JP5846275B2 - 光学系および撮像システム - Google Patents

Description

この発明は、光学系および撮像システムに関する。

全天球を「一度に撮像」する撮像システムとして、広角レンズを２つ使用したものが知られている（特許文献１、２）。

このような全天球型の撮像システムは、同時に全方位（立体角にして４πラジアン）の画像情報を取得でき、防犯用監視カメラや車載カメラ等に有効に利用できる。

例えば、ニュースの取材などの際に、小型の全天球型撮像システムを「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記録できる。

全天球の気象状態を撮像して、気象情報の分析に供することもできる。

さらに、景観情報を撮像して、宣伝広告や芸術分野での利用に供することもできる。

このような撮像システムでは、１８０度を超える画角をもつ広角レンズ（所謂「魚眼レンズ」）が２つ組合せて用いられる。

各広角レンズによる撮影画像が、同一または個別の撮像手段により電気信号化され、電気信号の処理により全天球の画像を撮像できる。

特許文献１、２は何れも、広角レンズ自体の具体的な構成を開示していない。
また、これ等の文献に記載された撮像システムでは、各撮像光学系による結像光束を、個別の導光手段（経路変換装置や反射光学機器）により撮像手段に導光している。

このように広角レンズごとに導光手段が用いられるため、２つの広角レンズの間の「最大画角間距離」を小さくすることが難しい。「最大画角間距離」については後述する。
１８０度を超える画角の広角レンズを２つ組合せる場合、各広角レンズに入射する最大画角光束が、互いに重なり合わない空間部分が存在する。

「広角レンズに入射する最大画角光束が、互いに重なり合わない空間部分」に存在する被写体は、撮像することができない。
かかる「空間部分」を、以下「撮像不能空間部分」と呼ぶ。撮像不能空間部分は出来る限り小さいことが好ましいことは言うまでも無い。

上記「最大画角間距離」が大きいと、撮像不能空間部分を小さくすることが難しい。
最大画角間距離が大きい撮像システムで、撮像不能空間を小さくするには、組合せる２つの広角レンズの画角をより大きくする必要があり、レンズの設計条件が厳しくなる。

また、撮影できる被写体でも、最大画角上の被写体と無限遠の被写体とで視差が異なり、撮像素子上でのずれが大きくなる。この点についても後述する。

特許文献１、２は、広角レンズの具体的構成について言及しておらず、このような撮像不能空間部分の問題や、視差の問題に関して何ら開示していない。

この発明は、新規な光学系の提供を課題とする。

この発明の光学系は、物体側から像側へ向かって前群および後群を配した同一構造の１８０度より広い画角の２つの広角レンズと、入射する光を反射する反射膜と、前記前群と前記後群の間に配され、各広角レンズのそれぞれの前群から入射する光の光軸同士を合致または近接させて前記反射膜の一方の面及び他方の面に入射し、前記反射膜の各面において互いに逆の方向にある各広角レンズの前記後群に向かって反射される光を出射させ、前記反射膜を挟持する２個の透明部材と、を備え、前記前群は負の屈折力、前記後群は正の屈折力を有し、前記前群は結像光束の光束径を前記後群側に絞って前記透明部材に入射させ、前記後群の物体側に設けられた開口絞り以後は拡大させることを特徴とする全天球画像を撮像するための光学系である。

この発明によれば、物体側から像側へ向かって前群および後群を配した同一構造の１８０度より広い画角の２つの広角レンズを有し、全天球画像を撮像するための新規な光学系を提供できる。

撮像システムを構成する２つの撮像系を分離して示す図である。 視差と撮像不能空間を説明するための図である。 最大画角間距離と視差の関係を示す図である。 広角レンズの具体例の球面収差の図である。 広角レンズの具体例の像面湾曲の図である。 広角レンズの具体例の球面収差の図である。 広角レンズの具体例のＯＦＴ特性を示す図である。 広角レンズの具体例のＯＦＴ特性を示す図である。 反射面部材の実施の１例を示す図である。 反射面部材とその鏡筒部分への組み付けを説明するための図である。 鏡筒部分を説明するための図である。 反射面部材を構成する直角プリズムと結像光束との関係を示す図である。

以下、実施の形態を説明する。
図１は、撮像システムを構成する２つの撮像系の例を示している。
即ち、撮像システムを構成する２つの撮像系は、図に示す撮像系Ａと撮像系Ｂである。
これら撮像系Ａ、Ｂは同一仕様である。

