JP4112066B2 - 結像光学系及びそれを用いた撮影装置、カメラ装置、観察装置、内視鏡装置 - Google Patents
結像光学系及びそれを用いた撮影装置、カメラ装置、観察装置、内視鏡装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結像光学系に関し、その中でも特に、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、フィルムスキャナー、内視鏡等、小型の撮像素子を用いた光学装置用の反射面にパワーを有する偏心光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、フィルムスキャナー、内視鏡等用の結像光学系では、撮像素子の小型化に伴い、光学系自身も小型軽量、低コスト化が求められている。
【０００３】
しかし、一般の回転対称共軸光学系では、光学系の厚みは光学素子を光軸方向に配列するため、その小型化にも限界がある。また、同時に、回転対称な屈折レンズを用いることにより発生する色収差を補正するために、レンズ枚数の増加は避けられず、低コスト化も困難な状況である。そこで、最近では、特に色収差の発生しない反射面にパワーを持たせ、光軸方向の光路を折り畳むことで、小型化を図った光学系が提案されている。
【０００４】
特開平７−３３３５０５号のものは、偏心した反射面にパワーを付けて光路を折り畳み、光学系の厚みを小さくすることを提案しているが、実施例では、構成する光学部材が５個と多い上、実際の光学性能が不明である。また、その反射面の形状までは言及されていない。
【０００５】
また、特開平８−２９２３７１号、特開平９−５６５０号、特開平９−９０２２９号のものでは、プリズム１個あるいは複数のミラーを１つの部材としてブロック化することで光路を折り畳み、その光学系内部で像をリレーしながら最終像を形成する光学系が示されている。しかし、これらの例では、像をリレーするために反射の回数が多くなり、その面精度誤差、偏心精度誤差が積算され転送されることから、個々の精度が厳しくなり、コストアップにつながり好ましくない。また、同時に、像をリレーするために光学系全体の体積も大きくなり好ましくない。
【０００６】
また、特開平９−２２２５６３号では、複数のプリズムを用いた例を示しているが、像をリレーするために同様の理由からコストアップ、光学系の大型化につながり好ましくない。
また、特開平９−２１１３３１号では、プリズム１個を用いて光路を折り畳み光学系の小型化を図った例であるが、収差の補正が十分ではない。
【０００７】
また、特開平８−２９２３６８号、特開平８−２９２３７２号、特開平９−２２２５６１号、特開平９−２５８１０５号、特開平９−２５８１０６号のものでは、何れもズームレンズの例である。しかし、これらの例も、プリズム内部で像をリレーしているために反射の回数が多く、反射面の面精度誤差、偏心精度誤差が積算され転送され好ましくない。同時に、光学系の大型化も避けられず好ましくない。
【０００８】
また、特開平１０−２０１９６号のものは、正負の２群ズームレンズの正の前群を、絞りを挟んで物体側に負のパワーのプリズムで、像側を正のパワーのプリズムで構成した例である。また、負のプリズムと正のプリズムから構成される正の前群を２つに分割し、負正負の３群ズームレンズに構成した例も開示されている。しかし、これらの例で用いられるプリズムは、２つの透過面、２つの反射面が独立の面であるためにそのスペースを確保する必要上、また同時に、撮像面がライカサイズのフィルムフォーマットと大きいため、プリズム自体の大型化が避けられない。また、像側にテレセントリックの構成でないため、ＣＣＤ等の撮像素子への対応が難しい。また、何れのズームレンズの例も、プリズムを移動させることで変倍を行っているため、全ての変倍領域で性能を維持するために反射面の偏心精度が厳しくなり、コスト高になるという問題を有している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一般の屈折光学系で所望の屈折力を得ようとすると、その境界面で光学素子の色分散特性のために色収差が発生する。それを補正する目的と、他の光線収差を補正するために、屈折光学系は多くの構成要素を必要としてコスト高になるという問題を有している。また、同時に、光路が光軸に沿って直線になるために、光学系全体が光軸方向に長くなってしまい、撮像装置が大型になってしまうという問題があった。
【００１０】
また、従来技術について述べたような偏心光学系では、結像された像の収差が良好に補正され、なおかつ、特に回転非対称なディストーションが良好に補正されていないと、結像された図形等が歪んで写ってしまい、正しい形状を再現することができないという問題があった。
【００１１】
さらに、偏心光学系に反射面を用いる場合は、屈折面に比してその偏心誤差感度は２倍になり、反射回数を増やせば増やすだけ偏心誤差が積算され転送される結果となり、反射面の面精度や偏心精度等の製作精度、組み立て精度が厳しくなるという問題もあった。
【００１２】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、少ない光学素子の構成枚数で高性能、低コストな結像光学系及びそれを用いた撮影装置、カメラ装置、観察装置、内視鏡装置を提供することである。
【００１３】
また、本発明のもう１つの目的は、少ない反射回数の反射面を用いて光路を折り畳むことにより小型化、薄型化された高性能な結像光学系及びそれを用いた撮影装置、カメラ装置、観察装置、内視鏡装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の結像光学系は、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明のもう１つの結像光学系は、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、プリズムのみからなっていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明のさらにもう１つの結像光学系は、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、その少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とするものである。
【００１７】
以下、本発明において上記構成をとる理由と作用について順に説明する。
上記目的を達成するための本発明の第１の結像光学系は、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系である。
【００１８】
レンズのような屈折光学素子は、その境界面に曲率を付けることにより始めてパワーを持たせることができる。そのため、レンズの境界面で光線が屈折する際に、屈折光学素子の色分散特性による色収差の発生が避けられない。その結果、色収差を補正する目的で別の屈折光学素子が付加されるのが一般的である。
【００１９】
一方、ミラーやプリズム等のような反射光学素子は、その反射面にパワーを持たせても原理的に色収差の発生はなく、色収差を補正する目的だけのために別の光学素子を付加する必要はない。そのため、反射光学素子を用いた光学系は、屈折光学素子を用いた光学系に比べて、色収差補正の観点から光学素子の構成枚数の削減が可能である。
【００２０】
同時に、反射光学素子を用いた反射光学系は、光路を折り畳むことになるために、屈折光学系に比べて光学系自身を小さくすることが可能である。
【００２１】
また、反射面は屈折面に比して偏心誤差感度が高いため、組み立て調整に高い精度を要求される。しかし、反射光学素子の中でも、プリズムはそれぞれの面の相対的な位置関係が固定されているので、プリズム単体として偏心を制御すればよく、必要以上の組み立て精度、調整工数が不要である。
【００２２】
さらに、プリズムは、屈折面である入射面と射出面、それと反射面を有しており、反射面しかもたないミラーに比べて、収差補正の自由度が大きい。特に、反射面に所望のパワーの大部分を分担させ、屈折面である入射面と射出面のパワーを小さくすることで、ミラーに比べて収差補正の自由度を大きく保ったまま、レンズ等のような屈折光学素子に比べて、色収差の発生を非常に小さくすることが可能である。また、プリズム内部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているために、空気に比べ光路長を長くとることができ、空気中に配置されるレンズやミラー等よりは、光学系の薄型化、小型化が可能である。
【００２３】
また、結像光学系は、中心性能はもちろんのこと周辺まで良好な結像性能を要求される。一般の共軸光学系の場合、軸外光線の光線高の符号は絞りの前後で反転するため、光学素子の絞りに対する対称性が崩れることにより軸外収差は悪化する。そのため、絞りを挟んで屈折面を配置することで絞りに対する対称性を十分満足させ、軸外収差の補正を行っているのが一般的である。
【００２４】
そこで、本発明では、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを配置し、絞りに対する対称性を十分考慮した構成をとることにより、中心ばかりでなく軸外収差も良好に補正することを可能にしている。絞りの片側にのみプリズムを配置すると、絞りに対する非対称性が増し、軸外収差の劣化が避けられない。
【００２５】
本発明は、以上の理由から、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有するという基本構成で、さらに、像側に略テレセントリックな結像光学系とするものである。
【００２６】
次に、像側に略テレセントリックという構成に関して詳述する。
前述したように、反射面は屈折面に比べて偏心誤差感度が高いために、その影響をできるだけ受け難い光学系の構成が望まれる。一般の共軸光学系の場合、像側に略テレセントリックな構成は軸外主光線が光軸と略平行となるために、デフォーカスさせても像面上で軸外光線の位置は保たれるという性質を有する。そこで、本発明の結像光学系にもその性質を反映させ、特に、偏心感度の比較的高い反射面を用いた光学系のフォーカシングによる性能劣化を防ぐために、軸外光線の位置精度が良好に保たれる像側に略テレセントリックという構成をとることを特徴としている。
【００２７】
このような構成をとることにより、特にＣＣＤ等の撮像素子を用いた撮像光学系にも最適である。また、この構成をとることにより、ＣＯＳ４乗則の影響が小さくなり、シェーディングを小さくすることも可能である。
【００２８】
以上説明したように、本発明の構成をとることで、屈折光学系に比べ光学素子の構成枚数が少なく、中心から周辺まで性能の良好な、小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００２９】
次に、前記目的を達成するための本発明の第２の結像光学系は、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、プリズムのみからなっていることを特徴とする結像光学系である。
【００３０】
本発明も、前述の第１の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特に、プリズムのみからなる結像光学系である。
【００３１】
前述したように、屈折光学素子は、その境界面で色収差が発生し、その補正のために別の屈折光学素子を必要とする。プリズムも入射面と射出面という屈折面を有するが、それらの面のパワーを小さくして色収差の発生しない反射面に所望のパワーの大部分を持たせることにより、色収差の発生を非常に小さくすることが可能である。
【００３２】
これによりプリズム単独でも良好な色収差の補正が可能であるが、第１の発明のように絞り前後に複数のプリズムを配置する構成をとることで絞りに対して対称とすれば、個々のプリズムで色収差の補正が不完全な場合でも、色収差の補正、特に倍率色収差を良好に補正することが可能となる。
【００３３】
しかし、屈折光学素子を本発明の結像光学系中に配置した場合、プリズムのみの構成に比べて色収差の発生が顕著となる。これを補正するためには別の屈折光学素子を加えなければならず、結果的に光学素子の構成枚数が増えてコストアップになるばかりか、光学系自体が大型化してしまい好ましくない。そのため、プリズムのみからなる結像光学系であることが色収差補正上好ましい。
【００３４】
これにより、屈折光学系に比べて光学素子の構成枚数が少なく、低コストで良好な性能の小型の結像光学系を得ることが可能である。
なお、ここでいいうリズムのみという構成は、パワーを有する光学素子がプリズムのみということを指し、フィルター等、パワーを持たない光学素子は除く。それに相当する光学素子として、例えば撮像素子としてＣＣＤを用いた場合にその前面に配置されるローパスフィルター、撮影光学系の前面に配置されるフィルター等がある。
【００３５】
次に、前記目的を達成するための本発明の第３の結像光学系は、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、その少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系である。
【００３６】
本発明も、前述の第１の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特に、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有する結像光学系である。
【００３７】
前述したように、偏心誤差感度の高い反射面を用いた反射光学素子は、各面の偏心誤差が次の面へ転送され、最終的にはそれぞれの面の偏心誤差が積算されてしまう。特に、反射光学素子の中でもプリズムを用いた場合は、プリズム成型時に偏心誤差が決まってしまい、組み立て調整でそれを修正することはできない。そのため、偏心誤差の積算を少なくするためには、反射面数は少ない程よく、さらには、プリズム内の光路長は小さい程偏心誤差は小さいまま転送される。その結果、反射面の製作精度は緩和される。第３の発明では、少なくとも１つのプリズムに、反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面を少なくとも１面用いることで、少ないスペースを有効に使い、プリズム自身の小型化を達成すると同時に、光路長を短縮することができるので、偏心誤差を小さくすることが可能である。
【００３８】
また、少なくとも１つのプリズムに少なくとも１面用いる反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面の中、透過作用をする面が絞りより最も離れた面となるように用いることが望ましい。すなわち、絞りより物体側のプリズムに適用する場合、透過作用面は物体からの光がプリズムに入射する入射面となる位置に、また絞りより像側のプリズムに適用する場合、透過作用面は物体からの光がプリズムから射出する射出面となる位置に用いることが望ましい。当然、物体側のプリズムと像側のプリズムに同時に用いることも可能である。反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面は、反射作用のみあるいは透過作用のみを有する面よりも光学作用面として働く有効部が大きく、上記の位置にその面を用いることで、プリズム自体を小型化したまま広画角化が可能である。
【００３９】
なお、本発明の透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面において、反射作用は全反射によるものとすることが望ましい。全反射条件を満たさなければ、反射作用と透過作用を併せ持つことができず、プリズム自体の小型化が困難になってしまう。
【００４０】
また、全反射面以外の反射面は、アルミニウム又は銀等の金属薄膜を表面に形成した反射面、又は、誘電体多層膜の形成された反射面で構成することが好ましい。金属薄膜で反射作用を有する場合は、手軽に高反射率を得ることが可能となる。また、誘電体反射膜の場合は、波長選択性や吸収の少ない反射膜を形成する場合に有利となる。
これにより、プリズムの製作精度が緩和された低コストな小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００４１】
次に、前記目的を達成するための本発明の第４の結像光学系は、複数のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有する結像光学系において、ただ１つの結像面は全ての光学素子を射出した後に存在し、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系である。
【００４２】
前述したように、反射面の偏心誤差感度は屈折面に比べて大きく、プリズムのように１ブロックで構成された反射光学部材は、各面の面精度誤差、偏心誤差が積算されて転送されるため、反射面数は少ない程各面の製作精度は緩和される。しかし、逆に、反射面数が少なすぎると収差自体の補正ができなくなるばかりか、諸収差を補正するために所望のパワーの大部分を負担させている個々の反射面の偏心誤差感度が大きくなりすぎ、プリズム作製時のコストアップにつながってしまう。そのため、本発明のように、少なくともプリズムを複数用い、少なくとも反射面を複数に分割する構成をとることにより、個々のプリズムの製作精度の緩和を図ると共に、これにより色収差も含めた諸収差を良好に補正することが可能となる。また、同時に、複数のプリズムを配置することで、それらの相対的な位置調整を行い、組み立て調整を行なうことも可能となる。
【００４３】
また、必要以上に反射の回数を増やすことは、各反射面での偏心誤差をそれだけ積算させる結果となるので望ましくなく、全系を通して結像面は１つである結像光学系であることが好ましい。中間像を形成し、その像をリレーして行く結像光学系では、必要以上に反射の回数が増え、各面の製造誤差が厳しくなりコストアップにつながってしまう。
【００４４】
本発明は、以上の理由から、複数のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有する結像光学系において、ただ１つの結像面は全ての光学素子を射出した後に存在するという基本構成で、さらに、像側に略テレセントリックな結像光学系とするものである。
【００４５】
プリズムを用いることの作用効果、像側に略テレセントリックという構成の作用効果は第１の発明で説明した通りである。
以上説明したように、第４の発明の構成をとることで、屈折光学系に比べ光学素子の構成枚数が少なく、中心から周辺まで性能の良好な、小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００４６】
次に、前記目的を達成するための本発明の第５の結像光学系は、複数のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有する結像光学系において、ただ１つの結像面は全ての光学素子を射出した後に存在し、プリズムのみからなることを特徴とする結像光学系である。
【００４７】
本発明も、前述の第４の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特に、プリズムのみからなる結像光学系である。この基本構成の作用効果は、第４の発明で、また、プリズムのみからなることの作用効果は、第２の発明で述べた通りである。
【００４８】
この第５の発明の構成をとることにより、屈折光学系に比べ光学素子の構成枚数が少なく、低コストで良好な性能の小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００４９】
次に、前記目的を達成するための本発明の第６の結像光学系は、複数のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有する結像光学系において、ただ１つの結像面は全ての光学素子を射出した後に存在し、前記の少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系である。
【００５０】
本発明も、前述の第４の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特に、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有する結像光学系である。
【００５１】
この基本構成の作用効果は、第４の発明で、また、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有する作用効果は、第３の発明で述べた通りである。
この第６の発明の構成をとることにより、プリズムの製作精度が緩和されるため、低コストな小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００５２】
また、第１の発明から第３の発明において、第４の発明から第６の発明で説明したように、全系を通して結像面が１つであれば、プリズム反射面の製作精度の緩和が図られ、さらに低コスト化が図られる。
【００５３】
また、第４の発明から第６の発明において、第１の発明から第３の発明で説明したように、プリズムで挟んで絞りを配置するような構成にすれば、軸外性能をさらに良好に保つことができる。
【００５４】
次に、前記目的を達成するための本発明の第７の結像光学系は、絞りより物体側に発散作用のプリズムを有し、像側に収斂作用のプリズムを有し、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系である。
【００５５】
屈折光学素子を用いた結像光学系では、その用途によってパワー配置が異なってくる。例えば画角の狭い望遠系では、一般に、全系を正、負の望遠タイプとして焦点距離に対して光学系の全長を小さくする構成がとられている。また、画角の広い広角系では、全系を負、正のレトロフォーカスタイプとすることで、焦点距離に対しバックフォーカスを大きくとるような構成が一般的である。
【００５６】
特に、ＣＣＤ等の撮像素子を用いた結像光学系の場合、結像光学系と撮像素子との間に、モアレ除去や赤外線の影響を排除するための光学的ローパスフィルターや赤外カットフィルターを配置する必要がある。そのため、これら光学部材を配置するスペースを確保するために、結像光学系の構成としてはレトロフォーカスタイプをとることが望ましい。
【００５７】
また、レトロフォーカスタイプの結像光学系は、特に軸外収差の補正が重要であり、これは絞り位置に大きく依存する。前述したように、一般の共軸光学系の場合、光学素子の絞りに対する対称性が崩れることにより軸外収差は悪化する。そのため、絞りを挟んで同符号の光学素子を配置することで、絞りに対する対称性を十分満足させ、軸外収差の補正を行っているのが一般的である。負、正のレトロフォーカスタイプの場合、そのパワー配置がそもそも非対称な構成のため、絞り位置によって軸外収差の性能が大きく変化する。
【００５８】
そこで、第７の発明は、物体側の発散作用のプリズムと像側の収斂作用のプリズムの間に絞りを配置することで、パワー配置の非対称性に起因する軸外収差の劣化を最小限に抑えることを可能にするものである。絞りを発散作用のプリズムよりも物体側、あるいは、像側の収斂作用のプリズムよりも像側に配置すると、さらに絞りに対する非対称性が増し、その補正が困難となる。
【００５９】
第７の発明は、以上の理由から、絞りより物体側に発散作用のプリズムを有し、像側に収斂作用のプリズムを有することを特徴とするという基本構成で、さらに、像側に略テレセントリックな結像光学系とするものである。
【００６０】
プリズムを用いることの作用効果、像側に略テレセントリックという構成の作用効果は、第１の発明で説明した通りである。また、特に、絞りを挟んでレトロフォーカスタイプをとった場合、像側の収斂作用を有するプリズムによって略テレセントリックという構成が非常に容易となり、無理なく軸外収差の補正が可能である。
【００６１】
以上説明したように、第７の発明の構成をとることで、屈折光学系に比べて光学素子の構成枚数が少なく、中心から周辺まで性能の良好な、小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００６２】
次に、前記目的を達成するための本発明の第８の結像光学系は、絞りより物体側に発散作用のプリズムを有し、像側に収斂作用のプリズムを有し、プリズムのみからなることを特徴とする結像光学系である。
【００６３】
本発明も、前述の第７の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特にプリズムのみからなる結像光学系である。この基本構成の作用効果の説明は第７の発明で、また、プリズムのみからなることの作用効果は第２の発明で述べた通りである。
【００６４】
第８の発明の構成をとることにより、屈折光学系に比べ光学素子の構成枚数が少なく、低コストで良好な性能の小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００６５】
次に、前記目的を達成するための本発明の第９の結像光学系は、絞りより物体側に発散作用のプリズムを有し、像側に収斂作用のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系である。
【００６６】
本発明も、前述の第７の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特に、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有する結像光学系である。
【００６７】
この基本構成の作用効果は第７の発明で、また、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有する作用効果は第３の発明で述べた通りである。
【００６８】
第９の発明の構成をとることにより、プリズムの製作精度が緩和された低コストな小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００６９】
次に、前記目的を達成するための本発明の第１０の結像光学系は、収斂作用を有するプリズムの物体側に発散作用を有するプリズムを配置し、全系を通して結像面が１つであり、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系である。
【００７０】
前記第７の発明でも詳述したように、発散作用を有するプリズムと収斂作用を有するプリズムを配置してレトロフォーカスタイプを構成することにより、良好な性能で小型の結像光学系を得ることが可能となる。また、第４の発明でも詳述したように、反射面の偏心誤差感度は屈折面に比べて大きく、プリズムのように１ブロックで構成された反射光学部材は、各面の面精度誤差、偏心誤差が積算されて転送されるため、反射面数は少ない程各面の製作精度は緩和される。逆に、必要以上に反射の回数を増やすことは、各反射面での偏心誤差をそれだけ積算させる結果となるので望ましくなく、全系を通して結像面は１つである結像光学系であることが好ましい。中間像を形成し、その像をリレーして行く結像光学系では必要以上に反射の回数が増え、各面の製造誤差が厳しくなり、コストアップにつながってしまう。
【００７１】
本発明は、以上の理由から、収斂作用を有するプリズムの物体側に発散作用を有するプリズムを配置し、全系を通して結像面が１つであることを特徴とするという基本構成で、さらに、像側に略テレセントリックな結像光学系とするものである。プリズムを用いることの作用効果、像側に略テレセントリックという構成の作用効果は第１の発明で説明した通りである。
【００７２】
以上説明したように、第１０の発明の構成をとることで、屈折光学系に比べ光学素子の構成枚数が少なく、中心から周辺まで性能の良好な、小型で低コストな結像光学系を得ることが可能となる。
