CN101573649B - 光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种不受炫光的影响、小型且分辨率优良、用于拍摄具有360°全方位视场角的图像、或者将图像以360°全方位视场角进行投影的光学系统，该光学系统具有：前组(10)，其包含绕中心轴(1)旋转对称的2个反射面和2个透射面；后组(20)，其绕中心轴旋转对称且具有正光焦度；以及开口(5)，其与中心轴同轴地配置，该光学系统构成为：入射到前组的光束经过第1透射面(11)，通过夹着中心轴配置在第1透射面的相反侧的第1反射面(12)而反射到像面的相反侧，通过配置在第1透射面的相同侧的第2反射面(13)而反射到像面侧，经过第2透射面(14)从透明介质向外射出，经过后组(20)成像在像面(30)上，在包含中心轴(1)的剖面内的入射光瞳(6Y)位于第2反射面(13)附近。

Description

光学系统
技术领域
本发明涉及光学系统，特别是涉及一种小型且分辨率良好、应用于将具有360°全方位视场角的图像成像在像面上、或者将配置在像面上的图像以360°全方位视场角进行投影的全天空照相机(全天カメラ)、全天空投影仪(全天プロジエクタ一)等的光学系统。
背景技术
以往，作为使用反射折射光学系统的获得360°全方位(全周)的图像的小型光学系统，在专利文献1、2中公开了由前组和后组构成的光学系统，其中，所述前组配备有具有2个内面反射面和2个折射面(入射面和出射面)的透明介质、且绕中心轴旋转对称，所述后组绕中心轴旋转对称且具有正光焦度。
〔专利文献1〕美国专利第4566763号说明书
〔专利文献2〕美国专利第5473474号说明书
然而，在上述现有例中存在这样的问题：入射光瞳不位于入射面附近，入射面的有效直径增大，来自天顶方向或者地上的有害炫光多，使得图像恶化。并且，不一定能良好地校正像差且分辨率也不一定良好。
发明内容
本发明是鉴于现有技术的这种问题而作成的，本发明的目的是提供一种不受炫光的影响、小型、良好地校正了像差、分辨率优良、用于拍摄具有360°全方位(全周)视场角的图像、或者将图像以360°全方位(全周)视场角进行投影的光学系统。
为达到上述目的，本发明的光学系统将具有360°全方位视场角的图像成像在像面上，或者将配置在像面上的图像以360°全方位视场角进行投影，该光学系统的特征在于，
该光学系统具有：前组，其包含绕中心轴旋转对称的2个反射面；后组，其绕中心轴旋转对称且具有正光焦度；以及开口，其与中心轴同轴地配置，
所述前组具有绕中心轴旋转对称的透明介质，所述透明介质具有第1透射面、第1反射面、第2反射面以及第2透射面，
所述第1反射面与所述第1透射面相比配置在像面侧，所述第2反射面与所述第1反射面相比配置在像面的相反侧，所述第2透射面与所述第1透射面相比配置在像面侧，
所述光学系统构成为，在所述光学系统是成像光学系统的情况下，按照光线的前进顺序，在所述光学系统是投影光学系统的情况下与光线的前进顺序相反：入射到所述前组的光束经过所述第1透射面进入透明介质内，通过夹着中心轴配置在所述第1透射面的相反侧的所述第1反射面而反射到像面的相反侧，通过相对于中心轴配置在与所述第1透射面相同侧的所述第2反射面而反射到像面侧，经过所述第2透射面从所述透明介质向外射出，经过所述后组而成像在像面的偏离中心轴的位置上，而且在包含中心轴的剖面内的入射光瞳位置、和与该剖面正交且包含该光束的中心光线的剖面内的入射光瞳位置不同，在包含所述中心轴的剖面内的所述入射光瞳位于第2反射面附近。
在该情况下，期望的是，当把子午剖面内的视场角中心的通过所述开口的中心的光线设定为中心主光线，把所述中心主光线在所述第1反射面反射时与面的法线形成的角度设定为η时，满足以下条件：
1°＜η＜10°...(1)。
并且，期望的是，当把子午剖面内的视场角中心的通过所述开口的中心的光线设定为中心主光线，把所述中心主光线入射到所述第1透射面、所述第1反射面以及所述第2反射面的位置处的子午剖面的曲率分别设定为C1y、C2y、C3y，并把与中心轴正交的剖面的曲率设定为C1x、C2x、C3x时，满足以下条件：
0.7＜|C1x/C2x |＜5.0..(2)
0.35＜|C1x/C3x |＜2.0...(3)。
并且，期望的是，包含中心轴的剖面内的入射光瞳位于所述第1透射面附近，与包含中心轴的剖面正交的剖面内的入射光瞳位于中心轴附近。
并且，期望的是，将所述开口朝与所述光束的入射方向相反的方向投影而得到的光圈像的成像次数在包含中心轴的剖面内、和与该剖面正交且包含该光束的中心光线的剖面内相同。
并且，期望的是，至少1个反射面具有使不具有对称面的任意形状的线段绕中心轴旋转而形成的旋转对称的形状。
并且，期望的是，至少1个反射面具有使包含奇数次项的任意形状的线段绕中心轴旋转而形成的旋转对称的形状。
并且，期望的是，在包含中心轴的剖面内与通过所述前组在物体侧形成的光圈共轭的入射光瞳附近配置有炫光光圈，该炫光光圈仅在包含中心轴的剖面内限制开口。
并且，期望的是，所述后组由旋转对称的同轴折射光学系统构成。
并且，期望的是，取代所述开口或者除了所述开口以外，在前组的所述第1透射面附近具有绕中心轴旋转对称的轮带状的狭缝开口。
并且，期望的是，至少所述反射面在包含中心轴的剖面内被切断，使得绕中心轴的视场角构成为比360°窄。
附图说明
图1是沿着本发明的实施例1的光学系统的中心轴截取的剖面图。
图2是示出实施例1的光学系统的光学系统内的光路的俯视图。
图3是实施例1的光学系统整体的横像差图。
图4是示出实施例1的垂直方向的失真的图。
图5是沿着本发明的实施例2的光学系统的中心轴截取的剖面图。
图6是示出实施例2的光学系统的光学系统内的光路的俯视图。
图7是实施例2的光学系统整体的横像差图。
图8是示出实施例2的垂直方向的失真的图。
图9是沿着本发明的实施例3的光学系统的中心轴截取的剖面图。
图10是示出实施例3的光学系统的光学系统内的光路的俯视图。
图11是实施例3的光学系统整体的横像差图。
图12是示出实施例3的垂直方向的失真的图。
图13是沿着本发明的实施例4的光学系统的中心轴截取的剖面图。
图14是示出实施例4的光学系统的光学系统内的光路的俯视图。
图15是实施例4的光学系统整体的横像差图。
图16是示出实施例4的垂直方向的失真的图。
图17是用于说明子午剖面和弧矢剖面的定义的图。
图18是用于示出使用本发明的全景摄影光学系统作为内窥镜前端的摄影光学系统的例子的图。
图19是用于示出在汽车的各角部和头部的杆的顶部使用本发明的全景摄影光学系统作为摄影光学系统的例子的图。
图20是用于示出使用本发明的全景投影光学系统作为投影装置的投影光学系统的例子的图。
图21是用于示出经过本发明的全景摄影光学系统拍摄室外的被摄体、并通过本发明的全景投影光学系统在室内进行投影显示的例子的图。
