JP2005024716A

JP2005024716A - 結像光学系、光学系、光学装置、撮像装置、画像読取り装置および投射型画像表示装置

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Publication number: JP2005024716A
Application number: JP2003188053A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Sunaga; 須永　　敏弘; Hiroyuki Hatakeyama; 弘至畠山
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: EP1494057A2; US20040264005A1; EP1494057B1; US7106527B2; EP1494057A3; JP4478408B2

Abstract

【課題】反射光学ユニットと屈折光学ユニットとを適切な位置に配置して高い光学性能を有するコンパクトな結像光学系を提供する。
【解決手段】拡大側から順に、全体として正の光学パワーを有する屈折光学ユニットＬと、曲率を持った少なくとも３面以上の反射面を含む反射光学ユニット１とを有する。反射光学ユニットにおける最も拡大側の反射面よりも拡大側に瞳を有する。さらに、０．２＜ｆＬ／│ｆＲ│＜５，Ｔ１＞Ｔ２を満たす。ｆＬ，ｆＲは屈折光学ユニットおよび反射光学ユニットの焦点距離、Ｔ１は反射面間の最小の間隔、Ｔ２は瞳位置から最も離れた屈折面までの距離。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結像光学系に関し、特に、屈折光学ユニットと反射光学ユニットを備えた結像光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ビデオカメラやスチルカメラ、複写機、プロジェクタ、露光装置等には、物体面の像を所定面上に形成する結像光学系が用いられる。
【０００３】
図８には、特許文献１にて提案されている反射光学系の例を示している。この例では、偏心配置された反射面が用いられており、光路を交差させることによりコンパクトに構成されている。
【０００４】
一般に、反射面を用いることにより色収差の発生を抑えることができるので、色収差が問題となるプロジェクタや複写機に用いられる読取光学系に反射光学系を用いることにより、共軸光学系を用いる場合に比べて高性能な光学系を実現できる。
【０００５】
こうした非共軸光学系は、オフアキシャル（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ）光学系と呼ばれ、像中心と瞳中心を通る光線が辿る経路を基準軸としたときに、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ曲面）を含む光学系として定義される。この場合、基準軸は折れ曲がった形状となる。
【０００６】
このＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がしやすい。また、光学系内で中間像を形成することにより高画角でありながらコンパクトな光学系を構成することができる。
【０００７】
特許文献２〜４等には、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系を用いた変倍光学系が、特許文献５にはその設計法が示されている。
【０００８】
また、屈折レンズと反射面を組み合わせた光学系も従来提案されているが（特許文献６参照）、その多くは色収差の補正を目的とするものである。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−２３１０６０号公報（段落００８７〜００９９、図１等）
【特許文献２】
特開平８−２９２３７２号公報（段落００４１、図２等）
【特許文献３】
特開平９−２２２５６１号公報（段落００４３，００４４、図１等）
【特許文献４】
特開平９−２５８１０５号公報（段落００３９〜００４５、００９２〜００９８、図５，６等）
