(57)【要約】【課題】反射面を用いて構成したＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  光学系としての結像光学系において、製造誤差に対する性能劣化を少なし、且つ十分なコンパクト化を図る。【課題手段】結像光学系は、それぞれ曲率を持ち、かつ回転非対称形状の複数の反射面により構成された反射光学ユニットを含む。そして、以下の条件を満足する。Ｌ／Ｅｒ（Ｓ−１）＜２．２３≦Ｌ／Ｅｏ（Ｓ−１）【選択図】  図１
2005024695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ曲率を持ち、かつ回転非対称形状の複数の反射面により構成された反射光学ユニットを含む結像光学系であって、以下の条件を満足することを特徴とする。
Ｌ／Ｅｒ（Ｓ−１）＜２．２
３＜Ｌ／Ｅｏ（Ｓ−１）
但し、Ｌは、瞳の中心を通り像面の中心に至る主光線が辿る経路を基準軸としたときの、前記反射光学ユニットのうち最も物体側の第１の反射面から最も像面側の最終反射面までの前記基準軸上の空気換算光路長、Ｅｒは前記基準軸を含む平面であるオフアキシャル断面に垂直な方向の前記反射光学ユニットの入射瞳径、Ｅｏは前記オフアキシャル断面に平行な方向の前記入射瞳径Ｅｒよりも小さい入射瞳径、Ｓは前記第１反射面から最終反射面までの面数である。
【請求項２】
さらに以下の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
（ωｒ・ｆｏ）／（ωｏ・ｆｒ）＞１．５
但し、ωｏは前記結像光学系を射出して像面に至る軸上光束の前記オフアキシャル断面内での開き角、ｆｏは前記結像光学系の前記オフアキシャル断面内での焦点距離、ωｒは前記軸上光束の、前記オフアキシャル断面に垂直で該光束の主光線を含む面内での開き角、ｆｒは前記結像光学系の前記オフアキシャル断面に垂直で該光束の主光線を含む面内での焦点距離である。
【請求項３】
前記第１の反射面に入射する側の基準軸と反射後に該第１の反射面から射出する側の基準軸とのなすオフアキシャル基準軸角が８０度以内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の結像光学系。
【請求項４】
該光学系内に中間結像面を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか又は１つに記載の結像光学系。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の結像光学系を有することを特徴とする光学装置。
【請求項６】
原画を形成する画像形成ユニットと、
前記原画を被投射面に投射する請求項１から４のいずれか１つに記載の結像光学系を有することを特徴とする投射型画像表示装置。
【請求項７】
それぞれ原画を形成し、互いに異なる色の光を変調する複数の画像形成素子と、
これら画像形成素子からの複数の色光を、その偏光方向に応じて透過又は反射することにより合成する偏光分離面を有する色合成素子と、
前記色合成素子により合成された光を被投射面に投射する請求項１から４のうちいずれか１つに記載の結像光学系とを有し、Ｐ波の偏波方向と曲率を有する各反射面におけるオフアキシャル基準軸角の為す平面とが垂直になるように配置されていることを特徴とする投射型画像表示装置。
【請求項８】
請求項１から４のいずれか１つに記載の結像光学系と、
該結像光学系により形成された像を受けてこれを光電変換する光電変換素子とを有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投射型画像表示装置や撮像装置等の光学装置に用いられる結像光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンピュータで作成した画像を拡大表示するために、前方投射型のプロジェクタ（フロントプロジェクタ）をはじめとする投射型画像表示装置が広く用いられている。このような投射型画像表示装置には、小型軽量化はもとより、観察者の視界を妨げることなく画像投影を行うためにスクリーンに対して斜め投射が可能な投射光学系が用いられることが多い。そして、斜め投射では、スクリーン上の投射画像にいわゆる台形歪みが生じるので、この台形歪みを補正する手法が、例えば特許文献１にて提案されている。
【０００３】
一方、非共軸光学系において、特許文献２にはその設計法や焦点距離等の近軸量の計算方法が、特許文献３、特許文献４、特許文献５にはその設計例が示されている。これらの文献により、基準軸という概念を導入して、光学系の構成面を基準軸に対して非対称形状でかつ非球面にすることで、十分に収差が補正された光学系が構築可能であることが明らかになってきた。
【０００４】
こうした非共軸光学系は、オフアキシャル（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  ）光学系と呼ばれ、像中心と瞳中心を通る光線が辿る経路を基準軸としたときに、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ曲面  ）を含む光学系として定義される。この場合、基準軸は折れ曲がった形状となる。
【０００５】
このＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がしやすい。また、光学系内で中間像を形成することにより高画角でありながらコンパクトな光学系を構成することができる。
【０００６】
さらに、前絞りの光学系でありながら、光路の引き回しが比較的自由に行なえるためにコンパクトな光学系が構成できる。
【０００７】
特許文献６および特許文献７にて提案の光学系では、このようなＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  光学系の特長を生かして、曲率を有する回転非対称反射面を用いることにより、固定の投射角度における台形歪みを補正している。
【０００８】
一方、カメラ等の撮像装置に用いられる撮影光学系においても、小型、薄型化が求められている。上述した特許文献４には、曲率を有する回転非対称反射面を用いることにより、小型、薄型の変倍撮影光学系が提案されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−２８２４５１号公報（段落０００５、図２等）
【特許文献２】
特開平０９−５６５０号公報（段落００１５〜００１８、図２等）
【特許文献３】
特開平０８−２９２３７１号公報（段落００３４，００３５、図１等）
【特許文献４】
特開平０８−２９２３７２号公報（段落００４１、図２等）
【特許文献５】
特開平０９−２２２５６１号公報（段落００４３，００４４、図１等）
【特許文献６】
特開２００１−２５５４６２号公報（段落００１４〜００３１、図２等）
【特許文献７】
特開２０００−８９２２７号公報（段落００１２〜００１８、図１等）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの反射面を用いたＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  光学系は、面精度や偏心等の製造誤差に非常に敏感なことが多い。例えば、面形状に非対称な誤差が発生すると、像面全域に渡って像面内の直交する２方向でのピント位置ずれ、即ち非点隔差が発生する。これを、実際の製造時にメカ的な調整で取り除くことは困難である。
【００１１】
そこで、本発明は、反射面を用いて構成したＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  光学系としての結像光学系において、製造誤差に対する性能劣化を少なし、且つ十分なコンパクト化を図ることを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の結像光学系は、それぞれ曲率を持ち、かつ回転非対称形状の複数の反射面により構成された反射光学ユニットを含む。そして、以下の条件を満足することを特徴とする。
【００１３】
