JP5652349B2 - 広角レンズおよび全天球型撮像装置 - Google Patents

Description

この発明は、全天球型撮像装置に用いる広角レンズと全天球型撮像装置に関する。

１８０度より広い画角を持つ広角レンズと、この広角レンズによる像を撮像する撮像センサとによる撮像光学系を２つ、物体側レンズが互いに逆向きになるように組み合わせ、各撮像光学系により撮像された像を合成して「４πラジアンの立体角内の像」を得る全天球型撮像装置が知られている（特許文献１）。

このような全天球型撮像装置は、同時に全方位の画像情報を取得できるので、例えば、防犯用監視カメラや車載カメラ等に有効に利用できる。近来、全天球型撮像装置を携帯用にもできるように、その小型化が求められている。

例えば、ニュースの取材などの際に、小型の全天球型撮像装置を「手持ち状態」で使用すれば、極めて正確且つ公平な画像情報を撮像できる。

このような全天球型撮像装置に用いられる「画角１８０度以上の広角レンズ」では「光軸から離れた最大像高の光」は、急激な角度をつけずに屈折させ、結像面に結像させるのが好ましい。

しかし、画角１８０度以上の広角レンズの場合「レンズ全長の短縮化」を優先すると、光軸から離れた周辺の光線を急激に屈折させねばならず、各収差の影響で「結像画面周辺部」で解像度が低下してしまう。
結像面の周辺まで高解像度を維持しようとすると、周辺の光線をゆっくり屈折させる必要があるため、レンズ全長が大きくなり、携帯や手持ち状態での使用には適さない。

特許文献１には、広角レンズに関しては具体的な開示がない。

画角が広く、性能も良好な広角レンズは、従来から種々提案されており、中でも、特許文献２、３に記載されたものは性能良好である。

しかしながら、これら特許文献２、３記載の広角レンズは、全長の短縮化が困難であり、全天球型撮像装置に用いられる２個の広角レンズとして用いた場合には、装置の大型化を招きやすい。

また、特許文献２、３記載の広角レンズを２個用いる場合、２つの広角レンズの光軸間距離を短くすることが難しく、「視差」により、各広角レンズの周辺部の画像の重なり部分が相互にずれて、合成画像の継ぎ目部分に「画像の乱れ」が顕著に発生しやすい。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、全天球型撮像装置に用いられる広角レンズとして適し、視差の少ない合成画像を実現でき、なおかつ光学性能を確保できる広角レンズの実現を課題とする。

っこの発明はまた、上記広角レンズを２つ用いる、小型の全天球型撮像装置の実現を課題とする。

この発明の広角レンズは、物体側から像側へ向かって、前群、反射面、後群を配してなり、１８０度より大きい画角を持つ。

請求項１記載の広角レンズは、以下の如き特徴を有する。

「前群」は、３枚のレンズにより構成されて負の屈折力を持つ。
「反射面」は、前群の光軸を後群に向かって９０度折り曲げるものである。

「後群」は、４枚のレンズにより構成されて正の屈折力を持つ。

「前側主点」が、前群内において、物体側から数えて第２レンズと第３レンズとの間の位置に設定される。

全系の焦点距離：ｆ、上記前群の光軸と上記反射面との交点と上記前側主点との距離：ｄが、条件：
（１） ７．０＜ｄ／ｆ＜９．０
を満足する。

請求項１記載の広角レンズは、前群の最も物体側から反射面までの距離：ＤＡ、反射面から後群の最も像側の面までの距離：ＤＢが、条件：
（２） ＤＡ＜ＤＢ
を満足することが好ましい（請求項２）。

請求項１または２記載の広角レンズにおいて、前群と後群の間に配置される反射面は、直角プリズムの斜面であって「前群からの光束を後群に向かって内部反射させる」ものであり、直角プリズムの材質のｄ線に対する屈折率：ｎｄが、条件：
（３） ｎｄ≧１．８
を満足することが好ましい（請求項３）。

