JP2000137166A

JP2000137166A - 光学系

Info

Publication number: JP2000137166A
Application number: JP10324461A
Authority: JP
Inventors: Michiharu Araya; 道晴荒谷; Hiroshi Nakanishi; 弘中西
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2000-05-16
Also published as: US6278554B1

Abstract

(57)【要約】【課題】湿度変化に対して安定な光学特性を有する光
学系を提供する。【解決手段】入射屈折面と少なくとも１つの反射面と
射出屈折面とを有する光学ブロックを少なくとも１つ有
する光学系の、該光学ブロックを低吸湿材料製とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学系に関し、特に
銀塩カメラ、電子撮像カメラの光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】光学系を構成する材料は、周辺環境の変
化の影響を受ける。光学材料、特に有機材料を光学系に
用いる場合、一般に大気中の水蒸気を吸収したり、光学
系中の水分を排出することにより、レンズの屈折率や寸
法に変化が生じて光学系の特性の変動をもたらすことが
知られている。

【０００３】この対策として、特開平３−１８１９０８
号公報に開示されているように、有機材料を用いた素子
を各鏡枠の内部に配置し、大気と接する最外側を無機材
料（吸湿のない材料としか記載されていないが、実施例
の光学特性から判断して光学ガラスしか該当しない）で
形成して、蓋をして内部の湿度が組み立て時の状態に保
持される構造とし、これにより大気の湿度の変化に作用
されず一定の光学特性が維持できる方法が知られてい
る。また、特開平７−１２８７０７号公報には、光学系
を構成する材料に低吸湿材料を使用する方法が開示され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
３−１８１９０８号公報に記載された方法では、蓋とし
て使用する光学部品が必要とされるため、部品点数の増
加を招いてしまう。また、特開平７−１２８７０７号公
報に記載されているのは、ファインダー光学系について
のみであり、特に撮像光学系についてはなんら言及され
ていない。

【０００５】吸湿によって、光学材料の屈折率や寸法に
変化が起きることは前述したが、さらに具体的には、通
常の光学材料は吸湿により屈折率が増大すると共に寸法
が増加する。空気中の水分は媒質表面から吸収され媒質
内部へと拡散する。そのため内部屈折率が均一な媒質に
おいても、吸湿現象が生じることにより媒質表面と内部
間に屈折率差が生じ、その後、吸湿が平衡に達すること
により再び均一な屈折率となる。また、吸湿による寸法
変化についても、吸湿初期には、寸法変化が媒質表面の
みで生じるため媒質内部に応力が発生し表面形状が変化
するが、吸湿が平衡に達することにより、媒質全体が均
一に伸び、表面形状の変形も収束する。これらのことか
ら、元来パワーを持たない光学部品であっても吸湿によ
りパワーが発生し、吸湿が平衡となるにつれノンパワー
に近づくことになる。

【０００６】屈折率分布が光学部品の性能に与える影響
は、以下のような特徴がある。１．光軸方向の屈折率勾配は光路長を変化させるのみで
ほとんどパワーに影響を与えない。２．光軸と垂直な方向の屈折率の勾配がパワーに与える
影響は大きく、特に吸湿初期には強い球面収差を発生す
る。３．光軸と傾いた方向の屈折率勾配は、上記１と２との
間の状態であり、その方向によりパワーの影響度は変化
する。４．光軸に垂直で互いに直交する方向の屈折率勾配が異
なると、アジムス（ａｚｉｍｕｔｈ）によりパワーが異
なり、光軸上においても非点隔差が発生する。５．媒質中の光路が長いほどパワーに与える影響が大き
い。６．光学素子のサイズが小さい場合は、平衡に達するま
での時間が短い反面、吸湿過程における屈折率勾配はき
つくなるのでパワーの経時変化量は大きくなる。

【０００７】ところで、一般的なコンパクトカメラにお
けるファインダー光学系においては、焦点距離が１８ｍ
ｍ程度の接眼レンズを使用するのが一般的である。そこ
で仮に吸湿によるパワーの変化の許容量を１ディオプタ
ーとすると、吸湿による焦点距離変化は約０．３ｍｍ許
容されることになる。一方、例えばデジタルカメラに代
表されるような固体撮像素子を使用した撮像光学系にお
いては、近年、撮像素子の小型化、多画素化が進み、そ
れに伴って、撮像光学系の小型化、高精度化の要求が高
まっている。例えば、撮像素子サイズが対角１／４イン
チ、８０万画素程度の撮像素子（画素ピッチは５μｍ
程）を使用するＦナンバー２程度の撮像光学系において
は、焦点深度は１０μｍ程度となる。したがって、吸湿
による焦点距離変動も１０μｍ以下に押さえる必要が生
じる。また、前述したように、吸湿がパワーに与える影
響は光学素子のサイズが小さいほど大きいため、より小
型化の進む撮像系において吸湿は大きな問題となってい
る。

