JPH1068886A

JPH1068886A - ズーム光学系及びそれを用いた撮像装置

Info

Publication number: JPH1068886A
Application number: JP8244140A
Authority: JP
Inventors: Makoto Sekida; 誠関田; Keisuke Araki; 敬介荒木; Kenji Akiyama; 健志秋山; Tsunefumi Tanaka; 常文田中; Hiroshi Saruwatari; 浩猿渡; Kenichi Kimura; 研一木村; Norihiro Nanba; 則広難波
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1996-08-27
Publication date: 1998-03-10
Anticipated expiration: 2016-08-27
Also published as: US6124986A; JP3625339B2

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の反射面を有した光学素子を複数個用
い、そのうち少なくとも１つの光学素子と結像面を移動
することによりズーミング（変倍）を行ったビデオカメ
ラやスチールビデオカメラ、そして複写機等に好適なズ
ーム光学系及びそれを用いた撮像装置を得ること。【解決手段】透明体の表面に２つの屈折面と複数の反
射面を形成し、光束が１つの屈折面から該透明体の内部
へ入射し、該複数の反射面で反射を繰り返して別の屈折
面から射出するように構成された光学素子又は／及び表
面反射鏡より成る複数の反射面を一体的に形成し、入射
光束が該複数の反射面で反射を繰り返して射出するよう
に構成された光学素子とを複数有し、該複数の光学素子
を介して物体の像を結像面上に結像すると共に、該複数
の光学素子のうち、少なくとも１つの光学素子と該結像
面を移動することによりズーミングを行うこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はズーム光学系及びそ
れを用いた撮像装置に関し、特に複数の反射面を有した
反射型の光学素子を複数個用い、このうち少なくとも１
つの光学素子と結像面とを変移させることによりズーミ
ングを行ったビデオカメラやスチールビデオカメラ、そ
して複写機等に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より凹面鏡や凸面鏡等の反射面を利
用した撮影光学系が種々と提案されている。図１１は１
つの凹面鏡と１つの凸面鏡より成る所謂ミラー光学系の
概略図である。

【０００３】同図のミラー光学系において、物体からの
物体光束１０４は、凹面鏡１０１で反射収束しつつ物体
側に向かい、凸面鏡１０２にて反射した後、像面１０３
に結像する。

【０００４】このミラー光学系は、所謂カセグレン式反
射望遠鏡の構成を基本としており、屈折レンズで構成さ
れるレンズ全長の長い望遠レンズ系の光路を相対する二
つの反射ミラーを用いて折りたたむ事により、光学系全
長を短縮している。

【０００５】又、望遠レンズ系を構成する対物レンズ系
にも同様な理由から、複数の反射ミラーを用いて光学系
全長を短縮する形式が多数提案されている。

【０００６】この様に、従来よりレンズ全長が長くなる
撮影レンズにおいてはレンズの代わりに反射ミラーを用
いる事により、効率よく光路を折りたたんで、コンパク
トなミラー光学系を得ている。

【０００７】しかしながら、一般的に例えばカセグレン
式反射望遠鏡等のミラー光学系においては、凸面鏡１０
２により物体光線の一部がケラレると言う問題点があ
る。この問題点は物体光束１０４の通過領域中に凸面鏡
１０２がある事に起因するものである。

【０００８】この問題点を解決する為に、反射ミラーを
偏心させて使用して、物体光束１０４の通過領域を光学
系の他の部分が遮蔽することを避ける、即ち光束の主光
線１０６を光軸１０５から離すミラー光学系も提案され
ている。

【０００９】図１２は米国特許3,674,334号明細書に開
示されているミラー光学系の概略図であり、反射ミラー
の中心軸自体を光軸１１４に対して偏心させて物体光束
１１５の主光線を光軸１１４から離して上記のケラレの
問題を解決している。

【００１０】同図のミラー光学系は光束の通過順に凹面
鏡１１１、凸面鏡１１３そして凹面鏡１１２を配置して
いる。それらはそれぞれ図中二点破線で示す様に、もと
もと光軸１１４に対して回転対称な反射ミラーより成っ
ていた。このうち凹面鏡１１１は光軸１１４に対して紙
面上側のみ、凸面鏡１１３は光軸１１４に対して紙面下
側のみ、凹面鏡１１２は光軸１１４に対して紙面下側の
みを使用する事により、物体光束１１５の主光線１１６
を光軸１１４から離し、物体光束１１５のケラレを無く
したミラー光学系を構成している。

【００１１】図１３は米国特許5,063,586号明細書に開
示されているミラー光学系の概略図である。同図のミラ
ー光学系は反射ミラーの中心軸自体を光軸に対して偏心
させて物体光束の主光線を光軸から離して上記の問題点
を解決している。

【００１２】同図において、被写体面１２１の垂直軸を
光軸１２７と定義した時に、光束の通過順に凸面鏡１２
２・凹面鏡１２３・凸面鏡１２４そして凹面鏡１２５の
それぞれの反射面の中心座標及び中心軸（その反射面の
中心とその面の曲率中心とを結んだ軸）１２２ａ，１２
３ａ，１２４ａ，１２５ａは、光軸１２７に対して偏心
している。同図ではこのときの偏心量と各面の曲率半径
を適切に設定することにより、物体光束１２８の各反射
ミラーによるケラレを防止して、物体像を効率よく結像
面１２６に結像させている。

【００１３】その他米国特許4,737,021号明細書や米国
特許4,265,510号明細書にも光軸に対して回転対称な反
射ミラーの一部を用いてケラレを避ける構成、或は反射
ミラーの中心軸自体を光軸に対して偏心させてケラレを
避ける構成が開示されている。

【００１４】ところで、上記ミラー光学系を構成する複
数の反射面を相対的に移動させることにより、撮影光学
系の結像倍率（焦点距離）を変化させるズーミング技術
も知られている。

【００１５】例えば米国特許4,812,030号明細書におい
ては、図１１に示すカセグレン式反射望遠鏡の構成にお
いて、凹面鏡１０１から凸面鏡１０２までの間隔と凸面
鏡１０２から像面１０３までの間隔を相対的に変化させ
ることにより撮影光学系の変倍を行う技術が開示されて
いる。

【００１６】図１４は同公報に開示されている別の実施
形態の概略図である。同図において、物体からの物体光
束１３８は第一凹面鏡１３１に入射してこの面で反射さ
れ収束光束となって物体側に向かい第一凸面鏡１３２に
入射し、ここで結像面側へ反射され略平行な光束となっ
て第二凸面鏡１３４に入射し、この面で反射されて発散
光束となって第二凹面鏡１３５に入射し、ここで反射さ
れて収束光束となり像面１３７上に結像する。

【００１７】この構成において第一凹面鏡１３１と第一
凸面鏡１３２間の間隔を変化させるとともに、第二凸面
鏡１３４と第二凹面鏡１３５間の間隔を変化させてズー
ミングを行い全系のミラー光学系の焦点距離を変化させ
ている。

【００１８】又、米国特許4,993,818号明細書において
は、図１１に示すカセグレン式反射望遠鏡にて結像した
像を後段に設けた別のミラー光学系にて二次結像し、こ
の二次結像用のミラー光学系の結像倍率を変化させるこ
とにより撮影系全体の変倍を行っている。

【００１９】これらの反射型の撮影光学系は、構成部品
点数が多く、必要な光学性能を得る為には、それぞれの
光学部品を精度良く組み立てることが必要であった。特
に、反射ミラーの相対位置精度が厳しい為、各反射ミラ
ーの位置及び角度の調整が必須であった。

【００２０】この問題を解決する一つの方法として、例
えばミラー系を一つのブロック化することにより、組立
時に生じる光学部品の組み込み誤差を回避する方法が提
案されている。

