カメラ

【課題】スチールカメラ及びビデオカメラのフィルム或いは撮像素子の画像の歪と、受光量の偏差を改善すること。
【解決手段】本発明のレンズ光学系１では、凹曲面状に結像するよう光線を屈折させている。
前記の光線を、レンズ光学系１の正面に装着した本発明の放物面状の鏡面を持つ反射鏡２で、斜め上方に反射させる。このとき、放射状に拡散している前記の光線は、反射鏡２の鏡面の曲面で修正されて、全ての前記主点を等角度で通過する光線が、等間隔で平行な反射光として受光面５に照射され結像する。その結果、歪と光量偏差が修正された画像を得るカメラ。
前記の放物面状反射鏡に代えて既存技術であるＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅを用いて上記同様に画像の歪と受光量の偏差を改善するカメラ。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィルム或いは個体撮像素子を用いる静止画像及び動画を撮影するカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にカメラの広角画像では被写界深度が深いために、ピントは明瞭ではあるが、画像周辺部に歪みが生じる事と、中央部と比較して周辺部で受光量の不足を生じる事が知られている。
レンズ群、すなわちレンズ光学系から光線がフィルム或いは固体撮像素子の平坦な受光面に照射されると、受光面の中心部では、光線がほぼ垂直に照射されるが、周辺部ではレンズ光学系で大きく屈折した光線が斜めに照射されることになり、受光面周辺部で画像が引き延ばされて歪み、さらに中央部と比較して受光量が少ない画像となる。
【０００３】
そこで、歪みの改善や受光量の偏差の改善に、デジタルカメラではプログラム技術を用いて修正する様々な方法（例えば特許文献１参照）が開発されている。
光学系を用いる改善方法では、レンズの製造技術を駆使してレンズ周辺部の屈折率を調節する方法が用いられている。さらに、光量だけを操作する方法としては、レンズ前面に中央部通過光量を制限したフィルターを取り付けて、中央部の光量を減じることで周辺部との光量を整合する方法が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２６７４５７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記のプログラムで処理する方法ではカメラの広角画像周辺部の歪、さらに画像の中心部と周辺部の受光量の偏差の根本的な解決に至らない。フィルムを用いるアナログカメラでは、プログラムによる修正は、画像をいったん電子化データに変換する必要がある。
また、レンズ光学系を用いて、歪や受光量の偏差を改善するには、あまりにも高価なものになるだけでなく、完全には修正されない。
【０００６】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、スチールカメラ及びビデオカメラ（以下、カメラと記述する）のフィルム或いは撮像素子（以下、受光面と記述する）の画像の歪みと、受光量の偏差を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明によると、３５ｍｍフィルム画像換算で１０ｍｍ〜２４ｍｍの広角レンズ光学系を装着するカメラであって、
前記広角レンズ光学系の結像面を、通常の平坦面に結ばせるのではなく凹曲面に結ぶレンズ光学系が提供される。
このレンズ光学系を通過し、等角度で周辺部に拡散していく光線を、放物面状の反射鏡を用いて、中心よりに等間隔に反射して、前記反射鏡に対向した受光面に結像させることで、画像の歪と、受光量の偏差の改善と、集光効果による明るい画像を得るカメラが提供される。
