JP2002287032A - 反射型撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の撮像装置の光学系では２つの平面上で
収差特性の異なる成分が必ず残存するという問題があっ
た。 【解決手段】 凹面の第二面反射鏡２、凸面の第一面反
射鏡１および凹面の第三面反射鏡３を被写体側より光学
系の軸７に沿って順次配置し、反射鏡１，２，３により
結像された被写体の像を検出する検出部１２を備え、光
学系の軸７と第一面反射鏡１の近傍に第二面反射鏡２に
よる反射光に対する絞り４を配置し、反射鏡１，２，３
のうちの一面または複数の面が２軸対称な曲面であるよ
うに構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は観測や監視などを
用途として広角の視野を持つ被写体を撮影するカメラな
どに適用する反射型撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】撮像装置に求められる機能は、被写体か
ら入射する光を曲げて集光することにより、被写体の像
を検出部に結像することである。このような光を曲げる
作用を持つ光学素子として、例えば屈折率の違いを利用
して光を曲げるレンズや、反射を利用して光を曲げる反
射鏡が用いられている。レンズは、内部を光が透過する
ため、所望の波長帯に対して透過率の十分大きい材料を
用いる必要がある。また、紫外線や赤外線など特殊な波
長帯に対して適用されるレンズは、材料が高価なものに
限られ、コストの面の問題がある。さらに、レンズの材
料の屈折率は、一般に光の波長によって大きさが異なる
ことに起因する色収差があるため、広い波長帯にわたっ
て一定の結像性能を得るには波長に対する屈折率変化の
違うレンズを２枚以上組み合わせるなどの複雑な補正、
いわゆる色消しを行わなければならない。

【０００３】一方、反射鏡は、反射面を十分な性能を持
つ反射材でコーティングすることができればその材料は
問わないため、どの波長帯に対しても低価格な光学系を
得ることができる。また、反射作用は光の波長に依存し
ないので、広い波長帯域に対して色収差のない光学系を
容易に得ることができる。しかし、反射光学系では反射
鏡への入射光線とその反射光線が反射鏡に対して同じ側
に現れるため、次面の反射鏡位置も入射光線と同じ側に
設けられる。このため、次面の反射鏡が入射光線を遮る
現象、いわゆるケラレ（または口径食）が起こりやす
い。ケラレが起こると、入射光線の光量が減少するため
明るい光学系が得られない。ケラレを避けるには、例え
ば光学系の軸を入射光線に対して傾けて配置し、光線が
入射してくる方向と出射していく方向に角度を設ける方
法がある。この方法の場合、次面の反射鏡は当然光線が
出射していく方向に配置されるため、光線が入射してく
る方向と出射していく方向に角度を付けて方向を変える
ことで、次面の反射鏡が入射光線と重ならず、ケラレも
起こらない。ところが、光学系は一般的に入射光線と光
学系の軸が平行な時に成り立つ近軸結像を基に設計され
るため、入射光線を光学系の軸に傾けて用いると近軸結
像に対するずれが生じる。このずれが収差を増大し、収
差が大きくなると像にボケが生じ画質が劣化する。

【０００４】図８は従来の撮像装置の広角反射光学系を
示す構成図で、これは、米国特許第４，５９８，９８１
号“ＷＩＤＥ−ＡＮＧＬＥ ＦＬＡＴ ＦＩＥＬＤ Ｔ
ＥＬＥＳＣＯＰＥ”に記載されたものである。この光学
系は、Ｆ／４の明るさで、３０゜×２０゜の画角を持っ
ている。図において、１は第一面反射鏡であり、凸の球
面形状をしている。２は第二面反射鏡であり、凹の回転
楕円面の形状をしている。３は第三面反射鏡であり、凹
の球面形状をしている。４は円形形状の絞りで、第二面
反射鏡２の近傍に位置している。５は第一面反射鏡１へ
の入射光線の光束であり、６は第二面反射鏡２からの出
射光線の光束である。７は光学系の軸で、第一面反射鏡
１と第二面反射鏡２の曲率中心を結ぶ直線である。ま
た、第三面反射鏡３の曲率中心と絞り４の中心も光学系
の軸７上にあり、共軸となる構造になっている。入射光
線を光学系の軸７に対して傾けて用いることで、光線の
重なりにより生じるケラレをなくしている。８は上記の
光学系により結像された被写体の像を記録したり、結像
を電気信号に変換したりする検出部である。

【０００５】反射光学系において、像の画質を劣化させ
る主な収差は、球面収差、コマ収差、像面弯曲、非点収
差である。上記の広角反射光学系は反射鏡の持つ曲率半
径や面間隔などのパラメータを以下の方針で設定するこ
とにより、各収差を低減している。球面収差は中心光線
の焦点位置に対して周辺光線の焦点位置がずれるために
生じる。上記の広角反射光学系では、第二面反射鏡２に
よる周辺光線の焦点位置のずれと第三面反射鏡３による
周辺光線の焦点位置のずれが逆方向でほぼ同じ大きさを
持つように光学系のパラメータを決めることにより、ず
れを互いに打ち消し合い球面収差を小さくしている。し
たがって、第一面反射鏡１による球面収差は残ってい
る。

【０００６】コマ収差は、光学系の軸７と角度をもって
入射してきた光に対して、中心光線の焦点位置と周辺光
線の焦点位置がずれるために生じる。上記の広角反射光
学系では第一面反射鏡１、第二面反射鏡２および第三面
反射鏡３の３枚の協同によりずれを打ち消し合うように
光学系のパラメータを決めることにより、コマ収差を小
さくしている。

