JPWO2008120650A1

JPWO2008120650A1 - 光学装置

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Publication number: JPWO2008120650A1
Application number: JP2009507488A
Authority: JP
Inventors: 研野　孝吉; 孝吉研野
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2010-07-15
Anticipated expiration: 2028-03-19
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Abstract

本発明は、プリズム光学系を用いて簡単な構成で広画角・高精彩に異なる複数方向の画像を単一の撮像素子で同時に撮像することが可能な光学装置に関するものであり、物体側から、透過作用を有する第１面、内部反射作用と透過作用を有する第２面、反射作用を有する第３面の３つの光学面を有し屈折率が１．３よりも大きい媒質で構成され、第１面を透過して媒質内部に入り、第２面で全反射され、次いで第３面で反射され、今度は第２面透過して媒質外に出るプリズム光学系を用いた光学装置において、単一の撮像素子（３０）の撮像面に対してプリズム光学系を少なくとも２つ（１０１、１０２）並列配置し、少なくとも２方向の画像を単一の撮像素子（３０）の撮像面に並列して形成するように構成し、プリズム光学系（１０１、１０２）各々の３面の中少なくとも１面の反射面は回転非対称面で構成されている。

Description

本発明は、光学装置に関し、特に１つの撮像素子で異なる方向の画像を同時に撮像することが可能な光学装置に関するものである。

従来、左右両方向を同時に観察可能な車載カメラとして、結像レンズの前方に１個又は２個のプリズムを取り付けて左右両方向の映像を同一撮像面に並べて撮影するものが知られている（特許文献１、２）。

一方、広画角で歪みの少ない小型の撮像光学系として、透過作用の第１面と反射作用及び透過作用を有する第２面と反射作用の第３面からなるプリズム光学系であって、少なくとも反射作用有する面は回転非対称面で構成されているプリズム光学系が特許文献３等において知られている。

特開２０００−８９３０１号公報特開２００４−３４１５０９号公報特開平１０−３０７２６０号公報

しかしながら、従来の結像レンズの前方にプリズムを取り付けて左右両方向を撮像可能にするものは、いわば結像レンズの画角を左右に２等分し、その一方で左方向を、他方で右方向を撮像するものであり、左右各々の画角が狭いものとならざるを得ない。また、解像力は結像レンズのそれに依存してしまい、画角周辺の解像力を高くしようとすると、結像レンズの構成を複雑にせざるを得ない。

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、プリズム光学系を用いて簡単な構成で広画角・高精彩に異なる複数方向の画像を単一の撮像素子で同時に撮像することが可能な光学装置を提供することである。

上記目的を達成する本発明の光学装置は、物体側から、透過作用を有する第１面、内部反射作用と透過作用を有する第２面、反射作用を有する第３面の３つの光学面を有し屈折率が１．３よりも大きい媒質で構成され、第１面１１を透過して媒質内部に入り、第２面１２で全反射され、次いで第３面１３で反射され、今度は第２面１２透過して媒質外に出るプリズム光学系を用いた光学装置において、単一の撮像素子の撮像面に対して前記プリズム光学系を少なくとも２つ並列配置し、少なくとも２方向の画像を単一の撮像素子の撮像面に並列して形成するように構成し、前記プリズム光学系各々の３面の中少なくとも１面の反射面は回転非対称面で構成されていることを特徴とするものである。

この場合に、前記プリズム光学系を２つ並列配置し、前記２つのプリズム光学系は同一形状のプリズム光学系からなり、一方の前記プリズム光学系を他方の前記プリズム光学系に対して像面へ向かう軸上主光線の周りで１８０°回転させて、像面へ向かう軸上主光線が相互に平行になるように配置されていることが望ましい。

また、その場合、前記２つのプリズム光学系は隣接するプリズム光学系からの光線を遮光する遮光部材を間に挟んで配置されていることが望ましい。

また、隣接する前記プリズム光学系に入射し、一旦一方の前記プリズム光学系を通過した後他方の前記プリズム光学系に入射する光線を遮光する前記プリズム光学系より物体側に配置されたフードを備えていることが望ましい。

以上の光学装置は、例えば左右両方向を同時に観察可能な車載カメラとして用いることができる。

以上の本発明によると、プリズム光学系を用いて簡単な構成で、広画角・高精彩に異なる複数方向の画像を単一の撮像素子で同時に撮像することが可能な光学装置を得ることができる。