同様に、上記の広角レンズ光学系のように凹曲面上に結像する光線を、既存技術であるＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ（ＤＭ装置）面上の反射鏡と、このＤＭ装置に付属する制御装置を用いて、反射方向を等間隔に結像する光線に修正して、対向する受光面に結像させることで画像を改善する、ＤＭ装置の利用方法が提供される。
なお、前記ＤＭ装置は、この装置の表面に無数の微細反射鏡を有し、個々の反射鏡の角度を制御できる装置（例えば、テキサス・インスツールメント社製ＤＬＰ素子）である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の広角レンズ光学系の結像方法と、放物面状の反射鏡、或いはＤＭ装置を用いて画像を修正することで、スチールカメラにおいて、歪と受光量の偏差のない明るい広角画像を得ることが出来る。
また、広角レンズの需要が多い監視用ビデオカメラでは、歪と受光量の偏差のない映像で、顔の識別が正確で明るい画像になり監視効果が上がる。
さらに、プログラム方式と比較してカメラのバッテリーの消耗が少ない。
上記のような、反射鏡による歪と受光量の改善のみならず、ＤＭ装置を用いる装置では、反射鏡の角度を操り、歪を制御することで、画像を自由に創作することができる。
【０００９】
結像面を平面から凹曲面に変更することはカメラのレンズ光学系を単純にすることが可能である。また、受光面の小さなフィルム或いは小型の個体撮像素子でも十分な光量を得ることができ、小型軽量、高画質、高感度で安価なカメラの製造が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態の１つである凹曲面へ結像するレンズ光学系と放物面状の反射鏡とカメラ上部に受光面を有するカメラの概略図。
【図２】図１のカメラを説明するため図１のＡ−Ａ’断面におけるレンズ光学系から本発明の受光面までと、従来型カメラの受光面への光線の軌跡を示す光線追跡図を示す縦断面図。
【図３】図１のカメラにおいて、遠方の被写体と結像体を示すカメラ縦断面における光線追跡図。
【図４】図１のＢ−Ｂ’断面におけるレンズ光学系から受光面までの光線の軌跡を示し、図３と同様に従来型カメラとの比較ができるカメラ横断面における光線追跡図。
【図５】図１のカメラにおいて、被写体と結像体を示すカメラ横断面における光線追跡図。
【図６】ＤＭ装置と受光面の位置とレンズ光学系による凹曲面への結像形状を決定するための検討図。
【図７】ＤＭ装置を用いたレンズ光学系から受光面までの縦断面における光線追跡図。
【図８】ＤＭ装置を用いたレンズ光学系から受光面までの横断面における光線追跡図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の好ましい実施形態を、図面を参照し説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
図１は、本発明の一つの形態であるデジタル・スチールカメラの概略図である。本図を用いて概要を、光線追跡しながら説明する（図面における被写体からの光線の全てを表示すると煩雑になるため、レンズ光学系１の主点０と通過するものだけを表示する）。
被写体からの光線は、レンズ光学系１の主点０を通過して放射状に拡散する。本発明のレンズ光学系１では、凹曲面状に結像するよう光線を屈折させている。
前記の光線を、レンズ光学系１の正面に装着した本発明の放物面状の鏡面を持つ反射鏡２で、斜め上方に反射させる。このとき、放射状に拡散している前記の光線は、反射鏡２の鏡面の曲面で修正されて、全ての前記主点を等角度で通過する光線が、等間隔で平行な反射光として受光面５に照射され結像する。その結果、歪と受光量偏差が修正された画像を得る。
【００１２】
