JPH11202205A - 光学素子及びそれを用いた光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の反射面を一体構成した光学素子を用い
て、光学系全体の小型化、及び反射面の配置精度を移動
させた高い光学性能を有した光学素子及びそれを用いた
光学系を得ること。 【解決手段】 光を順次反射する曲面より成る複数の反
射領域を有し、該複数の反射領域の内の少なくとも２つ
の反射領域同士は共通の反射面を有しており、該複数の
反射領域が定める該光の光路は交差していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学素子及びそれを
有する光学系に関し、例えば透明体の表面に、入出射面
と複数の反射面を設けた光学素子及びそれを有した光学
系に関する。この光学素子や光学系は物体像を撮像素子
面上に形成するビデオカメラやスチールビデオカメラ、
そして複写機等の撮像装置に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より凹面鏡や凸面鏡等の反射面を利
用した撮影光学系が種々と提案されている。図１１は１
つの凹面鏡と１つの凸面鏡より成る、所謂ミラー光学系
の概略図である。

【０００３】同図のミラー光学系において、物体からの
物体光束１０４は、凹面鏡１０１にて反射され、収束さ
れつつ物体側に向かい、凸面鏡１０２にて反射された
後、像面１０３に結像している。

【０００４】このミラー光学系は、所謂カセグレン式反
射望遠鏡の構成を基本としており、屈折レンズで構成さ
れるレンズ全長の長い望遠レンズ系の光路を相対する二
つの反射ミラーを用いて折りたたむ事により、光学系全
長を短縮することを目的としている。

【０００５】また、望遠鏡を構成する対物レンズ系にお
いても、同様な理由から、カセグレン式の他に、複数の
反射ミラーを用いて光学系の全長を短縮する形式が多数
知られている。

【０００６】この様に、従来よりレンズ全長の長い撮影
レンズのレンズの代わりに反射ミラーを用いる事によ
り、効率よく光路を折りたたんで、コンパクトなミラー
光学系を得ている。

【０００７】しかしながら、一般的にカセグレン式反射
望遠鏡等のミラー光学系においては、凸面鏡１０２によ
り物体光線の一部がケラレると言う問題点がある。この
問題点は物体光束１０４の通過領域中に凸面鏡１０２が
ある事に起因するものである。

【０００８】この問題点を解決する為に、反射ミラーを
偏心させて使用して、物体光束１０４の通過領域を光学
系の他の部分が遮蔽することを避ける、即ち光束の主光
線を光軸１０５から離すミラー撮影光学系も提案されて
いる。

【０００９】図１２は米国特許3,674,334 号の明細書に
開示されているミラー撮影光学系の概略図であり、反射
ミラーの中心軸自体を光軸に対して偏心させて物体光束
の主光線を光軸から離して上記のケラレの問題を解決し
ている。

【００１０】同図のミラー光学系は光束の通過順に凹面
鏡１１１、凸面鏡１１３そして凹面鏡１１２があるが、
それらはそれぞれ図中二点破線で示す様に、もともと光
軸１１４に対して回転対称な反射ミラーである。このう
ち凹面鏡１１１は光軸１１４に対して紙面上側のみ、凸
面鏡１１３は光軸１１４に対して紙面下側のみ、凹面鏡
１１２は光軸１１４に対して紙面下側のみを使用する事
により、物体光束１１５の主光線１１６を光軸１１４か
ら離し、物体光束１１５のケラレを無くした光学系を構
成している。

【００１１】図１３は米国特許5,063,586 号の明細書に
開示されているミラー光学系の概略図である。同図のミ
ラー光学系は反射ミラーの中心軸自体を光軸に対して偏
心させて物体光束の主光線を光軸から離して上記の問題
を解決している。

【００１２】同図において、被写体面１２１の垂直軸を
光軸１２７と定義した時に、光束の通過順に凸面鏡１２
２・凹面鏡１２３・凸面鏡１２４そして凹面鏡１２５の
それぞれの反射面の中心座標及び中心軸（その反射面の
中心とその面の曲率中心とを結んだ軸）１２２ａ，１２
３ａ，１２４ａ，１２５ａは、光軸１２７に対して偏心
している。同図ではこのときの偏心量と各面の曲率半径
を適切に設定することにより、物体光束１２８の各反射
ミラーによるケラレを防止して、物体像を効率よく結像
面１２６に結像させている。

【００１３】その他米国特許4,737,021 号の明細書や米
国特許4,265,510 号の明細書にも光軸に対して回転対称
な反射ミラーの一部を用いてケラレを避ける構成、或は
反射ミラーの中心軸自体を光軸に対して偏心させてケラ
レを避ける構成が開示されている。

【００１４】図１４は、米国特許5,309,276 号の明細書
に開示されている、反射面を４面使用した観察用のアフ
ォーカル光学系である。同図においては、物体からの光
束が第１ミラー２０１、第２ミラー２０２、そして第３
ミラー２０３で反射し、第１ミラー２０１の前を２回通
ってから、入射光と垂直に出射し、瞳２０５に結像する
ように、第３、第４ミラー２０３、２０４を配置してい
る。２０５には観察者の瞳が位置する。

【００１５】従来、多数の反射面が一つのブロックにな
っているものとして、例えばファインダー系等に使用さ
れるペンタゴナルダハプリズムやポロプリズム等の光学
プリズムがある。

【００１６】これらのプリズムは、複数の反射面が一体
成形されている為に、各反射面の相対的な位置関係は精
度良く作られており、反射面相互の位置調整は不要とな
る。但し、これらのプリズムの主な機能は、光線の進行
方向を変化させることで像の反転を行うものであり、各
反射面は平面で構成されている。

【００１７】これに対して、プリズムの反射面に曲率
（屈折力）を持たせた撮影光学系も知られている。

【００１８】図１５は米国特許4,775,217 号の明細書に
開示されている観察光学系の要部概略図である。この観
察光学系は外界の風景を観察すると共に、情報表示体に
表示した表示画像を風景とオーバーラップして観察して
いる。

