JP4943580B2 - 結像光学系 - Google Patents

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、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、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。さらに、最近では、携帯電話やＰＤＡ、ノートパソコン等に電子撮像光学系を内蔵する製品も出てきており、光学系をより薄型化することが強く望まれている。
【０００３】
そのような状況で、近年、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光学系の小型化、薄型化を図った光学系が提案されている。
【０００４】
特開平８−２９２３７１号、特開平９−９０２２９号、特開平１０−６８８８４号には、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。
【０００５】
しかし、これらの例では、像をリレーするために反射回数が多くなり、その面精度誤差、偏心精度誤差等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るため好ましくない。
【０００６】
また、リレー像を形成しないものとして、特開平９−２１１３３１号のものがある。これは、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、撮影画角が非常に狭く、また、収差補正が十分ではない。
【０００７】
また、リレー像を形成せず、プリズムを２個使用したものとしては、特開平１０−２０１９６号のズームレンズがある。これは、正負の２群構成で、前群は絞りを挟んで物体側に負のパワーのプリズム、像側に正のパワーのプリズムを配置している。また、負のプリズムと正のプリズムから構成された正の前群を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。これらの例では、像側に略テレセントリックな構成になっていないため、ＣＣＤ等の撮像素子を用いた光学系には適用できない。さらに、２つのプリズムの反射面が全部で４面あるため、製造誤差が厳しく、コストアップの要因となり、好ましくない。また、開口絞りより物体側における軸外光束は光線高が高く、反射面を２つ有するプリズムを用いると、プリズムが大型化していまう。
【０００８】
また、特開２０００−１１１８００にも、プリズム２個を使用したレンズが開示されているが、これらのレンズ系はあまり薄型化、小型化にはなっておらず、撮影方向に対して撮像素子（像面）が垂直方向に配置されておらず、また、撮像素子の基板まで考慮すると、非常に薄い撮像ユニットを形成することは困難である。
【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、反射面を３面のみで光路を折り畳み、特に撮像素子の垂直方向に非常に薄型化した、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、物体側から順に、少なくとも第１プリズムを含む前群と、開口絞りと、第２プリズムを含む後群で構成され、かつ、中間像を形成しない結像光学系にて形成され、
前記第１プリズムが、光束を透過又は反射させる光学作用面を３面有し、それらを第１−１面、第１−２面、第１−３面とするとき、前記第１−１面が物体側からの光束をプリズム内に入射させ、前記第１−２面が前記第１−１面から入射した光束をプリズム内で反射し、前記第１−３面が前記第１−２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ており、
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１プリズムの前記第１−２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し、
前記第２プリズムの前記第２−２面と前記第２−３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ように構成され、
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、前記第１プリズムを含む前群のＸ方向のパワーをＰ1x、Ｙ方向のパワーをＰ1y、前記第２プリズムを含む後群のＸ方向のパワーをＰ2x、Ｙ方向のパワーをＰ2y、全系のＸ方向のパワーをＰx 、Ｙ方向のパワーをＰy としたとき、条件式（１−１）、（２−１）を満足することを特徴とするものである。
−０．５＜Ｐ1x／Ｐx ＜０．４ ・・・（１−１）
−０．５＜Ｐ1y／Ｐy ＜０．４ ・・・（２−１）
本発明のもう１つの結像光学系は、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、物体側から順に、少なくとも第１プリズムを含む前群と、開口絞りと、第２プリズムを含む後群で構成され、かつ、中間像を形成しない結像光学系にて形成され、
前記第１プリズムが、光束を透過又は反射させる光学作用面を３面有し、それらを第１−１面、第１−２面、第１−３面とするとき、前記第１−１面が物体側からの光束をプリズム内に入射させ、前記第１−２面が前記第１−１面から入射した光束をプリズム内で反射し、前記第１−３面が前記第１−２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ており、
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１プリズムの前記第１−２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し、
前記第２プリズムの前記第２−２面と前記第２−３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ように構成され、
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、前記第１プリズムを含む前群のＸ方向のパワーをＰ1x、Ｙ方向のパワーをＰ1y、前記第２プリズムを含む後群のＸ方向のパワーをＰ2x、Ｙ方向のパワーをＰ2y、全系のＸ方向のパワーをＰx 、Ｙ方向のパワーをＰy としたとき、条件式（３−１）、（４−１）を満足することを特徴とするものである。
０．３＜Ｐ2x／Ｐx ＜２．０ ・・・（３−１）