【００２１】従来、多数の反射面が一つのブロックにな
っているものとして、例えばファインダー系等に使用さ
れるペンタゴナルダハプリズムやポロプリズム等の光学
プリズムがある。

【００２２】これらのプリズムは、複数の反射面が一体
成形されている為に、各反射面の相対的な位置関係は精
度良く作られており、反射面相互の位置調整は不要とな
る。但し、これらのプリズムの主な機能は、光線の進行
方向を変化させることで像の反転を行うものであり、各
反射面は平面で構成されている。

【００２３】これに対して、プリズムの反射面に曲率を
持たせた光学系も知られている。

【００２４】図１５は米国特許4,775,217号明細書に開
示されている観察光学系の要部概略図である。この観察
光学系は外界の風景を観察すると共に、情報表示体に表
示した表示画像を風景とオーバーラップして観察する光
学系である。

【００２５】この観察光学系では、情報表示体１４１の
表示画像から射出する表示光束１４５は入射面１４８よ
り入射し、面１４２にて反射して物体側に向かい、凹面
より成るハーフミラー面１４３に入射する。そしてこの
ハーフミラー面１４３にて反射した後、表示光束１４５
は凹面１４３の有する屈折力によりほぼ平行な光束とな
り、面１４２を屈折透過した後、表示画像の拡大虚像を
形成するとともに、観察者の瞳１４４に入射して表示画
像を観察者に認識させている。

【００２６】一方、物体からの物体光束１４６は面１４
２とほぼ平行な面１４７に入射し、屈折して凹面のハー
フミラー面１４３に至る。ハーフミラー面１４３には半
透過膜が蒸着されており、物体光束１４６の一部はハー
フミラー面１４３を透過し、面１４２を屈折透過後、観
察者の瞳１４４に入射する。これにより観察者は外界の
風景の中に表示画像をオーバーラップして視認する。

【００２７】図１６は特開平２−２９７５１６号公報に
開示されている観察光学系の要部概略図である。この観
察光学系も外界の風景を観察すると共に、情報表示体に
表示した表示画像をオーバーラップして観察する光学系
である。

【００２８】この観察光学系では、情報表示体１５０の
表示画像から出射した表示光束１５４は、プリズムＰａ
を構成する平面１５７を透過しプリズムＰａに入り放物
状の反射面１５１に入射する。

【００２９】表示光束１５４はこの反射面１５１にて反
射されて収束光束となり焦点面１５６に結像する。この
とき反射面１５１で反射された表示光束１５４は、プリ
ズムＰａを構成する２つの平行な平面１５７と平面１５
８との間を全反射しながら焦点面１５６に到達してお
り、これによって光学系全体の薄型化を達成している。

【００３０】次に焦点面１５６から発散光として出射し
た表示光束１５４は、平面１５７と平面１５８の間を全
反射しながら放物面より成るハーフミラー面１５２に入
射し、このハーフミラー面１５２で反射されると同時に
その屈折力によって表示画像の拡大虚像を形成すると共
にほぼ平行な光束となり、面１５７を透過して観察者の
瞳１５３に入射し、これにより表示画像を観察者に認識
させている。

【００３１】一方、外界からの物体光束１５５はプリズ
ムＰｂを構成する面１５８ｂを透過し、放物面より成る
ハーフミラー面１５２を透過し、面１５７を透過して観
察者の瞳１５３に入射する。観察者は外界の風景の中に
表示画像をオーバーラップして視認する。

【００３２】更に、プリズムの反射面に光学素子を用い
た例として、例えば特開平５−１２７０４号公報や特開
平６−１３９６１２号公報等に開示されている光ピック
アップ用の光学ヘッドがある。これらは半導体レーザー
からの光をフレネル面やホログラム面にて反射させた
後、ディスク面に結像し、ディスクからの反射光をディ
テクターに導いている。

【００３３】

【発明が解決しようとする課題】前記米国特許3、674、33
4号明細書、米国特許5,063,586号明細書、米国特許4,26
5,510号明細書に開示されている偏心ミラーを有するミ
ラー光学系は、いずれも各反射ミラーを異なる偏心量に
て配置しており、各反射ミラーの取り付け構造が非常に
煩雑となり、又取り付け精度を確保する事が非常に難し
いものとなっている。

【００３４】又、米国特許4,812,030号明細書、米国特
許4,993,818号明細書に開示されている変倍機能を有す
る撮影光学系は、いずれも反射ミラーや結像レンズなど
の構成部品点数が多く、必要な光学性能を得る為には、
それぞれの光学部品を精度良く組み立てる必要があっ
た。

【００３５】又特に反射ミラーの相対位置精度が厳しく
なる為、各反射ミラーの位置及び角度の調整を行うこと
が必要であった。

【００３６】又従来の反射型の撮影光学系は、光学系全
長が長く画角の小さい所謂望遠タイプのレンズ系に適し
た構成となっている。そして、標準レンズの画角から広
角レンズの画角までを必要とする撮影光学系を得る場合
には収差補正上必要とされる反射面数が多くなる為、更
に高い部品精度、高い組立精度が必要となり、コスト或
は全体が大型化する傾向があった。

【００３７】又、前記米国特許4,775,217号明細書、特
開平２−２９７５１６号公報に開示されている観察光学
系は、いずれも観察者の瞳から離れて配置されている情
報表示体に表示されている表示画像を効率良く観察者の
瞳に伝達する為の瞳結像作用と光線の進行方向を変化さ
せる事を主眼としており、曲率を持った反射面にて積極
的な収差補正を行う技術については直接的に開示されて
いない。

【００３８】又、特開平５−１２７０４号公報や特開平
６−１３９６１２号公報等に開示されている光ピックア
ップ用の光学系は、いずれも検知光学系の使用に限定さ
れており、撮影光学系、特にＣＣＤ等の面積型の撮像素
子を用いた撮像装置に対する結像性能を満足するもので
はなかった。

【００３９】本発明は、複数の曲面や平面等の反射面を
一体的に形成した光学素子を複数個用い、これら複数の
光学素子のうち少なくとも１つの光学素子と結像面とを
変移させることによってズーミングを行うことによりミ
ラー光学系全体の小型化を図りつつ、又ミラー光学系に
ありがちな反射ミラーの配置精度（組立精度）を緩やか
にしたズーム光学系及びそれを用いた撮像装置の提供を
目的とする。

【００４０】

【課題を解決する為の手段】本発明のズーム光学系は、 (1-1) 透明体の表面に２つの屈折面と複数の反射面を形
成し、光束が１つの屈折面から該透明体の内部へ入射
し、該複数の反射面で反射を繰り返して別の屈折面から
射出するように構成された光学素子又は／及び表面反射
鏡より成る複数の反射面を一体的に形成し、入射光束が
該複数の反射面で反射を繰り返して射出するように構成
された光学素子とを複数有し、該複数の光学素子を介し
て物体の像を結像面上に結像すると共に、該複数の光学
素子のうち、少なくとも１つの光学素子と該結像面を移
動することによりズーミングを行うことを特徴としてい
る。

