JP4994739B2 - 光学系 - Google Patents

Description

本発明は、光学系に関し、特に、３６０°全周の画像を像面に結像させたり、像面に配置された画像を３６０°全周に投影したり、３６０°全周から観察することが可能な光学系に関するものである。

従来、反射光学系を用いた３６０°全方位（全周）の画像を得る光学系としては、反射面を２面用いる特許文献１記載のようなものが知られている。また、１次元方向にのみパワーを持たせたリニアフレネルレンズを円筒状に形成して、光束をある程度収束させて全方位に放射する照明装置として特許文献２記載のようなものが知られている。
特開平１１−３３１６５４号公報 特公平７−７７０８１号公報

しかしながら、上記従来例は何れのものも、簡単な構成で高解像の撮像又は投影を行う光学系を実現するものではない。

本発明は従来技術のこうのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、全方位（全周）の画像を高解像に撮像、若しくは、全方位（全周）に高解像な投影を行うことが可能で、製造が極めて簡単であり、小型で収差が良好に補正されて解像力の良い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、回転対称軸を中心とする回転対称な光学系であって、前記回転対称軸を含む断面内においては、不連続な形状の屈折面又は反射面による結像手段、又は、回折による結像手段を有し、前記回転対称軸と直交する断面内においては、連続な回転対称面による結像手段を有することを特徴とするものである。

この場合、前記回転対称軸を中心とする回転対称な像面を有し、物体の像を前記像面に結像させるか、前記像面に配置された画像を投影する光学系として用いることができる。

また、前記回転対称軸を含む断面内で光束を制限する光束制限手段を有することが望ましい。

また、前記像面は円筒面、円錐面又は球状面であることが望ましい。

また、前記像面に配置される撮像素子又は表示素子は２次元的に構成されたものを丸めて３次元的に構成したものを用いることができる。

また、前記像面に配置される撮像素子又は表示素子は、円筒状、円錐状あるいは球面状に配置された複数の平面素子からなっていてもよい。

また、回転対称軸を含む断面内の結像手段は、シート状に形成されたものを丸めて構成することができる。

また、回転対称軸を含む断面内の結像手段は、シート状に形成されたものを円錐又は円柱に貼り付けて構成することができる。

本発明によると、小型で収差が良好に補正されて解像力の良い３６０°全方位の画像を撮像したり、全方位（全周）に高解像な画像を投影することが可能で、製造が極めて簡単であり、小型で収差が良好に補正されて解像力の良い光学系を提供することができる。

以下、本発明の光学系について主に説明する。まず、本発明の光学系の原理を説明し、次に、実施例に基づいて本発明の光学系を説明する。

本発明のように、３６０°全方位からの光束を結像させるか、又は、３６０°全方位に光束を実像又は虚像として投影する光学系には、どの方向から来た光線も光学系内部に効率良く入射させるために、回転対称軸を中心とする回転対称な形状にすることは重要である。

さらに、本発明では、全方位（全周）からの光束をより少ない収差で結像させるために、回転対称な面は、回転対称軸に略平行な線を回転対称軸の周りで回転させて得られる光学素子を基にして構成されている。これが、本発明の最も基本的で、重要な構成である。この線を回転させて構成された光学素子を透過面として使用する場合には、回転対称軸と直交する断面内では、回転中心軸を中心とする円となるため、正のパワーを有する光学素子として作用する。また、反射面として使用する場合には、少なくとも１面を円の内側を反射面として使用することにより、正のパワーを有する光学系として構成することが可能となる。

そして、回転対称軸を含む断面内では、回転させる線（曲線）に正のパワーを持たせることも可能であるが、製作上の難易度が上がる問題がある。そこで、本発明では、この回転対称軸を含む断面内では、不連続な線からなり正パワー又は負パワーを持つ結像手段とすることにより、製作上簡素にかつ安価に製作することが可能となったものである。

