JP2008197541A - Optical image forming system, optical device and imaging apparatus - Google Patents

Optical image forming system, optical device and imaging apparatus Download PDF

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JP2008197541A JP2007034913A JP2007034913A JP2008197541A JP 2008197541 A JP2008197541 A JP 2008197541A JP 2007034913 A JP2007034913 A JP 2007034913A JP 2007034913 A JP2007034913 A JP 2007034913A JP 2008197541 A JP2008197541 A JP 2008197541A
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義一 平山
Masato Shibuya
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical image forming system capable of changing a projection system while maintaining a viewing angle, an optical device, and to provide an imaging apparatus that uses the same. <P>SOLUTION: The optical image forming system is equipped with a basic optical system, having an image-forming function as a single body, and a dome-type lens arranged on the object side of the basic optical system, turning its convex surface to the object side, and made variable in terms of its relative position in an optical axis direction to the basic optical system. Then, the thickness of the dome-type lens may be set substantially uniform, or at least one surface of the dome-type lens may be set to be aspherical. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、監視カメラなどの撮像装置に適用される結像光学系、光学装置、及び撮像装置に関する。   The present invention relates to an imaging optical system, an optical apparatus, and an imaging apparatus that are applied to an imaging apparatus such as a surveillance camera.

通常の結像レンズの射影方式には、直線の再現性を良くするために次式(1)で表される射影方式が採用される。
y=ftanθ …(1)
式(1)においてfは結像レンズの焦点距離、θは物体からの光(物体光)が光軸と成す角度(物体角)、yはその物体の像の像高である。この式(1)で表される条件は「正像条件」と呼ばれており、自然な画像を取得するための条件として知られている。
In order to improve straight line reproducibility, a projection method represented by the following equation (1) is adopted as a normal imaging lens projection method.
y = ftanθ (1)
In Expression (1), f is the focal length of the imaging lens, θ is the angle (object angle) formed by the light from the object (object light) and the optical axis, and y is the image height of the image of the object. The condition represented by the equation (1) is called “normal image condition” and is known as a condition for acquiring a natural image.

しかし、現実の結像レンズが正像条件を厳密に満たすことは困難なので、多少の歪曲収差が発生している。歪曲量Dは、或る像の実際の像高をyP、その像の理想像高をy0とおくと次式(2)で表される。
D(%)=100×(yP−y0)/y0 …(2)
一方、魚眼レンズは、通常の結像レンズとは異なり180°近い画角を有するが、この場合に正像条件(式(1))を満たそうとすると、物体角θが90°に近づくにつれて像高yが著しく増大し、θ=90°のときにy=∞となり、非現実的である。このため、魚眼レンズには歪曲収差の発生を許容した他の射影方式が採用される。このうち代表的な射影方式は、以下の2つである。
However, since it is difficult for an actual imaging lens to strictly satisfy the normal image condition, some distortion is generated. The distortion amount D is expressed by the following equation (2), where y P is the actual image height of an image and y 0 is the ideal image height of the image.
D (%) = 100 × (y P −y 0 ) / y 0 (2)
On the other hand, the fish-eye lens has an angle of view close to 180 ° unlike a normal imaging lens. However, in this case, if the normal image condition (formula (1)) is to be satisfied, the image is increased as the object angle θ approaches 90 °. The high y increases remarkably, and y = ∞ when θ = 90 °, which is unrealistic. For this reason, another projection method that allows the generation of distortion is adopted for the fisheye lens. Of these, the two representative projection methods are as follows.

第1の射影方式は、物体角θと像高yとが比例関係にある等距離射影方式であり、次式(3)で表される。
y=fθ …(3)
第2の射影方式は、像高yが物体角θのsinに比例する正射影方式であり、次式(4)で表される。
The first projection method is an equidistant projection method in which the object angle θ and the image height y are in a proportional relationship, and is represented by the following equation (3).
y = fθ (3)
The second projection method is an orthogonal projection method in which the image height y is proportional to sin of the object angle θ, and is expressed by the following equation (4).

y=fsinθ …(4)
このうち等距離射影方式(式(3))は、例えば180°の画角の円形の像を作る円形魚眼レンズに採用され、正射影方式(式(4))は、例えば四角形の画面の対角線方向に180°の画角を持つ対角線魚眼レンズに採用される。
以上を踏まえ、監視カメラに適した結像レンズについて検討する。
y = fsinθ (4)
Of these, the equidistant projection method (Equation (3)) is employed for a circular fisheye lens that produces a circular image with a 180 ° angle of view, for example, and the orthographic projection method (Equation (4)) is for example a diagonal direction of a rectangular screen. It is used for a diagonal fisheye lens with an angle of view of 180 °.
Based on the above, an imaging lens suitable for surveillance cameras will be studied.

仮に、監視カメラに正像条件(式(1))を満たした結像レンズを使用する場合、それを超広角レンズにすれば良いが、監視対象の像の歪みは小さくなるものの、像のサイズが小さくなるので視認性が悪い。
一方、監視カメラに等距離射影方式(式(3))や正射影方式(式(4))の魚眼レンズを使用する場合、監視対象の像のサイズは大きくなるものの、像の歪みが大きくなるので視認性が良いとは言い難い。
If an imaging lens that satisfies the normal image condition (formula (1)) is used for the surveillance camera, it may be an ultra-wide angle lens, but the image size is reduced although the distortion of the image to be monitored is reduced. The visibility is poor because of the small size.
On the other hand, when a fisheye lens of the equidistant projection method (formula (3)) or the orthographic projection method (formula (4)) is used for the surveillance camera, the size of the image to be monitored increases, but the image distortion increases. It is hard to say that the visibility is good.

