特開 2024-127658 投影レンズおよび照明装置

(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】P2024127658

(43)【公開日】2024-09-20

(54)【発明の名称】投影レンズおよび照明装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 13/00 20060101AFI20240912BHJP

   G02B 13/18 20060101ALI20240912BHJP

   G03B 21/14 20060101ALI20240912BHJP

   F21S 2/00 20160101ALI20240912BHJP

   F21S 43/20 20180101ALI20240912BHJP

   F21S 43/14 20180101ALI20240912BHJP

   G09F 19/18 20060101ALI20240912BHJP

   F21W 103/60 20180101ALN20240912BHJP

   F21Y 115/10 20160101ALN20240912BHJP

   F21Y 113/10 20160101ALN20240912BHJP

【ＦＩ】

G02B13/00

G02B13/18

G03B21/14 D

F21S2/00 330

F21S2/00 350

F21S43/20

F21S43/14

G09F19/18 A

F21W103:60

F21Y115:10

F21Y113:10

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023036999

(22)【出願日】2023-03-09

(71)【出願人】

【識別番号】505474256

【氏名又は名称】佐藤ライト工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100174090

【弁理士】

【氏名又は名称】和気 光

(74)【代理人】

【識別番号】100205383

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 諭史

(74)【代理人】

【識別番号】100224661

【弁理士】

【氏名又は名称】牧内 直征

(74)【代理人】

【識別番号】100100251

【弁理士】

【氏名又は名称】和気 操

(72)【発明者】

【氏名】土井 元裕

【テーマコード（参考）】

2H087

2K203

【Ｆターム（参考）】

2H087KA06

2H087KA29

2H087PA03

2H087PA17

2H087PB03

2H087QA02

2H087QA05

2H087QA14

2H087QA26

2H087QA39

2H087QA45

2H087RA32

2H087RA41

2H087RA45

2H087UA01

2K203GC03

2K203GC05

2K203GC06

2K203HA08

2K203HA62

2K203HA68

2K203HA73

2K203HA86

(57)【要約】

【課題】基板の光軸方向に限定されずに良好な解像度の投影像が投影可能な投影レンズおよび照明装置を提供する。
【解決手段】投影レンズ１は、光源側から出射される画像光を投影対象に投影する投影レンズであって、光源側より順に配置された第１レンズＬ１、絞りＳ、第２レンズＬ２、および第３レンズＬ３を有し、第１レンズＬ１は、光源側に凸面を向けた少なくとも一方の面が非球面のレンズであり、第２レンズＬ２は、少なくとも一方の面が非球面で、該第２レンズＬ２に入射された画像光を反射面ｆ５によって第３レンズＬ３へ向けて偏向させる偏向レンズであり、第３レンズＬ３は、光源側に凹面を向けた少なくとも一方の面が非球面の負のパワーを持つレンズである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源側から出射される画像光を投影対象に投影する投影レンズであって、
前記投影レンズは、光源側より順に配置された第１レンズ、絞り、第２レンズ、および第３レンズを有し、
前記第１レンズは、光源側に凸面を向けた少なくとも一方の面が非球面のレンズであり、前記第２レンズは、少なくとも一方の面が非球面で、該第２レンズに入射された画像光を反射面によって前記第３レンズへ向けて偏向させる偏向レンズであり、前記第３レンズは、光源側に凹面を向けた少なくとも一方の面が非球面の負のパワーを持つレンズであることを特徴とする投影レンズ。

【請求項2】

前記第２レンズにおいて、前記第２レンズに入射する画像光の有効光束の半径をＡ、前記第２レンズから出射する画像光の有効光束の半径をＢ、前記第２レンズに入射する画像光の入射光軸と前記第２レンズから出射する画像光の出射光軸とのなす角度をθ１、入射面から前記入射光軸と前記出射光軸との交点までの入射光軸方向の距離をＣ１、前記入射光軸と前記出射光軸との交点から出射面までの出射光軸方向の距離をＣ２とすると、下記の式（１）および（２）を満たすことを特徴とする請求項１記載の投影レンズ。
Ｃ１×ｔａｎ（θ１／２）≧Ａ・・・（１）
Ｃ２×ｔａｎ（θ１／２）≧Ｂ・・・（２）

