JP2015129973A - 広角レンズ及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い撮像範囲に亘って均質な画質の像を撮像できる新規な撮像システムと、これに用いる結像光学系を実現する。
【解決手段】ｎを２以上の自然数として３６０／ｎより大きい全画角：Ａ（度）を持つ結像光学系と、この結像光学系ＷＬＣにより集光された光を画像信号に変換する２次元の固体撮像素子ＳＮＣとにより構成される撮像光学系をｎ個以上組み合わせて有する撮像システムにおいて、個々の撮像光学系の結像光学系ＷＬＣ、ＷＬＤは、単位画角あたりの倍率が、画角：０（度）から３６０／ｎ（度）までの間において単調増加し、画角：３６０／ｎ（度）を超えてから全画角：Ａ（度）までは、上記倍率の増加率が単調減少するものである。
【選択図】図１０

Description

この発明は、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、広角レンズを複数使用したものが知られている。この種の撮像システムに用いられる広角レンズは、通常の平面撮像用の撮像レンズと異なり「レンズ中心とレンズ周辺部で倍率比が異なる」ことが多い。

従来から知られた広角レンズを用いて、小型で「全天球に亘って画質が均一」である撮像システムを構築する場合には、広角レンズの「レンズ中心に比して結像性能が落ちやすいレンズ周縁部での画質劣化」を補うため、周縁部での結像倍率を「レンズ中心に比べ高く」する必要がある。

一般に、レンズ中心に比べレンズ周辺の倍率が大きいレンズ系、即ち、単位画角あたりの倍率が単調増加するレンズ系の方が「レンズ系全長としては短い」ことが知られているが、レンズ系を構成するレンズの肉厚が薄くなるため、レンズの加工性が悪くなる。
レンズの加工性を考慮したレンズでは、上記とは逆に「レンズ中心に比してレンズ周縁部での倍率が低く」なりやすく、周縁部での結像倍率を「レンズ中心に比べ高く」しようとすると、レンズ系全長が長くなり易い。

広角レンズとしての「魚眼レンズ」の投射方式を「立体投射方式」に近づけることにより、画像周辺での倍率を高めることが特許文献１に開示されている。

この発明は、全撮像範囲に亘って均質な画質の像を撮像できる新規な撮像システムと、これに用いる結像光学系の実現を課題とする。

この発明の撮像システムは「複数の撮像光学系を組み合わせて有する撮像システム」であって、以下の如き特徴を有する。

撮像光学系は「結像光学系と固体撮像素子を１個ずつ」組み合わせて構成される。

「固体撮像素子」は受光領域が面積エリアをなす「２次元の固体撮像素子」であり、組み合わせられる結像光学系により集光された光を画像信号に変換する。

「結像光学系」は、撮像対象の像を固体撮像素子の受光領域に結像させる。この結像光学系は「ｎを２以上の自然数として３６０／ｎより大きい全画角：Ａ（度）」を持つ。

そして、単位画角あたりの倍率が「画角：０（度）から３６０／ｎ（度）までは単調増加し、画角：３６０／ｎ（度）を超えてから全画角：Ａ（度）までは、上記倍率の増加率が単調減少」する。即ち、結像光学系は「単位画角あたりの倍率」が、このような特性を持つように設計・製造される。

画角：３６０／ｎ（度）を超えてから全画角：Ａ（度）までは「単位画角あたりの倍率の増加率が単調減少」するので、画角が３６０／ｎ（度）を超えてから全画角：Ａ（度）までの領域では「単位画角あたりの倍率」の様子は以下のようになる。

即ち、３６０／ｎ（度）までの倍率の増加に比して、増加の程度が小さくなる「緩い増加」状態、あるいは、一定状態（３６０／ｎ度における単位画角あたりの倍率の値を維持する）、あるいは倍率が「単調減少」する状態となる。

なお、単位画角あたりの倍率が、画角と共に単調増加する投射方式は「立体投射方式」である。従って、上記結像光学系は、「画角：０（度）から３６０／ｎ（度）までは立体投射方式」であり、それより大きい画角領域では「単位画角あたりの倍率の変化」の状態が、緩い増加状態、あるいは変化しない一定、もしくは単調減少状態になるのである。

請求項１記載の撮像システムは、画角：０（度）から全画角：Ａまでの全画角領域で、像高：Ｙ、画角：θについて、条件：
（１） ４３．３≧ｄＹ／ｄθ≧０．００７[ｍｍ／ｄｅｇ]
を満たすことが好ましい（請求項２）。

