JP6000823B2 - 光学素子、光学系、立体撮像装置、及び内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子、光学系、立体撮像装置、及び内視鏡に関する。

従来、立体視用に視差の異なる２つの画像を略同一の平面上に結像させて撮像する方法が開示されている（特許文献１及び２参照）。また、
（特許文献２参照）。

米国特許５１９１２０３号公報 特開平８−１２２６６５号公報 特開２００３−２１０３９０号公報 特開平５−３００４２４号公報

近年、高解像・高画素数化の流れからＦナンバーの小さい明るい光学系が必要とされるようになっている。しかしながら、従来の方法では、広画角の立体像、例えば９０°を超えるような立体像を鮮明に撮像できなかった。また、今までの光学系では、光学系全長が長くなり、小型の撮像光学系を構成することが不可能であった。さらに、凸面鏡を使う方法は、凸面で反射する場合に非点収差が発生するために、高解像の撮像ができなかった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、安価で簡単な構成によって、観察画角の広い立体像を得ることが可能な光学素子、光学系、立体撮像装置、及び内視鏡を提供することを目的としている。

本発明の一実施形態である光学素子は、
中心軸の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体を少なくとも２個含み、
前記透明媒体は、
前記中心軸に対して最外周に配置された第１透過面と、
前記第１透過面より中心軸側に配置された第１反射面と、
前記第１反射面より像面と反対側に配置された第２反射面と、
前記第２反射面より像面側に配置された第２透過面と、
を有し、
前記透明媒体に入射する光束は、
順光線追跡の順に、
前記第１透過面を経て前記透明媒体内に入り、
前記第１反射面で像面と反対側に反射され、
前記第２反射面で像面側に反射され、
前記第２透過面を経て前記透明媒体から像面側の外へ出る光路を構成し、
前記透明媒体の光路は、前記中心軸に対して片側のみで構成され、
前記第１反射面は、前記像面側に凹面を向けて配置される
ことを特徴とする。

本発明の一実施形態である光学素子は、
前記透明媒体は、第１透明媒体及び第２透明媒体を含み、
以下の条件式（１）を満足する。
０．５ ＜ ｗ１／ｗ２ ＜ ２ （１）
ただし、
ｗ１は、前記第１透明媒体を通過して結像される輪帯状の結像面の幅、
ｗ２は、前記第２透明媒体を通過して結像される輪帯状の結像面の幅、
である。

本発明の一実施形態である光学素子は、
前記第１透明媒体及び前記第２透明媒体は、前記中心軸上に直列に配置される。

本発明の一実施形態である光学素子は、
前記第１透明媒体の第１中心軸と、前記第２透明媒体の第２中心軸は、並列に配置される。

本発明の一実施形態である光学系は、
前記第１透明媒体及び前記第２透明媒体が配置される前群と、
前記前群より像面側に配置された後群と、
前記前群と前記後群の間に配置された開口と、
を備え、
前記第１透明媒体を通過し前記前群から射出する光束と、前記第２透明媒体のみを通過し前記前群から射出する光束と、は、前記後群の直前で同一の位置に虚像を形成する。

本発明の一実施形態である光学系は、
前記第１透明媒体は、少なくとも前記中心軸と直交する方向を観察する第１側視光路を有し、
前記第２透明媒体は、少なくとも前記中心軸と直交する方向を観察する第２側視光路を有し、
前記第１側視光路及び前記第２側視光路の物体の像を前記中心軸と直交する平面に同心に形成する。

本発明の一実施形態である光学系は、
前記第２透明媒体は、前記第１透明媒体を射出した前記第１側視光路の光束を前記第２側視光路よりも前記中心軸に近い側で透過させる。

本発明の一実施形態である光学系は、
前記第１透明媒体及び前記第２透明媒体は、少なくとも前記中心軸上を観察する直視光路を有し、
前記直視光路の物体の像を前記平面の前記第１側視光路及び前記第２側視光路の物体の像と同心に形成する。

本発明の一実施形態である光学系は、
前記第１透明媒体は、前記中心軸上を移動可能である。

本発明の一実施形態である光学系は、
前記第１透明媒体が配置される第１前群、
前記第１前群より像面側に配置された第１後群、
及び
前記第１前群と前記第１後群の間に配置された第１開口、
を有し、
前記中心軸を囲むように物体の像を形成する第１光学系と、
前記第２透明媒体が配置される第２前群、
前記第２前群より像面側に配置された第２後群、
及び
前記第２前群と前記第２後群の間に配置された第２開口、
を有し、
前記中心軸を囲むように物体の像を形成する第２光学系と、
を備え、
前記第１透明媒体及び前記第２透明媒体は、それぞれの前記第２反射面の凸面側が前記中心軸上で向かい合うように配置される。

本発明の一実施形態である光学系は、
前記第１透明媒体は、少なくとも前記中心軸と直交する方向を観察する第１側視光路を有し、
前記第２透明媒体は、少なくとも前記中心軸と直交する方向を観察する第２側視光路を有し、
前記第１側視光路の物体の像を前記中心軸と直交する第１平面内に形成し、
前記第２側視光路の物体の像を前記中心軸と直交する第２平面内に形成する。

本発明の一実施形態である光学系は、
前記第１光学系と前記第２光学系の前記中心軸上の間隔は、可変である。

本発明の一実施形態である光学系は、
前記第１透明媒体が配置される第１前群、
前記第１前群より像面側に配置された第１後群、
及び
前記第１前群と前記第１後群の間に配置された第１開口、
を有し、
前記第１中心軸を囲むように物体の像を形成する第１光学系と、
前記第２透明媒体が配置される第２前群、
前記第２前群より像面側に配置された第２後群、
及び
前記第２前群と前記第２後群の間に配置された第２開口、
を有し、
前記第２中心軸を囲むように物体の像を形成する第２光学系と、
を備える。

本発明の一実施形態である光学系は、
前記第１透明媒体は、少なくとも前記第１中心軸と直交する方向を観察する第１側視光路を有し、
前記第２透明媒体は、少なくとも前記第２中心軸と直交する方向を観察する第２側視光路を有し、
前記第１側視光路及び前記第２側視光路の物体の像を前記第１中心軸及び前記第２中心軸と直交する平面内に形成する。

本発明の一実施形態である光学系は、
前記第１透明媒体は、少なくとも前記第１中心軸上を観察する第１直視光路を有し、
前記第２透明媒体は、少なくとも前記第２中心軸上を観察する第２直視光路を有し、
前記第１直視光路及び前記第２直視光路の物体の像を前記平面内に形成する。

本発明の一実施形態である光学系は、
前記第１透明媒体は、第１切り欠き部を有し、
前記第２透明媒体は、第２切り欠き部を有し、
前記第１切り欠き部と、前記第２切り欠き部と、を当接させる。

本発明の一実施形態である光学系は、
前記第１切り欠き部と前記第２切り欠き部との間に遮光部材を備える。

本発明の一実施形態である光学系は、
前記第１開口に光束を偏向する第１偏向部と、
前記第２開口に光束を偏向する第２偏向部と、
を備える。

本発明の一実施形態である立体撮像装置は、前記光学系を用いる。

本発明の一実施形態である立体撮像装置は、
前記第１透明媒体の前記第１透過面及び前記第２透明媒体の前記第１透過面に対応する位置に開口を有するケースを備える。

本発明の一実施形態である立体撮像装置は、
前記像面に配置される撮像素子と、
前記撮像素子が撮像した映像のうち、所定角度の扇形の小領域の映像を画像処理して、長方形の左目用観察映像及び長方形の右目用観察映像に変換する画像変換部と、
を備える。

本発明の一実施形態である内視鏡は、前記光学系を用いる。

本発明の一実施形態である光学系、立体撮像装置、及び内視鏡によれば、安価で簡単な構成によって、観察画角の広い立体像を得ることが可能となる。

第１実施形態の光学系１の中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。 第１実施形態の結像面を示す図である。 第１実施形態の他の例の光学系１の中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。 第２実施形態の光学系１の中心軸Ｃに沿ってとった第１状態の断面図である。 第２実施形態の光学系１の中心軸Ｃに沿ってとった第２状態の断面図である。 第２実施形態の他の例の光学系１の中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。 第３実施形態の光学系１の中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。 第４実施形態の光学系１の第１の状態を中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。 第４実施形態の光学系１の第２の状態を中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。 第４実施形態の光学素子２を物体側から見た図である。 第４実施形態の像面Ｉを示す図である。 第４実施形態の光学系１の他の例の中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。 第１実施形態の光学系１の鳥瞰図である。 第１実施形態の光学系１をケースに収納した立体撮像装置を示す図である。 第１実施形態の立体撮像装置の撮像素子を示す図である。 第１実施形態の立体撮像装置１で撮像された映像を肉眼観察用に画像処理した図である。 第１実施形態の光学系１の他の例の鳥瞰図である。 第１実施形態の光学系１の他の例の像面を示す図である。 拡張回転自由曲面を説明する図である。 実施例１の光学系１を示す図である。 実施例１の光学系の第１側視光路２１に対応する横収差図である。 実施例１の光学系の第２側視光路２２に対応する横収差図である。 実施例２の光学系１の第１状態を示す図である。 実施例２の光学系１の第２状態を示す図である。 実施例１の光学系の第１状態での第１側視光路２１に対応する横収差図である。 実施例１の光学系の第２状態での第１側視光路２１に対応する横収差図である。 実施例１の光学系の第２側視光路２２に対応する横収差図である。 実施例３の光学系１を示す図である。 実施例３の光学系の側視光路２１に対応する横収差図である。 実施例４の光学系１を示す図である。 実施例４の光学系１の偏向部５を第１状態とした例を示す図である。 実施例４の光学系１の偏向部５を第２状態とした例を示す図である。 実施例４の光学系の直視光路３１に対応する横収差図である。 実施例４の光学系の側視光路２１に対応する横収差図である。 本実施形態の光学系を自動車の撮影光学系として用いた例を示す図である。 本実施形態の光学系を屋外の被写体を撮影する撮像装置及び投影装置として用いた例を示す 本実施形態の光学系を内視鏡先端の撮影光学系として用いた例を示す図である。

本実施形態の光学素子について説明する。

図１は、第１実施形態の光学系１の中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。

本実施形態の光学素子２は、中心軸Ｃの周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体１０を少なくとも２個含み、透明媒体１０は、中心軸Ｃに対して最外周に配置された第１透過面１１と、第１透過面１１より中心軸Ｃ側に配置された第１反射面１２と、第１反射面１２より像面と反対側に配置された第２反射面１３と、第２反射面１３より像面側に配置された第２透過面１４と、を有し、透明媒体１０に入射する光束は、順光線追跡の順に、第１透過面１１を経て透明媒体１０内に入り、第１反射面１２で像面Ｉと反対側に反射され、第２反射面１３で像面Ｉ側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体１０から像面Ｉ側の外へ出る光路を構成し、光路は、中心軸Ｃに対して片側のみで構成され、第１反射面１２は、像面Ｉ側に凹面を向けて配置される。

