JP6736366B2 - 結像光学系、光学機器および画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置や画像投射装置等の光学機器に好適な結像光学系に関する。

上記のような結像光学系として、特に広角化を実現するために屈折光学系に反射光学系を組み合わせたものがある。特許文献１には、レトロフォーカスタイプの屈折光学系に反射光学系としての凸面鏡を組み合わせた結像光学系が開示されている。また、特許文献２には、レトロフォーカスタイプの屈折光学系に反射光学系として正のパワーを有する凹面鏡を組み合わせた結像光学系が開示されている。

ただし、これら特許文献１，２にて開示されたような結像光学系では、広角化に伴って軸外光線を強く曲げなければならないことから大きな歪曲収差が発生し易い。そして、これを良好に補正するために、大口径のミラーやレンズを用いる必要がある。
このような問題に対して、特許文献３にて開示された結像光学系では、屈折光学系の内部に中間実像を形成することで、最も拡大側共役面側に配置される凸面鏡を小径化している。

特許第３７２７５４３号公報 特許第４２２３９３６号公報 特許第５４８４０９８号公報

しかしながら、特許文献３にて開示された結像光学系では、屈折光学系と凸面鏡とのパワー比が適切に設定されていないために、歪曲収差、像面湾曲および倍率色収差等の諸収差を良好に補正することが困難である。
本発明は、屈折光学系と反射光学系（凸面鏡）を有する結像光学系であって、反射光学系を小径化するとともに諸収差を良好に補正できるようにした結像光学系およびこれ用いた光学機器等を提供する。

本発明の一側面としての結像光学系は、縮小側共役面から拡大側共役面に向かって順に配置された屈折光学系と反射光学系を有し、屈折光学系は該屈折光学系の内部に中間実像を形成し、反射光学系は最も前記拡大側共役面の側に設けられた凸面鏡を備えている。屈折光学系の焦点距離をｆＬ、前記反射光学系の焦点距離をｆＭ、前記屈折光学系のうち前記反射光学系と前記中間実像との間に配置された第１の部分屈折光学系の焦点距離をｆｌ１とし、前記中間実像と前記縮小側共役面との間に配置された第２の部分屈折光学系の焦点距離をｆｌ２とするとき、
０．０１≦│ｆＬ／ｆＭ│≦０．５０
０．５６≦│ｆｌ１／ｆｌ２│≦０．８
なる条件を満足することを特徴とする。

なお、上記結像光学系を有する光学機器や、光変調素子により変調された光を被投射面に投射する上記結像光学系を有する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、内部に中間実像を形成する屈折光学系と凸面鏡とにより構成される広画の結像光学系あって、屈折光学系と凸面鏡のパワー比の適切な設定により小型の凸面鏡を用いつつ諸収差を良好に補正することができる結像光学系を実現することができる。そして、このような結像光学系を用いることで、小型で光学性能が高い画像投射装置等の光学機器を提供することができる。

本発明の実施例１である結像光学系の断面図。 実施例１の結像光学系の縦収差図。 本発明の実施例２である結像光学系の断面図。 実施例２の結像光学系の縦収差図。 本発明の実施例３である結像光学系の断面図。 実施例３の結像光学系の縦収差図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
まず、後述する各実施例に共通する事項について説明する。各実施例の結像光学系は、拡大側共役面および縮小側共役面のうち一方の共役面上の像を他方の共役面に結像させる光学系であり、縮小側共役面から拡大側共役面に向かって順に配置された屈折光学系と反射光学系とにより構成されている。

屈折光学系は、その内部に、上記一方の共役面の像の中間実像を形成する。屈折光学系は、この中間実像が形成される位置を中間結像位置とするとき、反射光学系と中間結像位置との間に配置された第１の部分屈折光学系と、中間結像位置と縮小側共役面との間に配置された第２の部分屈折光学系とを有する。このように、各実施例における屈折光学系は、再結像型の屈折光学系である。また、反射光学系は、凸面鏡により構成されている。

