JP2006301480A - 回転非対称光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 特定の方位の画像を他の方位の画像に比べて拡大又は縮小したり、特定の方位の画角方向を他の方位の画角方向と異ならせて撮像又な投影することができる３６０°全方位の画角を有する画像を撮影したり、３６０°全方位画角に画像を投影するための回転非対称光学系。
【解決手段】 中心軸１の周りで回転対称な少なくとも１つの反射面１２を含み、中心軸の周りで回転対称で、３６０°全方位の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方位光学系５０と、結像光学系の場合は光線の進む順に、投影光学系の場合は光線の進む順とは反対に、全方位光学系５０の入射面１１の全周を取り囲むように配置され、中心軸１の周りで回転非対称な回転非対称光学素子６０とからなる回転非対称光学系。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転非対称光学系に関し、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、例えば、特定の方位の画像を他の方位の画像に比べて拡大又は縮小して撮像又な投影することができる回転非対称光学系に関するものであ。

従来、３６０°全方位（全周）の画像を得るために、中心軸の周りで回転対称な反射光学系又は反射屈折光学系を用いた全方位光学系が例えば特許文献１〜１３等において種々知られている。

また、このような全方位光学系において、反射光学系を構成する反射鏡の移動、変形、交換により変倍するものが特許文献７等で提案されている。
特公平６−８５０１９号公報 特開昭６０−４２７２８号公報 特開平１０−５４９３９号公報 特開平１１−３３１６５４号公報 特開２００３−１６７１９５号公報 特許第２，９２５，５７３号公報 特許第３，２２０，４６２号公報 特許第３，５８０，５４２号公報 米国特許第３，２８３，６５３号明細書 米国特許第３，５５２，８２０号明細書 米国特許第４，５６６，７６３号明細書 米国特許第５，４７３，４７４号明細書 米国特許出願公開第２００３／００４３２６１号明細書 米国特許出願公開第２００４／０００８４２３号明細書

しかしながら、何れの全方位光学系においても、中心軸の周りで回転対称な構成であり、方位によって倍率や画角方向が異なるものではなかった。また、特許文献７で提案されている変倍をするものは、メリジオナル方向（中心軸を含む断面方向）の変倍のみが可能であり、それと直交する断面方向であるサジタル方向の変倍はできないものであった。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、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全方位光学系に、回転非対称光学素子を付加することで、特定の方位の画像を他の方位の画像に比べて拡大又は縮小したり、特定の方位の画角方向を他の方位の画角方向と異ならせて撮像又な投影することができる回転非対称光学系を提供することである。

上記目標を達成する本発明の回転非対称光学系は、中心軸の周りで回転対称な少なくとも１つの反射面を含み、中心軸の周りで回転対称で、３６０°全方位の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方位光学系と、結像光学系の場合は光線の進む順に、投影光学系の場合は光線の進む順とは反対に、前記全方位光学系の入射面の全周を取り囲むように配置され、中心軸の周りで回転非対称な回転非対称光学素子とからなることを特徴とするものである。

この場合に、前記回転非対称光学素子は、方位角に応じて角倍率が異なるもの、あるいは、方位角に応じて中心軸に沿う方向の偏向角が異なるものであることが望ましい。

回転非対称光学素子が方位角に応じて角倍率が異なるものの場合、結像光学系の場合は光線の進む順に、投影光学系の場合は光線の進む順とは反対に、前記全方位光学系の入射面から入射した各方位角からの光束は前記全方位光学系を経て像面の中心軸から外れた位置に結像するものであり、前記回転非対称光学素子は、中心軸を含む断面内の角倍率と、その断面に対して直交しその光束の中心光線を含む断面内の角倍率の少なくとも一方が方位角に応じて異なることが望ましい。

また、前記回転非対称光学素子は、屈折面のみからなっていても、反射面を含むものであってもよい。

また、前記回転非対称光学素子の方位角による中心軸を含む断面内のパワーの変化をΔＰｍ、中心軸を含む断面に対して直交し中心光線を含む断面内でのパワー変化をΔＰｓとするとき、
ΔＰｍ＜０．１（１／ｍｍ） ・・・（１）
ΔＰｓ＜０．１（１／ｍｍ） ・・・（２）
なる条件を満足することが望ましい。

また、前記回転非対称光学素子が中心軸の周りで回転可能に配置されていてもよく、さらに、前記回転非対称光学素子の全周を取り囲むように第２の回転非対称光学素子が配置され、前記回転非対称光学素子の周りで中心軸に平行な軸を中心に回転可能に配置されていてもよい。

また、前記全方位光学系の中心軸を含む断面内の入射瞳が、前記全方位光学系の前記入射面を構成する透過面近傍に位置することが望ましい。

また、前記全方位光学系の少なくとも１つの反射面は、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状される回転対称な形状を有することが望ましい。

また、前記全方位光学系は、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が望ましい。

以上の本発明の回転非対称光学系によると、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光学系において、特定の方位の画像を他の方位の画像に比べて拡大又は縮小したり、特定の方位の画角方向を他の方位の画角方向と異ならせて撮像又な投影することができる。

以下、実施例に基づいて本発明の回転非対称光学系について説明する。

図１は、後記する実施例１の回転非対称光学系の全方位光学系５０の中心軸（回転対称軸）１に沿い、かつ、方位０°方向からの中心光線（主光線）３₀ と方位１８０°方向からの中心光線（主光線）３₁₈₀ を含む断面図であり、図２は、その中心軸（回転対称軸）１に沿い、かつ、方位９０°方向からの中心光線（主光線）３₉₀を含む断面図であり、図３は、その中心軸（回転対称軸）１に直交するＸ−Ｚ面へ光路を投影した平面図である。これらの図１〜図３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。なお、図３には、それぞれ方位角０°方向、方位角４５°方向、方位９０°方向、方位角１３５°方向、方位角１８０°方向からの中心光束２₀ 、２₄₅、２₉₀、２₁₃₅ 、２₁₈₀ のみを示してある。また、以下の説明で、各方位からの光束、中心光線を相互に区別するために、それぞれ属する方位角を下付き数字で示す。

