JP7220803B2 - 投射レンズ及び投射装置 - Google Patents

Description

本開示の技術は、投射レンズ及び投射装置に関する。

特許第６３７８４４８号公報に記載の投射装置は、光軸を２回屈曲させることにより、全体としてＵ字形状の光路を有する投射レンズを備えている。投射レンズは、第１光学系と、第２光学系と、第３光学系と、第１ミラーと、第２ミラーとを備えている。第１ミラーは、第１光学系の第１光軸を折り曲げて、第２光学系に向けて光を反射する。第２ミラーは、第２光学系の第２光軸を折り曲げて、第３光学系に向けて光を反射する。

本開示の技術は、広画角であっても、大型化とディストーションの両方を抑制することが可能な投射レンズ及び投射装置を提供する。

本開示の技術に係る投射レンズは、電気光学素子からの光が入射する入射レンズと、最も拡大側に位置し、かつ、投射面に向けて画像を出射する出射レンズとを含む光学系を有する投射レンズであって、入射レンズの入射光軸は、電気光学素子の画面の中心に対して、入射光軸と直交する第１方向にシフトしており、出射レンズの出射光軸の投射面に対する角度である投射角度が９０°未満であり、出射レンズの有効径をＤＥ、出射レンズを含む光学系全体の焦点距離をｆ、光学系全体の半画角をωとした場合において、ωは６０°以上であり、かつ、以下の式（１）で定義されるＰＡの値が、０．１以上７以下である。
ＰＡ＝ＤＥ／（ｆ×ｔａｎω）・・・・（１）

ＰＡの値は、０．５以上７以下であることが好ましい。

ＰＡの値は、１以上５以下であることが好ましい。

投射面は、投射方向に向けて凸型であることが好ましい。

投射面に投射された画像の第１方向において対向する２辺において、各辺の両端を結ぶ直線のうち、長い方の直線の長さをＸＬ、短い方の直線の長さをＸＳとし、ＸＬとＸＳの比であるＸＬ／ＸＳをディストーション比とした場合において、投射角度が９０°の場合のディストーション比をＰＤ１、投射角度が８５°の場合のディストーション比をＰＤ２とした場合に、ＰＤ１及びＰＤ２の値が以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
ＰＤ１＞ＰＤ２・・・・・（２）

さらに、ＰＤ１及びＰＤ２の値が以下の条件式（２－１）を満足することが好ましい。
ＰＤ１－ＰＤ２≧０．０５・・・・（２－１）

さらに、ＰＤ２の値が以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
ＰＤ２≦１．２・・・・・（３）

光軸を折り曲げる反射部を有しており、反射部は、反射部よりも入射側の光軸を出射光軸に向けて折り曲げることが好ましい。

反射部を回転させることにより、出射光軸をチルトさせることが可能であることが好ましい。

電気光学素子の画面の第１方向の長さをＶ１とし、画面の中心位置に対する入射光軸の最大シフト量をＶ２とし、出射レンズと投射面までの投射距離をＬＰとし、ＬＰを無次元化した値をＬＰｎとし、出射レンズを側面視した場合における出射光軸の水平方向に対するチルト角をαとした場合において、以下の式（４）で定義されるＰＳの値が、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。
ＰＳ＝１００×Ｖ２／Ｖ１・・・・・（４）
３５－３．５×ＬＰｎ×α＜ＰＳ＜７０－ＬＰｎ×α・・・・・・（５）

ＰＳが、以下の条件式（５－１）を満足することが好ましい。
４０－２．５×Ｌｎ×α＜ＰＳ＜６０－１．５×Ｌｎ×α・・・・・・（５－１）

本開示の技術に係る投射レンズは、電気光学素子からの光が入射する入射レンズと、最も拡大側に位置し、かつ、投射面に向けて画像を出射する出射レンズとを含む光学系を有する投射レンズであって、入射レンズの入射光軸は、電気光学素子の画面の中心に対して、入射光軸と直交する第１方向にシフトしており、電気光学素子の画面の第１方向の長さをＶ１とし、画面の中心位置に対する入射光軸の最大シフト量をＶ２とし、出射レンズと投射面までの投射距離をＬＰとし、ＬＰを無次元化した値をＬＰｎとし、出射レンズを側面視した場合における出射レンズの出射光軸の水平方向に対するチルト角をαとした場合において、以下の式（４）で定義されるＰＳの値が、以下の条件式（５）を満足する。
ＰＳ＝１００×Ｖ２／Ｖ１・・・・・（４）
３５－３．５×ＬＰｎ×α＜ＰＳ＜７０－ＬＰｎ×α・・・・・・（５）

ＰＳが、以下の条件式（５－１）を満足することが好ましい。
４０－２．５×Ｌｎ×α＜ＰＳ＜６０－１．５×Ｌｎ×α・・・・・・（５－１）

本開示の技術に係る投射レンズは、電気光学素子からの光が入射する入射レンズと、最も拡大側に位置し、かつ、投射面に向けて画像を出射する出射レンズとを含む光学系と、入射レンズ側から入射した光の光軸を折り曲げ、出射レンズ側に光を出射する反射面を有する反射部と、を備え、出射レンズの出射光軸の水平方向に対するチルト角をαとし、水平方向に対する反射面の傾斜角をγとした場合に、以下の条件式（６）を満足する。
γ－４５°＝α／２・・・・・・・（６）

本開示の技術に係る投射装置は、上記特徴を有する投射レンズを備えている。

自動車のダッシュボードに組み込んだ投射レンズから、フロントガラスに画像を投射する様子の一例を示す図である。 投射レンズ及び電気光学ユニットで構成される投射装置の一例を示す図である。 投射レンズの一例の断面図である。 半画角及び投射距離等の説明図である。 投射レンズの投射位置の説明図である。 レンズシフトと画像の投射位置の関係の説明図である。 ディストーションの特性の一例を示す説明図である。 レンズシフトしていない比較例の説明図である。 図８に示す比較例の場合のディストーションの一例を示す説明図である。 実施例１Ａに係る光学系の構成を示す断面図である。 実施例１Ｂに係る光学系の構成を示す断面図である。 実施例に係るレンズシフトの方向を示す説明図である。 実施例２Ａに係る光学系の構成を示す断面図である。 実施例２Ｂに係る光学系の構成を示す断面図である。 実施例３Ａに係る光学系の構成を示す断面図である。 実施例３Ｂに係る光学系の構成を示す断面図である。 比較例に係る光学系の構成を示す断面図である。 実施例及び比較例の歪曲収差図である。 実施例１のディストーションの形態を示す説明図である。 実施例２のディストーションの形態を示す説明図である。 実施例３のディストーションの形態を示す説明図である。 比較例のディストーションの形態を示す説明図である。 第２実施形態の投射レンズの説明図である。 光軸をチルトさせた状態の第２実施形態の投射レンズの説明図である。 第３実施形態の投射レンズの説明図である。 図２５の投射レンズをさらにチルトさせた状態を示す説明図である。 図２６の投射レンズの投射位置を変更した状態を示す説明図である。 Ｖ１及びＶ２の説明図である。 チルト角αの説明図である。 チルト角αとチルト角βの説明図である。 投射レンズの変形例を示す説明図である。

以下、本開示の技術の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、及び「第３」等の用語は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、投射レンズ又は投射装置内に存在する構成要素の数を限定するものではない。

本明細書の説明において、「平行」又は「水平」はそれぞれ、完全な平行又は完全な水平の他に、本開示の技術が属する技術分野で一般的に許容される誤差が含まれる略平行又は略水平を指す。

［第１実施形態］
一例として図１及び図２に示すように、投射レンズ１０は、投射装置１１に組み込まれる。本開示の技術に係る投射装置１１は、一例として輸送機器用であり、輸送機器の一例である自動車１２のダッシュボード１３に設けられる。投射装置１１の内、投射レンズ１０の一部は、例えば、ダッシュボード１３の上部から露出している。投射装置１１は、投射レンズ１０を通じて、一例として、自動車１２のフロントガラス１４に画像１７を投射する。画像１７は、投射レンズ１０によってフロントガラス１４に投影される投影像である。

投射装置１１は、一例として、自動車１２の停車中にフロントガラス１４に画像１７を投射する。また、将来的に自動車１２の自動運転が可能になった場合、投射装置１１は、自動運転中にフロントガラス１４に画像１７を投射してもよい。なお、自動運転とは、自動車の走行に必要となる、アクセル、ブレーキ、方向指示器、及びハンドル１５等の操作が自動車１２に設けられた制御装置（図示省略）により自律的に行われる運転を指す。

投射レンズ１０は、一例として図２に示すように、出射側部分１０Ａと入射側部分１０Ｂとに大別される。本例において、投射レンズ１０は、出射側部分１０Ａが上部に、入射側部分１０Ｂが下部に位置する姿勢でダッシュボード１３に設けられている。出射側部分１０Ａである投射レンズ１０の上部側は、ダッシュボード１３から露出している。また、投射レンズ１０の入射側部分１０Ｂである下部側は、ダッシュボード１３内に収容されている。投射レンズ１０の出射側部分１０Ａは、カバー１６により、覆われている。カバー１６は、例えばダッシュボード１３と同一の素材から成る。