０．３＜Ｐ2y／Ｐy ＜２．０ ・・・（４−１）
【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。
【００１６】
上記目的を達成するための本発明の結像光学系は、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、物体側から順に、少なくとも第１プリズムを含む前群と、開口絞りと、第２プリズムを含む後群で構成され、かつ、中間像を形成しない結像光学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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、物体側から順に、少なくとも第１プリズムを含む前群と、開口絞りと、第２プリズムを含む後群で構成され、かつ、中間像を形成しない結像光学系にて形成されている基本構成としたものである。
【００２５】
なお、後記の実施例からも明らかなように、何れか一方あるいは両方のプリズムをミラーのみで構成しても、同様に結像光学系を薄く構成することが可能である。
【００２６】
そして、本発明においては、前群に配置される第１プリズムが、光束を透過又は反射させる光学作用面を３面有し、それらを第１−１面、第１−２面、第１−３面とするとき、第１−１面が物体側からの光束をプリズム内に入射させ、第１−２面が第１−１面から入射した光束をプリズム内で反射し、第１−３面が第１−２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ている。
【００２７】
開口絞りより物体側にあるプリズムに２つ以上の反射面を用いると、軸外の光線高が高くなりプリズムの大型化を招く。そのため、前群に使用する第１プリズムは、このように反射面を１つのみ有していることで、光学系の小型化、軽量化が達成できる。
【００２８】
また、本発明においては、後群に配置される第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、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いる。
【００２９】
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。
【００３０】
そして、本発明においては、この第１プリズムを含む前群と第２プリズムを含む後群の間に開口絞りを配置して、全体で反射面を３面のみを用いている。４面以上の反射面を用いると、光学系の光路が複雑化すると同時に、製造の際の組み立て公差が厳しく、コストアップにつながるが、本発明では全体で３面のみの反射面で構成するため、非常に低コストな光学系を達成することができると共に、偏心収差を良好に補正することが可能となる。
【００３１】
また、２つのプリズムを組み合わせることにより、全体として非常に薄型化した結像光学系にすることが可能となり、さらに、撮像素子を観察方向と垂直に配置することができるため、撮像素子を駆動する回路等の基板を装置全体に組み込みやすくなり、装置の薄型化が可能となる。
【００３２】
そして、このように全体で反射面が３面からなる系で結像光学系を構成するために、各反射面に光束にパワーを与える面形状とし、各反射面が偏心配置となることにより発生する偏心収差を補正するために、各反射面を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。
【００３３】
また、本発明で用いる上記の回転非対称面は、唯一対称面を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好ましい。ここで、本発明で使用する自由曲面の面の形状は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００３４】
また、本発明において、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プリズムを含む前群のＸ方向のパワーをＰ1x、Ｙ方向のパワーをＰ1y、第２プリズムを含む後群のＸ方向のパワーをＰ2x、Ｙ方向のパワーをＰ2y、全系のＸ方向のパワーをＰx 、Ｙ方向のパワーをＰy としたとき、前群は以下の条件式を満足することが望ましい。
【００３５】
−０．５＜Ｐ1x／Ｐx ＜０．４ ・・・（１−１）
−０．５＜Ｐ1y／Ｐy ＜０．４ ・・・（２−１）
ここで、偏心光学系のパワーと焦点距離の定義については、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の図１５に基づいて定義されるものである。
【００３６】
上記条件式（１−１）、（２−１）は、前群のパワーを全系のパワーで規格化したものであり、それらの下限の−０．５を越えると、前群の負のパワーが非常に強くなるため、収差が悪化する。このパワーをプリズムの反射面で主に構成した場合、特に軸外主光線の光線高が高いために、偏心コマ収差の発生量が大きなるため好ましくない。また、他のレンズやプリズムの屈折面に強いパワーを持たせた場合、上記屈折面で色収差が非常に大きく発生してしまい、性能劣化の原因となり、レンズ枚数を増やさなければ補正が不可能となる。
【００３７】
上記条件式（１−１）、（２−１）の上限の０．４を越えると、前群のパワーが強い正パワーとなり、後群に２回反射の第２プリズムを配置しているため、バックフォーカスの確保が非常に難しくなる。
【００３８】
さらに好ましくは、
−０．５＜Ｐ1x／Ｐx ＜０ ・・・（１−２）
−０．５＜Ｐ1y／Ｐy ＜０ ・・・（２−２）
なる条件を満足することがより好ましい。
【００３９】
また、後群は以下の条件式を満足することが望ましい。
【００４０】
０．３＜Ｐ2x／Ｐx ＜２．０ ・・・（３−１）
０．３＜Ｐ2y／Ｐy ＜２．０ ・・・（４−１）
上記条件式（３−１）、（４−１）は、後群のパワーを全系のパワーで規格化したものであり、それらの下限の０．３を越えると、後群のパワーが非常に弱くなるため、画角の広い光学系を達成できなくなると同時に、光学系の大型化を招く。また、そのパワーを前群に持たせてしまうと、レトロフォーカス型の負正の構成ではなくなるため、バックフォーカスの確保が非常に困難となる。
【００４１】
上記条件式（３−１）、（４−１）の上限の２．０を越えると、前群のパワーが非常に強くなるため、反射面のパワーが強くなり、特に軸上に発生する非点収差、軸外の偏心コマ収差が大きく発生してしまい、補正が困難となり好ましくない。
【００４２】
さらに好ましくは、
