JP4065461B2 - ズーム光学系及びそれを用いた撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はズーム光学系及びそれを用いた撮像装置に関し、特に複数の反射面を有する光学素子と屈折面のみで構成される光学素子とを複数個用い、そのうち少なくとも２つの光学素子の相対的位置を変化させることによりズーミング（変倍）を行うものであり、ビデオカメラやスチールビデオカメラ、そして複写機等に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
ズーム撮像光学系として、従来より知られているものとして、屈折レンズのみで構成した光学系がある。これらは、球面あるいは回転対称非球面の屈折レンズが、光軸に対して回転対称に配置されている。
【０００３】
また、従来より凹面鏡や凸面鏡等の反射面を利用した撮影光学系が種々と提案されているし、反射系と屈折系とを両方使用した光学系もカタディオプトリック系としてよく知られている。
【０００４】
図23は１つの凹面鏡と１つの凸面鏡より成る所謂ミラー光学系の概略図である。
【０００５】
同図のミラー光学系において、物体からの物体光束104 は、凹面鏡101 にて反射され、収束されつつ物体側に向かい、凸面鏡102 にて反射された後、レンズ110 で屈折され、像面103 に結像する。
【０００６】
このミラー光学系は、所謂カセグレン式反射望遠鏡の構成を基本としており、屈折レンズで構成されるレンズ全長の長い望遠レンズ系の光路を相対する二つの反射ミラーを用いて折りたたむ事により、光学系全長を短縮することを目的としたものである。
【０００７】
また、望遠鏡を構成する対物レンズ系においても、同様な理由から、カセグレン式の他に、複数の反射ミラーを用いて光学系の全長を短縮する形式が多数知られている。
【０００８】
この様に、従来よりレンズ全長の長い撮影レンズの代わりに反射ミラーを用いる事により、効率よく光路を折りたたんで、コンパクトなミラー光学系を得ている。
【０００９】
しかしながら、一般的にカセグレン式反射望遠鏡等のミラー光学系においては、凸面鏡102 により物体光線の一部がケラレると言う問題点がある。この問題は物体光束104 の通過領域中に凸面鏡102 がある事に起因するものである。
【００１０】
この問題点を解決する為に、反射ミラーを偏心させて使用して、物体光束104の通過領域を光学系の他の部分が遮蔽することを避ける、即ち光束の主光線を光軸105 から離すミラー光学系も提案されている。
【００１１】
図24は米国特許3,674,334 号明細書に開示されているミラー光学系の概略図であり、光軸に対して回転対称な反射ミラーの一部を用いることによって上記のケラレの問題を解決している。
【００１２】
同図のミラー光学系は光束の通過順に凹面鏡111 、凸面鏡113 そして凹面鏡112 があるが、それらはそれぞれ図中二点破線で示す様に、もともと光軸114 に対して回転対称な反射ミラーである。このうち凹面鏡111 は光軸114 に対して紙面上側のみ、凸面鏡113 は光軸114 に対して紙面下側のみ、凹面鏡112 は光軸114に対して紙面下側のみを使用する事により、物体光束115 の主光線116 を光軸114 から離し、物体光束115 のケラレを無くした光学系を構成している。
【００１３】
図25は米国特許5,063,586 号明細書に開示されているミラー光学系の概略図である。同図のミラー光学系は反射ミラーの中心軸自体を光軸に対して偏心させて物体光束の主光線を光軸から離して上記の問題を解決している。
【００１４】
同図において、被写体面121 の垂直軸を光軸127 と定義した時に、光束の通過順に凸面鏡122・凹面鏡123・凸面鏡124 そして凹面鏡125 のそれぞれの反射面の中心座標及び中心軸（その反射面の中心とその面の曲率中心とを結んだ軸）122a,123a,124a,125a は、光軸127 に対して偏心している。同図ではこのときの偏心量と各面の曲率半径を適切に設定することにより、物体光束128 の各反射ミラーによるケラレを防止して、物体像を効率よく結像面126 に結像させている。
【００１５】
その他米国特許4,737,021 号明細書や米国特許4,265,510 号明細書にも光軸に対して回転対称な反射ミラーの一部を用いてケラレを避ける構成、或は反射ミラーの中心軸自体を光軸に対して偏心させてケラレを避ける構成が開示されている。
【００１６】
ところで、反射鏡と屈折レンズとを両方使用したカタディオプトリック光学系で、変倍機能を有したものとして例えば米国特許4,477,156 号明細書、米国特許4,571,036 号明細書に開示されているディープスカイ望遠鏡がある。これは、主鏡に放物面反射鏡を用い、エルフレ接眼鏡を使って倍率を可変にしたものである。
【００１７】
また、上記ミラー光学系を構成する複数の反射面を相対的に移動させることにより、撮影光学系の結像倍率（焦点距離）を変化させるズーミング技術も知られている。
【００１８】
例えば米国特許4,812,030 号明細書においては、図23に示すカセグレン式反射望遠鏡の構成において、凹面鏡101 から凸面鏡102 までの間隔と凸面鏡102 から像面103 までの間隔を相対的に変化させることにより撮影光学系の変倍を行う技術が開示されている。
【００１９】
図26は同公報に開示されている別の実施形態である。同図において、物体からの物体光束138 は第一凹面鏡131 に入射してこの面で反射され収束光束となって物体側に向かい第一凸面鏡132 に入射し、ここで結像面側へ反射され略平行な光束となって第二凸面鏡134 に入射し、この面で反射されて発散光束となって第二凹面鏡135 に入射し、ここで反射されて収束光束となり像面137 上に結像する。この構成において第一凹面鏡131 と第一凸面鏡132 間の間隔を変化させるとともに、第二凸面鏡134 と第二凹面鏡135 間の間隔を変化させてズーミングを行い全系のミラー光学系の焦点距離を変化させている。
【００２０】
また、米国特許4,993,818 号明細書においては、図23に示すカセグレン式反射望遠鏡にて結像した像を後段に設けた別のミラー光学系にて二次結像し、この二次結像用のミラー光学系の結像倍率を変化させることにより撮影系全体の変倍を行っている。
【００２１】
これらの反射型の撮影光学系は、構成部品点数が多く、必要な光学性能を得る為には、それぞれの光学部品を精度良く組み立てることが必要であった。特に、反射ミラーの相対位置精度が厳しい為、各反射ミラーの位置及び角度の調整が必須であった。
【００２２】
この問題を解決する一つの方法として、例えばミラー系を一つのブロック化することにより、組立時に生じる光学部品の組み込み誤差を回避する方法が提案されている。
【００２３】
従来、多数の反射面が一つのブロックになっているものとして、例えばファインダー系等に使用されるペンタゴナルダハプリズムやポロプリズム等の光学プリズムがある。
【００２４】
これらのプリズムは、複数の反射面が一体成形されている為に、各反射面の相対的な位置関係は精度良く作られており、反射面相互の位置調整は不要となる。但し、これらのプリズムの主な機能は、光線の進行方向を変化させることで像の反転を行うものであり、各反射面は平面で構成されている。
【００２５】
これに対して、プリズムの反射面に曲率を持たせた光学系も知られている。
【００２６】
図27は米国特許4,775,217 号明細書に開示されている観察光学系の要部概略図である。この観察光学系は外界の風景を観察すると共に、情報表示体に表示した表示画像を風景とオーバーラップして観察する光学系である。
【００２７】
この観察光学系では、情報表示体141 の表示画像から射出する表示光束145 は面142 にて反射して物体側に向かい、凹面より成るハーフミラー面143 に入射する。そしてこのハーフミラー面143 にて反射した後、表示光束145 は凹面143 の有する屈折力によりほぼ平行な光束となり、面142 を屈折透過した後、表示画像の拡大虚像を形成するとともに、観察者の瞳144 に入射して表示画像を観察者に認識させている。
【００２８】
一方、物体からの物体光束146 は反射面142 とほぼ平行な面147 に入射し、屈折して凹面のハーフミラー面143 に至る。凹面143 には半透過膜が蒸着されており、物体光束146 の一部は凹面143 を透過し、面142 を屈折透過後、観察者の瞳144 に入射する。これにより観察者は外界の風景の中に表示画像をオーバーラップして視認する。
【００２９】
図28は特開平2-297516号公報に開示されている観察光学系の要部概略図である。この観察光学系も外界の風景を観察すると共に、情報表示体に表示した表示画像をオーバーラップして観察する光学系である。
【００３０】
この観察光学系では、情報表示体150 から出射した表示光束154 は、プリズムPaを構成する平面157 を透過しプリズムPaに入り放物面反射面151 に入射する。表示光束154 はこの反射面151 にて反射されて収束光束となり焦点面156 に結像する。このとき反射面151 で反射された表示光束154 は、プリズムPaを構成する２つの平行な平面157 と平面158 との間を全反射しながら焦点面156 に到達しており、これによって光学系全体の薄型化を達成している。
【００３１】
次に焦点面156 から発散光として出射した表示光束154 は、平面157 と平面158 の間を全反射しながら放物面より成るハーフミラー152 に入射し、このハーフミラー面152 で反射されると同時にその屈折力によって表示画像の拡大虚像を形成すると共にほぼ平行な光束となり、面157 を透過して観察者の瞳153 に入射し、これにより表示画像を観察者に認識させている。
【００３２】
一方、外界からの物体光束155 はプリズムPbを構成する面158bを透過し、放物面より成るハーフミラー152 を透過し、面157 を透過して観察者の瞳153 に入射する。観察者は外界の風景の中に表示画像をオーバーラップして視認する。
【００３３】
さらに、プリズムの反射面に光学素子を用いた例として、例えば特開平5-12704 号公報や特開平6-139612号公報等に開示されている光ピックアップ用の光学ヘッドがある。これらは半導体レーザーからの光をフレネル面やホログラム面にて反射させた後、ディスク面に結像し、ディスクからの反射光をディテクターに導いている。
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の屈折光学素子のみの光学系は、絞りが光学系の内部に配置され、しかも入射瞳が光学系の奥深くにある場合が多く、絞りから見て最も物体側に位置する入射面までの間隔が大きいほど、入射面の光線有効径は大きくなり、しかも画角が大きくなると共に更に大きくなる問題点があった。
【００３５】
又、前記米国特許3,674,334 号明細書、米国特許5,063,586 号明細書、米国特許4,265,510 号明細書に開示されている偏心ミラーを有するミラー光学系は、いずれも各反射ミラーを異なる偏心量にて配置しており、各反射ミラーの取り付け構造が非常に煩雑となり、また取り付け精度を確保する事が非常に難しいものとなっている。
【００３６】
又、米国特許4,812,030 号明細書、米国特許4,993,818 号明細書に開示されている変倍機能を有する撮影光学系は、いずれも反射ミラーや結像レンズなどの構成部品点数が多く、必要な光学性能を得る為には、それぞれの光学部品を精度良く組み立てる必要があった。
【００３７】
また特に反射ミラーの相対位置精度が厳しくなる為、各反射ミラーの位置及び角度を精密に調整することが必要であった。
【００３８】
又従来の反射型の撮影光学系は、光学系全長が長く画角の小さい所謂望遠タイプのレンズ系に適した構成となっている。そして、標準レンズの画角から広角レンズの画角までを必要とする撮影光学系を得る場合には収差補正上必要とされる反射面数が多くなる為、更に高い部品精度、高い組立精度が必要となり、コスト或は全体が大型化する傾向があった。
【００３９】
又、前記米国特許4,775,217 号明細書、特開平2-297516号公報に開示されている観察光学系は、いずれも観察者の瞳から離れて配置されている情報表示体に表示されている表示画像を効率良く観察者の瞳に伝達する為の瞳結像作用と光線の進行方向を変化させる事を主眼としており、曲率を持った反射面にて積極的な収差補正を行う技術については直接的に開示されていない。
【００４０】
又、特開平5-12704 号公報や特開平6-139612号公報等に開示されている光ピックアップ用の光学系は、いずれも検知光学系の使用に限定されており、撮影光学系、特にCCD 等の面積型の撮像素子を用いた撮像装置に対する結像性能を満足するものではなかった。
【００４１】
本発明は、複数の曲面や平面の反射面を一体的に形成した光学素子と共軸の屈折面のみからなる光学素子とを複数用い、該複数の光学素子のうちの少なくとも２つの光学素子の相対的位置を適切に変化させてズーミングを行うことにより、ズーム光学系全体の小型化を図ると共に、性能へ大きく影響する反射面の配置精度（組立精度）のバラツキ及び狂いの少ないズーム光学系及びそれを用いた撮像装置の提供を目的とする。
【００４２】
更に、絞りをズーム光学系の物体側若しくは最初の光束入射面の近傍に配置すると共に、該ズーム光学系の中で物体像を少なくとも１回結像させる構成をとることにより、広画角のズーム光学系でありながら、各光学素子の有効径を縮小し、そして該光学素子を構成する複数の反射面に適切な屈折力を与えると共に、これらを偏心配置することにより、光学系内の光束がけられること無く所望の形状に屈曲し、ズーム光学系の所定方向の全長を短縮するズーム光学系及びそれを用いた撮像装置の提供を目的とする。
【００４３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のズーム光学系は、複数の光学素子を有し、該複数の光学素子を介して物体の像を結像するズーム光学系であって、像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を基準軸とするとき、該複数の光学素子は、
透明体の表面に２つの屈折面と、相互に偏心し、且つ少なくとも１つの回転非対称な非球面を含んだ複数の反射面とが形成され、光束が１つの屈折面から該透明体の内部へ入射し、該複数の反射面で反射を繰り返して別の屈折面から射出するように構成された反射光学素子と、
該基準軸と共通の光軸を持つ複数の屈折面のみで構成された２つの共軸光学素子とを含み、該２つの共軸光学素子が基準軸に沿って移動して、該反射光学素子と該２つの共軸光学素子との互いの相対的位置が変化することにより変倍を行っており、該物体の像は光路の中で少なくとも１回中間結像することを特徴としている。
【００４４】
請求項２の発明のズーム光学系は、複数の光学素子を有し、該複数の光学素子を介して物体の像を結像するズーム光学系であって、像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を基準軸とするとき、該複数の光学素子は、
相互に偏心し、且つ少なくとも１つの回転非対称な非球面を含んだ複数の表面鏡が一体的に形成され、光束が該複数の表面鏡の反射面で反射を繰り返して射出するように構成された反射光学素子と、
該基準軸と共通の光軸を持つ複数の屈折面のみで構成された２つの共軸光学素子とを含み、
該２つの共軸光学素子が基準軸に沿って移動して、該反射光学素子と該２つの共軸光学素子との互いの相対的位置が変化することにより変倍を行っており、該物体の像は光路の中で少なくとも１回中間結像することを特徴としている。
【００４５】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、記ズーム光学系の光束入射側又は最初の光束入射面の近傍に絞りを設けることを特徴としている。
請求項４の発明は請求項１〜３のいずれか１項の発明において、前記反射光学素子に入射する前記基準軸上の光線と、前記反射光学素子から射出する前記基準軸上の光線とが平行であることを特徴としている。
請求項５の発明は請求項４の発明において、前記反射光学素子に入射する前記基準軸上の光線の進行方向と、前記反射光学素子から射出する前記基準軸上の光線の進行方向とが同方向であることを特徴としている。
請求項６の発明は請求項４の発明において、前記反射光学素子に入射する前記基準軸上の光線の進行方向と、前記反射光学素子から射出する前記基準軸上の光線の進行方向とが反対方向であることを特徴としている。
請求項７の発明は請求項１〜６のいずれか１項の発明において、前記複数の反射面の内、曲面の反射面はすべて回転非対称な非球面であることを特徴としている。
請求項８の発明の撮像装置は、請求項１〜７のいずれか１項に記載のズーム光学系と、該ズーム光学系により撮像面上に物体の像が形成される撮像媒体とを有することを特徴としている。
【００４６】
【発明の実施の形態】
実施形態の説明に入る前に、実施形態の構成諸元の表し方及び実施形態全体の共通事項について説明する。
【００４７】
図 5は本発明の光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。本発明の実施形態では物体側から像面に進む１つの光線（図 5中の一点鎖線で示すもので基準軸光線と呼ぶ）に沿ってｉ番目の面を第ｉ面とする。
【００４８】
図 5において第１面R1は絞り、第２面R2は第１面と共軸な屈折面、第３面R3は第２面R2に対してチルトされた反射面、第４面R4、第５面R5は各々の前面に対してシフト、チルトされた反射面、第６面R6は第５面R5に対してシフト、チルトされた屈折面である。第２面R2から第６面R6までの各々の面はガラス、プラスチック等の媒質で構成される一つの光学素子上に構成されており、図 5中では第１光学素子B1としている。
【００４９】
従って、図 5の構成では不図示の物体面から第２面R2までの媒質は空気、第２面R2から第６面R6まではある共通の媒質、第６面R6から不図示の第７面R7までの媒質は空気で構成している。
【００５０】
本発明の光学系は偏心光学系であるため光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。そこで、本発明の実施形態においては先ず第１面の光線有効径の中心を原点とする絶対座標系を設定する。
【００５１】
そして、本発明の実施形態においては、第１面の光線有効径の中心点を原点とすると共に、原点と最終結像面の中心とを通る光線（基準軸光線）の経路を光学系の基準軸と定義している。さらに、本実施形態中の基準軸は方向（向き）を持っている。その方向は基準軸光線が結像に際して進行する方向である。
【００５２】
本発明の実施形態においては、光学系の基準となる基準軸を上記の様に設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すれば良い。しかし、一般的には像面の中心と、絞り又は入射瞳又は出射瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を光学系の基準となる基準軸に設定する。
【００５３】
つまり、本発明の実施形態においては、基準軸は第１面、即ち絞り面の光線有効径の中心点を通り、最終結像面の中心へ至る光線（基準軸光線）が各屈折面及び反射面によって屈折・反射する経路を基準軸に設定している。各面の順番は基準軸光線が屈折・反射を受ける順番に設定している。
【００５４】
従って基準軸は設定された各面の順番に沿って屈折若しくは反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。
【００５５】
本発明の各実施形態の光学系を構成するチルト面は基本的にすべてが同一面内でチルトしている。そこで、絶対座標系の各軸を以下のように定める。
【００５６】
Z軸：原点を通り第２面R2に向かう基準軸
Y軸：原点を通りチルト面内（図 5の紙面内）でZ 軸に対して反時計回りに90゜をなす直線
X軸：原点を通りZ、Y 各軸に垂直な直線（図 5の紙面に垂直な直線）
又、光学系を構成する第ｉ面の面形状を表すには、絶対座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でその面の面形状を表した方が形状を認識する上で理解し易い為、本発明の構成データを表示する実施形態では第ｉ面の面形状をローカル座標系で表わす。
【００５７】
また、第ｉ面のYZ面内でのチルト角は絶対座標系のZ 軸に対して反時計回り方向を正とした角度θi （単位°）で表す。よって、本発明の実施形態では各面のローカル座標の原点は図 5中のYZ平面上にある。またXZおよびXY面内での面の偏心はない。さらに、第ｉ面のローカル座標(x,y,z) のy,z 軸は絶対座標系(X,Y,Z) に対してYZ面内で角度θi 傾いており、具体的には以下のように設定する。
【００５８】
z 軸：ローカル座標の原点を通り、絶対座標系のZ 方向に対しYZ面内において反時計方向に角度θi をなす直線
y 軸：ローカル座標の原点を通り、z 方向に対しYZ面内において反時計方向に90゜をなす直線
x 軸：ローカル座標の原点を通り、YZ面に対し垂直な直線
また、Diは第ｉ面と第(i+1) 面のローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ndi 、νdiは第ｉ面と第(i+1) 面間の媒質の屈折率とアッベ数である。
【００５９】
また、本発明の実施形態の光学系は複数の光学素子の移動により全体の焦点距離を変化する（変倍をする）。本発明の数値データを挙げた実施形態では広角端(W) 、望遠端(T) とこれらの中間位置(M) の三つの位置での光学系断面図、数値データを示す。
【００６０】
ここで、図 5の光学素子においてYZ面内で光学素子が移動すると各変倍位置で値が変わるのは各面の位置を表すローカル座標の原点（Yi、Zi）であるが、数値データを挙げた実施形態では、変倍のために移動する光学素子がZ 方向の移動の場合は座標値Ziを光学系が広角端、中間、望遠端の状態の順にZi (W) 、Zi(M)、Zi(T) で表すこととし、変倍のために移動する光学素子がY 方向の移動の場合は座標値Yiを光学系が広角端、中間、望遠端の状態の順にYi (W) 、Yi(M) 、Yi(T) で表すこととする。
【００６１】
なお、各面の座標値は広角端での値を示し、中間、望遠端では広角端との差で記述する。具体的には広角端(W) に対する中間位置(M) 、望遠端(T) での移動量を各々a,b とすれば、以下の式で表す：
Zi(M)=Zi(W)+a
Zi(T)=Zi(W)+b