【００４１】特に、(1-1-1) 前記移動を行う光学素子
は、入射する基準軸と出射する基準軸が平行であるこ
と。

【００４２】(1-1-2) 前記移動を行う光学素子は、１つ
の移動平面上にて平行に移動すること。

【００４３】(1-1-3) 前記移動を行う光学素子は、入射
する基準軸と出射する基準軸の方向が同方向を向いてい
ること。

【００４４】(1-1-4) 前記移動を行う光学素子は、入射
する基準軸と出射する基準軸の方向が反対方向を向いて
いること。

【００４５】(1-1-5) 前記移動を行う少なくとも１つの
光学素子若しくは結像面のうちの１つを移動してフォー
カシングすること。

【００４６】(1-1-6) 前記移動を行う少なくとも１つの
光学素子以外の光学素子を移動してフォーカシングする
こと。

【００４７】(1-1-7) 前記ズーム光学系は、その光路の
中で少なくとも１回、物体像を中間結像すること。

【００４８】(1-1-8) 前記複数の反射面の内、曲面の反
射面はすべてアナモフィック面の形状であること。

【００４９】(1-1-9) 前記移動を行う光学素子の基準軸
が、すべて１つの平面上にあること。

【００５０】(1-1-10)前記移動を行う光学素子以外の光
学素子の基準軸の少なくとも一部が前記平面上にあるこ
と。

【００５１】(1-1-11)前記複数の光学素子のうちの少な
くとも１つの光学素子は、基準軸と反射面の交点におけ
る該反射面の法線が、前記光学素子が移動する移動平面
に対して傾いている反射面を有していること。

【００５２】(1-1-12)物体からの光束が最初に入射する
光学素子は、物体側から数えて第１の反射面より物体側
に入射瞳が位置していること。等を特徴としている。

【００５３】又、本発明の撮像装置は、(1-1) 〜(1-1-1
2)のいずれか１項に記載のズーム光学系を有し、撮像媒
体の撮像面上に前記物体の像を結像すること等を特徴と
している。

【００５４】

【発明の実施の形態】実施形態の説明に入る前に、実施
形態の光学素子の構成諸元の表し方及び実施形態全体の
共通事項について説明する。

【００５５】図１０は本発明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。本発明の実施形態で
は物体側から像面に進む１つの光線（図16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。

【００５６】図１０において第１面R1は絞り、第２面R2
は第１面と共軸な屈折面、第３面R3は第２面R2に対して
チルトされた反射面、第４面R4、第５面R5は各々の前面
に対してシフト、チルトされた反射面、第６面R6は第５
面R5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６面R6までの各々の面はガラス、プラスチッ
ク等の媒質（透明体）の一部に形成され、一つの光学素
子を構成しており、図１０中では第１の光学素子B1とし
ている。

【００５７】従って、図１０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６面R6
まではある共通の媒質、第６面R6から結像面である第７
面R7までの媒質は空気で構成している。

【００５８】本発明に係る光学系は偏心光学系である為
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、本発明の実施形態においては先ず第１面Ｒ１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。

【００５９】そして、本発明の実施形態においては、第
１面Ｒ１の光線有効径の中心点Ｒｏを原点とすると共
に、原点と最終結像面Ｒ７の中心Ｒｏｏ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。更に、本実施形態中の基準軸は方向（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。

【００６０】本発明の実施形態においては、光学系の基
準となる基準軸を上記の様に設定したが、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、絞り又は入射瞳又は出射瞳又は光学系の第１面の
中心若しくは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。

【００６１】つまり、本発明の実施形態においては、基
準軸は第１面、即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
折面及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。

【００６２】従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。

【００６３】本発明の各実施形態の光学系を構成するチ
ルト面は基本的にすべてが同一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。

【００６４】Z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１０の紙面内）でZ 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１０の紙面
に垂直な直線）又、光学系を構成する第ｉ面の面形状を表すには、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を設定し
て、ローカル座標系でその面の面形状を表した方が形状
を認識する上で理解し易い為、本発明の構成データを表
示する実施形態では第ｉ面の面形状をローカル座標系で
表わす。

【００６５】又、第ｉ面のYZ面内でのチルト角は絶対座
標系のZ 軸に対して反時計回り方向を正とした角度θi
（単位°）で表す。よって、本発明の実施形態では各面
のローカル座標の原点は図１０中のYZ平面上にある。又
XZおよびXY面内での面の偏心はない。更に、第ｉ面のロ
ーカル座標(x,y,z) のy,z 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。

【００６６】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θ
i 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
線又、Diは第ｉ面と第(i+1) 面のローカル座標の原点間
の間隔を表すスカラー量、Ndi 、νdiは第ｉ面と第（ｉ
＋１）面間の媒質の屈折率とアッベ数である。

【００６７】又、本発明の実施形態のズーム光学系は複
数の光学素子を有し、それらの移動により全体の焦点距
離を変化させている（変倍をする）。本発明の数値デー
タを挙げた実施形態では広角端(W) 、望遠端(T) とこれ
らの中間位置(M) の三つの位置での光学系断面図、数値
データを示す。

【００６８】ここで、図１０の光学素子においてYZ面内
で光学素子が移動すると各変倍位置で値が変わるのは各
面の位置を表すローカル座標の原点（Yi、Zi）である
が、数値データを挙げた実施形態では変倍の為に移動す
る光学素子はZ 方向の移動のみとして表している為、座
標値Ziを光学系が広角端、中間、望遠端の状態の順にZi
(W) 、Zi(M) 、Zi(T) で表すこととする。

【００６９】尚、各面の座標値は広角端での値を示し、
中間、望遠端では広角端との差で記述する。具体的には
広角端(W) に対する中間位置(M) 、望遠端(T) での移動
量を各々a,b とすれば、以下の式で表す： Zi(M)=Zi(W)+a Zi(T)=Zi(W)+b 尚、a,b の符号は各面がZ プラス方向に移動する場合を
正、Z マイナス方向に移動する場合を負としている。
又、この移動に伴い変化する面間隔Diは変数であり、各
変倍位置での値を別表にまとめて示す。

【００７０】本発明のある実施形態の光学素子は球面及
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Riを記している。曲率半
径Riの符号は第１面から像面に進む基準軸（図１０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。

【００７１】ここで、球面は以下の式で表される形状で
ある：

【００７２】

【数１】又、本発明のある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す： A ＝(a+b)・(y²・cos²t+x²) B ＝2a・b・cos t[1+{(b-a)・y・sin t/(2a・b)}+〔1+{(b-a)
・y・sin t/(a・b)}-{y²/(a・b)}-{4a・b・cos²t+(a+b)²sin
²t}x²/(4a²b²cos²t)〕^1/2] として z＝A/B+C₀₂y²+C₁₁xy+C₂₀x²+C₀₃y³+C₁₂xy²+C₂₁x²y+C₀₄y⁴
+C₁₃xy³+C₂₂x²y²+C₃₁x³y+C₄₀x⁴+・・・・尚本発明における回転非対称な各面の形状は上記曲面式
のx に関して偶数次の項のみを使用し、奇数次の項を０
とすることによってyz面を対称面とする面対称な形状と
している。更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す。

【００７３】C03 ＝C21 ＝t ＝0 更に C02 ＝C20 C04＝C40 ＝C22/2 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。

【００７４】尚、本発明のある実施形態においては図１
０に示すように、その第１面Ｒ１（光学系の入射側）は
絞りである。又、水平半画角uYとは図１０のYZ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uX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。又、第１面である絞り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。尚、入射瞳は
第１面に位置する為上記絞り径は入射瞳径に等しい。

【００７５】又、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してい
る。

【００７６】又、構成データを挙げている実施形態につ
いては光学系のサイズを示している。そのサイズは広角
端における光線有効径によって定められるサイズであ
る。

【００７７】又、構成データを挙げている実施形態につ
いてはその横収差図を示す。横収差図は各実施形態の広
角端(W) 、中間位置(M) 、望遠端(T) の状態について、
絞りR1への水平入射角、垂直入射角が夫々(uY,uX),(0,u
X),(-uY,uX),(uY,0),(0,0),(-uY,0)となる入射角の光束
の横収差を示す。横収差図においては、横軸は瞳への入
射高さを表し、縦軸は収差量を表している。各実施形態
とも基本的に各面がyz面を対称面とする面対称の形状と
なっている為、横収差図においても垂直画角のプラス、
マイナス方向は同一となるので、図の簡略化の為に、マ
イナス方向の横収差図は省略している。