【０００８】一方、特開平９−５６５０号公報にその設
計法が、特開平８−２９２３７１号公報および特開平８
−２９２３７２号公報にその設計例が示されるように、
非共軸光学系においても、基準軸という概念を導入し構
成面を非対称非球面にすることで、十分収差が補正され
た光学系が構築可能であることが、明らかになってき
た。

【０００９】吸湿現象は、媒質内部への水分子の拡散現
象であり、内部の屈折率分布は、媒質表面からの距離に
依存して変化する。そのため単純な形状、例えば球に近
い形状のレンズにおいてはレンズ内部の屈折率における
等屈折率面も球に近い形状となると期待できる。しかし
ながら、例えば特開平８−２９２３７１号公報に示され
ているような光学系においては、複数の光学面が一体に
構成されている複雑な構造となっているため、その内部
の屈折率分布も複雑なものとなる。また、同公報に示さ
れている光学系においては、光学素子内部で光路が反射
面を介して複数回折れ曲がる構成となっている。媒質内
部での反射においては光線が屈折率分布中を反射の前後
で２度通過するため、屈折率分布が光学性能に与える影
響は屈折面のみを使用する場合に比べて大きくなる。ま
た同公報に示されている光学系のように、非共軸、すな
わち基準軸光線であっても光学面に対して斜めに入射す
る光学系における反射面においては、反射面への入射と
射出で異なる屈折率分布を通過するため、屈折率分布が
光学性能に与える影響は大きくなる。また、同公報に示
されている光学系のように、反射面が曲率を有している
場合、媒質内部における等屈折率面も曲率を持つため、
吸湿が光学性能に与える影響は、平面反射面を用いた場
合に比して大きくなる。また、同公報記載の光学系のよ
うに、光学面に非対称非球面を用いた場合、内部の屈折
率分布も非対称な分布となるため、吸湿によって非対称
な収差が発生してしまう。

【００１０】特開平７−１２８７０７号公報の実施例に
示されている光学系においては、使用される反射面は全
て平面反射面であり、上記のような曲率を持った反射面
を使用する際に関する対策は記載されていない。

【００１１】本発明は、湿度変化に対して安定な光学特
性を有する光学系を提供することを課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る第１の局面では、入射屈折面と少なく
とも１つの反射面と射出屈折面とを有する光学ブロック
を少なくとも１つ有する光学系において、前記光学ブロ
ックは低吸湿材料にて構成されていることを特徴とす
る。

【００１３】上記課題を解決するため、本発明に係る第
２の局面では、入射屈折面と少なくとも１つの反射面と
射出屈折面とを有する光学ブロックを少なくとも１つ有
する光学系において、前記光学ブロックは低吸湿有機材
料にて構成されていることを特徴とする。上記課題を解
決するため、本発明に係る第３の局面では、前記低吸湿
有機材料がオレフィン系樹脂であることを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明に係る第４の局面で
は、前記光学系は、撮像素子を有し、光学系のＦナンバ
ーをＦ、光学系の焦点距離をｆ、撮像素子の画素間隔を
δ、前記光学ブロック内の光路長をＬ、該光学ブロック
短辺方向の長さの１／２をｒ₀とした場合、前記低吸湿
材料の５０℃での絶乾（真空脱湿）状態から温度５０
℃、湿度９０％の環境下で飽和するまでの屈折率変化量
Δｎが式

【００１４】

【数３】を満足することを特徴とする。

【００１５】上記課題を解決するため、本発明に係る第
５の局面では、前記光学系は、撮像素子を有し、光学系
のＦナンバーをＦ、光学系の焦点距離をｆ、撮像素子の
画素間隔をδ、前記光学ブロック内の光路長をＬ、像サ
イズをｄとした場合、前記低吸湿材料の５０℃での絶乾
（真空脱湿）状態から温度５０℃、湿度９０％の環境下
で飽和するまでの屈折率変化量Δｎが式

【００１６】

【数４】を満足することを特徴とする。

【００１７】上記課題を解決するため、本発明に係る第
６の局面では、前記低吸湿材料の５０℃での絶乾（真空
脱湿）から温度５０℃、湿度９０％の環境下で飽和する
までの屈折率変化量が０．０００１６以下であることを
特徴とする。

【００１８】上記課題を解決するため、本発明に係る第
７の局面では、前記低吸湿材料の温度５０℃、湿度９０
％の環境下での飽和吸湿率が０．１％以下であることを
特徴とする。