そこで、等距離射影方式(式(3))又は正射影方式(式(4))を変形し、監視範囲の周辺部の視認性が悪くなることを許容する代わりに、監視範囲の中央部の視認性をより良好にした射影方式が提案された。この射影方式を採用したレンズは「中心窩レンズ」などと呼ばれている(特許文献1等を参照)。因みに、中心窩レンズの像面中央において視認性の良い部分は「中心窩」と呼ばれる。この中心窩レンズは、監視カメラの性能を高める上で有効と考えられる。
特開2004−354572号公報
Therefore, instead of modifying the equidistant projection method (Equation (3)) or the orthographic projection method (Equation (4)) and allowing the visibility of the periphery of the monitoring range to deteriorate, A projection method with better visibility was proposed. A lens employing this projection method is called a “foveal lens” or the like (see Patent Document 1). Incidentally, a portion having good visibility in the center of the image plane of the foveal lens is called a “fovea”. This foveal lens is considered effective in enhancing the performance of the surveillance camera.
JP 2004-354572 A

しかし、監視カメラの監視対象は移動する可能性があるので、結像レンズの射影方式は状況に応じて動的に変化することが望ましい。射影方式が可変であるならば、例えば、平常時は監視範囲の全体を満遍なく監視し、監視範囲の中央部に監視対象が入ったときには、その監視対象を詳細に監視する、といった柔軟な監視動作が可能となるからである。
因みに、射影方式の可変機能を持つレンズとしてズームレンズがあるが、ズームレンズの画角はズームアップにより狭まるので、監視範囲を維持できないという問題がある。
However, since the monitoring target of the monitoring camera may move, it is desirable that the projection method of the imaging lens changes dynamically according to the situation. If the projection method is variable, for example, the entire monitoring range can be monitored uniformly during normal times, and when the monitoring target enters the center of the monitoring range, the monitoring target can be monitored in detail. This is because it becomes possible.
Incidentally, there is a zoom lens as a lens having a variable function of the projection method. However, since the angle of view of the zoom lens is narrowed by zooming up, there is a problem that the monitoring range cannot be maintained.

また、射影方式の可変機能を画像処理によって実現することも可能だが、画像処理では画素補間が不可欠であるため画質の低下が生じ、画像の真正性を保証できないという問題がある。
本発明は、上記の問題に鑑みて成されたもので、画角を維持しつつ射影方式を変化させることの可能な結像光学系、光学装置、及びそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。
Although the variable function of the projection method can be realized by image processing, pixel interpolation is indispensable in image processing, so that there is a problem that image quality deteriorates and the authenticity of the image cannot be guaranteed.
The present invention has been made in view of the above problems, and provides an imaging optical system, an optical apparatus, and an imaging apparatus using the same that can change the projection method while maintaining the angle of view. With the goal.

本発明の結像光学系は、単体で結像機能を持つ基本光学系と、前記基本光学系の物体側に配置され、物体側に凸面を向け、かつ前記基本光学系に対する光軸方向の相対位置が可変のドーム型レンズとを備えたことを特徴とする。
なお、前記ドーム型レンズの厚さは、略均一であることが望ましい。
また、前記ドーム型レンズの少なくとも一方の面は、非球面であることが望ましい。
The imaging optical system of the present invention is a basic optical system having an imaging function as a single unit, and is disposed on the object side of the basic optical system, with a convex surface facing the object side, and relative to the basic optical system in the optical axis direction. And a dome-shaped lens whose position is variable.
It is desirable that the thickness of the dome lens is substantially uniform.
Moreover, it is desirable that at least one surface of the dome lens is an aspherical surface.

また、前記ドーム型レンズの口径は、前記基本光学系の画角を狭めないよう十分に大きく確保されていることが望ましい。
また、本発明の結像光学系の画角は、90°以上であることが望ましい。
また、本発明の光学装置は、本発明の結像光学系と、前記ドーム型レンズを光軸方向に移動させる移動機構と、前記基本光学系の焦点位置を変化させるフォーカシング機構と、を備えたことを特徴とする。
Further, it is desirable that the dome-shaped lens has a sufficiently large aperture so as not to narrow the angle of view of the basic optical system.
In addition, the angle of view of the imaging optical system of the present invention is desirably 90 ° or more.
The optical device of the present invention includes the imaging optical system of the present invention, a moving mechanism that moves the dome-shaped lens in the optical axis direction, and a focusing mechanism that changes the focal position of the basic optical system. It is characterized by that.

また、本発明の撮像装置は、本発明の光学装置と、前記結像光学系が形成する像を検出する撮像素子と、を備えたことを特徴とする。
なお、本発明の撮像装置は、前記撮像素子が取得する画像の変化に応じて前記光学装置を制御する制御手段を更に備えることが望ましい。
An imaging apparatus according to the present invention includes the optical apparatus according to the present invention and an imaging element that detects an image formed by the imaging optical system.
The imaging apparatus of the present invention preferably further includes control means for controlling the optical device in accordance with a change in an image acquired by the imaging element.

