(57)【要約】【課題】凸面鏡と屈折光学系を有する結像光学系において凸面鏡を小径化しつつ、凸面鏡の倒れ敏感度を抑制する。【解決手段】結像光学系は、拡大側共役面から縮小側共役面に向かって凸面鏡Ｍと屈折光学系Ｌとを有する。屈折光学系は、内部に中間実像を形成する。凸面鏡と屈折光学系のうち最も凸面鏡側に配置された第１レンズＧ１との間では軸外光線が屈折光学系の光軸と交差せず、第１レンズは非球面を有する負レンズである。凸面鏡の有効領域のうち屈折光学系の光軸からの距離が最も遠い点までの距離を半径としたときの直径を有効径φとし、有効領域内において上記光軸からの任意の高さｙとｙ＋φ／５とｙ−φ／５の３点を通過する円の曲率半径Ｒのうち最も長い曲率半径をＲＬとし、最も短い曲率半径をＲＳとするとき、凸面鏡は有効領域の全域において、１．０≦ＲＬ／ＲＳ≦１．４０なる条件を満足する。【選択図】図１
2017032925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡大側共役面および縮小側共役面のうち一方の共役面の像を他方の共役面に結像させる結像光学系であって、
前記拡大側共役面から前記縮小側共役面に向かって順に配置された反射光学系と屈折光学系とを有し、
前記反射光学系は、凸面鏡を備えており、
前記屈折光学系は、該屈折光学系の内部における中間結像位置に中間実像を形成し、
前記屈折光学系のうち最も前記凸面鏡側に配置されたレンズを第１レンズとするとき、前記凸面鏡と前記第１レンズとの間では軸外光線が前記屈折光学系の光軸と交差せず、前記第１レンズは非球面を有する負レンズであり、
前記凸面鏡の有効領域のうち前記屈折光学系の光軸または該光軸の延長からの距離が最も遠い点までの距離を半径としたときの直径を有効径φとし、前記有効領域内において前記光軸からの任意の高さｙとｙ＋φ／５とｙ−φ／５の３点を通過する円の曲率半径Ｒのうち最も長い曲率半径をＲＬとし、最も短い曲率半径をＲＳとするとき、前記凸面鏡は前記有効領域の全域において、
１．００≦ＲＬ／ＲＳ≦１．４０
なる条件を満足することを特徴とする結像光学系。
【請求項２】
前記屈折光学系のうち、前記凸面鏡と前記中間結像位置との間に配置された第１の部分屈折光学系の焦点距離をｆｌ１とし、前記中間結像位置と前記縮小側共役面との間に配置された第２の部分屈折光学系の焦点距離をｆｌ２とするとき、
０．２≦│ｆｌ１／ｆｌ２│≦０．８
なる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。
【請求項３】
前記屈折光学系のうち最も前記中間結像位置に近い負レンズが非球面を有することを特徴とする請求項２に記載の結像光学系。
【請求項４】
前記結像光学系の全系の焦点距離をｆとし、前記凸面鏡の焦点距離をｆＭとするとき、
０．０１≦│ｆ／ｆＭ│≦０．１０
なる条件を満足することを特徴とする請求項３に記載の結像光学系。
【請求項５】
光を変調する光変調素子と、
該光変調素子からの光を被投射面に投射する請求項１から４のいずれか一項に記載の結像光学系とを有することを特徴とする画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置や画像投射装置等の光学機器に好適な結像光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような結像光学系として、特に広角化を実現するために屈折光学系に反射光学系を組み合わせたものがある。特許文献１には、レトロフォーカスタイプの屈折光学系に反射光学系としての凸面鏡を組み合わせた結像光学系が開示されている。また、特許文献２には、レトロフォーカスタイプの屈折光学系に反射光学系として正のパワーを有する凹面鏡を組み合わせた結像光学系が開示されている。
【０００３】
ただし、これら特許文献１，２にて開示されたような結像光学系では、広角化に伴って凸面鏡や凹面鏡として大口径のミラーを用いる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３７２７５４３号公報
