JP2020030436A - Optical system and imaging system - Google Patents

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Abstract

To provide a new optical system having a plurality of wide-angle lenses.SOLUTION: The optical system includes a plurality of wide-angle lenses 10b, 10c, in which each wide-angle lens has a lens peripheral region III and a lens inner region ranging from the optical axis to the lens peripheral region, and subject image portions imaged by the lens peripheral regions of the respective wide-angle lenses overlap each other, while subject image portions imaged by the lens inner regions do not overlap. The lens inner region has a first region I from the optical axis toward the lens peripheral region, and a second region II from the first region to the lens peripheral region. In the first region, an image magnification of a subject image per unit angle of view is constant; in the lens peripheral region, an image magnification of a subject image per unit angle of view decreases; and in the second region, an image magnification of a subject image per angle of view continuously varies from the first region to the lens peripheral region.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、光学系および撮像システムに関する。   The present invention relates to an optical system and an imaging system.

複数の広角レンズを用い、各広角レンズが結像する各被写体像の周辺部を相互に重複させ、重複する部分で各被写体を接ぎ合せて広視野の画像を得る撮像システムとして、例えば、所謂「全天球型の撮像システム」に用いるものが知られている。
「魚眼レンズ」とも呼ばれる広角レンズには、正射影方式、等立体角射影方式、等距離射影方式、立体射影方式の4種類の射影方式が知られている。
正射影方式や等立体角射影方式は、従来から、銀塩カメラ用の魚眼レンズに広く採用されている。
また、最近のデジタルカメラ等では、画像処理技術の向上に伴い、周辺部の解像力を重視するには立体射影方式が適することや、軸上と軸外の解像力のバランスを良好にするのに、等距離投射方式が適するとの知見が特許文献1に記載されている。
しかし、特許文献1に記載されている魚眼レンズは、単独で用いられるものであり、上に述べた全天球型の撮像システム等のように、複数の魚眼レンズを組み合わせて用いることを意図したものではない。
As an imaging system that uses a plurality of wide-angle lenses, overlaps the peripheral portions of the subject images formed by the wide-angle lenses with each other, and joins each subject at the overlapping portion to obtain a wide-field image, for example, a so-called “ For use in an “omnidirectional imaging system”.
As the wide-angle lens, which is also called a “fish-eye lens”, four types of projection methods known as an orthographic projection method, an equal solid angle projection method, an equidistant projection method, and a stereoscopic projection method are known.
Conventionally, the orthographic projection method and the equal solid angle projection method have been widely used for fisheye lenses for silver halide cameras.
In recent digital cameras and the like, with the improvement of image processing technology, the stereoscopic projection method is suitable for emphasizing the resolution of the peripheral portion, and to improve the balance between on-axis and off-axis resolution, Patent Document 1 discloses that equidistant projection is suitable.
However, the fisheye lens described in Patent Literature 1 is used alone, and is not intended to be used in combination with a plurality of fisheye lenses, such as the above-described spherical imaging system. Absent.

この発明は、複数の広角レンズを有する新規な光学系の実現を課題とする。   An object of the present invention is to realize a novel optical system having a plurality of wide-angle lenses.

この発明の光学系は、複数の広角レンズを有する光学系であって、個々の広角レンズは、レンズ周辺領域と、光軸から前記レンズ周辺領域に至るレンズ内側領域とを有し、各広角レンズの前記レンズ周辺領域が結像する被写体像部分が互いに重複し、前記レンズ内側領域が結像する被写体像部分は互いに重複せず、前記レンズ内側領域は、光軸から前記レンズ周辺領域に向かう第1領域と、該第1領域から前記レンズ周辺領域までの第2領域とを有し、前記第1領域では、単位画角当たりの被写体像の結像倍率が一定であり、前記レンズ周辺領域では、単位画角当たりの被写体像の結像倍率が減少し、前記第2領域では、単位画角当たりの被写体像の結像倍率が、前記第1領域から前記レンズ周辺領域に連続的に変化する。   The optical system according to the present invention is an optical system having a plurality of wide-angle lenses, and each wide-angle lens has a lens peripheral region and a lens inner region from the optical axis to the lens peripheral region. The subject image portions in which the lens peripheral region forms an image overlap each other, the subject image portions in which the lens inner region forms an image do not overlap with each other, and the lens inner region extends from the optical axis toward the lens peripheral region. A first region and a second region from the first region to the lens peripheral region. In the first region, the imaging magnification of a subject image per unit angle of view is constant. The imaging magnification of the subject image per unit angle of view decreases, and in the second area, the imaging magnification of the subject image per unit angle of view continuously changes from the first area to the lens peripheral area. .

この発明によれば、複数の広角レンズを有する新規な光学系を実現できる。   According to the present invention, a novel optical system having a plurality of wide-angle lenses can be realized.

