JP4849591B2 - Optical system - Google Patents
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Description
本発明は、光学系に関し、特に、小型で解像力が良く、360°全方位の画角を有する画像を像面に結像させるか、像面に配置された画像を360°全方位の画角に投影する全天カメラ、全天プロジェクター等に適した光学系に関するものであ。 The present invention relates to an optical system, and in particular, is small and has good resolution, and forms an image having a 360 ° omnidirectional angle of view on an image plane, or an image arranged on the image plane has a 360 ° omnidirectional angle of view. The present invention relates to an optical system suitable for an all-sky camera, an all-sky projector, and the like.
従来、反射屈折光学系を用いた360°全方位(全周)の画像を得る小型の光学系としては、2面の内面反射面と2面の屈折面(入射面と射出面)を持つ透明媒体を備え、中心軸の周りで回転対称な前群と、中心軸の周りで回転対称で正パワーを有する後群とからなるものが特許文献1において知られている。
しかし、上記従来例においては、入射瞳が入射面近傍に位置せず、入射面の有効径が大きくなり、天頂方向あるいは地上からの有害なフレアー光が多く画像が悪化してしまう問題がある。また、入射面と第2反射面、第1反射面と射出面がそれぞれ同じ回転対称非球面からなるため、必ずしも収差が良好に補正されて解像力の良いものではなかった。 However, in the above conventional example, there is a problem that the entrance pupil is not positioned in the vicinity of the entrance surface, the effective diameter of the entrance surface is increased, and there is a lot of harmful flare light from the zenith direction or the ground, so that the image is deteriorated. In addition, since the entrance surface and the second reflection surface, and the first reflection surface and the exit surface are made of the same rotationally symmetric aspheric surface, the aberration is not necessarily corrected well and the resolving power is not good.
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、フレアー光の影響を受けず、小型で、収差が良好に補正されて解像力の良い、360°全方位(全周)の画角を有する画像を撮影したり、360°全方位(全周)画角に画像を投影するための光学系を提供することである。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the object thereof is 360 ° omnidirectional, which is not affected by flare light, is small in size, has good aberration correction, and has good resolution. It is to provide an optical system for photographing an image having an angle of view of (entire circumference) or projecting an image in an angle of view of 360 ° omnidirectional (omnidirectional).
上記目的を達成する本発明の光学系は、360°全方位の画角を有する画像を像面に結像させるか、像面に配置された画像を360°全方位の画角に投影する光学系であって、
中心軸の周りで回転対称な2面の反射面を含む前群と、中心軸の周りで回転対称で正パワーを有する後群と、中心軸に同軸に配置された開口とを備えており、
前記前群は、中心軸の周りで回転対称な透明媒体を有し、前記透明媒体は第1透過面と第1反射面と第2反射面と第2透過面を持ち、
結像光学系の場合は光線の進む順に、投影光学系の場合は光線の進む順とは反対に、前記前群に入射した光束は、前記第1透過面を経て透明媒体内に入り、中心軸に対して前記第1透過面と同じ側に配置されている前記第1反射面で像面と反対側に反射され、中心軸を挟んで前記第1透過面とは反対側に配置されている前記第2反射面で像面側に反射され、中心軸に対して前記第2反射面と同じ側に配置されている前記第2透過面を経て前記透明媒体から外に出て、前記後群を経て像面の中心軸から外れた位置に結像し、かつ、中心軸を含む断面内と、その断面に対して直交しその光束の中心光線を含む断面内での入射瞳位置が異なるように構成され、
中心軸を含む断面に対して直交する断面内の入射瞳は中心軸に位置し、
中心軸を含む断面内における入射瞳位置から前記開口位置までの光路長をA、中心軸を含む断面内における入射瞳位置から前記前群の第1透過面までの光路長をBとするとき、
5<|A/B| ・・・(3)
なる条件を満たす
ことを特徴とするものである。
The optical system of the present invention that achieves the above object forms an image having a 360 ° omnidirectional angle of view on an image plane, or projects an image arranged on the image plane onto a 360 ° omnidirectional angle of view. A system,
A front group including two reflecting surfaces rotationally symmetric about the central axis, a rear group rotationally symmetric about the central axis and having positive power, and an opening arranged coaxially with the central axis,
The front group has a transparent medium that is rotationally symmetric about a central axis, and the transparent medium has a first transmission surface, a first reflection surface, a second reflection surface, and a second transmission surface;
In the case of an imaging optical system, the light beam incident on the front group enters the transparent medium through the first transmission surface, in the order in which the light beam travels. Reflected on the opposite side to the image plane by the first reflecting surface disposed on the same side as the first transmitting surface with respect to the axis, and disposed on the opposite side to the first transmitting surface across the central axis. The second reflection surface is reflected to the image surface side, passes out of the transparent medium through the second transmission surface disposed on the same side as the second reflection surface with respect to the central axis, and the rear An image is formed at a position deviating from the central axis of the image plane through the group, and the entrance pupil position in the cross section including the central axis is different from that in the cross section orthogonal to the cross section and including the central ray of the luminous flux. Configured as
The entrance pupil of the cross section perpendicular to the cross section including the middle mandrel is located in the central axis,
When the optical path length from the entrance pupil position in the cross section including the central axis to the opening position is A, and the optical path length from the entrance pupil position in the cross section including the central axis to the first transmission surface of the front group is B,
5 <| A / B | (3)
It is characterized by satisfying the following condition .
また、少なくとも1面の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。 Further, it is desirable that at least one reflecting surface has a rotationally symmetric shape formed by rotating an arbitrary-shaped line segment having no symmetry plane around the central axis.
また、少なくとも1面の反射面は奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することが望ましい。 Further, it is desirable that at least one reflecting surface has a rotationally symmetric shape formed by rotating an arbitrary-shaped line segment including an odd-order term around the central axis.
また、中心軸を含む断面内で前記前群により物体側に形成される前記開口と共役な入射瞳に、中心軸を含む断面内でのみ光線を制限するフレア絞りが配置されていることが望ましい。 In addition, it is desirable that a flare stop that restricts light rays only in the cross section including the central axis is disposed at the entrance pupil conjugate with the aperture formed on the object side by the front group in the cross section including the central axis. .
また、前記後群は、回転対称の同軸屈折光学系からなることが望ましい。 The rear group is preferably composed of a rotationally symmetric coaxial refractive optical system.
また、前記前群の中心軸を含む断面内の焦点距離をFfy、その断面に対して直交する断面内の焦点距離をFfxとするとき、
Ffx/Ffy<0.95 ・・・(1)
なる条件を満足することが望ましい。
When the focal length in the cross section including the central axis of the front group is Ffy, and the focal length in the cross section orthogonal to the cross section is Ffx,
Ffx / Ffy <0.95 (1)
It is desirable to satisfy the following conditions .
また、中心軸を含む断面内における入射瞳位置と中心軸の距離をC、前記前群の中心軸を含む断面内の焦点距離をFfyとするとき、
0.1<C/Ffy ・・・(4)
なる条件を満たすことが望ましい。
When the distance between the entrance pupil position and the central axis in the cross section including the central axis is C, and the focal length in the cross section including the central axis of the front group is Ffy,
0.1 <C / Ffy (4)
It is desirable to satisfy the following condition.
また、中心軸を含む断面内における入射瞳に対する前記開口の倍率をPβとするとき、
0.05<Pβ<20 ・・・(5)
なる条件を満たすことが望ましい。
When the magnification of the aperture with respect to the entrance pupil in the cross section including the central axis is Pβ,
0.05 <Pβ <20 (5)
It is desirable to satisfy the following condition.
また、前記開口の代わりに又は前記開口に加えて、前群の前記第1透過面に中心軸の周りで回転対称な輪帯状のスリット開口を備えていることが望ましい。
In addition, instead of or in addition to the opening, it is desirable that the first transmitting surface of the front group is provided with a ring-shaped slit opening that is rotationally symmetric about a central axis.
