JP2004258541A - 反射型光学系 - Google Patents
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Abstract
【課題】絞りや該絞りを保持する部材が光束を妨げることなく、また反射面と干渉することなく配置することが可能でありながら全体としてコンパクトな反射型光学系を得ること。
【解決手段】曲率を有する複数の反射面と、複数の反射面の間に絞りを有し、入射光束が該複数の反射面で反射を繰り返して射出するように構成した反射型光学系において、絞りの中心を通過し、最終結像面の中心に至る光線を中心主光線とするとき、絞りは、その面法線が中心主光線に対して傾いて配置されており、光入射側から見て該絞りの直前の反射面をＳＡ、絞りの直後の反射面をＳＢとし、反射面ＳＡに入射する中心主光線と該絞りの面法線とのなす角度をα１、反射面ＳＢから射出する中心主光線と絞りの面法線とのなす角度をα２とするとき、条件式（１）を満たすこと。
【選択図】 図１
【解決手段】曲率を有する複数の反射面と、複数の反射面の間に絞りを有し、入射光束が該複数の反射面で反射を繰り返して射出するように構成した反射型光学系において、絞りの中心を通過し、最終結像面の中心に至る光線を中心主光線とするとき、絞りは、その面法線が中心主光線に対して傾いて配置されており、光入射側から見て該絞りの直前の反射面をＳＡ、絞りの直後の反射面をＳＢとし、反射面ＳＡに入射する中心主光線と該絞りの面法線とのなす角度をα１、反射面ＳＢから射出する中心主光線と絞りの面法線とのなす角度をα２とするとき、条件式（１）を満たすこと。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は反射型光学系に関し、特に物体面の像を所定面上に形成するようにした、例えばビデオカメラ、スチールビデオカメラ、複写機、プロジェクター、そして露光装置等の装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より複数の反射面を用いた反射光学系が種々と提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１２は同文献１の反射光学系のＹＺ面内での要部断面図である。同文献１では偏心配置された反射面を用いることにより、斜めに投射することによって起こる台形歪を補正している。
【０００３】
一般に反射面を用いることにより色収差の発生を抑えることができ、色収差が問題となるプロジェクターや複写機に使われる読取レンズに反射光学系を用いることにより共軸光学系に比べて高性能な光学系を実現できる。
【０００４】
こうした非共軸光学系はオフアキシャル光学系（像中心と瞳中心を通る光線に沿った基準軸を考えた時、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（オフアキシャル曲面）を含む光学系として定義される光学系で、この時、基準軸は折れ曲がった形状となる）と呼ばれる。
【０００５】
このオフアキシャル光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がしやすい。またそれら光学素子を用いた変倍光学系、またその設計法が開示されている（例えば、特許文献２，３，４，５参照）。
【特許文献１】
特開２００１−２５５４６２号公報
【特許文献２】
特開平８−２９２３７２号公報
【特許文献３】
特開平９−２２２５６１号公報
【特許文献４】
特開平９−２５８１０５号公報
【特許文献５】
特開平９−５６５０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１２に示した反射型光学系では反射面Ｒ２と反射面Ｒ３との間に絞りＳＳを配置してある。この実施形態では、絞りＳＳによって光線をけることがないように該絞りＳＳが配置されている。絞りＳＳを反射面と反射面の間に置くためには以下の二点に気をつけなければ成らない。
【０００７】
（１）絞り部材により光線をけらないこと、
（２）絞り部材と反射面が干渉しないこと、
しかしながら光学系をコンパクトにしなければ成らない場合、または光学性能上、反射面と反射面の間隔をあけることが出来ない場合、従来のように基準軸光線（物体側から絞りの中心を通過し、最終結像面の中心に至る１つの光線（中心主光線とも称す。））に対して絞りの法線方向が一致しているように配置すると、絞りがうまく配置できない場合がある。
【０００８】
本発明は光学性能を良好に維持したまま絞りを適切に配置することを可能としたコンパクトな構成の反射型光学系の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の反射型光学系は
曲率を有する複数の反射面と、該複数の反射面の間に絞りを有し、入射光束が該複数の反射面で反射を繰り返して射出するように構成した反射型光学系において、
該絞りの中心を通過し、最終結像面の中心に至る光線を中心主光線とするとき、該絞りは、その面法線が中心主光線に対して傾いて配置されており、光入射側から見て該絞りの直前の反射面をＳＡ、該絞りの直後の反射面をＳＢとし、該反射面ＳＡに入射する中心主光線と該絞りの面法線とのなす角度をα１、該反射面ＳＢから射出する中心主光線と該絞りの面法線とのなす角度をα２とするとき、
【００１０】
【数２】
【００１１】
ただし、−１８０＜α１＜１８０、−１８０＜α２＜１８０
の条件式を満たすことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［実施形態１］
実施形態の説明に入る前に、実施形態の構成の諸元の表し方及び実施形態全体の共通事項について説明する。
【００１３】
図１１は本発明の光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。本発明の実施形態では物体側から絞りの中心を通過し、最終結像面の中心に至る１つの光線（図１１中の一点鎖線で示すもので基準軸光線（または中心主光線とも称す。）に沿ってｉ番目の面を第ｉ面とする。
【００１４】
図１１において第１面Ｒ１は絞り、第２面Ｒ２は第１面と共軸な屈折面、第３面Ｒ３は第２面Ｒ２に対してチルトされた反射面、第４面Ｒ４、第５面Ｒ５は各々の前面に対してシフト、チルトされた反射面、第６面Ｒ６は第５面Ｒ５に対してシフト、チルトされた屈折面である。第２面Ｒ２から第６面Ｒ６までの各々の面はガラス、プラスチック等の媒質で構成される一つの光学素子上に構成されている。
【００１５】
従って、図１１の構成では不図示の物体面から第２面Ｒ２までの媒質は空気、第２面Ｒ２から第６面Ｒ６まではある共通の媒質、第６面Ｒ６から不図示の第７面Ｒ７までの媒質は空気で構成されている。
【００１６】
本発明の光学系はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系であるため光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。そこで本発明の実施形態においては光学系を説明しやすいように物体面と反射型光学系の間に基準となる原点を有する面（基準面）を導入し、その原点からの位置関係で面の配置を説明する。そして本発明の実施形態においては絞りの中心を通り最終結像面の中心とを通る光線（基準軸光線）の経路を光学系の基準軸と定義している。
【００１７】
さらに本実施形態中の基準軸は方向（向き）を持っている。その方向は基準軸光線が結像に際して進行する方向である。原点は基準面における基準軸光線の位置であり、基準面の法線は基準軸光線と一致している。
【００１８】