請求項１または２記載の撮像システムは、全画角：Ａが１８０度より大きい結像光学系と、この結像光学系により集光された光を画像信号に変換する２次元の固体撮像素子とにより構成される撮像光学系を、２個組み合わせ、４πラジアンの立体角内の撮像対象の撮像を行なう全天球型の撮像システムとすることができる（請求項３）。

請求項１〜３の任意の１に記載の撮像システムは、隣接した撮像光学系により撮像された複数の画像を、各々の画像の内「同一像を参考に繋ぎ合わせる機能」を有し、撮像された各画像の画角：０（度）〜３６０/ｎ（度）までの画像を繋ぎ合わせ表示するものであることができる（請求項４）。

請求項１〜４の任意の１に記載の撮像システムは、各撮像光学系の結像光学系が、物体側に配置された負の第１レンズ群と、像側に配置された正の第２レンズ群によりなり、第１および第２のレンズ群の少なくとも一方が非球面レンズを有するものであることができる（請求項５）。

この場合において、結像光学系の第１レンズ群が「第２レンズ群に向かって光路を屈曲させる反射部材」を有することができる（請求項６）。

この請求項６記載の撮像システムにおいて、結像光学系の第１レンズ群が有する反射部材は、プリズムであることができる（請求項７）。

上記のように、この発明によれば新規な全天球型撮像システムと結像光学系を実現できる。結像光学系は、単位画角辺りの倍率が「結像レンズの全画角に渡って単調増加する」のではなく、画角：３６０／ｎをこえる画角領域では「緩い増加、もしくは一定、または単調減少」するので、レンズの周辺部分に「容易に加工できる厚み」を確保しつつ、全画角に渡って立体投射方式を実現する場合に比して、結像光学系の設計・製造が容易で、安価に製造できる。従って、このような結像光学系を用いる全天球型撮像システムを安価に実現できる。

全天球型撮像システムにおいて、２つの撮像光学系を組み合わせた１例を示す図である。 結像光学系である広角レンズの１実施例の球面収差図である。 広角レンズの実施例の像面湾曲図である。 広角レンズの実施例のコマ収差図である。 広角レンズの実施例のＭＴＦ特性図である。 広角レンズの実施例のＭＴＦ特性図である。 広角レンズの実施例の単位画角あたりの倍率の変化を説明するための図である。 広角レンズの実施例の特性を示す図である。 全天球型撮像システムの実施の１形態を説明するための図である。 全天球型撮像システムの実施の別形態を説明するための図である。

以下、実施の形態を説明する。

図９は、発明の１実施形態として、２つの広角レンズを用いる全天球型の撮像システムの１例を示している。

この例では「２つの結像光学系」として、２つの広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢを組み合わせて、全天球の情報を撮像できるようにしている。広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢは「同一仕様のもの」であり、それぞれの光軸が合致するようにして、互いに逆向きに組み合わせられている。

広角レンズＷＬＡの撮像する画像は、２次元の固体撮像素子ＳＮＡの受光面上に結像し、広角レンズＷＬＢの撮像する画像は、２次元の固体撮像素子ＳＮＢの受光面上に結像する。これら固体撮像素子ＳＮＡ、ＳＮＢは、受光した光分布を「画像信号」に変換して、画像処理手段２に入力させる。

画像処理手段２は、固体撮像素子ＳＮＡとＳＮＢからの画像信号を、１つの画像に合成して「立体角：４πラジアンの画像（以下「全天球画像」と呼ぶ。）」とし、ディスプレイや印刷装置等の出力手段３に向けて出力し、出力手段は全天球画像を出力する。

広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢにおいて、ｎ＝２であり、これら広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢは「１８０（＝３６０／２）度を超える画角：Ａ（度）」を有している。

広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢは「単位画角あたりの倍率」が、画角：０（度）から１８０（＝３６０／２）度までの間において単調増加し、画角：１８０度から全画角：Ａ度までは上記倍率の増加率が単調減少するように構成されている。

このような「単位画角あたりの倍率」の変化の特性の技術的意義を説明する。

固体撮像素子ＳＮＡやＳＮＢのような「２次元の固体撮像素子」では、その受光面に、極微小な受光領域が相互に分離して、「均一な高い密度」で２次元的に配列している。個々の微小な受光領域で光電変換される情報が「画像情報の画素情報」を構成する。

広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢは、その光軸が「対応する固体撮像素子の受光領域の中心部に直交して位置する」ように、また、受光領域が「対応する広角レンズの結像面となる」ように、固体撮像素子ＳＮＡ、ＳＮＢに対する位置関係を定められている。

