JP2005338341A - 広角レンズ装置、カメラおよびプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】ボールレンズを用いた広角レンズ装置の周辺部分における光量損失を低減する。
【解決手段】ボールレンズ１は、平面状の物体面２からの光を曲面状の像面３に集光し、像面３の画像は像面変換素子６によって平面状の像面５に転送される。像面変換素子６は、像面３に開口端を有するテーパー状の光ファイバー６ａを束ねたものであり、各光ファイバー６ａはテーパー形状を有し、すべての光ファイバー６ａの長手方向がボールレンズ１の球心方向に一致するように配設される。像面変換素子６の周辺部分において斜入射となるのを防ぐことで、光量不足を低減し、高性能な小型カメラやプロジェクタを実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、広い視野が必要な小型監視カメラや携帯端末に用いられる広角カメラ、コンピュータ画面や映像をスクリーンに投影するプロジェクタ、あるいはめがねなどに搭載してコンピュータ画面や映像を投影するＨＭＤ（Head mounted Display）等に搭載される広角レンズ装置、カメラおよびプロジェクタに関するものである。

ボールレンズを用いた広角レンズ装置は、例えば特許文献１に開示された構成を有する。これは図１０に示すように、人工衛星に搭載され、地球を撮像することにより３次元的な位置を計測するシステムであり、ミラー１１２によって地球からの光を反射し、ボールレンズ１１４に導く。ボールレンズ１１４は半球を組み合わせた構造であり中央に絞り１１６を有する。このボールレンズ１１４により地球からの光１３４を集光し、像面変換素子（fiber optic field flattener ）１１８で像面を平らにし、image intensifier １２０に導き、ＣＣＤ１２２で画像信号に変換する。

像面変換素子１１８は、ファイバースコープに用いられるイメージファイバーと呼ばれる光学部品として公知のものである。一般的なイメージファイバーは、図１１の（ａ）〜（ｃ）に示すように、多数の光ファイバー１０１を束にして接着固定あるいは融着固定したファイバー束１１０からなり、その一方の端面１１０ａから他方の端面１１０ｂへイメージを移動させることができる。このようなイメージファイバーは内視鏡や、ライトガイドに応用されており、その製造方法についても公知である。

図１０に示す像面変換素子１１８は、図１１の（ｄ）に示すように、ファイバー束１１０の一端を曲面１１０ｃに加工したものである。
米国特許第５，３１９，９６８号明細書

しかしながら、従来のボールレンズを用いた広角レンズ装置は以下のような未解決の課題がある。

（１）レンズ周辺で光量が不足する。
像面変換素子に入射するボールレンズからの光と、像面変換素子を構成するそれぞれの光ファイバーの向きが、特に周辺部分で合っていない。光ファイバーの開口に入射する角度が大きいと入射効率が低下することはよく知られており、光ファイバーの開口数ＮＡから決まる角度θ：
θ＝sin^-1(ＮＡ) （１）
を超える角度で入射する光は光ファイバーに入射できない。例えば、ＮＡ＝０．３のファイバーの場合はθ＝１７．５度となるが、この角度を超える光は使用できない。その結果、入射角度が大きくなる視野の周辺部分の入射効率が悪くなる。

従って、従来技術のように遠方の画像、例えば人工衛星から地球の像を見る場合には問題が少ないと考えられるが、広い領域を同時に観察する広角レンズ、例えば視野角度が１２０度を超えるような広角レンズに応用すると、周辺部分の視野において著しく光量不足となり、実質的に実現が難しいという深刻な問題がある。

例えば、イメージファイバーである像面変換素子の平面側に撮像素子を配置した広角カメラに応用すると、周辺部分において光量不足となり、１２０度の視野ともなると、周辺部分では光線の中心が６０度の角度でファイバーに入射する。前述のようにＮＡ＝０．３の光ファイバーでは１７．５度にしか対応していないので、周辺部分ではまったく写らないことになる。

