CN101473261A

CN101473261A - 光学系统

Info

Publication number: CN101473261A
Application number: CNA2007800223351A
Authority: CN
Inventors: 研野孝吉; 中村绅
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2027-05-15
Also published as: JP2007334019A; EP2028516A1; US8072693B2; EP2028516B1; US20100238568A1; JP4780713B2; EP2028516A4; WO2007145050A1; CN101473261B

Abstract

本发明涉及用于对具有360°全方位(全周)视场角的图像进行拍摄、或以360°全方位(全周)视场角对图像进行投影的小型的耀光少且分辨率好的光学系统，具有前组(10)和后组(20)，该前组(10)具有绕中心轴(1)旋转对称的2个反射面(11、12)，该后组(20)绕中心轴旋转对称并拥有正屈光度，包括配置在入射光瞳(6Y)相反侧的第1反射面(11)和配置在第1反射面(11)相同侧的第2反射面(12)，在第1反射面(11)的外周与第2反射面(12)的外周之间配置有包含中心轴的剖面内的入射光瞳(6Y)，从远方入射的光束(2)依次经过前组(10)和后组(20)成像在像面(30)的偏离中心轴的位置上，在包含中心轴的剖面内，入射光瞳(6Y)位于偏离中心轴的位置上，在与包含中心轴的面正交且包含该光束的中心光线的平面内，入射光瞳(6Y)位于中心轴上，后组(20)由至少2组构成。

Description

光学系统

技术领域

本发明涉及光学系统，尤其涉及小型的分辨率好的应用于将具有360°全方位视场角的图像成像在像面上、或以360°全方位视场角来投影配置在像面上的图像的全天空照相机、全天空投影仪等的光学系统。

背景技术

以往，作为使用了反射光学系统来获得360°全方位(全周)图像的光学系统，公知有由前组和后组构成的如专利文献1、2所公开的反射光学系统，其中，所述前组由具有2个内面反射面和2个透射面并且绕中心轴旋转对称的透明介质构成，所述后组具有正屈光度并且绕中心轴旋转对称。

〔专利文献1〕美国专利第4566763号说明书

〔专利文献2〕美国专利第5473474号说明书

但是，上述任意一个现有例在使光学系统朝向天顶来进行全周摄像时，都将包含中心轴在内的剖面内的入射光瞳配置在中心轴附近，因此存在这样的问题：向光学系统的入射开口的有效直径变大，从而入射到光学系统内的来自天顶方向的有害耀光(flare)较多，图像产生恶化。

发明内容

本发明正是鉴于现有技术的这样的问题点而完成的，其目的在于提供一种用于对具有360°全方位(全周)视场角的图像进行拍摄或者按照360°全方位(全周)视场角来对图像进行投影的小型的耀光较少的分辨率良好的光学系统。

为了达到上述目的，本发明的光学系统将具有360°全方位视场角的图像成像在像面上，或者以360°全方位视场角对配置在像面上的图像进行投影，其特征在于，该光学系统具有：前组，其具有绕中心轴旋转对称的至少2个反射面；以及后组，其绕中心轴旋转对称并且具有正屈光度，在成像系统的情况下，所述前组按照光线的前进顺序依次包括第1反射面和第2反射面，在投影系统的情况下，所述前组按照与光线的前进顺序相反的顺序依次包括第1反射面和第2反射面，所述第1反射面隔着中心轴配置在与包含来自远方的光束入射的中心轴的剖面内的入射光瞳相反的一侧，所述第2反射面相对于中心轴配置在与所述第1反射面相同的一侧，所述第1反射面的面中心位于中心轴方向上比所述第2反射面的面中心更靠近所述后组侧的位置上，在所述第1反射面的外周与所述第2反射面的外周之间配置有包含中心轴的剖面内的入射光瞳，从远方入射的光束依次经过所述前组和所述后组而成像在所述像面的偏离中心轴的位置上，并且，在包含中心轴的剖面内入射光瞳位于偏离中心轴的位置上，在与包含中心轴的面正交并且包含该光束的中心光线的平面内入射光瞳位于中心轴上，所述后组由至少2组具有正屈光度的光学系统构成。

在该情况下，优选所述后组由旋转对称的同轴折射光学系统构成。

并且，优选所述第1反射面的子午剖面和弧矢剖面都具有正屈光度。

并且，优选所述第2反射面的子午剖面和弧矢剖面都具有负屈光度。

并且，优选所述光学系统具有开口，该开口与中心轴同轴地配置在比所述前组更靠近像面侧的任何位置上。

并且，优选至少1个反射面具有使不具有对称面的任意形状的线段绕中心轴旋转而形成的旋转对称的形状。

在该情况下，优选至少1个反射面具有使包含奇数次项的任意形状的线段绕中心轴旋转而形成的旋转对称的形状。

并且，优选在包含中心轴的剖面内，在入射光瞳附近配置有仅在包含中心轴的剖面内对开口进行限制的耀光光圈。

并且，优选所述光学系统具有中继光学系统，在成像系统的情况下，该中继光学系统按照光线的前进顺序向第2像面中继成像在所述像面上的图像，在投影系统的情况下，该中继光学系统按照与光线的前进顺序相反的顺序向第2像面中继成像在所述像面上的图像。

在该情况下，优选在将所述中继光学系统的背焦设为F_b、将由所述中继光学系统成的像的最大像高设为h₀时，满足如下条件：

5<F_b/h₀ …(1)。

并且，优选在将所述后组的焦距设为f_r、将由所述前组成的圆环状的像的最大像高设为h时，满足如下条件：

10°<|tan^-1(h/f_r)| …(2)。

根据以上的本发明，能够获得用于获得不会受到耀光影响的小型且对像差进行了良好校正的分辨率优良的具有360°全方位(全周)视场角的图像的光学系统，或者用于以360°全方位视场角对图像进行投影的光学系统。

