(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの光束を制御する一対のシャッターと、被写体からの光束を反射する一対のミラーと、被写体からの光束を屈折するレンズ群とを有する一対の前方レンズ系と、該一対の前方レンズ系の光軸が交差する位置又はその近傍に配置され、該一対の前方レンズ系の各々の光軸を重ね合わせる光学素子と、該重ね合わされた光軸と光軸が一致するように配置された後方レンズ系とを有し、該一対のシャッターを交互に開閉して該前方レンズ系と該後方レンズ系とを介し、結像面に設けた撮像素子に時系列的に左眼用と右眼用の視差画像を形成する立体画像撮影用光学系であって、該一対の前方レンズ系の光軸が交差する位置又はその近傍に開口絞りを有することを特徴とする立体画像撮影用光学系。
【請求項２】
前記光学素子は斜角を反射面とする３角柱プリズムより成り、該３角柱プリズムの頂角を含む稜線上で、前記１対の前方レンズ系の光軸及び後方レンズ系の光軸が交差していることを特徴とする請求項１の立体画像撮影用光学系。
【請求項３】
前記後方レンズ系は変倍部及び合焦部を有していることを特徴とする請求項１又は２の立体画像撮影用光学系。
【請求項４】
前記シャッターは最も物体側に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項の立体画像撮影用光学系。
【請求項５】
前記シャッターは前記ミラーと前記レンズ群との間に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項の立体画像撮影用光学系。
【請求項６】
前記シャッターは液晶シャッターであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項の立体画像撮影用光学系。
【請求項７】
前記三角柱プリズムの反射面を挟む頂角Ｑは、
６５°＜Ｑ＜８５°
を満足することを特徴とする請求項２の立体画像撮影用光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体画像撮影用光学系及びそれに用いるズームレンズに関するものであり、特に光学系全体の小型化及び簡素化を図りつつ変倍を必要とする立体画像観察用の視差画像を得る際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
立体画像を観察する為には複数の視差画像が必要となる。従来より、複数の視差画像を得る為の立体画像撮影用の光学装置や撮影光学系が、例えば特開平８−２５１６２４号公報や特開平８−３０７９０４号公報等で種々と提案されている。
【０００３】
特開平８−２５１６２４号公報の図１においては、立体画像撮影光学系を左右２つの反射角度可変ミラーと、左右２つのミラーと、左右２つの２組みの偏光フィルターと、左右２つのレンズ系と、ひとつの撮像素子より構成している。そして、偏光フィルターを回転させることにより左右の視差画像に基づく光量を変化させ、左右の視差画像に対する光路を通過した光を交互に撮像素子に導いて視差画像を得ている。
【０００４】
また、特開平８−２５１６２４号公報の図２の実施例においては、立体画像撮影光学系を左右２つの反射角度可変ミラーと、左右２つのミラーと、偏光ビームスプリッターと、偏光フィルターと、レンズ系と、撮像素子より構成している。そして図１と同様に、偏光フィルターを回転させることにより左右の視差画像に基づく光量を変化させ、左右の視差画像に対する光路を通過した光を交互に撮像素子に導いて視差画像を得ている。
【０００５】
特開平８−３０７９０４号公報においては、立体画像撮影光学系を左右２つの対物レンズと、左右２つのシャッタと、左右２つの像を結合するためのハーフミラーと、左右２つの対物レンズの１次結像面を撮像素子に再結像する変倍光学系より構成している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−２５１６２４号公報の図１の実施例に開示されている立体画像撮影光学系は、ひとつの撮像素子に対し２つの撮影レンズが用いられているので、撮像素子に対し撮影レンズの光軸が傾いてしまい、画面周辺部がボケてしまう欠点があった。
