JP6383505B2 - 特性の異なる領域を含むレンズを有する光学システム - Google Patents

Description

本発明は、特性の異なる領域を含むレンズを有する光学システムに関するものである。

国際公開ＷＯ２０１３／００５４４４号公報には、縮小側の第１の像面から拡大側の第２の像面へ投射する投射光学系であって、８枚のレンズを含み、縮小側から入射した光により拡大側に第１の中間像を結像する第１の屈折光学系と、６枚のレンズを含み、縮小側の第１の中間像を拡大側に第２の中間像として結像する第２の屈折光学系と、第２の中間像よりも拡大側に位置する正の屈折力の第１の反射面を含む第１の反射光学系とを有する投射光学系を提供することが記載されている。

レンズを有する光学システムにおいて、諸収差の補正や、焦点位置の調整のためには複数のレンズ面が必要となり、レンズの枚数が増える傾向にある。一方、低コスト、軽量、コンパクトな光学システムを実現するためには簡易な構成で高性能のシステムが望ましい。

本発明の一態様は、共通の光軸に沿って配置された複数のレンズを有し、複数のレンズは、光軸に対して偏心した区域を結像のための光束が光軸に対して偏って通過する第１のレンズを含み、第１のレンズの少なくとも一方の面は、光軸を回転軸として第１のレンズを回転することにより切り替えられる、光学的な特性の異なる複数の領域を含む。

光軸に対して斜めに光が入射されたり、出射されたりする設計の光学システムなどにおいては、光学システムの内部を通過する光束（光路）が光軸に対して偏った位置（片寄った位置）を通過するように設計される場合がある。光束が偏った位置を通過する位置に配置されたレンズにおいては、レンズの一部が結像に用いられ、他の部分（他の領域）は結像に用いられない。本発明の光学システムにおいては、第１のレンズに光学的な特性の異なる複数の領域を設け、第１のレンズを回転することにより、光束が通過する偏心した区域の光学的特性を切り替えられるようにしている。したがって、簡易な構成で、例えば、少ない枚数のレンズで、所望の性能を備えた光学システムを提供できる。

複数の領域は、像を近距離に結像するための第１の領域と、像を遠距離に結像するための第２の領域とを含む。第１のレンズは、焦点調整のために光軸に沿って移動される焦点調整用レンズ（フォーカシングレンズ）の少なくとも１つであってもよい。第１のレンズは、焦点調整のために光軸に沿って移動しないレンズであってもよく、その場合は、レンズを回転する機構と焦点調整用レンズを光軸に沿って移動する機構とを分けることができる。このため、レンズを駆動する機構を簡略化できる。

第１のレンズの少なくとも一方の面は、回転非対称な領域を含んでいてもよい。光学的特性の異なる領域同士は、回転非対称になる。複数の領域は、回転非対称で、曲率半径が同一（共通）の非球面を含んでいてもよい。複数の領域は、さらに、回転非対称で、曲率半径およびコーニック係数が共通の非球面を含んでいてもよく、曲率半径、コーニック係数および低次の非球面係数が同一（共通）の非球面を含んでいてもよい。少なくとも一方の面は、自由曲面を含んでいてもよい。また、第１のレンズは、他方の面が平面であってもよい。

複数の領域は、光軸を跨がない領域であってもよい。少なくとも一方の面は、光軸を跨ぎ、複数の領域のいずれかとともに光束が通過する共通の領域を含んでもよい。少なくとも一方の面は、近用の領域と、遠用の領域と、遠近両用の領域の第３の領域とを含んでもよい。

複数の領域を設定するためには、少なくとも一方の面の面積ＳＡ０のうち、光束が偏って通過する面積ＳＡ１の比率は以下の条件（１）を満たすことが望ましい。
０．２５≦ＳＡ１／ＳＡ０≦０．７・・・（１）

複数のレンズは、第１の中間像を結像する第１のサブシステムを含んでいてもよく、第１の中間像を第２の中間像として結像する第２のサブシステムを含んでいてもよい。光学システムは、さらに、第２の中間像を最終像として結像する第２の光学システムを有してもよい。

光学システムは、第１のレンズを回転駆動する駆動ユニットを有するものであってもよい。また、光学システムは、第１のレンズを、焦点調整のために光軸に沿って移動する移動ユニットを有するものであってもよい。

本発明の異なる態様の１つは、上記の光学システムと、光学システムにより投影される画像を出力する画像ユニットとを有するプロジェクタである。本発明のさらに異なる態様の１つは、上記の光学システムと、光学システムにより結像される画像を撮像するユニットとを有する撮像装置である。

