JP2008249838A - 結像光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｆ値を明るくできると共に、小型化および簡素化を図ることのできる結像光学系を得る。
【解決手段】正のパワーを有するレンズ群４と、入射面７と出射面９とに曲率を有し、入射光を概直角に偏向するプリズム６とによって結像光学系を構成する。このような構成において、正のパワーを有するレンズ群４の主点からプリズム６の入射面７の間隔をＬとした場合、この間隔Ｌの最適な範囲を定める。
【選択図】図１

Description

この発明は、可視領域から赤外領域に亘る広い波長域で良好な結像条件を満足する小型で簡素な構成の結像光学系に関するものである。

従来、可視領域において、携帯電話用ズームレンズを小型化するため、光学系をレンズとプリズムで構成したものがあった（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−５８８４０号公報（段落番号［００９３］から［０１０１］、図１０）

上記従来の光学系では、輝度の高い可視領域では使用できるものの、例えば、輝度の小さい赤外線においてはＦ値が不足し、使用することは困難であった。そのため、輝度の小さい条件でも使用可能なＦ値として１〜２が実現できる、明るく、かつ小型で簡素な光学系が求められていた。

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、Ｆ値を明るくできると共に、小型化および簡素化を図ることのできる結像光学系を得ることを目的とする。

この発明に係る結像光学系は、正のパワーを有するレンズ群の主点からプリズム入射面の間隔をＬとすると、この間隔Ｌが以下の条件を満たすことを特徴とする結像光学系である。

ここで、θ_fovは結像光学系の視野角、φ_oはレンズ群のパワー、Ｄはレンズ群の開口径、ｎはプリズムの屈折率、ｄはプリズム入射面寸法、ｍはＤ／ｄで規定される縮小率、Ｌ_bflはプリズムから像面までの距離である。

この発明の結像光学系は、正のパワーを有するレンズ群の主点からプリズム入射面の間隔Ｌの最適な範囲を定めたので、Ｆ値を明るくできると共に、小型化および簡素化を図ることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による結像光学系を示す説明図である。
図１は、ｙ軸およびｚ軸を含む平面における光学系の断面と光路を示しており、結像光学系は、ドーム１、レンズ２とレンズ３とからなるレンズ群４、絞り５、プリズム６、検知器１０を備えている。

ドーム１は、レンズ２およびプリズム６からなる光学系を保護するためのレンズであり、例えばＺｎｓで構成されている。レンズ２は正のパワーを持つレンズ、レンズ３は負のパワーを持つレンズであり、レンズ群４は、これらレンズ２，３からなり、その合成パワーが正のパワーとなるレンズ群である。絞り５は、レンズ群４の前面側に設けられた絞りである。プリズム６は入射面７および出射面９に曲率を有するプリズムである。検知器１０は、プリズム６の出射面９側に設けられ、入射面７から入射して反射面８で反射され、出射面９より出射した光束を受けるためのセンサである。

このように構成された結像光学系において、光は図面の左から入射する。光はドーム１を経てレンズ群４にて集光されてプリズム６に入射する。プリズム６への入射光は入射面７を通り、反射面８で９０度偏向され、出射面９を通って検知器１０に達する。

本実施の形態において、レンズ群４に絞り５を設けることにより、レンズを通過する光束の振れを極めて小さくできる構成を取っている。即ち、この構成をとることにより、レンズ群４には光学系として必要な開口有効径に極めて近い直径のレンズを用いることができ、レンズ群４として最も小型の構成を実現できるものである。

ここでプリズム６を光路折り曲げ部分に用いる効果について説明する。
図２は、ミラーによる光路折り曲げの構成例を示すものであり、光路折り曲げのミラー１１とレンズ１２を備えている。
ミラー１１による光路折り曲げに必要な領域は、プリズム６を使用した時より大きい。これは図１のプリズム６を構成する材料の屈折率が空気の屈折率より高いことに起因する。