透明媒体１０は、内側で反射する第１反射面１２及び第２反射面１３を有し、第１反射面１２及び第２反射面１３を裏面鏡で構成することができるので、収差の発生を低減させることが可能となる。また、透明媒体１０は、第１透過面１１及び第２透過面１４を有し、光線を屈曲することができるので、設計の自由度を高くすることが可能となる。

透明媒体１０の屈折率は、１より大きいので、透明媒体１０に入射した光束の幅が狭くなり、周辺映像の収差を補正することが可能となる。

好ましくは、透明媒体１０を屈折率１．５以上の媒質にして、反射作用を有する面を内部反射面で構成することにより、反射面で構成するより収差の発生が少なくなる。この構成により小型で高解像の光学系を構成することが可能となると同時に、２つの反射面を一体に構成することが可能となり、組み立て調整上好ましい。

透明媒体１０を屈折率１．７以上の媒質で構成することが好ましい。屈折率を上げるとそれだけ内部反射面の曲率を小さく（曲率半径を大きく）でき、本実施形態のように偏心光学系として構成している場合には、偏心収差の発生が小さくでき、解像力が向上するので好ましい。

さらに好ましくは、屈折率を１．８以上にすることにより、臨界角は３３度となり、第１反射面１２を全反射面として構成することが可能となり、反射コーティングをする必要がなくなるため、加工上と光量の損失の点で好ましい。

透明媒体１０に入射する光束は、順光線追跡の順に、第１透過面１１を経て透明媒体１０内に入り、第１反射面１２で像面Ｉと反対側に反射され、第２反射面１３で像面Ｉ側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体１０から像面Ｉ側の外へ出る光路を構成させるので、略Ｚ字状の光路を構成することになる。その結果、第１反射面１２及び第２反射面１３への入射角が小さくなり、偏心収差の発生を最小にすることが可能となる。

透明媒体１０内の光路は、中心軸Ｃに対して片側のみで構成されるので、光路長が短くなり、中間結像をしない光路となる。したがって、小型の光学系を構成することが可能となる。

透明媒体１０の第１反射面１２及び第２反射面１３は、像面Ｉ側に凹面を向けて配置されるので、面のパワーとしては強い負と正のパワーを有する。したがって、正のパワーの後群Ｇｂとあわせて負−正−正のレトロフォーカスのパワー配置となり、広画角で収差の良好な光学系を形成することが可能となる。また、第１反射面１２で発生する像面湾曲を第２反射面１３で補正することも可能となり、高解像な結像系に好ましい。

さらに好ましくは、第１反射面１２を全反射にすることにより、第１反射面１２と第２透過面１４の有効領域を重ねることが可能となり、小型の光学素子を構成することが可能となる。また、全反射にすることにより、光量のロスを小さくすることが可能となる。

光学素子２は、このような構成を有する透明媒体１０を少なくとも２つ用いることにより、２光路での撮像が可能となり、安価で簡単な構成によって、観察画角の広い立体像を得ることが可能となる。

図２は、第１実施形態の光学系１の結像面を示す図である。

本実施形態の光学素子２では、透明媒体１０は、第１透明媒体１０₁及び第２透明媒体１０₂を含み、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
０．５ ＜ ｗ１／ｗ２ ＜ ２ （１）
ただし、
ｗ１は、第１透明媒体１０₁を通過して結像される輪帯状の第１結像面Ｉ₂₁の幅（ｍｍ）、
ｗ２は、第２透明媒体１０₂を通過して結像される輪帯状の第２結像面Ｉ₂₂の幅（ｍｍ）、
である。

ｗ１／ｗ２が条件式（１）の下限を下回る場合又は上限を上回る場合、二つの映像の大きさが大きく異なり、立体視や立体計測する場合に大きさを補正することが必要になる。したがって、光学素子２を使用する際の装置が複雑化してしまうので、好ましくない。なお、撮像素子ＩＳは、図２に示すように、第１結像面Ｉ₂₁及び第２結像面Ｉ₂₂が含まれるように設置されればよい。

次に、第１実施形態の光学系１について説明する。

第１実施形態の光学系１の光学素子２では、第１透明媒体１０₁及び第２透明媒体１０₂は、中心軸Ｃ上に直列に配置されることが好ましい。

第１透明媒体１０₁及び第２透明媒体１０₂を中心軸Ｃ上に直列に配置することによって、全方位を立体視することが可能となる。

第１実施形態の光学系１は、第１透明媒体１０₁及び第２透明媒体１０₂が配置される前群Ｇｆと、前群Ｇｆより像面側に配置された後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に配置された開口Ｓと、を備え、第１透明媒体１０₁を通過し前群Ｇｆから射出する光束と、第２透明媒体１０₂のみを通過し前群Ｇｆから射出する光束と、は、後群Ｇｂの直前で同一の位置に虚像を形成することが好ましい。

このように構成することにより、後群Ｇｂで結像される像の位置を同一平面上にすることができるので、光路によってピントを合わせ直すことが不要となり、同時に両光路を撮像することが可能となる。

第１実施形態の光学系１では、第１透明媒体１０₁は、少なくとも中心軸Ｃと直交する方向を観察する第１側視光路２１を有し、第２透明媒体１０₂は、少なくとも中心軸Ｃと直交する方向を観察する第２側視光路２２を有し、第１側視光路２１及び第２側視光路２２の物体の像を中心軸Ｃと直交する平面に同心に形成することが好ましい。

このように構成することにより、単一の平面で第１側視光路２１及び第２側視光路２２の物体の像を撮像することが可能となる。

第１実施形態の光学系１では、第２透明媒体１０₂は、第１透明媒体１０₁を射出した第１側視光路２１の光束を第２側視光路２２よりも中心軸Ｃに近い側で透過させることが好ましい。

第１側視光路２１が第１透明媒体１０₁を射出する位置から後群Ｇｂまでの間には、第２透明媒体１０₂が存在する。もし、第１側視光路２１が第２透明媒体１０₂を透過できない場合、第１側視光路２１は、第２透明媒体１０₂の側方を通過させることになり、第１透明媒体１０₁を大型化させることになる。したがって、このように構成することにより、第１透明媒体１０₁を小さく形成することが可能となる。

図３は、第１実施形態の他の例の光学系１の中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。

第１実施形態の他の例の光学系１では、第１透明媒体１０₁及び第２透明媒体１０₂は、少なくとも中心軸Ｃ上を観察する直視光路２３を有し、直視光路２３の物体の像を平面の第１側視光路２１及び第２側視光路２２の物体の像と同心に形成することが好ましい。

このように構成することにより、中心軸Ｃ上を観察することができ、単一の平面で第１側視光路２１、第２側視光路２２、及び直視光路２３の物体の像を撮像することが可能となる。なお、図３に示した例の第１透明媒体１０₁の物体側に配置された前群レンズ成分３の物体側に平面を向けた平凹レンズ３１は、画角を広げるためのものであって、配置しなくてもよい。

次に、第２実施形態の光学系１について説明する。

図４は、第２実施形態の光学系１の中心軸Ｃに沿ってとった第１状態の断面図である。図５は、第２実施形態の光学系１の中心軸Ｃに沿ってとった第２状態の断面図である。

第２実施形態の光学系１では、第１透明媒体１０₁は、図４に示す第１状態と図５に示す第２状態とに、それぞれ移動可能であり、第１透明媒体１０₁と第２透明媒体１０₂の中心軸Ｃ上の間隔は、可変であることが好ましい。

第１透明媒体１０₁を移動可能とし、第１透明媒体１０₁と第２透明媒体１０₂の中心軸Ｃ上の間隔を可変とすることにより、基線長を可変に調節することが可能となる。例えば、物体との距離が長い場合には、第１透明媒体１０₁と第２透明媒体１０₂を離間させるように配置して基線長を長くし、物体との距離が短い場合には、第１透明媒体１０₁と第２透明媒体１０₂を近接させるように配置して基線長を短くすることができ、物体を見込む輻輳角を適切に設定することができ、物点距離に対応して適切な立体感を得ることが可能となる。

なお、図４に示した第２実施形態の光学系１は、第１透明媒体１０₁と第２透明媒体１０₂の間にアフォーカル素子４を配置している。アフォーカル素子４は、第１アフォーカル素子４１及び第２アフォーカル素子４２を有し、第１アフォーカル素子４１と第２アフォーカル素子４２の間の第１中心主光線２１_Cが中心軸Ｃに対して平行になるように配置されている。

アフォーカル素子４を配置することによって、第１アフォーカル素子４１と第２アフォーカル素子４２の間の第１中心主光線２１_Cを中心軸Ｃに対して平行にすると共に、第１中心主光線２１_Cを含む光束を中心軸Ｃに対して平行とする。第１アフォーカル素子４１と第２アフォーカル素子４２の間の第１中心主光線２１_Cが中心軸Ｃに対して平行であれば、第２透明媒体１０₂に入射する第１中心主光線２１_Cの位置が変化せず、像面中心も移動しない。さらに、第１中心主光線２１_Cを含む光束が中心軸Ｃに対して平行であれば、第１透明媒体１０₁が移動しても中心軸Ｃ方向の像の位置も移動しない。

なお、アフォーカル素子４を用いることなく、第１透明媒体１０₁と第２透明媒体１０₂の間の第１中心主光線２１_Cを中心軸Ｃに対して平行とすることが可能であれば、アフォーカル素子４を用いる必要はない。

また、第２実施形態と同様に、第１実施形態の光学系１も第１透明媒体１０₁と第２透明媒体１０₂の中心軸Ｃ上の間隔を可変としてもよい。

図６は、第２実施形態の他の例の光学系１の中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。

図６に示すように、第２実施形態の他の例の光学系１では、第１実施形態と同様に、第１透明媒体１０₁及び第２透明媒体１０₂は、少なくとも中心軸Ｃ上を観察する直視光路２３を有し、直視光路２３の物体の像を平面の第１側視光路２１及び第２側視光路２２の物体の像と同心に形成することが好ましい。

このように構成することにより、中心軸Ｃ上を観察することができ、単一の平面で第１側視光路２１、第２側視光路２２、及び直視光路２３の物体の像を撮像することが可能となる。なお、図６に示した例の第１透明媒体１０₁の物体側に配置されたレンズ成分３の物体側に平面を向けた平凹レンズ３は、画角を広げるためのものであって、配置しなくてもよい。

次に、第３実施形態の光学系１について説明する。

図７は、第３実施形態の光学系１の中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。

第３実施形態の光学系１は、第１透明媒体１０₁が配置される第１前群Ｇｆ₁、第１前群Ｇｆ₁より第１像面Ｉ₁側に配置された第１後群Ｇｂ₁、及び第１前群Ｇｆ₁と第１後群Ｇｂ₁の間に配置された第１開口Ｓ₁、を有し、中心軸Ｃを囲むように物体の像を形成する第１光学系２₁と、第２透明媒体１０₂が配置される第２前群Ｇｆ₂、第２前群Ｇｆ₂より第２像面Ｉ₂側に配置された第２後群Ｇｂ₂、及び、第２前群Ｇｆ₂と第２後群Ｇｂ₂の間に配置された第２開口Ｓ₂、を有し、中心軸Ｃを囲むように物体の像を形成する第２光学系２₂と、を備え、第１透明媒体１０₁及び第２透明媒体１０₂は、それぞれの第２反射面１３₁，１３₂の凸面側が中心軸Ｃ上で向かい合うように配置されることが好ましい。

