JPH11109243A - 光学素子及びそれを用いた光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 物体像を中間結像を介して最終像面に良好な
る光学性能を有して結像させることができる光学素子及
びそれを用いた光学装置を得ること、及び、該中間結像
面近傍にノイズ発生源が存在する場合、該ノイズ発生源
の画像への影響を少なくすること。 【解決手段】 物体像を最終像面に至る前の光路中の中
間結像面に少なくとも１回結像させる物体側結像要素お
よび中間結像面に形成した物体像を最終像面に再結像さ
せる像側結像要素を含み、該物体像を最終像面に結像さ
せる光学素子を備え、該物体側結像要素又は該像側結像
要素の少なくとも一方はオフアキシャル曲面を含むオフ
アキシャル光学系より成り、該物体側結像要素と像側結
像要素の双方の諸収差を制御して、該中間結像面近傍に
ノイズ発生源が存在する場合に、最終像面上で該ノイズ
発生源による光強度分布の擾乱を平坦化していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学素子及びそれを
用いた光学装置に関し、例えば装置全体の小型化を図り
つつ、物体の像を最終像面に結像させる例えばビデオカ
メラ、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、物体の像を最終像面に結像さ
せる光学装置（以下「光学系」ともいう。）において
は、倒立実像系が光学系として主として用いられてい
る。

【０００３】一方、第１面から最終像面までの光路長が
長い光学系において、該光学系の断面を小さくしたい時
や正立像が得たい場合などには中間結像をする光学系が
用いられている。

【０００４】図６（Ａ）から図６（Ｃ）には、そうした
光学系の概念図を示している。図６（Ａ）は共軸系での
中間結像の場合での概念図である。

【０００５】図中１は物体面、５は光学系であり、レン
ズ系Ｌ１，Ｌ３，Ｌ２より成っている。２は中間結像面
であり、レンズ系Ｌ３の内部に位置している。３は最終
像面である。

【０００６】同図において物体１からの光束はレンズ系
Ｌ１で集光され、レンズ系Ｌ３の中部の中間結像面２に
結像し、その後レンズ系Ｌ２によって最終像面３に正立
の物体像を形成している。

【０００７】ここで、レンズ系Ｌ１は物体面１の像をレ
ンズ系Ｌ３中の中間結像面２に結像させる物体側結像要
素を構成させている。レンズ系Ｌ２は中間結像面２の像
を最終像面３に再結像させる像側結像要素を構成してい
る。

【０００８】これら部分要素が結像光学系５の一部を構
成している。ここでレンズ系Ｌ３は中間結像面２付近の
光学系を概念的に表わしており、具体的にはフィールド
レンズやプリズムブロック等が対応している。

【０００９】図６（Ｂ）は屈折率分布媒質を用いた正立
実像結像系の要部断面図である。同図において物体１か
らの光束は結像光学系（光学系）５の前半部分１０で集
光された中間結像面に結像し、その後、結像光学系５の
後半部分１１によって最終結像面３に物体像を形成して
いる。この場合、前半部分１０は物体側結像部分要素を
構成し、後半部分１１は像側結像要素を構成し、これら
は一体になって結像光学系５を構成している。こうした
屈折率分布媒質を用いた正立実像結像系のうち、正立等
倍結像系はこうした結像系をレンズアレイとしたものが
複写機等で用いられている。

【００１０】図６（Ｃ）は特開平８−２９２３７１号公
報に開示されている非共軸光学系での中間結像を持つ場
合の光学装置の要部概略図である。同図において物体１
からの光束は絞り４を通過後、光学素子５の入射面１０
−１より屈折入射し、凹面反射面１０−２で反射した後
に中間結像面２に結像する。中間結像面２からの光束
は、その後、反射面１１−１，１１−２，１１−３で反
射し、出射面１１−４より出射して最終像面３に物体像
を形成している。

【００１１】この図においては、共軸系の光軸に対応す
るものとして、基準軸（８―１から８―５）の概念が用
いられている。これは、物体面１の中心と絞り４の中心
を通る基準波長の光線の光路として定義されるものであ
る。

【００１２】こうした光学系は、光軸に対応する基準軸
が構成面と交わる点において、基準軸と面法線が一致せ
ず、0 でない有限の角度をなす面を含むので、Ｏｆｆ−
Ａｘｉａｌ光学系とよばれる（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学
系の定義）。この場合においても、物体側結像要素を構
成する前方要素１０（面１０―１、１０―２）と像側結
像要素を構成する後方要素１１（面１１―１、１１―
２、１１―３、１１―４）は一体になって結像光学系５
を構成している。

【００１３】なお、こうした非共軸、Ｏｆｆ−Ａｘｉａ
ｌ光学系については特開平９―５６５０号公報におい
て、面形状の設定方法や近軸量の計算方法がＯｆｆ−Ａ
ｘｉａｌ光学系の性質とともに詳しく述べられている。

【００１４】なお、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）には、簡単
のためいずれも中間結像は1 回で表現してあるが、複数
回（２回以上）中間結像して最終像面に結像するものも
知られている。

【００１５】一般に、こうした中間結像をする光学系に
おいては、中間結像面での球面収差等の結像性能を保っ
ておき、これを伝送することで最終像面での結像性能を
保とうとする設計手法がとられている。この手法は通常
の設計手法を複数回使うだけなので概念的にもわかりや
すく、設計もしやすい。また、自動設計の手法を用いて
設計を行なう場合には、一般に中間結像面での結像特性
は全く考慮せず、最終像面での結像特性だけを考慮した
設計が行なわれることもある。

【００１６】しかし、そうした場合であっても、中間結
像での球面収差等の結像特性はそこそこに保たれた解に
一般的にはたどり着く。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】一般に光学素子内には
ゴミ等の異物や泡が存在する。これらの粒径は様々であ
るが、ガラス工業会規格では光学素子内の30μm 以上の
泡にたいして泡の規格がある。特殊眼視系レンズでは30
μm 以下の微細な泡や異物も問題となることがあり、そ
の際には特別な検査が必要である。

【００１８】また、裸眼による泡や異物の検出は5 μm
程度が限界となり、粒径が100 μmの程度になると目視
で検出できる様になる。また、表面反射鏡においても、
表面にできた傷や付着物等は光学性能を劣化させる要因
となり検査が必要である。問題となる光学素子内に存在
する泡や異物の粒径や、表面反射面上の疵の幅や付着物
等の大きさは設計仕様や製造コストの面で様々である
が、製造コストを重視すれば、目視で検出できる100 μ
m以上の泡や異物、又は、表面反射面上の疵や付着物等
が多く存在すれば不良品と判断する。また、光学性能を
重視する場合は、泡や異物、付着物、傷の幅等の大きさ
が10μm 以下のものは光学性能に影響を与えないと考え
られるから、それらの大きさが10μm 以上のものが多く
存在すれば不良品と判断するのが妥当と思われる。この
様に検査の基準となる泡や異物、付着物等の大きさは10
〜100 μm程度となる。

【００１９】また、問題となる泡や異物、付着物等の大
きさについて製品の仕様から説明することにする。一般
に、撮像素子上で問題となる泡や異物、付着物等の大き
さは製品の種類や画像の種類、あるいは個人によってま
ちまちであるが、ピントがあった状態で最終撮像面上に
映り込んだ泡や異物、付着物等の大きさが撮像素子の画
素の大きさ等で与えられる最小分解能(ｂとおく)の長さ
の５倍程度(すなわち５ｂ）を超えると気になる場合が
多い。この５倍という数字は、複数の被験者に対する複
数の種類の画像での実験によって割り出した数字であ
り、１画素程度の欠落ではさほど気にならないが、５倍
程度になると気になってくることが多いという事実に対
応したものである。

【００２０】従って、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）におい
て、中間結像面２を撮像素子のある最終像面３に結像す
る時の像側結像要素のレンズ系１１の結像倍率をβ１１
とした場合、中間結像面２近傍での問題となるノイズ発
生源の大きさはほぼ、 ５ｂ／｜β１１｜ ‥‥‥（式１） 以上ということになる。

【００２１】ここで、｜β１１｜は像側結像要素のレン
ズ系１１の結像倍率をβ１１の絶対値を表わす。たとえ
ば、撮像素子であるＣＣＤの画素サイズを５ミクロン角
とし、β１１を等倍とすれば、中間結像面付近で問題に
なるノイズ源の大きさは２５ミクロン以上ということに
なる。

【００２２】特に、レンズ系中や光学ブロック中等に中
間結像面を形成するようにした光学系においては、中間
結像位置の近傍に伝送したい像（物体像）とは無関係な
ごみ、泡、疵などのノイズ発生源が存在すると、光学性
能を大きく低下させる原因となってくる。

【００２３】こうしたノイズ発生源によるノイズが最終
像面の像にのってしまうと画像が見にくくなるという問
題点が生じてくる。伝送したい像とは無関係なごみ、
泡、疵とは、具体的には図７（Ａ）の（共軸系）、図７
（Ｂ）の（非共軸）に示されるような中間結像面２近傍
の内部充填の光学部材中のごみ、泡（図中ではＮＯと表
示）の場合もあるし、図７（Ｃ）の（ｃ）（共軸系）、
図７（Ｄ）の（非共軸、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系）に
示されるような中間結像面２近傍の光学系の構成面上に
できた疵（図中ではＮＯと表示）の場合もある。

【００２４】また特殊なものとしては、図７（Ｅ）に示
すようなフィールドレンズ１２にフレネルレンズ、回折
型レンズを使用した場合のフレネルレンズ、回折型レン
ズの段差の縞模様Ｃの場合もある。

【００２５】一般に、こうした、ごみ、泡、疵等のノイ
ズ発生源を目立たなくする方法としては、従来は特開平
６−２６５８１４号公報等に示されているように、中間
結像面を空気中に配置するように設計し、光学媒体中
や、その表面、反射面上に存在するノイズ発生源をデフ
ォーカス状態になるようにすることが一般的である。

【００２６】しかしながら、こうしたデフォーカスによ
るノイズ発生源を目立たなくさせる方法では、特開平８
−２９２３７１号公報に示されるように、光学媒質を一
体的に形成して、その内部に中間像を結ばせることによ
り、小型化を図る光学系においては、内部には空気層が
存在しないため、こうした方法は使えないという問題が
あった。

【００２７】また、特開平６−２６５８１４号公報に
は、中間結像面において意図的に球面収差等の収差を出
させて、フィールドレンズとしてのフレネルレンズの縞
を目立たなくさせるという実施例も紹介されている。し
かしながら、こうした収差の発生は回転対称系を使って
収差を出させるために、収差は３次以上のものであり、
特に光学系を絞った場合等、暗い光学系では１次で効く
デフォーカスによる方法に比べて、効果が小さいという
問題があった。

【００２８】また、特開平８−２９２３７２号公報に示
されるような、中間像がズームポジションによって移動
する場合においては、たとえ、あるズームポジションで
中間像を空気中に出しておいても、別のズームポジショ
ンでは構成面の表面近くや、或いは光学媒質中に中間結
像面が来ることが起こり、そうした場合には、そのズー
ムポジションではノイズ発生源を目立たなくできないと
いう問題があった。

【００２９】また焦点距離が変化しなくても物体距離が
変化する場合は、最終像面はフォーカシングによってあ
わせることができるが、その際には中間結像面の位置も
変化しているので、たとえ１つの物体距離でデフォーカ
スによって中間像を空気中に出しておいても、別の物体
距離では構成面の表面近くや或いは媒質中に中間結像面
が来ることが起こり、そうした場合にはその物体距離で
はノイズ発生源を目立たなくできないという問題があっ
た。

【００３０】従って、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）におい
て、中間結像面２を撮像素子のある最終像面３に結像す
る時の像側結像要素のレンズ系１１の結像倍率をβ１１
とした場合、中間結像面２近傍での問題となるノイズ発
生源の大きさはほぼ、 ５ｂ/|β１１| ‥‥‥（式１） 以上ということになる。

【００３１】ここで、｜β１１｜は像側結像要素のレン
ズ系１１の結像倍率をβ１１の絶対値を表わす。たとえ
ば、撮像素子であるＣＣＤの画素サイズを5 ミクロン角
とし、β１１を等倍とすれば、中間結像面付近で問題に
なるノイズ源の大きさは25ミクロン以上ということにな
る。

【００３２】本発明は物体像を最終像面に至るまでの光
路中に少なくとも1 回、中間結像させる光学装置におい
て、物体側結像要素のレンズ系および中間像を最終像面
に再結像させる像側結像要素のレンズ系を適切に設定す
ることによって、該中間像位置及びその近傍にノイズ発
生源が存在する場合であっても最終像面上で前記ノイズ
発生源による光強度分布の擾乱を平坦化することによ
り、最終像面上の画像上のノイズによる擾乱を目立ちに
くくし、最終像面において良好なる画像が得られるよう
にした光学素子及びそれを用いた光学装置の提供を目的
とする。

【００３３】

【課題を解決するための手段】本発明の光学素子は、 (1-1) 物体像を最終像面に至る前の光路中の中間結像面
に少なくとも１回結像させる物体側結像要素および中間
結像面に形成した物体像を最終像面に再結像させる像側
結像要素を含み、該物体像を最終像面に結像させる光学
素子を備え、該物体側結像要素又は該像側結像要素の少
なくとも一方はオフアキシャル曲面を含むオフアキシャ
ル光学系より成り、該物体側結像要素と像側結像要素の
双方の諸収差を制御して、該中間結像面近傍にノイズ発
生源が存在する場合に、最終像面上で該ノイズ発生源に
よる光強度分布の擾乱を平坦化していることを特徴とし
ている。

【００３４】(1-2) 入射面から入射した光束を複数の反
射面のうちの一部の反射面で反射させて、中間結像面に
物体像を形成し、該物体像に基づく光束を該複数の反射
面のうちの残りの反射面で反射させて出射面より出射さ
せて、所定面上に導光するようにした光学素子であっ
て、該入射面から該中間結像面までに至る物体側結像要
素と該中間結像面から出射面までに至る像側結像要素の
うち少なくとも一方にはオフアキシャル曲面が設けられ
ており、該物体側結像要素と像側結像要素の双方の諸収
差を制御して該中間結像面近傍に存在するノイズ発生源
によって該所定面上に生ずる光強度分布を平坦化してい
ることを特徴としている。

【００３５】(1-3) 透明体の表面に設けた入射面から入
射した光束を該透明体の表面に設けた複数の反射面のう
ちの一部の反射面で反射させて、該透明体の内部の中間
結像面に物体像を形成し、該物体像に基づく光束を該複
数の反射面のうちの残りの反射面で反射させて該透明体
の表面に設けた出射面より出射させて、所定面上に導光
するようにした光学素子であって、該入射面から該中間
結像面までに至る物体側結像要素と該中間結像面から出
射面までに至る像側結像要素のうち少なくとも一方には
オフアキシャル曲面が設けられており、該物体側結像要
素と像側結像要素の双方の諸収差を制御して該中間結像
面近傍に存在するノイズ発生源によって該所定面上に生
ずる光強度分布を平坦化していることを特徴としてい
る。

【００３６】特に、構成(1-1) 〜(1-3) において (1-3-1) 前記諸収差の制御は前記中間結像面における前
記物体側結像要素の結像性能を劣化させ、該劣化させた
結像性能を前記像側結像要素で補正すること。 (1-3-2) 前記オフアキシャル曲面は前記複数の反射面の
うちの１つの反射面に設けられていること。

【００３７】(1-3-3) 前記光学素子は絞りを有してお
り、前記像側結像要素の結像倍率をβ１１、該絞りの絞
り径を固定したときの最終像面上におけるスポットサイ
ズをＶ、前記中間結像面におけるスポットサイズをＵと
したとき Ｖ／｜β１１｜＜Ｕ となるように各要素を設定していること。

【００３８】(1-3-4) 前記光学素子は絞りを有してお
り、前記像側結像要素の結像倍率をβ１１、該絞りの絞
り径を固定したときの最終像面上におけるスポットサイ
ズをＶ、前記中間結像面におけるスポットサイズをＵと
したとき ３・Ｖ／｜β１１｜＜Ｕ となるように各要素を設定していること。

【００３９】(1-3-5) 前記光学素子は絞りを有してお
り、前記像側結像要素の結像倍率をβ１１、該絞りの絞
り径を固定したときの最終像面上におけるスポットサイ
ズをＶ、前記中間結像面におけるスポットサイズをＵと
したとき ５・Ｖ／｜β１１｜＜Ｕ となるように各要素を設定していること。

【００４０】(1-3-6) 前記物体側結像要素の中間結像面
における結像性能の劣化は軸上から軸外まで画角に依存
しない特定の収差を発生させることにより行っているこ
と。

【００４１】(1-3-7) 前記特定の収差は軸上非点収差で
あること。

【００４２】(1-3-8) 前記物体側結像要素の中間結像面
における結像性能の劣化は軸上から軸外まで画角に依存
しないで発生する子午断面の光線が子午断面から飛び出
すねじれの収差により行っていること。

【００４３】(1-3-9) 前記中間結像面において発生させ
る収差による該中間結像面付近でのスポットの径は、系
が最小絞り値の時でも問題となる前記ノイズ発生源の最
小径の２倍以上になっていること。

【００４４】(1-3-10) 前記中間結像面において発生さ
せる収差による該中間結像面付近でのスポットの径は、
系が最小絞り値の時でも問題となる前記ノイズ発生源の
最小径の３倍以上になっていること。

