JP2004037754A - アナモフィック光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】大きなアナモ比を有しアナモ比可変のアナモフィック光学系とアナモフィックアフォーカルコンバータを提供する。
【解決手段】アナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）は、マスターレンズ（ＭＬ）の前方に装着された状態で像面位置を変えることなく全系の焦点距離を変化させることにより変倍を行うことが可能である。角倍率が画面の縦方向と横方向とで異なり、角倍率を縦方向と横方向とで相対的に異なる変化率で変化させることにより変倍を行う。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアナモフィック光学系に関するものであり、更に詳しくは、像面上で画面の縦方向と横方向の倍率が異なる像を形成するアナモフィック光学系と、そのアナモフィック光学系を結像光学系との組み合わせで構成するアナモフィックアフォーカルコンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用の道路状況観察モニターは、左右方向（すなわち横方向）に大変広い画角を必要とする。上下方向（すなわち縦方向）には通常のカメラと同じくらいの画角があれば充分であり、上下方向の画角が広すぎるとかえって問題が生じてしまうことがある。例えば、太陽や街路灯等の高輝度物体の映り込みによってゴーストが発生し、それによってモニター画面が大変見にくくなってしまうことがある。画角を横方向にのみ広くするにはアナモフィック光学系を用いればよく、アナモフィック光学系を構成するためのアナモフィックコンバータが特開平１２−２４９９１９号公報等で提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平１２−２４９９１９号公報等で提案されているアナモフィックコンバータは、テレシネ用やワイドテレビ用として、通常のテレビ画面よりも少しだけ撮影画角を横方向に広くするものである。このため、アナモ比は１．２５倍程度と小さく、道路状況観察用や監視用には適していない。また、撮影が常に同じ状態で行われるため、道路状況に応じて観察画角を変えることもできない。変倍可能なワイドコンバータは特開平９−５６２５号公報等で提案されているが、アナモフィックではなく光軸に対してすべての方向で等方的なコンバータであるため、特にワイド側では上下方向の画角が広すぎて道路状況観察用や監視用に適していない。また、アフォーカルコンバータでないため、ワイド度合いを変化させる際にマスターレンズでの焦点合わせが必要となる。
【０００４】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、大きなアナモ比を有するとともにアナモ比を変化させることのできるアナモフィック光学系と、そのアナモフィック光学系を結像光学系との組み合わせで構成するアナモフィックアフォーカルコンバータを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明のアナモフィック光学系は、焦点距離又は結像倍率が画面の縦方向と横方向とで異なるアナモフィック光学系であって、像面位置を変えることなく、焦点距離又は結像倍率を縦方向と横方向とで相対的に異なる変化率で変化させることにより変倍を行うことを特徴とする。
【０００６】
第２の発明のアナモフィックアフォーカルコンバータは、結像光学系の前方に装着された状態で像面位置を変えることなく全系の焦点距離を変化させることにより変倍を行うことが可能なアフォーカルコンバータであって、角倍率が画面の縦方向と横方向とで異なり、角倍率を縦方向と横方向とで相対的に異なる変化率で変化させることにより前記変倍を行うことを特徴とする。
【０００７】
第３の発明のアナモフィックアフォーカルコンバータは、上記第２の発明の構成において、画面の縦方向又は横方向から見たときに負の前群と正の後群とから成り、前記前群が更に正の第１群と負の第２群とに分割され、前記第１群と前記第２群との間隔及び前記第２群と前記後群との間隔を変化させることにより前記変倍を行うことを特徴とする。
【０００８】
第４の発明のアナモフィック光学系は、上記第２又は第３の発明のアナモフィックアフォーカルコンバータを、焦点距離が画面の縦方向と横方向とで異なるアナモフィックな結像光学系の前方に装着して成るアナモフィック光学系であって、前記変倍中に全系の焦点距離が縦方向と横方向とで一致する箇所を有することを特徴とする。
【０００９】
