CN1222806C - 光学系统、光学元件和包含它们的光学装置 - Google Patents

光学系统、光学元件和包含它们的光学装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学系统、光学元件和包含它们的光学装置，其中包括从物侧起的如下部分：具有反射曲面的第一光学部分，用来形成所说物体的中间象；具有反射曲面的第二光学部分，用来利用来自所说物体的中间象的光形成所说孔径光阑的象；和具有反射曲面的第三光学部分，用来利用来自所说孔径光阑的象的光形成所说物体的二次象。当fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)分别是所说第一光学部分、第二光学部分和第三光学部分在方位角θ的焦距时，在方位角0≤θ＜2π的范围内，所说焦距满足以下的条件：fB1(θ)＞0；fB2(θ)＜0；fB3(θ)＞0。本发明可使光学系统的尺寸减小并实现优异的光学性能，可用于成象装置。

Description

光学系统、光学元件和包含它们的光学装置
技术领域
本发明涉及一种光学元件，用于摄象机、数字照相机、静态画面摄象机、复印机等类光学装置中，更具体地说，涉及一种具有成象作用的光学元件，其在结构上具有多个弯曲的反射表面。
背景技术
在此以前已经提出了多种关于利用凹面镜、凸面镜之类反射表面的反射光学系统的建议。作为反射光学系统的一个例子，有一种称之为卡塞格伦反射望远镜(Cassegrain reflector telescope)，用于减小光学系统的总长度，它是通过利用两个正对的反射镜，来将由折射透镜构成的全长透镜长度的远摄透镜系统的光程折叠来实现。
对于望远镜的物镜系统，除了基于同样原因的卡塞格伦类型外，通过利用多个反射镜，存在多种已知的类型来减小光学系统的总长度。
通过充分折叠光路，利用反射镜代替全长透镜长度的摄象透镜单元中的透镜，已经以这种方式得到了小型反射光学系统。
在这些反射型摄影光学系统中，为了实现所希望的光学性能，光学元件需更精确地组装。具体地说，由于反射镜的相对位置精度的偏差严重影响光学性能，因此精确地调整每个反射镜的位置和角度非常重要。
为解决该问题提出的一种方法是利用来自一组的多个反射镜构成一个反射系统的方法，从而避免在装配过程中光学元件的装配误差。
例如，对于非共轴的光学系统，已知通过引入基准轴的概念和形成不对称的、非球面的组成表面，可以构成具有好的矫正象差的光学系统；已经公开的日本专利申请No.9-5650描述了它的设计方法，并且已经公开的日本专利申请No.8-292371，No.8-292372，No.9-222561和No.9-258105描述了它的设计实例。
这种非共轴的光学系统称为离轴光学系统[是用来定义那些包括曲面(离轴曲面)的光学系统的光学系统，垂直于基准轴和组成表面交叉处的法线不位于基准轴上，基准轴是沿着通过图象中心(或者物体的中心)和光瞳中心的光线的轴，其中该基准轴是弯曲的]。
在这些离轴光学系统中，每个组成表面通常是非共轴的，并且即使是反射表面也不会发生重叠；因此，容易构造成具有反射表面的光学系统。它们还具有这些特征，光程的路线相对自由，并且容易通过组成表面的整体模压技术形成一个整体的光学系统。
图15是表示在已经公开的日本专利申请No.8-292371中公开的反射光学系统的实施例的简要示意图。
在图15中，附图标记21表示具有多个弯曲的反射表面的光学元件，是由玻璃之类透明体制成的。
在同一个图中，来自物体OB的光通过光阑1并且进入反射型光学元件21。在光学元件21中，光在第一表面R1折射，在第二表面R2、第三表面R3、第四表面R4、第五表面R5和第六表面R6反射，在第七表面R7折射，然后从光学元件21出射。与此同时，光在接近第二表面R2的中间成象平面上形成一个初始象，和在第五表面R5附近形成一个光瞳。然后从光学元件21出射的光最终在图象拾取表面4(图象拾取介质例如CCD等的图象拾取表面)上形成一个图象。
在图15的现有技术实例中，利用光学元件21构成该反射光学系统，其中由多个弯曲的表面和/或平面构成的反射表面是一体形成的，因此该光学系统可以构造成小型的整体结构，和具有不严格反射镜的设计精度(装配精度)，否则在反射光学系统中它经常是高的。
另外，光阑1位于光学元件21的物体一侧，而且物体的图象在该光学元件中至少形成一次，因此，尽管构成了具有宽的视场角的反射型光学元件，但光学元件的有效直径减小了。另外，适当的光焦度给于形成光学元件的多个反射表面，而且光学元件21的每个反射表面是偏心的，因此光学元件中的光路以所描述的形状弯曲，从而减小该光学元件在预定方向上的总长度。
对于具有如图15中所示的5个离轴反射表面的反射光学元件，将参照图16说明每个表面的作用。我们将按照光入射进反射光学元件21的通道的顺序中的入射折射表面定义为R1，离轴反射表面定义为R2至R6，出射折射表面定义为R7。然后将从入射折射表面R1到离轴反射表面R2定义为第一部分B1，从离轴反射表面R3到离轴反射表面R5定义为第二部分B2，从离轴反射表面R6到出射折射表面定义为第三部分B3。这表示用三个光学部分代替组成反射光学元件21的五个离轴反射表面。第一部分B1起到将来自物体的入射光中间成象的作用，第二部分B2起到将来自中间成象平面的光聚焦在光瞳上的作用，和第三部分B3起到将来自光瞳成象平面的光再次聚焦在图象拾取表面上的作用。
图17表示图15中所示的反射光学元件的图象平面上的畸变状态，而图18表示的是象差的状态。从图17和图18中可以看出，随着远离图象平面的中心，畸变和象差增大。
如图16中所示，当该实施例分解成该反射光学元件的第一部分B1至第三部分B3的三个部分时，第一部分B1至第三部分B3全都具有它们各自的正焦距(正光焦度)。
通常，在图15所示的光学元件的情况中，如果中间成象平面的尺寸大，即，如果图16中的第一部分B1的焦距长，则中间成象平面后面的反射表面的有效直径变大，并且将导致很难减小光学元件的尺寸。如果中间成象平面的尺寸太小，即，如果第一部分B1的焦距太短，则将很难矫正由中间成象平面后面的光学表面形成的象差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反射光学元件，其具有很宽的视场角和减小的有效直径，它通过适当地安装各个表面的光焦度配置来实现优异的光学性能，和通过为从入射表面到中间图象的焦距设定一合适的值，其中通过利用由形成在透明体表面上的弯曲表面和/或平面构成的多个反射表面的光学元件，使物体的象形成在预定的平面上。
为实现上述目的，本发明提出了一种光学系统，用来利用来自物体的光形成该物体图象，包括：
一孔径光阑，和
一光学单元，位于孔径光阑的图象一侧，所说光学单元按照从物体一侧的顺序包括如下部分：
一具有一反射曲面的第一光学部分，用来形成所说物体的中间图象；
一具有一反射曲面的第二光学部分，用来利用来自所说物体的中间图象的光形成所说孔径光阑的图象；以及
一具一反射曲面的第三光学部分，用来利用来自所说孔径光阑的图象的光形成所说物体的二次图象；
其中，fB1(θ)、fB2(θ)和fB3(θ)分别是所说第一光学部分、所说第二光学部分和所说第三光学部分在方位角θ的焦距，f(θ)是所说光学单元在方位角θ的总焦距，且在方位角0≤θ＜2π的范围内，所说焦距满足以下的条件：
fB1(θ)＞0，
fB2(θ)＞10|f(θ)|，
fB3(θ)＞0，
|f(θ)|/2＜fB1(θ)＜2|f(θ)|。
本发明还提供了一种光学元件，包括：
多个反射曲面，用于依次反射入射到所说光学元件上的光，所说多个反射曲面包括：作为表面A的反射曲面，用来第一次反射入射到所说光学元件上的光；作为表面B的反射曲面，用来接下来反射由表面A反射的光；作为表面D的反射曲面，用来最终反射入射到所说光学元件上的光；和作为表面C的反射曲面，直接位于表面D之前；
其中，按照入射到所说光学元件上的光的光路的顺序，第一光学部分被限定在表面A的前面，第二光学部分是从表面B到表面C，和第三光学部分位于表面D的后面，并且其中，fB1(θ)、fB2(θ)和fB3(θ)分别是所说第一光学部分、所说第二光学部分和所说第三光学部分在方位角θ的焦距，f(θ)为所述光学元件在方位角θ的总焦距，且在方位角0≤θ＜2π的范围内，所说焦距满足以下的条件：
fB1(θ)＞0，
fB2(θ)＜0，
fB3(θ)＞0，
并且|f(θ)|/2＜fB1(θ)＜2|f(θ)|。
本发明还提供了一种光学元件，包括：