２つの撮像系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。
撮像センサは「２次元の固体撮像素子」である。

撮像系Ａの広角レンズは、前群と、反射面と、後群とを有する。
「前群」はレンズＬＡ１〜ＬＡ３により構成され、「後群」はレンズＬＡ４〜ＬＡ７により構成される。符号ＰＡは「直角プリズム」を示す。

レンズＬＡ４の物体側には、開口絞りＳＡが配置されている。

撮像系Ｂの広角レンズは、前群と、反射面と、後群とを有する。
「前群」はレンズＬＢ１〜ＬＢ３により構成され、「後群」はレンズＬＢ４〜ＬＢ７により構成される。符号ＰＢは「直角プリズム」を示す。
直角プリズムＰＡ、ＰＢは「透明部材」の１例である。

レンズＬＢ４の物体側には、開口絞りＳＢが配置されている。

これら２個の広角レンズの「前群」は負の屈折力、「後群」は正の屈折力を持つ。

これら２個の広角レンズの一方における「前群」は、この発明の「第１レンズ」に相当し、広角レンズの他方における「前群」は、この発明の「第２レンズ」に相当する。
以下、説明の具体性のために、撮像系Ａの広角レンズの前群を「第１レンズ」、撮像系Ｂの広角レンズの前群を「第２レンズ」として説明する。

広角レンズの一方において、第１レンズと組み合わせられる後群は、請求項３の発明の「第３レンズ」に相当し、第２レンズと組み合わせられる後群は、請求項３の発明の「第４レンズ」に相当する。

上記前群の場合と同様、説明の具体性のために、以下においては、撮像系Ａの広角レンズの後群を「第３レンズ」、撮像系Ｂの広角レンズの後群を「第４レンズ」として説明する。

上記第１レンズと組み合わせられるプリズムを第１プリズム、第２レンズと組み合わせられるプリズムを第２プリズムと称する。

そうすると、説明中の例において、直角プリズムＰＡは「第１プリズム」、直角プリズムＰＢは「第２プリズム」に相当する。
これら直角プリズムＰＡ、ＰＢと「反射面」については、後述する。

撮像系Ａの広角レンズの「前群を構成するレンズ（第１レンズ）」は、物体側から順に、以下の３枚を配してなる。
即ち、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メニスカスレンズＬＡ３である。

「後群を構成するレンズ（第３レンズ）」は、開口絞りＳＡ側から順に、以下の４枚を配してなる。
即ち、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の貼合わせレンズ」、プラスチック材料による両凸レンズＬＡ７である。

撮像系Ｂの広角レンズの「前群を構成するレンズ（第２レンズ）」は、物体側から順に、以下の３枚を配してなる。
即ち、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メニスカスレンズＬＢ３である。

「後群を構成するレンズ（第４レンズ）」は、開口絞りＳＢ側から順に、以下の４枚を配してなる。
即ち、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の貼合わせレンズ」、プラスチック材料による両凸レンズＬＢ７である。

これら撮像系Ａ、Ｂにおいて、プラスチック材料による、負レンズＬＡ２、ＬＢ２、両凸レンズＬＡ７、ＬＢ７は「両面が非球面」である。
そして、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、レンズＬＡ２とＬＡ３の間、レンズＬＢ２とＬＢ３との間に設定される。

撮像系Ａ、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図１における「ｄ１、ｄ２」である。

撮像系ＡとＢは同一仕様であるから、ｄ１＝ｄ２である。

直角プリズムＰＡ、ＰＢは「ｄ線の屈折率が１．８より大きい材質」で形成するのがよい。直角プリズムＰＡ、ＰＢは、前群からの光を後群に向かって「内部反射」させる。

従って、各広角レンズの結像光束の光路は直角プリズムＰＡ、ＰＢ内を通る。
プリズムの材料が上記の如き高屈折率であると、直角プリズム内の「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。

従って、前群・直角プリズム・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、光束径を絞る開口絞りＳＡ、ＳＢの近くに直角プリズムＰＡ、ＰＢを配置することにより、小さい直角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。

このように、直角プリズム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度より大きい広画角の光線を取り込む機能」をもち、後群は「結像画像の収差の補正」に効果的に機能する。