附图说明

图1是沿本发明实施例1的光学系统的中心轴而取得的剖视图。

图2是示出本发明实施例1的光学系统内的光路的俯视图。

图3是实施例1的光学系统整体的横向像差图。

图4是沿本发明实施例2的光学系统的中心轴而取得的剖视图。

图5是示出本发明实施例2的光学系统内的光路的俯视图。

图6是实施例2的光学系统整体的横向像差图。

图7是沿本发明实施例3的中继光学系统的中心轴而取得的剖视图。

图8是在将该实施例3的中继光学系统连接到实施例2的光学系统的像面侧的情况下，沿中心轴而取得的剖视图。

图9是实施例3的中继光学系统的横向像差图。

图10是图8的光学系统整体的横向像差图。

图11是用于说明子午剖面和弧矢(sagittal)剖面的定义的图。

图12是用于说明仅由2个反射面构成的本发明的光学系统的前组的构成方法之一的图。

图13是用于示出使用本发明的全景(panorama)摄影光学系统来作为内窥镜前端的摄影光学系统的例子的图。

图14是用于示出在汽车的各角部和头部的电极的顶部使用本发明的全景摄影光学系统来作为摄影光学系统的例子的图。

图15是用于示出使用本发明的全景摄影光学系统来作为投影装置的投影光学系统的例子的图。

图16是用于示出通过本发明的全景摄影光学系统对室外的被摄体进行拍摄，并通过本发明的全景投影光学系统向室内进行投影显示的例子的图。

具体实施方式

以下根据实施例对本发明的光学系统进行说明。

图1是沿后述的实施例1的光学系统的中心轴(旋转对称轴)1而取得的剖视图，图2是示出该光学系统内的光路的俯视图。使用这些图1、图2来说明本发明的光学系统。另外，以下说明是作为成像光学系统进行的说明，但是也可以用作使光路相反而以360°全方位(全周)对图像进行投影的投影光学系统。另外，在图2中除示出了从方位角0°方向入射的光路之外，还示出了从±10°方向入射的光路。

本发明的光学系统由绕中心轴1旋转对称的前组10和绕中心轴1旋转对称的后组20构成，从远方的物体输入的光束2依次经过前组10和后组20而成像在与中心轴1垂直的像面30的偏离中心轴1的位置上。

前组10由绕中心轴1旋转对称的第1反射面11和第2反射面12构成。并且，后组20由绕中心轴1旋转对称的具有正屈光度的透镜系统等同轴折射光学系统构成。

在前组10中，第1反射面11的面中心(与中心轴1相交的点)位于中心轴1方向上比第2反射面12的面中心更靠近后组20侧，并且，在第1反射面11的外周和第2反射面12的外周之间配置有包含中心轴1的剖面(子午剖面)内的入射光瞳6Y。

而且，从远方入射的光束2经过子午剖面内的入射光瞳6Y而进入到第1反射面11和第2反射面12之间，并被隔着中心轴1配置在与物体相反的一侧的第1反射面11反射到与像面30相反的一侧，然后被隔着中心轴1配置在与物体相反的一侧的第2反射面12反射到像面30侧，然后在设置于第1反射面11的中心的孔15附近，进入到与中心轴1同轴地配置在前组10和后组20之间的构成光圈的圆形开口5中，之后经过正屈光度的后组20而成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向上的规定位置上。

这样，前组10发挥如下作用：接收从四周的图像朝向旋转对称轴(中心轴)1入射的光束，并转换为圆环状的空中像。而且，后组20发挥将该圆环状的空中像投影在位于像面30上的摄像元件的平面上的作用，并且，能够利用后组20来进行校正，以对在前组10中没有充分校正的像面弯曲和非点像差进行补偿。

而且，通过利用前组10对配置在前组10和后组20之间的用于构成光圈的圆形开口5进行逆投影，来形成入射光瞳，而本发明的特征在于，在子午剖面内的第1反射面11的外周与第2反射面12的外周之间，将该入射光瞳配置为子午方向的入射光瞳6Y，与此同时在弧矢剖面内的中心轴(旋转对称轴)1上，将该入射光瞳投影为弧矢方向的入射光瞳6X。

在现有例(专利文献1)中，将子午剖面的入射光瞳和弧矢剖面内的入射光瞳都配置在中心轴上，因此不能有效地配置用于阻断有害光的耀光光圈。

在本发明中，为了防止有害耀光透过开口而进入到光学系统内，仅在子午剖面内将入射光瞳6Y配置在第1反射面11的外周与第2反射面12的外周之间，由此还能够使用第1反射面11和第2反射面12的边缘来作为用于阻断耀光的光圈，能够大幅阻断进入到前组10内的无用光，从而能够减少闪耀。

另外，如图11所示的那样来定义子午剖面和弧矢剖面。图11(a)是示出本发明的光学系统的概略的光路的立体图，图11(b)是示出像面30上的视场角中心位置处的剖面的图。即，包含光学系统的中心轴(旋转对称轴)1和作为到达视场角中心的中心光束的中心光线(主光线)2₀的剖面为子午剖面，与该子午剖面正交且包含中心光线(主光线)2₀的剖面为弧矢剖面。

可以通过将机械性的长条状的光圈配置在子午剖面的入射光瞳6Y位置上来设置耀光光圈，也可以使用以保护光学系统为目的的外壳或将光不通过的部分涂黑的透明管状的部件来作为耀光光圈。并且，对于像面30侧(下侧)的光圈，合用第1反射面11的反射涂层部分；而对于与像面30相反一侧(上侧)的光圈，由于与第2反射面12之间存在较大的未使用区域，因此可以通过砂目处理并涂布黑色涂料来进行合用，而并不是光学面。