多个反射曲面，用于依次反射入射到所说光学元件上的光，所说多个反射曲面包括：作为表面A的反射曲面，用来第一次反射入射到所说光学元件上的光；作为表面B的反射曲面，用来接下来反射由表面A反射的光；作为表面D的反射曲面，用来最终反射入射到所说光学元件上的光；和作为表面C的反射曲面，直接位于表面D之前；
其中，按照入射到所说光学元件上的光的光路的顺序，第一光学部分被限定在表面A的前面，第二光学部分是从表面B到表面C，和第三光学部分位于表面D的后面，其中，fB1(θ)、fB2(θ)和fB3(θ)分别是所说第一光学部分、所说第二光学部分和所说第三光学部分在方位角θ的焦距，并且f(θ)是所说光学元件方位角θ的总焦距，在方位角0≤θ＜2π的范围内，所说焦距满足以下的条件：
fB1(θ)＞0，
fB2(θ)＞10|f(θ)|，
fB3(θ)＞0，
|f(θ)|/2＜fB1(θ)＜2|f(θ)|。
根据本发明的每个光学装置包括该光学系统或者如上所述的任何一个本发明的光学元件。
附图说明
图1是表示实施例1中的成象装置的主要部分的透视图；
图2是表示实施例1中的成象装置的主要部分的剖面图；
图3是表示实施例1中的光学元件的畸变的畸变图；
图4是表示实施例1中的光学元件的横向象差的横向象差曲线；
图5是表示实施例2中的成象装置的YZ平面的光学剖面图；
图6是表示实施例2中的光学元件的畸变的畸变图；
图7是表示实施例2中的光学元件的横向象差的横向象差曲线；
图8是表示实施例3中的成象装置的YZ平面的光学剖面图；
图9是表示实施例3中的光学元件的畸变的畸变图；
图10是表示实施例3中的光学元件的横向象差的横向象差曲线；
图11是表示实施例4中的成象装置的YZ平面的光学剖面图；
图12是表示实施例4中的光学元件的畸变的畸变图；
图13是表示实施例4中的光学元件的横向象差的横向象差曲线；
图14是示意性地表示这些实施例中的坐标系的图；
图15是表示传统的反射光学元件的YZ平面的光学剖面图；
图16是示意性地表示传统的反射光学元件的部分系统的图；
图17是表示传统的反射光学元件的畸变的畸变图；
图18是表示传统的反射光学元件的横向象差的横向象差曲线。
具体实施方式
在说明本发明的实施例之前，说明如何表示实施例的具体结构和所有实施例的共同的问题。图14是示意性地表示限定本发明的光学系统的结构数据的坐标系的图。在本发明的实施例中，第i个表面是沿着从物体一侧到成象平面传播的光线(它是由图14中的链式线表示的光线并且称之为基准轴光线)位于第i个位置的表面。在图14中，第一表面R1是光阑，第二表面R2是与第一表面同轴的折射表面，第三表面R3是相对于第二表面R2倾斜的反射表面，第四表面R4和第五表面R5是相对于它们前面的表面偏移和倾斜的反射表面，并且第六表面R6是相对于第五表面R5偏移和倾斜的折射表面。第二表面R2至第六表面R6的表面形成在由玻璃介质、塑料材料等制成的一个光学元件上。
因此，按照14的结构，在没有表示出的物体表面和第二表面R2之间的介质是空气，第二表面R2和第六表面R6之间的介质是特定的同一介质，第六表面R6和没有表示出的第七表面R7之间的介质是空气。
由于本发明的光学系统是离轴光学系统，所以形成每个光学系统的这些表面不具有共同的光轴。于是，绝对坐标系是首先将原点设定在本发明的实施例中的第一表面的光线有效直径的中心。
在本发明的实施例中，原点位于第一表面的光线有效直径的中心点，光学系统的基准轴被限定为通过该原点和最终的图象平面的光线通路(基准轴光线)。另外，实施例中的基准轴具有它的方向(定向)。该方向被限定为沿着朝向图象平面的基准轴光线的传播方向。
在本发明的实施例中，基准轴作为光学系统的基准如上所述进行限定，但是可以通过利用在光学设计方面的任何方便的轴，控制象差，或者形成该光学系统的每个表面的形状的表示来确定作为光学系统的基准的轴。然而，沿着通过图象平面的中心、或者该光学系统的光阑或者入瞳或者出瞳或者第一表面的中心，或者最终表面的中心的光线通路，将该基准轴设定为光学系统的基准是一般惯例。
在本发明的实施例中，沿着该路径设定基准轴，其中通过第一表面的光线有效直径的中心点，即光阑表面(光瞳的中心)和进入到最终的图象平面的中心的光线(基准轴光线)受到折射表面和反射表面的折射和反射。根据该基准轴光线的折射和反射的顺序确定每个表面的数字。
因此，基准轴沿着表面的顺序前进，并且根据折射或反射定律改变方向，并且最终到达图象平面的中心。
在本发明的每个实施例中，光学系统的倾斜表面基本上都在一个共同平面内倾斜。因此绝对坐标系的轴定义如下。
Z轴：通过原点向第二表面R2前进的基准轴；
Y轴：经过原点并在倾斜平面(即，图14中的平面)内相对于Z轴逆时针成90°角度的直线；
X轴：通过原点同时垂直于Z轴和Y轴的直线(垂直于图14中的平面的直线)。
为了表示形成该光学系统的第i个表面的表面形状，用设定一个局部坐标系的方式比用绝对坐标系表示形状更有利于理解形状的识别，该局部坐标系用位于基准轴和第i个表面之间的交叉点作为原点和通过该局部坐标系表示该表面的表面形状。因此，第i个表面的表面形状，将通过在提供有本发明的结构数据的表达式的实施例中的局部坐标系表示。
在第i个表面的YZ平面中的倾斜角用角度θi(单位是度)表示，它的正方向是相对于图中所示的平面中的绝对坐标系的Z轴是逆时针方向。因此，每个表面的局部坐标系的原点位于本发明的实施例的图14中的YZ平面。XZ和XY平面中的表面不偏心。另外，第i个表面的局部坐标(x，y，z)的y轴和z轴在YZ平面内相对于绝对坐标系(X，Y，Z)以角度θi倾斜，并且这些坐标轴具体设定如下。
z轴：通过局部坐标系的原点的直线，并且相对于图面上YZ平面内绝对坐标系的z方向沿逆时针方向成θi角；
y轴：通过局部坐标系的原点的直线，并且相对于图面上YZ平面内的z方向沿逆时针方向成90°角；
x轴：通过局部坐标系的原点的直线，并且垂直于YZ平面。
Di表示一个标量，用来表示第i个表面和第(i+1)个表面的局部坐标系的原点之间的距离，Ndi和νdi表示第i个表面和第i+1个表面之间的介质的折射率和阿贝系数。
在本发明的实施例中表示光学系统的剖面图和数据。
通过下面的公式表示球形表面的形状：
z＝[(x2+y2)/Ri]/[1+{1-(x2+y2)/Ri2}1/2]
本发明的光学系统具有至少一个或者多个旋转不对称的非球面，它们的形状通过下面的公式表示：
z＝C02y2+C20x2+C03y3+C21x2y+C04y4+C22x2y2+C40x4+C05y5+C23x2y3+C41x4y+C06y6+C24x2y4+C42x4y2+C60x6
由于上述曲面公式只涉及与x相关的偶数次项，由上述曲面公式确定的曲面是只相对于yz平面的对称平面为平面对称形状。如果表面还满足下面的条件，则其形状相对于xz平面也是对称的。
C03＝C21＝C05＝C23＝C41＝0
如果一个表面还满足下面的条件，则其形状是旋转对称的。
C02＝C20，C04＝C40＝C22/2，和C06＝C60＝C24/3＝C42/3
如果这些条件中的任何一个不满足，则其形状将是旋转非对称的。
在本发明的每个实施例中，uY视图的水平半角是等于入射到图14中的YZ平面中的第一表面R1上的光的最大视角的一半的角度，而uX视图的垂直半角是等于入射到XZ平面中的第一表面R1上的光的最大视角的一半的角度。光阑的直径用光阑直径表示。它与该光学系统的亮度有关。
在该实施例的横向象差曲线中，横向象差分别表示具有相对于第一表面R1的入射角度是垂直和水平的入射角度(0，uY)，(0，0)，(0，-uY)，(uX，uY)，(uX，0)，和(uX，-uY)的光束。在横向象差表中，横坐标轴表示入射光线的高度和纵向象差数量的轴。由于在每个实施例中，每个表面基本上都是相对于yz平面的对称平面为平面对称的形状，故在垂直视角(verticalview angle)的负方向上的横向象差与该横向象差表的正方向上的相同，因此，为了简化该表，该横向象差表中的负方向中的横向象差省略。
将在下面参照附图说明本发明的光学元件的具体实施例。
图1是表示利用本发明的反射光学元件的成象装置的实施例1的主要部分的透视图，图2是图1的YZ平面中的主要部分的剖面图。该实施例表示该反射光学元件具有43.8°的水平视角和33.55°的垂直视角，图2还包括对光路的图示。
在图中，附图标记10表示光学元件，1是光阑，2是基准轴，3是光学滤波器，和4是图象拾取表面，其上放有例如CCD之类的光电转换元件。(注意光阑1也可以处理成光学元件10的一个元件)。在光学元件10中，表面R1至R3组成第一部分B1，用来形成物体OB的中间图象；表面R4至R6构成第二部分B2，利用来自中间图象的光形成光阑1的图象(形成光瞳图象)；和表面R7和R8组成第三部分B3，用来将来自光瞳的光再聚焦，从而在图象拾取表面4上形成物体OB的图象。