この回転対称軸を含む断面内でパワーを持つ不連続な線から構成される面としては、例えばリニアフレネルレンズ又はリニアフレネル反射鏡で構成することが可能である。

ここで、リニアフレネルレンズとは、通常の軸対称なフレネルレンズを１次元方向にのみパワー（焦点距離の逆数）を持つようにしたものであり、シリンドリカルレンズのように、光軸に直交する１次元方向にはパワーを持ち、光軸に直交しその１次元方向と直交する別の１次元方向にはパワーを持たないレンズであって、そのレンズ面がパワーを持つ方向と直交する方向に伸びる直線群によって不連続な面に分割され、パワーを持つ方向の断面内で鋸歯状のギザギザな断面形状（厳密には断面鋸歯状のギザギザな面の中斜面部分は断面直線でなく曲線になっている）を持つ１次元方向のフレネルレンズを言う。そして、そのギザギザな断面形状を持つレンズ面はリニアフレネル面と言う。

同様に、リニアフレネル反射鏡とは、通常の軸対称なフレネル反射鏡を１次元方向にのみパワーを持つようにしたものであり、シリンドリカル反射鏡のように、光軸に直交する１次元方向にはパワーを持ち、光軸に直交しその１次元方向と直交する別の１次元方向にはパワーを持たない反射鏡であって、その反射面がパワーを持つ方向と直交する方向に伸びる直線群によって不連続な面に分割され、パワーを持つ方向の断面内で鋸歯状のギザギザな断面形状（厳密には断面鋸歯状のギザギザな面の中斜面部分は断面直線でなく曲線になっている）を持つ１次元方向のフレネル反射鏡を言う。そして、そのギザギザな断面形状を持つ反射面をリニアフレネル面と言う。

このようなリニアフレネル面をパワーを持つ方向を回転対称軸と平行方向に設定し、回転対称軸を中心とする円錐面又は円柱面の外面に回転対称に設けてなる面は、本発明で言うところの、回転対称軸を含む断面内においては不連続な形状の屈折面又は反射面による結像手段となり、回転対称軸と直交する断面内においては連続な回転対称面による結像手段となる。

このようなリニアフレネル面は、例えば円柱の場合には円柱を回転させておいて、リニアフレネル面の所定の角度の斜面の溝を平行に掘っていき、そのリニアフレネル面に透過パワー又は反射パワーを持たせることにより、所定の特性の光学系を構成することが可能となる。

本発明で別に言うところの、回転対称軸を含む断面内においては回折による結像手段を有し、回転対称軸と直交する断面内においては連続な回転対称面による結像手段としては、回転対称軸を含む断面内でパワーを有した干渉縞あるいは回折格子を設けたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）あるいは回折光学素子（ＤＯＥ）がある。これらの場合も、回転対称軸を含む断面内においては干渉縞あるいは回折格子により所定のパワーが得られ、回転対称軸と直交する断面内においては、干渉縞あるいは回折格子を回転対称に形成している円が正のパワーを有するレンズ面あるいは反射面として作用する。

また、像面（結像光学系）又は物体面（投影光学系）は、回転対称軸を中心とする回転対称な形状の面であることが重要であり、これにより回転対称軸の周辺の３６０°の方向から来る光束を光学系を介して回転対称位置に結像することが可能となる。

さらに好ましくは、像面に配置される撮像素子又は物体面に配置される映像表示素子は、３次元的に配置されていることが望ましい。撮像素子又は映像表示素子が２次元の平面である場合には、本発明のように３６０°全方位の映像を撮像したり、３６０°の全方位から観察する光学系の場合、主光線が撮像面又は表示面に対して傾いてしまう。これは、撮像素子、表示素子の使い方としては好ましくなく、例えば有機ＥＬパネルでは、表示素子の発光光線を有効に光学系に導くことができなくなり、光量が低下したり、発光のための電源の利用効率が低下してしまう。また、液晶表示素子の場合には、表示のコントラストが低下してしまい、クリアーな観察像を観察することができなくなってしまう。撮像素子の場合も同様。

さらに好ましくは、回転対称軸を含む断面では、光束を制限する手段を設けることが好ましく、不要光を遮光し撮影映像又は投影像のコントラストを向上するために重要である。例えば、回転対称な光学系の光線が通過しない領域に遮光部材を配置することが望ましい。遮光部材は光学系に切れ込みを入れ、黒い塗料を塗る等の方法が好ましい。

さらに好ましくは、像面又は物体面は円筒状に配置することにより、特に水平に近い方向からの撮像する場合に、像面の傾きが少なくなり、クリアーな観察が可能となる。また、接眼光学系（虚像投影光学系）として使う場合は、観察映像の地面方向が円筒の下方向になるように表示することが正立映像を観察するために重要である。