ところで、結像レンズの結像性能は一般的に、結像面上で光軸から離れるに従い、空間的な解像度（ＭＴＦ）が低下し、また像の明るさも減少する。

「結像面上で光軸から離れるに従い、空間的な解像度（ＭＴＦ）が低下し、像の明るさが減少する」ことは、受光領域の周辺部に行く程「同一の大きさの受光領域部分」に与えられる画像情報が「貧弱化」することを意味する。

このような「画像情報の貧弱化」を補償するためには、受光領域の周辺部に向かうにつれて「結像倍率」を増加させるようにすればよい。即ち、周辺部で結像倍率が増大すると、「一定の画像情報」を受光する受光面上の面積が、広角レンズの光軸を離れるに従い、増大するので「一定の画像情報を受光する画素数」が増大し、上記「画像情報の貧弱化」を補償できることになる。

図９に示した「全天球型の撮像システム」に用いる結像光学系（広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢ）は、上記の如く「単位画角あたりの倍率」が、１８０度を超える全画角：Ａのうち、画角：０度（光軸）から１８０度までの間においては単調増加し、画角：１８０度から全画角：Ａ度までは「倍率の増加率が単調減少する」ように構成される。

即ち、画角：１８０度から全画角：Ａ度までは、単位画角あたりの倍率は「１８０度までの増加率よりも低い増加率の緩やかな増加」あるいは、「１８０度における単位画角あたりの倍率を維持する一定倍率」、または「単調な減少」の状態となる。

以下では、説明の具体性のため、画角：１８０度から全画角：Ａ度までの「単位画角あたりの倍率」が「１８０度における単位画角あたりの倍率を略維持する一定倍率」であるとする。

仮に、広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢを単独で用いるのであれば「単位画角あたりの倍率」を、０度から全画角：Ａ度に至る全画角領域で「全画角：Ａ度に向かって単調増加」させることが好ましい。

図９を参照すると、広角レンズＷＬＡとＷＬＢとは、図の如く組み合わせられている。

図９において、符号「ａ１」は、広角レンズＷＬＡの最も物体側のレンズ面の頂点であり、符号「ｃ１」は、広角レンズＷＬＢの最も物体側のレンズ面の頂点である。

広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢに最大画角で入射する「入射光束」は、図９に示すｂ１点、ｄ１点で「相互に交差」する。広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢの対物側のレンズ頂点ａ１、ｃ１から、点ｂ１とｄ１を通る平面との距離は、図に示す距離：Ｒ１である。
また、レンズ頂点ａ１、ｃ１を結ぶ直線（広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢの光軸）と、点ｂ１、ｄ１までの距離は、図に示す距離：Ｌ１である。

図９において、広角レンズＷＬＡに入射する最大画角光束は、対物側のレンズ頂点ａ１を頂点とする「円錐状」であり、広角レンズＷＬＢに入射する最大画角光束も、対物側のレンズ頂点ｃ１を頂点とする「円錐状」である。

そして、これら２つの円錐面（底面半径：Ｌ１、高さ：Ｒ１）が、レンズ光軸を共通にして組み合わせられた「２つの円錐面に囲繞された空間部分（図９において、点ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１を結ぶ平行四辺形を、点ａ１、ｃ１を結ぶ直線の周りに回転して得られる空間形状の内部）」は「撮像されない空間領域」である。

さて、広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢの「画角：１８０度を越える部分」に入射する入射光束は、図９において、点ｂ１とｄ１を含む平面内で互いに交わり、画角：Ａで入射する光線は、点ｂ１、ｄ１を直径とする円周上で交わる。

従って、広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢの結像光束のうち「画角：１８０度から全画角：Ａまでの間の画角の光束」は、固体撮像素子ＳＮＡ、ＳＮＢの双方に共通して結像することになる。
即ち、固体撮像素子ＳＮＡに、広角レンズＷＬＡにより結像された画像のうち「画角：１８０度〜Ａ度までの光束」が結像する画像部分（「ＩＡ」と呼ぶ。）と、固体撮像素子ＳＮＢに、広角レンズＷＬＢにより結像された画像のうち「画角：１８０度〜Ａ度までの光束」が結像する画像部分（「ＩＢ」と呼ぶ。）とは、同一画像である。

