JP4081178B2 - 結像光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結像光学系に関し、その中でも特に、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、フィルムスキャナー等、小型の撮像素子を用いた装置用の結像光学系であって反射面にパワーを有する薄型光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、フィルムスキャナー等の結像光学系では、撮像素子の小型化に伴い薄型で小型軽量、低コストな光学系が求められている。
【０００３】
その中でも特に薄型化に関しては、回転対称共軸光学系の場合、光学素子を光軸方向に配列するために、性能確保との両立には限界がある。また、同時に、回転対称な屈折レンズを用いることにより発生する色収差を補正するために、レンズ枚数の増加は避けられず、低コスト化も困難な状況である。そこで、最近では、特に色収差の発生しない反射面にパワーを持たせ、光軸方向の光路を折り畳むことで、薄型化、小型化を図った光学系がいくつか提案されている。
【０００４】
特開平７−３３３５０５号のものは、偏心した反射面にパワーを付けて光路を折り畳み、光学系の厚みを小さくすることを提案しているが、その実施例では構成する光学部材が５個と多い上、実際の光学性能は不明である。また、その反射面の形状までは言及されていない。
【０００５】
また、特開平８−２９２３７１号、特開平９−５６５０号、特開平９−９０２２９号のものは、プリズム１個あるいは複数のミラーを１つの部材としてブロック化することで光路を折り畳み、その光学系内部で像をリレーしながら最終像を形成する光学系が示されている。しかし、これらの例では、像をリレーするために反射の回数が多く、その面精度誤差、偏心精度誤差が積算されて転送されることから、個々の精度が厳しくなり、コストアップにつながり好ましくない。また、同時に、像をリレーするために、光学系全体の体積も大きくなり好ましくない。また、特開平９−２２２５６３号では、複数のプリズムを用いた例を示しているが、像をリレーするために、同様の理由からコストアップ、光学系の大型化につながり好ましくない。
【０００６】
また、特開平９−２１１３３１号のものは、プリズム１個を用いて光路を折り畳み、光学系の薄型化、小型化を図った例であるが、収差の補正が十分ではない。
【０００７】
また、特開平８−２９２３６８号、特開平８−２９２３７２号、特開平９−２２２５６１号、特開平９−２５８１０５号、特開平９−２５８１０６号のものは何れもズームレンズの例である。しかし、これらの例も、プリズム内部で像をリレーしているために、反射の回数が多く、反射面の面精度誤差、偏心精度誤差が積算されて転送され好ましくない。同時に、光学系の大型化も避けられず好ましくない。
【０００８】
また、特開平１０−２０１９６号のものは、正負の２群ズームレンズの正の前群を、絞りを挟んで物体側に負のパワーのプリズムで、像側を正のパワーのプリズムで構成した例である。また、負のプリズムと正のプリズムから構成される正の前群を２つに分割し、負正負の３群ズームレンズに構成した例も開示されている。しかし、これらの例で用いられるプリズムは、２つの透過面、２つの反射面が独立の面であるために、そのスペースを確保する必要上、また同時に、撮像面がライカサイズのフィルムフォーマットと大きいため、プリズム自体の大型化が避けられない。また、何れのズームレンズの例も、プリズムを移動させることで変倍を行っているため、全ての変倍領域で性能を維持するために反射面の偏心精度が厳しくなり、コスト高になるという問題を有している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一般の屈折光学系で所望の屈折力を得ようとすると、その境界面で光学素子の色分散特性のために色収差が発生する。それを補正する目的と、他の光線収差を補正するために、屈折光学系は多くの構成要素を必要としてコスト高になるという問題を有している。また、同時に、光路が光軸に沿って直線になるために、光学系全体が光軸方向に長くなってしまい、撮像装置が大型になってしまうという問題があった。
【００１０】
また、従来技術で述べたような偏心光学系では、収差が良好に補正され、なおかつ、特に回転非対称なディストーションが良好に補正されていないと、結像された図形等が歪んで写ってしまい、正しい形状を再現することができないという問題があった。
【００１１】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、パワーを有する反射面を用いて光路を折り畳むことにより、小型化、薄型化された高性能で低コストな結像光学系を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の結像光学系は、パワーを有する複数の反射面を有し、反射面の順序を物体からの光線が交わる順として、その反射面の中、最も物体側に負のパワーの反射面を配置し、それよりも像側に正のパワーの反射面を有する光学系において、前記負のパワーの反射面と前記正のパワーの反射面との間に少なくとも１面の反射面を有し、その少なくとも１面の反射面に入射する軸上主光線が以下の条件式（１）を満足することを特徴とするものである。
４５°＜｜θ｜ ・・・（１）
ここで、θは、物点中心を通り、絞り中心を通過して、像面中心に到達する光線を軸上主光線とするとき、軸上主光線が前記の少なくとも１面の反射面と交わる点における該反射面の偏心方向の法線と軸上主光線のなす角である。
【００１３】
この場合、そのパワーを有する複数の反射面の中、最も物体側の負のパワーの反射面が以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
｜Θｎ｜＜４５° ・・・（２）
ここで、Θｎは、軸上主光線がその負のパワーの反射面と交わる点におけるその反射面の偏心方向の法線と軸上主光線のなす角である。
【００１４】
また、そのパワーを有する複数の反射面の中、最も物体側の負のパワーの反射面よりも像側に配置された正のパワーの反射面が以下の条件式（３）を満足することが望ましい。
｜Θｐ｜＜４５° ・・・（２）
ここで、Θｐは、軸上主光線がその正のパワーの反射面と交わる点におけるその反射面の偏心方向の法線と軸上主光線のなす角である。
【００１５】
以下、本発明において上記構成をとる理由と作用を説明する。
レンズを用いた屈折光学系では、その境界面を光線が屈折し、次の境界面まで伝播していくということを繰り返し結像が行われる。したがって、物体から出た光線は基本的にはレンズを透過して像面に到達するため、一般の共軸光学系では光軸方向の厚みを小さくすることは非常に困難である。個々のレンズのパワーを強くしたり、光学系全系のパワー配置を工夫することで多少の薄型化を達成することは可能であるが、抜本的な問題の解決にはなっていない。さらに、屈折光学系では、レンズの境界面で光線が屈折する際に、レンズの色分散特性による色収差の発生が避けられない。その結果、別のレンズを付加して色収差を補正しなければならず、レンズ枚数が増えコストアップにつながってしまう。さらに、光学系も大型化して好ましくない。
【００１６】
一方、ミラーやプリズム等を用いた反射光学系は、その反射面にパワーを持たせても原理的に色収差の発生はなく、色収差を補正する目的だけのために別の光学素子を付加する必要はない。そのため、反射光学系は、屈折光学系に比べて色収差補正の観点から光学素子の構成枚数の削減による小型化と低コスト化が可能である。また、同時に、反射光学系は光路を折り畳むことになるために、屈折光学系に比べて光学系自身の薄型化が可能である。
【００１７】
また、撮像素子が小型になればなる程、同じ画角の仕様でも実際の光学系の焦点距離は短くなる。しかし、物理的な光学素子の大きさや焦点距離の制限から、全系の光路長は全系の焦点距離よりも長くなることが好ましく、そのためには全系を負正のレトロフォーカスタイプで構成することが望ましい。同時に、これは、ＣＣＤ等の幾何学的な画素配列を有する撮像素子を用いる光学系において、モアレ除去や赤外線の影響を排除するために光学的ローパスフィルターや赤外カットフィルターを光学系と撮像素子の間に配置するためにも最適な構成である。
【００１８】
以上より、本発明は、反射面に負と正のパワーを持たせたレトロフォーカスタイプで構成することを特徴とするが、これだけでは光学系の薄型化を十分には達成できない。以下、薄型化について詳述する。
【００１９】
光学系が必要とする光路長は、光路が光軸に沿って直線的でも折り畳まれていても基本的には変わらない。そのため、反射面を用いて薄型化を達成するためには、図１３で示すように、多数の反射面Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，・・・を用いて光線が光学系に入射する方向とは略垂直方向に光線を導くということが考えられる。しかし、この場合、薄型化は達成されるが、多数の反射面Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，・・・を用いるため、屈折面に比べて偏心誤差感度の高い反射面を精度良く加工、組立する必要が生じ、結果的にコストアップにつながってしまう。
【００２０】
そこで、本発明は前述の構成と条件式を満足することで、偏心誤差感度の高い反射面の使用を最小限にとどめることができるので、薄型化と同時にコストダウンが図られる。
【００２１】
すなわち、本発明は多数の反射面を用いる代りに、前記条件式（１）を満足する反射面を、負のパワーの反射面と正のパワーの反射面の間に少なくとも１面設けることで、光線が光学系に入射する方向とは鈍角的に軸上主光線を反射させ薄型化を可能にするものである。また、これにより、同じ光路長でも、軸上主光線が鋭角的に反射する反射面を用いて薄型化する構成に比べ、偏心誤差感度の高い反射面数を減らすことができるので、コストダウンが可能となる。条件式（１）の下限４５°を越えると、軸上主光線が鋭角的に反射してしまい、少ない反射面数では薄型化が図れなくなってしまう。また、その状態のままで薄型化を図ろうとすると、反射面を増やさなけれならず、コストアップにつながってしまう。
【００２２】
これにより、本発明の目的は達せられる。なお、本発明の反射面配置の概念図を図１４に示す。図１４において、負のパワーの反射面をＭｎ、正のパワーの反射面をＭｐ、その間に配置される反射面をＭａ、Ｍｂとしている。
【００２３】
また、さらに条件式（１）の上限値を条件式（１−１）のように設定すれば、なお好ましい。
４５°＜｜θ｜＜９０° ・・・（１−１）
この条件式（１−１）の上限９０°を越えると、反射面としての作用がなくなってしまう。
【００２４】
また、さらに条件式（１−２）を満足することが性能確保上好ましい。
４５°＜｜θ｜＜７０° ・・・（１−２）
また、本発明で用いる反射面はミラーを用いた表面反射、プリズムを用いた裏面反射等が利用可能である。ミラーを用いた表面反射の場合は、原理的にそこでの色収差の発生はなく、光学系の性能に悪影響を及ぼさない。また、プリズムを用いた裏面反射の場合は、入射面、射出面に曲率を持たせることで収差補正の自由度が増し、さらに良好な性能を達成することが可能である。特に、反射面としてプリズムを用いる場合は、それぞれの面の相対的な位置関係が固定されているので、プリズム単体として偏心を制御すればよく、屈折面に対して偏心誤差感度の高い反射面の必要以上の組立精度、調整工数が不要である。
【００２５】
また、本発明で負のパワーと正のパワーを有する反射面をプリズムの裏面反射とすれば、その反射面に所望のパワーの大部分を分担させ、屈折面である入射面と射出面のパワーを小さくすることで、ミラーに対して収差補正の自由度を大きく保ったまま、レンズ等のような屈折光学素子に比べて色収差の発生を非常に小さくすることが可能である。また、プリズム内部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているために、空気に比べ光路長を長くとることができ、空気中に配置されるレンズやミラー等よりは、光学系の薄型化、小型化が可能である。
【００２６】
また、本発明で用いられるパワーを有する複数の反射面の中、最も物体側の負のパワーの反射面を以下の条件式（２）を満足させることで、光学系の薄型化と性能確保に加え、十分なバックフォーカスをとることが可能となる。
｜Θｎ｜＜４５° ・・・（２）
ここで、Θｎは、軸上主光線が前記の負のパワーの反射面と交わる点におけるその反射面の偏心方向の法線と軸上主光線のなす角である。
