JP5880230B2

JP5880230B2 - 光学装置

Info

Publication number: JP5880230B2
Application number: JP2012087792A
Authority: JP
Inventors: 賢典富田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2016-03-08
Anticipated expiration: 2032-04-06
Also published as: JP2013218078A

Description

本発明は、カメラ、ビデオカメラ、顕微鏡、望遠鏡などの光学装置に関する。

従来、カメラやビデオカメラの光学ファインダー、顕微鏡、望遠鏡などの光学装置においては、撮影用の結像光学系と目視観察用のアフォーカル光学系とを独立して設けたり、アフォーカル光学系を結像光学系の光路の途中で分岐させて設けたりするなど、種々の構成が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００６−３０１５１４号公報

従来のように、結像光学系とアフォーカル光学系とを別個に設けると、装置が大型化するという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、構成レンズ要素の屈折・反射作用を利用して、同一光学系内に異なる機能を持つ２つの光路を形成することにより、小型化を図った光学装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明を例示する第一の態様に従えば、複数のレンズ要素からなる透過光学系を備えて構成される光学装置であって、前記透過光学系への入射光束の一部を透過させるとともに一部を反射させる第１反射面と、前記透過光学系への入射光束を透過させるとともに前記第１反射面において反射された反射光を射出側に反射させる第２反射面とを備え、前記透過光学系を構成する前記レンズ要素の屈折作用により、前記透過光学系に入射して前記第１および前記第２反射面を透過して射出する光路が第１の光学系を構成し、前記透過光学系に入射して前記第１反射面で反射され且つ前記第２反射面で反射された後に射出する光路が第２の光学系を構成し、前記第１および前記第２の光学系は、いずれか一方が結像光学系であり、他方がアフォーカル光学系であることを特徴とする光学装置が提供される。

本発明によれば、構成レンズ要素の屈折・反射作用を利用して、同一光学系内に異なる機能を持つ２つの光路を形成することにより、小型化を図った光学装置を提供することができる。

本実施形態に係る光学装置の概略構成図である。本実施形態に係る光学装置に、（ａ）結像光学系として、（ｂ）アフォーカル光学系として機能をそれぞれ持たせた場合の光路図である。本実施形態に係る光学装置に、結像光学系とアフォーカル光学系としての機能を持たせた場合に、それぞれで結像位置と射出瞳位置を変えたときの光路図である。本実施形態に係る光学装置の反射面に、ハーフミラーを形成した場合の説明図である。本実施形態に係る光学装置において、入射光束を２つの光束に分離するために設置された、透過領域と反射領域を有する面の一例を示す図である。本実施形態に係る光学装置において、入射光束を２つの光束に分離するために設置された、透過領域と反射領域を有する面の一例を示す図である。本実施形態に係る光学装置において、入射光束を２つの光束に分離するために設置された、透過領域と反射領域を有する面の一例を示す図である。本実施形態に係る光学装置を構成する第１および第２反射面に、（ａ）ハーフミラーを用いた場合、（ｂ）偏光ビームスプリッタ（ワイヤーグリッド）およびハーフミラーを用いた場合の偏光状態を示す図である。第１実施例に係る光学装置の構成断面図である。第１実施例に係る光学装置を結像光学系として機能させる場合の光路図である。第１実施例に係る光学装置をアフォーカル光学系として機能させる場合の光路図である。第２実施例に係る光学装置の構成断面図である。第２実施例に係る光学装置を結像光学系として機能させる場合の光路図である。第２実施例に係る光学装置をアフォーカル光学系として機能させる場合の光路図である。第３実施例に係る光学装置の構成断面図である。第３実施例に係る光学装置を結像光学系として機能させる場合の光路図である。第３実施例に係る光学装置をアフォーカル光学系として機能させる場合の光路図である。

以下、実施形態について、図面を用いて説明する。図１に示すように、本実施形態に係る光学装置１は、複数のレンズ要素からなる透過光学系ＯＰＳを備えて構成され、透過光学系ＯＰＳへの入射光束の一部を透過させるとともに一部を反射させる第１反射面Ｒ１と、透過光学系ＯＰＳへの入射光束を透過させるとともに第１反射面Ｒ１において反射された反射光を射出側に反射させる第２反射面Ｒ２とを備え、透過光学系ＯＰＳを構成するレンズ要素の屈折作用により、透過光学系ＯＰＳに入射して第１反射面Ｒ１および第２反射面Ｒ２を透過して射出する光路１０が第１の光学系を構成し、透過光学系ＯＰＳに入射して第１反射面Ｒ１で反射され且つ第２反射面Ｒ２で反射された後に射出する光路２０が第２の光学系を構成する。

このように光学装置１は、透過光学系ＯＰＳ内に２つの反射面Ｒ１，Ｒ２を備えるとともに、透過光学系ＯＰＳを構成するレンズ要素の屈折作用を利用することにより、光束が全ての光学面を透過する光路１０と、光束が偶数回反射してから射出する光路２０とを形成し、これらに異なる機能を持たせる（例えば、第１および第２の光学系に、結像光学系およびアフォーカル光学系としての機能を持たせる）ことができる。つまり、光学装置１は、同一光学系内に２つの異なる機能を持つ光路（光学系）を備えることができ、装置の小型化を図ることが可能となる。