さらにこの光学系をプロジェクタに応用する場合にも同様に深刻な問題を生じる。プロジェクタの場合には像面変換素子の平面側に液晶などの画像出力素子をおき、画像情報を含んだ光が像面変換素子に入力される。従来技術の光学系を用いてプロジェクタを構成すると、像面変換素子から出射する光はボールレンズの球心方向を向いていないため、特に周辺部分において、ボールレンズに入射する光が少なくなり、光量が不足する。その結果、光量不足のために周辺部分が写らないことになる。

（２）球面収差の影響
図１０の装置では、絞りにより、使用する光線範囲をボールレンズの中心軸付近に限定しているため、ボールレンズのもつ球面収差は大きな問題とならない。しかし絞りはボールレンズに入射する光を有効に利用せずにカットするものでもある。このことは特に装置を小型化する場合に大きな障害となる。小型化すればするほど、ボールレンズに入射する光量が少なくなり、少しでも無駄にできなくなるからである。

従って小型化するためには絞りを廃止しなければならない。この時、ボールレンズのもつ球面収差の問題が顕在化する。この球面収差があると、ボールレンズの像面において焦点がぼやけてしまうため、先ほどの像面変換素子を構成する光ファイバーへの入射効率が悪くなり、光量損失につながってしまう。さらに、入射しなかった光は像面変換素子の表面などで散乱し、周囲に散らばって行くが一部は迷光として光ファイバーに入射し、画像を劣化させる。

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、像面変換素子の、ボールレンズ像面側での入射効率等を高めることにより、特に周辺部分における光量変化を抑えて、広角カメラやプロジェクタ等の画質を向上させることのできる広角レンズ装置、カメラおよびプロジェクタを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の広角レンズ装置は、ボールレンズと、それぞれ前記ボールレンズの曲面状の像面に開口する開口端を有する複数の光ファイバーを束ねた像面変換素子とを備えており、少なくとも前記開口端において、前記像面変換素子のすべての光ファイバーの長手方向が前記ボールレンズの球心方向に一致するように構成されていることを特徴とする。

像面変換素子の光軸方向を長手方向とする複数の光ファイバーを平行に束ねたファイバー束からなる像面変換素子においては、ボールレンズの像面に合わせてファイバー束の端面（開口端）を曲面状に加工しても、像面変換素子の周辺部分の光はボールレンズの球心方向から大きくずれた斜入射あるいは斜出射となるため、光量損失が大きい。そこで、少なくともボールレンズの曲面状の像面に開口する開口端においてはすべての光ファイバーの長手方向がボールレンズの中心を向くように、テーパー形状の光ファイバーを用いるか、あるいは光ファイバーを平行に束ねたファイバー束をテーパー形状に成型する。

このようにして、像面変換素子を用いた広角レンズの周辺部分における光量不足を防ぐことで、画質の良好なカメラやプロジェクタを実現できる。

図１は第１の実施の形態による広角レンズ装置を示すもので、ボールレンズ１に対して平面状の物体面２と共役の位置に像面３が形成され、ボールレンズ１は物体面２を像面３に転写する。例えば、物体面２の３点からの光線４ａ、４ｂ、４ｃはそれぞれ像面３の上の３箇所に集光する。

ここで、像面３の形は非球面であり、以下のように定義される。ボールレンズ１の中心と物体面２との距離をａ、ボールレンズ１の中心から平面状の物体面２上の任意の点をさししめす角度をθ、ボールレンズ１の中心とピント位置までの距離をＬ（θ）、ボールレンズ１の焦点距離をｆとすると、以下の関係が成立する。

このピント位置を連ねたものが像面３であるが、２式から明らかなように角度θに従って変化しており、像面３は球面でないことがわかる。

この像面３に第１の開口端をもち、第２の開口端が平面状の像面５の上にあり、断面のサイズが変化するテーパー形状の光ファイバー６ａを多数束ねた像面変換素子６を設け、各光ファイバー６ａの第１の開口端が開口する像面３における各光線４ａ、４ｂ、４ｃ等の向きと、これらが入射する光ファイバー６ａの長手方向を一致させることにより、各光ファイバー６ａへの入射効率を高める。なお、各光線４ａ、４ｂ、４ｃ等の向きとは、ボールレンズ１の対称性から考えてボールレンズ１の球心方向である。

