JP2021189370A - 投射光学系および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｆ値が小さくて、発生する各種収差も小さい投射光学系を提供する。【解決手段】像面に形成された像を担持する光線を複数のレンズに通して、光照射対象の物体側に投射する投射光学系１００において、投射光学系１００は、２面以上のレンズ面がトロイダル面である複数のレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３を含む。トロイダル面は少なくとも、最も像面側に配置された像面側レンズＬ１の像面側のレンズ面Ｌ１ｒ、および、像面側レンズＬ１以外の物体側レンズＬ２、Ｌ３のレンズ面のうち、曲率半径が最大であるレンズ面Ｌ３ｆにそれぞれ形成する。【選択図】図２

Description

本発明は、投射光学系および、それを用いた照明装置に関するものである。

近時、自動車の前照灯に適用される照明装置において、車載カメラ等から得た自車前方の状態に対応させて、照明光の配光パターンを制御可能としたものが提案されている。また、その種の照明装置において、光源から発せられて、複数のレンズ等から構成された投射光学系に入射する前の光を、ＤＭＤ（登録商標）等の空間光変調器によって変調することにより、照明光配光パターンを精細に制御可能としたものも提案されている。（特許文献１参照）。この空間光変調器を適用した照明装置においては、例えば夜間に照明光をいわゆるハイビームにした際に、ハイビーム状態は維持したまま、対向車の運転手の目の部分には照明光が照射されないようにする等、照明光配光パターンを高精細に制御することも可能になる。

上述のようにして照明光配光パターンを高精細に制御可能とした照明装置において、投射光学系はいわば、空間光変調器によって形成された高精細画像を投射していると考えることもできる。そこでこの投射用の投射光学系は、照明光配光パターンを所望通りのものとするために、換言すれば歪みの少ない画像を投射するために、収差が小さいものであることが望まれる。またこの投射光学系は本来、自動車の前照灯に適用されるものであるから、明るいこと、つまりＦ値が小さいことが望まれる。

特許文献２には、２次元像を走査するための投射光学系において、歪の少ない画像を得るために、トロイダルレンズを用いて投射光学系を構成することが示されている。また特許文献３には、上記と同様に配光パターン制御を行う自動車用照明装置において、トロイダルレンズを用いて投射光学系を構成することが示されている。

特開２０１９−１２７１２５号公報 特許第５２６８９８８号公報 特開２０１６−１０５４２７号公報

しかし、トロイダルレンズを用いて構成された従来の投射光学系は、Ｆ値が小さいものとする、収差を小さく抑える、という二つの要求を共に満足する上で改良の余地が残されている。本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、Ｆ値が小さくて、発生する各種収差も小さい投射光学系、およびそのような投射光学系を備えた照明装置を提供することを目的とする。

本発明による投射光学系は、
像面に形成された像を担持する光線を複数のレンズに通して、光照射対象の物体側に投射する投射光学系において、
該投射光学系は、２面以上のレンズ面がトロイダル面である複数のレンズを含み、
前記トロイダル面は少なくとも、
最も像面側に配置された像面側レンズの像面側のレンズ面、および、
上記像面側レンズ以外の物体側レンズのレンズ面のうち、曲率半径が最大であるレンズ面に、
それぞれ形成されていることを特徴とするものである。

上記構成を有する本発明による投射光学系においては、
投射光学系の光軸方向をＺ方向、Ｚ方向に対して直交し、かつ互いに直交する方向をＸ方向およびＹ方向としたとき、トロイダル面である上記像面側レンズの像面側のレンズ面は、ＸＺ面における面形状およびＹＺ面における面形状がいずれも、光軸近辺において像面側に凹であることが望ましい。

また、本発明による投射光学系においては、
投射光学系の光軸方向をＺ方向、Ｚ方向に対して直交し、かつ互いに直交する方向をＸ方向およびＹ方向としたとき、トロイダル面であるレンズ面は、ＸＺ面における面形状およびＹＺ面における面形状の少なくとも一方が非球面であることが望ましい。

また、本発明による投射光学系においては、
投射光学系の光軸方向をＺ方向、Ｚ方向に対して直交し、かつ互いに直交する方向をＸ方向およびＹ方向としたとき、トロイダル面である上記物体側レンズのレンズ面は、ＸＺ面における面形状およびＹＺ面における面形状のうち、少なくとも一方が非球面であり、
上記非球面の面形状を有するレンズ面は、光軸近辺において物体側に凸であることが望ましい。

また、本発明による投射光学系においては、構成する複数のレンズが全て正レンズであることが望ましい。

また、本発明による投射光学系においては、構成する複数のレンズがいずれも、アッベ数νｎが５０以上のものであることが望ましい。

また、本発明による投射光学系においては、構成する複数のレンズが全て、同一の硝材からなることが望ましい。そしてその同一の硝材は、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）であることが特に望ましい。

また、本発明による投射光学系においては、
上記像面側レンズの物体側のレンズ面は、物体側に凸であり、
この像面側レンズと物体側で隣接する隣接レンズの像面側のレンズ面は、像面側に凸である、
ことが望ましい。

