JP2007192966A - 光学系本発明は、光学系に関し、特に、立体形状の表示面、例えば円筒、球、円錐状の表示面を回転中心上を使わないで３６０°全方位方向に投影したり、３６０°全方位からの映像を例えば円筒、球、円錐状の立体形状の撮像面に撮像する光学系であって、円環状の光学素子を用いて高精細に投影又は撮像することが可能な回転対称な光学系に関するものである。 - Google Patents

Abstract

【課題】全方位からの映像を円筒、球、円錐状等の立体撮像面に撮像したり、そのような立体形状の表示面を遠方の全方位に投影するための良好に収差補正され高精細な像を撮像したり投影できる光学系。
【解決手段】３６０°全方位方向からの映像を回転対称な立体形状の像面２に結像させる光学系であって、２つの群１０、２０を備え、中間像３を１回以上結像するように構成され、前群１０及び後群２０はそれぞれ回転対称な少なくとも１つの反射面１１、２１を有する。
【選択図】図１

Description

従来、３６０°のスクリーンに映像を投影する場合には、複数台のプロジェクターからの映像をスクリーン上で繋ぎ合わせるか、魚眼レンズ等の広角な光学系により投影していた。そのような従来技術としては、特許文献１〜７に記載のものがある。
米国特許出願公開第２００４／８４２３号明細書 特公平６−８５０１９号公報 米国特許第５４７３４７４号明細書 米国特許第３２８３６５３号明細書 米国特許第３５５２８２０号明細書 米国特許第６６１１２８２号明細書 米国特許第６５９７５２０号明細書

しかしながら、従来の３６０°全方位へ投影する場合あるはその逆の場合、単数又は複数の平面から円筒面あるいは球面上に投影したりその逆の結像を行わせるものであり、例えば円筒、球、円錐状の面から円筒面あるいは球面上に投影したりその逆の結像を行わせるものはなかった。

ところで、有機ＥＬ表示素子を取り上げると明らかなように、今後の表示素子や撮像素子は、円筒面、球面、円錐面等の回転対称な曲面を表示面としたり撮像面とする表示素子、撮像素子が十分可能である。

本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、全方位からの映像を例えば円筒、球、円錐状の立体撮像面に撮像したり、そのような立体形状の表示面を遠方の全方位に投影するための良好に収差補正され高精細な像を撮像したり投影できる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°全方位方向からの映像を回転対称な立体形状の像面に結像させる光学系であって、２つの群を備え、中間像を１回以上結像するように構成され、前記３６０°全方位側の群を前群、前記像面側の群を後群とするとき、前記前群及び前記後群はそれぞれ回転対称な少なくとも１つの反射面を有することを特徴とする。

この場合、前記回転対称な立体形状の像面と前記回転対称な反射面は同軸であることが望ましい。

また、サジタル断面の入射瞳とサジタル断面の射出瞳は前記反射面の回転対称軸上の異なる位置に配置されていることが望ましい。

また、前記反射面は、回転対称軸を含む断面内の対称面を持たない任意形状の線分を回転対称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もの、回転対称軸を含む断面内の奇数次項を含む任意形状の線分を回転対称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ものとすることができる。もちろん、球面でもよい。

また、前記像面は前記回転対称な立体形状の内面であっても、外面であってもよい。

また、前記光学系の物体面と像面を逆にして投影光学系に用いることもできる。

以上の本発明によると、全方位からの映像を例えば円筒状、円錐状、球状の立体撮像面に撮像したり、そのような立体形状の表示面を遠方の全方位に投影する光学系であって、良好に収差補正され高精細な像を撮像したり投影できる撮像光学系、投影光学系を得ることができる。

以下、実施例に基づいて本発明の光学系について説明する。原則として、撮像系の場合は順光線追跡での説明であり、投影系の場合は逆光線追跡の順番で説明する。

遠方の３６０°全方位方向からの映像を円筒状、円錐状、球状等の回転対称な立体形状の像面に結像させるようにすることにより、全周の映像を撮像する光学系をシンプルで小型にすることが可能となる。従来の透過レンズで構成する場合には、円筒状の撮像面の周囲に複数の透過レンズ系を放射上に配置し、全周からの映像を撮影する方法が考えられるが、この方法では、各透過レンズ系同士の位置調整を厳密に行わないと、撮像された映像が繋がらない。