另一方面，在弧矢剖面内，前组10是将中心轴(旋转对称轴)1作为中心轴的旋转对称系统，因此光束也旋转对称地通过，从而与圆环状的像的像高相同的光束始终通过作为旋转中心的中心轴1(图2)。因此，沿与中心轴1正交的方向照射并到达圆环状的像的圆周上的光束一旦通过中心轴1之后就会到达像面30，在弧矢剖面内被逆投影的开口5存在于中心轴1上。

另外，如上所述，由于使开口5在子午剖面内和弧矢剖面内的逆投影位置不同，因此需要使前组10在包含中心轴1的面内(Y-Z方向)和与中心轴1正交的面内(X-Z方向)的焦距不同。

在本发明的光学系统中，独立地赋予通过绕中心轴1旋转来确定第1反射面11和第2反射面12的形状的任意形状的线段在子午剖面中的曲率、和该情况下的相对于中心轴1的旋转曲率即弧矢剖面的曲率，由此通过对开口5进行逆投影来将子午剖面内的入射光瞳6Y配置在第1反射面11的外周与第2反射面12的外周之间，从而能够大幅阻断进入到前组10内的无用光，能够减少闪耀。

另一方面，在与中心轴1正交的弧矢剖面中，由于是旋转对称系统，因此光束也旋转对称地通过，从而圆环上的相同像高的光束始终通过作为旋转中心的中心轴1(图2)。因此，在弧矢剖面中，到达圆周上的像面30的光束在通过中心轴1后到达像面30，弧矢剖面内的对光圈逆投影之后的开口5的像即弧矢剖面内的入射光瞳6X存在于中心轴1上。

由于采用这样的配置，因此，前组10由通过使能够在子午剖面和弧矢剖面中自由控制曲率的任意形状的线段绕中心轴1旋转而形成的、具有旋转对称形状的面构成，这一点是很重要的。而且，在前组10中，由于利用偏心配置的具有屈光度的面11、12进行反射，因此产生较大的偏心像差。为了对此进行校正，尤其重要的是：反射面11、12要使用通过使任意形状的线段中使用了奇数次项等的不具有对称面的任意形状的线段旋转而获得的面形状。

并且，在本发明的光学系统中，在包含中心轴1的剖面(子午剖面：图1)内，经过入射光瞳6Y而从远方入射的光束2、3U、3L(光束3U是从远方的天空侧入射的光束，3L是从远方的地面侧入射的光束)在前组10内成像1次，并且，在与包含中心轴1的面正交且包含该光束的中心光线2₀的平面(弧矢剖面：图2)内，这些光束2、3U、3L成像在第1反射面11和第2反射面12之间的位置4X上。

另外，在图1的实施例1的情况中，前组10的第1反射面11和第2反射面12之间的空间为空气或者真空，但是也可以填充折射率大于1的树脂等透明介质。在该情况下，在子午剖面内的入射光瞳6Y位置附近和孔15附近形成有透射面(入射面、射出面)。此情况下，可以得到更小型并且对像差进行了良好的校正的光学系统。

而且，为了确保像的亮度，优选将后组20设置为明亮的光学系统，为此优选后组20由至少2组透镜构成。

进一步优选，为了对在后组20中产生的色像差进行校正，期望2组透镜中的至少1组由接合透镜构成。

进一步优选，期望第1反射面11的无论是子午剖面还是弧矢剖面，都在上下方向的视场角中心的主光线2₀所照射的区域中具有正屈光度。这是为了表现出使凹面朝向中心轴1侧的形状从而隔着中心轴1将入射光瞳6Y投影到相反侧所必需的。除此以外的形状无法对入射光瞳进行逆投影。

进一步优选，在子午剖面和弧矢剖面中，使从入射光瞳6Y到与中心轴1同轴的开口5之间的光瞳成像次数相同是重要的。在像差校正方面上优选为，在子午剖面和弧矢剖面中使光瞳成像次数都为1次，由此来减小光学面的负担。虽然其间只要具有至少一个正屈光度部件即可，但是像本发明这样，由于将子午面剖面的入射光瞳6Y配置在远离中心轴1的不干涉其他光线的位置，因此需要使作为主屈光度部件的2个反射面11、12的主点位置尽量设置在物体侧。为此，优选使主点靠前的、所谓为正负组合的远摄型(telephoto type)的配置。由此，在能够远离中心轴1配置入射光瞳6Y的同时，能够将开口5配置在比较靠近前组10的位置上。

进一步优选，期望第2反射面12的无论子午剖面还是弧矢剖面，都在主光线2₀所照射的区域中具有负屈光度。

作为耀光光圈，可以在第1反射面11外周附近，尤其是紧靠第1反射面11的前方，配置绕中心轴1旋转对称的带状的狭缝(slit)。

进一步优选采用这样的结构：通过中继光学系统(实施例3)向第2像面中继(投影)成像在像面30上的图像，或者通过本发明的光学系统进一步投影由中继光学系统投影的图像。尤其，在如上下方向的视场角为30°以上这样的广视场角的情况下，由前组10变换的圆环状的影像相对于后组20也成为广视场角影像。这是为了确保前组10的有效区域所必需的。因此，后组20需要成为前面光圈的广视场角光学系统，很难取得背焦。另一方面，在进行高分辨率的投影或摄像的情况下，一般采用将光线分割为RGB三原色的3板方式的结构，需要配置色合成棱镜和色分解棱镜，但是在本发明的结构中，不能获得放入这些棱镜光学系统的背焦。

因此，优选在使用中继光学系统对1次像进行中继的同时，确保放入色合成棱镜和色分解棱镜的空间的结构。并且，通过任意选择中继光学系统的倍率，前组10的大小的自由度也增加。

