JP2018045025A - 撮像光学系、撮像装置及び投影撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】例えば短焦点を持つ投影撮像システムに搭載される撮像装置用の撮像光学系であって、被写体距離変化に伴う合焦を簡素な構成で行うことができ、被写体距離が変化しても画面全域に渡って良好な光学性能を有する撮像光学系、及びそれを有する撮像装置並びに投影撮像システムを提供する。【解決手段】固体撮像素子を用いて被写体像を斜め方向から撮像する撮像装置用の撮像光学系は、物体側から順に、屈折力を有する反射光学素子を１つだけ含む第１光学系と、回転対称な形状を有する屈折レンズのみで構成され、全てのレンズが偏芯しておらず、共通の光軸を有する第２光学系と、で構成され、第２光学系は物体側より順に、第１レンズ群、開口絞り、第２レンズ群で構成され、被写体距離の変化に伴う合焦を、前記第１レンズ群中の複数のレンズを一体的に光軸方向に移動させることによって行うようになっている。【選択図】図３

Description

本発明は、例えばスクリーンの近接位置から画像の投影を行い、スクリーンに投影された画像を撮像可能な投影画像システム、及びそれに用いる撮像装置、並びに当該撮像装置に使用される撮像光学系に関する。

近年、パソコンなどに接続して用いられ、スクリーンの真下や真上などに配置されて、パソコン内の画像データに基づいて投影用の画像を作成し、これを投影光学系によって該スクリーン上に拡大投影する投影装置としての短焦点プロジェクターが登場してきた。

このような短焦点プロジェクターとしては、単に画像をスクリーン等に投影する投影機能のみならず、撮像機能を設けたものも開発されている。このような撮像機能を設けることで、スクリーンとしてのホワイトボード等に画像を投影すると同時に、そのホワイトボード等を撮像することによって、例えばユーザーがホワイトボードに文字や図形等の情報を書き込んだときは、その情報を表示画像に追加して記録したり、ユーザーのジェスチャー操作を感知して投影画面のページを進ませたりする等の、いわゆるインタラクティブな機能を実現することができる。

ところで、このような撮像機能を持たせるために、短焦点プロジェクターに撮像装置を搭載しようとすると、その撮像レンズを超広角とする必要が出てくる。そのため、撮像対象となるスクリーンの周辺部の解像力を十分に確保するのが難しくなる。また周辺部での歪曲収差が大きいときは、取り込まれる画像に歪曲補正を施すことがあるが、撮像レンズを超広角とすることにより、周辺部の解像力低下を引き起こしてしまう恐れもある。したがって、短焦点プロジェクターに搭載する撮像装置には、超広角でありながら広角レンズに発生しがちな樽型の歪曲収差や台形歪みを極力抑えた光学系が必要となってくる。

また、短焦点プロジェクターのあるタイプは、スクリーンとの距離を変えることで画面サイズを変えることが可能であり、その場合、短焦点プロジェクターに搭載される撮像装置に対しての被写体距離が必ずしも一定の距離とはならない。したがって、短焦点プロジェクターがどのような画面サイズであっても画面全域に渡って高解像度の画像を得るためには、搭載される撮像装置に合焦機能を持たせることが望ましいといえる。ここで、例えば特許文献１には、反射光学素子と自由曲面レンズを使用し、近距離からの斜め撮像光学系でありながら低歪みな光学系が開示されている。このような特許文献１の構成に、合焦機能を持たせることも理論上は可能である。

特開2012-133175号公報 特許第5871039号明細書 特開2010-72374号公報

しかるに、特許文献１に開示されているような近距離からの斜め撮像光学系では、斜めからの撮像のため撮影画面の位置によって被写体からの光線入射角度が大きく異なることにより、被写体距離を変化させたときの性能劣化具合が画面内で大きく異なってしまうという問題がある。一方で、特許文献１には被写体距離が変化した場合の合焦方法についての言及はなく、複雑な形状を有する自由曲面レンズを使用しているため、仮に合焦機能を持たせるとしても、合焦に際して自由曲面レンズの光線通過位置が変化した場合の性能変化が発生しやすく、合焦に際して移動させるレンズ群が複数になったり、移動経路が複雑になったりしてしまうおそれがある。

次に、特許文献２には、反射光学素子と屈折光学系を組み合わせた光学系における合焦方法が開示されている。しかしながら、特許文献２の合焦方法は投射光学系に関するものであって、これを撮像光学系に適用できるとしても、正の屈折力を有するレンズ群と、負の屈折力を有するレンズ群を、それぞれ別の方向に移動させて合焦を行うため、移動するレンズ群が多くなり、又それぞれのレンズ群の移動量も異なるため、合焦機構が複雑化してしまうという問題がある。