【００７８】以下、各実施形態について説明する。

【００７９】［実施形態１］尚、次に示す本発明のズー
ム光学系の実施形態１，２において、水平半画角uYとは
YZ面内において光学系の第一面R1に入射する光束の最大
画角、垂直半画角uXとはXZ面内において光学系の第一面
R1に入射する光束の最大画角である。又、絞りの直径を
絞り径として示している。

【００８０】又、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してい
る。

【００８１】図１は本発明のズーム光学系の実施形態１
のYZ面内での光学断面図である。本実施形態は所謂二群
型のズームレンズであり、変倍比約2 倍の撮像光学系で
ある。以下にその構成データを記す。

【００８２】尚、図１(A) は光学系が広角端の状態(W)
の配置図であり、図１(B) は光学系が中間の状態(M) の
配置図であり、図１(C) は望遠端の状態(T) の配置図で
ある。

【００８３】広角端中間望遠端水平半画角 19.1 13.0 9.8 垂直半画角 14.5 9.8 7.4 絞り径 2.00 3.00 4.00 像サイズ水平5.0mm ×垂直3.8mm 光学系のサイズ（X ×Y ×Z)＝広角端において 6.4 x 21.3 x 34.7 i Yi Zi(W) θi Di Ndi νdi 1 0.00 0.00 0.00 2.74 1 絞り 2 0.00 2.74 0.00 6.00 1.51633 64.15 屈折面 3 0.00 8.74 25.00 10.00 1.51633 64.15 反射面 4 -7.66 2.31 25.00 9.00 1.51633 64.15 反射面 5 -7.66 11.31 0.00 変数 1 屈折面 6 -7.66 19.15 0.00 8.50 1.51633 64.15 屈折面 7 -7.66 27.65 25.00 10.00 1.51633 64.15 反射面 8 -15.32 21.22 25.00 8.00 1.51633 64.15 反射面 9 -15.32 29.22 0.00 変数 1 屈折面 10 -15.32 34.22 0.00 1 像面広角端中間望遠端 D 5 7.83 1.54 1.00 D 9 5.00 8.41 8.97 D1〜 5面 Zi(M) = Zi(W) + 2.88 Zi(T) = Zi(W) + 2.87 D6〜 9面 Zi(M) = Zi(W) - 3.41 Zi(T) = Zi(W) - 3.97 D10面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W) 球面形状 R2面 r 2= -18.881 R5面 r 5= -7.631 R6面 r 6= -26.761 R9面 r 9= 18.295 非球面形状 R3面 C02=-1.91317e-02 C20=-4.01670e-02 C03= 2.36459e-04 C21= 9.91868e-04 C04=-7.77985e-06 C22=-5.54165e-05 C40= 3.02870e-05 R4面 C02= 3.65495e-03 C20= 8.27377e-03 C03= 4.25537e-04 C21= 3.49503e-03 C04=-9.14030e-05 C22= 1.12664e-03 C40= 2.17925e-04 R7面 C02=-7.61544e-03 C20=-1.95361e-02 C03= 1.67523e-04 C21=-6.31848e-05 C04= 3.65343e-05 C22= 3.17265e-05 C40= 4.72135e-06 R8面 C02= 1.74816e-02 C20= 2.84105e-04 C03= 1.83372e-05 C21=-6.22603e-04 C04= 1.46552e-05 C22= 4.33859e-05 C40= 7.18032e-05 図１において、B1、B2は２つの屈折面と複数の曲面反射
面を有する第1 及び第2 の光学素子である。第1 の光学
素子B1は物体側より順に、凹屈折面R2及び凹面鏡R3、凸
面鏡R4、凸屈折面R5の2 つの反射面及び2 つの屈折面よ
り構成される。第2 の光学素子B2は物体側より凹屈折面
R6及び凹面鏡R7、凹面鏡R8、凹屈折面R9の2 つの反射面
及び2 つの屈折面より構成される。P は最終像面である
撮像素子面であり、例えばCCD （撮像媒体）等の撮像面
である。

【００８４】BLは第1 の光学素子B1の物体側（光学系の
光束入射側）に配置した絞りであり、Ａ０はズーム光学
系の基準軸である。

【００８５】次に、物体位置を無限遠としたときの結像
作用について述べる。

【００８６】まず、物体からの光束は、絞りBLにより入
射光量を規制された後、第1 光学素子B1に入射する。第
1 光学素子B1では第２面R2で屈折、第 3面R3、第4 面 R
4 で反射、第 5面R5で屈折し、第1 の光学素子B1を出射
する。このとき、第4 面 R4と第 5面R5との間にて中間
結像面に一次結像する。

【００８７】この様に、一旦第1 の光学素子B1内に物体
像を結像することにより、絞りBLより像側に配置された
面の光線有効径の増大を抑制している。

【００８８】次に光束は第2 光学素子B2に入射する。第
2 光学素子B2では第6 面 R6 で屈折、第 7面R7、第8 面
R8で反射、第9 面R9で屈折し、第2 光学素子B2を出射す
る。このとき、第2 光学素子B2中の第7 近傍に瞳を形成
している。そして、第 2の光学素子B2を出射した光束は
第10面R10 （CCD 等の撮像媒体の撮像面P ）上に最終的
に結像する。

【００８９】この様に第1 及び第2 の光学素子B1及びB2
は、入出射面による屈折と、複数の曲面反射鏡による反
射を繰り返して、所望の光学性能を備える全体として正
のパワーを有するレンズユニットとして機能している。

【００９０】本実施形態において、光学系を構成する反
射面は、紙面内の曲率と紙面に垂直な方向の曲率が異な
る所謂アナモフィック面であり、ミラー光学系のケラレ
を防ぐ為に、各反射鏡を偏心して配置することによって
生じる偏心収差を補正している。

【００９１】更に、この反射面を回転非対称な面とする
ことにより、諸収差を良好に補正し、光学素子個々にて
所望の光学性能を達成している。

【００９２】尚、第１，第２の光学素子のうち少なくと
も一方を表面反射鏡より成る反射面を一体的に形成する
ようにしても良い。

【００９３】又、本実施形態においては、第2 の光学素
子B2と撮像素子面（結像面）P を移動することにより、
ズーム光学系の焦点距離（結像倍率）を変化させてい
る。（変倍或はズーミングと称される動作である。）
尚、第２の光学素子Ｂ２の代わりに第１の光学素子Ｂ１
を移動させても良い。

【００９４】次に、本実施形態における変倍動作につい
て説明する。

【００９５】図1 において、絞り面R1及び第1 の光学素
子B1は変倍に際して固定されている。第2 の光学素子 B
2 は広角端から望遠端への変倍に際してＺマイナス方向
に移動する。

【００９６】像面である第10面R10 は広角端から望遠端
への変倍に際して一旦Ｚマイナス方向に移動した後、Ｚ
プラス方向に移動する。そして、広角端から望遠端に向
っての変倍によって第１の光学素子B1と第２の光学素子
B2との間隔は狭まり、第2 の光学素子B2と像面R10 との
間は広がる。