厚さｔ、屈折率ｎの光学材料中を伝播する光線の広がりは、空気中でｎｔの距離を光線が伝搬する距離と等しい。つまり、収束光が空気中と光学材料中の各々同じ距離伝播した際の光の発散状態を考えると、光学材料中を伝播する光の収束状態は、空気で伝播する光の光路の１／ｎの距離伝播した位置での収束状態と同一になることがわかる。本実施の形態に当てはめると、光学材料を充填したプリズムを使用することにより光路折り曲げ部分を等価的に検知器１０に近づけて配置することができる。したがって、光路折り曲げ部分における光線の広がりは小さいので、結果的にプリズム６の寸法を小型化することができる。

また、光路折り曲げ部分をプリズム６にすることにより、ミラーだけの構成に比べ入射面７および出射面９という２面の屈折面が新たに加わることになる。これら入射面７および出射面９は平面で構成することも可能であるが、本実施の形態ではこの面に曲率を与えることにより、設計の自由度を向上させている。このため、本来、図２のようにレンズ１２が必要であったものが、図１のように、レンズ群４およびプリズム６のみで構成できている。結像性能向上の点から、可能な限り面の自由度が増えることが望ましいため、入射面７および出射面９に曲率を与えることが構成上有利であることは明らかである。

また、図２のようにミラー１１で折り曲げる際の問題点として、光学素子間のアライメントが難しい点があげられる。レンズ群４の光軸に対しミラー１１で折り曲げられた後のレンズ１２の軸の併進ずれ（上下左右）位置ずれ（前後）およびあおりという６つの自由度を正確に合わせる必要があるが、これらの状態は折り曲げミラー１１の位置およびあおりの状態に依存している。特にあおりに関してはミラー１１より後ろのレンズ１２に対してミラー設置誤差の２倍の影響が出るため、極めて慎重に調整を行う必要がある。

これに対してプリズムでは、軸の併進ずれ（上下左右）位置ずれ（前後）およびあおりは、工作機械の精度で決まる極めて小さい角度公差で製作できる。つまり、曲率を与えた入射面７および出射面９は、工作機械の精度で決まる極めて小さい位置誤差で製作でき、かつ、強固に固定された安定状態にあるため、ミラーで構成する場合に比べ、非常に高い精度でアライメントされた状態で固定されていることになる。そのため、アライメントはレンズ群とプリズムという二つの光学素子の位置、あおりを調整するだけで終了することが可能になる。また、反射面間は非常に安定に固定された状態にあるため、外部からの振動に対しても強い光学系が構成できる。

本発明においてはプリズム部分がコンパクトで、かつ、明るい光学系を目指しているが、そのためにレンズ群４にプリズム６を過度に近づけたり、レンズ群４に対するプリズム６の大きさを過度に小さくするとプリズム６の設置が不可能になる。レンズ群４とプリズム６の間隔および、レンズ群４に対するプリズム６の大きさには以下に示す制限条件が存在するからである。ここでレンズ群４とプリズム６の間隔および、レンズ群４に対するプリズム６の大きさの制限条件を説明するため、図３に示したレンズ群４を薄肉としたモデルを元に説明する。

図３に記したプリズム配置を検討する際に使用するパラメータを以下に示す。
レンズ群４のパワー ：φ_o
レンズ群４の開口有効径 ：Ｄ
縮小率（プリズム入射光束径とレンズ群４の開口有効径の比） ：ｍ＝Ｄ／ｄ
レンズ群４からプリズム６までの距離 ：Ｌ
バックフォーカス長 ：Ｂ
バックフォーカス最小値 ：Ｂ_min
画角 ：θ_fov

先ず、レンズ群４とプリズム６の間隔Ｌの下限に関する配置条件について述べる。
レンズ群４を薄肉と仮定する。図４に示すモデルを考えると、画角θ_fov、φ_o、Ｄを元に、レンズ群４からの任意距離Ｌにおける光束径が計算できる。ここで、像高はレンズ群４の開口有効径Ｄの半分より小さいと仮定するとレンズ群４から遠ざかるほど光束径が小さくなり、像面位置で最小になる。この光束径が縮小率ｍおよびレンズ群４の有効開口径Ｄによって定められる値Ｄ／ｍ（即ちプリズム入射光束径ｄ）に一致する条件がＬの下限になる。

