JP2006259659A - 光学系 - Google Patents
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Abstract
【課題】 360°全方位(全周)の画角を有する画像を撮影したり、360°全方位(全周)画角に画像を投影するための小型でフレアー光が少なく解像力の良い光学系。
【解決手段】 中心軸1の周りで回転対称な3面の反射面12、13、14を含む前群10と、中心軸1の周りで回転対称で正パワーを有する後群20とを備えており、遠方から前群10に入射した光束は、中心軸1に対して入射側に位置する第1反射面12で後群20に向かう方向へ反射され、第2反射面13で後群20から離れる方向へ反射され、第3反射面14で後群20に向かう方向へ反射され、前群10を出て後群20を経て像面30の中心軸から外れた位置に結像し、かつ、中心軸1を含む断面内と、その断面に対して直交し、その光束の中心光線20 を含む平面内での中間結像回数が異なるように構成されている光学系。
【選択図】 図1
【解決手段】 中心軸1の周りで回転対称な3面の反射面12、13、14を含む前群10と、中心軸1の周りで回転対称で正パワーを有する後群20とを備えており、遠方から前群10に入射した光束は、中心軸1に対して入射側に位置する第1反射面12で後群20に向かう方向へ反射され、第2反射面13で後群20から離れる方向へ反射され、第3反射面14で後群20に向かう方向へ反射され、前群10を出て後群20を経て像面30の中心軸から外れた位置に結像し、かつ、中心軸1を含む断面内と、その断面に対して直交し、その光束の中心光線20 を含む平面内での中間結像回数が異なるように構成されている光学系。
【選択図】 図1
Description
本発明は、光学系に関し、特に、小型で解像力が良く、360°全方位の画角を有する画像を像面に結像させるか、像面に配置された画像を360°全方位の画角に投影する全天カメラ、全天プロジェクター等に適した光学系に関するものであ。
従来、反射光学系を用いた360°全方位(全周)の画像を得る光学系としては、3面の反射面からなる中心軸の周りで回転対称な前群と、中心軸の周りで回転対称で正パワーを有する後群とからなる特許文献1に開示されたような反射光学系が知られている。
特開平10−54939号公報
しかし、上記従来例においては、光学系の入射瞳の位置に関して特に考慮をはらっていないため、第1反射面の有効径が大きくなり、天頂方向あるいは地上からの有害なフレアー光が多く画像が悪化してしまう問題がある。さらに、第1反射面の大型化に伴って反射光学系が大型してしまう。
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、360°全方位(全周)の画角を有する画像を撮影したり、360°全方位(全周)画角に画像を投影するための小型でフレアー光が少なく解像力の良い光学系を提供することである。
上記目的を達成する本発明の光学系は、360°全方位の画角を有する画像を像面に結像させるか、像面に配置された画像を360°全方位の画角に投影する光学系であって、
中心軸の周りで回転対称な3面の反射面を含む前群と、中心軸の周りで回転対称で正パワーを有する後群とを備えており、
結像系の場合は光線の進む順に、投影系の場合は光線の進む順とは反対に、遠方から前記前群に入射した光束は、中心軸に対して入射側に位置する第1反射面で前記後群に向かう方向へ反射され、前記第1反射面で反射された光束は中心軸に対して前記第1反射面と同じ側に位置する第2反射面で前記後群から離れる方向へ反射され、前記第2反射面で反射された光束は中心軸に対して前記第2反射面と同じ側に位置する第3反射面で前記後群に向かう方向へ反射され、前記前群を出て前記後群を経て像面の中心軸から外れた位置に結像し、かつ、中心軸を含む断面内と、その断面に対して直交し、その光束の中心光線を含む平面内での中間結像回数が異なるように構成されていることを特徴とするものである。
中心軸の周りで回転対称な3面の反射面を含む前群と、中心軸の周りで回転対称で正パワーを有する後群とを備えており、
結像系の場合は光線の進む順に、投影系の場合は光線の進む順とは反対に、遠方から前記前群に入射した光束は、中心軸に対して入射側に位置する第1反射面で前記後群に向かう方向へ反射され、前記第1反射面で反射された光束は中心軸に対して前記第1反射面と同じ側に位置する第2反射面で前記後群から離れる方向へ反射され、前記第2反射面で反射された光束は中心軸に対して前記第2反射面と同じ側に位置する第3反射面で前記後群に向かう方向へ反射され、前記前群を出て前記後群を経て像面の中心軸から外れた位置に結像し、かつ、中心軸を含む断面内と、その断面に対して直交し、その光束の中心光線を含む平面内での中間結像回数が異なるように構成されていることを特徴とするものである。
この場合、前記前群は、中心軸方向に90°以上の画角を有し、中心軸の周りで回転対称な透明媒体を有し、前記透明媒体は前記第1反射面と前記第2反射面と前記第3反射面を構成する3面の内面反射面と2面の屈折面を持ち、結像系の場合は光線の進む順に、投影系の場合は光線の進む順とは反対に、遠方から前記前群に入射した光束は、入射面の屈折面を経て透明媒体内に入り、前記第1反射面と前記第2反射面と前記第3反射面で順に反射され、射出面の屈折面を経て透明媒体から外に出て、前記後群を経て像面の中心軸から外れた位置に結像するように構成することが望ましい。
また、遠方の1つの方向から入射する光束は、前記前群内で中心軸に対して片側のみで反射屈折し、中心軸を含む断面内で1回中間結像し、中心軸を含む断面に対して直交し、その光束の中心光線を含む平面内では中間結像せず、かつ、中心軸を含む断面内では前記前群により物体側又は前記第1透過面近傍に入射瞳が形成されていることが望ましい。
また、前記前群より像面側の何れかの位置に中心軸と同軸に配置された開口を備えるように構成することができる。
また、前記前群の前記第1透過面の近傍に中心軸の周りで回転対称な輪帯状のスリット開口を備えているように構成することができる。
また、前記後群は、回転対称の同軸屈折光学系からなることが望ましい。
また、前記前群の中心軸を含む断面内の焦点距離をFy、その断面に対して直交し遠方から入射する光束の中心光線を含む平面内の焦点距離をFxとするとき、
−100<Fx/Fy<−0.01 ・・・(5)
の条件を満たすことが望ましい。
−100<Fx/Fy<−0.01 ・・・(5)
の条件を満たすことが望ましい。
また、中心軸を含む断面において、入射瞳位置から前記開口位置までの光路長をC、入射瞳位置から前記前群の第1面までの光路長を光線方向を正とした値をDとすると、
5<|C/D| ・・・(4)
の条件を満たすことが望ましい。
5<|C/D| ・・・(4)
の条件を満たすことが望ましい。
また、前記後群のペッバール和をp、焦点距離をFbとするとき、
−0.5<p×Fb<−0.01 ・・・(1)
の条件を満たすことが望ましい。
−0.5<p×Fb<−0.01 ・・・(1)
の条件を満たすことが望ましい。
また、中心軸を含む断面において、入射瞳位置から前記第1反射面までの光路長をA、入射瞳位置から前記開口位置までの光路長をCとするとき、
A/C<0.5 ・・・(2)
の条件を満たすことが望ましい。
A/C<0.5 ・・・(2)
の条件を満たすことが望ましい。
また、中心軸を含む断面において、前記第2反射面の入射角をB(°)とするとき、
5°<B<60° ・・・(3)
の条件を満たすことが望ましい。
5°<B<60° ・・・(3)
の条件を満たすことが望ましい。
また、前記前群の中心軸を含む断面内の焦点距離をFy、その断面に対して直交し遠方から入射する光束の中心光線を含む平面内の焦点距離をFx、前記後群の焦点距離をFbとするとき、
0.05<Fx/Fb<10 ・・・(6)
−10<Fy/Fb<−0.05 ・・・(7)
の少なくとも何れか一方の条件を満足することが望ましい。
0.05<Fx/Fb<10 ・・・(6)
−10<Fy/Fb<−0.05 ・・・(7)
の少なくとも何れか一方の条件を満足することが望ましい。
また、少なくとも1面の反射面は対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することことが望ましい。
