共心光学系
【目的】 ＦＮｏ．３〜１．５、画角６０゜以上までフラットで殆ど収差の発生がなく、鮮明な画像の撮影、観察ができる、撮像光学系、接眼光学系何れにも使用できる共心光学系。
【構成】 瞳１近傍に曲率中心を配置し、瞳側に凹面を向けた少なくとも２つの半透過反射面２、３を持ち、これらの半透過反射面の各々は、少なくとも１回の光線の透過と少なくとも１回の光線の反射をするように配置されたフラットな像面４を与える共心光学系。
【構成】 瞳１近傍に曲率中心を配置し、瞳側に凹面を向けた少なくとも２つの半透過反射面２、３を持ち、これらの半透過反射面の各々は、少なくとも１回の光線の透過と少なくとも１回の光線の反射をするように配置されたフラットな像面４を与える共心光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、接眼光学系又は結像光学系に関し、特に、画角が広くかつ解像力の良い共心光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、天体望遠鏡用の対物鏡として有名なシュミット鏡は、図２３に断面を示すように、凹面鏡ＭＣの球面中心に、平行平面板に近い非球面レンズＬＡをおいて球面収差を補正し、絞りＤを球面中心においてコマ収差、非点収差を補正している。
【０００３】このようなシュミット鏡に代表される共心光学系は、凹面鏡の曲率中心に配置される絞りのために、コマ収差と非点収差が発生しない。しかし、像面湾曲の発生は補正できないために、大きな像面湾曲が発生してしまう。また、像位置が凹面鏡ＭＣの前側に位置するために、像面上にフィルムＦ又はＣＣＤ等を配置すると、入射光束のケラレが発生してしまう。
【０００４】なお、米国再発行特許第２７３５６号は、図２４に示すように、半透過凹面鏡６と半透過平面鏡１６により、物体面６２を遠方に投影する接眼光学系であるが、半透過凹面鏡６により発生する像面湾曲を物体面６２を湾曲させて補正する構成をとっている。なお、図２４２４中、６６は射出瞳を示す。
【０００５】このような問題点を解決するために、図２５R>５（ａ）、（ｂ）に断面を示すように、凸面鏡ＭＶを配置する構成のものがある。この凸面鏡ＭＶを配置する構成のものは、凸面鏡ＭＶによって像面を凹面鏡ＭＣの後に持ってくることができる。
【０００６】何れの場合も、望遠鏡又はカメラ用反射望遠レンズの光学系であり、焦点距離が長く、画角の狭いものが殆どであり、従来、広画角でＦナンバーが小さい光学系はなかった。
【０００７】また、通常の屈折レンズで構成さる広画角のレンズ系は、構成枚数が多くなり、構造が複雑になってしまう欠点があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、Ｆナンバー３〜１．５で、画角６０゜以上までフラットで殆ど収差の発生がなく、鮮明な画像の撮影、観察ができる、撮像光学系、接眼光学系何れにも使用できる共心光学系を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発明の共心光学系は、瞳近傍に曲率中心を配置し、瞳側に凹面を向けた少なくとも２つの半透過反射面を持ち、これらの半透過反射面の各々は、少なくとも１回の光線の透過と少なくとも１回の光線の反射をするように配置されたことを特徴とするものである。
【００１０】この場合、前記の少なくとも２つの半透過反射面で１回も反射しないで透過する光線を遮断するために偏光光学素子で構成された遮断手段を配置することが望ましい。
【００１１】また、このような共心光学系を接眼光学系内に設けるため、少なくとも２つの半透過反射面の曲率中心をアイポイント近傍に設けると共に、少なくとも２つの半透過反射面を観察者側に凹面を向けて配置することが望ましい。
【００１２】また、このような共心光学系を結像光学系内に設けるため、少なくとも２つの半透過反射面の曲率中心を明るさ絞り近傍に設けると共に、少なくとも２つの半透過反射面を物体側に凹面を向けて配置することが望ましい。
【００１３】また、瞳により近い半透過反射面の曲率半径をＲ1 、もう一方の半透過反射面の曲率半径をＲ2 とする時、 ０．５＜｜Ｒ1 ／Ｒ2 ｜＜１．８ ・・・（２）
なる条件を満足することが望ましい。
【００１４】又は、瞳からより遠い半透過反射面の曲率半径をＲ2 、瞳から瞳により近い半透過反射面までの間隔をＤ1 、瞳により近い半透過反射面からもう一方の半透過反射面までの面間隔をＤ2 とする時、 ０．４＜｜（Ｄ1 ＋Ｄ2 ）／Ｒ2 ｜＜１．７ ・・・（３）
なる条件を満足にすることが望ましい。
【００１５】あるいは、瞳により近い半透過反射面の曲率半径をＲ1 、もう一方の半透過反射面の曲率半径をＲ2 、瞳により近い半透過反射面からもう一方の半透過反射面までの面間隔をＤ2 とする時、 １＜｜（｜Ｒ1 ｜＋Ｄ2 ）／Ｒ2 ｜＜１．８ ・・・（４）
なる条件を満足することが望ましい。
【００１６】又は、瞳により近い半透過反射面の曲率半径をＲ1 、瞳から瞳により近い半透過反射面までの間隔をＤ1 とする時、 ｜Ｄ1 ／Ｒ1 ｜＜１．５ ・・・（５）
なる条件を満足することが望ましい。
【００１７】また、本発明の別の共心光学系は、ほぼ光軸上に曲率中心を有し、前記曲率中心の方向に凹面を向けた第１の半透過反射面と、前記第１の半透過反射面の曲率中心とほぼ同位置に曲率中心を設けた第２の半透過反射面とを有することを特徴とするものである。
【００１８】さらに、本発明のもう１つの共心光学系は、それぞれの曲率中心をほぼ同位置に有する第１及び第２の半透過反射面を有し、前記第１の半透過反射面を透過した光束が、前記第２の半透過反射面によって反射されると共に、前記第２の半透過反射面によって反射された反射光束が、前記第１の半透過反射面によって反射された後に、前記第２の半透過反射面を透過するように前記第１及び前記第２の半透過反射面が構成されていることを特徴とするものである。
【００１９】
【作用】以下、本発明においてこのような構成をとる理由と作用について説明する。
【００２０】本発明は前記のような問題点を解決するためになされたものであり、瞳近傍に曲率中心を配置し、瞳側に凹面を向けた少なくとも２つの半透過反射面を持ち、これらの半透過反射面の各々は、少なくとも１回の光線の透過と少なくとも１回の光線の反射をするように配置されたことを特徴とする共心光学系である。
【００２１】以下、説明の都合上、結像光学系として本発明の共心光学系を説明するが、本発明の光学系の像面を物点とした接眼光学系として利用することは容易であり、本発明は、その構成を逆にして接眼光学系としての要件を備えていることは明白である。
【００２２】図１は本発明による共心光学系の基本的構成と収差発生が少ない理由を説明するための図であり、図１において、瞳位置を１、第１面の半透過反射面を２、第２面の半透過反射面を３、像面を４とする。この図１は、第１面２の曲率中心と第２面３の曲率中心とが瞳位置１に完全に一致している場合の光路図である。この光路図から分かることは、瞳面１と第１面２の曲率中心と第２面３の曲率中心が一致しているために、軸上光線も軸外光線も瞳位置１を中心に回転対称となっていることである。このことは、軸外収差である非点収差とコマ収差の発生がないことを意味している。また、屈折力を持っている面は全て反射面であるので、色収差の発生も原理的にない。また、Ｆナンバーが２以下の場合には、球面収差の発生もほぼ無視してよい。
【００２３】ただし、第２面３による像面は瞳位置１を中心とする球面となり、像面湾曲が発生し得る。本発明は、上で説明したように収差発生が非常に少ない共心光学系の像面湾曲を良好に補正することに成功したものである。以下、本発明による像面湾曲の補正手段について発明する。
【００２４】図２４で示した米国再発行特許第２７３５６号のものは、接眼光学系として使用しているが、以下の本発明の説明の都合上、符号６６を瞳面、６２を像面とし、結合光学系として説明する。図２４では凹面鏡６で発生する像面湾曲を補正するために、像面６２を湾曲させてその像面湾曲の補正を行っている。しかし、一般には、湾曲を持った像面は、フィルムやＣＣＤと言った撮像素子を配置するには適さない。そこで、本発明では、前述の図１に示すように、凹面鏡３によって発生する像面湾曲の収差を凸面鏡２によって補正するように構成した。
【００２５】すなわち、像面湾曲の発生量として一般によく注目されるペッツバール和ＰＳは、以下の式で表される。
ＰＳ＝Σ（１／ｎ・ｆ） ・・・（１）
