JP7340789B2 - 光学系、画像投写装置および撮像装置 - Google Patents
光学系、画像投写装置および撮像装置 Download PDFInfo
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Description
本開示の第1態様では、前記Y断面に対して垂直な方向から前記プリズムを見て、前記矩形領域の法線の方向を用いて表した場合、前記第1透過面は前記プリズムから前記第1サブ光学系に向けた前記法線の第1方向のみを向いて配置され、前記第2透過面は前記第1方向とは反対の第2方向のみを向いて配置される。
本開示の第2態様では、前記Y断面に対して垂直な方向から前記プリズムを見た場合、前記第1透過面は、前記第2透過面とは異なる形状を有し、前記第1透過面および前記第2透過面は、互いに離間して配置される。
本開示の第3態様では、前記第2反射面は、前記第2反射面へ入射する光線が反射する方向に凸面を向けた形状を有し、前記第1反射面および前記第2反射面は、非平面の曲率を有する。
以下、図1~図20を用いて本開示の実施形態1に係る光学系について説明する。
図1は、実施例1に係る光学系1を示す配置図である。光学系1は、開口絞りSTを含む第1サブ光学系と、プリズムPMを含む第2サブ光学系とを備える。図1において、左側に縮小側の結像位置である縮小共役点が位置し、右側に拡大側の結像位置である拡大共役点が位置する。第2サブ光学系は、第1サブ光学系より拡大側に設けられる。
また、前記縮小共役点の前記矩形領域の長手方向をX方向、短手方向をY方向、法線方向をZ方向としたとき、X方向の中心を通る主光線が反射面R1で反射する位置を含む面をY断面とし、該Y断面に対して垂直な断面をX断面として、第1サブ光学系を通過する光束は、Y断面とX断面とで異なる中間結像位置を有し、即ち、Y方向中間像IMyとX方向中間像IMxは異なる位置に形成される。これによりゴミや汚れなどの外乱による画質への影響を低減できる。
図5は、実施例2に係る光学系1を示す配置図である。この光学系1は、実施例1と同様な構成を有するが、第1サブ光学系は、レンズ素子L1~L13を含み、プリズムPMを含む第2サブ光学系は、画像投写装置の場合、前方斜め下方に向けて投写している。以下、実施例1と重複する説明は省略する。
図9は、実施例3に係る光学系1を示す配置図である。この光学系1は、実施例1と同様な構成を有するが、第1サブ光学系は、レンズ素子L1~L14を含み、プリズムPMを含む第2サブ光学系は、画像投写装置の場合、後方斜め上方に向けて投写している。以下、実施例1と重複する説明は省略する。
図13は、実施例4に係る光学系1を示す配置図である。この光学系1は、実施例1と同様な構成を有するが、第1サブ光学系は、レンズ素子L1~L3およびプリズムPFを含み、プリズムPMを含む第2サブ光学系は、画像投写装置の場合、後方斜め上方に向けて投写している。以下、実施例1と重複する説明は省略する。
前記縮小共役点は、長手方向及び短手方向を有する矩形領域において結像関係を有し、
前記光学系1を光束が通過する範囲を規定する開口絞りSTを含む第1サブ光学系と、
該第1サブ光学系より拡大側に設けられ、透明な媒質で形成されたプリズムPMを含む第2サブ光学系とを備え、
前記プリズムPMは、縮小側に位置する透過面A、拡大側に位置する透過面B、および該透過面Aと該透過面Bとの間の光路上に位置する少なくとも1つの反射面R1を有し、
前記開口絞りSTは、前記縮小共役点と前記中間結像位置との間に位置決めされ、
前記中間結像位置に形成される中間像IMx,IMyの一部または全部が、前記プリズムPMの媒質内部に位置決めされ、
前記中間結像位置に最も近接した反射面R1は、前記反射面R1へ入射する光線が反射する方向に凹面を向けた形状を有し、
前記透過面Bは、拡大側に凸面を向けた形状を有し、