各広角レンズの後群の像側にそれぞれ、撮像センサが配置されている。図１において、符号ＩＳＡ、ＩＳＢは、これら撮像センサの撮像面を示す。
擦像面ＩＳＡ、ＩＳＢの広角レンズ側に、符号Ｆで示されているのは、撮像センサに用いられる各種フィルタおよびカバーガラスを示している。

さて、図１においては、直角プリズムＰＡ、ＰＢを分離させて描いているが、これは、各撮像系Ａ、Ｂの構成を明確に示すためである。

実際の撮像システムにおいては、各撮像系Ａ、Ｂの広角レンズの一部をなす直角プリズムＰＡ、ＰＢは、その斜面部を接している。

各広角レンズにおける「反射面」は、２個の広角レンズに共通化された反射膜であり、光学的に等価な２つの透明部材（直角プリズムＰＡ、ＰＢ）により挟持される。

即ち、直角プリズムＰＡ、ＰＢの斜面には反射膜が形成され、この反射膜が、直角プリズムＰＡ、ＰＢの斜面により挟まれる。

この状態で、反射膜、直角プリズムＰＡ（第１プリズム）、ＰＢ（第２プリズム）は一体化され「２個の広角レンズに共通化された反射面部材」をなす。

そして、後述するように、反射面部材は、２個の広角レンズの「各前群および各後群を組み付ける共通の鏡筒部分」に保持される。

このような構成により、撮像系Ａ、Ｂは、入射光軸方向の幅を最も小さくできる。

このような構成による効果を説明する。
図２は、撮像システムを簡略化して示している。
即ち、図２において、符号Ａ１、Ｂ１は、２つの広角レンズの前群の「最も物体側のレンズ面（図１におけるレンズＬＡ１、ＬＢ１の物体側レンズ面）」を示している。

また、符号Ａ２、Ｂ２は２つの広角レンズの後群を簡略化して示し、符号ＳＮＡ、ＳＮＢは、撮像系Ａ、Ｂの撮像センサを示す。

符号ＰＡ、ＰＢは直角プリズム、符号ＲＦは「反射面」を示している。
符号ＬＭＡは、撮像系Ａの広角レンズに最大画角で入射する最大画角光線、符号ＬＭＢは、撮像系Ｂの広角レンズに最大画角で入射する最大画角光線である。

この最大画角光線ＬＭＡとＬＭＢの「交点」を点Ｐ、前群の最物体側面Ｂ１の光軸ＡＸとの交点位置Ｑを通り入射光軸に直交する平面と、点Ｐの間の距離をＲとする。

また、交点位置Ｑと、Ｐ点を通り光軸ＡＸに平行な面までの距離をＬとする。

さらに、最大画角光線ＬＭＡ、ＬＭＢの前群への入射位置の間の距離をＭＧＫとする。

この距離：ＭＧＫが、先に述べた「最大画角間距離」である。

図から明らかなように「Ｐ点と、最大画角光線ＬＭＡ、ＬＭＢで囲まれた空間部分」は、先に述べた「撮像不能空間部分」である。

撮像不能空間部分内にある物体から出た光は、２つの広角レンズの何れによっても、擦像光として取り込まれることがない。

撮像不能空間部分が大きいほど、全天球型の撮像システムとしては撮像できる情報が少なくなる。従って、撮像不能空間部分を小さくする工夫が必要になる。

撮像不能空間部分の大きさを特徴付けるものは、上述の距離：ＲとＬと最大画角間距離：ＭＧＫである。
これ等の距離：Ｒ、Ｌ、ＭＧＫの何れが大きくなっても、撮像不能空間部分は大きくなる。これ等の距離を小さくする方法を考えると、以下のようになる。

第１の方法は、距離：Ｌを小さくする方法である。この方法を単独で実行しようとすると、広角レンズの画角を大きくしなければならない。
広角レンズの画角を大きくすることは、レンズ設計に対する制約も厳しくなるが、画角が大きくなると「視差」も大きくなる。