具体实施方式
以下，根据实施例对本发明的光学系统进行说明。
图1是沿着后述的实施例1的光学系统的中心轴(旋转对称轴)1截取的剖面图，图2是示出该光学系统内的光路的俯视图。使用这些图1、图2来说明本发明的光学系统。另外，以下说明是作为成像光学系统进行的说明，然而也可以用作使光路反转而将图像以360°全方位(全周)进行投影的投影光学系统。另外，图2是除了示出从方位角0°方向入射的光路之外，还示出从±10°方向入射的光路的图。
本发明的光学系统由绕中心轴1旋转对称的前组10和绕中心轴1旋转对称的后组20构成，从远方的物体入射的光束2依次经过前组10和后组20成像在与中心轴1垂直的像面30的偏离中心轴1的位置上。
前组10由绕中心轴1旋转对称的折射率大于1的树脂等透明介质构成，并具有2个内面反射面12、13和2个透射面(入射面和出射面)11、14。内面反射面12、13和透射面11、14也具有绕中心轴1旋转对称的形状。并且，后组20由绕中心轴1旋转对称且具有正光焦度的透镜系统等同轴折射光学系统构成。
而且，前组10的透明介质由第1透射面11、第1反射面12、第2反射面13以及第2透射面14构成，第1透射面11相对于中心轴1配置在物体侧，第1反射面12夹着中心轴1配置在第1透射面11的相反侧，并与第1透射面11相比配置在像面30侧，第2反射面13相对于中心轴1配置在第1透射面11的相同侧，并与第1透射面11相比配置在像面30的相反侧，第2透射面14与第1透射面11相比配置在像面30侧。
而且，从远方入射的光束2经过第1透射面11进入透明介质内，通过夹着中心轴1配置在第1透射面11的相反侧的第1反射面12而反射到像面30的相反侧，通过相对于中心轴1配置在第1透射面11的相同侧的第2反射面13而反射到像面30侧，经过第2透射面14从透明介质向外射出，经过与中心轴1同轴地配置在前组10和后组20之间且构成光圈的圆形开口5和正光焦度的后组20，成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向的规定位置上。
该前组10发挥如下作用：接收从全周的图像朝向旋转对称轴(中心轴)1入射的光束，并转换为任意位置的圆环状的空中像。而且，后组20发挥将该圆环状的空中像投影到位于像面30的摄像元件的平面上的作用，并且，还能以利用后组20来补偿在前组10中校正不足的像面弯曲和像散的方式来进行校正。
而且，在前组10和后组20之间，与中心轴1同轴地配置有构成光圈的圆形开口5。配置在该中心轴上的开口5通过前组10被逆投影而形成入射光瞳，而本发明的特征在于，将该入射光瞳配置在子午剖面内第1透射面(入射面)11的附近且第2反射面13的附近，作为子午方向的入射光瞳6Y，同时将该入射光瞳在弧矢剖面内投影到中心轴(旋转对称轴)1上作为弧矢方向的入射光瞳6X。在现有例(专利文献1)中，由于子午剖面的入射光瞳和弧矢剖面内的入射光瞳都配置在中心轴上，因而不能有效地配置用于阻断有害光的炫光光圈。
另外，子午剖面和弧矢剖面如图17所示来定义。图17(a)是示出本发明的光学系统的概略光路的立体图，图17(b)是示出像面30上的视场角中心位置处的剖面的图。即，包含光学系统的中心轴(旋转对称轴)1和到达视场角中心的中心光束的中心光线(中心主光线)20的剖面是子午剖面，与该子午剖面正交且包含中心光线(主光线)20的剖面是弧矢剖面。
在本发明的光学系统中，独立地赋予通过绕中心轴1旋转来决定反射面12、13和折射面11、14的形状的任意形状的线段在子午剖面内的曲率、以及该情况下的相对于中心轴1的旋转曲率即弧矢剖面的曲率，从而开口5被逆投影而1次成像为像6Y’，再次进行逆投影而成像的子午剖面内的入射光瞳6Y配置在前组10的第1透射面11附近且第2反射面13附近，从而能大幅阻断进入前组10内的无用光，能减少炫光。
而且，在本发明中，能使子午剖面内的视场角变宽。在如本发明那样夹着中心轴(旋转对称轴)1来配置反射面12和13以及透射面11的结构中，重要的是如何避免面之间的干扰。因此，在本发明中，将第1透射面11配置在中心轴1附近。当把第1透射面11配置在中心轴1附近时，与不是这样配置的情况相比，子午剖面的光线在还没有充分变宽的时候到达第1反射面12，因而即使第1反射面12的有效直径小，也能确保子午剖面内的宽视场角。
并且，期望的是，第2反射面13也配置在中心轴1附近。这是能针对后组20的光学系统减小前组10生成的像的视场角的条件。由于第2反射面13是朝向后组20反射光束的最后的面，因而当该面配置在中心轴1附近时，能从前组10向后组20射出视场角小的光束，减轻了后组20的负担，能减少构成枚数，或者能构成明亮的光学系统。
并且，当把子午剖面内的视场角中心的通过开口5的中心的光线设定为中心主光线20，把中心主光线20在第1反射面12反射时的与面的法线形成的角度设定为η时，优选的是满足以下条件：
1°＜η＜10°...(1)
当小于该条件式(1)的下限1°时，第1透射面11和第2反射面13的有效直径干扰，不能取得视场角。当大于上限10°时，在第1反射面12大幅发生偏心像差，不能在其他的面中进行校正。并且，由于第1透射面11配置在远离旋转对称轴1的位置，因而本次第1反射面12的有效直径增大，不能取得宽的观察视场角。
更优选的是满足以下条件：
2°＜η＜8°...(1-1)
另一方面，在与中心轴1正交的弧矢剖面中，由于是旋转对称系统，因而光束也是旋转对称地通过，圆环上的相同像高的光束总是在作为旋转中心的中心轴1上2次通过(图2)。因此，在弧矢剖面中，到达圆周上的像面30的光束在中心轴1上2次通过后到达像面30，弧矢剖面的光圈的被逆投影的开口5的像即弧矢剖面内的入射光瞳6X存在于中心轴1上(像6X’是第1次成像的开口5的像)。
由于采用这样的配置，因而重要的是，前组10由如下的面构成：该面通过使能在子午剖面和弧矢剖面中自由控制曲率的任意形状的线段绕中心轴1旋转而形成，具有旋转对称形状。而且，在前组10中，由于利用偏心配置的具有光焦度的面11～14进行反射或透射，因而大幅发生偏心像差。为了对此进行校正，特别重要的是，反射面12、13要使用如下的面形状：该面形状是通过使对任意形状的线段使用奇数次项等的不具有对称面的任意形状的线段进行旋转而获得的。
在这种结构中，当把中心轴1设定为Y轴，并把包含中心轴1的剖面(图1)设定为Y-Z面时，如上所述，通过把子午剖面内的入射光瞳6Y配置在前组10的第1透射面11附近且第2反射面13附近，能在Y方向将狭缝状的炫光光圈配置在该入射光瞳6Y附近，能使用该炫光光圈阻断不需要的光。
炫光光圈可以是这样的机械的狭缝状的光圈，还可以是将以保护光学系统为目的的壳体和光线不通过的部分涂黑的、与中心轴1同心的透明管状的光圈。并且，能够并用反射面13的反射涂层部分，或者能够通过对前组10的光学上不使用的区域进行划伤处理、或者涂覆黑涂料来进行并用。