【００９７】次に、この変倍動作による作用について図
２を用いて説明する。

【００９８】図２は第 1及び第2 の光学素子 B1,B2を夫
々単一の薄肉レンズとし、ズーム光学系をその基準軸Ａ
０に対して展開した光学配置図を示している。

【００９９】同図において、第1 の光学素子B1の焦点距
離をf1、第2 の光学素子B2の焦点距離をf2、とする。光
学系が広角端の状態の場合、第2 の光学素子B2の前側焦
点F2から一次結像面N1までの距離をxW(-)、後側焦点 F2'
から結像面Pまでの距離を xW'とする。（尚、W やT は
夫々光学系が広角端、望遠端の場合の値を意味してい
る。）ニュートンの結像公式により xW＊xW' ＝−f2^2 が成り立っているならば、第２の光学素子B2の結像倍率
β2Wは、 β2W＝−（xW' ＋f2）／（−xW＋f2）＝f2/xW ＝−xW'/f2 (1) と、又広角端の焦点距離fWは、 fW＝ f1*β2W ＝f1*f2/xW (2) となる。

【０１００】次に本実施形態における広角端から望遠端
への変倍は、第1 光学素子B1を変倍に際して固定してい
る為、第2の光学素子B2の移動により第2 の光学素子B2
の結像倍率を変化させ、移動に伴う最終結像位置の変動
を最終結像位置P の位置を変化させる事により補正して
いる。

【０１０１】第2 の光学素子B2がある一定量Δだけ移動
して広角端(W) から望遠端(T) へ変倍したとすると、第
2 の光学素子B2の前側焦点F2から中間結像面N1までの距
離xT(-) 、広角端 (W)における距離xWと第2 光学素子B2
の移動量Δとの和、即ち xT＝xW+ Δ (3) となる。

【０１０２】次に後側焦点F2' から結像位置までの距離
xT' は、ニュートンの式から、 xT'＝f2^2／xT ＝−f2^2／(xW ＋Δ) (4) となるので、第2 の光学素子B2の移動量Δに対する最終
結像位置P の移動量ηは、 η＝xW＋xW' −(xT ＋xT') ＝xW＋xW' −(xW ＋Δ−f2^2／(xW ＋Δ)) ＝xW' −Δ＋f2^2／(xW ＋Δ) (5) と表現することができる。

【０１０３】また望遠端における倍率β2Tは、 β2T＝（xT' ＋f2) ／( −xT＋f2）＝f2／xT ＝−xT' ／f2 (6) であるので、望遠端の焦点距離fTは、 fT＝ f1*β2T ＝f1＊f2／xT (7) ゆえに変倍比Ｚは、Ｚ＝fT／fW ＝xW／xT ＝xW／(xW ＋Δ) (8) である。

【０１０４】この様に、第2 の光学素子B2と撮像素子面
P を(5) 式の関係を満足させつつ移動させることによ
り、焦点距離（結像倍率）を変化する事が可能である。

【０１０５】次に、実施形態１における合焦（フォーカ
シング）動作は、ズーム光学系を構成する任意の光学素
子若しくは結像面を移動させることにより達成可能であ
るが、フォーカシング用のアクチュエーターの負荷を考
えると、最も重量が軽い部材を移動することが好まし
い。

【０１０６】又、撮影する被写体までの距離に対して光
学素子の移動量を変倍によらず一定にしたい場合には、
最も物体側に配置した第1 の光学素子B1を移動させれば
良い。

【０１０７】尚、変倍時に移動する第2 の光学素子B2を
フォーカシングの際にも移動させることにより変倍用ア
クチュエーターとフォーカシング用アクチュエーターの
共通化が図れる。

【０１０８】図３，４，５は本実施形態の横収差図であ
る。これらの横収差図は本実施形態への光束の入射角が
夫々(uY,uX),(0,uX),(-uY,uX),(uY,0),(0,0),(-uY,0)の
６つの光束について、Y 方向及び X方向の横収差を示し
ている。尚、各横収差図の横軸は夫々第 1面におけるY
方向、 X方向の入射光束の入射高さである。

【０１０９】図３は本実施形態の広角端(W) の横収差
図、図４中間位置 (M)の横収差図、図５望遠端 (T)の横
収差図である。

【０１１０】本実施形態では図から判るように各状態と
もバランスの取れた収差補正が得られている。又、本実
施形態は像サイズ5x3.8mm を前提として、光学系の長
さ、幅、厚さの寸法が34.7x 21.3x6.4mm程度となってお
り、コンパクトである。とりわけ本実施形態では各光学
素子及び光学系全体の厚さが小さいこと、及び各光学素
子を板状のブロックの側面に反射面を形成して構成でき
るので、一つ基板上に一つ光学素子と結像面を基板面に
沿って移動する機構をとれば、全体として薄型のズーム
レンズを容易に構成することができる。

【０１１１】本実施形態の効果を説明する。

【０１１２】本実施形態においては変倍時に移動する反
射面がユニット化されている為に、従来のミラー光学系
において最も精度が要求される各反射面の相対的な位置
精度は保証されている。そこで本実施形態では第1の光
学素子B1及と第2 の光学素子B2間の位置精度を確保すれ
ば良く、従来の屈折レンズ系における移動レンズ群と同
様な位置精度で良いことになる。

【０１１３】屈折レンズ系に比して、各光学素子を複数
の曲面反射面が一体的に形成されたレンズユニットとし
て構成している為に、光学系全体の部品点数が少なくな
り、光学系の低コスト化が達成出来るとともに、部品の
取り付けによる累積誤差も少なくなる。

【０１１４】複数回の結像を行いながら、物体像を伝達
して行く構成を取ることにより、各面の光線有効径を小
さく抑え、各光学素子及び撮影光学系全体のコンパクト
化を達成している。

【０１１５】又、中間結像の結像サイズを撮像素子面サ
イズに対して比較的小さく設定する事により、物体像の
伝達に際して各面の光線有効径を小さく押さえている。

【０１１６】従来の撮影光学系の場合、絞りを光学系の
内部に配置する場合が多く、絞りを光学系の内部に配置
した場合には、絞りより物体側に配置されたレンズの光
線有効径は、絞りとの間隔が離れているほど、画角の拡
大に伴って大きくなってしまう問題点があった。

【０１１７】本実施形態においては、絞りBLをズーム光
学系の物体側の第1 の光学素子B1の入射面近傍に設置す
ることにより、ズーム光学系の焦点距離を広角化した時
に生じるズーム光学系の前群の光線有効径の拡大を押さ
えている。

【０１１８】そして各光学素子内に物体像を結像するこ
とにより、絞りBLより像側に配置された面の光線有効径
の増大を効果的に抑制している。

【０１１９】第1 の光学素子B1及び第2 の光学素子B2の
基準軸は全てYZ平面内にある。従って、各光学素子の移
動をYZ平面と平行な面上に設定することにより、第1の
光学素子B1及び第2 の光学素子B2が変倍に際して移動し
ても、基準軸を含むYZ平面と各光学素子が移動する平面
との平行度は容易に保たれ、各光学素子B1,B2 のＸ軸方
向の平行偏心及びＹ軸、Ｚ軸回りの回転を除去すること
は容易である。

【０１２０】但し、基準軸を含むYZ平面と両光学素子が
移動する平面とが傾いていても、基準軸を含むYZ平面が
変倍に際して移動する方向ベクトルと移動平面が平行で
あれば、偏心収差が発生することは無い。

【０１２１】各光学素子は一平面上に配置されているの
で、各光学素子を一方方向から組み込む構造を容易にと
ることが出来、組立が非常に容易になる。

【０１２２】尚、本実施形態では、1 次結像面N1が第1
の光学素子B1の内部に形成されているが、第1 の光学素
子B1と第2 の光学素子B2の中間に形成されていても良
い。

【０１２３】又、変倍時における光学素子の移動方向
は、広角端から望遠端への移動に際して各反射面におけ
る基準軸の入射点位置を変えなければ、変倍時に生じる
誤差を最少限にとどめられるので、各光学素子B1,B2 に
入射、出射する基準軸の方向を平行にするとともに、各
光学素子の移動も該光学素子に入射、出射する基準軸線
上に沿って平行に移動している。