【００１９】この観察光学系では、情報表示体１４１の
表示画像から射出する表示光束１４５は、プリズム体の
入射面１４８より入射し、面１４２にて反射して物体側
に向かい、ハーフミラーから成る凹面１４３に入射す
る。そしてこの凹面１４３にて反射した後、表示光束１
４５は凹面１４３の有する屈折力によりほぼ平行な光束
となり、面１４２を屈折透過した後、観察者の瞳１４４
に入射して表示画像の拡大虚像を観察者に認識させてい
る。

【００２０】一方、物体からの物体光束１４６は反射面
１４２とほぼ平行な面１４７に入射し、屈折してハーフ
ミラーから成る凹面１４３に至る。凹面１４３には半透
過膜が蒸着されており、物体光束１４６の一部は凹面１
４３を透過し、面１４２を屈折透過後、観察者の瞳１４
４に入射する。これにより観察者は外界の風景の中に表
示画像をオーバーラップして視認している。

【００２１】図１６は特開平2-297516号公報に開示され
ている観察光学系の要部概略図である。この観察光学系
も外界の風景を観察すると共に、情報表示体に表示した
表示画像をオーバーラップして観察している。

【００２２】この観察光学系では、情報表示体１５０か
ら出射した表示光束１５４は、プリズムＰａを構成する
平面１５７を透過し、プリズムＰａに入り放物面より成
る反射面１５１に入射する。表示光束１５４はこの反射
面１５１にて反射されて収束光束となり焦点面１５６に
結像する。このとき反射面１５１で反射された表示光束
１５４は、プリズムＰａを構成する２つの平行な平面１
５７と平面１５８との間を全反射しながら焦点面１５６
に到達しており、これによって光学系全体の薄型化を達
成している。

【００２３】次に焦点面１５６から発散光として出射し
た表示光束１５４は、平面１５７と平面１５８の間を全
反射しながら放物面より成るハーフミラー１５２に入射
し、このハーフミラー面１５２で反射されると同時に、
その屈折力によって表示画像の拡大虚像を形成すると共
にほぼ平行な光束となり、面１５７を透過して観察者の
瞳１５３に入射し、これにより表示画像を観察者に認識
させている。

【００２４】一方、外界からの物体光束１５５はプリズ
ムＰｂを構成する面１５８ｂを透過し、放物面より成る
ハーフミラー１５２を透過し、面１５７を透過して観察
者の瞳１５３に入射する。観察者は外界の風景の中に表
示画像をオーバーラップして視認している。

【００２５】さらに、プリズムの反射面に光学素子を用
いた例として、例えば特開平5-12704 号公報や特開平6-
139612号公報等に開示されている光ピックアップ用の光
学ヘッドがある。これらは半導体レーザーからの光をフ
レネル面やホログラム面にて反射させた後、ディスク面
に結像し、ディスクからの反射光をディテクターに導い
ている。

【００２６】一方、本出願人は、図１７に示すように、
複数の曲面反射鏡や平面の反射面を一体的に形成した光
学素子を用いて、ミラー光学系全体の小型化を図りつ
つ、又ミラー光学系にありがちな反射ミラーの配置精度
（組立精度）を緩やかにしたミラー光学系を提案してい
る。図１７において、５１は曲率を有した複数の曲面反
射面が一体に形成された光学素子の一例であり、５１は
物体側より順に、凹屈折面Ｒ２、凹面鏡Ｒ３・凸面鏡Ｒ
４・凹面鏡Ｒ５・凸面鏡Ｒ６・凹面鏡Ｒ７の５つの反射
面、凸屈折面Ｒ８より成る光学素子であり、光学素子５
１に入射する基準軸の方向と光学素子５１から出射する
基準軸の方向は略平行でかつ逆方向である。５２は水晶
ローパスフィルターや赤外カットフィルター等の光学補
正板、５３はＣＣＤ等の撮像素子面、５４は光学素子５
１の物体側に配置された絞り、５５は撮影光学系の基準
軸である。

【００２７】図１７における結像関係を説明すると、物
体からの光５６は、絞り５４により入射光量を規制され
た後、光学素子５１の凹屈折面Ｒ２に入射する。

【００２８】凹屈折面Ｒ２に入射した光は、凹屈折面Ｒ
２のパワーにより物体光５６を発散光とした後、凹面鏡
Ｒ３にて反射されるとともに、凹面鏡のパワーにより中
間結像面Ｎ１上に物体像を一次結像する。

【００２９】中間結像面Ｎ１に一次結像された物体光６
は、凸面鏡Ｒ４、凹面鏡Ｒ５、凸面鏡Ｒ６、凹面鏡Ｒ７
にて反射を繰り返しながら、それぞれの反射鏡の持つパ
ワーによる影響を受けつつ、凸屈折面Ｒ８に至り、凸屈
折面Ｒ８のパワーにて屈折された物体光６は、撮像素子
面３上に物体像を形成する。

【００３０】この様に光学素子５１は、入出射面による
屈折と、曲率を有する複数の曲面反射鏡による反射を繰
り返しながら、所望の光学性能と全体として正のパワー
を有するレンズユニットとして機能している。

【００３１】又、この種のミラー光学系が特開平9-2581
04号公報にも開示されている。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、図１７や上
記特開平9-258104号公報が示す光学素子や光学系の改良
に関するものであり、これらの光学素子よりも小型の光
学素子及びこれらの光学系よりも小型の光学系を提供す
ることを目的としている。

【００３３】

【課題を解決するための手段】本発明の光学素子は、 (1-1) 光を順次反射する曲面より成る複数の反射領域を
有し、該複数の反射領域の内の少なくとも２つの反射領
域同士は共通の反射面を有しており、該複数の反射領域
が定める該光の光路（基準軸）は交差していることを特
徴としている。