また、少なくとも前記反射面が中心軸を含む断面で切断されて中心軸の周りの画角が360°より狭く構成されていてもよい。 Further, at least the reflection surface may be cut along a cross section including the central axis so that the angle of view around the central axis is narrower than 360 °.
以上の本発明によると、フレアー光の影響を受けず、小型で収差が良好に補正されて解像力の良い360°全方位(全周)の画角を有する画像を得たり、360°全方位の画角に画像を投影するための光学系を得ることができる。 According to the present invention described above, an image having an angle of view of 360 ° omnidirectional (entire circumference) having a good resolution is obtained without being affected by flare light and having good aberrations. An optical system for projecting an image at an angle of view can be obtained.
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。 The optical system of the present invention will be described below based on examples.
図1は、後記する実施例1の光学系の中心軸(回転対称軸)1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。これらの図1、図2を用いて本発明の光学系を説明する。なお、以下の説明は、結像光学系として説明するが、光路を逆にとって360°全方位(全周)に画像を投影する投影光学系として用いることもできる。なお、図2(a)は方位角0°方向から入射する光路のみを示し、図2(b)はそれに加えて±10°方向から入射する光路を示す図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view taken along a central axis (rotation symmetry axis) 1 of an optical system of Example 1 described later, and FIG. 2 is a plan view showing an optical path in the optical system. The optical system of the present invention will be described with reference to FIGS. Although the following description will be described as an imaging optical system, it can also be used as a projection optical system that projects an image in all 360 ° azimuths (entire circumference) with the optical path reversed. 2A shows only an optical path incident from an
本発明の光学系は、中心軸1の周りで回転対称な前群10と中心軸1の周りで回転対称な後群20とからなり、遠方の物体から入射する光束2は、前群10と後群20を順に経て中心軸1に垂直な像面30の中心軸1から外れた位置に結像するものである。
The optical system of the present invention includes a
前群10は、中心軸1の周りで回転対称な屈折率が1より大きい樹脂等の透明媒体からなり、2面の内面反射面12、13と2面の透過面(入射面、射出面)11、14を持つものである。内面反射面12、13と透過面11、14も中心軸1の周りで回転対称な形状をしている。また、後群20は、中心軸1の周りで回転対称で正パワーを有するでレンズ系等の同軸屈折光学系からなるものである(図1の実施例では、後群20は正パワーの理想レンズを用いるものとしている。)。
The
そして、前群10の透明媒体は、遠方からの光束2が入射する第1透過面11、中心軸1に対して第1透過面11と同じ側に配置されていて、第1透過面11から入射して像面側に進む光束が入射する第1反射面12、中心軸1を挟んで第1透過面11と反対側に配置されていて、第1反射面12で像面と反対側に反射された光束が入射する第2反射面13、中心軸1に対して第2反射面13と同じ側に配置されていて、第2反射面13で像面側に反射された光束が入射する第2透過面14からなるものである。この前群10の役割は、全周囲の画像から回転対称軸(中心軸)1に向かってくる光束を受けて任意の位置の円環状の空中像に変換する働きをするものである。そして、後群20の役割は、その円環状の空中像を像面30に位置する撮像素子の平面上に投影する働きをするものであり、また、前群10で補正不足となる像面湾曲や非点収差を後群20で相補うように補正することも可能なものである。
The transparent medium of the
なお、図1の実施例の場合、前群10と後群20の間に、絞りを構成する円形の開口5が中心軸1と同軸に配置されている。この中心軸上に配置された開口5が前群10により逆投影されることにより入射瞳を形成するが、本発明の特徴は、この入射瞳をメリジオナル断面内では第1透過面(入射面)11近傍にメリジオナル方向の入射瞳6Yとして配置しながら、サジタル断面内では中心軸(回転対称軸)1上にサジタル方向入射瞳6Xとして投影されることである。従来例(特許文献1)では、メリジオナル断面の入射瞳もサジタル断面内の入射瞳も共に中心軸上に配置されるために、有害光をカットするフレア絞りを有効に配置することができなかった。
In the case of the embodiment of FIG. 1, a
なお、メリジオナル断面とサジタル断面は、図13に示すように定義される。図13(a)は本発明の光学系の概略の光路を示す斜視図、(b)は像面30上での画角中心位置での断面を示す図である。すなわち、光学系の中心軸(回転対称軸)1と画角中心に至る中心光束の中心光線(主光線)20 とを含む断面がメリジオナル断面であり、そのメリジオナル断面に対して直交し中心光線(主光線)20 を含む断面がサジタル断面である。
The meridional section and the sagittal section are defined as shown in FIG. FIG. 13A is a perspective view showing a schematic optical path of the optical system of the present invention, and FIG. 13B is a view showing a cross section at the center of the angle of view on the
本発明の光学系では、中心軸1の周りで回転させて反射面12、13、屈折面11、14の形状を決める任意形状の線分の曲率と、その場合の中心軸1に対する回転の曲率とを独立して与えることにより、逆投影されたメリジオナル断面内の入射瞳6Yを前群10の第1透過面11近傍に配置するようにすることにより、前群10内に入り込む不要光を大幅にカットすることが可能となり、フレアーを減らすことが可能となったものである。
In the optical system of the present invention, the curvature of an arbitrary line segment that determines the shapes of the reflecting
一方、中心軸1と直交するサジタル断面においては、回転対称系なので、光束も回転対称に通過することになり、円環上の同じ像高の光束は回転中心である中心軸1上を常に通過する(図2(b))。したがって、サジタル断面では、円周上の像面30に到達する光束は中心軸1上を一旦通過してから像面30に到達することになり、サジタル断面の絞りの逆投影された開口の像であるサジタル断面内の入射瞳6Xは中心軸1上に存在することとなる。
On the other hand, the sagittal section orthogonal to the
このような配置をとるために、前群10は、メリジオナル断面とサジタル断面で曲率を自由にコントロールできる任意形状の線分を中心軸1の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有する面で構成することが重要である。さらに、前群10では、偏心して配置されるパワーを有する面11〜14で反射又は透過させるために、偏心収差が大きく発生する。これを補正するために、特に反射面12、13は任意形状の線分に奇数次項等を用いた対称面を持たない任意形状の線分を回転させることにより得られる面形状を使用することが重要になる。
In order to take such an arrangement, the
逆に、回転対称軸上に面頂を有する回転対称な非球面を用いて本発明の反射面12、13のような形状を実現するためには、非常に多くの高次項を使い多くの自由度を与えることが必要である。しかし、自由度が多すぎるために、画角や波長のサンプル点も非常に多くとる必要があり、結果として変数の動きが悪くなり好ましくない。
On the other hand, in order to realize the shape like the reflecting
このような構成において、中心軸1をY軸とし、中心軸1を含む断面(図1)をY−Z面とするとき、上記のように、メリジオナル断面内の入射瞳6Yを前群10の第1透過面11近傍に配置するようにすることにより、Y方向にスリット状のフレア絞りをその入射瞳6Y近傍に配置することが可能となり、不要光をこのフレア絞りでカットすることが可能となる。
In such a configuration, when the
フレアー絞りは、このような機械的なスリット状の絞りでも可能であるし、光学系の保護を目的としたケーシングや、光線の通過しない部分を黒く塗った中心軸1に同心の透明パイプ状のものでもよい。また、反射面12の反射コーティング部分を併用したり、前群10の光学的に不使用な領域を砂目処理したり、黒い塗料を塗布することで、併用することも可能である。
The flare stop can be such a mechanical slit-like stop, or a casing for the purpose of protecting the optical system, or a concentric transparent pipe-like shape on the
このように、中心軸1を含むメリジオナル断面内とその断面と直交するサジタル断面内での絞り5の逆投影位置を異ならせるため、本発明の光学系では、中心軸1を含むメリジオナル断面内(Y−Z方向)と中心軸1と直交するサジタル断面内(X−Z方向)の前群10の焦点距離を異ならせることが必要になる。
Thus, in order to make the back projection position of the
本発明の光学系の前群10のメリジオナル断面内(Y−Z方向)とサジタル断面内(X−Z方向)に画角中心に入射する光束2の主光線(中心光線)20 とそれに平行に微小距離(0.1mm)離れた従属光線とを追跡し、前群10から射出したときの従属光線と主光線のなす角度から、前群10のX−Z方向の焦点距離Ffx、Y−Z方向の焦点距離Ffyを求める。メリジオナル断面内の入射瞳6Yを前群10の第1透過面11近傍に配置するためには、
Ffx/Ffy<0.95 ・・・(1)
1.05<Ffx/Ffy ・・・(2)
なる条件の何れか一方を満足することが好ましい。
Meridional section of the
Ffx / Ffy <0.95 (1)
1.05 <Ffx / Ffy (2)
It is preferable to satisfy any one of the following conditions.