【請求項3】

前記第２レンズにおいて、前記第２レンズに入射する画像光の光束の最外光線と前記入射光軸とのなす角度をθ２、使用環境下の屈折率をｎ１、前記第２レンズの屈折率をｎ２とすると、下記の式（３）を満たすことを特徴とする請求項２記載の投影レンズ。
９０°－（θ１／２）－θ２＞ａｒｃ・ｓｉｎ（ｎ１／ｎ２）・・・（３）

【請求項4】

前記第３レンズの出射面が平面であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の投影レンズ。

【請求項5】

前記投影レンズの画角が１００°未満であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の投影レンズ。

【請求項6】

請求項１または請求項２記載の投影レンズを備える照明装置であって、
前記照明装置は、並列に配置された第１の光源および第２の光源と、前記第１の光源に対応する第１の画像生成部および前記第２の光源に対応する第２の画像生成部とを備え、
前記投影レンズには、前記第１の画像生成部によって生成された第１の画像光および前記第２の画像生成部によって生成された第２の画像光がそれぞれ入射され、
前記投影レンズにおいて、前記第３レンズは、前記第２レンズから前記第１の画像光が入射される第１の凹面と前記第２の画像光が入射される第２の凹面とが隣接して接続された単一レンズであり、前記第３レンズにおいて、各画像光がそれぞれ出射される出射面は平面で、かつ、これら出射面の領域が互いに一部重複していることを特徴とする照明装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、加飾照明などに用いられる投影レンズに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、任意のデザインが施されたデザインフィルムを用いて、模様が付いた投影像を映す照明装置が知られている（特許文献１参照）。例えば、特許文献１の照明装置は、光源から出射される光をデザインフィルム、および投影レンズに透過させて、ロゴマークなどのデザインを投影する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－４６７６９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記載の照明装置は、光源から投影方向が一直線上であり照明装置自体に単独で基板が搭載されている。この照明装置は、任意の投影方向に合わせて当該照明装置の設置を行うことができ、投影像の投影方向の自由度は高いといえる。

【0005】

ところで、上記のような照明装置は、光源の基板と光学系（投影レンズを含む）がセットとなっている場合が多く、専用基板の影響により製品コスト自体は高くなる傾向がある。例えば、既存基板が存在する製品に対して、既存基板を活かしつつ投影方向を選べることができれば、コスト削減や環境負荷軽減にも繋がると考えられる。例えば、特許文献１記載の照明装置の場合、既存基板を活かそうとした場合、投影像の投影方向は直下方向のみとなる。

【0006】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、基板の光軸方向に限定されずに良好な解像度の投影像が投影可能な投影レンズ、および当該投影レンズを備える照明装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の投影レンズは、光源側から出射される画像光を投影対象に投影する投影レンズであって、上記投影レンズは、光源側より順に配置された第１レンズ、絞り、第２レンズ、および第３レンズを有し、上記第１レンズは、光源側に凸面を向けた少なくとも一方の面が非球面のレンズであり、上記第２レンズは、少なくとも一方の面が非球面で、該第２レンズに入射された画像光を反射面によって上記第３レンズへ向けて偏向させる偏向レンズであり、上記第３レンズは、光源側に凹面を向けた少なくとも一方の面が非球面の負のパワーを持つレンズであることを特徴とする。なお、ここで言うところの各レンズの一方の面とは、入射面または出射面の光学機能面を指す。また、負のパワーを持つレンズとして、上記第３レンズは光軸からレンズの周辺にいくに従ってレンズの厚みが大きくなる両凹レンズ構造、平凹レンズ構造、凹凸レンズ構造を包含するものである。

【0008】

上記第２レンズにおいて、上記第２レンズに入射する画像光の有効光束の半径をＡ、上記第２レンズから出射する画像光の有効光束の半径をＢ、上記第２レンズに入射する画像光の入射光軸と上記第２レンズから出射する画像光の出射光軸とのなす角度をθ１、入射面から上記入射光軸と上記出射光軸との交点までの入射光軸方向の距離をＣ１、上記入射光軸と上記出射光軸との交点から出射面までの出射光軸方向の距離をＣ２とすると、下記の式（１）および（２）を満たすことを特徴とする。
Ｃ１×ｔａｎ（θ１／２）≧Ａ・・・（１）
Ｃ２×ｔａｎ（θ１／２）≧Ｂ・・・（２）