この請求項３記載の広角レンズにおいては、前群が、物体側から順に「ガラス材料による負メニスカスレンズ、プラスチック材料による負レンズ、ガラス材料による負のメニスカスレンズ」により構成され、後群が、物体側から順に「ガラス材料による両凸レンズ、ガラス材料による両凸レンズと両凹レンズの張り合わせレンズ、プラスチック材料による両凸レンズ」により構成され、直角プリズムと後群との間に開口絞りを有し、前群のプラスチック材料による負レンズ、後群のプラスチック材料による両凸レンズが「両面ともに非球面」で、ガラス材料による各レンズが球面レンズであることが出来る（請求項４）。

請求項５記載の全天球型撮像装置は「１８０度より広い画角を持つ広角レンズと、この広角レンズによる像を撮像する撮像センサとによる撮像光学系を２つ、物体側レンズが互いに逆向きになるように組み合わせ、各撮像光学系により撮像された像を合成して４πラジアンの立体角内の像を得る全天球型撮像装置」であって、２つの撮像光学系に用いられる広角レンズが、請求項１〜４の任意の１に記載のものであり、一方の撮像光学系の広角レンズにおける、前群の光軸と反射面との交点と前側主点との距離：ｄ１、他方の撮像光学系の広角レンズにおける、前群の光軸と反射面との交点と前側主点との距離：ｄ２、各撮像光学系の広角レンズの焦点距離：ｆが、条件：
（４） １６≦（ｄ１＋ｄ２）／ｆ＜２１
を満足することを特徴とする。

この請求項５記載の全天球型撮像装置においては、２つの撮像光学系に用いられる広角レンズが「同一仕様で、ｄ１＝ｄ２」であることができる（請求項６）。

上記のように、この発明の広角レンズは、前群と後群との間に反射面を有し、前群と後群が「直角をなす」ように構成されるので、広角レンズの高性能維持に必要な「全長」を確保している。
この広角レンズを２個、「全天球型撮像素子用」に用いる場合、反射面部分を、前群の光軸に直交する方向に相互に近づけることができ、視差の影響を有効に軽減できる。

また、前側主点が「前群内」の第２レンズと第３レンズとの間に設定されるので、反射面サイズを有効に小さくできる。

従って、この広角レンズを２個用いて、全天球型撮像素子を構成すれば、視差の影響を有効に軽減して良好な「全天球画像」を得ることができる。

全天球型撮像装置の実施の１形態の光学配置を説明するための図である。 実施例の球面収差を示す図である。 実施例の像面湾曲を示す図である。 実施例のコマ収差を示す図である。 実施例のＯＴＦ特性を示す図である。 実施例のＯＴＦ特性を示す図である。

以下、実施の形態を説明する。

図１は、全天球型撮像装置の要部を説明図的に示す図である。

図１において、符号Ａ、Ｂで示す部分は「撮像光学系」を示している。

２個の撮像光学系Ａ、Ｂは何れも「１８０度より広い画角を持つ広角レンズと、この広角レンズによる像を撮像する撮像センサと」により構成されている。

即ち、撮像光学系Ａは、レンズＬＡ１〜ＬＡ３により構成される「前群」、反射面を構成する直角プリズムＰＡ、レンズＬＡ４〜ＬＡ７により構成される「後群」により構成されている。そして、レンズＬＡ４の物体側に開口絞りＳＡが配置されている。

撮像光学系Ｂは、レンズＬＢ１〜ＬＢ３により構成される「前群」、反射面を構成する直角プリズムＰＢ、レンズＬＢ４〜ＬＢ７により構成される「後群」により構成されている。そして、レンズＬＢ４の物体側に開口絞りＳＢが配置されている。

撮像光学系Ａの前群を構成する、レンズＬＡ１〜ＬＡ３は、物体側から順に、ガラス材料による負メニスカスレンズ（ＬＡ１）、プラスチック材料による負レンズ（ＬＡ２）、ガラス材料による負のメニスカスレンズ（ＬＡ３）により構成されている。