投射レンズ１０の入射側部分１０Ｂにおいて、光が入射する入射側の端部には、電気光学ユニット２０が接続されている。この電気光学ユニット２０と投射レンズ１０とで、投射装置１１を構成する。投射レンズ１０は、電気光学ユニット２０で形成される画像を投射面の一例であるフロントガラス１４に拡大投射する。投射レンズ１０の出射側部分１０Ａの光路の出射端部には、出射レンズＬＥが配されている。出射レンズＬＥは、投射レンズ１０の光学系のうち、最も拡大側に位置し、画像１７をフロントガラス１４（投射面の一例）に向けて出射する。

図２に示すように、投射レンズ１０は、ダッシュボード１３からフロントガラス１４に画像１７を投射するため、投射距離ＬＰ（図４参照）が数十ｃｍ程度である。また、投射レンズ１０は、フロントガラス１４の縦方向及び幅方向に亘って広い範囲に画像１７を投射する。このため、投射レンズ１０には、室内用の一般的な投射装置に用いられる投射レンズに比較して、短焦点かつ広角という光学性能が要求される。

また、図２に示すように、投射レンズ１０によって投射される画像１７の中心１７Ａ（図５及び図６も参照）と出射レンズＬＥの出射光軸（本例では第３光軸Ａ３）とは一致していない。つまり、投射レンズ１０は、後述するレンズシフト機能によって、投射される画像１７の中心１７Ａが、出射光軸（第３光軸Ａ３）よりも上方に位置する、いわゆる打ち上げ方式で画像１７を投射する。投射レンズ１０は、フロントガラス１４上において、出射レンズＬＥの出射光軸（第３光軸Ａ３）の延長線上にある点が、画像１７の下辺１７Ｌと一致するように画像１７を投射する、いわゆるゼロオフセット投射が可能である。画像１７の投射面となるフロントガラス１４は、投射レンズ１０が設置されるダッシュボード１３の上方に延びている。そのため、本例のように打ち上げ方式で画像１７を投射することで、画像１７の下方部分がダッシュボード１３によって遮られてしまうことが抑制される。

電気光学ユニット２０は、投射レンズ１０を通じてフロントガラス１４に投射する画像を形成する。電気光学ユニット２０は、電気光学素子２１、光源２２、及び導光部材（図示省略）等を備えている。光源２２は、電気光学素子２１に光を照射する。導光部材は、光源２２からの光を電気光学素子２１に導光する。

電気光学ユニット２０は、一例として、電気光学素子２１としてＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ：登録商標）を使用した反射型である。ＤＭＤは、光源２２から照射される光の反射方向を変化させることが可能な複数のマイクロミラーを有しており、各マイクロミラーを画素単位で二次元に配列した電気光学素子である。ＤＭＤは、画像に応じて各マイクロミラーの向きを変化させることで、光源２２からの光の反射光のオンオフを切り替えることにより、画像に応じた光変調を行う。電気光学素子２１は、本開示の技術に係る「電気光学素子」の一例である。

光源２２の一例としては、白色光を発する白色光源が挙げられる。白色光源は、一例として、レーザ光源と蛍光体とを組み合わせることで実現される。具体的には、レーザ光源は、蛍光体に対する励起光として青色光を発する。レーザ光源から発せられた青色光によって励起された蛍光体は、黄色光を発する。白色光源は、レーザ光源から発せられる青色光と、蛍光体から発せられる黄色光とを組み合わせることで、白色光を発する。電気光学ユニット２０には、さらに、光源２２が発する白色光を、青色光、緑色光、及び赤色光の各色光に時分割で選択的に変換する回転カラーフィルタが設けられている。青、緑、及び赤の各色光が電気光学素子２１に選択的に照射されることで、青、緑、及び赤の各色の画像情報が担持された画像光が得られる。こうして得られた各色の画像光が、投射レンズ１０に選択的に入射されることで、フロントガラス１４に向けて投射される。各色の画像光は、フロントガラス１４上で統合される。この結果、フロントガラス１４には、有彩色又は無彩色の画像１７が表示される。

投射レンズ１０には、電気光学ユニット２０で形成された画像を表す光束が電気光学ユニット２０から入射される。投射レンズ１０は、入射された光束に基づく画像光を拡大して結像する。これにより、投射レンズ１０は、電気光学ユニット２０で形成された画像の拡大像である画像１７をフロントガラス１４に投射する。

投射レンズ１０は、出射レンズＬＥの出射光軸（本例では第３光軸Ａ３）のフロントガラス１４（投射面の一例）に対する角度である投射角度が９０°未満となるように設置される。図２において、符号ＡＧは投射角度を示し、「ＡＧ＜９０°」は投射角度が９０°未満であること示している。投射角度は、フロントガラス１４が曲面である場合は、フロントガラス１４と出射光軸である第３光軸Ａ３との交点の接線と第３光軸Ａ３との角度である。

一例として図３に示すように、投射レンズ１０は、屈曲光学系を備えている。屈曲光学系は、第１光軸Ａ１、第２光軸Ａ２、及び第３光軸Ａ３を有する。第１光軸Ａ１は、電気光学ユニット２０からの光が通る光軸である。第２光軸Ａ２は、第１光軸Ａ１に対して９０°屈曲した光軸である。第３光軸Ａ３は、第２光軸Ａ２に対して９０°屈曲した光軸である。このため、第１光軸Ａ１及び第３光軸Ａ３は平行である。なお、ここでいう９０°とは、設計上許容される誤差を含む値である。第３光軸Ａ３は、上述したとおり出射光軸ともいう。また、以下において、投射レンズ１０の光軸について、第１光軸Ａ１、第２光軸Ａ２、及び第３光軸Ａ３を区別せずに総称する場合は、光軸Ａと呼ぶ場合がある。

以下の説明では、第１光軸Ａ１及び第３光軸Ａ３と平行な方向をＹ方向、第２光軸Ａ２と平行な方向をＺ方向、Ｙ方向及びＺ方向と直交する方向をＸ方向と表現する。

投射レンズ１０は、第１鏡筒部３０、第２鏡筒部３１、及び第３鏡筒部３２を有する。第１鏡筒部３０は、最も入射側に位置し、第３鏡筒部３２は、最も出射側に位置する。第２鏡筒部３１は、第１鏡筒部３０と第３鏡筒部３２の間に位置する。各鏡筒部３０～３２は、それぞれレンズを保持している。第１鏡筒部３０に保持されているレンズは第１光軸Ａ１上に配置されている。また、第２鏡筒部３１に保持されているレンズは第２光軸Ａ２上に配置されている。さらに、第３鏡筒部３２に保持されているレンズは第３光軸Ａ３上に配置されている。

第１鏡筒部３０の中心軸は第１光軸Ａ１と略一致している。また、第２鏡筒部３１の中心軸は第２光軸Ａ２と略一致している。さらに、第３鏡筒部３２の中心軸は第３光軸Ａ３と略一致している。なお、図３では、説明を簡略化するため、複数枚のレンズを省略して１枚のレンズのように表現している場合がある。

第１鏡筒部３０は、第１光学系Ｌ１を保持する。第１光学系Ｌ１は、一例として、レンズＬ１１、レンズＬ１２、レンズＬ１３、レンズＬ１４、補正レンズＬＣ、及びレンズＬ１５で構成され、第１光軸Ａ１に沿って配置される。第１光学系Ｌ１は、電気光学素子２１で形成する光学像の中間像ＭＩを結像する。また、レンズＬ１３とレンズＬ１４との間には、固定絞り３３が設けられている。固定絞り３３は、電気光学ユニット２０から入射した光束を絞る。

第１光学系Ｌ１のレンズＬ１１は、電気光学素子の一例である電気光学素子２１からの光が入射する入射レンズであり、レンズＬ１１の光軸である第１光軸Ａ１は、入射光軸の一例である。

レンズＬ１１、レンズＬ１２、レンズＬ１３、補正レンズＬＣ、及びレンズＬ１５は、保持枠３７等の保持枠に保持されている。レンズＬ１１及びレンズＬ１２は、一例としてズームレンズ群を構成する。

補正レンズＬＣは、主として、像面湾曲収差といった収差を補正する機能を担うレンズである。補正レンズＬＣは、収差補正に有利な非球面レンズである。

一方、補正レンズＬＣ以外の第１光学系Ｌ１を構成するレンズは、本実施形態においては全てガラスで形成されている。投射レンズ１０が配置されるダッシュボード１３はフロントガラス１４を通じて直射日光を受けるため、投射レンズ１０は１２０℃程度の高温環境に晒される場合がある。このように投射レンズ１０は高温環境下で使用されるため、耐熱性を考えれば、樹脂よりもガラスでレンズを形成するほうが好ましい。

また、投射レンズ１０にはレンズシフト機構２５が設けられている。第１鏡筒部３０の入射端部は、レンズシフト機構２５に取り付けられる。レンズシフト機構２５は、投射レンズ１０を、電気光学素子２１に対して、入射光軸である第１光軸Ａ１に直交する方向にシフトさせる。具体的には、電気光学素子２１の画面と平行なＸ方向及びＺ方向のＸ－Ｚ平面内において、投射レンズ１０を電気光学素子２１に対してシフトさせる。電気光学素子２１に対して、投射レンズ１０を、Ｘ－Ｚ平面内でシフトさせることにより、画像１７の投射位置をシフトさせることができる。レンズシフト機構２５は、例えば、ソレノイドなどのアクチュエータによって電動で動作する。