第２の方法は、距離：Ｒを小さくすることである。

距離：ＲとＬとの間には、広角レンズの半画角をΘとして、
Ｌ＝−Ｒ・ｔａｎΘ
の関係がある。

従って、Ｒが小さくなると、２つ広角レンズにより撮影される像が重なる距離：Ｌが短くなり、撮像不能空間部分も小さくなる。

距離：Ｒを小さくするには、最大画角間距離：ＭＧＫを小さくするのがよい。

最大画角間距離：ＭＧＫを小さくするには、この発明のように、撮像系Ａ、Ｂの２つの広角レンズに含まれる反射面を共通化するのが「最も有効」である。

直角プリズムＰＡとＰＢの斜面で反射膜を挟み、直角プリズムＰＡ、ＰＢと共に一体化することにより、最大画角間距離：ＭＧＡを小さくでき、距離：Ｒを小さくできる。

ここで「視差」について説明する。

説明中の撮像システムでは、１８０度以上の画角を持つ広角レンズによる２つの画像をキャリブレーションで貼り合せることにより、立体角：４πラジアンの画像を得る。

この明細書において言う「視差」は、キャリブレーションで貼合せられる２つの画像の「重なり量」を意味している。

このような全天球型の撮像システムの場合、貼合わせられた「合成画像」は視差の影響を受け「最大画角の視差」が画像ずれになる。

視差を角度に換算して角：θとすると、視差：θは、被写体までの距離と最大画角間距離：ＭＧＫとに対して関数関係にある。

１例として、被写体までの距離：２０ｃｍでキャリブレーションした場合、最大画角間距離が３５ｍｍだと、無限遠の画像の視差は５度である。

即ち、無限遠の画像は５度ずれる。

例えば、撮像センサとして５００万画素のものを用いた場合には、画素は直交２方向に２５９２×１９４４（画素）の配列となる。

この長方形の面積領域に広角レンズによる画像を結像させるので、像（円形である。）の直径は１９９４画素、即ち、略２０００画素になる。

仮に、広角レンズの画角を２００度とすると、その１度当たりに割り当てられる画素数は、２０００（画素）／２００（度）＝１０（画素）／度となる。

この場合、上記の如く「５度の視差」があると、無限遠の画像は５０画素分ずれることになる。

図３には、上記の場合に於いて、物体距離：２０ｃｍから無限遠を撮像範囲としたとき、張り合わせる２つの画像の継ぎ目のずれ量：θの変化を示している。

横軸は最大画角間距離（図中「最大画角光線位置間距離」と表記している。）である。
縦軸は、ずれの「角度：θ（即ち「視差」）」である。図のように、ずれの角度：θは、最大画角間距離の増加に線形に比例して増加する。

視差が大きいと、張り合わせる２つの画像の「重なり合う領域」が増大する。

従って、重なり合う部分を除いた「周辺部から光軸部に到る部分」の画素密度が低くなり、合成画像の解像度の低下を来たす。

説明中の撮像システムでは、上述の如く、直角プリズムＰＡ、ＰＢの斜辺で反射膜をはさみ、反射膜と１つの直角プリズムを一体化して反射面部材とする。

これにより、２つの広角レンズの反射面間距離を０とすることにより、最大画角間距離を小さくし、視差を減少させる。

広角レンズに関する具体的な例を挙げる。

以下に挙げるデータは、図１に示した２つの撮像系Ａ、Ｂに関するものである。撮像系Ａ、Ｂは「同一仕様」であるから、以下のデータは各撮像系に共通である。

距離：ｄ１は、撮像系Ａの広角レンズの「入射瞳と直角プリズムＰＡの反射面との光軸上の距離」である。
距離：ｄ２は、撮像系Ｂの広角レンズの「入射瞳とプリズムＰＢの反射面との光軸上の距離」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は画角である。

「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撮像面を示す。

「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。

「具体例」
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、周知の次式で表される。

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
この式において、Ｃは近軸曲率半径の逆数(近軸曲率)、Ｈは光軸からの高さ、Ｋは円錐定数、Ａ１等は各次数の非球面係数、Ｘは光軸方向における非球面量である。
上記近軸曲率半径：Ｒと円錐定数：Ｋ、非球面係数：Ａ１〜Ａ１４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。