また、少なくとも1面の反射面は奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することが望ましい。
また、中心軸を含む断面内で開口と共役な入射瞳近傍にその断面内でのみ開口を制限する一方向性のフレア絞りを配置することが望ましい。
また、少なくとも反射面が中心軸を含む断面で切断されて中心軸の周りの画角が360°より狭く構成されていてもよい。
以上の本発明によると、小型で収差が良好に補正されて解像力が良く、フレアー光が少なく、垂直方向の画角が広く、360°全方位(全周)の画角を有する画像を得たり、360°全方位の画角に画像を投影するための光学系を得ることができる。
以下、実施例の基づいて本発明の光学系について説明する。
図1は、後記するそれぞれ実施例1の光学系の中心軸(回転対称軸)1に沿ってとった断面図であり、図2はその光学系内の光路を示す平面図である。これらの図1、図2を用いて本発明の光学系を説明する。なお、以下の説明は、結像光学系として説明するが、光路を逆にとって360°全方位(全周)に画像を投影する投影光学系として用いることもできる。
本発明の光学系は、中心軸1の周りで回転対称な前群10と中心軸1の周りで回転対称な後群20とからなり、遠方の物体から入射する光束2は、前群10と後群20を順に経て中心軸1に垂直な像面30の中心軸1から外れた位置に結像するものである。
前群10は、中心軸1の周りで回転対称な屈折率が1より大きい樹脂等の透明媒体からなり、3面の内面反射面12、13、14と2面の透過面11、15を持つものである。内面反射面12、13、14と透過面11、15も中心軸1の周りで回転対称な形状をしている。また、後群20は、中心軸1の周りで回転対称で正パワーを有するでレンズ系等の同軸屈折光学系からなるものである。
そして、前群10の透明媒体は、遠方からの光束2が入射する第1透過面11、第1透過面11と中心軸1に対して同じ側に配置されていて、第1透過面11から入射した光束が入射する第1反射面12、第1反射面12と同じ側に配置され、第1反射面12で反射された光束が入射する第2反射面13、第2反射面13で反射された光束が入射する第3反射面14、後群20に面していて、第3反射面14で反射された光束が入射する第2透過面15を含み、第2反射面13の面の中心(中心光束2の中心光線20 が入射する位置)は、中心軸1方向に第1反射面12の中心(中心光束2の中心光線20 が入射する位置)より後群20側に位置している。そして、中心光束2は第1反射面12と第2反射面13と第3反射面14の間でZ状の光路(ジグザグ光路)を経て第2透過面15に達する。なお、前群10に透明媒体を用いないで反射面12、13、14のみから構成してもよい。
なお、図1の実施例の場合、前群10と後群20の間に、絞りを構成する円形の開口5が中心軸1と同軸に配置されている。
そして、中心軸1が垂直方向に向く場合、水平方向の遠方から入射する中心光束2は入射面の第1透過面11で屈折して前群10の透明媒体内に入り、第1反射面12に入射し、そこで後群20方向へ反射された光束は第2反射面13に入射し、そこで後群20から離れるように反射された光束は第3反射面14に入射し、第3反射面14で再び後群20方向へ反射された光束は第2透過面14で屈折して前群10の透明媒体から外に出て、開口5を介して後群20に入射し、像面30の中心軸1から外れた半径方向の所定位置に結像する。
ここで、前群10の役割は、全周囲の画像から回転対称軸1に向かってくる光束を受けて任意の位置の円環状の空中像に変換する働きをするものである。そして、後群20の役割は、その円環状の空中像を像面30の平面上に投影する働きをするものである。
このような構成において、中心軸1をY軸とし、中心軸1を含む断面(図1)をY−Z面とするとき、前群10においては、中心軸(回転対称軸)1の片側のみを光路が通るような構成となっているので、面の有効径の干渉を避けることが容易になり、中心軸1方向の観察画角を大きくとことが可能となる。このように中心軸1の片側だけで前群10の光路を構成すると、X−Y平面(図2)内では、前群10の面は全てY軸(回転対称軸1)に対して略同心となり、X−Y平面内では反射面12、13、14に正のパワーを持たせられないため、前群10によって結像させることは不可能である。そこで、面形状が任意に設定できるY−Z面内の形状を設定することにより、Y−Z面内でのみ物体像(実像)を1回結像すると共に、前群10より像面30側に位置する中心軸1と同軸の開口(絞り)5を物体側に投影して入射瞳6Yを形成するようにしたものである。このように、絞り5をY−Z面内でのみ物体側に投影するようにすることにより、前群10の第1透過面11近傍に入射瞳6Yを配置することが可能となり、前群10の有効径自体を小さくすることが可能となる。
また、Y−Z面内でのみ絞り5の像を物体側にリレーする配置にすることにより、前群10の第1面(第1透過面)11近傍に入射瞳6Yをリレーすることが可能となり、前群10に入射する不要光を少なくすることが可能となり、フレアーの少ない映像を観察することが可能となる。つまり、光学系入射面11近傍にY方向の入射瞳6Yを投影すると、この光学系の入射面11のY方向に関しては原理的に画角を広くとっても有効径を小さくすることが可能となる。
X方向(図2)の入射瞳6Xは円周状に広がるが、Y方向にスリット状のフレア絞りを配置することが可能となり、不要光をこのフレア絞りでカットすることが可能となる。
また、本発明の光学系では、前群10で発生する収差と後群20で発生する収差をお互いに補償するように補正することにより、全体として良好な収差状態にすることが可能である。
また、前群10の役割は、上記のように、全周囲の画像から回転対称軸1に向かってくる光束を受けて任意の位置の円環状の空中像に変換する働きをするものである。そして、後群20の役割は、その円環状の空中像を像面30の平面上に投影する働きをするものである。ここで、後群20は正のパワーを持った投影光学系となり、さらに、後群20の小型化のためには、焦点距離の短い画角の広い投影光学系であることが要求される。しかし、一般的に焦点距離が短く広画角の投影光学系はペッツバール和が負になる場合が多い。これを補正するためいは、トリプレットやガウスタイプと言った負のパワーのレンズを有した構成にする必要があり、構成枚数が多くなってしまう。
そこで、本発明では、前群10に後群20で発生する負のペッツバール和を補正する作用を有するようにすることが望ましい。
さらに好ましくは、前群10で発生する非点隔差を相補うために、後群20でわざと大きな非点隔差を発生させることにより、全系での収差を相補うように構成することで、トータルでの収差を良好に補正する。
以上のような構成により、全体として少ない構成枚数で広画角のパノラマ光学系を構成することが可能となった。
後記の実施例1〜3の後群20のペッバール和と後群20の焦点距離は次のようになる。
実施例1 実施例2 実施例3
ペッツバール和p -0.056 -0.050 -0.012
焦点距離Fb 4.157 4.781 5.996
p×Fb -0.234 -0.241 -0.071
上記のp×Fbは、どの程度後群20はペッツバール和の補正を行うかを示しており、補正すればする程後群20の像面湾曲を小さくすることが可能となるが、補正するための光学系が複雑になる。
ペッツバール和p -0.056 -0.050 -0.012
焦点距離Fb 4.157 4.781 5.996
p×Fb -0.234 -0.241 -0.071
上記のp×Fbは、どの程度後群20はペッツバール和の補正を行うかを示しており、補正すればする程後群20の像面湾曲を小さくすることが可能となるが、補正するための光学系が複雑になる。
−0.5<p×Fb<−0.01 ・・・(1)
上記条件式(1)の下限の−0.5を越えると、後群20のペッツバール和の発生が大きくなりすぎ、前群10と相補うことが不可能になる。上限の−0.01を越えると、後群のペッツバール和の補正が過剰になり、後群20の構成が複雑になり、高価で大きな光学系になってしまう。