在该实施例中，光学元件10中有第一离轴反射表面R3、第二离轴反射表面R4、最后一个离轴反射表面R7，并且按照光入射到光学元件上之后的通道的顺序，离轴反射表面R6为位于光入射一侧的表面R7的前一个；由从光入射到光学元件10通过的入射表面到离轴反射表面R3来限定第一部分B1；由从离轴反射表面R4到离轴反射表面R6来限定第二部分B2；由从离轴反射表面R7到光从光学元件出射通过的出射表面来限定第三部分B3；并且第一部分B1、第二部分B2和第三部分B3在方位角θ的各自的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)满足以下条件。
fB1(θ)＞0，fB2(θ)＜0和fB3(θ)＞0  (0＜θ＜2π)
                                                   ……(1)
另外，第一部分B1的焦距fB1(θ)和反射光学元件10的总焦距f(θ)在方位角θ下满足以下条件。
|f(θ)|/2＜fB1(θ)＜2|f(θ)|                       ……(2)
只有在本实施例的情况中，存在两个倾斜类型的表面，即，一个在XZ平面内倾斜和一个在XY平面内倾斜，因此局部坐标系的定义是不同的。首先，第i个表面的在XZ平面内的倾斜角度用角度φi(单位是度)表示，它的正方向是相对于Y轴的正方向的顺时针方向，而XY平面内的倾斜角度用角度θi(单位是度)表示，它的正方向是相对于Z轴的正方向的逆时针方向。另外，第i个表面的局部坐标(x，y，z)的轴是通过首先将原点移动到绝对坐标系(X，Y，Z)中的点(Xi，Yi，Zi)，在XZ平面内使该轴倾斜φi角度，和最终在XY平面内使该轴倾斜θi角度而得到的这些，并且这些轴具体设定如下。
利用原点(Xi，Yi，Zi)，
z轴：在XZ平面内相对于作为第一表面的光轴的方向的Z方向以角度φi倾斜和在XY平面内以角度θi倾斜的方向；
y轴：相对于YZ平面内的Z轴方向逆时针成90°角的方向；
x轴：具有位于反射表面顶点的原点，垂直于YZ平面的方向。
本实施例的结构数据如下。
表1
视角的水平半角      21.9
视角的垂直半角      16.8
光阑直径      1.60
 i     Xi     Yi     Zi      θi     φi    ωi     Di      Ndi     υdi
   0.000    0.000   0.000     0.000     0.000    0.000    2.500     1.000      光阑
 1    0.000    0.000   2.500     0.000     0.000    0.000    3.700     1.530    55.8    折射表面
 2    0.000    0.000   6.200     0.000     -45.000    0.000    7.397     1.530    55.8    反射表面
3    -7.397    0.000   6.200     -90.000    -59.242  -90.000    9.995   1.530   55.8   反射表面
4    -2.631    -8.785   6.200     -90.000    -71.044  -90.000    8.500   1.530   55.8   反射表面
5   -10.419   -12.189   6.200     90.000    -87.280   90.000    7.700   1.530   55.8   反射表面
6    -3.103   -14.590   6.200     90.000   -74.030   90.000    8.500   1.530   55.8   反射表面
7    -8.555   -21.111   6.200     90.000   -64.947   90.000    5.300   1.530   55.8   反射表面
8    -3.255   -21.111   6.200     0.000   -90.000    0.000    5.917   1.000   折射表面
i Xi Yi Zi 0i φi ωi Di Ndi υdi
滤波器   2.663   -21.111    6.200    0.000   -90.000    0.000    1.600    1.544    70.6   折射表面
滤波器   3.723   -21.111    6.200    0.000   -90.000    0.000    1.600    1.514    75   折射表面
滤波器   5.323   -21.111    6.200    0.000   -90.000    0.000    0.800    1.516   折射表面
滤波器   6.123   -21.111    6.200    0.000   -90.000    0.000    0.416    1.000   折射表面
  图象平面   6.939   -21.111    6.2    0    90    0    1
非球面形状
R2表面
C02＝-3.87385e-02   C20＝4.08337e-02
C04＝7.49722e-03    C22＝-2.54957e-03   C40＝-5.35064e-03
C06＝-4.97281e-04   C24＝-4.50122e-04   C42＝7.58477e-04    C60＝4.23326e-04
R3表面
C02＝2.55492e-02    C20＝3.37945e-02
C03＝-1.14854e-04   C21＝-4.08791e-04
C04＝7.73154e-06    C22＝3.48184e-05     C40＝1.01388e-05
R4表面
C02＝1.61293e-02    C20＝4.12933e-02
C03＝-1.38841e-03   C21＝-3.47993e-03
C04＝4.42324e-05    C22＝4.83511e-04     C40＝-6.31515e-04
R5表面
C02＝2.31849e-02    C20＝3.52955e-02
CO3＝-5.28689e-05    C21＝-4.51412e-04
C04＝1.02369e-04     C22＝2.14352e-04     C40＝6.38284e-05
R6表面
C02＝3.45979e-02    C20＝8.08696e-02
C03＝3.33596e-03    C21＝3.14123e-03
C04＝5.23405e-04    C22＝2.82194e-03      C40＝1.94772e-03
R7表面
C02＝3.17142e-02    C20＝4.06422e-02
C03＝1.74096e-04    C21＝1.22917e-04
C04＝5.65180e-05    C22＝1.87502e-04      C40＝1.10281e-04
R8表面
C02＝4.85470e-02    C20＝6.40000e-02
C04＝1.16007e-03    C22＝1.84312e-03      C40＝5.25575e-04
C06＝-4.76425e-06   C24＝-1.09562e-05     C42＝5.60718e-06    C60＝6.86201e-07
在0°、45°和90°方位角处，计算第一部分B1(表面R1至R3)、第二部分B2(表面R4至R6)和第三部分B3(表面R7至R8)的各自的焦距fB1(θ)，fB2(θ)，fB3(θ)和反射光学元件10的总焦距f(θ)，结果如下。
表2
    焦距方位角     θ＝0°    θ＝45°    θ＝90°
     fB1(θ)     5.13     5.57     6.05
     fB2(θ)     -6.81     -6.12     -6.83
     fB3(θ)     4.98     4.86     4.75
      f(θ)     -4.5     -4.5     -4.5