なお、本実施形態に係る光学装置１では、透過光学系ＯＰＳ内に、上記とは別の偶数回の反射を起こすように反射面を設ければ、同一光学系内に２つ以上の異なる機能を持つ光路（光学系）を備えることも可能である。

本実施形態に係る光学装置１において、透過光学系ＯＰＳは、光路１０（第１の光学系）でも、光路２０（第２の光学系）でも、入射光束に対する収差が良好であるように設計されていることが望ましい。

本実施形態に係る光学装置１では、第１の光学系および第２の光学系のいずれか一方が結像光学系であり（図２（ａ）参照）、他方がアフォーカル光学系である（図２（ｂ）参照）ことが好ましい。例えば、図２（ａ）に示すように、結像光学系の結像位置に撮像素子Ｓを設置すれば、物体像の撮像が可能となり、図２（ｂ）に示すように、アフォーカル光学系の射出瞳位置に観察者の眼Ｅを置けば、物体像の目視観察が可能となる。すなわち、光学装置１を用いれば、撮像素子Ｓと観察者の眼Ｅとの位置を切り替えるだけで、物体像の撮像と目視観察を行うことができる。

図２では、（ａ）図に示す結像光学系の結像位置と、（ｂ）図に示すアフォーカル光学系の射出瞳位置とを一致させて描いているが、これらの位置を一致させない設計をすることも可能である。例えば、図３に示すように、結像光学系の結像位置Ｓ´よりも、アフォーカル光学系の射出瞳位置Ｅ´を後方にすることもできる。

本実施形態において、第１および第２の光学系のいずれか一方をアフォーカル光学系として機能させる場合、目視観察時に像が、正立像になるようにも、倒立像になるようにも設計することが可能である。例えば、目視観察にて倒立像が見えていた場合に、ポロプリズム等のプリズムをアフォーカル光学系内部に配置すれば、正立像に直すことができる。

なお、図２では、（ａ）図に示す結像光学系と（ｂ）図に示すアフォーカル光学系とにおいて、物体（図示略）からの光線の入射角を一致させて描いているが、光学系ごとに入射角が異なる設計も可能である。

また、図２では、（ａ）図に示す結像光学系と（ｂ）図に示すアフォーカル光学系とにおいて、入射光束径を同じ大きさで描いているが、光学系ごとに光束径を変えた設計も可能である。

本実施形態に係る光学装置１では、第１反射面Ｒ１および第２反射面Ｒ２がそれぞれ、レンズ要素のいずれかのレンズ面に設けられていることが好ましい。このような構成により、構成要素を増やすことなく、１つの光学系に様々な機能を持たせることができ、装置の小型化に貢献することが可能である。なお、後述の第１実施例では、第１反射面Ｒ１および第２反射面Ｒ２が、レンズＬ９の像側レンズ面（表１の面番号１８）およびレンズＬ７の像側レンズ面（表１の面番号１４）に設けられている。第２実施例では、第１反射面Ｒ１および第２反射面Ｒ２が、レンズＬ５の像側レンズ面（表２の面番号１０）およびレンズＬ３の像側レンズ面（表２の面番号６）に設けられている。第３実施例では、第１反射面Ｒ１および第２反射面Ｒ２が、レンズＬ９の像側レンズ面（表３の面番号１８）およびレンズＬ７の像側レンズ面（表３の面番号１４）に設けられている。

本実施形態に係る光学装置１では、第１反射面Ｒ１および第２反射面Ｒ２以外の光学面に、反射防止膜が設けられていることが好ましい。この構成により、光学系内での光束の不要な反射を防止して、良好な光学性能を確保することができる。

本実施形態に係る光学装置１では、図４に示すように、第１反射面Ｒ１および第２反射面Ｒ２の少なくとも一方に、ハーフミラーが形成されていることが好ましい。この構成により、入射光束を２つの光束に分離するだけでなく、使用目的に応じて光路ごとに射出する光束の光量調整を行うことが可能である。

図４では、第１反射面Ｒ１および第２反射面Ｒ２のそれぞれに、透過率５０％、反射率５０％のハーフミラーを採用し、光量比が、おおよそ光路１０：光路２０＝４：１となるようにした場合を例示している。光路１０では、入射光束が第１反射面Ｒ１および第２反
射面Ｒ２を透過すると、ハーフミラーを計２回経ることになるため、入射光束に対して射出光束の光量が約(０．５)²になる。また、光路２０では、入射光束が第２反射面Ｒ２を透過し第１反射面Ｒ１および第２反射面Ｒ２で反射された後に第１反射面Ｒ１を透過して射出すると、ハーフミラーを計４回経ることになるため、入射光束に対して射出光束の光量が約(０．５)⁴になる。

このように光量調整された図４に示す光学系は、例えば、カメラと望遠鏡として使用することが考えられる。最近のカメラは感度が良いため、カメラの方の光量を望遠鏡に対して小さくすることが可能である。図４に示す光学系では、光量比がおおよそ光路１０：光路２０＝４：１となっているため、光路１０をアフォーカル光学系として望遠鏡に使用し、光路２０を結像光学系としてカメラに使用することが好ましい。

