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JP3771993B2 - Imaging optical system and imaging apparatus using the same - Google Patents

Imaging optical system and imaging apparatus using the same Download PDF

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JP3771993B2
JP3771993B2 JP14630697A JP14630697A JP3771993B2 JP 3771993 B2 JP3771993 B2 JP 3771993B2 JP 14630697 A JP14630697 A JP 14630697A JP 14630697 A JP14630697 A JP 14630697A JP 3771993 B2 JP3771993 B2 JP 3771993B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像光学系及びそれを用いた撮像装置に関し、特に、形成する像が比較的小さな撮像装置に最適な、少なくとも1つの像形成に必要な結像パワーを有する反射面が偏心して配置された光学系及び撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
小型の反射偏心光学系の従来の周知なものとして特開昭59−84201号のものがある。しかし、これはシリンドリカル反射面による1次元受光レンズの発明であり、2次元の撮像はできない。また、特開昭62−144127号のものは、上記発明の球面収差を低減するために、同一シリンドリカル面を2回反射に使うものである。
【0003】
また、特開昭62−205547号は、反射面の形状として非球面反射面を使うことを示しているが、反射面の形状には言及していない。
さらに、米国特許第3,810,221号、米国特許第3,836,931号の2件には、何れもレフレックスカメラのファインダー光学系に回転対称非球面鏡と対称面を1面しか持たない面を持ったレンズ系を用いた例が示されている。ただし、対称面を1面しか持たない面は、観察虚像の傾きを補正する目的で利用されている。
【0004】
また、特開平1−257834(米国特許第5,274,406号)には、背面投影型テレビにおいて、像歪みを補正するために対称面を1面しか持たない面を反射鏡に使用した例が示されているが、スクリーンへの投影には投影レンズ系が使われ、像歪みの補正に対称面を1面しか持たない面が使われている。また、観察光学系として、アナモルフィック面とトーリック面を使用した裏面鏡タイプの偏心光学系の例が示されている。しかし、像歪みを含め収差の補正が不十分である。
なお、上記何れの先行技術も対称面を1面しか持たない面を使い折り返し光路用に裏面鏡として使用したものではない。
【0005】
また、特開平8−292368号、特開平8−292371号、特開平8−292372号には、何れも対称面を1面しか持たない面を反射面として用いた撮像光学系(単焦点光学系、ズーム光学系)が示されている。しかし、回転非対称面を含む光学構成要素に入射し射出するまで、若しくは、最も物体側の回転非対称面から最も像側の回転非対称面に到る光路長が長く(途中に1回結像する例有り。)、光学系が大型化するため、製造の困難な回転非対称面を用いるメリットがない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来の回転対称な光学系では、屈折力を有する透過回転対称レンズに屈折力を負担させていたため、収差補正のために多くの構成要素を必要としていた。しかし、これら従来技術の偏心光学系では、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、正しい形状を記録することができなかった。
【0007】
また、光学系を構成する屈折レンズが光軸を軸とした回転対称面で構成された回転対称光学系では、光路が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問題があった。
【0008】
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、広い画角においても明瞭で、歪みの少ない像を与える小型の撮像光学系及びそれを用いた撮像装置を提供することである。
【0009】
【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撮像光学系は、撮像素子面上に物体像を形成するための撮像光学系において、
少なくとも瞳面よりも像側に後側光学群を有し、
前記後側光学群は、物体中心を射出して瞳中心を通り像中心に到達する光線を軸上主光線とするとき、前記主光線に対して面全体が傾くように偏心配置された少なくとも3つの面を備えたプリズム部材を有し、
前記の少なくとも3つの面は、透過作用を有する面と、反射作用と透過作用とを共有し回転対称面形状の曲面と、反射作用を有し偏心により発生する回転非対称な偏心収差を補正する回転非対称面形状の曲面とからなり、
前記透過作用を有する面が第1面、前記反射作用と透過作用とを共有し回転対称面形状の曲面が第2面、前記反射作用を有する回転非対称面形状の曲面が第3面であり、
物体からの光が第1面に入射した後、第2面で反射され、第3面で反射され、第2面を透過して射出するように、前記第1面乃至第3面が構成されていることを特徴とするものである。
この場合、プリズム部材は一体成形された単体のブロックからなることが望ましい。
【0010】
また、反射作用と透過作用とを共有する回転対称面形状の曲面が、全反射面又は半透過反射面にて形成されていることが望ましい。
また、反射作用を有する曲面がコーティングされたミラー面にて形成されていることが望ましい。
【0011】
また、反射作用を有する面が、反射作用と透過作用とを共有する面と対向配置され、かつ、軸上主光線が後側光学群の入射面に到るまでの方向をZ軸方向、面の偏心面内をY軸方向、Y軸、Z軸と直交座標系を構成する軸をX軸と後側光学群の入射面側から軸上主光線とY方向に微少量d離れた平行光束を入射させ、後側光学群から射出する側でその2つの光線のY−Z面内でなす角のsinをNA’yi、NA’yiをその平行光束の幅dで割った値NA’yi/dを後側光学群のY方向のパワーPyとし、プリズム部材の入射面から前記プリズム部材の射出面までの軸上主光線の光路長をpとするとき、
0.1<p×Py<8 ・・・(1)
を満たすことが望ましい。
【0012】
まず、以下の説明において用いる座標系について説明する。
図5に示すように、物点中心を通り、絞り1中心を通過し、像面8中心に到達する光線を軸上主光線2とし、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、Z軸と直交しかつY軸と直交する軸をX軸とする。
【0013】
一般に、球面レンズのみで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。一方、少ない面数で収差を良好に補正するためには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。
【0014】
以下に、本発明の構成と作用について説明する。
回転対称な光学系が偏心した場合、回転非対称な収差が発生し、これを回転対称な光学系でのみ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、像歪、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。図6は偏心して配置された凹面鏡Mにより発生する像面湾曲、図7は偏心して配置された凹面鏡Mにより発生する非点収差、図8は偏心して配置された凹面鏡Mにより発生する軸上コマ収差を示す図である。本発明は、上記のような偏心により発生する回転非対称な収差の補正のために、回転非対称な面を光学系中に配置して、その回転非対称な収差を補正している。
【0015】
偏心して配置された凹面鏡により発生する回転非対称な収差に、回転非対称な像面湾曲がある。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、光線が当たった部分の曲率の半分になる。すると、図6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。このような回転非対称な像面湾曲を補正することは、回転対称な光学系では不可能であった。この傾いた像面湾曲を補正するには、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(図の上方向)に対して曲率を強く(屈折力を強く)し、Y軸負の方向((図の下方向)に対して曲率を弱く(屈折力を弱く)することにより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。
【0016】
次に、回転非対称な非点収差について説明する。前記説明と同様に、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7に示すような非点収差が発生する。この非点収差の補正は、前記説明と同様に、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。
【0017】
さらに、回転非対称なコマ収差について説明する。前記説明と同様に、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8に示すようなコマ収差が発生する。このコマ収差の補正は、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。
【0018】
さらに、本発明の撮像光学系を折り曲げ光路を有するように構成すると、反射面にパワーを持たせることが可能となり、透過型レンズを省略することが可能となる。さらに、光路を折り曲げたことにより光学系を小型に構成することが可能となる。
【0019】
また、その反射面は、臨界角を越えて光線が入射するように、光線に対して傾いて配置された全反射面で構成することにより、高い反射率にすることが可能となり、また、反射作用と透過作用とを併せ持たすことが可能となる。また、反射面を構成する面に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、誘電体多層膜で形成された反射面又は半透過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。
【0020】
さらに好ましくは、反射面に回転非対称面を用いると、透過面に用いる場合と比べて、色収差は全く発生しない。また、面の傾きが少なくても光線を屈曲させることができるために、他の収差発生も少ない。つまり、同じ屈折力を得る場合に、反射面の方が屈折面に比べて収差の発生が少なくてすむ。
【0021】
また、本発明の撮像光学系のように、形成される像が小さくなると、いわゆる係数倍の原理によって、撮像光学系も小型にすることが図面上は可能だが、実際の製造を考慮すると、撮像光学系をむやみに小型化することは、レンズの縁の厚みや、中心の厚みが薄くなったり、レンズ径が小型になりすぎ、かえって製造コストの増大を招き好ましくない。一方、製造可能な大きさを保って光学系を構成すると、従来の屈折レンズによる光学系では、光軸が直線であるために、パワーを持った屈折面同士の間隔に空間的な無駄が生じる。そこで、反射面を利用して光軸を空間的に折り返す構成にすれば、比較的小さな空間を有効に利用して、結像に必要な光路を確保することが可能となる。このとき、撮像光学系の光路長を不要に長くすると、偏心させ光軸を折り返す構成により、空間を有効に使う目的に反して大型化するばかりではなく、形成する像に比較して、光路長が長くなりすぎると、フィルムや撮像素子等、光学像を取り込む部材を配置するために必要なバックフォーカスを確保することが困難になる等の問題が生じる。
【0022】
本発明においては、折り曲げ光路を採用すると同時に、以下の条件を満足することにより、小型の光学系を構成することに成功したものである。
【0023】
すなわち、本発明の撮像光学系において、後側光学群が少なくとも反射作用面と対向配置された第2の反射作用面を有し、かつ、軸上主光線が光学系の第1面に到るまでの方向をZ軸方向、面の偏心面内をY軸方向、Y軸、Z軸と直交座標系を構成する軸をX軸とするとき、光学系の入射面側から軸上主光線とY方向に微少量d離れた平行光束を入射させ、光学系から射出する側でその2つの光線のY−Z面内でなす角のsinをNA’yi、そのNA’yiを平行光束の幅dで割った値NA’yi/dを光学系のY方向のパワーPyとし、軸上主光線が、光学系の最も物体側に配置された回転非対称面を有する光学系構成要素に入射してから、光学系の最も像側に配置された回転非対称面を有する光学系構成要素を射出するまでの光路長をpとするとき、
0.1<p×Py<8 ・・・(1)
を満たすことが望ましい。
【0024】
まず、本発明において光学系のパワーについて定義する。図9に示すように、光学系の偏心方向をY軸方向に取った場合に、光学系に軸上主光線2と平行なY−Z面内の微少高さdの光線を物体側から入射させ、光学系から射出する側でその2つの光線のY−Z面内でなす角のsinをNA’yiとし、NA’yi/dをY方向の光学系全体のパワーPyとし、同様に、光学系に軸上主光線2と平行なX−Z面内の微少高さdの光線を物体側から入射させ、光学系から射出する側でその2つの光線のY−Z面に直交し射出した軸上主光線を含む面内でなす角のsinをNA’xiとし、NA’xi/dをX方向の光学系全体のパワーPxとする。
【0025】
そして、軸上主光線が、光学系の最も物体側に配置された回転非対称面を有する光学系構成要素に入射してから、光学系の最も像側に配置された回転非対称面を有する光学系構成要素を射出するまでの光路長をp(図9においては、両者は同じ一つの偏心プリズム光学系4であるので、その中での軸上主光線2の光路長)とすると、上記(1)式を満たすように構成することが光学系を小型に構成する上で望ましい。
【0026】
さらに好ましくは、
0.5<p×Py<5.0 ・・・(1)’
を満足するようにすると、小型なレンズ系を達成することができる。
【0027】
さらに好ましくは、
0.5<p×Py<0.7 ・・・(1)”
を満足するようにすると、より小型なレンズ系を達成することができる。
【0028】
また、本発明の撮像光学系の回転非対称面を有する光学系構成要素を第1・第2の反射作用面と第1・第2の透過作用面で構成すると、光軸を2つの反射作用面で折り曲げることができ、光学系を小型にできる。さらに、透過作用面が2つあることから、主点位置、像面湾曲に対してはより良い結果を得ることができる。
さらに、2つの反射面を裏面鏡にすることによりより良い収差性能が得られる。
【0029】
ところで、瞳を物体側に出さないと、光学系が大型化し、上記光路長pが大きくなりすぎる。又は、バックフォーカスを確保することが困難になる。さらに、偏心した回転非対称面にパワーを頼りすぎると、偏心により発生する非対称収差、特に偏心コマ収差を補正することが困難になる。そこで、回転非対称面より物体側に光学系を配置してパワーを分担させることも、光学性能を向上させるために有効な手段である。
