(57)【要約】【課題】構成光学部品での光量ロスを最小化して光学系全体での光量増加を図るとともにシンプル、安価、小型化可能な投影装置を提供する。【解決手段】投影装置は、可視光を射出する固体発光素子と、射出光をフレネルレンズ素子に導く集光用凸レンズと、両面に同一屈折力のフレネルレンズ面が形成され、両面のフレネルレンズの中心が一致し、ピッチが同一であるフレネルレンズ素子と、フレネルレンズの光射出面側に配置される画像フィルムと、画像フィルムの画像を投影するための投影レンズとを備え、固体発光素子の虚像発光点からフレネルレンズ素子の光入射側のフレネルレンズ面を見込む開口角と、投影レンズの入射瞳からフレネルレンズ素子の光射出面側のフレネルレンズ面を見込む開口角とが等しく、入射側のフレネルレンズ面に入射して射出側フレネルレンズ面から射出する光の進行方向は、光軸と平行であるように構成されている。【選択図】図１
2013033163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光を射出する固体発光素子と、
前記固体発光素子からの射出光をフレネルレンズ素子に導く集光用凸レンズと、
両面にフレネルレンズ面が形成された前記フレネルレンズ素子であって、光入射側のフレネルレンズ面の屈折力をＰ１、光射出側のフレネルレンズ面の屈折力をＰ２とした場合にＰ１とＰ２とが同じ大きさであり、両面のフレネルレンズの中心が一致し、ピッチが同一である前記フレネルレンズ素子と、
前記フレネルレンズの光射出面側に配置される画像フィルムと、
前記画像フィルムの画像を投影するための投影レンズとを備え、
前記固体発光素子の虚像発光点から前記フレネルレンズ素子の光入射側のフレネルレンズ面を見込む開口角を２α１、前記投影レンズの入射瞳から前記フレネルレンズ素子の光射出面側のフレネルレンズ面を見込む開口角を２α２とした場合において、角度α１と角度α２とが等しく、
前記フレネルレンズ素子内部において、前記入射側のフレネルレンズ面に入射して前記射出側フレネルレンズ面から射出する光の進行方向は、前記虚像発光点から前記入射瞳を通る光軸と平行であるように構成されている、
ことを特徴とする、投影装置。
【請求項２】
可視光を射出する固体発光素子と、
前記固体発光素子からの射出光をフレネルレンズ素子に導く集光用凸レンズと、
両面にフレネルレンズ面が形成された前記フレネルレンズ素子であって、光入射側のフレネルレンズ面の屈折力をＰ１、光射出側のフレネルレンズ面の屈折力をＰ２とした場合にＰ１とＰ２とが同じ大きさであり、両面のフレネルレンズの中心が一致し、ピッチが同一である前記フレネルレンズ素子と、
前記フレネルレンズの光射出面側に配置される画像フィルムと、
前記画像フィルムの画像を投影するための投影レンズとを備え、
前記固体発光素子の虚像発光点から前記フレネルレンズ素子の光入射側のフレネルレンズ面までの距離をＨ１、前記フレネルレンズ素子の光射出面側のフレネルレンズ面から前記投影レンズの入射瞳までの距離をＨ２とし場合において、距離Ｈ１とＨ２とが等しく、
前記フレネルレンズ素子内部において、前記入射側のフレネルレンズ面に入射して前記射出側フレネルレンズ面から射出する光の進行方向は、前記虚像発光点から前記入射瞳を通る光軸と平行であるように構成されている、
ことを特徴とする、投影装置。
【請求項３】
可視光を射出する固体発光素子と、
前記固体発光素子からの射出光をフレネルレンズ素子に導く集光用凸レンズと、
両面にフレネルレンズ面が形成された前記フレネルレンズ素子であって、光入射側のフレネルレンズ面の屈折力はＰ１、光射出側のフレネルレンズ面の屈折力はＰ２であり、両面のフレネルレンズの中心が一致し、ピッチが同一である前記フレネルレンズ素子と、
前記フレネルレンズの光射出面側に配置される画像フィルムと、
前記画像フィルムの画像を投影するための投影レンズとを備え、
前記固体発光素子の虚像発光点から前記フレネルレンズ素子の光入射側のフレネルレンズ面を見込む開口角を２α１、前記投影レンズの入射瞳から前記フレネルレンズ素子の光射出面側のフレネルレンズ面を見込む開口角を２α２とした場合において、
ｓｉｎ（α１）＝ｔ×ｓｉｎ（α２）、０．７≦ｔ≦１．３
Ｐ１×ｓｉｎ（α２）＝Ｐ２×ｓｉｎ（α１）    
の関係を有し、
前記フレネルレンズ素子内部において、前記入射側のフレネルレンズ面に入射して前記射出側フレネルレンズ面から射出する光の進行方向は、前記虚像発光点から前記入射瞳を通る光軸と平行であるように構成されている、
ことを特徴とする、投影装置。
【請求項４】
可視光を射出する固体発光素子と、
前記固体発光素子からの射出光をフレネルレンズ素子に導く集光用凸レンズと、