０．５＜Ｐ2x／Ｐx ＜１．５ ・・・（３−２）
０．５＜Ｐ2y／Ｐy ＜１．５ ・・・（４−２）
なる条件を満足することがより好ましい。
【００４３】
また、第１−２面に入射する軸上主光線と反射する軸上主光線とのなす角度をθとしたとき、以下の条件式を満足することが望ましい。
【００４４】
７０°＜θ＜１１０° ・・・（５−１）
条件式（５−１）は、軸上主光線が第１プリズムの反射面に入射、反射する際になす角度を規定したものであり、その上限の１１０°及び下限の７０°を越えると、第２プリズムに入射する軸上主光線の角度が像面に対し略平行な角度から大きな角度をなす（軸上主光線が傾く）こととなり、光学系の小型化が達成できなくなる。特に下限を越えた場合、第２プリズムが物体側に大きく突出してしまい、上限を越えた場合、像面を大きく傾けるか、像面に対する軸外光束を斜入射で構成しなければならなくなり、テレセントリックな光学系を達成できなくなり好ましくない。
【００４５】
さらに好ましくは、
７５°＜θ＜１００° ・・・（５−２）
なる条件を満足することがより好ましい。
【００４６】
また、光学系の全体の厚みをＤ、平均焦点距離をｆとしたときに、以下の条件式を満足することが望ましい。
【００４７】
０．５＜Ｄ／ｆ＜２．５ ・・・（６−１）
ただし、光学系の厚みＤとは、撮像素子から垂直方向に図った光学系の厚みで、図１０に後記の実施例１の光路図を示すように、各光線の中で最も先端にある光線位置Ａから像面３までの距離、平均焦点距離ｆとは、全系のＸ方向、Ｙ方向の焦点距離ｆx 、ｆy としたときに、ｆ＝（ｆx ＋ｆy ）／２と定義する。
【００４８】
条件式（６−１）は、光学系の厚みを全系の焦点距離で規格化したものである。偏心光学系の場合、光路を折り畳んだ構成にすることができ、さらに、本発明のようなプリズム構成の第１プリズムと第２プリズムで全系を構成する場合、上記のような範囲内で光学系を非常に薄く構成することが可能となる。この条件式の下限の０．５を越えると、プリズムの有効面及び縁肉を確保することができなくなり好ましくない。特に縁肉を十分に確保しておかなければ、組み立て性が悪くなり、コストアップとなり好ましくない。また、上限の２．５を越えると、光学系の厚みが厚くなり、偏心光学系を用いて構成することのメリットがなくなるため好ましくない。
【００４９】
さらに好ましくは、
０．８＜Ｄ／ｆ＜２．３ ・・・（６−２）
なる条件を満足することがより好ましい。
【００５０】
また、前群の反射面の第１−２面から開口絞りまでの軸上主光線の光路長をＳＤ１とするとき、以下の条件式を満足することが望ましい。
【００５１】
０．１＜ＳＤ１／ｆ＜３．０ ・・・（７−１）
条件式（７−１）は、前群の第１反射面から開口絞りまでの軸上主光線の光路長を全系の焦点距離で規格化したものである。この条件式の下限の０．１を越えると、所望のバックフォーカスを確保するためには、反射面のパワーを強くしなければならなくなり、結果として軸外の偏心コマ収差が大きくなり好ましくない。その上限の３．０を越えると、反射面のパワーを強くしなくてもバックフォーカスの確保は可能となるが、装置の大型化を招き好ましくない。
【００５２】
さらに好ましくは、
０．２＜ＳＤ１／ｆ＜２．０ ・・・（７−２）
なる条件を満足することがより好ましい。
【００５３】
また、前群の最も物体側の第１面から開口絞りまでの軸上主光線の光路長をＳＤ２、開口絞りから後群の最も像側の面までの光路長をＳＤ３としたときに、以下の条件式の何れかを満足することが望ましい。
【００５４】
０．５＜ＳＤ２／ｆ＜３．０ ・・・（８−１）
２．０＜ＳＤ３／ｆ＜６．０ ・・・（９−１）
ただし、上記の第１面と最終面は、光学系の物体側あるいは像側に配置される平行平面板の面は含めない。
【００５５】
条件式（８−１）は、前群の第１面から開口絞りまでの軸上主光線の光路長を全系の焦点距離で規格化したものであり、条件式（９−１）は、開口絞りから後群の最終面までの軸上主光線の光路長を全系の焦点距離で規格化したものである。
【００５６】
条件式（８−１）の下限の０．５を越えると、軸上主光線の光路長が短くなり、バックフォーカスの確保が困難となってくる。その上限の３．０を越えると、第１プリズムが大きくなり、結果としてレンズ全体が大型化してしまい好ましくない。
【００５７】
条件式（９−１）の下限の２．０を越えると、バックフォーカスの確保には有利であるが、偏心収差の補正が困難となり、上限の６．０を越えると、第２プリズムが大きくなり、さらにはバックフォーカスの確保ができなるなるため好ましくない。
【００５８】
なお、条件式（８）は、開口絞りから後群の最終面までに関する条件であるが、後記の実施例７、８のように後群をミラーで構成する場合は像面までの距離とする。
【００５９】
さらに好ましくは、
０．８＜ＳＤ２／ｆ＜２．５ ・・・（８−２）
２．０＜ＳＤ３／ｆ＜５．０ ・・・（９−２）
なる条件の何れかを満足することがより好ましい。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
【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。
【００６４】
各実施例の構成パラメータにおいては、図１に示すように、順光線追跡で、軸上主光線１を、物体中心から光学系の絞り２の中心を垂直に通り、像面３中心に至る光線で定義する。そして、光学系の最も物体側の第１面（図１の場合は、第１１面１１）の軸上主光線１と交差する位置を偏心光学系の偏心光学面の原点として、軸上主光線１に沿う方向をＺ軸方向とし、物体から第１面に向かう方向をＺ軸正方向とし、光軸が折り曲げられる平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交する方向をＸ軸方向とし、図１の紙面の表から裏へ向かう方向を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。
【００６５】
後記の実施例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。
【００６６】
偏心面については、光学系の原点の中心からその面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、後記の引用文献の（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。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。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００６７】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００６８】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００６９】