距離Ｌにおける画角θ_fovでの主光線の変位ｈ₁は、
ｈ₁＝Ｌ×ｔａｎ（θ_fov／２） （式１）
距離Ｌにおける軸上光の周辺光高さｈ₂は、
ｈ₂＝（１／φ_o−Ｌ）／φ_o×Ｄ／２ （式２）
近似的にはＬにおける光束高さｈは、
ｈ＝ｈ₁＋ｈ₂ （式３）
であり、式１および式２を用いると、光束高さｈは下式となる。

これを用い、Ｌの下限Ｌ_minを求める。Ｌの下限は前述のように、ｈ＝Ｄ／（２ｍ）になる条件を満たす場合であり、これを各パラメータで示すと下記のようになる。
ｈ₁＋ｈ₂＝Ｄ／（２ｍ） （式５）
式４を用いると、

これをＬ_minについて解くと下記のようになる。

次に、Ｌの上限に関する配置条件について説明する。
プリズムのパワー有無によるＬの尤度拡大の効果をみるため、プリズムがパワーを持つ場合を考える前に、パワーを持たない場合の配置条件について説明する。
図５のようなプリズムを仮定する。この場合、プリズム内の光路長６０はプリズムの入射径と等しくなる（光路長＝Ｄ／ｍ）。

レンズ群４の焦点距離からＬを引いた距離が、プリズム内の光路長にバックフォーカス長Ｂを加えた長さより長くなる必要があり、これがＬの上限を決める。プリズム内の光路長を空気換算する必要性を考慮して、この条件を示すと下記の式になる。
１／φ_o―Ｌ＝Ｄ／ｍ×１／ｎ＋Ｂ （式８）
Ｂがバックフォーカス最小値Ｂ_minになるときがＬの上限Ｌ_maxになる。

Ｌ_maxについて解くと下記のようになる。

Ｌ_maxに関する式１０とＬ_minに関する式７を合わせ、パワーを持たないプリズムの場合、Ｌの存在範囲は下記の条件を満たす範囲になる。

次に、プリズムにパワーを持つ場合のプリズム設置に関する制限条件について説明する。
レンズ群４の結像点をＱ、入射面７による結像点Ｑの結像点をＱ’、出射面９による結像点Ｑ’の結像点（即ち最終的な結像点）をＱ’’とした場合の、各結像点の位置関係を図６に示す。

プリズム６の屈折率をｎ、入射面７の曲率半径をｒ１、出射面９の曲率半径をｒ２とすると、これらの結像点の位置関係は下式によって表される。
ｎ／Ｓ’＝（ｎ−１）／ｒ₁＋１／Ｓ （式１２）
１／Ｓ’’＝（１−ｎ）／ｒ₂＋ ｎ／Ｘ （式１３）
Ｘ＝Ｓ’−Ｄ／ｍ （式１４）
上記の式においてＳ’を消去してＳとＢの関係を求めると下式のようになる。

レンズ群４とプリズム６の間の距離Ｌを調節することによりバックフォーカス長Ｂを調節できる。バックフォーカス最小値Ｂ_minの距離は最低必要なので、Ｂ＝Ｂ_minになるようにＬを調節した場合がＬが最大の条件であることがわかる。Ｂ＝Ｂ_minの時のＳをＳＢ_minとすると、ＳＢ_minは下式のように表すことができる。

次に、Ｌを最大にするプリズム６の入射面７および出射面９の曲率半径ｒ₁、ｒ₂について考える。レンズ群４のパワーが一定の条件では、プリズム６のパワーが負の最小値を取るとき（即ちｒ₁は負の最大値、ｒ₂は正の最小値のとき）に最も光学系全系の長さが長くなる。この状態でプリズム６を検知器１０に最も接近させた状態、つまり、バックフォーカスＢ＝Ｂ_minにプリズムを移動した状態がＬ最大の条件であるといえる。式１６はプリズム６を検知器１０に最も接近させた状態のＬについて記述されているため、式１６のｒ₁、ｒ₂がプリズム６のパワーが負の最小値になる条件であればＬが最大の条件となる。