第２鏡筒部３１は、第２光学系Ｌ２を保持する。第２光学系Ｌ２は、一例として、レンズＬ２１及びレンズＬ２２で構成され、第２光軸Ａ２に沿って配置される。レンズＬ２１及びレンズＬ２２は、ガラスで形成されている。本実施形態において、第２光学系Ｌ２は、リレーレンズとして機能する。具体的には、第２光学系Ｌ２は、第１光学系Ｌ１により結像された中間像ＭＩを被写体として、中間像ＭＩを表す光束を第３鏡筒部３２に中継する。

また、第２光学系Ｌ２の入射側には、第１ミラー３８が配置されており、第２光学系Ｌ２の出射側には第３光学系Ｌ３が配置されている。第１ミラー３８及び第２ミラー３９は、それぞれ、屈曲光学系を構成する光学素子の１つであり、光軸を屈曲させる。第１ミラー３８は、第１光軸Ａ１の光を反射させて第２光軸Ａ２の光とする。第２ミラー３９は、第２光軸Ａ２の光を反射させて第３光軸Ａ３の光とする。第１ミラー３８及び第２ミラー３９は、反射面によって光軸Ａを折り曲げる反射部の一例である。

第１鏡筒部３０と第２鏡筒部３１との間には、第１ミラー３８を収容する第１ミラー収容部４６が設けられている。また、第３鏡筒部３２の後端部は、第２ミラー３９を収容する第２ミラー収容部４７を構成している。第２ミラー収容部４７と第２鏡筒部３１の境界は、可撓性を有する遮光部材４８が設けられている。遮光部材４８は、投射レンズ１０内への外光の進入及び投射レンズ１０内からの漏光を防止する。

第１ミラー収容部４６において、第１ミラー３８は、第１光軸Ａ１及び第２光軸Ａ２のそれぞれに対して反射面３８Ａが４５°の角度をなす姿勢で保持される。同様に、第２ミラー３９は、第２光軸Ａ２及び第３光軸Ａ３のそれぞれに対して反射面３９Ａが４５°の角度をなす姿勢で保持される。第１ミラー３８及び第２ミラー３９は、ガラス等の透明部材に反射膜をコーティングした鏡面反射型のミラーである。なお、第１ミラー３８及び第２ミラー３９は、光を全反射させるプリズムを用いたミラーであってもよい。

第３鏡筒部３２は、第３光学系Ｌ３を保持する。第３光学系Ｌ３は、第２ミラー３９によって反射された光を投射レンズ１０の外部に出射する出射光学系である。第３鏡筒部３２は、レンズＬ３１、レンズＬ３２、レンズＬ３３、レンズＬ３４、及び出射レンズＬＥで構成され、第３光軸Ａ３に沿って配置される。

レンズＬ３１及びレンズＬ３２は、保持枠４１に保持されている。レンズＬ３１及びレンズＬ３２は、一例としてフォーカスレンズ群を構成する。レンズＬ３３及びレンズＬ３４は、保持枠４１に保持されている。出射レンズＬＥは、出射レンズ保持枠４２に保持されている。

投射レンズ１０は、上述のように、短焦点かつ広角という光学性能が要求される。このため、レンズＬ３３及びレンズＬ３４は、投射する画像１７を拡大させるために負の屈折力を有しており、光束を発散させる。ここで、広角とは、半画角で６０°以上の画角をいう。

投射レンズ１０は、広い画角を確保するために、レンズＬ３３及びレンズＬ３４は高い屈折力を有する。高い屈折力を確保するために、レンズＬ３３及びレンズＬ３４は、一例としてガラス製の球面レンズであり、また、重量増を抑制するために、比較的小径のレンズが使用される。

一方、出射レンズＬＥは、第３光学系Ｌ３において、主として収差を補正する機能を担っており、複雑な形状をしている。出射レンズＬＥは、球面レンズと比べて収差補正に有利な非球面レンズであり、一例として樹脂で形成されている。

図４において、光学系Ｌ０は、投射レンズ１０の第１光学系Ｌ１、第２光学系Ｌ２及び第３光学系Ｌ３を含む光学系全体を模式的に示した一枚のレンズである。符号ＭＰは光学系Ｌ０の主点であり、符号ｆは光学系Ｌ０の焦点距離、Ｙｈは像高を示す。また、符号ＬＰは、投射距離であり、光学系Ｌ０において最も拡大側の出射レンズＬＥから投射面（本例ではフロントガラス１４）までの光軸方向の距離である。

光学系Ｌ０への光の入射角をθとすると、Ｙｈ＝ｆ×ｔａｎθの関係が成り立つ。光学系Ｌ０の最大画角の半画角をωとすると、Ｙｈ＝ｆ×ｔａｎωとなる。像高Ｙｈは、イメージサークル４０（図６参照）の大きさを決めるファクタである。イメージサークル４０は、光学系Ｌ０を通った光が結像する円形の範囲である。像高Ｙｈが大きいほどイメージサークル４０は大きく、像高Ｙｈが小さいほどイメージサークル４０は小さい。投射レンズ１０の場合は、イメージサークル４０の大きさは、電気光学素子２１の画面サイズに関係し、イメージサークル４０は、電気光学素子２１が収まる大きさを有することが必要である。

投射レンズ１０は、出射レンズＬＥの有効径をＤＥ、出射レンズＬＥを含む光学系全体、すなわち光学系Ｌ０の焦点距離をｆ、半画角をωとした場合において、ωは６０°以上であり、かつ、以下の式（１）で定義されるＰＡの値が、０．１以上７以下の範囲である。
ＰＡ＝ＤＥ／（ｆ×ｔａｎω）・・・・（１）

ＰＡは、出射レンズＬＥの有効径ＤＥと光学系Ｌ０の像高Ｙｈ（＝ｆ×ｔａｎω）の比である。

なお、式（１）において、焦点距離ｆは、光学系Ｌ０にズームレンズが含まれる場合は最も広角側（すなわちワイド側）の焦点距離である。また、半画角ωも最も広角側（すなわちワイド側）の最大画角の１／２である。

図５及び図６に示すように、投射レンズ１０は、レンズシフト機構２５によってＺ方向にシフトされている。これにより、入射光軸である第１光軸Ａ１が、電気光学素子２１の画面の中心位置２１Ａに対して、上方にシフトしている。その結果、上述したとおり、投射される画像１７の中心１７Ａが、出射光軸（本例では第３光軸Ａ３）よりも上方に位置する、いわゆる打ち上げ方式で画像１７が投射される。符号２１Ｅは、第１光軸Ａ１と電気光学素子２１の画面の交点であり、符号１７Ｅは、出射光軸（本例では第３光軸Ａ３）と画像１７との交点である。Ｚ方向は電気光学素子２１の天地方向（すなわち上下方向）であり、「第１方向」の一例である。

図７は、投射レンズ１０のディストーションの特性の一例を示す説明図である。図７に示すように、投射レンズ１０は、投射角度が９０°の場合に、画像１７に糸巻き型のディストーションが生じる特性を有している。糸巻き型のディストーションとは、画像１７の各辺の中央が画像１７の中心１７Ａに向かって凹み、相対的に各頂点が外側に張り出す形状のディストーションである。図７Ａは、投射角度が９０°の場合に画像１７に対して生じるディストーションを示し、図７Ｂは、投射角度が９０°未満、具体的には８５°の場合に画像１７に対して生じるディストーションを示す。

投射角度が９０°の図７Ａにおいて顕著なように、画像１７の天地方向（本例ではＺ方向）において対向する上辺１７Ｕと下辺１７Ｌとを比較すると、上辺１７Ｕが長く、下辺１７Ｌが短い。これは、図５及び図６に示したように、投射レンズ１０が電気光学素子２１の画面の中心位置２１Ａに対してシフトしていることに起因する。

比較例として示す図８は、投射レンズ１０がシフトしていない場合、すなわち、電気光学素子２１の画面の中心位置２１Ａと入射光軸である第１光軸Ａ１とが一致している例である。図８の投射角度は９０°である。図８に示す例では、出射光軸（本例では第３光軸Ａ３）と画像１７の中心１７Ａも一致する。この場合は、図９に示すように、画像１７のディストーションは、天地左右がそれぞれ対称になるように発生する。これは、投射レンズ１０のイメージサークル４０の中心と電気光学素子２１の画面の中心位置２１Ａとが一致するためである。

これに対して、図５及び図６に示すように、画像１７の天地方向（本例ではＺ方向）に投射レンズ１０をシフトさせると、イメージサークル４０と電気光学素子２１の画面の中心位置２１Ａとが相対的にＺ方向にずれる。そのため、画像１７の中心１７Ａも出射光軸（本例では第３光軸Ａ３）と一致しないため、図７Ａに示すように、画像１７の天地方向において非対称な形でディストーションが現れることになる。

投射レンズ１０において、投射角度が９０°の場合に図７Ａに示すようなディストーションが発生するが、図７Ａに示すディストーションは、図７Ｂに示すように、投射角度を９０°未満にすることで低減される。投射角度を９０°未満にすると、図２等に示すように、投射面（本例ではフロントガラス１４）は、出射光軸（本例では第３光軸Ａ３）に対して傾斜する。具体的には、投射面は、画像１７の下辺１７Ｌ側の投射位置よりも、画像１７の上辺１７Ｕ側の投射位置が出射レンズＬＥに近づく方向に傾く。下辺１７Ｌ側の投射位置よりも上辺１７Ｕ側の投射位置が出射レンズＬＥに近づくと、画像１７の上辺１７Ｕの拡大率は、下辺１７Ｌの拡大率よりも小さくなる。これにより、図７Ｂにおいては、図７Ａと比較して、画像１７の上辺１７Ｕと下辺１７Ｌの長さの差が縮小する。