【０００７】像面弯曲は、像面が曲率を持って湾曲する
現象で、その曲率半径はペツバル和と呼ばれる量で表さ
れる。上記の広角反射光学系では、ペツバル和が０とな
るように第一面反射鏡１、第二面反射鏡２および第三面
反射鏡３の各曲率半径を設定することで、像面の曲率を
０とし、像面弯曲をなくしている。

【０００８】非点収差は、光学系の軸７と角度をもって
入射してきた光に対して、反射鏡の形状が子午的な方向
と球欠的な方向で異なるために生じ、像面の子午的な方
向と球欠的な方向の曲率半径の差となって現れる。上記
の広角反射光学系では、第一面反射鏡１で生じる像面の
曲率半径の差と第三面反射鏡３で生じる像面の曲率半径
の差が逆方向でほぼ同じ大きさを持つように光学系のパ
ラメータを決めることにより、互いに打ち消し合って非
点収差を小さくしている。したがって、第二面反射鏡２
による非点収差は残っている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の撮像装置は以上
のように構成されているので、光学系の軸７に対して中
心光線を傾けて用いた場合には（以降、光軸をｚ方向と
するｘｙｚ座標で表現し、中心光線と光軸を含む平面を
ｙｚ平面とする）、ｘｚ平面上とｙｚ平面上で光学系の
構造が大きく異なる。したがって、収差も２つの平面上
で異なる特性を持っており、最適な補正特性や補正量も
異なる。ところが、反射面に関しては回転対称な面を用
いているため、ｘｚ平面とｙｚ平面の２つの平面上で同
じ面形状である。したがって、収差補正に関しても２つ
の平面上で同特性・同量になり、２つの平面上で異なる
収差特性の成分は必ず残存することになる。特に、明る
い光学系や画角の広い光学系では、光学系の軸に対して
中心光線を大きく傾けなければケラレを除去することが
できないため、ｘｚ平面上とｙｚ平面上で光学系の構造
の違いが大きくなる。その結果、収差特性の２つの平面
上での違いから残存する収差も大きくなり、結像性能を
劣化させる原因となる。すなわち、従来の撮像装置の光
学系では２つの平面上で収差特性の異なる成分が必ず残
存するという問題があった。

【００１０】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、光学系の明るい反射型撮像装置を
得ることを目的とする。また、この発明は収差の残存し
ない光学系を持つ反射型撮像装置を得ることを目的とす
る。さらに、この発明は収差補正のしやすい光学系を持
つ反射型撮像装置を得ることを目的とする。さらに、こ
の発明は非点収差を小さくできる光学系を持つ反射型撮
像装置を得ることを目的とする。さらに、この発明は画
角の広い反射型撮像装置を得ることを目的とする。さら
に、この発明は組立を容易にする光学系を持つ反射型撮
像装置を得ることを目的とする。さらに、この発明は反
射面の加工を容易にする光学系を持つ反射型撮像装置を
得ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係る反射型撮
像装置は、凹面の第二面反射鏡、凸面の第一面反射鏡お
よび凹面の第三面反射鏡を被写体側より光学系の軸に沿
って順次配置し、反射鏡により結像された被写体の像を
検出する検出部を備えた反射型撮像装置において、光学
系の軸と第一面反射鏡の近傍に第二面反射鏡による反射
光に対する絞りを配置し、反射鏡のうちの一面または複
数の面が２軸対称な曲面であるものである。

【００１２】この発明に係る反射型撮像装置は、２軸対
称な反射鏡のうちの一面または複数の面が、

【数５】 と表せる曲線をｙ方向の曲率中心を通るｘ軸に関して回
転した曲面で表されるトーリック面であるもので、ただ
し、ｘ，ｙ，ｚは直交座標上の面の位置を表し、Ｃはｘ
軸方向の面の曲率、ｋはｘ軸方向の面の円錐係数、Ａは
ｘ軸方向の高次の非球面係数を表すものである。

【００１３】この発明に係る反射型撮像装置は、反射鏡
のうちの一面または複数の面に対する光軸上の曲率が全
方向で等しいトーリック面としたものである。

【００１４】この発明に係る反射型撮像装置は、２軸対
称な反射鏡のうちの一部または全ての面が、

【数６】 と表されるアナモルフィック面であるもので、ただし、
ｘ，ｙ，ｚは直交座標上の面の位置を表し、Ｃ_ｘ，Ｃ_ｙ
はｘ軸とｙ軸方向の面の曲率、ｋ_ｘ，ｋ_ｙはｘ軸とｙ軸
方向の面の円錐係数、ＡＰは高次の非球面係数の対称成
分、ＡＲは高次の非球面係数の非対称成分を表すもので
ある。

【００１５】この発明に係る反射型撮像装置は、反射鏡
のうちの一面または複数の面に対する光軸上の曲率が全
方向で等しいアナモルフィック面としたものである。

【００１６】この発明に係る反射型撮像装置は、第１面
反射鏡の互いに直交する軸上にある半径ｈの点に対し
て、点における接平面が光学系の軸とのなす角度をθ_ｘ
（ｈ）、θ_ｙ（ｈ）とし、光軸と平行に伝搬して点に入
射する光線の結像点の間隔をδとするとき、光学系の焦
点距離をｆとすると、

