JP2002169092A

JP2002169092A - 光学系、撮像系、撮像装置および電子機器

Info

Publication number: JP2002169092A
Application number: JP2000366182A
Authority: JP
Inventors: Kenji Akiyama; 健志秋山; Michiharu Araya; 道晴荒谷; Yukihide Kato; 之英加藤; Tsunefumi Tanaka; 常文田中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2002-06-14

Abstract

(57)【要約】【課題】屈折率分布型レンズアレイや屈折レンズアレ
イを用いても、小型で安価な光学系を構成するのが難し
い。【解決手段】物体Ｏ側の互いに異なる領域からの光を
反射する複数の反射面１３０により構成される第１の反
射面アレイ１１０と、この第１の反射面アレイを構成す
る各反射面からの光をそれぞれ反射する複数の反射面１
４０により構成される第２の反射面アレイ１２０とを有
し、第１の反射面アレイを構成する各反射面によって光
束をそれぞれ中間結像（１３５）させ、第２の反射面ア
レイを構成する各反射面によって第１の反射面アレイの
各反射面により中間結像された光束をそれぞれ再結像さ
せて、物体の連続像Ｉを得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の反射面から
なる反射面アレイを含む光学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近では、カメラのコンパクト化が進ん
でおり、コンパクトなカメラを製造するためには、極め
てコンパクトな撮影光学系（対物光学系）が必要不可欠
である。

【０００３】光学系のコンパクトさはその全長、即ち光
学系の最前レンズ面の頂点から像平面までの距離がどれ
だけ短いかによって決定される。つまり、光学系の焦点
距離が短くなるほど、光学系はよりコンパクトになる。

【０００４】ところで、従来の光学系においては、結像
（ｉｍａｇｅｆｏｒｍａｔ）の大きさは、光学系の焦
点距離ＦＬと視界角θとの２つのパラメータのみにより
決定される。これを図９を用いて説明する。

【０００５】これらの２つのパラメータは以下の式によ
り関係付けられる。

【０００６】ｈ＝ＦＬ・ｔａｎ（θ／２）ここで、ｈは要求されたフォーマットの半ダイアゴナル
（像の高さ）であり、θ／２は半視界角である。

【０００７】こうして、同一の結像を維持するためには
（即ち、所与の像高さｈを維持するためには）、光学系
の焦点距離が減少した場合でもその光学系はより大きい
視界を処理する必要がある。

【０００８】ところが、視界が大きくなると、かなりの
レンズ収差は修正が困難になる。例えば、半視界θ／２
が３０〜３５度より大きくなると、コマ収差、非点収差
および像面湾曲が顕著となり、像品質に悪影響を与え
る。

【０００９】従来の光学系は、コンパクトさを達成せ
ず、受入れ可能な画像の品質を提供できず、短焦点距離
を持つことができず、大きな視界を取り込むことができ
ない。このように、焦点距離を短くしたいという要求と
視界を大きくしたいという要求とは相いれないものであ
る。

【００１０】一方、小型レンズアレイは自然界において
知られている。例えば、蠅の眼はミニレンズ要素（小型
レンズともいう）のアレイを含んでいる。蠅の眼型のレ
ンズの配置は、フォトエッチングのためのマスクを生成
するために使用される。これはJohn Wiley and Sons に
より刊行された、“SPIE HANDBOOK OF PHOTOGRAPHIC SC
IENCE ”の第１２３６頁のセクション２１に記載されて
いる。

【００１１】また、小型レンズアレイを用いた光学系と
しては、特開平６−５１１４２号公報にて提案されてい
る屈折率分布型のレンズを多数配置し、正立等倍像を形
成する画像表示装置等が知られている。

【００１２】また、特開平１０−１８６１０７号公報に
は、物体の正立像を形成する小型レンズアレイシステム
が提案されている。これは、２つの小型レンズアレイを
用いて、第１の小型レンズアレイで物体の像を形成し、
第２の小型レンズアレイで再結像させるシステムであ
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平６−５１１４２号公報にて提案の光学系では、屈折
率分布型のレンズアレイを用いているが、この屈折率分
布型レンズは、製法が難しく、安く簡単に製造できない
という問題がある。

