素子。
【請求項２】
前記回折光学素子の前記円形若しくは楕円形の中心位置のずれ方向は、前記回折光学素子に入射する光の通過領域が偏っている方向にずれていることを特徴とする請求項1に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記回折光学素子の前記円形若しくは楕円形の中心位置のずれ方向は、前記円形の場合は前記レンズ基板の光軸に対して垂直方向にある一方の径方向に、前記楕円形の場合は前記レンズ基板の光軸に対して垂直方向にある一方の長軸若しくは短軸方向にずれていることを特徴とする請求項２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記回折光学素子は、前記回折格子の周辺部に向かうに連れ、格子ピッチが小さくなる前記回折格子の前記円形若しくは楕円形の中心位置がずれた形状であることを特徴とする請求項1から3に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記使用波長領域が、可視光域であることを特徴とする請求項1から4に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記回折光学素子は、主に共軸系の投射用レンズにおいて用いられることを特徴とする請求項1から5に記載の回折光学素子及び前記回折光学素子を用いた投射用レンズ。
【請求項７】
前記回折光学素子を用いた前記投射用レンズにおいて、前記回折光学素子は各レンズを通過する瞳近軸光線の光軸からの高さが以下の条件式を満足する位置に導入されていることを特徴とする請求項6に記載の回折光学素子及び前記回折光学素子を用いた投射用レンズ。
【数１】
2005164773.tif 000019
ここで、
【数２】
2005164773.tif 000020
：回折光学素子を導入するレンズ面の瞳近軸光線の光軸からの高さ。
RDOE：回折光学素子を導入するレンズ面における光線有効半径。
を各々表している。
【請求項８】
前記回折光学素子の前記円形若しくは楕円形の中心位置のずれ量は、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項7に記載の回折光学素子及び前記回折光学素子を用いた投射用レンズ。
0.0  ＜ | Yshift / RDOE | ＜  0.3
ここで、
Yshift：回折光学素子の円形若しくは楕円形の中心位置の、投射用レンズにおける前記回折光学素子を導入するレンズ面の光軸に対して垂直方向へのずれ量。
RDOE：回折光学素子を導入するレンズ面における光線有効半径。
を各々表している。
【請求項９】
前記回折光学素子は、レンズ基板上に形成された回折格子を有し、且つ前記回折格子のパターン形状が円形若しくは楕円形で形成された層を、複数個積層して構成された積層型回折光学素子であることを特徴とする請求項１から８に記載の回折光学素子及び前記回折光学素子を用いた投射用レンズ。
【請求項１０】
前記回折光学素子は、分散の異なる２つの材料により形成される２つの前記回折格子の層を近接配置した構成であることを特徴とする請求項９に記載の回折光学素子及び前記回折光学素子を用いた投射用レンズ。
【請求項１１】
前記請求項６から１０のいずれか１項の投射用レンズを用いて、投影像原画をスクリーン面上に投影していることを特徴とする投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子及びそれを用いた光学系に関し、特に使用波長領域(可視光域)における回折光学素子の入射角度依存性による回折効率の低減を緩和することができ、且つ前記回折光学素子を用いた、特にライトバルブに表示された像をスクリーン上に拡大投影する、特に液晶プロジェクタ装置に好適な共軸系の投射用レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の硝材の組合せにより色収差を減じる方法に対して、レンズ面やあるいは光学系の一部に回折作用を有する回折光学素子を設けることで色収差を減じる技術が、SPIE vol.1354 International Lens Design Conference(1990)等の文献や特開平4−213421号公報、特開平6−324262号公報、USP5,044,706号等により開示されている。これらは、光学系中の屈折面と回折面とでは、ある基準波長の光線に対する色収差の出方が逆方向に発現するという物理現象を利用したものである。これは、通常の光学ガラスが正の分散特性を有しているのに対し、回折光学素子は負の分散特性(υd=−3.453)を有していることを意味している。また、回折光学素子は強い異常分散性（θg,F=0.2956）を持ち、加えて、回折光学素子の周期構造を変化させることで、非球面効果をも持たせることができるという特性を有している。以上のことから、回折光学素子は負の分散特性や強い異常分散性を利用した色収差の補正効果と非球面効果の大きな2つの効果が利用でき、光学性能の大幅な向上が期待できる。更に、回折光学素子は微細な形状をしていることから、空間的な占有率を非常に低くすることができ、光学系の軽量化及び小型化を達成し易いという特性も有している。
【０００３】
一方、液晶パネル等の表示画像を拡大投影する液晶プロジェクタ等の投射型の表示装置は、近年大幅にその性能が向上し様々な場所で使用されるようになったものの、表示画像の画質、画像の明るさ、小型化、軽量化等の点に関してより一層の向上が求められている。
【０００４】
現在主流である液晶プロジェクタとして、赤、青、緑の波長領域用に各々液晶パネルを配置する、所謂「３板式液晶プロジェクタ」が知られている。この「３板式液晶プロジェクタ」は、３つの液晶パネルに表示された画像を、スクリーン上に重ねてカラー画像として表示するために光路上にダイクロイックプリズム等の色合成光学系を用いている。このダイクロイックプリズム中のダイクロ膜の角度依存性により発生する投射画像の色むらや、液晶パネルの視向性により発生するコントラスト低下を防ぐために、投射光学系には縮小共役側の像面に対してテレセントリック性が要求される。また、3つの液晶パネルの拡大画像の色ずれを少なくするため、投射レンズには倍率色収差を低減することが要求される。更に、近年比較的明るい部屋の中でも画像を観察できるようにするため、液晶パネルにはマイクロレンズが採用されるようになった。このため液晶パネルより放射する光の立体角が大きくなり、この光を有効利用するため、投射レンズにはより明るいものが求められるようになった。