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、アッベ数については、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。
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。この実施例は、物体側から光の通る順に、前群を構成する第１プリズム１０、絞り２、後群を構成する第２プリズム２０、ローパスフィルター、赤外線カットフィルター等の平行平面板５、像面（結像面）３からなり、第１プリズム１０は第１１面１１から第１３面１３で構成され、その第１１面１１は第１透過面、第１２面１２は第１反射面、第１３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を透過し、第１反射面１２で内面反射され、第２透過面１３を透過し、また、第２プリズム２０は第２１面２１から第２４面２４で構成され、その第２１面２１は第１透過面、第２２面２２は第１反射面、第２３面２３は第２反射面、第２４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を透過し、第１反射面２２で内面反射され、第２反射面２３で内面反射され、第２透過面２４を透過する。この結像光学系においては、中間像を形成しない。また、第２プリズム２０の第２１面２１と第２２面２２とがプリズム媒質を挟んで対向配置され、第２３面２３と第２４面２４とがプリズム媒質を挟んで対向配置され、第２１面２１と第２２面２２とを結ぶ光路が、第２３面２３と第２４面２４とを結ぶ光路とプリズム内で交差している。また、第１プリズム１０の第１１面１１〜第１３面１３、第２プリズム２０の第２１面２１から第２４面２４は全て自由曲面からなる。
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。この実施例も実施例１と同様の構成である。ただし、第１プリズム１０の第２第２透過面１３と第２プリズム２０の第１透過面２１を平面で構成している。第１プリズム１０、第２プリズム２０の他の面は自由曲面からなる。プリズムを２つ使用した場合、お互いの光軸中心ずれが発生すると性能劣化が大きい。そのため、互いの向き合う面１３、２１を平面とすることで、位置合わせを容易にすることができ、製造、組み立てコストを削減することが可能となる。
実施例３
実施例３の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図３に示す。この実施例は、物体側から光の通る順に、前群を構成する負レンズ６と第１プリズム１０と正レンズ７、絞り２、後群を構成する第２プリズム２０、像面（結像面）３からなり、第１プリズム１０、第２プリズム２０は実施例１と同様の構成である。負レンズ６の両面、正レンズ７の両面、第１プリズム１０の第１１面１１〜第１３面１３、第２プリズム２０の第２１面２１から第２４面２４は全て自由曲面からなる。前群に回転非対称なレンズ６、７を挿入することで、より偏心収差の補正された高性能の結像光学系を達成できる。
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。この実施例は、物体側から光の通る順に、前群を構成する負レンズ６と第１プリズム１０、絞り２、後群を構成する２枚接合レンズ８と第２プリズム２０、像面（結像面）３からなり、第１プリズム１０、第２プリズム２０は実施例１と同様の構成である。負レンズ６の両面、第１プリズム１０の第１１面１１〜第１３面１３、第２プリズム２０の第２１面２１から第２４面２４は全て自由曲面からなる。また、２枚接合レンズ８の３面は球面からなる。プリズム１０、２０を使用しても、その入射面１１、２１と射出面１３、２４に関しては少なからず色収差が発生する。そこで、後群に２枚接合レンズ８を挿入して、より色収差が補正された高性能の結像光学系を達成できる。
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。この実施例も実施例１と同様の構成である。この実施例は、像面（結像面）３に配置する撮像素子のサイズを小さくした実施例である。
実施例６
実施例６の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図６に示す。この実施例は、物体側から光の通る順に、前群を構成する負レンズ６と第１プリズム１０、絞り２、後群を構成する第２プリズム２０、像面（結像面）３からなり、第１プリズム１０、第２プリズム２０は実施例１と同様の構成である。負レンズ６の両面は球面からなり、第１プリズム１０の第１１面１１〜第１３面１３、第２プリズム２０の第２１面２１から第２４面２４は全て自由曲面からなる。この実施例は、実施例５の構成の第１プリズム１０の物体側に負レンズ６を挿入して、広画角化した結像光学系である。
実施例７
実施例７の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図７に示す。この実施例は、第１プリズム、第２プリズムをミラーのみで構成した場合の例で、物体側から光の通る順に、前群を構成するレンズ９と第１プリズムに相当する第１反射系１０’、絞り２、後群を構成する第２プリズムに相当する第２反射系２０’、像面（結像面）３からなり、第１反射系１０’は第１プリズムの第１２面に対応する第１反射面１２’のみで構成され、また、第２反射系２０’は第２プリズムの第２２面に対応する第１反射面２２’と第２３面に対応する第２反射面２３’で構成され、物体からの光線は、第１反射面２２’で反射され、第２反射面２３’で反射される。この結像光学系においては、中間像を形成しない。また、第２反射系２０’の第１反射面２２’に入射する光路と、第２反射面２３’で反射された光路とが交差している。また、レンズ９の両面と、第１反射系１０’の第１反射面１２’、第２反射系２０’の第１反射面２２’と第２反射面２３’は全て自由曲面からなる。この結像光学系は広角レンズとして構成されている。
実施例８
実施例８の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を図８に示す。この実施例も実施例７と同様の構成である。この実施例の結像光学系は望遠レンズとして構成されている点が実施例７と異なる。