両面にフレネルレンズ面が形成された前記フレネルレンズ素子であって、光入射側のフレネルレンズ面の屈折力はＰ１、光射出側のフレネルレンズ面の屈折力はＰ２であり、両面のフレネルレンズの中心が一致し、ピッチが同一である前記フレネルレンズ素子と、
前記フレネルレンズの光射出面側に配置される画像フィルムと、
前記画像フィルムの画像を投影するための投影レンズから構成され、
前記固体発光素子の虚像発光点から前記フレネルレンズ素子の光入射側のフレネルレンズ面までの距離をＨ１、前記フレネルレンズ素子の光射出面側のフレネルレンズ面から前記投影レンズの入射瞳までの距離をＨ２とし場合において、
Ｈ２＝ｍ×Ｈ１、０．７≦ｍ≦１．３
Ｐ１×Ｈ１＝Ｐ２×Ｈ２
の関係を有し、
前記フレネルレンズ素子内部において、前記入射側のフレネルレンズ面に入射して前記射出側フレネルレンズ面から射出する光の進行方向は、前記虚像発光点から前記入射瞳を通る光軸と平行であるように構成されている、
ことを特徴とする、投影装置。
【請求項５】
前記投影レンズは、１枚の前絞り凹面を前方にした凸メニスカスレンズであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の投影装置。
【請求項６】
前記投影レンズの画角は、６０度〜８５度であるように構成されていることを特徴とする請求項５記載の投影装置。
【請求項７】
前記フレネルレンズ素子のフレネルレンズ面は非球面形状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の投影装置。
【請求項８】
前記固体発光素子の照射角は１００度〜１４０度であり、集光用凸レンズ２を射出した光の開口角は５０度〜８０度の範囲に構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影装置に関するもので、さらに詳しくは、フィルムに保持された画像を光像として投影する投影装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像フィルムに保持された画像に裏側から光を照射し、その光像を天井や壁に投影する投影装置が知られている。この投影装置では、一般的に、１枚の画像保持フィルムを回転させて、天井等に投影された光像を次々に変化させるようにしている。特許文献１では、楕円リフレクタとその一の焦点近傍に設けられた電球を用いた投影装置が開示されている。特許文献２では、楕円リフレクタとその一の焦点近傍に設けられた電球およびプリズムレンズを備えた照明光学系と、前凹・後凸メニスカス投影レンズとを備えた広角投影光学系が開示されている。また、特許文献３では、１個または複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた光学系が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２０１８７号公報
【特許文献２】特開２００４−７００４４号公報
【特許文献３】特開２００６−２５９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１、２に示すようなリフレクタと光源を用いた光学系ではリフレクタ部分の体積が大きくなるという課題が存在していた。また、広角投影を行おうとすると、特許文献２に示すように投影レンズが複雑になるという課題が存在していた。さらに、特許文献３に示すような複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた光学系では、レンズ中心へ光を集めることが難しいという問題も存在していた。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、最小のシンプルな構成部品で光量ロスを最小化して光学系全体での光量増加を図るとともに、小型化可能な広角投影装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の投影装置は、
可視光を射出する固体発光素子と、
前記固体発光素子からの射出光をフレネルレンズ素子に導く集光用凸レンズと、
両面にフレネルレンズ面が形成された前記フレネルレンズ素子であって、光入射側のフレネルレンズ面の屈折力をＰ１、光射出側のフレネルレンズ面の屈折力をＰ２とした場合にＰ１とＰ２とが同じ大きさであり、両面のフレネルレンズの中心が一致し、ピッチが同一である前記フレネルレンズ素子と、
前記フレネルレンズの光射出面側に配置される画像フィルムと、
前記画像フィルムの画像を投影するための投影レンズとを備え、
前記固体発光素子の虚像発光点から前記フレネルレンズ素子の光入射側のフレネルレンズ面を見込む開口角を２α１、前記投影レンズの入射瞳から前記フレネルレンズ素子の光射出面側のフレネルレンズ面を見込む開口角を２α２とした場合において、角度α１と角度α２とが等しく、