【００２７】
本発明のように、反射面を用いて光学系の薄型化を図る場合、少なくとも反射面の中１面は軸上主光線に対して偏心していることが望ましい。反射面が全く偏心していない場合、少なくとも軸上主光線が遮られる現象が発生し、軸上に像を結ばないということが起こってしまう。しかし、一方、反射面にパワーを持たせる場合、その反射面が軸上主光線に対して偏心していると、軸上でも回転非対称な偏心収差が発生する。回転非対称な偏心収差は、回転対称な面では完全に補正することは原理上不可能で、ある許容内に抑えることが重要となる。特に、偏心収差の発生量は、パワーの大きさもさることながら、偏心量に大きく依存するため、所望のパワーを得るためには偏心量をある程度小さくしなければならない。条件式（２）は、反射面に所望のパワーを持たせながら偏心収差を許容内に抑えるために設けた条件式であり、この上限４５°を越えると、その面で発生する偏心収差が大きくなりすぎ、その補正ができなくなる。
【００２８】
また、条件式（２）の下限を以下のように設定すれば、なお好ましい。
５°＜｜Θｎ｜＜４５° ・・・（２−１）
この条件式（２−１）の下限５°を越えると、軸上主光線が別の反射面で遮られる結果となり、軸上に像を結ばなくなる。
【００２９】
また、さらに以下の条件式（２−２）を満足すると、薄型化と同時に偏心収差の発生をなお良好に補正できるので好ましい。
５°＜｜Θｎ｜＜３０° ・・・（２−２）
また、本発明で用いられる負のパワーの反射面よりも像側の正のパワーを有する反射面を、以下の条件式（３）を満足させることで、光学系の薄型化と性能確保が可能となる。なお、ここで言う正のパワーの反射面とは、前記負のパワーの反射面よりも像側に配置され、本発明の光学系中、最も強い正のパワーを有する反射面を指す。
【００３０】
｜Θｐ｜＜４５° ・・・（３）
ここで、Θｐは、軸上主光線が前記の正のパワーの反射面と交わる点におけるその反射面の偏心方向の法線と軸上主光線のなす角である。
【００３１】
条件式（３）は、反射面に所望のパワーを持たせながら偏心収差を許容内に抑えるために設けた条件式であり、この上限４５°を越えると、その面で発生する偏心収差が大きくなりすぎ、その補正ができなくなる。
【００３２】
また、条件式（３）の下限を以下のように設定すれば、なお好ましい。
５°＜｜Θｐ｜＜４５° ・・・（３−１）
この条件式（３−１）の下限５°を越えると、軸上主光線が別の反射面で遮られる結果となり、軸上に像を結ばなくなる。
【００３３】
また、さらに以下の条件式（３−２）を満足すると、薄型化と同時に偏心収差の発生をなお良好に補正できるので好ましい。
５°＜｜Θｐ｜＜４０° ・・・（３−２）
また、本発明で用いられる前記の負のパワーの反射面は、反射作用のみを有する反射面であることが好ましい。反射作用のみの場合、偏心収差が許容できる範囲内であれば所望のパワーを持たせることができるが、反射作用と透過作用を併せ持つ面であると、その透過作用により発生する色収差が大きくなりすぎ、その補正ができなくなる。
【００３４】
また、本発明で用いられる前記の正のパワーの反射面は、反射作用のみを有する反射面であることが好ましい。反射作用のみの場合、偏心収差が許容できる範囲内であれば所望のパワーを持たせることができるが、反射作用と透過作用を併せ持つ面であると、その透過作用により発生する色収差が大きくなりすぎ、その補正ができなくなる。
【００３５】
また、本発明において、パワーを付けた反射面を軸上主光線に対して偏心させた場合、本発明で用いられる面の中、少なくとも１つの面は回転非対称な面であることが望ましい。その中でも特に、少なくとも１つの反射面を回転非対称な面にすることが収差補正上は好ましい。
【００３６】
その理由を以下に詳述する。
まず、用いる座標系、回転非対称な面について説明する。
軸上主光線が、光学系の第１面に交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交し、かつ、撮像光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸とする。光線の追跡方向は、物体から像面に向かう順光線追跡で説明する。
【００３７】
一般に、球面レンズでのみ構成された球面レンズ系では、球面により発生する球面収差と、コマ収差、像面湾曲等の収差をいくつかの面でお互いに補正しあい、全体として収差を少なくする構成になっている。
【００３８】
一方、少ない面数で収差を良好に補正するためには、回転対称非球面等が用いられる。これは、球面で発生する各種収差自体を少なくするためである。
しかし、偏心した光学系においては、偏心により発生する回転非対称な収差を回転対称光学系で補正することは不可能である。この偏心により発生する回転非対称な収差は、歪曲収差、像面湾曲、さらに、軸上でも発生する非点収差、コマ収差がある。
【００３９】
まず、回転非対称な像面湾曲について説明する。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡に入射した光線は、凹面鏡に当たって反射結像されるが、光線が凹面鏡に当たって以降、像面までの後側焦点距離は、像界側が空気の場合、光線が当たった部分の曲率半径の半分になる。すると、図２１に示すように、軸上主光線に対して傾いた像面を形成する。このように、回転非対称な像面湾曲を補正するには回転対称な光学系では不可能である。
【００４０】
この傾いた像面湾曲をその発生源である凹面鏡Ｍ自身で補正するには、凹面鏡Ｍを回転非対称な面で構成し、この例ではＹ軸正の方向に対して曲率を強く（屈折力を強く）し、Ｙ軸負の方向に対して曲率を弱く（屈折力を弱く）すれば、補正することができる。また、上記構成と同様な効果を持つ回転非対称な面を、凹面鏡Ｍとは別に光学系中に配置することにより、少ない構成枚数でフラットの像面を得ることが可能となる。
また、回転非対称な面は、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない回転非対称面形状の面とすることが、自由度が増え収差補正上は好ましい。
【００４１】
次に、回転非対称な非点収差について説明する。
上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図２２に示すような非点収差が発生する。この非点収差を補正するためには、上記説明と同様に、回転非対称面のＸ軸方向の曲率とＹ軸方向の曲率を適切に変えることによって可能となる。
【００４２】
さらに、回転非対称なコマ収差について説明する。
上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図２３に示すようなコマ収差が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転非対称面のＸ軸の原点から離れるに従って面の傾きを変えると共に、Ｙ軸の正負によって面の傾きを適切に変えることによって可能となる。
【００４３】
また、本発明の結像光学系では、前述の反射作用を有する少なくとも１つの面が軸上主光線に対し偏心し、回転非対称な面形状でパワーを有する構成も可能である。このような構成をとれば、その反射面にパワーを持たせることで発生する偏心収差をその面自体で補正することが可能となり、プリズムの屈折面のパワーを緩めることで、色収差の発生自体を小さくすることができる。
【００４４】
また、本発明で用いる上記の回転非対称面は、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面であることが好ましい。ここで、本発明で使用する自由曲面とは、以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００４５】
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
【００４６】
球面項中、
ｃ：頂点の曲率
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）
である。
【００４７】
自由曲面項は、
ただし、Ｃj （ｊは２以上の整数）は係数である。
【００４８】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2 、Ｃ5 、Ｃ7 、Ｃ9 、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００４９】
また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ3 、Ｃ5 、Ｃ8 、Ｃ10、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００５０】
また上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向上させることが可能となる。
【００５１】
また、上記定義式（ａ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本発明は、対称面を１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。
【００５２】
また、本発明の光学系にプリズムを用いる場合、少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの面を透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面とすることが望ましい。偏心誤差感度の高い反射面を用いた反射光学素子は、各面の偏心誤差が次の面へ転送され、最終的にはそれぞれの面の偏心誤差が積算されてしまう。特に、反射光学素子の中でもプリズムを用いた場合は、プリズム成型時に偏心誤差が決まってしまい、組立調整でそれを修正することはできない。そのため、偏心誤差の積算を少なくするためには、反射面数は少ない程よく、さらには、プリズム内の光路長は小さい程偏心誤差は小さいまま転送される。その結果、反射面の製作精度は緩和される。
【００５３】
そこで、少なくとも１つのプリズムに、反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面を少なくとも１面用いることで、少ないスペースを有効に使い、プリズム自身の小型化を達成すると同時に、光路長を短縮することができるので、偏心誤差を小さくすることが可能である。これにより、コストダウンが図られる。
【００５４】
なお、本発明の透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面において、反射作用は全反射によるものとすることが望ましい。全反射条件を満たさなければ、反射作用と透過作用を併せ持つことができず、プリズム自体の小型化が困難になってしまう。
【００５５】
また、本発明で用いられる反射面の中、全反射面以外の反射面は、アルミニウム又は銀等の金属薄膜を表面に形成した反射面、又は、誘電体多層膜の形成された反射面で構成することが好ましい。金属薄膜で反射作用を有する場合は、手軽に高反射率を得ることが可能となる。また、誘電体反射膜の場合は、波長選択性や吸収の少ない反射膜を形成する場合に有利となる。
【００５６】
また、発明において、結像光学系のフォーカシングは、全体繰り出しやプリズムを１つだけ移動することにより可能なのは言うまでもないが、最も像側の面から射出した軸上主光線の方向に結像面を移動させることによりフォーカシングすることが可能である。これにより、結像光学系が偏心することで物体からの軸上主光線の入射方向と最も像側の面から射出する軸上主光線の方向とが一致していなくても、フォーカシングによる軸上主光線の入射側のずれを防ぐことができる。また、図１１に示すように、平行平面板を複数の楔状のプリズムＰ１，Ｐ２に分割し、それをＺ軸（光軸）と垂直方向に移動させることでフォーカシングするフォーカシング用プリズム６とすることも可能である。この場合も、結像光学系の偏心にはよらずフォーカシングが可能である。
【００５７】
また、本発明において、少なくともプリズムの１つをプラスチック等のような樹脂材料を用いれば、コストダウンが図れる。また、アモルファスポリオレフィン等のような低吸湿材料を用いれば、湿度変化に対しても結像性能の変化が少なくて望ましい。
【００５８】
また、本発明において、図１２に示すように、本発明の結像光学系の入射面より物体側に、ミラー等の反射部材７を用いて、本発明の結像光学系の偏心方向とは異なった向きに光路を折り畳むことも可能である。これにより、さらに結像光学系のレイアウトの自由度が増え、結像光学装置全体の小型化が図られる。
