JP4225606B2 - Imaging optics - Google Patents
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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本発明の結像光学系は、物体像を形成する全体として正の屈折力を有する結像光学系において、前記結像光学系が屈折率（ｎ）が１．３よりも大きい（ｎ＞１．３）媒質で形成された第１プリズムと第２プリズムとからなり、前記第２プリズムは前記第１プリズムよりも像側に配置され、かつ、中間像を形成しない結像系にて形成され、前記第１プリズムが、物体からの光束をプリズム内に入射させる第１面と、前記第１面から入射した光束をプリズム内で反射する第２面と、前記第２面で反射された光束をプリズム外に射出する第３面とを備えるように構成されており、少なくとも前記第２面が光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状を有し、前記第２プリズムが、少なくとも１面のプリズム内で光束を反射する反射面を有し、前記反射面が光束にパワーを与え、かつ、偏心により発生する収差を補正する回転非対称な面形状を有するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
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、屈折率（ｎ）が１．３よりも大きい（ｎ＞１．３）媒質で形成された第１プリズムと第２プリズムを有し、第２プリズムは第１プリズムよりも像側に配置され、かつ、中間像を形成しない結像系にて形成されていることを特徴とする結像光学系である。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
そこで、本発明では、２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。１つのプリズムのみの配置だと、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。
【００２３】
本発明は、以上の理由から、第１プリズムと第２プリズムを有し、第２プリズムは第１プリズムよりも像側に配置され、かつ、中間像を形成しない結像系にて形成されている基本構成としたもので、さらに、像側に略テレセントリックな結像光学系とすることが望ましい。
【００２４】
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が望ましい。
【００２５】
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。
【００２６】
以上説明したように、本発明の基本構成をとることで、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。
【００２７】
ところで、本発明の第１プリズムは、物体からの光束をプリズム内に入射させる第１面と、第１面から入射した光束をプリズム内で反射する第２面と、第２面で反射された光束をプリズム外に射出する第３面とを備えるように構成されており、少なくとも第２面が光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状を有するものである。
【００２８】
ここで、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、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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１８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。
【００３４】
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。
【００３５】
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１９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。
【００３６】
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２０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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
【００４０】
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。
【００４１】
自由曲面項は、
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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性をも向上させることが可能となる。
【００４５】
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、同時に製作性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。
【００４６】
さて、第１プリズムが前記のように反射回数が１回なので、特に精度の要求される反射面が１面ですみ、製造上優位である。
【００４７】
また、このようなプリズムを第１プリズムに用いると、反射回数が１回なので、物体から第１プリズムに入射する光線に対して、第１プリズム射出後の光線を略垂直に屈折させることが可能となり、第１プリズムと第２プリズムを上下に配置することが可能となり、光学系全体を薄くすることが可能となる。
【００４８】
また、第１プリズムを負の屈折力を持つプリズムにすることによって、広い撮像画角を得ることが可能となる。これは、負のパワーにより広い画角の光線を集束させ、第２プリズムで構成される第２群に光線を入射するときに光束を収斂させることが可能となるからであり、焦点距離の比較的短い光学系を構成する場合に収差補正上好ましい構成である。
【００４９】
さらに好ましくは、第１プリズムの像側に絞りを配置することにより、第１反射面が負のパワーを持つ場合、第１反射面を球面に近似した場合に、第１反射面の曲率中心と絞り位置が略同一場所なり、コマ収差の発生を原理的になくすることが可能となる。
【００５０】
また、第１プリズムの第１面と第２面の両方が光束にパワーを与え、かつ、偏心により発生する収差を補正する回転非対称な面形状を有するように構成することができる。
【００５１】
また、第１プリズムの少なくとも第２面の回転非対称な面形状を、唯一の対称面を１面のみ有する面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５２】
また、第１プリズムの第１面と第２面の両方の回転非対称な面形状を、唯一の対称面を１面のみ有する面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５３】
この場合に、第１プリズムの第１面の面対称自由曲面の唯一の対称面と、第２面の面対称自由曲面の唯一の対称面とが、同一面内に形成されるように、第１プリズムを構成することができる。
【００５４】
また、第１プリズムの第３面を、光束にパワーを与え、かつ、偏心により発生する収差を補正する回転非対称な面形状を有するように構成することもできる。偏心により発生する収差を補正するために、第２透過面にこのような面形状をとることは有効である。
【００５５】
この場合に、第１プリズムの第３面の回転非対称な面形状を、唯一の対称面を１面のみ有する面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５６】
また、第２プリズム内に配置された回転非対称な面形状を、唯一の対称面を１面のみ有する面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５７】
その場合に、第１プリズムと第２プリズムとが少なくとも１面ずつ唯一の対称面が同一平面上に配置されるように構成することが望ましい
また、本発明において、第１プリズムと第２プリズムの間に瞳を配置し、その瞳と像面との間に第２プリズムを配置して構成することが、対称性を高めて軸外収差も良好に補正する上で有効である。
その場合には、その瞳上に絞りを配置することが望ましい。
【００５８】
また、本発明において、第２プリズムは、光束にパワーを与える曲面形状の反射面を２面以上有するように構成することができる。
【００５９】
本発明において、第２プリズムとしては、反射面と透過面とを兼用した入射面と、反射面と、射出面の３つの光学作用面から構成されているものを用いることができる。
【００６０】
この第２反射面と第１透過面とを共有するプリズムタイプは、第２反射面で光線を大きく屈曲させ、第１反射面は少ない屈曲角で光線を第２反射面へと反射するために、プリズム光学系の入射光線方向の厚さを薄くすることが可能なものである。
【００６１】
さらに好ましくは、第２プリズムの第１反射面を正のパワーにすることにより、収差補正上良い結果が得られる。これは、光線の屈曲角の小さい第１反射面にパワーを与えることより、偏心収差の発生の少ない面にパワーを与えることができるためである。さらに好ましくは、第２反射面を負のパワーとすることにより、第２プリズムの主点位置を物体側に出すことが可能となり、第２プリズムのバックフォーカスを短くすることが可能となる。
【００６２】
また、本発明において、第２プリズムとしては、光束にパワーを与える反射面と、入射面と、射出面の３つの光学作用面から構成されているものを用いることができる。
【００６３】
これは第１プリズムと同様に形状であり、反射回数が１回なので、特に精度の要求される反射面が１面ですみ、製造上優位である。
【００６４】
さらに好ましくは、反射面に正のパワーを持たせることが好ましい。反射面を正のパワーにすると、透過面にパワーを付加するより収差発生が少なくてすむ。
【００６５】
また、本発明において、第２プリズムとしては、光束にパワーを与える２つの反射面と、入射面と、射出面の４つの光学作用面から構成されているものを用いることができる。
【００６６】
第２プリズムのこの形状は収差補正の自由度が高くなり、収差の発生が少ない。さらに、２つの反射面の相対的偏心が少ないので、この２つの反射面で発生する収差が２つの反射面相互で補正し合い、収差発生が少ない。さらに好ましくは、２つの反射面が異なる符号のパワーを持つことにより、収差の相互の補正効果を大きくすることが可能となり、高い解像力を得ることが可能となる。
【００６７】
さらに好ましくは、第１反射面と第２反射面の光軸が反射する点における相対的偏心が少ない方が、偏心収差の発生を少なくすることが可能となり、回転非対称な収差の発生が少なくなる。
【００６８】
また、本発明において、第２プリズムとしては、入射面と、反射面と透過面とを兼用する射出面と、光束にパワーを与える反射面の３つの光学作用面から構成されているものを用いることができる。
【００６９】
第１反射面と第２透過面を共有するこのプリズムタイプは、第１反射面で大きく光線を屈曲させ、さらに第２反射面は少ない屈曲角で光線を第２透過面へと反射するために、光学系全体の入射光軸に対して上下方向の厚さを薄くすることが可能となる。
【００７０】
そして、屈曲角の少ない第２反射面に正のパワーを持たせられるために、第２プリズムの主点位置を像側に配置することができ、バックフォーカスを大きく取ることが可能となり、フィルター等を結像面直前に配置する場合に好ましい。
【００７１】
また、本発明において、第２プリズムとしては、３つの反射面を備え、その内の１つの反射面が透過面を兼用した入射面にて形成され、他の１つの反射面が透過面を兼用した射出面にて形成されているものを用いることができる。
【００７２】
このプリズムは３面で構成され、かつ、３つの反射面を有するために、３回の反射面にパワーを分散することが可能であり、収差発生を少なくすることが可能である。また、光路がプリズム内で交差する構成のために、単に光路を折り返す構造のプリズムに比較して光路長を長く取ることが可能である。
【００７３】
このプリズムを第２プリズムとした場合には、屈曲角の小さい第２反射面に正のパワーを持たせられるために、第２プリズムの第２透過面から比較的光路長の長い位置に主なパワーを持つ面を配置することが可能となり、バックフォーカスを小さくすることが可能となる。
【００７４】
なお、本発明のプリズム中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。
【００７５】
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。
【００７６】
また、本発明において、絞りより物体側に発散作用の第１プリズムを有し、像側に収斂作用の第２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が望ましい。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
そこで、物体側の発散作用の第１プリズムと像側の収斂作用の第２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。
【００８１】
また、この場合に、絞りより物体側に発散作用の第１プリズムを有し、像側に収斂作用の第２プリズムを有し、プリズムのみからなるものとすることができる。
【００８２】
そして、本発明の結像光学系においては、全系を通して結像面は１つである結像光学系である。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。
【００８３】
また、本発明の結像光学系において、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。
【００８４】
また、本発明の結像光学系において、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。
【００８５】
また、本発明において、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。
【００８６】
また、本発明において、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、プリズムの光学作用を有さない面に相対的位置決め部を設けることで、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、その位置決め部を用い、連結部材により複数のプリズムを一体化すれば、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。
【００８７】
また、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。
【００８８】
また、本発明において、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。
【００８９】
また、本発明において、第１プリズムと第２プリズム以外に、その物体側、２つのプリズムの間、あるいは、２つのプリズムの像側の何れかあるいは複数の位置に他のレンズ（正レンズ、負レンズ）を構成要素として含んでいてもよい。
【００９０】
