专利名称：光学系统的制作方法
技术领域：
本专利申请根据2006年6月9日在日本提出的日本专利申请第2006-160623号所主张的权利，在此结合其内容作为参考。
本发明涉及光学系统，特别地涉及这样的光学系统小型且分辨率好，适合于将具有360°全方位视场角的图像成像在像面上或者将配置在像面上的图像以360°全方位视场角进行投影的全景照相机、全景投影机等。
背景技术：
迄今为止，作为使用反射光学系统的、能得到360°全方位(整周)的图像的光学系统，如专利文献1、2、3中公开那样的反射光学系统已为公众所知，该反射光学系统具有前组，其由具有两个内侧反射面和两个透射面的绕中心轴旋转对称的透明介质构成；和后组，其绕中心轴旋转对称且具有正屈光度。
专利文献1美国专利第4,566,763号说明书专利文献2美国专利第5,473,474号说明书专利文献3美国专利第6,611,282号说明书但是，上述现有例的任何一种都具有这样的问题在将光学系统朝向顶棚进行整周摄像的情况下，由于在包含中心轴的截面内的入射瞳被配置在中心轴附近，因此入射面的朝向光学系统的有效直径变大，来自顶棚方向的有害的眩光大量入射到光学系统内，导致图像劣化。
发明内容
本发明就是鉴于现有技术的这些问题而完成的，其目的在于提供一种光学系统，该光学系统小型、眩光少且分辨率好，既能用于对具有360°全方位(整周)视场角的图像进行摄影，又能以360°全方位(整周)视场角来投影图像。
为达成上述目的的本发明的光学系统是一种这样的光学系统，其将具有360°全方位视场角的图像成像在像面上，或者将配置在像面上的图像以360°全方位的视场角进行投影，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；和后组，其绕中心轴旋转对称并具有正屈光度，所述前组在光学系统作为成像系统的情况下按光线的前进顺序，在光学系统作为投影系统的情况下按与光线前进的顺序相反的顺序，包含第一反射面，该第一反射面在包含来自远方的光束入射的中心轴的截面内，配置在隔着中心轴与入射瞳相反侧；和第二反射面，其配置在隔着中心轴与所述第一反射面相反侧，所述第一反射面的面中心位于在中心轴方向上比所述第二反射面的面中心靠近所述后组侧，包含中心轴的截面内的入射瞳配置在所述第一反射面的外周与所述第二反射面的外周之间，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，在包含中心轴的截面内，入射瞳位于偏离中心轴的位置，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。
在该情况下优选为，所述后组由旋转对称的同轴折射光学系统构成。
此外优选为，所述第一反射面的子午截面、弧矢截面都具有正屈光度。
此外优选为，所述第二反射面的子午截面、弧矢截面都具有正屈光度。
此外优选为，所述第一反射面和所述第二反射面中任何一个的子午截面、弧矢截面都具有正屈光度。
此外优选为，该光学系统具有孔径，该孔径与中心轴同轴地配置在比所述前组靠近像面侧的任何一个位置上。
此外优选为，至少1个反射面具有由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形状。
在该情况下优选为，至少1个反射面具有由包含奇次项的任意形状的线段绕中心轴旋转而形成的旋转对称形状。
此外优选为，在包含中心轴的截面内，在入射瞳附近配置有只在包含中心轴的截面内限制孔径的眩光光阑。
此外优选为，该光学系统具有中继光学系统，该中继光学系统在光学系统作为成像系统的情况下按光线的前进顺序，在光学系统作为投影系统的情况下按与光线前进的顺序相反的顺序，将反复成像在所述像面上的图像中继到第二像面上。
在此情况下，当将所述中继光学系统的后焦距设为Fb，将所述中继光学系统成像的像的最大像高设为h0时，优选满足如下条件5＜Fb/h0…(1)。
此外，当将所述后组的焦距设为fr，将由所述前组形成的圆环状的像的最大像高设为h时，优选满足如下条件10°＜|tan-1(h/fr)|…(2)。
根据以上的本发明，可得到这样的光学系统，该光学系统不会受到眩光的影响，既小型又可对像差良好地进行校正使分辨率好，从而既可得到具有360°全方位(整周)的视场角的图像，又可用于以360°全方位的视场角投影图像。
本发明的其它目的和优点，部分是显而易见的，部分根据说明书是显而易见的。
因此，本发明包含其结构特征，元件的组合，以及零部件的配置，它们将在以下进行陈述和举例说明，发明的范围将在权利要求书中提出。
图1是沿本发明的实施例1的光学系统的中心轴截取的剖面图。
图2是表示本发明的实施例1的光学系统内的光路的平面图。
图3是实施例1的光学系统整体的横像差图。
图4是沿本发明的实施例2的光学系统的中心轴截取的剖面图。
图5是表示本发明的实施例2的光学系统内的光路的平面图。
图6是实施例2的光学系统整体的横像差图。
图7是沿本发明的实施例3的中继光学系统的中心轴截取的剖面图。
图8是将该实施例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截取的剖面图。
图9是实施例3的中继光学系统的横像差图。
图10是图8的光学系统整体的横像差图。
图11是用于说明子午截面和弧矢截面的定义的图。
图12是用于说明只由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是用于表示使用本发明所述的全景摄影光学系统作为内窥镜前端的摄影光学系统的示例图。