また、本発明による投射光学系は、
上記像面から上記物体側に向かって配置された、物体側に凸の正メニスカスレンズ、像面側に凸の正メニスカスレンズを含むことが望ましい。

また、本発明による投射光学系においては、光軸上の像面側ＮＡが、
０．６２５≦ＮＡ （式１）
であることが望ましい。

また、本発明による投射光学系においては、
上記最も像面側に配置された像面側レンズの像面側のレンズ面に入射する光線の主光線がレンズ光軸となす主光線傾角αの最大値を最大主光線傾角とすると、
最大主光線傾角＜１５° （式２）
であることが望ましい。

また、本発明による投射光学系においては、
上記最も像面側に配置された像面側レンズの像面側のレンズ面の有効径をＬＬとし、全系のバックフォーカスをＦＢとすると、
２＜ＬＬ／ＦＢ＜５ （式３）
であることが望ましい。

他方、本発明による一つの照明装置は、
光源と、
ＤＭＤからなる画像表示面と、
この画像表示面を上記像面として、該画像表示面からの出射光を投射する、本発明による投射光学系と、
を備えてなるものである。

また、本発明による別の照明装置は、
レーザー光源と、
上記レーザー光源から発せられた光線を走査させる走査ミラーと、
上記走査ミラーで反射した後の光線が入射する蛍光体からなる画像表示面と、
この画像表示面を上記像面として、該画像表示面からの出射光を投射する、本発明による投射光学系と、
を備えてなるものである。

本発明による投射光学系は上に述べた通り、２面以上のレンズ面がトロイダル面である複数のレンズを含み、トロイダル面は少なくとも、最も像面側に配置された像面側レンズの像面側のレンズ面、および、上記像面側レンズ以外の物体側レンズのレンズ面のうち、曲率半径が最大であるレンズ面にそれぞれ形成されているので、Ｆ値が小さい半面、発生する各種収差も小さいものとなる。すなわち通常は、投射光学系のＦ値が小さいと発生する収差も増大する。球面レンズからなる投射光学系であると、各種収差を十分に補正できないのに対し、本発明による投射光学系は上に述べた通り、２面以上のレンズ面がトロイダル面である複数のレンズを含むので、各種収差を十分に補正可能となる。特に補正可能な収差は非点収差、像面湾曲およびコマ収差である。

本発明による投射光学系は２面以上のトロイダル面を含むので、トロイダル面が１面の場合は収差を補正し切れないのに対し、収差補正のバランスを取って、各種収差を十分に補正可能となる。また、最も像面側のレンズ面は、投射光学系の入射側のＮＡが高いため各光線のマージナル光線および上下光線の入射角度が大きくなり、それらの光線を屈折させる面であるため収差への影響が大きいが、このレンズ面をトロイダル面にしていることから、収差をより有効に補正することができる。さらに、像面側レンズ以外の物体側レンズのレンズ面のうち、曲率半径が最大である物体側のレンズ面は、曲率が緩くなるため光線の出射角度が小さくなり収差の感度が低いが、このレンズ面をトロイダル面にしていることから、一方向の収差を他方向との収差のずれを微調整するのに有効となる。

なお、本発明による投射光学系において特に、トロイダル面である像面側レンズの像面側のレンズ面が、ＸＺ面における面形状およびＹＺ面における面形状がいずれも、Ｚ軸近辺において像面側に凹である場合は、光軸周辺の光線を取り込みやすくなって、投射光学系の明るさ増大に寄与する。

また、本発明による投射光学系において特に、トロイダル面であるレンズ面が、ＸＺ面における面形状およびＹＺ面における面形状の少なくとも一方が非球面である場合は、球面の場合は収差の補正不足になりがちであるのに対し、非点収差、像面湾曲およびコマ収差をより確実に補正可能となる。

また、本発明による投射光学系において特に、構成する複数のレンズが全て正レンズである場合は、光をより十分に集光可能となるので、明るい投射光学系を得る上で有利となる。

また、本発明による投射光学系において特に、構成する複数のレンズがいずれも、アッベ数νｎが５０以上のものである場合は、色収差をより十分に低減可能となる。

また、本発明による投射光学系において特に、構成する複数のレンズが全て同一の硝材からなる場合は、投射光学系の製造性が良くなる。また、その同一の硝材が特にＰＭＭＡである場合は、レンズを正レンズとして色収差を補正する上で有利となる。また、ＰＭＭＡからなるレンズは、プラスチックレンズの中でも耐衝撃性が高く、万が一割れた際に尖った破片が発生し難い。

また、本発明による投射光学系において特に、前記像面側レンズの物体側のレンズ面が物体側に凸であり、この像面側レンズと物体側で隣接する隣接レンズの像面側のレンズ面が像面側に凸である場合は、これらのレンズの凸面同士を向かい合わせることで各種収差を打ち消し合うことができる。