ここで、ｎは屈折率、ｆは面の焦点距離である。米国再発行特許第２７３５６号の場合は、本発明の凸面鏡２を平面鏡１６で置き換えたものに相当するので、凹面鏡６で光線が反射する時に発生するペッツバール和は、平面鏡１６の焦点距離が∞なので、全く補正されない。そこで、本発明では、この平面鏡１６を凸面鏡２として、凹面鏡３で発生するペッツバール和をこの凸面鏡２で補正できるように構成している。
【００２６】また、図２５に示すカメラ用反射望遠鏡に代表される光学系では、光束の取り出し口として凹面鏡ＭＣの中心に開口を設ける必要がある。この開口で起きる周辺画角の光線のケラレを少なくするために、凹面鏡ＭＣの開口周辺に瞳面を配置する必要がある。しかし、このような配置をとっても、画角は凹面鏡ＭＣの開口と凸面鏡ＭＶの口径で制限され、数度しかとることができなかった。
【００２７】この問題点を解決するためにも、瞳面１は凹面鏡３又は凸面鏡２の周辺や、凹面鏡３より像側にあってはならないのである。つまり、凹面鏡３の曲率中心のある方向に瞳面１を配置することが重要な手段となる。
【００２８】さらに、良好な収差補正を実施するために、以下に示す各条件式を満足することが好ましい。以下の条件式はそれぞれ各収差に対応しており、画角やＦナンバー等実際の使用によって各々の条件式は独立であり、相関関係はない。また、全ての条件式を満足することも、使用条件によっては必要となる。
【００２９】先ず、第１面２と第２面３の関係について説明する。良好な収差補正を実現するためには、ペッツバール和の補正が特に重要であることは上記の説明で述べた通りであり、本発明ではこのペッツバール和の補正のために、以下の条件を満足することが重要である。
０．５＜｜Ｒ1 ／Ｒ2 ｜＜１．８ ・・・（２）
ただし、Ｒ1 は第１面２の曲率半径、Ｒ2 は第２面３の曲率半径である。
【００３０】この条件式（２）は、正の第２面３と負の第１面２のパワー配置を規定するものであり、下限の０．５を越えると、第１面２と第２面３で補正し合っている主にペッツバール和の補正バランスが崩れ、負のペッツバール和が大きく発生してしまう。また、上限の１．８を越えると、ペッツバール和が正に大きく発生してしまい、他の面で補正することが不可能となってしまう。
【００３１】さらに、近年、ハイビジョンＴＶ等に代表される高品位な映像に対応する必要がある場合には、より良好なペッツバール和の補正が必要であり、以下の条件を満足することがより重要である。
０．７＜｜Ｒ1 ／Ｒ2 ｜＜１．７ ・・・（６）
次に、第２面３の半透過反射面について説明する。瞳面１から第１面２までの間隔をＤ1 、第１面２と第２面３の面間隔をＤ2 とすると、好ましくは、 ０．４＜｜（Ｄ1 ＋Ｄ2 ）／Ｒ2 ｜＜１．７ ・・・（３）
なる条件を満足にすることが望ましい。
【００３２】上記条件式（３）の下限の０．４を越えると、第２面３を透過する射出主光線傾角が大きくなり、非点収差とコマ収差が負に大きく発生する。また、上限の１．７を越えると、非点収差、コマ収差共に負の発生量がへる。これは、第１面２を透過する時に発生する正の非点収差とコマ収差を打ち消しているので、レンズ系全体として正の非点収差とコマ収差の発生が大きくなってしまう。
【００３３】また、好ましくは、第２面３が本発明では共心であることが重要である。第１面２の曲率半径をＲ1 、第２面３の曲率半径をＲ2 、第１面２と第２面３の面間隔をＤ2 とすると、 １＜｜（｜Ｒ1 ｜＋Ｄ2 ）／Ｒ2 ｜＜１．８ ・・・（４）
なる条件を満足することが重要である。
【００３４】上記条件（４）は第２面３で発生するコマ収差と非点収差の発生を全系で補正できるようにする条件であり、下限の１を越えると、完全な共心光学系に近くなり、ペッツバール和の補正が不可能となり、大きな像面湾曲が発生する。また、上限の１．８を越えると、第２面３に入射する主光線の入射角度が大きくなり、正のコマ収差が大きくなってしまう。どちらの場合も、周辺まで鮮明な像を形成することが不可能となってしまう。
【００３５】また、好ましくは、絞り面１から第１面２までの距離をＤ1 、第１面２の曲率半径をＲ1 とする時、 ｜Ｄ1 ／Ｒ1 ｜＜１．５ ・・・（５）
なる条件を満足することが望ましい。
【００３６】上記条件式（５）の上限の１．５を越えると、第１面２に入射する主光線の入射高が大きくなり、正のコマ収差と非点収差の発生が大きくなってしまい、周辺まで鮮明な像を形成することが不可能となってしまう。
【００３７】次に、面間隔について説明する。絞り面１と第１面２の面間隔をＤ1 とし、全系の焦点距離をＦとする時、 Ｄ1 ／Ｆ＜１．６ ・・・（７）
なる条件を満足することが重要である。
【００３８】上記条件式（７）は、第１面２で発生するコマ収差を小さくするための条件である。上限の１．６を越えると、第１面２で発生するコマ収差の発生が大きくなり、他の面で補正することが不可能となる。また、本発明の光学系を接眼光学系として使用する場合には、 ０．５＜Ｄ1 ／Ｆ ・・・（８）
なる条件を満足することが重要となる。
【００３９】上記条件式（８）は、接眼光学系の場合には、接眼レンズのアイポイントとなり、下限の０．５を越えると、観察者の瞳位置と接眼光学系の射出瞳位置１がズレてしまい、視野全域を観察することが不可能となる。
【００４０】第１面２と第２面３の面間隔をＤ2 とする時、 ０．２＜Ｄ2 ／Ｆ＜０．７ ・・・（９）
なる条件を満足することが重要となる。本条件は、第１面２でのペッツバール和発生と第２面３でのペッツバール和発生のバランスをとるために必要となる。上限の０．７を越えても下限の０．２を越えても、第１面２と第２面３で発生する上記収差のバランスが崩れ、ほぼ修正し合っているペッツバール和収差が大きく発生してしまう。
【００４１】また、第１面２でも第２面３でも１回も反射しないで透過して像面４に達してしまうフレアー光をカットするためには、米国再発行特許第２７３５６号に示されているような偏光を利用した偏光光学素子を配置とすることが重要となる。例えば、第１面２の瞳１側に第１偏光板と４分の１波長板を配置して入射光を円偏光とし、第１面２と第２面３の半透過反射面の間に別の４分の１波長板を配置し、第２面３の半透過反射面の後に第１偏光板とパラニコルの偏光面を配置した第２偏光板を配置する。このような偏光光学素子を配置すると、第１面２と第２面３でそれぞれ１回反射した正規の光線は、第１面２と第２面３の間の４分の１波長板を３回通過することになり、正規の光線はトータル４回、４分の１波長板を通過することになる。したがって、第１偏光板を通過した光の偏光面は回転せずに、パラニコルに配置された第２偏光板を通過する。しかし、第１面２の半透過反射面を反射しないで通過した光線はトータル２回の４分の１波長板通過しかしないで、偏光面は９０゜回転して、第２偏光板でカットされる。
【００４２】この様に、偏光光学素子を使うことによって、フレアー光をカットすることが可能となる。また、上に説明した以外の偏光光学素子の配置も可能であり、ここではほんの一例を示しただけである。
【００４３】
【実施例】以下、図面を参照にして本発明の共心光学系の第１実施例〜第９実施例について説明する。
第１実施例図２を参照にして第１実施例を説明する。図中、１は絞り位置、２は第１の半透過反射面、３は第２の半透過反射面、４は像面である。この実施例は、２個のメニスカスレンズＬ１、Ｌ２を用い、メニスカスレンズＬ１の凸面を第１の半透過反射面２とし、メニスカスレンズＬ２の凸面を第２の半透過反射面３としている。数値実施例は以下に示す通りである。ただし、ｎｄはレンズの屈折率、νｄはアッベ数である（以下、同様）。本実施例の画角は４５°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは３．５である。
【００４４】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 9.158 ２ -5.5382 1.624 1.5163 64.1 ３ -7.7395 0.071 ４ -7.8437 2.777 1.5163 64.1 ５ -9.1995 （反射面３） -2.777 1.5163 64.1 ６ -7.8437 -0.071 ７ -7.7395 （反射面２） 0.071 ８ -7.8437 2.777 1.5163 64.1 ９ -9.1995 5.141 10 像面４図１１（ａ）に本実施例の球面収差、非点収差、歪曲収差を表す縦収差図を、図１１（ｂ）に横収差図を示す。
【００４５】第２実施例図３を参照にして第２実施例を説明する。図中、１は絞り位置、２は第１の半透過反射面、３は第２の半透過反射面、４は像面である。この実施例は、１個のメニスカスレンズＬを用い、その凹面を第１の半透過反射面２とし、その凸面を第２の半透過反射面３としている。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は６０°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは１．５である。