なお、a,b の符号は各面がZ プラス方向に移動する場合を正、Z マイナス方向に移動する場合を負としている。移動がＹ方向の場合も同様である。また、この移動に伴い変化する面間隔Diは変数であり、各変倍位置での値を別表にまとめて示す。
【００６２】
本発明の実施形態は球面及び回転非対称の非球面を有している。その内の球面部分は球面形状としてその曲率半径Riを記している。曲率半径Riの符号は、曲率中心がローカル座標のｚ軸プラス方向にある場合をプラスとし、ｚ軸マイナス方向にある場合をマイナスとする。
【００６３】
ここで、球面は以下の式で表される形状である：
【００６４】
【数１】
また、本発明の光学系は少なくとも回転非対称な非球面を一面以上有し、その形状は以下の式により表す：
A ＝(a+b)・(y２・cos２t+x２)
B ＝2a・b・cos t[1+{(b-a)・y・sin t/(2a・b)}
+〔1+{(b-a)・y・sin t/(a・b)}-{y２/(a・b)}-{4a・b・cos２t+(a+b)２sin２t}x２
/(4a２b２cos２t)〕１／２]
として
z ＝A/B+C02y2+C20x2+C03y3+C21x2y+C04y4+C22x2y2+C40x4
上記曲面式はx に関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定される曲面はyz面を対称面とする面対称な形状である。さらに以下の条件が満たされる場合はxz面に対して対称な形状を表す。
【００６５】
C03 ＝C21 ＝t ＝0
さらに
C02 ＝C20 C04＝C40＝C22/2
が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は非回転対称な形状である。
【００６６】
なお、本発明の各実施形態においては、実施形態４を除いて、図 5に示すように、その第１面は絞りである。又、水平半画角uYとは図 5のYZ面内において第１面R1に入射する光束の最大画角、垂直半画角uXとはXZ面内において第１面R1に入射する光束の最大画角である。また、絞りの直径を絞り径として示している。これは光学系の明るさに関係する。
【００６７】
なお、実施形態４を除いて、入射瞳は第１面に位置するため上記絞り径は入射瞳径に等しい。
【００６８】
又、像面上での有効像範囲を像サイズとして示す。像サイズはローカル座標のy方向のサイズを水平、x 方向のサイズを垂直とした矩形領域で表している。
【００６９】
又、構成データを挙げている実施形態については光学系のサイズを示している。そのサイズは広角端における光線有効径によって定められるサイズである。
【００７０】
又、構成データを挙げている実施形態についてはその横収差図を示す。横収差図は各実施形態の広角端(W) 、中間位置(M) 、望遠端(T) の状態について、絞りR1への水平入射角、垂直入射角が夫々(uY,uX),(0,uX),(-uY,uX),(uY,0),(0,0),(-uY, 0) となる入射角の光束の横収差を示す。横収差図においては、横軸は瞳への入射高さを表し、縦軸は収差量を表している。各実施形態とも基本的に各面がyz面を対称面とする面対称の形状となっている為、横収差図においても垂直画角のプラス、マイナス方向は同一となるので、図の簡略化の為に、マイナス方向の横収差図は省略している。
【００７１】
実施形態を以下に示す。
［実施形態１］
図 1は本発明のズーム光学系の実施形態１のYZ面内での光学断面図である。本実施形態は変倍比約3 倍の三群ズームレンズの撮像光学系である。その構成データを以下に記す。
【００７２】
広角端 中間 望遠端
水平半画角 26.3 18.2 9.3
垂直半画角 20.3 13.9 7.0
絞り径 2.4 2.4 2.4
像サイズ 水平4.8mm ×垂直3.6mm
光学系のサイズ(X×Y ×Z)＝広角端において 12.4x 32.9x 62.0
i Yi Zi(W) θi Di Ndi νdi
1 0.00 0.00 0.00 6.15 1 絞り
第１光学素子B1
2 0.00 6.15 0.00 9.00 1.64769 33.80 屈折面
3 0.00 15.15 17.78 11.66 1.64769 33.80 反射面
4 -6.78 5.66 2.45 11.20 1.64769 33.80 反射面
5 -12.49 15.30 -10.81 10.61 1.64769 33.80 反射面
6 -14.15 4.82 -17.97 10.69 1.64769 33.80 反射面
7 -21.71 12.38 -22.49 8.37 1.64769 33.80 反射面
8 -21.71 4.01 0.00 変数 1 屈折面
第２光学素子B2
9 -21.71 -10.91 0.00 1.45 1.48749 70.21 屈折面
10 -21.71 -12.37 0.00 0.18 1 屈折面
11 -21.71 -12.55 0.00 1.57 1.60311 60.66 屈折面
12 -21.71 -14.12 0.00 0.13 1 屈折面
13 -21.71 -14.25 0.00 1.38 1.62041 60.27 屈折面
14 -21.71 -15.62 0.00 0.10 1 屈折面
15 -21.71 -15.72 0.00 2.14 1.64100 56.92 屈折面
16 -21.71 -17.87 0.00 0.12 1 屈折面
17 -21.71 -17.99 0.00 0.67 1.71736 29.51 屈折面
18 -21.71 -18.66 0.00 変数 1 屈折面
第３光学素子B3
19 -21.71 -32.51 0.00 2.04 1.58913 61.18 屈折面
20 -21.71 -34.55 0.00 0.71 1 屈折面
21 -21.71 -35.26 0.00 0.86 1.56384 60.69 屈折面
22 -21.71 -36.12 0.00 0.10 1 屈折面
23 -21.71 -36.22 0.00 2.15 1.60311 60.66 屈折面
24 -21.71 -38.38 0.00 0.10 1 屈折面
25 -21.71 -38.48 0.00 2.85 1.75520 27.51 屈折面
26 -21.71 -41.32 0.00 0.10 1 屈折面
27 -21.71 -41.42 0.00 0.50 1.65446 33.62 屈折面
28 -21.71 -41.92 0.00 変数 1 屈折面
29 -21.71 -46.00 0.00 0.00 1 像面
広角端 中間 望遠端
D 8 14.93 7.22 9.22
D18 13.86 9.52 2.59
D28 4.08 16.14 21.06
D 1 〜 8面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W)
D 9 〜18面 Zi(M) = Zi(W) + 7.73 Zi(T) = Zi(W) + 5.71
D19 〜28面 Zi(M) = Zi(W) + 12.06 Zi(T) = Zi(W) + 16.98
D29 面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W)
球面形状
R 2 面 R2 = -12.622
R 8 面 R8 = -14.877
R 9 面 R9 = 12.866
R10 面 R10= 10.705
R11 面 R11= 138.974
R12 面 R12= 14.258
R13 面 R13= -42.325
R14 面 R14= 14.369
R15 面 R15= -7.298
R16 面 R16= 58.857
R17 面 R17= 29.735
R18 面 R18= -6.045
R19 面 R19= -98.642
R20 面 R20= 20.180
R21 面 R21= -28.327
R22 面 R22= 37.323
R23 面 R23= -11.405
R24 面 R24= 11.769
R25 面 R25= 11.362
R26 面 R26= 67.664
R27 面 R27= -6.735
R28 面 R28= -5.455
非球面形状
R 3 面 a =-1.67168e+01 b =-1.40383e+01 t = 2.13856e+01
C03=-4.89226e-05 C21=-8.30083e-05
C04= 1.08453e-05 C22= 2.53575e-05 C40= 1.82792e-05
R 4 面 a =-6.16288e+00 b =-1.19620e+01 t = 4.52060e+01
C03= 4.89807e-03 C21= 2.67721e-03
C04= 1.88551e-04 C22=-2.04184e-04 C40= 1.07399e-04
R 5 面 a =-2.03427e+01 b =-2.34954e+01 t = 3.70433e+01
C03= 5.02647e-04 C21= 1.88611e-04
C04= 2.09495e-05 C22= 2.42572e-06 C40=-1.92403e-06
R 6 面 a =-1.22106e+02 b =-1.22097e+02 t = 7.58653e+01
C03= 4.66466e-04 C21= 4.88673e-05
C04=-4.14548e-05 C22=-1.09844e-04 C40=-6.05085e-05
R 7 面 a =-1.45959e+01 b =-1.84911e+02 t = 2.98825e+01
C03= 2.73516e-04 C21= 5.85397e-05
C04=-2.28623e-06 C22=-6.14890e-06 C40=-8.24738e-06
図 1において、第１面R1は入射瞳である絞り面である。B1は第１光学素子であり、１つのブロック上に第２面R2（屈折入射面）と曲面の内面反射面である第３面R3〜第７面R7と第８面R8（屈折射出面）を形成している。B2は第２光学素子であり、共軸の屈折面第９面R9〜第１８面R18 より構成される複数のレンズで構成している。B3は第３光学素子であり、共軸の屈折面第１９面R19 〜第２８面R28 より構成される複数のレンズで構成している。そして第２９面R29 は像面であり、CCD 等の撮像媒体の撮像面が位置する。
【００７３】
本実施形態は所謂三群ズームレンズであり、絞りR1と第１光学素子B1が第１群、第２光学素子B2が第２群、第３光学素子B3が第３群を構成し、このうち、第２群と第３群が相対的位置を変化させて変倍作用を行う変倍群である。
【００７４】
以下、物体位置を無限遠としたときの結像作用について述べる。まず、絞りR1を通過した光束は第１光学素子B1に入射する。第１光学素子B1内では第２面 R2で屈折、第３面R3、第４面R4、第５面R5、第６面R6、第７面R7で反射、第８面R8で屈折し、第１光学素子B1を出射する。このとき、入射光束は第４面R4近傍に一旦中間結像する。更に、第１光学素子B1と第２光学素子B2との間に２次結像する。
【００７５】
次に光束は第２光学素子B2に入射する。第２光学素子B2内では第９面R9〜第１８面R18 で屈折し、第２光学素子B2を出射する。この時光束の主光線は第１８面R18 近傍に結像して瞳を形成している。
【００７６】
次に第２光学素子B2を出射した光束は第３光学素子B3に入射する。第３光学素子B3内では第１９面R19 〜第２８面R28 で屈折して第３光学素子B3を出射し、最終結像面である第２９面R29 上に結像する。
【００７７】
次に、変倍動作の際の各光学素子の移動について説明する。変倍に際して第１光学素子B1は固定であり、動かない。第２光学素子B2は広角端から望遠端に向ってZ プラス方向に移動した後Z マイナス方向に移動する。第３光学素子B3は広角端から望遠端に向ってZ プラス方向に移動する。像面である第２９面R29 は変倍に際して移動しない。
【００７８】
そして、広角端から望遠端に向っての変倍により第１光学素子B1と第２光学素子B2との間隔は狭まった後広がり、第２光学素子B2と第３光学素子B3との間隔は狭まり、第３光学素子B3と像面R29 との間は広がる。また、広角端から望遠端の変倍に際して第１面R1から像面R29 までの全系の光路長は一定である。
【００７９】
本実施形態においては第１光学素子B1の入射・出射基準軸は平行で逆方向に向いている。又、変倍作用を行う第２光学素子B2と第３光学素子B3の基準軸はこれらの光学素子の光軸であり、互いに共通であり、夫々の入射・出射基準軸は同方向に向いている。
【００８０】
図 2、 3、 4は本実施形態の横収差図である。
【００８１】
又、本実施形態において、異なる物体距離に対するフォーカシングは絞りR1と第１光学素子B1とを一体的にZ 軸方向へ移動して行う。
【００８２】
本実施形態はズーム光学系の物体側に絞りR1を備え、第１光学素子B1の中とその後ろで物体像を結像することによって第１光学素子B1の各面の有効径を縮小してX 方向に薄い小型の光学素子としている。
【００８３】
又、第１光学素子B1に設けた複数の内面反射面に適切な屈折力を与えると共に、これらを偏心配置することによりズーム光学系の中の光束をけられること無く所望の形状に屈曲してZ 方向の全長を短縮している。
【００８４】
更に、第１光学素子B1は透明体の表面に複数の反射面を形成しているので、性能へ大きく影響する反射面の位置精度（組立精度）のバラツキ及び狂いの少ないズーム光学系となる。
【００８５】
又、本実施形態のズーム光学系は複数の反射面を一体的に形成した光学素子と共軸屈折面で構成する光学素子（共軸光学素子）を適切に組み合わせているので、ズーム光学系を偏心配置した反射面のみで構成する場合に比べて、共軸光学素子にパワーを分担させて偏心収差の発生を抑えており、又共軸球面屈折面より成る光学素子を使用しているので各収差を容易に補正できる。
【００８６】
更に、かかる共軸球面屈折面より成る光学素子はその製作が容易である。
［実施形態２］
図 6は本発明のズーム光学系の実施形態２のYZ面内での光学断面図である。本実施形態は変倍比約3 倍の三群ズームレンズの撮像光学系である。その構成データを以下に記す。
広角端 中間 望遠端
水平半画角 20.3 13.9 7.0
垂直半画角 26.3 18.2 9.3
絞り径 2.4 2.4 2.4
像サイズ 水平3.6mm ×垂直4.8mm
光学系のサイズ(X×Y ×Z)＝広角端において 8.8x 77.9x 15.6
i Yi Zi(W) θi Di Ndi νdi
1 0.00 0.00 0.00 2.25 1 絞り
第１光学素子B1
2 0.00 2.25 0.00 6.75 1.51633 64.15 屈折面
3 0.00 9.00 25.18 8.75 1.51633 64.15 反射面
4 -6.74 3.42 12.37 8.75 1.51633 64.15 反射面
5 -10.52 11.31 5.31 8.75 1.51633 64.15 反射面
6 -15.70 4.25 -7.76 8.75 1.51633 64.15 反射面
7 -22.57 9.67 -27.54 9.00 1.51633 64.15 反射面
8 -22.05 0.68 -46.66 5.80 1.51633 64.15 反射面
9 -27.85 0.68 -90.00 変数 1 屈折面
第２光学素子B2
10 -38.92 0.68 -90.00 1.97 1.56873 63.16 屈折面
11 -40.89 0.68 -90.00 0.10 1 屈折面
12 -40.99 0.68 -90.00 1.68 1.62041 60.27 屈折面
13 -42.68 0.68 -90.00 0.10 1 屈折面
14 -42.78 0.68 -90.00 1.99 1.62041 60.27 屈折面
15 -44.77 0.68 -90.00 0.10 1 屈折面
16 -44.87 0.68 -90.00 2.36 1.62280 57.06 屈折面
17 -47.23 0.68 -90.00 0.10 1 屈折面
18 -47.33 0.68 -90.00 0.50 1.72151 29.24 屈折面
19 -47.83 0.68 -90.00 変数 1 屈折面
第３光学素子B3
20 -60.21 0.68 -90.00 1.48 1.58913 61.18 屈折面
21 -61.70 0.68 -90.00 0.10 1 屈折面
22 -61.80 0.68 -90.00 1.58 1.58913 61.18 屈折面
23 -63.38 0.68 -90.00 0.10 1 屈折面
24 -63.48 0.68 -90.00 2.76 1.60729 59.37 屈折面
25 -66.23 0.68 -90.00 3.20 1.75520 27.51 屈折面
26 -69.43 0.68 -90.00 0.10 1 屈折面
27 -69.53 0.68 -90.00 0.50 1.59551 39.28 屈折面
28 -70.03 0.68 -90.00 変数 1 屈折面
29 -74.72 0.68 -90.00 0.00 1 像面
広角端 中間 望遠端
D 9 11.07 4.69 6.29
D19 12.38 8.74 1.44
D28 4.69 14.71 20.42
D 1 〜 9面 Yi(M) = Yi(W) Yi(T) = Yi(W)
D10 〜19面 Yi(M) = Yi(W) - 6.39 Yi(T) = Yi(W) - 4.78
D20 〜28面 Yi(M) = Yi(W) - 10.02 Yi(T) = Yi(W) - 15.73
D29 面 Yi(M) = Yi(W) Yi(T) = Yi(W)
球面形状
R 2 面 R2 = ∞
R 9 面 R9 = -14.692
R10 面 R10= -15.785
R11 面 R11= -9.916
R12 面 R12= 806.578
R13 面 R13= -19.136
R14 面 R14= 24.764
R15 面 R15= -26.101
R16 面 R16= 7.532
R17 面 R17=-123.778
R18 面 R18= -52.093
R19 面 R19= 5.947
R20 面 R20= 113.146
R21 面 R21= -19.210
R22 面 R22= 16.059
R23 面 R23=-106.475
R24 面 R24= 16.867
R25 面 R25= -7.880
R26 面 R26= -23.891
R27 面 R27= 6.381
R28 面 R28= 5.013
非球面形状
R 3 面 a =-3.59218e+01 b =-9.56407e+00 t = 2.62788e+01
C03=-3.28591e-04 C21= 1.09040e-04
C04= 3.02002e-05 C22= 7.33327e-05 C40= 7.31472e-05
R 4 面 a =-4.46438e+00 b = 7.31244e+00 t = 1.05955e+01
C03=-8.43381e-04 C21= 1.15148e-04
C04=-4.92526e-04 C22=-1.32799e-03 C40=-3.91919e-04
R 5 面 a =-1.27855e+01 b =-2.36243e+01 t = 1.82299e+01
C03= 4.49533e-05 C21= 4.24795e-05
C04=-2.72263e-05 C22=-1.26579e-04 C40=-1.65426e-04
R 6 面 a =-9.17197e+00 b =-4.60643e+01 t = 1.12881e+01
C03= 8.58718e-05 C21=-8.69345e-04
C04=-3.09227e-04 C22=-9.83897e-04 C40=-1.26913e-03
R 7 面 a =-1.38671e+01 b =-2.68360e+01 t = 1.28619e+01
C03= 1.27138e-05 C21=-3.07799e-04
C04=-8.55028e-06 C22=-5.67380e-05 C40=-8.71918e-05
R 8 面 a =-7.36361e+01 b = 5.55994e+01 t = 7.05431e+01
C03=-1.26030e-04 C21=-1.97414e-03
C04= 2.06017e-05 C22=-2.60272e-05 C40=-3.06310e-04
図 6において、第１面R1は入射瞳である絞り面である。B1は第１光学素子であり、１つのブロック上に第２面R2（屈折入射面）と曲面の内面反射面である第３面R3〜第８面R8と第９面R9（屈折射出面）を形成している。B2は第２光学素子であり、共軸の屈折面第１０面R10 〜第１９面R19 より構成される複数のレンズで構成している。B3は第３光学素子であり、共軸の屈折面第２０面R20 〜第２８面R28 より構成される複数のレンズで構成している。そして第２９面R29 は像面であり、CCD 等の撮像媒体の撮像面が位置する。
【００８７】
本実施形態は所謂三群ズームレンズであり、絞りR1と第１光学素子が第１群、第２光学素子B2が第２群、第３光学素子B3が第３群を構成し、このうち、第２群と第３群が相対的位置を変化させて変倍作用を行う変倍群である。
【００８８】
以下、物体位置を無限遠としたときの結像作用について述べる。まず、絞りR1を通過した光束は第１光学素子B1に入射する。第１光学素子B1内では第２面 R2で屈折、第３面R3、第４面R4、第５面R5、第６面R6、第７面R7、第８面R8で反射、第９面R9で屈折し、第１光学素子B1を出射する。このとき、入射光束は第４面R4近傍に中間結像する。更に、第１光学素子B1と第２光学素子B2との間に２次結像する。
【００８９】
次に光束は第２光学素子B2に入射する。第２光学素子B2内では第１０面R10 〜第１９面R19 で屈折し、第２光学素子B2を出射する。この時光束の主光線は第１９面R19 の後ろで結像して瞳を形成している。
【００９０】
次に第２光学素子B2を出射した光束は第３光学素子B3に入射する。第３光学素子B3内では第２０面R20 〜第２８面R28 で屈折して第３光学素子B3を出射し、最終結像面である第２９面R29 上に結像する。
【００９１】
次に、変倍動作の際の各光学素子の移動について説明する。変倍に際して第１光学素子B1は固定であり、動かない。第２光学素子B2は広角端から望遠端への変倍に際してY プラス方向に移動した後Y マイナス方向に移動する。又、第３光学素子B3はY プラス方向に移動する。像面である第２９面R29 は変倍に際して移動しない。