撮像システムの実施の1形態を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an embodiment of an imaging system. 撮像システムの光学系に用いる広角レンズの具体例の球面収差図である。FIG. 4 is a spherical aberration diagram of a specific example of a wide-angle lens used in an optical system of an imaging system. 撮像システムの光学系に用いる広角レンズの具体例の非点収差図である。FIG. 3 is an astigmatism diagram of a specific example of a wide-angle lens used in an optical system of an imaging system. 撮像システムの光学系に用いる広角レンズの具体例のコマ収差図である。FIG. 4 is a coma aberration diagram of a specific example of a wide-angle lens used in an optical system of an imaging system. 撮像システムの光学系に用いる広角レンズの具体例のMTF図である。FIG. 3 is an MTF diagram of a specific example of a wide-angle lens used in an optical system of an imaging system. 撮像システムの光学系に用いる広角レンズの具体例の射影方式を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a projection method of a specific example of a wide-angle lens used in an optical system of an imaging system. 撮像システムの光学系に用いる広角レンズの具体例の単位画角当たりの結像倍率の図である。FIG. 3 is a diagram of an imaging magnification per unit angle of view of a specific example of a wide-angle lens used in an optical system of an imaging system. 比較例広角レンズの単位画角当たりの結像倍率の図である。FIG. 9 is a diagram of an imaging magnification per unit angle of view of a comparative example wide-angle lens. 具体例広角レンズと比較例広角レンズにおける「空間周波数:200LP/mmに対するMTF値」の値を半画角に対して示す図である。It is a figure which shows the value of the "spatial frequency: MTF value with respect to 200 LP / mm" with respect to a half angle of view in a specific example wide-angle lens and a comparative example wide-angle lens. 具体例広角レンズと比較例光学レンズの「撮像素子の受光面上での単位ピクセル当たりの解像度」を示す図である。It is a figure which shows "the resolution per unit pixel on the light-receiving surface of an image sensor" of a specific example wide-angle lens and a comparative example optical lens.

以下、実施の形態を説明する。
図1は、撮像システムの実施の1形態を示している。
図1において、符号1bは「撮像システム」を示す。
撮像システム1bは、2個の広角レンズ10b、10cを有する「全天球型の撮像システム」である。
図1に示す如く、撮像システム1bは、広角レンズ10bと、カバーガラスCGbと、撮像素子ISbと、広角レンズ10cと、カバーガラスCGcと、撮像素子IScと、を備えている。
広角レンズ10bと10cとは「同一仕様」のものであり、以下、広角レンズ10bにつき説明するが、説明中の符号で括弧内のものは広角レンズ10cに関するものである。
Hereinafter, embodiments will be described.
FIG. 1 shows an embodiment of an imaging system.
In FIG. 1, reference numeral 1b indicates an “imaging system”.
The imaging system 1b is an “omnidirectional imaging system” having two wide-angle lenses 10b and 10c.
As shown in FIG. 1, the imaging system 1b includes a wide-angle lens 10b, a cover glass CGb, an image sensor ISb, a wide-angle lens 10c, a cover glass CGc, and an image sensor ISc.
The wide-angle lenses 10b and 10c are of the "same specifications", and the wide-angle lens 10b will be described below. In the description, the reference numerals in parentheses relate to the wide-angle lens 10c.

広角レンズ10b(10c)は「前群および後群と絞りおよびプリズム」により構成されている。   The wide-angle lens 10b (10c) includes a “front group, a rear group, a stop, and a prism”.

「前群」は2枚の負メニスカスレンズL1b(L1c)およびL2b(L2c)により構成され、群としては負の屈折力を持ち、180度を超える広画角の光線を取り込む。
「後群」は、像側(撮像素子側)へ向かって、5枚のレンズ、即ち、レンズL3b(L3c)、レンズL4b(L4c)、レンズL5b(L5c)、レンズL6b(L6c)、レンズL7b(L7c)を順に配して構成されている。
これら前群と後群との間に、プリズムPSb(PSc)が配置され、前群の光軸OA2b(OA2c)を90度屈曲させる。從って、後群の光軸は前群の光軸OA2b(OA2c)に対して直角をなし、撮像素子ISb(ISc)の受光面に直交する。
プリズムPSb(PSc)は直角プリズムであって、斜面に反射面MSb(MSc)を形成され、プリズムPSbとプリズムPScとは、これら反射面MSbとMScを密接させて、互いに一体化されている。
後群を構成するレンズの内で、最もプリズムPSb(PSc)に近いレンズL3b(L3c)のプリズムPSb(PSc)側のレンズ面に密接して絞り4b(4c)が設けられている。
The “front group” includes two negative meniscus lenses L1b (L1c) and L2b (L2c). The group has negative refractive power and captures light rays with a wide angle of view exceeding 180 degrees.
The “rear group” includes five lenses, that is, a lens L3b (L3c), a lens L4b (L4c), a lens L5b (L5c), a lens L6b (L6c), and a lens L7b toward the image side (imaging element side). (L7c).
A prism PSb (PSc) is arranged between the front group and the rear group, and bends the optical axis OA2b (OA2c) of the front group by 90 degrees. Accordingly, the optical axis of the rear group is perpendicular to the optical axis OA2b (OA2c) of the front group, and is orthogonal to the light receiving surface of the image sensor ISb (ISc).
The prism PSb (PSc) is a right-angle prism and has a reflection surface MSb (MSc) formed on an inclined surface, and the prism PSb and the prism PSc are integrated with each other by bringing the reflection surfaces MSb and MSc into close contact.
A stop 4b (4c) is provided in close contact with the lens surface on the prism PSb (PSc) side of the lens L3b (L3c) closest to the prism PSb (PSc) among the lenses constituting the rear group.

