JP5186073B2 - 撮像光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像光学系に関し、特に、反射屈折光学系を用いた小型で高性能な撮像光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自由曲面等を用いたプリズム光学系については多くの提案がある。その中、絞りを挟んで複数の偏心プリズムを配置してなる撮像光学系については、特開平１０−２０１９６号、特開２０００−１９４０１〜１９４０７、特開２０００−１１１７９９〜１１１８００、特開２０００−１２１９４３等のものが提案されている。これらのものは、偏心プリズムの媒質は何れも同じものを用いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、撮像光学系を小型にしていくと撮像素子のピクセルが小さく高精細になり、撮像光学系はそれに対応して諸収差を補正した高性能なものにする必要が出てくる。このような偏心プリズムを用いた撮像光学系において、絞りを光学系の中央付近に配置して対称性が良くなるようにすれば、コマ収差等は改善するが、屈折率の色分散に起因する倍率の色収差が問題となる。
【０００４】
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、絞りを挟んで複数の偏心プリズムを配置してなる撮像光学系において、特に倍率の色収差を始めとして諸収差を良好に補正した小型で高性能なものを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の撮像光学系は、絞りの両側にそれぞれ回転非対称な反射面を持つ少なくとも１つの偏心プリズムが配置され、中間像を結像しない撮像光学系において、絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質の光学的性質と絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質の光学的性質とが異なることを特徴とするものである。
【０００６】
この場合に、絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質と絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数の差の絶対値Δνが、
５＜Δν＜８０ ・・・（１）
を満たすことが望ましい。
【０００７】
また、絞りより前側のパワーが負で、絞りより後側のパワーが正で、絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数が小さく、絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数がより大きいことが望ましい。
【０００８】
以下、本発明のおいて上記構成をとる理由と作用について説明する。
【０００９】
前記したように、絞りの両側にそれぞれ回転非対称な反射面を持つ少なくとも１つの偏心プリズムが配置され、中間像を結像しない撮像光学系においては、絞りが光学系の中央付近に配置されており、対称性が良くできるので、コマ収差等の単色収差は改善するが、各プリズムの入射面と射出面が何れも屈折面からなるために、屈折率の色分散に起因する色収差、特に、倍率の色収差は、プリズムの面形状として回転非対称な自由曲面形状としても補正しきれない。特に、光学系を小型化する場合、相対的に波長が大きくなり、倍率の色収差の収差補正が難しくなる。
【００１０】
そこで、本発明においては、絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質の光学的性質と絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質の光学的性質とが異なるようにすることにより、色収差、特に、倍率色収差を補正するようにしている。このように絞りより前群の偏心プリズムの媒質の光学的性質と絞りより後の後群の偏心プリズムの媒質の光学的性質とを異なるようにすると、プリズムの屈折面での分散に基づく色収差、特に、倍率の色収差を良好に補正できるようになる。
【００１１】
ここで、媒質の光学的性質とは、具体的に屈折率とアッベ数であるが、少なくとも何れか一方が異なることが必要である。
【００１２】
また、典型的には、後記の実施例に示すように、絞りより前に１つの偏心プリズム、絞りより後に１つの偏心プリズムを持って本発明の撮像光学系は構成されるが、それぞれ複数の偏心プリズムで構成することも可能である。その場合、最低前群の１つのプリズムと後群の１つのプリズムの媒質の光学的性質が異なれば、色収差は補正可能になる。
【００１３】
そして、より具体的には、その前群の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質と後群の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数の差の絶対値Δνが、
５＜Δν＜８０ ・・・（１）
を満たすようにすることが望ましい。
【００１４】
この条件の下限値の５を越えると、倍率の色収差を補正することが困難になる。また、上限値の８０を越えると、倍率の色収差の補正には好ましいが、媒質の種類が少なくなり、他の収差補正が困難になる。
【００１５】
より好ましくは、
１０＜Δν＜６０ ・・・（１−１）
を満たすようにすることが望ましい。
【００１６】
さらに好ましくは、
２０＜Δν＜４０ ・・・（１−２）
を満たすようにすることが最も良い。
【００１７】
ところで、電子撮像素子を用いて撮像する場合、結像光線が撮像面に略垂直に入射するテレセントリックな構成にする必要がある。その場合には、絞りより後の群のパワーは正とする必要がある。後群を正パワーとした場合、前群のパワーとしては、正でも負でもよいが、前群のパワーを正とすると、結像面が後群の中に潜り込むような形態になってしまうことが多い。そこで、レトロフォーカスタイプにして前群のパワーを負とすることが望ましい。
【００１８】
このようなパワー配置で、絞りが系の真ん中にあることにより、入射する軸外主光線の像高が前群第１面の屈折面で最も高くなる。この面により高分散（アッベ数が相対的に小さい）の媒質を配置することにより、倍率の色収差を容易に補正することができるようになる。
【００１９】
また、この場合に、絞りより前側の屈折力を有する要素の最も物体側の面、例えばカバーガラスを除いた偏心プリズムの入射面が正のパワー有すると、倍率色収差補正の作用をより高めることができる。
【００２０】
ここで、各偏心プリズムの入射面又は射出面の少なくとも何れか一方が曲面からなることが望ましい。
【００２１】
各プリズムの屈折面である入射面又は射出面の少なくとも何れか一方を曲面で構成することにより、前群、後群のパワーの一部を担わせたり、収差補正の一部を担わせることができる。
【００２２】
その場合に、その曲面としては、球面以外の回転対称非球面としてもよいが、回転非対称な面とすることにより、偏心により発生する収差を補正することができるようになる。
【００２３】
ここで、偏心プリズムの反射面、屈折面に用いる回転非対称な曲面形状の面として、例えば自由曲面を用いることができる。なお、自由曲面とは以下の式で定義されるものである。この定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
自由曲面項は、
ただし、Ｃj （ｊは２以上の整数）は係数である。
【００２７】
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、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。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。
【００２８】
また、上記の回転非対称な曲面形状の面である自由曲面の他の定義式として、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式により定義できる。この面の形状は以下の式（ｂ）により定義する。その定義式（ｂ）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、ＲはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＡはＺ軸回りの方位角で、Ｘ軸から測った回転角で表せられる。
【００２９】
ただし、Ｄm （ｍは２以上の整数）は係数である。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 、Ｄ10，Ｄ11，Ｄ12，Ｄ13，Ｄ14，Ｄ20，Ｄ21，Ｄ22…を利用する。
【００３０】
上記定義式は、回転非対称な曲面形状の面の例示のために示したものであり、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。
【００３１】
ところで、本発明による撮像光学系をその奥行き方向の厚さを小さくするには、絞りの中心を通り、撮像面の中心に到る光線を軸上主光線とするとき、物体空間での軸上主光線方向に対する絞りを通過するときの軸上主光線方向の偏角θが、
４５°＜θ＜１３５° ・・・（２）
を満たすことが望ましい。
【００３２】
ここで、上記定義の偏角θは、物体空間での軸上主光線の方向と絞りを通過するときの軸上主光線の方向が同じで平行な場合に０°で、反対向きで平行な場合に１８０°になるもので、この偏角θが上記条件（２）を満たすことにより、絞りより後の後群を前群と並べて配置できるので、撮像光学系の奥行き方向の厚さを薄く構成することが可能になる。その条件の上限の１３５°を越えると、後群が前群より前側に出て、また、下限の４５°を越えると、逆に後群が前群より後ろ側に位置することになり、何れも奥行き方向の厚さを薄くすることができなくなる。
【００３３】
特に、絞りより前側に反射面を１面のみ持つ１つの偏心プリズムが配置されて前群が構成される場合、
９２°＜θ＜１３５° ・・・（３）
を満たすことが望ましい。
【００３４】
この条件（３）の下限の９２°より小さくなると、前群の偏心プリズムで発生した偏心収差の影響が大きく、非対称収差が補正できなくなる。上限の１３５°よりも大きくなると、前群の偏心プリズムと後群の偏心プリズムとの干渉が発生する。この干渉を避けようとすると、光学系が大きくなってしまう。
【００３５】
より好ましくは、
９５°＜θ＜１２５° ・・・（３−１）
を満たすようにすることが望ましい。
【００３６】
さらに好ましくは、
９８°＜θ＜１１５° ・・・（３−２）
を満たすようにすることが最も良い。
【００３７】
次に、物体空間における光軸に沿った撮像光学系の厚さｔを測ることを考える。物体空間における光軸に沿う軸をＺ軸とするときに、本発明の撮像光学系のＺ軸に沿って最も物体側に突出した点から物体から最も遠い点までのＺ軸に沿って測った厚さを光学系の厚さｔとし、この厚さｔが以下の式を満たすことが望ましい。
【００３８】
ｔ＜２０ｍｍ ・・・（４）
この条件の上限の２０ｍｍを越えると、厚さが厚すぎ携帯性に欠けるものとなってしまう。
【００３９】
より好ましくは、
ｔ＜１０ｍｍ ・・・（４−１）
を満たすようにすることが望ましい。
【００４０】
さらに好ましくは、
ｔ＜６．５ｍｍ ・・・（４−２）
を満たすようにすることが最も良い。
【００４１】