投影系の場合は、円筒状、円錐状、球状等の回転対称な立体形状の表示面を持つ表示素子に表示された映像を、その周りの遠方の３６０°全周に投影するようにすることにより投影系をシンプルで小型にすることが可能となる。従来の透過レンズで構成する場合には、円筒状の表示面の周囲に複数の透過レンズ系を放射上に配置し、全周に投影する方法が考えられるが、この方法では、各透過レンズ系同士の位置調整を厳密に行わないと、投影された映像が繋がらない。

また、各光学系（撮像系の場合は撮影レンズ系、投影系の場合は投影レンズ系）の像面は一方向についてのみ湾曲するシリンドリカル面になるので、これを補正するためには回転非対称な光学面を用いる必要があり、製作が難しくなる。

また、先行技術のような光学系では、３６０°の全方位の映像は平面上の円環状の映像として結像される（投影系の場合はそのような表示像を形成する）ために、観察するときにはそのように歪んだ映像を電子的に正しい像に変換することが必要である。また、投影系の場合は正しい像をそのように円環状に歪んだ映像に電子的に変換する必要がある。

そこで、本発明では、以上のような回転対称な立体形状の像面に３６０°全周からの映像を結像させるために、中間像を１回以上結像するように構成し、かつ、２つの群を備えるようにして、前群及び後群はそれぞれ少なくとも１つの回転対称な反射面を有するように構成したものである。

図１は、後記の実施例１の光学系の回転中心軸（回転対称軸）１を含む断面図であり、遠方の３６０°全方位方向からの映像を回転中心軸１の周りで回転対称な立体形状、この実施例では円筒面の像面２に結像する光学系であり、３６０°全方位側の群を前群１０、像面２側の群を後群２０とするとき、前群及び後群はそれぞれ像面２の回転中心軸１を回転対称軸とする回転対称な少なくとも１つの反射面１１、２１を有する（実施例１ではそれぞれ１面の反射面１１、２１を有する。）。そして、この光学系は、像面２に３６０°全方位方向からの映像を結像する前に少なくとも１回中間像を結像する構成になっている（実施例１では反射面１１と反射面２１の間の位置３に１回の中間像を結像する。）。

３６０°全方位方向に連続している映像を円筒面等の立体形状の像面２に結像するためには、光学系構成する光学面（反射面、屈折面）は回転対称である必要があるが、屈折光学素子のみで光学系を構成すると、全ての屈折面が回転対称軸１に対して回転対称になってしまい、サジタル断面（回転中心軸１を含む断面がメリジオナル断面（図１）であり、そのメリジオナル断面における軸上主光線を含み、メリジオナル断面に垂直な断面）での結像に必要な正のパワーを光学系に持たせることが非常に困難になる。そこで、本発明では、３６０°全方位側の群を前群１０、像面２側の群を後群２０とするとき、前群１０及び後群２０に、回転対称な円環状の反射面１１、２１をそれぞれ少なくとも１面有するようにする。

先行技術においては回転対称な光学系により３６０°の全方位の映像を平面上の円環状の映像として結像する構成になっているが、入射側の前群の光学系は像面中心に至る光束を偏心させる偏心光学系になっているので、前群では大きな偏心収差が発生する。特に物体面の傾きに対する偏心収差の補正は非常に難しく、前群だけこれを補正することは難しくなる。

そこで、本発明では、この物体面の傾きを相補うために、円筒状等の立体形状の像面２に結像させるようにするものである。さらに、それでも補正不足になる偏心収差を良好に補正するために、１回以上の中間像を結像するようにし、かつ、光学系が２つの群を備えるようにし、各々の群に少なくとも１面の回転対称な円環状の反射面１１、２１を有するようにするにして、その前群１０と後群２０とで偏心収差を相補う構成にすることにより、良好な収差補正が実現することに成功したものである。

さらに好ましくは、円筒面等の回転対称な立体形状の像面２とその回転対称な反射面１１、２１は同軸にすることが好ましい。この配置にすることにより、３６０°全方位の等距離からの映像を撮像することが可能となる。回転対称軸が一致していないと物体距離に偏りが生じてしまい、高解像な映像を撮像することができなくなってしまう。