図１は発明の実施例１の光学装置の一方の光学系の軸上主光線を含む断面図である。
図２は図１の光学系を２つ用いた実施例１の光学装置の上下方向から見た透視図（ａ）と側面図（ｂ）である。
図３は本発明の実施例１の光学装置の斜視図である。
図４は実施例１の光学系の横収差図である。
図５は本発明の実施例２の光学装置の一方の光学系の軸上主光線を含む断面図である。
図６は図５の光学系を２つ用いた実施例１の光学装置の上下方向から見た透視図（ａ）と側面図（ｂ）である。
図７は実施例２の光学系の横収差図である。
図８は本発明の実施例３の光学装置の一方の光学系の軸上主光線を含む断面図である。
図９は図８の光学系を２つ用いた実施例１の光学装置の上下方向から見た透視図（ａ）と側面図（ｂ）である。
図１０は実施例３の光学系の横収差図である。
図１１は本発明の光学装置を自動車のフロント両サイドモニターとして構成した場合を示す図である。

以下、本発明の光学装置の実施例１〜３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。

まず、以下の実施例の説明で用いる座標系及び偏心面、自由曲面について説明する。

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、絞り２の中心を原点として、軸上主光線１に沿って進む方向を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。

実施例１〜３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。

偏心面については、光学系の原点の中心からその面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記（ｂ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。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。

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。

また、本発明で用いる自由曲面とは、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。

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。
球面項中、
Ｒ：頂点の曲率半径
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ^２＋Ｙ^２）
である。

自由曲面項は、

ただし、Ｃ_ｊ（ｊは１以上の整数）は係数である。

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、Ｃ_２、Ｃ_５、Ｃ_７、Ｃ_９、Ｃ_１２、Ｃ_１４、Ｃ_１６、Ｃ_１８、Ｃ_２０、Ｃ_２３、Ｃ_２５、Ｃ_２７、Ｃ_２９、Ｃ_３１、Ｃ_３３、Ｃ_３５・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。

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、Ｃ_３、Ｃ_５、Ｃ_８、Ｃ_１０、Ｃ_１２、Ｃ_１４、Ｃ_１７、Ｃ_１９、Ｃ_２１、Ｃ_２３、Ｃ_２５、Ｃ_２７、Ｃ_３０、Ｃ_３２、Ｃ_３４、Ｃ_３６・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。

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。

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面のみ有する面対称自由曲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、同時に制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。

また、本発明で用いる非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
Ｚ＝（Ｙ^２／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）Ｙ^２／Ｒ^２｝^１／２］
＋ａＹ^４＋ｂＹ^６＋ｃＹ^８＋ｄＹ^１０＋・・・
・・・（ｂ）

ただし、Ｚを光の進行方向を正とした光軸（軸上主光線）とし、Ｙを光軸と垂直な方向にとる。ここで、Ｒは近軸曲率半径、ｋは円錐定数、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、…はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。

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。

図１は、実施例１の光学装置の一方の光学系の軸上主光線１を含むＹ−Ｚ断面図であり、この光学系は、絞り２より物体側の回転対称光学系からなる前群２０と、絞り２より像側の偏心プリズム光学系１０と、像面３よりなり、像面３の前にはカバーガラス４が配置されている。前群２０は、物体側に凸の負メニスカスレンズ２１と物体側に凸の正メニスカスレンズ２２とからなり、偏心プリズム光学系１０は、入射面である透過作用を有する第１面１１と、反射作用と透過作用を兼ねた第２面１２と、反射作用を有する第３面１３とからなる屈折率が１．３よりも大きい媒質で形成されており、前群２０を経て絞り２を通った物体からの光線は、第１面１１を透過して媒質内部に入り、第２面１２で全反射され、次いで第３面１３で反射され、今度は第２面１２透過して偏心プリズム光学系１０の外へ出て、カバーガラス４を介して像面３に物体像を結像する。

そして、偏心プリズム光学系１０の第１面１１、第２面１２、第３面１３は何れもＹ−Ｚ面を唯一の対称面とする自由曲面からなり、光束にパワーを与えかつ偏心により発生する収差を補正する回転非対称な面形状を有するように構成されている。偏心により発生する収差を補正するために、特に反射面にこのような面形伏をとることは有効である。