【0030】
また、回転非対称面を有する光学系構成要素の物体側に絞りを配置した場合等は、さらにその物体側に光学部材を配置することにより、絞り部材の保護や、反射面を表面鏡で構成する場合には、防塵等の対策にも役立つ。
【0031】
また、本発明の撮像光学系においては、偏心した回転非対称面により偏心収差の補正が可能であるが、その物体側に光学部材を配置し、偏心した回転非対称反射面と共に総合的な収差補正をするようにするとよい。そのとき、非対称収差を良好に補正するために、その光学部材を偏心させると、均一な補正が可能になり好ましい。
【0032】
本発明の撮像光学系においては、偏心した回転非対称反射面を有する光学系構成要素の面数を減らしたり、プリズムブロックでその反射面を有する光学系構成要素を構成すると、絞りを物体側に出さないと光学系が大型化する。そのとき、パワーが全て絞りに対し像側に偏る。歪曲収差の補正のためには、負正両方のパワーが必要になるが、負のパワーを強めすぎると、光学系の大型化と、光路長の増大を招き、好ましくない。そこで、絞りの物体側に正レンズを配置し、歪曲収差を補正させるとよい。また、偏心した回転非対称反射面を有する光学系構成要素をプリズムブロックで構成した場合等は、透過面で発生する多少の色収差を補正することが困難となるが、色収差の補正作用にも効果的である。特に、非対称収差を補正するために、その正レンズを偏心させるとさらによい。
【0033】
また、特に画角の広い広角レンズを構成するとき、焦点距離が短くなるので、バックフォーカスの確保が困難になる。そのときは、物体側から順に負正のパワーを配置するいわゆるレトロフォーカスタイプを採用するのがよい。しかも、負のパワーを強め、負群と正群の間隔をできるだけ開けるのがよい。ところが、負のパワーを偏心した回転非対称面に持たせると、偏心収差が余りに大きくなり、補正するのが困難になり、特にコマの非対称性を補正するのが困難である。
【0034】
そこで、物体側に凹レンズを配置し、負のパワーは通常の屈折レンズに持たせ、負群と正群の間隔を開けて配置し、かつ、光軸を折り返してコンパクトにまとめるとよい。
【0035】
また、偏心した回転非対称反射面を有する光学系構成要素を単一ブロックで構成し、絞りを設ける場合には、ブロックより物体側に絞りを設ける方が、ブロックの大型化を招かず好ましい。このとき、絞りの保護手段を兼ねた光学パワーが略ゼロの光学部材を物体側に配置するのがよい。また、その他の効果として、電子撮像素子を用いる場合には、面内の領域を分割し、領域毎に面に微少量の傾きを付け、光の進行方向を微少量変える機能を持たせる等の方法により、光学的ローパスフィルター機能を持たせると、バックフォーカスの短縮化に効果的である。
【0036】
ところで、偏心した回転非対称反射面を有する光学系構成要素の物体側に配置する前側光学群に軸上主光線が入射し射出する際の、その角度の変位量をΔθ、位置の変位量をΔhとするとき、
0.1°<Δθ<45° ・・・(2)
若しくは、
0<Δh×Py<1.0 ・・・(3)
の少なくとも一方を満たすことが望ましい。ここで、Pyは光学系のY方向のパワーである。
【0037】
上記(2)、(3)式共に、下限値を越えて小さな値を取ると、偏心させる意味がなくなる。また、共に上限値を越えて大きな値を取ると、各部での偏心収差が大きくなりすぎ、補正することが困難になる。
【0038】
さらに望ましくは、
1°<Δθ<30° ・・・(2)’
若しくは、
0.005<Δh×Py<0.5 ・・・(3)’
の少なくとも一方を満足することが望ましい。
【0039】
ところで、偏心した回転非対称反射面を有する光学系構成要素の第1反射作用面と第2透過作用面を同一面とすると、形成する面が3面となり、製作性が向上する。
【0040】
また、第1反射作用面の反射に全反射を利用するように構成すると、前述のように高い反射率が得られ、光の損失を最低限に抑えられると共に、反射面と透過面を同一にする際に製造が容易となる。
【0041】
また、前記のように、偏心した回転非対称反射面を有する光学系構成要素を単一ブロックで構成して構成部材を減らすことにより、光学系の小型化、コストダウンが期待できる。
【0042】
また、回転非対称反射面を波長選択手段の機能を有する光学材料の裏面鏡として構成し、その波長選択手段はいわゆる赤外線カット機能を持ち、光学材料中に含有されるCuOのモル%aが、以下の条件を満足することが望ましい。
【0043】
a<1 ・・・(4)
いわゆる赤外線カットフィルター等は銅等の不純物を混ぜることにより製造できるが、不純物が増えると波長選択性の制御が困難になる等、不純物は少ない方が製造が容易になる。また、銅等を多く含むガラスの耐性を向上させるために、フッ素燐酸系のネットワークを用いることが一般的であるが、含有量を減らすことができれば、耐性の高いネットワーク構造を採用することができ、有効である。しかし、不純物を少なくすると、波長選択性を確保するためには、フィルターの厚みを増やすしかなく、スペース確保のため、レンズ系が大型化する問題があった。
【0044】
本発明のような光軸を折り返す光学系では、実際の厚みより長い光路長がとれるので、少ない不純物の含有量で効果的な波長選択特性を達成できる。銅の含有量は、設計された光学系の光路長に応じて調整するとよいが、特にCuOのモル%をaとすると、
a<1 ・・・(4)
を満足することが望ましい。
【0045】
さらには、
1×10-5<a<1 ・・・(4)’
であることがより好ましい。
【0046】
また、
1×10-5<a<0.5 ・・・(4)”
であればなおよい。
【0047】
また、本発明の撮像光学系においては、偏心した回転非対称面形状を有する反射作用面の少なくとも1面は、対称面を1つのみ有する面対称自由曲面を使用することが望ましい。ここで、本発明で使用する自由曲面とは、以下の式で定義されるものである。
【0048】

Figure 0003771993
ただし、Cm (mは2以上の整数)は係数である。
【0049】
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、C4 ,C6 ,C9 ,C11,C13,C15,C18,C20,C22,C24,C26,C28,C31,C33,C35,C37,・・・の各項の係数を0にすることによって可能である。
【0050】
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(a)においては、C3 ,C6 ,C8 ,C10,C13,C15,C17,C19,C21,C24,C26,C28,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り、また、以上のような対称面を持つことにより製作性を向上することが可能となる。
【0051】
上記Y−Z面と平行な対称面、X−Z面と平行な対称面の何れか一方を対称面とすることにより、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正することが可能となる。
【0052】
上記定義式は、1つの例として示したものであり、本発明の特徴は対称面を1面のみ有する回転非対称面で偏心により発生する回転非対称な収差を補正することが特徴であり、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。
【0053】
さて、一般に、偏心した回転非対称反射面を有する光学系構成要素(偏心プリズム光学系)は研磨により製作することは難しく、研削により1面ずつ形成するか、プラスチックの射出成形又はガラスモールド成形により作製することになる。このとき、偏心プリズム光学系の面が所定の形状に作製されているかどうかを確認する必要がある。このような3次元の回転非対称な形状の測定には、一般的に3次元座標測定器が使用されるが、測定時間がかかり、現実的ではない。
【0054】
本発明では、偏心プリズム光学系4を構成する少なくとも3つの面の中、少なくとも1面を回転対称面で構成することが重要である。
【0055】
さらに好ましくは、最も有効面積が広く、比較的収差の劣化が大きい瞳に近い側の透過作用と内部反射作用を有する面を回転対称面として構成することにより、面形状の出来上がり具合を簡単に短時間で評価することが可能な偏心プリズム光学系を構成することに成功したものである。
【0056】
また、後側光学群の偏心プリズム光学系が、第1の透過作用面と、第1の反射作用面と、第2の反射作用面と、第2の透過作用面とを有し、第2の反射作用面が回転非対称面形状を有し、対称面を1つのみ有する面対称自由曲面からなっており、かつ、第1の反射作用面は第2の透過作用面と共通の面からなる場合、この面に強いパワーを持たせると、色収差の発生が大となる。また、第1の反射作用面と第2の透過作用面として利用する領域がほぼ分離できればよいが、そうすると後側光学群を構成するプリズムブロックの大型化を招くため、第1の反射作用面と第2の透過作用面との重なりあう領域が増える。そこで、第1の反射作用面での作用と第2の透過作用面での作用を両立させるためには、強いパワーを持たせない方が、制御が容易である。すなわち、面対称自由曲面の唯一の対称面をY−Z面とし、その面に直交する方向をX軸とし、軸上主光線の第1の反射作用面、第2の反射作用面との交点近傍のX方向のパワーをそれぞれPx1、Px2とするとき、
|Px1|<|Px2| ・・・(5)
であることが望ましい。
【0057】
さらには、
1<|Px2/Px1|<20 ・・・(6)
を満足することが望ましい。この条件の上限値20を越えると、極度に第2の反射作用面のパワーが強くなり、バックフォーカスが確保できなくなると共に、収差補正のために面形状の複雑さが増し、好ましくない。さらには、
1.1<|Px2/Px1|<10 ・・・(6)’
を満足するとなおよい。
【0058】
さらには、
2.0<|Px2/Px1|<5 ・・・(6)”
を満足するとさらによい。
【0059】
また、軸上主光線の第2の透過作用面との交点近傍のX方向のパワーをPx3とするとき、
|Px3/Px2|<0.5 ・・・(7)
であることが望ましい。すなわち、第2の透過作用面に強いパワーを持たせると、歪曲収差と色収差の発生が大となり、好ましくない。そこで、条件(7)を満足することが望ましい。
【0060】
さらには、
|Px3/Px2|<0.2 ・・・(7)’
を満足するとなおよい。
【0061】
また、以上において、面対称自由曲面の唯一の対称面をY−Z面とし、その面に直交する方向をX軸とし、その面のX方向の最大画角主光線が当たる位置での面の法線のY−Z面内でのtanの値と、軸上主光線が前記面に当たる位置でのその面の法線のY−Z面内でのtanの値との差をDYとするとき、
0≦|DY|<0.1 ・・・(8)
なる条件を満足することが望ましい。
【0062】
この条件式は、例えば水平線を写したときに弓なりに湾曲してしまう弓なりな回転非対称な像歪みに関するものである。図10(a)の斜視図、同図(b)のY−Z面への投影図に示すように、X方向の最大画角の主光線が回転非対称面Aと交差する点におけるその回転非対称面の法線n’のY−Z面内でのtanの値と、軸上主光線がその回転非対称面Aと交差する点における回転非対称面の法線nのY−Z面内でのtanの値との差をDYとするとき、(8)の条件を満足することが重要である。上記条件式の下限の0を越えると、弓なりな像歪みを補正することができなくなる。また、上限の0.1を越えると、弓なりな像歪みが補正過剰となり、どちらの場合も像が弓なりに歪んでしまう。
【0063】
さらに好ましくは、
0≦|DY|<0.01 ・・・(8)’
なる条件を満足することが好ましい。
【0064】
また、軸上主光線が光学系の第1面に到るまでの方向をZ軸方向、面対称自由曲面の唯一の対称面をY−Z面とし、その面に直交する方向をX軸とし、Y正方向の最大画角の主光線とY負方向の最大画角の主光線とがその面と当たる部分のX方向の曲率の差をCxn、軸上主光線がその面と当たる部分のX方向のパワーをPxnとするとき、
0≦|Cxn/Pxn|<10 ・・・(9)
の条件を満足することが重要である。この条件式は、台形に発生する像歪みに関するものである。上記条件式の上限10を越えると、台形歪みが大きく発生し、他の面で補正することがが難しくなる。
【0065】
さらに好ましくは、
0≦|Cxn/Pxn|<1 ・・・(9)’
なる条件式を満足することが好ましい。
【0066】
また、回転非対称面は偏心して構成された光学系に配置され、偏心して配置された各面の偏心面と略同一の面が対称面となるような面対称自由曲面とすることで、対称面を挟んで左右両側を対称にすることができ、収差補正と製作性を大幅に向上させることができる。
【0067】
次に、X方向の光学系全体のパワーをPxとし、回転非対称な面の軸上主光線が当たる部分のX方向のパワーをPxnとするとき、
0<|Pxn/Px|<100 ・・・(10)
なる条件式を満足することが、収差補正上好ましい。上記条件式の上限100を越えると、回転非対称面のパワーが光学系全体のパワーに比べて強くなりすぎ、強い屈折力を回転非対称面が持ちすぎてしまい、この回転非対称な面で発生する収差を他の面で補正できなくなる。また、下限の0を越えると、回転非対称面のX軸方向のパワーがなくなり、別の面としてX軸方向のパワーを配置しなければならなくなり、必要な面数が増え、本発明で回転非対称面を用いることによって光学系の小型化を図ろうとする目的に反する。
【0068】
さらに好ましくは、
0.05<|Pxn/Px|<10 ・・・(10)’
なる条件を満足すると、回転非対称な収差を良好に補正でき、収差補正上好ましい。
【0069】
また、Y方向の光学系全体のパワーをPyとし、回転非対称な面の軸上主光線が当たる部分のY方向のパワーPynとするとき、
0<|Pyn/Py|<100 ・・・(11)
なる条件式を満足することが、収差補正上好ましい。上記条件式の下限0と上限100のの意味は条件式(10)の場合と同様である。
【0070】
さらに好ましくは、
0<|Pyn/Py|<10 ・・・(11)’
なる条件を満足すると、回転非対称な収差を良好に補正でき、収差補正上好ましい。
【0071】
次に、上記光学系全体のX方向、Y方向のパワーをPx、Pyとするとき、
0.3<|Px/Py|<2 ・・・(12)
なる条件式を満足することが、収差補正上好ましい。上記条件式の下限0.3と上限2を越えると、光学系全体の焦点距離がX方向とY方向で異なりすぎ、良好な像歪みを得ることが難しくなり、像が歪んでしまう。
【0072】
さらに好ましくは、
0.8<|Px/Py|<1.2 ・・・(12)’
なる条件を満足すると、回転非対称な収差を良好に補正でき、収差補正上好ましい。
【0073】
また、本発明の撮像光学系において、光学系の横収差が200μm以下であることが望ましい。本発明に光学系の横収差が200μm以下であると、収差を十分に無視することができ、良好な結像性能を得られる
また、本発明の撮像光学系の像歪みは20%以下であることが望ましい。本発明に光学系の像歪みが20%以下だと、収差を十分に無視することができ、良好な結像性能を得られる
なお、さらに好ましくは、第1の透過作用面が透過光に対して正のパワーを持つレンズである場合には、第1の反射作用面の光線の広がりを抑えることが可能となり、第1の反射面を小型にすることが可能である。
