特開 2023-88672 光学系

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023088672

(43)【公開日】2023-06-27

(54)【発明の名称】光学系

(51)【国際特許分類】

   G02B 17/08 20060101AFI20230620BHJP

   G03B 21/00 20060101ALI20230620BHJP

   G03B 21/14 20060101ALI20230620BHJP

   G03B 21/28 20060101ALI20230620BHJP

   H04N 5/74 20060101ALI20230620BHJP

【ＦＩ】

G02B17/08 A

G03B21/00 D

G03B21/14 D

G03B21/28

H04N5/74 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021203560

(22)【出願日】2021-12-15

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り （１）２０２１年１１月１日に、ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｄｗ．ｏｒ．ｊｐ／ｆｉｎａｌｐｒｏｇｒａｍ．ｈｔｍｌ＃ＦＭＣ１にて発表 （２）２０２１年１２月２日に、Ｔｈｅ ２８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｗｏｒｋｓｈｏｐｓ（ＩＤＷ’２１）（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｄｗ．ｏｒ．ｊｐ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ）のオンライン会議で、発表番号ＰＲＪ２－３として発表

(71)【出願人】

【識別番号】000163006

【氏名又は名称】興和株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109221

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 充広

(74)【代理人】

【識別番号】100171848

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 裕美

(72)【発明者】

【氏名】山本 裕紹

(72)【発明者】

【氏名】富永 修一

【テーマコード（参考）】

2H087

2K203

5C058

【Ｆターム（参考）】

2H087KA01

2H087KA06

2H087KA21

2H087LA27

2H087NA01

2H087RA44

2H087RA45

2H087TA01

2H087TA03

2H087TA06

2H087TA08

2K203FA63

2K203FA82

2K203FB03

2K203GC05

2K203HA04

2K203HB14

2K203HB24

2K203MA07

5C058BA35

(57)【要約】

【課題】斜めからの撮像であっても解像度を維持しつつ、光学的に像面補正を容易に行うことができる光学系を提供すること。
【解決手段】光学系は、非平面形状を有する物体面ＯＳを結像させる対物光学系１００ａと、対物光学系１００ａにより形成された一次結像面ＩＰを平面画像として撮像する撮像素子５０を有する結像光学系１００ｂと、一次結像面ＩＰに配置され、非平面形状の反射面３０ａを有する像面補正ミラー３０と、を備え、物体面ＯＳと、一次結像面ＩＰと、撮像素子５０とが光学的に共役な位置に配置され、一次結像面ＩＰと、物体面ＯＳとがシャインプルーフの条件を満たすように配置される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

非平面形状を有する物体面を結像させる対物光学系と、
前記対物光学系により形成された一次結像面を平面画像として撮像する撮像素子を有する結像光学系と、
前記一次結像面に配置され、非平面形状の反射面を有する像面補正ミラーと、
を備え、
前記物体面と、前記一次結像面と、前記撮像素子とが光学的に共役な位置に配置され、
前記一次結像面と、前記物体面とがシャインプルーフの条件を満たすように配置される光学系。

【請求項2】

画像表示面に表示される平面画像を結像させる結像光学系と、
前記結像光学系により形成された一次結像面を非平面形状の投影面に投影する投影光学系と、
前記一次結像面に配置され、非平面形状の反射面を有する像面補正ミラーと、
を備え、
前記画像表示面と、前記一次結像面と、前記投影面とが光学的に共役な位置に配置され、
前記一次結像面と、前記投影面とがシャインプルーフの条件を満たすように配置される光学系。

【請求項3】

前記像面補正ミラーの前記反射面が、前記物体面又は前記投影面の形状に対応した形状を有する、請求項１又は２に記載の光学系。

【請求項4】

前記像面補正ミラーは、球面ミラー、非球面ミラー、円筒面ミラー、自由曲面ミラー、及び可変形鏡のいずれかである、請求項１～３のいずれか一項に記載の光学系。

【請求項5】

前記像面補正ミラーを傾斜させる傾斜調整部を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の光学系。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非平面形状を有する物体面を平面画像として撮像する光学系、及び画像表示面に表示される平面画像を非平面形状を有する投影面に投影する光学系に関する。

【背景技術】

【0002】

結像光学系と投影光学系とを備える光学システムにおいて、画像表示面、結像面、及び投影面が光学的に共役な関係に配置され、結像面に非平面形状の反射面を有する像面補正ミラーが配置され、結像面において像を補正することにより平面画像を非平面形状の投影面に歪みなく投影するものがある（特許文献１参照）。ただし、特許文献１の光学システムは、斜めからの投影に十分に対応するものではない。

【0003】

また、例えばデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）等の映像素子からの反射光を投影レンズにより投影面に向けて斜投射するプロジェクタがある（特許文献２参照）。このプロジェクタでは、映像素子、投影レンズ、及び投影面がシャインプルーフの条件を満たすように配置され、映像素子調整機構により映像素子及び投影面をシャインプルーフの条件を満たすように映像素子の傾斜角度及び位置を変更し、シフト機構により変更した映像素子の傾斜角度及び位置に応じて光源からの光を適切に映像素子に入射させる。これにより、映像素子からのパターン光を投影レンズから投影面に適切に投影させることができる。特許文献２のプロジェクタでは、映像素子の角度や位置を調整して投影範囲を変更できるが、平面の投影画像を平面の投影面に投影しており、非平面形状の投影面では投影画像にボケが生じ得る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－６７８３４号公報

【特許文献2】特開２０２０－５１８７５号公報

【発明の概要】

【0005】

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、斜めからの撮像又は投影であっても解像度を維持しつつ、光学的に像面補正を容易に行うことができる光学系を提供することを目的とする。