前記フレネルレンズ素子内部において、前記入射側のフレネルレンズ面に入射して前記射出側フレネルレンズ面から射出する光の進行方向は、前記虚像発光点から前記入射瞳を通る光軸と平行であるように構成されている、
ことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の投影装置は、
可視光を射出する固体発光素子と、
前記固体発光素子からの射出光をフレネルレンズ素子に導く集光用凸レンズと、
両面にフレネルレンズ面が形成された前記フレネルレンズ素子であって、光入射側のフレネルレンズ面の屈折力をＰ１、光射出側のフレネルレンズ面の屈折力をＰ２とした場合にＰ１とＰ２とが同じ大きさであり、両面のフレネルレンズの中心が一致し、ピッチが同一である前記フレネルレンズ素子と、
前記フレネルレンズの光射出面側に配置される画像フィルムと、
前記画像フィルムの画像を投影するための投影レンズとを備え、
前記固体発光素子の虚像発光点から前記フレネルレンズ素子の光入射側のフレネルレンズ面までの距離をＨ１、前記フレネルレンズ素子の光射出面側のフレネルレンズ面から前記投影レンズの入射瞳までの距離をＨ２とし場合において、距離Ｈ１とＨ２とが等しく、
前記フレネルレンズ素子内部において、前記入射側のフレネルレンズ面に入射して前記射出側フレネルレンズ面から射出する光の進行方向は、前記虚像発光点から前記入射瞳を通る光軸と平行であるように構成されている、
ことを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の投影装置は、
可視光を射出する固体発光素子と、
前記固体発光素子からの射出光をフレネルレンズ素子に導く集光用凸レンズと、
両面にフレネルレンズ面が形成された前記フレネルレンズ素子であって、光入射側のフレネルレンズ面の屈折力はＰ１、光射出側のフレネルレンズ面の屈折力はＰ２であり、両面のフレネルレンズの中心が一致し、ピッチが同一である前記フレネルレンズ素子と、
前記フレネルレンズの光射出面側に配置される画像フィルムと、
前記画像フィルムの画像を投影するための投影レンズとを備え、
前記固体発光素子の虚像発光点から前記フレネルレンズ素子の光入射側のフレネルレンズ面を見込む開口角を２α１、前記投影レンズの入射瞳から前記フレネルレンズ素子の光射出面側のフレネルレンズ面を見込む開口角を２α２とした場合において、
ｓｉｎ（α１）＝ｔ×ｓｉｎ（α２）、０．７≦ｔ≦１．３
Ｐ１×ｓｉｎ（α２）＝Ｐ２×ｓｉｎ（α１）    
の関係を有し、
前記フレネルレンズ素子内部において、前記入射側のフレネルレンズ面に入射して前記射出側フレネルレンズ面から射出する光の進行方向は、前記虚像発光点から前記入射瞳を通る光軸と平行であるように構成されている、
ことを特徴とする。
【０００９】
請求項４記載の投影装置は、
可視光を射出する固体発光素子と、
前記固体発光素子からの射出光をフレネルレンズ素子に導く集光用凸レンズと、
両面にフレネルレンズ面が形成された前記フレネルレンズ素子であって、光入射側のフレネルレンズ面の屈折力はＰ１、光射出側のフレネルレンズ面の屈折力はＰ２であり、両面のフレネルレンズの中心が一致し、ピッチが同一である前記フレネルレンズ素子と、
前記フレネルレンズの光射出面側に配置される画像フィルムと、
前記画像フィルムの画像を投影するための投影レンズから構成され、
前記固体発光素子の虚像発光点から前記フレネルレンズ素子の光入射側のフレネルレンズ面までの距離をＨ１、前記フレネルレンズ素子の光射出面側のフレネルレンズ面から前記投影レンズの入射瞳までの距離をＨ２とした場合において、
Ｈ２＝ｍ×Ｈ１、０．７≦ｍ≦１．３
Ｐ１×Ｈ１＝Ｐ２×Ｈ２
の関係を有し、
前記フレネルレンズ素子内部において、前記入射側のフレネルレンズ面に入射して前記射出側フレネルレンズ面から射出する光の進行方向は、前記虚像発光点から前記入射瞳を通る光軸と平行であるように構成されている、
ことを特徴とする。
【００１０】
請求項５記載の投影装置は、請求項１〜４の何れか１項に記載の投影装置において、前記投影レンズは、１枚の前絞り凹面を前方にした凸メニスカスレンズであることを特徴とする。
【００１１】
請求項６記載の投影装置は、請求項５記載の投影装置において、前記投影レンズの画角は、６０度〜８５度であるように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項７記載の投影装置は、請求項１〜６の何れか１項に記載の投影装置において、前記フレネルレンズ素子のフレネルレンズ面は非球面形状であることを特徴とする。
【００１３】