【0074】
また、光線を第1の透過作用面、第1の反射作用面、第2の透過作用面の順番に進むように構成することによって、第1の反射作用面を裏面鏡として構成することが可能となる。第1の反射作用面を裏面鏡で構成すると、表面鏡で構成するよりもさらに像面湾曲収差に対して良い結果を得られる。
【0075】
さらに、第1の透過作用面と第2の透過作用面のどちらか又は両方に第1の反射作用面と同じ符号のパワーを持たせることにより、像面湾曲はほぼ完全に補正することが可能となる。
【0076】
一方、第1の透過作用面と第2の透過作用面のパワーを略0にすることにより、色収差に対して良い結果を得られる。これは、第1の反射作用面では、原理上色収差の発生がないため、色収差を他の面と補正し合う必要がない。そこで、第1の透過作用面と第2の透過作用面でも色収差が発生しないようにパワーをほぼ0にすることで、全体の光学系で色収差の少ない光学系を構成することが可能となる。
【0077】
さらに好ましくは、後側光学群を、物体側から像側に向かって、少なくとも第1の透過作用面と、第1の反射作用面と、第2の反射作用面と、第2の透過作用面とで構成し、第2の反射作用面を回転非対称面形状にて構成する場合、2つの反射作用面のパワーを変えることが可能となり、正負又は負正の組み合わせにして、主点位置を光学系の前に出したり後ろに出したりすることができる。これは像面湾曲にも良い結果を与えることができる。
【0078】
さらに、2つの反射作用面を裏面鏡にすることで、像面湾曲をほとんどなくすことも可能である。特に、焦点距離に比較して大きなバックフォーカスが必要な電子撮像光学系の場合には、物体側に負のパワーを配置するか、第1反射作用面を負のパワーとするのがよい。しかし、後者でパワーを強くすると、歪曲収差の悪化を招く。さらに、そのとき、第1反射作用面と第2透過作用面が同一である場合には、透過作用面も負のパワーが強くなり、色収差の悪化を招く。したがって、第1反射作用面は、反射作用面として利用する領域は負、第2透過作用面として利用する領域に近づく程パワーが弱くなり、第2透過作用面としては弱いパワーになるような形状が好ましい。なお、前者のように、物体側に負のパワーを配置する場合には、第1反射作用面は弱い正若しくは負のパワーで構成すればよい。
【0079】
また、本発明の撮像光学系を電子撮像素子上に結像させる電子撮像装置の撮影レンズとして用いる場合には、撮像装置の処理部において、光学系の歪曲収差や倍率色収差の情報をメモリ等に予め保持しておき、その情報をもとにデジタル画像処理技術を用いて補正する機能を備え、光学系で発生する歪曲収差や倍率色収差を補正せしめると、光学系で補正すべき収差の許容量が大きくなり、光学系に対する負担が軽減され、特に本発明のような、少ないレンズ構成要素の数で光学性能を満足する小型の撮影レンズを構成する際には、効果的である。さらには、カメラの処理部として情報を保持しなくても、画像処理ソフトのデータとして、パソコン等の処理装置にインストールし、装置上で画像処理を施すように構成しても、同様の機能を持つことができることは言うまでもない。
【0080】
なお、本発明は、以上のような撮像光学系によって形成される物体像を受光するために配置された撮像素子を有する撮像装置を含むものである。この場合、その撮像素子は、撮像素子が受光した光を電気情報に変換する作用を有する電子撮像素子にて形成することが望ましく、その電子撮像素子により受光した物体像を観察するための観察手段を備えていることが望ましい。
【0081】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の撮像光学系の実施例1について説明する。実施例1の構成パラメータは後記するが、その構成パラメータにおいては、図1に示すように、絞り1の面を偏心面の原点として、軸上主光線2を物体中心(図では省略)を出て、絞り1の中心を通る光線で定義し、物体中心から光学系の第1面まで軸上主光線2に沿って進む方向をZ軸、このZ軸と像面8中心を含む平面をY−Z平面とし、Y軸をY−Z平面内のZ軸に直交する方向に取り、物点から光学系第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(第1反射面6で反射する方向)とする。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。
【0082】
図1の実施例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面として構成している。
そして、偏心面については、その面の面頂位置の光学系の原点の中心からのX軸方向、Y軸方向、Z軸方向の偏心量(それぞれx、y、z)と、その面の中心軸(自由曲面については、前記の(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の反時計回りを、γの正はZ軸の正方向に対しての時計回りを意味する。
【0083】
また、実施例1の光学系を構成する光学面の中、球面は曲率半径が与えられており、また、特定の面とそれに続く面が同軸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。
【0084】
また、自由曲面の面の形状は前記の式(a)により定義し、その定義式のZ軸が自由曲面の軸となる。
なお、データの記載されていない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。
【0085】
なお、自由曲面の他の定義式としてZernike多項式がある。この面の形状は以下の式(b)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。
Figure 0003771993
実施例1の軸上主光線2を含むY−Z断面図を図1に示す。図中、1は絞り、2は軸上主光線、4は絞り1より像側の後群を構成する偏心プリズム光学系、5は偏心プリズム光学系の第1面、6は第2面、7は第3面であり、8は像面、9は赤外線カットフィルター、光学ローパスフィルター、カバーガラス等のフィルター類である。なお、偏心プリズム光学系4の第1面5は後群の第1の透過(作用)面、第2面6は第1の反射(作用)面と第2の透過(作用)面、第3面7は第2の反射(作用)面を構成している。なお、実施例1においては、絞り1より物体側に前群は配置していない構成である。
【0086】
そして、図示しない物体から出た光線は、絞り1の開口を通り、後群の偏心プリズム光学系4の第1面5を透過して内部に入り、第2面6で反射され、次いで第3面7で反射され、今度は第2面6透過して偏心プリズム光学系4の外へ出て、フィルター類9を介して像面8に物体像を結像する。
【0087】
なお、像の大きさは約4×3mmの1/4インチサイズを想定して最適化したものであるが、もちろんその他のサイズ等の場合も、全体を係数倍することにより適用できることは言うまでもない。
また、本発明は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も含むものである。
【0088】
実施例1の仕様は、水平半画角21.32°、垂直半画角16.31°、入射瞳径2.061mm、像の大きさ3.90×2.93mmである。この実施例は、絞り1より物体側に前群を有せず、撮像光学系を偏心プリズム光学系4だけで構成した実施例である。
【0089】
本実施例は、1つの対称面を有する回転非対称自由曲面を2面使用して構成した例であり、物体側から、絞り1と、第1透過面5、第1反射面6、第2反射面7、第2透過面6からなり、第1反射面と第2透過面は同一の面6でなり、第1反射面は全反射を利用しているため、全体が3面と少ない面で構成されている。そして、この実施例において、第1反射面6(第2透過面6)に回転対称な球面を用いており、他に回転対称非球面を用いて構成することも可能である。
【0090】
なお、構成パラメータは後記するが、偏心量は、第1面からの偏心量として表しており、また、第6面は仮想面である。第7面以降は赤外線カットフィルターや光学ローパスフィルター、カバーガラス等の各種光学部材(フィルター類9)を表している。
【0091】
本実施例の各画角に対する横収差状況を図2に、歪曲収差の状況を図3に示す。横収差を表す図2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図を示す。
以下、上記実施例1の構成パラメータを示す。
【0092】
Figure 0003771993
Figure 0003771993
【0093】
なお、上記実施例の各条件式(1)、(5)〜(12)に関する値は以下の表の通りである。だだし、球面である第1反射面6に関する値も一部示してある。ここで、DY1、DY2は第1反射面6、第2反射面7のDY、Px1、Px2は第1反射面6、第2反射面7のPxn、Py1、Py2は第1反射面6、第2反射面7のPyn、Cx1、Cx2は第1反射面6、第2反射面7のCxnである。また、DTx、DTyはそれぞれX方向、Y方向の歪曲収差の最大値(%)である。
【0094】
Figure 0003771993
【0095】
さて、以上のような本発明の撮像光学系は、例えばCCDを撮像素子とする小型TVカメラのような撮像装置に用いられる。図4に本発明の撮像光学系10を、電子撮像素子としてCCD11を用いた撮像装置に組み込んだ構成の概念図を示す。この撮像装置において、物体像は撮像光学系10により赤外線カットフィルター、光学ローパスフィルター等のフィルター類9を介して像面に配置されたCCD11上に結像され、その物体像はCCD11によって映像信号に変換され、その映像信号は処理手段12により電子ファインダーとして作用するCRT13上に直接表示されると共に、撮像装置に内蔵した記録媒体14中に記録される。また、撮像装置はマイク15を備え、映像信号記録と同時に音声情報記録も同様に行う。また、前記したように、処理手段12において、撮像光学系10の歪曲収差や倍率色収差の情報を記録媒体14あるいは処理手段12に付属したメモリ等に予め保持しておき、その情報をもとにデジタル画像処理技術を用いて光学系10で発生する歪曲収差や倍率色収差を補正するようにするともできる。
【0096】
このような撮像装置において、本発明に基づき撮像光学系10の構成要素数の低減、小型化により、装置としての小型化やコストダウンが達成できる。
【0097】
以上の本発明の撮像光学系及びそれを用いた撮像装置は例えば次のように構成することができる。
〔1〕 撮像素子面上に物体像を形成するための撮像光学系において、
少なくとも瞳面よりも像側に後側光学群を有し、
前記後側光学群は、物体中心を射出して瞳中心を通り像中心に到達する光線を軸上主光線とするとき、前記主光線に対して面全体が傾くように偏心配置された少なくとも3つの面を備えたプリズム部材を有し、
前記の少なくとも3つの面は、透過作用を有する面と、反射作用と透過作用とを共有し回転対称面形状の曲面と、反射作用を有し偏心により発生する回転非対称な偏心収差を補正する回転非対称面形状の曲面とからなることを特徴とする撮像光学系。
【0098】
〔2〕 上記〔1〕において、前記反射作用と透過作用とを共有する回転対称面形状の曲面が、全反射面又は半透過反射面にて形成されていることを特徴とする撮像光学系。
【0099】
〔3〕 上記〔1〕において、前記反射作用面がコーティングされたミラー面にて形成されていることを特徴とする撮像光学系。
【0100】
〔4〕 上記〔1〕において、前記反射作用を有する面が、前記反射作用と透過作用とを共有する面と対向配置され、かつ、前記軸上主光線が前記光学系の入射面に到るまでの方向をZ軸方向、面の偏心面内をY軸方向、Y軸、Z軸と直交座標系を構成する軸をX軸とするとき、前記光学系の入射面側から前記軸上主光線とY方向に微少量d離れた平行光束を入射させ、前記光学系から射出する側でその2つの光線のY−Z面内でなす角のsinをNA’yi、前記NA’yiを前記平行光束の幅dで割った値NA’yi/dを前記光学系のY方向のパワーPyとし、前記プリズム部材の入射面から前記プリズム部材の射出面までの前記軸上主光線の光路長をpとするとき、
0.1<p×Py<8 ・・・(1)
を満たすことを特徴とする撮像光学系。
【0101】
〔5〕 上記〔1〕から〔4〕の何れか1項において、前記プリズム部材が、屈折率1よりも大きい媒質を挟んだ透過作用を有する第1面と、反射作用と透過作用とを有する第2面と、反射作用を有する第3面との3つの面からなり、物体からの光が、第1面に入射し、第2面で反射され、第3面で反射され、第2面と透過して射出するように構成されていることを特徴とする撮像光学系。
【0102】
〔6〕 上記〔5〕において、前記プリズム部材は一体成形された単体のブロックからなることを特徴とする撮像光学系。
【0103】
〔7〕 上記〔1〕から〔6〕の何れか1項において、前記光学系により形成される物体像の赤外線成分をカットする作用を有する赤外線カットフィルターが前記光学系中に配置されていることを特徴とする撮像光学系。
【0104】
〔8〕 上記〔1〕から〔6〕の何れか1項において、前記の反射作用を有する面の少なくとも1面は、特定の波長を透過又は遮断する作用を有する波長選択光学部材の裏面鏡にて構成されていることを特徴とする撮像光学系。
【0105】
〔9〕 上記〔8〕において、前記波長選択光学部材が赤外線カット作用を備えていることを特徴とする撮像光学系。
【0106】
〔10〕 上記〔6〕において、前記プリズム部材の媒質が赤外線カット作用を備えていることを特徴とする撮像光学系。
【0107】
〔11〕 上記〔10〕において、前記プリズム部材の媒質が以下の条件(4)を満足することを特徴とする撮像光学系。
a<1 ・・・(4)
ただし、は前記プリズム部材中に含有されるCuOのモル%である。
【0108】
〔12〕 上記〔11〕において、以下の条件(4)’を満足することを特徴とする撮像光学系。
【0109】
1×10-5<a<1 ・・・(4)’
〔13〕 上記〔1〕から〔12〕の何れか1項において、前記回転非対称面形状を有する反射作用面は、対称面を1つのみ有する面対称自由曲面からなることを特徴とする撮像光学系。
【0110】
〔14〕 上記〔13〕において、前記面対称自由曲面の唯一の対称面をY−Z面とし、その面に直交する方向をX軸とし、前記軸上主光線の前記第1の反射作用面、前記第2の反射作用面との交点近傍のX方向のパワーをそれぞれPx1、Px2とするとき、
|Px1|<|Px2| ・・・(5)
であることを特徴とする撮像光学系。
【0111】
〔15〕 上記〔14〕において、
1<|Px2/Px1|<20 ・・・(6)
であることを特徴とする撮像光学系。
【0112】
〔16〕 上記〔13〕において、前記面対称自由曲面の唯一の対称面をY−Z面とし、その面に直交する方向をX軸とし、前記軸上主光線の前記第2の反射作用面との交点近傍のX方向のパワーをPx2とし、前記軸上主光線の前記第2の透過作用面との交点近傍のX方向のパワーをPx3とするとき、
|Px3/Px2|<0.5 ・・・(7)
であることを特徴とする撮像光学系。
【0113】
〔17〕 上記〔13〕において、前記面対称自由曲面の唯一の対称面をY−Z面とし、その面に直交する方向をX軸とし、前記面のX方向の最大画角主光線が当たる位置での面の法線のY−Z面内でのtanの値と、前記軸上主光線が前記面に当たる位置での前記面の法線のY−Z面内でのtanの値との差をDYとするとき、