在本实施例的光学元件10中，相应的第一部分B1、第二部分B2和第三部分B3各自的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)按照正、负和正的顺序排列，从而满足公式(1)。第一部分B1的焦距fB1(θ)的值处于不小于反射光学元件10的总焦距f(θ)的一半并且不大于它的两倍的关系中，以便满足公式(2)。如果第一部分B1的焦距fB1(θ)的值处于不大于光学元件10的总焦距f(θ)的一半，则很难进行象差校正。另一方面，如果它不小于光学元件10的总焦距f(θ)的两倍，则中间图象平面将变大，这将增大中间图象平面后面的反射表面的有效直径，因此很难减小元件的尺寸。
上面的表格表示在0°、45°和90°方位角处焦聚长度的列表，但是注意在0°和2π之间保持该关系。
在图1和图2中，光学元件10由具有多个弯曲的反射表面的玻璃之类透明体制成。在光学元件10的表面上，存在按照来自物体OB的光线通过的顺序排列的具有折射能力的折射表面(入射表面)R1，由平面镜R2、凹面镜R3、凸面镜R4、凹面镜R5、凸反射表面R6组成的五个反射表面，和凹面镜R7，以及具有正的折射能力的凸折射表面(出射表面)R8。两个折射表面R1、R8都是旋转非对称的非球面形状，并且所有反射表面都是只相对于YZ平面对称的非球面形状。图中的滤波器3由光学低通滤波器、红外截止滤波器之类构成。
下面将说明本实施例中的光学元件10的成象功能。来自物体OB的沿Z(-)方向中传播的光由光阑(入瞳)1限制成一定量的入射光，此后入射到光学元件10的入射表面R1上。然后此光受到反射平面R2的反射从而偏转到X(-)方向。然后此光受到表面R3的反射以形成一次图象。然后此光依次受到表面R4、R5、R6和R7的反射，并由此从位于X(+)方向的出射表面R8射出。在此之后，此光通过滤波器3，从而再聚焦在图象拾取表面4上。
物体光线表面R3和表面R4之间形成中间图象，光瞳光线在表面R6和表面R7之间形成中间图象。
如上所述，光学元件10以与具有正光焦度的透镜单元相似的方式工作，通过入射和出射表面的光焦度和此处的弯曲的反射镜的光焦度总体上具有所希望的光学性能。
图3表示本实施例的反射光学元件的畸变状态，图4表示其横向象差曲线。
从图中可以看出，没有大的畸变和小的非对称畸变。横向象差也很小，并且在图象平面的中心和角落处也被很好地矫正。
这是因为第一部分B1、第二部分B2和第三部分B3的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)以合适的顺序排列，以便满足前面所述的公式(1)。如果第一部分B1、第二部分B2和第三部分B3的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)以同样的符号设定，并且各自的幅值彼此接近，则在该光学系统的平衡方面将很难进行象差的校正。
由于第一部分B1的焦距fB1(θ)的大小被设定为合适的值，以便满足公式(2)，所以该光学元件10同时具有紧凑的尺寸和优异的光学性能。
在该实施例中，利用旋转不对称的非球面形状作为折射表面，但该折射表面可以是旋转对称形状，这取决于如何设计。该折射表面最好被减少反射的涂层覆盖。
通过金属蒸发或类似方法形成该反射光学元件的反射表面。在蒸发的过程中，按照在两个反射镜组(R3、R5、R7和R2、R4、R6)中的一个上淀积一层膜和然后在剩下的反射镜组上淀积一层膜的工艺执行。反射表面上的淀积不必限于蒸发，也可以通过例如涂敷等湿法进行。在这种情况下，可以同时在两个正对的反射表面上进行淀积。在通过涂敷等方法进行淀积之后，可以在其上淀积具有高透射特性的保护膜。
在本实施例中，使用离轴反射表面作为光学元件的后反射表面(光学元件内的内部反射表面)，但它们也可以采用表面反射镜的形式。
本实施例使用离轴反射表面的五个表面，但反射表面不必限制于五个表面。然而，考虑到象差的矫正，最好使用至少五个或者更多个表面。
离轴反射表面是只相对于特定平面(XY平面)的对称形状，但它们不限于此。
该反射光学元件单独地用来作为图象拾取元件，但一个图象拾取光学系统还可以由包括至少一个这种类型的反射光学元件的多个光学元件构成。另外，还可以构造成一个变焦距光学系统，以便改变各光学元件的相对位置，如在已经公开的日本专利申请No.8-292372，No.9-222561和No.9-258105中所建议的。
图5是表示利用本发明的反射光学元件的成象装置的实施例2的主更部分的剖面图。
与图1中所示的同样结构的同样元件用同样的附图标记表示。附图标记11表示光学元件。
在本实施例中，光学元件11中有第一离轴反射表面R2、第二离轴反射表面R3、最后一个离轴反射表面R6，并且按照光入射到光学元件11上之后的通道的顺序，离轴反射表面R5位于光入射一侧的表面R6的前一个；由从光入射到光学元件11上通过的入射表面R1到离轴反射表面R2来限定第一部分B1，用来形成物体OB的中间图象；由从离轴反射表面R2到离轴反射表面R5来限定第二部分B2，利用来自物体的中间图象的光形成光阑1的图象(形成光瞳图象)；由从离轴反射表面R6到光从光学元件11出射通过的出射表面R7来限定第三部分B3，用来将来自光瞳的光再聚焦，以在图象拾取表面4上形成物体OB的图象；并且第一部分B1、第二部分B2和第三部分B3的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)，以及光学元件11的总焦距f(θ)在方位角θ下满足以下条件。
fB1(θ)＞0，fB2(θ)＞10|f(θ)|，fB3(θ)＞0 (0＜θ＜2π)
                                                               ……(3)
图5是在YZ平面内的剖视图。本实施例表示具有43.8°的水平视角和33.55°的垂直视角的反射光学元件。图5还包括光路的图解说明。
本实施例的结构数据如下。
表3
视角的水平半角    21.9
视角的垂直半角    16.8
光阑直径    2.25
    i       Yi     Zi    θi     Di       Ndi    υdi
     0.00    0.00    0.00    2.50        1       光阑
 1      0.00    2.50    0.00    8.61     1.53041    55.50     折射表面
 2      0.00   11.11   27.95   10.00     1.53041    55.50     反射表面
 3     -8.28    5.50   17.01    8.88     1.53041    55.50     反射表面
 4    -11.59   13.74   -1.87    8.30     1.53041    55.50     反射表面
 5    -14.17    5.86  -15.87    8.68     1.53041    55.50     反射表面
 6    -20.81   11.45  -24.93    5.40     1.53041    55.50     反射表面
 7    -20.81    6.05    0.00    4.42        1     折射表面
滤波器    -20.81   1.63   0.00    1.89     1.54427    70.60   折射表面
滤波器    -20.81  -0.25   0.00    1.10     1.51400    75.00   折射表面
滤波器    -20.81  -1.35   0.00    0.80     1.51633     0.00   折射表面
滤波器    -20.81  -2.15   0.00    0.60        1   折射表面
象平面    -20.81    -2.75   0.00    1     象平面
球面形状
R1表面r4＝-28.581
R7表面r10＝-8.244
非球面形状
R2表面
C02＝-2.79654e-02     C20＝-3.52817e-02
C03＝8.45358e-05      C21＝1.62935e-05
C04＝1.09163e-05      C22＝2.29474e-05       C40＝-7.99153e-06
C05＝3.28771e-06      C23＝4.14164e-06       C41＝-2.81135e-07
C06＝2.30226e-07      C24＝-2.89993e-08      C42＝-3.86130e-07     C60＝4.26026e-08
R3表面