图14是用于表示在汽车的各拐角和头部的圆顶顶部使用本发明所述的全景摄影光学系统作为摄影光学系统的示例图。
图15是用于表示使用本发明所述的全景投影光学系统作为投影装置的投影光学系统的示例图。
图16是用于表示经由本发明所述的全景摄影光学系统对室外的被摄体进行摄影并在室内通过本发明所述的全景投影光学系统进行投影显示的示例图。
具体实施例方式
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)截取的剖面图，图2是表示该光学系统内的光路的平面图。利用这些图1、图2，说明本发明的光学系统。并且，以下的说明是作为成像光学系统进行说明的，但也可以用作沿逆光路将图像以360°全方位(整周)进行投影的投影光学系统。并且，在图2中，表示从方位角0°方向入射的光路以及从±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以及绕中心轴1旋转对称的后组20构成，从远方物体入射的光束2，依次经过前组10和后组20，成像在垂直中心轴1的像面30的偏离中心轴1的位置上。
前组10由绕中心轴1旋转对称的第一反射面11以及第二反射面12构成。此外，后组20由绕中心轴1旋转对称且具有正屈光度的透镜系统等的同轴折射光学系统构成。
在前组10中，第一反射面11的面中心(与中心轴1相交的点)在中心轴1方向上，位于比第二反射面12的面中心靠近后组20侧，此外，包含中心轴1的截面(子午截面)内的入射瞳6Y配置在第一反射面11的外周与第二反射面12的外周之间。
进而，从远方入射的光束2，经过子午截面内的入射瞳6Y进入第一反射面11与第二反射面12之间，由隔着中心轴1而配置在与物体相反侧的第一反射面11，反射到像面30的相反侧，由相对于中心轴1配置在物体侧的第二反射面12反射到像面30侧，经过设置在第一反射面11中心的孔15，进入与中心轴1同轴地配置在前组10与后组20之间并构成光阑的圆形孔径5中，然后经过正屈光度的后组20，成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向的预定位置上。
这样地，前组10的作用是接收从整个周围的图像向旋转对称轴(中心轴)1射来的光束，并变换成圆环状的中空像。进而，后组20的作用是将该圆环状的中空像投影到位于像面30上的摄像元件的平面上，此外，也可利用后组20对由前组10校正不足的像面弯曲或像散进行校正。
进而，配置在前组10与后组20之间且构成光阑的圆形孔径5，通过由前组10逆投影而形成入射瞳，但本发明的特征在于，在子午截面内，可以将该入射瞳作为子午方向的入射瞳6Y配置在第一反射面11的外周与第二反射面12的外周之间，并且在弧矢截面内，将该入射瞳作为弧矢方向的入射瞳6X投影在中心轴(旋转对称轴)1上。
在现有例(专利文献1)中，由于无论子午截面内的入射瞳还是弧矢截面内的入射瞳都被配置在中心轴上，因此不能有效地配置用于阻断有害光的眩光光阑。
在本发明中，为了防止有害的眩光透过孔径进入光学系统内，只在子午截面内将入射瞳6Y配置在第一反射面11的外周与第二反射面12的外周之间，从而可以将第一反射面11和第二反射面12的边缘作为用于阻断眩光的光阑使用，可以大幅度地阻断进入前组10内的无用光，能够减少眩光。
并且，子午截面和弧矢截面是如图11所示那样定义的。图11(a)是表示本发明的光学系统的概略光路的立体图，图11(b)是表示在像面30上的视场角中心位置的截面的图。亦即，子午截面是包含光学系统的中心轴(旋转对称轴)1和到达视场角中心的中心光束的中心光线(主光线)20的截面，而弧矢截面是与该子午截面正交并包含中心光线(主光线)20的截面。
还可以在子午截面的入射瞳6Y位置上配置机械性窄缝状的光阑作为眩光光阑，也可以将以光学系统的保护为目的的壳体或将光线不通过的部分涂黑的透明管状的部件用作眩光光阑。此外，对于像面30侧(下侧)的光阑，可以并用第一反射面11的反射涂层部分；对于像面30的相反侧(上侧)的光阑，由于在与第二反射面12之间存在大量不使用区域，因此通过使该区域不形成为光学面，而进行划痕处理以及涂覆黑色涂料得以并用为光阑。
另一方面，在弧矢截面内，由于前组10是以中心轴(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，像高与圆环状的像相同的光束始终通过作为旋转中心的中心轴1上(图2)。因此，到达照射到与中心轴1正交的方向的圆环状的像的圆周上的光束一旦通过中心轴1上之后就到达像面30，在弧矢截面内被逆投影的孔径5存在于中心轴1上。
并且，为了使孔径5的在子午截面内和弧矢截面内的逆投影位置如所述那样错开，就需要使前组10在包含中心轴1的面内(Y-Z方向)和在与中心轴1正交的面内(X-Z方向)上的焦距不同。
在本发明的光学系统中，使任意线段绕中心轴1旋转以确定第一反射面11和第二反射面12的形状，该任意形状的线段在子午截面内的曲率以及在该情况下相对于中心轴1的旋转曲率即弧矢截面的曲率被分别单独地给定，从而孔径5被逆投影并成像为1次像6Y′，通过将再次被逆投影而成像的子午截面内的入射瞳6Y配置在第一反射面11的外周与第二反射面12的外周之间，从而可大幅度地阻断进入前组10的无用光，从而可以减少眩光。