【数７】 となるものである。

【００１７】この発明に係る反射型撮像装置は、絞りが
アスペクト比の異なる形状を持つものである。

【００１８】この発明に係る反射型撮像装置は、絞りの
形状を楕円形としたものである。

【００１９】この発明に係る反射型撮像装置は、絞りの
形状を長方形としたものである。

【００２０】この発明に係る反射型撮像装置は、検出部
の結像面がアスペクト比の異なる形状を持つものであ
る。

【００２１】この発明に係る反射型撮像装置は、検出部
の結像面を長方形としたものである。

【００２２】この発明に係る反射型撮像装置は、入射す
る光線の角度を小さくするように反射鏡の一部または全
てが偏心したものである。

【００２３】この発明に係る反射型撮像装置は、入射す
る光線の角度を小さくするように反射鏡の一部または全
てが光軸に対して傾きを持つものである。

【００２４】この発明に係る反射型撮像装置は、第１面
反射鏡の一方向の曲率半径をｒ_１、第２面反射鏡の一方
向の曲率半径をｒ_２、第３面反射鏡の一方向の曲率半径
をｒ _３、第１面反射鏡と第２面反射鏡の間隔をｄ_１、第
２面反射鏡と第３面反射鏡の間隔をｄ_２、第３面反射鏡
と検出部の間隔をｄ_３、一方向の最大視野角を
θ_{ｍａ ｘ}、一方向の中心光線が光軸とのなす角度を
θ_ａ、光学系の焦点距離をｆとしたとき、絞りの被写体
側における光学系のＦ値の限界Ｆ_ｉｎおよび検出部側に
おける光学系のＦ値の限界Ｆ_ｏｕｔにおいて、

【数８】 を満足したものである。

【００２５】この発明に係る反射型撮像装置は、絞りが
第一面反射鏡と一体成形されたものである。

【００２６】この発明に係る反射型撮像装置は、光学系
の任意の位置に光線を折り返す一枚または複数枚の平面
鏡を挿入配置したものである。

【００２７】この発明に係る反射型撮像装置は、第二面
反射鏡と第三面反射鏡の間に光線を折り返す平面鏡を挿
入配置したものである。

【００２８】この発明に係る反射型撮像装置は、第二面
反射鏡と第三面反射鏡の間に挿入配置した平面鏡が絞り
を兼ねたものである。

【００２９】この発明に係る反射型撮像装置は、金型を
用いて反射鏡の形状を転写することにより面形状を作成
したものである。

【００３０】この発明に係る反射型撮像装置は、反射鏡
をプレス成形により作成したものである。

【００３１】この発明に係る反射型撮像装置は、反射鏡
を射出成形により作成したものである。

【００３２】この発明に係る反射型撮像装置は、反射鏡
をモールド成形により作成したものである。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１による反
射型撮像装置のｙｚ平面上の断面図を示したものであ
る。図１において、１は第一面反射鏡であり、凸面形状
をしている。２は第二面反射鏡であり、凹面形状をして
いる。３は第三面反射鏡であり、凹面形状をしている。
７は光学系の軸であり、第一面反射鏡１、第二面反射鏡
２、第三面反射鏡３の曲率中心を通っている。４は円形
絞りで第一面反射鏡１と光学系の軸７との交点近傍に位
置している。ただし、第一面反射鏡１と軸７の交点が存
在しない場合には、第一面反射鏡１の延長線と軸７の交
点近傍とする。５は第一面反射鏡１への入射光線の光束
であり、６は第二面反射鏡２からの出射光線の光束であ
る。入射光線を光学系の軸７に対してｙ方向に傾けて用
いることで、光線の重なりにより生じるケラレをなく
す。１２は上記の光学系により結像された被写体の像を
記録したり、電気信号に変換したりする検出部である。

【００３４】光学系の設計を行う上で少なくとも満足さ
せることが必要な条件は、被写体の像を検出部上に結像
すること、設定した焦点距離を満たすこと、収差が十分
小さいことの３点である。一方、反射光学系において像
の画質を劣化させる主な収差は、球面収差、コマ収差、
像面弯曲および非点収差の４つである。したがって、光
学系は少なくとも６つの条件を満足する必要がある。

【００３５】一方、図１の光学系は３面の反射面（また
は反射鏡）１，２，３を持ち、各面に曲率と後面との間
隔（第三面反射鏡３の場合は検出部１２との間隔）の２
つの自由度があるため、合計６つの自由度を持ってい
る。したがって、前述の６つの条件を満足する光学系を
設計するのに十分な自由度を備えていると考えられる。
上述の４つの収差、すなわち球面収差、コマ収差、像面
弯曲および非点収差は３次収差と呼ばれ、撮像装置の光
学系として最低限小さくする必要のある収差である。し
かし、明るい光学系や広角な光学系を設計するために
は、さらに高次な収差についても補正する必要がある。

【００３６】図２に、軸７を軸に図１の光学系を９０度
回転したｘｚ平面上での光線図を示す。上述の通り、ｙ
ｚ平面上でケラレが生じないように中心光線を光学系の
軸７に対して傾けて用いたため、ｘｚ平面上ではケラレ
に対する制約はない。したがって、ｘｚ方向については
高次収差の影響の小さい、光学系の軸と平行な光線を中
心光線とすることができる。その結果、図１と図２を比
較すると分かるように、この光学系はｘｚ平面上とｙｚ
平面上で大きく異なる構造になっている。当然、収差に
関してもｘｚ平面上とｙｚ平面上で異なる特性を持って
いる。そこで、反射鏡の反射面をｘｚ平面上とｙｚ平面
上で形状の異なる２軸対称な面とすることにより、ｘｚ
平面上とｙｚ平面上の収差に関して個別に補正を行うこ
とが可能となり、２つの平面上で収差の残存しない光学
系を得ることができる。