【００７３】
次に、前記目的を達成するための本発明の第１１の結像光学系は、収斂作用を有するプリズムの物体側に発散作用を有するプリズムを配置し、全系を通して結像面が１つであり、プリズムのみからなっていることを特徴とする結像光学系である。
【００７４】
本発明も、前述の第１０の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特に、プリズムのみからなる結像光学系である。この基本構成の作用効果は第１０の発明で、また、プリズムのみからなることの作用効果は第２の発明で述べた通りである。
【００７５】
第１１の発明の構成をとることにより、屈折光学系に比べ光学素子の構成枚数が少なく、低コストで良好な性能の小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００７６】
次に、前記目的を達成するための本発明の第１２の結像光学系は、収斂作用を有するプリズムの物体側に発散作用を有するプリズムを配置し、全系を通して結像面が１つであり、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系である。
【００７７】
本発明も、前述の第１０の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特に、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有する結像光学系である。
【００７８】
この基本構成の作用効果は第１０の発明で、また、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有する作用効果は第３の発明で述べた通りである。
第１２の発明の構成をとることにより、プリズムの製作精度が緩和されるた低コストな小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００７９】
また、第７の発明から第９の発明において、第１０の発明から第１２の発明で説明したように、全系を通して結像面が１つであれば、プリズム反射面の製作精度の緩和が図られ、さらに低コスト化が図られる。
【００８０】
また、第１０の発明から第１２の発明において、第７の発明から第９の発明で説明したように、プリズムで挟んで絞りを配置するような構成にすれば、軸外性能をさらに良好に保つことができる。
【００８１】
次に、前記目的を達成するための本発明の第１３の結像光学系は、透過面を絞りを挟んで近接して配置した複数のプリズムを有する結像光学系において、該透過面の外側に透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を絞りに対して対称的に配置したことを特徴とする結像光学系である。
【００８２】
反射光学素子としてプリズムを考えた場合の光線の振る舞いは、少なくとも、入射面と射出面である透過面と、その内部で光線が反射するための少なくとも１面の反射面が必要である。前述したように、プリズムのような反射光学素子の偏心誤差を小さくするためには、偏心誤差感度の高い反射面をできるだけ少なくし、偏心誤差が転送されて行くプリズム内部を通る光線の光路長を短くするということが考えらる。上記の入射出面、内部の反射面をそれぞれ単独の面として構成することは当然可能であるが、１つの面を透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面とすることで、面数を少なくし、同時に少ないスペースを有効に利用することで、プリズム内を通る光線の光路長が短縮されて偏心誤差自体を小さくすることが可能となる。これにより、プリズムの特に反射面の製作精度が緩和され、コストダウンが図られる。
【００８３】
また、結像光学系では中心から周辺まで良好な結像性能を要求される。比較的性能を確保することの容易な中心付近に比べ、絞りに対する光学系の対称性の影響を大きく受ける軸外性能を確保するのは、一般には困難である。特に広画角になる程その影響は顕著となる。そこで、第１３の発明では、絞りに対する対称性を満足することで、軸外収差の劣化を防ぎ、中心から周辺まで良好な結像性能を得ることを可能にしている。
【００８４】
また、透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面は、反射作用のみあるいは透過作用のみを有する光学作用面よりも有効部が大きいため、特に入射側に配置すると、無理に有効部を広げずに広角化が可能である。そこで、絞りに対する対称性を考慮した第１３の発明は、透過面を絞りを挟んで近接して配置した複数のプリズムを有する結像光学系において、該透過面の外側に透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を絞りに対して対称的に配置するように複数のプリズムを用いることで、中心から周辺まで良好な性能を達成しながら、小型化、コストダウンを図ることを可能にしたものである。
【００８５】
また、少なくとも１つのプリズムの少なくとも１面に用いる反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面は、透過作用をする面が、物体からの光が通過する順序として絞りより最も離れた面となるように用いることが望ましい。すなわち、絞りより物体側のプリズムに適用する場合、透過作用面は物体からの光がプリズムに入射する入射面となる位置に、また、絞りより像側のプリズムに適用する場合、透過作用面は物体からの光がプリズムから射出する射出面となる位置に用いることが望ましい。当然、物体側のプリズムと像側のプリズムに同時に用いることも可能である。
【００８６】
なお、本発明の透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面において、反射作用は全反射によるものとすることが望ましい。全反射条件を満たさなければ、反射作用と透過作用を併せ持つことができず、プリズム自体の小型化が困難になってしまう。
【００８７】
また、全反射面以外の反射面は、アルミニウム又は銀等の金属薄膜を表面に形成した反射面、又は、誘電体多層膜の形成された反射面で構成することが好ましい。金属薄膜で反射作用を有する場合は、手軽に高反射率を得ることが可能となる。また、誘電体反射膜の場合は、波長選択性や吸収の少ない反射膜を形成する場合に有利となる。
【００８８】
これにより、プリズムの製作精度が緩和された低コストな小型の結像光学系を得ることが可能である。また、絞りに対する対称性を満足しながら、プリズム形状としては、絞りに対して面対称、あるいは点対称をとることも可能で、光学系のレイアウトが自由になる。
【００８９】
次に、前記目的を達成するための本発明の第１４の結像光学系は、物体側より光線の通過する順に、第１透過面、第１反射面、第２反射面、第２透過面を有する第１プリズムと、絞りと、第１透過面、第１反射面、第２反射面、第２透過面を有する第２プリズムとを有し、第１プリズムの第１透過面と第２反射面が同一の面で、第２プリズムの第１反射面と第２透過面が同一の面であることを特徴とする結像光学系である。
【００９０】
第１４の発明は、光学作用面を絞りに対して対称に配置することにより軸外収差の補正を行い、さらに、反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面を導入し、プリズム内の光路長を短縮することで反射面の製作精度を緩和させる構成をとっている。
【００９１】
軸外収差の補正を行うためには、絞りに対して対称的な光学作用面の配置が重要なことは前述した通りである。本発明は、より具体的に、その光学作用面の配置を限定したもので、これにより小型の構成でありながら軸上、軸外共に良好な性能を得ることが可能である。すなわち、第１プリズムの最も物体側の面を透過作用と反射作用を併せ持つ面とすることで、第１透過面の有効径を無理なく大きくすることが可能な構成とする。それにより、入射光線が広画角でもプリズムの小型化が可能となる。第１透過面の次に反射作用のみの第１反射面により反射させられた光線は、反射作用と透過作用を併せ持った第１透過面と同一の第２反射面に到達し、さらにそこで全反射を行い透過作用のみを有する第２透過面から射出し、絞りに至る。特に、１つのプリズム内に反射面が１面のみの場合は反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面を構成することはできず、また、反射面が１面のみでは、収差補正ができなくなるばかりか、光線の通過方向の自由度が少なくなり、結像光学系のレイアウトが制限されてしまう。その結果、光学系の小型化を達成することができなくなる。
【００９２】
また、本発明の構成のように反射面を２面用いる場合でも、少なくとも１面を透過作用と反射作用を併せ持つような構成とすることにより、プリズム内の光路長を小さくすることができる。その結果、プリズム各面の偏心誤差が転送により増大されるのを最小限に止めることができるので、特に反射面の製作精度の緩和ができてコストダウンが可能である。
【００９３】
また、反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面を入射側に配置することで、プリズムを小型化したまま広角化が可能な構成となる。また、第２プリズムは、その光学作用面が絞りに対して第１プリズムと対称になるように配置することで、特に軸外収差の補正に有利となる。
以上説明したように、第１４の発明によれば、小型で中心から周辺まで良好な性能を保った、低コストの結像光学系を得ることができる。
【００９４】
また、第１から第１４の何れかの発明において、反射面の中、少なくとも１面はパワーを有していることが望ましい。色収差の発生のない反射面にパワーを持たせることで、結像光学系全体の色収差を小さく抑えることが可能である。また、プリズム内部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているため、同じパワーを得るにも、空気中のミラー等による表面反射よりも反射面の曲率は小さくてすみ、収差の発生量自体も小さく抑えることが可能となる。これにより、なお良好な結像性能を得ることが可能となる。
【００９５】
また、第１から第１４の何れかの発明において、物体側のプリズムの反射面の中、少なくとも１面は負のパワーを有し、像側のプリズムの反射面の中、少なくとも１面は正のパワーを有していることが望ましい。このような構成をとることで、物体側の発散作用を有するプリズムと、像側の収斂作用を有するプリズムのパワーの大部分をそれらの反射面に持たせることで、色収差の発生の少ない結像光学系を得ることが可能となる。
【００９６】
また、第１から第１４の何れかの発明において、物点中心を通り、絞り中心を通過して像面中心に到達する光線を軸上主光線としたとき、反射面の中、少なくとも１面は軸上主光線に対して偏心していることが望ましい。少なくとも１つの反射面が軸上主光線に対して偏心していないと、軸上主光線の入射光線と反射光線が同一の光路をとることとなり、軸上主光線が光学系中で遮断されてしまう。その結果、中心部が遮光された光束のみで像を形成することになり、中心が暗くなったり、中心では全く像を結ばなくなったりしてしまう。
【００９７】
また、パワーを付けた反射面を軸上主光線に対し偏心させることも当然可能である。
また、パワーを付けた反射面を軸上主光線に対して偏心させた場合、本発明で用いられるプリズムを構成する面の中、少なくとも１つの面は回転非対称な面であることが望ましい。その中でも、特に、少なくとも１つの反射面を回転非対称な面にすることが収差補正上は好ましい。
【００９８】
その理由を以下に詳述する。
まず、用いる座標系、回転非対称な面について説明する。
軸上主光線が、光学系の第１面に交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交し、かつ、撮像光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸とする。光線の追跡方向は、物体から像面に向かう順光線追跡で説明する。
【００９９】
一般に、球面レンズでのみ構成された球面レンズ系では、球面により発生する球面収差と、コマ収差、像面湾曲等の収差をいくつかの面でお互いに補正しあい、全体として収差を少なくする構成になっている。
【０１００】
一方、少ない面数で収差を良好に補正するためには、回転対称非球面等が用いられる。これは、球面で発生する各種収差自体を少なくするためである。
しかし、偏心した光学系においては、偏心により発生する回転非対称な収差を回転対称光学系で補正することは不可能である。この偏心により発生する回転非対称な収差は、歪曲収差、像面湾曲、さらに、軸上でも発生する非点収差、コマ収差がある。
【０１０１】
まず、回転非対称な像面湾曲について説明する。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡に入射した光線は、凹面鏡に当たって反射結像されるが、光線が凹面鏡に当たって以降、像面までの後側焦点距離は、像界側が空気の場合、光線が当たった部分の曲率半径の半分になる。すると、図３４に示すように、軸上主光線に対して傾いた像面を形成する。このように、回転非対称な像面湾曲を補正するには回転対称な光学系では不可能である。
【０１０２】
この傾いた像面湾曲をその発生源である凹面鏡Ｍ自身で補正するには、凹面鏡Ｍを回転非対称な面で構成し、この例ではＹ軸正の方向に対して曲率を強く（屈折力を強く）し、Ｙ軸負の方向に対して曲率を弱く（屈折力を弱く）すれば、補正することができる。また、上記構成と同様な効果を持つ回転非対称な面を、凹面鏡Ｍとは別に光学系中に配置することにより、少ない構成枚数でフラットの像面を得ることが可能となる。
また、回転非対称な面は、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない回転非対称面形状の面とすることが、自由度が増え収差補正上は好ましい。
【０１０３】
次に、回転非対称な非点収差について説明する。
上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図３５に示すような非点収差が発生する。この非点収差を補正するためには、上記説明と同様に、回転非対称面のＸ軸方向の曲率とＹ軸方向の曲率を適切に変えることによって可能となる。
【０１０４】
さらに、回転非対称なコマ収差について説明する。
上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図３６に示すようなコマ収差が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転非対称面のＸ軸の原点から離れるに従って面の傾きを変えると共に、Ｙ軸の正負によって面の傾きを適切に変えることによって可能となる。
【０１０５】
また、本発明の結像光学系では、前述の反射作用を有する少なくとも１つの面が軸上主光線に対し偏心し、回転非対称な面形状でパワーを有する構成も可能である。このような構成をとれば、その反射面にパワーを持たせることで発生する偏心収差をその面自体で補正することが可能となり、プリズムの屈折面のパワーを緩めることで、色収差の発生自体を小さくすることができる。
【０１０６】
また、本発明で用いる上記の回転非対称面は、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面であることが好ましい。ここで、本発明で使用する自由曲面とは、以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【０１０７】
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
【０１０８】
球面項中、
ｃ：頂点の曲率
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）
である。
【０１０９】
自由曲面項は、
ただし、Ｃj （ｊは２以上の整数）は係数である。
【０１１０】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2 、Ｃ5 、Ｃ7 、Ｃ9 、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【０１１１】
また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ3 、Ｃ5 、Ｃ8 、Ｃ10、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【０１１２】
また上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作製をも向上させることが可能となる。
【０１１３】
また、上記定義式（ａ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本発明は、対称面を１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作製も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。
【０１１４】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、少なくとも１つのプリズムに、反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面を少なくとも１面用いることが好ましい。このような構成をとることで、少ないスペースを有効に使い、プリズム自体の小型化が可能となる。さらに、この場合、プリズム内を通る光線の光路長も短くなる。その結果、偏心誤差感度の高い反射面で発生した偏心誤差の転送による影響を小さく抑えることが可能となり、反射面の製作精度が緩和され、コストダウンが図られる。
【０１１５】
また、この反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面の反射作用を持つ面は、全反射面であることが望ましい。全反射条件を満たさなければ、反射作用と透過作用を併せ持つことができず、プリズム自体の小型化が困難になり、反射面の製作精度の緩和も図れない。
【０１１６】
また、本発明で用いられる反射面の中、全反射面以外の反射面は、アルミニウム又は銀等の金属薄膜を表面に形成した反射面、又は、誘電体多層膜の形成された反射面で構成することが好ましい。金属薄膜で反射作用を有する場合は、手軽に高反射率を得ることが可能となる。また、誘電体反射膜の場合は、波長選択性や吸収の少ない反射膜を形成する場合に有利となる。
【０１１７】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、全系を通して結像面は１つである結像光学系であることが好ましい。前述したように反射面の偏心誤差感度は屈折面に比べて大きく、プリズムのように１ブロックで構成された反射光学部材は各面の面精度誤差、偏心誤差が積算されて転送されるため、反射面数は少ない程製作精度は緩和される。したがって、必要以上に反射の回数を増やすことは望ましくなく、例えば中間像を形成しその像をリレーして行く結像光学系では、必要以上に反射の回数が増え、各面の製造誤差が厳しくなり、コストアップにつながってしまう。
【０１１８】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、結像光学系のフォーカシングは、全体繰り出しやプリズムを１つだけ移動することにより可能なのは言うまでもないが、最も像側の面から射出した軸上主光線の方向に結像面を移動させることによりフォーカシングすることが可能である。これにより、結像光学系が偏心することで物体からの軸上主光線の入射方向と最も像側の面から射出する軸上主光線の方向とが一致していなくても、フォーカシングによる軸上主光線の入射側のずれを防ぐことができる。また、平行平面板を複数の楔状のプリズムに分割し、それをＺ軸と垂直方向に移動させることでフォーカシングすることも可能である。この場合も、結像光学系の偏心にはよらずフォーカシングが可能である。
【０１１９】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、少なくともプリズムの１つをプラスチック等のような有機材料を用いて構成すれば、コストダウンが図れる。また、アモルファスポリオレフィン等のような低吸湿材料を用いれば、湿度変化に対しても結像性能の変化が少なくて望ましい。
【０１２０】
また、前記第１から第１４の何れかの発明において、発散作用のプリズムと収斂作用のプリズムを使うことによって、温度補償をすることができる。特に、プリズムの材質にプラスチックを用いた場合に問題になる、温度変化による焦点ずれを防ぐためには、プリズムに異符号のパワーを持たせることでそれが可能となる。
【０１２１】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、複数のプリズムは光学作用を有さない面にそれぞれの相対的位置決め部を設けていることが望ましい。特に、本発明のような反射面にパワーを持たせたプリズムを複数配置する場合、その相対的な位置精度のずれが性能劣化の原因となる。そこで、本発明では、図２７（ａ）、（ｂ）に示すように、プリズムＰの光学作用を有さない面ＮＰに相対的位置決め部Ｂを設けることで、位置精度の確保を行い、所望の性能を確保することが可能となる。特に、その位置決め部Ｂを用い、連結部材Ｊにより複数のプリズムＰを一体化すれば、組み立て調整が不要となり、さらに、コストダウンが図られる。ここで、図２７（ａ）の場合は、位置決め部Ｂと連結部材Ｊが一体化している。なお、図２７は１例としてその構成を示したもので、位置決め部Ｂと連結部材Ｊにより複数のプリズムＰが一体化されていれば、これ以外の方法でももちろん構わない。
【０１２２】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、本発明の結像光学系の入射面より物体側にミラー等の反射光学部材を用いて、本発明の結像光学系の偏心方向とは異なった向きに光路を折り畳むことも可能である。これにより、さらに結像光学系のレイアウトの自由度が増え、結像光学装置全体の小型化が図られる。
【０１２３】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、結像光学系をプリズムのみから構成することも可能である。これにより部品点数が減り、コストダウンが図られる。さらに、絞りの前後で複数のプリズムを一体化し、１つのプリズムとすることも当然可能である。これにより、さらなるコストダウンが可能である。
【０１２４】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、結像光学系は明るい単焦点レンズであることが可能である。反射面の偏心誤差感度が屈折面に比べて高いのは前述した通りであり、その反射面を含んだ光学素子をズームレンズのように大きく移動させることは性能劣化につながり好ましくない。例え大きく移動させた場合でも、性能を維持しようとすると、高精度に組み立て調整を行わなければならず、コストアップにつながってしまう。本発明は、第１から第１４の何れかの構成をとることで、Ｆナンバーが３程度より明るい単焦点レンズを得ることが可能である。
【０１２５】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、軸上主光線が回転非対称面と交わる点における回転非対称面の法線と軸上主光線のなす角をαとするとき、
１°＜｜α｜ ・・・（１−１）
なる条件を満足することが望ましい。
【０１２６】
軸上主光線に対して回転非対称面を傾けて配置することにより、偏心収差の補正を効果的に行うことが可能となる。特に、偏心した反射面がパワーを持っているときは、偏心によるコマ収差と偏心による非点収差の発生を補正することが可能となる。
【０１２７】
上記条件式（１−１）の下限の１°を越えると、他の面で発生する偏心によるコマ収差と偏心による非点収差の発生をこの面で補正することが不可能になり、軸上の像に対しても解像力が低下してしまう。
【０１２８】
さらに好ましくは、
１０°＜｜α｜＜８０° ・・・（１−２）
なる条件を満足することが収差補正上好ましい。この条件の下限１０°は、他の面で発生する収差を補正するために必要であり、上限の８０°を越えると、今度はこの面で発生する偏心によるコマ収差と偏心による非点収差の発生が大きくなりすぎ、補正過剰になってしまい、偏心による収差のバランスを取ることが困難になる。
【０１２９】
さらに好ましくは、
１０°＜｜α｜＜６０° ・・・（１−３）
なる条件を満足することにより、さらに収差性能が向上する。
【０１３０】
また、前記第１から第１４の何れかの発明において、面対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面とし、その面に直交する方向をＸ軸とした場合、その面のＸ方向の最大画角主光線が当たる位置での面の法線のＹ−Ｚ面内でのｔａｎの値と、軸上主光線が前記面に当たる位置での面の法線のＹ−Ｚ面内でのｔａｎの値との差をＤＹとするとき、
０＜｜ＤＹ｜＜０．１ （ラジアン） ・・・（２−１）
なる条件を満足することが望ましい。
この条件式は、例えば水平線を写したときに水平線が弓なりに湾曲してしまう、弓なりな回転非対称な像歪みに関するものである。
【０１３１】
上記ＤＹを説明するために、図３７（ａ）に斜視図、図３７（ｂ）にＹ−Ｚ平面への投影図を示す。Ｘ方向の最大画角の主光線が回転非対称面Ａと交差する点におけるその回転非対称面の法線ｎ’のＹ−Ｚ面内でのｔａｎの値と、軸上主光線がその回転非対称面Ａと交差する点における回転非対称面の法線ｎのＹ−Ｚ面内でのｔａｎの値との差がＤＹである。
【０１３２】
上記条件式の下限０を越えると、弓なりな像歪みを補正することができなくなる。また、上限０．１を越えると、弓なりな像歪みが補正過剰となり、どちらの場合も像が弓なりに歪んでしまう。
【０１３３】
さらに好ましくは、
０＜｜ＤＹ｜＜０．０５ （ラジアン） ・・・（２−２）
なる条件を満足することで、より一層弓なりな像歪みを補正することが可能である。
【０１３４】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、軸上主光線が結像光学系の第１面に至るまでの方向をＺ軸方向、面対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面とし、その面に直交する方向をＸ軸として、Ｙ正方向の最大画角の主光線とＹ負方向の最大画角の主光線とがその面と当たる部分のＸ方向の曲率の差をＣｘｎ、軸上主光線がその面と当たる部分のＸ方向のパワーをＰｘｎとするとき、
０≦｜Ｃｘｎ／Ｐｘｎ｜＜１０ ・・・（３−１）
なる条件を満足することが望ましい。
【０１３５】
この条件式は、台形に発生する像歪みに関するもので、上限の１０を越えると、台形に発生する像歪みが大きくなりすぎ、他の面で補正することが不可能になってしまう。
【０１３６】
さらに好ましくは、
０≦｜Ｃｘｎ／Ｐｘｎ｜＜１ ・・・（３−２）
なる条件を満足することで、より一層台形に発生する像歪みを補正することが可能である。
【０１３７】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、図３８に示すように、結像光学系の偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、結像光学系の軸上主光線と平行なＹ−Ｚ面内の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、結像光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に投影したときのなす角をＮＡ’ｙｉとし、ＮＡ’ｙｉ／ｄをＹ方向の結像光学系全体のパワーＰｙ、結像光学系の軸上主光線と平行でＹ−Ｚ面と直交するＸ方向の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、結像光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に直交する面であって軸上主光線を含む面に投影したときのなす角をＮＡ’ｘｉとし、ＮＡ’ｘｉ／ｄをＸ方向の結像光学系全体のパワーＰｘとするとき、
