WO2017046901A1

WO2017046901A1 - 光学系及び撮像装置

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Publication number: WO2017046901A1
Application number: PCT/JP2015/076333
Authority: WO
Inventors: 研野　孝吉
Original assignee: オリンパス株式会社
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2017-03-23

Abstract

【課題】　小型で観察画角が広く、且つ、後群を含めた光学系全体でＦ－θ特性を有する高解像な光学系及び撮像装置を提供する。【解決手段】　光学系１は、像面Ｉｍの中心を通る単一の回転対称軸Ｃに対して回転対称な前群Ｇｆと、回転対称軸Ｃに対して回転対称な後群Ｇｂと、開口Ｏｐと、を備え、前群Ｇｆは、第１反射面Ｌｆ₁及び第２反射面Ｌｆ₂を有し、物体面から前群Ｇｆに入射する光束は、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有する第１反射面Ｌｆ₁で物体側に反射し、回転対称軸と交差しないで第２反射面Ｌｆ₂で像側に反射する光路を形成し、後群Ｇｂと開口Ｏｐを通過し、前群Ｇｆへの入射光束は、回転対称軸Ｃを含む断面内で中間結像すること無く、像面Ｉｍの回転対称軸Ｃから離れた位置に結像し、光学系全系で、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。　Ｙ＝Ａ＋Ｆ×θ　（１）ただし、Ｙは、Ｙ－Ｚ平面での回転対称軸Ｃからの距離、Ａは、正の任意の定数、Ｆ＝ｈ／β₀であって、Ｆは、光学系１の全系の焦点距離、ｈは、光学系１の画角中心から入射する中心主光線Ｌｃと、光学系１に中心主光線Ｌｃに平行に入射する従属光線Ｌｓとの間の距離、 β₀は、光学系１の最終面から像面に入射する中心主光線Ｌｃと従属光線Ｌｓとで形成される角度、 θは、光学系１への中心主光線Ｌｃの入射角、である。

Description

光学系及び撮像装置

　本発明は、広画角でＦ－θ特性を持った小型で高解像な反射屈折光学系に関する。

　従来、広画角な撮像光学系としては、透過レンズ系で構成された魚眼レンズが一般的である。しかしながら、魚眼レンズは、画角が広いために、色収差が発生しやすい。また、魚眼レンズは、全画面の映像に対して良い解像力を得ようとすると、構成が複雑になる。

特許３６３１７１８号公報

　特許文献１には、魚眼レンズを用いず、２つの反射面を有する前群とレンズ系で構成される光学系が開示されている。この光学系は、中心より周辺の像を拡大する条件を満足するように２つの反射面の関係が規定されたアダプター反射光学系である。

　本発明の一実施形態である光学系は、
　像面の中心を通る単一の回転対称軸に対して回転対称な前群と、
　前記回転対称軸に対して回転対称な後群と、
　開口と、
を備え、
　前記前群は、第１反射面及び第２反射面を有し、
　少なくとも一つの物体面から前記前群に入射する光束は、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有する前記第１反射面で物体側に反射し、回転対称軸と交差しないで前記第２反射面で像側に反射する光路を形成し、
　前記後群と前記開口を通過し、
　前記前群への入射光束は、前記回転対称軸を含む断面内で中間結像すること無く、前記像面の前記回転対称軸から離れた位置に結像し、
　前記後群での前記回転対称軸の光の進行方向に沿う方向をＺ軸正方向とし、前記Ｚ軸に対して直交する方向をＹ軸正方向とし、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸を含む平面をＹ－Ｚ平面とし、前記Ｙ－Ｚ平面に直交し、前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸に対して右手直交座標系を構成する方向をＸ軸正方向とし、
　画角中心から入射する光線を中心主光線、前記中心主光線に平行に入射する光線を従属光線とし、
　光学系全系で、以下の条件式（１）を満足する
ことを特徴とする。
　　Ｙ＝Ａ＋Ｆ×θ　　　　　（１）
ただし、
Ｙは、前記Ｙ－Ｚ平面での像高の前記回転対称軸からの距離、
Ａは、正の任意の定数、
Ｆ＝ｈ／β₀であって、
Ｆは、光学系の全系の焦点距離、
ｈは、入射前の前記中心主光線と前記従属光線との間の距離、
β₀は、前記後群の最終面から像面に入射する前記中心主光線と前記従属光線とで形成される角度、
θは、光学系への前記中心主光線の入射角、
である。

　本発明の一実施形態である撮像装置は、
　前記光学系と、
　前記光学系の像面に配置され、複数の画素を有する撮像素子と、
を備える
ことを特徴とする。

本発明に係る一実施形態の光学系の回転対称軸に沿ってとった断面図である。本発明に係る一実施形態の光学系の中心主光線と従属光線の光路を示す図である。本発明に係る一実施形態の光学系の第１反射面付近を拡大して回転対称軸に沿ってとった断面図である。本発明に係る一実施形態の光学系の像面付近を拡大して回転対称軸に沿ってとった断面図である。条件式（１）のＡを説明するための図である。本発明に係る一実施形態の光学系の一例の断面図である。実施例１の光学系の回転対称軸を含む断面図を示す。実施例２の光学系の回転対称軸を含む断面図を示す。実施例３の光学系の回転対称軸を含む断面図を示す。実施例４の光学系の回転対称軸を含む断面図を示す。本実施形態の光学系を用いた撮像装置の一例を示す図である。本実施形態の光学系を用いた撮像装置の主要部の内部回路を示すブロック図である。

