JP4680202B2 - 単一視点の中実反射屈折レンズ - Google Patents

Description

本発明は、単一視点（a single viewpoint）が必要となるビジョンやイメージングなどのアプリケーション用レンズに関し、特に、単一視点を有する反射屈折レンズに関連する。

移動量（ego-motion）の推定や追跡などのコンピュータビジョンにおけるアプリケーションは、大きな視野を映像化することを必要とする場合がある。また、イメージングシステムから得られたパノラマ画像から幾何学的に正しい透視映像を作り出すためには、イメージングシステムが単一視点であることが望ましい。単一の、そして固定された視点の制約は、イメージングシステムが三次元空間における単一ポイントを通過する光を捕らえることを必要とし、その結果、このポイントで５次元のplenoptic functionを抽出する（これは、有効な視点として知られている）。このようなイメージングシステムは湾曲したミラーとレンズとのアセンブリによって実現された。これらの反射屈折システムは、大きな視野を持つことができて、単一視点要件を満たすことができるが、それらは扱いにくく、高価であり、さらに大きなものである。

多くの広視野光学は、視野の不明瞭化を犠牲にして高品質の映像を作り出すために対向するミラーを使用する。このようなタイプの従来技術による光学システム１０の簡単な例を図１に示す。システム１０は、光軸１６上に配置された２つの対向するミラー１２，１４を有する。ミラー１４は、光景２０から光を受けて、ミラー１２へ反射する。ミラー１２は、光がミラー１４中央の開口１８を通過するように、光をミラー１４へ反射して、スクリーン２４に光景２０の映像２２を映し出す。

ミラー１２はミラー１４によって見られた視野の円錐形をした中央部分２６を不明瞭にする。この不明瞭化の結果は、映像２２中の影２８である。映像化するためには、光景２０から来る光は、円錐２６の角度より大きな角度でミラー１４に入射しなければならず、例えば、軸１６に対して入射角θ_ｉで入射する。

従来技術には上記原則を用いた望遠鏡や他のシステムに関する教示が含まれている。例えば、Siglerの米国特許第５，０８９，９１０号は、第１鏡または主鏡がasphericである２つの鏡を備えた反射屈折ズームリレー望遠鏡を教示し、Sinclair他の米国特許第５，９４０，２２２号は、これらの同じ原則を用いた反射屈折ズームレンズアセンブリを教示している。

ロボットビジョンやパノラマ映像化などのいくつかのアプリケーションは、光学システムが単一視野（single point of view）または単一視点（single viewpoint）を持つことを必要とする。この条件は、光学システムがその視野にある対象物の透視図を作り出すことを可能にする。使用目的によっては、単一視点から映像化される視野の大きさを最大にすることがさらに望まれる。

単一のシステムで上記条件のすべてを満たすことは困難である。通常、反射屈折ズームリレー望遠鏡およびレンズアセンブリは、小さな視野に制限され、その多くは単一視点を有さない。事実、多くの高品質システムは、例えば、米国特許第６，４１２，９６１でHicksが教示するように、軸上の優れた性能を提供するが、本質的に単一視点ではない。パウエルの米国特許第５，４７３，４７４号は、大きな視野を映像化するパノラマレンズを教示するが、単一視点を欠いている。さらに米国特許第５，８５４，７１３号には、対向するミラーの構成を用いた別のアプローチが黒田他によって教示されている。この特許には反射タイプの画角を変える光学機器について記述されているが、これもまた単一視点を欠く。さらなる関心は米国特許第６，４４９，１０３号に示されたチャールズの反射屈折システムである。さらなる関心としては、放物面反射鏡の使用を教示する米国特許第４，５６６，７６３号と、双曲線の反射鏡の使用を教示する米国出願第２００３−０１４２２０３号とが含まれる。

従来技術は単一視点を有するいくつかのシステムを教示している。例えば、Reesの米国特許第３，５０５，４６５号は、テレビ、または例えばビデオカメラで作り出されたビデオ画像などの映像を見ている人に単一視点システムを作り出すために双曲線のミラーを使用する方法を明らかにしている。最近では、Nayarの特許第５，７６０，８２６号および第６，１１８，４７４号は、焦点が単一視点と一致する実質的に放物面状をした反射鏡を備えた、光景を映像化するイメージング装置について記述している。イメージング装置は、放物面状の反射鏡によって正投影に反射されない電磁放射の主光線を除去する放物面状の反射鏡と光学的に結合するテレセントリック手段を有している。

残念ながら従来技術の教示のいずれも、大きな視野に渡って配置された対象物のパノラマ映像または透視図を必要とするビジョンシステムで使用することができる、十分コンパクトで、有用であり、あるいは製造が容易な単一視点レンズを提供していない。

《目的と効果》
上記観点から、単一視点の大きな視野を備え、コンパクトであり、有用であり、頑丈であり、そして製造が容易な反射屈折レンズを提供することを本発明の目的とする。特に、パノラマ映像を必要とするようなビジョンシステムで使用することができる単一視点反射屈折レンズを提供することが本発明の目的である。