另一方面，在与中心轴1正交的弧矢截面中，由于是旋转对称系统，因此光束也旋转对称地通过，圆环上的像高相同的光束始终2次通过作为旋转中心的中心轴1上(图2)。从而，在弧矢截面中，到达圆周上的像面30的光束在2次通过中心轴1上之后到达像面30，弧矢截面的光阑的被逆投影的孔径5的像、即弧矢截面内的入射瞳6X存在于中心轴1上(像6X′是第一次成像的孔径5的像)。
为了进行这样的配置，重要的是前组10由下述的面构成该面是使可在子午截面和弧矢截面上自由控制曲率的任意形状的线段绕中心轴1旋转形成的，并且具有旋转对称形状。进而，在前组10中，由于其利用偏心配置的具有屈光度的面11、12进行反射，因此产生大的偏心像差。为了将其校正，特别在任意形状的线段中采用奇次项等的不具有对称面的任意形状的线段，通过使该线段旋转得到面形状，反射面11、12使用上述的面形状变得重要。
此外，在本发明的光学系统中，将从远方经由入射瞳6Y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)，在包含中心轴1的截面(子午截面图1)内，1次成像在第一反射面11与第二反射面12之间的位置4Y1上，再次成像在第二反射面12与孔径5之间的位置4Y2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(弧矢截面图2)内，1次成像在第一反射面11与第二反射面12之间的位置4X1上，再次成像在第二反射面12与孔径5之间的位置4X2上。
而且，在图1的实施例1的情况下，前组10的第一反射面11与第二反射面12之间的空间是空气或真空，但也可以由折射率大于1的树脂等透明介质充填。在此情况下，在子午截面内的入射瞳6Y位置附近和孔15附近形成透射面(入射面，射出面)。在该情况下，可得到更小型且可良好地校正像差的光学系统。
进而，为了确保像的亮度，优选使后组20成为明亮的光学系统，为此，后组20优选至少由2组透镜构成。
进而，为了校正在后组20产生的色差，优选在2组透镜中至少有1组由接合透镜构成。
进而，优选第一反射面11无论是子午截面还是弧矢截面在上下方向的视场角中心的主光线20照到的区域中具有正屈光度。这表示第一反射面11是使凹面朝向中心轴1侧的形状，这对于为了使入射瞳6Y隔着中心轴1投影到相反侧是必要的。在除此以外的形状中，不能逆投影入射瞳。
进而优选第二反射面12的子午截面和弧矢截面在主光线20照到的区域中都具有正屈光度。这是因为在需要2次投影入射瞳6Y、6Y′的光学系统中在必要的结构中，为了将配置在前组10和后组20之间的与中心轴1同轴的孔径5由第二反射面12逆投影到第一反射面11与第二反射面12之间，子午截面与弧矢截面需要都是具有正屈光度的凹面形状的缘故。任何一方或两方的截面为负屈光度的话，都不能将入射瞳6Y′投影到第一反射面11与第二反射面12之间。
进而，优选使从入射瞳6Y、6X直到与中心轴同轴的孔径5为止的光瞳成像次数，在子午截面和弧矢截面中相同，这点是重要的。在后述的实施例1、2中，由于在子午截面和弧矢截面中都是成像2次，处于其间的具有主要光学屈光度的反射面11、12双方都必须是正屈光度。
作为眩光光阑，只要在第二反射面12的外周附近，配置绕中心轴1旋转对称的环带状的窄缝即可。
进而，优选具有如下的结构将成像在像面30上的图像通过中继光学系统(实施例3)向第二像面进行中继(投影)，或者将由中继光学系统投影的图像由本发明的光学系统进一步进行投影。特别地，在上下方向的视场角为30°以上那样的广视场角的情况下，由前组10变换后的圆环状的影像相对于后组20也成为广视场角影像。这是因为对确保前组10的有效区域是必要的缘故。因此，必须使后组20成为前光阑的广视场角的光学系统，从而难以得到后焦距。另一方面，在进行高分辨率投影或摄影的情况下，一般采用将光线分为RGB三基色的3片式结构，需要配置颜色合成棱镜或分色棱镜，但本发明的结构不能得到将这样的棱镜光学系统加入进来的后焦距。
因此，优选具有当利用中继光学系统中继一次像的同时可确保放入颜色合成棱镜或分色棱镜的空间的结构。此外，通过任意选择中继光学系统的倍率，也可以增加前组10的尺寸的自由度。
进而，优选为，当将中继光学系统的后焦距设为Fb，将由中继光学系统所成的像的最大像高设为h0时，优选满足如下条件5＜Fb/h0…(1)。
当超过该条件式(1)的下限5时，就不能确保加入颜色合成棱镜或分色棱镜的空间。
进而，当将后组20的焦距设为fr，由前组10所成的圆环状的像的最大像高设为h时，优选满足如下条件10°＜|tan-1(h/fr)| …(2)。
该条件涉及后组20的视场角，当扩大投影视场角时，前组10变换的圆环状的像的视场角也变宽。因此，也必须扩大后组20的视场角，当超过条件式(2)的下限的10°时，就不能扩大摄影视场角。
但是，在本发明的光学系统中，其特征在于，包含中心轴1的截面(子午截面)内的入射瞳6Y，被投影到从中心轴1离开的第二反射面12附近。这就能够有效地配置可防止重影的眩光光阑。从而，就可以使光学系统的入射区域在包含中心轴1的截面中减小，就可以有效地防止入射到前组10的无用光，对根本性的眩光对策发挥效果。此外，为了既确保广摄影视场角又使光学系统小型化，就必须将构成光阑的圆形孔径5配置在前组10附近，因此满足以下的条件就很重要。
在包含中心轴1的截面中，当将从入射瞳6Y位置起到中心轴1止的距离设定为A，将入射瞳6Y与孔径5的沿中心轴1测得的距离设为B，以及将它们的比设为|A/B|时，优选满足如下条件
0.1＜|A/B|＜5…(3)。
当超过条件式(3)的下限0.1时，入射瞳6Y接近中心轴，眩光就容易进入光学系统内。当超过上限5时，孔径5与前组10的距离就变得过长，特别是在前组10射出的光线被第一反射面11遮断，不能得到广摄影视场角。