　本実施形態の光学系１について説明する。

　図１は、本発明に係る一実施形態の光学系１の回転対称軸Ｃに沿ってとった断面図である。図２は、本発明に係る一実施形態の光学系の中心主光線と従属光線の光路を示す図である。図３は、本発明に係る一実施形態の光学系の第１反射面付近を拡大して回転対称軸に沿ってとった断面図である。図４は、本発明に係る一実施形態の光学系の像面付近を拡大して回転対称軸に沿ってとった断面図である。図５は、条件式（１）のＡを説明するための図である。図５（ａ）は条件式（１）のＡが０以外の任意の定数の場合の光学系を示す図、図５（ｂ）は条件式（１）のＡが０の場合の光学系を示す図である。なお、図２～図５では、理解を容易にするため、回転対称軸Ｃを挟んで存在する２光路のうち、回転対称軸Ｃより下側（Ｙ軸の負方向）から入射する光束のみを示す。

　本実施形態は、小型で観察画角が広く、且つ、後群を含めた光学系全体でＦ－θ特性を有する高解像な光学系及び撮像装置を提供する。

　本実施形態の座標系は、回転対称軸Ｃの光の進行方向に沿う方向をＺ軸正方向とし、Ｚ軸に対して直交する方向をＹ軸正方向とし、Ｚ軸とＹ軸を含む平面をＹ－Ｚ平面とし、Ｙ－Ｚ平面に直交し、Ｙ軸及びＺ軸に対して右手直交座標系を構成する方向をＸ軸正方向とする。

　図１に示す例では、座標系は、絞り面Ｓにある開口Ｏｐと回転対称軸Ｃが交差する位置から物体側に０．１mmの位置を光学系１の偏心光学面の原点Ｏとし、回転対称軸Ｃの光の進行方向に沿う方向をＺ軸正方向とし、原点ＯからＺ軸に対して直交する方向をＹ軸正方向とし、Ｚ軸とＹ軸を含む平面をＹ－Ｚ平面とし、原点Ｏを通りＹ－Ｚ平面に直交し、Ｙ軸及びＺ軸に対して右手直交座標系を構成する方向をＸ軸正方向とする。

　本実施形態の光学系１は、像面Ｉｍの中心を通る単一の回転対称軸Ｃに対して回転対称な前群Ｇｆと、回転対称軸Ｃに対して回転対称な複数のレンズＬｂ₁～Ｌｂ₃を有する後群Ｇｂと、開口Ｏｐと、を備え、前群Ｇｆは、第１反射面Ｌｆ₁及び第２反射面Ｌｆ₂を有し、少なくとも一つの図示しない物体面から前群Ｇｆに入射する光束は、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有する第１反射面Ｌｆ₁で物体側に反射し、回転対称軸と交差しないで第２反射面Ｌｆ₂で像側に反射する光路を形成し、後群Ｇｂと開口Ｏｐを通過し、前群Ｇｆへの入射光束は、回転対称軸Ｃを含む断面内で中間結像すること無く、像面Ｉｍの回転対称軸Ｃから離れた位置に結像し、光学系全系で、以下の条件式（１）を満足する。
　　Ｙ＝Ａ＋Ｆ×θ　　　　　（１）
ただし、
Ｙは、Ｙ－Ｚ平面での像高の回転対称軸Ｃからの距離、
Ａは、正の任意の定数、
Ｆ＝ｈ／β₀であって、
Ｆは、光学系１の全系の焦点距離、
ｈは、光学系１の画角中心から入射する中心主光線Ｌｃと、光学系１に中心主光線Ｌｃに平行に入射する従属光線Ｌｓとの間の距離、
β₀は、光学系１の最終面から像面に入射する中心主光線Ｌｃと従属光線Ｌｓとで形成される角度、
θは、光学系１への中心主光線Ｌｃの入射角、
である。

　このような構成によって、本実施形態の光学系１は、入射画角と像高との線形性を強くすることが可能となる。また、光学系１を単一の回転対称軸Ｃに対して回転対称に形成するので、レンズの加工が容易になり、且つ、組み立てが容易になる。

　広角の光学系の場合には、一般にレトロフォーカスタイプとなり、前群に強い負のパワーを配置する。しかしながら、屈折光学系において物体側に強い負のレンズを配置すると、該レンズで発生する収差を除去することが困難であって、レンズが大型化してしまう。そこで、本実施形態の光学系１は、強い負のパワーを有する反射面を前群に配置し、屈折光学系で特に発生しやすい色収差の発生を原理的に０にしている。

　また、本実施形態の光学系１は、物体からの光束は、第１反射面Ｌｆ₁で物体側に反射され、回転対称軸Ｃと交差しないで、第２反射面Ｌｆ₂で像側に反射されるので、いわゆるＺ字型の光路を形成し、反射面で発生する収差を最小にしている。

　さらに、本実施形態の光学系１は、観察画角の中心から入射し、絞り面Ｓにある開口Ｏｐの中心を通る中心主光線Ｌｃの前群Ｇｆにおける光路は、回転対称軸Ｃと交差せず、中間結像しないので、光路を短くすることができ、光学系１を小型に形成することが可能となる。

　ここで、光学系全系の焦点距離Ｆについて説明する。

　図２に示すように、Ｙ－Ｚ断面内で中心画角から入射し、絞り面Ｓにある開口Ｏｐの中心を通る中心主光線Ｌｃと、中心主光線Ｌｃに対して平行に入射する従属光線Ｌｓと、を定義する。そして、図３に示すように、Ｙ－Ｚ断面内で中心画角から入射する中心主光線Ｌｃと、中心主光線Ｌｃに対して距離ｈ離間して平行に入射する従属光線Ｌｓと、を第１反射面Ｌｆ₁に入射させた際の中心主光線Ｌｃと従属光線Ｌｓによって形成される反射光の角度をβ１とする。また、図４に示すように、光学系１の後群Ｇｂの最終面Ｌｂ₃₂を射出する中心主光線Ｌｃと従属光線Ｌｓによって像面Ｉｍに入射する際に形成される角度をβ₀とする。そして、本実施形態では、光学系全系の焦点距離Ｆをｈ／β₀とする。なお、距離ｈは、例えば０．１mm程度の小さい数値である。