Ｌ／Ｅｒ（Ｓ−１）＜２．２  …（１）
３≦Ｌ／Ｅｏ（Ｓ−１）  …（２）
但し、Ｌは、瞳の中心を通り像面の中心に至る主光線が辿る経路を基準軸としたときの、反射光学ユニットのうち最も物体側の第１の反射面から最も像面側の最終反射面までの基準軸上の空気換算光路長、Ｅｒは基準軸を含む平面であるオフアキシャル断面に垂直な方向の反射光学ユニットの入射瞳径、Ｅｏはオフアキシャル断面に平行な方向の上記入射瞳径Ｅｒよりも小さい入射瞳径、Ｓは第１反射面から最終反射面までの面数である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の実施形態の説明に入る前に、実施形態における構成諸元の表し方および各実施形態に共通する事項について説明する。
【００１５】
図２４は実施形態の光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。実施形態では、縮小側（例えば、投射型画像表示装置では、液晶パネル等に形成される原画側）から拡大側（例えば、投射型画像表示装置では、スクリーンが配置された像面側）又は拡大側（例えば、撮像装置における物体（被写体）側）から縮小側（例えば、撮像装置におけるＣＣＤ等の撮像素子が配置された像面側）に向かって、不図示の物体面の中心から瞳（絞り）の中心を通って像面の中心に至る１つの光線（図２４中に一点鎖線で示す）を中心主光線又は基準軸光線と称し、この光線が辿る経路を基準軸と称する。また、基準軸に沿って、物体側からｉ番目の面を第ｉ面とする。
【００１６】
図２４において、第１面Ｒ１は屈折面、第２面Ｒ２は第１面Ｒ１に対してチルトして反射面、第３面Ｒ３、第４面Ｒ４は各々の前の面に対してシフト、チルトして反射面、第５面Ｒ５は第４面Ｒ４に対してシフト、チルトして屈折面である。第１面Ｒ１から第５面Ｒ５までの各々の面はガラス、プラスチック等の媒質で構成される一つの光学素子上に構成されており、図２４中では第１の光学素子Ｂとしている。
【００１７】
従って、図２４の構成では、不図示の物体面から第１面Ｒ１までの媒質は空気、第１面Ｒ１から第５面Ｒ５まではある共通の媒質、第５面Ｒ５から不図示の第６面Ｒ６までの媒質は空気で構成している。
【００１８】
本発明の光学系はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  光学系であるため、光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。そこで、実施形態においては、第１面の中心を原点とする絶対座標系を設定する。
【００１９】
すなわち、第１面の中心である絶対座標系の原点と最終結像面の中心とを通る光線（中心主光線又は基準軸光線）の辿る経路が基準軸である。さらに、基準軸は方向（向き）を持っている。その方向は中心主光線又は基準軸光線が結像に際して進行する方向である。そして以下の実施形態では、中心主光線又は基準軸光線は、第１面の中心点（原点）を通り最終結像面の中心へ至るまでに、各屈折面および反射面によって屈折・反射する。各構成面の順番は、中心主光線又は基準軸光線が屈折・反射を受ける順番に設定している。このため、基準軸は設定された各面の順番に沿って屈折若しくは反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。
【００２０】
また、以下の実施形態において、縮小側、パネル面側、物体面側および拡大側、所定像面側、スクリーン側とは、基準軸の方向に対してどちら側であるかを意味している。
【００２１】
なお、本発明の実施形態においては、光学系の基準となる基準軸を上記の様に設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すればよい。一般的には、像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は光学系の第１面や最終面の中心のいずれかを通る光線の辿る経路を基準軸に設定するとよい。
【００２２】
以下の実施形態における光学系の絶対座標系の各軸は以下のように定める。
【００２３】
Ｚ軸：原点と物体面中心を通る直線。物体面から第１面Ｒ１に向かう方向を正とする。
【００２４】
Ｙ軸：原点を通り右手座標系の定義に従ってＺ軸に対して反時計回り方向に９０゜をなす直線。
【００２５】
Ｘ軸：原点を通りＺ、Ｙの各軸に垂直な直線。
【００２６】
また、光学系を構成する第ｉ面の面形状およびチルト角を表すには、絶対座標系にてその面の形状およびチルト角を表記するより、基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でその面の面形状を表し、基準軸とローカル座標系のなす角度でチルト角を表した方が理解し易い。このため、第ｉ面の面形状は以下のローカル座標系で表す。そのためにまず、基準軸上の任意の点に対して以下の基準軸上座標系を設定する。
【００２７】
ｚｂ軸：基準軸上の任意の点を通る直線。基準軸の方向を正とする。基準軸の偏向点においては入射方向を正とする。
【００２８】
ｙｂ軸：基準軸上の任意の点を通り、右手座標系の定義に従ってｚｂ軸に対して反時計回り方向に９０゜をなす直線。絶対座標系の原点で絶対座標系のＹ軸と一致し、以降、ｚｂ軸に対する回転はないものとする。
【００２９】
ｘｂ軸：基準軸上の任意の点を通り、ｚｂ、ｙｂ各軸に垂直な直線。
【００３０】
次にローカル座標系を設定する。
【００３１】
ｚ軸：ローカル座標の原点を通る面法線。
【００３２】
ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、右手座標系の定義に従ってｚ方向に対し反時計方向に９０゜をなす直線
ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ｙｂｚｂ面に対し垂直な直線。
【００３３】
従って、第ｉ面のｙｂｚｂ面内でのチルト角は、ローカル座標系のｚ軸が基準軸上座標系のｚｂ軸に対してなす鋭角で、反時計回り方向を正とした角度θｘｂ，ｉ（単位°）で表す。また、第ｉ面のｘｂｚｂ面内でのチルト角は、基準軸上座標系のｚｂ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θｙｂ，ｉ（単位°）で表す。さらに、第ｉ面のｘｂｙｂ面内でのチルト角は、絶対座標系のｙｂ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θｚｂ，ｉ（単位°）で表す。ただし、通常、θｚｂ，ｉは面の回転に相当するもので、以下の実施形態においては存在しない。図２５はこれらの絶対座標系、基準軸上座標系、ローカル座標系の相互関係を表している。
【００３４】
また、各実施形態では、数値実施例として各構成面の数値データを示す。ここで、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面とのローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ｎｄｉ、νｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率とアッベ数である。Ｅ−Ｘは、１０−Ｘを表す。
【００３５】
また、球面は以下の式で表される形状である：
【００３６】
【数１】
2005024695.tif 000003
【００３７】
さらに、以下の実施形態の光学系は、回転非対称な非球面を１面以上有し、その形状は以下の式により表す。
【００３８】
2005024695.tif 000004
上記曲面式はｘに関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定される曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。
【００３９】
また、以下の条件が満たされる場合はｘｚ面に対して対称な形状を表す。
【００４０】
2005024695.tif 000005
が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は回転非対称な形状である。