C02＝-1.52512e-02     C20＝-3.32837e-02
C03＝1.17284e-03      C21＝7.53355e-04
C04＝-1.74184e-04     C22＝6.85821e-05        C40＝-1.07454e-04
CD5＝-6.59147e-05     C23＝-2.53153e-04       C41＝-1.82673e-05
C06＝2.29241e-05      C24＝8.97809e-06        C42＝-1.49497e-04     c60＝1.24757e-04
R4表面
C02＝-2.86447e-02     C20＝-3.69342e-02
C03＝1.68338e-04      C21＝-6.56488e-05
C04＝-8.38998e-05     C22＝-1.64956e-04        C40＝-6.61334e-05
C05＝-4.12487e-06     C23＝-3.65721e-06        C41＝-9.86438e-07
C06＝1.46460e-07      C24＝-2.92710e-07        C42＝-1.45737e-06     c60＝2.62185e-08
R5表面
C02＝-4.01467e-02     C20＝-8.41944e-02
C03＝-1.52586e-03     C21＝-4.48355e-03
C04＝-7.68031e-04     C22＝-2.38226e-03        C40＝-1.49262e-03
C05＝-7.67143e-05     C23＝-3.07223e-04        C41＝-2.44715e-04
C06＝-2.25468e-05     C24＝-1.27369e-04        C42＝-1.54549e-04      c60＝-9.66124e-06
R6表面
C02＝-3.26890e-02     C20＝-4.19835e-02
C03＝-4.35024e-05     C21＝-1.36502e-04
C04＝-5.72196e-05     C22＝-1.39349e-04    C40＝-8.65519e-05
C05＝3.14850e-07      C23＝-1.01009e-07    C41＝-6.20082e-07
C06＝-2.66103e-07     C24＝-9.31756e-07    C42＝-1.00842e-06    c60＝-4.34372e-07
在0°、45°和90°方位角处，计算第一部分B1(表面R1至R2)、第二部分B2(表面R3至R5)和第三部分B3(表面R6至R7)的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)和反射光学元件11的总焦距f(θ)，并且计算的结果如下。
表4
    焦距方位角   θ＝0°    θ＝45°   θ＝90°
      fB1(θ)    5.12     5.19     5.2
      fB2(θ)    102.54     522.41     148
      fB3(θ)    4.84     4.67     4.51
       f(θ)    -4.5     -4.5     -4.5
第一部分B1、第二部分B2和第三部分B3的各自的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)按照正、正和正的顺序排列，但是光学系统具有较小的光焦度，因为第二部分B2的焦距的值不小于焦距f(θ)的十倍，以便满足公式(3)。因此该光学系统可以以与处于离轴系统中的第一部分B1和第二部分B2的两个单个透镜构成的系统相似的方式处理。
另外，第一部分B1的焦距fB1(θ)的值处于不小于焦距f(θ)的一半并且不大于它的两倍的关系中，以便满足公式(2)。如果第一部分B1的焦距fB1(θ)的值不大于焦距f(θ)的一半，则很难进行象差校正。如果它不小于焦距f(θ)的两倍，则中间图象平面将变大，这将增大中间图象平面后面的反射表面的有效直径，因此很难减小光学元件的尺寸。
上面的表格表示在0°、45°和90°方位角处聚焦长度的列表，但是注意在方位角0°和2π之间保持该关系。
在图5中，光学元件11由具有多个弯曲的反射表面的玻璃或类似材料的透明体制成。在光学元件11的表面上，有按照来自物体的光线通过的顺序排列的具有折射能力的折射表面(入射表面)R1，由凹面镜R2、凸面镜R3、凹面镜R4、凸反射面R5和凹面镜R6组成的五个反射表面，以及具有正的折射能力的凸折射面(出射表面)R7。两个折射表面都是旋转对称的球面形状，并且所有反射表面都是只相对于YZ平面对称的非球面形状。
接下来将说明本实施例中的光学元件11的成象功能。来自物体OB的光由光阑(入射光瞳)1限制成一定量的入射光，此后入射到光学元件11的入射表面R1上。然后此光受到表面R2的反射而形成一次图象。然后此光依次受到表面R3、R4、R5和R6的反射，并随后从出射表面R7射出。然后此光通过滤波器3而被再聚焦，以在图象拾取表面4上形成图象。
物体光线在表面R2和表面R3之间形成中间图象，而且光瞳光线在表面R5和表面R6之间形成中间图象。
按照这种方式，光学元件11类似于具有正光焦度的透镜单元，通过该光学元件中的入射和出射表面的光焦度和弯曲的反射镜的光焦度起到具有所希望的光学性能的整体的作用。
图6表示本实施例的反射光学元件11的畸变状态，和图7表示横向象差曲线。
从图中可以看出，没有大的畸变和小的非对称畸变。横向象差也限小，并且在象平面的中心和在图平面的角落处在平衡方面也很好地矫正了。
这是因为第一部分B1、第二部分B2和第三部分B3的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)以适当的分配设置，以便满足前面所述的公式(3)。如果设定第一部分B1、第二部分B2和第三部分B3的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)具有相同符号，并且各自的幅值彼此接近，则在该光学系统的平衡方面将很难进行象差的校正。
由于第一部分B1的焦距fB1(θ)的大小被设定为合适的值，以便满足公式(2)，故该光学元件11的结构同时具有紧凑的尺寸和优异的光学性能。
在该实施例中，折射表面是旋转对称的形状，但该折射表面可以是旋转不对称形状，取决于如何设计。该折射表面最好由减小反射的涂层进行所需的覆盖。
通过金属的蒸发或类似方法形成该反射光学元件中的反射表面。在蒸发的情况下，按照在两个反射镜组(R2、R4、R6和R3、R5)的一个上淀积一层膜和然后在剩下的反射镜组上淀积一层膜的工艺执行。反射表面上的淀积不必限于蒸发，还可以通过例如涂敷等湿法进行。在这种情况中，可以同时在两个正对的反射表面上进行淀积。在通过涂敷等方法进行淀积之后，可以在其上淀积具有高透射特性的保护膜。
在本实施例中，使用离轴反射表面作为光学元件中的后反射表面，但它们也可以用来作为表面反射镜。
本实施例使用离轴反射表面的五个表面，但反射表面不必限制于五个表面。然而，考虑到象差的矫正，最好使用至少五个或者更多个表面。
离轴反射表面是只相对于特定平面(YZ平面)的对称形状，但它们不限于此。
为了实现聚焦，反射光学元件沿向外伸出的基准轴2的方向平行地移动，或者让图象拾取表面沿基准轴的方向平行地移动。
该反射光学元件单独地用来作为图象拾取光学系统，但该图象拾取光学系统还可以由包括至少一个这种类型的反射光学元件的多个光学元件构成。另外，还可以构造成一个变焦距光学系统，从而改变各光学元件的相对位置，如在已经公开的日本专利申请No.8292372，No.9-222561和No.9-258105中所公开的。
图8是表示利用本发明的反射光学元件的成象装置的实施例3的主要部分的剖面图。
在图8中，与图1中所示的同样的结构的同样元件用同样的附图标记表示。在本实施例的光学元件12中，第一、第二和第三部分的光学功能和焦距条件满足实施例2中的公式(2)和(3)。
图8是在YZ平面内的剖视图。本实施例表示具有38.13°的水平视角和29°的垂直视角的反射光学元件。图8还包括光路的图解说明。
本实施例的结构数据如下。
表5
视角的水平半角    19.1
视角的垂直半角    14.5
光阑直径    1.86
i Yi Zi θi Di Ndi νdi
  0.00    0.00    0.00   12.50      1      光阑