【０００５】
前記回折光学素子を投射光学系に用いる場合、回折効率を考慮しなければならない。屈折光学系の場合、ある屈折面に入射した１本の光線は屈折後も１本の光線であるが、回折においては、複数の各回折次数に光が分離してしまう。そこで、レンズ系として回折光学素子を用いる場合には、使用波長領域の光束が1つの特定次数(以後設計次数と言う)に集中するように格子構造を決定する必要がある。設計次数に光が集中している場合では、それ以外の回折光の光線強度は低いものとなり、強度が０の場合にはその回折光は存在しないものとなる。設計次数以外の回折次数を持った光線が存在する場合は、設計次数の光線とは異なる位置に結像するため、設計した像面に対してはボケを有するフレア光となる。従って、回折効果を利用した光学系においては、設計次数での回折効率の分光分布だけでなく、設計次数以外の光線の振舞いについても十分考慮することが重要である。そのため、前記特長である回折光学素子の色収差の補正効果等を有効に利用するには、使用波長域全域において設計次数の光線の回折効率が十分に高いことが必要となる。
【０００６】
図１１は、ある１つの材料により形成された単層の回折光学素子(図１１(a))の回折効率(図１１(b))を例に示したものである。前記図１１(a)は単層の回折光学素子の簡略図を表しており、図中において、d1は格子高さを、Pitchは格子ピッチを、（nd1、νd1）は格子に用いた紫外線硬化樹脂のd線における屈折率及びアッベ数を各々表している。また前記図１１(b)は、前記図１１(a)の回折効率の波長依存特性を表している。この時、前記図１１(a)において、d1=1.0[μm]、Pitch=1000[μm]、(nd1、νd1)=(1.513、51.0)にして計算した結果を図１１(b)に示してある。前記図１１(b)においては、設計次数である１次光と、その他の次数として０次光と２次光の回折効率の波長依存特性を併せて表記してある。尚、図１１(b)中において、横軸は波長[μm]を、縦軸は回折効率[%]を各々表している。前記図１１(b)より、１次光の回折効率は、ある特定の波長において回折効率は高いものの、前記特定な波長より離れた波長の回折効率は大きく低下していることが分かる。この回折効率の低下している波長域においては、設計次数以外の０次光及び2次光の回折効率が高くなっておりフレア等の画像劣化を起こしてしまう。
【０００７】
このような回折効率の波長依存性を低減するような構成が、特開平10-133149号公報や特開平10-39639号公報において開示されている。特開平10-133149号公報等の技術は、分散の異なる2つの材料により回折格子を形成し、波長による位相差を低減することで、単層の回折格子に見られるような回折効率の波長依存劣化を低減させたものである。図１２は、特開平10-133149号公報の技術に見られるような回折光学素子の回折効率の例である。前記特開平10-133149号公報の中では、２つの材料を密着させた構成であったが、その材料どうしを空気層を挟んで分離した構成で図１２(a)は示されている。ここで、d1、d2は格子高さを、Pitchは格子ピッチを、nd1、nd2は格子に用いた紫外線硬化樹脂１及び２のd線における屈折率を、νd1、νd2は前記紫外線硬化樹脂１及び２のd線におけるアッベ数を各々表している。また図１２(b)は、前記図１２(a)の回折効率の波長依存特性を表しており、前記図１２(a)において、d1=6.9[μm]、d2=9.5[μm]、Pitch=1000[μm]、(nd1、νd1)=(1.636、22.8)、(nd2、νd2)=(1.513、51.0)にして計算した結果を示している。前記図１２(b)より、1次光の回折効率は、広波長域に渡り高い回折効率を示していることが分かる。また、この時設計次数以外の０次光及び２次光の回折効率が低くなっている。このように、空気層を挟むことにより、２つの材料の選択性が広がり、光学性能を向上させることが可能となる。以下、この技術により構成される回折素子の形状を単層型の回折光学素子に対して、積層型の回折光学素子と呼ぶことにする。
【０００８】
前記回折光学素子をプロジェクタ装置等の(共軸系の)投射光学系に利用した例として、特開2000−019400号公報、特開2001−066499号公報等が挙げられる。前記特開2000−019400号公報及び特開2001−066499号公報で提案されている光学系は、投射光学系のF値が比較的小さいため、マージナル光線の回折光学素子への入射角が大きくなってしまい、回折効率が大きく低下してしまう傾向にあった。その問題に対し、前記特開2000−019400号公報は、諸収差特に倍率色収差の補正を主な目的としていたため、前記回折光学素子の回折効率、特に斜入射に対する回折効率劣化まで言及されていなかった。一方、特開2001−066499号公報では、前記回折光学素子と縮小像面との光路間に正の屈折力のレンズを配置したり、前記回折光学素子の屈折力を適切に条件化したり、前記回折光学素子が形成されているベース面の曲率を調整することで、前記回折光学素子に入射する光線の入射角度の変動をある程度緩和していた。しかしながら、現在主流である液晶プロジェクタ用の（共軸系の）投射用レンズは、前記公開特許当時よりも更に明るく(光学系のF値が小さい)、且つ広角化されたものが求められており、これまで以上に回折光学素子への光線斜入射が問題になると考えられ、前記対応だけでは回折効率の劣化を緩和しきれないという問題があった。
【０００９】
ところで、現在の液晶プロジェクタ用の特に共軸系の投射用レンズは、スクリーン上に画像を投影する際、前記スクリーン上の投影範囲は前記共軸系の投射用レンズの光軸より片側半分のみを主に使用している。この時、前記投射用レンズの絞りより離れた箇所（各レンズを通過する瞳近軸光線の光軸からの高さの絶対値が高い位置）では、レンズを通過する光線に偏りが生じている。このことを利用して、回折光学素子を各レンズを通過する瞳近軸光線の光軸からの高さの絶対値が高い位置に導入し、前記回折光学素子の中心位置を光線分布に応じてずらすことができないかということについて、本出願人は本特許において検討を試みた。
