(57)【要約】【課題】２つのプリズムを一体に取り付ける小型、薄型で低価格な結像光学系及びそれを用いた撮像装置及びカメラ装置。【解決手段】物体像を形成する結像光学系が、絞りよりも物体側に配置された第１プリズム１０と、絞りよりも像側に配置された第２プリズム２０とを含み、第１プリズム１０は、反射時に光束にパワーを与える非球面形状の物体側反射面を有し、第２プリズム２０は、反射時に光束にパワーを与える非球面形状の像側反射面を有し、反射面の少なくとも１面が光軸に対して偏心配置され、その面形状が回転非対称な曲面にて形成された一方のプリズム２０における光学的性能を受けない側面には第１の取り付け片３１を配置し、第１の取り付け片３１は他方のプリズム１０方向へ伸長しその先端に突起３３を有し、他方のプリズム１０の光学的性能を受けない側面には第２の取り付け片３２を配置し、第２の取り付け片３２には、突起３３を受け入れる嵌め込み部３４が配置されている。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体像を形成する結像光学系において、前記結像光学系が、絞りと、絞りよりも物体側に配置された第１プリズムと、絞りよりも像側に配置された第２プリズムとを含み、
前記第１プリズムは、プリズム内の光束を反射し、その反射時に光束にパワーを与える非球面形状の物体側反射面を有し、前記第２プリズムは、プリズム内の光束を反射し、その反射時に光束にパワーを与える非球面形状の像側反射面を有する結像光学系において、
前記反射面の少なくとも１面が光軸に対して偏心配置され、その面形状が回転非対称な曲面にて形成された一方のプリズムにおける光学的性能を受けない側面には第１の取り付け片を配置し、前記第１の取り付け片は他方のプリズム方向へ伸長しその先端に突起を有し、前記他方のプリズムの光学的性能を受けない側面には第２の取り付け片を配置し、前記第２の取り付け片には、前記突起を受け入れる嵌め込み部を配置したことを特徴とする結像光学系。
【請求項２】
前記第１プリズムと前記第２プリズムとが一体に取り付けられ、前記結像光学系に対して像側に配置された撮像素子を前記第２のプリズムから射出光軸に平行に移動してフォーカス制御を行うことを特徴とする結像光学系。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記第１プリズムの物体側反射面と前記第２プリズムの像側反射面の中、少なくとも一方の面が、透過作用と反射作用とを兼用する面にて形成されていることを特徴とする結像光学系。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１項において、前記第１プリズムの物体側反射面と前記第２プリズムの像側反射面とが共に、透過作用と反射作用とを兼用する面にて形成されていることを特徴とする結像光学系。
【請求項５】
請求項４において、前記透過作用と反射作用とを兼用する面が全反射面にて形成されていることを特徴とする結像光学系。
【請求項６】
請求項１において、前記回転非対称な曲面反射面が、対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて形成され、パワーを持った偏心面で発生する偏心収差を補正するように構成されたことを特徴とする結像光学系。
【請求項７】
請求項１から６の何れか１項において、前記物体側反射面と前記像側反射面とが共に、対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて形成され、前記物体側反射面の面対称自由曲面と前記像側反射面の面対称自由曲面とが共に、唯一の対称面を略同一平面上に配置して構成されたことを特徴とする結像光学系。
【請求項８】
請求項１から６の何れか１項において、前記第１プリズムは、反射面を少なくとも２面有し、前記少なくとも２面の反射面が共に光束にパワーを与えると共に収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状に形成されていることを特徴とする結像光学系。
【請求項９】
請求項１から８の何れか１項において、前記第２プリズムは、反射面を少なくとも２面有し、前記少なくとも２面の反射面が共に光束にパワーを与えると共に収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状に形成されていることを特徴とする結像光学系。
【請求項１０】
請求項９において、前記プリズム中に設けられた少なくとも２面の反射面の回転非対称な曲面形状が、対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて形成され、かつ、前記唯一の対称面が略同一平面上に配置されたことを特徴とする結像光学系。
【請求項１１】
請求項１から１０の何れか１項において、前記結像光学系が、像面上に電子撮像素子を配置し、前記電子撮像素子が、四角形にて形成され、前記面対称自由曲面の唯一の対称面が、前記四角形の少なくとも一辺と略平行な位置に形成されるように構成されていることを特徴とする結像光学系。
【請求項１２】
請求項１から１１の何れか１項において、単焦点光学系として構成されていることを特徴とする結像光学系。
【請求項１３】
請求項１から１２の何れか１項記載の結像光学系が撮像装置の撮像部に配置されていることを特徴とする撮影装置。
【請求項１４】
請求項１から１２の何れか１項記載の結像光学系がカメラ機構を備えていることを特徴とするカメラ装置。
【請求項１５】
請求項１から１２の何れか１項記載の結像光学系が撮影部の対物光学系に組み込まれ、前記対物レンズにカバー部材が配置されていることを特徴とするカメラ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結像光学系、それを用いた撮像装置及びカメラ装置に関し、その中でも、ＣＣＤ等の固体撮像素子を用いたデジタルスチルカメラやビデオカメラ、内視鏡等に好適な光学的ローパスフィルターを用いた結像光学系とそれを用いた撮像装置及びカメラ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルスチルカメラに代表されるような、ＣＣＤ等の固体撮像素子を用いた小型の撮像装置が数多く商品化されている。これらに用いられる固体撮像素子は、被写体を空間的にサンプリングすることにより所望の画像情報を得られるようにしたものである。
【０００３】
一般に固体撮像素子は離散的画素構造を有しているため、被写体にサンプリング周波数よりも高い空間周波数成分が含まれていると、本来被写体が有していない偽信号、例えばモアレ縞や、細かい縞模様が濃度にうねりを持つ太い縞となるビート現象や、偽色等が発生する。これらの影響を小さくするために、ＣＣＤ等の固体撮像素子を用いた撮像装置では、光学系中に光学的ローパスフィルターを配置し、固体撮像素子に入力する被写体の高い空間周波数成分を制限することが行われている。
【０００４】
従来の光学的ローパスフィルターとしては、水晶のような一軸性結晶の複屈折を利用したローパスフィルターや、回折現象を利用した位相型のローパスフィルターが一般的である。
【０００５】
また、光学的ローパスフィルターを用いた光学系を薄型化、小型化する目的で、反射面を用いる提案も、特許文献１や特許文献２等多数なされている。
【０００６】
また、結像光学系が、絞りと、絞りよりも物体側に配置された第１のプリズムと、絞りよりも像側に配置された第２のプリズムとを物体像を形成する前記結像光学系を薄型化、小型化する目的で、反射面を用いる提案もなされている。しかし、積極的に２つのプリズムを一体に取り付ける構成や配置を考慮して薄型化、小型化を図った例はない。
【特許文献１】特開平８−２９２３６８号公報
