WO2019198432A1 - 光学システムおよびプロジェクタ - Google Patents

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WO2019198432A1
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optical path
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detection
optical
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利文 安井
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ソニー株式会社
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    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/1006—Beam splitting or combining systems for splitting or combining different wavelengths

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical system having a function of projecting an image and an object detection function, and a projector.
  • JP 2016-57426 A Japanese Patent Laid-Open No. 2016-222008
  • the lens configuration of the detection optical system tends to be complex, and the projector as a whole tends to increase in size and cost.
  • An optical system includes a plurality of lenses, projects an image generated by a light valve disposed on a first optical path onto a projection plane, and detects on the projection plane side.
  • a detection optical system in which object light enters through the optical path branching unit and forms an image of the detection object on the imaging surface of the imaging device.
  • a projector includes an optical system, a light valve, and an image sensor, and the optical system is configured by the optical system according to the embodiment of the present disclosure.
  • the object light is incident on the detection optical system via the optical path branching unit disposed in the projection optical system.
  • FIG. 1 is an optical system cross-sectional view illustrating a configuration of an optical system according to Example 1.
  • FIG. 2 It is explanatory drawing which shows an example of the relationship between the position of the image display surface of a display element, and the image height of the image which injects into a projection optical system.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a spot diagram on the detection side in the optical system according to the first embodiment.
  • 6 is a diagram illustrating image distortion on the detection side in the optical system according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 is an optical system cross-sectional view illustrating a configuration of an optical system according to Example 2.
  • FIG. FIG. 1 is an optical system cross-sectional view illustrating a configuration of an optical system according to Example 1.
  • FIG. 10 is a diagram showing a spot diagram on the detection side in the optical system according to Example 2.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating image distortion on the detection side in the optical system according to Example 2.
  • FIG. 9 is an optical system cross-sectional view illustrating a configuration of an optical system according to Example 3.
  • FIG. 10 is a diagram showing a spot diagram on the detection side in the optical system according to Example 3.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating image distortion on the detection side in the optical system according to Example 3.
  • 10 is an optical system cross-sectional view illustrating a configuration of an optical system according to Modification Example 1.
  • FIG. 10 is an optical system cross-sectional view showing a configuration of an optical system according to Modification 2.
  • FIG. It is an optical system sectional view showing the important section composition of a projection optical system. It is optical system sectional drawing which shows the principal part structure of an optical system.
  • FIG. 1 shows a configuration example of an optical system and a projector according to a comparative example.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-57426 discloses a configuration of a projector with a detection function as shown in FIG.
  • the projector according to this comparative example includes a light valve 121, a polarizing beam splitter 123, a projection lens 124, and an illumination optical system 125.
  • the projector according to this comparative example includes an imaging element 122 and a detection optical system 126 as an imaging unit for detecting an object position and imaging.
  • the light valve 121 is illuminated by illumination light L100 emitted from an illumination device (not shown) via the illumination optical system 125 and the polarization beam splitter 123.
  • the light valve 121 is a reflective liquid crystal element such as LCOS (Liquid Crystal On On Silicon).
  • the light valve 121 modulates the illumination light L100 based on the image data to generate image light.
  • the image light generated by the light valve 121 is projected onto a projection surface (not shown) via the polarization beam splitter 123 and the projection lens 124.
  • the projection lens 124 has a function as an imaging optical system for object detection in addition to a function for projecting an image.
  • Image light (projection light L101) generated by the light valve 121 is incident on the projection lens 124, and scattered light (object light) from a detection object near the projection surface is detected as detection light L102 from the projection surface side. It is captured.
  • the projection lens 124 is composed of, for example, an ultra short focus lens.
  • the image sensor 122 is composed of a solid-state image sensor such as a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) or a CCD (Charge Coupled Device).
  • the image sensor 122 is disposed at a position optically conjugate with the projection surface. Further, the image sensor 122 is disposed at a position optically conjugate with the light valve 121. More specifically, when the light valve 121 is a reflective liquid crystal element, the display surface (liquid crystal surface) for creating an image and the imaging surface of the imaging element 122 are arranged so as to be in an optically conjugate position. Yes.
  • Scattered light (object light) from the detection object enters the imaging element 122 as detection light L102 via the projection lens 124 and the polarization beam splitter 123.
  • the imaging element 122 can perform imaging using at least an area substantially the same as the projection area on the projection plane.
  • the projection lens 124 (particularly, the ultra short focus lens) is shared as the imaging lens, so that it is possible to acquire a detection image with little image distortion. This makes it possible to detect an object with higher accuracy than when a fish-eye lens, a wide-angle lens, or the like is arranged outside. Further, since there is no need to perform geometric correction or the like, there is a merit such as processing speed. It also reduces costs and leads to miniaturization.
  • the detection light L ⁇ b> 102 and the projection light L ⁇ b> 101 are branched by the polarization beam splitter 123 disposed in the portion corresponding to the back focus of the projection lens 124.
  • the splitting of the projection light L101 and the illumination light L100 is also performed at the same place by the polarization beam splitter 123.
  • this technique has the following problems.
  • the lens configuration of the detection optical system 126 tends to be complicated, leading to an increase in size and cost of the detection optical system 126.
  • the lens power in the detection optical system 126 tends to increase.
  • the detection optical system 126 itself is desired to be small, the relay power needs to be further increased, and the amount of aberration tends to increase.
  • the aberration tends to be particularly deteriorated and is equivalent to the resolution of the light valve 121. It was difficult to obtain detection resolution. Further, when detecting visible light and infrared light as the detection light L102, the load on the lens configuration of the detection optical system 126 becomes very large.
  • the lens configuration of the detection system is simplified by branching the optical path between the projection system and the detection system in the vicinity of the aperture portion of the projection lens, not the back focus portion of the projection lens. A technique that enables downsizing and cost reduction will be described.
  • FIG. 2 illustrates an optical system and a projector of a first configuration example (Example 1) according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 shows an optical system and a projector of the second configuration example (Example 2).
  • FIG. 9 shows an optical system and a projector of the third configuration example (Example 3). Numerical examples (Examples 1 to 3) in which specific numerical values are applied to these configuration examples will be described later.
  • the configuration of the optical system and the projector according to the embodiment of the present disclosure will be described mainly in association with the optical system and the projector of the first configuration example illustrated in FIG. 2, but the technology according to the present disclosure is illustrated.
  • the present invention is not limited to the configuration example described above.
  • a projector includes an optical system, a display element (light valve 100), and a detection element (imaging element 200).
  • the optical system includes a projection optical system 1, a detection optical system 2, an optical path branching unit 3, and an illumination optical system 300.
  • the image sensor 200 is composed of a solid-state image sensor such as a CMOS or CCD.
  • the light valve 100 is a reflective liquid crystal panel such as LCOS, for example. Further, as the light valve 100, a transmissive liquid crystal panel or DMD (Digital Mirror Device) may be used.
  • LCOS liquid crystal panel
  • DMD Digital Mirror Device
  • the illumination optical system 300 includes a polarization separation element 101.
  • the illumination optical system 300 irradiates the light valve 100 with illumination light via the polarization separation element 101.
  • Projection optical system 1 has a plurality of lenses.
  • a portion closer to the light valve 100 than the optical path branching unit 3 is a projection-dedicated optical system 10.
  • the portion closer to the projection surface than the optical path branching unit 3 is a common optical system 20.
  • the projection optical system 1 has a function of projecting an image generated by the light valve 100 disposed on the first optical path onto the projection surface.
  • object light from a detection object on the projection plane side enters the projection optical system 1 from the projection plane side.
  • the common optical system 20 in the projection optical system 1 constitutes a part of an imaging optical system for object detection.
  • the projection optical system 1 desirably has a projection-side stop St1 on the light valve 100 side with respect to the optical path branching unit 3.
  • the optical path branching unit 3 is disposed closer to the projection plane than the lens disposed closest to the light valve 100 among the plurality of lenses in the projection optical system 1.
  • the optical path branching unit 3 branches the optical paths of the projection optical system 1 and the detection optical system 2 into a first optical path and a second optical path different from the first optical path.
  • optical path branching unit 3 is disposed on the optical path of the projection optical system 1 and at a position that does not intersect the optical path of the illumination optical system 300.
  • optical path branching unit 3 is disposed between any two lenses among the plurality of lenses in the projection optical system 1.
  • the optical path branching unit 3 is, for example, a polarization beam splitter.
  • the optical path branching unit 3 is, for example, a polarization beam splitter that has a polarization separation effect on visible light and infrared light.
  • the detection optical system 2 forms an image of the detection object by, for example, infrared light or visible light as the object light.
  • the optical system may include an infrared light source that emits infrared light for object detection and an optical system that irradiates the infrared light for object detection toward the projection surface.
  • a lens unit 30 is disposed between the image sensor 200 and the optical path branching unit 3 on the second optical path.
  • the lens unit 30 of the detection optical system 2 has at least one lens.
  • Object light is incident on the detection optical system 2 via the optical path branching unit 3.
  • the detection optical system 2 forms an image of the detection object on the imaging surface of the image sensor 200.
  • At least one lens in the lens unit 30 of the detection optical system 2 includes at least one aspheric lens.
  • the lens unit 30 of the detection optical system 2 may have two or more lenses like the detection optical systems 2A and 2B in the configuration examples shown in FIGS.
  • the two or more lenses in the lens unit 30 of the detection optical systems 2A and 2B it is desirable that at least a lens disposed at a position closest to the image sensor 200 is an aspherical lens.
  • the lens disposed at the position closest to the optical path branching unit 3 has a positive power.
  • the detection optical system 2 has a detection-side diaphragm St2 closer to the image sensor 200 than the optical path branching unit 3.
  • the detection optical system 2 it is desirable that a point where the optical axis and the principal ray intersect exists between the image sensor 200 and the optical path branching unit 3. This means that there is a position corresponding to the detection-side stop St2 between the imaging device 200 and the optical path branching unit 3.
  • the distance on the optical axis from the projection side stop St1 to the optical path branching unit 3 and the distance on the optical axis from the detection side stop St2 to the optical path branching unit 3 are the same.
  • the projection distance by the projection optical system 1 is PL
  • the horizontal size of the projection image on the projection surface is PH
  • the projector of the present disclosure desirably has a slow ratio of 0.42 or less, and the projection optical system 1 is an ultra-short focus lens.
  • “Ri” indicates the paraxial radius of curvature (mm) of the i-th surface.
  • “Di” indicates a distance (mm) on the optical axis between the i-th surface and the (i + 1) -th surface.
  • “Ndi” indicates the value of the refractive index at the d-line (wavelength: 587.6 nm) of the material (medium) of the optical element having the i-th surface.
  • “ ⁇ di” indicates the value of the Abbe number in the d-line of the material of the optical element having the i-th surface.
  • a portion where the value of “Ri” is “ ⁇ ” indicates a flat surface or a diaphragm surface.
  • “Type” indicates the shape type of the lens surface.
  • the optical system according to each example and each comparative example includes an aspherical surface.
  • the aspheric shape is defined by the following aspheric expression.
  • E ⁇ n represents an exponential expression with a base of 10, that is, “10 to the negative n”, for example, “0.12345E-05”. Represents “0.12345 ⁇ (10 to the fifth power)”.
  • Z indicates the depth (surface sag amount) of the aspheric surface.
  • r indicates the distance (height from the optical axis) from the central axis of the position for obtaining the sag amount.
  • c represents the paraxial radius of curvature of the surface.
  • k represents a conic coefficient.
  • Ai represents the i-th aspherical coefficient.
  • [Table 1] to [Table 4] show lens data of the optical system according to Example 1 in which specific numerical values are applied to the configuration example shown in FIG.
  • Table 1 and Table 2 show lens data of the projection optical system 1 in the optical system according to Example 1.
  • [Table 2] shows aspherical data in the projection optical system 1.
