JP4331290B2 - 結像光学系 - 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２プリズムが、光束を透過又は反射させる光学作用面を４面有し、それらを第２−１面、第２−２面、第２−３面、第２−４面とするとき、前記第２−１面が物体側からの光束をプリズム内に入射させ、前記第２−２面が前記第２−１面から入射した光束をプリズム内で反射し、前記第２−３面が前記第２−２面で反射された光束をプリズム内で反射し、前記第２−４面が前記第２−３面で反射された光束をプリズム外に射出するように構成され、かつ、前記第２−１面と前記第２−２面とが前記媒質を挟んで対向配置され、前記第２−３面と前記第２−４面とが前記媒質を挟んで対向配置され、前記第２−１面と前記第２−２面とを結ぶ光路が、前記第２−３面と前記第２−４面とを結ぶ光路と交差するように構成されており、前記第２−２面と前記第２−３面の少なくとも一方の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１プリズムが、少なくとも１面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２プリズムは、光束を透過又は反射させる光学作用面を４面有し、それらを第２−１面、第２−２面、第２−３面、第２−４面とするとき、第２−１面が物体側からの光束をプリズム内に入射させ、第２−２面が第２−１面から入射した光束をプリズム内で反射し、第２−３面が第２−２面で反射された光束をプリズム内で反射し、第２−４面が第２−３面で反射された光束をプリズム外に射出するように構成され、かつ、第２−１面と第２−２面とが媒質を挟んで対向配置され、第２−３面と第２−４面とが媒質を挟んで対向配置され、第２−１面と第２−２面とを結ぶ光路が、第２−３面と第２−４面とを結ぶ光路と交差するように構成されており、第２−２面と第２−３面の少なくとも一方の面が光束にパワーを与える曲面形状を有し、その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ているものである。
【００２８】
また、本発明の第１プリズムは、少なくとも１面プリズム内で光束を反射する反射面を有し、その反射面が光束にパワーを与え、かつ、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。
【００２９】
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、各プリズムの少なくとも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。
【００３０】
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各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、第２プリズムにおいては、特に、反射面である第２−２面と第２−３面の少なくとも一方の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。また、第１プリズムにおいては、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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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２２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。
【００３５】
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。
【００３６】
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２３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。
【００３７】
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２４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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
【００４１】
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。
【００４２】
ただし、Ｃj （ｊは２以上の整数）は係数である。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
また、本発明において、第２プリズムと像面との間に屈折力を持った光学要素を挟まずに構成することが重要である。
【００４８】
プリズムを用いた結像光学系の厚み方向のコンパクト化、特に、像を受光する素子がＣＣＤ等の電子撮像素子の場合、ローパスフィルターや赤外カットフィルター等を挿入する必要があり、それ以外のレンズ等が第２プリズムと像面との間に介在すると、より厚みが増すことになり、本発明の趣旨である薄型化に反することになる。
【００４９】
ところで、第２プリズムとして、前記のように、第２−１面と第２−２面とが媒質を挟んで対向配置され、第２−３面と第２−４面とが媒質を挟んで対向配置され、第２−１面と第２−２面とを結ぶ光路が第２−３面と第２−４面とを結ぶ光路と交差するように構成することが望ましい。
【００５０】
このような形状のプリズムは、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つの反射面の配置の対称性が高いので、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。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、光路長の長さの割にプリズムを小型化することができる。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。
【００５１】
また、第２プリズムとして、上記のように光路が交差するプリズムを用いることにより、第２プリズムを小型に構成することが可能となる。これは、同じ光路長をとる場合に、同じ２回反射タイプであってプリズム内でＺ字型光路をとるプリズムよりスペースの利用効率が良いからである。Ｚ字型光路をとるプリズムではプリズム内の光線は必ず別の領域を通過して進んで行くが、プリズム内で光路が交差するプリズムでは、同じ領域を２回通過することになり、プリズムを小型にすることが可能であるからである。
【００５２】
また、第２プリズムの第２−２面と第２−３面の両方を、光束にパワーを与えかつ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ように構成することができる。
【００５３】
また、第２プリズムの第２−２面と第２−３面の少なくとも一方の回転非対称な面形状を、唯一の対称面を１面のみ有した面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５４】
第２プリズムの第２−２面と第２−３面の両方を回転非対称な面形状にする場合に、それらの両方の回転非対称な面形状を、唯一の対称面を１面のみ有した面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５５】
そして、その場合に、第２−２面の面対称自由曲面の唯一の対称面と、第２−３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２プリズムを構成することができる。
【００５６】
また、第２プリズムの第２−１面と第２−４面の少なくとも一方の面を、光束にパワーを与え、かつ、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、屈折面にこのような面形状をとることは有効である。
【００５７】
その場合に、第２プリズムの第２−１面と第２−４面の両方の面を、光束にパワーを与えかつ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ように構成することができる。
【００５８】
さらに、第２プリズムの第２−１面及び／又は第２−４面の回転非対称な面形状が、唯一の対称面を１面のみ有した面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５９】
また、第１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面のみ有した面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００６０】
さらに、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面上に配置されるように構成した面対称自由曲面を備えている構成にすることができる。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
また、本発明において、第１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。
【００６４】
その場合に、第１プリズムが、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なるもの、言い換えれば、第２反射面と第１透過面を共有するタイプとすると、入射光線を第１反射面では少ない屈曲角で第２反射面へと反射し、第２反射面で大きく屈曲させるために、プリズムの入射光線方向の厚さを薄くすることが可能である。
【００６５】
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。
【００６６】
このような構成のプリズムを第１プリズムに用いる場合、さらに好ましくは、第１−２面の第１反射面を負のパワー（局所的には正のパワーが存在していてもよい）にすることが好ましい。これにより第２プリズムの正パワーを持つと面との光路に沿った光学的光路長を長く取ることが可能となり、それぞれの正と負のパワーを弱く構成することが可能となり、それぞれの面での収差発生を少なくすることが可能となり、最も効果的に収差性能の維持と広画角化が実現できる。
【００６７】
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。
【００６８】
また、本発明において、第１プリズムとしては、光束にパワーを与える２つの独立した反射面と、入射面と、射出面の４つの光学作用面からなるものとすることができる。
【００６９】
その場合に特に、第１プリズムの２つの反射面が記媒質を挟んで対向配置されていると共に、入射面と射出面とが媒質を挟んで対向配置され、その４つの面で形成される光路がＺ字型光路となるように構成することが望ましい。
【００７０】
このような形状のプリズムにおいては、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。
【００７１】
さらに好ましくは、第１反射面を負のパワーにすることが好ましい。これにより、第２プリズムの正のパワーを持つ面との光路に沿った光学的光路長を長く取ることが可能となり、それぞれの正と負のパワーを弱く構成することが可能となり、それぞれの面での収差発生を少なくすることが可能となる。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に、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となり、コマ収差の発生を原理的になくすことが可能となる。
【００７２】
また、本発明において、第１プリズムとしては、光束にパワーを与える２つの独立した反射面と、入射面と射出面と反射面とを１面で兼用した面の３つの光学作用面からなるものとすることができる。
【００７３】
第１透過面と第２反射面と第２透過面を共有するこのプリズムタイプは、入射光線を第１反射面では少ない屈曲角で第２反射面へと反射し、第２反射面で大きく屈曲させ、第３反射面で少ない屈曲角で屈曲させるために、プリズムの入射光線方向の厚さを薄くすることが可能であり、また、第１プリズムと第２プリズムの間に絞りを配置する場合に、絞り位置から通常強い負の屈折力を持つ第１−２面（第１反射面）までの光路長をプリズム内で長くとることが可能となり、光学系を薄型に構成することが可能となる。また、第１プリズムと第２プリズムの間の距離を短くできる。
【００７４】