【００３４】特に、 (1-1-1) 前記複数の反射領域は透明体の表面に供給され
ており、該透明体のある領域から該透明体の内部に入射
した前記光が該複数の反射領域で順次反射して、該透明
体の内部を伝播した後に該透明体の他の領域より出射し
ていること。 (1-1-2) 前記共通の反射面を有する前記２つの反射領域
の基準軸の位置は一致していること等を特徴としてい
る。

【００３５】(1-2) 光を順次反射する複数の反射領域を
有し、該複数の反射領域内の少なくとも２つの反射領域
同士は共通の反射面を有し該複数の反射領域が定める前
記光の光路（基準軸）は交差しており、該複数の反射領
域を成す各反射面は基準軸に対して傾いており、かつ、
それに関して対称な１対の面を定め得る対称面が無い、
又は１つ有する非球面より成っていることを特徴として
いる。

【００３６】特に、 (1-2-1) 前記複数の反射領域は透明体の表面に供給され
ており、該透明体のある領域から該透明体の内部に入射
した前記光が該複数の反射領域で順次反射して、該透明
体の内部を伝播した後に該透明体の他の領域より出射し
ていること。 (1-2-2) 前記共通の反射面を有する前記２つの反射領域
の基準軸の位置は一致していること。 (1-2-3) 前記反射領域の反射面の形状は、 A=(a+b)・(y²・cos²t+x²) B=2a・b・cos t[1+{(b-a)・y・sin t/(2a・b)}+[1+{(b-a)・y・
sin t/(a・b)}-{y²/(a・b)}-{4a・b・cos²t+(a+b)²sin²t}x²
/(4a²b²cos²t)]^1/2] として、 z=A/B+C02y²+C11xy+C20x²+C03y³+C12xy²+C21x²y+C04y⁴+
C13xy³+C22x²y²+C31x³y+C40x⁴+ … C03 ≠C21 ≠t ≠0 さらに、 C02 ≠C20 C04≠C40 ≠C22/2 であること。 (1-2-4) 前記反射領域の反射面の形状は、 A=(a+b)・(y²・cos²t+x²) B=2a・b・cos t[1+{(b-a)・y・sin t/(2a・b)}+[1+{(b-a)・y・
sin t/(a・b)}-{y²/(a・b)}-{4a・b・cos²t+(a+b)²sin²t}x²
/(4a²b²cos²t)]^1/2] として、 z=A/B+C02y²+C11xy+C20x²+C03y³+C12xy²+C21x²y+C04y⁴+
C13xy³+C22x²y²+C31x³y+C40x⁴+ … C03 ≠C21 ≠t ≠0 さらに、 C02 ≠C20 C04≠C40 ≠C22/2 に基づいて設計されていること等を特徴としている。

【００３７】本発明の光学系は、 (2-1) 構成(1-1) 又は(1-2) の光学素子を１つ又は複数
有していることを特徴としている。

【００３８】本発明の装置は、 (3-1) 構成(1-1) 又は(1-2) の光学素子を１つ又は複数
有していることを特徴としている。

【００３９】特に、 (3-1-1) 前記光学素子が撮影、観察又は計測の為の光学
系の構成要素であることを特徴としている。

【００４０】本発明の光学素子は、 (4-1) 光を順次反射する複数の反射領域を有し、該複数
の反射領域はそれぞれ曲面より成り、該反射領域内の少
なくとも２個の反射領域同士は共通の反射面を有し、該
共通の反射面を有する該２個の反射領域での基準軸の位
置は互いに一致していることを特徴としている。

【００４１】特に、 (4-1-1) 前記複数の反射領域は透明体の表面に供給され
ており、該透明体のある領域から該透明体の内部に入射
した前記光が該複数の反射領域で順次反射して、該透明
体の内部を伝播した後に該透明体の他の領域より出射し
ていることを特徴としている。

【００４２】(4-2)光を順次反射する複数の反射領域を
有し、該反射領域の内の少なくとも２個の反射領域同士
は共通の反射面を有し、且つ該共通の反射面を有する該
２個の反射領域での基準軸の位置は互いに一致し、且つ
該複数の反射領域を成す各反射面は、基準軸に対して傾
いており、且つそれに関して対称な一対の面を定め得る
対称面が２以上無い非球面であることを特徴としてい
る。

【００４３】特に、 (4-2-1) 前記複数の反射領域は透明体の表面に供給され
ており、該透明体のある領域から該透明体の内部に入射
した前記光が該複数の反射領域で順次反射して、該透明
体の内部を伝播した後に該透明体の他の領域より出射し
ていること。 (4-2-2) 前記反射領域の反射面の形状は、 A=(a+b)・(y²・cos²t+x²) B=2a・b・cos t[1+{(b-a)・y・sin t/(2a・b)}+[1+{(b-a)・y・
sin t/(a・b)}-{y²/(a・b)}-{4a・b・cos²t+(a+b)²sin²t}x²
/(4a²b²cos²t)]^1/2] として、 z=A/B+C02y²+C11xy+C20x²+C03y³+C12xy²+C21x²y+C04y⁴+
C13xy³+C22x²y²+C31x³y+C40x⁴+ … C03 ≠C21 ≠t ≠0 さらに、 C02 ≠C20 C04≠C40 ≠C22/2 であること。 (4-2-3) 前記反射領域の反射面の形状は、 A=(a+b)・(y²・cos²t+x²) B=2a・b・cos t[1+{(b-a)・y・sin t/(2a・b)}+[1+{(b-a)・y・
sin t/(a・b)}-{y²/(a・b)}-{4a・b・cos²t+(a+b)²sin²t}x²
/(4a²b²cos²t)]^1/2] として、 z=A/B+C02y²+C11xy+C20x²+C03y³+C12xy²+C21x²y+C04y⁴+
C13xy³+C22x²y²+C31x³y+C40x⁴+ … C03 ≠C21 ≠t ≠0 さらに、 C02 ≠C20 C04≠C40 ≠C22/2 に基づいて設計されていること等を特徴としている。