光学システムの一例を示す図。 レンズＬ２１の面Ｓ１５を示す図であり、図２（ａ）は近距離用の領域を使用している状態、図２（ｂ）は中遠距離用の領域を使用している状態を示す。 レンズデータを示す図。 非球面を示す図。 レンズＬ２１の非球面を示す図。 フォーカシングの移動距離を示す図。 距離によるフォーカシングの状態を示す図。 面Ｓ１５の自由曲面係数。 面Ｓ１６の自由曲面係数。 光学システムの異なる例を示す図。 レンズデータを示す図。 レンズＬ１５−２の面Ｓ１２を示す図であり、図１２（ａ）は近距離用の領域および遠近共用の領域を使用している状態、図２（ｂ）は中遠距離用の領域および遠近共用の領域を使用している状態を示す。 面Ｓ１２の自由曲面係数。 距離によるフォーカシングの状態を示す図。 光学システムの異なる例を示す図。 レンズＬ１６の面Ｓ１３を示す図であり、図２（ａ）は近距離用の領域および遠近共用の領域を使用している状態、図２（ｂ）は中遠距離用の領域および遠近共用の領域を使用している状態を示す。 面Ｓ１３の自由曲面係数。 距離によるフォーカシングの状態を示す図。 レンズ面積と光路面積との比を示す図。 光学システムを含む撮像装置の一例を示す図。

発明の実施の形態

図１に、本発明に係る光学システムの一例を含むプロジェクタの一例の概略構成を示す。このプロジェクタ１００は、投影用の光学システム１と、縮小側に配置され、投影される画像を出力する画像ユニット５とを含む。光学システム１は、縮小側の画像ユニット（光変調器、ライトバルブ）５の像面に出力された画像を、拡大側のスクリーン９または壁面へ投射する投射光学系１０を含む。画像ユニット５は、ＬＣＤ、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）あるいは有機ＥＬなどの画像を形成できるものであればよく、単板式であっても、各色の画像をそれぞれ形成する方式であってもよい。画像ユニット５は発光タイプであってもよく、照明タイプであってもよい。照明タイプの場合は、プロジェクタ１００はさらに照明光学系（不図示）を含んでもよい。スクリーン９は、壁面やホワイトボードなどであってもよく、プロジェクタ１００はフロントプロジェクタであっても、スクリーン９を含むリアプロジェクタであってもよい。

投射光学系１０は、複数のレンズを含む第１の光学系（第１のシステム）Ｓ１と、第１の光学系Ｓ１から出力された光を反射して投影光８としてスクリーン９に投射する正の屈折力の第１の反射面Ｍ１を含む第２の光学系（第２のシステム）Ｓ２とを含む。第１の光学系Ｓ１は、縮小側から入射した光により第１の光学系Ｓ１の内部に結像される第１の中間像ＩＭ１を第１の光学系Ｓ１よりも拡大側に第２の中間像ＩＭ２として結像する屈折光学系（レンズシステム）である。第１の光学系Ｓ１は、縮小側（入力側）に配置され、画像ユニット５の画像を第１の中間像ＩＭ１として結像する第１のサブシステム（第１のレンズ群、第１の屈折光学系）ＳＳ１と、第１の中間像ＩＭ１を挟んで拡大側（出力側）に配置された第２のサブシステム（第２のレンズ群、第２の屈折光学系）ＳＳ２とを含む。第２のサブシステムＳＳ２は、第１の中間像ＩＭ１を第１の反射面（ミラー）Ｍ１の縮小側に第２の中間像ＩＭ２として結像する。ミラーＭ１は、第２の中間像ＩＭ２をスクリーン９に拡大投影する。

第１のサブシステムＳＳ１は、縮小側から両凸のレンズＬ１１、両凸のレンズＬ１２および両凹のレンズＬ１３からなる接合レンズＢＬ１、両凸のレンズＬ１４およびＬ１５、拡大側に凸の負のメニスカスレンズＬ１６を含む。第２のサブシステムＳＳ２は、縮小側に凸の正のメニスカスレンズＬ２１、両凸のレンズＬ２２、縮小側に凸の正のメニスカスレンズＬ２３、縮小側に凸の負のメニスカスレンズＬ２４および両凸のレンズＬ２５からなる接合レンズＢＬ２を含む。