进而，优选满足如下条件，0.2＜|A/B＜2…(3-1)。
以下，表示后述的实施例1～3的条件式(1)～(3)的值。
实施例1实施例2实施例3Fb/h0- - 8.58|tan-1(h/fr)| 22.83 18.08 -A 15.44 15.44 -B 23.80 23.80 -|A/B| 0.65 0.65 -以下，对本发明的光学系统的实施例1～3更详细地进行说明。这些光学系统的结构参数，将在后面记述。这些实施例的结构参数，例如像图1所示，是根据从物体面经由前组10和后组20到达像面30的顺光线跟踪的结果。
坐标系在顺光线跟踪中，例如图1所示，将入射瞳6Y投影到旋转对称轴(中心轴)1的位置，将该位置作为偏心光学系统的偏心光学面的原点，将从旋转对称轴(中心轴)1的离开像面30的方向作为Y轴正方向，将图1的纸面内作为Y-Z平面。进而，将相对于图1的纸面内当前正在考虑的入射瞳6Y一侧的相反侧的方向作为Z轴正方向，将与Y轴、Z轴一起构成右手正交坐标系的轴作为X轴正方向。
对偏心面赋予如下量定义该面的坐标系的从所述光学系统的原点的中心偏心的偏心量(将X轴方向、Y轴方向、Z轴方向分别设定为X、Y、Z)；和定义各面的坐标系的倾角(分别为α、β、γ(°))，该各面以由光学系统原点定义的坐标系的X轴、Y轴、Z轴为中心。在此情况下，α和β的正值指对各轴的正方向绕逆时针方向转动，γ的正值是指对Z轴的正方向绕顺时针方向转动。并且，使面的中心轴旋转α、β、γ的方法是将定义各面的坐标系进行如下动作首先绕由光学系统原点定义的坐标系的X轴逆时针方向旋转α，接着绕该旋转后的新坐标系的Y轴逆时针方向旋转β，然后绕该旋转后的又一新坐标系的Z轴顺时针方向旋转γ。
此外，构成各实施例的光学系统的光学作用面中，在特定的面以及与其接续的面构成共轴光学系统的情况下给定面间隔，除此之外，面的曲率半径、介质的折射率、阿贝数则是根据惯用的方法给定的。
并且，在后述的结构参数中，关于没有记载数据的非球面的项是0。关于折射率、阿贝数，是表记为相对于d线(波长587.56nm)的值。长度的单位是mm。各面的偏心如上所述，利用从投影入射瞳6Y到旋转对称轴(中心轴)1上的位置的偏心量来表示。
并且，非球面是按以下的定义式给出的旋转对称非球面。
Z＝(Y2/R)/[1+{1-(1+k)Y2/R2}1/2]+aY4+bY6+cY8+dY10+……(a)此时，以Z作为轴，将Y取为与轴垂直的方向。此处，R是近轴曲率半径、k是圆锥常数，a、b、c、d、…分别是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。
此外，扩张旋转自由曲面是由以下定义给出的旋转对称面。
首先，在Y-Z坐标面上，确定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+…+Cn+1Yn+……(b)其次，确定以朝向X轴正方向绕左旋作为正而将该曲线(b)旋转了角度θ(°)后的曲线F(Y)。该曲线F(Y)在Y-Z坐标面上也通过原点。
将该曲线F(Y)沿Z正方向平行移动距离R(负时沿Z负方向)，然后，使该平行移动后的曲线绕Y轴旋转，将所得到的旋转对称面作为扩展旋转自由曲面。
其结果是扩展旋转自由曲面在Y-Z面内就成为自由曲面(自由曲线)，在X-Z面内就成为半径为|R|的圆。
根据该定义，Y轴就成为扩展旋转自由曲面的轴(旋转对称轴)。
此处，RY是在Y-Z截面内的球面项的曲率半径，C1是圆锥常数，C2、C3、C4、C5、…分别是1次、2次、3次、4次…的非球面系数。
进而，在本发明的光学系统中，前组10的至少1个反射面是这样的扩展旋转自由曲面，对Y-Z截面，在用多项式表达的情况下，优选具有将至少具有奇次项但不具有对称面的任意形状的线段，绕中心轴1旋转而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，从而能够在反射光学系统中校正不能避免的偏心像差来提供分辨率好的光学系统，并且可以使该光学系统小型化。
在图1中表示沿实施例1的光学系统的中心轴(旋转对称轴)1截取的剖面图，在图2中表示示出该光学系统内的光路的平面图。并且，在图2中，表示从方位角0°方向入射的光路以及从±10°方向入射的光路。
该实施例的光学系统由如下部分构成绕中心轴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同轴配置在前组10与后组20之间的孔径5。从远方物体入射的光束2，依次经过前组10和后组20，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。当将中心轴1设定为垂直(上下方向)的情况下，所成的像是具有例如360°全方位(整周)视场角的图像，例如将顶棚方向朝图像的中心方向且地平线成为外侧的圆那样的圆环状的图像，成像在像面30上。
前组10由绕中心轴1旋转对称的第一反射面11以及第二反射面12构成。此外，后组20由包含4块透镜L1～L4且由2组构成的具有正屈光度的透镜构成。
前组10由第一反射面11和第二反射面12构成，第一反射面11配置在隔着中心轴1与物体侧相反侧，第二反射面12相对于中心轴1配置在物体侧，第一反射面11配置在比第二反射面12靠近像面30侧。