本発明の光学系で用いる全方位光学系５０は、中心軸１の周りで回転対称な光学系からなり、３６０°全方位（全周）の遠方の物体からの光束２₀ 、２₄₅、２₉₀、２₁₃₅ 、２₁₈₀ 、４Ｕ₀ 、４Ｕ₄₅、４Ｕ₉₀、４Ｕ₁₃₅ 、４Ｕ₁₈₀ 、４Ｌ₀ 、４Ｌ₄₅、４Ｌ₉₀、４Ｌ₁₃₅ 、４Ｌ₁₈₀ 等（光束４Ｕ₀ 等は像面３０が天頂を向いているときの遠方の空側から入射する光束、光束４Ｌ₀ 等は遠方の地側から入射する光束）が入射する中心軸１の周りで回転対称な形状の入射面１１と少なくとも１つの回転対称な面形状の反射面１２、１３を有するものであり、特許文献１〜１３等において公知の中心軸の周りで回転対称な種々の反射光学系又は反射屈折光学系を用いることができる。図１〜図３の場合は、特願２００５−２７８２３号の実施例２と同様の全方位光学系を用いている。後記の実施例１で全方位光学系５０の１つの例を示すが、他の全方位光学系の例は後記する。

そして、全方位（全周）の遠方の物体から全方位光学系５０の入射瞳６Ｙを目がけて入射する光束２₀ 、２₄₅、２₉₀、２₁₃₅ 、２₁₈₀ 等は、全方位光学系５０の入射面１１を経てその反射面１２、１３と屈折面１４、絞り５、レンズＬ１〜Ｌ５を順に経て中心軸１に垂直な像面３０上に中心軸１と同心の円環状の像を結像するものである。

本発明において、その全方位光学系５０の入射面１１の全周を取り囲むように円管状の回転非対称光学素子６０が配置されており、その回転非対称光学素子６０を介して全方位光学系５０の入射面１１に入射する遠方の物体からの光束２₀ 、２₄₅、２₉₀、２₁₃₅ 、２₁₈₀ 等は、全方位光学系５０を順に経て中心軸１に垂直な像面３０の中心軸１から外れた位置に方位方向に応じた像を結像するものである。

そして、回転非対称光学素子６０は、方位方向に連続的あるいは不連続にメリジオナル断面、サジタル断面共に形状が異なるものからなり、方位方向に応じて角倍率や偏向方向が異なるものである。図１の実施例の場合は、連続的に角倍率が異なる。ここで、メリジオナル断面は、全方位光学系５０の中心軸（回転対称軸）１とその中心軸（回転対称軸）１に沿う方向の画角（メリジオナル方向の画角）中心に至る中心光束２₀ 等の中心光線（主光線）３₀ 等とを含む断面がメリジオナル断面であり、そのメリジオナル断面に対して直交し中心光線（主光線）３₀ 等を含む断面がサジタル断面である。中心光線（主光線）３₀ 等は、回転対称屈折光学系の軸上主光線に対応するもので、全方位光学系５０の絞り５中心を通り、メリジオナル方向の画角中心に至る光線を意味する。

したがって、本発明の光学系によれば、回転非対称光学素子６０が方位方向に応じて角倍率が異なるものの場合、方位角に応じてメリジオナル方向（中心軸１を含む断面方向）、サジタル方向共に倍率が異なる像が像面３０に結像される。

図４は、後記の実施例１の光学系の場合に、像面３０に結像される像の倍率を模式的に示す図である。座標系は像面３０を定義する座標系である。ただし、方位角は円環状の像の円周方向（サジタルディストーション）に０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°と４５°間隔で示してあり、半径方向（メリジオナルディストーション）については、水平方向（０°）を中心に、円環状の像の中心方向に仰角が−１０°、−２０°、円環状の像の中心から離れる方向に俯角が＋１０°、＋２０°（中心軸１に沿う方向の画角で正は俯角を、負は仰角を示す。）を表す線を示してあり、実際には、中心軸１に沿う方向の画角は、方位角０°の場合±１２°、４５°、３１５°の場合±１４°、９０°、２７０°の場合±１６°、１３５°、２２５°の場合±１８°、１８０°の場合±２０°であるが、サジタル方向、メリジオナル方向のディストーション（倍率）を分かりやすくするために、方位角１８０°以外は、画角を±２０°まで広げたものとして図示してある。

図４から、図１〜図３に示すように、回転非対称光学素子６０が方位方向に応じてメリジオナル断面の面６１、６２の形状が異なり、サジタル断面での面６１は中心軸１から偏心した円であるため、角倍率がメリジオナル方向、サジタル方向共に異なるので、像面３０では、方位角に応じてメリジオナル方向、サジタル方向共に連続的に倍率を異ならせることができることが分かる。図４より、後記の実施例１の光学系の場合、方位角０°方向でサジタル方向、メリジオナル方向共横倍率が最も高く、方位角１８０°方向でサジタル方向、メリジオナル方向共横倍率が最も低く、方位角０°から方位角１８０°にかけてサジタル方向、メリジオナル方向双方の横倍率が徐々に低くなっていることが分かる。

また、後記の実施例７に示すように、方位方向に応じて中心光線（主光線）３₀ 、３₄₅、３₉₀、３₁₃₅ 、３₁₈₀ 等の中心軸１に沿う方向の偏向角が異なるように、回転非対称光学素子６０のメリジオナル断面内の面形状を選んで、方位角に応じてメリジオナル方向の画角方向を異ならせることができる。

このように、回転非対称光学素子６０を回転非対称な形状の光学素子とすることによって、任意の方位角の映像を他の方位角の映像に比べて倍率や画角方向を変化させることが可能となる。

ここで、回転非対称光学素子６０として、構成する少なくとも１つの面を中心軸（回転対称軸）１から偏心して配置された円筒面、トーリック面、拡張回転自由曲面（後記する。）、方位角により形状が変化する自由曲面（自由曲線）で構成することにより、メリジオナル断面とサジタル断面の形状を任意に設定することが可能となり、メリジオナル断面とサジタル断面で異なった倍率を持ったもの、メリジオナル方向の偏向角が異なったものとすることが始めて可能となる。

同様に、回転非対称光学素子６０を中心軸（回転対称軸）１から偏心して配置された円筒面、トーリック面、拡張回転自由曲面（後記する。）、方位角により形状が変化する自由曲面（自由曲線）で構成することにより、メリジオナル断面とサジタル断面で部分的に異なった像歪み（ディストーション）を与えることができる。

さらに、全方位光学系５０の物体側に円管状の回転非対称光学素子６０を配置することが重要である。これにより全方位光学系５０に入射する全方位の光束を全て回転非対称光学素子６０に入射させることが可能であり、この構成により始めて全方位の画像をケラレルことなく異なる倍率、異なる偏向角で結像させることが可能となる。

さらに好ましくは、回転非対称光学素子６０は方位角によるパワーの変化が略ないことが重要である。このパワーの変化が大きいと、回転非対称光学素子６０を通過後、全方位光学系５０に入射する光束の結像位置に変化が生じ、その変化が大きい場合は解像力が著しく落ちてしまう。

