(57)【要約】  撮像光学系は、パワーを有する光学面として少なくとも３面の反射面を有し、光学系内で中間像を形成する。光路に沿って最も物体側の反射面と最も像側の反射面が共に凹面であり、少なくとも１面の反射面が唯一の対称面を有する非回転対称形状の反射面であり、条件式：１．１＜Ｌ／Ｆ＜３．０（Ｌ：ｙｚ断面における最も像側の反射面の有効領域幅、Ｆ：ｙｚ断面における最も物体側の反射面Ｓ１の有効領域幅）を満足する。
2011077988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーを有する光学面として少なくとも３面の反射面を有し、光学系内に中間像を有する結像光学系であって、光路に沿って最も物体側の反射面と最も像側の反射面が共に凹面であり、少なくとも１面の反射面が唯一の対称面を有する非回転対称形状の反射面であり、前記対称面を直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるｙｚ平面とすると、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする撮像光学系；
１．１＜Ｌ／Ｆ＜３．０  …（１）
ただし、
Ｌ：ｙｚ断面における最も像側の反射面の有効領域幅、
Ｆ：ｙｚ断面における最も物体側の反射面の有効領域幅、
である。
【請求項２】
画面の有効領域中心に入射する主光線を画面中心主光線とすると、その画面中心主光線がｙｚ平面上に存在し、以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１記載の撮像光学系；
０．３＜Ｒｏ＿ｙ／Ｒｉ＿ｙ＜０．８  …（２）
ただし、
Ｒｏ＿ｙ：ｙｚ断面において最も物体側の反射面が画面中心主光線との交点で有するｙ方向の曲率、
Ｒｉ＿ｙ：ｙｚ断面において最も像側の反射面が画面中心主光線との交点で有するｙ方向の曲率、
である。
【請求項３】
前記非回転対称形状の反射面が、ｙｚ断面上の有効領域全体にわたって、ｘ方向のパワーが正であり、ｙ方向の曲率よりもｘ方向の曲率が大きいことを特徴とする請求項１記載の撮像光学系。
【請求項４】
前記非回転対称形状の反射面として、以下の条件式（３）を満足するものを少なくとも１面有することを特徴とする請求項１記載の撮像光学系；
０＜｜Ｒｙ／Ｒｘ｜＜０．８  …（３）
ただし、
Ｒｘ：ｙｚ断面における有効領域中心でのｘ方向の曲率、
Ｒｙ：ｙｚ断面における有効領域中心でのｙ方向の曲率、
である。
【請求項５】
前記中間像の位置よりも像側の光路上にパワーを有する反射面が２面以上位置し、そのうち、像側から数えて２番目の反射面が前記非回転対称形状の反射面であり、ｙｚ断面において、最も像側の反射面の有効領域中心でのｙ方向のパワーが、像側から数えて２番目の反射面の有効領域中心でのｙ方向のパワーよりも強いことを特徴とする請求項１記載の撮像光学系。
【請求項６】
前記中間像が反射面との交点を持たないことを特徴とする請求項１記載の撮像光学系。
【請求項７】
以下の条件式（４Ａ）及び（４Ｂ）を満足することを特徴とする請求項１記載の撮像光学系；
０．４＜Ｄｘ１／Ｄｘ２＜０．７  …（４Ａ）
０．４＜Ｄｙ１／Ｄｙ２＜０．８  …（４Ｂ）
ただし、
Ｄｘ１：中間像の物体側に隣り合って位置する反射面のｘ方向の最大有効領域幅、
Ｄｘ２：中間像の像側に隣り合って位置する反射面のｘ方向の最大有効領域幅、
Ｄｙ１：中間像の物体側に隣り合って位置する反射面のｙｚ断面上での最大有効領域幅、Ｄｙ２：中間像の像側に隣り合って位置する反射面のｙｚ断面上での最大有効領域幅、
である。
【請求項８】
ｙｚ断面において、物体側から数えて２番目の反射面で反射された光線が、前記最も物体側の反射面に物体側から入射する光線に対して接近する方向に折り曲げられていることを特徴とする請求項１記載の撮像光学系。
【請求項９】
光学系内に中間像を有し、その中間像の位置よりも物体側に、唯一の対称面を有する非回転対称形状の反射面を２面以上有し、前記対称面を直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるｙｚ平面とし、画面の有効領域中心に入射する主光線を画面中心主光線とすると、その画面中心主光線がｙｚ平面上に存在し、以下の条件式（５）を満足することを特徴とする撮像光学系；
０．３＜Ｒｏ＿ｘ／Ｒｏ２＿ｘ＜０．８  …（５）
ただし、
Ｒｏ＿ｘ：ｙｚ断面において最も物体側の反射面が画面中心主光線との交点で有するｘ方向の曲率、
Ｒｏ２＿ｘ：ｙｚ断面において物体側から２番目の反射面が画面中心主光線との交点で有するｘ方向の曲率、
である。
【請求項１０】
パワーを有する光学面として反射面のみを有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の撮像光学系。
【請求項１１】
パワーを有する光学面として４面の反射面のみを有し、物体側から２番目の反射面から３番目の反射面までの光路中に中間像が位置することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の撮像光学系。
【請求項１２】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の撮像光学系と、受光面上に形成された光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、を備え、前記撮像素子の受光面上に被写体の光学像が形成されるように前記撮像光学系が設けられていることを特徴とする撮像光学装置。
【請求項１３】
前記撮像光学系が赤外線で被写体の光学像を形成することを特徴とする請求項１２記載の撮像光学装置。
【請求項１４】
前記赤外線の波長領域が５μｍ〜１１μｍであることを特徴とする請求項１３記載の撮像光学装置。
【請求項１５】