【0009】

上記第２レンズにおいて、上記第２レンズに入射する画像光の光束の最外光線と上記入射光軸とのなす角度をθ２、使用環境下の屈折率をｎ１、上記第２レンズの屈折率をｎ２とすると、下記の式（３）を満たすことを特徴とする。
９０°－（θ１／２）－θ２＞ａｒｃ・ｓｉｎ（ｎ１／ｎ２）・・・（３）

【0010】

上記第３レンズの出射面が平面であることを特徴とする。

【0011】

上記投影レンズの画角が１００°未満であることを特徴とする。

【0012】

本発明の照明装置は、投影レンズを備える照明装置であって、上記照明装置は、並列に配置された第１の光源および第２の光源と、上記第１の光源に対応する第１の画像生成部および上記第２の光源に対応する第２の画像生成部とを備え、上記投影レンズには、上記第１の画像生成部によって生成された第１の画像光および上記第２の画像生成部によって生成された第２の画像光がそれぞれ入射され、上記投影レンズにおいて、上記第３レンズは、上記第２レンズから上記第１の画像光が入射される第１の凹面と上記第２の画像光が入射される第２の凹面とが隣接して接続された単一レンズであり、上記第３レンズにおいて、各画像光がそれぞれ出射される出射面は平面で、かつ、これら出射面の領域が互いに一部重複していることを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明の投影レンズは、光源側より順に配置された第１レンズ、絞り、第２レンズ、および第３レンズを有し、第１レンズは、光源側に凸面を向けたレンズであり、第２レンズは、入射された画像光を反射面によって第３レンズへ向けて偏向させる偏向レンズであり、第３レンズは、光源側に凹面を向けた負のパワーを持つレンズであり、全系におけるパワー配置などを設定することで、基板の光軸方向に限定されずに良好な解像度の投影像が投影可能である。具体的には、光源側から、正のパワーを持つレンズ、絞り、偏向レンズ、負のパワーを持つレンズを配置することで、偏向レンズに入射される画像光の有効光束を小さくし偏向レンズをコンパクトにしつつも、投影する投影像の画角を大きくすることができる。また、各レンズのいずれかの面が非球面であることから、諸収差を良好に補正することができ、良好な解像性能を得ることができる。

【0014】

また、上記式（１）および式（２）を満たすので、第２レンズに入射する画像光および第２レンズから出射する画像光の光線を損なわずに第３レンズへ向けて偏向でき、良好な解像度の投影像に繋がる。

【0015】

また、上記式（３）を満たすので、入射する画像光の光束の最外光線も反射面によって全反射させることができ、良好な解像度の投影像に繋がる。

【0016】

上記第３レンズの出射面が平面であるので、製造しやすく、また汚れなどの付着も防止しやすい。

【0017】

本発明の照明装置は、並列に配置された第１の光源および第２の光源と、第１の画像生成部および第２の画像生成部と、第１の画像光および第２の画像光がそれぞれ入射される本発明の投影レンズとを備え、該投影レンズにおいて、第３レンズは、第２レンズから第１の画像光が入射される第１の凹面と第２の画像光が入射される第２の凹面とが隣接して接続された単一レンズであり、第３レンズにおいて、各画像光がそれぞれ出射される出射面は平面で、かつ、これら出射面の領域が互いに一部重複しているので、第１の画像光および第２の画像光を投影対象の同一箇所に投影する際などにおいて、各投影像のズレ量を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の投影レンズの一形態の概略構成図である。

【図2】図１の投影レンズを透過する画像光の光線を示す図である。

【図3】偏向レンズの各寸法を説明するための概略図である。

【図4】本発明の投影レンズを適用した照明装置の一形態の概略構成図である。

【図5】本発明の照明装置による投影像の一例を示す図である。

【図6】本発明の照明装置による投影像の他の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

本発明の投影レンズは、光源側から出射される画像を有する光（画像光）を投影対象に投影する照明装置などに搭載される。当該照明装置は、例えば、投影対象となる地面にロゴマークなどを映し出す車両用照明装置などとして用いられる。その他、任意の投影像（デザイン）をスクリーンなどに映し出す照明装置などとして用いられる。

【0020】

本発明の投影レンズは、既製品の光源の既存基板に対して装着させてもよく、光源とセットとなった照明装置の光学系の一部として用いてもよい。本発明の投影レンズは、画像光を入射させるものであることから、既製品において光源から画像生成部までの既存構成を利用しながら、任意の投影方向へ投影させることもできる。