また、本発明の結像光学系は、明るい単焦点レンズであることが可能である。また、２つのプリズムの間隔、２つのプリズムの物体側、あるいは、像側に単数あるいは複数の屈折光学系を組み合わせてズームレンズ（変倍結像光学系）とすることもできる。
【００９１】
また、本発明において、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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
以上のような本発明の何れかの結像光学系をファインダー対物光学系として配置し、さらに、そのファインダー対物光学系によって形成された物体像を正立正像させる像正立光学系と、接眼光学系とからファインダー光学系を構成することができる。
【００９５】
また、そのファインダー光学系と、それと併設された撮影用対物光学系とを備えてカメラ装置を構成することができる。
【００９６】
また、以上のような本発明の何れかの結像光学系と、その結像光学系によって形成される像面上に配置された撮像素子とを備えて撮像光学系を構成することができる。
【００９７】
また、以上のような本発明の何れかの結像光学系を撮影用対物光学系として配置し、その撮影用光学系とは別の光路、又は、その撮影用対物光学系の光路から分割された光路の何れかの中に配置されたファインダー光学系を備えてカメラ装置を構成することができる。
【００９８】
また、以上のような本発明の何れかの結像光学系と、その結像光学系によって形成される像面上に配置された撮像素子と、その撮像素子で受光された像情報を記録する記録媒体と、その記録媒体又は撮像素子からの像情報を受けて観察像を形成する画像表示素子とを備えて電子カメラ装置を構成することができる。
【００９９】
また、以上のような本発明の何れかの結像光学系と、その結像光学系によって形成される像を長軸方向に沿って伝達する像伝達部材とを有する観察系と、照明光源及びその照明光源からの照明光を前記長軸方向に沿って伝達する照明光伝達部材を有する照明系とを備えて内視鏡装置を構成することができる。
【０１００】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の結像光学系の実施例１〜６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、軸上主光線１を物体中心を出て、絞り２の中心を通り、像面３中心に到る光線で定義する。そして、軸上主光線１と第１プリズム１０の入射面（第１面）１１、射出面（第３面）１３、第２プリズム２０の入射面（第１面）２１、射出面（第４面）２４との交点を通り、入射面についてはその面に入射する軸上主光線１に垂直に、射出面についてはその面から射出する軸上主光線１に垂直に、それぞれ仮想面をとる。各仮想面の交点を、その交点を通る光学面から次の仮想面（最後の仮想面について像面）までの間の偏心光学面の原点として、軸上主光線１（入射面の交点について定められた仮想面の場合は、入射する軸上主光線１、射出面の交点について定められた仮想面の場合は、射出する軸上主光線１）に沿う方向をＺ軸方向とし、軸上主光線１と第１プリズム１０の入射面（第１面）１１との交点を通る第１仮想面に関しては、軸上主光線１の進行方向に沿った方向をＺ軸正方向とし、その他の仮想面については、第１仮想面からその仮想面に到る光路中の反射回数が偶数回の場合には軸上主光線１の進行方向に沿った方向をＺ軸正方向とし、反射回数が奇数回の場合には軸上主光線１の進行方向と反対方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。図１には、各仮想面と第１プリズム１０の入射面１１の交点について定められた第１仮想面に関する座標系とを図示してある。図２に以下については、これら仮想面と座標系の図示は省く。
【０１０１】
実施例１〜６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。
【０１０２】
偏心面については、対応する座標系の原点から、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）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。
【０１０３】
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（仮想面を含む。）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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は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。
【０１０６】
また、自由曲面の他の定義式として、以下の（ｂ）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。
【０１０７】
【０１０８】
その他の面の例として、次の定義式（ｃ）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。
【０１０９】
実施例１〜６は何れも、撮影画角が、水平半画角２６．３°、垂直半画角２０．３°、像高は１．６×１．２ｍｍであり、入射瞳径１．１５ｍｍ、Ｆナンバー２．８であり、焦点距離は３．２４ｍｍで、３５ｍｍ銀塩カメラに換算すると３５ｍｍに相当する。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。
【０１１０】
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。
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、仮想面はＨＲＰ（仮想基準面）で示してあり、これ以外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、第１プリズム１０、絞り２、第２プリズム２０、像面（結像面）３からなり、第１プリズム１０は第１面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は第１透過面、第２面１２は第１反射面、第３面１３は第２透過面であり、物体からの光線は、第１透過面１１、第１反射面１２、第２透過面１３の順に透過し、また、第２プリズム２０は第１面２１から第４面２４で構成され、その第１面２１は第１透過面、第２面２２は第１反射面、第３面２３は第２反射面、第４面２４は第２透過面であり、物体からの光線は、第１透過面２１、第１反射面２２、第２反射面２３、第２透過面２４の順に透過する。そして、第２プリズム２０の第１透過面２１と第１反射面２３を透過作用と反射作用を併せ持つ同一の光学作用面としている。
【０１１１】
また、後記する構成パラメータの第２面から第５面までは第１面の仮想面１を基準とした偏心量で表されており、第６面、第７面の面頂位置は第５面の仮想面２からの軸上主光線に沿った面間隔のみによって表されており、第８面から第１２面までは第７面の仮想面３を基準とした偏心量で表されており、像面は第１２面の仮想面４からの軸上主光線に沿った面間隔のみによって表されている。
【０１１２】
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、物体側から光の通る順に、第１プリズム１０、絞り２、第２プリズム２０、像面（結像面）３からなり、第１プリズム１０は第１面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は第１透過面、第２面１２は第１反射面、第３面１３は第２透過面であり、物体からの光線は、第１透過面１１、第１反射面１２、第２透過面１３の順に透過し、また、第２プリズム２０は第１面２１から第３面２３で構成され、その第１面２１は第１透過面、第２面２２は第１反射面、第３面２３は第２透過面であり、物体からの光線は、第１透過面２１、第１反射面２２、第２透過面２３の順に透過する。
【０１１３】
また、後記する構成パラメータの第２面から第５面までは第１面の仮想面１を基準とした偏心量で表されており、第６面、第７面の面頂位置は第５面の仮想面２からの軸上主光線に沿った面間隔のみによって表されており、第８面から第１１面までは第７面の仮想面３を基準とした偏心量で表されており、像面は第１１面の仮想面４からの軸上主光線に沿った面間隔のみによって表されている。
【０１１４】
実施例３、６
実施例３、６の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図をそれぞれ図３、図６に示す。
実施例３、６は、物体側から光の通る順に、第１プリズム１０、絞り２、第２プリズム２０、像面（結像面）３からなり、第１プリズム１０は第１面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は第１透過面、第２面１２は第１反射面、第３面１３は第２透過面であり、物体からの光線は、第１透過面１１、第１反射面１２、第２透過面１３の順に透過し、また、第２プリズム２０は第１面２１から第４面２４で構成され、その第１面２１は第１透過面、第２面２２は第１反射面、第３面２３は第２反射面、第４面２４は第２透過面であり、物体からの光線は、第１透過面２１、第１反射面２２、第２反射面２３、第２透過面２４の順に透過する。
【０１１５】
また、後記する構成パラメータの第２面から第５面までは第１面の仮想面１を基準とした偏心量で表されており、第６面、第７面の面頂位置は第５面の仮想面２からの軸上主光線に沿った面間隔のみによって表されており、第８面から第１２面までは第７面の仮想面３を基準とした偏心量で表されており、像面は第１２面の仮想面４からの軸上主光線に沿った面間隔のみによって表されている。
【０１１６】
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、物体側から光の通る順に、第１プリズム１０、絞り２、第２プリズム２０、像面（結像面）３からなり、第１プリズム１０は第１面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は第１透過面、第２面１２は第１反射面、第３面１３は第２透過面であり、物体からの光線は、第１透過面１１、第１反射面１２、第２透過面１３の順に透過し、また、第２プリズム２０は第１面２１から第４面２４で構成され、その第１面２１は第１透過面、第２面２２は第１反射面、第３面２３は第２反射面、第４面２４は第２透過面であり、物体からの光線は、第１透過面２１、第１反射面２２、第２反射面２３、第２透過面２４の順に透過する。そして、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４を反射作用と透過作用を併せ持つ同一の光学作用面としている。
【０１１７】
また、後記する構成パラメータの第２面から第５面までは第１面の仮想面１を基準とした偏心量で表されており、第６面、第７面の面頂位置は第５面の仮想面２からの軸上主光線に沿った面間隔のみによって表されており、第８面から第１２面までは第７面の仮想面３を基準とした偏心量で表されており、像面は第１２面の仮想面４からの軸上主光線に沿った面間隔のみによって表されている。
【０１１８】
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、物体側から光の通る順に、第１プリズム１０、絞り２、第２プリズム２０、像面（結像面）３からなり、第１プリズム１０は第１面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は第１透過面、第２面１２は第１反射面、第３面１３は第２透過面であり、物体からの光線は、第１透過面１１、第１反射面１２、第２透過面１３の順に透過し、また、第２プリズム２０は第１面２１から第５面２５で構成され、その第１面２１は第１透過面、第２面２２は第１反射面、第３面２３は第２反射面、第４面２４は第３反射面、第５面２５は第２透過面であり、物体からの光線は、第１透過面２１、第１反射面２２、第２反射面２３、第３反射面２４、第２透過面２５の順に透過する。そして、第２プリズム２０の第１透過面２１と第３反射面２４、第１反射面２２と第２透過面２５をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ同一の光学作用面としている。
【０１１９】
また、後記する構成パラメータの第２面から第５面までは第１面の仮想面１を基準とした偏心量で表されており、第６面、第７面の面頂位置は第５面の仮想面２からの軸上主光線に沿った面間隔のみによって表されており、第８面から第１３面までは第７面の仮想面３を基準とした偏心量で表されており、像面は第１３面の仮想面４からの軸上主光線に沿った面間隔のみによって表されている。
【０１２０】
以下に上記実施例１〜６の構成パラメータを示す。これら表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＨＲＰ”は仮想面を示す。
【０１２１】
次に、上記実施例１の横収差図を図７に示す。こ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。
【０１２８】
以上の実施例の本発明の結像光学系を構成する第２プリズム２０としては、上記の実施例１〜６の内部反射回数１回ないし３回のタイプのプリズムを用いたが、本発明の結像光学系において第２プリズム２０として用いるプリズムはこれに限られるものではない。図１３〜図１７にその例を示す。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。
【０１２９】
図１３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。
【０１３０】
図１４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。
【０１３１】
図１５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。
【０１３２】
図１６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。
【０１３３】
図１７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。
【０１３４】
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。また、内視鏡等の小型の撮像素子を用いた光学装置用の撮像光学系としても用いることができる。以下に、その実施形態を例示する。
【０１３５】
図８〜図１０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８は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図９は同後方斜視図、図１０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。
【０１３６】
さらに、ファインダー用光路４４上には、例えば実施例４と同様の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。この場合、カバー部材として正のパワーを有するカバーレンズ５４を配置してファインダー用対物光学系５３の一部とし、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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