条件式(1)の上限の0.95を越えるか、条件式(2)の下限の1.05を越えると、メリジオナル断面内とサジタル断面内の焦点距離が略等しくなり、絞り5の逆投影位置を大きく異ならせることができなくなり、第1透過面11の中心軸に沿った方向の大きさが大きくなってしまい、フレアー光に対して弱い光学系になってしまう。
When the upper limit of 0.95 in conditional expression (1) is exceeded or the lower limit of 1.05 in conditional expression (2) is exceeded, the focal lengths in the meridional section and sagittal section become substantially equal, and the back projection of the
さらに好ましくは、
Ffx/Ffy<0.90 ・・・(1−1)
1.1<Ffx/Ffy ・・・(2−1)
なる条件の何れか一方を満足することがより好ましい。
More preferably,
Ffx / Ffy <0.90 (1-1)
1.1 <Ffx / Ffy (2-1)
It is more preferable to satisfy any one of the following conditions.
本発明の光学系は、上記のように、中心軸1を含む断面(メリジオナル断面)の入射瞳6Yが第1透過面11近傍に投影されていることが特徴であり、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。これにより、光学系の入射面11の有効領域をメリジオナル断面において小さくすることが可能となり、前群10に入射する不要光を効果的に防ぐことが可能となり、根本的なフレアー対策に効果を発揮する。そのためには以下の条件式を満足することが重要である。
As described above, the optical system of the present invention is characterized in that the
メリジオナル断面内において入射瞳6Y位置から絞り5位置までの光路長をA、入射瞳6Yから前群10の第1透過面11までの光路長であって光線方向を正とした値をB、及び、それらの比をA/Bとする。A/Bは、前群10の入射面11近傍に入射瞳6Yが配置されている度合いを表す。|A/B|は、
5<|A/B| ・・・(3)
なる条件を満足することが重要である。
In the meridional cross section, the optical path length from the
5 <| A / B | (3)
It is important to satisfy the following conditions.
条件式(3)の下限の5を越えると、入射瞳6Yが光学系第1面11から離れてしまい。第1面11の有効系が大きくなり、前群10に入射する有害なフレアー光を効果的にカットすることができなくなる。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。
If the lower limit of 5 of the conditional expression (3) is exceeded, the
さらに好ましくは、
20<|A/B| ・・・(3−1)
なる条件を満足することが好ましい。
More preferably,
20 <| A / B | (3-1)
It is preferable to satisfy the following conditions.
また、メリジオナル断面の入射瞳6Y位置とサジタル断面の入射瞳6Xが位置する回転中心軸1との間の距離をCとし、前群10のY−Z方向(メリジオナル断面)の焦点距離Ffyとの比が、
0.1<C/Ffy ・・・(4)
なる条件を満足することが重要である。本条件式は、メリジオナル断面の入射瞳6Y位置とサジタル断面の入射瞳6Xの距離に関する条件で、下限の0.1を越えると、メリジオナル断面の入射瞳6Y位置が中心軸1(サジタル断面の入射瞳6X位置)に近づいてしまい、効果的なフレア絞りを配置することができなくなってしまう。
Further, the distance between the
0.1 <C / Ffy (4)
It is important to satisfy the following conditions. This conditional expression is a condition regarding the distance between the
次に、メリジオナル断面のみで逆投影される開口5の像6Yの倍率を、入射瞳6Y位置から開口5まで、相互に微小角度0.01ラジアン(θ)傾けた光線を追跡することにより求め、これを瞳倍率Pβとすると、
0.05<Pβ<20 ・・・(5)
なる条件を満足することが好ましい。
Next, the magnification of the
0.05 <Pβ <20 (5)
It is preferable to satisfy the following conditions.
この条件は、物体側の逆投影された開口の像6Yから中心軸1と同軸の開口5に投影される開口の像の投影倍率に関するものである。当然投影倍率Pβが1に近い程、物像間距離が最も短くなるが、前群10と後群20のバランスをとる上で、上記条件式(5)を満足することが重要であり、下限の0.05を越えると、前群10に入射する画角より後群20に入射する画角が大きくなり、後群20の収差補正の負担が大きくなり、好ましい収差補正のバランスがとれなくなる。また、上限の20を越えると、後群20の入射画角は小さくなるが、後群20に入射する光束径が太くなり、後群20の球面収差等の発生を補正することが難しくなる。さらに、前群10に入射する画角が大きくなり、像面湾曲や非点収差等の負担がかかり、前群10が大型化したり、収差補正の負担がかかりすぎ好ましくない。
This condition relates to the projection magnification of the aperture image projected on the
さらに好ましくは、
0.1<Pβ<10 ・・・(5−1)
なる条件を満足することが好ましい。
More preferably,
0.1 <Pβ <10 (5-1)
It is preferable to satisfy the following conditions.
後記の実施例1〜3のFx 、Fy 、Fx /Fy 、Ffx、Ffy、Ffx/Ffy、A、B、|A/B|、C、C/Ffy、Pβは次のようになる。ただし、Fx は光学系全体のY−Z方向の焦点距離、Fy は光学系全体のY−Z方向の焦点距離である。 Fx, Fy, Fx / Fy, Ffx, Ffy, Ffx / Ffy, A, B, | A / B |, C, C / Ffy, and Pβ in Examples 1 to 3 described later are as follows. Where Fx is the focal length of the entire optical system in the YZ direction, and Fy is the focal length of the entire optical system in the YZ direction.
実施例1 実施例2 実施例3
Fx -2.050 -2.094 -2.200
Fy -2.289 -3.080 -2.496
Fx /Fy 0.895 0.680 0.881
Ffx 11.455 3.712 4.421
Ffy 13.333 5.214 4.748
Ffx/Ffy 0.859 0.712 0.931
A 112.254 126.926 138.398
B -0.028 -0.007 -0.036
|A/B| 3988.511 17058.582 3826.200
C 21.861 26.893 26.043
C/Ffy 1.640 5.158 5.485
Pβ 1.724 1.619 2.020
。
Example 1 Example 2 Example 3
Fx -2.050 -2.094 -2.200
Fy -2.289 -3.080 -2.496
Fx / Fy 0.895 0.680 0.881
Ffx 11.455 3.712 4.421
Ffy 13.333 5.214 4.748
Ffx / Ffy 0.859 0.712 0.931
A 112.254 126.926 138.398
B -0.028 -0.007 -0.036
| A / B | 3988.511 17058.582 3826.200
C 21.861 26.893 26.043
C / Ffy 1.640 5.158 5.485
Pβ 1.724 1.619 2.020
.
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、物体面から前群10と後群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。
Examples 1 to 3 of the optical system according to the present invention will be described below. The configuration parameters of these optical systems will be described later. The configuration parameters of these embodiments are based on the result of tracking the normal ray from the object plane to the
座標系は、順光線追跡において、例えば図1に示すように、入射瞳6Yを回転対称軸(中心軸)1に投影した位置を偏心光学系の偏心光学面の原点とし、回転対称軸(中心軸)1の像面30から離れる方向をY軸正方向とし、図1の紙面内をY−Z平面とする。そして、図1の紙面内のいま考えている入射瞳6Yの側と反対側の方向をZ軸正方向とし、Y軸、Z軸と右手直交座標系を構成する軸をX軸正方向とする。
In the forward ray tracing, for example, as shown in FIG. 1, the coordinate system uses the position where the
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。 For the decentered surface, the amount of decentering from the center of the origin of the optical system in the coordinate system in which the surface is defined (X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction are X, Y, and Z, respectively) and the optical system The inclination angles (α, β, γ (°), respectively) of the coordinate system defining each surface centered on the X axis, Y axis, and Z axis of the coordinate system defined at the origin are given. In this case, positive α and β mean counterclockwise rotation with respect to the positive direction of each axis, and positive γ means clockwise rotation with respect to the positive direction of the Z axis. Note that the α, β, and γ rotations of the central axis of the surface are performed by rotating the coordinate system defining each surface counterclockwise around the X axis of the coordinate system defined at the origin of the optical system. Then rotate it around the Y axis of the new rotated coordinate system by β and then rotate it around the Z axis of another rotated new coordinate system by γ. It is.