【００４１】
なお、以下の実施形態中、重複する説明は省略し、重複して用いられる符号の意味は断りのない限り共通のものとする。
【００４２】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１である結像光学系の構成を示す断面図である。図１の結像光学系は、投射光学系であり、例えば図１０のように投射型画像表示装置に用いられる。
【００４３】
図１０において、ＬＯは照明系であり、白色光源ランプ１と、反射鏡２と、光源ランプからの白色光を赤、緑、青の３色の成分に分離する色分離素子（図示せず）を有する。
【００４４】
ＬＶは画像形成ユニットとしての透過型の液晶ディスプレイパネルである。この液晶ディスプレイパネルＬＶには、駆動回路１０が接続され、駆動回路１０には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオ（ＶＣＲ）、テレビ、デジタルビデオ又はスチルカメラ、電波により映像を受信するアンテナおよびチューナからなる受信ユニット等の画像情報供給装置２０が接続されている。画像情報供給装置２０からの画像情報を受けた駆動回路１０は、該画像情報に応じた駆動信号を液晶ディスプレイパネルＬＶに送出する。駆動信号を受けた液晶ディスプレイパネルＬＶは、該駆動信号に応じた原画を液晶により形成し、照明系ＬＯからの照明光を変調する。本実施形態では、図示しないが、液晶ディスプレイパネルＬＶは赤、緑、青用の３つが設けられ、それぞれ赤、緑、青用の原画を形成する。
【００４５】
なお、本実施形態では、画像形成ユニットとして透過型の液晶ディスプレイパネルを用いた場合について説明しているが、本発明はこれに限られず、反射型の液晶ディスプレイパネル、デジタルマイクロミラーアレイ（ＤＭＤ）を用いる場合や、照明系が不要な自発光素子（エレクトロネミネセンス素子）や、レーザー光を画像情報に応じて変調しながら２次元走査する画像形成ユニットを用いる場合にも適用することができる。
【００４６】
Ｄは３つの液晶ディスプレイパネルＬＶにて変調された色光を合成する色合成素子としてのダイクロイックプリズムである。ダイクロイックプリズムＤには、複数のダイクロイック膜が設けられており、このダイクロイック膜での波長に応じた透過又は反射作用によって３色の光を合成する。
【００４７】
Ｃは複数のレンズにより構成された共軸光学系としての屈折光学ユニットである。ＩＥは屈折光学ユニットＣの射出瞳であると同時に、複数の反射面Ｒ１〜Ｒ４で構成されたＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  反射光学ユニットＲの入射瞳であり、この位置には絞りＳＳが設けられている。
【００４８】
ダイクロイックプリズムＤで色合成された光は、屈折光学ユニットＣおよび反射光学ユニット（Ｒ１〜Ｒ４）を介して、被投射面である不図示のスクリーン上に拡大投影される。
【００４９】
また、屈折光学ユニットＣおよび反射光学ユニットＲにより構成される投射光学系Ｐは、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  光学系としての反射光学ユニットＲにより台形歪みを良好に補正して、スクリーンに対して画像を斜めに投影する。
【００５０】
なお、本発明における結像光学系は、図１０に示した投射型画像表示装置に限られず、後述する実施形態３に示す投射型画像表示装置にも用いることができる。  また、投射光学系Ｐに屈折光学ユニットＣを含ませることにより、スクリーンへの拡大投影に必要な光学パワーを、屈折光学ユニットＣと反射光学ユニットＲとに適宜分担させることができ、反射光学ユニットＲの各反射面の曲率を緩やかなものとする（つまり、製造を簡単にする）ことができる。
【００５１】
図１において、反射光学ユニットＲを構成する反射面Ｒ１〜Ｒ４は、いずれも回転非対称形状を有し、前述したように基準軸が折れ曲がったＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  光学系系を構成している。
【００５２】
さらに、本実施形態では、反射光学ユニットＲ内における反射面Ｒ３とＲ４との間に１回中間結像（中間結像面Ｍ）している。これにより、中間結像面を持たない場合に比べて各反射面の大きさを小さくすることができるので、面形状を精度良く製造する上で有効である。なお、中間結像面の位置は図１に示した位置に限るものではない。また、以下に示す他の実施形態でも、同様に反射光学ユニットＲ内に中間結像面Ｍを有する。
【００５３】
次に、図１中にＸＹ面における入射瞳の形状を示す。ここで、基準軸が反射を繰り返す平面、すなわち折れ曲がった基準軸を含む平面をＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面（ＹＺ面）とする。このとき、基準軸上光束のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面内（該断面に平行な方向）の入射瞳径をＥｏ、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に垂直な方向の入射瞳径をＥｒとすると、
Ｅｒ＝２Ｅｏ
の関係が成立する。換言すると、反射光学ユニットＲに入射する基準軸上光束のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面内での開き角をθｏ、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に垂直な方向の開き角をθｒとすると、
θｒ＝２θｏ
の関係になっている。
【００５４】
また、反射光学ユニットＲのＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面内でのＦナンバーをＦｏ、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に垂直な方向のＦナンバーをＦｒとすると、
Ｆｏ＝２Ｆｒ
の関係になっている。
【００５５】
これらの反射面を用いたＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  光学系は、面精度や偏心等の製造誤差に非常に敏感なことが多く、量産を行う際に問題点として挙げられている。例えば、面形状に非対称な誤差が発生すると、像面全域に渡って像面内の直交する２方向でのピント位置ずれ、即ち非点隔差が発生し、これをメカ的な調整で取り除くことは困難である。
【００５６】
しかしながら、本実施形態の投射光学系では、以下に示す理由によりこの問題を回避することが可能となる。
【００５７】
まず第１の理由を図２７（Ａ）〜（Ｄ）を用いて説明する。図２７の横軸は基準軸に沿った像面付近の位置（ピント位置）を示しており、縦軸はそこでの画像（投射画像）のコントラストを示している。図中のコントラスト値は、高いほど良い。  また、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面方向のコントラスト曲線は破線で示し、これに垂直な方向のコントラスト曲線は実線で示している。従って、各曲線のコントラストが最も高くなる（曲線のピーク）位置がその方向での最適なピント位置ということになる。
【００５８】
図２７（Ａ）は、基準軸上光束のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面内（該断面に平行な方向）の入射瞳径Ｅｏと、これに垂直な方向の入射瞳径Ｅｒとが等しい通常の光学系の場合を示している。反射光学ユニットの入射瞳径が両方向で同じであるため、方向による焦点深度の差が無く、両方向のコントラスト曲線はほぼ重なる。  この場合において、面形状に非対称な誤差が発生すると、図２７（Ｂ）のように非点隔差が発生し、両方向でのピント位置がずれてしまい、これが画面全域に渡って発生するため画像の劣化が起きてしまう。
【００５９】