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。
【００７５】
このような構成のプリズムを第１プリズムに用いる場合、さらに好ましくは、その第１−１面がプリズム内での反射を全反射作用により達成することによって透過作用と反射作用とを兼用するように構成されていることが望ましい。
【００７６】
また、第１プリズムの第１−２面が、プリズム内で反射される光束に対して全体として負のパワー（局所的には正のパワーが存在していてもよい）を与えるような反射面形状を備えていることが好ましい。
【００７７】
この構成により、第２プリズムの正パワーを持つと面との光路に沿った光学的光路長を長く取ることが可能となり、それぞれの正と負のパワーを弱く構成することが可能となり、それぞれの面での収差発生を少なくすることが可能となり、最も効果的に収差性能の維持と広画角化が実現できる。
【００７８】
また、本発明において、第１プリズムとしては、反射面と透過面とを兼用する入射面と、光束にパワーを与える２つの独立した反射面と、射出面の４つの光学作用面から構成したものとすることが可能である。
【００７９】
この構成は、上記の第１透過面と第２反射面と第２透過面を共有するタイプにおいて、第２透過面を独立の面で構成したものに相当し、上記の２つの独立した反射面と、入射面と射出面と反射面とを１面で兼用した面の３つの光学作用面からなるプリズムの作用に加えて、第２透過面に独立した別の光学作用面を用いるため、第３反射面の配置の自由度が高くなり、プリズム後方への出っ張りを小さくできると共に第１プリズムからの射出方向を自由に設定できる。さらに、光学作用面が４面になったため、収差補正の自由度が高くなり、良好に収差補正が可能になる。
【００８０】
なお、本発明の第１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。
【００８１】
また、本発明の第１プリズム、第２プリズムの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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
さて、ここで偏心光学系及び光学面のパワーを定義する。図２５に示すように、偏心光学系Ｓの偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、偏心光学系Ｓの軸上主光線と平行なＹ−Ｚ面内の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、偏心光学系Ｓから射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に投影したときのなす角をδｙとし、δｙ／ｄをＹ方向の偏心光学系ＳのパワーＰｙ、偏心光学系の軸上主光線と平行でＹ−Ｚ面と直交するＸ方向の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、偏心光学系Ｓから射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に直交する面であって軸上主光線を含む面に投影したときのなす角をδｘとし、δｘ／ｄをＸ方向の偏心光学系ＳのパワーＰｘとする。同様に偏心光学系Ｓを構成する偏心光学面ｎのＹ方向のパワーＰｙｎ、Ｘ方向のパワーＰｘｎが定義される。
【００９０】
さらに、これらのパワーの逆数がそれぞれ偏心光学系のＹ方向の焦点距離Ｆｙ、偏心光学系のＸ方向の焦点距離Ｆｘ、偏心光学面ｎのＹ方向の焦点距離Ｆｙｎ、Ｘ方向の焦点距離Ｆｘｎと定義される。
【００９１】
第２プリズムの第１反射面（第２−２面）のパワーを全系のパワーで割った値を、Ｘ方向に付いては、Ｐｘ2-1 ／Ｐｘ、Ｙ方向については、Ｐｙ2-1 ／Ｐｙ、第２プリズムの第２反射面（第２−３面）のパワーを全系のパワーで割った値を、Ｘ方向に付いては、Ｐｘ2-2 ／Ｐｘ、Ｙ方向については、Ｐｙ2-2 ／Ｐｙとするとき、
−１＜Ｐｘ2-1 ／Ｐｘ＜１ ・・・（１）
−１＜Ｐｙ2-1 ／Ｐｙ＜１ ・・・（２）
なる条件を少なくとも一方を満足することが重要である。
【００９２】
この条件の下限の−１を越えると、第２プリズムのパワーが負側に大きくなりすぎ、結像作用を光学系に与えることができない。さらに、上限の１を越えると、パワーが正側に大きくなりすぎ、像面湾曲等の収差が大きく発生しすぎる。
【００９３】
さらに好ましくは、
−０．５＜Ｐｘ2-1 ／Ｐｘ＜０．８ ・・・（１−１）
−０．５＜Ｐｙ2-1 ／Ｐｙ＜０．８ ・・・（２−１）
なる条件を少なくとも一方を満足することが重要である。
この条件の上限下限については、収差性能の良い光学系を構成する場合に重要となる。
【００９４】
さらに好ましくは、
０．１＜Ｐｘ2-1 ／Ｐｘ＜０．６ ・・・（１−２）
０．２＜Ｐｙ2-1 ／Ｐｙ＜０．６ ・・・（２−２）
なる条件を少なくとも一方を満足することが重要である。
この条件の上限下限については、収差性能の良い光学系を構成する場合に重要となる。
さらに好ましくは、上記条件式の両方を満足することが好ましい。
【００９５】
さらに好ましくは、第２プリズムの第２反射面（第２−３面）の軸上主光線が当たる位置でのＸ方向、Ｙ方向のパワーをＰｘ2-2 、Ｐｙ2-2 とし、光学系全体のＸ方向、Ｙ方向のパワーをＰｘ、Ｐｙすると、
−０．５＜Ｐｘ2-2 ／Ｐｘ＜１．２ ・・・（３）
−０．５＜Ｐｙ2-2 ／Ｐｙ＜１ ・・・（４）
なる条件を少なくとも一方を満足することが重要である。
【００９６】
この条件も前記条件と共に第２プリズムのパワーを規定するものである。下限の−０．５を越えると、第２プリズムのパワーが負側に大きくなりすぎ、結像作用を光学系に与えることができない。さらに、上限の１．２あるいは１を越えると、パワーが正側に大きくなりすぎ、像面湾曲等の収差が大きく発生しすぎる。
【００９７】
さらに好ましくは、
−０．２＜Ｐｘ2-2 ／Ｐｘ＜１ ・・・（３−１）
−０．２＜Ｐｙ2-2 ／Ｐｙ＜０．８ ・・・（４−１）
なる条件を少なくとも一方を満足することが重要である。
この条件の上限下限については、収差性能の良い光学系を構成する場合に重要となる。
【００９８】
さらに好ましくは、
０．２＜Ｐｘ2-2 ／Ｐｘ＜０．６ ・・・（３−２）
０＜Ｐｙ2-2 ／Ｐｙ＜０．４ ・・・（４−２）
なる条件を少なくとも一方を満足することが重要である。
この条件の上限下限については、収差性能の良い光学系を構成する場合に重要となる。
【００９９】
次に、第２プリズムの第１反射面（第２−２面）と第２反射面（第２−３面）の（Ｐｘ2-1 ＋Ｐｘ2-2 ）／（Ｐｙ2-1 ＋Ｐｙ2-2 ）に付いて、
０＜（Ｐｘ2-1 ＋Ｐｘ2-2 ）／（Ｐｙ2-1 ＋Ｐｙ2-2 ）＜４・・・（５）
なる条件を満足することが好ましい。
【０１００】
この条件は第２プリズムの２つの反射面のＸ方向のパワーの和とＹ方向のパワーの和の比をとったもので、下限の０を越えると、Ｘ方向のパワーがＹ方向に比べて小さくなりすぎ、画面周辺の非回転対称な非点格差が大きく発生したり、Ｘ方向に像が大きく結像する非回転対称な像歪みが発生する。また、上限の４を越えると、今度は画面周辺の非回転対称な非点格差が逆方向に大きく発生したり、Ｙ方向に像が大きく結像する非回転対称な像歪みが発生してしまう。
【０１０１】
さらに好ましくは、
０．５＜（Ｐｘ2-1 ＋Ｐｘ2-2 ）／（Ｐｙ2-1 ＋Ｐｙ2-2 ）＜２・・・（５−１）
なる条件を満足することが好ましい。この条件の下限と上限の意味は上記と同様である。
【０１０２】
さらに好ましくは、
１＜（Ｐｘ2-1 ＋Ｐｘ2-2 ）／（Ｐｙ2-1 ＋Ｐｙ2-2 ）＜１．７・・・（５−２）
なる条件を満足することが好ましい。この条件の下限と上限の意味は上記と同様である。
【０１０３】
次に、第１プリズムと第２プリズムのＸ方向のパワーの比Ｐｘ１／Ｐｘ２と、Ｙ方向のパワーの比Ｐｙ１／Ｐｙ２について、
−２＜Ｐｘ１／Ｐｘ２＜２ ・・・（６）
−２＜Ｐｙ１／Ｐｙ２＜２ ・・・（７）
なる条件を満足することが重要である。
【０１０４】
これらの条件の下限の−２を越えると、第１プリズムと第２プリズムのパワーが異符号となる。この場合は、正と負又は負と正のプリズムの組み合わせとなり、下限の−２を越えると、第１プリズムのパワーが強くなりすぎ、撮影画角は広く取れるが、コマ収差等の軸外収差の発生が大きくなり、第２プリズムでこれを補正することが不可能になる。次に、この値が正の場合、２つのプリズム光学系のパワーは同符号となり、上限の２を越えると、第２プリズムのパワーが小さくなりすぎ、光学系が大型になってしまう。
【０１０５】
さらに好ましくは、
−１＜Ｐｘ１／Ｐｘ２＜１ ・・・（６−１）
−１＜Ｐｙ１／Ｐｙ２＜１ ・・・（７−１）
なる条件を満足することが重要である。上限と下限の意味については上記条件式と同様である。
【０１０６】
さらに好ましくは、
−０．５＜Ｐｘ１／Ｐｘ2 ＜０．５ ・・・（６−２）
−０．５＜Ｐｙ１／Ｐｙ2 ＜０．５ ・・・（７−２）
なる条件を満足することが重要である。上限と下限の意味については上記条件式と同様である。
【０１０７】
なお、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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の結像光学系の実施例１〜８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４面）１４、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、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以下については、これら仮想面と座標系の図示は省く。
【０１２５】
実施例１〜８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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。なお、面間隔の符号については、第１仮想面からその基準の光学面（仮想面を含む。）に到る光路中の反射回数が偶数回の場合には正の値、奇数回の場合には負の値として示されているが、軸上主光線１の進行方向に沿っての距離は、何れも正の値である。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
なお、Ｘ軸方向に対称な光学系として設計するには、Ｄ4 ，Ｄ5 ，Ｄ6 、Ｄ10０，Ｄ11，Ｄ12，Ｄ13，Ｄ14，Ｄ20，Ｄ21，Ｄ22…を利用する。
【０１３２】
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。
なお、本発明の実施例では、前記（ａ）式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記（ｂ）式、（ｃ）式を用いても同様の作用効果を得られるのは言うまでもない。
【０１３３】
実施例１〜８は何れも、撮影画角が、水平半画角２６．３°、垂直半画角２０．３°、撮像素子の大きさは３．２×２．４ｍｍであり、Ｆナンバー２．８、焦点距離は約３．２７ｍｍ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。
【０１３４】
実施例１、２
実施例１、２の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図をそれぞれ図１、図２に示す。これら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、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４面１４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反射面、第４面１４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反射面１３、第２透過面１４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１プリズム１０の第１透過面１１、第２反射面１３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。なお、実施例１と２の違いは、第２プリズム２０中の第１反射面２２で反射する方向が相互に逆になっている点である。
【０１３５】
また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは第１面の仮想面１を基準とした偏心量で表されており、第７面、第８面の面頂位置は第６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９面から第１３面までは第８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。
