(57)【要約】【課題】  簡単な構成で、撮像装置や投影装置に装着し、全方位光学系を構成することを可能とする。【解決手段】  開口Ｓを有する結像光学系Ｇ２に装着可能であるとともに、結像光学系Ｇ２に装着した際、結像光学系Ｇ２を介し３６０°全方位の画像を像面に結像させ、中心軸１の周りで回転対称な２面の反射面１２、１３と２面の透過面１１、１４からなる前群Ｇｆと、中心軸１の周りで回転対称であって正パワーを有する後群Ｇｂとを備え、結像光学系Ｇ２に装着した際、中心軸１を含む面内の入射瞳６Ｙと、中心軸１と直交し中心光線を含む面内の入射瞳６Ｘは、異なる位置にあることを特徴としている。【選択図】図１
2011257630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口を有する結像光学系に装着可能であるとともに、前記結像光学系に装着した際、前記結像光学系を介し３６０°全方位の画像を像面に結像させるアタッチメント光学系であって、
中心軸の周りで回転対称な２面の反射面と２面の透過面からなる前群と、
中心軸の周りで回転対称であって正パワーを有する後群と、を備えており、
前記前群は、光線の進む順に、
遠方から前記前群に入射する正のパワーを有する第１透過面と、
前記第１透過面と中心軸をはさんで前記後群側に配置されている正のパワーを有する第１反射面と、
前記第１反射面と同じ側に配置され、前記第１反射面より後群から離れて配置されている第２反射面と、
最も後群側に配置されている負のパワーを有する第２透過面からなり、
前記結像光学系に装着した際、光束は、前記前群、前記後群、前記結像光学系を順に経て、像面の中心軸から外れた位置に結像すると共に、中心軸を含む面内の入射瞳と、中心軸と直交し中心光線を含む面内の入射瞳は、異なる位置にあることを特徴とする
アタッチメント光学系。
【請求項２】
中心軸を含む面内の入射瞳は前記第１透過面近傍にあり、中心軸と直交し中心光線を含む面内の入射瞳は中心軸近傍にあることを特徴とする
請求項１記載のアタッチメント光学系。
【請求項３】
中心軸を含む断面内において、入射瞳近傍に中心軸を含む断面内でのみ開口を制限するフレア絞りが配置されていることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載のアタッチメント光学系。
【請求項４】
前記前群の第１透過面から第２透過面までの中心主光線の光路長をＯＰ、前記第１透過面の中心軸を含む面内の焦点距離をｆ１ｙとするとき、
０．５＜ＯＰ／ｆ１ｙ＜１０        ・・・（１）
なる条件を満たすことを特徴とする
請求項１から請求項３の何れか１項に記載のアタッチメント光学系。
【請求項５】
０．７＜ＯＰ／ｆ１ｙ＜３        ・・・（１−１）
なる条件を満たすことを特徴とする
請求項４に記載のアタッチメント光学系。
【請求項６】
前記前群の第１透過面から第２透過面までの中心主光線の光路長をＯＰ、前記第２透過面の焦点距離をｆ２とするとき、
−２０＜ＯＰ／ｆ２＜−１        ・・・（２）
なる条件を満たすことを特徴とする
請求項１から請求項５の何れか１項に記載のアタッチメント光学系。
【請求項７】
−１０＜ＯＰ／ｆ２＜−３        ・・・（２−１）
なる条件を満たすことを特徴とする
請求項６に記載のアタッチメント光学系。
【請求項８】
前記第１透過面と第１反射面の間の外周部に光学系を固定するフランジを有することを特徴とする
請求項１から請求項７の何れか１項に記載のアタッチメント光学系。
【請求項９】
前記結像光学系として、投影光学系を用い、
前記像面に画像表示素子を配置して、前記画像表示素子に表示された画像を逆光線で３６０゜全方位の画角に投影することを特徴とする
請求項１から請求項８の何れか１項に記載のアタッチメント光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アタッチメント光学系に関し、特に、撮像装置や投影装置に取り付けることで、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などを実現するアタッチメント光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、２面の内面反射面と２面の透過面を持つ中心軸の周りで回転対称な透明媒体からなる前群と、中心軸の周りで回転対称であって正パワーを有する後群とからなる特許文献１、２に開示されたような光学系が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２４３６８９号公報
【特許文献２】特開２００７−３３４０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、これら特許文献１、特許文献２に記載の光学系は、全ての構成を備えることで、像面に形成した画像を全方位に投影、あるいは、全方位の画角を有する画像を得ることができる光学系となっており、撮像装置や投影装置に装着する構成になっていない。
【０００５】
一方、全方位ではない所定の画角を有する撮像装置または投影装置は、市場に出回る数や利用される機会は多いが、特許文献１、特許文献２の光学系のように、全方位の投影または撮像を行うことはできない。