光学システム１は、さらに、フォーカシングのためにレンズＬ２１およびＬ２２を光軸７に沿って移動する第１のフォーカシングユニット５１と、レンズＬ２１を回転（回転駆動）する第２のフォーカシングユニット（駆動ユニット）５２とを含む。レンズＬ２１およびＬ２２は焦点調整用レンズであり、これらのレンズＬ２１およびＬ２２を動かすフォーカシングユニット５１および５２の協調制御により、光学システム１は、ミラーＭ１からスクリーン９までの距離が４５０ｍｍという短い距離（近傍、近距離）Ｄｎで結像できる。さらに、結像範囲をミラーＭ１からスクリーン９までの距離が１０００ｍｍと遠方（遠距離）Ｄｆまで広げることができる。したがって、この光学システム１により、スクリーンまでの距離が数１０ｃｍという短焦点のプロジェクタでありながら、結像範囲である近距離Ｄｎに対する遠距離Ｄｆの比が２倍以上（２．２２倍）という結像性能を備えたプロジェクタ１００を提供できる。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、レンズＬ２１の縮小側（画像ユニット５の側、画像ユニット側）の面Ｓ１５は回転非対称な面であり、像を近距離Ｄｎで結像するための領域（第１の領域、近用領域、近距離用の領域）５５と、像を遠距離Ｄｆおよび中距離で結像するための領域（第２の領域、遠用領域、中遠距離用の領域）５６とを含む。第２のフォーカシングユニット５２は、光軸７を回転軸として、第１のレンズであるレンズＬ２１を回転する駆動ユニットとして機能する。フォーカシングユニット５２は、レンズＬ２１を回転することにより、光束６が通過する区域と、近距離の領域５５と中遠距離の領域５６とを切り替える。レンズＬ２１の拡大側（スクリーン側）の面Ｓ１６も回転非対称な面であり、近距離の領域５５および中遠距離の領域５６を含み、第２のフォーカシングユニット５２が光軸７を回転軸としてレンズＬ２１を１８０度回転することで、光束６が通過する領域を切り替えることができる。

レンズＬ２１は、第２のサブシステムＳＳ２の最も縮小側に配置されたレンズであり、第１のサブシステムＳＳ１が結像する第１の中間像ＩＭ１の拡大側に、中間像ＩＭ１に隣接して配置されるレンズである。第１の中間像ＩＭ１は、画像ユニット５に形成された画像が光軸７に対して反転した（倒立した）画像であり、第１の中間像ＩＭ１は光軸７を跨がず、光軸７に対して偏った位置に形成される。したがって、拡大側に結像するための光束６が、レンズＬ２１の両面Ｓ１５およびＳ１６の、光軸７を跨がない、光軸７に対して偏心した区域を偏って通過する。このため、スクリーン９が近距離にある場合は、第２のフォーカシングユニット５２が、レンズＬ２１を回転して、両面Ｓ１５およびＳ１６の近距離用の領域５５を光束６が通過するように設定する。スクリーン９が中距離または遠距離にある場合は、第２のフォーカシングユニット５２が、レンズＬ２１を回転して、両面Ｓ１５およびＳ１６の中遠距離用の領域５６を光束６が通過するように設定する。

図３に、投射光学系１０の各エレメントのデータを示している。図４および図５は各エレメントのうちの非球面データを示している。図６は、焦点調整のためにレンズＬ２１およびＬ２２の移動をレンズ間隔で示している。なお、図６において、Ｓ２４は、ミラーＭ１とスクリーン９との距離である。図３において、ｒｉ（ｉは整数であり、順番を示す。以下同様）は縮小側から順に並んだ各エレメント（レンズの場合は各レンズ面）の曲率半径（ｍｍ）、ｄｉは縮小側から順に並んだ各エレメントの面の間の距離（間隔，ｍｍ）、Ｈｉは各エレメントの有効径（ｍｍ）、さらに、各エレメントがガラスの場合は、ガラス種と、屈折率（ｄ線）ｎｄ、アッベ数（ｄ線）ｖｄを示している。

レンズＬ１２の縮小側の面Ｓ６、レンズＬ１６の両面Ｓ１３およびＳ１４、レンズＬ２１の両面Ｓ１５およびＳ１６、さらに、ミラーＭ１の面ｓ２４は非球面である。非球面は、Ｘを光軸方向の座標、Ｙを光軸と垂直方向の座標、光の進行方向を正、Ｒを近軸曲率半径とすると、図４および図５に示した係数ＲＤＹ、Ｋ、ＡＲｉ（ｉは３〜１４）を用いて次式（Ａ）で表わされる。なお、「Ｅｎ」は、「１０のｎ乗」を意味する。
Ｘ＝（１／Ｒ）Ｙ²／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（１／Ｒ）² Ｙ²｝１／２］
＋ΣＡＲｉＹ^ｉ ・・・（Ａ）

図５に示すように、レンズＬ２１の両面Ｓ１５およびＳ１６は、近距離用の領域５５を形成する非球面Ａと、遠距離用の領域５６を形成する非球面Ｂとを有する。本例においては、それぞれの面の非球面ＡおよびＢは、曲率半径ＲＤＹと、コーニック係数Ｋと、低次の非球面係数（本例では、ＡＲ３〜ＡＲ７）とが共通し、ＡＲ８以上の高次の非球面係数が異なる。

この実施例において、レンズＬ２１は、図２に示すように、光束６が光軸７を跨がない、光軸７に対して偏心した区域を光軸７に対して偏って通過する。したがって、レンズＬ２１の両面Ｓ１５およびＳ１６を中央の光軸（中心軸）７を含む直線により２つの領域に分けて光軸７を回転軸としてレンズＬ２１を回転させることにより、２つの異なる光学的特性を備えたレンズとして使用できる。レンズＬ２１は、近距離用の領域５５と中遠距離用の領域５６とに２分割されており、近距離用の領域５５は非球面Ａで構成され、中遠距離用の領域５６は非球面Ｂにより構成され、レンズＬ２１を１８０度回転することによりこれらの領域５５および５６を切り替えて使用する。近距離用の領域５５および中遠距離用の領域５６は、半円形であってもよく、少なくとも光束６が通過する面積を備えた多角形、楕円形などの形状であってもよい。