すなわち、像面変換素子６の各光ファイバー６ａの第１の開口端は２式で表わされる曲面状の像面３上に配列され、なおかつ開口方向がボールレンズ１の中心を向いた状態で、像面変換素子６とボールレンズ１は、ハウジング７に固定される。この構成により、平面状の物体面２はボールレンズ１により曲面状の像面３に変換され、さらに像面変換素子６によって再び平面状の像面５に変換される。このとき、前述のように、像面変換素子６の周辺部分においても各光ファイバー６ａの向きと入射光線の向きが一致しているため、周辺部でも光量が落ちることのない広角レンズ装置を実現できる。

図２は像面変換素子６を製作する手順を示す。まず図２の（ａ）に示すように、光ファイバー６ａの素線１０ａを製作する。この時、素線１０ａにテーパーをつけておき、テーパーをつけた素線１０ａを多数並べて、図２の（ｂ）に示すように、接着固定し、ファイバー束１０を製作する。接着の方法は、昇温することによってファイバー同士を融着する方法や、接着剤を用いた方法などが考えられる。

また、別の製造方法として、テーパーをつけない素線を束ねて、素線が軟化する温度付近で図２の（ｂ）に示す形状にファイバー束１０を成型する方法が考えられる。

次に図２の（ｃ）に示すように、ファイバー束１０の両端面を加工する。すなわち、図示左側の端面はボールレンズ１の曲面状の像面３に合わせた曲面１０ｂに、右側の端面は平面状の像面５に合わせた平面１０ｃにそれぞれ加工する。

このようにして製作された図１の像面変換素子６は、図示左側の画像を拡大して右側に移すもので、像面変換素子６の入射側において、各光ファイバー６ａがボールレンズ１の中心を向くように配設することで、従来例のような斜め入射による入射損失の問題を解決し、視野の周辺部分においても光量変化の少ない良質な広角カメラ等を実現することができる。

光の進む向きが反対である場合にも、すべての光ファイバーがボールレンズの球心方向を向いているため、像面変換素子から出射する光の方向をボールレンズの中心に向けることができ、特に周辺部分においてボールレンズに入射する光の光量不足を生じることのないプロジェクタ等を実現できる。

また、図３に示すように、像面変換素子の平面側においては各光ファイバーの向きを平面に垂直に向けることによって、平面側からの入射効率も高めることができる。これは、まず図３の（ａ）に示すようにテーパーをもたない光ファイバーの素線２０ａを束ねて、各素線２０ａが軟化する温度付近で同図の（ｂ）に示すようにボールレンズの像面側の端面の近傍のみテーパー形状部を有する円筒形状のファイバー束２０を成型し、その後、（ｃ）に示すように両端面を曲面２０ｂと平面２０ｃに加工する方法である。このようにして、像面変換素子の平面側において光の出射方向を平面状の端面に対して垂直な方向にすることができる。

この特徴は特にプロジェクタへの応用を考えたときに重要である。この場合、像面変換素子の平面側には液晶素子や発光ダイオードアレイなどの画像出力素子があり、そこからの光を像面変換素子に入射させる必要があるが、この時、図２に示すように全体がテーパー形状のファイバー束１０からなる像面変換素子であれば光の角度によって入射効率が変化してしまうという問題が生じる。

そこで、図３に示すように平面側においても各光ファイバーの向きを平面に垂直にすることで、周辺部における入射効率の低下を防ぐことができる。

また、図４の（ａ）に示すように、ボールレンズ１に球対称な屈折率の分布を設けるとよい。この屈折率分布によりボールレンズ１のもつ球面収差を補正することができる。球面収差が補正されると、像面３において集光特性が改善され、光ファイバーに入射できる光量が増えるので光量不足を改善し、入射しなかった迷光による画質の劣化を防ぐことができる。

図４の（ｂ）は球面収差の影響を説明するもので、ボールレンズ１に光線４が入射すると像面３において焦点を結ぶが、この時、光線４の位置によって焦点位置が異なる。すなわち、中央付近の光線はボールレンズ１の中心から離れた位置に焦点を結び、周辺部分の光線はボールレンズ１の中心に近い場所に焦点を結ぶ。これを一般に球面収差と呼んでいる。