【０００６】
本発明は、簡単な構成で、撮像装置や投影装置に装着することで、全方位光学系を実現するアタッチメント光学系を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため本発明に係るアタッチメント光学系は、開口を有する結像光学系に装着可能であるとともに、前記結像光学系に装着した際、前記結像光学系を介し３６０°全方位の画像を像面に結像させるアタッチメント光学系であって、中心軸の周りで回転対称な２面の反射面と２面の透過面からなる前群と、中心軸の周りで回転対称であって正パワーを有する後群と、を備えており、前記前群は、光線の進む順に、遠方から前記前群に入射する正のパワーを有する第１透過面と、前記第１透過面と中心軸をはさんで前記後群側に配置されている正のパワーを有する第１反射面と、前記第１反射面と同じ側に配置され、前記第１反射面より後群から離れて配置されている第２反射面と、最も後群側に配置されている負のパワーを有する第２透過面からなり、前記結像光学系に装着した際、光束は、前記前群、前記後群、前記結像光学系を順に経て、像面の中心軸から外れた位置に結像すると共に、中心軸を含む面内の入射瞳と、中心軸と直交し中心光線を含む面内の入射瞳は、異なる位置にあることを特徴としている。
【０００８】
この場合、中心軸を含む面内の入射瞳は前記第１透過面近傍にあり、中心軸と直交し中心光線を含む面内の入射瞳は中心軸近傍にあることが好ましい。
【０００９】
さらに、中心軸を含む断面内において、入射瞳近傍に中心軸を含む断面内でのみ開口を制限するフレアー絞りが配置されていることが好ましい。
【００１０】
さらに、前記前群の第１透過面から第２透過面までの中心主光線の光路長をＯＰ、前記第１透過面の中心軸を含む面内の焦点距離をｆ１ｙとするとき、
０．５＜ＯＰ／ｆ１ｙ＜１０        ・・・（１）
なる条件を満たすことが望ましい。
【００１１】
さらに、上記条件において、０．７＜ＯＰ／ｆ１ｙ＜３        ・・・（１−１）
なる範囲を満たすことが好ましい。
【００１２】
さらに、前記前群の第１透過面から第２透過面までの中心主光線の光路長をＯＰ、前記第２透過面の焦点距離をｆ２とするとき、
−２０＜ＯＰ／ｆ２＜−１        ・・・（２）
なる条件を満たすことが望ましい。
【００１３】
さらに、上記条件において、
−１０＜ＯＰ／ｆ２＜−３        ・・・（２−１）
なる範囲を満たすことが好ましい。
【００１４】
さらに、前記第１透過面と第１反射面の間の外周部に光学系を固定するフランジを有するように構成されてもよい。
【００１５】
さらに、前記結像光学系として、投影光学系を用い、前記像面に画像表示素子を配置して、前記画像表示素子に表示された画像を逆光線で３６０゜全方位の画角に投影することとしてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上、本発明によれば、簡単な構成で撮像装置や投影装置に装着し、全方位光学系を実現するアタッチメント光学系を提供することが可能となる。さらに、諸条件を満足する、あるいは、所定の構成を備えることで、フレアー光の影響を受けない、小型で収差が良好に補正されて解像力の良いアタッチメント光学系を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】実施例１の光学系全体の横収差図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】実施例２の光学系全体の横収差図である。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】実施例３の光学系全体の横収差図である。
【図１０】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を用いた例を示すための図である。
【図１１】自動車の各コーナや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を用いた例を示すための図である。
【図１２】投影装置の投影光学系として本発明によるパノラマ投影光学系を用いた例を示すための図である。
【図１３】屋外の被写体を本発明によるパノラマ撮影光学系を経て撮影し、屋内に本発明によるパノラマ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。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、実施例に基づいて本発明の光学系について説明する。
【００１９】
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り、方位角０°と±３０°における光路を示している。この図１、図２を用いて本発明のアタッチメント光学系を説明する。なお、以下の説明は、結像光学系に適用した場合について説明するが、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、投影光学系に適用した場合、以下の説明において、像面には画像表示素子を配置し、光線の向きが逆向きになると共に、入射瞳は射出瞳に置き換えられる。