請求項８記載の投影装置は、請求項１〜７の何れか１項に記載の投影装置において、前記固体発光素子の照射角は１００度〜１４０度であり、集光用凸レンズ２を射出した光の開口角は５０度〜８０度の範囲に構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光量ロスを最小化して光学系全体での光量増加を図るとともに、小型化可能な広角投影装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る投影装置１０の構成を示す図である。
【図２】発光ダイオード１から集光用凸レンズ２の部分を拡大して示した図である。
【図３】フレネルレンズ素子３へ光が入射する様子を模式的に示す図である。
【図４】フレネルレンズ素子３へ光が入射する様子を模式的に示す他の図である。
【図５】屈折率がそれぞれＮ、Ｎ’という二つの透明な媒質の境界面が球面である場合の光線の屈折を説明するための図である。
【図６】（ａ）は、入射側のフレネルレンズ面による光の屈折を説明するための図である。（ｂ）は、射出側のフレネルレンズ面による光の屈折を説明するための図である。
【図７】フレネルレンズ素子３の縦球面収差図を計算して示した図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る投影装置２０の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る投影装置１０の構成を示す図である。投影装置１０は、固体発光素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ）１と集光用凸レンズ２とフレネルレンズ素子３と、画像フィルム４と、投影レンズ５とを有する。採用した発光ダイオードは、表面実装型（Surface Mount Device）の照明用発光ダイオードである。表面実装型発光ダイオードでは、小型基板の上に発光源であるチップが配置され、光の射出側にほぼ半球状のシリコン製凸レンズがマウントされている。シリコン製凸レンズを含めて固体発光素子としての発光ダイオードと定義する。発光ダイオード１に近接して集光用凸レンズ２が設けられている。
【００１８】
フレネルレンズ素子３は、円板状の外観であって、円板の両面に非球面形状を有するフレネルレンズが形成された素子である。フレネルレンズとは、通常のレンズのように屈折面が連続した球面ではなく、レンズを複数の同心円輪帯状に分割して、各同心円輪帯での傾斜角を平面上にプリズムとして置き換えたタイプのレンズである。フレネルレンズ素子３は、入射側と射出側のフレネルレンズのピッチ（１つの同心円輪帯の幅に相当する）は共に０．１２５ｍｍで同一であり、フレネルレンズ中心位置は両面で一致する。したがって、両面のフレネルレンズのすべての同心円輪帯の位置は両面で一致する。さらに、両面のフレネルレンズの曲面形状も同一に設計されている。
【００１９】
フレネルレンズ素子３の光射出側には、画像フィルム４が配置されている。画像フィルム４は光学的濃淡像を備えている。照明光が画像フィルム４を透過して画像光となる。投影レンズ５は、画像フィルム４の画像光を図示しないスクリーンに拡大投影する。投影レンズ５は図示しない前絞りを備え、凹面を前方にした１枚の凸メニスカスレンズであり、成型プラスチック球面レンズである。図１において、入射瞳位置をＥＰで表している。
【００２０】
次に、上記構成の投影装置における動作について説明する。
【００２１】
図２は、発光ダイオード１から集光用凸レンズ２の部分を拡大して示した図である。光軸ｋ上にある発光ダイオード１の発光源から射出した光は、発光ダイオード１を構成する前面シリコン製凸レンズに入射する。この半球状のレンズの中心に発光源があるため、球面収差は発生しない。また、発光源から射出した光はその放射角度分布をほぼ維持してシリコン製凸レンズを射出する。図２に示す例は、広角照射型発光ダイオードを使用し、その照射角（２ω）は１２０度である。
【００２２】
次に、集光用凸レンズの役割は、発光ダイオードからの光を漏れ少なく利用することである。照射角が１２０度と広い発光ダイオードからの光を、集光用凸レンズ２を前面に挿入することで光束を狭くし（開口角２α１＝６０度）、フレネルレンズ素子３の集光力と整合させている。
このように、実施形態１では照射角（2ω）１２０度、開口角（２α１）６０度の例を示したが、上記構成では、照射角（２ω）１００度〜１４０度の広角照射型発光ダイオードを使用し、開口角（２α１）は５０度〜８０度の範囲に設定することができる。
ここで、図２において、集光用凸レンズ２からの光を内挿した点を発光ダイオードの虚像発光点Ｖと呼ぶ。虚像発光点Ｖはフレネルレンズへの光の実質的な発光点となる。
【００２３】