【特許文献２】特開平８−２９２３７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、２つのプリズムを一体に取り付ける小型、薄型で低価格な結像光学系及びそれを用いた撮像装置及びカメラ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の結像光学系は、物体像を形成する結像光学系において、前記結像光学系が、絞りと、絞りよりも物体側に配置された第１プリズムと、絞りよりも像側に配置された第２プリズムとを含み、
前記第１プリズムは、プリズム内の光束を反射し、その反射時に光束にパワーを与える非球面形状の物体側反射面を有し、前記第２プリズムは、プリズム内の光束を反射し、その反射時に光束にパワーを与える非球面形状の像側反射面を有する結像光学系において、
前記反射面の少なくとも１面が光軸に対して偏心配置され、その面形状が回転非対称な曲面にて形成された一方のプリズムにおける光学的性能を受けない側面には第１の取り付け片を配置し、前記第１の取り付け片は他方のプリズム方向へ伸長しその先端に突起を有し、前記他方のプリズムの光学的性能を受けない側面には第２の取り付け片を配置し、前記第２の取り付け片には、前記突起を受け入れる嵌め込み部（例えば穴）を配置したことを特徴とするものである。
【０００９】
以下、本発明において上記のような構成をとる理由とその作用について説明する。
【００１０】
本発明の結像光学系は、絞りの前後に反射面を有する光学系において、絞り近傍にローパスフィルターを配置したものである。一般の共軸光学系では、その光軸方向に光学素子を配置するために、光軸方向の厚みを薄くすることは困難である。光学系のタイプを選んだり、各光学素子のパワーを大きくすることで多少の薄型化の可能性はあるが、抜本的な解決策にはなっていない。そこで、反射面を導入して共軸光学系の光軸を折り曲げ、光学系を薄型化することが考えられている。
【００１１】
いま、共軸光学系の光軸方向をＺ軸とした場合、反射面が１面だけではＺ軸方向の薄型化は可能であるが、Ｙ軸方向あるいはＸ軸方向の小型化が図れない。そこで、本発明では絞り前後に反射面を有する構成とすることで、少なくとも２回の折り曲げを行い、光学系の薄型化と同時に小型化を達成することを可能にするものである。光学系に反射面を導入する構成としては、絞りより物体側のみ、あるいは像側のみというように、絞りの片側にのみ導入することも考えられる。しかし、絞りの片側にのみ反射面を複数導入する場合、その反射面を入れるスペースを確保するために反射面を導入した側の光路長が長くなり、絞りに対してアンバランスな光路長を有する光学系となってしまう。その結果、収差補正が困難となるばかりか、光学系自体も大きくなってしまう。そのため、本発明では、前述のように、絞りの前後に反射面を有する構成をとることで、光学系を小型化したままで良好な性能を確保することが可能となる。なお、反射の方向は、光学系のタイプにより小型化できる方向が異なるので、少なくとも１面はＺ軸方向の薄型化を図るような方向に反射を行う構成とし、それ以外はＸ軸方向でも、Ｙ軸方向でも、Ｚ軸方向でも、あるいは斜めの方向でも構わない。
【００１２】
また、光学的ローパスフィルターを必要とする固体撮像素子等を用いた結像光学系は、光学的ローパスフィルターを光学系のどの部分に配置するかによって、そのパワー配置が大きく異なってくる。特に、光学系と撮像素子の間に水晶等のような厚みを必要とする光学的ローパスフィルターを配置する場合は、そのスペースを確保するためにレトロフォーカスタイプをとり、バックフォーカスを確保する必要が生じる。その結果、光学系の大型化と同時に非対称なパワー配置に起因する性能劣化が避けられない。
【００１３】
そこで、本発明の光学系では、前述のように、反射面を使用することでＺ軸方向の薄型化を達成するために、従来の反射面を用いない共軸光学系のように光学素子のパワーのみによるＺ軸方向の薄型化を図る必要がなくなる。そのため、絞り近傍に空間を設け、そこに光学的ローパスフィルターを配置することが可能となる。これにより、必要以上にバックフォーカスをとる必要がなくなり、光学系のパワー配置の非対称性も緩和され、それに起因する性能劣化や大型化が防げる。これにより、本発明の前記目的が達成される。
【００１４】
また、本発明で用いる反射面は、ミラーを用いた表面反射、プリズムを用いた裏面反射等が利用可能である。ミラーを用いた表面反射の場合は、原理的にそこでの色収差の発生はなく、光学系の性能に悪影響を及ぼさない。また、プリズムを用いた裏面反射の場合は、入射面、射出面に曲率を持たせることで収差補正の自由度が増し、さらに良好な性能を達成することが可能である。特に、反射面としてプリズムを用いる場合は、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、屈折面に対して偏心誤差感度の高い反射面の必要以上の組み立て精度、調整工数が不要である。
【００１５】
また、本発明では、反射面に曲率を付け、反射面自身にパワーを持たせることも可能である。特にプリズムでは、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、ミラーに対し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取ることができ、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。
【００１６】
そこで、本発明の絞りの前後の反射面をプリズムによる裏面反射として構成し、その反射面にパワーを持たせるような構成にすれば、光学素子の構成枚数の削減と共に光学系の薄型化と小型化が達成できる。また、同時に、絞りに対しても対称性を維持することができるので、中心ばかりでなく軸外収差も良好に補正することが可能となる。
【００１７】
また、本発明において、物点中心を通り、絞り中心を通過して像面中心に到達する光線を軸上主光線としたとき、反射面の中、少なくとも１面は軸上主光線に対して偏心していることが望ましい。少なくとも１つの反射面が軸上主光線に対して偏心していないと、軸上主光線の入射光線と反射光線が同一の光路をとることとなり、軸上主光線が光学系中で遮断されてしまう。その結果、中心部が遮光された光束のみで像を形成することになり、中心が暗くなったり、中心では全く像を結ばなくなったりしてしまう。
【００１８】
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面の中、少なくとも１つの面は回転非対称な面であることが望ましい。その中でも、特に、少なくとも１つの反射面を回転非対称な面にすることが収差補正上は好ましい。
【００１９】
その理由を以下に詳述する。
【００２０】
まず、用いる座標系、回転非対称な面について説明する。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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２０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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
次に、回転非対称な非点収差について説明する。
【００２９】
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２１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。
【００３０】
さらに、回転非対称なコマ収差について説明する。
【００３１】
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２２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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