【０１３６】
実施例３、４
実施例３、４の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図をそれぞれ図３、図４に示す。これらの実施例の構成パラメータは後記する。
実施例３、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４面１４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反射面、第４面１４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反射面１３、第２透過面１４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。なお、実施例３と４の違いは、第２プリズム２０中の第１反射面２２で反射する方向が相互に逆になっている点である。
【０１３７】
また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは第１面の仮想面１を基準とした偏心量で表されており、第７面、第８面の面頂位置は第６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９面から第１３面までは第８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。
【０１３８】
実施例５、６
実施例５、６の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図をそれぞれ図５、図６に示す。これらの実施例の構成パラメータは後記する。
実施例５、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５面１５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反射面、第４面１４は第３反射面、第５面１５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反射面１３、第３反射面１４、第２透過面１５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１プリズム１０の第１透過面１１、第２反射面１３、第２透過面１５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。なお、実施例５と６の違いは、第２プリズム２０中の第１反射面２２で反射する方向が相互に逆になっている点である。
【０１３９】
また、後記する構成パラメータの第２面から第７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８面、第９面の面頂位置は第７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１０面から第１４面までは第９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１４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。
【０１４０】
実施例７、８
実施例７、８の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図をそれぞれ図７、図８に示す。これらの実施例の構成パラメータは後記する。
実施例７、８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５面１５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反射面、第４面１４は第３反射面、第５面１５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反射面１３、第３反射面１４、第２透過面１５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１プリズム１０の第１透過面１１、第２反射面１３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。なお、実施例７と８の違いは、第２プリズム２０中の第１反射面２２で反射する方向が相互に逆になっている点である。
【０１４１】
また、後記する構成パラメータの第２面から第７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８面、第９面の面頂位置は第７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１０面から第１４面までは第９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１４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。
【０１４２】
以下に上記実施例１〜８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。
【０１４３】
【０１４４】
【０１４５】
【０１４６】
【０１４７】
【０１４８】
【０１４９】
【０１５０】
【０１５１】
次に、上記実施例１の横収差図を図９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。
【０１５２】
なお、上記実施例１〜８の条件式（１）〜（７）の値は次の通りである。
【０１５３】
以上の実施例の本発明の結像光学系を構成する第１プリズム１０としては、上記の実施例１〜８の内部反射回数２回又は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１プリズム１０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１０〜図１５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、第１プリズム１０として用いる場合には、光路を逆にして像面３６を物体側として物体からの光線が像面３６側から入射し、瞳３１側に射出するプリズムＰとして使用する。
【０１５４】
図１０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、第３面３４に入射して屈折されて、像面３６に結像する。
【０１５５】
図１１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、第３面３４で内部反射し、再び第１面３２に入射して今度は全反射し、再び第２面３３に入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０１５６】
図１２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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
図１４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。
【０１５９】
図１５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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
図１６〜図１８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１６は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図１７は同後方斜視図、図１８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。
【０１６２】
さらに、ファインダー用光路４４上には、例えば実施例３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、カバー部材として負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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
なお、図１８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。
【０１６５】
次に、図１９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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
次に、図２０は、本発明による結像光学系を電子内視鏡の観察系の対物光学系８１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８１は実施例４と略同様の形態の結像光学系を用いている。この電子内視鏡は、図２０（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、頭部装着型画像表示装置（ＨＭＤ）７８と共に構成されており、電子内視鏡７１の挿入部７９の先端部８０は、図２０（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８７を通って照明用対物光学系８６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８５を介して、観察用対物光学系８１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８２を介してＣＣＤ８３の撮像面８４上に形成される。さらに、この物体像は、ＣＣＤ８３によって映像信号に変換され、その映像信号は、図２０（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。また、ＨＭＤ７８の画像表示素子に表示されＨＭＤ７８の装着者に表示される。
【０１７０】
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８１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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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、第４面の中、複数の面又は全ての面が面対称自由曲面の場合には、複数の面又は全ての面の対称面が同一面Ｄ上に配置されるように構成することが、設計上も、収差性能上も望ましい。そして、この対称面Ｄと撮像面Ｃとの関係は、上述と同様の関係にあることが望ましい。
【０１７４】
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２プリズムが、光束を透過又は反射させる光学作用面を４面有し、それらを第２−１面、第２−２面、第２−３面、第２−４面とするとき、前記第２−１面が物体側からの光束をプリズム内に入射させ、前記第２−２面が前記第２−１面から入射した光束をプリズム内で反射し、前記第２−３面が前記第２−２面で反射された光束をプリズム内で反射し、前記第２−４面が前記第２−３面で反射された光束をプリズム外に射出するように構成され、かつ、前記第２−１面と前記第２−２面とが前記媒質を挟んで対向配置され、前記第２−３面と前記第２−４面とが前記媒質を挟んで対向配置され、前記第２−１面と前記第２−２面とを結ぶ光路が、前記第２−３面と前記第２−４面とを結ぶ光路と交差するように構成されており、
前記第２−２面と前記第２−３面の少なくとも一方の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１プリズムが、少なくとも１面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ように構成されていることを特徴とする結像光学系。
【０１７５】
〔２〕 前記第２プリズムの第２−２面と第２−３面の両方が、光束にパワーを与えかつ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。
【０１７６】
〔３〕 前記第２プリズムの第２−２面と第２−３面の少なくとも一方の回転非対称な面形状が、唯一の対称面を１面のみ有した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。