本発明によれば、画角を維持しつつ射影方式を変化させることの可能な結像光学系、光学装置、及びそれを用いた撮像装置が実現する。   According to the present invention, it is possible to realize an imaging optical system, an optical apparatus, and an imaging apparatus using the same that can change the projection method while maintaining the angle of view.

[結像光学系の実施形態]
本実施形態の結像光学系は、単体で結像機能を持った基本光学系を備える(図1参照)。この基本光学系の単体の仕様(画角、焦点距離、F値、色収差、全長など)は、監視カメラが要求する仕様を満たしている。例えば、基本光学系の単体の画角は広く、90°以上、望ましくは140°以上である。
[Embodiment of Imaging Optical System]
The imaging optical system of this embodiment includes a basic optical system having an imaging function as a single unit (see FIG. 1). The specifications (field angle, focal length, F value, chromatic aberration, total length, etc.) of the basic optical system satisfy the specifications required by the surveillance camera. For example, the angle of view of the basic optical system alone is wide, 90 ° or more, preferably 140 ° or more.

この結像光学系の先頭には、物体側に凸面を向け、かつ光軸方向へ移動可能なドーム型レンズが配置される(図4参照)。
ドーム型レンズは、厚さが略均一なメニスカスレンズである。よって、このドーム型レンズの各部分に着目すると、概ね平行平板とみなせる。したがって、ドーム型レンズの挿入により、結像光学系の全体の収差(歪曲収差以外の収差)は殆ど変化しない。つまり、結像光学系の全体の収差(歪曲収差以外の収差)は、基本光学系の単体の収差(歪曲収差以外の収差)と略同じである。
At the head of the imaging optical system, a dome-shaped lens having a convex surface facing the object side and movable in the optical axis direction is disposed (see FIG. 4).
The dome lens is a meniscus lens having a substantially uniform thickness. Therefore, when attention is paid to each part of the dome-shaped lens, it can be regarded as a substantially parallel plate. Therefore, the insertion of the dome-shaped lens hardly changes the overall aberration (aberration other than distortion) of the imaging optical system. That is, the entire aberration (aberration other than distortion) of the imaging optical system is substantially the same as the single aberration (aberration other than distortion) of the basic optical system.

但し、このドーム型レンズの各位置に入射する各物体光は、ドーム型レンズを通過する際に横ずれを起こす。よって、基本光学系からドーム型レンズ越しに物体を見ると、個々の物体の位置は、その物体角に応じて横ずれする。しかも、物体角と横ずれ量との関係は、ドーム型レンズの光軸方向のポジションにより変化する。以下、ドーム型レンズの光軸方向のポジションを単に「ポジション」という。   However, each object light incident on each position of the dome lens causes a lateral shift when passing through the dome lens. Therefore, when an object is viewed from the basic optical system through the dome lens, the position of each object is laterally shifted according to the object angle. In addition, the relationship between the object angle and the lateral shift amount changes depending on the position of the dome-shaped lens in the optical axis direction. Hereinafter, the position of the dome lens in the optical axis direction is simply referred to as “position”.

したがって、ドーム型レンズのポジションを、その横ずれ量が略ゼロとなるような基準ポジションに一致させると、結像光学系の全体の射影方式は、基本光学系の単体の射影方式と略同じになるが、ドーム型レンズのポジションをその基準ポジションから徐々に変化させると、結像光学系の全体の射影方式を、基本光学系の単体の射影方式と同じものから徐々に変化させることができる。   Therefore, when the position of the dome-shaped lens is made to coincide with a reference position where the lateral shift amount is substantially zero, the overall projection method of the imaging optical system is substantially the same as the single projection method of the basic optical system. However, when the position of the dome lens is gradually changed from the reference position, the overall projection method of the imaging optical system can be gradually changed from the same one as the single projection method of the basic optical system.

例えば、基本光学系の射影方式を中心窩レンズと同じ射影方式又は中心窩レンズと似た射影方式にした場合、ドーム型レンズのポジションを基準ポジションから徐々に変化させることにより、画角中央部に位置する物体の像の歪み量と、画角周辺部に位置する物体の像の歪み量とのバランスを徐々に変化させることも可能である。このような結像光学系は、監視カメラに好適である。   For example, if the projection system of the basic optical system is the same projection system as the fovea lens or a projection system similar to the fovea lens, the position of the dome lens is gradually changed from the reference position, so that It is also possible to gradually change the balance between the amount of distortion of the image of the object located and the amount of distortion of the image of the object located around the angle of view. Such an imaging optical system is suitable for a surveillance camera.