【００４６】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 10.130 ２ -13.6165 5.239 1.5163 64.1 ３ -14.6357 （反射面３） -5.239 1.5163 64.1 ４ -13.6165 （反射面２） 5.239 1.5163 64.1 ５ -14.6357 1.216 ６ 像面４図１２に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００４７】第３実施例図４を参照にして第３実施例を説明する。図中、１は絞り位置、２は第１の半透過反射面、３は第２の半透過反射面、４は像面である。この実施例は、１個のメニスカスレンズＬを用い、その凹面を第１の半透過反射面２とし、その凸面を第２の半透過反射面３としており、さらに、像歪み補正用の非球面レンズＬＡをその像面４側に配置している。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は６０°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは２．０である。
【００４８】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 11.423 ２ -14.4225 4.817 1.5163 64.1 ３ -14.9832 （反射面３） -4.817 1.5163 64.1 ４ -14.4225 （反射面２） 4.817 1.5163 64.1 ５ -14.9832 0.046 ６ 12.5539 （非球面） 0.914 1.5163 64.1 Ｋ= 0 Ａ=-0.352385×10-3 Ｂ=-0.213608×10-5 Ｃ= 0 ７ 110.7802 1.857 ８ 像面４上記において、非球面は、円錐定数をＫ、非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃとした時に、下記の式によって表される回転対称面のことである。ただし、下記の式において、Ｒは近軸曲率半径であり、光軸上の光の進行方向にＺ軸、光軸と直交する方向にＹ軸をとっている。
Ｚ＝（Ｙ2/Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（Ｙ／Ｒ）2 ｝1/2 ］＋ＡＹ4 ＋ＢＹ6 ＋ＣＹ8図１３に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００４９】第４実施例図５を参照にして第４実施例を説明する。本実施例は第２実施例と同様である。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は４５°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは３．０である。
【００５０】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 13.127 ２ -11.2445 5.633 1.5163 64.1 ３ -14.0354 （反射面３） -5.633 1.5163 64.1 ４ -11.2445 （反射面２） 5.633 1.5163 64.1 ５ -14.0354 0.348 ６ 像面４図１４に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００５１】第５実施例図６を参照にして第５実施例を説明する。本実施例も第２実施例と同様である。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は４５°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは３．０である。
【００５２】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 5.805 ２ -24.3790 （反射面３） 4.437 1.5163 64.1 ３ -17.4632 （反射面２） -4.437 1.5163 64.1 ４ -24.3790 4.437 1.5163 64.1 ５ -17.4632 3.193 ６ 像面４図１５に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００５３】第６実施例図７を参照にして第６実施例を説明する。本実施例も第２実施例と同様である。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は４５°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは３．０である。
【００５４】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 7.259 ２ -27.0911 4.287 1.5163 64.1 ３ -18.0607 （反射面３） -4.287 1.5163 64.1 ４ -27.0911 （反射面２） 4.287 1.5163 64.1 ５ -18.0607 3.534 ６ 像面４図１６に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００５５】第７実施例図８を参照にして第７実施例を説明する。本実施例も第２実施例と同様である。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は４５°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは３．０である。
【００５６】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 9.152 ２ -10.2521 5.711 1.5163 64.1 ３ -13.6695 （反射面３） -5.711 1.5163 64.1 ４ -10.2521 （反射面２） 5.711 1.5163 64.1 ５ -13.6695 0.100 ６ 像面４図１７に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００５７】第８実施例図９を参照にして第８実施例を説明する。本実施例は第１実施例とほぼ同様である。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は７０°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは２．５である。
【００５８】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 8.255 ２ ∞ 2.813 1.5163 64.1 ３ -22.1680 0.355 ４ -19.6995 5.058 1.5163 64.1 ５ -18.7996 （反射面３） -5.058 1.5163 64.1 ６ -19.6995 -0.355 ７ -22.1680 （反射面２） 0.355 ８ -19.6995 5.058 1.5163 64.1 ９ -18.7996 0.520 10 像面４図１８に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００５９】第９実施例図１０を参照にして第９実施例を説明する。図中、１は絞り位置、２は第１の半透過反射面、３は第２の半透過反射面、４は像面である。この実施例は、単一屈折率の平行平面板ＰＰ中に第１の半透過反射面２と第２の半透過反射面３を設けたものである。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は７０°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは２．５である。