本発明の実施形態においては光学系の基準となる基準軸を上記の様に設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すれば良い。
【００１９】
しかしながら、一般的には像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を光学系の基準となる基準軸に設定する。
【００２０】
つまり、本発明の実施形態においては基準軸は絞り面の光線有効径の中心点を通り、最終結像面の中心へ至る光線（基準軸光線）が各屈折面及び反射面によって屈折・反射する経路を基準軸に設定している。各面の順番は基準軸光線が屈折・反射を受ける順番に設定している。
【００２１】
従って基準軸は設定された各面の順番に沿って屈折若しくは反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。
【００２２】
本発明の各実施形態の光学系を構成するチルト面は基本的にすべてが同一面内でチルトしている。そこで絶対座標系の各軸を以下のように定める。
【００２３】
Ｚ軸：原点を通り第１面Ｒ１に向かう基準軸
Ｙ軸：原点を通りチルト面内（図１１の紙面内）でＺ軸に対して反時計回りに９０゜をなす直線
Ｘ軸：原点を通りＺ、Ｙ各軸に垂直な直線（図１１の紙面に垂直な直線）
また光学系を構成する第ｉ面の面形状を表わすには、絶対座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でその面の面形状を表した方が形状を認識する上で理解し易い為、本発明の構成データを表示する実施形態では第ｉ面の面形状をローカル座標系で表わす。
【００２４】
また第ｉ面のＹＺ面内でのチルト角は絶対座標系のＺ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θｉ（単位°）で表す。よって本発明の実施形態では各面のローカル座標の原点は図１１中のＹＺ平面上にある。またＸＺおよびＸＹ面内での面の偏心はない。さらに第ｉ面のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）のｙ，ｚ軸は絶対座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対してＹＺ面内で角度θｉ傾いており、具体的には以下のように設定する。
【００２５】
ｚ軸：ローカル座標の原点を通り、絶対座標系のＺ方向に対しＹＺ面内におい て反時計方向に角度θｉをなす直線
ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、ｚ方向に対しＹＺ面内において反時計方向 に９０゜をなす直線
ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な直線
また、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面のローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ｎｄｉ 、νｄｉは各々第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率とアッベ数である。また本発明の実施形態では光学系の断面図及び数値データを示す。
【００２６】
球面は以下の式で表される形状である。
【００２７】
【数３】
【００２８】
また本発明の光学系は少なくとも回転非対称な非球面を一面以上有し、その形状は以下の式により表す。
【００２９】
【数４】
【００３０】
上記曲面式はｘに関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定される曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。
【００３１】
さらに、
Ｃ０２＝Ｃ２０ Ｃ０４＝Ｃ４０＝Ｃ２２／２ Ｃ０６＝Ｃ６０＝Ｃ２４／３＝Ｃ４２／３
が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は非回転対称な形状である。
【００３２】
なお本発明の各実施形態においては垂直半画角ｕＹとは図１１のＹＺ面内において基準面Ｒ１に入射する光束の最大画角、水平半画角ｕＸとはＸＺ面内において基準面Ｒ１に入射する光束の最大画角である。また絞りの直径を絞り径として示している。これは光学系の明るさに関係する。
【００３３】
また各実施形態の横収差図を示す。基準面Ｒ１への水平入射角、垂直入射角が夫々（０，ｕＹ），（０，０），（０，−ｕＹ），（ｕＸ，ｕＹ），（ｕＸ，０），（ｕＸ，−ｕＹ）となる入射角の光束の横収差を示す。横収差図においては、横軸は瞳への入射高さを表し、縦軸は収差量を表している。各実施形態とも基本的に各面がｙｚ面を対称面とする面対称の形状となっている為、横収差図においても垂直画角のプラス、マイナス方向は同一となるので、図の簡略化の為に、マイナス方向の横収差図は省略している。
【００３４】
［実施形態１］
図１は本発明の実施形態１の反射型光学系（反射型光学素子）のＹＺ面内での要部断面図、図２は図１に示した絞り周辺での拡大断面図である。
【００３５】
図１において反射型光学系１は物体（不図示）からの光線の通過順に、反射面Ｒ１、反射面Ｒ２、反射面Ｒ３、反射面Ｒ４、絞りＳＴＯ、反射面Ｒ５の５つの反射面で構成され、物体上の画像を撮像面Ｓ１に結像する機能を有している。
【００３６】
本実施形態は水平画角２９．０８度、垂直画角３８．１９度の撮像装置（撮像光学系）に用いられる反射型光学素子である。
【００３７】
本実施形態の構成データは次のとおりである。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】
【００４０】
【表３】
【００４１】
本実施形態の反射型光学系は図１に示すように複数の曲面反射面からなる光学系である。同図において物体（不図示）からの光束は凹面鏡Ｒ１、凸面鏡Ｒ２、凹面鏡Ｒ３、そして凸反射面Ｒ４で次々と反射し、絞りＳＴＯで光束が規制され、凹反射面Ｒ５で反射され、ローパスフィルター、赤外カットフィルターで構成されるフィルターＦを通過し撮像手段としての撮像面Ｓ１上に結像する。
【００４２】
ここで、Ｒ０は基準面である。また絞りＳＴＯは、該絞りＳＴＯの中心を通過し、最終結像面の中心に至る光線を基準軸光線（中心主光線）とするとき、その面法線が基準軸光線に対して傾いて配置されている。尚、絞りＳＴＯの開口径は回転非対称より成っている。
【００４３】
このように絞りＳＴＯの面法線を基準軸光線に対して傾けて配置しているので他の光線をけることなく配置できる。絞りＳＴＯは有限の大きさを持ち、かつ保持しなければ成らないのでそれなりのスペースが必要になる。図１，図２，図３においてＬは絞りＳＴＯを配置するために必要なスペースである。本実施形態では絞りＳＴＯを含む平面内に５ｍｍほど取っている。
【００４４】
図３は反射面Ｒ４と反射面Ｒ５のオフアキシャル角を広げることにより、絞りＳＴＯが配置できるように設計した従来の反射型光学系の要部断面図である。図３における仕様は図１と同じである。図３を見れば分かるように絞りＳＴＯを配置するためのスペースを確保するために光学系が大きくなっているのが分かる。さらに図１と比べオフアキシャル角を大きく取っているので収差補正上よろしくない。
【００４５】
本実施形態の場合、絞りや該絞りの保持部材が光束をけらないように配置しなければならない。ここで問題となる光束は絞り直前の反射面に入射する光束と絞り直後の反射面から射出する光束である。
【００４６】