後群を構成するレンズL3b(L3c)〜L7b(L7c)のうち、レンズL4b(L4c)は共に「両凸レンズ」である。
また、レンズL5b(L5c)は「両凸レンズ」、レンズL6b(L6c)は「両凹レンズ」であり、これら両凸レンズと両凹レンズとは接合されている。
最も像側のレンズL7b(L7c)は「両凸レンズ」である。
図1に示す広角レンズ10b(10c)のレンズデータの1例を表1に示す。
Of the lenses L3b (L3c) to L7b (L7c) constituting the rear group, the lens L4b (L4c) is a “biconvex lens”.
The lens L5b (L5c) is a "biconvex lens" and the lens L6b (L6c) is a "biconcave lens", and these biconvex and biconcave lenses are joined.
The lens L7b (L7c) closest to the image is a “biconvex lens”.
Table 1 shows an example of lens data of the wide-angle lens 10b (10c) shown in FIG.

Figure 2020030436
Figure 2020030436

表1における「面番号」は、物体側から数えた面の番号を示し、面番号7は「絞りの面」である。また「タイプ」とあるのは、レンズ面のタイプであり「球面」または「非球面」である。「厚さ」とあるのは面間隔であり、「屈折率」および「アッベ数」は、ナトリウムD線に対するレンズ材料の屈折率およびアッベ数である。タイプが非球面の面の「曲率半径」は「近軸曲率半径」である。長さの次元を持つ量の単位は、特に断らない限り「mm」である。
表1にデータを示した広角レンズは、面番号3、4、10、11、15、16のレンズ面が非球面である。これら非球面のデータを以下に示す。
非球面は、周知の次式により表される。
“Surface number” in Table 1 indicates the number of the surface counted from the object side, and surface number 7 is “aperture surface”. The “type” is the type of the lens surface, which is “spherical” or “aspherical”. The term "thickness" refers to the spacing between surfaces, and the "refractive index" and "Abbe number" are the refractive index and Abbe number of the lens material with respect to the sodium D line. The “radius of curvature” of a type-aspheric surface is a “paraxial radius of curvature”. The unit of the quantity having the dimension of length is “mm” unless otherwise specified.
In the wide-angle lens whose data is shown in Table 1, the lens surfaces of surface numbers 3, 4, 10, 11, 15, and 16 are aspherical. The data of these aspheric surfaces are shown below.
The aspheric surface is represented by the following equation.

X=(H/R)/[1+{1−K(H/r)}1/2
+C4・H+C6・H+C8・H+C10・H10+・・・
この式において、Xは「面頂点を基準としたときの光軸からの高さ:Hの位置での光軸方向の変位」、Kは「円錐係数」であり、C4、C6、C8、C10・・は「非球面係数」である。また、Rは「近軸曲率半径」である。
表1にデータを示す広角レンズに採用された6面の非球面は何れも、円錐定数:K=0であり、従って、
X=(H/2R)+C4・H+C6・H+C8・H+C10・H10+・・・
であり、非球面の形状:Xは、表1に与えられた「近軸曲率半径」と、各次の非球面係数により定まる。各非球面のデータを以下に示す。
X = (H 2 / R) / [1+ {1-K (H / r) 2} 1/2]
+ C4 · H 4 + C6 · H 6 + C8 · H 8 + C10 · H 10 + ...
In this equation, X is “the height from the optical axis with reference to the surface vertex: displacement in the optical axis direction at the position of H”, K is “cone coefficient”, and C4, C6, C8, C10 Is the “aspheric coefficient”. R is “paraxial radius of curvature”.
Each of the six aspherical surfaces employed in the wide-angle lens whose data is shown in Table 1 has a conic constant: K = 0.
X = (H 2 / 2R) + C4 · H 4 + C6 · H 6 + C8 · H 8 + C10 · H 10 +...
And the shape of the aspheric surface: X is determined by the “paraxial radius of curvature” given in Table 1 and each order aspheric surface coefficient. The data of each aspheric surface is shown below.

「非球面データ」
面番号:3 C4=0.002491,C8=4.63×10-7
面番号:4 C4=0.003451,C6=0.000504
C10=1.45×10-5
面番号:10 C4=−0.00235,C6=−0.00025
面番号:11 C4=−0.00217,C6=−0.00028
面番号:15 C4=−0.00167,C6=−0.00031
C8=3.07×10-5,C10=3.12×10-5
面番号:16 C4=0.004209,C6=−0.00141
C8=0.000474,C12=2.02×10-6
各面番号において「記載されていない次数の非球面係数」は全て「0」である。
"Aspheric data"
Surface number: 3 C4 = 0.002491, C8 = 4.63 × 10 −7
Surface number: 4 C4 = 0.003451 and C6 = 0.000504
C10 = 1.45 × 10 −5
Surface number: 10 C4 = -0.00235, C6 = -0.00025
Surface number: 11 C4 = -0.00217, C6 = -0.00028
Surface number: 15 C4 = -0.00167, C6 = -0.00031
C8 = 3.07 × 10 −5 , C10 = 3.12 × 10 −5
Surface number: 16 C4 = 0.004209, C6 = -0.00141
C8 = 0.000474, C12 = 2.02 × 10 −6
In each of the surface numbers, the “aspherical coefficient of an order not described” is all “0”.