【特許文献５】
特開平９−５６５０号公報（段落００１５〜００１８、図２等）
【特許文献６】
特開平０９−２５８１０６号公報（段落００３９，００４１、図１等）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示した光学系では、光線を交差させてコンパクトにするために反射面１０３〜１０６の光学パワーが全て正とされている。また、入射出面１０１，１０２は色収差の発生を抑えるために曲率がゆるく、ほぼ平面である。入射出面は色収差の発生を抑えるためには負の光学パワーを持つことが望ましい。ここで、ペッツバール項は、屈折レンズでは光学パワーと同符号であるが、反射面の場合はパワーと異符号である。
【００１１】
図８の光学系では、入射出面の影響を省けばペッツバール項は全て負であるため、像面湾曲が発生し、高い光学性能は達成できない。また、負の光学パワーを持つ反射面を有する場合、その面で光束が発散するので、光学系が大きくなってしまう。このことから、光学系のコンパクト化を考えれば、負の光学パワー有する面を減らことが望ましい。
【００１２】
しかしながら、ペッツバール和を０にするためには、正負の光学パワーを持つ反射面が必要である。前述したように、ペッツバール項は屈折レンズでは光学パワーと同符号であり、反射面では光学パワーと異符号であるので、反射面と屈折レンズを組み合わせると、負の光学パワーを持つ光学面の面数を減らすことができ、ペッツバール和を補正することが可能となる。
【００１３】
本発明は、反射光学ユニットと屈折光学ユニットとを適切な位置に配置することによって、高い光学性能を有するコンパクトな結像光学系を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の結像光学系は、拡大側から縮小側又は縮小側から拡大側に結像する。そして、拡大側から順に、全体として正の光学パワーを有する屈折光学ユニットと、曲率を持った少なくとも３面以上の反射面を含む反射光学ユニットとを有する。また、反射光学ユニットにおける最も拡大側の反射面よりも拡大側に瞳を有する。
【００１５】
さらに、以下の条件を満足する。
【００１６】
０．２＜ｆＬ／│ｆＲ│＜５ …（１）
Ｔ１＞Ｔ２ …（２）
但し、ｆＬは屈折光学ユニットの焦点距離、ｆＲは反射光学ユニットの焦点距離、Ｔ１は反射光学ユニットにおける反射面間の最小の間隔、Ｔ２は屈折光学ユニットにおける上記瞳の位置から最も離れた屈折面までの距離である。
【００１７】
なお、反射光学ユニットにおいて、正の光学パワーを持つ反射面の数を、負の光学パワーを持つ反射面の数よりも多くしてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の実施形態の説明に入る前に、実施形態における構成諸元の表し方および各実施形態に共通する事項について説明する。
【００１９】
図７は実施形態の光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。実施形態では、物体側から像面に進む１つの光線（図７中の一点鎖線で示すもので、後述するように中心主光線又は基準軸光線と称する）に沿ってｉ番目の面を第ｉ面とする。
【００２０】
図７において、第１面Ｒ１は絞り、第２面Ｒ２は第１面Ｒ１と共軸である屈折面、第３面Ｒ３は第２面Ｒ２に対してチルトした反射面、第４面Ｒ４、第５面Ｒ５は各々の前の面に対してシフト、チルトした反射面、第６面Ｒ６は第５面Ｒ５に対してシフト、チルトした屈折面である。第２面Ｒ２から第６面Ｒ６までの各々の面はガラス、プラスチック等の媒質で構成される１つの光学素子上に構成されている。
【００２１】
従って、図７の構成では、不図示の物体面から第２面Ｒ２までの媒質は空気、第２面Ｒ２から第６面Ｒ６まではある共通の媒質、第６面Ｒ６から不図示の第７面Ｒ７までの媒質は空気で構成されている。なお、以下の実施形態では、光学面をＳｉとして示す。
【００２２】