　次に、条件式（１）のＡについて説明する

　本実施形態の光学系１では、図１に示したように、像面Ｉｍで回転対称軸ＣからＡだけ離間した位置に映像を結像することによって、回転対称軸Ｃを挟んで存在する２光路の光学的干渉を抑制するように配置し、コントラストの良い映像を得ている。

　図５（ａ）は、本実施形態の光学系１の前群の拡大図に対して回転対称軸Ｃより下側（Ｙ軸の負方向）であって入射角－１０°で入射する光束Ｌ_-10を示している。この光束Ｌ_-10に含まれる光線は、第２反射面Ｌｆ₂に入射するまで回転対称軸Ｃより下側（Ｙ軸の負方向）の領域のみに存在する。これは、観察画角０°の光線を条件式（１）のＡだけずらしているからである。条件式（１）のＡを適切に与えることによって、第２反射面Ｌｆ₂に入射するまで、回転対称軸Ｃを挟んで存在する２光路の干渉を抑制するので、コントラストの良い明瞭な映像を得ることが可能となる。

　例えば、図５（ｂ）に示すように、Ａが０の場合、観察画角０°の光束Ｌ₀のうち中心の光線Ｌ_0cは、第２反射面Ｌｆ₂の面頂で反射し、回転対称軸Ｃ上を通り、図示しない像面Ｉｍの中心に入射する。この場合、観察画角０°の光束Ｌ₀のうち中心の光線Ｌ_0cよりも回転対称軸Ｃ側から入射した光線は、第２反射面Ｌｆ₂において回転対称軸Ｃよりも上側（Ｙ軸の正方向）で反射し、フレア光となってしまう。条件式（１）でＡを適切に与えることによってこのフレア光を抑制することが可能となる。

　また、本実施形態の光学系１は、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
　　０．０５　＜　Ａ／Ｈ　＜　０．６　　　　　（２）
ただし、
Ｈは最大画角の像高、
である。

　条件式（２）の下限を下回ると、図１に示したＹ－Ｚ断面内で回転対称軸Ｃの上側（Ｙ軸の正方向）から光学系１に入射する上側光束Ｌｕと下側（Ｙ軸の負方向）から光学系１に入射する下側光束Ｌｄとの交差により、フレア光が発生し、コントラストの良い結像が得られなくなる。

　また、条件式（２）の上限を上回ると、撮像面積を大きくすることができず、有効な画素数を得られず、結像した映像の解像力が低下してしまう。

　また、本実施形態の光学系１は、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
　　－５　＜　α１－α２　＜　１５　　　　　（３）
ただし、
α１は、反時計回りを正としたＹ－Ｚ平面内で前群Ｇｆの第１反射面Ｌｆ₁における中心主光線が当たる位置での接線に直交する線の回転対称軸に対する角度、
α２は、反時計回りを正としたＹ－Ｚ平面内で前群Ｇｆの第２反射面Ｌｆ₂における中心主光線が当たる位置での接線に直交する線の回転対称軸に対する角度、
である。

　条件式（３）は、本実施形態の光学系１の第１反射面Ｌｆ₁の傾きと第２反射面Ｌｆ₂の傾きの差を表す。

　条件式（３）の下限を下回ると、第１反射面Ｌｆ₁の傾きに対して第２反射面Ｌｆ₂の傾きが大きくなりすぎ、前群Ｇｆを射出する中心主光線Ｌｃの傾きが小さくなり、所定の大きさに結像しようとした場合に後群Ｇｂの径及び全長が大きくなり、光学系１の全体が大きくなってしまう。

　また、条件式（３）の上限を上回ると、第２反射面Ｌｆ₂の入射角が大きくなりすぎ、第２反射面Ｌｆ₂で発生する収差が大きくなり、高解像な映像を結像できなくなる。

　また、本実施形態の光学系１は、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。
　　－５　＜　α１　＜　１０　　　　　（４）
ただし、
α１は、反時計回りを正としたＹ－Ｚ平面内で前群Ｇｆの第１反射面Ｌｆ₁における中心主光線Ｌｃが当たる位置での接線に直交する線の回転対称軸に対する角度、
である。

　条件式（４）は、本実施形態の光学系１の第１反射面Ｌｆ₁のＹ軸からの傾きと同じで、片側９０°の観察画角の光束を第１反射面Ｌｆ₁で反射し、物体側の第２反射面Ｌｆ₂に収差の発生を最小にしつつ反射する条件を表す。

　条件式（４）の下限を下回ると、第２反射面Ｌｆ₂を回転対称軸Ｃから離れた位置に配置しなければならず、第２反射面Ｌｆ₂で反射した後の光束の角度が大きくなり、後群Ｇｂの負担が大きくなって、収差を良好に補正することができない。また、後群Ｇｂの外径が大きくなってしまい、その後群Ｇｂとの干渉を防ぐため、第１反射面Ｌｆ₁も大きくしなければならず、光学系１の全体が大きくなってしまう。

　条件式（４）の上限を上回ると、第１反射面Ｌｆ₁の外径が大きくなってしまい、光学系１の全体が大型化してしまう。

　また、本実施形態の光学系１は、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。
　　－１５　＜　α２　＜　０　　　　　（５）
ただし、
α２は、反時計回りを正としたＹ－Ｚ平面内で前群Ｇｆの第２反射面Ｌｆ₂における中心主光線が当たる位置での接線に直交する線の回転対称軸に対する角度、
である。