66
Ｚ＝ｃｒ2 ／［１＋√｛１−（１＋ｋ）ｃ2 ｒ2 ｝］＋Σ  Ｃj Ｘm Ｙn 
j=2 
・・・（ａ）
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。
【００３５】
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。
【００３６】
自由曲面項は、
66
Σ  Ｃj Ｘm Ｙn 
j=2 
＝Ｃ2 Ｘ＋Ｃ3 Ｙ
＋Ｃ4 Ｘ2 ＋Ｃ5 ＸＹ＋Ｃ6 Ｙ2 
＋Ｃ7 Ｘ3 ＋Ｃ8 Ｘ2 Ｙ＋Ｃ9 ＸＹ2 ＋Ｃ10Ｙ3 
＋Ｃ11Ｘ4 ＋Ｃ12Ｘ3 Ｙ＋Ｃ13Ｘ2 Ｙ2 ＋Ｃ14ＸＹ3 ＋Ｃ15Ｙ4 
＋Ｃ16Ｘ5 ＋Ｃ17Ｘ4 Ｙ＋Ｃ18Ｘ3 Ｙ2 ＋Ｃ19Ｘ2 Ｙ3 ＋Ｃ20ＸＹ4 
＋Ｃ21Ｙ5 
＋Ｃ22Ｘ6 ＋Ｃ23Ｘ5 Ｙ＋Ｃ24Ｘ4 Ｙ2 ＋Ｃ25Ｘ3 Ｙ3 ＋Ｃ26Ｘ2 Ｙ4 
＋Ｃ27ＸＹ5 ＋Ｃ28Ｙ6 
＋Ｃ29Ｘ7 ＋Ｃ30Ｘ6 Ｙ＋Ｃ31Ｘ5 Ｙ2 ＋Ｃ32Ｘ4 Ｙ3 ＋Ｃ33Ｘ3 Ｙ4 
＋Ｃ34Ｘ2 Ｙ5 ＋Ｃ35ＸＹ6 ＋Ｃ36Ｙ7 
・・・・・・
ただし、Ｃj （ｊは２以上の整数）は係数である。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
また、発明において用いる少なくとも１つのプリズムに、反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面を少なくとも１面用いることが好ましい。このような構成をとることで、少ないスペースを有効に使い、プリズム自体の小型化が可能となる。さらに、この場合、プリズム内を通る光線の光路長も短くなる。その結果、偏心誤差感度の高い反射面で発生した偏心誤差の転送による影響を小さく抑えることが可能となり、反射面の製作精度が緩和され、コストダウンが図られる。
【００４２】
また、この反射作用と透過作用を併せ持つ光学作用面の反射作用を持つ面は、全反射面であることが望ましい。全反射条件を満たさなければ、反射作用と透過作用を併せ持つことができず、プリズム自体の小型化が困難になり、反射面の製作精度の緩和も図れない。
【００４３】
また、本発明で用いられる反射面の中、全反射面以外の反射面は、アルミニウム又は銀等の金属薄膜を表面に形成した反射面、又は、誘電体多層膜の形成された反射面で構成することが好ましい。金属薄膜で反射作用を有する場合は、手軽に高反射率を得ることが可能となる。また、誘電体反射膜の場合は、波長選択性や吸収の少ない反射膜を形成する場合に有利となる。
【００４４】
また、発明において、結像光学系のフォーカシングは、全体繰り出しやプリズムを１つだけ移動することにより可能なのは言うまでもないが、最も像側の面から射出した軸上主光線の方向に結像面を移動させることによりフォーカシングすることが可能である。これにより、結像光学系が偏心することで物体からの軸上主光線の入射方向と最も像側の面から射出する軸上主光線の方向とが一致していなくても、フォーカシングによる軸上主光線の入射側のずれを防ぐことができる。また、図４に示すように、平行平面板を複数の楔状のプリズムＰ１，Ｐ２に分割し、それをＺ軸（光軸）と垂直方向に移動させることでフォーカシングするフォーカシング用プリズム６と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。
【００４５】
また、本発明の光学系に用いる光学的ローパスフィルターは、水晶等の複屈折を利用することも可能であるが、光学系の薄型化を考慮した場合、いわゆる位相型の光学的ローパスフィルターであることが好ましい。水晶等の複屈折を利用したものは、その厚みにより光線の分離量が決まるため、画素ピッチに応じた厚みが必要である。それに対し、位相型の光学的ローパスフィルターの光線の分離量は厚みに依存していないため、薄型化が可能となる。さらに、絞り近傍に位相型の光学的ローパスフィルタを配置するため、軸上、軸外共に同様の効果を得ることができ好ましい構成でもある。
【００４６】
また、本発明で好ましく用いられる位相型の光学的ローパスフィルターは、回折格子や、図５に断面形状を示すように、円弧状（図（ａ））、三角状（図（ｂ））、台形状（図（ｃ））、正弦波状（図（ｄ））、矩形状（図（ｅ））等の位相格子、クサビを組み合わせたスプリットイメージタイプ（図（ｆ）：斜視図）等が適用できる。これらを用いることで所望の効果を得ながら、光学系の薄型化、小型化が同時に達成できる。
【００４７】
図６は、この中、スプリットイメージタイプ（図５（ｆ））の光学的ローパスフィルターを用いたテレビカメラの撮像光学系の例を示しており、図６（ａ）は光学的ローパスフィルターを構成する片面多面レンズ１６の配置方向を示し、片面多面レンズ１６の片面の二面の境界線（分割線）１５が水平方向、つまり固体撮像素子１８の水平方向（横方向）に平行に配置されていることを示す。この場合には固体撮像素子１８の水平走査方向に像が分離することになる。つまり、図６（ｂ）はこの片面多面レンズ１６を通して形成される２重像を示し、水平方向に距離ｄ離れて形成される。なお、本説明では固体撮像素子１８の水平方向（横方向）はＸ軸、垂直方向（縦方向）はＹ軸に設定されているとする。
【００４８】
図７は撮像光学系にこの片面多面レンズ１６を用いて２重像を形成することにより、縞模様を消去する機能の説明図を示す。モアレ除去の基本的な考えとしては、モアレは物体像をサンプリングする際に、サンプリング周波数と物体像中に含まれる周波数成分とが近い場合に生ずるので、光学的ローパスフィルターはこの周波数成分を除くような周波数特性に設定する。
【００４９】
図７に示すように繰り返しの周期で明暗の物体を片面多面レンズ１６及び結像レンズ１７により（固体撮像素子１８の撮像面に）結像すると、片面多面レンズ１６の片面の一方の面を通って結像された第１像と他方の面を通って結像された第２像とが形成され、第１像と第２像との分離距離が周期の１／２に設定すると、２つの像の強度分布を重ねると、一方の山が他方の谷を埋めるため、一様な強度となり、縞模様の存在が分からなくなる。つまり、２重像を形成すると、像の分離距離の２倍の繰り返し周期を持つ周波数成分がなくなる。したがって、サンプリングのための絵素（画素）の間隔（繰り返し周期）と像分離距離との関係を適切に設定すると、モアレを除去することができる。
【００５０】
また、絞り近傍の面に回折格子等を形成し、位相型の光学的ローパスフィルターの役割を持たせることも可能である。これにより部品点数を減らすことができ、コストダウンが図られる。図８は、その例として本発明の結像光学系の第２プリズム２０の入射面２１を複数の面の法線が光軸１に関してねじれの関係にありローパス機能を有する多面形状にした場合の模式的斜視図を示す。この代わりに、本発明の結像光学系の第１プリズムの射出面に同様の多面形状にすることもできる。
【００５１】
ところで、位相型の光学的ローパスフィルターは、絞りを絞って行くとその効果が薄れていくことが知られている。これは、位相型の光学的ローパスフィルターを通過する光束に対し、その効果を与える位相格子等のピッチが少なくなることに起因する。したがって、当然絞りを絞って固体撮像素子等に入射する光量を制限することは可能であるが、位相型の光学的ローパスフィルターの効果を変えずに光量を制限する方法として、ＮＤフィルターを用いて直接光量を制限したり、液晶シャッターを使ってシャッター速度を変化させたり、プログレッシブＣＣＤと呼ばれるような固体撮像素子を使ってシャッター速度を変化させたりすることで光量の制限が可能である。
【００５２】
また、本発明において、位相型の光学的ローパスフィルターやプリズムをプラスチック等のような樹脂材料を用いれば、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。