実施形態にて説明する光学系は、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系であるため、該光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。そこで、実施形態においては、光学系を説明しやすいように、物体面と反射光学系の間に基準となる原点を有する面（基準面）を導入し、その原点からの位置関係で面の配置を説明する。
【００２３】
実施形態では、縮小側（例えば、投射型画像表示装置では、液晶パネル等に形成される原画側）から拡大側（例えば、投射型画像表示装置では、スクリーンが配置された像面側）又は拡大側（例えば、撮像装置における物体（被写体）側）から縮小側（例えば、撮像装置におけるＣＣＤ等の撮像素子が配置された像面側）に向かって、不図示の物体面の中心から瞳（絞り）の中心を通って像面（最終結像面）の中心に至る１つの光線（図７中の一点鎖線で示す光線）を中心主光線又は基準軸光線と称し、この光線が辿る経路を基準軸と称する。この基準軸は方向（向き）を持っている。その方向は中心主光線又は基準軸光線が結像に際して進行する方向である。また、原点は基準面における中心主光線（基準軸光線）の位置であり、基準面の法線は中心主光線（基準軸光線）と一致している。
【００２４】
また、実施形態においては、絞り面の光線有効径の中心点を通り、最終結像面の中心へ至る光線（基準軸光線）が各屈折面及び反射面によって屈折・反射する経路を基準軸に設定している。各面の順番は基準軸光線が屈折・反射を受ける順番に設定している。したがって、基準軸は、設定された各面の順番で、屈折若しくは反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。
【００２５】
なお、実施形態では、光学系の基準となる基準軸を上記の様に設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は、光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すればよい。但し、一般的には、像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を光学系の基準となる基準軸に設定する。
【００２６】
また、実施形態の光学系を構成するチルト面は、基本的にすべてが同一面内でチルトしている。そこで、絶対座標系の各軸を以下のように定める。
【００２７】
Ｚ軸：原点と物体面中心を通る直線。物体面から第１面Ｒ１に向かう方向を正とする。
【００２８】
Ｙ軸：原点を通りチルト面内（図７の紙面内）でＺ軸に対して反時計回りに９０゜をなす直線
Ｘ軸：原点を通り、Ｚ、Ｙ各軸に垂直な直線（図７の紙面に垂直な直線）。
【００２９】
また、光学系を構成する第ｉ面の面形状を表すには、絶対座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でその面の面形状を表した方が形状を認識する上で理解し易い。このため、実施形態の構成データを表示する数値実施例では、第ｉ面の面形状をローカル座標系で表わす。
【００３０】
また、第ｉ面のＹＺ面内でのチルト角は、絶対座標系のＺ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θｉ（単位°）で表す。よって、実施形態では、各面のローカル座標の原点は図７中のＹＺ面上にある。また、ＸＺおよびＸＹ面内での面の偏心はない。さらに、第ｉ面のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）のｙ，ｚ軸は絶対座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対してＹＺ面内で角度θｉ傾いており、具体的には以下のように設定する。
【００３１】
ｚ軸：ローカル座標の原点を通り、絶対座標系のＺ方向に対しＹＺ面内において反時計回り方向に角度θｉをなす直線。
【００３２】
ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、ｚ方向に対しＹＺ面内において反時計回り方向に９０゜をなす直線。
【００３３】
ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な直線。