さらに好ましくは、回転非対称光学素子６０の方位角によるメリジオナル断面でのパワーの変化をΔＰｍ、サジタル断面でのパワーの変化をΔＰｓとすると、
ΔＰｍ＜０．１（１／ｍｍ） ・・・（１）
ΔＰｓ＜０．１（１／ｍｍ） ・・・（２）
なる条件を満足することが好ましい。

上記条件式（１）、（２）のそれぞれの上限の０．１（１／ｍｍ）を越えると、メリジオナル断面又はサジタル断面に対して回転非対称光学素子６０が方位角によって実質的に異なるパワーを持つこととなり、全方位光学系５０に入射する時点で方位角による物点位置の変化が大きくなり、全方位光学系５０の結像位置がずれてしまい、解像力が低下する。

さらに好ましくは、
ΔＰｍ＜０．０１（１／ｍｍ） ・・・（１−１）
ΔＰｓ＜０．０１（１／ｍｍ） ・・・（２−１）
なる条件を満足することが好ましい。

後記する実施例１のΔＰｍ、ΔＰｓは次の通りである。。

実施例１
ΔＰｍ 0.00472(1/mm)
ΔＰｓ 0.00196(1/mm)
次に、回転非対称光学素子６０が方位方向に応じて角倍率が異なるものの場合、方位角による角倍率が変化することが重要である。角倍率の変化により像面での横倍率変化を与えることができる。角倍率の変化はメリジオナル断面のみでも、サジタル断面のみでもよく、また、両方でもよい。

さらに好ましくは、メリジオナル断面の角倍率を変化させる手段は、回転非対称光学素子６０の少なくとも１面のメリジオナル断面の曲率を方位角により異ならせることにより実現することが、回転非対称光学素子６０の収差発生上好ましい。さらに、同時にパワー変化を少なくするためには、回転非対称光学素子６０の他の面のメリジオナル断面の曲率も方位角により変化させることが好ましい。

さらに、回転非対称光学素子６０のメリジオナル断面の形状は、図１〜図３の実施例のように、全方位光学系５０の入射瞳６Ｙ側に凹面を向けて配置することにより、回転非対称光学素子６０で発生するメリジオナル断面のコマ収差と非点収差の発生が少なくなり好ましい。

本発明の光学系で用いる全方位光学系５０は、上記したように、中心軸１の周りで回転対称な形状の少なくとも１つの回転対称な面形状の反射面１２を有するものであれば、如何なるものでもよいが、以下に、望ましい全方位光学系５０について説明する。

全方位光学系５０は、例えば、中心軸１の周りで回転対称な前群１０と後群２０とその間に配置された絞り５とからなり、前群１０は少なくとも１つの回転対称な反射面１２、１３を有し、前群１０の役割は全方位方向から回転対称軸（中心軸）１に向かってくる画像からの光束を任意の位置の円環状の空中像に変換する働きをする。後群２０の役割はその円環状の空中像を像面３０の平面に投影することである。

そして、全方位光学系５０は、メリジオナル断面の任意形状の線分の曲率と、中心軸１に対して回転する方向のサジタル断面の曲率を独立に与えることにより、中心軸１上に配置された絞り５が前群１０により逆投影されるか１回中間像を結像しその中間像がさらに逆投影されることによりメリジオナル断面内の入射瞳６Ｙを形成している。このメリジオナル断面内の入射瞳６Ｙのみを全方位光学系の前群１０の第１透過面１１近傍に位置するように全方位光学系５０を構成することで、全方位光学系５０の前群１０内に入り込む不要光を大幅にカットすることが可能となり、フレアを減らすことが可能である。

一方、中心軸１と直交するサジタル断面においては、全方位光学系５０は回転対称系なので、遠方の異なる方位からの２₀ 、２₄₅、２₉₀、２₁₃₅ 、２₁₈₀ 等は何れも、回転中心である中心軸１上を常に通過する（図３）ことになり、サジタル断面では円環状の像面３０に到達する光束は、中心軸１上を少なくとも１回通過してから像面３０に到達することになり、絞り５が逆投影された入射瞳は、あたかも中心軸１上に存在することとなる。

このように、メリジオナル断面とサジタル断面の入射瞳位置をずらためには、メリジオナル断面とサジタル断面で曲率を自由にコントロールできる奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸１周りで回転させて形成される回転対称な形状を有する面で全方位光学系５０の少なくとも１面の反射面１２、１３を構成することが重要である。

また、フレア絞りは、機械的なスリット状の絞りでも可能であるし、光学系の保護を目的としたケーシングや、光線の通過しない部分を黒く塗った透明パイプ状のものでもよい。また、第１反射面の反射コーティング部分を併用したり、前群１０の光学的に不使用な領域を砂目処理したり黒い塗料１８（図１、図２）を塗布することで併用することも可能である。

さらに好ましくは、全方位光学系５０のメリジオナル断面の入射瞳６Ｙが回転非対称光学素子６０の近傍に投影されていることが重要であり、こうすることで全方位光学系５０で発生するゴースト等を防ぐフレア絞りを効果的に配置することが可能となる。さらに、回転非対称光学素子６０のメリジオナル方向の面の大きさを小さくすることが可能となり、回転非対称光学素子６０の小型化が達成できる。

以下に、まず、本発明の光学系の実施例１を説明する。この光学系の構成パラメータは後記する。この実施例の構成パラメータは、例えば図１に示すように、物体面から回転非対称光学素子６０と全方位光学系５０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（後記の実施例７についても同様）。

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（方位１８０°方向をＺ軸正方向とする。）。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（方位２７０°方向を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を光の進行方向を正とした光軸（軸上主光線）とし、Ｙを光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＋・・・・＋Ｃ_n+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、全方位光学系５０の少なくとも１面の反射面は、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面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の光学系の全方位光学系５０の中心軸（回転対称軸）１に沿い、かつ、方位０°方向からの中心光線（主光線）３₀ と方位１８０°方向からの中心光線（主光線）３₁₈₀ を含む断面図を図１に、その中心軸（回転対称軸）１に沿い、かつ、方位９０°方向からの中心光線（主光線）３₉₀を含む断面図を図２に示す。また、図３にその光学系の中心軸（回転対称軸）１に直交するＸ−Ｚ面へ光路を投影した平面図を示す。なお、図３には、それぞれ方位角０°方向、方位角４５°方向、方位９０°方向、方位角１３５°方向、方位角１８０°方向からの中心光束２₀ 、２₄₅、２₉₀、２₁₃₅ 、２₁₈₀ のみを示してある。また、以下の説明で、各方位からの光束、中心光線を相互に区別するために、それぞれ属する方位角を下付き数字で示す。