    1   0.00    12.50    25.95   12.60      1    折射表面
    2  -9.91    4.72    13.01   11.40      1    反射表面
    3  -14.89    14.98    -3.87   10.80      1    反射表面
    4  -18.25    4.72    -15.87   11.40      1    反射表面
    5  -26.97    12.07    -24.93   13.78      1    反射表面
滤波器  -26.97    -1.71    0.00   1.10   1.51400  75.00    折射表面
滤波器  -26.97    -2.81    0.00   0.80   1.51633   0.00    折射表面
滤波器  -26.97    -3.61    0.00   0.70       1    折射表面
象平面  -26.97   -4.31   0.00    1     象平面
非球面形状
R1表面
C02＝-2.43377e-02    C20＝-3.04342e-02
C03＝-1.41833e-05    C21＝3.53900e-05
C04＝-7.58548e-06    C22＝-2.49021e-05   C40＝-6.60722e-05
C05＝6.83264e-07     C23＝2.31293e-06    C41＝-1.16052e-06
C06＝3.54072e-08     C24＝2.97453e-07    C42＝-8.33015e-08    c60＝1.07188e-06
R2表面
C02＝-1.61094e-02    C20＝-3.24343e-02
C03＝4.15841e-04     C21＝1.28586e-03
C04＝-9.36832e-05    C22＝-3.26715e-04   C40＝-1.88449e-04
C05＝-1.47029e-05    C23＝-5.92543e-05   C41＝-3.61942e-05
C06＝4.83489e-07     C24＝-3.30783e-06   C42＝4.81322e-05   c60＝1.28229e-04
R3表面
C02＝-2.42806e-02     C20＝-3.04738e-02
C03＝3.74870e-05      C21＝1.21272e-04
C04＝-3.11398e-05     C22＝-6.22976e-05   C40＝-2.87943e-05
C05＝-1.33361e-07     C23＝-6.12938e-07   C41＝-9.00990e-07
C06＝-4.12543e-08     C24＝-2.68418e-07   C42＝-6.00586e-09    c60＝5.37663e-07
R4表面
C02＝-3.67905e-02     C20＝-6.58480e-02
C03＝-1.12277e-03     C21＝-6.72984e-04
C04＝-4.48365e-04     C22＝-9.25706e-04    C40＝-5.79126e-04
C05＝-2.72177e-05     C23＝-1.38696e-04    C41＝-2.12312e-05
C06＝-1.81016e-06     C24＝-6.12108e-05    C42＝-9.31821e-05   c60＝2.09176e-04
R5表面
C02＝-2.61280e-02     C20＝-3.25786e-02
C03＝-3.09157e-05     C21＝4.95680e-07
C04＝-2.59131e-05     C22＝-6.52950e-05     C40＝-3.31477e-05
C05＝-1.41352e-07     C23＝2.46472e-07      C41＝-6.67446e-07
C06＝-6.00774e-08     C24＝-3.81916e-07     C42＝-3.00944e-07    c60＝-2.18913e-07
在0°、45°和90°方位角处，计算第一部分B1(表面R1)、第二部分B2(表面R2至R4)和第三部分B3(表面R5)的各自的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)和反射光学元件12的总焦距f(θ)，结果如下。
表6
    焦距方位角    θ＝0°    θ＝45°    θ＝90°
      fB1(θ)     9.42     918     9.13
      fB2(θ)     136.6     168.34     131
      fB3(θ)     8.68     8.57     8.64
       f(θ)     -5.22     -5.22     -5.22
第一部分B1、第二部分B2和第三部分B3的各自的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)按照正、正和正的顺序排列，但是光学系统具有较小的光焦度，因为第二部分B2的焦距fB2(θ)的值不小于焦距f(θ)的十倍，以便满足公式(3)。因此该光学系统可以按与同轴系统情况下由第一部分B1和第二部分B2的两个单个透镜构成的系统相似的方式处理。
另外，第一部分B1的焦距fB1(θ)的值处于不小于焦距f(θ)的一半并且不大于它的两倍的关系中，以便满足公式(2)。如果第一部分B1的焦距fB1(θ)的值不大于焦距f的一半，则很难进行象差校正。如果它不小于焦距f(θ)的两倍，中间图象平面将变大，这将增大中间图象平面后面的反射表面的有效直径，从而很难减小光学元件的尺寸。
上面的表格表示在0°、45°和90°方位角处聚焦长度的列表，但是注意在0和2π之间保持该关系。
在图8中，光学元件12具有包括多个弯曲表面的表面反射镜，并且两个正对的反射镜组(反射表面R1、R3、R5和反射表面R2、R4)的每个整体形成。所有反射表面都是只相对于YZ平面对称的非球面形状。
接下来将说明本实施例中的光学元件12的成象功能。来自物体OB的光由光阑(入射光瞳)1限制成一定量的入射光，此后受到光学元件12的表面R1的反射而形成一次图象。然后此光依次受到表面R2、R3、R4和R5的反射，然后通过滤波器3而再聚焦以在图象拾取表面4上形成图象。
物体光线在表面R1和表面R2之间形成中间图象，而且光瞳光线在表面R4和表面R5之间形成中间图象。
按照这种方式，光学元件12类似于具有正光焦度的透镜单元，通过多个弯曲反射器的光焦度起到具有所希望的光学性能的整体的作用。
图9表示本实施例的反射光学元件的畸变状态，图10表示其横向象差曲线。
从图中可以看出，没有大的畸变和小的非对称畸变。横向象差也很小，并且在象平面的中心和象平面的角落处的象差都很好平衡地被矫正了。
这是因为第一部分B1、第二部分B2和第三部分B3的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)以适当的分配设置，以便满足前面所述的公式(3)。如果第一部分B1、第二部分B2和第三部分B3的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)设定为符号相同，并且各自的幅值彼此接近，则在该光学系统的平衡方面将很难进行象差的校正。
由于第一部分B1的焦距fB1(θ)的值设定为合适的值，以便满足公式(2)，故该光学元件12的结构同时具有紧凑的尺寸和优异的光学性能。
通过金属的蒸发或类似方法形成该反射光学元件的反射表面。反射表面上的淀积不必限于蒸发，也可以通过例如涂敷或类似湿法进行。在通过涂敷或类似方法进行淀积之后，可以在其上淀积具有高透射特性的保护膜。
本实施例使用离轴反射表面的五个表面，但反射表面不必限制于五个表面。然而，考虑到象差的矫正，最好使用至少五个或者更多个表面。
离轴反射表面是只相对于特定平面(YZ平面)的对称形状，但它们不限于此。
该反射光学元件单独地用来作为图象拾取元件，但一个图象拾取光学系统还可以由包括至少一个这种类型的反射光学元件的多个光学元件构成。
另外，还可以构造成一个变焦距光学系统，从而改变各光学元件的相对位置，如在已经公开的日本专利申请No.8-292372，No.9-222561和No.9-258105中所建议的。
