准直透镜
阅读：247发布：2020-05-11
专利汇可以提供准直透镜专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种高NA化、且透镜透过率得以提高的 准直 透镜。根据本发明，提供一种 准直透镜 ，其是由玻璃材料构成的准直透镜1，该准直透镜将由 光源 S射出的 波长 为380nm～700nm的光线转换为平行光束，其中，在与面向光源的面相反的一侧具有设置了凸部的面，数值孔径NA为0.6以上，中心透镜厚度t相对于焦距f的比例t/f为1.3以下，设置有凸部的面的最大面 角 度为65°以下，折射率nd为1.59以上，玻璃材料的TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3的总含量为0～40wt％。，下面是准直透镜专利的具体信息内容。
1.一种准直透镜，其是由玻璃材料构成的准直透镜，该准直透镜将由光源射出的波长为380nm～700nm的光线转换为平行光束，其中，
在与面向所述光源的面相反的一侧具有设置了凸部的面，
数值孔径NA为0.6以上，
中心透镜厚度t相对于焦距f的比例t/f为1.3以下，
所述设置了凸部的面的最大面角度为65°以下，
所述玻璃材料的折射率nd为1.59以上，
所述玻璃材料的TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3的总含量为0～40wt％。
2.如权利要求1所述的准直透镜，其中，在与面向所述光源的面相反一侧的面上所设置的凸部为非球面。
3.如权利要求1或2所述的准直透镜，其中，面向所述光源的面为平坦面。
4.如权利要求1或2所述的准直透镜，其中，在面向所述光源的面上设置有凸部。
5.如权利要求4所述的准直透镜，其中，在面向所述光源的面上所设置的凸部为非球面。
6.如权利要求1或2所述的准直透镜，其中，在面向所述光源的面上设置有凹部。
7.如权利要求6所述的准直透镜，其中，在面向所述光源的面上所设置的凹部为非球面。
准直透镜
技术领域
背景技术
[0002] 已知有一种准直透镜，其是将来自激光光源等光源的发散光束转换为平行光的透镜。
[0004] 对于专利文献1的准直透镜而言，由于抑制了伴随温度上升的动作距离(工作距离)的变化，因此色像差特性得到改善。并且，该透镜的特征在于，以来自于激光光源的波长为375nm以上750nm以下的光作为对象，数值孔径为0.2以上0.75以下，(1)将透镜的厚度设为D、透镜的焦距设为f时，D/f＞0.85成立，且(2)将阿贝值设为νd时，νd＞57成立。
[0005] 另外，对于专利文献2的准直透镜而言，为了防止准直后的平行光的像面光点的增大，使透镜的光源侧的面(第1面)以及射出侧的面(第2面)为凸状，在上述第1面和第2面的至少一个面设置衍射结构。
[0006] 现有技术文献
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献1：国际公开WO2010/116862
[0009] 专利文献2：日本特开2011-145387号公报
发明内容
[0010] 发明要解决的问题
[0011] 例如在用于投影型图像显示装置的情况下，准直透镜以将由激光光源等光源射出的发散光束转换为平行光束作为主要功能。近年来，伴随着投影图像的大型化和高精细化等要求，对于图像显示装置要求亮度的提高。伴随于此，针对在图像显示装置的光学系统中所使用的准直透镜，要求高NA化、以及透镜透过率的提高。
[0012] 本发明是针对上述课题而完成的，其目的在于，提供一种高NA化、且透镜透过率得以提高的准直透镜。
[0013] 用于解决问题的手段