【００５９】
また、本発明において、結像光学系をプリズムのみから構成することも可能である。これにより部品点数が減り、コストダウンが図られる。さらに、絞りの前後で複数のプリズムを一体化し、１つのプリズムとすることも当然可能である。これにより、さらなるコストダウンが可能である。
【００６０】
また、本発明において、結像光学系の屈折面、反射面を球面、あるいは、回転対称非球面で構成することも当然可能である。
【００６１】
【発明の実施の形態】
本発明の結像光学系の実施例１〜５について説明する。なお、各実施例の構成パラメータは後に示す。
各実施例において、図１に示すように、光学系の特定の面（図１の実施例１では、面番号１の仮想面と面番号６の絞り面。実施例２〜４も同様。実施例５では、面番号１の仮想面と面番号８の絞り面。）の中心を偏心光学系の原点として、軸上主光線１を物体中心を出て、絞り２の中心を通る光線で定義する。物体中心から光学系の第１面まで軸上主光線１に沿って進む方向をＺ軸方向、このＺ軸と像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、光線が光学系の面によって折り曲げられる面内の方向で、かつ、Ｙ−Ｚ平面内のＺ軸に直交する方向にＹ軸をとる。物点から光学系の第１面に向かう方向をＺ軸の正方向とし、Ｙ軸の正方向を図の上方向にとる。そして、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸とする。
【００６２】
実施例１〜５では、このＹ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【００６３】
偏心面については、光学系の原点の中心から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記の（ｂ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。
【００６４】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００６５】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は前記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００６６】
また、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
ただし、Ｚを光の進行方向を正とした光軸（軸上主光線）とし、ｙを光軸と垂直な方向にとる。ここで、Ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
【００６７】
なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００６８】
また、自由曲面の他の定義式として、以下の（ｃ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表せられる。
【００６９】
なお、Ｘ軸方向に対称な光学系として設計するには、Ｄ4 ，Ｄ5 ，Ｄ6 、Ｄ10０，Ｄ11，Ｄ12，Ｄ13，Ｄ14，Ｄ20，Ｄ21，Ｄ22…を利用する。
【００７０】
その他の面の例として、次の定義式（ｄ）があげられる。
Ｚ＝ΣΣＣnmＸＹ
例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したとき、以下の式で表せる。
なお、本発明の実施例では、前記（ａ）式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記（ｃ）式、（ｄ）式を用いても同様の作用効果を得られるのは言うまでもない。
【００７１】
実施例１〜５は、像の大きさが約２．５×１．８の１／３インチサイズの撮像素子を想定している。もちろん、その他のサイズの場合でも適用できるのは言うまでもない。また、本発明は、本発明の結像光学系を用いた撮像光学系のみならず、その光学系を組み込んだ撮像装置も含むものである。
【００７２】
実施例１の軸上主光線１を含むＹ−Ｚ断面図を図１に示す。実施例１は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【００７３】
実施例１は、図１に示すように、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、第２反射面１３、第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、正パワーの第１反射面２２、第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０と、光学的ローパスフィルター４と、イメージャー表面を保護するカバーガラス５と、像面３（イメージャー受光面）を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１透過面２１と第２反射面２３をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＺ軸に対して略垂直である。
【００７４】
本実施例では、第１プリズム１０でＺ軸方向からの入射光線をＹ軸方向に屈曲させ、次の第２プリズム２０で再度Ｚ軸方向に屈曲させるという構成をとっている。これにより、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【００７５】
実施例２の軸上主光線１を含むＹ−Ｚ断面図を図２に示す。実施例２は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【００７６】
実施例２は、図２に示すように、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、負パワーの第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０と、光学的ローパスフィルター４と、イメージャー表面を保護するカバーガラス５と、像面３（イメージャー受光面）を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＹ軸に対して略垂直である。
【００７７】
本実施例では、第１プリズム１０でＺ軸方向からの入射光線をＹ軸方向に屈曲させ、次の第２プリズム２０で再度Ｚ軸方向からＹ軸方向に屈曲させるという構成をとっている。これにより、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【００７８】
実施例３の軸上主光線１を含むＹ−Ｚ断面図を図３に示す。実施例３は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【００７９】
実施例３は、図３に示すように、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、正パワーの第１反射面２２、第２反射面２３、第２透過面２４からなる第２プリズム２０と、光学的ローパスフィルター４と、イメージャー表面を保護するカバーガラス５と、像面３（イメージャー受光面）を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１透過面２１と第２反射面２３をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。
【００８０】
本実施例は、プリズムをＹ軸方向に２つ重ねることで、特にＺ軸方向の厚みを小さくしたものである。また、結像光学系の最終面から射出する軸上主光線もＹ軸方向に射出している。
【００８１】
実施例４の軸上主光線１を含むＹ−Ｚ断面図を図４に示す。実施例４は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【００８２】
実施例４は、図４に示すように、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、負パワーの第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０と、光学的ローパスフィルター４と、イメージャー表面を保護するカバーガラス５と、像面３（イメージャー受光面）を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面はＺ軸に対して垂直である。
本実施例は、プリズムをＹ軸方向に２つ重ねることで、特にＺ軸方向の厚みを小さくしたものである。
【００８３】
実施例５の軸上主光線１を含むＹ−Ｚ断面図を図５に示す。実施例５は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【００８４】
実施例５は、図５に示すように、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、光学的ローパスフィルター４と、絞り２と、正パワーの第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０と、イメージャー表面を保護するカバーガラス５と、像面３（イメージャー受光面）を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第９面から第１３面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面はＺ軸に対して垂直である。
本実施例は、実施例４と同様に、プリズムをＹ軸方向に２つ重ねることで、特にＺ軸方向の厚みを小さくしたものである。ただし、実施例４で光学系と像面の間に配置されていた光学的ローパスフィルターを２つのプリズム１０、２０の間に配置し、さらに薄型化を図った例である。
【００８５】
以下、上記実施例１〜５の構成パラメータを示す。ここで、自由曲面は“ＦＦＳ”で、回転対称非球面は“ＡＡＳ”で示してある。
【００８６】
【００８７】
【００８８】
【００８９】
【００９０】
次に、上記実施例１〜５の横収差図をそれぞれ図６〜図１０に示す。これらの横収差図において、括弧内に示された数字は（水平（Ｘ方向）画角、垂直（Ｙ方向）画角）を表し、その画角における横収差を示す。各収差図において、下から上へ順に、画面中心、Ｙ軸上像高の−約７０％の位置、Ｘ方向像高の約７０％でＹ方向像高の−約７０％の位置、Ｘ軸上像高の約７０％の位置、Ｘ方向像高の約７０％でＹ方向像高の約７０％の位置、Ｙ軸上像高の約７０％の位置の横収差である。
【００９１】
さて、以上のような本発明の結像光学系は、物体像を形成しその像をＣＣＤや銀塩フィルムといった撮像素子に受光させて撮影を行う撮影装置、とりわけカメラや内視鏡に用いることができる。また、物体像を接眼レンズを通して観察する観察装置、とりわけカメラのファインダー部の対物光学系としても用いることが可能である。以下に、その実施形態を例示する。
【００９２】
図１５〜図１７は、本発明の結像光学系を電子カメラのファインダー部の対物光学系に組み込んだ構成の概念図を示す。図１５は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図１６は同後方斜視図、図１７は電子カメラ４０の構成を示す断面図である。電子カメラ４０は、この例の場合、撮影用光路４２を有する撮影光学系４１、ファインダー用光路４４を有するファインダー光学系４３、シャッター４５、フラッシュ４６、液晶表示モニター４７等を含み、カメラ４０の上部に配置されたシャッター４５を押圧すると、それに連動して撮影用対物光学系４８を通して撮影が行われる。撮影用対物光学系４８によって形成された物体像が、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター５１’を介してＣＣＤ４９の撮像面５０上に形成される。このＣＣＤ４９で受光された物体像は、処理手段５２を介し、電子画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター４７に表示される。また、この処理手段５２にはメモリ等が配置され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、このメモリは処理手段５２と別体に設けらてもよいし、フロッピーディスク等により電子的に記録書込を行うように構成してもよい。また、ＣＣＤ４９に代わって銀塩フィルムを配置した銀塩カメラとして構成してもよい。
【００９３】