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。 Further, among the optical action surfaces constituting the optical system of each embodiment, when a specific surface and a subsequent surface constitute a coaxial optical system, a surface interval is given, in addition, the curvature radius of the surface, The refractive index and Abbe number of the medium are given according to conventional methods.
なお、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない非球面に関する項は0である。屈折率、アッベ数については、d線(波長587.56nm)に対するものを表記してある。長さの単位はmmである。各面の偏心は、上記のように、入射瞳6Yを回転対称軸(中心軸)1に投影した位置からの偏心量で表わす。
It should be noted that a term relating to an aspheric surface for which no data is described in the constituent parameters described later is zero. The refractive index and the Abbe number are shown for the d-line (wavelength 587.56 nm). The unit of length is mm. The eccentricity of each surface is expressed by the amount of eccentricity from the position where the
なお、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。 The extended rotation free-form surface is a rotationally symmetric surface given by the following definition.
まず、Y−Z座標面上で原点を通る下記の曲線(b)が定められる。 First, the following curve (b) passing through the origin on the YZ coordinate plane is determined.
Z=(Y2 /RY)/[1+{1−(C1 +1)Y2 /RY2 }1 /2]
C2 Y+C3 Y2 +C4 Y3 +C5 Y4 +C6 Y5 +C7 Y6
+・・・・+C21Y20+・・・・+Cn+1 Yn +・・・・
・・・(b)
次いで、この曲線(b)をX軸正方向を向いて左回りを正として角度θ(°)回転した曲線F(Y)が定められる。この曲線F(Y)もY−Z座標面上で原点を通る。
Z = (Y 2 / RY) / [1+ {1- (
C 2 Y + C 3 Y 2 + C 4 Y 3 + C 5 Y 4 + C 6 Y 5 + C 7 Y 6
+ ··· + C 21 Y 20 + ··· + C n + 1 Y n + ····
... (b)
Next, a curve F (Y) obtained by rotating the curve (b) in the positive direction of the X-axis and turning it counterclockwise to be positive is determined. This curve F (Y) also passes through the origin on the YZ coordinate plane.
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。 The curve F (Y) is translated in the positive Z direction by a distance R (or negative Z direction if negative), and then the rotationally symmetric surface formed by rotating the translated curve around the Y axis is expanded and rotated. Let it be a free-form surface.
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。 As a result, the extended rotation free-form surface becomes a free-form surface (free-form curve) in the YZ plane and a circle with a radius | R | in the XZ plane.
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。 From this definition, the Y-axis becomes the axis of the extended rotation free-form surface (rotation symmetry axis).
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。 Where RY is the radius of curvature of the spherical term in the YZ section, C 1 is the conic constant, C 2 , C 3 , C 4 , C 5 . Aspheric coefficient.
そして、本発明の光学系においては、前群10の少なくとも1面の反射面は、このような拡張回転自由曲面であって、Y−Z断面で多項式で表現した場合に、少なくとも奇数次項を持ち対称面を持たない任意形状の線分を中心軸1の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有するものとすることが望ましい。少なくとも1面の反射面にこのような面形状を持たせることにより、反射光学系においては避けられない偏心収差を補正して解像力の良い光学系を提供することができると共に、その光学系の小型化が可能になる。
In the optical system of the present invention, at least one reflecting surface of the
実施例1の光学系の中心軸(回転対称軸)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平面図を図2に示す。なお、図2(a)は方位角0°方向から入射する光路のみを示し、図2(b)はそれに加えて±10°方向から入射する光路を示す図である。
A sectional view taken along the central axis (rotation symmetry axis) 1 of the optical system of Example 1 is shown in FIG. 1, and a plan view showing an optical path in the optical system is shown in FIG. 2A shows only an optical path incident from an
この実施例の光学系は、中心軸1の周りで回転対称な前群10と、中心軸1の周りで回転対称な後群20と、前群10と後群20の間に中心軸1に同軸に配置された開口5とからなり、遠方の物体から入射する光束2は、前群10と後群20を順に経て中心軸1に垂直な像面30の中心軸1から外れた位置に結像するものであり、中心軸1を垂直(上下方向)に設定した場合、例えば360°全方位(全周)の画角を有する画像であって、天頂方向が画像の中心方向に向き、地平線が外側の円になるような円環状の画像を像面30に結像させるものである。
The optical system of this embodiment includes a
前群10は、中心軸1の周りで回転対称な屈折率が1より大きい樹脂等の透明媒体からなり、2面の内面反射面12、13と2面の透過面11、14を持つものである。内面反射面12、13と透過面11、14も中心軸1の周りで回転対称な形状をしている。また、後群20は、この実施例の場合、正パワーの理想レンズからなるものとしている。
The
そして、前群10の透明媒体は、遠方からの光束2が入射する第1透過面11と、中心軸1に対して第1透過面11と同じ側に配置されていて、第1透過面11から入射して像面側に進む光束が入射する第1反射面12と、中心軸1を挟んで第1透過面11と反対側に配置されていて、第1反射面12で像面と反対側に反射された光束が入射する第2反射面13と、中心軸1に対して第2反射面13と同じ側に配置されていて、第2反射面13で像面側に反射された光束が入射する第2透過面14とからなり、何れの透過面11、14、反射面12、13も拡張回転自由曲面面で構成されている。ただし、円錐定数は0である。
The transparent medium of the
そして、中心軸1が垂直方向を向き、像面30が天頂方向を向いた配置の場合、仰角10°方向の遠方から入射する中心光束2は入射面の第1透過面11で屈折して前群10の透明媒体内に入り、第1反射面12、第2反射面13の順に反射された光束は第2透過面14で屈折して前群10の透明媒体から外に出て、開口5を介して後群20に入射し、像面30の中心軸1から外れた半径方向の所定位置に結像する。
When the
この実施例の光学系では、前群10と後群20の間に位置する開口(絞り)5が物体側に投影されてメリジオナル断面内では入射瞳6Yを第1透過面12近傍に形成しており、サジタル断面内では中心軸(回転対称軸)1上に入射瞳6Xを形成している。
In the optical system of this embodiment, an aperture (aperture) 5 positioned between the
そして、この実施例の光学系では、入射瞳6Yを経て遠方から入射する光束2、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)を、中心軸1を含む断面(メリジオナル断面:図1)内では、第1反射面12と第2反射面13の間の第2反射面13寄りの位置4Yに1回結像し、また、中心軸1を含む面に直交しその光束の中心光線20 を含む平面(サジタル断面:図2)内では、第2反射面と第2透過面14の間の位置4Xに1回結像している。
In the optical system of this embodiment,
この実施例1の仕様は、
水平画角 360°
垂直画角 40°(中心画角10°(仰角))
入射瞳径 1.22mm
像の大きさ φ2.49〜φ5.47mm
である。
The specification of this Example 1 is
Horizontal field of view 360 °
Vertical angle of
Entrance pupil diameter 1.22mm
Image size φ2.49 to φ5.47mm
It is.