表1に示すデータと、上記非球面データをもつ広角レンズを「具体例広角レンズ」と呼ぶことにする。
具体例広角レンズ10b(10c)は、全画角:200度(半画角:100度)であり、半画角:90度〜100度の半画角領域が「レンズ周辺領域」である。広角レンズ10bと10cの「半画角領域:90度〜100度」の部分が、撮像素子ISb、IScの受光面に結像する被写体像部分が互いに重複する。
具体例広角レンズの各種収差の図を、図2〜図4に示す。図2は球面収差図、図3は非点収差図、図4はコマ収差図である。これらの図から明らかなように、具体例広角レンズは性能良好である。
また、図5には、具体例広角レンズのMTF特性を、レンズ内側領域における半画角:30度、60度、90度に対して示す。横軸は、空間周波数(LP/mm(ラインペア/mm)にして0〜200まで)を示す。
MTF特性はタンジェンシアル方向(図中に「T」で示す。)とサジタル方向(図中に「S」で示す。)について示す。
具体例広角レンズのMTF特性は良好であるが、空間周波数が高くなると、半画角が大きくなるに従いMTFが低下する。即ち、解像度が低下する傾向にある。
The wide-angle lens having the data shown in Table 1 and the above-mentioned aspherical data will be referred to as a “specific example wide-angle lens”.
Specific Example The wide-angle lens 10b (10c) has a full angle of view: 200 degrees (half angle of view: 100 degrees), and a half angle of view area of a half angle of view: 90 to 100 degrees is a "lens peripheral area". In the “half field angle region: 90 ° to 100 °” portion of the wide-angle lenses 10b and 10c, the subject image portions formed on the light receiving surfaces of the image sensors ISb and ISc overlap each other.
Specific examples of various aberrations of the wide-angle lens are shown in FIGS. 2 is a spherical aberration diagram, FIG. 3 is an astigmatism diagram, and FIG. 4 is a coma aberration diagram. As is clear from these figures, the wide-angle lens of the specific example has good performance.
FIG. 5 shows the MTF characteristics of the specific example wide-angle lens with respect to the half angle of view in the lens inner region: 30, 60, and 90 degrees. The horizontal axis indicates the spatial frequency (0 to 200 in LP / mm (line pair / mm)).
The MTF characteristics are shown in the tangential direction (indicated by “T” in the figure) and the sagittal direction (indicated by “S” in the figure).
Specific Example Although the MTF characteristics of the wide-angle lens are good, as the spatial frequency increases, the MTF decreases as the half angle of view increases. That is, the resolution tends to decrease.

さて、この発明の光学系を構成する複数の広角レンズでは、レンズ内側領域は、光軸から前記レンズ周辺領域に向かう第1領域と、該第1領域から前記レンズ周辺領域までの第2領域とを有する。
第1領域では「単位画角当たりの被写体像の結像倍率が一定」であり、レンズ周辺領域では「単位画角当たりの被写体像の結像倍率が減少」し、第2領域では「単位画角当たりの被写体像の結像倍率が、第1領域から前記レンズ周辺領域に連続的に変化」する。
Now, in the plurality of wide-angle lenses constituting the optical system of the present invention, the lens inner area includes a first area from the optical axis toward the lens peripheral area, and a second area from the first area to the lens peripheral area. Having.
In the first area, “the imaging magnification of the subject image per unit angle of view is constant”, in the peripheral area of the lens, “the imaging magnification of the subject image per unit angle of view decreases”, and in the second area, “the imaging magnification of the subject image per unit angle of view” decreases. The imaging magnification of the subject image per corner continuously changes from the first area to the lens peripheral area. "

以下これを説明する。
説明中の光学系では180度を超える全画角をもつ2つの広角レンズ10b、10cを有し、これら2つの広角レンズ10b、10cは同一仕様である。
This will be described below.
The optical system being described has two wide-angle lenses 10b and 10c having a full angle of view exceeding 180 degrees, and these two wide-angle lenses 10b and 10c have the same specifications.

図6には具体例広角レンズの「半画角と像高の関係」を示す。
図には「等距離射影方式」と「本実像の形態の光学系」について、半画角と像高の関係をプロットしている。
「本実像の形態の光学系」とあるのは、具体例広角レンズである。
等距離射影方式では、横軸の「半画角」の増大に從い、像高は直線的に増加する。
FIG. 6 shows the “relationship between the half angle of view and the image height” of the specific example wide-angle lens.
The figure plots the relationship between the half angle of view and the image height for the “equidistant projection method” and the “optical system in the form of the real image”.
The “optical system in the form of the real image” is a specific example of a wide-angle lens.
In the equidistant projection method, the image height increases linearly as the “half angle of view” on the horizontal axis increases.

具体例広角レンズも「半画角と像高の関係」は、等距離射影方式のものと殆ど同一であるが、若干のずれがある。具体例広角レンズは「レンズ内側領域では等距離射影方式となる」ように設計されているが、実際に製造されたものは「等距離射影方式に対して若干ずれ」ている。
図6における縦軸の像高を「Y」とし、横軸の半画角を「θ」とすると、「単位画角当たりの結像倍率(単位画角当たりの像高変化)」は、「dY/dθ」で与えられる。
図7に、具体例広角レンズにおける「単位画角当たりの結像倍率:dY/dθ」を示す。
The "relationship between half field angle and image height" of the specific example wide-angle lens is almost the same as that of the equidistant projection method, but there is a slight shift. Specific Example The wide-angle lens is designed to be “equidistant projection method in the lens inner area”, but the actually manufactured lens is “slightly deviated from the equidistant projection method”.
Assuming that the image height on the vertical axis in FIG. 6 is “Y” and the half angle of view on the horizontal axis is “θ”, “imaging magnification per unit angle of view (change in image height per unit angle of view)” is “ dY / dθ ”.
FIG. 7 shows “imaging magnification per unit angle of view: dY / dθ” in the specific example wide-angle lens.