請求項１２記載の撮像光学装置を備えることにより、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方の機能が付加されたことを特徴とするデジタル機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は反射面を有する撮像光学系に関するものであり、更に詳しくは、例えば赤外線（特に遠赤外線）で被写体の光学像を形成する撮像光学系、それを備えた撮像光学装置及び画像入力機能付きデジタル機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を用いて結像を行う撮像光学系の研究が、従来より盛んになされている。例えば特許文献１では、反射面と屈折面を組み合わせた構成の撮像光学系が提案されており、赤外線用の撮像光学系に必要な明るいＦナンバーを実現している。特許文献２では、反射面のみから成る撮像光学系が提案されており、光路内に中間像を有する構成となっている。特許文献３では、パワーを有する面を反射面のみで構成した撮像光学系が提案されている。また特許文献４では、赤外線を結像対象とするものではないが、反射面を用いて中間像を形成する撮像光学系が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２０６９８６号公報
【特許文献２】国際公開第２００２／０８４３６４号
【特許文献３】特開２００９−１８０７５２号公報
【特許文献４】特開２０００−２３１０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
赤外領域では可視領域と比較して回折の影響が大きいので、結像したスポットを小さくするために撮像光学系のＦナンバーを明るくする必要がある。特許文献１では、反射面と屈折面との組み合わせにより明るいＦナンバーを実現しているが、赤外領域の波長に関して透過可能な材料は、Ｇｅ，Ｓｉ，ＺｎＳ等に限られてしまう。それらの材料には、価格が高いという問題があり、加工が困難であるため製造可能な形状が限定されてしまうという問題もある。また、赤外領域を透過する材料はいずれも屈折率が２以上となっているため、光学面で光線が反射することによるゴーストの影響が大きいという問題もある。【０００５】
一方、反射面のみで撮像光学系を構成した場合、屈折面のみで撮像光学系を構成した場合と比較して低コストにできるものの、光線と光学部材との干渉を防止しようとすると、Ｆナンバーの明るい撮像光学系を実現することが困難になる。例えば特許文献２では、中間像を形成する撮像光学系が提案されているが、反射面２面から成っているため、撮像画面上の長辺方向と短辺方向とでＦナンバーが異なり、特に長辺方向のＦナンバーが暗い構成となっている。【０００６】
特許文献３では、反射面３面から成り中間像を形成しない撮像光学系が提案されているが、Ｆナンバーが２以下の構成は実現できていない。特許文献４では、反射プリズムから成り可視光を用いて結像を行う撮像光学系が提案されており、光線の折りたたみによりコンパクトな構成を実現しているが、Ｆナンバーが明るくなった場合の構成については述べられていない。また、（特許文献４のような）反射プリズムを使う光学系では、反射光路で色収差が発生する。さらに、ゲルマニウム，シリコン等の材料で回転非対称な曲面を持つプリズムを製造するのは、加工難易度，コスト，透過率の面から困難である。【０００７】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、赤外線撮影に適した明るいＦナンバーを有するとともに高性能かつコンパクトな反射型の撮像光学系，それを備えた撮像光学装置及びデジタル機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、第１の発明の撮像光学系は、パワーを有する光学面として少なくとも３面の反射面を有し、光学系内に中間像を有する結像光学系であって、光路に沿って最も物体側の反射面と最も像側の反射面が共に凹面であり、少なくとも１面の反射面が唯一の対称面を有する非回転対称形状の反射面であり、前記対称面を直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるｙｚ平面とすると、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
１．１＜Ｌ／Ｆ＜３．０  …（１）
ただし、
Ｌ：ｙｚ断面における最も像側の反射面の有効領域幅、
Ｆ：ｙｚ断面における最も物体側の反射面の有効領域幅、
である。【０００９】
第２の発明の撮像光学系は、上記第１の発明において、画面の有効領域中心に入射する主光線を画面中心主光線とすると、その画面中心主光線がｙｚ平面上に存在し、以下の条件式（２）を満足することを特徴とする。
０．３＜Ｒｏ＿ｙ／Ｒｉ＿ｙ＜０．８  …（２）
ただし、
Ｒｏ＿ｙ：ｙｚ断面において最も物体側の反射面が画面中心主光線との交点で有するｙ方向の曲率、
Ｒｉ＿ｙ：ｙｚ断面において最も像側の反射面が画面中心主光線との交点で有するｙ方向の曲率、
である。【００１０】
第３の発明の撮像光学系は、上記第１又は第２の発明において、前記非回転対称形状の反射面が、ｙｚ断面上の有効領域全体にわたって、ｘ方向のパワーが正であり、ｙ方向の曲率よりもｘ方向の曲率が大きいことを特徴とする。【００１１】
第４の発明の撮像光学系は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記非回転対称形状の反射面として、以下の条件式（３）を満足するものを少なくとも１面有することを特徴とする。
０＜｜Ｒｙ／Ｒｘ｜＜０．８  …（３）
ただし、
Ｒｘ：ｙｚ断面における有効領域中心でのｘ方向の曲率、
Ｒｙ：ｙｚ断面における有効領域中心でのｙ方向の曲率、
である。【００１２】
第５の発明の撮像光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記中間像の位置よりも像側の光路上にパワーを有する反射面が２面以上位置し、そのうち、像側から数えて２番目の反射面が前記非回転対称形状の反射面であり、ｙｚ断面において、最も像側の反射面の有効領域中心でのｙ方向のパワーが、像側から数えて２番目の反射面の有効領域中心でのｙ方向のパワーよりも強いことを特徴とする。【００１３】