この実施例1の光学系は、第1透過面11より像面30側に第1反射面12と第2透過面14が、像面30と反対側に第2反射面13が配置されている。
In the optical system of Example 1, the first reflecting
実施例1の光学系は、像面30を地面と平行に配置する構成においては、天空側を主に撮像する場合に使用すると好ましい。
In the configuration in which the
図3に、この実施例の光学系全体の横収差を示す。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、画角正は俯角を、画角負は仰角を示す。以下、同じ。 FIG. 3 shows the lateral aberration of the entire optical system of this example. In this lateral aberration diagram, the angle shown in the center indicates the vertical angle of view, and the lateral aberration in the Y direction (meridional direction) and X direction (sagittal direction) at that angle of view. The positive angle of view indicates the depression angle, and the negative angle of view indicates the elevation angle. same as below.
図4は、この実施例の垂直方向のディストーションを示す図であり、■で結んだ曲線は、実施例1の光学系の垂直方向入射画角に対する像面30での像高(中心軸1から半径方向の像高)をプロットしたグラフである。太い実線は、入射画角に対して像高が比例する場合(IH∝f・θの場合。ここで、IH:像高、f:焦点距離、θ:画角)を表している。以下、同じ。
FIG. 4 is a diagram showing the distortion in the vertical direction of this embodiment, and the curve connected with ▪ indicates the image height (from the central axis 1) on the
実施例2の光学系の中心軸(回転対称軸)1に沿ってとった断面図を図5に、その光学系内の図2と同様の光路を示す平面図を図6に示す。 FIG. 5 is a sectional view taken along the central axis (rotation symmetry axis) 1 of the optical system of Example 2, and FIG. 6 is a plan view showing the same optical path as FIG. 2 in the optical system.
この実施例の光学系は、中心軸1の周りで回転対称な前群10と、中心軸1の周りで回転対称な後群20と、前群10と後群20の間に中心軸1に同軸に配置された開口5とからなり、遠方の物体から入射する光束2は、前群10と後群20を順に経て中心軸1に垂直な像面30の中心軸1から外れた位置に結像するものであり、中心軸1を垂直(上下方向)に設定した場合、例えば360°全方位(全周)の画角を有する画像であって、天頂方向が画像の中心方向に向き、地平線が外側の円になるような円環状の画像を像面30に結像させるものである。
The optical system of this embodiment includes a
前群10は、中心軸1の周りで回転対称な屈折率が1より大きい樹脂等の透明媒体からなり、2面の内面反射面12、13と2面の透過面11、14を持つものである。内面反射面12、13と透過面11、14も中心軸1の周りで回転対称な形状をしている。また、後群20は、5枚のレンズL1〜L5を含み3群からなるレンズ系からなる。
The
そして、前群10の透明媒体は、遠方からの光束2が入射する第1透過面11と、中心軸1に対して第1透過面11と同じ側に配置されていて、第1透過面11から入射して像面側に進む光束が入射する第1反射面12と、中心軸1を挟んで第1透過面11と反対側に配置されていて、第1反射面12で像面と反対側に反射された光束が入射する第2反射面13と、中心軸1に対して第2反射面13と同じ側に配置されていて、第2反射面13で像面側に反射された光束が入射する第2透過面14とからなり、何れの透過面11、14、反射面12、13も拡張回転自由曲面面で構成されている。ただし、円錐定数は0である。
The transparent medium of the
後群20を構成するレンズ系は、前群10側から順に、前群10側に凹面を向けた正メニスカスレンズL1と、前群10側に凸面を向けた負メニスカスレンズL2と両凸正レンズL3の接合レンズと、両凸正レンズL4と前群10側に凹面を向けた負メニスカスレンズL5の接合レンズとからなる。
The lens system constituting the
そして、中心軸1が垂直方向を向き、像面30が天頂方向を向いた配置の場合、仰角20°方向の遠方から入射する中心光束2は入射面の第1透過面11で屈折して前群10の透明媒体内に入り、第1反射面12、第2反射面13の順に反射された光束は第2透過面14で屈折して前群10の透明媒体から外に出て、開口5を介して後群20に入射し、像面30の中心軸1から外れた半径方向の所定位置に結像する。
When the
この実施例の光学系では、前群10と後群20の間に位置する開口(絞り)5が物体側に投影されてメリジオナル断面内では入射瞳6Yを第1透過面12近傍に形成しており、サジタル断面内では中心軸(回転対称軸)1上に入射瞳6Xを形成している。
In the optical system of this embodiment, an aperture (aperture) 5 positioned between the
そして、この実施例の光学系では、入射瞳6Yを経て遠方から入射する光束2、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)を、中心軸1を含む断面(メリジオナル断面:図5)内では、第2反射面13と第2透過面14の間の位置4Yに1回結像し、また、中心軸1を含む面に直交しその光束の中心光線20 を含む平面(サジタル断面:図6)内でも、第2反射面と第2透過面14の間の位置4Xに1回結像している。
In the optical system of this embodiment,
この実施例2の仕様は、
水平画角 360°
垂直画角 40°(中心画角20°(仰角))
入射瞳径 2.00mm
像の大きさ φ6.01〜φ2.08mm
である。
The specification of Example 2 is
Horizontal field of view 360 °
Vertical angle of
Entrance pupil diameter 2.00mm
Image size φ6.01 to φ2.08mm
It is.
この実施例2の光学系は、第1透過面11より像面30側に第1反射面12が、像面30と反対側に第2反射面13が配置されている。
In the optical system of Example 2, the first reflecting
実施例2の光学系は、像面30を地面と平行に配置する構成においては、天空側を主に撮像する場合に使用すると好ましい。
In the configuration in which the
図7に、この実施例の光学系全体の横収差を示す。図8に、この実施例の垂直方向のディストーションを示す。 FIG. 7 shows the lateral aberration of the entire optical system of this example. FIG. 8 shows the vertical distortion of this embodiment.
実施例3の光学系の中心軸(回転対称軸)1に沿ってとった断面図を図8に、その光学系内の図2と同様の光路を示す平面図を図9に示す。 FIG. 8 is a sectional view taken along the central axis (rotation symmetry axis) 1 of the optical system of Example 3, and FIG. 9 is a plan view showing the same optical path as FIG. 2 in the optical system.
この実施例の光学系は、中心軸1の周りで回転対称な前群10と、中心軸1の周りで回転対称な後群20と、前群10と後群20の間に中心軸1に同軸に配置された開口5とからなり、遠方の物体から入射する光束2は、前群10と後群20を順に経て中心軸1に垂直な像面30の中心軸1から外れた位置に結像するものであり、中心軸1を垂直(上下方向)に設定した場合、例えば360°全方位(全周)の画角を有する画像であって、天頂方向が画像の中心方向に向き、地平線が外側の円になるような円環状の画像を像面30に結像させるものである。
The optical system of this embodiment includes a
前群10は、中心軸1の周りで回転対称な屈折率が1より大きい樹脂等の透明媒体からなり、2面の内面反射面12、13と2面の透過面11、14を持つものである。内面反射面12、13と透過面11、14も中心軸1の周りで回転対称な形状をしている。また、後群20は、5枚のレンズL1〜L5を含み3群からなるレンズ系からなる。
The
そして、前群10の透明媒体は、遠方からの光束2が入射する第1透過面11と、中心軸1に対して第1透過面11と同じ側に配置されていて、第1透過面11から入射して像面側に進む光束が入射する第1反射面12と、中心軸1を挟んで第1透過面11と反対側に配置されていて、第1反射面12で像面と反対側に反射された光束が入射する第2反射面13と、中心軸1に対して第2反射面13と同じ側に配置されていて、第2反射面13で像面側に反射された光束が入射する第2透過面14とからなり、何れの透過面11、14、反射面12、13も拡張回転自由曲面面で構成されている。ただし、円錐定数は0である。
The transparent medium of the
後群20を構成するレンズ系は、前群10側から順に、両凸正レンズL1と、前群10側に凸面を向けた負メニスカスレンズL2と両凸正レンズL3の接合レンズと、両凸正レンズL4と前群10側に凹面を向けた負メニスカスレンズL5の接合レンズとからなる。
The lens system constituting the
そして、中心軸1が垂直方向を向き、像面30が天頂方向を向いた配置の場合、仰角25°方向の遠方から入射する中心光束2は入射面の第1透過面11で屈折して前群10の透明媒体内に入り、第1反射面12、第2反射面13の順に反射された光束は第2透過面14で屈折して前群10の透明媒体から外に出て、開口5を介して後群20に入射し、像面30の中心軸1から外れた半径方向の所定位置に結像する。
When the
この実施例の光学系では、前群10と後群20の間に位置する開口(絞り)5が物体側に投影されてメリジオナル断面内では入射瞳6Yを第1透過面12近傍に形成しており、サジタル断面内では中心軸(回転対称軸)1上に入射瞳6Xを形成している。
In the optical system of this embodiment, an aperture (aperture) 5 positioned between the
そして、この実施例の光学系では、入射瞳6Yを経て遠方から入射する光束2、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)を、中心軸1を含む断面(メリジオナル断面:図5)内では、第2反射面13と第2透過面14の間の位置4Yに1回結像し、また、中心軸1を含む面に直交しその光束の中心光線20 を含む平面(サジタル断面:図6)内でも、第2反射面と第2透過面14の間の位置4Xに1回結像している。
In the optical system of this embodiment,
この実施例3の仕様は、
水平画角 360°
垂直画角 50°(中心画角25°(仰角))
入射瞳径 2.40mm
像の大きさ φ5.98〜φ1.90mm
である。
The specification of this Example 3 is
Horizontal field of view 360 °
Vertical angle of
Entrance pupil diameter 2.40mm
Image size φ5.98 to φ1.90 mm
It is.
