(57)【特許請求の範囲】
【請求項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プリズムとからなり、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１プリズムが、物体からの光束をプリズム内に入射させる第１面と、前記第１面から入射した光束をプリズム内で反射する第２面と、前記第２面で反射された光束をプリズム外に射出する第３面とを備えるように構成されており、
少なくとも前記第２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２プリズムが、少なくとも１面の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ことを特徴とする結像光学系。
【請求項２】
前記第２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請求項１記載の結像光学系。
【請求項３】
前記第２プリズムが、光束にパワーを与える反射面と、入射面と、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請求項１記載の結像光学系。
【請求項４】
前記第２プリズムが、光束にパワーを与える２つの反射面と、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請求項１記載の結像光学系。
【請求項５】
前記第２プリズムが、入射面と、反射面と透過面とを兼用する射出面と、光束にパワーを与える反射面の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請求項１記載の結像光学系。
【請求項６】
前記第２プリズムが、３つの反射面を備え、その内の１つの反射面が透過面を兼用した入射面にて形成され、他の１つの反射面が透過面を兼用した射出面にて形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。
【発明の詳細な説明】
【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プリズムとからなり、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１プリズムが、物体からの光束をプリズム内に入射させる第１面と、前記第１面から入射した光束をプリズム内で反射する第２面と、前記第２面で反射された光束をプリズム外に射出する第３面とを備えるように構成されており、少なくとも前記第２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２プリズムが、少なくとも１面の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１プリズムは、物体からの光束をプリズム内に入射させる第１面と、第１面から入射した光束をプリズム内で反射する第２面と、第２面で反射された光束をプリズム外に射出する第３面とを備えるように構成されており、少なくとも第２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ものである。
【００２８】
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、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。
【００２９】
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、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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１８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。
【００３４】
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。
【００３５】
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１９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。
【００３６】
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２０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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
0004225606.tif 000002
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。
【００４０】
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。
【００４１】
自由曲面項は、
0004225606.tif 000003
ただし、Ｃj （ｊは２以上の整数）は係数である。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
さて、第１プリズムが前記のように反射回数が１回なので、特に精度の要求される反射面が１面ですみ、製造上優位である。
【００４７】
また、このようなプリズムを第１プリズムに用いると、反射回数が１回なので、物体から第１プリズムに入射する光線に対して、第１プリズム射出後の光線を略垂直に屈折させることが可能となり、第１プリズムと第２プリズムを上下に配置することが可能となり、光学系全体を薄くすることが可能となる。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
また、第１プリズムの第１面と第２面の両方が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することができる。
【００５１】
また、第１プリズムの少なくとも第２面の回転非対称な面形状を、唯一の対称面を１面のみ有する面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５２】
また、第１プリズムの第１面と第２面の両方の回転非対称な面形状を、唯一の対称面を１面のみ有する面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５３】
この場合に、第１プリズムの第１面の面対称自由曲面の唯一の対称面と、第２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１プリズムを構成することができる。
【００５４】
また、第１プリズムの第３面を、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、第２透過面にこのような面形状をとることは有効である。
【００５５】
この場合に、第１プリズムの第３面の回転非対称な面形状を、唯一の対称面を１面のみ有する面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５６】
また、第２プリズム内に配置された回転非対称な面形状を、唯一の対称面を１面のみ有する面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５７】
その場合に、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平面上に配置されるように構成することが望ましい
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。
【００５８】
また、本発明において、第２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。
【００５９】
本発明において、第２プリズムとしては、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ものを用いることができる。
【００６０】
この第２反射面と第１透過面とを共有するプリズムタイプは、第２反射面で光線を大きく屈曲させ、第１反射面は少ない屈曲角で光線を第２反射面へと反射するために、プリズム光学系の入射光線方向の厚さを薄くすることが可能なものである。
【００６１】
さらに好ましくは、第２プリズムの第１反射面を正のパワーにすることにより、収差補正上良い結果が得られる。これは、光線の屈曲角の小さい第１反射面にパワーを与えることより、偏心収差の発生の少ない面にパワーを与えることができるためである。さらに好ましくは、第２反射面を負のパワーとすることにより、第２プリズムの主点位置を物体側に出すことが可能となり、第２プリズムのバックフォーカスを短くすることが可能となる。
【００６２】
また、本発明において、第２プリズムとしては、光束にパワーを与える反射面と、入射面と、射出面の３つの光学作用面から構成されているものを用いることができる。
【００６３】
これは第１プリズムと同様に形状であり、反射回数が１回なので、特に精度の要求される反射面が１面ですみ、製造上優位である。
【００６４】
さらに好ましくは、反射面に正のパワーを持たせることが好ましい。反射面を正のパワーにすると、透過面にパワーを付加するより収差発生が少なくてすむ。
【００６５】
また、本発明において、第２プリズムとしては、光束にパワーを与える２つの反射面と、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ものを用いることができる。
【００６６】
第２プリズムのこの形状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。
【００６７】
さらに好ましくは、第１反射面と第２反射面の光軸が反射する点における相対的偏心が少ない方が、偏心収差の発生を少なくすることが可能となり、回転非対称な収差の発生が少なくなる。
【００６８】
また、本発明において、第２プリズムとしては、入射面と、反射面と透過面とを兼用する射出面と、光束にパワーを与える反射面の３つの光学作用面から構成されているものを用いることができる。
【００６９】
第１反射面と第２透過面を共有するこのプリズムタイプは、第１反射面で大きく光線を屈曲させ、さらに第２反射面は少ない屈曲角で光線を第２透過面へと反射するために、光学系全体の入射光軸に対して上下方向の厚さを薄くすることが可能となる。
【００７０】
そして、屈曲角の少ない第２反射面に正のパワーを持たせられるために、第２プリズムの主点位置を像側に配置することができ、バックフォーカスを大きく取ることが可能となり、フィルター等を結像面直前に配置する場合に好ましい。
【００７１】
また、本発明において、第２プリズムとしては、３つの反射面を備え、その内の１つの反射面が透過面を兼用した入射面にて形成され、他の１つの反射面が透過面を兼用した射出面にて形成されているものを用いることができる。
【００７２】