【0006】

上述した問題を解決するため、本発明に係る光学系は、非平面形状を有する物体面を結像させる対物光学系と、対物光学系により形成された一次結像面を平面画像として撮像する撮像素子を有する結像光学系と、一次結像面に配置され、非平面形状の反射面を有する像面補正ミラーと、を備え、物体面と、一次結像面と、撮像素子とが光学的に共役な位置に配置され、一次結像面と、物体面とがシャインプルーフの条件を満たすように配置される。ここで、像面補正ミラーが一次結像面に配置されるとは、像面補正ミラーが一次結像面の近傍に配置されることを含む。

【0007】

上記光学系では、物体面、一次結像面、及び撮像素子が光学的に共役な関係に配置されているため、一次結像面において像を補正することで非平面形状の物体面の像を平面形状の撮像素子で歪みなく撮像することができる。すなわち、一次結像面に配置された像面補正ミラーの非平面形状の反射面の形状によって像面補正された平面画像を撮像素子の撮像面で撮像することができるため、像面補正ミラーの反射面の形状を適切に調整することにより、光学的に像面補正を容易に行うことができる。また、物体面と一次結像面とをシャインプルーフ配置とすることにより、斜めからの撮像でも像全体でピントを合わせることができ、非平面形状を有する物体面に対して斜め方向から対物光学系のレンズの明るさを損なうことなく、解像度の高い像を撮像することができる。

【0008】

上述した問題を解決するため、本発明に係る光学系は、画像表示面に表示される平面画像を結像させる結像光学系と、結像光学系により形成された一次結像面を非平面形状の投影面に投影する投影光学系と、一次結像面に配置され、非平面形状の反射面を有する像面補正ミラーと、を備え、画像表示面と、一次結像面と、投影面とが光学的に共役な位置に配置され、一次結像面と、投影面とがシャインプルーフの条件を満たすように配置される。

【0009】

上記光学系では、画像表示面、一次結像面、及び投影面が光学的に共役な関係に配置されているため、一次結像面において像を補正することで画像表示面に表示される平面画像を非平面形状の投影面に歪みなく投影することができる。すなわち、一次結像面に配置された像面補正ミラーの非平面形状の反射面の形状によって像面補正された画像を投影面に投影することができるため、像面補正ミラーの反射面の形状を適切に調整することにより、光学的に像面補正を容易に行うことができる。また、一次結像面と投影面とをシャインプルーフ配置とすることにより、斜めからの投影でも像全体でピントを合わせることができ、非平面形状を有する投影面に対して斜め方向から投影光学系のレンズの明るさを損なうことなく、解像度の高い像を投影することができる。

【0010】

本発明の具体的に側面では、上記光学系において、像面補正ミラーの反射面が、物体面又は投影面の形状に対応した形状を有する。この場合、像面補正をより精度よいものとすることができる。

【0011】

本発明の別の側面では、像面補正ミラーは、球面ミラー、非球面ミラー、円筒面ミラー、自由曲面ミラー、及び可変形鏡のいずれかである。

【0012】

本発明のさらに別の側面では、像面補正ミラーを傾斜させる傾斜調整部を有する。この場合、物体面又は投影面の傾斜角度に応じて像面補正ミラーの傾斜角度を適宜調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１実施形態の光学系を含む撮像装置を説明する概念図である。

【図2】従来の撮像装置の光学系を説明する概念図である。

【図3】像面補正ミラーによる補正像の形状を模式的に示す説明図である。

【図4】撮像レンズの近軸モデルを示す図である。

【図5】（Ａ）は、幾何学光学系における撮像関係を示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）と同じ光学系でのシャインプルーフ配置を説明する図である。

【図6】像面補正ミラーと一次結像面との角度関係を説明する図である。

【図7】中心部と周辺部とで撮像されるベストフォーカスの差異を示す図である。

【図8】撮像レンズに対する物体面の傾きと、一次結像面の傾きとの計算結果を示す図である。

【図9】（Ａ）～（Ｃ）は、物体面の角度が１０°の場合のＭＴＦを示す図である。

【図10】（Ａ）及び（Ｂ）は、物体面の角度が２０°の場合のＭＴＦを示す図である。

【図11】（Ａ）及び（Ｂ）は、物体面の角度が５°の場合のＭＴＦを示す図である。

【図12】（Ａ）は、二次元画像シミュレーションの比較例を示す図であり、（Ｂ）は、二次元画像シミュレーションの実施例を示す図である。

【図13】各撮像画像における像の中心部の相対輝度値の比較を示す図である。

【図14】各撮像画像における像の周辺部の相対輝度値の比較を示す図である。

【図15】第２実施形態の光学系を含む投影装置を説明する概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

〔第１実施形態〕
以下、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る光学系を含む撮像装置について説明する。

【0015】

図１は、撮像装置１００の構成を説明する図である。撮像装置１００は、撮像レンズ１０と、ビームスプリッタ２０と、像面補正ミラー３０と、リレーレンズ４０と、撮像素子５０とを備える。撮像装置１００は、非平面形状を有する物体面ＯＳを撮像レンズ１０の光軸ＯＡ１に対して斜め方向から撮像する。非平面形状は、平面でない形状を含むことを意味する。

【0016】

撮像装置１００において、撮像レンズ１０、ビームスプリッタ２０、像面補正ミラー３０は、対物光学系１００ａを構成している。また、像面補正ミラー３０、ビームスプリッタ２０、リレーレンズ４０、及び撮像素子５０は、結像光学系１００ｂを構成している。ビームスプリッタ２０と像面補正ミラー３０との間の光路は、対物光学系１００ａ及び結像光学系１００ｂの共通光路となっている。