图11是表示利用本发明的反射光学元件的成象装置的实施例4的主更部分的剖面图。
在图11中，与图1中所示的同样的结构的同样元件用同样的附图标记表示。在本实施例中，第一、第二和第三部分的光学作用和焦距的条件与实施例1中所述的公式(1)和(2)相同。
图11是光学元件13在YZ平面内的剖视图。本实施例表示具有43.8°的水平视角和33.55°的垂直视角的反射光学元件。图11还包括光路的图解说明。
本实施例的结构数据如下。
表7
视角的水平半角    21.9
视角的垂直半角    16.8
光阑直径    1.60
i       Yi       Zi      θi    Di      Ndi     νdi
   0.00     0.00    0.00   2.50       1     光阑
1    0.00     2.50    0.00   7.80    1.53041   55.50   折射表面
2    0.00     10.30    24.00   9.00    1.53041   55.50   反射表面
3    -6.69     4.28    16.00   8.90    1.53041   55.50   反射表面
4    -9.14     12.83    7.00   8.50    1.53041   55.50   反射表面
5    -13.39     5.47    6.00   8.50    1.53041   55.50   反射表面
6    -16.02     13.55    13.00   9.00    1.53041   55.50   反射表面
7    -22.27     7.08    22.00   6.50    1.53041   55.50   反射表面
8    -22.27     13.58    0.00   6.81       1   折射表面
滤波器    -22.27     20.39    0.00   1.89    1.54427   70.60   折射表面
滤波器    -22.27     22.28    0.00   1.10    1.51400   75.00   折射表面
滤波器    -22.27     23.38    0.00   0.80    1.51633    0.00   折射表面
滤波器    -22.27     24.18    0.00   0.90        1   折射表面
象平面     -22.27     25.08   0.00    1     象平面
非球面形状
R1表面
C02＝2.37449e-02    C20＝-2.84895e-02
C04＝1.26292e-04    C22＝-6.43289e-03    C40＝-2.97769e-04
C06＝6.51599e-05    C24＝6.20762e-04     C42＝7.06751e-04    C60＝-1.61977e-04
R2表面
C02＝-2.77090e-02    C20＝-4.05133e-02
C03＝1.78011e-04     C21＝-3.88537e-04
C04＝-1.22407e-06    C22＝-7.80418e-05   C40＝-6.52602e-06
C05＝7.82028e-06     C23＝-4.64287e-06   C41＝1.78229e-06
C06＝1.69100e-06     C24＝2.50989e-06    C42＝4.63060e-07    C60＝7.89361e-07
R3表面
C02＝-2.75909e-02    C20＝-6.77789e-02
CO3＝1.10682e-03     C21＝-6.45515e-03
C04＝1.04430e-03     C22＝-1.03825e-03   C40＝-1.63785e-03
C05＝-8.62662e-05    C23＝-5.30274e-04   C41＝-1.20751e-04
C06＝-4.95359e-05    C24＝-6.67405e-05   C42＝1.21283e-04    C60＝6.02201e-04
R4表面
C02＝-2.49976e-02    C20＝-3.72289e-02
C03＝-1.25382e-05    C21＝-1.04626e-03
C04＝-9.12934e-06    C22＝-1.01933e-04    C40＝-4.91831e-05
C05＝-4.69154e-06    C23＝-8.87025e-07    C41＝-4.62077e-06
C06＝-5.54290e-07    C24＝-1.16917e-06    C42＝-1.46230e-06    c60＝-3.93653e-07
R5表面
C02＝-1.37165e-02    C20＝-2.17519e-02
C03＝-5.19485e-04    C21＝-5.75337e-03
C04＝-8.33995e-06    C22＝-5.91204e-04    C40＝5.97628e-05
C05＝-3.36154e-05    C23＝-2.29254e-05    C41＝7.13352e-06
C06＝-7.52856e-06    C24＝-4.62838e-05    C42＝-3.79059e-05    c60＝-6.57240e-06
R6表面
C02＝1.56082e-02     C20＝3.45280e-02
C03＝2.64677e-04     C21＝-1.67735e-03
C04＝9.55706e-05     C22＝3.32216e-04     C40＝6.15339e-05
C05＝-5.66446e-06    C23＝2.19835e-05     C41＝-5.48106e-06
C06＝-3.42558e-06    C24＝1.04297e-05     C42＝1.73024e-05    c60＝2.69594e-05
R7表面
C04＝3.28542e-05    C22＝9.79504e-05    C40＝2.95064e-05
C05＝-4.67151e-07   C23＝-1.14394e-06   C41＝1.72852e-06
C06＝-3.91510e-08   C24＝8.43746e-08    C42＝-8.08044e-08    c60＝8.17671e-08
R8表面
C02＝6.28023e-02    C20＝5.70363e-02
C04＝3.90020e-04    C22＝1.04312e-03    C40＝-3.46795e-04
C06＝-7.29227e-05   C24＝-1.21909e-05   C42＝-2.31395e-05    C60＝-9.05139e-06
在0°、45°和90°方位角处，计算第一部分B1(表面R1至R2)、第二部分B2(表面R3至R6)和第三部分B3(表面R7至R8)的各自的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)和反射光学元件13的总焦距f(θ)，计算的结果如下。
表8
    焦距方位角      θ＝0°     θ＝45°    θ＝90°
      fB1(θ)       5.35      4.85     4.32
      fB2(θ)       -13.78      -10.69     -24.45
      fB3(θ)       6.09      5.84     5.62
       f(θ)       -4.5      -4.49     -4.5
第一部分B1、第二部分B2和第三部分B3的各自的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ）按照正、负和正的顺序排列，以便满足公式(1)。第一部分B1的焦距fB1的值处于不小于反射光学元件13的总焦距f(θ)的一半并且不大于它的两倍的关系中，以便满足公式(2)。如果第一部分B1的焦距fB1(θ)的值不大于反射光学元件13的焦距f(θ)的一半，则很难进行象差校正。另一方面，如果它不小于光学元件13的焦距f(θ)的两倍，则中间象平面将变大，这将增大中间象平面后面的反射表面的有效直径，因此很难减小光学元件的尺寸。