しかし、本実施形態のように、上記２方向で入射瞳径を異ならせる（以下、入射瞳径が非対称であるという）と、方向によって焦点深度に差が生じる。図２７（Ｃ）では、破線で示す小さい方の入射瞳径Ｅｏの方向（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に平行な方向）の焦点深度が、実線で示す大きい方の入射瞳径Ｅｒの方向（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に垂直な方向）の焦点深度よりも深くなっており、この方向では像面の位置が変動してもコントラストの劣化が少ないことを示している。
【００６０】
この場合、面形状に非対称な誤差が発生して、同様に非点隔差が発生しても、図２７（Ｄ）のように入射瞳径Ｅｏの小さいＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に平行な方向ではコントラストの劣化を抑えることができる。
【００６１】
また、画面全域に渡って、非点隔差の発生の仕方が一様な傾向があるので画面全体で実線のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ断面に垂直な方向での最良のピント位置に像面を置いた場合、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ断面に平行な方向での最良のピント位置からはずれるもののその劣化量が少ないために両方向で高いコントラストを保つことが可能である。
【００６２】
ここで、入射瞳径が非対称であることは、入射光束の開き角が非対称であること、Ｆナンバーが異なることに置き換えても同様である。
【００６３】
次に、第２の理由を図１および図７を用いて説明する。図７に示す反射光学ユニットＲは、図１の反射光学ユニットＲと同じ大きさの物体面および像面を有するが、入射瞳径が対称である点でのみ図１の反射光学ユニットＲと異なる。
【００６４】
図７の回転対称な入射瞳径は、図１のＥｒと同じである。ここで、ある反射面に入射する基準軸と反射後に射出する基準軸とのなす角をＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角と称する。
【００６５】
一般に、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  光学系の収差論を論じるとき、このＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角の大きさが、その反射面での反射により発生する非対称収差に起因することが知られている。
【００６６】
さらに、反射面に発生する誤差の収差への影響は、瞳に近い面ほど大きい。これは、ある画角の光束に注目したとき、瞳に近い面では光束の広がりが大きいためである。
【００６７】
図７および図１の反射光学ユニット（若しくは投射光学系）において、反射面Ｒ１〜Ｒ４でのＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角を比較したものを表１に示す。なお、本実施形態では、物体面から絞りＳＳまでの物体距離は４００ｍｍ  で、物体面は絞り中心を曲率中心（曲率半径４００ｍｍ  ）とする球面上に定義されている。また、画角は、ｘ：±７．７１°、ｙ：±７．７１°である。焦点距離は、ｘ：１３７．２４ｍｍ、ｙ：１５４．８７ｍｍである。像面サイズは、１８２８．８ｍｍ×１８２８．８ｍｍである。
【００６８】
この表１から、図１のように入射瞳径を非対称（Ｅｒ＝２Ｅｏ）にすることで、図７に示す入射瞳径が対称（Ｅｒ＝Ｅｏ）である場合に比べて、各反射面でＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角が小さくなる傾向にある。（Ｒ３，Ｒ４では小さくなっていませんが、このままの説明でよいでしょうか）但し、表１において一部これに従っていないものもあるが、これは、図１８の撮像系のように物体面と像面を平行に保つことや、光学系を構成する複数の反射面を一体成形するための製造上の条件等に起因するものであり、本発明の効果としてＯｆｆ−Ａｘｉａｌ基準軸角を小さくすることが可能であることには変わらない。
【００６９】
これは、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に平行な方向の入射瞳径Ｅｏが、垂直な方向の入射瞳径Ｅｒよりも小さいために、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に平行な方向の全画角の光束が細くなって、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角を小さくすることが可能となっていることを表している。
Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角が大きい場合、製造誤差による性能の劣化が大きくなる。
【００７０】
このことは、特許文献２にて開示されているＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  光学系のパワーの計算方法に従い、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  反射面の焦点距離を製造誤差としての基準軸のずれ量（ｄｘ，ｄｙ，ｄθ）で微分すれば分かるように、誤差が発生したときの反射面のパワーのずれ量がＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角の大きさに依存して大きくなることからも分かる。
【００７１】
従って、本実施形態のようにしてＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角をできるだけ小さくすることにより、製造誤差による性能劣化の発生を抑制することができる上に、投射光学系の結像性能も向上させることができる。このため、図２７（Ｃ）に示すように、入射瞳径Ｅｏの小さいＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に平行な方向のコントラスト（破線）は、ピント位置によって大きく変動することがなく、その最大値も図２７（Ａ）に示す入射瞳径が対称である場合比べて高くなる。
【００７２】
次に、第３の理由を図１および図７を用いて説明する。製造誤差による画像劣化を論じるとき、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角に加えて、光学系の光路長が重要な要素として挙げられる。図１および図７に示した反射面Ｒ１で製造誤差が発生した場合、反射面Ｒ２に入射する光線の位置は本来の位置からずれることになる。
【００７３】
反射面Ｒ１で同量の誤差が発生しているとすると、図７の方が、反射面Ｒ１とＲ２の面間隔が長い分、反射面Ｒ２に入射する時点で大きなずれを生じることになる。さらに反射面Ｒ３，Ｒ４と反射を繰り返すことにより、この誤差量が拡大されていくことになる。
【００７４】
従って、光路長が短いことは、誤差の拡大を抑える効果がある。入射瞳径が回転対称である図７の投射光学系と入射瞳径が非対称（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に平行な方向の入射瞳径が小さくなっている図１の投射光学系において、反射面Ｒ１からＲ４までの光路長を比較したものを表２に示す。
【００７５】
表２では、反射光学ユニットＲのうち最も物体側の第１の反射面Ｒ１から最も像面側の最終反射面Ｒ４までの空気換算した光路長をＬ、入射瞳径（非対称の場合は、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に垂直な方向の入射瞳径）をＥｒ、入射瞳径（非対称の場合は、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に平行な方向の入射瞳径）をＥｏ、第１の反射面Ｒ１から最終反射面Ｒ４までの面数をＳとしたときのＬ／Ｅｒ（Ｓ−１）およびＬ／Ｅｏ（Ｓ−１）の値を比較している。これらのＬ／Ｅｒ（Ｓ−１）およびＬ／Ｅｏ（Ｓ−１）は、反射光学ユニットＲのスケールを決めている入射瞳径と媒質と反射面数とで光路長Ｌを規格化した値を示している。