以下、プリズム６のパワーが負の最小値をとるｒ₁が負の最大値、ｒ₂が正の最小値である場合について考える。ここでは単純化するため、入射面７と出射面９が干渉しない曲率半径を適用することにする。図７から明らかなように、プリズム６を２分割する面およびプリズム反射面８に接する球面の半径が最小曲率半径であることがわかる。よって、最小曲率半径は下式によって与えられると仮定する。

ここで、あるパワーφ_oのレンズ群４を用いた際の、Ｌ、Ｓの関係について考える。φ_oとＬとＳの関係は以下のように表せる。
Ｌ＝φ_o−Ｓ （式１９）
Ｌが最大の条件はＳ＝Ｓ_Bminかつ、ｒ₁、ｒ₂が式１７と式１８を満たした場合であり、下式によって与えられる。

Ｌ_minを示す式７とＬ_maxを示す式２０を用いると、Ｌの存在範囲は下式のように表すことができる。

次に、例として、特定条件下におけるＬおよびｍの関係を求めてみる。
レンズ群４のパワーφ_oおよび縮小率ｍに対するレンズ群４とプリズム６の間隔Ｌの関係を明らかにするため、縮小率ｍを１．５から０．２５刻みで変化させ、各々の場合におけるレンズ群４のパワーφ_oとレンズ群４・プリズム間隔Ｌの関係を図８および図９に示した。他の諸条件は以下に示す値とした。
レンズ有効開口径Ｄ ：６０ｍｍ
視野角θ_fov ：１２°
バックフォーカス最小値Ｂｍｉｎ_l ：５ｍｍ
プリズム屈折率ｎ ：２．５
縮小率ｍ ：１．５≦ｍ≦２．７５
レンズ群４のパワーφ_o ：１／１００≦φ_o≦１／３０

図８は、入出射面に曲率を与えていないプリズムを使用した場合である。図中、実線がＬの上限、破線がＬの下限を示している。
図示のように、縮小率ｍ＝２．２５が限界であり、この条件ではレンズ群４のパワーとＬの関係はほぼ１対１の関係になっている。設計の尤度を考えると、縮小率ｍは１．７５未満におさえることが望ましい。

図９は、入出射面に曲率を与えたプリズムを使用した場合である。図９においても、実線がＬの上限、破線がＬの下限を示している。
この場合は、縮小率ｍが１．７５以上、例えば、縮小率ｍ＝２．７５でも設置条件に余裕があることがわかる。曲率を与えていないプリズムをｍ＝２．２５で使用した場合と、曲率を与えたプリズムをｍ＝２．７５で使用した場合で比べると、曲率を与えたほうが約２割プリズムを小型化できるといえる。言い換えると、縮小率が等しい場合、設計の尤度が拡大されていると言える。

次に、数値実施例１として設計結果の光学的パラメータの値を以下に示すと共に、図９において該当する条件を黒丸（●印）で示した。尚、上記の検討はレンズ群を薄肉と考えているため、整合を取るためにレンズ群４の主点から入射面７までの距離がＬに相当する間隔とした。
レンズ群４有効開口径Ｄ ：６０ｍｍ
視野角θ_fov ：１２°
バックフォーカス最小値 ：５ｍｍ
プリズム６屈折率ｎ ：２．５
縮小率ｍ ：２．５
レンズ群４のパワーφ_o ：０．０２１（ｍｍ^-1）（合成焦点距離４７．１ｍｍ）
レンズ群４主点〜プリズム６間隔Ｌ ：４０ｍｍ
図９から分かるように、数値実施例１のプリズム位置は適切に配置されており、曲率の無いプリズムに対して縮小率も十分高い設計となっているといえる。
続いて、詳細な設計例として、以下に数値実施例を示す。