図２に、図１のＡ−Ａ’断面を示す。この断面図で光線追跡しながら、反射鏡の機能を説明する。（本図では、レンズ光学系の複数のレンズを単レンズで代替表示する。また、光線は、主点を通過するものだけを表示する）
反射鏡２が無い状態、すなわち既存のカメラでは、結像点が従来の受光面４の平坦な面に結像する。この結果、主点０を等角度で出た光線が、周辺部では受光面に斜めに照射されるだけでなく中心部と周辺部では光線の間隔に差異が出ている。すなわち、受光量の偏差だけでなく歪が生じている。
一方、本発明の放物面状の反射鏡２を装着した場合は、光線はレンズ光学系１から凹曲面状の結像面３で結像する方向に出射するが、途中の反射鏡２で斜め上方に反射される。このとき、反射鏡２の周辺部、すなわち、本図の縦断面では上部と下部の湾曲を中心部より大きくすることで、周辺方向に拡散しつつある光線を中心部側に修正して全ての光線が受光面５に等間隔に入射するよう反射させている。このとき光線はほぼ垂直に受光面５に入射するので、歪と受光量の両方を従来の受光面より小さい面積に結像する。
【００１３】
さらに、図２を用いて、カメラの縦断面における作図方法を説明することで反射鏡２の形状と、受光面５の位置設定について説明する。
最初に受光面５の大凡の位置と、放物面状の反射鏡２の位置を決める。反射鏡２から受光面５への反射光線が、レンズ光学系１で遮られない位置関係に反射鏡２と受光面５を設定する。
図２では、受光面５の位置を光軸（線分０−３ｃ４）に対して５５度でレンズ光学系１の右斜め上方に設定し、反射鏡２は、レンズ光学系１と結像面３との真中に設定している。
【００１４】
受光面５の正確な位置を決定するため、受光面５の中心点を設定する。そのため、図２においてレンズ光学系１の中心たる主点０を通過する全ての光線の中心線、すなわち光軸０−３ｃ４と、反射鏡２の交点を反射鏡２の中心として設定し、符号２ｃとする。
そこで、２ｃから垂直に受光面の中心点に入射する光線を描くため、放物線理論を用いる。すなわち、２ｃを放物線上の一点で、主点０が放物線の焦点とする。２ｃの準線を求めるため、２ｃを中心とする半径０−２ｃの円０ｃを描く。
そして、反射鏡の中心点２ｃから角度を５５度とした受光面５に向かって垂直線を引き、逆方向にもこの垂直線を延長し、円０ｃとの交点６ｃ求める。この交点６ｃは、２ｃの準線上の一点となる。すなわち６ｃ−２ｃから受光面５に向かう直線は、主点０から出た光線が、２ｃで入射角と反射角が同角で反射して受光面５の中心に垂直に向かう光線となる。
次に、前記の受光面に向かう光線が、受光面５で結像しなければピンぼけとなるため、受光面５と反射鏡２上の点２ｃとの距離が、２ｃから結像面３の結像予定点３ｃ４までの距離と等距離となる点を求める。
そのため、２ｃを中心に半径２ｃ−３ｃ４の円ｃｃを描き、前記の２ｃから受光面５に向かって引いた線分との交点５ｃが、受光面５上の一点で受光面５の中心点５ｃと決定する。
【００１５】
歪のない結像を得るにはレンズ光学系１から等角度で放射された光線が放物面状の反射鏡２で反射し受光面５に等間隔に結像する必要がある。
そこで、上記で求めた２ｃ−５ｃを基準線として、レンズ光学系１を通過した等角度の光線を、反射鏡２を介して等間隔で平行な光線として受光面５に描くため、上記の受光面５の中心点５ｃから上方と下方に等間隔の点を設定し、反射鏡２から、これらの点に反射光を向かわせるため、前記の受光面２上の各点毎に放物線理論と、反射鏡２から結像面３と受光面５が等距離になるという条件を満足する反射点を求める。そして、この反射点を結ぶことで反射鏡２の鏡面の形状を求める。