第６の発明の撮像光学系は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記中間像が反射面との交点を持たないことを特徴とする。【００１４】
第７の発明の撮像光学系は、上記第１〜第６のいずれか１つの発明において、以下の条件式（４Ａ）及び（４Ｂ）を満足することを特徴とする。
０．４＜Ｄｘ１／Ｄｘ２＜０．７  …（４Ａ）
０．４＜Ｄｙ１／Ｄｙ２＜０．８  …（４Ｂ）
ただし、
Ｄｘ１：中間像の物体側に隣り合って位置する反射面のｘ方向の最大有効領域幅、
Ｄｘ２：中間像の像側に隣り合って位置する反射面のｘ方向の最大有効領域幅、
Ｄｙ１：中間像の物体側に隣り合って位置する反射面のｙｚ断面上での最大有効領域幅、Ｄｙ２：中間像の像側に隣り合って位置する反射面のｙｚ断面上での最大有効領域幅、
である。【００１５】
第８の発明の撮像光学系は、上記第１〜第７のいずれか１つの発明において、ｙｚ断面において、物体側から数えて２番目の反射面で反射された光線が、前記最も物体側の反射面に物体側から入射する光線に対して接近する方向に折り曲げられていることを特徴とする。【００１６】
第９の発明の撮像光学系は、光学系内に中間像を有し、その中間像の位置よりも物体側に、唯一の対称面を有する非回転対称形状の反射面を２面以上有し、前記対称面を直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるｙｚ平面とし、画面の有効領域中心に入射する主光線を画面中心主光線とすると、その画面中心主光線がｙｚ平面上に存在し、以下の条件式（５）を満足することを特徴とする。
０．３＜Ｒｏ＿ｘ／Ｒｏ２＿ｘ＜０．８  …（５）
ただし、
Ｒｏ＿ｘ：ｙｚ断面において最も物体側の反射面が画面中心主光線との交点で有するｘ方向の曲率、
Ｒｏ２＿ｘ：ｙｚ断面において物体側から２番目の反射面が画面中心主光線との交点で有するｘ方向の曲率、
である。【００１７】
第１０の発明の撮像光学系は、上記第１〜第９のいずれか１つの発明において、パワーを有する光学面として反射面のみを有することを特徴とする。【００１８】
第１１の発明の撮像光学系は、上記第１〜第１０のいずれか１つの発明において、パワーを有する光学面として４面の反射面のみを有し、物体側から２番目の反射面から３番目の反射面までの光路中に中間像が位置することを特徴とする。【００１９】
第１２の発明の撮像光学装置は、上記第１〜第１１のいずれか１つの発明に係る撮像光学系と、受光面上に形成された光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、を備え、前記撮像素子の受光面上に被写体の光学像が形成されるように前記撮像光学系が設けられていることを特徴とする。【００２０】
第１３の発明の撮像光学装置は、上記第１２の発明において、前記撮像光学系が赤外線で被写体の光学像を形成することを特徴とする。【００２１】
第１４の発明の撮像光学装置は、上記第１３の発明において、前記赤外線の波長領域が５μｍ〜１１μｍであることを特徴とする。【００２２】
第１５の発明のデジタル機器は、上記第１２の発明に係る撮像光学装置を備えることにより、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方の機能が付加されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、反射面を効果的に用いた構成になっているため、赤外線撮影に適した明るいＦナンバーを有するとともに高性能かつコンパクトな反射型の撮像光学系と、それを備えた撮像光学装置を実現することができる。そして、本発明に係る撮像光学装置をデジタルカメラ，車載カメラ等のデジタル機器に用いることによって、デジタル機器に対し高性能の赤外線画像入力機能をコンパクトに付加することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施の形態（実施例１）の光学構成を示す光路図。
【図２】第２の実施の形態（実施例２）の光学構成を示す光路図。
【図３】第３の実施の形態（実施例３）の光学構成を示す光路図。
【図４】実施例１のスポットダイアグラム。
【図５】実施例２のスポットダイアグラム。
【図６】実施例３のスポットダイアグラム。
【図７】撮像光学装置を搭載したデジタル機器の概略構成例を模式的断面で示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る撮像光学系，撮像光学装置，デジタル機器等を説明する。本発明に係る撮像光学系は、パワーを有する光学面として少なくとも３面の反射面を有し、光学系内に中間像を有する結像光学系であって、光路に沿って最も物体側の反射面と最も像側の反射面が共に凹面であり、少なくとも１面の反射面が唯一の対称面を有する非回転対称形状の反射面であり、前記対称面を直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるｙｚ平面とすると、以下の条件式（１）を満足することを特徴としている（パワー：焦点距離の逆数で定義される量）。
１．１＜Ｌ／Ｆ＜３．０  …（１）
ただし、
Ｌ：ｙｚ断面における最も像側の反射面の有効領域幅、
Ｆ：ｙｚ断面における最も物体側の反射面の有効領域幅、
である。
【００２６】
赤外線撮影に適した撮像光学系を構成する場合、屈折面を用いようとすると材料が限られてしまう。赤外領域で屈折作用の利用が可能な材料には、コスト及び加工難易度の増大、ゴーストの影響等の点で問題があるため、パワーを有する光学面としては少なくとも３面の反射面を用いることが好ましい。
【００２７】
