CN117581144A - 光学系统、摄像装置、光学式接触传感器及图像投影装置 - Google Patents

光学系统、摄像装置、光学式接触传感器及图像投影装置 Download PDF

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CN117581144A CN202280046163.6A CN202280046163A CN117581144A CN 117581144 A CN117581144 A CN 117581144A CN 202280046163 A CN202280046163 A CN 202280046163A CN 117581144 A CN117581144 A CN 117581144A
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Abstract

光学系统(1)具备多个透镜(30)以及设置于比多个透镜(30)靠放大侧的位置的棱镜(40)。棱镜(40)具有自由曲面形状的第1透射面(41)、第1反射面(42)、自由曲面形状的第2反射面(43)、以及自由曲面形状的第2透射面(44)。缩小共轭点中的第1矩形区域(10)与放大共轭点中的第2矩形区域(20)具有共轭的成像关系，缩小共轭点中的第1矩形区域(10)不与光轴(60)交叉，光轴(60)为经过多个透镜(30)中的最多的透镜的中心的轴。在以第1平面(70)为边界将空间划分为第1空间(71)和第2空间(72)的情况下，通过第1矩形区域(10)的全部的主光线在第1空间(71)中经过第1矩形区域(10)、第1透射面(41)及第1反射面(42)，在第2空间(72)中经过第2反射面(43)及第2透射面(44)。

Description

光学系统、摄像装置、光学式接触传感器及图像投影装置
技术领域
本公开涉及光学系统、摄像装置、光学式接触传感器及图像投影装置。
背景技术
专利文献1公开了能够使用小型棱镜进行单焦点且大画面的投影或摄像的光学系统。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2020－194115号公报
发明内容
发明要解决的课题
本公开提供小型或低高度的光学系统以及具备该光学系统的摄像装置、光学式接触传感器及图像投影装置。
用来解决课题的手段
有关本公开的一技术方案的光学系统是具有缩小侧的缩小共轭点及放大侧的放大共轭点的光学系统，具备：多个透镜；以及棱镜，设置于比上述多个透镜靠放大侧的位置。上述棱镜具有自由曲面形状的第1透射面、第1反射面、自由曲面形状的第2反射面、以及设置于比上述第1透射面靠缩小侧的位置的自由曲面形状的第2透射面。上述缩小共轭点中的第1矩形区域与上述放大共轭点中的第2矩形区域具有共轭的成像关系，上述缩小共轭点中的第1矩形区域不与光轴交叉，上述光轴是经过上述多个透镜中的最多的透镜的中心的轴。在以第1平面为边界将配置了上述光学系统的空间划分为第1空间和第2空间，其中上述第1平面为与上述第1矩形区域垂直且经过上述光轴的假想平面、并且是与上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边平行的假想平面的情况下，通过上述第1矩形区域的全部的主光线在上述第1空间中经过上述第1矩形区域、上述第1透射面及上述第1反射面，在上述第2空间中经过上述第2反射面及上述第2透射面。在以第2平面为边界将上述空间划分为第3空间和第4空间，其中上述第2平面为经过上述光轴且与上述第1平面垂直的假想平面的情况下，通过上述第1矩形区域的全部的主光线在上述第3空间中经过上述第2矩形区域及上述第1透射面。
有关本公开的另一技术方案的光学系统，是具有缩小侧的缩小共轭点及放大侧的放大共轭点的光学系统，具备：多个透镜；以及棱镜，设置于比上述多个透镜靠放大侧的位置。上述缩小共轭点中的第1矩形区域与上述放大共轭点中的第2矩形区域具有共轭的成像关系，上述缩小共轭点中的第1矩形区域不与光轴交叉，上述光轴是经过上述多个透镜中的最多的透镜的中心的轴。上述棱镜具有：第1反射面，相对于与上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边平行的方向，以大于40度且小于50度的角度倾斜；以及第2反射面，具有正的功率。
有关本公开的另一技术方案的光学系统，是具有缩小侧的缩小共轭点及放大侧的放大共轭点的光学系统。上述缩小共轭点中的第1矩形区域与上述放大共轭点中的第2矩形区域具有共轭的成像关系。上述光学系统使主光线对于具有包括上述第2矩形区域的第1面和第2面的透明体，依次或倒序通过上述第1矩形区域、上述第2面、上述第2矩形区域。上述第2面不与上述第1面平行。
有关本公开的一技术方案的摄像装置具备：有关上述一技术方案的光学系统；以及摄像元件，接受通过上述光学系统的光。
有关本公开的一技术方案的光学式接触传感器具备：有关上述一技术方案的摄像装置；以及光源，朝向上述第2矩形区域照射光；检测对于上述第2矩形区域的接触。
有关本公开的一技术方案的图像投影装置具备：有关上述一技术方案的光学系统；以及图像形成元件，经由上述光学系统向屏幕投影图像。
发明效果
根据本公开，能够提供小型或低高度的光学系统等。
附图说明
图1是表示有关实施方式的光学系统的结构的概略立体图。
图2是用来使用作为假想平面的第1平面说明有关实施方式的光学系统的配置的概略立体图。
图3是用来使用作为假想平面的第2平面说明有关实施方式的光学系统的配置的概略立体图。
图4是用来说明有关实施方式的光学系统的缩小共轭点与放大共轭点的位置关系的概略立体图。
图5是表示有关实施方式的光学系统的缩小共轭点中的第1矩形区域的平面图。
图6是表示有关实施方式的光学系统所具备的棱镜的一例的立体图。
图7是图6所示的棱镜的六面图。
图8是表示通过图6所示的棱镜的光线的概略立体图。
图9是表示向图6所示的棱镜的第1反射面入射的光的入射角的概略立体图。
图10是表示有关实施方式的光学系统的中间成像位置的图。
图11是示意地表示有关实施方式的光学系统所具有的主要的面上的像的概略立体图。
图12是表示通过有关实施方式的光学系统的放大共轭点中的第2矩形区域的主光线的最大角度和该主光线通过透明体的第2面的角度的概略立体图。
图13是表示有关实施方式的透明体的第1面及第2面各自的主光线的通过区域的概略立体图。
图14是表示有关实施方式的透明体内的主光线的光路长度的概略剖视图。
图15是表示向有关实施方式的光学系统的缩小共轭点中的第1矩形区域的4个边中的与光轴最近的第1点入射的主光线的概略平面图。
图16是表示图15所示的主光线向有关实施方式的光学系统的放大共轭点中的第2矩形区域入射时的角度的概略侧视图。
图17是表示透明体的变形例的概略立体图。
图18是表示通过有关实施例1的光学系统的主光线的平面图。
图19是表示通过有关实施例5的光学系统的主光线的侧视图。
图20是表示有关实施例1的光学系统的MTF特性的图。
图21是表示有关实施例2的光学系统的MTF特性的图。
图22是表示有关实施例3的光学系统的MTF特性的图。
图23是表示有关实施例4的光学系统的MTF特性的图。
图24是表示有关实施例5的光学系统的MTF特性的图。
图25是表示具备有关实施方式的光学系统的摄像装置的一例的框图。
图26是表示具备有关实施方式的光学系统的图像投影装置的一例的框图。
具体实施方式
(本公开的概要)
有关本公开的一技术方案的光学系统，是具有缩小侧的缩小共轭点及放大侧的放大共轭点的光学系统，具备：多个透镜；以及棱镜，设置于比上述多个透镜靠放大侧的位置。上述棱镜具有自由曲面形状的第1透射面、第1反射面、自由曲面形状的第2反射面、以及设置于比上述第1透射面靠缩小侧的位置的自由曲面形状的第2透射面。上述缩小共轭点中的第1矩形区域与上述放大共轭点中的第2矩形区域具有共轭的成像关系，上述缩小共轭点中的第1矩形区域不与光轴交叉，上述光轴是经过上述多个透镜中的最多的透镜的中心的轴。在以第1平面为边界将配置了上述光学系统的空间划分为第1空间和第2空间，其中上述第1平面为与上述第1矩形区域垂直且经过上述光轴的假想平面、并且是与上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边平行的假想平面的情况下，通过上述第1矩形区域的全部的主光线在上述第1空间中经过上述第1矩形区域、上述第1透射面及上述第1反射面，在上述第2空间中经过上述第2反射面及上述第2透射面。在以第2平面为边界将上述空间划分为第3空间和第4空间，其中上述第2平面为经过上述光轴且与上述第1平面垂直的假想平面的情况下，通过上述第1矩形区域的全部的主光线在上述第3空间中经过上述第2矩形区域及上述第1透射面。
由此，具备具有呈自由曲面形状的反射面及透射面的棱镜，所以能够兼顾光学系统的广角化和小型化。
此外，有关本公开的另一技术方案的光学系统，是具有缩小侧的缩小共轭点及放大侧的放大共轭点的光学系统，具备：多个透镜；以及棱镜，设置于比上述多个透镜靠放大侧的位置。上述缩小共轭点中的第1矩形区域与上述放大共轭点中的第2矩形区域具有共轭的成像关系，上述缩小共轭点中的第1矩形区域不与光轴交叉，上述光轴是经过上述多个透镜中的最多的透镜的中心的轴。上述棱镜具有：第1反射面，相对于与上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边平行的方向，以大于40度且小于50度的角度倾斜；以及第2反射面，具有正的功率
由此，具备具有以大于40度且小于50度的角度倾斜的反射面的棱镜，所以能够兼顾光学系统的广角化和小型化。
此外，例如也可以是，上述棱镜还具有：自由曲面形状的第1透射面；以及自由曲面形状的第2透射面，设置于比上述第1透射面靠缩小侧的位置。上述光学系统使主光线依次或以倒序通过上述第1透射面、上述第1反射面、上述第2反射面、上述第2透射面。
由此，棱镜的透射面是自由曲面形状，所以能够兼顾光学系统的广角化和薄型化。例如，能够将第2矩形区域确保得大。
此外，有关本公开的另一技术方案的光学系统，是具有缩小侧的缩小共轭点及放大侧的放大共轭点的光学系统。上述缩小共轭点中的第1矩形区域与上述放大共轭点中的第2矩形区域具有共轭的成像关系。上述光学系统使主光线对于具有包括上述第2矩形区域的第1面和第2面的透明体，依次或倒序通过上述第1矩形区域、上述第2面、上述第2矩形区域。上述第2面也可以不与上述第1面平行。此外，例如上述第2面也可以与上述第1面共用一个边。
由此，能够兼顾光学系统的广角化和薄型化。在将光学系统利用于摄像装置的情况下，能够减少第2面上的反射。例如，能够抑制鬼像的发生。此外，由于光学系统不位于透明体的第1面的背面侧，所以在对第1面施加了由接触带来的力的情况下，能够避免强的应力作用于光学系统。
此外，例如有关本公开的一技术方案的光学系统也可以满足以下的条件(a)。
ωi＜ωo…(a)
这里，
ωo：上述第2矩形区域的法线与通过上述第2矩形区域的主光线的最大角度，