在图1的本发明的光学系统中，优选的是使弧矢剖面内的光圈5的逆投影中继次数与子午剖面内的光圈5的逆投影中继次数一致。在后述的实施例1中，第1透射面11和第1反射面12是在它们之间放置中心轴1而配置的。而且，第2反射面13是夹着中心轴1配置在第1反射面12的相反侧，并与第1透射面11相邻地配置在相同侧。因此，如图2所示，具有弧矢剖面的视场角的光束在中心轴1上2次通过而入射到光圈5。该情况是光圈的被逆投影的光圈像在中心轴1上在第1反射面12和第2反射面13之间1次成像为像6X’，并且也在第1透射面11和第1反射面12之间在中心轴1上成像为像6X。即，在弧矢剖面中，成为使在实施例1中1次成像后的光圈像再成像1次的1次中继配置。在该情况下，由于使各面11～14，特别是反射面12、13的弧矢剖面的光焦度和子午剖面的光焦度大致相同时能在像差校正上获得良好的结果，因而在子午剖面中也采用1次中继结构在像差校正上是优选的。
然而，当子午剖面的光圈5的逆投影位置也在中心轴1上时，入射面的有效直径增大，增大了炫光的发生，与本发明的主旨相矛盾。而且，当各面的有效直径增大时，发生面之间的干扰，不能取得上下方向(沿中心轴1的方向)的宽的观察视场角。因此，在本发明中，如上所述，采用将子午剖面内的被逆投影的光圈像的最靠物体侧的光圈像6Y配置在第1透射面11附近且第2反射面13附近的结构。
然后，在本发明的光学系统中，第1透射面11和第1反射面12在之间夹着中心轴1而大致对置地配置。然而，沿中心轴1方向与第1透射面11相邻地配置有光束从180°相反侧入射的第1反射面12。由于能采用该配置，因而通过使第1透射面11相对于中心轴1倾斜配置，并在第1透射面11使光束折射，可避免第1透射面11和第1反射面12的干扰。然而，通过在第1透射面11使光束折射而发生由色散引起的色像差。当然能利用第2透射面14进行校正，然而优选的是减少这种情况的发生本身。因此，期望的是减小第1透射面11的折射角，使第1透射面11和第1反射面12相邻。
在使像面的垂线朝向天顶的情况下，当把视场角设定成以向上方向为中心来进行观察时，即使在第1透射面11进行折射的角度小，透射过第1透射面11后的光束也朝下前进。因此，即使第1透射面11的折射角小，也能将第1反射面12配置在第1透射面11的下方。
下面，对与本发明的光学系统的第1透射面11、第1反射面12以及第2反射面13的光焦度相关的条件进行说明。
当把子午剖面内的视场角中心的通过开口5的中心的光线设定为中心主光线20，把中心主光线20入射到第1透射面11、第1反射面12以及第2反射面13的位置处的子午剖面的曲率分别设定为C1y、C2y、C3y，并把与中心轴正交的剖面的曲率设定为C1x、C2x、C3x时，优选的是满足以下条件：
0.7＜|C1x/C2x |＜5.0···(2)
本条件是第1透射面11和第1反射面12中的中心主光线照射的位置处的与中心轴(旋转对称轴)1正交的剖面内的曲率之比，相当于从旋转对称轴1到与该轴正交的剖面内的距离的倒数之比。当小于下限0.7时，第1透射面11过度远离旋转对称轴1，有必要增大第1反射面12的有效直径，或者不能取得子午方向的宽视场角。
并且，当大于上限5.0时，第1透射面11过度接近旋转对称轴1，与第1反射面12发生干扰，或者第1透射面11的与中心轴1正交的方向的曲率过大，子午方向的彗形像差恶化。
并且，优选的是满足以下条件：
0.35＜|C1x/C3x |＜2.0···(3)
本条件是第1透射面11和第2反射面12中的中心主光线照射的位置处的与中心轴(旋转对称轴)1正交的剖面内的曲率之比，相当于从旋转对称轴1到与该轴正交的剖面内的距离的倒数之比。当小于下限0.35时，第1透射面11与第2反射面13相比过度远离旋转对称轴1，仍不能取得子午方向的宽视场角。并且，当大于上限2.0时，第1透射面11过度接近旋转对称轴1，与第2反射面13发生干扰，或者第1透射面11的与中心轴1正交的方向的曲率过大，子午方向的彗形像差恶化。
并且，优选的是满足以下条件：
0.1＜|C2y/C3y|＜2.0···(4)
本条件表示第1反射面12和第2反射面13的子午剖面内的曲率之比，在仅将前组10的子午剖面考虑为远焦系统的情况下，相当于角倍率。当小于下限0.1时，第2反射面的子午剖面的曲率过大，不能校正像差。当大于上限2.0时，前组10的射出侧的视场角过宽，使后组20过度承受负担。
并且，优选的是满足以下条件：
0.1＜|C2x/C3x|＜2.0···(5)
本条件是第1反射面12和第2反射面13中的中心主光线20照射的位置处的与中心轴(旋转对称轴)1正交的剖面内的曲率之比，相当于从旋转对称轴1到与该轴正交的剖面内的距离的倒数之比。当小于下限0.1时，第1反射面12与第2反射面13相比过度远离旋转对称轴1，不能取得第2反射面13的有效直径，不能取得子午方向的宽视场角。并且，当大于上限2.0时，第2反射面13的曲率过小，第2反射面13距旋转对称轴1的距离增大，使得光学系统大型化。
以下示出后述的实施例1～4的η、C1y、C1x、C2y、C2x、C3y、C3x、C1x/C2x、C1x/C3x、C2y/C3y、C2x/X3x的值。
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
η       4.913     5.374     3.552      9.640
C1y      -0.0025   -0.0018   -0.0037    -0.0434
C1x      -0.1120   -0.1156   -0.1226    -0.1557
C2y      -0.0362   -0.0360   -0.0347    -0.0717
C2x      0.0648    0.0652    0.0596     0.1198
C3y      0.1079    0.1048    0.1377     0.1685
C3x      -0.2040   -0.1855   -0.2297    -0.4038
C1x/C2x  -0.3354   -0.3436   -0.2523    -0.4255
C1x/C3x  -0.3178   -0.3514   -0.2596    -0.2966
C2y/C3y  -1.7277   -1.7745   -2.0559    -1.2997
C2x/X3x  0.5491    0.6236    0.5336     0.3855
以下，对本发明的光学系统的实施例1～4进行更详细的说明。后面将叙述这些光学系统的结构参数。例如如图1所示，这些实施例的结构参数是基于从物体面经过前组10和后组20到达像面30的顺光线追踪的结果的参数。.