【００４５】(1-3-11)前記中間結像面において発生させ
る収差による該中間結像面付近でのスポットの径は、系
が開放の時に問題となる前記ノイズ発生源の最小径の３
倍以上になっていること。

【００４６】(1-3-12) 前記中間結像面において発生さ
せる収差による該中間結像面付近でのスポットの径は、
系が開放の時に問題となる前記ノイズ発生源の最小径の
５倍以上になっていること。

【００４７】(1-3-13) 前記光学素子は焦点距離の変化
しない構造より成っていること。

【００４８】(1-3-14) 前記物体側結像要素又は像側結
像要素のうち少なくとも一方は、アナモフィックな屈折
力を持つ面を有していること。

【００４９】(1-3-15) 前記物体側結像要素又は像側結
像要素のうち少なくとも一方は、共通の対称面を全く持
たない光学系より成っていること。

【００５０】(1-3-16) 前記物体側結像要素又は像側結
像要素のうち少なくとも一方は、対称性のない面を含ん
でいること。等を特徴としている。

【００５１】本発明の光学装置は、 (2-1) 構成(1-1) 〜(1-3) の光学素子を用いて物体像を
撮像素子に結像していることを特徴としている。

【００５２】(2-2) 構成(1-1) 〜(1-3) の光学素子を複
数用いて、そのうち少なくとも２つの光学素子間の相対
的位置を変化させて物体像を撮像素子に異なった倍率で
結像していることを特徴としている。

【００５３】特に、構成(2-1) 又は(2-2) において (2-2-1) 前記光学素子の入射面近傍には絞りが設けられ
ており、前記中間結像面におけるスポット径をＳＤと
し、該絞りが最小絞り値のとき前記撮像素子の画素の寸
法で与えられる最小分解能の長さをｂ、前記像側結像素
子の結像倍率をβ１１としたとき １０・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足すること。

【００５４】(2-2-2) 前記光学素子の入射面近傍には絞
りが設けられており、前記中間結像面におけるスポット
径をＳＤとし、該絞りが最小絞り値のとき前記撮像素子
の画素の寸法で与えられる最小分解能の長さをｂ、前記
像側結像素子の結像倍率をβ１１としたとき １５・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足すること。

【００５５】(2-2-3) 前記光学素子の入射面近傍には絞
りが設けられており、前記中間結像面におけるスポット
径をＳＤとし、該絞りが開放のとき前記撮像素子の画素
の寸法で与えられる最小分解能の長さをｂ、前記像側結
像素子の結像倍率をβ１１としたとき １５・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足すること。

【００５６】(2-2-4) 前記光学素子の入射面近傍には絞
りが設けられており、前記中間結像面におけるスポット
径をＳＤとし、該絞りが開放のとき前記撮像素子の画素
の寸法で与えられる最小分解能の長さをｂ、前記像側結
像素子の結像倍率をβ１１としたとき ２５・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足すること。

【００５７】(2-2-5) 前記少なくとも２つの光学素子間
の相対的位置の変化を該光学素子のうち少なくとも一方
を基準軸方向に変位させて行っていること。等を特徴と
している。

【００５８】本発明の光学系は、 (3-1) 物体像を最終像面に至る前の光路中の中間結像面
に少なくとも１回結像させる物体側結像要素および中間
結像面に形成した物体像を最終像面に再結像させる像側
結像要素を含み、該物体像を最終像面に結像させる光学
系において、該物体側結像要素又は該像側結像要素の少
なくとも一方はオフアキシャル曲面を含むオフアキシャ
ル光学要素より成り、該物体側結像要素と像側結像要素
の双方の諸収差を制御して、該中間結像面近傍にノイズ
発生源が存在する場合に、最終像面上で該ノイズ発生源
による光強度分布の擾乱を平坦化していることを特徴と
している。

【００５９】特に、 (3-1-1) 前記オフアキシャル曲面は反射面より成ってい
ること。

【００６０】(3-1-2) 前記諸収差の制御は前記中間結像
面における前記物体結像要素の結像性能を劣化させ、該
劣化させた結像性能を前記像側結像要素で補正するこ
と。

【００６１】(3-1-3) 前記光学系は絞りを有しており、
前記像側結像要素の結像倍率をβ１１、該絞りの絞り径
を固定したときの前記最終像面におけるスポットサイズ
をＶ、前記中間結像面におけるスポットサイズをＵとし
たとき意図的に Ｖ／｜β１１｜＜Ｕ となるように各要素を設定していること。

【００６２】(3-1-4) 前記光学系は絞りを有しており、
前記像側結像要素の結像倍率をβ１１、該絞りの絞り径
を固定したときの前記最終像面におけるスポットサイズ
をＶ、前記中間結像面におけるスポットサイズをＵとし
たとき ３・Ｖ／｜β１１｜＜Ｕ となるように各要素を設定していること。

【００６３】(3-1-5) 前記光学系は絞りを有しており、
前記像側結像要素の結像倍率をβ１１、該絞りの絞り径
を固定したときの前記最終像面におけるスポットサイズ
をＶ、前記中間結像面におけるスポットサイズをＵとし
たとき ５・Ｖ／｜β１１｜＜Ｕ となるように各要素を設定していること。

【００６４】(3-1-6) 前記物体側結像要素の中間結像面
における結像性能の劣化は軸上から軸外まで画角に依存
しない特定の収差を発生させることにより行っているこ
と。

【００６５】(3-1-7) 前記特定の収差は軸上非点収差で
あること。

【００６６】(3-1-8) 前記物体側結像要素の中間結像面
における結像性能の劣化は軸上から軸外まで画角に依存
しないで発生する子午断面の光線が子午断面から飛び出
すねじれの収差により行っていること。

【００６７】(3-1-9) 前記中間結像面において発生させ
る収差による該中間結像面付近でのスポットの径は、系
が最小絞り値の時でも問題となる前記ノイズ発生源の最
小径の２倍以上になっていること。

【００６８】(3-1-10) 前記中間結像面において発生さ
せる収差による該中間結像面付近でのスポットの径は、
系が最小絞り値の時でも問題となる前記ノイズ発生源の
最小径の３倍以上になっていること。

【００６９】(3-1-11) 前記中間結像面において発生さ
せる収差による該中間結像面付近でのスポットの径は、
系が開放の時に問題となる前記ノイズ発生源の最小径の
３倍以上になっていること。

【００７０】(3-1-12) 前記中間結像面において発生さ
せる収差による該中間結像面付近でのスポットの径は、
系が開放の時に問題となる前記ノイズ発生源の最小径の
５倍以上になっていること。

【００７１】(3-1-13) 前記光学素子は焦点距離の変化
しない単焦点距離部材より成っていること。

【００７２】(3-1-14) 前記物体側結像要素又は像側結
像要素のうち少なくとも一方は、アナモフィックな屈折
力を持つ面を有していること。

【００７３】(3-1-15) 前記物体側結像要素又は像側結
像要素のうち少なくとも一方は、共通の対称面を持たな
い光学系より成っていること。

【００７４】(3-1-16) 前記物体側結像要素又は像側結
像要素のうち少なくとも一方は、対称性の全くない面を
含んでいること。等を特徴としている。

【００７５】本発明の光学装置は、 (4-1) 構成(3-1) の光学系を用いて物体像を撮像素子に
結像していることを特徴としている。

【００７６】(4-2) 構成(3-2) のいずれかの光学系を少
なくとも１つ含む光学装置において、物体の像を最終像
面に結像させるトータルな結像光学系は、焦点距離、結
像倍率、最終結像面でのピントのうちの少なくとも１つ
を変化させることができることを特徴としている。

【００７７】特に構成（４−１）又は（４−２）におい
て (4-2-1) 前記光学系の入射面近傍には絞りが設けられて
おり、前記中間結像面におけるスポット径をＳＤとし、
該絞りが最小絞り値のとき前記撮像素子の画素の寸法で
与えられる最小分解能の長さをｂ、前記像側結像素子の
結像倍率をβ１１としたとき １０・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足すること。

【００７８】(4-2-2) 前記光学系の入射面近傍には絞り
が設けられており、前記中間結像面におけるスポット径
をＳＤとし、該絞りが最小絞り値のとき前記撮像素子の
画素の寸法で与えられる最小分解能の長さをｂ、前記像
側結像素子の結像倍率をβ１１としたとき １５・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足すること。

【００７９】(4-2-3) 前記光学系の入射面近傍には絞り
が設けられており、前記中間結像面におけるスポット径
をＳＤとし、該絞りが開放のとき前記撮像素子の画素の
寸法で与えられる最小分解能の長さをｂ、前記像側結像
素子の結像倍率をβ１１としたとき １５・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足すること。

【００８０】(4-2-4) 前記光学系の入射面近傍には絞り
が設けられており、前記中間結像面におけるスポット径
をＳＤとし、該絞りが開放のとき前記撮像素子の画素の
寸法で与えられる最小分解能の長さをｂ、前記像側結像
素子の結像倍率をβ１１としたとき ２５・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足すること。

【００８１】(4-2-5) 前記少なくとも２つの光学系間又
は光学系と像面間の相対的位置の変化を該光学系又は像
面のうち少なくとも一つを基準軸方向に変位させて行っ
ていること。

【００８２】(4-2-6) 前記光学系の焦点距離、結像倍
率、最終結像面でのピントのうち少なくとも１つを変化
させることをトータルな光学系を構成する少なくとも１
つの部分の光学系のブロックの基準軸の沿っての最終像
面に対する相対距離を変化させることによって行うこ
と。等を特徴としている。

【００８３】本発明の光学素子は、 (5-1) 構成(3-1)の光学系において、物体からの光束を
透明体の表面に形成した入射面で入射させて、該透明体
の一部に設けた曲面より成る内面反射の反射面の少なく
とも一つで反射させた後に、透明体の射出面から射出さ
せて像を形成する反射光学系、又は、物体からの光束を
表面反射鏡より成る複数の反射面で反射を繰り返し、射
出するように構成された反射光学系である事を特徴とし
ている。

【００８４】(5-2) 構成(5-1)の光学系において、一体
的に形成されている光学素子であることを特徴としてい
る。

【００８５】(5-3) 構成(5-1)の光学系において、一体
的に形成されている複数の光学素子からなることを特徴
としている。特に構成(5-1)〜(5-3)において、 (5-3-1) 前記光学素子内部に存在する光学性能上問題と
なる泡や異物等の粒径、または、中間結像位置付近にあ
る表面反射面上の光学性能上問題となる疵の幅や付着物
等の粒径をＤとし、最も物体側にある入射面から中間結
像位置より手前の光学面までのアジムスに依存する合成
焦点距離のうち、最大となる該合成焦点距離をｆ１、そ
のときのアジムスをξとし、該中間結像位置での軸上非
点隔差をＳとし、更に、絞りが開放のときの該アジムス
ξに対応する最も物体側にある入射面から該中間結像位
置より手前の光学面までの射出瞳の径をＡＲ１とする
と、

【００８６】

【数５】 となる条件を満足すること。

【００８７】(5-3-2) 絞り径を調整する機能を持つ反射
光学系において、前記光学素子内部に存在する光学性能
上問題となる泡や異物等の粒径、または、中間結像位置
付近にある表面反射面上の光学性能上問題となる疵の幅
や付着物等の粒径をＤとし、最も物体側にある入射面か
ら中間結像位置より手前の光学面までのアジムスに依存
する合成焦点距離のうち、最大となる該合成焦点距離を
ｆ１、そのときのアジムスをξとし、該中間結像位置で
の軸上非点隔差をＳとし、更に、小絞りのときの該アジ
ムスξに対応する最も物体側にある入射面から該中間結
像位置より手前の光学面までの射出瞳の径をＡＲ２とす
ると、

【００８８】

【数６】 となる条件を満足すること。

【００８９】(5-3-3) 前記反射光学系の最も物体側にあ
る入射面から中間結像位置より手前の光学面までのアジ
ムスに依存する合成焦点距離のうち、最大となる該合成
焦点距離をｆ１、そのときのアジムスをξとし、該中間
結像位置での軸上非点隔差をＳとし、撮像素子の画素の
大きさ等で与えられる最小分解能の長さをｂ、該中間結
像位置から撮像素子のある最終像面までの光学系におい
て、該アジムスξと垂直方向での中間結像面を最終像面
に結像するときの結像倍率をβ、更に、絞りが開放のと
きの該アジムスξに対応する最も物体側にある入射面か
ら該中間結像位置より手前の光学面までの射出瞳の径を
ＡＲ１とすると、

【００９０】

【数７】 となる条件を満足すること。

【００９１】(5-3-4) 絞り径を調整する機能を持つ反射
光学系において、最も物体側にある入射面から中間結像
位置より手前の光学面までのアジムスに依存する合成焦
点距離のうち、最大となる該合成焦点距離をｆ１、その
ときのアジムスをξとし、該中間結像位置での軸上非点
隔差をＳとし、撮像素子の画素の大きさ等で与えられる
最小分解能の長さをｂ、該中間結像位置から撮像素子の
ある最終像面までの光学系において、該アジムスξと垂
直方向での中間結像面を最終像面に結像する時の結像倍
率をβ、更に、小絞りのときの該アジムスξに対応する
最も物体側にある入射面から該中間結像位置より手前の
光学面までの射出瞳の径をＡＲ２とすると、

【００９２】

【数８】 となる条件を満足すること。

【００９３】(5-4) 構成(5-1)〜(5-3-4)において、前記
透明体である光学素子の入射面が回転対称面であること
を特徴としている。

【００９４】(5-5) 構成(5-1)〜(5-3-4)において、前記
透明体である光学素子の入射面が回転非対称面であるこ
とを特徴としている。

【００９５】(5-6) 構成(5-1)〜(5-5)において、前記反
射光学系の最も物体側にある入射面近傍に絞りを設けた
ことを特徴としている。

【００９６】(5-7) 構成(5-1)〜(5-6)において、前記反
射光学系の物体側から数えて第１の曲面の反射面が収斂
作用を有することを特徴としている。

【００９７】(5-8) 構成(5-1)〜(5-7)において、前記透
明体である光学素子の射出面は基準軸に対して回転対称
な形状であることを特徴としている。

【００９８】(5-9) 構成(5-1)〜(5-7)において、前記透
明体である光学素子の射出面は基準軸対して回転非対称
な形状であることを特徴としている。

【００９９】(5-10) 構成(5-1)〜(5-9)において、前記
光学素子は、射出する基準軸の方向に平行に移動してフ
ォーカシングすることを特徴としている。

【０１００】(5-11) 構成(5-3)〜(5-10)において、該複
数の光学素子を介して物体の像を結像すると共に、該複
数の光学素子のうち、少なくとも２つの光学素子の相対
的位置を変化させることによりズーミングを行うことを
特徴としている。

【０１０１】(5-12) 構成(5-1)〜(5-11)の反射光学系を
有し、撮像媒体の撮像面上に前記物体の像を結像するこ
とを特徴としている。

【０１０２】

【発明の実施の形態】以下説明する各実施形態に、光学
装置中に持たせるノイズ発生源による光強度分布の擾乱
を平坦化する手段としては、最終結像面の結像性能に対
して中間結像位置での結像性能を劣化させて、ノイズ発
生源からの像面上で光強度分布の擾乱を平坦化するとい
う光学的手段であるという実施例を示す。

【０１０３】なお、最終結像面の結像性能に対して中間
結像面における結像性能の劣化させるとは、具体的に言
えば、たとえば、「中間結像面２を撮像素子のある最終
像面３に結像する時の像側結像部分要素１１の結像倍率
をβ１１とし、絞り径を固定した時の最終像面でのスポ
ットサイズをＶとした場合、中間結像面におけるスポッ
トサイズＵが、Ｖ／｜β１１｜より意識的に大きくなる
ように、望ましくは３Ｖ／｜β１１｜より大きく、更に
望ましくは５Ｖ／｜β１１｜より大きくなるように結像
光学系５の構成要素のデータ（面形状、面間隔、屈折
率、面と基準軸のなす角度）が設計されていること」で
ある。

【０１０４】ここで望ましくは解決する為の手段の欄で
用いた３倍という数字は、ノイズ発生源による影響が１
１％程度に押えられる場合に対応する数字であり、５倍
という数字はノイズ発生源による影響が４％程度に押え
られる場合に対応する数字であり、実験的に求めた、注
意して影響がはじめてわかるレベル、注意しても影響が
ほとんど分からないレベルに対応する、数字である。

【０１０５】ここで本発明中で用いる「スポットサイ
ズ」という用語を明確化しておこう。本発明において
は、「スポットサイズ」を「スポットダイヤグラムの重
心位置を中心にして描いた半径Ａ₀ ／２の円中に、一つ
の物点からの光束の９０％（光強度の９０％）が含まれ
る時、このＡ₀ をスポットサイズと呼ぶ」ものとする。

【０１０６】次に本実施形態について順次説明する。

【０１０７】図１（Ａ）は本発明の光学系の実施形態の
要部断面図であり、光路も図示している。図１（Ｂ）は
図１（Ａ）の光路中におけるスポットダイヤグラムであ
る。１は物体面である。５は曲率を有する複数の反射面
が一体に形成された光学素子であり、結像光学系の一要
素を構成している。光学素子５は透明体光学材料の表面
に物体側からの基準軸光線に沿って順に、入射屈折面１
０−１及び鏡１０−２、鏡１０−３、鏡１１−１、鏡１
１−２の４つの反射面と射出屈折面１１−３を形成し
て、非共軸、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系を構成してい
る。