【0017】

撮像レンズ１０は、物体側に配置されており、非平面形状を有する物体面ＯＳを結像させる。すなわち、撮像レンズ１０は、撮像対象である物体面ＯＳの一次像を一次結像面ＩＰに形成する。

【0018】

ビームスプリッタ２０は、撮像レンズ１０と像面補正ミラー３０との間、及び像面補正ミラー３０とリレーレンズ４０との間に配置される。ビームスプリッタ２０は、撮像レンズ１０を経た光を透過させ像面補正ミラー３０に導き、像面補正ミラー３０で反射した光を反射させ、リレーレンズ４０に導く。ビームスプリッタ２０としては、キューブ型やプレート型等がある。

【0019】

像面補正ミラー３０は、一次結像面ＩＰに配置され、非平面形状の反射面３０ａを有する。像面補正ミラー３０としては、例えば球面ミラー、非球面ミラー、円筒面ミラー、自由曲面ミラー、及び可変形鏡等の非平面形状の反射面３０ａを有するミラーが用いられる。なお、一次結像面ＩＰの「一次」とは、最終的に物体面ＯＳの像が撮像素子５０の撮像面ＩＳにおいて結像することに対して「一次」ということを意味しており、一次結像面ＩＰが最初の結像面である必要はなく、物体面ＯＳの像の結像面であればよい。また、像面補正ミラー３０を一次結像面ＩＰに配置するとは、像面補正ミラー３０と一次結像面ＩＰとが全体で一致するという意味ではなく、実際の一次結像面ＩＰは、例えば光軸ＯＡ２等の基準となる軸上以外は後述する補正像ＦＩとして像面補正ミラー３０からずれた位置に形成されることを意味する。

【0020】

可変形鏡は、例えばアクチュエータによって動かされる連続反射面を有し、物体面ＯＳの形状に合わせて反射面３０ａの形状を変更可能となっている。可変形鏡を用いることにより、複雑な形状を有する物体面ＯＳに対しても対応することができる。

【0021】

像面補正ミラー３０には、ミラーの傾きを調整する傾斜調整部６０が設けられている。像面補正ミラー３０は、傾斜調整部６０に駆動されて、像面補正ミラー３０の光軸ＯＡ２に対する傾斜角度や傾斜方向を変化させることができる。像面補正ミラー３０を傾斜させることにより、光学系が後述するシャインプルーフ条件を満たす配置になるように調整することができる。これにより、撮像方向に合わせてピントを調整することができる。傾斜調整部６０による像面補正ミラー３０の傾き調整は、像面補正ミラー３０全体の姿勢を調整するものである。傾斜調整部６０は、例えばモーターやエンコーダを有し、不図示の制御装置の制御下で動作する。具体的には、傾斜調整部６０は、２軸回転機構を有し、像面補正ミラー３０が光軸ＯＡ２に対して例えば４５°傾いた状態を基準として、±数１０°といった範囲内で像面補正ミラー３０の傾斜角を変化させることができ、像面補正ミラー３０の光軸ＯＡ２のまわりの方位を３６０°変化させることができる。つまり、像面補正ミラー３０は、その姿勢を自在に変化させるものである。なお、傾斜調整部６０は必須のものではなく、ユーザーが手動で像面補正ミラー３０を傾斜させたり回転させたりしてもよい。

【0022】

リレーレンズ４０は、物体面ＯＳの二次像を撮像素子５０の撮像面ＩＳ上に形成する。

【0023】

撮像素子５０は、撮像レンズ１０により形成された一次結像面ＩＰを撮像面ＩＳにおいて平面画像ＦＦとして撮像する。撮像素子５０は、ＣＭＯＳセンサ、ＣＣＤセンサ、その他の半導体装置である。

【0024】

撮像装置１００を構成する光学系１００ａ，１００ｂにおいて、物体面ＯＳと、一次結像面ＩＰ（像面補正ミラー３０）と、撮像面ＩＳ（撮像素子５０）とが光学的に共役になるよう配置されている。すなわち、光学系１００ａ，１００ｂは、物体面ＯＳ、一次結像面ＩＰ、及び撮像面ＩＳが光学的に共役な像面共役の配置になっている。このような像面共役の配置にすることによって、非平面形状を有する物体面ＯＳの像が歪みなく撮像素子５０で平面画像ＦＦとして撮像されるように、一次結像面ＩＰに配置された像面補正ミラー３０において像面補正を行うことを可能としている。

【0025】

また、撮像装置１００は、一次結像面ＩＰと、物体面ＯＳとがシャインプルーフの条件を満たすように配置されている。これにより、物体面ＯＳを斜めから撮像しても撮像画像の周辺部においてピントを合わせることができる。一次結像面ＩＰと物体面ＯＳとのシャインプルーフ配置は、不図示の制御装置により傾斜調整部６０を介して像面補正ミラー３０の傾きを調整することによって行う。傾き調整は、例えば、撮像画像を利用してフォーカス状態に基づいて全体でフォーカス状態が適切になるように調整したり、レーザスポットを物体に投影してスポットの広がり具合から調整したりする等して、リアルタイムで行うことができる。また、リアルタイムで調整しない場合には、予め固定した系で適宜傾き調整することができる。

【0026】

以上のように、本実施形態では、光学部品の共役配置とともに像面補正ミラー３０の傾きがシャインプルーフの条件を満たすように考慮することにより、像面を補正している。

【0027】

物体面ＯＳの像は、撮像レンズ１０によりビームスプリッタ２０を透過して一次結像面ＩＰにおいて結像する。一次結像面ＩＰの像は、像面補正ミラー３０の反射面３０ａで補正像ＦＩの光としてビームスプリッタ２０方向に反射される。像面補正ミラー３０で反射された補正像ＦＩの光は、ビームスプリッタ２０によって撮像レンズ１０の光軸ＯＡ１と直交する方向に曲げられてリレーレンズ４０へと導かれる。ビームスプリッタ２０によって曲げられた光軸方向は、リレーレンズの光軸ＯＡ３方向と一致している。補正像ＦＩは、リレーレンズ４０によって撮像面ＩＳで結像され、撮像素子５０で撮像される。