[0014] 根据本发明，提供一种准直透镜，其是由玻璃材料构成的准直透镜，该准直透镜将由光源射出的波长为380nm～700nm的光线转换为平行光束，其中，在与面向上述光源的面相反的一侧具有设置了凸部的面，数值孔径NA为0.6以上，中心透镜厚度t相对于焦距f的比例t/f为1.3以下，上述设置了凸部的面的最大面角度为65°以下，上述玻璃材料的折射率nd为1.59以上，上述玻璃材料的TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3的总含量为0～40wt％。
[0015] 发明效果
[0017] 图1为示出本发明的优选的实施方式的准直透镜的形状的示意性侧面图。
[0018] 图2是示意性示出投影型图像显示装置的光源部的构成的方块图，该投影型图像显示装置安装了图1的准直透镜。
[0019] 图3是示意性示出其它投影型图像显示装置的光源部的构成的方块图，该其它投影型图像显示装置安装了图1的准直透镜。
[0020] 图4为示出本发明的其它优选的实施方式的准直透镜的形状的示意性侧面图。
[0021] 图5为示出本发明的另一优选的实施方式的准直透镜的形状的示意性侧面图。
[0022] 图6为示出本发明的又一优选的实施方式的准直透镜的形状的示意性侧面图。
[0023] 图7为用于说明本发明的准直透镜中所使用的非球面的一例的构成的附图。
[0024] 图8为示出本发明的NA为0.6以上的透镜中的、透镜的射出侧的面的最大面角度与透镜的透过率的关系的附图。
具体实施方式
[0025] 以下，根据附图对本发明的优选实施方式进行说明。图1为示出本发明的优选的实施方式的准直透镜1的形状的示意性侧面图。本实施方式的准直透镜1为用于将由激光装置等的光源射出的波长为380nm至700nm的光线转换为平行光的玻璃透镜。具体而言，例如在液晶投影仪等投影型图像显示装置的光学系统中使用。
[0026] 如图1所示，准直透镜1为单透镜，其具有在外缘设置了环状的边缘部(コバ部)的所谓的双凸透镜形状。详细而言，在使用时面向光源S的面(光源侧的面)2、和与该光源侧的面2相反一侧的面(射出侧的面)4的两个面具备凸面形状。在本实施方式中，光源侧的面2和射出侧的面4的两个面为球面。进一步，准直透镜1在外缘部具备凸缘状的边缘部6。需要说明的是，边缘部6对于在安装至投影型图像显示装置等时固定至装置内的透镜固定部件是有用的，但也可以不设置边缘部6。
[0027] 准直透镜1的射出侧的面2的最大面角度优选为65°以下。该最大面角度进一步优选为55°以下、更加优选为50°以下。需要说明的是，面角度θ意味着，透镜面上有效径内的一处位置中的法线和透镜中心轴Z所呈的角度。最大面角度为65°以下时，具有下述效果：模压成型性和磨削或研磨加工性等透镜加工性良好，进一步可使透镜的形状评价变得容易。
[0028] 进一步，准直透镜1的t/f(t：中心透镜厚度、f：焦距)优选为1.3以下。其原因在于，若t/f超过1.3，则无法确保实用上充分的工作距离(动作距离)(Working Distance；WD)、例如1mm以上的WD。该t/f更优选为1.20以下。除了确保充分的WD，从透镜加工性的观点出发，t/f优选为0.3～1.3、进一步优选为0.3～0.85、更加优选为0.3～0.80。
[0029] 进一步，对于t/f的上限和下限进行详细叙述。从确保WD的观点出发，t/f的上限以1.20以下、1.00以下、0.80以下、0.70以下的顺序为优选。从透镜加工性的观点出发，t/f的下限以0.30以上、0.40以上、0.50以上的顺序为优选。
[0030] 需要说明的是，在本说明书中，“工作距离(动作距离)(Working Distance；WD)”是指，例如如图1所示，光源S、详细为光源中的点状的发光部位与准直透镜1的光源侧的面2的最接近光源的部位之间的距离。
[0031] 另外，准直透镜1的数值孔径NA为0.6以上。为了确保WD、使最大面角度为65°以下，NA的上限例如优选为0.9以下。
[0032] 进一步，可以使NA的上限为0.85以下、0.80以下或0.75以下。可以使NA的下限为超过0.6(0.6＜)、0.65以上、0.70以上或0.71以上。