ωi：以上述最大角度通过上述第2矩形区域的主光线通过上述第2面时的该主光线与上述第2面的法线的角度。
由此，能够兼顾光学系统的广角化和薄型化。在将光学系统利用于摄像装置的情况下，能够减少第2面上的反射。
此外，例如也可以是，有关本公开的一技术方案的光学系统具备多个透镜，上述第1矩形区域不与光轴交叉，上述光轴是经过上述多个透镜中的最多的透镜的中心的轴。
由此，能够使得在从第2矩形区域的法线方向观察的情况下第2矩形区域和光学系统不重叠。因此，光学系统不位于透明体的第1面的背面侧，所以在对第1面施加了由接触带来的力的情况下，能够避免应力作用于光学系统。
此外，例如也可以是，有关本公开的一技术方案的光学系统具备上述透明体，在设将上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边与平行于该第1边的第2边的彼此的中心连结的线段为中心线的情况下，满足以下的条件(b)。
0.1＜H1o/H1i×Vi/Vo＜0.4…(b)
这里，
H1i：将分别成像在上述第1边的两端上的主光线所经过的上述第2面上的两点连结的距离，
Vi：将分别成像在上述中心线的两端上的主光线所经过的上述第2面上的两点连结的距离，
H1o：将分别成像在上述第1边的两端上的主光线所经过的上述第1面上的两点连结的距离，
Vo：将分别成像在上述中心线的两端上的主光线所经过的上述第1面上的两点连结的距离。
由此，能够将第2矩形区域确保得大。在将光学系统利用于摄像装置的情况下，能够从透明体的里侧取出充分的光量的光。
此外，例如也可以是，有关本公开的一技术方案的光学系统具备上述透明体，在上述第1矩形区域的4个边中，设到上述光轴的最短距离最短的边为第1边，平行于该第1边的边为第2边的情况下，满足以下的条件(c)。
0.1＜H1o/H1i×H2i/H2o＜0.4…(c)
这里，
H1i：将分别成像在上述第1边的两端上的主光线所经过的上述第2面上的两点连结的距离，
H2i：将分别成像在上述第2边的两端上的主光线所经过的上述第2面上的两点连结的距离，
H1o：将分别成像在上述第1边的两端上的主光线所经过的上述第1面上的两点连结的距离，
H2o：将分别成像在上述第2边的两端上的主光线所经过的上述第1面上的两点连结的距离。
由此，能够将第2矩形区域确保得大。在将光学系统利用于摄像装置的情况下，能够从透明体的里侧取出充分的光量的光。
此外，例如也可以是，有关本公开的一技术方案的光学系统具备设置于比上述多个透镜靠放大侧的位置的棱镜。上述棱镜具有：自由曲面形状的第1透射面；第1反射面；第2反射面，具有正的功率；以及自由曲面形状的第2透射面，设置于比上述第1透射面靠缩小侧的位置。上述光学系统使主光线依次或以倒序通过上述第1透射面、上述第1反射面、上述第2反射面、上述第2透射面。
由此，具备具有呈自由曲面形状的透射面及有正的功率的反射面的棱镜，所以能够兼顾光学系统的广角化和薄型化。例如，能够将第2矩形区域确保得大。
此外，例如也可以是，上述第1透射面使通过第1点的主光线在与上述光轴平行的方向上发散，在与上述光轴垂直的方向上收敛，上述第1点是上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边上的距上述光轴最近的点。
由此，能够在抑制畸变的同时实现光学系统的低高度化。
此外，例如也可以是，上述第2透射面使通过第1点的主光线在与上述第1边平行的方向上发散，在与上述第1边垂直的方向上收敛，上述第1点是上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边上的距上述光轴最近的点。
由此，能够在抑制畸变的同时实现光学系统的低高度化。
此外，例如也可以是，上述第2反射面的对于通过第1点的主光线的收敛作用在与上述第1边平行的方向上比在与上述第1边垂直的方向上大，上述第1点是上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边上的距上述光轴最近的点。
由此，能够实现光学系统的低高度化。
此外，例如也可以是，有关本公开的一技术方案的光学系统具有与上述缩小共轭点及上述放大共轭点分别共轭的中间成像位置，上述中间成像位置位于上述第2反射面与上述第2透射面之间。
由此，能够使工作距离变短。
此外，例如也可以是，有关本公开的一技术方案的光学系统中，在设上述第1边上的距上述第2矩形区域最远的点为第2点，设上述第1边上的距上述第2矩形区域最近的点为第4点，设上述第1矩形区域的4个边中的与上述第1边平行的第2边上的距上述第2矩形区域最远的点为第3点，设上述第2边上的距上述第2矩形区域最近的点为第5点的情况下，满足以下的条件(d)。
i1＜i2＜i3＜i4…(d)
这里，
i1：通过上述第2点的主光线向上述第1反射面入射时的入射角，
i2：通过上述第3点的主光线向上述第1反射面入射时的入射角，
i3：通过上述第4点的主光线向上述第1反射面入射时的入射角，
i4：通过上述第5点的主光线向上述第1反射面入射时的入射角。
由此，能够实现光学系统的低高度化及小型化。
此外，例如也可以是，通过上述第5点的主光线向上述第1反射面入射时的入射角大于65度且小于85度。
由此，通过使入射角i4小于85度，能够抑制对于第1反射面的形状误差的敏感度，提高制造的容易性。通过使入射角i4大于65度，能够实现棱镜的小型化。
此外，例如也可以是，有关本公开的一技术方案的光学系统具备透明体，该透明体具有包括上述第2矩形区域的第1面、以及第2面。上述光学系统也可以使主光线依次或以倒序通过上述第1矩形区域、上述第2面、上述第2矩形区域。
由此，在将光学系统利用于摄像装置的情况下，例如能够进行与透明体的第2面接触的物体的拍摄。即，能够将摄像装置作为光学式的接触传感器来利用。
此外，例如也可以是，上述透明体具备：第1介质，具有上述第1面；平板状的第2介质，比上述第1介质小，具有上述第2面。也可以是，上述第2面与空气接触，上述第2介质的与上述第2面相反一侧的面相邻于上述第1介质的与上述第1面不同的面。
由此，能够进行与透明体的各面的功能相应的最优的材料选择。
此外，例如也可以是，有关本公开的一技术方案的光学系统满足以下的条件(e)。
n1＜n2…(e)
这里，
n1：上述第1介质的折射率，
n2：上述第2介质的折射率。
由此，能够将像面弯曲抑制得小。
此外，例如也可以是，上述第2介质的折射率n2大于1.45。
由此，能够将像面弯曲抑制得较小。
此外，例如也可以是，上述第1介质的折射率大于1.3且小于1.5。
由此，通过使折射率n1大于1.3，能够抑制因第1介质与第2介质的界面处的反射带来的损失。通过使折射率n1小于1.5，能够确保大的视场角。
此外，例如也可以是，有关本公开的一技术方案的光学系统满足以下的条件(f)。
E1＜E2…(f)
这里，
E1：上述第1介质的杨氏模量，
E2：上述第2介质的杨氏模量。
由此，即使在因对于第1面的接触而第1介质变形了的情况下，也能够抑制第2介质的变形。在将光学系统利用于摄像装置的情况下，由于第2面上的光的射出形状不变化，所以能够拍摄第1面的形状变化。
此外，例如也可以是，上述第2介质的杨氏模量大于400MPa且小于200000MPa。
由此，在将光学系统利用于摄像装置的情况下，由于第2面上的光的射出形状不变化，所以能够拍摄第1面的形状变化。
此外，例如也可以是，上述第1介质的杨氏模量大于0.01MPa且小于3MPa。
由此，能够容易地使第1面的形状变更。因此，在将光学系统利用于摄像装置的情况下，能够拍摄第1面的形状变化。
此外，例如也可以是，有关本公开的一技术方案的光学系统中，在设上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边上的距上述光轴最近的点为第1点，设上述第1矩形区域的4个边中的与上述第1边平行的第2边上的距上述光轴最近的点为第6点的情况下，满足以下的条件(g)。
5＜Lb/La＜15…(g)
这里，
La：通过上述第1点的主光线在上述透明体内的光路长度，
Lb：通过上述第6点的主光线在上述透明体内的光路长度。
由此，能够在增大第2矩形区域的同时实现透明体的薄型化。
此外，例如也可以是，以相对于上述第2矩形区域的法线的最大角度通过上述第2矩形区域的主光线通过上述第2面时的该主光线与上述第2面的法线的角度小于30度。
由此，能够抑制第2面上的反射。
此外，例如也可以是，包含上述第2面的平面与包含上述第1面的平面所成的角度大于45度且小于85度。
由此，在将光学系统利用于摄像装置的情况下，能够抑制光从第2面的射出角。
此外，例如也可以是，通过上述第2矩形区域的主光线的最大角度大于65度。
由此，能够在增大第2矩形区域的同时实现光学系统的低高度化。
此外，例如也可以是，有关本公开的一技术方案的光学系统满足以下的条件(h)。
L1＜L2…(h)
这里，
L1：上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边的长度，
L2：上述第1矩形区域的4个边中的与上述第1边正交的第3边的长度。
由此，能够使第2矩形区域细长。
此外，例如也可以是，有关本公开的一技术方案的光学系统满足以下的条件(i)。
0.1＜d/D＜0.3…(i)
这里，
d：上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边与上述光轴的最短距离，
D：上述第1矩形区域的4个边中的与上述第1边正交的第3边的长度。
由此，能够实现光学系统的小型化。此外，在将光学系统利用于摄像装置的情况下，能够抑制从第2矩形区域的射出角变得过大，抑制光量的减少。此外，能够避免在从第2矩形区域的法线方向观察的情况下棱镜与第2矩形区域重叠。
此外，例如也可以是，有关本公开的一技术方案的光学系统中，在设上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边上的距上述光轴最近的点为第1点，设包含在上述第2矩形区域中且与上述第1点具有成像关系的点为第7点的情况下，满足以下的条件(j1)及(j2)。
5＜X/d＜20…(j1)
5＜Y/d＜20…(j2)
这里，
d：上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边与上述光轴的最短距离，
X：沿着与上述第1边平行的方向的、上述第1点与上述第7点的距离，
Y：沿着与上述第1边及上述光轴分别正交的方向的、上述第1点与上述第7点的距离。
由此，能够在将第2矩形区域确保得大的同时实现光学系统的小型化。例如，通过使X/d满足条件(j1)，能够兼顾光学系统的低高度化和周边光量的减少的抑制。此外，通过使Y/d满足条件(j2)，能够兼顾光学系统的小型化和广角化。
此外，例如也可以是，有关本公开的一技术方案的光学系统满足以下的条件(j3)。
10＜Z/d＜30…(j3)
这里，
Z：沿着与上述光轴平行的方向的、上述第1点与上述第7点的距离。
由此，能够兼顾光学系统的小型化和倍率色像差的增大的抑制。