【0028】

以下、本実施形態の光学系の原理について説明する。

【0029】

（従来の光学系と本実施形態の光学系との比較）
図２は、撮像レンズ１０ｓと撮像素子５０ｓとで構成される従来の撮像装置１００ｓの光学系１０１ａの概念図である。図２の物体側において、実線は、物体面ＯＳを示し、点線は、仮想的な平面物体面ＦＯＳを示す。通常、光学系１０１ａにおいて撮像された画像の画質は、撮像レンズ１０ｓの収差特性によって決定される。撮像レンズ１０ｓは収差を有しており、特に、周辺部の画質に影響を与えるコマ収差は、開口を小さくする、すなわちＦ値を大きくすることによって、コマ成分を減少させることができる。その結果、画質を改善することができる。また、撮像レンズ１０ｓの開口を小さくすることにより、被写界深度を広くすることができる。

【0030】

しかし、図２に示すように、物体面ＯＳが球面や円筒面である場合、撮像レンズ１０ｓの最小錯乱円の変化は非常に大きくなり、中心部Ｃでは被写界深度内であったとしても、周辺部Ｐでは被写界深度外となってしまう場合が発生する。また、Ｆ値を大きくすると、物体面ＯＳ又は光源の明るさが変化しない条件においては、撮像画像を暗くしてしまう結果となる。一方、Ｆ値を小さくすると、被写界深度を広くすることができるが、回折現象により理論上の解像力が低下することにより、結果として解像力が低下してしまうことになる。そのため、明るさを維持しつつ被写界深度を広くすることは、通常の光学系１０１ａでは困難である。

【0031】

上記の考えは、物体又は被写体が三次元形状を持つ場合にも適用することができる。撮像素子５０ｓの撮像面ＩＳは平面であるため、焦点が合う物体面又は被写体面は平面（図２に示す平面物体面ＦＯＳ）となる。よって、物体が三次元形状を持つ場合、撮像素子５０ｓの共役面では焦点が合うため高解像度の画像を得ることができるが、共役面から離れた物体面については被写界深度から外れてしまい、低解像度の画像となる。

【0032】

図１に示す本実施形態の撮像装置１００の光学系１００ａ，１００ｂは、撮像レンズ１０により一次結像した一次結像面ＩＰを形成し、一次結像面ＩＰに像面補正ミラー３０を配置している。一次結像面ＩＰは、物体面ＯＳと撮像面ＩＳとに対して共役な配置としている。また、像面補正ミラー３０の形状を非平面形状とすることにより、一次結像面ＩＰが物体面ＯＳに合わせた形状としている。さらに、像面補正ミラー３０を物体面ＯＳの傾きに対応して傾斜させることによりシャインプルーフ配置を形成し、深度の広い画像を得ることができる。これにより、本実施形態の撮像装置１００は、非平面形状を有する物体に対して、撮像レンズ１０の明るさを損なうことなく、斜め方向からであっても解像度の高い画像を撮像することができる。

【0033】

（物体面から撮像面までの撮像）
以下、像面補正について具体的に説明する。図３は、反射による一次結像面ＩＰのシフトを説明する図である。図３において、点線は、仮想結像面ＩＰｍを示し、仮に撮像面ＩＳの平面画像ＦＦをリレーレンズ４０で結像した一次結像面を示す。

【0034】

まず、図１に示す物体面ＯＳの像が撮像レンズ１０によって一次結像面ＩＰにおいて結像される場合、一次結像面ＩＰに像面補正ミラー３０を配置すると、像面形状は、像面補正ミラー３０の形状によって変化する。像面補正された一次結像面ＩＰは、補正像ＦＩとしてリレーレンズ４０を経て撮像素子５０で撮像される。像面補正ミラー３０が例えば球面ミラーであれば、反射面３０ａは光軸ＯＡ２方向に形状を有することになり、光軸ＯＡ２上の中心部よりも周辺部では早く反射することになり、補正像ＦＩは中心に対して周辺で光軸ＯＡ２方向に形状が変更されたものとなる。本実施形態の場合、実際の一次結像面ＩＰは、像面補正ミラー３０の入射前に形成され、像面補正ミラー３０で反射されることで、補正像ＦＩとして仮想結像面ＩＰｍにおける虚像が撮像面ＩＳに結像されることとなる。

【0035】

像面補正ミラー３０の反射による補正像ＦＩの形状を模式的に図に示すと図３のようになる。光軸ＯＡ２上の中心点Ｃ１が一次結像面ＩＰにくるように像面補正ミラー３０を配置すれば、光軸ＯＡ２上の中心点Ｃ１に向かう光線は一次結像面ＩＰ上において一次像ＩＰ０又は補正像ＦＩ０として結像するが、隣の周辺点Ｐ１に向かう光線は像面補正ミラー３０の反射面３０ａから距離ｄ１だけ軸方向の手前にずれた位置に一次像ＩＰ１を結像し、一次像ＩＰ１から距離ｄ１だけ軸方向にずれた位置にある像面補正ミラー３０の反射面３０ａで反射する。これにより、反射面３０ａからさらに距離ｄ１だけ軸方向にずれた位置にある虚像が補正像ＦＩ１として反射されたことになる。同様に周辺点Ｐ２に向かう光線は像面補正ミラー３０の反射面３０ａから距離ｄ２だけ軸方向にずれた位置に一次像ＩＰ２を結像し、一次像ＩＰ２から距離ｄ２だけ軸方向にずれた位置にある像面補正ミラー３０の反射面３０ａで反射する。これにより、反射面３０ａからさらに距離ｄ２だけ軸方向にずれた位置にある虚像が補正像ＦＩ２として反射されたことになる。このようにして補正像ＦＩ（補正像ＦＩ０、ＦＩ１、ＦＩ２・・・の集合体）は、仮想結像面ＩＰｍとなり、像面補正ミラー３０の反射面３０ａの形状に即して、全体として軸方向に形状が変更されたものとなる。図示の例では、仮想結像面ＩＰｍを光軸ＯＡ２に垂直な平面としている。