　条件式（５）は、本実施形態の光学系１の第２反射面Ｌｆ₂のＹ軸からの傾きと同じで、第１反射面Ｌｆ₁で反射した光束を後群Ｇｂに向けて反射する条件を表す。

　条件式（５）の下限を下回ると、第１反射面Ｌｆ₁を大きくしなければ、光束を後群Ｇｂに向けて最適な角度で反射することができず、光学系１の全体が大型化してしまう。

　条件式（５）の上限を上回ると、後群Ｇｂと第１反射面Ｌｆ₁とが干渉し、後群Ｇｂの外径を小さくしなければならず、後群Ｇｂの負担が大きくなり、明るく明瞭な観察像を得ることが困難となる。

　また、本実施形態の光学系１は、以下の条件式（６）を満足することが好ましい。
　　－２０　＜　Ｆ１／Ｆ　＜　－５　　　　　（６）
ただし、
Ｆ１＝ｈ／β₁であって、
Ｆ１は、反時計回りを正としたＹ－Ｚ平面内で前群Ｇｆの第１反射面Ｌｆ₁における中心主光線が当たる位置の焦点距離、
β₁は、光学系１の第１反射面Ｌｆ₁で反射した中心主光線Ｌｃと従属光線Ｌｓとで形成される角度、
である。

　条件式（６）は、第１反射面Ｌｆ₁の全系に対する焦点距離の比であって、物体側に凸面を向けた負の焦点距離を有する第１反射面Ｌｆ₁により、光学系全体として負－正のレトロフォーカス型のパワー配置とすることが、観察画角を広くする上で重要である。

　条件式（６）の下限を下回ると、第１反射面Ｌｆ₁の負の焦点距離が光学系１の全体の焦点距離に比べて長くなりすぎ、負の屈折力が弱くなることによって、広い観察画角を得ることが困難となる。

　条件式（６）の上限を上回ると、第１反射面Ｌｆ₁の負の焦点距離が光学系１の全体の焦点距離に比べて短くなりすぎ、負の屈折力が強くなることによって、第１反射面Ｌｆ₁で発生する収差が多くなり、高解像な結像が困難となる。

　また、本実施形態の光学系１は、以下の条件式（７）を満足することが好ましい。
　　２　＜　Ｆｂ／Ｆ　＜　１０　　　　　（７）
ただし、
Ｆｂは、後群Ｇｂの焦点距離、
である。

　条件式（７）は、後群Ｇｆの全系に対する焦点距離の比であって、後群Ｇｂに比較的強い正の屈折力を持たせることにより、全系の焦点距離を短くして広い観察画角を得るための条件である。

　条件式（７）の下限を下回ると、後群Ｇｂの焦点距離が短くなりすぎ、正の屈折力が強くなることによって、後群Ｇｂで発生する収差を補正できなくなり、像周辺まで解像力の良い観察像を得ることが困難となる。

　条件式（７）の上限を上回ると、後群Ｇｂの焦点距離が長くなりすぎ、正の屈折力が弱くなることによって、広い観察画角を得ることが困難となる。

以下に、本発明の光学系１の実施例１～４を説明する。これら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と後群Ｇｂを経て像面Ｉｍに至る順光線追跡の結果に基づくものである。

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。

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。

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。

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。

    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。

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。

    Ｚ＝（Ｙ²／ＲＤＹ）／［１＋｛１－（Ｃ₁＋１）Ｙ²／ＲＤＹ²｝^1 /2］
           ＋Ｃ₂Ｙ＋Ｃ₃Ｙ²＋Ｃ₄Ｙ³＋Ｃ₅Ｙ⁴＋Ｃ₆Ｙ⁵＋Ｃ₇Ｙ⁶
           ＋・・・・＋Ｃ₂₁Ｙ²⁰＋・・・・＋Ｃ_n+1Ｙⁿ＋・・・・    （ｂ）
  次いで、この曲線（ｃ）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。

その曲線Ｆ（Ｙ）をＹ正方向に距離Ｄ（負のときはＹ負方向）だけ平行移動し、その後にＺ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。

この定義からＺ軸が拡張回転自由曲面の軸（回転対称軸）となる。

ここで、ＲＤＹ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。

実施例１を用いて、座標系についてさらに説明する。

図６は、本発明に係る一実施形態の光学系の一例の断面図である。

　本実施形態の光学系１は、唯一の回転対称軸Ｃに対して全ての面が回転対称なので、回転対称軸Ｃを含む断面では上下二つの光路が存在するが、図６に示すように、下側（Ｙ軸の負方向）から入射する光線について面の配置と光路について説明する。

　本実施形態では下側光線の観察画角は－１０°から＋８９．５°であり、設計の便宜上中心である＋４０°を画角中心として、観察画角中心の光束の中から絞り面Ｓにある開口Ｏｐの中心を通る光線を中心主光線Ｌｃとし、この中心主光線Ｌｃを基準として設計している。

　図示しない物体面は無限遠にあり、仮想面である第３面（ｒ３）が前群の原点となり、第１反射面Ｌｆ₁が第１面（ｒ１）、第２反射面Ｌｆ₂が第２面（ｒ２）となる。第１面と第２面の拡張回転自由曲面の面頂の位置は、偏心１と偏心２で与えられる。回転対称軸ＣであるＺ軸の像面Ｉｍ側を正とする。Ｙ軸は、Ｚ軸に直交し図６における上側が正であって、図６では下側光で説明しているので、第１面の面頂は負である。回転αは、図６の紙面奥に向かって垂直なＸ軸に対して反時計回りを正としているので、第１面は、正の回転となる。すなわち、第１面は、原点Ｏから偏心(１)で与えられるＹ軸方向に－５．５２５mm下がって、Ｚ軸方向に４．０００mmの位置にあり、角度は３．１７８°傾いて配置される。