此外，例如也可以是，有关本公开的一技术方案的光学系统中，在设上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边上的距上述光轴最近的点为第1点，设包含在上述第2矩形区域中且与上述第1点具有成像关系的点为第7点的情况下，满足以下的条件(k)。
0.1＜θo/θi＜0.3…(k)
这里，
θi：通过上述第1点的主光线在经过上述第1边且与上述第1边及上述光轴分别平行的面内所成的入射角或射出角的幅度，
θo：形成θi的主光线在通过上述第7点时所成的角度的幅度。
由此，能够在使第2矩形区域变大的同时实现光学系统的小型化。
此外，例如也可以是，上述多个透镜中的距上述第1矩形区域最近的透镜的在与上述第1边垂直的方向上不包含上述光轴的一侧被D型切割。
由此，能够实现光学系统的低高度化。
此外，例如也可以是，包括上述第2矩形区域的平面与包括上述第1矩形区域的平面所成的角度大于85度且小于95度。
由此，能够实现光学系统的低高度化。
此外，有关本公开的一技术方案的摄像装置具备：有关上述一技术方案的光学系统；以及摄像元件，接受通过上述光学系统的光。
由此，能够得到与上述的光学系统等同的效果。
此外，有关本公开的一技术方案的光学式接触传感器具备：有关上述一技术方案的摄像装置；以及光源，朝向上述第2矩形区域照射光；检测对于上述第2矩形区域的接触。
由此，能够得到与上述的光学系统等同的效果。
此外，有关本公开的一技术方案的图像投影装置具备：有关上述一技术方案的光学系统；以及图像形成元件，经由上述光学系统向屏幕投影图像。
由此，能够得到与上述的光学系统等同的效果。
以下，参照附图对实施方式具体地进行说明。
另外，以下说明的实施方式都表示包含性或具体的例子。在以下的实施方式中表示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置及连接形态、步骤、步骤的顺序等是一例，不是限定本发明的意思。此外，关于以下的实施方式的构成要素中的、在独立权利要求中没有记载的构成要素，设为任意的构成要素进行说明。
此外，各图是示意图，并不一定是严密地图示的。因而，例如在各图中比例尺等并不一定一致。此外，在各图中，对于实质上相同的结构赋予相同的标号，将重复的说明省略或简略化。
此外，在本说明书中，平行或垂直等的表示要素间的关系性的用语、矩形等的表示要素的形状的用语、以及数值范围不是仅表示严格的意义的表现，而是意味着实质上同等的范围、例如也包含几个百分点左右的差异的表现。
此外，在本说明书及附图中，x轴、y轴及z轴表示三维正交坐标系的三轴。在各实施方式中，x轴及y轴与第1矩形区域的正交的两边平行。z轴方向是第1矩形区域的法线方向。
另外，x轴方向是光学系统的高度方向。即，在本说明书中，“低高度化”是指使x轴方向的高度变短。此外，在本说明书中，“小型化”是指使沿着x轴、y轴及z轴中的至少1个轴的方向的长度变短。
此外，在本说明书中，“光线通过面”是指光线向面入射而反射或透射。即，“光线通过反射面”是指光线入射到反射面并由该反射面将光线反射。反射在微视的面中是镜面反射。“光线通过透射面”是指光线向透射面入射并透射该透射面。在透射时，光线对应于折射率差而折射。
此外，在本说明书中，“第1”、“第2”等序数词只要没有特别说明就不是指构成要素的数量或顺序，而以避免同种构成要素的混淆、进行区分的目的使用。
(实施方式)
[概要]
首先，使用图1对有关实施方式的光学系统的概要进行说明。图1是表示有关本实施方式的光学系统1的结构的概略立体图。
图1所示的光学系统1具有缩小侧的缩小共轭点和放大侧的放大共轭点。缩小共轭点是光学系统1的缩小侧的成像位置，被定义为第1矩形区域10。放大共轭点是光学系统1的放大侧的成像位置，被定义为第2矩形区域20。第1矩形区域10与第2矩形区域20具有共轭的成像关系。另外，第2矩形区域20也有时因畸变而不成为完全的矩形。
在光学系统1利用于摄像装置的情况下，第1矩形区域10为摄像面所处的区域，第2矩形区域20为物体面所处的区域。在光学系统1利用于图像投影装置的情况下，第1矩形区域10为形成投影源的图像的图像显示区域，第2矩形区域20为屏幕等的投影面所处的区域。关于第1矩形区域10与第2矩形区域20的光学关系，在后面详细地进行说明。
另外，在以下的说明中，主要以光学系统1利用于摄像装置的情况为例进行说明。在此情况下，光学系统1将从放大侧的第2矩形区域20发出的光引导到缩小侧的第1矩形区域10。在光学系统1利用于图像投影装置的情况下，光的行进方向为相反方向。此外，相对于规定面的入射角和射出角(或反射角)的关系替换。
如图1所示，光学系统1具备多个透镜30、棱镜40和透明体50。多个透镜30、棱镜40及透明体50从光学系统1的缩小侧向放大侧依次配置。
多个透镜30分别在缩小侧及放大侧的至少一方具有规定的透镜曲面。例如，各透镜30是双凸透镜、平凸透镜、凸弯月透镜、双凹透镜、平凹透镜或凹弯月透镜。另外，透镜曲面也可以是具有自由曲面的非球面透镜。多个透镜30中包括旋转对称的形状的透镜。
此外，在图1中没有表示，但光学系统1具备孔径光圈。孔径光圈配置在多个透镜30之间，是对光束通过光学系统1的范围进行规定的光学部件。经过孔径光圈的中心的光线是主光线。
棱镜40设置在比多个透镜30靠放大侧的位置。棱镜40具有第1透射面41、第1反射面42、第2反射面43和第2透射面44。在本实施方式中，第1透射面41、第2反射面43及第2透射面44分别是自由曲面形状。此外，第1反射面42是平面。
棱镜40使用玻璃、树脂等的透明的介质形成。第1透射面41、第1反射面42、第2反射面43及第2透射面44分别是棱镜40的外侧面的一部分。关于棱镜40的具体的结构例，在后面进行说明。
透明体50具有包括第2矩形区域20的第1面51、以及第2面52。第2面52是通过第1面51的主光线所通过的面。第1面51及第2面52分别是平面。在本实施方式中，第2面52不与第1面51平行。具体而言，第2面52与第1面51共用一个边。此外，第2面52相对于第1面51以规定的角度倾斜。
透明体50使用玻璃、树脂等的透明的介质形成。另外，光学系统1也可以不具备透明体50。
在图1中，图示了光轴60和正交于光轴60的基准轴61。光轴60及基准轴61分别是在一方向上延伸的假想的直线。光轴60是经过多个透镜30中的最多透镜的中心的轴。基准轴61是与光轴60正交并且与第1矩形区域10的4个边中的到光轴60的最短距离最短的第1边11正交的轴。
光学系统1的各构成要素的配置基于经过光轴60及/或基准轴61的假想的平面来决定。以下，使用图2及图3对光学系统1的配置进行说明。
图2是用来使用作为假想平面的第1平面70说明有关本实施方式的光学系统1的配置的概略立体图。图2所示的第1平面70是垂直于第1矩形区域10并且经过光轴60的假想平面，是与第1矩形区域10的第1边11平行的假想平面。第1平面70是xz平面。
如图2所示，配置光学系统1的空间可以以第1平面70为边界划分为第1空间71和第2空间72。第1空间71是y轴的负侧的空间，第2空间72是y轴的正侧的空间。
在本实施方式中，通过第1矩形区域10的全部的主光线在第1空间71中经过第1矩形区域10、第1透射面41及第1反射面42。即，第1矩形区域10、第1透射面41及第1反射面42实质上各面的大致整个域被配置在第1空间71中。
此外，通过第1矩形区域10的全部的主光线在第2空间72中经过第2反射面43及第2透射面44。即，第2反射面43及第2透射面44实质上各面的大致整个域被配置在第2空间72中。
这样，棱镜40跨第1空间71及第2空间72而配置。多个透镜30也同样跨第1空间71及第2空间72而配置。透明体50的第2矩形区域20和第2面52的至少一部分配置在第1空间71中。另外，在图2中，对于配置在第1空间71中的面赋予点状的阴影。此外，用虚线表示配置在第2空间72中的面的轮廓(除了第2矩形区域20的轮廓以外)。
图3是用来使用作为假想平面的第2平面80说明有关本实施方式的光学系统1的配置的概略立体图。图3所示的第2平面80是经过光轴60并且垂直于第1平面70的假想平面。第2平面80包括光轴60和基准轴61。第2平面80是yz平面。
如图3所示，配置光学系统1的空间可以以第2平面80为边界划分为第3空间81和第4空间82。第3空间81是x轴的负侧的空间，第4空间82是x轴的正侧的空间。
在本实施方式中，通过第1矩形区域10的全部的主光线在第3空间81中经过第2矩形区域20及第1透射面41。即，第2矩形区域20及第1透射面41实质上各面的大致整个域被配置在第3空间81中。
第1反射面42、第2反射面43及第2透射面44仅配置在第3空间81中、仅配置在第4空间82中或跨第3空间81及第4空间82而配置。多个透镜30及第1矩形区域10跨第3空间81及第4空间82而配置。透明体50的第2面52的至少一部分配置在第3空间81中。另外，在图3中，对于配置在第3空间81中的面赋予点状的阴影，并且用虚线表示其轮廓。
[第1矩形区域及第2矩形区域]
接着，适当参照图1的同时使用图4及图5对光学系统1的缩小共轭点中的第1矩形区域10与放大共轭点中的第2矩形区域20的对应关系进行说明。
图4是用来说明有关本实施方式的光学系统1的缩小共轭点与放大共轭点的位置关系的概略立体图。如图4所示，缩小共轭点中的第1矩形区域10不与光轴60交叉。即，第1矩形区域10位于从光轴60在一方向上偏移了规定距离的位置。
第1矩形区域10和第2矩形区域20具有成像关系。例如，第1矩形区域10的长宽比和第2矩形区域20的长宽比相互相等。长宽比是各矩形区域的短边与长边的长度之比。放大侧的第2矩形区域20的面积比缩小侧的第1矩形区域10的面积大。另外，可能发生第2矩形区域20因畸变而不成为完全的矩形的情况。
包含第2矩形区域20的平面与包含第1矩形区域10的平面所成的角度大于85度且小于95度。具体而言，第2矩形区域20与第1矩形区域10垂直。在本实施方式中，将第1矩形区域10形成的平面定义为xy平面。在此情况下，第2矩形区域20与yz平面平行。
在图4中，图示了与第1矩形区域10的第1边11上的第1点101具有成像关系的、第2矩形区域20中包含的第7点201。在光学系统1利用于摄像装置的情况下，从第7点201射出的主光线通过棱镜40及多个透镜30而成像在第1点101。
同样，在图1中图示了第1矩形区域10中包含的第2点102、第3点103、第4点104、第5点105及第6点106、以及第2矩形区域20中包含的第8点202、第9点203、第10点204、第11点205及第12点206。第2点102和第8点202具有成像关系。第3点103和第9点203具有成像关系。第4点104和第10点204具有成像关系。第5点105和第11点205具有成像关系。第6点106和第12点206具有成像关系。
图5是表示有关实施方式的光学系统1的缩小共轭点中的第1矩形区域10的平面图。如图5所示，第1矩形区域10的平面视形状是在y轴方向上较长的长方形。第1矩形区域10具有第1边11、第2边12、第3边13和第4边14。