さらに好ましくは、像面又は物体面は円錐状に配置することにより、回転対称軸に対して斜め方向の撮像をする場合に、像面の傾きが少なくなり、クリアーな像の撮像が可能となる。また、接眼光学系（虚像投影光学系）として使う場合は、地面方向が円錐の頂点を向くように（装置全体を上下逆転する場合は逆）表示することが正立像を観察するために重要である。

また、像面又は物体面を頂角の異なる複数の円錐を組み合わせて構成することも可能である。さらに、円錐状の表示素子を複数配置すると、観察時の高さにより異なる全方位からの画像を表示することも可能である。

さらに好ましくは、像面又は物体面は球状に配置することにより、回転対称軸を鉛直方向とすると、水平方向から斜め上方向までの広い観察範囲において像面の傾きが少なくなり、クリアーな像の観察が可能となる。また、接眼光学系（虚像投影光学系）として使う場合は、地面方向が下半分の球の頂点（地球の南極）を向くように表示することが正立像を観察するために重要である。

さらに好ましくは、例えば円柱状の表示面又は撮像面の場合は、シート状の表示素子や撮像素子を丸めて構成することが可能であり、同様に円錐状の場合は、扇形のシート状の表示素子、撮像素子を丸めて構成することが可能である。例えば、フレキシブルなシート状の有機ＥＬ表示素子や液晶表示素子を円柱状や円錐状の表示素子として使用することが製作上安価にでき、好ましい。

さらに好ましくは、２次元（平面）撮像面又は表示面を持つ複数の撮像素子又は表示素子を円筒面又は円錐面又は球面に沿って連続的に並べて配置することにより、小型の撮像素子又は表示素子を複数使うことが可能となり、安価に立体の（３次元的に配置された）の撮像素子や表示素子を実現することが可能となる。

さらに好ましくは、回転対称軸を含む断面内の結像手段は、シート状に不連続な形状の屈折面又は反射面による結像手段（リニアフレネルレンズ又はリニアフレネル反射鏡）の形状加工をし、回転対称形状に巻きつけることにより、その作製はさらに容易になる。

例えば、回転対称軸を含む断面で光束にパワーを与える手段としては、上記したように、リニアな干渉縞あるいは回折格子を持つ回折光学素子やホログラム等の回折により光線を屈曲させパワーを与える手段か、リニアフレネルレンズ等の不連続な形状により屈折又は反射させることにより光線を屈曲させパワーを与える手段の少なくとも何れか１つを有するシート状の光学素子として作製し、これを円筒の場合は円筒に巻き付けるだけで光学系を構成することが可能となる。

また、円錐の場合は、通常の軸対称なフレネルレンズシートや通常の軸対称な回折光学素子やホログラム（ゾーンプレート等）をその中心を頂点として扇型に切断して、円錐に巻き付ければよい。

回転対称軸を含む断面で光束にパワーを与える手段としてこのようなものを用いると、回転対称軸と直交する断面においては、連続な回転対称面な円による屈折又は反射によりパワーが与えられることになる。

このようにして、回転対称軸を含む断面と回転対称軸と直交する断面とで異なる手段により光線を屈曲させパワーを与えるようになる。そして、このようなリニアな特性あるいは回転対称な特性を有する光学素子を複数組み合わせて所定の光学系を構成することも可能となり、製作性が格段に良くなる。

さらに好ましくは、回転対称軸を含む断面で光束にパワーを与える上記のような手段を円柱又は円錐に貼り付けることにより、製作性はさらに容易になり好ましい。像面又は物体面が円筒面であると、円筒状の棒材を切断しただけてよく量産性には特に好ましい。

さらに好ましくは、映像のコントラストを上げるために、像面に配置する映像表示素子から射出する光線は、回転対称軸近傍を通過するように、サジタル断面で照明光を制限することが好ましい。これは、観察光以外のサジタル断面の光線が存在すると、光学系内でフレアーの原因となるためである。

さらに好ましくは、上記サジタル断面で照明光を制限する手段は、視野角制限フィルターあるいは吸収性の仕切り板が回転対称軸から放射状に伸びるように配置されたルーバのような手段で構成することが好ましい。