【0021】

本発明の投影レンズの一形態について図１に基づいて説明する。図１は、投影レンズのレンズ配置を示している。投影レンズ１は、画像生成部Ｄの光路下流側に配置され、画像生成部Ｄで生成された画像光が入射されるレンズユニットである。図１では、投影レンズ１に入射される画像光の光軸をＯ_ａ、投影レンズ１から出射される画像光の光軸をＯ_ｂと示している。

【0022】

投影レンズ１の光路上流側には、例えば光源（図示省略）、集光レンズ（図示省略）、および画像生成部Ｄが配置される。光源には、ＬＥＤ、ＬＤ、電球などを用いることができる。例えば、ＬＥＤは回路基板上に設けられており、この場合、既存の照明装置においては既存基板を用いてもよい。ＬＥＤとしては、例えば、青色、赤色、および緑色などの単色系ＬＥＤ、あるいは青色系ＬＥＤ、赤色系ＬＥＤ、および緑色系ＬＥＤを備えたＲＧＢ型のＬＥＤを使用できる。

【0023】

上記光源から出射された光は集光レンズに集光された後、画像生成部Ｄに入射されることが好ましい。集光レンズは、ＬＥＤから出射された光を集光して、二次光源を形成するための光学素子であり、ポリカーボネート樹脂やアクリル樹脂、ガラスなどの透明材質によって形成される。例えば、集光レンズは凸レンズであり、両面が凸曲面（球面または非球面）である。なお、光源と画像生成部Ｄの間に配置される集光レンズは、単一のレンズで構成されてもよく、複数のレンズで構成されてもよい。

【0024】

図１において、画像生成部Ｄはデザインフィルムで構成される。デザインフィルムは、例えば遮光部と非遮光部を有し、当該フィルムを透過する光の光線量の差が模様となって表れる。デザインフィルムには、公知のものを用いることができる。なお、画像生成部Ｄは、光源から出射された光を変調して画像を生成するものでもよく、例えば、光の偏光成分を制御することによって画像を形成する透過型または反射型の液晶表示素子や、光の進行方向を制御することによって画像を形成する反射型のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）素子などであってもよい。

【0025】

投影レンズ１は、画像生成部Ｄによって生成された画像光を拡大し、また当該画像光の光軸方向とは交差する方向に画像光を投影するため、複数のレンズを備えている。具体的には、投影レンズ１は、光源側（光源から出射された光の光路の上流側でもある）から投影側（光源から出射された光の光路の下流側でもある）に向かって順に、第１レンズＬ１、絞りＳ、第２レンズＬ２、および第３レンズＬ３を少なくとも有している。

【0026】

第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、および第３レンズＬ３は、ポリカーボネート樹脂やアクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ガラスなどの透明材質によって形成される。なお、第２レンズＬ２には、第１レンズＬ１および第３レンズＬ３よりも、高屈折・高分散材を用いることが好ましい。例えば、第２レンズＬ２にポリエステル樹脂を用い、第１レンズＬ１および第３レンズＬ３にアクリル樹脂を用いることができる。

【0027】

第１レンズＬ１は、光源側に凸面を向けた少なくとも一方の面が非球面のレンズである。図１において、第１レンズＬ１は正のパワーを持つレンズであり、入射面ｆ１および出射面ｆ２の両面が凸形状で、かつ、非球面となっている。なお、入射面ｆ１および出射面ｆ２の一方を球面としてもよい。第１レンズＬ１は、画像光の光軸Ｏ_ａに対し回転対称な形状を有しており、光軸Ｏ_ａと直交する断面形状は円形である。

【0028】

なお、図１では、第１レンズＬ１は、一枚のレンズで構成されているが、複数枚のレンズ群で構成されてもよい。複数枚のレンズ群で構成する場合、少なくとも１つのレンズ（例えば、当該レンズ群で最も光路上流側に位置するレンズ）が、凸面を向けた少なくとも一方の面が非球面のレンズで構成される。この場合、当該レンズ群全体で正のパワーを持つことが好ましい。

【0029】

絞りＳには、例えば遮光性の板材を用いることができる。絞り孔が透過部を形成し、板材のその他の部分が遮光部を形成する。絞りＳは、光路において第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間に配置されていればよい。