0≦|DY|<0.1 ・・・(8)
を満たすことを特徴とする撮像光学系。
【0114】
〔18〕 上記〔13〕において、前記軸上主光線が前記光学系の第1面に到るまでの方向をZ軸方向、前記面対称自由曲面の唯一の対称面をY−Z面とし、その面に直交する方向をX軸とし、Y正方向の最大画角の主光線とY負方向の最大画角の主光線とが前記面と当たる部分のX方向の曲率の差をCxn、軸上主光線が前記面と当たる部分のX方向のパワーをPxnとするとき、
0≦|Cxn/Pxn|<10 ・・・(9)
を満たすことを特徴とする撮像光学系。
【0115】
〔19〕 上記〔13〕から〔18〕の何れか1項において、前記プリズム部材の有する偏心面の少なくとも1面は、その偏心方向を含む面が前記対称面と略一致するように偏心配置されていることを特徴とする撮像光学系。
【0116】
〔20〕 上記〔19〕において、前記プリズム部材の有する全ての偏心面の偏心方向が全て同一面上にあり、かつ、その偏心方向を含む面が前記対称面と略一致するように形成されていることを特徴とする撮像光学系。
【0117】
〔21〕 上記〔18〕又は〔19〕において、前記軸上主光線が前記光学系の第1面に到るまでの方向をZ軸方向、面の偏心面内をY軸方向、Y軸、Z軸と直交座標系を構成する軸をX軸とするとき、前記光学系の入射面側から前記軸上主光線とX方向に微少量d離れた平行光束を入射させ、前記光学系から射出する側でその2つの光線のY−Z面に直交し射出した軸上主光線を含む面内でなす角のsinをNA’xi、前記NA’xiを前記平行光束の幅dで割った値NA’xi/dを前記光学系のX方向のパワーPxとし、前記回転非対称な面の前記軸上主光線が当たる部分のX方向のパワーをPxnとするとき、
0<|Pxn/Px|<100 ・・・(10)
を満たすことを特徴とする撮像光学系。
【0118】
〔22〕 上記〔21〕において、
0.05<|Pxn/Px|<10 ・・・(10)’
を満たすことを特徴とする撮像光学系。
【0119】
〔23〕 上記〔18〕又は〔19〕において、前記軸上主光線が前記光学系の第1面に到るまでの方向をZ軸方向、面の偏心面内をY軸方向、Y軸、Z軸と直交座標系を構成する軸をX軸とするとき、前記光学系の入射面側から前記軸上主光線とY方向に微少量d離れた平行光束を入射させ、前記光学系から射出する側でその2つの光線のY−Z面内でなす角のsinをNA’yi、前記NA’yiを前記平行光束の幅dで割った値NA’yi/dを前記光学系のY方向のパワーPyとし、前記回転非対称な面の前記軸上主光線が当たる部分のY方向のパワーをPynとするとき、
0<|Pyn/Py|<100 ・・・(11)
を満たすことを特徴とする撮像光学系。
【0120】
〔24〕 上記〔23〕において、
0<|Pyn/Py|<10 ・・・(11)’
を満たすことを特徴とする撮像光学系。
【0121】
〔25〕 上記〔19〕又は〔20〕において、前記軸上主光線が前記光学系の第1面に到るまでの方向をZ軸方向、面の偏心面内をY軸方向、Y軸、Z軸と直交座標系を構成する軸をX軸とするとき、前記光学系の入射面側から前記軸上主光線とY方向に微少量d離れた平行光束を入射させ、前記光学系から射出する側でその2つの光線のY−Z面内でなす角のsinをNA’yi、前記NA’yiを前記平行光束の幅dで割った値NA’yi/dを前記光学系のY方向のパワーPyとし、前記軸上主光線が前記光学系の第1面に到るまでの方向をZ軸方向、面の偏心面内をY軸方向、Y軸、Z軸と直交座標系を構成する軸をX軸とするとき、前記光学系の入射面側から前記軸上主光線とX方向に微少量d離れた平行光束を入射させ、前記光学系から射出する側でその2つの光線のY−Z面に直交し射出した軸上主光線を含む面内でなす角のsinをNA’xi、前記NA’xiを前記平行光束の幅dで割った値NA’xi/dを前記光学系のX方向のパワーPxとするとき、
0.3<|Px/Py|<2 ・・・(12)
を満たすことを特徴とする撮像光学系。
【0122】
〔26〕 上記〔25〕において、
0.8<|Px/Py|<1.2 ・・・(12)’
を満たすことを特徴とする撮像光学系。
【0123】
〔27〕 上記〔1〕から〔26〕の何れか1項において、前記光学系の横収差が200μm以下であることを特徴とする撮像光学系。
【0124】
〔28〕 上記〔1〕から〔26〕の何れか1項において、前記光学系の像歪みが20%以下であることを特徴とする撮像光学系。
【0125】
〔29〕 上記〔1〕から〔27〕の何れか1項において、前記光学系によって形成される物体像を受光するために配置された撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。
【0126】
〔30〕 上記〔29〕において、前記撮像素子が受光した光を電気情報に変換する作用を有する電子撮像素子にて形成されていることを特徴とする撮像装置。
【0127】
〔31〕 上記〔30〕において、前記電子撮像素子により受光した物体像を観察するための観察手段を備えていることを特徴とする撮像装置。
【0128】
【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、回転対称な透過光学系に比べて小型で収差の発生が少ない撮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の撮像光学系の光軸を含む断面図である。
【図2】実施例1の横収差図である。
【図3】実施例1の歪曲収差図である。
【図4】本発明の撮像光学系を撮像装置に組み込んだ構成の概念図である。
【図5】本発明における軸上主光線と座標系を説明するための図である。
【図6】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7】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8】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9】本発明の撮像光学系のパワーを説明するための図である。
【図10】本発明において用いるパラメータDYを説明するための図である。
【符号の説明】
1…絞り
2…軸上主光線
3…前群
4…後群(偏心プリズム光学系)
5…偏心プリズム光学系の第1面
6…偏心プリズム光学系の第2面
7…偏心プリズム光学系の第3面
8…像面
9…フィルター類
10…撮像光学系
11…CCD
12…処理手段
13…CRT
14…記録媒体
15…マイク[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an imaging optical system and an imaging apparatus using the imaging optical system, and in particular, is suitable for an imaging apparatus that forms a relatively small image, and a reflecting surface having at least one imaging power necessary for image formation is arranged eccentrically. The present invention relates to an optical system and an imaging apparatus.
[0002]
[Prior art]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 59-84201 is a well-known conventional small-sized reflective decentering optical system. However, this is an invention of a one-dimensional light receiving lens with a cylindrical reflecting surface, and two-dimensional imaging cannot be performed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-144127 uses the same cylindrical surface for reflection twice in order to reduce the spherical aberration of the present invention.
[0003]
Japanese Patent Laid-Open No. 62-205547 shows that an aspherical reflecting surface is used as the shape of the reflecting surface, but does not mention the shape of the reflecting surface.
Furthermore, two cases of US Pat. No. 3,810,221 and US Pat. No. 3,836,931 both have a rotationally symmetric aspherical mirror and only one plane of symmetry in the finder optical system of the reflex camera. An example using a lens system having a surface is shown. However, the surface having only one plane of symmetry is used for the purpose of correcting the tilt of the observed virtual image.
[0004]
Japanese Patent Laid-Open No. 1-257834 (US Pat. No. 5,274,406) discloses an example in which a rear-projection television uses a surface having only one plane of symmetry as a reflecting mirror in order to correct image distortion. However, a projection lens system is used for projection onto a screen, and a plane having only one plane of symmetry is used for correcting image distortion. In addition, as an observation optical system, an example of a decentered optical system of a back mirror type using an anamorphic surface and a toric surface is shown. However, correction of aberrations including image distortion is insufficient.
In any of the above prior arts, a surface having only one symmetry plane is used and is not used as a back mirror for a folded optical path.
[0005]
Japanese Patent Application Laid-Open Nos. Hei 8-292368, Hei 8-292371, and Hei 8-292372 all have an imaging optical system (single-focus optical system) using a surface having only one symmetry plane as a reflecting surface. , Zoom optical system). However, the optical path length from the most object-side rotationally asymmetric surface to the most image-side rotationally asymmetric surface is long until it enters and exits an optical component including a rotationally asymmetric surface (example of forming an image once in the middle) Yes), because the optical system is enlarged, there is no merit of using a rotationally asymmetric surface that is difficult to manufacture.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In a conventional rotationally symmetric optical system, a refracting power is borne by a transmission rotationally symmetric lens having a refractive power, and thus many components are required for aberration correction. However, in these conventional decentered optical systems, the aberration of the image formed is corrected well, and if the rotationally asymmetric distortion is not particularly corrected, the formed figure is distorted. The correct shape could not be recorded.
[0007]
In addition, in a rotationally symmetric optical system in which the refractive lens constituting the optical system has a rotationally symmetric surface with the optical axis as the axis, the entire optical system becomes longer in the optical axis direction because the optical path is a straight line. There was a problem that the apparatus would become large.