【００１９】上記課題を解決するため、本発明に係る第
８の局面では、前記光学ブロックは、入射屈折面と、少
なくとも１つの反射面と、射出屈折面とが一体に構成さ
れていると共に、前記反射面は内部反射面であることを
特徴とする。

【００２０】上記課題を解決するため、本発明に係る第
９の局面では、前記光学ブロックを構成する入射屈折
面、少なくとも１つの反射面および射出屈折面の内少な
くとも１つの光学面が正ないし負のパワーを有している
ことを特徴とする。

【００２１】上記課題を解決するため、本発明に係る第
１０の局面では、前記光学ブロックを構成する反射面の
少なくとも１つが正ないし負のパワーを有していること
を特徴とする。

【００２２】上記課題を解決するため、本発明に係る第
１１の局面では、前記パワーを有する光学面の少なくと
も１つが非球面形状であることを特徴とする。

【００２３】上記課題を解決するため、本発明に係る第
１２の局面では、前記パワーを有する光学面の少なくと
も１つが、回転対称軸を持たないと共に、対称面を０な
いしは１のみ有する非球面形状であることを特徴とす
る。

【００２４】上記課題を解決するため、本発明に係る第
１３の局面では、前記光学ブロックの入射屈折面から数
えて最初の曲率を有する反射面が、該光学ブロックの短
辺方向についての収斂作用を有することを特徴とする。

【００２５】上記課題を解決するため、本発明に係る第
１４の局面では、前記光学系は、前記光学ブロック中で
中間結像する構成となっていることを特徴とする。

【００２６】上記課題を解決するため、本発明に係る第
１５の局面では、前記光学系は、被写体像を像面に結像
する撮像光学系であることを特徴とする。

【００２７】

【作用】上記の構成からなる光学系は、湿度変化があっ
ても光学特性を安定に保つことができる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明するが、実施例
の構成諸元の表わし方については特開平８−２９２３７
１号公報記載の説明に倣う。図１は本発明の一実施例に
係る光学系の構成データを定義する座標系の説明図であ
る。本実施例では物体側から像面に進む１つの光線（図
１中の一点鎖線で示すもので基準軸光線と呼ぶ）に沿っ
てｉ番目の面を第ｉ面とする。

【００２９】図１において第１面Ｒ１は絞り、第２面Ｒ
２は第１面Ｒ１と共軸な屈折面、第３面Ｒ３は第２面Ｒ
２に対してチルトされた反射面、第４面Ｒ４、第５面Ｒ
５、第６面Ｒ６は各々の前面に対してシフト、チルトさ
れた反射面、第７面Ｒ７は第６面Ｒ６に対してシフト、
チルトされた屈折面である。第２面Ｒ２から第７面Ｒ７
までの各々の面はガラス、プラスチック等の媒質で構成
される一つの光学素子上に構成されており、図１中では
光学素子１としている。

【００３０】したがって、図１の構成では不図示の物体
面から第２面Ｒ２までの媒質は空気、第２面Ｒ２から第
７面Ｒ７まではある共通の媒質、第７面Ｒ７から像面の
第８面Ｒ８までの媒質は空気で構成している。

【００３１】本実施例の光学系は偏心光学系であるため
光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。そ
こで、本実施例においては先ず第１面の光線有効径の中
心を原点とする絶対座標系を設定する。

【００３２】そして、本実施例においては、第１面の光
線有効径の中心点を原点とすると共に、原点と最終結像
面の中心とを通る光線（基準軸光線）の経路を光学系の
基準軸と定義している。さらに、本実施例中の基準軸は
方向（向き）を持っている。その方向は基準軸光線が結
像に際して進行する方向である。

【００３３】本実施例においては、光学系の基準となる
基準軸を上記のように設定したが、光学系の基準となる
軸の決め方は光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは
光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸
を採用すれば良い。しかし、一般的には像面の中心と、
絞りまたは入射瞳または光学系の第１面の中心あるいは
出射瞳または光学系の最終面の中心のいずれかを通る光
線の経路を光学系の基準となる基準軸に設定する。

【００３４】つまり、本実施例においては、基準軸は第
１面、すなわち絞り面の光線有効径の中心点を通り、最
終結像面の中心へ至る光線（基準軸光線）が各屈折面お
よび反射面によって屈折・反射する経路を基準軸に設定
している。各面の順番は基準軸光線が屈折、反射を受け
る順番に設定している。

【００３５】したがって、基準軸は設定された各面の順
番に沿って屈折若しくは反射の法則に従ってその方向を
変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。