【００４４】本発明の光学系は、 (5-1) 構成(4-1)又は(4-2)の光学素子を１つ又は複数有
していることを特徴としている。

【００４５】本発明の装置は、 (6-1) 構成(4-1)又は(4-2)の光学素子を１つ又は複数有
していることを特徴としている。

【００４６】特に、 (6-1-1) 前記光学素子が撮影、観察又は計測の為の光学
系の構成要素であることを特徴としている。

【００４７】

【発明の実施の形態】本発明の光学素子は、順次光を反
射する複数の反射領域を有し、前記複数の反射領域はそ
れぞれ曲面より成り、前記反射領域の内の少なくとも２
個の反射領域同士は共通の反射面を有し、且つ前記複数
の反射領域が定める前記光の光路（基準軸）は交差して
いる。

【００４８】又、本発明の他の光学素子は、順次光を反
射する複数の反射領域を有し、前記反射領域内の少なく
とも２個の反射領域同士は共通の反射面を有し、且つ前
記複数の反射領域が定める前記光の光路（基準軸）は交
差し、且つ前記複数の反射領域を成す各反射面は、基準
軸に対して傾いており、且つそれに関して対称な一対の
面を定め得る対称面が２以上無い（０か１かの意味）非
球面である。この非球面は、明細書本文の（１）式で表
わされ、、この（１）式に基いて設計されている。

【００４９】本発明の他の光学素子は、順次光を反射す
る複数の反射領域を有し、前記複数の反射領域はそれぞ
れ曲面より成り、前記反射領域内の少なくとも２個の反
射領域同士は共通の反射面を有し、前記共通の反射面を
有する前記２個の反射領域での基準軸の位置は互いに一
致している。

【００５０】本発明の他の光学素子は、順次光を反射す
る複数の反射領域を有し、前記反射領域の内の少なくと
も２個の反射領域同士は共通の反射面を有し、且つ前記
共通の反射面を有する前記２個の反射領域での基準軸の
位置は互いに一致し、且つ前記複数の反射領域を成す各
反射面は、基準軸に対して傾いており、且つそれに関し
て対称な一対の面を定め得る対称面が２以上無い（０か
１かの意味）非球面である。この非球面は、明細書本文
の（１）式で表わされ、この（１）式に基いて設計され
ている。

【００５１】上記各光学素子においては、前記複数の反
射領域が透明体の表面に供給されており、該透明体のあ
る領域から該透明体の内部に入射した前記光が前記複数
の反射領域によって順次反射して該透明体の内部を伝播
した後に該透明体の他の領域から出射する素子や、前記
複数の反射領域を定める複数の反射鏡（鏡の数は反射領
域の数より１個以上少ない）より成る中空構造の素子が
ある。

【００５２】上記各光学素子においては、前記共通の反
射面を有する前記２個の反射領域での基準軸の位置は互
いに一致している形態と一致していない形態とがある。

【００５３】本発明の光学系は、上記のいずれかの光学
素子を１つ又は複数個有する。

【００５４】本発明の装置は、上記のいずれかの光学素
子を１つ又は複数個有する。この装置においては、前記
光学素子が、例えば撮影、観察又は計測の為の光学系の
構成要素である。

【００５５】本発明の光学素子を用いた光学系（撮影光
学系）の実施形態の説明に入る前に、本実施形態の光学
素子の構成諸元の表し方、及び実施形態全体の共通事項
について図１０を用いて説明する。

【００５６】図１０は本発明の光学素子を用いた撮影光
学系（光学系）の構成データを定義する座標系の説明図
である。本発明の実施形態では物体側から像面に進む１
つの光線（図１０中の一点鎖線で示すもので基準軸光線
と呼ぶ）に沿ってｉ番目の面を第ｉ面とする。

【００５７】図１０において第１面Ｒ１は絞り、第２面
Ｒ２は第１面Ｒ１と共軸な屈折面、第３面Ｒ３は第２面
Ｒ２に対してチルトされた反射面、第４面Ｒ４、第５面
Ｒ５は各々の前面に対してシフト、チルトされた反射
面、第６面Ｒ６は第５面Ｒ５に対してシフト、チルトさ
れた屈折面である。第２面Ｒ２から第６面Ｒ６までの各
々の面はガラス、プラスチック等の媒質で構成される一
つの透明体の表面に構成されて、光学素子１０を構成し
ている。

【００５８】図１０の構成では不図示の物体面から第２
面Ｒ２までの媒質は空気、第２面Ｒ２から第６面Ｒ６ま
ではある共通の媒質、第６面Ｒ６から不図示のレンズ面
又は反射面又は結像面等の第７面Ｒ７までの媒質は空気
で構成している。

【００５９】本発明の撮影光学系は偏心光学系であるた
め光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。
そこで、本発明の実施形態においては先ず第１面Ｒ１の
光線有効径の中心を原点とする絶対座標系を設定する。

【００６０】そして、本発明の実施形態においては、第
１面Ｒ１の光線有効径の中心点を原点ＴＯとすると共
に、原点と最終結像面の中心とを通る光線（基準軸光
線）の経路を光学系の基準軸ＳＴと定義している。さら
に、本実施形態中の基準軸ＳＴは方向（向き）を持って
いる。その方向は基準軸光線が結像に際して進行する方
向が正である。

【００６１】本発明の実施形態においては、光学系の基
準となる基準軸を上記の様に設定したが、光学系の基準
となる軸の決め方は光学設計上、収差の取りきめ上、若
しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の
良い軸を採用すれば良い。例えば、像面の中心と、入射
瞳又は出射瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面
の中心のいずれかを通る光線の経路を光学系の基準とな
る基準軸に設定するようにしてもよい。

【００６２】本発明の実施形態においては、基準軸は、
第１面Ｒ１、即ち絞り面の光線有効径の中心点を通り、
最終結像面の中心へ至る光線（基準軸光線）の各屈折面
及び反射面によって屈折・反射する経路に設定してい
る。各面の順番は基準軸光線が屈折・反射を受ける順番
に設定している。