前記縮小共役点の前記矩形領域の長手方向をX方向、短手方向をY方向、法線方向をZ方向としたとき、X方向の中心を通る主光線が前記反射面R1で反射する位置を含む面をY断面とし、該Y断面に対して垂直な断面をX断面として、Y断面に対して垂直な方向から見たとき、前記縮小共役点を通過する複数の主光線の一部が前記反射面R1と前記透過面Bとの間の光路上で交差するように、かつ、X断面に対して垂直な方向から見たとき、前記縮小共役点を通過する複数の主光線の一部が前記反射面R1と前記透過面Bとの間の光路上で交差するように、前記反射面R1の曲率形状が設定されてもよい。
MY=|ΔY2/ΔY1|
MMY=|ΔY3/ΔY1|
MX=|ΔX2/ΔX1|
MMX=|ΔX3/ΔX1|
0<|MX|<10 ・・・(1a)
0<|MY|<10 ・・・(1b)
ここで、
MX:縮小共役点に対するX断面に平行なX方向の中間結像位置における結像倍率
MY:縮小共役点に対するY断面に平行なY方向の中間結像位置における結像倍率
である。
0.5<|MX|<7.5 ・・・(1c)
0.5<|MY|<7.5 ・・・(1d)
0.6<|MX|<5.0 ・・・(1e)
0.6<|MY|<5.0 ・・・(1f)
|MX|>|MY| ・・・(2)
ここで、
MX:前記X方向結像倍率
MY:前記Y方向結像倍率
である。
Σ(|OPLY|-|OPLX|)>0 ・・・(3)
ここで、
OPLX:前記X方向の中間結像位置と前記反射面R1との間の光路長
OPLY:前記Y方向の中間結像位置と前記反射面R1との間の光路長
Σ(|OPLY|-|OPLX|):縮小共役点での規格化高さY=0.0,0.5,1.0をそれぞれ通過する3つの主光線について、光路長OPLXの絶対値と光路長OPLYの絶対値との差を加算した合計値
である。
Σ(|OPLY|-|OPLX|)>2.5 ・・・(3a)
Σ(|OPLY|-|OPLX|)>5.0 ・・・(3b)
|2×(MMX-MMY)/(MMX+MMY)|<0.30 ・・・(4)
ここで、
MMX:縮小共役点に対する拡大共役点におけるX方向結像倍率
MMY:縮小共役点に対する拡大共役点におけるY方向結像倍率
である。
|2×(MMX-MMY)/(MMX+MMY)|<0.15 ・・・(4a)
|2×(MMX-MMY)/(MMX+MMY)|<0.08 ・・・(4b)
|θi|<50 ・・・(5)
ここで、
θi:主光線が媒質の前記透過面Bを通過するときの前記透過面Bに主光線が入射する位置における前記透過面Bの法線に対する入射角(度)
である。
z:z軸に平行な面のサグ量、
r:半径方向の距離(=√(x2+y2))、
c:面頂点における曲率
k:コーニック係数、
A~H:rの4次~18次係数
である。
を用いた次式で定義している。
数値実施例1(実施例1に対応)の光学系について、レンズデータを表1に示し、レンズの非球面形状データを表2に示し、プリズムの自由曲面形状データを表3に示す。
数値実施例2(実施例2に対応)の光学系について、レンズデータを表4に示し、レンズの非球面形状データを表5に示し、プリズムの自由曲面形状データを表6に示す。
数値実施例3(実施例3に対応)の光学系について、レンズデータを表7に示し、レンズの非球面形状データを表8に示し、プリズムの自由曲面形状データを表9に示す。
数値実施例4(実施例4に対応)の光学系について、レンズデータを表10に示し、プリズムの自由曲面形状データを表11に示す。実施例4のみ、レンズデータは第1面基準の絶対値座標となる。
以下、図21を用いて本開示の実施形態2を説明する。図21は、本開示に係る画像投写装置の一例を示すブロック図である。画像投写装置100は、実施形態1で開示した光学系1と、画像形成素子101と、光源102と、制御部110などを備える。画像形成素子101は、液晶、DMDなどで構成され、光学系1を経由してスクリーンSCに投写する画像を生成する。光源102は、LED(発光ダイオード)、レーザなどで構成され、画像形成素子101に光を供給する。制御部110は、CPUまたはMPUなどで構成され、装置全体および各コンポーネントを制御する。光学系1は、画像投写装置100に対して着脱自在に取付け可能な交換レンズとして構成してもよく、あるいは画像投写装置100に一体化した組み込みレンズとして構成してもよい。