坐标系在顺光线追踪中，例如如图1所示，将入射光瞳6Y投影到旋转对称轴(中心轴)1上的位置设定为偏心光学系统的偏心光学面的原点，将离开旋转对称轴(中心轴)1的像面30的方向设定为Y轴正方向，将图1的纸面内设定为Y-Z平面。并且，将图1的纸面内的当前所考虑的入射光瞳6Y侧的相反侧的方向设定为Z轴正方向，将与Y轴、Z轴构成右手正交坐标系的轴设定为X轴正方向。
对偏心面赋予：从该面被定义的坐标系的上述光学系统的原点的中心起的偏心量(分别用X、Y、Z表示X轴方向、Y轴方向、Z轴方向)，和对分别将由光学系统的原点所定义的坐标系的X轴、Y轴、Z轴分别作为中心的各面进行定义的坐标系的倾角(分别为α，β，γ(°))。在该情况下，α和β为正意味着相对于各轴的正方向逆时针旋转，γ为正意味着相对于Z轴的正方向顺时针旋转。另外，面的中心轴的α，β，γ的旋转方法如下：首先使对各面进行定义的坐标系绕着由光学系统的原点所定义的坐标系的X轴逆时针旋转α，然后绕着该旋转后的新的坐标系的Y轴逆时针旋转β，然后绕着该旋转后的又一新的坐标系的Z轴顺时针旋转γ。
并且，在构成各实施例的光学系统的光学作用面中，在特定的面和与其接续的面构成共轴光学系统的情况下赋予面间隔，此外按照常用方法赋予面的曲率半径、介质的折射率以及阿贝(Abbe)数。
另外，与后述的结构参数中未记载有数据的非球面相关的项是0。关于折射率和阿贝数，记述了针对d线(波长587.56nm)的折射率和阿贝数。长度单位是mm。如上所述，各面的偏心利用从入射光瞳6Y投影到旋转对称轴(中心轴)1上的位置起的偏心量来表示。
另外，非球面是由以下的定义式给出的旋转对称非球面。
Z＝(Y2/R)/[1+{1-(1+k)Y2/R2}1/2]
               +aY4+bY6+cY8+dY10+···
                                ···(a)
其中，设Z为轴，取Y为与轴垂直的方向。这里，R是近轴曲率半径，k是圆锥常数，a、b、c、d、...分别是4次、6次、8次、10次的非球面系数。该定义式的Z轴为旋转对称非球面的轴。
并且，扩展旋转自由曲面是由以下的定义给出的旋转对称面。
首先，定义在Y-Z坐标面上通过原点的下述曲线(b)。
Z＝(Y2/RY)/[1+{1-(C1+1)Y2/RY2}1/2]
         C2Y+C3Y2+C4Y3+C5Y4+C8Y5+C7Y6
          +····+C21Y20+····+Cn+1Yn+····
                                          ···(b)
然后，定义曲线F(Y)，该曲线F(Y)是使该曲线(b)朝向X轴正方向以左旋转为正的方式旋转角度θ(°)而得到的。该曲线F(Y)也在Y-Z坐标面上通过原点。
将使该曲线F(Y)沿Z正方向平行移动距离R(为负时为Z负方向)，之后使该平行移动后的曲线绕Y轴旋转而能够得到的旋转对称面设定为扩展旋转自由曲面。
结果，扩展旋转自由曲面在Y-Z面内成为自由曲面(自由曲线)，并在X-Z面内成为半径为|R|的圆。
根据该定义，Y轴为扩展旋转自由曲面的轴(旋转对称轴)。
这里，RY是Y-Z剖面内的球面项的曲率半径，C1是圆锥常数，C2、C3、C4、C5...分别是1次、2次、3次、4次...的非球面系数。
而且，在本发明的光学系统中，前组10的至少1个反射面是这种扩展旋转自由曲面，当在Y-Z剖面内利用多项式来表现时，期望的是该反射面具有使至少具有奇数次项而不具有对称面的任意形状的线段绕中心轴1旋转而形成的旋转对称形状。通过使至少1个反射面具有这样的面形状，可提供对反射光学系统中无法避免的偏心像差进行校正且分辨率良好的光学系统，并能实现该光学系统的小型化。
图1示出沿实施例1的光学系统的中心轴(旋转对称轴)1截取的剖面图，图2示出该光学系统内的光路的俯视图。另外，图2是除了示出从方位角0°方向入射的光路之外还示出从±10°方向入射的光路的图。
该实施例的光学系统由绕中心轴1旋转对称的前组10、绕中心轴1旋转对称的后组20、以及与中心轴1同轴地配置在前组10和后组20之间的开口5构成，从远方的物体入射的光束2依次经过前组10和后组20成像在与中心轴1垂直的像面30的偏离中心轴1的位置上，在将中心轴1设定为垂直(上下方向)的情况下，使例如具有360°全方位(全周)视场角的图像，即天顶方向朝向图像的中心方向且地平线成为外侧的圆的圆环状图像成像在像面30上。
前组10由绕中心轴1旋转对称的折射率大于1的树脂等透明介质构成，并具有2个内面反射面12、13和2个透射面11、14。内面反射面12、13和透射面11、14也具有绕中心轴1旋转对称的形状。并且，后组20由透镜系统构成，该透镜系统包含5枚透镜L1～L5并由4组构成。
前组10的透明介质由第1透射面11、第1反射面12、第2反射面13以及第2透射面14构成，第1透射面11相对于中心轴1配置在物体侧，第1反射面12夹着中心轴1配置在第1透射面11的相反侧，并与第1透射面11相比配置在像面30侧，第2反射面13相对于中心轴1配置在第1透射面11的相同侧，并与第1透射面11相比配置在像面30的相反侧，第2透射面14与第1透射面11相比配置在像面30侧。
而且，从远方入射的光束2经过第1透射面11进入透明介质内，通过夹着中心轴1配置在第1透射面11的相反侧的第1反射面12而反射到像面30的相反侧，通过相对于中心轴1配置在第1透射面11的相同侧的第2反射面13而反射到像面30侧，经过第2透射面14从透明介质向外射出，经过与中心轴1同轴地配置在前组10和后组20之间且构成光圈的圆形开口5和正光焦度的后组20，成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向的规定位置上。该前组10的第1透射面11、第1反射面12以及第2反射面13由扩展旋转自由曲面构成。其中，是圆锥常数C1以及非球面系数C2、C3、C4、C5...均为0的扩展旋转自由曲面。并且，第2透射面14由在中心轴1上具有面顶的旋转对称非球面构成。
构成后组20的透镜系统由以下构成，即从前组10侧开始依次为：双凸正透镜L1、双凹负透镜L2和双凸正透镜L3的接合透镜、双凸正透镜L4、以及双凸正透镜L5。
而且，在中心轴1朝向垂直方向、且像面30朝向天顶方向的配置的情况下，从仰角45°方向的远方入射的中心光束2在入射面的第1透射面11折射而进入前组10的透明介质内，按第1反射面12、第2反射面13的顺序被反射的光束在第2透射面14折射而从前组10的透明介质向外射出，经由开口5入射到后组20，成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向的规定位置上。
在该实施例的光学系统中，位于前组10和后组20之间的开口(光圈)5被投影到物体侧而在子午剖面内1次成像为像6Y’，再次被逆投影而成像的子午剖面内的入射光瞳6Y形成在前组10的第1透射面11附近且第2反射面13附近，并且，在弧矢剖面内在中心轴(旋转对称轴)1上2次成像为像6X’、6X，在中心轴1上形成入射光瞳6X。
而且，在该实施例的光学系统中，经过入射光瞳6Y从远方入射的光束2、3U、3L(光束3U是从远方的天空侧入射的光束，3L是从远方的地面侧入射的光束)在包含中心轴1的剖面(子午剖面：图1)内1次成像在第1反射面12和第2反射面13之间的位置4Y1上，再次成像在第2反射面13和第2透射面14之间的离第2反射面13近的位置4Y2上，并且，在与包含中心轴1的面正交且包含该光束的中心光线20的平面(弧矢剖面：图2)内2次成像在第1反射面附近的位置4X1上以及第2反射面13和第2透射面14之间的位置4X2上。
该实施例1的规格为：
水平视场角      360°
垂直视场角      90°(中心视场角45°(仰角))
入射光瞳直径    0.484mm
焦距            0.905mm
像的大小        φ1.756～φ6.045mm
在将像面30配置成与地面平行的结构中，优选针对仰视天空侧的视场角来使用实施例1的光学系统。
图3示出该实施例的光学系统整体的横像差。在该横像差图中，中央所示的角度表示垂直方向的视场角，并表示在该视场角下的Y方向(子午方向)和X方向(弧矢方向)的横像差。其中，正视场角表示俯角，负视场角表示仰角。以下同样。
图4是示出该实施例的垂直方向的失真的图，利用◆连接的曲线是标绘出在实施例1的光学系统的针对垂直方向入射视场角的像面30中的像高(从中心轴1起半径方向的像高)的曲线图。粗实线表示像高与入射视场角成正比的情况(IH∝f·θ的情况。这里，IH：像高，f：焦距，θ：视场角)。以下同样。
图5示出沿实施例2的光学系统的中心轴(旋转对称轴)1截取的剖面图，图6示出该光学系统内的与图2相同的光路的俯视图。