なお、厚さが余り小さくなりすぎると、光の波長に比べて光学系が小さくなりすぎ、回折の影響で画像の品質が保てなくなる。
【００４２】
また、以上のような本発明の撮像光学系と、その撮像光学系によって形成された物体像を受光する位置に配置された電子撮像素子と、その電子撮像素子によって光電変換された電子信号を処理する処理手段と、操作者がその処理手段に入力したい情報信号を入力するための入力部と、その処理手段からの出力を表示する表示素子と、その処理手段からの出力を記録する記録媒体とを含み、その処理手段は、撮像光学系によって電子撮像素子に受光された物体像を表示素子に表示するように構成されている情報処理装置を本発明に基づいて構成することができる。
【００４３】
この場合に、その入力部がキーボードにて構成され、撮像光学系と電子撮像素子とが表示素子の周辺部又はキーボードの周辺部に内蔵されているパソコン装置を本発明に基づいて構成することができる。
【００４４】
また、以上のような本発明の撮像光学系と、その撮像光学系によって形成された物体像を受光する位置に配置された電子撮像素子と、電話信号を送信及び受信するためのアンテナと、電話番号等の信号を入力するための入力部と、その電子撮像素子によって受光された物体像を送信可能な信号に変換する信号処理部とを含んでいる電話装置を本発明に基づいて構成することができる。
【００４５】
また、以上のような本発明の撮像光学系と、その撮像光学系によって形成された物体像を受光する位置に配置された電子撮像素子と、その電子撮像素子によって光電変換された電子信号を処理する処理手段と、その電子撮像素子で受光された物体像を観察可能に表示する表示素子とを有し、電子撮像素子で受光された物体像の像情報を記録するための記録部材を内蔵又は挿脱するように構成され、その処理手段が、電子撮像素子に受光された物体像を表示素子に表示する表示処理機能と、電子撮像素子に受光された物体像を記録媒体に記録する記録処理機能とを有する電子カメラ装置を本発明に基づいて構成することができる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の撮像光学系の実施例１〜６について説明する。なお、実施例１については本願発明の参考例として掲載したものである。
【００４７】
実施例１〜６の構成パラメータは下記に示すが、面番号は、物体から光学系の前群を経て、絞り２を通り、後群を通って撮像素子の配置される像面３へ向う順光線追跡の面番号として示してある。座標の取り方に関しては、図１に示すように、軸上主光線１を、絞り２の中心を通り、像面（撮像素子の撮像面）３中心に到る光線で定義する。そして、軸上主光線１と前群の第１面３１の交点を偏心光学面の原点として、軸上主光線１に沿う方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と像面３中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。また、光軸は紙面のＹ−Ｚ面内で折り曲げられるものとする。
【００４８】
そして、後記する構成パラメータ中において、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）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。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。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は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。
【００５２】
また、自由曲面の他の定義式として、前記の（ｂ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。
【００５３】
その他の面の例として、次の定義式（ｃ）があげられる。
【００５４】
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。
【００５５】
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（ｂ）式、（ｃ）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。
【００５６】
図１〜図６は、それぞれ本発明による実施例１〜６の撮像光学系のＹ−Ｚ断面とその光路を示す図である。
【００５７】
図１〜図５の実施例１〜５の撮像光学系は同じタイプのものであり、物体側から光の通る順に、絞り２より前の前群は、前面３１と後面３２が平行な平面からなるカバーガラス３０と第１プリズム１０からなり、絞り２より後の後群は、第２プリズム２０からなり、その第２プリズム２０の射出面２４の直後に像面（結像面）３が位置する。これらの実施例においては、像面３に入射する軸上主光線１と物体空間での軸上主光線１の方向は平行で同じ方向である。
【００５８】
そして、第１プリズム１０は第１面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は入射面、第２面１２は反射面、第３面１３は射出面であり、物体からの光線は、入射面１１を透過し、反射面１２で内面反射され、射出面１３を透過し、また、第２プリズム２０は第１面２１から第４面２４で構成され、その第１面２１は入射面、第２面２２は第１反射面、第３面２３は第２反射面、第４面２４は射出面であり、第１プリズム１０から絞り２を経た光線は、入射面２１を透過し、第１反射面２２で内面反射され、第２反射面２３で内面反射され、射出面２４を透過して像面３上に結像する。この撮像光学系においては、絞り２は開口絞りを構成し、中間像を形成しない。また、第２プリズム２０の第１面２１と第２面２２とがプリズム媒質を挟んで対向配置され、第３面２３と第４面２４とがプリズム媒質を挟んで対向配置され、第１面２１と第２面２２とを結ぶ光路が、第３面２３と第４面２４とを結ぶ光路とプリズム内で交差している。なお、実施例１〜５何れにおいても、第１プリズム１０の第１面１１〜第３面１３、第２プリズム２０の第１面２１から第４面２４は全て自由曲面からなる。
【００５９】
ここで、図１の実施例１の水平半画角は２５．２°、垂直半画角は１９．４４°、撮像面のサイズは３．２ｍｍ×２．４ｍｍ、焦点距離は３．４ｍｍ、Ｆナンバーは２．８であり、第１プリズム１０、第２プリズム２０は異なる種類のガラスからなり、２つのガラスプリズムを組み合わせて比較的小型な構成となっている。
【００６０】
図２の実施例２の水平半画角は２５．４８°、垂直半画角は１９．６７°、撮像面のサイズは４．４８ｍｍ×３．３６ｍｍ、焦点距離は４．７ｍｍ、Ｆナンバーは２．８であり、第１プリズム１０、第２プリズム２０は異なる種類のガラスからなり、２つのガラスプリズムを組み合わせて比較的大型な構成となっている。
【００６１】
図３の実施例３の水平半画角は２５．２°、垂直半画角は１９．４４°、撮像面のサイズは３．２ｍｍ×２．４ｍｍ、焦点距離は３．４ｍｍ、Ｆナンバーは２．８であり、第１プリズム１０はプラスチック、第２プリズム２０はガラスからなり、プラスチックプリズムとガラスプリズムを組み合わせて比較的小型な構成となっている。
【００６２】
図４の実施例４の水平半画角は２５．４８°、垂直半画角は１９．６７°、撮像面のサイズは４．４８ｍｍ×３．３６ｍｍ、焦点距離は４．７ｍｍ、Ｆナンバーは２．８であり、第１プリズム１０、第２プリズム２０は異なる種類のプラスチックからなり、２つのプラスチックを組み合わせて比較的大型な構成となっている。
【００６３】
図５の実施例５の水平半画角は２５．２°、垂直半画角は１９．４４°、撮像面のサイズは３．２ｍｍ×２．４ｍｍ、焦点距離は３．４ｍｍ、Ｆナンバーは２．８であり、第１プリズム１０、第２プリズム２０は異なる種類のプラスチックからなり、２つのプラスチックを組み合わせて比較的小型な構成となっている。
【００６４】
図６の実施例６の撮像光学系は以上の実施例と異なるタイプのものであり、物体側から光の通る順に、絞り２より前の前群は、前面３１と後面３２が平行な平面からなるカバーガラス３０と第１プリズム１０からなり、絞り２より後の後群は、第２プリズム２０からなり、その第２プリズム２０の射出面２４の直後に像面（結像面）３が位置する。この実施例においては、像面３に入射する軸上主光線１と物体空間での軸上主光線１の方向は平行で反対方向となる。
【００６５】
そして、第１プリズム１０は第１面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は入射面、第２面１２は反射面、第３面１３は射出面であり、物体からの光線は、入射面１１を透過し、反射面１２で内面反射され、射出面１３を透過し、また、第２プリズム２０は第１面２１から第４面２４で構成され、その第１面２１は入射面、第２面２２は全反射面の第１反射面と射出面とを兼用する兼用面、第３面２３は第２反射面、第４面２４は第３反射面であり、第１プリズム１０から絞り２を経た光線は、入射面２１を透過し、第１反射面２２で全反射され、第２反射面２３で内面反射され、第３反射面２４で内面反射され、今度は第２面２２を透過して像面３上に結像する。この撮像光学系においては、絞り２は開口絞りを構成し、中間像を形成しない。また、第２プリズム２０中では、光線が１回転して、第１面２１と第２面２２とを結ぶ光路が、第４面２４と第２面２２とを結ぶ光路とプリズム内で交差している。そして、第１プリズム１０の第１面１１〜第３面１３、第２プリズム２０の第１面２１から第４面２４は全て自由曲面からなる。
【００６６】
ここで、図６の実施例６の水平半画角は２５．２°、垂直半画角は１９．４４°、撮像面のサイズは３．２ｍｍ×２．５ｍｍ、焦点距離は３．４ｍｍ、Ｆナンバーは２．８であり、第１プリズム１０、第２プリズム２０は異なる種類のガラスからなる。
【００６７】
以下に、実施例１〜８の数値データを示す。これら表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＲＥ”は反射面を示す。
【００６８】
【００６９】
【００７０】
【００７１】
【００７２】
【００７３】
【００７４】
次に、上記実施例１、６の横収差図をそれぞれ図７、図８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。
【００７５】
次に、上記各実施例の条件（１）、（３）、（４）に関する値を以下に示す。
【００７６】
【００７７】
以上の実施例では、絞りの前後にそれぞれ１個の偏心プリズムを配置していたが、何れか一方あるいは両方に複数の偏心プリズムを配置してもよいし、偏心プリズム以外のミラーやレンズを配置してもよい。このような場合においても、絞りの前側にある何れかの偏心プリズムの媒質と、絞りの後側にある何れかの偏心プリズムの媒質とが異なっていればよい。
ところで、本発明の絞りの両側に配置する偏心プリズムとしては、図１〜図６に示したような内部反射回数が１回〜３回の偏心プリズムに限定されずに、内部反射回数が２回以上の公知の種々の偏心プリズムを用いることができる。その例を以下に示す。なお、何れも順光線追跡で遠方に位置する物体を瞳１３１を経て像面１３６に結像する偏心プリズムＰとして説明するが、光路を逆にして像面１３６側から光線が入射し、瞳１３１側に結像する偏心プリズムＰとしても使用することができる。
【００７８】