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、前群１０と後群２０の間に中心軸１に同軸に配置された開口５とからなる全方位光学系５０と、その全方位光学系５０の入射面１１の全周を取り囲むように円管状の回転非対称光学素子６０とからなるものである。そして、中心軸１を垂線とするとき、方位角０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°方向の遠方の物体から入射する光束２₀ 、２₄₅、２₉₀、２₁₃₅ 、２₁₈₀ 、４Ｕ₀ 、４Ｕ₄₅、４Ｕ₉₀、４Ｕ₁₃₅ 、４Ｕ₁₈₀ 、４Ｌ₀ 、４Ｌ₄₅、４Ｌ₉₀、４Ｌ₁₃₅ 、４Ｌ₁₈₀ （光束４Ｕ₀ 等は像面３０が天頂を向いているときの遠方の空側から入射する光束、光束４Ｌ₀ 等は遠方の地側から入射する光束）は、屈折率が１より大きい透明媒体からなる回転非対称光学素子６０の第１面６１と第２面６２を経て全方位光学系５０の前群１０の第１透過面１１から前群１０の透明媒体内に入り、中心軸１を横切って透過面１１と反対側の内面反射面１２で後群２０から離れるように上方へ反射されて、内面反射面１２と同じ側で後群２０からより離れた側に位置している内面反射面１３で後群２０方向へ再度反射され、射出面の透過面１４を経て前群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各方位角方向の物体の像を結像する。

そして、この実施例の光学系では、遠方から入射する遠方の物体から入射する光束２₀ 等を、中心軸１を含む断面（図１）内では、第１透過面１１と第１反射面１２の間の第１反射面１２寄りの位置７Ｙに、また、中心軸１を含む面に直交しその光束の中心光線を含む平面（図３）内では、第１反射面１２と第２反射面１３の間の位置７Ｘに、それぞれ中間像を１回結像している。

この光学系は、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、地上方向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。

そして、回転非対称光学素子６０は屈折率が１より大きい樹脂等の円管状の透明媒体からなり、外側の回転非対称な第１面６１と中心軸１の周りで回転対称な第２面６２とからなる。ここで、第２面６２は拡張回転自由曲面からなるが、第１面６１は、同じ偏心位置を回転中心とする拡張回転自由曲面であって方位角毎に異なる形状の拡張回転自由曲面を滑らかに結んでなる回転非対称面からなる。なお、後記の実施例１の構成パラメータにおいては、この第１面６１も拡張回転自由曲面と表記してあるが、実際はこのような回転非対称面である。

全方位光学系５０の前群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、２面の内面反射面１２、１３と２面の透過面１１、１４を持つものである。内面反射面１２、１３と透過面１１、１４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５枚のレンズＬ１〜Ｌ５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、回転非対称光学素子６０を経た光束２₀ 、２₄₅、２₉₀、２₁₃₅ 、２₁₈₀ 等が入射する第１透過面１１と、第１透過面１１と中心軸１を挟んで反対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、後群２０に面していて、第２反射面１３で反射された光束が入射する第２透過面１４とからなり、第１透過面１１、第１反射面１２、第２反射面１３は拡張回転自由曲面からなる。ただし、円錐定数、非球面係数は０である。また、第２透過面１４は中心軸１の周りで回転対称な非球面からなる。

また、後群２０を構成するレンズ系は、前群１０側から順に、前群１０側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ１と、前群１０側に凹面を向けた正メニスカスレンズ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の接合レンズからなる。

この実施例１の仕様は、
水平画角 ３６０°
垂直画角 ２４°（方位角０°）
〜４０°（方位角１８０°）
入射瞳径 ０．８６ｍｍ（方位角０°）
〜１．４４ｍｍ（方位角１８０°）
像の大きさ φ２．０７ｍｍ〜φ５．９２ｍｍ（方位角０°）
である。

この実施例の像面３０に結像される像の倍率を模式的に示す図を図４に示す。この図の意味は前記した通りである。

図５〜図９に、この実施例の光学系全体の横収差を示す。図５は方位角０°、図６は方位角４５°、図７は方位角９０°、図８は方位角１３５°、図９は方位角１８０°での横収差を示す。これらの横収差図において、中央に示された角度は、垂直方向（サジタル方向）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。なお、画角正は俯角を、画角負は仰角を示す。以下、同じ。

また、図１０に、この実施例の回転非対称光学素子６０の方位角によるサジタル断面での角倍率の変化とメリジオナル断面での角倍率の変化を示す。

また、図１１にメリジオナルディストーションを示す。メリジオナル断面での画角は、方位角０°の場合±１２°、４５°の場合±１４°、９０°の場合±１６°、１３５°の場合±１８°、１８０°の場合±２０°である。なお、サジタルディストーションは図４から明らかである。

本実施例の特徴の第１点は、２面からなる回転非対称光学素子６０の第１透過面６１の回転対称軸を像面中心の垂線である全方位光学系５０の回転対称軸１からＺ方向に−６ｍｍずらした位置（方位角０°方向に６ｍｍ）である偏心（１）の位置にずらしていることである（図３）。これによりサジタル方向の画角は方位角により異なり、方位角０°方向（Ｚ軸マイナス方向）の水平方向の画像がサジタル方向（水平方向）に拡大されて結像される。

本実施例の特徴の第２点は、２面からなる回転非対称光学素子６０の第１透過面６１のメリジオナル断面の曲率を、方位角０°から１８０°に向かうのに伴って１１．８０ｍｍから８．０４ｍｍに変化させていることである。本実施例の場合、メリジオナル断面での倍率変化は回転非対称光学素子６０の第１透過面６１と第２透過面６２の面間隔（方位角０°で面間隔は２５．０＋６−１８＝１３ｍｍ、方位角１８０°で面間隔は２５．０−６−１８＝１ｍｍ）により主に行っているが、必要に応じて第１透過面６１又は第２透過面６２の曲率を方位角により変えることによって焦点位置の変動を吸収することにより、全方位角において、良好な収差性能を確保している。

次に、実施例２について、図１２を参照にして説明する。図１２（ａ）〜（ｃ）は、実施例２の光学系の模式的な斜視図である。本実施例は、実施例１のように、中心軸１の周りで回転対称な全方位光学系５０と、その全方位光学系５０の入射面１１の全周を取り囲むように円管状の回転非対称光学素子６０とからなり、回転非対称光学素子６０が方位方向に連続的にメリジオナル断面、サジタル断面共に形状が異なり、像面３０（図１）上に方位角に応じてメリジオナル方向、サジタル方向共に連続的に横倍率が異なる全方位の像を結像する場合の例で、図１２（ａ）が例えば図１の状態（方位角０°方向で横倍率が最も高く、方位角１８０°方向で横倍率が最も低い場合）であるとすると、回転非対称光学素子６０を全方位光学系５０の回転対称軸１（図１）を中心に図１２（ｂ）、（ｃ）のように順に回転させることにより、特定の方位角の物体の拡大率を順に変えて観察したり、特定の方位角の方向へ拡大率を順に変えて投影することができるように構成したものである。例えば方位角０°においては、図１２（ａ）の状態で倍率が最も高く、図１２（ｂ）では中間の倍率となり、回転非対称光学素子６０が１８０°回転した図１２（ｃ）の状態では最も低くなる。