以下に、本発明の光学系の実施例１〜２を説明する。これら光学系の構成パラメータは後記する。これら実施例の構成パラメータは、例えば図１に示すように、遠方の物体面から回転対称軸（中心軸）１上に位置する入射瞳３に向かう光線（主光線を符号２で示す。）が本発明の光学系を経て像面４に至る順光線追跡の結果に基づくものである。

座標系は、順光線追跡において、例えば図１に示すように、入射瞳３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上にＹ軸をとり、像面４から離れる方向をＹ軸正方向とし、図１の紙面内をＹ−Ｚ平面とし、光線が進む方向をＺ軸正方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。

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

なお、像面４以外の光学面（リニアフレネル面）の偏心量は、その光学面の面頂のＹ軸方向偏心量のみが与えられ、共軸光学系と同様に、Ｚ軸方向の面頂位置は面間隔で与えられている。

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、入射瞳３中心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１次元非球面である。

Ｚ＝（Ｙ² ／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）Ｙ² ／Ｒ² ｝^{1 /2}］
＋ａＹ⁴ ＋ｂＹ⁶ ＋ｃＹ⁸ ＋ｄＹ¹⁰＋・・・
・・・（ａ）
ただし、Ｚを軸とし、Ｙを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。

なお、後記する実施例１〜２の構成パラメータにおいては、Ｙ−Ｚ面内でパワーを有するリニアフレネル面は、それと等価な円筒面（球面）又は非円筒面（非球面）としてデータを示してある。

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Ｙ−Ｚ断面図を図１に、その光学系内の光路をＸ−Ｚ平面に投影した平面図を図２に示す。また、この実施例の光学系の模式的な斜視図を図３に示す。

この実施例の光学系は、中心軸１を中心とする透明円筒媒体１５の周りに並列して２段にリニアフレネルレンズ１１’、１４’を巻き付けて構成した回転対称な光学系であり、リニアフレネルレンズ１１’、１４’のリニアフレネル面１１、１４は中心軸１を含む断面内ではギザギザな不連続な屈折面になっており、透明円筒媒体１５の円周方向には円筒面の屈折面として作用するものであり、像面４は円筒状のリニアフレネル面１４の周囲に頂点をＹ軸負方向に向けた円錐面として中心軸１の周りに回転対称に配置されている。

この光学系は、遠方の３６０°全方位（全周）であって、主光線２の入射角−９．１４°（中心軸１に直交する方向を０°とし、Ｘ軸正方向に対して反時計回りを正、時計回りを負とする。）で、かつその主光線２の方向を中心にして±１０°の画角範囲の物体面の像を主光線２の射出角−１１．４８°で射出して、頂点をＹ軸負方向に向けた円錐面の像面４に結像するものである。

この光学系は、中心軸１を含む断面内では、遠方の物体面からの光線は、面頂がＹ軸負方向にずれた円筒状のリニアフレネル面１１、透明円筒媒体１５の入射側の円筒面１２（リニアフレネルレンズ１１’の裏面の円筒面）、透明円筒媒体１５の射出側の円筒面１３（リニアフレネルレンズ１４’の裏面の円筒面）、面頂がＹ軸正方向にずれた円筒状のリニアフレネル面１４を順に経て、また、中心軸１を含む断面内に直交し主光線２を含む断面内においては、リニアフレネル面１１が形成する円筒面、透明円筒媒体１５の入射側の円筒面１２、その射出側の円筒面１３、リニアフレネル面１４が形成する円筒面を順に経て、頂点をＹ軸負方向に向けた円錐面の像面４に、３６０°全方位（全周）であって、中心画角−９．１４°で±１０°の画角範囲の物体の像を結像する。

この実施例１の仕様は、
入射瞳径 φ２０ｍｍ
像の大きさ φ９２．０５ｍｍ、ｈ１５．３３ｍｍ
画角 ３６０°×２０°
である。

図４に、この実施例の光学系の横収差を示す。この横収差図において、中央に示された角度は、主光線２の入射角を０°とした画角を示し、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。

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Ｙ−Ｚ断面図を図５に、その光学系内の光路をＸ−Ｚ平面に投影した平面図を図６に示す。また、この実施例の光学系の模式的な斜視図を図７に示す。