【０１７７】
〔４〕 前記第２プリズムの第２−２面と第２−３面の両方の回転非対称な面形状が、唯一の対称面を１面のみ有した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。
【０１７８】
〔５〕 前記第２プリズムの第２−２面の面対称自由曲面の唯一の対称面と、前記第２プリズムの第２−３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２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。
【０１７９】
〔６〕 前記第２プリズムの第２−１面と第２−４面の少なくとも一方の面が、光束にパワーを与え、かつ、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。
【０１８０】
〔７〕 前記第２プリズムの第２−１面と第２−４面の両方の面が、光束にパワーを与え、かつ、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。
【０１８１】
〔８〕 前記第２プリズムの第２−１面及び／又は第２−４面の回転非対称な面形状が、唯一の対称面を１面のみ有した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又は７記載の結像光学系。
【０１８２】
〔９〕 前記第１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面のみ有した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８の何れか１項記載の結像光学系。
【０１８３】
〔１０〕 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面上に配置されるように構成した面対称自由曲面を備えていることを特徴とする上記９記載の結像光学系。
【０１８４】
〔１１〕 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ていることを特徴とする上記１から１０の何れか１項記載の結像光学系。
【０１８５】
〔１２〕 前記瞳上に絞りを配置されたていることを特徴とする上記１１記載の結像光学系。
【０１８６】
〔１３〕 前記第１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１２の何れか１項記載の結像光学系。
【０１８７】
〔１４〕 前記第１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１３の何れか１項記載の結像光学系。
【０１８８】
〔１５〕 前記第１プリズムが、光束にパワーを与える２つの独立した反射面と、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１３の何れか１項記載の結像光学系。
【０１８９】
〔１６〕 前記第１プリズムが、前記２つの反射面が前記媒質を挟んで対向配置されていると共に、前記入射面と前記射出面とが前記媒質を挟んで対向配置され、前記４つの面で形成される光路がＺ字型光路となるように構成されていることを特徴とする上記１５記載の結像光学系。
【０１９０】
〔１７〕 前記第１プリズムが、光束にパワーを与える２つの独立した反射面と、入射面と射出面と反射面とを１面で兼用した面の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１３の何れか１項記載の結像光学系。
【０１９１】
〔１８〕 前記第１プリズムが、反射面と透過面とを兼用する入射面と、光束にパワーを与える２つの独立した反射面と、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１３の何れか１項記載の結像光学系。
【０１９２】
〔１９〕 全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方向とするとき、第２プリズムの第１反射面である第２−２面のパワーを全系のパワーで割った値を、Ｘ方向に付いては、Ｐｘ2-1 ／Ｐｘ、Ｙ方向については、Ｐｙ2-1 ／Ｐｙとすると、
−１＜Ｐｘ2-1 ／Ｐｘ＜１ ・・・（１）
−１＜Ｐｙ2-1 ／Ｐｙ＜１ ・・・（２）
の条件式の少なくとも一方を満足することを特徴とする上記１から１８の何れか１項記載の結像光学系。
【０１９３】
〔２０〕 全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方向とするとき、第２プリズムの第２反射面である第２−３面のパワーを全系のパワーで割った値を、Ｘ方向に付いては、Ｐｘ2-2 ／Ｐｘ、Ｙ方向については、Ｐｙ2-2 ／Ｐｙとすると、
−０．５＜Ｐｘ2-2 ／Ｐｘ＜１．２ ・・・（３）
−０．５＜Ｐｙ2-2 ／Ｐｙ＜１ ・・・（４）
の条件式の少なくとも一方を満足することを特徴とする上記１から１９の何れか１項記載の結像光学系。
【０１９４】
〔２１〕 全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方向とするとき、第２プリズムの第１反射面である第２−２面のパワーを全系のパワーで割った値を、Ｘ方向に付いては、Ｐｘ2-1 ／Ｐｘ、Ｙ方向については、Ｐｙ2-1 ／Ｐｙ、第２プリズムの第２反射面である第２−３面のパワーを全系のパワーで割った値を、Ｘ方向に付いては、Ｐｘ2-2 ／Ｐｘ、Ｙ方向については、Ｐｙ2-2 ／Ｐｙとすると、
０＜（Ｐｘ2-1 ＋Ｐｘ2-2 ）／（Ｐｙ2-1 ＋Ｐｙ2-2 ）＜４・・・（５）
の条件式を満足することを特徴とする上記１から２０の何れか１項記載の結像光学系。
【０１９５】
〔２２〕 全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方向とするとき、第１プリズムと第２プリズムのＸ方向のパワーの比をＰｘ１／Ｐｘ２、Ｙ方向のパワーの比をＰｙ１／Ｐｙ２とすると、
−２＜Ｐｘ１／Ｐｘ２＜２ ・・・（６）
−２＜Ｐｙ１／Ｐｙ２＜２ ・・・（７）
の条件式の少なくとも一方を満足することを特徴とする上記１から２１の何れか１項記載の結像光学系。
【０１９６】
〔２３〕 上記１から２２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。
【０１９７】
〔２４〕 上記２３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。
【０１９８】
〔２５〕 上記１から２２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。
【０１９９】
〔２６〕 上記１から２２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。
【０２００】
〔２７〕 上記１から２２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。
【０２０１】
〔２８〕 上記１から２２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。
【０２０２】
【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】本発明の実施例７の結像光学系の断面図である。
【図８】本発明の実施例８の結像光学系の断面図である。
【図９】実施例１の結像光学系の横収差図である。
【図１０】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１１】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１２】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１３】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１７】図１６の電子カメラの後方斜視図である。
【図１８】図１６の電子カメラの構成を示す断面図である。
【図１９】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２０】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。
【図２２】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２３】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２４】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２５】偏心光学系及び光学面のパワーの定義を説明するための図である。
【符号の説明】
１…軸上主光線
２…絞り
３…像面
１０…第１プリズム
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
１４…第４面
１５…第５面
２０…第２プリズム
２１…第１面
２２…第２面
２３…第３面
２４…第４面
３１…瞳
３２…第１面
３３…第２面
３４…第３面
３５…第４面
３６…像面（物体）
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…頭部装着型画像表示装置（ＨＭＤ）
７９…挿入部
８０…先端部
８１…観察用対物光学系
８２…フィルター
８３…ＣＣＤ
８４…撮像面
８５…カバー部材
８６…照明用対物光学系
８７…ライトガイドファイバー束
Ｍ …凹面鏡
Ｓ …偏心光学系
Ｅ …観察者眼球
Ｐ …プリズム
Ｃ …撮像面
Ｄ …対称面
【発明の属する技術分野】
本発明は、結像光学系に関し、その中でも特に、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、フィルムスキャナー、内視鏡等、小型の撮像素子を用いた光学装置用の反射面にパワーを有する偏心光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、フィルムスキャナー、内視鏡等用の結像光学系では、撮像素子の小型化に伴い、光学系自身も小型軽量、低コスト化が求められている。
【０００３】
しかし、一般の回転対称共軸光学系では、光学系の厚みは光学素子を光軸方向に配列するため、その小型化にも限界がある。また、同時に、回転対称な屈折レンズを用いることにより発生する色収差を補正するために、レンズ枚数の増加は避けられず、低コスト化も困難な状況である。そこで、最近では、特に色収差の発生しない反射面にパワーを持たせ、光軸方向の光路を折り畳むことで、小型化を図った光学系が提案されている。
【０００４】
特開平７−３３３５０５号のものは、偏心した反射面にパワーを付けて光路を折り畳み、光学系の厚みを小さくすることを提案しているが、実施例では、構成する光学部材が５個と多い上、実際の光学性能が不明である。また、その反射面の形状までは言及されていない。
【０００５】
また、特開平８−２９２３７１号、特開平９−５６５０号、特開平９−９０２２９号のものでは、プリズム１個あるいは複数のミラーを１つの部材としてブロック化することで光路を折り畳み、その光学系内部で像をリレーしながら最終像を形成する光学系が示されている。しかし、これらの例では、像をリレーするために反射の回数が多くなり、その面精度誤差、偏心精度誤差が積算され転送されることから、個々の精度が厳しくなり、コストアップにつながり好ましくない。また、同時に、像をリレーするために光学系全体の体積も大きくなり好ましくない。
【０００６】
また、特開平９−２２２５６３号では、複数のプリズムを用いた例を示しているが、像をリレーするために同様の理由からコストアップ、光学系の大型化につながり好ましくない。
また、特開平９−２１１３３１号では、プリズム１個を用いて光路を折り畳み光学系の小型化を図った例であるが、収差の補正が十分ではない。
【０００７】
また、特開平８−２９２３６８号、特開平８−２９２３７２号、特開平９−２２２５６１号、特開平９−２５８１０５号、特開平９−２５８１０６号のものでは、何れもズームレンズの例である。しかし、これらの例も、プリズム内部で像をリレーしているために反射の回数が多く、反射面の面精度誤差、偏心精度誤差が積算され転送され好ましくない。同時に、光学系の大型化も避けられず好ましくない。
【０００８】