なお、光路ごとの射出光量の調整は、使用目的に応じて、（例えば、透過率３０％、反射率７０％のハーフミラーなど）特性が異なるハーフミラーを採用することで、適宜設定することが可能である。

本実施形態に係る光学装置１では、上述のハーフミラーに代わって、第１反射面Ｒ１および第２反射面Ｒ２の少なくとも一方に偏光膜を形成しても、同様の効果を得ることができる。

本実施形態に係る光学装置１では、第１反射面Ｒ１および第２反射面Ｒ２が、略平面であることが好ましい。この構成により、第１反射面Ｒ１および第２反射面Ｒ２に、ハーフミラーや偏光膜の設置が容易となる。

本実施形態に係る光学装置１では、第１反射面Ｒ１および第２反射面Ｒ２を、図５、図６および図７に示すように、使用目的に応じて、透過領域（図中、濃色でのハッチング部分）と反射領域とに分けて設計し、この面を通る入射光束が２つの光路に分離するように構成することも可能である。

本実施形態に係る光学装置１では、透過光学系ＯＰＳの入射瞳の位置を、目的に応じて、光学系の前方，中央，後方に設計することが可能である。特に、入射瞳位置を前方にすると、他の光学機器との組み合わせが容易となる。

本実施形態に係る光学装置１では、入射光束を２つの光路に分離する際に、偏光素子を利用することも可能である。例えば、光学系内で（偏光素子を利用せずに）ハーフミラーのみを使用すると、分離した２つの光束が重なり合うため、このままでも十分使用に耐え得ることも多いが、場合によっては観察者にとって見え方が芳しくないことがある。後者の場合、使用目的に応じた（例えば、偏光度と透過率とのバランスをとった）偏光素子を光学系内に組み込むことで、偏光を利用して見え方の改善を図ることができる。また、光路ごとに射出する光束の光量調整も可能である。

図８（ａ）では、入射光束を２つ（すなわち光路１０ａと光路２０ａ）に分離するとともに、各光路１０ａ，２０ａにおいて、それぞれ偏光方向が９０度異なり、光量比がおおよそ４：１となるように構成された偏光素子の使用例を示している。具体的には、この偏光素子は、最も物体側に設けた第１の偏光板３１と、第１の偏光板３１と第２反射面Ｒ２との間に設けた第１の１／４波長板３２と、第２反射面Ｒ２と第１反射面Ｒ１との間に設けた第２の１／４波長板３３と、第１反射面Ｒ１の後方に設けた第２の偏光板３４とを有して構成している。そして、第１の偏光板３１と第２の偏光板３４とは、互いの方位が平行または直交するように配置している。また、第１および第２反射面Ｒ１，Ｒ２には、透過率５０％、反射率５０％のハーフミラーをそれぞれ設けている。

入射光束は、第１の偏光板３１、第１の１／４波長板３２、第２反射面Ｒ２、第２の１／４波長板３３、第１反射面Ｒ１および第２の偏光板３４を順に透過して射出する光路１０ａと、第１の偏光板３１、第１の１／４波長板３２、第２反射面Ｒ２、第２の１／４波長板３３を透過し、第１反射面Ｒ１で反射され、第２の１／４波長板３３を経て第２反射面Ｒ２で反射され、再度第２の１／４波長板３３を経て、第１反射面Ｒ１および第２の偏光板３４を透過した後に射出する光路２０ａとの、異なる２つの光束に分離される。

ここで、各光路での光束の振る舞いを説明すると、光路１０ａでは、非偏光光である入射光束が、第１偏光板３１を透過して紙面直交方向の直線偏光となり、第１の１／４波長板３２を透過して円偏光に変換され、ハーフミラー（第２反射面）Ｒ２を介して第２の１／４波長板３３を透過して紙面平行方向の直線偏光に変換された後に、ハーフミラー（第１反射面）Ｒ１を透過し、第２の偏光板３４に入射する。このときの偏光方向が、第２の偏光板３４と平行であった場合はこれを透過し、第２の偏光板３４と直交する場合はここでブロックされる。

光路２０ａでは、非偏光光である入射光束が、第１偏光板３１を透過して紙面直交方向の直線偏光となり、第１の１／４波長板３２を透過して円偏光に変換され、ハーフミラー（第２反射面）Ｒ２を介して第２の１／４波長板３３を透過して紙面平行方向の直線偏光に変換され、ハーフミラー（第１反射面）Ｒ１で反射され第２の１／４波長板３３を透過して円偏光に変換され、ハーフミラー（第２反射面）Ｒ２で反射され第２の１／４波長板３３を透過して紙面直交方向の直線偏光に変換された後に、ハーフミラー（第１反射面）Ｒ１を透過し、第２の偏光板３４に入射する。このときの偏光方向が、第２の偏光板３４と平行であった場合はこれを透過し、第２の偏光板３４と直交する場合はここでブロックされる。