【００９２】
そして、広角端から望遠端に向っての変倍により第１光学素子B1と第２光学素子B2との間隔は狭まった後広がり、第２光学素子B2と第３光学素子B3との間隔は狭まり、第３光学素子B3と像面R29 との間は広がる。また、広角端から望遠端への変倍に際して第１面R1から像面R29 間での全系の光路長は一定である。
【００９３】
本実施形態においては第１光学素子B1の入射・出射基準軸は90°の角度をなしている。又、変倍作用を行う第２光学素子B2と第３光学素子B3の基準軸はこれらの光学素子の光軸であり、互いに共通であり、夫々の入射・出射基準軸は同方向に向いている。
【００９４】
図 7、 8、 9は本実施形態の横収差図である。
【００９５】
又、本実施形態において、異なる距離に対するフォーカシングは絞りR1と第１光学素子B1とを一体的にY 軸方向へ移動して行う。
【００９６】
本実施形態はズーム光学系の物体側に絞りR1を備え、第１光学素子B1の中とその後ろで物体像を結像することによって第１光学素子B1の各面の有効径を縮小してX 方向に薄い小型の光学素子としている。
【００９７】
又、第１光学素子B1に設けた複数の内面反射面に適切な屈折力を与えると共に、これらを偏心配置することによりズーム光学系の中の光束をけられること無く所望の形状に屈曲してZ 方向の全長を短縮している。
【００９８】
更に、第１光学素子B1は透明体の表面に複数の反射面を形成しているので、性能へ大きく影響する反射面の位置精度（組立精度）のバラツキ及び狂いの少ないズーム光学系となる。
【００９９】
又、本実施形態のズーム光学系は複数の反射面を一体的に形成した光学素子と共軸屈折面で構成する光学素子（共軸光学素子）を適切に組み合わせているので、ズーム光学系を偏心配置した反射面のみで構成する場合に比べて、共軸光学素子にパワーを分担させて偏心収差の発生を抑えており、又共軸球面屈折面より成る光学素子を使用しているので各収差を容易に補正できる。
【０１００】
更に、かかる共軸球面屈折面より成る光学素子はその製作が容易である。
［実施形態３］
図10は本発明のズーム光学系の実施形態３のYZ面内での光学断面図である。本実施形態は変倍比約3 倍の三群ズームレンズの撮像光学系である。その構成データを以下に記す。
広角端 中間 望遠端
水平半画角 26.3 18.2 9.3
垂直半画角 20.3 13.9 7.0
絞り径 2.5 2.5 2.5
像サイズ 水平4.8mm ×垂直3.6mm
光学系のサイズ(X×Y ×Z)＝広角端において 11.8x 41.2x 55.7
i Yi Zi(W) θi Di Ndi νdi
1 0.00 0.00 0.00 5.12 1 絞り
第１光学素子B1
2 0.00 5.12 0.00 7.50 1.58310 30.20 屈折面
3 0.00 12.62 25.00 11.00 1.58310 30.20 反射面
4 -8.43 5.55 3.29 10.00 1.58310 30.20 反射面
5 -15.30 12.82 -15.05 9.50 1.58310 30.20 反射面
6 -17.49 3.57 -13.42 10.00 1.58310 30.20 反射面
7 -23.94 11.22 2.15 10.00 1.58310 30.20 反射面
8 -30.94 4.08 22.22 7.99 1.58310 30.20 反射面
9 -30.94 12.06 0.00 変数 1 屈折面
第２光学素子B2
10 -30.94 27.17 0.00 1.97 1.56873 63.16 屈折面
11 -30.94 29.15 0.00 0.10 1 屈折面
12 -30.94 29.25 0.00 1.68 1.62041 60.27 屈折面
13 -30.94 30.93 0.00 0.10 1 屈折面
14 -30.94 31.03 0.00 1.99 1.62041 60.27 屈折面
15 -30.94 33.02 0.00 0.10 1 屈折面
16 -30.94 33.12 0.00 2.36 1.62280 57.06 屈折面
17 -30.94 35.48 0.00 0.10 1 屈折面
18 -30.94 35.58 0.00 0.50 1.72151 29.24 屈折面
19 -30.94 36.08 0.00 変数 1 屈折面
第３光学素子B3
20 -30.94 48.80 0.00 1.48 1.58913 61.18 屈折面
21 -30.94 50.28 0.00 0.10 1 屈折面
22 -30.94 50.38 0.00 1.58 1.58913 61.18 屈折面
23 -30.94 51.96 0.00 0.10 1 屈折面
24 -30.94 52.06 0.00 2.76 1.60729 59.37 屈折面
25 -30.94 54.82 0.00 3.20 1.75520 27.51 屈折面
26 -30.94 58.02 0.00 0.10 1 屈折面
27 -30.94 58.12 0.00 0.50 1.59551 39.28 屈折面
28 -30.94 58.62 0.00 変数 1 屈折面
29 -30.94 61.58 -0.00 0.00 1 像面
広角端 中間 望遠端
D 9 15.11 4.81 6.79
D19 12.71 10.22 3.53
D28 2.96 15.75 20.46
D 1 〜 9面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T)= Zi(W)
D10 〜19面 Zi(M) = Zi(W) - 10.30 Zi(T) = Zi(W) - 8.32
D20 〜28面 Zi(M) = Zi(W) - 12.79 Zi(T) = Zi(W) - 17.50
D29 面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W)
球面形状
R 2 面 R2 = -9.470
R 9 面 R9 = 12.397
R10 面 R10= -18.096
R11 面 R11= -12.488
R12 面 R12= -22.656
R13 面 R13= -11.326
R14 面 R14= 39.448
R15 面 R15= -16.896
R16 面 R16= 7.231
R17 面 R17= -53.267
R18 面 R18= -29.796
R19 面 R19= 6.222
R20 面 R20=-103.294
R21 面 R21= -13.173
R22 面 R22= 21.609
R23 面 R23= -56.334
R24 面 R24= 19.368
R25 面 R25= -9.154
R26 面 R26= -35.784
R27 面 R27= 7.883
R28 面 R28= 7.084
非球面形状
R 3 面 a =-1.29771e+01 b =-1.91952e+01 t = 2.50000e+01
C03= 2.25585e-05 C21=-2.14047e-04
C04= 2.44891e-08 C22=-2.05123e-05 C40= 1.18194e-05
R 4 面 a =-1.29087e+01 b =-8.14895e+00 t =-4.67120e+01
C03= 5.33084e-04 C21= 1.13391e-03
C04=-2.45084e-06 C22=-2.01069e-04 C40= 1.53466e-03
R 5 面 a =-1.83631e+01 b =-2.14773e+01 t = 2.83707e+01
C03= 3.66045e-05 C21= 2.04110e-04
C04=-4.32368e-07 C22=-8.35352e-06 C40= 1.98574e-05
R 6 面 a =-1.86729e+00 b = 1.86042e+00 t =-2.67346e+01
C03= 1.77221e-04 C21= 7.97292e-04
C04=-1.31000e-05 C22=-4.24244e-05 C40= 4.17627e-05
R 7 面 a = 6.95459e+00 b =-9.77460e+00 t = 4.22976e+01
C03= 1.48091e-04 C21= 1.42273e-03
C04= 2.36193e-05 C22= 4.19020e-05 C40= 1.80643e-04
R 8 面 a = 2.61262e+01 b = 1.59224e+01 t =-22.2220e+01
C03= 4.14325e-05 C21= 4.47240e-04
C04= 3.20699e-06 C22=-3.07287e-05 C40= 1.58223e-05
図10において、第１面R1は入射瞳である絞り面である。B1は第１光学素子であり、１つのブロック上に第２面R2（屈折入射面）と曲面の内面反射面である第３面R3〜第８面R8と第９面R9（屈折射出面）を形成している。B2は第２光学素子であり、共軸の屈折面第１０面R10 〜第１９面R19 より構成される複数のレンズで構成している。B3は第３光学素子であり、共軸の屈折面第２０面R20 〜第２８面R28 より構成される複数のレンズで構成している。そして第２９面R29 は像面であり、CCD 等の撮像媒体の撮像面が位置する。
【０１０１】
本実施形態は所謂三群ズームレンズであり、絞りR1と第１光学素子が第１群、第２光学素子B2が第２群、第３光学素子B3が第３群を構成し、このうち、第２群と第３群が相対的位置を変化させて変倍作用を行う変倍群である。
【０１０２】
以下、物体位置を無限遠としたときの結像作用について述べる。まず、絞りR1を通過した光束は第１光学素子B1に入射する。第１光学素子B1内では第２面 R2で屈折、第３面R3、第４面R4、第５面R5、第６面R6、第７面R7、第８面R8で反射、第９面R9で屈折し、第１光学素子B1を出射する。このとき、入射光束は第４面R4近傍に中間結像する。更に、第１光学素子B1と第２光学素子B2との間に２次結像する。
【０１０３】
次に光束は第２光学素子B2に入射する。第２光学素子B2内では第１０面R10 〜第１９面R19 で屈折し、第２光学素子B2を出射する。この時光束の主光線は第１９面R19 の後ろで結像して瞳を形成している。
【０１０４】
次に第２光学素子B2を出射した光束は第３光学素子B3に入射する。第３光学素子B3内では第２０面R20 〜第２８面R28 で屈折して第３光学素子B3を出射し、最終結像面である第２９面R29 上に結像する。
【０１０５】
次に、変倍動作の際の各光学素子の移動について説明する。変倍に際して第１光学素子B1は固定であり、動かない。第２光学素子B2は広角端から望遠端への変倍に際してZ マイナス方向に移動した後Z プラス方向に移動する。又、第３光学素子B3はZ マイナス方向に移動する。像面である第２９面R29 は変倍に際して移動しない。
【０１０６】
そして、広角端から望遠端に向っての変倍により第１光学素子B1と第２光学素子B2との間隔は狭まった後広がり、第２光学素子B2と第３光学素子B3との間隔は狭まり、第３光学素子B3と像面R29 との間は広がる。また、広角端から望遠端への変倍に際して第１面R1から像面R29 間での全系の光路長は一定である。本実施形態においては第１光学素子B1の入射・出射基準軸は共に平行で同方向である。又、変倍作用を行う第２光学素子B2と第３光学素子B3の基準軸はこれらの光学素子の光軸であり、互いに共通であり、夫々の入射・出射基準軸は同方向に向いている。
【０１０７】
図11、12、13は本実施形態の横収差図である。
【０１０８】
又、本実施形態において、異なる物体距離に対するフォーカシングは絞りR1と第１光学素子B1とを一体的にZ 軸方向へ移動して行う。
【０１０９】
本実施形態はズーム光学系の物体側に絞りR1を備え、第１光学素子B1の中とその後ろで物体像を結像することによって第１光学素子B1の各面の有効径を縮小してX 方向に薄い小型の光学素子としている。
【０１１０】
又、第１光学素子B1に設けた複数の内面反射面に適切な屈折力を与えると共に、これらを偏心配置することによりズーム光学系の中の光束をけられること無く所望の形状に屈曲してZ 方向の全長を短縮している。
【０１１１】
更に、第１光学素子B1は透明体の表面に複数の反射面を形成しているので、性能へ大きく影響する反射面の位置精度（組立精度）のバラツキ及び狂いの少ないズーム光学系となる。
【０１１２】
又、本実施形態のズーム光学系は複数の反射面を一体的に形成した光学素子と共軸屈折面で構成する光学素子（共軸光学素子）を適切に組み合わせているので、ズーム光学系を偏心配置した反射面のみで構成する場合に比べて、共軸光学素子にパワーを分担させて偏心収差の発生を抑えており、又共軸球面屈折面より成る光学素子を使用しているので各収差を容易に補正できる。
【０１１３】
更に、かかる共軸球面屈折面より成る光学素子はその製作が容易である。
【０１１４】
以上の実施形態は、複数の反射面が１つのブロック上に形成された光学素子が固定され共軸部が移動し変倍を行っているが、共軸部を固定し、複数の反射面が１つのブロック上に形成された光学素子を移動して変倍を行う場合もある。以下に、その例を示す。
［参考例１］
図14は本発明のズーム光学系の参考例１のYZ面内での光学断面図である。参考例１は変倍比約3 倍の三群ズームレンズの撮像光学系である。その構成データを以下に記す。
【０１１５】
広角端 中間 望遠端
水平半画角 26.0 18.0 9.2
垂直半画角 20.0 13.6 6.9
絞り径 2.0 2.5 3.6
像サイズ 水平4.8mm ×垂直3.6mm
光学系のサイズ(X×Y ×Z)＝広角端において 13.6x 95.6x 36.9
i Yi Zi(W) θi Di Ndi νdi
第１光学素子B1
1 0.00 0.00 0.00 1.00 1.49700 81.61 屈折面
2 0.00 1.00 0.00 3.00 1 屈折面
3 0.00 4.00 0.00 変数 1 絞り
第２光学素子B2
4 0.00 6.00 0.00 13.00 1.58312 59.37 屈折面
5 0.00 19.00 34.00 9.00 1.58312 59.37 反射面
6 -8.34 15.63 19.00 9.00 1.58312 59.37 反射面
7 -12.84 23.42 0.00 9.00 1.58312 59.37 反射面
8 -17.34 15.63 -15.00 9.00 1.58312 59.37 反射面
9 -25.14 20.13 -30.00 12.00 1.58312 59.37 反射面
10 -25.14 8.13 0.00 0.00 1 屈折面
第３光学素子B3
10' -25.14 8.13 0.00 2.00 1.67032 32.07 屈折面
11 -25.14 6.13 0.00 変数 1 屈折面
第４光学素子B4
12 -25.14 -2.03 0.00 7.00 1.58313 59.37 屈折面
13 -25.14 -9.03 -32.00 12.00 1.58313 59.37 反射面
14 -35.92 -3.77 -14.00 12.00 1.58313 59.37 反射面
15 -42.98 -13.48 0.00 12.00 1.58313 59.37 反射面
16 -50.03 -3.77 14.00 12.00 1.58313 59.37 反射面
17 -60.82 -9.03 32.00 7.00 1.58313 59.37 反射面
18 -60.82 -1.03 0.00 変数 1 屈折面
第５光学素子B5
19 -60.82 5.03 0.00 8.00 1.58313 59.37 屈折面
20 -60.82 13.03 30.00 10.00 1.58313 59.37 反射面
21 -69.48 8.03 15.00 10.00 1.58313 59.37 反射面
22 -74.48 16.69 0.00 10.00 1.58313 59.37 反射面
23 -79.48 8.03 -15.00 10.00 1.58313 59.37 反射面
24 -88.14 13.03 -30.00 8.00 1.58313 59.37 反射面
25 -88.14 5.03 0.00 変数 1 屈折面
26 -88.14 -6.32 0.00 1.80 1 像面
広角端 中間 望遠端
D 3 2.00 2.00 2.00
D11 8.16 5.68 3.02
D18 6.06 6.32 12.24
D25 11.35 14.09 22.67
D 1 〜11面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W)
D12 〜18面 Zi(M) = Zi(W) + 2.48 Zi(T) = Zi(W) + 5.14
D19 〜25面 Zi(M) = Zi(W) + 2.74 Zi(T) = Zi(W) + 11.32
D26 面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W)
球面形状
R 1 面 R1 = ∞
R 2 面 R2 = 10.000
R 4 面 R4 = 10.000
R10 面 R10= -3.796
R11 面 R11= 113.237
R12 面 R12= 96.928
R18 面 R18= 10.281
R19 面 R19= -68.222
R25 面 R25= ∞
非球面形状
R 5 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-2.77957e-02 C20=-3.61721e-02
C03= 2.17709e-04 C21= 8.17518e-04
C04= 4.81535e-05 C22=-2.24283e-04 C40=-5.50769e-05
R 6 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-2.07844e-03 C20=-3.13275e-02
C03=-1.20110e-03 C21=-7.31324e-03
C04=-1.45746e-04 C22=-9.98634e-04 C40=-2.62001e-04
R 7 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-2.65330e-02 C20=-4.37591e-02
C03= 2.37808e-06 C21=-9.02645e-06
C04=-1.21344e-05 C22=-8.82376e-05 C40=-9.77118e-05
R 8 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-5.49968e-03 C20=-5.00091e-02
C03= 1.23568e-03 C21= 6.67246e-03
C04=-5.38006e-05 C22=-3.35556e-04 C40=-3.23857e-04
R 9 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-1.86844e-02 C20=-3.77602e-02
C03= 4.19348e-04 C21= 6.72125e-04
C04=-6.12034e-05 C22= 3.47535e-05 C40=-5.09619e-05
R13 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02= 2.26678e-02 C20= 2.41426e-02
C03=-2.57750e-04 C21= 1.16383e-03
C04=-2.40426e-05 C22=-7.46204e-05 C40= 2.82412e-05
R14 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-4.00972e-03 C20= 7.14507e-03
C03=-4.46529e-04 C21=-2.31087e-03
C04=-2.56127e-05 C22=-1.36947e-04 C40=-1.25987e-04
R15 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02= 1.41059e-02 C20= 2.96468e-02
C03=-8.17957e-05 C21= 9.43283e-04
C04=-1.06545e-05 C22=-2.82343e-05 C40= 4.45663e-05
R16 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-8.51071e-05 C20= 2.53915e-02
C03= 1.68862e-04 C21= 3.65939e-03
C04= 1.08096e-06 C22= 1.80358e-04 C40= 9.97536e-05
R17 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02= 1.32874e-02 C20= 2.94218e-02
C03=-6.81885e-05 C21= 9.64816e-04
C04= 1.70534e-05 C22= 4.93143e-05 C40=-1.51564e-06
R20 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-1.66195e-02 C20=-1.97204e-02
C03=-2.82112e-04 C21= 8.70403e-05
C04=-3.71423e-06 C22=-7.20107e-06 C40=-6.70241e-06
R21 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-2.13470e-02 C20=-2.68230e-02
C03=-7.85470e-04 C21= 4.61286e-03
C04=-1.61086e-04 C22=-1.96712e-05 C40=-6.34362e-05
R22 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-2.30872e-02 C20=-2.69354e-02
C03=-3.03473e-06 C21= 1.13297e-03
C04=-3.08514e-05 C22= 5.26162e-05 C40= 3.43593e-05