【００１４】また、特開平１０−１８６１０７号公報に
て提案の光学系では、１次結像系および再結像系（２次
結像系）ともに、屈折レンズが用いられているが、各々
のレンズとも強い正のパワーが要求されるため、球面収
差・色収差の補正が困難である。なお、この補正のため
に回折・屈折ハイブリッド型の素子を用いることも可能
であるが、製作が難しく、コストも高くなり易いなどの
問題がある。

【００１５】そこで本発明は、製作が容易で、コンパク
ト（特に、薄型）でかつ広い範囲の像を形成できる光学
系を提供することを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の光学系は、物体の互いに異なる領域から
の光を反射する複数の反射面により構成される第１の反
射面アレイと、この第１の反射面アレイを構成する各反
射面からの光をそれぞれ反射する複数の反射面により構
成される第２の反射面アレイとを有し、第１の反射面ア
レイを構成する各反射面によって光束をそれぞれ中間結
像させ、第２の反射面アレイを構成する各反射面によっ
て第１の反射面アレイの各反射面により中間結像された
光束をそれぞれ再結像させて、物体の連続像を形成する
ものとしている。

【００１７】このように第１の反射面アレイで反射した
光束を、第２の反射面アレイで再度反射させる、つまり
光軸を折り曲げた光学系とすることにより、通常のレン
ズを用いた光学系に比べて同じ焦点距離を有する場合で
もコンパクト化（薄型化）を図ることが可能である。

【００１８】しかも、屈折分布型レンズアレイや屈折レ
ンズアレイを用いる場合のレンズ面（屈折面）に比べ
て、同じ光学パワーを持たせるために必要な反射面の反
射面の曲率を緩くすることが可能であり、製造が容易で
ある。さらに、反射面を用いることによって、色収差の
発生を回避することが可能である。

【００１９】なお、第１および第２の反射面アレイのう
ち中心付近の反射面の面形状と周辺の反射面の面形状と
を、物体の最終像が平面像となるように異なせるように
すると、例えば一般的な平面構造の撮像素子を用いて撮
像を行うことが可能である。

【００２０】また、第１および第２の反射面アレイを構
成する各反射面を回転非対称形状とすることにより、諸
収差を良好に補正することが可能である。

【００２１】なお、本発明の光学系における第１および
第２の反射面アレイを中実形状の光学素子を構成する面
に形成してもよい。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１には、本発明の光学系の基本
構成を示している。なお、本光学系は、ビデオカメラ、
デジタルスチルカメラ、内視鏡、車載カメラ、コンピュ
ータ搭載カメラ、テレビ電話および監視カメラ等の撮像
装置や電子機器に用いることができる。

【００２３】本光学系は、第１の反射面アレイ１１０
と、第２の反射面アレイ１２０とを備えている。

【００２４】第１の反射面アレイ１１０は結像系として
機能し、また、第２の反射面アレイ１２０はリレー系
（即ち、再結像系）として機能する。

【００２５】第１および第２の反射面アレイ１１０，１
２０はそれぞれ、複数の小型反射面を備えている。な
お、各反射面アレイは、数十、数千又は数百万個の小型
反射面を備え得る。

【００２６】ここで、光学系の全長は、物体Ｏ側（前
側）に配置される反射面アレイの最前面から最終像Ｉが
形成される平面までの距離で決まる。但し、本光学系は
反射を使用しているため、最前面の反射面アレイは、結
像系（第１の反射面アレイ１１０）ではなく、リレー系
（第２の反射面アレイ１２０）である。

【００２７】このように反射を利用して光軸を折り曲げ
るシステムとすることにより、極めてコンパクト（薄
型）の光学系を構成することができ、上記撮像装置等の
コンパクト化を図ることができる。

【００２８】なお、各反射面アレイ内の小型反射面の数
を多くすると、各小型反射面の焦点距離を短くすること
ができる。したがって、よりコンパクトなパッケージに
適合させることができる。

【００２９】（第１実施形態）図２には、本発明の第１
実施形態である光学系の一部の断面構成を示している。
また、図３は、上記光学系の一部を示す斜視図である。

【００３０】光学系１００は、第１の反射面アレイ１１
０と、第２の反射面アレイ１２０とを備えている。ま
た、第１の反射面アレイ１１０の各反射面に光束が入射
する領域（視界）を制限するための視界制限マスク４０
を備えている。

【００３１】なお、図３においては、視界制限マスク４
０が反射面アレイ１１０，１２０から離れて配置されて
いるように示されているが、実際は図２に示すように密
着して配置される。