なお、図１０の構成において、撮影用対物光学系４８の構成については言及しなかったが、撮影用対物光学系４８としては屈折型同軸光学系の他に、本発明の２つのプリズム１０、２０からなる何れかのタイプの結像光学系を用いることも当然可能である。
【０１３９】
次に、図１１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。この例の場合は、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と同様の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。また、この撮影用対物光学系４８は他のレンズ（正レンズ、負レンズ）を２つのプリズム１０、２０の物体側、それらの間あるいは像側にその構成要素として含んでいてもよい。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
ここで、カバー部材を設けずに、本発明の結像光学系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。本例ではその最も物体側の面はプリズム１０の入射面となる。しかし、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。
【０１４３】
次に、図１２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と同様の結像光学系を用いている。この電子内視鏡は、図１２（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１２（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８０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１２（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。
【０１４４】
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、観察系の対物光学系８０の２つのプリズム１０、２０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。
【０１４５】
次に、本発明による結像光学系を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２１に示す。図中、偏心プリズムＰは、本発明の結像光学系中に含まれるプリズムである。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。
【０１４６】
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、この対称面Ｄが撮像面Ｃを左右又は上下対称にする位置に一致し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。
【０１４７】
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面等の中、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。
【０１４８】
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〕 物体像を形成する全体として正の屈折力を有する結像光学系において、
前記結像光学系が屈折率（ｎ）が１．３よりも大きい（ｎ＞１．３）媒質で形成された第１プリズムと第２プリズムを有し、前記第２プリズムは前記第１プリズムよりも像側に配置され、かつ、中間像を形成しない結像系にて形成され、
前記第１プリズムが、物体からの光束をプリズム内に入射させる第１面と、前記第１面から入射した光束をプリズム内で反射する第２面と、前記第２面で反射された光束をプリズム外に射出する第３面とを備えるように構成されており、
少なくとも前記第２面が光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状を有し、
前記第２プリズムが、少なくとも１面のプリズム内で光束を反射する反射面を有し、前記反射面が光束にパワーを与え、かつ、偏心により発生する収差を補正する回転非対称な面形状を有するように構成されていることを特徴とする結像光学系。
【０１４９】
〔２〕 前記第１プリズムの第１面と第２面の両方が光束にパワーを与え、かつ、偏心により発生する収差を補正する回転非対称な面形状を有するように構成されていることを特徴とする上記１記載の結像光学系。
【０１５０】
〔３〕 前記第１プリズムの少なくとも第２面の回転非対称な面形状が、唯一の対称面を１面のみ有する面対称自由曲面形状にて構成されていることを特徴とする上記１記載の結像光学系。
【０１５１】
〔４〕 前記第１プリズムの第１面と第２面の両方の回転非対称な面形状が、唯一の対称面を１面のみ有する面対称自由曲面形状にて構成されていることを特徴とする上記２記載の結像光学系。
【０１５２】
〔５〕 前記第１プリズムの第１面の面対称自由曲面の唯一の対称面と、前記第１プリズムの第２面の面対称自由曲面の唯一の対称面とが、同一面内に形成されるように前記第１プリズムが構成されていることを特徴とする上記４記載の結像光学系。
【０１５３】
〔６〕 前記第１プリズムの第３面が、光束にパワーを与え、かつ、偏心により発生する収差を補正する回転非対称な面形状を有するように構成されていることを特徴とする上記１から５の何れか１項記載の結像光学系。
【０１５４】
〔７〕 前記第１プリズムの第３面の回転非対称な面形状が、唯一の対称面を１面のみ有する面対称自由曲面形状にて構成されていることを特徴とする上記６記載の結像光学系。
【０１５５】
〔８〕 前記第２プリズム内に配置された回転非対称な面形状が、唯一の対称面を１面のみ有する面対称自由曲面形状にて構成されていることを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の結像光学系。
【０１５６】
〔９〕 前記第１プリズムと前記第２プリズムとが少なくとも１面ずつ唯一の対称面が同一平面上に配置されるように構成された面対称自由曲面を備ていることを特徴とする上記８記載の結像光学系。
【０１５７】
〔１０〕 前記第１プリズムと前記第２プリズムの間に瞳を配置し、前記瞳と像面との間に前記第２プリズムを配置して構成されたことを特徴とする上記１から９の何れか１項記載の結像光学系。
【０１５８】
〔１１〕 前記瞳上に絞りを配置したことを特徴とする上記１０記載の結像光学系。
【０１５９】
〔１２〕 前記第２プリズムが、光束にパワーを与える曲面形状の反射面を２面以上有するように構成されていることを特徴とする上記１から１１の何れか１項記載の結像光学系。
【０１６０】
〔１３〕 前記第２プリズムの光学作用面が、反射面と透過面とを兼用した入射面と、反射面と、射出面の３つの光学作用面から構成されていることを特徴とする上記１から１１の何れか１項記載の結像光学系。
【０１６１】
〔１４〕 前記第２プリズムが、光束にパワーを与える反射面と、入射面と、射出面の３つの光学作用面から構成されていることを特徴とする上記１から１１の何れか１項記載の結像光学系。
【０１６２】
〔１５〕 前記第２プリズムが、光束にパワーを与える２つの反射面と、入射面と、射出面の４つの光学作用面から構成されていることを特徴とする上記１から１１の何れか１項記載の結像光学系。
【０１６３】
〔１６〕 前記第２プリズムが、入射面と、反射面と透過面とを兼用する射出面と、光束にパワーを与える反射面の３つの光学作用面から構成されていることを特徴とする上記１から１１の何れか１項記載の結像光学系。
【０１６４】
〔１７〕 前記第２プリズムが、３つの反射面を備え、その内の１つの反射面が透過面を兼用した入射面にて形成され、他の１つの反射面が透過面を兼用した射出面にて形成されていることを特徴とする上記１から１１の何れか１項記載の結像光学系。
【０１６５】
〔１８〕 上記１から１７の何れか１項記載の結像光学系をファインダー対物光学系として配置し、さらに、前記ファインダー対物光学系によって形成された物体像を正立正像させる像正立光学系と、接眼光学系とから構成されていることを特徴とするファインダー光学系。
【０１６６】
〔１９〕 上記１８記載のファインダー光学系と、前記ファインダー光学系と併設された撮影用対物光学系とを備えて構成されていることを特徴とするカメラ装置。
【０１６７】
〔２０〕 上記１から１７の何れか１項記載の結像光学系と、前記結像光学系によって形成される像面上に配置された撮像素子とを備えて構成されていることを特徴とする撮像光学系。
【０１６８】
〔２１〕 上記１から１７の何れか１項記載の結像光学系を撮影用対物光学系として配置し、前記撮影用光学系とは別の光路、又は、前記撮影用対物光学系の光路から分割された光路の何れかの中に配置されたファインダー光学系を備えて構成されていることを特徴とするカメラ装置。
【０１６９】
〔２２〕 上記１から１７の何れか１項記載の結像光学系と、前記結像光学系によって形成される像面上に配置された撮像素子と、前記撮像素子で受光された像情報を記録する記録媒体と、前記記録媒体又は前記撮像素子からの像情報を受けて観察像を形成する画像表示素子とを備えて構成されていることを特徴とする電子カメラ装置。
【０１７０】
〔２３〕 上記１から１７の何れか１項記載の結像光学系と、前記結像光学系によって形成される像を長軸方向に沿って伝達する像伝達部材とを有する観察系と、照明光源及び前記照明光源からの照明光を前記長軸方向に沿って伝達する照明光伝達部材を有する照明系とを備えて構成されていることを特徴とする内視鏡装置。
【０１７１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、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提供することができる。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を提供することができる。
【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】実施例１の結像光学系の横収差図である。
【図８】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９】図８の電子カメラの後方斜視図である。
【図１０】図８の電子カメラの構成を示す断面図である。
【図１１】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１２】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１３】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１４】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１５】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１６】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１７】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１８】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１９】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２０】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２１】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。
【符号の説明】
１…軸上主光線
２…絞り
３…像面
１０…第１プリズム
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
２０…第２プリズム
２１…第１面
２２…第２面
２３…第３面
２４…第４面
２５…第５面
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…観察用対物光学系
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
Ｐ …プリズム
Ｅ …観察者眼球
Ｃ …撮像面
Ｄ …対称面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE
[0002]
[Prior art]
In recent years, in an imaging optical system for a video camera, a digital still camera, a film scanner, an endoscope, and the like, the optical system itself is required to be small, light, and low in cost with the miniaturization of an imaging element.
[0003]
However, in a general rotationally symmetric coaxial optical system, the thickness of the optical system is limited in size reduction because optical elements are arranged in the optical axis direction. At the same time, in order to correct chromatic aberration generated by using a rotationally symmetric refractive lens, an increase in the number of lenses is unavoidable, and cost reduction is difficult. Therefore, recently, there has been proposed an optical system that is miniaturized by giving power to a reflecting surface that does not generate chromatic aberration and folding the optical path in the optical axis direction.
[0004]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-333505 proposes to fold the optical path by applying power to the decentered reflecting surface to reduce the thickness of the optical system, but in the embodiment, the number of optical members is five. In addition, the actual optical performance is unknown. Further, the shape of the reflecting surface is not mentioned.