【００１０】
前記回折光学素子の斜入射に対する回折効率劣化対策として、回折光学素子の中心位置をずらすという提案がなされた例としては、特許番号第2532729号及び特許番号第2586703号等が挙げられる。前記特許において、斜入射による回折効率劣化を回折格子のパターン形状を楕円形にし、且つ前記楕円形の中心の位置を光線の入射角度に応じ外周部方向に徐々にずらすことで、前記回折効率の劣化を緩和していた。しかしながら、前記特許においては単波長（He−Neレーザ）における回折効率の斜入射劣化対策でしかなく、且つ高い回折効率が得られているとは言い難かった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明では、上記従来の課題を解決し、光学系が明るく且つ小型で、諸収差特に色収差を良好に補正することができ、使用波長全域（可視光域）における回折光学素子の入射角度依存性の低減を図ることが可能な、特に液晶プロジェクタ等の投射型の表示装置等に好適な回折光学素子及びそれを用いた共軸系の投射用レンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の回折光学素子及びそれを用いた投射用レンズは、以下のような構成であることを特徴とするものである。
【００１３】
（１）本発明の回折光学素子は、広帯域の波長領域で使用する回折光学素子であり、前記回折光学素子はレンズ基板上に形成された回折格子を有し、前記回折格子のパターン形状は円形若しくは楕円形であり、前記円形若しくは楕円形の中心位置が、前記レンズ基板の光軸に対してずれていることを特徴としている。
【００１４】
（２）本発明の回折光学素子において、前記回折光学素子の前記円形若しくは楕円形の中心位置のずれ方向は、前記回折光学素子に入射する光の通過領域が偏っている方向にずれていることを特徴としている。
【００１５】
（３）本発明の回折光学素子において、前記回折光学素子の前記円形若しくは楕円形の中心位置のずれ方向は、前記円形の場合は前記レンズ基板の光軸に対して垂直方向にある一方の径方向に、前記楕円形の場合は前記レンズ基板の光軸に対して垂直方向にある一方の長軸若しくは短軸方向にずれていることを特徴としている。
【００１６】
（４）本発明の回折光学素子において、前記回折格子の周辺部に向かうに連れ、格子ピッチが小さくなる前記回折格子の前記円形若しくは楕円形の中心位置がずれた形状であることを特徴としている。
【００１７】
（５）本発明の回折光学素子において、使用波長領域が可視光域であることを特徴としている。
【００１８】
（６）本発明の回折光学素子は、主に共軸系の投射用レンズにおいて用いられることを特徴としている。
【００１９】
（７）本発明の回折光学素子及びそれを用いた投射用レンズにおいて、前記回折光学素子は各レンズを通過する瞳近軸光線の光軸からの高さが以下の条件式を満足する位置に導入されていることを特徴としている。
【００２０】
【数１】
2005164773.tif 000003
ここで、
【００２１】
【数２】
2005164773.tif 000004
は回折光学素子を導入するレンズ面の瞳近軸光線の光軸からの高さを、RDOEは回折光学素子を導入するレンズ面における光線有効半径を各々表している。
【００２２】
（８）本発明の回折光学素子及びそれを用いた投射用レンズにおいて、前記回折光学素子の前記円形若しくは楕円形の中心位置のずれ量は、以下の条件式を満足することを特徴としている。
【００２３】
0.0  ＜ | Yshift / RDOE| ＜  0.3    ………（２）
ここで、Yshiftは回折光学素子の円形若しくは楕円形の中心位置の、投射用レンズにおける前記回折光学素子を導入するレンズ面の光軸に対して垂直方向へのずれ量を、RDOEは回折光学素子を導入するレンズ面における光線有効半径を各々表している。
【００２４】
（９）本発明の回折光学素子及びそれを用いた投射用レンズにおいて、前記回折光学素子は、レンズ基板上に形成された回折格子を有し、且つ前記回折格子のパターン形状が円形若しくは楕円形で形成された層を、複数個積層して構成された積層型回折光学素子であることを特徴としている。
【００２５】
（１０）本発明の回折光学素子及びそれを用いた投射用レンズにおいて、前記回折光学素子が分散の異なる2つの材料により構成される2つの前記回折格子の層を近接配置した構成であることを特徴としている。
【００２６】
（１１）本発明のプロジェクタ装置は、前項（６）から（１０）のいずれか１項の投射用レンズを用いて、投影像原画をスクリーン面上に投影していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、以上のように、共軸系の投射用ズームレンズにおいて、各レンズを通過する瞳近軸光線の光軸からの高さの絶対値が高い位置に回折光学素子を導入し、前記回折光学素子面に入射する光線分布に応じて、前記回折光学素子を形成する円形若しくは楕円形の中心を導入したレンズ基板の光軸に対してずらすことによって実現することができる。更に、前記回折光学素子の導入箇所及び前記回折光学素子を形成する円形若しくは楕円形の中心のずれ量を適切に設定することにより、更に、より諸収差特に色収差が補正され、且つ回折効率の斜入射劣化の緩和がなされた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】
【００２８】
図１〜図４の各(a)及び図１４、１５の各(a)は、本発明の数値実施例１から４及び前記本実施例の比較対象となる従来例１と２の広角端におけるレンズ断面図(光路図)を各々表している。各図において、拡大共役側がスクリーン側にあたり、縮小共役側が液晶パネル側にあたる。また、各図中のL1からL6は第1レンズ群から第6レンズ群の各レンズ群を表している。SPは絞りであり、各実施例及び各比較従来例とも第3レンズ群L3と第4レンズ群L4の間に存在する。回折光学素子は、図１の数値実施例１、図２の数値実施例２及び図１４の比較従来例１では前記第6レンズ群L6の接合面に、また図３の数値実施例３、図４の数値実施例４及び図１５の比較従来例２では前記第1レンズ群L1の接合面に、各々導入されている。また、GBは色合成プリズム等のガラスブロックである。矢印は広角端から望遠端へ変倍を行う際の各レンズ群の移動軌跡を示している。尚、光学系の座標系（X、Y、Z軸の関係）は各図に示した通りである。