R23 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-2.42460e-02 C20=-4.51798e-02
C03= 3.73285e-04 C21= 4.33871e-03
C04=-1.89172e-04 C22= 1.70543e-04 C40= 3.82206e-06
R24 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-1.92202e-02 C20=-2.60605e-02
C03= 1.04217e-04 C21= 3.77042e-04
C04=-1.55696e-05 C22=-2.50258e-05 C40=-2.42690e-05
図14において、B1は第１光学素子であり、第１面R1及び第２面R2で構成する屈折レンズである。第３面R3は絞り面である。B2は第２光学素子であり、１つのブロック上に第４面R4（屈折入射面）と曲面の内面反射面である第５面R5〜第９面R9と第１０面R10 （屈折射出面）を形成している。B3は第３光学素子であり、第１０’面R10'及び第１１面R11 で構成する屈折レンズである。なお、第２光学素子と第３光学素子とは第１０面R10 と第１０’面R10'とで接合している。
【０１１６】
B4は第４光学素子であり、１つのブロック上に第１２面R12 （屈折入射面）と曲面の内面反射面である第１３面R13 〜第１７面R17 と第１８面R18 （屈折射出面）を形成している。B5は第５光学素子であり、１つのブロック上に第１９面R19 （屈折入射面）と曲面の内面反射面である第２０面R20 〜第２４面R24 と第２５面R25 （屈折射出面）を形成している。そして第２６面R26 は像面であり、CCD 等の撮像媒体の撮像面が位置する。
【０１１７】
参考例１は所謂三群ズームレンズであり、第１光学素子B1、絞りR3、第２光学素子B2及び第３光学素子B3は第１群を構成し、第４光学素子B4は第２群を、第５光学素子B5は第３群を構成し、第２群と第３群は相対的位置を変化させて変倍を行う変倍群である。
【０１１８】
以下、物体位置を無限遠としたときの結像作用について述べる。まず、第１光学素子B1、絞りR3の順に通過した光束は第２光学素子B2に入射する。第２光学素子B2内では第４面R4で屈折、第５面R5、第６面R6、第７面R7、第８面R8、第９面R9で反射した後第１０面R10 で屈折して第３光学素子に入射し、第１１面R11 で屈折して第３光学素子B3を出射する。このとき、光束は第６面R6近傍に中間結像する。更に、第３光学素子B3と第４光学素子B4との間で２次結像する。
【０１１９】
次に光束は第４光学素子B4に入射する。第４光学素子B4内では第１２面R12 で屈折、第１３面R13 、第１４面R14 、第１５面R15 、第１６面R16 、第１７面R17 で反射、第１８面R18 で屈折し、第４光学素子B4を出射する。このとき、光束は第１４面R14 と第１５面R15 の間で中間結像する。さらに光束は第１６面R16近傍に瞳を形成している。
【０１２０】
次に光束は第５光学素子B5に入射する。第５光学素子B5内では第１９面R19 で屈折、第２０面R20 、第２１面R21 、第２２面R22 、第２３面R23 、第２４面R24 で反射、第２５面R25 で屈折し、第５光学素子B5を出射する。このとき、光束は第２１面R21 近傍に中間結像する。
【０１２１】
最後に第５光学素子B5を出射した光束は最終結像面である第２６面R26 上に結像する。
【０１２２】
次に、変倍動作に伴う各光学素子の移動について説明する。変倍に際して第１群である第１光学素子B1、第２光学素子B2、第３光学素子B3は固定であり、動かない。第４光学素子B4は広角端から望遠端に向ってZ プラス方向に移動する。第５光学素子B5は広角端から望遠端に向ってZ プラス方向に移動する。像面である第２７面R27 は変倍に際して移動しない。
【０１２３】
広角端から望遠端に向っての変倍に際して第３光学素子B3と第４光学素子B4との間隔は狭まり、第４光学素子B4と第５光学素子B5との間隔は広がり、第５光学素子B5と像面R26 との間は広がる。
【０１２４】
また、広角端から望遠端に向っての変倍に際して第１面R1から像面R26 間での全系の光路長は長くなる。
【０１２５】
参考例１においては第２、第４、第５の光学素子B2,B4,B5の入射・出射基準軸は平行でしかも逆方向に向いている。
【０１２６】
図15、16、17は参考例１の横収差図である。
【０１２７】
又、参考例１において、異なる物体距離に対するフォーカシングは第１光学素子B1をZ 軸方向に移動して行う。
【０１２８】
参考例１はズーム光学系の最初の光束入射面R1の近傍に絞りR1を備え、第２、第４、第５光学素子B2,B4,B5の中で物体像を結像することによってこれらの光学素子の各面の有効径を縮小してX 方向に薄い小型の光学素子としている。
【０１２９】
又、第２、第４、第５光学素子B2、B4,B5に設けた複数の内面反射面に適切な屈折力を与えると共に、これらを偏心配置することによりズーム光学系の中の光束をけられること無く所望の形状に屈曲してZ 方向の全長を短縮している。
【０１３０】
更に、第２、第４、第５光学素子B2,B4,B5は透明体の表面に複数の反射面を形成しているので、性能へ大きく影響する反射面の位置精度（組立精度）のバラツキ及び狂いが少ない。
【０１３１】
又、参考例１のズーム光学系はその第１光学素子B1を共軸屈折面で構成する光学素子（共軸光学素子）で構成しているのでフォーカシング機構が簡便になる。
【０１３２】
又、参考例１において、前記の実施形態１〜３等のように変倍に際して移動しない第１光学素子B1の入射基準軸を基準軸全体が存在していた平面（YZ平面）に対して或る角度傾けて入射させることによりカメラの形態に一層の自由度を増すことが出来る。
【０１３３】
図18は入射基準軸をX 軸に平行に入射させる構成にしたズーム光学系の斜視図である。この光学系は実施形態１の第２面R2と第３面R3との間にYZ平面に対して45°傾いた平面の内面反射鏡R1,2を設けて第１光学素子B1の入射基準軸をX 軸に平行に設定したズーム光学系である。
【０１３４】
同図において、B1は変倍時に移動しない第１光学素子であり、三群ズーム光学系の第１群に相当する。なお、この第１光学素子B1はその反射面のみを斜視図として示している。B2、B3は夫々第２、第３光学素子であり、相対位置を変化して変倍を行う変倍群を構成している。第２光学素子B2は所謂バリエーター、第３光学素子B3はコンペンセーターに相当している。
【０１３５】
そして第２，第３の光学素子B2、B3は図18のYZ平面上の１つの直線（これらの光学素子の光軸）上を移動して変倍を行う。そして、第２，第３の光学素子B2、B3内の全ての基準軸はこれらの光軸上に存在している。
【０１３６】
この光学系において、変倍に際して固定の第１の光学素子B1内の基準軸の一部（A1,2〜A1,8）はYZ平面内に存在しなければならないが、基準軸のその他の部分、即ち物体から絞りまでの基準軸A0及び絞りから第１反射面R1,2までの基準軸A1、1は基準軸平面（YZ平面）内である必要は無い。
【０１３７】
即ち、実施形態１〜３においては、反射面R1,2を設けてX 軸方向から入射する基準軸A0の方向をこの面R1,2によってZ 軸方向に偏向している。このようにズーム光学系の最初の光束入射面R2の近傍に、その後の基準軸が含まれるYZ平面に対して傾いた反射面R1,2を適切に設定することにより、ズーム光学系に入射する光束の方向を自由に設定することができ、カメラの形態に一層の自由度を増すことが出来る。
［参考例２］
図19は本発明のズーム光学系の参考例２のYZ面内での光学断面図である。参考例２は変倍比約2 倍の三群ズームレンズの撮像光学系である。その構成データを以下に記す。
広角端 中間 望遠端
水平半画角 19.1 13.7 9.8
垂直半画角 14.5 10.4 7.4
絞り径 1.60 1.80 2.10
像サイズ 水平4.0mm ×垂直3.0mm
光学系のサイズ(X×Y ×Z)＝広角端において 10.2x 30.0x 49.9
i Yi Zi(W) θi Di Ndi νdi
第１群
1 0.00 0.00 0.00 2.00 1 絞り
第１光学素子B1
2 0.00 2.00 0.00 2.00 1.74400 44.70 屈折面
3 0.00 4.00 0.00 8.00 1 屈折面
第２光学素子B2
4 0.00 12.00 30.00 12.00 1 反射面
5 -10.39 6.00 30.00 10.00 1 反射面
第３光学素子B3
6 -10.39 16.00 0.00 2.00 1.75500 27.60 屈折面
7 -10.39 18.00 0.00 変数 1 屈折面
第２群
第４光学素子B4
8 -10.39 36.98 0.00 2.00 1.71766 46.92 屈折面
9 -10.39 38.98 0.00 7.00 1 屈折面
第５光学素子B5
10 -10.39 45.98 45.00 12.00 1 反射面
11 -22.39 45.98 45.00 変数 1 反射面
第３群
第６光学素子B6
12 -22.39 34.18 0.00 2.00 1.48994 68.59 屈折面
13 -22.39 32.18 0.00 変数 1 屈折面
14 -22.39 18.85 0.00 1 像面
広角端 中間 望遠端
D 7 18.98 8.71 1.00
D11 11.80 15.25 20.00
D14 13.33 13.33 13.33
D 1 〜 7面 Zi(M) = Zi(W) + 13.73 Zi(T) = Zi(W) + 26.18
D 8 〜11面 Zi(M) = Zi(W) + 3.46 Zi(T) = Zi(W) + 8.20
D12 〜13面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W)
D14 面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W)
球面形状
R 2 面 R2 = 97.206
R 3 面 R3 = -26.032
R 6 面 R6 = 11.385
R 7 面 R7 = 15.046
R 8 面 R8 =-159.987
R 9 面 R9 = 24.470
R12 面 R13=1000.000
R13 面 R14= -85.375
非球面形状
R 4 面 a = 1.45475e+01 b =-5.77853e+00 t =-2.42608e+01
C03= 8.63617e-04 C21= 1.60115e-03
C04= 8.13611e-05 C22= 7.31698e-05 C40=-1.34827e-04
R 5 面 a =-9.91101e+01 b = 4.27960e+01 t =-1.14636e+01
C03= 8.70976e-05 C21= 1.68477e-04
C04=-1.72354e-04 C22=-2.22388e-04 C40=-1.98849e-04
R10 面 a = 4.10898e+02 b =-2.06186e+01 t = 4.55596e+01
C03=-1.57719e-04 C21=-4.64176e-04
C04=-2.54948e-06 C22= 1.89777e-05 C40=-8.72541e-07
R11 面 a =-1.26094e+02 b = 2.55428e+01 t = 4.44452e+01
C03= 9.65477e-05 C21= 6.18718e-05
C04=-5.69335e-06 C22= 2.19389e-05 C40= 8.07381e-06
図19において、第１面R1は入射瞳である絞り面である。B1は第１光学素子であり、第２面R2及び第３面R3で構成する屈折レンズである。B2は第２光学素子であり、反射面の第４面R4及び第５面R5を夫々表面鏡として１つの部材の上に一体的に形成している。B3は第３光学素子であり、第６面R6及び第７面R7で構成する屈折レンズである。B4は第４光学素子であり、第８面R8及び第９面R9で構成する屈折レンズである。B5は第５光学素子であり、反射面の第１０面R10 及び第１１面R11 を夫々表面鏡として１つの部材の上に一体的に形成している。B6は第６光学素子であり、第１２面R12 及び第１３面R13 で構成する屈折レンズである。第１４面R14 は像面であり、CCD 等の撮像媒体の撮像面である。
【０１３８】
そして、第１〜第３光学素子B1,B2,B3は第１群を、第４〜第５光学素子B4,B5は第２群を、第６光学素子B6は第３群を構成しており、この内第１群と第２群が相対位置を変化して結像倍率を変化させる変倍群を構成している。
【０１３９】
以下、物体位置を無限遠としたときの結像作用について述べる。まず、絞りR1、第１光学素子B1の順に通過した光束は第２光学素子B2に入射する。第２光学素子B2内では第４面R4、第５面R5で反射して第２光学素子B2を出射する。この時、光束は第５面R5近傍に中間結像する。そして、第３光学素子B3を通過する。
【０１４０】
次に光束は第４光学素子B4を通過し、第５光学素子B5に入射する。第５光学素子B5内では第１０面R10 、第１１面R11 で反射して第５光学素子B5を出射する。この時光束は第１０面R10 と第１１面R11 の間に瞳を形成する。
【０１４１】
次に、光束は第６光学素子B6を通過して最終結像面である第１４面R14 上に結像する。
【０１４２】
次に、変倍動作の際の各光学素子の移動について説明する。変倍に際して、第１群( 第１〜第３光学素子B1,B2,B3) は広角端から望遠端に向ってZ プラス方向に移動する。第２群( 第４、第５光学素子B4、B5) も広角端から望遠端に向ってZ プラス方向に移動する。第６光学素子B6及び像面である第１４面R14 は変倍に際して移動しない。
【０１４３】
そして、広角端から望遠端に向っての変倍により第３光学素子B3と第４光学素子B4との間隔は狭まり、第５光学素子B5と第６光学素子B6との間は広がる。第６光学素子B6と像面R14 との間は変化しない。また、広角端から望遠端に向って第１面R1から像面R14 間の全系の光路長は短くなるように変化する。
【０１４４】
参考例２においては、第２光学素子B2の入射・出射基準軸は平行で同方向に向いており、第５光学素子B5の入射・出射基準軸は平行で逆方向に向いている。
【０１４５】
図20、21、22は参考例２の横収差図である。
【０１４６】
参考例２において、異なる物体距離に対するフォーカシングは、第２群( 第４光学素子B4、第５光学素子B5) 又は第３群( 第６の光学素子) を移動させて行う。
【０１４７】
参考例２はズーム光学系の物体側に絞りR1を備え、第２光学素子B2の中で物体像を結像することによって第２光学素子B2及びその後の光学素子の各面の有効径を縮小してX 方向に薄い小型の光学素子としている。
【０１４８】
又、第２，第５光学素子B2、B5 に設けた複数の反射面に適切な屈折力を与えると共に、これらを偏心配置することによりズーム光学系の中の光束をけられること無く所望の形状に屈曲してZ 方向の全長を短縮している。
【０１４９】
更に、第２，第５光学素子B2,B5 は１つの部材に複数の表面鏡を一体的に形成しているので、性能へ大きく影響する反射面の位置精度（組立精度）のバラツキ及び狂いの少ないズーム光学系となる。
【０１５０】
又、参考例２のズーム光学系は複数の反射面を一体的に形成した光学素子と共軸屈折面で構成する光学素子（共軸光学素子）を適切に組み合わせているので、ズーム光学系を偏心配置した反射面のみで構成する場合に比べて、共軸光学素子に屈折力を分担させて偏心収差の発生を抑えており、又共軸球面屈折面より成る光学素子を使用しているので各収差を容易に補正できる。
【０１５１】
更に、かかる共軸球面屈折面より成る光学素子はその製作が容易である。
【０１５２】
なお、参考例２においては、第６光学素子B6は屈折レンズなので、第６光学素子B6から出射する基準軸の方向は第６光学素子B6へ入射する基準軸の方向と同方向であるが、出射する基準軸の方向及び角度はこのように限定されるものではなく、例えば第６光学素子B6と像面R14 の間にYZ平面に対して45°傾いたミラーを設けて射出する基準軸を紙面に対して垂直方向（X 軸方向）に曲げても良い。
【０１５３】
また、光学系に入射する基準軸の方向も、例えば絞りR1の物体側にYZ平面に対して45゜傾いたミラーを配置し、紙面に対して垂直方向(X軸方向）から基準軸を入射させても良い。このようにすることにより、カメラの形態に一層の自由度を増すことが出来る。
【０１５４】
以上の実施形態１〜３と参考例１は、透明体の表面に２つの屈折面と複数の反射面を形成し、光束が１つの屈折面から該透明体の内部へ入射し、該複数の反射面で反射を繰り返して別の屈折面から射出するように構成された光学素子と共軸の屈折面で構成された光学素子とを複数有し、該複数の光学素子を介して物体の像を結像すると共に、該複数の光学素子のうち少なくとも２つの光学素子の相対的位置を変化させることにより変倍を行うように構成したズーム光学系であり、参考例２は相互に偏心した複数の表面鏡を一体的に形成し、入射光束が該複数の表面鏡の反射面で反射を繰り返して射出するように構成された光学素子と共軸の屈折面で構成された光学素子とを複数有し、該複数の光学素子を介して物体の像を結像すると共に、該複数の光学素子のうち少なくとも２つの光学素子の相対的位置を変化させることにより変倍を行うように構成したズーム光学系であった。
【０１５５】
このほか、本発明においては参考例１の第４光学素子B4又は／及び第５光学素子B5を相互に偏心した複数の表面鏡を一体的に形成し、入射光束が該複数の表面鏡の反射面で反射を繰り返して射出するような光学素子として構成することも可能である。この場合はズーム光学系が軽量になる利点が生じる。
【０１５６】
又、本発明に於て、変倍にあづかる光学素子の移動方向はズーム光学系への入射基準軸方向と平行である必要はなく、撮像装置の構成状況に応じて、例えば第１光学素子の出射基準軸の方向を傾けることによりズーム光学系への入射基準軸の方向と移動光学素子の移動方向が、30゜、45゜、60゜等のある角度をなすように構成することもできる。
【０１５７】
【発明の効果】
本発明は以上の構成により、複数の曲面や平面の反射面を一体的に形成した光学素子と共軸の屈折面のみからなる光学素子とを複数用い、該複数の光学素子のうちの少なくとも２つの光学素子の相対的位置を適切に変化させてズーミングを行うことにより、ズーム光学系全体の小型化を図ると共に、性能へ大きく影響する反射面の配置精度（組立精度）のバラツキ及び狂いの少ないズーム光学系及びそれを用いた撮像装置を達成する。
【０１５８】
更に、絞りをズーム光学系の物体側若しくは最初の光束入射面の近傍に配置すると共に、該ズーム光学系の中で物体像を少なくとも１回結像させる構成をとることにより、広画角のズーム光学系でありながら、各光学素子の有効径を縮小し、そして該光学素子を構成する複数の反射面に適切な屈折力を与えると共に、これらを偏心配置することにより、光学系内の光束がけられること無く所望の形状に屈曲し、ズーム光学系の所定方向の全長を短縮するズーム光学系及びそれを用いた撮像装置を達成する。
【０１５９】
その他、（２−１） ズーム光学系の最初の光束入射面の近傍に、その後の基準軸が含まれる平面に対して傾いた反射面を適切に設定することにより、撮影光学系に入射する光束の方向を自由に設定することができ、カメラの形態に一層の自由度を増すことが出来る。
（２−２） ズーム光学系の像面の手前で、その前の基準軸が含まれる平面に対して傾いた反射面を適切に設定することにより、撮影光学系から射出する光束の方向を自由に設定することができ、カメラの形態に一層の自由度を増すことが出来る。
（２−３） ズーム光学系を複数の反射面を一体的に形成した光学素子と共軸屈折面で構成する光学素子（共軸光学素子）を適切に組み合わせているので、ズーム光学系を偏心配置した反射面のみで構成する場合に比べて、共軸光学素子にパワーを分担させて偏心収差の発生を抑えると共に、各収差の補正が容易になる。
（２−４） 本ズーム光学系では共軸光学素子を組み合わせており、共軸屈折面のほとんどが球面で構成されているため、光学素子の製作が容易である。等の少なくとも１つの効果を有するズーム光学系及びそれを用いた撮像装置を達成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のズーム光学系の実施形態１のYZ面内での光学断面図
【図２】 実施形態１の横収差図（広角端）
【図３】 実施形態１の横収差図（中間位置）
【図４】 実施形態１の横収差図（望遠端）
【図５】 本発明の実施形態における座標系の説明図
【図６】 本発明のズーム光学系の実施形態２のYZ面内での光学断面図
【図７】 実施形態２の横収差図（広角端）
【図８】 実施形態２の横収差図（中間位置）
【図９】 実施形態２の横収差図（望遠端）
【図１０】 本発明のズーム光学系の実施形態３のYZ面内での光学断面図
【図１１】 実施形態３の横収差図（広角端）
【図１２】 実施形態３の横収差図（中間位置）
【図１３】 実施形態３の横収差図（望遠端）
【図１４】 本発明のズーム光学系の参考例１のYZ面内での光学断面図
【図１５】 参考例１の横収差図（広角端）
【図１６】 参考例１の横収差図（中間位置）
【図１７】 参考例１の横収差図（望遠端）
【図１８】 入射基準軸をX 軸に平行に入射させる構成にしたズーム光学系の斜視図
【図１９】 本発明のズーム光学系の参考例２のYZ面内での光学断面図
【図２０】 参考例２の横収差図（広角端）
【図２１】 参考例２の横収差図（中間位置）
【図２２】 参考例２の横収差図（望遠端）
【図２３】 カセグレン式反射望遠鏡の基本構成図
【図２４】 ミラー光学系における、主光線を光軸から離しケラレを防止する第一の方法の説明図
【図２５】 ミラー光学系における、主光線を光軸から離しケラレを防止する第二の方法の説明図
【図２６】 従来の反射ミラーを用いたズーム光学系の概略図
【図２７】 プリズム反射面に曲率を持った観察光学系の概略図
【図２８】 他のプリズム反射面に曲率を持った観察光学系の概略図
【符号の説明】
Ri，Rm,n 面
Rｉ 第ｉ面の曲率半径
Bi 第i 光学素子
Di 基準軸に沿った面間隔
Ndi 屈折率
νdi アッベ数
Ai,j 基準軸
BL 絞り
P 最終像面
Ni 中間結像
【発明の属する技術分野】