なお、本実施形態の結像光学系では、ドーム型レンズの口径のサイズは、予め十分に大きく確保される必要がある(図4参照)。その口径のサイズは、ドーム型レンズのポジションに依らず結像光学系の画角が基本光学系の画角と同等に維持されるようなサイズである。
また、本実施形態の結像光学系では、ドーム型レンズの厚さを完全に均一化する代わりに、若干の分布を持たせてもよい。ドーム型レンズの厚さ分布を調整すれば、ドーム型レンズのポジション変化量と射影方式の変化量との関係(射影方式の変化度)を調整することができる。
In the imaging optical system of the present embodiment, the aperture size of the dome lens needs to be secured sufficiently large in advance (see FIG. 4). The aperture size is such that the angle of view of the imaging optical system is maintained equal to the angle of view of the basic optical system regardless of the position of the dome lens.
Further, in the imaging optical system of the present embodiment, a slight distribution may be provided instead of making the thickness of the dome-shaped lens completely uniform. If the thickness distribution of the dome lens is adjusted, the relationship between the position change amount of the dome lens and the change amount of the projection method (the change degree of the projection method) can be adjusted.

また、本実施形態の結像光学系では、ドーム型レンズの少なくとも一方の面を非球面とすることで、結像光学系の全体の収差(歪曲収差以外の収差)を補正してもよい。
[光学装置の実施形態]
本実施形態の光学装置は、上述した結像光学系と、ドーム型レンズを光軸方向へ移動させる移動機構(ヘリコイド式の鏡筒など)と、フォーカシング機構とを備える。このうち移動機構を駆動すると、結像光学系の画角を維持したまま、結像光学系の射影方式のみを変化させることができる。
In the imaging optical system of this embodiment, the entire aberration (aberration other than distortion aberration) of the imaging optical system may be corrected by making at least one surface of the dome-shaped lens an aspherical surface.
[Embodiment of Optical Device]
The optical apparatus according to the present embodiment includes the above-described imaging optical system, a moving mechanism (such as a helicoid type lens barrel) that moves the dome-shaped lens in the optical axis direction, and a focusing mechanism. Of these, when the moving mechanism is driven, only the projection method of the imaging optical system can be changed while maintaining the angle of view of the imaging optical system.

なお、本実施形態の光学装置においては、移動機構とフォーカシング機構とをモータによって電動化してもよい。また、フォーカシング機構を電動化する場合は、公知のオートフォーカス制御を適用することができる。また、フォーカシング機構は、移動機構が駆動される度に駆動されることが望ましい。なぜなら、ドーム型レンズのポジションが変化すると、結像光学系の像面もずれるからである。   In the optical device according to the present embodiment, the moving mechanism and the focusing mechanism may be electrically driven by a motor. Further, when the focusing mechanism is motorized, known autofocus control can be applied. Further, it is desirable that the focusing mechanism is driven every time the moving mechanism is driven. This is because when the position of the dome lens changes, the image plane of the imaging optical system also shifts.

[監視カメラの実施形態]
本実施形態の監視カメラは、上述した光学装置と、結像光学系の像面近傍へ配置される撮像素子と、光学装置及び撮像素子を制御する制御部とを備える。この制御部は、撮像素子が取得する映像に基づき、監視カメラの監視範囲内に監視対象が入ったか否かを監視し、必要に応じて光学装置の移動機構を駆動する。
[Embodiment of surveillance camera]
The surveillance camera according to the present embodiment includes the above-described optical device, an image sensor disposed near the image plane of the imaging optical system, and a control unit that controls the optical device and the image sensor. This control unit monitors whether or not the monitoring target is within the monitoring range of the monitoring camera based on the video acquired by the image sensor, and drives the moving mechanism of the optical device as necessary.

例えば、基本光学系の射影方式が中心窩レンズと同じ射影方式、又は中心窩レンズと似た射影方式であり、移動機構を駆動することにより、画角中央部に位置する物体の像の歪み量と、画角周辺部に位置する物体の像の歪み量とのバランスが変化する場合、制御部は、次のような柔軟な監視動作を行うことができる。
すなわち、制御部は、平常時には、監視範囲の中央部に位置する物体の像の歪み量と、監視範囲の周辺部に位置する物体の像の歪み量とのバランスを均等にする。このとき、監視カメラは、監視範囲の全体を満遍なく監視することができる。一方、制御部は、監視対象が監視範囲の中央部に近づいてきたときには、監視範囲の中央部に位置する物体の像の歪み量を、監視範囲の周辺部に位置する物体の像の歪み量よりも小さくする。このとき、監視カメラは、監視対象をより詳細に監視することができる。また、制御部がこのように動作しても、結像光学系の画角は維持されたままなので、監視カメラの監視範囲が狭まるようなことは無い。
For example, the projection method of the basic optical system is the same projection method as the foveal lens, or a projection method similar to the foveal lens, and the amount of distortion of the image of the object located at the center of the angle of view by driving the moving mechanism And the balance between the distortion amount of the image of the object located at the periphery of the angle of view, the control unit can perform the following flexible monitoring operation.
In other words, the control unit equalizes the balance between the distortion amount of the image of the object located in the central part of the monitoring range and the distortion amount of the image of the object located in the peripheral part of the monitoring range in normal times. At this time, the monitoring camera can uniformly monitor the entire monitoring range. On the other hand, when the monitoring target approaches the central part of the monitoring range, the control unit determines the distortion amount of the image of the object located in the central part of the monitoring range and the distortion amount of the image of the object located in the peripheral part of the monitoring range. Smaller than. At this time, the monitoring camera can monitor the monitoring target in more detail. Even if the control unit operates in this way, the angle of view of the imaging optical system is maintained, so that the monitoring range of the monitoring camera is not narrowed.