【０００７】
又、特開平８−２５１６２４号公報の図２の実施例で開示されている立体画像撮影光学系では２つの光路を合成する為の光路合成素子に多層膜より構成される偏光ビームスプリッターを用いている。この為、光束の入射角の変化によって分光反射率の特性が変化してしまう欠点があり画面内で色ムラが生じてしまうといった欠点があった。
【０００８】
また、特開平８−３０７９０４号公報においては左右２つの対物レンズの空中像をリレーレンズで再結像させるため光学系全体のレンズ構成枚数が多くなり、装置全体の構成が複雑になるという欠点を有していた。
【０００９】
本発明は、複数の視差画像を撮影する為の光学系を適切に設定することにより、光学性能が良好で色ムラが生じず、良好なる立体画像（視差画像）を容易に得ることができる立体画像撮影光学系及びそれに用いるズームレンズの提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の立体画像撮影用光学系は、被写体からの光束を制御する一対のシャッターと、被写体からの光束を反射する一対のミラーと、被写体からの光束を屈折するレンズ群とを有する一対の前方レンズ系と、該一対の前方レンズ系の光軸が交差する位置又はその近傍に配置され、該一対の前方レンズ系の各々の光軸を重ね合わせる光学素子と、該重ね合わされた光軸と光軸が一致するように配置された後方レンズ系とを有し、該一対のシャッターを交互に開閉して該前方レンズ系と該後方レンズ系とを介し、結像面に設けた撮像素子に時系列的に左眼用と右眼用の視差画像を形成する立体画像撮影用光学系であって、該一対の前方レンズ系の光軸が交差する位置又はその近傍に開口絞りを有することを特徴としている。
【００１１】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記光学素子は斜角を反射面とする３角柱プリズムより成り、該３角柱プリズムの頂角を含む稜線上で、前記１対の前方レンズ系の光軸及び後方レンズ系の光軸が交差していることを特徴としている。
【００１２】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、前記後方レンズ系は変倍部及び合焦部を有していることを特徴としている。
【００１３】
請求項４の発明は請求項１から３のいずれか１項の発明において、前記シャッターは最も物体側に配置されることを特徴としている。
【００１４】
請求項５の発明は請求項１から３のいずれか１項の発明において、前記シャッターは前記ミラーと前記レンズ群との間に配置されることを特徴としている。
【００１５】
請求項６の発明は請求項１から５のいずれか１項の発明において、前記シャッターは液晶シャッターであることを特徴としている。
【００１６】
請求項７の発明は請求項２の発明において、前記三角柱プリズムの反射面を挟む頂角Ｑは、
６５°＜Ｑ＜８５°
を満足することを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１の立体画像撮影光学系の光学断面図である。図１の立体画像撮影光学系（撮影光学系）は２つの視差画像を時系列に得る場合を示している。
【００２６】
図１の撮影光学系は、人間の眼幅の幅にほぼ等しい間隔で略平行に配置される左右の光軸ＡＸＬ，ＡＸＲ上に配置される左右２つのシャッターＳＬ、ＳＲと、左右の光軸をそれぞれ内向きに偏向させる左右２つの反射ミラーＭＬ，ＭＲと、左右２つの同じ構成の負の屈折力の第１レンズ群１ＧＬ、１ＧＲと、撮影光学系の絞り位置近傍に配置される左右の光軸ＡＸＬ，ＡＸＲを重ね合わせるため面ＰＬ，ＰＲに反射コートが施された三角プリズム（合成光学素子）Ｐと、光量調節のための絞りＳＰと、像面ＦＰに対し常時固定の全体として弱い負屈折力の第２レンズ群２Ｇと、広角端から望遠端への変倍時に像側から物体側へ光軸上を移動可能な、全体として正屈折力の第３レンズ群３Ｇと、広角端から望遠端への変倍に伴う像面位置の補正のために光軸上を移動可能な、全体として正屈折力の第４レンズ群４Ｇと、物体距離の変化に応じて光軸上を移動可能な全体として正屈折力の第５レンズ群５Ｇと、光学ローパスフィルターＬＰＦと、色分解プリズムＰＧより構成している。色分解プリズムＰＧは、物体からの光をＲＧＢ３つの色光に分解する役割を担っている。したがって、像面ＦＰは各色光の光路に応じて３つの撮像素子が配されることになるが、図１では簡単化のため省略している。