【０１０８】２は中間結像面であり、内部充填の光学材
料中に位置している。尚、光学素子５を構成する入射面
１０−１、出射面１１−３、そして反射面１０−２，１
０−３，１１−１，１１−２の屈折力は正又は負のいず
れでも良い。以下、これらを単に「面」ともいう。

【０１０９】面１０−１，１０−２，１０−３は物体側
結像要素（前方要素）１０を構成し、面１１−１，１１
−２，１１−３は像側結像要素（後方要素）１１を構成
している。

【０１１０】３は最終像面であり、ＣＣＤ等の撮像素子
の撮像面が位置する。４は光学素子５の物体側に配置さ
れた絞り、Ｌａは光学系の基準軸である。

【０１１１】次に本実施形態における結像作用を説明す
る。物体１からの光束は、絞り４により入射光量を規制
された後、光学素子５の入射屈折面１０−１に入射して
屈折した後、凹面鏡１０−２に達する。

【０１１２】凹面鏡１０−２は、物体光束を凸面鏡１０
−３へ反射するとともに、凹面鏡のパワーにより中間結
像面２上に物体像を一次結像する。

【０１１３】このように、早い段階にて光学素子５内に
物体像を結像することにより、絞り４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。

【０１１４】中間結像面２に一次結像された物体光束は
凹面鏡１１−１、凹面鏡１１−２にて順次反射して、そ
れぞれの反射鏡の持つパワーによる影響を受けて射出屈
折面１１−３に達し、ここで屈折して光学素子５から射
出する。次いで物体光束は最終像面３上に結像する。

【０１１５】このように光学素子５は、曲率を有する複
数の反射鏡による反射を繰り返しながら、所望の光学性
能を持ち、全体として結像作用を有して、Ｘ方向とＺ方
向に極めて薄いレンズユニットとして機能している。

【０１１６】又、本光学系においては、光学素子５をそ
の入射基準軸と平行な方向に移動してフォーカシングを
行う。

【０１１７】又、図１は本発明の光学系の一例であっ
て、本発明の光学系としては、この他に例えば曲率を有
する複数の反射面が一体に形成された光学素子を複数個
配置し、複数の光学素子を有する場合、又複数の光学素
子をそれぞれ移動して変倍（ズーミング）を行う変倍光
学系がある。

【０１１８】尚、本発明の光学系はビデオカメラやスチ
ルビデオカメラ及び複写機等に組み込んで使用してい
る。

【０１１９】次に本実施形態の各要素を詳述する。一般
に非共軸、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系においては、特開
平９―５６５０号公報にも記されているように、基準軸
Ｌａと構成面の面法線が一致していないため、基準軸Ｌ
ａと面法線とを含む面Ｐ（ＹＺ面）内と、面法線を含み
面Ｐとは垂直な面Ｑ（ＸＹ面）内では、面の曲率が同じ
でも違った光学的パワーを持つことになる。

【０１２０】したがって、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系に
おいては、構成面は一般にアナモルフィックな面であ
る。構成面がアナモルフィックな面であれば、共軸回転
対称系では対称性のゆえに生じることのなかった、すべ
ての画角において画角に依存しない非点収差（軸上非点
収差）を出すことが可能である。

【０１２１】この軸上非点収差については従来の回転対
称系では発生しない収差の為、今まで収差論の文献等で
はあまりまとまった議論をされたことがないので、以下
に説明する。この軸上非点収差は画角に依存せず発生す
る収差であり、回転対称性がない系においてのみ存在す
る種類の収差である。

【０１２２】そしてこの収差は画角に依存せず瞳径の１
次に依存する１次の収差である。この収差が１次である
ことは光学トレースをすれば容易に確認できるが軸上非
点収差の場合は光学的パワーがアジムスによって違うと
考えることもできるので、平均的パワーに対する評価面
で見た場合、大半のアジムスではデフォーカスと同等の
次数で発生する収差、つまり１次の収差が出ることは直
感的にも理解できる。

【０１２３】こうした軸上非点収差は物体側結像要素、
像側結像要素がアナモフィックで回転非対称なパワーを
持つことで発生させることができる。オフアキシャル光
学系は曲率が直交する２方向で同じでも異なったパワー
を持つので、こうした収差は発生させやすい。

【０１２４】このため、従来の瞳径の３次で発生する回
転対称的な球面収差に比べて中間結像の劣化が大きく、
その効果は１次であるためにデフォーカスと同等の効果
を持たせることができる。

【０１２５】この様子は図８に示した中間結像面上での
横収差の摸式図を使って説明すれば分かりやすい。特に
暗い光学系では３次の収差ではなかなか中間結像の性能
が劣化しないのに対し、１次の収差では傾いた直線にな
る為に劣化が３次収差に比べて大きく出せるということ
をこの図は示している。

【０１２６】通常の光学系の設計では、収差をできるだ
けとる（少なくする）ように設計を行なうが、本発明に
おいては、中間結像面２においてはできるだけ、収差を
出すという逆転の発想をしている。

【０１２７】つまり、本実施形態の図１の光学系では図
１（Ｂ）のスポットダイアグラムの概念図に示されるよ
うに、中間結像面２（軸上非点収差がある時は、スポッ
トが線状になる２個所のデフォーカス位置の中間の位置
を以って便宜上、中間結像面２と定義することにす
る。）では画角に依存しない非点収差（軸上非点収差）
を持つように物体側結像要素１０を形成している、面１
０―１、１０―２、１０―３を設計している。

【０１２８】そして、その軸上非点収差を打ち消すよう
に像側結像要素１１を構成する面１１―１、１１―２、
１１―３を設計している。つまり、物体側結像要素１
０、像側結像要素１１のそれぞれ単独だけでは軸上非点
収差を持つが、物体側結像要素１０と像側結像要素１１
とをあわせた全系としての結像光学系５としては収差補
正されている光学系を構成している。

【０１２９】このように物体側結像要素１０、像側結像
要素１１において、画角に依存しない非点収差（軸上非
点収差）を出しておけば、中間結像面２付近にごみ、
泡、疵等のノイズ発生源があっても軸上非点収差のため
に、そのノイズ発生源によって、物体面１上の物点から
の画像情報のすべてがケラれることはないので、またノ
イズ発生源は最終結像面３においては点として結像せず
軸上非点収差によってボケた状態になるので、ノイズ発
生源からの像面上での光強度分布の擾乱は平坦化されて
いることになる。

【０１３０】一般に中間結像面２において意識的に発生
させる軸上非点収差による中間結像面２付近でのスポッ
トの大きさについては、ノイズ発生源によるノイズの許
容限界仕様によって異なるが、最小絞り値においても問
題となるノイズ発生源の大きさ（撮像素子の分解能と関
連があり、ほぼ前出の（式１）で与えられる。）の２倍
以上望ましくは３倍以上の大きさがあれば、ノイズ源に
よってケラれる光量は大まかな見積りとしては、ほぼ径
の比の２乗で効いてくるので、25パーセント（実験的に
言って、影響はわかるが、何とか許容できるレベル）以
下、望ましくは11パーセント（実験的に言って、注意し
て見てようやく影響がわかるレベル）以下になるので、
すべての絞り値においても、ノイズ発生源からの像面上
での光強度分布の擾乱は平坦化されるという効果を持
つ。つまり、撮像素子の画素等の大きさで与えられる最
小分解能ｂに対しては、中間結像面２を撮像素子のある
最終像面３に結像する時の像側結像要素１１の結像倍率
をβ１１とした場合、（前出の（式１））の2 倍以上望
ましくは3 倍以上ということで、 １０・ｂ／｜β１１｜ ‥‥‥（式２）以上 望ましくは １５・ｂ／｜β１１｜ ‥‥‥（式３）以上 大きさがあれば、すべての絞り値においても、ノイズ発
生源からの像面上での光強度分布の擾乱は平坦化される
という効果を持つ。

【０１３１】ここで、|β１１|は像側結像要素１１の結
像倍率をβ１１の絶対値を表わす。

【０１３２】また違った見方の仕様として、絞りを開放
にしたときにノイズ発生源が目立たなくできるという仕
様においては、絞りが開放で、意識的に発生させる軸上
非点収差による中間結像面付近でのスポットの大きさが
問題となるノイズ発生源の大きさ（撮像素子の分解能と
関連があり、ほぼ前出の（式１）で与えられる。）の３
倍以上望ましくは5 倍以上の大きさがあればノイズ発生
源による光量の擾乱は絞りを開放にすれば、１１パーセ
ント（実験的に言って、注意して見てようやく影響がわ
かるレベル）程度望ましくは4 パーセント（実験的に言
って、注意して見ても影響がほとんどわからないレベ
ル）程度に押さえることができる。

【０１３３】つまり、撮像素子の画素等の大きさで与え
られる最小分解能ｂに対しては、中間結像面２を撮像素
子のある最終像面３に結像する時の像側結像要素１１の
結像倍率をβ１１とした場合、（前出の（式１））の３
倍以上望ましくは５倍以上ということで、 １５・ｂ／｜β１１｜ ‥‥‥（式４）以上 望ましくは ２５・ｂ／｜β１１｜ ‥‥‥（式５）以上 大きさがあれば、ノイズ発生源による光量の擾乱は絞り
を開放にすれば、１１パーセント（実験的に言って、注
意して見てようやく影響がわかるレベル）程度望ましく
は4 パーセント程度（実験的に言って、注意して見ても
影響がほとんどわからないレベル）に押さえることがで
きる。

【０１３４】ここで、|β１１|は像側結像要素１１の結
像倍率をβ１１の絶対値を表わす。

【０１３５】なお、この実施形態ではノイズ発生源とし
ては、図７（Ｂ）のタイプで話を進めたが、タイプ
（Ｄ）（内部充填タイプだけでなく中空タイプも含
む）、タイプ（Ｅ）でも全く同様である。

【０１３６】またここでは、発生させる収差は簡単のた
め、画角に依存せず全画角で一様に発生するものとして
話を進めたが、一般にはそうした成分をバイアス成分と
して含んでいることが重要である。従って、画角に依存
せず全画角で一様に発生する成分をバイアス成分として
含んでおり全画角でほぼ上記スポットの大きさの条件を
満たしていれば、画角に依存する収差成分がのっていて
も、本発明には含まれる。

【０１３７】図２（Ａ）は本発明の光学系の実施形態２
の一部分の概念図である。図２（Ａ）は光路図の1 断面
の一部を示している。図２（Ｂ）は内部結像面２近傍の
スポットダイアグラムのデフォーカス特性の説明図であ
る。

【０１３８】図２（ａ）において結像光学系５は、非共
軸、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系であり、図1 （Ａ）とほ
ぼ同様の光路図なので、中間結像面２近傍のみ描いてあ
る。図1 （Ａ）と同様に、物体側結像要素１０を形成し
ている、面１０―１、１０―２、１０―３および、像側
結像要素１１を形成している面１１―１、１１―２、１
１―３は一体に作られており中間結像面２は内部充填の
光学材料中に位置している。

【０１３９】ここで実施形態１と違うのは、中間結像面
２で意識的に発生させる収差の種類である。一般に非共
軸、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系においては、軸上非点収
差の他に、軸上から軸外まで画角に依存せず発生し、子
午断面の光線が子午断面から飛び出す名づけて「ねじれ
の収差」が存在する。

【０１４０】本実施形態では、この「ねじれの収差」を
発生させて、中間結像面２での結像性能を劣化させてい
る。この「ねじれの収差」については、従来の回転対称
系では存在しないため、以下に詳しく説明する。

【０１４１】これは、たとえば、図２（Ａ）（したがっ
て図１（Ａ））の構成面１０―１、１０―２、１０―
３、１１―１、１１―２、１１―３の少なくとも一つが
この図の紙面の上下に対して、対称性を持たないなら
ば、物点のアジムスと入射瞳４面上のアジムスが等しい
光線群（子午断面内の光線群と呼ばれるもので、図３
（Ａ）では紙面内に含まれる光線群が相当する）であっ
ても、その対称性を持たない面を通過した後の、光線群
は子午断面の平面内に収まることがなくなり、お互いの
光線は３次元空間内で図３（Ｂ）に示すような「ねじれ
の関係」を持ったものに変わる。

【０１４２】そのため、お互いにねじれの関係にある光
線群は一点で集光することがなくなる。また、同じ物点
から射出し同じ瞳径で瞳のアジムスが異なる部分を通る
円錐状の光線群においても、その対称性を持たない面を
通過した後はお互いに3 次元空間内でのねじれの関係に
なるために、図３（Ｃ）に示すような包絡面が一葉双曲
面を構成することになる。このような、光線群のスポッ
トダイアグラムの概念図が図２（Ｂ）である。

【０１４３】一般に、こうしたねじれは系の対称性の欠
如によって生じるが、光線トレースによって容易に確認
できるように、そのねじれの量の最低次数は１次であ
る。従ってこの「ねじれの収差」も瞳径の１次に依存す
る１次の収差である。このため、この収差も軸上非点収
差と同様に図８に示した横収差の摸式図に示すように、
従来の瞳径の３次でも発生する回転対称的な球面収差に
比べて、中間結像の劣化が大きく、その効果は１次であ
るためにデフォーカスと同等の効果を持たせることがで
きる。

【０１４４】具体的には、この収差は物体側結像要素、
像側結像要素中に共通な対称面がないこと、つまり面の
表現式でＣ₁₁の成分を持つ面を持たせることによって生
じさせることができる。このＣ₁₁がかかわっていること
からいっても、１次の収差であることは明らかである。

【０１４５】ここで成分Ｃ₁₁は特開平９−５６５０号公
報の明細書中の（数式１）に示している。具体的には、
物体面から像面に至る基準波長の光路（基準軸）が曲面
と交わる点において面法線が基準軸と一致しない平面で
はない曲面（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ曲面）を含む光学系
の、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ曲面の形状を、上記交点を原点
としｚ軸を面法線とした座標系で２次の項から始まる z(x,y)=C₂₀X²+2C₁₁xy+C₀₂y²+D₃₀x³+3D₂₁x²y+3D₁₂xy²+D₀₃y³ +E₄₀x⁴+4E₃₁x³y+6E₂₂x²y²+4E₁₃xy³+E₀₄y⁴+・・・・ （数式１） で定義している。

【０１４６】こうした収差をもつ系での中間結像面２
は、スポットの径が一番細くなるデフォーカスをとるの
が自然なのでそのようにとることにすれば、実施形態１
と全く同様の議論ができる。（「ねじれの収差」は画角
に依存しない。しかし、この収差は回転対称系では発生
しない種類の収差である。）通常の光学系の設計では、
収差をできるだけとるように設計を行なうが、この実施
形態においても、中間結像面２においてはできるだけ、
収差を出すという逆転の発想をする。

【０１４７】つまり、本実施形態の図２の光学系では図
２（Ｂ）のスポットダイアグラムの概念図に示されるよ
うに、中間結像面２では画角に依存せず発生し、スポッ
トサイズが瞳径に比例するという性質を持つ「ねじれの
収差」を持つように、物体側結像要素１０を形成してい
る面１０―１、１０―２、１０―３が設計している。

【０１４８】そして、その「ねじれの収差」を打ち消す
ように像側結像要素１１を構成する面１１―１、１１―
２、１１―３を設計している。つまり、物体側結像要素
１０、像側結像要素１１それぞれ単独だけでは「ねじれ
の収差」を持つが、物体側結像要素１０と像側結像要素
１１とをあわせた全系としての結像光学系５としては収
差補正されている光学系を構成している。

【０１４９】このように物体側結像要素１０、像側結像
要素１１において、画角に依存しない「ねじれの収差」
を出しておけば、中間結像面２付近にごみ、泡、疵等の
ノイズ発生源があっても「ねじれの収差」のために、そ
のノイズ発生源によって、物体面１上の物点からの画像
情報のすべてがケラれることはないので、またノイズ発
生源は最終結像面３においては点として結像せず「ねじ
れの収差」によってボケた状態になるので、ノイズ発生
源からの像面上での光強度分布の擾乱は平坦化されてい
ることになる。

【０１５０】一般に中間結像面において意識的に発生さ
せる「ねじれの収差」による中間結像面付近でのスポッ
トの大きさについては、ノイズ発生源によるノイズの許
容限界仕様によって異なるが、実施形態１と同様に、最
小絞り値においても問題となるノイズ発生源の大きさ
（撮像素子の分解能と関連があり、ほぼ前出の（式１）
で与えられる。）の2 倍以上望ましくは3 倍以上の大き
さがあれば、実施形態１と同様に、ノイズ源によってケ
ラれる光量は大まかな見積りで25パーセント（実験的に
言って、影響はわかるが、何とか許容できるレベル）以
下、望ましくは11パーセント（実験的に言って、注意し
て見てようやく影響がわかるレベル）以下になるので、
すべての絞り値においても、ノイズ発生源からの像面上
での光強度分布の擾乱は平坦化されるという効果を持
つ。

【０１５１】つまり、撮像素子の画素等の大きさで与え
られる最小分解能ｂに対しては、中間結像面２を撮像素
子のある最終像面３に結像する時の像側結像要素１１の
結像倍率をβ１１とした場合、（前出の（式１））の2
倍以上望ましくは3 倍以上ということで、 １０・ｂ／｜β１１｜ ‥‥‥（式２）以上 望ましくは １５・ｂ／｜β１１｜ ‥‥‥（式３）以上 大きさがあれば、すべての絞り値においても、ノイズ発
生源からの像面上での光強度分布の擾乱は平坦化される
という効果を持つ。