  • Tables 3 and 4 show lens data of the detection optical system 2 in the optical system according to Example 1.
  • [Table 4] shows aspherical data in the detection optical system 2.
  • Pi represents the surface number of the projection optical system 1.
  • Ii represents the surface number of the projection optical system 1.
  • the common optical system 20 in the projection optical system 1 also serves as an imaging optical system on the detection side.
  • the surface P-15 of the projection optical system 1 and the surface I-6 of the detection optical system 2 coincide as shown in [Table 3]. After the surface I-6 of the detection optical system 2, the optical path of the common optical system 20 in the projection optical system 1 is provided.
  • the lens unit 30 of the detection optical system 2 is composed of one aspheric lens.
  • the panel size (panel diagonal size) of the light valve 100 is 0.37 inch (8.2 mm ⁇ 4.61 mm).
  • the imaging size on the detection side is equivalent to 1/6 type (equivalent to 2.6 mm ⁇ 1.5 mm). That is, the detection side is 0.32 times smaller than the projection side.
  • FIG. 3 shows the relationship between the position of the image display surface of the light valve 100 and the image height of the image incident on the projection optical system 1.
  • the maximum image height from the optical axis of the image to be projected on the light valve 100 is defined as hmax.
  • h0 is an image height of 0% (0% image height) with respect to the maximum image height, and corresponds to the optical axis of the projection optical system 1.
  • the V shift amount in the light valve 100 is ⁇ 3.74 mm ( ⁇ 81.1%), and the effective image circle is ⁇ 14.8. This V shift amount (%) is also applied to the image sensor 200.
  • the F number of the projection optical system 1 is 4, and the F number on the detection side is 1.33. Further, the projection side and the detection side are arranged in a telecentric arrangement.
  • the projection optical system 1 is designed to have a resolution of FHD (1920 ⁇ 1080). In this design, infrared light of 785 nm can be detected, and the resolving power on the image sensor 200 is 0.05 mm. This is equivalent to having a resolving power about the size of a finger as a detection object in the projection plane during 25-inch projection, and is designed to be able to discriminate finger touch.
  • FIG. 4 shows a spot diagram on the detection side in the optical system according to the first embodiment. It has been shown that at any image height, a resolution of 0.05 mm can be achieved with RMS (Root-Mean-Square).
  • FIG. 5 shows image distortion on the detection side in the optical system according to the first embodiment.
  • FIG. 5 shows the image distortion on the image sensor 200 calculated in the projection direction (back-calculated). As shown in FIG. 5, although there is some distortion, this level is a level that can be sufficiently processed by signal processing on the detection side.
  • the detection side can obtain a resolving power only on the size of a finger, but the detection optical system 2 can be configured with one plastic aspheric lens, and is very compact. And is inexpensive. If the branch structure of the projection system and the detection system is configured as in the comparative example (FIG. 1), the number of lenses required to obtain the same performance as the detection system of Example 1 is two, Furthermore, the total length on the detection side is 40 mm. On the other hand, in the optical system according to Example 1, the total length on the detection side from the optical path branching unit 3 is only 22.7 mm.
  • the projection optical system 1 is a configuration example of an ultrashort focus lens.
  • the projection optical system 1 is an ordinary long focus lens
  • the detection optical system 2 is a configuration of one lens. Is possible.
  • image distortion often becomes a problem when performing wide-angle imaging with an external camera.
  • the configuration of the detection optical system 2 in Example 1 is more compatible with an ultrashort focus lens (a slow ratio of 0.42 or less in the green purchasing method).
  • the position of the optical path branching unit 3 is positioned after the projection side stop St1 when viewed from the projection side, and the optical path branching unit 3 is arranged in a portion closer to the position of the projection side stop St1 to some extent. Easy going.
  • the detection-side image sensor 200 is made smaller than the projection-side light valve 100, thereby realizing a reduction in size. 0 ⁇ f Imgonly ⁇ f Prjonly (2) It is a guideline to satisfy.
  • the focal length of only the optical path portion on the detection side is f Imgonly
  • the focal length of only the optical path portion on the projection side is f Prjonly
  • the focal length of the detection optical system 2 (focal length of the lens unit 30) between the optical path branching unit 3 and the image sensor 200 in the detection optical system 2 is set to f Imgonly
  • the focal length of the lens (projection-dedicated optical system 10) disposed on the optical path between the optical path branching section 3 and the light valve 100 in the projection optical system 1 is defined as f Prjonly .
  • f Imgonly corresponds to the focal length of the surfaces I-0 to I-5
  • f Prjonly corresponds to the surfaces P-0 to P-14.
  • [Table 5] shows values related to the conditional expression (2) for the optical systems according to the respective examples (Examples 1 to 3). From [Table 5], it can be confirmed that Expression (2) is satisfied for the optical system according to Example 1. [Table 5] also shows values related to other conditions described later for each of the examples (Examples 1 to 3). The optical system according to Example 1 also satisfies all other conditions described later other than Expression (2).
  • a portion corresponding to the detection-side stop St2 for the detection side also exists in the optical path between the image sensor 200 and the optical path branching unit 3, and the optical axis and There is a portion where chief rays of each image height intersect. If there is no portion corresponding to the detection-side stop St2, the degree of freedom in reducing spherical aberration is reduced, and a design solution cannot be derived particularly in a design that requires high resolution.
  • the distance from the surface P-14 to the surface P-15 and the distance from the surface I-5 to the surface I-6 are the same, and each of the projection side and the detection side The distances from the diaphragms St1 and St2 to the optical path branching unit 3 are the same.
  • the optical system according to the second embodiment has a configuration example in which the wavelength band on the detection side is infrared light (785 nm) as in the first embodiment, and detection with higher resolution than in the first embodiment is possible.
  • the configuration on the projection side is the same as that of Example 1 ([Table 1], [Table 2]).
  • the magnification on the detection side is the same as that in the first embodiment, and the telecentricity is maintained.
  • the common optical system 20 in the projection optical system 1 also serves as an imaging optical system on the detection side.
  • the surface P-15 of the projection optical system 1 and the surface I-8 of the detection optical system 2A coincide.
  • the plane after the surface I-9 of the detection optical system 2A is an optical path of the common optical system 20 in the projection optical system 1.
  • the lens unit 30 of the detection optical system 2A is composed of two aspheric lenses.
  • FIG. 7 shows a spot diagram on the detection side in the optical system according to the second embodiment.
  • FIG. 8 illustrates image distortion on the detection side in the optical system according to the second embodiment.
  • FIG. 8 shows the image distortion on the image sensor 200 calculated in the projection direction (reverse calculation).
  • the spot diameter is about 1/5 or less compared to the first embodiment, and that the image distortion is sufficiently small and improved compared to the first embodiment.
  • the detection optical system 2A has two lenses and a total length of 26.6 mm. If the branch structure of the projection system and the detection system is configured as in the comparative example (FIG. 1), the number of lenses required is three in order to obtain the same performance as the detection system of Example 2. Further, the total length on the detection side is increased to 53.6 mm.
  • the optical system according to Example 2 satisfies all preferable conditions including other conditions described later.
  • the lens (corresponding to the surfaces I-5 to I-6) arranged at the position closest to the optical path branching section 3 in the detection optical system 2A has a positive power. This is because when the negative power is used, the back focus is extended, which is not suitable for the purpose of shortening the overall length.
  • the power of the lens disposed at the position closest to the optical path branching section 3 in the detection optical system 2A is configured to occupy most of the power of the detection optical system 2A. That is, the following is satisfied. 0.5 ⁇ f Img1 / / Imgonly ⁇ 2 (3)
  • f Img1 represents the focal length of the lens disposed at the position closest to the optical path branching section 3 in the detection optical system 2A.
  • f Imgonly indicates the focal length of the detection optical system 2A between the optical path branching section 3 and the image sensor 200 in the detection optical system 2A.
  • f Imgonly corresponds to the focal length of the surfaces I-0 to I-6. If the condition of the expression (3) is not satisfied, it means that the power of the other lens of the detection optical system 2A is greatly increased or greatly decreased. In such a case, the room for correction of distortion and telecentricity is reduced, making it difficult to design well.
  • adding a third lens to the configuration of the detection optical system 2A of Example 2 is wasteful in design.
  • the portion corresponding to the detection-side stop St2 for the detection side in the optical path between the image sensor 200 and the optical path branching unit 3 on the detection side there is a portion where the optical axis and the principal ray of each image height intersect.
  • the lens disposed at the position closest to the image sensor 200 is an aspherical surface, which can reduce the image distortion efficiently.
  • the distance from the surface P-14 to the surface P-15 and the distance from the surface I-7 to the surface I-8 are the same, and each of the projection side and the detection side The distances from the diaphragms St1 and St2 to the optical path branching unit 3 are the same.
  • the optical system according to Example 3 has a configuration example in which the wavelength band on the detection side is expanded not only to the infrared region (785 nm) but also to the visible region (R (red), G (green), B (blue)). Yes.
  • the configuration on the projection side is the same as that of Example 1 ([Table 1], [Table 2]).
  • the magnification on the detection side is the same as that in the first embodiment, but the telecentricity is greatly relaxed.
  • the telecentricity on the detection side is approximately equal to the design value of the imaging lens of the smartphone. For this reason, it is desirable that the imaging device 200 used on the detection side in the optical system according to the third embodiment is an element having a different specification from the imaging device 200 used on the detection side in the first embodiment.
  • the common optical system 20 in the projection optical system 1 also serves as an imaging optical system on the detection side.
  • the surface P-15 of the projection optical system 1 and the surface I-11 of the detection optical system 2B coincide as shown in [Table 8]. After the surface I-12 of the detection optical system 2B, an optical path of the common optical system 20 in the projection optical system 1 is provided.
  • the lens unit 30 of the detection optical system 2A is composed of four lenses.
  • FIG. 10 shows a spot diagram on the detection side in the optical system according to the third embodiment.
  • FIG. 11 illustrates image distortion on the detection side in the optical system according to the third embodiment.
  • FIG. 11 shows the image distortion on the image sensor 200 calculated in the projection direction (reverse calculation).
  • the spot is smaller and the resolving power is further improved by about half of that in Example 2.
  • the spot here is in the visible region (RGB) for the sake of simplicity of explanation, but the spot has better resolution than that of the second embodiment in the infrared region (785 nm).
  • FIG. 11 in the optical system according to Example 3, there is some image distortion, but it is within a level that can be sufficiently suppressed by signal processing or the like.
  • the detection optical system 2B has a configuration of four lenses and a total length of 18.8 mm, which is shorter than the detection optical system 2A of Example 2. If the branch structure of the projection system and the detection system is configured as in the comparative example (FIG. 1), the S / N ratio is obtained as described above even if the detection system attempts to acquire visible (RGB) light. Therefore, the configuration of the optical system according to Example 3 is more specifically advantageous.
  • the optical system according to Example 3 satisfies all preferable conditions including other conditions described later, as shown in [Table 5] above. Also in the optical system according to the third embodiment, as in the first embodiment, a portion corresponding to the detection-side stop St2 for the detection side in the optical path between the image sensor 200 and the optical path branching unit 3 on the detection side. There is a portion where the optical axis and the principal ray of each image height intersect.
  • the lenses (corresponding to the surfaces I-8 to I-9) arranged at positions closest to the optical path branching section 3 in the detection optical system 2B have positive power.
  • the power of the lens disposed at the position closest to the optical path branching unit 3 in the detection optical system 2B is the entire lens (surface I-0 to surface I-10) of the detection optical system 2B. It occupies most of the power. That is, the above formula (3) is satisfied.
  • an increase in astigmatism is a concern especially when a large refraction is performed on a light beam traveling toward the maximum image height.
