JP4451271B2 - 光学系 - Google Patents

Description

本発明は、光学系に関し、特に、上下方向に９０°以上の画角であって左右方向に１８０°の画角の画像を像面に結像させるか像面に配置された画像を上下方向に９０°以上の画角であって左右方向に１８０°の画角に投影するカメラ、プロジェクター等に適した光学系に関するものである。

従来、撮像光学系と凸面鏡、回転楕円鏡、回転放物面鏡により３６０°全周の画像を得る光学系としては、反射面を１面用いる特許文献１記載のようなものと、反射面を２面用いる特許文献２、３記載のようなもの、あるいは、商標「カメレオンアイ」（ソニー（株））として知られているものがある。
特許第２９２５５７３号公報 特開平１１−３３１６５４号公報 特開２００３−１６７１９５号公報

しかし、上記特許文献１〜３及び「カメレオンアイ」も含めて、従来の全方位（全周）の画像を得る光学系は何れも、上下方向の画角が７０°程度以下で、それより広角のものは存在していなかった。

また、このような反射光学系を用いて全周の半分、すなわち、左右方向に１８０°の画角の画像を得る光学系も存在していなかった。

さらに、上下方向に９０°以上、左右方向に１８０°の画角の画像を得るには、従来、魚眼レンズ等の軸対称な光学系が知られているが、大型化する問題がある。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、上下方向に９０°以上の画角であって左右方向に１８０°の画角の画像を像面に結像させるか像面に配置された画像を上下方向に９０°以上の画角であって左右方向に１８０の画角に投影するための小型で解像力の良い偏心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、上下方向に９０°以上の画角であって左右方向に１８０°の画角の画像を像面に結像させる光学系であって、
リレー光学系と、前記リレー光学系の射出側に配置された正パワーを有する結像光学系とからなり、
前記リレー光学系は、中心軸の周りで回転対称な透明媒体であって中心軸に対して光束が入射する側と反対の片側のみに存在する透明媒体を有し、前記透明媒体は、少なくとも１面の内面反射面と少なくとも２面の屈折面を持ち、光線の進む順に、入射面の屈折面を経て透明媒体内に入り、内面反射面で順に反射されて射出面の屈折面を経て透明媒体から外に出て、前記結像光学系を経て像面の中心軸から外れた位置に結像し、かつ、前記透明媒体内で中心軸に対して片側のみに位置する内面反射面と屈折面を通り、
前記内面反射面及び前記屈折面は何れも中心軸の周りで回転対称な形状を有し、
かつ、光線の進む順に、遠方から入射する光束は、中心軸を含む断面内で少なくとも１回結像され、かつ、その断面に対して直交し、その光束の中心光線を含む平面内では結像しないように構成されていることを特徴とするものである。

本発明のも１つの光学系は、像面に配置された画像を上下方向に９０°以上の画角であって左右方向に１８０°の画角に投影する光学系であって、
リレー光学系と、前記リレー光学系の入射側に配置された正パワーを有する結像光学系とからなり、
前記リレー光学系は、中心軸の周りで回転対称な透明媒体であって中心軸に対して光束が射出する側と反対の片側のみに存在する透明媒体を有し、前記透明媒体は、少なくとも１面の内面反射面と少なくとも２面の屈折面を持ち、光線の進む順とは反対に、入射面の屈折面を経て透明媒体内に入り、内面反射面で順に反射されて射出面の屈折面を経て透明媒体から外に出て、前記結像光学系を経て像面の中心軸から外れた位置に結像し、かつ、前記透明媒体内で中心軸に対して片側のみに位置する内面反射面と屈折面を通り、
前記内面反射面及び前記屈折面は何れも中心軸の周りで回転対称な形状を有し、
かつ、光線の進む順とは反対に、遠方から入射する光束は、中心軸を含む断面内で少なくとも１回結像され、かつ、その断面に対して直交し、その光束の中心光線を含む平面内では結像しないように構成されていることを特徴とするものである。

これらの場合、前記結像光学系と入射瞳を形成する開口とが中心軸と同軸に配置されていることが望ましい。

また、遠方から入射する光束は、例えば中心軸を含む断面内で１回結像され、かつ、２面又は３面の内面反射面を有するものとすることができる。

また、前記リレー光学系は、前記透明媒体の入射面の入射側に中心軸を含む断面内で負パワーを有する中心軸の周りで回転対称で、前記透明媒体が存在する片側のみに存在する屈折体、反射体又は屈折反射体を備えているように構成することができる。

また、遠方から入射する中心光束の中心光線の前記内面反射面の中、入射角が４５°以下の面を少なくとも１面有することが望ましい。

また、少なくとも１面の内面反射面は対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することが望ましい。

あるいは、少なくとも１面の内面反射面は奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することが望ましい。

また、瞳を形成する開口の像である入射瞳位置とその開口の間の光路長をＡ、透明媒体の物体側の第１面と入射瞳位置の間の光路長をＢとするとき、
５＜｜Ａ／Ｂ｜ ・・・（１）
を満足することが望ましい。