第1边11是第1矩形区域10的4个边中的到光轴60的最短距离最短的边。图5所示的第1点101是第1边11上的距光轴60最近的点。即，第1点101是第1边11上的相对于光轴60的垂线的垂足。例如，第1点101是第1边11的中点。在xy平面中，将第1点101与光轴60连结的直线是基准轴61。
第2边12是与第1边11平行的边。图5所示的第6点106是第2边12上的距光轴60最近的点。例如，第6点106是第2边12的中点。第6点106是第2边12与基准轴61的交点。
第3边13是与第1边11及第2边12正交的两边中的距第2矩形区域20较远的边。第4边14是与第1边11及第2边12正交的两边中的距第2矩形区域20较近的边。
第2点102是第1边11上的距第2矩形区域20最远的点。第2点102是第1边11的端点，是第1边11与第3边13的交点。
第3点103是第2边12上的距第2矩形区域20最远的点。第3点103是第2边12的端点，是第2边12与第3边13的交点。
第4点104是第1边11上的距第2矩形区域20最近的点。第4点104分别是第1边11的端点，是第1边11与第4边14的交点。
第5点105是第2边12上的距第2矩形区域20最近的点。第5点105分别是第2边12的端点，是第2边12与第4边14的交点。
这里，如图5所示，将第1边11的长度(＝第2边12的长度)定义为L1。此外，将第3边13的长度(＝第4边14的长度)定义为L2或D。在此情况下，满足以下的条件(h)。
L1＜L2…(h)
第1矩形区域10的长宽比例如是L2与L1之比。L2:L1例如是3:2、4:3、16:9、256:135等，但没有特别限定。
此外，将第1点101与光轴60的最短距离定义为d。d对应于第1矩形区域10从光轴60的偏心量。在此情况下，最短距离d比第1矩形区域10的长边的长度D短。满足以下的条件(i)。
0.1＜d/D＜0.3…(i)
通过d/D小于0.3，能够抑制光学系统1的大型化。在光学系统1利用于摄像装置的情况下，假如d/D过大，则从第2矩形区域20的射出角会过大，所以光量有可能下降。在本实施方式中，通过d/D小于0.3，能够抑制光量的下降。此外，通过d/D大于0.1，在从第2矩形区域20的法线方向观察的情况下，能够避免棱镜40与第2矩形区域20重叠。
第1矩形区域10与第2矩形区域20的位置关系可以基于图4所示的第1点101与第7点201的位置关系来表示。具体而言，有关本实施方式的光学系统1满足以下的条件(j1)及(j2)。
5＜X/d＜20…(j1)
5＜Y/d＜20…(j2)
这里，X是沿着与第1边11平行的方向(即x轴方向)的第1点101与第7点201的距离。Y是沿着与第1边11及光轴60分别正交的方向(即，y轴方向)的第1点101与第7点201的距离。另外，d是在图5中表示的偏心量。
通过X/d大于5，能够抑制周边部(例如矩形区域的边上)的光量的下降。此外，通过X/d小于20，能够实现光学系统1的低高度化。此外，优选的是，X/d也可以小于15。
此外，通过Y/d大于5，能够容易地扩大视场角。此外，通过Y/d小于20，能够实现光学系统1的小型化。此外，优选的是，Y/d也可以小于15。
此外，光学系统1还满足条件(j3)。
10＜Z/d＜30…(j3)
这里，Z是沿着与光轴60平行的方向(即z轴方向)的第1点101与第7点201的距离。
通过Z/d大于10，能够抑制倍率色像差的增大。此外，通过Z/d小于30，能够实现光学系统1的小型化。此外，优选的是，Z/d也可以小于25。
[棱镜]
接着，使用图6、图7、图8及图9对棱镜40的具体的结构进行说明。
图6是表示有关本实施方式的光学系统1具备的棱镜40的一例的立体图。图7是图6所示的棱镜40的六面图。具体而言，(a)是正视图，(b)是左侧视图，(c)是右侧视图，(d)是后视图，(e)是俯视图，(f)是仰视图。另外，这里将从第1矩形区域10侧沿着光轴60观察棱镜40的情况看作正面。具体而言，将z轴的负侧看作正面，将x轴的正侧看作上方，将x轴的负侧看作下方，将y轴的正侧看作右方，将y轴的负侧看作左方。
图8是表示通过图6所示的棱镜40的光线的概略立体图。图9是表示向图6所示的棱镜40的第1反射面42入射的光的入射角的概略立体图。
如上述那样，棱镜40具有第1透射面41、第1反射面42、第2反射面43及第2透射面44。具体而言，棱镜40的外侧面的一部分作为第1透射面41、第1反射面42、第2反射面43及第2透射面44发挥功能。
在本实施方式中，如图8及图9所示，光学系统1使主光线依次或以倒序通过第1透射面41、第1反射面42、第2反射面43及第2透射面44(另外，在图9中省略了图示)。在光学系统1利用于摄像装置的情况下，主光线依次通过第1透射面41、第1反射面42、第2反射面43及第2透射面44。在光学系统1利用于图像投影装置的情况下，主光线依次通过第2透射面44、第2反射面43、第1反射面42及第1透射面41。
第1透射面41如图6以及图7的(b)、(c)及(f)所示，面向x轴的负侧。在光学系统1利用于摄像装置的情况下，第1透射面41作为主光线向棱镜40入射的入射面发挥功能。在光学系统1利用于图像投影装置的情况下，第1透射面41作为主光线从棱镜40射出的射出面发挥功能。
在光学系统1利用于摄像装置的情况下，第1透射面41使通过第1点101的主光线在平行于光轴60的方向(即z轴方向)上发散，在垂直于光轴60的方向上收敛。由此，能够在抑制畸变的同时实现棱镜40的小型化，实现光学系统1的低高度化。
如图6以及图7的(a)、(b)、(c)及(e)所示，第1反射面42面向x轴的正侧及y轴的正侧。第1反射面42通过棱镜40与空气的折射率差而使主光线全反射。如图8所示，第1反射面42将通过第1透射面41后的光朝向第2反射面43反射。或者，将由第2反射面43反射后的光朝向第1透射面41反射。
在本实施方式中，第1反射面42是平面。第1反射面42相对于与第1矩形区域10的第1边11平行的方向(即x轴方向)，以大于40度且小于50度的角度倾斜。图7的(b)所示的角度θ是第1反射面42相对于x轴所成的倾斜角。角度θ例如是45度。
如图9所示，将主光线向第1反射面42入射的角度定义为i1、i2、i3、i4。入射角是光线与面的法线之间的角度，例如是主光线与第1反射面42的法线之间的角度。具体而言，入射角i1是通过第2点102及第8点202的主光线向第1反射面42入射的角度。入射角i2是通过第3点103及第9点203的主光线向第1反射面42入射的角度。入射角i3是通过第4点104及第10点204的主光线向第1反射面42入射的角度。入射角i4是通过第5点105及第11点205的主光线向第1反射面42入射的角度。
在此情况下，第1反射面42满足以下的条件(d)。
i1＜i2＜i3＜i4…(d)
即，在通过第1矩形区域10的全部的主光线中，沿着x轴越远离第2矩形区域20、并且沿着y轴越远离第2矩形区域20(越接近于光轴60)，则其主光线对于第1反射面42的入射角越大。因此，经过第1矩形区域10中的从第2矩形区域20分别沿着x轴及y轴最远的点即第2点102的主光线的入射角i1成为最小的入射角。此外，经过第1矩形区域10中的距第2矩形区域20沿着x轴及y轴分别最近的点即第5点105的主光线的入射角i4成为最大的入射角。由此，能够实现光学系统1的低高度化及小型化。
另外，入射角i4例如大于65度且小于85度。通过入射角i4小于85度，能够抑制发生了第1反射面42的形状误差的情况下的像差的发生，提高制造容易性。通过入射角i4大于65度，能够实现棱镜40的小型化。此外，优选的是，入射角i4也可以大于70度。此外，入射角i4也可以小于82度。
如图6以及图7的(b)、(c)、(d)、(e)及(f)所示，第2反射面43面向z轴的正侧。第2反射面43通过棱镜40与空气的折射率差而使主光线全反射。如图8所示，第2反射面43将由第1反射面42反射后的光朝向第2透射面44反射。或者，将通过第2透射面44后的光朝向第1反射面42反射。
第2反射面43具有正的功率。具体而言，第2反射面43对于通过第1点101的主光线的收敛作用在平行于第1边11的方向(即x轴方向)上比在垂直于第1边11的方向(具体而言是y轴方向)上大。由此，能够实现棱镜40的小型化，实现光学系统1的低高度化。
如图6及图7的(a)、(e)及(f)所示，第2透射面44面向z轴的负侧。第2透射面44设置于比第1透射面41靠缩小侧的位置。在光学系统1利用于摄像装置的情况下，第2透射面44作为主光线从棱镜40射出的射出面发挥功能。在光学系统1利用于图像投影装置的情况下，第2透射面44作为主光线向棱镜40入射的入射面发挥功能。
在光学系统1利用于摄像装置的情况下，第2透射面44使通过第1点101的主光线在平行于第1边11的方向(即x轴方向)上发散，在垂直于第1边11的方向(具体而言是y轴方向)上收敛。由此，能够在抑制畸变的同时，实现棱镜40的小型化，实现光学系统1的低高度化。
另外，在本实施方式中，光学系统1具有与缩小共轭点及放大共轭点分别为共轭的中间成像位置。如图10所示，中间成像位置90位于第2反射面43与第2透射面44之间。图10是表示有关本实施方式的光学系统1的中间成像位置90的图。由此，能够使工作距离变短。
图11是示意地表示有关本实施方式的光学系统1所具有的主要的面上的像的概略立体图。在图11中，在各面上用实线、虚线及点线表示了3根箭头。例如，在第1矩形区域10内，图示了沿着第1边11从第2点102朝向第4点104延伸的实线箭头。同样，图示了沿着第2边12从第3点103朝向第5点105延伸的点线箭头。进而，图示了从点线箭头的中心朝向实线箭头的中心延伸的虚线箭头。
在各面中，相同线种的箭头示意地表示相同的像。例如，在着眼于实线箭头的情况下，从第2矩形区域20到第1矩形区域10为止顺着实线箭头的前端的折线(未图示)对应于主光线的示意性的光路。在本实施方式中，主光线依次或以倒序通过第2矩形区域20、透明体50的第2面52、第1透射面41、第1反射面42、第2反射面43、第2透射面44、多个透镜30及第1矩形区域10。
在本实施方式中，第1透射面41、第2反射面43及第2透射面44分别是自由曲面形状。关于各面的具体的形状的实施例在后面例示。
[透明体]
接着，适当参照图1的同时使用图12、图13及图14对透明体50的具体的结构进行说明。
图12是表示有关本实施方式的光学系统1的通过第2矩形区域20的主光线的最大角度ωo、和该主光线通过透明体50的第2面52的角度ωi的概略立体图。图13是表示有关本实施方式的透明体50的第1面51及第2面52各自的主光线的通过区域的概略立体图。图14是表示有关本实施方式的透明体50内的主光线的光路长度的概略剖视图。
如图12至图14所示，透明体50具有包括第2矩形区域20的第1面51、以及第2面52。透明体50例如具有将第1面51和第1面51的相反一侧的面分别作为主面来具备的扁平的形状。
在本实施方式中，如图12所示，通过第2矩形区域20的主光线通过第2面52。即，以面向第2面52的方式配置棱镜40的第1透射面41。例如，在从第2矩形区域20的法线方向观察的情况下，第1透射面41以不与透明体50的第1面51的第2矩形区域20重叠的方式配置。