【００７０】
上記実施例１〜４は何れも、撮像面のサイズが４．８ｍｍ×３．６ｍｍであり、撮影画角は水平画角５１．３°、垂直画角３９．６°、入射瞳径φ１．７７ｍｍであり、Ｆナンバーは２．８相当である。実施例５〜８は何れも、撮像面のサイズが３．６ｍｍ×２．７ｍｍであり、実施例５、７の撮影画角は水平画角５０．３°、垂直画角３９．１°、入射瞳径φ１．４１ｍｍであり、Ｆナンバーは２．８相当であり、実施例６の撮影画角は水平画角６４．１°、垂直画角５０．７°、入射瞳径φ１．０６ｍｍであり、Ｆナンバーは２．８相当であり、実施例８の撮影画角は水平画角２６．４°、垂直画角２０．１°、入射瞳径φ１．４１ｍｍであり、Ｆナンバーは５．６相当である。
【００７１】
以上の実施例は、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。
【００７２】
以下に、実施例１〜８の数値データを示す。これら表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＲＥ”は反射面を示す。
【００７３】

【００７４】

【００７５】

【００７６】

【００７７】

【００７８】

【００７９】

【００８０】

【００８１】
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。
【００８２】
次に、上記各実施例の条件式（１−１）〜（９−１）の値を以下に示す。
【００８３】

【００８４】
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。
【００８５】
図１１〜図１３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１１は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図１２は同後方斜視図、図１３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。
【００８６】
さらに、ファインダー用光路４４上には、ファインダー用対物光学系５３が配置されており、このファインダー用対物光学系５３は、カバーレンズ５４、第１プリズム１０、開口絞り２、第２プリズム２０、フォーカス用レンズ６６からなり、カバーレンズ５４あるいは第１プリズム１０から第２プリズム２０までの結像光学系として、本発明による結像光学系を用いている。また、カバー部材として用いられているカバーレンズ５４は、負のパワーを有するレンズであり、画角を拡大している。また、第２プリズム２０の後方に配置されているフォーカス用レンズ６６は光軸の前後方向へ位置調節可能になっており、ファインダー用対物光学系５３のピント調節に用いられる。このファインダー用対物光学系５３によって結像面６７上に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。
【００８７】
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。
【００８８】
なお、図１３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、本発明による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。
【００８９】
次に、図１４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に、第１プリズム１０、開口絞り２、第２プリズム２０からなる本発明による結像光学系を用いている。この撮影用対物光学系４８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）をプリズム１０、２０の物体側、プリズム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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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第１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。
【００９３】
次に、図１５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８２に、、本発明による結像光学系を電子内視鏡の観察系の接眼光学系８７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８２は、第１プリズム１０、開口絞り２、第２プリズム２０からなる本発明による結像光学系を用いており、接眼光学系８７も、第１プリズム１０、開口絞り２、第２プリズム２０からなる本発明による結像光学系を接眼光学系として用いている。この電子内視鏡は、図１５（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と、その接眼部８１は、図１５（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８８を通って照明用対物光学系８９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８２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８３を介してＣＣＤ８４の撮像面上に形成される。さらに、この物体像は、ＣＣＤ８４によって映像信号に変換され、その映像信号は、図１５（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。同時に、ＣＣＤ８４によって変換された映像信号は接眼部８１の液晶表示素子（ＬＣＤ）８６上に電子像として表示され、その表示像は本発明の結像光学系を用いた接眼光学系８７を経て観察者眼球Ｅに導かれる。
【００９４】
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、対物光学系８０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。
【００９５】