【００５３】
また、本発明において、図９に示すように、本発明の結像光学系の入射面より物体側に、ミラー等の反射部材７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。
【００５４】
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。レンズ等の屈折光学素子は、その境界面で色収差が発生し、その補正のために別の屈折光学素子を必要とする。プリズムも入射面と射出面という屈折面を有するが、それらの面のパワーを小さくし、色収差の発生しない反射面に所望のパワーの大部分を持たせることにより、色収差の発生を非常に小さくすることが可能である。これにより、プリズム単独でも良好な色収差の補正が可能であるが、本発明のように、絞り前後に複数のプリズムを配置する構成をとることで絞りに対して対称とすれば、個々のプリズムで色収差の補正が不完全な場合でも、色収差の補正、特に倍率色収差を良好に補正することが可能となる。
【００５５】
しかし、レンズ等の屈折光学素子を本発明の結像光学系中に配置した場合、プリズムのみの構成に比べ色収差の発生が顕著となる。これを補正するためには、別の屈折光学素子を加えなければならず、結果的に光学素子の構成枚数が増えてコストアップになるばかりか、光学系自体が大型化してしまい、好ましくない。そのため、プリズムのみからなる結像光学系であることが色収差補正上好ましい。これにより、屈折光学系に比べ光学素子の構成枚数が少なく、低コストで良好な性能の小型の結像光学系を得ることが可能である。
【００５６】
また、さらに、図１０に示すように、絞り２を１つの開口とし、その前後で光学的ローパスフィルター４と複数のプリズム１０、２０を一体化し、１つのプリズムに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。なお、ここで言うプリズムのみという構成は、パワーを有する光学素子がプリズムのみということを指し、パワーを持たない光学素子は除く。それに相当する光学素子として、例えば撮影光学系の前面に配置されるフィルター等がある。
【００５７】
また、本発明において、結像光学系は、限定的ではないが、単焦点レンズであることが結像性能を維持する上で好ましい。なお、本発明の結像光学系をズームレンズとする場合には、後記の実施例で説明するような移動機構を用いることが望ましい。
【００５８】
また、本発明において、軸上主光線が反射作用を有する回転非対称面と交わる点における回転非対称面の偏心方向の法線と軸上主光線のなす角をθとするとき、
１°＜｜θ｜＜９０°                              ・・・（１−１）
なる条件を満足することが望ましい。軸上主光線に対して回転非対称面を傾けて配置することにより、偏心収差の補正を効果的に行うことが可能となる。特に、偏心した反射面がパワーを持っているときは、偏心によるコマ収差と偏心による非点収差の発生を補正することが可能となる。
【００５９】
上記条件式の上限の９０°を越えると、今度はこの面で発生する偏心によるコマ収差と偏心による非点収差の発生が大きくなりすぎ、補正過剰になってしまい、偏心による収差のバランスを取ることが困難になる。下限の１°を越えると、他の面で発生する偏心によるコマ収差と偏心による非点収差の発生をこの面で補正することが不可能になり、軸上の像に対しても解像力が低下してしまう。
【００６０】
さらに好ましくは、
１０°＜｜θ｜＜８０°                            ・・・（１−２）
なる条件を満足することが収差補正上好ましい。この条件の下限の１０°は、他の面で発生する収差を補正するために必要であり、上限の８０°を越えると、今度はこの面で発生する偏心によるコマ収差と偏心による非点収差の発生が大きくなりすぎ、補正過剰になってしまい、偏心による収差のバランスを取ることが困難になる。
【００６１】
さらに好ましくは、
１０°＜｜θ｜＜６０°                            ・・・（１−３）
なる条件を満足することにより、さらに収差性能が向上する。
【００６２】
また、パワーを持った反射面が反射作用のみを有する場合、軸上主光線がその反射面と交わる点における偏心方向の法線と軸上主光線のなす角をΘとするとき、
５°＜｜Θ｜＜４５°                              ・・・（２−１）
なる条件を満足することが望ましい。これは、結像光学系の薄型化、小型化を図ったまま、反射作用のみを有する面に所望のパワーの大部分を分担させても偏心収差の発生量が小さくなるように設けた条件式である。下限の５°を越えると、軸上主光線が略Ｚ軸方向に沿って反射してしまい、光学系の薄型化が図れなくなる。また、上限の４５°を越えると、反射面の偏心量が大きくなりすぎ、そこで発生する偏心収差を回転非対称な面を使っても補正がしきれなくなる。
【００６３】
さらに好ましくは、
１０°＜｜Θ｜＜３０°                            ・・・（２−２）
なる条件を満足することにより、偏心収差の発生を小さくしたまま反射面のパワーを強くすることができるので、結像光学系のさらなる薄型化、小型化が図られる。
【００６４】
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。
【発明の効果】
【００６５】
以上説明したように、また、以下の実施例から明らかなように、本発明によれば、２つのプリズムを一体に取り付ける小型、薄型で低価格な結像光学系を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６６】
以下、本発明の結像光学系の１実施例について説明する。なお、実施例１の構成パラメータは後に示す。実施例１において、図１に示すように、光学系の特定の面（面番号１の仮想面と面番号８の絞り面）の中心を偏心光学系の原点として、軸上主光線１を物体中心を出て、絞り２の中心を通る光線で定義する。物体中心から光学系の第１面まで軸上主光線１に沿って進む方向をＺ軸方向、このＺ軸と像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、光線が光学系の面によって折り曲げられる面内の方向で、かつ、Ｙ−Ｚ平面内のＺ軸に直交する方向にＹ軸をとる。物点から光学系の第１面に向かう方向をＺ軸の正方向とし、Ｙ軸の正方向を図の上方向にとる。そして、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸とする。
【００６７】
実施例１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。
【００６８】
偏心面については、光学系の原点の中心から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記の（ｂ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
また、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
【００７２】
Ｚ＝（ｙ2 ／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）ｙ2 ／Ｒ2 ｝1 /2］
＋Ａｙ4 ＋Ｂｙ6 ＋Ｃｙ8 ＋Ｄｙ10＋……                                                                ・・・（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。
【００７３】
なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００７４】