この球面収差を図４の（ａ）に示すようにボールレンズ１に球対称な屈折率分布をもたせることで解決できる。この図は屈折率分布をもたせたボールレンズ１について光線追跡法により計算した結果である。このシミュレーション計算の条件は以下の通りである。

ボールレンズサイズ：φ２ｍ
屈折率分布：ｎ（Ｒ）＝１．５−０．３Ｒ²
ここで、Ｒは半径方向の位置
従って、ボールレンズ中心部分の屈折率は１．５、最外周の屈折率は１．２である。

この計算結果から明らかなように、屈折率分布をもたせることにより像面において１点に焦点をもつようにできる。その結果、光ファイバーに入射できる光量が増えるので光量不足を改善し、入射しなかった迷光による画質の劣化を防ぐことができる。

また、焦点位置が一点になる条件は上記の数値だけではなく、無数の組み合わせが考えられる。しかし製作上の問題を考えると、複雑な分布ではなく、上記のような、ボールレンズ中央で屈折分布が大きく、２次関数で屈折率が低下していく形が簡単で好ましい。

図１に示す構成は、特に広角カメラへ応用する場合に有効である。すなわち、像面変換素子の平面側にＣＣＤ（電荷結合素子）などの撮像素子を取り付ける構成により、物体面の画像はボールレンズにより像面変換素子の入射側の像面に写像され、さらに像面変換素子により出射側の像面に写像される。この時、ボールレンズ側の像面において、像面変換素子を構成する各光ファイバーの向きと光線の向きが一致するので、周辺部への入射効率を高くできる。その結果、周辺部分でも光量損失のない小型カメラを実現することができる。また、図３に示した形状の像面変換素子を用いて、平面側の光ファイバーの開口の向きが像面に対して垂直になるように構成した広角レンズ装置を広角プロジェクタに用いるのも有効である。この場合は、像面変換素子の平面側に液晶や発光ダイオードアレイなどの画像表示素子を設け、そこからの光を像面変換素子に入射させる。入射する光が光ファイバーの向きと合致しているため、入射効率が高い。このようにして、周辺部分でも入射効率を下げることのない広角なプロジェクタを実現できる。

また、図１１に示す従来例と同様の構成の像面変換素子の入射側に薄いスクリーンを設けたものでもよい。このスクリーンは、入射した光を全方位に拡散する材料として、すりガラスなどを用いて、公知の技術で製作される。スクリーンを透過した光は全方位に拡散し、スクリーンによる光の拡散は角度に対する依存性がないので、像面変換素子の各光ファイバーと光線との向きが一致していなくても、光ファイバーに入射する光量はいつも一定である。この構造により、周辺部でも光量変化がない広角レンズ装置を構成できる。

また、像面変換素子の入射側に回折格子を設けたものでもよい。この回折格子は入射する光の向きを、屈折と回折の２つの作用により偏向する。このように回折格子で偏向させる技術は公知であり、カメラレンズやピックアップレンズで実用化されている。回折格子は周辺部にいくほど偏向角度が大きくなるように狭い幅となる同心円状であり、回折格子に近接して、多数の光ファイバーを組み合わせた図１１と同様の構成の像面変換素子を設け、これに入射させる。この時、回折格子で偏向した光の方向と光ファイバーの向きが同じになるように格子形状、すなわち幅、高さなどを決めておく。

回折格子の形としては一般的な三角形状のほか、矩形形状のものも考えられる。さらに、回折格子の形状を決める方法として、位相関数と呼ばれる連続関数を所定の高さで輪切りにして折りたたむ方法も考えられる。

ボールレンズの像面において、回折格子の作用により像面変換素子を構成する光ファイバーの向きと光線の向きが一致するので、光ファイバーへの入射効率を高くできる。その結果、周辺部分でも光量損失のない広角カメラを実現することができる。

なお、像面変換素子の平面側の像面に近接して画像出力素子を設けた広角プロジェクタにおいては、画像出力素子として、例えば液晶パネルを用いた場合、液晶は発光素子ではないので液晶の裏側に一様な照度で照明する照明系が必要となる。照明系は例えば光源と照明光学系で実現できる。あるいは液晶パネルの裏側に発光体を設けることとによっても実現できる。