[0005]
In JP-A-8-292371, JP-A-9-5650, and JP-A-9-90229, an optical path is folded by blocking one prism or a plurality of mirrors as one member, and its optical system. An optical system is shown that forms a final image while relaying the image internally. However, in these examples, since the number of reflections increases to relay the image, and the surface accuracy error and the eccentricity accuracy error are integrated and transferred, the individual accuracy becomes severe, leading to an increase in cost, which is not preferable. . At the same time, since the image is relayed, the volume of the entire optical system increases, which is not preferable.
[0006]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-222563 shows an example in which a plurality of prisms are used. However, relaying an image is not preferable because it leads to an increase in cost and an increase in the size of an optical system for the same reason.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-213331 is an example in which the optical path is folded using one prism to reduce the size of the optical system, but the correction of aberration is not sufficient.
[0007]
Further, JP-A-8-292368, JP-A-8-292372, JP-A-9-222561, JP-A-9-258105, and JP-A-9-258106 are all examples of zoom lenses. However, in these examples, since the image is relayed inside the prism, the number of reflections is large, and the surface accuracy error and the eccentricity error of the reflecting surface are integrated and transferred, which is not preferable. At the same time, an increase in the size of the optical system is unavoidable.
[0008]
In JP-A-10-20196, the positive front group of a positive / negative two-group zoom lens is configured with a negative power prism on the object side with the aperture interposed therebetween, and a positive power prism on the image side. It is an example. In addition, an example in which a positive front group composed of a negative prism and a positive prism is divided into two parts to form a negative positive / negative three-group zoom lens is also disclosed. However, since the prisms used in these examples are two transmission surfaces and two reflection surfaces are independent surfaces, it is necessary to secure the space, and at the same time, the imaging surface is large with a Leica size film format. The size of the prism itself is inevitable. In addition, since it is not a telecentric configuration on the image side, it is difficult to cope with an image sensor such as a CCD. In addition, since any zoom lens example performs zooming by moving the prism, the decentering accuracy of the reflecting surface becomes strict and costs increase in order to maintain performance in all zooming regions. Have a problem.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
When a desired refractive power is obtained with a general refractive optical system, chromatic aberration occurs due to the chromatic dispersion characteristics of the optical element at the boundary surface. In order to correct it and to correct other ray aberrations, the refractive optical system has a problem that it requires many components and is expensive. At the same time, since the optical path is a straight line along the optical axis, there is a problem that the entire optical system becomes longer in the optical axis direction, and the imaging apparatus becomes large.
[0010]
Further, in the decentered optical system described in the prior art, the aberration of the image formed is corrected well, and the image formed is not particularly corrected if the rotationally asymmetric distortion is not corrected well. There was a problem that the image was distorted and the correct shape could not be reproduced.
[0011]
Further, when a reflecting surface is used in the decentering optical system, the decentration error sensitivity is doubled compared to the refracting surface, and if the number of reflections is increased, the decentration error is integrated and transferred as the number of reflections increases. There was also a problem that manufacturing accuracy such as surface accuracy and eccentricity accuracy and assembly accuracy became severe.
[0012]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object thereof is to provide a high-performance and low-cost imaging optical system with a small number of optical elements.
[0013]
Another object of the present invention is to provide a high-performance imaging optical system that is reduced in size and thickness by folding an optical path using a reflecting surface with a small number of reflections.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The imaging optical system of the present invention that achieves the above object is an imaging optical system having a positive refractive power as a whole for forming an object image, wherein the imaging optical system has a refractive index (n) greater than 1.3. An image is formed of a first prism and a second prism formed of a large (n> 1.3) medium, and the second prism is disposed closer to the image side than the first prism and does not form an intermediate image. A first surface on which a light beam from an object is incident on the prism, a second surface for reflecting the light beam incident on the first surface within the prism, and the second surface. And a third surface that emits the light beam reflected from the prism to the outside of the prism, and at least the second surface has a curved surface shape that gives power to the light beam, and the curved surface shape is caused by decentration. It has a rotationally asymmetric surface shape to correct the front The second prism has a reflecting surface that reflects the light beam in at least one prism, and the reflecting surface gives a power to the light beam and has a rotationally asymmetric surface shape that corrects an aberration caused by decentration. It is comprised by these.
[0015]
Hereinafter, the reason and effect | action which take the said structure in this invention are demonstrated in order.
In order to achieve the above object, a first imaging optical system of the present invention includes a first prism and a second prism formed of a medium having a refractive index (n) larger than 1.3 (n> 1.3). The second prism is an imaging optical system that is disposed on the image side of the first prism and is formed by an imaging system that does not form an intermediate image.
[0016]
A refractive optical element such as a lens can be given power only by giving a curvature to its boundary surface. For this reason, when light rays are refracted at the boundary surface of the lens, the occurrence of chromatic aberration due to the chromatic dispersion characteristics of the refractive optical element is inevitable. As a result, another refractive optical element is generally added for the purpose of correcting chromatic aberration.
[0017]
On the other hand, reflective optical elements such as mirrors and prisms do not generate chromatic aberration in principle even if power is given to their reflecting surfaces, and it is necessary to add another optical element only for the purpose of correcting chromatic aberration. There is no. Therefore, the optical system using the reflective optical element can reduce the number of constituent elements of the optical element from the viewpoint of chromatic aberration correction, compared to the optical system using the refractive optical element.
[0018]
At the same time, since the reflection optical system using the reflection optical element folds the optical path, the optical system itself can be made smaller than the refractive optical system.
[0019]
Moreover, since the reflecting surface has a higher eccentricity error sensitivity than the refracting surface, high accuracy is required for assembly adjustment. However, among the reflective optical elements, since the relative positional relationship between the prisms is fixed, it is only necessary to control the eccentricity of the prism alone, and unnecessary assembly accuracy and adjustment man-hours are unnecessary.
[0020]
Furthermore, the prism has an entrance surface and an exit surface, which are refracting surfaces, and a reflecting surface, and has a higher degree of freedom in correcting aberrations than a mirror having only a reflecting surface. In particular, by sharing most of the desired power to the reflecting surface and reducing the power of the entrance surface and exit surface, which are refracting surfaces, the degree of freedom of aberration correction can be kept large compared to mirrors, etc. Compared with such a refractive optical element, the occurrence of chromatic aberration can be made very small. In addition, since the inside of the prism is filled with a transparent body having a refractive index higher than that of air, the optical path length can be made longer than that of air, and the optical system is more effective than lenses and mirrors arranged in the air. Thinning and miniaturization are possible.
[0021]
The imaging optical system is required to have good imaging performance up to the periphery as well as the center performance. In the case of a general coaxial optical system, the sign of the off-axis light beam height is reversed before and after the stop, so that the symmetry of the optical element with respect to the stop is broken, and the off-axis aberration is deteriorated. Therefore, it is common to correct the off-axis aberration by sufficiently satisfying the symmetry with respect to the stop by arranging the refracting surface across the stop.
[0022]
Therefore, in the present invention, by arranging two prisms and taking into consideration the symmetry with respect to the stop, it is possible to satisfactorily correct not only the center but also off-axis aberrations. If only one prism is arranged, asymmetry with respect to the stop increases, and deterioration of off-axis aberration is inevitable.
[0023]
For the above reasons, the present invention has a first prism and a second prism, and the second prism is disposed on the image side of the first prism and formed by an imaging system that does not form an intermediate image. In addition, it is desirable that the imaging optical system be substantially telecentric on the image side.
[0024]
Next, a configuration that is substantially telecentric on the image side will be described in detail.
As described above, since the reflecting surface has higher decentration error sensitivity than the refracting surface, a configuration of an optical system that is less susceptible to the influence is desired. In the case of a general coaxial optical system, the off-axis principal ray is substantially parallel to the optical axis in the substantially telecentric configuration on the image side, so that the position of the off-axis ray is maintained on the image plane even when defocusing is performed. It has the property. Therefore, in order to reflect the properties of the imaging optical system of the present invention, and in particular to prevent performance deterioration due to focusing of the optical system using a reflecting surface with relatively high decentering sensitivity, the positional accuracy of off-axis rays is excellent. It is desirable to adopt a configuration of approximately telecentric on the image side to be maintained.
[0025]
By adopting such a configuration, it is particularly suitable for an imaging optical system using an imaging element such as a CCD. Further, by adopting this configuration, the influence of the COS fourth power law is reduced, and shading can be reduced.
[0026]
As described above, by adopting the basic configuration of the present invention, it is possible to obtain a compact imaging optical system having fewer optical elements than the refractive optical system and having good performance from the center to the periphery. is there.
[0027]
By the way, the first prism of the present invention is reflected by the first surface on which the light beam from the object enters the prism, the second surface that reflects the light beam incident from the first surface in the prism, and the second surface. And a third surface that emits the light beam out of the prism, and at least the second surface has a curved surface shape that gives power to the light beam, and the curved surface shape is rotationally asymmetric that corrects aberrations caused by decentering. It has a simple surface shape.
[0028]
Here, when a light beam passing through the object point center and passing through the stop center and reaching the image surface center is an axial principal ray, if at least one reflecting surface is not decentered with respect to the axial principal ray, The incident light and the reflected light of the upper principal ray take the same optical path, and the axial principal ray is blocked in the optical system. As a result, an image is formed only with a light beam whose central portion is shielded from light, and the center becomes dark or no image is formed at the center.
[0029]
It is also possible to decenter the reflecting surface with power with respect to the axial principal ray.
Further, when the reflecting surface to which power is applied is decentered with respect to the axial principal ray, it is desirable that at least one of the surfaces constituting the prism used in the present invention is a rotationally asymmetric surface. Among these, it is particularly preferable for aberration correction that at least one reflecting surface is a rotationally asymmetric surface.
[0030]
The reason will be described in detail below.
First, the coordinate system used and the rotationally asymmetric surface will be described.
The optical axis defined by the straight line until the axial principal ray intersects the first surface of the optical system is the Z axis, is orthogonal to the Z axis, and is in the decentered plane of each surface constituting the imaging optical system Is defined as the Y axis, and the axis orthogonal to the optical axis and orthogonal to the Y axis is defined as the X axis. The ray tracing direction will be described by tracing the forward ray from the object toward the image plane.