【００３６】本実施例の光学系を構成するチルト面Ｒ３
〜Ｒ６は基本的にすべてが同一面内（図１の紙面内）で
チルトしている。そこで、絶対座標系の各軸を以下のよ
うに定める。 Ζ軸：原点を通り第２面Ｒ２に向かう基準軸Ｙ軸：原点を通りチルト面内（図１の紙面内）でΖ軸に
対して反時計回りに９０゜をなす直線Ｘ軸：原点を通りＺ、Ｙ各軸に垂直な直線（図１の紙面
に垂直な直線）また、光学系を構成する第ｉ面Ｒｉの面形状を表わすに
は、絶対座標系にてその面の形状を表記するより、基準
軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系
（ｘ，ｙ，ｚ）を設定して、ローカル座標系でその面の
面形状を表わした方が形状を認識する上で理解し易いた
め、本実施例の構成データの表示では第ｉ面の面形状を
ローカル座標系で表わす。

【００３７】また、第ｉ面のＹＺ面内でのチルト角は絶
対座標系のΖ軸に対して反時計回り方向を正とした角度
θｉ（単位°）で表わす。よって、本実施例では各面の
ローカル座標の原点は図１中のＹＺ平面上にある。また
ＸＺおよびＸＹ面内での面の偏心はない。さらに、第ｉ
面のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）のｙ、ｚ各軸は絶対座
標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対してＹＺ面内で角度θｉ傾いて
おり、具体的には以下のように設定する。ｚ軸：ローカル座標の原点を通り、絶対座標系のＺ方
向に対しＹＺ面内において反時計方向に角度θｉをなす
直線ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、ｚ方向に対しＹＺ面
内において反時計方向に９０゜をなす直線ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な
直線

【００３８】また、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面のロ
ーカル座標の原点間の間隔を表わすスカラー量、Ｎｄｉ
およびνｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折
率とアッペ数である。

【００３９】また、本実施例では光学系の断面図および
数値データを示す。本実施例の光学系は球面および回転
非対称の非球面を有している。その内の球面部分は球面
形状としてその曲率半径ｒ_iを記している。曲率半径ｒ_i
の符号は第１面Ｒ１から像面Ｒ８に進む基準軸（図１中
の一点鎖線）に沿って曲率中心が第１面側にある場合を
マイナス、結像面側にある場合をプラスとする。球面は
以下の式で表される形状である：

【００４０】

【数５】また、本発明の光学系は少なくとも回転非対称な非球面
を一面以上有し、その形状は以下の式により表わす：

【００４１】

【数６】上記曲面式はｘに関して偶数次の項のみであるため、上
記曲面式により規定される曲面はｙｚ面を対称面とする
面対称な形状である。さらに以下の条件が満たされる場
合はｘｚ面に対して対称な形状を表わす。

【００４２】

【数７】さらに

【００４３】

【数８】が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件
を満たさない場合は非回転対称な形状である。なお、本
実施例においては、すべてＣ₀₂＝Ｃ₂₀＝０となってお
り、２次曲面の基本形状に高次非対称非球面を加えて構
成している。

【００４４】なお、本実施例においては図１に示すよう
に、その第１面は絞りである。また、水平半画角とは図
１のΥＺ面内において絞りＲ１に入射する光束の最大画
角、垂直半画角とはＸＺ面内において絞りＲ１に入射す
る光束の最大画角である。また、第１面である絞りＲ１
の直径を絞り径として示している。これは光学系の明る
さに関係する。なお、入射瞳は第１面に位置するため上
記絞り径は入射瞳径に等しい。

【００４５】また、像面上での有効像範囲を像サイズと
して示す。像サイズはローカル座標のｙ方向のサイズを
水平、ｘ方向のサイズを垂直とした矩形領域で表わして
いる。また、本実施例には光学系のサイズを示してい
る。そのサイズは光線有効径によって定められるサイズ
である。また、本実施例には撮像素子の画素ピッチを示
している。画素ピッチは撮像素子を構成する各画素の周
期である。

【００４６】以下、本実施例をより具体的に説明する。

【００４７】図２は本実施例の光学系のＹＺ面内での断
面図である。本実施例は水平画角５２．６度、垂直画角
４０．６度の撮影光学系である。図２には中心画角の光
路４が図示されている。本実施例の構成データは次のと
おりである。水平半画角２６．３垂直半画角２０．３絞り径２．１焦点距離４．２Ｆナンバー２．０像サイズ水平４ｍｍ×垂直３ｍｍ画素ピッチ水平５μｍ×垂直５μｍ光学系のサイズ（Ｘ×Ｙ×Ｚ）＝１０．４ｍｍ×２７．
４ｍｍ×２１．２ｍｍ