【０１２４】本実施形態においては、各光学素子に入射
・出射する基準軸方向が平行な光学素子を構成する場
合、入射方向に対して出射方向を同方向とするか、反対
方向とするかの二種類のパターンが考えられる。

【０１２５】入射方向に対して出射方向を反対方向とし
た場合、光学素子の移動に伴って入射側及び出射側の間
隔が移動量と同一量変化する為に、全体として移動量の
2 倍分だけ光路長を変化させることが可能となる。

【０１２６】又、入射方向に対して出射方向を同方向と
した場合、入射した基準軸と出射する基準軸の位置を所
望の位置にシフトすることが可能となる。

【０１２７】本実施形態は上記2 種類のパターンで構成
することが可能なので、本実施形態では光学配置上の自
由度を増すことが出来る。

【０１２８】しかしながら、光学素子の移動方向は2 つ
の光学素子への入射、出射する基準軸方向と平行である
必要はなく、例えば光学系へ入射する基準軸の方向と移
動光学素子の移動方向が、30゜、45゜、60゜等のある角
度をなしていても良い。

【０１２９】［実施形態２］図６は本発明のズーム光学
系の実施形態２のYZ面内での光学断面図である。本実施
形態は所謂三群型のズームレンズであり、変倍比約3 倍
の撮像光学系である。以下にその構成データを記す。

【０１３０】尚、図６(A) は光学系が広角端の状態(W)
の配置図であり、図６(B) は光学系が中間の状態(M) の
配置図であり、図６(C) は望遠端の状態(T) の配置図で
ある。

【０１３１】広角端中間望遠端水平半画角 26.0 18.0 9.2 垂直半画角 20.0 13.6 6.9 絞り径 2.00 2.50 3.00 像サイズ水平4.9mm ×垂直3.8mm 光学系のサイズ(X×Y ×Z)＝広角端において 11.4x94.1x39.4 i Yi Zi(W) θi Di Ndi νdi 1 0.00 0.00 0.00 変数 1 絞り 2 0.00 -3.00 0.00 7.00 1.51633 64.15 屈折面 3 0.00 -10.00 28.00 11.00 1.51633 64.15 反射面 4 9.12 -3.85 14.00 11.00 1.51633 64.15 反射面 5 14.28 -13.56 0.00 11.00 1.51633 64.15 反射面 6 19.45 -3.85 -14.00 11.00 1.51633 64.15 反射面 7 28.57 -10.00 -28.00 7.00 1.51633 64.15 反射面 8 28.57 -3.00 0.00 変数 1 屈折面 9 28.57 14.26 0.00 8.00 1.51633 64.15 屈折面 10 28.57 22.26 -28.00 11.00 1.51633 64.15 反射面 11 37.69 16.11 -14.00 11.00 1.51633 64.15 反射面 12 42.85 25.82 0.00 11.00 1.51633 64.15 反射面 13 48.01 16.11 14.00 11.00 1.51633 64.15 反射面 14 57.13 22.26 28.00 10.00 1.51633 64.15 反射面 15 57.13 12.26 0.00 変数 1 屈折面 16 57.13 5.26 0.00 10.00 1.51633 64.15 屈折面 17 57.13 -4.74 28.00 11.00 1.51633 64.15 反射面 18 66.25 1.41 14.00 11.00 1.51633 64.15 反射面 19 71.42 -8.30 0.00 11.00 1.51633 64.15 反射面 20 76.58 1.41 -14.00 11.00 1.51633 64.15 反射面 21 85.70 -4.74 -28.00 8.00 1.51633 64.15 反射面 22 85.70 3.26 0.00 変数 1 屈折面 23 85.70 13.86 -0.00 1 像面広角端中間望遠端 D 1 3.00 3.00 3.00 D 8 17.26 15.09 12.59 D15 7.00 4.83 2.33 D22 10.60 13.54 21.67 D1〜 1面 Zi(M) = Zi(W) - 2.94 Zi(T) = Zi(W) - 11.06 D2〜 8面 Zi(M) = Zi(W) - 2.94 Zi(T) = Zi(W) - 11.06 D9〜15面 Zi(M) = Zi(W) - 5.12 Zi(T) = Zi(W) - 15.74 D16〜22面 Zi(M) = Zi(W) - 2.94 Zi(T) = Zi(W) - 11.06 D23面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W) 球面形状 R2面 r 2=∞ R8面 r 8=∞ R9面 r 9= -26.000 R15面 r15= -30.000 R16面 r16= 30.000 R22面 r22=∞ 非球面形状 R3面 C02= 2.44499e-02 C20= 2.75157e-02 C03= 1.45859e-04 C21= 2.72919e-04 C04= 4.35506e-06 C22= 4.84214e-05 C40=-2.80587e-05 R4面 C02= 9.33381e-03 C20= 1.89178e-02 C03=-1.23387e-03 C21=-1.49301e-03 C04= 1.12090e-04 C22= 2.09854e-04 C40=-1.67990e-04 R5面 C02= 2.49279e-02 C20= 3.32521e-02 C03=-6.83648e-05 C21= 4.50510e-05 C04= 2.36929e-05 C22= 6.60670e-05 C40= 4.63548e-05 R6面 C02= 2.80846e-02 C20= 4.51122e-02 C03= 4.69190e-04 C21= 7.18496e-03 C04= 4.63253e-05 C22= 8.19783e-04 C40= 7.46789e-04 R7面 C02= 2.24950e-02 C20= 3.26223e-02 C03=-1.28259e-05 C21= 1.20287e-04 C04= 1.70764e-05 C22= 1.99071e-05 C40= 4.56660e-05 R10面 C02=-1.85321e-02 C20=-3.55795e-02 C03=-9.52709e-05 C21=-8.45572e-04 C04= 6.78869e-06 C22=-3.47748e-05 C40=-6.08816e-05 R11面 C02= 4.83395e-04 C20= 3.29864e-02 C03= 3.42701e-04 C21= 1.90412e-03 C04=-6.29724e-05 C22= 2.69461e-05 C40= 3.87401e-05 R12面 C02=-2.00920e-02 C20=-3.30804e-02 C03=-1.18516e-04 C21= 2.26788e-04 C04=-2.11278e-05 C22=-1.07562e-04 C40=-4.37345e-05 R13面 C02=-6.25834e-03 C20=-1.72074e-02 C03=-2.65746e-04 C21=-9.76857e-04 C04=-6.04066e-05 C22= 3.92791e-05 C40=-6.77933e-05 R14面 C02=-2.03026e-02 C20=-1.38319e-02 C03=-1.56582e-04 C21=-4.34649e-04 C04=-2.48357e-05 C22= 4.66902e-06 C40= 1.65898e-05 R17面 C02= 1.58016e-02 C20= 1.93096e-02 C03= 1.29465e-04 C21= 4.06481e-04 C04= 3.25388e-06 C22= 8.70161e-06 C40= 2.07235e-05 R18面 C02= 2.60144e-02 C20= 4.84881e-02 C03=-7.52023e-04 C21= 5.24980e-03 C04= 8.92761e-05 C22=-2.91207e-04 C40= 6.11387e-04 R19面 C02= 2.09707e-02 C20= 2.41342e-02 C03=-1.55662e-04 C21= 5.91129e-04 C04= 2.04612e-05 C22= 2.47885e-05 C40= 3.17668e-05 R20面 C02= 1.60100e-02 C20= 2.37145e-02 C03=-6.18879e-04 C21= 1.80005e-03 C04= 6.48447e-05 C22= 2.54838e-04 C40= 2.97835e-04 R21面 C02= 1.65909e-02 C20= 2.32003e-02 C03=-1.04921e-04 C21=-6.26765e-05 C04= 5.30580e-06 C22= 1.67866e-05 C40= 2.20098e-05 図６において、B1，B2，B3は夫々複数の曲面反射面を有
する第1 、第2 第 3の光学素子であり、第1 の光学素子
B1は物体側より順に、平面R2、凹面鏡R3、凸面鏡R4、凹
面鏡R5、凸面鏡R6、凹面鏡R7、平面R8の５つの反射面と
2つの屈折面より構成され、全体として正の屈折力を持
ち、第１の光学素子B1に入射する基準軸Ａ０の方向と、
これから出射する基準軸の方向が平行でかつ反対方向と
なっている。