図８（ａ）に示す偏光素子を利用すれば、入射光束を偏光方向が９０度異なる２つの光束に分離することができる。また、光路ごとの射出時の光量は、入射時と比べて、光路１０ａで約(０．５)³となり、光路２０ａで約(０．５)⁵となる。つまり、光量比は、おおよそ光路１０ａ：光路２０ａ＝４：１となる。

このように、図８（ａ）に示す偏光素子を利用することで、入射光束を２つの光束に分離するとともに、光路ごとに使用目的に応じて偏光状態を設定し、光量を調整することが可能である。

仮に、この偏光素子を利用した装置をカメラと望遠鏡として使用する場合、最近のカメラの感度の良さを利用して、光量の少ない光路の方をカメラにあてがい、光量の多い光路の方を望遠鏡にあてがうことができる。図８（ａ）の装置では、光量比が、おおよそ光路１０ａ：光路２０ａ＝４：１であるため、光路１０をアフォーカル光学系として望遠鏡に使用し、光路２０を結像光学系としてカメラに使用することが考えられる。装置の小型化という観点からは、光学系を２つ用意して、２つの機能（カメラ、望遠鏡）を持たせるよりも、上述のように１つの光学系内に偏光素子を組み込んで、２つの機能を持たせる方が、より有利であると考える。

なお、本実施形態では、図８（ａ）の第１反射面Ｒ１および第２の偏光板３４に代わって、これらの機能を併せ持つ、偏光ビームスプリッタ３５を配置することも可能である（図８（ｂ）参照）。

図８（ｂ）では、偏光素子を、最も物体側に設けた第１の偏光板３１と、第１の偏光板３１と第２反射面Ｒ２との間に設けた第１の１／４波長板３２と、第２反射面Ｒ２と第１
反射面Ｒ１との間に設けた第２の１／４波長板３３と、その後方に（第１反射面Ｒ１および第２の偏光板３４に代わって）設けた偏光ビームスプリッタ３５とを有する構成にしている。そして、第１の偏光板３１と偏光ビームスプリッタ３５とは、互いの方位が平行または直交するように配置している。また、第２反射面Ｒ２には、ハーフミラーを設けている。

入射光束は、第１の偏光板３１、第１の１／４波長板３２、第２反射面Ｒ２、第２の１／４波長板３３、および偏光ビームスプリッタ３５（第１反射面Ｒ１）を順に透過して射出する光路１０ｂと、第１の偏光板３１、第１の１／４波長板３２、第２反射面Ｒ２、第２の１／４波長板３３を透過し、偏光ビームスプリッタ３５（第１反射面Ｒ１）で反射され、第２の１／４波長板３３を経て第２反射面Ｒ２で反射され、第２の１／４波長板３３を経て偏光ビームスプリッタ３５（第１反射面Ｒ１）を透過した後に射出する光路２０ｂとの、異なる２つの光束に分離される。

各光路での光束の振る舞いを説明すると、光路１０ｂでは、非偏光光である入射光束が、第１偏光板３１を透過して紙面直交方向の直線偏光となり、第１の１／４波長板３２を透過して円偏光に変換され、ハーフミラー（第２反射面）Ｒ２を介して第２の１／４波長板３３を透過して紙面平行方向の直線偏光に変換された後に、偏光ビームスプリッタ３５（第１反射面Ｒ１）に入射する。このときの偏光方向が、偏光ビームスプリッタ３５と平行であった場合はこれを透過し、偏光ビームスプリッタ３５と直交する場合はここでブロックされる。

光路２０ｂでは、非偏光光である入射光束が、第１偏光板３１を透過して紙面直交方向の直線偏光となり、第１の１／４波長板３２を透過して円偏光に変換され、ハーフミラー（第２反射面）Ｒ２を介して第２の１／４波長板３３を透過して紙面平行方向の直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ３５（第１反射面Ｒ１）で反射され第２の１／４波長板３３を透過して円偏光に変換され、ハーフミラー（第２反射面）Ｒ２で反射され第２の１／４波長板３３を透過して紙面直交方向の直線偏光に変換された後に、偏光ビームスプリッタ３５（第１反射面Ｒ１）に入射する。このときの偏光方向が、偏光ビームスプリッタ３５と平行であった場合はこれを透過し、偏光ビームスプリッタ３５と直交する場合はここでブロックされる。

図８（ｂ）に示す偏光素子を利用すれば、入射光束を偏光方向が９０度異なる２つの光束に分離することができる。また、第１反射面Ｒ１および第２反射面Ｒ２に設けた偏光ビームスプリッタ３５およびハーフミラーに、使用目的に応じた性能のものを採用すれば、光路ごとに光量調整が可能である。例えば、光路ごとの光量比が、おおよそ光路１０ｂ：光路２０ｂ＝２：１となるようにしたい場合は、偏光ビームスプリッタ３５およびハーフミラーにそれぞれ、透過率５０％、反射率５０％であるものを採用すればよい。射出時の光量は入射時と比べて、光路１０ｂで約(０．５)²となり、光路２０ｂで約(０．５)³となる。つまり、光量比は、おおよそ光路１０ｂ：光路２０ｂ＝２：１となる。