この実施例2の光学系は、第1透過面11より像面30側に第1反射面12と第2透過面14が、像面30と反対側に第2反射面13が配置されている。
In the optical system of Example 2, the first reflecting
実施例3の光学系は、像面30を地面と平行に配置する構成においては、天空側を主に撮像する場合に使用すると好ましい。
In the configuration in which the
図11に、この実施例の光学系全体の横収差を示す。図12に、この実施例の垂直方向のディストーションを示す。この実施例では、垂直方向のディストーションは比較的良く補正されている。 FIG. 11 shows the lateral aberration of the entire optical system of this example. FIG. 12 shows the vertical distortion of this embodiment. In this embodiment, the vertical distortion is relatively well corrected.
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“ERFS”は拡張回転自由曲面を示す。また、“IDL”は理想レンズ、“RE”は反射面をそれぞれ示す。 The configuration parameters of Examples 1 to 3 are shown below. In the table below, “ERFS” indicates an extended rotation free-form surface. “IDL” indicates an ideal lens, and “RE” indicates a reflecting surface.
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 ERFS[1] 偏心(2) 1.7440 44.8
3 ERFS[2] (RE) 偏心(3) 1.7440 44.8
4 ERFS[3] (RE) 偏心(4) 1.7440 44.8
5 ERFS[4] 偏心(5)
6 ∞(絞り) 偏心(6)
7 IDL 偏心(7)
像 面 ∞ 偏心(8)
ERFS[1]
RY 20.63
θ -51.33
R -21.89
C3 -4.0940 ×10-2
C4 9.8180 ×10-3
ERFS[2]
RY -107.74
θ -95.05
R -19.96
C3 -1.4187 ×10-3
C4 8.3504 ×10-5
ERFS[3]
RY 98.43
θ -131.21
R 13.88
C3 3.4955 ×10-3
C4 -1.1113 ×10-4
ERFS[4]
RY 19.42
θ -80.46
R 11.30
C3 -2.6507 ×10-2
C4 -3.4125 ×10-4
偏心(1)
X 0.00 Y 0.00 Z -21.86
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
X 0.00 Y 0.01 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
X 0.00 Y -1.07 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
X 0.00 Y 10.61 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
X 0.00 Y -2.14 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(6)
X 0.00 Y -22.29 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(7)
X 0.00 Y -25.79 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(8)
X 0.00 Y -29.88 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00 。
Example 1
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentric refractive index Abbe number Object surface ∞ ∞
1 ∞ (entrance pupil plane) Eccentricity (1)
2 ERFS [1] Eccentricity (2) 1.7440 44.8
3 ERFS [2] (RE) Eccentricity (3) 1.7440 44.8
4 ERFS [3] (RE) Eccentricity (4) 1.7440 44.8
5 ERFS [4] Eccentricity (5)
6 ∞ (diaphragm) Eccentricity (6)
7 IDL eccentricity (7)
Image plane ∞ Eccentricity (8)
ERFS [1]
RY 20.63
θ -51.33
R -21.89
C 3 -4.0940 × 10 -2
C 4 9.8180 × 10 -3
ERFS [2]
RY -107.74
θ -95.05
R -19.96
C 3 -1.4187 × 10 -3
C 4 8.3504 × 10 -5
ERFS [3]
RY 98.43
θ -131.21
R 13.88
C 3 3.4955 × 10 -3
C 4 -1.1113 × 10 -4
ERFS [4]
RY 19.42
θ -80.46
R 11.30
C 3 -2.6507 × 10 -2
C 4 -3.4125 × 10 -4
Eccentricity (1)
X 0.00 Y 0.00 Z -21.86
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (2)
X 0.00 Y 0.01 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (3)
X 0.00 Y -1.07 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (4)
X 0.00 Y 10.61 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (5)
X 0.00 Y-2.14 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (6)
X 0.00 Y -22.29 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (7)
X 0.00 Y -25.79 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (8)
X 0.00 Y -29.88 Z 0.00
α -90.00 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 ERFS[1] 偏心(2) 1.6204 60.3
3 ERFS[2] (RE) 偏心(3) 1.6204 60.3
4 ERFS[3] (RE) 偏心(4) 1.6204 60.3
5 ERFS[4] 偏心(5)
6 ∞(絞り) 偏心(6)
7 -94.51 偏心(7) 1.6382 57.0
8 -6.85 偏心(8)
9 9.49 偏心(9) 1.7552 27.6
10 3.90 偏心(10) 1.6204 60.3
11 -21.13 偏心(11)
12 8.11 偏心(12) 1.6204 60.3
13 -3.96 偏心(13) 1.6130 37.1
14 -11.53 偏心(14)
像 面 ∞ 偏心(15)
ERFS[1]
RY 19.40
θ 8.31
R -26.90
C3 -3.3542 ×10-3
C4 4.2315 ×10-4
ERFS[2]
RY 725.73
θ -79.61
R -23.09
C3 4.2947 ×10-4
C4 -2.2746 ×10-7
ERFS[3]
RY 37.16
θ -136.69
R 16.16
C3 -3.6027 ×10-4
C4 2.1106 ×10-5
ERFS[4]
RY 3.40
θ -138.93
R 2.51
C3 5.7168 ×10-3
C4 -2.3772 ×10-3
偏心(1)
X 0.00 Y 0.00 Z -26.89
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
X 0.00 Y -0.58 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
X 0.00 Y 21.60 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
X 0.00 Y 0.47 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(6)
X 0.00 Y -5.73 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(7)
X 0.00 Y -6.23 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(8)
X 0.00 Y -8.06 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(9)
X 0.00 Y -8.16 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(10)
X 0.00 Y -9.16 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(11)
X 0.00 Y -12.66 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(12)
X 0.00 Y -12.76 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(13)
X 0.00 Y -17.26 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(14)
X 0.00 Y -18.26 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(15)
X 0.00 Y -20.26 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00 。
Example 2
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentric refractive index Abbe number Object surface ∞ ∞
1 ∞ (entrance pupil plane) Eccentricity (1)
2 ERFS [1] Eccentricity (2) 1.6204 60.3
3 ERFS [2] (RE) Eccentricity (3) 1.6204 60.3
4 ERFS [3] (RE) Eccentricity (4) 1.6204 60.3
5 ERFS [4] Eccentricity (5)
6 ∞ (diaphragm) Eccentricity (6)
7 -94.51 Eccentricity (7) 1.6382 57.0
8 -6.85 Eccentric (8)
9 9.49 Eccentricity (9) 1.7552 27.6
10 3.90 Eccentricity (10) 1.6 204 60.3
11 -21.13 Eccentricity (11)
12 8.11 Eccentricity (12) 1.6 204 60.3
13 -3.96 Eccentricity (13) 1.6 130 37.1
14 -11.53 Eccentricity (14)
Image plane ∞ Eccentricity (15)
ERFS [1]
RY 19.40
θ 8.31
R -26.90
C 3 -3.3542 × 10 -3
C 4 4.2315 × 10 -4
ERFS [2]
RY 725.73
θ -79.61
R-23.09
C 3 4.2947 × 10 -4
C 4 -2.2746 × 10 -7
ERFS [3]
RY 37.16
θ -136.69
R 16.16
C 3 -3.6027 × 10 -4
C 4 2.1106 × 10 -5
ERFS [4]
RY 3.40
θ -138.93
R 2.51
C 3 5.7168 × 10 -3
C 4 -2.3772 × 10 -3
Eccentricity (1)
X 0.00 Y 0.00 Z -26.89
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (2)
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (3)
X 0.00 Y -0.58 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (4)