【００２９】
本提案において、各実施例及び各比較従来例の光学系とも、拡大共役側より順に負の屈折力の第1レンズ群L1、正の屈折力の第2レンズ群L2、正の屈折力の第3レンズ群L3、負の屈折力の第4レンズ群L4、正の屈折力の第5レンズ群L5、正の屈折力の第6レンズ群L6の6群構成の共軸系の投射用ズームレンズである。また広角端から望遠端への変倍に際して、各実施例及び各比較従来例とも、前記第1レンズ群L1及び第6レンズ群L6は固定であり、前記第2レンズ群L2、前記第3レンズ群L3及び第5レンズ群L5を縮小共役側から拡大共役側に移動させることによって変倍を行っている。尚、各実施例及び各比較従来例の光学系とも第1レンズ群L1を移動させてフォーカスを行っている。
【００３０】
図１〜図４及び図１４、図１５の各(b)及び各(c)は、本発明の数値実施例１から４（図１〜図４の各(a)）及び前記本発明の比較従来例１、２（図１４、１５の各(a)）の光学系に用いた回折光学素子のXY断面図及びYZ断面図を各々表している。ここで、各断面図の座標系は各図(a)の光学系の座標系と一致している。尚、各図の(b)の回折格子の数（円周の数）は簡略化されており、また(c)の回折格子の深さはデフォルメされた図となっている。
【００３１】
次に、本発明の各数値実施例を各図に対応させながら説明する。
【００３２】
まず本発明の実施例の説明に入る前に、本発明の回折光学素子及びそれを用いた光学系の比較対象となる光学系及び回折光学素子も検討したので、まずその説明からすることにする。
【００３３】
図１４(a)〜(c)の比較従来例１は、前記図１４(a)で示した６群構成の共軸系の投射用ズームレンズにおいて、第6レンズ群L6の接合面に前記図１４(b)、(c)に示したような回転対称な積層型回折光学素子を導入した、本発明の比較対象となる従来例を示している。具体的には、第24面r24と第25面r25に積層型回折光学素子が形成される構成となっている。（本数値データ中では、第24面r24に位相関数を表記してあるが、実際には回折光学素子を2つの面に形成するため、前記第24面r24と第25面r25上に回折光学素子を形成する。）
回折光学素子の表記に当たっては、以下の式で表される位相関数を用いた。
【００３４】
【数３】
2005164773.tif 000005
上記(A)式において、λは設計波長(550nm)、Ciは位相係数、x及びyは投射光学系のXY座標系における光軸からの位置(x,y)を各々表している。尚、本比較従来例及び後述の各実施例においては、設計次数を1次としているため、位相差が2πとなるように格子のピッチが決定される。本比較従来例１においては、回転対称な回折光学素子を用いていることより、C3、C5、C10、C12、C14の位相係数を使用し最適化を行った。(他の位相係数の値は0である。)
次に、異なる２種類の材料により成る積層型回折光学素子において、回折格子の格子形状を決定するための方法について説明する。
【００３５】
本比較従来例1では、第23面r23と第24面r24の間の第1層に紫外線硬化樹脂1(nd=1.636、νd=22.8)、第25面r25と第26面r26の間の第2層に紫外線硬化樹脂2(nd=1.513、νd=51.0)により構成された例を示している。この時、前記紫外線硬化樹脂1及び2の格子高さを各々d1、d2とすれば、以下の条件式を満足するような前記格子高さd1、d2が決定される。
【００３６】
【数４】
2005164773.tif 000006
ここで、n1(λ)、n2(λ)は波長λにおける前記紫外線硬化樹脂１及び２の屈折率を、nair(=1)は空気の屈折率を、mは設計次数（ここでは１次）を各々表している。上記(i)式から、本比較従来例及び後述の各実施例では、前記紫外線硬化樹脂1及び2の格子高さd1、d2を各々6.9μm、9.5μmとした。また、両樹脂より構成される格子間に空気層（1.0μm）を設けている。本比較従来例の数値データ中において、前記紫外線硬化樹脂の各厚みを0.05mmとしているが、これは回折光学素子の格子部の厚み(格子高さ)のみを表しているのではなく、前記回折光学素子を構成する樹脂のベース部分の厚みも考慮して示している。しかしながら、回折光学素子の構成についてはこれに限定するものではない。
【００３７】
次に、本比較従来例1に対する1次回折効率の斜入射依存性を図６の(a)に示した。前記図６(a)の詳細について説明する前に、斜入射回折効率の算出法について簡単に説明する。
【００３８】
図１３に示したように、積層型回折光学素子の樹脂層1の格子1に入射角θ1で入射した際の光学光路長差の関係は以下の式で表される。
【００３９】
【数５】
2005164773.tif 000007
ここで、θ1は格子1への入射角を、θairは格子1からの射出角（格子2への入射角）を、θ2は格子2からの射出角を各々表しており、残りの屈折率、格子厚、設計次数等は上記(i)式の場合と同じである。ここで、各角度は面法線を基準にして、反時計回りを正、時計回りを負としている。上記関係式が成り立つ時のm次の回折効率η(λ)は、以下の式で求められる。
【００４０】
【数６】
2005164773.tif 000008
ここで、Ψ(λ)は以下の式で表される。
【００４１】
【数７】
2005164773.tif 000009