また、特開平１０−２０１９６号のものは、正負の２群ズームレンズの正の前群を、絞りを挟んで物体側に負のパワーのプリズムで、像側を正のパワーのプリズムで構成した例である。また、負のプリズムと正のプリズムから構成される正の前群を２つに分割し、負正負の３群ズームレンズに構成した例も開示されている。しかし、これらの例で用いられるプリズムは、２つの透過面、２つの反射面が独立の面であるためにそのスペースを確保する必要上、また同時に、撮像面がライカサイズのフィルムフォーマットと大きいため、プリズム自体の大型化が避けられない。また、像側にテレセントリックの構成でないため、ＣＣＤ等の撮像素子への対応が難しい。また、何れのズームレンズの例も、プリズムを移動させることで変倍を行っているため、全ての変倍領域で性能を維持するために反射面の偏心精度が厳しくなり、コスト高になるという問題を有している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一般の屈折光学系で所望の屈折力を得ようとすると、その境界面で光学素子の色分散特性のために色収差が発生する。それを補正する目的と、他の光線収差を補正するために、屈折光学系は多くの構成要素を必要としてコスト高になるという問題を有している。また、同時に、光路が光軸に沿って直線になるために、光学系全体が光軸方向に長くなってしまい、撮像装置が大型になってしまうという問題があった。
【００１０】
また、従来技術について述べたような偏心光学系では、結像された像の収差が良好に補正され、なおかつ、特に回転非対称なディストーションが良好に補正されていないと、結像された図形等が歪んで写ってしまい、正しい形状を再現することができないという問題があった。
【００１１】
さらに、偏心光学系に反射面を用いる場合は、屈折面に比してその偏心誤差感度は２倍になり、反射回数を増やせば増やすだけ偏心誤差が積算され転送される結果となり、反射面の面精度や偏心精度等の製作精度、組み立て精度が厳しくなるという問題もあった。
【００１２】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、少ない光学素子の構成枚数で高性能、低コストな結像光学系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２プリズムが、光束を透過又は反射させる光学作用面を４面有し、それらを第２−１面、第２−２面、第２−３面、第２−４面とするとき、前記第２−１面が物体側からの光束をプリズム内に入射させ、前記第２−２面が前記第２−１面から入射した光束をプリズム内で反射し、前記第２−３面が前記第２−２面で反射された光束をプリズム内で反射し、前記第２−４面が前記第２−３面で反射された光束をプリズム外に射出するように構成され、かつ、前記第２−１面と前記第２−２面とが前記媒質を挟んで対向配置され、前記第２−３面と前記第２−４面とが前記媒質を挟んで対向配置され、前記第２−１面と前記第２−２面とを結ぶ光路が、前記第２−３面と前記第２−４面とを結ぶ光路と交差するように構成されており、前記第２−２面と前記第２−３面の少なくとも一方の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１プリズムが、少なくとも１面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２プリズムは、光束を透過又は反射させる光学作用面を４面有し、それらを第２−１面、第２−２面、第２−３面、第２−４面とするとき、第２−１面が物体側からの光束をプリズム内に入射させ、第２−２面が第２−１面から入射した光束をプリズム内で反射し、第２−３面が第２−２面で反射された光束をプリズム内で反射し、第２−４面が第２−３面で反射された光束をプリズム外に射出するように構成され、かつ、第２−１面と第２−２面とが媒質を挟んで対向配置され、第２−３面と第２−４面とが媒質を挟んで対向配置され、第２−１面と第２−２面とを結ぶ光路が、第２−３面と第２−４面とを結ぶ光路と交差するように構成されており、第２−２面と第２−３面の少なくとも一方の面が光束にパワーを与える曲面形状を有し、その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ているものである。
【００２８】
また、本発明の第１プリズムは、少なくとも１面プリズム内で光束を反射する反射面を有し、その反射面が光束にパワーを与え、かつ、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。
【００２９】
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、各プリズムの少なくとも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。
【００３０】
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各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、第２プリズムにおいては、特に、反射面である第２−２面と第２−３面の少なくとも一方の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。また、第１プリズムにおいては、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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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２２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。
【００３５】
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。
【００３６】
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２３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。
【００３７】
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２４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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
【００４１】
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。
【００４２】
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
また、本発明において、第２プリズムと像面との間に屈折力を持った光学要素を挟まずに構成することが重要である。
【００４８】
プリズムを用いた結像光学系の厚み方向のコンパクト化、特に、像を受光する素子がＣＣＤ等の電子撮像素子の場合、ローパスフィルターや赤外カットフィルター等を挿入する必要があり、それ以外のレンズ等が第２プリズムと像面との間に介在すると、より厚みが増すことになり、本発明の趣旨である薄型化に反することになる。
【００４９】
ところで、第２プリズムとして、前記のように、第２−１面と第２−２面とが媒質を挟んで対向配置され、第２−３面と第２−４面とが媒質を挟んで対向配置され、第２−１面と第２−２面とを結ぶ光路が第２−３面と第２−４面とを結ぶ光路と交差するように構成することが望ましい。
【００５０】
このような形状のプリズムは、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つの反射面の配置の対称性が高いので、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。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、光路長の長さの割にプリズムを小型化することができる。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。
【００５１】
また、第２プリズムとして、上記のように光路が交差するプリズムを用いることにより、第２プリズムを小型に構成することが可能となる。これは、同じ光路長をとる場合に、同じ２回反射タイプであってプリズム内でＺ字型光路をとるプリズムよりスペースの利用効率が良いからである。Ｚ字型光路をとるプリズムではプリズム内の光線は必ず別の領域を通過して進んで行くが、プリズム内で光路が交差するプリズムでは、同じ領域を２回通過することになり、プリズムを小型にすることが可能であるからである。
【００５２】
また、第２プリズムの第２−２面と第２−３面の両方を、光束にパワーを与えかつ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ように構成することができる。
【００５３】
また、第２プリズムの第２−２面と第２−３面の少なくとも一方の回転非対称な面形状を、唯一の対称面を１面のみ有した面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５４】
第２プリズムの第２−２面と第２−３面の両方を回転非対称な面形状にする場合に、それらの両方の回転非対称な面形状を、唯一の対称面を１面のみ有した面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５５】
そして、その場合に、第２−２面の面対称自由曲面の唯一の対称面と、第２−３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２プリズムを構成することができる。
【００５６】
また、第２プリズムの第２−１面と第２−４面の少なくとも一方の面を、光束にパワーを与え、かつ、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、屈折面にこのような面形状をとることは有効である。
【００５７】
その場合に、第２プリズムの第２−１面と第２−４面の両方の面を、光束にパワーを与えかつ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ように構成することができる。
【００５８】
さらに、第２プリズムの第２−１面及び／又は第２−４面の回転非対称な面形状が、唯一の対称面を１面のみ有した面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５９】
また、第１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面のみ有した面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００６０】
さらに、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面上に配置されるように構成した面対称自由曲面を備えている構成にすることができる。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
また、本発明において、第１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。
【００６４】
その場合に、第１プリズムが、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なるもの、言い換えれば、第２反射面と第１透過面を共有するタイプとすると、入射光線を第１反射面では少ない屈曲角で第２反射面へと反射し、第２反射面で大きく屈曲させるために、プリズムの入射光線方向の厚さを薄くすることが可能である。
【００６５】
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。
【００６６】
このような構成のプリズムを第１プリズムに用いる場合、さらに好ましくは、第１−２面の第１反射面を負のパワー（局所的には正のパワーが存在していてもよい）にすることが好ましい。これにより第２プリズムの正パワーを持つと面との光路に沿った光学的光路長を長く取ることが可能となり、それぞれの正と負のパワーを弱く構成することが可能となり、それぞれの面での収差発生を少なくすることが可能となり、最も効果的に収差性能の維持と広画角化が実現できる。
【００６７】
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。
【００６８】
また、本発明において、第１プリズムとしては、光束にパワーを与える２つの独立した反射面と、入射面と、射出面の４つの光学作用面からなるものとすることができる。
【００６９】
その場合に特に、第１プリズムの２つの反射面が記媒質を挟んで対向配置されていると共に、入射面と射出面とが媒質を挟んで対向配置され、その４つの面で形成される光路がＺ字型光路となるように構成することが望ましい。