また、赤外領域では可視領域と比較して回折の影響が大きいため、Ｆナンバーを明るくする必要がある。例えば、赤外線の波長帯域が８〜１６μｍ、撮像素子の画素ピッチが２０μｍの場合を想定すると、Ｆナンバーは１〜２程度の明るいものが必要となる。反射面で撮像光学系を構成すれば、波長の影響を受けず、幅広い波長帯域に対応することができる。しかし、光路の干渉を避けるためにバックフォーカスを長くする必要が生じる。バックフォーカスを長くするとコンパクト化が困難になるので、明るいＦナンバーとコンパクトさとを両立させることが課題となる。
【００２８】
光学系内に中間像を有する構成にすると、光束幅が光学系内で一旦を縮小することになるため、明るさと光学系サイズの小型化との両立が可能となる。つまり、光学系内で中間像を形成するように一旦結像させる構成にすると、再結像時の自由度が増大するため、明るいＦナンバーとコンパクトさとを両立させることが容易に可能となる。
【００２９】
最も物体側の反射面を凹面にすると、撮像光学系に入射した光束の幅が入射開口近傍で縮小されることとなるため、光学系サイズの小型化を効果的に達成することができる。また、最も像側の反射面を凹面にすると、光線と光学部材（例えば、像面位置に配置される撮像素子の基板等）との干渉を防止しつつ、明るいＦナンバーを実現することができる。
【００３０】
唯一の対称面を有する非回転対称形状の反射面を撮像光学系が備えることにより、光学系で発生する諸収差を良好に補正することが可能となる。唯一の対称面を有する非回転対称形状としては、自由曲面形状，アナモフィック面形状等が挙げられるが、反射面を利用した撮像光学系における収差補正の観点から、唯一の対称面を有する自由曲面形状の反射面を備えることが好ましい。例えば、最も物体側の反射面や最も像側の反射面では、自由曲面が像面湾曲の補正に有効である。また、パワーを有する光学面として反射面を４面のみ有する構成の場合、物体側から２番目の反射面に自由曲面を用いることが、非点収差の補正に有効である。
【００３１】
条件式（１）は、最も物体側の反射面（第１反射面）と最も像側の反射面（最終反射面）との有効領域幅の比に関する好ましい条件範囲を規定している。有効領域幅Ｆ，Ｌは、例えば図７の光路図に示すように、非回転対称形状の反射面が有する唯一の対称面を直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるｙｚ平面としたとき、ｙｚ断面における第１，第４反射面Ｓ１，Ｓ４の有効領域幅をそれぞれ表している。条件式（１）を満たすように中間像と画像との倍率を制限すると、Ｆナンバーを小さくすることが可能となる。有効領域幅Ｆの大きさは絞りＳＴと画角の大きさである程度決まってしまうので、条件式（１）の上限を越えることは、有効領域幅Ｌが大きくなることを意味する。したがって、条件式（１）の上限を越えると、光学系サイズの増大を招くことになる。逆に、条件式（１）の下限を越えると、像面と光束との干渉が発生したり、最も像側の反射面で発生する像面湾曲の補正が困難になる。
【００３２】
上記特徴的構成によると、反射面を効果的に用いた構成になっているため、赤外線撮影に適した明るいＦナンバーを有するとともに高性能かつコンパクトな反射型の撮像光学系と、それを備えた撮像光学装置を実現することが可能である。また、撮像光学装置が軽量小型化されるため、その撮像光学装置をデジタルカメラ，車載カメラ等のデジタル機器に用いれば、デジタル機器に対し高性能の赤外線画像入力機能を軽量・コンパクトに付加することが可能となる。したがって、デジタル機器のコンパクト化，高性能化，高機能化等に寄与することができる。こういった効果をバランス良く得るとともに、更に高い光学性能，小型化等を達成するための条件等を以下に説明する。
【００３３】
画面の有効領域中心に入射する主光線を画面中心主光線とすると、その画面中心主光線がｙｚ平面上に存在し、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
０．３＜Ｒｏ＿ｙ／Ｒｉ＿ｙ＜０．８  …（２）
ただし、
Ｒｏ＿ｙ：ｙｚ断面において最も物体側の反射面が画面中心主光線との交点で有するｙ方向の曲率、
Ｒｉ＿ｙ：ｙｚ断面において最も像側の反射面が画面中心主光線との交点で有するｙ方向の曲率、
である。
【００３４】
条件式（２）は、コンパクトでＦナンバーの小さい反射光学系を実現する上で好ましい条件範囲を規定している。曲率Ｒｏ＿ｙ，Ｒｉ＿ｙは、例えば図７の光路図に示すように、ｙｚ断面において第１，第４反射面Ｓ１，Ｓ４が画面中心主光線ＰＲとの交点で有するｙ方向の曲率をそれぞれ表している。条件式（２）の下限を越えると、最も像側の反射面（例えば、第４反射面Ｓ４）のパワーが強くなり、そこで発生する非点収差が増大してしまう。それを他の反射面（例えば、第３反射面Ｓ３）で補正することは困難であり、また、光束と像面との干渉を防止することも困難である。逆に、条件式（２）の上限を越えると、最も物体側の反射面（第１反射面Ｓ１）のパワーが強くなり、光学系サイズの増大を招くことになる。また、第２反射面Ｓ２に中間像ＩＳが近づくため、第２反射面Ｓ２で非点収差を補正しようとすると、第２反射面Ｓ２にパワーを与えてやる必要が生じて、非点収差の補正が不十分になる。その結果、中間像面ＩＳが反射面との交点を持たないようにすることが難しくなり、反射面上のゴミ等が光学性能に大きな影響を与えることになる。
【００３５】
明るいＦナンバーを達成するためには、中間像の前後で、発生する収差を打ち消し合う構成とすることが重要である。本構成では、物体側から、正負，中間像，負正の構成を取っており、中間像に対して対称なパワー配置を取ることによって、Ｆナンバーを明るくした場合に顕著となる非点収差の補正に有効な構成となっている。また、条件式（１），（２）では、中間像の前後で正のパワーを有する面の大きさ，パワーを規定することにより、中間像を挟んだ倍率関係を規定している。倍率関係を適切に配置することにより、中間像の前後で発生する収差を効果的に打ち消し合うことができる。
【００３６】