なお、結像光学系の場合は、当然像面３０で撮像された円環状の画像を歪補正する必要があることは言うまでもない。また、全周の映像を像面３０上に円環状の映像と表示して投影する場合には、回転非対称光学素子６０の角倍率を考慮して事前に歪ませた映像を電子的に作りだしておくことが必要になる。

実施例３について、図１２と同様な図１３を参照にして説明する。本実施例は、上記実施例２の変形例で、回転非対称光学素子を相互に同心状として２つ６０₁ 、６０₂ 使用し、外側の回転非対称光学素子６０₂ を内側の回転非対称光学素子６０₁ の周りで中心軸１に平行な軸を中心に回転可能に配置し、内側の回転非対称光学素子６０₁ は実施例２と同様に中心軸１の周りに独立に回転可能にすることにより、倍率比を上げたものである。２つの回転非対称光学素子６０₁ 、６０₂ の方位角０°と１８０°の場合の角倍率を例えば２×と０．５×にしておくと、図１３（ａ）の場合は方位角０°の方向では４倍、方位角１８０°の方向では０．２５倍になり倍率比は８倍になる。図１３（ｂ）の場合は方位角によらず角倍率は全方位で１倍とすることが可能である。図１３（ｂ）の場合は、図１３（ａ）の場合と反対に方位角１８０°の方向では４倍、方位角０°の方向では０．２５倍になり倍率比は８倍（１／８倍）になる。

実施例４について、図１２と同様な図１４を参照にして説明する。本実施例は、上記実施例２の変形例で、回転非対称光学素子６０が方位方向に連続的にサジタル断面でのみ形状が異なり、像面３０（図１）上に方位角に応じてサジタル方向のみに連続的に横倍率が異なる全方位の像を結像する場合の例である。本実施例も、実施例２と同様に、図１４（ａ）のように回転非対称光学素子６０を固定して、特定の方位角で最大の倍率とし、別の方位角で最小の倍率となるように構成にすることも、回転非対称光学素子６０を全方位光学系５０の回転対称軸１（図１）を中心に図１４（ｂ）、（ｃ）のように順に回転させることにより、特定の方位角の物体の拡大率を順に変えて観察したり、特定の方位角の方向へ拡大率を順に変えて投影することができるように構成することが可能である。この場合は、メリジオナル断面での倍率変化はないので、回転非対称光学素子６０の第１透過面６１と第２透過面６２のメリジオナル断面での曲率は０である。

実施例５について、図１２と同様な図１５を参照にして説明する。本実施例は、上記実施例２の変形例で、回転非対称光学素子６０が方位方向に連続的にメリジオナル断面でのみ形状が異なり、像面３０（図１）上に方位角に応じてメリジオナル方向のみに連続的に横倍率が異なる全方位の像を結像する場合の例である。この実施例では、回転非対称光学素子６０の第１透過面６１のメリジオナル断面での曲率半径を方位角により異ならせることによりメリジオナル方向の横倍率を連続的に異ならせている。本実施例も、実施例２と同様に、図１５（ａ）のように回転非対称光学素子６０を固定して、特定の方位角で最大の倍率とし、別の方位角で最小の倍率となるように構成にすることも、回転非対称光学素子６０を全方位光学系５０の回転対称軸１（図１）を中心に図１５（ｂ）、（ｃ）のように順に回転させることにより、特定の方位角の物体の拡大率を順に変えて観察したり、特定の方位角の方向へ拡大率を順に変えて投影することができるように構成することが可能である。

実施例１の場合は、回転非対称光学素子６０の第１透過面６１と第２透過面６２の面間隔も変化しているために、メリジオナル断面の曲率変化は小さくても倍率比をとることが可能であるが、光学系の外周が回転非対称光学素子６０の回転により変化するために、光学系を保護する外筒を比較的大きくする必要がある。本実施例の場合は、回転非対称光学素子６０の２つの透過面６１と６２の面間隔は変化しないために、回転非対称光学素子６０を回転させても光学系を保護する外筒を含めて小型にできるメリットがある。

実施例６について、図１２と同様な図１６を参照にして説明する。本実施例は、上記の実施例４の変形例である。実施例４では、回転非対称光学素子６０の第１透過面６１は、回転中心が偏心した円であり、第２透過面６２は全方位光学系５０の回転対称軸１に同心な円形で構成されていた。しかし、第１透過面６１は円形に限らず、図１６（ａ）に示すように、楕円にして積極的にサジタル断面の曲率を変えることにより、倍率比を大きくとることが可能となる。さらに好ましくは、このときの焦点位置変化を最小にするために、第２透過面６２も楕円にすることが好ましい。

当然、回転非対称光学素子６０の第１透過面６１、第２透過面６２のメリジオナル断面の形状にも、方位角による曲率変化を与えらることができることは言うまでもない。

本実施例の場合は、特に自動車等の周辺監視装置として使うと、主に必要となる前後方向の監視の解像力を高くすることが可能であり、好ましい。

さらに、図１６（ｂ）、図１６（ｃ）のように、回転非対称光学素子６０の第１透過面６１（必要に応じて第２透過面６２も）は円形や楕円に限らず、角を丸めた三角形（おむすび形）や、四角形で構成することも可能である。

次に、実施例７について、図１７、図１８を参照にして説明する。図１７はこの実施例７の光学系の模式的な斜視図であり、図１８は、図１と同様に、実施例７の光学系の全方位光学系５０の中心軸（回転対称軸）１に沿い、かつ、方位０°方向からの中心光線（主光線）３₀ と方位１８０°方向からの中心光線（主光線）３₁₈₀ を含む断面図である。

本実施例において、全方位光学系５０は実施例１と全く同じであり、説明は省略する。そして、その全方位光学系５０の入射面１１の全周を取り囲むように配置されている回転非対称光学素子６０が、方位方向に応じてメリジオナル方向の偏向角が連続的に変化しているものである。そのために、図１７、図１８から明らかなように、回転非対称光学素子６０の第１透過面６１を中心軸（回転対称軸）１に対して斜めにすることにより、方位角に応じて観察画角又は投影画角を上下（中心軸（回転対称軸）１に沿う方向）に振ることが可能となる。

この実施例において、図１７に示すように、回転非対称光学素子６０を全方位光学系５０の回転対称軸１の周りに回転可能に配置することにより、特定の方位角の画角を上下に振ることが可能となる。