後群を構成するレンズＬＡ４〜ＬＡ７は、物体側から順に、ガラス材料による両凸レンズ（ＬＡ４）、ガラス材料による両凸レンズ（ＬＡ５）と両凹レンズ（ＬＡ６）の張り合わせレンズ、プラスチック材料による両凸レンズ（ＬＡ７）により構成されている。

撮像光学系Ｂの前群を構成する、レンズＬＢ１〜ＬＢ３は、物体側から順に、ガラス材料による負メニスカスレンズ（ＬＢ１）、プラスチック材料による負レンズ（ＬＢ２）、ガラス材料による負のメニスカスレンズ（ＬＢ３）により構成されている。

後群を構成するレンズＬＢ４〜ＬＢ７は、物体側から順に、ガラス材料による両凸レンズ（ＬＢ４）、ガラス材料による両凸レンズ（ＬＢ５）と両凹レンズ（ＬＢ６）の張り合わせレンズ、プラスチック材料による両凸レンズ（ＬＢ７）により構成されている。

これら撮像光学系Ａ、Ｂにおいて、前群のプラスチック材料による負レンズＬＡ２、ＬＢ２、後群のプラスチック材料による両凸レンズＬＡ７、ＬＢ７は「両面が非球面」であり、他のガラス材料による各レンズは球面レンズである。

各広角レンズにおける前側主点の位置は、第２レンズＬＡ２、ＬＢ２と第３レンズＬＡ３、ＬＢ３との間に設定される。

撮像光学系Ａの広角レンズにおける、前群の光軸と反射面との交点と前側主点との距離が図１における「ｄ１」であり、撮像光学系Ｂの広角レンズにおける、前群の光軸と反射面との交点と前側主点との距離が「ｄ２」である。

これらの距離「ｄ１」、「ｄ２」は、請求項１の広角レンズにおける距離「ｄ」であって、前述の条件（１）７．０＜ｄ／ｆ＜９．０を満足する。

条件（１）の意義について説明すると、条件（１）のパラメータ：ｄ／ｆが小さくなることは、全系の焦点距離：ｆが長くなるか、前群の光軸と反射面との交点と前側主点との距離：ｄが小さくなることを意味する。

焦点距離：ｆが大きくなれば、広角レンズの「光軸上のレンズ全長」が長くなるので、コンパクト化の観点からこれを適当な値に設定すると、その条件においては距離：ｄが小さくなることを意味する。

ｄが小さくなると、レンズＬＡ３（ＬＢ３）とプリズムＰＡ（ＰＢ）との間隔が狭くなり、レンズＬＡ３（ＬＢ３）に必要な屈折力を確保するためのレンズ肉厚に対する制限が厳しくなる。そして、条件（１）の下限値を下回ると、レンズＬＡ３（ＬＢ３）の所望の肉厚、形状を加工できなくなったり、加工が難しくなったりする。

図１において、撮像光学系Ａ、Ｂは、図における左右方向において、なるべく近接させることが「全天球型撮像装置の小型化」の目的に沿う。反射面は直角プリズムＰＡ、ＰＢの斜面であるので、この「斜面」同士をなるべく近接させることが、上記小型化に有効である。

条件（１）において、パラメータ：ｄ／ｆが大きくなることは、前群の光軸と反射面との交点と前側主点との距離：ｄが大きくなることを意味し、これは「前群」が大型化することを意味する。

このような「前群の大型化」は、全天球型撮像装置の小型化を困難にする。この場合、前群の大きさの増大による「全天球型撮像装置の大型化」を吸収する方法として、プリズムＰＡ、ＰＢの斜面同士を近接させた状態で、撮像光学系ＡとＢとを図１の上下方向へずらして配置することが考えられる。