【００４８】

【表１】

【００４９】

【表２】

【００５０】図２において、１は複数の曲面反射面を有
する光学素子でありガラスやプラスチック等の透明体で
構成している。光学素子１の表面には物体からの光線の
通過順に、負の屈折力を有する凹屈折面（入射面）Ｒ２
および凹面鏡Ｒ３、反射面Ｒ４、反射面Ｒ５および凹面
鏡Ｒ６の四つの反射面ならびに正の屈折力を有する凸屈
折面（射出面）Ｒ７を形成している。Ｒ１は光学素子１
の物体側に配置した絞り（入射瞳）、２はローパスフィ
ルタ等の光学フィルタ、Ｒ８は最終結像面であり、ＣＣ
Ｄ等の撮像素子３（撮像媒体）の撮像面が位置する。５
は撮影光学系の基準軸である。なお、２つの屈折面Ｒ
２，Ｒ７はいずれも回転対称の球面であり、すべての反
射面はＹＺ平面に対して対称なアナモフィック面であ
る。

【００５１】次に本実施例における結像作用を説明す
る。物体からの光束４は、絞りＲ１により入射光量を規
制された後、光学素子１の入射面Ｒ２に入射し、面Ｒ３
およびＲ４で反射された後、面Ｒ４近傍で一旦中間結像
し、次いで面Ｒ５とＲ６で次々に反射して行き、射出面
Ｒ７から射出し、ローパスフィルタ２を介して最終結像
面Ｒ８上に再結像する。

【００５２】本実施例では、光学素子１に入射する基準
軸の方向とこれから出射する基準軸の方向は平行でかつ
同一方向である。また、入出射を含む基準軸はすべて紙
面内（ＹＺ平面）に載っている。

【００５３】このように光学素子１は、入出射面による
屈折力と、その中での複数の曲面反射鏡による屈折力に
よって、所望の光学性能を有する全体として正の屈折力
を有するレンズユニットとして機能している。

【００５４】本実施例においては、基準軸が全てＹＺ平
面となるよう構成してあるため、素子のサイズとしては
Ｘ方向に比してＹ方向が長くなる。吸湿によって生じる
屈折率勾配は、前述したように、媒質の厚みが厚いほど
緩くなる。したがって、吸湿によって生じるパワー変化
は、Ｘ方向のアジムスについてが、Ｙ方向のアジムスに
比して大きい。

【００５５】図３に吸湿における屈折率の変化の推移を
示す。図３は、図２のＢの位置での光学素子１のＸＺ断
面における屈折率分布を示したものであり、図において
細線は等屈折率線を示している。また、一点鎖線は基準
軸を示している。図３（ａ）は吸湿初期の屈折率分布で
あり光学素子１の表面付近にて急な勾配が生じているも
のの、基準軸付近の屈折率勾配は低い。その後、水分の
拡散に伴い、図３（ｂ）のように光学素子１の内部まで
屈折率分布が生じ、さらに吸湿が進み飽和に近づくにつ
れ、図３（ｃ）のように光学素子１内部の屈折率分布の
勾配は緩くなる。図において、Ζ方向の屈折率分布は光
軸方向の分布であるため、Ζ方向の屈折率分布が光学系
のパワー変化に与える影響はＸ方向の屈折率分布の影響
に比べ小さい。そこで、Ｘ方向の屈折率分布に注目する
と、図３（ａ）の屈折率分布においては、表面付近に急
な屈折率勾配が存在するものの、光軸付近の屈折率勾配
は緩いため、主として軸外光線が吸湿の影響を受け球面
収差が変化する。図３（ｃ）の状態では、吸湿が飽和に
近いため、屈折率勾配も緩い。そのため、吸湿により光
学素子１のパワーが最も変化するのは図３（ｂ）の分布
の場合である。吸湿によるパワー変化が最も大きくなる
際のＸ方向の屈折率分布は以下の式で近似できる。

【００５６】

【数９】但し、ｎ₀は乾燥状態における屈折率、ｒは光軸からの
距離、Ａは５０℃で絶乾（真空脱湿）から温度５０℃、
湿度９０％の環境下で吸湿飽和するまでの屈折率変化量
をΔｎとした場合にΔｎ＝ｎ₀ｒ₀ ²Ａ／２（但し、ｒ₀は
光学素子のＸ方向の厚みＤに対しｒ₀＝Ｄ／２）で与え
られる定数である。なお、屈折率変化量Δｎは一般的に
は雰囲気温度の上昇に伴い増加する。本明細書中におい
ては、屈折率変化量Δｎを雰囲気温度５０℃における絶
乾から飽和までの屈折率の変化量として定義している。