[0033] 在制造准直透镜1的方法中，存在有基于精密模压成型或磨削加工、研磨加工的方法等，上述方法中使用玻璃材料。
[0034] 作为形成准直透镜1的材料，例如可以使用具有以下2种组成系的玻璃材料(玻璃I、玻璃II)。
[0036] 玻璃II为含有P2O5、且含有选自Nb2O5、WO3、TiO2和Bi2O3的至少一种的玻璃材料。
[0037] 对于形成准直透镜1的玻璃材料而言，在玻璃I或玻璃II中，TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3的总含量优选为0～40wt％。从提高模压性等观点出发，TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3的总含量更优选为0～28wt％、进一步优选为0～16wt％。
[0038] 另外，作为形成准直透镜1的玻璃材料，在玻璃I中，从透镜透过率的观点出发，优选的是，TiO2+WO3+Nb2O5+Bi2O3/((稀土类氧化物的总含量)+Ta2O5)≤1.1。该比例更优选为0.9以下、进一步优选为0.5以下。
[0039] 形成准直透镜1的材料的折射率nd为1.59以上。该折射率nd更优选为1.68以上、进一步优选为1.75以上、更加优选为1.80以上。其原因在于，通过为这样的折射率nd，可以减小射出侧的面的最大面角度。
[0040] 对于形成准直透镜1的玻璃材料的阿贝值而言，从维持折射率nd为1.59以上的高折射率化的观点出发，其上限优选为57以下。进一步，从高折射率化的观点出发，阿贝值的上限更优选为50以下、或45以下。阿贝值的下限没有特别限制，可以举出20以上。
[0041] 进一步，从对于精密模压成型的适性的观点出发，优选的是，形成准直透镜1的玻璃材料的玻璃转变温度≤630℃。
[0042] 与此相关联，在形成准直透镜1的玻璃材料中，因为有助于降低Tg，ZnO含量优选为3wt％以上、进一步优选为8wt％以上、更加优选为10wt％以上。
[0043] 在上述本实施方式的准直透镜1中，将WO3、Nb2O5、Bi2O3的总含量抑制为40wt％以下，因此透镜透过率得以提高，并且可以提高来自于激光光源的射出光的利用效率。
[0044] 另外，对于准直透镜1而言，来自于激光光源的射出光的利用效率得到提高，因此投影型图像显示装置中的投影图像的亮度提高。
[0045] 现在，激光光源(激光二极管(Laser Diode；LD))、尤其是绿色激光的高输出化是一个课题，但高输出化并不容易。然而，如果准直透镜的透过率得以提高，则即使激光输出低，投影图像的亮度也会提高，可以得到充分的投影图像。进一步，也能够实现低消费电力化。
[0046] 图2是示意性示出投影型图像显示装置(例如液晶投影仪)的光源部(照明光学系统)10的构成的方块图，该投影型图像显示装置安装了本实施方式的准直透镜1。
[0047] 如图2所示，光源部10具备分别产生红色光、绿色光和蓝色光的3个激光装置R、G、B，在个激光(LD)装置R、G、B的下游侧分别配置有准直透镜1。准直透镜1将由各激光装置R、G、B射出的发散光转换为平行光。
[0048] 在该光源部10中，利用具备二向棱镜等的波分复用系统12对因各准直透镜1而成为平行光的红色光、蓝色光和绿色光进行波分复用，并传送至投影光学系统。
[0049] 图3是示意性示出其它的投影型图像显示装置(例如液晶投影仪)的光源部(照明光学系统)14的构成的方块图，该投影型图像显示装置安装了本实施方式的准直透镜1。
[0050] 如图3所示，光源部14具备近紫外光激光装置这样的单色光源(LD)16，在单色光源16的下游侧配置有准直透镜1。准直透镜1将由单色光源16射出的光线转换为平行光。
[0051] 该光源部14具备转换部18，该转换部18具备将近紫外光转换为红色光、蓝色光和绿色光的3个部分。在该转换部18中，转换为红色光、蓝色光和绿色光的3个部分依次配置在近紫外光的光路上，每隔一定时间将近紫外光转换为红色光、蓝色光和绿色光。并且，将这些红色光、蓝色光和绿色光依次送至投影光学系统。