【特許文献２】特許第４２２３９３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、拡大側共役面側に大口径のミラーを配置すると、そのミラーの倒れや偏芯に対する該ミラーでの反射光束のうち最大像高付近の軸外光束における像面倒れ量が大きくなる（すなわちミラーの倒れ敏感度が高くなる）。このため、ミラーの倒れや平行偏芯によって光学性能が大きく劣化する。
【０００６】
本発明は、反射光学系（凸面鏡）と屈折光学系を有する結像光学系であって、凸面鏡を小径化しつつ、該凸面鏡の倒れ敏感度を抑制して高い光学性能を得られる結像光学系およびこれ用いた画像投射装置等の光学機器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての結像光学系は、拡大側共役面および縮小側共役面のうち一方の共役面の像を他方の共役面に結像させる。該結像光学系は、拡大側共役面から縮小側共役面に向かって順に配置された反射光学系と屈折光学系とを有する。反射光学系は、凸面鏡を備えている。屈折光学系は、該屈折光学系の内部における中間結像位置に中間実像を形成する。屈折光学系のうち最も凸面鏡側に配置されたレンズを第１レンズとするとき、凸面鏡と第１レンズとの間では軸外光線が屈折光学系の光軸と交差せず、第１レンズは非球面を有する負レンズである。凸面鏡の有効領域のうち屈折光学系の光軸または該光軸の延長からの距離が最も遠い点までの距離を半径としたときの直径を有効径φとし、有効領域内において上記光軸からの任意の高さｙとｙ＋φ／５とｙ−φ／５の３点を通過する円の曲率半径Ｒのうち最も長い曲率半径をＲＬとし、最も短い曲率半径をＲＳとするとき、凸面鏡は有効領域の全域において、
１．００≦ＲＬ／ＲＳ≦１．４０
なる条件を満足することを特徴とする。
【０００８】
なお、上記結像光学系を有する光学機器や、光変調素子により変調された光を被投射面に投射する上記結像光学系を有する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、凸面鏡と屈折光学系を有する結像光学系であって、凸面鏡を小径化しつつ、該凸面鏡の倒れ敏感度を抑制して高い光学性能を得られる結像光学系を実現することができる。そして、このような結像光学系を用いることで、小型で光学性能が高い画像投射装置等の光学機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１である結像光学系の断面図。
【図２】実施例１の結像光学系の縦収差図。
【図３】本発明の実施例２である結像光学系の断面図。
【図４】実施例２の結像光学系の縦収差図。
【図５】本発明の実施例３である結像光学系の断面図。
【図６】実施例３の結像光学系の縦収差図。
【図７】式（１）の定義を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１２】
まず、後述する各実施例に共通する事項について説明する。各実施例の結像光学系は、拡大側共役面および縮小側共役面のうち一方の共役面の像を他方の共役面に結像させる光学系であり、拡大側共役面から縮小側共役面に向かって順に配置された反射光学系と屈折光学系とにより構成されている。
【００１３】
反射光学系は、非球面形状を有する凸面鏡により構成されている。この非球面形状の凸面鏡（非球面ミラー）は、広角化に伴い、屈折光学系によって軸外光線を強く曲げなければならないことから発生し易くなる大きな歪曲収差を良好に低減する点で効果がある。ただし、この凸面鏡は球面形状を有する球面ミラーであっても構わない。この点は実施例２、３においても同様である。
【００１４】
一方、屈折光学系は、その内部に、上記一方の共役面の像の中間実像を形成する。屈折光学系は、この中間実像が形成される位置を中間結像位置とするとき、凸面鏡と中間結像位置との間に配置された第１の部分屈折光学系と、中間結像位置と縮小側共役面との間に配置された第２の部分屈折光学系とを有する。このように、各実施例における屈折光学系は、再結像型の屈折光学系である。
【００１５】
そして、各実施例では、凸面鏡の非球面形状を適切に設定することで、凸面鏡の倒れや偏芯により発生する像面倒れ量を抑制する。言い換えれば、凸面鏡の倒れ敏感度を低くする。
【００１６】