【００７０】
このような形状のプリズムにおいては、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。
【００７１】
さらに好ましくは、第１反射面を負のパワーにすることが好ましい。これにより、第２プリズムの正のパワーを持つ面との光路に沿った光学的光路長を長く取ることが可能となり、それぞれの正と負のパワーを弱く構成することが可能となり、それぞれの面での収差発生を少なくすることが可能となる。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に、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となり、コマ収差の発生を原理的になくすことが可能となる。
【００７２】
また、本発明において、第１プリズムとしては、光束にパワーを与える２つの独立した反射面と、入射面と射出面と反射面とを１面で兼用した面の３つの光学作用面からなるものとすることができる。
【００７３】
第１透過面と第２反射面と第２透過面を共有するこのプリズムタイプは、入射光線を第１反射面では少ない屈曲角で第２反射面へと反射し、第２反射面で大きく屈曲させ、第３反射面で少ない屈曲角で屈曲させるために、プリズムの入射光線方向の厚さを薄くすることが可能であり、また、第１プリズムと第２プリズムの間に絞りを配置する場合に、絞り位置から通常強い負の屈折力を持つ第１−２面（第１反射面）までの光路長をプリズム内で長くとることが可能となり、光学系を薄型に構成することが可能となる。また、第１プリズムと第２プリズムの間の距離を短くできる。
【００７４】
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。
【００７５】
このような構成のプリズムを第１プリズムに用いる場合、さらに好ましくは、その第１−１面がプリズム内での反射を全反射作用により達成することによって透過作用と反射作用とを兼用するように構成されていることが望ましい。
【００７６】
また、第１プリズムの第１−２面が、プリズム内で反射される光束に対して全体として負のパワー（局所的には正のパワーが存在していてもよい）を与えるような反射面形状を備えていることが好ましい。
【００７７】
この構成により、第２プリズムの正パワーを持つと面との光路に沿った光学的光路長を長く取ることが可能となり、それぞれの正と負のパワーを弱く構成することが可能となり、それぞれの面での収差発生を少なくすることが可能となり、最も効果的に収差性能の維持と広画角化が実現できる。
【００７８】
また、本発明において、第１プリズムとしては、反射面と透過面とを兼用する入射面と、光束にパワーを与える２つの独立した反射面と、射出面の４つの光学作用面から構成したものとすることが可能である。
【００７９】
この構成は、上記の第１透過面と第２反射面と第２透過面を共有するタイプにおいて、第２透過面を独立の面で構成したものに相当し、上記の２つの独立した反射面と、入射面と射出面と反射面とを１面で兼用した面の３つの光学作用面からなるプリズムの作用に加えて、第２透過面に独立した別の光学作用面を用いるため、第３反射面の配置の自由度が高くなり、プリズム後方への出っ張りを小さくできると共に第１プリズムからの射出方向を自由に設定できる。さらに、光学作用面が４面になったため、収差補正の自由度が高くなり、良好に収差補正が可能になる。
【００８０】
なお、本発明の第１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。
【００８１】
また、本発明の第１プリズム、第２プリズムの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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
さて、ここで偏心光学系及び光学面のパワーを定義する。図２５に示すように、偏心光学系Ｓの偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、偏心光学系Ｓの軸上主光線と平行なＹ−Ｚ面内の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、偏心光学系Ｓから射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に投影したときのなす角をδｙとし、δｙ／ｄをＹ方向の偏心光学系ＳのパワーＰｙ、偏心光学系の軸上主光線と平行でＹ−Ｚ面と直交するＸ方向の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、偏心光学系Ｓから射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に直交する面であって軸上主光線を含む面に投影したときのなす角をδｘとし、δｘ／ｄをＸ方向の偏心光学系ＳのパワーＰｘとする。同様に偏心光学系Ｓを構成する偏心光学面ｎのＹ方向のパワーＰｙｎ、Ｘ方向のパワーＰｘｎが定義される。
【００９０】
さらに、これらのパワーの逆数がそれぞれ偏心光学系のＹ方向の焦点距離Ｆｙ、偏心光学系のＸ方向の焦点距離Ｆｘ、偏心光学面ｎのＹ方向の焦点距離Ｆｙｎ、Ｘ方向の焦点距離Ｆｘｎと定義される。
【００９１】
第２プリズムの第１反射面（第２−２面）のパワーを全系のパワーで割った値を、Ｘ方向に付いては、Ｐｘ2-1 ／Ｐｘ、Ｙ方向については、Ｐｙ2-1 ／Ｐｙ、第２プリズムの第２反射面（第２−３面）のパワーを全系のパワーで割った値を、Ｘ方向に付いては、Ｐｘ2-2 ／Ｐｘ、Ｙ方向については、Ｐｙ2-2 ／Ｐｙとするとき、
−１＜Ｐｘ2-1 ／Ｐｘ＜１ ・・・（１）
−１＜Ｐｙ2-1 ／Ｐｙ＜１ ・・・（２）
なる条件を少なくとも一方を満足することが重要である。
【００９２】
この条件の下限の−１を越えると、第２プリズムのパワーが負側に大きくなりすぎ、結像作用を光学系に与えることができない。さらに、上限の１を越えると、パワーが正側に大きくなりすぎ、像面湾曲等の収差が大きく発生しすぎる。
【００９３】
さらに好ましくは、
−０．５＜Ｐｘ2-1 ／Ｐｘ＜０．８ ・・・（１−１）
−０．５＜Ｐｙ2-1 ／Ｐｙ＜０．８ ・・・（２−１）
なる条件を少なくとも一方を満足することが重要である。
この条件の上限下限については、収差性能の良い光学系を構成する場合に重要となる。
【００９４】
さらに好ましくは、
０．１＜Ｐｘ2-1 ／Ｐｘ＜０．６ ・・・（１−２）
０．２＜Ｐｙ2-1 ／Ｐｙ＜０．６ ・・・（２−２）
なる条件を少なくとも一方を満足することが重要である。
この条件の上限下限については、収差性能の良い光学系を構成する場合に重要となる。
さらに好ましくは、上記条件式の両方を満足することが好ましい。
【００９５】
さらに好ましくは、第２プリズムの第２反射面（第２−３面）の軸上主光線が当たる位置でのＸ方向、Ｙ方向のパワーをＰｘ2-2 、Ｐｙ2-2 とし、光学系全体のＸ方向、Ｙ方向のパワーをＰｘ、Ｐｙすると、
−０．５＜Ｐｘ2-2 ／Ｐｘ＜１．２ ・・・（３）
−０．５＜Ｐｙ2-2 ／Ｐｙ＜１ ・・・（４）
なる条件を少なくとも一方を満足することが重要である。
【００９６】
この条件も前記条件と共に第２プリズムのパワーを規定するものである。下限の−０．５を越えると、第２プリズムのパワーが負側に大きくなりすぎ、結像作用を光学系に与えることができない。さらに、上限の１．２あるいは１を越えると、パワーが正側に大きくなりすぎ、像面湾曲等の収差が大きく発生しすぎる。
【００９７】
さらに好ましくは、
−０．２＜Ｐｘ2-2 ／Ｐｘ＜１ ・・・（３−１）
−０．２＜Ｐｙ2-2 ／Ｐｙ＜０．８ ・・・（４−１）
なる条件を少なくとも一方を満足することが重要である。
この条件の上限下限については、収差性能の良い光学系を構成する場合に重要となる。
【００９８】
さらに好ましくは、
０．２＜Ｐｘ2-2 ／Ｐｘ＜０．６ ・・・（３−２）
０＜Ｐｙ2-2 ／Ｐｙ＜０．４ ・・・（４−２）
なる条件を少なくとも一方を満足することが重要である。
この条件の上限下限については、収差性能の良い光学系を構成する場合に重要となる。
【００９９】
次に、第２プリズムの第１反射面（第２−２面）と第２反射面（第２−３面）の（Ｐｘ2-1 ＋Ｐｘ2-2 ）／（Ｐｙ2-1 ＋Ｐｙ2-2 ）に付いて、
０＜（Ｐｘ2-1 ＋Ｐｘ2-2 ）／（Ｐｙ2-1 ＋Ｐｙ2-2 ）＜４・・・（５）
なる条件を満足することが好ましい。
【０１００】
この条件は第２プリズムの２つの反射面のＸ方向のパワーの和とＹ方向のパワーの和の比をとったもので、下限の０を越えると、Ｘ方向のパワーがＹ方向に比べて小さくなりすぎ、画面周辺の非回転対称な非点格差が大きく発生したり、Ｘ方向に像が大きく結像する非回転対称な像歪みが発生する。また、上限の４を越えると、今度は画面周辺の非回転対称な非点格差が逆方向に大きく発生したり、Ｙ方向に像が大きく結像する非回転対称な像歪みが発生してしまう。
【０１０１】
さらに好ましくは、
０．５＜（Ｐｘ2-1 ＋Ｐｘ2-2 ）／（Ｐｙ2-1 ＋Ｐｙ2-2 ）＜２・・・（５−１）
なる条件を満足することが好ましい。この条件の下限と上限の意味は上記と同様である。
【０１０２】
さらに好ましくは、
１＜（Ｐｘ2-1 ＋Ｐｘ2-2 ）／（Ｐｙ2-1 ＋Ｐｙ2-2 ）＜１．７・・・（５−２）
なる条件を満足することが好ましい。この条件の下限と上限の意味は上記と同様である。
【０１０３】
次に、第１プリズムと第２プリズムのＸ方向のパワーの比Ｐｘ１／Ｐｘ２と、Ｙ方向のパワーの比Ｐｙ１／Ｐｙ２について、
−２＜Ｐｘ１／Ｐｘ２＜２ ・・・（６）
−２＜Ｐｙ１／Ｐｙ２＜２ ・・・（７）
なる条件を満足することが重要である。
【０１０４】
これらの条件の下限の−２を越えると、第１プリズムと第２プリズムのパワーが異符号となる。この場合は、正と負又は負と正のプリズムの組み合わせとなり、下限の−２を越えると、第１プリズムのパワーが強くなりすぎ、撮影画角は広く取れるが、コマ収差等の軸外収差の発生が大きくなり、第２プリズムでこれを補正することが不可能になる。次に、この値が正の場合、２つのプリズム光学系のパワーは同符号となり、上限の２を越えると、第２プリズムのパワーが小さくなりすぎ、光学系が大型になってしまう。
【０１０５】
さらに好ましくは、
−１＜Ｐｘ１／Ｐｘ２＜１ ・・・（６−１）
−１＜Ｐｙ１／Ｐｙ２＜１ ・・・（７−１）
なる条件を満足することが重要である。上限と下限の意味については上記条件式と同様である。
【０１０６】
さらに好ましくは、
−０．５＜Ｐｘ１／Ｐｘ2 ＜０．５ ・・・（６−２）
−０．５＜Ｐｙ１／Ｐｙ2 ＜０．５ ・・・（７−２）
なる条件を満足することが重要である。上限と下限の意味については上記条件式と同様である。
【０１０７】
なお、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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の結像光学系の実施例１〜８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４面）１４、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、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以下については、これら仮想面と座標系の図示は省く。
【０１２５】
実施例１〜８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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。なお、面間隔の符号については、第１仮想面からその基準の光学面（仮想面を含む。）に到る光路中の反射回数が偶数回の場合には正の値、奇数回の場合には負の値として示されているが、軸上主光線１の進行方向に沿っての距離は、何れも正の値である。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
【０１３２】
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。
【０１３３】
実施例１〜８は何れも、撮影画角が、水平半画角２６．３°、垂直半画角２０．３°、撮像素子の大きさは３．２×２．４ｍｍであり、Ｆナンバー２．８、焦点距離は約３．２７ｍｍ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。
【０１３４】
実施例１、２