【0030】

第２レンズＬ２は、少なくとも一方の面が非球面であり、該第２レンズＬ２に入射された画像光を反射面ｆ５によって上記第３レンズＬ３へ向けて偏向させる偏向レンズである。図１において、第２レンズＬ２は、一方の端部が屈曲したような光学部材であり、画像光を入射する入射部（入射面ｆ３を含む）と、入射された画像光を投影方向へ向けて反射する反射面ｆ５と、反射された画像光を第３レンズＬ３へ向けて出射する出射部（出射面ｆ４を含む）を有する。入射部と出射部の一部は反射面ｆ５で接続されている。第２レンズＬ２は、円柱状の入射部の中心軸が光軸Ｏ_ａと一致するように配置されている。

【0031】

図１において、第２レンズＬ２の入射面ｆ３は光源側に凹面を向けて形成され、非球面となっている。入射面ｆ３の外周側は、光軸Ｏ_ａに対して交差する平面ｆ３ａで形成されている。この場合、第２レンズＬ２の光源側の端面は、凹曲面からなる入射面ｆ３と円環状の平面ｆ３ａで形成される。

【0032】

反射面ｆ５は、例えば、光軸Ｏ_ａ上から、その光軸Ｏ_ａに対して偏向方向へ向けて傾けた直線で切断した傾斜平面である。なお、反射面ｆ５は、全反射面でもよく、ミラー蒸着によって形成した反射面などでもよい。また、反射面ｆ５の形状は、傾斜平面に限らない。

【0033】

第２レンズＬ２において、第３レンズＬ３と対向する出射部の端面が出射面ｆ４である。出射面ｆ４は投影側に凸面を向けて形成され、非球面となっている。出射面ｆ４から出射される光は拡散されて第３レンズＬ３に入射される。円柱状の出射部の中心軸は、光軸Ｏ_ｂと一致している。

【0034】

なお、図１では、第２レンズＬ２の入射面ｆ３および出射面ｆ４はいずれも非球面となっているが、入射面ｆ３および出射面ｆ４の一方を球面としてもよい。

【0035】

第３レンズＬ３は、光源側に凹面を向けた少なくとも一方の面が非球面の負のパワーを持つレンズである。図１において、第３レンズＬ３は、平凹構造のレンズであり、入射面ｆ６および出射面ｆ７は非球面となっている。第３レンズＬ３は、光軸Ｏ_ｂに対し回転対称な形状を有している。

【0036】

第３レンズＬ３において、入射面ｆ６の外周側は、光軸Ｏ_ｂに対して交差する平面ｆ６ａで形成されている。この場合、第３レンズＬ３の光源側の端面は、凹曲面からなる入射面ｆ６と円環状の平面ｆ６ａで形成される。円環状の平面ｆ６ａは平面となっているため、第３レンズＬ３の生産性を向上でき、また平面部分があることでハウジングへの取り付けなどにおいて有利となる。第３レンズＬ３の入射面ｆ６と第２レンズＬ２の出射面ｆ４は同軸上に配置されており、図１に示すように、入射面ｆ６の直径ｄ２は出射面ｆ４の直径ｄ１よりも大きいことが好ましい。これにより、第２レンズＬ２から拡散されて出射される画像光の光束を損なうことなく第３レンズＬ３に入射させやすくなる。

【0037】

第３レンズＬ３の出射面ｆ７は、投影側に凸曲面や凹曲面となっていてもよいが、図１に示すように、第３レンズＬ３の出射面ｆ７は平面であることが好ましい。また、図１に示すように、第３レンズＬ３の投影側のレンズ面全体が平面であることが好ましい。これにより、第３レンズＬ３の製造コストを削減することができ、また、第３レンズＬ３の投影側の面へのゴミなどの付着を低減させることができる。さらに、後述の図４に示すように、並列に入射される複数の画像光を投影する際において、互いの光線交差に影響されずに配置ピッチを小さくすることができる。

【0038】

なお、図１では、第３レンズＬ３は、一枚のレンズで構成されているが、複数枚のレンズ群で構成されてもよい。複数枚のレンズ群で構成する場合、少なくとも１つのレンズが、凹面を向けた負のパワーを持つレンズで構成され、かつ、各レンズのいずれかの面が非球面となる。この場合、当該レンズ群のうち、最も投影側に位置するレンズの出射面が平面であることが好ましい。