そして、本実施形態の監視カメラを応用すれば、例えば、人物を監視する際に、監視範囲内を移動した人物の顔や服装を詳細に撮影することが可能となる。或いは、自動車を監視する際に、監視範囲内を通過する自動車の運転者を詳細に撮影したり、その自動車のナンバープレートを読み取ったりすることも可能となる。
[その他]
また、上述した監視カメラの機能を他種のディジタルカメラへ搭載し、従来にないデフォルメ効果や人間の視覚と異なる像の形成などを実施して、映像表現の可能性を広げてもよい。また、上述した結像光学系や光学装置は、特殊効果レンズ、自動車やロボットの画像センサ等ヘ応用することも可能である。
If the monitoring camera of this embodiment is applied, for example, when a person is monitored, it is possible to capture in detail the face and clothes of the person who has moved within the monitoring range. Alternatively, when a vehicle is monitored, it is possible to photograph a driver of the vehicle passing through the monitoring range in detail or to read the license plate of the vehicle.
[Others]
Further, the above-described surveillance camera function may be installed in another type of digital camera, and the possibility of video expression may be expanded by implementing an unprecedented deformation effect or forming an image different from human vision. Further, the imaging optical system and the optical device described above can be applied to special effect lenses, image sensors for automobiles and robots, and the like.

上述した結像光学系の実施例を説明する。
基本光学系の仕様は下記の通りである。この基本光学系は、監視カメラでの使用を想定し、140°の広い画角を持ち、比較的大きな負の歪曲収差(樽型の歪曲収差)を持つよう設計されたものである。
・焦点距離f=5.6mm,
・F値=2.8,
・画角=140°,
基本光学系の詳細データは表1の通りである。表1において、nCはC線(656.27nm)の屈折率,ndは、d線(587.56nm)の屈折率,nFは、F線(486.13nm)の屈折率である。
[表1]
面番号 曲率半径(mm) 面間隔(mm) nC nd nF
0(物体面) ∞ ∞
1 137.373 12.000 1.876625 1.883000 1.898172
2 42.875 29.819
3 -229.892 75.883 1.876625 1.883000 1.898172
4 30.751 58.135
5 -1423.298 13.105 1.836523 1.846660 1.871977
6 -79.860 11.743
7 184.885 72.419 1.767827 1.772500 1.783411
8 -200.589 5.701
9(絞り) ∞ 3.451
10 -226.467 12.000 1.836523 1.846660 1.871977
11 21.020 12.992 1.767827 1.772500 1.783411
12 -164.470 0.100
13 34.011 12.725 1.615008 1.618000 1.624759
14 -218.680 0.100
15 54.841 12.077 1.876625 1.883000 1.898172
16 54.664 0.252
17 230.816 25.853 1.495520 1.497820 1.502969
18 ∞ 0
19(像面) ∞ 0
基本光学系の光路図を図1に、基本光学系の歪曲収差図を図2に、基本光学系のスポットダイヤグラムを図3に示す。
An embodiment of the above-described imaging optical system will be described.
The specifications of the basic optical system are as follows. This basic optical system is designed to have a wide angle of view of 140 ° and a relatively large negative distortion (barrel-shaped distortion) assuming use with a surveillance camera.
・ Focal distance f = 5.6 mm,
-F value = 2.8,
-Angle of view = 140 °,
Detailed data of the basic optical system is shown in Table 1. In Table 1, nC is the refractive index of the C line (656.27 nm), nd is the refractive index of the d line (587.56 nm), and nF is the refractive index of the F line (486.13 nm).
[Table 1]
Surface number Curvature radius (mm) Surface spacing (mm) nC nd nF
0 (object surface) ∞ ∞
1 137.373 12.000 1.876625 1.883000 1.898172
2 42.875 29.819
3 -229.892 75.883 1.876625 1.883000 1.898172
4 30.751 58.135
5 -1423.298 13.105 1.836523 1.846660 1.871977
6 -79.860 11.743
7 184.885 72.419 1.767827 1.772500 1.783411
8 -200.589 5.701
9 (Aperture) ∞ 3.451
10 -226.467 12.000 1.836523 1.846660 1.871977
11 21.020 12.992 1.767827 1.772500 1.783411
12 -164.470 0.100
13 34.011 12.725 1.615008 1.618000 1.624759
14 -218.680 0.100
15 54.841 12.077 1.876625 1.883000 1.898172
16 54.664 0.252
17 230.816 25.853 1.495520 1.497820 1.502969
18 ∞ 0
19 (image plane) ∞ 0
FIG. 1 shows an optical path diagram of the basic optical system, FIG. 2 shows a distortion diagram of the basic optical system, and FIG. 3 shows a spot diagram of the basic optical system.