さらに、ファインダー用光路４４上には、本発明の結像光学系をファインダー用対物光学系５３として配置してある。ファインダー用対物光学系５３にはカバー部材５４が配置されている。このファインダー用対物光学系５３によって形成された物体像は、像正立部材であるポロプリズム５５の視野枠５７上に形成される。なお、視野枠５７は、ポロプリズム５５の第１反射面５６と第２反射面５８との間を分離し、その間に配置されている。このポリプリズム５５の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系５９が配置されている。
【００９４】
このように構成されたカメラ４０は、ファインダー用対物光学系５３を少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、対物光学系５３の光路自体を折り曲げて構成できるため、カメラ内部での配置の自由度が増し、設計上有利となる。
なお、本例では、ファインダー用対物光学系５３のカバー部材５４として平行平面板を配置しているが、パワーを持ったレンズを用いてもよい。
【００９５】
次に、図１８は、本発明の結像光学系を電子カメラ４０の撮影部の対物光学系４８に組み込んだ構成の概念図を示す。この撮影用対物光学系４８により形成された物体像は、赤外カットフィルター等のフィルター５１を介してＣＣＤ４９の撮像面５０上に形成される。このＣＣＤ４９で受光された物体像は、処理手段５２を介し、液晶表示素子（ＬＣＤ）６０上に電子像として表示される。また、この処理手段５２は、ＣＣＤ４９で撮影された物体像を電子情報として記録する記録手段６１の制御も行う。ＬＣＤ６０に表示された画像は、接眼光学系５９を介して観察者眼球Ｅに導かれる。この接眼光学系５９は、本発明の結像光学系に用いられているものと同様の形態を持つ偏心プリズムからなり、この例では、入射面６２と、反射面６３と、反射と屈折の兼用面６４の３面から構成されている。また、２つの反射作用を持った面６３、６４の中、少なくとも一方の面、望ましくは両方の面が、光束にパワーを与え、かつ、偏心収差を補正する唯一の対称面を持つ面対称自由曲面にて構成されている。そして、この唯一の対称面は、撮影用対物光学系４８のプリズム１０、２０が有する面対称自由曲面の唯一の対称面と略同一平面上に形成されている。
【００９６】
このように構成されたカメラ４０は、撮影用対物光学系４８を少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、光学系全体を同一平面上に並べて配置できるため、この配置平面と垂直方向の厚みの簿型化が実現できる。
なお、本例では、撮影用対物光学系４８のカバー部材６５として平行平面板を配置しているが、パワーを持ったレンズを用いてもよい。
【００９７】
ここで、カバー部材を設けずに、本発明の結像光学系の第１プリズム１０の最も物体側に配置された面をカバー部材と兼用することもできる。しかし、その場合、第１プリズム１０の最も物体側の面は、第１プリズム１０の入射面となる。そして、この入射面が光軸に対して偏心配置されているため、この面がカメラ前面に配置されてしまうと、被写体側から見た場合、カメラ４０の撮影中心が自分からずれているように錯覚してしまい（一般的なカメラ同様、入射面の垂直方向を撮影していると感じるのが通常である。）、違和感を与えてしまう。そこで、本例のように、結像光学系の最も物体側の面が偏心面である場合には、カバー部材６５を設けることが、被写体側から見た場合に違和感を感じずに、既存のカメラと同じ感覚で撮影を受けることができ望ましい。
【００９８】
次に、図１９は、本発明の結像光学系を電子内視鏡の観察系の対物光学系８０に組み込んだ構成の概念図を示す。この電子内視鏡は、図１９（ａ）に示すように、電子内視鏡７１と、照明光を供給する光源装置７２と、その電子内視鏡７１に対応する信号処理を行うビデオプロセッサ７３と、このビデオプロセッサ７３から出力される映像信号を表示するモニター７４と、このビデオブロセッサ７３と接続され映像信号等に記録するＶＴＲデッキ７５、及び、ビデオディスク７６と、映像信号を映像としてプリントアウトするビデオプリンタ７７と共に構成されており、電子内視鏡７１の挿入部７８の先端部７９は、図１９（ｂ）に示すように構成されている。光源装置７２から照明さた光束は、ライトガイドファイバー束８６を通って照明用対物光学系８５により、観察部位を照明する。そして、この観察部位からの光が、カバー部材８４を介して、観察用対物光学系８０によって物体像として形成される。この物体像は、赤外カットフィルター等のフィルター８１を介してＣＣＤ８２の撮像面８３上に形成される。さらに、この物体像は、ＣＣＤ８２によって映像信号に変換され、その映像信号は、図１９（ａ）に示すビデオプロセッサ７３により、モニター７４上に直接表示されると共に、ＶＴＲデッキ７５、ビデオディスク７６中に記録され、また、ビデオプリンタ７７から映像としてプリントアウトされる。
【００９９】
このように構成された内視鏡は、少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、結像光学系８０の第１プリズム１０と第２プリズム２０とが内視鏡の長軸方向に並ぶため、細径化を阻害することなく上記効果を得ることができる。なお、この例でも、カバー部材８４として平行平面板を配置しているが、パワーを持ったレンズを用いてもよい。
【０１００】
また、実施例１等の結像光学系をＣＣＤやフィルター等の撮像素子前方に配置するときの望ましい構成を図２０に示す。図中、偏心プリズムＰは、本発明の結像光学系の絞りの物体側あるいは像側に配置される偏心プリズムである。いま、撮像素子の撮像面Ｃが、図のように四角形を形成するとき、偏心プリズムＰに配置された面対称自由曲面の対称面Ｄが、この撮像面Ｃの四角形を形成する辺の少なくとも１つと平行になるように配置することが、美しい像形成の上で望ましい。
【０１０１】
さらに、この撮像面Ｃが正方形や長方形といった４つの内角がそれぞれ略９０°にて形成されている場合には、面対称自由曲面の対称面Ｄは、撮像面Ｃの互いに平行関係にある２辺に対して平行に配置され、より望ましくは、この２辺の中間に配置され、この対称面Ｄが撮像面Ｃを左右又は上下に対称となる位置に一致させている構成であることが好ましい。このように構成すれば、装置に組み込むときの組み込み精度が出しやすく、量産性に効果的である。
【０１０２】
さらに、偏心プリズムＰを構成する光学面である第１面、第２面、第３面等の中、複数の面又は全ての面が面対称自由曲面の場合には、複数の面又は全ての面の対称面が同一面Ｄ上に配置されるように構成することが、設計上も、収差性能上も望ましい。そして、この対称面Ｄと撮像面Ｃとの関係は、上述と同様の関係にあることが望ましい。
【０１０３】
また、以上の実施例の結像光学系の絞りの物体側及び像側に配置される偏心プリズムとしては、何れも光学面３面からなり、その中の１面が全反射作用と透過作用とを兼用する面で構成された内部反射回数２回のタイプのプリズムを用いたが、本発明に用いる偏心プリズムはこれに限られるものではない。
【０１０４】
【発明の効果】
以上説明したように、また、各実施例から明らかなように、少ない反射回数の反射面を用いて光路を折り畳むことにより、小型化、薄型化された低コストで高性能な結像光学系を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の結像光学系の断面図である。
【図２】本発明の実施例２の結像光学系の断面図である。
【図３】本発明の実施例３の結像光学系の断面図である。
【図４】本発明の実施例４の結像光学系の断面図である。
【図５】本発明の実施例５の結像光学系の断面図である。
【図６】実施例１の結像光学系の横収差図である。
【図７】実施例２の結像光学系の横収差図である。
【図８】実施例３の結像光学系の横収差図である。
【図９】実施例４の結像光学系の横収差図である。
【図１０】実施例５の結像光学系の横収差図である。
【図１１】本発明の結像光学系のフォーカシング機構の１例を示す図である。
【図１２】光路を折り畳む反射部材を用いた本発明の結像光学系の変形例を示す断面図である。
【図１３】本発明の前提となる多数の反射面からなる光学系の光路図である。
【図１４】本発明の結像光学系の反射面配置の概念図である。
【図１５】本発明の結像光学系を適用した電子カメラの外観を示す前方斜視図である。
【図１６】図１５の電子カメラの後方斜視図である。
【図１７】図１５の電子カメラの構成を示す断面図である。
【図１８】本発明の結像光学系を適用した別の電子カメラの概念図である。
【図１９】本発明の結像光学系を適用した電子内視鏡の概念図である。
【図２０】本発明による結像光学系を撮像素子前方に配置するときの望ましい構成を示す図である。
【図２１】偏心した反射面により発生する像面湾曲を説明するための概念図である。
【図２２】偏心した反射面により発生する非点収差を説明するための概念図である。
【図２３】偏心した反射面により発生するコマ収差を説明するための概念図である。
【符号の説明】
１…軸上主光線（光軸）
２…絞り
３…像面
４…光学的ローパスフィルター
５…カバーガラス
６…フォーカシング用プリズム
７…反射部材
１０…第１プリズム
１１…第１透過面
１２…第１反射面
１３…第２反射面
１４…第２透過面
２０…第２プリズム
２１…第１透過面
２２…第１反射面
２３…第２反射面
２４…第２透過面
４０…電子カメラ
４１…撮影光学系
４２…撮影用光路
４３…ファインダー光学系
４４…ファインダー用光路
４５…シャッター
４６…フラッシュ
４７…液晶表示モニター
４８…撮影用対物光学系
４９…ＣＣＤ
５０…撮像面
５１、５１’…フィルター
５２…処理手段
５３…ファインダー用対物光学系
５４…カバー部材
５５…ポロプリズム
５６…第１反射面
５７…視野枠
５８…第２反射面
５９…接眼光学系
６０…液晶表示素子（ＬＣＤ）
６１…記録手段
６２…入射面
６３…反射面
６４…反射と屈折の兼用面
６５…カバー部材
７１…電子内視鏡
７２…光源装置
７３…ビデオプロセッサ
７４…モニター
７５…ＶＴＲデッキ
７６…ビデオディスク
７７…ビデオプリンタ
７８…挿入部
７９…先端部
８０…観察用対物光学系
８１…赤外カットフィルター
８２…ＣＣＤ
８３…撮像面
８４…カバー部材
８５…照明用対物光学系
８６…ライトガイドファイバー束
Ｍ …凹面鏡
Ｅ …観察者眼球
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６…反射面
Ｍｐ…正のパワーの反射面
Ｍｎ…負のパワーの反射面
Ｍａ、Ｍｂ…反射面
Ｐ１、Ｐ２…楔状プリズム
Ｐ …プリズム
Ｃ …撮像面
Ｄ …対称面
【発明の属する技術分野】
本発明は、結像光学系に関し、その中でも特に、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、フィルムスキャナー等、小型の撮像素子を用いた装置用の結像光学系であって反射面にパワーを有する薄型光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、フィルムスキャナー等の結像光学系では、撮像素子の小型化に伴い薄型で小型軽量、低コストな光学系が求められている。
【０００３】
その中でも特に薄型化に関しては、回転対称共軸光学系の場合、光学素子を光軸方向に配列するために、性能確保との両立には限界がある。また、同時に、回転対称な屈折レンズを用いることにより発生する色収差を補正するために、レンズ枚数の増加は避けられず、低コスト化も困難な状況である。そこで、最近では、特に色収差の発生しない反射面にパワーを持たせ、光軸方向の光路を折り畳むことで、薄型化、小型化を図った光学系がいくつか提案されている。
【０００４】
特開平７−３３３５０５号のものは、偏心した反射面にパワーを付けて光路を折り畳み、光学系の厚みを小さくすることを提案しているが、その実施例では構成する光学部材が５個と多い上、実際の光学性能は不明である。また、その反射面の形状までは言及されていない。
【０００５】
また、特開平８−２９２３７１号、特開平９−５６５０号、特開平９−９０２２９号のものは、プリズム１個あるいは複数のミラーを１つの部材としてブロック化することで光路を折り畳み、その光学系内部で像をリレーしながら最終像を形成する光学系が示されている。しかし、これらの例では、像をリレーするために反射の回数が多く、その面精度誤差、偏心精度誤差が積算されて転送されることから、個々の精度が厳しくなり、コストアップにつながり好ましくない。また、同時に、像をリレーするために、光学系全体の体積も大きくなり好ましくない。また、特開平９−２２２５６３号では、複数のプリズムを用いた例を示しているが、像をリレーするために、同様の理由からコストアップ、光学系の大型化につながり好ましくない。