図７に、スクリーン９に結像される像のドットの収束状態を示している。図７（ａ）は、近距離用の領域５５を用いて、近距離（４５０ｍｍ）、中距離（７５０ｍｍ）および遠距離（１０００ｍｍ）にスクリーン９とミラーＭ１との距離をセットし、レンズＬ２１およびＬ２２を第１のフォーカシングユニット５１により前後に動かしてフォーカスを調整した状態を示している。図７（ｂ）は、中遠距離の領域５６を用いて、近距離、中距離および遠距離にスクリーン９とミラーＭ１との距離をセットし、レンズＬ２１およびＬ２２を第１のフォーカシングユニット５１によりフォーカスを調整した状態を示している。

図７（ａ）に示すように、近距離用の領域５５を用いた場合は、全ての距離において低角度（低画角）のドットの集光状態は良好である。一方、広角度（高画角）のドットの集光状態は、近距離では良好であるが、中距離および遠距離においては良好とは言えない。

図７（ｂ）に示すように、遠距離用の領域５６を用いた場合は、全ての距離において低角度（低画角）のドットの集光状態は良好である。一方、広角度（高画角）のドットの集光状態は、中距離および遠距離においては良好であるが、近距離においては良好とは言えない。したがって、近距離においては、レンズＬ２１を回転して近距離用の領域５５を光束６が通過するようにセットし、中遠距離においては、レンズＬ２１を回転して中遠距離用の領域５６を光束６が通過するようにセットすることにより、近距離から遠距離のすべてのレンジにおいて良好はフォーカシング性能を得ることができる。

近距離用の領域５５および中遠距離用の領域５６を備えた面は、図５に示す非球面を備えた領域５５および５６が、連続して、明確な境界を持たずに連接された、回転非対称な自由曲面により形成することも可能である。異なる非球面を備えたレンズを製造する１つの方法は、それぞれの非球面を備えたレンズをカットして貼り合せる方法である。一方、レンズＬ２１の両面Ｓ１５およびＳ１６を自由曲面で形成することにより、１つの金型で異なる特性の領域を備えたレンズを一体成型でき、偏心などの問題を未然に防止できるというメリットがある。このため、複数の異なる領域を備えたレンズを精度良く製造できる。

自由曲面を定義する方法の一例は、以下のＸＹ多項式（２）を使用することである。

図８に、図５に示した非球面ＡおよびＢを備えたＳ１５を、連続した自由曲面で形成する係数（自由曲面係数）を示している。図９に、図５に示した非球面ＡおよびＢを備えたＳ１６を、連続した自由曲面で形成する係数（自由曲面係数）を示している。

図１０に、光学システムの異なる例を示している。この光学システム１ａの基本的な構成は上記の光学システム１と共通する。この光学システム１ａは、投射光学系１０の屈折光学系（第１のシステム）Ｓ１の第１のサブシステムＳＳ１の両凸のレンズＬ１５が、縮小側に配置された縮小側に凸で拡大側が平面のレンズＬ１５−１（ｄ１１−１）と、レンズＬ１５−１の拡大側に最少空気間隔（ｄ１１−２）で配置された拡大側に凸で縮小側が平面のレンズＬ１５−２（ｄ１１−３）とで構成されている。さらに、光学システム１ａは、第２のサブシステムＳＳ２のレンズＬ２１およびＬ２２をフォーカシングのために光軸７に沿って移動する第１のフォーカシングユニット５１と、第１のサブシステムＳＳ１のレンズＬ１５−２を、レンズＬ１５−２の光軸（中心軸）７を回転軸として回転して近距離用と中遠距離用との領域を切り替える第２のフォーカシングユニット５２とを含む。光学システム１ａの第２のサブシステムＳＳ２のレンズＬ２１は回転駆動されず、両側の面Ｓ１５およびＳ１６は、光学システム１の近距離用の非球面Ａにそれぞれ固定されている。

図１１に、光学システム１ａのレンズデータのうち、光学システム１と相違するレンズＬ１５−１およびレンズＬ１５−２およびその前後のレンズに関するデータを示す。レンズＬ１５−２の拡大側（スクリーン側）の面Ｓ１２は、図１２に示すように３つの機能の異なる領域を含む自由曲面であり、図１３に、面Ｓ１２の自由曲面係数を示す。