该实施例的光学系统由绕中心轴1旋转对称的前组10、绕中心轴1旋转对称的后组20、以及与中心轴1同轴地配置在前组10和后组20之间的开口5构成，从远方的物体入射的光束2依次经过前组10和后组20成像在与中心轴1垂直的像面30的偏离中心轴1的位置上，在将中心轴1设定为垂直(上下方向)的情况下，使例如具有360°全方位(全周)视场角的图像，即天顶方向朝向图像的中心方向且地平线成为外侧的圆的圆环状图像成像在像面30上。
前组10由绕中心轴1旋转对称的折射率大于1的树脂等透明介质构成，并具有2个内面反射面12、13和2个透射面11、14。内面反射面12、13和透射面11、14也具有绕中心轴1旋转对称的形状。并且，后组20由透镜系统构成，该透镜系统包含5枚透镜L1～L5并由4组构成。
前组10的透明介质由第1透射面11、第1反射面12、第2反射面13以及第2透射面14构成，第1透射面11相对于中心轴1配置在物体侧，第1反射面12夹着中心轴1配置在第1透射面11的相反侧，并与第1透射面11相比配置在像面30侧，第2反射面13相对于中心轴1配置在第1透射面11的相同侧，并与第1透射面11相比配置在像面30的相反侧，第2透射面14与第1透射面11相比配置在像面30侧。
而且，从远方入射的光束2经过第1透射面11进入透明介质内，通过夹着中心轴1配置在第1透射面11的相反侧的第1反射面12而反射到像面30的相反侧，通过相对于中心轴1配置在第1透射面11的相同侧的第2反射面13而反射到像面30侧，经过第2透射面14从透明介质向外射出，经过与中心轴1同轴地配置在前组10和后组20之间且构成光圈的圆形开口5和正光焦度的后组20，成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向的规定位置上。该前组10的第1透射面11、第1反射面12以及第2反射面13由扩展旋转自由曲面构成。其中，第1透射面11是圆锥常数C1以及非球面系数C2、C3、C4、C5...均为0的扩展旋转自由曲面。并且，第2透射面14由在中心轴1上具有面顶部的旋转对称非球面构成。
构成后组20的透镜系统由以下构成，即从前组10侧开始依次为：双凸正透镜L1、双凹负透镜L2和双凸正透镜L3的接合透镜、双凸正透镜L4、以及双凸正透镜L5。
而且，在中心轴1朝向垂直方向、且像面30朝向天顶方向的配置的情况下，从仰角45°方向的远方入射的中心光束2在入射面的第1透射面11折射而进入前组10的透明介质内，按第1反射面12、第2反射面13的顺序被反射的光束在第2透射面14折射而从前组10的透明介质向外射出，经由开口5入射到后组20，成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向的规定位置上。
在该实施例的光学系统中，位于前组10和后组20之间的开口(光圈)5被投影到物体侧而在子午剖面内1次成像为像6Y’，再次被逆投影而成像的子午剖面内的入射光瞳6Y形成在前组10的第1透射面11附近且第2反射面13附近，并且，在弧矢剖面内在中心轴(旋转对称轴)1上2次成像为像6X’、6X，在中心轴1上形成入射光瞳6X。
而且，在该实施例的光学系统中，经过入射光瞳6Y从远方入射的光束2、3U、3L在包含中心轴1的剖面(子午剖面：图5)内1次成像在第1反射面12和第2反射面13之间的位置4Y1上，再次成像在第2反射面13和第2透射面14之间的离第2反射面13近的位置4Y2上，并且，在与包含中心轴1的面正交且包含该光束的中心光线20的平面(弧矢剖面：图6)内2次成像在第1反射面附近的位置4X1上以及第2反射面13和第2透射面14之间的位置4X2上。
该实施例2的规格为：
水平视场角       360°
垂直视场角       90°(中心视场角45°(仰角))
入射光瞳直径     0.469mm
焦距             0.847mm
像的大小         φ1.999～φ5.999mm
在将像面30配置成与地面平行的结构中，优选针对仰视天空侧的视场角来使用实施例2的光学系统。
图7示出该实施例的光学系统整体的横像差。图8示出该实施例的垂直方向的失真。
图9示出沿实施例3的光学系统的中心轴(旋转对称轴)1截取的剖面图，图10示出该光学系统内的与图2相同的光路的俯视图。
该实施例的光学系统由绕中心轴1旋转对称的前组10、绕中心轴1旋转对称的后组20、以及与中心轴1同轴地配置在前组10和后组20之间的开口5构成，从远方的物体入射的光束2依次经过前组10和后组20成像在与中心轴1垂直的像面30的偏离中心轴1的位置上，在将中心轴1设定为垂直(上下方向)的情况下，使例如具有360°全方位(全周)视场角的图像，即天顶方向朝向图像的中心方向且地平线成为外侧的圆的圆环状图像成像在像面30上。
前组10由绕中心轴1旋转对称的折射率大于1的树脂等透明介质构成，并具有2个内面反射面12、13和2个透射面11、14。内面反射面12、13和透射面11、14也具有绕中心轴1旋转对称的形状。并且，后组20由透镜系统构成，该透镜系统包含6枚透镜L1～L6并由5组构成。
前组10的透明介质由第1透射面11、第1反射面12、第2反射面13以及第2透射面14构成，第1透射面11相对于中心轴1配置在物体侧，第1反射面12夹着中心轴1配置在第1透射面11的相反侧，并与第1透射面11相比配置在像面30侧，第2反射面13相对于中心轴1配置在第1透射面11的相同侧，并与第1透射面11相比配置在像面30的相反侧，第2透射面14与第1透射面11相比配置在像面30侧。
而且，从远方入射的光束2经过第1透射面11进入透明介质内，通过夹着中心轴1配置在第1透射面11的相反侧的第1反射面12而反射到像面30的相反侧，通过相对于中心轴1配置在第1透射面11的相同侧的第2反射面13而反射到像面30侧，经过第2透射面14从透明介质向外射出，经过与中心轴1同轴地配置在前组10和后组20之间且构成光圈的圆形开口5和正光焦度的后组20，成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向的规定位置上。该前组10的第1透射面11、第1反射面12以及第2反射面13由扩展旋转自由曲面构成。其中，第1透射面11是圆锥常数C1以及非球面系数C2、C3、C4、C5...均为0的扩展旋转自由曲面。并且，第2透射面14由在中心轴1上具有面顶的旋转对称非球面构成。
构成后组20的透镜系统由以下构成，即从前组10侧开始依次为：凹面朝向前组10侧的正弯月透镜L1，凹面朝向前组10侧的正弯月透镜L2，凸面朝向前组10侧的负弯月透镜L3和双凸正透镜L4的接合透镜，凹面朝向像面30侧的正弯月透镜L5，以及凹面朝向像面30侧的负弯月透镜L6。
而且，在中心轴1朝向垂直方向、且像面30朝向天顶方向的配置的情况下，从仰角35°方向的远方入射的中心光束2在入射面的第1透射面11折射而进入前组10的透明介质内，按第1反射面12、第2反射面13的顺序被反射的光束在第2透射面14折射而从前组10的透明介质向外射出，经由开口5入射到后组20，成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向的规定位置上。
在该实施例的光学系统中，位于前组10和后组20之间的开口(光圈)5被投影到物体侧而在子午剖面内1次成像为像6Y’，再次被逆投影而成像的子午剖面内的入射光瞳6Y形成在前组10的第1透射面11附近且第2反射面13附近，并且，在弧矢剖面内在中心轴(旋转对称轴)1上2次成像为像6X’、6X，在中心轴1上形成入射光瞳6X。
而且，在该实施例的光学系统中，经过入射光瞳6Y从远方入射的光束2、3U、3L在包含中心轴1的剖面(子午剖面：图9)内1次成像在第1反射面12和第2反射面13之间的位置4Y1上，再次成像在第2反射面13和第2透射面14之间的离第2反射面13近的位置4Y2上，并且，在与包含中心轴1的面正交且包含该光束的中心光线20的平面(弧矢剖面：图10)内2次成像在第1反射面12和第2反射面13之间的位置4X1上以及第2反射面13和第2透射面14之间的位置4X2上。
该实施例3的规格为：
水平视场角     360°
垂直视场角     110°(中心视场角35°(仰角))
入射光瞳直径   0.178mm
焦距           0.335mm
像的大小       φ1.918～φ5.656mm
在将像面30配置成与地面平行的结构中，优选针对仰视天空侧的视场角来使用实施例3的光学系统。
图11示出该实施例的光学系统整体的横像差。图12示出该实施例的垂直方向的失真。
图13示出沿实施例4的光学系统的中心轴(旋转对称轴)1截取的剖面图，图14示出该光学系统内的与图2相同的光路的俯视图。
该实施例的光学系统由绕中心轴1旋转对称的前组10、绕中心轴1旋转对称的后组20、以及与中心轴1同轴地配置在前组10和后组20之间的开口5构成，从远方的物体入射的光束2依次经过前组10和后组20成像在与中心轴1垂直的像面30的偏离中心轴1的位置上，在将中心轴1设定为垂直(上下方向)的情况下，使例如具有360°全方位(全周)视场角的图像，即天顶方向朝向图像的中心方向且地平线成为外侧的圆的圆环状图像成像在像面30上。