このように、図８（ｂ）に示す偏光素子を利用することで、入射光束を２つの光束に分離するとともに、光路ごとに使用目的に応じて偏光状態を設定し、光量を調整することが可能である。

なお、上述の偏光ビームスプリッタ３５は、ワイヤーグリッド型の偏光分離素子であることが望ましい。この構成により、装置の小型化により貢献できる。

以下、本実施形態に係る光学装置の各実施例について、図面に基づいて説明する。以下
に表１〜表３を示すが、これらは第１実施例〜第３実施例における各レンズの諸元の表である。

表中の［全体諸元］において、ｆは光学系のｄ線における焦点距離（mm）を、φは入射瞳直径（mm）を、ＦＮｏはＦナンバーを示す。

表中の［レンズデータ］において、面番号は光線の進行する方向に沿った物体側からの光学面の順序を、Ｒは各光学面の曲率半径を、ｄは各光学面から次の光学面（又は像面）までの光軸上の距離である面間隔を、ｎｄはレンズに用いる硝材のｄ線（波長587.562nm）に対する屈折率を、νｄはレンズに用いる硝材のｄ線を基準とするアッベ数を示す。表中、空気の屈折率（ｄ線）「1.000000」の記載は省略する。

表中の焦点距離ｆ、曲率半径Ｒ、面間隔ｄ、その他の長さの単位は「mm」である。但し、光学系は、比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は「mm」に限定されることなく、他の適当な単位を用いることが可能である。

（第１実施例）
第１実施例に係る光学装置について、図９〜図１１および表１を用いて説明する。第１実施例に係る光学装置１００では、透過光学系ＯＰＳ１を、結像光学系として機能させる場合に、入射光束が全てのレンズ要素を透過するように構成し（請求項１の第１の光学系に相当）、アフォーカル光学系として機能させる場合に、入射光束が表１の面番号１８で示すレンズ面および面番号１４で示すレンズ面（請求項１の第１および第２反射面に相当）の合計２回反射してから射出するように構成している（請求項１の第２の光学系に相当）。

第１実施例に係る光学装置１００は、図９に示すように、光軸に沿って物体側から順に並んだ、１１枚のレンズＬ１〜Ｌ１１からなる透過光学系ＯＰＳ１と、撮像素子Ｓ１とから構成される。

撮像素子Ｓ１は、レンズＬ１〜Ｌ１１からなる透過光学系ＯＰＳ１の結像位置に撮像面が位置するように設けられている。また、光路上から挿脱可能に設けられている。

以下の表１に、本実施例に係るレンズデータを示す。表１における面番号１〜２２は、図９に示す曲率半径Ｒ１〜Ｒ２２の各光学面に対応している。

本実施例では、明るさを調整するための絞り（図示略）を、表１の［レンズデータ］の面番号１３の位置に設けている。

（表１）
［全体諸元］
ｆ＝50
φ＝10
Ｆｎｏ＝5

［レンズデータ］
面番号Ｒｄｎｄ νｄ
1 157.333 6.0 1.717000 47.98
2 -111.795 18.0
3 22.697 6.0 2.000690 25.46
4 344.012 2.0
5 -43.839 6.0 1.755200 27.57
6 6.817 8.1
7 -10.852 3.9 1.720000 43.61
8 -9.078 6.0
9 19.486 2.0 1.638540 55.34
10 -19.122 0.1
11 -25.848 2.0 2.000690 25.46
12 18.358 6.8
13 48.511 6.0 1.640000 60.2
14 -322.708 15.0
15 -290.377 6.0 2.000690 25.46
16 -77.946 20.0
17 77.519 6.0 1.697000 48.45
18 291.524 5.0
19 -15.000 6.0 1.539960 59.52
20 -19.025 3.9
21 36.168 5.0 1.456000 91.36
22 -48.925 29.7

第１実施例に係る光学装置１００は、入射瞳直径を１０mmとし、半画角６．１６度の無限遠からの光束が入射するように設計されている。また、本実施例に係る光学装置１００は、Ｃ線，ｄ線，Ｆ線，ｇ線の各波長に対して、収差性能が良好になるように設計されている。すなわち、可視域全般の波長の光に対しては収差性能が良好となっている。

上記構成を有する第１実施例に係る光学装置１００では、図１０に示すように、無限遠から装置内に入射した光束が、透過光学系ＯＰＳ１を構成するレンズＬ１〜Ｌ１１を順に透過し、レンズＬ１１から２９．７mm後方の位置に結像する。すなわち、透過光学系ＯＰＳ１は、結像光学系として振る舞う。前出の結像位置に撮像面がくるように撮像素子Ｓ１を配置すれば、像の撮影が可能となる。つまり、第１実施例に係る光学装置１００は、結像光学系としての機能を利用して、カメラやビデオカメラなどとして使用することができる。

なお、第１実施例に係る光学装置１００では、半画角６．１６度で入射した光線が、像高約５．３mmの位置に結像するため、撮像素子Ｓ１として、例えば２／３インチのＣＭＯＳセンサーを用いることが好ましい。