【０００６】
また、特開平９−２１１３３１号のものは、プリズム１個を用いて光路を折り畳み、光学系の薄型化、小型化を図った例であるが、収差の補正が十分ではない。
【０００７】
また、特開平８−２９２３６８号、特開平８−２９２３７２号、特開平９−２２２５６１号、特開平９−２５８１０５号、特開平９−２５８１０６号のものは何れもズームレンズの例である。しかし、これらの例も、プリズム内部で像をリレーしているために、反射の回数が多く、反射面の面精度誤差、偏心精度誤差が積算されて転送され好ましくない。同時に、光学系の大型化も避けられず好ましくない。
【０００８】
また、特開平１０−２０１９６号のものは、正負の２群ズームレンズの正の前群を、絞りを挟んで物体側に負のパワーのプリズムで、像側を正のパワーのプリズムで構成した例である。また、負のプリズムと正のプリズムから構成される正の前群を２つに分割し、負正負の３群ズームレンズに構成した例も開示されている。しかし、これらの例で用いられるプリズムは、２つの透過面、２つの反射面が独立の面であるために、そのスペースを確保する必要上、また同時に、撮像面がライカサイズのフィルムフォーマットと大きいため、プリズム自体の大型化が避けられない。また、何れのズームレンズの例も、プリズムを移動させることで変倍を行っているため、全ての変倍領域で性能を維持するために反射面の偏心精度が厳しくなり、コスト高になるという問題を有している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一般の屈折光学系で所望の屈折力を得ようとすると、その境界面で光学素子の色分散特性のために色収差が発生する。それを補正する目的と、他の光線収差を補正するために、屈折光学系は多くの構成要素を必要としてコスト高になるという問題を有している。また、同時に、光路が光軸に沿って直線になるために、光学系全体が光軸方向に長くなってしまい、撮像装置が大型になってしまうという問題があった。
【００１０】
また、従来技術で述べたような偏心光学系では、収差が良好に補正され、なおかつ、特に回転非対称なディストーションが良好に補正されていないと、結像された図形等が歪んで写ってしまい、正しい形状を再現することができないという問題があった。
【００１１】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、パワーを有する反射面を用いて光路を折り畳むことにより、小型化、薄型化された高性能で低コストな結像光学系を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の結像光学系は、パワーを有する複数の反射面を有し、反射面の順序を物体からの光線が交わる順として、その反射面の中、最も物体側に負のパワーの反射面を配置し、それよりも像側に正のパワーの反射面を有する光学系において、前記負のパワーの反射面と前記正のパワーの反射面との間に少なくとも１面の反射面を有し、その少なくとも１面の反射面に入射する軸上主光線が以下の条件式（１）を満足することを特徴とするものである。
４５°＜｜θ｜ ・・・（１）
ここで、θは、物点中心を通り、絞り中心を通過して、像面中心に到達する光線を軸上主光線とするとき、軸上主光線が前記の少なくとも１面の反射面と交わる点における該反射面の偏心方向の法線と軸上主光線のなす角である。
【００１３】
この場合、そのパワーを有する複数の反射面の中、最も物体側の負のパワーの反射面が以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
｜Θｎ｜＜４５° ・・・（２）
ここで、Θｎは、軸上主光線がその負のパワーの反射面と交わる点におけるその反射面の偏心方向の法線と軸上主光線のなす角である。
【００１４】
また、そのパワーを有する複数の反射面の中、最も物体側の負のパワーの反射面よりも像側に配置された正のパワーの反射面が以下の条件式（３）を満足することが望ましい。
｜Θｐ｜＜４５° ・・・（２）
ここで、Θｐは、軸上主光線がその正のパワーの反射面と交わる点におけるその反射面の偏心方向の法線と軸上主光線のなす角である。
【００１５】
以下、本発明において上記構成をとる理由と作用を説明する。
レンズを用いた屈折光学系では、その境界面を光線が屈折し、次の境界面まで伝播していくということを繰り返し結像が行われる。したがって、物体から出た光線は基本的にはレンズを透過して像面に到達するため、一般の共軸光学系では光軸方向の厚みを小さくすることは非常に困難である。個々のレンズのパワーを強くしたり、光学系全系のパワー配置を工夫することで多少の薄型化を達成することは可能であるが、抜本的な問題の解決にはなっていない。さらに、屈折光学系では、レンズの境界面で光線が屈折する際に、レンズの色分散特性による色収差の発生が避けられない。その結果、別のレンズを付加して色収差を補正しなければならず、レンズ枚数が増えコストアップにつながってしまう。さらに、光学系も大型化して好ましくない。
【００１６】
一方、ミラーやプリズム等を用いた反射光学系は、その反射面にパワーを持たせても原理的に色収差の発生はなく、色収差を補正する目的だけのために別の光学素子を付加する必要はない。そのため、反射光学系は、屈折光学系に比べて色収差補正の観点から光学素子の構成枚数の削減による小型化と低コスト化が可能である。また、同時に、反射光学系は光路を折り畳むことになるために、屈折光学系に比べて光学系自身の薄型化が可能である。
【００１７】
また、撮像素子が小型になればなる程、同じ画角の仕様でも実際の光学系の焦点距離は短くなる。しかし、物理的な光学素子の大きさや焦点距離の制限から、全系の光路長は全系の焦点距離よりも長くなることが好ましく、そのためには全系を負正のレトロフォーカスタイプで構成することが望ましい。同時に、これは、ＣＣＤ等の幾何学的な画素配列を有する撮像素子を用いる光学系において、モアレ除去や赤外線の影響を排除するために光学的ローパスフィルターや赤外カットフィルターを光学系と撮像素子の間に配置するためにも最適な構成である。
【００１８】
以上より、本発明は、反射面に負と正のパワーを持たせたレトロフォーカスタイプで構成することを特徴とするが、これだけでは光学系の薄型化を十分には達成できない。以下、薄型化について詳述する。
【００１９】
光学系が必要とする光路長は、光路が光軸に沿って直線的でも折り畳まれていても基本的には変わらない。そのため、反射面を用いて薄型化を達成するためには、図１３で示すように、多数の反射面Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，・・・を用いて光線が光学系に入射する方向とは略垂直方向に光線を導くということが考えられる。しかし、この場合、薄型化は達成されるが、多数の反射面Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，・・・を用いるため、屈折面に比べて偏心誤差感度の高い反射面を精度良く加工、組立する必要が生じ、結果的にコストアップにつながってしまう。
【００２０】
そこで、本発明は前述の構成と条件式を満足することで、偏心誤差感度の高い反射面の使用を最小限にとどめることができるので、薄型化と同時にコストダウンが図られる。
【００２１】
すなわち、本発明は多数の反射面を用いる代りに、前記条件式（１）を満足する反射面を、負のパワーの反射面と正のパワーの反射面の間に少なくとも１面設けることで、光線が光学系に入射する方向とは鈍角的に軸上主光線を反射させ薄型化を可能にするものである。また、これにより、同じ光路長でも、軸上主光線が鋭角的に反射する反射面を用いて薄型化する構成に比べ、偏心誤差感度の高い反射面数を減らすことができるので、コストダウンが可能となる。条件式（１）の下限４５°を越えると、軸上主光線が鋭角的に反射してしまい、少ない反射面数では薄型化が図れなくなってしまう。また、その状態のままで薄型化を図ろうとすると、反射面を増やさなけれならず、コストアップにつながってしまう。
【００２２】
これにより、本発明の目的は達せられる。なお、本発明の反射面配置の概念図を図１４に示す。図１４において、負のパワーの反射面をＭｎ、正のパワーの反射面をＭｐ、その間に配置される反射面をＭａ、Ｍｂとしている。
【００２３】
また、さらに条件式（１）の上限値を条件式（１−１）のように設定すれば、なお好ましい。
４５°＜｜θ｜＜９０° ・・・（１−１）
この条件式（１−１）の上限９０°を越えると、反射面としての作用がなくなってしまう。
【００２４】
また、さらに条件式（１−２）を満足することが性能確保上好ましい。
４５°＜｜θ｜＜７０° ・・・（１−２）
また、本発明で用いる反射面はミラーを用いた表面反射、プリズムを用いた裏面反射等が利用可能である。ミラーを用いた表面反射の場合は、原理的にそこでの色収差の発生はなく、光学系の性能に悪影響を及ぼさない。また、プリズムを用いた裏面反射の場合は、入射面、射出面に曲率を持たせることで収差補正の自由度が増し、さらに良好な性能を達成することが可能である。特に、反射面としてプリズムを用いる場合は、それぞれの面の相対的な位置関係が固定されているので、プリズム単体として偏心を制御すればよく、屈折面に対して偏心誤差感度の高い反射面の必要以上の組立精度、調整工数が不要である。
【００２５】
また、本発明で負のパワーと正のパワーを有する反射面をプリズムの裏面反射とすれば、その反射面に所望のパワーの大部分を分担させ、屈折面である入射面と射出面のパワーを小さくすることで、ミラーに対して収差補正の自由度を大きく保ったまま、レンズ等のような屈折光学素子に比べて色収差の発生を非常に小さくすることが可能である。また、プリズム内部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているために、空気に比べ光路長を長くとることができ、空気中に配置されるレンズやミラー等よりは、光学系の薄型化、小型化が可能である。
【００２６】
また、本発明で用いられるパワーを有する複数の反射面の中、最も物体側の負のパワーの反射面を以下の条件式（２）を満足させることで、光学系の薄型化と性能確保に加え、十分なバックフォーカスをとることが可能となる。
｜Θｎ｜＜４５° ・・・（２）
ここで、Θｎは、軸上主光線が前記の負のパワーの反射面と交わる点におけるその反射面の偏心方向の法線と軸上主光線のなす角である。
【００２７】
本発明のように、反射面を用いて光学系の薄型化を図る場合、少なくとも反射面の中１面は軸上主光線に対して偏心していることが望ましい。反射面が全く偏心していない場合、少なくとも軸上主光線が遮られる現象が発生し、軸上に像を結ばないということが起こってしまう。しかし、一方、反射面にパワーを持たせる場合、その反射面が軸上主光線に対して偏心していると、軸上でも回転非対称な偏心収差が発生する。回転非対称な偏心収差は、回転対称な面では完全に補正することは原理上不可能で、ある許容内に抑えることが重要となる。特に、偏心収差の発生量は、パワーの大きさもさることながら、偏心量に大きく依存するため、所望のパワーを得るためには偏心量をある程度小さくしなければならない。条件式（２）は、反射面に所望のパワーを持たせながら偏心収差を許容内に抑えるために設けた条件式であり、この上限４５°を越えると、その面で発生する偏心収差が大きくなりすぎ、その補正ができなくなる。
【００２８】
また、条件式（２）の下限を以下のように設定すれば、なお好ましい。
５°＜｜Θｎ｜＜４５° ・・・（２−１）
この条件式（２−１）の下限５°を越えると、軸上主光線が別の反射面で遮られる結果となり、軸上に像を結ばなくなる。
【００２９】
また、さらに以下の条件式（２−２）を満足すると、薄型化と同時に偏心収差の発生をなお良好に補正できるので好ましい。
５°＜｜Θｎ｜＜３０° ・・・（２−２）
また、本発明で用いられる負のパワーの反射面よりも像側の正のパワーを有する反射面を、以下の条件式（３）を満足させることで、光学系の薄型化と性能確保が可能となる。なお、ここで言う正のパワーの反射面とは、前記負のパワーの反射面よりも像側に配置され、本発明の光学系中、最も強い正のパワーを有する反射面を指す。
【００３０】
｜Θｐ｜＜４５° ・・・（３）
ここで、Θｐは、軸上主光線が前記の正のパワーの反射面と交わる点におけるその反射面の偏心方向の法線と軸上主光線のなす角である。
【００３１】