従って、固体撮像素子ＳＮＡ、ＳＮＢからの画像信号を画像合成して、全天球画像を生成する際、固体撮像素子ＳＮＡが受光した画像部分ＩＡと、固体撮像素子ＳＮＢが受光した画像部分ＩＢとが同一であるから、これら画像部分ＩＡとＩＢとを用いれば、同一の画像部分に対して「２倍の情報量」が得られる。
即ち、２つの広角レンズと固体撮像素子を用いることにより、１８０度を超える画角領域の画像に対しては「受光面積」が増えたのと同様の結果になり、これは単位画角当たりの倍率が増大したのと同じである。

従って、広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢにおける単位画角あたりの倍率が、画角：１８０度を越える部分において「単調増加せずに略一定」となっていても、これらの画角部分での２倍の情報量を用いることができるので、１８０度までの画角に対する画像に比して遜色のない画像を得ることができる。

即ち、広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢの画像が「重複するレンズ周辺部分」についてのみ、単位画角辺りの倍率の増加率を下げることで、レンズ加工に必要な肉厚を確保しつつ、必要以上にレンズ全長が長くなることを防いでいる。

上に説明した例では、広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢにおける単位画角あたりの倍率を、１８０度を超える部分については略一定であるとしたが、上記画像部分ＩＡ、ＩＢの情報を併せて利用できるので、上記倍率を一定とする場合に限らず、１８０度を超える画角領域において、単位画角あたりの倍率が、緩やかに増加する場合は勿論、「単調に減少」するようにしても、十分な情報量補償が可能であり「全天球に亘って均質な画質の全天球画像」を撮像できる。

また、上記画像部分ＩＡとＩＢとは「同一画像」であるから、固体撮像素子ＳＮＡ、ＳＮＢから出力される画像信号を合成して「全天球画像」を構成する際、これら画像部分ＩＡ、ＩＢを「同一像を表す基準データ」として「画像繋ぎ合わせの参考」とする。

上に説明した例では、広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢの「単位画角あたりの倍率」について説明したが、広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢの上記特性を「像高と画角との関係」で特定することもできる。

即ち、像高：Ｙの、画角：θによる微分：ｄＹ／ｄθは、単位画角あたりの像高の変化の割合であり「単位画角あたりの倍率の変化」と対応関係にある。

画角が１８０度より大きくなり、単位画角あたりの「倍率の増加率」が単調減少して、倍率が「緩やかに増加、もしくは一定、または単調減少」するようになると、微分：ｄＹ／ｄθは急激に減少する。

微分：ｄＹ／ｄθは、前述の条件：
（１） ４３．３≧ｄＹ／ｄθ≧０．００７[ｍｍ／ｄｅｇ]
を満足することが好ましい。

画角が１８０度より大きくなり、単位画角あたりの倍率の増加率が、単調減少する領域で、急激に減少した微分：ｄＹ／ｄθが、下限値の０．００７ｍｍ／ｄｅｇを下回ると、部分画像ＩＡ、ＩＢが「圧縮されすぎた画像」となり、画像合成の際の参考とされる「基準データ」として不十分になる。

また、上限は「固体撮像素子の受光面のサイズ」による制限である。固体撮像素子として現在市販されているもので受光面サイズの最大は、３５ｍｍフルサイズであり、このサイズを考慮すると、上限値の４３．３を超えた場合には、適応できる受光面サイズを持った固体撮像素子を得ることができない。

このように条件（１）の上限は、固体撮像素子の受光面サイズにより規制されるものであるから、将来「より大きな受光面サイズ」をもった固体撮像素子が実現されれば、条件（１）の上限値を、より大きく設定することも可能となる。

上に説明した例は、一般的な場合に敷衍できる。

即ち、ｎを２以上の自然数として３６０／ｎより大きい全画角：Ａ（度）を持ち、「単位画角あたりの倍率が、画角：０から３６０／ｎ（度）までの間において単調増加し、画角：３６０／ｎ（度）から全画角：Ａ（度）までは、画角の増加率が単調減少する結像光学系と、この結像光学系により集光された光を画像信号に変換する２次元の固体撮像素子とにより構成される撮像光学系を、ｎ個以上組み合わせて有する撮像システムを構成することができる。

また、結像光学系の像高：Ｙの画角：θによる微分：ｄＹ／ｄθは、条件：
（１） ４３．３≧ｄＹ／ｄθ≧０．００７[ｍｍ／ｄｅｇ]
を満たすことが好ましい。

例えば、３６０度／３＝１２０度より大きい画角：Ａ（例えば１４０度）を持つ広角レンズ（結像光学系）を３個、同一平面内で放射状に配設し、各々に固体撮像素子を組み合わせて撮像システムを構成すると、３６０度の水平パノラマ画像を撮像できる。