図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、レンズＬ１５−２においては、光束６が、光軸７を含んで面Ｓ１２の図１０の上側の偏心した区域を偏って通過する。面Ｓ１２は、光軸７を含む中央の遠近共用の領域（共通の領域、第３の領域）５７と、その外側に配置された近距離用の領域５５と、近距離用の領域５５に対し遠近共用の領域５７を挟んで反対側に配置された中遠距離用の領域５６とを含む。レンズＬ１５−２を回転して近距離用の領域５５を上側にセットすると、光束６は近距離用の領域５５と遠近共用の領域５７とを通過する。レンズＬ１５−２を１８０度回転して中遠距離用の領域５６を上側にセットすると、光束６は中遠距離用の領域５６と遠近共用の領域５７とを通過する。

図１４に、スクリーン９に結像される像のドットの収束状態を示している。図１４（ａ）は、近距離用の領域５５および遠近共用の領域５７を用いて、近距離（４５０ｍｍ）、中距離（７５０ｍｍ）および遠距離（１０００ｍｍ）にスクリーン９とミラーＭ１との距離をセットし、レンズＬ２１およびＬ２２を第１のフォーカシングユニット５１により前後に動かしてフォーカスを調整した状態を示している。図１４（ｂ）は、中遠距離の領域５６および遠近共用の領域５７を用いて、近距離、中距離および遠距離にスクリーン９とミラーＭ１との距離をセットし、レンズＬ２１およびＬ２２を第１のフォーカシングユニット５１によりフォーカスを調整した状態を示している。

これらの図を比較するとわかるように、中遠距離の領域５６および遠近共用の領域５７を用いることにより、中距離および遠距離のフォーカシング性能が改善され、近距離の領域５５および遠近共用の領域５７を用いることにより近距離のフォーカシング性能が改善されている。

レンズＬ１５−２のように、光束６が光軸７を跨いで通過するレンズにおいても、光束６が面Ｓ１２の偏った領域を通過する場合は、光束６が通過しない領域に異なる光学的な特性を与えて、レンズを回転して使用することにより、同一のレンズを、異なる光学的性質を備えたレンズとして使用することができる。レンズＬ１５−２においては、距離の差によりフォーカシングの性能に差がでる、仰角の大きな（高画角の）光束が面Ｓ１２の周辺の光軸７から離れた部分を通過する。したがって、面Ｓ１２の周辺部分に近距離用の領域５５と、中遠距離用の領域５６とを配置し、フォーカシングの性能に差が出にくい光軸７の周辺には遠近共用の領域５７を配置し、レンズＬ１５−２を１８０度回転することにより遠近のフォーカシング性能を改善している。また、面Ｓ１２を自由曲面とし、これらの領域５５、５７および５６を境界のない連続した面とすることにより、スクリーンに投影される画像に、特性の異なる領域を通過している影響が見られないようにすることができる。

さらに、この光学システム１ａにおいては、フォーカシングのために光軸７に沿って動くレンズＬ２１およびＬ２２とは異なるレンズＬ１５−２に、近距離用の領域５５および遠距離用の領域５６を設け、レンズＬ１５−２を回転することにより遠近の切り替えを可能としている。したがって、レンズを光軸７に沿って移動する機構（第１のフォーカシングユニット）５１と、光軸７を回転軸としてレンズを回転する機構（第２のフォーカシングユニット）５２とを分離することができ、光学システム１ａの構成を簡易にできる。また、レンズＬ１５を、縮小側のレンズＬ１５−１と、非球面Ｓ１２を備えた拡大側のレンズＬ１５−２とに分離して、レンズＬ１５−２のみを回転することにより、レンズを回転駆動する第２のフォーカシングユニット５２の負荷および構成を簡易にすることができる。また、レンズＬ１５−２は、複数の領域５５、５６および５７を備えた面Ｓ１２の反対側の面（他方の面）は平面であり、製造が容易である。

なお、光学システム１と同様に、レンズＬ２１に遠近の異なる領域５５および５６を設け、レンズＬ１５−２とレンズＬ２１とを同期して回転することにより、近距離のフォーカシング性能と、中遠距離のフォーカシング性能とをさらに向上することも可能である。

図１５に、光学システムのさらに異なる例を示している。この光学システム１ｂの基本的な構成は上記の光学システム１と共通する。この光学システム１ｂは、第２のサブシステムＳＳ２のレンズＬ２１およびＬ２２をフォーカシングのために光軸７に沿って移動する第１のフォーカシングユニット５１と、第１のサブシステムＳＳ１のレンズＬ１６をレンズＬ１６の光軸（中心軸）７を回転軸として回転して近距離用と中遠距離用との領域を切り替える第２のフォーカシングユニット５２とを含む。光学システム１ｂの第２のサブシステムＳＳ２のレンズＬ２１は回転駆動されず、両側の面Ｓ１５およびＳ１６は、光学システム１の近距離用の非球面Ａにそれぞれ固定されている。

光学システム１ｂのレンズデータは、レンズＬ２１の両側の面Ｓ１５およびＳ１６が近距離用の非球面Ａにそれぞれ固定されていることと、レンズＬ１６の縮小側の面Ｓ１３が図１６に示すように３つの機能の異なる領域を含む自由曲面であることとを除き、光学システム１と共通する。図１７に、面Ｓ１３の自由曲面係数を示す。