【０１３２】第２の光学素子B2は物体側より順に、凹屈
折面R9、凹面鏡R10 、凸面鏡R11 、凹面鏡R12 、凸面鏡
R13 、凹面鏡R14 凹屈折面 R15の5 の反射面と 2つの屈
折面より構成され、全体として正の屈折力を持ち、第２
の光学素子B2に入射する基準軸Ａ０の方向と、これから
出射する基準軸の方向が平行でかつ反対方向となってい
る。

【０１３３】第３の光学素子B3は物体側より順に、凹屈
折面R16 、凹面鏡R17 、凸面鏡R18凹面鏡 R19、凸面鏡R
20 、凹面鏡R21 平面 R22の5 の反射面と 2つの屈折面
より構成され、全体として正の屈折力を持ち、第３の光
学素子B3に入射する基準軸の方向と、これから出射する
基準軸の方向が平行でかつ反対方向となっている。

【０１３４】Ｐは撮像素子面であり、例えばCCD （撮像
媒体）等の撮像面である。BLは第１の光学素子B1の物体
側に配置した絞りである。

【０１３５】尚、第１，第２，第３の光学素子のうち少
なくとも１つを表面反射鏡より成る複数の反射面を一体
的に形成しても良い。

【０１３６】以下、物体位置を無限遠としたときの結像
作用について述べる。

【０１３７】物体からの光束はまず絞りBLにより入射光
量を規制された後、第1 の光学素子B1に入射する。第1
の光学素子B1内では第2 面R2で屈折、第3 面 R3 、第 4
面R4、第5 面 R5 、第 6面R6、第7 面R7で反射し、第 8
面R8で屈折し、第1 の光学素子B1を出射する。

【０１３８】ここで、光束は第4 面R4近傍に1 次結像す
る。更に、第1 の光学素子B1と第2の光学素子B2との間
に2 次結像する。次に光束は第2 の光学素子B2に入射す
る。第2 の光学素子B2内では第9 面R9で屈折、第10面R1
0 、第11面R11 、第 12 面 R12、第13面R13 、第 14 面
R14で反射し、第15面Ｒ１５で屈折し、第 2の光学素子
B2を出射する。ここで光束は第12面R12 と第13面R13 間
に 3次結像面を有する。更に光束は第15面R15 近傍に瞳
を形成している。

【０１３９】次に第2 の光学素子B2を出射した光束は第
3 の光学素子B3に入射する。第3 の光学素子B3内では第
16面R16 で屈折、第17面R17 、第18面R18 、第 19 面 R
19、第20面R20 、第 21 面 R21で反射し、第22面R22 で
屈折し、第3 光学素子 B3 を出射する。ここで、光束は
第 17 面 R17と第18面R18 との間に4 次結像面を有す
る。

【０１４０】最後に第3 の光学素子B3を出射した光束は
最終結像面である第23面R23 (CCD等の撮像媒体の撮像
面）上に結像する。

【０１４１】本実施形態においては、特に図６中のZ 方
向の長さを短縮する為に、各光学素子により光路を効果
的に折りたたみ、Z 方向の長さを著しく短縮する配置を
採っている。

【０１４２】即ち、第1 〜第3 の光学素子B1〜 B3 の全
てを入射する基準軸の方向と、これから出射する基準軸
の方向が平行でかつ反対方向となる構成の光学素子と
し、この光学素子を互い違いに配置する事により、入射
方向即ち図６中のZ 方向の長さを短縮している。

【０１４３】以上の様に、本実施形態においては、各光
学素子を適切に配置する事により、光路を効果的に折り
たたみ、光学系を任意方向（本実施形態ではZ 方向の長
さ）に短縮することが可能となる。

【０１４４】又、光学系に入射する基準軸の方向は、例
えば絞りBLの物体側に45゜ミラー等を配置し、紙面に対
して垂直から基準軸を入射させても良い。

【０１４５】更に本実施形態では、第1 の光学素子B1は
変倍中固定なので、第1 の光学素子B1と入射する基準軸
を折り曲げる反射面をあらかじめ一体的に成形していて
も良い。

【０１４６】次に、変倍動作に伴なう各光学素子の移動
について説明する。

【０１４７】本実施形態においては、絞り面R1、第1 の
光学素子B1及び第2 の光学素子B2は変倍に際して固定さ
れている。

【０１４８】変倍に際して移動する部材は、第3 の光学
素子B3及び結像面P であり、第3 の光学素子B3は広角端
から望遠端への変倍に際してＺマイナス方向に移動す
る。そして像面である第23面R23は広角端から望遠端へ
の変倍に際して第 3の光学素子B3の移動と異なる移動量
にてＺマイナス方向に移動する。

【０１４９】そして、広角端から望遠端に向っての変倍
によって第2の光学素子B2と第3 の光学素子B3との間隔
は狭まり、第3 の光学素子B3と像面R23 との間は広が
る。又、この変倍動作による作用については、変倍中固
定の第1 の光学素子B1と第2 の光学素子B2とを合成し、
変倍中に移動しない一つの固定群と考えれば、実施形態
１にて説明したものと同等の考え方ができる為、ここで
は省略する。

【０１５０】次に図７，８，９は本実施形態の横収差図
である。

【０１５１】本実施形態では図からわかるように各焦点
距離においてバランスのとれた収差補正が得られてい
る。

【０１５２】本実施形態においてフォーカスは第１，第
２，第３の光学素子のうち少なくとも１つ又は結像面を
移動させて行っている。

【０１５３】又、本実施形態は像サイズ4.9x3.8mm を前
提として、光学系の長さ、幅、厚さの寸法が約3 9.4x9
4.1x11.4mm 程度となっている。本実施形態において
は、光学系の厚さが小さいこと、及び一つの基板上に3
つの光学素子をマウントし、そのうちの1 つの光学素子
と結像面を基板面に沿って移動する構成をとれば、全体
として薄型のズームレンズを容易に構成することができ
る。

【０１５４】

【発明の効果】本発明によれば以上のように各要素を設
定することにより、特に複数の曲面や平面の反射面を一
体的に形成した光学素子を複数用い、該複数の光学素子
のうちの少なくとも１つの光学素子と結像面とを移動さ
せてズーミングを行うことにより、ミラー光学系全体の
小型化を図りつつ、又ミラー光学系にありがちな反射ミ
ラーの配置精度（組立精度）を緩やかにしたズーム光学
系及びそれを用いた撮像装置を達成することができる。

【０１５５】又、絞りを光学系の最も物体側に配置し、
且つ該光学系の中で物体像を少なくとも１回結像させる
構成とすることにより、広画角の反射型のズーム光学系
でありながら、光学系の有効径の縮小化を図ること、そ
して該光学素子を構成する複数の反射面に適切な屈折力
を与え、各光学素子を構成する反射面を偏心配置するこ
とにより、光学系内の光路を所望の形状に屈曲し、該光
学系の所定方向の全長の短縮化を図ったズーム光学系及
びそれを用いた撮像装置を達成することができる。