ここで、ディストーションの大きさを示す指標として、ディストーション比ＰＤを用いる。ディストーション比ＰＤとは、画像１７の天地方向に対向する２辺である、上辺１７Ｕ及び下辺１７Ｌのそれぞれの両端を結ぶ直線の長さの比である。上辺１７Ｕに対応する直線と下辺１７Ｌに対応する直線のうち、長い方の直線の長さをＸＬ、短い方の直線の長さをＸＳとした場合、ディストーション比ＰＤは、ＸＬ／ＸＳで定義される。つまり、画像１７の上辺１７Ｕと下辺１７Ｌの長さの比が大きいほど、ディストーション比ＰＤは大きくなり、ディストーションは大きいと評価される。反対に、ディストーション比ＰＤが小さいほど、ディストーションは小さいと評価される。

本例の投射レンズ１０は、投射角度が９０°の場合よりも、投射角度が９０°未満の方が、ディストーション比ＰＤが小さくなる特性を有している。

一例として、投射レンズ１０は、投射角度が９０°の場合のディストーション比ＰＤをＰＤ１、投射角度が８５°の場合のディストーション比ＰＤをＰＤ２とした場合に、ＰＤ１及びＰＤ２の値が以下の条件式（２）を満足するようなディストーションの特性を有している。
ＰＤ１＞ＰＤ２・・・・・（２）

すなわち、投射レンズ１０は、投射角度が９０°の場合のディストーション比ＰＤ１が相対的に大きく、投射角度を８５°（９０°未満の角度の一例）にすると、ディストーション比ＰＤ２が相対的に小さくなる特性を有している。

本開示の技術に係る投射レンズ１０は、出射レンズＬＥの有効径ＤＥが、半画角ωにおける像高Ｙｈの７倍以下になっている。すなわち、上記式（１）のＰＡを上限値以下にすることで、投射レンズ１０の大径化が抑制される。その一方で、投射角度を９０°未満とすることで、ディストーションが抑制される。

ディストーションは、一般に、レンズの屈折力が大きいほど大きくなる。画角を広げようとする場合において、出射レンズＬＥを含む投射レンズ１０を大径化する方法は、ディストーションを抑制する観点からは有効な方法である。投射レンズ１０を大径化すれば、画角を広げるための屈折力を抑制しつつ、広画角化を達成できるためである。

逆に言えば、出射レンズＬＥを大径化せずに広画角化を図ろうとすると、光学系Ｌ０において、画角を広げるための負の屈折力を大きくする必要があるが、屈折力を大きくすると、ディストーションが増大する。

しかし、投射レンズ１０の小型化は、投射レンズ１０の設置スペースの制約など実用上の課題を考慮すると無視できない問題であり、ディストーションの抑制のみを目的として無制約に投射レンズ１０を大径化することはできない。

そこで、本開示の投射レンズ１０は、投射角度が９０°の場合のディストーションの抑制をある程度犠牲にしている。そして、投射レンズ１０は、大径化を抑制する一方、投射角度を９０°未満にする方法によって、ディストーションを抑制する。図７に示したように、投射角度が９０°の場合に発生するディストーションの態様によっては、投射角度を９０°未満にすることで、ディストーションを低減できる場合がある。本開示の投射レンズ１０は、こうした手法を用いることにより、ディストーションの抑制を図っている。このように、本開示の技術によれば、広画角であっても、大型化とディストーションの両方を抑制することが可能な投射レンズ１０を提供することができる。

なお、投射角度は、より詳細には、図２等に示したように、出射光軸（本例では第３光軸Ａ３）をチルト方向に回転させた場合、すなわち、出射光軸の縮小側を基点として、投射する画像１７の天地方向（本例ではＺ方向）に出射光軸の拡大側の位置を変化させた場合に変化する角度である。出射光軸をチルトさせることによって変化する投射角度を９０°未満とすることで、画像１７の上辺１７Ｕの長さと下辺１７Ｌの長さとの差として現れるディストーションを低減することができる。

また、式（１）のＰＡの下限値を０．１以上とすることで、電気光学素子２１に必要なイメージサークル４０の最低限の大きさを確保している。また、出射レンズＬＥの有効径ＤＥを像高Ｙｈの７倍まで許容することで、イメージサークル４０のある程度の大径化が許容される。これにより、レンズシフトのシフト量について必要な量を確保することができる。また、ＰＡの上限値が７を超えた場合は、ディストーションを低減する観点でオーバースペックとなり、出射レンズＬＥを含めた投射レンズ１０の大型化を招いてしまう。

また、上記式（１）においてＰＡの好ましい範囲は０．５以上７以下であり、下限は１以上がさらに好ましく、上限は５以下がさらに好ましい。ＰＡの値は、下限値が０．５未満の場合は、有効径ＤＥが小さいまま、画角を大きくしなければならないため、レンズの屈折力を大きくしなければならず、ディストーションが大きくなりすぎてしまう。ディストーションが大きすぎると、投射角度を９０°未満にしても補正が困難な場合がある。また、ＰＡを１以上とすることで、下限値を０．５とする場合と比べて、ディストーションを低減することができる。また、ＰＡの値を５以下にすることで、必要なイメージサークル４０の大きさを確保しつつ、投射レンズ１０の大型化をより抑制することができる。

また、投射レンズ１０のディストーションは、図７に示したように、糸巻き型である。そのため、本開示の技術は、投射面が、画像１７の投射方向に向けて凸型である場合に特に有効である。本例の投射面はフロントガラス１４であるが、フロントガラス１４は、ダッシュボード１３に投射レンズ１０を設置した場合は、画像１７の投射方向に向けて凸型の投射面となる。そのため、糸巻き型のディストーションが発生している画像１７は、投射方向に向けて凸型のフロントガラス１４に投射されることで、画像１７の外縁が外側に膨らむように拡大されることになる。その結果、ディストーションが低減される。このように、投射方向に向けて凸型の投射面は、糸巻き型のディストーションが発生する画像１７に対して有効である。

また、ディストーション比ＰＤについて、上記条件式（２）を満足することで、投射角度を８５°にした場合に、ディストーションを低減することができる。

また、投射角度が９０°の場合のディストーション比ＰＤ１と、投射角度が８５°の場合のディストーション比ＰＤ２について、上記条件式（２）に加えて、さらに、以下の条件式（２－１）を満足することが好ましい。
ＰＤ１－ＰＤ２≧０．０５・・・・（２－１）

ＰＤ１とＰＤ２の差は、投射角度を９０°から８５°にするとによって、ディストーションがどの程度解消されたかを示す指標であり、ここでは、ＰＤ１とＰＤ２の差をディストーションの解消度と呼ぶ。ディストーションの解消度が大きいほど、ディストーションの低減効果が高いと評価される。ＰＤ１とＰＤ２の差が０．０５以上あり、条件式（２－１）を満足する場合は、投射角度を８５°にすることによるディストーション低減効果を期待することができる。

また、投射角度が８５°の場合のディストーション比ＰＤ２について、上記条件式（２）に加えて、さらに、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
ＰＤ２≦１．２・・・・・（３）

条件式（３）を満足する場合は、上辺１７Ｕと下辺１７Ｌとの差が十分に小さくなるため、より顕著なディストーション低減効果が得られる。

また、投射レンズ１０の第２ミラー３９は、第２ミラー３９よりも入射側の第２光軸Ａ２を出射光軸である第３光軸Ａ３に向けて折り曲げる反射部の一例である。こうした反射部としての第２ミラー３９を備えていることで、光軸を折り曲げない投射レンズと比較して、投射レンズ１０の全長を短縮することができる。これにより、投射レンズ１０を小型化することができる。

次に、本開示の技術に係る投射レンズ１０の数値実施例について説明する。

［実施例１]
図１０及び図１１に実施例１の投射レンズ１０の光学系の構成を示す断面図を示す。図１０に示す実施例１Ａは、光軸を折り曲げない光学系であり、図１１に示す実施例１Ｂは、図１０に示す実施例１Ａと同じ構成の光学系を、図３等において示したように第１ミラー３８及び第２ミラー３９で２回折り曲げた屈曲光学系である。実施例１Ａ及び実施例１Ｂは、どちらも、入射側から順に、第１光学系Ｌ１、第２光学系Ｌ２、及び第３光学系Ｌ３を備えている。実施例１Ａ及び実施例１Ｂは、開口絞りＳｔを備えており、また、第１光学系Ｌ１によって、第２光学系Ｌ２の前で中間像ＭＩを結像する。

また、図１０及び図１１に示すように、実施例１Ａ及び実施例１Ｂは、どちらも、レンズシフトにより、光軸よりも投射する画像１７の中心１７Ａが上方に位置する打ち上げ式で投射する。