以下、図22を用いて本開示の実施形態3を説明する。図22は、本開示に係る撮像装置の一例を示すブロック図である。撮像装置200は、実施形態1で開示した光学系1と、撮像素子201と、制御部210などを備える。撮像素子201は、CCD(電荷結合素子)イメージセンサ、CMOSイメージセンサなどで構成され、光学系1が形成する物体OBJの光学像を受光して電気的な画像信号に変換する。制御部110は、CPUまたはMPUなどで構成され、装置全体および各コンポーネントを制御する。光学系1は、撮像装置200に対して着脱自在に取付け可能な交換レンズとして構成してもよく、あるいは撮像装置200に一体化した組み込みレンズとして構成してもよい。
SA 原画像
PA 光学素子
L1~L14 レンズ素子
ST 開口絞り
PM,PF プリズム
R1,R2,K1,K2,K3 反射面
A,B,P,Q 透過面
SC スクリーン
100 画像投写装置
200 撮像装置
Claims (22)
- 縮小側の縮小共役点および拡大側の拡大共役点を有し、該縮小共役点および該拡大共役点とそれぞれ共役である中間結像位置を内部に有する光学系であって、
前記縮小共役点は、長手方向と短手方向を有する矩形領域において結像関係を有し、
前記光学系を光束が通過する範囲を規定する開口絞りを含む第1サブ光学系と、
該第1サブ光学系より拡大側に設けられ、透明な媒質で形成されたプリズムを含む第2サブ光学系とを備え、
前記プリズムは、縮小側に位置する第1透過面、拡大側に位置する第2透過面、および該第1透過面と該第2透過面との間の光路上に位置する少なくとも1つの反射面を有し、
前記開口絞りは、前記縮小共役点と前記中間結像位置との間に位置決めされ、
前記プリズム内の光路上で前記第1透過面に最も近い第1反射面は、前記第1反射面へ入射する光線が反射する方向に凹面を向けた形状を有し、
前記第2透過面は、拡大側に凸面を向けた形状を有し、
前記中間結像位置は、前記第1反射面の縮小側のみに前記第1反射面と離間して位置決めされ、
前記中間結像位置に形成される中間像の一部または全部が、前記プリズムの媒質内部に位置決めされ、
前記矩形領域の長手方向の中心を通る主光線が前記第1反射面で反射する位置を含む面をY断面とし、前記Y断面に対して垂直な断面をX断面として、前記Y断面に対して垂直な方向から見たとき、前記縮小共役点を通過する複数の主光線の一部が前記第1反射面と前記第2透過面との間の光路上で交差するように、かつ、前記X断面に対して垂直な方向から見たとき、前記縮小共役点を通過する複数の主光線の一部が前記第1反射面と前記第2透過面との間の光路上で交差するように、前記第1反射面の曲率形状が設定され、
前記少なくとも1つの反射面は、前記プリズム内の光路上で前記第2透過面に最も近い第2反射面をさらに有し、
前記Y断面に対して垂直な方向から前記プリズムを見て、前記矩形領域の法線の方向を用いて表した場合、前記第1透過面は前記プリズムから前記第1サブ光学系に向けた前記法線の第1方向のみを向いて配置され、前記第2透過面は前記第1方向とは反対の第2方向のみを向いて配置される、光学系。 - 縮小側の縮小共役点および拡大側の拡大共役点を有し、該縮小共役点および該拡大共役点とそれぞれ共役である中間結像位置を内部に有する光学系であって、
前記縮小共役点は、長手方向と短手方向を有する矩形領域において結像関係を有し、
前記光学系を光束が通過する範囲を規定する開口絞りを含む第1サブ光学系と、
該第1サブ光学系より拡大側に設けられ、透明な媒質で形成されたプリズムを含む第2サブ光学系とを備え、