【００３４】
また、各実施形態では、数値実施例として各構成面の数値データを示す。ここで、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面とのローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ｎｄｉ、νｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率とアッベ数である。Ｅ−Ｘは、１０^−Ｘを表す。
【００３５】
球面は以下の式で表される形状である。
【００３６】
【数１】

【００３７】
さらに、以下の実施形態の光学系は、回転非対称な非球面を１面以上有し、その形状は以下の式により表す。
【００３８】

上記曲面式はｘに関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定される曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。
【００３９】
また、以下の条件が満たされる場合はｘｚ面に対して対称な形状を表す。
【００４０】

が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は回転非対称な形状である。
【００４１】
なお、各数値実施例において、垂直半画角ｕＹとは、図２１のＹＺ面内において第１面Ｒ１に入射する光束の最大画角、水平半画角ｕＸとは、ＸＺ面内において第１面Ｒ１に入射する光束の最大画角である。また、絞りの直径は絞り径として示す。これは光学系の明るさに関係する。
【００４２】
また、各数値実施例の横収差図も示す。各横収差図では、第１面Ｒ１への水平入射角、垂直入射角がそれぞれ（０，ｕＹ），（０，０），（０，−ｕＹ），（ｕＸ，ｕＹ），（ｕＸ，０），（ｕＸ，−ｕＹ）となる入射角の光束の横収差を示す。また、横収差図においては、横軸は瞳への入射高さを表し、縦軸は収差量を表している。
【００４３】
各数値実施例とも、基本的に各面がｙｚ面を対称面とする面対称の形状となっているため、横収差図においても垂直画角のプラス、マイナス方向は同一となる。したがって、図の簡略化のために、マイナス方向の横収差図は省略している。また、評価波長は５５０ｎｍである。
【００４４】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１である撮影光学系（結像光学系）を備えた撮像装置又は画像読取り装置のＹＺ面内での断面図である。不図示の物体（被写体又は原稿）からの光束は、正の光学パワーを持つ単レンズ（屈折光学ユニット）Ｌを通り、絞りＳＴＯにより光束径を制限された後、入射面Ｓ３から一体の光学素子として形成された反射光学ユニット１に入射する。
【００４５】
反射光学ユニット１に入射した光束は、凹反射面Ｓ４，凸反射面Ｓ５，凹反射面Ｓ６，凹反射面Ｓ７で順次反射し、射出面Ｓ８から反射光学ユニット１を射出する。そして、ローパスフィルタ、赤外カットフィルタで構成されるフィルタＦを通り、最終的に像面ＳＩに結像する。像面ＳＩには、ＣＣＤ，ＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子（撮像素子）１０の受光面が配置されている。
【００４６】
なお、光電変換素子１０には、画像処理回路２０が接続されている。光電変換素子１０では、物体像が光電変換され、その出力信号は画像処理回路２０で各種の処理が施されて物体画像を表す画像信号となる。そして、画像信号は、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスクといった記録媒体に記録されたり（撮像装置の場合）、該装置が接続されたコンピュータ又は該装置を搭載した複写機の複写処理部に出力されたりする（画像読取り装置の場合）。
【００４７】
本実施形態の撮影光学系は、拡大側から縮小側に結像する結像光学系であり、拡大側から順に、全体として正の光学パワーを有する単レンズＬと、曲率を持った３面以上（４面）の反射面Ｓ４〜Ｓ７を含む反射光学ユニット１とを有する。また、反射光学ユニット１における最も拡大側の反射面Ｓ４よりも拡大側に瞳（絞りＳＴＯ）を有する。