実施例の広角レンズにおいて「ｄ１＝ｄ２＝ｄ＝６ｍｍ」である。
また、最も物体側のレンズ面から直角プリズムの反射面までの距離：ＤＡは、
ＤＡ＝８．８７ｍｍである。

従って、反射面を２つの広角レンズで共通化した場合、２つの広角レンズの前群の、最も物体側の面の光軸上の距離は、８．８７×２＝１７．７４ｍｍである。

これから、最大画角間距離は１７ｍｍとなる。

最大画角間距離：１７ｍｍの場合の視差：θは、図３に示すように「２．４度」となり、無限遠の画像の「ずれ量」も２４画素に軽減される。

また、反射面が共通化されたことにより、２つの広角レンズの主点間隔が、ｄ１＋ｄ２＝２ｄ１と小さくなり、このことも視差の低減に寄与している。

上記広角レンズの具体例の球面収差の図を図４に示す。また、像面湾曲の図を図５に示す。図６には、コマ収差図を示す。

図７、図８は、ＯＴＦ特性を示す図であり、横軸は、図７では「空間周波数」、図８では半画角を「度」で表している。

これらの図から明らかなように、具体例の広角レンズは性能が極めて高い。

このように、撮像システムに含まれる２つの広角レンズの反射面を共通化し、これを２つの透明部材（直角プリズムＰＡ、ＰＢ）で挟み、反射面部材として一体化している。

これにより上に説明したように、視差を有効に軽減することができる。

しかしながら、反射面を共通化したことにより、以下の点に留意する必要がある。

即ち、個々の広角レンズが、別個に反射面を有するのであれば、各反射面は１つの広角レンズ内で、前群・後群に対する位置精度が保証されれば良い。

しかし、２つの広角レンズで反射面を共通化した場合、共通化された反射面は、２つの広角レンズのそれぞれに対して、前群・後群との位置関係を保証されねばならない。

即ち、反射面は、その傾きや位置に誤差があると、２つの広角レンズに影響する。

反射面を成す反射膜は、直角プリズムＰＡ、ＰＢと一体化して１個の反射面部材となっており、組み付け上、１個の光学エレメントに性能が依存することになる。

この問題は、以下の如く解決される。

即ち、２個の広角レンズに共通化された反射膜は、光学的に等価な２個の透明部材に挟持される。

この反射膜を挟持する２つの透明部材における「反射膜に当接する面の大きさ」を異ならせ、当接する面の大きい方の「光束反射領域外」を自由表面部とする。

この自由表面部は反射膜の微小な膜厚を無視すれば「反射面と同一面」である。

そこで、反射面部材を保持する鏡筒部分には、前記自由表面部に当接する当接面を形成し、この当接面に自由表面部を当接させて、鏡筒部分に対する位置合わせを行なう。

このようにすると、鏡筒部分に対して反射面を「直接的に位置合わせ」できる。
一方、鏡筒部分には、２つの広角レンズの前群・後群が精度良く位置合わせして組み付けられる。

従って、上記の如く鏡筒部分に組み付けられた反射面部材の反射面は、２つの広角レンズのそれぞれに精度良く位置合わせされることになる。

これを、説明中の実施の形態に適用すると、以下のようになる。

図９は、反射面部材を説明するための図である。説明の簡単のため、２個の直角プリズムを、符号２００及び３００で示す。

直角プリズム２００、３００は、上述の広角レンズの具体例に用いられているものであり、屈折率：１．８３４、アッベ数：３７．１６０４８７の同一材料で形成されている。

直角プリズム２００、３００の斜面部にはアルミニウムのコーティングにより反射膜が形成されている。なお、図示の簡単のため「反射膜」は図示されていない。

直角プリズム２００、３００の斜面部は、接着剤により、反射膜を介して５μｍ以下の間隔で接着固定されている。

直角プリズム２００、３００のプリズム角を成す２つのプリズム面は「入射面・射出面」であり、これ等の面には反射防止処理がなされている。

直角プリズム２００、３００のうち、直角プリズム２００は「互いに直角をなすプリズム面の陵線方向の長さ」が、直角プリズム３００よりも大きい。

このため、直角プリズム２００の斜面の一部（上記稜線方向の両端部側部分）は、直角プリズム３００の斜面から食み出している。
図９において、符号２０１Ａ、２０１Ｂで示す部分が「食み出した部分」で「自由表面部」である。この自由表面部２０１Ａ、２０１Ｂは「反射面と同一面」である。