また、本発明による投射光学系において特に、物体側のレンズ面にトロイダル面を有する物体側レンズよりも物体側に配置され、前記像面から前記物体側に向かって配置された、像面側に凸の正メニスカスレンズ、物体側に凸の正メニスカスレンズのレンズの並びを含む場合、対称的なレンズ配置となり収差の発生を低減することが可能になり、また、凹面で凸面を挟み込むことで、像面側からの光線を像面側の凹面で広げて像高が高い状態で挟み込んだ二面の凸面へ入射することで凸面における収差補正能力を高めることが可能となり、かつ、物体側の凹面により、間の二面の凸面により発生する過剰な収差を補正することが可能となる。

また、本発明による投射光学系において特に、光軸上の像面側ＮＡ（開口数）が、
０．６２５≦ＮＡ （式１）
である場合は、投射光学系の十分な明るさが確保される。

また、本発明による投射光学系において特に、最も像面側に配置された像面側レンズの像面側のレンズ面に入射する光線の主光線がレンズ光軸となす主光線傾角αの最大値を最大主光線傾角として、
最大主光線傾角＜１５° （式２）
である場合は、投射光学系の十分な明るさが確保される。

また、本発明による投射光学系において特に、最も像面側に配置された像面側レンズの像面側のレンズ面の有効径をＬＬとし、全系のバックフォーカスをＦＢとして、
２＜ＬＬ／ＦＢ＜５ （式３）
である場合は、全系のバックフォーカスを短くして投射光学系の小型化等に有利となる。

（１）は本発明による投射光学系の光軸と像面との関係を示す概略図、（２）は像面上の位置を示す概略図 実施例１の投射光学系のレンズ構成を示す断面図であり、互いに直交する面内における断面形状をそれぞれ上側、下側に示す 実施例１の投射光学系を構成するレンズの基本データを示す図 実施例１の投射光学系を構成するレンズの非球面データを示す図 実施例１の投射光学系を構成する一つのレンズのレンズ面サグ量を示す図 実施例１の投射光学系を構成する別のレンズのレンズ面サグ量を示す図 実施例１〜４の投射光学系における条件式１〜３の値を示す図 実施例１〜４の投射光学系における主光線傾角の値を示す図 実施例１の投射光学系における球面収差、非点収差、歪曲収差を示すグラフ 実施例１の投射光学系の横収差を示すグラフ 横収差測定の位置を説明する図 実施例２の投射光学系のレンズ構成を示す断面図であり、互いに直交する面内における断面形状をそれぞれ上側、下側に示す 実施例２の投射光学系を構成するレンズの基本データを示す図 実施例２の投射光学系を構成するレンズの非球面データを示す図 実施例２の投射光学系を構成する一つのレンズのレンズ面サグ量を示す図 実施例２の投射光学系を構成する別のレンズのレンズ面サグ量を示す図 実施例２の投射光学系を構成するさらに別のレンズのレンズ面サグ量を示す図 実施例２の投射光学系における球面収差、非点収差、歪曲収差を示すグラフ 実施例２の投射光学系の横収差を示すグラフ 実施例３の投射光学系のレンズ構成を示す断面図であり、互いに直交する面内における断面形状をそれぞれ上側、下側に示す 実施例３の投射光学系を構成するレンズの基本データを示す図 実施例３の投射光学系を構成するレンズの非球面データを示す図 実施例３の投射光学系を構成する一つのレンズのレンズ面サグ量を示す図 実施例３の投射光学系を構成する別のレンズのレンズ面サグ量を示す図 実施例３の投射光学系における球面収差、非点収差、歪曲収差を示すグラフ 実施例３の投射光学系の横収差を示すグラフ 実施例４の投射光学系のレンズ構成を示す断面図であり、互いに直交する面内における断面形状をそれぞれ上側、下側に示す 実施例４の投射光学系を構成するレンズの基本データを示す図 実施例４の投射光学系を構成するレンズの非球面データを示す図 実施例４の投射光学系を構成する一つのレンズのレンズ面サグ量を示す図 実施例４の投射光学系を構成する別のレンズのレンズ面サグ量を示す図 実施例４の投射光学系を構成するさらに別のレンズのレンズ面サグ量を示す図 実施例４の投射光学系における球面収差、非点収差、歪曲収差を示すグラフ 実施例４の投射光学系の横収差を示すグラフ

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１の（１）は本発明による投射光学系の光軸と、それに係る像面Ｐとの関係を示す概略図であり、（２）は像面Ｐ上の位置を示す概略図である。以下では、これらの光軸および像面Ｐに基づいて本発明の実施形態を説明する。また以下では、光軸方向をＺ方向とし、Ｚ方向に対して直交し、かつ互いに直交する方向をＸ方向およびＹ方向として説明する。

図２は本発明の一実施形態に係る投射光学系１００の構成を、Ｚ方向およびＸ方向を含むＸＺ面内の断面形状（上側の図）、およびＺ方向およびＹ方向を含むＹＺ面内の断面形状（下側の図）について示す断面図である。図２においてＰは像面であり、投射光学系１００は、この像面Ｐに形成された像を担持する光線を複数のレンズに通して、光照射対象の物体側、つまり図中の左方に投射する。なお、上記物体は図示を省略してあるが、投射光学系１００が例えば自動車の前照灯に適用される照明装置を構成するものであれば、物体は自動車前方の対向車や歩行者等となる。