进而，从远方入射的光束2，经过第一反射面11的外周与第二反射面12的外周之间的子午截面内的入射瞳6Y，进入第一反射面11与第二反射面12之间，由配置在隔着中心轴1与入射瞳6Y相反侧的第一反射面11反射到像面30的相反侧，利用配置在相对于中心轴1与入射瞳6Y同侧的第二反射面12反射到像面30侧，通过第一反射面11的中心的孔15，在前组10与后组20之间依次经过与中心轴1同轴配置并构成光阑的圆形孔径5以及具有正屈光度的后组20，成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向的预定位置上。该前组10的第一反射面11和第二反射面12由扩展旋转自由曲面构成。此时，圆锥常数是0。
构成后组20的透镜系统从前组10侧起依次由如下透镜构成使凸面朝向前组10侧的负凹凸透镜L1与双凸正透镜L2的接合透镜；以及双凸正透镜L3与使凹面朝向前组10侧的负凹凸透镜L4的接合透镜。
进而，在使中心轴1朝向垂直方向、像面30朝向顶棚方向进行配置的情况下，沿仰角30°方向从远方入射的中心光束2，按前组10的第一反射面11、第二反射面12的顺序反射，通过第一反射面11的中心的孔15从前组10射出，经由孔径5入射到后组20，成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向的预定位置上。
在本实施例的光学系统中，位于前组10与后组20之间的孔径(光阑)5被投影到物体侧，在子午截面内成像为1次像6Y′，使再次逆投影而成像的子午截面内的入射瞳6Y形成在前组10的第一反射面11的外周与第二反射面12的外周之间，此外，在弧矢截面内，在中心轴(旋转对称轴)1上2次成像为像6X′、6X，将入射瞳6X形成在中心轴1上。
进而，在本实施例的光学系统中，使经过入射瞳6Y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)，在包含中心轴1的截面(子午截面图1)内，1次成像在第一反射面11与第二反射面12之间的位置4Y1上，再次成像在第二反射面12与孔径5之间的位置4Y2上，并且在与包含中心轴1的面正交且在包含该光束的中心光线20的平面(弧矢截面图2)内，1次成像在第一反射面11与第二反射面12之间的位置4X1上，再次成像在第二反射面12与孔径5之间的位置4X2上。
该实施例的技术规格是水平视场角360°垂直视场角30°(中心视场角30°(仰角))入射瞳直径1.05mm像的大小 φ1.00～φ3.96mm本实施例1的光学系统优选为，在将像面30配置为与地面平行的结构中，对仰视天空侧的视场角进行使用。
在图3中表示本实施例的光学系统整体的横像差。在该横像差图中，在中央示出的角度，表示垂直方向的视场角，表示该视场角中的Y方向(子午方向)与X方向(弧矢方向)的横像差。并且，正视场角表示俯角，负视场角表示仰角。以下相同。
在图4中表示沿实施例2的光学系统的中心轴(旋转对称轴)1截取的剖面图，在图5中表示示出该光学系统内的光路的平面图。并且，在图5中表示从方位角0°方向入射的光路以及从±10°方向入射的光路。
本实施例的光学系统是在前组10的第一反射面11和第二反射面12之间的空间中，充填折射率比1大的树脂等透明介质16的光学系统，该光学系统由如下部分构成绕中心轴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与后组20之间的孔径5。从远方物体入射的光束2，依次经过前组10和后组20，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，所成的像是具有例如360°全方位(整周)视场角的图像，例如将顶棚方向朝图像的中心方向且地平线成为外侧的圆那样的圆环状的图像，成像在像面30上。
前组10除绕中心轴1旋转对称的第一反射面11和第二反射面12之外，还具有使光线入射到透明介质16中的第一透射面13和使光线从透明介质16射出的第二透射面14。第一透射面13、第二透射面14也具有绕中心轴1旋转对称的形状。进而，第一透射面13相对于对中心轴1配置在物体侧，第一反射面11隔着中心轴1配置在第一透射面13的相反侧，配置在比第一透射面13靠近像面30侧，第二反射面12相对于中心轴1配置在与第一透射面13相同侧，配置在比第一透射面13靠近像面30的相反侧，第二透射面14配置在第一反射面11中心的孔15附近，配置在比第一透射面13更靠近像面30侧。
此外，后组20由包含4块透镜L1～L4且由3组构成的具有正屈光度的透镜系构成。
进而，从远方入射的光束2，经由第一透射面13进入透明介质16内，由配置在隔着中心轴1与第一透射面13相反侧的第一反射面11反射到像面30的相反侧，由配置在相对于中心轴1与第一透射面13相同侧的第二反射面12反射到像面30侧，经由第二透射面14从透明介质16向外射出，依次经过在前组10与后组20之间与中心轴1同轴配置且构成光阑的圆形孔径5以及正屈光度的后组20，成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向的预定位置上。该前组10的第一反射面11、第二反射面12以及第一透射面13是由扩展旋转自由曲面构成的。
构成后组20的透镜系统，从前组10侧起依次由如下透镜构成双凸正透镜L1；使凸面朝向前组10侧的负凹凸透镜L2与双凸正透镜L3的接合透镜；以及双凸正透镜L4。