図１５に示すように、レンズＬ１６は、第１のサブシステムＳＳ１の最も拡大側に配置されたレンズであり、第１の中間像ＩＭ１の縮小側に隣接するレンズである。第１の中間像ＩＭ１は、光軸７の上側に形成される。このため、図１６（ａ）および（ｂ）に示すように、レンズＬ１６においては、光束６が、光軸７を含んで（跨いで）面Ｓ１３の上側の偏心した区域を偏って通過する。面Ｓ１３は、光軸７を含む中央の遠近共用の領域５７と、その外側に配置された近距離用の領域５５と、近距離用の領域５５に対し遠近共用の領域５７を挟んで反対側に配置された中遠距離用の領域５６とを含む。レンズＬ１６を回転して近距離用の領域５５を上側にセットすると、光束６は近距離用の領域５５と遠近共用の領域５７とを通過する。レンズＬ１６を１８０度回転して中遠距離用の領域５６を上側にセットすると、光束６は中遠距離用の領域５６と遠近共用の領域５７とを通過する。

図１８に、スクリーン９に結像される像のドットの収束状態を示している。図１８（ａ）は、近距離用の領域５５および遠近共用の領域５７を用いて、近距離（４５０ｍｍ）、中距離（７５０ｍｍ）および遠距離（１０００ｍｍ）にスクリーン９とミラーＭ１との距離をセットし、レンズＬ２１およびＬ２２を第１のフォーカシングユニット５１により前後に動かしてフォーカスを調整した状態を示している。図１８（ｂ）は、中遠距離の領域５６および遠近共用の領域５７を用いて、近距離、中距離および遠距離にスクリーン９とミラーＭ１との距離をセットし、レンズＬ２１およびＬ２２を第１のフォーカシングユニット５１によりフォーカスを調整した状態を示している。

これらの図を比較するとわかるように、中遠距離の領域５６および遠近共用の領域５７を用いることにより、中距離および遠距離のフォーカシング性能が大幅に改善され、近距離の領域５５および遠近共用の領域５７を用いることにより近距離のフォーカシング性能が大幅に改善されている。

光束６は、レンズＬ１５と同様に、レンズＬ１６においても光軸７を含む（跨ぐ）偏心した領域（区域）を通過するが、レンズＬ１５に対して、光束６は、レンズＬ１６のより偏った領域（区域）を通過する。このため、光軸７を含む遠近共用の領域５７の面積に対して、近距離用の領域５５および中遠距離用の領域５６の面積を広く確保でき、それぞれの距離にフォーカシングさせるために、より適した収差補正を行うことができる。また、レンズＬ１６はフォーカシングの際に光軸７に沿って前後に移動しないレンズであり、遠近を切り替えるために回転する機構（第２のフォーカシングユニット）５２の構成を簡易にできる。

１つのレンズに複数の光学的な機能の異なる領域を設けるためには、レンズの一方の面の面積ＳＡ０のうち、光束が偏って通過する面積ＳＡ１の比率は以下の条件（１）を満たすことが望ましい。なお、光束が偏って通過する面積とは、レンズの一方の面へ光軸に対して偏った状態で通過する光束が、レンズの一方の面に入射した際の、面上における光束の面積のことである。
０．２５≦ＳＡ１／ＳＡ０≦０．７・・・（１）
この比が０．２５未満になるとレンズの使用効率が著しく低下してしまう。また、この比が０．７を超えると、異なる光学的特性を設ける面積が少なすぎて、光束６を補正する能力に差を設けることができにくい。この条件の下限は０．３であることがさらに望ましく、上限は０．６であることがさらに望ましく、０．５であることがさらに好ましい。

図１９に、レンズＬ１５、Ｌ１６およびＬ２１の各面のレンズ面積（ＳＡ０）、光路面積（ＳＡ１）、および比（ＳＡ１／ＳＡ０）を示している。レンズＬ２１は、図１に示した光学システム１で光軸７を回転軸として回転させたレンズであり、レンズＬ１６は、図１０に示した光学システム１ａで光軸７を回転軸として回転させたレンズであり、レンズＬ１５は、図１５に示した光学システム１ｂで光軸７を回転軸として回転させたレンズに対応するレンズである。いずれのレンズにおいても、レンズ面積（ＳＡ０）に対する光路面積（ＳＡ１）の比は、上記の条件（１）を満足する。