前記プリズムは、縮小側に位置する第1透過面、拡大側に位置する第2透過面、および該第1透過面と該第2透過面との間の光路上に位置する少なくとも1つの反射面を有し、
前記開口絞りは、前記縮小共役点と前記中間結像位置との間に位置決めされ、
前記プリズム内の光路上で前記第1透過面に最も近い第1反射面は、前記第1反射面へ入射する光線が反射する方向に凹面を向けた形状を有し、
前記第2透過面は、拡大側に凸面を向けた形状を有し、
前記中間結像位置は、前記第1反射面の縮小側のみに前記第1反射面と離間して位置決めされ、
前記中間結像位置に形成される中間像の一部または全部が、前記プリズムの媒質内部に位置決めされ、
前記矩形領域の長手方向の中心を通る主光線が前記第1反射面で反射する位置を含む面をY断面とし、前記Y断面に対して垂直な断面をX断面として、前記Y断面に対して垂直な方向から見たとき、前記縮小共役点を通過する複数の主光線の一部が前記第1反射面と前記第2透過面との間の光路上で交差するように、かつ、前記X断面に対して垂直な方向から見たとき、前記縮小共役点を通過する複数の主光線の一部が前記第1反射面と前記第2透過面との間の光路上で交差するように、前記第1反射面の曲率形状が設定され、
前記少なくとも1つの反射面は、前記プリズム内の光路上で前記第2透過面に最も近い第2反射面をさらに有し、
前記Y断面に対して垂直な方向から前記プリズムを見た場合、前記第1透過面は、前記第2透過面とは異なる形状を有し、前記第1透過面および前記第2透過面は、互いに離間して配置される、光学系。 - 縮小側の縮小共役点および拡大側の拡大共役点を有し、該縮小共役点および該拡大共役点とそれぞれ共役である中間結像位置を内部に有する光学系であって、
前記縮小共役点は、長手方向と短手方向を有する矩形領域において結像関係を有し、
前記光学系を光束が通過する範囲を規定する開口絞りを含む第1サブ光学系と、
該第1サブ光学系より拡大側に設けられ、透明な媒質で形成されたプリズムを含む第2サブ光学系とを備え、
前記プリズムは、縮小側に位置する第1透過面、拡大側に位置する第2透過面、および該第1透過面と該第2透過面との間の光路上に位置する少なくとも1つの反射面を有し、
前記開口絞りは、前記縮小共役点と前記中間結像位置との間に位置決めされ、
前記プリズム内の光路上で前記第1透過面に最も近い第1反射面は、前記第1反射面へ入射する光線が反射する方向に凹面を向けた形状を有し、
前記第2透過面は、拡大側に凸面を向けた形状を有し、
前記中間結像位置は、前記第1反射面の縮小側のみに前記第1反射面と離間して位置決めされ、
前記中間結像位置に形成される中間像の一部または全部が、前記プリズムの媒質内部に位置決めされ、
前記矩形領域の長手方向の中心を通る主光線が前記第1反射面で反射する位置を含む面をY断面とし、前記Y断面に対して垂直な断面をX断面として、前記Y断面に対して垂直な方向から見たとき、前記縮小共役点を通過する複数の主光線の一部が前記第1反射面と前記第2透過面との間の光路上で交差するように、かつ、前記X断面に対して垂直な方向から見たとき、前記縮小共役点を通過する複数の主光線の一部が前記第1反射面と前記第2透過面との間の光路上で交差するように、前記第1反射面の曲率形状が設定され、
前記少なくとも1つの反射面は、前記プリズム内の光路上で前記第2透過面に最も近い第2反射面をさらに有し、
前記第2反射面は、前記第1反射面へ入射する光線が反射する方向に凸面を向けた形状を有し、前記第1反射面および前記第2反射面は、非平面の曲率を有する、光学系。 - 前記第1反射面は、前記矩形領域の長手方向の中心を通る光線の前記X断面に平行なX方向の中間結像位置に沿って縮小光路側に凹面を向けた形状を有する、請求項1から3のいずれかに記載の光学系。
- 前記中間像は、前記第1サブ光学系を通過する光束が、前記Y断面に平行なY方向の中間像と前記X断面に平行なX方向の中間像として異なる位置に形成され、