集光用凸レンズ２とシリコン製凸レンズの距離は０．２〜０．３ｍｍとして、集光効率を高めている。距離を狭くすることで集光用凸レンズ２を小型化することができ、集光用凸レンズ２の球面収差を少なく出来、虚像発光点への集束精度を上げられる。
【００２４】
図２において、集光用凸レンズ２は、非球面凸レンズで表示している。球面収差を理想的に無くすことができるので虚像発光点Ｖにズレなく集束する。アプラナチックメニスカス凸レンズを集光用凸レンズ２として用いても良い。球面収差を大幅に減らすことができる。さらに、平凸レンズを用いることもできる。球面収差は存在するが、虚像発光点Ｖへの集束のずれは実用上許容される範囲に収まる。
【００２５】
図１に戻り、フレネルレンズ素子３は、集光用凸レンズ２にて所定の配向特性となった光を集光して画像フィルム４に照射するとともに、画像光を効率的に投影レンズ５の入射瞳に入射させる働きをする。フレネルレンズ素子３の両面のフレネルレンズ中心は光軸ｋ上に配置されている。
【００２６】
本実施形態では、フレネルレンズ素子３の配置に大きな特徴を有する。図１において、Ｈ１＝Ｈ２＝２２ｍｍに設定されている。すなわち、フレネルレンズ素子３は、発光ダイオードの虚像発光点Ｖと投影レンズの入射瞳位置ＥＰの中間に配置されている。ここで、Ｈ１は、発光ダイオード１の虚像発光点からフレネルレンズ素子３の入射側の面までの距離であり、Ｈ２は、フレネルレンズ素子３の射出側の面から、投影レンズ５の入射瞳までの距離である。また、発光ダイオード１の虚像発光点Ｖからフレネルレンズ素子３の光入射側の面のうち光照射領域を見込む開口角を２α１、投影レンズ５の入射瞳位置ＥＰからフレネルレンズ素子３の光射出面側の面のうち光射出領域を見込む開口角を２α２とした場合に、両開口角が等しい。さらに、図１に示すように、最外周の光線とフレネルレンズ素子３の入射側の面または射出側の面とのなす角をＡ、Ｂとした場合に、角度Ａと角度Ｂとは互いに等しい。なお、製造誤差を考慮すると、寸法が等しいとは、両者の寸法誤差が２〜３％以内であることをいう。
【００２７】
また、フレネルレンズ素子３の光照射領域・光射出領域は直径２４ｍｍである。この程度の超小型、かつ両面フレネルレンズ素子を照明光学系の部品として採用するには以下に示す課題がある。
【００２８】
一つは、両面フレネルレンズ素子はモアレ（干渉縞）が発生して画面が非常に見難くなる場合があるという課題である。両フレネルレンズ板の同心円輪帯の位置が相対的にずれている場合モアレが発生するわけであるから、両板の同心円輪帯が正確に一致する様に２板のフレネルレンズを形成すればよいと考えられていた。また、コストダウンを強く意識して、プレス成形よりも安価に製作できるインジェクション成形によりフレネルレンズを製作すると、成形精度に起因して、プリズム先端のエッジが立たない、すなわち、エッジが丸くなってしまう現象が発生する。このような、現象は、特にエッジ角がより鋭角になる周辺で顕著に発生する。エッジが丸くなる部分（未成形部）の寸法は、およそ、１／１００〜２／１００ミリである。本実施形態でのフレネルレンズ素子３のフレネルピッチは０．１２５ｍｍである。このようなフレネルレンズに対して、１／１００〜２／１００ミリの未成形部が有ると、以下のような現象が発生ずる。
【００２９】
図３は、フレネルレンズ素子３へ光が入射する様子を模式的に示す図である。図３では、フレネルレンズ素子３に入射する入射角と射出角が異なっている場合を示している。図３において、右側から光が入射する。光入射側の０．０１〜０．０２ｍｍの未成形部３１により光が散乱する。これによる損失は全体光量の１０〜２０％と見積もられる。次に、光入射側で正常に屈折した光が射出側のフレネル面の未成形部３２に当たるとその地点で光が散乱する。これによる損失は全体光量の１０〜２０％と見積もられる。両者を合計すると２０〜４０％になる。このように、フレネル面の未成形部に起因する２つの光量落ち３０１、３０２が発生する。これらの現象は、フレネルレンズ面に対応して同心円状の白黒の縞として認識される。暗くなる領域がフレネルの同心円輪帯に沿って発生するためである。さらに、上記光量落ちの他に、プリズムの段差部３３、３４による損失３０３、３０４が加算される。プリズムの段差部３３による損失３０３は３０１に重なっていると考えられる。これらの損失はプリズムの段差部に入射する光が射出側に到達せず光量損失してしまう現象である。そして、プリズムの段差による損失はフレネルレンズの周辺にいくほど顕著になる。フレネルレンズの周辺へいくほどプリズム角が大きくなるので段差が大きくなり、段の部分で光がカットされるからである。これらの原因による光量落ちも、投影画面では、白黒の縞として認識される。
【００３０】