上記条件式(1)の下限の−0.5を越えると、後群20のペッツバール和の発生が大きくなりすぎ、前群10と相補うことが不可能になる。上限の−0.01を越えると、後群のペッツバール和の補正が過剰になり、後群20の構成が複雑になり、高価で大きな光学系になってしまう。
また、本発明の光学系は、中心軸1を含む断面内において入射瞳6Y位置から第1反射面12までの光路長をA、第2反射面13の入射角をB(°)、中心軸1を含む断面において入射瞳6Y位置から絞り5位置までの光路長をC、入射瞳6Y位置から前群10の第1面(透過面)11までの光路長を光線方向を正とした値D、及び、それらの比をA/C、|C/D|とする。|C/D|は、前群10の入射面11近傍に入射瞳6Yが配置されている度合いを表す。
後記の実施例1〜3のA、B、C、D、A/C、|C/D|は次のようになる。
実施例1 実施例2 実施例3
A 3.096 3.182 3.679
B 41.159° 35.017 ° 35.150°
C 83.882 64.185 87.144
D 0.036 0.080 0.022
A/C 0.037 0.050 0.042
|C/D| 2332.249 806.790 4002.963
上記のA/Cは、第1反射面12の中心軸1を含む断面内での有効径を定めるもので、以下の条件式を満足することが重要である。
A 3.096 3.182 3.679
B 41.159° 35.017 ° 35.150°
C 83.882 64.185 87.144
D 0.036 0.080 0.022
A/C 0.037 0.050 0.042
|C/D| 2332.249 806.790 4002.963
上記のA/Cは、第1反射面12の中心軸1を含む断面内での有効径を定めるもので、以下の条件式を満足することが重要である。
A/C<0.5 ・・・(2)
上記条件式(2)の上限の0.5を越えると、第1反射面12が光学系の入射瞳位置から遠くに配置されることになり、第1反射面12の有効径が大きくなり、上下方向に広い画角をとることが困難になる。
上記条件式(2)の上限の0.5を越えると、第1反射面12が光学系の入射瞳位置から遠くに配置されることになり、第1反射面12の有効径が大きくなり、上下方向に広い画角をとることが困難になる。
さらに好ましくは、
A/C<0.2 ・・・(2−1)
を満たすことが望ましい。
A/C<0.2 ・・・(2−1)
を満たすことが望ましい。
また、上記Bは第2反射面13への入射角であり、大きくなると、第2反射面13での偏心収差が大きく発生して、絞り5と共役な物体側に投影された入射瞳6Yの瞳収差が発生して、入射瞳6Y近傍に配置されるフレア絞りの効果が半減する。したがって、
5°<B<60° ・・・(3)
を満足することが重要である。
5°<B<60° ・・・(3)
を満足することが重要である。
上記条件式(3)の下限の5°を越えると、反射角度がとれなく、第1反射面12と第3反射面14が干渉して、上下方向の画角を大きくとれない。上限の60°を越えると、第2反射面13の入射角が大きくなりすぎ、この面で発生する偏心収差が大きくなって入射瞳6Yの瞳収差が大きく発生してしまい、フレア絞りの効果がなくなってしまう。また、結像性能も悪化してしまい、コントラストの良い映像を作ることができない。
さらに好ましくは、
10°<B<45° ・・・(3−1)
を満たすことが望ましい。
10°<B<45° ・・・(3−1)
を満たすことが望ましい。
本発明では、中心軸1を含む断面内においてのみ入射瞳6Yが物体側に投影されており、より入射面11近傍に入射瞳6Yを配置することにより、ゴースト等を防ぐフレアー絞りを効果的に配置することが可能となる。これにより、光学系の入射面11をY−Z断面において小さくすることが可能となり、前群10に入射する不要光を効果的に防ぐことが可能となり、根本的なフレアー対策に効果を発揮する。また、Y−Z断面の入射瞳6Yを前群10の入射面11近傍に配置することにより、前群10の入射面11の有効面をY−Z方向に関しては小さくすることが可能となり、反射面12〜14との干渉がなくなり、Y−Z断面での広画角化が可能となる。さらに、有効面が小さいことにより、光学系を小型に構成することが可能である。そのめには、
5<|C/D| ・・・(4)
を満たすことが望ましい。この条件式(4)の下限の5を越えると、入射瞳6Yが光学系第1面11から離れてしまい。第1面11の有効径が大きくなり、画角がとれなくなったり、有害なフレアー光が増える。この値が大きい程フレアー防止用のフレアー絞りを有効に働かせることが可能となる。
5<|C/D| ・・・(4)
を満たすことが望ましい。この条件式(4)の下限の5を越えると、入射瞳6Yが光学系第1面11から離れてしまい。第1面11の有効径が大きくなり、画角がとれなくなったり、有害なフレアー光が増える。この値が大きい程フレアー防止用のフレアー絞りを有効に働かせることが可能となる。
さらに好ましくは、
10<|C/D| ・・・(4−1)
なる条件を満足することが好ましい。
10<|C/D| ・・・(4−1)
なる条件を満足することが好ましい。
さらに、本発明の特徴である前群10の画角中心の主光線(中心光線)20 と平行に微小距離(0.1mm)離れた従属光線を追跡し、後群20から射出したときの従属光線と主光線のなす角度から光学系全体の焦点距離Fx、Fyを求めると、後記の実施例1〜3に関し、
実施例1 実施例2 実施例3
Fx 1.984 1.988 1.972
Fy -1.171 -1.214 -0.911
Fx/Fy -1.694 -1.638 -2.164
Fb 4.157 4.781 5.996
Fx/Fb 0.477 0.416 0.329
Fy/Fb -0.282 -0.254 -0.152
となる。ただし、Fbは後群20のみの焦点距離である。ここで、Fyは中心軸1を含む断面内の焦点距離、Fxはその断面に対して直交し遠方から入射する光束2の中心光線20 を含む平面内での焦点距離である。
実施例1 実施例2 実施例3
Fx 1.984 1.988 1.972
Fy -1.171 -1.214 -0.911
Fx/Fy -1.694 -1.638 -2.164
Fb 4.157 4.781 5.996
Fx/Fb 0.477 0.416 0.329
Fy/Fb -0.282 -0.254 -0.152
となる。ただし、Fbは後群20のみの焦点距離である。ここで、Fyは中心軸1を含む断面内の焦点距離、Fxはその断面に対して直交し遠方から入射する光束2の中心光線20 を含む平面内での焦点距離である。
本発明においては、全群の断面方向により物体の中間像(実像)を結像する断面と結像しない断面があるため、光学系全体のFxとFyは符号が異なることも特徴である。なぜなら、中間像を1回結像する光学系の焦点距離は定義上負であるからである。さらに、それぞれの焦点距離の比Fx/Fyは、各断面での収差補正上、
−100<Fx/Fy<−0.01 ・・・(5)
なる条件を満足することが好ましい。
−100<Fx/Fy<−0.01 ・・・(5)
なる条件を満足することが好ましい。
この条件式(5)の下限の−100を越えると、Y方向の焦点距離がX方向の焦点距離に比較して短くなりすぎ、Y方向の収差、特に像面湾曲や非点収差の発生が大きくなると同時に、円環状の映像の内径と外径の差が小さくなり、特に撮像素子の解像力が限られている場合には、総合的な解像力がとれなくなってしまう。
また、その上限の−0.01を越えると、X方向の焦点距離がY方向の焦点距離に比較して短くなりすぎ、上下方向の画角を大きくとることができなくなる。
さらに好ましくは、
−10<Fx/Fy<−0.1 ・・・(5−1)
を満足することが好ましい。
−10<Fx/Fy<−0.1 ・・・(5−1)
を満足することが好ましい。
また、後群20の焦点距離Fbに対して、
0.05<Fx/Fb<10 ・・・(6)
−10<Fy/Fb<−0.05 ・・・(7)
なる条件を満足することが好ましい。
0.05<Fx/Fb<10 ・・・(6)
−10<Fy/Fb<−0.05 ・・・(7)
なる条件を満足することが好ましい。
これらの条件式は後群20の焦点距離に対して全群にどの程度影響を与えているかを表したものであり、1又は−1の場合は、後群20の焦点距離がそのまま全系の焦点距離になっていることを表す。