図９の場合は、偏心プリズムＰは第１面１３２、第２面１３３、第３面１３４、第４面１３５からなり、入射瞳１３１を通って入射した光は、第１面１３２で屈折して偏心プリズムＰに入射し、第２面１３３で内部反射し、第３面１３４でＺ字型の光路を形成するように内部反射し、第４面１３５に入射して屈折されて、像面１３６に結像する。
【００７９】
図１０の場合は、偏心プリズムＰは第１面１３２、第２面１３３、第３面１３４、第４面１３５からなり、入射瞳１３１を通って入射した光は、第１面１３２で屈折して偏心プリズムＰに入射し、第２面１３３で内部反射し、第３面１３４に入射して全反射し、第４面１３５に入射して内部反射し、再び第３面１３４に入射して今度は屈折されて、像面１３６に結像する。
【００８０】
図１１の場合は、偏心プリズムＰは第１面１３２、第２面１３３、第３面１３４、第４面１３５からなり、入射瞳１３１を通って入射した光は、第１面１３２で屈折して偏心プリズムＰに入射し、第２面１３３で内部反射し、第３面１３４に入射して内部反射し、第２面１３３に再度入射して内部反射し、第４面１３５に入射して屈折されて、像面１３６に結像する。
【００８１】
図１２の場合は、偏心プリズムＰは第１面１３２、第２面１３３、第３面１３４、第４面１３５からなり、入射瞳１３１を通って入射した光は、第１面１３２で屈折して偏心プリズムＰに入射し、第２面１３３で内部反射し、第３面１３４に入射して内部反射し、第２面１３３に再度入射して内部反射し、第４面１３５に入射して内部反射し、第２面１３３に再度入射して今度は屈折されて、像面１３６に結像する。
【００８２】
図１３の場合は、偏心プリズムＰは第１面１３２、第２面１３３、第３面１３４からなり、入射瞳１３１を通って入射した光は、第１面１３２で屈折して偏心プリズムＰに入射し、第２面１３３で内部反射し、再び第１面１３２に入射して今度は全反射し、第３面１３４で内部反射し、三たび第１面１３２に入射して全反射し、第３面１３４に再度入射して今度は屈折されて、像面１３６に結像する。
【００８３】
図１４の場合は、偏心プリズムＰは第１面１３２、第２面１３３、第３面１３４からなり、入射瞳１３１を通って入射した光は、第１面１３２で屈折して偏心プリズムＰに入射し、第２面１３３で内部反射し、再び第１面１３２に入射して今度は全反射し、第３面１３４で内部反射し、三たび第１面１３２に入射して全反射し、再び第３面１３４に入射して内部反射し、四たび第１面１３２に入射して今度は屈折されて、像面１３６に結像する。
【００８４】
さらには、後記の図１６の第２プリズム２０のように、第１面２１から第４面２４からなり、プリズム内で３回の反射をするものであってもよく、あるいは、後記の図１７の第２プリズム２０のように、第１面２１から第３面２３からなり、その第２面２２が全反射面と射出面を兼用するプリズム内で２回の反射をするものであってもよく、あるいは、後記の図１８の第２プリズム２０のように、第１面２１から第３面２３からなり、その第１面２１が入射面と全反射面を兼用するプリズム内で２回の反射をするものであってもよく、これらを絞り２の前側あるいは、後側の偏心プリズムとして用いるようにすることもできる。
【００８５】
以下の図１５〜図１９に、前記実施例１〜６の場合とは異なるプリズムの組み合わせの本発明の撮像光学系を示す。ただし、数値データは省く。
【００８６】
図１５の場合は、第１プリズム１０にも、実施例１〜５の第２プリズム２０と同様の偏心プリズムを用いた例であり、第１プリズム１０は第１面１１から第４面１４で構成され、その第１面１１は入射面、第２面１２は第１反射面、第３面１３は第２反射面、第４面１４は射出面であり、物体からの光線は、入射面１１を透過し、第１反射面１２で内面反射され、第２反射面１３で内面反射され、射出面１４を透過し、また、第２プリズム２０は第１面２１から第４面２４で構成され、その第１面２１は入射面、第２面２２は第１反射面、第３面２３は第２反射面、第４面２４は射出面であり、第１プリズム１０から絞り２を経た光線は、入射面２１を透過し、第１反射面２２で内面反射され、第２反射面２３で内面反射され、射出面２４を透過して像面３上に結像する。第１プリズム１０、第２プリズム２０共、その第１面１１、２１と第２面１２、２２とがプリズム媒質を挟んで対向配置され、第３面１３、２３と第４面１４、２４とがプリズム媒質を挟んで対向配置され、第１面１１、２１と第２面１２、２２とを結ぶ光路が、第３面１３、２３と第４面１４、２４とを結ぶ光路とプリズム内で交差している。
【００８７】
図１６の場合は、第１プリズム１０は図１５の場合と同じであり、第２プリズム２０として、第１面２１から第４面２４でなり、その第１面２１は入射面と第２反射面を兼用する兼用面、第２面２２は第１反射面、第３面２３は第３反射面、第４面２４は射出面であり、第１プリズム１０から絞り２を経た光線は、入射面２１を透過し、第１反射面２２で反射され、今度は第１面２１で全反射され、第３反射面２３で内面反射され、射出面２４を透過して像面３上に結像する。この第２プリズム２０においては、プリズム中で光線はＭ字型の光路を形成するように内部反射する。
【００８８】
図１７の場合は、第１プリズム１０は前記実施例１〜６の場合と同じであり、第２プリズム２０として、第１面２１から第３面２３でなり、その第１面２１は入射面、第２面２２は第１反射面と射出面を兼用する兼用面、第３面２３は第２反射面であり、第１プリズム１０から絞り２を経た光線は、入射面２１を透過し、第１反射面２２で全反射され、第２反射面２３で内面反射され、今度は第２面２２を透過して像面３上に結像する。
【００８９】
図１８の場合は、第１プリズム１０は前記実施例１〜６の場合と同じであり、第２プリズム２０として、第１面２１から第３面２３でなり、その第１面２１は入射面と第２反射面を兼用する兼用面、第２面２２は第１反射面、第３面２３は射出面であり、第１プリズム１０から絞り２を経た光線は、入射面２１を透過し、第１反射面２２で反射され、今度は第１面２１で全反射され、射出面２３を透過して像面３上に結像する。
【００９０】
図１９は、絞り２より前側に１つの偏心プリズム１０を、絞り２より後側に２つの偏心プリズム２０、２０’を配置して本発明の撮像光学系を構成する場合を示す図であり、何れの偏心プリズム１０、２０、２０’もプリズム内で１回の反射をする偏心プリズムを用いている。
【００９１】
さて、以上のような本発明の撮像光学系は、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。
【００９２】
図２０〜図２２は、本発明の撮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２０は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図２１は同後方斜視図、図２２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、ファインダー用対物光学系５３が配置されており、このファインダー用対物光学系５３は、カバーレンズ５４、第１プリズム１０、開口絞り２、第２プリズム２０、フォーカス用レンズ６６からなり、カバーレンズ５４あるいは第１プリズム１０から第２プリズム２０までの結像光学系として、本発明による撮像光学系を用いている。また、カバー部材として用いられているカバーレンズ５４は、負のパワーを有するレンズであり、画角を拡大している。また、第２プリズム２０の後方に配置されているフォーカス用レンズ６６は光軸の前後方向へ位置調節可能になっており、ファインダー用対物光学系５３のピント調節に用いられる。このファインダー用対物光学系５３によって結像面６７上に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。このポロプリズム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。
【００９５】
なお、図２２の構成において、撮影用対物光学系４８の構成については言及しなかったが、撮影用対物光学系４８としては屈折型同軸光学系の他に、本発明による２つ以上のプリズム１０、２０からなる何れかのタイプの撮像光学系を用いることも当然可能である。
【００９６】
次に、図２３は、本発明の撮像光学系を電子カメラ４０の撮影部の撮影用対物光学系４
８に組み込んだ構成の概念図を示す。この場合は、撮影用光路４２上に配置された撮影用対物光学系４８に、第１プリズム１０、開口絞り２、第２プリズム２０からなる本発明による撮像光学系を用いている。この撮影用対物光学系４８により形成された物体像は、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、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。また、この撮影用対物光学系４８は他のレンズ（正レンズ、負レンズ）をプリズム１０、２０の物体側、プリズム間あるいは像側にその構成要素として含んでいてもよい。
【００９７】
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。
【００９８】
なお、本例では、撮影用対物光学系４８のカバー部材６５はとして、平行平面板を配置しているが、前例と同様に、パワーを持ったレンズを用いてもよい。
【００９９】
ここで、カバー部材を設けずに、本発明の撮像光学系中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。
【０１００】
次に、図２４〜図２６は本発明の撮像光学系を情報処理装置の一例であるパソコンに内蔵した構成を示す概念図である。
【０１０１】
図２４はパソコン３００のカバーを開いた前方斜視図、図２５はパソコン３００の撮影光学系３０３の断面図、図２６は図２４の状態の側面図である。図２４〜図２６に示されるように、パソコン３００は、外部から繰作者が情報を入力するためのキーボード３０１と、図示を省略した情報処理手段や記録手段と、情報を操作者に表示するモニター３０２と、操作者自身や周辺の像を撮影するための撮影光学系３０３とを有している。ここで、モニター３０２は、図示しないバックライトにより背面から照明する透過型液晶表示素子や、前面からの光を反射して表示する反射型液晶表示素子や、ＣＲＴディスプレイ等であってよい。また、図中、撮影光学系３０３は、モニター３０２の右上に内蔵されているが、その場所に限らず、モニター３０２の周囲や、キーボード３０１の周囲のどこであってもよい。
【０１０２】
この撮影光学系３０３は、撮影光路３０４上に、本発明の撮像光学系からなる対物光学系１００と、像を受光する撮像素子チップ１６２とを有している。これらはパソコン３００に内蔵されている。
【０１０３】
ここで、撮像素子チップ１６２上には付加的にｌＲカットフィルター１８０が貼り付けられて撮像ユニット１６０として一体に形成され、対物光学系１００の鏡枠１０１の後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、対物光学系１００と撮像素子チップ１６２の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠１０１の先端には、対物光学系１００を保護するためのカバーガラス１０２が配置されている。
【０１０４】
撮像素子チップ１６２で受光された物体像は、端子１６６を介して、パソコン３００の処理手段に入力され、電子画像としてモニター３０２に表示される、図２５には、その一例として、操作者の撮影された画像３０５が示されている。また、この画像３０５は、処理手段を介し、インターネットや電話を介して、遠隔地から通信相手のパソコンに表示されることも可能である。
【０１０５】