【００６０】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 8.255 ２ ∞ 5.426 1.5163 64.1 ３ -12.7792 2.822 1.5163 64.1 ４ -12.9610 （反射面３） -2.822 1.5163 64.1 ５ -12.7792 （反射面２） 3.322 1.5163 64.1 ６ ∞ 3.455 ７ 像面４図１９に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００６１】以上の各実施例の上記条件式（２）（＝（６））、（３）、（４）、（５）、（７）（＝（８））、（９）の値を次の表に示す。
【００６２】なお、本発明の共心光学系は、接眼光学系や結像光学系の１つのレンズとして設けてもよいし、この共心光学系単独で接眼光学系や結像光学系を構成してもよい。その一例を以下に示す。結像光学系としては、例えば、図２０に斜視図を示すように、撮影用光学系Ｏｂとファインダー光学系Ｆｉとが別体にほぼ並設されたコンパクトカメラＣａのファインダー光学系Ｆｉに用いることができる。また、図２１に断面を示す如く、前側レンズ群ＧＦと明るさ絞りＤの後方に、第１半透過反射面２及び第２半透過反射面３とからなる本発明の共心光学系ＭＬを、曲率中心を共に上記絞りＤの面と光軸の交点にほぼ一致させて配置して対物レンズ系Ｌ0 を構成することができる。この対物レンズ系Ｌ0 によって形成された像は、上記対物レンズ系Ｌ0 の観察者側に設けられた４回反射のポロプリズムＰによって正立され、接眼レンズＯｃによって観察可能となっている。
【００６３】さらに、結像光学系として使用するに際しては、フロント絞り光学系として構成することも可能である。次に、接眼光学系としては、例えば図２２（ａ）に斜視図を示すように、虚像を観察者Ｍの眼球内に拡大投影して仮想の空中拡大像を観察するようにした頭部装着型ディスプレイシステムＨＭＤに用いることができる。この場合、図２２（ｂ）の断面図に示すように、映像を表示するための液晶表示素子ＬＣＤと、このＬＣＤに表示された映像を観察者眼球内に拡大投影するために、第１半透過反射面２と第２半透過反射面３からなる本発明の共心光学系ＭＬを、曲率中心を共に観察者側のアイポイント（瞳位置）ＥＰ近傍に位置させて配置し、接眼光学系を構成している。
【００６４】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明の共心光学系によると、Ｆナンバー３〜１．５で、画角６０゜以上までフラットで殆ど収差の発生がなく、鮮明な画像の撮影、観察ができる、撮像光学系、接眼光学系何れにも使用できる共心光学系が得られる。このような共心光学系を用いて、広い提示画角で、周辺の画角まで鮮明に観察できる頭部装着型表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による共心光学系の基本的構成と収差発生が少ない理由を説明するための図である。
【図２】本発明の第１実施例の共心光学系の断面図である。
【図３】第２実施例の断面図である。
【図４】第３実施例の断面図である。
【図５】第４実施例の断面図である。
【図６】第５実施例の断面図である。
【図７】第６実施例の断面図である。
【図８】第７実施例の断面図である。
【図９】第８実施例の断面図である。
【図１０】第９実施例の断面図である。
【図１１】第１実施例の球面収差、非点収差、歪曲収差を表す縦収差図（ａ）と横収差図（ｂ）である。
【図１２】第２実施例の図１１と同様な収差図である。
【図１３】第３実施例の図１１と同様な収差図である。
【図１４】第４実施例の図１１と同様な収差図である。
【図１５】第５実施例の図１１と同様な収差図である。
【図１６】第６実施例の図１１と同様な収差図である。
【図１７】第７実施例の図１１と同様な収差図である。
【図１８】第８実施例の図１１と同様な収差図である。
【図１９】第９実施例の図１１と同様な収差図である。
【図２０】本発明の共心光学系をコンパクトカメラのファインダー光学系の結像光学系に用いる例を説明するための斜視図である。
【図２１】本発明の共心光学系を対物レンズの一部に用いる例を説明するための断面図である。
【図２２】本発明の共心光学系を頭部装着型ディスプレイシステムの接眼光学系として用いる例を説明するための図である。
【図２３】従来技術のシュミット鏡の断面図である。
【図２４】従来技術の半透過凹面鏡と半透過平面鏡を用いた接眼光学系の断面図である。
【図２５】従来技術の反射望遠レンズの断面図である。
【符号の説明】
１…絞り位置
２…第１の半透過反射面
３…第２の半透過反射面
４…像面
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２…メニスカスレンズ
ＬＡ…非球面レンズ
ＰＰ…平行平面板
Ｏｂ…撮影用光学系
Ｆｉ…ファインダー光学系
Ｃａ…コンパクトカメラ
ＧＦ…前側レンズ群
Ｄ…明るさ絞り
ＭＬ…共心光学系
Ｌ0 …対物レンズ系
Ｐ…ポロプリズム
Ｏｃ…接眼レンズ
Ｍ…観察者
ＨＭＤ…頭部装着型ディスプレイシステム
ＬＣＤ…液晶表示素子
ＥＰ…アイポイント（瞳位置）
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、接眼光学系又は結像光学系に関し、特に、画角が広くかつ解像力の良い共心光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、天体望遠鏡用の対物鏡として有名なシュミット鏡は、図２３に断面を示すように、凹面鏡ＭＣの球面中心に、平行平面板に近い非球面レンズＬＡをおいて球面収差を補正し、絞りＤを球面中心においてコマ収差、非点収差を補正している。
【０００３】このようなシュミット鏡に代表される共心光学系は、凹面鏡の曲率中心に配置される絞りのために、コマ収差と非点収差が発生しない。しかし、像面湾曲の発生は補正できないために、大きな像面湾曲が発生してしまう。また、像位置が凹面鏡ＭＣの前側に位置するために、像面上にフィルムＦ又はＣＣＤ等を配置すると、入射光束のケラレが発生してしまう。
【０００４】なお、米国再発行特許第２７３５６号は、図２４に示すように、半透過凹面鏡６と半透過平面鏡１６により、物体面６２を遠方に投影する接眼光学系であるが、半透過凹面鏡６により発生する像面湾曲を物体面６２を湾曲させて補正する構成をとっている。なお、図２４２４中、６６は射出瞳を示す。
【０００５】このような問題点を解決するために、図２５R>５（ａ）、（ｂ）に断面を示すように、凸面鏡ＭＶを配置する構成のものがある。この凸面鏡ＭＶを配置する構成のものは、凸面鏡ＭＶによって像面を凹面鏡ＭＣの後に持ってくることができる。
【０００６】何れの場合も、望遠鏡又はカメラ用反射望遠レンズの光学系であり、焦点距離が長く、画角の狭いものが殆どであり、従来、広画角でＦナンバーが小さい光学系はなかった。
【０００７】また、通常の屈折レンズで構成さる広画角のレンズ系は、構成枚数が多くなり、構造が複雑になってしまう欠点があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、Ｆナンバー３〜１．５で、画角６０゜以上までフラットで殆ど収差の発生がなく、鮮明な画像の撮影、観察ができる、撮像光学系、接眼光学系何れにも使用できる共心光学系を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発明の共心光学系は、瞳近傍に曲率中心を配置し、瞳側に凹面を向けた少なくとも２つの半透過反射面を持ち、これらの半透過反射面の各々は、少なくとも１回の光線の透過と少なくとも１回の光線の反射をするように配置されたことを特徴とするものである。
【００１０】この場合、前記の少なくとも２つの半透過反射面で１回も反射しないで透過する光線を遮断するために偏光光学素子で構成された遮断手段を配置することが望ましい。
【００１１】また、このような共心光学系を接眼光学系内に設けるため、少なくとも２つの半透過反射面の曲率中心をアイポイント近傍に設けると共に、少なくとも２つの半透過反射面を観察者側に凹面を向けて配置することが望ましい。
【００１２】また、このような共心光学系を結像光学系内に設けるため、少なくとも２つの半透過反射面の曲率中心を明るさ絞り近傍に設けると共に、少なくとも２つの半透過反射面を物体側に凹面を向けて配置することが望ましい。
【００１３】また、瞳により近い半透過反射面の曲率半径をＲ1 、もう一方の半透過反射面の曲率半径をＲ2 とする時、 ０．５＜｜Ｒ1 ／Ｒ2 ｜＜１．８ ・・・（２）
なる条件を満足することが望ましい。
【００１４】又は、瞳からより遠い半透過反射面の曲率半径をＲ2 、瞳から瞳により近い半透過反射面までの間隔をＤ1 、瞳により近い半透過反射面からもう一方の半透過反射面までの面間隔をＤ2 とする時、 ０．４＜｜（Ｄ1 ＋Ｄ2 ）／Ｒ2 ｜＜１．７ ・・・（３）