さらに、サジタル断面の入射瞳４ｓ（実施例１では、メリジオナル断面の入射瞳４ｍとサジタル断面の入射瞳４ｓは同じ位置に存在する。）とサジタル断面の射出瞳５ｓは回転対称軸１上の離れた配置されていることが好ましい。本発明の光学系のように、３６０°全方位方向からの映像を像面２に結像させる場合、立体形状の像面２に結像する光線はあたかも回転対称軸１上のサジタル断面の入射瞳４ｓから発せられたように前群１０の円環状の反射面１１に到達し、前群１０、後群２０の反射面１１、２１で反射された後にサジタル断面の射出瞳５ｓ（回転対称軸１上）を通るように像面２に向かって進み像面２に結像される。そのとき、サジタル断面の入射瞳４ｓとサジタル断面の射出瞳５ｓが一致又は非常に近くに配置されていると、像面２自体で光線がケラレて（遮断されて）しまい、映像を結像することができない。

さらに好ましくは、反射面１１、２１は回転中心軸１を含む断面内で対称面を持たない任意形状の線分を回転対称軸１の周りで回転させて形成される回転対称な形状にすることが好ましい。この形状により、反射面１１、２１の回転対称軸１方向の上下で部分的な曲率半径を異ならせることが可能となり、偏心のコマ収差と、偏心の像面湾曲を補正することが可能となる。

さらに好ましくは、反射面１１、２１は回転中心軸１を含む断面内で奇数次項を含む任意形状の線分を回転対称軸１の周りで回転させて形成される回転対称な形状にすることにより、さらに自由度の高い補正を行うことが可能となり、収差補正上好ましい。

さらに好ましくは、像面２としては円筒面等の立体形状の内面を使うことにより（実施例３）、後群２０の大きさを小さくすることが可能となる。

さらに好ましくは、特に投影系において、表示素子が自家発光型ではない場合に、立体形状の画像を表示する表示素子の外面を使うことにより（実施例１、２）、照明光源部分の構成を簡略化することが可能となる。

撮像光学系に使う場合には、不要な光線を遮蔽する角度制限手段を有することが望ましく、例えば回転対称軸１上に配置された開口等で制限することも可能である。

また、投影光学系の場合は、表示素子の表示面２を射出する光線の角度を制限するために、表示素子の表示面２を照明する照明手段として角度特性を有するものを用いるとよい。

以上説明したように、本発明は、３６０°全方位方向からの映像を諸収差なく結像するか、３６０度の全方位に映像を諸収差なく投影することが可能な光学系でありながら、回転中心軸１に対して回転対称な形状の反射面１１、２１で光学系を構成することが可能である。回転対称な素子は一般的な回転対称非球面と同様な加工法で加工できるので、安価に製作することが可能である。

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、遠方の物体面（像面２と共役な遠方の物点を意味する。）から回転中心軸１を含むように設定された基準面（座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点）を通り、入射瞳４ｓに向かい、反射面１１、１２を経て像面２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、メリジオナル面における入射瞳４ｍを回転中心軸１に投影した基準面位置を偏心光学系の偏心光学面の原点とし、回転中心軸１の像面２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遠方の物体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、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、トーリック面にはＸトーリック面とＹトーリック面があり、それぞれ以下の式により定義する。なお、面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線がトーリック面の軸となる。面形状の原点に対してＸＹＺ直交座標系をとると、
Ｘトーリック面は、
Ｆ（Ｘ）＝Ｃｘ・Ｘ² ／［１＋｛１−（１＋ｋ）Ｃｘ² ・Ｘ² ｝^1/2 ］ ＋ａＸ⁴ ＋ｂＸ⁶ ＋ｃＸ⁸ ＋ｄＸ¹⁰・・・
Ｚ＝Ｆ（Ｘ）＋（１／２）Ｃｙ｛Ｙ² ＋Ｚ² −Ｆ（Ｘ）² ｝ ・・・（ｂ）
Ｚ軸方向のＹ軸方向曲率Ｃｙの中心を通ってＸ軸に平行な軸の周りで曲線Ｆ（Ｘ）を回転する。その結果、その面はＸ−Ｚ面内で非球面になり、Ｙ−Ｚ面内で円になる。