この曲線は、図6における「本実像の形態の光学系」を表す曲線を画角:θで微分したものである。
図7における領域:Iは第1領域、領域:IIは第2領域、領域:III(半画角:90度〜100度の領域)は周辺レンズ領域であり、領域:IとIIが「レンズ内側領域」である。
This curve is obtained by differentiating the curve representing the “optical system in the form of the real image” in FIG. 6 with the angle of view: θ.
In FIG. 7, the region: I is the first region, the region: II is the second region, and the region: III (half angle of view: the region of 90 to 100 degrees) is the peripheral lens region. Inner region ".

この図に示すように、レンズ内側領域は、光軸(横軸:0)からレンズ周辺領域IIIに向かう第1領域Iと、第1領域Iからレンズ周辺領域IIIまでの第2領域IIとを有する。第1領域Iでは「単位画角当たりの被写体像の結像倍率が一定」であり、レンズ周辺領域IIIでは「単位画角当たりの被写体像の結像倍率が減少」する。そして、第2領域IIでは、単位画角当たりの被写体像の結像倍率が、第1領域Iからレンズ周辺領域IIIに連続的に変化している。
厳密に言えば、第1領域IにおけるdY/dθは、第2領域IIの側に向かって、緩やかに減少しており、正確には一定ではない。しかし、このような「実質的に一定と見做しうる場合」も「第1領域Iにおける単位画角当たりの被写体像の結像倍率が一定」であると言う。
As shown in this figure, the lens inner region includes a first region I extending from the optical axis (horizontal axis: 0) to the lens peripheral region III, and a second region II from the first region I to the lens peripheral region III. Have. In the first area I, “the imaging magnification of the subject image per unit angle of view is constant”, and in the lens peripheral area III, “the imaging magnification of the subject image per unit angle of view decreases”. In the second region II, the imaging magnification of the subject image per unit angle of view continuously changes from the first region I to the lens peripheral region III.
Strictly speaking, dY / dθ in the first region I gradually decreases toward the second region II, and is not exactly constant. However, such a “case that can be regarded as substantially constant” is also referred to as “the imaging magnification of the subject image per unit angle of view in the first region I is constant”.

この具体例広角レンズに対する比較例として、光軸からレンズ周辺領域を含む全領域におけるdY/dθが図8のように変化する広角レンズ(以下「比較例広角レンズ」と言う。)を作製した。具体例広角レンズの場合にならって、図の如く、第1領域I、第2領域II、レンズ周辺領域IIIとする。
比較例広角レンズのような広角レンズは、特許文献2により知られている。
比較例広角レンズのdY/dθは、第1領域Iでは「下に凸の曲線」を描いて増加し、レンズ周辺領域IIIでは単調に減少し、第2領域IIでは、第1領域Iからレンズ周辺領域IIIへ向かって連続的に変化している。
即ち、比較例広角レンズでは、レンズ内側領域(の第1領域I)は「立体射影方式」となっている。
As a comparative example with respect to this specific example wide-angle lens, a wide-angle lens (hereinafter, referred to as “comparative example wide-angle lens”) in which dY / dθ changes from the optical axis to the entire area including the lens peripheral area as shown in FIG. Specific Example Following the case of a wide-angle lens, a first area I, a second area II, and a lens peripheral area III are used as shown in the figure.
A wide-angle lens, such as a comparative example wide-angle lens, is known from US Pat.
The dY / dθ of the comparative example wide-angle lens increases in a first area I by drawing a “convex downward curve”, decreases monotonously in the lens peripheral area III, and decreases in the second area II from the first area I to the lens. It changes continuously toward the peripheral region III.
That is, in the comparative example wide-angle lens, the first area I of the lens inner area is of the “stereoscopic projection method”.

図9は、具体例広角レンズと比較例広角レンズにおける「空間周波数:200LP/mmに対するMTF値(縦軸)」の値を半画角(横軸)に対して示したものである。実線は比較例広角レンズ、破線は具体例広角レンズのものである。   FIG. 9 shows the values of the “MTF value (vertical axis) for a spatial frequency: 200 LP / mm (vertical axis)” with respect to the half angle of view (horizontal axis) in the specific example wide-angle lens and the comparative example wide-angle lens. The solid line is for the comparative example wide-angle lens, and the broken line is for the specific example wide-angle lens.

以下、空間周波数:200LP/mmのMTF値を「MTF200」と略記する。
そうすると、図9は、MTF200の半画角変化に伴う変化を、比較例広角レンズの場合(実線)と具体例広角レンズの場合(破線)について示したものとなる。この図は、大まかには「解像度が半画角とともに変化する様子」を表しているということができる。
図9を見ると、200LP/mmと言う高い空間周波数におけるMTF200が、比較例広角レンズでは「半画角の増加と共に減少」し、具体例広角レンズでは「レンズ最大画角に至るまで良好な状態」を保っていることが分かる。
Hereinafter, the MTF value of the spatial frequency: 200 LP / mm is abbreviated as “MTF200”.
Then, FIG. 9 shows a change accompanying a change in the half angle of view of the MTF 200 in the case of the comparative example wide-angle lens (solid line) and the case of the specific example wide-angle lens (dashed line). This diagram can be roughly described as “a state in which the resolution changes with the half angle of view”.
Referring to FIG. 9, the MTF 200 at a high spatial frequency of 200 LP / mm is “decreased with an increase in the half angle of view” in the wide-angle lens of the comparative example, and “in a favorable state up to the lens maximum angle of view” in the wide-angle lens of the specific example. Is maintained.