また、瞳を形成する開口の像である入射瞳位置とその開口の間の光路長をＡ、中心軸から入射瞳位置までの光路長をＣとするとき、
５＜｜Ａ／Ｃ｜ ・・・（２）
を満足することが望ましい。

本発明の光学系は、上下方向に１００°以上の画角を像面に結像させるか、上下方向に１００°以上の画角に投影するものとして構成することができる。

以上の本発明によると、上下方向に９０°以上の画角であって左右方向に１８０°の画角の画像を像面に結像させるか像面に配置された画像を上下方向に９０°以上の画角であって左右方向に１８０の画角に投影するための小型で解像力の良い偏心光学系を提供することができる。

以下、実施例の基づいて本発明の光学系について説明する。

図１は、後記する実施例１の光学系を中心軸（回転対称軸）に沿ってとった断面図であり、図２はその光学系内の光路を示す平面図である。この図１、図２を用いて本発明の光学系を説明する。

本発明の光学系５０は、中心軸１に沿う上下方向に９０°以上の画角であって、中心軸１に直交する左右方向に１８０°の画角の画像を像面３０に結像させて撮像するためのものであり、この光学系５０は、リレー光学系と、その射出側に配置された絞り２１を含む結像レンズ２０とからなり、リレー光学系は、中心軸１の周りで回転対称な透明媒体１０であって中心軸１に対して光束が入射する側と反対の片側のみに存在する透明媒体１０を有し、その透明媒体１０は、少なくとも１面の内面反射面１２、１４（図１の場合は２面）と少なくとも２面の屈折面１１、１３を持つものである。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は入射面の屈折面１１を経て透明媒体１０内に入り、内面反射面１２、内面反射面１４で順に反射されて（図１の場合は、内面反射面１２、１４が２面であるから２回反射されて）射出面の屈折面１３を経て透明媒体１０から外に出て、結像レンズ２０の絞り２１を介して、像面３０の中心軸１に対して透明媒体１０とは反対側の中心軸１位置から外れた半径方向の所定位置に結像する。透明媒体１０は、中心軸１の周りで回転対称な形状であり、その屈折面１１、１３、内面反射面１２、１４も中心軸１の周りで回転対称な形状をしている。

そして、本発明の光学系５０における透明媒体１０は、中心軸（回転対称軸）１の片側でのみ光線を反射屈折処理できるので、面の有効径の干渉を避けることが容易になり、回転対称軸方向（上下方向）の観察画角を９０°以上と大きくとることが可能となる。

また、本発明の光学系５０は、遠方から入射する光束２、３Ｕ、３Ｌを図１の回転対称軸１を含む断面内で少なくとも１回結像し（図１の場合は、透明媒体内の位置４近傍に１回結像し）、その断面に対して直交し、中心光束２の中心光線２₀ を含む平面内（図２）では結像しない構成となっている。中心軸１を含む断面内及び中心軸１に直交する断面内共に１回結像させるには、中心軸１の両側を使う必要があるが、本発明の光学系５０は、中心軸１に対して片側のみに存在する透明媒体１０内で内面反射面１２、１４と屈折面１１、１３を通るような構成となっている。そのため、リレー光学系の透明媒体１０内の内面反射面１２、１４と屈折面１１、１３は回転対称軸１と直交する面内においては、全て回転対称軸１と同心のアフォーカル光学系となり、回転対称軸１と直交する方向では結像しない。

このように、回転対称軸１を含む断面内で遠方から入射する光束２、３Ｕ、３Ｌ（光束３Ｕは遠方の空側から入射する光束、３Ｌは遠方の地側から入射する光束）は少なくとも１回結像するため、結像レンズ２０の絞り２１の像（入射瞳）も、透明媒体１０の第１面１１近傍に投影することが可能となり、リレー光学系を構成する透明媒体１０の有効径自体を小さくすることが可能となる。つまり、中心軸１を含む断面内でのみ結像レンズ２０の絞り２１の像を透明媒体１０の入射面１１近傍で、かつ、回転対称軸１近傍に投影するような構成にすると、この光学系５０の回転対称軸１方向及びそれと直交する方向の画角を広くとっても入射面の有効径を小さくすることが可能となる。これにより、入射面１１又は回転対称軸１近傍にフレア絞りを配置することが可能となり、像面３０の法線方向から入射するフレアーやゴーストを形成する不要光を少なくすることが可能となり、フレアーの少ない映像を観察（撮像）することが可能となる。すなわち、像面３０に垂線な方向からの不要光によるフレアーやゴーストが入り難くなる効果がある。

さらに、回転対称軸１に対して物体側と反対側にリレー光学系の透明媒体１０を配置し、絞り２１の像の入射瞳を回転対称軸１近傍に形成するようにすると、回転対称軸１と直交する方向にも入射瞳を小さくすることが可能となる。