また、特許文献３には、自由曲面レンズを使用した斜め撮像光学系における合焦方法が開示されている。特許文献３の合焦方法によれば、移動レンズが１つとシンプルではあるが、移動レンズが自由曲面レンズであって、光軸方向と光軸と垂直な方向の2方向（光軸に対して斜め方向）に移動させて合焦を行うものであるから、そのため合焦機構が複雑になってしまう。更に、斜め方向へのレンズ群を移動させる構成では、その機構の複雑化を招くのみならず、位置決め精度も悪く高精度の移動ができないために合焦時の性能劣化を招く恐れがある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、例えば短焦点を持つ投影撮像システムに搭載される撮像装置用の撮像光学系であって、被写体距離変化に伴う合焦を簡素な構成で行うことができ、被写体距離が変化しても画面全域に渡って良好な光学性能を有する撮像光学系、及びそれを有する撮像装置並びに投影撮像システムを提供することを目的とする。

本発明の撮像光学系は、固体撮像素子を用いて被写体像を斜め方向から撮像する撮像装置用の撮像光学系であって、物体側から順に、
屈折力を有する反射光学素子を１つだけ含む第１光学系と、
回転対称な形状を有する屈折レンズのみで構成され、全てのレンズが偏芯しておらず、共通の光軸を有する第２光学系と、で構成され、
第２光学系は物体側より順に、第１レンズ群、開口絞り、第２レンズ群で構成され、
被写体距離の変化に伴う合焦を、前記第１レンズ群中の複数のレンズを一体的に光軸方向に移動させることによって行うものである。

本発明の投影撮像システムは、スクリーンに対して画像を投影する投影装置と、前記スクリーン上に形成された画像を撮像する撮像装置とを有する投影撮像システムにおいて、
前記撮像装置は、固体撮像素子と、前記スクリーン上に形成された画像を斜め方向から入射して前記固体撮像素子に結像する撮像光学系とを有し、
前記撮像光学系が、物体側から順に、
屈折力を有する反射光学素子を１つだけ含む第１光学系と、
回転対称な形状を有する屈折レンズのみで構成され、全てのレンズが偏芯しておらず、共通の光軸を有する第２光学系と、で構成され、
第２光学系は物体側より順に、第１レンズ群、開口絞り、第２レンズ群で構成され、
被写体距離の変化に伴う合焦を、前記第１レンズ群中の複数のレンズを一体的に光軸方向に移動させることによって行うものである。

本発明によれば、例えば短焦点を持つ投影撮像システムに搭載される撮像装置用の撮像光学系であって、被写体距離変化に伴う合焦を簡素な構成で行うことができ、被写体距離が変化しても画面全域に渡って良好な光学性能を有する撮像光学系、及びそれを有する撮像装置並びに投影撮像システムを提供することができる。

本実施の形態にかかる投影撮像システムの使用状態を示す斜視図である。 本実施の形態にかかる投影撮像システムのブロック図である。 投影撮像システムＰＩＳに搭載した撮像装置ＩＤに用いる撮像光学系ＩＯＳの断面図である。 実施例１の撮像光学系ＩＯＳ及びスクリーンＳＣの断面図であり、スクリーンＳＣから固体撮像素子ＩＥまでの光路を示している。 実施例１の撮像光学系ＩＯＳの拡大断面図である。 被写体距離１６０ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ１〜Ｆ３のＭＴＦ特性図である。 被写体距離１６０ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ４〜Ｆ６のＭＴＦ特性図である。 被写体距離３００ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ１〜Ｆ３のＭＴＦ特性図である。 被写体距離３００ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ４〜Ｆ６のＭＴＦ特性図である。 被写体面上のＭＴＦ評価位置を説明する図である。 実施例２の撮像光学系ＩＯＳ及びスクリーンＳＣの断面図であり、スクリーンＳＣから固体撮像素子ＩＥまでの光路を示している。 実施例２の撮像光学系ＩＯＳの拡大断面図である。 被写体距離１６０ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ１〜Ｆ３のＭＴＦ特性図である。 被写体距離１６０ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ４〜Ｆ６のＭＴＦ特性図である。 被写体距離３００ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ１〜Ｆ３のＭＴＦ特性図である。 被写体距離３００ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ４〜Ｆ６のＭＴＦ特性図である。 実施例３の撮像光学系ＩＯＳ及びスクリーンＳＣの断面図であり、スクリーンＳＣから固体撮像素子ＩＥまでの光路を示している。 実施例３の撮像光学系ＩＯＳの拡大断面図である。 被写体距離１６０ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ１〜Ｆ３のＭＴＦ特性図である。 被写体距離１６０ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ４〜Ｆ６のＭＴＦ特性図である。 被写体距離３００ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ１〜Ｆ３のＭＴＦ特性図である。 被写体距離３００ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ４〜Ｆ６のＭＴＦ特性図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる投影撮像システムの使用状態を示す斜視図である。図２は、本実施の形態にかかる投影撮像システムのブロック図である。