〈数値実施例１〉
数値実施例１の光学系における図面上の構成は図１と同様であるため、以下、図１を援用して説明する。
レンズ群４の第４面およびプリズム６の入出射面７，９はｚ軸を対称軸とする回転対称な非球面形状であり、Ｋは円錐係数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数、ｒは面の曲率半径とすると、ｚ軸から半径Ｒの位置での非球面変位量は以下に示す通りである。
ｚ＝（Ｒ²／ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（Ｒ²／ｒ²）｝^1/2］＋ＡＲ⁴＋ＢＲ⁶＋ＣＲ⁸＋ＤＲ¹⁰
尚、以下の数値実施例において非球面変位量の単位はｍｍである。
数値実施例１の光学系の構成データを以下に示す。以下の構成データにおいて、距離は、各々長さの量で表されているが、具体的には同じ形状の相似形でも実現できるものであり、長さの比と考えてよい。

絞り径６０ｍｍ
検知器寸法６ｍｍ×８ｍｍ
画角１２度×１６度
（Ｆナンバ０．９５）

第１面
曲率半径：７０．０
第１面と第２面の間隔：５．０
材質：ＺｎＳ

第２面
曲率半径：６５．０
第２面と第３面の間隔：５．０

第３面
曲率半径：４２．３４５４２５００２５
第３面と第４面の間隔：１０．０
材質：ＧＡＳＩＲ２

第４面
曲率半径：８８．２２４６７６０１０８
非球面係数
Ｋ：２．１３６６２２３８４１４
Ａ：０．４０５８１３１４８７８８ｅ−７
Ｂ：−０．１０３６４０１１５５２３ｅ−９
Ｃ：−０．３２４２７８９０９６１８ｅ−１３
Ｄ：−０．７７９８６７９９２０５７ｅ−１７
第４面と第５面の間隔：３．０

第５面
曲率半径：６８．６８４１８８３４７４
第５面と第６面の間隔：５．０
材質：ＺｎＳ

第６面
曲率半径：４６．４６７１５４３６７４
第６面とプリズム入射面の間隔：３２．０

プリズム入射面
曲率半径：−５２９．３６７９３７６９
非球面係数
Ｋ：１．０
Ａ：−０．１４３２２６６８６７４６ｅ−４
Ｂ：−０．４３１８０４４７７３５１ｅ−７
Ｃ：０．１９４９４７２１１４８８ｅ−１０
Ｄ：−０．２７６０５９０９０７７４ｅ−１２
プリズム入射面と反射面の間隔：１２．０
材質：ＧＡＳＩＲ２

反射面とプリズム出射面の間隔
距離：１２．０
回転：４５度
材質：ＧＡＳＩＲ２

プリズム出射面
曲率半径：−４０２．０１８２６８６９６
非球面係数
Ｋ：１．０
Ａ：０．１１７１７９９１７８１９ｅ−４
Ｂ：−０．１７６５３５８６１７５９ｅ−７
Ｃ：０．５７０８９９４３２１０６ｅ−９
Ｄ：−０．１８９０９８５８９８２９ｅ−１１
プリズム出射面と像面の間隔：５．０

次に、更なる簡素化のため、色消しとして用いられている回折光学系を用いることで、レンズ群４のレンズ枚数を削減できることを示す。回折光学系を適用することにより数値実施例１で２枚必要であったレンズ群４のレンズ枚数を１枚にすることができる。レンズ裏面に回折光学系を設けた数値実施例を以下に示す。

〈数値実施例２〉
図１０は、数値実施例２の光学系を示す断面図である。
図１０において、単レンズ１３は、回折光学系を設けた正のパワーを有するレンズである。その他の構成は図１と同一であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。

ここで、数値実施例２では、第４面およびプリズム６の入射面７は回転対称な非球面形状であり、各係数は数値実施例１の記載に沿って示している。また、第４面、入射面７および出射面９はｚ軸を回転中心とする回転対称な回折面であり、Ｒをｚ軸からの半径とし、ｚを回折面の位相とすると、基準波長（実施例中に単位ｎｍで表示）におけるｚ軸からの半径Ｒにおける回折面における位相係数と位相との関係は以下のように示されるものである。
ｚ＝Ｄ１×Ｒ²＋Ｄ２×Ｒ⁴＋Ｄ３×Ｒ⁶＋・・・・
＋Ｄｎ×Ｒ²ⁿ＋・・・・
尚、ｚの単位はｍｍである。