そして、本発明の光学系５０の透明媒体１０における各内面反射面１２は裏面鏡であるため、収差の発生量を少なくすることができる。

なお、反射面では偏心収差が発生しやいので、内面反射面１２、１４の中入射角が４５°以下の面を少なくとも１面有するようにすることにより、偏心収差の発生を少なくすることが可能となる。

また、リレー光学系の透明媒体１０の入射面１１の入射側に、中心軸１を含む断面内で負パワーを有する中心軸１の周りで回転対称で、透明媒体１０が存在する片側のみに存在する屈折体、反射体又は屈折反射体を配置して、中心軸１に沿った上下方向の画角をさらに広げるようにすることも可能である（実施例２）。

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、無限遠の物体面から透明媒体１０と理想レンズからなる結像レンズ２０を経て像面３０に至る順光線追跡の結果に基づくものである。

座標系については、順光線追跡において、例えば図１に示すように、像面３０の中心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の光の進行方向に沿う方向をＺ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の紙面内の無限遠の物体面から光が進む方向をＹ軸正方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。

偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系の原点の中心からの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、光学系の原点に定義される座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。

また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。

なお、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない非球面に関する項は０である。屈折率、アッベ数については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。各面の偏心は、上記のように、像面３０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。

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、次の定義式（ｄ）でＹ回転自由曲面が定義される。

Ｒ（Ｙ）＝Ｃ₁ ＋Ｃ₂ Ｙ² ＋Ｃ₃ Ｙ² ＋Ｃ₄ Ｙ³ ＋Ｃ₅ Ｙ⁴ ＋Ｃ₆ Ｙ⁵ ＋Ｃ₇ Ｙ⁶
＋・・・・＋Ｃ₂₁Ｙ²⁰＋・・・・＋Ｃ_n+1 Ｙⁿ ＋・・・・
Ｚ＝±Ｒ（Ｙ）［１−｛Ｘ／Ｒ（Ｙ）｝² ］^1/2 ・・・（ｄ）
このＹ回転自由曲面は、Ｙ軸の周りで曲線Ｒ（Ｙ）を回転してできる回転対称面である。その結果、その面はＹ−Ｚ面内で自由曲面（自由曲線）になり、Ｘ−Ｚ面内で半径｜Ｃ₁ ｜の円になる。

実施例１の光学系５０を中心軸（回転対称軸）に沿ってとった断面図を図１に、この光学系５０内の光路を示す平面図を図２に示す。なお、図１のＹ−Ｚ断面図には像面３０に対してとる座標系を記入してある。以下、同じ。

この実施例１の光学系５０は、中心軸１に沿う上下方向に１００°の画角であって、中心軸１に直交する左右方向に１８０°の画角の画像を像面３０に結像させて撮像するためのものであり、理想レンズからなる結像レンズ２０の入射側に透明媒体１０を配置して、像面３０が天頂に向いている場合、像面３０上で天頂方向が中心軸１に近づく方向に向き、地下方向が中心軸１から離れる方向を向く外形が１８０°の扇型の画像を像面３０に結像させるものであり、リレー光学系は、中心軸１の周りで回転対称で、中心軸１に対して遠方から光束２、３Ｕ、３Ｌが入射する側と反対の片側のみに存在する透明媒体１０からなり、その透明媒体１０は、Ｙ回転自由曲面からなる２面の内面反射面１２、１４と、Ｙ回転自由曲面からなる入射面（屈折面）１１と射出面（屈折面）１３とを有する。そして、中心軸１が垂直方向に向き、像面３０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は中心軸１を横切り、入射面の屈折面１１を経て透明媒体１０内に入り、内面反射面１２と内面反射面１４で順に２回反射されて、射出面の屈折面１３を経て透明媒体１０から外に出て、結像レンズ２０の絞り２１を介して像面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。透明媒体１０内の光路は、回転対称軸１を含む断面図内で１回転するように反射する。

そして、この実施例においては、透明媒体１０内で、中心軸１に対して片側のみに位置する反射面１２、１４と屈折面１１、１３を通る。また、遠方から入射する光束２、３Ｕ、３Ｌは図１の回転対称軸１を含む断面図内で透明媒体１０内の射出面１３近傍位置４で１回結像し、その断面に対して直交し、中心光束２の中心光線２₀ を含む平面内（図２）では結像しない。また、結像レンズ２０の絞り２１の像（入射瞳）は、透明媒体１０内の屈折面１１近傍の位置５に結像している。

この実施例１の仕様は、
理想レンズ２０の焦点距離 ３．５ｍｍ
水平画角 １８０°
垂直画角 １００°
入射瞳径 ０．５１ｍｍ
像の大きさ φ２．０３〜φ６．００ｍｍ
である。

この実施例１は、２つの内面反射面１２、１４で構成され、透明媒体１０内で光路が交差するように構成された小型の光学系の実施例である。本実施例は、透明媒体１０の透過面である第１面１１近傍に入射瞳を配置する構成であり、さらに、第２面である反射面１２で光路面を約４５°折り曲げ、第３面である反射面１４でさらに４５°折り曲げることにより、光学系を小型にすることに成功したものである。