この実施例７の仕様は、
水平画角 ３６０°
垂直画角 ４０°（中心画角−８°（方位角０°）
〜＋８°（方位角１８０°））
〜４０°（方位角１８０°）
入射瞳径 １．００ｍｍ
像の大きさ φ２．０７ｍｍ〜φ５．９２ｍｍ（方位角０°）
である。

本実施例の光学系の構成パラメータは後記する。この実施例の構成パラメータの取り方は実施例１と同様である。

この場合も、回転非対称光学素子６０の第１面６１は、中心軸（回転対称軸）１を回転中心とする拡張回転自由曲面（断面直線）であって方位角毎に傾き角が異なる形状の拡張回転自由曲面を滑らかに結んでなる回転非対称面からなる。なお、後記の実施例１の構成パラメータにおいては、この第１面６１も拡張回転自由曲面と表記してあるが、実際はこのような回転非対称面である。

以下に、上記実施例１、７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 ＥＲＦＳ[1] 偏心(1) 1.5163 64.1
2 ＥＲＦＳ[2]
3 ∞（入射瞳面） 偏心(2)
4 ＥＲＦＳ[3] 偏心(3) 1.5163 64.1
5 ＥＲＦＳ[4] （ＲＥ） 偏心(4) 1.5163 64.1
6 ＥＲＦＳ[5] （ＲＥ） 偏心(5) 1.5163 64.1
7 ＡＳＳ[1] 偏心(6)
8 ∞（絞り） 偏心(7)
9 -10.23 偏心(8) 1.5208 67.0
10 -4.76 偏心(9)
11 -27.34 偏心(10) 1.6038 61.2
12 -3.06 偏心(11) 1.7552 27.6
13 -4.23 偏心(12)
14 6.25 偏心(13) 1.4979 69.3
15 -4.40 偏心(14) 1.7509 32.2
16 14.03 偏心(15)
像 面 ∞ 偏心(16)
ＥＲＦＳ[1]
方位角 0 45 90 135 180（°）
ＲＹ 11.80 11.44 9.81 8.49 8.04
θ 0.00
Ｒ -25.00
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 7.70
θ 0.00
Ｒ -18.00
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 12.80
θ -37.53
Ｒ -17.20
Ｃ₄ 5.6233 ×10^-4
ＥＲＦＳ[4]
ＲＹ -540.67
θ -42.20
Ｒ 12.04
Ｃ₃ -1.2313 ×10^-2
Ｃ₄ 9.0272 ×10^-6
Ｃ₅ -4.1194 ×10^-6
ＥＲＦＳ[5]
ＲＹ -18.83
θ -86.79
Ｒ 5.54
Ｃ₃ 2.2700 ×10^-2
Ｃ₄ -4.8733 ×10^-5
Ｃ₅ 3.9655 ×10^-6
ＡＳＳ[1]
Ｒ -60.87
ｋ 0.0000
ａ 7.5446 ×10^-3
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -6.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -17.20
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ -7.22 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
Ｘ 0.00 Ｙ 11.14 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(6)
Ｘ 0.00 Ｙ -11.92 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(7)
Ｘ 0.00 Ｙ -12.42 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(8)
Ｘ 0.00 Ｙ -12.92 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(9)
Ｘ 0.00 Ｙ -14.58 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(10)
Ｘ 0.00 Ｙ -14.68 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(11)
Ｘ 0.00 Ｙ -16.18 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(12)
Ｘ 0.00 Ｙ -17.18 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(13)
Ｘ 0.00 Ｙ -17.28 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(14)
Ｘ 0.00 Ｙ -19.78 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(15)
Ｘ 0.00 Ｙ -20.78 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(16)
Ｘ 0.00 Ｙ -24.07 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00 。

実施例７
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ＥＲＦＳ[1] 偏心(1) 1.5163 64.1
2 ＥＲＦＳ[2]
3 ∞（入射瞳面） 偏心(2)
4 ＥＲＦＳ[3] 偏心(3) 1.5163 64.1
5 ＥＲＦＳ[4] （ＲＥ） 偏心(4) 1.5163 64.1
6 ＥＲＦＳ[5] （ＲＥ） 偏心(5) 1.5163 64.1
7 ＡＳＳ[1] 偏心(6)
8 ∞（絞り） 偏心(7)
9 -10.23 偏心(8) 1.5208 67.0
10 -4.76 偏心(9)
11 -27.34 偏心(10) 1.6038 61.2
12 -3.06 偏心(11) 1.7552 27.6
13 -4.23 偏心(12)
14 6.25 偏心(13) 1.4979 69.3
15 -4.40 偏心(14) 1.7509 32.2
16 14.03 偏心(15)
像 面 ∞ 偏心(16)
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ ∞
方位角 0 45 90 135 180（°）
θ 14.76 7.63 0.00 -7.63 -14.77
Ｒ -25.00
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ ∞
θ 0.00
Ｒ -18.00
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 12.80
θ -37.53
Ｒ -17.20
Ｃ₄ 5.6233 ×10^-4
ＥＲＦＳ[4]
ＲＹ -540.67
θ -42.20
Ｒ 12.04
Ｃ₃ -1.2313 ×10^-2
Ｃ₄ 9.0272 ×10^-6
Ｃ₅ -4.1194 ×10^-6
ＥＲＦＳ[5]
ＲＹ -18.83
θ -86.79
Ｒ 5.54
Ｃ₃ 2.2700 ×10^-2
Ｃ₄ -4.8733 ×10^-5
Ｃ₅ 3.9655 ×10^-6
ＡＳＳ[1]
Ｒ -60.87
ｋ 0.0000
ａ 7.5446 ×10^-3
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -17.20
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ -7.22 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
Ｘ 0.00 Ｙ 11.14 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(6)
Ｘ 0.00 Ｙ -11.92 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(7)
Ｘ 0.00 Ｙ -12.42 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(8)
Ｘ 0.00 Ｙ -12.92 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(9)
Ｘ 0.00 Ｙ -14.58 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(10)
Ｘ 0.00 Ｙ -14.68 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(11)
Ｘ 0.00 Ｙ -16.18 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(12)
Ｘ 0.00 Ｙ -17.18 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(13)
Ｘ 0.00 Ｙ -17.28 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(14)
Ｘ 0.00 Ｙ -19.78 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(15)
Ｘ 0.00 Ｙ -20.78 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(16)
Ｘ 0.00 Ｙ -24.07 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00 。