図７の光路図では、４面の反射面Ｓ１〜Ｓ４が全て自由曲面形状を有しており、物体側から撮像光学系ＯＰに入射した光線は、絞りＳＴを通過した後、第１〜第４反射面Ｓ１〜Ｓ４で順に反射されて像面ＩＭに到達する。この４面反射構成では、中間像ＩＳが、第２反射面Ｓ２と第３反射面Ｓ３との間の光路中に形成され、第１反射面Ｓ１と第４反射面Ｓ４がいずれも正パワーを有する自由曲面形状となっている。画面中心主光線ＰＲとの交点上において、第４反射面Ｓ４のパワーは第１反射面Ｓ１よりも強くなっているため、中間像ＩＳは第４反射面Ｓ４によって縮小されて、明るいＦナンバーが達成される。また、中間像ＩＳを形成することにより光束が一旦収束するため、中間像ＩＳを形成しない場合と比較して、反射面サイズのコンパクト化が達成される。
【００３７】
前記非回転対称形状の反射面が、ｙｚ断面上の有効領域全体にわたって、ｘ方向のパワーが正であり、ｙ方向の曲率よりもｘ方向の曲率が大きいことが望ましい。反射面を用いた撮像光学系では、光線と光学部材との干渉を防ぐために反射面は偏心させた配置となる。これが非点収差の増大を招くことになる。上記のように非回転対称形状の反射面のパワー及び曲率を設定することにより、非点収差を良好に補正することが可能となる。このような反射面は、最も物体側の凹面反射面と最も像側の凹面反射面との間に配置されることが望ましい。
【００３８】
図７の光路図では、第２反射面Ｓ２と第３反射面Ｓ３がｙｚ平面に垂直な方向（ｘ方向）に正パワーを有する自由曲面反射面となっており、ｘ方向のパワーがｙｚ平面に平行な方向のパワーよりも強くなっている。ｘ方向のパワーを強くすることにより、第１反射面Ｓ１と第４反射面Ｓ４で発生する非点収差を補正し、像面ＩＭにおいて良好な光学性能を実現することができる。第１反射面Ｓ１と第４反射面Ｓ４で焦点距離をある程度決めると、ｙ方向の曲率の方がｘ方向の曲率よりも強くなる。そこで発生する非点収差を補正するために、第２反射面Ｓ２と第３反射面Ｓ３でｘ方向の曲率の方をｙ方向の曲率よりも強くしているのである。
【００３９】
前記非回転対称形状の反射面として、以下の条件式（３）を満足するものを少なくとも１面有することが望ましい。
０＜｜Ｒｙ／Ｒｘ｜＜０．８  …（３）
ただし、
Ｒｘ：ｙｚ断面における有効領域中心でのｘ方向の曲率、
Ｒｙ：ｙｚ断面における有効領域中心でのｙ方向の曲率、
である。
【００４０】
条件式（３）は、反射光学系で発生する非点収差を良好に補正する上で好ましい条件範囲を規定している。条件式（３）を満たすと、ｘ方向のパワーがｙ方向のパワーよりも強くなることにより、非点収差の良好な補正が可能となる。条件式（３）の上限を越えると、最も物体側の反射面及び最も像側の反射面で発生する非点収差を補正することが困難になる。
【００４１】
前記中間像の位置よりも像側の光路上にパワーを有する反射面が２面以上位置し、そのうち、像側から数えて２番目の反射面が前記非回転対称形状の反射面であり、ｙｚ断面において、最も像側の反射面の有効領域中心でのｙ方向のパワーが、像側から数えて２番目の反射面の有効領域中心でのｙ方向のパワーよりも強いことが望ましい。
【００４２】
中間結像位置よりも像側に、パワーを有する反射面を２面以上配置することにより、最も像側の凹面反射面で発生する非点収差等を、その他の反射面で補正することが可能となる。また、最も像側の反射面のパワーを、像側から２番目の反射面のパワーよりも強くすることにより、最も像側の反射面から像面までの距離を確保しつつ、明るいＦナンバーを実現することが可能となる。通常の共軸光学系でも、レンズバックを長くするために、最も像側に強い正パワーの光学素子を配置することがある。それと同様に、パワーの強い反射面を最も像側に配置することにより、撮像素子の受光面までの距離を確保している。反射面のパワーを強くした場合に発生する大きな非点収差は、像面から２番目の反射面により補正可能である。
【００４３】
前記中間像は反射面との交点を持たないことが望ましい。中間結像位置を反射面から離れた位置に配置することにより、反射面上のゴミや反射面の荒れが光学性能に与える影響を低減することができる。
【００４４】
以下の条件式（４Ａ）及び（４Ｂ）を満足することが望ましい。
０．４＜Ｄｘ１／Ｄｘ２＜０．７  …（４Ａ）
０．４＜Ｄｙ１／Ｄｙ２＜０．８  …（４Ｂ）
ただし、
Ｄｘ１：中間像の物体側に隣り合って位置する反射面のｘ方向の最大有効領域幅、
Ｄｘ２：中間像の像側に隣り合って位置する反射面のｘ方向の最大有効領域幅、
Ｄｙ１：中間像の物体側に隣り合って位置する反射面のｙｚ断面上での最大有効領域幅、Ｄｙ２：中間像の像側に隣り合って位置する反射面のｙｚ断面上での最大有効領域幅、
である。
【００４５】
条件式（４Ａ），（４Ｂ）は、中間像の前後に位置する反射面（例えば、図７中の第２，第３反射面Ｓ２，Ｓ３）の最大有効領域幅の比で、ｘ方向，ｙ方向の中間像位置に関する好ましい条件範囲をそれぞれ規定している。条件式（４Ａ）又は（４Ｂ）の下限を越えると、中間像位置から反射面位置までの距離が近くなり、反射面上のゴミや反射面の荒れが光学性能に及ぼす影響が大きくなる。逆に、条件式（４Ａ）又は（４Ｂ）の上限を越えると、中間像のサイズが大きくなり、光線と像面との干渉を防ぎつつＦナンバーを明るくすることが困難になる。
【００４６】
ｙｚ断面において、物体側から数えて２番目の反射面で反射された光線が、前記最も物体側の反射面に物体側から入射する光線に対して接近する方向（つまり交差する方向）に折り曲げられていることが望ましい。つまり、物体側から数えて１番目と２番目の反射面での反射により、光線を４の字状に折り曲げることが望ましい。
【００４７】
例えば図７の光路図に示すように、第１，第２反射面Ｓ１，Ｓ２で光線を４の字状に折り曲げると、光線と光学部材とを分離するための距離を短くすることができ、明るいＦナンバーを実現することができる。また、光線を４の字状に折り曲げることにより、各画角の光路長差を小さくすることが可能となるため、像面湾曲の小さい構成を実現することができる。一般的な撮像素子の受光面の画面形状は長方形であるため、ｙｚ断面は画面短辺方向に対して平行な断面である。ｘ方向に相当する画面長辺方向で光線を折り曲げると、画面短辺方向で折り曲げた場合よりも光学系サイズは大きくなり、また、光線分離に必要な光路長が長くなるため、明るいＦナンバーは実現しにくくなる。したがって、画面短辺方向に対して平行な断面において、４の字状に折り曲げられた光路を有することが望ましい。