【0039】

次に、投影レンズに入射された光が出射されるまでの光線を図２に示す。図２では、画像生成部Ｄによって生成される画像光の光束のうち、光軸に沿った主光線と最外光線を示している。図２に示すように、画像生成部Ｄから出射された画像光は、正のパワーを持つ第１レンズＬ１によって集光され、絞りＳを透過した後、第２レンズＬ２の凹曲面の入射面ｆ３に入射される。第２レンズＬ２に入射された画像光は、その有効光束径が拡がるように進み、反射面ｆ５によって反射されて出射面ｆ４から出射される。出射面ｆ４にて拡散された画像光は、負のパワーを持つレンズである第３レンズＬ３によってさらに拡散されて、広角に出射される。

【0040】

光源側から、正のパワーを持つレンズ、絞り、偏向レンズ、負のパワーを持つレンズを配置することで、偏向レンズに入射される画像光の有効光束を小さくして偏向レンズ（特に入射側）をコンパクトにしつつ、投影する投影像の画角を大きくすることができる。

【0041】

投影レンズ１の画角は、例えば１０°以上であり、好ましくは３０°以上である。低収差を確保するため、特に第２レンズＬ２には高い屈折力を持たせることが好ましい。例えば、高い屈折力を確保するため、プラスチック製のレンズよりもガラス製のレンズであることが好ましく、第２レンズＬ２に、ガラス製のレンズを用いることもできる。なお、画角の上限は、例えば１２０°であり、１００°未満が好ましい。

【0042】

また、第３レンズＬ３から出射される画像光の直径φ２は、画像生成部Ｄによって生成される画像光の直径φ１以上（φ１≦φ２）であることが好ましく、直径φ１よりも大きいことが好ましい。

【0043】

続いて、図３では、第２レンズの各寸法を説明する概略図を示す。なお、入射面ｆ３および出射面ｆ４は便宜上、平面で記載しているが、実際は、図１に示すように、凹曲面および凸曲面である。また、第２レンズは周辺側が一部欠損した図としている。なお、図３では、第２レンズに入射された画像光の光束における最外光線ｅ_１、ｅ_２も示している。

【0044】

第２レンズＬ２において、第２レンズＬ２に入射する画像光の有効光束の半径をＡ、第２レンズＬ２から出射する画像光の有効光束の半径をＢ、第２レンズＬ２に入射する画像光の入射光軸（図３では光軸Ｏ_ａ）と第２レンズＬ２から出射する画像光の出射光軸（図３では光軸Ｏ_ｂ）とのなす角度をθ１、入射面ｆ３から入射光軸と出射光軸との交点Ｐまでの入射光軸方向の距離をＣ１、入射光軸と出射光軸との交点Ｐから出射面ｆ４までの出射光軸方向の距離をＣ２とすると、下記の式（１）および式（２）を満たすことが好ましい。
Ｃ１×ｔａｎ（θ１／２）≧Ａ・・・（１）
Ｃ２×ｔａｎ（θ１／２）≧Ｂ・・・（２）

【0045】

上記式（１）および式（２）を満たすことで、第２レンズＬ２に入射する画像光および第２レンズＬ２から出射する画像光の光線を損なわずに第３レンズＬ３へ向けて偏向でき、例えば投影像の光量などを確保することができる。

【0046】

また、反射面ｆ５と光軸Ｏ_ａとのなす角度（例えば４５°未満の角度）がθ１／２の場合において、第２レンズＬ２の入射側レンズ半径をＡ’、第２レンズＬ２の出射側レンズ半径をＢ’とすると、上記の式（１）および式（２）は、下記の式（４）および（５）に置き換えることができる。
Ａ’≧Ａ・・・（４）
Ｂ’≧Ｂ・・・（５）
なお、入射側レンズ半径Ａ’は、入射面ｆ３を光軸Ｏ_ａと直交する面で切断した断面の最大円の半径である。出射側レンズ半径Ｂ’は、出射面ｆ４を光軸Ｏ_ｂと直交する面で切断した断面の最大円の半径である。

【0047】

また、第２レンズＬ２において、第２レンズＬ２に入射する画像光の最外光線と入射光軸（図３では光軸Ｏ_ａ）とのなす角度をθ２、使用環境下の屈折率をｎ１、第２レンズＬ２の屈折率をｎ２とすると、下記の式（３）を満たすことが好ましい。
９０°－（θ１／２）－θ２＞ａｒｃ・ｓｉｎ（ｎ１／ｎ２）・・・（３）
屈折率ｎ１は、例えば使用環境下が空気中である場合、値は「１」となる。屈折率ｎ２は、例えば第２レンズＬ２の材質がアクリル樹脂の場合、値は「１．４９」となる。