【００２７】
図１において広角端から望遠端の変倍時に第３レンズ群３Ｇ、第４レンズ群４Ｇは図１に示す軌跡３Ａ、４Ａのように光軸上を物体側へ移動して変倍と変倍に伴う像面補正を行っている。第５レンズ群５Ｇは物体距離が無限遠のときは軌跡５Ａのごとく像面に対し固定であるが、物体距離の変動に応じて、例えば至近距離物体のときは点線の軌跡５Ｂのように物体側に繰り出しを行って物体距離の変動に対する像面位置の補正（フォーカス）を行っている。
【００２８】
矢印５Ｃは望遠端において無限遠物体から至近物体へのフォーカス（合焦）を行うときの第５群５Ｇの絞り出しを示している。第１レンズ群１ＧＬ（１ＧＲ）から第５レンズ群５Ｇにより左眼（右眼）用の撮影光学系を構成している。シャッターＳＬ（ＳＲ）から第１レンズ群１ＧＬ（１ＧＲ）で前方レンズ系を構成し、第２レンズ群２Ｇから第５レンズ群５Ｇで後方レンズ系を構成している。
【００２９】
図１に示すように、撮影光学系の内部の物体側に撮影光学系の入射瞳（絞り）ＳＰを設け、入射瞳ＳＰにおいて左右の画像（視差画像）を第２レンズ群Ｌ２側へ導光するよう三角プリズムＰを設けている。
【００３０】
本実施形態では絞りＳＰに設けた３角プリズム（合成光学素子）で絞り開口を２分している。３角柱プリズムＰの頂角を含む稜線上で１対の前方レンズ系の光軸と後方レンズ系の光軸が交差するようにしている。そして左右のシャッターＳＬ，ＳＲを交互に切り換えて、左右の視差画像を時系列的に像面ＦＰに配置した撮像素子で得ている。
【００３１】
本実施形態は以上のような構成により撮影光学系の前玉径を小さくし、物体側の軸外光束の広がりを押さえている。これによって、左右２つの反射ミラーＭＬ，ＭＲや左右２つのシャッターＳＬ，ＳＲを小型化でき、全体として小型な立体撮影用光学系を実現している。
【００３２】
尚、さらにシャッターＳＬ，ＳＲを小型化したい場合にはシャッターを反射ミラーＭＬ，ＭＲと第１レンズ群１ＧＬ，１ＧＲの間に配置するのが良い。シャッターＳＬ，ＳＲには、機械的なシャッターを用いてもいいし、液晶シャッターを用いてもよい。
【００３３】
また、三角プリズムＰの２つの反射面ＰＬ，ＰＲを挟む角度（頂角）は絞りＳＰによる有効光束のケラレや反射ミラーの小型化を考慮して、図１の実施例では７５度に設定している。
【００３４】
また、本実施形態の構成では変倍光学系がひとつなので、変倍時の左右の倍率誤差や光軸のずれが発生しない利点がある。
【００３５】
図１の実施形態では、物体距離の変動に対する像面位置の補正（フォーカス）を第５レンズ群で行っているが、第１群以外のレンズ群であれば他のレンズ群でも物体距離の変動に対する像面位置の補正が可能である。
【００３６】
また、さらなる光量調節のために、絞りＳＰの開口を変化させる方法の他に光量減衰フィルターを第１レンズ群と反射ミラーの間や、第１レンズ群と合成プリズムＰの間に、被写体の明るさに応じて、出し入れ可能としてもよい。
【００３７】
さらに、反射ミラーＭＬ，ＭＲを回転可動とし、左右の光軸，ＡＸＬとＡＸＲの物体側で交差する距離を、不図示の測距装置から得られた距離情報に応じて可変にすることにより、視差画像を得ても良い。これによれば、より見やすい立体画像を得ることができる。
【００３８】
図２は、本発明の立体画像撮影用の撮影光学系に用いられるズームレンズの数値実施例１のレンズ断面図である。
【００３９】