ところで、結像光学系は光路を逆にすることにより投影光学系としても用いることができる。図１６に、パソコン９０と液晶プロジェクタ９１とを組み合わせたプレゼンテーションシステムの投影光学系９６に本発明によるプリズム光学系を用いた構成の概念図を示す。この例の場合は、投影光学系９６に、第１プリズム１０、開口絞り２、第２プリズム２０からなる本発明による結像光学系を用いている。同図において、パソコン９０上で作成された画像・原稿データは、モニタ出力から分岐して液晶プロジェクタ９１の処理制御部９８に出力される。液晶プロジェクタ９１の処理制御部９８では、この入力されたデータが処理され、液晶パネル（ＬＣＰ）９３に出力される。液晶パネル９３では、この入力画像データに応じた画像が表示される。そして、光源９２からの光は、液晶パネル９３に表示した画像の階調によってその透過量が決定された後、液晶パネル９３直前に配置したフィールドレンズ９５と、本発明の結像光学系を構成する第１プリズム１０、開口絞り２及び第２プリズム２０と、正レンズのカバーレンズ９４とからなる投影光学系９６を介してスクリーン９７に投影される。
【００９６】
このように構成されたプロジェクタは、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、小型化が可能である。
【００９７】
次に、図１７〜図１９は本発明の結像光学系を情報処理装置の一例であるパソコンに内蔵した構成を示す概念図である。
【００９８】
図１７はパソコン３００のカバーを開いた前方斜視図、図１８はパソコン３００の撮影光学系３０３の断面図、図１９は図１７の状態の側面図である。図１７〜図１９に示されるように、パソコン３００は、外部から繰作者が情報を入力するためのキーボード３０１と、図示を省略した情報処理手段や記録手段と、情報を操作者に表示するモニター３０２と、操作者自身や周辺の像を撮影するための撮影光学系３０３とを有している。ここで、モニター３０２は、図示しないバックライトにより背面から照明する透過型液晶表示素子や、前面からの光を反射して表示する反射型液晶表示素子や、ＣＲＴディスプレイ等であってよい。また、図中、撮影光学系３０３は、モニター３０２の右上に内蔵されているが、その場所に限らず、モニター３０２の周囲や、キーボード３０１の周囲のどこであってもよい。
【００９９】
この撮影光学系３０３は、撮影光路３０４上に、本発明の結像光学系からなる対物光学系１００と、像を受光する撮像素子チップ１６２とを有している。これらはパソコン３００に内蔵されている。
【０１００】
ここで、撮像素子チップ１６２上には付加的にｌＲカットフィルター１８０が貼り付けられて撮像ユニット１６０として一体に形成され、対物光学系１００の鏡枠１０１の後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、対物光学系１００と撮像素子チップ１６２の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠１０１の先端には、対物光学系１００を保護するためのカバーガラス１０２が配置されている。
【０１０１】
撮像素子チップ１６２で受光された物体像は、端子１６６を介して、パソコン３００の処理手段に入力され、電子画像としてモニター３０２に表示される、図１８には、その一例として、操作者の撮影された画像３０５が示されている。また、この画像３０５は、処理手段を介し、インターネットや電話を介して、遠隔地から通信相手のパソコンに表示されることも可能である。
【０１０２】
次に、情報処理装置の他の例として電話、特に、その中でも持ち運びに便利な携帯電話に本発明の結像光学系をを内蔵した例を図２０に示す。
【０１０３】
図２０（ａ）は携帯電話４００の正面図、図２０（ｂ）は側面図、図２０（ｃ）は撮影光学系４０５の断面図である。図２０（ａ）〜（ｃ）に示されるように、携帯電話４００は、操作者の声を情報として入力するマイク部４０１と、通話相手の声を出力するスピーカ部４０２と、操作者が情報を入力する入力ダイアル４０３と、操作者自身や通話相手等の撮影像と電話番号等の情報を表示するモニター４０４と、撮影光学系４０５と、通信電波の送信と受信を行うアンテナ４０６と、画像情報や通信情報、入力信号等の処理を行う処理手段（図示せず）とを有している。ここで、モニター４０４は液晶表示素子である。また、図中、各構成の配置位置は、特にこれらに限られない。この撮影光学系４０５は、撮影光路４０７上に配置された本発明の結像光学系からなる対物光学系１００と、像を受光する撮像素子チップ１６２とを有している。これらは、携帯電話４００に内蔵されている。
【０１０４】
ここで、撮像素子チップ１６２上には付加的にｌＲカットフィルター１８０が貼り付けられて撮像ユニット１６０として一体に形成され、対物レンズ１２の鏡枠１３の後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、対物レンズ１２と撮像素子チップ１６２の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠１０１の先端には、対物光学系１００を保護するためのカバーガラス１０２が配置されている。
【０１０５】
撮影素子チップ１６２で受光された物体像は、端子１６６を介して、図示していない処理手段に入力され、電子画像としてモニター４０４に、又は、通信相手のモニターに、又は、両方に表示される。また、通信相手に画像を送信する場合、撮像素子チップ１６２で受光された物体像の情報を、送信可能な信号へと変換する信号処理機能が処理手段には含まれている。
【０１０６】
以上の本発明の結像光学系及は、例えば次のように構成することができる。
【０１０７】
〔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、物体側から順に、少なくとも第１プリズムを含む前群と、開口絞りと、第２プリズムを含む後群で構成され、かつ、中間像を形成しない結像光学系にて形成され、
前記第１プリズムが、光束を透過又は反射させる光学作用面を３面有し、それらを第１−１面、第１−２面、第１−３面とするとき、前記第１−１面が物体側からの光束をプリズム内に入射させ、前記第１−２面が前記第１−１面から入射した光束をプリズム内で反射し、前記第１−３面が前記第１−２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ており、
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１プリズムの前記第１−２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し、