また、像面変換素子を構成する光ファイバーの第２の開口端と、撮像素子または画像出力素子との距離が、光ファイバーの開口数ＮＡと、撮像素子または画像出力素子の画素サイズｐから、ｐ／ＮＡできまる距離よりも長くなるように構成するのが有効である。

一般に撮像素子等の画素サイズの２倍の周期よりも細かい周期の画像が入ると、折り返し誤差と呼ばれるノイズが発生し、画面に縞模様があらわれたりする。そこで画素サイズをｐとすると、さきほどの光が拡散するサイズをｐの２倍としておけば、折り返し誤差が無くなり、都合が良い。一方光ファイバーから出射する光の広がり角度はθ＝ｓｉｎ（ＮＡ）であった。そこで光が広がるまでの距離をＬとすると、Ｌｔａｎ（θ）＝ｐとすればよい。

これより、おおよそＬ＝ｐ／ＮＡとすればよい。従って像面変換素子と撮像素子または画像出力素子との距離を、上記のように算出されるＬの値よりも大きくすれば折り返し誤差を回避できる。

図５は実施例１によるカメラを示す。これは、図１の装置と同様にボールレンズ１と像面変換素子１６を有する広角レンズ装置を用いた広角カメラであって、平面状の物体面２に対して共役の位置に像面１３ができる。すなわちボールレンズ１は物体面２を像面１３に転写する作用がある。例えば、物体面２の３点からの光線４ａ、４ｂ、４ｃはそれぞれ像面１３の上の３箇所に集光する。なお、ボールレンズ１、物体面２、光線４ａ、４ｂ、４ｃは図１と同様であるから同じ符号で表わし、説明は省略する。

ここで、像面１３の形は球面ではない。ボールレンズ１の中心と物体面２との距離をａ、物体面２上の点をさししめす角度をθ、ボールレンズ１の中心とピント位置までの距離をＬ（θ）、ボールレンズ１の焦点距離をｆとすると、前述の２式による関係があった。このピント位置を連ねたものが像面１３であるが、２式から明らかなように角度θに従って変化しており、像面１３は球面でないことがわかる。球面からのずれをＢ（θ）とし、物体面２までの距離を表す無次元数ｒを導入し、ｒ＝ａ／ｆとすると、以下の式が成立する。

例えば、焦点距離ｆ＝２ｍｍ、距離をｒ＝１００とすると、６０度において球面との差は９．９μｍと計算できる。

ボールレンズ１にハウジング１７ａを接着固定し、ハウジング１７ａの内面には位置を調節するためのネジ溝が切ってあり、それとかみ合うネジ溝を切ったレンズ固定部材１７ｂを設ける。ハウジング１７ａを回転させると、このかみ合うネジの作用により、ハウジング１７ａとレンズ固定部材１７ｂとの位置は図示水平方向、すなわちＺ軸方向に相対移動する。このネジはピント位置を微調整するために使用するもので、この調節方法は後述する。

レンズ固定部材１７ｂに固定して像面変換素子１６を設ける。この像面変換素子１６は図２に示すように、断面の面積が位置によって変化する多数の光ファイバーを束ねた光学素子であり、各光ファイバーは像面１３に第１の開口端をもち、第２の開口端が平面状の像面１５上にある。

第１の開口端において、各光線４ａ、４ｂ、４ｃの向きと、これらが入射する光ファイバーの長手方向を一致させることにより、光ファイバーへの入射効率を高めることができる。ここで、光線の向きとは、ボールレンズの対称性から考えてボールレンズ１の球心方向である。すなわち、光の入射側において、各光ファイバーの開口端は２式で表わされる曲面上に配列され、なおかつ各光ファイバーの向きがボールレンズ１の中心を向いている。

像面変換素子１６に近接して撮像素子１１が固定される。この撮像素子１１はＣＣＤ（電荷結合素子）や、ＣＭＯＳセンサーなどである。撮像素子１１からの電気信号をドライバー回路１８ａに接続し、映像信号に変換し、これを制御装置１８ｂに接続し、映像信号を記憶装置１８ｃおよび表示装置１８ｄに接続する。