また、屈折光学系は、第１の部分屈折光学系と第２の部分屈折光学系とで収差補正を分担する。この屈折光学系よりも拡大側共役面側に凸面鏡を配置することで、屈折光学系の収差補正の負担を軽減してより良好な補正を可能とする。このとき、凸面鏡が非球面形状を有することにより歪曲収差を良好に補正することができるが、その非球面形状を球面形状から乖離させ過ぎると（非球面量が大きすぎると）凸面鏡が倒れたり偏芯したりした際に発生する像面倒れ量が大きくなる。このため、各実施例では、この像面倒れを抑制するために、凸面鏡の非球面量を適切な範囲に収める、つまりは非球面形状を適切に設定する。
【００１７】
また、各実施例では、第１および第２の部分屈折光学系を含む屈折光学系の全系（以下、全屈折光学系という）において、最も凸面鏡側（反射光学系側）に配置されたレンズから順に、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ…と呼ぶ。このとき、凸面鏡と最も凸面鏡側に配置された第１レンズとの間では軸外光線が屈折光学系の光軸と交差せず、この第１レンズを非球面を有する負レンズとすることで、歪曲収差を良好に補正している。
【００１８】
次に、凸面鏡の非球面形状が満足すべき条件を具体的に説明する。凸面鏡が非球面形状を有する場合、該非球面形状は以下の非球面関数（Ａ）により表される。
ｘ＝（ｙ2 ／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（ｙ2 ／Ｒ2 ）｝1/2 ］
＋Ａｙ4＋Ｂｙ6＋Ｃｙ8＋Ｄｙ10＋Ｅｙ12＋Ｆｙ14            （Ａ）
ただし、ｘは結像光学系（屈折光学系Ｌ）の光軸ＡＸＬに平行な方向での座標であり、ｙは光軸ＡＸＬからの距離（高さ）である。Ｒは曲率半径であり、Ｋは円錐定数である。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは非球面係数である。
【００１９】
そして、凸面鏡は、図７（Ａ），（Ｂ）を用いて以下に説明される条件を満足する。まず、凸面鏡の有効径φについて説明する。有効径φは、凸面鏡の有効領域（光学作用に寄与する領域または有効光束が通る領域）と屈折光学系の光軸ＡＸＬ（もしくはその延長）または凸面鏡の回転中心軸（もしくはその延長）との距離の最大値を半径としたときの直径である。言い換えれば、凸面鏡の有効領域のうち、屈折光学系の光軸または凸面鏡の回転中心軸から最も遠い位置までの距離を半径としたときの直径を凸面鏡の有効径φとする。ここで、前述したように凸面鏡の反射面は球面でも構わない。
【００２０】
そして、有効径φの有効領域内で光軸ＡＸＬからの任意の高さｙとｙ＋φ／５とｙ−φ／５の３点を通過する円の曲率半径Ｒ（または非球面関数における曲率半径Ｒ）のうち最も長い曲率半径をＲＬとし、最も短い曲率半径をＲＳとする。図７（Ａ）には、ｙをｙ１としたときのｙ１とｙ１＋φ／５とｙ１−φ／５の３点を通過する円の曲率半径Ｒ１（例えば最も長い曲率半径ＲＬに相当する）を示している。また、図７（Ｂ）には、ｙをｙ２としたときのｙ２とｙ２＋φ／５とｙ２−φ／５の３点を通過する円の曲率半径Ｒ２（例えば最も短い曲率半径ＲＳに相当する）を示している。凸面鏡は、その有効領域の全域において以下の条件を満足する。
１．００≦ＲＬ／ＲＳ≦１．４０      （１）
ＲＬ／ＲＳが式（１）の上限値を超えると、最大像高付近の光束位置での凸面鏡の面形状の変化が大きくなり、凸面鏡の倒れ敏感度が増加するため、好ましくない。
【００２１】
なお、式（１）の数値範囲を以下の式（１）′のようにするとより好ましい。
１．００≦ＲＬ／ＲＳ≦１．３５      （１）′
ここで、式（１）あるいは（１）′の下限値を１．１０とするとより好ましい効果が得られ、１．１５とするとさらに好ましい効果が得られる。ただし、その場合のｙの値は、φ/３以上、より好ましくはφ/２以上であることが望ましい。
【００２２】
また、屈折光学系のうち第１の部分屈折光学系の焦点距離をｆｌ１とし、第２の部分屈折光学系の焦点距離をｆｌ２とするとき、以下の条件を満足することが望ましい。
０．２≦│ｆｌ１／ｆｌ２│≦０．８    （２）