【００６３】従って、絞り（面）の中心を通る基準軸は
設定された各面の順番に沿って屈折若しくは反射の法則
に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心
に到達する。

【００６４】本発明の各実施形態の光学系を構成するチ
ルトした反射面やチルトした屈折面などのチルト面は、
基本的に、すべてが同一面内でチルトしている。そこ
で、絶対座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の各軸を以下のように定
めている。

【００６５】Ｚ軸：原点ＴＯを通り第２面Ｒ２に向かう
基準軸 Ｙ軸：原点ＴＯを通りチルト面内（図１の紙面内）でＸ
軸に対して反時計回りに９０゜をなす直線 Ｘ軸：原点ＴＯを通りＺ、Ｙ各軸に垂直な直線（図１の
紙面に垂直な直線）。

【００６６】又、光学系を構成する第ｉ面の面形状を表
すには、絶対座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）にてその面の形状を
表記するより、基準軸ＳＴと第ｉ面が交差する点を原点
とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でそ
の面の面形状を表した方が形状を認識する上で理解し易
い為、本発明の光学系の構成データを表示する場合は第
ｉ面の面形状をローカル座標系で表わしている。

【００６７】但し、本発明に於いては、ある面は有効領
域の一部で光束が複数回反射している。その際に、その
面において、１回目の反射のときの基準点と２回目以降
の反射のときの基準点とは必ずしも一致しない。つま
り、基準点とローカル座標系の原点とが一致しない場合
がある。

【００６８】このような場合、光学系の構成データに
は、２回目以降の反射面も記述してあるが、それは１回
目の反射面と同一の面であることに注意して頂きたい。

【００６９】また、第ｉ面のＹＺ面内でのチルト角は絶
対座標系のＺ軸に対して反時計回り方向を正とした角度
θｉ（単位°）で表す。よって、本発明の実施形態では
各面のローカル座標の原点は図１中のＹＺ平面上にあ
る。またＸＺ面内およびＸＹ面内での面の偏心はない。
さらに、第ｉ面のローカル座標（ｘ、ｙ、ｚ）のｙ、ｚ
軸は絶対座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に対してＹＺ面内で角度
θｉ傾いており、具体的には以下のように設定してい
る。

【００７０】ｚ軸：ローカル座標の原点を通り、絶対座
標系のＺ方向に対しＹＺ面内において反時計方向に角度
θｉをなす直線 ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、ｚ方向に対しＹＺ面
内において反時計方向に９０゜をなす直線 ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な
直線。

【００７１】また、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面のロ
ーカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ｎｄｉ、
νｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率とア
ッベ数である。尚、絞りや最終結像面も１つの平面とし
て表示している。

【００７２】尚、基準軸とローカル座標の原点とが一致
しない場合もあるが、このときはＤｉは意味がないので
示していない。

【００７３】本発明の光学系のある実施形態は、少なく
とも１つの球面及び、１つ又は複数の回転非対称の非球
面を有している。その内の球面部分は球面形状としてそ
の曲率半径Ｒｉを記している。曲率半径Ｒｉの符号は第
１面から像面に進む基準軸（図１中の一点鎖線）に沿っ
て曲率中心が第１面側にある場合をマイナス、結像面側
にある場合をプラスとしている。

【００７４】球面は以下の式で表される形状である：

【００７５】

【数１】 また、本発明における前記の回転非対称な非球面形状は
以下の（１）式により表現できる。尚、a ，b ，t は面
形状を表わす係数である。： A=(a+b)・(y²・cos²t+x²) B=2a・b・cos t[1+{(b-a)・y・sin t/(2a・b)}+[1+{(b-a)・y・
sin t/(a・b)}-{y²/(a・b)}-{4a・b・cos²t+(a+b)²sin²t}x²
/(4a²b²cos²t)]^1/2] として、 本発明における回転非対称な非球面の形状は、上記曲面
式のｘに関する偶数次の項のみを使用して奇数次の項を
０とする事によりｙｚ面のみを対称面とした面対称な形
状である。また、この時以下の条件が満たされる。

【００７６】C03 ≠C21 ≠t ≠0 さらに、 C02 ≠C20 C04≠C40 ≠C22/2 又、本発明においては、対称面を全く有さない非球面を
用いることもできる。

【００７７】なお、本発明の各実施形態においては、図
１０の場合同様、その第１面は絞りである場合を示して
いる。又、水平半画角ｕＹとは図１０のＹＺ面内におい
て絞りＲ１に入射する光束の最大画角、垂直半画角ｕＸ
とはＸＺ面内において絞りＲ１に入射する光束の最大画
角である。また、第１面である絞りＲ１の開口の直径を
絞り径として示している。これは光学系の明るさに関係
する。なお、このような光学系では入射瞳は第１面に位
置するため入射瞳径は上記絞り径に等しい。

【００７８】又、数値実施例において、有限距離の結像
に関するものは物体側数値開口（開口数）で明るさを示
している。又、像面上での有効像範囲を像サイズとして
示す。像サイズはローカル座標のｙ方向のサイズを水
平、ｘ方向のサイズを垂直とした矩形領域で表してい
る。

【００７９】又、各実施形態には光学系のサイズを示し
ている。そのサイズは光線有効径によって定められるサ
イズである。

【００８０】又、構成データを挙げている各実施形態に
ついてはその横収差図を示している。各実施形態につい
て、絞りＲ１への水平入射角、垂直入射角が夫々（ｕ
Ｙ、ｕＸ）、（０、ｕＸ）、（−ｕＹ、ｕＸ）、（ｕ
Ｙ、０）（０、０）、（−ｕＹ、０）となる光束のＹ方
向とＸ方向の横収差図を示す。横収差図においては、横
軸は瞳への入射高さを表し、縦軸は収差量を表してい
る。各実施形態とも基本的に各面がｙｚ面を対称面とす
る面対称の形状となっている為、横収差図においても垂
直画角のプラス、マイナス方向は同一となるので、図の
簡略化の為に、マイナス方向の横収差図は省略してい
る。