条件式（３）は、反射面に所望のパワーを持たせながら偏心収差を許容内に抑えるために設けた条件式であり、この上限４５°を越えると、その面で発生する偏心収差が大きくなりすぎ、その補正ができなくなる。
【００３２】
また、条件式（３）の下限を以下のように設定すれば、なお好ましい。
５°＜｜Θｐ｜＜４５° ・・・（３−１）
この条件式（３−１）の下限５°を越えると、軸上主光線が別の反射面で遮られる結果となり、軸上に像を結ばなくなる。
【００３３】
また、さらに以下の条件式（３−２）を満足すると、薄型化と同時に偏心収差の発生をなお良好に補正できるので好ましい。
５°＜｜Θｐ｜＜４０° ・・・（３−２）
また、本発明で用いられる前記の負のパワーの反射面は、反射作用のみを有する反射面であることが好ましい。反射作用のみの場合、偏心収差が許容できる範囲内であれば所望のパワーを持たせることができるが、反射作用と透過作用を併せ持つ面であると、その透過作用により発生する色収差が大きくなりすぎ、その補正ができなくなる。
【００３４】
また、本発明で用いられる前記の正のパワーの反射面は、反射作用のみを有する反射面であることが好ましい。反射作用のみの場合、偏心収差が許容できる範囲内であれば所望のパワーを持たせることができるが、反射作用と透過作用を併せ持つ面であると、その透過作用により発生する色収差が大きくなりすぎ、その補正ができなくなる。
【００３５】
また、本発明において、パワーを付けた反射面を軸上主光線に対して偏心させた場合、本発明で用いられる面の中、少なくとも１つの面は回転非対称な面であることが望ましい。その中でも特に、少なくとも１つの反射面を回転非対称な面にすることが収差補正上は好ましい。
【００３６】
その理由を以下に詳述する。
まず、用いる座標系、回転非対称な面について説明する。
軸上主光線が、光学系の第１面に交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交し、かつ、撮像光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸とする。光線の追跡方向は、物体から像面に向かう順光線追跡で説明する。
【００３７】
一般に、球面レンズでのみ構成された球面レンズ系では、球面により発生する球面収差と、コマ収差、像面湾曲等の収差をいくつかの面でお互いに補正しあい、全体として収差を少なくする構成になっている。
【００３８】
一方、少ない面数で収差を良好に補正するためには、回転対称非球面等が用いられる。これは、球面で発生する各種収差自体を少なくするためである。
しかし、偏心した光学系においては、偏心により発生する回転非対称な収差を回転対称光学系で補正することは不可能である。この偏心により発生する回転非対称な収差は、歪曲収差、像面湾曲、さらに、軸上でも発生する非点収差、コマ収差がある。
【００３９】
まず、回転非対称な像面湾曲について説明する。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡に入射した光線は、凹面鏡に当たって反射結像されるが、光線が凹面鏡に当たって以降、像面までの後側焦点距離は、像界側が空気の場合、光線が当たった部分の曲率半径の半分になる。すると、図２１に示すように、軸上主光線に対して傾いた像面を形成する。このように、回転非対称な像面湾曲を補正するには回転対称な光学系では不可能である。
【００４０】
この傾いた像面湾曲をその発生源である凹面鏡Ｍ自身で補正するには、凹面鏡Ｍを回転非対称な面で構成し、この例ではＹ軸正の方向に対して曲率を強く（屈折力を強く）し、Ｙ軸負の方向に対して曲率を弱く（屈折力を弱く）すれば、補正することができる。また、上記構成と同様な効果を持つ回転非対称な面を、凹面鏡Ｍとは別に光学系中に配置することにより、少ない構成枚数でフラットの像面を得ることが可能となる。
また、回転非対称な面は、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない回転非対称面形状の面とすることが、自由度が増え収差補正上は好ましい。
【００４１】
次に、回転非対称な非点収差について説明する。
上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図２２に示すような非点収差が発生する。この非点収差を補正するためには、上記説明と同様に、回転非対称面のＸ軸方向の曲率とＹ軸方向の曲率を適切に変えることによって可能となる。
【００４２】
さらに、回転非対称なコマ収差について説明する。
上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図２３に示すようなコマ収差が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転非対称面のＸ軸の原点から離れるに従って面の傾きを変えると共に、Ｙ軸の正負によって面の傾きを適切に変えることによって可能となる。
【００４３】
また、本発明の結像光学系では、前述の反射作用を有する少なくとも１つの面が軸上主光線に対し偏心し、回転非対称な面形状でパワーを有する構成も可能である。このような構成をとれば、その反射面にパワーを持たせることで発生する偏心収差をその面自体で補正することが可能となり、プリズムの屈折面のパワーを緩めることで、色収差の発生自体を小さくすることができる。
【００４４】
また、本発明で用いる上記の回転非対称面は、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面であることが好ましい。ここで、本発明で使用する自由曲面とは、以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００４５】
【００４６】
球面項中、
ｃ：頂点の曲率
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）
である。
【００４７】
自由曲面項は、
【００４８】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2 、Ｃ5 、Ｃ7 、Ｃ9 、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００４９】
また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ3 、Ｃ5 、Ｃ8 、Ｃ10、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００５０】
また上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向上させることが可能となる。
【００５１】
また、上記定義式（ａ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本発明は、対称面を１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。
【００５２】
また、本発明の光学系にプリズムを用いる場合、少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの面を透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面とすることが望ましい。偏心誤差感度の高い反射面を用いた反射光学素子は、各面の偏心誤差が次の面へ転送され、最終的にはそれぞれの面の偏心誤差が積算されてしまう。特に、反射光学素子の中でもプリズムを用いた場合は、プリズム成型時に偏心誤差が決まってしまい、組立調整でそれを修正することはできない。そのため、偏心誤差の積算を少なくするためには、反射面数は少ない程よく、さらには、プリズム内の光路長は小さい程偏心誤差は小さいまま転送される。その結果、反射面の製作精度は緩和される。
【００５３】
そこで、少なくとも１つのプリズムに、反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面を少なくとも１面用いることで、少ないスペースを有効に使い、プリズム自身の小型化を達成すると同時に、光路長を短縮することができるので、偏心誤差を小さくすることが可能である。これにより、コストダウンが図られる。
【００５４】
なお、本発明の透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面において、反射作用は全反射によるものとすることが望ましい。全反射条件を満たさなければ、反射作用と透過作用を併せ持つことができず、プリズム自体の小型化が困難になってしまう。
【００５５】
また、本発明で用いられる反射面の中、全反射面以外の反射面は、アルミニウム又は銀等の金属薄膜を表面に形成した反射面、又は、誘電体多層膜の形成された反射面で構成することが好ましい。金属薄膜で反射作用を有する場合は、手軽に高反射率を得ることが可能となる。また、誘電体反射膜の場合は、波長選択性や吸収の少ない反射膜を形成する場合に有利となる。
【００５６】
また、発明において、結像光学系のフォーカシングは、全体繰り出しやプリズムを１つだけ移動することにより可能なのは言うまでもないが、最も像側の面から射出した軸上主光線の方向に結像面を移動させることによりフォーカシングすることが可能である。これにより、結像光学系が偏心することで物体からの軸上主光線の入射方向と最も像側の面から射出する軸上主光線の方向とが一致していなくても、フォーカシングによる軸上主光線の入射側のずれを防ぐことができる。また、図１１に示すように、平行平面板を複数の楔状のプリズムＰ１，Ｐ２に分割し、それをＺ軸（光軸）と垂直方向に移動させることでフォーカシングするフォーカシング用プリズム６とすることも可能である。この場合も、結像光学系の偏心にはよらずフォーカシングが可能である。
【００５７】
また、本発明において、少なくともプリズムの１つをプラスチック等のような樹脂材料を用いれば、コストダウンが図れる。また、アモルファスポリオレフィン等のような低吸湿材料を用いれば、湿度変化に対しても結像性能の変化が少なくて望ましい。
【００５８】
また、本発明において、図１２に示すように、本発明の結像光学系の入射面より物体側に、ミラー等の反射部材７を用いて、本発明の結像光学系の偏心方向とは異なった向きに光路を折り畳むことも可能である。これにより、さらに結像光学系のレイアウトの自由度が増え、結像光学装置全体の小型化が図られる。
【００５９】
また、本発明において、結像光学系をプリズムのみから構成することも可能である。これにより部品点数が減り、コストダウンが図られる。さらに、絞りの前後で複数のプリズムを一体化し、１つのプリズムとすることも当然可能である。これにより、さらなるコストダウンが可能である。
【００６０】
また、本発明において、結像光学系の屈折面、反射面を球面、あるいは、回転対称非球面で構成することも当然可能である。
【００６１】
【発明の実施の形態】
本発明の結像光学系の実施例１〜５について説明する。なお、各実施例の構成パラメータは後に示す。
各実施例において、図１に示すように、光学系の特定の面（図１の実施例１では、面番号１の仮想面と面番号６の絞り面。実施例２〜４も同様。実施例５では、面番号１の仮想面と面番号８の絞り面。）の中心を偏心光学系の原点として、軸上主光線１を物体中心を出て、絞り２の中心を通る光線で定義する。物体中心から光学系の第１面まで軸上主光線１に沿って進む方向をＺ軸方向、このＺ軸と像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、光線が光学系の面によって折り曲げられる面内の方向で、かつ、Ｙ−Ｚ平面内のＺ軸に直交する方向にＹ軸をとる。物点から光学系の第１面に向かう方向をＺ軸の正方向とし、Ｙ軸の正方向を図の上方向にとる。そして、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸とする。
【００６２】
実施例１〜５では、このＹ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【００６３】
偏心面については、光学系の原点の中心から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記の（ｂ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。
【００６４】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００６５】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は前記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００６６】