【０１５２】ここで、|β１１|は像側結像要素１１の結
像倍率β１１の絶対値を表わす。また違った見方の仕様
として、絞りを開放にしたときにノイズ発生源が目立た
なくできるという仕様においては、絞りが開放で、意識
的に発生させる「ねじれの収差」による中間結像面付近
でのスポットの大きさが問題となるノイズ発生源の大き
さ（撮像素子の分解能と関連があり、ほぼ前出の（式
１）で与えられる。）の３倍以上望ましくは5 倍以上の
大きさがあればノイズ発生源による光量の擾乱は絞りを
開放にすれば、１１パーセント（実験的に言って、注意
して見てようやく影響がわかるレベル）程度望ましくは
4 パーセント（実験的に言って、注意して見ても影響が
ほとんどわからないレベル）程度に押さえることができ
る。

【０１５３】つまり、撮像素子の画素等の大きさで与え
られる最小分解能ｂに対しては、中間結像面２を撮像素
子のある最終像面３に結像する時の像側結像要素１１の
結像倍率をβ１１とした場合、（前出の（式１））の３
倍以上望ましくは５倍以上ということで、 １５・ｂ／｜β１１｜ ‥‥‥（式４）以上 望ましくは ２５・ｂ／｜β１１｜ ‥‥‥（式５）以上 大きさがあれば、ノイズ発生源による光量の擾乱は絞り
を開放にすれば、１１パーセント（実験的に言って、注
意して見てようやく影響がわかるレベル）程度望ましく
は４パーセント（実験的に言って、注意して見ても影響
がほとんどわからないレベル）程度に押さえることがで
きる。ここで、|β１１|は像側結像要素１１の結像倍率
β１１の絶対値を表わす。

【０１５４】なお、この実施形態ではノイズ発生源とし
ては、図８（Ｂ）のタイプで話を進めたが、タイプ
（Ｄ）（内部充填タイプだけでなく中空タイプも含
む）、タイプ（Ｅ）でも全く同様である。

【０１５５】また、図２（Ａ）のような光路図を持ち、
画角に依存せず瞳径にのみ依存し、回転対称系では存在
しないような高次の収差（瞳径への依存の次数が「ねじ
れの収差」より高次の２次となる）に、軸上コマ収差
（偏心コマ収差とも呼ばれる）があるが、この収差は次
数が高い分だけ「ねじれの収差」よりもぼけさせる効果
が小さくはなるが、それでも回転対称系での最低次数の
３次の球面収差に比べては大きい。この収差も画角に依
存せず発生する非対称な収差という意味では同様に中間
像をぼかす効果を持つので効果は実施形態２と全く同様
である。

【０１５６】ここでも、発生させる収差は簡単のため、
画角に依存せず全画角で一様に発生するものとして話を
進めたが、一般にはそうした成分をバイアス成分として
含んでいることが重要である。従って、画角に依存せず
全画角で一様に発生する成分をバイアス成分として含ん
でおり全画角でほぼ上記スポットの大きさの条件を満た
していれば、画角に依存する収差成分がのっていても、
本発明には含まれる。

【０１５７】図４は本発明の光学系の実施形態３の要部
概念図である。この実施形態においては、中間結像する
光学系は単レンズではなくズーム光学系である。この実
施形態に対応するオフアキシャル光学系に対するズーム
光学系は特開平８―２９２３７２号公報に開示されてお
り、物体面１の像を中間結像させ、その中間像を最終像
面に結像させている。

【０１５８】図４は実施形態３における、光路図の１断
面である。本実施形態は今まで実施形態１から２までに
示した考え方をこのズーム光学系に拡張した場合の概念
図であり、図４には光学要素Ｂ１からＢ３で示される３
つのブロックが、基準軸Ｌａ方向に相対移動して焦点距
離、倍率、最終像面のピントを変える３群ズームの例と
して示してある。

【０１５９】広角端から望遠端への変倍に際しては光学
要素Ｂ1 は固定、光学要素Ｂ２はＺ軸プラス方向に凸の
軌跡で前後移動し、光学要素Ｂ３はＺ軸マイナス方向へ
の移動、最終像面３は固定という構成の例である。この
図には、各ズームステートでの３つの内部結像面２―
１、２―２、２―３近傍のスポットダイアグラムのデフ
ォーカス特性は示していないが、その特性は実施形態１
または実施形態２のそれと同様である。

【０１６０】一般に、焦点距離を変えたり、結像倍率を
変えたりすれば、中間結像面の位置はそれに応じて変化
する。こうした場合、中間結像面での結像特性を意識的
に劣化させておかなければ、ある焦点距離のある結像倍
率で、ゴミ、泡、疵等のノイズ発生源がたまたまその中
間結像面になくて目立たない場合であっても、違う焦点
距離、結像倍率では中間結像面が移動するため見えてく
る場合も多い。

【０１６１】そこで、本実施形態では、Ｏｆｆ−Ａｘｉ
ａｌ光学系の面形状の非対称性の自由度を利用して、す
べてのズームステートにおいて、中間結像面上での結像
特性を意識的に劣化させた上で、最終結像面３での収差
はおさえる構成にしている。

【０１６２】一般的に言って、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学
系においては、面の表現の上で回転対称系では値が０で
あった、非対称性を表わす係数が多く使えるためにこう
した設計は可能である。一般に中間結像面において意識
的に発生させる画角に依存しない収差による中間結像面
付近でのスポットの大きさについては、ノイズ発生源に
よるノイズの許容限界仕様によって異なるが、実施形態
１と同様に、最小絞り値においても問題となるノイズ発
生源の大きさ（撮像素子の分解能と関連があり、ほぼ前
出の（式１）で与えられる。）の２倍以上望ましくは３
倍以上の大きさがあれば、ノイズ源によってケラれる光
量は大まかな見積りで25パーセント（実験的に言って、
影響はわかるが、何とか許容できるレベル）以下、望ま
しくは11パーセント（実験的に言って、注意して見てよ
うやく影響がわかるレベル）以下になるので、すべての
絞り値においても、ノイズ発生源からの像面上での光強
度分布の擾乱は平坦化されるという効果を持つ。

【０１６３】つまり、撮像素子の画素等の大きさで与え
られる最小分解能ｂに対しては、中間結像面２を撮像素
子のある最終像面３に結像する時の像側結像要素１１の
結像倍率をβ１１とした場合、（前出の（式１））ノ2倍
以上望ましくは 3倍以上ということで、 １０・ｂ／｜β１１｜ ‥‥‥（式２）以上 望ましくは １５・ｂ／｜β１１｜ ‥‥‥（式３）以上 大きさがあれば、すべての絞り値においても、ノイズ発
生源からの像面上での光強度分布の擾乱は平坦化される
という効果を持つ。

【０１６４】ここで、|β１１|は像側結像要素１１の結
像倍率β１１の絶対値を表わす。また違った見方の仕様
として、絞りを開放にしたときにノイズ発生源が目立た
なくできるという仕様においては、絞りが開放で、意識
的に発生させる画角に依存しない収差による中間結像面
付近でのスポットの大きさが問題となるノイズ発生源の
大きさ（撮像素子の分解能と関連があり、ほぼ前出の
（式１）で与えられる。）の３倍以上望ましくは５倍以
上の大きさがあればノイズ発生源による光量の擾乱は絞
りを開放にすれば、１１パーセント（実験的に言って、
注意して見てようやく影響がわかるレベル）程度望まし
くは４パーセント（実験的に言って、注意して見ても影
響がほとんどわからないレベル）程度に押さえることが
できる。

【０１６５】つまり、撮像素子の画素等の大きさで与え
られる最小分解能ｂに対しては、中間結像面２を撮像素
子のある最終像面３に結像する時の像側結像要素１１の
結像倍率をβ１１とした場合、（前出の（式１））の３
倍以上望ましくは５倍以上ということで、 １５・ｂ／｜β１１｜ ‥‥‥（式４）以上 望ましくは ２５・ｂ／｜β１１｜ ‥‥‥（式５）以上 大きさがあれば、ノイズ発生源による光量の擾乱は絞り
を開放にすれば、１１パーセント（実験的に言って、注
意して見てようやく影響がわかるレベル）程度望ましく
は4 パーセント（実験的に言って、注意して見ても影響
がほとんどわからないレベル）程度に押さえることがで
きる。

【０１６６】ここで、|β１１|は像側結像要素１１の結
像倍率をβ１１の絶対値を表わす。ここでも、発生させ
る収差は簡単のため、画角に依存せず全画角で一様に発
生するものとして話を進めたが、一般にはそうした成分
をバイアス成分として含んでいることが重要である。

【０１６７】従って、画角に依存せず全画角で一様に発
生する成分をバイアス成分として含んでおり全画角でほ
ぼ上記スポットの大きさの条件を満たしていれば、画角
に依存する収差成分がのっていても、本発明には含まれ
る。

【０１６８】なお、今までの４つの実施形態での説明で
は、問題となるノイズ源の大きさとして（式１）程度の
ものを中心に議論してきた。これは、一般的には管理さ
れたプロセスで製造された光学系内に存在するごみ等の
ノイズ源は、径が小さいものほど多く、径が大きくなる
につれて急激に数が減少していくという事実（図５の模
式的グラフ参照）に即して、影響のあるノイズ源で一番
数の多いものに着目したためである。

【０１６９】しかしながら、一般に問題となるノイズ源
の大きさが（式１）以上のものも存在する。一般に、光
束が一部でもケラれないで最終像面に届く場合は、光量
の問題はあっても情報は最終像面まで伝わるのに対し、
中間結像面でのスポット径が、その位置に存在するノイ
ズ源と同じ大きさの時、物体面からの光束は完全にケラ
れるために、物体面からの情報はその部分だけ完全に欠
落することになる。この完全欠落した情報は画像処理等
の処理を行なっても復元はむずかしい。このことをふま
えて、実施形態中で述べてきた中間結像面でのスポット
の径が、問題となる最小ノイズ発生源の径ｒ０に対して
「最小絞り値の時でも２倍以上望ましくは３倍以上］、
または「絞り開放の時に３倍以上望ましくは５倍以上」
と大きくなることの意味を説明する。

【０１７０】一般に、中間結像面でのスポット径が大き
くなるということは、情報を完全に欠落させるノイズ源
の大きさがそれに伴って大きくなることを意味する。こ
のことは、図５に模式的にグラフを示すように、管理さ
れたプロセスで製造された光学系内に存在するごみ等の
ノイズ源は、径が小さいものほど多く、径が大きくなる
につれて急激に数が減少していくという事実をふまえれ
ば、中間結像面でのスポット径を大きくするにつれて情
報を完全に欠落させるノイズ源の数が急激に減少してい
くということを意味する。（図５中の斜線部分は中間結
像面でのスポット径がｒ０の５倍の場合の情報を完全欠
落させるノイズ源の数に対応するもので、スポット径が
ｒ０の場合に比べて急激に減少している。）このこと
は、結像光学系のノイズ源による不良率が、中間結像面
でのスポット径を大きくするにつれて急激に小さくなる
ことに対応するものである。

【０１７１】次に、本発明の実施形態４〜９を説明する
前に、本発明に係る光学素子（光学系とも言う。）の構
成諸元の表し方及び各実施形態の共通事項について説明
する。図２４は本発明の光学素子の構成データを定義す
る座標系の説明図である。本発明の光学素子では物体側
から像面に進む１つの光線（図２４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。図２４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
の媒質で構成される一つの光学素子上に構成されてお
り、図２４中では光学素子10としている。

【０１７２】従って、図２４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から不図示の第７面R7
までの媒質は空気で構成されている。

【０１７３】本発明の光学素子はOff-Axial 光学系を構
成しているため光学素子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。

【０１７４】そして、本発明の実施形態においては、第
１面の光線有効径の中心点を原点とすると共に、原点と
最終結像面の中心とを通る光線（基準軸光線）の経路を
光学系の基準軸と定義している。さらに、本実施形態中
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。

【０１７５】本発明の実施形態においては、光学素子の
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射出瞳又は光学系の第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。

【０１７６】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。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。

【０１７７】本発明の各実施形態の光学素子を構成する
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。

【０１７８】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２４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２４の紙面
に垂直な直線） また、光学素子を構成する第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。

【０１７９】また、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θ
i （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２４中のYZ平面上にある。
またXZおよびXY面内での面の偏心はない。さらに、第ｉ
面のローカル座標(x,y,z) のy,z 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。

【０１８０】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 また、Diは第ｉ面と第(i+1) 面のローカル座標の原点間
の間隔を表すスカラー量、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。

【０１８１】また、本発明の実施形態では光学素子の断
面図及び数値データを示す。また、本発明の後述する実
施形態８の光学系は複数の光学素子の移動により全体の
焦点距離を変化する（変倍をする）。実施形態８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。

【０１８２】ここで、図２４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８では変倍のために移
動する光学素子はZ 方向の移動のみとして表しているた
め、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。

【０１８３】なお、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 なお、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。
また、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。

【０１８４】本発明の実施形態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２４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。

【０１８５】球面は以下の式で表される形状である：

【０１８６】

【数９】 また、本発明の光学素子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：

【０１８７】

【数１０】 として Z=A/B+c02y²+c20x²+c03y³+c21x²y+c04y⁴+c22x²y²+c40x⁴ 上記曲面式はx に関して偶数次の項のみであるため、上
記曲面式により規定される曲面はyz面を対称面とする面
対称な形状である。さらに以下の条件が満たされる場合
はxz面に対して対称な形状を表す。

【０１８８】C03＝C21 ＝0 、 t＝0 さらに 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。

【０１８９】なお、本発明の各実施形態においては図２
４に示すように、その第１面は絞りである。また、水平
半画角uYとは図２４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。また、第１面であ
る絞りR1の直径を絞り径として示している。これは光学
系の明るさに関係する。なお、入射瞳は第１面に位置す
るため上記絞り径は入射瞳径に等しい。

【０１９０】また、像面上での有効像範囲を像サイズと
して示す。像サイズはローカル座標のy 方向のサイズを
水平、x 方向のサイズを垂直とした矩形領域で表してい
る。

【０１９１】また、構成データを挙げている実施例につ
いてはその横収差図を示す。横収差図は各実施例につい
て、絞りR1への垂直入射角、水平入射角が夫々(uX,uY),
(uX,0),(uX,uY),(0,uY),( 0,0),(0,-uY)となる入射角の
光束の横収差を示す。

【０１９２】実施形態８については広角端(W) 、中間位
置(M) 、望遠端(T) の状態について横収差を示す。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。

【０１９３】また、光学素子内部に存在する光学性能上
問題となる泡や異物の粒径、又は、表面反射面上の疵の
幅や付着物等の粒径Ｄは10〜100 μm程度となるが、こ
こでは粒径Ｄは35μm を例として話を進める。また、粒
径Ｄは主に不良品とみなす検査基準であると見なすこと
ができる。さらに、撮像素子であるCCD の画素サイズを
６μm角、つまり分解能ｂを６μmとして話を進める。

【０１９４】また、泡や異物、付着物等による光量低下
は、最小スポットの幅が泡や異物、付着物等の大きさよ
りも広ければ最小スポットの面積と泡や異物、付着物等
の面積で決まり、最小スポットの幅が泡や異物、付着物
等の大きさよりも狭ければ最小スポットの長さと泡や異
物等の大きさで決まる。

【０１９５】以下、各実施形態について説明する。

【０１９６】次に前述の（１ａ）、（２ａ）、（３
ａ）、（４ａ）の条件の意味について説明する。なお、
合成焦点距離の計算は特開平9-5650号公報を参照して計
算した。また、画角に依存しない非点収差を発生させた
場合、光学系の焦点距離の値はアジムスに依存して変化
する。

【０１９７】画角に依存しない非点収差を発生させた光
学系の焦点距離のうち、最大となる焦点距離をf_maxと
し、軸上非点隔差をＳ、焦点距離f_maxに対応する射出瞳
の径をＲとすると、軸上光線の光スポットが最初に直線
状になったときの光スポットの長さは

【０１９８】

【数１１】 と表すことができる。

【０１９９】つまり、条件（１ａ）、（３ａ）の左辺は
該光学素子内に存在する問題となる泡や異物等の粒径、
又は、表面反射面上の疵の幅や付着物等の粒径（Ｄ、ま
たは、５ｂ/|β|)と絞りが開放のときの中間結像位置で
の該直線状の光スポットの長さの比を表している。画角
に依存しない非点収差を発生させた場合、泡や異物、付
着物等による影響は光スポットが直線状になった時が一
番大きく、条件（１ａ)、（３ａ）の左辺が小さければ
小さいほど泡や異物、付着物等による光量低下は少な
い。しかし、条件（１ａ）、（３ａ）の左辺が小さすぎ
ると収差補正上好ましくない。

【０２００】また、非点収差を発生させた場合には光ス
ポットは二回直線状になるが、最初に直線状になったと
きの光スポットの長さの方が短くなる。よって、ここで
問題となるのは最初に直線状になったときの光スポット
である。また、条件（２ａ）、（４ａ）は絞りが小絞り
のときを考慮した条件である。