[0031]
In general, in a spherical lens system composed only of spherical lenses, spherical aberration generated by the spherical surface, coma aberration, curvature of field, and other aberrations are corrected for each other on several surfaces, so that the overall aberration is reduced. It has become.
[0032]
On the other hand, a rotationally symmetric aspherical surface or the like is used to satisfactorily correct aberrations with a small number of surfaces. This is to reduce various aberrations that occur on the spherical surface.
However, in a decentered optical system, it is impossible to correct rotationally asymmetric aberration caused by the decentration with a rotationally symmetric optical system. The rotationally asymmetric aberration generated by this decentration includes distortion, curvature of field, astigmatism generated on the axis, and coma.
[0033]
First, rotationally asymmetric field curvature will be described. For example, a light ray incident on a concave mirror decentered from an object point at infinity is reflected and imaged by hitting the concave mirror. It becomes half the radius of curvature of the part hit. Then, as shown in FIG. 18, an image plane inclined with respect to the axial principal ray is formed. Thus, it is impossible to correct rotationally asymmetric field curvature with a rotationally symmetric optical system.
[0034]
In order to correct the tilted field curvature with the concave mirror M itself, which is the source of the tilt, the concave mirror M is formed of a rotationally asymmetric surface, and in this example, the curvature is strong (refractive power is increased in the positive direction of the Y axis). If the curvature is weak (refractive power is weak) with respect to the negative Y-axis direction, the correction can be made. Further, by arranging a rotationally asymmetric surface having the same effect as the above configuration in the optical system separately from the concave mirror M, a flat image surface can be obtained with a small number of components.
In addition, the rotationally asymmetric surface preferably has a rotationally asymmetric surface shape that does not have a rotationally symmetric axis both in and out of the surface.
[0035]
Next, rotationally asymmetric astigmatism will be described.
As in the above description, in the concave mirror M arranged eccentrically, astigmatism as shown in FIG. In order to correct this astigmatism, it is possible to appropriately change the curvature in the X-axis direction and the curvature in the Y-axis direction of the rotationally asymmetric surface as in the above description.
[0036]
Further, rotationally asymmetric coma will be described.
Similar to the above description, in the concave mirror M arranged eccentrically, coma aberration as shown in FIG. In order to correct this coma, it is possible to change the inclination of the surface as it moves away from the origin of the X axis of the rotationally asymmetric surface and to change the inclination of the surface appropriately depending on whether the Y axis is positive or negative.
[0037]
In the imaging optical system of the present invention, it is possible to adopt a configuration in which at least one surface having the reflecting action described above is decentered with respect to the axial principal ray and has a rotationally asymmetric surface shape and power. By adopting such a configuration, it becomes possible to correct the decentration aberration generated by giving power to the reflecting surface by the surface itself, and by reducing the power of the refracting surface of the prism, the occurrence of chromatic aberration can be suppressed. Can be small.
[0038]
The rotationally asymmetric surface used in the present invention is preferably a plane-symmetric free-form surface having only one plane of symmetry. Here, the free-form surface used in the present invention is defined by the following formula (a). Note that the Z axis of the defining formula is the axis of the free-form surface.
[0039]
[0040]
In the spherical term,
c: vertex curvature
k: Conic constant (conical constant)
r = √ (X 2 + Y 2 )
It is.
[0041]
The free-form surface term is
[0042]
In general, the free-form surface does not have a symmetric surface in both the XZ plane and the YZ plane. However, in the present invention, by setting all odd-order terms of X to 0, the free-form surface is parallel to the YZ plane. This is a free-form surface with only one symmetrical plane. For example, in the above definition (a), C 2 , C Five , C 7 , C 9 , C 12 , C 14 , C 16 , C 18 , C 20 , C twenty three , C twenty five , C 27 , C 29 , C 31 , C 33 , C 35 It is possible by setting the coefficient of each term of.
[0043]
Further, by setting all odd-numbered terms of Y to 0, a free-form surface having only one symmetry plane parallel to the XZ plane is obtained. For example, in the above definition formula, C Three , C Five , C 8 , C Ten , C 12 , C 14 , C 17 , C 19 , C twenty one , C twenty three , C twenty five , C 27 , C 30 , C 32 , C 34 , C 36 It is possible by setting the coefficient of each term of.
[0044]
Further, any one of the directions of the symmetry plane is set as a symmetry plane, and the eccentricity in the corresponding direction, for example, the eccentric direction of the optical system with respect to the symmetry plane parallel to the YZ plane is in the Y-axis direction, XZ By making the decentering direction of the optical system parallel to the plane parallel to the X-axis direction, it is possible to improve the manufacturability at the same time while effectively correcting the rotationally asymmetric aberration caused by the decentering. Become.
[0045]
The definition formula (a) is shown as an example as described above, and the present invention uses a rotationally asymmetric aberration caused by decentering by using a rotationally asymmetric surface having only one symmetric surface. It is a feature that the manufacturing efficiency is improved at the same time, and it goes without saying that the same effect can be obtained for any other defining formula.
[0046]
Now, since the first prism has one reflection as described above, only one reflecting surface requiring high accuracy is required, which is advantageous in manufacturing.
[0047]
Further, when such a prism is used for the first prism, since the number of reflections is one, it is possible to refract the light beam emitted from the first prism substantially perpendicularly to the light beam incident on the first prism from the object. Thus, the first prism and the second prism can be arranged vertically, and the entire optical system can be made thin.
[0048]
In addition, it is possible to obtain a wide imaging angle of view by making the first prism a prism having negative refractive power. This is because the light beam having a wide angle of view is focused by the negative power, and the light beam can be converged when entering the second group constituted by the second prism. This is a preferable configuration for correcting aberrations when a short optical system is configured.
[0049]
More preferably, by disposing the stop on the image side of the first prism, when the first reflecting surface has a negative power, when the first reflecting surface is approximated to a spherical surface, The aperture positions are substantially the same, and it is possible to eliminate the occurrence of coma in principle.
[0050]
Further, both the first surface and the second surface of the first prism can be configured to have a rotationally asymmetric surface shape that gives power to the light flux and corrects aberrations caused by decentration.
[0051]
In addition, the rotationally asymmetric surface shape of at least the second surface of the first prism can be configured as a surface-symmetric free-form surface shape having only one plane of symmetry.
[0052]
Further, the rotationally asymmetric surface shapes of both the first surface and the second surface of the first prism can be configured as a plane-symmetric free-form surface shape having only one plane of symmetry.
[0053]
In this case, the first symmetric surface of the first surface of the first prism and the only symmetric surface of the second surface symmetric free curved surface are formed in the same plane so that the first symmetric surface of the second surface is symmetric. One prism can be configured.
[0054]
In addition, the third surface of the first prism can be configured to have a rotationally asymmetric surface shape that gives power to the light flux and corrects aberrations caused by decentration. In order to correct aberration caused by decentration, it is effective to take such a surface shape on the second transmission surface.
[0055]
In this case, the rotationally asymmetric surface shape of the third surface of the first prism can be configured as a surface-symmetric free-form surface shape having only one plane of symmetry.
[0056]
In addition, the rotationally asymmetric surface shape disposed in the second prism can be configured as a plane-symmetric free-form surface shape having only one plane of symmetry.
[0057]
In that case, it is desirable that the first prism and the second prism are configured so that at least one plane has a single plane of symmetry on the same plane.
Further, in the present invention, it is possible to increase the symmetry and to provide off-axis aberration by arranging the pupil between the first prism and the second prism and arranging the second prism between the pupil and the image plane. Is also effective in correcting well.
In that case, it is desirable to place a stop on the pupil.
[0058]
In the present invention, the second prism can be configured to have two or more curved reflecting surfaces that give power to the light flux.
[0059]
In the present invention, as the second prism, it is possible to use a prism composed of three optical action surfaces, that is, an entrance surface that serves as both a reflection surface and a transmission surface, a reflection surface, and an exit surface.
[0060]
The prism type that shares the second reflection surface and the first transmission surface has the second reflection surface that bends light rays largely, and the first reflection surface reflects light rays to the second reflection surface with a small bending angle. It is possible to reduce the thickness of the prism optical system in the incident light direction.
[0061]
More preferably, a good result in aberration correction can be obtained by setting the first reflecting surface of the second prism to a positive power. This is because power can be applied to a surface with little occurrence of decentration aberration by applying power to the first reflecting surface having a small bending angle of the light beam. More preferably, by setting the second reflecting surface to a negative power, the principal point position of the second prism can be brought out toward the object side, and the back focus of the second prism can be shortened.
[0062]
In the present invention, as the second prism, it is possible to use a prism composed of three optical action surfaces including a reflecting surface that gives power to the light beam, an incident surface, and an exit surface.
[0063]
This is the same shape as the first prism, and the number of reflections is one. Therefore, only one reflecting surface is required for accuracy, which is advantageous in manufacturing.
[0064]
More preferably, it is preferable to give the reflecting surface positive power. When the reflecting surface has a positive power, less aberration is generated than when power is added to the transmitting surface.
[0065]
In the present invention, as the second prism, it is possible to use a prism composed of four reflecting surfaces that give power to the light beam, an incident surface, and an exit surface.
[0066]
This shape of the second prism increases the degree of freedom in correcting aberrations and reduces the occurrence of aberrations. Further, since the relative decentration of the two reflecting surfaces is small, the aberration generated on the two reflecting surfaces is corrected between the two reflecting surfaces, and the occurrence of aberration is small. More preferably, when the two reflecting surfaces have different signs of power, it is possible to increase the mutual correction effect of aberrations and to obtain a high resolving power.
[0067]
More preferably, when the relative decentration at the point where the optical axes of the first reflecting surface and the second reflecting surface are reflected is less, it is possible to reduce the occurrence of decentration aberrations and to reduce the occurrence of rotationally asymmetric aberrations. .
[0068]
In the present invention, the second prism is composed of three optical action surfaces, that is, an incident surface, an exit surface that serves as both a reflection surface and a transmission surface, and a reflection surface that gives power to the light beam. be able to.