在图12中，用实线表示通过第2矩形区域20的主光线中的对于第2矩形区域20的入射角(或射出角)为最大的主光线91。图12的最大角度ωo是通过第2矩形区域20的主光线的最大角度，即主光线91对于第2矩形区域20的入射角(或射出角)的最大角度。此外，角度ωi是主光线91通过第2面52的角度。具体而言，角度ωi是来自第2矩形区域20的主光线91对于第2面52的射出角，或向第2矩形区域20入射的主光线91对于第2面52的入射角。
在此情况下，有关本实施方式的光学系统1满足以下的条件(a)。
ωi＜ωo…(a)
由此，能够兼顾光学系统1的广角化和薄型化。在光学系统1利用于摄像装置的情况下，能够减少第2面52上的反射。
最大角度ωo例如大于65度。由此，能够在将第2矩形区域20增大的同时实现光学系统1的低高度化。优选的是，最大角度ωo也可以大于70度。
角度ωi例如小于30度。由此，能够抑制第2面52上的反射。优选的是，角度ωi也可以小于20度。
在图13中，将通过第2矩形区域20的主光线通过第2面52的区域22用点状的阴影表示。区域22的形状是梯形。此外，在图13中用双箭头表示与第2矩形区域20关联的长度H1o、H2o及Vo。用双箭头表示与区域22关联的长度H1i、H2i及Vi。
长度H1o是将分别成像在第1矩形区域10的第1边11的两端的主光线所经过的第1面51上的两点连结的距离。如图5所示，第1边11的两端分别是第2点102及第4点104。长度H1o是与第2点102及第4点104分别对应的、第2矩形区域20的第8点202及第10点204间的距离。
长度H2o是将分别成像在第1矩形区域10的第2边12的两端的主光线所经过的第1面51上的两点连结的距离。如图5所示，第2边12的两端分别是第3点103及第5点105。长度H2o是与第3点103及第5点105分别对应的、第2矩形区域20的第9点203及第11点205间的距离。
长度Vo是在将连结第1矩形区域10的第1边11及第2边12的彼此的中心的线段设为中心线的情况下，将分别成像在该中心线的两端的主光线所经过的第1面51上的两点连结的距离。如图5所示、第1边11的中心是第1点101，第2边12的中心是第6点106。
长度H1i是将分别成像在第1矩形区域10的第1边11的两端的主光线所经过的第2面52上的两点连结的距离。
H2i是将分别成像在第1矩形区域10的第2边12的两端的主光线所经过的第2面52上的两点连结的距离。
长度Vi是在将连结第1矩形区域10的第1边11及第2边12的彼此中心的线段设为中心线的情况下，将分别成像在该中心线的两端的主光线所经过的第2面52上的两点连结的距离。
在如以上这样定义了长度H1o、H2o、Vo、H1i、H2i及Vi的情况下，有关本实施方式的光学系统1满足以下的条件(b1)。
H1o/H1i×Vi/Vo＞0.1…(b1)
由此，能够将第2矩形区域20确保得大。在光学系统1利用于摄像装置的情况下，能够从透明体50的里侧取出充分的光量的光。
此外，光学系统1也可以满足以下的条件(b2)。
H1o/H1i×Vi/Vo＜0.4…(b2)
由此，实现透明体50的低高度化。另外，优选的是，也可以满足以下的条件(b3)或(b4)。
H1o/H1i×Vi/Vo＞0.15…(b3)
H1o/H1i×Vi/Vo＜0.3…(b4)
此外，光学系统1满足以下的条件(c1)。
H1o/H1i×H2i/H2o＞0.1…(c1)
由此，能够将第2矩形区域20确保得大。在光学系统1利用于摄像装置的情况下，能够从透明体50的里侧取出充分的光量的光。
此外，光学系统1也可以满足以下的条件(c2)。
H1o/H1i×H2i/H2o＜0.4…(c2)
由此，实现透明体50的低高度化。另外，优选的是，也可以满足以下的条件(c3)或(c4)。
H1o/H1i×H2i/H2o＞0.15…(c3)
H1o/H1i×H2i/H2o＜0.35…(c4)
在图14中，分别表示了通过第1矩形区域10的第1点101和第2矩形区域20的第7点201的主光线92、以及通过第1矩形区域10的第6点106和第2矩形区域20的第12点206的主光线93。这里，将主光线92在透明体50内的光路长度定义为La。将主光线93在透明体50内的光路长度定义为Lb。在此情况下，满足以下的条件(g)。
5＜Lb/La＜15…(g)
由此，能够在增大第2矩形区域20的同时实现透明体50的薄型化。即，能够将来自透明体50的里侧的光以充分的光量取出，或者能够使充分的光量到达透明体50的里侧。
另外，主光线92向第1点101入射或从其射出的情况与向第7点201入射或从其射出的情况中，入射角幅度或射出角幅度不同。以下，以光学系统1利用摄像装置的情况为例，使用图15及图16进行说明。
图15是表示向有关本实施方式的光学系统1的缩小共轭点中的第1矩形区域10的4个边中的距光轴60最近的第1点101入射的主光线92的概略平面图。图15所示的入射角θi是在经过第1边11、并且与第1边11及光轴60分别平行的面内向第1点101入射的主光线92所成的入射角幅度。
另外，在图15中，在透镜30与第1矩形区域10之间配置有透光性的平板的罩部件，但该部件不具有透镜功能。
图16是表示图15所示的主光线92向有关本实施方式的光学系统1的放大共轭点中的第2矩形区域20入射时的角度的概略剖视图。图16所示的角度θo是在形成入射角θi的主光线92从第7点201射出时所成的角度。
在此情况下，角度θo小于入射角θi。具体而言，有关本实施方式的光学系统1满足以下的条件(k)。
0.1＜θo/θi＜0.3…(k)
由此，能够在增大第2矩形区域20的同时实现光学系统1的小型化。
在本实施方式中，如图16所示，第2面52相对于第1面51倾斜。倾斜角是大于45度且小于85度的角度。通过第2面52倾斜，在光学系统1利用于摄像装置的情况下，能够抑制光从第2面52的射出角。
透明体50例如使用均质的透明材料形成，但并不限定于此。透明体50也可以使用多个不同的材料来形成。以下，使用图17对能够代替透明体50来使用的透明体的变形例进行说明。
图17是表示透明体的变形例的概略立体图。图17所示的透明体350具备具有第1面51的第1介质351和具有第2面52的平板状的第2介质352。第2面52与空气接触。
第1介质351是透明体350的主体部，具有将第1面51和第1面51的相反一侧的面分别作为主面来具备的扁平的形状。第1介质351例如使用硅、聚氨酯等的树脂材料形成。
第2介质352与第1介质351接触。具体而言，第2介质352的与第2面52相反一侧的面与第1介质351接触。第2介质352例如是盖玻片，但并不限定于此。第2介质352也可以是透明的树脂平板。
第1介质351及第2介质352分别使用相对于可视光具有透光性的材料形成。第1介质351和第2介质352的折射率不同。这里，将第1介质351的折射率定义为n1，将第2介质352的折射率定义为n2。在此情况下，透明体350满足以下的条件(e)。
n1＜n2…(e)
例如，折射率n2大于1.45。由此，能够抑制像面弯曲。此外，折射率n1大于1.3且小于1.5。通过折射率n1大于1.3，能够抑制第1介质351和第2介质352的界面处的反射损失。此外，通过折射率n2小于1.5，能够确保大的视场角。
在本变形例中，第1介质351具有挠性。具体而言，第1介质351使用以能够通过人手容易地变形的程度柔软的材料形成。第2介质352比第1介质351硬。
这里，将第1介质351的杨氏模量定义为E1，将第2介质352的杨氏模量定义为E2。在此情况下，透明体350满足以下的条件(f)。
E1＜E2…(f)
例如，杨氏模量E1大于0.01MPa且小于3MPa。由此，第1介质351的形状能够容易地变更。例如，在人用手接触的情况下，或者在第1介质351接触了其他物体的情况下，第1介质351变形。在光学系统1利用于摄像装置的情况下，通过第1面51及第2矩形区域20变形，能够拍摄其形状变化。
此外，例如杨氏模量E2大于400MPa且小于200000MPa(200GPa)。由此，即使在第1介质351变形的情况下，也可抑制第2介质352的形状变化。在光学系统1利用于摄像装置的情况下，第2介质352的第2面52作为光从透明体350的射出面发挥功能。由于该射出面的形状不变化而能够以一定的形状保持，所以能够拍摄第1面51的形状变化。在光学系统1利用于图像投影装置的情况下，由于第2面52作为光对于透明体350的入射面发挥功能，所以能够使投影的图像稳定。
[实施例]
以下，对上述的光学系统1的具体的实施例1至实施例5进行说明。
图18是表示通过有关实施例1的光学系统的主光线的平面图。另外，关于有关实施例2的光学系统及有关实施例3的光学系统，也用与图18同等的平面图表示通过各光学系统的主光线。有关实施例1、实施例2及实施例3的光学系统都与在图1等中表示的光学系统1同样，配置于在将第2矩形区域20正面观察的情况下第2矩形区域20不与光轴60重叠的位置。
图19是表示通过有关实施例5的光学系统的主光线的侧视图。有关实施例5的光学系统配置于在将第2矩形区域20正面观察的情况下第2矩形区域20及第1矩形区域10与光轴60重叠的位置。即，从第1矩形区域10到第2矩形区域20为止，沿着光轴60所延伸的方向排列而配置。另外，关于有关实施例4的光学系统也与实施例5同样。
如图18所示，在多个透镜30中，距第1矩形区域10最近的透镜31也可以是D型切割透镜。具体而言，透镜31也可以是在相对于第1边11垂直的方向上不包含光轴60的一侧被D型切割。例如，透镜31在x轴正侧具有平行于yz面的平面。由此，实现光学系统的小型化。另外，在图18中，在透镜31与第1矩形区域10之间配置有透光性的平板的罩部件，但该部件不具有透镜功能。该罩部件与图15中图示的部件相同。
以下，说明各实施例1到实施例5的具体的数值实施例。
在以下所示的各表中，长度的单位全部是“mm”。视场角的单位全部是“度”。此外，在各实施例中，对于对光线带来影响的多个面分别赋予面编号。面编号从放大侧(第2矩形区域20)到缩小侧(第1矩形区域10)以升序赋予。在各实施例中，表示了面的种类、Y曲率半径(y轴方向的曲率半径)、圆锥系数、面间隔、nd(对于d线的折射率)、vd(对于d线的阿贝数)及偏心数据。偏心数据表示光学系统的对象面相对于前1个面的位移量X、Y、Z及对象面相对于前1个面的法线方向α、β及γ。
在各实施例中，设想了光学系统利用于摄像装置的情况。即，在各表中，“物体”表示物体面，即第2矩形区域20。“像”表示摄像面，即第1矩形区域10。
自由曲面形状由使用以其面顶点为原点的本地的正交坐标系(x，y，z)的下式定义。
[数式1]
这里，z是平行于z轴的面的下垂量。r是半径方向的距离，即(x2+y2)的平方根。c是面顶点处的曲率。k是圆锥系数。Cj是单项式xmyn的系数。