また、第１実施例に係る光学装置１００では、図１１に示すように、無限遠から装置内に入射した光束が、レンズＬ１〜レンズＬ８を介してレンズＬ９に入射し、このレンズＬ９の裏面（表１の面番号１８）で一度反射し（紙面左方向へ進み）、レンズＬ８を介してレンズＬ７へ進み、このレンズＬ７の表面（表１の面番号１４）で再び反射した後に、（紙面右方向へ進み）レンズＬ８〜Ｌ１１を順に透過し、平行光束となって射出する。すなわち、透過光学系ＯＰＳ１はアフォーカル光学系として振る舞う。透過光学系ＯＰＳ１から射出された平行光束は収差が良好であるため、第１実施例に係る光学装置１００では、（撮像素子Ｓ１が光路上にある場合は抜去して）レンズＬ１１から後方（紙面右方向）の２９．７mmの位置に観察者の眼Ｅ１を合わせれば、無限遠からの入射光束が観察者の眼Ｅ１の網膜上に結像し、観察者は無限遠方を目視観察することができる。

第１実施例に係る光学装置１００では、表１の面番号１４および面番号１８に、使用目的に応じた透過率・反射率が設定されている偏光膜やハーフミラー等を設ければ、光路ごとの射出光束の光量を調整することが可能である。また、（表１の面番号１４および面番
号１８以外の）他の光学面には、不必要な光束の反射が起こらないように、反射防止膜を施すことが望ましい。また、図８（ａ），（ｂ）に示すような偏光素子を本実施例の光学系内に組み込み、使用目的に応じて、光路ごとに偏光状態や射出光量を変更することも可能である。

（第２実施例）
第２実施例に係る光学装置について、図１２〜図１４および表２を用いて説明する。第２実施例に係る光学装置２００では、透過光学系ＯＰＳ２を、結像光学系として機能させる場合に、入射光束が全てのレンズ要素を透過するように構成し（請求項１の第１の光学系に相当）、アフォーカル光学系として機能させる場合に、入射光束が表２の面番号１０で示すレンズ面および面番号６で示すレンズ面（請求項１の第１および第２反射面に相当）の合計２回反射してから射出するように構成している（請求項１の第２の光学系に相当）。

第２実施例に係る光学装置２００は、図１２に示すように、光軸に沿って物体側から順に並んだ、７枚のレンズＬ１〜Ｌ７からなる透過光学系ＯＰＳ２と、撮像素子Ｓ２とから構成される。

撮像素子Ｓ２は、レンズＬ１〜Ｌ７からなる透過光学系ＯＰＳ２の結像位置に撮像面が位置するように設けられている。また、光路上から挿脱可能に設けられている。

以下の表２に、本実施例に係るレンズデータを示す。表２における面番号１〜１４は、図１２に示す曲率半径Ｒ１〜Ｒ１４の各光学面に対応している。

本実施例では、明るさを調整するための絞り（図示略）を、表２の［レンズデータ］の面番号１の位置に設けている。この構成により、入射瞳をレンズＬ１〜Ｌ７からなる透過光学系ＯＰＳ２の前側（紙面左方向）に出して、第２実施例に係る光学装置２００を他の光学系と容易に組み合わせて使用することができる。

（表２）
［全体諸元］
ｆ＝50
φ＝10
Ｆｎｏ＝5

［レンズデータ］
面番号Ｒｄｎｄ νｄ
1 54.929 2.7 2.000690 25.46
2 60.708 18.9
3 51.025 4.4 2.000690 25.46
4 -30.715 2.7
5 -21.064 2.6 2.000690 25.46
6 143.353 15.0
7 -26.674 7.0 2.000690 25.46
8 -251.911 5.0
9 -261.555 6.0 2.000690 25.46
10 -62.905 6.0
11 -149.239 8.0 2.000690 25.46
12 -52.730 0.1
13 52.560 6.0 2.000690 25.46
14 234.070 37.9

第２実施例に係る光学装置２００は、入射瞳直径を１０mmとし、半画角１０度の無限遠からの光束が入射するように設計されている。また、本実施例に係る光学装置２００は、波長632.8nm（He-Neレーザー）に対して、収差性能が良好になるように設計されている。

上記構成を有する第２実施例に係る光学装置１００では、図１３に示すように、無限遠から装置内に入射した光束が、透過光学系ＯＰＳ２を構成するレンズＬ１〜Ｌ７を順に透過し、レンズＬ７から３７．９mm後方の位置に結像する。すなわち、透過光学系ＯＰＳ２は、結像光学系として振る舞う。前出の結像位置に撮像面がくるように撮像素子Ｓ２を配置すれば、像の撮影が可能となる。つまり、第２実施例に係る光学装置２００は、結像光学系としての機能を利用して、レーザー光学系の光学素子などとして使用することができる。

なお、第２実施例に係る光学装置２００では、半画角１０度で入射した光線が、像高約８．７mmの位置に結像するため、撮像素子Ｓ２として、例えばＣＣＤセンサーを用いることが好ましい。