【００３７】図３にこの発明の実施の形態１による横収
差補正の概念を示す説明図を示す。図３（ａ）のように
ｘｙ平面上とｙｚ平面上の片方にのみ収差が発生してい
る場合には、反射面をトーリック面、すなわちｘｚ平面
上での円弧または曲線をｘ軸と平行な軸を中心として回
転してできる曲面、あるいはｙｚ平面上での円弧または
曲線をｙ軸と平行な軸を中心として回転してできる曲面
とする。このように構成することにより、収差補正の必
要のない平面上の面形状は変えずに、収差補正の必要な
平面上の面形状のみを変えることで最適な補正を行うこ
とができる。トーリック面とする反射面は、３つ反射鏡
１，２，３の反射面の内から一面でも良いし、複数の面
に適用しても良い。

【００３８】この場合の２軸対称な面の一面または複数
の面に設けるトーリック面は次式（１）で表せる曲線を
ｙ方向の曲率中心を通るｘ軸に関して回転した曲面で表
される。

【００３９】

【数９】

【００４０】ただし、Ｃはｘ軸方向の面の曲率、ｋはｘ
軸方向の面の円錐係数、Ａはｘ軸方向の高次の非球面係
数を表す。

【００４１】また、図３（ｂ）のようにｘｙ平面上とｙ
ｚ平面上の両方に収差が発生している場合には、反射面
をアナモルフィック面、すなわちｘｙ平面とｙｚ平面の
２つの面上で、それぞれが異なる形状の球面あるいは非
球面となる曲面とする。このことにより個別に収差補正
を行うことができる。アナモルフィック面とする反射面
は、３つ反射鏡１，２，３の反射面の内から一面でも良
いし、複数の面に適用しても良い。

【００４２】この場合の２軸対称な面の一面または複数
の面に設けるアナモルフィック面は、次式（２）で表さ
れる。

【００４３】

【数１０】

【００４４】ただし、Ｃ_ｘ，Ｃ_ｙはｘ軸とｙ軸方向の面
の曲率、ｋ_ｘ，ｋ_ｙはｘ軸とｙ軸方向の面の円錐係数、
ＡＰは高次の非球面係数の対称成分、ＡＲは高次の非球
面係数の非対称成分を表す。

【００４５】さらに、トーリック面やアナモルフィック
面の反射面は、その光軸上の曲率を全方向で等しくして
もよい。このことによって、近軸理論が適用できるため
設計を容易に行うことができる。

【００４６】例えば、図４は第１面反射光学系をトーリ
ック面あるいはアナモルフィック面として収差補正を行
った時の概念図である。１５は第一面反射鏡１のｘｚ平
面上での形状、１６は第一面反射鏡１のｙｚ平面上での
形状である。光軸から距離ｈ離れた点でのｘｚ平面上で
の接平面の角度をθ_ｘ（ｈ）、ｙｚ平面上での接平面の
角度をθ_ｙ（ｈ）とする。ただし、この点に反射面が存
在しない場合には反射面を延長した仮想的な点での接平
面の角度を示す。光軸と平行に伝搬し、距離ｈ離れた点
に入射する光線のｘｚ面上での結像点とｙｚ平面上での
結像点の間隔をδとする。光学系の焦点距離をｆとする
と、θ_ｘとθ_ｙの関係は近似的に

【００４７】

【数１１】

【００４８】と表される。そこでパラメータγを

【００４９】

【数１２】

【００５０】と置く。γが負となる場合には逆補正であ
り、１より大きい場合には過補正であるので、いずれの
場合でも結像性能を劣化させてしまう。つまり、式
（４）において、

【数１３】 とすることにより、適切な範囲内で収差補正を行うこと
ができる。

【００５１】上術の反射型撮像装置では、絞り４をｘｙ
方向でアスペクト比の等しい円形としたが、アスペクト
比の異なる形状としても良い。収差やケラレによる制約
が小さい方向に長い絞りを用いることによって、性能を
損なわずに光学系を明るくすることが可能である。その
場合、光学系はｘｚ平面上とｙｚ平面上で構造の違いが
さらに大きくなるが、反射鏡を２軸対称な面とすること
で２つの平面上で最適な収差補正を行うことができる。
ｘｙ方向でアスペクト比の異なる形状とは、例えば楕円
や長方形などがあげられる。

【００５２】また、上述の反射型撮像装置において、検
出部１２の結像面としてｘｙ方向でアスペクト比の異な
る形状を用いても良い。収差やケラレによる制約が小さ
い方向に長い形状の検出部を用いることによって、性能
を損なわずに光学系の画角を広げることが可能である。
その場合、光学系はｘｚ平面上とｙｚ平面上で構造の違
いがさらに大きくなるが、反射鏡を２軸対称な面とする
ことで２つの平面上で最適な収差補正を行うことができ
る。ｘｙ方向でアスペクト比の異なる形状とは、例えば
長方形などがあげられる。

【００５３】また、上述の反射型撮像装置では、各反射
面のｚ軸が光学系の軸７と一致した光学系を用いている
が、一部または全部の反射鏡に傾きを持たせて用いても
良い。反射鏡に傾きを持たせることにより収差補正が可
能である。例えば、非点収差は、入射光線に対して反射
鏡の形状が子午的な方向と球欠的な方向で同じではない
ために生じ、斜めに入射する光線に対してその角度が大
きいほど非点収差が大きくなる。つまり、反射鏡を傾け
て入射する光線の角度を小さくすれば非点収差を小さく
することができる。

【００５４】なお、前述の反射型撮像装置では反射鏡に
傾きを持たせるとしたが、反射鏡を平行移動して偏心さ
せることでも同様に収差補正の効果が得られる。また、
当然反射鏡を偏心させたうえで、さらに傾きを持たせて
もよい。