さて、フレネルレンズを２面使用する時２つのフレネルの同心円輪帯が少しでもずれるとモアレが発生して、光量のむらが出た見苦しい投影画像となり、画質が非常に悪化してしまう。このモアレは両側に形成されるフレネルレンズのピッチと中心位置の各精度を向上させることで消失させることができる。しかしながら、上述の、黒い回形縞は消えることはない。そして、両面フレネルレンズの場合、何も対策しなければフレネルレンズ内に平行に光が移動しないため、縞の本数はフレネルレンズ面の輪帯の数の２倍になったり縞が太くなったりする。
【００３１】
そこで、本実施形態では、以下に示す手法のよりこれらの課題を解決している。まず、入射側と射出側のフレネルレンズの中心軸を一致させ、それらのピッチを同じにして、モアレの発生を防止している。その上で、フレネルレンズの両フレネル面への光の入射角度と射出角度を精密に同じ角度に制御することで前後の縞は重なり、縞の本数が２倍になる不具合を解決している。
【００３２】
図４は、フレネルレンズ素子３へ光が入射する様子を模式的に示す他の図である。図３と異なり、図４では、フレネルレンズ素子３に入射する入射角と射出角が等しく設定されている。図４において、右側から光が入射する。フレネルのピッチは０．１２５ｍｍである。入射側と射出側のフレネルレンズは、それらの中心軸が一致し、それらのピッチも同じである。また、フレネルレンズの曲面形状も同一に設計されている。このような、対称的なフレネルレンズに対して、フレネルレンズの両フレネル面への光の入射角度と射出角度を等しくなるように設計すると、フレネルレンズ素子の内部で入射光はフレネルレンズの光軸に平行して進行する。その結果、入射側・射出側の未成形部３１、３２による縞はお互いに正確に重なり合い（３０１、３０２）、プリズムの段差部３３、３４による損失も正確に重なりあい（３０３、３０４）、縞の数は２倍にならず、光量損失は最小限に押さえられる。すなわち、図４における左面の光の欠け（影）が右面の欠け（影）とピッタリ重なり、光量の減少を少なくできる。
【００３３】
さらに、フレネルレンズを両側に使用することで、片側あたりの屈折力を半分に抑え、プリズム段の寸法が小さくなることにより、プリズム段が原因である縞の太さも細くすることができる。また、フレネルレンズを両面に採用することで、集光用凸レンズ２を射出した光の照射角（２α１）が５０度〜８０度の範囲である広角照明系を構成することができる。そして、光学系の光軸方向の寸法を短縮することにも成功している。
【００３４】
さらに、本実施形態では、画像フィルム４とフレネルレンズ素子３との距離を近づけることが可能である。すなわち、画像フィルム４をフレネルレンズ素子にピッタリ合わせると、双方にピントが合う結果、投影された画面に縞がクッキリ投影されてしまうため目障りであり画質を損なってしまうが、双方を離すと縞はピンぼけとなり、目立たなくなる。本実施形態においては、縞が２倍にならず、かつ縞の幅も細くなることで、縞の影はより目立たない状態になり、画像フィルム４をフレネルレンズに近接させることが容易になった。画像フィルム４をフレネルレンズ素子３に近づけることができるので、画像サイズを一定としたとき光学系をより小型化することができ、そのため他レンズ２つを小型化できるという好循環になる。このように、第１実施形態に係る投影装置では、フレネルレンズ素子の欠点を最小限に抑えることに成功している。
【００３５】
上述したフレネルレンズ素子の中で光が光軸に平行に進行する条件は、実際にはシミュレーションして求めているのであるが、以下では、近軸理論から導出した式により説明する。図５は、屈折率がそれぞれＮ、Ｎ’という二つの透明な媒質の境界面が球面である場合の光線の屈折を説明するための図である。ここで、Ｃは境界面の曲率中心、Ａは光線の境界面上の入射点、ｈは境界面への入射高さ、ＯとＯ’とは、光軸と入射光線および屈折光線との交点、ｉ、ｉ’は入射角、屈折角、ｒは曲率半径、ｓ、ｓ’は面頂点ＳからＯ、Ｏ’までの距離、ｕ、ｕ’、θは、入射光線、屈折光線、および境界面法線ＡＣが光軸となす角である。
【００３６】
結像光学の近軸理論において、近軸領域を通過する光線の境界面前後の関係を表す式（１）、式（２）が知られている。これらの２つの式は同じ内容を異なるパラメータを用いて表現している式である。
式（１）式      Ｎ’＝Ｎｕ＋（（Ｎ−Ｎ’）／ｒ）×ｈ
式（２）式      Ｎ’×（１／ｒ−１／ｓ’）＝Ｎ×（１／ｒ−１／ｓ’）
【００３７】
まず、式（１）を図６（ａ）、図６（ｂ）に適用する。図６（ａ）は、入射側のフレネルレンズ面による光の屈折を説明するための図である。図６（ｂ）は、射出側のフレネルレンズ面による光の屈折を説明するための図である。図６（ａ）では、境界面の後のフレネルレンズ内部で光が光軸に平行に進行する。図６（ｂ）では、境界面の前のフレネルレンズ内部で光が光軸に平行に進行する。
【００３８】