本発明のこれら目的または他の目的および効果は、後述の記載により明らかになるであろう。

本発明の目的と効果は単一視野または単一視点を備えた中実反射屈折レンズによって達成されている。レンズは、光軸と、光軸上にセンターＣを備えた球面屈折面とを有し、楕円反射面の第１焦点Ｆ_１が球面屈折面のセンターＣと一致するように配置された球面屈折面に対向する楕円反射面を有する。レンズの単一視点は球面反射面のセンターＣにあり、さらに、レンズは、単一視点を通過する光を整形するための楕円反射面に対向する整形面を有する。

１組の実施形態では、整形面は屈折的整形面であり、レンズはセンターＣで単一視点を実施する開口を有する。開口は楕円反射面の第２焦点Ｆ２に位置する。楕円反射面の第２焦点Ｆ_２が、第１焦点Ｆ_１のように光軸上になるように、レンズは構成されている。

整形面が屈折的整形面である実施形態では、第２焦点Ｆ_２は屈折的整形面の近く、または屈折的整形面上に位置する。屈折的整形面を用いる他の実施形態では、第２焦点Ｆ_２はレンズの内部にある。屈折的整形面はさまざまな形に想定することができるが、望ましくは隋円体であり、その結果、隋円体の屈折的整形面を形成する。また、光を整形するために、隋円体の屈折的整形面は楕円反射面の第２焦点Ｆ_２と一致する第１焦点Ｆ_１’を有することが望ましい。また、ある実施形態では、隋円体の屈折的整形面が楕円反射面の円錐定数Ｋ１と等しい円錐定数Ｋ２を有することが好適である。

他の１組の実施形態では、整形面は反射面であり、開口は単一視点を実施するのに用いられる。例えばこの組のある実施形態では、開口は楕円反射面上に位置する。変更実施形態では、開口は楕円反射面の後方に位置する。一方、光を整形するために望ましくは、反射面は第２隋円体の反射的整形面である。さらに、ある特定の実施形態では、第２隋円体の反射的整形面は、楕円反射面の第２焦点Ｆ_２と一致する第１焦点Ｆ_１’を有する。ある特定の実施形態では、第２隋円体の反射的整形面は、楕円反射面の円錐定数Ｋ_１と等しい円錐定数Ｋ_２を有する。

整形面が光屈折性であるか、または光反射性であるかにかかわらず、円すい曲線を含む様々な形状を想定できることに注意されたい。代わりに、整形面は平坦であってもよい。さらに、整形面は光屈折性または光反射性である必要はなく、準透明であってもよい。

中実反射屈折レンズは指数ｎの光学材料から作られることが望ましい。好適な材料には、ガラス、プラスチック、およびその他の周知の光学材料が含まれる。

本発明はさらに単一視点ビジョンシステムを提供する。ビジョンシステムは単一視点を通過する光を整形するための中実反射屈折レンズを用いる。光を映し出すこと、或いはスキャンニングやイメージングなどの機能のために光を集めることにそれぞれビジョンシステムを使用できることに注意されたい。レンズがイメージングに使用される実施形態では、イメージングユニットまたは映像面のスクリーンに光を映像化する撮像要素を提供してもよい。スキャンアプリケーションには、スキャン配列が提供される。

ある実施形態では、レンズからアプリケーションへ光を通すために光リレーが用いられる。例えば、レンズがイメージングビジョンシステムに配備される場合には、光を映像面へ通すために光リレーを使用してもよい。スキャンビジョンシステムでは、スキャン要素（例えば、レンズへのスキャンミラー）から光を出すために光リレーを使用してもよい。

本発明の詳細は、添付の図面を参照しながら発明を実施するための最良の形態において詳細に説明する。

本発明は、図２に横断面図で示すような単一視点の中実反射屈折レンズ３０の実施形態を最初に参照することによって最も良く理解されよう。レンズ３０は光軸３２を有し、望ましくは、指数ｎの光学材料で作られている。光学材料は、一様であり、実質的に指数ｎにバリエーションはないか、或いはほとんどない。好適材料はガラスおよびプラスチックを含むモールド整形可能なプラスチックや他の光学材料のようなものである。

レンズ３０は、光軸３２上にセンターＣがある球面屈折面３４を有する。センターＣへの光３６の伝播、およびセンターＣからの光３６’の伝播は、通常の入射で球面屈折面３４を横切る。球面屈折面３４は、レンズ３０が光３６を集めて、レンズ３０が光３６’を投影する立体角Θを確定する。

レンズ３０は、球面屈折面３４に対向する楕円反射面３８を有する。この実施形態で示すように、ミラー・コーティングまたはフィルム４０をそれに提供することによって、または他の手段によって、楕円反射面３８を光反射性にすることができる。楕円反射面３８は、点線３８’で示すように、正確な楕円を回転することによって作成される。光軸３２に対して楕円３８’を回転することによって、明確に表面３８が画定される。表面３８は、第１焦点Ｆ_１が光軸３２上の球面屈折面３４のセンターＣと一致するように配向される。表面３８によって画定された第２焦点Ｆ_２も、光軸３２上のレンズ３０な内部にある。