[0069]
This prism type, which shares the first reflecting surface and the second transmitting surface, bends light rays largely at the first reflecting surface, and the second reflecting surface reflects light rays to the second transmitting surface with a small bending angle. It is possible to reduce the thickness in the vertical direction with respect to the incident optical axis of the entire optical system.
[0070]
Since the second reflecting surface with a small bending angle can be given a positive power, the principal point position of the second prism can be arranged on the image side, and a large back focus can be obtained, such as a filter. Is preferable when it is arranged immediately before the image plane.
[0071]
In the present invention, the second prism includes three reflecting surfaces, and one of the reflecting surfaces is formed as an incident surface also serving as a transmitting surface, and the other reflecting surface is also used as a transmitting surface. Those formed on the exit surface can be used.
[0072]
Since this prism is composed of three surfaces and has three reflecting surfaces, it is possible to disperse power over three reflecting surfaces, and to reduce the occurrence of aberrations. Further, since the optical paths intersect in the prism, the optical path length can be made longer than that of a prism having a structure in which the optical path is simply folded.
[0073]
When this prism is the second prism, the second reflecting surface with a small bending angle can be given positive power, so that it is mainly located at a position where the optical path length is relatively long from the second transmitting surface of the second prism. It becomes possible to arrange a surface having power, and to reduce the back focus.
[0074]
In the optical working surface having both transmission and reflection in the prism of the present invention, it is desirable that the reflection is due to total reflection. If the total reflection condition is not satisfied, it is impossible to have both reflection and transmission, and it becomes difficult to reduce the size of the prism itself.
[0075]
Moreover, it is preferable that the reflection surface other than the total reflection surface is constituted by a reflection surface on which a metal thin film such as aluminum or silver is formed or a reflection surface on which a dielectric multilayer film is formed. When the metal thin film has a reflecting action, it is possible to easily obtain a high reflectance. In the case of a dielectric reflection film, it is advantageous when forming a reflection film with little wavelength selectivity and absorption.
Thereby, it is possible to obtain a low-cost and compact imaging optical system in which the manufacturing accuracy of the prism is eased.
[0076]
In the present invention, it is preferable that the first prism for diverging action is provided on the object side from the stop, the second prism for convergence action is provided on the image side, and substantially telecentric on the image side.
[0077]
In an imaging optical system using a refractive optical element, the power arrangement varies depending on the application. For example, in a telephoto system with a narrow angle of view, generally, the entire system is a positive and negative telephoto type, and the total length of the optical system is reduced with respect to the focal length. Further, in a wide-angle system with a wide angle of view, a configuration in which the back focus is increased with respect to the focal length by making the entire system a negative and positive retrofocus type is common.
[0078]
In particular, in the case of an imaging optical system using an image pickup device such as a CCD, an optical low-pass filter or an infrared cut filter for eliminating moire removal or the influence of infrared rays is provided between the image forming optical system and the image pickup device. Need to be placed. Therefore, in order to secure a space for arranging these optical members, it is desirable to adopt a retrofocus type as the configuration of the imaging optical system.
[0079]
Further, in the retrofocus type imaging optical system, it is particularly important to correct off-axis aberrations, which greatly depends on the stop position. As described above, in the case of a general coaxial optical system, the off-axis aberration is deteriorated due to the symmetry of the optical element with respect to the stop. Therefore, in general, optical elements having the same reference numerals are arranged with a stop interposed therebetween to sufficiently satisfy the symmetry with respect to the stop and to correct off-axis aberrations. In the case of the negative and positive retrofocus types, the power arrangement is asymmetric in the first place, and the performance of off-axis aberration varies greatly depending on the stop position.
[0080]
Therefore, by disposing a stop between the first diverging prism on the object side and the second prism on the image side converging, it is possible to minimize the deterioration of off-axis aberration due to the asymmetry of the power arrangement. Is possible. If the stop is arranged on the object side of the diverging prism or on the image side of the image side of the converging prism, the asymmetry with respect to the stop is further increased, making it difficult to correct it.
[0081]
In this case, the first prism having a diverging action may be provided on the object side from the stop, the second prism having a converging action may be provided on the image side, and the prism may be composed only of the prism.
[0082]
The imaging optical system of the present invention is an imaging optical system that has one imaging plane throughout the entire system. As described above, the decentering error sensitivity of the reflecting surface is larger than that of the refracting surface, and the reflecting optical member composed of one block such as a prism is integrated and transferred with the surface accuracy error and decentering error of each surface. The smaller the number of reflecting surfaces, the less the manufacturing accuracy. Therefore, it is not desirable to increase the number of reflections more than necessary. For example, in an imaging optical system that forms an intermediate image and relays the image, the number of reflections increases more than necessary, and manufacturing errors on each surface are severe. It will lead to cost increase.
[0083]
In the imaging optical system of the present invention, it is needless to say that focusing of the imaging optical system is possible by moving the entire extension or moving only one prism, but the axial principal ray emitted from the surface closest to the image side. Focusing is possible by moving the imaging plane in the direction. As a result, even if the incident direction of the axial principal ray from the object does not coincide with the direction of the axial principal ray emitted from the surface closest to the image due to the decentering of the imaging optical system, The shift of the incident side of the principal ray can be prevented. It is also possible to focus by dividing the plane parallel plate into a plurality of wedge-shaped prisms and moving them in the direction perpendicular to the Z axis. In this case, focusing is possible regardless of the decentering of the imaging optical system.
[0084]
In the imaging optical system of the present invention, if at least one of the prisms is made of an organic material such as plastic, the cost can be reduced. In addition, it is desirable to use a low moisture absorption material such as amorphous polyolefin because there is little change in imaging performance with respect to changes in humidity.
[0085]
In the present invention, temperature compensation can be performed by using a diverging prism and a converging prism. In particular, in order to prevent defocus due to a temperature change, which becomes a problem when plastic is used as the material of the prism, this can be achieved by giving the prism a power having an opposite sign.
[0086]
In the present invention, it is preferable that the plurality of prisms are provided with relative positioning portions on surfaces having no optical action. In particular, when a plurality of prisms having power on the reflecting surface as in the present invention are arranged, the relative positional accuracy deviation causes deterioration of performance. Therefore, in the present invention, by providing a relative positioning portion on the surface of the prism that does not have an optical action, it is possible to ensure positional accuracy and ensure desired performance. In particular, if the positioning portion is used and a plurality of prisms are integrated by a connecting member, assembly adjustment is not required, and further cost reduction is achieved.
[0087]
It is also possible to fold the optical path in a direction different from the decentering direction of the imaging optical system of the present invention by using a reflecting optical member such as a mirror on the object side from the incident surface of the imaging optical system of the present invention. . As a result, the degree of freedom of the layout of the imaging optical system is further increased, and the entire imaging optical apparatus can be reduced in size.
[0088]
In the present invention, the imaging optical system can also be composed only of prisms. As a result, the number of parts is reduced and the cost is reduced. Furthermore, it is naturally possible to integrate a plurality of prisms before and after the stop to form one prism. Thereby, further cost reduction is possible.
[0089]
Further, in the present invention, in addition to the first prism and the second prism, other lenses (positive lens, negative lens) are disposed at one or a plurality of positions on the object side, between the two prisms, or on the image side of the two prisms. Lens) as a component.
[0090]
The imaging optical system of the present invention can be a bright single focus lens. Also, a zoom lens (variable magnification imaging optical system) can be formed by combining one or a plurality of refractive optical systems on the object side or the image side of the interval between two prisms.
[0091]
In the present invention, the refracting surface and reflecting surface of the imaging optical system can naturally be constituted by a spherical surface or a rotationally symmetric aspheric surface.
[0092]
When the above-described imaging optical system of the present invention is arranged in the imaging unit of the imaging apparatus, or when the imaging apparatus has a camera mechanism, the prism member arranged in the front group has an optical action. Arranged on the most object side of the optical element, the incident surface of the prism member is decentered with respect to the optical axis, and a cover member is arranged on the object side of the prism member and perpendicular to the optical axis. In addition, the prism member arranged in the front group is configured to have an incident surface that is eccentrically arranged with respect to the optical axis on the object side, and an air gap is interposed between the incident surface and the front surface. A cover lens having power arranged coaxially with the optical axis can be arranged on the object side of the incident surface.
[0093]
In this way, when the prism member is arranged on the most object side and the eccentric incident surface is provided on the front surface of the photographing apparatus, the obliquely inclined incident surface can be seen from the subject. It will make you feel uncomfortable. Therefore, by arranging a cover member or a cover lens perpendicular to the optical axis, it is possible to shoot without feeling uncomfortable with the subject to be photographed, as in a general photographing apparatus.
[0094]
Any one of the imaging optical systems of the present invention as described above is arranged as a finder objective optical system, and further an image erecting optical system for erecting an object image formed by the finder objective optical system, and eyepiece optics A finder optical system can be constructed from the system.
[0095]
Moreover, a camera apparatus can be comprised including the finder optical system and a photographing objective optical system provided therewith.
[0096]
Further, an imaging optical system can be configured by including any of the imaging optical systems of the present invention as described above and an imaging element disposed on an image plane formed by the imaging optical system.
[0097]
In addition, any of the imaging optical systems of the present invention as described above is arranged as a photographing objective optical system and is divided from an optical path different from the photographing optical system or from the optical path of the photographing objective optical system. A camera device can be configured with a finder optical system disposed in any of the optical paths.
[0098]
Also, any one of the imaging optical systems of the present invention as described above, an image sensor disposed on an image plane formed by the image optical system, and image information received by the image sensor are recorded. An electronic camera device can be configured by including a recording medium and an image display element that receives image information from the recording medium or the image sensor and forms an observation image.
[0099]
Also, an observation system having any one of the imaging optical systems of the present invention as described above and an image transmission member that transmits an image formed by the imaging optical system along the major axis direction, an illumination light source, and An endoscope apparatus can be configured by including an illumination system having an illumination light transmission member that transmits illumination light from the illumination light source along the long axis direction.
[0100]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Examples 1 to 6 of the imaging optical system of the present invention will be described below. The configuration parameters of each embodiment will be described later.
In each embodiment, as shown in FIG. 1, the axial
[0101]
In Examples 1 to 6, each surface is decentered in the YZ plane, and the only symmetric surface of each rotationally asymmetric free-form surface is the YZ plane.