【0036】

以上のように、図１に示す撮像装置１００において、一次結像面ＩＰ、物体面ＯＳ、撮像素子５０は共役関係にあるため、物体面ＯＳの像を一次結像面ＩＰに配置した像面補正ミラー３０で反射させて光軸ＯＡ２方向に形状変化させた補正像ＦＩを、リレーレンズ４０を介して撮像素子５０の撮像面ＩＳに結像させれば、撮像面ＩＳに結像される像は、形状変化し、結果的に図３に示す仮想結像面ＩＰｍに対応する平面画像ＦＦとなる。すなわち、像面補正ミラー３０の反射面３０ａが物体面ＯＳの形状に対応した形状を有するように制御することにより、結果として物体面ＯＳの像が平面画像ＦＦとして歪みなく撮像面ＩＳで撮像されることになる。したがって、像面補正ミラー３０の形状は、物体面ＯＳの形状に対応していることが好ましい。なお、一次結像面ＩＰが像面補正ミラー３０の手前で結像する場合、物体面ＯＳの像は撮像レンズ１０と像面補正ミラー３０とで補正することができる。

【0037】

一次結像面ＩＰと物体面ＯＳとは共役面であるため、一次結像面ＩＰの光軸ＯＡ２方向の変化は、物体面ＯＳの変化に置き換えることができ、一次結像面ＩＰ上の形状の変化を意味する。

【0038】

図４は、図１に示す撮像レンズ１０の近軸モデルを示す図である。図４において、撮像レンズ１０の焦点距離がｆであり、一次結像位置の画像高さがｙであり、物体面ＯＳの高さがｙ’であり、焦点Ｆから軸上の一次結像点Ｑまでの距離がｘであり、焦点Ｆ’から軸上の物体面Ｑ’までの距離がｘ’である。物体面ＯＳが撮像レンズ１０の光軸ＯＡ１方向にΔｘ’変化すると、一次結像面ＩＰの変化量Δｘを計算することができる。図４に示す近軸モデルから以下の式（１）が得られる。

【0039】

物体面ＯＳが球面を有する場合、一次結像面ＩＰの曲率半径ｒは、次式（２）で計算される。

【0040】

（シャインプルーフ状態）
図５（Ａ）は、幾何学光学系における撮像関係を示す。レンズ１から像２までの距離をＬとし、レンズ１から物体３までの距離をＬ’とし、像高さをｙとし、物体高さをｙ’とし、光学系の倍率をｍとして、以下の関係式（３）が成立する。

【0041】

図５（Ｂ）は、同じ光学系でのシャインプルーフ配置を示す。本実施形態では、物体３は物体面ＯＳに対応し、像２は一次結像面ＩＰに対応する。物体３の傾きをαとし、像２の傾きをβとし、光軸ＯＡから物体３と像２の延長線との交点ｋの距離をｓとすると、以下の関係式（４）～（６）が成立する。

【0042】

以上のことから、像２の傾き角βのタンジェントは、倍率ｍに物体３の傾き角αのタンジェントを乗じたものであることがわかる。

【0043】

〔実施例〕
（光学系）
本実例の光学系は、図１と同様である。実施例の光学シミュレーションには光学設計ソフトＣｏｄｅ－Ｖを使用した。シミュレーションでは、撮像レンズ１０及びリレーレンズ４０として理想レンズを配置し、リレーレンズ４０の倍率を１、撮像レンズ１０の倍率を１／２としている。本実施例では、円筒面を有する物体又は被写体に対応するため、一次結像面ＩＰに配置する像面補正ミラー３０を円筒ミラーとしている。

【0044】

（ミラー曲率半径）
物体面ＯＳの曲率半径Ｒを２５ｍｍとし、光学倍率を１／２とした場合、一次結像面ＩＰの曲率半径ｒは、上記式（２）により２５ｍｍとなるが、一次結像面ＩＰは像面補正ミラー３０に対応する像であることから、像面補正ミラー３０の曲率半径ｒｍは５０ｍｍとなる。

【0045】

（一次結像面に像面補正ミラーを置く際のシャインプルーフ結像）
像面補正ミラー３０を一次結像面ＩＰに配置することから、撮像レンズ１０によって、一次結像面ＩＰと物体面ＯＳとは共役関係となる。物体面ＯＳと一次結像面ＩＰとを撮像レンズ１０に対してシャインプルーフ配置とした場合、一次像（実際の一次結像）は像面補正ミラー３０により折り曲げられる。一次結像面ＩＰの傾きは、像面補正ミラー３０の傾きの２倍となる。図６に像面補正ミラー３０と一次結像面ＩＰとの角度関係を示す。図６のうち、点線は、仮に撮像面ＩＳの平面画像ＦＦをリレーレンズ４０で結像した場合の仮想結像面ＩＰｍを示す。撮像素子５０の幅ｘを４．０ｍｍとし、高さｙを４．０ｍｍとした場合の、物体面ＯＳの中心でのＭＴＦのピークと物体面ＯＳの周辺部でのＭＴＦのピークとの差を値Δとして計算する。図７は、角度が異なる物体面ＯＳの角度αにおけるミラー角度β０とＭＴＦのピーク差Δとの関係を示す。中心部と周辺部のＭＴＦのピーク差Δが０となるミラー角度β０は、物体面ＯＳの角度の１／４となっている。一次結像面ＩＰに像面補正ミラー３０を配置していることから、ミラー角度β０は、シャインプルーフ角度（一次結像面ＩＰの角度）の半分となっている。