　第１面の形状は曲率半径９．１２１mmで、３乗項であるＣ４項は、４．２４０５Ｅ－３である。第１面は最後にＺ軸を回転対称軸Ｃとして回転して得られる回転対称面である。

　拡張回転自由曲面は中心主光線Ｌｃ上に各面の原点を有し、偏心Ｙは中心主光線ＬｃのＹ軸方向の高さに相当する。これは設計上の問題であり、中心主光線Ｌｃと原点を一致させる必要は無く任意に定めることが可能である。

　第２面も同様に拡張回転自由曲面である。第３面から絞り面Ｓまでは、０．１mmで定義され、円形開口Ｏｐを形成する第４面（ｒ４）となる。第５面以降は通常の球面レンズ系と同じで、曲率半径と面間隔で定義される。

図７は、実施例１の光学系１の回転対称軸Ｃを含む断面図を示す。ただし、図７では断面内の回転対称軸Ｃに対して片側に入射する光路のみを図示しており、回転対称軸Ｃに対して対称な光路も同時に存在するが、図示は省いてある。

実施例１の光学系１は、像面Ｉｍの中心を通る単一の回転対称軸Ｃ上に配置された回転対称な前群Ｇｆと、回転対称な後群Ｇｂと、開口Ｏｐと、を備え、前群Ｇｆは、２つの反射面を有し、少なくとも一つの物体面から前群Ｇｆに入射する光束は、第１反射面Ｌｆ₁で反射し、第２反射面Ｌｆ₂で反射する光路を形成し、後群Ｇｂと開口Ｏｐを通過し、回転対称軸Ｃを含む断面内で中間結像すること無く、像面Ｉｍの回転対称軸Ｃから離れた位置に結像する。

　実施例１の前群Ｇｆでは、回転対称軸に対して、第１反射面Ｌｆ₁が第２反射面Ｌｆ₂より外側に配置されている。第１反射面Ｌｆ₁及び第２反射面Ｌｆ₂は、拡張回転自由曲面からなる。光路上、第１反射面Ｌｆ₁は物体側に凸面を向けた負のパワーを有し、第２反射面Ｌｆ₂は像側に凸を向けた負のパワーを有する。

　実施例１の後群Ｇｂは、像面側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬｂ₁と、両凸正レンズＬｂ₂と両凹負レンズＬｂ₃の接合レンズＳＵｂ１と、からなる。

　観察画角の中心から光学系１に入射し、絞り面Ｓにある開口Ｏｐの中心を通る中心主光線Ｌｃの光路は、前群Ｇｆで回転対称軸Ｃと交差せず、後群Ｇｂでも回転対称軸Ｃと交差しない。

図８は、実施例２の光学系１の回転対称軸Ｃを含む断面図を示す。ただし、図８では断面内の回転対称軸Ｃに対して片側に入射する光路のみを図示しており、回転対称軸Ｃに対して対称な光路も同時に存在するが、図示は省いてある。

実施例２の光学系１は、像面Ｉｍの中心を通る単一の回転対称軸Ｃ上に配置された回転対称な前群Ｇｆと、回転対称な後群Ｇｂと、開口Ｏｐと、を備え、前群Ｇｆは、２つの反射面を有し、少なくとも一つの物体面から前群Ｇｆに入射する光束は、第１反射面Ｌｆ₁で反射し、第２反射面Ｌｆ₂で反射する光路を形成し、後群Ｇｂと開口Ｏｐを通過し、回転対称軸Ｃを含む断面内で中間結像すること無く、像面Ｉｍの回転対称軸Ｃから離れた位置に結像する。

　実施例２の前群Ｇｆでは、回転対称軸に対して、第１反射面Ｌｆ₁が第２反射面Ｌｆ₂より外側に配置されている。第１反射面Ｌｆ₁及び第２反射面Ｌｆ₂は、拡張回転自由曲面からなる。光路上、第１反射面Ｌｆ₁は物体側に凸面を向けた負のパワーを有し、第２反射面Ｌｆ₂は像側に凸を向けた負のパワーを有する。

　実施例２の後群Ｇｂは、両凸正レンズＬｂ₁と、両凸正レンズＬｂ₂と、両凸正レンズＬｂ₃と両凹負レンズＬｂ₄の接合レンズＳＵｂ１と、からなる。

　観察画角の中心から光学系１に入射し、絞り面Ｓにある開口Ｏｐの中心を通る中心主光線Ｌｃの光路は、前群Ｇｆで回転対称軸Ｃと交差せず、後群Ｇｂで回転対称軸Ｃと交差しない。

図９は、実施例３の光学系１の回転対称軸Ｃを含む断面図を示す。ただし、図９では断面内の回転対称軸Ｃに対して片側に入射する光路のみを図示しており、回転対称軸Ｃに対して対称な光路も同時に存在するが、図示は省いてある。

実施例３の光学系１は、像面Ｉｍの中心を通る単一の回転対称軸Ｃ上に配置された回転対称な前群Ｇｆと、回転対称な後群Ｇｂと、開口Ｏｐと、を備え、前群Ｇｆは、２つの反射面を有し、少なくとも一つの物体面から前群Ｇｆに入射する光束は、第１反射面Ｌｆ₁で反射し、第２反射面Ｌｆ₂で反射する光路を形成し、後群Ｇｂと開口Ｏｐを通過し、回転対称軸Ｃを含む断面内で中間結像すること無く、像面Ｉｍの回転対称軸Ｃから離れた位置に結像する。