前组10由绕中心轴1旋转对称的折射率大于1的树脂等透明介质构成，并具有2个内面反射面12、13和2个透射面11、14。内面反射面12、13和透射面11、14也具有绕中心轴1旋转对称的形状。并且，后组20由透镜系统构成，该透镜系统包含5枚透镜L1～L5并由4组构成。
前组10的透明介质由第1透射面11、第1反射面12、第2反射面13以及第2透射面14构成，第1透射面11相对于中心轴1配置在物体侧，第1反射面12夹着中心轴1配置在第1透射面11的相反侧，并与第1透射面11相比配置在像面30侧，第2反射面13相对于中心轴1配置在第1透射面11的相同侧，并与第1透射面11相比配置在像面30的相反侧，第2透射面14与第1透射面11相比配置在像面30侧。
而且，从远方入射的光束2经过第1透射面11进入透明介质内，通过夹着中心轴1配置在第1透射面11的相反侧的第1反射面12而反射到像面30的相反侧，通过相对于中心轴1配置在第1透射面11的相同侧的第2反射面13而反射到像面30侧，经过第2透射面14从透明介质向外射出，经过与中心轴1同轴地配置在前组10和后组20之间且构成光圈的圆形开口5和正光焦度的后组20，成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向的规定位置上。该前组10的第1透射面11、第1反射面12以及第2反射面13由扩展旋转自由曲面构成。其中，第1透射面11是圆锥常数C1以及非球面系数C2、C3、C4、C5...均为0的扩展旋转自由曲面。并且，第2透射面14由在中心轴1上具有面顶的旋转对称非球面构成。
构成后组20的透镜系统由以下构成，即从前组10侧开始依次为：双凸正透镜L1，双凹负透镜L2和双凸正透镜L3的接合透镜，双凸正透镜L4，以及凹面朝向像面30侧的负弯月透镜L5。
而且，在中心轴1朝向垂直方向、且像面30朝向天顶方向的配置的情况下，从水平(仰角0°)方向的远方入射的中心光束2在入射面的第1透射面11折射而进入前组10的透明介质内，按第1反射面12、第2反射面13的顺序被反射的光束在第2透射面14折射而从前组10的透明介质向外射出，经由开口5入射到后组20，成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向的规定位置上。
在该实施例的光学系统中，位于前组10和后组20之间的开口(光圈)5被投影到物体侧而在子午剖面内1次成像为像6Y’，再次被逆投影而成像的子午剖面内的入射光瞳6Y形成在前组10的第1透射面11附近且第2反射面13附近，并且，在弧矢剖面内在中心轴(旋转对称轴)1上2次成像为像6X’、6X，在中心轴1上形成入射光瞳6X。
而且，在该实施例的光学系统中，经过入射光瞳6Y从远方入射的光束2、3U、3L在包含中心轴1的剖面(子午剖面：图13)内1次成像在第1反射面12和第2反射面13之间的位置4Y1上，再次成像在第2反射面13和第2透射面14之间的离第2反射面13近的位置4Y2上，并且，在与包含中心轴1的面正交且包含该光束的中心光线20的平面(弧矢剖面：图14)内，2次成像在第1反射面附近的位置4X1上以及第2反射面13和第2透射面14之间的位置4X2上。
该实施例4的规格为：
水平视场角      360°
垂直视场角      60°(中心视场角10°(仰角))
入射光瞳直径    0.956mm
焦距            2.014mm
像的大小       φ2.000～φ6.000mm
在将像面30配置成与地面平行的结构中，优选针对以大致水平方向为中心的视场角来使用实施例4的光学系统。
图15示出该实施例的光学系统整体的横像差。图16示出该实施例的垂直方向的失真。
以下示出上述实施例1～4的结构参数。另外，以下表中的“ASS”表示非球面，“ERFS”分别表示扩展旋转自由曲面。并且，“RE”分别表示反射面。
实施例1
面序号    曲率半径          面间隔   偏心     折射率   阿贝数
物体面    ∞                ∞
1         ∞(入射光瞳面)             偏心(1)
2         ERFS[1]                    偏心(2)  1.5256   56.4
3         ERFS[2](RE)                偏心(3)  1.5256   56.4
4         ERFS[3](RE)                偏心(4)  1.5256   56.4
5         ASS[1]            0.100    偏心(5)
6         ∞(光圈)          0.714
7         13.574            3.000             1.5163   64.1
8         -9.873            0.100
9         -201.344          1.000             1.7847   25.7
10        7.226             3.000             1.5174   52.4
11        -15.105           0.100
12        34.308            3.000             1.6510   56.1
13        -26.057           0.134
14        15.581            3.000             1.5400   59.4
15        -16.460           4.811
像面      ∞
          ERFS[1]
RY        -407.764
θ        -24.031
R         -8.926
          ERFS[2]
RY    -27.646
θ    -42.490
R     15.421
      ERFS[3]
RY    9.271
θ    -63.978
R     -4.901
      ASS[1]
R     -26.127
k     -4.9435
a     1.0196×10-3
          偏心(1)
X   0.000  Y   0.000   Z   -8.926
α  0.000  β  0.000  γ   0.000
          偏心(2)
X   0.000  Y   0.000   Z   0.000
α  0.000  β  0.000  γ   0.000
          偏心(3)
X   0.000  Y   -18.734 Z   0.000
α  0.000  β  0.000  γ   0.000
         偏心(4)
X   0.000  Y   3.368   Z   0.000
α  0.000  β  0.000  γ   0.000
           偏心(5)
X  0.000    Y   -25.932  Z   0.000
α -90.000  β  0.000    γ  0.000
实施例2
面序号    曲率半径        面间隔   偏心    折射率  阿贝数
物体面    ∞              ∞
1         ∞(入射光瞳面)           偏心(1)
2         ERFS[1]                  偏心(2)  1.5256  56.4
3         ERFS[2](RE)              偏心(3)  1.5256  56.4
4         ERFS[3](RE)              偏心(4)  1.5256  56.4
5         ASS[1]          0.100    偏心(5)
6         ∞(光圈)        1.049
7         14.090          3.000             1.5163  64.1
8         -9.442          0.100
9         -68.986         1.000             1.7847  25.7
10        8.088           4.000             1.5174  52.4
11        -11.388         0.100
12        51.149          2.500             1.6510  56.1
13        -36.305         0.134