进一步优选，在将中继光学系统的背焦设为F_b、将由中继光学系统成的像的最大像高设为h₀时，满足如下条件：

5<F_b/h₀ …(1)。

在超过该条件式(1)的下限5时，无法获得用于放入色合成棱镜和颜色分解棱镜的空间。

进一步优选，在将后组20的焦距设为f_r、将由前组10成的圆环状的像的最大像高设为h时，满足如下条件：

10°<|tan^-1(h/f_r)| …(2)。

该条件与后组20的视场角有关，当获得较大的投影视场角时，由前组10所变换的圆环状的像的视场角也变大。因此，后组20的视场角也需要变大，在超过该条件式(2)的下限10°时，无法获得较大的拍摄视场角。

另外，在本发明的光学系统中，具有将包含中心轴1的剖面(子午剖面)内的入射光瞳6Y投影在第1反射面11附近的特征，从而能够有效地配置用于防止重影等的耀光光圈。由此，能够在包含中心轴1的剖面中减小光学系统的入射区域，能够有效地防止入射到前组10的无用光，能够从根本上有效地发挥针对闪耀的措施。并且，为了在确保较大的拍摄视场角的同时使光学系统小型化，需要将构成光圈的圆形的开口5配置在前组10的附近，为此，重要的是满足以下条件式。

优选在包含中心轴1的剖面中，在将从入射光瞳6Y位置到中心轴1为止的距离设为A、将沿着入射光瞳6Y与开口5的中心轴所测量的距离设为B、并且将它们的比设为|A/B|时，满足如下条件：

0.1<|A/B|<5 …(3)。

当超过该条件式(3)的下限0.1时，入射光瞳6Y靠近中心轴1，从而耀光容易进入到光学系统内。当超过上限5时，开口5与前组10的距离过长，特别是第1反射面11将射出前组10的光线遮挡，无法获得较大的拍摄视场角。

进一步优选满足以下条件：

0.2<|A/B|<2 …(3-1)。

以下示出后述的实施例1～3的条件式(1)～(3)的值。

实施例1 实施例1 实施例3

F_b/h₀ - - 8.58

|tan^-1(h/f_r)| 25.40 16.71 -

A 16.06 13.89 -

B 19.20 22.43 -

|A/B| 0.84 0.62 -

以下，对本发明的光学系统的实施例1～3进行更详细的说明。后面将叙述这些光学系统的结构参数。例如如图1所示，这些实施例的结构参数是基于从物体面经过前组10和后组20达到像面的顺光线追踪的结果的参数。

坐标系在顺光线追踪中，例如如图1所示，将入射光瞳6Y投影到旋转对称轴(中心轴)1上的位置作为偏心光学系统的偏心光学面的原点，将离开旋转对称轴(中心轴)1的像面30的方向作为Y轴正方向，将图1的纸面内作为Y-Z平面。并且，将与图1的纸面内的当前所考虑的入射光瞳6Y侧相反的一侧的方向作为Z轴正方向，将与Y轴、Z轴构成右手正交坐标系的轴作为X轴正方向。

对偏心面赋予：与定义该面的坐标系的上述光学系统的原点中心的偏心量(分别用X、Y、Z表示X轴方向、Y轴方向、Z轴方向)，和对分别将由光学系统的原点所定义的坐标系的X轴、Y轴、Z轴作为中心的各面进行定义的坐标系的倾角(分别为α，β，γ(°))。在该情况下，α和β为正意味着相对于各轴的正方向逆时针旋转，γ为正意味着相对于Z轴的正方向顺时针旋转。另外，面的中心轴的α，β，γ旋转的方法如下：首先使定义各面的坐标系绕着由光学系统的原点所定义的坐标系的X轴逆时针旋转α，然后绕着该旋转后的新的坐标系的Y轴逆时针旋转β，然后绕着该旋转后的又一个新的坐标系的Z轴顺时针旋转γ。

并且，在构成各实施例的光学系统的光学作用面中，在特定的面和与其接续的面构成共轴光学系统时，赋予了面间隔，另外按照常用方法赋予面的曲率半径、介质的折射率以及阿贝(Abbe)数。

另外，与没有作为数据记载于后述的结构参数中的非球面相关的项为0。关于折射率和阿贝数，在表中记载了针对d线(波长为587.56nm)的折射率和阿贝数。长度单位是mm。如上所述，利用与入射光瞳6Y投影到旋转对称轴(中心轴)1上的位置的偏心量来表示各面的偏心。

另外，非球面为由以下定义式给予的旋转对称非球面。

Z＝(Y²/R)/[1+{1-(1+k)Y²/R²}^1/2]

+aY⁴+bY⁶+cY⁸+dY¹⁰+...

...(a)。

其中，设Z为轴，取Y为与轴垂直的方向。这里，R为近轴曲率半径，k为圆锥常数，a、b、c、d、...分别为4次、6次、8次、10次的非球面系数。该定义式的Z轴成为旋转对称非球面的轴。

并且，扩展旋转自由曲面为由以下定义所给予的旋转对称面。

首先，定义在Y-Z坐标面上通过原点的下述曲线(b)。

Z＝(Y²/RY)/[1+{1-(C₁+1)Y²/RY²}^1/2]

C₂Y+C₃Y²+C₄Y³+C₅Y⁴+C₆Y⁵+C₇Y⁶+...+C₂₁Y²⁰+...+C_n+1Yⁿ+...