この場合に得られる画像は「全天球画像」ではないが、このような水平パノラマ画像を撮像できる撮像システムは、車載カメラや防犯カメラとして良好に実施できる。

上記画角：Ａ＝１４０度を持つ広角レンズを４個、空間的に放射状とし、正４面体型に組み合わせて全天球型撮像システムとすれば、立体角：２πラジアンの全天球画像を撮像できる。

あるいは、３６０度／４＝９０度より大きい画角：Ａ（例えば１００度）の広角レンズを４個、同一平面内で放射状に配設し、各々に固体撮像素子を組み合わせて撮像システムを構成すると、３６０度の水平パノラマ画像を撮像でき、このような広角レンズと固体撮像素子の組み合わせによる撮像光学系を８個、空間内で放射状とし、正８面体型に組み合わせて全天球型の撮像システムとし、立体角：２πラジアンの全天球画像を撮像できる。

図１０は、全天球型撮像システムの別の実施の形態を示す図である。

この例では「２つの結像光学系」として、２つの広角レンズＷＬＣ、ＷＬＤを組み合わせて、全天球の情報を撮像できるようにしている。広角レンズＷＬＣ、ＷＬＤは、同一仕様のものであり、それぞれの光軸が合致するようにして、互いに逆向きに組み合わせられている。

広角レンズＷＬＣの撮像する画像は、２次元の固体撮像素子ＳＮＣの受光面上に結像し、広角レンズＷＬＤの撮像する画像は、２次元の固体撮像素子ＳＮＤの受光面上に結像する。これら固体撮像素子ＳＮＣ、ＳＮＤは、受光した光分布を「画像信号」に変換して、画像処理手段２に入力させる。

画像処理手段２は、固体撮像素子ＳＮＣとＳＮＤからの画像信号を１つの画像に合成し、立体角：４πラジアンの全天球画像とし、ディスプレイや印刷装置等の出力手段３に向けて出力し、出力手段は全天球画像を出力する。

広角レンズＷＬＣ、ＷＬＤは、光学的機能の面では、先に説明した広角レンズＷＬＡ、ＷＬＢと同様であり、１８０（＝３６０／２）度を超える画角：Ａ度を有している。

また、「単位画角あたりの倍率」が、画角：０度から１８０度までの間において単調増加し、画角：１８０度から全画角：Ａ度までは「倍率の増加率が単調減少」して、略一定するように構成され、像高：Ｙの画角：θによる微分：ｄＹ／ｄθは、条件（１）を満足する。

図１０において、符号「ａ２」は、広角レンズＷＬＣの最も物体側のレンズ面の頂点であり、符号「ｃ２」は、広角レンズＷＬＤの最も物体側のレンズ面の頂点である。

広角レンズＷＬＣ、ＷＬＤに入射する「入射光束」は、図に示すｂ２点、ｄ２点で「相互に交差」し、広角レンズＷＬＣ、ＷＬＤの対物側のレンズ頂点ａ２、ｃ２から、点ｂ２とｄ２を通る平面との距離は、図に示す距離：Ｒ２である。
また、レンズ頂点ａ２、ｃ２を結ぶ直線（広角レンズＷＬＣ、ＷＬＤの物体側光軸）と、点ｂ２、ｄ２までの距離は、図に示す距離：Ｌ２である。

広角レンズＷＬＣに入射する最大画角光束は、対物側のレンズ頂点ａ２を頂点とする円錐状であり、広角レンズＷＬＤに入射する最大画角光束も、対物側のレンズ頂点ｃ２を頂点とする円錐状である。

これら２つの円錐面（底面半径：Ｌ２、高さ：Ｒ２）が、物体側光軸を共通にして組み合わせられた「点ａ２、ｂ２、ｃ２、ｄ２を結ぶ平行四辺形を、点ａ２、ｃ２を結ぶ直線の周りに回転して得られる空間形状の内部」は「撮像されない空間領域」である。

図１０の実施の形態を、図９の実施の形態と比較すると、Ｌ２＜Ｌ１、Ｒ２＜Ｒ１であり、図１０の実施の形態においては「撮像されない空間領域」が、図９のものよりも小さくなっている。