このように構成することによって、第１後群Ｇｂ₁と第１像面Ｉ₁及び第２後群Ｇｂ₂と第２像面Ｉ₂が両端に配置されることになり、基線長を短くすることができ、近距離の物点に対して適切な立体感を得ることが可能となる。

第３実施形態の光学系１では、第１透明媒体１０₁は、少なくとも中心軸Ｃと直交する方向を観察する第１側視光路２１を形成し、第２透明媒体１０₂は、少なくとも中心軸Ｃと直交する方向を観察する第２側視光路２２を形成し、第１側視光路２１の物体の像を中心軸Ｃと直交する第１平面内に形成し、第２側視光路２２の物体の像を中心軸Ｃと直交する第２平面内に形成することが好ましい。

このように構成することによって、安価で簡単な構成によって、全方位を立体視することが可能となる。

第３実施形態の光学系１では、第１光学系１₁と第２光学系１₂の中心軸Ｃ上の間隔は、可変であることが好ましい。

第１光学系１₁と第２光学系１₂の中心軸Ｃ上の間隔を可変とすることにより、基線長を可変に調節することが可能となる。例えば、物体との距離が長い場合には、第１透明媒体１０₁と第２透明媒体１０₂を離間させるように配置して基線長を長くし、物体との距離が短い場合には、第１透明媒体１０₁と第２透明媒体１０₂を近接させるように配置して基線長を短くすることができ、物体を見込む輻輳角を適切に設定することができ、物点距離に対応して適切な立体感を得ることが可能となる。

次に、第４実施形態の光学系１について説明する。

図８は、第４実施形態の光学系１の第１の状態を中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。図９は、第４実施形態の光学系１の第２の状態を中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。図１０は、第４実施形態の光学素子２を物体側から見た図である。図１１は、第４実施形態の像面Ｉを示す図である。

第４実施形態の光学系１では、図８に示すように、第１透明媒体１０₁の第１中心軸Ｃ₁と、第２透明媒体１０₂の第２中心軸Ｃ₂は、並列に配置されることが好ましい。

並列に配置することにより、直視光路２３で立体視が可能となり、中心軸Ｃ方向の物体も立体視することが可能となる。また、広い画角を観察することが可能となる。

第４実施形態の光学系１では、第１透明媒体１０₁が配置される第１前群Ｇｆ₁、第１前群Ｇｆ₁より第１像面Ｉ₁側に配置された第１後群Ｇｂ₁、及び第１前群Ｇｆ₁と第１後群Ｇｂ₁の間に配置された第１開口Ｓ₁、を有し、第１中心軸Ｃ₁を囲むように物体の像を形成する第１光学系１₁と、第２透明媒体１０₂が配置される第２前群Ｇｆ₂、第２前群Ｇｆ₂より像面側に配置された第２後群Ｇｂ₂、及び第２前群Ｇｆ₂と第２後群Ｇｂ₂の間に配置された第２開口Ｓ₂を有し、第２中心軸Ｃ₂を囲むように物体の像を形成する第２光学系１₂と、を備えることが好ましい。

このように構成することによって、安価で簡単な構成によって、全方位を立体視することが可能となる。

第４実施形態の光学系１では、第１透明媒体１０₁は、少なくとも第１中心軸Ｃ₁と直交する方向を観察する第１側視光路２１を有し、第２透明媒体１０₂は、少なくとも第２中心軸Ｃ₂と直交する方向を観察する第２側視光路２２を有し、第１側視光路２１及び第２側視光路２２の物体の像を第１中心軸Ｃ₁及び第２中心軸Ｃ₂と直交する平面内に形成することが好ましい。

このように構成することにより、単一の平面で第１側視光路２１及び第２側視光路２２の物体の像を撮像することが可能となる。

第４実施形態の光学系１では、第１透明媒体１０₁は、少なくとも第１中心軸Ｃ₁上を観察する第１直視光路２３₁を有し、第２透明媒体１０₂は、少なくとも第２中心軸Ｃ₂上を観察する第２直視光路２３₂を有し、 第１直視光路２３₁及び第２直視光路２３₂の物体の像を平面内に形成することが好ましい。

正面を観察することができ、単一の平面で第１側視光路２１、第２側視光路２２、及び直視光路２３の物体の像を撮像することが可能となる。

なお、図８及び図９に示した例の第１透明媒体１０₁の物体側に配置されたレンズ成分３の物体側に平面を向けた平凹レンズ３１は、画角を広げるためのものであって、配置しなくてもよい。また、図１１に示すＩＳは、想定される撮像素子ＩＳの設置位置を示すものである。

第４実施形態の光学系１では、図１０に示すように、第１透明媒体１０₁は、第１切り欠き部１０ａ₁を有し、第２透明媒体１０₂は、第２切り欠き部１０ａ₂を有し、第１切り欠き部１０ａ₁と、第２切り欠き部１０ａ₂と、を当接させることが好ましい。

光学素子２の隣り合う第１透明媒体１０₁及び第２透明媒体１０₂が干渉し、第１透明媒体１０₁及び第２透明媒体１０₂の影になって撮像できない場合、撮像できない側方視野の部分をカットして第１中心軸Ｃ₁と第２中心軸Ｃ₂の間隔を短くすることが可能となる。

第４実施形態の光学系１は、第１切り欠き部１０ａ₁と第２切り欠き部１０ａ₂との間に遮光部材７を備えることが好ましい。

例えば、近距離物点の場合に輻輳角が大きくなりすぎないようにするため、入射瞳間隔である基線長を短くすると、隣接する第１透明媒体１０₁と第２透明媒体１０₂の間でフレアー光が入射してしまうおそれがある。そこで、遮光部材７を設けることにより、フレアー光を低減することが可能となる。

第４実施形態の光学系１は、偏向部５を備える。第１光学系１₁は、第１開口Ｓ₁に光束を偏向する第１偏向部５₁を有し、第２光学系１₂は、第２開口Ｓ₂に光束を偏向する第２偏向部５₂を有することが好ましい。

第１偏向部５₁を第１開口Ｓ₁の近傍に設置することによって、第１開口Ｓ₁より像面側の第１光学系１₁の第１後群Ｇｂ₁を第１中心軸Ｃ₁に同軸に配置することが可能となる。また、第２偏向部５₂を第２開口Ｓ₂の近傍に設置することによって、第２開口Ｓ₂より像面側の第２光学系１₂の第２後群Ｇｂ₂を第２中心軸Ｃ₂に同軸に配置することが可能となる。

図８に示すように、第１偏向部５₁及び第２偏向部５₂によって、第１光学系１₁の第１後群Ｇｂ₁を通過する第１光束と、第２光学系１₂の第２後群Ｇｂ₂を通過する第２光束との間隔を狭める第１状態とすると、図１１（ａ）に示すように、第１像面Ｉ₁及び第２像面Ｉ₂の間隔を狭めることができる。したがって、第１結像面Ｉ₂₁及び第２結像面Ｉ₂₂が含まれるように単一の撮像素子ＩＳを設置すれば、第１光学系１₁及び第２光学系１₂の映像を撮像することが可能となる。

また、図１１（ｂ）に示すように、第１光学系１₁及び第２光学系１₂の映像の使用する領域を狭めて、第１結像面Ｉ₂₁及び第２結像面Ｉ₂₂を小さくすることにより、さらに小型の撮像素子ＩＳに第１光学系１₁及び第２光学系１₂の映像を撮像することが可能となる。

なお、第１光学系１₁及び第２光学系１₂の映像の間隔よりも狭い基線長にすることも可能である。

また、図９に示すように、第１偏向部５₁及び第２偏向部５₂によって、第１光学系１₁の第１後群Ｇｂ₁を通過する第１光束と、第２光学系１₂の第２後群Ｇｂ₂を通過する第２光束と、の間隔を広げる第２状態とすることにより、図１１（ｃ）に示すように、第１像面Ｉ₁及び第２像面Ｉ₂の間隔を広げることができる。したがって、第１撮像素子ＩＳ₁と第２撮像素子ＩＳ₂との間隔を広くすることで、各撮像素子ＩＳ₁，ＩＳ₂への入射角を小さくすることができ、良好な収差状態を得ることが可能となる。

図１２は、第４実施形態の光学系１の他の例の中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。なお、図１２では、第１光学系１₁のみを示しており、第２光学系１₂を省略している。

図１２に示す例の第４実施形態の光学系１は、第１透明媒体１０₁の中心軸Ｃ₁付近に孔１５₁が形成され、直視光路２３₁が孔１５₁を通過する構成としている。

このように、直視光路２３₁が孔１５₁を通過する構成としているので、光学系１を軽量化することが可能となる。また、直視光路２３₁を通る光束の収差を小さくすることが可能となる。

図１３は、第１実施形態の光学系１の鳥瞰図である。図１４は、第１実施形態の光学系１をケースに収納した立体撮像装置を示す図である。

第１実施形態の光学系１は、図１３に示すように構成される。このように構成される第１実施形態の光学系１を撮像装置等に用いる際には、図１４に示すように、第１透明媒体１０₁の第１透過面１１₁及び第２透明媒体１０₂の第１透過面１１₂に対応する位置に開口を有するケース８を備えることが好ましい。

なお、他の実施形態の光学系１も、使用時には、ケース８に収納して立体撮像装置として用いることが好ましい。また、直視光路２３を有する光学系１に用いるには、ケース８に直視光路２３を通過する光束のための図示しない開口部を設けることが好ましい。

図１５は、第１実施形態の立体撮像装置の撮像素子を示す図である。図１６は、第１実施形態の立体撮像装置で撮像された映像を肉眼観察用に画像処理した図である。

本実施形態の立体撮像装置は、像面Ｉに配置される撮像素子ＩＳと、撮像素子ＩＳが撮像した映像のうち、所定角度の扇形の小領域Ｉ₂₁ａ，Ｉ₂₂ａの映像を画像処理して、長方形の左目用観察映像及び長方形の右目用観察映像に変換する画像変換部と、を備えることが好ましい。

具体的には、図１５に示すように第１実施形態の立体撮像装置の撮像素子が撮像した映像のうち、第１側視光路小領域Ｉ₂₁ａ及び第２側視光路小領域Ｉ₂₂ａの映像を観察する場合、図１６に示すように、第１側視光路小領域Ｉ₂₁ａ及び第２側視光路小領域Ｉ₂₂ａの映像を画像処理して、それぞれ長方形の左目用観察映像Ｌ及び右目用観察映像Ｒに変換することが好ましい。