図１、図２において絞りＳＴＯの直前の反射面Ｒ４に入射する光束の角度は、反射面Ｒ３から反射面Ｒ４に向かう基準軸光線の角度に近く、該絞りＳＴＯ直後の反射面Ｒ５から反射する光束の角度は、該反射面Ｒ５から射出する基準軸光線の角度に近い。よって、反射面Ｒ３から反射面Ｒ４に向かう基準軸光線の角度α１と反射面Ｒ５から射出する基準軸光線の角度α２から絞り面の法線の角度を適切な角度に成るように配置すればよい。単純に考えれば角度α１と角度α２の中間の角度に絞り平面が配置されるようになればよい。しかしながら、実際には、絞り位置や基準軸と光束の角度の違いにより多少のずれが存在する。
【００４７】
そこで本実施形態では光入射側から見て絞りＳＴＯの直前の反射面をＲ４、該絞りＳＴＯの直後の反射面をＲ５とし、該反射面Ｒ４に入射する基準軸光線と該絞りＳＴＯの面法線とのなす角度をα１、該反射面Ｒ５から射出する基準軸光線と該絞りＳＴＯの面法線とのなす角をα２とするとき、
【００４８】
【数５】
【００４９】
ただし、−１８０＜α１＜１８０、−１８０＜α２＜１８０
の条件式（１）を満たすように各要素を設定している。これにより絞りＳＴＯや該絞りＳＴＯを保持する部材が光束を妨げることなく、また反射面と干渉することなく配置することが可能でありながら全体としてコンパクトな反射型光学系を得ている。尚、絞りＳＴＯの面法線の方向、基準軸光線の方向を考慮し、絞りＳＴＯの面法線から反時計回りを正とする。
【００５０】
本実施形態において、各々の角度α１、α２を算出すると夫々
α１＝−８４ 、 α２＝−１０４
よって
│α１＋α２│／２＝９４
となり条件式（１）を満たしている。ちなみに図３の従来の反射型光学系では
α１＝−１００、α２＝−１２０
よって
│α１＋α２│／２＝１１０
となり条件式（１）を満たしていない。
【００５１】
本実施形態の反射型光学系の横収差図を図４に示す。同図に示すように絞りＳＴＯを斜めに配置したとしても、横収差は微少であり、画面中心と画面の角ともにバランス良く収差補正できている。望ましくは、絞りＳＴＯを含む平面内に、該絞りＳＴＯに隣接する反射面が配置されていないほうが良い。即ち絞りＳＴＯを含む平面外に、該絞りＳＴＯに隣接する反射面が配置されている。さらに絞りの前後の反射面の光軸方向のほぼ中央の位置に配置されているほうが光束をよけて配置しやすい。
【００５２】
本実施形態では表面反射面のみで構成されているが、屈折レンズを含んでも良い。また表面反射面のみではなく裏面反射面を含まして構成しても良い。また反射面を５面用いているが、反射面は５面に限らない。また反射面はある平面に対して対称な形状であるが、これに限ったことではない。この反射型光学素子一つで撮像素子として機能するが、この反射型光学素子を少なくとも一つ含み、複数の光学素子で撮像光学系を構成してもよい。また前述した特許文献２〜４のように複数の光学素子の相対位置を変化させて変倍光学系を構成することもできる。また本実施形態では撮像光学系（撮像装置）に反射型光学素子を用いたが、この光学系に限らず、例えば読取光学系（画像読取装置）、物体面上のパターンを感光基板上に縮小露光する露光光学系（露光装置）、そしてプロジェクタ等の投射光学系（投射型表示装置）に用いても良い。
【００５３】
［実施形態２］
図５は本発明の実施形態２の反射型光学系（反射型光学素子）のＹＺ面内での要部断面図、図６は図５に示した絞り周辺での拡大断面図である。図５、図６において図１、図２に示した要素と同一要素には同符番を付している。
【００５４】
図５において反射型光学系２は原稿面Ｏからの光線の通過順に、反射面Ｒ１、反射面Ｒ２、絞りＳＴＯ、反射面Ｒ３、反射面Ｒ４の４つの反射面で構成され、原稿面Ｏ上の画像をラインセンサーＩに結像する機能を有している。
【００５５】
本実施形態においても前述の実施形態１と同様に絞りＳＴＯの中心を通過し、最終結像面の中心に至る光線を基準軸光線（中心主光線）とするとき、該絞りＳＴＯは、その面法線が基準軸光線に対して傾いて配置されている。尚、絞りＳＴＯの開口径は回転非対称より成っている。
【００５６】
本実施形態におけるラインセンサーＩの長手方向の長さは６６．０８ｍｍ、読み取る大きさ幅は主走査方向に３０４．８ｍｍ、副走査方向に±１ｍｍである。本実施形態に用いられる反射型光学系２の構成データを示す。
【００５７】
【表４】
【００５８】
【表５】
【００５９】
【表６】
【００６０】
本実施形態の反射型光学系２は図５に示すように複数の曲面反射面からなる光学系である。同図において原稿面Ｏからの光束は凹面鏡Ｒ１、凹面鏡Ｒ２で次々と反射し、絞りＳＴＯで光束が規制され、凹反射面Ｒ３、凹反射面Ｒ４で次々と反射され、ラインセンサーＩ上に結像する。
【００６１】
ここで原稿面Ｏから反射面Ｒ１に向かう光路と反射面Ｒ２から絞りＳＴＯに向かう光路は交差し、さらに絞りＳＴＯから反射面Ｒ３に向かう光路と反射面Ｒ４からラインセンサーＩに向かう光路は交差している。ここで、Ｒ０は基準面である。また反射面Ｒ１〜反射面Ｒ４は各々光学有効に対して１ｍｍの余裕幅をもち、５ｍｍの厚みを有する。また絞りＳＴＯの面法線は図６に示すように基準軸光線に対して傾いて配置されている。このように配置されているので５ｍｍ厚の反射面に干渉することなく配置することが出来る。
【００６２】
絞りＳＴＯは有限の大きさを持ち、かつ保持しなければ成らないのでそれなりのスペースが必要になる。図５，６，７中のＬは絞りＳＴＯを配置するために必要なスペースである。この例では絞りＳＴＯを含む平面内に５ｍｍほど取っている。
【００６３】
図７は反射面Ｒ２と絞りＳＴＯの間隔、絞りＳＴＯと反射面Ｒ３までの間隔を広げることにより該絞りと反射面が干渉しないように絞りを配置できるように設計した従来の反射型光学系の要部断面図である。図７における仕様は図５と同じである。図７を見れば分かるように絞りＳＴＯを配置するためのスペースを確保するために光学系が大きくなっているのが分かる。
【００６４】
さらに図５の反射型光学系と比べて絞りＳＴＯから反射面Ｒ１までの光路長と、絞りＳＴＯから反射面Ｒ４までの光路長が共に長くなり、反射面Ｒ１と反射面Ｒ４の有効径が共に大きくなってしまう。この実施形態の場合、絞りＳＴＯや該絞りＳＴＯの保持部材が反射面と干渉しないように配置しなければならない。
【００６５】
ここで問題となる反射面は絞りＳＴＯに隣接する反射面Ｒ１と反射面Ｒ４であり、この反射面の厚み方向が問題となる。この方向は一般的に面法線と一致する。このことから反射面Ｒ１の面法線の角度γ１と反射面Ｒ４の面法線の角度γ２から絞り面の法線の角度を適切な角度に成るように配置すればよい。単純に考えれば角度γ１と角度γ２の中間の角度に絞り平面が配置されるようになればよい。しかしながら、実際には、絞り位置や隣接する反射面の位置等により多少のずれが存在する。
【００６６】
そこで本実施形態では図６に示すように絞りＳＴＯに隣接する２つの反射面Ｒ１，Ｒ４における基準軸光線が反射する位置での面法線と該絞りＳＴＯの面法線との為す角度を夫々γ１、γ２とするとき、
【００６７】
【数６】
【００６８】
ただし、−１８０＜γ１＜１８０、−１８０＜γ２＜１８０
の条件式（２）を満たすように各要素を設定している。これにより絞りＳＴＯや該絞りＳＴＯを保持する部材が光束を妨げることなく、また反射面と干渉することなく配置することが可能でありながら全体としてコンパクトな反射型光学系を得ている。尚、絞り、反射面の面法線の方向を考慮し、絞りの面法線から反時計回りを正とする。
【００６９】
本実施形態において、角度γ１、γ２を算出すると夫々
γ１＝８３．９８、γ２＝８１．２１
よって
│γ１＋γ２│／２＝８２．５９５
となり条件式（２）を満たしている。ちなみに図７の従来の反射型光学系では
γ１＝６４．２２、γ２＝６１．４５
よって
│γ１＋γ２│／２＝６２．８３５
となり条件式（２）を満たしていない。
【００７０】