第５の発明のアナモフィック光学系は、上記第１又は第４の発明の構成において、縦方向と横方向との焦点距離比のアナモ比が、最も大きいところで１．２５倍よりも大きいことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施したアナモフィック光学系を、図面を参照しつつ説明する。図１，図４，図７，図１０に、アナモフィック光学系の第１〜第４の実施の形態をそれぞれ示す。これらのアナモフィック光学系は、アナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）とマスターレンズ（ＭＬ）とから成るアナモフィックズームレンズであり、アナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）で変倍（つまりズーミング）を行う構成になっている。各レンズ構成図は、ワイド端（Ｗ）及びテレ端（Ｔ）でのレンズ配置，光路等を光学断面（アナモフィックのワイド化方向の断面）で示しており、移動軌跡（ｍ１，ｍ２，ｍＲ）はワイド端（Ｗ）からテレ端（Ｔ）へのズーミングにおける移動群（Ｇｒ１，Ｇｒ２，ＧｒＲ）の光軸（ＡＸ）に沿った移動をそれぞれ模式的に示している（他の群はズーミングにおいて位置固定である。）。また、各レンズ構成図中、Ｓｉ（ｉ＝０，１，２，３，．．．）が付された面は物体側から数えてｉ番目の面であり、ｄｉ（ｉ＝０，１，２，３，．．．）が付された軸上面間隔は、物体側から数えてｉ番目の軸上面間隔のうち、ズーミングにおいて変化する可変空気間隔である。
【００１１】
各実施の形態に用いられているマスターレンズ（ＭＬ）は、焦点距離が一定の軸対称な結像光学系である。そのマスターレンズ（ＭＬ）の前方に装着されているアナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）は、画面の縦方向又は横方向から見たときに、負の前群（ＧｒＦ）と正の後群（ＧｒＲ）とから成っており、前群（ＧｒＦ）が更に正の第１群（Ｇｒ１）と負の第２群（Ｇｒ２）とに分割されている。そして、第１群（Ｇｒ１）と第２群（Ｇｒ２）との間隔及び第２群（Ｇｒ２）と後群（ＧｒＲ）との間隔を変化させることにより、アナモフィックズームレンズ全体の変倍を行う構成になっている。またアナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）は、ｙ方向にのみパワーを持つシリンドリカル面で構成されている。ここで、アナモフィックのワイド化方向をｙ方向（例えば横方向）とし、それに直交する方向をｘ方向（例えば縦方向）とする｛したがってｘ方向，ｙ方向及び光軸（ＡＸ）方向は互いに直交する。｝。なお、用いる光学面はシリンドリカル面に限らない。シリンドリカル面以外にも、光軸対称面，トーリック面，非球面等を組み合わせて用いてもよく、それによってアナモフィックでアフォーカルなコンバータ構造を得ることが可能である。
【００１２】
物体距離が無限の場合は焦点距離が画面の縦方向と横方向とで異なり、物体距離が有限の場合は結像倍率が画面の縦方向と横方向とで異なるアナモフィック光学系では、縦方向又は横方向の焦点距離又は結像倍率を変えることにより、像面位置を変えることなく変倍を行うことが可能である。したがって、各実施の形態のように、焦点距離又は結像倍率が画面の縦方向と横方向とで異なるアナモフィック光学系にあっては、像面位置を変えることなく、焦点距離又は結像倍率を縦方向と横方向とで相対的に異なる変化率で変化させることにより変倍を行えば、大きなアナモ比が得られるとともに、状況に応じてアナモ比を変化させることができる。このようなアナモフィック光学系を使うことにより、道路状況観察用や監視用の用途で周囲の状況が変化したときにすばやく対応し（例えば道路状況に応じて観察画角を横方向に変える。）、最も適切な画像情報を取り出すことが可能となる。
【００１３】
また、各実施の形態に用いられているアナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）のように、マスターレンズ（ＭＬ）の前方に装着された状態で像面位置を変えることなく全系の焦点距離を変化させることにより変倍を行うことが可能なアフォーカルコンバータでは、角倍率が画面の縦方向と横方向とで異なり、角倍率を縦方向と横方向とで相対的に異なる変化率で変化させることにより変倍を行う構成を採用することによって、最大で２倍〜３倍（歪曲を含む。）のアナモ比を得ることができる。このようなアナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）を一般の結像光学系の前方に装着し、縦方向又は横方向の角倍率のみを（つまり結像位置を変動させずに）変化させることにより全系の焦点距離を変化させれば、その変倍機能により、従来から使われている結像光学系を一時的にアナモフィックズーム光学系とすることができる。つまり、周囲の状況に応じた使い分けが可能となり、しかもコストがあまりかからないというメリットも得られる。