０＜｜Ｐｘｎ／Ｐｘ｜＜１００ ・・・（４−１）
なる条件を満足することが望ましい。
【０１３８】
この条件式の上限の１００を越えると、回転非対称面のパワーが結像光学系全体のパワーに対して強くなりすぎ、回転非対称な面が強いパワーを持ちすぎてしまう。その結果、この回転非対称な面で発生する回転非対称な収差が大きくなりすぎ、他の面でその補正ができなくなる。また、下限の０を越えると、回転非対称な面のＸ方向のパワーがなくなり、回転非対称な収差を補正できなくなる。また、それを補うためには、別の面にＸ方向のパワーを持たせなくてはならず、面数が増え、結像光学系の小型化、低コスト化ができなくなる。
【０１３９】
さらに好ましくは、
０＜｜Ｐｘｎ／Ｐｘ｜＜１０ ・・・（４−２）
なる条件を満足することで、より一層回転非対称な収差を補正することが可能である。
【０１４０】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、結像光学系の偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、軸上主光線が結像光学系の第１面に至るまでの方向をＺ軸方向、面対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面とし、その面に直交する方向をＸ軸として、軸上主光線がその面と当たる部分のＹ方向のパワーをＰｙｎとするとき、
０＜｜Ｐｙｎ／Ｐｙ｜＜１００ ・・・（５−１）
なる条件を満足することが望ましい。
【０１４１】
上限の１００を越えると、回転非対称面のパワーが結像光学系全体のパワーに対して強くなりすぎ、回転非対称な面が強いパワーを持ちすぎてしまう。その結果、この回転非対称な面で発生する回転非対称な収差が大きくなりすぎ、他の面でその補正ができなくなる。また、下限の０を越えると、回転非対称な面のＹ方向のパワーがなくなり、回転非対称な収差を補正できなくなる。また、それを補うためには、別の面にＹ方向のパワーを持たせなくてはならず、面数が増え、結像光学系の小型化、低コスト化ができなくなる。
【０１４２】
さらに好ましくは、
０＜｜Ｐｙｎ／Ｐｙ｜＜１０ ・・・（５−２）
なる条件を満足することで、より一層回転非対称な収差を補正することが可能である。
【０１４３】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、以下の条件式を満足することが望ましい。
０．５＜｜Ｐｘ／Ｐｙ｜＜２ ・・・（６−１）
この条件式の上限２、下限０．５を越えると、結像光学系全体の焦点距離がＸ方向とＹ方向で大きく異なる結果となり、良好に回転非対称な収差を補正することが困難になる。特に、像が回転非対称に歪んでしまい、その補正が困難となる。
【０１４４】
さらに好ましくは、
０．８＜｜Ｐｘ／Ｐｙ｜＜１．２５ ・・・（６−２）
なる条件を満足することで、より一層回転非対称な収差を補正することが可能である。
【０１４５】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、絞りより物体側の光学系全体のＸ方向のパワーをＰｘｆとするとき、以下の条件式を満足することが望ましい。
【０１４６】
０．０１＜｜Ｐｘｆ／Ｐｘ｜＜２ ・・・（７−１）
この条件式の上限の２を越えると、絞りより物体側の光学系のＸ方向のパワーが強くなりすぎ、そこで発生する収差が補正できなくなる。また下限の０．０１を越えると、絞りより物体側の光学系のＸ方向のパワーが弱くなりすぎ、結像光学系全体小型化が図れなくなる。
【０１４７】
さらに好ましくは、
０．０５＜｜Ｐｘｆ／Ｐｘ｜＜１．２ ・・・（７−２）
なる条件を満足することで、より一層小型で諸収差が補正された結像光学系を得ることができる。
【０１４８】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、絞りより物体側の光学系全体のＹ方向のパワーをＰｙｆとするとき、以下の条件式を満足することが望ましい。
【０１４９】
０．０１＜｜Ｐｙｆ／Ｐｙ｜＜２ ・・・（８−１）
この条件式の上限の２を越えると、絞りより物体側の光学系のＹ方向のパワーが強くなりすぎ、そこで発生する収差が補正できなくなる。また、下限の０．０１を越えると、絞りより物体側の光学系のＹ方向のパワーが弱くなりすぎ、結像光学系全体小型化が図れなくなる。
【０１５０】
さらに好ましくは、
０．０５＜｜Ｐｙｆ／Ｐｙ｜＜１．２ ・・・（８−２）
なる条件を満足することで、より一層小型で諸収差が補正された結像光学系を得ることができる。
【０１５１】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、絞りより像側の光学系全体のＸ方向のパワーをＰｘｂとするとき、以下の条件式を満足することが望ましい。
【０１５２】
０．０１＜｜Ｐｘｂ／Ｐｘ｜＜２ ・・・（９−１）
この条件式の上限の２を越えると、絞りより像側の光学系のＸ方向のパワーが強くなりすぎ、そこで発生する収差が補正できなくなる。また、下限の０．０１を越えると、絞りより像側の光学系のＸ方向のパワーが弱くなりすぎ、結像光学系全体小型化が図れなくなる。
【０１５３】
さらに好ましくは、
０．０５＜｜Ｐｘｂ／Ｐｘ｜＜１．２ ・・・（９−２）
なる条件を満足することで、より一層小型で諸収差が補正された結像光学系を得ることができる。
【０１５４】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、絞りより像側の光学系全体のＹ方向のパワーをＰｙｂとする時、以下の条件式を満足することが望ましい。
【０１５５】
０．０１＜｜Ｐｙｂ／Ｐｙ｜＜２ ・・・（１０−１）
この条件式の上限の２を越えると、絞りより像側の光学系のＹ方向のパワーが強くなりすぎ、そこで発生する収差が補正できなくなる。また、下限の０．０１を越えると、絞りより像側の光学系のＹ方向のパワーが弱くなりすぎ、結像光学系全体小型化が図れなくなる。
【０１５６】
さらに好ましくは、
０．０５＜｜Ｐｙｂ／Ｐｙ｜＜１．２ ・・・（１０−２）
なる条件を満足することで、より一層小型で諸収差が補正された結像光学系を得ることができる。
【０１５７】
また、前記第１から第１４の何れかの発明において、結像光学系の屈折面、反射面を球面あるいは回転対称非球面で構成することも当然可能である。
【０１５８】
なお、本発明の以上の結像光学系を撮像装置の撮像部に配置する場合、あるいは、その撮影装置がカメラ機構を備えいる場合に、前群中に配置されたプリズム部材を光学作用を持つ光学素子の中で最も物体側に配置し、そのプリズム部材の入射面を光軸に対して偏心して配置し、そのプリズム部材よりも物体側に光軸に対して垂直に配置したカバー部材を配置する構成にすることができ、また、前群中に配置されたプリズム部材が物体側に光軸に対して偏心配置された入射面を備えるように構成し、その入射面と空気間隔を挟んで光軸と同軸上に配置されたパワーを有するカバーレンズをその入射面よりも物体側に配置する構成にすることができる。
【０１５９】
このように、プリズム部材が最も物体側に配置され、偏心入射面が撮影装置前面に備えられると、被写体からは斜めに傾いた入射面が見えるため、被写体からずれた位置を中心に撮影しているかのような違和感を与えてしまうことになる。そこで、光軸に垂直なカバー部材又はカバーレンズを配置して、一般の撮影装置と同様、撮影する被写体に違和感を感じない撮影ができる。
【０１６０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の結像光学系の実施例１〜１０について説明する。なお、各実施例の構成パラメータは後に示す。
各実施例において、図１に示すように、光学系の特定の面（図１の実施例１では、面番号１の仮想面と面番号６の絞り面）の中心を偏心光学系の原点として、軸上主光線１を物体中心を出て、絞り２の中心を通る光線で定義する。物体中心から光学系の第１面まで軸上主光線１に沿って進む方向をＺ軸方向、このＺ軸と像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、光線が光学系の面によって折り曲げられる面内の方向で、かつ、Ｙ−Ｚ平面内のＺ軸に直交する方向にＹ軸をとる。物点から光学系の第１面に向かう方向をＺ軸の正方向とし、Ｙ軸の正方向を図の上方向にとる。そして、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸とする。
【０１６１】
実施例１〜１０では、このＹ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【０１６２】
偏心面については、光学系の原点の中心から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記の（ｂ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。
【０１６３】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【０１６４】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は前記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【０１６５】
また、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
ただし、Ｚを光の進行方向を正とした光軸（軸上主光線）とし、ｙを光軸と垂直な方向にとる。ここで、Ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
【０１６６】
なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【０１６７】
また、自由曲面の他の定義式として、以下の（ｃ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表せられる。
【０１６８】
なお、Ｘ軸方向に対称な光学系として設計するには、Ｄ4 ，Ｄ5 ，Ｄ6 、Ｄ10０，Ｄ11，Ｄ12，Ｄ13，Ｄ14，Ｄ20，Ｄ21，Ｄ22…を利用する。
【０１６９】
その他の面の例として、次の定義式（ｄ）があげられる。
Ｚ＝ΣΣＣnmＸＹ
例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したとき、以下の式で表せる。
なお、本発明の実施例では、前記（ａ）式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記（ｃ）式、（ｄ）式を用いても同様の作用効果を得られるのは言うまでもない。
【０１７０】
実施例１〜９は、像の大きさが約２．５×１．８ｍｍの１／３インチサイズの撮像素子を想定している。また、実施例１０は、１．６９×１．２８ｍｍの１／５インチサイズの撮像素子を想定している。もちろん、その他のサイズの場合でも適用できるのは言うまでのない。また、本発明は、本発明の結像光学系を用いた撮像光学系のみならず、その光学系を組み込んだ撮像装置等も含むものである。
【０１７１】
実施例１
実施例１の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図１に示す。
実施例１は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１７２】
この実施例の構成パラメータは後記するが、自由曲面はＦＦＳで、非球面はＡＳＳで示してあり、これ以降の実施例についても同様である。
実施例１は、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、負パワーの第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＺ軸に対して垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
本実施例は、プリズムをＹ軸方向に２つ重ねることで、特にＺ軸方向の厚みを小さくしたものである。
【０１７３】
実施例２
実施例２の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図２に示す。
実施例２は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１７４】
実施例２は、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、正パワーの第１反射面２２、第２反射面２３、第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１透過面２１と第２反射面２３をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
【０１７５】
本実施例も実施例１同様、プリズムをＹ軸方向に２つ重ねることで、特にＺ軸方向の厚みを小さくしたものである。また、結像光学系の最終面から射出する軸上主光線もＹ軸方向に射出している。
【０１７６】
実施例３
実施例３の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図３に示す。
実施例３は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１７７】
実施例３は、物体側から光の通る順に、負パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、第２反射面１３、第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、正パワーの第１反射面２２、負パワーの第２反射面２３、正パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１反射面１２と第２透過面１４、第２プリズム２０の第１透過面２１と第２反射面２３をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＺ軸に対して略垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
本実施例は、プリズムをＺ軸方向に２つ重ね、光路を折り畳むことで、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【０１７８】
実施例４
実施例４の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図４に示す。
実施例４は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１７９】
実施例４は，物体側から光の通る順に、第１透過面１１、第１反射面１２、負パワーの第２反射面１３、第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、正パワーの第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１反射面１２と第２透過面１４、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２２をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＺ軸に対して略垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
【０１８０】
本実施例では、第１プリズム１０でＺ軸方向からの入射光線をＹ軸方向に屈曲させ、次の第２プリズム２０で再度Ｚ軸方向に屈曲させるという構成をとっている。これにより、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【０１８１】
実施例５
実施例５の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図５に示す。
実施例５は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１８２】
実施例５は、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、負パワーの第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＹ軸に対して略垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
【０１８３】
本実施例では、第１プリズム１０でＺ軸方向からの入射光線をＹ軸方向に屈曲させ、次の第２プリズム２０で再度Ｚ軸方向からＹ軸方向に屈曲させるという構成をとっている。これにより、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【０１８４】
実施例６
実施例６の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図６に示す。
実施例６は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１８５】
実施例６は、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、第２反射面１３、第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、正パワーの第１反射面２２、第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１透過面２１と第２反射面２３をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＺ軸に対して略垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
【０１８６】
本実施例では、第１プリズム１０でＺ軸方向からの入射光線をＹ軸方向に屈曲させ、次の第２プリズム２０で再度Ｚ軸方向に屈曲させるという構成をとっている。これにより、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【０１８７】
実施例７
実施例７の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図７に示す。
実施例７は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１８８】
実施例７は、物体側から光の通る順に、負パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、第１反射面２２、第２反射面２３、正パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１反射面１２と第２透過面１４、第２プリズム２０の第１透過面２１と第２反射面２３をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＹ軸に対して略垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
【０１８９】
本実施例では、第１プリズム１０でＺ軸方向からの入射光線をＹ軸方向斜めに屈曲させ、次の第２プリズム２０でＹ軸方向に屈曲させるという構成をとっている。これにより、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【０１９０】
実施例８
実施例８の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図８に示す。
実施例８は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１９１】
実施例８は、物体側から光の通る順に、負パワーの第１透過面１１、第１反射面１２、第２反射面１３、第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１反射面１２と第２透過面１４、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
本実施例は、Ｚ軸方向に２つのプリズムを順に配置し、Ｙ軸方向の薄型化を可能にした例である。なお、像面３はＹ軸方向に対し、略垂直となる構成である。
【０１９２】
実施例９
実施例９の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図９に示す。
実施例９は、水平半画角３２．７°、垂直半画角２３．２°、入射瞳径は１．５４ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると４．３ｍｍに相当する。
【０１９３】
実施例９は、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＺ軸に対して垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
本実施例は、プリズムをＹ軸方向に２つ重ねることで、特にＺ軸方向の厚みを小さくしたものである。
【０１９４】
実施例１０
実施例１０の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図１０に示す。
実施例１０は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．２４ｍｍであり、撮像素子サイズは１．６９×１．２８ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると３．５ｍｍに相当する。
【０１９５】
実施例１０は、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、負パワーの第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＹ軸に対して略垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
【０１９６】
本実施例では、第１プリズム１０でＺ軸方向からの入射光線をＹ軸方向に屈曲させ、次の第２プリズム２０で再度Ｚ軸方向からＹ軸方向に屈曲させるという構成をとっている。これにより、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【０１９７】
以下、上記実施例１〜１０の構成パラメータを示す。
【０１９８】
【０１９９】
【０２００】
【０２０１】
【０２０２】
【０２０３】
【０２０４】
【０２０５】
【０２０６】
【０２０７】
次に、上記実施例１〜１０の横収差図をそれぞれ図１１〜図２０に示す。これらの横収差図において、括弧内に示された数字は（水平（Ｘ方向）画角、垂直（Ｙ方向）画角）を表し、その画角における横収差を示す。各収差図において、下から上へ順に、画面中心、Ｙ軸上像高の−約７０％の位置、Ｘ方向像高の約７０％でＹ方向像高の−約７０％の位置、Ｘ軸上像高の約７０％の位置、Ｘ方向像高の約７０％でＹ方向像高の約７０％の位置、Ｙ軸上像高の約７０％の位置の横収差である。
【０２０８】
さて、以上のような本発明の結像光学系は、物体像を形成しその像をＣＣＤや銀塩フィルムといった撮像素子に受光させて撮影を行う撮影装置、とりわけカメラや内視鏡に用いることができる。また、物体像を接眼レンズを通して観察する観察装置、とりわけカメラのファインダー部の対物光学系としても用いることが可能である。以下に、その実施形態を例示する。
【０２０９】
図２１〜図２３は、本発明の結像光学系を電子カメラのファインダー部の対物光学系に組み込んだ構成の概念図を示す。図２１は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図２２は同後方斜視図、図２３は電子カメラ４０の構成を示す断面図である。電子カメラ４０は、この例の場合、撮影用光路４２を有する撮影光学系４１、ファインダー用光路４４を有するファインダー光学系４３、シャッター４５、フラッシュ４６、液晶表示モニター４７等を含み、カメラ４０の上部に配置されたシャッター４５を押圧すると、それに連動して撮影用対物光学系４８を通して撮影が行われる。撮影用対物光学系４８によって形成された物体像が、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター５１を介してＣＣＤ４９の撮像面５０上に形成される。このＣＣＤ４９で受光された物体像は、処理手段５２を介し、電子画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター４７に表示される。また、この処理手段５２にはメモリ等が配置され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、このメモリは処理手段５２と別体に設けらてもよいし、フロッピーディスク等により電子的に記録書込を行うように構成してもよい。また、ＣＣＤ４９に代わって銀塩フィルムを配置した銀塩カメラとして構成してもよい。
【０２１０】
さらに、ファインダー用光路４４上には、例えば実施例４に示した結像光学系をファインダー用対物光学系５３として配置してある。また、カバー部材として正のパワーを有するカバーレンズ５４を配置し、画角を拡大している。なお、このカバーレンズ５４と結像光学系の絞り２より物体側のプリズム１０とでファインダー用対物光学系５３の前群ＧＦを、結像光学系の絞り２より像側のプリズム２０でファインダー用対物光学系５３の後群ＧＲを構成している。このファインダー用対物光学系５３によって形成された物体像は、像正立部材であるポロプリズム５５の視野枠５７上に形成される。なお、視野枠５７は、ポロプリズム５５の第１反射面５６と第２反射面５８との間を分離し、その間に配置されている。このポリプリズム５５の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系５９が配置されている。
【０２１１】
このように構成されたカメラ４０は、ファインダー用対物光学系５３を少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、対物光学系５３の光路自体を折り曲げて構成できるため、カメラ内部での配置の自由度が増し、設計上有利となる。
【０２１２】
次に、図２４は、本発明の結像光学系を電子カメラ４０の撮影部の対物光学系４８に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合、撮影用光路４２上に配置された撮影用対物光学系４８は、実施例１に示した結像光学系を用いている。この撮影用対物光学系により形成された物体像は、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター５１を介してＣＣＤ４９の撮像面５０上に形成される。このＣＣＤ４９で受光された物体像は、処理手段５２を介し、液晶表示素子（ＬＣＤ）６０上に電子像として表示される。また、この処理手段５２は、ＣＣＤ４９で撮影された物体像を電子情報として記録する記録手段６１の制御も行う。ＬＣＤ６０に表示された画像は、接眼光学系５９を介して観察者眼球Ｅに導かれる。この接眼光学系５９は、本発明の結像光学系に用いられているものと同様の形態を持つ偏心プリズムからなり、この例では、入射面６２と、反射面６３と、反射と屈折の兼用面６４の３面から構成されている。また、２つの反射作用を持った面６３、６４の中、少なくとも一方の面、望ましくは両方の面が、光束にパワーを与え、かつ、偏心収差を補正する唯一の対称面を持つ面対称自由曲面にて構成されている。そして、この唯一の対称面は、撮影用対物光学系４８の前後群ＧＦ，ＧＲに配置された偏心プリズム１０、２０が有する面対称自由曲面の唯一の対称面と略同一平面上に形成されている。