この実施例の光学系は、中心軸１を中心とする中空透明円筒媒体１６の周りに並列して２段にリニアフレネルレンズ１１’とリニアフレネル反射鏡１９’を巻き付けて構成した回転対称な光学系であり、リニアフレネルレンズ１１’、リニアフレネル反射鏡１９’のリニアフレネル面１１、１９は中心軸１を含む断面内ではギザギザな不連続な屈折面又は反射面になっており、中空透明円筒媒体１６の円周方向には円筒面の屈折面又は反射面として作用するものであり、像面４はリニアフレネル反射鏡１９’内の中空透明円筒媒体１６内部に頂点をＹ軸正方向に向けた円錐面として中心軸１の周りに回転対称に配置されている。

この光学系は、遠方の３６０°全方位（全周）であって、主光線２の入射角−３０．００°（中心軸１に直交する方向を０°とし、Ｘ軸正方向に対して反時計回りを正、時計回りを負とする。）で、かつその主光線２の方向を中心にして±１０°の画角範囲の物体面の像を主光線２の射出角５３．１６°で射出して、頂点をＹ軸正方向に向けた円錐面の像面４に結像するものである。

この光学系は、中心軸１を含む断面内では、遠方の物体面からの光線は、面頂がＹ軸正方向にずれた円筒状のリニアフレネル面１１、中空透明円筒媒体１６の入射側の円筒面１２、１７（円筒面１２はリニアフレネルレンズ１１’の裏面の円筒面）、中空透明円筒媒体１６の射出側の円筒面１８、１３（円筒面１３リニアフレネル反射鏡１９’の表面の円筒面）、面頂がＹ軸負方向にずれた円筒状のリニアフレネル面（反射面）１９、再度円筒面１３、１８を順に経て、また、中心軸１を含む断面内に直交し主光線２を含む断面内においては、リニアフレネル面１１が形成する円筒面、中空透明円筒媒体１６の入射側の円筒面１２、１７、中空透明円筒媒体１６の射出側の円筒面１８、１３、リニアフレネル面１４が形成する円筒面（反射面）１９、再度円筒面１３、１８を順に経て、頂点をＹ軸正方向に向けた円錐面の像面４に、３６０°全方位（全周）であって、中心画角−３０．００°で±１０°の画角範囲の物体の像を結像する。

この実施例２の仕様は、
入射瞳径 φ２０ｍｍ
像の大きさ φ３０．８６ｍｍ、ｈ２６．３２ｍｍ
画角 ３６０°×２０°
である。

以下に、上記実施例１〜２の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＬＦＳ”はリニアフレネル面を、“ＲＥ”は反射面を示す。
実施例１
［Ｙ−Ｚ断面］
主光線入射角 -9.14°
主光線射出角 -11.48°
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） -31.00
2 ＬＦＳ[1] 1.00 偏心(1) 1.5163 64.1
3 ∞ 60.00 1.5163 64.1
4 ∞ 1.00 1.5163 64.1
5 ＬＦＳ[2] 16.00 偏心(2)
像 面 ∞ 偏心(3)
ＬＦＳ[1]
Ｒ 44.91
ｋ -6.7182 ×10^-1
ａ 8.6773 ×10^-7
ＬＦＳ[2]
Ｒ -45.47
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ -27.96 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 9.52 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ -22.45 Ｚ 0.00
α -10.64 β 0.00 γ 0.00

［Ｘ−Ｚ断面］
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） -31.00
3 31.00 1.00 偏心(1) 1.5163 64.1
4 30.00 60.00 1.5163 64.1
5 -30.00 1.00 1.5163 64.1
6 -31.00 16.00 偏心(2)
像 面 -46.03 0.00 偏心(3)
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ -27.96 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 9.52 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ -22.45 Ｚ 0.00
α -10.64 β 0.00 γ 0.00 。