図２の数値実施例１のレンズ断面図は第１レンズ群がひとつで示している以外は図１の実施形態の光路を展開したときと同じである。尚、図２では図１のシャッターＳＬ，ＳＲ、ミラーＭＬ，ＭＲ、プリズムＰは省略している。実際には第１レンズ群１Ｇは左右２つ用いている。
【００４０】
図３は、本発明の立体画像撮影用の撮影光学系に用いられるズームレンズの数値実施例２のレンズ断面図である。
【００４１】
図３では、負屈折力の第１レンズ群１Ｇおよび弱い負屈折力の第２レンズ群２Ｇはいずれも像面ＦＰに対し常時固定で、第１レンズ群１Ｇと第２レンズ群２Ｇの間に絞りＳＰを配置している。
【００４２】
正屈折力の第３レンズ群３Ｇは変倍のために広角端から望遠端への変倍に際し、軌跡３Ａに示すよう像面側から物体側へ光軸上を移動し、正屈折力の第４レンズ群４Ｇは第３レンズ群３Ｇの変倍に伴う像面位置の補正のため軌跡４Ａに示すよう光軸上を移動する。物体距離の変動に対する像面の位置補正（フォーカス）は軌跡４Ａ，４Ｂ，４Ｃに示すよう第４レンズ群４Ｇを繰り出して行っている。軌跡４Ａは無限遠物体において広角端から望遠端へ変倍するときの曲線、軌跡４Ｂは至近物体において広角端から望遠端へ変倍するときの曲線、軌跡４Ｃは望遠端において無限遠物体から至近物体へフォーカスするときの軌跡である。ＣＧはズームレンズ内へのほこりやゴミの進入を防ぐためのカバーガラスを示す。ＬＰＦはローパスフィルター等の光学フィルター、ＰＧは色分解プリズムである。
【００４３】
図５は、本発明の立体画像撮影用の撮影光学系に用いられるズームレンズの数値実施例３のレンズ断面図である。本実施例では第４レンズ群４Ｇのレンズ構成が異なる以外は、図３の数値実施例２と同様である。
【００４４】
図５は、本発明の立体画像撮影用の撮影光学系に用いられるズームレンズの数値実施例４のレンズ断面図を示す。
【００４５】
図４では負屈折力の第１レンズ群１Ｇは像面ＦＰに対し常時固定、弱い負屈折力の第２レンズ群２Ｇは広角端から望遠端への変倍に際し、光軸上を像面側から物体側へ移動し、正屈折力の第３レンズ群３Ｇは広角端から望遠端への変倍に際し、光軸上を像面側から物体側へ移動し、正屈折力の第４レンズ群４Ｇは広角端から望遠端への変倍に際し、変倍に伴う像面位置の補正のため光軸上を像面側から物体側へ移動し、負屈折力の第５レンズ群５Ｇは広角端から望遠端への変倍に際し、光軸上を像面側から物体側へ移動している。
【００４６】
変倍の際に第２レンズ群２Ｇも可動とすることで、第３群以降のレンズ群の移動量をかせぐとともに、移動群の増加による設計の自由度の増加によってレンズ枚数の削減を実現している。
【００４７】
軌跡４Ａは無限遠物体において広角端から望遠端へ変倍するときの曲線、軌跡４Ｂは至近物体において広角端から望遠端へ変倍するときの曲線、軌跡４Ｃは望遠端において無限遠物体から至近物体へフォーカスするときの軌跡である。
【００４８】
上記各実施例で説明した撮影光学系に用いられるズームレンズは、物体側から順に、負屈折力の第１レンズ群、絞り、弱い屈折力の第２レンズ群、少なくても２つの正屈折力のレンズ群を備え、該少なくても２つの正屈折力のレンズ群は広角端から望遠端への変倍に際し、像面側から物体側へ移動するとともに、最も物体側に像面側に凸のメニスカス負レンズを有し、これによって、少なくとも２つの正屈折力のレンズ群の像面側主点を像面側に移動させ、広角端のバックフォーカスを確保している。
【００４９】
また、本発明の撮影光学系に用いられるズームレンズは、物体側から順に、負屈折力の第１レンズ群、絞り、弱い屈折力の第２レンズ群、少なくても２つの正屈折力のレンズ群を備え、該第１レンズ群および該絞りは像面に対し常時固定であり、該少なくても２つの正屈折力のレンズ群は広角端から望遠端への変倍に際し、像面側から物体側へ移動することを特徴としている。このように、第１群を常時固定とし、他のレンズ群で変倍や変倍に伴う像面補正や物体距離の変動に対する像面補正を行うことにより、変倍およびフォーカス作動時の左右の視差画像を得るときの倍率変動や光軸ずれの発生を抑えている。
【００５０】
以下、前述の条件式の技術的意味について説明を行う。