上記(iii)、(iv)式で算出された1次の回折効率の入射角θ1による依存特性を図6(a)に示した。また図６(a)を算出する際、以下のことを考慮した。図５(a)は、図１４(b)のY軸上（Y≧0）における位置yと格子ピッチp及び入射角度θ1の分布との関係を示している。図５(a)中において、横軸が輪帯半径r[mm]（Y軸上の位置y[mm]）を、縦軸が格子ピッチp[μm]及び入射角度θ1[deg.]を各々表している。ここで、この図の見方は、格子ピッチpは◆で表してあり、左のY軸の値を読み、入射角θ1はその値の最大値をθ1maxとして塗りつぶし□で表し、その値の最小値をθ1minとして塗りつぶし△で表し、右のY軸の値を読むようにする。つまり、前記θ1maxとθ1minの間の範囲が、回折光学素子に入射する入射角度θ1の範囲に相当する。この図５(a)より、格子ピッチpは輪帯半径r（位置y）が大きくなる（周辺部に向かう）につれて小さくなり（格子ピッチが細かくなり）、一方入射角度θ1の分布は、輪帯半径r（位置y）が大きくなる（周辺部に向かう）につれて分布幅が狭まっていることが分かる。この図５(a)から、図６(a)の1次の回折効率の入射角θ1による依存特性を評価する位置yを、格子ピッチpの値がある程度細かく、且つ入射角度θ1の分布幅もある程度広いy=12.0[mm]位置で行うこととした。
【００４２】
上記図５(a)を基に、図６(a)では、回折光学素子導入面において、投射光学系のXY座標系の光軸からの位置(x,y)=(0,12.0)[mm]における入射角度分布θ1=−6°〜6°を3°間隔ごとに取り、その各角度θ1に対する1次回折効率の結果を示している。この時、横軸が波長[μm]を、縦軸が回折効率[%]を各々表している。尚、この時の格子ピッチpは93.8[μm]である。図６(a)より、入射角度θ1の値が正方向に大きくなるに連れて、波長0.48[μm]付近で回折効率の値が低下しているのが分かる。特に、θ1=+6°の際はθ1=0°に対して約6％回折効率が落ちていることが分かる。この低下は他の不要な次数の回折光の回折効率が増加することを意味しており、これによりフレア光(ノイズ光)が発生し画像劣化を引き起こしてしまう恐れがある。一方θ1の値が負の場合は、0.40[μm]及び0.70[μm]の可視領域両端の波長で多少回折効率が落ちるものの、ほぼθ1=0°の時と変わらない値を維持している。以上の結果より、入射角度θ1が正の場合の回折効率の低下が、本比較従来例1の光学系における問題点であることが分かった。
【００４３】
前記比較従来例1における問題を鑑みて、本発明の実施例１を図１の(a)〜(c)に示した。図１(a)〜(c)の実施例1は、前記図１４(a)の光学系と同様に、前記図１(a)で示した6群構成の共軸系の投射用ズームレンズにおいて、第6レンズ群L6の接合面に前記図１(b)、(c)に示したようなY軸方向に回折格子の円形のパターン形状の中心をずらした積層型回折光学素子を導入した例である。具体的には、Y軸方向にYshift=＋2[mm]分円形のパターン形状の中心をずらした実施例であり、その他の部分（回折光学素子の導入箇所等）は前記比較従来例1の場合と同様である。本実施例1の場合のように、Y軸方向に円形のパターン形状の中心をずらした理由は、前記実施例１の図１(a)の光路図において、回折光学素子を導入した第6レンズ群L6の接合面が、通過する瞳近軸光線の光軸からの高さが高い位置にあるため、前記回折面を通過する光線に偏りを生じているからである。（図１(a)においてはY軸の正方向）また、本実施例で用いられているような共軸系の投射用レンズは、スクリーン上に画像を投影する際、前記スクリーン上の投影範囲は前記共軸系の投射用レンズの光軸より片側半分のみを主に使用していることから、前記回折格子の円形のパターン形状の中心をY軸の(正)方向にずらしても、回折効率の性能上あまり問題がないと判断したからである。（投影の際使用しない箇所（光線が通過しない箇所）の回折効率が悪くなっても、投影上あまり影響がないという意味。）
本実施例１においては、円形のパターン形状の中心をY軸の正方向にずらした構成の回折光学素子を用いていることより、前記(A)式におけるC2、C3、C5、C7、C9、C10、C12、C14の各位相係数を使用し最適化を行った。(他の位相係数の値は0である。)
また、本実施例１で使用した紫外線硬化樹脂1、2及び格子高さd1、d2等は、前記比較従来例１の場合と同じである。
【００４４】
この時の実施例１に対する1次回折効率の斜入射依存性を図6の(b)に示した。また、前記比較従来例1の場合と同様に、図１(b)のY軸上（Y≧0）における位置yと格子ピッチp及び入射角度θ1の分布との関係を図５(b)に示した。図５(b)中において、格子ピッチpは輪帯半径r（位置y）が大きくなる（周辺部に向かう）につれて小さくなる（格子ピッチが細かくなる）ものの、前記比較従来例1の場合（図5(a)）に比べてその減り具合が緩やかであることが分かる。一方、入射角度θ1の分布は、輪帯半径r（位置y）が大きくなる（周辺部に向かう）につれて分布幅が狭まっており、前記比較従来例1の場合（図５(a)）とほぼ同じ角度分布にあることが分かる。尚、図６(b)の1次の回折効率の入射角θ1による依存特性を評価する位置yは、前記比較従来例１と同様にy=12.0[mm]位置で行うこととした。
【００４５】
図６(b)では、前記比較従来例1と同様に、投射光学系のXY座標系の光軸からの位置(x,y)=(0,12.0)[mm]における入射角度分布θ1=−6°〜6°を3°間隔ごとに取り、その各角度θ1に対する1次回折効率の結果を示している。尚、この時の格子ピッチpは166.15[μm]である。図6(b)の結果より、前記比較従来例１において問題となっていた、入射角度θ1の値が正方向に大きくなるに連れての、波長0.48[μm]付近での回折効率の値の低下であるが、本実施例1は前記比較従来例1の場合に比べ、θ1=+6°の時の最小であった回折効率の値が約3％上がっている（改善されている）ことが分かる。これにより、θ1=+6°の際の波長0.48[μm]付近での回折効率の値は、θ1=0°に対して約3％の落ちに改善されたことになる。一方、θ1の値が負の場合は、可視光域全域おいて良好な回折効率が得られており、θ1=0°の際の回折効率とほぼ変わらない値を維持している。以上のように、Y軸方向に回折格子の円形のパターン形状の中心をずらした構成の回折光学素子を用いることで、回折効率の斜入射劣化を緩和することができた。
【００４６】
図２(a)〜(c)の実施例2は、前記実施例1のY軸への前記回折格子の円形のパターン形状の中心のずれ量を更に増やした例である。具体的には、前記図２(a)で示したような6群構成の共軸系の投射用ズームレンズにおいて、第6レンズ群L6の接合面に前記図２(b)、(c)に示したようなY軸方向にYshift=＋5[mm]分回折格子の円形のパターン形状の中心をずらした積層型回折光学素子を導入した例である。その他の部分（回折光学素子の導入箇所等）は前記実施例1の場合と同様である。また、本実施例２において用いられる位相係数についても、前記実施例１の場合と同じであり、前記各位相係数を用いて最適化を行った。