  • the design after the detection-side stop St2 is not changed because it depends on the lens design on the projection side. For this reason, it is difficult to intentionally cancel astigmatism. Therefore, it is disadvantageous to give a large power to the lenses arranged at the second and subsequent positions from the optical path branching section 3 in the detection optical system 2B. Therefore, it is preferable that most of the power in the detection optical system 2B is borne by a lens disposed at a position closest to the optical path branching unit 3.
  • the lens disposed at the position closest to the image sensor 200 is an aspherical surface, which can efficiently reduce image distortion.
  • the distance from the surface P-14 to the surface P-15 is the same as the distance from the surface I-10 to the surface I-11.
  • the distances from the diaphragms St1 and St2 to the optical path branching unit 3 are the same.
  • polarization imaging can be performed by replacing the part of the image sensor 200 with a polarization image sensor or the like in the configuration of each of the above embodiments.
  • This is an application example that cannot be achieved when the image sensor 200 is arranged in a place like the comparative example (FIG. 1).
  • the image pickup element 200 is a ToF (Time of Flight) image sensor, and a ToF light source is disposed at some other location (for example, above the projector). And integrated depth sensing.
  • FIG. 12 shows a configuration of an optical system according to the first modification.
  • the optical system according to the first modification differs from the optical system according to the third embodiment (FIG. 9) in the structure near the detection optical system 2C.
  • the optical system according to the first modification includes the ToF image sensor 200 ⁇ / b> A as the imaging device 200 as compared with the optical system according to the third embodiment (FIG. 9), and further includes a ToF light source unit 4 and an optical path branching unit 5. It has a configuration.
  • the ToF light source unit 4 includes a ToF light source 210.
  • the optical path branching unit 5 branches the optical path of the irradiation light from the ToF light source 210 and the optical path of the object light toward the image sensor 200A by polarization. Further, the branching between the optical path on the projection side and the optical path on the detection side causes the optical path branching section 3 to have a polarization separation action for visible light and a transmission action for infrared light (reflected in the configuration of FIG. This can be realized by a polarizing beam splitter having a function.
  • the optical path branching unit 5 may be configured by a half mirror or the like to branch the optical path of the irradiation light from the ToF light emission source 210 and the optical path of the object light toward the image sensor 200A. Further, the optical path branching unit 3 may be constituted by a polarizing beam splitter from the visible region to the infrared region, and the optical path on the projection side and the optical path on the detection side may be branched.
  • the entire projection surface can be obtained without holding the infrared emission source outside the projector. It can be illuminated with infrared light for object detection. This eliminates the need to place an infrared light source outside when performing object detection with infrared light, which greatly improves design and is advantageous for downsizing.
  • FIG. 13 shows a configuration of an optical system according to the second modification.
  • the optical system according to the second modification has a configuration in which the reflection action of the optical path branching unit 3 with respect to the projection system and the detection system is reversed with respect to the optical system according to the third embodiment (FIG. 9).
  • the optical system according to Modification 2 has a configuration in which the optical path of the detection system is bent halfway by a reflection action by the optical path branching unit 3.
  • the optical path branching unit 3 is not limited to a flat beam splitter, and may be, for example, a prism beam splitter. From the viewpoint of transmittance and reflectance, a prism-shaped beam splitter is preferable. From the viewpoint of cost, a flat beam splitter is preferable.
  • the configuration of the optical path branching unit 3 can be appropriately selected according to performance specifications, costs, and the like.
  • a polarization beam splitter as the optical path branching unit 3 instead of a simple beam splitter, it is possible to perform imaging on the detection side while suppressing light amount loss on the projector side.
  • the projection side polarized light incident on the polarizing beam splitter is S-polarized light. Is desirable from the viewpoint of design of reflectivity.
  • the polarization on the projection side incident on the polarization beam splitter is more desirably P-polarized light.
  • FIG. 14 shows a main configuration of the projection optical system 1.
  • the first lens the first lens on the light valve 100 direction side in the common optical system 20
  • L common1 the first lens that is closer to the projection plane than the optical path branching unit 3
  • Pcommon the light valve side focal position of the optical system portion (common optical system 20) closer to the projection plane than the optical path branching section 3 in the projection optical system 1
  • Pcommon the distance from the incident surface on the light valve 100 direction side of the lens L common1 to the light valve side focal position P common
  • the absolute value thereof is
  • the “light valve side imaging point” means an imaging point as a result of adding paraxial parallel light from the projection direction, and does not indicate a spatial position.
  • the position of P common is the concave mirror M1.
  • the image is formed as a virtual image on the farther side (right side).
  • the necessity of the formula (A) is related to the ratio with the astigmatic difference amount generated in the oblique plate member (optical path branching portion 3).
  • the cos of the incident angle of light entering the oblique plate member is ⁇
  • the refraction angle cos of the oblique plate member is ⁇ ′
  • the thickness of the oblique plate member is d
  • the refractive index is n
  • the astigmatic difference ⁇ Is represented by the following formula (B).
  • the back focus on the projection side is in a telecentric form, but may be non-telecentric. It is also possible to adopt a configuration in which the polarization separation element 101 is not disposed in the back focus.
  • the size of the projection-side stop St1 is the same as the size of the detection-side stop St2, but the sizes are not necessarily the same. For example, by reducing the size of the detection-side aperture St2, it is possible to increase the F-number on the detection side, thereby further reducing the manufacturing sensitivity of the lens and further reducing the number of lenses. Further, it is desirable that the projection size focusing mechanism be in the common optical system 20.
  • the lenses in the portions P-16 to P-21 in [Table 1] are focusing lenses.
  • the focusing mechanism in the common optical system 20 it is not necessary to move the focus independently on the projection side and the detection side, and a simple configuration can be achieved.
  • the image distortion on the detection side can be corrected to a certain extent by signal processing, it is possible to cope with a case where the image distortion is larger than in the optical systems according to the first to third embodiments.
  • FIG. 15 shows a configuration of a main part near the optical path branching section 3 in the optical system according to the third embodiment.
  • the optimum position condition of the optical path branching unit 3 is searched.
  • A be the distance on the optical axis from the projection-side stop St1 to the optical path branching section 3.
  • B the distance on the optical axis from the first lens L common1 on the projection plane side of the optical path branching section 3 to the optical path branching section 3.
  • the opening angle of the marginal ray on the axis is ⁇
  • the exit angle of the maximum image height at the projection side stop St1 is ⁇ .
  • the distance L between the two points (Xsto, Ysto) and (X LMA1 , Y LMA1 ) needs to be more than a certain value, and if it is not more than 3 mm, the lens near the optical path branching unit 3 and the optical path branching unit 3 Are difficult to arrange without interfering with each other. Therefore, the following formula (4) is established.
  • the arrangement position of the optical path branching unit 3 in the projection optical system 1 is optimized, and the object light is passed through the optical path branching unit 3 to the detection optical system 2. Since it is made incident, it is possible to detect an object with a small size and high detection performance.
  • the lens configuration of the detection system which has been complicated so far, can be simplified and made compact.
  • the S / N ratio of the signal to be detected can be improved.
  • a system capable of detecting RGB visible light can also be configured.
  • a system corresponding to detection in the visible region and the infrared region can be constructed. Since the branching position of the projection system and the detection system can be placed in a part that is not the branching position of the illumination light, it can also be used for applications such as polarization sensing and depth sensing with ToF, and illumination of the projection surface with infrared light. The application range is very wide. Since the detection system is simplified, the cost is low. Since it is different from the projection optical system that extends the back focus, the projection lens can be made small.
  • the surface forming the aspherical surface is not limited to the lens surface shown in each example, and may be a configuration in which other surfaces other than the lens surface shown in each example are further aspherical.
  • this technique can take the following composition.
  • the arrangement position of the optical path branching unit in the projection optical system is optimized, and the object light is incident on the detection optical system via the optical path branching unit. High object detection is possible.
  • An image generated by a light valve having a plurality of lenses and disposed on the first optical path is projected onto a projection surface, and object light from a detection object on the projection surface side is incident from the projection surface side.
  • a projection optical system Among the plurality of lenses in the projection optical system, the first optical path is different from the first optical path, the optical path being arranged closer to the projection plane than the lens arranged closest to the light valve.
  • An optical path branching section that branches into a second optical path; On the second optical path, the image sensor has at least one lens disposed between the imaging device and the optical path branching unit, and the object light is incident through the optical path branching unit, and imaging of the imaging sensor is performed.
  • An optical system comprising: a detection optical system that forms an image of the detection object on a surface.
  • An illumination optical system for illuminating the light valve with illumination light The optical system according to [1], wherein the optical path branching unit is disposed at a position on the optical path of the projection optical system and not intersecting with the optical path of the illumination optical system.
  • F Prjonly the focal length of a lens arranged on the optical path between the optical path branching unit and the light valve in the projection optical system, When the focal length of the detection optical system between the optical path branching unit and the image sensor in the detection optical system is f Imgonly , 0 ⁇ f Imgonly ⁇ f Prjonly
  • the optical system according to any one of [1] to [5].
  • the detection optical system includes two or more lenses, and among the two or more lenses, at least a lens disposed at a position closest to the imaging device is an aspherical lens.
  • the first lens located on the projection plane side with respect to the optical path branching portion is L common1
  • the light valve side focal position of the optical system portion on the projection plane side of the optical path branching portion in the projection optical system is P common
  • the distance from the light valve side lens surface of the lens L common1 to the light valve side focal position P common is BFL common
  • the detection optical system has two or more lenses, and among the two or more lenses, a lens disposed at a position closest to the optical path branching unit has a positive power [1] to [9]
  • the optical system according to any one of the above.
  • the focal length of the lens arranged at the position closest to the optical path branching portion in the detection optical system is f Img1 .
  • the focal length of the detection optical system between the optical path branching unit and the image sensor in the detection optical system is f Imgonly , 0.5 ⁇ f Img1 / f Imgonly ⁇ 2
  • the optical system according to any one of [1] to [10].
  • the projection optical system has a projection-side stop on the light valve side of the optical path branching unit
  • the detection optical system has a detection-side diaphragm on the image sensor side of the optical path branching unit
  • the distance on the optical axis from the projection side stop to the optical path branching portion is the same as the distance on the optical axis from the detection side stop to the optical path branching portion.
  • the projection optical system has a projection-side stop on the light valve side of the optical path branching unit, A distance on the optical axis from the projection side stop to the optical path branching portion is A, Of the plurality of lenses in the projection optical system, the distance on the optical axis from the first lens located on the projection plane side of the optical path branching section to the optical path branching section is B, The F number of the projection optical system is F, When the maximum image height of the image generated by the light valve is y max , Satisfies the following formula The optical system according to any one of [1] to [13]. [15]
  • the detection optical system forms an image of the detection object by infrared light and visible light as the object light.
  • any one of the above [1] to [4] or [6] to [14] The optical system described.
  • [16] The optical system according to any one of [1] to [15], wherein the optical path branching unit is a polarization beam splitter.
  • the optical path branching unit is a polarizing beam splitter having a polarization separation function for visible light and a transmission function or a reflection function for infrared light.
  • An optical system; A light valve, Including an image sensor and The optical system comprises: An image generated by the light valve having a plurality of lenses and disposed on the first optical path is projected onto a projection plane, and object light from a detection object on the projection plane side is projected from the projection plane side.
  • An incident projection optical system Among the plurality of lenses in the projection optical system, the first optical path is different from the first optical path, the optical path being arranged closer to the projection surface than the lens arranged closest to the light valve.
  • An optical path branching section that branches into a second optical path; On the second optical path, it has at least one lens disposed between the imaging device and the optical path branching unit, and the object light is incident through the optical path branching unit,
  • a projector comprising: a detection optical system that forms an image of the detection object on an imaging surface.