絞り径６０ｍｍ
検知器寸法６ｍｍ×８ｍｍ
画角１２度×１６度
（Ｆナンバ０．９５）

第１面
曲率半径：７０．０
第１面と第２面の間隔：５．０
材質：ＺｎＳ

第２面
曲率半径：６５．０
第２面と第３面の間隔：５．０

第３面
曲率半径：４５．７４５５７５６８３５
第３面と第４面の間隔：１０．０
材質：ＧＡＳＩＲ２

第４面
曲率半径：７４．８０３６２１０８８９
非球面係数
Ｋ：０．１６４６９９３５９０５８
Ａ：０．２２４３２３２５６３５３ｅ−６
Ｂ：−０．７６２５１６２６９２７９ｅ−１０
Ｃ：０．１５３１１５９４７６０６ｅ−１２
Ｄ：−０．８０６５６５６１８９５１ｅ−１６
位相係数
Ｄ１：−０．０００２５８４１３０９５４５２
Ｄ２：−０．３５８３９９２０７１６１ｅ−７
Ｄ３：０．１１９９７８８４４６１ｅ−９
Ｄ４：０．０
Ｄ５：−０．４７７１０９０６３６５５ｅ−１５
Ｄ６：０．２４９１９２９０１３４８ｅ−１８
Ｄ７：０．８２１１２９８７５０２７ｅ−２１
Ｄ８：−０．１９２０５８４５３１５８ｅ−２４
Ｄ９：−０．１４６９０７０６９６６５ｅ−２６
Ｄ１０：０．１００５１１３１３４３７ｅ−２９
基準波長：１００００．０ｎｍ
第４面とプリズム入射面の間隔：４０．０

プリズム入射面
曲率半径：９４９０．５６１１１４３７
非球面係数
Ｋ：−０．３４９４６８１０６０７７ｅ２４
Ａ：−０．６４４７７０４５６９６ｅ−５
Ｂ：−０．５１８７０３１８６７０５ｅ−７
Ｃ：０．１０７２２４９２１３０６ｅ−９
Ｄ：−０．２２９０６２０７９６７５ｅ−１２
位相係数
Ｄ１：０．０００３２４４８２８５８０３
Ｄ２：０．６６９７７５０４４２４８ｅ−５
Ｄ３：−０．３２２４０９７１８４９３ｅ−７
Ｄ４：０．０
Ｄ５：０．９６６２８１５３３５０２ｅ−１２
Ｄ６：−０．５６１９０６２３６６３３ｅ−１４
Ｄ７：−０．１２３１６１２７３６５８ｅ−１６
Ｄ８：０．２３１８２１８１３５９６ｅ−１８
Ｄ９：−０．７７４４６９４３３０４３ｅ−２１
Ｄ１０：０．８０６０６１３４９７５５ｅ−２４
基準波長：１００００．０ｎｍ
プリズム入射面と反射面の間隔：１２．０
材質：ＧＡＳＩＲ２

反射面とプリズム出射面の間隔
距離：１２．０
回転：４５度
材質：ＧＡＳＩＲ２

プリズム出射面
曲率半径：−２０１．２２５９５３０６１
Ｄ１：−０．００１１７２１０４３５９１８
Ｄ２：０．８２７９３０８００８９２ｅ−５
Ｄ３：−０．１７９１７３５２７４７４ｅ−６
Ｄ４：０．０
Ｄ５：０．２５２３７５９０１６２２ｅ−１０
Ｄ６：−０．５６１９０６２３６６３３ｅ−１４
Ｄ７：−０．１２３１６１２７３６５８ｅ−１６
Ｄ８：０．３９２０９９３９０１１６ｅ−１７
Ｄ９：０．２２２０１０８７０４３１ｅ−１９
Ｄ１０：−０．１１１１１１９１２４０１ｅ−２１
基準波長：１００００．０ｎｍ
プリズム出射面と像面の間隔：５．０ｍｍ

