JP2007127842A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ズームレンズの望遠端と広角端とで、最大像高の光線が電子撮像素子に入射する入射角の差を小さくして、望遠端と広角端とで撮像素子への結像位置にズレが生じるのを防ぐことができる撮像装置を提供することにある。
【解決手段】この撮像装置では、ズームレンズ部Ｚが望遠端の状態であるときに、最大像高の光線が電子撮像素子６に入射する入射角を５°以上の８.８°としたことで、広角端での最大像高の光線が電子撮像素子６に入射する入射角２２.４°と望遠端での最大像高の光線が電子撮像素子に入射する入射角８.８°との差を１５°以下(１３.６°)にすることが可能となった。
【選択図】 図３

Description

この発明は、電子撮像素子を有する撮像装置に関する。

電子撮像素子による撮像では、フィルムによる撮影とは異なり、像側でのテレセントリック性が重要となる。テレセントリック性とは、各像点に対する光線束の主光線が、光学系の最終面を射出した後、光軸とほぼ平行になること。すなわち、各像点に対する光線束の主光線が、像面とほぼ垂直に交わることをいう。

電子撮像素子では、像側でのテレセントリック性が重要となる理由は、電子撮像素子の各画素の開口が、受光部よりやや離れた位置にあるため、斜めに入射した光は画素の開口によりけられてしまい、開口率が低下してしまうためである。

近年では、電子撮像素子の表面にマイクロレンズアレイを配することで、実際の受光面よりも開口率を増やす方法が採られている。

このマイクロレンズを、スケーリングすることにより、すなわち、光線の入射角に合わせて各画素の位置とずれた位置に配置することにより、像面に対する光線の入射角が大きくなっても開口率が低下しないようにする方法が採られている。このマイクロレンズのスケーリングにより、入射角２５°程度までの対応が可能となっている。

例えば、特許文献１(特開２００５−５７０２４号公報)では、複数の受光素子に対応する複数のマイクロレンズ上に平坦化膜を有し、受光面の中央部から端部に近づくにつれて、上記複数のマイクロレンズの位置を対応するフォトダイオードの真上から中央部よりにずらして配置することにより、開口率の低減を抑える方法が提案されている。

しかし、光線の像面への入射角は、焦点距離によって異なるので、焦点距離が変化するズームレンズでは、ズームポジションにより像面への光線の入射角が変化してしまう。

一般に、望遠端では射出瞳位置が像面から離れており、光線が受光面にほぼ垂直に入射するのに対し、広角端では射出瞳位置が像面に近づくので、最大像高において光線が像面に対して大きな角度をもって入射する。

このため、望遠端と広角端とで、最大像高における像面への光線の入射角の差が大きくなり、マイクロレンズのスケーリングでは対応できなくなる。

望遠端と広角端とで、最大像高における像面への光線の入射角の差が大きくなると、望遠端と広角端とで撮像素子への結像位置にズレが生じ、滲み等の原因となる。

したがって、従来、ズームレンズは、射出瞳位置が像面に近くなる広角端の光線が像面へ入射する入射角を垂直に近づけることが課題であった。

特に、近年では、レンズの小型化が求められ、レンズ全体の長さを短くすることが必須となっている。これに対し、広角端の光線の入射角を垂直に近づけるために射出瞳を像面から離した場合、レンズ全体の長さが増加してしまうので、広角端の光線の入射角を垂直にすることはますます困難となっている。
特開２００５−５７０２４号公報

そこで、この発明の課題は、ズームレンズの望遠端と広角端とで、最大像高の光線が電子撮像素子に入射する入射角の差を小さくして、望遠端と広角端とで撮像素子への結像位置にズレが生じるのを防ぐことができる撮像装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の撮像装置は、ズームレンズ部と、
上記ズームレンズ部の光軸上に配置された電子撮像素子とを備え、
上記ズームレンズ部は、
負の屈折力を有すると共に上記電子撮像素子に対する上記光軸上の位置が固定された第１のレンズ群と、
正の屈折力を有すると共に上記光軸に沿って移動させられて変倍時の結像位置の変化を補正しフォーカシングを行う第２のレンズ群と、
正の屈折力を有すると共に上記変倍時に上記光軸に沿って移動させられる第３のレンズ群と、
上記電子撮像素子に対する光軸上の位置が固定された第４のレンズ群とを備え、
上記第１、第２、第３、第４のレンズ群は、被撮像物体側から上記電子撮像素子に向かって順に配置されており、
上記ズームレンズ部が望遠端の状態であるときに最大像高の光線が上記電子撮像素子に入射する入射角は、上記ズームレンズ部が広角端の状態であるときに最大像高の光線が上記電子撮像素子に入射する入射角以下であり、
かつ、上記ズームレンズ部が望遠端の状態であるときに、最大像高の光線が上記電子撮像素子に入射する入射角は、５°以上であることを特徴としている。