进而，在使中心轴1朝向垂直方向、像面30朝向顶棚方向进行配置的情况下，沿仰角22.5°方向从远方入射的中心光束2，由前组10的入射面的第一透射面13折射，进入前组10的透明介质16内，依次被第一反射面11和第二反射面12反射的光束，由第二透射面14折射，从前组10的透明介质射向外射出，经由孔径5入射到后组20，成像在像面30的偏离中心轴1的半径方向的预定位置上。
在本实施例的光学系统中，位于前组10与后组20之间的开口(光阑)5被投影到物体侧，在子午截面内成像为1次像6Y′，使再次逆投影而成像的子午截面内的入射瞳6Y形成在前组10的第一反射面11的外周与第二反射面12的外周之间的第一透射面13附近，此外，在弧矢截面内，在中心轴(旋转对称轴)1上2次成像为像6X′、6X，将入射瞳6X形成在中心轴1上。
进而，在本实施例的光学系统中，使经过入射瞳6Y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)，在包含中心轴1的截面(子午截面图4)内，1次成像在第一反射面11与第二反射面12之间的位置4Y1上，再次成像在第二反射面12与第二透射面14之间的位置4Y2上；此外在与包含中心轴1的面正交且包含该光束的中心光线20的平面(弧矢截面图5)内，1次成像在第一反射面11与第二反射面12之间的位置4X1上，再次成像在第二反射面12与第二透射面14之间的位置4X2上。
本实施例的技术规格是水平视场角360°垂直视场角45°(中心视场角22.5°(仰角))入射瞳直径1.59mm像的大小 φ2.40～φ5.42mm在本实施例2的光学系统中，第一反射面11配置在比第一透射面13靠近像面30侧，第二反射面12配置在比第一反射面11靠近像面30的相反侧，第二透射面14配置在比第一透射面13靠近像面30侧。
实施例2的光学系统优选为，在将像面30配置为平行地面的结构中，对仰视天空侧的视场角进行使用。
在图6中，表示该实施例的光学系统整体的横像差。
在图7中表示沿实施例3的中继光学系统的中心轴1截取的剖面图。此外，在图8中表示将该实施例2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截取的剖面图。
本实施例是中继光学系统50的实施例，该中继光学系统50将成像在实施例1～2等的本发明的光学系统的像面30上的圆环状的像，中继到第二像面40(在图8中，表示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侧的情况下的剖面图)。该中继光学系统50从像面30侧起依次由如下透镜构成使凹面朝向物体侧的正凹凸透镜L1；双凹负透镜L2；使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与双凹负透镜L7的接合透镜；以及双凸正透镜L8等7组8块透镜。在双凸正透镜L8与第二像面40之间(后焦距)，配置有分色棱镜P(在投影光学系统的情况下是颜色合成棱镜)。
本实施例3的中继光学系统50的技术规格如下倍率1.0焦距145.34mm入射侧NA(数值孔径) 0.22物体高 φ6.00mm像的大小φ6.00mm在图9中表示本实施例的中继光学系统50的横像差，在图10中表示将本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像差。
以下，表示上述的实施例1～3的结构参数。并且，以下的表中的“ASS”表示非球面，“ERFS”表示扩展旋转自由曲面。此外，“RE”分别表示反射面。
实施例1表面号 曲率半径 表面间隔位移和倾角反射率阿贝数对象∞∞平面1 ∞(入射瞳)(1)2 ERFS[1] (RE) (2)3 ERFS[2] (RE) (3)4 ∞(停止) (4)5 7.64 1.00 1.755227.66 3.00 3.00 1.666352.87 -17.900.108 5.09 4.00 1.659353.79 -4.00 1.00 1.755227.610 -10.662.06像 ∞
平面ERFS[1]RY -21.49θ -40.69R 11.06C31.2541×10-3C4-1.0828×10-4ERFS[2]RY 21.49θ -63.80R -7.89C34.0122×10-3C42.6203×10-4位移和倾角(1)X 0.00 Y 0.00 Z-15.44α 0.00 β0.00 γ 0.00位移和倾角(2)X 0.00 Y -15.41Z0.00α 0.00 β0.00 γ 0.00位移和倾角(3)X 0.00 Y 8.31 Z0.00α 0.00 β0.00 γ 0.00位移和倾角(4)X 0.00 Y -23.80Z0.00α -90.00 β0.00 γ 0.00实施例2表面号 曲率半径 表面间隔 位移和倾角 反射率 阿贝数对象∞∞
平面1 ∞(入射瞳) (1)2 ERFS[1] (2)1.5247 56.23 ERFS[2] (RE) (3)1.5247 56.24 ERFS[3] (RE) (4)1.5247 56.25 ASS[1] (5)6 ∞(停止) 1.87(6)7 37.744.25 1.7725 49.68 -16.07 0.219 31.111.00 1.8467 23.8107.66 4.62 1.6230 58.111-21.58 0.201213.354.98 1.4970 81.513-17.20 4.01像∞平面ERFS[1]RY-14.88θ-52.59R -15.46C35.3125×10-2C4-9.1728×10-4ERFS[2]RY-27.05θ-27.52R 16.42C3-6.3001×10-4C43.2085×10-6ERFS[3]