レンズ３０は、センターＣを通過する光３６、３６’を整形する楕円反射面３８に対向する整形面４２を有する。事実、センターＣは、レンズ３０の視点（the point of view）または視点（viewpoint）である。センターＣがレンズ３０の唯一の視点となることを確保するために、開口４４が提供される。言い換えれば、開口４４はレンズ３０の単一視点を実施する。望ましくは、開口４４はレンズ３０の光学材料に埋め込まれていて、第２焦点Ｆ２にピンホールまたは絞りを有する物によって形成される。代わりに、開口４４はレンズ３０の光学材料の非透明部分に画定される。当業者であれば、開口４４を画定する多くの代替案があることを理解されよう。

整形面４２は、どんな形もしてもよく、所定のアプリケーションに合わせて光３６、３６’を整形するために適切であるように、開口４４をも含むどの位置に配置されてもよい。本実施形態整形では、表面４２はレンズ３０の内外に光を通す３６、３６’屈折的整形面である。事実、屈折的整形面４２は、点線で示す正確な楕円４２’を光軸３２に対して回転することによって成形された隋円体の屈折的整形面である。光を整形するために、隋円体の屈折的整形面４２は、表面３８によって規定される第２焦点Ｆ_２’と一致する第１焦点Ｆ_１’と、レンズ３０内部の光軸３２上の第２焦点Ｆ_２’とを有することが好ましい。さらに望ましくは、表面４２は以下の円錐定数Ｋ２を有する。

ここで、ｎは光学材料の指数である。これら状況下で、立体角Θに渡ってレンズ３０に入射する光３６は、光軸３２に実質的に平行な方向で表面４２を通ってレンズ３０から出現する。本実施形態のように、表面３８の円錐定数Ｋ１を円錐定数Ｋ２に等しく設定することも可能である。

プレート４６はレンズ３０の前に配置される。レンズ３０が光軸３２に対する入射角θ_ｉでやって来る光３６を集めると、プレート４６は、その上に光３６を映し出すスクリーンであればよい。この態様では、レンズ３０をイメージングに用いることができる。代わりに、プレート４６は、光軸３２と実質的に平行な光３６’をレンズ３０に放つ。この態様では、レンズ３０は、光３６’を立体角Θに映し出し、映像を映し出すのに使用することができる。

広い視野をイメージングするレンズ３０の操作について、図３の横断面図を参照して説明する。視野は、レンズ３０が光３６を集める立体角Θによって確定される。角度Θが光軸３２に対して左右対称であることに注意されたい。

レンズ３０は、センターＣの単一視点が対象平面４８上方の高さｈになるように配置される。複数の対象ポイントＰ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４は、対象平面４８上に位置する（ポイントＰ_３およびＰ_４は平面４８上の光軸３２から遠く離れている）。光３６は、対象平面４８から発して、光束５０，５２，５４および５６となってレンズ３０に伝播される。ポイントＰ_１は、光束５０の発散が最小入射角θ_ｍｉｎでレンズ３０に入射するような視野の１方の端部にある。ポイントＰ_４は、光束５６の発散が最大入射角θ_ｍａｘでレンズ３０に入射するような視野の他方の端部にある。レンズ３０の設計は最大入射角θ_ｍａｘをおよそ９０°とすることを可能にしている。光束５０，５６は、それらがレンズ３０の視野を画定することを示すように点線で描かれている。

光束５０，・・５６は、球面屈折面３４を通ってレンズ３０に入射する。次にそれらはセンターＣで単一視点を通過して、反射的隋円面３８に伝播する。表面３８で光束５０，・・５６は、隋円体の屈折的整形面４２へ反射される。開口４４は、球面屈折面３４を通って入射するがセンターＣで単一視点を通過しない光をブロックすると同時に、光束５０，・・５６を隋円体の屈折的整形面４２に伝播させ続けることによって、単一視点を実施する。

表面３８および４２の円錐定数Ｋ１およびＫ２は等しく、Ｋ_１＝Ｋ_２＝−１／ｎ_２であり、焦点Ｆ_２およびＦ_１’が一致するので、光束５０，・・５６の光３６は、レンズ３０を出るとき、光軸３２に実質的に平行となる。光束５０，・・５６がさらなる光の整形を必要とせずに映像面４６に映し出されるため、望ましいタイプの整形である。その結果、対象平面４８上のポイントＰ_１，・・Ｐ_４は、映像面４６上の対応する像点Ｐ_１ ^Ｉ，・・Ｐ_４ ^Ｉに映し出される。

レンズ３０の効果的な特徴は、等しい角度の間隔または画角で屈折面３４上に衝突する光束５０，・・５６が、隋円体の屈折的整形面４２を出るときに、光軸３２からの距離について実質的に線形に写像されることである。これは、等しい画角の対象ポイントＰ_１，・・Ｐ_４が映像面４６で互いから実質的に等しい離隔で像点Ｐ_１ ^Ｉ，・・Ｐ_４ ^Ｉに写像されることを意味する。画角と映像面４６における光軸からの距離との間の実質的に線形の写像は、多くのイメージングアプリケーションに有用であり、時にｆ−θ（f-θ imaging）と呼ばれる。