[0008]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object of the present invention is a small imaging optical system that provides a clear and less distorted image even at a wide angle of view, and an imaging apparatus using the same. Is to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The imaging optical system of the present invention that achieves the above object is an imaging optical system for forming an object image on the imaging element surface.
Having a rear optical group at least on the image side of the pupil plane,
The rear optical group is at least 3 eccentrically arranged so that the entire surface is inclined with respect to the principal ray when a ray that exits the object center and passes through the pupil center and reaches the image center is used as an axial principal ray. Having a prism member with two surfaces,
The at least three surfaces include a surface having a transmission action, a curved surface having a rotationally symmetric surface sharing the reflection action and the transmission action, and a rotation having a reflection action and correcting rotationally asymmetric decentration aberrations caused by eccentricity. It consists of a curved surface with an asymmetric surface shape,
The surface having the transmitting action is the first surface, the curved surface having the rotationally symmetric surface shape sharing the reflecting action and the transmitting action is the second surface, and the curved surface having the rotationally asymmetric surface shape having the reflecting action is the third surface,
After the light from the object is incident on the first surface, the first surface to the third surface are configured to be reflected by the second surface, reflected by the third surface, and transmitted through the second surface. It is characterized by that.
In this case, the prism member is preferably composed of a single block formed integrally.
[0010]
In addition, it is desirable that a rotationally symmetric curved surface that shares a reflection action and a transmission action be formed by a total reflection surface or a semi-transmission reflection surface.
Further, it is desirable that the mirror surface is coated with a curved surface having a reflecting action.
[0011]
Also has a reflective action Song The surface is arranged opposite to the surface sharing the reflection and transmission functions, and the axial principal ray is Rear optical group The direction to reach the incident surface is the Z-axis direction, the eccentric surface of the surface is the Y-axis direction, the Y-axis, the axis constituting the orthogonal coordinate system with the Z-axis is the X-axis Shi , Rear optical group A collimated light beam that is separated by a small amount d in the Y direction from the axial principal ray from the incident surface side of Rear optical group NA'yi / d, which is obtained by dividing sin of the angle formed in the YZ plane of the two rays by NA'yi and NA'yi by the width d of the parallel light flux on the side exiting from Rear optical group When the optical path length of the axial principal ray from the incident surface of the prism member to the exit surface of the prism member is p,
0.1 <p × Py <8 (1)
It is desirable to satisfy.
[0012]
First, a coordinate system used in the following description will be described.
As shown in FIG. 5, a ray passing through the center of the object point, passing through the center of the aperture stop 1 and reaching the center of the image plane 8 is defined as an axial principal ray 2, and is defined by a straight line extending to the first surface of the optical system. The optical axis to be used is defined as the Z axis, the axis in the eccentric plane of each surface constituting the imaging optical system is defined as the Y axis, and the axis orthogonal to the Z axis and orthogonal to the Y axis The X axis is assumed.
[0013]
In general, in a spherical lens system composed of only spherical lenses, the spherical aberration generated by the spherical surface, coma aberration, curvature of field, and other aberrations are corrected with respect to each other to reduce aberrations as a whole. It has become. On the other hand, an aspherical surface or the like is used to satisfactorily correct aberrations with a small number of surfaces. This is to reduce various aberrations that occur on the spherical surface. However, in a decentered optical system, it is impossible to correct rotationally asymmetric aberration caused by the decentration with a rotationally symmetric optical system.
[0014]
The configuration and operation of the present invention will be described below.
When a rotationally symmetric optical system is decentered, rotationally asymmetric aberration is generated, and this cannot be corrected only by the rotationally symmetric optical system. The rotationally asymmetric aberration generated by this decentration includes image distortion, curvature of field, and astigmatism and coma generated on the axis. 6 is a field curvature generated by the decentered concave mirror M, FIG. 7 is an astigmatism generated by the decentered concave mirror M, and FIG. 8 is an axial coma generated by the decentered concave mirror M. It is a figure which shows an aberration. In the present invention, in order to correct the rotationally asymmetric aberration caused by the eccentricity as described above, a rotationally asymmetric surface is disposed in the optical system to correct the rotationally asymmetric aberration.
[0015]
One example of rotationally asymmetric aberration generated by a decentered concave mirror is rotationally asymmetric field curvature. For example, a light ray incident on a concave mirror decentered from an object point at infinity hits the concave mirror and is reflected and imaged. Halved. Then, as shown in FIG. 6, an image plane inclined with respect to the axial principal ray is formed. It has been impossible to correct such rotationally asymmetric field curvature with a rotationally symmetric optical system. In order to correct this tilted field curvature, the concave mirror M is composed of a rotationally asymmetric surface. In this example, the curvature is increased (refractive power is increased) with respect to the positive Y-axis direction (upward in the figure). This can be corrected by making the curvature weak (refracting power weak) with respect to the negative direction of the Y axis (the downward direction of the figure), and a rotationally asymmetric surface having the same effect as the above configuration is a concave mirror. By arranging it in the optical system separately from M, it is possible to obtain a flat image surface with a small number of components.
[0016]
Next, rotationally asymmetric astigmatism will be described. As in the above description, in the concave mirror M arranged eccentrically, astigmatism as shown in FIG. This astigmatism Correction As in the above description, this can be achieved by appropriately changing the curvature in the X-axis direction and the curvature in the Y-axis direction of the rotationally asymmetric surface.
[0017]
Further, rotationally asymmetric coma will be described. Similar to the above description, in the concave mirror M arranged eccentrically, coma aberration as shown in FIG. This coma aberration Correction Can be achieved by changing the inclination of the surface as it moves away from the origin of the X axis of the rotationally asymmetric surface, and by appropriately changing the inclination of the surface depending on whether the Y axis is positive or negative.
[0018]
Further, when the imaging optical system of the present invention is configured to have a bent optical path, it is possible to give power to the reflecting surface and to omit the transmissive lens. Furthermore, the optical system can be made compact by bending the optical path.
[0019]
In addition, the reflection surface can be made highly reflective by being composed of a total reflection surface that is inclined with respect to the light beam so that the light beam is incident beyond the critical angle. It is possible to have both an action and a permeation action. Moreover, it is preferable to comprise a reflective surface in which a metal thin film such as aluminum or silver is formed on the surface constituting the reflective surface, or a reflective surface or a transflective surface formed of a dielectric multilayer film. When the metal thin film has a reflecting action, it is possible to easily obtain a high reflectance. In the case of a dielectric reflection film, it is advantageous when forming a reflection film with little wavelength selectivity and absorption.
[0020]
More preferably, when a rotationally asymmetric surface is used for the reflecting surface, no chromatic aberration is generated as compared with the case of using the transmitting surface. In addition, since the light beam can be bent even when the surface inclination is small, other aberrations are less likely to occur. That is, when the same refractive power is obtained, the reflective surface requires less aberration than the refractive surface.
[0021]
In addition, as the imaging optical system according to the present invention, when the formed image is small, the imaging optical system can be reduced in size in accordance with the so-called principle of coefficient multiplication. It is not preferable to downsize the optical system unnecessarily because the thickness of the edge of the lens and the thickness of the center become thin, or the lens diameter becomes too small. On the other hand, when the optical system is configured while maintaining a manufacturable size, in the optical system using the conventional refractive lens, the optical axis is a straight line, so that there is a waste of space between the power-refracting surfaces. . Therefore, if the optical axis is spatially folded using the reflecting surface, it is possible to effectively use a relatively small space and secure an optical path necessary for imaging. At this time, if the optical path length of the imaging optical system is unnecessarily increased, the optical axis length is deviated not only for the purpose of effectively using the space by the decentering and folding of the optical axis, but also compared with the image to be formed. If the length is too long, there arises a problem that it becomes difficult to secure a back focus necessary for arranging a member for capturing an optical image, such as a film or an image sensor.
[0022]
In the present invention, a compact optical system has been successfully constructed by adopting a bent optical path and simultaneously satisfying the following conditions.
[0023]
That is, in the imaging optical system of the present invention, the rear optical group has at least a second reflecting action surface disposed opposite to the reflecting action surface, and the axial principal ray reaches the first surface of the optical system. When the axis up to the Z axis direction, the Y axis direction in the eccentric plane of the surface, the Y axis, and the axis constituting the orthogonal coordinate system with the Z axis as the X axis, the axial principal ray from the incident surface side of the optical system A parallel light beam separated by a small amount d in the Y direction is incident, and on the side exiting from the optical system, the angle formed by the two rays in the YZ plane is NA'yi, and the NA'yi is the width of the parallel light beam. The value NA′yi / d divided by d is the power Py in the Y direction of the optical system, and the axial principal ray is incident on an optical system component having a rotationally asymmetric surface arranged on the most object side of the optical system. The optical path length from when the optical system component having a rotationally asymmetric surface arranged on the most image side of the optical system to Rutoki,
0.1 <p × Py <8 (1)
It is desirable to satisfy.
[0024]
First, the power of the optical system is defined in the present invention. As shown in FIG. 9, when the eccentric direction of the optical system is taken in the Y-axis direction, a light beam having a minute height d in the YZ plane parallel to the axial principal ray 2 is incident on the optical system from the object side. The angle sin formed in the YZ plane of the two rays on the side exiting from the optical system is NA′yi, NA′yi / d is the power Py of the entire optical system in the Y direction, A light beam having a minute height d in the XZ plane parallel to the axial principal ray 2 is incident on the optical system from the object side, and exits perpendicularly to the YZ plane of the two light beams on the side exiting from the optical system. The sin of the angle formed in the plane including the axial principal ray is NA′xi, and NA′xi / d is the power Px of the entire optical system in the X direction.
[0025]
An optical system having a rotationally asymmetric surface disposed on the most image side of the optical system after the axial principal ray is incident on the optical system component having the rotationally asymmetric surface disposed on the most object side of the optical system. Assuming that the optical path length until the component is emitted is p (in FIG. 9, since both are the same decentered prism optical system 4, the optical path length of the axial principal ray 2 therein), (1 It is desirable that the optical system is configured so as to satisfy the above formula.
[0026]
More preferably,
0.5 <p × Py <5.0 (1) ′
If it is made to satisfy, a small lens system can be achieved.
[0027]
More preferably,
0.5 <p × Py <0.7 (1) ”
If it is satisfied, a smaller lens system can be achieved.
[0028]
Further, when the optical system component having the rotationally asymmetric surface of the imaging optical system of the present invention is constituted by the first and second reflection action surfaces and the first and second transmission action surfaces, the optical axis is set to two reflection action surfaces. The optical system can be miniaturized. Furthermore, since there are two transmission surfaces, better results can be obtained for the principal point position and field curvature.
Furthermore, better aberration performance can be obtained by using two reflecting surfaces as back mirrors.
[0029]
By the way, if the pupil is not projected to the object side, the optical system becomes large and the optical path length p becomes too large. Or, it becomes difficult to ensure the back focus. Furthermore, if the power is relied on the decentered rotationally asymmetric surface too much, it becomes difficult to correct asymmetric aberrations, particularly decentration coma, generated by the decentration. Therefore, it is also an effective means to improve optical performance by arranging an optical system closer to the object side than the rotationally asymmetric surface and sharing power.
[0030]
In addition, when an aperture is disposed on the object side of an optical system component having a rotationally asymmetric surface, an optical member is further disposed on the object side, so that the aperture member is protected and the reflecting surface is configured by a surface mirror. In some cases, it is also useful for measures such as dust prevention.
[0031]
In the imaging optical system of the present invention, the eccentric aberration can be corrected by the eccentric rotationally asymmetric surface. However, an optical member is arranged on the object side, and the total aberration correction is performed together with the eccentric rotationally asymmetric reflecting surface. It is good to do. At that time, it is preferable to decenter the optical member in order to satisfactorily correct the asymmetric aberration because uniform correction is possible.
[0032]
In the imaging optical system of the present invention, if the number of optical system components having a decentered rotationally asymmetric reflective surface is reduced or the optical system component having the reflective surface is configured by a prism block, the diaphragm is brought out to the object side. Otherwise, the optical system becomes large. At that time, all the power is biased to the image side with respect to the stop. In order to correct distortion, both negative and positive powers are required. However, if the negative power is increased too much, the optical system becomes larger and the optical path length increases, which is not preferable. Therefore, it is preferable to correct the distortion by arranging a positive lens on the object side of the stop. In addition, when an optical system component having a decentered rotationally asymmetric reflecting surface is configured by a prism block, it is difficult to correct some chromatic aberration generated on the transmission surface, but it is also effective for correcting chromatic aberration. It is. In particular, it is better to decenter the positive lens in order to correct asymmetric aberrations.