各実施例では、凸面鏡と第１および第２の部分屈折光学系を含む屈折光学系の全系（以下、全屈折光学系という）のパワー比および中間実像の横倍率をそれぞれ適切な範囲に設定することで歪曲収差、像面湾曲および倍率色収差等の諸収差を良好に補正する。
中間結像位置を挟んで拡大側共役面側に配置された第１の部分屈折光学系と縮小側共役面側に配置された第２の部分屈折光学系とが収差補正を分担する。そして、この結像光学系のうち最も拡大側共役面側に凸面鏡を配置することで、第２の部分屈折光学系の収差補正に対する負担を軽減しつつ、さらに良好な収差補正を可能としている。このとき、凸面鏡のパワーを適切な範囲に設定することが主として軸外で発生する収差を良好に補正することにつながる。

凸面鏡等のミラーは色収差を発生させないという利点を有するが、パワーを強めすぎると軸外の収差である歪曲収差が大きく発生し、この歪曲収差を第２の部分屈折光学系で補正することが困難となる。したがって、凸面鏡と全屈折光学系のパワー比と中間実像の横倍率とを適切に設定することで、像面湾曲、歪曲収差および倍率色収差といった軸外の収差を良好に補正することが可能となる。

以下、凸面鏡と全屈折光学系のパワー比および中間実像の横倍率が満足すべき条件について具体的に説明する。各実施例では、最も拡大側共役面側に適切なパワーを有する凸面鏡を配置することで倍率色収差を発生させずに、軸外主光線の高い位置で発生する収差を良好に補正する。ここで、全屈折光学系の焦点距離をｆＬとし、凸面鏡（反射光学系）の焦点距離をｆＭとする。このとき、ｆＬとｆＭは、
０．０１≦│ｆＬ／ｆＭ│≦０．５０ （１）
なる条件を満足する。式（１）の条件は、全屈折光学系の内部に中間実像を形成する再結像型屈折光学系と凸面鏡とを組み合わせたときのこれら再結像型屈折光学系と凸面鏡の広角化に対する寄与率に関する条件である。ｆＬ／ｆＭが式（１）の上限値を超えると、広角化に対する凸面鏡の負担が大きくなり過ぎ、凸面鏡で発生する大きな像面湾曲を全屈折光学系のレンズによって十分に補正できなかったり歪曲が大きく発生したりするので、好ましくない。また、ｆＬ／ｆＭが式（１）の下限値を下回ると、収差補正に対する凸面鏡の負担が極端に少なくなり、凸面鏡が殆ど広角化に寄与しなくなるので、好ましくない。

式（１）の数値範囲を以下の式（１）′のようにするとより好ましい。
０．０２≦│ｆＬ／ｆＭ│≦０．２５ （１）′
また、縮小側共役面上の像と中間実像との間の横倍率（第２の部分屈折光学系が縮小側共役面上の像を中間実像として結像させる際の倍率）をβとし、中間実像が縮小側共役面上の像より大きいときの横倍率βをβ＜−１．０とする。このとき、βは、
−２．０≦β≦−０．５ （２）
なる条件を満足する。なお、中間実像が縮小側共役面上の像より縮小されるときのβは−１＜β＜０である。βが式（２）の範囲にあることで、良好な色収差補正を行うことができる。βが式（２）の下限値を下回ると、βの二乗で加算される縮小側共役面上での軸上色収差が大きくなるので、好ましくない。一方、βが式（２）の上限値を超えると、中間実像を形成する軸外主光線の高さが高くなり、この結果レンズ径が大きくなるので、好ましくない。

式（２）の数値範囲を以下の式（２）′のようにするとより好ましい。
−１．５≦β≦−０．７ （２）′
この式（２）′の下限値を−１．３０としてもよいし、上限値を−１．０１としてもよい。

上記式（１），（２）の条件に加えて、以下の条件を満足することが、さらなる良好な収差補正を行う上で好ましい。

第１の部分屈折光学系の焦点距離をｆｌ１とし、第２の部分屈折光学系の焦点距離をｆｌ２とする。このとき、ｆｌ１とｆｌ２は、
０．３≦│ｆｌ１／ｆｌ２│≦０．８ （３）
なる条件を満足するのが好ましい。式（３）の条件は、第１の部分屈折光学系と第２の部分屈折光学系と広角化の分担比に関する条件である。│ｆｌ１／ｆｌ２│が式（３）の範囲を逸脱すると、第１および第２の部分屈折光学系のいずれかの広角化に対する負担が大きくなり過ぎ、一方の部分屈折光学系で発生した歪曲収差を他方の部分屈折光学系で補正することができなくなる。この結果、良好な収差補正が行えなくなるので、好ましくない。また、一方の部分屈折光学系のパワーが強くなり過ぎて、この部分屈折光学系により球面収差を良好に補正することが困難となるので、好ましくない。