【００１４】
各実施の形態に用いられているアナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）を、焦点距離が画面の縦方向と横方向とで異なるアナモフィックな結像光学系の前方に装着してアナモフィック光学系を構成し、変倍中に全系の焦点距離が縦方向と横方向とで一致する箇所を有する構成にしてもよい。つまり、マスターレンズ（ＭＬ）として縦方向と横方向とで焦点距離が異なるアナモフィック光学系を採用し、アナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）の変倍中に全系の焦点距離が縦方向と横方向とで全く同じになる箇所を設けてもよい。このように全系の焦点距離が縦方向と横方向とで一致する箇所がズーミング中に存在すれば、アナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）を取り付けたまま、通常の撮影（縦横同じ倍率の撮影）と縦横比の異なる画像の撮影とを連続で切り替えることが可能となるので、用途が更に拡大される。
【００１５】
アフォーカルコンバータは、負群と正群あるいは正群と負群から成り、焦点距離無限大であるが角倍率を持つ光学系である。したがって、アナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）内でのレンズ移動により変倍を行っても、元から強い負群又は正群があるため角倍率を１倍とすることは難しい。しかし、アナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）とは縦方向と横方向とが逆の弱いアナモ比を持った結像光学系をマスターレンズ（ＭＬ）として採用すれば、アナモフィックズームレンズ全系の焦点距離を縦方向と横方向とで完全に一致させることが可能である。したがって、縦方向と横方向とで焦点距離が僅かに異なるアナモフィックな結像光学系をマスターレンズ（ＭＬ）として用いればよい。その場合、アナモ比の対応する方向はアナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）と同じ方向でも９０°異なる方向でもよく、必要に応じて光軸（ＡＸ）周りに９０°回転させることができるように構成してもよい。そして、いずれかの状態でアナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）を変倍させたとき、前述したように全系の焦点距離を縦方向と横方向とで完全に一致させることが可能な状態が存在するのが良い。
【００１６】
また、各実施の形態に用いられているアナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）のように、画面の縦方向又は横方向から見たときに負の前群（ＧｒＦ）と正の後群（ＧｒＲ）とから成り、前群（ＧｒＦ）が更に正の第１群（Ｇｒ１）と負の第２群（Ｇｒ２）とに分割され、第１群（Ｇｒ１）と第２群（Ｇｒ２）との間隔及び第２群（Ｇｒ２）と後群（ＧｒＲ）との間隔を変化させることにより変倍を行う構成にするのが好ましい。具体的には、ワイド端（Ｗ）からテレ端（Ｔ）にかけて、第１群（Ｇｒ１）と第２群（Ｇｒ２）との間隔が広くなり、第２群（Ｇｒ２）と後群（ＧｒＲ）との間隔が狭くなるようにするのが好ましい。
【００１７】
一般にアフォーカルコンバータの変倍を考えたとき、お互いに相対位置を変えるレンズ群を少なくとも３群用いなければ常にアフォーカルを保つことができない。また、各実施の形態ではアナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）をワイド方向へのアナモフィックコンバータとして使っているが、ワイドコンバータの場合、負の前群（ＧｒＦ）に光軸（ＡＸ）から高い位置で光束を通す必要があるため、前群（ＧｒＦ）の収差補正能力を大きくしておかなくてはならない。つまり、ワイド倍率が高くなるほど、負の前群（ＧｒＦ）のレンズ枚数を多くする必要がある。またワイドコンバータでは、基本的に負と正の２つの群が間隔をあけて配置されるので、少なくともこれら２つの群のどちらかを更に２つのレンズ群に分けて異なる動きとし、それによってアフォーカルを保ったまま変倍させる必要がある。したがって、レンズ枚数を多く使っている前群（ＧｒＦ）を２つに分けるのが最も効率的である。また、正の第１群（Ｇｒ１）と負の第２群（Ｇｒ２）とに分けることにより、少しの移動量で変倍を行うことが可能になるので、収差変動が少なく枚数の少ないアナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）を実現することが可能である。
【００１８】