[0033]
In particular, when a wide-angle lens having a wide angle of view is constructed, the focal length is shortened, so that it is difficult to ensure the back focus. In that case, it is preferable to adopt a so-called retrofocus type in which negative and positive powers are arranged in order from the object side. Moreover, it is better to increase the negative power so that the gap between the negative group and the positive group is as much as possible. However, if a negative power is given to a decentered rotationally asymmetric surface, decentration aberrations become too large to be corrected, and it is particularly difficult to correct coma asymmetry.
[0034]
Therefore, it is preferable to arrange a concave lens on the object side, to give a negative power to an ordinary refractive lens, to arrange the negative group and the positive group at an interval, and to fold the optical axis and make it compact.
[0035]
Further, when the optical system component having an eccentric rotationally asymmetric reflecting surface is constituted by a single block and the stop is provided, it is preferable to provide the stop closer to the object side than the block without increasing the size of the block. At this time, it is preferable to dispose an optical member having substantially zero optical power, which also serves as a diaphragm protecting means, on the object side. As another effect, when an electronic image sensor is used, a region within the surface is divided, a slight inclination is given to the surface for each region, and a function of changing the light traveling direction by a small amount is provided. If the method has an optical low-pass filter function, it is effective for shortening the back focus.
[0036]
By the way, when the axial principal ray enters and exits the front optical group arranged on the object side of the optical system component having the eccentric rotationally asymmetric reflecting surface, the displacement amount of the angle is Δθ, and the displacement amount of the position is Δh. And when
0.1 ° <Δθ <45 ° (2)
Or
0 <Δh × Py <1.0 (3)
It is desirable to satisfy at least one of the above. Here, Py is the power in the Y direction of the optical system.
[0037]
If both the above formulas (2) and (3) take a small value beyond the lower limit, there is no point in decentering. If both values exceed the upper limit and take a large value, the decentration aberrations at each part will become too large and correction will be difficult.
[0038]
More preferably,
1 ° <Δθ <30 ° (2) '
Or
0.005 <Δh × Py <0.5 (3) ′
It is desirable to satisfy at least one of the following.
[0039]
By the way, if the first reflection action surface and the second transmission action surface of the optical system component having the eccentric rotationally asymmetric reflection surface are the same surface, the number of surfaces to be formed is three, and the manufacturability is improved.
[0040]
Further, when the total reflection is used for the reflection of the first reflecting surface, the high reflectance can be obtained as described above, the light loss can be minimized, and the reflecting surface and the transmitting surface can be made the same. Manufacturing is facilitated.
[0041]
Further, as described above, the optical system component having an eccentric rotationally asymmetric reflection surface is configured by a single block and the number of components is reduced, so that the optical system can be reduced in size and cost.
[0042]
Further, the rotationally asymmetric reflecting surface is configured as a back mirror of an optical material having the function of wavelength selection means, the wavelength selection means has a so-called infrared cut function, and the mol% a of CuO contained in the optical material is as follows. It is desirable to satisfy the following conditions.
[0043]
a <1 (4)
A so-called infrared cut filter or the like can be manufactured by mixing impurities such as copper. However, if the number of impurities increases, it becomes difficult to control wavelength selectivity. Moreover, in order to improve the resistance of glass containing a large amount of copper or the like, it is common to use a fluorophosphate-based network, but if the content can be reduced, a highly resistant network structure can be adopted. ,It is valid. However, if the impurities are reduced, in order to ensure wavelength selectivity, the thickness of the filter must be increased, and there is a problem that the lens system becomes large in order to ensure space.
[0044]
In an optical system that turns the optical axis as in the present invention, an optical path length longer than the actual thickness can be obtained, so that effective wavelength selection characteristics can be achieved with a small impurity content. The copper content may be adjusted according to the optical path length of the designed optical system, but when the mol% of CuO is particularly a,
a <1 (4)
It is desirable to satisfy
[0045]
Moreover,
1 × 10 -Five <A <1 (4) '
It is more preferable that
[0046]
Also,
1 × 10 -Five <A <0.5 (4) "
If it is better.
[0047]
In the imaging optical system of the present invention, it is desirable to use a plane-symmetric free-form surface having only one symmetry plane as at least one of the reflecting action surfaces having an eccentric rotationally asymmetric surface shape. Here, the free-form surface used in the present invention is defined by the following equation.
[0048]
Figure 0003771993
However, C m (M is an integer of 2 or more) is a coefficient.
[0049]
In general, the free-form surface does not have a symmetric surface in both the XZ plane and the YZ plane. However, in the present invention, by setting all odd-order terms of x to 0, the free-form surface is parallel to the YZ plane. This is a free-form surface with only one symmetrical plane. For example, in the above definition (a), C Four , C 6 , C 9 , C 11 , C 13 , C 15 , C 18 , C 20 , C twenty two , C twenty four , C 26 , C 28 , C 31 , C 33 , C 35 , C 37 This is possible by setting the coefficient of each term of.
[0050]
Further, by setting all odd-order terms of y to 0, a free-form surface having only one symmetry plane parallel to the XZ plane is obtained. For example, in the above definition (a), C Three , C 6 , C 8 , C Ten , C 13 , C 15 , C 17 , C 19 , C twenty one , C twenty four , C 26 , C 28 , C 30 , C 32 , C 34 , C 36 ,... Can be achieved by setting the coefficient of each term to 0, and by having the symmetry plane as described above, the manufacturability can be improved.
[0051]
By using one of the symmetry plane parallel to the YZ plane and the symmetry plane parallel to the XZ plane as a symmetry plane, it is possible to effectively correct rotationally asymmetric aberration caused by decentration. Become.
[0052]
The above definition formula is shown as an example, and the feature of the present invention is to correct rotationally asymmetric aberration caused by decentration on a rotationally asymmetric surface having only one symmetry plane. Needless to say, the same effect can be obtained for any definition formula.
[0053]
Now, in general, it is difficult to manufacture an optical system component (eccentric prism optical system) having an eccentric rotationally asymmetric reflecting surface by polishing. It is formed by grinding one surface at a time, or by plastic injection molding or glass molding. Will do. At this time, it is necessary to confirm whether or not the surface of the decentered prism optical system is formed in a predetermined shape. In such a three-dimensional rotationally asymmetric shape measurement, a three-dimensional coordinate measuring device is generally used, but it takes time to measure and is not practical.
[0054]
In the present invention, it is important that at least one of the at least three surfaces constituting the decentered prism optical system 4 is a rotationally symmetric surface.
[0055]
More preferably, a surface having a transmission effect and an internal reflection effect on the side close to the pupil that has the largest effective area and relatively large aberration deterioration is configured as a rotationally symmetric surface, so that the surface shape can be easily shortened. It has succeeded in constructing a decentered prism optical system that can be evaluated in time.
[0056]
The decentered prism optical system of the rear optical group has a first transmission action surface, a first reflection action surface, a second reflection action surface, and a second transmission action surface. The reflection action surface has a rotationally asymmetric surface shape, is composed of a plane-symmetry free-form surface having only one symmetry surface, and the first reflection action surface is a surface common to the second transmission action surface. In this case, if strong power is given to this surface, the occurrence of chromatic aberration increases. In addition, it is only necessary that the regions used as the first reflecting action surface and the second transmitting action surface can be substantially separated from each other. However, since this causes an increase in the size of the prism block constituting the rear optical group, The area overlapping with the second permeation surface increases. Therefore, in order to achieve both the action on the first reflecting action surface and the action on the second transmitting action surface, it is easier to control without giving strong power. That is, the only symmetry plane of the plane-symmetric free-form surface is the YZ plane, the direction orthogonal to the plane is the X-axis, and the intersection of the axial principal ray with the first reflection action surface and the second reflection action surface When the neighboring X-direction powers are Px1 and Px2, respectively.
| Px1 | <| Px2 | (5)
It is desirable that
[0057]
Moreover,
1 <| Px2 / Px1 | <20 (6)
It is desirable to satisfy Exceeding the upper limit 20 of this condition is not preferable because the power of the second reflecting surface becomes extremely strong, the back focus cannot be secured, and the complexity of the surface shape increases for aberration correction. Moreover,
1.1 <| Px2 / Px1 | <10 (6) ′
It is even better if you satisfy.
[0058]
Moreover,
2.0 <| Px2 / Px1 | <5 (6) "
It is even better if you satisfy.
[0059]
Further, when the power in the X direction in the vicinity of the intersection point of the axial principal ray with the second transmission surface is Px3,
| Px3 / Px2 | <0.5 (7)
It is desirable that That is, it is not preferable to give a strong power to the second transmission surface because distortion and chromatic aberration are greatly generated. Therefore, it is desirable to satisfy the condition (7).
[0060]
Moreover,
| Px3 / Px2 | <0.2 (7) ′
It is even better if you satisfy.
[0061]
In the above description, the only symmetric plane of the plane-symmetry free-form surface is the YZ plane, the direction orthogonal to the plane is the X axis, and the plane at the position where the maximum field angle chief ray in the X direction hits the plane. When the difference between the tan value in the YZ plane of the normal line and the tan value in the YZ plane of the normal line of the surface at the position where the axial principal ray hits the plane is DY ,
0 ≦ | DY | <0.1 (8)
It is desirable to satisfy the following conditions.
[0062]
This conditional expression relates to, for example, a bow-like rotationally asymmetric image distortion that curves like a bow when a horizontal line is copied. As shown in the perspective view of FIG. 10A and the projection onto the YZ plane of FIG. 10B, the rotational asymmetry at the point where the principal ray having the maximum field angle in the X direction intersects the rotationally asymmetric surface A. The tan value in the YZ plane of the normal n ′ of the surface and the tan in the YZ plane of the normal n of the rotationally asymmetric surface at the point where the axial principal ray intersects the rotationally asymmetric surface A When the difference from the value of DY is DY, it is important to satisfy the condition (8). If the lower limit of 0 to the above conditional expression is exceeded, bow-shaped image distortion cannot be corrected. When the upper limit of 0.1 is exceeded, bow-like image distortion becomes overcorrected, and in either case, the image is distorted like a bow.
[0063]
More preferably,
0 ≦ | DY | <0.01 (8) ′
It is preferable to satisfy the following conditions.
[0064]
The direction until the axial principal ray reaches the first surface of the optical system is the Z-axis direction, the only symmetrical surface of the plane-symmetric free-form surface is the YZ plane, and the direction orthogonal to the surface is the X-axis. , The difference in curvature in the X direction between the principal ray with the maximum field angle in the Y positive direction and the principal ray with the maximum field angle in the Y negative direction is Cxn. When the power in the X direction is Pxn,
0 ≦ | Cxn / Pxn | <10 (9)
It is important to satisfy these conditions. This conditional expression relates to image distortion generated in the trapezoid. If the upper limit of 10 is exceeded, trapezoidal distortion will occur and it will be difficult to correct it on other surfaces.
[0065]
More preferably,
0 ≦ | Cxn / Pxn | <1 (9) ′
It is preferable to satisfy the following conditional expression:
[0066]
In addition, the rotationally asymmetric surface is arranged in an optical system configured to be decentered, and is a plane of symmetry free-form surface in which substantially the same plane as the decentered surface of each decentered surface is a symmetric surface. The left and right sides can be made symmetric with respect to each other, and aberration correction and manufacturability can be greatly improved.
[0067]
Next, when the power of the entire optical system in the X direction is Px, and the power in the X direction of the portion where the axial principal ray of the rotationally asymmetric surface hits is Pxn,
0 <| Pxn / Px | <100 (10)
It is preferable for aberration correction to satisfy the following conditional expression. If the upper limit of 100 of the above conditional expression is exceeded, the power of the rotationally asymmetric surface becomes too strong compared to the power of the entire optical system, and the rotationally asymmetric surface has a strong refractive power, and aberrations occur on this rotationally asymmetric surface. Cannot be corrected on other surfaces. If the lower limit of 0 is exceeded, the power in the X-axis direction of the rotationally asymmetric surface disappears, and the power in the X-axis direction must be arranged as another surface, increasing the number of necessary surfaces, and the present invention is rotationally asymmetric. Use of a surface is contrary to the purpose of downsizing the optical system.
[0068]
More preferably,
0.05 <| Pxn / Px | <10 (10) ′
If this condition is satisfied, rotationally asymmetric aberrations can be corrected well, which is preferable for aberration correction.
[0069]
Further, when the power of the entire optical system in the Y direction is Py, and the power Pyn in the Y direction of the portion where the axial principal ray of the rotationally asymmetric surface hits,
0 <| Pyn / Py | <100 (11)
It is preferable for aberration correction to satisfy the following conditional expression. The meanings of the lower limit 0 and the upper limit 100 in the conditional expression are the same as in the conditional expression (10).