【００２０】
本発明のアタッチメント光学系Ｇ１は、中心軸１の周りで回転対称な透明媒体１０で構成された前群Ｇｆと中心軸１の周りで回転対称な後群Ｇｆとからなり、結像光学系Ｇ２に装着された際、遠方の物体から入射する光束２は、アタッチメント光学系Ｇ１（前群Ｇｆ、後群Ｇｂ）、結像光学系Ｇ２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。
【００２１】
アタッチメント光学系Ｇ１は、結像光学系Ｇ２に対し着脱可能に構成されている。アタッチメント光学系Ｇ１が装着されたときには、全方位の撮像装置または投影装置として機能することとなり、アタッチメント光学系Ｇ１が装着されない場合には、結像光学系Ｇ２のみでも撮影装置または投影装置として機能する。
【００２２】
アタッチメント光学系Ｇ１を構成する前群Ｇｆと後群Ｇｂを構成する各レンズは、図示しない保持部材にて保持されている。また、結像光学系Ｇ２を構成する理想レンズ２０、開口Ｓなどの構成は、撮像装置または投影装置の筐体側に保持される。撮像装置または投影装置の筐体に、アタッチメント光学系Ｇ１を保持する保持部材が装着されることで、アタッチメント光学系Ｇ１と結像光学系Ｇ２は、図に示される配置をとることとなり、全方位の撮像装置または投影装置として機能することとなる。すなわち、アタッチメント光学系Ｇ１と結像光学系Ｇ２は、それらを保持する保持部材、筐体にてその位置関係が規制される。
【００２３】
透明媒体１０は、中心軸１の周りで回転対称であって、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Ｇｂは、中心軸１の周りで回転対称であって、正パワーを有するレンズ系等の同軸屈折光学系からなるものである。この実施例１では、３枚のレンズＬ１〜Ｌ３を含んだ２群からなる正パワーを有するレンズ群で構成されている。
【００２４】
なお、アタッチメント光学系Ｇ１を保持部材に保持させるため、透明媒体１０の周囲には径方向に突出するフランジ１５が配置されている。本実施形態において、フランジ１５は、第１透過面１１と第１反射面１２の間に設けられている。このような位置に設けたことで、像側から離れる方向の画角が大きい場合、光線と干渉することなく透明媒体１０を保持することが可能となる。なお、透明媒体１０は、フランジ１５を含め単一の樹脂で構成することで、その製造が容易になる。また、フランジ１５は、透明媒体１０の全周囲に設ける必要はなく、一部周囲に設けられるものであってもよい。
【００２５】
そして、本発明のアタッチメント光学系では、図１の特に上方向から入射する有害なフ
レアー光が第１透過面１１を透過して光学系内に入るのを防ぐために、中心軸１を含む面内でのみ入射瞳６Ｙを第１透過面１１近傍に形成するように構成して、このようなフレアー光をカットしている。中心軸１上に配置された絞り（開口）Ｓは前群Ｇｆにより逆投影されることにより入射瞳６Ｙを形成する。中心軸１を含む断面内では、この入射瞳６Ｙを第１透過面１１近傍に配置することにより、逆投影された入射瞳６Ｙ近傍にフレアー絞りを配置したのと同様になり、透明媒体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る。
【００２６】
フレアー絞りとしては、第１透過面１１近傍、特にその直前に、中心軸１の周りで回転対称な輪帯状のスリットを配置するようにするとよい。また、その第１透過面１１直前に配置するフレアー絞りは、アタッチメント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透明パイプ状のものでもよい。
【００２７】
また、像面側（下側）のフレアー絞りは、第１反射面１２の反射コーティング部分と兼用させてもよい。また、前群Ｇｆの透明媒体の像面３０と反対側（上側）は、有効な第２反射面１３以外の不使用領域が大きく存在するために、有効面（第２反射面１３）以外は砂目処理を行い、黒い塗料を塗布することでフレアー絞りを併用することも可能である。
【００２８】
なお、結像光学系Ｇ２の開口Ｓを設けることに代え、第１透過面１１近傍にてフレアー絞りとして機能する輪帯状のスリットを設けることで、入射瞳６Ｙ自体を構成する開口絞りを兼ねさせるようにしてもよい。
【００２９】
結像光学系Ｇ２は、入射する光を像面３０に結像させるレンズ系と、像面３０とアタッチメント光学系Ｇ１の間であって、中心軸１と同軸に配置され、円形の開口Ｓ（絞り）とで構成されている。この実施例１では、結像光学系２０を構成するレンズ系を、理想レンズ（無収差のレンズ系）としている。
【００３０】
前群Ｇｆを構成する透明媒体１０は、遠方からの光束２が入射する第１透過面１１、第１透過面１１と中心軸１を挟んで反対側に配置されていて、第１透過面１１から入射した光束が入射する第１反射面１２、第１反射面１２と同じ側に配置され、第１反射面１２で反射された光束が入射する第２反射面１３、後群２０に面していて、第２反射面１３で反射された光束が入射する第２透過面１４を含み、第１反射面１２の面の中心（中心光束２の中心光線２ｃが入射する位置）は、中心軸１方向に第２反射面１３の中心（中心光束２の中心光線２ｃが入射する位置）より後群２０側に位置している。なお、中心光線は、上下方向の画角の真ん中の光線であって、絞り中心を通過する主光線である。