【００７６】
この表２から、入射瞳径を非対称にすることで光路長が短くなる傾向にあることが分かる。これは、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に平行な方向の入射瞳径Ｅｏが垂直な方向の入射瞳径Ｅｒよりも小さいために、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に平行な方向の全画角の光束が細くなると共に、各画角の光束の開き角が小さくなり、面間隔を狭くしても光線および反射面の空間配置的な干渉が避けられるためである。
【００７７】
本実施形態では、反射光学ユニットの入射瞳径を非対称にし、特にＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に平行な方向の入射瞳径を垂直な方向の入射瞳径よりも小さくすることで、照明系を含めて像面での明るさを保ちつつ製造誤差に対して性能劣化が少なく、且つ非常にコンパクトな反射光学ユニット（ひいては投射光学系）および投射型画像表示装置を実現している。
【００７８】
なお、像面での照度を考慮して、入射瞳径を非対称にするときには、照明系において予め入射光束の開き角を非対称にしておくことが望ましい。
以下、実施形態１に対応した数値実施例としての反射光学ユニットＲの構成データを示す。前述したように、物体面から絞りＳＳまでの物体距離は４００ｍｍで、物体面は絞り中心を曲率中心（曲率半径４００ｍｍ）とする球面上に定義されている。画角は、ｘ：±７．７１°、ｙ：±７．７１°である。焦点距離は、ｘ：１３７．２４ｍｍ、ｙ：１５４．８７ｍｍである。像面サイズは、１８２８．８ｍｍ×１８２８．８ｍｍである。
2005024695.tif 000006
2005024695.tif 000007
実施形態１（数値実施例１）のディストーションの様子を図２に、図２６に示す像面ＩＭＧにおける▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼の評価位置での横収差図を図３に示す。図２より、大きなディストーションはなく、非対称なディストーションも少ないことが分かる。
【００７９】
また、図３の横収差図では、横軸を瞳面上でのＸ或いはＹ軸とし、縦軸は像面上での収差量を意味しており、評価光線の波長は５４６．０７ｎｍである。この図から、それぞれの軸方向において良好に結像していることが分かる。
【００８０】
さらに、比較のため、入射瞳径が回転対称な図７に示した光学系のディストーションの様子を図８に、像面における同一の評価位置での横収差図を図９に示す。回転対称な方が性能はとり易いが、性能をとるために反射面および光学系全体が大きくなり、さらにそれが製造の困難さにつながる。
【００８１】
（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２である投射光学系（結像光学系）のうち反射光学ユニットの構成を示す断面図である。本実施形態の投射光学系は、実施形態１にて説明した図１の投射光学系と同様に投射型画像表示装置に用いられるものである。また、本実施形態の反射光学ユニットは、実施形態１の反射光学ユニットと同様に４つの反射面Ｒ１〜Ｒ４により構成されている。但し、本実施形態の反射光学ユニットの入射瞳径は、
Ｅｒ＝４Ｅｏ
である。
【００８２】
図４の反射光学ユニットのＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角の大きさを表１に、第１の反射面Ｒ１から最終反射面Ｒ４までの光路長Ｌを入射瞳径Ｅｒおよび反射面数Ｓで規格化した値を表２に示す。
【００８３】
非対称な入射瞳径の比を大きくすることで、実施形態１よりもＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角を小さく、光路長を短くすることができている。これにより、さらに製造誤差に対して性能劣化が少なく、且つ非常にコンパクトな投射光学系およびこれを用いた投射型画像表示装置を実現することができる。
【００８４】
なお、本実施形態の物体面から絞りＳＳまでの物体距離は４００ｍｍ  で、物体面は絞り中心を曲率中心（曲率半径４００ｍｍ  ）とする球面上に定義されている。画角は、ｘ：±７．７１°、ｙ：±７．７１°である。焦点距離は、ｘ：１３８．５７ｍｍ、ｙ：１５４．４４ｍｍである。像面サイズは、１８２８．８ｍｍ×１８２８．８ｍｍである。
【００８５】
以下、本実施形態に対応する数値実施例として、反射光学ユニットの構成データを示す。
2005024695.tif 000008
2005024695.tif 000009
本実施形態のディストーションの様子を図５に、図２６の像面ＩＭＧにおける▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼の評価位置での横収差図を図６に示す。図６の軸の定義および評価波長は図３と同じである。図５から、大きなディストーションはなく、非対称なディストーションも少ないことが分かる。また、図６から、Ｘ軸方向およびＹ軸方向とも、良好に結像していることが分かる。
【００８６】
（実施形態３）
図１１は、本発明の実施形態３である投射型画像表示装置の構成を示す断面図である。また、図１２は、上記投射型画像表示装置を構成する照明系ＬＯ’と色分離合成光学系ＬＣの構成を示している。
【００８７】
図１２に示すように、照明系ＬＯ’は、白色光源ランプ１１と、反射鏡１２と、偏光変換素子１３とを有する。また、パネルおよび色分離合成光学系ＬＣは、赤、緑、青用の３つの反射型液晶パネルＰＲ，ＰＧ，ＰＢと、照明系ＬＯ’からの光を色分離して液晶パネルＰＲ，ＰＧ，ＰＢに導き、かつ液晶パネルＰＲ，ＰＧ，ＰＢからの光を色合成するためのダイクロイックミラーＤＭおよび３つの偏光ビームスプリッタＰＢＳ１，ＰＢＳ２，ＰＢＳ３と、波長板λと、トリミングフィルタＴＦと、カラーリンク（Ｃｏｌｏｒ  Ｌｉｎｋ）社から販売されている「カラーセレクト（Ｃｏｌｏｒ  Ｓｅｌｅｃｔ）」（商品名：登録商標）等のカラーフィルタＣＦとを有する。
【００８８】
反射型液晶パネルＰＲ，ＰＧ，ＰＢには、図示はしないが、図１０に示した投射型画像表示装置と同様に、駆動回路が接続され、さらに駆動回路には画像情報供給装置が接続されている。
【００８９】
図１１において、Ｃ１は変倍可能な共軸光学系としての第１の屈折光学ユニット（レンズユニット）である。Ｍ１，Ｍ２は平面ミラーである。Ｒは、曲率を有した回転非対称な複数の反射面Ｒ１〜Ｒ４により構成されたＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  反射光学ユニットであり、実施形態１，２で説明したのと同様の構成を有する。Ｃ２は共軸光学系としての第２の屈折光学ユニット（レンズユニット）である。これら第１の屈折光学ユニットＣ１，ミラーＭ１，Ｍ２，反射光学ユニットＲおよび第２の屈折光学ユニットＣ２により、投射光学系（結像光学系）が構成される。また、図中のＹＺ面が、反射光学ユニットＲのＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面である。
【００９０】
図１２において、光源ランプ１１から発せられ、偏光変換素子１３により偏光方向が揃えられて照明系ＬＯ’から射出した白色光のうち緑色成分は、ダイクロイックミラーＤＭにより反射され、他の色光成分はダイクロイックミラーＤＭを透過する。緑色光は、波長板λによって偏光方向が９０度回転させられ、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１に入射する。偏光ビームスプリッタＰＢＳ１に入射した緑色光は、該偏光ビームスプリッタＰＢＳ１に設けられた偏光分離膜ＳＰ１によって反射され、緑用の反射型液晶パネルＰＧに入射する。そして緑色光は、反射型液晶パネルＰＧによって反射されるとともに変調された後、偏光分離膜ＳＰ１を透過して偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に向かう。