しかしこのようにすると、各撮像光学系の広角レンズの前群の光軸同士が、図１で上下方向にずれるので、このズレ量が程度を超えれば前述の「視差」の影響が大きくなる。

視差の影響を有効に抑えつつ、前群の大型化を許容できるのは、パラメータ：ｄ／ｆが条件（１）の上限より小さい場合である。

上記距離：ｄと焦点距離：ｆとの比：ｄ／ｆに対する条件を、全天球型撮像装置について規制するのが条件（４）１６≦（ｄ１＋ｄ２）／ｆ＜２１であり、視差の影響を抑えつつ、条件（４）の下限を超えると、プリズムＰＡとＰＢの反射面同士が「干渉」してしまうし、上限を超えると「視差の影響」を無視できなくなる。

条件（３）ｎｄ≧１．８は、プリズムＰＡ、ＰＢの材質として、ｄ線に対する屈折率：ｎｄが１．８より大きいものを用いるべきことを定めている。

プリズムＰＡ、ＰＢは、前群からの光を後群に向かって「内部反射」させるので、結像光束の光路はプリズム内を通る。プリズムの材料が条件（３）を満足するような高屈折率であると、プリズム内の「光学的な光路長」が、実際の光路長より長くなり、光線を屈曲させる距離を広げることが出来る。
前群・プリズム・後群における「前群と後群の間の光路長」を機械的な光路長よりも長く出来、広角レンズをコンパクトに構成できる。

また、開口絞りＳＡ、ＳＢの近くにプリズムＰＡ、ＰＢを配置することにより、小さいプリズムを用いるができ、広角レンズ相互の間隔を小さくできる。

プリズムＰＡ、ＰＢは、前群と後群の間に配置される。広角レンズの前群は、１８０度以上の広画角の光線を取り込む機能をもち、後群は収差補正の結像に効果的に機能する。

プリズムを上記の如く配置することにより、プリズムの配置ずれや製造公差の影響を受けにくい。

以下、広角レンズの具体的な実施例を挙げる。
実施例は、図１に示す全天球型撮像装置の撮像光学系Ａ、Ｂに用いられる広角レンズであり、撮像光学系Ａ、Ｂに共に用いられる。即ち、撮像光学系Ａ、Ｂに用いられる２つの広角レンズは「同一使用」であり、前記ｄ１＝ｄ２である。

以下において、ｆは全系の焦点距離、ＮｏはＦナンバ、ωは半画角である。

また「面番号」は、物体側から順次１〜２３とし、これらはレンズ面、プリズムの入・射出面および反射面、絞りの面、撮像センサのフィルタの面や受光面を示す。

「Ｒ」は、各面の曲率半径であり、非球面に合っては「近軸曲率半径」である。

「Ｄ」は面間隔、「Ｎｄ」はｄ線の屈折率、「νd」はアッベ数である。また物体距離は無限遠である。長さの次元を持つ量の単位は「ｍｍ」である。

「実施例」
ｆ＝０．７５、Ｎｏ＝２．１４、ω＝１９０度
面番号 Ｒ Ｄ Ｎｄ νｄ
１ １７．１ １．２ １．８３４８０７ ４２．７２５３２４
２ ７．４ ２．２７
３ −１８０９ ０．８ １．５３１１３１ ５５．７５３８５８
４＊ ４．５８ ２
５＊ １７．１ ０．７ １．６３９９９９ ６０．０７８１２７
６ ２．５ １．６
７ ∞ ０．３
８ ∞ ５ １．８３４０００ ３７．１６０４８７
９ ∞ １．９２
１０ ∞(開口絞り) ０．１５
１１ ９３．２ １．０６ １．９２２８６０ １８．８９６９１２
１２ −６．５６ １．０
１３ ３．３７ １．８６ １．７５４９９８ ５２．３２１４３４
１４ −３ ０．７ １．９２２８６０ １８．８９６９１２
１５ ３ ０．３
１６＊ ２．７ １．９７ １．５３１１３１ ５５．７５３８５８
１７＊ −２．１９ ０．８
１８ ∞ ０．４ １．５１６３３０ ６４．１４２０２２
１９ ∞ ０
２０ ∞ ０．３ １．５１６３３０ ６４．１４２０２２
２１ ∞ ０．３
２２ 撮像面 。