また、第２実施例に係る光学装置２００では、図１４に示すように、無限遠から装置内に入射した光束が、レンズＬ１〜レンズＬ４を介してレンズＬ５に入射し、このレンズＬ５の裏面（表２の面番号１０）で一度反射し（紙面左方向へ進み）、レンズＬ４を介してレンズＬ３へ進み、このレンズＬ３の表面（表２の面番号６）で再び反射した後に、（紙面右方向へ進み）レンズＬ４〜Ｌ７を順に透過し、平行光束となって射出する。すなわち、透過光学系ＯＰＳ２はアフォーカル光学系として振る舞う。透過光学系ＯＰＳ２から射出された平行光束は収差が良好であるため、第２実施例に係る光学装置２００では、（撮像素子Ｓ２が光路上にある場合は抜去して）レンズＬ７から後方（紙面右方向）の３７．９mmの位置に観察者の眼Ｅ２を合わせれば、無限遠からの入射光束が観察者の眼Ｅ２の網膜上に結像し、観察者は無限遠方を目視観察することができる。

第２実施例に係る光学装置２００は、表２の面番号６および面番号１０に、使用目的に応じた透過率・反射率が設定されている偏光膜やハーフミラー等を設ければ、光路ごとの射出光束の光量を調整することが可能である。また、（表２の面番号６および面番号１０以外の）他の光学面には、不必要な光束の反射が起こらないように、反射防止膜を施すことが望ましい。また、図８（ａ），（ｂ）に示すような偏光素子を本実施例の光学系内に組み込み、使用目的に応じて、光路ごとに偏光状態や射出光量を変更することも可能である。

（第３実施例）
第３実施例に係る光学装置について、図１５〜図１７および表３を用いて説明する。第３実施例に係る光学装置３００では、透過光学系ＯＰＳ３を、結像光学系として機能させる場合に、入射光束が表３の面番号１８で示すレンズ面および面番号１４で示すレンズ面（請求項１の第１および第２反射面に相当）の合計２回反射してから射出するように構成し（請求項１の第２の光学系に相当）、アフォーカル光学系として機能させる場合に、入射光束が全てのレンズ要素を透過するように構成している（請求項１の第１の光学系に相当）。

第３実施例に係る光学装置３００は、図１５に示すように、光軸に沿って物体側から順に並んだ、１１枚のレンズＬ１〜Ｌ１１からなる透過光学系ＯＰＳ３と、撮像素子Ｓ３とから構成される。

撮像素子Ｓ３は、レンズＬ１〜Ｌ１１からなる透過光学系ＯＰＳ３の結像位置に撮像面が位置するように設けられている。また、光路上から挿脱可能に設けられている。

以下の表３に、本実施例に係るレンズデータを示す。表３における面番号１〜２２は、図１５に示す曲率半径Ｒ１〜Ｒ２２の各光学面に対応している。

本実施例では、明るさを調整するための絞り（図示略）を、表３の［レンズデータ］の面番号１５の位置に設けている。また、本実施例では、光学装置３００を結像光学系として機能させる場合に、反射面として利用する表３の面番号１８の面を、平面（無限大の曲率）として設計している。この構成により、偏光膜やハーフミラー等の設置を容易にしている。

（表３）
［全体諸元］
（結像光学系として使用時）
ｆ＝28
φ＝4
Ｆｎｏ＝7
（アフォーカル光学系として使用時）
ｆ＝∞
φ＝4.5

［レンズデータ］
面番号Ｒｄｎｄ νｄ
1 62.088 12.5 1.487703 70.31
2 -105.927 0.3
3 -116.573 5.0 1.795040 28.69
4 126.595 20.0
5 43.914 4.2 1.761820 26.58
6 75.547 20.0
7 27.610 2.0 1.487703 70.31
8 33.037 20.0
9 -86.892 4.2 1.487703 70.31
10 261.829 20.0
11 -69.518 3.0 1.698950 30.13
12 -10.303 0.2
13 -9.394 1.0 1.744000 44.81
14 30.944 5.0
15 12.108 3.0 1.603420 38.03
16 8.539 1.8
17 -31.820 1.0 1.456000 91.36
18 ∞ 0.2
19 13.188 2.0 1.497820 82.57
20 -21.609 0.2
21 11.400 1.2 2.000690 25.46
22 9.899 20.0

上記構成の第３実施例に係る光学装置３００は、図１６に示す結像光学系として用いる場合、入射瞳直径を４mmとし、半画角５度までの無限遠からの光束が入射するように設計されている。図１７に示すアフォーカル光学系として用いる場合、入射瞳直径を４．５mm
とし、半画角６度までの無限遠からの光束が入射するように設計されている。また、本実施例に係る光学装置３００は、Ｃ線，ｄ線，Ｆ線，ｇ線の各波長に対して、収差性能が良好になるように設計されている。すなわち、可視域全般の波長の光に対しては収差性能が良好となっている。