【００４８】
以下に本実施形態に対応する数値実施例を示す。本数値実施例は、水平画角３６度、垂直画角４６．８度の撮影光学系を示す。図３には、本数値実施例の横収差図を示す。
【００４９】
本数値実施例の構成データは次のとおりである。
【００５０】
垂直画角４６．８度
水平画角３６．０度
絞り径１．２ｍｍ
撮像素子のサイズ４×３ｍｍ
非球面データ
【００５１】
【表１】

【００５２】
本実施形態（数値実施例）において、ペッツバール和を考える。ペッツバール項は１／ｆＮＮ’と表される。ここで、ｆは光学面の焦点距離、Ｎ、Ｎ’はそれぞれ、光学面前後の屈折率を表す。反射面の場合、Ｎ’は−Ｎとなるので、ペッツバール項は、屈折レンズとは異なり、光学面の焦点距離と異符号になる。
【００５３】
反射面においてもペッツバール和を小さくするためには、正と負の焦点距離を持つ反射面が必要になる。しかし、負の焦点距離を持つ反射面を用いると、光束を広げることになり光学面が大きくなってしまう。つまり、負の焦点距離を持つ面を減らせば光学系はコンパクトに構成することが可能になる。
【００５４】
図２には、像面ＩＰをわざと湾曲させて設計した例を示す。この例では、全ての反射面Ｓ４’〜Ｓ７’の焦点距離（光学パワー）が正であり、必要とされる光学性能を出すことが可能である。そこで、この湾曲を何らかの方法で減らす、つまりペッツバール和を減らす方法を考えればよい。
【００５５】
反射面と屈折面におけるペッツバール項は異符号であるので、正の焦点距離（光学パワー）を持つレンズ（屈折光学ユニット）を付加すれば光束を広げずに湾曲を補正することが可能になる。
【００５６】
また、湾曲を少なくするためには、レンズの焦点距離ｆＬが反射面の焦点距離ｆＲに近いほうがよい。少なくとも反射光学ユニットの焦点距離の０．２倍以上、５倍以内は必要である。すなわち、
０．２＜ｆＬ／│ｆＲ│＜５ …（１）
を満たす必要がある。
【００５７】
ｆＬ／│ｆＲ│の値がこの範囲から外れると、ペッツバール和のコントロールの効果がない。しかし、反射面は球面ではなく自由曲面（回転非対称面）で構成されているので、ペッツバール和が必ず０になっている必要はない。さらに、回転非対称面を使用している場合、回転非対称な湾曲も存在する。この湾曲を取り除くためには、付加するレンズの屈折面の少なくとも１面は回転非対称の方がよい。
【００５８】
以上の考えに基づき、本実施形態では、拡大側の瞳（絞りＳＴＯ）近傍であって、反射光学ユニット１よりも（反射面中最も拡大側に配置された反射面よりも）拡大側に正の光学パワーを有するレンズＬを付加し、ペッツバール和のコントロールをしている。
【００５９】
ここで、上記数値実施例において、レンズＬと反射光学ユニット１の焦点距離ｆＬ，ｆＲをそれぞれ計算すると、
ｆＬ＝１１．０６０９（ｍｍ）
ｆＲ＝−５．４６６６６
となる。ただし、これらはＹＺ面内のアジムスでの焦点距離である。そして、これらの値は式（１）を満たしている。
【００６０】
さらに、正の光学パワーを持つ反射面（Ｓ４，Ｓ６，Ｓ７）数は３面であり、負の光学パワーを持つ反射面（Ｓ５）数は１面である。つまり、フォーカシングの光学パワーを有する反射面数が、正の光学パワーを持つ反射面数よりも少ない。このため、反射光学ユニット１内で光束があまり広がらないようにすることができ、この結果、反射面の大きさを小さくすることができるので、反射光学ユニット１をコンパクトに構成することができる。
【００６１】
一般に、着目するアジムスにより焦点距離は異なるが、光学系の大きさに主に影響を与えるのは反射面を配置する平面内（基準軸を含む平面内）であるので、この平面内での焦点距離の正負が問題となる。
【００６２】
また、一般に、拡大側から見て最初の反射面が大きくなりやすいが、本実施形態では、該最初の反射面よりも拡大側に正のレンズＬを設けることで、該最初の反射面に入射する光束径を小さくし、該反射面を小さくしている。
【００６３】
また、本実施形態の結像光学系は、反射光学ユニット１よりも拡大側に瞳（絞りＳＴＯ）を有しており、この瞳の位置近傍に単レンズＬを配置することにより、像面の湾曲を抑えつつ、単レンズＬの大きさも抑えている。