また、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
【００６７】
なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００６８】
また、自由曲面の他の定義式として、以下の（ｃ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表せられる。
【００６９】
【００７０】
その他の面の例として、次の定義式（ｄ）があげられる。
Ｚ＝ΣΣＣnmＸＹ
例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したとき、以下の式で表せる。
【００７１】
実施例１〜５は、像の大きさが約２．５×１．８の１／３インチサイズの撮像素子を想定している。もちろん、その他のサイズの場合でも適用できるのは言うまでもない。また、本発明は、本発明の結像光学系を用いた撮像光学系のみならず、その光学系を組み込んだ撮像装置も含むものである。
【００７２】
実施例１の軸上主光線１を含むＹ−Ｚ断面図を図１に示す。実施例１は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【００７３】
実施例１は、図１に示すように、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、第２反射面１３、第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、正パワーの第１反射面２２、第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０と、光学的ローパスフィルター４と、イメージャー表面を保護するカバーガラス５と、像面３（イメージャー受光面）を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１透過面２１と第２反射面２３をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＺ軸に対して略垂直である。
【００７４】
本実施例では、第１プリズム１０でＺ軸方向からの入射光線をＹ軸方向に屈曲させ、次の第２プリズム２０で再度Ｚ軸方向に屈曲させるという構成をとっている。これにより、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【００７５】
実施例２の軸上主光線１を含むＹ−Ｚ断面図を図２に示す。実施例２は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【００７６】
実施例２は、図２に示すように、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、負パワーの第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０と、光学的ローパスフィルター４と、イメージャー表面を保護するカバーガラス５と、像面３（イメージャー受光面）を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＹ軸に対して略垂直である。
【００７７】
本実施例では、第１プリズム１０でＺ軸方向からの入射光線をＹ軸方向に屈曲させ、次の第２プリズム２０で再度Ｚ軸方向からＹ軸方向に屈曲させるという構成をとっている。これにより、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【００７８】
実施例３の軸上主光線１を含むＹ−Ｚ断面図を図３に示す。実施例３は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【００７９】
実施例３は、図３に示すように、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、正パワーの第１反射面２２、第２反射面２３、第２透過面２４からなる第２プリズム２０と、光学的ローパスフィルター４と、イメージャー表面を保護するカバーガラス５と、像面３（イメージャー受光面）を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１透過面２１と第２反射面２３をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。
【００８０】
本実施例は、プリズムをＹ軸方向に２つ重ねることで、特にＺ軸方向の厚みを小さくしたものである。また、結像光学系の最終面から射出する軸上主光線もＹ軸方向に射出している。
【００８１】
実施例４の軸上主光線１を含むＹ−Ｚ断面図を図４に示す。実施例４は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【００８２】
実施例４は、図４に示すように、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、負パワーの第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０と、光学的ローパスフィルター４と、イメージャー表面を保護するカバーガラス５と、像面３（イメージャー受光面）を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面はＺ軸に対して垂直である。
本実施例は、プリズムをＹ軸方向に２つ重ねることで、特にＺ軸方向の厚みを小さくしたものである。
【００８３】
実施例５の軸上主光線１を含むＹ−Ｚ断面図を図５に示す。実施例５は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【００８４】
実施例５は、図５に示すように、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、光学的ローパスフィルター４と、絞り２と、正パワーの第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０と、イメージャー表面を保護するカバーガラス５と、像面３（イメージャー受光面）を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第９面から第１３面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面はＺ軸に対して垂直である。
本実施例は、実施例４と同様に、プリズムをＹ軸方向に２つ重ねることで、特にＺ軸方向の厚みを小さくしたものである。ただし、実施例４で光学系と像面の間に配置されていた光学的ローパスフィルターを２つのプリズム１０、２０の間に配置し、さらに薄型化を図った例である。
【００８５】
以下、上記実施例１〜５の構成パラメータを示す。ここで、自由曲面は“ＦＦＳ”で、回転対称非球面は“ＡＡＳ”で示してある。
次に、上記実施例１〜５の横収差図をそれぞれ図６〜図１０に示す。これらの横収差図において、括弧内に示された数字は（水平（Ｘ方向）画角、垂直（Ｙ方向）画角）を表し、その画角における横収差を示す。各収差図において、下から上へ順に、画面中心、Ｙ軸上像高の−約７０％の位置、Ｘ方向像高の約７０％でＹ方向像高の−約７０％の位置、Ｘ軸上像高の約７０％の位置、Ｘ方向像高の約７０％でＹ方向像高の約７０％の位置、Ｙ軸上像高の約７０％の位置の横収差である。
【００９１】
さて、以上のような本発明の結像光学系は、物体像を形成しその像をＣＣＤや銀塩フィルムといった撮像素子に受光させて撮影を行う撮影装置、とりわけカメラや内視鏡に用いることができる。また、物体像を接眼レンズを通して観察する観察装置、とりわけカメラのファインダー部の対物光学系としても用いることが可能である。以下に、その実施形態を例示する。
【００９２】
図１５〜図１７は、本発明の結像光学系を電子カメラのファインダー部の対物光学系に組み込んだ構成の概念図を示す。図１５は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図１６は同後方斜視図、図１７は電子カメラ４０の構成を示す断面図である。電子カメラ４０は、この例の場合、撮影用光路４２を有する撮影光学系４１、ファインダー用光路４４を有するファインダー光学系４３、シャッター４５、フラッシュ４６、液晶表示モニター４７等を含み、カメラ４０の上部に配置されたシャッター４５を押圧すると、それに連動して撮影用対物光学系４８を通して撮影が行われる。撮影用対物光学系４８によって形成された物体像が、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター５１’を介してＣＣＤ４９の撮像面５０上に形成される。このＣＣＤ４９で受光された物体像は、処理手段５２を介し、電子画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター４７に表示される。また、この処理手段５２にはメモリ等が配置され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、このメモリは処理手段５２と別体に設けらてもよいし、フロッピーディスク等により電子的に記録書込を行うように構成してもよい。また、ＣＣＤ４９に代わって銀塩フィルムを配置した銀塩カメラとして構成してもよい。
【００９３】
さらに、ファインダー用光路４４上には、本発明の結像光学系をファインダー用対物光学系５３として配置してある。ファインダー用対物光学系５３にはカバー部材５４が配置されている。このファインダー用対物光学系５３によって形成された物体像は、像正立部材であるポロプリズム５５の視野枠５７上に形成される。なお、視野枠５７は、ポロプリズム５５の第１反射面５６と第２反射面５８との間を分離し、その間に配置されている。このポリプリズム５５の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系５９が配置されている。
【００９４】
このように構成されたカメラ４０は、ファインダー用対物光学系５３を少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、対物光学系５３の光路自体を折り曲げて構成できるため、カメラ内部での配置の自由度が増し、設計上有利となる。
なお、本例では、ファインダー用対物光学系５３のカバー部材５４として平行平面板を配置しているが、パワーを持ったレンズを用いてもよい。
【００９５】
次に、図１８は、本発明の結像光学系を電子カメラ４０の撮影部の対物光学系４８に組み込んだ構成の概念図を示す。この撮影用対物光学系４８により形成された物体像は、赤外カットフィルター等のフィルター５１を介してＣＣＤ４９の撮像面５０上に形成される。このＣＣＤ４９で受光された物体像は、処理手段５２を介し、液晶表示素子（ＬＣＤ）６０上に電子像として表示される。また、この処理手段５２は、ＣＣＤ４９で撮影された物体像を電子情報として記録する記録手段６１の制御も行う。ＬＣＤ６０に表示された画像は、接眼光学系５９を介して観察者眼球Ｅに導かれる。この接眼光学系５９は、本発明の結像光学系に用いられているものと同様の形態を持つ偏心プリズムからなり、この例では、入射面６２と、反射面６３と、反射と屈折の兼用面６４の３面から構成されている。また、２つの反射作用を持った面６３、６４の中、少なくとも一方の面、望ましくは両方の面が、光束にパワーを与え、かつ、偏心収差を補正する唯一の対称面を持つ面対称自由曲面にて構成されている。そして、この唯一の対称面は、撮影用対物光学系４８のプリズム１０、２０が有する面対称自由曲面の唯一の対称面と略同一平面上に形成されている。
【００９６】
このように構成されたカメラ４０は、撮影用対物光学系４８を少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、光学系全体を同一平面上に並べて配置できるため、この配置平面と垂直方向の厚みの簿型化が実現できる。
なお、本例では、撮影用対物光学系４８のカバー部材６５として平行平面板を配置しているが、パワーを持ったレンズを用いてもよい。
【００９７】