14        11.121          3.000             1.5400  59.4
15        -37.126         4.852
像面      ∞
     ERFS[1]
RY   -543.189
θ   -23.182
R    -8.647
     ERFS[2]
RY   -27.773
θ   -42.638
R    15.344
C1   -5.3440×10-2
C4   1.6710×10-5
C5   5.6009×10-8
     ERFS[3]
RY   9.542
θ   -63.948
R    -5.392
C1   2.6189×10-1
C4   -1.0991×10-3
C5   5.3738×10-5
     ASS[1]
R    -26.179
k    -1.6433
a    1.0839×10-3
     偏心(1)
X   0.000  Y   0.000   Z   -8.647
α  0.000  β  0.000   γ  0.000
          偏心(2)
X   0.000  Y   0.000   Z   0.000
α  0.000  β  0.000   γ  0.000
          偏心(3)
X   0.000  Y   -18.252 Z   0.000
α  0.000  β  0.000   γ  0.000
          偏心(4)
X   0.000  Y   4.789   Z   0.000
α  0.000  β  0.000   γ  0.000
           偏心(5)
X  0.000   Y   -25.273 Z   0.000
α -90.000 β  0.000   γ  0.000
实施例3
面序号    曲率半径        面间隔  偏心     折射率  阿贝数
物体面    ∞              ∞
1         ∞(入射光瞳面)          偏心(1)
2         ERFS[1]                 偏心(2)  2.0033  28.3
3         ERFS[2](RE)             偏心(3)  2.0033  28.3
4    ERFS[3](RE)          偏心(3)  2.0033  28.3
5    ASS[1]      0.100    偏心(5)
6    ∞(光圈)    4.533
7    -226.207    4.000             1.5163  64.1
8    -8.730      0.100
9    -26.019     3.000             1.5163  64.1
10   -12.448     0.100
11   33.220      1.000             1.8467  23.8
12   9.891       6.000             1.5163  64.1
13   -27.091     0.100
14   20.251      3.000             1.7135  30.5
15   370.781     0.100
16   5.976       4.000             1.6382  57.0
17   3.884       5.173
像面 ∞
     ERFS[1]
RY   -271.386
θ   -43.501
R    -8.159
     ERFS[2]
RY   -28.784
θ   -42.839
R    16.775
C1   9.1431×10-1
C4   6.4256×10-6
C5   9.4352×10-6
     ERFS[3]
RY   7.261
θ   -64.121
R    -4.354
C1   -9.3633×10-1
C4   -1.9991×10-3
C5   3.1523×10-4
     ASS[1]
R    90.82
k    7.9966×10+2
a    6.6641×10-4
           偏心(1)
X    0.000  Y   0.000  Z  -8.159
α   0.000  β  0.000  γ  0.000
           偏心(2)
X   0.000  Y   0.000  Z  0.000
α  0.000  β  0.000  γ 0.000
         偏心(3)
X   0.000  Y   -20.399 Z   0.000
α  0.000  β  0.000   γ  0.000
         偏心(4)
X   0.000  Y  1.782    Z  0.000
α  0.000  β  0.000  γ  0.000
         偏心(5)
X  0.000    Y   -28.420  Z  0.000
α -90.000  β  0.000    γ 0.000
实施例4
面序号    曲率半径         面间隔  偏心    折射率   阿贝数
物体面    ∞               ∞
1         ∞(入射光瞳面)           偏心(1)
2         ERFS[1]                  偏心(2)  1.5256  56.4
3         ERFS[2](RE)              偏心(3)  1.5256  56.4
4         ERFS[3](RE)              偏心(3)  1.5256  56.4
5    ASS[1]    0.100   偏心(5)
6    ∞(光圈)  0.832
7    7.328     2.500             1.5462  47.9
8    -5.628    1.000
9    -4.276    1.000             1.7847  25.7
10   6.515     5.500             1.5324  56.8
11   -6.073    0.100
12   18.805    3.500             1.6204  60.3
13   -10.999   0.100
14   6.482     2.000             1.7440  44.8
15   4.655     3.375
像面 ∞
     ERFS[1]
RY   -23.024
θ   -50.000
R    -6.424
     ERFS[2]
RY  -13.951
θ  -34.757
R    8.349
C1  -1.3028
C4  6.3938×10-6
C5  -7.3606×10-5
      ERFS[3]
RY    5.936
θ    -62.550
R     -2.476
C1    -9.9575×10-1
C4    3.6336×10-3
C5    6.4422×10-4
      ASS[1]
R     -4.70
k     -1.0034
a     3.9035×10-4
         偏心(1)
X  0.000  Y  0.000   Z  -6.424
α 0.000  β  0.000  γ 0.000
         偏心(2)
X  0.000  Y  0.000  Z   0. 000
α 0.000  β 0.000  γ  0.000
         偏心(3)
X  0.000  Y  -6.926  Z  0.000
α 0.000  β 0.000  γ  0.000
         偏心(4)
X   0.000  Y   3.673  Z   0.000
α  0.000  β  0.000  γ  0.000
          偏心(5)
X   0.000    Y   -11.301  Z   0.000
α  -90.000  β  0.000    γ  0.000
另外，在实施例1～4中，通过将开口5与中心轴1同轴地配置在前组10和后组20之间，并在包含中心轴1的面内将该开口5逆投影到物体侧，在入射面11附近形成包含中心轴1的面内的入射光瞳6Y，然而也可以取代该开口5，而将圆筒状的狭缝或轮带状的狭缝与中心轴1同轴地配置在入射光瞳6Y的位置上。在该情况下，狭缝自身起到前光圈的作用来形成入射光瞳6Y。而且，期望的是，除配置在前组10和后组20之间的开口5之外，还在入射面11附近配置由绕中心轴1旋转对称的圆筒状的狭缝或轮带状的狭缝构成的炫光光圈。另外，也可以使这种炫光光圈和形成入射光瞳6Y的狭缝兼用。