【0046】

以上のように、上記式（６）の倍率関係から、物体面ＯＳと一次結像面ＩＰの角度関係が決まり、この角度関係は撮像レンズ１０の倍率ｍによって変わる。言い換えると、撮像レンズ１０の倍率ｍ及び物体面ＯＳの角度αが決まると一次結像面ＩＰの角度βが決まり、像面補正ミラー３０の角度β０が決まる。像面補正ミラー３０の角度β０は、一次結像面ＩＰの角度βの半分となり、撮像レンズ１０の倍率ｍとは無関係に決まる。

【0047】

（光学シミュレーションによる角度差の影響確認）
傾き角度が小さい場合、ｔａｎα≒αと考えられる。図８は、撮像レンズ１０に対する物体面ＯＳの傾きαと、一次結像面ＩＰの傾きβとの計算結果を示す。物体面ＯＳの傾き０°から４５．００°までの範囲において、式（６）より、光学倍率０．５における物体面ＯＳの傾きαと一次結像面ＩＰの傾きβについて、タンジェントの倍率に対する比例β１と、角度の倍率に対する比例β２とを計算した。図８に示すように、物体面ＯＳの角度１０．００°で０．８％程度の像面傾きの違いとなり、物体面ＯＳの角度が大きくなると、値β１と値β２との差が大きくなることがわかる。

【0048】

次に、物体面ＯＳの傾き１０．００°に対応した一次結像面ＩＰの傾きが与える影響についてシミュレーションを行った。図９（Ａ）は、一次結像面ＩＰの角度が５．００°における物体面ＯＳ上の４ｌｐ／ｍｍの結果を示す。図９（Ｂ）は、図８に示した一次結像面ＩＰの角度が５．０４°における物体面ＯＳ上の４ｌｐ／ｍｍの結果を示す。結果から、物体面ＯＳの傾きが１０°以下においては、倍率の比例として角度を設定できることがわかる。図９（Ｃ）は、一次結像面ＩＰの角度が０．００°、すなわち物体面ＯＳに対して一次結像面ＩＰを傾けない状態での物体面ＯＳ上の４ｌｐ／ｍｍの結果を示す。図９（Ｃ）に示すように、一次結像面ＩＰを傾けない場合、周辺部の像は、中心に対して１．５ｍｍ程度のフォーカスずれが生じる。ＭＴＦについては周辺部の像は、コントラストが約３０％低下する。

【0049】

図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）は、物体面ＯＳの角度が２０．００°の場合のＭＴＦを示す。図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）に示すように、ＭＴＦのピークの差は小さい。しかしながら、図１０（Ｂ）に示すように、物体面ＯＳの角度と一次結像面ＩＰの角度とが大きくなると、入射角が撮像レンズ１０の入射瞳から外れる。よって、物体面ＯＳの最大傾斜角度は、周辺光線角度よりも小さくする必要がある。

【0050】

（円筒物体面に対するシャインプルーフ結像における光学シミュレーション）
図１１（Ａ）は、物体面ＯＳを円筒面とし、物体面ＯＳの曲率半径Ｒを２５ｍｍとし、像面補正ミラー３０の反射面３０ａの曲率半径ｒｍを５０ｍｍとした場合において、物体面ＯＳの傾きを５．００°とし、一次結像面ＩＰ及び像面補正ミラー３０の傾きを０．００°とした場合の、物体面ＯＳ上４ｌｐ／ｍｍでのスルーフォーカスＭＴＦを示す。図１１（Ａ）に示すように、中心部のピークと周辺部のピークとが０．７ｍｍ程度ずれており、ＭＴＦが２０％ほど低下していることがわかる。これは、同一面内において中心部と周辺部とで解像力に違いがあることを示している。

【0051】

図１１（Ｂ）は、物体面ＯＳの角度５．００°に対応して、一次結像面ＩＰを２．５０°、すなわち像面補正ミラー３０を１．２５°傾斜させた場合のＭＴＦ結果を示す。図１１（Ｂ）に示すように、中心部と周辺部において、ピークが一致していることがわかる。

【0052】

図１２（Ａ）は、Ｃｏｄｅ－Ｖの機能として実装されている二次元画像シミュレーションを使用し、像面補正ミラー３０の傾きβ０を０°とした場合の結果を示し、図１２（Ｂ）は、像面補正ミラー３０の傾きβ０を１．２５°とした場合の結果を示す。画像中央部の水平軸エリアは回転軸上にあるため、物体面ＯＳの傾きの影響は受けず、どちらも焦点の合った像となっている。それに対し、周辺部のチャートを比較すると、上端及び下端で最適像面からの角度によりピント面がずれる方向となる、角度が０°の場合においてチャート像がアンシャープになっている。一方、図１２（Ｂ）に示すように、像面補正ミラー３０の角度が１．２５°である場合、高いコントラストとなるシミュレーション結果となっていることがわかる。