【０２１３】
このように構成されたカメラ４０は、撮影用対物光学系４８を少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、光学系全体を同一平面上に並べて配置できるため、この配置平面と垂直方向の厚みの簿型化が実現できる。
【０２１４】
なお、本例では、撮影用対物光学系４８のカバー部材６５はとして、平行平面板を配置しているが、前例と同様に、パワーを持ったレンズを用いてもよい。
【０２１５】
ここで、カバー部材を設けずに、本発明の結像光学系の前群ＧＦ中の最も物体側に配置された面をカバー部材と兼用することもできる。しかし、その場合、本例では、前群ＧＦ中の最も物体側の面は、偏心プリズム１０の入射面となる。そして、この入射面が光軸に対して偏心配置されているため、この面がカメラ前面に配置されてしまうと、被写体側から見た場合、カメラ４０の撮影中心が自分からずれているように錯覚してしまい（一般的なカメラ同様、入射面の垂直方向を撮影していると感じるのが通常である。）、違和感を与えてしまう。そこで、本例のように、結像光学系の最も物体側の面が偏心面である場合には、カバー部材６５（又は、カバーレンズ５４）を設けることが、被写体側から見た場合に違和感を感じずに、既存のカメラと同じ感覚で撮影を受けることができ望ましい。
【０２１６】
次に、図２５は、本発明の結像光学系を電子内視鏡の観察系の対物光学系８０に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合、観察系の対物光学系８０は、実施例３に示した結像光学系を用いている。この電子内視鏡は、図２５（ａ）に示すように、電子内視鏡７１と、照明光を供給する光源装置７２と、その電子内視鏡７１に対応する信号処理を行うビデオプロセッサ７３と、このビデオプロセッサ７３から出力される映像信号を表示するモニター７４と、このビデオブロセッサ７３と接続され映像信号等に記録するＶＴＲデッキ７５、及び、ビデオディスク７６と、映像信号を映像としてプリントアウトするビデオプリンタ７７と共に構成されており、電子内視鏡７１の挿入部７８の先端部７９は、図２５（ｂ）に示すように構成されている。光源装置７２から照明さた光束は、ライトガイドファイバー束８６を通って照明用対物光学系８５により、観察部位を照明する。そして、この観察部位からの光が、カバー部材８４を介して、観察用対物光学系８５によって物体像として形成される。この物体像は、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター８１を介してＣＣＤ８２の撮像面８３上に形成される。さらに、この物体像は、ＣＣＤ８２によって映像信号に変換され、その映像信号は、図２５（ａ）に示すビデオプロセッサ７３により、モニター７４上に直接表示されると共に、ＶＴＲデッキ７５、ビデオディスク７６中に記録され、また、ビデオプリンタ７７から映像としてプリントアウトされる。
【０２１７】
このように構成された内視鏡は、少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、結像光学系８０の前群ＧＦと後群ＧＲとが内視鏡の長軸方向に並ぶため、細径化を阻害することなく上記効果を得ることができる。
【０２１８】
また、前記実施例１〜１０の結像光学系をＣＣＤやフィルター等の撮像素子前方に配置するときの望ましい構成を図２６に示す。図中、偏心プリズムＰは、本発明の結像光学系の前群又は後群中に含まれる偏心プリズムである。いま、撮像素子の撮像面Ｃが、図のように四角形を形成するとき、偏心プリズムＰに配置された面対称自由曲面の対称面Ｄが、この撮像面Ｃの四角形を形成する辺の少なくとも１つと平行になるように配置することが、美しい像形成の上で望ましい。
【０２１９】
さらに、この撮像面Ｃが正方形や長方形といった４つの内角がそれぞれ略９０°にて形成されている場合には、面対称自由曲面の対称面Ｄは、撮像面Ｃの互いに平行関係にある２辺に対して平行に配置され、より望ましくは、この２辺の中間に配置されている構成であることが好ましい。このように構成すれば、装置に組み込むときの組み込み精度が出しやすく、量産性に効果的である。
【０２２０】
さらに、偏心プリズムＰを構成する光学面である第１面、第２面、第３面の中、複数の面又は全ての面が面対称自由曲面の場合には、複数の面又は全ての面の対称面が同一面Ｄ上に配置されるように構成することが、設計上も、収差性能上も望ましい。そして、この対称面Ｄと撮像面Ｃとの関係は、上述と同様の関係にあることが望ましい。
【０２２１】
また、以上の実施例の結像光学系の前群や後群に設けられた偏心プリズムとしては、何れも光学面３面からなり、その中の１面が全反射作用と透過作用とを兼用する面で構成された内部反射回数２回のタイプのプリズムを用いたが、本発明に用いる偏心プリズムはこれに限られるものではない。以下、本発明に用いることができるいくつかの偏心プリズムの例を図２８〜図３３に示す。なお、何れも像面３６に結像するプリズムＰとして説明するが、光路を逆にして像面３６側から被写体からの光線が入射し、瞳３１側に結像するプリズムＰとしても使用することができる。
【０２２２】
図２８の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、入射瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４に入射して内部反射し、第４面３５に入射して屈折されて、像面３６に結像する。
【０２２３】
図２９の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、入射瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４に入射して全反射し、第４面３５に入射して内部反射し、再び第３面３４に入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０２２４】
図３０の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、入射瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４に入射して内部反射し、第２面３３に再度入射して内部反射し、第４面３５に入射して屈折されて、像面３６に結像する。
【０２２５】
図３１の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、入射瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４に入射して内部反射し、第２面３３に再度入射して内部反射し、第４面３５に入射して内部反射し、第２面３３に再度入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０２２６】
図３２の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４からなり、入射瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、再び第１面３２に入射して今度は全反射し、第３面３４で内部反射し、三たび第１面３２に入射して全反射し、第３面３４に再度入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０２２７】
図３３の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４からなり、入射瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、再び第１面３２に入射して今度は全反射し、第３面３４で内部反射し、三たび第１面３２に入射して全反射し、再び第３面３４に入射して内部反射し、四たび第１面３２に入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０２２８】
以上の本発明の結像光学系は、例えば次のように構成することができる。
〔１〕 絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系。
【０２２９】
〔２〕 絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、プリズムのみからなっていることを特徴とする結像光学系。
【０２３０】
〔３〕 絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、その少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系。
【０２３１】
〔４〕 複数のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有する結像光学系において、ただ１つの結像面は全ての光学素子を射出した後に存在し、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系。
【０２３２】
〔５〕 複数のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有する結像光学系において、ただ１つの結像面は全ての光学素子を射出した後に存在し、プリズムのみからなることを特徴とする結像光学系。
【０２３３】
〔６〕 複数のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有する結像光学系において、ただ１つの結像面は全ての光学素子を射出した後に存在し、前記の少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系。
【０２３４】
〔７〕 絞りより物体側に発散作用のプリズムを有し、像側に収斂作用のプリズムを有し、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系。
【０２３５】
〔８〕 絞りより物体側に発散作用のプリズムを有し、像側に収斂作用のプリズムを有し、プリズムのみからなることを特徴とする結像光学系。
【０２３６】
〔９〕 絞りより物体側に発散作用のプリズムを有し、像側に収斂作用のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系。
【０２３７】
〔１０〕 収斂作用を有するプリズムの物体側に発散作用を有するプリズムを配置し、全系を通して結像面が１つであり、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系。
【０２３８】
〔１１〕 収斂作用を有するプリズムの物体側に発散作用を有するプリズムを配置し、全系を通して結像面が１つであり、プリズムのみからなっていることを特徴とする結像光学系。
【０２３９】
〔１２〕 収斂作用を有するプリズムの物体側に発散作用を有するプリズムを配置し、全系を通して結像面が１つであり、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系。
【０２４０】
〔１３〕 透過面を絞りを挟んで近接して配置した複数のプリズムを有する結像光学系において、該透過面の外側に透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を絞りに対して対称的に配置したことを特徴とする結像光学系。
【０２４１】
〔１４〕 物体側より光線の通過する順に、第１透過面、第１反射面、第２反射面、第２透過面を有する第１プリズムと、絞りと、第１透過面、第１反射面、第２反射面、第２透過面を有する第２プリズムとを有し、第１プリズムの第１透過面と第２反射面が同一の面で、第２プリズムの第１反射面と第２透過面が同一の面であることを特徴とする結像光学系。
【０２４２】
〔１５〕 上記１から１２の何れか１項において、絞りより前の前群中のプリズム部材と、絞りより後の後群中のプリズム部材の双方に、反射時に光束にパワーを与える反射面を設けたことを特徴とする結像光学系。
【０２４３】
〔１６〕 上記１から１２、１５の何れか１項において、前記反射面が光軸に対して偏心配置され、その面形状が回転非対称な曲面にて形成されたことを特徴とする結像光学系。
【０２４４】
〔１７〕 上記１６において、前記回転非対称な曲面反射面が、対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて形成され、パワーを持った偏心面で発生する偏心収差を補正するように構成されたことを特徴とする結像光学系。
【０２４５】
〔１８〕 上記１５において、前記前群中のプリズムに設けられたパワーを持った反射面と、前記後群中のプリズムに設けられたパワーを持った反射面とが共に、対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて形成され、
前記前群中の面対称自由曲面と前記後群中の面対称自由曲面とが共に、唯一の対称面を略同一平面上に配置して構成されたことを特徴とする結像光学系。
【０２４６】
〔１９〕 上記１５から１８の何れか１項において、前記前群中の少なくとも１つのプリズム部材は、反射面を少なくとも２面有し、前記少なくとも２面の反射面が共に光束にパワーを与えると共に収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状に形成されていることを特徴とする結像光学系。
【０２４７】
〔２０〕 上記１５から１８の何れか１項において、前記後群中の少なくとも１つのプリズム部材は、反射面を少なくとも２面有し、前記少なくとも２面の反射面が共に光束にパワーを与えると共に収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状に形成されていることを特徴とする結像光学系。
【０２４８】
〔２１〕 上記１９又は２０において、前記１つのプリズム部材中に設けられた少なくとも２面の反射面の回転非対称な曲面形状が、対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて形成され、かつ、前記唯一の対称面が略同一平面上に配置されたことを特徴とする結像光学系。
【０２４９】
〔２２〕 上記１７、１８、２１の何れか１項において、前記結像光学系が、像面上に電子撮像素子を配置し、前記電子撮像素子が、四角形にて形成され、前記面対称自由曲面の唯一の対称面が、前記四角形の少なくとも一辺と略平行な位置に形成されるように構成されていることを特徴とする結像光学系。
【０２５０】
〔２３〕 上記１から２２の何れか１項において、単焦点光学系として構成されていることを特徴とする結像光学系。
【０２５１】
〔２４〕 上記１から２３の何れか１項記載の結像光学系が撮像装置の撮像部に配置されたていることを特徴とする撮影装置。
【０２５２】
〔２５〕 上記２４記載の撮影装置がカメラ機構を備えいることを特徴とするカメラ装置。
【０２５３】
〔２６〕 上記１から２３の何れか１項記載の結像光学系が観察装置の観察像を形成する像形成手段に配置されたことを特徴とする観察装置。
【０２５４】
〔２７〕 上記２６記載の観察装置が、カメラのファインダー機構を備えたことを特徴とするカメラ装置。
【０２５５】
〔２８〕 上記２６記載の観察装置が、内視鏡の観察系機構を備えたことを特徴とする内視鏡装置。
【０２５６】
〔２９〕 上記２４又は２５において、前記前群中に配置されたプリズム部材が光学作用を持つ光学素子の中で最も物体側に配置され、
前記プリズム部材の入射面が光軸に対して偏心して配置され、
前記プリズム部材よりも物体側に光軸に対して垂直に配置されたカバー部材を配置したことを特徴とする撮影装置又はカメラ装置。
【０２５７】
〔３０〕 上記２４又は２５において、前記前群中に配置されたプリズム部材が物体側に光軸に対して偏心配置された入射面を備え、
前記入射面と空気間隔を挟んで光軸と同軸上に配置されたパワーを有するカバーレンズを前記入射面よりも物体側に配置したことを特徴とする撮影装置又はカメラ装置。
【０２５８】
【発明の効果】
以上説明したように、また、各実施例から明らかなように、本発明によれば、少ない光学素子の構成枚数で高性能、低コストな結像光学系を得ることができる。また、少ない反射回数の反射面を用いて光路を折り畳むことにより、小型化、薄型化された高性能な結像光学系及びそれを用いた撮影装置、カメラ装置、観察装置、内視鏡装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の結像光学系の断面図である。
【図２】本発明の実施例２の結像光学系の断面図である。
【図３】本発明の実施例３の結像光学系の断面図である。
【図４】本発明の実施例４の結像光学系の断面図である。
【図５】本発明の実施例５の結像光学系の断面図である。
【図６】本発明の実施例６の結像光学系の断面図である。
【図７】本発明の実施例７の結像光学系の断面図である。
【図８】本発明の実施例８の結像光学系の断面図である。
【図９】本発明の実施例９の結像光学系の断面図である。
【図１０】本発明の実施例１０の結像光学系の断面図である。
【図１１】実施例１の結像光学系の横収差図である。
【図１２】実施例２の結像光学系の横収差図である。
【図１３】実施例３の結像光学系の横収差図である。
【図１４】実施例４の結像光学系の横収差図である。
【図１５】実施例５の結像光学系の横収差図である。
【図１６】実施例６の結像光学系の横収差図である。
【図１７】実施例７の結像光学系の横収差図である。
【図１８】実施例８の結像光学系の横収差図である。
【図１９】実施例９の結像光学系の横収差図である。
【図２０】実施例１０の結像光学系の横収差図である。
【図２１】本発明の結像光学系を適用した電子カメラの外観を示す前方斜視図である。
【図２２】図２１の電子カメラの後方斜視図である。
【図２３】図２１の電子カメラの構成を示す断面図である。
【図２４】本発明の結像光学系を適用した別の電子カメラの概念図である。
【図２５】本発明の結像光学系を適用した電子内視鏡の概念図である。
【図２６】本発明による結像光学系を撮像素子前方に配置するときの望ましい構成を示す図である。
【図２７】本発明による結像光学系のプリズムに相対的位置決め部を設ける構成を模式的に示す図である。
【図２８】本発明に適用可能な偏心プリズムの１例を示す図である。
【図２９】本発明に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図３０】本発明に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図３１】本発明に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図３２】本発明に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図３３】本発明に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図３４】偏心した反射面により発生する像面湾曲を説明するための概念図である。
【図３５】偏心した反射面により発生する非点収差を説明するための概念図である。
【図３６】偏心した反射面により発生するコマ収差を説明するための概念図である。
【図３７】本発明において用いるパラメータＤＹを説明するための図である。
【図３８】本発明の結像光学系のパワーを説明するための図である。
【符号の説明】
１…軸上主光線
２…絞り
３…像面
４…ローパスフィルター
５…カバーガラス
１１…第１透過面
１２…第１反射面
１３…第２反射面
１４…第２透過面
１０…第１プリズム
２１…第１透過面
２２…第１反射面
２３…第２反射面
２４…第２透過面
２０…第２プリズム
３１…瞳
３２…第１面
３３…第２面
３４…第３面
３５…第４面
３６…像面
４０…電子カメラ
４１…撮影光学系
４２…撮影用光路
４３…ファインダー光学系
４４…ファインダー用光路
４５…シャッター
４６…フラッシュ
４７…液晶表示モニター
４８…撮影用対物光学系
４９…ＣＣＤ
５０…撮像面
５１…フィルター
５２…処理手段
５３…ファインダー用対物光学系
５４…カバーレンズ
５５…ポロプリズム
５６…第１反射面
５７…視野枠
５８…第２反射面
５９…接眼光学系
６０…液晶表示素子（ＬＣＤ）
６１…記録手段
６２…入射面
６３…反射面
６４…反射と屈折の兼用面
６５…カバー部材
７１…電子内視鏡
７２…光源装置
７３…ビデオプロセッサ
７４…モニター
７５…ＶＴＲデッキ
７６…ビデオディスク
７７…ビデオプリンタ
７８…挿入部
７９…先端部
８０…結像光学系
８１…フィルター
８２…ＣＣＤ
８３…撮像面
８４…カバー部材
８５…照明用対物光学系
８６…ライトガイドファイバー束
Ｍ …凹面鏡
Ａ …回転非対称面
Ｐ …プリズム
ＮＰ…光学作用を有さない面
Ｂ …相対的位置決め部
Ｊ …連結部材
ＧＦ…前群
ＧＢ…後群
Ｅ …観察者眼球
Ｃ …撮像面
Ｄ …対称面
【発明の属する技術分野】
本発明は、結像光学系に関し、その中でも特に、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、フィルムスキャナー、内視鏡等、小型の撮像素子を用いた光学装置用の反射面にパワーを有する偏心光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、フィルムスキャナー、内視鏡等用の結像光学系では、撮像素子の小型化に伴い、光学系自身も小型軽量、低コスト化が求められている。
【０００３】
しかし、一般の回転対称共軸光学系では、光学系の厚みは光学素子を光軸方向に配列するため、その小型化にも限界がある。また、同時に、回転対称な屈折レンズを用いることにより発生する色収差を補正するために、レンズ枚数の増加は避けられず、低コスト化も困難な状況である。そこで、最近では、特に色収差の発生しない反射面にパワーを持たせ、光軸方向の光路を折り畳むことで、小型化を図った光学系が提案されている。
【０００４】
特開平７−３３３５０５号のものは、偏心した反射面にパワーを付けて光路を折り畳み、光学系の厚みを小さくすることを提案しているが、実施例では、構成する光学部材が５個と多い上、実際の光学性能が不明である。また、その反射面の形状までは言及されていない。
【０００５】
また、特開平８−２９２３７１号、特開平９−５６５０号、特開平９−９０２２９号のものでは、プリズム１個あるいは複数のミラーを１つの部材としてブロック化することで光路を折り畳み、その光学系内部で像をリレーしながら最終像を形成する光学系が示されている。しかし、これらの例では、像をリレーするために反射の回数が多くなり、その面精度誤差、偏心精度誤差が積算され転送されることから、個々の精度が厳しくなり、コストアップにつながり好ましくない。また、同時に、像をリレーするために光学系全体の体積も大きくなり好ましくない。
【０００６】
また、特開平９−２２２５６３号では、複数のプリズムを用いた例を示しているが、像をリレーするために同様の理由からコストアップ、光学系の大型化につながり好ましくない。
また、特開平９−２１１３３１号では、プリズム１個を用いて光路を折り畳み光学系の小型化を図った例であるが、収差の補正が十分ではない。
【０００７】
また、特開平８−２９２３６８号、特開平８−２９２３７２号、特開平９−２２２５６１号、特開平９−２５８１０５号、特開平９−２５８１０６号のものでは、何れもズームレンズの例である。しかし、これらの例も、プリズム内部で像をリレーしているために反射の回数が多く、反射面の面精度誤差、偏心精度誤差が積算され転送され好ましくない。同時に、光学系の大型化も避けられず好ましくない。
【０００８】
また、特開平１０−２０１９６号のものは、正負の２群ズームレンズの正の前群を、絞りを挟んで物体側に負のパワーのプリズムで、像側を正のパワーのプリズムで構成した例である。また、負のプリズムと正のプリズムから構成される正の前群を２つに分割し、負正負の３群ズームレンズに構成した例も開示されている。しかし、これらの例で用いられるプリズムは、２つの透過面、２つの反射面が独立の面であるためにそのスペースを確保する必要上、また同時に、撮像面がライカサイズのフィルムフォーマットと大きいため、プリズム自体の大型化が避けられない。また、像側にテレセントリックの構成でないため、ＣＣＤ等の撮像素子への対応が難しい。また、何れのズームレンズの例も、プリズムを移動させることで変倍を行っているため、全ての変倍領域で性能を維持するために反射面の偏心精度が厳しくなり、コスト高になるという問題を有している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一般の屈折光学系で所望の屈折力を得ようとすると、その境界面で光学素子の色分散特性のために色収差が発生する。それを補正する目的と、他の光線収差を補正するために、屈折光学系は多くの構成要素を必要としてコスト高になるという問題を有している。また、同時に、光路が光軸に沿って直線になるために、光学系全体が光軸方向に長くなってしまい、撮像装置が大型になってしまうという問題があった。
【００１０】
また、従来技術について述べたような偏心光学系では、結像された像の収差が良好に補正され、なおかつ、特に回転非対称なディストーションが良好に補正されていないと、結像された図形等が歪んで写ってしまい、正しい形状を再現することができないという問題があった。
【００１１】
さらに、偏心光学系に反射面を用いる場合は、屈折面に比してその偏心誤差感度は２倍になり、反射回数を増やせば増やすだけ偏心誤差が積算され転送される結果となり、反射面の面精度や偏心精度等の製作精度、組み立て精度が厳しくなるという問題もあった。
【００１２】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、少ない光学素子の構成枚数で高性能、低コストな結像光学系及びそれを用いた撮影装置、カメラ装置、観察装置、内視鏡装置を提供することである。
【００１３】
また、本発明のもう１つの目的は、少ない反射回数の反射面を用いて光路を折り畳むことにより小型化、薄型化された高性能な結像光学系及びそれを用いた撮影装置、カメラ装置、観察装置、内視鏡装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の結像光学系は、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明のもう１つの結像光学系は、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、プリズムのみからなっていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明のさらにもう１つの結像光学系は、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、その少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とするものである。
【００１７】
以下、本発明において上記構成をとる理由と作用について順に説明する。
上記目的を達成するための本発明の第１の結像光学系は、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系である。
【００１８】
レンズのような屈折光学素子は、その境界面に曲率を付けることにより始めてパワーを持たせることができる。そのため、レンズの境界面で光線が屈折する際に、屈折光学素子の色分散特性による色収差の発生が避けられない。その結果、色収差を補正する目的で別の屈折光学素子が付加されるのが一般的である。