...(b)。

接下来，定义将朝X轴正方向左旋转为正而使该曲线(b)旋转角度θ(°)得到的曲线F(Y)。该曲线F(Y)也在Y-Z坐标面上通过原点。

把可以使该曲线F(Y)向Z正方向平行移动距离R(负时向Z负方向)，之后使该平行移动后的曲线绕着Y轴旋转而得到的旋转对称面设为扩展旋转自由曲面。

其结果，扩展旋转自由曲面在Y-Z面内成为自由曲面(自由曲线)，并且在X—Z面内成为半径为|R|的圆。

根据该定义，Y轴成为扩展旋转自由曲面的轴(旋转对称轴)。

这里，RY为在Y-Z剖面中的球面项的曲率半径，C₁为圆锥常数，C₂、C₃、C₄、C₅...分别为1次、2次、3次、4次...的非球面系数。

而且，在本发明的光学系统中，前组10的至少1个反射面是这种扩展旋转自由曲面，当在Y-Z剖面中利用多项式来表示时，期望该反射面具有使至少具有奇数次项而不具有对称面的任意形状的线段绕着中心轴1旋转所形成的旋转对称的形状。通过使至少1个反射面具有这样的面形状，能够提供对反射光学系统中无法避免的偏心像差进行校正且分辨率良好的光学系统，同时能够实现该光学系统的小型化。

图1示出了沿实施例1的光学系统的中心轴(旋转对称轴)1而取得的剖视图，图2示出了表示该光学系统内的光路的俯视图。另外，在图2中除示出了从方位角0°方向入射的光路之外，还示出了从±10°方向入射的光路。

该实施例的光学系统由绕中心轴1旋转对称的前组10、绕中心轴1旋转对称的后组20以及与中心轴1同轴地配置在前组10和后组20之间的开口5构成，从远方的物体输入的光束2依次经过前组10和后组20而成像在与中心轴1垂直的像面30的偏离中心轴1的位置上。在将中心轴1设定为垂直(上下方向)的情况下，例如具有360°全方位(全周)视场角的、天顶方向朝向图像的中心方向且地平线为外侧的圆的圆环状的图像成像在像面30上。

前组10由绕中心轴1旋转对称的第1反射面11和第2反射面12构成。并且，后组20由透镜系统构成，该透镜系统具有正屈光度，包括4片透镜L1～L5并由3组构成。

前组10由第1反射面11和第2反射面12构成，第1反射面11隔着中心轴1配置在与物体侧相反的一侧，第2反射面12相对于中心轴1配置在与第1反射面11相同的一侧，第1反射面11配置为比第2反射面12更靠近像面30侧。

而且，从远方入射的光束2经过第1反射面11的外周与第2反射面12的外周之间的子午剖面内的入射光瞳6Y而进入到第1反射面11和第2反射面12之间，并被隔着中心轴1配置在与入射光瞳6Y相反一侧的第1反射面11反射到与像面30相反的一侧，然后被相对于中心轴1配置在与第1反射面11相同侧的第2反射面12反射到像面30侧，然后在第1反射面11的中心的孔15附近，通过与中心轴1同轴地配置在前组10和后组20之间的构成光圈的圆形开口5，接着经过正屈光度的后组20而成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向上的规定位置上。该前组10的第1反射面11和第2反射面12由扩展旋转自由曲面构成。其中，圆锥常数为0。

构成后组20的透镜系统从前组10侧起依次包括：由双凸正透镜L1、双凸正透镜L2和双凹负透镜L3构成的接合透镜；以及由双凸正透镜L4和凹面朝向前组10侧的负凹凸透镜(meniscus lens)L5构成的接合透镜。

而且，在使中心轴1朝向垂直方向，使像面30朝向天顶方向来进行配置的情况下，从仰角20°方向的远方入射的中心光束2依次被前组10的第1反射面11、第2反射面12反射，通过第1反射面11的中心的孔15和开口5，然后经过后组20而成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向的规定位置上。

在该实施例的光学系统中，将位于前组10与后组20之间的开口(光圈)5投影到物体侧，在子午剖面内使入射光瞳6Y形成在前组10的第1反射面11的外周与第2反射面12的外周之间，并且，在弧矢剖面内在中心轴(旋转对称轴)1上成像为像6X，从而在中心轴1上形成入射光瞳6X。

而且，在该实施例的光学系统中，在包含中心轴1的剖面(子午剖面：图1)内，经过入射光瞳6Y而从远方入射的光束2、3U、3L(光束3U是从远方的天空侧入射的光束，3L是从远方的地面侧入射的光束)成像在第2反射面12附近的位置4Y上，并且，在与包含中心轴1的面正交且包含该光束的中心光线2₀的平面(弧矢剖面：图2)内，这些光束2、3U、3L成像在第1反射面11和第2反射面12之间的位置4X上。

该实施例1的规格为：

水平视场角 360°

垂直视场角 20°(中心视场角20°(仰角))

入射光瞳直径 0.92mm

像的大小 Φ1.89～Φ4.82mm

在该实施例1的光学系统中，优选在与地面平行地配置像面30的结构中，使用仰视天空侧的视场角。

图3示出了该实施例的光学系统整体的横向像差。在该横向像差图中，示于中央的角度表示垂直方向的视场角，表示该视场角在Y方向(子午方向)和X方向(弧矢方向)的横向像差。其中，正视场角表示俯角，负视场角表示仰角。以下同样。

图4示出了沿实施例2的光学系统的中心轴(旋转对称轴)1而取得的剖视图，图5示出了该光学系统内的光路的俯视图。另外，在图5中除示出了从方位角0°方向入射的光路之外，还示出了从±10°方向入射的光路。

本实施例的光学系统是利用折射率大于1的树脂等透明介质16来填充前组10的第1反射面11与第2反射面12之间的空间的光学系统，该光学系统由绕中心轴1旋转对称的前组10、绕中心轴1旋转对称的后组20以及与中心轴1同轴地配置在前组10和后组20之间的开口5构成，从远方的物体输入的光束2依次经过前组10和后组20而成像在与中心轴1垂直的像面30的偏离中心轴1的位置上，在将中心轴1设定为垂直(上下方向)的情况下，例如具有360°全方位(全周)视场角的、天顶方向朝向图像的中心方向且地平线为外侧的圆的圆环状的图像成像在像面30上。