【００５５】反射型撮像装置の明るさは光学系のＦ値の
大きさによって決まる。光学系のＦ値が小さいほど明る
い光学系が得られるが、実施の形態１の光学系ではｙｚ
平面上で光学系のＦ値を小さくすると、光線の重なりに
よりケラレが生じるため、光学系のＦ値には限界があ
る。絞り４より被写体側でのｙｚ平面上での光学系のＦ
値の限界Ｆ_ｉｎは、第１面反射鏡１のｙｚ平面上での曲
率半径をｒ_１、第２面反射鏡２のｙｚ平面上での曲率半
径をｒ_２、第１面反射鏡１と第２面反射鏡２の間隔をｄ
_１、第３面反射鏡３と検出部１２の間隔をｄ_３、ｙｚ平
面上での最大視野角をθ_ｍａｘ、ｙｚ平面上での中心光
線が光軸とのなす角度をθ_ａ、光学系の焦点距離をｆと
すると、

【００５６】

【数１４】

【００５７】

【数１５】

【００５８】となる。一方、絞り４より検出部側でのｙ
ｚ平面上での光学系のＦ値の限界Ｆ_{ｏ ｕｔ}は、第３面反
射鏡３のｙｚ平面上の曲率半径をｒ_３とすると、

【００５９】

【数１６】

【００６０】となる。光学系のＦ値は、絞りの被写体側
の限界Ｆ_ｉｎと検出部側の限界Ｆ_{ｏｕ ｔ}の大きい方で決
まるから、両者をバランスする条件で光学系のＦ値は最
小となる。したがって、次式（８）を満足することによ
り、明るい光学系を得ることができる。

【００６１】 0.8< F_in/F_out <1.2 （８）

【００６２】前述の反射型撮像装置において、金型を用
いてその形状を転写したことにより面形状を作成し高精
度な反射面を量産性高く作成することができる。実施の
形態１の反射型撮像装置における反射面（反射鏡）は２
軸対称な非球面形状をしている。通常の反射面の加工に
は研磨や切削といった方法が用いられる。しかし、前述
のような２軸対称な非球面形状に対しては、球面あるい
は１軸対称な非球面を作成することしかできない研磨に
よる加工は行うことはできない。研削による加工に対し
ては、通常の軸対称な反射面でも高精度な制御が必要な
動径方向と高さ方向の２方向に加えて、円周方向に対し
ても形状が変化するため高精度な制御が必要となる。ま
た、１度の加工で１枚の反射面しか作成できないため、
生産性も低い。

【００６３】一方、金型を用いてその形状を転写するこ
とで面形状を作成すれば、実施の形態１で用いている２
軸の非球面形状を容易に作成することができる。勿論、
金型の作成には、研削による作成と同様に高精度な３方
向の制御を行った加工が必要となるが、一度金型を作成
すれば多数の反射面を作成することが可能である。ま
た、金型に複数の反射面の型を作成しておけば、一度の
転写で複数の反射面を加工することが可能であり、生産
性を向上させることができる。このような、金型形状を
転写する作成法としては、プレス成形、射出成形、モー
ルド成形などがあげられる。

【００６４】以上のように、この実施の形態１によれ
ば、反射鏡の反射面のうちから一面または複数面を、光
学系の軸ｚに沿い互いに直角なｘｚ平面上とｙｚ平面上
で形状の異なる２軸対称な曲面とすることにより、ｘｚ
平面上とｙｚ平面上の収差に関して個別に補正を行うこ
とが可能となり、２つの平面上で収差の残存しない光学
系を達成する効果が得られる。また、２軸対称な面の一
面または複数面をトーリック面とすることにより、収差
補正の必要のない平面上の面形状は変えずに、収差補正
の必要な平面上の面形状のみを変えることで最適な補正
を行う効果が得られる。さらに、２軸対称な面の一面ま
たは複数面をアナモルフィック面で構成することによ
り、個別に収差補正を行うことができる効果が得られ
る。この場合、トーリック面あるいはアナモルフィック
面の光軸上の曲率を全方向で等しくすることによって、
設計を容易にする効果も得られる。さらにまた、式
（４）において、

【数１７】 とすることにより、適切な範囲内で収差補正を行え、結
像性能を向上させる効果が得られる。加えて、絞り４を
アスペクト比の異なる形状、すなわち収差やケラレによ
る制約が小さい方向に長い絞り、例えば楕円形や長方形
などにすることにより、性能を損なわずに光学系を明る
くする効果が得られる。また、検出部１２の結像面にア
スペクト比の異なる形状、すなわち収差やケラレによる
制約が小さい方向に長い形状、例えば長方形の検出部を
用いることによって、性能を損なわずに光学系の画角を
広げることができる効果が得られる。さらに実施の形態
１によれば、入射する光線の角度を小さくするように反
射鏡の一部または全部を傾けることにより、または反射
鏡の一部または全部を平行移動して偏心させることによ
り、非点収差を小さくすることができる効果が得られ
る。絞り４の被写体側における入射瞳径の限界Ｆ_ｉｎ式
（６）と検出部側の入射瞳径の限界Ｆ_ｏｕｔ式（７）が
式（８）を満足するようにバランスさせることにより、
入射瞳の径を最大となるように設定でき、明るい光学系
を与える効果が得られる。また、金型を用いて金型形状
をプレス成形、射出成形、モールド成形などにより転写
することで面形状を作成することにより、２軸の非球面
形状を容易に作成することができ、また金型に複数の反
射面の型を作成することにより、一度の転写で複数の反
射面を加工することが可能となるなど生産性の向上を可
能とさせる効果が得られる。

【００６５】実施の形態２．図５はこの発明の実施の形
態２による反射型撮像装置の要部を示す断面図である。
１０は反射鏡の基板で、第一面反射鏡１の基板の部分と
絞り４が一体成形されている。１１は反射部材で、第一
面反射鏡１の反射面となる。