図１において、机上ＤＫにＡ３やＡ１等の白紙（ここではスクリーン）ＷＰが置かれ、その近傍に投影撮像システムＰＩＳが配置されている。投影撮像システムＰＩＳは、図２に示すように、筐体ＣＳ内に収容された投影装置ＰＪと撮像装置ＩＤと、制御部ＣＯＮＴと、画像記憶部ＭＲとを有している。投影装置ＰＪは、投影画像形成部ＰＩと、光源部ＯＳと、投影レンズを有する投影光学系ＰＯＳとを有する。一方、撮像装置ＩＤは、撮像レンズを有する撮像光学系ＩＯＳと、ＣＣＤ（電荷結合素子）やＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）からなる固体撮像素子ＩＥと、画像処理部ＰＲとを有する。制御部ＣＯＮＴは、外部のパソコンＰＣに情報伝達可能に接続され、投影すべき画像情報を投影画像形成部ＰＩに送信したり、画像処理部ＰＲで画像処理された画像信号を受信して、画像記憶部ＭＲに送信して記憶させたり、外部のパソコンＰＣに送信して、それに付属するディスプレイＤＰＬに表示させたりすることができる。またパソコンＰＣは、投影すべき画像をディスプレイＤＰＬに表示することもできる。尚、投影光学系ＰＯＳと撮像光学系ＩＯＳの光軸は、白紙ＷＰの法線に対してそれぞれ傾いている。すなわち、「被写体像を斜め方向から撮像する」とは、スクリーンの中心から出射し、撮像光学系の開口絞り中心を通る主光線が、撮像する被写体像があるスクリーンの法線に対して傾斜していることをいう。

図３は、投影撮像システムＰＩＳに搭載した撮像装置ＩＤに用いる撮像光学系ＩＯＳの断面図である。図３において、撮像光学系ＩＯＳは、物体側から順に、正の屈折力を有する凹面形状の反射光学素子Ｍ１、屈折力を持たない折り曲げミラーＭ２，第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、第５レンズＬ５、第６レンズＬ６、開口絞りＳ，第７レンズＬ７、第８レンズＬ８、第９レンズＬ９、第１０レンズＬ１０からなり、これらはレンズ鏡胴ＬＢ内に配置されている。尚、ＩＥは結像面、Ｆは光学的ローパスフィルタや赤外線カットフィルター、固体撮像素子のシールガラス等を想定した平行平板である。

本実施の形態では、反射光学素子Ｍ１が第１光学系、回転対称な形状を有する屈折レンズのみで構成され、全てのレンズが偏芯していない第１レンズＬ１〜第１０レンズＬ１０が、第２光学系を構成する。更に、第１レンズＬ１〜第６レンズＬ６が第１レンズ群を構成し、第７レンズＬ７〜第１０レンズＬ１０が第２レンズ群を構成する。又、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３が、不図示のアクチュエータにより駆動され、合焦に際し光軸方向に一体的に移動する移動レンズ群ＭＬを構成する。

本実施の形態によれば、撮像光学系ＩＯＳを、反射光学素子Ｍ１を含む第１光学系と、屈折レンズのみで構成される第２光学系で構成することで、短距離大画面の被写体の撮像が可能な低歪曲光学系を得ることができる。また、第２光学系を構成する全てのレンズを、偏芯していない共通の光軸を有するレンズ（Ｌ１〜Ｌ１０）で構成することによって、複雑な組み立てを行う必要がなくなり、組み立て時の性能劣化を小さく抑えることができる。よって、「偏芯していない」とは、一般的な製造公差範囲内で複数のレンズの光軸が一致することをいい、この場合に複数のレンズは「共通の光軸」を有するものとする。

さらに、第２光学系を物体側より順に、第１レンズ群（レンズＬ１〜Ｌ６）、開口絞りＳ、第２レンズ群（Ｌ１〜Ｌ１０）で構成し、被写体距離の変化に伴う合焦を第１レンズ群中の複数の移動レンズ群ＭＬ（レンズＬ１〜Ｌ３）のみを光軸方向に移動させることによって行うようにすることで、２つ以上のレンズ群を別々に移動させて行うよりも構成が簡素化できる。

更に、本実施の形態においては、以下の条件式を満足すると好ましい。
５．０＜｜ＦＦＯ／ＦＬＤ｜＜２５．０ （１）
ここで、
ＦＦＯ：合焦時に移動させる移動レンズ群ＭＬの焦点距離（ｍｍ）
ＦＬＤ：第２光学系全系の焦点距離（ｍｍ）

条件式（１）は、合焦時に移動させる移動レンズ群ＭＬの焦点距離を適切に設定するための条件式である。条件式（１）の値が下限を上回ることで、合焦時に移動させる移動レンズ群の屈折力が強くなりすぎず、合焦時に移動させた場合の歪曲収差変化を小さく抑えることができるようになる。一方、条件式（１）の値が上限を下回ることで、合焦時に移動させる移動レンズ群ＭＬの屈折力を適度に維持することができるので、合焦時の像面変動を良好に補正できるようになる。

更に、前記第１光学系内の反射光学素子Ｍ１は、正の屈折力を持つと好ましい。反射光学素子Ｍ１を正の屈折力を有するような凹面形状とすることで、第１光学系と第２光学系の間に中間像が形成されることになり、より簡素なレンズ構成でありながら、近距離・大画面撮像を性能劣化なく行うことができるようになる。反射光学素子Ｍ１は、自由曲面でなく、回転対称な反射面を有すると好ましい。

更に、第２光学系の最も物体側のレンズ（ここでは第１レンズＬ１）は負の屈折力を有し、物体側に凹面を向けた形状であると好ましい。第２光学系の最も物体側のレンズ（Ｌ１）を負の屈折力を有する物体側面が凹面形状のレンズとすることで、全系の画角を広角化することができる。