また、自由曲面の他の定義式として、以下の（ｃ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表せられる。
【００７５】
ｘ＝Ｒ×cos(A)
ｙ＝Ｒ×sin(A)
Ｚ＝Ｄ2 
＋Ｄ3 Ｒcos(A)＋Ｄ4 Ｒsin(A)
＋Ｄ5 Ｒ2  cos(2A)＋Ｄ6 （Ｒ2 −１）＋Ｄ7 Ｒ2  sin(2A)
＋Ｄ8 Ｒ3 cos(3A) ＋Ｄ9 （３Ｒ3 −２Ｒ）cos(A)
＋Ｄ10（３Ｒ3 −２Ｒ）sin(A)＋Ｄ11Ｒ3 sin(3A) 
＋Ｄ12Ｒ4cos(4A)＋Ｄ13（４Ｒ4 −３Ｒ2 ）cos(2A) 
＋Ｄ14（６Ｒ4 −６Ｒ2 ＋１）＋Ｄ15（４Ｒ4 −３Ｒ2 ）sin(2A) 
＋Ｄ16Ｒ4 sin(4A) 
＋Ｄ17Ｒ5 cos(5A) ＋Ｄ18（５Ｒ5 −４Ｒ3 ）cos(3A) 
＋Ｄ19（１０Ｒ5 −１２Ｒ3 ＋３Ｒ）cos(A)
＋Ｄ20（１０Ｒ5 −１２Ｒ3 ＋３Ｒ）sin(A)
＋Ｄ21（５Ｒ5 −４Ｒ3 ）sin(3A) ＋Ｄ22Ｒ5 sin(5A) 
＋Ｄ23Ｒ6cos(6A)＋Ｄ24（６Ｒ6 −５Ｒ4 ）cos(4A) 
＋Ｄ25（１５Ｒ6 −２０Ｒ4 ＋６Ｒ2 ）cos(2A) 
＋Ｄ26（２０Ｒ6 −３０Ｒ4 ＋１２Ｒ2 −１）
＋Ｄ27（１５Ｒ6 −２０Ｒ4 ＋６Ｒ2 ）sin(2A) 
＋Ｄ28（６Ｒ6 −５Ｒ4 ）sin(4A) ＋Ｄ29Ｒ6sin(6A)・・・・・
・・・（ｃ）
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。
【００７６】
その他の面の例として、次の定義式（ｄ）があげられる。
【００７７】
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。
【００７８】
Ｚ＝Ｃ2 
＋Ｃ3 ｙ＋Ｃ4 ｜ｘ｜
＋Ｃ5 ｙ2 ＋Ｃ6 ｙ｜ｘ｜＋Ｃ7 ｘ2 
＋Ｃ8 ｙ3 ＋Ｃ9 ｙ2 ｜ｘ｜＋Ｃ10ｙｘ2 ＋Ｃ11｜ｘ3 ｜
＋Ｃ12ｙ4 ＋Ｃ13ｙ3 ｜ｘ｜＋Ｃ14ｙ2 ｘ2 ＋Ｃ15ｙ｜ｘ3 ｜＋Ｃ16ｘ4 
＋Ｃ17ｙ5 ＋Ｃ18ｙ4 ｜ｘ｜＋Ｃ19ｙ3 ｘ2 ＋Ｃ20ｙ2 ｜ｘ3 ｜
＋Ｃ21ｙｘ4 ＋Ｃ22｜ｘ5 ｜
＋Ｃ23ｙ6 ＋Ｃ24ｙ5 ｜ｘ｜＋Ｃ25ｙ4 ｘ2 ＋Ｃ26ｙ3 ｜ｘ3 ｜
＋Ｃ27ｙ2 ｘ4 ＋Ｃ28ｙ｜ｘ5 ｜＋Ｃ29ｘ6 
＋Ｃ30ｙ7 ＋Ｃ31ｙ6 ｜ｘ｜＋Ｃ32ｙ5 ｘ2 ＋Ｃ33ｙ4 ｜ｘ3 ｜
＋Ｃ34ｙ3 ｘ4 ＋Ｃ35ｙ2 ｜ｘ5 ｜＋Ｃ36ｙｘ6 ＋Ｃ37｜ｘ7 ｜
・・・（ｄ）
なお、本発明の実施例では、前記（ａ）式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記（ｃ）式、（ｄ）式を用いても同様の作用効果を得られるのは言うまでもない。
【００７９】
実施例１は、像の大きさが約２．５×１．８ｍｍの１／３インチサイズの撮像素子を想定している。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。
【００８０】
図１に実施例１の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図を示す。なお、図２に水晶型ローパスフィルター４’を第２プリズム２０と像面３の間に用いた同一スケールの比較例の同様の図を示す（図面のみ）。本発明により、Ｚ軸方向の薄型化が達成されていることが明らかである。実施例１は、水平半画角２６．１°、垂直半画角２０．２°、入射瞳径は１．７８であり、撮像素子サイズは２．４５ｍｍ×１．８４ｍｍ、回転対称光学系の焦点距離に換算すると焦点距離５ｍｍに相当する。実施例１は、物体側から光の通る順に、正パワーの第１透過面１１、負パワーの第１反射面１２、正パワーの第２反射面１３、正パワーの第２透過面１４からなる第１プリズム１０と、位相型の光学的ローパスフィルター４と、絞り２と、正パワーの第１透過面２１、負パワーの第１反射面２２、正パワーの第２反射面２３、負パワーの第２透過面２４からなる第２プリズム２０と、イメージャー表面を保護するカバーガラス５と、像面（イメージャー受光面）３を有し、第１プリズム１０の第１透過面１１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４をそれぞれ透過作用と反射作用を併せ持つ光学作用面としている。
【００８１】
また、下記の構成パラメータの第２面から第６面までは偏心基準面１を基準とした偏心量を表しており、第９面から第１３面までは偏心基準面２を基準とした偏心量を表している。また、像面３はＺ軸に対して垂直である。
【００８２】
以下、上記実施例１の構成パラメータを示す。ここで、自由曲面は“ＦＦＳ”で、回転対称非球面は“ＡＡＳ”で示してある。
【００８３】
実施例１
面番号      曲率半径            面間隔    偏心      屈折率    アッベ数
物体面        ∞                  ∞
1          ∞（仮想面）                        （偏心基準面１）
2      ＦＦＳ(1)                       偏心(1)   1.4924     57.6 
3      ＦＦＳ(2) （反射面）            偏心(2)   1.4924     57.6 
4      ＦＦＳ(1) （反射面）            偏心(1)   1.4924     57.6 
5      ＡＳＳ(1)                       偏心(3) 
6          ∞                  1.00    偏心(4)   1.4924     57.6 
7          ∞                  0.50
（光学的ローパスフィルター）  
8          ∞（絞り面）                        （偏心基準面２）
9      ＡＳＳ(2)                       偏心(5)   1.4924     57.6 
10      ＦＦＳ(3) （反射面）            偏心(6)   1.4924     57.6 
11      ＦＦＳ(4) （反射面）            偏心(7)   1.4924     57.6 
12      ＦＦＳ(3)                       偏心(6) 
13          ∞                  0.75    偏心(8)   1.4875     70.2 
14          ∞                  1.21
（カバーガラス）
像  面        ∞                  
ＡＳＳ(1) 
Ｒ     -9.69
Ｋ      0.0000
Ａ      5.7365×10-4
Ｂ     -6.2259×10-6
Ｃ      9.9952×10-8
Ｄ     -6.7329×10-10 
ＡＳＳ(2) 
Ｒ    241.31
Ｋ      0.0000
Ａ     -5.8239×10-4
Ｂ      1.3867×10-4
Ｃ     -9.4417×10-6
Ｄ      2.5524×10-7
ＦＦＳ(1) 
Ｃ4   7.9105×10-3    Ｃ6   5.8456×10-3    Ｃ8  -8.2836×10-6
Ｃ10 -1.7361×10-4    Ｃ11 -2.5521×10-6    Ｃ13 -2.2102×10-5
Ｃ15  1.3676×10-5    Ｃ17  4.7297×10-6    Ｃ19 -5.5491×10-7
Ｃ21 -1.0642×10-6
ＦＦＳ(2) 