X 0.00 Y 21.60 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (5)
X 0.00 Y 0.47 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (6)
X 0.00 Y -5.73 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (7)
X 0.00 Y -6.23 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (8)
X 0.00 Y -8.06 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (9)
X 0.00 Y -8.16 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (10)
X 0.00 Y -9.16 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (11)
X 0.00 Y -12.66 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (12)
X 0.00 Y -12.76 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (13)
X 0.00 Y -17.26 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (14)
X 0.00 Y -18.26 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (15)
X 0.00 Y -20.26 Z 0.00
α -90.00 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 ERFS[1] 偏心(2) 1.7094 47.8
3 ERFS[2] (RE) 偏心(3) 1.7094 47.8
4 ERFS[3] (RE) 偏心(4) 1.7094 47.8
5 ERFS[4] 偏心(5)
6 ∞(絞り) 偏心(6)
7 20.06 偏心(7) 1.7440 44.8
8 -9.04 偏心(8)
9 12.24 偏心(9) 1.7552 27.6
10 3.52 偏心(10) 1.6204 60.3
11 131.49 偏心(11)
12 - 6.88 偏心(12) 1.6204 60.3
13 -3.96 偏心(13) 1.6417 34.3
14 -8.70 偏心(14)
15 ∞ 偏心(15)
像 面 ERFS[1]
RY 17.87
θ -12.58
R -26.08
C3 3.3414 ×10-3
C4 2.4862 ×10-3
ERFS[2]
RY 303.04
θ -86.46
R -23.25
C3 2.3982 ×10-4
C4 3.2943 ×10-5
ERFS[3]
RY 40.44
θ -139.08
R 18.30
C3 3.2024 ×10-4
C4 2.0089 ×10-5
ERFS[4]
RY 4.40
θ -141.26
R 3.02
C3 5.1460 ×10-2
C4 -4.1756 ×10-4
偏心(1)
X 0.00 Y 0.00 Z -26.04
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
X 0.00 Y 0.02 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
X 0.00 Y -1.00 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
X 0.00 Y 20.05 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
X 0.00 Y -1.74 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(6)
X 0.00 Y -9.04 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(7)
X 0.00 Y -9.14 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(8)
X 0.00 Y -12.13 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(9)
X 0.00 Y -12.23 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(10)
X 0.00 Y -12.63 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(11)
X 0.00 Y -15.63 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(12)
X 0.00 Y -15.73 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(13)
X 0.00 Y -20.23 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(14)
X 0.00 Y -20.93 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(15)
X 0.00 Y -22.93 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00 。
Example 3
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentric refractive index Abbe number Object surface ∞ ∞
1 ∞ (entrance pupil plane) Eccentricity (1)
2 ERFS [1] Eccentricity (2) 1.7094 47.8
3 ERFS [2] (RE) Eccentricity (3) 1.7094 47.8
4 ERFS [3] (RE) Eccentricity (4) 1.7094 47.8
5 ERFS [4] Eccentricity (5)
6 ∞ (diaphragm) Eccentricity (6)
7 20.06 Eccentricity (7) 1.7440 44.8
8 -9.04 Eccentricity (8)
9 12.24 Eccentricity (9) 1.7552 27.6
10 3.52 Eccentricity (10) 1.6 204 60.3
11 131.49 Eccentricity (11)
12-6.88 Eccentricity (12) 1.6204 60.3
13 -3.96 Eccentricity (13) 1.6417 34.3
14 -8.70 Eccentric (14)
15 ∞ Eccentricity (15)
Image surface ERFS [1]
RY 17.87
θ -12.58
R -26.08
C 3 3.3414 × 10 -3
C 4 2.4862 × 10 -3
ERFS [2]
RY 303.04
θ -86.46
R-23.25
C 3 2.3982 × 10 -4
C 4 3.2943 × 10 -5
ERFS [3]
RY 40.44
θ -139.08
R 18.30
C 3 3.2024 × 10 -4
C 4 2.0089 × 10 -5
ERFS [4]
RY 4.40
θ -141.26
R 3.02
C 3 5.1460 × 10 -2
C 4 -4.1756 × 10 -4
Eccentricity (1)
X 0.00 Y 0.00 Z -26.04
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (2)
X 0.00 Y 0.02 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (3)
X 0.00 Y -1.00 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (4)
X 0.00 Y 20.05 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (5)
X 0.00 Y -1.74 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (6)
X 0.00 Y -9.04 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (7)
X 0.00 Y -9.14 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (8)
X 0.00 Y -12.13 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (9)
X 0.00 Y -12.23 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (10)
X 0.00 Y -12.63 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (11)
X 0.00 Y -15.63 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (12)
X 0.00 Y -15.73 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (13)
X 0.00 Y -20.23 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (14)
X 0.00 Y -20.93 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (15)
X 0.00 Y -22.93 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00.
ところで、実施例1〜3では、前群10と後群20の間に中心軸1と同軸に開口5を配置し、中心軸1を含む面内でこの開口5を物体側に逆に投影することにより、入射面11近傍に中心軸1を含む面内での入射瞳6Yを形成するようにしているが、この開口5の代わりに、図14〜図16にそれぞれ実施例1〜3の変形例の中心軸1を含む断面図に示すように、中心軸1と同軸に円筒状のスリットあるいは輪帯状のスリット15を入射瞳6Yの位置に配置するようにしてもよい。その場合は、スリット15自体がフロント絞りの作用をして入射瞳6Yを形成する。さらに、前群10と後群20の間に配置した開口5とは別に、入射面11近傍に、中心軸1の周りで回転対称な円筒状のスリットあるいは輪帯状のスリットからなるフレアー絞りを配置することが望ましい。なお、このようなフレアー絞りと入射瞳6Yを形成するスリット15とを兼用させるようにしてもよい。
By the way, in Examples 1-3, the
さらに、以上の実施例の光学系では、前群10のさらに物体側に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(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。
Further, in the optical system of the above embodiment, a Y toric lens is added to the object side of the
さらに、前群10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、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。
Furthermore, the object side of the
また、以上の実施例では、前群10の反射面、屈折面をそれぞれ任意形状の線分を回転対称軸1の周りで回転することにより形成され回転対称軸1上に面頂を有さない拡張回転自由曲面で構成しているが、それぞれ任意の曲面に置き換えることは容易である。
Further, in the above embodiment, the reflecting surface and the refracting surface of the
また、本発明の光学系は、回転対称面を形成する任意形状の線分を定義する式に奇数次項を含むものを用いることにより、偏心により発生する像面の傾きや、絞りの逆投影時の瞳収差を補正している。 In addition, the optical system of the present invention uses an equation that includes an odd-order term in an expression that defines a line segment of an arbitrary shape that forms a rotationally symmetric surface. The pupil aberration is corrected.