【００９１】
一方、ダイクロイックミラーＤＭを透過した光は、波長板λ、トリミングフィルタＴＦおよびカラーフィルタＣＦを介して偏光ビームスプリッタＰＢＳ２に入射する。偏光ビームスプリッタＰＢＳ２に入射した光のうち赤色成分は、該偏光ビームスプリッタＰＢＳ２に設けられた偏光分離膜ＳＰ２によって反射され、赤用の反射型液晶パネルＰＲに入射する。そして赤色光は、反射型液晶パネルＰＲによって反射されるとともに変調された後、偏光分離膜ＳＰ２を透過して偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に向かう。
【００９２】
また、偏光ビームスプリッタＰＢＳ２に入射した光のうち青色成分は、偏光分離膜ＳＰ２を透過して、青用の反射型液晶パネルＰＢに入射する。そして青色光は、反射型液晶パネルＰＢによって反射されるとともに変調された後、偏光分離膜ＳＰ２で反射されて偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に向かう。
【００９３】
偏光ビームスプリッタＰＢＳ１から偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に入射した緑色光は、該偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に設けられた偏光分離膜ＳＰ３を透過する。また、偏光ビームスプリッタＰＢＳ２からカラーフィルタＣＦおよび波長板λを介して偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に入射した赤および青色光は、偏光分離膜ＳＰ３で反射される。これにより、変調された３色の光が合成され、合成された光は投射光学系に入射し、不図示の被投射面であるスクリーンに拡大投射される。
【００９４】
ここで、図１１に示すように、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１〜ＰＢＳ３の偏光分離面を構成する偏光分離膜ＳＰ１〜ＳＰ３は、基準軸上座標系でＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に直交するよう配置されている。
【００９５】
照明系ＬＯ’を射出した光束のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面内の開き角をＬθｏ、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ断面に垂直な方向の開き角をＬθｒ  とすると、Ｌθｒ  の方がＬθｏ  よりも大きくなっている。Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面と偏光分離面とが垂直になっている（直交する）ことに関して、図１１では、図中に示す絶対座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）においても垂直な関係になっているが、本質的には基準軸上座標系において垂直な関係になっていればよい。
【００９６】
これは、ミラー等で図１１の紙面に垂直な方向（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ断面に垂直な方向）に基準軸を折り曲げた場合、絶対座標系ではＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面と偏光分離面とが垂直な関係ではなくなるが、基準軸上座標系では垂直の関係は崩れておらず、偏光分離面と絞りＳＳ（反射光学ユニットＲの入射瞳ＩＥ）とＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面の位置関係は上記の関係を保ち、同じ効果が得られるからである。
【００９７】
従って、図１１のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射光学ユニットＲにおけるＯｆｆ−Ａｘｉａｌ断面は基準軸上座標系でのＹＺ面であるので、偏光分離面からＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  反射光学ユニットＲに至る途中の光路で基準軸座標が変化することがあっても、偏光分離面は基準軸座標系でＹＺ面に垂直になっていればよい。
【００９８】
Ｌθｒ  とＬθｏ  の関係を図１３に示す。図１３中のＰＢＳは、図１１および図１２中の３つの偏光ビームスプリッタＰＢＳ１〜ＰＢＳ３のうち１つを代表して示している。また、この偏光ビームスプリッタＰＢＳに入射する光束の開き角の非対称性によって定まる、偏光ビームスプリッタＰＢＳの入射面での光束の透過する範囲Ａを図１４に示す。図１１の第１の屈折光学ユニットＣ１は回転対称系であるので、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  反射光学ユニットＲの入射瞳径は、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に垂直な方向の入射瞳径Ｅｒの方がＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に平行な方向の入射瞳径Ｅｏよりも大きくなっている。
【００９９】
照明系ＬＯ’、パネルおよび色分離合成光学系ＬＣ、およびＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  反射光学ユニットＲを含む投射光学系を図１１のように配置することで、実施形態１，２で説明したのと同様の作用効果を有する投射型画像表示装置を実現することができる。
【０１００】
一方、このような構成をとることは、偏光ビームスプリッタにおいて色分離の際の偏光分離面に入射する光束の最大入射角から最小入射角の範囲を狭くすることになる。したがって、偏光分離面の角度依存特性による影響を少なくすることができる効果も有している。
【０１０１】
なお、本発明においては、照明系からの光束の開き角の非対称性によりＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  反射光学ユニットの入射瞳径を非対称にし、特にＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に平行な方向の入射瞳径をＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に垂直な方向の入射瞳径よりも小さくするように配置することで上記の効果が得られることを本質としているので、上記実施形態にて説明した各種フィルタや液晶パネルおよび投射光学系の詳細は変更可能であり、本実施形態に限定されるものではない。
【０１０２】
（実施形態４）
図１５は、本発明の実施形態４である結像光学系の構成を示す断面図である。本実施形態の結像光学系は、図２１に示すデジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に用いられる撮影光学系である。
【０１０３】
図２１において、Ｇ１〜Ｇ４は、カバーガラス、ローパスフィルタ、赤外カットフィルタ等の光学フィルタであり、目的に応じて任意に脱着可能である。ＩＥは入射瞳であり、この位置には絞りＳＳが設けられている。
【０１０４】
ＲはＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  反射光学ユニットであり、Ｒ１，Ｒ７を透過面とし、Ｒ２〜Ｒ６を反射面としたガラスやプラスチック等の透明材料で一体成型されている。透過面Ｒ１から入射した物体（被写体）からの光線は、屈折および反射を繰り返して、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等により構成される受光素子（光電変換素子）ＩＭＧ上に結像する。
【０１０５】