なる条件を満足にすることが望ましい。
【００１５】あるいは、瞳により近い半透過反射面の曲率半径をＲ1 、もう一方の半透過反射面の曲率半径をＲ2 、瞳により近い半透過反射面からもう一方の半透過反射面までの面間隔をＤ2 とする時、 １＜｜（｜Ｒ1 ｜＋Ｄ2 ）／Ｒ2 ｜＜１．８ ・・・（４）
なる条件を満足することが望ましい。
【００１６】又は、瞳により近い半透過反射面の曲率半径をＲ1 、瞳から瞳により近い半透過反射面までの間隔をＤ1 とする時、 ｜Ｄ1 ／Ｒ1 ｜＜１．５ ・・・（５）
なる条件を満足することが望ましい。
【００１７】また、本発明の別の共心光学系は、ほぼ光軸上に曲率中心を有し、前記曲率中心の方向に凹面を向けた第１の半透過反射面と、前記第１の半透過反射面の曲率中心とほぼ同位置に曲率中心を設けた第２の半透過反射面とを有することを特徴とするものである。
【００１８】さらに、本発明のもう１つの共心光学系は、それぞれの曲率中心をほぼ同位置に有する第１及び第２の半透過反射面を有し、前記第１の半透過反射面を透過した光束が、前記第２の半透過反射面によって反射されると共に、前記第２の半透過反射面によって反射された反射光束が、前記第１の半透過反射面によって反射された後に、前記第２の半透過反射面を透過するように前記第１及び前記第２の半透過反射面が構成されていることを特徴とするものである。
【００１９】
【作用】以下、本発明においてこのような構成をとる理由と作用について説明する。
【００２０】本発明は前記のような問題点を解決するためになされたものであり、瞳近傍に曲率中心を配置し、瞳側に凹面を向けた少なくとも２つの半透過反射面を持ち、これらの半透過反射面の各々は、少なくとも１回の光線の透過と少なくとも１回の光線の反射をするように配置されたことを特徴とする共心光学系である。
【００２１】以下、説明の都合上、結像光学系として本発明の共心光学系を説明するが、本発明の光学系の像面を物点とした接眼光学系として利用することは容易であり、本発明は、その構成を逆にして接眼光学系としての要件を備えていることは明白である。
【００２２】図１は本発明による共心光学系の基本的構成と収差発生が少ない理由を説明するための図であり、図１において、瞳位置を１、第１面の半透過反射面を２、第２面の半透過反射面を３、像面を４とする。この図１は、第１面２の曲率中心と第２面３の曲率中心とが瞳位置１に完全に一致している場合の光路図である。この光路図から分かることは、瞳面１と第１面２の曲率中心と第２面３の曲率中心が一致しているために、軸上光線も軸外光線も瞳位置１を中心に回転対称となっていることである。このことは、軸外収差である非点収差とコマ収差の発生がないことを意味している。また、屈折力を持っている面は全て反射面であるので、色収差の発生も原理的にない。また、Ｆナンバーが２以下の場合には、球面収差の発生もほぼ無視してよい。
【００２３】ただし、第２面３による像面は瞳位置１を中心とする球面となり、像面湾曲が発生し得る。本発明は、上で説明したように収差発生が非常に少ない共心光学系の像面湾曲を良好に補正することに成功したものである。以下、本発明による像面湾曲の補正手段について発明する。
【００２４】図２４で示した米国再発行特許第２７３５６号のものは、接眼光学系として使用しているが、以下の本発明の説明の都合上、符号６６を瞳面、６２を像面とし、結合光学系として説明する。図２４では凹面鏡６で発生する像面湾曲を補正するために、像面６２を湾曲させてその像面湾曲の補正を行っている。しかし、一般には、湾曲を持った像面は、フィルムやＣＣＤと言った撮像素子を配置するには適さない。そこで、本発明では、前述の図１に示すように、凹面鏡３によって発生する像面湾曲の収差を凸面鏡２によって補正するように構成した。
【００２５】すなわち、像面湾曲の発生量として一般によく注目されるペッツバール和ＰＳは、以下の式で表される。
ＰＳ＝Σ（１／ｎ・ｆ） ・・・（１）
ここで、ｎは屈折率、ｆは面の焦点距離である。米国再発行特許第２７３５６号の場合は、本発明の凸面鏡２を平面鏡１６で置き換えたものに相当するので、凹面鏡６で光線が反射する時に発生するペッツバール和は、平面鏡１６の焦点距離が∞なので、全く補正されない。そこで、本発明では、この平面鏡１６を凸面鏡２として、凹面鏡３で発生するペッツバール和をこの凸面鏡２で補正できるように構成している。
【００２６】また、図２５に示すカメラ用反射望遠鏡に代表される光学系では、光束の取り出し口として凹面鏡ＭＣの中心に開口を設ける必要がある。この開口で起きる周辺画角の光線のケラレを少なくするために、凹面鏡ＭＣの開口周辺に瞳面を配置する必要がある。しかし、このような配置をとっても、画角は凹面鏡ＭＣの開口と凸面鏡ＭＶの口径で制限され、数度しかとることができなかった。
【００２７】この問題点を解決するためにも、瞳面１は凹面鏡３又は凸面鏡２の周辺や、凹面鏡３より像側にあってはならないのである。つまり、凹面鏡３の曲率中心のある方向に瞳面１を配置することが重要な手段となる。
【００２８】さらに、良好な収差補正を実施するために、以下に示す各条件式を満足することが好ましい。以下の条件式はそれぞれ各収差に対応しており、画角やＦナンバー等実際の使用によって各々の条件式は独立であり、相関関係はない。また、全ての条件式を満足することも、使用条件によっては必要となる。
【００２９】先ず、第１面２と第２面３の関係について説明する。良好な収差補正を実現するためには、ペッツバール和の補正が特に重要であることは上記の説明で述べた通りであり、本発明ではこのペッツバール和の補正のために、以下の条件を満足することが重要である。
０．５＜｜Ｒ1 ／Ｒ2 ｜＜１．８ ・・・（２）
ただし、Ｒ1 は第１面２の曲率半径、Ｒ2 は第２面３の曲率半径である。
【００３０】この条件式（２）は、正の第２面３と負の第１面２のパワー配置を規定するものであり、下限の０．５を越えると、第１面２と第２面３で補正し合っている主にペッツバール和の補正バランスが崩れ、負のペッツバール和が大きく発生してしまう。また、上限の１．８を越えると、ペッツバール和が正に大きく発生してしまい、他の面で補正することが不可能となってしまう。
【００３１】さらに、近年、ハイビジョンＴＶ等に代表される高品位な映像に対応する必要がある場合には、より良好なペッツバール和の補正が必要であり、以下の条件を満足することがより重要である。
０．７＜｜Ｒ1 ／Ｒ2 ｜＜１．７ ・・・（６）
次に、第２面３の半透過反射面について説明する。瞳面１から第１面２までの間隔をＤ1 、第１面２と第２面３の面間隔をＤ2 とすると、好ましくは、 ０．４＜｜（Ｄ1 ＋Ｄ2 ）／Ｒ2 ｜＜１．７ ・・・（３）
なる条件を満足にすることが望ましい。
【００３２】上記条件式（３）の下限の０．４を越えると、第２面３を透過する射出主光線傾角が大きくなり、非点収差とコマ収差が負に大きく発生する。また、上限の１．７を越えると、非点収差、コマ収差共に負の発生量がへる。これは、第１面２を透過する時に発生する正の非点収差とコマ収差を打ち消しているので、レンズ系全体として正の非点収差とコマ収差の発生が大きくなってしまう。
【００３３】また、好ましくは、第２面３が本発明では共心であることが重要である。第１面２の曲率半径をＲ1 、第２面３の曲率半径をＲ2 、第１面２と第２面３の面間隔をＤ2 とすると、 １＜｜（｜Ｒ1 ｜＋Ｄ2 ）／Ｒ2 ｜＜１．８ ・・・（４）
なる条件を満足することが重要である。
【００３４】上記条件（４）は第２面３で発生するコマ収差と非点収差の発生を全系で補正できるようにする条件であり、下限の１を越えると、完全な共心光学系に近くなり、ペッツバール和の補正が不可能となり、大きな像面湾曲が発生する。また、上限の１．８を越えると、第２面３に入射する主光線の入射角度が大きくなり、正のコマ収差が大きくなってしまう。どちらの場合も、周辺まで鮮明な像を形成することが不可能となってしまう。
【００３５】また、好ましくは、絞り面１から第１面２までの距離をＤ1 、第１面２の曲率半径をＲ1 とする時、 ｜Ｄ1 ／Ｒ1 ｜＜１．５ ・・・（５）
なる条件を満足することが望ましい。
【００３６】上記条件式（５）の上限の１．５を越えると、第１面２に入射する主光線の入射高が大きくなり、正のコマ収差と非点収差の発生が大きくなってしまい、周辺まで鮮明な像を形成することが不可能となってしまう。
【００３７】次に、面間隔について説明する。絞り面１と第１面２の面間隔をＤ1 とし、全系の焦点距離をＦとする時、 Ｄ1 ／Ｆ＜１．６ ・・・（７）