したがって、必要な領域の映像のみを簡単に立体的に観察することが可能となる。

図１７は、第１実施形態の光学系１の他の例の鳥瞰図である。図１８は、第１実施形態の光学系１の他の例の像面を示す図である。

第１実施形態の光学系１の他の例では、図１７に示すように、第１透明媒体１０₁及び第２透明媒体１０₂の角度を限定して使用する場合を示したものである。このように、使用する部分のみを残して他の部分をカットすることで、さらに小型化することが可能となる。また、図１８に示すように、像面Ｉでの映像も第１透明媒体１０₁及び第２透明媒体１０₂の使用する部分に対応して観察可能となるので、像面Ｉでの映像に対応した有効な撮像エリアを有する撮像素子ＩＳを用いればよく、撮像素子ＩＳを小型化することが可能となる。

なお、本実施形態の光学系１において、反射作用を持つ第１反射面１２と第２反射面１３はいずれも開口Ｓに凹面を向けている。これにより、第１反射面１２と第２反射面１３のパワー配置が負−正の配置となり、光学素子２の反射面のパワー配置が所謂レトロフォーカス型となり、広画角を取りやすくなると同時にコマ収差の発生を少なくすることが可能となる。

また、第２透過面１４は、開口Ｓ側に凹面を向けた強い負のパワーを持つ面とすることが好ましい。この面を通って光学素子２から射出する画角を小さくすることにより、後群Ｇｂに入射する画角を小さくし、後群Ｇｂの収差補正上の負担を減らし、全体として小型で構成枚数の少ない光学系１を達成することができる。

また、光学素子２を開口Ｓより物体側に配置することにより、後群Ｇｂとのバランスを取りやすくなり、光学系１の小型化と簡素化に良い結果が得られる。開口Ｓ近傍では、メリジオナル断面の中心光線と画角の大きい光線が接近しているので、開口Ｓ近傍に光学素子２を配置すると、高い角倍率が得られなくなり、他のレンズの負担が増えてしまう。また、開口Ｓの像側に光学素子２を配置すると、開口Ｓより物体側の前群Ｇｆにより広い画角を取ることが不可能になる。

本実施形態の光学系１の光学素子２の有する面のうち少なくとも１面は、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸２の周りで回転させて形成される拡張回転自由曲面で構成されていることにより、画角周辺部分の歪みを補正することが可能となる。

本実施形態の光学系１の光学素子２の有する面のうち少なくとも１面は、奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸２の周りで回転させて形状される拡張回転自由曲面で構成されていることにより、画角中心に対して上下非対称な形状を与えることが可能であり、収差補正上好ましい。

図１９は、拡張回転自由曲面を説明する図である。

なお、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、図１９に示すように、Ｙ−Ｚ座標面上で原点を通る下記の曲線（ａ）が定められる。
Ｚ＝（Ｙ² ／ＲＹ）／［１＋｛１−（Ｃ₁ ＋１）Ｙ² ／ＲＹ² ｝^{1 /2}］
＋Ｃ₂ Ｙ＋Ｃ₃ Ｙ² ＋Ｃ₄ Ｙ³ ＋Ｃ₅ Ｙ⁴ ＋Ｃ₆ Ｙ⁵ ＋Ｃ₇ Ｙ⁶
＋・・・・＋Ｃ₂₁Ｙ²⁰＋・・・・＋Ｃ_n+1 Ｙⁿ ＋・・・・
・・・（ａ）

次いで、この曲線（ａ）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Ｒ（負のときはＹ負方向）だけ平行移動する。その後、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。その結果、拡張回転自由曲面はＹ−Ｚ面内で自由曲面（自由曲線）になり、Ｘ−Ｙ面内で半径｜Ｒ｜の円になる。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、ＲＹ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。

なお、本実施形態では、第１透明媒体１０₁及び第２透明媒体１０₂の第１反射面１２₁，１２₂を拡張回転自由曲面としての円筒面で形成したが、円錐面やトーリック面等であってもよい。

以下に、本実施形態にかかる光学系１の実施例１〜４を説明する。なお、実施例１〜４の数値データは、後述する。

まず、実施例１について説明する。

図２０は、実施例１の光学系１を示す図である。図２１は、実施例１の光学系の第１側視光路２１に対応する横収差図である。図２２は、実施例１の光学系の第２側視光路２２に対応する横収差図である。

横収差図において、中央に示された角度は、（水平方向画角、垂直方向の画角）を示し、その画角におけるＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Ｙ軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。以下、実施例１〜４の横収差図に関して同様である。

図２０に示す実施例１は、図１に示した第１実施形態の光学系１の一例である。

実施例１の座標系は、第１側視光路２１に対応する第１座標系と、第２側視光路２２に対応する第２座標系と、がある。第１物体面ＯＢ₁と第２物体面ＯＢ₂は、半径１６の円筒面であり、中心軸Ｃ上に第１基準面ＢＳ₁及び第２基準面ＢＳ₂を配置する。第１側視光路２１の各光学面は、第１基準面ＢＳ₁からの偏心量で示し、第２側視光路２２の各光学面は、第２基準面ＢＳ₂からの偏心量で示す。

第１側視光路２１に対応する第１座標系は、順光線追跡において、例えば図２０に示すように、第１物体面ＯＢ₁から第１透明媒体１０₁の第１透過面１１₁に向かう第１中心主光線２１_Cの延長が中心軸Ｃと交差する点を偏心光学面の第１原点Ｏ₁とし、第１物体面ＯＢ₁とは中心軸Ｃに対して反対側の中心軸Ｃに直交する方向をＹ₁軸正方向とし、図２０の紙面内をＹ₁−Ｚ₁平面とする。そして、図２０の像面Ｉ側の方向をＺ₁軸正方向とし、Ｙ₁軸、Ｚ₁軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ₁軸正方向とする。

第２側視光路２２に対応する第２座標系は、順光線追跡において、例えば図２０に示すように、第２物体面ＯＢ₂から第２透明媒体１０₂の第１透過面１１₂に向かう第２中心主光線２２_Cの延長が中心軸Ｃと交差する点を偏心光学面の第２原点Ｏ₂とし、第２物体面ＯＢ₂とは中心軸Ｃに対して反対側の中心軸Ｃに直交する方向をＹ₂軸正方向とし、図２０の紙面内をＹ₂−Ｚ平面とする。そして、図２０の像面Ｉ側の方向をＺ₂軸正方向とし、Ｙ₂軸、Ｚ₂軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ₂軸正方向とする。

光学系１は、中心軸Ｃの周りで回転対称な前群Ｇｆと、中心軸Ｃの周りで回転対称な後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｃに同軸に配置された開口Ｓとからなる。

前群Ｇｆは、中心軸Ｃの周りで回転対称な屈折率が１より大きい第１透明媒体１０₁と、中心軸Ｃの周りで回転対称な屈折率が１より大きい第２透明媒体１０₂と、からなる。

第１透明媒体１０₁は、第１物体面ＯＢ₁に対向し、外側に配置され、中心軸Ｃに平行に形成された拡張回転自由曲面としてのシリンドリカル面からなる第１透過面１１₁と、第１透明媒体１０₁の内部に形成され、第１透過面１１₁に対して中心軸Ｃ側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２₁と、第１透明媒体１０₁の内部に形成され、第１反射面１２₁に対して像面Ｉと反対側に配置され、非球面からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３₁と、第２反射面１３₁より像面Ｉ側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１４₁を有する。

なお、第１透明媒体１０₁の第１反射面１２₁と第２透過面１４₁は、共通の面である。

第２透明媒体１０₂は、第２物体面ＯＢ₂に対向し、外側に配置され、中心軸Ｃに平行に形成された拡張回転自由曲面としてのシリンドリカル面からなる第１透過面１１₂と、第１透明媒体１０₂の内部に形成され、第１透過面１１₂に対して中心軸Ｃ側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２₂と、第１透明媒体１０₂の内部に形成され、第１反射面１２₂に対して像面Ｉと反対側に配置され、非球面からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３₂と、第２反射面１３₂より像面Ｉ側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１４₂を有する。

また、第２透明媒体１０₂は、第２透明媒体１０₂の内部に形成され、第１反射面１２₂に対して像面Ｉと反対側に配置され、非球面からなり、正のパワーをもつ、第１側視光路２１に対する第３透過面１５₁と、第３透過面１５₁より像面Ｉ側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ、第１側視光路２１に対する第４透過面１６₁を有する。

なお、第２透明媒体１０₂の第２反射面１３₂と第３透過面１５₁は、共通の面であり、第１反射面１２₂と第２透過面１４₂と第４透過面１６₁は、共通の面である。

後群Ｇｂは、像面Ｉ側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ₁と、像面Ｉ側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ₂と、両凸正レンズＬ₃と、両凸正レンズＬ₄と両凹負レンズＬ₅の接合レンズＳＵ₁と、フィルタＦと、カバーガラスＣと、からなる。

光学系１の第１側視光路２１において、中心軸Ｃに対して直角方向の３６０°の円環状の物体面ＯＢ₁から入射する光束は、前群Ｇｆの第１透明媒体１０₁及び第２透明媒体１０₂、開口Ｓ、並びに後群Ｇｂを経て、中心軸Ｃに垂直な像面Ｉの中心軸Ｃから外れた外側に円環状に映像を形成する。

光学系１の第２側視光路２２において、中心軸Ｃに対して直角方向の３６０°の円環状の物体面ＯＢ₂から入射する光束は、前群Ｇｆの第２透明媒体１０₂、開口Ｓ、及び後群Ｇｂを経て、中心軸Ｃに垂直な像面Ｉの中心軸Ｃから外れ、第１側視光路２１の映像の外側に円環状に映像を形成する。

第１側視光路２１の光束は、前群Ｇｆの第１透明媒体１０₁内に第１透過面１１₁を経て入り、第１反射面１２₁で像面Ｉと反対側に反射され、第２反射面１３₁で像面Ｉ側に反射され、第２透過面１４₁を経て、略Ｚ字状の光路で第１透明媒体１０₁から外に出る。

続いて、第１側視光路２１の光束は、第２透明媒体１０₂の第３透過面１５₁及び第４透過面１６₁を経て、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｃに同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを通過する。

その後、後群Ｇｂを経て、像面Ｉの中心軸Ｃから外れた半径方向の所定位置に結像する。

第２側視光路２２の光束は、前群Ｇｆの第２透明媒体１０₂内に第１透過面１１₂を経て入り、第１反射面１２₂で像面Ｉと反対側に反射され、第２反射面１３₂で像面Ｉ側に反射され、第２透過面１４₂を経て、略Ｚ字状の光路で第２透明媒体１０₂から外に出る。

続いて、第２側視光路２２の光束は、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｃに同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを通過する。その後、後群Ｇｂを経て、像面Ｉの中心軸Ｃから外れた半径方向の第１側視光路２１の結像位置の外側の所定位置に結像する。