前述したように、アナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）で変倍を行う場合、その内部には強い負又は正の群があるため、角倍率１倍を含むようにすることは難しい。つまり、最大のアナモ比を小さくして変倍比を大きくとっても、縦横同じアナモ倍率を含むズームコンバータを実現するのは難しい。むしろアナモ比を大きく変えることで用途を広げる方が、少ないレンズ枚数で有効なズームコンバータを得ることができるので好ましい。また、道路観察用や監視用等の用途に使う場合、上下方向に比べて左右方向の画像をかなりワイドに取り入れる必要があるため、最大のアナモ比は１．２５倍よりも大きいことが好ましい。つまり、縦方向と横方向との焦点距離比のアナモ比が最も大きいところで１．２５倍よりも大きいことが望ましく、２倍〜３倍が更に望ましい。
【００１９】
各実施の形態ではマスターレンズ（ＭＬ）として焦点距離が一定の軸対称な結像光学系を用いているが、ズームレンズをマスターレンズ（ＭＬ）として用いてもよい。各実施の形態ではアナモフィックアフォーカルコンバータ（ＡＬ）をワイド側へのアナモフィックとして使っているが、前後を入れ替えてテレ側へのアナモフィックとして使ってもよい。また、撮影時にズーム位置を記録しておき、画像データの再生時に利用してもよい。
【００２０】
なお、各実施の形態には入射光線を屈折作用により偏向させる屈折型レンズ（つまり、異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレンズ）が用いられているが、使用可能なレンズはこれに限らない。例えば、回折作用により入射光線を偏向させる回折型レンズ，回折作用と屈折作用との組み合わせで入射光線を偏向させる屈折・回折ハイブリッド型レンズ，入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布型レンズ等を用いてもよい。また、絞り（ＳＴ）のほかに不要光をカットするための光束規制板等を必要に応じて配置してもよく、ミラー，プリズム等を光路中に配置することにより、その光学的なパワーを有しない面（反射面，屈折面，回折面等）でアナモフィックズームレンズの前，後又は途中で光路を折り曲げてもよい。その折り曲げ位置は必要に応じて設定すればよく、光路の適正な折り曲げにより、搭載した装置（道路状況観察用カメラ等）の見かけ上の薄型化・小型化を達成することが可能である。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を実施したアナモフィック光学系の構成等を、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１〜４は、前述した第１〜第４の実施の形態にそれぞれ対応しており、第１〜第４の実施の形態を表す光学構成図（図１，図４，図７，図１０）は、対応する実施例１〜４のレンズ配置，光路等をそれぞれ示している。
【００２２】
各実施例のコンストラクションデータにおいて、Ｓｉ（ｉ＝０，１，２，３，．．．）は物体側から数えてｉ番目の面である。ｒｉ（ｉ＝０，１，２，３，．．．）は面Ｓｉの曲率半径（ｍｍ）、なかでもｒｉｙ，ｒｉｘ（ｉ＝０，１，２，３，．．．）は面Ｓｉのｙ方向，ｘ方向の曲率半径（ｍｍ）である。ｄｉ（ｉ＝０，１，２，３，．．．）は物体側から数えてｉ番目の軸上面間隔（ｍｍ）であり、Ｎｉ（ｉ＝１，２，．．．），νｉ（ｉ＝１，２，．．．）は物体側から数えてｉ番目の光学要素のｄ線に対する屈折率（Ｎｄ），アッベ数（νｄ）である。また、コンストラクションデータ中、ズーミングにおいて変化する軸上面間隔は、ワイド端（短焦点距離端，Ｗ）〜テレ端（長焦点距離端，Ｔ）での可変空気間隔である。各焦点距離状態（Ｗ），（Ｔ）に対応するアナモフィックズームレンズ全体の焦点距離（ｆｙ，ｆｘ；ｍｍ），Ｆナンバー（ＦＮＯ）及びアナモ比（ＡＲ）を他のデータとあわせて示す。
【００２３】
図２，図３；図５，図６；図８，図９；図１１，図１２は、実施例１〜４にそれぞれ対応する収差図であり、波長５８７．５６１８ｎｍの光線に対する横収差（ｍｍ）を示している。また、図２，図５，図８，図１１はワイド端（Ｗ）での収差、図３，図６，図９，図１２はテレ端（Ｔ）での収差をそれぞれ示しており、各図中、（Ａ）〜（Ｃ）はｙ方向の横収差（Ｙ−ＦＡＮ）、（Ｄ）〜（Ｆ）はｘ方向の横収差（Ｘ−ＦＡＮ）を示している。各収差図に対応する半画角ω（°）は、（Ａ）と（Ｄ），（Ｂ）と（Ｅ），（Ｃ）と（Ｆ）の順に、図２ではω＝３６．５８°，２７．４５°，０．０００°であり、図３ではω＝３１．８１°，２３．４７°，０．０００°であり、図５ではω＝３６．６１°，２７．４８°，０．０００°であり、図６ではω＝３１．７４°，２３．４１°，０．０００°であり、図８ではω＝５１．７４°，３５．２７°，０．０００°であり、図９ではω＝４７．０９°，３０．９６°，０．０００°であり、図１１ではω＝５２．０２°，３５．１７°，０．０００°であり、図１２ではω＝４７．５０°，３０．９７°，０．０００°である。