即ち、図１０の全天球型の撮像システムでは、図９のものよりも「より近接した領域」までの全天球画像を撮像可能になっている。

これは、図１０の全天球型の撮像システムでは、結像光学系である広角レンズＷＬＣ、ＷＬＤが、物体側の第１レンズ群（負の屈折力を持つ）と、像側の第２レンズ群（正の屈折力を持つ）とにより構成され、第１レンズ群が「第２レンズ群に向かって光路を屈曲させる反射部材」を有しており、レンズ内で光路を９０度屈曲させたことにより、広角レンズＷＬＣの第１レンズ群の最も対物側のレンズ面の頂点ａ２と、広角レンズＷＬＤの第１レンズ群の最も対物側のレンズ面の頂点ｃ２との間の距離（＝２Ｒ２）が、図９における２Ｒ１よりも「狭まった」ことによる。

このように、各撮像光学系の結像光学系である広角レンズＷＬＣ、ＷＬＤが、物体側に配置された負の第１レンズ群と、像側に配置された正の第２レンズ群によりなり、第１レンズ群が、第２レンズ群に向かって光路を屈曲させる反射部材を有することにより、全天球型撮像システムの撮像部分を小型化できると共に、「より近接した領域」までの全天球画像を得ることが可能である。

以下、具体的な例に基づき説明する。
図１は、全天球型の撮像システムの、実施の他の形態における要部を説明図的に示す図である。

図１において、符号Ａ、Ｂで示す部分は「撮像光学系」を示している。

２個の撮像光学系Ａ、Ｂは何れも「１８０度より広い画角を持つ広角レンズ（結像光学系）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。

撮像光学系Ａの広角レンズは、レンズＬＡ１〜ＬＡ３により構成される「前群」、反射部材を構成する直角プリズムＰＡ、レンズＬＡ４〜ＬＡ７により構成される「後群」により構成されている。そして、レンズＬＡ４の物体側に開口絞りＳＡが配置されている。

撮像光学系Ｂの広角レンズは、レンズＬＢ１〜ＬＢ３により構成される「前群」、反射部材を構成する直角プリズムＰＢ、レンズＬＢ４〜ＬＢ７により構成される「後群」により構成されている。そして、レンズＬＢ４の物体側に開口絞りＳＢが配置されている。

これら、広角レンズにおいて、「前群」と直角プリズムは「第１レンズ群」をなし、「後群」は「第２レンズ群」をなす。
以下の説明では用語として「前群、直角プリズム、後群」を用いる。

撮像光学系Ａの広角レンズの、前群を構成するレンズＬＡ１〜ＬＡ３は、物体側から順に、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のメニスカスレンズ（ＬＡ３）である。

後群を構成するレンズＬＡ４〜ＬＡ７は、物体側から順に、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）の張り合わせレンズ、プラスチック材料による両凸レンズ（ＬＡ７）である。

撮像光学系Ｂの広角レンズの、前群を構成するレンズＬＢ１〜ＬＢ３は、物体側から順に、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のメニスカスレンズ（ＬＢ３）である。

後群を構成するレンズＬＢ４〜ＬＢ７は、物体側から順に、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）の張り合わせレンズ、プラスチック材料による両凸レンズ（ＬＢ７）である。

これら撮像光学系Ａ、Ｂにおいて、前群のプラスチック材料による負レンズＬＡ２、ＬＢ２、後群のプラスチック材料による両凸レンズＬＡ７、ＬＢ７は「両面が非球面」であり、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、第２レンズＬＡ２、ＬＢ２と第３レンズＬＡ３、ＬＢ３との間に設定される。

撮像光学系Ａ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」であり、撮像光学系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「ｄ２」である。

これらの距離「ｄ１、ｄ２」を「ｄ」とすると、「ｄ」と焦点距離：ｆが、条件：
（２） ７．０＜ｄ／ｆ＜９．０
を満足することにより、広角レンズをコンパクトに、且つ、視差の影響を小さくすることができる。

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。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」させるので、結像光束の光路はプリズム内を通る。プリズムの材料が上記の如き高屈折率であると、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、前群・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、開口絞りＳＡ、ＳＢの近くにプリズムＰＡ、ＰＢを配置することにより、小さい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。

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。

プリズムを上記の如く配置することにより、プリズムの配置ずれや製造公差の影響を受けにくい。

以下、図１に示す広角レンズの具体的な実施例を挙げる。
実施例は、図１に示す全天球型撮像システムの撮像光学系Ａ、Ｂに用いられる広角レンズであり、撮像光学系Ａ、Ｂに共に用いられる。即ち、撮像光学系Ａ、Ｂに用いられる２つの広角レンズは「同一仕様」であり、図に示す距離：ｄ１＝ｄ２である。
距離：ｄ１は、撮像光学系Ａの広角レンズの「入射瞳とプリズムＰＡの反射面との光軸上の距離」であり、距離：ｄ２は、撮像光学系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。