この発明の撮像装置では、上記ズームレンズ部が望遠端の状態であるときに、最大像高の光線が上記電子撮像素子に入射する入射角を５°以上としたことで、広角端での最大像高の光線が電子撮像素子に入射する入射角と望遠端での最大像高の光線が電子撮像素子に入射する入射角との差を１５°以下にすることが可能となった。

広角端での入射角と望遠端での入射角との差を１５°以下にすることで、電子撮像素子での結像位置が広角端の状態と望遠端の状態とでずれるズレ量を低減して、滲み等を回避できる。なお、広角端での入射角と望遠端での入射角との差が１５°を超えると、広角端の状態と望遠端の状態とで結像位置がずれて、滲み等が発生し易くなる。

また、一実施形態の撮像装置は、上記ズームレンズ部が望遠端の状態であるときの最大像高の光線が上記電子撮像素子に入射する入射角と、上記ズームレンズ部が広角端の状態であるときの最大像高の光線が上記電子撮像素子に入射する入射角との差が１５°以下である。

この実施形態の撮像装置によれば、望遠端での入射角と広角端での入射角との差が１５°以下であるので、電子撮像装置の結像位置のズレ量を低減して、滲み等を回避できる。

この発明の撮像装置によれば、ズームレンズ部が望遠端の状態であるときに、最大像高の光線が電子撮像素子に入射する入射角を５°以上としたことで、広角端での最大像高の光線が電子撮像素子に入射する入射角と望遠端での最大像高の光線が電子撮像素子に入射する入射角との差を１５°以下にすることが可能となった。広角端での入射角と望遠端での入射角との差を１５°以下にすることで、電子撮像装置の結像位置のズレ量を低減して、滲み等を回避できる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１はこの発明の実施形態としての撮像装置７の断面図である。撮像装置７は、光軸Ｊに沿って順に配置された第１〜第４のレンズ群１〜４と光学フィルタ５と電子撮像素子６を備える。第１〜第４のレンズ群１〜４がズームレンズ部Ｚを構成している。上記第１、第２、第３、第４のレンズ群１、２、３、４は、被撮像物体側から電子撮像素子６に向かって順に配置されている。電子撮像素子６は、例えば、ＣＣＤ等の固体撮像素子で構成される。

第１のレンズ群１は、負の屈折力を有すると共に電子撮像素子６に対する光軸Ｊ上の位置が固定されている。また、第２のレンズ群２は、正の屈折力を有すると共に上記光軸Ｊに沿って移動させられて変倍時の結像位置の変化を補正しフォーカシングを行う。また、第３のレンズ群３は、正の屈折力を有すると共に上記変倍時に光軸Ｊに沿って移動させられる。第４のレンズ群４は、正の屈折力を有すると共に電子撮像素子６に対する光軸Ｊ上の位置が固定されている。

図１では、ズームレンズ部Ｚが広角端と望遠端の中間の状態になっている。また、第２のレンズ群２と第３のレンズ群３は、図示しない駆動系でもって光軸Ｊに沿って移動可能となっている。したがって、図１において、第１レンズ群１と第２レンズ群２とのレンズ間隔ｄ１、第２レンズ群２と第３レンズ群３のレンズ間隔ｄ２、第３レンズ群３と第４レンズ群４のレンズ間隔ｄ３は、それぞれ可変となっている。

次に、図２では、ズームレンズ部Ｚが広角端の状態になっている。すなわち、図２では、第３のレンズ群３が、図１の状態に比べて、光軸Ｊに沿って電子撮像素子６側つまり像面６Ａ側に移動されると共に、第２のレンズ群２が図１の状態に比べて、光軸Ｊに沿って電子撮像素子６側に移動されて、変倍時の結像位置の変化を補正しフォーカシングを行う。

図２に示す広角端の状態では、図１に示す中間の状態に比べて、出射瞳位置が像面６Ａ側に近づくので、像面６Ａに対する入射角は、図１に示す中間の状態に比べて、大きくなる。

次に、図３に、ズームレンズ部Ｚが望遠端の状態になっている場合の撮像装置７を示す。図３の望遠端の状態では、第２レンズ群２および第３レンズ群３が光軸Ｊに沿って被撮像物体側に移動させられて、図２の広角端の状態に比べて、第２レンズ群２および第３レンズ群３が像面６Ａから遠くなっている。