次に、情報処理装置の他の例として電話、特に、その中でも持ち運びに便利な携帯電話に本発明の撮像光学系を内蔵した例を図２７に示す。
【０１０６】
図２７（ａ）は携帯電話４００の正面図、図２７（ｂ）は側面図、図２７（ｃ）は撮影光学系４０５の断面図である。図２７（ａ）〜（ｃ）に示されるように、携帯電話４００は、操作者の声を情報として入力するマイク部４０１と、通話相手の声を出力するスピーカ部４０２と、操作者が情報を入力する入力ダイアル４０３と、操作者自身や通話相手等の撮影像と電話番号等の情報を表示するモニター４０４と、撮影光学系４０５と、通信電波の送信と受信を行うアンテナ４０６と、画像情報や通信情報、入力信号等の処理を行う処理手段（図示せず）とを有している。ここで、モニター４０４は液晶表示素子である。また、図中、各構成の配置位置は、特にこれらに限られない。この撮影光学系４０５は、撮影光路４０７上に配置された本発明の撮像光学系からなる対物光学系１００と、像を受光する撮像素子チップ１６２とを有している。これらは、携帯電話４００に内蔵されている。
【０１０７】
ここで、撮像素子チップ１６２上には付加的にｌＲカットフィルター１８０が貼り付けられて撮像ユニット１６０として一体に形成され、対物レンズ１２の鏡枠１３の後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、対物レンズ１２と撮像素子チップ１６２の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠１０１の先端には、対物光学系１００を保護するためのカバーガラス１０２が配置されている。
【０１０８】
撮影素子チップ１６２で受光された物体像は、端子１６６を介して、図示していない処理手段に入力され、電子画像としてモニター４０４に、又は、通信相手のモニターに、又は、両方に表示される。また、通信相手に画像を送信する場合、撮像素子チップ１６２で受光された物体像の情報を、送信可能な信号へと変換する信号処理機能が処理手段には含まれている。
【０１０９】
以上の本発明の撮像光学系は、例えば次のように構成することができる。
【０１１０】
〔１〕 絞りの両側にそれぞれ回転非対称な反射面を持つ少なくとも１つの偏心プリズムが配置され、中間像を結像しない撮像光学系において、絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質の光学的性質と絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質の光学的性質とが異なることを特徴とする撮像光学系。
【０１１１】
〔２〕 前記絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質と前記絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数の差の絶対値Δνが、
５＜Δν＜８０ ・・・（１）
を満たすことを特徴とする上記１記載の撮像光学系。
【０１１２】
〔３〕 絞りより前側のパワーが負で、絞りより後側のパワーが正で、前記絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数が小さく、前記絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数がより大きいことを特徴とする上記２記載の撮像光学系。
【０１１３】
〔４〕 絞りより前側の屈折力を有する要素の最も物体側の面が正のパワー有することを特徴とする上記３記載の撮像光学系。
【０１１４】
〔５〕 前記各偏心プリズムの入射面又は射出面の少なくとも何れか一方が曲面からなることを特徴とする上記１から４の何れか１項記載の撮像光学系。
【０１１５】
〔６〕 前記曲面が球面以外の面からなることを特徴とする上記５記載の撮像光学系。
【０１１６】
〔７〕 前記曲面が回転非対称な面からなることを特徴とする上記６記載の撮像光学系。
【０１１７】
〔８〕 前記絞りの中心を通り、撮像面の中心に到る光線を軸上主光線とするとき、物体空間での軸上主光線方向に対する前記絞りを通過するときの軸上主光線方向の偏角θが、
４５°＜θ＜１３５° ・・・（２）
を満たすことを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の撮像光学系。
【０１１８】
〔９〕 絞りより前側に反射面を１面のみ持つ１つの偏心プリズムが配置され、次の条件を満たすことを特徴とする上記８記載の撮像光学系。
【０１１９】
９２°＜θ＜１３５° ・・・（３）
〔１０〕 物体空間における光軸に沿う軸をＺ軸とするときに、光学系のＺ軸に沿って最も物体側に突出した点から物体から最も遠い点までのＺ軸に沿って測った厚さをｔとするとき、が以下の式を満たすこと特徴とする上記１から９の何れか１項記載の撮像光学系。
【０１２０】
ｔ＜２０ｍｍ ・・・（４）
〔１１〕 上記１から１０の何れか１項記載の撮像光学系と、前記撮像光学系によって形成された物体像を受光する位置に配置された電子撮像素子と、前記電子撮像素子によって光電変換された電子信号を処理する処理手段と、操作者が前記処理手段に入力したい情報信号を入力するための入力部と、前記処理手段からの出力を表示する表示素子と、前記処理手段からの出力を記録する記録媒体とを含み、
前記処理手段は、前記撮像光学系によって前記電子撮像素子に受光された物体像を前記表示素子に表示するように構成されていることを特徴とする情報処理装置。
【０１２１】
〔１２〕 上記１１において、
前記入力部がキーボードにて構成され、前記撮像光学系と前記電子撮像素子とが前記表示素子の周辺部又は前記キーボードの周辺部に内蔵されていることを特徴とするパソコン装置。
【０１２２】
〔１３〕 上記１から１０の何れか１項記載の撮像光学系と、前記撮像光学系によって形成された物体像を受光する位置に配置された電子撮像素子と、電話信号を送信及び受信するためのアンテナと、電話番号等の信号を入力するための入力部と、前記電子撮像素子によって受光された物体像を送信可能な信号に変換する信号処理部とを含んでいることを特徴とする電話装置。
【０１２３】
〔１４〕 上記１から１０の何れか１項記載の撮像光学系と、前記撮像光学系によって形成された物体像を受光する位置に配置された電子撮像素子と、前記電子撮像素子によって光電変換された電子信号を処理する処理手段と、前記電子撮像素子で受光された物体像を観察可能に表示する表示素子とを有し、前記電子撮像素子で受光された物体像の像情報を記録するための記録部材を内蔵又は挿脱するように構成され、前記処理手段が、前記電子撮像素子に受光された物体像を前記表示素子に表示する表示処理機能と、前記電子撮像素子に受光された物体像を前記記録媒体に記録する記録処理機能とを有することを特徴とする電子カメラ装置。
【０１２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、特に倍率の色収差を始めとして諸収差を良好に補正した小型で高性能な複数の偏心プリズムからなる撮像光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の撮像光学系の断面と光路を示す図である。
【図２】本発明の実施例２の撮像光学系の断面と光路を示す図である。
【図３】本発明の実施例３の撮像光学系の断面と光路を示す図である。
【図４】本発明の実施例４の撮像光学系の断面と光路を示す図である。
【図５】本発明の実施例５の撮像光学系の断面と光路を示す図である。
【図６】本発明の実施例６の撮像光学系の断面と光路を示す図である。
【図７】実施例１の撮像光学系の横収差図である。
【図８】実施例６の撮像光学系の横収差図である。
【図９】本発明の撮像光学系に使用可能な偏心プリズムの１つの変形例を示す図である。
【図１０】偏心プリズムの別の変形例を示す図である。
【図１１】偏心プリズムの別の変形例を示す図である。
【図１２】偏心プリズムの別の変形例を示す図である。
【図１３】偏心プリズムの別の変形例を示す図である。
【図１４】偏心プリズムの別の変形例を示す図である。
【図１５】実施例１〜６とは異なるプリズムの組み合わせからなる本発明の撮像光学系の例を示す図である。
【図１６】実施例１〜６とは異なるプリズムの組み合わせからなる本発明の撮像光学系の別の例を示す図である。
【図１７】実施例１〜６とは異なるプリズムの組み合わせからなる本発明の撮像光学系の別の例を示す図である。
【図１８】実施例１〜６とは異なるプリズムの組み合わせからなる本発明の撮像光学系の別の例を示す図である。
【図１９】実施例１〜６とは異なるプリズムの組み合わせからなる本発明の撮像光学系の別の例を示す図である。
【図２０】本発明の撮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２１】図２０の電子カメラの後方斜視図である。
【図２２】図２０の電子カメラの構成を示す断面図である。
【図２３】本発明の撮像光学系を適用した別の電子カメラの概念図である。
【図２４】本発明の撮像光学系が対物光学系として組み込れたパソコンのカバーを開いた前方斜視図である。
【図２５】パソコンの撮影光学系の断面図である。
【図２６】図２４の状態の側面図である。
【図２７】本発明の撮像光学系が対物光学系として組み込れた携帯電話の正面図、側面図、その撮影光学系の断面図である。
【符号の説明】
１…開口絞り
２…軸上主光線（光軸）
３…像面（結像面）
１０…第１プリズム
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
１４…第４面
２０…第２プリズム
２０’…第３プリズム
２１…第１面
２２…第２面
２３…第３面
２４…第４面
３０…カバーガラス
３１…前面（第１面）
３２…後面（第２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…フィルター
５２…処理手段
５３…ファインダー用対物光学系
５４…カバーレンズ
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
６６…フォーカス用レンズ
６７…結像面
１００…対物光学系
１０１…鏡枠
１０２…カバーガラス
１３１…瞳
１３２…第１面
１３３…第２面
１３４…第３面
１３５…第４面
１３６…像面
１６０…撮像ユニット
１６２…撮像素子チップ
１６６…端子
１８０…ｌＲカットフィルター
３００…パソコン
３０１…キーボード
３０２…モニター
３０３…撮影光学系
３０４…撮影光路
３０５…画像
４００…携帯電話
４０１…マイク部
４０２…スピーカ部
４０３…入力ダイアル
４０４…モニター
４０５…撮影光学系
４０６…アンテナ
４０７…撮影光路
Ｅ…観察者眼球
Ｐ…偏心プリズム
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像光学系に関し、特に、反射屈折光学系を用いた小型で高性能な撮像光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自由曲面等を用いたプリズム光学系については多くの提案がある。その中、絞りを挟んで複数の偏心プリズムを配置してなる撮像光学系については、特開平１０−２０１９６号、特開２０００−１９４０１〜１９４０７、特開２０００−１１１７９９〜１１１８００、特開２０００−１２１９４３等のものが提案されている。これらのものは、偏心プリズムの媒質は何れも同じものを用いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、撮像光学系を小型にしていくと撮像素子のピクセルが小さく高精細になり、撮像光学系はそれに対応して諸収差を補正した高性能なものにする必要が出てくる。このような偏心プリズムを用いた撮像光学系において、絞りを光学系の中央付近に配置して対称性が良くなるようにすれば、コマ収差等は改善するが、屈折率の色分散に起因する倍率の色収差が問題となる。