また、前群２０の負メニスカスレンズ２１の像側の面、正メニスカスレンズ２２の物体側の面に回転対称非球面を用いている。

このように、光学装置の光学系に、３面の中少なくとも１面は回転非対称面で構成されている偏心プリズム光学系１０を用いることで、部品点数が少ない簡単な構成で、画角を広くとっても周辺の解像力が高く歪みの少ない撮像光学系を構成することができる。

図２（ａ）は、図１のような光学系を２つ用いた本実施例の光学装置の上下方向から見た透視図、図２（ｂ）は、その光学装置の側面図、図３は、その光学装置の斜視図である。この光学装置は、図１のような光学系であって同じもの２つ１０１、１０２を用いており、一方の光学系１０１を他方の光学系１０２に対して像面３へ向かう軸上主光線１_１の周りで１８０°回転させて、それぞれの光学系１０１、１０２のＹ−Ｚ面が平行で、かつ、両光学系１０１、１０２の像面３へ向かう軸上主光線１_１、１_２を含む平面がＹ−Ｚ面に垂直になるように、両光学系１０１、１０２を並列させて配置し、それぞれの光学系１０１、１０２によって像面３に結像される画像が１つの撮像素子３０上に並列して結像されるように構成したものである。

光学装置をこのように構成することで、一方の光学系１０１で左側の画像を、他方の光学系１０２で右側の画像を同一撮像素子３０で同時に撮像観察可能な例えば車載カメラとして使用することができる。

撮像素子３０の撮像面の分割は、例えば縦横３：４の横長の撮像面であれば、左右それぞれ縦横１．５：４の画面を上下に並べて撮像することにより、水平画角を広くとることが可能である。また、上下方向もある程度画角が必要な場合には、撮像素子３０を縦横４：３の縦長に配置して、左右それぞれ縦横２：３の画面を上下に並べて撮像することが可能である。

また、本発明においては、このように２つ光学系１０１、１０２の偏心プリズム光学系１０として同一形状の偏心プリズム光学系を同一の撮像素子３０の撮像面に対して相互に１８０°回転させて配置する構成にすることにより、部品点数を少なくすることが可能となる。また、偏心プリズム光学系１０の保持は、光学系１０１、１０２を隣接させる必要性から、その長手方向にプリズム保持の突起等を配置することが好ましい。さらに、その短手方向に突起等の支持部分を形成する場合は、片側に形成し、突起のない側面同士を隣接させて支持することが好ましい。

そして、偏心プリズム光学系１０間のフレアー等の不要光を遮蔽するための遮光部材は、偏心プリズム光学系１０の側面に遮光塗料を塗布してもよいし、遮光のための遮光板等を偏心プリズム光学系１０側面間に挟んで２つの偏心プリズム光学系１０を隣接させてもよい。

さらに、一旦一方の偏心プリズム光学系１０１を通過した後他方のプリズム光学系１０２に入射する光線を遮光する遮光フードをプリズム光学系１０１、１０２より物体側に配置してもよく、その場合にその遮光フードが本光学装置の外装で兼ねるようにすることも可能である。

上記実施例１の光学系１０１、１０２の横収差図を図４に示す。この横収差図において、括弧内に示された数字は（Ｘ方向画角、Ｙ方向画角）を表し、その画角における横収差を示す。以下、同じ。
なお、実施例１の光学系の仕様は、
画角３３．８°×９０．０°
入射瞳径 φ１．０ｍｍ
焦点距離５．３ｍｍ
Ｆナンバー５．３
である。

図５は、実施例２の光学装置の一方の光学系の軸上主光線１を含むＹ−Ｚ断面図であり、この光学系は、絞り２が最も物体側に配置され、絞り２より像側に偏心プリズム光学系１０と、回転対称な像側に凸の正メニスカスレンズ２５と、像面３よりなり、像面３の前にはカバーガラス４が配置されている。偏心プリズム光学系１０は、入射面である透過作用を有する第１面１１と、反射作用と透過作用を兼ねた第２面１２と、反射作用を有する第３面１３とからなる屈折率が１．３よりも大きい媒質で形成されており、絞り２を通った物体からの光線は、第１面１１を透過して媒質内部に入り、第２面１２で全反射され、次いで第３面１３で反射され、今度は第２面１２透過して偏心プリズム光学系１０の外へ出て、正メニスカスレンズ２５を通り、カバーガラス４を介して像面３に物体像を結像する。