実施例２の光学系５０を中心軸（回転対称軸）に沿ってとった断面図を図３に、この光学系５０内の光路を示す平面図を図４に示す。また、この実施例の面形状と光路を示す透視斜視図を図５に示す。

この実施例２の光学系５０は、中心軸１に沿う上下方向に１６０°の画角であって、中心軸１に直交する左右方向に１８０°の画角の画像を像面３０に結像させて撮像するためのものであり、理想レンズからなる結像レンズ２０の入射側に透明媒体１０を配置し、その内側の物体側に１つのＹトーリックレンズ６０を付加したものである。このレンズ６０も中心軸１に対して回転対称な面６１と６２で構成されているレンズで、中心軸１に対して直交する方向にはパワーを有さなが、中心軸１を含む断面内では負のパワーを有することにより、上下方向の画角を１６０°と大きくとることが可能となったものである。

この実施例の光学系５０において、像面３０が天頂に向いている場合、像面３０上で天頂方向が中心軸１に近づく方向に向き、地下方向が中心軸１から離れる方向を向く外形が１８０°の扇型の画像を像面３０に結像させるものであり、リレー光学系は、上記のように、中心軸１の周りで回転対称なＹトーリック面の第１面６１と第２面６２からなり、中心軸１に対して遠方から光束２、３Ｕ、３Ｌが入射する側と反対の片側のみに存在するＹトーリックレンズ６０と、中心軸１の周りで回転対称で、同様に中心軸１に対して遠方から光束２、３Ｕ、３Ｌが入射する側と反対の片側のみに存在する透明媒体１０とからなり、その透明媒体１０は、Ｙ回転自由曲面からなる２面の内面反射面１２、１４と、Ｙ回転自由曲面からなる入射面（屈折面）１１と、非球面の射出面（屈折面）１３とを有する。そして、中心軸１が垂直方向に向き、像面３０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は中心軸１を横切り、Ｙトーリックレンズ６０の第１面６１と第２面６２を経て、透明媒体１０の入射面の屈折面１１から透明媒体１０内に入り、内面反射面１２と内面反射面１４で順に２回反射されて、射出面の屈折面１３を経て透明媒体１０から外に出て、結像レンズ２０の絞り２１を介して像面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。透明媒体１０内の光路は、回転対称軸１を含む断面図内で１回転するように反射する。

そして、この実施例においては、リレー光学系内で、中心軸１に対して片側のみに位置するＹトーリックレンズ６０の屈折面６１、６２と、透明媒体１０内の中心軸１に対して片側のみに位置する反射面１２、１４と屈折面１１、１３を通る。また、遠方から入射する光束２、３Ｕ、３Ｌは図３の回転対称軸１を含む断面図内で透明媒体１０の射出面１３から出た位置４近傍で１回結像し、その断面に対して直交し、中心光束２の中心光線２₀ を含む平面内（図４）では結像しない。また、結像レンズ２０の絞り２１の像（入射瞳）は、透明媒体１０の屈折面１１近傍の位置５に結像している。

この実施例２の仕様は、
理想レンズ２０の焦点距離 ３．５ｍｍ
水平画角 １８０°
垂直画角 １６０°
入射瞳径 ０．５８ｍｍ
像の大きさ φ２．０５〜φ５．９７ｍｍ
である。

この実施例２は、２つの内面反射面１２、１４で構成され、透明媒体１０内で光路が交差するように構成された小型の光学系の実施例である。本実施例は、透明媒体１０の透過面である第１面１１近傍に入射瞳を配置する構成であり、さらに、第２面である反射面１２で光路面を約４５°折り曲げ、第３面である反射面１４でさらに４５°折り曲げることにより、光学系を小型にすることに成功したものである。

さらに、実施例２は、透明媒体１０の物体側に１つのＹトーリックレンズ６０を付加したものである。このレンズ６０も回転対称軸１に対して回転対称な面６１、６２で構成されているレンズで、回転対称軸１に対して直交する方向にはパワーを有さなが、回転対称軸１を含む断面内では負のパワーを有することにより、上下方向の画角を大きくとることが可能となったものである。

さらに好ましくは、このレンズ６０は中心軸１を含む断面内では物体側に凸面を向け負メニスカスレンズで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、その残りの像歪を他の面で補正することが可能となり、良好な収差補正が可能となる。

また、本実施例では、透明媒体１０の第４面である第２透過面１３を回転対称非球面で構成したが、この面も任意の曲線を回転することにより形成される回転自由曲面（Ｙ回転自由曲面）で置き換えることは容易である。

さらに、透明媒体１０の物体側には、１つのＹトーリックレンズ６０に限らず、２枚又は３枚のメニスカス形状のレンズで構成することにより、より像歪の発生を小さくすることが可能である。また、レンズに限らず、中心軸１に対して回転対称な反射面やプリズムにより光線を反射屈折させて任意の方向を撮像あるいは観察させることも容易である。