次に、実施例８について、図１と同様な図１９を参照にして説明する。本実施例は、方位角に応じて角倍率が異なる回転非対称光学素子６０として、反射面２面６１’、６２’を用いて構成したものである。この例の場合、反射面６１’の面形状が方位角に応じてメリジオナル方向、サジタル方向共に連続的に変化するものを用いて構成したものである。回転非対称光学素子６０にも反射面６１’、６２’を用いると、回転非対称光学素子６０での色収差の発生がないために、解像力が向上する。しかし、光束のケラレが生じるために反射面６１’をメリジオナル断面で偏心させて配置する必要がある。そこで、反射面６１’、６２’には、拡張回転自由曲面の奇数時項を使うことにより良い結果を得ることができる。さらに、反射面のみに限らず、透過面２面と反射面２面よりなる円管状のブロックで回転非対称光学素子６０を構成することにより、反射面の保持機構が簡略化でき好ましい。

なお、この実施例においても、全方位光学系５０は実施例１と同じものを用いており、説明は省略する。

次に、実施例９について、図１２と同様な図２０を参照にして説明する。以上の実施例の光学系では、方位３６０°の範囲の画像を途切れることなく連続的に倍率を変えるか偏向して撮像したり、投影する光学系であったが、本実施例は不連続に任意の方位角範囲を切り出して倍率を異ならせたり偏向角を異ならせることが可能となるものである。すなわち、図２０に示すように、回転非対称光学素子６０は、円周方向に区分して不連続な光学面６１（必要に応じて第２透過面６２も）で円管状に構成したもので、例えば、円周方向に区分された領域Ａは拡大領域、領域Ｂは通常観察領域、領域Ｃは縮小領域、領域Ｄは観察画角を偏向する領域とするものである。

以上の実施例１〜９から離れて、本発明の光学系を中心軸１を含む断面で中心軸１を中心に１／２又は３／４、１／４等任意の角度でのみ使用できるように構成することも、本発明に趣旨と矛盾することなく実施することが可能である。また、例えば円周方向の１／２の角度範囲で使用する場合は、全方位光学系５０の回転対称軸１の中心に像面３０に配置する撮像素子を必ずしも持ってくることは必要ではなく、撮像素子を回転対称軸１に対してシフト（偏心）して配置することにより、撮像素子の画素を有効に使用することが可能となる。

ところで、前記したように、本発明の光学系で用いる全方位光学系５０は如何なるものを用いてもよいが、以下に特許文献１〜１３等において知られているものとは別の形態の例を示す。これらの形態においては、入射瞳６Ｙを第１透過面１１近傍に形成されている。

図２１は、中心軸の周りで回転対称な１つの反射面１２を含み１回反射する形態の全方位光学系５０の中心軸（回転対称軸）１に沿ってとった断面図である。

この実施例の全方位光学系５０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、地上方向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、１面の内面反射面１２と２面の透過面１１、１３を持つものである。内面反射面１２と透過面１１、１３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、中心軸１に対して第１透過面１１と同じ側に位置し、第１透過面１１から入射した光束が入射する反射面１２と、同じく中心軸１に対して第１透過面１１と同じ側に位置し、後群２０に面していて、反射面１２で反射された光束が入射する第２透過面１３とからなり、例えば何れも拡張回転自由曲面からなる。

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。

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、反射面１２に入射して後群２０側へ反射された光束は第２透過面１３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。

この実施例の光学系では、前群１０と後群２０の間に位置する開口（絞り）５が物体側に逆投影されて中心軸１を含む断面方向の入射瞳６Ｙを第１透過面１１近傍に形成している。

そして、この実施例の光学系では、入射瞳６Ｙを経て遠方から入射する光束２、４Ｕ、４Ｌ（光束４Ｕは遠方の空側から入射する光束、４Ｌ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２１）内では、反射面１１と第２透過面１３の間の反射面１１寄りの位置７Ｙに１回結像し、また、中心軸１を含む面に直交しその光束の中心光線３を含む平面内では中間の実像を結像しない。

図２２は、中心軸の周りで回転対称な３つの反射面１２を含み３回反射する形態の全方位光学系５０の中心軸（回転対称軸）１に沿ってとった断面図である。

この実施例の全方位光学系５０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、地上方向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、例えば何れも拡張回転自由曲面からなる。

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、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。

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。

この実施例の光学系では、前群１０と後群２０の間に位置する開口（絞り）５が物体側に逆投影されて中心軸１を含む断面方向の入射瞳６Ｙを第１透過面１１近傍に形成している。

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、４Ｕ、４Ｌ（光束４Ｕは遠方の空側から入射する光束、４Ｌ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２２）内では、第１反射面１２と第２反射面１３の間の位置７Ｙ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３を含む平面内では実像を結像しない。

図２３は、中心軸の周りで回転対称な１つの反射面１２を含み１回反射する形態の全方位光学系５０の中心軸（回転対称軸）１に沿ってとった断面図である。

この実施例の全方位光学系５０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、前群１０と後群２０の間に中心軸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から離れる方向に向き、地上方向が内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、１面の内面反射面１２と２面の透過面１１、１３を持つものである。内面反射面１２と透過面１１、１３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、４枚のレンズＬ１〜Ｌ４を含み２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を挟んで反対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内面反射面１２と、後群２０に面していて、内面反射面１２で反射された光束が入射する第２透過面１３とからなり、第１透過面１１、内面反射面１２、第２透過面１３は何れも例えば拡張回転自由曲面面で構成されている。

後群２０を構成するレンズ系は、前群１０側から順に、前群１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と両凸正レンズＬ２の接合レンズと、前群１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ３と両凸正レンズＬ４の接合レンズとからなる。

そして、中心軸１が垂直方向を向き、像面３０が天頂方向を向いた配置の場合、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、内面反射面１２に入射して後群２０側へ反射された光束は第２透過面１３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。

この実施例の光学系では、前群１０と後群２０の間に位置する開口（絞り）５が物体側に投影されてメリジオナル断面内では入射瞳６Ｙを第１透過面１１近傍に形成しており、サジタル断面内では中心軸（回転対称軸）１上に入射瞳を形成している。

そして、この実施例の光学系では、入射瞳６Ｙを経て遠方から入射する光束２、４Ｕ、４Ｌを、中心軸１を含む断面（メリジオナル断面：図２３）内では、第１透過面１１と内面反射面１２の間の内面反射面１２寄りの位置７Ｙに１回結像し、また、中心軸１を含む面に直交しその光束の中心光線３を含む平面（サジタル断面）内では、内面反射面１２と第２透過面１３の間の内面反射面１２寄りの位置に１回結像している。