前記第２プリズムの前記第２−２面と前記第２−３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ように構成されていることを特徴とする結像光学系。
【０１０８】
〔２〕 請求項１において、
前記第１プリズムと前記第２プリズムの有する３つの反射面の面形状が、唯一対称面を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結像光学系。
【０１０９】
〔３〕 請求項１又は２において、
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、前記第１プリズムを含む前群のＸ方向のパワーをＰ1x、Ｙ方向のパワーをＰ1y、前記第２プリズムを含む後群のＸ方向のパワーをＰ2x、Ｙ方向のパワーをＰ2y、全系のＸ方向のパワーをＰx 、Ｙ方向のパワーをＰy としたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
【０１１０】
−０．５＜Ｐ1x／Ｐx ＜０．４ ・・・（１−１）
−０．５＜Ｐ1y／Ｐy ＜０．４ ・・・（２−１）
〔４〕 請求項１から３の何れか１項において、
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、前記第１プリズムを含む前群のＸ方向のパワーをＰ1x、Ｙ方向のパワーをＰ1y、前記第２プリズムを含む後群のＸ方向のパワーをＰ2x、Ｙ方向のパワーをＰ2y、全系のＸ方向のパワーをＰx 、Ｙ方向のパワーをＰy としたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
【０１１１】
０．３＜Ｐ2x／Ｐx ＜２．０ ・・・（３−１）
０．３＜Ｐ2y／Ｐy ＜２．０ ・・・（４−１）
〔５〕 請求項１から４の何れか１項において、
前記第１−２面に入射する軸上主光線と反射する軸上主光線とのなす角度をθとしたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
【０１１２】
７０°＜θ＜１１０° ・・・（５−１）
〔６〕 請求項１から５の何れか１項において、
光学系の全体の厚みをＤ、平均焦点距離をｆとしたときに、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
【０１１３】
０．５＜Ｄ／ｆ＜２．５ ・・・（６−１）
ただし、光学系の厚みＤとは、撮像素子から垂直方向に図った光学系の厚みで、各光線の中で最も先端にある光線位置から像面までの距離、平均焦点距離ｆとは、全系のＸ方向、Ｙ方向の焦点距離ｆx 、ｆy としたときに、ｆ＝（ｆx ＋ｆy ）／２と定義する。
【０１１４】
〔７〕 請求項１から６の何れか１項において、
前記前群の反射面の前記第１−２面から前記開口絞りまでの軸上主光線の光路長をＳＤ１とし、全系の平均焦点距離をｆとしたときに、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
【０１１５】
０．１＜ＳＤ１／ｆ＜３．０ ・・・（７−１）
ただし、平均焦点距離ｆとは、全系のＸ方向、Ｙ方向の焦点距離ｆx 、ｆy としたときに、ｆ＝（ｆx ＋ｆy ）／２と定義する。
【０１１６】
〔８〕 請求項１から７の何れか１項において、
前記前群の最も物体側の第１面から前記開口絞りまでの軸上主光線の光路長をＳＤ２、前記開口絞りから前記後群の最も像側の最終面までの光路長をＳＤ３とし、全系の平均焦点距離をｆとしたときに、以下の条件式の何れかを満足することを特徴とする結像光学系。
【０１１７】
０．５＜ＳＤ２／ｆ＜３．０ ・・・（８−１）
２．０＜ＳＤ３／ｆ＜６．０ ・・・（９−１）
ただし、平均焦点距離ｆとは、全系のＸ方向、Ｙ方向の焦点距離ｆx 、ｆy としたときに、ｆ＝（ｆx ＋ｆy ）／２と定義する。
【０１１８】
〔９〕 請求項１から８の何れか１項において、
前記第１プリズムより物体側に、少なくとも１つ以上の光学素子を配置したことを特徴とする結像光学系。
【０１１９】
〔１０〕 請求項１から９の何れか１項において、
前記第１プリズムと前記第２プリズムの間に少なくとも１つ以上の光学素子を配置したことを特徴とする結像光学系。
【０１２０】
〔１１〕 請求項９又は１０において、
前記光学素子の少なくとも１面が、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ことを特徴とする結像光学系。
【０１２１】
〔１２〕 請求項１から１１の何れか１項において、
前記後群は、前記第２プリズムのみで構成されていることを特徴とする結像光学系。
【０１２２】
〔１３〕 請求項１から１２の何れか１項において、
前記前群の第１プリズムを１枚のミラーにて構成したことを特徴とする結像光学系。
【０１２３】
〔１４〕 請求項１から１３の何れか１項において、
前記後群の第２プリズムを２枚のミラーにて構成したことを特徴とする結像光学系。
【０１２４】
〔１５〕 請求項１から１４の何れか１項において、
前記前群の第１プリズムを１枚のミラーにて構成し、前記後群の第２プリズムを２枚のミラーにて構成したことを特徴とする結像光学系。
【０１２５】
〔１６〕 前記請求項１から１５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。
【０１２６】
〔１７〕 前記請求項１から１５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。
【０１２７】
〔１８〕 前記請求項１から１５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。
【０１２８】
【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、反射面を３面のみで光路を折り畳み、特に撮像素子の垂直方向に非常に薄型化した、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】光学系の厚みＤの定義を説明するための図である。
【図１１】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１２】図１１の電子カメラの後方斜視図である。
【図１３】図１１の電子カメラの構成を示す断面図である。
【図１４】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１５】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１６】プレゼンテーションシステムの投影光学系に本発明による結像光学系を用いた構成の概念図である。