また「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受光面を示す。

「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。

「実施例」
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、近軸曲率半径の逆数(近軸曲率)：Ｃ、光軸からの高さ：Ｈ、円錐定数：Ｋ、上記各次数の非球面係数を用い、Ｘを光軸方向における非球面量として、周知の式
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
で表されるものであり、近軸曲率半径と円錐定数、非球面係数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、ｆ＝０．７５ｍｍであるから、ｄ／ｆ＝８であって、上記条件（２）を満足する。
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、該反射面から最も像側のレンズ面までの距離：ＤＢは、
ＤＡ＝８．８７
ＤＢ＝１４．７６
であり、距離：ＤＡ＋ＤＢにより「広角レンズの性能に必要なレンズ全長」を確保しつつ、距離：Ｄ１をＤ２よりも短くすることにより、前群の「最も物体側のレンズ面」同士の距離を短くして、図１０に示した例と同様「より近距離までの全天球画像」を得ることができるようになっている。

なお、広角レンズとして、光路を折り曲げないものを平行に用いる場合（図９に示す構成で、Ｒ１＝２０ｍｍ、Ｌ１＝２２９ｍｍ）に比して、上記実施例の広角レンズを図１のように組み合わせたものでは、Ｒ＝１１ｍｍ、Ｌ＝１２６ｍｍとすることができた。

画角１８０度を超える広角レンズでは、レンズ中心を通る光線と周辺を通る光線では、レンズ肉厚の差で光路長が変わり、性能劣化につながる。
実施例の広角レンズでは、前群の３枚のレンズのうち、第２レンズに「光軸近傍と周辺とのレンズ肉厚の差」が出やすい。それで、該第２レンズをプラスチックレンズとして両面を非球面とすることにより補正を行っている。

また、後群の最終レンズをプラスチックレンズとし、その両面を非球面とすることにより「このレンズよりも物体側で発生する諸収差」を良好に補正するようにしている。

また、後群の４枚のレンズのうち、２番目の両凸レンズと３番目の両凹レンズを接合することにより「色収差」を良好に補正している。

実施例の広角レンズの球面収差図を、図２に示す。また、像面湾曲の図を図３に示す。

図４には、コマ収差図を示す。

図５、図６は、ＯＴＦ特性を示す図であり、横軸は、図５が「空間周波数」、図６が半画角を「度」で表している。

これらの図から明らかなように、実施例の広角レンズは性能が極めて高い。

実施例の広角レンズは、上記の如く「全画角」が、１８０度より大きい１９０度となっており「単位画角あたりの倍率」が、画角：０から１８０度までは単調増加している。

図７は、画角：０から１８０度までの倍率の単調増加による「固体撮像素子の受光面上での画角広がり」を説明図的に示している。
「画角；０〜１８０°（半画角０〜９０°）」までは３０度刻みに「同一画角線」を描いてある。画角が増大すると共に、固体撮像素子の使用するセンサ領域（同心円の幅）が大きくなっている様子が分かる（図中の黒丸の大きさを参照）。即ち、画角：０〜１８０度の範囲では、単位画角あたりの倍率は単調増加している。
一方、画角１８０度〜１９０度の範囲は、「２つの撮像光学系の撮像画像の繋ぎ」として画像を利用する程度であるため、画角１８０度近傍の使用センサ領域に比べ、同心円の幅が狭くなっている。即ち、単位画角あたりの倍率は、この領域で小さくなっている。

図８は、実施例の広角レンズの「単位画角あたりの倍率」の変化と、ｄＹ／ｄθとの変化を示している。「単位画角あたりの倍率」は図中に「投射方式」と表記されている。
横軸は半画角（０〜１００度）を示し、縦軸は右側ｄＹ／ｄθ、左側が像高（Ｙ）を示している。

図８から明らかなように、実施例の広角レンズは、単位画角あたりの倍率が、画角：０から９０度（＝３６０／２）まで単調に増加し、それ以上の画角では増加率が単調減少して「増加の程度が緩やか」になっており、ｄＹ／ｄθは、条件（１）を満足している。

なお、上に説明した例では、全天球型の撮像システムに用いる２つの結像光学系（広角レンズ）を「同一仕様」としたが、必ずしもこれに限らず、光学的特性が同様のものであればよい。