ここで、図６（ａ）ではｕ’が無限大であり、図６（ｂ）ではｕはマイナス無限大であること、また面の屈折力ＰはＰｋ＝（Ｎ’ｋ−Ｎｋ）／ｒｋ  で定義されている点、および、ｒ１、ｒ２、ｓ１、ｓ２の極性を考慮して、
式（３）    Ｐ１×ｈ＝α１
式（４）    Ｐ２×ｈ＝α２
が得られる。角度が広角になり近軸からずれるにつれ、式（３）、（４）には誤差が含まれるが、式（３）、式（４）より、ｈを消去して式（５）を導出する課程で式（３）、（４）のそれぞれの誤差が相殺される。さらに、近軸理論では、ｓｉｎαをαで近似しているので、αをｓｉｎ（α）に戻すと、式（５）が得られる。
式（５）    Ｐ１×ｓｉｎ（α２）＝Ｐ２×ｓｉｎ（α１）
【００３９】
すなわち、フレネルレンズ素子の第１のフレネル面から第２のフレネル面に向かって、光が光軸に平行に進行すると仮定することにより、式（５）が得られた。第１の実施形態では、Ｐ１＝Ｐ２、ｓｉｎ（α１）＝ｓｉｎ（α２）であるので式（５）を満足する。
【００４０】
一方、式２を図６（ａ）、図６（ｂ）に適用する。ここでも図６（ａ）のｕ’および図６（ｂ）のｕは無限大であること、また面の屈折力ＰはＰｋ＝（Ｎ’ｋ−Ｎｋ）／ｒｋ  で定義されている点、および、ｒ１、ｒ２、ｓ１、ｓ２の極性を考慮して、
式（６）    Ｐ１＝１／ｓ１
式（７）    Ｐ２＝１／ｓ２
が得られる。そこで、ｓ１、ｓ２をＨ１、Ｈ２と置き換えて下記の式（８）が得られる。
式（８）    Ｐ１×Ｈ１＝Ｐ２×Ｈ２
【００４１】
すなわち、フレネルレンズ素子の、第１のフレネル面から第２のフレネル面に向かって、光が光軸に平行に進行すると仮定することにより、式（８）が得られた。第１の実施形態では、Ｐ１＝Ｐ２、Ｈ１＝Ｈ２であるので、式（８）を満足する。
【００４２】
図１に戻り、フレネルレンズ素子３を射出した光は、画像フィルム４を投影する。画像フィルム４により画像光とされた光は、投影レンズ５に向かう。
【００４３】
既述のように、投影レンズ５は、前絞り凹面を前方にした凸メニスカスレンズを使用している。この投影レンズ５の凸と凹面は球面であり、大きい球面収差を有している。一方、この投影レンズ５のコマ収差はレンズ肉厚と絞りまでの距離によって、良好に補正されている。したがって、投影レンズ５は、像面湾曲と非点収差は比較的良好な特性を示すが、球面収差は像高が高くなると悪化する。そこで、フレネルレンズ素子３の両面のフレネル面を非球面として、投影レンズの中心部（球面収差の小さい）にするどく入光させることで投影レンズ５の球面収差の発生を減少させている。このように、広角照明系からの光を投影レンズの中心部（球面収差の小さい）にするどく入光させるという構成にすることにより、１枚の投影レンズにもかかわらず、８０度〜８５度という極めて広角の投影が得られた。このような投影レンズと照明系の構成によって、画角６０〜７０度以上の広角投影を得ることができる。
【００４４】
ここで、フレネルレンズ素子３のフレネルレンズ面の形状について説明する。入射面側のフレネルレンズ面の曲率と、非球面係数は以下の通りである。なお、射出面側のフレネルレンズ面は、入射面側のフレネルレンズ面と面対称であり、ｃ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの極性が反転する。なお、フレネルレンズ素子３の材質はＰＭＭＡであり、厚みは１．５ｍｍである。
ｃ（中心曲率）：  ０．０９２０１３７６
Ｋ（円錐係数）：−０．７０９４５６
Ａ            ：−０．９９５４７７Ｅ−０４
Ｂ            ：  ０．１２３３１１Ｅ−０９
Ｃ            ：−０．３４０６７５Ｅ−０９
Ｄ            ：  ０．９６２１４３Ｅ−１３
【００４５】
図７は、フレネルレンズ素子３の縦球面収差図を計算して示した図である。図１における発光ダイオード１の虚像発光点を物点に、投影レンズ５の入射瞳位置ＥＰを像点に相当するようにして、収差図を計算している。収差量（ΔＸ）は約１０μｍ以下と非常に小さい。
すなわち、フレネルレンズ素子３の両面フレネルレンズ面を非球面形状にして照明光の球面収差を小さくしたことにより、フレネルレンズ素子３を射出した光は、投影レンズの中心部にするどく入光させることができる。このような非球面形状のフレネルレンズ素子を使用することで、１枚の投影レンズでありながら収差が低減された８０〜８５度という広角投影を実現している。また、非球面形状としたことで、照明系の収差が小さくなることを通して「フレネルレンズ素子の中で光が光軸に平行に進行する」という効果に寄与している。
【００４６】
［第２実施形態］