Ｙトーリック面は、
Ｆ（Ｙ）＝Ｃｙ・Ｙ² ／［１＋｛１−（１＋ｋ）Ｃｙ² ・Ｙ² ｝^1/2 ］ ＋ａＹ⁴ ＋ｂＹ⁶ ＋ｃＹ⁸ ＋ｄＹ¹⁰・・・
Ｚ＝Ｆ（Ｙ）＋（１／２）Ｃｘ｛Ｘ² ＋Ｚ² −Ｆ（Ｙ）² ｝ ・・・（ｃ）
Ｚ軸方向のＸ軸方向曲率Ｃｘの中心を通ってＹ軸に平行な軸の周りで曲線Ｆ（Ｙ）を回転する。その結果、その面はＹ−Ｚ面内で非球面になり、Ｘ−Ｚ面内で円になる。

ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのズレ量、ＣｘはＸ軸方向曲率、ＣｙはＹ軸方向曲率、ｋは円錐係数、ａ、ｂ、ｃ、ｄは非球面係数である。なお、Ｘ軸方向曲率半径Ｒｘ、Ｙ軸方向曲率半径Ｒｙと曲率Ｃｘ、Ｃｙとの間には、
Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ
の関係にある。

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（ｄ）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 ＋・・・・
・・・（ｄ）
次いで、この曲線（ｄ）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。

なお、Ｙ軸に平行な軸を中心軸に持つ円筒面（Ｙシリンドリカル面）は、Ｙトーリック面の１つとして与えられ、Ｒｙ＝∞，ｋ，ａ，ｂ，ｃ，ｄ，…＝０とし、Ｒｘ＝（円筒面の半径）のＹトーリック面として与えられる。

また、Ｙ軸に平行な軸を中心軸に持つ円錐面は拡張回転自由曲面の１つとして与えられ、ＲＹ＝∞，Ｃ₁ ，Ｃ₂ ，Ｃ₃ ，Ｃ₄ ，Ｃ₅ ，…＝０とし、θ＝（円錐面の傾き角）、Ｒ＝（Ｘ−Ｚ面内での底面の半径）として与えられる。

また、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、基準面からの偏心量で表わす。

実施例１の光学系の回転中心軸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回転中心軸１に沿う方向に見た平面図を図２に示す。また、この実施例の光学系全体の無限遠物点の場合の横収差図を図３に示す。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。なお、マイナスの画角は、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。以下、同じ。

本実施例は、それぞれ回転対称な１つの反射面１１、２１からなる前群１０と後群２０からなり、反射面１１と反射面２１の間の位置３に１回の中間像を結像し、円筒面の像面（表示面）２の外面に３６０°全方位方向からの映像を結像する撮像光学系であり、２つの回転対称な反射面１１、２１で構成され、反射面１１、２１は何れも像面２の回転中心軸１を回転対称軸とする回転対称面からなり、反射面１１、反射面２１は何れも拡張回転自由曲面で構成されている。そして、回転対称軸（回転中心軸）１のＹ軸上にサジタル面における入射瞳４ｓと射出瞳５ｓが距離をおいて配置されており、メリジオナル面における入射瞳４ｍはサジタル面における入射瞳４ｓと一致し、メリジオナル面における射出瞳５ｍは後群２０の反射面２１近傍に配置されている。

この構成で、順光線追跡で、無限遠の物点（逆光線追跡では投影面）からの光は、回転中心軸１上の入射瞳４ｓ、４ｍを通って前群１０の反射面１１にＹ軸に対して斜めに偏心光路で入射し、そこで反射されて反射面１１と反射面２１の間の位置３に中間像を結像し、その中間像結像後回転中心軸１に対して反射面１１の反射位置と反対側の後群２０の偏心配置の反射面２１にＹ軸に対して斜めに偏心光路で入射し、そこで反射されてＹ軸上の入射瞳４ｓから離れたサジタル面における射出瞳５ｓに向かって進み、射出瞳５ｓの入射側の円筒状の像面（表示面）２の外面に入射して物点の像を結像する。