像面変換素子１６と撮像素子１１は近接して配置する必要がある。像面変換素子１６の周辺部分においては光ファイバーの向きが斜めを向いているため、撮像素子１１までの距離が長いと斜め方向に画像がずれてしまうからである。

この構造において、平面状の物体面２はボールレンズ１により曲面状の像面１３に変換され、さらに像面変換素子１６で再び平面状の像面１５に変換される。このとき、前述のように周辺部分でも光ファイバーの向きと光線の向きが一致しているので、周辺部でも光量が落ちることが無く、画像性能の良好な広角カメラを構成できる。

像面変換素子１６の曲面状の端面をボールレンズ１の像面１３に位置合わせするためのピント調整する必要がある。これは以下のように行われる。ネジを切ったハウジング１７ａを回転させることにより、レンズ固定部材１７ｂとの相対位置を変化させ、像面変換素子１６の曲面状の端面を像面１３に合わせる位置調節を行う。この調節における指標は表示装置１８ｄの画面から得られる。例えば、物体面２にテスト用のパターンとして白黒の格子模様を配置し、図５の広角カメラでこれを写す。この時、写した画像の表示が最もくっきりとシャープに映るようにハウジング１７ａを回転させる。

また、図４に示したように、ボールレンズ１に屈折率分布をもたせることで、ボールレンズ１のもつ球面収差を改善することができる。すなわち、屈折率分布のないボールレンズは、球面収差のため、焦点位置が入射する光線の位置で変化するため、屈折率分布をもたせることにより一点に集光させることができる。

また、ボールレンズ表面あるいは像面変換素子表面に反射防止膜を設けることで、光量損失をより一層改善することも有効である。さらに、ボールレンズ表面あるいは像面変換素子表面に波長選択膜、例えば赤外線をカットする膜を設け、特定波長にだけ感度のあるカメラを構成することも考えられる。このような膜の組成はボールレンズの前側と後側で同じものに限定するものではない。例えば赤外線カットフィルタをボールレンズ前側のみにつける構成でもよい。ボールレンズを保護するためボールレンズの外側にカバーガラスを設けることも用途によっては必要なことである。

このようにして、高性能な小型カメラを実現することができる。

図６は実施例２を示すもので、これは、図３に示した製法で作られた像面変換素子２６を用いた広角レンズ装置である。なお、ボールレンズ１、物体面２、光線４ａ、４ｂ、４ｃは図１と同様であるから同じ符号で表わし、説明は省略する。

物体面２からの光がボールレンズ１を通過し、曲面状の像面２３から像面変換素子２６に入射し、平面側の像面２５から出射する。この時、像面２５から垂直に光が出射し、図示しない撮像素子に入射するため、撮像素子の感度が入射角によって変化する場合であっても、光が垂直入射するので、影響がない。

実施例１では像面変換素子の平面側の像面に近接して撮像素子を設けた。これは、撮像素子までの距離が長いと斜め方向に画像がずれてしまうからであったが、実施例２では像面２５から垂直に光が出射するので距離が離れても対応できる。しかしその距離は出射する光が拡散するので制限される。像面変換素子２６の光ファイバーの開口数をＮＡとすると、１式より求められる角度θ＝ｓｉｎ（ＮＡ）で広がっていく。像面変換素子２６から撮像素子の受光面までの距離をｄとすると拡散したサイズｅはおおよそ次のように見積もれる。

例えば開口数ＮＡが０．３の光ファイバーであれば、５０μｍ離れると１５μｍ程度に拡散する。使用する撮像素子の画素サイズに応じてこの距離を決めればよい。

一般に撮像素子の画素サイズの２倍の周期よりも細かい周期の画像信号が入ると、折り返し誤差と呼ばれるノイズが発生し、画面に縞模様があらわれたりする。そこで画素サイズをｐとすると、光が拡散するサイズｅをｐの２倍としておけば、折り返し誤差を防ぐことができる。つまり、２ｐ＝ｅ（ｄ）とすればよい。これと、４式から以下の式が成立する。

像面変換素子２６から撮像素子受光面までの距離ｄが５式を満たすようにハウジング２７に組み付けることにより、撮像素子の画素サイズに起因する折り返し誤差を防止することができる。