実施例３の光学系５０を中心軸（回転対称軸）に沿ってとった断面図を図６に、この光学系５０内の光路を示す平面図を図７に示す。

この実施例３の光学系５０は、中心軸１に沿う上下方向に１００°の画角であって、中心軸１に直交する左右方向に１８０°の画角の画像を像面３０に結像させて撮像するためのものであり、理想レンズからなる結像レンズ２０の入射側に透明媒体１０を配置して、像面３０が天頂に向いている場合、像面３０上で天頂方向が中心軸１から離れる方向を向き、地下方向が中心軸１に近づく方向に向く外形が１８０°の扇型の画像を像面３０に結像させるものであり、リレー光学系は、中心軸１の周りで回転対称で、中心軸１に対して遠方から光束２、３Ｕ、３Ｌが入射する側と反対の片側のみに存在する透明媒体１０からなり、その透明媒体１０は、Ｙ回転自由曲面からなる３面の内面反射面１２、１４、１５と、Ｙ回転自由曲面からなる入射面（屈折面）１１と射出面（屈折面）１３とを有する。そして、中心軸１が垂直方向に向き、像面３０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は中心軸１を横切り、入射面の屈折面１１を経て透明媒体１０内に入り、内面反射面１２と内面反射面１４と内面反射面１５で順にジグザグに３回反射されて、射出面の屈折面１３を経て透明媒体１０から外に出て、結像レンズ２０の絞り２１を介して像面３０の中心軸１から外れた半径方向の所定位置に結像する。

そして、この実施例においては、透明媒体１０内で、中心軸１に対して片側のみに位置する反射面１２、１４、１５と屈折面１１、１３を通る。また、遠方から入射する光束２、３Ｕ、３Ｌは図６の回転対称軸１を含む断面図内で透明媒体１０内の反射面１２近傍位置４で１回結像し、その断面に対して直交し、中心光束２の中心光線２₀ を含む平面内（図７）では結像しない。また、結像レンズ２０の絞り２１の像（入射瞳）は、透明媒体１０外の屈折面１１近傍の位置５に結像している。

この実施例３の仕様は、
理想レンズ２０の焦点距離 ３．５ｍｍ
水平画角 １８０°
垂直画角 １００°
入射瞳径 ０．５９ｍｍ
像の大きさ φ２．５７〜φ５．９８ｍｍ
である。

この実施例３は、３つの内面反射面１２、１４、１５で構成され、透明媒体１０内で光路がジグザグになるように構成された小型の光学系の実施例である。各反射面の反射角が４５°以下なので、各面にパワーを待たせることが可能となり、偏心収差の補正上好ましい。また、３つの反射面１２、１４、１５を正負正のパワー構成にすることにより、中心軸１を含む断面方向のペッツバール和を小さくでき、その断面方向の像面湾曲を少なくすることが可能となる。

なお、以上の実施例１、３において、実施例２のような１枚あるいは複数枚のＹトーリックレンズ６０を透明媒体１０の物体側に付加することによりさらに上下方向の画角を広げることもできる。

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、“ＡＳＳ”は非球面、“ＹＲＦＳ”はＹ回転自由曲面をそれぞれ示す。また、“ＩＤＬ”は理想レンズを示す。