【００６４】
条件としては、反射光学ユニット１において、曲率を有する光学面（反射面）間の最小の間隔をＴ１とし、拡大側の瞳位置から単レンズＬの最も離れた光学面（屈折面）までの距離をＴ２としたときに、
Ｔ１＞Ｔ２ …（２）
を満たしていることが必要になる。この条件式（２）を満たしていないと、レンズＬが大きくなり、結像光学系のコンパクト化を妨げる。
【００６５】
上記数値実施例では、Ｔ１＝３．５５ｍｍ（反射面Ｓ４−Ｓ５間）、Ｔ２＝０．７５ｍｍ（屈折面Ｓ１−絞りＳＴＯ間）であるので、上記式（２）を満たしている。
【００６６】
なお、本実施形態では、反射光学ユニット１に４つの反射面を設けた場合について説明したが、本発明において、反射面は４面に限られない。但し、反射面により高い性能を出すためには、少なくとも３面以上は必要になる。
【００６７】
また、反射面は、ある平面に対して対称な形状であるが、本発明においてはこれに限られない。すなわち、いずれの平面に対しても非対称な形状であってもよい。
【００６８】
さらに、本実施形態では、単レンズと１つの反射光学素子（反射光学ユニット）とを組み合わせた結像光学系について説明したが、拡大側にこの構成を含み、複数の光学素子を用いて結像（撮影）光学系を構成してもよい。たとえば、特許文献２〜４等にて提案されているように、拡大側の固定群にこの構成を含み、さらに、変倍群、コンペンセーターを有し、複数の光学素子の相対位置を変化させて変倍光学系を構成することが可能である。
【００６９】
（実施形態２）
図４には、本発明の実施形態２である投射光学系（結像光学系）を備えた投射型画像表示装置のＹＺ面内での構成を示している。また、図５には、該投射光学系のＹＺ断面を拡大して示している。
【００７０】
レーザー光源ＬＤからの光束は、コリメーターレンズＣによって略平行光束とされ、マイクロミラーデバイスＭに入射する。マイクロミラーデバイスＭは、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）により構成され、電気信号の印加によってミラーを２次元方向に振動させることができるものである。このため、マイクロミラーデバイスＭに入射した光束は、２次元的に走査される。
【００７１】
なお、レーザー光源ＬＤとマイクロミラーデバイスＭには、これらを駆動する駆動回路３１が接続され、駆動回路３１には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオ（ＶＣＲ）、デジタルビデオ又はスチルカメラ、電波により画像情報を受信するアンテナ・チューナーユニット等の画像情報供給装置３５が接続されている。画像情報供給装置３５から画像情報を受けた駆動回路３１は、画像情報に応じてレーザー光源ＬＤを発光および変調駆動し、これに同期してマイクロミラーデバイスＭを駆動する。
【００７２】
そして、走査された光束は、投射光学系に入射し、投射光学系の一部を構成する反射光学ユニット２の凹反射面Ｓ１，凹反射面Ｓ２，凸反射面Ｓ３，凹反射面Ｓ４で順次反射し、さらに投射光学系の一部を構成する接合レンズ（屈折光学ユニット）Ｌ１を介してスクリーンＳに結像される。これにより、スクリーンＳ上に画像が投射表示される。
【００７３】
本実施形態の投射光学系は、縮小側から拡大側に結像する結像光学系であり、拡大側から順に、全体として正の光学パワーを有する接合レンズＬ１と、曲率を持った３面以上（４面）の反射面Ｓ４〜Ｓ７を含む反射光学ユニット２とを有する。また、反射光学ユニット２における最も拡大側の反射面Ｓ４よりも拡大側に瞳ＥＰ（図４参照）を有する。
【００７４】
以下に本実施形態に対応する数値実施例を示す。本数値実施例は、マイクロミラーデバイスＭにより光束が水平方向に±８°、垂直方向に±６°走査され（この角度が画角に相当する）、拡大側の接合レンズＬ１を通ってスクリーンＳに２５°の角度で投射される場合の投射光学系を示す。図６には、本数値実施例の横収差図を示す。
【００７５】
本数値実施例の構成データは次のとおりである。
【００７６】
絞り径（マイクロミラーデバイスＭ）５４ｍｍスクリーンサイズ４０インチ
【００７７】
【表２】

【００７８】