【００２４】

【００２５】
ｙ方向の焦点距離：ｆｙ＝３．２３３５（Ｗ）〜３．８６９１（Ｔ）
ｘ方向の焦点距離：ｆｘ＝６．５３３６（Ｗ）〜６．５９６２（Ｔ）
Ｆナンバー：ＦＮＯ＝２．５０００（Ｗ）〜２．５０００（Ｔ）
アナモ比：ＡＲ＝２．０１００（Ｗ）〜１．６８００（Ｔ）
【００２６】

【００２７】
ｙ方向の焦点距離：ｆｙ＝３．２３００（Ｗ）〜３．８８０２（Ｔ）
ｘ方向の焦点距離：ｆｘ＝６．５３７４（Ｗ）〜６．６０１７（Ｔ）
Ｆナンバー：ＦＮＯ＝２．５０００（Ｗ）〜２．５０００（Ｔ）
アナモ比：ＡＲ＝２．０１２４（Ｗ）〜１．６７５２（Ｔ）
【００２８】

【００２９】
ｙ方向の焦点距離：ｆｙ＝２．８００１（Ｗ）〜３．３０００（Ｔ）
ｘ方向の焦点距離：ｆｘ＝６．５００３（Ｗ）〜６．６４６３（Ｔ）
Ｆナンバー：ＦＮＯ＝２．５０００（Ｗ）〜２．５０００（Ｔ）
アナモ比：ＡＲ＝２．３２１３（Ｗ）〜１．９６９７（Ｔ）
【００３０】

【００３１】
ｙ方向の焦点距離：ｆｙ＝２．８１０２（Ｗ）〜３．２９９３（Ｔ）
ｘ方向の焦点距離：ｆｘ＝６．５２３７（Ｗ）〜６．６１９３（Ｔ）
Ｆナンバー：ＦＮＯ＝２．５０００（Ｗ）〜２．５０００（Ｔ）
アナモ比：ＡＲ＝２．３１３０（Ｗ）〜１．９７０１（Ｔ）
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、大きなアナモ比を有するとともにアナモ比を変化させることのできるアナモフィック光学系を実現することができる。また、そのアナモフィック光学系を結像光学系との組み合わせで構成するアナモフィックアフォーカルコンバータを実現することができる。そして、本発明に係るアナモフィックアフォーカルコンバータを用いることにより、従来から使われている結像光学系を一時的にアナモフィックズーム光学系とすることができる。また、本発明に係るアナモフィック光学系に用いることにより、道路状況観察用や監視用の用途で周囲の状況が変化したときにすばやく対応して、最も適切な画像情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態（実施例１）の光学構成図。
【図２】実施例１のワイド端での収差図。
【図３】実施例１のテレ端での収差図。
【図４】第２の実施の形態（実施例２）の光学構成図。
【図５】実施例２のワイド端での収差図。
【図６】実施例２のテレ端での収差図。
【図７】第３の実施の形態（実施例３）の光学構成図。
【図８】実施例３のワイド端での収差図。
【図９】実施例３のテレ端での収差図。
【図１０】第４の実施の形態（実施例４）の光学構成図。
【図１１】実施例４のワイド端での収差図。
【図１２】実施例４のテレ端での収差図。
【符号の説明】
ＡＬ　…アナモフィックアフォーカルコンバータ
ＧｒＦ　　…前群
Ｇｒ１　　…第１群
Ｇｒ２　　…第２群
ＧｒＲ　　…後群
ＭＬ　…マスターレンズ
ＡＸ　…光軸

Claims (5)

1. 焦点距離又は結像倍率が画面の縦方向と横方向とで異なるアナモフィック光学系であって、像面位置を変えることなく、焦点距離又は結像倍率を縦方向と横方向とで相対的に異なる変化率で変化させることにより変倍を行うことを特徴とするアナモフィック光学系。
2. 結像光学系の前方に装着された状態で像面位置を変えることなく全系の焦点距離を変化させることにより変倍を行うことが可能なアフォーカルコンバータであって、角倍率が画面の縦方向と横方向とで異なり、角倍率を縦方向と横方向とで相対的に異なる変化率で変化させることにより前記変倍を行うことを特徴とするアナモフィックアフォーカルコンバータ。
3. 画面の縦方向又は横方向から見たときに負の前群と正の後群とから成り、前記前群が更に正の第１群と負の第２群とに分割され、前記第１群と前記第２群との間隔及び前記第２群と前記後群との間隔を変化させることにより前記変倍を行うことを特徴とする請求項２記載のアナモフィックアフォーカルコンバータ。
4. 請求項２又は３記載のアナモフィックアフォーカルコンバータを、焦点距離が画面の縦方向と横方向とで異なるアナモフィックな結像光学系の前方に装着して成るアナモフィック光学系であって、前記変倍中に全系の焦点距離が縦方向と横方向とで一致する箇所を有することを特徴とするアナモフィック光学系。
5. 縦方向と横方向との焦点距離比のアナモ比が、最も大きいところで１．２５倍よりも大きいことを特徴とする請求項１又は４記載のアナモフィック光学系。

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