Ｃ4   1.1670×10-2    Ｃ6   1.5926×10-2    Ｃ8  -6.3243×10-5
Ｃ10 -8.1559×10-4    Ｃ11  3.2830×10-6    Ｃ13 -2.6658×10-5
Ｃ15  1.6086×10-4    Ｃ17  6.2610×10-6    Ｃ19  6.8933×10-7
Ｃ21 -1.4004×10-5
ＦＦＳ(3) 
Ｃ4   1.4319×10-2    Ｃ6   6.6299×10-3    Ｃ8  -8.7012×10-5
Ｃ10  3.5430×10-4    Ｃ11  2.2861×10-5    Ｃ13  4.0481×10-5
Ｃ15  1.1692×10-4    Ｃ17  2.3745×10-5    Ｃ19 -2.3469×10-5
Ｃ21 -7.4046×10-6
ＦＦＳ(4) 
Ｃ4   3.4614×10-2    Ｃ6   2.9441×10-2    Ｃ8   2.6927×10-4
Ｃ10  6.4034×10-4    Ｃ11  4.4102×10-5    Ｃ13  9.9462×10-6
Ｃ15  2.5689×10-4    Ｃ17  8.8311×10-6    Ｃ19 -1.6809×10-7
Ｃ21  2.1963×10-5
偏心(1) 
Ｘ    0.00  Ｙ    3.75  Ｚ    0.50
α   23.90  β    0.00  γ    0.00
偏心(2) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.56  Ｚ    5.62
α  -11.23  β    0.00  γ    0.00
偏心(3) 
Ｘ    0.00  Ｙ   10.10  Ｚ    3.87
α   77.63  β    0.00  γ    0.00
偏心(4) 
Ｘ    0.00  Ｙ   13.24  Ｚ    2.47
α   74.91  β    0.00  γ    0.00
偏心(5) 
Ｘ    0.00  Ｙ   -1.92  Ｚ    1.18
α    4.42  β    0.00  γ    0.00
偏心(6) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.07  Ｚ    3.91
α  -53.98  β    0.00  γ    0.00
偏心(7) 
Ｘ    0.00  Ｙ    4.09  Ｚ    5.31
α  -89.11  β    0.00  γ    0.00
偏心(8) 
Ｘ    0.00  Ｙ   -0.42  Ｚ    6.81
α  -74.91  β    0.00  γ    0.00                                          。
【００８４】
次に、上記実施例１の横収差図を図３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。この収差図において、下から上へ順に、画面中心、Ｙ軸上像高の−約７０％の位置、Ｘ方向像高の約７０％でＹ方向像高の−約７０％の位置、Ｘ軸上像高の約７０％の位置、Ｘ方向像高の約７０％でＹ方向像高の約７０％の位置、Ｙ軸上像高の約７０％の位置の横収差である。
【００８５】
また、上記の実施例１の第３面、第４面、第１０面、第１１面の前記条件式（１−１）のθと前記条件式（２−１）のΘの値は次の通りである。
【００８６】
第３面  ：Θ＝  ２０．７１３°
第４面  ：θ＝  ５５．８４９°
第１０面：θ＝  ５５．３１１°
第１１面：Θ＝  ２０．１８３°                                            。
【００８７】
ここで、本発明の結像光学系の２つのプリズム１０、２０を一体に取り付けるマウントの例、像面にＣＣＤを一体に取り付けるマウントの例を示す。図１１（ａ）は２つのプリズム１０、２０を一体に取り付ける前の斜視図、同図（ｂ）は一体に取り付けた後の背面図であり、プリズム１０の光路外の両側面には成形時に一体に取り付け片３２、３２が設けられ、プリズム２０の光路外の両側面にも成型時に一体に取り付け片３１、３１が設けられている。一方の取り付け片３１は両側面から他方のプリズム１０方向へ伸長した形状になっており、その先端に例えば突起３３が設けられており、他方の取り付け片３２には、一方の取り付け片３１の突起３３を受け入れる穴３４が設けられている。このような構成であるので、プリズム２０の光路外の取り付け片３１、３１の突起３３、３３をプリズム１０の光路外の取り付け片３２、３２の穴３４、３４に嵌め込み、接着、ビス止め、熱カシメ等の手段により取り付け片３１、３２間を一体化することにより、２つのプリズム１０、２０は機械的に一体化され、光軸、間隔がずれることがなくなり、また、組立が容易になる。
【００８８】
図１２は、図１１のような２つのプリズム１０、２０の一体化構造に、さらに結像光学系の像面に配置されるＣＣＤを機械的に一体に取り付ける構成の例を示す斜視図を示す。この例では、２つのプリズム１０、２０を一体に取り付けるために一方のプリズム２０の両側面に一体成型して設けられた取り付け片３１、３１に、取り付け金具３５を嵌め込み、接着、ビス止め、熱カシメ等の手段により固定し、その金具３５にＣＣＤ３７を支持する基板３６を同様の嵌め込み、接着、ビス止め、熱カシメ等の手段により固定することにより、２つのプリズム１０、２０からなる本発明の結像光学系の像面にＣＣＤ３７を機械的に一体に取り付け、光軸、間隔がずれることなく、また、組立を容易にするものである。
【００８９】
図１３は、２つのプリズム１０、２０とＣＣＤ３７とを機械的に一体に取り付けるマウントの他の例を示す側面図であり、２つのプリズム１０、２０間は、それぞれの光路外の両側面に一体成型により設けられた取り付け片３１、３２間の間隔を棒状スペーサ３８により位置決めして、取り付け片３１、３２と棒状スペーサ３８をビス３９によって固定することにより、２つのプリズム１０、２０を機械的に一体化している。そして、この棒状スペーサ３８に側面から見てＬ字状金具９０を機械的に固定し、その金具９０の両側に別の取り付け金具９１を取り付け、その金具９１にＣＣＤ３７を支持する基板３６を接着、ビス止め、熱カシメ等の手段により固定するものであり、この例では、取り付け金具９１がプリズム２０の両側面を挟むように構成し、取り付けの安定性を増している。
【００９０】
次に、本発明の結像光学系のフォーカシング機構の例を説明する。図１４は、一体に取り付けられた２つのプリズム１０、２０（この図では図１３と同様な機構により一体化されている。）からなる結像光学系に対して像側に配置されたＣＣＤ３７をプリズム２０からの射出光軸１に平行に移動させてフォーカシングする構成の例であり、例えば、プリズム２０の両側面に設けられた取り付け片３１に射出光軸１に平行にシャフト９２を固定し、このシャフト９２が貫通してシャフト９２沿って移動可能に可動ブロック９３を取り付け、そのプリズム２０に面する面にＣＣＤ３７を取り付けてなる構成であり、シャフト９２に沿って可動ブロック９３を前後することによりフォーカシングする。
【００９１】
図１５は、結像光学系の２つのプリズム１０、２０間をその間の軸上主光線１に平行に第２プリズム２０を移動させてフォーカシングする構成の例であり、この例では、図１２と同様な機構を介して第２プリズム２０にＣＣＤ３７が一体に取り付けられており、第１プリズム１０の両側面に設けられた取り付け片３２に軸上主光線１に平行にシャフト９２を固定し、このシャフト９２が貫通してシャフト９２沿って移動可能に第２プリズム２０の両側面に取り付け片３１を取り付けてなる構成であり、シャフト９２に沿って第２プリズム２０を前後することによりフォーカシングする。
【００９２】