本実施形態の反射型光学系の横収差図を図８に示す。同図に示すように絞りＳＴＯを斜めに配置したとしても、横収差は微少であり、画面中心と画面の角ともにバランス良く収差補正できている。望ましくは、絞りＳＴＯを含む平面内に、該絞りＳＴＯに隣接する反射面が配置されていないほうが良い。即ち絞りＳＴＯを含む平面外に、該絞りＳＴＯに隣接する反射面が配置されている。さらに絞りＳＴＯの前後の反射面の光軸方向のほぼ中央の位置に配置されているほうが光束をよけて配置しやすい。
【００７１】
本実施形態では表面反射面のみで構成されているが、屈折レンズを含んでも良い。また表面反射面のみではなく裏面反射面を含まして構成しても良い。また反射面を４面用いているが、反射面は４面に限らない。また反射面はある平面に対して対称な形状であるが、これに限ったことではない。この反射型光学素子一つで撮像素子として機能するが、この反射型光学素子を少なくとも一つ含み、複数の光学素子で撮像光学系を構成してもよい。また前述した特許文献２〜４のように複数の光学素子の相対位置を変化させて変倍光学系を構成することもできる。また本実施形態では撮像光学系に反射型光学素子を用いたが、この光学系に限らず、例えば後述する読取光学系、露光光学系、そしてプロジェクタ等の投射光学系に用いても良い。
【００７２】
［画像読取装置］
図９は実施形態２の反射型光学系２を用いてカラー画像又はモノクロ画像を読み取る画像読取装置を構成した例である。
【００７３】
図中、Ｌａｍｐは光源、ＣＧは原稿台ガラス、Ｍ１〜Ｍ３は第１〜３反射ミラー，２は反射型光学系、ＩはＣＣＤ等で構成されるラインセンサー、Ｃはキヤリッジ（筐体）である。原稿台ガラスＣＧの上に載置された原稿Ｏを第１〜３反射ミラーＭ１〜Ｍ３を介して反射型光学系２によりラインセンサーＩ上に結像して原稿Ｏの１ラインの画像を読み取ることができる。画像読取装置をコンパクトに構成するために第１〜３反射ミラーＭ１〜Ｍ３により光路を折り畳んでいる。反射型光学系２は表面反射面で構成されるため色収差は発生せず、高角化することが可能になる。よって光学系から原稿までの距離を短縮することになり、キヤリッジ一体型光学系の原稿読取装置を３枚の平面ミラーと反射型光学系から成る少ない光学部品で構成することができる。このキヤリッジ一体型光学系はラインセンサーのライン方向（Ｘ方向）に垂直な方向、すなわち副走査方向に原稿ＯとキヤリッジＣとを相対的に走査することによって、該原稿Ｏ面を２次元的に読み取っている。
【００７４】
［投射型表示装置］
図１０は実施形態１の反射型光学系１を用いて画像表示パネル上の画像をスクリーンに上に投影する投射型表示装置を構成した例である。
【００７５】
図１０においてＬＬはライトバルブ（画像表示パネル）ＬＶ１に光を照明する照明系である。１はライトバルブ（画像表示パネル）ＬＶ１で光変調された光をスクリーンＳに投射するためのオフアキシャル系を利用した実施形態１の構成の反射型光学系である。同図においては実施形態１の反射型光学系１を用いて画像表示パネル上の画像をスクリーンＳに上に投影している。
【００７６】
［本発明の実施態様］
本発明の様々な例と実施形態が示され説明されたが、当業者であれば、本発明の趣旨と範囲は本明細書内の特定の説明と図に限定されるのではなく、本願特許請求の範囲に全て述べられた様々の修正と変更に及ぶことが理解されるであろう。
【００７７】
本発明の実施態様の例を以下に列挙する。
【００７８】
［実施態様１］
曲率を有する複数の反射面と、該複数の反射面の間に絞りを有し、入射光束が該複数の反射面で反射を繰り返して射出するように構成した反射型光学系において、
該絞りの中心を通過し、最終結像面の中心に至る光線を中心主光線とするとき、該絞りは、その面法線が中心主光線に対して傾いて配置されており、光入射側から見て該絞りの直前の反射面をＳＡ、該絞りの直後の反射面をＳＢとし、該反射面ＳＡに入射する中心主光線と該絞りの面法線とのなす角度をα１、該反射面ＳＢから射出する中心主光線と該絞りの面法線とのなす角度をα２とするとき、
【００７９】
【数７】
【００８０】
ただし、−１８０＜α１＜１８０、−１８０＜α２＜１８０
の条件式を満たすことを特徴とする反射型光学系。
【００８１】
［実施態様２］
前記絞りを含む平面外に、該絞りに隣接する反射面が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の反射型光学系。
【００８２】
［実施態様３］
前記絞りは、該絞りの前後の反射面の光軸方向のほぼ中央の位置に配置されていることを特徴とする実施態様１又は２に記載の反射型光学系。
【００８３】
［実施態様４］
前記絞りの開口径は回転非対称であることを特徴とする実施態様１、２又は３に記載の反射型光学系。
【００８４】
［実施態様５］
曲率を有する複数の反射面と、該複数の反射面の間に絞りを有し、入射光束が該複数の反射面で反射を繰り返して射出するように構成した反射型光学系において、
該絞りの中心を通過し、最終結像面の中心に至る光線を中心主光線とするとき、該絞りは、その面法線が中心主光線に対して傾いて配置されており、該絞りに隣接する２つの反射面における中心主光線が反射する位置での面法線と該絞りの面法線との為す角度を夫々γ１、γ２とするとき、
【００８５】
【数８】
【００８６】
ただし、−１８０＜γ１＜１８０、−１８０＜γ２＜１８０
の条件式を満たすことを特徴とする反射型光学系。
【００８７】
［実施態様６］
前記絞りを含む平面外に、該絞りに隣接する反射面が配置されていることを特徴とする実施態様５に記載の反射型光学系。
【００８８】
［実施態様７］
前記絞りは、該絞りの前後の反射面の光軸方向のほぼ中央の位置に配置されていることを特徴とする実施態様５又は６に記載の反射型光学系。
【００８９】
［実施態様８］
前記絞りの開口径は回転非対称であることを特徴とする実施態様５、６又は７に記載の反射型光学系。
【００９０】
［実施態様９］
実施態様１乃至８の何れか１項に記載の反射型光学系と、撮像手段とを有し、該撮像手段の撮像面上に物体の像を結像することを特徴とする撮像装置。
【００９１】
［実施態様１０］
実施態様１乃至８の何れか１項に記載の反射型光学系とラインセンサーとを有し、画像情報を該ラインセンサー上に結像させて、該画像情報を読み取ることを特徴とする画像読取装置。
【００９２】
［実施態様１１］
実施態様１乃至８の何れか１項に記載の反射型光学系を用いて、物体面上のパターンを感光基板上に縮小露光することを特徴とする露光装置。
【００９３】
［実施態様１２］
実施態様１乃至８の何れか１項に記載の反射型光学系を用いて、画像表示パネル上の画像をスクリーンに上に投影することを特徴とする投射型表示装置。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば前述の如く絞りをその面法線が中心主光線に対して傾くように配置し、さらに条件式（１）または条件式（２）を満たすように各要素を設定することにより、絞りや該絞りを保持する部材が光束を妨げることなく、また反射面と干渉することなく配置することが可能でありながら全体としてコンパクトな反射型光学系を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１のＹＺ面内での要部断面図
【図２】本発明の実施形態１の絞り周辺の拡大説明図
【図３】実施形態１に対して絞りを傾けずに配置した光学系の要部断面図
【図４】本発明の実施形態１の横収差図
【図５】本発明の実施形態２のＹＺ面内での要部断面図
【図６】本発明の実施形態２の絞り周辺の拡大説明図
【図７】実施形態２に対して絞りを傾けずに配置した光学系の要部断面図
【図８】本発明の実施形態２の横収差図
【図９】本発明の画像読取装置の要部概略図
【図１０】本発明の投射型表示装置の要部概略図