図２では、上下それぞれ４等分し、例えば受光面５の上端に設定した５ｕに主点０を通過した上端の光線を結像させるには、上記で２ｃから５ｃを得た方法とは逆の手順を用いる。まず、ピントが合うための反射鏡面上の候補点を求める。そこで、受光面５上の点５ｕからと、反射鏡２がなければ結像する結像面３上の点３ｕから等距離となる点をまとめる。そこで、５ｕ及び３ｕから同半径の円５ｕｃと３ｕｃを描き、２つの円の交点のうち前記光線上にある点２ｕを求める。これが反射鏡２上の反射点２ｕとなる。そして、２ｕを中心とする半径０−２ｕの円２ｕｃ描き、５ｕと２ｕを結ぶ直線の延長線との交点が放物線の準線上の一点６ｕとなり、主点０と、主点０からの光線が鏡面に対して同角で入射し反射する反射点２ｕと、結像点５ｕが成立する。
同様に、各々の光線について反射鏡２上の反射点を作図し、求めた反射点を結ぶことで反射鏡２の形状が求まる。
【００１６】
結像面３の凹曲面の形状と、反射鏡２と受光面５の位置関係は、受光面５で被写体を正確に結像させるためには重要な関係にある。
例えば、上記の５ｕを求める際、線分２ｕ−３ｕと等距離の交点が、受光面５上に得られないときは、ピンぼけの画像になるため、レンズ光学系１の結像面の凹曲面の形状を、調整する必要がある。（幸いなことに広角の光学系では被写界深度を深いので厳密に調整しなくてもシャープな画像が期待できるが、細かく結像面の形状を求めるのが好ましい）
図２では、レンズ光学系１の結像面３の断面を、扁平率９０％で長軸方向を水平軸とする楕円の円弧としている。その結果、受光面５で結像している。
結像面の凹曲面形状と、反射鏡の形状と、受光面の位置は、試行錯誤して最適の形状と位置を求めることが好ましい。
【００１７】
図２の光線は、主点を通過するものだけを描いている。そこで、図３では、遠方の矢印状の被写体が、受光面５に結像する様子を光線の上端、中心、下端を用いて示している。ここで０’は主平面、ｆ’は焦平面を表す。
被写体上部からの光線は、レンズ光学系１の主平面０’の上部と、主点０と、下部に分かれて通過して凹曲面状結像面３の下部に、３つの光線が結像する角度で向かうが、途中の反射鏡２で反射して、受光面５の下部に結像する。
被写体の中心部と、被写体の下部も、それぞれ同様にレンズ光学系１の主平面０’の上部、主点、下部を通過して、焦平面ｆ’で上下が交差して、それぞれ受光面５の中心部と上部に結像する。
なお、６は放物面状の反射鏡２の準線で、４は従来型のカメラの受光面である。この受光面４に結像する場合は、受光面の５の結像に比べ周辺部が広がった画像になる。
【００１８】
図４（本図では、レンズ光学系の複数のレンズを単レンズで代替表示する。また、光線は、主点を通過するものだけを表示する）は、図１のＢ−Ｂ’の断面図で、カメラを上方から見た横断面図である。そのため、断面図で斜め上方に反射した光線の到達する受光面５の位置が、上方から見ると５”の位置になり、反射鏡２からの距離が上方からの図では、正確に描けない。
そこで、実際の受光面５と、仮の受光面５’と、反射鏡２と、結像曲面３の位置関係を表す部分図を、図４の下部に示す。この図によると、２ｃ−５ｃの一点鎖線は、鏡面から斜め上方に反射される反射光を示し、２ｃ−５ｃ’の一点鎖線が、図４で示す仮の受光面５’への反射光線軌跡で、線分２ｃ−５ｃと２ｃ−５ｃ’は、等距離になるため距離（ピント）を正確につかむ手法として、上記の仮の受光面５’を用いてもよいことがわかる。
よって、図４では、反射鏡２から斜め上方に反射される光線を、反射鏡２の前方に反射すると仮定し、受光面５への距離と等しい受光面５’に向かう如く表す。
【００１９】
横断面での光線追跡は、既に受光面５の位置と、反射鏡２の位置が図２で決まっていて、図４での反射鏡２の中心点２ｃと、縦断面図である図２における放物面状反射鏡２の中心点２ｃは同一の点であるから、この横断面図である図４の反射鏡２の２ｃで反射される光線が受光面５’に結像し、図２の５ｃに相当することを説明する。
【００２０】
図４の主点０から光軸（線分０−３ｃ４）上に、図２の２ｃと同一の距離となる点を２ｃとして記す。そして、２ｃを中心として半径が２ｃ−０の円ｆ０と、半径２ｃ−３ｃ４の円ｆｃを描く。円ｆ０は２ｃが放物線上にある時の準線の位置を示し、円ｆｃは、２ｃからの結像点の位置を示す。