ここで、本数値実施例において、反射光学ユニット２および接合レンズＬ１の焦点距離ｆＬ，ｆＲをそれぞれ計算すると、
ｆＬ＝１６６．７３３（ｍｍ）
ｆＲ＝５１９．０７３
である。ただし、これらはＹＺ面内のアジムスでの焦点距離である。
【００７９】
これらの値は式（２）を満たしている。レンズＬ１の焦点距離が反射光学ユニット２の焦点距離の０．２倍以上、５倍以下であるので、ペッツバール和のコントロールがされており、高い光学性能を達成できる。
【００８０】
さらに、本実施形態において、正の光学パワーを持つ反射面（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４）数は３面であり、負の光学パワーを持つ反射面（Ｓ３）は１面であることから、反射光学ユニット２内で光束があまり広がらず、反射光学ユニット２をコンパクトに構成している。
【００８１】
一般に、着目するアジムスにより焦点距離は異なるが、光学系の大きさに主に影響を与えるのは反射面を配置する平面内（基準軸を含む平面内）であるので、この平面内での焦点距離の正負が問題となる。
【００８２】
また、一般に、拡大側から見て最初の反射面が大きくなりやすいが、本実施形態では、該最初の反射面よりも拡大側に正の接合レンズＬ１を設けることで、該最初の反射面に入射する光束径を小さくし、該反射面を小さくしている。
【００８３】
また、図５において、ＭＩは中間結像位置であり、反射面Ｓ３とＳ４の間にて中間結像させることにより、反射面Ｓ４をより小型化している。
【００８４】
また、本実施形態の投射光学系は、反射光学ユニット２よりも拡大側に瞳ＥＰを有しており、この瞳の位置近傍に接合レンズＬ１を配置することにより、像面の湾曲を抑えつつ、接合レンズＬ１の大きさも抑えている。
【００８５】
具体的には、反射光学ユニット２において曲率を有する光学面（反射面）間の最小の間隔をＴ１とし、拡大側の瞳位置から接合レンズＬ１の最も拡大側の面までの距離Ｔ２とすると、上記数値実施例では、Ｔ１＝７５ｍｍ（反射面Ｓ１−Ｓ２間およびＳ２−Ｓ３間）、Ｔ２＝３２．５ｍｍ（屈折面Ｓ７−瞳ＥＰ）であるので、上記式（２）を満たしている。
【００８６】
なお、本実施形態では、反射光学ユニット２に４つの反射面を設けた場合について説明したが、本発明において、反射面は４面に限られない。但し、反射面により高い性能を出すためには、少なくとも３面以上は必要になる。
【００８７】
また、反射面は、ある平面に対して対称な形状であるが、本発明においてはこれに限られない。すなわち、いずれの平面に対しても非対称な形状であってもよい。
【００８８】
また、本実施形態では、接合レンズＬ１を用いた場合について説明したが、屈折光学ユニットとして接合レンズ以外のレンズユニット（単レンズや複数枚のレンズ）を用いてもよい。また、本実施形態では、接合レンズＬ１の屈折面をすべて回転対称な面で構成した場合について説明したが、少なくとも１面を回転非対称形状としてもよい。
【００８９】
さらに、本実施形態では、接合レンズと１つの反射光学素子（反射光学ユニット）とを組み合わせた結像光学系について説明したが、拡大側にこの構成を含み、複数の光学素子を用いて投射光学系を構成してもよい。たとえば、特許文献２〜４等にて提案されているように、拡大側の固定群にこの構成を含み、さらに、変倍群、コンペンセーターを有し、複数の光学素子の相対位置を変化させて変倍光学系を構成することが可能である。
【００９０】
また、本実施形態では、レーザー光源とマイクロミラーデバイスを用いた投射型画像表示装置について説明したが、これらに代えて、液晶ディスプレイパネルと照明光源や自発光素子等を用いてもよい。
【００９１】
さらに、前述した特許文献２〜４等にて提案されているように、複数の光学素子の相対位置を変化させて変倍光学系を構成することもできる。
【００９２】