尚、数値実施例２では、単レンズ１３の出射面側に回折光学系を設けたが、入射面側でもよく、また、入射面と出射面の両方に設けても良い。更に、プリズム６の入射面７および出射面９の両方に回折光学系を設けたが、いずれか一方の面のみであってもよい。

また、以上の数値実施例ではいずれもプリズム６を構成する光学材料としてカルコゲナイドガラスの一種であるＧＡＳＩＲ２（元素組成Ｇｅ２０Ｓｂ１５Ｓｅ６５）を用いている。この光学材料は赤外線領域の広い波長帯域（近赤外〜遠赤外）において良好な透過特性を有し、かつ、モールド成型が可能である。このため高精度の型を精密旋盤にて作成すれば高精度のプリズムが容易に多量に製造可能である。

また、プリズム６を構成する光学材料として、ＧＡＳＩＲ２に限らず、同じカルコゲナイドガラスに属するＧＡＳＩＲ１（元素組成Ｇｅ２２Ａｓ２０Ｓｅ６５）やａｍｔｉｒ−１（元素組成Ｇｅ３３Ａｓ１２Ｓｅ５５），ａｍｔｉｒ−３（元素組成Ｇｅ２８Ｓｂ１２Ｓｅ６０），ａｍｔｉｒ−４（元素組成ＡｓＳｅ）やＩＧ２（元素組成Ｇｅ３３Ａｓ１２Ｓｅ５５），ＩＧ３（元素組成Ｇｅ３３Ａｓ１３Ｓｅ５２Ｔｅ２５），ＩＧ４（元素組成Ｇｅ１０Ａｓ４０Ｓｅ５０），ＩＧ５（元素組成Ｇｅ２８Ｓｂ１２Ｓｅ６０），ＩＧ６（元素組成Ａｓ４０Ｓｅ６０）などを用いて構成しても同等の効果が得られる。

また、以上の実施の形態では、光学系を保護するドーム１を設けている。ドーム１を設けることにより、ごみ等が内部の光学系に直接付着することを防ぐことができ、耐環境性の点で優れた構成にすることができる。実施の形態では、レンズ形状に沿うような球面のドーム形状の例を示したが、寸法条件が許せばドームの形状は平面であっても同様の効果が期待できる。

また、絞り５の形状をｘ方向に長い楕円または長方形にすることによりｙ軸方向の光学系の寸法を変えることなく光学系の明るさを明るくできる。よって、絞り５の形状は従来の円形にこだわる必要は無く、ｘ軸方向に長い楕円または長方形にしても良い。

以上のように、実施の形態１の結像光学系によれば、正のパワーを有するレンズで構成されるレンズ群と、入出射面に曲率を有し、入射光を概直角に偏向するプリズムとによって構成される結像光学系において、正のパワーを有するレンズ群の主点からプリズム入射面の間隔をＬとした場合、間隔Ｌが以下の条件である。

ここで、θ_fovは結像光学系の視野角、φ_oはレンズ群のパワー、Ｄはレンズ群の開口径、ｎはプリズムの屈折率、ｄはプリズム入射面寸法、ｍはＤ／ｄで規定される縮小率、Ｌ_bflはプリズムから像面までの距離、である。
を満たすようにしたので、Ｆ値を明るくできると共に、小型化および簡素化を図ることができる。

また、実施の形態１の結像光学系によれば、縮小率ｍを１．７５以上としたので、結像光学系としての小形化を図ることができる。

また、実施の形態１の結像光学系によれば、正のパワーを有するレンズ群に絞りを設けたので、レンズ群には光学系として必要な開口有効径に極めて近い直径のレンズを用いることができることから、レンズ群として最も小型の構成を実現でき、その結果、光学系としての小型化に寄与することができる。

また、実施の形態１の結像光学系によれば、正のパワーを有するレンズ群を、カルコゲナイドガラスを材料とする正パワーのレンズと、ＺｎＳを材料とする負パワーのレンズで構成したので、レンズ群の設計の自由度を向上させることができる。