以下，将表示自由曲面形状的多项式的x的i次的项及y的j次的项的系数，使用在纵向上将xi从i＝0到i＝10排列、在横向上将yj从j＝0到j＝10排列的表(例如表3等)来表示。具体而言，各行与各列的交点表示对应的项的系数。例如，与“x2”的行和“y”的列的交点对应的数值为x2y的系数。
(实施例1)
将有关实施例1的光学系统的主要的面的数据表示在表1中。
[表1]
光圈直径是0.55mm。将形成在第1矩形区域10中的像的尺寸的最小值及最大值表示在表2中。
[表2]
有关实施例1的光学系统中，作为多个透镜30，从放大侧到缩小侧依次包括第1透镜、第2透镜、第3透镜、第4透镜及第5透镜。在第3透镜与第4透镜之间配置有光圈。此外，在有关实施例1的光学系统中，在第5透镜与缩小共轭点之间配置有盖玻片。
在实施例1中，第1透镜的形状是双凹形状。第2透镜的形状是双凸形状。第3透镜的形状是双凸形状。第4透镜的形状是朝向第1矩形区域10凸的负弯月形状。第5透镜的形状是双凸形状。
如表1所示，在实施例1中，面4是第1透射面41。面6是第1反射面42。面10是第2反射面43。面13是第2透射面44。面14是第1透镜的第1面。面15是第1透镜的第2面。面16是第2透镜的第1面。面17是第2透镜的第2面。面18是第3透镜的第1面。面19是第3透镜的第2面。面20是光圈。面21是第4透镜的第1面。面22是第4透镜的第2面。面23是第5透镜的第1面。面24是第5透镜的第2面。面25是盖玻片的第1面。面26是盖玻片的第2面。
另外，面1、面2、面3、面5、面7、面8、面9、面11及面12是用来设定偏心及/或间隔的假想的面。此外，在各透镜及盖玻片中，第1面及第2面是相互背向的面，一方作为光的入射面发挥功能，另一方作为光的射出面发挥功能。
其中，将具有自由曲面形状的面4、面10及面13的形状数据分别表示在表3、表4及表5中。另外，在各表中，对于没有组合的项划斜线。此外，由于不存在y的指数为5以上并且x的指数为6以上的项，所以省略了这些项的表自身的图示。在其他的表中也同样。
[表3]
[表4]
[表5]
(实施例2)
将有关实施例2的光学系统的主要的面的数据表示在表6中。
[表6]
光圈直径是0.6mm。将形成在第1矩形区域10中的像的尺寸的最小值及最大值表示在表7中。
[表7]
有关实施例2的光学系统中，作为多个透镜30，从放大侧到缩小侧依次包括第1透镜、第2透镜、第3透镜、第4透镜及第5透镜。在第3透镜与第4透镜之间配置有光圈。
在实施例2中，第1透镜的形状是朝向第1矩形区域10凸的负弯月形状。第2透镜的形状是双凸形状。第3透镜的形状是双凸形状。第4透镜的形状是双凹形状。第5透镜的形状是双凸形状。
如表6所示，在实施例2中，面4是第1透射面41。面6是第1反射面42。面10是第2反射面43。面13是第2透射面44。面14是第1透镜的第1面。面15是第1透镜的第2面。面16是第2透镜的第1面。面17是第2透镜的第2面。面18是第3透镜的第1面。面19是第3透镜的第2面。面20是光圈。面21是第4透镜的第1面。面22是第4透镜的第2面。面23是第5透镜的第1面。面24是第5透镜的第2面。另外，面1、面2、面3、面5、面7、面8、面9、面11、面12及面25是用来设定偏心及/或间隔的假想的面。
其中，将具有自由曲面形状的面4、面10及面13的形状数据分别表示在表8、表9及表10中。
[表8]
[表9]
[表10]
(实施例3)
将有关实施例3的光学系统的主要的面的数据表示在表11中。
[表11]
光圈直径是0.6mm。将形成在第1矩形区域10中的像的尺寸的最小值及最大值表示在表12中。
[表12]
有关实施例3的光学系统中，作为多个透镜30，从放大侧到缩小侧依次包括第1透镜、第2透镜、第3透镜、第4透镜及第5透镜。在第3透镜与第4透镜之间配置有光圈。
在实施例3中，第1透镜的形状是朝向第1矩形区域10凸的负弯月形状。第2透镜的形状是双凸形状。第3透镜的形状是双凸形状。第4透镜的形状是朝向第1矩形区域10凸的负弯月形状。第5透镜的形状是双凸形状。
如表11所示，在实施例3中，面4是第1透射面41。面6是第1反射面42。面10是第2反射面43。面13是第2透射面44。面14是第1透镜的第1面。面15是第1透镜的第2面。面16是第2透镜的第1面。面17是第2透镜的第2面。面18是第3透镜的第1面。面19是第3透镜的第2面。面20是光圈。面21是第4透镜的第1面。面22是第4透镜的第2面。面23是第5透镜的第1面。面24是第5透镜的第2面。另外，面1、面2、面3、面5、面7、面8、面9、面11、面12及面25是用来设定偏心及/或间隔的假想的面。
其中，将具有自由曲面形状的面4、面10及面13的形状数据分别表示在表13、表14及表15中。
[表13]
[表14]
[表15]
(实施例4)
将有关实施例4的光学系统的主要的面的数据表示在表16中。
[表16]
光圈直径是0.65mm。将形成在第1矩形区域10中的像的尺寸的最小值及最大值表示在表17中。
[表17]
有关实施例4的光学系统中，作为多个透镜30，从放大侧到缩小侧依次包括第1透镜、第2透镜、第3透镜、第4透镜、第5透镜及第6透镜。在第3透镜与第4透镜之间配置有光圈。此外，在第4透镜与第5透镜之间配置有反射镜。
在实施例4中，第1透镜的形状是双凹形状。第2透镜的形状是双凸形状。第3透镜的形状是双凸形状。第4透镜的形状是朝向第1矩形区域10凸的负弯月形状。第5透镜的形状是朝向第1矩形区域10凸的负弯月形状。第6透镜的形状是朝向第1矩形区域10凸的正弯月形状。
如表16所示，在实施例4中，面4是第1透射面41。面6是第1反射面42。面10是第2反射面43。面13是第2透射面44。面14是第1透镜的第1面。面15是第1透镜的第2面。面16是第2透镜的第1面。面17是第2透镜的第2面。面18是第3透镜的第1面。面19是第3透镜的第2面。面20是光圈。面21是第4透镜的第1面。面22是第4透镜的第2面。面27是第5透镜的第1面。面28是第5透镜的第2面。面29是第6透镜的第1面。面30是第6透镜的第2面。另外，面1、面2、面3、面5、面7、面8、面9、面11、面12、面23、面24、面25及面26是用来设定偏心及/或间隔的假想的面。
其中，将具有自由曲面形状的面4、面10及面13的形状数据分别表示在表18、表19及表20中。
[表18]
[表19]
[表20]
(实施例5)
将有关实施例5的光学系统的主要的面的数据表示在表21中。
[表21]
光圈直径是1.04mm。将形成在第1矩形区域10中的像的尺寸的最小值及最大值表示在表22中。
[表22]
min max
像 y -2.68 0
X -0.758 0.758
有关实施例5的光学系统中，作为多个透镜30，从放大侧到缩小侧依次包括第1透镜、第2透镜、第3透镜、第4透镜、第5透镜、第6透镜及第7透镜。在第4透镜与第5透镜之间配置有光圈。
在实施例5中，第1透镜的形状是双凹形状。第2透镜的形状是朝向第1矩形区域10凸的正弯月形状。第3透镜的形状是朝向第1矩形区域10凸的正弯月形状。第4透镜的形状是双凸形状。第5透镜的形状是双凹形状。第6透镜的形状是双凸形状。第7透镜的形状是双凸形状。
如表21所示，在实施例5中，面10是第2反射面43。面13是第2透射面44。面14是第1透镜的第1面。面15是第1透镜的第2面。面16是第2透镜的第1面。面17是第2透镜的第2面。面18是第3透镜的第1面。面19是第3透镜的第2面。面20是第4透镜的第1面。面21是第4透镜的第2面。面22是光圈。面23是第5透镜的第1面。面24是第5透镜的第2面。面25是第6透镜的第1面。面26是第6透镜的第2面。面27是第7透镜的第1面。面28是第7透镜的第2面。另外，面1、面2、面3、面4、面5、面6、面7、面8、面9、面11、面12及面29是用来设定偏心及/或间隔的假想的面。
其中，将具有自由曲面形状的面10及面13的形状数据分别表示在表23及表24中。即，本实施例中，具有自由曲面形状的面仅为两个面。
[表23]
[表24]
在本实施例中，如表21所示，面27及28分别是非球面。另外，面27及28分别是多个透镜30中的1个入射面或射出面。将具有非球面形状的面27及面28的形状数据分别表示在表25中。
[表25]
面编号 27 28
4次的系数(A) -1.53380E-02 3.75689E-03
6次的系数(B) 0.00000E+00 0.00000E+00
8次的系数(C) 0.00000E+00 0.00000E+00
10次的系数(D) 0.00000E+00 0.00000E+00
另外，非球面的形状由下式定义。
[数式2]
这里，z是与z轴平行的面的下垂量。r是半径方向的距离，即(x2+y2)的平方根。c是面顶点处的曲率。k是圆锥系数。A、B、C及D分别是r的4次、6次、8次及10次的系数。
(各种参数)
将有关实施例1至实施例5的光学系统的各种参数表示在表26中。各种参数是与在实施方式中说明的条件(a)到条件(k)有关的参数。另外，关于与条件(f)有关的杨氏模量E1及E2，由于与光学上的特征无关，所以省略。
[表26]
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
ω0 78.128 78.4574 75.9404 76.8266 76.0613
ωi 14.888 12.7354 14.7878 12.5807 15.7541
Hli 11.848 14.0519 15.1432 13.1294 16.2124
Hli 9.178 11.3827 11.9131 7.40704 13.7088
H2o 15.859 15.0307 15.0297 16.2059 15.0487
H2i 2.896 3.87148 2.66994 3.89727 5.85448
VO 20.012 20.0074 20.0086 20 20.8099
Vi 3.768 3.60413 4.12031 2.22492 4.65517
L2 2.688 2.688 2.688 2.688 2.688
L1 1.516 1.516 1.516 1.516 1.516
d 0.50 0.73 0.55 2.45 1.50
D 2.688 2.688 2.688 2.688 2.688
X 6.784 6.91762 7 0 0
Y 6.980 9.85538 5.18062 5.47707 9.62445
Z 10.000 10 10 31.7329 36.4371
i4 74.612 74.4594 81.4209 32.8057 27.8905
i3 70.848 70.5294 74.426 22.8392 26.2963
i2 59.598 60.8225 63.3597 32.8057 27.8905
i1 35.390 41.2545 31.5079 22.8392 26.2963
n2 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
n1 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4