【0048】

上記の式（３）を満たすことで、第２レンズＬ２に入射された画像光が全反射されることになり、例えば投影像の光量を確保することができ、投影対象に表示される投影像が薄くなったり、暗くなったりすることを防止できる。なお、上記の式（３）の左辺に相当する角度は、図３中の角度αとなる。

【0049】

第２レンズＬ２において、出射部における有効光束の断面積は、入射部における有効光束の断面積よりも大きいことがより好ましい。言い換えると、図３においてＡ＜Ｂであることが好ましい。出射部の有効光束の断面積は、光軸Ｏ_ｂに対して直交する面で切断した有効光束の断面の面積（図３では円面積）である。入射部の有効光束の断面積は、光軸Ｏ_ａに対して直交する面で切断した有効光束の断面の面積（図３では円面積）である。

【0050】

本発明の投影レンズは、小型化の観点からは、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズがそれぞれ１枚で構成された３枚のレンズで構成されることが好ましい。なお、本発明の投影レンズは、上記図１～図３の構成に限定されるものではない。例えば、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ、および絞り以外の光学素子を有する構成としてもよい。

【0051】

図４には、本発明の投影レンズを照明装置に適用した一例を示す。この照明装置１１は、例えば、２種の絵柄を投影対象ｔの同一箇所に重ね合わせることで、１つの重ね合わせ像を投影する重ね合わせ投影装置である。その結果、例えば後述の図５および図６に示すように、立体感を持った投影が可能となる。

【0052】

図４に示すように、照明装置１１は、並列に配置された第１の光源１２ａおよび第２の光源１２ｂと、集光レンズ１３と、第１の光源１２ａに対応する第１の画像生成部１４ａおよび第２の光源１２ｂに対応する第２の画像生成部１４ｂと、本発明の投影レンズとしての投影レンズ１５とを有している。２種の絵柄の画像光は、それぞれ画像生成部１４ａ、１４ｂによって生成される。なお、図４は、図１～図２で示した構成図を上側から眺めたような図を示している。

【0053】

光源１２ａ、１２ｂには、それぞれ上述した光源を用いることができる。図４では、集光レンズ１３は単一のレンズからなり、２つの入射面および２つの出射面を有している。集光レンズ１３の各入射面は光源側に凸で形成され、各出射面は投影側に凸で形成されており、光源１２ａ、１２ｂからそれぞれ出射された光が集光される。集光レンズ１３から出射された光は、画像生成部１４ａ、１４ｂを透過し画像光がそれぞれ生成される。

【0054】

図４では、画像生成部１４ａ、１４ｂによって生成された第１の画像光および第２の画像光がそれぞれ、投影レンズ１５に入射される。投影レンズ１５は、各画像光を投影対象ｔの同一箇所に投影する投影レンズであって、光源側より順に配置された第１レンズＬ１１ａ、Ｌ１１ｂ、絞り、第２レンズＬ１２ａ、Ｌ１２ｂと、第３レンズＬ１３とを有する。第１レンズ、絞り、および第２レンズは、それぞれ２つずつ光軸方向と平行に並列に配置されている。一方、第３レンズＬ１３は単一のレンズで形成されている。

【0055】

第１レンズＬ１１ａ、Ｌ１１ｂは、光源側に凸面を向けた少なくとも一方の面が非球面のレンズであり、図４では、第１レンズＬ１１ａ、Ｌ１１ｂの入射面および出射面の両面が非球面である。第２レンズＬ１２ａ、Ｌ１２ｂは、少なくとも一方の面が非球面で、該第２レンズＬ１２ａ、Ｌ１２ｂに入射された画像光を反射面によって第３レンズＬ１３へ向けて偏向させる偏向レンズである。図４では、第２レンズＬ１２ａ、Ｌ１２ｂの入射面および出射面の両面が非球面である。