図４は単一視点反射屈折レンズ６０の他の実施形態の横断面図である。レンズ６０は、指数ｎのモースド成形プラスチックで作られており、光軸６４上にセンターＣがある球面屈折面６２を有する。表面６２は楕円反射面６６に対向している。２つの表面は、表面６６によって決定された第１焦点Ｆ１がセンターＣと一致するように配置される。整形面６８は表面６６に対向している。この実施形態では、整形面６８は、光反射性であって、放物面形状を呈しており、その結果、放物面の反射的整形面を形成する。表面６８は光軸６４上にある単焦点Ｆ_１’によって決定される。さらに、焦点Ｆ_１’は表面６６の第２焦点Ｆ_２と一致する。この実施形態では、表面６６，６８の円錐定数Ｋ_１，Ｋ_２は等しくはない。

レンズ６０はセンターＣで単一視点を実施する開口７０を有する。光は放物面の反射的整形面６８を通過できないため、開口は対向する表面６６に位置する。本実施形態では、開口７０は隋円体の反射面６６内、または反射面６６上に規定される。例えば、開口７０はミラー・コーティングまたはフィルムで覆われた表面６６のピンホールである。代わりに、開口７０を表面６６の後方、または開口の前方に置いてもよい。

発光体３６’の投影ユニット７２は、表面６６の後方であって光軸６４の中心に置かれる。ユニット７２は発光体列であってよく、ここでは光３６’を角度Θで示された視野を映し出すレンズ６０のアプリケーションを示すために使用されている。視野は最小放射角θ_ｍｉｎおよび最大放射角σ_ｍａｘを決定する。ユニット７２は、σ_ｍｉｎ＜σ＜σ_ｍａｘとなるような放射角σに写像するように、光軸６４から十分離れた画素７４のような光３６’をその放射体から放射する。例えば、光軸６４への距離ｄで画素７４から放たれる光３６’は、開口７０を通ってレンズ６０に入射し、放射角σで放射される。当業者であれば、あるアプリケーションに必要とされる様々な光整形機能や導光機能を作用させるために、レンズやミラーなどの追加的な光学部品が表面６６とユニット７２との間に配置され得ることを理解されよう。

１つのアプリケーションでは、レンズ６０は光３６’を視野に映し出すために使用される。ユニット７２は、光３６’を光軸６４に対する放射角σで放射する画素７４を作動させる。光３６’は平行に伝播し、光軸６４への距離ｄだけオフセットしており、開口７０を通ってレンズ６０に入射する。レンズ６０の導光特性は、球面屈折面６２を通ってレンズ６０から出るように光３６’を角度σに写像する

他のアプリケーションでは、レンズ６０は、例えば入射角θ_ｉ＝σで視野から入ってくる光３６を収集するために使用される。ここで、入射角θ_ｉは最小入射角θ_ｍｉｎ＝σ_ｍｉｎよりも大きく、最小入射角θ_ｍｉｎ＝σ_ｍａｘよりも小さい。

本発明の単一視点反射屈折レンズの形状は、様々に変更することができる。例えば、レンズの楕円面を重ねてもよい。図５は外側面８２，８４を有する、折り畳まれた（folded）単一視点反射屈折レンズ８０の１実施形態を示す。レンズ８０は、単一視点と一致するセンターＣを備えた球面屈折面８６を有する。第１焦点Ｆ_１と第２焦点Ｆ_２とを有する隋円体の反射的８８は、表面８６に対向し、その第１焦点Ｆ_１はセンターＣと一致する。整形面９０は、ここでは、第１焦点Ｆ_１’と第２焦点Ｆ_２’とを有する第２の反射的隋円体の整形面が、表面８６と対向する形式である。すべての焦点は光軸８７上にある。

明確化のため、表面８８，９０を成形するために回転される楕円９２、９４を点線で示している。これまでの実施形態と異なり、楕円９４は、視点またはセンターＣの反対側、より適切には表面８８の後方に第２焦点Ｆ_２’を有している。楕円９２，９４とそれらの回転によって作成された表面８８、９０の重なりは、ここで「折り畳まれた」と呼ぶ形状を作り出す。

第２の反射的隋円体の整形面９０は、ミラー・コーティングまたはフィルム（図示せず）を用いて外側面８２に成形される。レンズ８０の視野を拡大するために、表面９０の大きさを縮小してもよい。外側面８４は、表面８８から延び、平坦な結合面９６で終わる。面９６は透明で、表面９０の第２焦点Ｆ_２’がその上にくるように位置する。事実、面９６の大きさは、センターＣで単一視点を実施するレンズ８０の開口を確定する。小さな開口が望まれるのであれば、面９６上にマスクを提供し、マスク中央の穴が開口を画定してもよい。

レンズ８０の操作を理解するために、レンズ８０に入る光３６の入射光束９８をたどると、レンズ８０が光３６’を投影できることがわかる。光３６は、表面８６を通ってレンズ８０に入射し、センターＣで単一視点を通過して、表面８８によって反射される。そして、楕円面の１つの焦点的を通過して内部で反射された光が第２焦点で集光するようを計算で求めておくため、光３６は第２焦点Ｆ２に伝播される。設計により、第２焦点Ｆ２は、同様に隋円体である表面９０の第１焦点Ｆ_１’と一致し、その結果、光３６の同じ計算法則を用いる。具体的には、光３６は表面９０から反射されて、結合面９６上の第２焦点Ｆ_２’で集光する。

光３６は、面９６を通って外結合する。そして、さらに整形され、偏向され、および／または、レンズ８０の展開条件により要求されるように屈折されてもよい。例えば、光３６を映像面に誘導するために、表面９６の先に撮像要素を置いてもよい。代わりに、光３６を整形して誘導するために、光リレーを表面９６に置いてもよい。