【００１９】
一方、ミラーやプリズム等のような反射光学素子は、その反射面にパワーを持たせても原理的に色収差の発生はなく、色収差を補正する目的だけのために別の光学素子を付加する必要はない。そのため、反射光学素子を用いた光学系は、屈折光学素子を用いた光学系に比べて、色収差補正の観点から光学素子の構成枚数の削減が可能である。
【００２０】
同時に、反射光学素子を用いた反射光学系は、光路を折り畳むことになるために、屈折光学系に比べて光学系自身を小さくすることが可能である。
【００２１】
また、反射面は屈折面に比して偏心誤差感度が高いため、組み立て調整に高い精度を要求される。しかし、反射光学素子の中でも、プリズムはそれぞれの面の相対的な位置関係が固定されているので、プリズム単体として偏心を制御すればよく、必要以上の組み立て精度、調整工数が不要である。
【００２２】
さらに、プリズムは、屈折面である入射面と射出面、それと反射面を有しており、反射面しかもたないミラーに比べて、収差補正の自由度が大きい。特に、反射面に所望のパワーの大部分を分担させ、屈折面である入射面と射出面のパワーを小さくすることで、ミラーに比べて収差補正の自由度を大きく保ったまま、レンズ等のような屈折光学素子に比べて、色収差の発生を非常に小さくすることが可能である。また、プリズム内部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているために、空気に比べ光路長を長くとることができ、空気中に配置されるレンズやミラー等よりは、光学系の薄型化、小型化が可能である。
【００２３】
また、結像光学系は、中心性能はもちろんのこと周辺まで良好な結像性能を要求される。一般の共軸光学系の場合、軸外光線の光線高の符号は絞りの前後で反転するため、光学素子の絞りに対する対称性が崩れることにより軸外収差は悪化する。そのため、絞りを挟んで屈折面を配置することで絞りに対する対称性を十分満足させ、軸外収差の補正を行っているのが一般的である。
【００２４】
そこで、本発明では、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを配置し、絞りに対する対称性を十分考慮した構成をとることにより、中心ばかりでなく軸外収差も良好に補正することを可能にしている。絞りの片側にのみプリズムを配置すると、絞りに対する非対称性が増し、軸外収差の劣化が避けられない。
【００２５】
本発明は、以上の理由から、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有するという基本構成で、さらに、像側に略テレセントリックな結像光学系とするものである。
【００２６】
次に、像側に略テレセントリックという構成に関して詳述する。
前述したように、反射面は屈折面に比べて偏心誤差感度が高いために、その影響をできるだけ受け難い光学系の構成が望まれる。一般の共軸光学系の場合、像側に略テレセントリックな構成は軸外主光線が光軸と略平行となるために、デフォーカスさせても像面上で軸外光線の位置は保たれるという性質を有する。そこで、本発明の結像光学系にもその性質を反映させ、特に、偏心感度の比較的高い反射面を用いた光学系のフォーカシングによる性能劣化を防ぐために、軸外光線の位置精度が良好に保たれる像側に略テレセントリックという構成をとることを特徴としている。
【００２７】
このような構成をとることにより、特にＣＣＤ等の撮像素子を用いた撮像光学系にも最適である。また、この構成をとることにより、ＣＯＳ４乗則の影響が小さくなり、シェーディングを小さくすることも可能である。
【００２８】
以上説明したように、本発明の構成をとることで、屈折光学系に比べ光学素子の構成枚数が少なく、中心から周辺まで性能の良好な、小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００２９】
次に、前記目的を達成するための本発明の第２の結像光学系は、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、プリズムのみからなっていることを特徴とする結像光学系である。
【００３０】
本発明も、前述の第１の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特に、プリズムのみからなる結像光学系である。
【００３１】
前述したように、屈折光学素子は、その境界面で色収差が発生し、その補正のために別の屈折光学素子を必要とする。プリズムも入射面と射出面という屈折面を有するが、それらの面のパワーを小さくして色収差の発生しない反射面に所望のパワーの大部分を持たせることにより、色収差の発生を非常に小さくすることが可能である。
【００３２】
これによりプリズム単独でも良好な色収差の補正が可能であるが、第１の発明のように絞り前後に複数のプリズムを配置する構成をとることで絞りに対して対称とすれば、個々のプリズムで色収差の補正が不完全な場合でも、色収差の補正、特に倍率色収差を良好に補正することが可能となる。
【００３３】
しかし、屈折光学素子を本発明の結像光学系中に配置した場合、プリズムのみの構成に比べて色収差の発生が顕著となる。これを補正するためには別の屈折光学素子を加えなければならず、結果的に光学素子の構成枚数が増えてコストアップになるばかりか、光学系自体が大型化してしまい好ましくない。そのため、プリズムのみからなる結像光学系であることが色収差補正上好ましい。
【００３４】
これにより、屈折光学系に比べて光学素子の構成枚数が少なく、低コストで良好な性能の小型の結像光学系を得ることが可能である。
なお、ここでいいうリズムのみという構成は、パワーを有する光学素子がプリズムのみということを指し、フィルター等、パワーを持たない光学素子は除く。それに相当する光学素子として、例えば撮像素子としてＣＣＤを用いた場合にその前面に配置されるローパスフィルター、撮影光学系の前面に配置されるフィルター等がある。
【００３５】
次に、前記目的を達成するための本発明の第３の結像光学系は、絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、その少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系である。
【００３６】
本発明も、前述の第１の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特に、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有する結像光学系である。
【００３７】
前述したように、偏心誤差感度の高い反射面を用いた反射光学素子は、各面の偏心誤差が次の面へ転送され、最終的にはそれぞれの面の偏心誤差が積算されてしまう。特に、反射光学素子の中でもプリズムを用いた場合は、プリズム成型時に偏心誤差が決まってしまい、組み立て調整でそれを修正することはできない。そのため、偏心誤差の積算を少なくするためには、反射面数は少ない程よく、さらには、プリズム内の光路長は小さい程偏心誤差は小さいまま転送される。その結果、反射面の製作精度は緩和される。第３の発明では、少なくとも１つのプリズムに、反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面を少なくとも１面用いることで、少ないスペースを有効に使い、プリズム自身の小型化を達成すると同時に、光路長を短縮することができるので、偏心誤差を小さくすることが可能である。
【００３８】
また、少なくとも１つのプリズムに少なくとも１面用いる反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面の中、透過作用をする面が絞りより最も離れた面となるように用いることが望ましい。すなわち、絞りより物体側のプリズムに適用する場合、透過作用面は物体からの光がプリズムに入射する入射面となる位置に、また絞りより像側のプリズムに適用する場合、透過作用面は物体からの光がプリズムから射出する射出面となる位置に用いることが望ましい。当然、物体側のプリズムと像側のプリズムに同時に用いることも可能である。反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面は、反射作用のみあるいは透過作用のみを有する面よりも光学作用面として働く有効部が大きく、上記の位置にその面を用いることで、プリズム自体を小型化したまま広画角化が可能である。
【００３９】
なお、本発明の透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面において、反射作用は全反射によるものとすることが望ましい。全反射条件を満たさなければ、反射作用と透過作用を併せ持つことができず、プリズム自体の小型化が困難になってしまう。
【００４０】
また、全反射面以外の反射面は、アルミニウム又は銀等の金属薄膜を表面に形成した反射面、又は、誘電体多層膜の形成された反射面で構成することが好ましい。金属薄膜で反射作用を有する場合は、手軽に高反射率を得ることが可能となる。また、誘電体反射膜の場合は、波長選択性や吸収の少ない反射膜を形成する場合に有利となる。
これにより、プリズムの製作精度が緩和された低コストな小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００４１】
次に、前記目的を達成するための本発明の第４の結像光学系は、複数のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有する結像光学系において、ただ１つの結像面は全ての光学素子を射出した後に存在し、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系である。
【００４２】
前述したように、反射面の偏心誤差感度は屈折面に比べて大きく、プリズムのように１ブロックで構成された反射光学部材は、各面の面精度誤差、偏心誤差が積算されて転送されるため、反射面数は少ない程各面の製作精度は緩和される。しかし、逆に、反射面数が少なすぎると収差自体の補正ができなくなるばかりか、諸収差を補正するために所望のパワーの大部分を負担させている個々の反射面の偏心誤差感度が大きくなりすぎ、プリズム作製時のコストアップにつながってしまう。そのため、本発明のように、少なくともプリズムを複数用い、少なくとも反射面を複数に分割する構成をとることにより、個々のプリズムの製作精度の緩和を図ると共に、これにより色収差も含めた諸収差を良好に補正することが可能となる。また、同時に、複数のプリズムを配置することで、それらの相対的な位置調整を行い、組み立て調整を行なうことも可能となる。
【００４３】
また、必要以上に反射の回数を増やすことは、各反射面での偏心誤差をそれだけ積算させる結果となるので望ましくなく、全系を通して結像面は１つである結像光学系であることが好ましい。中間像を形成し、その像をリレーして行く結像光学系では、必要以上に反射の回数が増え、各面の製造誤差が厳しくなりコストアップにつながってしまう。
【００４４】
本発明は、以上の理由から、複数のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有する結像光学系において、ただ１つの結像面は全ての光学素子を射出した後に存在するという基本構成で、さらに、像側に略テレセントリックな結像光学系とするものである。
【００４５】
プリズムを用いることの作用効果、像側に略テレセントリックという構成の作用効果は第１の発明で説明した通りである。
以上説明したように、第４の発明の構成をとることで、屈折光学系に比べ光学素子の構成枚数が少なく、中心から周辺まで性能の良好な、小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００４６】
次に、前記目的を達成するための本発明の第５の結像光学系は、複数のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有する結像光学系において、ただ１つの結像面は全ての光学素子を射出した後に存在し、プリズムのみからなることを特徴とする結像光学系である。
【００４７】
本発明も、前述の第４の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特に、プリズムのみからなる結像光学系である。この基本構成の作用効果は、第４の発明で、また、プリズムのみからなることの作用効果は、第２の発明で述べた通りである。
【００４８】
この第５の発明の構成をとることにより、屈折光学系に比べ光学素子の構成枚数が少なく、低コストで良好な性能の小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００４９】
次に、前記目的を達成するための本発明の第６の結像光学系は、複数のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有する結像光学系において、ただ１つの結像面は全ての光学素子を射出した後に存在し、前記の少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系である。
【００５０】
本発明も、前述の第４の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特に、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有する結像光学系である。
【００５１】
この基本構成の作用効果は、第４の発明で、また、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有する作用効果は、第３の発明で述べた通りである。
この第６の発明の構成をとることにより、プリズムの製作精度が緩和されるため、低コストな小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００５２】
また、第１の発明から第３の発明において、第４の発明から第６の発明で説明したように、全系を通して結像面が１つであれば、プリズム反射面の製作精度の緩和が図られ、さらに低コスト化が図られる。
【００５３】
また、第４の発明から第６の発明において、第１の発明から第３の発明で説明したように、プリズムで挟んで絞りを配置するような構成にすれば、軸外性能をさらに良好に保つことができる。
【００５４】
次に、前記目的を達成するための本発明の第７の結像光学系は、絞りより物体側に発散作用のプリズムを有し、像側に収斂作用のプリズムを有し、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系である。
【００５５】
屈折光学素子を用いた結像光学系では、その用途によってパワー配置が異なってくる。例えば画角の狭い望遠系では、一般に、全系を正、負の望遠タイプとして焦点距離に対して光学系の全長を小さくする構成がとられている。また、画角の広い広角系では、全系を負、正のレトロフォーカスタイプとすることで、焦点距離に対しバックフォーカスを大きくとるような構成が一般的である。
【００５６】
特に、ＣＣＤ等の撮像素子を用いた結像光学系の場合、結像光学系と撮像素子との間に、モアレ除去や赤外線の影響を排除するための光学的ローパスフィルターや赤外カットフィルターを配置する必要がある。そのため、これら光学部材を配置するスペースを確保するために、結像光学系の構成としてはレトロフォーカスタイプをとることが望ましい。
【００５７】
また、レトロフォーカスタイプの結像光学系は、特に軸外収差の補正が重要であり、これは絞り位置に大きく依存する。前述したように、一般の共軸光学系の場合、光学素子の絞りに対する対称性が崩れることにより軸外収差は悪化する。そのため、絞りを挟んで同符号の光学素子を配置することで、絞りに対する対称性を十分満足させ、軸外収差の補正を行っているのが一般的である。負、正のレトロフォーカスタイプの場合、そのパワー配置がそもそも非対称な構成のため、絞り位置によって軸外収差の性能が大きく変化する。
【００５８】
そこで、第７の発明は、物体側の発散作用のプリズムと像側の収斂作用のプリズムの間に絞りを配置することで、パワー配置の非対称性に起因する軸外収差の劣化を最小限に抑えることを可能にするものである。絞りを発散作用のプリズムよりも物体側、あるいは、像側の収斂作用のプリズムよりも像側に配置すると、さらに絞りに対する非対称性が増し、その補正が困難となる。
【００５９】
第７の発明は、以上の理由から、絞りより物体側に発散作用のプリズムを有し、像側に収斂作用のプリズムを有することを特徴とするという基本構成で、さらに、像側に略テレセントリックな結像光学系とするものである。
【００６０】
プリズムを用いることの作用効果、像側に略テレセントリックという構成の作用効果は、第１の発明で説明した通りである。また、特に、絞りを挟んでレトロフォーカスタイプをとった場合、像側の収斂作用を有するプリズムによって略テレセントリックという構成が非常に容易となり、無理なく軸外収差の補正が可能である。
【００６１】
以上説明したように、第７の発明の構成をとることで、屈折光学系に比べて光学素子の構成枚数が少なく、中心から周辺まで性能の良好な、小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００６２】
次に、前記目的を達成するための本発明の第８の結像光学系は、絞りより物体側に発散作用のプリズムを有し、像側に収斂作用のプリズムを有し、プリズムのみからなることを特徴とする結像光学系である。
【００６３】
本発明も、前述の第７の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特にプリズムのみからなる結像光学系である。この基本構成の作用効果の説明は第７の発明で、また、プリズムのみからなることの作用効果は第２の発明で述べた通りである。
【００６４】
第８の発明の構成をとることにより、屈折光学系に比べ光学素子の構成枚数が少なく、低コストで良好な性能の小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００６５】
次に、前記目的を達成するための本発明の第９の結像光学系は、絞りより物体側に発散作用のプリズムを有し、像側に収斂作用のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系である。
【００６６】
本発明も、前述の第７の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特に、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有する結像光学系である。
【００６７】
この基本構成の作用効果は第７の発明で、また、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有する作用効果は第３の発明で述べた通りである。
【００６８】
第９の発明の構成をとることにより、プリズムの製作精度が緩和された低コストな小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００６９】
次に、前記目的を達成するための本発明の第１０の結像光学系は、収斂作用を有するプリズムの物体側に発散作用を有するプリズムを配置し、全系を通して結像面が１つであり、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系である。
【００７０】
前記第７の発明でも詳述したように、発散作用を有するプリズムと収斂作用を有するプリズムを配置してレトロフォーカスタイプを構成することにより、良好な性能で小型の結像光学系を得ることが可能となる。また、第４の発明でも詳述したように、反射面の偏心誤差感度は屈折面に比べて大きく、プリズムのように１ブロックで構成された反射光学部材は、各面の面精度誤差、偏心誤差が積算されて転送されるため、反射面数は少ない程各面の製作精度は緩和される。逆に、必要以上に反射の回数を増やすことは、各反射面での偏心誤差をそれだけ積算させる結果となるので望ましくなく、全系を通して結像面は１つである結像光学系であることが好ましい。中間像を形成し、その像をリレーして行く結像光学系では必要以上に反射の回数が増え、各面の製造誤差が厳しくなり、コストアップにつながってしまう。
【００７１】
本発明は、以上の理由から、収斂作用を有するプリズムの物体側に発散作用を有するプリズムを配置し、全系を通して結像面が１つであることを特徴とするという基本構成で、さらに、像側に略テレセントリックな結像光学系とするものである。プリズムを用いることの作用効果、像側に略テレセントリックという構成の作用効果は第１の発明で説明した通りである。
【００７２】
以上説明したように、第１０の発明の構成をとることで、屈折光学系に比べ光学素子の構成枚数が少なく、中心から周辺まで性能の良好な、小型で低コストな結像光学系を得ることが可能となる。
【００７３】
次に、前記目的を達成するための本発明の第１１の結像光学系は、収斂作用を有するプリズムの物体側に発散作用を有するプリズムを配置し、全系を通して結像面が１つであり、プリズムのみからなっていることを特徴とする結像光学系である。
【００７４】
本発明も、前述の第１０の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特に、プリズムのみからなる結像光学系である。この基本構成の作用効果は第１０の発明で、また、プリズムのみからなることの作用効果は第２の発明で述べた通りである。
【００７５】
第１１の発明の構成をとることにより、屈折光学系に比べ光学素子の構成枚数が少なく、低コストで良好な性能の小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００７６】
次に、前記目的を達成するための本発明の第１２の結像光学系は、収斂作用を有するプリズムの物体側に発散作用を有するプリズムを配置し、全系を通して結像面が１つであり、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系である。
【００７７】
本発明も、前述の第１０の発明で説明した作用効果を有する基本構成をとり、特に、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有する結像光学系である。
【００７８】
この基本構成の作用効果は第１０の発明で、また、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有する作用効果は第３の発明で述べた通りである。
第１２の発明の構成をとることにより、プリズムの製作精度が緩和されるた低コストな小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００７９】
また、第７の発明から第９の発明において、第１０の発明から第１２の発明で説明したように、全系を通して結像面が１つであれば、プリズム反射面の製作精度の緩和が図られ、さらに低コスト化が図られる。
【００８０】
また、第１０の発明から第１２の発明において、第７の発明から第９の発明で説明したように、プリズムで挟んで絞りを配置するような構成にすれば、軸外性能をさらに良好に保つことができる。
【００８１】
次に、前記目的を達成するための本発明の第１３の結像光学系は、透過面を絞りを挟んで近接して配置した複数のプリズムを有する結像光学系において、該透過面の外側に透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を絞りに対して対称的に配置したことを特徴とする結像光学系である。
【００８２】
反射光学素子としてプリズムを考えた場合の光線の振る舞いは、少なくとも、入射面と射出面である透過面と、その内部で光線が反射するための少なくとも１面の反射面が必要である。前述したように、プリズムのような反射光学素子の偏心誤差を小さくするためには、偏心誤差感度の高い反射面をできるだけ少なくし、偏心誤差が転送されて行くプリズム内部を通る光線の光路長を短くするということが考えらる。上記の入射出面、内部の反射面をそれぞれ単独の面として構成することは当然可能であるが、１つの面を透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面とすることで、面数を少なくし、同時に少ないスペースを有効に利用することで、プリズム内を通る光線の光路長が短縮されて偏心誤差自体を小さくすることが可能となる。これにより、プリズムの特に反射面の製作精度が緩和され、コストダウンが図られる。
【００８３】
また、結像光学系では中心から周辺まで良好な結像性能を要求される。比較的性能を確保することの容易な中心付近に比べ、絞りに対する光学系の対称性の影響を大きく受ける軸外性能を確保するのは、一般には困難である。特に広画角になる程その影響は顕著となる。そこで、第１３の発明では、絞りに対する対称性を満足することで、軸外収差の劣化を防ぎ、中心から周辺まで良好な結像性能を得ることを可能にしている。
【００８４】
また、透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面は、反射作用のみあるいは透過作用のみを有する光学作用面よりも有効部が大きいため、特に入射側に配置すると、無理に有効部を広げずに広角化が可能である。そこで、絞りに対する対称性を考慮した第１３の発明は、透過面を絞りを挟んで近接して配置した複数のプリズムを有する結像光学系において、該透過面の外側に透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を絞りに対して対称的に配置するように複数のプリズムを用いることで、中心から周辺まで良好な性能を達成しながら、小型化、コストダウンを図ることを可能にしたものである。
【００８５】
また、少なくとも１つのプリズムの少なくとも１面に用いる反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面は、透過作用をする面が、物体からの光が通過する順序として絞りより最も離れた面となるように用いることが望ましい。すなわち、絞りより物体側のプリズムに適用する場合、透過作用面は物体からの光がプリズムに入射する入射面となる位置に、また、絞りより像側のプリズムに適用する場合、透過作用面は物体からの光がプリズムから射出する射出面となる位置に用いることが望ましい。当然、物体側のプリズムと像側のプリズムに同時に用いることも可能である。
【００８６】
なお、本発明の透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面において、反射作用は全反射によるものとすることが望ましい。全反射条件を満たさなければ、反射作用と透過作用を併せ持つことができず、プリズム自体の小型化が困難になってしまう。
【００８７】
また、全反射面以外の反射面は、アルミニウム又は銀等の金属薄膜を表面に形成した反射面、又は、誘電体多層膜の形成された反射面で構成することが好ましい。金属薄膜で反射作用を有する場合は、手軽に高反射率を得ることが可能となる。また、誘電体反射膜の場合は、波長選択性や吸収の少ない反射膜を形成する場合に有利となる。
【００８８】
これにより、プリズムの製作精度が緩和された低コストな小型の結像光学系を得ることが可能である。また、絞りに対する対称性を満足しながら、プリズム形状としては、絞りに対して面対称、あるいは点対称をとることも可能で、光学系のレイアウトが自由になる。
【００８９】
次に、前記目的を達成するための本発明の第１４の結像光学系は、物体側より光線の通過する順に、第１透過面、第１反射面、第２反射面、第２透過面を有する第１プリズムと、絞りと、第１透過面、第１反射面、第２反射面、第２透過面を有する第２プリズムとを有し、第１プリズムの第１透過面と第２反射面が同一の面で、第２プリズムの第１反射面と第２透過面が同一の面であることを特徴とする結像光学系である。