上面的表格表示在0°、45°和90°方位角处聚焦长度的列表，但是注意在0和2π之间保持该关系。
在图11中，光学元件13由具有多个弯曲的反射表面的玻璃或类似透明体制成。在光学元件13的表面上，存在按照来自物体的光线通过的顺序排列的具有光焦度的折射表面(入射表面)R1，由凹面镜R2、凸面镜R3、凹面镜R4、凸反射表面R5、凹面反射镜R6和凹面反射镜R7组成的六个反射表面，和凸折射表面(出射表面)R8。两个折射表面都是旋转非对称的非球面形状，并且所有反射表面都是只相对于YZ平面为对称的形状。
接下来将说明本实施例中的光学元件13的成象功能。来自物体OB的光由光阑(入射光瞳)1限定成一定量的入射光，此后入射到光学元件13的入射表面R1上。然后此光受到反射表面R2的反射以成一次图象，尔后此光依次受到表面R3、R4、R5、R6和R7的反射。然后此光从出射表面R8射出和通过滤波器3而再聚焦，以在图象拾取表面4上形成图象。
物体光线在表面R2和表面R3之间形成中间图象，而且光瞳光线在表面R5和表面R6之间形成中间图象。
按照这种方式，光学元件13类似于具有正光焦度的透镜单元，通过入射和出射表面的光焦度和该元件中弯曲的反射镜的光焦度起到具有所希望的光学性能的整体的作用。
图12表示本实施例的反射光学元件的畸变状态，图13表示其横向象差曲线。
从图中可以看出，没有大的畸变和小的非对称畸变。横向象差也很小，并且在象平面的中心和在象平面的角落处的象差也很好平衡地矫正了。
这是因为第一部分B1、第二部分B2和第三部分B3的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)以适当的分配设置，以便满足前面所述的公式(1)。如果设定第一部分B1、第二部分B2和第三部分B3的焦距fB1(θ)，fB2(θ)和fB3(θ)符号相同，并且各自的幅值彼此接近，则在该光学系统的平衡方面将很难进行象差的校正。
由于第一部分B1的焦距fB1(θ)的值设定为合适的值，以便满足公式(2)，故该光学元件同时具有紧凑的尺寸和优异的光学性能。
尽管在该实施例中利用旋转不对称的非球面形状作为折射表面，但该折射表面也可以是旋转对称形状，这取决于如何设计。该折射表面最好受到减反射涂层的覆盖。
通过金属的蒸发或类似方法形成该反射光学元件的反射表面。在蒸发的过程中，按照在两个反射镜组(R2、R4、R6和R3、R5、R7)的一个上淀积一层膜和然后在剩下的反射镜组上淀积一层膜的工艺执行。反射表面上的淀积不必限于蒸发，也可以通过例如涂敷或类似湿法进行。在这种情况中，可以同时在两个正对的反射表面上进行淀积。在通过涂敷等方法进行淀积之后，可以在其上淀积具有高透射特性的保护膜。
在本实施例中，离轴反射表面被用来形成光学元件的后反射表面，但它们也可以采用表面反射镜的形式。
本实施例使用离轴反射表面的六个表面，但反射表面不必限制于六个表面。然而，考虑到象差的矫正，最好使用至少五个或者更多个表面。
离轴反射表面是只相对于特定平面(YZ平面)的对称形状，但它们不限于此。
该反射光学元件单独地用来作为图象拾取元件，但一个图象拾取光学系统还可以由包括至少一个这种类型的反射光学元件的多个光学元件构成。另外，还可以构造成一个变焦距光学系统，从而改变各光学元件的相对位置，如在已经公开的日本专利申请No.8-292372，No.9-222561和No.9-258105中所建议的。
如上所述，当通过利用光学元件在预定的平面上形成物体图象时，其中有弯曲表面和/或平面组成的多个反射表面形成在透明体的表面上，通过适当的表面光焦度分配实现优异的光学性能，和通过将从入射表面到中间图象的焦距设定合适的值，使实现具有减小的光学元件有效直径和宽阔的视角的反射光学元件变得可行，并且为成象装置利用。
另外，通过将具有多个离轴反射表面的光学元件分成三部分系统，通过将各自部分的焦距限定在合适的关系中，一部分用来将入射光中间聚焦，一部分用来将来自中间象平面的光聚焦在光瞳表面上，和一部分用来将来自光瞳的光再次聚焦在图象拾取表面上，使实现具有减小的光学元件有效直径和宽阔的视角的光学元件变得可行，并且为成象装置利用。
另外，光学元件的尺寸减小和优异的光学性能都可以实现，因为中间聚焦部分的焦距大小设定为合适的值。
本发明代表上面包括的效果。

Claims (15)

1.一种光学系统，用来利用来自物体的光形成该物体图象，包括：
一孔径光阑，和
一光学单元，位于孔径光阑的图象一侧，所说光学单元按照从物体一侧的顺序包括如下部分：
一具有一反射曲面的第一光学部分，用来形成所说物体的中间图象；
一具有一反射曲面的第二光学部分，用来利用来自所说物体的中间图象的光形成所说孔径光阑的图象；以及
一具有一反射曲面的第三光学部分，用来利用来自所说孔径光阑的图象的光形成所说物体的二次图象；
其中，fB1(θ)、fB2(θ)和fB3(θ)分别是所说第一光学部分、所说第二光学部分和所说第三光学部分在方位角θ的焦距，f(θ)是所说光学单元在方位角θ的总焦距，且在方位角0≤θ＜2π的范围内，所说焦距满足以下的条件：
fB1(θ)＞0，
fB2(θ)＞10|f(θ)|，
fB3(θ)＞0，
|f(θ)|/2＜fB1(θ)＜2|f(θ)|。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所说光学单元是具有两个折射表面和多个反射曲面作为内部反射器的透明体。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中所说光学单元具有多个反射曲面作为表面反射器。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中至少一个所说反射曲面是只相对于一个对称平面对称的非球面形状。
5.一种光学元件，包括：
多个反射曲面，用于依次反射入射到所说光学元件上的光，所说多个反射曲面包括：作为表面A的反射曲面，用来第一次反射入射到所说光学元件上的光；作为表面B的反射曲面，用来接下来反射由表面A反射的光；作为表面D的反射曲面，用来最终反射入射到所说光学元件上的光；和作为表面C的反射曲面，直接位于表面D之前；
其中，按照入射到所说光学元件上的光的光路的顺序，第一光学部分被限定在表面A的前面，第二光学部分是从表面B到表面C，和第三光学部分位于表面D的后面，并且其中，fB1(θ)、fB2(θ)和fB3(θ)分别是所说第一光学部分、所说第二光学部分和所说第三光学部分在方位角θ的焦距，f(θ)为所述光学元件在方位角θ的总焦距，且在方位角0≤θ＜2π的范围内，所说焦距满足以下的条件：
fB1(θ)＞0，
fB2(θ)＜0，
fB3(θ)＞0，
并且|f(θ)|/2＜fB1(θ)＜2|f(θ)|。
6.根据权利要求5所述的光学元件，其中所说光学单元是具有两个折射表面和多个反射曲面作为内部反射器的透明体。
7.根据权利要求5所述的光学元件，其中所说光学单元具有多个反射曲面作为表面反射器。
8.根据权利要求5所述的光学元件，其中至少一个所说反射的弯曲表面是只相对于一个对称平面对称的非球面形状。
9.一种光学元件，包括：
多个反射曲面，用于依次反射入射到所说光学元件上的光，所说多个反射曲面包括：作为表面A的反射曲面，用来第一次反射入射到所说光学元件上的光；作为表面B的反射曲面，用来接下来反射由表面A反射的光；作为表面D的反射曲面，用来最终反射入射到所说光学元件上的光；和作为表面C的反射曲面，直接位于表面D之前；
其中，按照入射到所说光学元件上的光的光路的顺序，第一光学部分被限定在表面A的前面，第二光学部分是从表面B到表面C，和第三光学部分位于表面D的后面，其中，fB1(θ)、fB2(θ)和fB3(θ)分别是所说第一光学部分、所说第二光学部分和所说第三光学部分在方位角θ的焦距，并且f(θ)是所说光学元件在方位角θ的总焦距，在方位角0≤θ＜2π的范围内，所说焦距满足以下的条件：
fB1(θ)＞0，
fB2(θ)＞10|f(θ)|，
fB3(θ)＞0，
|f(θ)|/2＜fB1(θ)＜2|f((θ)|。
10.根据权利要求9所述的光学元件，其中所说光学单元是具有两个折射表面和多个反射曲面作为内部反射器的透明体。
11.根据权利要求9所述的光学元件，其中所说光学元件具有多个反射曲面作为表面反射器。
12.根据权利要求9所述的光学元件，其中至少一个所说反射曲面是只相对于一个对称平面对称的非球面形状。
13.一种光学装置：包括权利要求1的光学系统。
14.一种光学装置：包括权利要求5的光学元件。
15.一种光学装置：包括权利要求9的光学元件。
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