　実施例３の前群Ｇｆでは、回転対称軸に対して、第１反射面Ｌｆ₁が第２反射面Ｌｆ₂より外側に配置されている。第１反射面Ｌｆ₁及び第２反射面Ｌｆ₂は、拡張回転自由曲面からなる。光路上、第１反射面Ｌｆ₁は物体側に凸面を向けた負のパワーを有し、第２反射面Ｌｆ₂は像側に凸を向けた負のパワーを有する。

　実施例３の後群Ｇｂは、両凸正レンズＬｂ₁と、両凸正レンズＬｂ₂と、両凸正レンズＬｂ₃と両凹負レンズＬｂ₄の接合レンズＳＵｂ１と、からなる。実施例３の後群Ｇｂ及び像面Ｉｍは、回転対称軸Ｃの方向において、第１反射面Ｌｆ₁と第２反射面Ｌｆ₂との間に配置される。

図１０は、実施例４の光学系１の回転対称軸Ｃを含む断面図を示す。ただし、図１０では断面内の回転対称軸Ｃに対して片側に入射する光路のみを図示しており、回転対称軸Ｃに対して対称な光路も同時に存在するが、図示は省いてある。

実施例４の光学系１は、像面Ｉｍの中心を通る単一の回転対称軸Ｃ上に配置された回転対称な前群Ｇｆと、回転対称な後群Ｇｂと、開口Ｏｐと、を備え、前群Ｇｆは、２つの反射面を有し、少なくとも一つの物体面から前群Ｇｆに入射する光束は、第１反射面Ｌｆ₁で反射し、第２反射面Ｌｆ₂で反射する光路を形成し、後群Ｇｂと開口Ｏｐを通過し、回転対称軸Ｃを含む断面内で中間結像すること無く、像面Ｉｍの回転対称軸Ｃから離れた位置に結像する。

　実施例４の前群Ｇｆでは、回転対称軸に対して、第１反射面Ｌｆ₁が第２反射面Ｌｆ₂より外側に配置されている。第１反射面Ｌｆ₁及び第２反射面Ｌｆ₂は、拡張回転自由曲面からなる。光路上、第１反射面Ｌｆ₁は物体側に凸面を向けた負のパワーを有し、第２反射面Ｌｆ₂は像側に凸を向けた負のパワーを有する。

　実施例４の後群Ｇｂは、両凸正レンズＬｂ₁と像面側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬｂ₂の第１接合レンズＳＵｂ１と、両凹負レンズＬｂ₃と両凸正レンズＬｂ₄と第２接合レンズＳＵｂ２と、両凸正レンズＬｂ₅と両凹負レンズＬｂ₆の第３接合レンズＳＵｂ３と、からなる。実施例４では、第１接合レンズＳＵｂ１と第２接合レンズＳＵｂ２の間に絞り面Ｓにある開口Ｏｐが配置される。

　観察画角の中心から光学系１に入射し、絞り面Ｓにある開口Ｏｐの中心を通る中心主光線Ｌｃの光路は、絞り面Ｓにある開口Ｏｐまで回転対称軸Ｃと交差せず、絞り面Ｓにある開口Ｏｐから像面まで回転対称軸Ｃと交差しない。

以下に、上記実施例１～４の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の"ＥＲＦＳ"は拡張回転自由曲面を示す。

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]           0.000 偏心(1)
   2　　ERFS[2]           0.000 偏心(2)
   3　　　　∞            0.100
   4　　絞り面            1.697
   5　　-50.749 　　　　　1.500           1.8830　　40.7
   6　　 -3.377 　　　　　0.100
   7　　  4.592 　　　　　3.000           1.7991　　44.3
   8　　 -2.061 　　　　　2.000           1.9229　　18.9
   9　　  7.026 　　　　　0.500
像　面　　　∞

　　　　　　　　　　　　　ERFS[1]
RDY    9.121
Ｃ4 　 4.2405e-003

　　　　　　　　　　　　　ERFS[2]
RDY   22.601
　　　　　　偏心[1]
Ｙ　  -5.525　Ｚ　  4.000
α　   3.178

　　　　　　偏心[2]
Ｙ　  -0.956　Ｚ　 -2.865
α　  -7.885
Ｃ1 　-2.6533e+000　　Ｃ4 　 4.6187e-003

仕様
  観察画角        １００°（－１０°～＋９０°）
  絞り径（絞り面Ｓの開口径）          φ１．０００ｍｍ
  像の大きさ      φ０．８２８～φ２．４７８ｍｍ

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]           0.000 偏心(1)
   2　　ERFS[2]           0.000 偏心(2)
   3　　　　∞            0.000
   4　　絞り面            0.100
   5　　13.983            0.700           1.8830　　40.7
   6　　-7.997            3.626
   7　　40.126            0.976           1.8830　　40.7
   8　　-5.055            0.100
   9　　 3.072            1.687           1.7353　　48.2
  10　　-2.859            1.102           1.9229　　18.9
  11　　 3.211            0.352
像　面　　　∞

　　　　　　　　　　　　　ERFS[1]
RDY    8.383
Ｃ4 　 3.6018e-003

　　　　　　　　　　　　　ERFS[2]
RDY  -19.836

　　　　　　偏心[1]
Ｙ　 -5.525  Ｚ　  4.000
α　  5.569

　　　　　　偏心[2]
Ｙ　 -1.101  Ｚ　 -4.026
α　 -6.786

仕様
  観察画角        １００°（－１０°～＋９０°）
  絞り径（絞り面Ｓの開口径）          φ１．２００ｍｍ
  像の大きさ      φ０．８１１～φ２．４９２ｍｍ