【００３２】第１の反射面アレイ１１０は結像系として
機能し、第２の小型反射面アレイ１２０はリレー反射面
として機能する。なお、図２，３には各小型反射面アレ
イ１１０，１２０がそれぞれ少数個ずつの小型反射面を
有するように示されているが、実際には数千個の小型反
射面を含むものである。

【００３３】以下の説明において、第１の小型反射面ア
レイ１１０を構成する各小型反射面を第１反射面１３０
という。この第１反射面１３０は正の光学パワーを持っ
ている。また、各第１反射面１３０は別々の結像系とし
て機能し、それぞれある範囲の視界（撮像系であれば撮
像領域）の光束を受入れて、この視界に対応する反転さ
れた像を形成するように形状が定められている。

【００３４】すなわち、各第１反射面１３０は、物体の
全体像のうち小さくかつ離散的で、反転した中間像１３
５を形成する。

【００３５】なお、これら多数の中間像１３５は連続的
ではなく、一括撮像を可能にするようには互いに適正に
方向付けられてはいない（図２参照）。このため、第１
の反射面アレイ１１０により生成された多数の中間像１
３５を再結像して、最終像面Ｉ′上に、これらの多数の
中間像１３５から単一の連続的な、正しく方向付けられ
た像（すなわち、物体の全体像としてそれぞれの中間像
が正しく方向付けられている像、以下、連続像という）
Ｉを生成する必要がある。

【００３６】第２の反射面アレイ１２０を構成する各小
型反射面を第２反射面１４０という。この第２反射面１
４０は、正の光学パワーを持っており、第１の反射面ア
レイ１１０上の複数の第１反射面１３０の１つ１つに対
応して設けられている。

【００３７】各第２反射面１４０は、別々のリレー系と
して機能し、対応する第１反射面１３０により形成され
た中間像１３５を再結像して再度反転する。各第２反射
面１４０により得られる多数の像は、連続的で互いに適
正に方向付けられている。これにより、物体Ｏの適正な
最終像としての連続像Ｉを生成することができる。そし
て、この連続像Ｉは、例えば撮像装置においては、写真
フィルム、紙又はＣＣＤアレイを含む任意の感光表面上
に形成される。

【００３８】図２には、各第１反射面１３０が、第２反
射面１４０の前面頂点から対象物距離ｄ１の位置に配置
された物体Ｏの中間像１３５を形成していることを示し
ている。中間像１３５が形成される面は、第２反射面１
４０に対しては物体面と等価となっている。

【００３９】本実施形態において、各反射面アレイ１１
０，１２０を構成する各小型反射面は、物体Ｏ側のある
視界を受け持っているが、隣の反射面はこれに対してず
れた視界を受け持っており、最終像面上でこれらが重な
るようになっている。

【００４０】これは、本反射面システムが正立系である
ためにできることであり、例えば撮像素子の１つの画素
又は画素群に対しての開口が複数あることと同等であ
る。したがって、光量を多く得るために有利である。

【００４１】（第２実施形態）図４には、本発明の第２
実施形態である光学系の一部の断面構成を示している。
本実施形態においても、光学系は、第１および第２の反
射面アレイ２１０，２２０を備えており、第１の反射面
アレイ２１０は結像系を、第２の反射面アレイ２２０は
リレー系を構成する。なお、第１の反射面アレイ２１０
を構成する各小型反射面を、以下、第１反射面２３０と
いい、第２の反射面アレイ２２０を構成する各小型反射
面を、第２反射面２４０という。また、本実施形態の光
学系も、視界制限マスク４０を備えている。

【００４２】第１反射面２３０は正の光学パワーを持っ
ている。また、各第１反射面２３０は別々の結像系とし
て機能し、それぞれある範囲の視界の光束を受入れて、
この視界に対応する反転された中間像２３５を形成する
ように形状が定められている。

【００４３】また、正の光学パワーを持っている第２反
射面２４０は、第１反射面２３０の１つ１つに対応して
設けられて別々のリレー系を構成し、第１反射面２３０
により形成された中間像２３５を再結像して再度反転す
る。各第２反射面２４０により得られる多数の像は、連
続的で互いに適正に方向付けられており、物体の適正な
最終像としての連続像を生成する。

【００４４】なお、本実施形態において、複数の第１反
射面２３０および第２反射面２４０のうち中央の反射面
を除く総ての反射面の基準光軸Ｌは、像面に対して垂直
とはならない。すなわち、各基準光軸は互いに傾いてい
る。このため、広い視野（画角）を得ることができる。