前组10除了具有绕中心轴1旋转对称的第1反射面11和第2反射面12之外，还具有朝向透明介质16中进行入射的第1透射面13和从透明介质16进行射出的第2透射面14，第1透射面13和第2透射面14都呈现为绕中心轴1旋转对称的形状。并且，第1透射面13相对于中心轴1配置在物体侧；第1反射面11隔着中心轴1配置在与第1透射面13相反一侧，并且配置为比第1透射面13更靠近像面30侧；第2反射面12相对于中心轴1配置在与第1反射面相同一侧，并且相对于第2反射面12配置在像面30的相反侧；第2投射面14配置在第1反射面11的中心的孔15附近并且比第1投射面11靠近像面30侧。

并且，后组20由透镜系统构成，该透镜系统具有正屈光度，包括5片透镜L1～L5并由3组构成。

而且，从远方入射的光束2经过第1透射面13进入到透明介质16内，由隔着中心轴1配置在与第1透射面13相反一侧的第1反射面11反射到与像面30相反的一侧，然后由相对于中心轴1配置在与第1反射面11相同侧的第2反射面12反射到像面30侧，经过第2透射面14从透明介质16向外射出，之后依次经过与中心轴1同轴地配置在前组10和后组20之间的构成光圈的圆形开口5和正屈光度的后组20，从而成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向上的规定位置上。该前组10的第1反射面11、第2反射面12和第1透射面13由扩展旋转自由曲面构成。其中，圆锥常数为0。并且，第2透射面14由在中心轴1上具有面顶的旋转对称非球面构成。

构成后组20的透镜系统从前组10侧起依次包括：由凹面朝向前组10侧的负凹凸透镜L1、双凸正透镜L2和凹面朝向前组10侧的负凹凸透镜L3构成的接合透镜；以及由双凸正透镜L4和双凹负透镜L5构成的接合透镜。

而且，在使中心轴1朝向垂直方向，使像面30朝向天顶方向来进行配置的情况下，从仰角22.5°方向的远方入射的中心光束2被作为前组10的入射面的第1透射面13折射而进入到前组10的透明介质16内，被第1反射面11、第2反射面12依次反射的光束由第2透射面14折射而从前组10的透明介质向外射出，进而经过开口5向后组20入射，从而成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向上的规定位置上。

而且，在该实施例的光学系统中，在包含中心轴1的剖面(子午剖面：图4)内，经过入射光瞳6Y而从远方入射的光束2、3U、3L(光束3U是从远方的天空侧入射的光束，3L是从远方的地面侧入射的光束)成像在第1反射面11附近的位置4Y上，并且，在与包含中心轴1的面正交且包含该光束的中心光线2₀的平面(弧矢剖面：图5)内，这些光束2、3U、3L成像在第1反射面11和第2反射面12之间的位置4X上。

该实施例2的规格为：

水平视场角 360°

垂直视场角 45°(中心视场角22.5°(仰角))

入射光瞳直径 1.68mm

像的大小 Φ2.42～Φ5.43mm

在该实施例2的光学系统中，第1反射面11配置为比第1透射面13更靠近像面30侧，第2反射面12相对于第1反射面11配置在像面30的相反侧，第2投射面14配置为比第1透射面13更靠近像面30侧。

该实施例2的光学系统优选在与地面平行地配置像面30的结构中，使用仰视天空侧的视场角。

图6示出了该实施例的光学系统整体的横向像差。

图7示出了沿实施例3的中继光学系统的中心轴1而取得的剖视图。并且，图8示出了在将该实施例的中继光学系统连接到实施例2的光学系统的像面30侧的情况下，沿中心轴1而取得的剖视图。

该实施例是将成像在实施例1～2等本发明的光学系统的像面30上的圆环状的像中继到第2像面40上的中继光学系统50的实施例(图8示出了在将该实施例的中继光学系统50连接到实施例2的光学系统的像面30侧的情况下的剖视图)。该中继光学系统50是由从像面30侧起依次排列的凹面朝向物体侧的正凹凸透镜L1、双凹负透镜L2、凹面朝向物体侧的正凹凸透镜L3、双凸正透镜L4、双凸正透镜L5、双凸正透镜L6和双凹负透镜L7的接合透镜、以及双凸正透镜L8构成的7组8片结构，并且在双凸正透镜L8和第2像面40之间(背焦)配置有色分解棱镜P(在投影光学系统的情况下为色合成棱镜)。

该实施例3的中继光学系统50的规格为：

倍率 1.0

焦距 145.34mm

入射侧NA 0.22

物体高 Φ6.00mm

像大小 Φ6.00mm

图9示出了该实施例的中继光学系统50的横向像差，图10示出了在将该实施例的中继光学系统50连接到实施例2的光学系统的像面30侧的情况下的整体的横向像差。

以下示出了上述实施例1～3的结构参数。其中，以下的表中的“ASS”表示非球面，“ERFS”表示扩展旋转自由曲面。并且“RE”分别表示反射面。

实施例1

面编号曲率半径面间隔偏心折射率阿贝数

物体面 ∞ ∞

1 ∞(入射光瞳面) 偏心(1)

2 ERFS[1](RE) 偏心(2)

3 ERFS[2](RE) 偏心(3)

4 ∞(光圈) 偏心(4)

5 7.56 2.50 1.7118 47.6

6 -23.20 0.10

7 7.66 2.50 1.6375 57.1

8 -4.86 1.00 1.6610 32.7

9 8.16 0.10

10 5.45 3.00 1.5908 61.9

11 -3.50 1.00 1.6378 34.6

12 -23.24 1.00

像面 ∞

ERFS[1]

RY -206.37

θ -40.44

R 11.53

C₃ -1.3868×10^-2

C₄ 8.7260×10^-5

C₅ -2.8698×10^-6

ERFS[2]