このプリズムは３面で構成され、かつ、３つの反射面を有するために、３回の反射面にパワーを分散することが可能であり、収差発生を少なくすることが可能である。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ある。
【００７３】
このプリズムを第２プリズムとした場合には、屈曲角の小さい第２反射面に正のパワーを持たせられるために、第２プリズムの第２透過面から比較的光路長の長い位置に主なパワーを持つ面を配置することが可能となり、バックフォーカスを小さくすることが可能となる。
【００７４】
なお、本発明の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。
【００７５】
また、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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
また、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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の結像光学系の実施例１〜６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３面）１３、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、軸上主光線１（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に以下については、これら仮想面と座標系の図示は省く。
【０１０１】
実施例１〜６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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
0004225606.tif 000004
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。
【０１０８】
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。
0004225606.tif 000005
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。
【０１０９】
実施例１〜６は何れも、撮影画角が、水平半画角２６．３°、垂直半画角２０．３°、像高は１．６×１．２ｍｍであり、入射瞳径１．１５ｍｍ、Ｆナンバー２．８であり、焦点距離は３．２４ｍｍで、３５ｍｍ銀塩カメラに換算すると３５ｍｍ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。
【０１１０】
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３面１３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透過面１３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２プリズム２０の第１透過面２１と第１反射面２３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。
【０１１１】
また、後記する構成パラメータの第２面から第５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６面、第７面の面頂位置は第５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８面から第１２面までは第７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１２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。
【０１１２】
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。
実施例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３面１３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透過面１３の順に透過し、また、第２プリズム２０は第１面２１から第３面２３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透過面２３の順に透過する。
【０１１３】
また、後記する構成パラメータの第２面から第５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６面、第７面の面頂位置は第５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８面から第１１面までは第７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１１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。
【０１１４】
実施例３、６
実施例３、６の軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図をそれぞれ図３、図６に示す。
実施例３、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３面１３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透過面１３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。
【０１１５】
また、後記する構成パラメータの第２面から第５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６面、第７面の面頂位置は第５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８面から第１２面までは第７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１２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。
【０１１６】
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。
実施例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３面１３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透過面１３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２プリズム２０の第１反射面２２と第２透過面２４を反射作用と透過作用を併せ持つ同一の光学作用面としている。
【０１１７】
また、後記する構成パラメータの第２面から第５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６面、第７面の面頂位置は第５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８面から第１２面までは第７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１２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。
【０１１８】
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。
実施例５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３面１３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透過面１３の順に透過し、また、第２プリズム２０は第１面２１から第５面２５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３反射面、第５面２５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３反射面２４、第２透過面２５の順に透過する。そして、第２プリズム２０の第１透過面２１と第３反射面２４、第１反射面２２と第２透過面２５をそれぞれ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。
【０１１９】
また、後記する構成パラメータの第２面から第５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６面、第７面の面頂位置は第５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８面から第１３面までは第７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。
【０１２０】
以下に上記実施例１〜６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。
【０１２１】
0004225606.tif 000006
0004225606.tif 000007
【０１２２】
0004225606.tif 000008
0004225606.tif 000009
【０１２３】
0004225606.tif 000010
0004225606.tif 000011
【０１２４】
0004225606.tif 000012
0004225606.tif 000013
【０１２５】
0004225606.tif 000014
0004225606.tif 000015
【０１２６】
0004225606.tif 000016
0004225606.tif 000017
0004225606.tif 000018
【０１２７】
次に、上記実施例１の横収差図を図７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。
【０１２８】
以上の実施例の本発明の結像光学系を構成する第２プリズム２０としては、上記の実施例１〜６の内部反射回数１回ないし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２プリズム２０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１３〜図１７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、光路を逆にして像面３６側から被写体からの光線が入射し、瞳３１側に結像するプリズムＰとしても使用することができる。
【０１２９】
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に入射して全反射し、第４面３５に入射して内部反射し、再び第３面３４に入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０１３０】