【０２０１】泡や異物、付着物等による光量低下をどれ
くらいに抑えればよいかは感光材や受光素子などに依存
するが、条件（１ａ）、（２ａ）を満たしていれば開放
のときに光量低下を10％以下に抑えることができ、10%
程度の光量低下であれば、泡や異物、付着物等の画像へ
の影響は目立ちにくい。また、条件（３ａ）、（４ａ）
を満たしていれば絞りが小絞りのときに光量低下を30％
以下に抑えることが可能である。小絞りの径が小さけれ
ば小さいほど、条件（３ａ）、（４ａ）の左辺を開放の
ときと同様に小さくすることは難しく、収差補正上好ま
しくない。しかし、30% 程度の光量低下であれば、電気
的な補正をすることが可能であり、電気的な補正を併用
することにより泡や異物、付着物等の画像への影響を絞
りが開放の時と同等に減らすことが可能である。

【０２０２】図９は本発明の実施形態４の光学系のYZ面
内での断面図である。本実施形態は水平画角63.4度、垂
直画角49.6度の撮影光学系である。図９には光路も図示
している。

【０２０３】また、本実施形態は中間結像位置で画角に
依存しない非点収差を発生させていて、

【０２０４】

【数１２】 となり条件（１ａ）、（３ａ）を満たしている。

【０２０５】本実施形態の構成データは次のとおりであ
る。

【０２０６】 水平半画角 31.7 垂直半画角 24.8 絞り径 2.00 像サイズ 水平4mm ×垂直3mm i Yi Zi θi Di Ndi νdi 1 0.00 0.00 0.00 1.12 1 絞り 2 0.00 1.12 0.00 7.49 1.58310 30.20 屈折面 3 0.00 8.61 18.49 9.86 1.58310 30.20 反射面 4 -5.93 0.73 0.58 9.30 1.58310 30.20 反射面 5 -11.38 8.28 -16.00 8.90 1.58310 30.20 反射面 6 -11.97 -0.61 -24.51 9.39 1.58310 30.20 反射面 7 -19.45 5.06 -26.42 8.02 1.58310 30.20 反射面 8 -19.45 -2.96 0.00 3.68 1 屈折面 9 -19.45 -6.64 -0.00 1 像面 球面形状 R 2 面 r 2= -9.921 R 8 面 r 8= 9.764 非球面形状 R 3 面 a =-1.11675e+01 b =-1.26065e+01 t = 2.80750e+01 C03= 3.54262e-04 C21=-1.11331e-05 C04= 3.48452e-05 C22= 1.63301e-04 C40= 1.67279e-04 R 4 面 a =-2.52460e+00 b = 4.41616e+00 t =-3.55268e+01 C03=-4.00282e-03 C21=-5.33693e-03 C04= 1.64937e-03 C22= 1.34006e-03 C40=-5.90675e-04 R 5 面 a =-6.17120e+00 b = 1.69072e+01 t =-2.95634e+01 C03=-6.52258e-04 C21=-1.37521e-03 C04= 2.48644e-05 C22=-1.37172e-04 C40=-1.48694e-04 R 6 面 a =-9.06348e+02 b =-9.17518e+02 t = 8.32864e+01 C03= 9.11828e-04 C21=-2.36281e-05 C04=-7.11253e-05 C22=-4.01035e-04 C40=-4.11690e-04 R 7 面 a =-1.95290e+01 b =-2.20227e+02 t =-1.50576e-01 C03= 2.80664e-04 C21=-6.98915e-04 C04= 5.82181e-07 C22=-7.51310e-05 C40=-1.54783e-04 図９において、２０は複数の曲面反射面を有する光学素
子でありガラス等の透明体で構成している。光学素子２
０の表面には物体からの光線の通過順に、負の屈折力を
有する凹屈折面（入射面）R2及び凹面鏡R3・凸面鏡R4・
凹面鏡R5・反射面R6・凹面鏡R7の五つの反射面及び正の
屈折力を有する凸屈折面（射出面）R8を形成している。
R1は光学素子２０の物体側に配置した絞り、R9は最終結
像面であり、CCD 等の撮像素子の撮像面が位置する。な
お、２つの屈折面はいずれも回転対称の球面であり、す
べての反射面はYZ平面のみに対して対称な面である。

【０２０７】入射面R2から中間結像面の物体側までの面
(R3)が物体側結像要素、中間結像面の像面側の面R4から
最終面(R8)までが像側結像要素である。以下の各実施形
態でも同じである。

【０２０８】次に本実施形態における結像作用を説明す
る。物体からの光束２１は、絞り（入射瞳）R1により入
射光量を規制された後、光学素子２０の入射面R2に入射
し、面R3で反射された後、面R3とR4の間で一旦結像し、
次いで面R4,R5,R6,R7 で次々に反射して行き、射出面R8
から射出し、最終結像面R9上に再結像する。

【０２０９】この様に光学素子２０は、入出射面による
屈折力と、その中での複数の曲面反射鏡による屈折力に
よって、所望の光学性能を有する全体として正の屈折力
を有するレンズユニットとして機能している。

【０２１０】本実施形態においては、近距離物体へのフ
ォーカシングは光学素子２０全体を撮像素子の撮像面R9
に対して移動させることで行う。とくに本実施形態にお
いては、光学素子２０に入射する基準軸の方向と光学素
子２０から射出する基準軸の方向は平行でであるため、
光学素子全体を射出する基準軸の方向（Z 軸方向）に平
行に移動させる事で、従来のレンズ系と同様にフォーカ
シング動作を行うことができる。また、本実施形態の光
学素子の横収差図を図１０に示す。本実施形態はバラン
スの良い収差補正状態が得られている。

【０２１１】次に、本実施形態の効果を説明する。図２
５は図６（Ｃ）に示す従来の反射光学系（光学素子）の
中間結像面付近での軸上と軸外の最小スポットを示して
いる。この場合、粒径35μm の泡や異物が最小スポット
位置に存在すると軸上では最小スポットの面積が約3535
μm²となり、粒径35μm の泡や異物の面積は約962 μm2
であるので約27.2% の光量が失われる。一方、軸外では
最小スポットの面積が約9210μm²となり、約10.4% の光
量が失われることがわかる。軸外では収差が多く発生し
ているために泡や異物による光量低下は少ない。

【０２１２】図２６は本実施形態４の中間結像面付近で
の軸上と軸外の最小スポットを示している。粒径35μm
の泡や異物が最小スポット位置に存在した場合、図から
判断して、軸上では最小スポットの面積が約11094 μm²
で約8.7%の光量低下となり、軸外では最小スポットの面
積が約35487 μm²で約2.7%の光量低下で済むことにな
る。

【０２１３】なお、問題となる泡や異物の大きさを５ｂ
/|β| とした場合、５ｂ/|β|=5 ×6 ／0.98=30.6 μm
であり、面積は約735 μm²となるので、光量低下は軸上
では約6.6%、軸外では約2.1%となる。

【０２１４】図１１は本発明の実施形態５の光学系のYZ
面内での断面図である。本実施形態は水平画角63.4度、
垂直画角49.6度の撮影光学系である。図１１は光路も図
示している。

【０２１５】また、本実施形態は中間結像位置で画角に
依存しない非点収差を発生させている。本実施形態は絞
りが小絞りの時の泡や異物の画像への影響を考慮してい
る。本実施形態では小絞りのときのＦナンバーを８とし
ている。

【０２１６】条件（２ａ）、（４ａ）の左辺を計算する
と、

【０２１７】

【数１３】 となり条件（２ａ）、（４ａ）を満たしている。

【０２１８】更に、条件（１ａ）、（３ａ）の左辺を計
算すると、

【０２１９】

【数１４】 となり、開放のときの条件（１ａ）、（３ａ）も満たし
ている。

【０２２０】本実施形態の構成データは次のとおりであ
る。

【０２２１】 水平半画角 31.7 垂直半画角 24.8 絞り径 2.00 像サイズ 水平4mm ×垂直3mm i Yi Zi θi Di Ndi νdi 1 0.00 0.00 0.00 0.84 1 絞り 2 0.00 0.84 0.00 7.49 1.62191 45.07 屈折面 3 0.00 8.33 18.49 9.86 1.62191 45.07 反射面 4 -5.93 0.45 0.58 9.30 1.62191 45.07 反射面 5 -11.38 8.00 -16.00 8.90 1.62191 45.07 反射面 6 -11.97 -0.89 -24.51 9.39 1.62191 45.07 反射面 7 -19.45 4.78 -26.42 8.02 1.62191 45.07 反射面 8 -19.45 -3.24 0.00 3.73 1 屈折面 9 -19.45 -6.96 -0.00 1 像面 球面形状 R 2 面 r 2= -9.401 R 8 面 r 8= 10.100 非球面形状 R 3 面 a =-1.14746e+01 b =-1.26394e+01 t = 3.26910e+01 C03= 4.07416e-04 C21=-6.56910e-05 C04=-2.83800e-05 C22= 2.03793e-04 C40= 2.56598e-04 R 4 面 a =-2.64358e+00 b = 4.22672e+00 t =-4.50100e+01 C03=-4.16081e-03 C21=-8.82585e-03 C04= 1.45602e-03 C22= 1.84420e-03 C40= 1.08907e-03 R 5 面 a =-6.18502e+00 b = 1.68729e+01 t =-3.02355e+01 C03=-7.11179e-04 C21=-1.41368e-03 C04= 5.16166e-05 C22=-1.42863e-04 C40=-1.46709e-04 R 6 面 a =-7.85347e+02 b =-7.93496e+02 t = 8.37924e+01 C03= 8.07938e-04 C21= 1.69711e-04 C04=-8.35098e-06 C22=-4.44966e-04 C40=-5.08840e-04 R 7 面 a =-1.90604e+01 b =-1.73227e+02 t =-7.44028e-01 C03= 3.37625e-04 C21=-5.13706e-04 C04= 4.72892e-05 C22=-9.63384e-05 C40=-2.04003e-04 図１１中、２０は複数の曲面反射面を有する光学素子で
ありガラス等の透明体で構成している。光学素子２０の
表面には物体からの光線の通過順に、負の屈折力を有す
る凹屈折面（入射面）R2及び凹面鏡R3・凸面鏡R4・凹面
鏡R5・反射面R6・凹面鏡R7の五つの反射面及び正の屈折
力を有する凸屈折面（射出面）R8を形成している。R1は
光学素子２０の物体側に配置した絞り、R9は最終結像面
であり、CCD 等の撮像素子の撮像面が位置する。なお、
２つの屈折面はいずれも回転対称の球面であり、すべて
の反射面はYZ平面のみに対して対称な面である。

【０２２２】次に本実施形態における結像作用を説明す
る。物体からの光束２１は、絞り（入射瞳）R1により入
射光量を規制された後、光学素子２０の入射面R2に入射
し、面R3で反射された後、面R3とR4の間で一旦結像し、
次いで面R4,R5,R6,R7 で次々に反射して行き、射出面R8
から射出し、最終結像面R9上に再結像する。

【０２２３】この様に光学素子２０は、入出射面による
屈折力と、その中での複数の曲面反射鏡による屈折力に
よって、所望の光学性能を有する全体として正の屈折力
を有するレンズユニットとして機能している。

【０２２４】本実施形態においては、近距離物体へのフ
ォーカシングは光学系（光学素子）全体を撮像素子の撮
像面R9に対して移動させることで行う。とくに本実施形
態においては、光学素子２０に入射する基準軸の方向と
光学素子２０から射出する基準軸の方向は平行でである
ため、光学系全体を射出する基準軸の方向（Z 軸方向）
に平行に移動させる事で、従来のレンズ系と同様にフォ
ーカシング動作を行うことができる。また、本実施形態
の光学系の横収差図を図１２に示す。

【０２２５】次に、本実施形態の効果を説明する。図２
７は図６（Ｃ）に示す従来の反射光学系において、絞り
をＦ/ ８まで絞ったときの中間結像面付近での軸上と軸
外の最小スポットを示している。この場合、粒径35μm
の泡や異物が最小スポット位置にに存在すると軸上では
ほとんどの光量が失われ、軸外では最小スポットの長さ
が約70μm で約50% の光量が失われることがわかる。図
２８は本実施形態において、絞りをＦ/ ８まで絞ったと
きの中間結像面付近での軸上と軸外の最小スポットを示
している。粒径35μm の泡や異物が最小スポット位置に
存在した場合、図から判断して軸上では最小スポットの
長さが約125 μm となり約28% の光量低下、軸外では最
小スポットの長さが約125 μm となり約28% の光量低下
で済むことになる。

【０２２６】なお、問題となる泡や異物の大きさを５ｂ
/|β| とした場合、５ｂ/|β|=5 ×6 ／0.96=31.3 μm
であるので、光量低下は軸上、軸外ともに約25% にな
る。

【０２２７】小絞りのときは、条件（３ａ）、（４ａ）
の左辺を開放のときと同様に小さくすることは難しく、
収差補正上好ましくない。しかし、30% 程度の光量低下
であれば、電気的な補正をすることが可能であり、電気
的な補正を併用することにより画像の影響を減らすこと
ができる。

【０２２８】図１３は本発明の実施形態６の光学系のYZ
面内での断面図である。本実施形態は水平画角63.4度、
垂直画角49.6度の撮影光学系である。図１３は光路も図
示している。

【０２２９】また、本実施形態は中間結像位置で画角に
依存しない非点収差を発生させていて、

【０２３０】

【数１５】 となり条件（１ａ）、（３ａ）を満たしている。

【０２３１】本実施形態の構成データは次のとおりであ
る。なお、本実施形態は入射面が回転非対称な面形状を
している。

【０２３２】 水平半画角 31.7 垂直半画角 24.8 絞り径 1.62 像サイズ 水平4mm ×垂直3mm i Yi Zi θi Di Ndi νdi 1 0.00 0.00 0.00 2.25 1 絞り 2 0.00 2.25 0.00 7.49 1.58310 30.20 屈折面 3 0.00 9.74 18.75 9.86 1.58310 30.20 反射面 4 -6.00 1.92 1.04 9.27 1.58310 30.20 反射面 5 -11.37 9.47 -16.80 8.94 1.58310 30.20 反射面 6 -11.65 0.53 -28.33 9.41 1.58310 30.20 反射面 7 -19.67 5.45 -29.24 8.95 1.58310 30.20 反射面 8 -19.67 -3.51 0.00 4.10 1 屈折面 9 -19.67 -7.61 0.00 1 像面 球面形状 R 8 面 r 8= 11.178 非球面形状 R 2 面 a = ∞ b = ∞ t = 0 C02=-8.40171e-02 C20=-5.56507e-03 C03= 0.00000e+00 C21= 0.00000e+00 C04= 8.39926e-04 C22=-1.25469e-03 C40= 2.31772e-04 R 3 面 a =-1.13143e+01 b =-1.24404e+01 t = 1.58590e+01 C03= 7.85133e-05 C21= 6.09238e-05 C04= 2.73849e-05 C22= 8.98778e-05 C40= 9.20652e-05 R 4 面 a =-2.26845e+00 b = 5.04617e+00 t =-2.74808e+01 C03= 8.07790e-04 C21=-2.78687e-03 C04= 5.10033e-05 C22= 7.62339e-04 C40=-7.53257e-04 R 5 面 a =-6.11825e+00 b = 1.71331e+01 t =-2.13714e+01 C03=-4.59621e-04 C21=-7.81713e-04 C04=-5.79810e-05 C22=-1.68453e-04 C40=-1.05899e-04 R 6 面 a =-7.93207e+02 b =-7.93752e+02 t = 8.03054e+01 C03= 7.05489e-04 C21= 2.44661e-04 C04=-1.48850e-04 C22=-3.20082e-04 C40=-1.41576e-04 R 7 面 a =-2.11107e+01 b =-1.23419e+03 t =-2.87104e+01 C03=-2.90841e-04 C21=-8.50288e-04 C04=-2.04956e-06 C22=-4.18670e-05 C40=-1.79566e-05 図１３中、２０は複数の曲面反射面を有する光学素子で
ありガラス等の透明体で構成している。光学素子２０の
表面には物体からの光線の通過順に、負の屈折力を有す
る回転非対称な屈折面（入射面）R2及び凹面鏡R3・凸面
鏡R4・凹面鏡R5・反射面R6・凹面鏡R7の五つの反射面及
び正の屈折力を有する凸屈折面（射出面）R8を形成して
いる。R1は光学素子２０の物体側に配置した絞り、R9は
最終結像面であり、CCD 等の撮像素子の撮像面が位置す
る。なお、射出面は回転対称の球面であり、すべての反
射面はYZ平面のみに対して対称な面である。

【０２３３】次に本実施形態における結像作用を説明す
る。物体からの光束１は、絞り（入射瞳）R1により入射
光量を規制された後、光学素子２０の入射面R2に入射
し、面R3で反射された後、面R3とR4の間で一旦結像し、
次いで面R4,R5,R6,R7 で次々に反射して行き、射出面R8
から射出し、最終結像面R9上に再結像する。

【０２３４】この様に光学素子２０は、入出射面による
屈折力と、その中での複数の曲面反射鏡による屈折力に
よって、所望の光学性能を有する全体として正の屈折力
を有するレンズユニットとして機能している。

【０２３５】本実施形態においては、近距離物体へのフ
ォーカシングは光学系全体を撮像素子の撮像面R9に対し
て移動させることで行う。とくに本実施形態において
は、光学素子２０に入射する基準軸の方向と光学系から
射出する基準軸の方向は平行でであるため、光学系全体
を射出する基準軸の方向（Z 軸方向）に平行に移動させ
る事で、従来のレンズ系と同様にフォーカシング動作を
行うことができる。また、本実施形態の光学系の横収差
図を図１４に示す。