RY -31.77

θ -85.06

R 5.20

C₃ 1.4294×10^-2

C₄ 4.7975×10^-4

C₅ -2.4349×10^-5

偏心(1)

X 0.00 Y 0.00 Z -16.05

α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心(2)

X 0.00 Y -10.04 Z 0.00

α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心(3)

X 0.00 Y 1.33 Z 0.00

α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心(4)

X 0.00 Y -14.70 Z 0.00

α -90.00 β 0.00 γ 0.00

实施例2

面编号曲率半径面间隔偏心折射率阿贝数

物体面 ∞ ∞

1 ∞(入射光瞳面) 偏心(1)

2 ERFS[1] 偏心(2) 1.5247 56.2

3 ERFS[2](RE) 偏心(3) 1.5247 56.2

4 ERFS[3](RE) 偏心(4) 1.5247 56.2

5 ASS[1] 偏心(5)

6 ∞(光圈) 1.52 偏心(6)

7 -6.88 6.02 1.6385 55.4

8 -8.12 0.20

9 55.87 5.03 1.6230 58.1

10 -8.26 2.83 1.7552 27.5

11 -15.70 0.20

12 12.96 5.31 1.6230 58.1

13 -15.13 2.23 1.7552 27.5

14 57.95 5.00

像面 ∞

ERFS[1]

RY 10.08

θ -42.51

R -13.87

C₄ 1.1608×10^-3

ERFS[2]

RY -329.47

θ -33.76

R 17.72

C₃ -1.5624×10^-2

C₄ -1.4271×10^-4

C₅ -8.5582×10^-6

ERFS[3]

RY -10.84

θ -79.00

R 7.82

C₃ 2.9495×10-²

C₄ -5.4904×10^-4

C₅ 1.1399×10^-4

ASS[1]

R -9.41

k 0.0000

a 4.5893×10^-4

偏心(1)

X 0.00 Y 0.00 Z -13.89

α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心(2)

X 0.00 Y 0.00 Z 0.00

α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心(3)

X 0.00 Y -9.20 Z 0.00

α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心(4)

X 0.00 Y 3.15 Z 0.00

α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心(5)

X 0.00 Y -21.83 Z 0.00

α -90.00 β 0.00 γ 0.00

偏心(6)

X 0.00 Y -22.43 Z 0.00

α -90.00 β 0.00 γ 0.00

实施例3

面编号曲率半径面间隔偏心折射率阿贝数

物体面 ∞ 9.98

1 -226.44 4.28 1.8061 40.9

2 -14.90 12.39

3 -7.82 5.00 1.8061 40.9

4 43.70 1.73

5 -26.37 4.18 1.5691 71.3

6 -14.28 0.20

7 291.23 7.00 1.5691 71.3

8 -15.60 0.40

9 20.70 6.26 1.4970 81.5

10 -50.27 0.20

11 19.79 6.13 1.4875 70.2

12 -24.16 1.00 1.8061 40.9

13 12.84 20.83

14 54.77 5.40 1.6910 54.8

15 -30.58 2.00

16 ∞ 20.00 1.5163 64.1

17 ∞ 8.08

像面 ∞

在以上实施例的光学系统中，在比前组10更靠近物体侧的位置还附加有Y复曲面透镜(toric lens)，该Y复曲面透镜也采用由相对于Y轴(中心轴1)旋转对称的面构成的透镜，该复曲面透镜在X方向上不具有屈光度，另一方面在Y方向(图1的剖面内等)上具有负屈光度，由此能够获得较大的包含旋转对称轴1的剖面方向上的视场角。进一步优选，该复曲面透镜在Y-Z剖面内构成为凸面朝向物体侧的负凹凸透镜形状，由此能够使像失真的发生成为最小，能够进行良好的像差校正。

而且，在前组10的物体侧不限于剖面为负凹凸透镜形状的1个Y复曲面透镜，通过利用2片或3片凹凸形状的透镜来构成能够进一步减少像失真的发生。并且，不限于透镜，利用相对于中心轴1旋转对称的反射面或棱镜来对光线进行反射、折射也能够容易地对任意方向进行拍摄或观察。

并且，在以上实施例中，利用通过使任意形状的线段绕旋转对称轴1旋转而形成的、在旋转对称轴1上不具有面顶的扩展旋转自由曲面来分别构成前组10的反射面、折射面，但是可以分别简单地置换为任意的曲面。

并且，本发明的光学系统在定义用于形成旋转对称面的任意形状的线段的式子中使用了包含奇数次项的式子，由此来对由偏心产生的像面的倾斜、光圈的逆投影时的光瞳像差进行校正。

并且，通过原样地使用构成本发明的前组10的绕中心轴1旋转对称的透明介质，能够拍摄或投影具有360°全方位视场角的图像，但也可以利用包含中心轴1的剖面将该透明介质截断成为2分之1、3分之1、以及3分之2等，由此来拍摄或投影绕中心轴1的视场角为180°、120°、以及240°等的图像。

另外，如实施例1所述，在本发明的光学系统的前组10只由2片反射面11、12构成的情况下，如图12(b)所示，这样的前组10使第1反射面11、第2反射面12同心地形成在相同直径的各圆筒体11’、12’上，将一个圆筒体11’上下反转以使第1反射面11与第2反射面12彼此相面对，从内径与圆筒体11’、12’的外径相同的透明圆筒体19的两端将圆筒体11’、12’插入到该圆筒体19中，并以保持规定间隔的方式将圆筒体11’、12’固定到圆筒体19上，由此能够简单地获得图12(a)所示的前组10。