非球面
上のデータで「＊」印を付した面（前群の第２レンズの両面および後群の最終レンズの両面）は非球面である。

非球面形状は、近軸曲率半径の逆数(近軸曲率)：Ｃ、光軸からの高さ：Ｈ、円錐定数：Ｋ、上記各次数の非球面係数を用い、Ｘを光軸方向における非球面量として、周知の式
Ｘ＝ＣＨ^２／[１＋√{１−(１＋Ｋ)Ｃ^２Ｈ^２}]
＋Ａ４・Ｈ^４＋Ａ６・Ｈ^６＋Ａ８・Ｈ^８＋Ａ１０・Ｈ^１０＋Ａ１２・Ｈ^１２＋Ａ１４・Ｈ^１４
で表されるものであり、近軸曲率半径と円錐定数、非球面係数を与えて形状を特定する。

上記実施例の非球面データを以下に挙げる。

第３面
4ｔｈ：0.001612
6ｔｈ：-5.66534e-6
8ｔｈ：-1.99066e-7
10ｔｈ：3.69959e-10
12ｔｈ：6.47915e-12
第４面
4ｔｈ：-0.00211
6ｔｈ：1.66793e-4
8ｔｈ：9.34249e-6
10ｔｈ：-4.44101e-7
12ｔｈ：-2.96463e-10
第１６面
4ｔｈ：-0.006934
6ｔｈ：-1.10559e-3
8ｔｈ：5.33603e-4
10ｔｈ：-1.09372e-4
12ｔｈ：1.80753-5
14ｔｈ：-1.52252e-7
第１７面
4ｔｈ：0.041954
6ｔｈ：-2.99841e-3
8ｔｈ：-4.27219e-4
10ｔｈ：3.426519e-4
12ｔｈ：-7.19338e-6
14ｔｈ：-1.69417e-7
上記非球面の表記において例えば「-1.69417e-7」は「-1.69417×10^-7」を意味する。
また、「４ｔｈ〜１４ｔｈ」は、それぞれ「Ａ４〜Ａ１４」である。

各条件のパラメータの値は、以下の通りである。
条件（１）のパラメータの値
ｄ＝ｄ１＝ｄ２＝６ ｆ＝０．７５
ｄ／ｆ＝８
条件（２）のパラメータの値
ＤＡ＝８．８７
ＤＢ＝１４．７６
条件（３）のパラメータの値
Ｎｄ＝１．８３４０００
条件（４）のパラメータの値
（ｄ１＋ｄ２）／ｆ＝１６
従って、実施例の広角レンズおよび全天球型撮像装置は、条件（１）〜（３）を満足している。

なお、広角レンズとして、光路を折り曲げないものを平行に用いる場合に比して、光軸間の間隔（図１における前側主点相互の、図１の上下方向の間隔）を１４ｍｍ短くすることが出来た。

上記の如く、画角１８０度を超える広角レンズでは、レンズの中心を通る光線と周辺を通る光線では、レンズ肉厚の差で光路長が変わり、性能劣化につながる。実施例の広角レンズでは、前群の３枚のレンズのうち、第２レンズに「光軸近傍と周辺とのレンズ肉厚の差」が出やすい。それで、該第２レンズをプラスチックレンズとして両面を非球面とすることにより補正を行っている。