【００３１】
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は入射面の第１透過面１１で屈折して前群Ｇｆの透明媒体１０内に入り、中心軸１を横切って第１透過面１１と反対側の第１反射面１２に入射し、そこで後群２０から離れるように反射された光束は第２反射面１３に入射し、そこで後群２０方向へ反射された光束は第２透過面１４で屈折して前群Ｇｆの透明媒体１０から外に出る。
【００３２】
透明媒体１０から出た光束２は、後群Ｇｂを通過し、開口Ｓを介して理想レンズ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。
【００３３】
ここで、前群Ｇｆは、全周囲の画像から回転対称軸となる中心軸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Ｇｂ、結像光学系Ｇ２の役割は、その円環状の空中像を像面３０の平面上に投影する働きをするものである。
【００３４】
前群Ｇｆは透明媒体で構成することが好ましく、そのために媒体に入射する第１透過面１１が必要である。回転対称な形状であるため、第１透過面１１は回転方向（中心軸１と直行する断面内）に凸面となり正のパワーを有する。
【００３５】
第１透過面１１は、中心軸１を含む断面でも凸面の正のパワーを持たせることが好ましい。これは、中心軸１を含む面内での結像位置を第１反射面１２と第２反射面１３の中間に位置させることができるためである。結像面が反射面と同一位置、あるいは、反射面に近い位置になると、反射面表面の傷などが鮮明に像面に投影されることとなる。第１透過面１１に正のパワーを持たせることで、結像位置を第１反射面１２と第２反射面１３の中間に位置させ、この不具合を回避することが可能となる。
【００３６】
さらに好ましくは、前群Ｇｆの第１透過面１１から第２透過面１４までの中心主光線の光路長をＯＰ、前記第１透過面１１の中心軸１を含む面内の焦点距離をｆ１ｙとするとき、
０．５＜ＯＰ／ｆ１ｙ＜１０        ・・・（１）
なる条件を満たすことが望ましい。
【００３７】
条件式の下限を超えると第１透過面１１の中心軸１を含む断面内の焦点距離が長くなり過ぎ、中心軸１を含む断面での１次結像位置が第２反射面１３近傍になってしまい、反射面表面の傷などが鮮明に像面に投影されてしまう。また、上限を超えると１次結像位置が第１反射面１２近傍になり、同様の問題点が生じる。
【００３８】
さらに好ましくは、
０．７＜ＯＰ／ｆ１ｙ＜３        ・・・（１−１）
なる条件を満たすことが重要である。このような条件を満たすことで、結像面をさらに第１反射面１２と第２反射面１３の中間に位置させることが可能となり、反射面に生じた傷などの影響を抑えるが可能となる。
【００３９】
第１反射面１２は、透明媒体１０の外周部に第１透過面１１より像面３０側に配置される。全方位光学系の場合、中心軸１の周辺３６０°の撮影又は投影が可能であるが、撮影機材や投影機材と光線が干渉しないように、上下方向の画角は中心軸１と直行する方向、または、若干、像面３０側から像面から離れる方向に設定する。その場合第１透過面１１より、像面３０側に第１反射面１２を配置することで、第１透過面１１で光線を無理に屈折させる必要がないため、色収差の発生を少なくすることが可能となる。
【００４０】
また、第１反射面１２は、中心軸１を含む断面内でも強い正のパワーを有し、この断面内で１回結像をさせる働きを持っている。さらに、第１反射面１２は、撮像装置又は投影装置が有する円形の開口Ｓを、前群Ｇｆの第１透過面１１近傍にこの断面内でのみ再結像させる働きを有し、第１透過面１１の中心軸１を含む断面での有効径を細くし、フレアー絞りを配置することが可能となっている。
【００４１】
中心軸１と直行する断面内でも、第１反射面は強い正のパワーを有し、第１反射面と第２反射面の間に１回結像する働きを有する。しかしこの断面内では撮像装置又は投影装置の光学系（本実施例では結像光学系Ｇ２）が有する円形の開口Ｓを中心軸１上に再結像する。
【００４２】
第２反射面１３は、第１透過面１１より像面３０から離れる方向に配置し、撮影装置又は投影装置の光学系に円環状の像面３０を形成する働きを有する。この面は円錐面でも可能であるが、本発明の実施例では、中心軸１を含む断面において弱い正のパワーを有し、中心軸１と直行する断面内では弱い負のパワーを有することとしている。
【００４３】
第２透過面１４は、強い凹面でコマ収差と非点収差を発生させることで、後群Ｇｆで発生する収差を補正する面であり、後群Ｇｆを少ないレンズ枚数で構成するため強い負のパワーを有している。本発明の実施例では、第２透過面１４を球面で構成しているが、非球面で構成することがさらに好ましい。
【００４４】
さらに好ましくは、前群Ｇｆの第１透過面１１から第２透過面１４までの中心主光線の光路長をＯＰ、第２透過面１４の焦点距離をｆとするとき、
−２０＜ＯＰ／ｆ２＜−１        ・・・（２）