【0056】

第３レンズＬ１３は、光源側に凹面を向けた少なくとも一方の面が非球面の負のパワーを持つレンズである。具体的には、第３レンズＬ１３は、第２レンズＬ１２ａの出射面に対向する第１の凹面（第１の入射面）と、第２レンズＬ１２ｂの出射面に対向する第２の凹面（第２の入射面）を有し、これらが隣接して接続されている。また、第３レンズＬ１３の投影側の面は、一様に平面で形成されている。この場合、画像生成部１４ａに基づく第１の画像光が出射される第１の出射面および画像生成部１４ｂに基づく第２の画像光が出射される第２の出射面は、いずれも平面で、かつ、これら出射面の領域（図４のＱの箇所）が互いに一部重複している。

【0057】

図４に示すように、照明装置１１において、投影レンズ１５の最前形状（最も投影側のレンズ面）を平面とすることで、光線交差に左右されずに、投影レンズ１５から出射される各画像光を一部（図４のＱの箇所）重ね合わせることができる。これに対して、例えば最も投影側のレンズ面が投影側に凸曲面の場合には、各画像光が互いに干渉することから、凸曲面同士の領域を重複させることが難しく、結果として、各レンズ群の配置ピッチが大きくなる。そのため、図４に示すように、両出射面を平面とし、かつ、出射面の領域を互いに一部重複させることで、並列に配置された各レンズ群の配置ピッチを小さくすることができ、投影対象ｔに投影される投影像ｉａと投影像ｉｂのズレ量を小さくすることができる。その結果、例えば１つの重ね合わせ像とした場合に、立体感を持たせつつ、位置ズレのない画像となる。なお、図４では、説明上、ズレ量を誇張して記載している。

【0058】

また、投影像ｉａと投影像ｉｂのズレ量を小さくする観点から、画像生成部１４ａ、１４ｂによって生成される各画像光の直径は、第３レンズＬ１３から出射される各画像光の直径以下であることが好ましい。画像生成部１４ａ、１４ｂは互いに一部を重ね合わせることができないが、第３レンズＬ１３の各出射面は、図４に示すように互いに一部を重ね合わせることができるため、重ね合わせることが可能な部分を有効に使用でき、ズレ量を小さくすることに繋がる。

【0059】

図５および図６には、各投影像ｉａ、ｉｂと重ね合わせ像（ｉａ＋ｉｂ）をそれぞれ示す。図５では、投影像ｉａ（周辺側）が鮮明さの高い画像であり、投影像ｉｂ（中心側）が鮮明さの低い画像である。また、図６では、投影像ｉａ（周辺側）が鮮明さの低い画像であり、投影像ｉｂ（中心側）が鮮明さの高い画像である。このように、鮮鋭度に差をつけたそれぞれを重ね合わせることにより、遠近感が表現でき、立体感を持った投影が可能となる。なお、光源を１つとした単一のレンズ群では、例えば、周辺の鮮鋭度を低くすることは比較的容易であるとしても、例えば中心側のみ、あるいは部分的に鮮鋭度を低くしたり高くすることは困難である。

【0060】

本発明の照明装置は、図４～図６で説明した構成に限定されるものではない。例えば、図４では、投影レンズ１５において、第１レンズおよび第２レンズは、それぞれ２つずつ別体のものとしたが、第１レンズや第２レンズが、それぞれ単一のレンズで形成されていてもよい。また、図４では、２つの光源によって２つの画像光を生成しそれらを投影する構成としたが、それ以上の光源を用いて対応する画像光を生成するようにしてもよい。

【0061】

また、投影像ｉａあるいは投影像ｉｂの光源色を変えて、色目違いの投影表現としてもよい。この場合、例えば、白ベースの絵柄に赤の絵柄を追加するような２灯仕様とすることができる。

【産業上の利用可能性】

【0062】

本発明の投影レンズは、基板の光軸方向に限定されずに良好な解像度の投影像が投影可能であるので、例えば、既製品の既存基板に対しても任意の投影方向へ投影させることができる。

【符号の説明】

【0063】

１ 投影レンズ
Ｄ 画像生成部
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ
Ｓ 絞り
１１ 照明装置
１２ａ 第１の光源
１２ｂ 第２の光源
１３ 集光レンズ
１４ａ 第１の画像生成部
１４ｂ 第２の画像生成部
１５ 投影レンズ
Ｌ１１ａ、Ｌ１１ｂ 第１レンズ
Ｌ１２ａ、Ｌ１２ｂ 第２レンズ
Ｌ１３ 第３レンズ
ｉａ、ｉｂ 投影像
ｔ 投影対象

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】