また、実施の形態１の結像光学系によれば、正のパワーを有するレンズ群を、カルコゲナイドガラスを材料とする正パワーの単レンズで構成し、レンズを構成する入射面または出射面のうち少なくとも一方に回折光学系を設けたので、レンズ群としてのレンズ枚数を削減でき、更に小形化に寄与することができる。

また、実施の形態１の結像光学系によれば、プリズムの入射面または出射面のうち少なくとも一方に回折光学系を設けたので、プリズムの小形化を図ることができ、その結果、結像光学系としての小形化に寄与することができる。

また、実施の形態１の結像光学系によれば、プリズムをモールド可能な光学材料で構成したので、高精度の型を精密旋盤にて作成すれば高精度のプリズムが容易に多量に製造することができる。

また、実施の形態１の結像光学系によれば、プリズムをカルコゲナイドガラスで構成したので、赤外線領域で良好な透過特性を有する結像光学系を容易に実現することができる。

また、実施の形態１の結像光学系によれば、結像光学系の光の入射側に保護用のドームを設けたので、ごみ等が内部の光学系に直接付着することを防ぐことができ、耐環境性の点で優れた構成にすることができる。

また、実施の形態１の結像光学系によれば、長方形の絞りを設けたので、短手方向の光学系の寸法を変えることなく光学系の明るさを明るくすることができる。

また、実施の形態１の結像光学系によれば、楕円形の絞りを設けたので、短軸方向の光学系の寸法を変えることなく光学系の明るさを明るくすることができる。

この発明の実施の形態１による結像光学系を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による結像光学系の効果を説明するためのミラーによる光路折り曲げの構成例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による結像光学系のプリズム配置に関する説明図である。 この発明の実施の形態１による結像光学系のレンズ群とプリズムとの間隔の下限に関する配置条件の説明図である。 この発明の実施の形態１による結像光学系のプリズムの光路長の説明図である。 この発明の実施の形態１による結像光学系の各結像点の関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による結像光学系のプリズムに関する曲率半径の説明図である。 この発明の実施の形態１による結像光学系の入出射面に曲率を与えていないプリズムを使用した場合の変化を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による結像光学系の入出射面に曲率を与えたプリズムを使用した場合の変化を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による結像光学系の数値実施例２を示す説明図である。

符号の説明

１ ドーム、２，３ レンズ、４ レンズ群、５ 絞り、６ プリズム、７ 入射面、８ 反射面、９ 出射面、１３単レンズ。

Claims (11)

1. 正のパワーを有するレンズで構成されるレンズ群と、入出射面に曲率を有し、入射光を概直角に偏向するプリズムとによって構成される結像光学系において、
   前記正のパワーを有するレンズ群の主点から前記プリズム入射面の間隔をＬとした場合、当該間隔Ｌが以下の条件を満たすことを特徴とする結像光学系。
   

   

   ここで、θ_fovは結像光学系の視野角、φ_oはレンズ群のパワー、Ｄはレンズ群の開口径、ｎはプリズムの屈折率、ｄはプリズム入射面寸法、ｍはＤ／ｄで規定される縮小率、Ｌ_bflはプリズムから像面までの距離、である。
2. 縮小率ｍが１．７５以上であることを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
3. 正のパワーを有するレンズ群に絞りを設けたことを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
4. 正のパワーを有するレンズ群を、カルコゲナイドガラスを材料とする正パワーのレンズと、ＺｎＳを材料とする負パワーのレンズで構成したことを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
5. 正のパワーを有するレンズ群を、カルコゲナイドガラスを材料とする正パワーの単レンズで構成し、当該レンズを構成する入射面または出射面のうち少なくとも一方に回折光学系を設けたことを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
6. プリズムの入射面または出射面のうち少なくとも一方に回折光学系を設けたことを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
7. プリズムをモールド可能な光学材料で構成したことを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
8. プリズムをカルコゲナイドガラスで構成したことを特徴とする請求項７記載の結像光学系。
9. 結像光学系の光の入射側に保護用のドームを設けたことを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
10. 長方形の絞りを設けたことを特徴とする請求項３記載の結像光学系。
11. 楕円形の絞りを設けたことを特徴とする請求項３記載の結像光学系。

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