更に、合焦時に移動させる移動レンズ群ＭＬは、正レンズと負レンズをそれぞれ１枚以上含むと好ましい。移動レンズ群ＭＬ中に正レンズと負レンズをそれぞれ１枚以上含むことで、合焦時の性能劣化を小さく抑えることが出来る。

更に、合焦時に移動させる移動レンズ群ＭＬは、非球面レンズを１枚以上含むと好ましい。移動レンズ群ＭＬ中に非球面レンズを１枚以上含むことで、合焦時の性能劣化を小さく抑えることが出来る。

投影撮像システムＰＩＳの動作について説明する。外部のパソコンＰＣから、投影すべき画像の画像情報が制御部ＣＯＮＴに送信されると、制御部ＣＯＮＴは、かかる画像情報を投影装置ＰＪの投影画像形成部ＰＩに送信する。投影画像形成部ＰＩは、受信した画像情報に基づいて光源部ＯＳの駆動信号を作成し、これを光源部ＯＳに送信する。光源部ＯＳは、受信した駆動信号に応じて駆動されて画像光を生成し、投影光学系ＰＯＳを介して白紙ＷＰに向けて斜めに照射する。これにより白紙ＷＰ上には、画像ＩＭＧが投影されることとなる。投影された画像ＩＭＧの形状は、投影装置ＰＪから白紙ＷＰに斜めに投影したときに、パソコンＰＣのディスプレイＤＰＬに表示された投影すべき画像の形状に対して略相似の関係となるように、投影画像形成部ＰＩは予め画像情報に歪みを与えて、駆動信号を形成することができる。

一方、撮像装置ＩＤが白紙ＷＰを撮像するときは、白紙ＷＰの画像ＩＭＧが、撮像光学系ＩＯＳを介して固体撮像素子ＩＥの受光面に結像し、その画像信号が画像処理部ＰＲに送信されて画像処理が行われ、処理された画像信号は制御部ＣＯＮＴに送信される。このとき、図１に示すように、例えば筆記具ＰＮなどを用いて白紙ＷＰ上に文字（又は記号等）ＣＴを書き込むと、書き込まれた文字ＣＴが、投影された画像ＩＭＧと共に被写体像として撮像装置ＩＤによって撮像されるので、画像ＩＭＧと文字ＣＴを含む画像信号を、制御部ＣＯＮＴを介して画像記憶部ＭＲに送信して記憶させたり、外部のパソコンＰＣに送信して、それに付属するディスプレイＤＰＬに表示させたりすることができる。

［実施例］
以下、上述した実施の形態に用いることができる撮像光学系の実施例を示す。特に示さない限り、寸法に関する単位はｍｍである。また、「結像面軸ずれ量」とは、結像面中心が光軸に対してどの程度シフトしているかを表わしている。なお、これ以降（表のレンズデータを含む）において、１０のべき乗数（たとえば２．５×１０^-02）を、Ｅ（たとえば２．５Ｅ−０２）を用いて表すものとする。

以下の実施例において、非球面の形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にＸ軸をとり（像側をプラス）、光軸と垂直方向の高さをｈとして以下の「数１」で表す。

ただし、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数
Ｒ ：曲率半径
Ｋ ：円錐定数

（実施例１）
図４は実施例１の撮像光学系ＩＯＳ及びスクリーンＳＣの断面図であり、被写体面であるスクリーンＳＣから固体撮像素子ＩＥまでの光路を示している。図５は、実施例１の撮像光学系ＩＯＳの拡大断面図である。図５中、Ｍ１は正の屈折力を有する凹面形状の反射光学素子、Ｌ１は第１レンズ、Ｌ２は第２レンズ、Ｌ３は第３レンズ、Ｌ４は第４レンズ、Ｌ５は第５レンズ、Ｌ６は第６レンズ、Ｌ７は第７レンズ、Ｌ８は第８レンズ、Ｌ９は第９レンズ、Ｌ１０は第１０レンズ、Ｓは開口絞り、ＩＥは結像面を示す。また、Ｆは光学的ローパスフィルタや赤外線カットフィルター、固体撮像素子のシールガラス等を想定した平行平板である。

本実施例では、反射光学素子Ｍ１により第１光学系を構成し、回転対称な形状を有する屈折レンズのみからなり、全てのレンズが偏芯していない第１レンズＬ１〜第１０レンズＬ１０により、第２光学系を構成する。更に、第１レンズＬ１〜第６レンズＬ６が第１レンズ群を構成し、第７レンズＬ７〜第１０レンズＬ１０が第２レンズ群を構成する。又、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３が、合焦に際し光軸方向に移動する移動レンズ群ＭＬを構成する。