前記Y方向の中間像は、前記光学系を通過する光束が前記Y方向にのみ集光し、前記X方向には集光していない状態であり、前記X方向の中間像は、前記光学系を通過する光束が前記X方向にのみ集光し、前記Y方向には集光していない状態である、請求項1から3のいずれかに記載の光学系。 - 以下の条件(1a)または条件(1b)を満足する、請求項4に記載の光学系。
1<|MX|<10 ・・・(1a)
1<|MY|<10 ・・・(1b)
ここで、
MX:縮小共役点に対する前記X断面に平行なX方向の中間結像位置における結像倍率
MY:縮小共役点に対する前記Y断面に平行なY方向の中間結像位置における結像倍率
である。 - 以下の条件(2)を満足する光線を含む、請求項6に記載の光学系。
|MX|>|MY| ・・・(2)
ここで、
MX:前記X方向結像倍率
MY:前記Y方向結像倍率
である。 - 前記Y方向の中間結像位置と前記第1反射面との間に前記X方向の中間結像位置が存在する、請求項5に記載の光学系。
- 以下の条件(3)を満足する、請求項4に記載の光学系。
Σ(|OPLY|-|OPLX|)>0 ・・・(3)
ここで、
OPLX:前記X方向の中間結像位置と前記第1反射面との間の光路長
OPLY:前記Y断面に平行なY方向の中間結像位置と前記第1反射面との間の光路長
Σ(|OPLY|-|OPLX|):縮小共役点での規格化高さY=0.0,0.5,1.0をそれぞれ通過する3つの主光線について、光路長OPLXの絶対値と光路長OPLYの絶対値との差を加算した合計値
である。 - 以下の条件(4)を満足する、請求項1から3のいずれかに記載の光学系。
|2×(MMX-MMY)/(MMX+MMY)|<0.30 ・・・(4)
ここで、
MMX:縮小共役点に対する拡大共役点におけるX方向結像倍率
MMY:縮小共役点に対する拡大共役点におけるY方向結像倍率
である。 - 以下の条件(5)を満足する、請求項1から3のいずれかに記載の光学系。
|θi|<50 ・・・(5)
ここで、
θi:主光線が媒質の前記第2透過面を通過するときの前記第2透過面に主光線が入射する位置における前記第2透過面の法線に対する入射角(度)
である。 - 前記第1透過面、前記第2透過面および前記少なくとも1つの反射面のうち、前記第2透過面が最大の有効面積を有する、請求項1から3のいずれかに記載の光学系。
- 前記開口絞りは、前記縮小共役点と前記第1透過面との間に位置決めされる、請求項1から3のいずれかに記載の光学系。
- 前記縮小共役点を通過する複数の主光線の全てが、前記第1反射面と前記第2透過面との間の光路上で交差する、請求項1から3のいずれかに記載の光学系。
- 前記開口絞りに対応する入射瞳および射出瞳のいずれか一方が、前記プリズム内に位置決めされる、請求項1から3のいずれかに記載の光学系。
- 前記第1反射面は、前記縮小共役点を通過する複数の主光線の一部を該反射面と前記第2透過面との間の光路上で交差させる自由曲面である、請求項1から3のいずれかに記載の光学系。
- 前記プリズムの外周部に段付き構造が形成される、請求項1から3のいずれかに記載の光学系。
- 前記光学系は、結像光学系である、請求項1から3のいずれかに記載の光学系。
- 前記縮小共役点の前記矩形領域で定義される画像領域は、前記拡大共役点での画像領域と光学的に共役である結像関係を有する、請求項1から3のいずれかに記載の光学系。
- 請求項1から20のいずれかに記載の光学系と、
該光学系を経由してスクリーンに投写する画像を生成する画像形成素子と、を備える画像投写装置。 - 請求項1から20のいずれかに記載の光学系と、
該光学系が形成する光学像を受光して電気的な画像信号に変換する撮像素子と、を備える撮像装置。
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