そして、偏心プリズム光学系１０の第１面１１、第２面１２、第３面１３は何れもＹ−Ｚ面を唯一の対称面とする自由曲面からなり、光束にパワーを与えかつ偏心により発生する収差を補正する回転非対称な面形状を有するように構成されている。偏心により発生する収差を補正するために、特に反射面にこのような面形状をとることは有効である。

図６（ａ）は、図５のような光学系を２つ用いた本実施例の光学装置の上下方向から見た透視図、図６（ｂ）は、その光学装置の側面図である。この光学装置は、図５のような光学系であって同じもの２つ１０１、１０２を用いており、一方の光学系１０１を他方の光学系１０２に対して像面３へ向かう軸上主光線１_１の周りで１８０°回転させて、それぞれの光学系１０１、１０２のＹ−Ｚ面が平行で、かつ、両光学系１０１、１０２の像面３へ向かう軸上主光線１_１、１_２を含む平面がＹ−Ｚ面に垂直になるように、両光学系１０１、１０２を並列させて配置し、それぞれの光学系１０１、１０２によって像面３に結像される画像が１つの撮像素子３０上に並列して結像されるように構成したものである。

さらに、それぞれの光学系１０１、１０２の遮光フードが本光学装置の外装で兼ねるようにすることも可能である。

上記実施例２の光学系１０１、１０２の横収差図を図７に示す。
なお、実施例２の光学系の仕様は、
画角２２．５°×６０．０°
入射瞳径 φ１．０ｍｍ
焦点距離８．０ｍｍ
Ｆナンバー８．１
である。

図８は、実施例３の光学装置の一方の光学系の軸上主光線１を含むＹ−Ｚ断面図であり、この光学系は、絞り２が最も物体側に配置され、絞り２より像側に配置された偏心プリズム光学系１０のみからなり、像面３の前にはカバーガラス４が配置されている。偏心プリズム光学系１０は、入射面である透過作用を有する第１面１１と、反射作用と透過作用を兼ねた第２面１２と、反射作用を有する第３面１３とからなる屈折率が１．３よりも大きい媒質で形成されており、絞り２を通った物体からの光線は、第１面１１を透過して媒質内部に入り、第２面１２で全反射され、次いで第３面１３で反射され、今度は第２面１２透過して偏心プリズム光学系１０の外へ出て、カバーガラス４を介して像面３に物体像を結像する。

図９（ａ）は、図８のような光学系を２つ用いた本実施例の光学装置の上下方向から見た透視図、図９（ｂ）は、その光学装置の側面図である。この光学装置は、図８のような光学系であって同じもの２つ１０１、１０２を用いており、一方の光学系１０１を他方の光学系１０２に対して像面３へ向かう軸上主光線１_１の周りで１８０°回転させて、それぞれの光学系１０１、１０２のＹ−Ｚ面が平行で、かつ、両光学系１０１、１０２の像面３へ向かう軸上主光線１_１、１_２を含む平面がＹ−Ｚ面に垂直になるように、両光学系１０１、１０２を並列させて配置し、それぞれの光学系１０１、１０２によって像面３に結像される画像が１つの撮像素子３０上に並列して結像されるように構成したものである。

上記実施例３の光学系１０１、１０２の横収差図を図１０に示す。
なお、実施例３の光学系の仕様は、
画角２２．５°×６０．０°
入射瞳径 φ１．０ｍｍ
焦点距離７．８ｍｍ
Ｆナンバー７．９
である。

以下に上記実施例１〜３の構成パラメータを示す。これら表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は回転対称非球面、“ＲＳ”は反射面を示す。

実施例１

実施例２

実施例３

以上のような左右両方向を同時に撮像可能な本発明の光学装置１００は、図１１に示すように、例えば自動車Ｖの先端に取り付けて自動車のフロント両サイドモニターとして使用することができる。

また、本発明の光学装置は、カバー部材を持つ撮像素子と、その撮像素子のカバー部材の側に位置する少なくとも２つのプリズムを有し、その２つのプリズムが並ぶ方向を上下方向とするとき、その２つのプリズムのうちの一方のプリズムは右方向から入射する光をその撮像素子に導き、その２つのプリズムのうちの他方のプリズムは左方向から入射する光をその撮像素子に導き、その２つのプリズムの各々は曲面反射面を有する構成としてもよい。