【００９０】
第１４の発明は、光学作用面を絞りに対して対称に配置することにより軸外収差の補正を行い、さらに、反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面を導入し、プリズム内の光路長を短縮することで反射面の製作精度を緩和させる構成をとっている。
【００９１】
軸外収差の補正を行うためには、絞りに対して対称的な光学作用面の配置が重要なことは前述した通りである。本発明は、より具体的に、その光学作用面の配置を限定したもので、これにより小型の構成でありながら軸上、軸外共に良好な性能を得ることが可能である。すなわち、第１プリズムの最も物体側の面を透過作用と反射作用を併せ持つ面とすることで、第１透過面の有効径を無理なく大きくすることが可能な構成とする。それにより、入射光線が広画角でもプリズムの小型化が可能となる。第１透過面の次に反射作用のみの第１反射面により反射させられた光線は、反射作用と透過作用を併せ持った第１透過面と同一の第２反射面に到達し、さらにそこで全反射を行い透過作用のみを有する第２透過面から射出し、絞りに至る。特に、１つのプリズム内に反射面が１面のみの場合は反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面を構成することはできず、また、反射面が１面のみでは、収差補正ができなくなるばかりか、光線の通過方向の自由度が少なくなり、結像光学系のレイアウトが制限されてしまう。その結果、光学系の小型化を達成することができなくなる。
【００９２】
また、本発明の構成のように反射面を２面用いる場合でも、少なくとも１面を透過作用と反射作用を併せ持つような構成とすることにより、プリズム内の光路長を小さくすることができる。その結果、プリズム各面の偏心誤差が転送により増大されるのを最小限に止めることができるので、特に反射面の製作精度の緩和ができてコストダウンが可能である。
【００９３】
また、反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面を入射側に配置することで、プリズムを小型化したまま広角化が可能な構成となる。また、第２プリズムは、その光学作用面が絞りに対して第１プリズムと対称になるように配置することで、特に軸外収差の補正に有利となる。
以上説明したように、第１４の発明によれば、小型で中心から周辺まで良好な性能を保った、低コストの結像光学系を得ることができる。
【００９４】
また、第１から第１４の何れかの発明において、反射面の中、少なくとも１面はパワーを有していることが望ましい。色収差の発生のない反射面にパワーを持たせることで、結像光学系全体の色収差を小さく抑えることが可能である。また、プリズム内部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているため、同じパワーを得るにも、空気中のミラー等による表面反射よりも反射面の曲率は小さくてすみ、収差の発生量自体も小さく抑えることが可能となる。これにより、なお良好な結像性能を得ることが可能となる。
【００９５】
また、第１から第１４の何れかの発明において、物体側のプリズムの反射面の中、少なくとも１面は負のパワーを有し、像側のプリズムの反射面の中、少なくとも１面は正のパワーを有していることが望ましい。このような構成をとることで、物体側の発散作用を有するプリズムと、像側の収斂作用を有するプリズムのパワーの大部分をそれらの反射面に持たせることで、色収差の発生の少ない結像光学系を得ることが可能となる。
【００９６】
また、第１から第１４の何れかの発明において、物点中心を通り、絞り中心を通過して像面中心に到達する光線を軸上主光線としたとき、反射面の中、少なくとも１面は軸上主光線に対して偏心していることが望ましい。少なくとも１つの反射面が軸上主光線に対して偏心していないと、軸上主光線の入射光線と反射光線が同一の光路をとることとなり、軸上主光線が光学系中で遮断されてしまう。その結果、中心部が遮光された光束のみで像を形成することになり、中心が暗くなったり、中心では全く像を結ばなくなったりしてしまう。
【００９７】
また、パワーを付けた反射面を軸上主光線に対し偏心させることも当然可能である。
また、パワーを付けた反射面を軸上主光線に対して偏心させた場合、本発明で用いられるプリズムを構成する面の中、少なくとも１つの面は回転非対称な面であることが望ましい。その中でも、特に、少なくとも１つの反射面を回転非対称な面にすることが収差補正上は好ましい。
【００９８】
その理由を以下に詳述する。
まず、用いる座標系、回転非対称な面について説明する。
軸上主光線が、光学系の第１面に交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交し、かつ、撮像光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸とする。光線の追跡方向は、物体から像面に向かう順光線追跡で説明する。
【００９９】
一般に、球面レンズでのみ構成された球面レンズ系では、球面により発生する球面収差と、コマ収差、像面湾曲等の収差をいくつかの面でお互いに補正しあい、全体として収差を少なくする構成になっている。
【０１００】
一方、少ない面数で収差を良好に補正するためには、回転対称非球面等が用いられる。これは、球面で発生する各種収差自体を少なくするためである。
しかし、偏心した光学系においては、偏心により発生する回転非対称な収差を回転対称光学系で補正することは不可能である。この偏心により発生する回転非対称な収差は、歪曲収差、像面湾曲、さらに、軸上でも発生する非点収差、コマ収差がある。
【０１０１】
まず、回転非対称な像面湾曲について説明する。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡に入射した光線は、凹面鏡に当たって反射結像されるが、光線が凹面鏡に当たって以降、像面までの後側焦点距離は、像界側が空気の場合、光線が当たった部分の曲率半径の半分になる。すると、図３４に示すように、軸上主光線に対して傾いた像面を形成する。このように、回転非対称な像面湾曲を補正するには回転対称な光学系では不可能である。
【０１０２】
この傾いた像面湾曲をその発生源である凹面鏡Ｍ自身で補正するには、凹面鏡Ｍを回転非対称な面で構成し、この例ではＹ軸正の方向に対して曲率を強く（屈折力を強く）し、Ｙ軸負の方向に対して曲率を弱く（屈折力を弱く）すれば、補正することができる。また、上記構成と同様な効果を持つ回転非対称な面を、凹面鏡Ｍとは別に光学系中に配置することにより、少ない構成枚数でフラットの像面を得ることが可能となる。
また、回転非対称な面は、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない回転非対称面形状の面とすることが、自由度が増え収差補正上は好ましい。
【０１０３】
次に、回転非対称な非点収差について説明する。
上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図３５に示すような非点収差が発生する。この非点収差を補正するためには、上記説明と同様に、回転非対称面のＸ軸方向の曲率とＹ軸方向の曲率を適切に変えることによって可能となる。
【０１０４】
さらに、回転非対称なコマ収差について説明する。
上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図３６に示すようなコマ収差が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転非対称面のＸ軸の原点から離れるに従って面の傾きを変えると共に、Ｙ軸の正負によって面の傾きを適切に変えることによって可能となる。
【０１０５】
また、本発明の結像光学系では、前述の反射作用を有する少なくとも１つの面が軸上主光線に対し偏心し、回転非対称な面形状でパワーを有する構成も可能である。このような構成をとれば、その反射面にパワーを持たせることで発生する偏心収差をその面自体で補正することが可能となり、プリズムの屈折面のパワーを緩めることで、色収差の発生自体を小さくすることができる。
【０１０６】
また、本発明で用いる上記の回転非対称面は、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面であることが好ましい。ここで、本発明で使用する自由曲面とは、以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【０１０７】
【０１０８】
球面項中、
ｃ：頂点の曲率
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）
である。
【０１０９】
自由曲面項は、
【０１１０】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2 、Ｃ5 、Ｃ7 、Ｃ9 、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【０１１１】
また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ3 、Ｃ5 、Ｃ8 、Ｃ10、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【０１１２】
また上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作製をも向上させることが可能となる。
【０１１３】
また、上記定義式（ａ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本発明は、対称面を１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作製も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。
【０１１４】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、少なくとも１つのプリズムに、反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面を少なくとも１面用いることが好ましい。このような構成をとることで、少ないスペースを有効に使い、プリズム自体の小型化が可能となる。さらに、この場合、プリズム内を通る光線の光路長も短くなる。その結果、偏心誤差感度の高い反射面で発生した偏心誤差の転送による影響を小さく抑えることが可能となり、反射面の製作精度が緩和され、コストダウンが図られる。
【０１１５】
また、この反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面の反射作用を持つ面は、全反射面であることが望ましい。全反射条件を満たさなければ、反射作用と透過作用を併せ持つことができず、プリズム自体の小型化が困難になり、反射面の製作精度の緩和も図れない。
【０１１６】
また、本発明で用いられる反射面の中、全反射面以外の反射面は、アルミニウム又は銀等の金属薄膜を表面に形成した反射面、又は、誘電体多層膜の形成された反射面で構成することが好ましい。金属薄膜で反射作用を有する場合は、手軽に高反射率を得ることが可能となる。また、誘電体反射膜の場合は、波長選択性や吸収の少ない反射膜を形成する場合に有利となる。
【０１１７】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、全系を通して結像面は１つである結像光学系であることが好ましい。前述したように反射面の偏心誤差感度は屈折面に比べて大きく、プリズムのように１ブロックで構成された反射光学部材は各面の面精度誤差、偏心誤差が積算されて転送されるため、反射面数は少ない程製作精度は緩和される。したがって、必要以上に反射の回数を増やすことは望ましくなく、例えば中間像を形成しその像をリレーして行く結像光学系では、必要以上に反射の回数が増え、各面の製造誤差が厳しくなり、コストアップにつながってしまう。
【０１１８】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、結像光学系のフォーカシングは、全体繰り出しやプリズムを１つだけ移動することにより可能なのは言うまでもないが、最も像側の面から射出した軸上主光線の方向に結像面を移動させることによりフォーカシングすることが可能である。これにより、結像光学系が偏心することで物体からの軸上主光線の入射方向と最も像側の面から射出する軸上主光線の方向とが一致していなくても、フォーカシングによる軸上主光線の入射側のずれを防ぐことができる。また、平行平面板を複数の楔状のプリズムに分割し、それをＺ軸と垂直方向に移動させることでフォーカシングすることも可能である。この場合も、結像光学系の偏心にはよらずフォーカシングが可能である。
【０１１９】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、少なくともプリズムの１つをプラスチック等のような有機材料を用いて構成すれば、コストダウンが図れる。また、アモルファスポリオレフィン等のような低吸湿材料を用いれば、湿度変化に対しても結像性能の変化が少なくて望ましい。
【０１２０】
また、前記第１から第１４の何れかの発明において、発散作用のプリズムと収斂作用のプリズムを使うことによって、温度補償をすることができる。特に、プリズムの材質にプラスチックを用いた場合に問題になる、温度変化による焦点ずれを防ぐためには、プリズムに異符号のパワーを持たせることでそれが可能となる。
【０１２１】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、複数のプリズムは光学作用を有さない面にそれぞれの相対的位置決め部を設けていることが望ましい。特に、本発明のような反射面にパワーを持たせたプリズムを複数配置する場合、その相対的な位置精度のずれが性能劣化の原因となる。そこで、本発明では、図２７（ａ）、（ｂ）に示すように、プリズムＰの光学作用を有さない面ＮＰに相対的位置決め部Ｂを設けることで、位置精度の確保を行い、所望の性能を確保することが可能となる。特に、その位置決め部Ｂを用い、連結部材Ｊにより複数のプリズムＰを一体化すれば、組み立て調整が不要となり、さらに、コストダウンが図られる。ここで、図２７（ａ）の場合は、位置決め部Ｂと連結部材Ｊが一体化している。なお、図２７は１例としてその構成を示したもので、位置決め部Ｂと連結部材Ｊにより複数のプリズムＰが一体化されていれば、これ以外の方法でももちろん構わない。
【０１２２】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、本発明の結像光学系の入射面より物体側にミラー等の反射光学部材を用いて、本発明の結像光学系の偏心方向とは異なった向きに光路を折り畳むことも可能である。これにより、さらに結像光学系のレイアウトの自由度が増え、結像光学装置全体の小型化が図られる。
【０１２３】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、結像光学系をプリズムのみから構成することも可能である。これにより部品点数が減り、コストダウンが図られる。さらに、絞りの前後で複数のプリズムを一体化し、１つのプリズムとすることも当然可能である。これにより、さらなるコストダウンが可能である。
【０１２４】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、結像光学系は明るい単焦点レンズであることが可能である。反射面の偏心誤差感度が屈折面に比べて高いのは前述した通りであり、その反射面を含んだ光学素子をズームレンズのように大きく移動させることは性能劣化につながり好ましくない。例え大きく移動させた場合でも、性能を維持しようとすると、高精度に組み立て調整を行わなければならず、コストアップにつながってしまう。本発明は、第１から第１４の何れかの構成をとることで、Ｆナンバーが３程度より明るい単焦点レンズを得ることが可能である。
【０１２５】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、軸上主光線が回転非対称面と交わる点における回転非対称面の法線と軸上主光線のなす角をαとするとき、
１°＜｜α｜ ・・・（１−１）
なる条件を満足することが望ましい。
【０１２６】
軸上主光線に対して回転非対称面を傾けて配置することにより、偏心収差の補正を効果的に行うことが可能となる。特に、偏心した反射面がパワーを持っているときは、偏心によるコマ収差と偏心による非点収差の発生を補正することが可能となる。
【０１２７】
上記条件式（１−１）の下限の１°を越えると、他の面で発生する偏心によるコマ収差と偏心による非点収差の発生をこの面で補正することが不可能になり、軸上の像に対しても解像力が低下してしまう。
【０１２８】
さらに好ましくは、
１０°＜｜α｜＜８０° ・・・（１−２）
なる条件を満足することが収差補正上好ましい。この条件の下限１０°は、他の面で発生する収差を補正するために必要であり、上限の８０°を越えると、今度はこの面で発生する偏心によるコマ収差と偏心による非点収差の発生が大きくなりすぎ、補正過剰になってしまい、偏心による収差のバランスを取ることが困難になる。
【０１２９】
さらに好ましくは、
１０°＜｜α｜＜６０° ・・・（１−３）
なる条件を満足することにより、さらに収差性能が向上する。
【０１３０】
また、前記第１から第１４の何れかの発明において、面対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面とし、その面に直交する方向をＸ軸とした場合、その面のＸ方向の最大画角主光線が当たる位置での面の法線のＹ−Ｚ面内でのｔａｎの値と、軸上主光線が前記面に当たる位置での面の法線のＹ−Ｚ面内でのｔａｎの値との差をＤＹとするとき、
０＜｜ＤＹ｜＜０．１ （ラジアン） ・・・（２−１）
なる条件を満足することが望ましい。
この条件式は、例えば水平線を写したときに水平線が弓なりに湾曲してしまう、弓なりな回転非対称な像歪みに関するものである。
【０１３１】
上記ＤＹを説明するために、図３７（ａ）に斜視図、図３７（ｂ）にＹ−Ｚ平面への投影図を示す。Ｘ方向の最大画角の主光線が回転非対称面Ａと交差する点におけるその回転非対称面の法線ｎ’のＹ−Ｚ面内でのｔａｎの値と、軸上主光線がその回転非対称面Ａと交差する点における回転非対称面の法線ｎのＹ−Ｚ面内でのｔａｎの値との差がＤＹである。
【０１３２】
上記条件式の下限０を越えると、弓なりな像歪みを補正することができなくなる。また、上限０．１を越えると、弓なりな像歪みが補正過剰となり、どちらの場合も像が弓なりに歪んでしまう。
【０１３３】
さらに好ましくは、
０＜｜ＤＹ｜＜０．０５ （ラジアン） ・・・（２−２）
なる条件を満足することで、より一層弓なりな像歪みを補正することが可能である。
【０１３４】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、軸上主光線が結像光学系の第１面に至るまでの方向をＺ軸方向、面対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面とし、その面に直交する方向をＸ軸として、Ｙ正方向の最大画角の主光線とＹ負方向の最大画角の主光線とがその面と当たる部分のＸ方向の曲率の差をＣｘｎ、軸上主光線がその面と当たる部分のＸ方向のパワーをＰｘｎとするとき、
０≦｜Ｃｘｎ／Ｐｘｎ｜＜１０ ・・・（３−１）
なる条件を満足することが望ましい。
【０１３５】
この条件式は、台形に発生する像歪みに関するもので、上限の１０を越えると、台形に発生する像歪みが大きくなりすぎ、他の面で補正することが不可能になってしまう。
【０１３６】
さらに好ましくは、
０≦｜Ｃｘｎ／Ｐｘｎ｜＜１ ・・・（３−２）
なる条件を満足することで、より一層台形に発生する像歪みを補正することが可能である。
【０１３７】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、図３８に示すように、結像光学系の偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、結像光学系の軸上主光線と平行なＹ−Ｚ面内の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、結像光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に投影したときのなす角をＮＡ’ｙｉとし、ＮＡ’ｙｉ／ｄをＹ方向の結像光学系全体のパワーＰｙ、結像光学系の軸上主光線と平行でＹ−Ｚ面と直交するＸ方向の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、結像光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に直交する面であって軸上主光線を含む面に投影したときのなす角をＮＡ’ｘｉとし、ＮＡ’ｘｉ／ｄをＸ方向の結像光学系全体のパワーＰｘとするとき、
０＜｜Ｐｘｎ／Ｐｘ｜＜１００ ・・・（４−１）
なる条件を満足することが望ましい。
【０１３８】
この条件式の上限の１００を越えると、回転非対称面のパワーが結像光学系全体のパワーに対して強くなりすぎ、回転非対称な面が強いパワーを持ちすぎてしまう。その結果、この回転非対称な面で発生する回転非対称な収差が大きくなりすぎ、他の面でその補正ができなくなる。また、下限の０を越えると、回転非対称な面のＸ方向のパワーがなくなり、回転非対称な収差を補正できなくなる。また、それを補うためには、別の面にＸ方向のパワーを持たせなくてはならず、面数が増え、結像光学系の小型化、低コスト化ができなくなる。
【０１３９】
さらに好ましくは、
０＜｜Ｐｘｎ／Ｐｘ｜＜１０ ・・・（４−２）
なる条件を満足することで、より一層回転非対称な収差を補正することが可能である。
【０１４０】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、結像光学系の偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、軸上主光線が結像光学系の第１面に至るまでの方向をＺ軸方向、面対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面とし、その面に直交する方向をＸ軸として、軸上主光線がその面と当たる部分のＹ方向のパワーをＰｙｎとするとき、
０＜｜Ｐｙｎ／Ｐｙ｜＜１００ ・・・（５−１）
なる条件を満足することが望ましい。
【０１４１】
上限の１００を越えると、回転非対称面のパワーが結像光学系全体のパワーに対して強くなりすぎ、回転非対称な面が強いパワーを持ちすぎてしまう。その結果、この回転非対称な面で発生する回転非対称な収差が大きくなりすぎ、他の面でその補正ができなくなる。また、下限の０を越えると、回転非対称な面のＹ方向のパワーがなくなり、回転非対称な収差を補正できなくなる。また、それを補うためには、別の面にＹ方向のパワーを持たせなくてはならず、面数が増え、結像光学系の小型化、低コスト化ができなくなる。
【０１４２】
さらに好ましくは、
０＜｜Ｐｙｎ／Ｐｙ｜＜１０ ・・・（５−２）
なる条件を満足することで、より一層回転非対称な収差を補正することが可能である。
【０１４３】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、以下の条件式を満足することが望ましい。
０．５＜｜Ｐｘ／Ｐｙ｜＜２ ・・・（６−１）
この条件式の上限２、下限０．５を越えると、結像光学系全体の焦点距離がＸ方向とＹ方向で大きく異なる結果となり、良好に回転非対称な収差を補正することが困難になる。特に、像が回転非対称に歪んでしまい、その補正が困難となる。
【０１４４】
さらに好ましくは、
０．８＜｜Ｐｘ／Ｐｙ｜＜１．２５ ・・・（６−２）
なる条件を満足することで、より一層回転非対称な収差を補正することが可能である。
【０１４５】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、絞りより物体側の光学系全体のＸ方向のパワーをＰｘｆとするとき、以下の条件式を満足することが望ましい。
【０１４６】
０．０１＜｜Ｐｘｆ／Ｐｘ｜＜２ ・・・（７−１）
この条件式の上限の２を越えると、絞りより物体側の光学系のＸ方向のパワーが強くなりすぎ、そこで発生する収差が補正できなくなる。また下限の０．０１を越えると、絞りより物体側の光学系のＸ方向のパワーが弱くなりすぎ、結像光学系全体小型化が図れなくなる。
【０１４７】
さらに好ましくは、
０．０５＜｜Ｐｘｆ／Ｐｘ｜＜１．２ ・・・（７−２）
なる条件を満足することで、より一層小型で諸収差が補正された結像光学系を得ることができる。
【０１４８】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、絞りより物体側の光学系全体のＹ方向のパワーをＰｙｆとするとき、以下の条件式を満足することが望ましい。
【０１４９】
０．０１＜｜Ｐｙｆ／Ｐｙ｜＜２ ・・・（８−１）
この条件式の上限の２を越えると、絞りより物体側の光学系のＹ方向のパワーが強くなりすぎ、そこで発生する収差が補正できなくなる。また、下限の０．０１を越えると、絞りより物体側の光学系のＹ方向のパワーが弱くなりすぎ、結像光学系全体小型化が図れなくなる。
【０１５０】
さらに好ましくは、
０．０５＜｜Ｐｙｆ／Ｐｙ｜＜１．２ ・・・（８−２）
なる条件を満足することで、より一層小型で諸収差が補正された結像光学系を得ることができる。
【０１５１】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、絞りより像側の光学系全体のＸ方向のパワーをＰｘｂとするとき、以下の条件式を満足することが望ましい。
【０１５２】
０．０１＜｜Ｐｘｂ／Ｐｘ｜＜２ ・・・（９−１）
この条件式の上限の２を越えると、絞りより像側の光学系のＸ方向のパワーが強くなりすぎ、そこで発生する収差が補正できなくなる。また、下限の０．０１を越えると、絞りより像側の光学系のＸ方向のパワーが弱くなりすぎ、結像光学系全体小型化が図れなくなる。
【０１５３】
さらに好ましくは、
０．０５＜｜Ｐｘｂ／Ｐｘ｜＜１．２ ・・・（９−２）
なる条件を満足することで、より一層小型で諸収差が補正された結像光学系を得ることができる。
【０１５４】
また、前記の第１から第１４の何れかの発明において、絞りより像側の光学系全体のＹ方向のパワーをＰｙｂとする時、以下の条件式を満足することが望ましい。
【０１５５】
０．０１＜｜Ｐｙｂ／Ｐｙ｜＜２ ・・・（１０−１）
この条件式の上限の２を越えると、絞りより像側の光学系のＹ方向のパワーが強くなりすぎ、そこで発生する収差が補正できなくなる。また、下限の０．０１を越えると、絞りより像側の光学系のＹ方向のパワーが弱くなりすぎ、結像光学系全体小型化が図れなくなる。
【０１５６】
さらに好ましくは、
０．０５＜｜Ｐｙｂ／Ｐｙ｜＜１．２ ・・・（１０−２）
なる条件を満足することで、より一層小型で諸収差が補正された結像光学系を得ることができる。
【０１５７】
また、前記第１から第１４の何れかの発明において、結像光学系の屈折面、反射面を球面あるいは回転対称非球面で構成することも当然可能である。
【０１５８】
なお、本発明の以上の結像光学系を撮像装置の撮像部に配置する場合、あるいは、その撮影装置がカメラ機構を備えいる場合に、前群中に配置されたプリズム部材を光学作用を持つ光学素子の中で最も物体側に配置し、そのプリズム部材の入射面を光軸に対して偏心して配置し、そのプリズム部材よりも物体側に光軸に対して垂直に配置したカバー部材を配置する構成にすることができ、また、前群中に配置されたプリズム部材が物体側に光軸に対して偏心配置された入射面を備えるように構成し、その入射面と空気間隔を挟んで光軸と同軸上に配置されたパワーを有するカバーレンズをその入射面よりも物体側に配置する構成にすることができる。