[0070]
More preferably,
0 <| Pyn / Py | <10 (11) ′
If this condition is satisfied, rotationally asymmetric aberrations can be corrected well, which is preferable for aberration correction.
[0071]
Next, when the powers in the X direction and Y direction of the entire optical system are Px and Py,
0.3 <| Px / Py | <2 (12)
It is preferable for aberration correction to satisfy the following conditional expression. If the lower limit of 0.3 and the upper limit of 2 are exceeded, the focal length of the entire optical system will be too different in the X and Y directions, making it difficult to obtain good image distortion, and the image will be distorted.
[0072]
More preferably,
0.8 <| Px / Py | <1.2 (12) ′
If this condition is satisfied, rotationally asymmetric aberrations can be corrected well, which is preferable for aberration correction.
[0073]
In the imaging optical system of the present invention, it is desirable that the lateral aberration of the optical system is 200 μm or less. In the present invention, when the lateral aberration of the optical system is 200 μm or less, the aberration can be sufficiently ignored and good imaging performance can be obtained.
The image distortion of the imaging optical system of the present invention is desirably 20% or less. In the present invention, when the image distortion of the optical system is 20% or less, the aberration can be sufficiently ignored, and good imaging performance can be obtained.
More preferably, when the first transmission action surface is a lens having a positive power with respect to the transmitted light, it is possible to suppress the spread of light rays on the first reflection action surface. It is possible to make the reflecting surface small.
[0074]
In addition, the first reflecting action surface can be configured as a back mirror by configuring the light beam to proceed in the order of the first transmitting action surface, the first reflecting action surface, and the second transmitting action surface. It becomes. When the first reflecting surface is constituted by a back mirror, a better result can be obtained with respect to the field curvature aberration than when it is constituted by a front mirror.
[0075]
Furthermore, the curvature of field can be corrected almost completely by giving either or both of the first transmission surface and the second transmission surface the same power as the first reflection surface. It becomes.
[0076]
On the other hand, by setting the powers of the first transmission surface and the second transmission surface to substantially zero, good results can be obtained for chromatic aberration. This is because, in principle, there is no chromatic aberration on the first reflecting surface, so there is no need to correct chromatic aberration with other surfaces. Therefore, by setting the power to almost zero so that chromatic aberration does not occur on the first transmission surface and the second transmission surface, it is possible to configure an optical system with little chromatic aberration in the entire optical system.
[0077]
More preferably, the rear optical group is moved from the object side to the image side at least a first transmission action surface, a first reflection action surface, a second reflection action surface, and a second transmission action surface. And the second reflecting action surface has a rotationally asymmetric surface shape, the power of the two reflecting action surfaces can be changed, and the principal point position can be optically changed by combining positive and negative or negative and positive. It can be put out before or behind the system. This can also give good results for field curvature.
[0078]
Furthermore, it is possible to eliminate almost no curvature of field by using two reflecting surfaces as back mirrors. In particular, in the case of an electronic imaging optical system that requires a large back focus compared to the focal length, it is preferable that negative power is disposed on the object side or the first reflecting surface is negative power. However, if the power is increased in the latter case, distortion will be worsened. Further, at that time, when the first reflection action surface and the second transmission action surface are the same, the transmission action surface also has a strong negative power, leading to deterioration of chromatic aberration. Therefore, the first reflecting surface has a shape in which the region used as the reflecting surface is negative, the power becomes weaker as the region used as the second transmitting surface becomes closer, and the second transmitting surface becomes weak. Is preferred. When the negative power is arranged on the object side as in the former, the first reflecting surface may be configured with a weak positive or negative power.
[0079]
In addition, when the imaging optical system of the present invention is used as a photographing lens of an electronic imaging device that forms an image on an electronic imaging device, information on distortion and lateral chromatic aberration of the optical system is stored in a memory or the like in the processing unit of the imaging device. It has a function to store in advance and correct it using digital image processing technology based on that information. When distortion and lateral chromatic aberration that occur in an optical system are corrected, the amount of aberration that should be corrected in the optical system This reduces the burden on the optical system, and is particularly effective in constructing a small photographic lens that satisfies the optical performance with a small number of lens components as in the present invention. Furthermore, even if the information is not held as a camera processing unit, the same function can be achieved by installing image processing software data in a processing device such as a personal computer and performing image processing on the device. It goes without saying that you can have it.
[0080]
The present invention includes an image pickup apparatus having an image pickup element arranged to receive an object image formed by the image pickup optical system as described above. In this case, it is desirable that the image sensor is formed by an electronic image sensor having a function of converting light received by the image sensor into electrical information, and observation means for observing an object image received by the electronic image sensor It is desirable to have.
[0081]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The first embodiment of the imaging optical system according to the present invention will be described below. The configuration parameters of Example 1 will be described later. In the configuration parameters, as shown in FIG. 1, the axial principal ray 2 is emitted from the center of the object (omitted in the figure) with the surface of the stop 1 as the origin of the eccentric surface. Then, a light beam passing through the center of the stop 1 is defined, and a direction along the axial principal ray 2 from the object center to the first surface of the optical system is defined as the Z axis. A plane including the Z axis and the center of the image surface 8 is defined as Y. -Z plane, the Y axis is taken in the direction perpendicular to the Z axis in the YZ plane, the direction from the object point toward the first surface of the optical system is the positive direction of the Z axis, and the positive direction of the Y axis is The upward direction (the direction of reflection by the first reflecting surface 6) is assumed. Then, an axis constituting the Y-axis, Z-axis and the right-handed orthogonal coordinate system is defined as an X-axis.
[0082]
In Example 1 of FIG. 1, each surface is decentered in the YZ plane, and the only symmetric surface of each rotationally asymmetric free-form surface is configured as a YZ plane.
For the eccentric surface, the amount of eccentricity (x, y, z, respectively) in the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction from the center of the optical system origin at the surface top position of the surface, and the center of the surface Tilt angles (°) (α, β, γ, respectively) about the X-axis, Y-axis, and Z-axis of the axis (the Z-axis in equation (a) for the free-form surface) are given. . In this case, positive α and β means counterclockwise rotation with respect to the positive direction of each axis, and positive γ means clockwise rotation with respect to the positive direction of the Z axis.
[0083]
Of the optical surfaces constituting the optical system of Example 1, the spherical surface is given a radius of curvature, and when a specific surface and a subsequent surface constitute a coaxial system, a surface interval is given. In addition, the refractive index and Abbe number of the medium are given in accordance with conventional methods.
[0084]
The shape of the surface of the free-form surface is defined by the above formula (a), and the Z-axis of the definition formula is the axis of the free-form surface.
The term relating to the aspherical surface for which no data is described is zero. The refractive index is shown for d-line (wavelength 587.56 nm). The unit of length is mm.
[0085]
In addition, there is a Zernike polynomial as another defining formula of a free-form surface. The shape of this surface is defined by the following formula (b). The Z axis of the defining formula becomes the axis of the Zernike polynomial.
Figure 0003771993
A YZ sectional view including the axial principal ray 2 of Example 1 is shown in FIG. In the figure, 1 is a stop, 2 is an axial principal ray, 4 is a decentered prism optical system constituting the rear group on the image side of the stop 1, 5 is a first surface of the decentered prism optical system, 6 is a second surface, 7 Is a third surface, 8 is an image surface, 9 is a filter such as an infrared cut filter, an optical low-pass filter, and a cover glass. The first surface 5 of the decentered prism optical system 4 is the first transmission (action) surface of the rear group, the second surface 6 is the first reflection (action) surface, the second transmission (action) surface, and the third. The surface 7 constitutes a second reflection (action) surface. In the first embodiment, the front group is not disposed on the object side of the diaphragm 1.
[0086]
A light beam emitted from an object (not shown) passes through the aperture of the diaphragm 1, passes through the first surface 5 of the decentered prism optical system 4 in the rear group, enters the inside, is reflected by the second surface 6, and then is third. Reflected by the surface 7, this time passes through the second surface 6, goes out of the decentered prism optical system 4, and forms an object image on the image surface 8 through the filters 9.
[0087]
Although the image size is optimized assuming a 1/4 inch size of about 4 × 3 mm, it is needless to say that the image size can be applied by multiplying the whole coefficient. .
The present invention includes not only an imaging optical system but also an imaging apparatus incorporating the optical system.
[0088]
The specifications of Example 1 are a horizontal half field angle of 21.32 °, a vertical half field angle of 16.31 °, an entrance pupil diameter of 2.061 mm, and an image size of 3.90 × 2.93 mm. In this embodiment, there is no front group on the object side with respect to the stop 1, and the imaging optical system is configured by only the decentered prism optical system 4.
[0089]
The present embodiment is an example in which two rotationally asymmetric free-form surfaces having one symmetric surface are used. From the object side, the diaphragm 1, the first transmitting surface 5, the first reflecting surface 6, and the second reflecting surface. The first reflection surface and the second transmission surface are the same surface 6, and the first reflection surface uses total reflection, so the total number of surfaces is as few as three. It is configured. In this embodiment, a rotationally symmetric spherical surface is used for the first reflecting surface 6 (second transmitting surface 6), and a rotationally symmetric aspherical surface can also be used.
[0090]
Although the configuration parameters will be described later, the amount of eccentricity is expressed as the amount of eccentricity from the first surface, and the sixth surface is a virtual surface. The seventh and subsequent surfaces represent various optical members (filters 9) such as an infrared cut filter, an optical low-pass filter, and a cover glass.
[0091]
FIG. 2 shows the state of lateral aberration for each angle of view in this embodiment, and FIG. 3 shows the state of distortion. In FIG. 2 showing transverse aberration, the numbers shown in parentheses represent (horizontal (X direction) field angle, vertical (Y direction) field angle), and a lateral aberration diagram at that field angle is shown.
The configuration parameters of Example 1 will be shown below.
[0092]
Figure 0003771993
Figure 0003771993
[0093]
In addition, the value regarding each conditional expression (1), (5)-(12) of the said Example is as the following tables. However, some values related to the first reflecting surface 6 which is a spherical surface are also shown. Here, DY1 and DY2 are the first reflection surface 6, DY of the second reflection surface 7, Px1 and Px2 are the first reflection surface 6, Pxn, Py1, and Py2 of the second reflection surface 7 are the first reflection surface 6, and Pyn, Cx1, and Cx2 of the second reflecting surface 7 are Cxn of the first reflecting surface 6 and the second reflecting surface 7, respectively. DTx and DTy are maximum values (%) of distortion in the X direction and Y direction, respectively.
[0094]
Figure 0003771993
[0095]
The imaging optical system of the present invention as described above is used in an imaging apparatus such as a small TV camera using a CCD as an imaging element. FIG. 4 shows a conceptual diagram of a configuration in which the image pickup optical system 10 of the present invention is incorporated in an image pickup apparatus using a CCD 11 as an electronic image pickup element. In this imaging apparatus, an object image is formed on a CCD 11 disposed on the image plane by an imaging optical system 10 via filters 9 such as an infrared cut filter and an optical low-pass filter, and the object image is converted into a video signal by the CCD 11. The converted video signal is directly displayed on the CRT 13 acting as an electronic viewfinder by the processing means 12 and is recorded in the recording medium 14 incorporated in the imaging apparatus. In addition, the imaging apparatus includes a microphone 15 and performs audio information recording at the same time as video signal recording. Further, as described above, in the processing unit 12, information on distortion aberration and lateral chromatic aberration of the imaging optical system 10 is stored in advance in the recording medium 14 or a memory attached to the processing unit 12, and based on the information. It is also possible to correct distortion aberration and lateral chromatic aberration that occur in the optical system 10 using a digital image processing technique.
[0096]
In such an image pickup apparatus, the reduction in the number of constituent elements of the image pickup optical system 10 and the downsizing of the image pickup optical system 10 according to the present invention can achieve downsizing and cost reduction as the apparatus.
[0097]
The imaging optical system of the present invention and the imaging apparatus using the imaging optical system can be configured as follows, for example.
[1] In an imaging optical system for forming an object image on the imaging element surface,
Having a rear optical group at least on the image side of the pupil plane,
The rear optical group is at least 3 eccentrically arranged so that the entire surface is inclined with respect to the principal ray when a ray that exits the object center and passes through the pupil center and reaches the image center is used as an axial principal ray. Having a prism member with two surfaces,
The at least three surfaces include a surface having a transmission action, a curved surface having a rotationally symmetric surface sharing the reflection action and the transmission action, and a rotation having a reflection action and correcting rotationally asymmetric decentration aberrations caused by eccentricity. An imaging optical system comprising an asymmetrical curved surface.