図２０に、本発明に係る光学システムの一例を含む撮像装置の一例の概略構成を示す。撮像装置の一例は、カメラであり、汎用のカメラであってもよく、監視用のカメラ、映画撮影用などの特殊な目的に特化したカメラであってもよい。また、撮像装置は、監視システムや、警報システム、情報処理装置、携帯端末などに組み込まれたもの、または、それらの機能を組み込んだものであってもよい。この撮像装置１０１は、撮像用の光学システム１１０と、縮小側に配置され、光学システム１１０に含まれる結像光学系１１１により結像される画像を撮像するユニット（撮像ユニット）１２０とを含む。撮像ユニット１２０の一例は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの撮像素子を含むユニットである。撮像ユニット１２０は可視光に限らず、近赤外光、赤外光などによる画像を撮像できるものであってもよい。

結像光学系１１１は、１または複数のレンズを含み、拡大側（対物側）から入射した光を縮小側（撮像側）に第１の中間像ＩＭ１として結像する第１のサブシステムＳＳ１１と、１または複数のレンズを含み、第１の中間像ＩＭ１を縮小側の撮像ユニット１２０に最終像として結像する第２のサブシステムＳＳ１２とを含む。これら第１のサブシステムＳＳ１１および第２のサブシステムＳＳ１２は、パワーのない、またはパワーを備えた反射面を含んでもよい。中間像を結像するタイプの撮像レンズシステムの一例は、日本国特許公開公報２０１５−１７９２７０に開示されている。

本例の第２のサブシステムＳＳ１２は、第１の中間像ＩＭ１の側に配置され、フォーカシングの際に、フォーカシングユニット１５２により、光軸７を中心として回転駆動されるレンズＬ２０１と、レンズＬ２０１の縮小側（撮像側）に配置された撮像側のレンズ群ＳＳ２０２とを含む。撮像側の光学系（レンズ群）ＳＳ２０２は、１または複数のレンズを含み、変倍（ズーミング）のために光軸７に沿って複数のレンズを含んでもよい。レンズＬ２０１が焦点調整用レンズである。

レンズＬ２０１は、第２のサブシステムＳＳ１２の最も拡大側に配置されたレンズであり、第１のサブシステムＳＳ１が結像する第１の中間像ＩＭ１の縮小側に、中間像ＩＭ１に隣接して配置されるレンズである。第１の中間像ＩＭ１は、光軸７に対して一方の側に結像することが可能である。例えば、拡大側（対物側）において光軸７を中心として上下一方の側（一方の高画角側）の領域（画像、画面、対象物）を撮像するような撮像装置においては、第１の中間像ＩＭ１を光軸７の一方の側、例えば、下側に限って結像することが可能である。この場合、第１の中間像ＩＭ１は光軸７を跨がず、光軸７に対して偏った位置に形成される。したがって、縮小側に結像するための光束１０８がレンズＬ２０１の両面の光軸７を跨がない、または、光束１０８が光軸７を跨いでも、光軸７に対して偏心した区域を偏って通過する。このため、上述した光学システム１のレンズＬ２１と同様に、駆動ユニットであるフォーカシングユニット１５２によりレンズＬ２０１を回転することにより、両面の異なる領域を光束が通過するように設定できる。

例えば、撮像側のレンズ群ＳＳ２０２がズーム機能を含む場合、レンズＬ２０１の一方の領域を望遠側の撮像に適したフォーカスが得られる領域として使用し、レンズＬ２０１の他方の領域を広角側の撮像に適したフォーカスが得られる領域として使用できる。また、光学システム１１０が監視カメラ用の場合、レンズＬ２０１の一方の領域を可視光の画像の撮像に適したフォーカスが得られる領域として使用し、レンズＬ２０１の他方の領域を近赤外光、または可視光と近赤外光とを含む画像の撮像に適したフォーカスが得られる領域として使用できる。

上記に開示した光学システムは、光軸に対して斜めに光が入射されたり、出射されたりする設計のレンズを含む光学システムの一例であり、光学システムはミラーを含まない光学システムであってもよく、中間像を含まない光学システムであってもよい。本発明は、光学システムの内部を通過する光束（光路）が光軸に対して偏った位置（片寄った位置）を通過するように設計される光学システムに適用でき、光学システムを構成するレンズ枚数は１枚であってもよい。複数枚のレンズを含む光学システムであって、特に、広角なレンズシステムにおいてはレトロフォーカスと呼ばれる非対称な配置（構造）が採用されることが多い。また、超短焦点の光学システムにはミラーを用いることが多く、非対称性が大きくなりやすい。さらに、ライトバルブとなるディスプレイ（画像ユニット）を光軸７に対してオフセットしてレンズに対して斜入射する光学システムも多い。台形補正を行うプロジェクタ用の光学システムは、光学システム内を通過する光束が台形またはそれに近い形状になる部分が多く、本発明を適用しやすい。

