JP6736262B2 - 光学系および撮像システム - Google Patents
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Description
「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。
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。
「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。
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。
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。
+C4・H4+C6・H6+C8・H8+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=(H2/2R)+C4・H4+C6・H6+C8・H8+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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
なお、レンズ周辺領域IIIにおける「単位画角当たりの被写体像の結像倍率の減少」は、第2領域IIよりも大きい変化率で連続的な減少である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
[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。
[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。
[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。
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。
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
Claims (9)
- 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全天球画像を構成する光学系であって、
該光学系が有する複数の広角レンズの個々は、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、互いに連結して全天球画像を構成するように互いに重複し、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前記第2領域よりも大きい変化率で連続的に減少し、
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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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