この投射光学系１００は基本的に、物体側から像面Ｐ側に向かって順次配置された３枚のレンズＬ１、Ｌ２およびＬ３から構成されている。ここで各レンズのレンズ面を、例えばレンズＬ１については光線の進行方向前方のレンズ面をＬ１ｆ、光線の進行方向後方のレンズ面をＬ１ｒというように、レンズ名に「ｆ」および「ｒ」を付けて示す。これは、以下で説明する実施形態および実施例に関しても同様である。レンズＬ１およびＬ２は正の屈折力を有する（以下、これを単に「正の」あるいは「正」という）両凸レンズであり、レンズＬ３は物体側に凸の正メニスカスレンズである。この図１に示す投射光学系１００は、後述する実施例１に対応している。

次に、本開示の実施形態に係る実施例１における構成要素の詳細なデータについて図３〜６を参照して説明する。まず図３に、構成要素の基本データを示す。この図３の基本データにおいて、面番号Ｎｏ．の欄には最も前方つまり物体側のレンズ面を１番目として、像面Ｐ側に向かうに従い順次増加する面番号を示している。すなわち本実施例１では、レンズ面Ｌ１ｆがＮｏ．＝１の面、レンズ面Ｌ１ｒがＮｏ．＝２の面・・・となる。各面番号の面の中において、回転対称形で非球面形状の面には＊の表記を付している。本実施形態ではその他の面も非球面形状であるが、それらの面は回転対称形ではなくトロイダル面であり、それらの面については面特性の欄に「トロイダル」の表記をしている。ＹＺ面曲率半径およびＸＺ面曲率半径の欄にはそれぞれ、各レンズ面のＹＺ面内近軸曲率半径およびＸＺ面内近軸曲率半径を示している。なおこれらの曲率半径の値は、物体側に凸の場合を正値で、物体側に凹の場合を負値で示している。トロイダル面ではないレンズ面については、上記２通りの曲率半径は共通であるから、前者のみを示している。間隔の欄には、当該レンズ面から次のレンズ面まで（最も像面Ｐ側のレンズ面であるＮｏ．＝６の面については像面Ｐまで）の間隔を、有効径の欄には各レンズ面の有効径を示している。なお、以上の４項目の数値の単位はｍｍ（ミリ・メートル）である。屈折率ｎｄ、アッベ数νｄおよび硝材の欄には、各レンズ面を有するレンズのｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率、同じくｄ線に対するアッベ数、および硝材を示している。

図４には非球面に関するデータとして、非球面の面番号と非球面係数を示す。非球面の形状はＸＺ面で非球面かつＹＺ面で球面の場合は、Ｚを光軸方向の座標、Ｘを前記Ｘ方向の座標、光の進行方向を正、ＲｘをＸＺ面内近軸曲率半径とすると、図４に示した係数Ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤを用いて次式で表わされる。なお、「ｅｎ」は、「１０のｎ乗」を意味する。
Ｚ＝（１／Ｒｘ）Ｘ²／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（１／Ｒｘ）²Ｘ²｝^1/2］
＋ＡＸ^４＋ＢＸ^６＋ＣＸ^８＋ＤＸ^１０
また、ＹＺ面で非球面かつＸＺ面で球面の場合、非球面の形状は、Ｚを光軸方向の座標、Ｙを前記Ｙ方向の座標、光の進行方向を正、ＲｙをＹＺ面内近軸曲率半径として、次式で表わされる。
Ｚ＝（１／Ｒｙ）Ｙ²／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（１／Ｒｙ）²Ｙ²｝^1/2］
＋ＡＹ^４＋ＢＹ^６＋ＣＹ^８＋ＤＹ^１０
また、レンズ面が回転対称形でＹＺ面およびＹＺ面が互いに同形状の非球面である場合、非球面の形状は、Ｚを光軸方向の座標、Ｙを前記Ｙ方向の座標（これはＸ方向の座標と等しい）、光の進行方向を正、ＲをＹＺ面内近軸曲率半径（これはＸＺ面内近軸曲率半径と等しい）として、次式で表わされる。
Ｚ＝（１／Ｒ²）Ｙ／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（１／Ｒ）²Ｙ²｝^1/2］
＋ＡＹ^４＋ＢＹ^６＋ＣＹ^８＋ＤＹ^１０

図５および図６には、以上の通りにして求められるレンズ面のＺ方向位置つまりサグ量を、トロイダル面である面番号Ｎｏ．＝１および６の面について具体的に示す。ここに示すサグ量は、各レンズ面の有効半径を１として、光軸上の位置０．０から径外方に０．１ずつ離れた距離毎にＺ方向位置を「１」に対する相対値で示している。なお面番号Ｎｏ．＝１および６の面はいずれも、ＸＺ面内では非球面でＹＺ面内では球面であり、前者の面内のサグ量を左列に、後者の面内のサグ量を右列に示している。ここではサグ量に特に正、負の符号は付けていないが、面番号Ｎｏ．＝１の面および面番号Ｎｏ．＝６の面はそれぞれ図２に示した凸のレンズ面Ｌ１ｆ、凹のレンズ面Ｌ３ｒであって、像高が高くなるに伴ってレンズ面位置は像面Ｐ側に変位する。