【００６６】以上のように、実施の形態２によれば、第
一面反射鏡１および絞り４が一体化されているため、部
品点数を削減し、部品の製造工程及び組立工程を減少さ
せることができる。また、一体化した部品間では組立時
に生じる公差がないため、広角反射光学系全体の組立が
容易になる。

【００６７】実施の形態３．図６はこの発明の実施の形
態３による反射型撮像装置のｙｚ平面上の断面を示した
もので、図において、１３は平面鏡であり、第二面反射
鏡２と第三面反射鏡３の間に配置されている。他の構成
部品は実施の形態１と同様である。この場合、平面鏡１
３で光線を折り返したことにより、実施の形態１の光学
系と比較して小型化が実現される。また、検出部１２の
周辺に空間があるため、比較的大きな検出器１２などを
置くのに適している。なお、第二面反射鏡２と第三面反
射鏡３の間に平面鏡１３を配置して光線を折り返した
が、他の場所に平面鏡を配置してもよい。また、配置す
る平面鏡の枚数も複数枚であってもよい。

【００６８】以上のように、実施の形態３によれば、平
面鏡１３で光線を折り返すようにしたことにより、光学
系を小型化し、また、比較的大きな検出部１２などを置
くのに適した空間を確保できる効果が得られる。

【００６９】実施の形態４．図７はこの発明の実施の形
態４による反射型撮像装置のｙｚ平面上の断面を示した
もので、図において、１４は第二面反射鏡２と第三面反
射鏡３の光路間に挿入配置した平面鏡であり、絞りの機
能も兼ね備えるようにしたものである。他の構成部品は
実施の形態１および３と同様である。光線を折り返す平
面鏡１４に絞りの機能も持たせることで、絞りによるケ
ラレが発生して反射鏡を配置することができなかった場
所や方向に対して適用できるようになった。

【００７０】以上のように、実施の形態４によれば、光
線折り返す平面鏡１４に絞りの機能も持たせたので、平
面鏡１４の設置に自由度が増し、部品点数を削減し、部
品の製造工程および組立工程を減少させる効果が得られ
る。また、一体化した部品では組立時に生じる公差がな
いため、反射型撮像装置全体の組立が容易になる効果が
得られる。

【００７１】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、凹面
の第二面反射鏡、凸面の第一面反射鏡および凹面の第三
面反射鏡を被写体側より光学系の軸に沿って順次配置
し、反射鏡により結像された被写体の像を検出する検出
部を備えた反射型撮像装置において、光学系の軸と第一
面反射鏡の近傍に第二面反射鏡による反射光に対する絞
りを配置し、反射鏡のうちの一面または複数の面が２軸
対称な曲面であるように構成したので、光学系の軸に沿
い互いに直角な２つの平面上の収差に関して個別に補正
を行うことことが可能になり、２つの平面上で収差の残
存しない光学系を達成する効果がある。

【００７２】この発明によれば、２軸対称な反射鏡のう
ちの一面または複数の面が、

【数１８】 と表せる曲線をｙ方向の曲率中心を通るｘ軸に関して回
転した曲面で表されるトーリック面であるように構成
し、ただし、ｘ，ｙ，ｚは直交座標上の面の位置を表
し、Ｃはｘ軸方向の面の曲率、ｋはｘ軸方向の面の円錐
係数、Ａはｘ軸方向の高次の非球面係数を表すようにし
たので、収差補正の必要のない平面上の面形状は変えず
に、収差補正の必要な平面上の面形状のみを変えること
で最適な補正を行う効果がある。

【００７３】この発明によれば、反射鏡のうちの一面ま
たは複数の面に対する光軸上の曲率が全方向で等しいト
ーリック面としたように構成したので、収差補正の設計
を容易にする効果がある。

【００７４】この発明によれば、２軸対称な反射鏡のう
ちの一部または全ての面が、

【数１９】 と表されるアナモルフィック面であるように構成し、た
だし、ｘ，ｙ，ｚは直交座標上の面の位置を表し、
Ｃ_ｘ，Ｃ_ｙはｘ軸とｙ軸方向の面の曲率、ｋ_ｘ，ｋ_ｙは
ｘ軸とｙ軸方向の面の円錐係数、ＡＰは高次の非球面係
数の対称成分、ＡＲは高次の非球面係数の非対称成分と
するようにしたので、個別に収差補正を行うことができ
る効果がある。

【００７５】この発明によれば、反射鏡のうちの一面ま
たは複数の面に対する光軸上の曲率が全方向で等しいア
ナモルフィック面とするように構成したので、収差補正
の設計を容易にする効果がある。

【００７６】この発明によれば、第１面反射鏡の互いに
直交する軸上にある半径ｈの点に対して、点における接
平面が光学系の軸とのなす角度をθ_ｘ（ｈ）、θ
_ｙ（ｈ）とし、光軸と平行に伝搬して点に入射する光線
の結像点の間隔をδとするとき、光学系の焦点距離をｆ
とすると、

【数２０】 となるように構成したので、適切な範囲内で収差補正を
行うことができ、結像性能を向上させる効果がある。

【００７７】この発明によれば、絞りがアスペクト比の
異なる形状を持つように構成したので、性能を損なわず
に光学系を明るくできる効果がある。

【００７８】この発明によれば、絞りの形状を楕円形と
したように構成したので、性能を損なわずに光学系を明
るくできる効果がある。

【００７９】この発明によれば、絞りの形状を長方形と
したように構成したので、性能を損なわずに光学系を明
るくできる効果がある。

【００８０】この発明によれば、検出部の結像面がアス
ペクト比の異なる形状を持つように構成したので、性能
を損なわずに光学系の画角を広げることができる効果が
ある。