図３の望遠端の状態では、図２の広角端の状態に比べて、出射瞳位置が像面６Ａから離れており、最大像高における像面６Ａへの入射角は、図２の広角端の状態に比べて、小さくなる。

次に、図４に示す表を参照して、第１〜第４のレンズ群１〜４の形状を規定するパラメータを説明する。

図４のＮｏ.１は、第１のレンズ群１をなす１つのレンズ１１の被撮像物体側のレンズ面１１Ａの形状を表している。すなわち、このレンズ面１１Ａは、球面であり、曲率半径Ｒが１００(ｍｍ)である。また、レンズ１１は、中心厚Ｄが０.８００(ｍｍ)であり、硝材の屈折率ｎは１.８０６であり、アッベ数νｄは４０.７である。なお、中心厚Ｄとは光軸Ｊ上の厚さである。

また、レンズ１１の撮像素子６側のレンズ面１１Ｂは、図４のＮｏ.２に示すように、非球面であり、光軸Ｊでの曲率半径Ｒが５.２５６(ｍｍ)であり、第２のレンズ群２をなすレンズ１２との光軸Ｊ上の距離がレンズ間隔ｄ１となる。

また、図４のＮｏ.３に示すように、レンズ１２の被撮像物体側のレンズ面１２Ａは、非球面であり、光軸Ｊでの曲率半径Ｒが７.２９５(ｍｍ)である。また、レンズ１２の中心厚Ｄは１.０７８(ｍｍ)であり、硝材の屈折率ｎは１.８２１であり、アッベ数νｄは２４.１である。

また、レンズ１２の撮像素子６側のレンズ面１２Ｂは、非球面であり、光軸Ｊでの曲率半径Ｒは、１３.５３９(ｍｍ)であり、第３レンズ群３が有する絞り(図示せず)との間の光軸Ｊ上の距離がレンズ間隔ｄ２となる。

また、図４のＮｏ.５に示すように、第３レンズ群３の絞り(図示せず)は、曲率半径Ｒが無限大(Infinity)であり、光軸Ｊ上の厚さＤが０.１００(ｍｍ)である。

また、図４のＮｏ.６に示すように、第３レンズ群３が有するレンズ１３の被撮像物体側のレンズ面１３Ａは、非球面であり、光軸Ｊ上の曲率半径Ｒが２.７７６(ｍｍ)である。このレンズ１３の中心厚Ｄは、１.２５６(ｍｍ)であり、硝材の屈折率は１.５８９であり、アッベ数νｄは６１.３である。

また、レンズ１３の撮像素子６側のレンズ面１３Ｂは、図４のＮｏ.７に示すように、非球面であり、曲率半径Ｒが、−１１.３６２(ｍｍ)である。この曲率半径Ｒの負の記号は、レンズ面１３Ｂが撮像素子６側に凸であることを表している。このレンズ１３のレンズ面１３Ｂと、隣接するレンズ１４との間の光軸Ｊ上の距離Ｄは、０.３１１(ｍｍ)である。

また、図４のＮｏ.８に示すように、第３レンズ群３のうちのレンズ１３に隣接するレンズ１４の被撮像物体側のレンズ面１４Ａは球面であり、曲率半径Ｒは１５.４４３(ｍｍ)である。このレンズ１４の中心厚Ｄは、１.３２５(ｍｍ)であり、硝材の屈折率ｎは１.８４７であり、アッベ数νｄは２３.８である。

また、図４のＮｏ.９に示すように、レンズ１４の撮像素子６側のレンズ面１４Ｂは、球面であり、曲率半径Ｒは２.９８４(ｍｍ)であり、第４レンズ群４をなすレンズ１５の被撮像物体側のレンズ面１５Ａとの間の光軸Ｊ上の距離Ｄがレンズ間隔ｄ３となる。

また、図４のＮｏ.１０に示すように、第４レンズ群４をなす１つのレンズ１５の被撮像物体側のレンズ面１５Ａは、非球面であり、曲率半径Ｒが２８３.２０９(ｍｍ)である。このレンズ１５の中心厚Ｄは、１.２９７(ｍｍ)であり、硝材の屈折率ｎは１.８２１であり、アッベ数νｄは２４.１である。

また、図４のＮｏ.１１に示すように、このレンズ１５の撮像素子６側のレンズ面１５Ｂは、非球面であり、曲率半径Ｒが−２８.６５２(ｍｍ)であり、レンズ面１５Ｂと隣り合う光学フィルタ５との間の光軸Ｊ上の距離Ｄは１.４７７(ｍｍ)である。