このような偏心配置であるので、３６０°全方位方向からの光は、２つの反射面１１、２１で順に反射され、像面２と干渉せずに、上下画角１０°〜３０°の２０°の範囲で、高精細な像を結像することができる。

この実施例１の仕様は、
水平画角 ３６０°
垂直画角 ２０°
入射瞳径 ２．００ｍｍ
像の大きさ φ９．６０ｍｍ、高さ３．０７ｍｍの円筒面
である。

実施例２の光学系の回転中心軸１に沿ってとった断面図を図４に、その光学系内の光路を示す回転中心軸１に沿う方向に見た平面図を図５に示す。また、この実施例の光学系全体の無限遠物点の場合の横収差図を図６に示す。

本実施例は、円環状であって内面反射面１１と入射屈折面１３を持ち、回転中心軸１を回転対称軸とする断面反射プリズム状の屈折率が１より大きな透明媒質１５からなる前群１０と、円環状であって内面反射面２１と射出屈折面２４を持ち、回転中心軸１を回転対称軸とする断面反射プリズム状の屈折率が１より大きな透明媒質２５からなる後群２０とからなり、透明媒質１５と透明媒質２５は連続していて、その連続した透明媒質１５、２５中の反射面１１と反射面２１の間の位置３に１回の中間像を結像し、円筒面の像面（表示面）２の外面に３６０°全方位方向からの映像を結像する撮像光学系であり、２つの回転対称な反射面１１、２１と２つの回転対称な屈折面１３、２４とで構成され、反射面１１、２１と屈折面１３、２４は何れも像面２の回転中心軸１を回転対称軸とする回転対称面からなり、反射面１１、反射面２１は何れも拡張回転自由曲面で構成されており、屈折面１３、２４は何れもトーリック面で構成されている。そして、回転対称軸（回転中心軸）１のＹ軸上にサジタル面における入射瞳４ｓと射出瞳５ｓが距離をおいて配置されており、メリジオナル面における入射瞳４ｍはサジタル面における入射瞳４ｓと一致し、メリジオナル面における射出瞳５ｍは後群２０の反射面２１近傍に配置されている。

この構成で、順光線追跡で、無限遠の物点（逆光線追跡では投影面）からの光は、回転中心軸１上の入射瞳４ｓ、４ｍを通って前群１０の入射屈折面１３を経て透明媒質１５内に入り、反射面１１にＹ軸に対して斜めに偏心光路で入射し、そこで反射されて反射面１１と反射面２１の間の位置３に中間像を結像し、その中間像結像後回転中心軸１に対して反射面１１の反射位置と反対側の後群２０の偏心配置の反射面２１にＹ軸に対して斜めに偏心光路で入射し、そこで反射され後群２０の射出屈折面２４を経て透明媒質２５から出て、Ｙ軸上の入射瞳４ｓから離れたサジタル面における射出瞳５ｓに向かって進み、射出瞳５ｓの入射側の円筒状の像面（表示面）２の外面に入射して物点の像を結像する。

このような偏心配置であるので、３６０°全方位方向からの光は、入射屈折面１３を経て２つの反射面１１、２１で順に反射され、射出屈折面２４を経て像面２と干渉せずに、上下画角１０°〜３０°の２０°の範囲で、高精細な像を結像することができる。

この実施例２の仕様は、
水平画角 ３６０°
垂直画角 ２０°
入射瞳径 ２．００ｍｍ
像の大きさ φ７．４１ｍｍ、高さ１．７５ｍｍの円筒面
である。

本実施例は、反射面１１の物体側、及び、反射面２１と像面２の間に屈折面１３、２４を追加して、メリジオナル断面（図４）方向の画角を大きくとりつつ、像面２側のテレセントリック性を向上させたものである。

実施例３の光学系の回転中心軸１に沿ってとった断面図を図７に、その光学系内の光路を示す回転中心軸１に沿う方向に見た平面図を図８に示す。また、この実施例の光学系全体の無限遠物点の場合の横収差図を図９に示す。