実施例１
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞（入射瞳面） 偏心(1)
2 ＹＲＦＳ[1] 偏心(2) 1.8830 40.7
3 ＹＲＦＳ[2] 偏心(3) 1.8830 40.7
4 ＹＲＦＳ[3] 偏心(4) 1.8830 40.7
5 ＹＲＦＳ[4] 偏心(5)
6 ∞（絞り） 偏心(6)
7 ＩＤＬ 偏心(7)
像 面 ∞
ＹＲＦＳ[1]
Ｃ₁ 8.7256 Ｃ₂ -3.3506 ×10^-2 Ｃ₃ -8.6337 ×10^-3
ＹＲＦＳ[2]
Ｃ₁ 3.1274 ×10⁺¹ Ｃ₂ 3.4801 ×10^-1 Ｃ₃ -1.2282 ×10^-2
Ｃ₄ 8.6886e-005
ＹＲＦＳ[3]
Ｃ₁ 2.1156 ×10⁺¹ Ｃ₂ 3.2729 Ｃ₃ 1.2221 ×10^-1
ＹＲＦＳ[4]
Ｃ₁ 1.6367 ×10⁺¹ Ｃ₂ -1.3955 ×10⁺¹ Ｃ₃ 3.7757
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 10.00 Ｚ -44.44
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -44.44
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -44.79
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -53.15
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -37.49
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(6)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -7.59
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(7)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -4.09
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 ∞（入射瞳面） 偏心(1)
2 ＹＴＲ[1] 偏心(2) 1.8830 40.7
3 ＹＴＲ[2] 偏心(3)
4 ＹＲＦＳ[1] 偏心(4) 1.8830 40.7
5 ＹＲＦＳ[2] 偏心(5) 1.8830 40.7
6 ＹＲＦＳ[3] 偏心(6) 1.8830 40.7
7 ＡＳＳ[1] 偏心(7)
8 ∞（絞り） 偏心(8)
9 ＩＤＬ 偏心(9)
像 面 ∞
ＹＴＲ[1]
Ｒｙ 8.44
Ｒｘ -8.68
ｋ -4.2156
ａ 2.0818 ×10^-2
ＹＴＲ[2]
Ｒｙ 0.82
Ｒｘ -9.68
ｋ 0.8017
ａ -7.0373 ×10^-3
ＹＲＦＳ[1]
Ｃ₁ 1.0684 ×10⁺¹ Ｃ₂ 1.4282 ×10^-1 Ｃ₃ 2.1246 ×10^-1
ＹＲＦＳ[2]
Ｃ₁ 3.3285 ×10⁺¹ Ｃ₂ 3.8892 ×10^-1 Ｃ₃ -9.7959 ×10^-3
Ｃ₄ 1.2013 ×10^-4
ＹＲＦＳ[3]
Ｃ₁ 2.3654 ×10⁺¹ Ｃ₂ 2.9923 Ｃ₃ 1.0612 ×10^-1
Ｃ₄ 2.8802 ×10^-3
ＡＳＳ[1]
Ｒ ∞
ｋ -2.9406 ×10⁺³
ａ -1.1897 ×10^-6
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 9.66 Ｚ -53.50
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 8.68 Ｚ -53.50
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ 9.68 Ｚ -53.50
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -53.50
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -51.98
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(6)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -59.69
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(7)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -42.49
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(8)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -7.61
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(9)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -4.11
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 ∞（入射瞳面） 偏心(1)
2 ＹＲＦＳ[1] 偏心(2) 1.8830 40.7
3 ＹＲＦＳ[2] 偏心(3) 1.8830 40.7
4 ＹＲＦＳ[3] 偏心(4) 1.8830 40.7
5 ＹＲＦＳ[4] 偏心(5) 1.8830 40.7
6 ＹＲＦＳ[5] 偏心(6)
7 ∞（絞り） 偏心(7)
8 ＩＤＬ 偏心(8)
像 面 ∞
ＹＲＦＳ[1]
Ｃ₁ 1.0354 ×10⁺¹ Ｃ₂ 6.1682 ×10^-3 Ｃ₃ 9.9306 ×10^-2
ＹＲＦＳ[2]
Ｃ₁ 1.8474 ×10⁺¹ Ｃ₂ -5.1934 ×10^-1 Ｃ₃ -3.4633 ×10^-2
Ｃ₄ -1.9718 ×10^-3
ＹＲＦＳ[3]
Ｃ₁ 1.2571 ×10⁺¹ Ｃ₂ -2.1616 ×10^-1 Ｃ₃ -1.5079 ×10^-2
Ｃ₄ -8.8065 ×10^-4
ＹＲＦＳ[4]
Ｃ₁ 2.3150 ×10⁺¹ Ｃ₂ -2.5478 ×10^-1 Ｃ₃ -9.2597 ×10^-3
Ｃ₄ -1.6952 ×10^-4
ＹＲＦＳ[5]
Ｃ₁ 1.8299 ×10⁺¹ Ｃ₂ -1.6031 Ｃ₃ 5.4922 ×10^-2
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 10.00 Ｚ -62.05
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -62.05
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -62.03
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -53.58
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -47.31
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(6)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -39.15
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(7)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -7.05
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(8)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -3.55
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。

以下に、上記実施例１〜３の遠方から入射する中心光束２の中心光線２₀ の各面への入射角（°）を示す（ただし、実施例２は、Ｙトーリックレンズ６０を除く。）。

実施例１ 実施例２ 実施例３
第１面 1.919 8.127 0.353
第２面 20.091 17.418 27.610
第３面 33.705 32.848 42.858
第４面 12.596 15.252 44.954
第５面 1.204
。

ところで、本発明の光学系において、回転対称軸１を含む断面内において、入射瞳位置５と結像レンズ２０の絞り２１の間の光路長（距離に屈折率を掛けたもの）をＡ、透明媒体１０の物体側の第１面１１と入射瞳位置５の間の光路長（光線方向を正とする）をＢ、回転対称軸１からの入射瞳位置５の光路長をＣ、及び、それらの比Ａ/ Ｂ、Ａ/ Ｃとすると、上記実施例１〜３のこれらの値は次のようになる。

実施例１ 実施例２ 実施例３
Ａ 130.957 141.343 113.234
Ｂ 1.274 -1.908 -0.354
Ｃ 10.000 9.665 10.000
｜Ａ／Ｂ｜ 102.792 74.079 319.870
｜Ａ／Ｃ｜ 13.096 14.624 11.323
。