図１５において、Ｒ１〜Ｒ７は上述した光学面（透過面および反射面）であり、基準軸が折れ曲がったＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  光学系を構成している。Ｒ１，Ｒ７は回転対称な透過面で、Ｒ２〜Ｒ６は回転非対称な反射面である。
【０１０６】
図１５中にＸＹ面の入射瞳の形状を示す。基準軸が反射を繰り返す（基準軸を含む）平面をＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面（図１５に示すＹＺ面）とするとき、基準軸上光束のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面内（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に平行な方向）の入射瞳径をＥｏ、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に垂直な方向の入射瞳径をＥｒとすると、
Ｅｒ＝２Ｅｏ
の関係になっている。
【０１０７】
換言すると、反射光学ユニットＲに入射する基準軸上光束のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面内での開き角をθｏ、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に垂直な方向の開き角をθｒとすると、
θｒ＝２θｏ
の関係になっている。
【０１０８】
また、反射光学ユニットＲのＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面内でのＦナンバーをＦｏ、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に垂直な方向のＦナンバーをＦｒとすると、
Ｆｏ＝２Ｆｒ
の関係になっている。
【０１０９】
これらの反射面Ｒ２〜Ｒ６を用いたＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  光学系は、面精度や偏心等の製造誤差に非常に敏感なことが多く、量産を行う際に問題点として挙げられている。例えば、面形状に非対称な誤差が発生すると、像面全域に渡って像面内の直交する２方向でのピント位置ずれ、即ち非点隔差が発生し、これをメカ的な調整で取り除くことは困難である。
【０１１０】
しかしながら、本実施形態の撮影光学系でも、実施形態１にて説明したのと同様な理由によりこの問題を回避することが可能となる。
【０１１１】
各反射面におけるＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角の大きさを表１に、反射光学ユニットＲのうち最も物体側の第１の反射面Ｒ２から最も像面側の最終反射面Ｒ６までの空気換算光路長Ｌを入射瞳径Ｅｒ，Ｅｏおよび反射面数Ｓで規格化した値、すなわちＬ／Ｅｒ（Ｓ−１）とＬ／Ｅｏ（Ｓ−１）を表２に示す。
【０１１２】
また、比較のため、図１５の反射光学ユニットＲとは、入射瞳径が対称である（入射瞳径はＥｒ）点でのみ異なる反射光学ユニットの場合のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角およびＬ／Ｅｒ（Ｓ−１），Ｌ／Ｅｏ（Ｓ−１）の値をそれぞれ表１，表２に示した。
【０１１３】
これらの表から、入射瞳径が回転対称である場合に比べて、それを非対称にすることで、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角を小さく、且つ光路長を短くできていることが分かる。これにより、製造誤差に対して性能劣化が少なく、且つ非常にコンパクトな撮影光学系およびこれを用いた撮像装置を実現することができる。
【０１１４】
なお、本実施形態において、物体面から絞りＳＳまでの物体距離は１０００ｍｍである。画角は、ｘ：±１６．８０°、ｙ：±２１．９３°である。焦点距離は、ｘ：−４．７９ｍｍ、ｙ：−４．５４ｍｍである。像面サイズは、２．７ｍｍ×３．６ｍｍである。
【０１１５】
以下、本実施形態に対応する数値実施例としての反射光学ユニットの構成データを示す。
【０１１６】
2005024695.tif 000010
2005024695.tif 000011
2005024695.tif 000012
本実施形態のディストーションの様子を図１６に、図２６の像面ＩＭＧにおける▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼の評価位置での横収差図を図１７に示す。図１６から、撮影光学系として大きなディストーションはなく、非対称なディストーションも少ないことが分かる。また、図１７の横収差図において、横軸を瞳面上でのＸ或いはＹ軸とし、縦軸は像面上での収差量を意味する。評価光線の波長は５５０ｎｍ  である。図１７から、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のそれぞれにおいて良好に結像していることが分かる。また、比較のため、入射瞳径が回転対称とした場合の撮影光学系のディストーションの様子を図２２に、同一の評価位置での横収差図を図２３に示す。図２２および図２３に示すように、本実施形態においても良好な光学性能がとれている。
【０１１７】
（実施形態５）
図１８は、本発明の実施形態５である撮影光学系（結像光学系）の構成を示す断面図である。本実施形態の撮影光学系は、実施形態４で図１４に示した撮影光学系と同様に構成されているが、入射瞳径の関係がＥｒ＝４Ｅｏである点のみ異なる。
【０１１８】
本実施形態のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角の大きさを表１に、第１の反射面Ｒ２から最終反射面Ｒ６までの空気換算光路長Ｌを入射瞳径Ｅｒ，Ｅｏと反射面数Ｓで規格化した値を表２に示す。
【０１１９】
非対称な入射瞳径の比を大きくすることで、実施形態４に比べてよりＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角を小さく、かつ光路長を短くすることができている。これにより、さらに製造誤差に対して性能劣化が少なく、且つ非常にコンパクトな撮影光学系およびこれを用いた撮像装置を実現することが可能になる。
【０１２０】
なお、本実施形態においては、物体面から絞りＳＳまでの物体距離は１０００ｍｍである。画角は、ｘ：±１６．８０°、ｙ：±２１．９３°である。焦点距離は、ｘ：−４．５９ｍｍ、ｙ：−４．５２ｍｍである。像面サイズは、２．７ｍｍ×３．６ｍｍである。
【０１２１】
以下、本実施形態に対応する数値実施例としての反射光学ユニットの構成データを示す。
2005024695.tif 000013
2005024695.tif 000014
本実施形態のディストーションの様子を図１９に、図２６の像面ＩＭＧにおける▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼の評価位置での横収差図を図２０に示す。図１９から、撮影光学系として大きなディストーションはなく、非対称なディストーションも少ないことが分かる。また、図２０の横収差図の意味および評価波長は実施形態５と同様である。図２０から、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のそれぞれにおいて良好に結像していることが分かる。
【０１２２】
表２より、以上説明した各実施形態は、
Ｌ／Ｅｒ（Ｓ−１）＜２．２  …（１）
３＜Ｌ／Ｅｏ（Ｓ−１）  …（２）
を満たす。
【０１２３】
ここで、（１）式と（２）式は、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  反射光学ユニットについて、製造誤差に対する性能劣化が少なく、十分にコンパクト化するために満たすべき条件である。入射瞳径の非対称性により、Ｌ／Ｅｒ（Ｓ−１）とＬ／Ｅｏ（Ｓ−１）とのとるべき値の範囲（上限値と下限値）が異なる。
【０１２４】