図７は実施例３を示すもので、この広角レンズ装置では図１１に示す従来例と同様の構成の像面変換素子３６の、曲面状の像面３３側の開口端にスクリーン３８を設けて、ボールレンズ１とともにハウジング３７に固定する。スクリーン３８で拡散した光を、像面変換素子３６に入射させ、平面状の像面３５から出射させる。なお、ボールレンズ１、物体面２、光線４ａ、４ｂ、４ｃは図１と同様であるから同じ符号で表わし、説明は省略する。

スクリーン３８で散乱する光が等方的に拡散していくことを利用し、周辺部での光量変化を抑えることができる。本実施例では、スクリーン３８を設けるという非常に簡単な方法でより高性能な広角カメラを実現できる。

しかしその反面、第１、第２の実施例に比べると、スクリーン３８で拡散する光の一部しか像面変換素子３６の光ファイバーに入射しないため、全体の光量は低くなる。

図８は実施例４を示す。これは、図１１に示す従来例と同様の構成の像面変換素子４６の、曲面状の像面４３側の開口端に、微細な回折格子４９を配置して、ボールレンズ１および像面変換素子４６をハウジング４７に固定したものである。回折格子４９が光の向きを変更することができる特性を利用し、ボールレンズ１から入射した光線を光ファイバーの向きに沿わせることが可能となる。なお、ボールレンズ１、物体面２、光線４ａ、４ｂ、４ｃは図１と同様であるから同じ符号で表わし、説明は省略する。

像面変換素子４６の周辺部分においても回折格子４９による高い入射効率を確保することが可能なため、安価でしかも高性能な広角レンズ装置を実現することができる。

図８は実施例５を示す。これは、ボールレンズ１および像面変換素子５６を有する広角レンズ装置を用いたプロジェクタであって、光学系の構成は実施例１と同様であるが、光の進む向きが反対になる。なお、ボールレンズ１、物体面２、光線４ａ、４ｂ、４ｃは図１と同様であるから同じ符号で表わし、説明は省略する。

プロジェクタ本体６１を設け、光源５８、照明光学系５９、画像出力素子６０をプロジェクタ本体６１に固定する。ここで画像出力素子６０には液晶パネルなどを用いる。一方、物体面２は平面状のスクリーンであり、これに対して共役の位置に像面５３が形成される。

ボールレンズ１にハウジング５７ａを接着固定し、ハウジング５７ａの内面には位置を調節するためのネジ溝が切ってあり、それとかみ合うネジ溝を切ったレンズ固定部材５７ｂを設ける。ハウジング５７ａを回転させると、このかみ合うネジの作用により、ハウジング５７ａとレンズ固定部材５７ｂとの位置は図示水平方向、すなわちＺ軸方向に相対移動する。このネジは後述するようにピント位置を微調整するために使用する。

レンズ固定部材５７ｂに固定して像面変換素子５６を設ける。この像面変換素子５６は図４に示すように、断面の面積が位置によって変化する多数の光ファイバーを束ねた光学素子であり、各光ファイバーは像面５３に第１の開口端をもち、第２の開口端が像面５５にある。

第１の開口端において、図１の装置と同様に、光線４ａ、４ｂ、４ｃの向きと、各光ファイバーの向きを一致させることにより、光ファイバーから出射する光をボールレンズ１の球心方向に向かわせる。従って、第１の開口端において、各光ファイバーの開口は２式で表現される曲面上に配列し、なおかつ向きがボールレンズ１の中心を向いている。また、第２の開口端において、各光ファイバーは平面上に配列し、なおかつその平面に垂直な方向を向いている。

以上の構成において、光源５８から出射した光は照明光学系５９により、一様な照度で画像出力素子６０を照明する。一様に照明された画像出力素子６０により出力される画像は像面変換素子５６に入射する。

前述のように、像面変換素子５６の各光ファイバーの向きが像面５５に垂直であるため、入射効率が高い。像面変換素子５６に入射した光は像面５３から出射される。この時、像面変換素子５６の各光ファイバーの向きがボールレンズ１の球心方向を向いているため、出射した光がすべてボールレンズ１に入射する。従って入射効率が高い。