以上説明した図３における表示の仕方は、後述する図１３、２１、２８においても同様である。また、以上説明した図４における表示の仕方は、後述する図１４、２２、２９においても同様である。また、以上説明した図５、６における表示の仕方は、後述する図１５〜１７、２３、２４、３０〜３２においても同様である。

この投射光学系１００は、例えば自動車の前照灯に適用される照明装置を構成するために利用可能である。そのように利用する場合は、例えばＬＥＤ等の光源およびＤＭＤ等からなる画像表示面が、投射光学系１００と組み合わされる。そして、画像表示面を前記像面Ｐとして、該画像表示面からの出射光を投射光学系１００が投射するようにして照明装置が構成される。

あるいは、ビーム状の光線を発するレーザー光源、このレーザー光源から発せられた光線を走査させる走査ミラー、およびこの走査ミラーで反射した後の光線が入射する蛍光体からなる画像表示面が、投射光学系１００と組み合わされる。そして、上記蛍光体からなる画像表示面を前記像面Ｐとして、該画像表示面からの出射光（蛍光）を投射光学系１００が投射するようにして照明装置が構成される。

本実施例１の投射光学系１００は、一つのレンズ面がトロイダル面であるレンズＬ１と、同じく一つのレンズ面がトロイダル面であるレンズＬ３を含んでいる。そしてトロイダル面は、最も像面Ｐ側に配置された像面側レンズＬ３の像面側のレンズ面Ｌ３ｒ、および、上記像面側レンズＬ３以外の物体側レンズのレンズ面のうち、曲率半径が最大であるレンズ面Ｌ１ｆにそれぞれ形成されている。そこでこの投射光学系１００は、光が入射する像面側の光軸上のＮＡの値が十分に大きく光の取り込み効率が高く、それによりＦ値が小さく明るい投射光学系であり、それでいて発生する各種収差は十分に小さいものとなる。その詳しい理由は先に述べた通りである。

また本実施例１の投射光学系１００は、２面以上のトロイダル面を含むので、トロイダル面が１面の場合は収差を補正し切れないことが多いのに対し、収差補正のバランスを取って、各種収差を十分に補正可能となる。また、最も像面側のレンズ面Ｌ３ｒは収差への影響が大きいが、このレンズ面Ｌ３ｒをトロイダル面にしていることから、収差をより有効に補正することができる。さらに、上記曲率半径が最大であるレンズ面Ｌ１ｆは収差の感度が低いが、このレンズ面Ｌ１ｆをトロイダル面にしていることから、一方向の収差を微調整するのに有効となる。

また本実施例１の投射光学系１００では、像面側レンズＬ３のトロイダル面である像面側のレンズ面Ｌ３ｒが、ＸＺ面における面形状およびＹＺ面における面形状がいずれも、Ｚ軸近辺において像面側に凹の面であるので、光軸周辺の光線を取り込みやすくなって、投射光学系１００の明るさ増大に寄与する。

また本実施例１の投射光学系１００において、トロイダル面であるレンズ面Ｌ１ｆはＸＺ面における面形状が非球面であり、そして同じくトロイダル面であるレンズ面Ｌ３ｒはＹＺ面における面形状が非球面であるので、レンズ面が球面の場合は収差の補正不足になりがちであるのに対し、非点収差、像面湾曲およびコマ収差をより確実に補正可能となる。

また本実施例１の投射光学系１００では、構成する複数のレンズＬ１、Ｌ２およびＬ３が全て正レンズであるので、光をより十分に集光可能となり、明るい投射光学系を得る上で有利となる。

また本実施例１の投射光学系１００では、構成する複数のレンズＬ１、Ｌ２およびＬ３がいずれも、図３に示される通りアッベ数νｎが５０以上のものであるので、色収差をより十分に低減可能となる。

また本実施例１の投射光学系１００は、構成する複数のレンズＬ１、Ｌ２およびＬ３が全て同一の硝材からなるので、投射光学系１００の製造性が良くなる。また、その同一の硝材が特にＰＭＭＡであるので、レンズを正レンズとして色収差を補正する上で有利となる。また、ＰＭＭＡからなるレンズＬ１、Ｌ２およびＬ３は、プラスチックレンズの中でも耐衝撃性が高く、万が一割れた際に尖った破片が発生し難いという利点がある。

また本実施例１の投射光学系１００では、像面側レンズＬ３の物体側のレンズ面Ｌ３ｆが物体側に凸であり、この像面側レンズＬ３と物体側で隣接する隣接レンズＬ２の像面側のレンズ面Ｌ２ｒが像面側に凸であるので、これらのレンズＬ３、Ｌ２の凸面同士を向かい合わせることで各種収差を打ち消し合うことができる。