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Abstract

本開示の光学システムは、複数のレンズを有し、第１の光路上に配置されたライトバルブによって生成された画像を投影面に投影すると共に、投影面側にある検出物からの物体光が投影面側から入射する投影光学系と、投影光学系における複数のレンズのうち、ライトバルブに最も近い側に配置されたレンズよりも投影面側に配置され、光路を第１の光路と第１の光路とは異なる第２の光路とに分岐する光路分岐部と、第２の光路上において、撮像素子と光路分岐部との間に配置された少なくとも１枚のレンズを有し、光路分岐部を介して物体光が入射し、撮像素子の撮像面上に検出物の像を形成する検出光学系とを備える。

Description

光学システムおよびプロジェクタ
　本開示は、画像を投影する機能と物体検出機能とを有する光学システム、およびプロジェクタに関する。
　近年、スマートフォンやタブレット端末等では、タッチパネルを用いることにより、画面に表示される画像のページ送りや拡大縮小を、人の直感に応じたポインティング操作で可能にしている。一方で、画像をスクリーン上に投影することにより表示を行う表示装置（プロジェクタ）が古くから知られている。このプロジェクタに、撮像（検出）機能を付加したシステムが提案されている（例えば特許文献１，２参照）。これにより、特許文献１では、タッチパネルのような検出機能を付加している。
特開２０１６－５７４２６号公報 特開２０１６－２２００８０号公報
　プロジェクタに検出機能を付加する場合、検出光学系のレンズ構成が複雑になりやすく、プロジェクタ全体として、構成の大型化や高コスト化を招きやすい。
　小型で検出性能の高い物体検出を可能にする光学システム、およびそのような光学システムを搭載したプロジェクタを提供することが望ましい。
　本開示の一実施の形態に係る光学システムは、複数のレンズを有し、第１の光路上に配置されたライトバルブによって生成された画像を投影面に投影すると共に、投影面側にある検出物からの物体光が投影面側から入射する投影光学系と、投影光学系における複数のレンズのうち、ライトバルブに最も近い側に配置されたレンズよりも投影面側に配置され、光路を第１の光路と第１の光路とは異なる第２の光路とに分岐する光路分岐部と、第２の光路上において、撮像素子と光路分岐部との間に配置された少なくとも１枚のレンズを有し、光路分岐部を介して物体光が入射し、撮像素子の撮像面上に検出物の像を形成する検出光学系とを備えるものである。
　本開示の一実施の形態に係るプロジェクタは、光学システムと、ライトバルブと、撮像素子とを含み、光学システムを、上記本開示の一実施の形態に係る光学システムによって構成したものである。
　本開示の一実施の形態に係る光学システム、またはプロジェクタでは、物体光が投影光学系内に配置された光路分岐部を介して検出光学系に入射する。
比較例に係る光学システムおよびプロジェクタの構成例を示す光学系断面図である。 実施例１に係る光学システムの構成を示す光学系断面図である。 表示素子の画像表示面の位置と投影光学系に入射する画像の像高との関係の一例を示す説明図である。 実施例１に係る光学システムにおける検出側のスポットダイアグラムを示す図である。 実施例１に係る光学システムにおける検出側の画歪みを示す図である。 実施例２に係る光学システムの構成を示す光学系断面図である。 実施例２に係る光学システムにおける検出側のスポットダイアグラムを示す図である。 実施例２に係る光学システムにおける検出側の画歪みを示す図である。 実施例３に係る光学システムの構成を示す光学系断面図である。 実施例３に係る光学システムにおける検出側のスポットダイアグラムを示す図である。 実施例３に係る光学システムにおける検出側の画歪みを示す図である。 変形例１に係る光学システムの構成を示す光学系断面図である。 変形例２に係る光学システムの構成を示す光学系断面図である。 投影光学系の要部構成を示す光学系断面図である。 光学システムの要部構成を示す光学系断面図である。
　以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
　０．比較例
　１．一実施の形態に係る光学システムおよびプロジェクタの構成例および作用・効果
　　１．１　実施例１
　　１．２　実施例２
　　１．３　実施例３
　　１．４　変形例
　　１．５　効果
　２．その他の実施の形態
＜０．比較例＞
（比較例に係る光学システムおよびプロジェクタの概要）
　図１は、比較例に係る光学システムおよびプロジェクタの構成例を示している。
　特許文献１（特開２０１６－５７４２６号公報）には、図１に示したような検出機能付きのプロジェクタの構成が開示されている。
　この比較例に係るプロジェクタは、ライトバルブ１２１と、偏光ビームスプリッタ１２３と、投影レンズ１２４と、照明光学系１２５とを備えている。
　また、この比較例に係るプロジェクタは、物体位置の検出、および撮像を行うための撮像部として、撮像素子１２２と、検出光学系１２６とを備えている。
　ライトバルブ１２１は、照明光学系１２５および偏光ビームスプリッタ１２３を介して、図示しない照明装置から出射された照明光Ｌ１００によって照明される。ライトバルブ１２１は、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の反射型の液晶素子である。ライトバルブ１２１は、画像データに基づいて照明光Ｌ１００を変調して画像光を生成する。ライトバルブ１２１で生成された画像光は、偏光ビームスプリッタ１２３、および投影レンズ１２４を介して図示しない投影面に投影される。
　投影レンズ１２４は、画像を投影するための機能の他、物体検出のための結像光学系としての機能を有している。投影レンズ１２４には、ライトバルブ１２１で生成された画像光（投影光Ｌ１０１）が入射すると共に、投影面の近傍にある検出物からの散乱光（物体光）が検出光Ｌ１０２として投影面側から取り込まれる。投影レンズ１２４は、例えば超短焦点レンズで構成される。
　撮像素子１２２は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）やＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの固体撮像素子で構成されている。撮像素子１２２は、投影面と光学的に共役な位置に配置されている。また、撮像素子１２２は、ライトバルブ１２１と光学的に共役な位置に配置されている。より具体的には、ライトバルブ１２１が反射型の液晶素子である場合、画像を作り出す表示面（液晶面）と撮像素子１２２の撮像面とが光学的に共役な位置となるように配置されている。撮像素子１２２には、投影レンズ１２４および偏光ビームスプリッタ１２３を介して、検出物からの散乱光（物体光）が検出光Ｌ１０２として入射する。撮像素子１２２は、少なくとも投影面上の投影エリアと略同一のエリアを撮像エリアとした撮像を行うことが可能となっている。
　比較例に係るプロジェクタでは、検出系において、投影レンズ１２４（特に超短焦点レンズ）を結像レンズとして共用することにより、画歪みの少ない検出画像を取得することを可能としている。これにより魚眼レンズや広角レンズ等を外部に配置するよりも高精度な物体検出を可能としている。また特に幾何補正等を行う必要がないことで処理速度等のメリットもある。またコストを抑え、小型化にもつながっている。
（課題）
　上記比較例に係るプロジェクタでは、検出光Ｌ１０２と投影光Ｌ１０１との分岐を、投影レンズ１２４のバックフォーカスにあたる部分に配置された偏光ビームスプリッタ１２３によって行っている。また、投影光Ｌ１０１と照明光Ｌ１００との分岐も偏光ビームスプリッタ１２３によって、同じ場所で行っている。しかしながら、この技術には下記のような課題がある。
（１）検出光学系１２６のレンズ構成が複雑になりやすく、検出光学系１２６の大型化、および高コスト化につながる。
　検出光学系１２６では一度、ライトバルブ程度のサイズに結像した像を再度集光して結像させるため、検出光学系１２６におけるレンズのパワーが大きくなりがちである。しかも、この検出光学系１２６自体も小型に収めたいため、さらにリレーパワーの増大が必要であり収差量が増大しやすい。さらにライトバルブ１２１と比べて撮像素子１２２を小型にすることでさらに小型化、低コスト化を狙いたくはなるものの、この場合には特に収差悪化傾向が大きく、ライトバルブ１２１の解像力程度と同等の検出解像力を得ようとするのは困難であった。さらに検出光Ｌ１０２として可視光と赤外光とを検出しようとした場合、検出光学系１２６のレンズ構成への負荷は非常に大きくなる。
（２）照明光Ｌ１００からの漏れだしが大きく、Ｓ／Ｎ比が悪化する。
　比較例に係るプロジェクタの構成では、分岐部（偏光ビームスプリッタ１２３）において、検出光Ｌ１０２と投影光Ｌ１０１との分岐だけではなく、投影光Ｌ１０１と照明光Ｌ１００との分岐も行っている。このことで、照明光Ｌ１００はわずかながら検出光学系１２６へ漏れ出すことになる。その割合は１％以下と非常にわずかではあるものの、そもそも発光体である照明光Ｌ１００が漏れ出すことは検出光Ｌ１０２においては大きなバックグラウンド光となることを意味する。従来でもバンドパスフィルタ等の挿入で検出光Ｌ１０２に対するノイズを減らす等の工夫はされているものの、限界がある。また低コスト化のためにもこうした光学素子をなるべく減らすことが望まれる。また、バンドパスフィルタは可視光帯を遮蔽しなければならないため、結果的に検出系で可視光の取得を行うことができなくなるデメリットがある。
（３）上記（２）の回避策として、投影レンズ１２４のバックフォーカスを伸ばして、バックフォーカス部分にもう一段の分岐部を入れ、照明光Ｌ１００と投影光Ｌ１０１との分岐と、投影光Ｌ１０１と検出光Ｌ１０２との分岐とを完全に分けてしまう手法も考えられるが、サイズの観点から適さない。例えば特許文献２（特開２０１６－２２００８０号公報）が代表的である。この手法では、バックフォーカスが大きく伸びるために、それに比例して投影レンズ１２４の鏡筒全長が延びてしまう。特に超短焦点レンズのように元々の全長が長く大きな体積を持つ投影レンズ１２４において、バックフォーカスの全長が延びることはプロジェクタ全体の体積や全長を大きく引き伸ばす結果となるので、回避すべきである。
　このため、小型で検出性能の高い物体検出を可能にする光学システム、およびプロジェクタの開発が望まれる。
　以下、本開示の一実施の形態として、投影レンズのバックフォーカス部分ではなく、投影レンズの絞り部分の近傍で投影系と検出系との光路を分岐させることにより、検出系のレンズ構成の簡素化、小型化、および低コスト化を可能にする技術を説明する。
＜１．一実施の形態に係る光学システムおよびプロジェクタの構成例および作用・効果＞
［一実施の形態に係る光学システムおよびプロジェクタの概要］
　図２は、本開示の一実施の形態に係る第１の構成例（実施例１）の光学システムおよびプロジェクタを示している。図６は、第２の構成例（実施例２）の光学システムおよびプロジェクタを示している。図９は、第３の構成例（実施例３）の光学システムおよびプロジェクタを示している。これらの構成例に具体的な数値を適用した数値実施例（実施例１～３）は後述する。
　以下、本開示の一実施の形態に係る光学システムおよびプロジェクタの構成を、主として図２に示した第１の構成例の光学システムおよびプロジェクタに対応付けて説明するが、本開示による技術は、図示した構成例に限定されるものではない。
　本開示の一実施の形態に係るプロジェクタは、光学システムと、表示素子（ライトバルブ１００）と、検出素子（撮像素子２００）とを含んでいる。光学システムは、投影光学系１と、検出光学系２と、光路分岐部３と、照明光学系３００とを備えている。
　撮像素子２００は、例えば、ＣＭＯＳやＣＣＤなどの固体撮像素子で構成されている。
　ライトバルブ１００は、例えばＬＣＯＳ等の反射型の液晶パネルである。また、ライトバルブ１００として、透過型の液晶パネルあるいはＤＭＤ（Digital Mirror Device）を用いてもよい。