【００４５】これに伴い、第１および第２反射面２３
０，２４０のうち中央以外の反射面は、いわゆる偏心反
射面である。このため、これら反射面を回転対称な面形
状としては収差の補正が不可能である。

【００４６】そこで、本実施形態では、中央以外の反射
面の面形状を回転非対称形状とすることで、諸収差を良
好に補正している。

【００４７】さらに、本実施形態では、中心の反射面と
周辺の反射面とで面形状を変え、各反射面で像面の傾き
が適当に発生するようにし、最終像面が平面になるよう
にしている。

【００４８】また、図５には、上記第２実施形態の光学
系を撮像系に適用した場合の一部の構成を示している。

【００４９】最終像面の位置に配置された、ＣＣＤやＣ
ＭＯＳセンサ等からなる撮像素子ＩＤ上には、互いに対
となる第１および第２反射面２３０，２４０の組Ｍ−１
〜Ｍ−６による正立像がそれぞれ異なる撮像ブロックＩ
−１〜Ｉ−６上に形成される。そして、各撮像ブロック
Ｉ−１〜Ｉ−６からの出力に基づいて物体の連続像に対
応した撮像画像が形成される。

【００５０】なお、図５では、視野制限マスク４０と反
射面アレイ２１０，２２０とが離れて配置されているよ
うに示されているが、実際は図４に示すように密着して
配置される。

【００５１】また、ここでは撮像素子ＩＤ上に互いに間
隔を開けて配置された撮像ブロックＩ−１〜Ｉ−６が形
成されている場合について説明したが、撮像素子上に画
像検出素子（画素）を連続的、つまりは均等に一まとま
りとして設け、これら画像群内において各反射面の組に
対応する撮像範囲を異なる位置に設定するようにしても
よい。

【００５２】（第３実施形態）図６には、本発明の第３
実施形態である光学系の構成を示している。本実施形態
の光学系では、上記第２実施形態にて説明した光学系の
うち第１および第２の反射面アレイに相当する第１の反
射面アレイ３１０と第２の反射面アレイ３２０とを、中
実形状の光学素子３００を構成する面に一体的に形成し
ている。

【００５３】すなわち、この光学素子３００は、視野制
限マスク４０の開口部に対向する入射面となる屈折面３
５０と、第１の反射面アレイ３１０を構成する各第１反
射面３３０となる内面反射面と、第２の反射面アレイ３
２０を構成する各第２反射面３４０となる内面反射面
と、射出面となる屈折面３６０とを有して構成されてい
る。

【００５４】これにより、第１の反射面アレイと第２の
反射面アレイとを一体ユニットとして構成することがで
きる。

【００５５】なお、上記各実施形態では、光学系の構成
要素として第１の反射面アレイおよび第２の反射面アレ
イについて説明したが、本発明の光学系は、レンズ（レ
ンズアレイ）を含んでもよい。

【００５６】（第４実施形態）図７には、上記各実施形
態にて説明した光学系を用いたカード型カメラを示して
いる。このカメラ４００は、カード型のカメラ本体４０
５に、上記第１から第３実施形態にて説明した光学系４
０１と、不図示の撮像素子と、ファインダー窓４０２
と、シャッターボタン４０３と、フラッシュ４０４とを
設けて構成されている。

【００５７】光学系４０１を通して撮像素子により撮影
された画像は、カメラ本体内の図示しないメモリに記憶
され、カメラ４００を不図示のコンピュータに接続され
たリーダー装置等に差し込むことにより、コンピュータ
画面上に表示させたりプリントしたりすることができ
る。

【００５８】（第５実施形態）図８には、本発明の第５
実施形態であるノート型若しくは携帯型コンピュータ
（電子機器）を示している。このコンピュータ５００の
画面部５０１の上部には、上記第１から第３実施形態に
て説明した光学系５０２と不図示の撮像素子とを内蔵し
た撮影部５０３が回転可能に保持されている。そして、
使用者のコンピュータ操作に応じて撮影部５０３を撮影
動作させることにより、使用者や他の被写体の静止画又
は動画を撮像することができる。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１の反射面アレイで反射した光束を、第２の反射面ア
レイで再度反射させる、つまり光軸を折り曲げた光学系
としているので、通常のレンズを用いた光学系に比べて
同じ焦点距離を有する場合でもコンパクト化（薄型化）
を図ることができる。