【０００４】
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、絞りを挟んで複数の偏心プリズムを配置してなる撮像光学系において、特に倍率の色収差を始めとして諸収差を良好に補正した小型で高性能なものを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の撮像光学系は、絞りの両側にそれぞれ回転非対称な反射面を持つ少なくとも１つの偏心プリズムが配置され、中間像を結像しない撮像光学系において、絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質の光学的性質と絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質の光学的性質とが異なることを特徴とするものである。
【０００６】
この場合に、絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質と絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数の差の絶対値Δνが、
５＜Δν＜８０ ・・・（１）
を満たすことが望ましい。
【０００７】
また、絞りより前側のパワーが負で、絞りより後側のパワーが正で、絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数が小さく、絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数がより大きいことが望ましい。
【０００８】
以下、本発明のおいて上記構成をとる理由と作用について説明する。
【０００９】
前記したように、絞りの両側にそれぞれ回転非対称な反射面を持つ少なくとも１つの偏心プリズムが配置され、中間像を結像しない撮像光学系においては、絞りが光学系の中央付近に配置されており、対称性が良くできるので、コマ収差等の単色収差は改善するが、各プリズムの入射面と射出面が何れも屈折面からなるために、屈折率の色分散に起因する色収差、特に、倍率の色収差は、プリズムの面形状として回転非対称な自由曲面形状としても補正しきれない。特に、光学系を小型化する場合、相対的に波長が大きくなり、倍率の色収差の収差補正が難しくなる。
【００１０】
そこで、本発明においては、絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質の光学的性質と絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質の光学的性質とが異なるようにすることにより、色収差、特に、倍率色収差を補正するようにしている。このように絞りより前群の偏心プリズムの媒質の光学的性質と絞りより後の後群の偏心プリズムの媒質の光学的性質とを異なるようにすると、プリズムの屈折面での分散に基づく色収差、特に、倍率の色収差を良好に補正できるようになる。
【００１１】
ここで、媒質の光学的性質とは、具体的に屈折率とアッベ数であるが、少なくとも何れか一方が異なることが必要である。
【００１２】
また、典型的には、後記の実施例に示すように、絞りより前に１つの偏心プリズム、絞りより後に１つの偏心プリズムを持って本発明の撮像光学系は構成されるが、それぞれ複数の偏心プリズムで構成することも可能である。その場合、最低前群の１つのプリズムと後群の１つのプリズムの媒質の光学的性質が異なれば、色収差は補正可能になる。
【００１３】
そして、より具体的には、その前群の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質と後群の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数の差の絶対値Δνが、
５＜Δν＜８０ ・・・（１）
を満たすようにすることが望ましい。
【００１４】
この条件の下限値の５を越えると、倍率の色収差を補正することが困難になる。また、上限値の８０を越えると、倍率の色収差の補正には好ましいが、媒質の種類が少なくなり、他の収差補正が困難になる。
【００１５】
より好ましくは、
１０＜Δν＜６０ ・・・（１−１）
を満たすようにすることが望ましい。
【００１６】
さらに好ましくは、
２０＜Δν＜４０ ・・・（１−２）
を満たすようにすることが最も良い。
【００１７】
ところで、電子撮像素子を用いて撮像する場合、結像光線が撮像面に略垂直に入射するテレセントリックな構成にする必要がある。その場合には、絞りより後の群のパワーは正とする必要がある。後群を正パワーとした場合、前群のパワーとしては、正でも負でもよいが、前群のパワーを正とすると、結像面が後群の中に潜り込むような形態になってしまうことが多い。そこで、レトロフォーカスタイプにして前群のパワーを負とすることが望ましい。
【００１８】
このようなパワー配置で、絞りが系の真ん中にあることにより、入射する軸外主光線の像高が前群第１面の屈折面で最も高くなる。この面により高分散（アッベ数が相対的に小さい）の媒質を配置することにより、倍率の色収差を容易に補正することができるようになる。
【００１９】
また、この場合に、絞りより前側の屈折力を有する要素の最も物体側の面、例えばカバーガラスを除いた偏心プリズムの入射面が正のパワー有すると、倍率色収差補正の作用をより高めることができる。
【００２０】
ここで、各偏心プリズムの入射面又は射出面の少なくとも何れか一方が曲面からなることが望ましい。
【００２１】
各プリズムの屈折面である入射面又は射出面の少なくとも何れか一方を曲面で構成することにより、前群、後群のパワーの一部を担わせたり、収差補正の一部を担わせることができる。
【００２２】
その場合に、その曲面としては、球面以外の回転対称非球面としてもよいが、回転非対称な面とすることにより、偏心により発生する収差を補正することができるようになる。
【００２３】
ここで、偏心プリズムの反射面、屈折面に用いる回転非対称な曲面形状の面として、例えば自由曲面を用いることができる。なお、自由曲面とは以下の式で定義されるものである。この定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００２４】
【００２５】
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。
【００２６】
自由曲面項は、
【００２７】
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、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。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。
【００２８】
また、上記の回転非対称な曲面形状の面である自由曲面の他の定義式として、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式により定義できる。この面の形状は以下の式（ｂ）により定義する。その定義式（ｂ）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、ＲはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＡはＺ軸回りの方位角で、Ｘ軸から測った回転角で表せられる。
【００２９】
【００３０】
上記定義式は、回転非対称な曲面形状の面の例示のために示したものであり、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。
【００３１】
ところで、本発明による撮像光学系をその奥行き方向の厚さを小さくするには、絞りの中心を通り、撮像面の中心に到る光線を軸上主光線とするとき、物体空間での軸上主光線方向に対する絞りを通過するときの軸上主光線方向の偏角θが、
４５°＜θ＜１３５° ・・・（２）
を満たすことが望ましい。
【００３２】
ここで、上記定義の偏角θは、物体空間での軸上主光線の方向と絞りを通過するときの軸上主光線の方向が同じで平行な場合に０°で、反対向きで平行な場合に１８０°になるもので、この偏角θが上記条件（２）を満たすことにより、絞りより後の後群を前群と並べて配置できるので、撮像光学系の奥行き方向の厚さを薄く構成することが可能になる。その条件の上限の１３５°を越えると、後群が前群より前側に出て、また、下限の４５°を越えると、逆に後群が前群より後ろ側に位置することになり、何れも奥行き方向の厚さを薄くすることができなくなる。
【００３３】
特に、絞りより前側に反射面を１面のみ持つ１つの偏心プリズムが配置されて前群が構成される場合、
９２°＜θ＜１３５° ・・・（３）
を満たすことが望ましい。
【００３４】
この条件（３）の下限の９２°より小さくなると、前群の偏心プリズムで発生した偏心収差の影響が大きく、非対称収差が補正できなくなる。上限の１３５°よりも大きくなると、前群の偏心プリズムと後群の偏心プリズムとの干渉が発生する。この干渉を避けようとすると、光学系が大きくなってしまう。
【００３５】
より好ましくは、
９５°＜θ＜１２５° ・・・（３−１）
を満たすようにすることが望ましい。
【００３６】
さらに好ましくは、
９８°＜θ＜１１５° ・・・（３−２）
を満たすようにすることが最も良い。
【００３７】
次に、物体空間における光軸に沿った撮像光学系の厚さｔを測ることを考える。物体空間における光軸に沿う軸をＺ軸とするときに、本発明の撮像光学系のＺ軸に沿って最も物体側に突出した点から物体から最も遠い点までのＺ軸に沿って測った厚さを光学系の厚さｔとし、この厚さｔが以下の式を満たすことが望ましい。
【００３８】
ｔ＜２０ｍｍ ・・・（４）
この条件の上限の２０ｍｍを越えると、厚さが厚すぎ携帯性に欠けるものとなってしまう。
【００３９】
より好ましくは、
ｔ＜１０ｍｍ ・・・（４−１）
を満たすようにすることが望ましい。
【００４０】
さらに好ましくは、
ｔ＜６．５ｍｍ ・・・（４−２）
を満たすようにすることが最も良い。
【００４１】
なお、厚さが余り小さくなりすぎると、光の波長に比べて光学系が小さくなりすぎ、回折の影響で画像の品質が保てなくなる。
【００４２】
また、以上のような本発明の撮像光学系と、その撮像光学系によって形成された物体像を受光する位置に配置された電子撮像素子と、その電子撮像素子によって光電変換された電子信号を処理する処理手段と、操作者がその処理手段に入力したい情報信号を入力するための入力部と、その処理手段からの出力を表示する表示素子と、その処理手段からの出力を記録する記録媒体とを含み、その処理手段は、撮像光学系によって電子撮像素子に受光された物体像を表示素子に表示するように構成されている情報処理装置を本発明に基づいて構成することができる。
【００４３】
この場合に、その入力部がキーボードにて構成され、撮像光学系と電子撮像素子とが表示素子の周辺部又はキーボードの周辺部に内蔵されているパソコン装置を本発明に基づいて構成することができる。
【００４４】