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　　ERFS[1]           0.000 偏心(1)
   2　　ERFS[2]           0.000 偏心(2)
   3　　　　∞            0.000
   4　　絞り面            0.100
   5　　 2.664            0.700           1.8830　　40.7
   6　　26.555            0.335
   7　　-6.377            0.700           1.8830　　40.7
   8　　-2.205            0.100
   9　　 2.684            1.213           1.5994　　48.9
  10　　-1.143            0.700           1.9229　　18.9
  11　　13.628            0.152
像　面　　　∞

　　　　　　　　　　　　　ERFS[1]
RDY    8.037
Ｃ4 　 3.6631e-003

　　　　　　　　　　　　　ERFS[2]
RDY  319.090

　　　　　　偏心[1]
Ｙ　 -5.525  Ｚ　  4.000
α　  3.122

　　　　　　偏心[2]
Ｙ　 -1.144  Ｚ　 -2.555
α　 -4.820

仕様
  観察画角        １００°（－１０°～＋９０°）
  絞り径（絞り面Ｓの開口径）          φ０．８００ｍｍ
  像の大きさ      φ０．８１５～φ２．４９０ｍｍ

実施例４
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]           0.000 偏心(1)
   2　　非球面[1]         0.000 偏心(2)
   3　　　　∞　　　　　　0.000
   4　　 7.231            1.363          1.8573    29.0
   5　　-1.398            0.500          1.9186    20.0
   6　　-4.534            0.313
   7　　絞り面　　　　　　0.237
   8　　-2.468            0.500          1.4875    70.4
   9　　 4.500            1.292          1.7179    49.5
  10　　-2.224            0.100
  11　　 2.657            1.684          1.4875    70.4
  12　　-1.300            0.500          1.9229    18.9
  13　　18.263            0.140
像　面　　　∞

　　　　　　　　　　　　　ERFS[1]
RDY   10.633
Ｃ4 　 1.7663e-003

　　　　　　　　　　　　　非球面[1]
曲率半径　   -0.10
k  -2.2336e+001

　　　　　　偏心[1]
Ｙ　-10.000  Ｚ　  0.000
α　 -0.751

　　　　　　偏心[2]
Ｚ　 -7.361

仕様
  観察画角      １００°（－１０°～＋９０°）
  絞り径（絞り面Ｓの開口径）          φ０．９００ｍｍ
  像の大きさ      φ０．７９９～φ２．４９３ｍｍ

　以下の表は、各実施例の要素と条件式（２）～（６）に対応する値を示す。

                     実施例１    実施例２    実施例３    実施例４
Ａ                    0.828       0.811       0.815       0.799
Ｈ                    2.478       2.492       2.49        2.493
式（２）：Ａ／Ｈ       0.334       0.325       0.327       0.320
式（３）：α１-α２   11.064      12.354       7.942       6.610
式（４）：α１         3.179       5.569       3.122      -0.751
式（５）：α２        -7.885      -6.786      -4.820      -7.361
Ｆ１                 -4.561      -4.192      -4.019      -6.685
Ｆ                    0.560       0.575       0.457       0.607
式（６）：Ｆ１／Ｆ    -8.141      -7.287      -8.802     -11.007
Ｆｂ                  2.373       2.916       1.739       2.293
式（７）：Ｆｂ／Ｆ     4.236       5.069       3.809       3.775

　図１１は、本実施形態の光学系１を撮像装置２に用いた一例を示す図である。

　図１１に示す撮像装置２は、本実施形態の光学系１の第１反射面Ｌｆ₁と第２反射面Ｌｆ₂を支持する支持体２０と、光学系１の像面に配置され、複数の画素を有する撮像素子３２と、を有する。図１１に示す支持体２０は、光を透過するドーム状の部材である。支持体２０の頂部２０ａの内側で底部２０ｂに向けて第１反射面Ｌｆ₁を取り付け、支持体２０の空間の一部を塞ぐように底部２０ｂの内側で頂部２０ａに向けて第２反射面Ｌｆ₂を取り付ける。

　図１２は、本実施形態の光学系１を用いた撮像装置２の主要部の内部回路を示すブロック図である。

　図１２に示されるように、撮像装置２は、操作部２１と、この操作部２１に接続された制御部２２と、この制御部２２の制御信号出力ポートにバス２３及び２４を介して接続された撮像駆動回路２５並びに一時記憶メモリ２６、画像処理部２７、記憶部２８を備えている。

　上記の一時記憶メモリ２６、画像処理部２７、記憶部２８は、バス３１を介して相互にデータの入力、出力が可能とされている。また、撮像駆動回路２５には、ＣＣＤ等の撮像素子３２とＣＤＳ／ＡＤＣ部３３が接続されている。

　操作部２１は、各種の入力ボタンやスイッチを備え、これらを介して操作者から入力されるイベント情報を制御部２２に通知する。制御部２２は、例えばＣＰＵなどからなる中央演算処理装置であって、不図示のプログラムメモリを内蔵し、プログラムメモリに格納されているプログラムに従って、撮像装置２を制御する。

　撮像素子３２は、撮像駆動回路２５により駆動制御され、光学系１を介して形成された物体像の画素ごとの光量を電気信号に変換し、ＣＤＳ／ＡＤＣ部３３に出力する。

　ＣＤＳ／ＡＤＣ部３３は、撮像素子３２から入力される電気信号を増幅し、かつ、アナログ／デジタル変換を行って、この増幅とデジタル変換を行っただけの映像生データ（ベイヤーデータ、以下ＲＡＷデータという。）を一時記憶メモリ２６に出力する回路である。