ここで、図7に示す「具体例広角レンズにおける単位画角当たりの結像倍率:dY/dθ」と、図9に破線で示す「MTF200」の半画角による変化を掛け合わせると、図10の破線の如きものとなる。
これに対し、図8に示す「比較例広角レンズにおける単位画角当たりの結像倍率:dY/dθ」と、図9に実線で示す「MTF200」の半画角による変化を掛け合わせると、図10の実線の如きものとなる。
「dY/dθとMTF200との積」は、撮像素子の受光面上での「単位ピクセル当たりの解像度」に該当する。
Here, the “imaging magnification per unit angle of view in the specific example wide-angle lens: dY / dθ” shown in FIG. 7 is multiplied by the change due to the half angle of view of “MTF200” shown by the broken line in FIG. It becomes something like the broken line of.
On the other hand, when the “imaging magnification per unit angle of view in the comparative example wide-angle lens: dY / dθ” shown in FIG. 8 is multiplied by the change due to the half angle of view of “MTF200” shown by the solid line in FIG. It becomes something like the solid line of 10.
“Product of dY / dθ and MTF 200” corresponds to “resolution per unit pixel” on the light receiving surface of the image sensor.

この「単位ピクセル当たりの解像度」は、比較例広角レンズでは、光軸からレンズ周辺領域の最外部まで、略一定に安定し、半画角の大きいところではやや大きくなっている。即ち、比較例広角レンズでは「周辺部の解像力」が重視された性能となっており、性能としては良好であるということができる。
これに対し、具体例広角レンズにおける「単位ピクセル当たりの解像度」は、光軸からレンズ周辺領域の最外部まで単調に減少する。しかし、「単位ピクセル当たりの解像度」の大きさは、レンズ内側領域の略全域に亘って、比較例広角レンズよりも大きい。
即ち、具体例広角レンズは、実際に連結された画像の全領域において解像度が大きい。広角レンズを用いる光学系の解像、射影方式をトータルで考えると「撮像素子の受光面上の全域において解像度がより高い」ほうが好ましい。
このことから、この発明の光学系は、比較例広角レンズを用いる光学系よりも、基本性能において勝っているということができる。
In the comparative example wide-angle lens, the “resolution per unit pixel” is substantially constant and stable from the optical axis to the outermost part of the lens peripheral region, and is slightly larger where the half angle of view is large. That is, the comparative example wide-angle lens has a performance in which “resolution of the peripheral portion” is emphasized, and it can be said that the performance is good.
On the other hand, the “resolution per unit pixel” in the specific example wide-angle lens monotonically decreases from the optical axis to the outermost part of the lens peripheral area. However, the magnitude of “resolution per unit pixel” is larger than that of the comparative example wide-angle lens over substantially the entire area inside the lens.
That is, the specific example wide-angle lens has a large resolution in the entire region of the actually connected image. Considering the resolution and projection system of an optical system using a wide-angle lens in total, it is preferable that "the resolution is higher over the entire light receiving surface of the image sensor".
From this, it can be said that the optical system of the present invention is superior in basic performance to the optical system using the comparative example wide-angle lens.

図10に示すように「単位ピクセル当たりの解像度」は、レンズ周辺領域では、具体例広角レンズの方が、比較例広角レンズよりも低くなっている。
しかし、レンズ周辺領域の画像は互いに重複し「実際の全天球画像には用いられない」ので、この点は、問題とならない。
レンズ周辺領域で結像される画像は、互いに重複するので、この部分では、同一の画像部分に対して「2倍の情報量」が得られる。即ち、レンズ周辺領域による画像に対しては受光素子の「受光面積」が増えたのと同様の結果になり、これは単位画角当たりの倍率が増大したのと同じである。從って、単位画角当たりの結像倍率が、図10の破線のように単調に減少しても、十分な情報量補償が可能であり「全天球に亘って均質な画質の全天球画像」を撮像できる。
As shown in FIG. 10, the “resolution per unit pixel” is lower in the specific example wide-angle lens than in the comparative example wide-angle lens in the lens peripheral area.
However, since the images in the lens peripheral area overlap with each other and "are not used for the actual spherical image", this point is not a problem.
Since the images formed in the lens peripheral area overlap each other, "double information amount" is obtained in this part with respect to the same image part. That is, for an image formed by the lens peripheral region, the same result as an increase in “light receiving area” of the light receiving element is obtained, which is the same as an increase in magnification per unit angle of view. Accordingly, even if the imaging magnification per unit angle of view monotonically decreases as shown by the broken line in FIG. 10, sufficient information amount compensation is possible, and "the whole sky with uniform image quality over the whole sphere" Spherical image ".

また、2つの広角レンズによる画像を連結して全天球画像を構成するとき、レンズ周辺領域で結像される画像は、「同一像を表す基準データ」として画像の連結(スティッチング)に用いられる。
以上の説明したように、この発明によれば以下の如き光学系と撮像システムを実現できる。
Further, when an image formed by two wide-angle lenses is connected to form an omnidirectional image, an image formed in a lens peripheral region is used for image connection (stitching) as “reference data representing the same image”. Can be
As described above, according to the present invention, the following optical system and imaging system can be realized.