又、第１光学系と第２光学系の間に、屈折力を持たない光路折り曲げミラーＭ２を配置して９０°光路を折り曲げている。また、反射光学素子Ｍ１は非球面形状を有し、第１レンズＬ１、第４レンズＬ４は非球面形状を有するガラスモールドレンズ、第６レンズＬ６は非球面形状を有するプラスチックレンズ、それ以外のレンズはガラス球面レンズである。また、第５レンズＬ５と第６レンズＬ６、第８レンズＬ８と第９レンズＬ９は接合されている。第２光学系内に接合レンズを含むことで撮像光学系全系の色収差を良好に補正することができるようになる。

本実施例において、合焦時に移動する移動レンズ群ＭＬは第１レンズＬ１から第３レンズＬ３である。移動レンズ群ＭＬ中に、非球面レンズである第１レンズＬ１を含むことで、合焦時の性能劣化を最小限に抑えることができる。

実施例１のレンズデータを表１に示す。

［表１］
(実施例1レンズデータ表)

面番号 曲率半径[mm] 面間隔[mm] d線屈折率 アッベ数
被写体面 可変
反射面 1 -28.442 35.000
平面ミラー 2 INF 可変間隔1
非球面 3 -55.811 2.500 1.7720 50.0
非球面 4 8.432 6.190
5 -59.303 6.837 1.4875 70.2
6 -22.788 0.500
7 41.947 5.356 1.5891 61.1
8 -43.327 可変間隔2
非球面 9 -114.643 4.309 1.7720 50.0
非球面 10 -27.276 2.000
11 17.151 3.432 1.7432 49.3
12 46.640 2.080 1.6989 30.1
13 11.373 9.370
開口絞り 14 INF 1.461
非球面 15 -25.187 3.215 1.5305 56.0
非球面 16 -5.264 1.000
17 -88.085 2.945 1.7725 49.6
18 -6.126 1.388 1.6989 30.1
19 10.642 1.827
20 10.243 5.000 1.7725 49.6
21 -47.353 1.000
22 INF 0.500 1.5163 64.1
23 INF 2.000
結像面 INF

非球面データ
第1面 第9面
K= -3.3008E+00 K= 4.4937E+01
A4= -6.9369E-06 A4= -1.0798E-05
A6= 6.6432E-09 A6= 7.1383E-08
A8= -5.8207E-12 A8= -1.7146E-09
A10= 2.8111E-15 A10= 5.1815E-12
A12= -4.5068E-19 A12= -2.0100E-14
A14= -1.4536E-22
A16= 4.9518E-26

第3面 第10面
K= 1.9873E+01 K= -9.7630E-01
A4= -3.1764E-05 A4= 6.2785E-06
A6= 4.4134E-07 A6= -2.9861E-08
A8= -2.1192E-10 A8= -1.0688E-09
A10= -6.7876E-12 A10= 1.8629E-12
A12= 4.9539E-15 A12= -2.2929E-15
A14= 2.8894E-16

第4面 第15面
K= -2.4440E+00 K= 0.0000E+00
A4= -2.4761E-05 A4= -2.0251E-03
A6= 1.1052E-07 A6= -7.9241E-05
A8= 5.0648E-10 A8= -1.2946E-07
A10= -3.7958E-12 A10= -6.6934E-07
A12= -2.8535E-14
A14= 1.7383E-16

第16面
K= 0.0000E+00
A4= -1.8827E-04
A6= -2.3768E-05
A8= 4.4571E-07
A10= -1.1967E-07

可変間隔データ
被写体距離[mm] 可変間隔1[mm] 可変間隔2[mm]
160 45.791 1.000
230 43.907 2.883
300 43.000 3.791

諸元値
Fナンバー F2.80
受光面サイズ 4.48mm×3.36mm
結像面軸ずれ量 0.67mm

図６〜９は、撮像領域上でのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）特性図である。図６は、被写体距離１６０ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ１〜Ｆ３のＭＴＦ特性図であり、図７は、被写体距離１６０ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ４〜Ｆ６のＭＴＦ特性図であり、図８は、被写体距離３００ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ１〜Ｆ３のＭＴＦ特性図であり、図９は、被写体距離３００ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ４〜Ｆ６のＭＴＦ特性図である。図中のＦｉ−Ｘ（ｉ＝１〜６）は、Ｆｉの位置でのＸ方向解像力を示し、Ｆｉ−Ｙ（ｉ＝１〜６）は、Ｆｉの位置でのＹ方向解像力を示す。ＭＴＦを計算する上での波長ウェイトは以下の通りである。波長ウェイトについては、以降の実施例も同様とする。
［波長ウェイト］
波長 重み
656.3nm 34
587.6nm 63
546.1nm 100
486.1nm 83
435.8nm 26
404.7nm 8

本実施例において、図６，７に示す被写体距離１６０ｍｍにおけるＭＴＦ特性図を参照すると、被写体全域にわたって良好な性能を有していることがわかる。更に、図８，９に示す被写体距離３００ｍｍにおけるＭＴＦ特性図を参照すると、被写体距離の変化による性能変化が小さく抑えられていることが分かる。

なお、本実施例において、被写体距離１６０ｍｍというのは、概ねＡ３サイズの用紙全域を撮影できる画角に相当する。また、被写体距離３００ｍｍというのは、概ねＡ１サイズの用紙全域を撮影できる画角に相当している（以下同じ）。

