JPH11326766A

JPH11326766A - 結像光学系及びそれを用いた装置

Info

Publication number: JPH11326766A
Application number: JP10136844A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Aoki; 青木法彦; Kokichi Kenno; 研野孝吉; Akira Tamagawa; 彰玉川
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1998-05-19
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 1999-11-26
Also published as: US6084715A

Abstract

(57)【要約】【課題】光学的ローパスフィルターを有した小型、薄
型で低コストな結像光学系及びそれを用いた装置。【解決手段】物体像を形成する結像光学系が、絞り２
と、絞り２よりも物体側に配置された第１プリズム１０
と、絞り２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、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１２、１３を有し、第２プリズム２０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２２、２３を有し、物体
側反射面１２、１３と像側反射面２２、２３との間に高
周波成分をカットするローパスフィルター４が設けられ
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学的ローパスフ
ィルターを用いた結像光学系及びそれを用いた装置に関
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及びそれを
用いた装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】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】水晶フィルターの場合、複屈折を利用して
光線を分離するために、その分離量は厚みに依存する。
また、必要とされる光線の分離量は画素ピッチにより決
まるために、例え固体撮像素子の大きさが小さくなって
も画素ピッチが変わらなければ、水晶フィルター自体の
大きさは変わらない。そのため、小型化を求められる光
学装置への応用は難しく、さらに、水晶フィルターは高
価なために光学装置の低価格化も困難である。

【０００６】一方、位相型のローパスフィルターは、基
板上へ回折格子等を形成すればよく、光線の分離量は回
折格子のピッチに依存するため、ローパスフィルターの
薄型化が可能である。さらに、基板としてプラスチック
等を使用すれば、コストダウンも図られる。

【０００７】また、水晶フィルターは、像面上で必要な
光線の分離量を得るために、光線が像側にテレセントリ
ックな光路となる光学系と固体撮像素子の間に配置する
のが一般的である。それに対し、位相型のローパスフィ
ルターは、中心、軸外共略均等にローパスフィルターの
効果を得ようとすると、光学系の瞳近傍に配置すること
が望ましく、光学系内部に配置できるので光学系の小型
化が可能である。しかし、従来、光学的ローパスフィル
ター、その中でも特に位相型のローパスフィルターの構
造の提案は多数行われていたが、それを用いて光学系の
小型化を図るための効果的な構成は提案されていなかっ
た。

【０００８】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、特開平８−２９２３６８号や特開平８−２９２３
７１号等多数なされている。しかし、積極的に光学的ロ
ーパスフィルターの構成や配置を考慮して薄型化、小型
化を図った例はない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】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、光学的ローパスフィルターを有した小型、薄型で低
コストな結像光学系及びそれを用いた装置を提供するこ
とである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】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ものである。

【００１１】本発明のもう１つの結像光学系は、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ものである。

【００１２】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。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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【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。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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】自由曲面項は、ただし、Ｃ_j（ｊは２以上の整数）は係数である。

【００３３】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、Ｃ
₂₇、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。

【００３４】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、Ｃ
₂₃、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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】図７は撮像光学系にこの片面多面レンズ１
６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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】

【発明の実施の形態】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。

【００６２】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。

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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。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。

【００６７】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。

【００６８】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。

【００６９】ｘ＝Ｒ×cos(A) ｙ＝Ｒ×sin(A) Ｚ＝Ｄ₂ ＋Ｄ₃Ｒcos(A)＋Ｄ₄Ｒsin(A) ＋Ｄ₅Ｒ² cos(2A)＋Ｄ₆（Ｒ²−１）＋Ｄ₇Ｒ² sin(2A) ＋Ｄ₈Ｒ³cos(3A) ＋Ｄ₉（３Ｒ³−２Ｒ）cos(A) ＋Ｄ₁₀（３Ｒ³−２Ｒ）sin(A)＋Ｄ₁₁Ｒ³sin(3A) ＋Ｄ₁₂Ｒ⁴cos(4A)＋Ｄ₁₃（４Ｒ⁴−３Ｒ²）cos(2A) ＋Ｄ₁₄（６Ｒ⁴−６Ｒ²＋１）＋Ｄ₁₅（４Ｒ⁴−３Ｒ²）sin(2A) ＋Ｄ₁₆Ｒ⁴sin(4A) ＋Ｄ₁₇Ｒ⁵cos(5A) ＋Ｄ₁₈（５Ｒ⁵−４Ｒ³）cos(3A) ＋Ｄ₁₉（１０Ｒ⁵−１２Ｒ³＋３Ｒ）cos(A) ＋Ｄ₂₀（１０Ｒ⁵−１２Ｒ³＋３Ｒ）sin(A) ＋Ｄ₂₁（５Ｒ⁵−４Ｒ³）sin(3A) ＋Ｄ₂₂Ｒ⁵sin(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、Ｄ
₄，Ｄ₅，Ｄ₆、Ｄ₁₀０，Ｄ₁₁，Ｄ₁₂，Ｄ₁₃，Ｄ₁₄，Ｄ
₂₀，Ｄ₂₁，Ｄ₂₂…を利用する。