また、図４のＮｏ.１２に示すように、光学フィルタ５の非撮像物体側の面５Ａは、曲率半径Ｒが無限大であり、平坦である。この光学フィルタ５は、光軸方向の厚さＤが０.５０(ｍｍ)であり、屈折率ｎが１.５１７であり、アッベ数νｄが６４.２である。また、この光学フィルタ５の撮像素子６側の面５Ｂは、曲率半径Ｒが無限大であり、平坦である。

次に、図５に、上記第１〜第４のレンズ群１〜４を有する撮像装置７において、図２の広角端の状態、図１の中間の状態、図３の望遠端の状態のそれぞれの状態での、画角、焦点距離、レンズ間隔ｄ１〜ｄ３を示す。図５に示す表において、画角の単位は、角度(°)であり、焦点距離およびレンズ間隔の各数値の単位は、ｍｍ(ミリメートル)である。

また、図４のＮｏ.２、Ｎｏ.３、Ｎｏ.４、Ｎｏ.６、Ｎｏ.７、Ｎｏ.１０、Ｎｏ.１１に対応する非球面のレンズ面１１Ｂ、レンズ面１２Ａ,１２Ｂ、レンズ面１３Ａ,１３Ｂ、レンズ面１４Ａ,１４Ｂの非球面の形状は、次式(１)にて規定される。
φ＝(１/Ｒ)ｈ^２・[１＋{１−(κ＋１)・(１/Ｒ)^２・ｈ^２}^１/２]^−１＋Ａ・ｈ^４
＋Ｂ・ｈ^６＋Ｃ・ｈ^８＋Ｄ・ｈ^１０ … (１)
式(１)において、Ｒは、レンズ面の光軸Ｊでの曲率半径(ｍｍ)であり、ｈは、光軸Ｊからの高さ(ｍｍ)であり、φは、面の頂点を通り光軸に垂直な平面と、レンズ面との間の光軸方向の距離である。

また、式(１)において、κ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、係数であり、Ｎｏ.１〜Ｎｏ.１１に対応するレンズ面１１Ｂ,１２Ａ,１２Ｂ,１３Ａ,１３Ｂは、それぞれ、図６に示す係数κ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの値を取る。なお、図６に示す表において、Ｅ−０２、Ｅ−０３、Ｅ−０４、Ｅ−０５、Ｅ−０６、Ｅ−０７は、それぞれ、×１０^−２、×１０^−３、×１０^−４、×１０^−５、×１０^−６、×１０^−７を表している。

この実施形態では、上述のような第１〜第４のレンズ群１〜４を有するズームレンズ部Ｚを備えたことで、図７に示すように、図３の望遠端の状態において、最大像高の光線が電子撮像素子６に入射する入射角を８．８°とした。このとき、図２の広角端の状態において、最大像高の光線が電子撮像素子６に入射する入射角は２２．４°であった。したがって、ズームレンズ部Ｚが望遠端の状態であるときの最大像高の光線が電子撮像素子６に入射する入射角８．８°と、ズームレンズ部Ｚが広角端の状態であるときの最大像高の光線が電子撮像素子６に入射する入射角２２．４°との差が１３．６°であった。

また、図７に示すように、図３の望遠端の状態において、最大像高の８０％の像高の光線が電子撮像素子６に入射する入射角は５．８°であり、図２の広角端の状態において、最大像高の８０％の像高の光線が電子撮像素子６に入射する入射角は１７．５°であった。したがって、最大像高の８０％の像高では、望遠端での入射角５．８°と広角端での入射角１７．５°との差は、１１．７°であった。

また、図７に示すように、図３の望遠端の状態において、最大像高の６０％の像高の光線が電子撮像素子６に入射する入射角は３．５°であり、図２の広角端の状態において、最大像高の６０％の像高の光線が電子撮像素子６に入射する入射角は１３．５°であった。したがって、最大像高の６０％の像高では、望遠端での入射角３．５°と広角端での入射角１３．５°との差は、９．９°であった。

すなわち、この実施形態によれば、上記ズームレンズ部Ｚが望遠端の状態であるときに、最大像高の光線が電子撮像素子６に入射する入射角を５°以上である８.８°としたことで、広角端での最大像高の光線が電子撮像素子６に入射する入射角(２２.４°)と望遠端での最大像高の光線が電子撮像素子に入射する入射角(８.８°)との差を１５°以下(１３.６°)にすることが可能となった。