実施例１、２の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図をそれぞれ図１、図２に示す。これら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、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４面１４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反射面、第４面１４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反射面１３、第２透過面１４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１プリズム１０の第１透過面１１、第２反射面１３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。なお、実施例１と２の違いは、第２プリズム２０中の第１反射面２２で反射する方向が相互に逆になっている点である。
【０１３５】
また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは第１面の仮想面１を基準とした偏心量で表されており、第７面、第８面の面頂位置は第６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９面から第１３面までは第８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。
【０１３６】
実施例３、４
実施例３、４の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図をそれぞれ図３、図４に示す。これらの実施例の構成パラメータは後記する。
実施例３、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４面１４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反射面、第４面１４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反射面１３、第２透過面１４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。なお、実施例３と４の違いは、第２プリズム２０中の第１反射面２２で反射する方向が相互に逆になっている点である。
【０１３７】
また、後記する構成パラメータの第２面から第６面までは第１面の仮想面１を基準とした偏心量で表されており、第７面、第８面の面頂位置は第６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９面から第１３面までは第８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。
【０１３８】
実施例５、６
実施例５、６の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図をそれぞれ図５、図６に示す。これらの実施例の構成パラメータは後記する。
実施例５、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５面１５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反射面、第４面１４は第３反射面、第５面１５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反射面１３、第３反射面１４、第２透過面１５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１プリズム１０の第１透過面１１、第２反射面１３、第２透過面１５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。なお、実施例５と６の違いは、第２プリズム２０中の第１反射面２２で反射する方向が相互に逆になっている点である。
【０１３９】
また、後記する構成パラメータの第２面から第７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８面、第９面の面頂位置は第７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１０面から第１４面までは第９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１４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。
【０１４０】
実施例７、８
実施例７、８の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図をそれぞれ図７、図８に示す。これらの実施例の構成パラメータは後記する。
実施例７、８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５面１５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反射面、第４面１４は第３反射面、第５面１５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反射面１３、第３反射面１４、第２透過面１５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１プリズム１０の第１透過面１１、第２反射面１３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。なお、実施例７と８の違いは、第２プリズム２０中の第１反射面２２で反射する方向が相互に逆になっている点である。
【０１４１】
また、後記する構成パラメータの第２面から第７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８面、第９面の面頂位置は第７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１０面から第１４面までは第９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１４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。
【０１４２】
以下に上記実施例１〜８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。
【０１４３】
次に、上記実施例１の横収差図を図９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。
【０１５２】
なお、上記実施例１〜８の条件式（１）〜（７）の値は次の通りである。
以上の実施例の本発明の結像光学系を構成する第１プリズム１０としては、上記の実施例１〜８の内部反射回数２回又は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１プリズム１０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１０〜図１５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、第１プリズム１０として用いる場合には、光路を逆にして像面３６を物体側として物体からの光線が像面３６側から入射し、瞳３１側に射出するプリズムＰとして使用する。
【０１５４】
図１０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、第３面３４に入射して屈折されて、像面３６に結像する。
【０１５５】
図１１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、第３面３４で内部反射し、再び第１面３２に入射して今度は全反射し、再び第２面３３に入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０１５６】
図１２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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
図１４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。
【０１５９】
図１５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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
図１６〜図１８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１６は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図１７は同後方斜視図、図１８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。
【０１６２】
さらに、ファインダー用光路４４上には、例えば実施例３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、カバー部材として負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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
なお、図１８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。
【０１６５】
次に、図１９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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
次に、図２０は、本発明による結像光学系を電子内視鏡の観察系の対物光学系８１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８１は実施例４と略同様の形態の結像光学系を用いている。この電子内視鏡は、図２０（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、頭部装着型画像表示装置（ＨＭＤ）７８と共に構成されており、電子内視鏡７１の挿入部７９の先端部８０は、図２０（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８７を通って照明用対物光学系８６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８５を介して、観察用対物光学系８１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８２を介してＣＣＤ８３の撮像面８４上に形成される。さらに、この物体像は、ＣＣＤ８３によって映像信号に変換され、その映像信号は、図２０（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。また、ＨＭＤ７８の画像表示素子に表示されＨＭＤ７８の装着者に表示される。
【０１７０】
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８１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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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、第４面の中、複数の面又は全ての面が面対称自由曲面の場合には、複数の面又は全ての面の対称面が同一面Ｄ上に配置されるように構成することが、設計上も、収差性能上も望ましい。そして、この対称面Ｄと撮像面Ｃとの関係は、上述と同様の関係にあることが望ましい。
【０１７４】
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２プリズムが、光束を透過又は反射させる光学作用面を４面有し、それらを第２−１面、第２−２面、第２−３面、第２−４面とするとき、前記第２−１面が物体側からの光束をプリズム内に入射させ、前記第２−２面が前記第２−１面から入射した光束をプリズム内で反射し、前記第２−３面が前記第２−２面で反射された光束をプリズム内で反射し、前記第２−４面が前記第２−３面で反射された光束をプリズム外に射出するように構成され、かつ、前記第２−１面と前記第２−２面とが前記媒質を挟んで対向配置され、前記第２−３面と前記第２−４面とが前記媒質を挟んで対向配置され、前記第２−１面と前記第２−２面とを結ぶ光路が、前記第２−３面と前記第２−４面とを結ぶ光路と交差するように構成されており、