[0098]
[2] The imaging optical system according to [1], wherein the rotationally symmetric curved surface sharing the reflection action and the transmission action is formed by a total reflection surface or a semi-transmission reflection surface.
[0099]
[3] The imaging optical system according to [1], wherein the reflecting surface is formed by a coated mirror surface.
[0100]
[4] In the above [1], the surface having the reflecting action is disposed opposite to the face sharing the reflecting action and the transmitting action, and the axial principal ray reaches the incident surface of the optical system. Is the Z-axis direction, the Y-axis direction is in the eccentric plane of the surface, the Y-axis, and the axis constituting the orthogonal coordinate system with the Z-axis is the X-axis, the main axis on the axis from the incident surface side of the optical system A parallel light beam separated by a slight amount d in the Y direction is made incident on the light beam, and the sin formed at the angle formed in the YZ plane of the two light beams on the side exiting from the optical system is NA'yi, and the NA'yi is A value NA′yi / d divided by the width d of the parallel light flux is defined as the power Py in the Y direction of the optical system, and the optical path length of the axial principal ray from the incident surface of the prism member to the exit surface of the prism member is When p is
0.1 <p × Py <8 (1)
An imaging optical system characterized by satisfying the above.
[0101]
[5] In any one of the above [1] to [4], the prism member has a first surface having a transmission function sandwiching a medium having a refractive index of 1 and a reflection function and a transmission function. It consists of three surfaces, a second surface and a third surface having a reflecting action, and light from the object is incident on the first surface, reflected by the second surface, reflected by the third surface, and second surface. An imaging optical system characterized by being configured to pass through and exit.
[0102]
[6] The imaging optical system according to [5], wherein the prism member is a single block formed integrally.
[0103]
[7] In any one of [1] to [6], an infrared cut filter having an action of cutting an infrared component of an object image formed by the optical system is disposed in the optical system. An imaging optical system characterized by the above.
[0104]
[8] In any one of the above [1] to [6], at least one of the surfaces having the reflecting action is a back mirror of the wavelength selecting optical member having an action of transmitting or blocking a specific wavelength. An imaging optical system characterized by being configured.
[0105]
[9] The imaging optical system as set forth in [8], wherein the wavelength selecting optical member has an infrared cut function.
[0106]
[10] The imaging optical system according to [6], wherein the medium of the prism member has an infrared cut function.
[0107]
[11] The imaging optical system according to [10], wherein the medium of the prism member satisfies the following condition (4).
a <1 (4)
However, is mol% of CuO contained in the said prism member.
[0108]
[12] An imaging optical system according to [11], wherein the following condition (4) ′ is satisfied.
[0109]
1 × 10 -Five <A <1 (4) '
[13] The imaging optical system according to any one of [1] to [12], wherein the reflection action surface having a rotationally asymmetric surface shape is a plane-symmetric free-form surface having only one symmetry surface. system.
[0110]
[14] In the above [13], the only symmetric plane of the plane-symmetry free-form surface is the YZ plane, the direction orthogonal to the plane is the X-axis, and the first reflection working surface of the axial principal ray , When the power in the X direction in the vicinity of the intersection with the second reflecting surface is Px1 and Px2, respectively.
| Px1 | <| Px2 | (5)
An imaging optical system characterized by the above.
[0111]
[15] In the above [14],
1 <| Px2 / Px1 | <20 (6)
An imaging optical system characterized by the above.
[0112]
[16] In the above [13], the only symmetric plane of the plane-symmetry free-form surface is the YZ plane, the direction orthogonal to the plane is the X-axis, and the second reflecting action surface of the axial principal ray Px2 is the power in the X direction in the vicinity of the intersection with Px3, and Px3 is the power in the X direction in the vicinity of the intersection with the second transmission surface of the axial principal ray.
| Px3 / Px2 | <0.5 (7)
An imaging optical system characterized by the above.
[0113]
[17] In the above [13], the only symmetric plane of the plane-symmetry free-form surface is the YZ plane, the direction orthogonal to the plane is the X axis, and the maximum principal field angle ray in the X direction of the plane hits The value of tan in the YZ plane of the surface normal at the position and the value of tan in the YZ plane of the surface normal at the position where the axial principal ray hits the surface When the difference is DY,
0 ≦ | DY | <0.1 (8)
An imaging optical system characterized by satisfying the above.
[0114]
[18] In the above [13], the direction until the axial principal ray reaches the first surface of the optical system is the Z-axis direction, and the only symmetry plane of the plane-symmetry free-form surface is the YZ plane, The direction orthogonal to the surface is defined as the X axis, and the difference in curvature in the X direction between the principal ray with the maximum field angle in the Y positive direction and the principal ray with the maximum field angle in the Y negative direction is Cxn. When the power in the X direction of the portion where the upper principal ray hits the surface is Pxn,
0 ≦ | Cxn / Pxn | <10 (9)
An imaging optical system characterized by satisfying the above.
[0115]
[19] In any one of [13] to [18] above, at least one of the eccentric surfaces of the prism member is eccentrically arranged such that a plane including the eccentric direction substantially coincides with the symmetry plane. An imaging optical system characterized by that.
[0116]
[20] In the above [19], the eccentric directions of all the eccentric surfaces of the prism member are all on the same plane, and the plane including the eccentric direction is substantially coincident with the symmetry plane. An imaging optical system characterized by comprising:
[0117]
[21] In the above [18] or [19], the direction until the axial principal ray reaches the first surface of the optical system is the Z-axis direction, the decentered plane of the surface is the Y-axis direction, the Y-axis, When the axis constituting the orthogonal coordinate system with the Z axis is the X axis, a parallel light beam that is separated by a small amount d in the X direction from the incident surface side of the optical system is incident and emitted from the optical system. A value obtained by dividing sin of the angle formed in the plane including the axial principal ray emitted perpendicular to the YZ plane of the two rays by NA′xi and NA′xi by the width d of the parallel light flux When NA′xi / d is the power Px in the X direction of the optical system, and the power in the X direction of the portion of the rotationally asymmetric surface where the axial principal ray hits is Pxn,
0 <| Pxn / Px | <100 (10)
An imaging optical system characterized by satisfying the above.
[0118]
[22] In the above [21],
0.05 <| Pxn / Px | <10 (10) ′
An imaging optical system characterized by satisfying the above.
[0119]
[23] In the above [18] or [19], the direction until the axial principal ray reaches the first surface of the optical system is the Z-axis direction, the decentered plane of the surface is the Y-axis direction, the Y-axis, When the axis constituting the orthogonal coordinate system with respect to the Z axis is the X axis, a parallel light beam separated by a slight amount d in the Y direction from the incident surface side of the optical system is incident and exits from the optical system. NA′yi, which is the angle between the two rays in the YZ plane, NA′yi, and NA′yi divided by the width d of the parallel light flux, NA′yi / d, is the Y direction of the optical system. When the power in the Y direction of the portion of the rotationally asymmetric surface where the axial principal ray strikes is Pyn,
0 <| Pyn / Py | <100 (11)
An imaging optical system characterized by satisfying the above.
[0120]
[24] In the above [23],
0 <| Pyn / Py | <10 (11) ′
An imaging optical system characterized by satisfying the above.
[0121]
[25] In the above [19] or [20], the direction until the axial principal ray reaches the first surface of the optical system is the Z-axis direction, the decentered plane of the surface is the Y-axis direction, the Y-axis, When the axis constituting the orthogonal coordinate system with respect to the Z axis is the X axis, a parallel light beam separated by a slight amount d in the Y direction from the incident surface side of the optical system is incident and exits from the optical system. NA′yi, which is the angle between the two rays in the YZ plane, NA′yi, and NA′yi divided by the width d of the parallel light flux, NA′yi / d, is the Y direction of the optical system. The direction until the axial principal ray reaches the first surface of the optical system is the Z-axis direction, the decentered plane of the surface is the Y-axis direction, the Y-axis, and the Z-axis constitute an orthogonal coordinate system When the axis to be operated is the X-axis, a parallel light beam separated by a small amount d in the X direction from the incident surface side of the optical system is incident on the optical system. The angle sin formed in the plane including the axial principal ray emitted perpendicularly to the YZ plane of the two rays on the side exiting from NA ′ is divided by NA′xi, and NA′xi is divided by the width d of the parallel beam. When the value NA′xi / d is the power Px in the X direction of the optical system,
0.3 <| Px / Py | <2 (12)
An imaging optical system characterized by satisfying the above.
[0122]
[26] In the above [25],
0.8 <| Px / Py | <1.2 (12) ′
An imaging optical system characterized by satisfying the above.
[0123]
[27] The imaging optical system according to any one of [1] to [26], wherein the lateral aberration of the optical system is 200 μm or less.
[0124]
[28] The imaging optical system according to any one of [1] to [26], wherein an image distortion of the optical system is 20% or less.
[0125]
[29] The imaging apparatus according to any one of [1] to [27], further including an imaging device arranged to receive an object image formed by the optical system.
[0126]
[30] The image pickup apparatus according to [29], wherein the image pickup device is formed of an electronic image pickup device having a function of converting light received by the image pickup device into electrical information.
[0127]
[31] The imaging apparatus according to [30], further comprising observation means for observing the object image received by the electronic imaging element.
[0128]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, it is possible to provide an imaging optical system that is small and generates less aberration than a rotationally symmetric transmission optical system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view including an optical axis of an imaging optical system according to a first embodiment of the present invention.
2 is a lateral aberration diagram of Example 1. FIG.
3 is a distortion aberration diagram of Example 1. FIG.
FIG. 4 is a conceptual diagram of a configuration in which the imaging optical system of the present invention is incorporated in an imaging apparatus.
FIG. 5 is a diagram for explaining an axial principal ray and a coordinate system in the present invention.
FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining curvature of field generated by an eccentric reflecting surface.
FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining astigmatism generated by a decentered reflecting surface.
FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining coma aberration generated by a decentered reflecting surface.
FIG. 9 is a diagram for explaining the power of the imaging optical system of the present invention.
FIG. 10 is a diagram for explaining a parameter DY used in the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Aperture
2 ... Axial chief ray
3 ... front group
4 ... Rear group (Eccentric prism optical system)
5. First surface of decentered prism optical system
6 ... Second surface of decentered prism optical system
7 ... Third surface of decentered prism optical system
8. Image plane
9 ... Filters
10. Imaging optical system
11 ... CCD
12 ... Processing means
13 ... CRT
14 ... Recording medium
15 ... Microphone

Claims (2)

撮像素子面上に物体像を形成するための撮像光学系において、
少なくとも瞳面よりも像側に後側光学群を有し、
前記後側光学群は、物体中心を射出して瞳中心を通り像中心に到達する光線を軸上主光線とするとき、前記主光線に対して面全体が傾くように偏心配置された少なくとも3つの面を備えたプリズム部材を有し、
前記の少なくとも3つの面は、透過作用を有する面と、反射作用と透過作用とを共有し回転対称面形状の曲面と、反射作用を有し偏心により発生する回転非対称な偏心収差を補正する回転非対称面形状の曲面とからなり、
前記透過作用を有する面が第1面、前記反射作用と透過作用とを共有し回転対称面形状の曲面が第2面、前記反射作用を有する回転非対称面形状の曲面が第3面であり、
物体からの光が第1面に入射した後、第2面で反射され、第3面で反射され、第2面を透過して射出するように、前記第1面乃至第3面が構成されていることを特徴とする撮像光学系。
In an imaging optical system for forming an object image on the imaging element surface,
Having a rear optical group at least on the image side of the pupil plane,
The rear optical group is at least 3 eccentrically arranged so that the entire surface is inclined with respect to the principal ray when a ray that exits the object center and passes through the pupil center and reaches the image center is used as an axial principal ray. Having a prism member with two surfaces,
The at least three surfaces include a surface having a transmission action, a curved surface having a rotationally symmetric surface sharing the reflection action and the transmission action, and a rotation having a reflection action and correcting rotationally asymmetric decentration aberrations caused by eccentricity. It consists of a curved surface with an asymmetric surface shape,
The surface having the transmitting action is the first surface, the curved surface having the rotationally symmetric surface shape sharing the reflecting action and the transmitting action is the second surface, and the curved surface having the rotationally asymmetric surface shape having the reflecting action is the third surface,
After the light from the object is incident on the first surface, the first surface to the third surface are configured to be reflected by the second surface, reflected by the third surface, and transmitted through the second surface. An imaging optical system characterized by that.
請求項において、前記プリズム部材は一体成形された単体のブロックからなることを特徴とする撮像光学系。2. The imaging optical system according to claim 1 , wherein the prism member is composed of a single block formed integrally.
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