また、以上のような本発明の撮像光学系と、その撮像光学系によって形成された物体像を受光する位置に配置された電子撮像素子と、電話信号を送信及び受信するためのアンテナと、電話番号等の信号を入力するための入力部と、その電子撮像素子によって受光された物体像を送信可能な信号に変換する信号処理部とを含んでいる電話装置を本発明に基づいて構成することができる。
【００４５】
また、以上のような本発明の撮像光学系と、その撮像光学系によって形成された物体像を受光する位置に配置された電子撮像素子と、その電子撮像素子によって光電変換された電子信号を処理する処理手段と、その電子撮像素子で受光された物体像を観察可能に表示する表示素子とを有し、電子撮像素子で受光された物体像の像情報を記録するための記録部材を内蔵又は挿脱するように構成され、その処理手段が、電子撮像素子に受光された物体像を表示素子に表示する表示処理機能と、電子撮像素子に受光された物体像を記録媒体に記録する記録処理機能とを有する電子カメラ装置を本発明に基づいて構成することができる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の撮像光学系の実施例１〜６について説明する。なお、実施例１については本願発明の参考例として掲載したものである。
【００４７】
実施例１〜６の構成パラメータは下記に示すが、面番号は、物体から光学系の前群を経て、絞り２を通り、後群を通って撮像素子の配置される像面３へ向う順光線追跡の面番号として示してある。座標の取り方に関しては、図１に示すように、軸上主光線１を、絞り２の中心を通り、像面（撮像素子の撮像面）３中心に到る光線で定義する。そして、軸上主光線１と前群の第１面３１の交点を偏心光学面の原点として、軸上主光線１に沿う方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と像面３中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。また、光軸は紙面のＹ−Ｚ面内で折り曲げられるものとする。
【００４８】
そして、後記する構成パラメータ中において、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）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。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。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は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。
【００５２】
また、自由曲面の他の定義式として、前記の（ｂ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。
【００５３】
その他の面の例として、次の定義式（ｃ）があげられる。
【００５４】
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。
【００５５】
【００５６】
図１〜図６は、それぞれ本発明による実施例１〜６の撮像光学系のＹ−Ｚ断面とその光路を示す図である。
【００５７】
図１〜図５の実施例１〜５の撮像光学系は同じタイプのものであり、物体側から光の通る順に、絞り２より前の前群は、前面３１と後面３２が平行な平面からなるカバーガラス３０と第１プリズム１０からなり、絞り２より後の後群は、第２プリズム２０からなり、その第２プリズム２０の射出面２４の直後に像面（結像面）３が位置する。これらの実施例においては、像面３に入射する軸上主光線１と物体空間での軸上主光線１の方向は平行で同じ方向である。
【００５８】
そして、第１プリズム１０は第１面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は入射面、第２面１２は反射面、第３面１３は射出面であり、物体からの光線は、入射面１１を透過し、反射面１２で内面反射され、射出面１３を透過し、また、第２プリズム２０は第１面２１から第４面２４で構成され、その第１面２１は入射面、第２面２２は第１反射面、第３面２３は第２反射面、第４面２４は射出面であり、第１プリズム１０から絞り２を経た光線は、入射面２１を透過し、第１反射面２２で内面反射され、第２反射面２３で内面反射され、射出面２４を透過して像面３上に結像する。この撮像光学系においては、絞り２は開口絞りを構成し、中間像を形成しない。また、第２プリズム２０の第１面２１と第２面２２とがプリズム媒質を挟んで対向配置され、第３面２３と第４面２４とがプリズム媒質を挟んで対向配置され、第１面２１と第２面２２とを結ぶ光路が、第３面２３と第４面２４とを結ぶ光路とプリズム内で交差している。なお、実施例１〜５何れにおいても、第１プリズム１０の第１面１１〜第３面１３、第２プリズム２０の第１面２１から第４面２４は全て自由曲面からなる。
【００５９】
ここで、図１の実施例１の水平半画角は２５．２°、垂直半画角は１９．４４°、撮像面のサイズは３．２ｍｍ×２．４ｍｍ、焦点距離は３．４ｍｍ、Ｆナンバーは２．８であり、第１プリズム１０、第２プリズム２０は異なる種類のガラスからなり、２つのガラスプリズムを組み合わせて比較的小型な構成となっている。
【００６０】
図２の実施例２の水平半画角は２５．４８°、垂直半画角は１９．６７°、撮像面のサイズは４．４８ｍｍ×３．３６ｍｍ、焦点距離は４．７ｍｍ、Ｆナンバーは２．８であり、第１プリズム１０、第２プリズム２０は異なる種類のガラスからなり、２つのガラスプリズムを組み合わせて比較的大型な構成となっている。
【００６１】
図３の実施例３の水平半画角は２５．２°、垂直半画角は１９．４４°、撮像面のサイズは３．２ｍｍ×２．４ｍｍ、焦点距離は３．４ｍｍ、Ｆナンバーは２．８であり、第１プリズム１０はプラスチック、第２プリズム２０はガラスからなり、プラスチックプリズムとガラスプリズムを組み合わせて比較的小型な構成となっている。
【００６２】
図４の実施例４の水平半画角は２５．４８°、垂直半画角は１９．６７°、撮像面のサイズは４．４８ｍｍ×３．３６ｍｍ、焦点距離は４．７ｍｍ、Ｆナンバーは２．８であり、第１プリズム１０、第２プリズム２０は異なる種類のプラスチックからなり、２つのプラスチックを組み合わせて比較的大型な構成となっている。
【００６３】
図５の実施例５の水平半画角は２５．２°、垂直半画角は１９．４４°、撮像面のサイズは３．２ｍｍ×２．４ｍｍ、焦点距離は３．４ｍｍ、Ｆナンバーは２．８であり、第１プリズム１０、第２プリズム２０は異なる種類のプラスチックからなり、２つのプラスチックを組み合わせて比較的小型な構成となっている。
【００６４】
図６の実施例６の撮像光学系は以上の実施例と異なるタイプのものであり、物体側から光の通る順に、絞り２より前の前群は、前面３１と後面３２が平行な平面からなるカバーガラス３０と第１プリズム１０からなり、絞り２より後の後群は、第２プリズム２０からなり、その第２プリズム２０の射出面２４の直後に像面（結像面）３が位置する。この実施例においては、像面３に入射する軸上主光線１と物体空間での軸上主光線１の方向は平行で反対方向となる。
【００６５】
そして、第１プリズム１０は第１面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は入射面、第２面１２は反射面、第３面１３は射出面であり、物体からの光線は、入射面１１を透過し、反射面１２で内面反射され、射出面１３を透過し、また、第２プリズム２０は第１面２１から第４面２４で構成され、その第１面２１は入射面、第２面２２は全反射面の第１反射面と射出面とを兼用する兼用面、第３面２３は第２反射面、第４面２４は第３反射面であり、第１プリズム１０から絞り２を経た光線は、入射面２１を透過し、第１反射面２２で全反射され、第２反射面２３で内面反射され、第３反射面２４で内面反射され、今度は第２面２２を透過して像面３上に結像する。この撮像光学系においては、絞り２は開口絞りを構成し、中間像を形成しない。また、第２プリズム２０中では、光線が１回転して、第１面２１と第２面２２とを結ぶ光路が、第４面２４と第２面２２とを結ぶ光路とプリズム内で交差している。そして、第１プリズム１０の第１面１１〜第３面１３、第２プリズム２０の第１面２１から第４面２４は全て自由曲面からなる。
【００６６】
ここで、図６の実施例６の水平半画角は２５．２°、垂直半画角は１９．４４°、撮像面のサイズは３．２ｍｍ×２．５ｍｍ、焦点距離は３．４ｍｍ、Ｆナンバーは２．８であり、第１プリズム１０、第２プリズム２０は異なる種類のガラスからなる。
【００６７】
以下に、実施例１〜８の数値データを示す。これら表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＲＥ”は反射面を示す。
【００６８】
次に、上記実施例１、６の横収差図をそれぞれ図７、図８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。
【００７５】
次に、上記各実施例の条件（１）、（３）、（４）に関する値を以下に示す。
【００７６】
以上の実施例では、絞りの前後にそれぞれ１個の偏心プリズムを配置していたが、何れか一方あるいは両方に複数の偏心プリズムを配置してもよいし、偏心プリズム以外のミラーやレンズを配置してもよい。このような場合においても、絞りの前側にある何れかの偏心プリズムの媒質と、絞りの後側にある何れかの偏心プリズムの媒質とが異なっていればよい。
ところで、本発明の絞りの両側に配置する偏心プリズムとしては、図１〜図６に示したような内部反射回数が１回〜３回の偏心プリズムに限定されずに、内部反射回数が２回以上の公知の種々の偏心プリズムを用いることができる。その例を以下に示す。なお、何れも順光線追跡で遠方に位置する物体を瞳１３１を経て像面１３６に結像する偏心プリズムＰとして説明するが、光路を逆にして像面１３６側から光線が入射し、瞳１３１側に結像する偏心プリズムＰとしても使用することができる。
【００７８】
図９の場合は、偏心プリズムＰは第１面１３２、第２面１３３、第３面１３４、第４面１３５からなり、入射瞳１３１を通って入射した光は、第１面１３２で屈折して偏心プリズムＰに入射し、第２面１３３で内部反射し、第３面１３４でＺ字型の光路を形成するように内部反射し、第４面１３５に入射して屈折されて、像面１３６に結像する。
【００７９】
図１０の場合は、偏心プリズムＰは第１面１３２、第２面１３３、第３面１３４、第４面１３５からなり、入射瞳１３１を通って入射した光は、第１面１３２で屈折して偏心プリズムＰに入射し、第２面１３３で内部反射し、第３面１３４に入射して全反射し、第４面１３５に入射して内部反射し、再び第３面１３４に入射して今度は屈折されて、像面１３６に結像する。
【００８０】
図１１の場合は、偏心プリズムＰは第１面１３２、第２面１３３、第３面１３４、第４面１３５からなり、入射瞳１３１を通って入射した光は、第１面１３２で屈折して偏心プリズムＰに入射し、第２面１３３で内部反射し、第３面１３４に入射して内部反射し、第２面１３３に再度入射して内部反射し、第４面１３５に入射して屈折されて、像面１３６に結像する。
【００８１】
図１２の場合は、偏心プリズムＰは第１面１３２、第２面１３３、第３面１３４、第４面１３５からなり、入射瞳１３１を通って入射した光は、第１面１３２で屈折して偏心プリズムＰに入射し、第２面１３３で内部反射し、第３面１３４に入射して内部反射し、第２面１３３に再度入射して内部反射し、第４面１３５に入射して内部反射し、第２面１３３に再度入射して今度は屈折されて、像面１３６に結像する。