このようにして、像面５５の画像は像面５３の画像に変換され、像面５３の画像は、ボールレンズ１の作用により、物体面２上の画像に変換される。このようにして、画像出力素子６０で出力された画像がスクリーンに投影（プロジェクション）される。

像面変換素子５６の開口端を曲面状の像面５３に位置合わせするピント調整は以下のように行われる。

ネジを切ったハウジング５７ａを回転させることにより、レンズ固定部材５７ｂとの相対位置が変化し、像面変換素子５６とボールレンズ１との相対位置を調節することができる。また、この調節における指標は物体面２の位置においたスクリーンに表示される画像から得られる。すなわち、画像出力素子６０にテスト用のパターン、例えば白黒の格子模様を出力させ、プロジェクタでスクリーンに投影する。この時、投影した画像の表示が最もくっきりとシャープに映るようにハウジング５７ａを回転させる。

なお、前述と同様にボールレンズ１に屈折率分布をもたせることで、ボールレンズ１のもつ球面収差を改善することができる。

このようにして、小型かつ高性能な広角プロジェクタを実現することができる。

一実施の形態による広角レンズ装置を示す模式断面図である。 像面変換素子の製造方法と構成を説明する図である。 像面変換素子の別の製造方法と構成を説明する図である。 ボールレンズの球面収差を説明する図である。 実施例１によるカメラを示す模式断面図である。 実施例２による広角レンズ装置を示す模式断面図である。 実施例３による広角レンズ装置を示す模式断面図である。 実施例４による広角レンズ装置を示す模式断面図である。 実施例５によるプロジェクタを示す模式断面図である。 一従来例を示す模式断面図である。 従来例の像面変換素子の構成と製造方法を説明する図である。

符号の説明

１ ボールレンズ
２ 物体面
３、５、１３、１５、２３、２５、３３、３５、４３、４５、５３、５５ 像面
６、１６、２６、３６、４６、５６ 像面変換素子
６ａ 光ファイバー
７、１７ａ、２７、３７、４７、５７ａ ハウジング
１０、２０ ファイバー束
１０ａ、２０ａ 素線
１１ 撮像素子
３８ スクリーン
４９ 回折格子
５８ 光源
５９ 照明光学系
６０ 画像出力素子

Claims (8)

1. ボールレンズと、それぞれ前記ボールレンズの曲面状の像面に開口する開口端を有する複数の光ファイバーを束ねた像面変換素子とを備えており、少なくとも前記開口端において、前記像面変換素子のすべての光ファイバーの長手方向が前記ボールレンズの球心方向に一致するように構成されていることを特徴とする広角レンズ装置。
2. 像面変換素子が、テーパー形状の光ファイバーを束ねたものであることを特徴とする請求項１記載の広角レンズ装置。
3. 曲面状の像面に開口する第１の開口端の反対側の第２の開口端において、すべての光ファイバーの長手方向が平面状の端面に対して垂直であることを特徴とする請求項１または２記載の広角レンズ装置。
4. ボールレンズと、それぞれ前記ボールレンズの曲面状の像面に開口を有する複数の光ファイバーを束ねた像面変換素子とを備えており、前記像面変換素子の前記像面に開口する開口端に、光を拡散させるスクリーンが設けられていることを特徴とする広角レンズ装置。
5. ボールレンズと、それぞれ前記ボールレンズの曲面状の像面に開口を有する複数の光ファイバーを束ねた像面変換素子とを備えており、前記像面変換素子の前記像面に開口する開口端に、光を偏向する回折格子が設けられていることを特徴とする広角レンズ装置。
6. ボールレンズが、球対称な屈折率分布をもつことを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の広角レンズ装置。
7. 請求項１ないし６いずれか１項記載の広角レンズ装置と、像面変換素子の曲面状の像面に開口する第１の開口端と反対側の第２の開口端に近接して配設された撮像素子とを有することを特徴とするカメラ。
8. 請求項１ないし６いずれか１項記載の広角レンズ装置と、像面変換素子の曲面状の像面に開口する第１の開口端と反対側の第２の開口端に近接して配設された画像出力素子とを有することを特徴とするプロジェクタ。

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