別の折り畳まれた形状は、図６にその光線追跡を示した反射屈折レンズ１００によって実施される。レンズ１００の基本形状は、９の形状設計パラメータ：Ｒ，Ｒ_１，Ｋ_１，Ｒに，Ｋ_２，Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３およびＬ_４によって表される。これらのうち最初の５つは、球面屈折面１０２の半径、楕円反射面１０４の曲率半径、表面１０４の、第２隋円体の反射的整形面１０６の曲率半径、表面１０６の円錐定数である。パラメータＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３およびＬ_４は示した長さに対応している。加えて、１０８は表面１０６の頂点であり、１１０は表面１０４の頂点であり、１１２はレンズ１００の単一視点を実施する開口である。表面１０６の第２焦点Ｆ_２’が開口１１２内部の表面１０４上にくることに注意されたい。表面１０６は、この実施形態では外側面１１８上にあることに注意されたい。

レンズ１００の設計は完全な閉形式解である。したがって、レンズ１００を使用するどんなビジョンシステムの光学性能も、ほとんど光リレーの設計に依存する。本実施形態では、単一のリレー・レンズ１１４は、映像面１１６における光３６の単一波長で映像を作り出す光リレーを表す。カラーイメージングにために、フィールド・フラットナーを備えた、より無色の光リレーを使用すればよいことは、当業者によって理解されよう。

Ｒ，Ｒ１およびＲ２の値を変えることによって、レンズ１００を異なる大きさに調整することができる。レンズ１００とその角倍率の一般的な形状はパラメータＫ１とＫ２との比率によって制御される。一旦これらのパラメータが調整されると、次にＬ１，Ｌ２，Ｌ３およびＬ４を導くために以下の方程式を用いる。

これにより、第２隋円体の反射的整形面１０６の第１幾何学的焦点Ｆ_１’は、楕円反射面１０４の第２幾何学的焦点Ｆ_２と一致することを確実とされる。本実施形態は、Ｌ４＝Ｌ１＋Ｌ２であって、第２隋円体の反射的整形面１０６の第２幾何学的焦点Ｆ_２’を楕円反射面１０４の頂点１１０上に重ねる特別なケースを示す。上述したように、これは、所望の光強度に従い、２ｍｍまたはそれ以下ともなる直径を有する開口１１２を頂点１１０に置く。望ましくは、開口１１２は、アルミニウムなどのミラー・コーティングで表面１０４の全体をコーティングする前にマスクをとられた隋円体反射面１０４の一部である。

図７は、外側面がなく、立体角Θで表された視野を備えない、さらに異なる形態の折り畳まれた単一視点レンズ１２０を示している。レンズ１２０は、表面１２２のセンターＣが表面１２４の第１焦点Ｆ_１と一致するように、楕円反射面１２４に対向する球面屈折面１２２を有する。表面１２４は、表面１２４の第２焦点Ｆ２が表面１２６の第１焦点Ｆ_１’と一致するように、半透明の隋円体の整形面１２６に対向している。表面１２６の第２焦点Ｆ_２’は、開口１２８内部の表面１２４にくる。センターＣおよびすべての焦点は、レンズ１２０の光軸１３０上にある。

光リレー１３２は、表示装置１３４によって生成された光３６’をレンズ１２０に導くために表面１２４に並んで配置される。より正確には、リレー１３２は光軸１３０に平行にレンズ１２０に伝播される光３６’を案内するテレセントリック・リレーである。リレー１３２は、光３６’がレンズ１２０への進入角αに光軸１３０からオフセットされる距離ｄを変換する。符号ｆはリレー１３２の焦点距離を示す。リレー１３２の設計の効果によって、進入角αは小さな値の角αに渡る距離ｄの実質的に線形機能となる。

操作の間、距離ｄだけ光軸１３０からオフセットされた表示装置１３４の画素１３６は、光３６’を発生させる。リレー１３２は光３６’を進入角αでレンズ１２０に誘導する。光３６’は半透明の表面１２６および表面１２４から反射されて、次に進入角σで表面１２２を通って放射のレンズ１２０を出る。この過程において、角度αは角度σに”増幅される”。そして、角倍率は比率σ／αで与えられる。光３６’の一部分１３８は半透明の表面１２６を通ってレンズ１２０を出る。一部分１３８を、レンズ１２０および／または表示装置１３４の操作のモニタリングに用いることができる。また一部分１３８を、レンズ１２０および表示装置１３４または他の機能の照準を確認するために用いることもできる。これらの機能に応じて半透明の表面１２６の透明度を調整できることは当業者に理解されよう。また、半透明の表面１２６の透明度は、光３６の波長に依存し得ることに注意されたい。

代替実施形態では、レンズ１２０は、光３６’を入射させ画素１３６に映し出すことによって反対に作動する。この場合、表示装置１３４は感光要素（例えば、イメージングアレイなどのイメージング要素）に置き替えられる。このようなアレイでは、画素１３６は感光性である。また、光３６の一部分も半透明の表面１２６を通って伝わることに注意されたい。