θO 1.436 1.83105 1.48694 1.13029 1.33684
θi 7.823 7.60456 8.73717 4.33394 1.31252
Lb 29.619 30.1535 29.5378 36.3256 34.9509
La 2.879 3.2578 2.83806 9.71491 5.25482
Hlo/Hli·Vi/Vo 0.243091 0.222382 0.261762 0.19719 0.264553
Hlo/Hli·H2i/H2i 0.235695 0.317971 0.22581 0.426273 0.460084
d/D 0.186012 0.271577 0.204985 0.912946 0.556871
X/d 13.56722 9.476192 12.70417 0 0
Y/d 13.96048 13.50052 9.402214 2.231895 6.429717
Z/d 20 13.69863 18.14882 12.93109 24.34219
θo/θi 0.183594 0.240783 0.170186 0.2608 1.018529
Lb/La 10.28902 9.255786 10.40774 3.73916 6.651208
(MTF特性)
这里，说明有关实施例1至实施例5的光学系统的MTF(Modulation TransferFunction：调制传递函数)特性。
图20至图24分别是表示有关实施例1至实施例5的光学系统的MTF(ModulationTransfer Function)特性的图。在各图中，横轴表示散焦量(单位：mm)，纵轴表示对比度。图中的虚线的曲线图表示x轴方向上的MTF特性。实线的曲线图表示y轴方向上的MTF特性。MTF特性是以60条/1mm的空间频率得到的。在各图中，对于x轴方向及y轴方向分别表示了每个像高的4种(f1、f2、f3、f4)曲线图。像高由第1矩形区域10内的位置表示。x的f1到f4的具体的值如表27所示。
[表27]
X y
f1 0.000 0.000
f2 0.000 -2.688
f3 0.758 0.000
f4 0.758 -2.688
这里，f1是第1矩形区域10的距光轴60最近的位置，即第1点101。第1矩形区域10的x坐标由-0.758z+0.758的范围表示，y坐标由0至-0.2688的范围表示。由于在x轴的负方向和正方向上具有对称的关系，所以仅表示了x坐标为正的范围的情况。
在各实施例中，根据各图所示的MTF特性可知，每个像高的对比度的峰值的差变小。即，可知在有关各实施例的光学系统中，像面弯曲变小了。
[摄像装置]
接着，对上述的有关实施方式的光学系统1的具体的应用例进行说明。首先，使用图25对具备光学系统1的摄像装置进行说明。图25是表示具备有关本实施方式的光学系统1的摄像装置400的一例的框图。
图25所示的摄像装置400拍摄被摄体401。摄像装置400具备光学系统1、控制部410和摄像元件420。
控制部410对摄像装置400整体及摄像元件420等的各构成要素进行控制。控制部410例如是CPU(Central Processing Unit)或微处理器等。控制部410包括1个以上的存储器及输入输出端口等。例如，控制部410例如包括记录有控制程序等的非易失性存储器和作为程序的执行区域的易失性存储器。
摄像元件420是CCD(Charge Coupled Device)图像传感器或CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor)图像传感器等。摄像元件420的摄像面配置在第1矩形区域10中。摄像元件420接受经由光学系统1入射到第1矩形区域10中的光并变换为电图像信号。
由此，如上述那样光学系统1被小型化，所以也能够实现摄像装置400的小型化。
摄像装置400被用作检测被摄体401对于光学系统1的透明体50的接触的接触传感器、触觉传感器、指纹传感器或感测相机等。通过应用它，摄像装置400能够应用于机械手。
或者，并不限定于接触式，摄像装置400可以利用于检测路面状态的路面传感器等。例如，摄像装置400能够利用于自动驾驶车辆。在此情况下，摄像装置400的光学系统1也可以不具备透明体50。
[图像投影装置]
接着，使用图26对具备光学系统1的图像投影装置进行说明。图26是表示具备有关本实施方式的光学系统1的图像投影装置500的一例的框图。
图26所示的图像投影装置500向屏幕501投影图像(或影像)。图像投影装置500具备光学系统1、控制部510、光源520和图像形成元件530。
控制部510对图像投影装置500整体以及光源520及图像形成元件530等的各构成要素进行控制。控制部510例如是CPU或微处理器等。控制部510包括1个以上的存储器及输入输出端口等。例如，控制部510例如包括记录有控制程序等的非易失性存储器和作为程序的执行区域的易失性存储器。
光源520包括LED(Light Emitting Device：发光设备)或激光元件等的固体发光元件。光源520例如包含荧光体等，生成希望的可视光(例如RGB)并输出。
图像形成元件530包括液晶或DMD(Digital Mirror Device：数字微镜设备)等的光学部件。例如，图像形成元件530是具备DMD的DLP(Digital Light Processing：数字光处理)基板。图像形成元件530利用来自光源520的可视光生成图像(或影像)。图像形成元件530的图像形成面配置在第1矩形区域10中。图像形成元件530使从第1矩形区域10射出的光经由光学系统1朝向屏幕501射出。
由此，如上述那样光学系统1被小型化，所以也能够实现图像投影装置500的小型化。
图像投影装置500例如是投影机，但并不限定于此。例如，图像投影装置500也可以是将窗玻璃作为显示面进行投影的透明显示设备或头戴显示器等。
(其他实施方式)
以上，基于实施方式对有关1个或多个技术方案的光学系统、摄像装置及图像投影装置进行了说明，但本公开并不限定于这些实施方式。只要不脱离本公开的主旨，对本实施方式施以本领域技术人员想到的各种变形后的形态、以及将不同实施方式的构成要素组合而构建的形态也包含在本公开的范围内。
例如，在上述的实施方式中、第1反射面42也可以不是平面。例如，第1反射面42也可以是自由曲面形状。
此外，例如第1矩形区域10及第2矩形区域20也可以分别是正方形。此外，第1矩形区域10及第2矩形区域20也可以分别不是严格的意义下的矩形，相互面对的两边的长度也可以不同，也可以不平行。在此情况下，长度的差例如是边的长度的几个百分点左右。此外，两边所成的角度也可以是±5度左右的范围。此外，各边也可以不是直线，也可以弯曲。在边弯曲的情况下，相对于将两个顶点连结的直线的偏差量例如是两个顶点间的距离的几十个百分点以内。此外，第2矩形区域20也可以不是完全的平面，也可以为凹面形状或凸面形状。在第2矩形区域20不是平面的情况下，相对于平面的偏差量例如是将第2矩形区域20的两个顶点连结的线段(例如对角线或边)的长度的几个百分点以内。
此外，例如，如实施例5所示，棱镜的第1透射面也可以不是自由曲面形状。此外，关于光学系统1的主要的面配置在第1空间71及第2空间72中的哪一个，也可以通过设置追加的反射面等而适当地调整。同样，关于光学系统1的主要的面配置在第3空间81及第4空间82中的哪一个，也可以通过设置追加的反射面等而适当地调整。
此外，例如光学系统1也可以代替棱镜40而具备具有第1透射面41的透明部件、具有第1反射面42的反射镜、具有第2反射面43的反射镜及具有第2透射面44的透明部件。即，各面也可以不是由一体化的棱镜构成，而是由单独的光学零件构成。
此外，上述的各实施方式在权利要求书或其等价的范围中能够进行各种变更、替换、附加、省略等。
工业实用性
本公开能够作为小型或低高度的光学系统使用，例如能够利用于摄像装置及图像投影装置等。
标号说明
1 光学系统
10 第1矩形区域(摄像面)
11 第1边
12 第2边
13 第3边
14 第4边
20 第2矩形区域(物体面)
22 区域
30、31 透镜
40 棱镜
41 第1透射面
42 第1反射面
43 第2反射面
44 第2透射面
50、350 透明体
51 第1面
52 第2面
60 光轴
61 基准轴
70 第1平面
71 第1空间
72 第2空间
80 第2平面
81 第3空间
82 第4空间
90 中间成像位置
91、92、93 主光线
101 第1点
102 第2点
103 第3点
104 第4点
105 第5点
106 第6点
201 第7点
202 第8点
203 第9点
204 第10点
205 第11点
206 第12点
351 第1介质
352 第2介质
400 摄像装置
401 被摄体
410、510 控制部
420 摄像元件
500 图像投影装置
501 屏幕
520 光源
530 图像形成元件

Claims (38)

1.一种光学系统，具有缩小侧的缩小共轭点及放大侧的放大共轭点，其中，具备：
多个透镜；以及
棱镜，设置于比上述多个透镜靠放大侧的位置，
上述棱镜具有：
自由曲面形状的第1透射面；
第1反射面；
自由曲面形状的第2反射面；以及
自由曲面形状的第2透射面，设置于比上述第1透射面靠缩小侧的位置，
上述缩小共轭点中的第1矩形区域与上述放大共轭点中的第2矩形区域具有共轭的成像关系，
上述缩小共轭点中的第1矩形区域不与光轴交叉，上述光轴是经过上述多个透镜中的最多的透镜的中心的轴，
在以第1平面为边界将配置了上述光学系统的空间划分为第1空间和第2空间，其中上述第1平面是与上述第1矩形区域垂直且经过上述光轴的假想平面，并且是与上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边平行的假想平面的情况下，
通过上述第1矩形区域的全部的主光线在上述第1空间中经过上述第1矩形区域、上述第1透射面及上述第1反射面，在上述第2空间中经过上述第2反射面及上述第2透射面，
在以第2平面为边界将上述空间划分为第3空间和第4空间，其中上述第2平面是经过上述光轴且与上述第1平面垂直的假想平面的情况下，
通过上述第1矩形区域的全部的主光线在上述第3空间中经过上述第2矩形区域及上述第1透射面。
2.一种光学系统，具有缩小侧的缩小共轭点及放大侧的放大共轭点，其中，具备：
多个透镜；以及
棱镜，设置于比上述多个透镜靠放大侧的位置，
上述缩小共轭点中的第1矩形区域与上述放大共轭点中的第2矩形区域具有共轭的成像关系，
上述缩小共轭点中的第1矩形区域不与光轴交叉，上述光轴是经过上述多个透镜中的最多的透镜的中心的轴，
上述棱镜具有：
第1反射面，相对于与上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边平行的方向，以大于40度且小于50度的角度倾斜；以及
第2反射面，具有正的功率。
3.如权利要求2所述的光学系统，其中，
上述棱镜还具有：
自由曲面形状的第1透射面；以及