　照明光学系３００は、偏光分離素子１０１を含んでいる。照明光学系３００は、偏光分離素子１０１を介してライトバルブ１００に照明光を照射する。
　投影光学系１は、複数のレンズを有している。投影光学系１において、光路分岐部３よりもライトバルブ１００側の部分が、投影専用光学系１０となっている。投影光学系１において、光路分岐部３よりも投影面側の部分が、共通光学系２０となっている。
　投影光学系１は、第１の光路上に配置されたライトバルブ１００によって生成された画像を投影面に投影する機能を有する。また、投影光学系１には、投影面側にある検出物からの物体光が投影面側から入射する。投影光学系１における共通光学系２０は、物体検出のための結像光学系の一部を構成している。
　投影光学系１は、光路分岐部３よりもライトバルブ１００側に投影側絞りＳｔ１を有していることが望ましい。
　光路分岐部３は、投影光学系１における複数のレンズのうち、ライトバルブ１００に最も近い側に配置されたレンズよりも投影面側に配置されている。光路分岐部３は、投影光学系１および検出光学系２の光路を第１の光路と第１の光路とは異なる第２の光路とに分岐する。
　光路分岐部３は、投影光学系１の光路上であって、照明光学系３００の光路とは交わらない位置に配置されることが望ましい。
　光路分岐部３は、投影光学系１における複数のレンズのうち、いずれか２つのレンズの間に配置されることが望ましい。
　光路分岐部３は、例えば偏光ビームスプリッタである。光路分岐部３は、例えば、可視光と赤外光とに対して偏光分離作用を有する偏光ビームスプリッタである。
　検出光学系２は、物体光として、例えば、赤外光または可視光による検出物の像を形成する。光学システムは、物体検出用の赤外光を発する赤外光源と、物体検出用の赤外光を投影面に向けて照射する光学系とを有していてもよい。
　検出光学系２は、第２の光路上において、撮像素子２００と光路分岐部３との間にはレンズ部３０が配置されている。検出光学系２のレンズ部３０は、少なくとも１枚のレンズを有している。検出光学系２には、光路分岐部３を介して物体光が入射する。検出光学系２は、撮像素子２００の撮像面上に検出物の像を形成する。
　検出光学系２のレンズ部３０における少なくとも１枚のレンズは、少なくとも１枚の非球面レンズを含むことが望ましい。
　検出光学系２のレンズ部３０は、図６、および図９に示した構成例における検出光学系２Ａ，２Ｂのように、２枚以上のレンズを有していてもよい。検出光学系２Ａ，２Ｂのレンズ部３０における２枚以上のレンズのうち、少なくとも、撮像素子２００に最も近い位置に配置されたレンズが非球面レンズであることが望ましい。また、検出光学系２Ａ，２Ｂのレンズ部３０における２枚以上のレンズのうち、光路分岐部３に最も近い位置に配置されたレンズは正のパワーを持つことが望ましい。
　検出光学系２は、光路分岐部３よりも撮像素子２００側に検出側絞りＳｔ２を有していることが望ましい。
　検出光学系２において、撮像素子２００と光路分岐部３との間に、光軸と主光線とが交わる点が存在することが望ましい。これは、撮像素子２００と光路分岐部３との間に、検出側絞りＳｔ２相当の位置があることを意味する。
　本開示の光学システムにおいて、投影側絞りＳｔ１から光路分岐部３までの光軸上距離と、検出側絞りＳｔ２から光路分岐部３までの光軸上距離とが同じであることが望ましい。
　本開示の光学システムにおいて、投影光学系１による投影距離をＰＬ、投影面における投影像の水平方向のサイズをＰＨとしたとき、
　ＰＬ／ＰＨ≦０．４２
を満足することが望ましい。ＰＬ／ＰＨは、プロジェクタのスローレシオである。本開示のプロジェクタは、スローレシオが０．４２以下であり、投影光学系１は超短焦点レンズであることが望ましい。
［実施例］
　本開示の一実施の形態に係る光学システムおよびプロジェクタの構成例および作用・効果を、具体的な数値実施例を挙げて説明する。
　なお、以下に示す各実施例、および各比較例の表等において示した記号の意味等については、下記に示す通りである。「Ｐ－ｉ」または「Ｉ－ｉ」は、投影面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。なお、面Ｐ－０はライトバルブ１００の表示面に相当する。面Ｉ－０は撮像素子２００の撮像面に相当する。
　「Ｒｉ」は、ｉ番目の面の近軸の曲率半径（ｍｍ）を示す。「Ｄｉ」はｉ番目の面とｉ＋１番目の面との間の光軸上の間隔（ｍｍ）を示す。「Ｎｄｉ」はｉ番目の面を有する光学要素の材質（媒質）のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）における屈折率の値を示す。「νｄｉ」はｉ番目の面を有する光学要素の材質のｄ線におけるアッベ数の値を示す。「Ｒｉ」の値が「∞」となっている部分は平面、または絞り面であることを示す。「Ｔｙｐｅ」は、レンズ面の形状の種類を示す。
　各実施例、および各比較例に係る光学システムは、非球面を含んでいる。非球面形状は以下の非球面の式によって定義される。なお、以下の非球面係数を示す各表において、「Ｅ－ｎ」は１０を底とする指数表現、すなわち、「１０のマイナスｎ乗」を表しており、例えば、「０．１２３４５Ｅ－０５」は「０．１２３４５×（１０のマイナス５乗）」を表している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　上記非球面の式において、Ｚは非球面の深さ（面サグ量）を示す。ｒはサグ量を求める位置の中心軸からの距離（光軸からの高さ）を示す。ｃは面の近軸曲率半径を示す。ｋはコーニック係数を示す。Ａｉは第ｉ次の非球面係数を示す。
［１．１　実施例１］
　［表１］～［表４］に、図２に示した構成例に具体的な数値を適用した実施例１に係る光学システムのレンズデータを示す。［表１］，［表２］には、実施例１に係る光学システムにおける投影光学系１のレンズデータを示す。［表２］には、投影光学系１における非球面のデータを示す。［表３］，［表４］には、実施例１に係る光学システムにおける検出光学系２のレンズデータを示す。［表４］には、検出光学系２における非球面のデータを示す。［表１］，［表２］において、Ｐ－ｉは、投影光学系１の面番号を示す。［表３］，［表４］において、Ｉ－ｉは、投影光学系１の面番号を示す。
　上述したように、投影光学系１における共通光学系２０は、検出側の結像光学系も兼ねている。実施例１に係る光学システムでは、［表３］に示したように、投影光学系１の面Ｐ－１５と検出光学系２の面Ｉ－６とが一致する。検出光学系２の面Ｉ－６以降は、投影光学系１における共通光学系２０の光路となる。
　実施例１に係る光学システムでは、検出光学系２のレンズ部３０は、１枚の非球面レンズで構成されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　実施例１に係る光学システムにおいて、ライトバルブ１００のパネルサイズ（パネル対角サイズ）は０．３７ｉｎｃｈ（８．２ｍｍ×４．６１ｍｍ）となっている。検出側の結像サイズは、１／６型相当（２．６ｍｍ×１．５ｍｍ相当）としている。すなわち投影側に比べて検出側は０．３２倍小さくなっている。
　図３は、ライトバルブ１００の画像表示面の位置と投影光学系１に入射する画像の像高との関係を示す。ライトバルブ１００上における投影対象の画像の光軸からの最大像高をｈｍａｘとする。投影光学系１に入射する画像の光軸からの最低像高をｈｍｉｎとする。ｈ０は、最大像高に対して０割の像高（０割像高）であり、投影光学系１の光軸に相当する。
　ライトバルブ１００におけるＶシフト量は、－３．７４ｍｍ（－８１．１％）であり、有効像円形はφ１４．８である。このＶシフト量（％）は撮像素子２００にも適用されている。
　投影光学系１のＦナンバーは４であり、検出側のＦナンバーは１．３３としている。また投影側、検出側ともにテレセントリック配置となるようにしている。また投影光学系１はＦＨＤ（１９２０×１０８０）の解像力を持つように設計している。この設計では赤外光７８５ｎｍの検出ができる設計であり、撮像素子２００上の解像力は０．０５ｍｍである。これは２５ｉｎｃｈ投影の際に投影面内において検出物として指程度のサイズの解像力を持つことに相当し、指タッチの判別がつくように設計されている。
　図４は、実施例１に係る光学システムにおける検出側のスポットダイアグラムを示している。いずれの像高でもＲＭＳ（Root Mean Square）で０．０５ｍｍの解像力が達成できることが示されている。
　図５は、実施例１に係る光学システムにおける検出側の画歪みを示している。図５には、撮像素子２００上の画歪みを投影方向へ計算したもの（逆算したもの）を示す。図５に示したように、若干の歪みはあるものの、この程度であれば検出側で十分に信号処理で処理できるレベルである。
　実施例１に係る光学システムでは、検出側は指程度のサイズのものしか解像力が得られないが、検出光学系２がプラスチック非球面レンズ１枚の構成とすることができており、非常にコンパクトで安価であるという特徴がある。仮に投影系と検出系との分岐構造を比較例（図１）のような構成にした場合、実施例１の検出系と同等の性能を得るためには、必要なレンズ枚数は２枚となり、さらに検出側の全長が４０ｍｍ必要である。一方、実施例１に係る光学システムでは、光路分岐部３からの検出側の全長は２２．７ｍｍにすぎない。
　実施例１に係る光学システムでは、投影光学系１が超短焦点レンズの構成例を示したが、もちろん、投影光学系１を通常の長焦点レンズとし、検出光学系２をレンズ１枚の構成とすることは可能である。しかしながら長焦点レンズの場合、プロジェクタの外部にカメラを置いた場合でも小型化の点では副作用がほとんどないために、検出光学系２をレンズ１枚の構成にするメリットは生きづらい。超短焦点レンズの場合、外部カメラによって広角な撮像を行おうとすると、画歪みが問題になることが多い。この意味で、実施例１における検出光学系２の構成は、より超短焦点レンズ（グリーン購入法ではスローレシオ０．４２以下）との相性が良いものとなっている。
　また、実施例１では、光路分岐部３の位置は投影側から見て投影側絞りＳｔ１の後とし、さらにある程度、投影側絞りＳｔ１の位置から近い部分に光路分岐部３を配置することで設計を容易としている。また検出側の撮像素子２００は投影側のライトバルブ１００よりも小型とすることで小型化を実現するため、
　０＜ｆImgonly＜ｆPrjonly　……（２）
を満たすのが目安である。
　ここで、検出側の光路部分のみの焦点距離をｆImgonlyとし、投影側の専用光路部分のみの焦点距離をｆPrjonlyとしている。すなわち、検出光学系２における光路分岐部３と撮像素子２００との間における検出光学系２の焦点距離（レンズ部３０の焦点距離）をｆImgonlyとしている。また、投影光学系１における光路分岐部３とライトバルブ１００との間の光路上に配置されたレンズ（投影専用光学系１０）の焦点距離をｆPrjonlyとしている。実施例１では、ｆImgonlyは面Ｉ－０～Ｉ－５の焦点距離に相当し、ｆPrjonlyは面Ｐ－０～Ｐ－１４に相当する。
　［表５］には、各実施例（実施例１～３）に係る光学システムについて、式（２）の条件式に関する値を示す。［表５］から、実施例１に係る光学システムについて、式（２）が満たされていることが確認できる。なお、［表５］には、各実施例（実施例１～３）について、後述する他の条件に関する値についても示す。実施例１に係る光学システムは、式（２）以外の後述する他の条件もすべて満たしている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　また、実施例１に係る光学システムでは、検出側において、撮像素子２００と光路分岐部３との間の光路中にも検出側にとっての検出側絞りＳｔ２に相当する部分が存在し、光軸と各像高の主光線が交わる部分が存在している。仮に、検出側絞りＳｔ２に相当する部分が存在しない場合、球面収差低減の自由度が落ち、特に高解像力を必要とされる設計において設計解が導けなくなる。