上述した設計に関する小標本から、本発明による反射屈折レンズは用途が広く、簡単であり、頑丈であって製造が容易であることは明確である。これらをモールディングなどの技術によって部品または全体品として製造することができる。それらの光学性能は、表面の精度と、光を出す、または光を集める付属の光リレーの設計とに大きく依存する。このようなリレーはビジョンシステムまたはアプリケーションに基づいて設計され、詳細設計の選択はそれがイメージング要素、スキャンアレンジメントまたは表示要素を備えたシステムであるか否かによろう。

図８は、半透明の整形面１２６ではなく反射的な隋円体の整形面１２６’を備えたレンズ１２０を使用する単一視点ビジョンシステム１４０を示す。ビジョンシステム１４０は、イメージング要素１４２、例えば画素１４４を備えたイメージングアレイを有する。（明確化のため部分的に示す）。アレイ１４２は表面１２４後方の映像面１４６に位置する。表面１２４と映像面１４６との間の光リレーは、明確化のためにここには示さない。しかしながら、レンズ１２０とイメージングアレイ１４２との間には、図７に示したテレセントリックリレーを含むどんなタイプのリレーを使用してもよい。

表面１２６’は、レンズ１２０の視野を立体角Θで表された軸外の領域に制限する。したがって、視野のセンターが不明瞭となるか、或いは映像化を必要としないとき、ビジョンシステム１４０は最も有用である。視野のセンターは、映像面１４６の影１４８に対応する。説明の明確化のために、視点Ｃを実施するための開口１２８は、表面１２４上に示さず、映像面１４６を拡大して示している。

ビジョンシステム１４０は、映像化する任意の対象物１５０に向けられる。ここでは、対象物１５０は表面が対象座標（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）のＸ’−Ｙ’平面にある基板である。ビジョンシステム１４０は基板１５０の上方にあり、対象座標の原点とレンズ１２０の単一視点Ｃとは、ベクトルＲ^Ｃによって結ばれる。ベクトルＲＣは光軸１３０と共線であり、ベクトルＲ^Ｃの標準は原点と視点Ｃとの間の距離である。ビジョンシステム１４０は空間を移動し、その座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は対象座標（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）に対して回転する。対象座標およびビジョンシステムの座標を並べるために多くの約束事が存在する。例えば、ビジョンシステムの座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と対象座標との間の回転は、オイラー角（φ，θ，ψ）で連続３回転することによって表すことができる。

操作の間、ビジョンシステム１４０は、光３６（基板１５０上のポイントＰからの光３６など）を集光する。光３６は、入射角θ_ｉでレンズ１２０に入射する光束１５２で伝播される。レンズ１２０はイメージポイントＰを、映像面１４６のイメージングアレイ１４２上のイメージポイントＰ^Ｉに映し出す。好都合なことに、映像面１４６は、アレイ軸Ｘ^Ｉ，Ｙ^Ｉを描くことによって表され、映像面１４６におけるイメージポイントＰ^Ｉの位置は、ベクトルＲＰによって表される。単一視点Ｃであるために、レンズ１２０はイメージポイントＰ^Ｉのパノラマ映像を作り出す。したがって、レンズ１２０は映像面１４６に対象物１５０のパノラマ画像を作り出すことができる。

変更実施形態では、ビジョンシステム１４０は、光３６’を基板１５０上の投影ポイントＰ_Ｐに映し出し、同時にポイントＰから光３６を集光するためにレンズ１２０を使用することができる。この実施形態では、アレイ１４２上のポイントＰ^Ｓの画素１５４は光３６を発生させる。映像面１４６におけるポイントＰ^Ｓの位置はベクトルＲＳによって表される。光３６’の光束１５６は基板１５０への放射角σでレンズ１２０を通解してポイントＰ_Ｐに投影される。この実施形態で使うことができる光に敏感で発行する素子を有するハイブリッドアレイが当業者間に知られている。勿論、基板１５０のイメージングが必要ないのであれば、図７に示したような表示装置を光３６’を映し出すのに使用してもよい。

図９は、対象物１６２上に光３６’を映し出すために、波長依存する半透明の隋円体の整形面１２６”を備えたレンズ１２０を使用するビジョンシステム１６０を示す。あるポイントでは、対象物１６２は、後方散乱光３６”を発生させることによって応じ、システム１６０は同時に、後方散乱光３６”を集光するためにレンズ１２０を使用する。

システム１６０は、面１２６”の前にある表示装置１６４、例えば、表示画面またはディテクタ・アレイを有する。ユニット１６４は光軸１３０上の中心に置かれる。さらに、システム１６０は、光３６を発生させるための光源１６８を備えたスキャンアレンジメント１６６を有する。アレンジメント１６６は、光３６’の向きを変え、または案内するためのスキャンミラー１７０を有する。ミラー１７０は、ミラー面MＰに対してスキャン角度γに傾斜をつけられる。スキャン角度γを制御するためのドライバは当業者に周知である。