以下に、本発明の回転非対称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２４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２４（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。図２４（ｂ）にその先端の概略の構成を示す。本発明によるパノラマ撮影光学系３１の回転非対称光学素子６０の周囲には円周方向にスリット状に伸びる開口１６を有するケーシング等からなるフレア絞り１７が配置され、フレアー光が入射するのを防止している。また、図２４（ｃ）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を同様に取り付けて、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２５（ａ）は、自動車４８の各コーナやヘッド部のポールの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を示す図であり、図２５（ｂ）にその先端の概略の構成を示す。本発明によるパノラマ撮影光学系３１の回転非対称光学素子６０には円周方向にスリット状に伸びる開口１６を有するケーシング等からなるフレア絞り１７が配置され、フレアー光が入射するのを防止している。

図２６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２７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。

本発明の実施例１の回転非対称光学系の全方位光学系の中心軸に沿い、かつ、方位０°方向からの中心光線と方位１８０°方向からの中心光線を含む断面図である。 実施例１の回転非対称光学系の全方位光学系の中心軸に沿い、かつ、方位９０°方向からの中心光線を含む断面図である。 実施例１の回転非対称光学系の全方位光学系の中心軸に直交する面へ光路を投影した平面図である。 実施例１の回転非対称光学系の像面に結像される像の倍率を模式的に示す図である。 実施例１の光学系全体の方位角０°における横収差を示す図である。 実施例１の光学系全体の方位角４５°における横収差を示す図である。 実施例１の光学系全体の方位角９０°における横収差を示す図である。 実施例１の光学系全体の方位角１３５°における横収差を示す図である。 実施例１の光学系全体の方位角１８０°における横収差を示す図である。 実施例１の回転非対称光学素子の方位角によるサジタル断面での角倍率の変化とメリジオナル断面での角倍率の変化を示す図である。 実施例１の光学系全体のメリジオナルディストーションを示す図である。 実施例２の回転非対称光学系の模式的な斜視図である。 実施例３の回転非対称光学系の模式的な斜視図である。 実施例４の回転非対称光学系の模式的な斜視図である。 実施例５の回転非対称光学系の模式的な斜視図である。 実施例６の回転非対称光学系の模式的な斜視図である。 実施例７の回転非対称光学系の模式的な斜視図である。 実施例７の回転非対称光学系の図１と同様の断面図である。 実施例８の回転非対称光学系の図１と同様の断面図である。 実施例９の回転非対称光学系の模式的な斜視図である。 中心軸の周りで回転対称な１つの反射面を含み１回反射する形態の本発明において利用可能な全方位光学系の中心軸に沿ってとった断面図である。 中心軸の周りで回転対称な３つの反射面を含み３回反射する形態の本発明において利用可能な全方位光学系の中心軸に沿ってとった断面図である。 中心軸の周りで回転対称な１つの反射面を含み１回反射する別の形態の本発明において利用可能な全方位光学系の中心軸に沿ってとった断面図である。 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を用いた例を示すための図である。 自動車の各コーナやヘッド部のポールの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を用いた例を示すための図である。 投影装置の投影光学系として本発明によるパノラマ投影光学系を用いた例を示すための図である。 屋外の被写体を本発明によるパノラマ撮影光学系を経て撮影し、屋内に本発明によるパノラマ投影光学系を通して投影表示する例を示すための図である。

符号の説明

１…中心軸（回転対称軸）
２…遠方から入射する中心光束
３…中心光束の中心光線（主光線）
４Ｕ…遠方の空側から入射する光束
４Ｌ…遠方の地側から入射する光束
５…開口（絞り）
６Ｙ…メリジオナル断面内での入射瞳
７Ｙ…メリジオナル断面内での中間像結像位置
１０…前群
１１…前群の第１面
１２…前群の第２面
１３…前群の第３面
１４…前群の第４面
１５…円筒状のスリット又は輪帯状のスリット
１６…円周方向にスリット状に伸びる開口
１７…フレア絞り
１８…砂目処理又は黒い塗料
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
５０…全方位光学系
６０、６０₁ 、６０₂ …回転非対称光学素子
６１…回転非対称光学素子の第１透過面
６２…回転非対称光学素子の第２透過面
６１’…回転非対称光学素子の第１反射面
６２’…回転非対称光学素子の第２反射面
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ…領域
Ｌ１〜Ｌ６…レンズ
Ｏ…被写体
Ｏ’…映像

Claims (12)

1. 中心軸の周りで回転対称な少なくとも１つの反射面を含み、中心軸の周りで回転対称で、３６０°全方位の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方位光学系と、結像光学系の場合は光線の進む順に、投影光学系の場合は光線の進む順とは反対に、前記全方位光学系の入射面の全周を取り囲むように配置され、中心軸の周りで回転非対称な回転非対称光学素子とからなることを特徴とする回転非対称光学系。
2. 前記回転非対称光学素子は、方位角に応じて角倍率が異なるものであることを特徴とする請求項１記載の回転非対称光学系。
3. 前記回転非対称光学素子は、方位角に応じて中心軸に沿う方向の偏向角が異なるものであることを特徴とする請求項１記載の回転非対称光学系。
4. 結像光学系の場合は光線の進む順に、投影光学系の場合は光線の進む順とは反対に、前記全方位光学系の入射面から入射した各方位角からの光束は前記全方位光学系を経て像面の中心軸から外れた位置に結像するものであり、前記回転非対称光学素子は、中心軸を含む断面内の角倍率と、その断面に対して直交しその光束の中心光線を含む断面内の角倍率の少なくとも一方が方位角に応じて異なることを特徴とする請求項２記載の回転非対称光学系。
5. 前記回転非対称光学素子は、屈折面のみからなることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の回転非対称光学系。
6. 前記回転非対称光学素子は、反射面を含むことを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の回転非対称光学系。
7. 前記回転非対称光学素子の方位角による中心軸を含む断面内のパワーの変化をΔＰｍ、中心軸を含む断面に対して直交し中心光線を含む断面内でのパワー変化をΔＰｓとするとき、
   ΔＰｍ＜０．１（１／ｍｍ） ・・・（１）
   ΔＰｓ＜０．１（１／ｍｍ） ・・・（２）
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の回転非対称光学系。
8. 前記回転非対称光学素子が中心軸の周りで回転可能に配置されていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載の回転非対称光学系。
9. 前記回転非対称光学素子の全周を取り囲むように第２の回転非対称光学素子が配置され、前記回転非対称光学素子の周りで中心軸に平行な軸を中心に回転可能に配置されていることを特徴とする請求項８記載の回転非対称光学系。
10. 前記全方位光学系の中心軸を含む断面内の入射瞳が、前記全方位光学系の前記入射面を構成する透過面近傍に位置することを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の回転非対称光学系。
11. 前記全方位光学系の少なくとも１つの反射面は、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状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１０の何れか１項記載の回転非対称光学系。
12. 前記全方位光学系は、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１１の何れか１項記載の回転非対称光学系。

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