また、後群の最終レンズをプラスチックレンズとし、その両面を非球面とすることにより「このレンズよりも物体側で発生する諸収差」を良好に補正するようにしている。

また、後群の４枚のレンズのうち、２番目の両凸レンズと３番目の両凹レンズを接合することにより「色収差」を良好に補正している。

実施例の広角レンズの球面収差図を、図２に示す。また、像面湾曲の図を図３に示す。

図４には、コマ収差図を示す。

図５、図６は、ＯＴＦ特性を示す図であり、横軸は、図５が「空間周波数」、図６が半画角を「度」で表している。

これらの図から明らかなように、実施例の広角レンズは性能が極めて高い。

Ａ 撮像光学系
Ｂ 撮像光学系
ＬＡ１〜ＬＡ７ レンズ
ＬＢ１〜ＬＢ７ レンズ
ＰＡ、ＰＢ プリズム
ＳＡ、ＳＢ 開口絞り

特許第３２９０９９３号公報 特開２００７−１５５９７７号公報 特開２０１０−２５６６２７号公報

Claims (6)

1. 物体側から像側へ向かって、前群、反射面、後群を配してなり、１８０度より大きい画角を持ち、
   上記前群は、３枚のレンズにより構成されて負の屈折力を持ち、
   上記反射面は、上記前群の光軸を上記後群に向かって９０度折り曲げるものであり、
   上記後群は、４枚のレンズにより構成されて正の屈折力を持ち、
   前側主点が、上記前群内において、物体側から数えて第２レンズと第３レンズとの間の位置に設定され、
   全系の焦点距離：ｆ、上記前群の光軸と上記反射面との交点と上記前側主点との距離：ｄが、条件：
   （１） ７．０＜ｄ／ｆ＜９．０
   を満足することを特徴とする広角レンズ。
2. 請求項１記載の広角レンズにおいて、
   前群の最も物体側から反射面までの距離：ＤＡ、上記反射面から後群の最も像側の面までの距離：ＤＢが、条件：
   （２） ＤＡ＜ＤＢ
   を満足することを特徴とする広角レンズ。
3. 請求項１または２記載の広角レンズにおいて、
   前群と後群の間に配置される反射面は、直角プリズムの斜面であって、前群からの光束を後群に向かって内部反射させるものであり、
   上記直角プリズムの材質のｄ線に対する屈折率：ｎｄが、条件：
   （３） ｎｄ≧１．８
   を満足することを特徴とする広角レンズ。
4. 請求項３記載の広角レンズにおいて、
   前群が、物体側から順に、ガラス材料による負メニスカスレンズ、プラスチック材料による負レンズ、ガラス材料による負メニスカスレンズにより構成され、
   後群が、物体側から順に、ガラス材料による両凸レンズ、ガラス材料による両凸レンズと両凹レンズの張り合わせレンズ、プラスチック材料による両凸レンズにより構成され、
   直角プリズムと上記後群との間に開口絞りを有し、
   上記前群のプラスチック材料による負レンズ、上記後群のプラスチック材料による両凸レンズは、両面が非球面であり、上記ガラス材料による各レンズは球面レンズであることを特徴とする広角レンズ。
5. １８０度より広い画角を持つ広角レンズと、この広角レンズによる像を撮像する撮像センサとによる撮像光学系を２つ、物体側レンズが互いに逆向きになるように組み合わせ、各撮像光学系により撮像された像を合成して４πラジアンの立体角内の像を得る全天球型撮像装置であって、
   ２つの撮像光学系に用いられる広角レンズが、請求項１〜４の任意の１に記載のものであり、
   一方の撮像光学系の広角レンズにおける、前群の光軸と反射面との交点と前側主点との距離：ｄ１、
   他方の撮像光学系の広角レンズにおける、前群の光軸と反射面との交点と前側主点との距離：ｄ２、
   上記各撮像光学系の広角レンズの焦点距離：ｆが、条件：
   （４） １６≦（ｄ１＋ｄ２）／ｆ＜２１
   を満足することを特徴とする全天球型撮像装置。
6. 請求項５記載の全天球型撮像装置において、
   ２つの撮像光学系に用いられる広角レンズが同一仕様で、ｄ１＝ｄ２であることを特徴とする全天球型撮像装置。

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