図８は、本発明の第２実施形態に係る投影装置２０の構成例を示す図である。第１実施形態においては、発光ダイオード１の虚像発光点からフレネルレンズ素子３の光入射側の面までの距離と、フレネルレンズ素子３の光射出面側の面から投影レンズ５の入射瞳位置ＥＰまでの距離とが等しく、発光ダイオード１の虚像発光点からフレネルレンズ素子３の光入射側の面を見込む開口角（２α１）と、投影レンズ５の入射瞳位置ＥＰからフレネルレンズ素子３の光射出面側の面を見込む開口角（２α２）とが等しく設定され、フレネルレンズの両フレネル面は対称であった。
【００４７】
図８では、フレネルレンズ素子の光射出面側のフレネルレンズ面から投影レンズの入射瞳までの距離を、固体発光素子の虚像発光点からフレネルレンズ素子の光入射側のフレネルレンズ面までの距離の１．３倍に設定している。それに対応して、固体発光素子の虚像発光点からフレネルレンズ素子の光入射側のフレネルレンズ面を見込む開口角と、投影レンズの入射瞳からフレネルレンズ素子の光射出面側のフレネルレンズを見込む開口角も異なっている。それ以外の部分は第１実施形態と同じである。したがって、異なる部分について説明し、同一部分の説明は省略する。
【００４８】
光入射側、光射出側のフレネルレンズ面の屈折力をＰ１、Ｐ２、固体発光素子の虚像発光点からフレネルレンズ素子の光入射側のフレネルレンズ面を見込む開口角を２α１、投影レンズの入射瞳からフレネルレンズ素子の光射出面側のフレネルレンズ面を見込む開口角を２α２、前記固体発光素子の虚像発光点から前記フレネルレンズ素子の光入射側のフレネルレンズ面までの距離をＨ１、前記フレネルレンズ素子の光射出面側のフレネルレンズ面から前記投影レンズの入射瞳までの距離をＨ２とした場合において、
式（８）    Ｐ１×Ｈ１＝Ｐ２×Ｈ２
の関係を満たすことで、実施形態１にて説明したように、フレネルレンズ素子内部において、入射側のフレネルレンズ面に入射して射出側フレネルレンズ面から射出する光の進行方向を虚像発光点から前記入射瞳を通る光軸と平行であるように構成することができる。図８の配置寸法では、Ｈ２をＨ１の１．３倍に設定したため、
Ｐ１＝１．３×Ｐ２
となるように、Ｐ１、Ｐ２を選択することで、フレネルレンズ素子内部において、入射側のフレネルレンズ面に入射して射出側フレネルレンズ面から射出する光の進行方向を虚像発光点から前記入射瞳を通る光軸と平行であるように構成することができる。
【００４９】
すなわち、
Ｈ２＝ｍ×Ｈ１、０．７≦ｍ≦１．３
Ｐ１×Ｈ１＝Ｐ２×Ｈ２
の関係を満たすようにフレネルレンズ素子３のフレネル面の屈折力（Ｐ１、Ｐ２）を選択することで、フレネルレンズ素子３内部において、入射側のフレネルレンズ面に入射して射出側フレネルレンズ面から射出する光の進行方向を、虚像発光点から入射瞳を通る光軸と平行であるように構成することができる。
【００５０】
あるいは、
ｓｉｎ（α１）＝ｔ×ｓｉｎ（α２）、０．７≦ｔ≦１．３
Ｐ１×ｓｉｎ（α２）＝Ｐ２×ｓｉｎ（α１）    
の関係を満たすようにフレネルレンズ素子３のフレネル面の屈折力（Ｐ１、Ｐ２）を選択することで、フレネルレンズ素子３内部において、入射側のフレネルレンズ面に入射して射出側フレネルレンズ面から射出する光の進行方向を、虚像発光点から入射瞳を通る光軸と平行であるように構成することができる。
【００５１】
第２の実施形態において、ｍまたはｔの値を１からあまり異ならせると、屈折力を高くした片側のフレネル面による段差が大きくなって段差による縞が増加し、逆に屈折力を小さくした場合には、段差による縞が減少するが、光学系の全体寸法を同程度と仮定した場合、ｍ、ｔの値が１．３を越えると結果的に縞が太くなり、画像フィルム４をよりフレネルレンズ素子から離す必要が発生し、光量の漸減も引き起こされる。したがって、
０．７≦ｍ≦１．３または、０．７≦ｔ≦１．３
が望ましく、
０．８≦ｍ≦１．２または、０．８≦ｔ≦１．２
がさらにより望ましい。
【００５２】
なお、以上の説明において、製造誤差等のばらつきを考慮すると、寸法誤差が２〜３％以内であれば一致するとみなされる。
【００５３】
以上、第１実施形態、第２実施形態において、固体発光素子として、発光ダイオードを使用したが、それに限られない。有機ＥＬを用いても良い。
【符号の説明】
【００５４】
１  発光ダイオード
２  集光用凸レンズ
３  フレネルレンズ素子
４  画像フィルム
５  投影レンズ
【図１】
2013033163.tif 000003
【図２】
2013033163.tif 000004
【図３】
2013033163.tif 000005
【図４】
2013033163.tif 000006
【図５】
2013033163.tif 000007
【図６】
2013033163.tif 000008
【図７】
2013033163.tif 000009
【図８】
2013033163.tif 000010