【００７０】その他の面の例として、次の定義式（ｄ）
があげられる。Ｚ＝ΣΣＣ_nmＸＹ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。Ｚ＝Ｃ₂ ＋Ｃ₃ｙ＋Ｃ₄｜ｘ｜＋Ｃ₅ｙ²＋Ｃ₆ｙ｜ｘ｜＋Ｃ₇ｘ² ＋Ｃ₈ｙ³＋Ｃ₉ｙ²｜ｘ｜＋Ｃ₁₀ｙｘ²＋Ｃ₁₁｜ｘ³｜＋Ｃ₁₂ｙ⁴＋Ｃ₁₃ｙ³｜ｘ｜＋Ｃ₁₄ｙ²ｘ²＋Ｃ₁₅ｙ｜ｘ³｜＋Ｃ₁₆ｘ⁴ ＋Ｃ₁₇ｙ⁵＋Ｃ₁₈ｙ⁴｜ｘ｜＋Ｃ₁₉ｙ³ｘ²＋Ｃ₂₀ｙ²｜ｘ³｜＋Ｃ₂₁ｙｘ⁴＋Ｃ₂₂｜ｘ⁵｜＋Ｃ₂₃ｙ⁶＋Ｃ₂₄ｙ⁵｜ｘ｜＋Ｃ₂₅ｙ⁴ｘ²＋Ｃ₂₆ｙ³｜ｘ³｜＋Ｃ₂₇ｙ²ｘ⁴＋Ｃ₂₈ｙ｜ｘ⁵｜＋Ｃ₂₉ｘ⁶ ＋Ｃ₃₀ｙ⁷＋Ｃ₃₁ｙ⁶｜ｘ｜＋Ｃ₃₂ｙ⁵ｘ²＋Ｃ₃₃ｙ⁴｜ｘ³｜＋Ｃ₃₄ｙ³ｘ⁴＋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。

【００７１】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。

【００７２】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１
１と第２反射面１３、第２プリズム２０の第１反射面２
２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。

【００７３】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。

【００７４】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。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偏心(1) 1.4924 57.6 3 ＦＦＳ（反射面）偏心(2) 1.4924 57.6 4 ＦＦＳ（反射面）偏心(1) 1.4924 57.6 5 ＡＳＳ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偏心(5) 1.4924 57.6 10 ＦＦＳ（反射面）偏心(6) 1.4924 57.6 11 ＦＦＳ（反射面）偏心(7) 1.4924 57.6 12 ＦＦＳ偏心(6) 13 ∞ 0.75 偏心(8) 1.4875 70.2 14 ∞ 1.21 （カバーガラス）像面 ∞ ＡＳＳＲ -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 ＡＳＳＲ 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 ＦＦＳＣ₄ 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 ＦＦＳＣ₄ 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 ＦＦＳＣ₄ 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 ＦＦＳＣ₄ 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 。

【００７５】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。

【００７６】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。

【００７７】第３面：Θ＝２０．７１３° 第４面：θ＝５５．８４９° 第１０面：θ＝５５．３１１° 第１１面：Θ＝２０．１８３°
。

【００７８】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１
１（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３
３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３
１、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、３
２間を一体化することにより、２つのプリズム１０、２
０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。

【００７９】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１
０、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、３
１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ＣＣＤ
３７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。

【００８０】図１３は、２つのプリズム１０、２０とＣ
ＣＤ３７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９
０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９
１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。

【００８１】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９
２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。

【００８２】図１５は、結像光学系の２つのプリズム１
０、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。

【００８３】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１
０、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ＣＣＤ
３７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ＣＣＤ３
７とを一体に前後することによりフォーカシングする。

【００８４】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。

【００８５】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。

【００８６】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５
１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。

【００８７】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。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。

【００８８】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。

【００８９】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７
７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ＣＣＤ８
２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。

【００９０】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。

【００９１】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。

【００９２】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。

【００９３】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。

【００９４】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。

【００９５】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。〔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。

【００９６】〔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。

【００９７】〔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。

【００９８】〔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。

【００９９】〔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。

【０１００】〔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。

【０１０１】〔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。

【０１０２】〔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。

【０１０３】

〔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。

【０１０４】〔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。

【０１０５】〔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。

【０１０６】〔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。

【０１０７】〔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。

【０１０８】〔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。

【０１０９】〔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。

【０１１０】〔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。

【０１１１】〔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。

【０１１２】〔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。

【０１１３】〔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。

【０１１４】〔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。

【０１１５】

【発明の効果】以上説明したように、また、実施例から
明らかなように、本発明によれば、光学的ローパスフィ
ルターを有した小型、薄型で低コストな結像光学系を得
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】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】

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…ＣＣＤ３８…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…ＣＣＤ５０…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…ＣＣＤ８３…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

Claims

【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。
【請求項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。
【請求項３】請求項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。