[0052] 例如，该实施方式的准直透镜1为具备所谓的双凸形状的准直透镜，但本发明并非限于这种双凸形状的准直透镜。本发明的准直透镜具有在与面向光源的面的相反一侧设置了凸部的面，进一步可以具备特定的条件。
[0053] 因此，例如可以具备如图4至图6所示的外形。即，可以为如图4所示的平凸透镜104，其中，不具备边缘部，面向光源S的面为平面，与面向光源S的面2相反一侧的面4为凸面。通过使面向光源的面为平坦的面，在确保工作距离(WD)和透镜加工性的方面是有利的。
另外，不会产生面向光源的面2与相反侧的面4之间的偏心(离心(decenter))的问题。
另外，不会产生面向光源的面2与相反侧的面4之间的偏心(离心(decenter))的问题。
[0054] 另外，可以为如图5所示的双凸透镜105，其中，不具备边缘部，面向光源S的面为凸面，与面向光源S的面2相反一侧的面4也为凸面。进一步，可以为如图6所示的凸弯月形透镜106，其中，不具备边缘部，面向光源S的面2为凹面，与面向光源S的面相反一侧的面4为凸面。
[0055] 在上述实施方式的准直透镜1中，面向光源的面2和相反侧的面4的两个面为球面，但上述面的一个面或两个面可以为非球面。
[0056] 优选的是，如图7所示，尤其是使面向光源的面的相反侧的凸面4A为下述非球面(实线)，其中，近轴曲率半径的周边的曲率半径(R1或R2)大于球面(虚线)的近轴曲率半径(R0)。其原因在于，透镜周边部处的面角度变小，有助于提高透镜透过率。此时，如图7所示，优选从透镜中心轴Z向周边(透镜端部1a)曲率半径增加。此处，近轴曲率半径是指透镜的中心轴上的曲率半径。
[0057] 可以使面向光源的面的相反一侧的面的凸面为非球面、并且使面向光源的面的凸面或凹面为非球面。由此，像差特性进一步得到改善。
[0058] 例如可以为使用了后述的实施例4的玻璃材、且具有以下规格的非球面透镜。
[0059]
[0060] (非球面数据)
[0061]
[0062] 实施例
[0063] 表1中示出了针对图4的透镜形状求出透镜透过率的射出侧的面4的最大面角度依存性时所使用的玻璃材的构成成分(组成)。
[0064] 图8是示出本发明的NA为0.6以上的透镜中的、透镜的射出侧的面(图1中的射出侧的面4)的最大面角度与透镜的透过率的关系(即透过率的射出侧的面的最大面角度的依存性)的附图。需要说明的是，t/f为1.3以下。在NA＝0.60的情况下，使t/f为0.30、0.40、0.50、0.60、0.75、0.80、1.00、1.20、1.30；在NA＝0.65的情况下，使t/f为0.30、0.40、0.50、0.60、
0.75、0.80、1.00、1.20、1.30；在NA＝0.71的情况下，使t/f为0.40、0.60、0.71、0.80、0.90、
1.00、1.10、1.20、1.28、1.30。
0.75、0.80、1.00、1.20、1.30；在NA＝0.71的情况下，使t/f为0.40、0.60、0.71、0.80、0.90、
1.00、1.10、1.20、1.28、1.30。
[0065] 具体而言，图8针对下述表1所示的各玻璃材示出了波长为430nm(蓝色)时的NA为0.6、0.65、0.71情况下的透镜透过率。需要说明的是，虽然并未记载波长为530nm(绿色)、波长为650nm(红色)的数据，但一般而言，玻璃材料的内部透过率在短波长侧的紫色的450nm附近以下时急剧下降。在本说明书中，将该波长区域的波长(430nm)的透镜透过率作为透镜透过率的指标来研究透镜的特性。
[0066] 需要说明的是，在图8中，虚线所围成的区域的标记为本申请发明的实施例。
[0067] 对于图8的纵轴的透镜透过率而言，将最大值设为1而进行了归一化。如图8所示，透镜透过率在最大面角度为55°以下时良好；超过65°时，急剧恶化。波长530nm、波长650nm的数据也显示出了与图8的波长430nm同样的倾向。