【００４７】
図５(c)は、図５(a)、(b)と同様に、Y軸上（Y≧0）における位置yと格子ピッチp及び入射角度θ1の分布との関係を示している。図５(c)において、格子ピッチpは輪帯半径r（位置y）が大きくなる（周辺部に向かう）につれて小さくなる（格子ピッチが細かくなる）ものの、前記実施例1の場合（図５(b)）に比べ、更にその減り具合が緩やかになっていることが分かる。一方、入射角度θ1の分布は、前記比較従来例1及び実施例1の場合（図５(a)、(b)）とほぼ同じ角度分布にあることが分かる。尚、1次の回折効率の入射角θ1による依存特性を評価する位置yは、前記比較従来例1及び実施例1と同様にy=12.0[mm]位置で行うこととした。
【００４８】
図６(c)では、前記比較従来例1及び実施例1と同様に、投射光学系のXY座標系の光軸からの位置(x,y)=(0,12.0)[mm]における入射角度分布θ1=−6°〜6°を3°間隔ごとに取り、その各角度θ1に対する1次回折効率の結果を示している。尚、この時の格子ピッチpは580.0[μm]である。図６(c)の結果より、前記比較従来例1において問題となっていた、入射角度θ1の値が正の場合の波長0.48[μm]付近での回折効率の低下がほとんど見られなくなり、本実施例2では前記実施例1の場合に比べ、θ1=+6°の時の最小であった回折効率の値が約2％上がっている（改善されている）ことが分かる。これにより、θ1=+6°の際の波長0.48[μm]付近での回折効率の値は、θ1=0°の時の値とほとんど変わらず、入射角θ1による依存がほとんどなくなったことが分かる。以上のように、Y軸方向に回折格子の円形のパターン形状の中心をずらす量を更に増やすことにより、回折効率の斜入射劣化を前記実施例1の場合よりも更に緩和することができた。
【００４９】
次に、図１５(a)〜(c)の比較従来例２は、図１５(a)で示した6群構成の共軸系の投射用ズームレンズにおいて、第1レンズ群L1の接合面に図１５(b)、(c)に示したような回転対称な積層型回折光学素子を導入した、（後述する）本発明の比較対象となる例である。具体的には、本比較従来例２では第3面r3と第4面r4に積層型回折光学素子が形成される構成となっている（本数値データ中では、第3面r3に位相関数を表記してあるが、実際には回折光学素子を2つの面に形成するため、前記第3面r3と第4面r4上に回折光学素子を形成する。）。
【００５０】
本比較従来例２においては、前記比較従来例１と同様に、回転対称な回折光学素子を用いていることより、C3、C5、C10、C12、C14の位相係数を使用し最適化を行った(他の位相係数の値は0である。)。
【００５１】
また、積層型回折光学素子を構成している材料、格子高さ等は前記比較従来例1及び実施例1、2と全て同様である。
【００５２】
図７(a)は、前記比較従来例1及び実施例１、２の図５(a)〜(c)と同様にして、図１５(b)のY軸上（Y≦0）における位置yと格子ピッチp及び入射角度θ1の分布との関係を示している。この図７(a)より、格子ピッチpは輪帯半径r（位置y）が小さくなる（周辺部に向かう）につれて小さくなり（格子ピッチが細かくなり）、一方入射角度θ1の分布は、輪帯半径r（位置y）が小さくなる（周辺部に向かう）につれて分布幅が狭まっていることが分かる。この図７(a)から、図８(a)の１次の回折効率の入射角θ1による依存特性を評価する位置yを、格子ピッチpの値がある程度細かく、且つ入射角度θ1の分布幅もある程度広いy=−12.0[mm]位置で行うこととした。
【００５３】
上記図７(a)を基に、図８(a)では、回折光学素子導入面において、投射光学系のXY座標系の光軸からの位置(x,y)=(0,−12.0)[mm]における入射角度分布θ1=−2°〜8°をθ1=−2°、0°、3°、5°、8°の順に取り、その各角度θ1に対する1次回折効率の結果を示している。尚、この時の格子ピッチpは109.34[μm]である。図８(a)より、入射角度θ1の値が正方向に大きくなるに連れて、波長0.48[μm]付近で回折効率の値が低下しているのが分かる。特に、θ1=+8°の際はθ1=0°に対して約9％回折効率が落ちていることが分かる。この低下は他の不要な次数の回折光の回折効率が増加することを意味しており、これによりフレア光(ノイズ光)が発生し画像劣化を引き起こしてしまう恐れがある。一方θ1の値が負の場合は、0.40[μm]及び0.70[μm]の可視領域両端の波長では多少回折効率が落ちるものの、ほぼθ1=0°の時と変わらない値を維持している。以上の結果より、本比較従来例2も前記比較従来例1と同様に、入射角度θ1が正の場合の回折効率の低下が、問題点であることが分かった。
【００５４】
前記比較従来例2における問題を鑑みて、前記実施例1及び2の場合と同様の検討を、本発明の実施例３でも試みた。図３(a)〜(c)の実施例3は、前記図１５(a)の光学系と同様に、前記図３(a)で示した6群構成の共軸系の投射用ズームレンズにおいて、第1レンズ群L1の接合面に前記図３(b)、(c)に示したようなY軸方向に回折格子の円形のパターン形状の中心をずらした積層型回折光学素子を導入した例である。具体的には、Y軸方向にYshift=−2[mm]分円形のパターン形状の中心をずらした実施例であり、その他の部分（回折光学素子の導入箇所等）は前記比較従来例2の場合と同様である。本実施例3の場合のように、Y軸方向に円形のパターン形状の中心をずらした理由は、前記実施例３の図３(a)の光路図において、回折光学素子を導入した第1レンズ群L1の接合面が、通過する瞳近軸光線の光軸からの高さの絶対値が高い位置にあるため、前記回折面を通過する光線に偏りを生じているからである。（図３(a)においてはY軸の負方向）また、本実施例で用いられているような共軸系の投射用レンズは、スクリーン上に画像を投影する際、前記スクリーン上の投影範囲は前記共軸系の投射用レンズの光軸より片側半分のみを主に使用していることから、前記回折格子の円形のパターン形状の中心をY軸の(負)方向にずらしても、回折効率の性能上あまり問題がないと判断したからである。（投影の際使用しない箇所（光線が通過しない箇所）の回折効率が悪くなっても、投影上あまり影響がないという意味。）