条件式（１）は合成光学素子を構成している３角柱プリズムの反射面を挟む頂角について限定したもので、該３角柱プリズムの反射面を挟む頂角は、絞りＳＰによる撮影光学系のケラレを防ぐため、条件式（１）の上限値より小さい範囲に定めるのが良く、条件式（１）の下限値を超えると反射ミラーが大きくなってしまうため好ましくない。
【００５１】
尚、条件式（１）の数値範囲は、更に
７０＜Ｑ＜８０ 単位（ｄｅｇ）・・・（１ａ）
とするのが良い。
【００５２】
条件式（２）は本発明の立体撮影用光学系に用いられるズームレンズの入射瞳位置について限定したもので、条件式（２）の下限値を超える領域では、絞りと第１レンズ群の間隔が小さくなり過ぎるため、第１レンズ群の軸外光線の高さが小さくなり軸外収差の補正が困難となり、条件式（２）の上限値を超える領域では、第１レンズ群の有効径が大きくなってしまうため、全体が大型化してくるので好ましくない。
【００５３】
尚、条件式（２）の数値範囲は、更に
７＜Ｌｉｎｐ＜１３ （単位ｍｍ）
とするのが良い。
【００５４】
条件式（３）は本発明のズームレンズの広角端の全系の焦点距離と広角端の物体距離が無限大のときのバックフォーカスの比について限定したものである。条件式（３）の下限値を超える領域では、バックフォーカスが小さくなり過ぎるため、色分解プリズム等を配置する空間が確保できなくなるため好ましくない。
【００５５】
尚、条件式（３）の数値範囲は、更に
２．１＜ｂｆｗ／ｆｗ
とするのが良い。
【００５６】
条件式（４）は本発明のズームレンズの第２レンズ群の焦点距離と広角端の全系の焦点距離の比について限定したもので、条件式（４）の下限値を超える領域では、第２レンズ群の負のパワーが強くなり過ぎるため、第１レンズ群と第２レンズ群の合成パワーが強くなり過ぎ、像面湾曲がオーバーになり、条件式（４）の上限値を超える領域では、第２レンズ群の正のパワーが強くなり過ぎるため、第１レンズ群と第２レンズ群の合成パワーが弱くなり、広角端の全系の焦点距離を小さくすることが困難となるため好ましくない。
【００５７】
尚、条件式（４）の数値範囲は、更に
−０．２＜ｆｗ／ｆ２＜０．２
とするのが良い。
【００５８】
さらに、本発明のズームレンズにおいては、絞りを第１レンズ群と第２レンズ群の間に配置しているので、第２レンズ群以降のレンズ群で発生する軸外収差を良好に補正するために、第１レンズ群を少なくとも１枚の正レンズと１枚の負レンズで構成することが望ましい。なぜなら、第１レンズ群は負屈折力で、第２レンズ群以降は全体として正屈折力であるので全体の構成としてはレトロフォーカス型となっており、軸外光線においては同じ方向の歪曲収差や非点収差が発生しやすく、その歪曲収差や非点収差を補正するために、第１レンズ群の物体側に正レンズを配置することが望ましい。
【００５９】
また第２レンズ群は第１レンズ群で発生する球面収差を補正するために、物体側から順に、物体側に凹面を向けた屈折率の高い正メニスカスレンズと物体側に凹面を向けた屈折率の低い負メニスカスレンズを接合した接合レンズより構成されることが望ましい。この接合面により収斂系の球面収差が大きく発生し、第１レンズ群で発生する発散系の球面収差を良好に補正している。
【００６０】
また、第２レンズ群より像面側に配置される少なくても２つの正レンズ群の少なくてもひとつのレンズ群には、発散系の収差を発生する凸（正）の空気レンズを構成するのが望ましい。この空気レンズの効果により、第２レンズ群より像面側に配置される少なくても２つの正レンズ群内の正レンズで発生する収斂系収差を良好に補正することができる。
【００６１】
また高次の倍率色収差の発生を小さく抑えるためには、軸外光線の高さの低いレンズ群で色収差補正を行うのが良い。
【００６２】
次に本発明の数値実施例を示す。
【００６３】