而且，在以上实施例的光学系统中，在前组10的更靠近物体侧的位置还附加有Y复曲面透镜(toric lens)，该Y复曲面透镜也采用由相对于Y轴(中心轴1)旋转对称的面构成的透镜，该复曲面透镜在X方向不具有光焦度，另一方面，在Y方向(图1的剖面内等)具有负光焦度，从而能取得包含旋转对称轴1的剖面方向的大视场角。更优选的是，该复曲面透镜在Y-Z剖面内构成为凸面朝向物体侧的负弯月透镜形状，从而能使像失真的发生最小化，能进行良好的像差校正。
而且，在前组10的物体侧不限于剖面为负弯月透镜形状的1个Y复曲面透镜，通过利用2枚或3枚弯月形状的透镜来构成，能进一步减少像失真的发生。并且，不限于透镜，通过利用相对于中心轴1旋转对称的反射面或棱镜来使光线反射和折射，也容易拍摄或观察任意方向。
并且，在以上实施例中，利用如下的扩展旋转自由曲面来分别构成前组10的反射面和折射面：该扩展旋转自由曲面是通过使任意形状的线段绕旋转对称轴1旋转而形成的、且在旋转对称轴1上不具有面顶，然而容易分别置换成任意曲面。并且，容易置换成在对称轴1上具有面顶的旋转对称非球面。
并且，本发明的光学系统通过在对形成旋转对称面的任意形状的线段进行定义的式中使用包含奇数次项的式，从而校正了由于偏心产生的像面的倾斜、以及光圈在逆投影时的光瞳像差。
并且，通过原样地使用构成本发明的前组10的绕中心轴1旋转对称的透明介质，可拍摄或投影具有360°全方位视场角的图像，然而也可以通过利用包含中心轴1的剖面将该透明介质切断而形成2分之1、3分之1、3分之2等，来拍摄或投影绕中心轴1的视场角是180°、120°、240°等的图像。
以上，将本发明的光学系统作为使中心轴(旋转对称轴)1朝向垂直方向来获得包含天顶的360°全方面(全周)视场角的图像的摄像光学系统或观察光学系统而进行了说明，然而本发明不限于摄影光学系统和观察光学系统，也可以用作使光路反转并以包含天顶的360°全方位(全周)视场角来投影图像的投影光学系统。并且，内窥镜也可以用作管内观察装置的全周观察光学系统。
以下，作为本发明的光学系统的应用例，说明全景摄影光学系统31或全景投影光学系统32的使用例。图18是用于示出使用本发明的全景摄影光学系统31作为内窥镜前端的摄影光学系统的例子的图，图18(a)是将本发明的全景摄影光学系统安装在硬性内窥镜41的前端31来拍摄观察360°全方位图像的例子。图18(b)示出该前端的概略结构。在本发明的全景摄影光学系统31的前组10的入射面11的周围配置有炫光光圈17，以防止炫光入射，该炫光光圈17由具有沿圆周方向呈狭缝状延伸的开口16的壳体等构成。并且，图18(c)是将本发明的全景摄影光学系统31同样安装在软性电子内窥镜42的前端、并通过对所拍摄的图像实施图像处理来校正失真从而在显示装置43上进行显示的例子。
图19(a)是示出在汽车48的各角部和头部的杆顶部安装多个本发明的全景摄影光学系统31作为摄影光学系统、并对经过各全景摄影光学系统31所拍摄的图像实施图像处理来校正失真同时在车内的显示装置上进行显示的例子的图，图19(b)示出该前端的概略结构。在本发明的全景摄影光学系统31的前组10的入射面11的周围配置有炫光光圈17，以防止炫光入射，该炫光光圈17由具有沿圆周方向呈狭缝状延伸的开口16的壳体等构成。
图20是这样的例子：使用本发明的全景投影光学系统32作为投影装置44的投影光学系统，将全景图像显示在配置于其像面上的显示元件上，通过全景投影光学系统32将360°全方位图像投影显示在360°全方位地配置的屏幕45上。
在图21中，将使用本发明的全景摄影光学系统31的摄影装置49安装在建筑物47的外部，将使用本发明的全景投影光学系统32的投影装置44配置在室内，并采用将由摄影装置49所拍摄的影像经由电线46送到投影装置44的方式进行连接。图21是如下的例子：在这种配置中，经由全景摄影光学系统31由摄影装置49拍摄室外的360°全方位的被摄体O，将其影像信号经由电线46送到投影装置44，将该影像显示在配置于像面上的显示元件上，通过全景投影光学系统32将被摄体O的影像O’投影显示在室内的壁面等上。
根据以上的本发明，可获得一种不受炫光的影响、小型、良好地校正了像差、分辨率优良、用于获得具有360°全方位(全周)视场角的图像、或者对360°全方位的图像进行投影的光学系统。

Claims (11)

1.一种光学系统，该光学系统将具有360°全方位视场角的图像成像在像面上，或者将配置在像面上的图像以360°全方位视场角进行投影，该光学系统的特征在于，
该光学系统具有：前组，其包含绕中心轴旋转对称的2个反射面；后组，其绕中心轴旋转对称且具有正光焦度；以及开口，其与中心轴同轴地配置，
所述前组具有绕中心轴旋转对称的透明介质，所述透明介质具有第1透射面、第1反射面、第2反射面以及第2透射面，
所述第1反射面与所述第1透射面相比配置在像面侧，所述第2反射面与所述第1反射面相比配置在像面的相反侧，所述第2透射面与所述第1透射面相比配置在像面侧，所述第1透射面配置在所述中心轴附近，所述第2反射面配置在所述中心轴附近，所述第1透射面与所述第2反射面相邻地配置在对应所述中心轴的相同侧；
所述光学系统构成为，在所述光学系统是成像光学系统的情况下，按照光线的前进顺序，在所述光学系统是投影光学系统的情况下与光线的前进顺序相反：入射到所述前组的光束经过所述第1透射面进入透明介质内，通过夹着中心轴配置在所述第1透射面的相反侧的所述第1反射面而反射到像面的相反侧，通过相对于中心轴配置在所述第1透射面的相同侧的所述第2反射面而反射到像面侧，经过所述第2透射面从所述透明介质向外射出，经过所述后组而成像在像面的偏离中心轴的位置上，而且在包含中心轴的剖面内的入射光瞳位置、和在与该剖面正交且包含该光束的中心光线的剖面内的入射光瞳位置不同，在包含所述中心轴的剖面内的所述入射光瞳位于第2反射面附近。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，当把子午剖面内的视场角中心的通过所述开口的中心的光线设定为中心主光线，把所述中心主光线在所述第1反射面上反射时与面的法线形成的角度设定为η时，满足以下条件：
1°＜η＜10°                            ...(1)。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，当把子午剖面内的视场角中心的通过所述开口的中心的光线设定为中心主光线，把所述中心主光线入射到所述第1透射面、所述第1反射面以及所述第2反射面的位置处的子午剖面的曲率分别设定为C1y、C2y、C3y，并把与中心轴正交的剖面的曲率设定为C1x、C2x、C3x时，满足以下条件：
0.7＜|C1x/C2x|＜5.0             ...(2)
0.35＜|C1x/C3x|＜2.0            ...(3)。
4.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，包含中心轴的剖面内的入射光瞳位于所述第1透射面附近，与包含中心轴的剖面正交的剖面内的入射光瞳位于中心轴附近。
5.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，将所述开口朝与所述光束的入射方向相反的方向投影而得到的光圈像的成像次数在包含中心轴的剖面内、和在与该剖面正交且包含该光束的中心光线的剖面内相同。
6.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，至少1个反射面具有使不具有对称面的任意形状的线段绕中心轴旋转而形成的旋转对称的形状。
7.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，至少1个反射面具有使包含奇数次项的任意形状的线段绕中心轴旋转而形成的旋转对称的形状。
8.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，在包含中心轴的剖面内与通过所述前组在物体侧形成的光圈共轭的入射光瞳附近配置有炫光光圈，该炫光光圈仅在包含中心轴的剖面内限制开口。
9.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，所述后组由旋转对称的同轴折射光学系统构成。
10.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，取代所述开口或者除了所述开口以外，在前组的所述第1透射面附近具有绕中心轴旋转对称的轮带状的狭缝开口。
11.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，至少所述反射面在包含中心轴的剖面内被切断，使得绕中心轴的视场角构成为比360°窄。
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