　また、実施例１に係る光学システムでは、面Ｐ－１４から面Ｐ－１５までの距離と、面Ｉ－５から面Ｉ－６までの距離が同一であり、投影側および検出側の各々の絞りＳｔ１，Ｓｔ２から光路分岐部３までの距離が等しい構成となっている。
［１．２　実施例２］
　［表６］，［表７］に、図６に示した構成例に具体的な数値を適用した実施例２に係る光学システムにおける検出光学系２Ａのレンズデータを示す。［表７］には、検出光学系２Ａにおける非球面のデータを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　実施例２に係る光学システムは、検出側の波長帯域を実施例１と同様に赤外光（７８５ｎｍ）とし、実施例１よりも解像力の高い検出を可能とする構成例となっている。実施例２に係る光学システムにおいて、投影側の構成は実施例１と同じである（［表１］，［表２］）。また、実施例２に係る光学システムにおいて、検出側における倍率は実施例１と同様であり、テレセントリック性も維持している。
　上述したように、投影光学系１における共通光学系２０は、検出側の結像光学系も兼ねている。実施例２に係る光学システムでは、［表６］に示したように、投影光学系１の面Ｐ－１５と検出光学系２Ａの面Ｉ－８とが一致する。検出光学系２Ａの面Ｉ－９以降は、投影光学系１における共通光学系２０の光路となる。
　実施例２に係る光学システムでは、検出光学系２Ａのレンズ部３０は、２枚の非球面レンズで構成されている。
　図７は、実施例２に係る光学システムにおける検出側のスポットダイアグラムを示している。図８は、実施例２に係る光学システムにおける検出側の画歪みを示している。図８には、撮像素子２００上の画歪みを投影方向へ計算したもの（逆算したもの）を示す。
　図７および図８から分かるように、スポット径は実施例１に比べて１／５程度以下になったほか、画歪みも十分に少なく実施例１よりも改善している様子が見て取れる。
　実施例２に係る光学システムでは、検出光学系２Ａは、レンズ２枚、全長は２６．６ｍｍの構成となっている。仮に、投影系と検出系との分岐構造を比較例（図１）のような構成にした場合、実施例２の検出系と同等の性能を得るためには、必要なレンズ枚数は３枚となり、さらに検出側の全長が５３．６ｍｍと大きくなる。
　また、実施例２に係る光学システムは、上述の［表５］に示したとおり、後述する他の条件も含めて、好ましい条件を全て満たしている。また、特徴的な点として、検出光学系２Ａにおける光路分岐部３に最も近い位置に配置されたレンズ（面Ｉ－５～面Ｉ－６に相当する。）は正のパワーを持つ。これは、負のパワーにするとバックフォーカスが伸びるために全長短縮の意図に適さないことに起因している。また、実施例２に係る光学システムにおいて、検出光学系２Ａにおける光路分岐部３に最も近い位置に配置されたレンズのパワーは、検出光学系２Ａのパワーの大部分を占める構成となっている。すなわち、下記を満たす。
　０．５≦ｆImg1／ｆImgonly≦２　……（３）
　ここで、ｆImg1は、検出光学系２Ａにおける光路分岐部３に最も近い位置に配置されたレンズの焦点距離を示す。ｆImgonlyは、検出光学系２Ａにおける光路分岐部３と撮像素子２００との間における検出光学系２Ａの焦点距離を示す。実施例２では、ｆImgonlyは面Ｉ－０～Ｉ－６の焦点距離に相当する。仮に、式（３）の条件から外れる場合、検出光学系２Ａのもう１つのレンズのパワーが大きく増大または大きく減少することを意味する。その場合、歪曲とテレセントリック性の補正余地が減少してしまい、うまく設計をすることが困難となる。また、実施例２の検出光学系２Ａの構成に対して、さらに３枚目のレンズを付与するのは設計上、無駄が多い。
　また、実施例２に係る光学システムにおいても、実施例１と同様に、検出側において、撮像素子２００と光路分岐部３との間の光路中に検出側にとっての検出側絞りＳｔ２に相当する部分が存在し、光軸と各像高の主光線が交わる部分が存在している。
　また、検出光学系２Ａでは、撮像素子２００に最も近い位置に配置されたレンズが非球面になっており、このことで画歪みを効率よく低減する構成とすることができる。
　また、実施例２に係る光学システムでは、面Ｐ－１４から面Ｐ－１５までの距離と、面Ｉ－７から面Ｉ－８までの距離が同一であり、投影側および検出側の各々の絞りＳｔ１，Ｓｔ２から光路分岐部３までの距離が等しい構成となっている。
［１．３　実施例３］
　［表８］，［表９］に、図９に示した構成例に具体的な数値を適用した実施例３に係る光学システムにおける検出光学系２Ｂのレンズデータを示す。［表９］には、検出光学系２Ｂにおける非球面のデータを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
　実施例３に係る光学システムは、検出側の波長帯域を赤外域（７８５ｎｍ）だけでなく可視域（Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青））にまで拡大した構成例となっている。実施例３に係る光学システムにおいて、投影側の構成は実施例１と同じである（［表１］，［表２］）。また、実施例３に係る光学システムにおいて、検出側における倍率は実施例１と同様であるが、テレセントリック性は大きく緩和させた設計となっている。実施例３に係る光学システムでは、検出側のテレセントリック性はおおむねスマートフォンの撮像レンズにおける設計値と同等としている。このため、実施例３に係る光学システムにおいて検出側で使用する撮像素子２００は、実施例１における検出側で使用した撮像素子２００とは仕様の異なる素子を使用することが望ましい。
　上述したように、投影光学系１における共通光学系２０は、検出側の結像光学系も兼ねている。実施例３に係る光学システムでは、［表８］に示したように、投影光学系１の面Ｐ－１５と検出光学系２Ｂの面Ｉ－１１とが一致する。検出光学系２Ｂの面Ｉ－１２以降は、投影光学系１における共通光学系２０の光路となる。
　実施例３に係る光学システムでは、検出光学系２Ａのレンズ部３０は、４枚のレンズで構成されている。
　図１０は、実施例３に係る光学システムにおける検出側のスポットダイアグラムを示している。図１１は、実施例３に係る光学システムにおける検出側の画歪みを示している。図１１には、撮像素子２００上の画歪みを投影方向へ計算したもの（逆算したもの）を示す。
　図１０のスポットダイアグラムより明らかなように、実施例３に係る光学システムでは、実施例２よりもさらに半分程度、スポットが小さくなっており解像力がさらに向上しているのがわかる。なお、ここでのスポットは説明の簡略化のため可視域（ＲＧＢ）のものとしたが、赤外域（７８５ｎｍ）でも実施例２よりも優れた解像力を持つ。また、図１１より明らかなように、実施例３に係る光学システムでは、画歪みは若干、存在するが、信号処理等で十分、抑え切れるレベルに収まっている。
　実施例３に係る光学システムでは、検出光学系２Ｂは、レンズ４枚、全長は１８．８ｍｍの構成となっており、実施例２の検出光学系２Ａよりもさらに短い。仮に、投影系と検出系との分岐構造を比較例（図１）のような構成にした場合、検出系において可視域（ＲＧＢ）の光を取得しようとしても、上述したようにＳ／Ｎ比の良い状態で取得することが困難な構成であるため、実施例３に係る光学システムの構成はさらに特異的に有利である。
　また、実施例３に係る光学システムは、上述の［表５］に示したとおり、後述する他の条件も含めて、好ましい条件を全て満たしている。また、実施例３に係る光学システムにおいても、実施例１と同様に、検出側において、撮像素子２００と光路分岐部３との間の光路中に検出側にとっての検出側絞りＳｔ２に相当する部分が存在し、光軸と各像高の主光線が交わる部分が存在している。
　実施例３に係る光学システムにおいて、検出光学系２Ｂにおける光路分岐部３に最も近い位置に配置されたレンズ（面Ｉ－８～面Ｉ－９に相当する。）は正のパワーを持つ。また、実施例３に係る光学システムにおいて、検出光学系２Ｂにおける光路分岐部３に最も近い位置に配置されたレンズのパワーは、検出光学系２Ｂのレンズ全体（面Ｉ－０～面Ｉ－１０に相当する。）のパワーの大部分を占める構成となっている。すなわち、上述の式（３）を満たす。実施例３に係る光学システムにおいて、検出光学系２Ｂの構成では、特に最大像高へ向かう光束に対して大きな屈折を行うと非点収差の増大が気になる。特に検出側絞りＳｔ２以降の設計は投影側のレンズ設計に依存するために変えらない。このために、非点収差の打消しも意図的に狙いづらい傾向にある。従って、検出光学系２Ｂにおける光路分岐部３から２番目以降の位置に配置されたレンズに大きなパワーを持たせることは不利である。従って、検出光学系２Ｂにおけるパワーの大部分は光路分岐部３に最も近い位置に配置されたレンズが担うことが好ましい。
　また、検出光学系２Ｂでは、撮像素子２００に最も近い位置に配置されたレンズが非球面になっており、このことで画歪みを効率よく低減する構成とすることができる。
　また、実施例３に係る光学システムでは、面Ｐ－１４から面Ｐ－１５までの距離と、面Ｉ－１０から面Ｉ－１１までの距離が同一であり、投影側および検出側の各々の絞りＳｔ１，Ｓｔ２から光路分岐部３までの距離が等しい構成となっている。
［１．４　変形例］
　次に、以上で説明した実施例に対する変形例を説明する。
　例えば、上記各実施例の構成に対して、撮像素子２００の部分を偏光イメージセンサ等に置き換えることで、偏光イメージングを行うことができる。これは比較例（図１）のような場所に撮像素子２００を配置する場合には達成できない応用例である。また、上記各実施例の構成に対して、撮像素子２００の部分をＴｏＦ（Time of Flight）イメージセンサとし、どこか別の場所（例えばプロジェクタの上部等）にＴｏＦ発光源を配置することでプロジェクタと一体型のデプスセンシングが可能となる。あるいは、検出側の光路を再分岐させ、そこにＴｏＦ発光源を配置することも可能である（図１２）。
　図１２は、変形例１に係る光学システムの構成を示している。
　変形例１に係る光学システムは、実施例３に係る光学システム（図９）に対して、検出光学系２Ｃ付近の構造が異なっている。変形例１に係る光学システムは、実施例３に係る光学システム（図９）に対して、撮像素子２００をＴｏＦイメージセンサ２００Ａとし、さらに、ＴｏＦ光源部４と、光路分岐部５とを備えた構成となっている。ＴｏＦ光源部４は、ＴｏＦ発光源２１０を有している。
　変形例１に係る光学システムでは、光路分岐部５によって、ＴｏＦ発光源２１０による照射光の光路と撮像素子２００Ａに向かう物体光の光路との分岐を偏光によって行う。また、投影側の光路と検出側の光路との分岐は、光路分岐部３を可視光に対して偏光分離作用を有し、赤外光に対して透過作用（後述する図１３の構成では反射作用）を有する偏光ビームスプリッタで構成することによって実現できる。あるいは、光路分岐部５をハーフミラー等で構成して、ＴｏＦ発光源２１０による照射光の光路と撮像素子２００Ａに向かう物体光の光路との分岐を行うようにしてもよい。また、光路分岐部３を可視域から赤外域までの偏光ビームスプリッタで構成することによって、投影側の光路と検出側の光路との分岐を行うようにしてもよい。
　さらに、図１２に示した構成において、ＴｏＦ発光源２１０を物体検出用の赤外光を発する赤外発光源と置換すれば、赤外発光源をプロジェクタの外に持たずに投影面全面を、物体検出用の赤外光で照明することができる。これにより、赤外光による物体検出を行う上で、外部に赤外発光源を配置する必要がなくなるため、デザイン性が大きく向上しコンパクト化にも有利となる。
　図１３は、変形例２に係る光学システムの構成を示している。変形例２に係る光学システムは、実施例３に係る光学システム（図９）に対して、投影系と検出系とに対する光路分岐部３の反射作用を逆にした構成となっている。変形例２に係る光学システムでは、検出系の光路を光路分岐部３による反射作用によって途中で折り曲げた構成となっている。