図１６は、図１１〜図１３等の機構によって２つのプリズム１０、２０とＣＣＤ３７とが一体になった光学系をその前に配置したレンズ９４の光軸１に対して前後に移動させてフォーカシングする構成の例であり、この例は、本発明の結像光学系を２つのプリズム１０、２０とその物体側に別のレンズ９４を含むものとして構成する場合のフォーカシングの例である。この場合は、シャフト９２をレンズ９４の光軸１に平行に撮影装置に取り付け、このシャフト９２が取り付け片３２を貫通してシャフト９２沿ってプリズム１０、２０とＣＣＤ３７とを一体に移動可能に取り付けた構成であり、シャフト９２に沿って２つのプリズム１０、２０とＣＣＤ３７とを一体に前後することによりフォーカシングする。
【００９３】
また、本発明の結像光学系をズームレンズとして構成することができる。そのためには、第１プリズム１０と第２プリズム２０の間の間隔、及び、第２プリズム２０とＣＣＤ３７の間の間隔を相互に連係して光軸１に沿って移動可能にすればよい。そのためには、例えば図１４の機構と図１５の機構を組み合わせて、第１プリズム１０に対する第２プリズム２０の移動量と、第２プリズム２０に対するＣＣＤ３７の移動量とを連係して制御するように構成すればよい。
【００９４】
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等の固体撮像素子に受光させて撮影を行う撮影装置、とりわけカメラや内視鏡に用いることができる。以下に、その実施形態を例示する。
【００９５】
図１７は、本発明の結像光学系を電子カメラ４０の撮影部の対物光学系４８に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合、撮影用光路４２上に配置された撮影用対物光学系４８は、実施例１に示した結像光学系を用いている。この撮影用対物光学系により形成された物体像は、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。
【００９６】
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。
【００９７】
なお、本例では、撮影用対物光学系４８のカバー部材６５として平行平面板を配置しているが、パワーを持ったレンズを用いてもよい。
【００９８】
ここで、カバー部材を設けずに、本発明の結像光学系の第１プリズム１０の最も物体側に配置された面をカバー部材と兼用することもできる。しかし、その場合、第１プリズム１０の最も物体側の面は、第１プリズム１０の入射面となる。そして、この入射面が光軸に対して偏心配置されているため、この面がカメラ前面に配置されてしまうと、被写体側から見た場合、カメラ４０の撮影中心が自分からずれているように錯覚してしまい（一般的なカメラ同様、入射面の垂直方向を撮影していると感じるのが通常である。）、違和感を与えてしまう。そこで、本例のように、結像光学系の最も物体側の面が偏心面である場合には、カバー部材６５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。
【００９９】
次に、図１８は、本発明の結像光学系を電子内視鏡の観察系の対物光学系８０に組み込んだ構成の概念図を示す。この電子内視鏡は、図１８（ａ）に示すように、電子内視鏡７１と、照明光を供給する光源装置７２と、その電子内視鏡７１に対応する信号処理を行うビデオプロセッサ７３と、このビデオプロセッサ７３から出力される映像信号を表示するモニター７４と、このビデオブロセッサ７３と接続され映像信号等に記録するＶＴＲデッキ７５、及び、ビデオディスク７６と、映像信号を映像としてプリントアウトするビデオプリンタ７７と共に構成されており、電子内視鏡７１の挿入部７８の先端部７９は、図１８（ｂ）に示すように構成されている。光源装置７２から照明さた光束は、ライトガイドファイバー束８６を通って照明用対物光学系８５により、観察部位を照明する。そして、この観察部位からの光が、カバー部材８４を介して、観察用対物光学系８０によって物体像として形成される。この物体像は、赤外カットフィルター等のフィルター８１を介してＣＣＤ８２の撮像面８３上に形成される。さらに、この物体像は、ＣＣＤ８２によって映像信号に変換され、その映像信号は、図１８（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。
【０１００】
このように構成された内視鏡は、少ない光学部材で構成でき、高性能・低コスト化が実現できると共に、結像光学系８０の第１プリズム１０と第２プリズム２０とが内視鏡の長軸方向に並ぶため、細径化を阻害することなく上記効果を得ることができる。なお、この例でも、カバー部材８４として平行平面板を配置しているが、パワーを持ったレンズを用いてもよい。
【０１０１】
また、実施例１等の結像光学系をＣＣＤやフィルター等の撮像素子前方に配置するときの望ましい構成を図１９に示す。図中、偏心プリズムＰは、本発明の結像光学系の絞りの物体側あるいは像側に配置される偏心プリズムである。いま、撮像素子の撮像面Ｃが、図のように四角形を形成するとき、偏心プリズムＰに配置された面対称自由曲面の対称面Ｄが、この撮像面Ｃの四角形を形成する辺の少なくとも１つと平行になるように配置することが、美しい像形成の上で望ましい。
【０１０２】
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を左右又は上下に対称となる位置に一致させ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。
【０１０３】
さらに、偏心プリズムＰを構成する光学面である第１面、第２面、第３面等の中、複数の面又は全ての面が面対称自由曲面の場合には、複数の面又は全ての面の対称面が同一面Ｄ上に配置されるように構成することが、設計上も、収差性能上も望ましい。そして、この対称面Ｄと撮像面Ｃとの関係は、上述と同様の関係にあることが望ましい。
【０１０４】
また、以上の実施例の結像光学系の絞りの物体側及び像側に配置される偏心プリズムとしては、何れも光学面３面からなり、その中の１面が全反射作用と透過作用とを兼用する面で構成された内部反射回数２回のタイプのプリズムを用いたが、本発明に用いる偏心プリズムはこれに限られるものではない。
【０１０５】
以上の本発明の結像光学系及びそれを用いた装置は例えば次のように構成することができる。
【０１０６】
〔１〕  物体像を形成する結像光学系において、前記結像光学系が、絞りと、絞りよりも物体側に配置された物体側反射面と、絞りよりも像側に配置された像側反射面とを含み、
前記物体側反射面と前記像側反射面とが共に、反射時に光束にパワーを与える非球面にて構成され、
前記物体側反射面と前記像側反射面との間に高周波成分をカットするローパスフィルターを設けたことを特徴とする結像光学系。
【０１０７】
〔２〕  物体像を形成する結像光学系において、前記結像光学系が、絞りと、絞りよりも物体側に配置された第１プリズムと、絞りよりも像側に配置された第２プリズムとを含み、
前記第１プリズムは、プリズム内の光束を反射し、その反射時に光束にパワーを与える非球面形状の物体側反射面を有し、
前記第２プリズムは、プリズム内の光束を反射し、その反射時に光束にパワーを与える非球面形状の像側反射面を有し、
前記物体側反射面と前記像側反射面との間に高周波成分をカットするローパスフィルターを設けたことを特徴とする結像光学系。
【０１０８】
〔３〕  上記２において、前記ローパスフィルターが、前記第１プリズムと前記第２プリズムとの間に配置されていることを特徴とする結像光学系。
【０１０９】
〔４〕  上記２において、前記ローパスフィルターが、前記第２プリズムの入射面に形成されていることを特徴とする結像光学系。
【０１１０】
〔５〕  上記２において、前記ローパスフィルターが、前記第１プリズムの射出面に形成されていることを特徴とする結像光学系。
【０１１１】