条件式(6)の下限の0.05、条件式(7)の上限の−0.05は、全系をある一定の焦点距離にしようとした場合に、全系の焦点距離に比較して後群20の焦点距離が長くなることを意味する。すると、後群20の画角はそれほど広く要求されなくなるが、瞳径が大きくなり、特に色収差の補正が難しくなると同時に、装置全体(高さ)が大きくなってしまう。また、後群20で像面湾曲、非点収差と像歪を大きく発生させることが難しくなり、前群10でのこれらの完璧な補正が要求される。
条件式(6)の上限10、条件式(7)の下限の−10を越えると、全系の焦点距離に比較して後群20の焦点距離が短くなることを意味する。すると、後群20に広い画角が要求されると同時に焦点距離が短くなりすぎるために、後群20の周辺映像の解像力が像面湾曲や非点収差、倍率の色収差等で低下してしまう。その結果、光学系全系としては円環状映像の外周部の解像が悪くなる。
さらに好ましくは、上記条件式(6)、(7)を同時に満足することが望ましい。
さらに好ましくは、
0.1<Fx/Fb<2 ・・・(6−1)
−2<Fy/Fb<−0.1 ・・・(7−1)
なる条件を満足することが好ましい。
0.1<Fx/Fb<2 ・・・(6−1)
−2<Fy/Fb<−0.1 ・・・(7−1)
なる条件を満足することが好ましい。
以下に、本発明の光学系の実施例1〜3を説明する。これら光学系の構成パラメータは後記する。これら実施例の構成パラメータは、例えば図1に示すように、物体面から前群10と後群20を経て像面30に至る順光線追跡の結果に基づくものである。
座標系は、順光線追跡において、例えば図1に示すように、入射瞳6Yを回転対称軸(中心軸)1に投影した位置を偏心光学系の偏心光学面の原点とし、回転対称軸(中心軸)1の像面30から離れる方向をY軸正方向とし、図1の紙面内をY−Z平面とする。そして、図1の紙面内のいま考えている入射瞳6Yの側と反対側の方向をZ軸正方向とし、Y軸、Z軸と右手直交座標系を構成する軸をX軸正方向とする。
偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系の原点の中心からの偏心量(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向をそれぞれX,Y,Z)と、光学系の原点に定義される座標系のX軸、Y軸、Z軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角(それぞれα,β,γ(°))とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はZ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα,β,γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずX軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のY軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のZ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
なお、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない非球面に関する項は0である。屈折率、アッベ数については、d線(波長587.56nm)に対するものを表記してある。長さの単位はmmである。各面の偏心は、上記のように、入射瞳6Yを回転対称軸(中心軸)1に投影した位置からの偏心量で表わす。
なお、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
Z=(Y2 /R)/[1+{1−(1+k)Y2 /R2 }1 /2]
+aY4 +bY6 +cY8 +dY10+・・・
・・・(a)
ただし、Zを軸とし、Yを軸と垂直な方向にとる。ここで、Rは近軸曲率半径、kは円錐定数、a、b、c、d、…はそれぞれ4次、6次、8次、10次の非球面係数である。この定義式のZ軸が回転対称非球面の軸となる。
+aY4 +bY6 +cY8 +dY10+・・・
・・・(a)
ただし、Zを軸とし、Yを軸と垂直な方向にとる。ここで、Rは近軸曲率半径、kは円錐定数、a、b、c、d、…はそれぞれ4次、6次、8次、10次の非球面係数である。この定義式のZ軸が回転対称非球面の軸となる。
また、拡張回転自由曲面は、以下の定義で与えられる回転対称面である。
まず、Y−Z座標面上で原点を通る下記の曲線(b)が定められる。
Z=(Y2 /RY)/[1+{1−(C1 +1)Y2 /RY2 }1 /2]
C2 Y+C3 Y2 +C4 Y3 +C5 Y4 +C6 Y5 +C7 Y6
+・・・・+C21Y20+・・・・+Cn+1 Yn +・・・・
・・・(b)
次いで、この曲線(b)をX軸正方向を向いて左回りを正として角度θ(°)回転した曲線F(Y)が定められる。この曲線F(Y)もY−Z座標面上で原点を通る。
C2 Y+C3 Y2 +C4 Y3 +C5 Y4 +C6 Y5 +C7 Y6
+・・・・+C21Y20+・・・・+Cn+1 Yn +・・・・
・・・(b)
次いで、この曲線(b)をX軸正方向を向いて左回りを正として角度θ(°)回転した曲線F(Y)が定められる。この曲線F(Y)もY−Z座標面上で原点を通る。
その曲線F(Y)をZ正方向に距離R(負のときはZ負方向)だけ平行移動し、その後にY軸の周りでその平行移動した曲線を回転させてできる回転対称面を拡張回転自由曲面とする。
その結果、拡張回転自由曲面はY−Z面内で自由曲面(自由曲線)になり、X−Z面内で半径|R|の円になる。
この定義からY軸が拡張回転自由曲面の軸(回転対称軸)となる。
ここで、RYはY−Z断面での球面項の曲率半径、C1 は円錐定数、C2 、C3 、C4 、C5 …はそれぞれ1次、2次、3次、4次…の非球面係数である。
そして、本発明の光学系においては、前群10の少なくとも1つの反射面は、このような拡張回転自由曲面であって、Y−Z断面で多項式で表現した場合に、少なくとも奇数次項を持ち対称面を持たない任意形状の線分を中心軸1の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有するものとすることが望ましい。少なくとも1つの反射面にこのような面形状を持たせることにより、反射光学系においては避けられない偏心収差を補正して解像力の良い光学系を提供することができると共に、その光学系の小型化が可能になる。
実施例1の光学系の中心軸(回転対称軸)1に沿ってとった断面図を図1に、その光学系内の光路を示す平面図を図2に示す。また、後群20の逆追跡による光線図を図3に示す。
この実施例の光学系は、中心軸1の周りで回転対称な前群10と、中心軸1の周りで回転対称な後群20と、中心軸1に同軸に配置された開口5とからなり、遠方の物体から入射する光束2は、前群10と後群20を順に経て中心軸1に垂直な像面30の中心軸1から外れた位置に結像するものであり、中心軸1を垂直(上下方向)に設定した場合、例えば360°全方位(全周)の画角を有する画像であって、天頂方向が画像の中心方向に向き、地平線が外側の円になるような円環状の画像を像面30に結像させるものである。
前群10は、中心軸1の周りで回転対称な屈折率が1より大きい樹脂等の透明媒体からなり、3面の内面反射面12、13、14面の透過面11、15を持つものである。内面反射面12、13、14と透過面11、15も中心軸1の周りで回転対称な形状をしている。また、後群20は、6枚のレンズL1〜L6を含み3群からなるレンズ系からなる。
そして、前群10の透明媒体は、遠方からの光束2が入射する第1透過面11と、第1透過面11と中心軸1に対して同じ側に配置されていて、第1透過面11から入射した光束が入射する第1反射面12と、第1反射面12と同じ側に配置され、第1反射面12で反射された光束が入射する第2反射面13と、第1反射面12、第2反射面13と同じ側に配置され、第2反射面13で反射された光束が入射する第3反射面14と、後群20に面していて、第3反射面14で反射された光束が入射する第2透過面15とからなり、何れも拡張回転自由曲面からなる。ただし、円錐定数は0である。