RY 18.15θ -53.66R -10.43C3-8.2358×10-4C41.9194×10-4ASS[1]R -10.73K 0.0000a 4.1563×10-4位移和倾角(1)X 0.00 Y 0.00 Z -15.46α 0.00 β 0.00 γ 0.00位移和倾角(2)X 0.00 Y 0.00 Z 0.00α 0.00 β 0.00 γ 0.00位移和倾角(3)X 0.00 Y -12.39 Z 0.00α 0.00 β 0.00γ 0.00位移和倾角(4)X 0.00 Y 5.58 Z -10.43α 0.00 β 0.00 γ 0.00位移和倾角(5)X 0.00 Y -25.63 Z 0.00α -90.00β 0.00 γ 0.00位移和倾角(6)X 0.00 Y -27.63 Z 0.00α -90.00β 0.00 γ 0.00实施例3
表面号 曲率半径 表面间隔 位移和倾角反射率阿贝数对象 ∞ 9.98平面1-226.44 4.28 1.806140.92-14.90 12.393-7.825.00 1.806140.9443.701.735-26.37 4.18 1.569171.36-14.28 0.207291.23 7.00 1.569171.38-15.60 0.40920.706.26 1.497081.510 -50.27 0.2011 19.796.13 1.487570.212 -24.16 1.00 1.806140.913 12.8420.8314 54.775.40 1.691054.815 -30.58 2.0016 ∞ 20.00 1.516364.117 ∞ 8.08像 ∞平面在以上的实施例的光学系统中，进一步在前组10的物体侧附加Y托力克(toric)透镜，也使该Y托力克透镜成为由相对于Y轴(中心轴1)旋转对称面构成的透镜，该托力克透镜在X方向并不具有屈光度，而在Y方向(图1的截面内等)具有负屈光度，从而可加大包含旋转对称轴1的截面方向的视场角。进而优选为，通过使该托力克透镜在Y-Z截面内将凸面朝向物体侧来构成负的凹凸透镜形状，就能够将像变形的发生抑制到最小，能够得到良好的像差校正。
进而，在前组10的物体侧，截面并不仅限于负凹凸透镜形状的1个Y托力克透镜，通过由2个或3个凹凸形状的透镜构成，就能够进一步减小像变形的发生。此外，并不仅限于透镜，通过相对于中心轴1旋转对称的反射面或棱镜使光线反射折射，使任意方向的摄影或观察也容易进行。
此外，在以上的实施例中，前组10的反射面、折射面是分别利用通过使任意形状的线段绕对称轴1旋转而形成且在旋转对称轴1上没有光轴交点的扩展旋转自由曲面构成的，但也可以容易地分别置换为任意的曲面。
此外，本发明的光学系统，由于在定义用于形成旋转对称面的任意形状的线段的式中使用包含奇次项的式，从而可以校正由偏心发生的像面的倾斜，或校正光阑在逆投影时的光瞳像差。
此外，构成本发明的前组10的、绕中心轴1旋转对称的透明介质是通过不加改变地进行使用的，从而可以对具有360°全方位视场角的图像进行摄影或投影，但也可以将该透明介质沿包含中心轴1的截面切断，通过使其为二分之一、三分之一、三分之二等，也可以对绕中心轴1的视场角为180°、120°、240°等的图像进行摄影或投影。
并且，本发明的光学系统的前组10，在如实施例1所示那样只由2块反射面11、12构成的情况下，这样的前组10如图12(b)所示，使第一反射面11、第二反射面12同心地形成在同一直径的各圆筒体11′、12′的上端，使第一反射面11和第二反射面12相互面对，使一方的圆筒体11′上下翻转，在具有与圆筒体11′、12′的外径相同的内径的透明圆筒体19之中，从两端插入圆筒体11′、12′，以维持预定的间隔的方式将圆筒体11′、12′相对于圆筒体19固定，从而可以简单地得到如图12(a)所示那样的前组10。
以上，对将本发明的光学系统作为使中心轴(旋转对称轴)1朝向垂直方向且得到包含顶棚的360°全方位(整周)视场角的图像的摄像或观察光学系统进行了说明，但本发明并不仅限于摄像光学系统、观察光学系统，也可以用作使光路逆转以包含顶棚的360°全方位(整周)视场角投影图像的投影光学系统。此外，也可以将内窥镜用作为管内观察装置的整周观察光学系统。
以下，作为本发明的光学系统的应用例，说明全景摄像光学系统31或全景投影光学系统32的使用例。图13是用于表示将本发明所述的全景摄影光学系统31用作内窥镜前端的摄影光学系统的示例图。图13(a)是在硬性内窥镜41的前端安装本发明的全景摄像光学系统31拉拍摄观察360°全方位的图像的示例。在图13(b)中表示其前端的概略结构。在本发明的全景摄像光学系统31的前组10的入射瞳6Y的周围配置眩光光阑27，该眩光光阑27由具有沿圆周方向伸展为窄缝状的孔径26的外壳等构成，以防止眩光入射。此外，图13(c)是在挠性电子内窥镜42的前端同样地安装本发明的全景摄像光学系统31，对摄影后的图像施行图像处理并校正变形后显示在显示装置43上的示例。
图14(a)是用于表示在汽车48的各拐角或头部的圆顶顶部，安装多个本发明的全景摄影光学系统31作为摄影光学系统，对经由各全景摄影光学系统31所拍摄的图像施行图像处理并校正变形，并且还在车内的显示装置上显示的示例图，在图14(b)中表示其前端的概略结构。在本发明的全景摄像光学系统31的前组10的入射瞳6Y的周围配置眩光光阑27，该眩光光阑27由具有沿圆周方向伸展为窄缝状的开口26的外壳等构成，以防止眩光入射。