図１２は、実施例１Ａ及び実施例１Ｂのそれぞれのレンズシフトの方向を示す。図１２Ａは図１０に示す実施例１Ａのレンズシフトの状態を示す。実施例１Ａは、イメージサークル４０の中心４０Ａよりも上方に、電気光学素子２１の全体が位置するようにレンズシフトが行われる。図１２Ｂは図１１に示す実施例１Ｂのレンズシフトの状態を示す。実施例１Ｂは、イメージサークル４０の中心４０Ａよりも下方に、電気光学素子２１の全体が位置するようにレンズシフトが行われる。

また、数値実施例の計算条件として、電気光学素子２１の画面は横長であり、画面サイズは、天地方向（すなわち縦方向）の短辺が８．１６５［ｍｍ］、横方向の長辺が１４．５１５［ｍｍ］である。イメージサークル４０の直径は２４［ｍｍ］である。電気光学素子２１の画面サイズ及びイメージサークル４０の直径は、以下に示す実施例１、実施例２、実施例３及び比較例においても同様である。

図１０及び図１１の光線図を見ればわかるとおり、実施例１Ａ及び実施例１Ｂのどちらも、投射する画像１７の投射位置のシフト方向は上方で同じである。図１２に示すように、電気光学素子２１に対するレンズシフトの方向が異なるのは、第１ミラー３８及び第２ミラー３９の有無などによる。

以下の実施例１のレンズデータは、実施例１Ａに基づくものであるが、実施例１Ａと実施例１Ｂの相違点は、第１ミラー３８及び第２ミラー３９の有無のみであるため、実施例１Ｂについても同様である。

実施例１の光学系の基本レンズデータを表１に、諸元に関するデータを表２に、非球面係数に関するデータを表３及び表４に示す。以下では、表中の記号の意味について、実施例１のものを例にとり説明するが、実施例２、実施例３及び比較例についても基本的に同様である。

表１に示したレンズデータにおいて、Ｓｉの欄には、最も拡大側の光学要素の拡大側の面を１番目として、縮小側に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目の面の番号を示している。近軸曲率半径Ｒｉの欄には、拡大側からｉ番目の面の近軸曲率半径の値（ｍｍ（ミリメートル））を示す。面間隔Ｄｉの欄についても、同様に拡大側からｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓｉ＋１との光軸Ａ上の間隔（ｍｍ（ミリメートル））を示す。Ｎｄｊの欄には、拡大側からｊ番目の光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ（ナノメートル））に対する屈折率の値を示す。νｄｊの欄には、拡大側からｊ番目の光学要素のｄ線に対するアッベ数の値を示す。なお、曲率半径の符号は、面形状が拡大側に凸の場合を正、縮小側に凸の場合を負としている。表１には、開口絞りＳｔと光学部材ＰＰも含めて示しており、開口絞りＳｔに相当する面の面番号の欄には面番号とともに（Ｓｔ）という語句を記載している。

表２の諸元に関するデータに、全系の焦点距離の絶対値｜ｆ｜、全系のバックフォーカスＢｆ、Ｆナンバー、全画角２ωの値を示す。なお、表２等この明細書において、ＦＮｏ．は、Ｆナンバーを意味する。なお、このバックフォーカスＢｆは空気換算した値を表している。

表１のレンズデータでは、非球面の面番号に＊印を付しており、非球面の曲率半径として近軸の曲率半径の数値を示している。表３及び表４の非球面係数に関するデータには、非球面の面番号と、これら非球面に関する非球面係数を示す。表３及び表４の非球面係数の数値の「Ｅ±ｎ」（ｎ：整数）は「×１０^±ｎ」を意味する。非球面係数は、下記式で表される非球面式における各係数ＫＡ、Ａｍ（ｍは、３以上の整数で面毎に異なる）の値である。
Ｚｄ＝Ｃ・ｈ^２／｛１＋（１－ＫＡ・Ｃ^２・ｈ^２）^１/２｝＋ΣＡｍ・ｈ^ｍ
ただし、
Ｚｄ：非球面深さ（高さｈの非球面上の点から、非球面頂点が接する光軸に垂直な平面に下ろした垂線の長さ）
ｈ：高さ（光軸からの距離）
Ｃ：近軸曲率半径の逆数
ＫＡ、Ａｍ：非球面係数（ｍは、３以上の整数で面毎に異なる）
であり、非球面深さＺｄにおけるΣはｍに関する総和を意味する。

レンズデータおよび諸元に関するデータにおいて、角度の単位としては度（°）を用い、長さの単位としてはｍｍ（ミリメートル）を用いているが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても使用可能なため他の適当な単位を用いることもできる。

［実施例２］
次に、実施例２の光学系について説明する。実施例２の光学系の構成を示す断面図を図１３及び図１４に示す。なお、図１３以下の各実施例の図示方法については、上述した図１０及び図１１と同様であるため、説明を省略する。

図１３に示す実施例２Ａは、光軸を折り曲げない場合の光学系であり、図１４に示す実施例２Ｂは、図１３に示す実施例２Ａと同じ構成の光学系を、図３等において示したように第１ミラー３８及び第２ミラー３９で２回折り曲げた屈曲光学系である。実施例２Ａ及び実施例２Ｂは、どちらも、入射側から順に、第１光学系Ｌ１、第２光学系Ｌ２、及び第３光学系Ｌ３を備えている。実施例２Ａ及び実施例２Ｂは、開口絞りＳｔを備えており、また、第１光学系Ｌ１によって、第２光学系Ｌ２の前で中間像ＭＩを結像する。実施例２Ａ及び実施例２Ｂのこうした基本的な構成は、図１０及び図１１に示す実施例１Ａ及び実施例１Ｂと同様である。

また、図１３及び図１４に示すように、実施例２Ａ及び実施例２Ｂは、どちらも、図１２に示したレンズシフトが行われることにより、投射する画像１７の中心１７Ａが光軸よりも上方に位置する打ち上げ式で投射する。また、この点についても図１０及び図１１に示す実施例１Ａ及び実施例１Ｂと同様である。

また、実施例２の光学系の基本レンズデータを表５に、諸元に関するデータを表６に、非球面係数に関するデータを表７及び表８に示す。

以下の実施例２のレンズデータは、実施例２Ａに基づくものであるが、実施例２Ａと実施例２Ｂの相違点は、第１ミラー３８及び第２ミラー３９の有無のみであるため、実施例２Ｂについても同様である。

［実施例３］
次に、実施例３の光学系について説明する。実施例３の光学系の構成を示す断面図を図１５及び図１６に示す。

図１５に示す実施例３Ａは、光軸を折り曲げない場合の光学系であり、図１６に示す実施例３Ｂは、図１５に示す実施例３Ａと同じ構成の光学系を、図３等において示したように第１ミラー３８及び第２ミラー３９で２回折り曲げた屈曲光学系である。実施例３Ａ及び実施例３Ｂは、どちらも、入射側から順に、第１光学系Ｌ１、第２光学系Ｌ２、及び第３光学系Ｌ３を備えている。実施例３Ａ及び実施例３Ｂは、開口絞りＳｔを備えており、また、第１光学系Ｌ１によって、第２光学系Ｌ２の前で中間像ＭＩを結像する。実施例３Ａ及び実施例３Ｂのこうした基本的な構成は、図１０及び図１１に示す実施例１Ａ及び実施例１Ｂと同様である。

また、図１５及び図１６に示すように、実施例３Ａ及び実施例３Ｂは、どちらも、図１２に示すようにレンズシフトが行われることにより、光軸よりも投射する画像１７の中心１７Ａが上方に位置する打ち上げ式で投射する。この点についても図１０及び図１１に示す実施例１Ａ及び実施例１Ｂと同様である。

また、実施例３の光学系の基本レンズデータを表９に、諸元に関するデータを表１０に、非球面係数に関するデータを表１１及び表１２に示す。

以下の実施例３のレンズデータは、実施例３Ａに基づくものであるが、実施例３Ａと実施例３Ｂの相違点は、第１ミラー３８及び第２ミラー３９の有無のみであるため、実施例３Ｂについても同様である。

［比較例］
次に、比較例の光学系について説明する。比較例の光学系の構成を示す断面図を図１７に示す。

図１７に示す比較例は、光軸を折り曲げない場合の光学系である。比較例は、入射側から順に、第１光学系Ｌ１、第２光学系Ｌ２、及び第３光学系Ｌ３を備えている。比較例は、開口絞りＳｔを備えており、また、第１光学系Ｌ１によって、第２光学系Ｌ２の前で中間像ＭＩを結像する。比較例のこうした基本的な構成は、図１０に示す実施例１Ａと同様である。しかし、上記各実施例と異なり、比較例は、レンズシフトは行われない。

比較例の光学系の基本レンズデータを表１３に、諸元に関するデータを表１４に、非球面係数に関するデータを表１５及び表１６に示す。

下記表１７は、各実施例１から実施例３及び比較例における、上記式（１）のＰＡの値をまとめた表である。

表１７に示すとおり、実施例１から実施例３は、式（１）で定義されるＰＡの値が０．１以上７以下の範囲にある。そのため、比較例と比較して、出射レンズＬＥを含む光学系Ｌ０の大径化が抑制される。また、実施例１から実施例３は、ＰＡの値が１以上であるため、ディストーションが大きくなりすぎることが抑制される。また、実施例１から実施例３は、ＰＡの値が５以下であるため、必要なイメージサークル４０の大きさを確保しつつ、投射レンズ１０の大型化がより抑制される。