なる条件を満足することが重要である。
【００３８】上記条件式（７）は、第１面２で発生するコマ収差を小さくするための条件である。上限の１．６を越えると、第１面２で発生するコマ収差の発生が大きくなり、他の面で補正することが不可能となる。また、本発明の光学系を接眼光学系として使用する場合には、 ０．５＜Ｄ1 ／Ｆ ・・・（８）
なる条件を満足することが重要となる。
【００３９】上記条件式（８）は、接眼光学系の場合には、接眼レンズのアイポイントとなり、下限の０．５を越えると、観察者の瞳位置と接眼光学系の射出瞳位置１がズレてしまい、視野全域を観察することが不可能となる。
【００４０】第１面２と第２面３の面間隔をＤ2 とする時、 ０．２＜Ｄ2 ／Ｆ＜０．７ ・・・（９）
なる条件を満足することが重要となる。本条件は、第１面２でのペッツバール和発生と第２面３でのペッツバール和発生のバランスをとるために必要となる。上限の０．７を越えても下限の０．２を越えても、第１面２と第２面３で発生する上記収差のバランスが崩れ、ほぼ修正し合っているペッツバール和収差が大きく発生してしまう。
【００４１】また、第１面２でも第２面３でも１回も反射しないで透過して像面４に達してしまうフレアー光をカットするためには、米国再発行特許第２７３５６号に示されているような偏光を利用した偏光光学素子を配置とすることが重要となる。例えば、第１面２の瞳１側に第１偏光板と４分の１波長板を配置して入射光を円偏光とし、第１面２と第２面３の半透過反射面の間に別の４分の１波長板を配置し、第２面３の半透過反射面の後に第１偏光板とパラニコルの偏光面を配置した第２偏光板を配置する。このような偏光光学素子を配置すると、第１面２と第２面３でそれぞれ１回反射した正規の光線は、第１面２と第２面３の間の４分の１波長板を３回通過することになり、正規の光線はトータル４回、４分の１波長板を通過することになる。したがって、第１偏光板を通過した光の偏光面は回転せずに、パラニコルに配置された第２偏光板を通過する。しかし、第１面２の半透過反射面を反射しないで通過した光線はトータル２回の４分の１波長板通過しかしないで、偏光面は９０゜回転して、第２偏光板でカットされる。
【００４２】この様に、偏光光学素子を使うことによって、フレアー光をカットすることが可能となる。また、上に説明した以外の偏光光学素子の配置も可能であり、ここではほんの一例を示しただけである。
【００４３】
【実施例】以下、図面を参照にして本発明の共心光学系の第１実施例〜第９実施例について説明する。
第１実施例図２を参照にして第１実施例を説明する。図中、１は絞り位置、２は第１の半透過反射面、３は第２の半透過反射面、４は像面である。この実施例は、２個のメニスカスレンズＬ１、Ｌ２を用い、メニスカスレンズＬ１の凸面を第１の半透過反射面２とし、メニスカスレンズＬ２の凸面を第２の半透過反射面３としている。数値実施例は以下に示す通りである。ただし、ｎｄはレンズの屈折率、νｄはアッベ数である（以下、同様）。本実施例の画角は４５°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは３．５である。
【００４４】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 9.158 ２ -5.5382 1.624 1.5163 64.1 ３ -7.7395 0.071 ４ -7.8437 2.777 1.5163 64.1 ５ -9.1995 （反射面３） -2.777 1.5163 64.1 ６ -7.8437 -0.071 ７ -7.7395 （反射面２） 0.071 ８ -7.8437 2.777 1.5163 64.1 ９ -9.1995 5.141 10 像面４図１１（ａ）に本実施例の球面収差、非点収差、歪曲収差を表す縦収差図を、図１１（ｂ）に横収差図を示す。
【００４５】第２実施例図３を参照にして第２実施例を説明する。図中、１は絞り位置、２は第１の半透過反射面、３は第２の半透過反射面、４は像面である。この実施例は、１個のメニスカスレンズＬを用い、その凹面を第１の半透過反射面２とし、その凸面を第２の半透過反射面３としている。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は６０°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは１．５である。
【００４６】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 10.130 ２ -13.6165 5.239 1.5163 64.1 ３ -14.6357 （反射面３） -5.239 1.5163 64.1 ４ -13.6165 （反射面２） 5.239 1.5163 64.1 ５ -14.6357 1.216 ６ 像面４図１２に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００４７】第３実施例図４を参照にして第３実施例を説明する。図中、１は絞り位置、２は第１の半透過反射面、３は第２の半透過反射面、４は像面である。この実施例は、１個のメニスカスレンズＬを用い、その凹面を第１の半透過反射面２とし、その凸面を第２の半透過反射面３としており、さらに、像歪み補正用の非球面レンズＬＡをその像面４側に配置している。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は６０°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは２．０である。
【００４８】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 11.423 ２ -14.4225 4.817 1.5163 64.1 ３ -14.9832 （反射面３） -4.817 1.5163 64.1 ４ -14.4225 （反射面２） 4.817 1.5163 64.1 ５ -14.9832 0.046 ６ 12.5539 （非球面） 0.914 1.5163 64.1 Ｋ= 0 Ａ=-0.352385×10-3 Ｂ=-0.213608×10-5 Ｃ= 0 ７ 110.7802 1.857 ８ 像面４上記において、非球面は、円錐定数をＫ、非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃとした時に、下記の式によって表される回転対称面のことである。ただし、下記の式において、Ｒは近軸曲率半径であり、光軸上の光の進行方向にＺ軸、光軸と直交する方向にＹ軸をとっている。
Ｚ＝（Ｙ2/Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（Ｙ／Ｒ）2 ｝1/2 ］＋ＡＹ4 ＋ＢＹ6 ＋ＣＹ8図１３に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００４９】第４実施例図５を参照にして第４実施例を説明する。本実施例は第２実施例と同様である。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は４５°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは３．０である。
【００５０】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 13.127 ２ -11.2445 5.633 1.5163 64.1 ３ -14.0354 （反射面３） -5.633 1.5163 64.1 ４ -11.2445 （反射面２） 5.633 1.5163 64.1 ５ -14.0354 0.348 ６ 像面４図１４に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００５１】第５実施例図６を参照にして第５実施例を説明する。本実施例も第２実施例と同様である。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は４５°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは３．０である。