また、本発明の結像光学系は、上記各実施形態にて説明した撮影光学系や投射光学系だけでなく、半導体露光装置の露光光学系にも適用することができる。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、反射光学ユニットにおいて、負の光学パワーを持つ光学面の数が少なくても、拡大側の瞳の位置近傍に正の光学パワーを持つ屈折光学ユニットを付加することにより、像面の湾曲を抑えることができるとともに、屈折光学ユニットの小型化、つまりは結像光学系の小型化を達成することができる。さらに、屈折光学ユニットの焦点距離を反射光学ユニットの焦点距離の０．２倍以上、５倍以内にすることにより、ペッツバール和をコントロールし、高い光学性能を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１である撮影光学系を備えた撮像装置の光学断面図。
【図２】像面を湾曲させた光学系の光学断面図。
【図３】実施形態１の横収差図。
【図４】本発明の実施形態２である投射光学系を備えた投射型画像表示装置の光学断面図。
【図５】実施形態２の投射光学系の光学断面図。
【図６】実施形態２の横収差図。
【図７】実施形態における座標系の説明図。
【図８】従来の結像光学系の光学断面図。
【符号の説明】
Ｓｉ，Ｒｉ光学面
Ｄｉ基準軸に沿った面間隔
Ｎｄｉ屈折率
νｄｉアッベ数
θ 反射面の法線と基準軸のなす角度
１，２反射光学ユニット
Ｃコリメーターレンズ
Ｆ光学フィルタ
Ｌ単レンズ
Ｌ１接合レンズ
ＬＤレーザー光源
Ｍマイクロミラーデバイス
Ｓスクリーン
ＳＩ像面
ＳＴＯ絞り

Claims

拡大側から縮小側又は縮小側から拡大側に結像する結像光学系であって、
拡大側から順に、全体として正の光学パワーを有する屈折光学ユニットと、曲率を持った少なくとも３面以上の反射面を含む反射光学ユニットとを有し、
かつ前記反射光学ユニットにおける最も拡大側の反射面よりも拡大側に瞳を有し、
さらに以下の条件を満足することを特徴とする結像光学系。
０．２＜ｆＬ／│ｆＲ│＜５
Ｔ１＞Ｔ２
但し、ｆＬは前記屈折光学ユニットの焦点距離、ｆＲは前記反射光学ユニットの焦点距離、Ｔ１は前記反射光学ユニットにおける前記反射面間の最小の間隔、Ｔ２は前記屈折光学ユニットにおける前記瞳の位置から最も離れた屈折面までの距離である。
前記反射光学ユニットにおいて、正の光学パワーを持つ反射面の数が、負の光学パワーを持つ反射面の数よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
前記屈折光学ユニットは、回転対称な屈折面で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の結像光学系。
前記屈折光学ユニットは、回転非対称な屈折面を少なくとも１面有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の結像光学系。
請求項１から４のいずれか１つに記載の結像光学系を備えたことを特徴とする光学装置。
請求項１から４のいずれか１つに記載の結像光学系と、
該結像光学系により形成された物体像を受けてこれを光電変換する光電変換素子とを有することを特徴とする撮像装置。
請求項１から４のいずれか１つに記載の結像光学系と、
該結像光学系により形成された原稿の像を受けてこれを光電変換する光電変換素子とを有することを特徴とする画像読取り装置。
原画を形成する画像形成ユニットと、
前記画像形成ユニットに形成された原画からの光を被投射面に投射する請求項１から４のいずれか１つに記載の結像光学系とを有することを特徴とする投射型画像表示装置。
拡大側から順に、全体として正の光学パワーを有する屈折光学ユニットと、曲率を持った少なくとも３面以上の反射面を含む反射光学ユニットとを有し、かつ前記反射光学ユニットにおける最も拡大側の反射面よりも拡大側に瞳を有し、
さらに以下の条件を満足することを特徴とする光学系。
０．２＜ｆＬ／│ｆＲ│＜５
Ｔ１＞Ｔ２
但し、ｆＬは前記屈折光学ユニットの焦点距離、ｆＲは前記反射光学ユニットの焦点距離、Ｔ１は前記反射光学ユニットにおける前記反射面間の最小の間隔、Ｔ２は前記屈折光学ユニットにおける前記瞳の位置から最も離れた屈折面までの距離である。
請求項９に記載の結像光学系を備えたことを特徴とする光学装置。
原画を形成する画像形成ユニットと、
前記画像形成ユニットに形成された原画からの光を被投射面に投射する請求項９に記載の光学系とを有することを特徴とする投射型画像表示装置。