図１８は、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例のそれぞれの光学系の歪曲収差図を示す。図１８において、距離（すなわち物体距離）を０．６９５ｍ（メートル）とした場合の収差図を示す。図１８において、ｄ線における収差を実線で示す。図１８Ａは実施例１、図１８Ｂは実施例２、図１８Ｃは実施例３、図１８Ｄは比較例にそれぞれ対応する。

図１９から図２２は、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例のそれぞれの光学系において投射した画像１７に生じるディストーションの形態を示す。実施例１、実施例２、及び実施例３のディストーションは、すべて糸巻き型である。

図１９は、実施例１のディストーションの形態を示す。図１９Ａは、投射角度が９０°の例であり、図１９Ｂは、投射角度が８５°の例である。図１９Ａ及び図１９Ｂのいずれも投射面を平面とした場合のシミュレーション結果である。図７においても示したとおり、ＸＬは、画像１７の天地方向において対向する上辺１７Ｕと下辺１７Ｌのそれぞれの両端を結ぶ直線のうち、長い方の直線の長さであり、ＸＳは、短い方の直線の長さである。ＸＬ及びＸＳの意味は、図２０以下の実施例２、実施例３及び比較例についても同様である。

図２０は、実施例２のディストーションの形態を示す。図２０Ａは、投射角度が９０°の例であり、図２０Ｂは、投射角度が８５°の例である。図２０Ａ及び図２０Ｂのいずれも投射面を平面として計算している。

図２１は、実施例３のディストーションの形態を示す。図２１Ａは、投射角度が９０°の例であり、図２１Ｂは、投射角度が８５°の例である。図２１Ａ及び図２１Ｂのいずれも投射面を平面としたシミュレーション結果である。一方、図２１Ｃは、図２１Ｂと同様に、投射角度が８５°の例であるが、投射面を曲面としたシミュレーション結果である。具体的には、投射面として、半径Ｒが１００００［ｍ（メートル）］の曲面であって、投射方向に向けて凸型の曲面を設定した例である。

図１に示したように、フロントガラス１４は車内側から車外側に向かって凸型をしている場合が多い。ダッシュボード１３に投射レンズ１０を設置し、車内側からフロントガラス１４に画像１７を投射する場合は、フロントガラス１４の車内側の面である投射面は、投射方向に向けて凸型の曲面となる。図２１Ｃは、こうした投射面を想定した例である。

図２２は、比較例のディストーションの形態を示す。図２２Ａは、投射角度が９０°の例であり、図２２Ｂは、投射角度が８５°の例である。図２２Ａ及び図２２Ｂのいずれも投射面を平面としたシミュレーション結果である。

図１９から図２２に示す各実施例及び比較例のディストーション比ＰＤをまとめた比較表を表１８に示す。

図２２に示す比較例は、投射角度が９０°の場合において、画像１７の上辺１７Ｕ側の直線の長さであるＸＬと、下辺１７Ｌ側の直線の長さであるＸＳとがほぼ同じである。すなわち、比較例では、投射角度が９０°の場合は画像１７がほぼ矩形になっており、ディストーションが抑制されている。そのため、投射角度８５°にすると、上辺１７Ｕ側と下辺１７Ｌ側のＸＳとＸＬの差が大きくなり、ディストーションが発生したような状態になる。

対して、図１９から図２１に示す実施例１から実施例３はいずれも、投射角度が９０°の場合において、比較例と比較してＸＬとＸＳの差が大きく、ディストーションが発生している。投射角度が８５°になると、ＸＬとＸＳの差が縮小して、ディストーションが低減する。

より詳細にみると、実施例１から実施例３は、画像１７の上辺１７Ｕ側がＸＬ、下辺１７Ｌ側がＸＳである。そして、投射角度を８５°にすると、実施例３を除いて、実施例１及び実施例２においてはＸＬとＸＳが逆転し、上辺１７Ｕ側がＸＳとなり、下辺１７Ｌ側がＸＬとなる。

また、実施例１から実施例３はいずれも、投射角度が８５°のディストーション比ＰＤ２は、投射角度が９０°のディストーション比ＰＤ１よりも小さい。すなわち、各実施例１から実施例３は、上記条件式（２）を満足するディストーションの特性を有している。

また、実施例１から実施例３はいずれも、ＰＤ１とＰＤ２の差によって示されるディストーションの解消度は０．０５以上であり、上記条件式（２－１）を満足している。そのため、実施例１から実施例３は比較例と比較して、投射角度を８５°にすることによる、ディストーションの低減効果が大きい。

そして、実施例１から実施例３はいずれも、投射角度が８５°の場合のディストーション比ＰＤ２の値は、１．２以下であり、上記条件式（３）を満足している。そのため、実施例１から実施例３は、投射角度が８５°とした場合においてディストーションが比較的少ない画像１７を投射することができる。なお、ＰＤ２の値は、実施例１及び実施例２のように、１．１以下であることがより好ましい。なお、実施例３も、投射面が曲面である場合には、ＰＤ２の値を１．１以下とすることができる。

［第２実施形態］
図２３及び図２４に示す第２実施形態の投射レンズ１０は、第３鏡筒部３２を第２鏡筒部３１に対して回転させることにより、出射光軸（本例では第３光軸Ａ３）をチルトさせるチルト機能を備えている。第２実施形態の投射レンズ１０は、チルト機能によって、投射面に対する投射レンズ１０のチルト角を変更することが可能である。これにより、投射装置１１全体の設置姿勢を変更することなく、投射レンズ１０の投射面に対する投射角度を変更することが可能である。

チルト機能は、一例として、第２光軸Ａ２と出射光軸（本例では第３光軸Ａ３）の交点を通り、Ｘ方向に延びる回転軸ＲＯを回転中心として、第３鏡筒部３２及び反射部の一例である第２ミラー３９を回転させることにより実現される。具体的には、第３光学系Ｌ３を保持する第３鏡筒部３２、及び第２ミラー３９を保持するミラー保持部５０は、回転軸ＲＯに回転可能に支持されている。

投射レンズ１０には、例えば、ミラー保持部５０が第３鏡筒部３２の回転に連動して回転する回転機構が設けられている。これにより、第３鏡筒部３２を回転させると、ミラー保持部５０も連動して回転する。ミラー保持部５０の回転角度は第３鏡筒部３２の回転角度の１／２に設定される。例えば、図２４に示すように、第３鏡筒部３２の回転角度がβの場合は、ミラー保持部５０の回転角度はβ／２になる。これは、入射角と反射角は等しいという反射の法則に基づく。すなわち、図２４に示すように、第２光軸Ａ２と第３光軸Ａ３とのなす角度が大きくなる方向（本例では時計方向）に、第２ミラー３９が回転すると、第２ミラー３９が回転する回転角度の分だけ、第２ミラー３９の反射面３９Ａに対する入射角が大きくなる。反射の法則により、入射角が大きくなると同じ角度だけ反射角も大きくなる。そのため、第２ミラー３９の回転角度がβ／２の場合は、第３光軸Ａ３の回転角度は、β／２の２倍のβになる。

投射レンズ１０にチルト機能を設けることにより次のようなメリットがある。自動車１２に設けられるフロントガラス１４は、車種又は型式によって、ダッシュボード１３に対する角度が変わる場合がある。チルト機能を設けることにより、車種又は形式によって変化するフロントガラス１４の傾斜に応じた投射角度の調整を簡単に行うことができる。

また、図２４に示すチルト機能を有する投射レンズ１０は、出射レンズＬＥを側面視した場合における出射レンズＬＥの出射光軸（本例では第３光軸Ａ３）の水平方向ＨＲに対するチルト角をαとし、かつ、第２ミラー３９の反射面３９Ａの水平方向ＨＲに対する傾斜角をγとした場合に、下記条件式（６）を満足する。
γ－４５°＝α／２・・・・・・・（６）

条件式（６）を満足する前提条件は、第３光軸Ａ３（出射光軸の一例）が初期状態において第２光軸Ａ３と直交しており、かつ、初期状態の第３光軸Ａ３が水平方向ＨＲに延びていることである。

詳細は後述するが（図２９及び図３０参照）、チルト角βは、初期状態の第３光軸Ａ３を基準とした第３光軸Ａ３の相対的なチルト角であり、チルト角αは、水平方向ＨＲを基準とした第３光軸Ａ３の水平方向ＨＲに対する絶対的なチルト角である。図２４の例では、初期状態の第３光軸Ａ３は水平方向ＨＲに延びており、チルト角βとチルト角αのそれぞれの基準が同じであるため、チルト角βとチルト角αは一致する（すなわち、β＝α）。また、図２４の例では、第３光軸Ａ３が初期状態にある場合（すなわち、Ａ３＝ＨＲの場合）において、第３光軸Ａ３の絶対的なチルト角αと相対的なチルト角βとはいずれも０°である。