ここで、Ａ／Ｂはリレー光学系の透明媒体１０の入射面１１近傍に入射瞳が配置されている度合いを表し、Ａ／Ｃは回転対称軸１の近傍に入射瞳が配置される度合いを表す。

本発明では、回転対称軸１方向のみ入射瞳が物体側に投影されていることが特徴であり、より入射面１１近傍又は回転対称軸１近傍に入射瞳５を配置することにより、ゴースト等を防ぐフレアー絞りを効果的に配置することが可能となる。さらに、光学系の入射面を小さくすることが可能となり、面の有効径がとれ、光学系を小型にすることが可能となる。また、反射面数を増やしたり、回転対称軸１に沿った方向の画角を大きくとることが可能となる。

５＜｜Ａ／Ｂ｜ ・・・（１）
の条件式を満足することが望ましい。

条件式（１）の下限の５を越えると、入射瞳５が透明媒体１０の第１面１１から離れすぎてしまい、第１面１１の有効系が大きくなり、回転対称軸１に沿う方向の画角を大きくとれなかたり、有害なフレアー光が増えることになる。この値が大きい程フレアー防止用のフレアー絞りを有効に働かせることが可能となる。

さらに好ましくは、
１０＜｜Ａ／Ｂ｜ ・・・（１−１）
の条件式を満足することが望ましい。

また、
５＜｜Ａ／Ｃ｜ ・・・（２）
の条件式を満足することが望ましい。

条件式（２）の下限の５を越えると、入射瞳５が回転対称軸１から離れてしまい。回転対称軸１近傍に配置するフレアー絞りの有効径が大きくなり、有害なフレアー光が増える。

さらに好ましくは、
１０＜｜Ａ／Ｃ｜ ・・・（２−１）
なる条件を満足することが好ましい。

なお、本発明の光学系５０によって像面３０で撮像することにより得られる画像は、中心軸１から離れる方向を向く外形が１８０°の扇型の画像であるので、その画像を極座標系から直交座標系に座標変換することにより、横長の矩形画面の画像が得られる。

以上、本発明の光学系を中心軸（回転対称軸）を垂直方向に向けて上下方向に９０°以上の画角であって左右方向に１８０°の画角の画像を得る撮像あるいは観察光学系として説明してきたが、本発明は撮影光学系、観察光学系に限定されず、光路を逆にとって像面に配置された画像を上下方向に９０°以上の画角であって左右方向に１８０°の画角に投影する投影光学系として用いることもできる。また、内視鏡又は管内観察装置の半周観察光学系として用いることもできる。

以下に、本発明の光学系の適用例として、半周撮影光学系３１又は半周投影光学系３２の使用例を説明する。図８は、内視鏡先端の撮影光学系として本発明による半周撮影光学系３１を用いた例を示すための図であり、図８（ａ）は硬性内視鏡４１の先端４２を示す斜視図であり、図８（ｂ）に示すように、この硬性内視鏡４１の先端４２の側面に本発明による半周撮影光学系３１を取り付けて軸方向に９０°以上の画角であって円周方向に１８０°の画像を像面に配置した撮像素子３０’で撮像観察する例である。また、図８（ｃ）は、軟性電子内視鏡４３の先端に本発明による本発明による半周撮影光学系３１を取り付けて、表示装置４４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９（ａ）は、自動車４８の側面に撮影光学系として、図９（ｂ）に平面図を示すような本発明による半周撮影光学系３１を複数取り付けて、車内の表示装置に各半周撮影光学系３１を経て撮影された画像を画像処理を施して歪みを補正して同時に表示するようにした例である。

図１０は、投影装置４５の投影光学系として本発明による半周投影光学系３２を用い、その像面に配置した表示素子に半周画像を表示し、半周投影光学系３２を通して上下方向９０°以上、左右方向１８０°の半周方向に配置したスクリーン４６に１８０°半周画像を投影表示する例である。

図１１は、建物４７の外部に本発明による半周撮影光学系３１を用いた撮影装置４９を取り付け、屋内に本発明による半周投影光学系３２を用いた投影装置４５を配置し、撮影装置４９で撮像された映像を電線３９を介して投影装置４５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１８０°半周方向の被写体Ｏを半周撮影光学系３１を経て撮影装置４９で撮影し、その映像信号を電線３９を介して投影装置４５に送り、像面に配置した表示素子にその映像を表示して、半周投影光学系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の光学系の中心軸に沿ってとった断面図である。 本発明の実施例１の光学系内の光路を示す平面図である。 本発明の実施例２の光学系の中心軸に沿ってとった断面図である。 本発明の実施例２の光学系内の光路を示す平面図である。 本発明の実施例２の光学系の面形状と光路を示す透視斜視図である。 本発明の実施例３の光学系の中心軸に沿ってとった断面図である。 本発明の実施例３の光学系内の光路を示す平面図である。 内視鏡先端の撮影光学系として本発明による半周撮影光学系を用いた例を示すための図である。 自動車の側面に撮影光学系として本発明による半周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半周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半周撮影光学系を経て撮影し、屋内に本発明による半周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
２₀ …中心光束の中心光線
３Ｕ…遠方の空側から入射する光束
３Ｌ…遠方の地側から入射する光束
４…光束の結像位置
５…入射瞳の結像位置
１０…透明媒体
１１…屈折面（入射面）
１２、１４、１５…内面反射面
１３…屈折面（射出面）
２０…結像レンズ（理想レンズ）
２１…結像レンズの絞り
３０…像面
３０’…撮像素子
３１…半周撮影光学系（本発明）
３２…半周投影光学系（本発明）
３９…電線
４１…硬性内視鏡
４２…硬性内視鏡の先端
４３…軟性電子内視鏡
４４…表示装置
４５…投影装置
４６…スクリーン
４７…建物
４８…自動車
４９…撮影装置
Ｏ…被写体
Ｏ’…被写体の映像