このように、広角端での入射角と望遠端での入射角との差を１５°以下にすることで、電子撮像装置の結像位置のズレ量を低減して、滲み等を回避できる。

また、この実施形態では、ズームレンズ部Ｚの広角端の状態からズームレンズ部Ｚの望遠端の状態まで光線の入射角の変化を、１５°以下に小さくすることで、ズームレンズ部Ｚの広角端の状態、望遠端の状態のどちらの場合においても電子撮像素子６の各画素の開口によるけられを低減することできる。また、３倍という高倍率のズーム比を得ることが可能となる。

また、この実施形態によれば、従来の撮像装置のように、射出瞳を像面から離すことなく、最大像高における広角端と望遠端との入射角の差を低減することが可能であるので、ズームレンズ部Ｚの全体の長さを長くする必要が無く、レンズ系の小型化が可能となる。

なお、上記実施形態では、望遠端の状態において、最大像高の光線が電子撮像素子６に入射する入射角を８.８°としたが、望遠端の状態で最大像高の光線が電子撮像素子６に入射する入射角を５°以上(例えば、６°,７°,９°,１０°…等)とすれば、ズームレンズ部Ｚの広角端の状態からズームレンズ部Ｚの望遠端の状態まで光線の入射角の変化を、１５°以下に小さくすることができる。したがって、電子撮像装置の結像位置のズレ量を低減して、滲み等を回避でき、電子撮像素子６の各画素の開口によるけられを低減でき、レンズ系の小型化が可能となる。

また、電子撮像素子の表面にマイクロレンズアレイを配して実際の受光面より開口率を増やす方法をとる場合、ある特定の入射角でけられが生じないようにマイクロレンズを配置すると、その他の入射角ではマイクロレンズで集光された光線の一部が受光素子開口でけられてしまうが、望遠端と広角端の入射角の差を小さくすることで、マイクロレンズのけられが低減でき、光量低下を防止することができる。

この発明の撮像装置の実施形態において、ズームレンズ部が広角端の状態と望遠端の状態との中間の状態にある場合を示す断面図である。 上記実施形態において、ズームレンズ部が広角端の状態にある場合を示す断面図である。 上記実施形態において、ズームレンズ部が望遠端の状態にある場合を示す断面図である。 上記実施形態が備えるズームレンズ部が有する各レンズ群の形状を規定するパラメータを一例を示す図である。 上記実施形態の広角端の状態、望遠端の状態、および広角端と望遠端の中間の状態での画角、焦点距離、レンズ間隔を示す図である。 上記実施形態が有する各レンズ群の非球面レンズの非球面形状を規定する係数を示す図である。 上記実施形態において、広角端の状態と望遠端の状態との入射角の差を示す図である。

符号の説明

１ 第１レンズ群
２ 第２レンズ群
３ 第３レンズ群
４ 第４レンズ群
５ 光学フィルタ
６ 電子撮像素子
６Ａ 像面
７ 撮像装置
Ｊ 光軸
Ｚ ズームレンズ部
ｄ１〜ｄ３ レンズ間隔
１１〜１５ レンズ
１１Ａ〜１５Ａ 被撮像物体側のレンズ面
１１Ｂ〜１５Ｂ 撮像素子側のレンズ面

Claims (2)

1. ズームレンズ部と、
   上記ズームレンズ部の光軸上に配置された電子撮像素子と
   を備え、
   上記ズームレンズ部は、
   負の屈折力を有すると共に上記電子撮像素子に対する上記光軸上の位置が固定された第１のレンズ群と、
   正の屈折力を有すると共に上記光軸に沿って移動させられて変倍時の結像位置の変化を補正しフォーカシングを行う第２のレンズ群と、
   正の屈折力を有すると共に上記変倍時に上記光軸に沿って移動させられる第３のレンズ群と、
   上記電子撮像素子に対する光軸上の位置が固定された第４のレンズ群とを備え、
   上記第１、第２、第３、第４のレンズ群は、被撮像物体側から上記電子撮像素子に向かって順に配置されており、
   上記ズームレンズ部が望遠端の状態であるときに最大像高の光線が上記電子撮像素子に入射する入射角は、上記ズームレンズ部が広角端の状態であるときに最大像高の光線が上記電子撮像素子に入射する入射角以下であり、
   かつ、上記ズームレンズ部が望遠端の状態であるときに、最大像高の光線が上記電子撮像素子に入射する入射角は、５°以上であることを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、
   上記ズームレンズ部が望遠端の状態であるときの最大像高の光線が上記電子撮像素子に入射する入射角と、上記ズームレンズ部が広角端の状態であるときの最大像高の光線が上記電子撮像素子に入射する入射角との差が１５°以下であることを特徴とする撮像装置。
   

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