【図１１】従来の反射型光学系のＹＺ面内での要部断面図
【図１２】従来の反射型光学系のＹＺ面内での要部断面図
【符号の説明】
Ｒｉ，Ｒｍ，ｎ 面
Ｄｉ 基準軸に沿った面間隔
Ｎｄｉ 屈折率
νｄｉ アッベ数
θ 反射面の法線と基準軸のなす角度
１，２ 反射光学系
Ｃ キャリッジ
ＣＧ 原稿台ガラス
Ｆ フィルタ
Ｉ ラインセンサー
Ｌ 絞りを配置するためのスペース
Ｌａｍｐ 照明光源
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ 反射ミラー
Ｏ 原稿
Ｓｉ 撮像面
ＳＴＯ 絞り
【発明の属する技術分野】
本発明は反射型光学系に関し、特に物体面の像を所定面上に形成するようにした、例えばビデオカメラ、スチールビデオカメラ、複写機、プロジェクター、そして露光装置等の装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より複数の反射面を用いた反射光学系が種々と提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１２は同文献１の反射光学系のＹＺ面内での要部断面図である。同文献１では偏心配置された反射面を用いることにより、斜めに投射することによって起こる台形歪を補正している。
【０００３】
一般に反射面を用いることにより色収差の発生を抑えることができ、色収差が問題となるプロジェクターや複写機に使われる読取レンズに反射光学系を用いることにより共軸光学系に比べて高性能な光学系を実現できる。
【０００４】
こうした非共軸光学系はオフアキシャル光学系（像中心と瞳中心を通る光線に沿った基準軸を考えた時、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（オフアキシャル曲面）を含む光学系として定義される光学系で、この時、基準軸は折れ曲がった形状となる）と呼ばれる。
【０００５】
このオフアキシャル光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がしやすい。またそれら光学素子を用いた変倍光学系、またその設計法が開示されている（例えば、特許文献２，３，４，５参照）。
【特許文献１】
特開２００１−２５５４６２号公報
【特許文献２】
特開平８−２９２３７２号公報
【特許文献３】
特開平９−２２２５６１号公報
【特許文献４】
特開平９−２５８１０５号公報
【特許文献５】
特開平９−５６５０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１２に示した反射型光学系では反射面Ｒ２と反射面Ｒ３との間に絞りＳＳを配置してある。この実施形態では、絞りＳＳによって光線をけることがないように該絞りＳＳが配置されている。絞りＳＳを反射面と反射面の間に置くためには以下の二点に気をつけなければ成らない。
【０００７】
（１）絞り部材により光線をけらないこと、
（２）絞り部材と反射面が干渉しないこと、
しかしながら光学系をコンパクトにしなければ成らない場合、または光学性能上、反射面と反射面の間隔をあけることが出来ない場合、従来のように基準軸光線（物体側から絞りの中心を通過し、最終結像面の中心に至る１つの光線（中心主光線とも称す。））に対して絞りの法線方向が一致しているように配置すると、絞りがうまく配置できない場合がある。
【０００８】
本発明は光学性能を良好に維持したまま絞りを適切に配置することを可能としたコンパクトな構成の反射型光学系の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の反射型光学系は
曲率を有する複数の反射面と、該複数の反射面の間に絞りを有し、入射光束が該複数の反射面で反射を繰り返して射出するように構成した反射型光学系において、
該絞りの中心を通過し、最終結像面の中心に至る光線を中心主光線とするとき、該絞りは、その面法線が中心主光線に対して傾いて配置されており、光入射側から見て該絞りの直前の反射面をＳＡ、該絞りの直後の反射面をＳＢとし、該反射面ＳＡに入射する中心主光線と該絞りの面法線とのなす角度をα１、該反射面ＳＢから射出する中心主光線と該絞りの面法線とのなす角度をα２とするとき、
【００１０】
【数２】
ただし、−１８０＜α１＜１８０、−１８０＜α２＜１８０
の条件式を満たすことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［実施形態１］
実施形態の説明に入る前に、実施形態の構成の諸元の表し方及び実施形態全体の共通事項について説明する。
【００１３】
図１１は本発明の光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。本発明の実施形態では物体側から絞りの中心を通過し、最終結像面の中心に至る１つの光線（図１１中の一点鎖線で示すもので基準軸光線（または中心主光線とも称す。）に沿ってｉ番目の面を第ｉ面とする。
【００１４】
図１１において第１面Ｒ１は絞り、第２面Ｒ２は第１面と共軸な屈折面、第３面Ｒ３は第２面Ｒ２に対してチルトされた反射面、第４面Ｒ４、第５面Ｒ５は各々の前面に対してシフト、チルトされた反射面、第６面Ｒ６は第５面Ｒ５に対してシフト、チルトされた屈折面である。第２面Ｒ２から第６面Ｒ６までの各々の面はガラス、プラスチック等の媒質で構成される一つの光学素子上に構成されている。
【００１５】
従って、図１１の構成では不図示の物体面から第２面Ｒ２までの媒質は空気、第２面Ｒ２から第６面Ｒ６まではある共通の媒質、第６面Ｒ６から不図示の第７面Ｒ７までの媒質は空気で構成されている。
【００１６】
本発明の光学系はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系であるため光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。そこで本発明の実施形態においては光学系を説明しやすいように物体面と反射型光学系の間に基準となる原点を有する面（基準面）を導入し、その原点からの位置関係で面の配置を説明する。そして本発明の実施形態においては絞りの中心を通り最終結像面の中心とを通る光線（基準軸光線）の経路を光学系の基準軸と定義している。
【００１７】
さらに本実施形態中の基準軸は方向（向き）を持っている。その方向は基準軸光線が結像に際して進行する方向である。原点は基準面における基準軸光線の位置であり、基準面の法線は基準軸光線と一致している。
【００１８】
本発明の実施形態においては光学系の基準となる基準軸を上記の様に設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すれば良い。
【００１９】
しかしながら、一般的には像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を光学系の基準となる基準軸に設定する。
【００２０】
つまり、本発明の実施形態においては基準軸は絞り面の光線有効径の中心点を通り、最終結像面の中心へ至る光線（基準軸光線）が各屈折面及び反射面によって屈折・反射する経路を基準軸に設定している。各面の順番は基準軸光線が屈折・反射を受ける順番に設定している。
【００２１】
従って基準軸は設定された各面の順番に沿って屈折若しくは反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。
【００２２】
本発明の各実施形態の光学系を構成するチルト面は基本的にすべてが同一面内でチルトしている。そこで絶対座標系の各軸を以下のように定める。
【００２３】
Ｚ軸：原点を通り第１面Ｒ１に向かう基準軸
Ｙ軸：原点を通りチルト面内（図１１の紙面内）でＺ軸に対して反時計回りに９０゜をなす直線