図１０（ａ）は、反射面部材を、上記「稜線方向」が上下方向となるように描いた図である。反射面部材は、この状態で鏡筒部分に組み付けられる。

なお、図１０（ａ）においては、反射面部材の直角プリズム２００、３００の接合面の端部を「面取り」している。

図１０（ｂ）は、反射面部材を鏡筒部分１００に取り付けた状態を説明図として示している。鏡筒部分１００は、後群の光軸を含み、前群の光軸に平行な仮想面で切断した。

図１１には、鏡筒部分１００における反射面部材を取り付ける部分を示す。

図１１の（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。

図１１（ｂ）の正面図の上下方向は２つの広角レンズの「後群の光軸方向」であり、各前群は、図面に直交する方向において、鏡筒部分１００の孔の部分に組み付けられる。

鏡筒部分１００には、反射面部材の反射面を受ける部分に段差を形成し、この段差の面を当接面１０１Ａ、１０１Ｂとしている。

当接面１０１Ａ、１０１Ｂは、鏡筒部分１００に組み付けられる２つの広角レンズの各前群・後群の位置態位に合わせて「反射面位置」として精度良く形成されている。

直角プリズム２００、３００により構成される反射面部材における自由表面部２０１Ａを当接面１０１Ａに、自由表面部２０１Ｂを当接面１０１Ｂにそれぞれ当接させる。

このようにすることにより、反射面部材の反射面を、各広角レンズの前群・後群に対して、あるべき態位に設定できる。

上記の如くすることにより、反射面の態位は定まるが、この状態の反射面部材には「反射面に沿った方向への移動」の自由度がある。

反射面の態位を適正に保ちつつ、反射面部材の位置を鏡筒部分１００内で確定するには、自由表面部２０１Ａ、２０１Ｂ以外の少なくとも１点を固定する必要がある。
説明中の実施の形態では、直角プリズム２００の射出面２０２Ａと、鏡筒部分に突出部として形成された第２当接面１０２Ａ、１０２Ｂを当接させ、接着剤で接着する。

このようにして、直角プリズム２００が鏡筒部分１００に固定され、反射面部材の鏡筒部分１００に対する態位が確定する。

説明中の実施の形態では、鏡筒部分１００に第２当接面１０２Ａ、１０２Ｂとして２つの突設部を設けたが、第２当接面１０２Ａ、１０２Ｂの一方のみでも良い。

説明中の実施の形態において、第２当接面１０２Ａ、１０２Ｂには、直角プリズム２００の射出面２０２Ａを接着した。これには以下の如き意味がある。

図１２は、撮像システムを構成する撮像系（図１に示した撮像系Ａ）の光路図を示している。前群から入射した光束は光束径を絞られて直角プリズム２００に入射する。

そして直角プリズム２００内でさらに光束を狭められ、射出面から射出する。従って、結像光束の光束径（光束有効径）は、入射面で大きく、射出面で小さい。
そこで、反射膜を挟持する２つの直角プリズムのうちの直角プリズム２００の、光束有効径の小さい射出面２０２Ａの光束有効径外の部分を、第２当接面に当接させる。