また、上述のとおり、図２４において、第２ミラー３９は、第２光軸Ａ２を９０°折り曲げて第３光軸Ａ３にする。そのため、第２ミラー３９の反射面３９Ａの傾斜角γは、第３光軸Ａ３が水平方向ＨＲに延びる初期状態においては、４５°である。また、上述のとおり、第２ミラー３９の回転角度は、出射レンズＬＥを含む第３鏡筒部３２の回転角度の１／２である。そのため、初期状態の第３光軸Ａ３が時計方向に回転した場合において、反射面３９Ａの初期状態を基準とした場合の第２ミラー３９の回転角度は、第３光軸Ａ３の絶対的なチルト角αの１／２（すなわち、α／２）になる。ここで、第２ミラー３９の反射面３９Ａの初期状態の傾斜角γは４５°であるため、反射面３９Ａの初期状態を基準とした回転角度は、回転後の傾斜角γから、回転前の初期状態の傾斜角γである４５°を控除した値となる。したがって、図２４の例の投射レンズ１０において、第３光軸Ａ３の絶対的なチルト角αと、反射面３９Ａの傾斜角γとの関係は、上記条件式（６）を満足する。なお、条件式（６）において、γ－４５°の値とα／２の値との差異が１°以内であれば条件式（６）を満たすものとする。

［第３実施形態］
投射角度を調整すると、画像１７の投射位置の調整も必要になる場合がある。図２５から図２８に示す第３実施形態は、投射角度の調整に伴う画像１７の投射位置の調整を、レンズシフト機能を用いて行う場合において、投射レンズ１０の大型化を抑制しつつ、投射角度に応じたシフト量の範囲を、最適化した形態である。

まず、投射角度の調整が必要になるのは、例えば、車種等に応じて、フロントガラス１４の傾斜角が異なる場合である。図２５のフロントガラス１４と比較すると、図２６のフロントガラス１４は時計方向に回転する向きに傾斜している。このようにフロントガラス１４の傾斜が異なる場合、投射レンズ１０は、図２５及び図２６のフロントガラス１４のそれぞれの傾斜に合わせて、投射角度ＡＧが９０°未満の適切な角度に調整される。本例の投射レンズ１０は、上述したとおり、投射角度ＡＧが８５°のときにディストーションの抑制効果が高くされるように設計されているため、適切な角度は例えば８５°である。

図２５の例では、投射レンズ１０は、第３鏡筒部３２を時計方向に回転させることにより、投射角度ＡＧが８５°になるチルト角β０に設定される。これにより、投射角度ＡＧが８５°に調整される。図２６のフロントガラス１４の傾斜に合わせて投射角度ＡＧを８５°に調整する場合は、チルト角β０だと、投射角度ＡＧが８５°よりも小さくなってしまう。そのため、第３鏡筒部３２を図２５の状態よりもさらに時計方向に回転させることにより、チルト角β０よりも大きなチルト角β１に設定する。これにより、投射角度ＡＧが８５°に調整される。

しかし、図２６に示すように、チルト角β０よりも大きなチルト角β１に設定しただけでは、画像１７の投射位置が上方になり過ぎてしまう場合がある。このような場合に、画像１７の投射位置を調整するためにレンズシフト機能が使用される。

図２７は、図２６の状態（すなわち、チルト角β１の状態）から、レンズシフト機構２５によるレンズシフト機能を用いて、画像１７の投射位置を、矢印で示すように下方にシフトさせている。これにより、画像１７の投射位置を適切な位置に調整することができる。

投射レンズ１０を搭載する車種が多いほど、投射角度の調整に伴ってレンズシフト機能を使用する場面は多くなる。そして、レンズシフト機能の調整幅である最大シフト量が大きいほど、投射レンズ１０を様々な車種に適応させることができるため、使い勝手はよい。しかし、レンズシフト機能における最大シフト量の増大は、図６に示すイメージサークル４０の大径化を伴う。上述したとおり、イメージサークル４０を大径化することは投射レンズ１０の大径化及び大型化を招く。

そこで、第３実施形態の投射レンズ１０は 以下の条件を満足させることで、大型化を抑制しつつ、実用に耐えうるシフト量を確保している。

まず、上記各実施形態の投射レンズ１０と同様に、第３実施形態の投射レンズ１０も、入射光軸である第１光軸Ａ１は、電気光学素子２１の画面の中心２１Ａに対して天地方向（本例ではＺ方向）にシフトしている。これは、上述したとおり、打ち上げ方式の画像１７の投射を可能にすることに加えて、投射角度を９０°未満にした場合に、投射角度が９０°の場合と比較して、ディストーションが低減する効果を発揮させるためである。

ここで、図２８に示すように、電気光学素子２１の画面の天地方向（本例ではＺ方向）の長さをＶ１、画面の中心位置２１Ａに対する入射光軸である第１光軸Ａ１の最大シフト量をＶ２とする。そして、出射レンズＬＥと投射面であるフロントガラス１４までの投射距離をＬＰ（図４参照）とし、ＬＰを無次元化した値をＬＰｎとする。さらに、出射レンズＬＥを側面視した場合における出射光軸（本例では第３光軸Ａ３）の水平方向に対するチルト角をαとする。チルト角αは、図２９に示すように、水平方向ＨＲに対する出射光軸（本例では第３光軸Ａ３）の角度である。第３光軸Ａ３が水平方向ＨＲに延びている場合は、チルト角αと、投射レンズ１０のチルト機能によるチルト角βとが一致する。つまり、チルト角βは、第３光軸Ａ３の回転機能を持つ投射レンズ１０において第２光軸Ａ２と第３光軸Ａ３とが直交する初期状態を基準とした第３光軸Ａ３の相対的なチルト角である。言い換えれば、チルト角βは、回転後の第３光軸Ａ３が初期状態の第３光軸Ａ３に対して回転した角度である。これに対して、チルト角αは、水平方向ＨＲを基準とした第３光軸Ａ３の水平方向ＨＲに対する絶対的なチルト角である。

そのため、図３０に示す投射レンズ３０のように、初期状態の第３光軸Ａ３が延びる方向が水平方向ＨＲと異なる場合は、絶対的なチルト角αと相対的なチルト角βは、一致しない。図３０において、投射レンズ１０は、第２光軸Ａ２が垂直方向に対して後傾した姿勢、より具体的には第２光軸Ａ２と第３光軸Ａ３の交点を基点として、投射レンズ１０全体が時計方向に回転した姿勢で設置されている。このため、第２光軸Ａ２に対して直交している状態の第３光軸Ａ３を、初期状態の第３光軸Ａ３（ｉ）とすると、初期状態の第３光軸Ａ３（ｉ）は、投射レンズ１０全体が後傾している分、水平方向ＨＲに対して時計方向にチルトしている。相対的なチルト角βは、初期状態の第３光軸Ａ３（ｉ）に対する回転角度であるため、図３０に示すように、第３光軸Ａ３が初期状態を基準として時計方向にチルトしている場合は、第３光軸Ａ３の絶対的なチルト角αは、相対的なチルト角βよりも大きな値となる。

絶対的なチルト角αを上記のように定義した場合において、第３実施形態の投射レンズ１０は、以下の式（４）で定義されるＰＳの値が、以下の条件式（５）を満足している。
ＰＳ＝１００×Ｖ２／Ｖ１・・・・・（４）
３５－３．５×ＬＰｎ×α＜ＰＳ＜７０－ＬＰｎ×α・・・・・・（５）

ここで、Ｖ１、Ｖ２及びＬの単位は［ｍ（メートル）］である。αは角度であり、無次元量であるが、単位は度［°］である。

式（４）において、ＰＳは、電気光学素子２１の天地方向の長さＶ１に対する最大シフト量Ｖ２の割合を示す。例えば、Ｖ１が０．０２［ｍ（メートル）］で、Ｖ２が０．０１［ｍ（メートル）］の場合は、ＰＳの値は５０となる。ＰＳの値が５０の場合は、電気光学素子２１の天地方向の長さＶ１の半分だけシフトすることが可能という意味である。ＰＳの値が７０の場合は、シフト量がＶ１の７０％であり、第１光軸Ａ１を画面から外れる位置までシフトさせることが可能である（図１２参照）。このように最大シフト量Ｖ２を大きくすると、イメージサークル４０を大径化しなければならず、最大シフト量Ｖ２の増大は、投射レンズ１０の大径化及び大型化につながる。

条件式（５）において、ＰＳの下限に関係する「３５」という数値と、ＰＳの上限に関係する「７０」という数値は、チルト角αが０°の場合を想定して設定された値であり、打ち上げ方式の投射をするために必要なシフト量を、式（４）で定義したＰＳに換算した値である。すなわち、「３５」と「７０」という数値は、チルト角αが０°の場合に想定される必要なシフト量に応じて設定された値である。

特に、本例のように、投射レンズ１０を車載用途で使用することを考えた場合、ＰＳが小さすぎると、すなわち最大シフト量Ｖ２が小さすぎると、打ち上げ方式における画像１７の上方へのシフト量をある程度確保する必要がある。例えば、ダッシュボード１３に投射レンズ１０を設ける場合、出射レンズＬＥの出射光軸（本例では第３光軸Ａ３）に対して、画像１７の投射位置を上方に打ち上げる場合を考える。投射位置の打ち上げ量が少ない場合において画像１７の投射位置を上方にシフトさせるためには投射レンズ１０の設置高さを上げる必要がある。そうすると、投射レンズ１０がダッシュボード１３からフロントガラス１４に向けて大きく突出することになるため、投射レンズ１０の鏡筒が画像１７を見る際に邪魔になる、などの問題が生じる。そのため、ＰＳの下限値としては、チルト角αが「０°」の場合に「３５」という下限値が設定される。また、上述したとおり、最大シフト量Ｖ２が大きいと使い勝手はよいが、最大シフト量Ｖ２の増大は投射レンズ１０の大型化を招くため、ＰＳの上限値としては、チルト角αが「０°」の場合に「７０」という上限値が設定される。