ここで、カバー部材を設けずに、本発明の結像光学系の第１プリズム１０の最も物体側に配置された面をカバー部材と兼用することもできる。しかし、その場合、第１プリズム１０の最も物体側の面は、第１プリズム１０の入射面となる。そして、この入射面が光軸に対して偏心配置されているため、この面がカメラ前面に配置されてしまうと、被写体側から見た場合、カメラ４０の撮影中心が自分からずれているように錯覚してしまい（一般的なカメラ同様、入射面の垂直方向を撮影していると感じるのが通常である。）、違和感を与えてしまう。そこで、本例のように、結像光学系の最も物体側の面が偏心面である場合には、カバー部材６５を設けることが、被写体側から見た場合に違和感を感じずに、既存のカメラと同じ感覚で撮影を受けることができ望ましい。
【００９８】
次に、図１９は、本発明の結像光学系を電子内視鏡の観察系の対物光学系８０に組み込んだ構成の概念図を示す。この電子内視鏡は、図１９（ａ）に示すように、電子内視鏡７１と、照明光を供給する光源装置７２と、その電子内視鏡７１に対応する信号処理を行うビデオプロセッサ７３と、このビデオプロセッサ７３から出力される映像信号を表示するモニター７４と、このビデオブロセッサ７３と接続され映像信号等に記録するＶＴＲデッキ７５、及び、ビデオディスク７６と、映像信号を映像としてプリントアウトするビデオプリンタ７７と共に構成されており、電子内視鏡７１の挿入部７８の先端部７９は、図１９（ｂ）に示すように構成されている。光源装置７２から照明さた光束は、ライトガイドファイバー束８６を通って照明用対物光学系８５により、観察部位を照明する。そして、この観察部位からの光が、カバー部材８４を介して、観察用対物光学系８０によって物体像として形成される。この物体像は、赤外カットフィルター等のフィルター８１を介してＣＣＤ８２の撮像面８３上に形成される。さらに、この物体像は、ＣＣＤ８２によって映像信号に変換され、その映像信号は、図１９（ａ）に示すビデオプロセッサ７３により、モニター７４上に直接表示されると共に、ＶＴＲデッキ７５、ビデオディスク７６中に記録され、また、ビデオプリンタ７７から映像としてプリントアウトされる。
【００９９】
このように構成された内視鏡は、少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、結像光学系８０の第１プリズム１０と第２プリズム２０とが内視鏡の長軸方向に並ぶため、細径化を阻害することなく上記効果を得ることができる。なお、この例でも、カバー部材８４として平行平面板を配置しているが、パワーを持ったレンズを用いてもよい。
【０１００】
また、実施例１等の結像光学系をＣＣＤやフィルター等の撮像素子前方に配置するときの望ましい構成を図２０に示す。図中、偏心プリズムＰは、本発明の結像光学系の絞りの物体側あるいは像側に配置される偏心プリズムである。いま、撮像素子の撮像面Ｃが、図のように四角形を形成するとき、偏心プリズムＰに配置された面対称自由曲面の対称面Ｄが、この撮像面Ｃの四角形を形成する辺の少なくとも１つと平行になるように配置することが、美しい像形成の上で望ましい。
【０１０１】
さらに、この撮像面Ｃが正方形や長方形といった４つの内角がそれぞれ略９０°にて形成されている場合には、面対称自由曲面の対称面Ｄは、撮像面Ｃの互いに平行関係にある２辺に対して平行に配置され、より望ましくは、この２辺の中間に配置され、この対称面Ｄが撮像面Ｃを左右又は上下に対称となる位置に一致させている構成であることが好ましい。このように構成すれば、装置に組み込むときの組み込み精度が出しやすく、量産性に効果的である。
【０１０２】
さらに、偏心プリズムＰを構成する光学面である第１面、第２面、第３面等の中、複数の面又は全ての面が面対称自由曲面の場合には、複数の面又は全ての面の対称面が同一面Ｄ上に配置されるように構成することが、設計上も、収差性能上も望ましい。そして、この対称面Ｄと撮像面Ｃとの関係は、上述と同様の関係にあることが望ましい。
【０１０３】
また、以上の実施例の結像光学系の絞りの物体側及び像側に配置される偏心プリズムとしては、何れも光学面３面からなり、その中の１面が全反射作用と透過作用とを兼用する面で構成された内部反射回数２回のタイプのプリズムを用いたが、本発明に用いる偏心プリズムはこれに限られるものではない。
【０１０４】
【発明の効果】
以上説明したように、また、各実施例から明らかなように、少ない反射回数の反射面を用いて光路を折り畳むことにより、小型化、薄型化された低コストで高性能な結像光学系を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の結像光学系の断面図である。
【図２】本発明の実施例２の結像光学系の断面図である。
【図３】本発明の実施例３の結像光学系の断面図である。
【図４】本発明の実施例４の結像光学系の断面図である。
【図５】本発明の実施例５の結像光学系の断面図である。
【図６】実施例１の結像光学系の横収差図である。
【図７】実施例２の結像光学系の横収差図である。
【図８】実施例３の結像光学系の横収差図である。
【図９】実施例４の結像光学系の横収差図である。
【図１０】実施例５の結像光学系の横収差図である。
【図１１】本発明の結像光学系のフォーカシング機構の１例を示す図である。
【図１２】光路を折り畳む反射部材を用いた本発明の結像光学系の変形例を示す断面図である。
【図１３】本発明の前提となる多数の反射面からなる光学系の光路図である。
【図１４】本発明の結像光学系の反射面配置の概念図である。
【図１５】本発明の結像光学系を適用した電子カメラの外観を示す前方斜視図である。
【図１６】図１５の電子カメラの後方斜視図である。
【図１７】図１５の電子カメラの構成を示す断面図である。
【図１８】本発明の結像光学系を適用した別の電子カメラの概念図である。
【図１９】本発明の結像光学系を適用した電子内視鏡の概念図である。
【図２０】本発明による結像光学系を撮像素子前方に配置するときの望ましい構成を示す図である。
【図２１】偏心した反射面により発生する像面湾曲を説明するための概念図である。
【図２２】偏心した反射面により発生する非点収差を説明するための概念図である。
【図２３】偏心した反射面により発生するコマ収差を説明するための概念図である。
【符号の説明】
１…軸上主光線（光軸）
２…絞り
３…像面
４…光学的ローパスフィルター
５…カバーガラス
６…フォーカシング用プリズム
７…反射部材
１０…第１プリズム
１１…第１透過面
１２…第１反射面
１３…第２反射面
１４…第２透過面
２０…第２プリズム
２１…第１透過面
２２…第１反射面
２３…第２反射面
２４…第２透過面
４０…電子カメラ
４１…撮影光学系
４２…撮影用光路
４３…ファインダー光学系
４４…ファインダー用光路
４５…シャッター
４６…フラッシュ
４７…液晶表示モニター
４８…撮影用対物光学系
４９…ＣＣＤ
５０…撮像面
５１、５１’…フィルター
５２…処理手段
５３…ファインダー用対物光学系
５４…カバー部材
５５…ポロプリズム
５６…第１反射面
５７…視野枠
５８…第２反射面
５９…接眼光学系
６０…液晶表示素子（ＬＣＤ）
６１…記録手段
６２…入射面
６３…反射面
６４…反射と屈折の兼用面
６５…カバー部材
７１…電子内視鏡
７２…光源装置
７３…ビデオプロセッサ
７４…モニター
７５…ＶＴＲデッキ
７６…ビデオディスク
７７…ビデオプリンタ
７８…挿入部
７９…先端部
８０…観察用対物光学系
８１…赤外カットフィルター
８２…ＣＣＤ
８３…撮像面
８４…カバー部材
８５…照明用対物光学系
８６…ライトガイドファイバー束
Ｍ …凹面鏡
Ｅ …観察者眼球
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６…反射面
Ｍｐ…正のパワーの反射面
Ｍｎ…負のパワーの反射面
Ｍａ、Ｍｂ…反射面
Ｐ１、Ｐ２…楔状プリズム
Ｐ …プリズム
Ｃ …撮像面
Ｄ …対称面
Claims (17)
- パワーを有する複数の反射面を有し、反射面の順序を物体からの光線が交わる順として、その反射面の中、最も物体側に負のパワーの反射面を配置し、それよりも像側に正のパワーの反射面を有する光学系において、前記負のパワーの反射面と前記正のパワーの反射面との間に少なくとも１面の反射面を有し、その少なくとも１面の反射面に入射する軸上主光線が以下の条件式（１）を満足することを特徴とする結像光学系。
４５°＜｜θ｜ ・・・（１）
ここで、θは、物点中心を通り、絞り中心を通過して、像面中心に到達する光線を軸上主光線とするとき、軸上主光線が前記の少なくとも１面の反射面と交わる点における該反射面の偏心方向の法線と軸上主光線のなす角である。 - 前記のパワーを有する複数の反射面の中、最も物体側の負のパワーの反射面が以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
｜Θｎ｜＜４５° ・・・（２）
ここで、Θｎは、軸上主光線が前記の負のパワーの反射面と交わる点における該反射面の偏心方向の法線と軸上主光線のなす角である。 - 前記のパワーを有する複数の反射面の中、最も物体側の負のパワーの反射面よりも像側に配置された正のパワーの反射面が以下の条件式（３）を満足することを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
｜Θｐ｜＜４５° ・・・（３）
ここで、Θｐは、軸上主光線が前記の正のパワーの反射面と交わる点における該反射面の偏心方向の法線と軸上主光線のなす角である。 - 前記条件式（１）からさらに以下の条件式（１−１）を満足することを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
４５°＜｜θ｜＜９０° ・・・（１−１） - 前記条件式（１）からさらに以下の条件式（１−２）を満足することを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
４５°＜｜θ｜＜７０° ・・・（１−２） - 前記条件式（２）からさらに以下の条件式（２−１）を満足することを特徴とする請求項２記載の結像光学系。
５°＜｜Θｎ｜＜４５° ・・・（２−１） - 前記条件式（２）からさらに以下の条件式（２−２）を満足することを特徴とする請求項２記載の結像光学系。
５°＜｜Θｎ｜＜３０° ・・・（２−２） - 前記条件式（３）からさらに以下の条件式（３−１）を満足することを特徴とする請求項３記載の結像光学系。
５°＜｜Θｐ｜＜４５° ・・・（３−１） - 前記条件式（３）からさらに以下の条件式（３−２）を満足することを特徴とする請求項３記載の結像光学系。
５°＜｜Θｐ｜＜４０° ・・・（３−２） - 前記負のパワーの反射面は、反射作用のみを有する反射面であることを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の結像光学系。
- 前記正のパワーの反射面は、反射作用のみを有する反射面であることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項記載の結像光学系。
- 前記パワーを有する複数の反射面を軸上主光線に対して偏心させ、前記複数の反射面の中、少なくとも１つの面は回転非対称な面であることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項記載の結像光学系。
- 前記回転非対称面は、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面であることを特徴とする請求項１２記載の結像光学系。
- 前記結像光学系がプリズムを用い、少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの面を透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としたことを特徴とする請求項１２又は１３記載の結像光学系。
- 前記透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面は、反射作用が全反射によるものであることを特徴とする請求項１４記載の結像光学系。
- 前記結像光学系は受光面を有し、結像光学系の最も像側の面から射出した軸上主光線の方向に前記受光面を移動させることによりフォーカシングを行なうことを特徴とする請求項１から１５の何れか１項記載の結像光学系。
- 前記結像光学系は受光面を有し、平行平面板を複数の楔状のプリズムに分割し、光軸と垂直方向に移動させることでフォーカシングするフォーカシング用プリズムを有することを特徴とする請求項１から１５の何れか１項記載の結像光学系。
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