【００４８】
画面の有効領域中心に入射する主光線を画面中心主光線とすると、その画面中心主光線がｙｚ平面上に存在し、以下の条件式（５）を満足することが望ましい。ただし、以下の条件式（５）を満足する構成は、前述した条件式（１）を満足する構成とは独立しており、条件式（５）のみを満足する構成であってもよく、前述した好ましい条件等を満たすものであってもよい。したがって、この発明に係る撮像光学系は、光学系内に中間像を有し、その中間像の位置よりも物体側に、唯一の対称面を有する非回転対称形状の反射面を２面以上有し、前記対称面を直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるｙｚ平面とし、画面の有効領域中心に入射する主光線を画面中心主光線とすると、その画面中心主光線がｙｚ平面上に存在し、以下の条件式（５）を満足することを特徴としている。
０．３＜Ｒｏ＿ｘ／Ｒｏ２＿ｘ＜０．８  …（５）
ただし、
Ｒｏ＿ｘ：ｙｚ断面において最も物体側の反射面が画面中心主光線との交点で有するｘ方向の曲率、
Ｒｏ２＿ｘ：ｙｚ断面において物体側から２番目の反射面が画面中心主光線との交点で有するｘ方向の曲率、
である。
【００４９】
条件式（５）は、反射光学系で発生する非点収差を良好に補正する上で好ましい条件範囲を規定している。物体側から数えて第１，第２の反射面で光学性能をある程度確保した場合、第１反射面の方でパワーが決まると、第１反射面ではｘ方向の曲率がｙ方向の曲率よりも小さくなる。第１反射面のｘ方向のパワーが弱くなると、第１反射面で発生する非点収差が大きくなる。条件式（５）では、それを補正するために第２反射面の曲率をｘ方向で強くしている。
【００５０】
条件式（５）の下限を越えると、最も物体側の反射面のｘ方向のパワーが弱くなって、最も物体側の反射面で発生する非点収差が大きくなり、その非点収差に対する物体側から２番目の反射面による補正が不十分となる。逆に、条件式（５）の上限を越えると、最も物体側の反射面のｘ方向のパワーが強くなって、非点収差の補正は容易になるが、像面湾曲の補正が難しくなる。
【００５１】
パワーを有する光学面として反射面のみを有することが望ましい。パワーを有する面を反射面のみで構成すれば、屈折面上での表面反射に起因するゴーストは発生しない。また、遠赤外波長を透過する、高価で加工難易度の高い材料（Ｇｅ等）を使用する必要もない。反射面のみの構成なので、色収差の発生がない。
【００５２】
パワーを有する光学面として４面の反射面のみを有し、物体側から２番目の反射面から３番目の反射面までの光路中に中間像が位置することが望ましい。中間結像位置に対して反射面を対称に配置することにより、各反射面で発生する収差を打ち消し合うことが可能となる。したがって、良好な光学性能を得ることができる。
【００５３】
赤外域、特に波長５μｍ以上の帯域では、ガラス材料の透過率が非常に小さくなるため、通常のガラス材料を用いて撮像光学系を構成するのが難しくなり、反射面だけで撮像光学系を構成するのが有利となる。一方、人や動物から発生する遠赤外光の波長は約１０μｍであるので、１１μｍまでの波長を使って光学像を形成すると夜間でも人や動物を撮像することができる。
【００５４】
本発明に係る撮像光学系は、赤外線画像入力機能付きデジタル機器（例えば車載カメラ）への使用に適しており、これを撮像素子等と組み合わせることにより、被写体の映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する撮像光学装置を構成することができる。撮像光学装置は、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラの主たる構成要素を成す光学装置であり、例えば、物体（すなわち被写体）側から順に、物体の光学像を形成する撮像光学系と、その撮像光学系により形成された光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、を備えることにより構成される。そして、撮像素子の受光面上に被写体の光学像が形成されるように、前述した特徴的構成を有する撮像光学系が配置されることにより、低コストで高い性能を有する撮像光学装置やそれを備えたデジタル機器を実現することができる。
【００５５】
カメラの例としては、デジタルカメラ，ビデオカメラ，車載カメラ，監視カメラ，テレビ電話用カメラ，ドアホーン用カメラ等が挙げられ、また、パーソナルコンピュータ，携帯情報機器（例えば、モバイルコンピュータ，携帯電話，携帯情報端末等の小型で携帯可能な情報機器端末），これらの周辺機器（マウス，スキャナー，プリンター，メモリー等），その他のデジタル機器等に内蔵又は外付けされるカメラが挙げられる。これらの例から分かるように、撮像光学装置を用いることによりカメラを構成することができるだけでなく、各種デジタル機器に撮像光学装置を搭載することによりカメラ機能を付加することが可能である。例えば、カメラ付き携帯電話等の画像入力機能付きデジタル機器を構成することが可能である。
【００５６】
図７は、画像入力機能を有するデジタル機器の概略構成例を模式的断面で示している。図７に示すデジタル機器に搭載されている撮像光学装置は、物体（すなわち被写体）側から順に、物体の光学像（像面）ＩＭを形成する撮像光学系ＯＰと、撮像光学系ＯＰにより受光面ＳＳ上に形成された光学像ＩＭを電気的な信号に変換する撮像素子ＳＲと、を備えている。この撮像光学装置で画像入力機能付きデジタル機器を構成する場合、通常そのボディ内部に撮像光学装置を配置することになるが、カメラ機能を実現する際には必要に応じた形態を採用することが可能である。例えば、ユニット化した撮像光学装置をデジタル機器の本体に対して着脱自在又は回動自在に構成することが可能である。