（実施例２）
図１１は実施例２の撮像光学系ＩＯＳ及びスクリーンＳＣの断面図であり、被写体面であるスクリーンＳＣから固体撮像素子ＩＥまでの光路を示している。図１２は、実施例２の撮像光学系ＩＯＳの拡大断面図である。図１２中、Ｍ１は正の屈折力を有する凹面形状の反射光学素子、Ｌ１は第１レンズ、Ｌ２は第２レンズ、Ｌ３は第３レンズ、Ｌ４は第４レンズ、Ｌ５は第５レンズ、Ｌ６は第６レンズ、Ｌ７は第７レンズ、Ｌ８は第８レンズ、Ｌ９は第９レンズ、Ｌ１０は第１０レンズ、Ｓは開口絞り、ＩＥは結像面を示す。また、Ｆは光学的ローパスフィルタや赤外線カットフィルター、固体撮像素子のシールガラス等を想定した平行平板である。

本実施例では、反射光学素子Ｍ１により第１光学系を構成し、回転対称な形状を有する屈折レンズのみからなり、全てのレンズが偏芯していない第１レンズＬ１〜第１０レンズＬ１０により、第２光学系を構成する。更に、第１レンズＬ１〜第６レンズＬ６が第１レンズ群を構成し、第７レンズＬ７〜第１０レンズＬ１０が第２レンズ群を構成する。又、第４レンズＬ４、第５レンズＬ５、第６レンズＬ６が、合焦に際し光軸方向に移動する移動レンズ群ＭＬを構成する。

本実施例でも、第１光学系と第２光学系の間にパワーを持たない光路折り曲げミラーＭ２を配置して９０°光路を折り曲げている。また、反射光学素子Ｍ１は非球面形状を有し、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第４レンズＬ４、第７レンズＬ７は非球面レンズ、それ以外のレンズは球面レンズである。また、第５レンズＬ５と第６レンズＬ６、第８レンズＬ８と第９レンズＬ９は接合されている。第２光学系内に接合レンズを含むことで撮像光学系全系の色収差を良好に補正することができるようになる。

本実施例において、合焦時に移動するレンズ群ＭＬは第４レンズＬ４から第６レンズＬ６である。移動レンズ群ＭＬ中に非球面レンズである第４レンズＬ４を含むことで、合焦時の性能劣化を最小限に抑えることができる。

実施例２のレンズデータを表２に示す。

［表２］
(実施例2レンズデータ表)

面番号 曲率半径[mm] 面間隔[mm] d線屈折率 アッベ数
被写体面 可変
反射面 1 -22.496 25.000
平面ミラー 2 INF 40.531
非球面 3 -79.686 4.500 1.7711 49.7
非球面 4 9.452 4.994
非球面 5 303.024 9.825 1.6913 34.5
非球面 6 -20.258 1.098
7 62.444 5.000 1.7961 25.6
8 96.843 可変間隔1
非球面 9 -159.791 5.000 1.4870 70.2
非球面 10 -28.920 3.000
11 18.577 3.963 1.6779 53.9
12 -35.990 2.000 1.7226 32.4
13 19.577 可変間隔2
開口絞り 14 INF 1.255
非球面 15 -23.549 4.397 1.7218 51.8
非球面 16 -6.890 1.000
17 -95.624 2.739 1.7509 50.5
18 -5.411 0.500 1.7315 27.7
19 10.061 2.678
20 24.827 5.000 1.8470 23.8
21 -12.833 4.056
22 INF 0.500 1.5163 64.1
23 INF 2.000
結像面 INF

非球面データ
第1面 第9面
K= -2.9523E+00 K= -5.0000E+01
A4= -8.4745E-06 A4= 9.7431E-06
A6= 5.8230E-09 A6= 1.3935E-08
A8= -4.8147E-12 A8= -5.5192E-10
A10= 2.7900E-15 A10= 7.3739E-13
A12= -8.4393E-19 A12= 1.1450E-33
A14= -2.9649E-22
A16= 2.4358E-25

第3面 第10面
K= 3.1380E+01 K= -6.8237E-01
A4= -2.1427E-05 A4= 4.4096E-06
A6= 1.8501E-07 A6= -3.3499E-08
A8= 3.8211E-10 A8= -3.2316E-10
A10= -1.0317E-12 A10= 9.2164E-13
A12= -1.7605E-14 A12= 1.1458E-33
A14= 9.4341E-17

第4面 第15面
K= -2.8181E+00 K= 0.0000E+00
A4= 1.7574E-06 A4= -1.0138E-03
A6= 5.5365E-08 A6= -1.8563E-05
A8= 9.8402E-11 A8= -4.6445E-07
A10= 3.0589E-12 A10= -2.5503E-08
A12= 1.6555E-14
A14= -1.6526E-16

第5面 第16面
K= 5.0000E+01 K= 0.0000E+00
A4= 1.8568E-05 A4= 5.6875E-05
A6= 4.5575E-08 A6= -3.1590E-06
A8= -2.2472E-11 A8= -9.1990E-08
A10= 1.4058E-12 A10= 8.1840E-10
A12= -4.5757E-17