また、前群10と後群20の間に、絞りを構成する円形の開口5が中心軸1と同軸に配置されている。
後群20を構成するレンズ系は、前群10側から順に、両凹負レンズL1と両凸正レンズL2の接合レンズと、両凸正レンズL3と前群10側に凹面を向けた負メニスカスレンズL4の接合レンズと、両凸正レンズL5と前群10側に凹面を向けた負メニスカスレンズL6の接合レンズとからなる。
中心軸1が垂直方向に向き、光学系が天頂に向いている場合、水平方向の遠方から入射する中心光束2は入射面の第1透過面11で屈折して前群10の透明媒体内に入り、第1反射面12に入射し、そこで後群20方向へ反射された光束は第2反射面13に入射し、そこで後群20から離れるように反射された光束は第3反射面14に入射し、そこで後群20方向へ反射された光束は第2透過面15で屈折して前群10の透明媒体から外に出て、開口5を介して後群20に入射し、像面30の中心軸1から外れた半径方向の所定位置に結像する。
そして、この実施例の光学系では、遠方から入射する光束2、3U、3L(光束3Uは遠方の空側から入射する光束、3Lは遠方の地側から入射する光束)を、中心軸1を含む断面(図1)内では、第2反射面13と第3反射面14の間の位置4Yに、また、中心軸1を含む面に直交しその光束2の中心光線20 を含む平面(図2)内では実像を結像しない。なお、図2中の破線は前群10で形成されるサジタル像面を示す。このサジタル像面は、反射面14、透過面15等が負屈折力として作用するために、前群10射出後虚像として透過面15より物体側に形成される。
この実施例1の仕様は、
水平画角 360°
垂直画角 100°
入射瞳径 0.4mm
像の大きさ φ5.95〜φ2.07mm
である。
水平画角 360°
垂直画角 100°
入射瞳径 0.4mm
像の大きさ φ5.95〜φ2.07mm
である。
図3は、後群20の逆光線追跡による光線図であり、破線は後群20の像面30からの逆光線追跡でのタンジエンシャル像面である。
この実施例では、前後群負担を軽減するために、前後群で発生する像面湾曲を相互に補う構成になっている。
図4に、この実施例の光学系全体の横収差を示す。この横収差図において、中央に示された角度は、垂直方向の画角を示し、その画角におけるY方向(メリジオナル方向)とX方向(サジタル方向)の横収差を示す。以下、同じ。
図5に、この実施例の垂直方向のディストーションを示す図であり、◆で結んだ曲線は、実施例1の光学系の垂直方向入射画角に対する像面30での像高(中心軸1から半径方向の像高)をプロットしたグラフである。太い実線は、入射画角に対して像高が比例する場合(IH∝f・θの場合。ここで、IH:像高、f:焦点距離、θ:画角)を表している。この実施例では、垂直方向のディストーションは比較的良く補正されている。
実施例2の光学系の中心軸(回転対称軸)1に沿ってとった断面図を図6に、その光学系内の光路を示す平面図を図7に示す。また、後群20の逆追跡による光線図を図8に示す。
この実施例の光学系は、実施例1と同様の構成である。ただし、中心軸1を含む断面(図6)内での中間結像位置4Yは第2反射面13近傍である。
この実施例2の仕様は、
水平画角 360°
垂直画角 100°
入射瞳径 0.4mm
像の大きさ φ5.95〜φ2.05mm
である。
水平画角 360°
垂直画角 100°
入射瞳径 0.4mm
像の大きさ φ5.95〜φ2.05mm
である。
図8は、後群20の逆光線追跡による光線図であり、破線は後群20の像面30からの逆光線追跡でのタンジエンシャル像面である。図9に、この実施例の光学系全体の図4と同様の横収差を示す。また、図10に、この実施例の図5と同様のディストーションを示す。
この実施例では、前後群それぞれで像面湾曲を補正している。
実施例3の光学系の中心軸(回転対称軸)1に沿ってとった断面図を図11に、その光学系内の光路を示す平面図を図12に示す。また、後群20の逆追跡による光線図を図13に示す。
この実施例の光学系は、実施例1と同様の構成であり、異なる点は、前群10の第1透過面11、第1反射面12、第2反射面13、第3反射面14は拡張回転自由曲面からなるが、第2透過面15が中心軸1上に面頂を有する回転対称非球面で構成されている点と、後群20を構成するレンズ系が、前群10側から順に、前群10側に凹面を向けた負メニスカスレンズL1と、両凸正レンズL2と前群10側に凹面を向けた負メニスカスレンズL3の接合レンズと、両凸正レンズL4と両凹負レンズL5の接合レンズとからなる点と、垂直画角140°とより広くなっている点とであり、その他の構成と作用は実施例1と同様である。ただし、中心軸1を含む断面(図6)内での中間結像位置4Yは第1反射面12と第2反射面13の間である。
この実施例3の仕様は、
水平画角 360°
垂直画角 140°
入射瞳径 0.4mm
像の大きさ φ5.93〜φ2.11mm
である。
水平画角 360°
垂直画角 140°
入射瞳径 0.4mm
像の大きさ φ5.93〜φ2.11mm
である。
図13は、後群20の逆光線追跡による光線図であり、破線は後群20の像面30からの逆光線追跡でのタンジエンシャル像面である。図14に、この実施例の光学系全体の図4と同様の横収差を示す。
この実施例でも、前後群負担を軽減するために、前後群で発生する像面湾曲を相互に補う構成になっている。
以下に、上記実施例1〜3の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ASS”は非球面、“ERFS”は拡張回転自由曲面をそれぞれ示す。また、“RE”は反射面をそれぞれ示す。
実施例1
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞(入射瞳面) 偏心(1)
2 ERFS[1] 偏心(2) 1.8830 40.7
3 ERFS[2] (RE) 偏心(3) 1.8830 40.7
4 ERFS[3] (RE) 偏心(4) 1.8830 40.7
5 ERFS[4] (RE) 偏心(5) 1.8830 40.7
6 ERFS[5] 偏心(6)
7 ∞(絞り) 偏心(7)
8 2.33 偏心(7) 1.7427 44.9
9 -1.97 偏心(8) 1.7437 43.9
10 3.55 偏心(9)
11 -12.27 偏心(10) 1.6203 60.3
12 3.78 偏心(11) 1.7552 27.6
13 13.62 偏心(12)
14 -6.70 偏心(13) 1.6206 60.3
15 6.10 偏心(14) 1.7545 27.6
16 22.44 偏心(15)
像 面 ∞ 偏心(16)
ERFS[1]
RY ∞
θ 9.37
R -30.53
C3 -1.0441 ×10-2
ERFS[2]
RY ∞
θ 65.84
R -28.91
C3 -4.5388 ×10-3
C4 -3.5596 ×10-4
C5 -1.7107 ×10-5
ERFS[3]
RY ∞
θ 86.11
R -18.94
C3 1.7075 ×10-2
C4 -4.6549 ×10-5
C5 5.0845 ×10-6
ERFS[4]
RY ∞
θ 86.29
R -9.27
C3 8.9186 ×10-3
C4 -1.5262 ×10-3
C5 9.9775 ×10-5
ERFS[5]
RY ∞
θ 136.91
R -4.73
C3 1.9720 ×10-2
C4 6.7570 ×10-5
C5 5.9478 ×10-4
偏心(1)
X 0.00 Y 0.00 Z -30.57
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
X 0.00 Y 0.12 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
X 0.00 Y -12.98 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
X 0.00 Y -3.32 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(6)
X 0.00 Y -9.21 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(7)