【００５２】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 5.805 ２ -24.3790 （反射面３） 4.437 1.5163 64.1 ３ -17.4632 （反射面２） -4.437 1.5163 64.1 ４ -24.3790 4.437 1.5163 64.1 ５ -17.4632 3.193 ６ 像面４図１５に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００５３】第６実施例図７を参照にして第６実施例を説明する。本実施例も第２実施例と同様である。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は４５°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは３．０である。
【００５４】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 7.259 ２ -27.0911 4.287 1.5163 64.1 ３ -18.0607 （反射面３） -4.287 1.5163 64.1 ４ -27.0911 （反射面２） 4.287 1.5163 64.1 ５ -18.0607 3.534 ６ 像面４図１６に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００５５】第７実施例図８を参照にして第７実施例を説明する。本実施例も第２実施例と同様である。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は４５°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは３．０である。
【００５６】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 9.152 ２ -10.2521 5.711 1.5163 64.1 ３ -13.6695 （反射面３） -5.711 1.5163 64.1 ４ -10.2521 （反射面２） 5.711 1.5163 64.1 ５ -13.6695 0.100 ６ 像面４図１７に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００５７】第８実施例図９を参照にして第８実施例を説明する。本実施例は第１実施例とほぼ同様である。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は７０°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは２．５である。
【００５８】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 8.255 ２ ∞ 2.813 1.5163 64.1 ３ -22.1680 0.355 ４ -19.6995 5.058 1.5163 64.1 ５ -18.7996 （反射面３） -5.058 1.5163 64.1 ６ -19.6995 -0.355 ７ -22.1680 （反射面２） 0.355 ８ -19.6995 5.058 1.5163 64.1 ９ -18.7996 0.520 10 像面４図１８に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００５９】第９実施例図１０を参照にして第９実施例を説明する。図中、１は絞り位置、２は第１の半透過反射面、３は第２の半透過反射面、４は像面である。この実施例は、単一屈折率の平行平面板ＰＰ中に第１の半透過反射面２と第２の半透過反射面３を設けたものである。数値実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は７０°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは２．５である。
【００６０】
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ νｄ １ 瞳位置１ 8.255 ２ ∞ 5.426 1.5163 64.1 ３ -12.7792 2.822 1.5163 64.1 ４ -12.9610 （反射面３） -2.822 1.5163 64.1 ５ -12.7792 （反射面２） 3.322 1.5163 64.1 ６ ∞ 3.455 ７ 像面４図１９に本実施例の図１１と同様な収差図を示す。
【００６１】以上の各実施例の上記条件式（２）（＝（６））、（３）、（４）、（５）、（７）（＝（８））、（９）の値を次の表に示す。
【００６２】なお、本発明の共心光学系は、接眼光学系や結像光学系の１つのレンズとして設けてもよいし、この共心光学系単独で接眼光学系や結像光学系を構成してもよい。その一例を以下に示す。結像光学系としては、例えば、図２０に斜視図を示すように、撮影用光学系Ｏｂとファインダー光学系Ｆｉとが別体にほぼ並設されたコンパクトカメラＣａのファインダー光学系Ｆｉに用いることができる。また、図２１に断面を示す如く、前側レンズ群ＧＦと明るさ絞りＤの後方に、第１半透過反射面２及び第２半透過反射面３とからなる本発明の共心光学系ＭＬを、曲率中心を共に上記絞りＤの面と光軸の交点にほぼ一致させて配置して対物レンズ系Ｌ0 を構成することができる。この対物レンズ系Ｌ0 によって形成された像は、上記対物レンズ系Ｌ0 の観察者側に設けられた４回反射のポロプリズムＰによって正立され、接眼レンズＯｃによって観察可能となっている。
【００６３】さらに、結像光学系として使用するに際しては、フロント絞り光学系として構成することも可能である。次に、接眼光学系としては、例えば図２２（ａ）に斜視図を示すように、虚像を観察者Ｍの眼球内に拡大投影して仮想の空中拡大像を観察するようにした頭部装着型ディスプレイシステムＨＭＤに用いることができる。この場合、図２２（ｂ）の断面図に示すように、映像を表示するための液晶表示素子ＬＣＤと、このＬＣＤに表示された映像を観察者眼球内に拡大投影するために、第１半透過反射面２と第２半透過反射面３からなる本発明の共心光学系ＭＬを、曲率中心を共に観察者側のアイポイント（瞳位置）ＥＰ近傍に位置させて配置し、接眼光学系を構成している。
【００６４】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明の共心光学系によると、Ｆナンバー３〜１．５で、画角６０゜以上までフラットで殆ど収差の発生がなく、鮮明な画像の撮影、観察ができる、撮像光学系、接眼光学系何れにも使用できる共心光学系が得られる。このような共心光学系を用いて、広い提示画角で、周辺の画角まで鮮明に観察できる頭部装着型表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による共心光学系の基本的構成と収差発生が少ない理由を説明するための図である。
【図２】本発明の第１実施例の共心光学系の断面図である。
【図３】第２実施例の断面図である。
【図４】第３実施例の断面図である。
【図５】第４実施例の断面図である。
【図６】第５実施例の断面図である。
【図７】第６実施例の断面図である。
【図８】第７実施例の断面図である。
【図９】第８実施例の断面図である。
【図１０】第９実施例の断面図である。
【図１１】第１実施例の球面収差、非点収差、歪曲収差を表す縦収差図（ａ）と横収差図（ｂ）である。
【図１２】第２実施例の図１１と同様な収差図である。
【図１３】第３実施例の図１１と同様な収差図である。
【図１４】第４実施例の図１１と同様な収差図である。
【図１５】第５実施例の図１１と同様な収差図である。
【図１６】第６実施例の図１１と同様な収差図である。
【図１７】第７実施例の図１１と同様な収差図である。
【図１８】第８実施例の図１１と同様な収差図である。
【図１９】第９実施例の図１１と同様な収差図である。
【図２０】本発明の共心光学系をコンパクトカメラのファインダー光学系の結像光学系に用いる例を説明するための斜視図である。
【図２１】本発明の共心光学系を対物レンズの一部に用いる例を説明するための断面図である。
【図２２】本発明の共心光学系を頭部装着型ディスプレイシステムの接眼光学系として用いる例を説明するための図である。
【図２３】従来技術のシュミット鏡の断面図である。
【図２４】従来技術の半透過凹面鏡と半透過平面鏡を用いた接眼光学系の断面図である。
【図２５】従来技術の反射望遠レンズの断面図である。
【符号の説明】
１…絞り位置
２…第１の半透過反射面
３…第２の半透過反射面
４…像面
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２…メニスカスレンズ