Claims (11)

1. 上下方向に９０°以上の画角であって左右方向に１８０°の画角の画像を像面に結像させる光学系であって、
   リレー光学系と、前記リレー光学系の射出側に配置された正パワーを有する結像光学系とからなり、
   前記リレー光学系は、中心軸の周りで回転対称な透明媒体であって中心軸に対して光束が入射する側と反対の片側のみに存在する透明媒体を有し、前記透明媒体は、少なくとも１面の内面反射面と少なくとも２面の屈折面を持ち、光線の進む順に、入射面の屈折面を経て透明媒体内に入り、内面反射面で順に反射されて射出面の屈折面を経て透明媒体から外に出て、前記結像光学系を経て像面の中心軸から外れた位置に結像し、かつ、前記透明媒体内で中心軸に対して片側のみに位置する内面反射面と屈折面を通り、
   前記内面反射面及び前記屈折面は何れも中心軸の周りで回転対称な形状を有し、
   かつ、光線の進む順に、遠方から入射する光束は、中心軸を含む断面内で少なくとも１回結像され、かつ、その断面に対して直交し、その光束の中心光線を含む平面内では結像しないように構成されていることを特徴とする光学系。
2. 像面に配置された画像を上下方向に９０°以上の画角であって左右方向に１８０°の画角に投影する光学系であって、
   リレー光学系と、前記リレー光学系の入射側に配置された正パワーを有する結像光学系とからなり、
   前記リレー光学系は、中心軸の周りで回転対称な透明媒体であって中心軸に対して光束が射出する側と反対の片側のみに存在する透明媒体を有し、前記透明媒体は、少なくとも１面の内面反射面と少なくとも２面の屈折面を持ち、光線の進む順とは反対に、入射面の屈折面を経て透明媒体内に入り、内面反射面で順に反射されて射出面の屈折面を経て透明媒体から外に出て、前記結像光学系を経て像面の中心軸から外れた位置に結像し、かつ、前記透明媒体内で中心軸に対して片側のみに位置する内面反射面と屈折面を通り、
   前記内面反射面及び前記屈折面は何れも中心軸の周りで回転対称な形状を有し、
   かつ、光線の進む順とは反対に、遠方から入射する光束は、中心軸を含む断面内で少なくとも１回結像され、かつ、その断面に対して直交し、その光束の中心光線を含む平面内では結像しないように構成されていることを特徴とする光学系。
3. 前記結像光学系と入射瞳を形成する開口とが中心軸と同軸に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光学系。
4. 遠方から入射する光束は、中心軸を含む断面内で１回結像され、かつ、２面又は３面の内面反射面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. 前記リレー光学系は、前記透明媒体の入射面の入射側に中心軸を含む断面内で負パワーを有する中心軸の周りで回転対称で、前記透明媒体が存在する片側のみに存在する屈折体、反射体又は屈折反射体を備えていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の光学系。
6. 遠方から入射する中心光束の中心光線の前記内面反射面の中、入射角が４５°以下の面を少なくとも１面有す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. 少なくとも１面の内面反射面は対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の光学系。
8. 少なくとも１面の内面反射面は奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の光学系。
9. 瞳を形成する開口の像である入射瞳位置とその開口の間の光路長をＡ、透明媒体の物体側の第１面と入射瞳位置の間の光路長をＢとするとき、
   ５＜｜Ａ／Ｂ｜ ・・・（１）
   を満足することを特徴とする請求項１から８の何れか１項記載のパノラマアタッチメント光学系。
10. 瞳を形成する開口の像である入射瞳位置とその開口の間の光路長をＡ、中心軸から入射瞳位置までの光路長をＣとするとき、
    ５＜｜Ａ／Ｃ｜ ・・・（２）
    を満足することを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載のパノラマアタッチメント光学系。
11. 上下方向に１００°以上の画角を像面に結像させるか、上下方向に１００°以上の画角に投影することを特徴とする請求項１から１０の何れか１項記載の光学系。

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