X 0.00 Y -17.82 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(8)
X 0.00 Y -18.82 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(9)
X 0.00 Y -20.82 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(10)
X 0.00 Y -20.92 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(11)
X 0.00 Y -24.42 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(12)
X 0.00 Y -25.42 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(13)
X 0.00 Y -25.52 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(14)
X 0.00 Y -28.52 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(15)
X 0.00 Y -29.52 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(16)
X 0.00 Y -33.92 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00 。
実施例2
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞(入射瞳面) 偏心(1)
2 ERFS[1] 偏心(2) 1.4875 70.4
3 ERFS[2] (RE) 偏心(3) 1.4875 70.4
4 ERFS[3] (RE) 偏心(4) 1.4875 70.4
5 ERFS[4] (RE) 偏心(5) 1.4875 70.4
6 ERFS[5] 偏心(6)
7 ∞(絞り) 偏心(7)
8 2.53 偏心(7) 1.7177 47.0
9 -2.10 偏心(8) 1.7247 37.9
10 3.89 偏心(9)
11 -70.88 偏心(10) 1.6203 60.3
12 2.95 偏心(11) 1.7552 27.6
13 9.12 偏心(12)
14 -11.15 偏心(13) 1.6201 60.3
15 5.32 偏心(14) 1.7552 27.6
16 9.70 偏心(15)
像 面 ∞ 偏心(16)
ERFS[1]
RY ∞
θ 19.70
R -25.88
C3 5.1231 ×10-3
ERFS[2]
RY ∞
θ 62.16
R -23.81
C3 -9.5069 ×10-3
C4 -9.4376 ×10-4
C5 -4.4480 ×10-5
ERFS[3]
RY ∞
θ 82.67
R -16.84
C3 2.0444 ×10-2
C4 4.2041 ×10-5
C5 1.1301 ×10-5
ERFS[4]
RY ∞
θ 88.26
R -8.27
C3 8.2978 ×10-3
C4 -9.9839 ×10-4
C5 3.2377 ×10-5
ERFS[5]
RY ∞
θ 153.96
R -2.95
C3 -2.5237 ×10-2
C4 -1.2921 ×10-3
C5 2.5408 ×10-4
偏心(1)
X 0.00 Y 0.00 Z -25.96
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
X 0.00 Y 0.24 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
X 0.00 Y -13.04 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
X 0.00 Y -3.63 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(6)
X 0.00 Y -10.24 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(7)
X 0.00 Y -16.68 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(8)
X 0.00 Y -17.68 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(9)
X 0.00 Y -19.68 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(10)
X 0.00 Y -19.78 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(11)
X 0.00 Y -23.28 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(12)
X 0.00 Y -24.28 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(13)
X 0.00 Y -24.38 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(14)
X 0.00 Y -27.38 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(15)
X 0.00 Y -28.38 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(16)
X 0.00 Y -35.76 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00 。
実施例3
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞(入射瞳面) 偏心(1)
2 ERFS[1] 偏心(2) 1.5275 66.4
3 ERFS[2] (RE) 偏心(3) 1.5275 66.4
4 ERFS[3] (RE) 偏心(4) 1.5275 66.4
5 ERFS[4] (RE) 偏心(5) 1.5275 66.4
6 ASS[1] 偏心(6)
7 ∞(絞り) 偏心(7)
8 2.78 偏心(8) 1.7440 44.8
9 4.52 偏心(9)
10 -29.96 偏心(10) 1.6204 60.3
11 5.44 偏心(11) 1.7552 27.6
12 14.88 偏心(12)
13 -8.27 偏心(13) 1.6204 60.3
14 12.12 偏心(14) 1.7552 27.6
15 -96.52 偏心(15)
像 面 ∞ 偏心(16)
ERFS[1]
RY ∞
θ 5.92
R -30.39
C3 4.0658 ×10-2
ERFS[2]
RY ∞
θ 54.41
R -28.00
C3 -1.9712 ×10-2
C4 -1.5741 ×10-3
C5 -5.2054 ×10-5
ERFS[3]
RY ∞
θ 71.61
R -22.43
C3 1.6710 ×10-2
C4 2.9568 ×10-5
C5 6.8041 ×10-6
ERFS[4]
RY ∞
θ 78.13
R -9.84
C3 1.3030 ×10-2
C4 -9.2047 ×10-4
C5 2.2699 ×10-5
ASS[1]
R -0.10
k -1.8135
a 3.2666 ×10-5
b -9.3328 ×10-7
偏心(1)
X 0.00 Y 0.00 Z -30.41
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
X 0.00 Y 0.09 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
X 0.00 Y -18.40 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