なる条件を満たすことが望ましい。下限を超えると第２透過面１４の焦点距離が短くなり過ぎ、コマ収差と非点収差の発生が大きすぎ、後群Ｇｂと打ち消し合うことができなくなる。また、光路長が長くなると前群Ｇｆが大きくなり小型化に好ましくない。また、上限を超えると後群Ｇｂで発生するコマ収差と非点収差の発生を打ち消し合えなくなってしまい解像力が落ちることとなる。
【００４５】
また、上限を超えると明るいアタッチメント光学系を構成することができない。本発明の実施形態では、透明媒体１０の最終面である第２透過面１４に強い負のパワーを持たせている。上記条件式（２）の上限を超えないようにすることで、アタッチメント光学系の射出瞳をアタッチメント光学系の後ろに引き出すことが可能となっている。さらに、このアタッチメント光学系の射出瞳位置を結像光学系Ｇ２の入射瞳位置と合わせて、明るいアタッチメント光学系を構成することが可能となる。
【００４６】
さらに好ましくは、
−１０＜ＯＰ／ｆ２＜−３        ・・・（２−１）
なる条件を満たすことが重要である。下限と上限の意味は同様である。
【００４７】
さらに好ましくは、第１透過面１１と第１反射面１２の間に前群Ｇｆを保持するフランジ１５を設けることが好ましい。像側から離れる方向の画角が大きい場合、光線と干渉することなく前群Ｇｆを保持するには、この第１透過面１１と第１反射面１２の間に設けたフランジ１５を保持することが最適である。
【００４８】
また、本発明のアタッチメント光学系Ｇ１を、撮像装置又は投影装置の光学系Ｇ２に対しシフト偏心させて装着することで、円環状の映像の一部を撮影することも可能である。この場合、撮像装置又は投影装置のズーム機能を使用したり、電子的なズーム機能を使用することが望ましい。
【００４９】
以下に、後記の実施例１〜３における第１透過面から第２透過面までの光路長ＯＰ、第１透過面の中心軸を含む断面の焦点距離（ｆ１ｙ）、第２透過面の焦点距離（ｆ２）、条件式（１）、（２）の値を示しておく。
【００５０】
OP          ｆ1y        ｆ2       OP/ｆ1y      OP/f2
実施例１    139.451     104.111      -25.683      1.339      -5.430
実施例２    103.414      82.525      -16.629      1.253      -6.219
実施例３    173.586      61.664      -25.628      2.815      -6.773
以下に、本発明のアタッチメント光学系の実施例１〜３をより詳しく説明する。これらアタッチメント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Ｇｆ、後群Ｇｂ、結像光学系Ｇ２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。
【００５１】
座標系は、順光線追跡において、例えば図１に示すように中心光線２ｃ（上下方向の画
角の真ん中の光線）を延長した線が中心軸１と交差する点を偏心光学系の偏心光学面の原点とし、中心軸１（回転対称軸）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の紙面に対し垂直裏向きの方向を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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
また、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。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。
【００５８】
Ｚ＝（Ｙ2／ＲＹ）／［１＋｛１−（Ｃ1＋１）Ｙ2／ＲＹ2｝1/2］
＋Ｃ2Ｙ＋Ｃ3Ｙ2＋Ｃ4Ｙ3＋Ｃ5Ｙ4＋Ｃ6Ｙ5＋Ｃ7Ｙ6
＋・・・・＋Ｃ21Ｙ20＋・・・・＋Ｃn+1Ｙn＋・・・・
…（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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。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。
【００６１】
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。
【００６２】
そして、本発明のアタッチメント光学系においては、前群Ｇｆの内面反射面１２、１３と透過面１１、１４の少なくとも１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面の内面反射面又は透過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よ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。
【００６３】
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。
【００６４】