本実施例３においては、円形のパターン形状の中心をY軸の負方向にずらした構成の回折光学素子を用いていることより、前記(A)式におけるC2、C3、C5、C7、C9、C10、C12、C14の各位相係数を使用し最適化を行った。(他の位相係数の値は0である。)
また、本実施例３で使用した紫外線硬化樹脂1、2及び格子高さd1、d2等は、前記比較従来例2の場合と同じである。
【００５５】
この時の実施例３に対する1次回折効率の斜入射依存性を図8の(b)に示した。また、前記比較従来例２の場合と同様に、図３(b)のY軸上（Y≦0）における位置yと格子ピッチp及び入射角度θ1の分布との関係を図7(b)に示した。図７(b)中において、格子ピッチpは輪帯半径r（位置y）が小さくなる（周辺部に向かう）につれて小さくなる（格子ピッチが細かくなる）ものの、前記比較従来例２の場合（図７(a)）に比べてその減り具合が緩やかになっていることが分かる。一方、入射角度θ1の分布は、輪帯半径r（位置y）が小さくなる（周辺部に向かう）につれて分布幅が狭まっており、前記比較従来例2の場合（図７(a)）とほぼ同じ角度分布にあることが分かる。尚、図８(b)の１次の回折効率の入射角θ1による依存特性を評価する位置yは、前記比較従来例２と同様にy=−12.0[mm]位置で行うこととした。
【００５６】
図８(b)では、前記比較従来例2と同様に、投射光学系のXY座標系の光軸からの位置(x,y)=(0,−12.0)[mm]における入射角度分布θ1=−2°〜8°をθ1=−2°、0°、3°、5°、8°の順に取り、その各角度θ1に対する1次回折効率の結果を示している。尚、この時の格子ピッチpは199.20[μm]である。図８(b)の結果より、前記比較従来例２において問題となっていた、入射角度θ1の値が正方向に大きくなるに連れての、波長0.48[μm]付近における回折効率の値の低下であるが、本実施例3は前記比較従来例2の場合に比べ、θ1=+8°の時の最小であった回折効率の値が約5％上がっている（改善されている）ことが分かる。これにより、θ1=+8°の際の波長0.48[μm]付近での回折効率の値は、θ1=0°に対して約5％の落ちに改善されたことになる。一方、θ1の値が負の場合は、可視領域全域おいて良好な回折効率が得られており、θ1=0°の際の回折効率とほぼ変わらない値を維持している。以上のように、Y軸方向に回折格子の円形のパターン形状の中心をずらした構成の回折光学素子を用いることで、回折効率の斜入射劣化を緩和することができた。
【００５７】
図４(a)〜(c)の実施例4は、前記実施例３のY軸への前記回折格子の円形のパターン形状の中心のずれ量を更に増やした例である。具体的には、前記実施例３と同様に、前記図４(a)で示したような6群構成の共軸系の投射用ズームレンズにおいて、第1レンズ群L1の接合面に前記図４(b)、(c)に示したようなY軸方向にYshift=−5[mm]分回折格子の円形のパターン形状の中心をずらした積層型回折光学素子を導入した例である。その他の部分（回折光学素子の導入箇所等）は前記実施例３の場合と同様である。また、本実施例４において用いられる位相係数についても、前記実施例３の場合と同じ係数を用いて最適化を行った。
【００５８】
図７(c)は、前記図７(a)、(b)と同様に、Y軸上（Y≦0）における位置yと格子ピッチp及び入射角度θ1の分布との関係を示している。図７(c)において、格子ピッチpは輪帯半径r（位置y）が小さくなる（周辺部に向かう）につれて小さくなる（格子ピッチが細かくなる）ものの、前記実施例３の場合（図７(b)）に比べ、更にその減り具合が緩やかになっていることが分かる。一方、入射角度θ1の分布は、前記比較従来例２及び実施例２の場合（図７(a)、(b)）とほぼ同じ角度分布にあることが分かる。尚、１次の回折効率の入射角θ1による依存特性を評価する位置yは、前記比較従来例2及び実施例3と同様にy=−12.0[mm]位置で行うこととした。
【００５９】
図８(c)では、前記比較従来例２及び実施例３と同様に、投射光学系のXY座標系の光軸からの位置(x,y)=(0,−12.0)[mm]における入射角度分布θ1=−2°〜8°をθ1=−2°、0°、3°、5°、8°の順に取り、その各角度θ1に対する1次回折効率の結果を示している。尚、この時の格子ピッチpは600.00[μm]である。図8(c)の結果より、前記比較従来例２において問題となっていた、入射角度θ1の値が正の場合の波長0.48[μm]付近での回折効率の低下がほとんど見られなくなり、本実施例４は前記実施例3の場合に比べ、θ1=+8°の時の最小であった回折効率の値が約3％上がっている（改善されている）ことが分かる。これにより、θ1=+8°の際の波長0.48[μm]付近での回折効率の値は、θ1=0°に対して約3％の落ちに改善され、入射角θ1による依存がほとんどなくなったことが分かる。以上のように、Y軸方向に回折格子の円形のパターン形状の中心をずらす量を更に増やすことにより、回折効率の斜入射劣化を前記実施例3の場合よりも更に緩和することができた。
【００６０】
更に、前記本実施例１〜４において、回折光学素子における回折格子のパターン形状は、図９(a)、(b)及び図１０(a)、(b)のような楕円形のパターン形状の中心をずらした構成であっても成り立つことが分かった（但し、前記図１１及び１２の回折光学素子は、前記実施例１及び２の光学系に対応するものを例として示した。尚、前記図９(a)、(b)は楕円の長軸がY軸方向にある場合を、一方前記図１０(a)、(b)は楕円の長軸がX軸方向にある場合を各々表している。）。
【００６１】
以上のような構成の回折光学素子及びそれを用いた本実施例に記載のレンズ構成を取ることにより、本発明に掲げた課題を達成することができる。
【００６２】
更に諸収差の補正が十分になされ、且つ斜入射に対する回折効率劣化の緩和がなれた光学系を達成するためには、以下の条件式を満足することが望ましい。
【００６３】
本発明の回折光学素子及びそれを用いた共軸系の投射用ズームレンズにおいて、
【００６４】