なお、第１実施形態の観察角度は、１８０°又は９０°とすることにより、外径を細くしたり、照明光学系を配置してもよい。

実施例１の仕様は、
画角（第１側視光路） ９０°
画角（第２側視光路） ９０°
絞り径 φ０．５ｍｍ
像の大きさ（第１側視光路） φ０．４００〜φ０．９９８
像の大きさ（第２側視光路） φ１．３１５〜φ２．００１
物体側ＮＡ（第１側視光路） ０．００３２４
物体側ＮＡ（第２側視光路） ０．００７８２
である。

次に、実施例２について説明する。

図２３は、実施例２の光学系１の第１状態を示す図である。図２４は、実施例２の光学系１の第２状態を示す図である。図２５は、実施例１の光学系の第１状態での第１側視光路２１に対応する横収差図である。図２６は、実施例１の光学系の第２状態での第１側視光路２１に対応する横収差図である。図２７は、実施例１の光学系の第２側視光路２２に対応する横収差図である。

図２３及び図２４に示す実施例２は、図４に示した第２実施形態の光学系１の一例である。

実施例２の座標系は、第１側視光路２１に対応する第１座標系と、第２側視光路２２に対応する第２座標系と、がある。第１物体面ＯＢ₁と第２物体面ＯＢ₂は、半径１６の円筒面であり、中心軸Ｃ上に第１基準面ＢＳ₁及び第２基準面ＢＳ₂を配置する。第１側視光路２１の各光学面は、第１基準面ＢＳ₁からの偏心量で示し、第２側視光路２２の各光学面は、第２基準面ＢＳ₂からの偏心量で示す。

実施例２は、第１透明媒体１０₁が移動可能であるため、第１基準面ＢＳ₁が移動可能である。したがって、第１側視光路２１が移動し、第１基準面ＢＳ₁と第２基準面ＢＳ₂の間隔が可変となり、基線長を可変にすることが可能である。

第１基準面ＢＳ₁と第２基準面ＢＳ₂の間隔を変えた場合、像面中心と焦点位置が変化しないための条件は、開口Ｓの中心を通る第１中心主光線２１_Cが第１基準面ＢＳ₁の移動方向である中心軸Ｃに対して平行になることである。第１中心主光線２１_Cが中心軸Ｃに対して平行であれば、第２基準面ＢＳ₂に入射する第１中心主光線２１_Cの位置が変化せず、像面中心も移動しない。さらに、第１中心主光線２１_Cを含む光束が中心軸Ｃに対して平行であれば、第２基準面ＢＳ₂が移動しても中心軸Ｃ方向の像の位置も移動しない。

したがって、実施例２では、第１基準面ＢＳ₁と第２基準面ＢＳ₂の間の第２基準面ＢＳ₂の近傍に、移動しない正の屈折力を有する楔形状のアフォーカル素子４を配置する。アフォーカル素子４を配置することによって、第１中心主光線２１_Cを中心軸Ｃに対して平行にすると共に、第１中心主光線２１_Cを含む光束を中心軸Ｃに対して平行とする。なお、アフォーカル素子４を用いることなく、第１中心主光線２１_Cを中心軸Ｃに対して平行にすることが可能であれば、図２３又は図２４に示したアフォーカル素子４は、省略してもよい。

第１側視光路２１に対応する第１座標系は、順光線追跡において、例えば図２３又は図２４に示すように、第１物体面ＯＢ₁から第１透明媒体１０₁の第１透過面１１₁に向かう第１中心主光線２１_Cの延長が中心軸Ｃと交差する点を偏心光学面の第１原点Ｏ₁とし、第１物体面ＯＢ₁とは中心軸Ｃに対して反対側の中心軸Ｃに直交する方向をＹ₁軸正方向とし、図２０の紙面内をＹ₁−Ｚ₁平面とする。そして、図２３又は図２４の像面Ｉ側の方向をＺ₁軸正方向とし、Ｙ₁軸、Ｚ₁軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ₁軸正方向とする。

第２側視光路２２に対応する第２座標系は、順光線追跡において、例えば図２３又は図２４に示すように、第２物体面ＯＢ₂から第２透明媒体１０₂の第１透過面１１₂に向かう第２中心主光線２２_Cの延長が中心軸Ｃと交差する点を偏心光学面の第２原点Ｏ₂とし、第２物体面ＯＢ₂とは中心軸Ｃに対して反対側の中心軸Ｃに直交する方向をＹ₂軸正方向とし、図２３の紙面内をＹ₂−Ｚ₂平面とする。そして、図２３又は図２４の像面Ｉ側の方向をＺ₂軸正方向とし、Ｙ₂軸、Ｚ₂軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ₂軸正方向とする。

光学系１は、中心軸Ｃの周りで回転対称な前群Ｇｆと、中心軸Ｃの周りで回転対称な後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｃに同軸に配置された開口Ｓとからなる。

前群Ｇｆは、中心軸Ｃの周りで回転対称な屈折率が１より大きい第１透明媒体１０₁と、アフォーカル素子４と、中心軸Ｃの周りで回転対称な屈折率が１より大きい第２透明媒体１０₂と、からなる。

第１透明媒体１０₁は、第１物体面ＯＢ₁に対向し、外側に配置され、中心軸Ｃに平行に形成された拡張回転自由曲面としてのシリンドリカル面からなる第１透過面１１₁と、第１透明媒体１０₁の内部に形成され、第１透過面１１₁に対して中心軸Ｃ側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２₁と、第１透明媒体１０₁の内部に形成され、第１反射面１２₁に対して像面Ｉと反対側に配置され、非球面からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３₁と、第２反射面１３₁より像面Ｉ側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１４₁を有する。

なお、第１透明媒体１０₁の第１反射面１２₁と第２透過面１４₁は、共通の面である。

アフォーカル素子４は、第１アフォーカル素子４１と、第２アフォーカル素子４２と、を有する。第１アフォーカル素子４１は、第１透明媒体１０₁と第２透明媒体１０₂の間の第１透明媒体１０₁近傍に配置され、両面が拡張回転自由曲面の透明媒体からなり、第１透明媒体１０₁と共に移動する。第２アフォーカル素子４２は、両面が拡張回転自由曲面の楔形の透明媒体からなり、第１透明媒体１０₁と第２透明媒体１０₂の間の第２透明媒体１０₂近傍に配置され、移動しない。

第２透明媒体１０₂は、第２物体面ＯＢ₂に対向し、外側に配置され、中心軸Ｃに平行に形成された拡張回転自由曲面としてのシリンドリカル面からなる第１透過面１１₂と、第１透明媒体１０₂の内部に形成され、第１透過面１１₂に対して中心軸Ｃ側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２₂と、第１透明媒体１０₂の内部に形成され、第１反射面１２₂に対して像面Ｉと反対側に配置され、非球面からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３₂と、第２反射面１３₂より像面Ｉ側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１４₂を有する。

また、第２透明媒体１０₂は、第２透明媒体１０₂の内部に形成され、第１反射面１２₂に対して像面Ｉと反対側に配置され、非球面からなり、正のパワーをもつ、第１側視光路２１に対する第３透過面１５₁と、第３透過面１５₁より像面Ｉ側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ、第１側視光路２１に対する第４透過面１６₁を有する。

なお、第２透明媒体１０₂の第２反射面１３₂と第３透過面１５₁は、共通の面であり、第２透過面１４₂と第１反射面１２₂と第４透過面１６₁は、共通の面である。

後群Ｇｂは、像面Ｉ側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ₁と、像面Ｉ側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ₂と、両凸正レンズＬ₃と像面Ｉ側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ₄の接合レンズＳＵ₁と、フィルタＦと、カバーガラスＣと、からなる。

光学系１の第１側視光路２１において、中心軸Ｃに対して直角方向の３６０°の円環状の物体面ＯＢ₁から入射する光束は、前群Ｇｆの第１透明媒体１０₁、アフォーカル素子４、及び第２透明媒体１０₂、開口Ｓ、並びに後群Ｇｂを経て、中心軸Ｃに垂直な像面Ｉの中心軸Ｃから外れた外側に円環状に映像を形成する。

光学系１の第２側視光路２２において、中心軸Ｃに対して直角方向の３６０°の円環状の物体面ＯＢ₂から入射する光束は、前群Ｇｆの第２透明媒体１０₂、開口Ｓ、及び後群Ｇｂを経て、中心軸Ｃに垂直な像面Ｉの中心軸Ｃから外れ、第１側視光路２１の映像の外側に円環状に映像を形成する。

第１側視光路２１の光束は、前群Ｇｆの第１透明媒体１０₁内に第１透過面１１₁を経て入り、第１反射面１２₁で像面Ｉと反対側に反射され、第２反射面１３₁で像面Ｉ側に反射され、第２透過面１４₁を経て、略Ｚ字状の光路で第１透明媒体１０₁から外に出る。

続いて、第１側視光路２１の光束は、第１アフォーカル素子４１及び第２アフォーカル素子４２を通り、第２透明媒体１０₂の第３透過面１５₁及び第４透過面１６₁を経て、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｃに同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを通過する。

その後、後群Ｇｂを経て、像面Ｉの中心軸Ｃから外れた半径方向の所定位置に結像する。

第２側視光路２２の光束は、前群Ｇｆの第２透明媒体１０₂内に第１透過面１１₂を経て入り、第１反射面１２₂で像面Ｉと反対側に反射され、第２反射面１３₂で像面Ｉ側に反射され、第２透過面１４₂を経て、略Ｚ字状の光路で第２透明媒体１０₂から外に出る。

続いて、第２側視光路２２の光束は、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｃに同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを通過する。その後、後群Ｇｂを経て、像面Ｉの中心軸Ｃから外れた半径方向の第１側視光路２１の結像位置の外側の所定位置に結像する。

なお、実施例２の観察角度は、１８０°又は９０°とすることにより、外径を細くしたり、照明光学系を配置してもよい。

実施例２の仕様は、
画角（第１側視光路） ６０°
画角（第２側視光路） ６０°
絞り径 φ０．５ｍｍ
像の大きさ（第１側視光路の第１状態）φ０．４０５〜φ１．００８
像の大きさ（第１側視光路の第２状態）φ０．３０８〜φ１．０７０
像の大きさ（第２側視光路） φ１．３３３〜φ１．９９５
物体側ＮＡ（第１側視光路の第１状態）０．００３１６
物体側ＮＡ（第１側視光路の第２状態）０．００４３９
物体側ＮＡ（第２側視光路） ０．００７１８
である。

次に、実施例３について説明する。

図２８は、実施例３の光学系１を示す図である。図２９は、実施例３の光学系の側視光路２１に対応する横収差図である。実施例３では、第１光学系１₁と第２光学系１₂は、同じ構成なので、第１光学系１₁のみを説明する。

図２８に示す実施例３は、図７に示した第３実施形態の光学系１の一例である。

実施例３の座標系では、第１物体面ＯＢ₁は、半径１６ｍｍの円筒面であり、中心軸Ｃ上に第１基準面ＢＳ₁を配置する。第１側視光路２１の各光学面は、第１基準面ＢＳ₁からの偏心量で示す。