この実施例のアタッチメント光学系Ｇ１は、中心軸１の周りで回転対称な前群Ｇｆと中心軸１の周りで回転対称な後群Ｇｂとからなり、結像光学系Ｇ２、像面３０を備える撮像装置（投影光学系の場合には、投影装置）に装着されることで、全方位光学系として機能する。
【００６５】
遠方の物体から入射する光束２は、前群Ｇｆ、後群Ｇｂ、結像光学系Ｇ２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。
【００６６】
前群Ｇｆ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Ｇｂは、中心軸１の周りで回転対称であって、正パワーを有するレンズ系等の同軸屈折光学系からなるものである。この実施例１では、３枚のレンズＬ１〜Ｌ３を含んだ２群からなる正パワーを有するレンズ群で構成されている。
【００６７】
この実施例では、後群Ｇｂを構成するレンズ群として、前群Ｇｆ側から順に、両凸正レンズＬ１と、両凸正レンズＬ２と両凹負レンズＬ３が接合された接合レンズからなる。
【００６８】
結像光学系Ｇ２は、入射する光を像面３０に結像させるレンズ系と、像面３０とアタッチメント光学系Ｇ１の間であって、中心軸１と同軸に配置された、円形の開口Ｓ（絞り）とで構成されている。この実施例１では、結像光学系２０を構成するレンズ系を、理想レンズ（無収差のレンズ系）としている。
【００６９】
そして、Ｇｆ１０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、第１透過面１１と中心軸１を挟んで反対側に配置されていて、第１透過面１１から入射した光束が入射する第１反射面１２と、第１反射面１２と同じ側に配置され、第１反射面１２で反射された光束が入射する第２反射面１３と、後群Ｇｆに面していて、第２反射面１３で反射された光束が入射する第２透過面１４と、を有している。第１透過面１１、第１反射面１２、第２反射面１３は、拡張回転自由曲面で、第２透過面１４は球面からなる。ただし、円錐定数、非球面係数は０である。
【００７０】
中心軸１が垂直方向に向き、光学系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は入射面の第１透過面１１を経て前群Ｇｆの透明媒体内１０に入り、中心軸１を横切って第１透過面１１と反対側の第１反射面１２で後群Ｇｂから離れるように上方へ反射されて、第１反射面１２と同じ側で後群Ｇｂからより離れた側に位置している第２反射面１３で後群Ｇｂ方向へ再度反射され、射出面の第２透過面１４を経て前群Ｇｆの透明媒体１０から外に出る。
【００７１】
透明媒体１０から出た光束２は、後群Ｇｂを通過し、開口Ｓを介して理想レンズ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。
【００７２】
この実施例１の仕様は
水平画角        ３６０°
垂直画角        １０°〜−４０°
射出射瞳径      φ６．３ｍｍ
中心軸を含む断面でのアフォーカル倍率    ０．３８９
理想レンズの焦点距離    １０ｍｍ
である。
【００７３】
図３に、この実施例１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。以下の実施例の横収差図でも同様である。
【００７４】
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４に、その光学系内の光路を示す平面図を図５に示す。また、この実施例２の光学系全体の横収差図を図６に示す。
【００７５】
この実施例の光学系は、実施例１と同様の構成であり、実施例１では、後群Ｇｂを複数のレンズ群で構成していたのに対し、本実施例２では、後群Ｇｂを単レンズＬ１で構成している点を主として構成上異なっている。
【００７６】
この実施例２の仕様は
水平画角        ３６０°
垂直画角        １０°〜−４０°
射出射瞳径      φ５．０ｍｍ
中心軸を含む断面でのアフォーカル倍率    ０．２３２
理想レンズの焦点距離    １０ｍｍ
である。
【００７７】
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７に、その光学系内の光路を示す平面図を図８に示す。また、この実施例３の光学系全体の横収差図を図９に示す。なお、図７中、透明媒体１０においてフランジ１５付近から上方に向けて描かれた円弧は、第１透過面１１を延長したときの仮想的断面を示している。
【００７８】
この実施例３の光学系は、実施例１と同様の構成であり、実施例１では、後群Ｇｂを３枚のレンズ群で構成していたのに対し、本実施例３では、前群Ｇｆ側から順に両凹負レンズＬ１と両凸正レンズＬ２の接合レンズで構成されている点、実施例１では、第１透過面１１、第１反射面１２、第２反射面１３を拡張回転自由曲面としていたのに対し、本実施例３では、中心軸１の周りで回転対称な非球面を用いている点を主として構成上異なっている。
【００７９】
この実施例３の仕様は
水平画角        ３６０°
垂直画角        −１０°〜−５０°
射出射瞳径      φ１５．０ｍｍ
中心軸を含む断面でのアフォーカル倍率    ０．０９８２８４
理想レンズの焦点距離    ４７ｍｍ
である。