図１４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。
【０１３１】
図１５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。
【０１３２】
図１６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。
【０１３３】
図１７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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
図８〜図１０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８は電子カメラ４０の外観を示す前方斜視図、図９は同後方斜視図、図１０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。
【０１３６】
さらに、ファインダー用光路４４上には、例えば実施例４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、カバー部材として正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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
なお、図１０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。
【０１３９】
次に、図１１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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
次に、図１２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。この例の場合、観察系の対物光学系８０は、実施例３と同様の結像光学系を用いている。この電子内視鏡は、図１２（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１２（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、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１２（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。
【０１４４】
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８０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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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１プリズムが、物体からの光束をプリズム内に入射させる第１面と、前記第１面から入射した光束をプリズム内で反射する第２面と、前記第２面で反射された光束をプリズム外に射出する第３面とを備えるように構成されており、
少なくとも前記第２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２プリズムが、少なくとも１面の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ことを特徴とする結像光学系。
【０１４９】
〔２〕  前記第１プリズムの第１面と第２面の両方が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ことを特徴とする上記１記載の結像光学系。
【０１５０】
〔３〕  前記第１プリズムの少なくとも第２面の回転非対称な面形状が、唯一の対称面を１面のみ有する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。
【０１５１】
〔４〕  前記第１プリズムの第１面と第２面の両方の回転非対称な面形状が、唯一の対称面を１面のみ有する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。
【０１５２】
〔５〕  前記第１プリズムの第１面の面対称自由曲面の唯一の対称面と、前記第１プリズムの第２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１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。
【０１５３】
〔６〕  前記第１プリズムの第３面が、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。
【０１５４】
〔７〕  前記第１プリズムの第３面の回転非対称な面形状が、唯一の対称面を１面のみ有する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記載の結像光学系。
【０１５５】
〔８〕  前記第２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面のみ有する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７の何れか１項記載の結像光学系。
【０１５６】
〔９〕  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平面上に配置されるように構成された面対称自由曲面を備ていることを特徴とする上記８記載の結像光学系。
【０１５７】
〔１０〕  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たことを特徴とする上記１から９の何れか１項記載の結像光学系。
【０１５８】
〔１１〕  前記瞳上に絞りを配置したことを特徴とする上記１０記載の結像光学系。
【０１５９】
〔１２〕  前記第２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１１の何れか１項記載の結像光学系。
【０１６０】
〔１３〕  前記第２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１１の何れか１項記載の結像光学系。
【０１６１】
〔１４〕  前記第２プリズムが、光束にパワーを与える反射面と、入射面と、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１１の何れか１項記載の結像光学系。
【０１６２】
〔１５〕  前記第２プリズムが、光束にパワーを与える２つの反射面と、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１１の何れか１項記載の結像光学系。
【０１６３】
〔１６〕  前記第２プリズムが、入射面と、反射面と透過面とを兼用する射出面と、光束にパワーを与える反射面の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１１の何れか１項記載の結像光学系。
【０１６４】
〔１７〕  前記第２プリズムが、３つの反射面を備え、その内の１つの反射面が透過面を兼用した入射面にて形成され、他の１つの反射面が透過面を兼用した射出面にて形成されていることを特徴とする上記１から１１の何れか１項記載の結像光学系。
【０１６５】
〔１８〕  上記１から１７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。
【０１６６】
〔１９〕  上記１８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。
【０１６７】
〔２０〕  上記１から１７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。
【０１６８】
〔２１〕  上記１から１７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。
【０１６９】
〔２２〕  上記１から１７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。
【０１７０】
〔２３〕  上記１から１７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。
【０１７１】
【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】実施例１の結像光学系の横収差図である。
【図８】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９】図８の電子カメラの後方斜視図である。
【図１０】図８の電子カメラの構成を示す断面図である。
【図１１】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１２】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１３】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】本発明に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１７】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１８】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１９】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２０】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。
【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
２０…第２プリズム
２１…第１面
２２…第２面
２３…第３面
２４…第４面
２５…第５面
３１…瞳
３２…第１面
３３…第２面
３４…第３面
３５…第４面
３６…像面
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
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…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
Ｍ  …凹面鏡
Ｐ  …プリズム
Ｅ  …観察者眼球
Ｃ  …撮像面
Ｄ  …対称面
【図１】
0004225606.tif 000019
【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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