X 0.00 Y -9.10 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(6)
X 0.00 Y -10.89 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(7)
X 0.00 Y -32.29 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(8)
X 0.00 Y -32.63 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(9)
X 0.00 Y -36.58 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(10)
X 0.00 Y -38.91 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(11)
X 0.00 Y -41.91 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(12)
X 0.00 Y -42.91 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(13)
X 0.00 Y -43.01 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(14)
X 0.00 Y -46.51 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(15)
X 0.00 Y -47.51 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(16)
X 0.00 Y -55.25 Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00 。
以上の実施例において、中心軸1を含む断面内において、第2反射面13は正のパワー、第3反射面14は負のパワーを持つことが好ましい。これは前群10を小さくするために必要であり、中心軸1を含む断面内の主点を絞り5側に持っていき、画角の広い光線を早めに収束させることにより、第3反射面14と第2透過面15の有効径を小さくすることが可能となる。これらの面は隣接する面との距離がとり難く、面同士の干渉を防ぐ意味で、大変重要な構成になっている。
ところで、以上の実施例では、前群10と後群20の間に中心軸1と同軸に開口5を配置し、中心軸1を含む面内でこの開口5を物体側に逆に投影することにより、第1透過面11近傍に中心軸1を含む面内での入射瞳6Yを形成するようにしているが、この開口5の代わりに、図16〜図18にそれぞれ実施例1〜3の変形例の中心軸1を含む断面図に示すように、開口5の代わりに、中心軸1と同軸に円筒状のスリットあるいは輪帯状のスリット16を第1透過面11近傍に配置するようにしてもよい。その場合は、スリット16自体がフロント絞りの作用をして入射瞳6Yを形成する。また、この円筒状のスリットあるいは輪帯状のスリット16はフレアー絞りも兼ねる。また、このようなスリット16と前群10の像面30側の何れかの位置に配置された開口5とを併用するようにしてももちろんよい。
さらに、以上の実施例の光学系では、前群10のさらに物体側にYトーリックレンズを付加し、このYトーリックレンズもY軸(中心軸1)に対して回転対称な面で構成されたレンズにし、このトーリックレンズはX方向にはパワーを持たせないで、一方、Y方向(図1の断面内等)には負のパワーを持たせることにより、回転対称軸1を含む断面方向の画角をより大きくとることが可能となる。さらに好ましくは、このトーリックレンズはY−Z断面内では物体側に凸面を向け負のメニスカスレンズ形状に構成することにより、像歪の発生を最小にすることが可能となり、良好な収差補正が可能となる。
さらに、前群10の物体側には、断面が負メニスカスレンズ形状の1つのYトーリックレンズに限らず、2枚又は3枚のメニスカス形状のレンズで構成することにより、より像歪の発生を小さくすることが可能である。また、レンズに限らず、中心軸1に対して回転対称な反射面やプリズムにより光線を反射屈折させて任意の方向を撮像あるいは観察させることも容易である。
また、以上の実施例では、垂直方向のディストーションをf・θ特性(IH∝f・θ)に近付けようとするものであったが(図5、図10、図15の太い実線)、これをf・tanθ特性(IH∝f・tanθ)に近付いたものとするためには、特に反射面12、13に高次の奇数次項を用いて補正するようにすればよい。
また、以上の実施例では、前群10の反射面、屈折面をそれぞれ回転対称軸1上に面頂を有する回転対称非球面で構成したり、任意形状の線分を回転対称軸1の周りで回転することにより形成され回転対称軸1上に面頂を有さない拡張回転自由曲面で構成しているが、それぞれ任意の曲面に置き換えることは容易である。
また、本発明の光学系は、回転対称面を形成する任意形状の線分を定義する式に奇数次項を含むものを用いることにより、偏心により発生する像面の傾きや、絞りの逆投影時の瞳収差を補正している。
また、本発明の前群10を構成する中心軸1の周りで回転対称な透明媒体はそのまま用いることにより、360°全方位の画角を有する画像を撮影したり投影できるが、その透明媒体を中心軸1を含む断面で切断して2分の1、3分の1、3分の2等にすることにより、中心軸1の周りの画角が180°、120°、240°等の画像を撮影したり投影するようにしてもよい。
以上、本発明の光学系を中心軸(回転対称軸)1を垂直方向に向けて天頂を含む360°全方位(全周)の画角の画像を得る撮像あるいは観察光学系として説明してきたが、本発明は撮影光学系、観察光学系に限定されず、光路を逆にとって天頂を含む360°全方位(全周)の画角に画像を投影する投影光学系として用いることもできる。また、内視鏡は管内観察装置の全周観察光学系として用いることもできる。
以下に、本発明の光学系の適用例として、パノラマ撮影光学系31又はパノラマ投影光学系32の使用例を説明する。図19は、内視鏡先端の撮影光学系として本発明によるパノラマ撮影光学系31を用いた例を示すための図であり、図19(a)は、硬性内視鏡41の先端に本発明によるパノラマ撮影光学系31を取り付けて360°全方位の画像を撮像観察する例である。また、図19(b)は、軟性電子内視鏡42の先端に本発明によるパノラマ撮影光学系31を取り付けて、表示装置43に撮影された画像を画像処理を施して歪みを補正して表示するようにした例である。
図20は、自動車48の各コーナや頂部に撮影光学系として本発明によるパノラマ撮影光学系31を複数取り付けて、車内の表示装置に各パノラマ撮影光学系31を経て撮影された画像を画像処理を施して歪みを補正して同時に表示するようにした例である。
図21は、投影装置44の投影光学系として本発明によるパノラマ投影光学系32を用い、その像面に配置した表示素子にパノラマ画像を表示し、パノラマ投影光学系32を通して360°全方位に配置したスクリーン45に360°全方位画像を投影表示する例である。
図22は、建物47の外部に本発明によるパノラマ撮影光学系31を用いた撮影装置49を取り付け、屋内に本発明によるパノラマ投影光学系32を用いた投影装置44を配置し、撮影装置49で撮像された映像を電線46を介して投影装置44に送るように接続している。このような配置において、屋外の360°全方位の被写体Oをパノラマ撮影光学系31を経て撮影装置49で撮影し、その映像信号を電線46を介して投影装置44に送り、像面に配置した表示素子にその映像を表示して、パノラマ投影光学系32を通して屋内の壁面等に被写体Oの映像O’を投影表示するようにしている例である。
1…中心軸(回転対称軸)
2…遠方から入射する中心光束
20 …中心光束の中心光線
3U…遠方の空側から入射する光束
3L…遠方の地側から入射する光束
4Y…中間像結像位置
5…開口(絞り)
6Y、6X…入射瞳
10…前群
11…第1透過面(入射面)
12…第1反射面(内面反射面)
13…第2反射面(内面反射面)