この条件は、第１の部分屈折光学系と第２の部分屈折光学系と広角化の分担比に関する条件である。│ｆｌ１／ｆｌ２│が式（２）の範囲を逸脱すると、第１および第２の部分屈折光学系のいずれかの広角化に対する負担が大きくなり過ぎ、一方の部分屈折光学系で発生した歪曲収差を他方の部分屈折光学系で補正することができなくなる。この結果、良好な収差補正が行えなくなるので、好ましくない。
【００２３】
式（２）の数値範囲を以下の式（２）′のようにするとより好ましい。
０．３≦│ｆｌ１／ｆｌ２│≦０．８    （２）′
式（２）の数値範囲を以下の式（２）″のようにするとさらに好ましい。
０．４≦│ｆｌ１／ｆｌ２│≦０．６    （２）″
また、各実施例の結像光学系では、中間結像位置において光線が良好に分離されている。したがって、屈折光学系のうち最も中間結像位置に近い負レンズを非球面レンズとすることで、歪曲収差をより良好に補正することができる。
【００２４】
さらに、結像光学系の全系の焦点距離をｆとし、凸面鏡の焦点距離をｆＭとするとき、以下の条件を満足することが望ましい。
０．０１≦│ｆ／ｆＭ│≦０．１０      （３）
│ｆ／ｆＭ│が式（３）の下限値を下回ると、凸面鏡のパワーが弱くなることで歪曲収差の補正効果が弱くなるので、好ましくない。また、│ｆ／ｆＭ│が式（３）の上限値を上回ると、凸面鏡のパワーが強くなって収差補正の負担がかかりすぎ、歪曲収差のみならず像面湾曲の増加も引き起こすので、好ましくない。
【００２５】
式（３）の数値範囲を以下の式（３）′のようにするとより好ましい。
０．０２≦│ｆ／ｆＭ│≦０．０８      （３）′
各実施例で説明する結像光学系は、光学機器の１つとしての画像投射装置用の投射光学系として用いられたり、他の光学機器としての撮像装置（画像読取り装置）の撮像光学系として用いられたりすることができる。各実施例は、光源からの光を変調する光変調素子ともに、該光変調素子からの光をスクリーン等の被投射面に投射する結像光学系（投射光学系）の例を示している。
【実施例１】
【００２６】
図１には、実施例１の結像光学系としての広角投射光学系の構成を示している。このような広角投射光学系を用いることで、短い投射距離（画像投射装置と被投射面との間の距離）で大きなサイズの画像を投射することができる。
【００２７】
図１において、縮小側共役面に配置された光変調素子Ｌから出射した光は、全屈折光学系Ｌを第２の部分屈折光学系Ｌ２、第１の部分屈折光学系Ｌ１の順に通過して凸面鏡Ｍで反射され、不図示の拡大側共役面に向かう。全屈折光学系Ｌのうち最も凸面鏡側に配置されたレンズから順に、第１レンズＧ１、第２レンズＧ２、…と呼ぶとき、第１レンズＧ１から第８レンズＧ８によって第１の部分屈折光学系Ｌ１が構成される。また、第９レンズＧ９から第１７レンズＧ１７によって第２の部分屈折光学系Ｌ２が構成される。さらに、第８レンズＧ８と第９レンズＧ９の間に中間結像位置ＭＭがあり、ここに中間実像が形成される。ＳＴＯは絞りであり、Ｂはプリズム等の光学ブロックである。これらの符号の説明は、後述する他の実施例でも同じである。また、全ての実施例に共通しているが、絞りＳＴＯをなくして、絞り近傍のレンズ保持部（コバ部）を絞りとして機能させても構わない。
【００２８】
なお、本実施例と同じ構成を有する撮像光学系を撮像装置に用いることもできる。撮像装置では、拡大側共役面の被写体を、縮小側共役面に配置されたＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子により撮像する。このような撮像装置により、撮像距離（撮像装置と被写体面との間の距離）を短くしつつ大きなサイズの被写体を撮像することができる。
【００２９】
表１には、本実施例の数値例を示す。表中において、面番号は拡大側共役面から縮小側共役面に向かって順に凸面鏡と各レンズの面に付した番号である。Ｒは曲率半径を、ｄは面間隔（互いに隣り合う面間の実空間距離）をそれぞれ示している。なお、Ｒとｄの符号は、拡大側共役面から出射した光が凸面鏡に向かう方向を＋とし、凸面鏡で反射された光が第１レンズに向かう方向を−としている。
【００３０】
ｎｄおよびνｄはそれぞれ、レンズのガラス材料のｄ線に対する屈折率およびアッベ数を示している。はFｅａはミラーまたはレンズの有効径（光学作用に寄与する有効領域の直径）である（第１面である凸面鏡のFｅａは前述した有効径φである）。また、面番号の左側に＊印が付されている面は、上述した非球面関数（Ａ）に従う非球面形状を有することを示し、表に関数中の非球面係数を示している。「Ｅ−Ｍ」は、「×１０−Ｍ」を意味する。ＯＢは拡大側共役面、ＩＭは縮小側共役面である。ｆは焦点距離、ＦＮＯはＦナンバーである。表の説明は、後述する他の実施例でも同じである。