以上説明した実施例１の投射光学系１００により得られる作用、効果は、後述する実施例２〜４の投射光学系２００、３００および４００も基本的に同様に奏するものである。

図７には、前述した式１が規定している光軸Ｚ上の像面側のＮＡと、式２が規定している最大主光線傾角（ｃｌｍと表記、単位は°）と、式３が規定しているＬＬ／ＦＢの値とを、本実施例１および、後述するその他の各実施例２〜４についてそれぞれ示す。なお、主光線傾角は、像面Ｐの各点（ｆ１〜ｆ９）から出射される光線の主光線と光軸Ｚとのなす角αのことである。また像面Ｐの各点（ｆ１〜ｆ９）は図１の（１）および（２）に示すように、光軸Ｚと交わる点を含む位置で像面ＰをＸ方向とＹ方向に平行な線に沿って四等分し、そのうちの任意の一角について９か所の地点をｆ１〜ｆ９と規定したものである。ｆ１が、像面Ｐと光軸とが交わる位置を表している。これらの各点（ｆ１〜ｆ９）における主光線傾角の値（単位は°）を、本実施例１および、後述するその他の各実施例２〜４についてそれぞれ図８に示す。図７に示した最大主光線傾角（ｃｌｍ）は、各実施例１〜４毎の主光線傾角の最大値である。

図７に示される通り、
０．６２５≦ＮＡ （式１）
最大主光線傾角＜１５° （式２）
２＜ＬＬ／ＦＢ＜５ （式３）
は全て、実施例１〜４のいずれにおいても満足されている。

前述した通り、（式１）および（式２）が満足されていることにより、投射光学系１００の十分な明るさが確保される。また（式３）が満足されていることにより、投射光学系１００の全系のバックフォーカスを短くして、投射光学系１００の小型化等に有利となる。

ここで、本実施例１の投射光学系１００における球面収差、非点収差、歪曲収差（ディストーション）を図９において左から順に示す。球面収差の測定は、波長が６５６．２７ｎｍ、５４６．０７ｎｍ、４８６．１３ｎｍの光に関して行い、各波長に関する測定結果をグラフの線種を変えて区別している。非点収差と歪曲収差の測定は、波長が５４６．０７ｎｍの光に関して行った。非点収差については、ＸＺ面内およびＹＺ面内に関して行ない、前者に関してはＸ、後者に関してはＹの表記を付して示している。ここに示されるように球面収差、非点収差、歪曲収差は良好に補正されている。

なお、後述する実施例２の投射光学系２００、実施例３の投射光学系３００、実施例４の投射光学系４００についても同様の収差図をそれぞれ図１８、図２５、図３３として示しているが、各収差の測定の仕方および測定結果の表示の仕方は、上記と同様である。

また、本実施例１の投射光学系１００における横収差を図１０に示す。横収差の測定は、波長が６５６．２７ｎｍ、５４６．０７ｎｍ、４８６．１３ｎｍの光に関して行い、各波長に関する測定結果をグラフの線種を変えて区別している。この横収差の測定は、投射画面上の１〜５の５点において行った。それらの５点は各収差図の左右方向中央に、下から１、２・・と順次記してある。それらの１〜５の点の具体的な位置は、図１に示した横方向、縦方向の位置をそれぞれＸ、Ｙとし、光軸Ｚの位置を原点とする、像面Ｐ上の５つの座標（Ｘ，Ｙ）＝（０．００，０．００）、（０．５０，０．５０）、（１．００，０．００）、（０．００，１．００）および（１．００，１．００）を各々通過した光が到達する位置である。これらの座標上の位置は、記載順に投射画面上の点１、点２、点３、点４および点５に対応する位置である。なお、上記座標位置は、原点を（０．００,０．００）として、光軸を通りＸ方向に平行な線上において最も光軸から離れた座標位置を（１．００，０．００）、光軸を通りＹ方向に平行な線上において最も光軸から離れた座標位置を（０．００，１．００）とした場合の座標を示す。上記像面Ｐ上の５つの座標をそれぞれ（１）、（２）、（３）、（４）および（５）として図１１に示す。なお、図２、図１２、図２０、図２７に開示される各実施例の断面図は概略図であり、図中の最も像面側に記載された像面を示す光軸に直交する線分は、像面の位置を示した目印であり、実際の像面上に配置される画像表示面のサイズや形状を示したものではない。また、図１、図１１ではわかりやすさを優先して像面上に配置される画像表示面の形状を正方形で表しているが、実際には、本願の各実施例の像面上に配置される画像表示面は、Ｘ方向の辺の長さがＹ方向の辺の長さよりも長く、具体的には約Ｘ：Ｙ＝４：１のアスペクト比を有する長方形である。