【００８１】次に、本発明の光学素子及びそれを有する
光学系（撮影光学系）の各実施形態について説明する。

【００８２】図１、図２は本発明の光学素子を撮影光学
系に適用したときの実施形態１のＹＺ断面内での概略図
である。本実施形態１は水平半画角１２．２度、垂直半
画角１６．１度の撮影画角を有している。

【００８３】図１、図２において、１は撮影光学系であ
る。１０は複数の曲面反射面（裏面反射鏡）を有する光
学素子でありガラスやプラスチック等の透明体で構成し
ている。光学素子１０は、その表面に物体からの光線の
通過順に、負の屈折力（＝１／焦点距離）を有する凹面
屈折面（入射面）Ｒ２、及び反射面Ｒ３・反射面Ｒ４・
反射面Ｒ５の３つの正又は負の屈折力の反射面及び負の
屈折力を有する凹面屈折面（射出面）Ｒ６を形成してい
る。Ｒ１は光学素子１０の物体側に配置した絞り（入射
瞳）である。ローパスフィルターや赤外カットフィルタ
ー等の光学補正板（光学ブロック）が射出面Ｒ６から最
終結像面Ｒ７との間に通常設けられるが、同図では図示
を省略している。

【００８４】Ｒ７は最終結像面であり、ＣＣＤ等の撮像
素子（撮像媒体）の撮像面が位置している。撮影光学系
１は光学素子１０と光学ブロック（不図示）を有してい
る。１１は撮影光学系１の基準軸である。

【００８５】光学素子１０の２つの屈折面Ｒ２、Ｒ６は
いずれも回転対称の球面より、又、すべての反射面Ｒ３
〜Ｒ５はＹＺ平面に対してのみ対称なアナモフィックな
非球面より成っている。

【００８６】反射面Ｒ３と反射面Ｒ５は、図２に示すよ
うに同一の曲面反射面１００の一部より成り、互いの有
効反射領域の反射面が一部重複（共通）している。

【００８７】次に本実施形態における結像作用を説明す
る。物体からの光束Ｌ１は、絞りＲ１により入射光量を
規制された後、光学素子１０の入射面Ｒ２に入射し、反
射面Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５で反射された後、射出面Ｒ６から
射出し、不図示のローパスフィルター、赤外カットフィ
ルターを介して最終結像面Ｒ７上に結像する。

【００８８】本実施形態では、光学素子１０の入射面Ｒ
２に入射する基準軸１１の方向と出射面Ｒ６から出射す
る基準軸の方向は異なっている。また、入出射を含む基
準軸はすべて紙面内（ＹＺ平面）に載っている。

【００８９】この様に光学素子１０は、入出射面による
屈折力と、その中での複数の曲面反射鏡による屈折力に
よって、所望の光学性能を有する全体として正の屈折力
を有するレンズユニットとして機能している。

【００９０】そして撮影光学系１中の各面において、物
体面中心から出る光線のうち、撮影光学系１内に定義さ
れる絞りＲ１の中心を通る光線を基準軸光線とし、各面
に入射する基準軸光線をその面の入射基準軸、各面から
射出する基準光線をその面の射出基準軸とし、また該入
射・射出基準軸と各面の交点を基準点とするとき、各反
射面には、そこにおける入射・射出基準軸が基準点にお
ける法線に対して傾いているＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面
である。

【００９１】該光学素子１０は透明体の表面に２面の屈
折面と２面以上のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面が一体で形
成されたＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学素子よりなっている。

【００９２】各反射面は、直交する２つの面（ＹＺ面，
ＸＺ面）内で屈折力が異なり、且つ対称面を１つだけ有
するように前記（１）式を用いて設計されており、偏心
収差が少ない。

【００９３】本実施形態においては、近距離物体へのフ
ォーカシングは撮影光学系１全体を撮像素子の撮像面Ｒ
７に対して移動させることで行っている。

【００９４】図３に、本実施形態の物体無限遠時の撮影
光学系の横収差図を示す。収差図中、点線はｃ線、実線
はｄ線、一点鎖線はｆ線を表している。同図に示すよう
に、本実施形態によれば、バランスの良い収差補正状態
が得られている。

【００９５】次に本実施形態の効果を説明する。

【００９６】本実施形態では、反射面Ｒ３と反射面Ｒ５
が同一の面の一部である。つまり面Ｒ３，Ｒ５の面形状
を記述する関数式とローカル座標原点位置が同一（共
通）である。そして、それぞれの反射の際の有効反射領
域は、図２に示すように、互いに一部の領域が重なって
おり、そこの反射面が共通である。

【００９７】本実施形態では、この光学素子１の有して
いる反射面枚数は２面であるが、任意の光線が光学素子
１に入射してから射出するまでの間の反射回数は３回で
ある。

【００９８】この様に光学素子１は、入射出面Ｒ２、Ｒ
６と、その中での複数の曲面反射鏡による屈折力によっ
て、全体として結像作用を有するレンズユニットとして
機能しており、反射面数の有効領域を重畳させることで
反射面を効率的に使用することで、小型の光学素子を達
成している。

【００９９】図４、図５各々は本発明の撮影光学系の実
施形態２のＹＺ断面内での概略図である。本実施形態は
物体側がテレセントリックな光学系であり、水平物高
１．３、垂直物高１．０の撮影範囲を有している。

【０１００】図４、図５中、１は撮影光学系である。１
０は複数の曲面反射面を有する光学素子でありガラスや
プラスチック等の透明体で構成している。光学素子１０
は、その表面に物体からの光線の通過順に、負の屈折力
を有する凹屈折面（入射面）Ｒ１及び反射面Ｒ２・反射
面Ｒ３４・反射面Ｒ４の３つの正又は負の屈折力の反射
面、及び負の屈折力を有する凹面屈折面（射出面）Ｒ５
を形成している。Ｒ０は物体面、Ｒ８は最終結像面であ
り、ＣＣＤ等の撮像素子の撮像面が位置する。