本発明はズーム光学系及びそれを用いた撮像装置に関し、特に複数の反射面を有する光学素子と屈折面のみで構成される光学素子とを複数個用い、そのうち少なくとも２つの光学素子の相対的位置を変化させることによりズーミング（変倍）を行うものであり、ビデオカメラやスチールビデオカメラ、そして複写機等に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
ズーム撮像光学系として、従来より知られているものとして、屈折レンズのみで構成した光学系がある。これらは、球面あるいは回転対称非球面の屈折レンズが、光軸に対して回転対称に配置されている。
【０００３】
また、従来より凹面鏡や凸面鏡等の反射面を利用した撮影光学系が種々と提案されているし、反射系と屈折系とを両方使用した光学系もカタディオプトリック系としてよく知られている。
【０００４】
図23は１つの凹面鏡と１つの凸面鏡より成る所謂ミラー光学系の概略図である。
【０００５】
同図のミラー光学系において、物体からの物体光束104 は、凹面鏡101 にて反射され、収束されつつ物体側に向かい、凸面鏡102 にて反射された後、レンズ110 で屈折され、像面103 に結像する。
【０００６】
このミラー光学系は、所謂カセグレン式反射望遠鏡の構成を基本としており、屈折レンズで構成されるレンズ全長の長い望遠レンズ系の光路を相対する二つの反射ミラーを用いて折りたたむ事により、光学系全長を短縮することを目的としたものである。
【０００７】
また、望遠鏡を構成する対物レンズ系においても、同様な理由から、カセグレン式の他に、複数の反射ミラーを用いて光学系の全長を短縮する形式が多数知られている。
【０００８】
この様に、従来よりレンズ全長の長い撮影レンズの代わりに反射ミラーを用いる事により、効率よく光路を折りたたんで、コンパクトなミラー光学系を得ている。
【０００９】
しかしながら、一般的にカセグレン式反射望遠鏡等のミラー光学系においては、凸面鏡102 により物体光線の一部がケラレると言う問題点がある。この問題は物体光束104 の通過領域中に凸面鏡102 がある事に起因するものである。
【００１０】
この問題点を解決する為に、反射ミラーを偏心させて使用して、物体光束104の通過領域を光学系の他の部分が遮蔽することを避ける、即ち光束の主光線を光軸105 から離すミラー光学系も提案されている。
【００１１】
図24は米国特許3,674,334 号明細書に開示されているミラー光学系の概略図であり、光軸に対して回転対称な反射ミラーの一部を用いることによって上記のケラレの問題を解決している。
【００１２】
同図のミラー光学系は光束の通過順に凹面鏡111 、凸面鏡113 そして凹面鏡112 があるが、それらはそれぞれ図中二点破線で示す様に、もともと光軸114 に対して回転対称な反射ミラーである。このうち凹面鏡111 は光軸114 に対して紙面上側のみ、凸面鏡113 は光軸114 に対して紙面下側のみ、凹面鏡112 は光軸114に対して紙面下側のみを使用する事により、物体光束115 の主光線116 を光軸114 から離し、物体光束115 のケラレを無くした光学系を構成している。
【００１３】
図25は米国特許5,063,586 号明細書に開示されているミラー光学系の概略図である。同図のミラー光学系は反射ミラーの中心軸自体を光軸に対して偏心させて物体光束の主光線を光軸から離して上記の問題を解決している。
【００１４】
同図において、被写体面121 の垂直軸を光軸127 と定義した時に、光束の通過順に凸面鏡122・凹面鏡123・凸面鏡124 そして凹面鏡125 のそれぞれの反射面の中心座標及び中心軸（その反射面の中心とその面の曲率中心とを結んだ軸）122a,123a,124a,125a は、光軸127 に対して偏心している。同図ではこのときの偏心量と各面の曲率半径を適切に設定することにより、物体光束128 の各反射ミラーによるケラレを防止して、物体像を効率よく結像面126 に結像させている。
【００１５】
その他米国特許4,737,021 号明細書や米国特許4,265,510 号明細書にも光軸に対して回転対称な反射ミラーの一部を用いてケラレを避ける構成、或は反射ミラーの中心軸自体を光軸に対して偏心させてケラレを避ける構成が開示されている。
【００１６】
ところで、反射鏡と屈折レンズとを両方使用したカタディオプトリック光学系で、変倍機能を有したものとして例えば米国特許4,477,156 号明細書、米国特許4,571,036 号明細書に開示されているディープスカイ望遠鏡がある。これは、主鏡に放物面反射鏡を用い、エルフレ接眼鏡を使って倍率を可変にしたものである。
【００１７】
また、上記ミラー光学系を構成する複数の反射面を相対的に移動させることにより、撮影光学系の結像倍率（焦点距離）を変化させるズーミング技術も知られている。
【００１８】
例えば米国特許4,812,030 号明細書においては、図23に示すカセグレン式反射望遠鏡の構成において、凹面鏡101 から凸面鏡102 までの間隔と凸面鏡102 から像面103 までの間隔を相対的に変化させることにより撮影光学系の変倍を行う技術が開示されている。
【００１９】
図26は同公報に開示されている別の実施形態である。同図において、物体からの物体光束138 は第一凹面鏡131 に入射してこの面で反射され収束光束となって物体側に向かい第一凸面鏡132 に入射し、ここで結像面側へ反射され略平行な光束となって第二凸面鏡134 に入射し、この面で反射されて発散光束となって第二凹面鏡135 に入射し、ここで反射されて収束光束となり像面137 上に結像する。この構成において第一凹面鏡131 と第一凸面鏡132 間の間隔を変化させるとともに、第二凸面鏡134 と第二凹面鏡135 間の間隔を変化させてズーミングを行い全系のミラー光学系の焦点距離を変化させている。
【００２０】
また、米国特許4,993,818 号明細書においては、図23に示すカセグレン式反射望遠鏡にて結像した像を後段に設けた別のミラー光学系にて二次結像し、この二次結像用のミラー光学系の結像倍率を変化させることにより撮影系全体の変倍を行っている。
【００２１】
これらの反射型の撮影光学系は、構成部品点数が多く、必要な光学性能を得る為には、それぞれの光学部品を精度良く組み立てることが必要であった。特に、反射ミラーの相対位置精度が厳しい為、各反射ミラーの位置及び角度の調整が必須であった。
【００２２】
この問題を解決する一つの方法として、例えばミラー系を一つのブロック化することにより、組立時に生じる光学部品の組み込み誤差を回避する方法が提案されている。
【００２３】
従来、多数の反射面が一つのブロックになっているものとして、例えばファインダー系等に使用されるペンタゴナルダハプリズムやポロプリズム等の光学プリズムがある。
【００２４】
これらのプリズムは、複数の反射面が一体成形されている為に、各反射面の相対的な位置関係は精度良く作られており、反射面相互の位置調整は不要となる。但し、これらのプリズムの主な機能は、光線の進行方向を変化させることで像の反転を行うものであり、各反射面は平面で構成されている。
【００２５】
これに対して、プリズムの反射面に曲率を持たせた光学系も知られている。
【００２６】
図27は米国特許4,775,217 号明細書に開示されている観察光学系の要部概略図である。この観察光学系は外界の風景を観察すると共に、情報表示体に表示した表示画像を風景とオーバーラップして観察する光学系である。
【００２７】
この観察光学系では、情報表示体141 の表示画像から射出する表示光束145 は面142 にて反射して物体側に向かい、凹面より成るハーフミラー面143 に入射する。そしてこのハーフミラー面143 にて反射した後、表示光束145 は凹面143 の有する屈折力によりほぼ平行な光束となり、面142 を屈折透過した後、表示画像の拡大虚像を形成するとともに、観察者の瞳144 に入射して表示画像を観察者に認識させている。
【００２８】
一方、物体からの物体光束146 は反射面142 とほぼ平行な面147 に入射し、屈折して凹面のハーフミラー面143 に至る。凹面143 には半透過膜が蒸着されており、物体光束146 の一部は凹面143 を透過し、面142 を屈折透過後、観察者の瞳144 に入射する。これにより観察者は外界の風景の中に表示画像をオーバーラップして視認する。
【００２９】
図28は特開平2-297516号公報に開示されている観察光学系の要部概略図である。この観察光学系も外界の風景を観察すると共に、情報表示体に表示した表示画像をオーバーラップして観察する光学系である。
【００３０】
この観察光学系では、情報表示体150 から出射した表示光束154 は、プリズムPaを構成する平面157 を透過しプリズムPaに入り放物面反射面151 に入射する。表示光束154 はこの反射面151 にて反射されて収束光束となり焦点面156 に結像する。このとき反射面151 で反射された表示光束154 は、プリズムPaを構成する２つの平行な平面157 と平面158 との間を全反射しながら焦点面156 に到達しており、これによって光学系全体の薄型化を達成している。
【００３１】
次に焦点面156 から発散光として出射した表示光束154 は、平面157 と平面158 の間を全反射しながら放物面より成るハーフミラー152 に入射し、このハーフミラー面152 で反射されると同時にその屈折力によって表示画像の拡大虚像を形成すると共にほぼ平行な光束となり、面157 を透過して観察者の瞳153 に入射し、これにより表示画像を観察者に認識させている。
【００３２】
一方、外界からの物体光束155 はプリズムPbを構成する面158bを透過し、放物面より成るハーフミラー152 を透過し、面157 を透過して観察者の瞳153 に入射する。観察者は外界の風景の中に表示画像をオーバーラップして視認する。
【００３３】
さらに、プリズムの反射面に光学素子を用いた例として、例えば特開平5-12704 号公報や特開平6-139612号公報等に開示されている光ピックアップ用の光学ヘッドがある。これらは半導体レーザーからの光をフレネル面やホログラム面にて反射させた後、ディスク面に結像し、ディスクからの反射光をディテクターに導いている。
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の屈折光学素子のみの光学系は、絞りが光学系の内部に配置され、しかも入射瞳が光学系の奥深くにある場合が多く、絞りから見て最も物体側に位置する入射面までの間隔が大きいほど、入射面の光線有効径は大きくなり、しかも画角が大きくなると共に更に大きくなる問題点があった。
【００３５】
又、前記米国特許3,674,334 号明細書、米国特許5,063,586 号明細書、米国特許4,265,510 号明細書に開示されている偏心ミラーを有するミラー光学系は、いずれも各反射ミラーを異なる偏心量にて配置しており、各反射ミラーの取り付け構造が非常に煩雑となり、また取り付け精度を確保する事が非常に難しいものとなっている。
【００３６】
又、米国特許4,812,030 号明細書、米国特許4,993,818 号明細書に開示されている変倍機能を有する撮影光学系は、いずれも反射ミラーや結像レンズなどの構成部品点数が多く、必要な光学性能を得る為には、それぞれの光学部品を精度良く組み立てる必要があった。
【００３７】
また特に反射ミラーの相対位置精度が厳しくなる為、各反射ミラーの位置及び角度を精密に調整することが必要であった。
【００３８】
又従来の反射型の撮影光学系は、光学系全長が長く画角の小さい所謂望遠タイプのレンズ系に適した構成となっている。そして、標準レンズの画角から広角レンズの画角までを必要とする撮影光学系を得る場合には収差補正上必要とされる反射面数が多くなる為、更に高い部品精度、高い組立精度が必要となり、コスト或は全体が大型化する傾向があった。
【００３９】
又、前記米国特許4,775,217 号明細書、特開平2-297516号公報に開示されている観察光学系は、いずれも観察者の瞳から離れて配置されている情報表示体に表示されている表示画像を効率良く観察者の瞳に伝達する為の瞳結像作用と光線の進行方向を変化させる事を主眼としており、曲率を持った反射面にて積極的な収差補正を行う技術については直接的に開示されていない。
【００４０】
又、特開平5-12704 号公報や特開平6-139612号公報等に開示されている光ピックアップ用の光学系は、いずれも検知光学系の使用に限定されており、撮影光学系、特にCCD 等の面積型の撮像素子を用いた撮像装置に対する結像性能を満足するものではなかった。
【００４１】
本発明は、複数の曲面や平面の反射面を一体的に形成した光学素子と共軸の屈折面のみからなる光学素子とを複数用い、該複数の光学素子のうちの少なくとも２つの光学素子の相対的位置を適切に変化させてズーミングを行うことにより、ズーム光学系全体の小型化を図ると共に、性能へ大きく影響する反射面の配置精度（組立精度）のバラツキ及び狂いの少ないズーム光学系及びそれを用いた撮像装置の提供を目的とする。
【００４２】
更に、絞りをズーム光学系の物体側若しくは最初の光束入射面の近傍に配置すると共に、該ズーム光学系の中で物体像を少なくとも１回結像させる構成をとることにより、広画角のズーム光学系でありながら、各光学素子の有効径を縮小し、そして該光学素子を構成する複数の反射面に適切な屈折力を与えると共に、これらを偏心配置することにより、光学系内の光束がけられること無く所望の形状に屈曲し、ズーム光学系の所定方向の全長を短縮するズーム光学系及びそれを用いた撮像装置の提供を目的とする。
【００４３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のズーム光学系は、複数の光学素子を有し、該複数の光学素子を介して物体の像を結像するズーム光学系であって、像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を基準軸とするとき、該複数の光学素子は、
透明体の表面に２つの屈折面と、相互に偏心し、且つ少なくとも１つの回転非対称な非球面を含んだ複数の反射面とが形成され、光束が１つの屈折面から該透明体の内部へ入射し、該複数の反射面で反射を繰り返して別の屈折面から射出するように構成された反射光学素子と、
該基準軸と共通の光軸を持つ複数の屈折面のみで構成された２つの共軸光学素子とを含み、該２つの共軸光学素子が基準軸に沿って移動して、該反射光学素子と該２つの共軸光学素子との互いの相対的位置が変化することにより変倍を行っており、該物体の像は光路の中で少なくとも１回中間結像することを特徴としている。
【００４４】
請求項２の発明のズーム光学系は、複数の光学素子を有し、該複数の光学素子を介して物体の像を結像するズーム光学系であって、像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を基準軸とするとき、該複数の光学素子は、
相互に偏心し、且つ少なくとも１つの回転非対称な非球面を含んだ複数の表面鏡が一体的に形成され、光束が該複数の表面鏡の反射面で反射を繰り返して射出するように構成された反射光学素子と、
該基準軸と共通の光軸を持つ複数の屈折面のみで構成された２つの共軸光学素子とを含み、
該２つの共軸光学素子が基準軸に沿って移動して、該反射光学素子と該２つの共軸光学素子との互いの相対的位置が変化することにより変倍を行っており、該物体の像は光路の中で少なくとも１回中間結像することを特徴としている。
【００４５】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、記ズーム光学系の光束入射側又は最初の光束入射面の近傍に絞りを設けることを特徴としている。
請求項４の発明は請求項１〜３のいずれか１項の発明において、前記反射光学素子に入射する前記基準軸上の光線と、前記反射光学素子から射出する前記基準軸上の光線とが平行であることを特徴としている。
請求項５の発明は請求項４の発明において、前記反射光学素子に入射する前記基準軸上の光線の進行方向と、前記反射光学素子から射出する前記基準軸上の光線の進行方向とが同方向であることを特徴としている。
請求項６の発明は請求項４の発明において、前記反射光学素子に入射する前記基準軸上の光線の進行方向と、前記反射光学素子から射出する前記基準軸上の光線の進行方向とが反対方向であることを特徴としている。
請求項７の発明は請求項１〜６のいずれか１項の発明において、前記複数の反射面の内、曲面の反射面はすべて回転非対称な非球面であることを特徴としている。
請求項８の発明の撮像装置は、請求項１〜７のいずれか１項に記載のズーム光学系と、該ズーム光学系により撮像面上に物体の像が形成される撮像媒体とを有することを特徴としている。
【００４６】
【発明の実施の形態】
実施形態の説明に入る前に、実施形態の構成諸元の表し方及び実施形態全体の共通事項について説明する。
【００４７】
図 5は本発明の光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。本発明の実施形態では物体側から像面に進む１つの光線（図 5中の一点鎖線で示すもので基準軸光線と呼ぶ）に沿ってｉ番目の面を第ｉ面とする。
【００４８】
図 5において第１面R1は絞り、第２面R2は第１面と共軸な屈折面、第３面R3は第２面R2に対してチルトされた反射面、第４面R4、第５面R5は各々の前面に対してシフト、チルトされた反射面、第６面R6は第５面R5に対してシフト、チルトされた屈折面である。第２面R2から第６面R6までの各々の面はガラス、プラスチック等の媒質で構成される一つの光学素子上に構成されており、図 5中では第１光学素子B1としている。
【００４９】
従って、図 5の構成では不図示の物体面から第２面R2までの媒質は空気、第２面R2から第６面R6まではある共通の媒質、第６面R6から不図示の第７面R7までの媒質は空気で構成している。
【００５０】
本発明の光学系は偏心光学系であるため光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。そこで、本発明の実施形態においては先ず第１面の光線有効径の中心を原点とする絶対座標系を設定する。
【００５１】
そして、本発明の実施形態においては、第１面の光線有効径の中心点を原点とすると共に、原点と最終結像面の中心とを通る光線（基準軸光線）の経路を光学系の基準軸と定義している。さらに、本実施形態中の基準軸は方向（向き）を持っている。その方向は基準軸光線が結像に際して進行する方向である。
【００５２】
本発明の実施形態においては、光学系の基準となる基準軸を上記の様に設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すれば良い。しかし、一般的には像面の中心と、絞り又は入射瞳又は出射瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を光学系の基準となる基準軸に設定する。
【００５３】
つまり、本発明の実施形態においては、基準軸は第１面、即ち絞り面の光線有効径の中心点を通り、最終結像面の中心へ至る光線（基準軸光線）が各屈折面及び反射面によって屈折・反射する経路を基準軸に設定している。各面の順番は基準軸光線が屈折・反射を受ける順番に設定している。
【００５４】
従って基準軸は設定された各面の順番に沿って屈折若しくは反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。
【００５５】
本発明の各実施形態の光学系を構成するチルト面は基本的にすべてが同一面内でチルトしている。そこで、絶対座標系の各軸を以下のように定める。
【００５６】
Z軸：原点を通り第２面R2に向かう基準軸
Y軸：原点を通りチルト面内（図 5の紙面内）でZ 軸に対して反時計回りに90゜をなす直線
X軸：原点を通りZ、Y 各軸に垂直な直線（図 5の紙面に垂直な直線）
又、光学系を構成する第ｉ面の面形状を表すには、絶対座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でその面の面形状を表した方が形状を認識する上で理解し易い為、本発明の構成データを表示する実施形態では第ｉ面の面形状をローカル座標系で表わす。
【００５７】
また、第ｉ面のYZ面内でのチルト角は絶対座標系のZ 軸に対して反時計回り方向を正とした角度θi （単位°）で表す。よって、本発明の実施形態では各面のローカル座標の原点は図 5中のYZ平面上にある。またXZおよびXY面内での面の偏心はない。さらに、第ｉ面のローカル座標(x,y,z) のy,z 軸は絶対座標系(X,Y,Z) に対してYZ面内で角度θi 傾いており、具体的には以下のように設定する。
【００５８】
z 軸：ローカル座標の原点を通り、絶対座標系のZ 方向に対しYZ面内において反時計方向に角度θi をなす直線
y 軸：ローカル座標の原点を通り、z 方向に対しYZ面内において反時計方向に90゜をなす直線
x 軸：ローカル座標の原点を通り、YZ面に対し垂直な直線
また、Diは第ｉ面と第(i+1) 面のローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ndi 、νdiは第ｉ面と第(i+1) 面間の媒質の屈折率とアッベ数である。
【００５９】
また、本発明の実施形態の光学系は複数の光学素子の移動により全体の焦点距離を変化する（変倍をする）。本発明の数値データを挙げた実施形態では広角端(W) 、望遠端(T) とこれらの中間位置(M) の三つの位置での光学系断面図、数値データを示す。
【００６０】
ここで、図 5の光学素子においてYZ面内で光学素子が移動すると各変倍位置で値が変わるのは各面の位置を表すローカル座標の原点（Yi、Zi）であるが、数値データを挙げた実施形態では、変倍のために移動する光学素子がZ 方向の移動の場合は座標値Ziを光学系が広角端、中間、望遠端の状態の順にZi (W) 、Zi(M)、Zi(T) で表すこととし、変倍のために移動する光学素子がY 方向の移動の場合は座標値Yiを光学系が広角端、中間、望遠端の状態の順にYi (W) 、Yi(M) 、Yi(T) で表すこととする。
【００６１】
なお、各面の座標値は広角端での値を示し、中間、望遠端では広角端との差で記述する。具体的には広角端(W) に対する中間位置(M) 、望遠端(T) での移動量を各々a,b とすれば、以下の式で表す：
Zi(M)=Zi(W)+a
Zi(T)=Zi(W)+b
なお、a,b の符号は各面がZ プラス方向に移動する場合を正、Z マイナス方向に移動する場合を負としている。移動がＹ方向の場合も同様である。また、この移動に伴い変化する面間隔Diは変数であり、各変倍位置での値を別表にまとめて示す。
【００６２】