【０２３６】本実施形態の効果を説明する。中間結像面
付近での軸上と軸外の最小スポットはあえて図示しない
が、粒径35μm の泡や異物が最小スポット位置に存在し
た場合、軸上では最小スポットの長さが約470 μm とな
り約7.4%の光量低下、軸外では最小スポットの長さが約
460 μm となり約7.6%の光量低下で済むことになる。

【０２３７】なお、問題となる泡や異物の大きさを５ｂ
/|β| とした場合、５ｂ/|β|=5 ×6 ／0.97=30.9 μm
であるので、光量低下は軸上では約6.6%、軸外では約6.
7%となる。

【０２３８】さらに、入射面が回転非対称な面形状であ
るため、該入射面が回転対称面のときよりも中間結像位
置で画角に依存しない非点収差を発生しやすくなってい
る。また、該入射面が入射瞳に近い構造であるため、画
角に対してほぼ均一に非点収差を発生させることが可能
である。

【０２３９】図１５は本発明の実施形態７の光学系のYZ
面内での断面図である。本実施形態は水 平画角63.4
度、垂直画角49.6度の撮影光学系である。図１５は光路
も図示している。

【０２４０】また、本実施形態は中間結像位置で画角に
依存しない非点収差を発生させていて、

【０２４１】

【数１６】 となり条件（１ａ）、（３ａ）を満たしている。

【０２４２】本実施形態の構成データを以下に示す。な
お、本実施形態は入射面、射出面が回転非対称な面形状
をしている。

【０２４３】 水平半画角 31.7 垂直半画角 24.8 絞り径 1.62 像サイズ 水平4mm ×垂直3mm i Yi Zi θi Di Ndi νdi 1 0.00 0.00 0.00 1.34 1 絞り 2 0.00 1.34 0.00 7.49 1.58310 30.20 屈折面 3 0.00 8.82 18.75 9.86 1.58310 30.20 反射面 4 -6.00 1.00 1.04 9.27 1.58310 30.20 反射面 5 -11.37 8.55 -16.80 8.94 1.58310 30.20 反射面 6 -11.65 -0.39 -28.33 9.41 1.58310 30.20 反射面 7 -19.67 4.53 -29.24 8.00 1.58310 30.20 反射面 8 -19.67 -3.47 0.00 3.76 1 屈折面 9 -19.67 -7.22 0.00 1 像面 非球面形状 R 2 面 a = ∞ b = ∞ t = 0 C02=-1.72863e-01 C20=-3.43785e-02 C03= 0.00000e+00 C21= 0.00000e+00 C04=-1.14063e-02 C22=-2.25445e-02 C40=-6.18574e-03 R 3 面 a =-1.16716e+01 b =-1.32422e+01 t = 3.13484e+00 C03=-1.43087e-04 C21= 2.64110e-05 C04= 7.52835e-06 C22=-2.92736e-05 C40=-3.03489e-05 R 4 面 a =-2.40442e+00 b = 4.33821e+00 t = 1.33231e+01 C03= 4.85362e-03 C21= 6.99637e-03 C04=-2.90654e-04 C22=-1.09311e-03 C40=-6.71405e-04 R 5 面 a =-6.08378e+00 b = 1.77655e+01 t =-2.39551e+01 C03=-7.75363e-04 C21=-5.50043e-04 C04=-1.00179e-04 C22=-2.64182e-04 C40=-1.49464e-04 R 6 面 a =-4.05845e+02 b =-4.05368e+02 t = 8.32433e+01 C03= 6.14312e-04 C21= 2.18334e-03 C04=-2.16629e-04 C22=-8.99316e-04 C40=-5.26979e-04 R 7 面 a =-1.84127e+01 b =-1.30993e+02 t = 3.36693e+01 C03=-8.02648e-05 C21= 3.23663e-04 C04= 1.45200e-05 C22=-3.16738e-04 C40=-1.89870e-04 R 8 面 a = ∞ b = ∞ t = 0 C02= 8.68816e-02 C20= 9.42024e-02 C03= 0.00000e+00 C21= 0.00000e+00 C04=-9.26017e-05 C22=-3.95347e-03 C40=-2.63504e-03 図１５中、２０は複数の曲面反射面を有する光学素子で
ありガラス等の透明体で構成している。光学素子２０の
表面には物体からの光線の通過順に、負の屈折力を有す
る回転非対称な屈折面（入射面）R2及び凹面鏡R3・凸面
鏡R4・凹面鏡R5・反射面R6・凹面鏡R7の五つの反射面及
び正の屈折力を有する回転非対称な屈折面（射出面）R8
を形成している。R1は光学素子２０の物体側に配置した
絞り、R9は最終結像面であり、CCD 等の撮像素子の撮像
面が位置する。なお、すべての反射面はYZ平面のみに対
して対称な面である。

【０２４４】次に本実施形態における結像作用を説明す
る。物体からの光束１は、絞り（入射瞳）R1により入射
光量を規制された後、光学素子２０の入射面R2に入射
し、面R3で反射された後、面R3とR4の間で一旦結像し、
次いで面R4,R5,R6,R7 で次々に反射して行き、射出面R8
から射出し、最終結像面R9上に再結像する。

【０２４５】この様に光学素子２０は、入出射面による
屈折力と、その中での複数の曲面反射鏡による屈折力に
よって、所望の光学性能を有する全体として正の屈折力
を有するレンズユニットとして機能している。

【０２４６】本実施形態においては、近距離物体へのフ
ォーカシングは光学系全体を撮像素子の撮像面R9に対し
て移動させることで行う。とくに本実施形態において
は、光学素子２０に入射する基準軸の方向と光学系から
射出する基準軸の方向は平行でであるため、光学系全体
を射出する基準軸の方向（Z 軸方向）に平行に移動させ
る事で、従来のレンズ系と同様にフォーカシング動作を
行うことができる。また、本実施形態の光学系の横収差
図を図１６に示す。

【０２４７】本実施形態の効果を説明する。中間結像面
付近での軸上と軸外の最小スポットはあえて図示しない
が、粒径35μm の泡や異物が最小スポット位置に存在し
た場合、軸上では最小スポットの面積が約18600 μm²と
なり約5.2%の光量低下、軸外では最小スポットの面積が
約30800 μm²となり約3.1%の光量低下で済むことにな
る。

【０２４８】なお、問題となる泡や異物の大きさを５ｂ
/|β| とした場合、５ｂ/|β|=5 ×6 ／1.01=29.7 μm
であり、面積約693 μm²はとなるので、光量低下は軸上
では約3.7%、軸外では約2.3%となる。

【０２４９】さらに、入射面が回転非対称な面形状であ
るため、該入射面が回転対称面のときよりも中間結像位
置で画角に依存しない非点収差を発生しやすくなってい
る。また、該入射面が入射瞳に近い構造であるため、画
角に対してほぼ均一に非点収差を発生させることが可能
である。さらに、射出面が回転非対称な面形状であるた
め、入射面で発生したディストーションなどの非対称な
収差の発生を低減することが可能である。

【０２５０】図１７は本発明の実施形態８のYZ面内での
光学断面図である。同図において（Ａ）は広角端、
（Ｂ）は中間、（Ｃ）は望遠端を示している。本実施形
態は変倍比約３倍の３つの光学素子２２，２３，２４よ
り成る三群ズームレンズの撮像光学系である。その構成
データを以下に記す。

【０２５１】また、本実施形態は中間結像位置で画角に
依存しない非点収差を発生させている。

【０２５２】 広角端 中間 望遠端 水平半画角 26.3 13.9 9.3 垂直半画角 20.3 10.5 7.0 絞り径 1.30 2.60 3.86 i Yi Zi(W） θi Di Ndi νdi 1 0.00 0.00 0.00 2.00 1 絞り 2 0.00 2.00 0.00 10.82 1.57250 57.76 屈折面 3 0.00 12.82 32.01 10.00 1.57250 57.76 反射面 4 -8.99 8.43 15.57 9.00 1.57250 57.76 反射面 5 -13.87 15.99 -2.17 8.20 1.57250 57.76 反射面 6 -17.79 8.79 -14.41 8.70 1.57250 57.76 反射面 7 -25.11 13.48 -28.67 5.50 1.57250 57.76 反射面 8 -25.11 7.98 0.00 変数 1 屈折面 9 -25.11 7.10 0.00 5.70 1.57250 57.76 屈折面 10 -25.11 1.40 25.00 7.50 1.57250 57.76 反射面 11 -19.37 6.22 20.00 7.60 1.57250 57.76 反射面 12 -18.05 -1.27 20.00 7.50 1.57250 57.76 反射面 13 -12.30 3.55 25.00 5.50 1.57250 57.76 反射面 14 -12.30 -1.95 0.00 変数 1 屈折面 15 -12.30 -8.76 0.00 7.00 1.57250 57.76 屈折面 16 -12.30 -15.76 -28.09 9.80 1.57250 57.76 反射面 17 -20.44 -10.31 -11.24 10.00 1.57250 57.76 反射面 18 -25.99 -18.63 -0.30 9.50 1.57250 57.76 反射面 19 -31.35 -10.78 13.51 10.00 1.57250 57.76 反射面 20 -40.12 -15.58 30.67 7.00 1.57250 57.76 反射面 21 -40.12 -8.58 0.02 変数 1 屈折面 22 -40.12 -6.29 0.00 4.00 1.51633 64.15 屈折面 23 -40.12 -2.29 0.00 1.00 1 屈折面 24 -40.12 -1.29 0.00 1 像面 広角端 中間 望遠端 D 8 0.89 5.36 7.69 D14 6.81 4.55 3.37 D21 2.29 4.49 5.65 D 1 〜 8面 Zi(M) = Zi(W) + 0.00 Zi(T) = Zi(W) + 0.00 D 9 〜14面 Zi(M) = Zi(W) - 4.47 Zi(T) = Zi(W) - 6.81 D15 〜21面 Zi(M) = Zi(W) - 2.20 Zi(T) = Zi(W) - 3.36 D22 面 Zi(M) = Zi(W) Zi(T) = Zi(W) 球面形状 R 2 面 r 2= -14.727 R 8 面 r 8= -7.999 R 9 面 r 9= -15.217 R14 面 r14= 8.191 R15 面 r15= -51.658 R21 面 r21= 6.898 R22 面 r22=∞ R23 面 r23=∞ 非球面形状 C03=-6.05005e-05 C21= 3.34313e-04 C04=-2.64740e-05 C22=-5.50680e-05 C40=-6.85730e-05 R 4 面 C02= 9.17779e-05 C20=-6.18233e-02 C03=-6.22285e-05 C21= 1.56326e-03 C04=-1.20412e-04 C22=-5.94589e-04 C40= 3.43423e-04 R 5 面 C02=-1.79880e-02 C20=-4.47169e-02 C03=-2.19676e-04 C21=-3.43409e-05 C04=-4.20166e-05 C22=-1.02203e-04 C40=-1.42044e-04 R 6 面 C02=-8.01208e-03 C20=-3.52443e-02 C03=-7.49991e-04 C21= 3.10102e-03 C04=-1.17900e-04 C22=-1.05389e-03 C40=-1.33235e-03 R 7 面 C02=-2.51729e-02 C20=-3.30317e-02 C03=-2.07597e-04 C21= 1.88406e-04 C04=-2.43897e-05 C22=-8.46174e-05 C40=-2.65298e-05 R10 面 C02= 1.93480e-02 C20= 6.98052e-04 C03=-4.46652e-04 C21=-1.76685e-03 C04= 1.41004e-06 C22=-2.87544e-04 C40=-1.02043e-04 R11 面 C02=-1.77224e-02 C20=-2.86382e-02 C03=-8.52261e-04 C21=-1.67811e-03 C04=-1.40330e-04 C22=-1.73460e-05 C40=-8.74184e-07 R12 面 C02= 2.78627e-02 C20= 1.30724e-02 C03= 1.48986e-05 C21= 2.35448e-03 C04= 1.13038e-04 C22= 1.41561e-03 C40= 4.99584e-04 R13 面 C02=-3.52058e-02 C20=-9.12630e-02 C03= 2.06469e-03 C21= 4.97992e-03 C04= 9.30915e-05 C22=-5.25179e-04 C40=-1.07144e-04 R16 面 C02= 1.89481e-02 C20= 5.89085e-02 C03= 3.76913e-04 C21= 7.92483e-04 C04= 2.95432e-05 C22= 1.71436e-04 C40= 1.60251e-04 R17 面 C02=-8.27640e-03 C20=-2.90095e-02 C03= 4.98465e-04 C21=-8.54262e-03 C04= 4.17911e-05 C22=-8.35501e-04 C40=-2.96432e-04 R18 面 C02= 1.49383e-02 C20= 2.79447e-02 C03= 3.45413e-04 C21=-6.67856e-04 C04= 7.14602e-05 C22= 9.57676e-05 C40=-1.09444e-05 R19 面 C02=-2.78032e-03 C20= 3.47409e-03 C03= 3.05230e-04 C21=-1.29009e-03 C04= 1.34108e-04 C22= 6.74071e-05 C40=-1.81113e-05 R20 面 C02= 2.64689e-02 C20= 1.11119e-02 C03= 9.29169e-05 C21=-7.42810e-04 C04= 1.94555e-05 C22= 3.83296e-05 C40=-4.37073e-05 図１７において、第１面R1は入射瞳である絞り面、第２
面R2〜第８面R8は第１光学素子２２、第９面R9〜第１４
面R14 は第２光学素子２３、第１５面R15 〜第21面R21
は第３光学素子２４である。

【０２５３】２５は平行平板よりなる光学補正板であ
り、水晶を材料とするローパスフィルターや赤外カット
フィルター等から構成している。第２３面R23 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。

【０２５４】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。

【０２５５】まず、第１面R1を通過した光束は第１の光
学素子２２に入射する。第１の光学素子２２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R
6、第７面R7で反射、第８面R8で屈折し、第１の光学素
子２２を射出する。ここで、第４面R4付近で中間結像を
する。

【０２５６】次に光束は第２の光学素子２３に入射す
る。第２の光学素子２３内では第９面R9で屈折、第１０
面R10 、第１１面R11 、第１２面R12 、第１３面R13 で
反射、第１４面R14 で屈折し、第２の光学素子２３を射
出する。ここで光束は第１０面R10 と第１１面R11 の間
と第１４面R14 付近で中間結像面を有する。

【０２５７】次に第２の光学素子２３を射出した光束は
第３の光学素子２４に入射する。第３の光学素子２４内
では第１５面R15 で屈折、第１６面R16 、第１７面R17
、第１８面R18 、第１９面R19 、第２０面R20 で反
射、第２１面R21 で屈折し、第３の光学素子２４を射出
する。ここで、第１８面R18 の近傍で中間結像してい
る。

【０２５８】最後に第３の光学素子２４を射出した光束
は光学補正板２５を通り、最終結像面である第２３面R2
3 上に結像する。

【０２５９】次に、変倍動作に伴う各光学素子の移動に
ついて説明する。変倍に際して第１の光学素子２２は固
定であり、動かない。第２の光学素子２３をＺマイナス
方向に移動させて広角端から望遠端への変倍を行い、変
倍に伴う像面変動を第３の光学素子２４を移動させて補
正すると共に、フォーカスを行っている。像面である第
２３面R23 は変倍に際して移動しない。第１の光学素子
２２は所謂撮影光学系の前玉に相当し、第２の光学素子
２３は所謂バリエーター、第３の光学素子２４はコンペ
ンセーターに相当している。

【０２６０】ここで、第４面R4、第１０面R10 、第１４
面R14 、第１８面R18 付近での中間結像位置において、
広角端、中間位置、望遠端について条件（１ａ）、（３
ａ）をそれぞれ計算すると、第４面R4付近の中間結像位
置について ・広角端

【０２６１】

【数１７】 ・中間位置

【０２６２】

【数１８】 ・望遠端

【０２６３】

【数１９】 第１０面R10 付近の中間結像位置について ・広角端

【０２６４】

【数２０】 ・中間位置

【０２６５】

【数２１】 ・望遠端

【０２６６】

【数２２】 第１４面R14 付近の中間結像位置について ・広角端

【０２６７】

【数２３】 ・中間位置

【０２６８】

【数２４】 ・望遠端

【０２６９】

【数２５】 第１８面R18 付近の中間結像位置について ・広角端

【０２７０】

【数２６】 ・中間位置

【０２７１】

【数２７】 ・望遠端

【０２７２】

【数２８】 となり、それぞれ条件（１ａ）、（３ａ）を満たしてい
る。本実施例では、望遠端から広角端にいくしたがって
絞り径が小さくなっている。それゆえ、広角端のほうが
条件式を満たしにくい。

【０２７３】図１８、１９、２０はそれぞれ、本実施形
態の広角端、中間位置、望遠端の横収差図である。

【０２７４】本実施形態の効果を説明する。煩雑になる
ので、泡や異物による光量低下は広角端での軸上光線に
ついてのみ説明する。

【０２７５】最小スポットはあえて図示しないが、第4
面R4、第１０面R10 、第１４面R14、第１８面R18 付近
での中間結像位置において、軸上での最小スポットの長
さはそれぞれ約450 μｍ、約440 μｍ、約450 μｍ、約
8.04mmとなる。