アレンジメント１６６は、光３６’を整形して、開口１２８を通って光軸１３０に沿ってレンズ１２０へ方向付ける光リレー１７２を有する。リレー１７２は、スキャン角度γを、レンズ１２０への対応する進入角αに変換するタイプである。例えば、リレー１７２は、軸１３０上の同じまたは異なった焦点距離を備えた２つのレンズを使用する４−ｆシステムであるため、ミラー１７０のセンターはリレー１７２の１つの焦点と一致し、表面１２６”の第２焦点Ｆ_２’は４−ｆシステムの別の焦点と一致する。またリレー１７２は、レンズ１２０からスキャンアレンジメント１６６に戻るすべての光の向きを変えるビームスプリッタ１７６を有する。

操作中、システム１６０はミラー１７０のスキャン角度γを調整することによって光３６’を方向付ける。スキャン角度γにおける変化は、光３６’がレンズ１２０を出る放射角σを変化させる。この場合は、光３６’は最初に角度σ_１で放たれ、次に角度σ_２で放たれるように、スキャン角度γは様々である。

半透明の表面１２６”の通過波長は、光３６’の小さな一部分１７４、例えば、数分の１パーセントが伝播し、表示装置１６４に映し出されるように選定されている。具体的には、光３６’が角度σ_１で放たれたとき、一部分１７４はポイントＰ_２ ^Ｉに伝わる。次に、角度σ_２で、一部分１７４はポイントＰ_１ ^Ｉに伝わる。光３６’の一部分１７４は参考用、フィードバック、追跡または他の補助的機能に使用することができる。

角度σ_２で、対象物１６２は、光３６’の経路に沿ってレンズ１２０に戻る後方散乱光３６”を作り出す。光３６”は入射角θ_ｉ＝σ_２で表面１２２を通ってレンズ１２０に入射する。わずかな光３６”は、表面１２６”を通ってレンズ１２０を出る。光３６”の残りは表面１２６”によって反射され、ビームスプリッタ１７４によって分割される。勿論、ユニット１６４に登録された光３６”の数分の一が後方散乱光３６”をモニタリングするのに十分であるならば、光３６”の残りは利用しなくてもよい。これらの場合、ビームスプリッタ１７４を取り除いてもよい。

図１０は単一視点レンズ１８０のさらに別の実施形態を示す。レンズ１８０は、楕円反射面１８４に対向する球面屈折面１８２を有し、順に平坦な屈折的整形面１８４に対向している。表面１８４の第１焦点Ｆ_１および表面１８２のセンターＣは、レンズ１８０の単一視点で一致する。表面１８４の第２焦点Ｆ_２は、表面１８６上にあって、単一視点を実施する開口１８８内部にある。

レンズ１８０は、それぞれ指数ｎ_１，ｎ_２を有する２つの材料１８３，１８５で作られている。材料１８３は望ましくは、ガラスかプラスチックであり、一方、材料１８５はガラスまたはプラスチックであるが、レンズ１８０の空洞を満たす液体または光学的ゲルであってもよい。後者の場合には、点線および鎖線で示されたレンズ１８０の部分１９０は、材料１８５を含む外皮を成形するガラスまたはプラスチックでもよい適切な材料で作られている。ｎ_１＝ｎ_２であることが望ましい。

複合レンズ形式の光リレー１９２は、レンズ１８０からの光３６を外結合する表面１８６に隣接して配置される。この場合レンズ１９２は、光３６を映像面１９４に映し出すように設計される。反対にレンズ１９２を、映像面１９４からの光３６をレンズ１８０へ内結合するために使用することができる。

代わりに、レンズ１８０は、点線で示された内部空洞１９８を画定しているシェル１９６を使って構成することができる。空洞１９８は、例えば光学的ゲルまたは他の光学材料で満たされている。事実、部分１９０を含むレンズ１８０全体は、光学ゲルか液体などの光学材料で満たされた中空形状またはシェル構造であってよい。

図１１は、図２に示したレンズ３０に類似し、光リレー２１０を備えたレンズ２００の横断面図である。レンズ２００は、球面屈折面２０２、対向する楕円反射面２０４、および屈折的隋円体の整形面２０６を有する。表面２０４の第１焦点Ｆ_１と表面２０２のセンターＣとは単一視点で一致する。また焦点Ｆ_１’とＦ_２とが一致する。全ての焦点が光軸２０８上にある。

レンズ２００は、その本体内に固定された開口を備えない点で、レンズ３０と異なっている。正しくは、調節可能な開口２１２がレンズ２１４と２１６との間の光リレー２１０に備わっている。レンズ２１４および２１６は、焦点距離ｆ_１およびｆ_２をそれぞれ有している。リレー２１０は、レンズ２１４からｆ_１と等しい距離に第１映像面２１８を有している。第２映像面２２０はレンズ２１６からｆ_２と等しい距離に位置している。当業者には、リレー２１０が４−ｆリレーの一種であることを理解されよう。

操作の間、開口２１２は、レンズ２００のＦ−numberを規制して広範囲の照明条件で作動するように調整される。小さいＦ−numberを得るために開口２１２を開くと、レンズ２００の単一視点特性の累進的な低下を引き起こすことに注意されたい。

本発明による単一視点反射屈折レンズは、無数の異なる実施形態を可能とする。例えば、それは中実レンズである必要はない一方で、空洞であってもよく、例えば、モールディングによって作られる場合がある。レンズのある領域が製作方法によって残された中空の空洞であるケースでは、これら中空の空洞はレンズの固体部分のものに合う屈折率を持つ光学流体またはゲルで満たされればよい。さらに他の実施形態では、楕円反射面および／または整形面は、外側面上ではなくレンズ内に埋め込まれている。すべての代替実施形態を考慮して、本発明の範囲は特許請求の範囲とそれらの法的な同等物によって判断されるものである。