【００８１】この発明によれば、検出部の結像面を長方
形としたように構成したので、性能を損なわずに光学系
の画角を広げることができる効果がある。

【００８２】この発明によれば、入射する光線の角度を
小さくするように反射鏡の一部または全てが偏心したよ
うに構成したので、非点収差を小さくすることができる
効果がある。

【００８３】この発明によれば、入射する光線の角度を
小さくするように反射鏡の一部または全てが光軸に対し
て傾きを持つように構成したので、非点収差を小さくす
ることができる効果がある。

【００８４】この発明によれば、第１面反射鏡の一方向
の曲率半径をｒ_１、第２面反射鏡の一方向の曲率半径を
ｒ_２、第３面反射鏡の一方向の曲率半径をｒ_３、第１面
反射鏡と第２面反射鏡の間隔をｄ_１、第２面反射鏡と第
３面反射鏡の間隔をｄ_２、第３面反射鏡と検出部の間隔
をｄ_３、一方向の最大視野角をθ_ｍａｘ、一方向の中心
光線が光軸とのなす角度をθ_ａ、光学系の焦点距離をｆ
としたとき、絞りの被写体側における光学系のＦ値の限
界Ｆ_ｉｎおよび検出部側における光学系のＦ値の限界Ｆ
_ｏｕｔにおいて、

【数２１】 を満足するように構成したので、光学系のＦ値を最小と
なるように設定でき、明るい光学系を与える効果があ
る。

【００８５】この発明によれば、絞りが第一面反射鏡と
一体成形された構成としたので、部品点数を削減し、部
品の製造工程及び組立工程を減少させることができ、ま
た、一体化した部品間では組立時に生じる公差がないた
め、広角反射光学系全体の組立が容易になる効果があ
る。

【００８６】この発明によれば、光学系の任意の位置に
光線を折り返す一枚または複数枚の平面鏡を挿入配置し
たように構成したので、光学系を小型化し、また、比較
的大きな検出部などを置くのに適した空間を確保できる
効果がある。

【００８７】この発明によれば、第二面反射鏡と第三面
反射鏡の間に光線を折り返す平面鏡を挿入配置したよう
に構成したので、光学系を小型化し、また、比較的大き
な検出部などを置くのに適した空間を確保できる効果が
ある。

【００８８】この発明によれば、第二面反射鏡と第三面
反射鏡の間に挿入配置した平面鏡が絞りを兼ねるように
構成したので、平面鏡の設置に自由度が増し、部品点数
を削減し、部品の製造工程および組立工程を減少させ、
また、一体化した部品では組立時に生じる公差がないた
め、反射型撮像装置全体の組立が容易になる効果があ
る。

【００８９】この発明によれば、金型を用いて反射鏡の
形状を転写することにより面形状を作成した構成とした
ので、２軸の非球面形状を容易に作成することができ、
また金型に複数の反射面の型を作成することにより、一
度の転写で複数の反射面を加工することが可能となるな
ど生産性の向上を可能とさせる効果がある。

【００９０】この発明によれば、反射鏡をプレス成形に
より作成した構成としたので、２軸の非球面形状を容易
に作成することができ、また金型に複数の反射面の型を
作成することにより、一度の転写で複数の反射面を加工
することが可能となるなど生産性の向上を可能とさせる
効果がある。

【００９１】この発明によれば、反射鏡を射出成形によ
り作成した構成としたので、２軸の非球面形状を容易に
作成することができ、また金型に複数の反射面の型を作
成することにより、一度の転写で複数の反射面を加工す
ることが可能となるなど生産性の向上を可能とさせる効
果がある。

【００９２】この発明によれば、反射鏡をモールド成形
により作成した構成としたので、２軸の非球面形状を容
易に作成することができ、また金型に複数の反射面の型
を作成することにより、一度の転写で複数の反射面を加
工することが可能となるなど生産性の向上を可能とさせ
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による撮像装置の広
角反射光学系を示す構成図である。

【図２】 この発明の実施の形態１による光学系が作る
光線構成を示す説明図である。

【図３】 この発明の実施の形態１による横収差補正の
概念を示す説明図である。

【図４】 この発明の実施の形態１による第１面反射光
学系の収差補正の概念を示す説明図である。

【図５】 この発明の実施の形態２による反射型撮像装
置の要部を示す断面図である。

【図６】 この発明の実施の形態３による反射型撮像装
置のｙｚ平面上の断面を示す断面図である。

【図７】 この発明の実施の形態４による反射型撮像装
置のｙｚ平面上の断面を示す断面図である。

【図８】 従来の撮像装置の広角反射光学系を示す構成
図である。

【符号の説明】 １ 第一面反射鏡、２ 第二面反射鏡、３ 第三面反射
鏡、４ 絞り、５，６光束、７ 光学系の軸、１２ 検
出部、１０ 反射鏡の基板、１１ 反射部材、１３，１
４ 平面鏡、１５ 第一面反射鏡のｘｚ平面上の形状、
１６ 第一面反射鏡のｙｚ平面上の形状。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H042 AA13 AA22 2H087 KA03 RA06 RA08 RA32 TA01 TA02 TA05 TA06 2H101 FF00