上記から、主点０を通過した中心光線、すなわち、光軸は、反射鏡２の２ｃで受光面５’方向に反射され、２ｃからの距離は、円ｆｃの半径であるから、結像点３ｃ４への光線が、受光面５’の中心で結像する。
この点を５’ｃとし、図２と同様に、５’ｃから図面の上方と下方に等間隔に分割する。すなわち、歪のない結像を得る点を設定する。そして、図２と同様に、主点０を等角度で通過した各々の光線上で、受光面５’及び結像面３と等距離であって、受光面５’上の等間隔の点と各々の光線上で求めた点を結ぶ直線と、主点０と各々の光線上の点が、等距離となる円と交わる点、すなわち、準線上の点を結ぶ線分が、放物面状反射鏡２から受光面５’に向かう光線となる。
前記の方法で求めた光線上の点と点を結ぶと、鏡面の形状になり、図４における光線上の点と主点と等距離の点と点を結んだ準線は、符号７，８，９の３本になる。つまり、鏡面の断面の形状は、３種類の放物線を組み合わせた放物線状の形状である。
【００２１】
図５では、図３と同様に遠方の被写体が、受光面５’で結像する様子を示している。本図は図１を上方から見た光線追跡図で、反射鏡２が断面図で傾斜した形状になるため、上方から見える反射鏡２の上部、中央部、下部の３つの断面を１つの図面に表わしている。
ここでは、矢印状の遠方被写体からの光線が、レンズ光学系１の右側、主点、左側を通過した後、交差して上下左右が入れ替わり、それぞれ放物面状反射鏡２の左側下部面、中心面、右側上部面で反射し受光面５’に結像している。
【００２２】
図６（光線は、主点を通過するものだけを表示する）では、ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ（ＤＭ装置）を用いる場合の、ＤＭ装置２ＴＩの位置と、受光面５の位置と、結像面３ＴＩの凹曲面形状を見いだす方法を表している。
図６の例は、ＤＭ装置の位置と角度を、図のように主点０と結像面３ＴＩのほぼ中間に６５度で設定し、結像面３ＴＩの形状は長軸を垂直方向とする扁平率９０％の楕円の円弧としている。ここで、ピントの合う位置を見出すため、反射鏡２ＴＩと、受光面５と、反射鏡がない場合の結像面３ＴＩが、等距離となる位置を求める。
例えば、ＤＭ装置２ＴＩ上の点２ＴＩｂと結像面３ＴＩ上の点３ＴＩｂを半径とする円ｃ３ＴＩｂを描く。同様に、ＤＭ装置面と主点０を通過した等角度の光線の交点を中心とした全ての円を描き、ＤＭ装置２ＴＩからの距離と、円の間隔が等しくＤＭ装置２ＴＩから物理的に取り付け可能な受光面５の位置を、図のようにＤＭ装置２ＴＩの上方に設定した。
円で、ＤＭ装置から結像面３ＴＩの距離と、ＤＭ装置２ＴＩから受光面５までの距離が等距離になるところを求めたのは、ピンぼけを防ぐためで、これらの円が等間隔になるところを求めたのは、歪を無くするためで、両方の条件を満足するところを受光面５とした。
【００２３】
図７（本図では、レンズ光学系の複数のレンズを単レンズで代替表示する。また、光線は、主点を通過するものだけを表示する）は、ＤＭ装置を用いた場合の縦断面図である。ＤＭ装置２ＴＩは、装置面上の微小鏡面の角度を個々に制御出来るので、主点０を通過した光線を、受光面５に等間隔に反射することができる。図７の例では、光線は受光面５に垂直には入射していないが、中心部も、周辺部もほぼ同じ角度で入射し、光量の偏差は生じていないし、歪も発生していない。
放物面状反射鏡２を用いた縦断面図２と対比するため、図２の２ｃ、２ｕ、２ｂに相当する点を２ＴＩｃ、２ＴＩｕ、３ＴＩｂとし、３ｃ４、３ｕ、３ｂは３ＴＩｃ、３ＴＩｕ、３ＴＩｂとし、５ｃ、５ｕ、５ｂは５ＴＩｃ、５ＴＩｕ、５ＴＩｂとして作図している。