数値実施例においてＲｉは物体側より順に第ｉ番目の曲率半径、Ｄｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ厚及び空気間隔、Ｎｉとνｉはそれぞれ物体側より順に第ｉ番目のレンズのガラスの屈折率とアッベ数である。数値実施例における最後の３つのレンズ面は色分解プリズムやフィルター等のガラスブロックである。又、前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係は、表１に示す。
【００６４】
【外１】
0003897457.tif 000002
【００６５】
【外２】
0003897457.tif 000003
【００６６】
【外３】
0003897457.tif 000004
【００６７】
【外４】
0003897457.tif 000005
以下に、本発明のズームレンズの数値実施例の各条件式の値を示す。
【００６８】
【表１】
0003897457.tif 000006
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、複数の視差画像を撮影する為の光学系を適切に設定することにより、光学性能が良好で色ムラが生じず、良好なる立体画像（視差画像）を容易に得ることができる立体画像撮影光学系及びそれに用いるズームレンズを達成することができる。
【００７０】
特に、本発明によれば、小型で、ズーム作動時やフォーカス作動時における左右の倍率変動や光軸ずれの発生がなく、また、光軸合成系による色ムラの発生のない、簡単な構成の立体撮影用光学系が実現できる。また、本発明のズームレンズは変倍光学系であるにも関わらず、変倍時の入射瞳位置の変動がなく、前玉径が小さいので、監視カメラなど他の用途にも応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の立体撮影用の光学系の要部断面図
【図２】  本発明の数値実施例１のズームレンズの断面図
【図３】  本発明の数値実施例２のズームレンズの断面図
【図４】  本発明の数値実施例３のズームレンズの断面図
【図５】  本発明の数値実施例４のズームレンズの断面図
【図６】  本発明の数値実施例１の広角端の収差図
【図７】  本発明の数値実施例１の中間の収差図
【図８】  本発明の数値実施例１の望遠端の収差図
【図９】  本発明の数値実施例２の広角端の収差図
【図１０】  本発明の数値実施例２の中間の収差図
【図１１】  本発明の数値実施例２の望遠端の収差図
【図１２】  本発明の数値実施例３の広角端の収差図
【図１３】  本発明の数値実施例３の中間の収差図
【図１４】  本発明の数値実施例３の望遠端の収差図
【図１５】  本発明の数値実施例４の広角端の収差図
【図１６】  本発明の数値実施例４の中間の収差図
【図１７】  本発明の数値実施例４の望遠端の収差図
【符号の説明】
ＳＲ、ＳＬ：シャッター
ＭＲ、ＭＬ：反射ミラー
１ＧＬ、１ＧＲ、１Ｇ：第１レンズ群
２Ｇ：第２レンズ群
３Ｇ：第３レンズ群
４Ｇ：第４レンズ群
５Ｇ：第５レンズ群
ＬＰＦ：ローパスフィルター
ＰＧ：色分解プリズム
ＦＰ：像面
ＡＸＲ：右側光軸
ＡＸＬ：左側光軸
ＡＸ：撮影系光軸
Ｐ：三角プリズム
【図１】
0003897457.tif 000007
【図２】
0003897457.tif 000008
【図３】
0003897457.tif 000009
【図４】
0003897457.tif 000010
【図５】
0003897457.tif 000011
【図６】
0003897457.tif 000012
【図７】
0003897457.tif 000013
【図８】
0003897457.tif 000014
【図９】
0003897457.tif 000015
【図１０】
0003897457.tif 000016
【図１１】
0003897457.tif 000017
【図１２】
0003897457.tif 000018
【図１３】
0003897457.tif 000019
【図１４】
0003897457.tif 000020
【図１５】
0003897457.tif 000021
【図１６】
0003897457.tif 000022
【図１７】
0003897457.tif 000023