第１側視光路２１に対応する第１座標系は、順光線追跡において、例えば図２８に示すように、第１物体面ＯＢ₁から第１透明媒体１０₁の第１透過面１１₁に向かう第１中心主光線２１_Cの延長が中心軸Ｃと交差する点を偏心光学面の第１原点Ｏ₁とし、第１物体面ＯＢ₁とは中心軸Ｃに対して反対側の中心軸Ｃに直交する方向をＹ₁軸正方向とし、図２０の紙面内をＹ₁−Ｚ₁平面とする。そして、図２０の像面Ｉ側の方向をＺ₁軸正方向とし、Ｙ₁軸、Ｚ₁軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ₁軸正方向とする。

第１光学系１₁は、中心軸Ｃの周りで回転対称な第１前群Ｇｆ₁と、中心軸Ｃの周りで回転対称な第１後群Ｇｂ₁と、第１前群Ｇｆ₁と第１後群Ｇｂ₁の間に中心軸Ｃに同軸に配置された第１開口Ｓ₁とからなる。

第１前群Ｇｆ₁は、中心軸Ｃの周りで回転対称な屈折率が１より大きい第１透明媒体１０₁からなる。

第１透明媒体１０₁は、第１物体面ＯＢ₁に対向し、外側に配置され、中心軸Ｃに平行に形成された拡張回転自由曲面としてのシリンドリカル面からなる第１透過面１１₁と、第１透明媒体１０₁の内部に形成され、第１透過面１１₁に対して中心軸Ｃ側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２₁と、第１透明媒体１０₁の内部に形成され、第１反射面１２₁に対して像面Ｉと反対側に配置され、非球面からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３₁と、第２反射面１３₁より像面Ｉ側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１４₁を有する。

なお、第１透明媒体１０₁の第１反射面１２₁と第２透過面１４₁は、共通の面である。

第１後群Ｇｂ₁は、像面Ｉ側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ₁₁と、像面Ｉ側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ₁₂と、両凸正レンズＬ₁₃と像面Ｉ側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ₁₄の接合レンズＳＵ₁と、フィルタＦ₁と、カバーガラスＣ₁と、からなる。

第１光学系１₁の第１側視光路２１において、中心軸Ｃに対して直角方向の３６０°の円環状の第１物体面ＯＢ₁から入射する光束は、第１前群Ｇｆ₁の第１透明媒体１０₁、第１開口Ｓ₁、及び第１後群Ｇｂ₁を経て、中心軸Ｃに垂直な第１像面Ｉ₁の中心軸Ｃから外れた外側に円環状に映像を形成する。

第１側視光路２１の光束は、第１前群Ｇｆ₁の第１透明媒体１０₁内に第１透過面１１₁を経て入り、第１反射面１２₁で像面Ｉと反対側に反射され、第２反射面１３₁で第１像面Ｉ₁側に反射され、第２透過面１４₁を経て、略Ｚ字状の光路で第１透明媒体１０₁から外に出る。

続いて、第１側視光路２１の光束は、第１前群Ｇｆ₁と第１後群Ｇｂ₁の間に中心軸Ｃに同軸に配置され絞りを構成する第１開口Ｓ₁を通過する。

その後、第１後群Ｇｂ₁を経て、第１像面Ｉ₁の中心軸Ｃから外れた半径方向の所定位置に結像する。

なお、第１実施形態の観察角度は、１８０°又は９０°とすることにより、外径を細くしたり、照明光学系を配置してもよい。

実施例３の仕様は、
画角（第１側視光路） ６０°
絞り径 φ０．５ｍｍ
像の大きさ（第１側視光路） φ１．３３３〜φ１．９９５
物体側ＮＡ（第１側視光路） ０．００７１８
である。

次に、実施例４について説明する。

図３０は、実施例４の光学系１の座標系を示す図である。図３１は、実施例４の光学系１の偏向部５を第１状態とした例を示す図である。図３２は、実施例４の光学系１の偏向部５を第２状態とした例を示す図である。図３３は、実施例４の光学系の直視光路３１に対応する横収差図である。図３４は、実施例４の光学系の側視光路２１に対応する横収差図である。実施例４では、第１光学系１₁と第２光学系１₂は、同じ構成なので、第１光学系１₁のみを説明する。

図３０に示す実施例４は、図８に示した第４実施形態の光学系１の一例である。

実施例４の座標系は、第１直視光路２３₁に対応する第１直視座標系と、第１側視光路２１に対応する第１側視座標系を有する。

第１直視光路２３₁に対応する第１直視座標系では、第１直視物体面ＯＢ₃は、第１中心軸Ｃ₁上に第１直視基準面ＢＳ₃を配置する。第１直視光路２３₁の各光学面は、第１直視第１直視基準面ＢＳ₃からの面間隔又は偏心量で示す。第１側視光路２１に対応する第１側視物体面ＯＢ₁は、半径１６の円筒面であり、第１中心軸Ｃ₁上に第１側視基準面ＢＳ₁を配置する。第１側視光路２１の各光学面は、第１側視基準面ＢＳ₁からの偏心量で示す。

第１直視光路２３₁に対応する第１直視座標系は、順光線追跡において、例えば図３０に示すように、第１直視物体面ＯＢ₃と中心軸Ｃの交点を第１直視原点Ｏ₃とし、第１中心軸Ｃ₁の像面Ｉに向かう方向をＺ₃軸、第１直視原点Ｏ₃を通り、第１側視物体面ＯＢ₁とは第１中心軸Ｃ₁に対して反対側の第１中心軸Ｃ₁に直交する方向をＹ₃軸正方向とし、図３０の紙面内をＹ₃−Ｚ₃平面とする。そして、図３０の像面Ｉ側の方向をＺ₃軸正方向とし、Ｙ₃軸、Ｚ₃軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ₃軸正方向とする。

第１側視光路２１に対応する第１側視座標系は、順光線追跡において、例えば図３０に示すように、第１側視物体面ＯＢ₁から第１透明媒体１０₁の第１透過面１１₁に向かう第１側視中心主光線２１_Cの延長が第１中心軸Ｃ₁と交差する点を偏心光学面の第１側視原点Ｏ₁とし、第１側視物体面ＯＢ₁とは第１中心軸Ｃ₁に対して反対側の第１中心軸Ｃ₁に直交する方向をＹ₁軸正方向とし、図３０の紙面内をＹ₁−Ｚ₁平面とする。そして、図３０の像面Ｉ側の方向をＺ₁軸正方向とし、Ｙ₁軸、Ｚ₁軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ₁軸正方向とする。

第１光学系１₁は、第１中心軸Ｃ₁の周りで回転対称な第１前群Ｇｆ₁と、第１中心軸Ｃ₁の周りで回転対称な第１後群Ｇｂ₁と、第１前群Ｇｆ₁と第１後群Ｇｂ₁の間に第１中心軸Ｃ₁に同軸に配置された第１開口Ｓ₁とからなる。

第１前群Ｇｆ₁は、第１中心軸Ｃ₁の周りで回転対称な屈折率が１より大きい第１透明媒体１０₁と、第１レンズ成分３₁と、からなる。

第１透明媒体１０₁は、第１側視物体面ＯＢ₁に対向し、外側に配置され、第１中心軸Ｃ₁に平行に形成されたシリンドリカル面からなる第１透過面１１₁と、第１透明媒体１０₁の内部に形成され、第１透過面１１₁に対して第１中心軸Ｃ₁側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２₁と、第１透明媒体１０₁の内部に形成され、第１反射面１２₁に対して像面Ｉと反対側に配置され、非球面からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３₁と、第２反射面１３₁より像面Ｉ側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１４₁を有する。

なお、第１透明媒体１０₁の第１反射面１２₁と第２透過面１４₁は、共通の面である。

第１レンズ成分３₁は、第１レンズ３１₁と、第２レンズ３２₁と、第３レンズ３３₁と、を有する。第１レンズ３１₁は、第１直視物体面ＯＢ₃側に平面を向けた平凹負レンズからなり、第１透明媒体１０₁の物体面側に配置される。第２レンズ３２₁は、第１直視物体面ＯＢ₃側に凸面を向けた正メニスカスレンズ３２₁からなり、第１透明媒体１０₁と偏光部材５₁の間の第１透明媒体１０₁に近い側に配置される。第３レンズ３３₁は、第１像面Ｉ₁側に凸面を向けた負メニスカスレンズ３３₁からなり、第１透明媒体１０₁と偏光部材５₁の間の偏光部材５₁に近い側に配置される。なお、第１レンズ成分３は、必要ない場合には、配置しなくてもよい。

第１後群Ｇｂ₁は、第１像面Ｉ₁側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ₁₁と、第１像面Ｉ₁側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ₁₂と、両凸正レンズＬ₁₃と両凹負レンズＬ₁₄の接合レンズＳＵ₁と、フィルタＦ₁と、カバーガラスＣ₁と、からなる。

第１偏向部５₁は、第１偏光部材５１₁を有する。第１偏光部材５１₁は、楔プリズムからなり、第１開口Ｓ₁の近傍に配置され、光路を偏光させる。

第１光学系１₁の第１直視光路２３₁において、第１中心軸Ｃ₁に直交する平面からなる第１直視物体面ＯＢ₃から入射する光束は、第１前群Ｇｆ₁の第１透明媒体１０₁、第１レンズ成分３₁、第１偏向部５₁、第１開口Ｓ₁、及び第１後群Ｇｂ₁を経て、第１中心軸Ｃ₁に垂直な第１像面Ｉ₁の第１中心軸Ｃ₁上に円状に映像を形成する。

第１光学系１₁の第１側視光路２１において、第１中心軸Ｃ₁に対して直角方向の所定角度の円環状の第１側視物体面ＯＢ₁から入射する光束は、第１前群Ｇｆ₁の第１透明媒体１０₁、第１レンズ成分３₁、第１偏向部５₁、第１開口Ｓ₁、及び第１後群Ｇｂ₁を経て、第１中心軸Ｃ₁に垂直な第１像面Ｉ₁の第１中心軸Ｃ₁から外れた外側に円環状に映像を形成する。

第１直視光路２３₁の光束は、第１レンズ成分３₁の第１レンズ３１₁を通り、第１前群Ｇｆ₁の第１透明媒体１０₁内に第３透過面１５₁を経て入り、第４透過面１６₁を経て、第１透明媒体１０₁から外に出る。

続いて、第１直視光路２３₁の光束は、第１レンズ成分３₁の第２レンズ３２₁及び第３レンズ３３₁を通り、第１前群Ｇｆ₁と第１後群Ｇｂ₁の間に第１中心軸Ｃ₁に同軸に配置され絞りを構成する第１開口Ｓ₁を通過する。

その後、第１後群Ｇｂ₁を経て、第１像面Ｉ₁の第１中心軸Ｃ₁上に結像する。

第１側視光路２１の光束は、第１前群Ｇｆ₁の第１透明媒体１０₁内に第１透過面１１₁を経て入り、第１反射面１２₁で像面Ｉと反対側に反射され、第２反射面１３₁で第１像面Ｉ₁側に反射され、第２透過面１４₁を経て、略Ｚ字状の光路で第１透明媒体１０₁から外に出る。