実施例２
［Ｙ−Ｚ断面］
主光線入射角 -30.00°
主光線射出角 53.16°
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） -31.00
2 ＬＦＳ[1] 1.00 偏心(1) 1.5163 64.1
3 ∞ 1.00 1.5163 64.1
4 ∞ 58.00
5 ∞ 1.00 1.5163 64.1
6 ∞ 1.00 1.5163 64.1
7 ＬＦＳ[2] （ＲＥ） -1.00 偏心(2) 1.5163 64.1
8 ∞ -1.00 1.5163 64.1
9 ∞ -15.57
像 面 ∞ 0.00 偏心(3)
ＬＦＳ[1]
Ｒ 85.67
ｋ 3.0926
ａ -1.9440 ×10^-6
ＬＦＳ[2]
径 -1179.09
k 0.0000
a -1.0225 ×10^-8
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 17.50 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ -102.87 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ -42.31 Ｚ 0.00
α 66.33 β 0.00 γ 0.00

［Ｘ−Ｚ断面］
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） -31.00
2 31.00 1.00 偏心(1) 1.5163 64.1
3 30.00 1.00 1.5163 64.1
4 29.00 58.00
5 -29.00 1.00 1.5163 64.1
6 -30.00 1.00 1.5163 64.1
7 -31.00 （ＲＥ） -1.00 偏心(2) 1.5163 64.1
8 -30.00 -1.00 1.5163 64.1
9 -29.00 -15.57
像 面 -15.43 偏心(3)
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 17.50 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ -102.87 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ -42.31 Ｚ 0.00
α 66.33 β 0.00 γ 0.00 。

図８に上記実施例２の変形例の模式的な斜視図を示す。この実施例においては、実施例２のリニアフレネル反射鏡１９’のリニアフレネル面１９を円筒面に設けるのではなく、円錐面に設け、その代わりに像面４を中心軸１を中心とする円環状の平面にした例である。なお、この実施例の数値データ（構成パラメータ）は省く。

なお、上記実施例の屈折率は任意に選択することが可能であり、例えば１．８以上や、２．０以上の屈折率を選べば、収差性能はさらに向上させることが可能である。また、瞳径を大きくとることも可能である。

ところで、本発明の光学系で用いるリニアフレネルレンズ２１の中心軸１を含む断面の形状は、図９（ａ）にその一部を示すように、鋸歯状のギザギザな断面形状になっており、その斜面部分２２で光線を屈折させるものである。また、図９（ｂ）に同様の断面を示すように、斜面部分２２で光線を屈折するだけでなく、斜面２２と斜面２２をつなぐ微細な輪帯面２３で反射させて集光させるようにしてもよい。

次に、本発明の光学系で用いるリニアフレネルレンズとリニアフレネル反射鏡の構成方法の例を図１０、図１１に示す。

図１０は、中心軸１を中心とする透明円筒媒体２４の周りにリニアフレネルレンズ２１、２１’を巻き付けて構成する場合の断面図（ａ）、（ｂ）と、（ａ）、（ｂ）の場合の斜視図（ｃ）を示す。図１０（ａ）の例は、リニアフレネルレンズ２１のリニアフレネル面２５が外側に配置されている場合であり、図１０（ｂ）の例は、リニアフレネルレンズ２１’のリニアフレネル面２５が内側に配置されている場合であり、何れの巻き付け方式をとってもよい。要は、リニアフレネルレンズ２１、２１’の細い帯状の斜面２２（図９）が透明円筒媒体２４の円周方向に向くように巻き付ける。

図１１は、中心軸１を中心とする中空透明円筒媒体２６の内面（ａ）又は外面（ｂ）の周りにリニアフレネルレンズ２１’、２１を巻き付けて構成する場合の断面図（ａ）、（ｂ）と、（ａ）の場合の斜視図（ｃ）を示す。図１１（ａ）の例は、中空透明円筒媒体２６の内面にリニアフレネル面２５が内側に配置されているリニアフレネルレンズ２１’を内側から巻き付けて構成されており、中空透明円筒媒体２６の外面２６’に反射面を設けてリニアフレネル反射鏡とする。図１１（ｂ）の例は、中空透明円筒媒体２６の外面にリニアフレネル面２５が外側に配置されているリニアフレネルレンズ２１を巻き付けて構成されており、この例では、リニアフレネルレンズ２１のリニアフレネル面２５に反射面を設けてリニアフレネル反射鏡とする。これらの場合も、リニアフレネルレンズ２１、２１’の細い帯状の斜面２２（図９）が中空透明円筒媒体２６の円周方向に向くように巻き付けて構成する。