[1]複数の広角レンズ10b、10cを有する光学系であって、個々の広角レンズは、レンズ周辺領域IIIと、光軸から前記レンズ周辺領域に至るレンズ内側領域とを有し、各広角レンズの前記レンズ周辺領域IIIが結像する被写体像部分が互いに重複し、前記レンズ内側領域が結像する被写体像部分は互いに重複せず、前記レンズ内側領域は、光軸から前記レンズ周辺領域に向かう第1領域Iと、該第1領域Iから前記レンズ周辺領域IIIまでの第2領域IIとを有し、前記第1領域Iでは、単位画角当たりの被写体像の結像倍率が一定であり、前記レンズ周辺領域IIIでは、単位画角当たりの被写体像の結像倍率が減少し、前記第2領域IIでは、単位画角当たりの被写体像の結像倍率が、前記第1領域から前記レンズ周辺領域に連続的に変化する(図7)光学系。   [1] An optical system having a plurality of wide-angle lenses 10b and 10c, wherein each wide-angle lens has a lens peripheral region III and a lens inner region from the optical axis to the lens peripheral region. The subject image portions formed by the lens peripheral region III overlap each other, the subject image portions formed by the lens inner region do not overlap each other, and the lens inner region goes from the optical axis to the lens peripheral region. It has a first region I and a second region II from the first region I to the lens peripheral region III. In the first region I, the imaging magnification of a subject image per unit angle of view is constant. In the lens peripheral region III, the imaging magnification of the subject image per unit angle of view decreases, and in the second region II, the imaging magnification of the subject image per unit angle of view decreases from the first region to the lens. Perimeter area Continuously changes (FIG. 7) optical system.

[2]
[1]記載の光学系であって、各広角レンズのレンズ内側領域は等距離投射方式である光学系。
[3]
[1]または[2]記載の光学系であって、全画角が180度以上の広角レンズ10b、10cを2個有する光学系。
[4]
[3]記載の光学系であって、2個の広角レンズ10b、10cは同一仕様で、レンズ周辺領域IIIは半画角:90度より大きい画角領域である光学系。
[2]
[1] The optical system according to [1], wherein a lens inner region of each wide-angle lens is an equidistant projection system.
[3]
The optical system according to [1] or [2], comprising two wide-angle lenses 10b and 10c having a total angle of view of 180 degrees or more.
[4]
[3] The optical system according to [3], wherein the two wide-angle lenses 10b and 10c have the same specifications, and the lens peripheral region III is a half angle of view: an angle of view larger than 90 degrees.

[5]
[4]記載の光学系であって、同一仕様の2個の広角レンズ10b、10cは、負の屈折力を持つ前群と、正の屈折力を持つ後群を有する光学系。
[6]
[5]記載の光学系であって、同一仕様の2個の広角レンズ10b、10cは、それぞれ、前群と後群との間に、前群からの光束を後群に向けて屈曲させる反射面MSb、MScを有する透明体PSb、PScを有し、各透明体の反射面を近接もしくは密着させて配置される光学系。
[7]
[6]記載の光学系であって、反射面MSb、MScを有する透明体が、プリズムPSb、PScである光学系。
[5]
[4] The optical system according to [4], wherein the two wide-angle lenses 10b and 10c having the same specifications have a front group having a negative refractive power and a rear group having a positive refractive power.
[6]
[5] The optical system according to [5], wherein the two wide-angle lenses 10b and 10c having the same specifications respectively reflect between the front group and the rear group to bend the light flux from the front group toward the rear group. An optical system having transparent bodies PSb and PSc having surfaces MSb and MSc, wherein the reflecting surfaces of the transparent bodies are arranged close to or in close contact with each other.
[7]
[6] The optical system according to [6], wherein the transparent bodies having the reflecting surfaces MSb and MSc are prisms PSb and PSc.

[8]
[1]ないし[7]のいずれか1に記載の光学系と、該光学系を通過した光を電気信号に変換して撮像画像を生成する撮像素子ISb、IScと、を備えた撮像システム(図1)。
[9]
[8]記載の光学系であって、各広角レンズの結像する被写体像の重複する部分を利用して、各広角レンズにより撮像された画像相互を繋ぎあわせて表示する撮像システム。
[8]
An imaging system comprising: the optical system according to any one of [1] to [7]; and imaging elements ISb and ISc that convert light that has passed through the optical system into an electric signal to generate a captured image. (Fig. 1).
[9]
[8] The imaging system according to [8], wherein the images captured by the wide-angle lenses are connected to each other and displayed using overlapping portions of the subject images formed by the wide-angle lenses.

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。
As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and unless otherwise specified in the above description, the invention described in the claims. Various modifications and changes are possible within the scope of the spirit of the present invention.
The effects described in the embodiments of the present invention merely enumerate preferred effects resulting from the invention, and the effects of the invention are not limited to those described in the embodiments.

上に「2つの広角レンズを用いる光学系」として説明した形態は、一般的な場合に敷衍できる。即ち、nを2以上の自然数として360/nより大きい全画角:A(度)を持ち、「単位画角あたりの倍率が、略一定である第1領域と、減少するレンズ周辺領域と、これらの間にあって、上記倍率が連続的に変化する第2領域をもつ広角レンズをn個以上組み合わせてなる光学系とすることができる。   The form described above as “optical system using two wide-angle lenses” can be extended to a general case. That is, it has a total angle of view: A (degree) greater than 360 / n, where n is a natural number of 2 or more, and “the first area where the magnification per unit angle of view is substantially constant, the lens peripheral area that decreases, An optical system including a combination of n or more wide-angle lenses having a second region in which the magnification changes continuously between them can be provided.

例えば、360度/3=120度より大きい画角:A(例えば140度)を持つ広角レンズを3個、同一平面内で放射状に配設した光学系を用い、広角レンズの各々に撮像素子を組み合わせて撮像システムを構成すると、360度の水平パノラマ画像を撮像できる。   For example, using an optical system in which three wide-angle lenses having an angle of view larger than 360 degrees / 3 = 120 degrees: A (for example, 140 degrees) and arranged radially in the same plane, an image sensor is provided for each of the wide-angle lenses. When configured in combination, an imaging system can capture a 360-degree horizontal panoramic image.