本発明の実施形態は球面及び回転非対称の非球面を有している。その内の球面部分は球面形状としてその曲率半径Riを記している。曲率半径Riの符号は、曲率中心がローカル座標のｚ軸プラス方向にある場合をプラスとし、ｚ軸マイナス方向にある場合をマイナスとする。
【００６３】
ここで、球面は以下の式で表される形状である：
【００６４】
【数１】
A ＝(a+b)・(y２・cos２t+x２)
B ＝2a・b・cos t[1+{(b-a)・y・sin t/(2a・b)}
+〔1+{(b-a)・y・sin t/(a・b)}-{y２/(a・b)}-{4a・b・cos２t+(a+b)２sin２t}x２
/(4a２b２cos２t)〕１／２]
として
z ＝A/B+C02y2+C20x2+C03y3+C21x2y+C04y4+C22x2y2+C40x4
上記曲面式はx に関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定される曲面はyz面を対称面とする面対称な形状である。さらに以下の条件が満たされる場合はxz面に対して対称な形状を表す。
【００６５】
C03 ＝C21 ＝t ＝0
さらに
C02 ＝C20 C04＝C40＝C22/2
が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は非回転対称な形状である。
【００６６】
なお、本発明の各実施形態においては、実施形態４を除いて、図 5に示すように、その第１面は絞りである。又、水平半画角uYとは図 5のYZ面内において第１面R1に入射する光束の最大画角、垂直半画角uXとはXZ面内において第１面R1に入射する光束の最大画角である。また、絞りの直径を絞り径として示している。これは光学系の明るさに関係する。
【００６７】
なお、実施形態４を除いて、入射瞳は第１面に位置するため上記絞り径は入射瞳径に等しい。
【００６８】
又、像面上での有効像範囲を像サイズとして示す。像サイズはローカル座標のy方向のサイズを水平、x 方向のサイズを垂直とした矩形領域で表している。
【００６９】
又、構成データを挙げている実施形態については光学系のサイズを示している。そのサイズは広角端における光線有効径によって定められるサイズである。
【００７０】
又、構成データを挙げている実施形態についてはその横収差図を示す。横収差図は各実施形態の広角端(W) 、中間位置(M) 、望遠端(T) の状態について、絞りR1への水平入射角、垂直入射角が夫々(uY,uX),(0,uX),(-uY,uX),(uY,0),(0,0),(-uY, 0) となる入射角の光束の横収差を示す。横収差図においては、横軸は瞳への入射高さを表し、縦軸は収差量を表している。各実施形態とも基本的に各面がyz面を対称面とする面対称の形状となっている為、横収差図においても垂直画角のプラス、マイナス方向は同一となるので、図の簡略化の為に、マイナス方向の横収差図は省略している。
【００７１】
実施形態を以下に示す。
［実施形態１］
図 1は本発明のズーム光学系の実施形態１のYZ面内での光学断面図である。本実施形態は変倍比約3 倍の三群ズームレンズの撮像光学系である。その構成データを以下に記す。
【００７２】
広角端 中間 望遠端
水平半画角 26.3 18.2 9.3
垂直半画角 20.3 13.9 7.0
絞り径 2.4 2.4 2.4
像サイズ 水平4.8mm ×垂直3.6mm
光学系のサイズ(X×Y ×Z)＝広角端において 12.4x 32.9x 62.0
i Yi Zi(W) θi Di Ndi νdi
1 0.00 0.00 0.00 6.15 1 絞り
第１光学素子B1
2 0.00 6.15 0.00 9.00 1.64769 33.80 屈折面
3 0.00 15.15 17.78 11.66 1.64769 33.80 反射面
4 -6.78 5.66 2.45 11.20 1.64769 33.80 反射面
5 -12.49 15.30 -10.81 10.61 1.64769 33.80 反射面
6 -14.15 4.82 -17.97 10.69 1.64769 33.80 反射面
7 -21.71 12.38 -22.49 8.37 1.64769 33.80 反射面
8 -21.71 4.01 0.00 変数 1 屈折面
第２光学素子B2
9 -21.71 -10.91 0.00 1.45 1.48749 70.21 屈折面
10 -21.71 -12.37 0.00 0.18 1 屈折面
11 -21.71 -12.55 0.00 1.57 1.60311 60.66 屈折面
12 -21.71 -14.12 0.00 0.13 1 屈折面
13 -21.71 -14.25 0.00 1.38 1.62041 60.27 屈折面
14 -21.71 -15.62 0.00 0.10 1 屈折面
15 -21.71 -15.72 0.00 2.14 1.64100 56.92 屈折面
16 -21.71 -17.87 0.00 0.12 1 屈折面
17 -21.71 -17.99 0.00 0.67 1.71736 29.51 屈折面
18 -21.71 -18.66 0.00 変数 1 屈折面
第３光学素子B3
19 -21.71 -32.51 0.00 2.04 1.58913 61.18 屈折面
20 -21.71 -34.55 0.00 0.71 1 屈折面
21 -21.71 -35.26 0.00 0.86 1.56384 60.69 屈折面
22 -21.71 -36.12 0.00 0.10 1 屈折面
23 -21.71 -36.22 0.00 2.15 1.60311 60.66 屈折面
24 -21.71 -38.38 0.00 0.10 1 屈折面
25 -21.71 -38.48 0.00 2.85 1.75520 27.51 屈折面
26 -21.71 -41.32 0.00 0.10 1 屈折面
27 -21.71 -41.42 0.00 0.50 1.65446 33.62 屈折面
28 -21.71 -41.92 0.00 変数 1 屈折面
29 -21.71 -46.00 0.00 0.00 1 像面
広角端 中間 望遠端
D 8 14.93 7.22 9.22
D18 13.86 9.52 2.59
D28 4.08 16.14 21.06
D 1 〜 8面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W)
D 9 〜18面 Zi(M) = Zi(W) + 7.73 Zi(T) = Zi(W) + 5.71
D19 〜28面 Zi(M) = Zi(W) + 12.06 Zi(T) = Zi(W) + 16.98
D29 面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W)
球面形状
R 2 面 R2 = -12.622
R 8 面 R8 = -14.877
R 9 面 R9 = 12.866
R10 面 R10= 10.705
R11 面 R11= 138.974
R12 面 R12= 14.258
R13 面 R13= -42.325
R14 面 R14= 14.369
R15 面 R15= -7.298
R16 面 R16= 58.857
R17 面 R17= 29.735
R18 面 R18= -6.045
R19 面 R19= -98.642
R20 面 R20= 20.180
R21 面 R21= -28.327
R22 面 R22= 37.323
R23 面 R23= -11.405
R24 面 R24= 11.769
R25 面 R25= 11.362
R26 面 R26= 67.664
R27 面 R27= -6.735
R28 面 R28= -5.455
非球面形状
R 3 面 a =-1.67168e+01 b =-1.40383e+01 t = 2.13856e+01
C03=-4.89226e-05 C21=-8.30083e-05
C04= 1.08453e-05 C22= 2.53575e-05 C40= 1.82792e-05
R 4 面 a =-6.16288e+00 b =-1.19620e+01 t = 4.52060e+01
C03= 4.89807e-03 C21= 2.67721e-03
C04= 1.88551e-04 C22=-2.04184e-04 C40= 1.07399e-04
R 5 面 a =-2.03427e+01 b =-2.34954e+01 t = 3.70433e+01
C03= 5.02647e-04 C21= 1.88611e-04
C04= 2.09495e-05 C22= 2.42572e-06 C40=-1.92403e-06
R 6 面 a =-1.22106e+02 b =-1.22097e+02 t = 7.58653e+01
C03= 4.66466e-04 C21= 4.88673e-05
C04=-4.14548e-05 C22=-1.09844e-04 C40=-6.05085e-05
R 7 面 a =-1.45959e+01 b =-1.84911e+02 t = 2.98825e+01
C03= 2.73516e-04 C21= 5.85397e-05
C04=-2.28623e-06 C22=-6.14890e-06 C40=-8.24738e-06
図 1において、第１面R1は入射瞳である絞り面である。B1は第１光学素子であり、１つのブロック上に第２面R2（屈折入射面）と曲面の内面反射面である第３面R3〜第７面R7と第８面R8（屈折射出面）を形成している。B2は第２光学素子であり、共軸の屈折面第９面R9〜第１８面R18 より構成される複数のレンズで構成している。B3は第３光学素子であり、共軸の屈折面第１９面R19 〜第２８面R28 より構成される複数のレンズで構成している。そして第２９面R29 は像面であり、CCD 等の撮像媒体の撮像面が位置する。
【００７３】
本実施形態は所謂三群ズームレンズであり、絞りR1と第１光学素子B1が第１群、第２光学素子B2が第２群、第３光学素子B3が第３群を構成し、このうち、第２群と第３群が相対的位置を変化させて変倍作用を行う変倍群である。
【００７４】
以下、物体位置を無限遠としたときの結像作用について述べる。まず、絞りR1を通過した光束は第１光学素子B1に入射する。第１光学素子B1内では第２面 R2で屈折、第３面R3、第４面R4、第５面R5、第６面R6、第７面R7で反射、第８面R8で屈折し、第１光学素子B1を出射する。このとき、入射光束は第４面R4近傍に一旦中間結像する。更に、第１光学素子B1と第２光学素子B2との間に２次結像する。
【００７５】
次に光束は第２光学素子B2に入射する。第２光学素子B2内では第９面R9〜第１８面R18 で屈折し、第２光学素子B2を出射する。この時光束の主光線は第１８面R18 近傍に結像して瞳を形成している。
【００７６】
次に第２光学素子B2を出射した光束は第３光学素子B3に入射する。第３光学素子B3内では第１９面R19 〜第２８面R28 で屈折して第３光学素子B3を出射し、最終結像面である第２９面R29 上に結像する。
【００７７】
次に、変倍動作の際の各光学素子の移動について説明する。変倍に際して第１光学素子B1は固定であり、動かない。第２光学素子B2は広角端から望遠端に向ってZ プラス方向に移動した後Z マイナス方向に移動する。第３光学素子B3は広角端から望遠端に向ってZ プラス方向に移動する。像面である第２９面R29 は変倍に際して移動しない。
【００７８】
そして、広角端から望遠端に向っての変倍により第１光学素子B1と第２光学素子B2との間隔は狭まった後広がり、第２光学素子B2と第３光学素子B3との間隔は狭まり、第３光学素子B3と像面R29 との間は広がる。また、広角端から望遠端の変倍に際して第１面R1から像面R29 までの全系の光路長は一定である。
【００７９】
本実施形態においては第１光学素子B1の入射・出射基準軸は平行で逆方向に向いている。又、変倍作用を行う第２光学素子B2と第３光学素子B3の基準軸はこれらの光学素子の光軸であり、互いに共通であり、夫々の入射・出射基準軸は同方向に向いている。
【００８０】
図 2、 3、 4は本実施形態の横収差図である。
【００８１】
又、本実施形態において、異なる物体距離に対するフォーカシングは絞りR1と第１光学素子B1とを一体的にZ 軸方向へ移動して行う。
【００８２】
本実施形態はズーム光学系の物体側に絞りR1を備え、第１光学素子B1の中とその後ろで物体像を結像することによって第１光学素子B1の各面の有効径を縮小してX 方向に薄い小型の光学素子としている。
【００８３】
又、第１光学素子B1に設けた複数の内面反射面に適切な屈折力を与えると共に、これらを偏心配置することによりズーム光学系の中の光束をけられること無く所望の形状に屈曲してZ 方向の全長を短縮している。
【００８４】
更に、第１光学素子B1は透明体の表面に複数の反射面を形成しているので、性能へ大きく影響する反射面の位置精度（組立精度）のバラツキ及び狂いの少ないズーム光学系となる。
【００８５】
又、本実施形態のズーム光学系は複数の反射面を一体的に形成した光学素子と共軸屈折面で構成する光学素子（共軸光学素子）を適切に組み合わせているので、ズーム光学系を偏心配置した反射面のみで構成する場合に比べて、共軸光学素子にパワーを分担させて偏心収差の発生を抑えており、又共軸球面屈折面より成る光学素子を使用しているので各収差を容易に補正できる。
【００８６】
更に、かかる共軸球面屈折面より成る光学素子はその製作が容易である。
［実施形態２］
図 6は本発明のズーム光学系の実施形態２のYZ面内での光学断面図である。本実施形態は変倍比約3 倍の三群ズームレンズの撮像光学系である。その構成データを以下に記す。
広角端 中間 望遠端
水平半画角 20.3 13.9 7.0
垂直半画角 26.3 18.2 9.3
絞り径 2.4 2.4 2.4
像サイズ 水平3.6mm ×垂直4.8mm
光学系のサイズ(X×Y ×Z)＝広角端において 8.8x 77.9x 15.6
i Yi Zi(W) θi Di Ndi νdi
1 0.00 0.00 0.00 2.25 1 絞り
第１光学素子B1
2 0.00 2.25 0.00 6.75 1.51633 64.15 屈折面
3 0.00 9.00 25.18 8.75 1.51633 64.15 反射面
4 -6.74 3.42 12.37 8.75 1.51633 64.15 反射面
5 -10.52 11.31 5.31 8.75 1.51633 64.15 反射面
6 -15.70 4.25 -7.76 8.75 1.51633 64.15 反射面
7 -22.57 9.67 -27.54 9.00 1.51633 64.15 反射面
8 -22.05 0.68 -46.66 5.80 1.51633 64.15 反射面
9 -27.85 0.68 -90.00 変数 1 屈折面
第２光学素子B2
10 -38.92 0.68 -90.00 1.97 1.56873 63.16 屈折面
11 -40.89 0.68 -90.00 0.10 1 屈折面
12 -40.99 0.68 -90.00 1.68 1.62041 60.27 屈折面
13 -42.68 0.68 -90.00 0.10 1 屈折面
14 -42.78 0.68 -90.00 1.99 1.62041 60.27 屈折面
15 -44.77 0.68 -90.00 0.10 1 屈折面
16 -44.87 0.68 -90.00 2.36 1.62280 57.06 屈折面
17 -47.23 0.68 -90.00 0.10 1 屈折面
18 -47.33 0.68 -90.00 0.50 1.72151 29.24 屈折面
19 -47.83 0.68 -90.00 変数 1 屈折面
第３光学素子B3
20 -60.21 0.68 -90.00 1.48 1.58913 61.18 屈折面
21 -61.70 0.68 -90.00 0.10 1 屈折面
22 -61.80 0.68 -90.00 1.58 1.58913 61.18 屈折面
23 -63.38 0.68 -90.00 0.10 1 屈折面
24 -63.48 0.68 -90.00 2.76 1.60729 59.37 屈折面
25 -66.23 0.68 -90.00 3.20 1.75520 27.51 屈折面
26 -69.43 0.68 -90.00 0.10 1 屈折面
27 -69.53 0.68 -90.00 0.50 1.59551 39.28 屈折面
28 -70.03 0.68 -90.00 変数 1 屈折面
29 -74.72 0.68 -90.00 0.00 1 像面
広角端 中間 望遠端
D 9 11.07 4.69 6.29
D19 12.38 8.74 1.44
D28 4.69 14.71 20.42
D 1 〜 9面 Yi(M) = Yi(W) Yi(T) = Yi(W)
D10 〜19面 Yi(M) = Yi(W) - 6.39 Yi(T) = Yi(W) - 4.78
D20 〜28面 Yi(M) = Yi(W) - 10.02 Yi(T) = Yi(W) - 15.73
D29 面 Yi(M) = Yi(W) Yi(T) = Yi(W)
球面形状
R 2 面 R2 = ∞
R 9 面 R9 = -14.692
R10 面 R10= -15.785
R11 面 R11= -9.916
R12 面 R12= 806.578
R13 面 R13= -19.136
R14 面 R14= 24.764
R15 面 R15= -26.101
R16 面 R16= 7.532
R17 面 R17=-123.778
R18 面 R18= -52.093
R19 面 R19= 5.947
R20 面 R20= 113.146
R21 面 R21= -19.210
R22 面 R22= 16.059
R23 面 R23=-106.475
R24 面 R24= 16.867
R25 面 R25= -7.880
R26 面 R26= -23.891
R27 面 R27= 6.381
R28 面 R28= 5.013
非球面形状
R 3 面 a =-3.59218e+01 b =-9.56407e+00 t = 2.62788e+01
C03=-3.28591e-04 C21= 1.09040e-04
C04= 3.02002e-05 C22= 7.33327e-05 C40= 7.31472e-05
R 4 面 a =-4.46438e+00 b = 7.31244e+00 t = 1.05955e+01
C03=-8.43381e-04 C21= 1.15148e-04
C04=-4.92526e-04 C22=-1.32799e-03 C40=-3.91919e-04
R 5 面 a =-1.27855e+01 b =-2.36243e+01 t = 1.82299e+01
C03= 4.49533e-05 C21= 4.24795e-05
C04=-2.72263e-05 C22=-1.26579e-04 C40=-1.65426e-04
R 6 面 a =-9.17197e+00 b =-4.60643e+01 t = 1.12881e+01
C03= 8.58718e-05 C21=-8.69345e-04
C04=-3.09227e-04 C22=-9.83897e-04 C40=-1.26913e-03
R 7 面 a =-1.38671e+01 b =-2.68360e+01 t = 1.28619e+01
C03= 1.27138e-05 C21=-3.07799e-04
C04=-8.55028e-06 C22=-5.67380e-05 C40=-8.71918e-05
R 8 面 a =-7.36361e+01 b = 5.55994e+01 t = 7.05431e+01
C03=-1.26030e-04 C21=-1.97414e-03
C04= 2.06017e-05 C22=-2.60272e-05 C40=-3.06310e-04
図 6において、第１面R1は入射瞳である絞り面である。B1は第１光学素子であり、１つのブロック上に第２面R2（屈折入射面）と曲面の内面反射面である第３面R3〜第８面R8と第９面R9（屈折射出面）を形成している。B2は第２光学素子であり、共軸の屈折面第１０面R10 〜第１９面R19 より構成される複数のレンズで構成している。B3は第３光学素子であり、共軸の屈折面第２０面R20 〜第２８面R28 より構成される複数のレンズで構成している。そして第２９面R29 は像面であり、CCD 等の撮像媒体の撮像面が位置する。
【００８７】
本実施形態は所謂三群ズームレンズであり、絞りR1と第１光学素子が第１群、第２光学素子B2が第２群、第３光学素子B3が第３群を構成し、このうち、第２群と第３群が相対的位置を変化させて変倍作用を行う変倍群である。
【００８８】
以下、物体位置を無限遠としたときの結像作用について述べる。まず、絞りR1を通過した光束は第１光学素子B1に入射する。第１光学素子B1内では第２面 R2で屈折、第３面R3、第４面R4、第５面R5、第６面R6、第７面R7、第８面R8で反射、第９面R9で屈折し、第１光学素子B1を出射する。このとき、入射光束は第４面R4近傍に中間結像する。更に、第１光学素子B1と第２光学素子B2との間に２次結像する。
【００８９】
次に光束は第２光学素子B2に入射する。第２光学素子B2内では第１０面R10 〜第１９面R19 で屈折し、第２光学素子B2を出射する。この時光束の主光線は第１９面R19 の後ろで結像して瞳を形成している。
【００９０】
次に第２光学素子B2を出射した光束は第３光学素子B3に入射する。第３光学素子B3内では第２０面R20 〜第２８面R28 で屈折して第３光学素子B3を出射し、最終結像面である第２９面R29 上に結像する。
【００９１】
次に、変倍動作の際の各光学素子の移動について説明する。変倍に際して第１光学素子B1は固定であり、動かない。第２光学素子B2は広角端から望遠端への変倍に際してY プラス方向に移動した後Y マイナス方向に移動する。又、第３光学素子B3はY プラス方向に移動する。像面である第２９面R29 は変倍に際して移動しない。
【００９２】
そして、広角端から望遠端に向っての変倍により第１光学素子B1と第２光学素子B2との間隔は狭まった後広がり、第２光学素子B2と第３光学素子B3との間隔は狭まり、第３光学素子B3と像面R29 との間は広がる。また、広角端から望遠端への変倍に際して第１面R1から像面R29 間での全系の光路長は一定である。