[0102]
For the eccentric surface, from the origin of the corresponding coordinate system, the amount of eccentricity of the surface top position of the surface (X-axis direction, Y-axis direction, Z-axis direction is X, Y, Z, respectively) and the center axis of the surface ( As for the free-form surface, inclination angles (α, β, γ (°), respectively) about the X axis, the Y axis, and the Z axis of the equation (a) are given. In this case, positive α and β mean counterclockwise rotation with respect to the positive direction of each axis, and positive γ means clockwise rotation with respect to the positive direction of the Z axis.
[0103]
In addition, when a specific surface (including a virtual surface) and subsequent surfaces among the optical action surfaces constituting the optical system of each embodiment constitute a coaxial optical system, a surface interval is given. In addition, the refractive index and Abbe number of the medium are given in accordance with the conventional method.
[0104]
Further, the shape of the surface of the free curved surface used in the present invention is defined by the equation (a), and the Z axis of the defining equation becomes the axis of the free curved surface.
[0105]
In addition, the term regarding the free-form surface for which no data is described is zero. The refractive index is shown for d-line (wavelength 587.56 nm). The unit of length is mm.
[0106]
Another defining equation for free-form surfaces is the Zernike polynomial given by the following equation (b). The shape of this surface is defined by the following equation. The Z axis of the defining formula becomes the axis of the Zernike polynomial. The definition of the rotationally asymmetric surface is defined by polar coordinates of the height of the Z axis with respect to the XY plane, A is the distance from the Z axis in the XY plane, R is the azimuth around the Z axis, and Z axis It is expressed by the rotation angle measured from.
[0107]
[0108]
The following definition formula (c) can be given as an example of other aspects.
Z = ΣΣC nm XY
As an example, when k = 7 (seventh order term) is considered, when expanded, it can be expressed by the following expression.
[0109]
In each of Examples 1 to 6, the shooting angle of view is 26.3 ° in the horizontal half angle, 20.3 ° in the vertical half angle of view, the image height is 1.6 × 1.2 mm, and the entrance pupil diameter is 1. The focal length is 3.24 mm, which corresponds to 35 mm when converted to a 35 mm silver salt camera. Of course, it can be applied to other sizes. Further, the present invention includes not only an imaging optical system using the imaging optical system of the present invention but also an imaging device incorporating the optical system.
[0110]
Example 1
A YZ sectional view including the axial principal ray of Example 1 is shown in FIG.
Although the configuration parameters of this embodiment will be described later, the free-form surface is indicated by FFS, the virtual surface is indicated by HRP (virtual reference surface), and the same applies to other embodiments.
The first embodiment includes a
[0111]
Further, the second to fifth constituent parameters to be described later are expressed by the amount of eccentricity with reference to the
[0112]
Example 2
A YZ sectional view including the axial principal ray of Example 2 is shown in FIG.
The second embodiment includes a
[0113]
Further, the second to fifth constituent parameters to be described later are expressed by the amount of eccentricity with reference to the
[0114]
Examples 3 and 6
YZ sectional views including the axial principal ray of Examples 3 and 6 are shown in FIGS. 3 and 6, respectively.
Examples 3 and 6 include a
[0115]
Further, the second to fifth constituent parameters to be described later are expressed by the amount of eccentricity with reference to the
[0116]
Example 4
A YZ sectional view including the axial principal ray of Example 4 is shown in FIG.
The fourth embodiment includes a
[0117]
Further, the second to fifth constituent parameters to be described later are expressed by the amount of eccentricity with reference to the
[0118]
Example 5
A YZ sectional view including the axial principal ray of Example 5 is shown in FIG.
The fifth embodiment includes a
[0119]
Further, the second to fifth constituent parameters to be described later are expressed by the amount of eccentricity with reference to the
[0120]
The configuration parameters of Examples 1 to 6 are shown below. In these tables, “FFS” indicates a free-form surface, and “HRP” indicates a virtual surface.
[0121]
Next, the lateral aberration diagram of Example 1 is shown in FIG. In this lateral aberration diagram, the numbers shown in parentheses indicate (horizontal (X direction) field angle, vertical (Y direction) field angle), and indicate lateral aberration at that field angle.
[0128]
As the
[0129]
In the case of FIG. 13, the prism P is composed of the
[0130]
In the case of FIG. 14, the prism P includes a
[0131]
In the case of FIG. 15, the prism P is composed of the
[0132]
In the case of FIG. 16, the prism P is composed of the
[0133]
In the case of FIG. 17, the prism P includes a
[0134]
The imaging optical system of the present invention as described above can be used for an imaging apparatus, particularly a camera, which forms an object image and receives the image with an imaging device such as a CCD or a silver salt film to perform imaging. It can also be used as an observation device for observing an object image through an eyepiece, particularly as an objective optical system of a camera finder. Further, it can also be used as an imaging optical system for an optical apparatus using a small imaging element such as an endoscope. The embodiment is illustrated below.
[0135]
8 to 10 are conceptual diagrams of a configuration in which the imaging optical system of the present invention is incorporated in the objective optical system of the finder portion of the electronic camera. 8 is a front perspective view showing the appearance of the electronic camera 40, FIG. 9 is a rear perspective view thereof, and FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of the electronic camera 40. In this example, the electronic camera 40 includes a photographing optical system 41 having a photographing optical path 42, a finder optical system 43 having a finder optical path 44, a shutter 45, a flash 46, a liquid crystal display monitor 47, and the like. When the shutter 45 disposed in the position is pressed, photographing is performed through the photographing objective optical system 48 in conjunction therewith. An object image formed by the photographing objective optical system 48 is formed on the imaging surface 50 of the CCD 49 via a filter 51 such as a low-pass filter or an infrared cut filter. The object image received by the CCD 49 is displayed as an electronic image on the liquid crystal display monitor 47 provided on the back of the camera via the processing means 52. In addition, the processing means 52 is provided with a memory or the like, and can record a captured electronic image. This memory may be provided separately from the processing means 52, or may be configured to perform recording and writing electronically using a floppy disk or the like. Further, it may be configured as a silver salt camera in which a silver salt film is arranged in place of the CCD 49.
[0136]
Further, on the finder optical path 44, for example, an imaging optical system similar to that of the fourth embodiment is disposed as a finder objective optical system 53. In this case, a
[0137]
The camera 40 configured as described above can configure the finder objective optical system 53 with a small number of optical members, achieve high performance and low cost, and bend the optical path of the objective optical system 53 itself. The degree of freedom of internal arrangement increases, which is advantageous in design.
[0138]
In the configuration of FIG. 10, the configuration of the photographic objective optical system 48 is not mentioned, but the photographic objective optical system 48 includes the two
[0139]
Next, FIG. 11 shows a conceptual diagram of a configuration in which the imaging optical system of the present invention is incorporated in the objective optical system 48 of the photographing unit of the electronic camera 40. In this example, the imaging objective optical system 48 disposed on the imaging optical path 42 uses the same imaging optical system as in the first embodiment. An object image formed by the photographing objective optical system is formed on the imaging surface 50 of the CCD 49 via a filter 51 such as a low-pass filter or an infrared cut filter. The object image received by the CCD 49 is displayed as an electronic image on a liquid crystal display element (LCD) 60 via the processing means 52. The processing means 52 also controls the recording means 61 that records the object image taken by the CCD 49 as electronic information. The image displayed on the
[0140]
The camera 40 configured in this way can be configured with the objective optical system 48 for photographing with a small number of optical members, can achieve high performance and low cost, and can arrange the entire optical system side by side on the same plane. A book shape with a thickness in the direction perpendicular to the plane can be realized.
[0141]
In this example, a plane parallel plate is disposed as the cover member 65 of the photographing objective optical system 48, but a lens having power may be used as in the previous example.
[0142]
Here, without providing the cover member, the most object-side surface in the imaging optical system of the present invention can also be used as the cover member. In this example, the most object side surface is the incident surface of the
[0143]
Next, FIG. 12 shows a conceptual diagram of a configuration in which the imaging optical system of the present invention is incorporated in an objective optical system 80 of an observation system for an electronic endoscope. In the case of this example, the objective optical system 80 of the observation system uses the same imaging optical system as in the third embodiment. As shown in FIG. 12A, this electronic endoscope includes an
[0144]
The endoscope configured in this way can be configured with a small number of optical members, can achieve high performance and low cost, and the two
[0145]
Next, FIG. 21 shows a desirable configuration when the imaging optical system according to the present invention is disposed in front of an image sensor such as a CCD or a filter. In the figure, a decentered prism P is a prism included in the imaging optical system of the present invention. Now, when the imaging surface C of the imaging device forms a quadrangle as shown in the figure, the symmetry plane D of the plane-symmetric free-form surface arranged on the eccentric prism P is at least one of the sides forming the quadrangle of the imaging surface C. In order to form a beautiful image, it is desirable to arrange them parallel to each other.
[0146]
Further, when the imaging surface C has four interior angles such as a square and a rectangle formed at approximately 90 °, the symmetry plane D of the plane-symmetry free-form surface has two sides parallel to each other of the imaging surface C. It is preferable that the configuration is such that the plane of symmetry D coincides with a position that makes the imaging plane C left-right or vertical symmetrical. If comprised in this way, the assembly precision at the time of incorporating in an apparatus will be easy to be taken out, and it is effective for mass-productivity.
[0147]
Further, in the case where a plurality of surfaces or all of the first, second, and third surfaces, which are optical surfaces constituting the decentered prism P, are plane-symmetric free-form surfaces, a plurality of surfaces or all of the surfaces It is desirable in terms of design and aberration performance that the planes of symmetry are arranged on the same plane D. The relationship between the symmetry plane D and the imaging plane C is desirably the same as described above.
[0148]
The imaging optical system of the present invention described above can be configured as follows, for example.
[1] In an imaging optical system having a positive refractive power as a whole for forming an object image,
The imaging optical system includes a first prism and a second prism formed of a medium having a refractive index (n) larger than 1.3 (n> 1.3), and the second prism is the first prism. Is formed in an image forming system that is arranged on the image side and does not form an intermediate image,
The first prism has a first surface that allows a light beam from an object to enter the prism, a second surface that reflects the light beam incident from the first surface within the prism, and a light beam reflected by the second surface. And a third surface that emerges out of the prism.