（表１）
2017032925.tif 000003
【００３１】
2017032925.tif 000004
【００３２】
2017032925.tif 000005
【００３３】
図２には、本実施例の投射光学系の縦収差（球面収差、非点収差、歪曲および倍率色収差）を示している。この図から分かるように、本実施例では、最も拡大側共役面側に適切な非球面形状を有する凸面鏡を配置することにより、歪曲収差が良好に補正され、軸外主光線が高い位置において凸面鏡の傾きや偏芯により発生する像面倒れ量が良好に抑制されている。
【００３４】
表２には、本実施例における式（１）〜（３）中の値を示す。
（表２）
2017032925.tif 000006
【実施例２】
【００３５】
図３には、実施例２の結像光学系としての投射光学系の構成を示している。この投射光学系は、実施例１の投射光学系のＦＮＯを明るくしたものに相当する。本実施例の投射光学系を用いることで、実施例１の投射光学系を用いる場合に比べてさらに明るい画像を投射することができる。また、撮像装置に同じ構成を有する撮像光学系を用いれば、より明るい撮像画像を取得することができる。
表３には、本実施例の数値例を示す。
（表３）
2017032925.tif 000007
【００３６】
2017032925.tif 000008
【００３７】
2017032925.tif 000009
【００３８】
図４には、本実施例の投射光学系の縦収差を示している。この図から分かるように、本実施例でも、最も拡大側共役面側に適切な非球面形状を有する凸面鏡を配置することにより、歪曲収差が良好に補正され、軸外主光線が高い位置において凸面鏡の傾きや偏芯により発生する像面倒れ量が良好に抑制されている。
表４には、本実施例における式（１）〜（３）中の値を示す。
（表４）
2017032925.tif 000010
【実施例３】
【００３９】
図５には、実施例３の結像光学系としての投射光学系の構成を示している。この投射光学系は、実施例１の投射光学系の画角を６６°に増加させたものである。本実施例の投射光学系を用いることで、実施例１の投射光学系を用いる場合に比べてさらに投射距離を短くすることができる。また、撮像装置に同じ構成を有する撮像光学系を用いれば、撮像距離をより短くすることができる。
【００４０】
表５には、本実施例の数値例を示す。
（表５）
2017032925.tif 000011
【００４１】
2017032925.tif 000012
【００４２】
2017032925.tif 000013
【００４３】
図６には、本実施例の投射光学系の縦収差を示している。この図から分かるように、本実施例でも、最も拡大側共役面側に適切な非球面形状を有する凸面鏡を配置することにより、歪曲収差が良好に補正され、軸外主光線が高い位置において凸面鏡の傾きや偏芯により発生する像面倒れ量が良好に抑制されている。
表６には、本実施例における式（１）〜（３）中の値を示す。
（表６）
2017032925.tif 000014
【００４４】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
Ｌ  屈折光学系（全系）
Ｌ１  第１の部分屈折光学系
Ｌ２  第２の部分屈折光学系
Ｍ  凸面鏡
ＭＭ  中間結像位置
【図１】
2017032925.tif 000015
【図２】
2017032925.tif 000016
【図３】
2017032925.tif 000017
【図４】
2017032925.tif 000018
【図５】
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【図６】
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【図７】
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