また、複数の固体撮像素子の撮像した画像を１つの画像として合成するのに、隣接画像の繋ぎあわせを、撮像光学系相互の位置関係の情報に基づいて行なうことも可能であるが、上の例のように「画角：１８０度〜１９０度までの画像」を、画像をつなぎ合わせる際の基準データと使用でき、これにより、環境温度により２つの撮像光学系の相対位置関係が変動した場合においても「画像を正確に繋ぎ合わせる」ことができる。

また、実施例の広角レンズのように、反射部材としてプリズムを用いることで、反射部材にレンズとしての機能を持たせることができ、全天球型の撮像システムの幅を小さくできる。

Ａ 撮像光学系
Ｂ 撮像光学系
ＬＡ１〜ＬＡ７ レンズ
ＬＢ１〜ＬＢ７ レンズ
ＰＡ、ＰＢ プリズム
ＳＡ、ＳＢ 開口絞り
ＳＮＡ、ＳＮＢ、ＳＮＣ、ＳＮＤ 固体撮像素子

特開２００６−０９８９４２号公報

この発明は、広角レンズ及び広角レンズを用いた撮像装置に関する。

この発明は、全撮像範囲に亘って均質な画質の像を撮像できる新規な撮像装置と、これに用いる新規な広角レンズの実現を課題とする。

本発明の広角レンズによれば、広角レンズの周辺部分に「容易に加工できる厚み」を確保しつつ、全画角に渡って立体投射方式を実現する場合に比して、結像光学系の設計・製造が容易で、安価に製造できる。

請求項１に記載の広角レンズは、全画角：Ａが１８０度より大きい広角レンズと、この広角レンズにより集光された光を画像信号に変換する２次元の固体撮像素子とにより構成される撮像光学系を、２個組み合わせ、４πラジアンの立体角内の撮像対象の撮像を行なう全天球型の撮像装置とすることができる（請求項２）。

上記のように、この発明によれば新規な広角レンズと全天球型撮像装置を実現できる。広角レンズは、単位画角辺りの倍率が「結像レンズの全画角に渡って単調増加する」のではなく、画角：３６０／ｎをこえる画角領域では「緩い増加、もしくは一定、または単調減少」するので、広角レンズの周辺部分に「容易に加工できる厚み」を確保しつつ、全画角に渡って立体投射方式を実現する場合に比して、結像光学系の設計・製造が容易で、安価に製造できる。従って、このような結像光学系を用いる全天球型撮像装置を安価に実現できる。

Claims (7)

1. ｎを２以上の自然数として３６０／ｎより大きい全画角：Ａ（度）を持つ結像光学系と、この結像光学系により集光された光を画像信号に変換する２次元の固体撮像素子とにより構成される撮像光学系をｎ個以上組み合わせて有する撮像システムにおいて、
   個々の撮像光学系の結像光学系は、単位画角あたりの倍率が、画角：０（度）から３６０／ｎ（度）までの間において単調増加し、画角：３６０／ｎ（度）を超えてから全画角：Ａ（度）までは、上記倍率の増加率が単調減少するものであることを特徴とする全天球型撮像システム。
2. 請求項１記載の撮像システムにおいて、
   画角：０（度）から全画角：Ａまでの領域で、像高：Ｙ、画角：θについて、条件：
   （１） ４３．３≧ｄＹ／ｄθ≧０．００７[ｍｍ／ｄｅｇ]
   を満たすことを特徴とする撮像システム。
3. 請求項１または２記載の撮像システムにおいて、
   全画角：Ａが１８０度より大きい結像光学系と、この結像光学系により集光された光を画像信号に変換する２次元の固体撮像素子とにより構成される撮像光学系を２個組み合わせてなる全天球型の撮像システム。
4. 請求項１〜３の任意の１に記載の撮像システムにおいて、
   隣接した撮像光学系により撮像された複数の画像を、各々の画像の内、同一像を参考に繋ぎ合わせる機能を有し、
   撮像された各画像の画角：０（度）〜３６０/ｎ（度）までの画像を繋ぎ合わせ表示することを特徴とする撮像システム。
5. 請求項１〜４の任意の１に記載の撮像システムにおいて、
   各撮像光学系の結像光学系が、物体側に配置された負の第１レンズ群と、像側に配置された正の第２レンズ群によりなり、第１および第２のレンズ群の少なくとも一方が非球面レンズを有することを特徴とする撮像システム。
6. 請求項５記載の撮像システムにおいて、
   結像光学系の第１レンズ群が、第２レンズ群に向かって光路を屈曲させる反射部材を有することを特徴とする撮像システム。
7. 請求項６記載の撮像システムにおいて、
   結像光学系の第１レンズ群が有する反射部材がプリズムであることを特徴とする撮像システム。

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