横収差の測定は、上記Ｘ方向とＹ方向とに関して行ない、各結果をｘ−ＦＡＮ、ｙ−ＦＡＮと付記して図１０に示している。この図１０に示されている通り、横収差が良好に抑えられていることが分かる。なお、後述する実施例２の投射光学系２００、実施例３の投射光学系３００、実施例４の投射光学系４００についても同様の収差図をそれぞれ図１９、図２６、図３４として示しているが、横収差の測定の仕方および測定結果の表示の仕方は、上記と同様である。

次に、本発明の実施例２である投射光学系２００について、図１２〜１９を参照して説明する。なおこれらの図において、先に説明した実施例１中のものと同等の要素には同番号を付してあり、それらについては特に必要の無い限り説明を省略する（以下、同様）。この実施例２の投射光学系２００は、実施例１の投射光学系１００と同様に、物体側から像面側に向かって順次配置された３枚の凸レンズＬ１、Ｌ２およびＬ３から構成されたものである。

この実施例２の投射光学系２００の構成を示す断面図を図１２に、基本データを図１３に、非球面データを図１４に示す。この投射光学系２００においては、レンズＬ１のレンズ面Ｌ１ｆ、レンズＬ２のレンズ面Ｌ２ｆ、およびレンズＬ３のレンズ面Ｌ３ｒがトロイダル面とされている。各トロイダル面において、レンズ面Ｌ１ｆはＹＺ面が非球面であり、レンズ面Ｌ２ｆおよびレンズ面Ｌ３ｒはＺＸ面が非球面である。トロイダル面である上記レンズ面Ｌ１ｆ、Ｌ２ｆ、およびＬ３ｒのサグ量を図１５、１６および１７にそれぞれ示す。また、この投射光学系２００の球面収差、非点収差、歪曲収差を図１８に、横収差を図１９に示す。

次に、本発明の実施例３である投射光学系３００について、図２０〜２６を参照して説明する。この実施例３の投射光学系３００は、物体側から像面側に向かって順次配置された４枚の凸レンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３およびＬ４から構成されたものであり、具体的にはレンズＬ１は物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズであり、レンズＬ２は像面側に凹面を向けた正のメニスカスレンズであり、レンズＬ３は両凸レンズであり、レンズＬ４は物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズである。また、全てのレンズはＰＭＭＡからなる。

この実施例３の投射光学系３００の構成を示す断面図を図２０に、基本データを図２１に、非球面データを図２２に示す。この投射光学系３００においては、レンズＬ３のレンズ面Ｌ３ｆ、レンズＬ４のレンズ面Ｌ４ｒがトロイダル面とされている。各トロイダル面において、レンズ面Ｌ３ｆはＸＺ面が非球面であり、レンズ面Ｌ４ｒはＹＺ面が非球面である。トロイダル面である上記レンズ面Ｌ３ｆおよびＬ４ｒのサグ量を図２３、および２４にそれぞれ示す。また、この投射光学系３００の球面収差、非点収差、歪曲収差を図２５に、横収差を図２６に示す。

なお、トロイダル面であるレンズ面Ｌ３ｆおよびＬ４ｒは、それぞれ、レンズ面Ｌ３ｆは光学系全体の中で最も曲率半径の大きなレンズ面であり、レンズ面Ｌ４ｒは最も像側に配置されたレンズ面である。

また、レンズ面Ｌ１およびＬ２は、像面側から物体側に向かって配置された、物体側に凸の正メニスカスレンズ、像面側に凸の正メニスカスの並びとなっている。このような配置とすることで、対称的なレンズ配置となり収差の発生を低減することが可能になり、また、凹面で凸面を挟み込むことで、像面側からの光線を像面側の凹面で広げて像高が高い状態で挟み込んだ二面の凸面へ入射することで凸面における収差補正能力を高めることが可能となり、かつ、物体側の凹面により、間の二面の凸面により発生する過剰な収差を補正することが可能となる。

また、レンズ面Ｌ３およびＬ４について詳しく説明すると、曲率半径の小さな凸面であるレンズ面Ｌ３ｒおよびＬ４ｆを向け合っている。このような配置とすることで、つまりレンズの凸面同士を向かい合わせることで、各種収差を打ち消し合うことができる。

次に、本発明の実施例４である投射光学系４００について、図２７〜３４を参照して説明する。この実施例４の投射光学系４００は、物体側から像面側に向かって順次配置された４枚の凸レンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３およびＬ４から構成されたものであり、具体的にはレンズＬ１は物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズであり、レンズＬ２は像面側に凹面を向けた正のメニスカスレンズであり、レンズＬ３は両凸レンズであり、レンズＬ４は物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズである。

この実施例４の投射光学系４００の構成を示す断面図を図２７に、基本データを図２８に、非球面データを図２９に示す。この投射光学系３００においては、レンズＬ１のレンズ面Ｌ１ｆ、レンズＬ３のレンズ面Ｌ３ｆ、レンズＬ４のレンズ面Ｌ４ｒがトロイダル面とされている。各トロイダル面において、レンズ面Ｌ１ｆおよびレンズ面Ｌ３ｆはＸＺ面が非球面であり、レンズ面Ｌ４ｒはＹＺ面が非球面である。トロイダル面である上記レンズ面Ｌ１ｆ、Ｌ３ｆおよびＬ４ｒのサグ量を図３０、３１および３２にそれぞれ示す。また、この投射光学系４００の球面収差、非点収差、歪曲収差を図３３に、横収差を図３４に示す。