この場合に得られる画像は「全天球画像」ではないが、このような水平パノラマ画像を撮像できる撮像システムは、車載カメラや防犯カメラとして良好に実施できる。   The image obtained in this case is not a “spherical image”, but an imaging system capable of capturing such a horizontal panoramic image can be satisfactorily implemented as a vehicle-mounted camera or a security camera.

上記画角:A=140度を持つ広角レンズを4個、空間的に放射状として、正4面体型に組み合わせた光学系を用い全天球型撮像システムとすれば、立体角:4πラジアンの全天球画像を撮像できる。   If a wide-angle imaging system using four wide-angle lenses having an angle of view of A = 140 degrees, spatially radially, and a tetrahedron-type optical system is used, a solid angle of 4π radians is obtained. A celestial sphere image can be captured.

10b、10c 広角レンズ
I 第1領域
II 第2領域
III レンズ周辺領域
PSb、PSc 透明体(プリズム)
ISb、ISc 撮像素子
10b, 10c Wide-angle lens
I First area
II Second Area
III Lens peripheral area
PSb, PSc transparent body (prism)
ISb, ISc Image sensor

特開2006−17837号公報JP 2006-17837 A 特開2013−45089号公報JP 2013-45089 A

Claims (9)

複数の広角レンズを有する光学系であって、
個々の広角レンズは、レンズ周辺領域と、光軸から前記レンズ周辺領域に至るレンズ内側領域とを有し、
各広角レンズの前記レンズ周辺領域が結像する被写体像部分が互いに重複し、前記レンズ内側領域が結像する被写体像部分は互いに重複せず、
前記レンズ内側領域は、光軸から前記レンズ周辺領域に向かう第1領域と、該第1領域から前記レンズ周辺領域までの第2領域とを有し、
前記第1領域では、単位画角当たりの被写体像の結像倍率が一定であり、
前記レンズ周辺領域では、単位画角当たりの被写体像の結像倍率が減少し、
前記第2領域では、単位画角当たりの被写体像の結像倍率が、前記第1領域から前記レンズ周辺領域に連続的に変化する光学系。
An optical system having a plurality of wide-angle lenses,
Each wide-angle lens has a lens peripheral region and a lens inner region extending from the optical axis to the lens peripheral region,
The subject image portions where the lens peripheral regions of each wide-angle lens form an image overlap each other, and the subject image portions where the lens inner regions form an image do not overlap each other,
The lens inner area has a first area from an optical axis toward the lens peripheral area, and a second area from the first area to the lens peripheral area,
In the first area, the imaging magnification of the subject image per unit angle of view is constant,
In the lens peripheral area, the imaging magnification of the subject image per unit angle of view decreases,
An optical system in which an imaging magnification of a subject image per unit angle of view continuously changes from the first area to the lens peripheral area in the second area.
請求項1記載の光学系であって、
各広角レンズのレンズ内側領域は等距離投射方式である光学系。
The optical system according to claim 1, wherein
The inner area of each wide-angle lens is an optical system that uses the equidistant projection method.
請求項1または2記載の光学系であって、
全画角が180度以上の広角レンズを2個有する光学系。
The optical system according to claim 1 or 2,
An optical system having two wide-angle lenses having a total angle of view of 180 degrees or more.
請求項3記載の光学系であって、
2個の広角レンズは同一仕様で、レンズ周辺領域は半画角:90度より大きい画角領域である光学系。
The optical system according to claim 3, wherein
An optical system in which the two wide-angle lenses have the same specifications, and the lens peripheral area is a half angle of view: an angle of view area larger than 90 degrees.
請求項4記載の光学系であって、
同一仕様の2個の広角レンズは、負の屈折力を持つ前群と、正の屈折力を持つ後群を有する光学系。
The optical system according to claim 4, wherein
Two wide-angle lenses of the same specification are an optical system having a front group having a negative refractive power and a rear group having a positive refractive power.
請求項5記載の光学系であって、
同一仕様の2個の広角レンズは、それぞれ、前群と後群との間に、前群からの光束を後群に向けて屈曲させる反射面を有する透明体を有し、各透明体の反射面を近接もしくは密着させて配置される光学系。
The optical system according to claim 5, wherein
Each of the two wide-angle lenses having the same specifications has a transparent body between the front group and the rear group, which has a reflecting surface that bends a light beam from the front group toward the rear group. An optical system that is placed close to or close to a surface.
請求項6記載の光学系であって、
反射面を有する透明体が、プリズムである光学系。
The optical system according to claim 6, wherein
An optical system in which a transparent body having a reflecting surface is a prism.
請求項1〜7のいずれか1項に記載の光学系と、
該光学系を通過した光を電気信号に変換して撮像画像を生成する撮像素子と、を備えた撮像システム。
An optical system according to any one of claims 1 to 7,
An image sensor that converts light that has passed through the optical system into an electric signal to generate a captured image.
請求項8記載の撮像システムであって、
各広角レンズの結像する被写体像の重複する部分を利用して、各広角レンズにより撮像された画像相互を繋ぎあわせて表示する撮像システム。
The imaging system according to claim 8,
An imaging system for connecting and displaying images captured by respective wide-angle lenses by using overlapping portions of subject images formed by the respective wide-angle lenses.
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