なお、図1では、紙面サイズの都合上、像面に近い幾つかのレンズを省略してある(因みに後述する図4、図7、図10には全てのレンズを省略せずに描いてある。)。
また、図2の横軸(歪曲量)はd線(587.56nm)に関する値であり、横軸の各目盛りは、左から順に−80°,−40°,0°,+40°,+80°である。
また、図2の縦軸は、最大像高で規格化した規格化像高であり、各目盛りは上から順に100%,75%,50%,25%である。但し、図中の数値は、規格化像高ysを物体角θに換算したものであり、上から順に70°,64.11°,53.95°,34.48°である。因みに、その換算式は、最大の物体角をθmaxとおくと次式(5)で表される。なお、図2の表記方法は、以降の同種の図にも共通する。
In FIG. 1, some lenses close to the image plane are omitted for the convenience of the paper size (for reference, all the lenses are shown without being omitted in FIGS. 4, 7, and 10 described later). .)
Also, the horizontal axis (distortion amount) in FIG. 2 is a value related to the d-line (587.56 nm), and each scale on the horizontal axis is −80 °, −40 °, 0 °, + 40 °, + 80 ° in order from the left. It is.
Also, the vertical axis in FIG. 2 is the normalized image height normalized by the maximum image height, and each scale is 100%, 75%, 50%, and 25% in order from the top. However, the numerical values in the figure are obtained by converting the standardized image height y s into the object angle θ, and are 70 °, 64.11 °, 53.95 °, and 34.48 ° in order from the top. Incidentally, the conversion formula is expressed by the following formula (5) when the maximum object angle is θ max . Note that the notation method of FIG. 2 is common to the following similar drawings.

θ=arctan(ystanθmax) …(5)
また、図3のスポットダイヤグラムでは、C線(656.27nm)、d線(587.56nm)、F線(486.13nm)の結果を重ねてある。なお、図3の表記方法は、以降の同種の図にも共通する。
さて、本実施例の結像光学系は、以上の基本光学系の物体側に、表2に示す仕様のドーム型レンズを設置している。表2において、νはアッベ数である。
[表2]
面番号 曲率半径(mm) 面間隔(mm) nd ν
1 130.000 10.000 2.5000 90
2(非球面) 100.000 可変
第2面の非球面係数は、以下の通りである。この非球面係数は、ドーム型レンズのポジション変化に伴うスポットダイヤグラムの広がりを補正する目的で、試行錯誤又は数値最適化により決定されたものである。
θ = arctan (y s tan θ max ) (5)
In the spot diagram of FIG. 3, the results of C line (656.27 nm), d line (587.56 nm), and F line (486.13 nm) are superimposed. The notation method of FIG. 3 is common to the following similar drawings.
In the imaging optical system of the present embodiment, a dome-shaped lens having the specifications shown in Table 2 is installed on the object side of the above basic optical system. In Table 2, ν is the Abbe number.
[Table 2]
Surface number Curvature radius (mm) Surface spacing (mm) nd ν
1 130.000 10.000 2.5000 90
2 (Aspherical) 100.000 Variable The aspherical coefficient of the second surface is as follows. This aspherical coefficient is determined by trial and error or numerical optimization for the purpose of correcting the spread of the spot diagram accompanying the change in the position of the dome-shaped lens.

4次係数a:6.19619×10-8
6次係数b:-1.20776×10-11
8次係数c:-1.44282×10-17
これらの非球面係数a,b,cにより、第2面の半径位置hにおける非球面量y(=球面からの変位量)は以下のとおり表される。
Fourth-order coefficient a: 6.19619 × 10 −8
6th order coefficient b: -1.20776 × 10 -11
8th order coefficient c: -1.44282 × 10 -17
By these aspheric coefficients a, b, and c, the aspheric amount y (= displacement from the spherical surface) at the radial position h of the second surface is expressed as follows.

y=ah4+bh6+ch8 …(6)
本実施例では、上記ドーム型レンズのポジション(基本光学系の物体側の面からドーム型レンズの像側の面までの間隔)を40mm,100mm,120mm,150mmの4段階に変化させて、結像光学系の光路、歪曲収差、スポットダイヤグラムをそれぞれ計算した。
y = ah 4 + bh 6 + ch 8 (6)
In this embodiment, the position of the dome lens (the distance from the object-side surface of the basic optical system to the image-side surface of the dome lens) is changed in four steps of 40 mm, 100 mm, 120 mm, and 150 mm. The optical path, distortion, and spot diagram of the image optical system were calculated.

ドーム型レンズのポジションが40mmであるときの光路図、歪曲収差図、スポットダイヤグラムを図4、図5、図6に示す。
ドーム型レンズのポジションが100mmであるときの光路図、歪曲収差図、スポットダイヤグラムを図7、図8、図9に示す。
ドーム型レンズのポジションが120mmであるときの光路図、歪曲収差図、スポットダイヤグラムを図10、図11、図12に示す。
An optical path diagram, a distortion diagram, and a spot diagram when the position of the dome-shaped lens is 40 mm are shown in FIGS.
FIGS. 7, 8, and 9 show optical path diagrams, distortion diagrams, and spot diagrams when the position of the dome-shaped lens is 100 mm.
An optical path diagram, a distortion diagram, and a spot diagram when the position of the dome lens is 120 mm are shown in FIGS.