【０１５６】この他本発明によれば、（ａ−１）曲率を有する複数の反射面を一体に形成し
た光学素子を複数個有する光学系において、該複数の光
学素子のうちの少なくとも１つの光学素子と結像面とを
移動させて、光学系の変倍（ズーミング）及びフォーカ
シングを行う構成とすることにより、変倍時に移動する
反射面がユニット化されている為に、従来のミラー光学
系における変倍動作に比して、最も精度が要求される各
反射面の相対的な位置精度を保証することが出来るの
で、変倍に伴なう光学性能の劣化を防ぐことが出来る。

【０１５７】（ａ−２）反射面が一体の上に形成され
た光学素子を用いる為に、光学素子自体が鏡筒の役目を
果たすので、従来の鏡筒に比べて著しく簡単なマウント
部材で済む。

【０１５８】（ａ−３）屈折レンズ系に比して、各光
学素子を曲率を有する複数の面が一体的に形成されたレ
ンズユニットとしている為に、撮影系全体の部品点数を
少なくすることが出来る。従って部品点数の点から撮影
系の低コスト化が達成出来る。

【０１５９】更に、撮影系全体の部品点数を少なくする
ことが出来る為、部品の取り付けによる累積誤差を少な
くし、光学性能の劣化を防ぐことが出来る。

【０１６０】（ａ−４）光学素子上の各反射面を適切
な位置に偏心配置することにより、光学系内の光路を所
望の形状に屈曲し、光学系の全長方向の短縮化を達成で
きる。

【０１６１】（ａ−５）変倍に際して固定の光学素子
を設けることにより、基準軸の一部を基準軸の殆どを含
む平面に対して任意角度傾けることができ、カメラの形
態に自由度を増すことが出来る。

【０１６２】（ａ−６）多数回の結像を繰り返して物
体像を伝達して行く構成を採ることにより、各面の光線
有効径を小さく抑え、撮影光学系全体のコンパクト化を
達成している。

【０１６３】（ａ−７）中間結像面の結像サイズを撮
像素子面サイズに比して比較的小さく設定することによ
り、物体像の伝達に際して各面の光線有効径を小さく抑
えることができる。

【０１６４】（ａ−８）変倍に際して移動する光学素
子中の基準軸をはじめ、殆どの基準軸を含む平面と平行
に光学素子が移動する平面を設定することにより、光学
素子が変倍に際して移動しても、基準軸を含む平面と各
光学素子が移動する平面との平行度が容易に保たれる。
従って、変倍に際して移動する光学素子の移動平面と基
準軸を含む平面との傾きによって生じる偏心収差の発生
を除去している。

【０１６５】（ａ−９）変倍時における光学素子の移
動は一平面上にて行われるので、移動方向に垂直な方向
の平行偏心は容易に防ぐことができる。又、移動平面に
垂直な面内の回転は原理的に除去できる。

【０１６６】（ａ−１０）各光学素子は一平面上に配
置されているので、各光学素子を一方方向から組み込む
ことができ、組み立てが容易となり、組み立てコストを
低減することができる。

【０１６７】（ａ−１１）光学系に配置される絞りを
光学系の物体側に配置することにより、光学系を広画角
化してもレンズ径が大きくならないズームレンズを達成
することができる。等の少なくとも１つの効果を有した
反射型のズーム光学系及びそれを用いた撮像装置を達成
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１のＹＺ面内での光学断面図

【図２】実施形態１の変倍動作を説明する為の説明図

【図３】実施形態１の横収差図（広角端）

【図４】実施形態１の横収差図（中間位置）

【図５】実施形態１の横収差図（望遠端）

【図６】本発明の実施形態２のＹＺ面内での光学断面図

【図７】実施形態２の横収差図（広角端）

【図８】実施形態２の横収差図（中間位置）

【図９】実施形態２の横収差図（望遠端）

【図１０】本発明に係る光学系の構成データを定義する
座標系の説明図

【図１１】カセグレン式反射望遠鏡の基本構成図

【図１２】ミラー光学系における、主光線を光軸から離
しケラレを防止する第一の方法の説明図

【図１３】ミラー光学系における、主光線を光軸から離
しケラレを防止する第二の方法の説明図

【図１４】従来の反射ミラーを用いたズーム光学系の概
略図

【図１５】プリズム反射面に曲率を持った観察光学系の
概略図

【図１６】他のプリズム反射面に曲率を持った観察光学
系の概略図

【符号の説明】 Ri，Rm,n 面 Bi 第i の光学素子 Di 基準軸に沿った面間隔 Ndi 屈折率 νdi アッベ数 A0 基準軸 BL=R1 絞り P 最終像面 Ni 中間結像面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中常文東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者猿渡浩東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者木村研一東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者難波則広東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明体の表面に２つの屈折面と複数の反
射面を形成し、光束が１つの屈折面から該透明体の内部
へ入射し、該複数の反射面で反射を繰り返して別の屈折
面から射出するように構成された光学素子又は／及び表
面反射鏡より成る複数の反射面を一体的に形成し、入射
光束が該複数の反射面で反射を繰り返して射出するよう
に構成された光学素子とを複数有し、該複数の光学素子
を介して物体の像を結像面上に結像すると共に、該複数
の光学素子のうち、少なくとも１つの光学素子と該結像
面を移動することによりズーミングを行うことを特徴と
するズーム光学系。
【請求項２】前記移動を行う光学素子は、入射する基
準軸と出射する基準軸が平行であることを特徴とする請
求項１のズーム光学系。
【請求項３】前記移動を行う光学素子は、１つの移動
平面上にて平行に移動することを特徴とする請求項２の
ズーム光学系。
【請求項４】前記移動を行う光学素子は、入射する基
準軸と出射する基準軸の方向が同方向を向いていること
を特徴とする請求項２又は３のズーム光学系。
【請求項５】前記移動を行う光学素子は、入射する基
準軸と出射する基準軸の方向が反対方向を向いているこ
とを特徴とする請求項２又は３のズーム光学系。
【請求項６】前記移動を行う少なくとも１つの光学素
子若しくは結像面のうちの１つを移動してフォーカシン
グすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に
記載のズーム光学系。
【請求項７】前記移動を行う少なくとも１つの光学素
子以外の光学素子を移動してフォーカシングすることを
特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のズーム
光学系。
【請求項８】前記ズーム光学系は、その光路の中で少
なくとも１回、物体像を中間結像することを特徴とする
請求項１〜７のいずれか１項に記載のズーム光学系。
【請求項９】前記複数の反射面の内、曲面の反射面は
すべてアナモフィック面の形状であることを特徴とする
請求項１〜８のいずれか１項に記載のズーム光学系。
【請求項１０】前記移動を行う光学素子の基準軸が、
すべて１つの平面上にあることを特徴とする請求項１〜
９のいずれか１項に記載のズーム光学系。
【請求項１１】前記移動を行う光学素子以外の光学素
子の基準軸の少なくとも一部が前記平面上にあることを
特徴とする請求項１０のズーム光学系。
【請求項１２】前記複数の光学素子のうちの少なくと
も１つの光学素子は、基準軸と反射面の交点における該
反射面の法線が、前記光学素子が移動する移動平面に対
して傾いている反射面を有していることを特徴とする請
求項１〜１１のいずれか１項に記載のズーム光学系。
【請求項１３】物体からの光束が最初に入射する光学
素子は、物体側から数えて第１の反射面より物体側に入
射瞳が位置していることを特徴とする請求項１〜１２の
いずれか１項に記載のズーム光学系。
【請求項１４】請求項１〜１３のいずれか１項記載の
ズーム光学系を有し、撮像媒体の撮像面上に物体の像を
結像することを特徴とする撮像装置。