式（３）の数値範囲を以下の式（３）′のようにするとより好ましい。
０．４≦│ｆｌ１／ｆｌ２│≦０．６ （３）′
また、各実施例では、全屈折光学系において、最も凸面鏡側（反射光学系側）に配置されたレンズから順に、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ…と呼ぶ。このとき、最も凸面鏡側に配置された第１レンズに非球面形状を与えることで、歪曲収差の発生を抑制することができる。また、中間実像に近いレンズに非球面形状かつ負のパワーを与えることで、歪曲収差の補正を行うことができる。さらに、最も縮小側共役面側に配置されたレンズに非球面形状を与えることでも、歪曲収差の発生を抑制することができる。

また、各実施例では、第１レンズの有効径をΦＧ１とし、全屈折光学系のうち第１レンズ以外で最も有効径が大きいレンズの有効径をΦＧｍａｘとする。このとき、ΦＧ１とΦＧｍａｘが、
０．２≦ΦＧ１／ΦＧｍａｘ≦２．０ （４）
なる条件を満足すると、倍率色収差を良好に補正することができるので、好ましい。ΦＧ１／ΦＧｍａｘが式（４）の下限値を下回ると、全屈折光学系に対して第１レンズの有効径が極端に小さくなり、これにより軸外光線の各像高における光束がオーバーラップしてしまう。この結果、第１レンズに非球面を用いても、歪曲収差の補正が困難となるので好ましくない。また、ΦＧ１／ΦＧｍａｘが式（４）の上限値を超えると、第１レンズを通るそれぞれの像高の光が互いに重ならなくなって軸外収差を良好に補正できるものの、第１レンズの有効径が大きくなるので、好ましくない。

式（４）の数値範囲を以下の式（４）′のようにするとより好ましい。
０．５≦ΦＧ１／ΦＧｍａｘ≦１．２ （４）′
さらに、各実施例では、凸面鏡と第１レンズとの間隔をＤとし、結像光学系全系の全長（最も縮小側共役面側のレンズから最も凸面鏡側のレンズまでの距離）をＴＬとする。このとき、ＤとＴＬは、
０．０１≦Ｄ／ＴＬ≦０．３０ （５）
なる条件を満足することが好ましい。Ｄ／ＴＬが式（５）の上限値を超えると、結像光学系全系の長さに対して凸面鏡と第１レンズとの間隔が広がり過ぎる。このことで、ｆＭ、ｆｌ１およびｆｌ２を上記条件を満足するように設定した場合の凸面鏡の有効径を大きくしなければならなくなる。一方、Ｄ／ＴＬが式（５）の下限値を下回ると、凸面鏡に入射した光に対して凸面鏡で大きな画角を与えつつ反射させることが必要となる。つまり、凸面鏡のパワーを強くしなければならず、これにより大きな軸外収差が発生するので、好ましくない。

式（５）の数値範囲を以下の式（５）′のようにするとより好ましい。
０．０５≦Ｄ／ＴＬ≦０．２０ （５）′
その他、第１レンズと凸面鏡との間において、凸面鏡における最大反射角の光と最小反射角の光とが互いに交差しないようにすることが好ましい。これにより歪曲収差の発生を抑制することができる。

各実施例で説明する結像光学系は、光学機器の１つとしての画像投射装置用の投射光学系として用いられたり、他の光学機器としての撮像装置（画像読取り装置）の撮像光学系として用いられたりすることができる。各実施例は、光源からの光を変調する光変調素子ともに、該光変調素子からの光をスクリーン等の被投射面に投射する結像光学系（投射光学系）の例を示している。

図１には、実施例１の結像光学系としての広角投射光学系の構成を示している。このような広角投射光学系を用いることで、短い投射距離（画像投射装置と被投射面との間の距離）で大きなサイズの画像を投射することができる。