【００８０】
図９に、この実施例３の光学系全体の横収差を示す。
【００８１】
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"ＡＳＳ"は非球面を、"ＥＲＦＳ"は拡張回転自由曲面を示す。また、"ＲＥ"は反射面を示している。
【００８２】
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        ＥＲＦＳ[1]                偏心(1)   1.5247    56.2
2        ＥＲＦＳ[2]（ＲＥ）        偏心(2)   1.5247    56.2
3        ＥＲＦＳ[3]（ＲＥ）        偏心(3)   1.5247    56.2
4         13.48           13.15     偏心(4)
5         56.63            7.00               1.5174    52.4
6        -16.42            0.20
7         16.89            7.00               1.6204    60.3
8        -10.28            1.00               1.6541    39.7
9         13.77            4.00
10        絞り面          10.00
11      理想レンズ        10.00
像  面      ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 35.83
θ -42.66
Ｒ -19.88
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ -47.45
θ -42.11
Ｒ 20.06
Ｃ4    1.8156e-006
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ -111.35
θ -79.79
Ｒ 8.84
Ｃ4    5.2808e-005
偏心[1]
Ｘ   0.00  Ｙ   5.33  Ｚ   0.00
α   0.00  β   0.00  γ   0.00
偏心[2]
Ｘ   0.00  Ｙ  -13.26  Ｚ   0.00
α   0.00  β   0.00  γ   0.00
偏心[3]
Ｘ   0.00  Ｙ   5.59  Ｚ   0.00
α   0.00  β   0.00  γ   0.00
偏心[4]
Ｘ   0.00  Ｙ  -18.61  Ｚ   0.00
α  -90.00  β   0.00  γ   0.00
【００８３】
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      ＥＲＦＳ[1]                  偏心(1)   1.5247    56.2
2      ＥＲＦＳ[2]（ＲＥ）          偏心(2)   1.5247    56.2
3      ＥＲＦＳ[3]（ＲＥ）          偏心(3)   1.5247    56.2
4           8.73           13.55    偏心(4)
5          61.41            5.00              1.5163    64.1
6         -15.48           15.95
7        絞り面            10.00
8      理想レンズ          10.00
像  面      ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 28.40
θ -46.08
Ｒ -14.48
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ -34.71
θ -44.11
Ｒ 13.98
Ｃ4    6.3859e-006
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ -70.76
θ -80.45
Ｒ 6.20
Ｃ4    8.6402e-005
偏心[1]
Ｘ   0.00  Ｙ   3.88  Ｚ   0.00
α   0.00  β   0.00  γ   0.00
偏心[2]
Ｘ   0.00  Ｙ  -10.20  Ｚ   0.00
α   0.00  β   0.00  γ   0.00
偏心[3]
Ｘ   0.00  Ｙ   4.38  Ｚ   0.00
α   0.00  β   0.00  γ   0.00
偏心[4]
Ｘ   0.00  Ｙ  -14.24  Ｚ   0.00
α  -90.00  β   0.00  γ   0.00
【００８４】
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      ＡＳＳ[1]                    偏心(1)   1.5247    56.2