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 凹面の第二面反射鏡、凸面の第一面反射
   鏡および凹面の第三面反射鏡を被写体側より光学系の軸
   に沿って順次配置し、前記反射鏡により結像された被写
   体の像を検出する検出部を備えた反射型撮像装置におい
   て、前記光学系の軸と前記第一面反射鏡の近傍に前記第
   二面反射鏡による反射光に対する絞りを配置し、前記反
   射鏡のうちの一面または複数の面が２軸対称な曲面であ
   ることを特徴とする反射型撮像装置。
2. 【請求項２】 ２軸対称な反射鏡のうちの一面または複
   数の面が、 【数１】 と表せる曲線をｙ方向の曲率中心を通るｘ軸に関して回
   転した曲面で表されるトーリック面であることを特徴と
   する請求項１記載の反射型撮像装置。ただし、ｘ，ｙ，
   ｚは直交座標上の面の位置を表し、Ｃはｘ軸方向の面の
   曲率、ｋはｘ軸方向の面の円錐係数、Ａはｘ軸方向の高
   次の非球面係数を表す。
3. 【請求項３】 反射鏡のうちの一面または複数の面に対
   する光軸上の曲率が全方向で等しいトーリック面である
   ことを特徴とする請求項２の反射型撮像装置。
4. 【請求項４】 ２軸対称な反射鏡のうちの一部または全
   ての面が、 【数２】 と表されるアナモルフィック面であることを特徴とする
   請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の反射
   型撮像装置。ただし、ｘ，ｙ，ｚは直交座標上の面の位
   置を表し、Ｃ_ｘ，Ｃ_ｙはｘ軸とｙ軸方向の面の曲率、ｋ
   _ｘ，ｋ_ｙはｘ軸とｙ軸方向の面の円錐係数、ＡＰは高次
   の非球面係数の対称成分、ＡＲは高次の非球面係数の非
   対称成分を表す。
5. 【請求項５】 反射鏡のうちの一面または複数の面に対
   する光軸上の曲率が全方向で等しいアナモルフィック面
   であることを特徴とする請求項４記載の反射型撮像装
   置。
6. 【請求項６】 第１面反射鏡の互いに直交する軸上にあ
   る半径ｈの点に対して、前記点における接平面が光学系
   の軸とのなす角度をθ_ｘ（ｈ）、θ_ｙ（ｈ）とし、光軸
   と平行に伝搬して前記点に入射する光線の結像点の間隔
   をδとし、光学系の焦点距離をｆとすると、 【数３】 となることを特徴とする請求項１から請求項５のうちの
   いずれか１項記載の反射型撮像装置。
7. 【請求項７】 絞りがアスペクト比の異なる形状を持つ
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれ
   か１項記載の反射型撮像装置。
8. 【請求項８】 絞りの形状が楕円形であることを特徴と
   する請求項７記載の反射型撮像装置。
9. 【請求項９】 絞りの形状が長方形であることを特徴と
   する請求項７記載の反射型撮像装置。
10. 【請求項１０】 検出部の結像面がアスペクト比の異な
    る形状を持つことを特徴とする請求項１から請求項９の
    うちのいずれか１項記載の反射型撮像装置。
11. 【請求項１１】 検出部の結像面が長方形であることを
    特徴とする請求項１０記載の反射型撮像装置。
12. 【請求項１２】 入射する光線の角度を小さくするよう
    に反射鏡の一部または全てが偏心したことを特徴とする
    請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項記載の反
    射型撮像装置。
13. 【請求項１３】 入射する光線の角度を小さくするよう
    に反射鏡の一部または全てが光軸に対して傾きを持つこ
    とを特徴とする請求項１から請求項１２のうちのいずれ
    か１項記載の反射型撮像装置。
14. 【請求項１４】 第１面反射鏡の一方向の曲率半径をｒ
    _１、第２面反射鏡の前記一方向の曲率半径をｒ_２、第３
    面反射鏡の前記一方向の曲率半径をｒ_３、前記第１面反
    射鏡と前記第２面反射鏡の間隔をｄ_１、前記第２面反射
    鏡と第３面反射鏡の間隔をｄ_２、前記第３面反射鏡と検
    出部の間隔をｄ_３、前記一方向の最大視野角を
    θ_ｍａｘ、前記一方向の中心光線が光軸とのなす角度を
    θ_ａ、光学系の焦点距離をｆとしたとき、絞りの被写体
    側における光学系のＦ値の限界Ｆ_ｉｎおよび検出部側に
    おける光学系のＦ値の限界Ｆ_ｏｕｔにおいて、 【数４】 を満足したことを特徴とする請求項１から請求項１３の
    うちのいずれか１項記載の反射型撮像装置。
15. 【請求項１５】 絞りが第一面反射鏡と一体成形された
    ことを特徴とする請求項１から請求項１４のうちのいず
    れか１項記載の反射型撮像装置。
16. 【請求項１６】 光学系の任意の位置に光線を折り返す
    一枚または複数枚の平面鏡を挿入配置したことを特徴と
    する請求項１から請求項１５のうちのいずれか１項記載
    の反射型撮像装置。
17. 【請求項１７】 第二面反射鏡と第三面反射鏡の間に光
    線を折り返す平面鏡を挿入配置したことを特徴とする請
    求項１から請求項１６のうちのいずれか１項記載の反射
    型撮像装置。
18. 【請求項１８】 第二面反射鏡と第三面反射鏡の間に挿
    入した平面鏡が絞りを兼ねたことを特徴とする請求項１
    から請求項１７のうちのいずれか１項記載の反射型撮像
    装置。
19. 【請求項１９】 金型を用いて反射鏡の形状を転写する
    ことにより面形状を作成したことを特徴とする請求項１
    から請求項１８のうちのいずれか１項記載の反射型撮像
    装置。
20. 【請求項２０】 反射鏡をプレス成形により作成したこ
    とを特徴とする請求項１９記載の反射型撮像装置。
21. 【請求項２１】 反射鏡を射出成形により作成したこと
    を特徴とする請求項１９記載の反射型撮像装置。
22. 【請求項２２】 反射鏡をモールド成形により作成した
    ことを特徴とする請求項１９から請求項２１のうちのい
    ずれか１項記載の反射型撮像装置。