【００８２】
図１３の場合は、偏心プリズムＰは第１面１３２、第２面１３３、第３面１３４からなり、入射瞳１３１を通って入射した光は、第１面１３２で屈折して偏心プリズムＰに入射し、第２面１３３で内部反射し、再び第１面１３２に入射して今度は全反射し、第３面１３４で内部反射し、三たび第１面１３２に入射して全反射し、第３面１３４に再度入射して今度は屈折されて、像面１３６に結像する。
【００８３】
図１４の場合は、偏心プリズムＰは第１面１３２、第２面１３３、第３面１３４からなり、入射瞳１３１を通って入射した光は、第１面１３２で屈折して偏心プリズムＰに入射し、第２面１３３で内部反射し、再び第１面１３２に入射して今度は全反射し、第３面１３４で内部反射し、三たび第１面１３２に入射して全反射し、再び第３面１３４に入射して内部反射し、四たび第１面１３２に入射して今度は屈折されて、像面１３６に結像する。
【００８４】
さらには、後記の図１６の第２プリズム２０のように、第１面２１から第４面２４からなり、プリズム内で３回の反射をするものであってもよく、あるいは、後記の図１７の第２プリズム２０のように、第１面２１から第３面２３からなり、その第２面２２が全反射面と射出面を兼用するプリズム内で２回の反射をするものであってもよく、あるいは、後記の図１８の第２プリズム２０のように、第１面２１から第３面２３からなり、その第１面２１が入射面と全反射面を兼用するプリズム内で２回の反射をするものであってもよく、これらを絞り２の前側あるいは、後側の偏心プリズムとして用いるようにすることもできる。
【００８５】
以下の図１５〜図１９に、前記実施例１〜６の場合とは異なるプリズムの組み合わせの本発明の撮像光学系を示す。ただし、数値データは省く。
【００８６】
図１５の場合は、第１プリズム１０にも、実施例１〜５の第２プリズム２０と同様の偏心プリズムを用いた例であり、第１プリズム１０は第１面１１から第４面１４で構成され、その第１面１１は入射面、第２面１２は第１反射面、第３面１３は第２反射面、第４面１４は射出面であり、物体からの光線は、入射面１１を透過し、第１反射面１２で内面反射され、第２反射面１３で内面反射され、射出面１４を透過し、また、第２プリズム２０は第１面２１から第４面２４で構成され、その第１面２１は入射面、第２面２２は第１反射面、第３面２３は第２反射面、第４面２４は射出面であり、第１プリズム１０から絞り２を経た光線は、入射面２１を透過し、第１反射面２２で内面反射され、第２反射面２３で内面反射され、射出面２４を透過して像面３上に結像する。第１プリズム１０、第２プリズム２０共、その第１面１１、２１と第２面１２、２２とがプリズム媒質を挟んで対向配置され、第３面１３、２３と第４面１４、２４とがプリズム媒質を挟んで対向配置され、第１面１１、２１と第２面１２、２２とを結ぶ光路が、第３面１３、２３と第４面１４、２４とを結ぶ光路とプリズム内で交差している。
【００８７】
図１６の場合は、第１プリズム１０は図１５の場合と同じであり、第２プリズム２０として、第１面２１から第４面２４でなり、その第１面２１は入射面と第２反射面を兼用する兼用面、第２面２２は第１反射面、第３面２３は第３反射面、第４面２４は射出面であり、第１プリズム１０から絞り２を経た光線は、入射面２１を透過し、第１反射面２２で反射され、今度は第１面２１で全反射され、第３反射面２３で内面反射され、射出面２４を透過して像面３上に結像する。この第２プリズム２０においては、プリズム中で光線はＭ字型の光路を形成するように内部反射する。
【００８８】
図１７の場合は、第１プリズム１０は前記実施例１〜６の場合と同じであり、第２プリズム２０として、第１面２１から第３面２３でなり、その第１面２１は入射面、第２面２２は第１反射面と射出面を兼用する兼用面、第３面２３は第２反射面であり、第１プリズム１０から絞り２を経た光線は、入射面２１を透過し、第１反射面２２で全反射され、第２反射面２３で内面反射され、今度は第２面２２を透過して像面３上に結像する。
【００８９】
図１８の場合は、第１プリズム１０は前記実施例１〜６の場合と同じであり、第２プリズム２０として、第１面２１から第３面２３でなり、その第１面２１は入射面と第２反射面を兼用する兼用面、第２面２２は第１反射面、第３面２３は射出面であり、第１プリズム１０から絞り２を経た光線は、入射面２１を透過し、第１反射面２２で反射され、今度は第１面２１で全反射され、射出面２３を透過して像面３上に結像する。
【００９０】
図１９は、絞り２より前側に１つの偏心プリズム１０を、絞り２より後側に２つの偏心プリズム２０、２０’を配置して本発明の撮像光学系を構成する場合を示す図であり、何れの偏心プリズム１０、２０、２０’もプリズム内で１回の反射をする偏心プリズムを用いている。
【００９１】
さて、以上のような本発明の撮像光学系は、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。
【００９２】
図２０〜図２２は、本発明の撮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２０は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図２１は同後方斜視図、図２２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、ファインダー用対物光学系５３が配置されており、このファインダー用対物光学系５３は、カバーレンズ５４、第１プリズム１０、開口絞り２、第２プリズム２０、フォーカス用レンズ６６からなり、カバーレンズ５４あるいは第１プリズム１０から第２プリズム２０までの結像光学系として、本発明による撮像光学系を用いている。また、カバー部材として用いられているカバーレンズ５４は、負のパワーを有するレンズであり、画角を拡大している。また、第２プリズム２０の後方に配置されているフォーカス用レンズ６６は光軸の前後方向へ位置調節可能になっており、ファインダー用対物光学系５３のピント調節に用いられる。このファインダー用対物光学系５３によって結像面６７上に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。このポロプリズム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。
【００９５】
なお、図２２の構成において、撮影用対物光学系４８の構成については言及しなかったが、撮影用対物光学系４８としては屈折型同軸光学系の他に、本発明による２つ以上のプリズム１０、２０からなる何れかのタイプの撮像光学系を用いることも当然可能である。
【００９６】
次に、図２３は、本発明の撮像光学系を電子カメラ４０の撮影部の撮影用対物光学系４
８に組み込んだ構成の概念図を示す。この場合は、撮影用光路４２上に配置された撮影用対物光学系４８に、第１プリズム１０、開口絞り２、第２プリズム２０からなる本発明による撮像光学系を用いている。この撮影用対物光学系４８により形成された物体像は、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、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。また、この撮影用対物光学系４８は他のレンズ（正レンズ、負レンズ）をプリズム１０、２０の物体側、プリズム間あるいは像側にその構成要素として含んでいてもよい。
【００９７】
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。
【００９８】
なお、本例では、撮影用対物光学系４８のカバー部材６５はとして、平行平面板を配置しているが、前例と同様に、パワーを持ったレンズを用いてもよい。
【００９９】
ここで、カバー部材を設けずに、本発明の撮像光学系中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。
【０１００】
次に、図２４〜図２６は本発明の撮像光学系を情報処理装置の一例であるパソコンに内蔵した構成を示す概念図である。
【０１０１】
図２４はパソコン３００のカバーを開いた前方斜視図、図２５はパソコン３００の撮影光学系３０３の断面図、図２６は図２４の状態の側面図である。図２４〜図２６に示されるように、パソコン３００は、外部から繰作者が情報を入力するためのキーボード３０１と、図示を省略した情報処理手段や記録手段と、情報を操作者に表示するモニター３０２と、操作者自身や周辺の像を撮影するための撮影光学系３０３とを有している。ここで、モニター３０２は、図示しないバックライトにより背面から照明する透過型液晶表示素子や、前面からの光を反射して表示する反射型液晶表示素子や、ＣＲＴディスプレイ等であってよい。また、図中、撮影光学系３０３は、モニター３０２の右上に内蔵されているが、その場所に限らず、モニター３０２の周囲や、キーボード３０１の周囲のどこであってもよい。
【０１０２】
この撮影光学系３０３は、撮影光路３０４上に、本発明の撮像光学系からなる対物光学系１００と、像を受光する撮像素子チップ１６２とを有している。これらはパソコン３００に内蔵されている。
【０１０３】
ここで、撮像素子チップ１６２上には付加的にｌＲカットフィルター１８０が貼り付けられて撮像ユニット１６０として一体に形成され、対物光学系１００の鏡枠１０１の後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、対物光学系１００と撮像素子チップ１６２の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠１０１の先端には、対物光学系１００を保護するためのカバーガラス１０２が配置されている。
【０１０４】
撮像素子チップ１６２で受光された物体像は、端子１６６を介して、パソコン３００の処理手段に入力され、電子画像としてモニター３０２に表示される、図２５には、その一例として、操作者の撮影された画像３０５が示されている。また、この画像３０５は、処理手段を介し、インターネットや電話を介して、遠隔地から通信相手のパソコンに表示されることも可能である。
【０１０５】
次に、情報処理装置の他の例として電話、特に、その中でも持ち運びに便利な携帯電話に本発明の撮像光学系を内蔵した例を図２７に示す。
【０１０６】
図２７（ａ）は携帯電話４００の正面図、図２７（ｂ）は側面図、図２７（ｃ）は撮影光学系４０５の断面図である。図２７（ａ）〜（ｃ）に示されるように、携帯電話４００は、操作者の声を情報として入力するマイク部４０１と、通話相手の声を出力するスピーカ部４０２と、操作者が情報を入力する入力ダイアル４０３と、操作者自身や通話相手等の撮影像と電話番号等の情報を表示するモニター４０４と、撮影光学系４０５と、通信電波の送信と受信を行うアンテナ４０６と、画像情報や通信情報、入力信号等の処理を行う処理手段（図示せず）とを有している。ここで、モニター４０４は液晶表示素子である。また、図中、各構成の配置位置は、特にこれらに限られない。この撮影光学系４０５は、撮影光路４０７上に配置された本発明の撮像光学系からなる対物光学系１００と、像を受光する撮像素子チップ１６２とを有している。これらは、携帯電話４００に内蔵されている。
【０１０７】
ここで、撮像素子チップ１６２上には付加的にｌＲカットフィルター１８０が貼り付けられて撮像ユニット１６０として一体に形成され、対物レンズ１２の鏡枠１３の後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、対物レンズ１２と撮像素子チップ１６２の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠１０１の先端には、対物光学系１００を保護するためのカバーガラス１０２が配置されている。