【０１５９】
このように、プリズム部材が最も物体側に配置され、偏心入射面が撮影装置前面に備えられると、被写体からは斜めに傾いた入射面が見えるため、被写体からずれた位置を中心に撮影しているかのような違和感を与えてしまうことになる。そこで、光軸に垂直なカバー部材又はカバーレンズを配置して、一般の撮影装置と同様、撮影する被写体に違和感を感じない撮影ができる。
【０１６０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の結像光学系の実施例１〜１０について説明する。なお、各実施例の構成パラメータは後に示す。
各実施例において、図１に示すように、光学系の特定の面（図１の実施例１では、面番号１の仮想面と面番号６の絞り面）の中心を偏心光学系の原点として、軸上主光線１を物体中心を出て、絞り２の中心を通る光線で定義する。物体中心から光学系の第１面まで軸上主光線１に沿って進む方向をＺ軸方向、このＺ軸と像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、光線が光学系の面によって折り曲げられる面内の方向で、かつ、Ｙ−Ｚ平面内のＺ軸に直交する方向にＹ軸をとる。物点から光学系の第１面に向かう方向をＺ軸の正方向とし、Ｙ軸の正方向を図の上方向にとる。そして、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸とする。
【０１６１】
実施例１〜１０では、このＹ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【０１６２】
偏心面については、光学系の原点の中心から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記の（ｂ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。
【０１６３】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【０１６４】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は前記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【０１６５】
また、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
【０１６６】
なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【０１６７】
また、自由曲面の他の定義式として、以下の（ｃ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表せられる。
【０１６８】
【０１６９】
その他の面の例として、次の定義式（ｄ）があげられる。
Ｚ＝ΣΣＣnmＸＹ
例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したとき、以下の式で表せる。
【０１７０】
実施例１〜９は、像の大きさが約２．５×１．８ｍｍの１／３インチサイズの撮像素子を想定している。また、実施例１０は、１．６９×１．２８ｍｍの１／５インチサイズの撮像素子を想定している。もちろん、その他のサイズの場合でも適用できるのは言うまでのない。また、本発明は、本発明の結像光学系を用いた撮像光学系のみならず、その光学系を組み込んだ撮像装置等も含むものである。
【０１７１】
実施例１
実施例１の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図１に示す。
実施例１は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１７２】
この実施例の構成パラメータは後記するが、自由曲面はＦＦＳで、非球面はＡＳＳで示してあり、これ以降の実施例についても同様である。
実施例１は、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、負パワーの第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＺ軸に対して垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
本実施例は、プリズムをＹ軸方向に２つ重ねることで、特にＺ軸方向の厚みを小さくしたものである。
【０１７３】
実施例２
実施例２の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図２に示す。
実施例２は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１７４】
実施例２は、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、正パワーの第１反射面２２、第２反射面２３、第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１透過面２１と第２反射面２３をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
【０１７５】
本実施例も実施例１同様、プリズムをＹ軸方向に２つ重ねることで、特にＺ軸方向の厚みを小さくしたものである。また、結像光学系の最終面から射出する軸上主光線もＹ軸方向に射出している。
【０１７６】
実施例３
実施例３の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図３に示す。
実施例３は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１７７】
実施例３は、物体側から光の通る順に、負パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、第２反射面１３、第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、正パワーの第１反射面２２、負パワーの第２反射面２３、正パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１反射面１２と第２透過面１４、第２プリズム２０の第１透過面２１と第２反射面２３をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＺ軸に対して略垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
本実施例は、プリズムをＺ軸方向に２つ重ね、光路を折り畳むことで、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【０１７８】
実施例４
実施例４の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図４に示す。
実施例４は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１７９】
実施例４は，物体側から光の通る順に、第１透過面１１、第１反射面１２、負パワーの第２反射面１３、第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、正パワーの第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１反射面１２と第２透過面１４、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２２をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＺ軸に対して略垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
【０１８０】
本実施例では、第１プリズム１０でＺ軸方向からの入射光線をＹ軸方向に屈曲させ、次の第２プリズム２０で再度Ｚ軸方向に屈曲させるという構成をとっている。これにより、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【０１８１】
実施例５
実施例５の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図５に示す。
実施例５は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１８２】
実施例５は、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、負パワーの第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＹ軸に対して略垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
【０１８３】
本実施例では、第１プリズム１０でＺ軸方向からの入射光線をＹ軸方向に屈曲させ、次の第２プリズム２０で再度Ｚ軸方向からＹ軸方向に屈曲させるという構成をとっている。これにより、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【０１８４】
実施例６
実施例６の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図６に示す。
実施例６は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１８５】
実施例６は、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、第２反射面１３、第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、正パワーの第１反射面２２、第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１透過面２１と第２反射面２３をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＺ軸に対して略垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
【０１８６】
本実施例では、第１プリズム１０でＺ軸方向からの入射光線をＹ軸方向に屈曲させ、次の第２プリズム２０で再度Ｚ軸方向に屈曲させるという構成をとっている。これにより、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【０１８７】
実施例７
実施例７の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図７に示す。
実施例７は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１８８】
実施例７は、物体側から光の通る順に、負パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、第１反射面２２、第２反射面２３、正パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１反射面１２と第２透過面１４、第２プリズム２０の第１透過面２１と第２反射面２３をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＹ軸に対して略垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
【０１８９】
本実施例では、第１プリズム１０でＺ軸方向からの入射光線をＹ軸方向斜めに屈曲させ、次の第２プリズム２０でＹ軸方向に屈曲させるという構成をとっている。これにより、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【０１９０】
実施例８
実施例８の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図８に示す。
実施例８は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると５ｍｍに相当する。
【０１９１】
実施例８は、物体側から光の通る順に、負パワーの第１透過面１１、第１反射面１２、第２反射面１３、第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１反射面１２と第２透過面１４、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
本実施例は、Ｚ軸方向に２つのプリズムを順に配置し、Ｙ軸方向の薄型化を可能にした例である。なお、像面３はＹ軸方向に対し、略垂直となる構成である。
【０１９２】
実施例９
実施例９の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図９に示す。
実施例９は、水平半画角３２．７°、垂直半画角２３．２°、入射瞳径は１．５４ｍｍであり、撮像素子サイズは２．４５×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると４．３ｍｍに相当する。
【０１９３】
実施例９は、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＺ軸に対して垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
本実施例は、プリズムをＹ軸方向に２つ重ねることで、特にＺ軸方向の厚みを小さくしたものである。
【０１９４】
実施例１０
実施例１０の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図１０に示す。
実施例１０は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．２４ｍｍであり、撮像素子サイズは１．６９×１．２８ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると３．５ｍｍに相当する。
【０１９５】
実施例１０は、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、絞り２と、負パワーの第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第７面から第１１面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＹ軸に対して略垂直である。なお、第２プリズム２０と像面３の間に、平行平面板からなるローパスフィルター４とカバーガラス５が配置されている。
【０１９６】
本実施例では、第１プリズム１０でＺ軸方向からの入射光線をＹ軸方向に屈曲させ、次の第２プリズム２０で再度Ｚ軸方向からＹ軸方向に屈曲させるという構成をとっている。これにより、Ｚ軸方向とＹ軸方向の小型化を可能にした例である。
【０１９７】
以下、上記実施例１〜１０の構成パラメータを示す。
次に、上記実施例１〜１０の横収差図をそれぞれ図１１〜図２０に示す。これらの横収差図において、括弧内に示された数字は（水平（Ｘ方向）画角、垂直（Ｙ方向）画角）を表し、その画角における横収差を示す。各収差図において、下から上へ順に、画面中心、Ｙ軸上像高の−約７０％の位置、Ｘ方向像高の約７０％でＹ方向像高の−約７０％の位置、Ｘ軸上像高の約７０％の位置、Ｘ方向像高の約７０％でＹ方向像高の約７０％の位置、Ｙ軸上像高の約７０％の位置の横収差である。
【０２０８】
さて、以上のような本発明の結像光学系は、物体像を形成しその像をＣＣＤや銀塩フィルムといった撮像素子に受光させて撮影を行う撮影装置、とりわけカメラや内視鏡に用いることができる。また、物体像を接眼レンズを通して観察する観察装置、とりわけカメラのファインダー部の対物光学系としても用いることが可能である。以下に、その実施形態を例示する。
【０２０９】
図２１〜図２３は、本発明の結像光学系を電子カメラのファインダー部の対物光学系に組み込んだ構成の概念図を示す。図２１は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図２２は同後方斜視図、図２３は電子カメラ４０の構成を示す断面図である。電子カメラ４０は、この例の場合、撮影用光路４２を有する撮影光学系４１、ファインダー用光路４４を有するファインダー光学系４３、シャッター４５、フラッシュ４６、液晶表示モニター４７等を含み、カメラ４０の上部に配置されたシャッター４５を押圧すると、それに連動して撮影用対物光学系４８を通して撮影が行われる。撮影用対物光学系４８によって形成された物体像が、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター５１を介してＣＣＤ４９の撮像面５０上に形成される。このＣＣＤ４９で受光された物体像は、処理手段５２を介し、電子画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター４７に表示される。また、この処理手段５２にはメモリ等が配置され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、このメモリは処理手段５２と別体に設けらてもよいし、フロッピーディスク等により電子的に記録書込を行うように構成してもよい。また、ＣＣＤ４９に代わって銀塩フィルムを配置した銀塩カメラとして構成してもよい。
【０２１０】
さらに、ファインダー用光路４４上には、例えば実施例４に示した結像光学系をファインダー用対物光学系５３として配置してある。また、カバー部材として正のパワーを有するカバーレンズ５４を配置し、画角を拡大している。なお、このカバーレンズ５４と結像光学系の絞り２より物体側のプリズム１０とでファインダー用対物光学系５３の前群ＧＦを、結像光学系の絞り２より像側のプリズム２０でファインダー用対物光学系５３の後群ＧＲを構成している。このファインダー用対物光学系５３によって形成された物体像は、像正立部材であるポロプリズム５５の視野枠５７上に形成される。なお、視野枠５７は、ポロプリズム５５の第１反射面５６と第２反射面５８との間を分離し、その間に配置されている。このポリプリズム５５の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系５９が配置されている。
【０２１１】
このように構成されたカメラ４０は、ファインダー用対物光学系５３を少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、対物光学系５３の光路自体を折り曲げて構成できるため、カメラ内部での配置の自由度が増し、設計上有利となる。
【０２１２】
次に、図２４は、本発明の結像光学系を電子カメラ４０の撮影部の対物光学系４８に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合、撮影用光路４２上に配置された撮影用対物光学系４８は、実施例１に示した結像光学系を用いている。この撮影用対物光学系により形成された物体像は、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター５１を介してＣＣＤ４９の撮像面５０上に形成される。このＣＣＤ４９で受光された物体像は、処理手段５２を介し、液晶表示素子（ＬＣＤ）６０上に電子像として表示される。また、この処理手段５２は、ＣＣＤ４９で撮影された物体像を電子情報として記録する記録手段６１の制御も行う。ＬＣＤ６０に表示された画像は、接眼光学系５９を介して観察者眼球Ｅに導かれる。この接眼光学系５９は、本発明の結像光学系に用いられているものと同様の形態を持つ偏心プリズムからなり、この例では、入射面６２と、反射面６３と、反射と屈折の兼用面６４の３面から構成されている。また、２つの反射作用を持った面６３、６４の中、少なくとも一方の面、望ましくは両方の面が、光束にパワーを与え、かつ、偏心収差を補正する唯一の対称面を持つ面対称自由曲面にて構成されている。そして、この唯一の対称面は、撮影用対物光学系４８の前後群ＧＦ，ＧＲに配置された偏心プリズム１０、２０が有する面対称自由曲面の唯一の対称面と略同一平面上に形成されている。
【０２１３】
このように構成されたカメラ４０は、撮影用対物光学系４８を少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、光学系全体を同一平面上に並べて配置できるため、この配置平面と垂直方向の厚みの簿型化が実現できる。
【０２１４】
なお、本例では、撮影用対物光学系４８のカバー部材６５はとして、平行平面板を配置しているが、前例と同様に、パワーを持ったレンズを用いてもよい。
【０２１５】
ここで、カバー部材を設けずに、本発明の結像光学系の前群ＧＦ中の最も物体側に配置された面をカバー部材と兼用することもできる。しかし、その場合、本例では、前群ＧＦ中の最も物体側の面は、偏心プリズム１０の入射面となる。そして、この入射面が光軸に対して偏心配置されているため、この面がカメラ前面に配置されてしまうと、被写体側から見た場合、カメラ４０の撮影中心が自分からずれているように錯覚してしまい（一般的なカメラ同様、入射面の垂直方向を撮影していると感じるのが通常である。）、違和感を与えてしまう。そこで、本例のように、結像光学系の最も物体側の面が偏心面である場合には、カバー部材６５（又は、カバーレンズ５４）を設けることが、被写体側から見た場合に違和感を感じずに、既存のカメラと同じ感覚で撮影を受けることができ望ましい。
【０２１６】
次に、図２５は、本発明の結像光学系を電子内視鏡の観察系の対物光学系８０に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合、観察系の対物光学系８０は、実施例３に示した結像光学系を用いている。この電子内視鏡は、図２５（ａ）に示すように、電子内視鏡７１と、照明光を供給する光源装置７２と、その電子内視鏡７１に対応する信号処理を行うビデオプロセッサ７３と、このビデオプロセッサ７３から出力される映像信号を表示するモニター７４と、このビデオブロセッサ７３と接続され映像信号等に記録するＶＴＲデッキ７５、及び、ビデオディスク７６と、映像信号を映像としてプリントアウトするビデオプリンタ７７と共に構成されており、電子内視鏡７１の挿入部７８の先端部７９は、図２５（ｂ）に示すように構成されている。光源装置７２から照明さた光束は、ライトガイドファイバー束８６を通って照明用対物光学系８５により、観察部位を照明する。そして、この観察部位からの光が、カバー部材８４を介して、観察用対物光学系８５によって物体像として形成される。この物体像は、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター８１を介してＣＣＤ８２の撮像面８３上に形成される。さらに、この物体像は、ＣＣＤ８２によって映像信号に変換され、その映像信号は、図２５（ａ）に示すビデオプロセッサ７３により、モニター７４上に直接表示されると共に、ＶＴＲデッキ７５、ビデオディスク７６中に記録され、また、ビデオプリンタ７７から映像としてプリントアウトされる。
【０２１７】
このように構成された内視鏡は、少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、結像光学系８０の前群ＧＦと後群ＧＲとが内視鏡の長軸方向に並ぶため、細径化を阻害することなく上記効果を得ることができる。
【０２１８】
また、前記実施例１〜１０の結像光学系をＣＣＤやフィルター等の撮像素子前方に配置するときの望ましい構成を図２６に示す。図中、偏心プリズムＰは、本発明の結像光学系の前群又は後群中に含まれる偏心プリズムである。いま、撮像素子の撮像面Ｃが、図のように四角形を形成するとき、偏心プリズムＰに配置された面対称自由曲面の対称面Ｄが、この撮像面Ｃの四角形を形成する辺の少なくとも１つと平行になるように配置することが、美しい像形成の上で望ましい。
【０２１９】
さらに、この撮像面Ｃが正方形や長方形といった４つの内角がそれぞれ略９０°にて形成されている場合には、面対称自由曲面の対称面Ｄは、撮像面Ｃの互いに平行関係にある２辺に対して平行に配置され、より望ましくは、この２辺の中間に配置されている構成であることが好ましい。このように構成すれば、装置に組み込むときの組み込み精度が出しやすく、量産性に効果的である。
【０２２０】
さらに、偏心プリズムＰを構成する光学面である第１面、第２面、第３面の中、複数の面又は全ての面が面対称自由曲面の場合には、複数の面又は全ての面の対称面が同一面Ｄ上に配置されるように構成することが、設計上も、収差性能上も望ましい。そして、この対称面Ｄと撮像面Ｃとの関係は、上述と同様の関係にあることが望ましい。
【０２２１】
また、以上の実施例の結像光学系の前群や後群に設けられた偏心プリズムとしては、何れも光学面３面からなり、その中の１面が全反射作用と透過作用とを兼用する面で構成された内部反射回数２回のタイプのプリズムを用いたが、本発明に用いる偏心プリズムはこれに限られるものではない。以下、本発明に用いることができるいくつかの偏心プリズムの例を図２８〜図３３に示す。なお、何れも像面３６に結像するプリズムＰとして説明するが、光路を逆にして像面３６側から被写体からの光線が入射し、瞳３１側に結像するプリズムＰとしても使用することができる。
【０２２２】
図２８の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、入射瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４に入射して内部反射し、第４面３５に入射して屈折されて、像面３６に結像する。
【０２２３】
図２９の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、入射瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４に入射して全反射し、第４面３５に入射して内部反射し、再び第３面３４に入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０２２４】
図３０の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、入射瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４に入射して内部反射し、第２面３３に再度入射して内部反射し、第４面３５に入射して屈折されて、像面３６に結像する。
【０２２５】
図３１の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、入射瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４に入射して内部反射し、第２面３３に再度入射して内部反射し、第４面３５に入射して内部反射し、第２面３３に再度入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０２２６】
図３２の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４からなり、入射瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、再び第１面３２に入射して今度は全反射し、第３面３４で内部反射し、三たび第１面３２に入射して全反射し、第３面３４に再度入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０２２７】