【００５７】
撮像素子ＳＲとしては、例えば複数の画素を有するＣＣＤ型イメージセンサ，ＣＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像素子が用いられる。撮像光学系ＯＰは、撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上に被写体の光学像ＩＭが形成されるように設けられているので、撮像光学系ＯＰによって形成された光学像ＩＭは、撮像素子ＳＲによって電気的な信号に変換される。
【００５８】
デジタル機器は、撮像光学装置の他に、信号処理部１，制御部２，メモリ３，操作部４，表示部５等を備えている。撮像素子ＳＲで生成した信号は、信号処理部１で所定のデジタル画像処理や画像圧縮処理等が必要に応じて施され、デジタル映像信号としてメモリ３（半導体メモリ，光ディスク等）に記録されたり、場合によってはケーブルを介したり赤外線信号等に変換されたりして他の機器に伝送される（例えば携帯電話の通信機能）。制御部２はマイクロコンピュータから成っており、撮影機能（静止画撮影機能，動画撮影機能等），画像再生機能等の機能の制御；フォーカシングのための駆動機構の制御等を集中的に行う。例えば、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方を行うように、制御部２により撮像光学装置に対する制御が行われる。表示部５は液晶モニター等のディスプレイを含む部分であり、撮像素子ＳＲによって変換された画像信号あるいはメモリ３に記録されている画像情報を用いて画像表示を行う。操作部４は、操作ボタン（例えばレリーズボタン），操作ダイヤル（例えば撮影モードダイヤル）等の操作部材を含む部分であり、操作者が操作入力した情報を制御部２に伝達する。
【００５９】
図７に示す撮像光学系ＯＰは、前述したように、パワーを有する光学面として４面の反射面Ｓ１〜Ｓ４を有しており、光学系内で中間像ＩＳを一旦形成した後、撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上に光学像ＩＭを形成する構成になっている。光路に沿って最も物体側の第１反射面Ｓ１と最も像側の第４反射面Ｓ４は共に凹面であり、反射面は４面とも唯一の対称面を有する非回転対称形状の反射面である。
【００６０】
図１〜図３に、撮像光学系ＯＰの具体的な光学構成として、第１〜第３の実施の形態をそれぞれ光学断面で示す。第１〜第３の実施の形態の撮像光学系ＯＰはいずれも、撮像素子ＳＲ（図７）に対して光学像ＩＭを形成する赤外線映像撮影用の単焦点結像光学系である。第１，第２の実施の形態（図１，図２）では、物体側から光路に沿って順に、絞りＳＴと、第１反射面Ｓ１と、第２反射面Ｓ２と、第３反射面Ｓ３と、第４反射面Ｓ４と、で構成されており、第１反射面Ｓ１と第２反射面Ｓ２で光路が４の字状に折り曲げられ、第３反射面Ｓ３と第４反射面Ｓ４で光路が４の字状に折り曲げられる。第３の実施の形態（図３）では、物体側から光路に沿って順に、絞りＳＴと、第１反射面Ｓ１と、第２反射面Ｓ２と、第３反射面Ｓ３と、で構成されており、第１反射面Ｓ１〜第３反射面Ｓ３で光路がＷ字状に折り曲げられる。
【実施例】
【００６１】
以下、本発明を実施した撮像光学系の構成等を、実施例のコンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１〜３（ＥＸ１〜３）は、前述した第１〜第３の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第１〜第３の実施の形態の光学構成を表す光路図（図１〜図３）は、対応する実施例１〜３の光学配置，光路等をそれぞれ示している。【００６２】
各実施例のコンストラクションデータとして、面データ１，面データ２，自由曲面データ及び各種データを示す。また、表１に各条件式の対応データ及び関連データを各実施例について示す。面データ１，２中、ｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)は面番号である。したがって、物体側から数えてｉ番目の面は第ｉ面である。面データ１では、第ｉ面の種類及び形状を示しており、面データ２では、第ｉ面の配置データを示している。【００６３】
第ｉ面の配置は、面データ２中の面頂点座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転角度（Ｔｉｌｔ）の各面データでそれぞれ特定される。第ｉ面の面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点として、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表されており（単位：ｍｍ）、その面頂点を中心とするＸ軸回りの回転角度（Ｔｉｌｔ）で第ｉ面の傾きが表されている（単位：°；Ｘ軸の正方向に対して反時計回りがＸ回転の回転角度の正方向である。）。ただし、座標系はすべて右手系で定義されており、グローバルな直交座標系(ｘ，ｙ，ｚ)は絞りＳＴのローカルな直交座標系(Ｘ，Ｙ，Ｚ)と一致した絶対座標系になっている。また、Ｘ方向，Ｙ方向は、第ｉ面の面頂点を原点とし、かつ、面頂点での法線をＺ軸とする直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）における座標軸方向であるが、各面に個別のデータ（曲率，長さ等）に関しては回転前の座標系(ｘ，ｙ，ｚ)の座標軸方向で適宜表現されている（図７に関しても同様である。）。【００６４】