このようにすることで、第２当接面１０２Ａ、１０２Ｂをなす突出部によって、結像光束の外周部が遮光される恐れがない。

具体的には、図１２の光束径：Ｌ１＝３．８ｍｍ、Ｌ２＝２．３ｍｍであり、直角プリズム２００の入・射出面の一辺の長さは５ｍｍである。

このように、反射面部材を鏡筒部分に対して固定する部位を、反射面にしている。

このため、直角プリズムの大きさを変え、大きいほうの直角プリズムの反射面に自由表面部を設けて鏡筒部分の当接面にあてつける。

このようにすることにより、反射面部材の外形精度に影響を受けることなく、反射面のシフトやチルトに起因する性能劣化原因を少なく出来る。

上には反射面部材として、２個の直角プリズムを組合せる場合を説明したが、共通化された反射膜を挟持する光学的に等価な２つの透明部材は、直角プリズムに限らない。

例えば、２つの等価な透明部材として、透明平行平板を用い、これらで反射膜を挟むようにしても良い。

この場合にも、一方の透明平行平板を大きくして、反射面の延長部分に自由表面部を形成し、この自由表面部を当接面にあてつけて、位置を確定するようにしてもよい。

原理的に言えば、上記２枚の透明平行平板で反射膜を挟む場合、反射面の延長部分に自由表面部を形成しないで、反射面の位置精度を出す方法はある。

即ち、鏡筒部分の側に形成する当接面に、透明平行平板の反射面に接しない側の面を押し当てることにより位置精度を出すことが考えられる。

この場合、透明平行平板の厚みをｔとすれば、鏡筒部分の当接面位置を、反射面の理想的な位置から、垂直方向に「ｔ」だけ平行移動させて形成すればよい。

しかし、この方法の場合には、反射面自体で位置合わせをするのではないので、反射面の位置精度が、透明平行平板の平行度や、厚さの誤差に影響を受けてしまう。

以上のように、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］
物体側から像側へ向かって前群および後群を配した同一構造の１８０度より広い画角の２つの広角レンズと、 入射する光を反射する反射膜と、前記前群と前記後群の間に配され、各広角レンズのそれぞれの前群から入射する光の光軸同士を合致または近接させて前記反射膜の一方の面及び他方の面に入射し、前記反射膜の各面において互いに逆の方向にある各広角レンズの前記後群に向かって反射される光を出射させ、前記反射膜を挟持する２個の透明部材と、を備え、前記前群は負の屈折力、前記後群は正の屈折力を有し、前記前群は結像光束の光束径を前記後群側に絞って前記透明部材に入射させ、前記後群の物体側に設けられた開口絞り以後は拡大させることを特徴とする全天球画像を撮像するための光学系。

［２］
［１］記載の光学系において、２個の透明部材が、第１および第２のプリズム（２００
，３００）であることを特徴とする光学系。

［３］
［２］記載の光学系において、一方の広角レンズにおける後群が、第１プリズム（２００）から出射した光を導く第３レンズであり、他方の広角レンズにおける後群が、第２プリズム（３００）から出射した光を導く第４レンズであることを特徴とする光学系。

［４］
［３］記載の光学系と、該光学系で導かれた光を光電変換する撮像センサＳＮＡ、ＳＮＢを、広角レンズごとにさらに備えることを特徴とする撮像システム。

［５］
［４］記載の撮像システムにおいて、第１レンズと前記第２レンズを組み付ける鏡筒（１００）を備えていることを特徴とする撮像システム。

［６］
［１］ないし［５］の何れか１に記載の撮像システムにおいて、透明部材２００に入射し、反射膜により反射され、前記透明部材から射出する結像光束の光束径が、前記透明部材２００内で、射出側に向かって減少することを特徴とする撮像システム。

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
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。

Ａ 撮像系
Ｂ 撮像系
２００ 直角プリズム
３００ 直角プリズム
２０１Ａ 自由表面部
２０１Ｂ 自由表面部
１００ 鏡筒部分
１０１Ａ 当接面
１０１Ｂ 当接面
１０２Ａ 第２当接面
１０２Ｂ 第２当接面

特開２０１０−２７１６７５号公報 特許第３２９０９９３号公報

Claims (6)

1. 物体側から像側へ向かって前群および後群を配した同一構造の１８０度より広い画角の２つの広角レンズと、
   入射する光を反射する反射膜と、
   前記前群と前記後群の間に配され、各広角レンズのそれぞれの前群から入射する光の光軸同士を合致または近接させて前記反射膜の一方の面及び他方の面に入射し、前記反射膜の各面において互いに逆の方向にある各広角レンズの前記後群に向かって反射される光を出射させ、前記反射膜を挟持する２個の透明部材と、を備え、
   前記前群は負の屈折力、前記後群は正の屈折力を有し、前記前群は結像光束の光束径を前記後群側に絞って前記透明部材に入射させ、前記後群の物体側に設けられた開口絞り以後は拡大させることを特徴とする全天球画像を撮像するための光学系。
2. 請求項１記載の光学系において、
   ２個の透明部材が、第１および第２のプリズムであることを特徴とする光学系。
3. 請求項２記載の光学系において、
   一方の広角レンズにおける後群が、第１プリズムから出射した光を導く第３レンズであり、
   他方の広角レンズにおける後群が、第２プリズムから出射した光を導く第４レンズであることを特徴とする光学系。
4. 請求項３記載の光学系と、該光学系で導かれた光を光電変換する撮像センサを、広角レンズごとにさらに備えることを特徴とする撮像システム。
5. 請求項４記載の撮像システムにおいて、
   前記第１レンズと前記第２レンズを組み付ける鏡筒を備えていることを特徴とする撮像システム。
6. 請求項１ないし５の何れか１項に記載の撮像システムにおいて、
   透明部材に入射し、反射膜により反射され、前記透明部材から射出する結像光束の光束径が、前記透明部材内で、射出側に向かって減少することを特徴とする撮像システム。

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