图15是使用本发明的全景投影光学系统32作为投影装置44的投影光学系统，将全景图像显示于在该像面上配置的显示元件上，是通过全景投影光学系统32在360°全方位配置的屏幕45上投影显示360°全方位图像的示例。
图16是这样的示例在建筑物47的外部安装了使用本发明所述的使用全景摄影光学系统31的摄影装置49，在室内配置了使用本发明的全景投影光学系统32的投影装置44，并且连接起来以便通过电线46将由摄影装置49所拍摄的影像发送到投影装置44上进行投影显示。它是这样的示例在这样的配置中，经由全景摄影光学系统31由摄影装置49对室外的360°全方位的被摄体O进行摄影，将该影像信号通过电线46发送到投影装置44上，将该影像显示于配置在像面的显示元件上，通过全景投影光学系统32将该被摄体O的映像O′投影显示在室内墙面等上。
权利要求
1.一种光学系统，该光学系统将具有360°全方位视场角的图像成像在像面上，或者将配置在像面上的图像以360°全方位视场角进行投影，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；和后组，其绕中心轴旋转对称并具有正屈光度，所述前组在光学系统作为成像系统的情况下按光线前进的顺序，在光学系统作为投影系统的情况下按与光线前进的顺序相反的顺序，包含第一反射面，该第一反射面在包含来自远方的光束入射的中心轴的截面内，配置在隔着中心轴与入射瞳相反侧；和第二反射面，其配置在隔着中心轴与所述第一反射面相反侧，所述第一反射面的面中心位于在中心轴方向上比所述第二反射面的面中心靠近所述后组侧，包含中心轴的截面内的入射瞳配置在所述第一反射面的外周与所述第二反射面的外周之间，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，在包含中心轴的截面内，入射瞳位于偏离中心轴的位置，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.如权利要求1中所述的光学系统，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.如权利要求1中所述的光学系统，其特征在于，所述第一反射面的子午截面、弧矢截面都具有正屈光度。
4.如权利要求1中所述的光学系统，其特征在于，所述第二反射面的子午截面、弧矢截面都具有正屈光度。
5.如权利要求1中所述的光学系统，其特征在于，所述第一反射面和所述第二反射面中任何一个的子午截面、弧矢截面都具有正屈光度。
6.如权利要求1中所述的光学系统，其特征在于，该光学系统具有孔径，该孔径与中心轴同轴地配置在比所述前组靠近像面侧的任何一个位置上。
7.如权利要求1中所述的光学系统，其特征在于，至少1个反射面具有由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形状。
8.如权利要求3中所述的光学系统，其特征在于，至少1个反射面具有由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形状。
9.如权利要求1中所述的光学系统，其特征在于，至少1个反射面具有旋转对称形状，该旋转对称形状由包含奇次项的任意形状的线段绕中心轴旋转而形成的。
10.如权利要求3中所述的光学系统，其特征在于，至少1个反射面具有旋转对称形状，该旋转对称形状由包含奇次项的任意形状的线段绕中心轴旋转而形成的。
11.如权利要求7至10中任何一项所述的光学系统，其特征在于，在包含中心轴的截面内，在入射瞳附近配置有只在包含中心轴的截面内限制孔径的眩光光阑。
12.如权利要求1中所述的光学系统，其特征在于，该光学系统具有中继光学系统，该中继光学系统在光学系统作为成像系统的情况下按光线的前进顺序，在光学系统作为投影系统的情况下按与光线前进的顺序相反的顺序，将成像在所述像面上的图像中继到第二像面上。
13.如权利要求12中所述的光学系统，其特征在于，当将所述中继光学系统的后焦距设为Fb，将所述中继光学系统成像的像的最大像高设为h0时，满足如下条件5＜Fb/h0…(1)。
14.如权利要求1中所述的光学系统，其特征在于，当将所述后组的焦距设为fr，将由所述前组形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/fr)|…(2)。
全文摘要
本发明涉及光学系统，其既小型、眩光少且分辨率好，既可用于对具有360°全方位(整周)视场角的图像进行摄影，又能以360°全方位(整周)视场角投影图像。该光学系统具有具有绕中心轴旋转对称的两个反射面的前组；和绕中心轴旋转对称并具有正屈光度的后组。该前组包含有配置在入射瞳的相反侧的第一反射面；和配置在第一反射面的相反侧的第二反射面。包含中心轴的截面内的入射瞳配置在第一反射面的外周与第二反射面的外周之间，从远方入射的光束依次经过前组和后组而成像在像面的从中心轴偏离的位置，在包含中心轴的截面内，入射瞳位于偏离中心轴的位置，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，入射瞳位于中心轴上。后组至少由两组构成。
文档编号G02B17/06GK101086550SQ20071010898
公开日2007年12月12日 申请日期2007年6月11日 优先权日2006年6月9日
发明者研野孝吉, 中村绅 申请人:奥林巴斯株式会社