【０１０８】
撮影素子チップ１６２で受光された物体像は、端子１６６を介して、図示していない処理手段に入力され、電子画像としてモニター４０４に、又は、通信相手のモニターに、又は、両方に表示される。また、通信相手に画像を送信する場合、撮像素子チップ１６２で受光された物体像の情報を、送信可能な信号へと変換する信号処理機能が処理手段には含まれている。
【０１０９】
以上の本発明の撮像光学系は、例えば次のように構成することができる。
【０１１０】
〔１〕 絞りの両側にそれぞれ回転非対称な反射面を持つ少なくとも１つの偏心プリズムが配置され、中間像を結像しない撮像光学系において、絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質の光学的性質と絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質の光学的性質とが異なることを特徴とする撮像光学系。
【０１１１】
〔２〕 前記絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質と前記絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数の差の絶対値Δνが、
５＜Δν＜８０ ・・・（１）
を満たすことを特徴とする上記１記載の撮像光学系。
【０１１２】
〔３〕 絞りより前側のパワーが負で、絞りより後側のパワーが正で、前記絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数が小さく、前記絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数がより大きいことを特徴とする上記２記載の撮像光学系。
【０１１３】
〔４〕 絞りより前側の屈折力を有する要素の最も物体側の面が正のパワー有することを特徴とする上記３記載の撮像光学系。
【０１１４】
〔５〕 前記各偏心プリズムの入射面又は射出面の少なくとも何れか一方が曲面からなることを特徴とする上記１から４の何れか１項記載の撮像光学系。
【０１１５】
〔６〕 前記曲面が球面以外の面からなることを特徴とする上記５記載の撮像光学系。
【０１１６】
〔７〕 前記曲面が回転非対称な面からなることを特徴とする上記６記載の撮像光学系。
【０１１７】
〔８〕 前記絞りの中心を通り、撮像面の中心に到る光線を軸上主光線とするとき、物体空間での軸上主光線方向に対する前記絞りを通過するときの軸上主光線方向の偏角θが、
４５°＜θ＜１３５° ・・・（２）
を満たすことを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の撮像光学系。
【０１１８】
〔９〕 絞りより前側に反射面を１面のみ持つ１つの偏心プリズムが配置され、次の条件を満たすことを特徴とする上記８記載の撮像光学系。
【０１１９】
９２°＜θ＜１３５° ・・・（３）
〔１０〕 物体空間における光軸に沿う軸をＺ軸とするときに、光学系のＺ軸に沿って最も物体側に突出した点から物体から最も遠い点までのＺ軸に沿って測った厚さをｔとするとき、が以下の式を満たすこと特徴とする上記１から９の何れか１項記載の撮像光学系。
【０１２０】
ｔ＜２０ｍｍ ・・・（４）
〔１１〕 上記１から１０の何れか１項記載の撮像光学系と、前記撮像光学系によって形成された物体像を受光する位置に配置された電子撮像素子と、前記電子撮像素子によって光電変換された電子信号を処理する処理手段と、操作者が前記処理手段に入力したい情報信号を入力するための入力部と、前記処理手段からの出力を表示する表示素子と、前記処理手段からの出力を記録する記録媒体とを含み、
前記処理手段は、前記撮像光学系によって前記電子撮像素子に受光された物体像を前記表示素子に表示するように構成されていることを特徴とする情報処理装置。
【０１２１】
〔１２〕 上記１１において、
前記入力部がキーボードにて構成され、前記撮像光学系と前記電子撮像素子とが前記表示素子の周辺部又は前記キーボードの周辺部に内蔵されていることを特徴とするパソコン装置。
【０１２２】
〔１３〕 上記１から１０の何れか１項記載の撮像光学系と、前記撮像光学系によって形成された物体像を受光する位置に配置された電子撮像素子と、電話信号を送信及び受信するためのアンテナと、電話番号等の信号を入力するための入力部と、前記電子撮像素子によって受光された物体像を送信可能な信号に変換する信号処理部とを含んでいることを特徴とする電話装置。
【０１２３】
〔１４〕 上記１から１０の何れか１項記載の撮像光学系と、前記撮像光学系によって形成された物体像を受光する位置に配置された電子撮像素子と、前記電子撮像素子によって光電変換された電子信号を処理する処理手段と、前記電子撮像素子で受光された物体像を観察可能に表示する表示素子とを有し、前記電子撮像素子で受光された物体像の像情報を記録するための記録部材を内蔵又は挿脱するように構成され、前記処理手段が、前記電子撮像素子に受光された物体像を前記表示素子に表示する表示処理機能と、前記電子撮像素子に受光された物体像を前記記録媒体に記録する記録処理機能とを有することを特徴とする電子カメラ装置。
【０１２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、特に倍率の色収差を始めとして諸収差を良好に補正した小型で高性能な複数の偏心プリズムからなる撮像光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の撮像光学系の断面と光路を示す図である。
【図２】本発明の実施例２の撮像光学系の断面と光路を示す図である。
【図３】本発明の実施例３の撮像光学系の断面と光路を示す図である。
【図４】本発明の実施例４の撮像光学系の断面と光路を示す図である。
【図５】本発明の実施例５の撮像光学系の断面と光路を示す図である。
【図６】本発明の実施例６の撮像光学系の断面と光路を示す図である。
【図７】実施例１の撮像光学系の横収差図である。
【図８】実施例６の撮像光学系の横収差図である。
【図９】本発明の撮像光学系に使用可能な偏心プリズムの１つの変形例を示す図である。
【図１０】偏心プリズムの別の変形例を示す図である。
【図１１】偏心プリズムの別の変形例を示す図である。
【図１２】偏心プリズムの別の変形例を示す図である。
【図１３】偏心プリズムの別の変形例を示す図である。
【図１４】偏心プリズムの別の変形例を示す図である。
【図１５】実施例１〜６とは異なるプリズムの組み合わせからなる本発明の撮像光学系の例を示す図である。
【図１６】実施例１〜６とは異なるプリズムの組み合わせからなる本発明の撮像光学系の別の例を示す図である。
【図１７】実施例１〜６とは異なるプリズムの組み合わせからなる本発明の撮像光学系の別の例を示す図である。
【図１８】実施例１〜６とは異なるプリズムの組み合わせからなる本発明の撮像光学系の別の例を示す図である。
【図１９】実施例１〜６とは異なるプリズムの組み合わせからなる本発明の撮像光学系の別の例を示す図である。
【図２０】本発明の撮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２１】図２０の電子カメラの後方斜視図である。
【図２２】図２０の電子カメラの構成を示す断面図である。
【図２３】本発明の撮像光学系を適用した別の電子カメラの概念図である。
【図２４】本発明の撮像光学系が対物光学系として組み込れたパソコンのカバーを開いた前方斜視図である。
【図２５】パソコンの撮影光学系の断面図である。
【図２６】図２４の状態の側面図である。
【図２７】本発明の撮像光学系が対物光学系として組み込れた携帯電話の正面図、側面図、その撮影光学系の断面図である。
【符号の説明】
１…開口絞り
２…軸上主光線（光軸）
３…像面（結像面）
１０…第１プリズム
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
１４…第４面
２０…第２プリズム
２０’…第３プリズム
２１…第１面
２２…第２面
２３…第３面
２４…第４面
３０…カバーガラス
３１…前面（第１面）
３２…後面（第２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…フィルター
５２…処理手段
５３…ファインダー用対物光学系
５４…カバーレンズ
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
６６…フォーカス用レンズ
６７…結像面
１００…対物光学系
１０１…鏡枠
１０２…カバーガラス
１３１…瞳
１３２…第１面
１３３…第２面
１３４…第３面
１３５…第４面
１３６…像面
１６０…撮像ユニット
１６２…撮像素子チップ
１６６…端子
１８０…ｌＲカットフィルター
３００…パソコン
３０１…キーボード
３０２…モニター
３０３…撮影光学系
３０４…撮影光路
３０５…画像
４００…携帯電話
４０１…マイク部
４０２…スピーカ部
４０３…入力ダイアル
４０４…モニター
４０５…撮影光学系
４０６…アンテナ
４０７…撮影光路
Ｅ…観察者眼球
Ｐ…偏心プリズム
Claims (3)
- 絞りの両側にそれぞれ回転非対称な反射面を持つ少なくとも１つの偏心プリズムが配置され、中間像を結像しない撮像光学系において、
前記絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質の光学的性質と前記絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質の光学的性質とが異なり、
前記絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムと前記絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムは、それぞれ回転非対称な透過面を有し、
前記絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの反射面は反射のみ、透過面は透過のみを行う面であり、
前記絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質と前記絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数の差の絶対値Δνが、以下の条件（１’）を満足する
ことを特徴とする撮像光学系。
５＜Δν≦３４．１２２８ ・・・（１’） - 前記絞りより前側のパワーが負で、前記絞りより後側のパワーが正で、前記絞りより前の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数が小さく、前記絞りより後の少なくとも１つの偏心プリズムの媒質のアッベ数がより大きいことを特徴とする請求項１記載の撮像光学系。
- 前記絞りより前側に反射面を１面のみ持つ１つの偏心プリズムが配置され、
前記絞りの中心を通り、撮像面の中心に到る光線を軸上主光線とするとき、物体空間での前記軸上主光線方向に対する前記絞りを通過するときの軸上主光線方向の偏角θが、
９２°＜θ＜１３５° ・・・（３）
を満たすことを特徴とする請求項１または２記載の撮像光学系。
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