ドーム型レンズのポジションが150mmであるときの光路図、歪曲収差図、スポットダイヤグラムを図13、図14、図15に示す。
先ず、ドーム型レンズが挿入されていないときには(図1参照)、結像光学系の歪曲収差は図2に示すとおりであって、樽型の歪曲収差であることがわかる。
この状態から、ドーム型レンズを挿入し、そのポジションを40mmに設定すると(図4参照)、結像光学系の歪曲収差は図5に示すとおりとなり、ドーム型レンズが挿入されていないときの歪曲収差(図2参照)と殆ど変化が無いことがわかる。したがって、40mmのポジションを、ドーム型レンズの基準ポジションとみなすことができる。
An optical path diagram, a distortion diagram, and a spot diagram when the position of the dome lens is 150 mm are shown in FIGS.
First, when the dome-shaped lens is not inserted (see FIG. 1), the distortion aberration of the imaging optical system is as shown in FIG. 2, and it can be seen that it is a barrel-shaped distortion aberration.
From this state, when the dome-shaped lens is inserted and the position is set to 40 mm (see FIG. 4), the distortion aberration of the imaging optical system is as shown in FIG. 5, and the distortion when the dome-shaped lens is not inserted. It can be seen that there is almost no change with the aberration (see FIG. 2). Therefore, the 40 mm position can be regarded as the reference position of the dome-shaped lens.

そして、ドーム型レンズのポジションを100mmに変化させると(図7参照)、結像光学系の歪曲収差は図8に示すとおりとなり、物体角θ≦50°における歪曲量が小さくなることがわかる。
さらに、ドーム型レンズのポジションを120mmに変化させると(図10参照)、結像光学系の歪曲収差は図11に示すとおりとなり、物体角θ≦40°における歪曲はさらに小さくなることがわかる。
When the position of the dome-shaped lens is changed to 100 mm (see FIG. 7), the distortion aberration of the imaging optical system is as shown in FIG. 8, and it can be seen that the amount of distortion at the object angle θ ≦ 50 ° is reduced.
Further, when the position of the dome-shaped lens is changed to 120 mm (see FIG. 10), the distortion aberration of the imaging optical system is as shown in FIG. 11, and it can be seen that the distortion at the object angle θ ≦ 40 ° is further reduced.

さらに、ドーム型レンズのポジションを150mmに変化させると(図13参照)、結像光学系の歪曲収差は図14に示すとおりとなり、物体角θ≦40°における歪曲はさらに小さくなり、略ゼロとなることがわかる。つまり、物体角θ≦40°という限られた範囲においては正像条件が略満たされ、直線の再現性が良好となることがわかる。
また、本実施例では、ドーム型レンズのポジションが40mmであるとき(図4参照)、負の歪曲収差が発生していたので(図5参照)、結像光学系の像は樽型に歪み、その像倍率は、正像条件を満たす結像光学系の像倍率よりも小さくなるが、ドーム型レンズのポジションを40mm→150mmの方向に変化させると、物体角θ≦40°の範囲における歪曲量が小さくなるので(図8,図11,図14参照)、結像光学系の像倍率は、正像条件を満たす結像光学系の像倍率と同等になる。
Further, when the position of the dome-shaped lens is changed to 150 mm (see FIG. 13), the distortion aberration of the imaging optical system is as shown in FIG. 14, and the distortion at the object angle θ ≦ 40 ° is further reduced, being substantially zero. I understand that That is, it can be seen that the normal image condition is substantially satisfied within a limited range of the object angle θ ≦ 40 °, and the straight line reproducibility is good.
Further, in this embodiment, when the position of the dome-shaped lens is 40 mm (see FIG. 4), since negative distortion has occurred (see FIG. 5), the image of the imaging optical system is distorted into a barrel shape. The image magnification is smaller than the image magnification of the imaging optical system that satisfies the normal image condition. However, if the position of the dome lens is changed from 40 mm to 150 mm, the distortion in the range of the object angle θ ≦ 40 ° is obtained. Since the amount is small (see FIGS. 8, 11, and 14), the image magnification of the imaging optical system is equivalent to the image magnification of the imaging optical system that satisfies the normal image condition.

したがって、本実施例の結像光学系では、ドーム型レンズのポジションを40mm→150mmの方向に変化させると、画角中央部の像の歪曲量を小さくし、像倍率を大きくすることができる。
また、本実施例の結像光学系の画角は140°であり、ドーム型レンズのポジションに依らず不変である。つまり、画角周辺部の像の圧縮率はドーム型レンズのポジションにより変化するが、画角周辺部の像が欠落することははない。
Therefore, in the imaging optical system of the present embodiment, if the position of the dome-shaped lens is changed in the direction of 40 mm → 150 mm, the distortion amount of the image at the center of the angle of view can be reduced and the image magnification can be increased.
In addition, the field angle of the imaging optical system of the present embodiment is 140 ° and does not change regardless of the position of the dome-shaped lens. That is, the compression ratio of the image around the angle of view changes depending on the position of the dome-shaped lens, but the image around the angle of view is not lost.

しかも、ドーム型レンズが各ポジションにあるときのスポットダイヤグラム(図6、図9、図12、図15)からも確認できるように、スポットサイズはドーム型レンズのポジションに依らず小さく抑えられている。したがって、ドーム型レンズのポジション変化は、結像光学系の結像性能に影響しない。   Moreover, as can be confirmed from the spot diagrams (FIGS. 6, 9, 12, and 15) when the dome lens is in each position, the spot size is kept small regardless of the position of the dome lens. . Therefore, the change in the position of the dome lens does not affect the imaging performance of the imaging optical system.