（１）式の上限値を超えると光路長が長くなり製造誤差に対して厳しくなる。一般的に、光学面の面間隔が短いと曲率半径が小さくなり、曲率半径が小さくなるほど面形状の製造誤差に敏感になる。瞳径の小さい断面を考慮して面間隔を決めてしまうと、瞳径の大きい断面において面間隔が短くなりすぎてしまう。よって、（２）式を満たすように光路長を確保することにより曲率半径が小さくなるのを抑えている。
【０１２５】
なお、条件式（１）の下限を、１，１．１又は１．５より大きい（以上）としてもよい。（２）式と同様のことが、（１）式の下限についても言え、１以下になると面間隔が短くなりすぎてしまう。望ましくは１．１、更には１．５以上あれば望ましい。
【０１２６】
また、条件式（２）の上限を、５又は６より小さい（以下）としてもよい。（１）式と同様のことが（２）式の上限についても言え、６以上になると面間隔が長くなりすぎてしまう。望ましくは５以下であればよい。
【０１２７】
また、上記各実施形態において、以下の関係式を満たすようにしてもよい。
【０１２８】
Ｅｒ／Ｅｏ＞１．５  …（３）
又は、
θｒ／θｏ＞１．５  …（４）
また、結像光学系を射出して像面に至る軸上光束のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面内（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に平行な方向）の開き角をωｏ、結像光学系の該Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面内での焦点距離をｆｏ、上記軸上光束のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  断面に垂直で該光束の主光線を含む面内の開き角をωｒ、結像光学系の該垂直面内での焦点距離をｆｒとするとき、以下の関係式を満たすようにするとよい。
【０１２９】
（ωｒ・ｆｏ）／（ωｏ・ｆｒ）＞１．５    …（５）
各数値実施例についての（５）式の計算結果を表３に示す。
【０１３０】
本条件式は、上記実施形態１および２のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  光学系が被投射面に対して斜めに投影するものであり、基準軸（Ｚ軸）に垂直で互いに直交する２方向（Ｘ軸、Ｙ軸）で光学系の焦点距離が異なっているために、射出光束の開き角を焦点距離で規格化した場合に満たす条件を示している。ωｒとωｏがこの条件を満たすことにより、照明系を含めて像面での明るさを保ちつつ製造誤差が発生しても画像が劣化しにくい光学系を実現することができる。
【０１３１】
なお、条件式（５）の下限値を下回ると、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ基準軸角を小さく、かつ、光路長を短くできない。
【０１３２】
また、曲率をもつ回転非対称な反射面に入射する側の基準軸と反射後に射出する側の基準軸とのなす角（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角）は、８０度以内であることが望ましい。
【０１３３】
Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角が小さい方が収差を低減し、製造誤差の影響も低減する上で好ましいことは実施形態１等でも述べたが、実際には、面間隔を満たすものが空気である場合、図７のＲ１とＲ３、又はＲ２とＲ４、又はＳＳからＲ１への入射光とＲ２、Ｒ３とＲ４の射出光のそれぞれが配置上の干渉を起こさないようにある程度のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ  基準軸角は必要である。また、図２１に示すように、反射面を有する光学素子がガラスやプラスチック材料等で満たされている場合、この光学素子を一体で成形することで製造コストや素子の保持などの点から都合がよい。しかしながら、例えば、Ｒ２とＲ４のように隣接する面を考えた場合、Ｒ２とＲ４のそれぞれの面はパワーを有しているので、これらの間隔を狭くすると一体成形の際に段差が発生する。この段差は、光学素子を満たす材料にもよるが、成形時に素子が割れてしまう原因になるので、間隔を広げて急な段差を作らないようにする必要がある。したがって、ある程度のＯｆｆ−Ａｘｉａ基準軸角は必要であり、望ましい上限値として８０度を挙げることができる。
【０１３４】
さらに、以上説明した各実施形態では、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  反射面（反射光学ユニット）を含む結像光学系を備えた光学装置として、投射型画像表示装置および撮像装置について説明したが、本発明の結像光学系はこれらの装置に限らず、各種光学装置に適用することができる。例えば、複写機における原稿読取り装置や、ステッパー等の半導体への回路の露光装置に用いることも可能である。
【０１３５】
【表１】
2005024695.tif 000015
【０１３６】
【表２】
2005024695.tif 000016
【０１３７】
【表３】
2005024695.tif 000017
【０１３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ  反射面を用いて構成した反射光学ユニット、ひいては結像光学系およびこれを用いた光学装置を、製造誤差に対して性能劣化が少なく、且つコンパクトなものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の結像光学系の構成を示す断面図。
【図２】実施形態１の結像光学系のディストーションを示す図。
【図３】実施形態１の結像光学系の横収差図。
【図４】本発明の実施形態２の結像光学系の構成を示す断面図。
【図５】実施形態２の結像光学系のディストーションを示す図。
【図６】実施形態２の結像光学系の横収差図。
【図７】従来の結像光学系の構成を示す断面図。
【図８】従来の結像光学系のディストーションを示す図。
【図９】従来の結像光学系の横収差図。
【図１０】実施形態１の結像光学系を用いた投射型画像表示装置の構成を示す断面図。
【図１１】本発明の実施形態３の投射型画像表示装置の構成を示す断面図。
【図１２】実施形態３の投射型画像表示装置における照明系および色分離合成光学系の構成を示す断面図。
【図１３】実施形態３の色分離合成光学系の模式図。
【図１４】実施形態３の色分離合成光学系における光束入射範囲を示す模式図。
【図１５】本発明の実施形態４の結像光学系の構成を示す断面図。
【図１６】実施形態４の結像光学系のディストーションを示す図。
【図１７】実施形態４の結像光学系の横収差図。
【図１８】本発明の実施形態５の結像光学系の構成を示す断面図。
【図１９】実施形態５の結像光学系のディストーションを示す図。
【図２０】実施形態５の結像光学系の横収差図。
【図２１】実施形態５の結像光学系を用いた撮像装置の構成を示す断面図。
【図２２】従来の結像光学系のディストーションを示す図。
【図２３】従来の結像光学系の横収差図。
【図２４】実施形態における座標系の説明図。
【図２５】実施形態における絶対座標系、基準軸上座標系、ローカル座標系の関係を示す説明図。
【図２６】実施形態における横収差の評価位置を示す説明図。
【図２７】（Ａ），（Ｂ）は従来の結像光学系における製造誤差による非点格差と焦点深度の関係を示す図、（Ｃ），（Ｄ）は実施形態の結像光学系における製造誤差による非点格差と焦点深度の関係を示す図。
【符号の説明】
ＩＥ  入射瞳
ＳＳ  絞り
Ｒ  反射光学ユニット
Ｒｉ  ｉ番目の光学面
ＩＭＧ  像面
Ｇｉ  光学フィルタ
ＬＯ，ＬＯ’，ＬＣ  照明系
ＬＶ，ＰＲ，ＰＧ，ＰＢ  液晶ディスプレイパネル
ＰＢＳ  偏光ビームスプリッタ
ＳＰ  偏光分離面
Ｄ  ダイクロイックプリズム
ＤＭ  ダイクロイックミラー
Ｃ，Ｃｉ  屈折光学ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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