【０２７６】粒径35μm の泡や異物が最小スポット位置
に存在した場合、光量低下はそれぞれ約7.8%、約8%、約
7.8%、約0.4%で済むことになる。また、問題となる泡や
異物の大きさを５ｂ/|β| とした場合、それぞれの中間
結像位置での泡や異物の大きさはそれぞれ41.1μｍ、4
0.5μｍ、25μｍ、27.5μｍとなる。よって、泡や異物
が最小スポット位置に存在した場合、光量低下はそれぞ
れ約9.1%、約9.2%、約5.6%、約0.3%で済むことになる。
広角端から望遠端にいくにしたがって光量低下はさらに
抑えられる。

【０２７７】図２１は本発明の実施形態９のYZ面内での
光学断面図である。本実施形態は水平画角38.2度、垂直
画角29度の撮影光学系である。図２１には光路も図示し
ている。本実施形態は、透明体の表面に屈折面や反射面
が形成された光学素子を使用する代わりに、複数の表面
反射鏡より成る反射光学系を用いている。

【０２７８】また、本実施形態は中間結像位置で画角に
依存しない非点収差を発生させて、

【０２７９】

【数２９】 となり条件（１ａ）、（３ａ）を満たしている。

【０２８０】本実施形態の構成データは次のとおりであ
る。

【０２８１】 水平半画角 19.1 垂直半画角 14.5 絞り径 1.50 i Yi Zi θi Di Ndi νdi 1 0.00 0.00 0.00 6.91 1 絞り 2 0.00 6.91 28.00 10.05 1 反射面 3 -8.33 1.29 33.47 23.67 1 反射面 4 -3.84 24.53 33.00 8.85 1 反射面 5 -11.10 19.46 27.54 12.59 1 反射面 6 -11.10 32.05 0.00 1 像面 非球面形状 R 2 面 a =-1.46039e+03 b =-8.02682e+00 t =-4.20029e+01 C03= 3.67405e-04 C21=-2.46091e-03 C04= 7.60473e-06 C22=-5.65605e-04 C40=-1.12101e-04 R 3 面 a = 1.26931e+01 b = 4.20864e+01 t = 3.49006e+01 C03= 3.62552e-04 C21= 4.25104e-03 C04=-1.54719e-04 C22=-4.16202e-04 C40=-1.06713e-04 R 4 面 a =-2.61453e+02 b =-1.81578e+01 t = 2.33060e+01 C03= 2.43935e-04 C21= 6.87008e-05 C04= 1.49521e-05 C22=-9.34036e-07 C40= 1.30674e-05 R 5 面 a =-2.21549e+01 b = 1.01587e+01 t =-2.84332e+00 C03= 5.07372e-04 C21= 8.89793e-04 C04=-2.95123e-06 C22=-6.31390e-05 C40= 2.86129e-05 本実施形態は、物体からの光線の通過順に、入射瞳であ
る絞り面R1と、凹面鏡R2・凹面鏡R3・凹面鏡R4・凹面鏡
R5の四つの表面反射面で構成されている。R6は最終結像
面であり、CCD 等の撮像素子の撮像面が位置する。な
お、すべての反射面はYZ平面のみに対して対称な面であ
る。

【０２８２】次に本実施形態の結像作用を説明する。物
体からの光束１は、絞り（入射瞳）R1により入射光量を
規制された後、反射面R2で反射され、反射面R3近傍で一
旦結像し、次いで面R3,R4,R5で次々に反射した後、最終
結像面R6上に再結像する。また、本実施形態の光学系の
横収差図を図２２に示す。

【０２８３】本実施形態の効果を説明する。本実施形態
で光学性能上問題となるのは中間結像位置付近にある表
面反射面上の疵の幅や付着物等である。

【０２８４】図２９は中間結像面付近にある表面反射
面、つまり、第３面R3での軸上と軸外の光スポットを示
している。この場合、大きさ35μm の付着物等が第３面
R3に存在すると、軸上では第３面R3上の光スポットの面
積が約72000 μｍ２となり約1.3%の光量低下、軸外では
第３面R3上の光スポットの面積が約118800μｍ２となり
約0.8%の光量低下で済むことになる。

【０２８５】なお、問題となる泡や異物の大きさを５ｂ
/|β| とした場合、５ｂ/|β|=5 ×6 ／0.89=33.7 μm
であり、面積は約892 μｍ２となるので、光量低下は軸
上では約1.2%、軸外では約0.75% となる。この様に、中
間結像面付近にある表面反射面上の疵の幅や付着物等の
画像への影響を抑えることが出来る。

【０２８６】又、本発明においては実施形態４〜７を構
成している透明体の表面に２つの屈折面と複数の反射面
を形成した光学素子と、実施形態９を構成しているよう
な表面反射鏡より成る複数の反射面で構成された光学素
子とを複数用いて、そのうちの少なくとも２つの光学素
子の相対的位置を変化させることによりズーミングを行
う反射型のズーム光学系も構成することが出来る。その
場合も、光学素子内に存在する泡や異物、又は、中間結
像面付近の表面反射面上の疵や付着物等の画像への影響
を低減することができる。

【０２８７】更に、実施形態４〜８を構成している光学
素子と屈折面のみで構成された共軸屈折光学素子とを複
数用いて、そのうちの少なくとも２つの光学素子の相対
的位置を変化させることによりズーミングを行う反射型
のズーム光学系も構成することが出来る。その場合も、
光学素子内に存在する泡や異物、又は、中間結像面付近
の表面反射面上の疵や付着物等の画像への影響を低減す
ることができる。

【０２８８】

【発明の効果】

(ア-1) 本発明によれば以上のように、物体像を最終像面
に至るまでの光路中に少なくとも１回、中間結像させる
光学装置において、物体側結像要素のレンズ系および中
間像を最終像面に再結像させる像側結像要素のレンズ系
を適切に設定することによって、該中間像位置及びその
近傍にノイズ発生源が存在する場合であっても最終像面
上で前記ノイズ発生源による光強度分布の擾乱を平坦化
することにより、最終像面上の画像上のノイズによる擾
乱を目立ちにくくし、最終像面において良好なる画像が
得られるようにした光学素子及びそれを用いた光学装置
を達成することができる。

【０２８９】(ア-2) 特に、本発明では、物体像を最終像
面に至る前の光路中の中間結像面に少なくとも1 回結像
させる物体側結像要素および中間像を最終像面に再結像
させる像側結像要素を含み物体像を最終像面に結像させ
る光学素子を備える光学装置において、該中間結像面位
置にノイズ発生源が存在する場合には最終像面上で前記
ノイズ発生源による光強度分布の擾乱を光学的に平坦化
することにより、最終像面上の画像上のノイズによる擾
乱を目立ちにくくできるという効果がある。

【０２９０】(ア-3) 特に、ノイズ発生源による光強度分
布の擾乱を平坦化する手段を、中間結像位置での結像性
能を劣化させて、ノイズ発生源からの像面上で光強度分
布の擾乱を平坦化するという光学的手段にすることによ
り、特に、部材を増やすことなく容易に最終像面上の画
像上のノイズによる擾乱を目立ちにくくできるという効
果がある。

【０２９１】(ア-4) さらに、その光学系を物体側結像要
素、像側結像要素の少なくともいずれかはオフアキシャ
ル曲面を含むオフアキシャル光学系にすることで、オフ
アキシャル光学系の持つ光学配置上での自由度が増す
（得にオフアキシャル反射面はコンパクト配置がしやす
い）という効果の他に、従来の共軸回転対称光学系では
出せなかったような、軸上非点収差や「ねじれの収差」
を簡単に出すことができるので、より容易に最終像面上
の画像上のノイズによる擾乱を目立ちにくくできるとい
う効果を持たせることができる。

【０２９２】(ア-5) また、一般的に言って光学素子のノ
イズ源による不良率を、中間結像面でのスポット径を大
きくさせることによって急激に小さくすることができる
という効果もある。

【０２９３】(ア-6) 又、本発明は以上のように、物体か
らの光束を透明体の表面に形成した入射 面で入射させ
て、該透明体の一部に設けた曲面より成る内面反射の反
射面の少なくとも一つで反射させて、透明体内で中間結
像させた後に、透明体の射出面から射出させて像を形成
する光学素子、又は、物体からの光束を表面反射鏡より
成る複数の反射面で反射を繰り返し、中間結像させた後
に射出するように構成された光学素子において、少なく
ともいずれかに、オフアキシャル反射面を含み、軸上か
ら軸外まで画角に依存しない収差を発生させ、該中間結
像位置での結像性能を最終結像面の結像性能に対して意
図的に劣化させることにより、光学素子内に存在する泡
や異物、又は、中間結像面付近の表面反射面上の疵や付
着物等の画像への影響を低減することができるという効
果を有する光学素子及びそれを用いた撮像装置を達成す
ることができる。

【０２９４】(ア-7) 特に画角に依存しない非点収差を発
生させることにより、比較的容易に中間結像面付近での
光スポットの大きさを問題となる泡や異物、付着物等の
粒径と比べて極端に大きくすることができ、内部に存在
する泡や異物、又は、表面反射面上の疵や付着物等のに
よる光量低下を少なくする効果を有する光学素子及びそ
れを用いた撮像装置を達成することができる。

【０２９５】(ア-8) さらに、瞳の近くにある入射面を回
転非対称な面形状にすることにより、画角に対してほぼ
均一に非点収差を発生させることができ、光学素子内に
存在する泡や異物の画像への影響を画角に対してほぼ均
一に低減するという効果を有する光学素子及びそれを用
いた撮像装置を達成することができる。

【０２９６】(ア-9) さらに、射出面も回転非対称な面形
状にすることにより、入射面で発生したディストーショ
ンなどの非対称な収差の発生を低減する効果を有する光
学素子及びそれを用いた撮像装置を達成することができ
る。

【０２９７】本発明には更に、特開平8-292371号公報、
特開平8-292372号公報に示されている以下の効果と同じ
効果を持つ。

【０２９８】(ア-10) 物体側から数えて第１の曲面の反
射面に収斂作用を与えていることで光学系の小型化に寄
与している。これは瞳光線（主光線）を入射面に近い段
階で中間結像させて光学系をさらに薄型にするためで、
絞りを出た軸外主光線が大きく拡がらない内に収斂さ
せ、光学系の広角化による第１反射面以降の各面有効径
の大型化を抑えている。

【０２９９】(ア-11) 絞りを撮影光学系の物体側（光学
系の光束入射側）に配置することにより、光学系を広角
化した時に生じる撮影光学系の大型化を抑えている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態１の要部概略図

【図２】 本発明の実施形態２の要部概略図

【図３】 本発明に係る「ねじれの収差」を説明するた
めの概念図

【図４】 本発明の実施形態３の要部概略図

【図５】 ノイズ源の径とノイズ源の数（密度）の関係
を示す摸式図

【図６】 従来の中間結像をする結像系の概念図

【図７】 従来の中間結像位置に存在するノイズ発生源
を説明するための概念図

【図８】 本発明に係る横収差の概念図

【図９】 本発明の実施形態４のYZ面内での光学断面図

【図１０】 実施形態４の横収差図

【図１１】 本発明の実施形態５のYZ面内での光学断面
図

【図１２】 実施形態５の横収差図

【図１３】 本発明の実施形態６のYZ面内での光学断面
図

【図１４】 実施形態６の横収差図

【図１５】 本発明の実施形態７のYZ面内での光学断面
図

【図１６】 実施形態７の横収差図

【図１７】 本発明の実施形態８のYZ面内での光学断面
図

【図１８】 実施形態８の横収差図（広角端）

【図１９】 実施形態８の横収差図（中間位置）

【図２０】 実施形態８の横収差図（望遠端）

【図２１】 本発明の実施形態９のYZ面内での光学断面
図

【図２２】 実施形態９の横収差図

【図２３】 本発明の実施例における座標系の説明図

【図２４】 従来例の中間結像位置の最小スポットの図

【図２５】 実施形態４の中間結像位置の最小スポット
の図

【図２６】 従来例の小絞り時の中間結像位置の最小ス
ポットの図

【図２７】 実施形態５の小絞り時の中間結像位置の最
小スポットの図

【図２８】 実施形態９の中間結像面付近にある表面反
射面上の光スポットの図

【符号の説明】

１ 物体面 ２ 中間結像面 ３ 最終像面 ４ 絞り面、入射瞳面 ５ 光学要素 Ｌａ，８ 基準軸 １０ 物体側結像要素 １１ 像側結像要素 １２ フィールドレンズ等の中間結像面が存在する光学
媒質 １０−１〜１０−３，１１−１〜１１−３ 面 Ｒｉ 面 Ｄｉ 基準軸に沿った面間隔 Ｎｄｉ 屈折率 νｄｉ アッベ数