上記構成を有する第３実施例に係る光学装置３００では、図１６に示すように、無限遠から装置内に入射した光束が、レンズＬ１〜レンズＬ８を介してレンズＬ９に入射し、このレンズＬ９の裏面（表３の面番号１８）で一度反射し（紙面左方向へ進み）、レンズＬ８を介してレンズＬ７へ進み、このレンズＬ７の表面（表３の面番号１４）で再び反射した後に、（紙面右方向へ進み）レンズＬ８〜Ｌ１１を順に透過し、レンズＬ１１から２０．０mm後方の位置に結像する。すなわち、透過光学系ＯＰＳ３は、結像光学系として振る舞う。前出の結像位置に撮像面がくるように撮像素子Ｓ３を配置すれば、像の撮影が可能となる。つまり、第３実施例に係る光学装置３００は、結像光学系としての機能を利用して、カメラやビデオカメラなどとして使用することができる。

なお、第３実施例に係る光学装置３００では、半画角５度で入射した光線が、像高約２．４mmの位置に結像するため、撮像素子Ｓ３として、例えばＣＭＯＳセンサーを用いることが好ましい。

また、第３実施例に係る光学装置３００では、図１７に示すように、無限遠から装置内に入射した光束が、透過光学系ＯＰＳ３を構成するレンズＬ１〜Ｌ１１を順に透過し、平行光束となって射出する。すなわち、透過光学系ＯＰＳ３はアフォーカル光学系として振る舞う。透過光学系ＯＰＳ３から射出された平行光束は収差が良好であるため、第３実施例に係る光学装置３００では、（撮像素子Ｓ３が光路上にある場合には抜去して）レンズＬ１１から後方（紙面右方向）の２０．０mmの位置に観察者の眼Ｅ３を合わせれば、無限遠からの入射光束が観察者の眼Ｅ３の網膜上に結像し、観察者は無限遠方を目視観察することができる。

第３実施例に係る光学装置３００は、表３の面番号１４および面番号１８に、使用目的に応じた透過率・反射率が設定されている偏光膜やハーフミラー等を設ければ、光路ごとの射出光束の光量を調整することが可能である。また、（表３の面番号１４および面番号１８以外の）他の光学面には、不必要な光束の反射が起こらないように、反射防止膜を施すことが望ましい。また、図８（ａ），（ｂ）に示すような偏光素子を本実施例の光学系内に組み込み、使用目的に応じて、光路ごとに偏光状態や射出光量を変更することも可能である。

以上のような構成である本実施形態に係る光学装置によれば、構成レンズ要素の屈折・反射作用を利用して、同一光学系内に異なる機能を持つ２つの光路（例えば、一方が結像光学系、他方がアフォーカル光学系）を形成することにより、装置の小型化を達成することができる。

ここまで、本発明を分かりやすくするために実施形態の構成要件を付して説明したが、本発明がこれに限定されるものではないことは言うまでもない。

ＯＰＳ（ＯＰＳ１，ＯＰＳ２，ＯＰＳ３）透過光学系
Ｒ１第１反射面
Ｒ２第２反射面
１０光路（第１の光学系）
２０光路（第２の光学系）
１（１００，２００，３００）光学装置
Ｓ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）撮像素子
Ｅ（Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３）観察者の眼
Ｌｉレンズ（ｉ＝１，２，３・・・）

Claims

複数のレンズ要素からなる透過光学系を備えて構成される光学装置であって、
前記透過光学系への入射光束の一部を透過させるとともに一部を反射させる第１反射面と、前記透過光学系への入射光束を透過させるとともに前記第１反射面において反射された反射光を射出側に反射させる第２反射面とを備え、
前記透過光学系を構成する前記レンズ要素の屈折作用により、前記透過光学系に入射して前記第１および前記第２反射面を透過して射出する光路が第１の光学系を構成し、前記透過光学系に入射して前記第１反射面で反射され且つ前記第２反射面で反射された後に射出する光路が第２の光学系を構成し、
前記第１および前記第２の光学系は、いずれか一方が結像光学系であり、他方がアフォーカル光学系であることを特徴とする光学装置。
複数のレンズ要素からなる透過光学系を備えて構成される光学装置であって、
前記透過光学系への入射光束の一部を透過させるとともに一部を反射させる第１反射面と、前記透過光学系への入射光束を透過させるとともに前記第１反射面において反射された反射光を射出側に反射させる第２反射面とを備え、
前記透過光学系を構成する前記レンズ要素の屈折作用により、前記透過光学系に入射して前記第１および前記第２反射面を透過して射出する光路が第１の光学系を構成し、前記透過光学系に入射して前記第１反射面で反射され且つ前記第２反射面で反射された後に射出する光路が第２の光学系を構成し、
前記第１の光学系を構成する光路および前記第２の光学系を構成する光路の偏光状態が互いに異なるように、前記透過光学系への入射光束を変化させる偏光素子を有することを特徴とする光学装置。
前記第１および前記第２の光学系は、いずれか一方が結像光学系であり、他方がアフォーカル光学系であることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
前記第１および前記第２反射面は、それぞれ前記レンズ要素のいずれかのレンズ面に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学装置。
前記第１および前記第２反射面以外の光学面には、反射防止膜が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学装置。
前記第１および前記第２反射面の少なくとも一方に、ハーフミラーが形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学装置。
前記第１および前記第２反射面は、平面であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学装置。