【００９３】
本実施形態においては第１光学素子B1の入射・出射基準軸は90°の角度をなしている。又、変倍作用を行う第２光学素子B2と第３光学素子B3の基準軸はこれらの光学素子の光軸であり、互いに共通であり、夫々の入射・出射基準軸は同方向に向いている。
【００９４】
図 7、 8、 9は本実施形態の横収差図である。
【００９５】
又、本実施形態において、異なる距離に対するフォーカシングは絞りR1と第１光学素子B1とを一体的にY 軸方向へ移動して行う。
【００９６】
本実施形態はズーム光学系の物体側に絞りR1を備え、第１光学素子B1の中とその後ろで物体像を結像することによって第１光学素子B1の各面の有効径を縮小してX 方向に薄い小型の光学素子としている。
【００９７】
又、第１光学素子B1に設けた複数の内面反射面に適切な屈折力を与えると共に、これらを偏心配置することによりズーム光学系の中の光束をけられること無く所望の形状に屈曲してZ 方向の全長を短縮している。
【００９８】
更に、第１光学素子B1は透明体の表面に複数の反射面を形成しているので、性能へ大きく影響する反射面の位置精度（組立精度）のバラツキ及び狂いの少ないズーム光学系となる。
【００９９】
又、本実施形態のズーム光学系は複数の反射面を一体的に形成した光学素子と共軸屈折面で構成する光学素子（共軸光学素子）を適切に組み合わせているので、ズーム光学系を偏心配置した反射面のみで構成する場合に比べて、共軸光学素子にパワーを分担させて偏心収差の発生を抑えており、又共軸球面屈折面より成る光学素子を使用しているので各収差を容易に補正できる。
【０１００】
更に、かかる共軸球面屈折面より成る光学素子はその製作が容易である。
［実施形態３］
図10は本発明のズーム光学系の実施形態３のYZ面内での光学断面図である。本実施形態は変倍比約3 倍の三群ズームレンズの撮像光学系である。その構成データを以下に記す。
広角端 中間 望遠端
水平半画角 26.3 18.2 9.3
垂直半画角 20.3 13.9 7.0
絞り径 2.5 2.5 2.5
像サイズ 水平4.8mm ×垂直3.6mm
光学系のサイズ(X×Y ×Z)＝広角端において 11.8x 41.2x 55.7
i Yi Zi(W) θi Di Ndi νdi
1 0.00 0.00 0.00 5.12 1 絞り
第１光学素子B1
2 0.00 5.12 0.00 7.50 1.58310 30.20 屈折面
3 0.00 12.62 25.00 11.00 1.58310 30.20 反射面
4 -8.43 5.55 3.29 10.00 1.58310 30.20 反射面
5 -15.30 12.82 -15.05 9.50 1.58310 30.20 反射面
6 -17.49 3.57 -13.42 10.00 1.58310 30.20 反射面
7 -23.94 11.22 2.15 10.00 1.58310 30.20 反射面
8 -30.94 4.08 22.22 7.99 1.58310 30.20 反射面
9 -30.94 12.06 0.00 変数 1 屈折面
第２光学素子B2
10 -30.94 27.17 0.00 1.97 1.56873 63.16 屈折面
11 -30.94 29.15 0.00 0.10 1 屈折面
12 -30.94 29.25 0.00 1.68 1.62041 60.27 屈折面
13 -30.94 30.93 0.00 0.10 1 屈折面
14 -30.94 31.03 0.00 1.99 1.62041 60.27 屈折面
15 -30.94 33.02 0.00 0.10 1 屈折面
16 -30.94 33.12 0.00 2.36 1.62280 57.06 屈折面
17 -30.94 35.48 0.00 0.10 1 屈折面
18 -30.94 35.58 0.00 0.50 1.72151 29.24 屈折面
19 -30.94 36.08 0.00 変数 1 屈折面
第３光学素子B3
20 -30.94 48.80 0.00 1.48 1.58913 61.18 屈折面
21 -30.94 50.28 0.00 0.10 1 屈折面
22 -30.94 50.38 0.00 1.58 1.58913 61.18 屈折面
23 -30.94 51.96 0.00 0.10 1 屈折面
24 -30.94 52.06 0.00 2.76 1.60729 59.37 屈折面
25 -30.94 54.82 0.00 3.20 1.75520 27.51 屈折面
26 -30.94 58.02 0.00 0.10 1 屈折面
27 -30.94 58.12 0.00 0.50 1.59551 39.28 屈折面
28 -30.94 58.62 0.00 変数 1 屈折面
29 -30.94 61.58 -0.00 0.00 1 像面
広角端 中間 望遠端
D 9 15.11 4.81 6.79
D19 12.71 10.22 3.53
D28 2.96 15.75 20.46
D 1 〜 9面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T)= Zi(W)
D10 〜19面 Zi(M) = Zi(W) - 10.30 Zi(T) = Zi(W) - 8.32
D20 〜28面 Zi(M) = Zi(W) - 12.79 Zi(T) = Zi(W) - 17.50
D29 面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W)
球面形状
R 2 面 R2 = -9.470
R 9 面 R9 = 12.397
R10 面 R10= -18.096
R11 面 R11= -12.488
R12 面 R12= -22.656
R13 面 R13= -11.326
R14 面 R14= 39.448
R15 面 R15= -16.896
R16 面 R16= 7.231
R17 面 R17= -53.267
R18 面 R18= -29.796
R19 面 R19= 6.222
R20 面 R20=-103.294
R21 面 R21= -13.173
R22 面 R22= 21.609
R23 面 R23= -56.334
R24 面 R24= 19.368
R25 面 R25= -9.154
R26 面 R26= -35.784
R27 面 R27= 7.883
R28 面 R28= 7.084
非球面形状
R 3 面 a =-1.29771e+01 b =-1.91952e+01 t = 2.50000e+01
C03= 2.25585e-05 C21=-2.14047e-04
C04= 2.44891e-08 C22=-2.05123e-05 C40= 1.18194e-05
R 4 面 a =-1.29087e+01 b =-8.14895e+00 t =-4.67120e+01
C03= 5.33084e-04 C21= 1.13391e-03
C04=-2.45084e-06 C22=-2.01069e-04 C40= 1.53466e-03
R 5 面 a =-1.83631e+01 b =-2.14773e+01 t = 2.83707e+01
C03= 3.66045e-05 C21= 2.04110e-04
C04=-4.32368e-07 C22=-8.35352e-06 C40= 1.98574e-05
R 6 面 a =-1.86729e+00 b = 1.86042e+00 t =-2.67346e+01
C03= 1.77221e-04 C21= 7.97292e-04
C04=-1.31000e-05 C22=-4.24244e-05 C40= 4.17627e-05
R 7 面 a = 6.95459e+00 b =-9.77460e+00 t = 4.22976e+01
C03= 1.48091e-04 C21= 1.42273e-03
C04= 2.36193e-05 C22= 4.19020e-05 C40= 1.80643e-04
R 8 面 a = 2.61262e+01 b = 1.59224e+01 t =-22.2220e+01
C03= 4.14325e-05 C21= 4.47240e-04
C04= 3.20699e-06 C22=-3.07287e-05 C40= 1.58223e-05
図10において、第１面R1は入射瞳である絞り面である。B1は第１光学素子であり、１つのブロック上に第２面R2（屈折入射面）と曲面の内面反射面である第３面R3〜第８面R8と第９面R9（屈折射出面）を形成している。B2は第２光学素子であり、共軸の屈折面第１０面R10 〜第１９面R19 より構成される複数のレンズで構成している。B3は第３光学素子であり、共軸の屈折面第２０面R20 〜第２８面R28 より構成される複数のレンズで構成している。そして第２９面R29 は像面であり、CCD 等の撮像媒体の撮像面が位置する。
【０１０１】
本実施形態は所謂三群ズームレンズであり、絞りR1と第１光学素子が第１群、第２光学素子B2が第２群、第３光学素子B3が第３群を構成し、このうち、第２群と第３群が相対的位置を変化させて変倍作用を行う変倍群である。
【０１０２】
以下、物体位置を無限遠としたときの結像作用について述べる。まず、絞りR1を通過した光束は第１光学素子B1に入射する。第１光学素子B1内では第２面 R2で屈折、第３面R3、第４面R4、第５面R5、第６面R6、第７面R7、第８面R8で反射、第９面R9で屈折し、第１光学素子B1を出射する。このとき、入射光束は第４面R4近傍に中間結像する。更に、第１光学素子B1と第２光学素子B2との間に２次結像する。
【０１０３】
次に光束は第２光学素子B2に入射する。第２光学素子B2内では第１０面R10 〜第１９面R19 で屈折し、第２光学素子B2を出射する。この時光束の主光線は第１９面R19 の後ろで結像して瞳を形成している。
【０１０４】
次に第２光学素子B2を出射した光束は第３光学素子B3に入射する。第３光学素子B3内では第２０面R20 〜第２８面R28 で屈折して第３光学素子B3を出射し、最終結像面である第２９面R29 上に結像する。
【０１０５】
次に、変倍動作の際の各光学素子の移動について説明する。変倍に際して第１光学素子B1は固定であり、動かない。第２光学素子B2は広角端から望遠端への変倍に際してZ マイナス方向に移動した後Z プラス方向に移動する。又、第３光学素子B3はZ マイナス方向に移動する。像面である第２９面R29 は変倍に際して移動しない。
【０１０６】
そして、広角端から望遠端に向っての変倍により第１光学素子B1と第２光学素子B2との間隔は狭まった後広がり、第２光学素子B2と第３光学素子B3との間隔は狭まり、第３光学素子B3と像面R29 との間は広がる。また、広角端から望遠端への変倍に際して第１面R1から像面R29 間での全系の光路長は一定である。本実施形態においては第１光学素子B1の入射・出射基準軸は共に平行で同方向である。又、変倍作用を行う第２光学素子B2と第３光学素子B3の基準軸はこれらの光学素子の光軸であり、互いに共通であり、夫々の入射・出射基準軸は同方向に向いている。
【０１０７】
図11、12、13は本実施形態の横収差図である。
【０１０８】
又、本実施形態において、異なる物体距離に対するフォーカシングは絞りR1と第１光学素子B1とを一体的にZ 軸方向へ移動して行う。
【０１０９】
本実施形態はズーム光学系の物体側に絞りR1を備え、第１光学素子B1の中とその後ろで物体像を結像することによって第１光学素子B1の各面の有効径を縮小してX 方向に薄い小型の光学素子としている。
【０１１０】
又、第１光学素子B1に設けた複数の内面反射面に適切な屈折力を与えると共に、これらを偏心配置することによりズーム光学系の中の光束をけられること無く所望の形状に屈曲してZ 方向の全長を短縮している。
【０１１１】
更に、第１光学素子B1は透明体の表面に複数の反射面を形成しているので、性能へ大きく影響する反射面の位置精度（組立精度）のバラツキ及び狂いの少ないズーム光学系となる。
【０１１２】
又、本実施形態のズーム光学系は複数の反射面を一体的に形成した光学素子と共軸屈折面で構成する光学素子（共軸光学素子）を適切に組み合わせているので、ズーム光学系を偏心配置した反射面のみで構成する場合に比べて、共軸光学素子にパワーを分担させて偏心収差の発生を抑えており、又共軸球面屈折面より成る光学素子を使用しているので各収差を容易に補正できる。
【０１１３】
更に、かかる共軸球面屈折面より成る光学素子はその製作が容易である。
【０１１４】
以上の実施形態は、複数の反射面が１つのブロック上に形成された光学素子が固定され共軸部が移動し変倍を行っているが、共軸部を固定し、複数の反射面が１つのブロック上に形成された光学素子を移動して変倍を行う場合もある。以下に、その例を示す。
［参考例１］
図14は本発明のズーム光学系の参考例１のYZ面内での光学断面図である。参考例１は変倍比約3 倍の三群ズームレンズの撮像光学系である。その構成データを以下に記す。
【０１１５】
広角端 中間 望遠端
水平半画角 26.0 18.0 9.2
垂直半画角 20.0 13.6 6.9
絞り径 2.0 2.5 3.6
像サイズ 水平4.8mm ×垂直3.6mm
光学系のサイズ(X×Y ×Z)＝広角端において 13.6x 95.6x 36.9
i Yi Zi(W) θi Di Ndi νdi
第１光学素子B1
1 0.00 0.00 0.00 1.00 1.49700 81.61 屈折面
2 0.00 1.00 0.00 3.00 1 屈折面
3 0.00 4.00 0.00 変数 1 絞り
第２光学素子B2
4 0.00 6.00 0.00 13.00 1.58312 59.37 屈折面
5 0.00 19.00 34.00 9.00 1.58312 59.37 反射面
6 -8.34 15.63 19.00 9.00 1.58312 59.37 反射面
7 -12.84 23.42 0.00 9.00 1.58312 59.37 反射面
8 -17.34 15.63 -15.00 9.00 1.58312 59.37 反射面
9 -25.14 20.13 -30.00 12.00 1.58312 59.37 反射面
10 -25.14 8.13 0.00 0.00 1 屈折面
第３光学素子B3
10' -25.14 8.13 0.00 2.00 1.67032 32.07 屈折面
11 -25.14 6.13 0.00 変数 1 屈折面
第４光学素子B4
12 -25.14 -2.03 0.00 7.00 1.58313 59.37 屈折面
13 -25.14 -9.03 -32.00 12.00 1.58313 59.37 反射面
14 -35.92 -3.77 -14.00 12.00 1.58313 59.37 反射面
15 -42.98 -13.48 0.00 12.00 1.58313 59.37 反射面
16 -50.03 -3.77 14.00 12.00 1.58313 59.37 反射面
17 -60.82 -9.03 32.00 7.00 1.58313 59.37 反射面
18 -60.82 -1.03 0.00 変数 1 屈折面
第５光学素子B5
19 -60.82 5.03 0.00 8.00 1.58313 59.37 屈折面
20 -60.82 13.03 30.00 10.00 1.58313 59.37 反射面
21 -69.48 8.03 15.00 10.00 1.58313 59.37 反射面
22 -74.48 16.69 0.00 10.00 1.58313 59.37 反射面
23 -79.48 8.03 -15.00 10.00 1.58313 59.37 反射面
24 -88.14 13.03 -30.00 8.00 1.58313 59.37 反射面
25 -88.14 5.03 0.00 変数 1 屈折面
26 -88.14 -6.32 0.00 1.80 1 像面
広角端 中間 望遠端
D 3 2.00 2.00 2.00
D11 8.16 5.68 3.02
D18 6.06 6.32 12.24
D25 11.35 14.09 22.67
D 1 〜11面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W)
D12 〜18面 Zi(M) = Zi(W) + 2.48 Zi(T) = Zi(W) + 5.14
D19 〜25面 Zi(M) = Zi(W) + 2.74 Zi(T) = Zi(W) + 11.32
D26 面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W)
球面形状
R 1 面 R1 = ∞
R 2 面 R2 = 10.000
R 4 面 R4 = 10.000
R10 面 R10= -3.796
R11 面 R11= 113.237
R12 面 R12= 96.928
R18 面 R18= 10.281
R19 面 R19= -68.222
R25 面 R25= ∞
非球面形状
R 5 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-2.77957e-02 C20=-3.61721e-02
C03= 2.17709e-04 C21= 8.17518e-04
C04= 4.81535e-05 C22=-2.24283e-04 C40=-5.50769e-05
R 6 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-2.07844e-03 C20=-3.13275e-02
C03=-1.20110e-03 C21=-7.31324e-03
C04=-1.45746e-04 C22=-9.98634e-04 C40=-2.62001e-04
R 7 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-2.65330e-02 C20=-4.37591e-02
C03= 2.37808e-06 C21=-9.02645e-06
C04=-1.21344e-05 C22=-8.82376e-05 C40=-9.77118e-05
R 8 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-5.49968e-03 C20=-5.00091e-02
C03= 1.23568e-03 C21= 6.67246e-03
C04=-5.38006e-05 C22=-3.35556e-04 C40=-3.23857e-04
R 9 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-1.86844e-02 C20=-3.77602e-02
C03= 4.19348e-04 C21= 6.72125e-04
C04=-6.12034e-05 C22= 3.47535e-05 C40=-5.09619e-05
R13 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02= 2.26678e-02 C20= 2.41426e-02
C03=-2.57750e-04 C21= 1.16383e-03
C04=-2.40426e-05 C22=-7.46204e-05 C40= 2.82412e-05
R14 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-4.00972e-03 C20= 7.14507e-03
C03=-4.46529e-04 C21=-2.31087e-03
C04=-2.56127e-05 C22=-1.36947e-04 C40=-1.25987e-04
R15 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02= 1.41059e-02 C20= 2.96468e-02
C03=-8.17957e-05 C21= 9.43283e-04
C04=-1.06545e-05 C22=-2.82343e-05 C40= 4.45663e-05
R16 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-8.51071e-05 C20= 2.53915e-02
C03= 1.68862e-04 C21= 3.65939e-03
C04= 1.08096e-06 C22= 1.80358e-04 C40= 9.97536e-05
R17 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02= 1.32874e-02 C20= 2.94218e-02
C03=-6.81885e-05 C21= 9.64816e-04
C04= 1.70534e-05 C22= 4.93143e-05 C40=-1.51564e-06
R20 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-1.66195e-02 C20=-1.97204e-02
C03=-2.82112e-04 C21= 8.70403e-05
C04=-3.71423e-06 C22=-7.20107e-06 C40=-6.70241e-06
R21 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-2.13470e-02 C20=-2.68230e-02
C03=-7.85470e-04 C21= 4.61286e-03
C04=-1.61086e-04 C22=-1.96712e-05 C40=-6.34362e-05
R22 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-2.30872e-02 C20=-2.69354e-02
C03=-3.03473e-06 C21= 1.13297e-03
C04=-3.08514e-05 C22= 5.26162e-05 C40= 3.43593e-05
R23 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-2.42460e-02 C20=-4.51798e-02
C03= 3.73285e-04 C21= 4.33871e-03
C04=-1.89172e-04 C22= 1.70543e-04 C40= 3.82206e-06
R24 面 a = ∞ b = ∞ t = 0.