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関田 誠 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 秋山 健志 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 (68)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体像を最終像面に至る前の光路中の中
   間結像面に少なくとも１回結像させる物体側結像要素お
   よび中間結像面に形成した物体像を最終像面に再結像さ
   せる像側結像要素を含み、該物体像を最終像面に結像さ
   せる光学素子を備え、該物体側結像要素又は該像側結像
   要素の少なくとも一方はオフアキシャル曲面を含むオフ
   アキシャル光学系より成り、該物体側結像要素と像側結
   像要素の双方の諸収差を制御して、該中間結像面近傍に
   ノイズ発生源が存在する場合に、最終像面上で該ノイズ
   発生源による光強度分布の擾乱を平坦化していることを
   特徴とする光学素子。
2. 【請求項２】 入射面から入射した光束を複数の反射面
   のうちの一部の反射面で反射させて、中間結像面に物体
   像を形成し、該物体像に基づく光束を該複数の反射面の
   うちの残りの反射面で反射させて出射面より出射させ
   て、所定面上に導光するようにした光学素子であって、
   該入射面から該中間結像面までに至る物体側結像要素と
   該中間結像面から出射面までに至る像側結像要素のうち
   少なくとも一方にはオフアキシャル曲面が設けられてお
   り、該物体側結像要素と像側結像要素の双方の諸収差を
   制御して該中間結像面近傍に存在するノイズ発生源によ
   って該所定面上に生ずる光強度分布を平坦化しているこ
   とを特徴とする光学素子。
3. 【請求項３】 透明体の表面に設けた入射面から入射し
   た光束を該透明体の表面に設けた複数の反射面のうちの
   一部の反射面で反射させて、該透明体の内部の中間結像
   面に物体像を形成し、該物体像に基づく光束を該複数の
   反射面のうちの残りの反射面で反射させて該透明体の表
   面に設けた出射面より出射させて、所定面上に導光する
   ようにした光学素子であって、該入射面から該中間結像
   面までに至る物体側結像要素と該中間結像面から出射面
   までに至る像側結像要素のうち少なくとも一方にはオフ
   アキシャル曲面が設けられており、該物体側結像要素と
   像側結像要素の双方の諸収差を制御して該中間結像面近
   傍に存在するノイズ発生源によって該所定面上に生ずる
   光強度分布を平坦化していることを特徴とする光学素
   子。
4. 【請求項４】 前記諸収差の制御は前記中間結像面にお
   ける前記物体側結像要素の結像性能を劣化させ、該劣化
   させた結像性能を前記像側結像要素で補正することを特
   徴とする請求項１，２又は３の光学素子。
5. 【請求項５】 前記オフアキシャル曲面は前記複数の反
   射面のうちの１つの反射面に設けられていることを特徴
   とする請求項２又は３の光学素子。
6. 【請求項６】 前記光学素子は絞りを有しており、前記
   像側結像要素の結像倍率をβ１１、該絞りの絞り径を固
   定したときの最終像面上におけるスポットサイズをＶ、
   前記中間結像面におけるスポットサイズをＵとしたとき Ｖ／｜β１１｜＜Ｕ となるように各要素を設定していることを特徴とする請
   求項１から５のいずれか１項記載の光学素子。
7. 【請求項７】 前記光学素子は絞りを有しており、前記
   像側結像要素の結像倍率をβ１１、該絞りの絞り径を固
   定したときの最終像面上におけるスポットサイズをＶ、
   前記中間結像面におけるスポットサイズをＵとしたとき ３・Ｖ／｜β１１｜＜Ｕ となるように各要素を設定していることを特徴とする請
   求項１から５のいずれか１項記載の光学素子。
8. 【請求項８】 前記光学素子は絞りを有しており、前記
   像側結像要素の結像倍率をβ１１、該絞りの絞り径を固
   定したときの最終像面上におけるスポットサイズをＶ、
   前記中間結像面におけるスポットサイズをＵとしたとき ５・Ｖ／｜β１１｜＜Ｕ となるように各要素を設定していることを特徴とする請
   求項１から５のいずれか１項記載の光学素子。
9. 【請求項９】 前記物体側結像要素の中間結像面におけ
   る結像性能の劣化は軸上から軸外まで画角に依存しない
   特定の収差を発生させることにより行っていることを特
   徴とする請求項４の光学素子。
10. 【請求項１０】 前記特定の収差は軸上非点収差である
    ことを特徴とする請求項９の光学素子。
11. 【請求項１１】 前記物体側結像要素の中間結像面にお
    ける結像性能の劣化は軸上から軸外まで画角に依存しな
    いで発生する子午断面の光線が子午断面から飛び出すね
    じれの収差により行っていることを特徴とする請求項９
    の光学素子。
12. 【請求項１２】 前記中間結像面において発生させる収
    差による該中間結像面付近でのスポットの径は、系が最
    小絞り値の時でも問題となる前記ノイズ発生源の最小径
    の２倍以上になっていることを特徴とする請求項９又は
    １１の光学素子。
13. 【請求項１３】 前記中間結像面において発生させる収
    差による該中間結像面付近でのスポットの径は、系が最
    小絞り値の時でも問題となる前記ノイズ発生源の最小径
    の３倍以上になっていることを特徴とする請求項９又は
    １１の光学素子。
14. 【請求項１４】 前記中間結像面において発生させる収
    差による該中間結像面付近でのスポットの径は、系が開
    放の時に問題となる前記ノイズ発生源の最小径の３倍以
    上になっていることを特徴とする請求項９又は１１の光
    学素子。
15. 【請求項１５】 前記中間結像面において発生させる収
    差による該中間結像面付近でのスポットの径は、系が開
    放の時に問題となる前記ノイズ発生源の最小径の５倍以
    上になっていることを特徴とする請求項９又は１１の光
    学素子。
16. 【請求項１６】 前記光学素子は焦点距離の変化しない
    構造より成っていることを特徴とする請求項１〜１５の
    いずれか１項記載の光学素子。
17. 【請求項１７】 前記物体側結像要素又は像側結像要素
    のうち少なくとも一方は、アナモフィックな屈折力を持
    つ面を有していることを特徴とする請求項１から１６の
    いずれか１項記載の光学素子。
18. 【請求項１８】 前記物体側結像要素又は像側結像要素
    のうち少なくとも一方は、共通の対称面を持たない光学
    系より成っていることを特徴とする請求項１から１７の
    いずれか１項記載の光学素子。
19. 【請求項１９】 前記物体側結像要素又は像側結像要素
    のうち少なくとも一方は、対称性の全くない面を含んで
    いることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項
    記載の光学素子。
20. 【請求項２０】 請求項１から１９のいずれか１項記載
    の光学素子を用いて物体像を撮像素子に結像しているこ
    とを特徴とする光学装置。
21. 【請求項２１】 請求項１から１９のいずれか１項記載
    の光学素子を複数用いて、そのうち少なくとも２つの光
    学素子間の相対的位置を変化させて物体像を撮像素子に
    異なった倍率で結像していることを特徴とする光学装
    置。
22. 【請求項２２】 前記光学素子の入射面近傍には絞りが
    設けられており、前記中間結像面におけるスポット径を
    ＳＤとし、該絞りが最小絞り値のとき前記撮像素子の画
    素の寸法で与えられる最小分解能の長さをｂ、前記像側
    結像素子の結像倍率をβ１１としたとき １０・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足することを特徴とする請求項２０又は２１の光学
    装置。
23. 【請求項２３】 前記光学素子の入射面近傍には絞りが
    設けられており、前記中間結像面におけるスポット径を
    ＳＤとし、該絞りが最小絞り値のとき前記撮像素子の画
    素の寸法で与えられる最小分解能の長さをｂ、前記像側
    結像素子の結像倍率をβ１１としたとき １５・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足することを特徴とする請求項２０又は２１の光学
    装置。
24. 【請求項２４】 前記光学素子の入射面近傍には絞りが
    設けられており、前記中間結像面におけるスポット径を
    ＳＤとし、該絞りが開放のとき前記撮像素子の画素の寸
    法で与えられる最小分解能の長さをｂ、前記像側結像素
    子の結像倍率をβ１１としたとき １５・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足することを特徴とする請求項２０又は２１の光学
    装置。
25. 【請求項２５】 前記光学素子の入射面近傍には絞りが
    設けられており、前記中間結像面におけるスポット径を
    ＳＤとし、該絞りが開放のとき前記撮像素子の画素の寸
    法で与えられる最小分解能の長さをｂ、前記像側結像素
    子の結像倍率をβ１１としたとき ２５・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足することを特徴とする請求項２０又は２１の光学
    装置。
26. 【請求項２６】 前記少なくとも２つの光学素子間の相
    対的位置の変化を該光学素子のうち少なくとも一方を基
    準軸方向に変位させて行っていることを特徴とする請求
    項２１の光学装置。
27. 【請求項２７】 物体像を最終像面に至る前の光路中の
    中間結像面に少なくとも１回結像させる物体側結像要素
    および中間結像面に形成した物体像を最終像面に再結像
    させる像側結像要素を含み、該物体像を最終像面に結像
    させる光学系において、該物体側結像要素又は該像側結
    像要素の少なくとも一方はオフアキシャル曲面を含むオ
    フアキシャル光学要素より成り、該物体側結像要素と像
    側結像要素の双方の諸収差を制御して、該中間結像面近
    傍にノイズ発生源が存在する場合に、最終像面上で該ノ
    イズ発生源による光強度分布の擾乱を平坦化しているこ
    とを特徴とする光学系。
28. 【請求項２８】 前記オフアキシャル曲面は反射面より
    成っていることを特徴とする請求項２７の光学系。
29. 【請求項２９】 前記諸収差の制御は前記中間結像面に
    おける前記物体結像要素の結像性能を劣化させ、該劣化
    させた結像性能を前記像側結像要素で補正することを特
    徴とする請求項２７又は２８の光学系。
30. 【請求項３０】 前記光学系は絞りを有しており、前記
    像側結像要素の結像倍率をβ１１、該絞りの絞り径を固
    定したときの前記最終像面におけるスポットサイズを
    Ｖ、前記中間結像面におけるスポットサイズをＵとした
    とき意図的に Ｖ／｜β１１｜＜Ｕ となるように各要素を設定していることを特徴とする請
    求項２７から２９のいずれか１項記載の光学系。
31. 【請求項３１】 前記光学系は絞りを有しており、前記
    像側結像要素の結像倍率をβ１１、該絞りの絞り径を固
    定したときの前記最終像面におけるスポットサイズを
    Ｖ、前記中間結像面におけるスポットサイズをＵとした
    とき ３・Ｖ／｜β１１｜＜Ｕ となるように各要素を設定していることを特徴とする請
    求項２７から２９のいずれか１項記載の光学系。
32. 【請求項３２】 前記光学系は絞りを有しており、前記
    像側結像要素の結像倍率をβ１１、該絞りの絞り径を固
    定したときの前記最終像面におけるスポットサイズを
    Ｖ、前記中間結像面におけるスポットサイズをＵとした
    とき ５・Ｖ／｜β１１｜＜Ｕ となるように各要素を設定していることを特徴とする請
    求項２７から２９のいずれか１項記載の光学系。
33. 【請求項３３】 前記物体側結像要素の中間結像面にお
    ける結像性能の劣化は軸上から軸外まで画角に依存しな
    い特定の収差を発生させることにより行っていることを
    特徴とする請求項２９の光学系。
34. 【請求項３４】 前記特定の収差は軸上非点収差である
    ことを特徴とする請求項３３の光学系。
35. 【請求項３５】 前記物体側結像要素の中間結像面にお
    ける結像性能の劣化は軸上から軸外まで画角に依存しな
    いで発生する子午断面の光線が子午断面から飛び出すね
    じれの収差により行っていることを特徴とする請求項３
    ３の光学系。
36. 【請求項３６】 前記中間結像面において発生させる収
    差による該中間結像面付近でのスポットの径は、系が最
    小絞り値の時でも問題となる前記ノイズ発生源の最小径
    の２倍以上になっていることを特徴とする請求項３３又
    は３５の光学系。
37. 【請求項３７】 前記中間結像面において発生させる収
    差による該中間結像面付近でのスポットの径は、系が最
    小絞り値の時でも問題となる前記ノイズ発生源の最小径
    の３倍以上になっていることを特徴とする請求項３３又
    は３５の光学系。
38. 【請求項３８】 前記中間結像面において発生させる収
    差による該中間結像面付近でのスポットの径は、系が開
    放の時に問題となる前記ノイズ発生源の最小径の３倍以
    上になっていることを特徴とする請求項３３又は３５の
    光学系。
39. 【請求項３９】 前記中間結像面において発生させる収
    差による該中間結像面付近でのスポットの径は、系が開
    放の時に問題となる前記ノイズ発生源の最小径の５倍以
    上になっていることを特徴とする請求項３３又は３５の
    光学系。
40. 【請求項４０】 前記光学素子は焦点距離の変化しない
    単焦点距離部材より成っていることを特徴とする請求項
    ２７〜３９のいずれか１項記載の光学素子。
41. 【請求項４１】 前記物体側結像要素又は像側結像要素
    のうち少なくとも一方は、アナモフィックな屈折力を持
    つ面を有していることを特徴とする請求項２７から４０
    のいずれか１項記載の光学系。
42. 【請求項４２】 前記物体側結像要素又は像側結像要素
    のうち少なくとも一方は、共通の対称面を持たない光学
    系より成っていることを特徴とする請求項２７から４１
    のいずれか１項記載の光学系。
43. 【請求項４３】 前記物体側結像要素又は像側結像要素
    のうち少なくとも一方は、対称性の全くない面を含んで
    いることを特徴とする請求項２７から４１のいずれか１
    項記載の光学系。
44. 【請求項４４】 請求項２７から４３のいずれか１項記
    載の光学系を用いて物体像を撮像素子に結像しているこ
    とを特徴とする光学装置。
45. 【請求項４５】 請求項２７から４４のいずれかの光学
    系を少なくとも１つ含む光学装置において、物体の像を
    最終像面に結像させるトータルな結像光学系は、焦点距
    離、結像倍率、最終結像面でのピントのうちの少なくと
    も１つを変化させることができることを特徴とする光学
    装置。
46. 【請求項４６】 前記光学系の入射面近傍には絞りが設
    けられており、前記中間結像面におけるスポット径をＳ
    Ｄとし、該絞りが最小絞り値のとき前記撮像素子の画素
    の寸法で与えられる最小分解能の長さをｂ、前記像側結
    像素子の結像倍率をβ１１としたとき １０・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足することを特徴とする請求項４４又は４５の光学
    装置。
47. 【請求項４７】 前記光学系の入射面近傍には絞りが設
    けられており、前記中間結像面におけるスポット径をＳ
    Ｄとし、該絞りが最小絞り値のとき前記撮像素子の画素
    の寸法で与えられる最小分解能の長さをｂ、前記像側結
    像素子の結像倍率をβ１１としたとき １５・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足することを特徴とする請求項４４又は４５の光学
    装置。
48. 【請求項４８】 前記光学系の入射面近傍には絞りが設
    けられており、前記中間結像面におけるスポット径をＳ
    Ｄとし、該絞りが開放のとき前記撮像素子の画素の寸法
    で与えられる最小分解能の長さをｂ、前記像側結像素子
    の結像倍率をβ１１としたとき １５・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足することを特徴とする請求項４４又は４５の光学
    装置。
49. 【請求項４９】 前記光学系の入射面近傍には絞りが設
    けられており、前記中間結像面におけるスポット径をＳ
    Ｄとし、該絞りが開放のとき前記撮像素子の画素の寸法
    で与えられる最小分解能の長さをｂ、前記像側結像素子
    の結像倍率をβ１１としたとき ２５・ｂ／｜β１１｜＜ＳＤ を満足することを特徴とする請求項４４又は４５の光学
    装置。
50. 【請求項５０】 前記少なくとも２つの光学系間又は光
    学系と像面間の相対的位置の変化を該光学系又は像面の
    うち少なくとも一つを基準軸方向に変位させて行ってい
    ることを特徴とする請求項４５の光学装置。
51. 【請求項５１】 前記光学系の焦点距離、結像倍率、最
    終結像面でのピントのうち少なくとも１つを変化させる
    ことをトータルな光学系を構成する少なくとも１つの部
    分の光学系のブロックの基準軸の沿っての最終像面に対
    する相対距離を変化させることによって行うことを特徴
    とする請求項４５の光学装置。
52. 【請求項５２】 物体からの光束を透明体の表面に形成
    した入射面で入射させて、該透明体の一部に設けた曲面
    より成る内面反射の反射面の少なくとも一つで反射させ
    た後に、透明体の射出面から射出させて像を形成する反
    射光学系、又は、物体からの光束を表面反射鏡より成る
    複数の反射面で反射を繰り返し、射出するように構成さ
    れた反射光学系である事を特徴とする請求項３３、又は
    ３４に記載の反射光学系。
53. 【請求項５３】 一体的に形成されている光学素子であ
    ることを特徴とする請求項５２に記載の反射光学系。
54. 【請求項５４】 一体的に形成されている複数の光学素
    子からなることを特徴とする請求項５２に記載の反射光
    学系。
55. 【請求項５５】 前記光学素子内部に存在する光学性能
    上問題となる泡や異物等の粒径、または、中間結像位置
    付近にある表面反射面上の光学性能上問題となる疵の幅
    や付着物等の粒径をＤとし、最も物体側にある入射面か
    ら中間結像位置より手前の光学面までのアジムスに依存
    する合成焦点距離のうち、最大となる該合成焦点距離を
    ｆ１、そのときのアジムスをξとし、該中間結像位置で
    の軸上非点隔差をＳとし、更に、絞りが開放のときの該
    アジムスξに対応する最も物体側にある入射面から該中
    間結像位置より手前の光学面までの射出瞳の径をＡＲ１
    とすると、 【数１】 となる条件を満足する請求項５２〜５４いずれか１項に
    記載の反射光学系。
56. 【請求項５６】 絞り径を調整する機能を持つ請求項５
    ２〜５４いずれか１項に記載の反射光学系において、前
    記光学素子内部に存在する光学性能上問題となる泡や異
    物等の粒径、または、中間結像位置付近にある表面反射
    面上の光学性能上問題となる疵の幅や付着物等の粒径を
    Ｄとし、最も物体側にある入射面から中間結像位置より
    手前の光学面までのアジムスに依存する合成焦点距離の
    うち、最大となる該合成焦点距離をｆ１、そのときのア
    ジムスをξとし、該中間結像位置での軸上非点隔差をＳ
    とし、更に、小絞りのときの該アジムスξに対応する最
    も物体側にある入射面から該中間結像位置より手前の光
    学面までの射出瞳の径をＡＲ２とすると、 【数２】 となる条件を満足する反射光学系。
57. 【請求項５７】 前記反射光学系の最も物体側にある入
    射面から中間結像位置より手前の光学面までのアジムス
    に依存する合成焦点距離のうち、最大となる該合成焦点
    距離をｆ１、そのときのアジムスをξとし、該中間結像
    位置での軸上非点隔差をＳとし、撮像素子の画素の大き
    さ等で与えられる最小分解能の長さをｂ、該中間結像位
    置から撮像素子のある最終像面までの光学系において、
    該アジムスξと垂直方向での中間結像面を最終像面に結
    像するときの結像倍率をβ、更に、絞りが開放のときの
    該アジムスξに対応する最も物体側にある入射面から該
    中間結像位置より手前の光学面までの射出瞳の径をＡＲ
    １とすると、 【数３】 となる条件を満足する請求項５２〜５４いずれか１項に
    記載の反射光学系。
58. 【請求項５８】 絞り径を調整する機能を持つ請求項５
    ２〜５４いずれか１項に記載の反射光学系において、最
    も物体側にある入射面から中間結像位置より手前の光学
    面までのアジムスに依存する合成焦点距離のうち、最大
    となる該合成焦点距離をｆ１、そのときのアジムスをξ
    とし、該中間結像位置での軸上非点隔差をＳとし、撮像
    素子の画素の大きさ等で与えられる最小分解能の長さを
    ｂ、該中間結像位置から撮像素子のある最終像面までの
    光学系において、該アジムスξと垂直方向での中間結像
    面を最終像面に結像する時の結像倍率をβ、更に、小絞
    りのときの該アジムスξに対応する最も物体側にある入
    射面から該中間結像位置より手前の光学面までの射出瞳
    の径をＡＲ２とすると、 【数４】 となる条件を満足する反射光学系。
59. 【請求項５９】 前記透明体である光学素子の入射面が
    回転対称面であることを特徴とする請求項５２〜５８い
    ずれか１項に記載の反射光学系。
60. 【請求項６０】 前記透明体である光学素子の入射面が
    回転非対称面であることを特徴とする請求項５２〜５８
    いずれか１項に記載の反射光学系。
61. 【請求項６１】 前記反射光学系の最も物体側にある入
    射面近傍に絞りを設けたことを特徴とする請求項５２〜
    ６０いずれか１項に記載の反射光学系。
62. 【請求項６２】 前記反射光学系の物体側から数えて第
    １の曲面の反射面が収斂作用を有することを特徴とする
    請求項５２〜６１のいずれか１項に記載の反射光学系。
63. 【請求項６３】 前記透明体である光学素子の射出面は
    基準軸に対して回転対称な形状であることを特徴とする
    請求項５２〜６２のいずれか１項に記載の反射光学系。
64. 【請求項６４】 前記透明体である光学素子の射出面は
    基準軸対して回転非対称な形状であることを特徴とする
    請求項５２〜６２のいずれか１項に記載の反射光学系。
65. 【請求項６５】 前記光学素子は、射出する基準軸の方
    向に平行に移動してフォーカシングすることを特徴とす
    る請求項５２〜６４のいずれか１項に記載の反射光学
    系。
66. 【請求項６６】 請求項５４〜６５のいずれか１項に記
    載の反射光学系において、該複数の光学素子を介して物
    体の像を結像すると共に、該複数の光学素子のうち、少
    なくとも２つの光学素子の相対的位置を変化させること
    によりズーミングを行うことを特徴とする反射型のズー
    ム光学系。
67. 【請求項６７】 請求項５２〜６６のいずれか１項に記
    載の反射光学系を有し、撮像媒体の撮像面上に前記物体
    の像を結像することを特徴とする撮像装置。
68. 【請求項６８】 請求項５２〜６６のいずれか１項に記
    載の反射光学系を有した観察光学系。