【数８】
2005164773.tif 000010
を回折光学素子が導入されるレンズ面の瞳近軸光線の光軸からの高さとし、RDOEを回折光学素子を導入するレンズ面における光線有効半径とした際、以下の条件式を満足することである。
【００６５】
【数９】
2005164773.tif 000011
条件式（１）は、光学系と回折光学素子の導入箇所との関係に関するものである。条件式（１）の範囲外の箇所に前記回折光学素子を導入すると、その導入箇所における光線分布に偏りが生じなくなるので好ましくない。
【００６６】
上記条件式（１）を満足した上で、以下の条件式（２）を満足しなければならない。
【００６７】
本発明の回折光学素子及びそれを用いた共軸系の投射用ズームレンズにおいて、Yshiftを回折光学素子の円形若しくは楕円形の中心位置の、投射用レンズにおける前記回折光学素子を導入するレンズ面の光軸に対して垂直方向へのずれ量とし、RDOEを回折光学素子を導入するレンズ面における光線有効半径とした際、以下の条件式を満足することである。
0.0  ＜ | Yshift / RDOE| ＜  0.3      ………（２）
条件式（２）は、回折光学素子を用いた共軸系の投射用ズームレンズにおける前記回折光学素子の移動量に関するものである。前記条件式（２）の範囲外になると、光学系の収差補正上良好でなくなるので好ましくない。
【００６８】
本発明に係る回折光学素子及びそれを用いた共軸系の投射用ズームレンズは、以上のような条件式を満足することにより、全変倍範囲に渡りより良好なる光学性能を得ることができ、且つ回折光学素子の斜入射劣化の緩和がなされた光学系を達成することができる。
【００６９】
以下に、本発明の数値実施例を記載する。数値実施例において、riは拡大共役側より順に第i番目のレンズ面の曲率半径、diは拡大共役側より順に第i番目のレンズ厚及び空気間隔、niとviは各々拡大共役側より順に第i番目のレンズのd線におけるガラス屈折率とアッベ数を表している。
【００７０】
【表１】
2005164773.tif 000012
【００７１】
【表２】
2005164773.tif 000013
【００７２】
【表３】
2005164773.tif 000014
【００７３】
【表４】
2005164773.tif 000015
【００７４】
【表５】
2005164773.tif 000016
【００７５】
【表６】
2005164773.tif 000017
また、以下に各数値実施例の条件式の値を示す。
【００７６】
【表７】
2005164773.tif 000018
上記の表の各値は、前記条件式（１）及び（２）の範囲を満足しており、以上の構成をとることにより、諸収差、特に色収差の補正が十分になされ、且つ斜入射に対する回折効率劣化の緩和がなれた光学系を達成することができた。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の数値実施例１の広角端におけるレンズ断面図(光路図)((a))及び回折光学素子の断面図((b),(c))。
【図２】本発明の数値実施例２の広角端におけるレンズ断面図(光路図)((a))及び回折光学素子の断面図((b),(c))。
【図３】本発明の数値実施例３の広角端におけるレンズ断面図(光路図)((a))及び回折光学素子の断面図((b),(c))。
【図４】本発明の数値実施例４の広角端におけるレンズ断面図(光路図)((a))及び回折光学素子の断面図((b),(c))。
【図５】(a)本発明に対する比較従来例1における輪帯半径と格子ピッチ及び入射角度の関係図。(b)本発明の実施例1における輪帯半径と格子ピッチ及び入射角度の関係図。(c)本発明の実施例2における輪帯半径と格子ピッチ及び入射角度の関係図。
【図６】(a)本発明に対する比較従来例1における１次回折効率の入射角依存特性の図。(b)本発明の実施例1における１次回折効率の入射角依存特性の図。(c)本発明の実施例２における１次回折効率の入射角依存特性の図。
【図７】(a)本発明に対する比較従来例2における輪帯半径と格子ピッチ及び入射角度の関係図。(b)本発明の実施例3における輪帯半径と格子ピッチ及び入射角度の関係図。(c)本発明の実施例4における輪帯半径と格子ピッチ及び入射角度の関係図。
【図８】(a)本発明に対する比較従来例２における１次回折効率の入射角依存特性の図。(b)本発明の実施例３における1次回折効率の入射角依存特性の図。(c)本発明の実施例４における１次回折効率の入射角依存特性の図。
【図９】本発明に係る回折光学素子の断面図((a),(b))。
【図１０】本発明に係る回折光学素子の断面図((a),(b))。
【図１１】(a)本発明に係る単層の回折光学素子の説明図。(b)前記(a)の回折光学素子の回折効率波長依存特性の説明図。
【図１２】(a)本発明に係る積層の回折光学素子の説明図。(b)前記(a)の回折光学素子の回折効率波長依存特性の説明図。
【図１３】本発明に係る積層の回折光学素子への入射角の定義の説明図。
【図１４】本発明に対する比較従来例1の広角端におけるレンズ断面図(光路図) ((a))及び回折光学素子の断面図((b),(c))。
【図１５】本発明に対する比較従来例２の広角端におけるレンズ断面図(光路図)((a))及び回折光学素子の断面図((b),(c))。
【図１】
2005164773.tif 000021
【図２】
2005164773.tif 000022
【図３】
2005164773.tif 000023
【図４】
2005164773.tif 000024
【図５】
2005164773.tif 000025
【図６】
2005164773.tif 000026
【図７】
2005164773.tif 000027
【図８】
2005164773.tif 000028
【図９】
2005164773.tif 000029
【図１０】
2005164773.tif 000030
【図１１】
2005164773.tif 000031
【図１２】
2005164773.tif 000032
【図１３】
2005164773.tif 000033
【図１４】
2005164773.tif 000034
【図１５】
2005164773.tif 000035