前記第２−２面と前記第２−３面の少なくとも一方の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１プリズムが、少なくとも１面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ように構成されていることを特徴とする結像光学系。
【０１７５】
〔２〕 前記第２プリズムの第２−２面と第２−３面の両方が、光束にパワーを与えかつ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。
【０１７６】
〔３〕 前記第２プリズムの第２−２面と第２−３面の少なくとも一方の回転非対称な面形状が、唯一の対称面を１面のみ有した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。
【０１７７】
〔４〕 前記第２プリズムの第２−２面と第２−３面の両方の回転非対称な面形状が、唯一の対称面を１面のみ有した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。
【０１７８】
〔５〕 前記第２プリズムの第２−２面の面対称自由曲面の唯一の対称面と、前記第２プリズムの第２−３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２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。
【０１７９】
〔６〕 前記第２プリズムの第２−１面と第２−４面の少なくとも一方の面が、光束にパワーを与え、かつ、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。
【０１８０】
〔７〕 前記第２プリズムの第２−１面と第２−４面の両方の面が、光束にパワーを与え、かつ、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。
【０１８１】
〔８〕 前記第２プリズムの第２−１面及び／又は第２−４面の回転非対称な面形状が、唯一の対称面を１面のみ有した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又は７記載の結像光学系。
【０１８２】
〔９〕 前記第１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面のみ有した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８の何れか１項記載の結像光学系。
【０１８３】
〔１０〕 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面上に配置されるように構成した面対称自由曲面を備えていることを特徴とする上記９記載の結像光学系。
【０１８４】
〔１１〕 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ていることを特徴とする上記１から１０の何れか１項記載の結像光学系。
【０１８５】
〔１２〕 前記瞳上に絞りを配置されたていることを特徴とする上記１１記載の結像光学系。
【０１８６】
〔１３〕 前記第１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１２の何れか１項記載の結像光学系。
【０１８７】
〔１４〕 前記第１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１３の何れか１項記載の結像光学系。
【０１８８】
〔１５〕 前記第１プリズムが、光束にパワーを与える２つの独立した反射面と、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１３の何れか１項記載の結像光学系。
【０１８９】
〔１６〕 前記第１プリズムが、前記２つの反射面が前記媒質を挟んで対向配置されていると共に、前記入射面と前記射出面とが前記媒質を挟んで対向配置され、前記４つの面で形成される光路がＺ字型光路となるように構成されていることを特徴とする上記１５記載の結像光学系。
【０１９０】
〔１７〕 前記第１プリズムが、光束にパワーを与える２つの独立した反射面と、入射面と射出面と反射面とを１面で兼用した面の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１３の何れか１項記載の結像光学系。
【０１９１】
〔１８〕 前記第１プリズムが、反射面と透過面とを兼用する入射面と、光束にパワーを与える２つの独立した反射面と、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１３の何れか１項記載の結像光学系。
【０１９２】
〔１９〕 全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方向とするとき、第２プリズムの第１反射面である第２−２面のパワーを全系のパワーで割った値を、Ｘ方向に付いては、Ｐｘ2-1 ／Ｐｘ、Ｙ方向については、Ｐｙ2-1 ／Ｐｙとすると、
−１＜Ｐｘ2-1 ／Ｐｘ＜１ ・・・（１）
−１＜Ｐｙ2-1 ／Ｐｙ＜１ ・・・（２）
の条件式の少なくとも一方を満足することを特徴とする上記１から１８の何れか１項記載の結像光学系。
【０１９３】
〔２０〕 全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方向とするとき、第２プリズムの第２反射面である第２−３面のパワーを全系のパワーで割った値を、Ｘ方向に付いては、Ｐｘ2-2 ／Ｐｘ、Ｙ方向については、Ｐｙ2-2 ／Ｐｙとすると、
−０．５＜Ｐｘ2-2 ／Ｐｘ＜１．２ ・・・（３）
−０．５＜Ｐｙ2-2 ／Ｐｙ＜１ ・・・（４）
の条件式の少なくとも一方を満足することを特徴とする上記１から１９の何れか１項記載の結像光学系。
【０１９４】
〔２１〕 全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方向とするとき、第２プリズムの第１反射面である第２−２面のパワーを全系のパワーで割った値を、Ｘ方向に付いては、Ｐｘ2-1 ／Ｐｘ、Ｙ方向については、Ｐｙ2-1 ／Ｐｙ、第２プリズムの第２反射面である第２−３面のパワーを全系のパワーで割った値を、Ｘ方向に付いては、Ｐｘ2-2 ／Ｐｘ、Ｙ方向については、Ｐｙ2-2 ／Ｐｙとすると、
０＜（Ｐｘ2-1 ＋Ｐｘ2-2 ）／（Ｐｙ2-1 ＋Ｐｙ2-2 ）＜４・・・（５）
の条件式を満足することを特徴とする上記１から２０の何れか１項記載の結像光学系。
【０１９５】
〔２２〕 全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方向とするとき、第１プリズムと第２プリズムのＸ方向のパワーの比をＰｘ１／Ｐｘ２、Ｙ方向のパワーの比をＰｙ１／Ｐｙ２とすると、
−２＜Ｐｘ１／Ｐｘ２＜２ ・・・（６）
−２＜Ｐｙ１／Ｐｙ２＜２ ・・・（７）
の条件式の少なくとも一方を満足することを特徴とする上記１から２１の何れか１項記載の結像光学系。
【０１９６】
〔２３〕 上記１から２２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。
【０１９７】
〔２４〕 上記２３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。
【０１９８】
〔２５〕 上記１から２２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。
【０１９９】
〔２６〕 上記１から２２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。
【０２００】
〔２７〕 上記１から２２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。
【０２０１】
〔２８〕 上記１から２２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。
【０２０２】
【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】本発明の実施例７の結像光学系の断面図である。
【図８】本発明の実施例８の結像光学系の断面図である。
【図９】実施例１の結像光学系の横収差図である。
【図１０】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１１】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１２】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１３】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１７】図１６の電子カメラの後方斜視図である。
【図１８】図１６の電子カメラの構成を示す断面図である。
【図１９】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２０】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。
【図２２】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２３】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２４】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２５】偏心光学系及び光学面のパワーの定義を説明するための図である。
【符号の説明】
１…軸上主光線
２…絞り
３…像面
１０…第１プリズム
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
１４…第４面
１５…第５面
２０…第２プリズム
２１…第１面
２２…第２面
２３…第３面
２４…第４面
３１…瞳
３２…第１面
３３…第２面
３４…第３面
３５…第４面
３６…像面（物体）
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…頭部装着型画像表示装置（ＨＭＤ）
７９…挿入部
８０…先端部
８１…観察用対物光学系
８２…フィルター
８３…ＣＣＤ
８４…撮像面
８５…カバー部材
８６…照明用対物光学系
８７…ライトガイドファイバー束
Ｍ …凹面鏡
Ｓ …偏心光学系
Ｅ …観察者眼球
Ｐ …プリズム
Ｃ …撮像面
Ｄ …対称面
Claims (3)
- 物体像を形成する全体として正の屈折力を有し、像側に略テレセントリックであ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２プリズムが、光束を透過又は反射させる光学作用面を４面有し、それらを第２−１面、第２−２面、第２−３面、第２−４面とするとき、前記第２−１面が物体側からの光束をプリズム内に入射させ、前記第２−２面が前記第２−１面から入射した光束をプリズム内で反射し、前記第２−３面が前記第２−２面で反射された光束をプリズム内で反射し、前記第２−４面が前記第２−３面で反射された光束をプリズム外に射出するように構成され、かつ、前記第２−１面と前記第２−２面とが前記媒質を挟んで対向配置され、前記第２−３面と前記第２−４面とが前記媒質を挟んで対向配置され、前記第２−１面と前記第２−２面とを結ぶ光路が、前記第２−３面と前記第２−４面とを結ぶ光路と交差するように構成されており、
前記第２−２面と前記第２−３面の何れもが光束に正の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１プリズムが、少なくとも１面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ように構成されていることを特徴とする結像光学系。 - 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ていることを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
- 前記第１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請求項１又は２記載の結像光学系。
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