この場合、その２つのプリズムは各々複数の曲面反射面を有することが望ましい。

また、その２つのプリズムの各々は凹反射面を有することが望ましい。

また、その２つのプリズムの各々は、軸上主光線を透過する第１面、その第１面からの軸上主光線を反射する第２面、その第２面からの軸上主光線を反射する第３面を有することが望ましい。

この場合、その２つのプリズムの各々の第２面はその撮像素子のカバー部材に対して互いに異なる方向に傾いていることが望ましい。

また、その２つのプリズムの各々の第１面よりも物体側に各々配置された２つの絞りを有することが望ましい。

この場合、その２つの絞りのうちのいずれか一方の絞りの物体側に配置された光学エレメントを有することが望ましい。

この場合、２つのプリズムが並ぶ方向における前述の光学エレメントの大きさが、前述の２つのプリズムが並ぶ方向における各々のプリズムの大きさよりも大きいことが望ましい。

Claims

物体側から、透過作用を有する第１面、内部反射作用と透過作用を有する第２面、反射作用を有する第３面の３つの光学面を有し屈折率が１．３よりも大きい媒質で構成され、第１面１１を透過して媒質内部に入り、第２面１２で全反射され、次いで第３面１３で反射され、今度は第２面１２透過して媒質外に出るプリズム光学系を用いた光学装置において、単一の撮像素子の撮像面に対して前記プリズム光学系を少なくとも２つ並列配置し、少なくとも２方向の画像を単一の撮像素子の撮像面に並列して形成するように構成し、前記プリズム光学系各々の３面の中少なくとも１面の反射面は回転非対称面で構成されていることを特徴とする光学装置。
前記プリズム光学系を２つ並列配置し、前記２つのプリズム光学系は同一形状のプリズム光学系からなり、一方の前記プリズム光学系を他方の前記プリズム光学系に対して像面へ向かう軸上主光線の周りで１８０°回転させて、像面へ向かう軸上主光線が相互に平行になるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
前記２つのプリズム光学系は隣接するプリズム光学系からの光線を遮光する遮光部材を間に挟んで配置されていることを特徴とする請求項２記載の光学装置。
隣接する前記プリズム光学系に入射し、一旦一方の前記プリズム光学系を通過した後他方の前記プリズム光学系に入射する光線を遮光する前記プリズム光学系より物体側に配置されたフードを備えていることを特徴とする請求項２又は３記載の光学装置。
左右両方向を同時に観察可能な車載カメラとして用いることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の光学装置。
カバー部材を持つ撮像素子と、その撮像素子のカバー部材の側に位置する少なくとも２つのプリズムを有し、その２つのプリズムが並ぶ方向を上下方向とするとき、その２つのプリズムのうちの一方のプリズムは右方向から入射する光をその撮像素子に導き、その２つのプリズムのうちの他方のプリズムは左方向から入射する光をその撮像素子に導き、その２つのプリズムの各々は曲面反射面を有することを特徴とする光学装置。
その２つのプリズムは各々複数の曲面反射面を有することを特徴とする請求項６記載の光学装置。
その２つのプリズムの各々は凹反射面を有することを特徴とする請求項６記載の光学装置。
その２つのプリズムの各々は、軸上主光線を透過する第１面、その第１面からの軸上主光線を反射する第２面、その第２面からの軸上主光線を反射する第３面を有することを特徴とする請求項６記載の光学装置。
その２つのプリズムの各々の第２面はその撮像素子のカバー部材に対して互いに異なる方向に傾いていることを特徴とする請求項９記載の光学装置。
その２つのプリズムの各々の第１面よりも物体側に各々配置された２つの絞りを有することを特徴とする請求項９記載の光学装置。
その２つの絞りのうちの何れか一方の絞りの物体側に配置された光学エレメントを有することを特徴とする請求項１１記載の光学装置。
前記２つのプリズムが並ぶ方向における前記光学エレメントの大きさが、前記２つのプリズムが並ぶ方向における各々のプリズムの大きさよりも大きいことを特徴とする請求項１２記載の光学装置。