図１において、縮小側共役面に配置された光変調素子Ｌから出射した光は、全屈折光学系Ｌを第２の部分屈折光学系Ｌ２、第１の部分屈折光学系Ｌ１の順に通過して凸面鏡Ｍで反射され、不図示の拡大側共役面に向かう。全屈折光学系Ｌのうち最も凸面鏡側に配置されたレンズから順に、第１レンズＧ１、第２レンズＧ２、…と呼ぶとき、第１レンズＧ１から第８レンズＧ８によって第１の部分屈折光学系Ｌ１が構成される。また、第９レンズＧ９から第１７レンズＧ１７によって第２の部分屈折光学系Ｌ２が構成される。
さらに、第８レンズＧ８と第９レンズＧ９の間に中間結像位置ＭＭがあり、ここに中間実像が形成される。ＳＴＯは絞りであり、Ｂはプリズム等の光学ブロックである。これらの符号の説明は、後述する他の実施例でも同じである。
なお、本実施例においては、絞りをレンズとは独立した部材として構成しているが、この限りではない。具体的には、レンズの保持部を絞りの代わりとして用いても構わない。例えば数値実施例１においては、レンズ面２２（または２１）のレンズ保持部あるいはレンズ面２４（または２５）のレンズ保持部が絞りを兼ねてもよい。

また、本実施例と同じ構成を有する撮像光学系を撮像装置に用いることもできる。撮像装置では、拡大側共役面上の被写体を、縮小側共役面に配置されたＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子により撮像する。このような撮像装置により、撮像距離（撮像装置と被写体面との間の距離）を短くしつつ大きなサイズの被写体を撮像することができる。

表１には、本実施例の数値例を示す。表中において、面番号は拡大側共役面から縮小側共役面に向かって順に凸面鏡と各レンズの面に付した番号である。Ｒは曲率半径を、ｄは面間隔（互いに隣り合う面間の実空間距離）、ｎ_ｄおよびν_ｄはそれぞれ、レンズのガラス材料のｄ線に対する屈折率およびアッベ数を示している。はΦｅａはミラーまたはレンズの有効径（光学作用に寄与する有効領域の直径）である。また、面番号の左側に＊印が付されている面は、以下の関数（Ａ）に従う非球面形状を有することを示す。ｘは結像光学系（屈折光学系Ｌ）の光軸ＡＸＬに平行な方向での座標であり、ｙは光軸ＡＸＬからの距離（高さ）である。Ｒは曲率半径であり、Ｋは円錐定数である。Ａ,Ｂ,Ｃ,Ｄ,Ｅは非球面係数である。表には関数中の非球面係数を示している。「Ｅ−Ｍ」は、「×１０^−Ｍ」を意味する。ｙは径方向の座標であり、ｘは光軸方向での座標を示す。ＯＢは拡大側共役面、ＩＭは縮小側共役面である。ｆは焦点距離、ＦＮＯはＦナンバーである。表の説明は、後述する他の実施例でも同じである。
ｘ＝（ｙ² ／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（ｙ² ／Ｒ² ）｝^1/2 ］＋Ａｙ⁴＋Ｂｙ⁶＋Ｃｙ⁸＋Ｄｙ¹⁰＋Ｅｙ¹²＋Ｆｙ¹⁴ （Ａ）
（表１）

図２には、本実施例の投射光学系の縦収差（球面収差、非点収差、歪曲および倍率色収差）を示している。

表２には、本実施例における式（１）〜（５）中の値を示す。
（表２）

図３には、実施例２の結像光学系としての投射光学系の構成を示している。この投射光学系は、実施例１の投射光学系の画角を７２°に増加させたものである。本実施例の投射光学系を用いることで、実施例１の投射光学系を用いる場合に比べてさらに投射距離を短くすることができる。また、撮像装置に同じ構成を有する撮像光学系を用いれば、撮像距離をより短くすることができる。

表３には、本実施例の数値例を示す。
（表３）

図４には、本実施例の投射光学系の縦収差（球面収差、非点収差、歪曲および倍率色収差）を示している。
表４には、本実施例における式（１）〜（５）中の値を示す。
（表４）