　一時記憶メモリ２６は、例えばＳＤＲＡＭ等からなるバッファであり、ＣＤＳ／ＡＤＣ部３３から出力されるＲＡＷデータを一時的に記憶するメモリ装置である。

　画像処理部２７は、一時記憶メモリ２６に記憶されたＲＡＷデータ又は記憶部２８に記憶されているＲＡＷデータを読み出して、制御部２２にて指定された画質パラメータに基づいて歪曲収差補正を含む各種画像処理を電気的に行う回路である。

　記憶部２８は、例えばフラッシュメモリ等からなるカード型又はスティック型の記憶媒体を着脱自在に装着して、これらのフラッシュメモリに、一時記憶メモリ２６から転送されるＲＡＷデータや画像処理部２７で画像処理された画像データを記録して保持する。

　このように構成された撮像装置２は、本実施形態の光学系１を採用することで、小型で観察画角が広く、且つ、光学系全体でＦ－θ特性を有する高解像にすることが可能となる。

　なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、当業者であれば、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えても、本発明の範囲を超えないことは理解できよう。従って、本発明の例示的な実施形態は、権利請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。

１…光学系
Ｇｆ…前レンズ群
Ｇｂ…後レンズ群
Ｓ…絞り面
Ｏｐ…開口
Ｉｍ…像面

Claims

　像面の中心を通る単一の回転対称軸に対して回転対称な前群と、
　前記回転対称軸に対して回転対称な後群と、
　開口と、
を備え、
　前記前群は、第１反射面及び第２反射面を有し、
　少なくとも一つの物体面から前記前群に入射する光束は、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有する前記第１反射面で物体側に反射し、回転対称軸と交差しないで前記第２反射面で像側に反射する光路を形成し、
　前記後群と前記開口を通過し、
　前記前群への入射光束は、前記回転対称軸を含む断面内で中間結像すること無く、前記像面の前記回転対称軸から離れた位置に結像し、
　前記後群での前記回転対称軸の光の進行方向に沿う方向をＺ軸正方向とし、前記Ｚ軸に対して直交する方向をＹ軸正方向とし、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸を含む平面をＹ－Ｚ平面とし、前記Ｙ－Ｚ平面に直交し、前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸に対して右手直交座標系を構成する方向をＸ軸正方向とし、
　画角中心から入射する光線を中心主光線、前記中心主光線に平行に入射する光線を従属光線とし、
　光学系全系で、以下の条件式（１）を満足する
ことを特徴とする光学系。
　　Ｙ＝Ａ＋Ｆ×θ　　　　　（１）
ただし、
Ｙは、前記Ｙ－Ｚ平面での像高の前記回転対称軸からの距離、
Ａは、正の任意の定数、
Ｆ＝ｈ／β₀であって、
Ｆは、光学系の全系の焦点距離、
ｈは、入射前の前記中心主光線と前記従属光線との間の距離、
β₀は、前記後群の最終面から像面に入射する前記中心主光線と前記従属光線とで形成される角度、
θは、光学系への前記中心主光線の入射角、
である。
　以下の条件式（２）を満足する
請求項１に記載の光学系。
　　０．０５　＜　Ａ／Ｈ　＜　０．６　　　　　（２）
ただし、
Ｈは最大画角の像高、
である。
　以下の条件式（３）を満足する
請求項１又は２に記載の光学系。
　　－５　＜　α１－α２　＜　１５　　　　　（３）
ただし、
α１は、反時計回りを正としたＹ－Ｚ平面内で前記前群の前記第１反射面における前記中心主光線が当たる位置での接線に直交する線の前記回転対称軸に対する角度、
α２は、反時計回りを正としたＹ－Ｚ平面内で前記前群の前記第２反射面における前記中心主光線が当たる位置での接線に直交する線の前記回転対称軸に対する角度、
である。
　以下の条件式（４）を満足する
請求項３に記載の光学系。
　　－５　＜　α１　＜　１０　　　　　（４）
ただし、
α１は、反時計回りを正としたＹ－Ｚ平面内で前記前群の前記第１反射面における前記中心主光線が当たる位置での接線に直交する線の前記回転対称軸に対する角度、
である。
　以下の条件式（４）を満足する
請求項３に記載の光学系。
　　－１５　＜　α２　＜　０　　　　　（５）
ただし、
α２は、反時計回りを正としたＹ－Ｚ平面内で前記前群の前記第２反射面における前記中心主光線が当たる位置での接線に直交する線の前記回転対称軸に対する角度、
である。
　以下の条件式（６）を満足する
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光学系。
　　－２０　＜　Ｆ１／Ｆ　＜　－５　　　　　（６）
ただし、
Ｆ１＝ｈ／β₁であって、
Ｆ１は、反時計回りを正とした前記Ｙ－Ｚ平面内で前記前群の前記第１反射面における前記中心主光線が当たる位置の焦点距離、
β₁は、前記第１反射面で反射した前記中心主光線と前記従属光線とで形成される角度、
である。
　以下の条件式（７）を満足する
請求項１乃至６のいずれか１つに記載の光学系。
　　２　＜　Ｆｂ／Ｆ　＜　１０　　　　　（７）
ただし、
Ｆｂは前記後群の焦点距離、
である。
　請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の光学系と、
　前記光学系の像面に配置され、複数の画素を有する撮像素子と、
を備える
ことを特徴とする撮像装置。
　前記撮像装置を操作する操作部と、
　前記操作部からの信号に基づいて前記撮像装置を制御する制御部と、
　前記撮像素子からの電気信号を処理し画像を取得する画像処理部と、
　前記取得した画像を記録する記録部と、
を備える請求項８に記載の撮像装置。