【０１０１】図４、図５において、物体側Ｒ０から来た
光線は、屈折面１で屈折され、順に反射面Ｒ２、反射面
Ｒ３、反射面Ｒ４で各々反射され、屈折面（出射面）Ｒ
５で屈折され、結像面Ｒ６に結像する。

【０１０２】本実施形態では、反射面Ｒ２と反射面Ｒ４
がそれぞれ同一の面の一部である。面Ｒ２と面Ｒ４の反
射の際の有効領域は、図５に示すように、互いに一部の
領域が重なっている。また、屈折面Ｒ１と反射面Ｒ３と
はそれぞれ同一の面の一部であるが、有効領域は、図５
のように互いには一部の領域が重なっている。

【０１０３】また、本実施形態の撮影光学系の横収差図
を図６に示す。本実施形態に限り、横収差図においては
横軸は物体側数値開口（開口数）である。

【０１０４】図７、図８は本発明の撮影光学系の実施形
態３の光学系のＹＺ断面内での概略図である。本実施形
態３は水平半画角３度、垂直半画角４度の撮影画角を有
している。

【０１０５】図７、図８中、１は撮影光学系である。１
０は複数の曲面反射面（表面反射鏡）を有する光学素子
である。光学素子１０は、物体からの光線の通過順に、
反射面Ｒ２及び反射面Ｒ３・反射面Ｒ４・反射面Ｒ５の
４つの正、又は負の屈折力の反射面を形成している。Ｒ
１は光学素子１０の物体側に配置した絞り（入射瞳）、
Ｒ６は最終結像面である。

【０１０６】図７、図８において、物体側から来た光線
は、絞りＲ１を通り、反射面Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４で反射さ
れ、結像面Ｒ６に結像する。本実施形態では、反射面Ｒ
２と反射面Ｒ５がそれぞれ同一の面の一部である。面Ｒ
２と面Ｒ５の反射の際の有効領域は、図８に示すよう
に、互いに一部の領域が重なっている。

【０１０７】また、本実施形態では、反射面Ｒ２の基準
点（基準軸（光線）入射位置）と反射面Ｒ５の基準点
（基準軸（光線）入射位置）とが一致している。つま
り、基準軸光線が、ある反射面上のある点に於て異なる
入射角度で２回反射される。

【０１０８】本実施形態では、この光学素子１０の有し
ている反射面枚数は３面であるが、光線が光学素子１０
に入射してから射出するまでの間の反射回数は４回であ
る。

【０１０９】本実施形態の撮影光学系の横収差図を図９
に示す。図７，図８で示した光学系を図１，図２や図
４，図５の場合同様、ガラスやプラスチックの表面に反
射面を設けて、これを透明体の内部で光を伝播させる形
態とすることもできる。

【０１１０】上記実施形態は同一領域で光束が２回反射
する反射面を有したＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学素子を１つ
だけ用いて構成された光学系について示したが、本発明
の光学系はこれに限定されるものではない。例えば、ｏ
ｆｆ ａｘｉｓ光学素子を複数用いたり、ｏｆｆ ａｘｉ
ｓ光学素子を通常の光学素子と組みあわせて光学系を構
成しても良い。

【０１１１】又、本発明の光学素子は撮影光学系に限ら
ず、観察光学系や計測光学系等の各種の光学系に適用可
能である。

【０１１２】次に本発明の各実施形態の数値実施例を示
す。

【０１１３】

【外１】

【０１１４】

【外２】

【０１１５】

【外３】

【０１１６】

【発明の効果】本発明によれば、従来の図１７や特開平
9-258104号公報に示す光学素子や光学系よりも小型の光
学素子及び光学系を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態１のＹＺの断面の概略図