本実施例は、円環状であって入射屈折面１３、内面反射面１１、１２、射出屈折面１４を持ち、回転中心軸１を回転対称軸とする断面反射プリズム状の屈折率が１より大きな透明媒質１５からなる前群１０と、円環状であって入射屈折面２３、内面反射面２１、２２、射出屈折面２４を持ち、回転中心軸１を回転対称軸とする断面反射プリズム状の屈折率が１より大きな透明媒質２５からなる後群２０とからなり、前群１０と後群２０の間の回転中心軸１と同軸に絞り６を有するものである。この光学系は、前群１０の入射屈折面１３と内面反射面１１の間の位置３₁ と、後群２０の入射屈折面２３と内面反射面２１の間の位置３₂ の２か所の中間像を結像し、円筒面の像面（表示面）２の内面に３６０°全方位方向からの映像を結像する撮像光学系であり、４つの回転対称な反射面１１、１２、２１、２２と４つの回転対称な屈折面１２、１４、２３、２４とで構成され、これらの面は像面２の回転中心軸１を回転対称軸とする回転対称面からなり、その中、屈折面１３はトーリック面で構成されており、反射面１１、１２、２１、２２は何れも拡張回転自由曲面で構成されており、屈折面１４、２３は球面で構成されており、屈折面２４は拡張回転自由曲面で構成されている。そして、前群１０の入射屈折面１３近傍にメリジオナル面における入射瞳４ｍが位置し、回転対称軸（回転中心軸）１のＹ軸上にサジタル面における入射瞳４ｓと射出瞳５ｓが距離をおいて配置されており、メリジオナル面における射出瞳５ｍは後群２０の反射面２２と屈折面２４との間に配置されている。

この構成で、順光線追跡で、無限遠の物点（逆光線追跡では投影面）からの光は、メリジオナル面における入射瞳４ｍを通り、前群１０の入射屈折面１３を経て透明媒質１５内に入り、回転中心軸１に対して屈折面１３の入射位置と反対側の反射面１１、１２で順に偏心光路を経て反射し、回転中心軸１近傍の射出屈折面１４を経て透明媒質１５を出て、絞り６を経て後群２０の入射屈折面２３に入射することで透明媒質２５内に入り、回転中心軸１に対して反射面１１、１２の反射位置と反対側の反射面２１、２２で順に偏心光路を経て反射し、反射面２１、２２の反射位置と反対側の射出屈折面２４を経て透明媒質２５を出て、Ｙ軸上の入射瞳４ｓから離れたサジタル面における射出瞳５ｓに向かって進み、射出瞳５ｓの入射側の円筒状の像面（表示面）２の内面に入射して物点の像を結像する。

このような偏心配置であるので、３６０°全方位方向からの光は、４つの反射面１１、１２、２１、２２と４つの屈折面１２、１４、２３、２４を経て像面２と干渉せずに、上下画角−２０°〜＋２０°の４０°の範囲で、高精細な像を結像することができる。