図３３の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４からなり、入射瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、再び第１面３２に入射して今度は全反射し、第３面３４で内部反射し、三たび第１面３２に入射して全反射し、再び第３面３４に入射して内部反射し、四たび第１面３２に入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０２２８】
以上の本発明の結像光学系は、例えば次のように構成することができる。
〔１〕 絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系。
【０２２９】
〔２〕 絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、プリズムのみからなっていることを特徴とする結像光学系。
【０２３０】
〔３〕 絞りの前後に少なくとも１つずつのプリズムを有し、その少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、その少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系。
【０２３１】
〔４〕 複数のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有する結像光学系において、ただ１つの結像面は全ての光学素子を射出した後に存在し、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系。
【０２３２】
〔５〕 複数のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有する結像光学系において、ただ１つの結像面は全ての光学素子を射出した後に存在し、プリズムのみからなることを特徴とする結像光学系。
【０２３３】
〔６〕 複数のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有する結像光学系において、ただ１つの結像面は全ての光学素子を射出した後に存在し、前記の少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系。
【０２３４】
〔７〕 絞りより物体側に発散作用のプリズムを有し、像側に収斂作用のプリズムを有し、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系。
【０２３５】
〔８〕 絞りより物体側に発散作用のプリズムを有し、像側に収斂作用のプリズムを有し、プリズムのみからなることを特徴とする結像光学系。
【０２３６】
〔９〕 絞りより物体側に発散作用のプリズムを有し、像側に収斂作用のプリズムを有し、その中の少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系。
【０２３７】
〔１０〕 収斂作用を有するプリズムの物体側に発散作用を有するプリズムを配置し、全系を通して結像面が１つであり、像側に略テレセントリックとなっていることを特徴とする結像光学系。
【０２３８】
〔１１〕 収斂作用を有するプリズムの物体側に発散作用を有するプリズムを配置し、全系を通して結像面が１つであり、プリズムのみからなっていることを特徴とする結像光学系。
【０２３９】
〔１２〕 収斂作用を有するプリズムの物体側に発散作用を有するプリズムを配置し、全系を通して結像面が１つであり、少なくとも１つのプリズムが少なくとも１つの透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を有することを特徴とする結像光学系。
【０２４０】
〔１３〕 透過面を絞りを挟んで近接して配置した複数のプリズムを有する結像光学系において、該透過面の外側に透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面を絞りに対して対称的に配置したことを特徴とする結像光学系。
【０２４１】
〔１４〕 物体側より光線の通過する順に、第１透過面、第１反射面、第２反射面、第２透過面を有する第１プリズムと、絞りと、第１透過面、第１反射面、第２反射面、第２透過面を有する第２プリズムとを有し、第１プリズムの第１透過面と第２反射面が同一の面で、第２プリズムの第１反射面と第２透過面が同一の面であることを特徴とする結像光学系。
【０２４２】
〔１５〕 上記１から１２の何れか１項において、絞りより前の前群中のプリズム部材と、絞りより後の後群中のプリズム部材の双方に、反射時に光束にパワーを与える反射面を設けたことを特徴とする結像光学系。
【０２４３】
〔１６〕 上記１から１２、１５の何れか１項において、前記反射面が光軸に対して偏心配置され、その面形状が回転非対称な曲面にて形成されたことを特徴とする結像光学系。
【０２４４】
〔１７〕 上記１６において、前記回転非対称な曲面反射面が、対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて形成され、パワーを持った偏心面で発生する偏心収差を補正するように構成されたことを特徴とする結像光学系。
【０２４５】
〔１８〕 上記１５において、前記前群中のプリズムに設けられたパワーを持った反射面と、前記後群中のプリズムに設けられたパワーを持った反射面とが共に、対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて形成され、
前記前群中の面対称自由曲面と前記後群中の面対称自由曲面とが共に、唯一の対称面を略同一平面上に配置して構成されたことを特徴とする結像光学系。
【０２４６】
〔１９〕 上記１５から１８の何れか１項において、前記前群中の少なくとも１つのプリズム部材は、反射面を少なくとも２面有し、前記少なくとも２面の反射面が共に光束にパワーを与えると共に収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状に形成されていることを特徴とする結像光学系。
【０２４７】
〔２０〕 上記１５から１８の何れか１項において、前記後群中の少なくとも１つのプリズム部材は、反射面を少なくとも２面有し、前記少なくとも２面の反射面が共に光束にパワーを与えると共に収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状に形成されていることを特徴とする結像光学系。
【０２４８】
〔２１〕 上記１９又は２０において、前記１つのプリズム部材中に設けられた少なくとも２面の反射面の回転非対称な曲面形状が、対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて形成され、かつ、前記唯一の対称面が略同一平面上に配置されたことを特徴とする結像光学系。
【０２４９】
〔２２〕 上記１７、１８、２１の何れか１項において、前記結像光学系が、像面上に電子撮像素子を配置し、前記電子撮像素子が、四角形にて形成され、前記面対称自由曲面の唯一の対称面が、前記四角形の少なくとも一辺と略平行な位置に形成されるように構成されていることを特徴とする結像光学系。
【０２５０】
〔２３〕 上記１から２２の何れか１項において、単焦点光学系として構成されていることを特徴とする結像光学系。
【０２５１】
〔２４〕 上記１から２３の何れか１項記載の結像光学系が撮像装置の撮像部に配置されたていることを特徴とする撮影装置。
【０２５２】
〔２５〕 上記２４記載の撮影装置がカメラ機構を備えいることを特徴とするカメラ装置。
【０２５３】
〔２６〕 上記１から２３の何れか１項記載の結像光学系が観察装置の観察像を形成する像形成手段に配置されたことを特徴とする観察装置。
【０２５４】
〔２７〕 上記２６記載の観察装置が、カメラのファインダー機構を備えたことを特徴とするカメラ装置。
【０２５５】
〔２８〕 上記２６記載の観察装置が、内視鏡の観察系機構を備えたことを特徴とする内視鏡装置。
【０２５６】
〔２９〕 上記２４又は２５において、前記前群中に配置されたプリズム部材が光学作用を持つ光学素子の中で最も物体側に配置され、
前記プリズム部材の入射面が光軸に対して偏心して配置され、
前記プリズム部材よりも物体側に光軸に対して垂直に配置されたカバー部材を配置したことを特徴とする撮影装置又はカメラ装置。
【０２５７】
〔３０〕 上記２４又は２５において、前記前群中に配置されたプリズム部材が物体側に光軸に対して偏心配置された入射面を備え、
前記入射面と空気間隔を挟んで光軸と同軸上に配置されたパワーを有するカバーレンズを前記入射面よりも物体側に配置したことを特徴とする撮影装置又はカメラ装置。
【０２５８】
【発明の効果】
以上説明したように、また、各実施例から明らかなように、本発明によれば、少ない光学素子の構成枚数で高性能、低コストな結像光学系を得ることができる。また、少ない反射回数の反射面を用いて光路を折り畳むことにより、小型化、薄型化された高性能な結像光学系及びそれを用いた撮影装置、カメラ装置、観察装置、内視鏡装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の結像光学系の断面図である。
【図２】本発明の実施例２の結像光学系の断面図である。
【図３】本発明の実施例３の結像光学系の断面図である。
【図４】本発明の実施例４の結像光学系の断面図である。
【図５】本発明の実施例５の結像光学系の断面図である。
【図６】本発明の実施例６の結像光学系の断面図である。
【図７】本発明の実施例７の結像光学系の断面図である。
【図８】本発明の実施例８の結像光学系の断面図である。
【図９】本発明の実施例９の結像光学系の断面図である。
【図１０】本発明の実施例１０の結像光学系の断面図である。
【図１１】実施例１の結像光学系の横収差図である。
【図１２】実施例２の結像光学系の横収差図である。
【図１３】実施例３の結像光学系の横収差図である。
【図１４】実施例４の結像光学系の横収差図である。
【図１５】実施例５の結像光学系の横収差図である。
【図１６】実施例６の結像光学系の横収差図である。
【図１７】実施例７の結像光学系の横収差図である。
【図１８】実施例８の結像光学系の横収差図である。
【図１９】実施例９の結像光学系の横収差図である。
【図２０】実施例１０の結像光学系の横収差図である。
【図２１】本発明の結像光学系を適用した電子カメラの外観を示す前方斜視図である。
【図２２】図２１の電子カメラの後方斜視図である。
【図２３】図２１の電子カメラの構成を示す断面図である。
【図２４】本発明の結像光学系を適用した別の電子カメラの概念図である。
【図２５】本発明の結像光学系を適用した電子内視鏡の概念図である。
【図２６】本発明による結像光学系を撮像素子前方に配置するときの望ましい構成を示す図である。
【図２７】本発明による結像光学系のプリズムに相対的位置決め部を設ける構成を模式的に示す図である。
【図２８】本発明に適用可能な偏心プリズムの１例を示す図である。
【図２９】本発明に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図３０】本発明に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図３１】本発明に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図３２】本発明に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図３３】本発明に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図３４】偏心した反射面により発生する像面湾曲を説明するための概念図である。
【図３５】偏心した反射面により発生する非点収差を説明するための概念図である。
【図３６】偏心した反射面により発生するコマ収差を説明するための概念図である。
【図３７】本発明において用いるパラメータＤＹを説明するための図である。
【図３８】本発明の結像光学系のパワーを説明するための図である。
【符号の説明】
１…軸上主光線
２…絞り
３…像面
４…ローパスフィルター
５…カバーガラス
１１…第１透過面
１２…第１反射面
１３…第２反射面
１４…第２透過面
１０…第１プリズム
２１…第１透過面
２２…第１反射面
２３…第２反射面
２４…第２透過面
２０…第２プリズム
３１…瞳
３２…第１面
３３…第２面
３４…第３面
３５…第４面
３６…像面
４０…電子カメラ
４１…撮影光学系
４２…撮影用光路
４３…ファインダー光学系
４４…ファインダー用光路
４５…シャッター
４６…フラッシュ
４７…液晶表示モニター
４８…撮影用対物光学系
４９…ＣＣＤ
５０…撮像面
５１…フィルター
５２…処理手段
５３…ファインダー用対物光学系
５４…カバーレンズ
５５…ポロプリズム
５６…第１反射面
５７…視野枠
５８…第２反射面
５９…接眼光学系
６０…液晶表示素子（ＬＣＤ）
６１…記録手段
６２…入射面
６３…反射面
６４…反射と屈折の兼用面
６５…カバー部材
７１…電子内視鏡
７２…光源装置
７３…ビデオプロセッサ
７４…モニター
７５…ＶＴＲデッキ
７６…ビデオディスク
７７…ビデオプリンタ
７８…挿入部
７９…先端部
８０…結像光学系
８１…フィルター
８２…ＣＣＤ
８３…撮像面
８４…カバー部材
８５…照明用対物光学系
８６…ライトガイドファイバー束
Ｍ …凹面鏡
Ａ …回転非対称面
Ｐ …プリズム
ＮＰ…光学作用を有さない面
Ｂ …相対的位置決め部
Ｊ …連結部材
ＧＦ…前群
ＧＢ…後群
Ｅ …観察者眼球
Ｃ …撮像面
Ｄ …対称面
Claims (22)
- 絞りと、前記絞りよりも物体側の第１プリズムと、前記絞りよりも像側の第２プリズムを有し、
それぞれのプリズムの少なくとも１つの反射面がパワーを有し、
ただ１つの結像面は全ての光学素子を射出した後に存在し、
前記絞りより物体側の前記第１プリズムは発散作用を有し、
前記第１プリズムは前記物体側より光線の通過する順に、第１透過面、第１反射面、第２反射面、第２透過面を有し、前記第１プリズムの第１透過面と第２反射面が同一の面であり、
前記絞りよりも像側の前記第２プリズムは収斂作用を有し、
前記第２プリズムは、光線の通過する順に、第１透過面、第１反射面、第２反射面、第２透過面を有し、前記第２プリズムの第１反射面と第２透過面が同一の面であることを特徴とする結像光学系。 - 請求項１の結像光学系において、前記結像光学系中のそれぞれのプリズムの少なくとも１つの反射面が光軸に対して偏心配置され、その面形状が回転非対称な曲面にて形成されたことを特徴とする結像光学系。
- 請求項２の結像光学系において、前記回転非対称な曲面反射面が、対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて形成され、パワーを持った偏心面で発生する偏心収差を補正するように構成されたことを特徴とする結像光学系。
- 請求項１の結像光学系において、前記前群中のプリズムに設けられたパワーを持った反射面と、前記後群中のプリズムに設けられたパワーを持った反射面とが共に、対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて形成され、前記前群中の面対称自由曲面と前記後群中の面対称自由曲面とが共に、唯一の対称面を略同一平面上に配置して構成されたことを特徴とする結像光学系。
- 請求項１から４の何れか１項の結像光学系において、前記第１プリズムは、反射面を少なくとも２面有し、前記少なくとも２面の反射面が共に光束にパワーを与えると共に収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状に形成されていることを特徴とする結像光学系。
- 請求項１から５の何れか１項の結像光学系において、前記第２プリズムは、反射面を少なくとも２面有し、前記少なくとも２面の反射面が共に光束にパワーを与えると共に収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状に形成されていることを特徴とする結像光学系。
- 請求項５又は６の結像光学系において、前記第１プリズム又は前記第２プリズムに設けられた少なくとも２面の反射面の回転非対称な曲面形状が、対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて形成され、かつ、前記唯一の対称面が略同一平面上に配置されたことを特徴とする結像光学系。
- 請求項３、４、７の何れかの結像光学系において、前記結像光学系が、像面上に電子撮像素子を配置し、前記電子撮像素子が、四角形にて形成され、前記面対称自由曲面の唯一の対称面が、前記四角形の少なくとも一辺と略平行な位置に形成されるように構成されていることを特徴とする結像光学系。
- 請求項１から８の何れか１項の結像光学系において、単焦点光学系として構成されていることを特徴とする結像光学系。
- 請求項２、３、５、６、７の何れかの結像光学系において、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
１°＜｜α｜ ・・・（１−１）
ただし、αは軸上主光線が各々の回転非対称面と交わる点における回転非対称面の法線と軸上主光線のなす角である。 - 請求項３、４、７の何れかの結像光学系において、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
０＜｜ＤＹ｜＜０．１ （ラジアン） ・・・（２−１）
ただし、面対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面とし、その面に直交する方向をＸ軸とした場合の、その面のＸ方向の最大画角主光線が当たる位置での面の法線のＹ−Ｚ面内でのｔａｎの値と、軸上主光線が前記面に当たる位置での面の法線のＹ−Ｚ面内でのｔａｎの値との差をＤＹとする。 - 請求項３、４、７、１１の何れかの結像光学系において、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
０≦｜Ｃｘｎ／Ｐｘｎ｜＜１０ ・・・（３−１）
ただし、軸上主光線が結像光学系の第１面に至るまでの方向をＺ軸方向、面対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面とし、その面に直交する方向をＸ軸として、Ｙ正方向の最大画角の主光線とＹ負方向の最大画角の主光線とがその面と当たる部分のＸ方向の曲率の差をＣｘｎとし、軸上主光線がその面と当たる部分のＸ方向のパワーをＰｘｎとする。 - 請求項３、４、７、１１、１２の何れかの結像光学系において、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
０＜｜Ｐｘｎ／Ｐｘ｜＜１００ ・・・（４−１）
ただし、結像光学系の偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、結像光学系の偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、軸上主光線が結像光学系の第１面に至るまでの方向をＺ軸方向、面対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面とし、その面に直交する方向をＸ軸として、軸上主光線がその面と当たる部分のＸ方向のパワーをＰｘｎとし、結像光学系の軸上主光線と平行でＹ−Ｚ面と直交するＸ方向の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、結像光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に直交する面であって軸上主光線を含む面に投影したときのなす角をＮＡ’ｘｉとし、ＮＡ’ｘｉ／ｄをＸ方向の結像光学系全体のパワーをＰｘとする。 - 請求項３、４、７、１１から１３の何れかの結像光学系において、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
０＜｜Ｐｙｎ／Ｐｙ｜＜１００ ・・・（５−１）
ただし、結像光学系の偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、軸上主光線が結像光学系の第１面に至るまでの方向をＺ軸方向、面対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面とし、その面に直交する方向をＸ軸として、軸上主光線がその面と当たる部分のＹ方向のパワーをＰｙｎとし、結像光学系の軸上主光線と平行なＹ−Ｚ面内の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、結像光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に投影したときのなす角をＮＡ’ｙｉとし、ＮＡ’ｙｉ／ｄをＹ方向の結像光学系全体のパワーをＰｙとする。 - 請求項３、４、７、１１から１４の何れかの結像光学系において、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
０．５＜｜Ｐｘ／Ｐｙ｜＜２ ・・・（６−１）
ただし、結像光学系の偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、軸上主光線が結像光学系の第１面に至るまでの方向をＺ軸方向、面対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面とし、その面に直交する方向をＸ軸として、結像光学系の軸上主光線と平行でＹ−Ｚ面と直交するＸ方向の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、結像光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に直交する面であって軸上主光線を含む面に投影したときのなす角をＮＡ’ｘｉとし、ＮＡ’ｘｉ／ｄをＸ方向の結像光学系全体のパワーをＰｘとし、結像光学系の軸上主光線と平行なＹ−Ｚ面内の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、結像光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に投影したときのなす角をＮＡ’ｙｉとし、ＮＡ’ｙｉ／ｄをＹ方向の結像光学系全体のパワーをＰｙとする。 - 請求項３、４、７、１１から１５の何れかの結像光学系において、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
０．０１＜｜Ｐｘｆ／Ｐｘ｜＜２ ・・・（７−１）
ただし、結像光学系の偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、軸上主光線が結像光学系の第１面に至るまでの方向をＺ軸方向、面対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面とし、その面に直交する方向をＸ軸として、絞りより物体側の光学系全体のＸ方向のパワーをＰｘｆとし、結像光学系の軸上主光線と平行でＹ−Ｚ面と直交するＸ方向の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、結像光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に直交する面であって軸上主光線を含む面に投影したときのなす角をＮＡ’ｘｉとし、ＮＡ’ｘｉ／ｄをＸ方向の結像光学系全体のパワーをＰｘとする。 - 請求項３、４、７、１１から１４の何れかの結像光学系において、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
０．０１＜｜Ｐｙｆ／Ｐｙ｜＜２ ・・・（８−１）
ただし、結像光学系の偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、軸上主光線が結像光学系の第１面に至るまでの方向をＺ軸方向、面対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面とし、その面に直交する方向をＸ軸として、絞りより物体側の光学系全体のＹ方向のパワーをＰｙｆとし、結像光学系の軸上主光線と平行なＹ−Ｚ面内の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、結像光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に投影したときのなす角をＮＡ’ｙｉとし、ＮＡ’ｙｉ／ｄをＹ方向の結像光学系全体のパワーをＰｙとする。 - 請求項３、４、７、１１から１４の何れかの結像光学系において、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
０．０１＜｜Ｐｘｂ／Ｐｘ｜＜２ ・・・（９−１）
ただし、結像光学系の偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、軸上主光線が結像光学系の第１面に至るまでの方向をＺ軸方向、面対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面とし、その面に直交する方向をＸ軸として、絞りより像側の光学系全体のＸ方向のパワーをＰｘｂとし、結像光学系の軸上主光線と平行でＹ−Ｚ面と直交するＸ方向の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、結像光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に直交する面であって軸上主光線を含む面に投影したときのなす角をＮＡ’ｘｉとし、ＮＡ’ｘｉ／ｄをＸ方向の結像光学系全体のパワーをＰｘとする。 - 請求項３、４、７、１１から１４の何れかの結像光学系において、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
０．０１＜｜Ｐｙｂ／Ｐｙ｜＜２ ・・・（１０−１）
ただし、結像光学系の偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、軸上主光線が結像光学系の第１面に至るまでの方向をＺ軸方向、面対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面とし、その面に直交する方向をＸ軸として、絞りより像側の光学系全体のＹ方向のパワーをＰｙｂとし、結像光学系の軸上主光線と平行なＹ−Ｚ面内の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、結像光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に投影したときのなす角をＮＡ’ｙｉとし、ＮＡ’ｙｉ／ｄをＹ方向の結像光学系全体のパワーをＰｙとする。 - 請求項１から１９の何れか１項の結像光学系が撮像装置の撮像部に配置されていることを特徴とする撮影装置。
- 請求項２０の撮影装置において、前記第１プリズムが光学作用を持つ光学素子の中で最も物体側に配置され、前記プリズム部材の入射面が光軸に対して偏心して配置され、前記第１プリズムよりも物体側に光軸に対して垂直に配置されたカバー部材を配置したことを特徴とする撮影装置。
- 請求項２０の撮影装置において、前記第１プリズムが物体側に光軸に対して偏心配置された入射面を備え、前記入射面と空気間隔を挟んで光軸と同軸上に配置されたパワーを有するカバーレンズを前記入射面よりも物体側に配置したことを特徴とする撮影装置。
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