14…第3反射面(内面反射面)
15…第2透過面(射出面)
16…円筒状のスリット又は輪帯状のスリット
20…後群
30…像面
31…パノラマ撮影光学系
32…パノラマ投影光学系
41…硬性内視鏡
42…軟性電子内視鏡
43…表示装置
44…投影装置
45…スクリーン
46…電線
47…建物
48…自動車
49…撮影装置
L1〜L5…レンズ
O…被写体
O’…映像
2…遠方から入射する中心光束
20 …中心光束の中心光線
3U…遠方の空側から入射する光束
3L…遠方の地側から入射する光束
4Y…中間像結像位置
5…開口(絞り)
6Y、6X…入射瞳
10…前群
11…第1透過面(入射面)
12…第1反射面(内面反射面)
13…第2反射面(内面反射面)
14…第3反射面(内面反射面)
15…第2透過面(射出面)
16…円筒状のスリット又は輪帯状のスリット
20…後群
30…像面
31…パノラマ撮影光学系
32…パノラマ投影光学系
41…硬性内視鏡
42…軟性電子内視鏡
43…表示装置
44…投影装置
45…スクリーン
46…電線
47…建物
48…自動車
49…撮影装置
L1〜L5…レンズ
O…被写体
O’…映像
Claims (16)
- 360°全方位の画角を有する画像を像面に結像させるか、像面に配置された画像を360°全方位の画角に投影する光学系であって、
中心軸の周りで回転対称な3面の反射面を含む前群と、中心軸の周りで回転対称で正パワーを有する後群とを備えており、
結像系の場合は光線の進む順に、投影系の場合は光線の進む順とは反対に、遠方から前記前群に入射した光束は、中心軸に対して入射側に位置する第1反射面で前記後群に向かう方向へ反射され、前記第1反射面で反射された光束は中心軸に対して前記第1反射面と同じ側に位置する第2反射面で前記後群から離れる方向へ反射され、前記第2反射面で反射された光束は中心軸に対して前記第2反射面と同じ側に位置する第3反射面で前記後群に向かう方向へ反射され、前記前群を出て前記後群を経て像面の中心軸から外れた位置に結像し、かつ、中心軸を含む断面内と、その断面に対して直交し、その光束の中心光線を含む平面内での中間結像回数が異なるように構成されていることを特徴とする光学系。 - 前記前群は、中心軸方向に90°以上の画角を有し、中心軸の周りで回転対称な透明媒体を有し、前記透明媒体は前記第1反射面と前記第2反射面と前記第3反射面を構成する3面の内面反射面と2面の屈折面を持ち、結像系の場合は光線の進む順に、投影系の場合は光線の進む順とは反対に、遠方から前記前群に入射した光束は、入射面の屈折面を経て透明媒体内に入り、前記第1反射面と前記第2反射面と前記第3反射面で順に反射され、射出面の屈折面を経て透明媒体から外に出て、前記後群を経て像面の中心軸から外れた位置に結像することを特徴とする請求項1記載の光学系。
- 遠方の1つの方向から入射する光束は、前記前群内で中心軸に対して片側のみで反射屈折し、中心軸を含む断面内で1回中間結像し、中心軸を含む断面に対して直交し、その光束の中心光線を含む平面内では中間結像せず、かつ、中心軸を含む断面内では前記前群により物体側又は前記第1透過面近傍に入射瞳が形成されていることを特徴とする請求項1又は2記載の光学系。
- 前記前群より像面側の何れかの位置に中心軸と同軸に配置された開口を備えていることを特徴とする請求項1から3の何れか1項記載の光学系。
- 前記前群の前記第1透過面の近傍に中心軸の周りで回転対称な輪帯状のスリット開口を備えていることを特徴とする請求項2から4の何れか1項記載の光学系。
- 前記後群は、回転対称の同軸屈折光学系からなることを特徴とする請求項1から5の何れか1項記載の光学系。
- 前記前群の中心軸を含む断面内の焦点距離をFy、その断面に対して直交し遠方から入射する光束の中心光線を含む平面内の焦点距離をFxとするとき、
−100<Fx/Fy<−0.01 ・・・(5)
の条件を満たすことを特徴とする請求項1から6の何れか1項記載の光学系。 - 中心軸を含む断面において、入射瞳位置から前記開口位置までの光路長をC、入射瞳位置から前記前群の第1面までの光路長を光線方向を正とした値をDとすると、
5<|C/D| ・・・(4)
の条件を満たすことを特徴とする請求項4、6、7の何れか1項記載の光学系。 - 前記後群のペッバール和をp、焦点距離をFbとするとき、
−0.5<p×Fb<−0.01 ・・・(1)
の条件を満たすことを特徴とする請求項1から8の何れか1項記載の光学系。 - 中心軸を含む断面において、入射瞳位置から前記第1反射面までの光路長をA、入射瞳位置から前記開口位置までの光路長をCとするとき、
A/C<0.5 ・・・(2)
の条件を満たすことを特徴とする請求項4、6〜9の何れか1項記載の光学系。 - 中心軸を含む断面において、前記第2反射面の入射角をB(°)とするとき、
5°<B<60° ・・・(3)
の条件を満たすことを特徴とする請求項1から10の何れか1項記載の光学系。 - 前記前群の中心軸を含む断面内の焦点距離をFy、その断面に対して直交し遠方から入射する光束の中心光線を含む平面内の焦点距離をFx、前記後群の焦点距離をFbとするとき、
0.05<Fx/Fb<10 ・・・(6)
−10<Fy/Fb<−0.05 ・・・(7)
の少なくとも何れか一方の条件を満足することを特徴とする請求項1から11の何れか1項記載の光学系。 - 少なくとも1面の反射面は対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することを特徴とする請求項1から12の何れか1項記載の光学系。
- 少なくとも1面の反射面は奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することを特徴とする請求項1から13の何れか1項記載の光学系。
- 中心軸を含む断面内において、入射瞳近傍に中心軸を含む断面内でのみ開口を制限するフレア絞りが配置されていることを特徴とする請求項1から14の何れか1項記載の光学系。
- 少なくとも前記反射面が中心軸を含む断面で切断されて中心軸の周りの画角が360°より狭く構成されていることを特徴とする請求項1から15の何れか1項記載の光学系。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2009008536A1 (ja) * | 2007-07-09 | 2009-01-15 | Olympus Corp. | 光学素子、それを備えた光学系及びそれを用いた内視鏡 |
JP2009015254A (ja) * | 2007-07-09 | 2009-01-22 | Olympus Corp | 光学素子、それを備えた光学系及びそれを用いた内視鏡 |
JP2010117665A (ja) * | 2008-11-14 | 2010-05-27 | Olympus Medical Systems Corp | 光学系 |
CN104570288A (zh) * | 2015-01-20 | 2015-04-29 | 北京理工大学 | 一种新型无盲区全景镜头 |
CN104570289A (zh) * | 2015-01-20 | 2015-04-29 | 北京理工大学 | 一种用于移动终端的无盲区全景镜头 |
-
2005
- 2005-05-18 JP JP2005145263A patent/JP2006259659A/ja not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009008536A1 (ja) * | 2007-07-09 | 2009-01-15 | Olympus Corp. | 光学素子、それを備えた光学系及びそれを用いた内視鏡 |
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US8254038B2 (en) | 2007-07-09 | 2012-08-28 | Olympus Corporation | Optical element, optical system having the same and endoscope using the same |
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