〔６〕  上記１から３の何れか１項において、前記ローパスフィルターが、前記絞りの上あるいはその近傍に配置されていることを特徴とする結像光学系。
【０１１２】
〔７〕  上記２から６の何れか１項において、前記第１プリズムの物体側反射面と前記第２プリズムの像側反射面の中、少なくとも一方の面が、透過作用と反射作用とを兼用する面にて形成されていることを特徴とする結像光学系。
【０１１３】
〔８〕  上記２から６の何れか１項において、前記第１プリズムの物体側反射面と前記第２プリズムの像側反射面とが共に、透過作用と反射作用とを兼用する面にて形成されていることを特徴とする結像光学系。
【０１１４】
〔９〕  上記７又は８において、前記透過作用と反射作用とを兼用する面が全反射面にて形成されていることを特徴とする結像光学系。
【０１１５】
〔１０〕  上記１から９の何れか１項において、前記ローパスフィルターが位相型の光学的ローパスフィルターにて形成されていることを特徴とする結像光学系。
【０１１６】
〔１１〕  上記１から１０の何れか１項において、前記非球面反射面の少なくとも１面が光軸に対して偏心配置され、その面形状が回転非対称な曲面にて形成されたことを特徴とする結像光学系。
【０１１７】
〔１２〕  上記１１において、前記回転非対称な曲面反射面が、対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて形成され、パワーを持った偏心面で発生する偏心収差を補正するように構成されたことを特徴とする結像光学系。
【０１１８】
〔１３〕  上記１から１０の何れか１項において、前記物体側反射面と前記像側反射面とが共に、対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて形成され、
前記物体側反射面の面対称自由曲面と前記像側反射面の面対称自由曲面とが共に、唯一の対称面を略同一平面上に配置して構成されたことを特徴とする結像光学系。
【０１１９】
〔１４〕  上記２から９の何れか１項において、前記第１プリズムは、反射面を少なくとも２面有し、前記少なくとも２面の反射面が共に光束にパワーを与えると共に収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状に形成されていることを特徴とする結像光学系。
【０１２０】
〔１５〕  上記２から９の何れか１項において、前記第２プリズムは、反射面を少なくとも２面有し、前記少なくとも２面の反射面が共に光束にパワーを与えると共に収差を補正する作用を持った回転非対称な曲面形状に形成されていることを特徴とする結像光学系。
【０１２１】
〔１６〕  上記１４又は１５において、前記プリズム中に設けられた少なくとも２面の反射面の回転非対称な曲面形状が、対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて形成され、かつ、前記唯一の対称面が略同一平面上に配置されたことを特徴とする結像光学系。
【０１２２】
〔１７〕  上記１から１６の何れか１項において、前記結像光学系が、像面上に電子撮像素子を配置し、前記電子撮像素子が、四角形にて形成され、前記面対称自由曲面の唯一の対称面が、前記四角形の少なくとも一辺と略平行な位置に形成されるように構成されていることを特徴とする結像光学系。
【０１２３】
〔１８〕  上記１から１７の何れか１項において、単焦点光学系として構成されていることを特徴とする結像光学系。
【０１２４】
〔１９〕  上記１から１８の何れか１項記載の結像光学系が撮像装置の撮像部に配置されたていることを特徴とする撮影装置。
【０１２５】
〔２０〕  上記１９記載の撮影装置がカメラ機構を備えいることを特徴とするカメラ装置。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【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】水晶型ローパスフィルターを用いた比較例の断面図である。
【図３】実施例１の結像光学系の横収差図である。
【図４】フォーカシング用プリズムを用いた変形例を示す断面図である。
【図５】位相型光学的ローパスフィルターの形状を説明するための図である。
【図６】スプリットイメージタイプの光学的ローパスフィルターを用いた撮像光学系を説明するための図である。
【図７】図６の撮像光学系の作用を説明するための図である。
【図８】プリズムの入射面に位相型光学的ローパスフィルターを設けたものの構成を示す模式的斜視図である。
【図９】光路を折り畳む反射部材を用いた変形例を示す断面図である。
【図１０】絞りと光学的ローパスフィルターと複数のプリズムを一体化した変形例を示す断面図である。
【図１１】本発明の結像光学系の２つのプリズムを一体に取り付けるマウントの１例を示す図である。
【図１２】図１１の一体化構造にＣＣＤを機械的に一体に取り付ける構成の例を示す斜視図である。
【図１３】２つのプリズムとＣＣＤとを機械的に一体に取り付けるマウントの他の例を示す側面図である。
【図１４】本発明の結像光学系のフォーカシング機構の１例を示す図である。
【図１５】本発明の結像光学系のフォーカシング機構のもう１つの例を示す図である。
【図１６】本発明の結像光学系のフォーカシング機構のさらに別の例を示す図である。
【図１７】本発明の結像光学系を適用した電子カメラの概念図である。
【図１８】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１９】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２０】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２１】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２２】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。
【符号の説明】
【０１２７】
１…軸上主光線（光軸）
２…絞り
３…像面
４…光学的ローパスフィルター
４’…水晶型ローパスフィルター
５…カバーガラス
６…フォーカシング用プリズム
７…反射部材
１０…第１プリズム
１１…第１透過面
１２…第１反射面
１３…第２反射面
１４…第２透過面
１５…境界線（分割線）
１６…片面多面レンズ
１７…結像レンズ
１８…固体撮像素子
２０…第２プリズム
２１…第１透過面
２２…第１反射面
２３…第２反射面
２４…第２透過面
３１、３２…取り付け片
３３…突起
３４…穴
３５…取り付け金具
３６…支持基板
３７…ＣＣＤ
３８…棒状スペーサ
３９…ビス
４０…電子カメラ
４２…撮影用光路
４８…撮影用対物光学系
４９…ＣＣＤ
５０…撮像面
５１…赤外カットフィルター
５２…処理手段
５９…接眼光学系
６０…液晶表示素子（ＬＣＤ）
６１…記録手段
６２…入射面
６３…反射面
６４…反射と屈折の兼用面
６５…カバー部材
７１…電子内視鏡
７２…光源装置
７３…ビデオプロセッサ
７４…モニター
７５…ＶＴＲデッキ
７６…ビデオディスク
７７…ビデオプリンタ
７８…挿入部
７９…先端部
８０…観察用対物光学系
８１…赤外カットフィルター
８２…ＣＣＤ
８３…撮像面
８４…カバー部材
８５…照明用対物光学系
８６…ライトガイドファイバー束
９０…Ｌ字状金具
９１…取り付け金具
９２…シャフト
９３…可動ブロック
９４…レンズ
Ｍ  …凹面鏡
Ｐ  …プリズム
Ｃ  …撮像面
Ｄ  …対称面
Ｅ  …観察者眼球
Ｐ１、Ｐ２…楔状プリズム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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