ＬＡ…非球面レンズ
ＰＰ…平行平面板
Ｏｂ…撮影用光学系
Ｆｉ…ファインダー光学系
Ｃａ…コンパクトカメラ
ＧＦ…前側レンズ群
Ｄ…明るさ絞り
ＭＬ…共心光学系
Ｌ0 …対物レンズ系
Ｐ…ポロプリズム
Ｏｃ…接眼レンズ
Ｍ…観察者
ＨＭＤ…頭部装着型ディスプレイシステム
ＬＣＤ…液晶表示素子
ＥＰ…アイポイント（瞳位置）
【特許請求の範囲】
【請求項１】 瞳近傍に曲率中心を配置し、瞳側に凹面を向けた少なくとも２つの半透過反射面を持ち、これらの半透過反射面の各々は、少なくとも１回の光線の透過と少なくとも１回の光線の反射をするように配置されたことを特徴とする共心光学系。
【請求項２】 前記の少なくとも２つの半透過反射面で１回も反射しないで透過する光線を遮断するために偏光光学素子で構成された遮断手段が配置されていることを特徴とする請求項１記載の共心光学系。
【請求項３】前記共心光学系を接眼光学系内に設けるため、前記少なくとも２つの半透過反射面の曲率中心をアイポイント近傍に設けると共に、前記少なくとも２つの半透過反射面を観察者側に凹面を向けて配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の共心光学系。
【請求項４】前記共心光学系を結像光学系内に設けるため、前記少なくとも２つの半透過反射面の曲率中心を明るさ絞り近傍に設けると共に、前記少なくとも２つの半透過反射面を物体側に凹面を向けて配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の共心光学系。
【請求項５】 前記瞳により近い半透過反射面の曲率半径をＲ1 、もう一方の半透過反射面の曲率半径をＲ2 とする時、 ０．５＜｜Ｒ1 ／Ｒ2 ｜＜１．８ ・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の共心光学系。
【請求項６】 前記瞳からより遠い半透過反射面の曲率半径をＲ2 、前記瞳から前記瞳により近い半透過反射面までの間隔をＤ1 、前記瞳により近い半透過反射面からもう一方の半透過反射面までの面間隔をＤ2 とする時、 ０．４＜｜（Ｄ1 ＋Ｄ2 ）／Ｒ2 ｜＜１．７ ・・・（３）
なる条件を満足にすることを特徴とする請求項１又は２記載の共心光学系。
【請求項７】 前記瞳により近い半透過反射面の曲率半径をＲ1 、もう一方の半透過反射面の曲率半径をＲ2 、前記瞳により近い半透過反射面からもう一方の半透過反射面までの面間隔をＤ2 とする時、 １＜｜（｜Ｒ1 ｜＋Ｄ2 ）／Ｒ2 ｜＜１．８ ・・・（４）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の共心光学系。
【請求項８】 前記瞳により近い半透過反射面の曲率半径をＲ1 、前記瞳から前記瞳により近い半透過反射面までの間隔をＤ1 とする時、 ｜Ｄ1 ／Ｒ1 ｜＜１．５ ・・・（５）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の共心光学系。
【請求項９】ほぼ光軸上に曲率中心を有し、前記曲率中心の方向に凹面を向けた第１の半透過反射面と、前記第１の半透過反射面の曲率中心とほぼ同位置に曲率中心を設けた第２の半透過反射面とを有することを特徴とする共心光学系。
【請求項１０】それぞれの曲率中心をほぼ同位置に有する第１及び第２の半透過反射面を有し、前記第１の半透過反射面を透過した光束が、前記第２の半透過反射面によって反射されると共に、前記第２の半透過反射面によって反射された反射光束が、前記第１の半透過反射面によって反射された後に、前記第２の半透過反射面を透過するように前記第１及び前記第２の半透過反射面が構成されていることを特徴とする共心光学系。
【請求項１】 瞳近傍に曲率中心を配置し、瞳側に凹面を向けた少なくとも２つの半透過反射面を持ち、これらの半透過反射面の各々は、少なくとも１回の光線の透過と少なくとも１回の光線の反射をするように配置されたことを特徴とする共心光学系。
【請求項２】 前記の少なくとも２つの半透過反射面で１回も反射しないで透過する光線を遮断するために偏光光学素子で構成された遮断手段が配置されていることを特徴とする請求項１記載の共心光学系。
【請求項３】前記共心光学系を接眼光学系内に設けるため、前記少なくとも２つの半透過反射面の曲率中心をアイポイント近傍に設けると共に、前記少なくとも２つの半透過反射面を観察者側に凹面を向けて配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の共心光学系。
【請求項４】前記共心光学系を結像光学系内に設けるため、前記少なくとも２つの半透過反射面の曲率中心を明るさ絞り近傍に設けると共に、前記少なくとも２つの半透過反射面を物体側に凹面を向けて配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の共心光学系。
【請求項５】 前記瞳により近い半透過反射面の曲率半径をＲ1 、もう一方の半透過反射面の曲率半径をＲ2 とする時、 ０．５＜｜Ｒ1 ／Ｒ2 ｜＜１．８ ・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の共心光学系。
【請求項６】 前記瞳からより遠い半透過反射面の曲率半径をＲ2 、前記瞳から前記瞳により近い半透過反射面までの間隔をＤ1 、前記瞳により近い半透過反射面からもう一方の半透過反射面までの面間隔をＤ2 とする時、 ０．４＜｜（Ｄ1 ＋Ｄ2 ）／Ｒ2 ｜＜１．７ ・・・（３）
なる条件を満足にすることを特徴とする請求項１又は２記載の共心光学系。
【請求項７】 前記瞳により近い半透過反射面の曲率半径をＲ1 、もう一方の半透過反射面の曲率半径をＲ2 、前記瞳により近い半透過反射面からもう一方の半透過反射面までの面間隔をＤ2 とする時、 １＜｜（｜Ｒ1 ｜＋Ｄ2 ）／Ｒ2 ｜＜１．８ ・・・（４）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の共心光学系。
【請求項８】 前記瞳により近い半透過反射面の曲率半径をＲ1 、前記瞳から前記瞳により近い半透過反射面までの間隔をＤ1 とする時、 ｜Ｄ1 ／Ｒ1 ｜＜１．５ ・・・（５）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の共心光学系。
【請求項９】ほぼ光軸上に曲率中心を有し、前記曲率中心の方向に凹面を向けた第１の半透過反射面と、前記第１の半透過反射面の曲率中心とほぼ同位置に曲率中心を設けた第２の半透過反射面とを有することを特徴とする共心光学系。
【請求項１０】それぞれの曲率中心をほぼ同位置に有する第１及び第２の半透過反射面を有し、前記第１の半透過反射面を透過した光束が、前記第２の半透過反射面によって反射されると共に、前記第２の半透過反射面によって反射された反射光束が、前記第１の半透過反射面によって反射された後に、前記第２の半透過反射面を透過するように前記第１及び前記第２の半透過反射面が構成されていることを特徴とする共心光学系。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２０】
【図２１】
【図２３】
【図２５】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２２】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２０】
【図２１】
【図２３】
【図２５】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２２】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２４】
【公開番号】特開平７−１２０６７９
【公開日】平成７年（１９９５）５月１２日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−２６４８２８
【出願日】平成５年（１９９３）１０月２２日
【出願人】（００００００３７６）オリンパス光学工業株式会社 (11,466)
【公開日】平成７年（１９９５）５月１２日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）１０月２２日
【出願人】（００００００３７６）オリンパス光学工業株式会社 (11,466)
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