図５には、実施例３の結像光学系としての投射光学系の構成を示している。この投射光学系は、実施例１の投射光学系に対して１．５倍のスケーリングを行った後、光学系全長と物体距離を短くし、さらにレンズ（Ｇ１〜Ｇ１５）の数を削減したものである。この投射光学系を用いれば、光変調素子を光軸に直交する方向に大きくシフトさせることができるようになり、被投射面に対する画像投射装置の設置場所の自由度を高めることができ。同様に、撮像装置に同じ構成を有する撮像光学系を用いれば、撮像素子を光軸に直交する方向に大きくシフトさせることができ、被写体に対する撮像装置の設置場所の自由度を高めることができる。

表５には、本実施例の数値例を示す。
（表５）

図６には、本実施例の投射光学系の縦収差（球面収差、非点収差、歪曲および倍率色収差）を示している。

表６には、本実施例における式（１）〜（５）中の値を示す。
（表６）

（比較例）
表７には、特許文献３の実施例１（比較例１とする）および実施例２（比較例２とする）に開示された投射光学系の諸数値と式（１）〜（５）中の値を示す。これら比較例１，２ではいずれも、式（１），（３）および（５）で示した条件が満足されておらず（表７に×でしめす）、式（２）および（４）で示した条件については不明である。
（表７）

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。例えば、光変調素子と光変調素子からの光を被投射面に投射する結像光学系とを有する画像投射装置が、撮像素子と被投射面上の像を撮像素子上に形成する撮影光学系とを有する撮像装置をさらに備えてもよい。

さらに、反射光学系は最も拡大側共役面の側に凸面鏡を備える構成であればよく、各実施例に記載のように反射光学系が凸面鏡のみを備える構成であってもよい。さらに、反射光学系が複数のミラーを備え、複数のミラーのうち最も拡大側共役面の側のミラーが凸面鏡になっている構成であってもよい。

Ｌ 屈折光学系（全系）
Ｌ１ 第１の部分屈折光学系
Ｌ２ 第２の部分屈折光学系
Ｍ 凸面鏡
ＭＭ 中間結像位置

Claims (9)

1. 縮小側共役面から拡大側共役面に向かって順に配置された屈折光学系と反射光学系を有し、
   前記屈折光学系は、該屈折光学系の内部に中間実像を形成し、
   前記反射光学系は、最も前記拡大側共役面の側に設けられた凸面鏡を備えており、
   前記屈折光学系の焦点距離をｆＬ、前記反射光学系の焦点距離をｆＭ、前記屈折光学系のうち前記反射光学系と前記中間実像との間に配置された第１の部分屈折光学系の焦点距離をｆｌ１とし、前記中間実像と前記縮小側共役面との間に配置された第２の部分屈折光学系の焦点距離をｆｌ２とするとき、
   ０．０１≦│ｆＬ／ｆＭ│≦０．５０
   ０．５６≦│ｆｌ１／ｆｌ２│≦０．８
   なる条件を満足することを特徴とする結像光学系。
2. 前記反射光学系は前記凸面鏡から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
3. 前記縮小側共役面上の像と前記中間実像との間の横倍率をβとし、前記中間実像が前記縮小側共役面上の像より大きいときの前記横倍率βをβ＜−１．０とするとき、
   −２．０≦β≦−０．５
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の結像光学系。
4. ０．５６≦│ｆｌ１／ｆｌ２│≦０．６
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の結像光学系。
5. 前記屈折光学系のうち最も前記拡大側共役面の側に配置されたレンズを第１レンズとするとき、前記第１レンズが非球面形状を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の結像光学系。
6. 前記第１レンズの有効径をΦＧ１とし、前記屈折光学系のうち前記第１レンズ以外で最も有効径が大きいレンズの有効径をΦＧｍａｘとするとき、
   ０．２≦ΦＧ１／ΦＧｍａｘ≦２．０
   なる条件を満足することを特徴とする請求項５に記載の結像光学系。
7. 前記反射光学系と前記第１レンズの間隔をＤ、該結像光学系の全長をＴＬとするとき、
   ０．０１≦Ｄ／ＴＬ≦０．３０
   なる条件を満足することを特徴とする請求項５または６に記載の結像光学系。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の結像光学系を有することを特徴とする光学機器。
9. 光を変調する光変調素子と、
   該光変調素子からの光を被投射面に投射する請求項１から７のいずれか一項に記載の結像光学系を有することを特徴とする画像投射装置。