[0068] 需要说明的是，最大面角度超过65°的准直透镜的透镜透过率在中心部和周边部有着很大的不同，因此对于利用准直透镜而转换得到的平行光而言，在通过准直透镜的中心部的光与通过中心部周边的周边部的光之间会产生亮度差。从抑制亮度差、同时提高透镜透过率的观点出发，最大面角度的上限以65°以下、60°以下、55°以下的顺序为优选。从使NA为0.6以上的观点出发，最大面角度的下限优选为20°以上。
[0069] 表1中示出了各玻璃材的最大面角度和透镜透过率的指标。由图8的结果可知，最大面角度为65°以下的情况以○表示、超过65°的情况以×表示。
[0070] [表1]
[0071]
[0072] 对于透镜透过率而言，作为指标以◎○×表示。此处，◎为等级A(0.985以上)、○为等级B(0.970以上、且小于0.985)、×为等级C(小于0.970)。上述()内的值是对透镜透过率进行了归一化的值。满足最大面角度的必要条件和透镜透过率这两者的指标的玻璃材以实施例的形式示出、不满足的玻璃材以比较例的形式示出。
[0073] 由表1可知，实施例1～7所示的玻璃材中，使最大面角度为65°以下、nd＝1.59以上、将TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3的总含量抑制为40wt％以下，从而可以得到良好的透镜透过率特性。
[0074] 由表1可知，比较例1的玻璃材不满足最大面角度的必要条件。另外，由表1可知，对于玻璃中的TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3的总含量多的比较例2的玻璃材而言，透镜透过率不充分。据认为：玻璃中的上述金属离子的紫外线吸收大，导致透镜透过率恶化。
[0076] 以下，一边参照附图一边对本发明进行总结。
[0077] 如图1所示，第1实施方式的准直透镜1为由玻璃材料构成的准直透镜，其将由光源S射出的波长为380nm～700nm的光线转换为平行光束。准直透镜1在与面向光源S的面2相反的一侧具有设置了凸部的面4。该准直透镜1中，数值孔径NA为0.6以上，t/f为1.3以下(t：中心透镜厚度、f：焦距)。进一步，设置有凸部的面4的最大面角度θ为65°以下。另外，形成准直透镜1的玻璃材料的折射率nd为1.59以上，TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3的总含量为0～40wt％。
[0078] 在准直透镜1中，在与面向光源S的面的相反一侧的面4上所设置的凸部可以为非球面。
[0079] 另外，在准直透镜1中，面向光源S的面可以为平坦面。
[0080] 进一步，在准直透镜1中，例如如图1所示，面向光源S的面设置有凸部。
[0081] 在该面向光源的面上所设置的凸部可以为非球面。
[0082] 另外，如图6所示的实施方式的准直透镜106那样，本发明可以为在面向光源S的面设置有凹部的构成。
[0083] 在本发明的准直透镜中，光源S可以为用于照明光学系统的光源。
[0084] 另外，在本发明的准直透镜中，该照明光学系统可以为投影型图像显示装置的照明光学系统。
[0085] 如图2和图3所示，在本发明的准直透镜中，光源S可以为激光光源。
[0086] 进一步，本发明可以为使用上述总结的各准直透镜的照明光学系统。
[0087] 进一步，本发明可以为具备这种照明光学系统的投影型图像显示装置。
[0088] 符号说明
[0089] 1：准直透镜
[0090] 2：光源侧的面
[0091] 4：射出侧的面
[0092] S：光源
[0093] t：中心透镜厚度
[0094] f：焦距
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
准直热门专利
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