Ｘ軸：原点を通りＺ、Ｙ各軸に垂直な直線（図１１の紙面に垂直な直線）
また光学系を構成する第ｉ面の面形状を表わすには、絶対座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でその面の面形状を表した方が形状を認識する上で理解し易い為、本発明の構成データを表示する実施形態では第ｉ面の面形状をローカル座標系で表わす。
【００２４】
また第ｉ面のＹＺ面内でのチルト角は絶対座標系のＺ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θｉ（単位°）で表す。よって本発明の実施形態では各面のローカル座標の原点は図１１中のＹＺ平面上にある。またＸＺおよびＸＹ面内での面の偏心はない。さらに第ｉ面のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）のｙ，ｚ軸は絶対座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対してＹＺ面内で角度θｉ傾いており、具体的には以下のように設定する。
【００２５】
ｚ軸：ローカル座標の原点を通り、絶対座標系のＺ方向に対しＹＺ面内におい て反時計方向に角度θｉをなす直線
ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、ｚ方向に対しＹＺ面内において反時計方向 に９０゜をなす直線
ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な直線
また、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面のローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ｎｄｉ 、νｄｉは各々第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率とアッベ数である。また本発明の実施形態では光学系の断面図及び数値データを示す。
【００２６】
球面は以下の式で表される形状である。
【００２７】
【数３】
また本発明の光学系は少なくとも回転非対称な非球面を一面以上有し、その形状は以下の式により表す。
【００２９】
【数４】
上記曲面式はｘに関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定される曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。
【００３１】
さらに、
Ｃ０２＝Ｃ２０ Ｃ０４＝Ｃ４０＝Ｃ２２／２ Ｃ０６＝Ｃ６０＝Ｃ２４／３＝Ｃ４２／３
が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は非回転対称な形状である。
【００３２】
なお本発明の各実施形態においては垂直半画角ｕＹとは図１１のＹＺ面内において基準面Ｒ１に入射する光束の最大画角、水平半画角ｕＸとはＸＺ面内において基準面Ｒ１に入射する光束の最大画角である。また絞りの直径を絞り径として示している。これは光学系の明るさに関係する。
【００３３】
また各実施形態の横収差図を示す。基準面Ｒ１への水平入射角、垂直入射角が夫々（０，ｕＹ），（０，０），（０，−ｕＹ），（ｕＸ，ｕＹ），（ｕＸ，０），（ｕＸ，−ｕＹ）となる入射角の光束の横収差を示す。横収差図においては、横軸は瞳への入射高さを表し、縦軸は収差量を表している。各実施形態とも基本的に各面がｙｚ面を対称面とする面対称の形状となっている為、横収差図においても垂直画角のプラス、マイナス方向は同一となるので、図の簡略化の為に、マイナス方向の横収差図は省略している。
【００３４】
［実施形態１］
図１は本発明の実施形態１の反射型光学系（反射型光学素子）のＹＺ面内での要部断面図、図２は図１に示した絞り周辺での拡大断面図である。
【００３５】
図１において反射型光学系１は物体（不図示）からの光線の通過順に、反射面Ｒ１、反射面Ｒ２、反射面Ｒ３、反射面Ｒ４、絞りＳＴＯ、反射面Ｒ５の５つの反射面で構成され、物体上の画像を撮像面Ｓ１に結像する機能を有している。
【００３６】
本実施形態は水平画角２９．０８度、垂直画角３８．１９度の撮像装置（撮像光学系）に用いられる反射型光学素子である。
【００３７】
本実施形態の構成データは次のとおりである。
【００３８】
【表１】
【表２】
【表３】
本実施形態の反射型光学系は図１に示すように複数の曲面反射面からなる光学系である。同図において物体（不図示）からの光束は凹面鏡Ｒ１、凸面鏡Ｒ２、凹面鏡Ｒ３、そして凸反射面Ｒ４で次々と反射し、絞りＳＴＯで光束が規制され、凹反射面Ｒ５で反射され、ローパスフィルター、赤外カットフィルターで構成されるフィルターＦを通過し撮像手段としての撮像面Ｓ１上に結像する。
【００４２】
ここで、Ｒ０は基準面である。また絞りＳＴＯは、該絞りＳＴＯの中心を通過し、最終結像面の中心に至る光線を基準軸光線（中心主光線）とするとき、その面法線が基準軸光線に対して傾いて配置されている。尚、絞りＳＴＯの開口径は回転非対称より成っている。
【００４３】
このように絞りＳＴＯの面法線を基準軸光線に対して傾けて配置しているので他の光線をけることなく配置できる。絞りＳＴＯは有限の大きさを持ち、かつ保持しなければ成らないのでそれなりのスペースが必要になる。図１，図２，図３においてＬは絞りＳＴＯを配置するために必要なスペースである。本実施形態では絞りＳＴＯを含む平面内に５ｍｍほど取っている。
【００４４】
図３は反射面Ｒ４と反射面Ｒ５のオフアキシャル角を広げることにより、絞りＳＴＯが配置できるように設計した従来の反射型光学系の要部断面図である。図３における仕様は図１と同じである。図３を見れば分かるように絞りＳＴＯを配置するためのスペースを確保するために光学系が大きくなっているのが分かる。さらに図１と比べオフアキシャル角を大きく取っているので収差補正上よろしくない。
【００４５】
本実施形態の場合、絞りや該絞りの保持部材が光束をけらないように配置しなければならない。ここで問題となる光束は絞り直前の反射面に入射する光束と絞り直後の反射面から射出する光束である。
【００４６】
図１、図２において絞りＳＴＯの直前の反射面Ｒ４に入射する光束の角度は、反射面Ｒ３から反射面Ｒ４に向かう基準軸光線の角度に近く、該絞りＳＴＯ直後の反射面Ｒ５から反射する光束の角度は、該反射面Ｒ５から射出する基準軸光線の角度に近い。よって、反射面Ｒ３から反射面Ｒ４に向かう基準軸光線の角度α１と反射面Ｒ５から射出する基準軸光線の角度α２から絞り面の法線の角度を適切な角度に成るように配置すればよい。単純に考えれば角度α１と角度α２の中間の角度に絞り平面が配置されるようになればよい。しかしながら、実際には、絞り位置や基準軸と光束の角度の違いにより多少のずれが存在する。
【００４７】
そこで本実施形態では光入射側から見て絞りＳＴＯの直前の反射面をＲ４、該絞りＳＴＯの直後の反射面をＲ５とし、該反射面Ｒ４に入射する基準軸光線と該絞りＳＴＯの面法線とのなす角度をα１、該反射面Ｒ５から射出する基準軸光線と該絞りＳＴＯの面法線とのなす角をα２とするとき、
【００４８】
【数５】
ただし、−１８０＜α１＜１８０、−１８０＜α２＜１８０
の条件式（１）を満たすように各要素を設定している。これにより絞りＳＴＯや該絞りＳＴＯを保持する部材が光束を妨げることなく、また反射面と干渉することなく配置することが可能でありながら全体としてコンパクトな反射型光学系を得ている。尚、絞りＳＴＯの面法線の方向、基準軸光線の方向を考慮し、絞りＳＴＯの面法線から反時計回りを正とする。
【００５０】