　以上の実施例および変形例１において、光路分岐部３は平板状のビームスプリッタに限らず、例えばプリズム状のビームスプリッタであっても良い。透過率や反射率の観点からはプリズム状のビームスプリッタが好ましい。コストの観点からは平板状のビームスプリッタが好ましい。性能仕様やコスト等に応じて、光路分岐部３の構成を適宜、選択可能である。また、光路分岐部３としては、単純なビームスプリッタではなく偏光ビームスプリッタを使用することで、プロジェクタ側の光量損失を抑えた上での検出側での撮像を可能にすることができる。光路分岐部３として偏光ビームスプリッタを使用し、特に実施例１～３のように光路分岐部３で投影側の光を反射する構成の場合、偏光ビームスプリッタに入射する投影側の偏光はＳ偏光とするのが反射率の設計観点から望ましい。逆に、例えば、図１３に示したように光路分岐部３の反射構成を投影系と検出系とで逆にすれば、偏光ビームスプリッタに入射する投影側の偏光はＰ偏光がより望ましくなる。
　なお、図１３の構成では、投影系において、斜め板状部材（光路分岐部３）を光が通過する関係でコマ収差や非点収差の影響が投影側に発生する。その影響度は低いとは考えられるものの、一般に投影側の画像の信号補正は難しい傾向にある。このため、投影系に関しては、図９の構成のほうが信号処理的には軽いといえる。なお、図９の構成の場合、逆に、斜め板状部材（光路分岐部３）によつて、検出系においてコマ収差や非点収差の影響が発生するが、検出信号を加工するのは比較的容易である。
　図１４は、投影光学系１の要部構成を示している。図９の構成において、検出系での非点収差を十分に低くするために、以下の式（Ａ）を満たすことが望ましい。ここで、投影光学系１における複数のレンズのうち、光路分岐部３よりも投影面側にある１番目のレンズ（共通光学系２０におけるライトバルブ１００方向側の最初のレンズ）をＬcommon1とする。また、　投影光学系１における光路分岐部３よりも投影面側の光学系部分（共通光学系２０）のライトバルブ側焦点位置をＰcommonとする。また、レンズＬcommon1のライトバルブ１００方向側の入射面からライトバルブ側焦点位置Ｐcommonまでの距離をＢＦＬcommonとし、その絶対値を｜ＢＦＬcommon｜とする。
　｜ＢＦＬcommon｜≧１００ｍｍ　……（Ａ）
　図１４に示したように、投影側から光軸上に対して平行光を入れ（近軸光線）、共通光学系２０のみによるライトバルブ側結像点がＰcommonとなる。なお、図１４では図示しづらかったため像高を大きめに与えているが、実際には式（Ａ）は光軸上の光線によって計算される。
　「ライトバルブ側結像点」とは、投影方向から近軸平行光を入れた結果の結像点を意味し、空間的な位置を示すものではない。図１４では共通光学系２０のレンズＬcommon1（［表１］の面Ｐ－１６～面Ｐ－１７）からライトバルブ１００方向への光線は微発散光であるのでＰcommonの位置は凹面ミラーＭ１より遠方側（右側）で虚像として結像する形となっている。
　式（Ａ）の必要性は、斜め板状部材（光路分岐部３）で発生する非点隔差量との比に関連がある。斜め板状部材に入る光線入射角のｃｏｓをξ、斜め板状部材の屈折角のｃｏｓをξ’とし、斜め板状部材の厚みをｄ、屈折率をｎとおいたとき、その非点隔差Δは下記の式（Ｂ）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　式（Ｂ）において、例えば斜め板状部材への光線入射角を７０ｄｅｇとし、ｄ＝０．７ｍｍ、ｎ＝１．５２とすれば、Δ＝０．４８ｍｍとなる。これがＢＦＬcommonに対して相対的に小さければ非点収差の影響は少なくなる。良好な結像のためにはおおむね、
　Δ／｜ＢＦＬcommon｜≦０．５％
を満たす必要がある。
　上記で仮定した数値はいずれも下限に近いので、少なくとも、
　｜ＢＦＬcommon｜≧１００ｍｍ
を満たしていなければ非点収差の要件から斜め板状部材を配置した上で良好な検出信号を得ることが困難となる。各実施例のＢＦＬcommonの値を上述の［表５］に示す。ＢＦＬcommonの値は、［表１］において面Ｐ－１６～面Ｐ－２７の光学系部分の後側焦点と面Ｐ－１６との距離に相当する。
　また、検出系において可視域（ＲＧＢ）の光を取得する場合、投影光の波長帯をカットする光学ノッチフィルタを検出側に配置することによって投影光の影響をなくした画像を取得することができる。
　また、上記各実施例では、投影側のバックフォーカスはテレセントリックの形態としたが、非テレセントリックでも良い。またバックフォーカスに偏光分離素子１０１を配置しない構成とすることも可能である。また、上記各実施例では、投影側絞りＳｔ１の大きさと検出側絞りＳｔ２の大きさとが同一の場合を想定していたが、それらの大きさは必ずしも同一である必要はない。例えば検出側絞りＳｔ２のサイズを小さくすることで検出側のＦナンバーを上げ、よりレンズの製造感度を下げたりレンズ枚数をさらに減らしたりすることも可能である。また、投影サイズのフォーカシング機構は共通光学系２０内にあることが望ましい。実施例１～３に係る光学システムにおいて、例えば［表１］におけるＰ－１６～Ｐ－２１の部分のレンズをフォーカシングレンズとすることが望ましい。共通光学系２０内にフォーカシング機構を備えることによって、投影側、および検出側の各々においてフォーカスを独立に動かす必要がなく、簡便な構成とすることができる。また、検出側の画歪みについては信号処理によって一定程度補正可能であるため、実施例１～３に係る光学システムよりも画歪みが多い場合でも対応可能である。
［分岐位置の定式化］
　光路分岐部３による光路の分岐位置は、投影光学系１の光路内において、一定の条件を満たさないと構造的に光路の折り返しが困難となる。一方で、例えば分岐位置を投影側絞りＳｔ１からあまりに離してしまうと、光路分岐部３が巨大になり小型化の意味が薄れる。
　図１５は、実施例３に係る光学システムにおける光路分岐部３付近の要部構成を示している。
　図１５を参照しながら、光路分岐部３の最適な位置の条件を探る。投影側絞りＳｔ１から光路分岐部３までの光軸上距離をＡとする。光路分岐部３よりも投影面側にある１番目のレンズＬcommon1から光路分岐部３までの光軸上距離をＢとする。さらに、投影光学系１において、軸上のマージナル光線の開き角をφ、投影側絞りＳｔ１における最大像高の射出角をθとする。また、投影側絞りＳｔ１の位置を、
（Ｘｓｔｏ，Ｙｓｔｏ）＝（０，ｆPrjonlyｔａｎφ）
とおけば、光路分岐部３によって反射後のレンズＬcommon1のエッジ位置は、おおむね、
（ＸLMA1，ＹLMA1）≒（Ａ－（Ａ＋Ｂ）ｔａｎθ－ｆPrjonlyｔａｎφ，Ｂ）
と置くことができる。
　この２点、（Ｘｓｔｏ，Ｙｓｔｏ）と（ＸLMA1，ＹLMA1）との２点間距離Ｌは、一定以上必要で、おおむね３ｍｍ以上はないと、光路分岐部３と光路分岐部３付近のレンズとを互いに干渉せずに配置することが困難となる。従って、下記式（４）が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　マージナル光線の開き角φは低角度ではおおむね下記式（５）が成立する。ここでＦは投影光学系１のＦナンバーである。
　ｔａｎφ＝１／（２Ｆ）　……（５）
　また、射出角θについては下記式（６）が成立する。
　ｔａｎθ＝ｙmax／ｆPrjonly　……（６）
　ここで、ｙmaxはライトバルブ１００によって生成された画像の最大像高を示す（図３のｈｍａｘに相当する）。従って、式（４）は下記式（４－２）のように書き換えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　各実施例について式（４－２）に関する値の計算結果を上述の［表５］に示す。ここで、［表１］において、Ａは面Ｐ－１４～Ｐ－１５に相当し、Ｂは面Ｐ－１５～面Ｐ－１６に相当する。各実施例について、式（４－２）の２点間距離Ｌは目標の３ｍｍを超えているため、レンズ枠を形成しても、２点間距離Ｌの部分において、光路分岐部３付近の複数のレンズ同士が物理干渉しないように構成することができる。また、この２点間距離Ｌが大きすぎると、光学システム全体が大きくなってしまう。光路分岐部３のサイズ増大と検出系の長さを考えると２点間距離Ｌはおおむね、
　Ｌ≦１５……（７）
を満たすのが望ましい。
　今、仮に式（７）の閾値を超えたことを考える。式（４－２）のＡ，Ｂが比例して大きくなったとして［表５］に示した値を換算すれば、実施例１～３でのＡの数値は３５．７ｍｍにもなり、２５．７ｍｍも増大することになる。この数値は実施例２において従来比で短縮できた全長とほぼ同じ程度であり、本技術を適用する意味合いが薄れてしまう程度であるといえる。従って、式（７）を下回るのがより望ましいといえる。なお比例換算については、Ｂ側に大きく振れば検出側の全長増大は抑えられるものの、今度は投影光学系１の全長がさらに無駄に長くなってしまうためこれもまた適さない。従って、おおむねこの程度が目安であることは不変である。
［１．５　効果］
　本開示の一実施の形態に係る光学システム、またはプロジェクタによれば、投影光学系１内における光路分岐部３の配置位置を最適化し、光路分岐部３を介して物体光を検出光学系２に入射させるようにしたので、小型で検出性能の高い物体検出が可能となる。
　特に、本実施の形態によれば、今まで複雑であった検出系のレンズ構成を簡素化し、コンパクトにすることができる。また、検出系に入射する照明光からの不要バックグラウンド光がそもそもなくなるので、検出する信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。併せて、ＲＧＢの可視光についても検出できる系を構成することができる。さらに可視域と赤外域との検出に対応する系も構築することができる。照明光の分岐位置ではない部分に、投影系と検出系との分岐位置が置けるため、偏光センシングやＴｏＦによるデプスセンシング等の応用や、赤外光による投影面の照明といった形で使用することもでき応用範囲が非常に広い。検出系は簡易化されているので、コストも安い。バックフォーカスを伸ばす投影光学系とは異なるため、投影レンズも小さくて済むという特徴も持つ。
　なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
＜２．その他の実施の形態＞
　本開示による技術は、上記実施の形態および実施例の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
　例えば、上記各数値実施例において示した各部の形状および数値は、いずれも本技術を実施するための具体化のほんの一例に過ぎず、これらによって本技術の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。
　また、非球面を形成する面は、各実施例に示したレンズ面に限定されず、各実施例に示したレンズ面以外の他の面をさらに非球面にした構成であってもよい。
　また例えば、本技術は以下のような構成を取ることができる。
　以下の構成の本技術によれば、投影光学系内における光路分岐部の配置位置を最適化し、光路分岐部を介して物体光を検出光学系に入射させるようにしたので、小型で検出性能の高い物体検出が可能となる。
［１］
　複数のレンズを有し、第１の光路上に配置されたライトバルブによって生成された画像を投影面に投影すると共に、前記投影面側にある検出物からの物体光が前記投影面側から入射する投影光学系と、
　前記投影光学系における前記複数のレンズのうち、前記ライトバルブに最も近い側に配置されたレンズよりも前記投影面側に配置され、光路を前記第１の光路と前記第１の光路とは異なる第２の光路とに分岐する光路分岐部と、
　前記第２の光路上において、撮像素子と前記光路分岐部との間に配置された少なくとも１枚のレンズを有し、前記光路分岐部を介して前記物体光が入射し、前記撮像素子の撮像面上に前記検出物の像を形成する検出光学系と
　を備える
　光学システム。
［２］
　前記ライトバルブに照明光を照射する照明光学系、をさらに備え、
　前記光路分岐部は、前記投影光学系の光路上であって、前記照明光学系の光路とは交わらない位置に配置される
　上記［１］に記載の光学システム。
［３］