【００５７】光学素子１内における基準軸に沿った光路
長をＬとすると、上式で与えられる屈折率分布によって
生じるパワーφは

【００５８】

【数１０】本実施例においては、近距離物体へのフォーカシングは
光学系全体を撮像素子の撮像面Ｒ８に対して移動させる
ことで行なう。とくに本実施例においては、光学素子１
に入射する基準軸の方向と光学系１から出射する基準軸
の方向は平行でかつ同一方向であるため、光学系全体を
射出する基準軸の方向（Ｚ軸方向）に平行に移動させる
ことで、フォーカシング動作を行なうことができる。

【００５９】吸湿により光学系のパワーは変化し、焦点
距離が変化する。焦点距離の変化はフォーカシング動作
を行なうことで補償を行なうことが可能であるが、前述
したように吸湿による光学素子内部の屈折率分布は非常
に複雑であるため、通常吸湿による屈折率変化は焦点距
離の変化のみにとどまらず、光学性能（収差）の変化を
伴う。したがって、吸湿による焦点距離の変化はある程
度以下に抑えることが望ましい。

【００６０】また、光学系のパワーの変化は、前述した
ようにＸ方向のアジムスについて大きいため、吸湿によ
る光学素子１のパワーの変化に伴って光軸上においても
非点隔差が生じてしまう。吸湿前の光学素子１の焦点距
離をｆとすると、吸湿によるＸ方向のアジムスの焦点距
離の変動量Δｆは式（２）より（２ｆ²Ｌ／ｒ² ₀）Δｎ
に略等しい。吸湿によって生じる光学性能の劣化を防止
するためには、光学系のＦナンバーをＦ、撮像素子の画
素ピッチをδとした場合、Δｆ≦Ｆδであることが望ま
しい。したがって、吸湿によって生じる屈折率の変化量
Δｎは、

【００６１】

【数１１】の条件を満たすことが望ましい。

【００６２】本実施例においては、光学素子の焦点距離
ｆはｆ＝４．２ｍｍ、撮像素子の画素ピッチδはδ＝５
μｍ、光学素子内部の光路長ＬはＬ＝４２．５ｍｍ、光
学素子のＸ方向の厚さＤ＝２ｒ₀＝１０．４ｍｍであ
る。したがって、吸湿による屈折率の変化量Δｎは式
（３）よりΔｎ≦０．０００１６であることが望まし
い。

【００６３】光学材料の吸湿率Ｑは、乾燥時の重量をＷ
₀ 、吸湿時の重量をＷとして、

【００６４】

【数１２】で表わされる。ここでは特に気温５０℃湿度９０％環境
下での飽和時の吸湿率を飽和吸湿率と定義した。

【００６５】一般的な有機光学材料、例えばアクリル樹
脂、ポリカーボネート樹脂、オレフィン系樹脂またはノ
ルボルネン系樹脂の吸湿率と吸湿による屈折率変化量は
下表に示す通りである。

【００６６】

【表３】

【００６７】吸湿率１％当りの屈折率の変化量はいずれ
も８×１０^-4程度であるため、飽和吸湿率ＱがＱ≦０．
２％である材料を使用することにより、吸湿に伴う屈折
率変化量を小さく抑えることができる。

【００６８】また、吸湿は媒質の屈折率を変化させるだ
けではなく、媒質の寸法変化も引き起こすため、それに
伴い面形状や面間隔が変化し、光学性能を変化させる。
そのため吸湿に伴う光学性能の変化を防止するためには
飽和吸湿率Ｑは十分小さい必要があり、Ｑ≦０．１％で
あることがさらに望ましい。本実施例においては、光学
素子１を飽和吸湿率が０．０３％程度であるオレフィン
系材料で構成することにより、成形の容易な有機材料を
用いながらも吸湿に伴なう光学性能変化を防止してい
る。

【００６９】入射瞳が光学素子１の第１番目の面Ｒ２近
傍にある本実施例の場合、特に物体側から数えて第１番
目の曲面である反射面Ｒ３に収斂作用を与えていること
が光学系の小型化に寄与している。これは瞳光線（主光
線）を入射面に近い段階で中間結像させて光学系をさら
に薄型にするためで、絞りＲ１を出た軸外主光線が大き
く広がらない内に収斂させ、光学系の広角化による第１
反射面Ｒ３以降の各面有効径の大型化を抑えることがで
き、したがって素子のＸ方向のサイズを像サイズの２倍
程度と小さく抑えることができる。そのため、像サイズ
をｄとすると式（３）は、