軸外の光学システム類を示す立体図である（従来技術）。 本発明によるレンズの１実施形態の横断面図である。 イメージングに使用される図２に示すレンズの横断面図である。 本発明によるレンズの別の実施形態を示す横断面図である。 折り畳まれた形状をした本発明によるレンズの横断面図である。 折り畳まれた形状をした別のレンズの横断面図である。 投影またはイメージングに使用する、折り畳まれたレンズの横断面図である。 イメージング要素を有し、図７のレンズを使用するビジョンシステムを示す立体図である。 スキャンアレンジメントを有し、図７のレンズを使用する別のビジョンシステムを示す横断面図である。 本発明によるさらに別のレンズの横断面図である。 光リレーを備え、図２と同様のレンズの横断面図である。

Claims (22)

1. 光軸上に単一視点を有する中実反射屈折レンズであって、
   ａ）前記光軸上でかつ前記レンズ内にセンターＣを有する球面屈折面と、
   ｂ）前記球面屈折面と対向し、前記センターＣと一致する第１焦点Ｆ１を有し、これにより前記センターＣが前記単一視点となる楕円反射面と、
   ｃ）前記楕円反射面に対向し、前記単一視点を通過する光を整形する整形面と
   を含むことを特徴とする中実反射屈折レンズ。
2. 前記整形面は屈折的整形面であり、当該中実反射屈折レンズは前記単一視点を実施するための開口をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の中実反射屈折レンズ。
3. 前記開口は前記楕円反射面の第２焦点Ｆ２に位置することを特徴とする、請求項２に記載の中実反射屈折レンズ。
4. 前記第２焦点Ｆ２は、前記光軸上にあって、実質的に前記屈折的整形面にあることを特徴とする、請求項３に記載の中実反射屈折レンズ。
5. 第２前記焦点Ｆ２は、前記光軸上にあって、当該中実反射屈折レンズの内部にあることを特徴とする、請求項３に記載の中実反射屈折レンズ。
6. 前記屈折的整形面は、隋円体の屈折的整形面であることを特徴とする、請求項２に記載の中実反射屈折レンズ。
7. 前記隋円体の屈折的整形面は、第２前記焦点Ｆ２と一致する第１焦点Ｆ１’を有することを特徴とする、請求項６に記載の中実反射屈折レンズ。
8. 前記隋円体の屈折的整形面は、前記楕円反射面の円錐定数Ｋ１と等しい円錐定数Ｋ２を有することを特徴とする、請求項７に記載の中実反射屈折レンズ。
9. 前記整形面は反射的整形面であり、当該中実反射屈折レンズは、前記単一視点を実施するための開口をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の中実反射屈折レンズ。
10. 前記開口は前記楕円反射面に位置することを特徴とする、請求項９に記載の中実反射屈折レンズ。
11. 前記開口は前記楕円反射面の後方に位置することを特徴とする、請求項９に記載の中実反射屈折レンズ。
12. 前記反射的整形面は、第２隋円体の反射的整形面であることを特徴とする、請求項９に記載の中実反射屈折レンズ。
13. 前記第２隋円体の反射的整形面は、前記第２焦点Ｆ２と一致する第１焦点Ｆ１’を有することを特徴とする、請求項１２に記載の中実反射屈折レンズ。
14. 前記第２隋円体の反射的整形面は、前記楕円反射面の円錐定数Ｋ１と等しい円錐定数Ｋ２を有することを特徴とする、請求項１２に記載の中実反射屈折レンズ。
15. 一様な光学材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の中実反射屈折レンズ。
16. 前記整形面は半透明の整形面であることを特徴とする、請求項１に記載の中実反射屈折レンズ。
17. 前記整形面は、平坦な整形面、隋円体の整形面、および放物面の整形面から成る群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の中実反射屈折レンズ。
18. 光軸を有する中実反射屈折レンズを有する単一視点ビジョンシステムであって、前記中実反射屈折レンズは、
    ａ）前記光軸上でかつ前記レンズ内にセンターＣを有する球面屈折面と、
    ｂ）前記球面屈折面と対向し、前記センターＣと一致する第１焦点Ｆ１を有し、これにより、前記センターＣは前記単一視点となる楕円反射面と、
    ｃ）前記楕円反射面に対向し、前記単一視点を通過する光を整形する整形面と
    を含むことを特徴とする単一視点ビジョンシステム。
19. 前記光を通す光リレーをさらに含むことを特徴とする、請求項１８の単一視点ビジョンシステム。
20. 前記整形面は、反射的整形面、屈折的整形面、および半透明の整形面から成る群から選択されることを特徴とする、請求項１８の単一視点ビジョンシステム。
21. 前記整形面は、平坦な整形面、隋円体の整形面、および放物面の整形面から成る群から選択されることを特徴とする、請求項１８の単一視点ビジョンシステム。
22. 走査装置、撮像要素、および表示装置から成る群から選択される要素をさらに含むことを特徴とする、請求項１８の単一視点ビジョンシステム。

Images