At least the second surface has a curved surface shape that gives power to a light beam, and the curved surface shape has a rotationally asymmetric surface shape that corrects an aberration caused by decentration,
The second prism has a reflecting surface that reflects a light beam in at least one prism, and the reflecting surface gives a power to the light beam and has a rotationally asymmetric surface shape that corrects an aberration caused by decentration. An imaging optical system configured as described above.
[0149]
[2] The first and second surfaces of the first prism both have a rotationally asymmetric surface shape that gives power to the light flux and corrects aberrations caused by decentration. The imaging optical system according to 1 above.
[0150]
[3] The result of
[0151]
[4] The rotationally asymmetric surface shapes of both the first surface and the second surface of the first prism are configured as a plane-symmetric free-form surface shape having only one plane of symmetry. 3. The imaging optical system as described in 2 above.
[0152]
[5] The only symmetry plane of the plane-symmetric free curved surface of the first surface of the first prism and the only symmetry plane of the plane-symmetric free curved surface of the second surface of the first prism are formed in the same plane. 5. The imaging optical system as described in 4 above, wherein the first prism is configured as described above.
[0153]
[6] From the above 1 characterized in that the third surface of the first prism has a rotationally asymmetric surface shape that gives power to the light beam and corrects aberrations caused by decentration. 6. The imaging optical system according to any one of 5 above.
[0154]
[7] The imaging according to [6], wherein the rotationally asymmetric surface shape of the third surface of the first prism is a surface-symmetric free-form surface shape having only one symmetry surface. Optical system.
[0155]
[8] Any one of 1 to 7 above, wherein the rotationally asymmetric surface shape arranged in the second prism is a surface-symmetric free-form surface shape having only one plane of symmetry. An imaging optical system according to
[0156]
[9] The above-mentioned 8 characterized in that the first prism and the second prism have a plane-symmetry free-form surface configured such that at least one plane has a single plane of symmetry arranged on the same plane. The imaging optical system described.
[0157]
[10] The structure described in any one of 1 to 9 above, wherein a pupil is disposed between the first prism and the second prism, and the second prism is disposed between the pupil and the image plane. The imaging optical system according to any one of the preceding claims.
[0158]
[11] The imaging optical system as described in 10 above, wherein a stop is disposed on the pupil.
[0159]
[12] The imaging optical system according to any one of [1] to [11], wherein the second prism is configured to have two or more curved reflecting surfaces that give power to a light beam. .
[0160]
[13] The optical action surface of the second prism is composed of three optical action surfaces including an incident surface that serves as both a reflection surface and a transmission surface, a reflection surface, and an exit surface. 12. The imaging optical system according to any one of 11 to 11.
[0161]
[14] Any one of [1] to [11], wherein the second prism is composed of three optical action surfaces including a reflecting surface that gives power to the light beam, an incident surface, and an exit surface. Imaging optical system.
[0162]
[15] Any one of 1 to 11 above, wherein the second prism is composed of two reflecting surfaces that give power to the light beam, an incident surface, and an exit surface. The imaging optical system according to item.
[0163]
[16] The second prism is composed of three optical action surfaces: an incident surface, an exit surface that serves as both a reflection surface and a transmission surface, and a reflection surface that gives power to a light beam. The imaging optical system according to any one of 1 to 11.
[0164]
[17] The second prism includes three reflecting surfaces, and one of the reflecting surfaces is formed as an incident surface that also serves as a transmitting surface, and the other one reflecting surface serves as a transmitting surface. 12. The imaging optical system according to any one of 1 to 11 above, wherein the imaging optical system is formed by:
[0165]
[18] An image erecting optical system in which the imaging optical system according to any one of 1 to 17 is disposed as a finder objective optical system, and further, an object image formed by the finder objective optical system is erected. And a finder optical system comprising an eyepiece optical system.
[0166]
[19] A camera apparatus comprising: the finder optical system according to 18 above; and a photographic objective optical system provided together with the finder optical system.
[0167]
[20] The image forming optical system according to any one of 1 to 17 above, and an image pickup device disposed on an image plane formed by the image forming optical system, Imaging optical system.
[0168]
[21] The imaging optical system according to any one of 1 to 17 above is arranged as a photographing objective optical system, and the optical path is different from the photographing optical system or from the optical path of the photographing objective optical system. A camera apparatus comprising a finder optical system disposed in any one of divided optical paths.
[0169]
[22] The imaging optical system according to any one of 1 to 17 above, an imaging device disposed on an image plane formed by the imaging optical system, and image information received by the imaging device. An electronic camera apparatus comprising: a recording medium for recording; and an image display element for receiving an image information from the recording medium or the imaging element to form an observation image.
[0170]
[23] An observation system including the imaging optical system according to any one of 1 to 17 above, an image transmission member that transmits an image formed by the imaging optical system along a major axis direction, and illumination An endoscope apparatus comprising: a light source; and an illumination system having an illumination light transmission member that transmits illumination light from the illumination light source along the long axis direction.
[0171]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, a high-performance and low-cost imaging optical system can be provided with a small number of optical elements. Further, it is possible to provide a high-performance imaging optical system that is reduced in size and thickness by folding the optical path using a reflection surface with a small number of reflections.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of an imaging optical system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an image forming optical system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of an image forming optical system according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view of an image forming optical system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view of an image forming optical system according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of an image forming optical system according to a sixth embodiment of the present invention.
7 is a lateral aberration diagram of the image forming optical system according to Example 1. FIG.
FIG. 8 is a front perspective view showing the appearance of an electronic camera to which the imaging optical system of the present invention is applied.
9 is a rear perspective view of the electronic camera of FIG. 8. FIG.
10 is a cross-sectional view showing a configuration of the electronic camera of FIG.
FIG. 11 is a conceptual diagram of another electronic camera to which the imaging optical system of the present invention is applied.
FIG. 12 is a conceptual diagram of an electronic endoscope to which the imaging optical system of the present invention is applied.
FIG. 13 is a diagram showing an example of a decentered prism applicable to the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing another example of a decentered prism applicable to the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing another example of a decentered prism applicable to the present invention.
FIG. 16 is a diagram showing another example of a decentered prism applicable to the present invention.
FIG. 17 is a diagram showing another example of a decentered prism applicable to the present invention.
FIG. 18 is a conceptual diagram for explaining curvature of field generated by an eccentric reflecting surface.
FIG. 19 is a conceptual diagram for explaining astigmatism generated by a decentered reflecting surface.
FIG. 20 is a conceptual diagram for explaining coma aberration generated by an eccentric reflecting surface.
FIG. 21 is a diagram showing a desirable configuration when an imaging optical system according to the present invention is disposed in front of an image sensor.
[Explanation of symbols]
1 ... Axial chief ray
2 ... Aperture
3. Image plane
10 ... 1st prism
11 ... first side
12 ... the second side
13 ... Third surface
20 ... second prism
21 ... first side
22 ... Second side
23. Third surface
24 ... Fourth side
25 ... Fifth side
31 ... Pupil
32 ... first side
33 ... Second side
34 ... Third surface
35 ... Fourth side
36 ... image plane
40 ... Electronic camera
41. Photography optical system
42. Optical path for photographing
43. Viewfinder optical system
44. Optical path for viewfinder
45 ... Shutter
46 ... Flash
47 ... LCD monitor
48 ... Objective optical system for photographing
49 ... CCD
50: Imaging surface
51 ... Filter
52. Processing means
53. Objective optical system for viewfinder
54 ... Cover lens
55 ... Porro prism
56. First reflective surface
57 ... View frame
58 ... second reflecting surface
59 ... Eyepiece optical system
60 ... Liquid crystal display (LCD)
61 ... Recording means
62 ... Incident surface
63 ... Reflecting surface
64 ... Both reflection and refraction surfaces
65: Cover member
71 ... Electronic endoscope
72 ... Light source device
73 ... Video processor
74 ... Monitor
75 ... VTR deck
76 ... Video disc
77 ... Video printer
78 ... Insertion section
79 ... tip
80. Objective optical system for observation
81 ... Filter
82 ... CCD
83. Imaging surface
84: Cover member
85 ... Objective optical system for illumination
86 ... Light guide fiber bundle
M ... concave mirror
P: Prism
E ... Observer eyeball
C: Imaging surface
D: Symmetry plane
Claims (6)
前記結像光学系が屈折率（ｎ）が１．３よりも大きい（ｎ＞１．３）媒質で形成された第１プリズムと第２プリズムとからなり、前記第２プリズムは前記第１プリズムよりも像側に配置され、かつ、中間像を形成しない結像系にて形成され、
前記第１プリズムが、物体からの光束をプリズム内に入射させる第１面と、前記第１面から入射した光束をプリズム内で反射する第２面と、前記第２面で反射された光束をプリズム外に射出する第３面とを備えるように構成されており、
少なくとも前記第２面が光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状を有し、
前記第２プリズムが、少なくとも１面のプリズム内で光束を反射する反射面を有し、前記反射面が光束にパワーを与え、かつ、偏心により発生する収差を補正する回転非対称な面形状を有するように構成されていることを特徴とする結像光学系。In an imaging optical system having positive refractive power as a whole for forming an object image,
Comprises a first prism and a second prism, wherein the imaging optical system refractive index (n) is formed by a large (n> 1.3) medium than 1.3, the second prism is the first prism Is formed in an image forming system that is arranged on the image side and does not form an intermediate image,
The first prism has a first surface that allows a light beam from an object to enter the prism, a second surface that reflects the light beam incident from the first surface within the prism, and a light beam reflected by the second surface. And a third surface that emerges out of the prism.
At least the second surface has a curved surface shape that gives power to a light beam, and the curved surface shape has a rotationally asymmetric surface shape that corrects an aberration caused by decentration,
The second prism has a reflecting surface that reflects a light beam in at least one prism, and the reflecting surface gives a power to the light beam and has a rotationally asymmetric surface shape that corrects an aberration caused by decentration. An imaging optical system configured as described above.
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