第6面
K= -6.5731E-01
A4= 8.7652E-06
A6= -5.0850E-08
A8= 5.5994E-10
A10= -1.9966E-12
A12= 5.6305E-17

可変間隔データ
被写体距離[mm] 可変間隔1[mm] 可変間隔2[mm]
160 7.349 8.615
230 10.838 5.127
300 11.972 3.993

諸元値
Fナンバー F2.80
受光面サイズ 4.48mm×3.36mm
結像面軸ずれ量 0.67mm

図１３〜１６は、撮像領域上でのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）特性図である。図１３は、被写体距離１６０ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ１〜Ｆ３のＭＴＦ特性図であり、図１４は、被写体距離１６０ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ４〜Ｆ６のＭＴＦ特性図であり、図１５は、被写体距離３００ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ１〜Ｆ３のＭＴＦ特性図であり、図１６は、被写体距離３００ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ４〜Ｆ６のＭＴＦ特性図である。

本実施例において、図１３，１４に示す被写体距離１６０ｍｍにおけるＭＴＦ特性図を参照すると、被写体全域にわたって良好な性能を有していることがわかる。更に、図１５，１６に示す被写体距離３００ｍｍにおけるＭＴＦ特性図を参照すると、被写体距離の変化による性能変化が小さく抑えられていることが分かる。

（実施例３）
図１７は実施例３の撮像光学系ＩＯＳ及びスクリーンＳＣの断面図であり、被写体面であるスクリーンＳＣから固体撮像素子ＩＥまでの光路を示している。図１８は、実施例３の撮像光学系ＩＯＳの拡大断面図である。図１８中、Ｍ１は正の屈折力を有する凹面形状の反射光学素子、Ｌ１は第１レンズ、Ｌ２は第２レンズ、Ｌ３は第３レンズ、Ｌ４は第４レンズ、Ｌ５は第５レンズ、Ｌ６は第６レンズ、Ｌ７は第７レンズ、Ｌ８は第８レンズ、Ｌ９は第９レンズ、Ｓは開口絞り、ＩＥは結像面を示す。また、Ｆは光学的ローパスフィルタや赤外線カットフィルター、固体撮像素子のシールガラス等を想定した平行平板である。

本実施例では、反射光学素子Ｍ１により第１光学系を構成し、回転対称な形状を有する屈折レンズのみからなり、全てのレンズが偏芯していない第１レンズＬ１〜第９レンズＬ９により、第２光学系を構成する。更に、第１レンズＬ１〜第５レンズＬ５が第１レンズ群を構成し、第６レンズＬ６〜第９レンズＬ９が第２レンズ群を構成する。又、第４レンズＬ４、第５レンズＬ５が、合焦に際し光軸方向に移動する移動レンズ群ＭＬを構成する。

本実施例でも、第１光学系と第２光学系の間にパワーを持たない光路折り曲げミラーＭ２を配置して９０°光路を折り曲げている。また、反射光学素子Ｍ１は非球面形状を有し、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第６レンズＬ６は非球面レンズ、それ以外のレンズは球面レンズである。また、第７レンズＬ７と第８レンズＬ８は接合されている。第２光学系内に接合レンズを含むことで撮像光学系全系の色収差を良好に補正することができるようになる。

実施例３のレンズデータを表３に示す。

［表３］
(実施例3レンズデータ表)

面番号 曲率半径[mm] 面間隔[mm] d線屈折率 アッベ数
被写体面 可変
反射面 1 -18.045 20.000
平面ミラー 2 INF 31.419
非球面 3 -73.625 2.609 1.7596 33.4
非球面 4 10.284 12.367
非球面 5 -34.227 5.000 1.6590 54.8
非球面 6 -16.899 4.228
7 -74.493 4.996 1.8197 33.7
8 -21.632 可変間隔1
9 15.800 2.371 1.6034 58.2
10 -60.183 0.680
11 17.292 0.500 1.8273 25.8
12 7.148 可変間隔2
開口絞り 13 INF 1.231
非球面 14 -20.955 1.970 1.7663 49.9
非球面 15 -7.419 1.000
16 49.725 2.631 1.7348 51.2
17 -4.475 0.794 1.7382 27.4
18 9.228 2.494
19 30.142 2.653 1.8445 25.5
20 -9.595 3.353
21 INF 0.500 1.5163 64.1
22 INF 2.000
結像面 INF

非球面データ
第1面 第14面
K= -3.0137E+00 K= 0.0000E+00
A4= -1.6787E-05 A4= -1.6176E-03
A6= 2.0008E-08 A6= -5.1224E-05
A8= -2.4865E-11 A8= -7.9363E-07
A10= 1.9293E-14 A10= -2.7058E-07
A12= -7.7487E-18
A14= -3.4893E-21
A16= 4.3187E-24

第3面 第15面
K= 4.6274E+01 K= 0.0000E+00
A4= -5.4769E-05 A4= -7.3292E-04
A6= 3.5010E-07 A6= -2.6394E-05
A8= 9.6812E-10 A8= -6.2714E-07
A10= 2.7255E-12 A10= -6.5159E-08
A12= -1.4484E-14
A14= 8.5091E-16