本実施形態において、各々の角度α１、α２を算出すると夫々
α１＝−８４ 、 α２＝−１０４
よって
│α１＋α２│／２＝９４
となり条件式（１）を満たしている。ちなみに図３の従来の反射型光学系では
α１＝−１００、α２＝−１２０
よって
│α１＋α２│／２＝１１０
となり条件式（１）を満たしていない。
【００５１】
本実施形態の反射型光学系の横収差図を図４に示す。同図に示すように絞りＳＴＯを斜めに配置したとしても、横収差は微少であり、画面中心と画面の角ともにバランス良く収差補正できている。望ましくは、絞りＳＴＯを含む平面内に、該絞りＳＴＯに隣接する反射面が配置されていないほうが良い。即ち絞りＳＴＯを含む平面外に、該絞りＳＴＯに隣接する反射面が配置されている。さらに絞りの前後の反射面の光軸方向のほぼ中央の位置に配置されているほうが光束をよけて配置しやすい。
【００５２】
本実施形態では表面反射面のみで構成されているが、屈折レンズを含んでも良い。また表面反射面のみではなく裏面反射面を含まして構成しても良い。また反射面を５面用いているが、反射面は５面に限らない。また反射面はある平面に対して対称な形状であるが、これに限ったことではない。この反射型光学素子一つで撮像素子として機能するが、この反射型光学素子を少なくとも一つ含み、複数の光学素子で撮像光学系を構成してもよい。また前述した特許文献２〜４のように複数の光学素子の相対位置を変化させて変倍光学系を構成することもできる。また本実施形態では撮像光学系（撮像装置）に反射型光学素子を用いたが、この光学系に限らず、例えば読取光学系（画像読取装置）、物体面上のパターンを感光基板上に縮小露光する露光光学系（露光装置）、そしてプロジェクタ等の投射光学系（投射型表示装置）に用いても良い。
【００５３】
［実施形態２］
図５は本発明の実施形態２の反射型光学系（反射型光学素子）のＹＺ面内での要部断面図、図６は図５に示した絞り周辺での拡大断面図である。図５、図６において図１、図２に示した要素と同一要素には同符番を付している。
【００５４】
図５において反射型光学系２は原稿面Ｏからの光線の通過順に、反射面Ｒ１、反射面Ｒ２、絞りＳＴＯ、反射面Ｒ３、反射面Ｒ４の４つの反射面で構成され、原稿面Ｏ上の画像をラインセンサーＩに結像する機能を有している。
【００５５】
本実施形態においても前述の実施形態１と同様に絞りＳＴＯの中心を通過し、最終結像面の中心に至る光線を基準軸光線（中心主光線）とするとき、該絞りＳＴＯは、その面法線が基準軸光線に対して傾いて配置されている。尚、絞りＳＴＯの開口径は回転非対称より成っている。
【００５６】
本実施形態におけるラインセンサーＩの長手方向の長さは６６．０８ｍｍ、読み取る大きさ幅は主走査方向に３０４．８ｍｍ、副走査方向に±１ｍｍである。本実施形態に用いられる反射型光学系２の構成データを示す。
【００５７】
【表４】
【表５】
【表６】
本実施形態の反射型光学系２は図５に示すように複数の曲面反射面からなる光学系である。同図において原稿面Ｏからの光束は凹面鏡Ｒ１、凹面鏡Ｒ２で次々と反射し、絞りＳＴＯで光束が規制され、凹反射面Ｒ３、凹反射面Ｒ４で次々と反射され、ラインセンサーＩ上に結像する。
【００６１】
ここで原稿面Ｏから反射面Ｒ１に向かう光路と反射面Ｒ２から絞りＳＴＯに向かう光路は交差し、さらに絞りＳＴＯから反射面Ｒ３に向かう光路と反射面Ｒ４からラインセンサーＩに向かう光路は交差している。ここで、Ｒ０は基準面である。また反射面Ｒ１〜反射面Ｒ４は各々光学有効に対して１ｍｍの余裕幅をもち、５ｍｍの厚みを有する。また絞りＳＴＯの面法線は図６に示すように基準軸光線に対して傾いて配置されている。このように配置されているので５ｍｍ厚の反射面に干渉することなく配置することが出来る。
【００６２】
絞りＳＴＯは有限の大きさを持ち、かつ保持しなければ成らないのでそれなりのスペースが必要になる。図５，６，７中のＬは絞りＳＴＯを配置するために必要なスペースである。この例では絞りＳＴＯを含む平面内に５ｍｍほど取っている。
【００６３】
図７は反射面Ｒ２と絞りＳＴＯの間隔、絞りＳＴＯと反射面Ｒ３までの間隔を広げることにより該絞りと反射面が干渉しないように絞りを配置できるように設計した従来の反射型光学系の要部断面図である。図７における仕様は図５と同じである。図７を見れば分かるように絞りＳＴＯを配置するためのスペースを確保するために光学系が大きくなっているのが分かる。
【００６４】
さらに図５の反射型光学系と比べて絞りＳＴＯから反射面Ｒ１までの光路長と、絞りＳＴＯから反射面Ｒ４までの光路長が共に長くなり、反射面Ｒ１と反射面Ｒ４の有効径が共に大きくなってしまう。この実施形態の場合、絞りＳＴＯや該絞りＳＴＯの保持部材が反射面と干渉しないように配置しなければならない。
【００６５】
ここで問題となる反射面は絞りＳＴＯに隣接する反射面Ｒ１と反射面Ｒ４であり、この反射面の厚み方向が問題となる。この方向は一般的に面法線と一致する。このことから反射面Ｒ１の面法線の角度γ１と反射面Ｒ４の面法線の角度γ２から絞り面の法線の角度を適切な角度に成るように配置すればよい。単純に考えれば角度γ１と角度γ２の中間の角度に絞り平面が配置されるようになればよい。しかしながら、実際には、絞り位置や隣接する反射面の位置等により多少のずれが存在する。
【００６６】
そこで本実施形態では図６に示すように絞りＳＴＯに隣接する２つの反射面Ｒ１，Ｒ４における基準軸光線が反射する位置での面法線と該絞りＳＴＯの面法線との為す角度を夫々γ１、γ２とするとき、
【００６７】
【数６】
ただし、−１８０＜γ１＜１８０、−１８０＜γ２＜１８０
の条件式（２）を満たすように各要素を設定している。これにより絞りＳＴＯや該絞りＳＴＯを保持する部材が光束を妨げることなく、また反射面と干渉することなく配置することが可能でありながら全体としてコンパクトな反射型光学系を得ている。尚、絞り、反射面の面法線の方向を考慮し、絞りの面法線から反時計回りを正とする。
【００６９】
本実施形態において、角度γ１、γ２を算出すると夫々
γ１＝８３．９８、γ２＝８１．２１
よって
│γ１＋γ２│／２＝８２．５９５
となり条件式（２）を満たしている。ちなみに図７の従来の反射型光学系では
γ１＝６４．２２、γ２＝６１．４５
よって
│γ１＋γ２│／２＝６２．８３５
となり条件式（２）を満たしていない。
【００７０】
本実施形態の反射型光学系の横収差図を図８に示す。同図に示すように絞りＳＴＯを斜めに配置したとしても、横収差は微少であり、画面中心と画面の角ともにバランス良く収差補正できている。望ましくは、絞りＳＴＯを含む平面内に、該絞りＳＴＯに隣接する反射面が配置されていないほうが良い。即ち絞りＳＴＯを含む平面外に、該絞りＳＴＯに隣接する反射面が配置されている。さらに絞りＳＴＯの前後の反射面の光軸方向のほぼ中央の位置に配置されているほうが光束をよけて配置しやすい。
【００７１】
本実施形態では表面反射面のみで構成されているが、屈折レンズを含んでも良い。また表面反射面のみではなく裏面反射面を含まして構成しても良い。また反射面を４面用いているが、反射面は４面に限らない。また反射面はある平面に対して対称な形状であるが、これに限ったことではない。この反射型光学素子一つで撮像素子として機能するが、この反射型光学素子を少なくとも一つ含み、複数の光学素子で撮像光学系を構成してもよい。また前述した特許文献２〜４のように複数の光学素子の相対位置を変化させて変倍光学系を構成することもできる。また本実施形態では撮像光学系に反射型光学素子を用いたが、この光学系に限らず、例えば後述する読取光学系、露光光学系、そしてプロジェクタ等の投射光学系に用いても良い。
【００７２】
［画像読取装置］
図９は実施形態２の反射型光学系２を用いてカラー画像又はモノクロ画像を読み取る画像読取装置を構成した例である。