　前記光路分岐部は、前記投影光学系における前記複数のレンズのうち、いずれか２つのレンズの間に配置される
　上記［１］または［２］に記載の光学システム。
［４］
　前記検出光学系における前記少なくとも１枚のレンズは、少なくとも１枚の非球面レンズを含む
　上記［１］ないし［３］のいずれか１つに記載の光学システム。
［５］
　前記検出光学系は、前記物体光として、赤外光または可視光による前記検出物の像を形成する
　上記［１］ないし［４］のいずれか１つに記載の光学システム。
［６］
　前記投影光学系における前記光路分岐部と前記ライトバルブとの間の光路上に配置されたレンズの焦点距離をｆPrjonly、
　前記検出光学系における前記光路分岐部と前記撮像素子との間における前記検出光学系の焦点距離をｆImgonlyとしたとき、
　０＜ｆImgonly＜ｆPrjonly
　を満足する
　上記［１］ないし［５］のいずれか１つに記載の光学システム。
［７］
　前記検出光学系は２枚以上のレンズを有し、前記２枚以上のレンズのうち、少なくとも、前記撮像素子に最も近い位置に配置されたレンズが非球面レンズである
　上記［１］ないし［６］のいずれか１つに記載の光学システム。
［８］
　前記投影光学系における前記複数のレンズのうち、前記光路分岐部よりも前記投影面側にある１番目のレンズをＬcommon1とし、
　前記投影光学系における前記光路分岐部よりも前記投影面側の光学系部分のライトバルブ側焦点位置をＰcommonとし、
　前記レンズＬcommon1の前記ライトバルブ側のレンズ面から前記ライトバルブ側焦点位置Ｐcommonまでの距離をＢＦＬcommonとしたとき、
　｜ＢＦＬcommon｜≧１００（ｍｍ）
　を満足する
　上記［１］ないし［７］のいずれか１つに記載の光学システム。
［９］
　前記検出光学系において、前記撮像素子と前記光路分岐部との間に、光軸と主光線とが交わる点が存在する
　上記［１］ないし［８］のいずれか１つに記載の光学システム。
［１０］
　前記検出光学系は２枚以上のレンズを有し、前記２枚以上のレンズのうち、前記光路分岐部に最も近い位置に配置されたレンズは正のパワーを持つ
　上記［１］ないし［９］のいずれか１つに記載の光学システム。
［１１］
　前記検出光学系における前記光路分岐部に最も近い位置に配置されたレンズの焦点距離をｆImg1とし、
　前記検出光学系における前記光路分岐部と前記撮像素子との間における前記検出光学系の焦点距離をｆImgonlyとしたとき、
　０．５≦ｆImg1／ｆImgonly≦２
　を満足する
　上記［１］ないし［１０］のいずれか１つに記載の光学システム。
［１２］
　前記投影光学系は、前記光路分岐部よりも前記ライトバルブ側に投影側絞りを有し、
　前記検出光学系は、前記光路分岐部よりも前記撮像素子側に検出側絞りを有し、
　前記投影側絞りから前記光路分岐部までの光軸上距離と、前記検出側絞りから前記光路分岐部までの光軸上距離とが同じである
　上記［１］ないし［１１］のいずれか１つに記載の光学システム。
［１３］
　前記投影光学系による投影距離をＰＬ、前記投影面における投影像の水平方向のサイズをＰＨとしたとき、
　ＰＬ／ＰＨ≦０．４２
　を満足する
　上記［１］ないし［１２］のいずれか１つに記載の光学システム。
［１４］
　前記投影光学系は、前記光路分岐部よりも前記ライトバルブ側に投影側絞りを有し、
　前記投影側絞りから前記光路分岐部までの光軸上距離をＡ、
　前記投影光学系における前記複数のレンズのうち、前記光路分岐部よりも前記投影面側にある１番目のレンズから前記光路分岐部までの光軸上距離をＢ、
　前記投影光学系のＦナンバーをＦ、
　前記ライトバルブによって生成された画像の最大像高をｙmaxとしたとき、
　以下の式を満足する
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 　上記［１］ないし［１３］のいずれか１つに記載の光学システム。
［１５］
　前記検出光学系は、前記物体光として、赤外光と可視光とによる前記検出物の像を形成する
　上記［１］ないし［４］、または［６］ないし［１４］のいずれか１つに記載の光学システム。
［１６］
　前記光路分岐部は、偏光ビームスプリッタである
　上記［１］ないし［１５］のいずれか１つに記載の光学システム。
［１７］
　前記光路分岐部は、可視光に対して偏光分離作用を有し、赤外光に対して透過作用または反射作用を有する偏光ビームスプリッタである
　上記［１６］に記載の光学システム。
［１８］
　光学システムと、
　ライトバルブと、
　撮像素子と
　を含み、
　前記光学システムは、
　複数のレンズを有し、第１の光路上に配置された前記ライトバルブによって生成された画像を投影面に投影すると共に、前記投影面側にある検出物からの物体光が前記投影面側から入射する投影光学系と、
　前記投影光学系における前記複数のレンズのうち、前記ライトバルブに最も近い側に配置されたレンズよりも前記投影面側に配置され、光路を前記第１の光路と前記第１の光路とは異なる第２の光路とに分岐する光路分岐部と、
　前記第２の光路上において、前記撮像素子と前記光路分岐部との間に配置された少なくとも１枚のレンズを有し、前記光路分岐部を介して前記物体光が入射し、前記撮像素子の撮像面上に前記検出物の像を形成する検出光学系と
　を備える
　プロジェクタ。
　本出願は、日本国特許庁において２０１８年４月９日に出願された日本特許出願番号第２０１８－０７４７５４号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。
　当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (18)

  1. 　複数のレンズを有し、第１の光路上に配置されたライトバルブによって生成された画像を投影面に投影すると共に、前記投影面側にある検出物からの物体光が前記投影面側から入射する投影光学系と、
    　前記投影光学系における前記複数のレンズのうち、前記ライトバルブに最も近い側に配置されたレンズよりも前記投影面側に配置され、光路を前記第１の光路と前記第１の光路とは異なる第２の光路とに分岐する光路分岐部と、
    　前記第２の光路上において、撮像素子と前記光路分岐部との間に配置された少なくとも１枚のレンズを有し、前記光路分岐部を介して前記物体光が入射し、前記撮像素子の撮像面上に前記検出物の像を形成する検出光学系と
    　を備える
    　光学システム。
  2. 　前記ライトバルブに照明光を照射する照明光学系、をさらに備え、
    　前記光路分岐部は、前記投影光学系の光路上であって、前記照明光学系の光路とは交わらない位置に配置される
    　請求項１に記載の光学システム。
  3. 　前記光路分岐部は、前記投影光学系における前記複数のレンズのうち、いずれか２つのレンズの間に配置される
    　請求項１に記載の光学システム。
  4. 　前記検出光学系における前記少なくとも１枚のレンズは、少なくとも１枚の非球面レンズを含む
    　請求項１に記載の光学システム。
  5. 　前記検出光学系は、前記物体光として、赤外光または可視光による前記検出物の像を形成する
    　請求項１に記載の光学システム。
  6. 　前記投影光学系における前記光路分岐部と前記ライトバルブとの間の光路上に配置されたレンズの焦点距離をｆPrjonly、
    　前記検出光学系における前記光路分岐部と前記撮像素子との間における前記検出光学系の焦点距離をｆImgonlyとしたとき、
    　０＜ｆImgonly＜ｆPrjonly
    　を満足する
    　請求項１に記載の光学システム。
  7. 　前記検出光学系は２枚以上のレンズを有し、前記２枚以上のレンズのうち、少なくとも、前記撮像素子に最も近い位置に配置されたレンズが非球面レンズである
    　請求項１に記載の光学システム。
  8. 　前記投影光学系における前記複数のレンズのうち、前記光路分岐部よりも前記投影面側にある１番目のレンズをＬcommon1とし、
    　前記投影光学系における前記光路分岐部よりも前記投影面側の光学系部分のライトバルブ側焦点位置をＰcommonとし、
    　前記レンズＬcommon1の前記ライトバルブ側のレンズ面から前記ライトバルブ側焦点位置Ｐcommonまでの距離をＢＦＬcommonとしたとき、
    　｜ＢＦＬcommon｜≧１００（ｍｍ）
    　を満足する
    　請求項１に記載の光学システム。
  9. 　前記検出光学系において、前記撮像素子と前記光路分岐部との間に、光軸と主光線とが交わる点が存在する
    　請求項１に記載の光学システム。
  10. 　前記検出光学系は２枚以上のレンズを有し、前記２枚以上のレンズのうち、前記光路分岐部に最も近い位置に配置されたレンズは正のパワーを持つ
    　請求項１に記載の光学システム。
  11. 　前記検出光学系における前記光路分岐部に最も近い位置に配置されたレンズの焦点距離をｆImg1とし、
    　前記検出光学系における前記光路分岐部と前記撮像素子との間における前記検出光学系の焦点距離をｆImgonlyとしたとき、
    　０．５≦ｆImg1／ｆImgonly≦２
    　を満足する
    　請求項１に記載の光学システム。
  12. 　前記投影光学系は、前記光路分岐部よりも前記ライトバルブ側に投影側絞りを有し、
    　前記検出光学系は、前記光路分岐部よりも前記撮像素子側に検出側絞りを有し、
    　前記投影側絞りから前記光路分岐部までの光軸上距離と、前記検出側絞りから前記光路分岐部までの光軸上距離とが同じである
    　請求項１に記載の光学システム。
  13. 　前記投影光学系による投影距離をＰＬ、前記投影面における投影像の水平方向のサイズをＰＨとしたとき、
    　ＰＬ／ＰＨ≦０．４２
    　を満足する
    　請求項１に記載の光学システム。
  14. 　前記投影光学系は、前記光路分岐部よりも前記ライトバルブ側に投影側絞りを有し、
    　前記投影側絞りから前記光路分岐部までの光軸上距離をＡ、
    　前記投影光学系における前記複数のレンズのうち、前記光路分岐部よりも前記投影面側にある１番目のレンズから前記光路分岐部までの光軸上距離をＢ、
    　前記投影光学系のＦナンバーをＦ、
    　前記ライトバルブによって生成された画像の最大像高をｙmaxとしたとき、
    　以下の式を満足する
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     　請求項１に記載の光学システム。
  15. 　前記検出光学系は、前記物体光として、赤外光と可視光とによる前記検出物の像を形成する
    　請求項１に記載の光学システム。
  16. 　前記光路分岐部は、偏光ビームスプリッタである
    　請求項１に記載の光学システム。
  17. 　前記光路分岐部は、可視光に対して偏光分離作用を有し、赤外光に対して透過作用または反射作用を有する偏光ビームスプリッタである
    　請求項１６に記載の光学システム。
  18. 　光学システムと、
    　ライトバルブと、
    　撮像素子と
    　を含み、
    　前記光学システムは、
    　複数のレンズを有し、第１の光路上に配置された前記ライトバルブによって生成された画像を投影面に投影すると共に、前記投影面側にある検出物からの物体光が前記投影面側から入射する投影光学系と、
    　前記投影光学系における前記複数のレンズのうち、前記ライトバルブに最も近い側に配置されたレンズよりも前記投影面側に配置され、光路を前記第１の光路と前記第１の光路とは異なる第２の光路とに分岐する光路分岐部と、
    　前記第２の光路上において、前記撮像素子と前記光路分岐部との間に配置された少なくとも１枚のレンズを有し、前記光路分岐部を介して前記物体光が入射し、前記撮像素子の撮像面上に前記検出物の像を形成する検出光学系と
    　を備える
    　プロジェクタ。
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