条件式（５）は、チルト角αを大きくした場合に、シフト量をどの程度減らすのが適切かを考慮して規定されている。図２６及び図２７において説明したように、投射レンズ１０は、チルト角αに関係するチルト角βを大きくした場合に、レンズシフト機能を使用して画像１７の投射位置が調整される。このようにチルト角αを大きくすることに伴う投射位置の調整においてシフト量をどの程度減らすのかが適切かという観点から、条件式（５）における、下限を規定する「－３．５×Ｌｎ×α」の項、及び上限を規定する「－Ｌｎ×α」の項が設定される。

条件式（５）を満足することにより、投射レンズ１０は、チルト角αを大きくするほど、シフト量は減る。これにより、投射レンズ１０は、チルト角αが「０°」の場合のシフト量が最大となり、チルト角αを大きくしてもシフト量は増加しない。そのため、投射レンズ１０の大径化及び大型化が抑制される。

さらに、ＰＳの値は、以下の条件式（５－１）を満足することがより好ましい。
４０－２．５×Ｌｎ×α＜ＰＳ＜６０－１．５×Ｌｎ×α・・・・・・（５－１）

条件式（５）に加えて、条件式（５－１）を満足することにより、さらに次の効果が得られる。まず、条件式（５）よりも下限値が上がるため、より実用的な最大シフト量Ｖ２が確保される。また、上限値が下がるため、投射レンズ１０の小型化に寄与する。

第３実施形態において、出射光軸のチルト機能を前提として説明したが、チルト機能と組み合わせることは必須ではない。例えば、第３実施形態は、光軸が折り曲げられていない光学系を持つ投射レンズに適用することも可能である。光軸のチルト角αの調整は、フロントガラス１４に対する投射レンズ１０の設置姿勢を傾けることにより行われる。その上でレンズシフト機能により画像１７の投射位置が調整される。

また、上記第１実施形態においても、光軸が折り曲げられた屈曲光学系を例として説明したが、光軸が折り曲げられていない光学系を持つ投射レンズに第１実施形態に係る技術を適用してもよい。

また、上記実施形態では、第１光軸Ａ１、第２光軸Ａ２及び第３光軸Ａ３の３つの光軸のうち、第３光軸Ａ３を回転させる例で説明したが、例えば図３１に示す態様でもよい。図３１Ａに示す投射レンズは、第３光軸Ａ３だけでなく、第２光軸Ａ２も回転可能な態様である。また、光軸は３つ以外でもよく、図３１Ｂに示す投射レンズのように、第１光軸Ａ１と第２光軸Ａ２の２軸構成であってもよい。この場合は、第１光軸Ａ１に対して、出射光軸である第２光軸Ａ２を回転させる。

上記実施形態では、輸送機器として自動車１２を例示したが、これに限らない。輸送機器は、建築車両、鉄道、船舶、及び飛行機等でもよい。また、上記実施形態では、輸送機器用の投射レンズ１０を例示したが、これに限らない。一例として屋外使用を想定した投射レンズであってもよい。

上記実施形態では、投射装置１１によって画像１７がフロントガラス１４に投射される形態例を示したが、本開示の技術はこれに限定されない。一例として、画像１７は、フロントガラス１４ではなく、リアガラス、ドアガラス等に投射されてもよい。また、画像１７は、フロントガラス１４に投射されなくてもよく、自動車１２の車室内に設けられた映写幕に投射されてもよい。この場合、投射幕が投射面となる。

電気光学素子２１としては、ＤＭＤの代わりに液晶表示素子（ＬＣＤ；Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）を使用した透過型電気光学素子を用いてもよい。また、ＤＭＤの代わりに、ＬＥＤ(Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ)、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）のような自発光型素子を用いたパネルを用いても良い。さらに、上記実施形態の鏡面反射型の第１ミラー３８、第２ミラー３９の代わりに、全反射型のミラーを用いてもよい。

上記実施形態では、光源２２としてレーザ光源を用いる例を説明したが、これに限らず、水銀ランプ、ＬＥＤ等を光源２２として用いてもよい。また、上記実施形態では、青色レーザ光源と黄色蛍光体を用いたが、これに限らず、黄色蛍光体の代わりに緑色蛍光体と赤色蛍光体を用いてもよい。また、黄色蛍光体の代わりに緑色レーザ光源と赤色レーザ光源を用いてもよい。

本開示の技術は、上述の種々の実施形態と種々の変形例を適宜組み合わせることも可能である。また、上記実施形態に限らず、要旨を逸脱しない限り種々の構成を採用し得ることはもちろんである。

以上に示した記載内容及び図示内容は、本開示の技術に係る部分についての詳細な説明であり、本開示の技術の一例に過ぎない。一例として、上記の構成、機能、作用、及び効果に関する説明は、本開示の技術に係る部分の構成、機能、作用、及び効果の一例に関する説明である。よって、本開示の技術の主旨を逸脱しない範囲内において、以上に示した記載内容及び図示内容に対して、不要な部分を削除したり、新たな要素を追加したり、置き換えたりしてもよいことはいうまでもない。また、錯綜を回避し、本開示の技術に係る部分の理解を容易にするために、以上に示した記載内容及び図示内容では、本開示の技術の実施を可能にする上で特に説明を要しない技術常識等に関する説明は省略されている。

本明細書において、「Ａ及び／又はＢ」は、「Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ」と同義である。つまり、「Ａ及び／又はＢ」は、Ａだけであってもよいし、Ｂだけであってもよいし、Ａ及びＢの組み合わせであってもよい、という意味である。また、本明細書において、３つ以上の事柄を「及び／又は」で結び付けて表現する場合も、「Ａ及び／又はＢ」と同様の考え方が適用される。

本明細書に記載された全ての文献、特許出願及び技術規格は、個々の文献、特許出願及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (11)

1. 電気光学素子からの光が入射する入射レンズと、
   最も拡大側に位置し、かつ、投射面に向けて画像を出射する出射レンズと
   を含む光学系を有する投射レンズであって、
   前記入射レンズの入射光軸は、前記電気光学素子の画面の中心に対して、前記入射光軸と直交する第１方向にシフトしており、
   前記出射レンズの出射光軸の前記投射面に対する角度である投射角度が９０°未満となる態様で用いられ、
   前記出射レンズの有効径をＤＥ、前記出射レンズを含む光学系全体の焦点距離をｆ、前記光学系全体の半画角をωとした場合において、ωは６０°以上であり、かつ、以下の式（１）で定義されるＰＡの値が、０．１以上７以下であり、
   ＰＡ＝ＤＥ／（ｆ×ｔａｎω）・・・・（１）
   さらに、前記投射面に投射された前記画像の前記第１方向において対向する２辺において、各辺の両端を結ぶ直線のうち、長い方の直線の長さをＸＬ、短い方の直線の長さをＸＳとし、ＸＬとＸＳの比であるＸＬ／ＸＳをディストーション比とした場合において、
   前記投射角度が９０°の場合の前記ディストーション比をＰＤ１、
   前記投射角度が８５°の場合の前記ディストーション比をＰＤ２とした場合に、
   前記ＰＤ１及び前記ＰＤ２の値が以下の条件式（２）を満足する投射レンズ。
   ＰＤ１＞ＰＤ２・・・・・（２）
2. さらに、前記ＰＤ１及びＰＤ２の前記値が以下の条件式（２－１）を満足する請求項１に記載の投射レンズ。
   ＰＤ１－ＰＤ２≧０．０５・・・・（２－１）
3. さらに、前記ＰＤ２の値が以下の条件式（３）を満足する請求項１または請求項２に記載の投射レンズ。
   ＰＤ２≦１．２・・・・・（３）
4. 前記ＰＡの値は、０．５以上７以下である請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の投射レンズ。
5. 前記ＰＡの値は、１以上５以下である請求項４に記載の投射レンズ。
6. 電気光学素子からの光が入射する入射レンズと、
   最も拡大側に位置し、かつ、投射面に向けて画像を出射する出射レンズと
   を含む光学系を有する投射レンズであって、
   前記入射レンズの入射光軸は、前記電気光学素子の画面の中心に対して、前記入射光軸と直交する第１方向にシフトしており、
   前記出射レンズの出射光軸の前記投射面に対する角度である投射角度が９０°未満となる態様で用いられ、
   前記出射レンズの有効径をＤＥ、前記出射レンズを含む光学系全体の焦点距離をｆ、前記光学系全体の半画角をωとした場合において、ωは６０°以上であり、かつ、以下の式（１）で定義されるＰＡの値が、０．５以上７以下である投射レンズ。
   ＰＡ＝ＤＥ／（ｆ×ｔａｎω）・・・・（１）
7. 前記ＰＡの値は、１以上５以下である請求項６に記載の投射レンズ。
8. 前記投射面は、投射方向に向けて凸型である請求項１から請求項７のうちのいずれか１項に記載の投射レンズ。
9. 光軸を折り曲げる反射部を有しており、
   前記反射部は、前記反射部よりも入射側の光軸を前記出射光軸に向けて折り曲げる請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の投射レンズ。
10. 前記反射部を回転させることにより、前記出射光軸をチルトさせることが可能である請求項９に記載の投射レンズ。
11. 請求項１から請求項１０のうちのいずれか１項に記載の投射レンズを備えた投射装置。

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