【図２】 本発明の実施形態１のＹＺの断面の概略図

【図３】 本発明の実施形態１の横収差図

【図４】 本発明の実施形態２のＹＺの断面の概略図

【図５】 本発明の実施形態２のＹＺの断面の概略図

【図６】 本発明の実施形態２の横収差図

【図７】 本発明の実施形態３のＹＺの断面の概略図

【図８】 本発明の実施形態３のＹＺの断面の概略図

【図９】 本発明の実施形態３の横収差図

【図１０】 本発明の実施形態における座標系の説明図

【図１１】 従来のカセグレイン式反射望遠鏡の説明図

【図１２】 従来の反射型の光学系の要部概略図

【図１３】 従来の反射型の光学系の要部概略図

【図１４】 従来の反射型の光学系の要部概略図

【図１５】 従来のプリズム反射面を有した反射型の光
学系の要部概略図

【図１６】 従来のプリズム反射面を有した反射型の光
学系の要部概略図

【図１７】 従来の反射型の光学系の要部概略図

【符号の説明】

１ 光学系 １０ 光学素子 Ｒｉ 反射面又は屈折面又は絞り

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を順次反射する曲面より成る複数の反
   射領域を有し、該複数の反射領域の内の少なくとも２つ
   の反射領域同士は共通の反射面を有しており、該複数の
   反射領域が定める該光の光路は交差していることを特徴
   とする光学素子。
2. 【請求項２】 前記複数の反射領域は透明体の表面に供
   給されており、該透明体のある領域から該透明体の内部
   に入射した前記光が該複数の反射領域で順次反射して、
   該透明体の内部を伝播した後に該透明体の他の領域より
   出射していることを特徴とする請求項１の光学素子。
3. 【請求項３】 前記共通の反射面を有する前記２つの反
   射領域の基準軸の位置は一致していることを特徴とする
   請求項１又は２の光学素子。
4. 【請求項４】 光を順次反射する複数の反射領域を有
   し、該複数の反射領域内の少なくとも２つの反射領域同
   士は共通の反射面を有し該複数の反射領域が定める前記
   光の光路は交差しており、該複数の反射領域を成す各反
   射面は基準軸に対して傾いており、かつ、それに関して
   対称な１対の面を定め得る対称面が無い、又は１つ有す
   る非球面より成っていることを特徴とする光学素子。
5. 【請求項５】 前記複数の反射領域は透明体の表面に供
   給されており、該透明体のある領域から該透明体の内部
   に入射した前記光が該複数の反射領域で順次反射して、
   該透明体の内部を伝播した後に該透明体の他の領域より
   出射していることを特徴とする請求項４の光学素子。
6. 【請求項６】 前記共通の反射面を有する前記２つの反
   射領域の基準軸の位置は一致していることを特徴とする
   請求項４又は５の光学素子。
7. 【請求項７】 前記反射領域の反射面の形状は、 A=(a+b)・(y²・cos²t+x²) B=2a・b・cos t[1+{(b-a)・y・sin t/(2a・b)}+[1+{(b-a)・y・
   sin t/(a・b)}-{y²/(a・b)}-{4a・b・cos²t+(a+b)²sin²t}x²
   /(4a²b²cos²t)]^1/2] として、 z=A/B+C02y²+C11xy+C20x²+C03y³+C12xy²+C21x²y+C04y⁴+
   C13xy³+C22x²y²+C31x³y+C40x⁴+ … C03 ≠C21 ≠t ≠0 さらに、 C02 ≠C20 C04≠C40 ≠C22/2 であることを特徴とする請求項４，５又は６の光学素
   子。
8. 【請求項８】 前記反射領域の反射面の形状は、 A=(a+b)・(y²・cos²t+x²) B=2a・b・cos t[1+{(b-a)・y・sin t/(2a・b)}+[1+{(b-a)・y・
   sin t/(a・b)}-{y²/(a・b)}-{4a・b・cos²t+(a+b)²sin²t}x²
   /(4a²b²cos²t)]^1/2] として、 z=A/B+C02y²+C11xy+C20x²+C03y³+C12xy²+C21x²y+C04y⁴+
   C13xy³+C22x²y²+C31x³y+C40x⁴+ … C03 ≠C21 ≠t ≠0 さらに、 C02 ≠C20 C04≠C40 ≠C22/2 に基づいて設計されていることを特徴とする請求項４，
   ５又は６の光学素子。
9. 【請求項９】 請求項１から８のいずれか１項の光学素
   子を１つ又は複数有することを特徴とする光学系。
10. 【請求項１０】 請求項１から８のいずれか１項の光学
    素子を１つ又は複数有することを特徴とする装置。
11. 【請求項１１】 前記光学素子が撮影、観察又は計測の
    為の光学系の構成要素であることを特徴とする請求項１
    ０の装置。
12. 【請求項１２】 光を順次反射する複数の反射領域を有
    し、該複数の反射領域はそれぞれ曲面より成り、該反射
    領域内の少なくとも２個の反射領域同士は共通の反射面
    を有し、該共通の反射面を有する該２個の反射領域での
    基準軸の位置は互いに一致していることを特徴とする光
    学素子。
13. 【請求項１３】 前記複数の反射領域は透明体の表面に
    供給されており、該透明体のある領域から該透明体の内
    部に入射した前記光が該複数の反射領域で順次反射し
    て、該透明体の内部を伝播した後に該透明体の他の領域
    より出射していることを特徴とする請求項１２の光学素
    子。
14. 【請求項１４】 光を順次反射する複数の反射領域を有
    し、該反射領域の内の少なくとも２個の反射領域同士は
    共通の反射面を有し、且つ該共通の反射面を有する該２
    個の反射領域での基準軸の位置は互いに一致し、且つ該
    複数の反射領域を成す各反射面は、基準軸に対して傾い
    ており、且つそれに関して対称な一対の面を定め得る対
    称面が２以上無い非球面であることを特徴とする光学素
    子。
15. 【請求項１５】 前記複数の反射領域は透明体の表面に
    供給されており、該透明体のある領域から該透明体の内
    部に入射した前記光が該複数の反射領域で順次反射し
    て、該透明体の内部を伝播した後に該透明体の他の領域
    より出射していることを特徴とする請求項１４の光学素
    子。
16. 【請求項１６】 前記反射領域の反射面の形状は、 A=(a+b)・(y²・cos²t+x²) B=2a・b・cos t[1+{(b-a)・y・sin t/(2a・b)}+[1+{(b-a)・y・
    sin t/(a・b)}-{y²/(a・b)}-{4a・b・cos²t+(a+b)²sin²t}x²
    /(4a²b²cos²t)]^1/2] として、 z=A/B+C02y²+C11xy+C20x²+C03y³+C12xy²+C21x²y+C04y⁴+
    C13xy³+C22x²y²+C31x³y+C40x⁴+ … C03 ≠C21 ≠t ≠0 さらに、 C02 ≠C20 C04≠C40 ≠C22/2 であることを特徴とする請求項１４又は１５の光学素
    子。
17. 【請求項１７】 前記反射領域の反射面の形状は、 A=(a+b)・(y²・cos²t+x²) B=2a・b・cos t[1+{(b-a)・y・sin t/(2a・b)}+[1+{(b-a)・y・
    sin t/(a・b)}-{y²/(a・b)}-{4a・b・cos²t+(a+b)²sin²t}x²
    /(4a²b²cos²t)]^1/2] として、 z=A/B+C02y²+C11xy+C20x²+C03y³+C12xy²+C21x²y+C04y⁴+
    C13xy³+C22x²y²+C31x³y+C40x⁴+ … C03 ≠C21 ≠t ≠0 さらに、 C02 ≠C20 C04≠C40 ≠C22/2 に基づいて設計されていることを特徴とする請求項１４
    又は１５の光学素子。
18. 【請求項１８】 請求項１２から１７のいずれか１項の
    光学素子を１つ又は複数有することを特徴とする光学
    系。
19. 【請求項１９】 請求項１２から１７のいずれか１項の
    光学素子を１つ又は複数有することを特徴とする装置。
20. 【請求項２０】 前記光学素子が撮影、観察又は計測の
    為の光学系の構成要素であることを特徴とする請求項１
    ９の装置。