例えば、受光面５の上端点５ＴＩｕと、ＤＭ装置の上端点２ＴＩｕと結像予定点３ＴＩｕは、２ＴＩｕを中心とする円で等距離にある。すなわち、ＤＭ装置面２ＴＩで反射して受光面５で結像している。
【００２４】
図８（本図では、レンズ光学系の複数のレンズを単レンズで代替表示する。また、光線は、主点を通過するものだけを表示する）は、ＤＭ装置２ＴＩを用いたカメラを上方からみたＤＭ装置の中心部横断面図である。（横断面の受光面２ＴＩ’の位置を求めるため図７の反射鏡２ＴＩと受光面５ＴＩｃを示している）
図４と同様に、横断面図で斜め上方に反射する光線の距離を正確に描くため、ＤＭ装置２ＴＩから前方に反射して、仮の受光面５’に結像しているように描いている。ここで、２ＴＩは縦断面図におけるＤＭ装置で、２ＴＩ’が上方から見たＤＭ装置２ＴＩの中心点の横断面である。そして、２ＴＩｃは、レンズ光学系の主点０を通過する光軸上にあって、反射鏡ＤＭ装置断面２ＴＩと２ＴＩ’の共通の中心点である。そこで、２ＴＩｃと縦断面の受光面５上の中心点５ＴＩｃを半径とする円ｆｃＴＩを、２ＴＩｃを中心として描き、光軸を延長した線上の交点が、仮の受光面５’の中心点５ＴＩ’ｃである。
【００２５】
ＤＭ装置面は、放物面ではないため準線は存在しない。従って、ＤＭ装置２ＴＩ’面上の、それぞれの光線との反射点から、結像面３ＴＩ上の点と受光面５’上の点との距離が等しいことを確認するだけでよい。例えば、図８では、受光面５’の端に当たる５ＴＩ’ｆｕ点から上記で求めた受光面の中心点５ＴＩ’ｃがある光軸に平行な線分ｆｕを引き、受光面５’の半分を１１等分する。もう片方の５ＴＩ’ｆｂ側も同様に光軸に平行な線分ｆｂを引き、受光面５’上の５ＴＩ’ｃから、５ＴＩ’ｆｕを１１等分する。等分したそれぞれの点にＤＭ装置２ＴＩ’から反射した光線を結ばせることで、歪の発生を防止する。同時に、それぞれの点と、対応するＤＭ装置２ＴＩ’上の点と結像面３ＴＩ上の点とが等距離の関係にあればピントも合うことになる。
【００２６】
そこで、ＤＭ装置２ＴＩ’上の点２ＴＩ’ｆｕと、結像面３ＴＩ上の点３ＴＩｆｕと、受光面５’上の点５ＴＩ’ｆｕとの距離，すなわち、線分２ＴＩ’ｆｕ−３ＴＩｆｕと線分２ＴＩ’ｆｕ−５ＴＩ’ｆｕが、２ＴＩ’ｆｕを中心とする円を描いて確認すると等距離にあることが分かる。他の受光面５’上の点についても同様に等距離であることを確認する。
【符号の説明】
【００２７】
１レンズ群を単レンズで表示するレンズ光学系
２放物面状反射鏡
３凹球面状結像面
４従来型カメラ受光面
５上部の受光面
６縦断面図における準線
７横断面図における準線
８横断面図における準線
９横断面図における準線
２ＴＩＤＭ装置
３ＴＩＤＭ装置を用いたときの結像面

【特許請求の範囲】
【請求項１】
３５ｍｍフィルム画像換算で１０ｍｍ〜２４ｍｍの広角レンズ光学系を持つカメラであって、
前記広角レンズ光学系の結像面を、通常の平坦面に結ばせるのではなく凹曲面に結ぶレンズ光学系を有することを特徴とするカメラ。
【請求項２】
前記レンズ光学系を通過し、等角度で周辺部に拡散していく光線を、放物面状の反射鏡を用いて、中心よりに等間隔に反射して、前記反射鏡に対向した受光面に結像させることで、画像の歪と、受光量の偏差の改善と、集光効果による明るい画像を得ることを特徴とする請求項１に記載するカメラ。
【請求項３】
同様に、上記の広角レンズ光学系のように凹曲面上に結像する光線を、既存技術であるＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ（ＤＭ装置）面上の反射鏡と、このＤＭ装置に付属する制御装置を用いて、反射方向を等間隔に結像する光線に修正して、対向する受光面に結像させることで画像を改善する、ＤＭ装置を有することを特徴とする請求項１に記載するカメラ。
なお、前記ＤＭ装置は、この装置の表面に無数の微細反射鏡を有し、個々の反射鏡の角度を制御できる装置である。

【図１】