第4面
K= -3.3415E+00
A4= -9.9256E-05
A6= -1.5212E-07
A8= 3.8008E-10
A10= 2.6224E-11
A12= 1.6257E-13
A14= -1.9572E-15

第5面
K= -7.7532E+00
A4= 1.1978E-05
A6= 9.1414E-08
A8= -1.4501E-09
A10= -3.0843E-12
A12= -5.3269E-16

第6面
K= -1.5398E+00
A4= 4.5302E-05
A6= 1.1652E-07
A8= 1.3206E-09
A10= -8.4733E-12
A12= 6.5548E-16

可変間隔データ
被写体距離[mm] 可変間隔1[mm] 可変間隔2[mm]
160 15.403 1.799
230 15.625 1.577
300 15.735 1.467

諸元値
Fナンバー F2.80
受光面サイズ 3.67mm×2.75mm
結像面軸ずれ量 0.544mm

図１９〜２２は、撮像領域上でのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）特性図である。図１９は、被写体距離１６０ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ１〜Ｆ３のＭＴＦ特性図であり、図２０は、被写体距離１６０ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ４〜Ｆ６のＭＴＦ特性図であり、図２１は、被写体距離３００ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ１〜Ｆ３のＭＴＦ特性図であり、図２２は、被写体距離３００ｍｍにおける図１０に示す撮像領域ＩＡのうち位置Ｆ４〜Ｆ６のＭＴＦ特性図である。

本実施例において、図１９，２０に示す被写体距離１６０ｍｍにおけるＭＴＦ特性図を参照すると、被写体全域にわたって良好な性能を有していることがわかる。更に、図２１，２２に示す被写体距離３００ｍｍにおけるＭＴＦ特性図を参照すると、被写体距離の変化による性能変化が小さく抑えられていることが分かる。

条件式（１）に対応する各実施例の値を表４に示す。

ＣＯＮＴ 制御部
ＣＳ 筐体
ＣＴ 文字
ＤＫ 机上
ＤＰＬ ディスプレイ
ＩＡ 撮像領域
ＩＤ 撮像装置
ＩＥ 固体撮像素子
ＩＭＧ 画像
ＩＯＳ 撮像光学系
Ｌ１-Ｌ１０ レンズ
ＬＢ レンズ鏡胴
Ｍ１ 反射光学素子
Ｍ２ 折り曲げミラー
ＭＬ 移動レンズ群
ＭＲ 画像記憶部
ＯＳ 光源部
ＰＣ パソコン
ＰＩ 投影画像形成部
ＰＩＳ 投影撮像システム
ＰＪ 投影装置
ＰＮ 筆記具
ＰＯＳ 投影光学系
ＰＲ 画像処理部
ＳＣ スクリーン
ＷＰ 白紙

Claims (8)

1. 固体撮像素子を用いて被写体像を斜め方向から撮像する撮像装置用の撮像光学系であって、物体側から順に、
   屈折力を有する反射光学素子を１つだけ含む第１光学系と、
   回転対称な形状を有する屈折レンズのみで構成され、全てのレンズが偏芯しておらず、共通の光軸を有する第２光学系と、で構成され、
   第２光学系は物体側より順に、第１レンズ群、開口絞り、第２レンズ群で構成され、
   被写体距離の変化に伴う合焦を、前記第１レンズ群中の複数のレンズを一体的に光軸方向に移動させることによって行う撮像光学系。
2. 以下の条件式を満足する請求項１に記載の撮像光学系。
   ５．０＜｜ＦＦＯ／ＦＬＤ｜＜２５．０ （１）
   ここで、
   ＦＦＯ：前記合焦時に移動させる複数のレンズの焦点距離
   ＦＬＤ：前記第２光学系全系の焦点距離
3. 前記第１光学系内の前記反射光学素子は正の屈折力を持つ請求項１または２に記載の撮像光学系。
4. 前記第２光学系の最も物体側のレンズは負の屈折力を有し、物体側に凹面を向けた形状である請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像光学系。
5. 前記合焦時に移動させる複数のレンズは、正レンズと負レンズをそれぞれ１枚以上含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像光学系。
6. 前記合焦時に移動させる複数のレンズは、非球面レンズを１枚以上含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像光学系。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像光学系を含む撮像装置。
8. スクリーンに対して画像を投影する投影装置と、前記スクリーン上に形成された画像を撮像する撮像装置とを有する投影撮像システムにおいて、
   前記撮像装置は、固体撮像素子と、前記スクリーン上に形成された画像を斜め方向から入射して前記固体撮像素子に結像する撮像光学系とを有し、
   前記撮像光学系が、物体側から順に、
   屈折力を有する反射光学素子を１つだけ含む第１光学系と、
   回転対称な形状を有する屈折レンズのみで構成され、全てのレンズが偏芯しておらず、共通の光軸を有する第２光学系と、で構成され、
   第２光学系は物体側より順に、第１レンズ群、開口絞り、第２レンズ群で構成され、
   被写体距離の変化に伴う合焦を、前記第１レンズ群中の複数のレンズを一体的に光軸方向に移動させることによって行う投影撮像システム。