この実施例３の仕様は、
水平画角 ３６０°
垂直画角 ４０°
入射瞳径 １．００ｍｍ
像の大きさ φ４２．６４ｍｍ、高さ４．６２ｍｍの円筒面
である。

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“ＹＴＲ”はＹトーリック面、“ＥＲＦＳ”は拡張回転自由曲面を示す。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）
2 ＥＲＦＳ[1] （ＲＥ） 偏心(1)
3 ＥＲＦＳ[2] （ＲＥ） 偏心(2)
像 面 ＹＴＲ[1] 偏心(3)
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -31.95
θ 0.00
Ｒ -19.57
Ｃ₄ 1.7241 ×10^-4
Ｃ₅ 1.0141 ×10^-6
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 20.23
θ 11.42
Ｒ 20.49
Ｃ₄ -4.3235 ×10^-5
Ｃ₅ -1.8018 ×10^-5
ＹＴＲ[1]
Ｒｘ 4.80
Ｒｙ ∞
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ -7.12 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ -21.70 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ -20.92 Ｚ 0.00 。
α 0.00 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）
2 ＥＲＦＳ[1] 偏心(1) 1.5163 64.1
3 ＥＲＦＳ[2] （ＲＥ） 偏心(2) 1.5163 64.1
4 ＥＲＦＳ[3] （ＲＥ） 偏心(3) 1.5163 64.1
5 ＥＲＦＳ[4] 偏心(4)
像 面 ＹＴＲ[1] 偏心(5)
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -7.23
θ -17.71
Ｒ -10.00
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ -25.38
θ 4.12
Ｒ -18.46
Ｃ₄ 6.3491 ×10^-5
Ｃ₅ 5.8712 ×10^-6
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 16.07
θ 17.45
Ｒ 15.69
Ｃ4 7.2941 ×10^-5
Ｃ5 -2.6769 ×10^-5
ＥＲＦＳ[4]
ＲＹ -3.73
θ 0.00
Ｒ 5.00
ＹＴＲ[1]
Ｒｘ 3.70
Ｒｙ ∞
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ -3.64 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ -6.59 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ -24.33 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ -22.93 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
Ｘ 0.00 Ｙ -22.67 Ｚ 0.00
α 0.00 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）
2 ＥＲＦＳ[1] 偏心(1) 1.5163 64.1
2 ＥＲＦＳ[2] （ＲＥ） 偏心(2) 1.5163 64.1
3 ＥＲＦＳ[3] （ＲＥ） 偏心(3) 1.5163 64.1
4 -12.88 偏心(4)
5 ∞（絞り面） 偏心(5)
6 14.40 偏心(6) 1.5163 64.1
7 ＥＲＦＳ[4] （ＲＥ） 偏心(7) 1.5163 64.1
8 ＥＲＦＳ[5] （ＲＥ） 偏心(8) 1.5163 64.1
9 ＥＲＦＳ[6] 偏心(9)
像 面 ＹＴＲ[1] 偏心(10)
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 6.92
θ -37.24
Ｒ 38.64
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ -56.93
θ -30.73
Ｒ -32.14
Ｃ₄ -1.2781 ×10^-5
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ -52.66
θ -78.35
Ｒ -12.58
Ｃ₄ 2.1075 ×10^-4
ＥＲＦＳ[4]
ＲＹ -40.70
θ -92.41
Ｒ 8.11
Ｃ₄ -1.8706 ×10^-4
ＥＲＦＳ[5]
ＲＹ 45.82
θ -44.86
Ｒ 12.99
Ｃ₄ 4.7910 ×10^-4
ＥＲＦＳ[6]
ＲＹ -8.96
θ -36.50
Ｒ -18.32
Ｃ₅ 5.9339 ×10^-4
ＹＴＲ[1]
Ｒｘ -21.32
Ｒｙ ∞
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 -17.32 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ 4.19 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ -30.72 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
Ｘ 0.00 Ｙ -31.66 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(6)
Ｘ 0.00 Ｙ -32.60 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(7)
Ｘ 0.00 Ｙ -54.38 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(8)
Ｘ 0.00 Ｙ -35.22 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(9)
Ｘ 0.00 Ｙ -43.03 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(10)
Ｘ 0.00 Ｙ -43.08 Ｚ 21.32
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。

以上、実施例１〜３に基づいて本発明の光学系を説明してきたが、以上の実施例の光学系で、入射瞳４ｍ、４ｓから離れて物体側に回転中心軸１と同心に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（回転中心軸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、入射瞳４ｍ、４ｓ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、回転中心軸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投影あるいは撮像させることも容易である。

また、本発明の光学系の回転中心軸１の周りで回転対称な反射面１１〜１２、２１〜２２、透明媒質１５、２５はそのまま用いることにより、３６０°全方位の画角を有する映像を撮影したり投影できるが、その反射面１１〜１２、２１〜２２、透明媒質１５、２５を回転中心軸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°等の映像を撮影したり投影するようにしてもよい。

以上、本発明の光学系を回転中心軸（回転対称軸）１を垂直方向に向けて３６０°全方位（全周）遠方からの映像を円筒状の像面に結像させる撮像光学系として説明してきたが、光路を逆にとって、回転中心軸（回転対称軸）１を垂直方向に向けて３６０°全方位（全周）の遠方の円筒状あるいは半球状のスクリーン等の上に、円筒状、円錐状等の立体形状の表示面の像を投影する投影光学系としても使用可能である。