続いて、第１側視光路２１の光束は、第１レンズ成分３₁の第２レンズ３２₁及び第３レンズ３３₁を通り、第１前群Ｇｆ₁と第１後群Ｇｂ₁の間に第１中心軸Ｃ₁に同軸に配置され絞りを構成する第１開口Ｓ₁を通過する。

その後、第１後群Ｇｂ₁を経て、第１像面Ｉ₁の第１中心軸Ｃ₁から外れた半径方向の所定位置に結像する。

実施例４の光学系１は、第１中心軸Ｃ₁と第２中心軸Ｃ₂の間隔は、３ｍｍと設定している。図３１に示すように、実施例４の光学系１の偏向部５を第１状態とした場合、像面Ｉでの結像中心の間隔は、２ｍｍとなる。また、図３２に示すように、実施例４の光学系１の偏向部５を第２状態とした場合、像面Ｉでの結像中心の間隔は、４ｍｍとなる。

また、実施例４の光学系１の第１透明媒体１０₁の外径及び第２透明媒体１０₂の外径は、それぞれφ３．６ｍｍである。したがって、光軸間隔を３ｍｍにするために、第１透明媒体１０₁の側面及び第２透明媒体１０₂の側面を平面に加工するＤカットを行うと同時に各光学系１₁，１₂のフレアー光が相互に入射しないように遮光部材７を設置している。

さらに、実施例４の光学系１では、偏向部５によって発生する色収差により像の横ずれが発生するおそれがある。この色収差は、電子的に補正したり、偏向部５を色消しプリズムで構成したり、回折光学素子ＤＯＥを用いてもよい。

実施例４の仕様は、
画角（直視光路） １２０°
画角（側視光路） ６０°
絞り径 φ０．６ｍｍ
像の大きさ（直視光路） φ０．８０
像の大きさ（側視光路） φ１．２０〜φ２．００
物体側ＮＡ（直視光路） ０．００２８４
物体側ＮＡ（側視光路） ０．００４９４
である。

以下に、上記実施例１〜実施例４の構成パラメータを示す。

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。

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１の原点Ｏ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１の原点Ｏ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。

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。各面の偏心は、上記のように、基準面からの偏心量で表わす。曲率半径に記載する“∞”は、無限大であることを示している。

各非球面形状は、各実施例における各非球面係数を用いて、以下の式で表される。但し、光軸方向の座標をＺ、光軸と垂直な方向の座標をＹとする。
Ｚ＝（Ｙ²／ｒ）／[１＋｛１−（１＋Ｋ）・（Ｙ／ｒ）²｝^1/2]
＋Ａ₄Ｙ⁴＋Ａ₆Ｙ⁶＋Ａ₈Ｙ⁸＋Ａ₁₀Ｙ¹⁰
ただし、ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐係数、Ａ₄、Ａ₆、Ａ₈、Ａ₁₀はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。また、ｅ±Ｎは×１０±^Nをそれぞれ示している。

実施例１

第１側視光路
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 16.000
1 基準面[1] 0.000 偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1] 0.000 偏心(2) 1.8830 40.7
3 非球面[1] 0.000 偏心(3) 1.8830 40.7
4 非球面[2] 0.000 偏心(4) 1.8830 40.7
5 非球面[1] 0.000 偏心(3)
6 基準面[1] 3.298 （１面と同一位置）
7 基準面[2] -1.795
8 非球面[3] 1.073 1.8830 40.7
9 非球面[4] 1.824
10 絞り面 0.200
11 -0.6545 0.700 1.8830 40.7
12 -1.1516 0.100
13 -2.8964 0.600 1.8348 42.7
14 -2.0878 0.100
15 9.9937 0.800 1.6779 55.3
16 -3.8548 0.100
17 2.4207 1.455 1.6779 55.3
18 -2.7776 0.500 1.9229 18.9
19 3.0957 0.167
20 ∞ 0.310 1.5163 64.1
21 ∞ 0.030
22 ∞ 0.310 1.5163 64.1
23 ∞ 0.200
24 ∞ 0.800 1.5163 64.1
25 ∞ 0.100
像 面 ∞ 0.000

ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ ∞
θ 0.000
Ｒ -3.000

非球面[1]
曲率半径 1.0356
k -3.5555e+000
a 1.6474e-002

非球面[2]
曲率半径 6.8433
k -6.2073e-001
a -2.8749e-004

非球面[3]
曲率半径 11.1350
k 7.6482e+000
a 3.6714e-003

非球面[4]
曲率半径 2.2039
k 1.5556e-001
a -2.5136e-002

偏心[1]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α -90.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[2]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[3]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -1.138
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[4]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -1.938
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

第２側視光路
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 16.000
1 基準面[2] 0.000 偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[2] 0.000 偏心(2) 1.8830 40.7
3 非球面[4] 0.000 偏心(4) 1.8830 40.7
4 非球面[3] 0.000 偏心(3) 1.8830 40.7
5 非球面[4] 0.000 偏心(4)
（以下、第１側視光路と同じ）

ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ ∞
θ 0.000
Ｒ -3.000

非球面[4]
曲率半径 2.2039
k 1.5556e-001
a -2.5136e-002

非球面[3]
曲率半径 11.1350
k 7.6482e+000
a 3.6714e-003

偏心[1]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α -90.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -1.795
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[4]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -0.722
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

実施例２

第１側視光路及び第２側視光路
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 16.000
1 基準面[1] 0.000 偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1] 0.000 偏心(2) 1.8830 40.7
3 非球面[1] 0.000 偏心(3) 1.8830 40.7
4 非球面[2] 0.000 偏心(4) 1.8830 40.7
5 非球面[1] 0.000 偏心(3)
6 ＥＲＦＳ[2] 0.000 偏心(5) 1.8830 40.7
7 ＥＲＦＳ[3] 0.000 偏心(6)
8 基準面[1] *
* 基準面間隔 第１側視光路 5.207 第２側視光路 3.277
9 基準面[2] 0.000
10 ＥＲＦＳ[4] 0.000 偏心(7) 1.8830 40.7
12 ＥＲＦＳ[5] 0.000 偏心(8)
13 非球面[3] 0.000 偏心(10) 1.8830 40.7
14 非球面[4] 0.000 偏心(11)
15 基準面[2] 3.685
16 絞り面 0.200
17 -0.8162 0.700 1.8830 40.7
18 -1.2735 0.100
19 -7.2049 0.800 1.6779 55.3
20 -2.4894 0.100
21 2.2780 2.000 1.6779 55.3
22 -1.7271 0.500 1.9229 18.9
23 -7.1380 0.100
24 ∞ 0.310 1.5163 64.1
25 ∞ 0.030
26 ∞ 0.310 1.5163 64.1
27 ∞ 0.200
28 ∞ 0.800 1.5163 64.1
29 ∞ 0.100
像 面 ∞

ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ ∞
θ 0.0000
Ｒ -4.0000

ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 1.9957
θ 31.8796
Ｒ -1.6269

ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 1.9270
θ 37.1846
Ｒ -1.5231

ＥＲＦＳ[4]
ＲＹ 8.6698
θ 45.5292
Ｒ -1.5723

ＥＲＦＳ[5]
ＲＹ 24.1221
θ 23.1387
Ｒ -1.3192

非球面[1]
曲率半径 0.9001
k -2.2142e+000
a 2.6261e-003

非球面[2]
曲率半径 7.7963
k -2.0186e+001
a 3.3828e-004

非球面[3]
曲率半径 10.4023
k 3.0046e+000
a 6.4793e-004

非球面[4]
曲率半径 2.8697
k -2.7463e-001
a -5.4091e-003

偏心[1]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α -90.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[2]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[3]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -1.659
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -2.859
α 0.00 β 0.00 γ 0.000

偏心[5]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -0.398
α 0.000 β 0.000 γ 0.00

偏心[6]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -0.0773
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[7]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -1.650
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[8]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -2.816
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[10]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -2.009
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[11]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -1.409
α 0.000 β 0.000 γ 0.000



第２側視光路（数値実施例１と同じ）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 16.000
10 基準面[2] 0.000 偏心(1)
11 ＥＲＦＳ[6] 0.000 偏心(2) 1.8830 40.7
12 非球面[4] 0.000 偏心(3) 1.8830 40.7
13 非球面[3] 0.000 偏心(4) 1.8830 40.7
14 非球面[4] 3.685 偏心(3)
15 絞り面
（以下、第１側視光路と同じ）

ＥＲＦＳ[6]
ＲＹ ∞
θ 0.0000
Ｒ -4.0000

非球面[3]
曲率半径 10.4023
k 3.0046e+000
a 6.4793e-004

非球面[4]
曲率半径 2.8697
k -2.7463e-001
a -5.4091e-003

偏心[1]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α -90.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[2]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[3]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -1.409
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[4]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -2.009
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

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 ∞ 16.000
1 基準面[1] 0.000 偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1] 0.000 偏心(2) 1.8830 40.7
3 非球面[2] 0.000 偏心(3) 1.8830 40.7
4 非球面[1] 0.000 偏心(4) 1.8830 40.7
5 非球面[2] 3.685 偏心(3)
6 絞り面 0.200
7 -0.8162 0.700 1.8830 40.7
8 -1.2735 0.100
9 -7.2049 0.800 1.6779 55.3
10 -2.4894 0.100
11 2.2780 2.000 1.6779 55.3
12 -1.7271 0.500 1.9229 18.9
13 -7.1380 0.100
14 ∞ 0.310 1.5163 64.1
15 ∞ 0.030
16 ∞ 0.310 1.5163 64.1
17 ∞ 0.200
18 ∞ 0.800 1.5163 64.1
19 ∞ 0.100
像 面 ∞

ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ ∞
θ 0.000
Ｒ -4.000

非球面[1]
曲率半径 10.4023
k 3.0046e+000
a 6.4793e-004

非球面[2]
曲率半径 2.8697
k -2.7463e-001
a -5.4091e-003

偏心[1]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α -90.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[2]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[3]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -1.409
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[4]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -2.009
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

実施例４

直視光路
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 16.000
1 ∞ 0.600 1.8830 40.7
2 0.7266 1.500
3 基準面[1] -1.100
4 非球面[1] 0.639 1.8830 40.7
5 非球面[2] 0.461
6 基準面[1] 0.233 （３面と同一位置）
7 1.8832 0.500 1.8830 40.7
8 20.9001 0.178
9 -0.6032 0.629 1.8830 40.7
10 -0.8773 0.200
11 ∞ 0.300 偏心(1) 1.9229 18.9
12 ∞ 0.000
13 絞り面 0.200
14 -0.7828 0.700 1.8830 40.7
15 -1.2235 0.100
16 -10.4190 0.800 1.8160 46.6
17 -2.9832 0.100
18 2.1224 1.600 1.6180 63.3
19 -2.1646 0.500 1.9229 18.9
20 4.8056 1.300
21 ∞ 0.310 1.5163 64.1
22 ∞ 0.030
23 ∞ 0.310 1.5163 64.1
24 ∞ 0.200
25 ∞ 0.800 1.5163 64.1
26 ∞ 0.100
像 面 ∞