【００７０】

【数１３】となるため、光学素子１を式（４）を満足する材料で構
成することにより、吸湿に伴う光学性能の変化を防止す
ることが可能となる。

【００７１】また、前述したように、光軸付近の屈折率
勾配は、媒質表面付近の屈折率勾配に比して緩い。その
ため、本実施例のように光学系の入射面に近い、曲率を
持った反射面に収斂作用を持たせることにより、絞りＲ
１を出た軸外主光線が大きく広がらず、より屈折率勾配
の低い光軸近傍を通るよう構成できるため、吸湿による
光学性能の変化をより小さく抑えることが可能となる。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る第１
の局面によれば、入射屈折面と、少なくとも１つの反射
面と、射出屈折面を有する少なくとも１つの光学ブロッ
クから構成される光学系において、前記光学ブロックを
低吸湿材料にて構成することにより、吸湿に伴う光学性
能の変化を防止できる。また、本発明に係る第２の局面
によれば、前記低吸湿材料を低吸湿有機材料として構成
することにより、成形の容易な有機材料を用いた場合に
おいても吸湿に伴う光学性能の変化を防止できる。ま
た、本発明に係る第３の局面によれば、前記低吸湿有機
材料をオレフィン系樹脂で構成することにより成形の容
易な有機材料を用いた場合においても吸湿に伴う光学性
能の変化を防止できる。

【００７３】また、本発明に係る第４の局面によれば、
前記光学系は、撮像素子を有し、光学系のＦナンバーを
Ｆ、光学系の焦点距離をｆ、撮像素子の画素間隔をδ、
前記光学ブロック内の光路長をＬ、該光学ブロック短辺
方向の長さの１／２をｒ₀とした場合、前記低吸湿材料
の５０℃での絶乾（真空脱湿）から温度５０℃、湿度９
０％の環境下で飽和するまでの屈折率変化量Δｎが式

【００７４】

【数１４】を満足するよう構成することにより吸湿に伴う屈折率変
化を抑え、光学性能の変化を防止できる。

【００７５】また、本発明に係る第５の局面によれば、
前記光学系は、撮像素子を有し、光学系のＦナンバーを
Ｆ、光学系の焦点距離をｆ、撮像素子の画素間隔をδ、
前記光学ブロック内の光路長をＬ、像サイズをｄとした
場合、前記低吸湿材料の５０℃での絶乾（真空脱湿）か
ら温度５０℃、湿度９０％の環境下で飽和するまでの屈
折率変化量Δｎが式

【００７６】

【数１５】を満足するよう構成することにより吸湿に伴う屈折率変
化を抑え、光学性能の変化を防止できる。

【００７７】また、本発明に係る第６の局面によれば、
前記低吸湿材料の５０℃での絶乾（真空脱湿）から温度
５０℃、湿度９０％の環境下で飽和するまでの屈折率変
化量が０．０００１６以下となるよう構成することによ
り、吸湿に伴う屈折率変化を抑え、光学性能の変化を防
止できる。また、本発明に係る第７の局面によれば、前
記低吸湿材料の温度５０℃、湿度９０％の環境下での飽
和吸湿率が０．１％以下となるよう構成することによ
り、吸湿に伴う光学性能の変化を防止できる。また、本
発明に係る第８の局面によれば、前記光学ブロックは、
入射屈折面と、少なくとも１つの反射面と、射出屈折面
が一体に構成されていると共に、前記反射面は内部反射
面として構成することにより、吸湿に伴う光学性能の変
化が小さい光学系を実現できる。また、本発明に係る第
９の局面によれば、前記光学ブロックを構成する入射屈
折面、少なくとも１つの反射面、射出屈折面、の内少な
くとも１つの光学面が正ないし負のパワーを有する構成
とすることにより、吸湿に伴う光学性能の変化が小さい
光学系を実現できる。

【００７８】また、本発明に係る第１０の局面によれ
ば、前記光学ブロックを構成する反射面の少なくとも１
つが正ないし負のパワーを有する構成とすることによ
り、吸湿に伴う光学性能の変化が小さい光学系を実現で
きる。また、本発明に係る第１１の局面によれば、前記
パワーを有する光学面の少なくとも１つが非球面形状で
あることを特徴とする。また、本発明に係る第１２の局
面によれば、前記パワーを有する光学面の少なくとも１
つが、回転対称軸を持たないと共に、対称面を０ないし
は１のみ有する構成とすることにより、吸湿に伴う光学
性能の変化が小さい光学系を実現できる。