各実施例の自由曲面データに関し、自由曲面（ＸＹ多項式面）から成る第ｉ面は、その面頂点を原点とするローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いた以下の式（ＦＳ）で定義される。第ｉ面の自由曲面データでは、ＲＤＹが第ｉ面のＹ方向の曲率半径（単位：ｍｍ）を示しており、その逆数が面頂点での曲率Ｃ０である。なお、各実施例の自由曲面データにおいて表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０-nである。
Ｚ＝（Ｃ０・ｈ2）／［１＋√｛１−（１＋Ｋ）・Ｃ０2・ｈ2｝］＋ΣΣ｛Ａ（ｊ，ｋ）・Ｘj・Ｙk｝  …（ＦＳ）【００６５】
ただし、式（ＦＳ）中、
Ｚ：高さｈの位置でのＺ軸方向の変位量（面頂点基準）、
ｈ：Ｚ軸に対して垂直な方向の高さ（ｈ2＝Ｘ2＋Ｙ2）、
Ｃ０：面頂点での曲率（＝１／曲率半径）、
Ｋ：コーニック定数、
Ａ（ｊ，ｋ）：Ｘのｊ次、Ｙのｋ次の多項式自由曲面係数、
である。【００６６】
各種データとして、ｘ方向（画面長辺方向）とｙ方向（画面短辺方向）の画角（°），絞りＳＴの直径（ｍｍ），Ｆナンバー，全系の焦点距離（ｍｍ），全長（ｍｍ），高さ（ｍｍ），センササイズ（Ｈ：画面長辺サイズ，Ｖ：画面短辺サイズ，Ｄ：対角線サイズ；ｍｍ）を示す。【００６７】
各実施例の光学性能を、スポットダイアグラム（図４〜図６）で示す。スポットダイアグラムは、像面ＩＭでの結像特性（ｍｍ）を示しており、各スポットのフィールドポジションは、Ｘ，Ｙ方向の画角及び相対値を示している。【００６８】
実施例１
面データ１
i  面種類                面形状
1  絞り（ＳＴ）          −−−−
2  第１反射面（Ｓ１）    自由曲面（ＸＹ多項式面）
3  第２反射面（Ｓ２）    自由曲面（ＸＹ多項式面）
4  第３反射面（Ｓ３）    自由曲面（ＸＹ多項式面）
5  第４反射面（Ｓ４）    自由曲面（ＸＹ多項式面）
6  像面（ＩＭ）【００６９】
面データ２
2011077988.tif 000003
【００７０】
第２面の自由曲面データ
2011077988.tif 000004
【００７１】
第３面の自由曲面データ
2011077988.tif 000005
【００７２】
第４面の自由曲面データ
2011077988.tif 000006
【００７３】
第５面の自由曲面データ
2011077988.tif 000007
【００７４】
各種データ
ｘ方向画角［度］：±８．５
ｙ方向画角［度］：±６．４
絞り径［ｍｍ］：３８．６
Ｆナンバー：１．３２
焦点距離［ｍｍ］：−５２．０
全長［ｍｍ］：１２０．０
高さ［ｍｍ］：１５０．０
センササイズＨ［ｍｍ］：１６
センササイズＶ［ｍｍ］：１２
センササイズＤ［ｍｍ］：２０【００７５】
実施例２
面データ１
i  面種類                面形状
1  絞り（ＳＴ）          −−−−
2  第１反射面（Ｓ１）    自由曲面（ＸＹ多項式面）
3  第２反射面（Ｓ２）    自由曲面（ＸＹ多項式面）
4  第３反射面（Ｓ３）    自由曲面（ＸＹ多項式面）
5  第４反射面（Ｓ４）    自由曲面（ＸＹ多項式面）
6  像面（ＩＭ）【００７６】
面データ２
2011077988.tif 000008
【００７７】
第２面の自由曲面データ
2011077988.tif 000009
【００７８】
第３面の自由曲面データ
2011077988.tif 000010
【００７９】
第４面の自由曲面データ
2011077988.tif 000011
【００８０】
第５面の自由曲面データ
2011077988.tif 000012
【００８１】
各種データ
ｘ方向画角［度］：±８．５
ｙ方向画角［度］：±６．４
絞り径［ｍｍ］：３８．８
Ｆナンバー：１．３３
焦点距離［ｍｍ］：−５２．０
全長［ｍｍ］：９６．０
高さ［ｍｍ］：１６０．０
センササイズＨ［ｍｍ］：１６
センササイズＶ［ｍｍ］：１２
センササイズＤ［ｍｍ］：２０【００８２】
実施例３
面データ１
i  面種類                面形状
1  絞り（ＳＴ）          −−−−
2  第１反射面（Ｓ１）    自由曲面（ＸＹ多項式面）
3  第２反射面（Ｓ２）    自由曲面（ＸＹ多項式面）
4  第３反射面（Ｓ３）    自由曲面（ＸＹ多項式面）
5  像面（ＩＭ）【００８３】
面データ２
2011077988.tif 000013
【００８４】
第２面の自由曲面データ
2011077988.tif 000014
【００８５】
第３面の自由曲面データ
2011077988.tif 000015
【００８６】
第４面の自由曲面データ
2011077988.tif 000016
【００８７】
各種データ
ｘ方向画角［度］：±８．５
ｙ方向画角［度］：±６．４
絞り径［ｍｍ］：３７．６
Ｆナンバー：１．３５
焦点距離［ｍｍ］：−５２．０
全長［ｍｍ］：１２２．４
高さ［ｍｍ］：１９９．７
センササイズＨ［ｍｍ］：１６
センササイズＶ［ｍｍ］：１２
センササイズＤ［ｍｍ］：２０【００８８】
【表１】
2011077988.tif 000017
【符号の説明】
【００８９】
ＯＰ    撮像光学系
ＳＴ    絞り
Ｓ１〜Ｓ４    第１〜第４反射面
ＩＳ    中間像
ＩＭ    像面（光学像）
ＳＲ    撮像素子
ＳＳ    受光面
ＰＲ    画面中心主光線
１    信号処理部
２    制御部
３    メモリ
４    操作部
５    表示部
【図１】
2011077988.tif 000018
【図２】
2011077988.tif 000019
【図３】
2011077988.tif 000020
【図７】
2011077988.tif 000021
【図４】
2011077988.tif 000022
【図５】
2011077988.tif 000023
【図６】
2011077988.tif 000024
【国際調査報告】
2011077988.tif 000025
2011077988.tif 000026
2011077988.tif 000027
2011077988.tif 000028