非球面[1]
曲率半径 6256.12
k 0.0000e+000
a 3.7828e-003

非球面[2]
曲率半径 1.1551
k -1.7870e+000

偏心[1]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 10.444 β 0.000 γ 0.000


側視光路
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 16.000
1 基準面[1] 0.000 偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1] 0.000 偏心(2) 1.8830 40.7
3 非球面[2] 0.000 偏心(3) 1.8830 40.7
4 非球面[1] 0.000 偏心(4) 1.8830 40.7
5 非球面[2] 0.000 偏心(3)
（以下、直視光路と同じ）

ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ ∞
θ 0.000
Ｒ -1.800

非球面[1]
曲率半径 6256.12
k 0.0000e+000
a 3.7828e-003

非球面[2]
曲率半径 1.1551
k -1.7870e+000

偏心[1]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α -90.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[2]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[3]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -0.461
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

偏心[4]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -1.100
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

上記実施例１〜４について、条件式（１）の値を下記に示しておく。

条件式 実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４
（１）ｗ１／ｗ２ 0.9118 0.8993 1.0000 1.1547

以下に、本実施形態の光学系１の適用例を説明する。

図３５は、本実施形態の光学系を自動車の撮像装置として用いた例を示す図である。

図３５（ａ）は、自動車１３０の前方に撮像装置として本実施形態にかかる光学系１を取り付けて、車内の表示装置に各光学系１を経て撮影された画像を、画像処理を施して歪みを補正して同時に表示するようにした例を示す図であり、図３５（ｂ）は、自動車１３０の各コーナやヘッド部のポールの頂部に撮像装置として本実施形態にかかる光学系１を複数取り付けて、車内の表示装置に各光学系１を経て撮影された画像を、画像処理を施して歪みを補正して同時に立体的に表示するようにした例を示す図である。

図３６は、本実施形態の光学系を屋外の被写体を撮影する撮像装置及び投影装置として用いた例を示す図である。

図３６は、建物１５０の外部に本実施形態にかかる光学系１を用いた撮像装置１５１を取り付け、屋内に本実施形態にかかる光学系１を用いた投影装置１４０を配置し、撮像装置１５１で撮像された映像を電線１５２を介して、又は無線で投影装置１４０に送るようにしている。このような配置において、屋外の３６０°全方位の被写体Ｏを、光学系１を経て撮像装置１５１で撮影し、その映像信号を投影装置１４０に送り、像面に配置した表示素子にその映像を表示して、光学系１を通して屋内の壁面等に被写体Ｏの映像Ｏ'を立体的に投影表示するようにしている例である。

図３７は、本実施形態の光学系を内視鏡先端の撮影光学系として用いた例を示す図である。

図３７は、内視鏡先端の撮影光学系として本実施形態にかかる光学系１を用いた例を示すための図である。図３７（ａ）は、硬性内視鏡１１０の先端に本実施形態にかかる光学系１を取り付けて３６０°全方位の画像を立体的に撮像観察する例である。図３７（ｂ）にその先端の概略の構成を示す。本実施形態にかかる光学系１の第１透明媒体１０₁及び第２透明媒体１０₂の周囲には円周方向にスリット状に伸びる開口１０６を有するケーシング等からなるフレアー絞り１０７が配置され、フレアー光が入射するのを低減している。また、図３７（ｃ）は、軟性電子内視鏡１１３の先端に本発明による本実施形態にかかる光学系１を同様に取り付けて、撮影された画像を、表示装置１１４に画像処理を施して歪みを補正して立体的に表示するようにした例である。

図３７に示すように、内視鏡に光学系１を用いることにより、全方位の画像を立体的に撮像観察することができ、従来と異なる角度から様々な部位を立体的に撮像観察することができる。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１…光学系
Ｇｆ…前レンズ群
Ｇｂ…後レンズ群
２…光学素子
Ｓ…開口（絞り）
Ｉ…像面

Claims (22)

1. 中心軸の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体を少なくとも２個含み、
   前記透明媒体は、
   前記中心軸に対して最外周に配置された第１透過面と、
   前記第１透過面より中心軸側に配置された第１反射面と、
   前記第１反射面より像面と反対側に配置された第２反射面と、
   前記第２反射面より像面側に配置された第２透過面と、
   を有し、
   前記透明媒体に入射する光束は、
   順光線追跡の順に、
   前記第１透過面を経て前記透明媒体内に入り、
   前記第１反射面で像面と反対側に反射され、
   前記第２反射面で像面側に反射され、
   前記第２透過面を経て前記透明媒体から像面側の外へ出る光路を構成し、
   前記透明媒体の光路は、前記中心軸に対して片側のみで構成され、
   前記第１反射面は、前記像面側に凹面を向けて配置される
   ことを特徴とする光学素子。
2. 前記透明媒体は、第１透明媒体及び第２透明媒体を含み、
   以下の条件式（１）を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
   ０．５ ＜ ｗ１／ｗ２ ＜ ２ （１）
   ただし、
   ｗ１は、前記第１透明媒体を通過して結像される輪帯状の結像面の幅、
   ｗ２は、前記第２透明媒体を通過して結像される輪帯状の結像面の幅、
   である。
   
3. 前記第１透明媒体及び前記第２透明媒体は、前記中心軸上に直列に配置される
   ことを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
4. 前記第１透明媒体の第１中心軸と、前記第２透明媒体の第２中心軸は、並列に配置される
   ことを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
5. 前記第１透明媒体及び前記第２透明媒体が配置される前群と、
   前記前群より像面側に配置された後群と、
   前記前群と前記後群の間に配置された開口と、
   を備え、
   前記第１透明媒体を通過し前記前群から射出する光束と、前記第２透明媒体のみを通過し前記前群から射出する光束と、は、前記後群の直前で同一の位置に虚像を形成する
   ことを特徴とする請求項３に記載の光学素子を用いた光学系。
6. 前記第１透明媒体は、少なくとも前記中心軸と直交する方向を観察する第１側視光路を有し、
   前記第２透明媒体は、少なくとも前記中心軸と直交する方向を観察する第２側視光路を有し、
   前記第１側視光路及び前記第２側視光路の物体の像を前記中心軸と直交する平面に同心に形成する
   ことを特徴とする請求項５に記載の光学系。
7. 前記第２透明媒体は、前記第１透明媒体を射出した前記第１側視光路の光束を前記第２側視光路よりも前記中心軸に近い側で透過させる
   ことを特徴とする請求項６に記載の光学系。
8. 前記第１透明媒体及び前記第２透明媒体は、少なくとも前記中心軸上を観察する直視光路を有し、
   前記直視光路の物体の像を前記平面の前記第１側視光路及び前記第２側視光路の物体の像と同心に形成する
   ことを特徴とする請求項７に記載の光学系。
9. 前記第１透明媒体は、前記中心軸上を移動可能である
   ことを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載の光学系。
10. 前記第１透明媒体が配置される第１前群、
    前記第１前群より像面側に配置された第１後群、
    及び
    前記第１前群と前記第１後群の間に配置された第１開口、
    を有し、
    前記中心軸を囲むように物体の像を形成する第１光学系と、
    前記第２透明媒体が配置される第２前群、
    前記第２前群より像面側に配置された第２後群、
    及び
    前記第２前群と前記第２後群の間に配置された第２開口、
    を有し、
    前記中心軸を囲むように物体の像を形成する第２光学系と、
    を備え、
    前記第１透明媒体及び前記第２透明媒体は、それぞれの前記第２反射面の凸面側が前記中心軸上で向かい合うように配置される
    ことを特徴とする請求項３に記載の光学素子を用いた光学系。
11. 前記第１透明媒体は、少なくとも前記中心軸と直交する方向を観察する第１側視光路を有し、
    前記第２透明媒体は、少なくとも前記中心軸と直交する方向を観察する第２側視光路を有し、
    前記第１側視光路の物体の像を前記中心軸と直交する第１平面内に形成し、
    前記第２側視光路の物体の像を前記中心軸と直交する第２平面内に形成する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の光学系。
12. 前記第１光学系と前記第２光学系の前記中心軸上の間隔は、可変である
    ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光学系。
13. 前記第１透明媒体が配置される第１前群、
    前記第１前群より像面側に配置された第１後群、
    及び
    前記第１前群と前記第１後群の間に配置された第１開口、
    を有し、
    前記第１中心軸を囲むように物体の像を形成する第１光学系と、
    前記第２透明媒体が配置される第２前群、
    前記第２前群より像面側に配置された第２後群、
    及び
    前記第２前群と前記第２後群の間に配置された第２開口、
    を有し、
    前記第２中心軸を囲むように物体の像を形成する第２光学系と、
    を備える
    ことを特徴とする請求項４に記載の光学素子を用いた光学系。
14. 前記第１透明媒体は、少なくとも前記第１中心軸と直交する方向を観察する第１側視光路を有し、
    前記第２透明媒体は、少なくとも前記第２中心軸と直交する方向を観察する第２側視光路を有し、
    前記第１側視光路及び前記第２側視光路の物体の像を前記第１中心軸及び前記第２中心軸と直交する平面内に形成する
    ことを特徴とする請求項１３に記載の光学系。
15. 前記第１透明媒体は、少なくとも前記第１中心軸上を観察する第１直視光路を有し、
    前記第２透明媒体は、少なくとも前記第２中心軸上を観察する第２直視光路を有し、
    前記第１直視光路及び前記第２直視光路の物体の像を前記平面内に形成する
    ことを特徴とする請求項１４に記載の光学系。
16. 前記第１透明媒体は、第１切り欠き部を有し、
    前記第２透明媒体は、第２切り欠き部を有し、
    前記第１切り欠き部と、前記第２切り欠き部と、を当接させる
    ことを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の光学系。
17. 前記第１切り欠き部と前記第２切り欠き部の間に遮光部材を備える
    ことを特徴とする請求項１６に記載の光学系。
18. 前記第１開口に光束を偏向する第１偏向部と、、
    前記第２開口に光束を偏向する第２偏向部と、
    を備える
    ことを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれか１項に記載の光学系。
19. 請求項５乃至請求項１８のいずれか１項に記載の光学系を用いた立体撮像装置。
20. 前記第１透明媒体の前記第１透過面及び前記第２透明媒体の前記第１透過面に対応する位置に開口を有するケースを備える
    ことを特徴とする請求項１９に記載の立体撮像装置。
21. 前記像面に配置される撮像素子と、
    前記撮像素子が撮像した映像のうち、所定角度の扇形の小領域の映像を画像処理して、長方形の左目用観察映像及び長方形の右目用観察映像に変換する画像変換部と、
    を備える
    ことを特徴とする請求項１９又は２０に記載の立体撮像装置。
22. 請求項５乃至請求項１８のいずれか１項に記載の光学系を用いた内視鏡。

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