【００７９】また、本発明に係る第１３の局面によれ
ば、前記光学ブロックの入射屈折面から数えて第１の曲
率を有する反射面が、該光学ブロックの短辺方向に付い
ての収斂作用を有する構成とすることにより、吸湿に伴
う光学性能の変化が小さい光学系を実現できる。また、
本発明に係る第１４の局面によれば、前記光学系は、前
記光学ブロック中で中間結像する構成とすることによ
り、吸湿に伴う光学性能の変化が小さい光学系を実現で
きる。また、本発明に係る第１５の局面によれば、前記
光学系を、被写体像を像面に結像する撮像光学系として
構成とすることにより、吸湿に伴う光学性能の変化が小
さい撮像光学系を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における座標系を説明する
図である。

【図２】上記実施例の構成を説明する図である。

【図３】上記実施例における吸湿による屈折率変化を
説明する図である。

【符号の説明】

Ｒ１：絞り、Ｒ２：入射屈折面、Ｒ３〜Ｒ６：反射面、
Ｒ７：射出屈折面、Ｒ８：最終結像面、１：光学素子、
２：光学フィルタ、３：撮像素子、４：中心画角の光
路、５：撮影光学系の基準軸。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H087 KA02 KA03 NA08 RA34 RA43 TA01 TA02 TA06 UA01 5F046 CB01 9A001 KK16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射屈折面と少なくとも１つの反射面と
射出屈折面とを有する光学ブロックを少なくとも１つ有
する光学系において、前記光学ブロックは低吸湿材料にて構成されていること
を特徴とする光学系。
【請求項２】入射屈折面と少なくとも１つの反射面と
射出屈折面とを有する光学ブロックを少なくとも１つ有
する光学系において、前記光学ブロックは低吸湿有機材料にて構成されている
ことを特徴とする光学系。
【請求項３】前記低吸湿有機材料はオレフィン系樹脂
またはノルボルネン系樹脂であることを特徴とする請求
項２記載の光学系。
【請求項４】前記光学系は、撮像素子を有し、光学系
のＦナンバーをＦ、光学系の焦点距離をｆ、撮像素子の
画素間隔をδ、前記光学ブロック内の光路長をＬ、該光
学ブロック短辺方向の長さの１／２をｒ₀とした場合、
前記低吸湿材料の、温度５０℃での絶乾状態から温度５
０℃、湿度９０％の環境下で飽和するまでの屈折率変化
量Δｎが以下の式【数１】を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに
記載の光学系。
【請求項５】前記光学系は、撮像素子を有し、光学系
のＦナンバーをＦ、光学系の焦点距離をｆ、撮像素子の
画素間隔をδ、前記光学ブロック内の光路長をＬ、像サ
イズをｄとした場合、前記低吸湿材料の、温度５０℃で
の絶乾状態から温度５０℃、湿度９０％の環境下で飽和
するまでの屈折率変化量Δｎが以下の式【数２】を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに
記載の光学系。
【請求項６】温度５０℃での絶乾状態から温度５０
℃、湿度９０％の環境下で飽和するまでの屈折率変化量
が０．０００１６以下であることを特徴とする請求項１
〜５のいずれかに記載の光学系。
【請求項７】前記低吸湿材料の温度５０℃、湿度９０
％の環境下での飽和吸湿率が０．１％以下であることを
特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学系。
【請求項８】前記光学ブロックは、入射屈折面と、少
なくとも１つの反射面と、射出屈折面が一体に構成され
ていると共に、前記反射面は内部反射面であることを特
徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光学系。
【請求項９】前記光学ブロックを構成する入射屈折
面、反射面および射出屈折面の内少なくとも１つの光学
面が正ないし負のパワーを有していることを特徴とする
請求項１〜８のいずれかに記載の光学系。
【請求項１０】前記光学ブロックを構成する反射面の
少なくとも１つが正ないし負のパワーを有していること
を特徴とする請求項９記載の光学系。
【請求項１１】前記パワーを有する光学面の少なくと
も１つが非球面形状であることを特徴とする請求項９ま
たは１０記載の光学系。
【請求項１２】前記パワーを有する光学面の少なくと
も１つが、回転対称軸を持たないと共に、対称面を１以
下のみ有する非球面形状であることを特徴とする請求項
１１記載の光学系。
【請求項１３】前記光学ブロックの入射屈折面から数
えて最初の曲率を有する反射面が、該光学ブロックの短
辺方向についての収斂作用を有することを特徴とする請
求項１０〜１２のいずれかに記載の光学系。
【請求項１４】前記光学系は、前記光学ブロック中で
中間結像する構成となっていることを特徴とする請求項
１〜１３のいずれかに記載の光学系。
【請求項１５】前記光学系は、被写体像を像面に結像
する撮像光学系であることを特徴とする請求項１〜１４
のいずれかに記載の光学系。