自由曲面形状的第2透射面，设置于比上述第1透射面靠缩小侧的位置，
上述光学系统使主光线依次或以倒序通过上述第1透射面、上述第1反射面、上述第2反射面、上述第2透射面。
4.一种光学系统，具有缩小侧的缩小共轭点及放大侧的放大共轭点，其中，
上述缩小共轭点中的第1矩形区域与上述放大共轭点中的第2矩形区域具有共轭的成像关系，
上述光学系统使主光线对于具有包括上述第2矩形区域的第1面、以及第2面的透明体，依次或以倒序通过上述第1矩形区域、上述第2面、上述第2矩形区域，
上述第2面不与上述第1面平行。
5.如权利要求4所述的光学系统，其中，
上述第2面与上述第1面共用一个边。
6.如权利要求4或5所述的光学系统，其中，
满足以下的条件(a)：
ωi＜ωo…(a)
这里，
ωo：上述第2矩形区域的法线与通过上述第2矩形区域的主光线的最大角度，
ωi：以上述最大角度通过上述第2矩形区域的主光线通过上述第2面时的该主光线与上述第2面的法线的角度。
7.如权利要求4～6中任一项所述的光学系统，其中，
具备多个透镜，
上述第1矩形区域不与光轴交叉，上述光轴是经过上述多个透镜中的最多的透镜的中心的轴。
8.如权利要求7所述的光学系统，其中，
具备上述透明体，
在设将上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边和平行于该第1边的第2边的彼此的中心连结的线段为中心线的情况下，
满足以下的条件(b)：
0.1＜H1o/H1i×Vi/Vo＜0.4…(b)
这里，
H1i：将分别成像在上述第1边的两端上的主光线所经过的上述第2面上的两点连结的距离，
Vi：将分别成像在上述中心线的两端上的主光线所经过的上述第2面上的两点连结的距离，
H1o：将分别成像在上述第1边的两端上的主光线所经过的上述第1面上的两点连结的距离，
Vo：将分别成像在上述中心线的两端上的主光线所经过的上述第1面上的两点连结的距离。
9.如权利要求7所述的光学系统，其中，
具备上述透明体，
在上述第1矩形区域的4个边中，设到上述光轴的最短距离最短的边为第1边，平行于该第1边的边为第2边的情况下，
满足以下的条件(c)：
0.1＜H1o/H1i×H2i/H2o＜0.4…(c)
这里，
H1i：将分别成像在上述第1边的两端上的主光线所经过的上述第2面上的两点连结的距离，
H2i：将分别成像在上述第2边的两端上的主光线所经过的上述第2面上的两点连结的距离，
H1o：将分别成像在上述第1边的两端上的主光线所经过的上述第1面上的两点连结的距离，
H2o：将分别成像在上述第2边的两端上的主光线所经过的上述第1面上的两点连结的距离。
10.如权利要求7～9中任一项所述的光学系统，其中，
具备设置于比上述多个透镜靠放大侧的位置的棱镜，
上述棱镜具有：
自由曲面形状的第1透射面；
第1反射面；
第2反射面，具有正的功率；以及
自由曲面形状的第2透射面，设置于比上述第1透射面靠缩小侧的位置，
上述光学系统使主光线依次或以倒序通过上述第1透射面、上述第1反射面、上述第2反射面、上述第2透射面。
11.如权利要求1、3及10中任一项所述的光学系统，其中，
上述第1透射面使通过第1点的主光线在与上述光轴平行的方向上发散，在与上述光轴垂直的方向上收敛，上述第1点是上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边上的距上述光轴最近的点。
12.如权利要求1、3、10及11中任一项所述的光学系统，其中，
上述第2透射面使通过第1点的主光线在与上述第1边平行的方向上发散，在与上述第1边垂直的方向上收敛，上述第1点是上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边上的距上述光轴最近的点。
13.如权利要求1、3及10～12中任一项所述的光学系统，其中，
上述第2反射面对通过第1点的主光线的收敛作用在与上述第1边平行的方向上比在与上述第1边垂直的方向上大，上述第1点是上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边上的距上述光轴最近的点。
14.如权利要求1、3及10～13中任一项所述的光学系统，其中，
具有与上述缩小共轭点及上述放大共轭点分别为共轭的中间成像位置，
上述中间成像位置位于上述第2反射面与上述第2透射面之间。
15.如权利要求1～3及11～14中任一项所述的光学系统，其中，
在设上述第1边上的距上述第2矩形区域最远的点为第2点，设上述第1边上的距上述第2矩形区域最近的点为第4点，设上述第1矩形区域的4个边中的与上述第1边平行的第2边上的距上述第2矩形区域最远的点为第3点，设上述第2边上的距上述第2矩形区域最近的点为第5点的情况下，满足以下的条件(d)：
i1＜i2＜i3＜i4…(d)
这里，
i1：通过上述第2点的主光线向上述第1反射面入射时的入射角，
i2：通过上述第3点的主光线向上述第1反射面入射时的入射角，
i3：通过上述第4点的主光线向上述第1反射面入射时的入射角，
i4：通过上述第5点的主光线向上述第1反射面入射时的入射角。
16.如权利要求15所述的光学系统，其中，
通过上述第5点的主光线向上述第1反射面入射时的入射角大于65度且小于85度。
17.如权利要求1～3中任一项所述的光学系统，其中，
具备透明体，该透明体具有包括上述第2矩形区域的第1面、以及第2面，
上述光学系统使主光线依次或以倒序通过上述第1矩形区域、上述第2面、上述第2矩形区域。
18.如权利要求4～10及17中任一项所述的光学系统，其中，
上述透明体具备：
第1介质，具有上述第1面；以及
平板状的第2介质，比上述第1介质小，具有上述第2面，
上述第2面与空气接触，
上述第2介质的与上述第2面相反一侧的面相邻于上述第1介质的与上述第1面不同的面。
19.如权利要求18所述的光学系统，其中，
满足以下的条件(e)：
n1＜n2…(e)
这里，
n1：上述第1介质的折射率，
n2：上述第2介质的折射率。
20.如权利要求19所述的光学系统，其中，
上述第2介质的折射率大于1.45。
21.如权利要求19或20所述的光学系统，其中，
上述第1介质的折射率大于1.3且小于1.5。
22.如权利要求18～21中任一项所述的光学系统，其中，
满足以下的条件(f)：
E1＜E2…(f)
这里，
E1：上述第1介质的杨氏模量，
E2：上述第2介质的杨氏模量。
23.如权利要求22所述的光学系统，其中，
上述第2介质的杨氏模量大于400MPa且小于200000MPa。
24.如权利要求22或23所述的光学系统，其中，
上述第1介质的杨氏模量大于0.01MPa且小于3MPa。
25.如权利要求7～10及17中任一项所述的光学系统，其中，
在设上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边上的距上述光轴最近的点为第1点，设上述第1矩形区域的4个边中的与上述第1边平行的第2边上的距上述光轴最近的点为第6点的情况下，满足以下的条件(g)：
5＜Lb/La＜15…(g)
这里，
La：通过上述第1点的主光线在上述透明体内的光路长度，
Lb：通过上述第6点的主光线在上述透明体内的光路长度。
26.如权利要求4～10及17～25中任一项所述的光学系统，其中，
以相对于上述第2矩形区域的法线的最大角度通过上述第2矩形区域的主光线通过上述第2面时的该主光线与上述第2面的法线的角度小于30度。
27.如权利要求4～10及17～26中任一项所述的光学系统，其中，
包含上述第2面的平面与包含上述第1面的平面所成的角度大于45度且小于85度。
28.如权利要求1～27中任一项所述的光学系统，其中，
通过上述第2矩形区域的主光线的最大角度大于65度。
29.如权利要求1～3、7～17及25中任一项所述的光学系统，其中，
满足以下的条件(h)：
L1＜L2…(h)
这里，
L1：上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边的长度，
L2：上述第1矩形区域的4个边中的与上述第1边正交的第3边的长度。
30.如权利要求1～3、7～17、25及29中任一项所述的光学系统，其中，
满足以下的条件(i)：
0.1＜d/D＜0.3…(i)
这里，
d：上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边与上述光轴的最短距离，
D：上述第1矩形区域的4个边中的与上述第1边正交的第3边的长度。
31.如权利要求1～3、7～17、25、29及30中任一项所述的光学系统，其中，
在设上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边上的距上述光轴最近的点为第1点，设包含在上述第2矩形区域中且与上述第1点具有成像关系的点为第7点的情况下，满足以下的条件(j1)及(j2)：
5＜X/d＜20…(j1)
5＜Y/d＜20…(j2)
这里，
d：上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边与上述光轴的最短距离，
X：沿着与上述第1边平行的方向的、上述第1点与上述第7点的距离，
Y：沿着与上述第1边及上述光轴分别正交的方向的、上述第1点与上述第7点的距离。
32.如权利要求31所述的光学系统，其中，
满足以下的条件(j3)：
10＜Z/d＜30…(j3)
这里，
Z：沿着与上述光轴平行的方向的、上述第1点与上述第7点的距离。
33.如权利要求1～3、7～17、25及29～32中任一项所述的光学系统，其中，
在设上述第1矩形区域的4个边中的到上述光轴的最短距离最短的第1边上的距上述光轴最近的点为第1点，设包含在上述第2矩形区域中且与上述第1点具有成像关系的点为第7点的情况下，满足以下的条件(k)：
0.1＜θo/θi＜0.3…(k)
这里，
θi：通过上述第1点的主光线在经过上述第1边且与上述第1边及上述光轴分别平行的面内所成的入射角或射出角的幅度，
θo：形成θi的主光线在通过上述第7点时所成的角度的幅度。
34.如权利要求1～3、8及9中任一项所述的光学系统，其中，
上述多个透镜中的距上述第1矩形区域最近的透镜的在与上述第1边垂直的方向上不包含上述光轴的一侧被D型切割。
35.如权利要求1～34中任一项所述的光学系统，其中，
包含上述第2矩形区域的平面与包含上述第1矩形区域的平面所成的角度大于85度且小于95度。
36.一种摄像装置，其中，具备：
权利要求1～35中任一项所述的光学系统；以及
摄像元件，接受通过上述光学系统的光。
37.一种光学式接触传感器，其中，具备：
权利要求36所述的摄像装置；以及
光源，朝向上述第2矩形区域照射光，
上述光学式接触传感器检测对于上述第2矩形区域的接触。
38.一种图像投影装置，其中，具备：
权利要求1～35中任一项所述的光学系统；以及
图像形成元件，经由上述光学系统向屏幕投影图像。
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