さらに、像面２は円筒面に限らず、円錐面、球面等の回転対称な曲面形状でもよい。

また、トーリック面、拡張回転自由曲面をフレネル面で構成することもできる。また、本発明の光学系は、内視鏡等の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。また、反射面は、円周方向に溝を切ったリニアフレネル反射面を筒状にしても構成可能である。

また、物点距離は無限遠に限らず所定の有限距離とし、その物点距離に対応した像位置を選択するようにすることも可能である。

図１０に本発明の光学系をパノラマ撮影光学系として使用する場合の概略の光路（ａ）と、パノラマ投影光学系として使用する場合の概略の光路（ｂ）を示す。パノラマ撮影光学系として使用する場合、図１０（ａ）に示すように、本発明の光学系３０の回転対称軸１と同心に円筒面、円錐面等の回転対称な立体形状の撮像面２を持つ撮像素子３１を配置し、その光学系３０に３６０°全方位物体からの光３３を入射させることで、撮像面２にそのパノラマ像を結像させることができ、撮像することができる。

パノラマ投影光学系として使用する場合、図１０（ｂ）に示すように、本発明の光学系３０の回転対称軸１と同心に円筒面、円錐面等の回転対称な立体形状の表示面２を持つ表示素子３５を配置し、その表示面２に投影すべき全方位画像を表示させ、表示素子３５の表示面２の背後に配置した照明光源３６を点灯すると、その表示面２からの投影光３７は光学系３０を経て遠方の円筒状あるいは半球状のスクリーン等の上に全方位画像を投影することができる。

本発明の実施例１の光学系の回転中心軸に沿ってとった断面図である。 実施例１の光学系内の光路を示す回転中心軸に沿う方向に見た平面図である。 実施例１の光学系全体の無限遠物点の場合の横収差図である。 本発明の実施例２の光学系の回転中心軸に沿ってとった断面図である。 実施例２の光学系内の光路を示す回転中心軸に沿う方向に見た平面図である。 実施例２の光学系全体の無限遠物点の場合の横収差図である。 本発明の実施例３の光学系の回転中心軸に沿ってとった断面図である。 実施例３の光学系内の光路を示す回転中心軸に沿う方向に見た平面図である。 実施例３の光学系全体の無限遠物点の場合の横収差図である。 本発明の光学系をパノラマ撮影光学系として使用する場合の概略の光路（ａ）とパノラマ投影光学系として使用する場合の概略の光路（ｂ）を示す図である。

符号の説明

１…回転中心軸（回転対称軸）
２…像面（表示面）
３、３₁ 、３₂ …中間像位置
４ｓ…サジタル面の入射瞳
４ｍ…メリジオナル面の入射瞳
５ｓ…サジタル面の射出瞳
５ｍ…メリジオナル面の射出瞳
６…絞り
１０…前群
１１、１２…反射面
１３…入射屈折面
１４…射出屈折面
１５…透明媒質
２０…後群
２１、２２…反射面
２３…入射屈折面
２４…射出屈折面
２５…透明媒質
３０…光学系（本発明）
３１…撮像素子
３３…物体からの光
３５…表示素子
３６…照明光源
３７…投影光

Claims (8)

1. ３６０°全方位方向からの映像を回転対称な立体形状の像面に結像させる光学系であって、２つの群を備え、中間像を１回以上結像するように構成され、前記３６０°全方位側の群を前群、前記像面側の群を後群とするとき、前記前群及び前記後群はそれぞれ回転対称な少なくとも１つの反射面を有することを特徴とする光学系。
2. 前記回転対称な立体形状の像面と前記回転対称な反射面は同軸であることを特徴とする請求項１項記載の光学系。
3. サジタル断面の入射瞳とサジタル断面の射出瞳は前記反射面の回転対称軸上の異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項２記載の光学系。
4. 前記反射面は回転対称軸を含む断面内の対称面を持たない任意形状の線分を回転対称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３の何れか１項記載の光学系。
5. 前記反射面は回転対称軸を含む断面内の奇数次項を含む任意形状の線分を回転対称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３の何れか１項記載の光学系。
6. 前記像面は前記回転対称な立体形状の内面であ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。
7. 前記像面は前記回転対称な立体形状の外面であ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。
8. 前記光学系の物体面と像面を逆にして投影光学系に用い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。

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