【0053】

（撮像結果）
物体面ＯＳの曲率半径をＲ（ｍｍ）とし、像面補正ミラー３０の曲率半径をｒｍ（ｍｍ）とし、Ｒ＝２５ｍｍ、ｒｍ＝５０ｍｍの条件において、物体面ＯＳの角度を０°とし、像面補正ミラー３０の角度を０°とした場合における撮像結果を求めた。また、物体面ＯＳの角度を１０°とし、像面補正ミラー３０の角度を０°とした場合における撮像結果を求めた。また、物体面ＯＳの角度を１０°、像面補正ミラー３０の角度を２．５°とした場合における撮像結果を求めた。物体面ＯＳのみが傾きを持つ場合、像の中心部には焦点が合っているものの、画像周辺部が深度外となることから、像のコントラストが低下する。

【0054】

図１３は、各撮像画像における像の中心部の相対輝度値の比較を示す。図１３に示すように、物体面ＯＳ及び像面補正ミラー３０が傾かない場合、物体面ＯＳのみ傾いた場合、及び傾いた物体面ＯＳに対して像面補正ミラー３０にて傾き補正した場合において、大きな差が無いことがわかる。

【0055】

図１４は、各撮像画像における像の周辺部の相対輝度値の比較を示す。図１４に示すように、物体面ＯＳの傾きに対して像面補正ミラー３０による補正を行っていない場合、黒－白－黒の切り替わるエッジ部分がボケていることがわかる。

【0056】

円筒面形状を持つ物体面ＯＳを斜めから撮像する場合において、一次結像面ＩＰに円筒ミラーである像面補正ミラー３０を配置することにより物体面ＯＳに沿う形で撮像し、かつ一次結像面ＩＰのシャインプルーフ配置によって、物体面ＯＳに対して斜めから高精細な画像を撮像する。シミュレーション及び実験は、円筒面に対するシャインプルーフの配置にて行ったが、一次結像面ＩＰを物体面ＯＳの形状に対応する像面補正ミラー３０で補正することにより、撮像素子５０の共役面である物体面ＯＳ上のベストフォーカス面から離れた面に共役面を変換するという考えであることから、三次元自由形状の物体への応用が可能である。物体が三次元自由形状の場合、サグ量が最小となる平面傾きを計算することにより、シャインプルーフでの検証で示したように、一次結像面ＩＰの像面補正ミラー３０を傾けることによりミラー変形量を抑えることが可能である。

【0057】

実施例では、撮像倍率を０．５としているが、倍率が低い場合、物体面ＯＳの傾きに対して像面補正ミラー３０の傾きを大きく取る必要がある。しかし、撮像レンズ１０のＮＡを超える傾きを一次結像面ＩＰに設けると、撮像レンズ１０に入射する光量が低下することが起こる。そのため、撮像レンズ１０にはできる限りＦ値の小さいレンズが要求される。また、逆に撮像倍率が大きくなった場合、撮像レンズ１０と物体面ＯＳとの距離が長くなり、物体面ＯＳの傾きに対する像面補正ミラー３０の傾きの敏感度が高くなることが考えられる。

【0058】

以上で説明した実施形態の光学系は、物体面ＯＳ、一次結像面ＩＰ、及び撮像素子５０が光学的に共役な関係に配置されているため、一次結像面ＩＰにおいて像を補正することで非平面形状の物体面ＯＳの像を平面形状の撮像素子５０で歪みなく撮像することができる。すなわち、一次結像面ＩＰに配置された像面補正ミラー３０の非平面形状の反射面３０ａの形状によって像面補正された平面画像ＦＦを撮像素子５０の撮像面ＩＳで撮像することができるため、像面補正ミラー３０の反射面３０ａの形状を適切に調整することにより、光学的に像面補正を容易に行うことができる。また、物体面ＯＳと一次結像面ＩＰとをシャインプルーフ配置とすることにより、斜めからの撮像でも像全体でピントを合わせることができ、非平面形状を有する物体面ＯＳに対して斜め方向から対物光学系１００ａの撮像レンズ１０の明るさを損なうことなく、解像度の高い像を撮像することができる。

【0059】

一次結像面ＩＰに配置した像面補正ミラー３０の形状を物体面ＯＳに対応した形状とし、さらに撮像レンズ１０に対して一次結像面ＩＰと物体面ＯＳとをシャインプルーフ配置とすることにより、撮像レンズ１０を小さいＦ値のまま、非平面形状という深度が必要な物体面ＯＳに対して斜めから撮像した場合にも、高精細な画像を撮像することが可能である。また、図２に示すような通常の光学系１０１ａでは、撮像素子５０ｓを傾ける必要があるが、本光学系１００ａ，１００ｂでは、一次結像面ＩＰに配置した像面補正ミラー３０を傾けるのみで、簡便にシャインプルーフ配置を形成することが可能である。また物体面ＯＳの傾き変化に対して柔軟に対応が可能である。

【0060】

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る光学系について説明する。第２実施形態の光学系は、第１実施形態の光学系を変形したものであり、特に説明しない事項については、第１実施形態の光学系と同様である。

【0061】

図１５は、第２実施形態の光学系を含む投影装置２００の概念図である。投影装置２００は、画像表示器１７０と、リレーレンズ１４０と、ビームスプリッタ１２０と、像面補正ミラー１３０と、投影レンズ１１０とを備える。投影装置２００は、画像表示器１７０から投影される平面画像ＦＦを、非平面形状を有する投影面ＯＳｐを投影レンズ１１０の光軸ＯＡ１に対して斜め方向から投影する。

【0062】

投影装置２００において、画像表示器１７０、具体的には後述する画像表示部１５０、リレーレンズ１４０、ビームスプリッタ１２０、及び像面補正ミラー１３０は、結像光学系２００ｂを構成している。また、像面補正ミラー１３０、ビームスプリッタ１２０、投影レンズ１１０は、投影光学系２００ａを構成している。ビームスプリッタ１２０と像面補正ミラー１３０との間の光路は、投影光学系２００ａ及び結像光学系２００ｂの共通光路となっている。