2      ＡＳＳ[2]（ＲＥ）            偏心(2)   1.5247    56.2
3      ＡＳＳ[3]（ＲＥ）            偏心(3)   1.5247    56.2
4       13.45             22.38     偏心(4)
5     -372.64              3.00                1.7495    35.3
6       35.32             14.00                1.6230    58.1
7      -24.84             40.00
8      絞り面             47.00
9       理想レンズ        47.00
像  面      ∞
非球面[1]
曲率半径   21.22
k  -4.8337e-001
非球面[2]
曲率半径   -13.48
k  -3.2065e+000
a  -9.2665e-006    b   4.9844e-009    c  -2.8925e-012
非球面[3]
曲率半径   -15.98
k  -5.8890e+001
a  -5.1045e-006
偏心[1]
Ｘ   0.00  Ｙ   27.27  Ｚ   0.00
α  -90.00  β   0.00  γ   0.00
偏心[2]
Ｘ   0.00  Ｙ  -23.85  Ｚ   0.00
α  -90.00  β   0.00  γ   0.00
偏心[3]
Ｘ   0.00  Ｙ   14.12  Ｚ   0.00
α  -90.00  β   0.00  γ   0.00
偏心[4]
Ｘ   0.00  Ｙ  -16.28  Ｚ   0.00
α  -90.00  β   0.00  γ   0.00
以上、本発明の光学系について、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。
【００８５】
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１０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１０（ａ）は、硬性内視鏡４１の先端に本発明によるパノラマ撮影光学系３１を取り付けて３６０°全方位の画像を撮像観察する例である。また、図１０（ｂ）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。
【００８６】
図１１は、自動車４８の各コーナや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に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。
【００８７】
図１２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。
【００８８】
図１３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、通信線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、通信線４６を介してその映像信号を投影装置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。
【００８９】
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
【符号の説明】
【００９０】
１…中心軸（回転対称軸）
２…遠方から入射する中心光束
２ｃ…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
Ｓ…絞り（開口）
６Ｙ、６Ｘ…入射瞳
１０…前群透明媒体
１１…第１透過面（入射面）
１２…第１反射面（内面反射面）
１３…第２反射面（内面反射面）
１４…第２透過面（射出面）
１５…フランジ
２０…理想レンズ
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…通信線
４７…建物
４８…自動車
４９…撮影装置
Ｇｆ…前群
Ｇｂ…後群
Ｇ１…アタッチメント光学系
Ｇ２…結像光学系（投影光学系）
Ｌｂ１、Ｌｂ２…レンズ
Ｏ…被写体
Ｏ'…映像
【図１】
2011257630.tif 000003
【図２】
2011257630.tif 000004
【図３】
2011257630.tif 000005
【図４】
2011257630.tif 000006
【図５】
2011257630.tif 000007
【図６】
2011257630.tif 000008
【図７】
2011257630.tif 000009
【図８】
2011257630.tif 000010
【図９】
2011257630.tif 000011
【図１０】
2011257630.tif 000012
【図１１】
2011257630.tif 000013
【図１２】
2011257630.tif 000014
【図１３】
2011257630.tif 000015