【００７３】
図中、Ｌａｍｐは光源、ＣＧは原稿台ガラス、Ｍ１〜Ｍ３は第１〜３反射ミラー，２は反射型光学系、ＩはＣＣＤ等で構成されるラインセンサー、Ｃはキヤリッジ（筐体）である。原稿台ガラスＣＧの上に載置された原稿Ｏを第１〜３反射ミラーＭ１〜Ｍ３を介して反射型光学系２によりラインセンサーＩ上に結像して原稿Ｏの１ラインの画像を読み取ることができる。画像読取装置をコンパクトに構成するために第１〜３反射ミラーＭ１〜Ｍ３により光路を折り畳んでいる。反射型光学系２は表面反射面で構成されるため色収差は発生せず、高角化することが可能になる。よって光学系から原稿までの距離を短縮することになり、キヤリッジ一体型光学系の原稿読取装置を３枚の平面ミラーと反射型光学系から成る少ない光学部品で構成することができる。このキヤリッジ一体型光学系はラインセンサーのライン方向（Ｘ方向）に垂直な方向、すなわち副走査方向に原稿ＯとキヤリッジＣとを相対的に走査することによって、該原稿Ｏ面を２次元的に読み取っている。
【００７４】
［投射型表示装置］
図１０は実施形態１の反射型光学系１を用いて画像表示パネル上の画像をスクリーンに上に投影する投射型表示装置を構成した例である。
【００７５】
図１０においてＬＬはライトバルブ（画像表示パネル）ＬＶ１に光を照明する照明系である。１はライトバルブ（画像表示パネル）ＬＶ１で光変調された光をスクリーンＳに投射するためのオフアキシャル系を利用した実施形態１の構成の反射型光学系である。同図においては実施形態１の反射型光学系１を用いて画像表示パネル上の画像をスクリーンＳに上に投影している。
【００７６】
［本発明の実施態様］
本発明の様々な例と実施形態が示され説明されたが、当業者であれば、本発明の趣旨と範囲は本明細書内の特定の説明と図に限定されるのではなく、本願特許請求の範囲に全て述べられた様々の修正と変更に及ぶことが理解されるであろう。
【００７７】
本発明の実施態様の例を以下に列挙する。
【００７８】
［実施態様１］
曲率を有する複数の反射面と、該複数の反射面の間に絞りを有し、入射光束が該複数の反射面で反射を繰り返して射出するように構成した反射型光学系において、
該絞りの中心を通過し、最終結像面の中心に至る光線を中心主光線とするとき、該絞りは、その面法線が中心主光線に対して傾いて配置されており、光入射側から見て該絞りの直前の反射面をＳＡ、該絞りの直後の反射面をＳＢとし、該反射面ＳＡに入射する中心主光線と該絞りの面法線とのなす角度をα１、該反射面ＳＢから射出する中心主光線と該絞りの面法線とのなす角度をα２とするとき、
【００７９】
【数７】
ただし、−１８０＜α１＜１８０、−１８０＜α２＜１８０
の条件式を満たすことを特徴とする反射型光学系。
【００８１】
［実施態様２］
前記絞りを含む平面外に、該絞りに隣接する反射面が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の反射型光学系。
【００８２】
［実施態様３］
前記絞りは、該絞りの前後の反射面の光軸方向のほぼ中央の位置に配置されていることを特徴とする実施態様１又は２に記載の反射型光学系。
【００８３】
［実施態様４］
前記絞りの開口径は回転非対称であることを特徴とする実施態様１、２又は３に記載の反射型光学系。
【００８４】
［実施態様５］
曲率を有する複数の反射面と、該複数の反射面の間に絞りを有し、入射光束が該複数の反射面で反射を繰り返して射出するように構成した反射型光学系において、
該絞りの中心を通過し、最終結像面の中心に至る光線を中心主光線とするとき、該絞りは、その面法線が中心主光線に対して傾いて配置されており、該絞りに隣接する２つの反射面における中心主光線が反射する位置での面法線と該絞りの面法線との為す角度を夫々γ１、γ２とするとき、
【００８５】
【数８】
ただし、−１８０＜γ１＜１８０、−１８０＜γ２＜１８０
の条件式を満たすことを特徴とする反射型光学系。
【００８７】
［実施態様６］
前記絞りを含む平面外に、該絞りに隣接する反射面が配置されていることを特徴とする実施態様５に記載の反射型光学系。
【００８８】
［実施態様７］
前記絞りは、該絞りの前後の反射面の光軸方向のほぼ中央の位置に配置されていることを特徴とする実施態様５又は６に記載の反射型光学系。
【００８９】
［実施態様８］
前記絞りの開口径は回転非対称であることを特徴とする実施態様５、６又は７に記載の反射型光学系。
【００９０】
［実施態様９］
実施態様１乃至８の何れか１項に記載の反射型光学系と、撮像手段とを有し、該撮像手段の撮像面上に物体の像を結像することを特徴とする撮像装置。
【００９１】
［実施態様１０］
実施態様１乃至８の何れか１項に記載の反射型光学系とラインセンサーとを有し、画像情報を該ラインセンサー上に結像させて、該画像情報を読み取ることを特徴とする画像読取装置。
【００９２】
［実施態様１１］
実施態様１乃至８の何れか１項に記載の反射型光学系を用いて、物体面上のパターンを感光基板上に縮小露光することを特徴とする露光装置。
【００９３】
［実施態様１２］
実施態様１乃至８の何れか１項に記載の反射型光学系を用いて、画像表示パネル上の画像をスクリーンに上に投影することを特徴とする投射型表示装置。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば前述の如く絞りをその面法線が中心主光線に対して傾くように配置し、さらに条件式（１）または条件式（２）を満たすように各要素を設定することにより、絞りや該絞りを保持する部材が光束を妨げることなく、また反射面と干渉することなく配置することが可能でありながら全体としてコンパクトな反射型光学系を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１のＹＺ面内での要部断面図
【図２】本発明の実施形態１の絞り周辺の拡大説明図
【図３】実施形態１に対して絞りを傾けずに配置した光学系の要部断面図
【図４】本発明の実施形態１の横収差図
【図５】本発明の実施形態２のＹＺ面内での要部断面図
【図６】本発明の実施形態２の絞り周辺の拡大説明図
【図７】実施形態２に対して絞りを傾けずに配置した光学系の要部断面図
【図８】本発明の実施形態２の横収差図
【図９】本発明の画像読取装置の要部概略図
【図１０】本発明の投射型表示装置の要部概略図
【図１１】従来の反射型光学系のＹＺ面内での要部断面図
【図１２】従来の反射型光学系のＹＺ面内での要部断面図
【符号の説明】
Ｒｉ，Ｒｍ，ｎ 面
Ｄｉ 基準軸に沿った面間隔
Ｎｄｉ 屈折率
νｄｉ アッベ数
θ 反射面の法線と基準軸のなす角度
１，２ 反射光学系
Ｃ キャリッジ
ＣＧ 原稿台ガラス
Ｆ フィルタ
Ｉ ラインセンサー
Ｌ 絞りを配置するためのスペース
Ｌａｍｐ 照明光源
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ 反射ミラー
Ｏ 原稿
Ｓｉ 撮像面
ＳＴＯ 絞り
Claims (1)
- 曲率を有する複数の反射面と、該複数の反射面の間に絞りを有し、入射光束が該複数の反射面で反射を繰り返して射出するように構成した反射型光学系において、
該絞りの中心を通過し、最終結像面の中心に至る光線を中心主光線とするとき、該絞りは、その面法線が中心主光線に対して傾いて配置されており、光入射側から見て該絞りの直前の反射面をＳＡ、該絞りの直後の反射面をＳＢとし、該反射面ＳＡに入射する中心主光線と該絞りの面法線とのなす角度をα１、該反射面ＳＢから射出する中心主光線と該絞りの面法線とのなす角度をα２とするとき、
の条件式を満たすことを特徴とする反射型光学系。
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