また、本発明の前群10を構成する中心軸1の周りで回転対称な透明媒体はそのまま用いることにより、360°全方位の画角を有する画像を撮影したり投影できるが、その透明媒体を中心軸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°等の画像を撮影したり投影するようにしてもよい。
Further, by using the rotationally symmetric transparent medium around the
以上、本発明の光学系を中心軸(回転対称軸)1を垂直方向に向けて天頂を含む360°全方位(全周)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、光路を逆にとって天頂を含む360°全方位(全周)の画角に画像を投影する投影光学系として用いることもできる。また、内視鏡は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。 The optical system of the present invention has been described above as an imaging or observation optical system that obtains an image having 360 ° omnidirectional (all circumference) angles of view including the zenith with the central axis (rotation symmetry axis) 1 in the vertical direction. The present invention is not limited to the photographing optical system and the observation optical system, but can also be used as a projection optical system that projects an image on a 360 ° omnidirectional (all circumference) angle of view including the zenith with the optical path reversed. The endoscope can also be used as an all-round observation optical system of an in-tube observation apparatus.
以下に、本発明の光学系の適用例として、パノラマ撮影光学系31又はパノラマ投影光学系32の使用例を説明する。図17は、内視鏡先端の撮影光学系として本発明によるパノラマ撮影光学系31を用いた例を示すための図であり、図17(a)は、硬性内視鏡41の先端31に本発明によるパノラマ撮影光学系を取り付けて360°全方位の画像を撮像観察する例である。図17(b)にその先端の概略の構成を示す。本発明によるパノラマ撮影光学系31の前群10の入射面11の周囲には円周方向にスリット状に伸びる開口16を有するケーシング等からなるフレア絞り17が配置され、フレアー光が入射するのを防止している。また、図17(c)は、軟性電子内視鏡42の先端に本発明によるパノラマ撮影光学系31を同様に取り付けて、表示装置43に撮影された画像を画像処理を施して歪みを補正して表示するようにした例である。
Below, the usage example of the panorama imaging
図18(a)は、自動車48の各コーナやヘッド部のポールの頂部に撮影光学系として本発明によるパノラマ撮影光学系31を複数取り付けて、車内の表示装置に各パノラマ撮影光学系31を経て撮影された画像を画像処理を施して歪みを補正して同時に表示するようにした例を示す図であり、図18(b)にその先端の概略の構成を示す。本発明によるパノラマ撮影光学系31の前群10の入射面11の周囲には円周方向にスリット状に伸びる開口16を有するケーシング等からなるフレア絞り17が配置され、フレアー光が入射するのを防止している。
In FIG. 18A, a plurality of panoramic photographing
図19は、投影装置44の投影光学系として本発明によるパノラマ投影光学系32を用い、その像面に配置した表示素子にパノラマ画像を表示し、パノラマ投影光学系32を通して360°全方位に配置したスクリーン45に360°全方位画像を投影表示する例である。
In FIG. 19, the panorama projection
図20は、建物47の外部に本発明によるパノラマ撮影光学系31を用いた撮影装置49を取り付け、屋内に本発明によるパノラマ投影光学系32を用いた投影装置44を配置し、撮影装置49で撮像された映像を電線46を介して投影装置44に送るように接続している。このような配置において、屋外の360°全方位の被写体Oをパノラマ撮影光学系31を経て撮影装置49で撮影し、その映像信号を電線46を介して投影装置44に送り、像面に配置した表示素子にその映像を表示して、パノラマ投影光学系32を通して屋内の壁面等に被写体Oの映像O’を投影表示するようにしている例である。
In FIG. 20, a photographing
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(主光線)
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
4X…サジタル断面内での中間像結像位置
4Y…メリジオナル断面内での中間像結像位置
5…開口(絞り)
6X…サジタル断面内での入射瞳
6Y…メリジオナル断面内での入射瞳
10…前群
11…入射面(第1透過面)
12…第1反射面
13…第2反射面
14…射出面(第2透過面)
15…円筒状のスリット又は輪帯状のスリット
16…円周方向にスリット状に伸びる開口
17…フレア絞り
20…後群
30…像面
31…パノラマ撮影光学系
32…パノラマ投影光学系
41…硬性内視鏡
42…軟性電子内視鏡
43…表示装置
44…投影装置
45…スクリーン
46…電線
47…建物
48…自動車
49…撮影装置
L1〜L5…レンズ
O…被写体
O’…映像
1 ... Center axis (axis of rotational symmetry)
2... Central luminous flux incident from a
3U: Light beam incident from the
6X:
12 ... 1st
DESCRIPTION OF
Claims (10)
中心軸の周りで回転対称な2面の反射面を含む前群と、中心軸の周りで回転対称で正パワーを有する後群と、中心軸に同軸に配置された開口とを備えており、
前記前群は、中心軸の周りで回転対称な透明媒体を有し、前記透明媒体は第1透過面と第1反射面と第2反射面と第2透過面を持ち、
結像光学系の場合は光線の進む順に、投影光学系の場合は光線の進む順とは反対に、前記前群に入射した光束は、前記第1透過面を経て透明媒体内に入り、中心軸に対して前記第1透過面と同じ側に配置されている前記第1反射面で像面と反対側に反射され、中心軸を挟んで前記第1透過面とは反対側に配置されている前記第2反射面で像面側に反射され、中心軸に対して前記第2反射面と同じ側に配置されている前記第2透過面を経て前記透明媒体から外に出て、前記後群を経て像面の中心軸から外れた位置に結像し、かつ、中心軸を含む断面内と、その断面に対して直交しその光束の中心光線を含む断面内での入射瞳位置が異なるように構成され、
中心軸を含む断面に対して直交する断面内の入射瞳は中心軸に位置し、
中心軸を含む断面内における入射瞳位置から前記開口位置までの光路長をA、中心軸を含む断面内における入射瞳位置から前記前群の第1透過面までの光路長をBとするとき、
5<|A/B| ・・・(3)
なる条件を満たす
ことを特徴とする光学系。 An optical system that forms an image having an angle of view of 360 ° on an image plane or projects an image arranged on the image plane on an angle of view of 360 °,
A front group including two reflecting surfaces rotationally symmetric about the central axis, a rear group rotationally symmetric about the central axis and having positive power, and an opening arranged coaxially with the central axis,
The front group has a transparent medium that is rotationally symmetric about a central axis, and the transparent medium has a first transmission surface, a first reflection surface, a second reflection surface, and a second transmission surface;
In the case of an imaging optical system, the light beam incident on the front group enters the transparent medium through the first transmission surface, in the order in which the light beam travels. Reflected on the opposite side to the image plane by the first reflecting surface disposed on the same side as the first transmitting surface with respect to the axis, and disposed on the opposite side to the first transmitting surface across the central axis. The second reflection surface is reflected to the image surface side, passes out of the transparent medium through the second transmission surface disposed on the same side as the second reflection surface with respect to the central axis, and the rear An image is formed at a position deviating from the central axis of the image plane through the group, and the entrance pupil position in the cross section including the central axis is different from that in the cross section orthogonal to the cross section and including the central ray of the luminous flux. Configured as
The entrance pupil of the cross section perpendicular to the cross section including the middle mandrel is located in the central axis,
When the optical path length from the entrance pupil position in the cross section including the central axis to the opening position is A, and the optical path length from the entrance pupil position in the cross section including the central axis to the first transmission surface of the front group is B,
5 <| A / B | (3)
An optical system characterized by satisfying the following condition .
Ffx/Ffy<0.95 ・・・(1)
なる条件を満足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。 When the focal length in the cross section including the central axis of the front group is Ffy, and the focal length in the cross section orthogonal to the cross section is Ffx,
Ffx / Ffy <0.95 (1)
The optical system according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
0.1<C/Ffy ・・・(4)
なる条件を満たすことを特徴とする請求項1から7の何れか1項記載の光学系。 When the distance between the entrance pupil position and the central axis in the cross section including the central axis is C, and the focal length in the cross section including the central axis of the front group is Ffy,
0.1 <C / Ffy (4)
The optical system according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
0.05<Pβ<20 ・・・(5)
なる条件を満たすことを特徴とする請求項1から7の何れか1項記載の光学系。 When the magnification of the aperture with respect to the entrance pupil in the cross section including the central axis is Pβ,
0.05 <Pβ <20 (5)
Optical system of any one of claims 1 to 7, characterized in satisfying be.
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