本発明の実施例１の光学系のＹ−Ｚ断面図である。 実施例１の光学系の光学系内の光路をＸ−Ｚ平面に投影した平面図である。 実施例１の光学系の模式的な斜視図である。 実施例１の光学系の横収差図である。 本発明の実施例２の光学系のＹ−Ｚ断面図である。 実施例２の光学系の光学系内の光路をＸ−Ｚ平面に投影した平面図である。 実施例２の光学系の模式的な斜視図である。 実施例２の光学系の変形例の模式的な斜視図である。 本発明の光学系で用いるリニアフレネルレンズの断面形状を示す図である。 本発明の光学系で用いるリニアフレネルレンズの構成方法の例を説明するための図である。 本発明の光学系で用いるリニアフレネル反射鏡の構成方法の例を説明するための図である。

符号の説明

１…回転対称軸（中心軸）
２…主光線
３…入射瞳
４…像面
１１、１４、１９…リニアフレネル面
１１’、１４’…リニアフレネルレンズ
１２…透明円筒媒体の入射側の円筒面
１３…透明円筒媒体の射出側の円筒面
１５…透明円筒媒体
１６…中空透明円筒媒体
１７…中空透明円筒媒体の入射側の円筒面
１８…中空透明円筒媒体の射出側の円筒面
１９’…リニアフレネル反射鏡
２１、２１’…リニアフレネルレンズ
２２…斜面部分
２３…輪帯面
２４…透明円筒媒体
２５…リニアフレネル面
２６…中空透明円筒媒体

Claims (13)

1. 回転対称軸を中心とする回転対称な光学系であって、前記回転対称軸を含む断面内において、光線が入射する順に、第一の屈折面と、前記回転対称軸に対して前記第一の屈折面と反対側に、第二の屈折面又は反射面を備えた結像手段と、前記回転対称軸を中心とする回転対称な像面とを有し、物体の像を前記像面に結像させるか、前記像面に配置された画像を投影する光学系であって、
   前記像面は円筒面であることを特徴とする光学系。
2. 回転対称軸を中心とする回転対称な光学系であって、前記回転対称軸を含む断面内において、光線が入射する順に、第一の屈折面と、前記回転対称軸に対して前記第一の屈折面と反対側に、第二の屈折面又は反射面を備えた結像手段と、前記回転対称軸を中心とする回転対称な像面とを有し、物体の像を前記像面に結像させるか、前記像面に配置された画像を投影する光学系であって、
   前記像面は円錐面であることを特徴とする光学系。
3. 回転対称軸を中心とする回転対称な光学系であって、前記回転対称軸を含む断面内において、光線が入射する順に、第一の屈折面と、前記回転対称軸に対して前記第一の屈折面と反対側に、第二の屈折面又は反射面を備えた結像手段と、前記回転対称軸を中心とする回転対称な像面とを有し、物体の像を前記像面に結像させるか、前記像面に配置された画像を投影する光学系であって、
   前記像面は球状面であることを特徴とする光学系。
4. 前記回転対称軸を含む断面内で光束を制限する光束制限手段を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の光学系。
5. 前記像面に配置される撮像素子又は表示素子は２次元的に構成されたものを丸めて３次元的に構成したものであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の光学系。
6. 前記像面に配置される撮像素子又は表示素子は円筒状に配置された複数の平面素子からなることを特徴とする請求項１記載の光学系。
7. 前記像面に配置される撮像素子又は表示素子は円錐状に配置された複数の平面素子からなることを特徴とする請求項２記載の光学系。
8. 前記像面に配置される撮像素子又は表示素子は球面状に配置された複数の平面素子からなることを特徴とする請求項３記載の光学系。
9. 回転対称軸を含む断面内の結像手段は、シート状に形成されたものを丸めて構成されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項記載の光学系。
10. 回転対称軸を含む断面内の結像手段は、シート状に形成されたものを円錐又は円柱に貼り付けて構成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。
11. 前記結像手段は、前記回転対称軸と直交する断面内において、連続な回転対称面であることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項記載の光学系。
12. 前記結像光学系は、前記回転対称軸を含む断面内において、不連続な線からなって正又は負のパワーを有することを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項記載の光学系。
13. 前記結像手段は、リニアフレネルレンズ又はリニアフレネル反射鏡を備えることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項記載の光学系。

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