【００６０】しかも、屈折分布型レンズアレイや屈折レ
ンズアレイを用いる場合のレンズ面（屈折面）に比べ
て、同じ光学パワーを持たせるために必要な反射面の反
射面の曲率を緩くすることが可能であり、容易に製造す
ることができる。さらに、反射面を用いることによっ
て、色収差の発生を回避することができる。

【００６１】なお、第１および第２の反射面アレイのう
ち中心付近の反射面の面形状と周辺の反射面の面形状と
を、物体の最終像が平面像となるように異なせるように
すれば、例えば一般的な平面構造の撮像素子を用いて撮
像を行うことができる。

【００６２】また、第１および第２の反射面アレイを構
成する各反射面を回転非対称形状とすることにより、諸
収差を良好に補正することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学系の基本構成図。

【図２】本発明の第１実施形態である光学系の一部断面
図。

【図３】上記第１実施形態の光学系の部分斜視図。

【図４】本発明の第２実施形態である光学系の一部断面
図。

【図５】上記第２実施形態の光学系および撮像素子から
なる撮像系の部分斜視図。

【図６】上記第２実施形態の光学系を構成する第１およ
び第２反射面アレイを有する光学素子の説明図。

【図７】上記第２実施形態の光学系を備えたカメラの斜
視図。

【図８】上記第２実施形態の光学系を備えたコンピュー
タの斜視図。

【図９】従来の光学系の断面図。

【符号の説明】

４０視界制限マスク１１０，２１０第１の小型反射面アレイ１２０，２２０第２の小型反射面アレイ１３０，１４０，２３０，２４０反射面１３５，２３５中間像Ｉ連続像Ｉ′ 最終像面ＩＤ撮像素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｎ 5/225 Ｈ０４Ｎ 5/225 Ｄ (72)発明者加藤之英東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者田中常文東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内Ｆターム(参考） 2H042 DD01 DD05 DE00 2H087 KA02 KA03 KA08 KA18 KA19 TA01 TA04 TA06 2H101 FF00 5C022 AB15 AC02 AC42 AC51

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体側の互いに異なる領域からの光を反
射する複数の反射面により構成される第１の反射面アレ
イと、この第１の反射面アレイを構成する各反射面から
の光をそれぞれ反射する複数の反射面により構成される
第２の反射面アレイとを少なくとも備え、前記第１の反射面アレイを構成する各反射面は光束をそ
れぞれ中間結像させ、前記第２の反射面アレイを構成する各反射面は、前記第
１の反射面アレイの各反射面により中間結像された光束
をそれぞれ再結像させ、前記物体の連続像を形成するこ
とを特徴とする光学系。
【請求項２】前記第１および第２の反射面アレイを構
成する各反射面が、正の光学パワーを有することを特徴
とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】前記第１の反射面アレイを構成する各反
射面に光束を入射させる領域を制限するマスクを有する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
【請求項４】前記第１および第２の反射面アレイのう
ち中心付近の反射面の面形状と周辺の反射面の面形状と
が異なることを特徴とする請求項１から３のいずれかに
記載の光学系。
【請求項５】前記第１および第２の反射面アレイのう
ち中心付近の反射面の面形状と周辺の反射面の面形状と
が、前記物体の連続像が平面像となるように設定されて
いることを特徴とする請求項４に記載の光学系。
【請求項６】前記第１および第２の反射面アレイを構
成する各反射面が回転非対称形状を有することを特徴と
する請求項１から５のいずれかに記載の光学系。
【請求項７】前記第２の反射面アレイが前記第１の反
射面アレイよりも対象物側に配置されていることを特徴
とする請求項１から６のいずれかに記載の光学系。
【請求項８】前記第１の反射面アレイを構成する反射
面への各入射光軸が互いに傾いていることを特徴とする
請求項１から７のいずれかに記載の光学系。
【請求項９】前記第１の反射面アレイおよび前記第２
の反射面アレイが中実形状の光学素子を構成する面に形
成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれ
かに記載の光学系。
【請求項１０】請求項１から９のいずれかに記載の光
学系と、この光学系により形成された連続像を撮像する
撮像素子とを有して構成されることを特徴とする撮像装
置。
【請求項１１】請求項１０に記載の撮像装置を備えた
ことを特徴とする電子機器。