C02=-1.92202e-02 C20=-2.60605e-02
C03= 1.04217e-04 C21= 3.77042e-04
C04=-1.55696e-05 C22=-2.50258e-05 C40=-2.42690e-05
図14において、B1は第１光学素子であり、第１面R1及び第２面R2で構成する屈折レンズである。第３面R3は絞り面である。B2は第２光学素子であり、１つのブロック上に第４面R4（屈折入射面）と曲面の内面反射面である第５面R5〜第９面R9と第１０面R10 （屈折射出面）を形成している。B3は第３光学素子であり、第１０’面R10'及び第１１面R11 で構成する屈折レンズである。なお、第２光学素子と第３光学素子とは第１０面R10 と第１０’面R10'とで接合している。
【０１１６】
B4は第４光学素子であり、１つのブロック上に第１２面R12 （屈折入射面）と曲面の内面反射面である第１３面R13 〜第１７面R17 と第１８面R18 （屈折射出面）を形成している。B5は第５光学素子であり、１つのブロック上に第１９面R19 （屈折入射面）と曲面の内面反射面である第２０面R20 〜第２４面R24 と第２５面R25 （屈折射出面）を形成している。そして第２６面R26 は像面であり、CCD 等の撮像媒体の撮像面が位置する。
【０１１７】
参考例１は所謂三群ズームレンズであり、第１光学素子B1、絞りR3、第２光学素子B2及び第３光学素子B3は第１群を構成し、第４光学素子B4は第２群を、第５光学素子B5は第３群を構成し、第２群と第３群は相対的位置を変化させて変倍を行う変倍群である。
【０１１８】
以下、物体位置を無限遠としたときの結像作用について述べる。まず、第１光学素子B1、絞りR3の順に通過した光束は第２光学素子B2に入射する。第２光学素子B2内では第４面R4で屈折、第５面R5、第６面R6、第７面R7、第８面R8、第９面R9で反射した後第１０面R10 で屈折して第３光学素子に入射し、第１１面R11 で屈折して第３光学素子B3を出射する。このとき、光束は第６面R6近傍に中間結像する。更に、第３光学素子B3と第４光学素子B4との間で２次結像する。
【０１１９】
次に光束は第４光学素子B4に入射する。第４光学素子B4内では第１２面R12 で屈折、第１３面R13 、第１４面R14 、第１５面R15 、第１６面R16 、第１７面R17 で反射、第１８面R18 で屈折し、第４光学素子B4を出射する。このとき、光束は第１４面R14 と第１５面R15 の間で中間結像する。さらに光束は第１６面R16近傍に瞳を形成している。
【０１２０】
次に光束は第５光学素子B5に入射する。第５光学素子B5内では第１９面R19 で屈折、第２０面R20 、第２１面R21 、第２２面R22 、第２３面R23 、第２４面R24 で反射、第２５面R25 で屈折し、第５光学素子B5を出射する。このとき、光束は第２１面R21 近傍に中間結像する。
【０１２１】
最後に第５光学素子B5を出射した光束は最終結像面である第２６面R26 上に結像する。
【０１２２】
次に、変倍動作に伴う各光学素子の移動について説明する。変倍に際して第１群である第１光学素子B1、第２光学素子B2、第３光学素子B3は固定であり、動かない。第４光学素子B4は広角端から望遠端に向ってZ プラス方向に移動する。第５光学素子B5は広角端から望遠端に向ってZ プラス方向に移動する。像面である第２７面R27 は変倍に際して移動しない。
【０１２３】
広角端から望遠端に向っての変倍に際して第３光学素子B3と第４光学素子B4との間隔は狭まり、第４光学素子B4と第５光学素子B5との間隔は広がり、第５光学素子B5と像面R26 との間は広がる。
【０１２４】
また、広角端から望遠端に向っての変倍に際して第１面R1から像面R26 間での全系の光路長は長くなる。
【０１２５】
参考例１においては第２、第４、第５の光学素子B2,B4,B5の入射・出射基準軸は平行でしかも逆方向に向いている。
【０１２６】
図15、16、17は参考例１の横収差図である。
【０１２７】
又、参考例１において、異なる物体距離に対するフォーカシングは第１光学素子B1をZ 軸方向に移動して行う。
【０１２８】
参考例１はズーム光学系の最初の光束入射面R1の近傍に絞りR1を備え、第２、第４、第５光学素子B2,B4,B5の中で物体像を結像することによってこれらの光学素子の各面の有効径を縮小してX 方向に薄い小型の光学素子としている。
【０１２９】
又、第２、第４、第５光学素子B2、B4,B5に設けた複数の内面反射面に適切な屈折力を与えると共に、これらを偏心配置することによりズーム光学系の中の光束をけられること無く所望の形状に屈曲してZ 方向の全長を短縮している。
【０１３０】
更に、第２、第４、第５光学素子B2,B4,B5は透明体の表面に複数の反射面を形成しているので、性能へ大きく影響する反射面の位置精度（組立精度）のバラツキ及び狂いが少ない。
【０１３１】
又、参考例１のズーム光学系はその第１光学素子B1を共軸屈折面で構成する光学素子（共軸光学素子）で構成しているのでフォーカシング機構が簡便になる。
【０１３２】
又、参考例１において、前記の実施形態１〜３等のように変倍に際して移動しない第１光学素子B1の入射基準軸を基準軸全体が存在していた平面（YZ平面）に対して或る角度傾けて入射させることによりカメラの形態に一層の自由度を増すことが出来る。
【０１３３】
図18は入射基準軸をX 軸に平行に入射させる構成にしたズーム光学系の斜視図である。この光学系は実施形態１の第２面R2と第３面R3との間にYZ平面に対して45°傾いた平面の内面反射鏡R1,2を設けて第１光学素子B1の入射基準軸をX 軸に平行に設定したズーム光学系である。
【０１３４】
同図において、B1は変倍時に移動しない第１光学素子であり、三群ズーム光学系の第１群に相当する。なお、この第１光学素子B1はその反射面のみを斜視図として示している。B2、B3は夫々第２、第３光学素子であり、相対位置を変化して変倍を行う変倍群を構成している。第２光学素子B2は所謂バリエーター、第３光学素子B3はコンペンセーターに相当している。
【０１３５】
そして第２，第３の光学素子B2、B3は図18のYZ平面上の１つの直線（これらの光学素子の光軸）上を移動して変倍を行う。そして、第２，第３の光学素子B2、B3内の全ての基準軸はこれらの光軸上に存在している。
【０１３６】
この光学系において、変倍に際して固定の第１の光学素子B1内の基準軸の一部（A1,2〜A1,8）はYZ平面内に存在しなければならないが、基準軸のその他の部分、即ち物体から絞りまでの基準軸A0及び絞りから第１反射面R1,2までの基準軸A1、1は基準軸平面（YZ平面）内である必要は無い。
【０１３７】
即ち、実施形態１〜３においては、反射面R1,2を設けてX 軸方向から入射する基準軸A0の方向をこの面R1,2によってZ 軸方向に偏向している。このようにズーム光学系の最初の光束入射面R2の近傍に、その後の基準軸が含まれるYZ平面に対して傾いた反射面R1,2を適切に設定することにより、ズーム光学系に入射する光束の方向を自由に設定することができ、カメラの形態に一層の自由度を増すことが出来る。
［参考例２］
図19は本発明のズーム光学系の参考例２のYZ面内での光学断面図である。参考例２は変倍比約2 倍の三群ズームレンズの撮像光学系である。その構成データを以下に記す。
広角端 中間 望遠端
水平半画角 19.1 13.7 9.8
垂直半画角 14.5 10.4 7.4
絞り径 1.60 1.80 2.10
像サイズ 水平4.0mm ×垂直3.0mm
光学系のサイズ(X×Y ×Z)＝広角端において 10.2x 30.0x 49.9
i Yi Zi(W) θi Di Ndi νdi
第１群
1 0.00 0.00 0.00 2.00 1 絞り
第１光学素子B1
2 0.00 2.00 0.00 2.00 1.74400 44.70 屈折面
3 0.00 4.00 0.00 8.00 1 屈折面
第２光学素子B2
4 0.00 12.00 30.00 12.00 1 反射面
5 -10.39 6.00 30.00 10.00 1 反射面
第３光学素子B3
6 -10.39 16.00 0.00 2.00 1.75500 27.60 屈折面
7 -10.39 18.00 0.00 変数 1 屈折面
第２群
第４光学素子B4
8 -10.39 36.98 0.00 2.00 1.71766 46.92 屈折面
9 -10.39 38.98 0.00 7.00 1 屈折面
第５光学素子B5
10 -10.39 45.98 45.00 12.00 1 反射面
11 -22.39 45.98 45.00 変数 1 反射面
第３群
第６光学素子B6
12 -22.39 34.18 0.00 2.00 1.48994 68.59 屈折面
13 -22.39 32.18 0.00 変数 1 屈折面
14 -22.39 18.85 0.00 1 像面
広角端 中間 望遠端
D 7 18.98 8.71 1.00
D11 11.80 15.25 20.00
D14 13.33 13.33 13.33
D 1 〜 7面 Zi(M) = Zi(W) + 13.73 Zi(T) = Zi(W) + 26.18
D 8 〜11面 Zi(M) = Zi(W) + 3.46 Zi(T) = Zi(W) + 8.20
D12 〜13面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W)
D14 面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W)
球面形状
R 2 面 R2 = 97.206
R 3 面 R3 = -26.032
R 6 面 R6 = 11.385
R 7 面 R7 = 15.046
R 8 面 R8 =-159.987
R 9 面 R9 = 24.470
R12 面 R13=1000.000
R13 面 R14= -85.375
非球面形状
R 4 面 a = 1.45475e+01 b =-5.77853e+00 t =-2.42608e+01
C03= 8.63617e-04 C21= 1.60115e-03
C04= 8.13611e-05 C22= 7.31698e-05 C40=-1.34827e-04
R 5 面 a =-9.91101e+01 b = 4.27960e+01 t =-1.14636e+01
C03= 8.70976e-05 C21= 1.68477e-04
C04=-1.72354e-04 C22=-2.22388e-04 C40=-1.98849e-04
R10 面 a = 4.10898e+02 b =-2.06186e+01 t = 4.55596e+01
C03=-1.57719e-04 C21=-4.64176e-04
C04=-2.54948e-06 C22= 1.89777e-05 C40=-8.72541e-07
R11 面 a =-1.26094e+02 b = 2.55428e+01 t = 4.44452e+01
C03= 9.65477e-05 C21= 6.18718e-05
C04=-5.69335e-06 C22= 2.19389e-05 C40= 8.07381e-06
図19において、第１面R1は入射瞳である絞り面である。B1は第１光学素子であり、第２面R2及び第３面R3で構成する屈折レンズである。B2は第２光学素子であり、反射面の第４面R4及び第５面R5を夫々表面鏡として１つの部材の上に一体的に形成している。B3は第３光学素子であり、第６面R6及び第７面R7で構成する屈折レンズである。B4は第４光学素子であり、第８面R8及び第９面R9で構成する屈折レンズである。B5は第５光学素子であり、反射面の第１０面R10 及び第１１面R11 を夫々表面鏡として１つの部材の上に一体的に形成している。B6は第６光学素子であり、第１２面R12 及び第１３面R13 で構成する屈折レンズである。第１４面R14 は像面であり、CCD 等の撮像媒体の撮像面である。
【０１３８】
そして、第１〜第３光学素子B1,B2,B3は第１群を、第４〜第５光学素子B4,B5は第２群を、第６光学素子B6は第３群を構成しており、この内第１群と第２群が相対位置を変化して結像倍率を変化させる変倍群を構成している。
【０１３９】
以下、物体位置を無限遠としたときの結像作用について述べる。まず、絞りR1、第１光学素子B1の順に通過した光束は第２光学素子B2に入射する。第２光学素子B2内では第４面R4、第５面R5で反射して第２光学素子B2を出射する。この時、光束は第５面R5近傍に中間結像する。そして、第３光学素子B3を通過する。
【０１４０】
次に光束は第４光学素子B4を通過し、第５光学素子B5に入射する。第５光学素子B5内では第１０面R10 、第１１面R11 で反射して第５光学素子B5を出射する。この時光束は第１０面R10 と第１１面R11 の間に瞳を形成する。
【０１４１】
次に、光束は第６光学素子B6を通過して最終結像面である第１４面R14 上に結像する。
【０１４２】
次に、変倍動作の際の各光学素子の移動について説明する。変倍に際して、第１群( 第１〜第３光学素子B1,B2,B3) は広角端から望遠端に向ってZ プラス方向に移動する。第２群( 第４、第５光学素子B4、B5) も広角端から望遠端に向ってZ プラス方向に移動する。第６光学素子B6及び像面である第１４面R14 は変倍に際して移動しない。
【０１４３】
そして、広角端から望遠端に向っての変倍により第３光学素子B3と第４光学素子B4との間隔は狭まり、第５光学素子B5と第６光学素子B6との間は広がる。第６光学素子B6と像面R14 との間は変化しない。また、広角端から望遠端に向って第１面R1から像面R14 間の全系の光路長は短くなるように変化する。
【０１４４】
参考例２においては、第２光学素子B2の入射・出射基準軸は平行で同方向に向いており、第５光学素子B5の入射・出射基準軸は平行で逆方向に向いている。
【０１４５】
図20、21、22は参考例２の横収差図である。
【０１４６】
参考例２において、異なる物体距離に対するフォーカシングは、第２群( 第４光学素子B4、第５光学素子B5) 又は第３群( 第６の光学素子) を移動させて行う。
【０１４７】
参考例２はズーム光学系の物体側に絞りR1を備え、第２光学素子B2の中で物体像を結像することによって第２光学素子B2及びその後の光学素子の各面の有効径を縮小してX 方向に薄い小型の光学素子としている。
【０１４８】
又、第２，第５光学素子B2、B5 に設けた複数の反射面に適切な屈折力を与えると共に、これらを偏心配置することによりズーム光学系の中の光束をけられること無く所望の形状に屈曲してZ 方向の全長を短縮している。
【０１４９】
更に、第２，第５光学素子B2,B5 は１つの部材に複数の表面鏡を一体的に形成しているので、性能へ大きく影響する反射面の位置精度（組立精度）のバラツキ及び狂いの少ないズーム光学系となる。
【０１５０】
又、参考例２のズーム光学系は複数の反射面を一体的に形成した光学素子と共軸屈折面で構成する光学素子（共軸光学素子）を適切に組み合わせているので、ズーム光学系を偏心配置した反射面のみで構成する場合に比べて、共軸光学素子に屈折力を分担させて偏心収差の発生を抑えており、又共軸球面屈折面より成る光学素子を使用しているので各収差を容易に補正できる。
【０１５１】
更に、かかる共軸球面屈折面より成る光学素子はその製作が容易である。
【０１５２】
なお、参考例２においては、第６光学素子B6は屈折レンズなので、第６光学素子B6から出射する基準軸の方向は第６光学素子B6へ入射する基準軸の方向と同方向であるが、出射する基準軸の方向及び角度はこのように限定されるものではなく、例えば第６光学素子B6と像面R14 の間にYZ平面に対して45°傾いたミラーを設けて射出する基準軸を紙面に対して垂直方向（X 軸方向）に曲げても良い。
【０１５３】
また、光学系に入射する基準軸の方向も、例えば絞りR1の物体側にYZ平面に対して45゜傾いたミラーを配置し、紙面に対して垂直方向(X軸方向）から基準軸を入射させても良い。このようにすることにより、カメラの形態に一層の自由度を増すことが出来る。
【０１５４】
以上の実施形態１〜３と参考例１は、透明体の表面に２つの屈折面と複数の反射面を形成し、光束が１つの屈折面から該透明体の内部へ入射し、該複数の反射面で反射を繰り返して別の屈折面から射出するように構成された光学素子と共軸の屈折面で構成された光学素子とを複数有し、該複数の光学素子を介して物体の像を結像すると共に、該複数の光学素子のうち少なくとも２つの光学素子の相対的位置を変化させることにより変倍を行うように構成したズーム光学系であり、参考例２は相互に偏心した複数の表面鏡を一体的に形成し、入射光束が該複数の表面鏡の反射面で反射を繰り返して射出するように構成された光学素子と共軸の屈折面で構成された光学素子とを複数有し、該複数の光学素子を介して物体の像を結像すると共に、該複数の光学素子のうち少なくとも２つの光学素子の相対的位置を変化させることにより変倍を行うように構成したズーム光学系であった。
【０１５５】
このほか、本発明においては参考例１の第４光学素子B4又は／及び第５光学素子B5を相互に偏心した複数の表面鏡を一体的に形成し、入射光束が該複数の表面鏡の反射面で反射を繰り返して射出するような光学素子として構成することも可能である。この場合はズーム光学系が軽量になる利点が生じる。
【０１５６】
又、本発明に於て、変倍にあづかる光学素子の移動方向はズーム光学系への入射基準軸方向と平行である必要はなく、撮像装置の構成状況に応じて、例えば第１光学素子の出射基準軸の方向を傾けることによりズーム光学系への入射基準軸の方向と移動光学素子の移動方向が、30゜、45゜、60゜等のある角度をなすように構成することもできる。
【０１５７】
【発明の効果】
本発明は以上の構成により、複数の曲面や平面の反射面を一体的に形成した光学素子と共軸の屈折面のみからなる光学素子とを複数用い、該複数の光学素子のうちの少なくとも２つの光学素子の相対的位置を適切に変化させてズーミングを行うことにより、ズーム光学系全体の小型化を図ると共に、性能へ大きく影響する反射面の配置精度（組立精度）のバラツキ及び狂いの少ないズーム光学系及びそれを用いた撮像装置を達成する。
【０１５８】
更に、絞りをズーム光学系の物体側若しくは最初の光束入射面の近傍に配置すると共に、該ズーム光学系の中で物体像を少なくとも１回結像させる構成をとることにより、広画角のズーム光学系でありながら、各光学素子の有効径を縮小し、そして該光学素子を構成する複数の反射面に適切な屈折力を与えると共に、これらを偏心配置することにより、光学系内の光束がけられること無く所望の形状に屈曲し、ズーム光学系の所定方向の全長を短縮するズーム光学系及びそれを用いた撮像装置を達成する。
【０１５９】
その他、（２−１） ズーム光学系の最初の光束入射面の近傍に、その後の基準軸が含まれる平面に対して傾いた反射面を適切に設定することにより、撮影光学系に入射する光束の方向を自由に設定することができ、カメラの形態に一層の自由度を増すことが出来る。
（２−２） ズーム光学系の像面の手前で、その前の基準軸が含まれる平面に対して傾いた反射面を適切に設定することにより、撮影光学系から射出する光束の方向を自由に設定することができ、カメラの形態に一層の自由度を増すことが出来る。
（２−３） ズーム光学系を複数の反射面を一体的に形成した光学素子と共軸屈折面で構成する光学素子（共軸光学素子）を適切に組み合わせているので、ズーム光学系を偏心配置した反射面のみで構成する場合に比べて、共軸光学素子にパワーを分担させて偏心収差の発生を抑えると共に、各収差の補正が容易になる。
（２−４） 本ズーム光学系では共軸光学素子を組み合わせており、共軸屈折面のほとんどが球面で構成されているため、光学素子の製作が容易である。等の少なくとも１つの効果を有するズーム光学系及びそれを用いた撮像装置を達成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のズーム光学系の実施形態１のYZ面内での光学断面図
【図２】 実施形態１の横収差図（広角端）
【図３】 実施形態１の横収差図（中間位置）
【図４】 実施形態１の横収差図（望遠端）
【図５】 本発明の実施形態における座標系の説明図
【図６】 本発明のズーム光学系の実施形態２のYZ面内での光学断面図
【図７】 実施形態２の横収差図（広角端）
【図８】 実施形態２の横収差図（中間位置）
【図９】 実施形態２の横収差図（望遠端）
【図１０】 本発明のズーム光学系の実施形態３のYZ面内での光学断面図
【図１１】 実施形態３の横収差図（広角端）
【図１２】 実施形態３の横収差図（中間位置）
【図１３】 実施形態３の横収差図（望遠端）
【図１４】 本発明のズーム光学系の参考例１のYZ面内での光学断面図
【図１５】 参考例１の横収差図（広角端）
【図１６】 参考例１の横収差図（中間位置）
【図１７】 参考例１の横収差図（望遠端）
【図１８】 入射基準軸をX 軸に平行に入射させる構成にしたズーム光学系の斜視図
【図１９】 本発明のズーム光学系の参考例２のYZ面内での光学断面図
【図２０】 参考例２の横収差図（広角端）
【図２１】 参考例２の横収差図（中間位置）
【図２２】 参考例２の横収差図（望遠端）
【図２３】 カセグレン式反射望遠鏡の基本構成図
【図２４】 ミラー光学系における、主光線を光軸から離しケラレを防止する第一の方法の説明図
【図２５】 ミラー光学系における、主光線を光軸から離しケラレを防止する第二の方法の説明図
【図２６】 従来の反射ミラーを用いたズーム光学系の概略図
【図２７】 プリズム反射面に曲率を持った観察光学系の概略図
【図２８】 他のプリズム反射面に曲率を持った観察光学系の概略図
【符号の説明】
Ri，Rm,n 面
Rｉ 第ｉ面の曲率半径
Bi 第i 光学素子
Di 基準軸に沿った面間隔
Ndi 屈折率
νdi アッベ数
Ai,j 基準軸
BL 絞り
P 最終像面
Ni 中間結像
Claims (8)
- 複数の光学素子を有し、該複数の光学素子を介して物体の像を結像するズーム光学系であって、像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を基準軸とするとき、該複数の光学素子は、
透明体の表面に２つの屈折面と、相互に偏心し、且つ少なくとも１つの回転非対称な非球面を含んだ複数の反射面とが形成され、光束が１つの屈折面から該透明体の内部へ入射し、該複数の反射面で反射を繰り返して別の屈折面から射出するように構成された反射光学素子と、
該基準軸と共通の光軸を持つ複数の屈折面のみで構成された２つの共軸光学素子とを含み、該２つの共軸光学素子が基準軸に沿って移動して、該反射光学素子と該２つの共軸光学素子との互いの相対的位置が変化することにより変倍を行っており、該物体の像は光路の中で少なくとも１回中間結像することを特徴とするズーム光学系。 - 複数の光学素子を有し、該複数の光学素子を介して物体の像を結像するズーム光学系であって、像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を基準軸とするとき、該複数の光学素子は、
相互に偏心し、且つ少なくとも１つの回転非対称な非球面を含んだ複数の表面鏡が一体的に形成され、光束が該複数の表面鏡の反射面で反射を繰り返して射出するように構成された反射光学素子と、
該基準軸と共通の光軸を持つ複数の屈折面のみで構成された２つの共軸光学素子とを含み、
該２つの共軸光学素子が基準軸に沿って移動して、該反射光学素子と該２つの共軸光学素子との互いの相対的位置が変化することにより変倍を行っており、該物体の像は光路の中で少なくとも１回中間結像することを特徴とするズーム光学系。 - 前記ズーム光学系の光束入射側又は最初の光束入射面の近傍に絞りを設けることを特徴とする請求項１又は２のズーム光学系。
- 前記反射光学素子に入射する前記基準軸上の光線と、前記反射光学素子から射出する前記基準軸上の光線とが平行であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のズーム光学系。
- 前記反射光学素子に入射する前記基準軸上の光線の進行方向と、前記反射光学素子から射出する前記基準軸上の光線の進行方向とが同方向であることを特徴とする請求項４のズーム光学系。
- 前記反射光学素子に入射する前記基準軸上の光線の進行方向と、前記反射光学素子から射出する前記基準軸上の光線の進行方向とが反対方向であることを特徴とする請求項４のズーム光学系。
- 前記複数の反射面の内、曲面の反射面はすべて回転非対称な非球面であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のズーム光学系。
- 請求項１〜７のいずれか１項に記載のズーム光学系と、該ズーム光学系により撮像面上に物体の像が形成される撮像媒体とを有することを特徴とする撮像装置。
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