【0063】

画像表示器１７０は、平面画像ＦＦを画像表示部１５０の画像表示面ＩＳｐに表示する機能を有する。画像表示部１５０は、例えば、画像表示素子によって画像を表示するものであってもよいし、マスクパターンと当該マスクパターンを照明する照明装置とからなる、露光装置の一部を構成するマスク照明機構であってもよい。

【0064】

リレーレンズ１４０は、平面画像ＦＦの二次像を一次結像面ＩＰｐ上に形成する。

【0065】

ビームスプリッタ１２０は、リレーレンズ１４０と像面補正ミラー１３０との間、及び像面補正ミラー１３０と投影レンズ１１０との間に配置される。ビームスプリッタ１２０は、リレーレンズ１４０を経た光を反射させ像面補正ミラー３０に導き、像面補正ミラー３０で反射した光を透過させ、投影レンズ１１０に導く。

【0066】

像面補正ミラー１３０は、一次結像面ＩＰに配置され、非平面形状の反射面１３０ａを有する。

【0067】

像面補正ミラー１３０には、ミラーの傾きを調整する傾斜調整部１６０が設けられている。傾斜調整部１６０により、投影方向に合わせてピントを調整することができる。

【0068】

投影レンズ１１０は、投影側に配置されており、非平面形状を有する投影面ＯＳｐに投影像を結像させる。

【0069】

投影装置２００を構成する光学系２００ａ，２００ｂにおいて、画像表示面ＩＳｐと、一次結像面ＩＰ（像面補正ミラー１３０）と、投影面ＯＳｐとが光学的に共役になるよう配置されている。このような像面共役の配置にすることによって、平面画像ＦＦが歪みなく投影面ＯＳｐに投影されるように、一次結像面ＩＰに配置された像面補正ミラー１３０において像面補正を行うことを可能としている。

【0070】

また、投影装置２００は、一次結像面ＩＰと、投影面ＯＳｐとがシャインプルーフの条件を満たすように配置されている。これにより、投影面ＯＳｐに斜めから投影しても投影画像の周辺部においてピントを合わせることができる。

【0071】

画像表示部１５０に表示された平面画像ＦＦは、リレーレンズ１４０によりビームスプリッタ１２０へと導かれ、ビームスプリッタ１２０によってリレーレンズ１４０の光軸ＯＡ３と直交する方向に曲げられて一次結像面ＩＰｐにおいて結像する。一次結像面ＩＰｐ、すなわち像面補正ミラー１３０の反射面１３０ａで結像した補正像ＦＩは、ビームスプリッタ１２０を透過して投影レンズ１１０によって投影面ＯＳｐに投影される。

【0072】

第２実施形態において、像面補正ミラー１３０による像面補正は、第１実施形態とは逆の光路となり、画像表示部１５０に表示された平面画像ＦＦがリレーレンズ１４０を経て像面補正ミラー１３０で反射された後、一次結像面ＩＰｐに結像する。つまり、一次結像面ＩＰｐが補正像ＦＩに対応し、実像が投影面ＯＳｐに投影される。

【0073】

以上説明した第２実施形態の光学系では、画像表示面ＩＳｐ、一次結像面ＩＰｐ、及び投影面ＯＳｐが光学的に共役な関係に配置されているため、一次結像面ＩＰｐにおいて像を補正することで画像表示面ＩＳｐに表示される平面画像ＦＦを非平面形状の投影面ＯＳｐに歪みなく投影することができる。すなわち、一次結像面ＩＰｐに配置された像面補正ミラー１３０の非平面形状の反射面１３０ａの形状によって像面補正された画像を投影面ＯＳｐに投影することができるため、像面補正ミラー１３０の反射面１３０ａの形状を適切に調整することにより、光学的に像面補正を容易に行うことができる。また、一次結像面ＩＰｐと投影面ＯＳｐとをシャインプルーフ配置とすることにより、斜めからの投影でも像全体でピントを合わせることができ、非平面形状を有する投影面ＯＳｐに対して斜め方向から投影光学系２００ａの投影レンズ１１０の明るさを損なうことなく、解像度の高い像を投影することができる。

【0074】

以上、実施形態に即して光学系について説明したが、本発明に係る光学系は、上記実施形態又は実施例に限るものではなく様々な変形が可能である。

【0075】

第１実施形態において、一次結像面ＩＰを像面補正ミラー３０に入射する前に結像する構成としたが、像面補正ミラー３０に入射した後に結像する構成としてもよい。なお、第２実施形態の場合、第１実施形態とは逆の構成となる。

【符号の説明】

【0076】

１０…撮像レンズ、 ２０…ビームスプリッタ、 ３０…像面補正ミラー、 ３０ａ…反射面、 ４０…リレーレンズ、 ５０…撮像素子、 ６０…傾斜調整部、 １００…撮像装置、 １００ａ…対物光学系、 １００ｂ…結像光学系、 １１０…投影レンズ、 １２０…ビームスプリッタ、 １３０…像面補正ミラー、 １３０ａ…反射面、 １４０…リレーレンズ、 １５０…画像表示部、 ＩＳｐ…画像表示面、 １６０…傾斜調整部、 １７０…画像表示器、 ２００…投影装置、 ２００ａ…投影光学系、 ２００ｂ…結像光学系、 ＦＩ…補正像、 ＩＰ，ＩＰｐ…一次結像面、 ＩＳ…撮像面、 ＦＦ…平面画像、 ＯＡ，ＯＡ１，ＯＡ２，ＯＡ３…光軸、 ＯＳ…物体面、 ＯＳｐ…投影面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】