以上，将本发明的光学系统作为中心轴(旋转对称轴)1朝向垂直方向的、用于获得包含天顶的360°全方面(全周)视场角的图像的摄像或观察光学系统而进行了说明，但是本发明不限于摄影光学系统、观察光学系统，也可以用作使光路相反、并以包含天顶的360°全方位(全周)视场角来投影图像的投影光学系统。并且，对于内窥镜而言，还可以用作管内观察装置的全周观察光学系统。

以下，作为本发明的光学系统的应用例，说明全景摄影光学系统31或全景投影光学系统32的使用例。图13是用于示出使用本发明的全景摄影光学系统31来作为内窥镜前端的摄影光学系统的例子的图，图13(a)是将本发明的全景摄影光学系统31安装在硬性内窥镜41前端来对360°全方位图像进行拍摄观察的例子。图13(b)示出了其前端的概略结构。在本发明的全景摄影光学系统31的前组10的入射光瞳6Y的周围配置有耀光光圈27以防止耀光的入射，该耀光光圈27由外壳等构成，该外壳具有沿圆周方向呈长条状延伸的开口26。并且，图13(c)是同样将本发明的全景摄影光学系统31安装在软性电子内窥镜42的前端，并通过对所拍摄的图像进行图像处理来校正失真从而在显示装置43上进行显示的例子。

图14(a)是示出在汽车48的各角部和头部的电极顶部安装多个本发明的全景摄影光学系统31来作为摄影光学系统、并对由各全景摄影光学系统31拍摄的图像进行图像处理来校正失真同时在车内的显示装置上进行显示的例子。图14(b)示出了其前端的概略结构。在本发明的全景摄影光学系统31的前组10的入射光瞳6Y的周围配置有耀光光圈27以防止耀光的入射，该耀光光圈27由外壳等构成，该外壳具有沿圆周方向呈长条状延伸的开口26。

图15是这样的例子：使用本发明的全景摄影光学系统32来作为投影装置44的投影光学系统，将全景图像显示在配置于其像面上的显示元件上，从而通过全景投影光学系统32将360°全方位图像投影显示在360°全方位地配置的屏幕45上。

在图16中，将使用了本发明的全景投影光学系统31的摄影装置49安装在建筑物47的外部，将使用了本发明的全景投影光学系统32的摄影装置44配置在室内，并采用经由电线46将摄影装置49所拍摄的影像传送给投影装置44的方式来进行连接。在这样的配置中，示出了这样的例子：通过全景摄影光学系统31由摄影装置49拍摄室外360°全方位被摄体O，经由电线46将其影像信号传送给投影装置44，将该影像显示在配置于像面上的显示元件上，从而通过全景投影光学系统32将被摄体O的影像O’投影显示在室内的壁面等上。

产业上的可利用性

Claims

1.一种光学系统，其将具有360°全方位视场角的图像成像在像面上，或者以360°全方位视场角对配置在像面上的图像进行投影，其特征在于，

该光学系统具有：前组，其具有绕中心轴旋转对称的至少2个反射面；以及后组，其绕中心轴旋转对称并且具有正屈光度，

在成像系统的情况下，所述前组按照光线的前进顺序依次包括第1反射面和第2反射面，在投影系统的情况下，所述前组按照与光线的前进顺序相反的顺序依次包括第1反射面和第2反射面，所述第1反射面隔着中心轴配置在与包含来自远方的光束入射的中心轴的剖面内的入射光瞳相反的一侧，所述第2反射面相对于中心轴配置在与所述第1反射面相同的一侧，所述第1反射面的面中心位于中心轴方向上比所述第2反射面的面中心更靠近所述后组侧的位置上，在所述第1反射面的外周与所述第2反射面的外周之间配置有包含中心轴的剖面内的入射光瞳，

从远方入射的光束依次经过所述前组和所述后组而成像在所述像面的偏离中心轴的位置上，并且，在包含中心轴的剖面内入射光瞳位于偏离中心轴的位置上，在与包含中心轴的面正交并且包含该光束的中心光线的平面内入射光瞳位于中心轴上，所述后组由至少2组具有正屈光度的光学系统构成。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，

所述后组由旋转对称的同轴折射光学系统构成。

3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，

所述第1反射面的子午剖面和弧矢剖面都具有正屈光度。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的光学系统，其特征在于，

所述第2反射面的子午剖面和弧矢剖面都具有负屈光度。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的光学系统，其特征在于，

所述光学系统具有开口，该开口与中心轴同轴地配置在比所述前组更靠近像面侧的任何位置上。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的光学系统，其特征在于，

至少1个反射面具有使不具有对称面的任意形状的线段绕中心轴旋转而形成的旋转对称的形状。

7.根据权利要求1～3中任一项所述的光学系统，其特征在于，

至少1个反射面具有使包含奇数次项的任意形状的线段绕中心轴旋转而形成的旋转对称的形状。

8.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，

在包含中心轴的剖面内，在入射光瞳附近配置有耀光光圈，该耀光光圈仅在包含中心轴的剖面内对开口进行限制。

9.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，

10.根据权利要求1～3中任一项所述的光学系统，其特征在于，

所述光学系统具有中继光学系统，在成像系统的情况下，该中继光学系统按照光线的前进顺序向第2像面中继成像在所述像面上的图像，在投影系统的情况下，该中继光学系统按照与光线的前进顺序相反的顺序向第2像面中继成像在所述像面上的图像。

11.根据权利要求10所述的光学系统，其特征在于，

在将所述中继光学系统的背焦设为F_b、将由所述中继光学系统成的像的最大像高设为h₀时，满足如下条件：

5<F_b/h₀ …(1)。

12.根据权利要求1～3中任一项所述的光学系统，其特征在于，

在将所述后组的焦距设为f_r、将由所述前组成的圆环状的像的最大像高设为h时，满足如下条件：

10°<|tan^-1(h/f_r)| …(2)。

13.一种内窥镜，其特征在于，该内窥镜具有权利要求1～3中任一项所述的光学系统。