基本光学系の光路図である。It is an optical path figure of a basic optical system. 基本光学系の歪曲収差である。This is the distortion of the basic optical system. 基本光学系のスポットダイヤグラムである。It is a spot diagram of a basic optical system. ドーム型レンズのポジションが40mmであるときの結像光学系の光路図である。It is an optical path figure of an image formation optical system when the position of a dome shape lens is 40 mm. ドーム型レンズのポジションが40mmであるときの結像光学系の歪曲収差である。This is a distortion aberration of the imaging optical system when the position of the dome-shaped lens is 40 mm. ドーム型レンズのポジションが40mmであるときの結像光学系のスポットダイヤグラムである。It is a spot diagram of an imaging optical system when the position of a dome shape lens is 40 mm. ドーム型レンズのポジションが100mmであるときの結像光学系の光路図である。It is an optical path diagram of an imaging optical system when the position of a dome-shaped lens is 100 mm. ドーム型レンズのポジションが100mmであるときの結像光学系の歪曲収差である。This is a distortion aberration of the imaging optical system when the position of the dome lens is 100 mm. ドーム型レンズのポジションが100mmであるときの結像光学系のスポットダイヤグラムである。It is a spot diagram of the imaging optical system when the position of the dome-shaped lens is 100 mm. ドーム型レンズのポジションが120mmであるときの結像光学系の光路図である。It is an optical path diagram of the imaging optical system when the position of the dome-shaped lens is 120 mm. ドーム型レンズのポジションが120mmであるときの結像光学系の歪曲収差である。This is a distortion aberration of the imaging optical system when the position of the dome-shaped lens is 120 mm. ドーム型レンズのポジションが120mmであるときの結像光学系のスポットダイヤグラムである。It is a spot diagram of an imaging optical system when the position of a dome shape lens is 120 mm. ドーム型レンズのポジションが150mmであるときの結像光学系の光路図である。It is an optical path diagram of the imaging optical system when the position of the dome lens is 150 mm. ドーム型レンズのポジションが150mmであるときの結像光学系の歪曲収差である。This is a distortion aberration of the imaging optical system when the position of the dome-shaped lens is 150 mm. ドーム型レンズのポジションが150mmであるときの結像光学系のスポットダイヤグラムである。It is a spot diagram of an imaging optical system when the position of a dome shape lens is 150 mm.

Claims (8)

単体で結像機能を持つ基本光学系と、
前記基本光学系の物体側に配置され、物体側に凸面を向け、かつ前記基本光学系に対する光軸方向の相対位置が可変のドーム型レンズと、
を備えたことを特徴とする結像光学系。
A basic optical system with a single imaging function;
A dome-shaped lens that is disposed on the object side of the basic optical system, has a convex surface facing the object side, and the relative position in the optical axis direction with respect to the basic optical system is variable;
An imaging optical system comprising:
請求項1に記載の結像光学系において、
前記ドーム型レンズの厚さは、略均一である
ことを特徴とする結像光学系。
The imaging optical system according to claim 1,
An imaging optical system characterized in that the thickness of the dome-shaped lens is substantially uniform.
請求項1又は請求項2に記載の結像光学系において、
前記ドーム型レンズの少なくとも一方の面は、非球面である
ことを特徴とする結像光学系。
The imaging optical system according to claim 1 or 2,
An imaging optical system, wherein at least one surface of the dome-shaped lens is an aspherical surface.
請求項1〜請求項3の何れか一項に記載の結像光学系において、
前記ドーム型レンズの口径は、前記基本光学系の画角を狭めないよう十分に大きく確保されている
ことを特徴とする結像光学系。
In the imaging optical system according to any one of claims 1 to 3,
The aperture diameter of the dome-shaped lens is secured sufficiently large so as not to reduce the angle of view of the basic optical system.
請求項1〜請求項4の何れか一項に記載の結像光学系において、
90°以上の画角を有する
ことを特徴とする結像光学系。
In the imaging optical system according to any one of claims 1 to 4,
An imaging optical system having an angle of view of 90 ° or more.
請求項1〜請求項5の何れか一項に記載の結像光学系と、
前記ドーム型レンズを光軸方向に移動させる移動機構と、
前記基本光学系の焦点位置を変化させるフォーカシング機構と、
を備えたことを特徴とする光学装置。
The imaging optical system according to any one of claims 1 to 5,
A moving mechanism for moving the dome-shaped lens in the optical axis direction;
A focusing mechanism for changing the focal position of the basic optical system;
An optical apparatus comprising:
請求項6に記載の光学装置と、
前記結像光学系が形成する像を検出する撮像素子と
を備えたことを特徴とする撮像装置。
An optical device according to claim 6;
An imaging device comprising: an imaging device that detects an image formed by the imaging optical system.
請求項7に記載の撮像装置において、
前記撮像素子が取得する画像の変化に応じて前記光学装置を制御する制御手段を更に備えた
ことを特徴とする撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 7,
An imaging apparatus, further comprising control means for controlling the optical device in accordance with a change in an image acquired by the imaging element.
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