以上、実施形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明の投射光学系は、上記実施例のものに限られるものではなく種々の態様の変更が可能であり、例えば各レンズの曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数を適宜変更することが可能である。また以上説明した実施例の投射光学系は前述した通り、例えば自動車の前照灯に適用される照明装置を構成するために利用可能であるが、それ以外の照明装置を構成するために利用することも可能である。

Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ レンズ
Ｌ１ｆ、Ｌ１ｒ、Ｌ２ｆ、Ｌ２ｒ、Ｌ３ｆ、Ｌ３ｒ、Ｌ４ｆ、Ｌ４ｒ レンズ面
Ｐ 像面
Ｘ 光軸に直交する方向
Ｙ 光軸に直交する方向
Ｚ 光軸

Claims (15)

1. 像面に形成された像を担持する光線を複数のレンズに通して、光照射対象の物体側に投射する投射光学系において、
   該投射光学系は、２面以上のレンズ面がトロイダル面である複数のレンズを含み、
   前記トロイダル面は少なくとも、
   最も像面側に配置された像面側レンズの像面側のレンズ面、および、
   前記像面側レンズよりも物体側に配置されるレンズを物体側レンズとした際に、物体側レンズの物体側のレンズ面のうち、曲率半径が最大である物体側のレンズ面に、
   それぞれ形成されている投射光学系。
2. 投射光学系の光軸方向をＺ方向、Ｚ方向に対して直交し、かつ互いに直交する方向をＸ方向およびＹ方向としたとき、トロイダル面である前記像面側レンズの像面側のレンズ面は、ＸＺ面における面形状およびＹＺ面における面形状がいずれも、光軸近辺において像面側に凹である請求項１に記載の投射光学系。
3. 投射光学系の光軸方向をＺ方向、Ｚ方向に対して直交し、かつ互いに直交する方向をＸ方向およびＹ方向としたとき、トロイダル面であるレンズ面は、ＸＺ面における面形状およびＹＺ面における面形状の少なくとも一方が非球面である請求項１または２に記載の投射光学系。
4. 投射光学系の光軸方向をＺ方向、Ｚ方向に対して直交し、かつ互いに直交する方向をＸ方向およびＹ方向としたとき、トロイダル面である前記物体側レンズのレンズ面は、ＸＺ面における面形状およびＹＺ面における面形状のうち、少なくとも一方が非球面であり、
   前記非球面の面形状を有するレンズ面は、光軸近辺において物体側に凸である請求項１から３のいずれか１項に記載の投射光学系。
5. 構成する複数のレンズが全て正レンズである請求項１から４のいずれか１項に記載の投射光学系。
6. 構成する複数のレンズがいずれも、アッベ数νｎが５０以上のものである請求項１から５のいずれか１項に記載の投射光学系。
7. 構成する複数のレンズが全て、同一の硝材からなる請求項１から６のいずれか１項に記載の投射光学系。
8. 前記同一の硝材がＰＭＭＡである請求項７に記載の投射光学系。
9. 前記像面側レンズの物体側のレンズ面は、物体側に凸であり、
   この像面側レンズと物体側で隣接する隣接レンズの像面側のレンズ面は、像面側に凸である、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の投射光学系。
10. 物体側のレンズ面にトロイダル面を有する前記物体側レンズよりも物体側に配置され、前記像面から前記物体側に向かって配置された、物体側に凸の正メニスカスレンズ、像面側に凸の正メニスカスレンズを含む請求項１から９のいずれか１項に記載の投射光学系。
11. 光軸上の像面側ＮＡが、
    ０．６２５≦ＮＡ （式１）
    である請求項１から１０のいずれか１項に記載の投射光学系。
12. 前記最も像面側に配置された像面側レンズの像面側のレンズ面に入射する光線の主光線がレンズ光軸となす主光線傾角αの最大値を最大主光線傾角とすると、
    最大主光線傾角＜１５° （式２）
    である請求項１から１１のいずれか１項に記載の投射光学系。
13. 前記最も像面側に配置された像面側レンズの像面側のレンズ面の有効径をＬＬとし、全系のバックフォーカスをＦＢとすると、
    ２＜ＬＬ／ＦＢ＜５ （式３）
    である請求項１から１２のいずれか１項に記載の投射光学系。
14. 光源と、
    ＤＭＤからなる画像表示面と、
    この画像表示面を前記像面として、該画像表示面からの出射光を投射する請求項１に記載の投射光学系と、
    を有する照明装置。
15. レーザー光源と、
    前記レーザー光源から発せられた光線を走査させる走査ミラーと、
    前記走査ミラーで反射した後の光線が入射する蛍光体からなる画像表示面と、
    この画像表示面を前記像面として、該画像表示面からの出射光を投射する請求項１に記載の投射光学系と、
    を有する照明装置。

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