そのような光学システムの、光束が偏った位置を通過する位置に配置されたレンズにおいては、レンズの一部が結像に用いられ、他の部分（他の領域）は結像に用いられない。そのレンズの結像に用いられない部分に、光学的な特性の異なる複数の領域を設け、レンズを回転することにより、光束が通過する偏心した区域の光学的特性を切り替えられることができる。上記においては、フォーカシングに注目し、１つのレンズに、解像性能（ＳＰＯＴ ＤＩＡＧＲＡＭ・ＭＴＦ）の異なる、近距離に集光する性能を重視した領域と、中遠距離に集光する性能を重視した領域との２つの領域を設けているが、近中距離用の領域と、遠距離用の領域とに分けてもよく、さらに、近距離用、遠距離用および中距離用の３つの領域を設けて切り替えることも可能である。また、上記の例では、レンズの特性を切り替えることにより、フォーカシングが可能な範囲を拡大しているが、レンズの特性を切り替えることにより光軸に沿って移動するレンズの移動距離を短縮したり、移動するレンズの数を抑制したり、フォーカスカムの設計に自由度を与えたりすることも可能である。

また、レンズに複数の光学的性能の異なる領域を設けて切り替えることにより、１つのレンズの波長特性を変えることも可能である。たとえば、監視用途の光学システムにおいては、システム内の１つまた複数のレンズを可視光の収差補正を重視した領域と、近赤外光の収差補正を重視した領域とに分けて切り替えて使うようにしてもよい。また、画面歪曲形状の距離変動を抑えるような光学的特性を備えた複数の領域を設けてもよい。

さらに、１つの光学システムの中に含まれる、複数の異なる光学的特性を備えたレンズの枚数は１枚に限らず複数枚であってもよく、光学システム内の位置は最も広角側であってもよく、最も縮小側であってもよく、中間のいずれの位置であってもよい。たとえば、広角な投射光学系のレンズシステムの最も広角側（最もスクリーン側）のレンズに複数の特性の異なる領域を設けて、焦点距離を変えたり、投射する画像の大きさを変えたりすることができる。また、それぞれが複数の異なる光学的特性の領域を備えた複数枚のレンズを用途などに合わせて回転することにより、１つの光学システムであって様々な光学的特性を備えた光学システムを提供できる。そのような光学システムは、汎用性の高い光学システムであってもよく、特定の条件で特定の光学的性能が要求される光学システムであってもよく、アプリケーションの要求に対してユーザー側で光学的性能あるいは特性を制御できるような光学システムであってもよい。

Claims (16)

1. 共通の光軸に沿って配置された複数のレンズを有する光学システムであって、
   前記複数のレンズは、前記光軸に対して偏心した区域を結像のための光束が前記光軸に対して偏って通過する第１のレンズを含み、
   前記第１のレンズの少なくとも一方の面は、前記光軸を回転軸として当該第１のレンズを回転することにより切り替えられる、光学的な特性の異なる複数の領域を含み、前記複数の領域は、像を近距離に結像するための第１の領域と、像を遠距離に結像するための第２の領域とを含む、光学システム。
2. 請求項１において、
   前記第１のレンズは、焦点調整のために前記光軸に沿って移動される焦点調整用レンズの少なくとも１つである、光学システム。
3. 請求項１または２において、
   前記第１のレンズは、焦点調整のために前記光軸に沿って移動しないレンズである、光学システム。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記少なくとも一方の面は、回転非対称な領域を含む、光学システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記複数の領域は、曲率半径が同一の非球面を含む、光学システム。
6. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記少なくとも一方の面は、自由曲面を含む、光学システム。
7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、
   前記複数の領域は、前記光軸を跨がない領域である、光学システム。
8. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、
   前記少なくとも一方の面は、前記光軸を跨ぎ、前記複数の領域のいずれかとともに前記光束が通過する共通の領域を含む、光学システム。
9. 請求項１ないし８のいずれかにおいて、
   前記少なくとも一方の面は、像を近距離および遠距離に結像するために共通に用いられる第３の領域を前記光軸の回りに含む、光学システム。
10. 請求項１ないし９のいずれかにおいて、
    前記少なくとも一方の面の面積ＳＡ０のうち、前記光束が偏って通過する面積ＳＡ１の比率は以下の条件を満たす、光学システム。
    ０．２５≦ＳＡ１／ＳＡ０≦０．７
11. 請求項１ないし１０のいずれかにおいて、
    前記第１のレンズは、他方の面が平面である、光学システム。
12. 請求項１ないし１１のいずれかにおいて、
    前記複数のレンズは、第１の中間像を結像する第１のサブシステムを含む、光学システム。
13. 請求項１２において、
    前記複数のレンズは、前記第１の中間像を第２の中間像として結像する第２のサブシステムを含み、さらに、
    前記第２の中間像を最終像として結像する第２の光学システムを有する、光学システム。
14. 請求項１ないし１３のいずれかにおいて、
    前記第１のレンズを回転駆動する駆動ユニットを有する光学システム。
15. 請求項１ないし１４のいずれかに記載の光学システムと、
    前記光学システムにより投影される画像を出力する画像ユニットとを有するプロジェクタ。
16. 請求項１ないし１４のいずれかに記載の光学システムと、
    前記光学システムにより結像される画像を撮像するユニットとを有する撮像装置。