【図１７】本発明の結像光学系が対物光学系として組み込れたパソコンのカバーを開いた前方斜視図である。
【図１８】パソコンの撮影光学系の断面図である。
【図１９】図１７の状態の側面図である。
【図２０】本発明の結像光学系が対物光学系として組み込れた携帯電話の正面図、側面図、その撮影光学系の断面図である。
【符号の説明】
１…軸上主光線（光軸）
２…開口絞り
３…像面（結像面）
５…平行平面板
６…負レンズ
７…正レンズ
８…２枚接合レンズ
９…レンズ
１０…第１プリズム
１０’…第１反射系
１１…第１１面
１２…第１２面
１２’…第１反射面
１３…第１３面
２０…第２プリズム
２０’…第２反射系
２１…第２１面
２２…第２２面
２２’…第１反射面
２３…第２３面
２３’…第２反射面
２４…第２４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
６６…フォーカス用レンズ
６７…結像面
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…接眼部
８２…観察用対物光学系
８３…フィルター
８４…ＣＣＤ
８５…カバー部材
８６…液晶表示素子（ＬＣＤ）
８７…接眼光学系
８８…ライトガイドファイバー束
８９…照明用対物光学系
９０…パソコン
９１…液晶プロジェクタ
９２…光源
９３…液晶パネル（ＬＣＰ）
９４…カバーレンズ
９５…フィールドレンズ
９６…投影光学系
９７…スクリーン
９８…処理制御部
１００…対物光学系
１０１…鏡枠
１０２…カバーガラス
１６０…撮像ユニット
１６２…撮像素子チップ
１６６…端子
１８０…ｌＲカットフィルター
３００…パソコン
３０１…キーボード
３０２…モニター
３０３…撮影光学系
３０４…撮影光路
３０５…画像
４００…携帯電話
４０１…マイク部
４０２…スピーカ部
４０３…入力ダイアル
４０４…モニター
４０５…撮影光学系
４０６…アンテナ
４０７…撮影光路
Ｅ…観察者眼球

Claims (5)

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、物体側から順に、少なくとも第１プリズムを含む前群と、開口絞りと、第２プリズムを含む後群で構成され、かつ、中間像を形成しない結像光学系にて形成され、
   前記第１プリズムが、光束を透過又は反射させる光学作用面を３面有し、それらを第１−１面、第１−２面、第１−３面とするとき、前記第１−１面が物体側からの光束をプリズム内に入射させ、前記第１−２面が前記第１−１面から入射した光束をプリズム内で反射し、前記第１−３面が前記第１−２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ており、
   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１プリズムの前記第１−２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し、
   前記第２プリズムの前記第２−２面と前記第２−３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ように構成され、
   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、前記第１プリズムを含む前群のＸ方向のパワーをＰ1x、Ｙ方向のパワーをＰ1y、前記第２プリズムを含む後群のＸ方向のパワーをＰ2x、Ｙ方向のパワーをＰ2y、全系のＸ方向のパワーをＰx 、Ｙ方向のパワーをＰy としたとき、条件式（１−１）、（２−１）を満足することを特徴とする結像光学系。
   −０．５＜Ｐ1x／Ｐx ＜０．４ ・・・（１−１）
   −０．５＜Ｐ1y／Ｐy ＜０．４ ・・・（２−１）
2. 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、物体側から順に、少なくとも第１プリズムを含む前群と、開口絞りと、第２プリズムを含む後群で構成され、かつ、中間像を形成しない結像光学系にて形成され、
   前記第１プリズムが、光束を透過又は反射させる光学作用面を３面有し、それらを第１−１面、第１−２面、第１−３面とするとき、前記第１−１面が物体側からの光束をプリズム内に入射させ、前記第１−２面が前記第１−１面から入射した光束をプリズム内で反射し、前記第１−３面が前記第１−２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ており、
   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１プリズムの前記第１−２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し、
   前記第２プリズムの前記第２−２面と前記第２−３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ように構成され、
   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、前記第１プリズムを含む前群のＸ方向のパワーをＰ1x、Ｙ方向のパワーをＰ1y、前記第２プリズムを含む後群のＸ方向のパワーをＰ2x、Ｙ方向のパワーをＰ2y、全系のＸ方向のパワーをＰx 、Ｙ方向のパワーをＰy としたとき、条件式（３−１）、（４−１）を満足することを特徴とする結像光学系。
   ０．３＜Ｐ2x／Ｐx ＜２．０ ・・・（３−１）
   ０．３＜Ｐ2y／Ｐy ＜２．０ ・・・（４−１）
3. 請求項１又は２において、
   前記第１−２面に入射する軸上主光線と反射する軸上主光線とのなす角度をθとしたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
   ７０°＜θ＜１１０° ・・・（５−１）
4. 請求項３において、
   以下の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
   ７９．４°≦θ≦８８．４°
5. 請求項１から４の何れか１項において、
   前記第１プリズムにおける光学作用面は３面のみであり、前記第２プリズムにおける光学作用面は４面のみであることを特徴とする結像光学系。

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