JP2008129564A

JP2008129564A - 電子カメラ取付け超高倍率非球面レンズ

Info

Publication number: JP2008129564A
Application number: JP2006340487A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Ishizuki; 英昭石附
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2008-06-05

Abstract

【課題】電子カメラに接写撮影用レンズを取付け、顕微鏡的超高倍率撮影を可能にする。
【解決手段】電子カメラのレンズ面に、非球面を含む単レンズ、あるいはその複合レンズからなる小型レンズ系を取付け、超高倍率撮影システムを可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明はデジタルカメラ、携帯用カメラを含めた電子カメラにおいて、カメラ本体のレンズ部に簡易着脱し、超高倍率撮影が可能であるようなレンズの設計と性能に関するものである。

従来のデジタルカメラ、携帯用カメラ等の電子カメラでは、近接撮影、ズーム機能を持つものが開発され市販されている。この場合、近接撮影と言っても極めて近い距離での撮影をすると像がぼけて鮮明画像が得られていない。最近では、ネット販売などでこれらのカメラに取付ける接写レンズが販売されているが、極めて低倍率拡大しか実現されておらず、撮影画像も不鮮明と言えるものが多い。また、従来の市販の接写用レンズでは高倍率撮影には適せず、ＣＣＤセンサーの高画素数に対応した光学的性能に欠けていると考えられる。

実開平７−２６８３３号公報

発明が解決しようとしている課題

従来には見られない、高画質で顕微鏡的高倍率拡大を可能にするカメラ本体に着脱可能な、接写用レンズの設計製造を行う。

課題を解決するために手段

上記目的を達成するために、小型、高性能非球面レンズのレンズ設計を行なった。これらに使用する非球面レンズは、通常の球面レンズを用いた場合と異なり非常に明るく、レンズの諸収差を極めて少なくなるように設計することが可能である。加うるに被写界深度が非常に深いため、高倍率にも係わらず手持ち撮影が可能で、著しい手ぶれの防止を軽減している。また、これはカメラ本体へ容易に自由に着脱可能で、機能的に優れたレンズ系となっている。

発明の効果

特に設計された高性能非球面レンズを、デジタルカメラ取付け接続することによりカメラのズーム系と併せた光学系により、被写体の倍率は５０倍から４００倍（１４インチモニターで観察した場合の換算倍率を用いた場合）の顕微鏡的倍率に達する。又、このレンズは、携帯電話用のカメラに取付け画像を高倍率化することも可能である。又、携帯カメラのサイズに合わせて取付けレンズ系を小さくすることができ、この場合でも、デジタルカメラとほぼ同等の拡大倍率と解像度を持つことが可能である。このレンズによる撮影では、通常の光学顕微鏡を使わずに植物、微生物観察と言ったマクロな世界を、超高倍率撮影が容易に行える効果を持つ。趣味の世界に限らず、産業用計測、画像処理などの分野にも小型の電子カメラによる応用観察が広がり、細部にわたる精密画像の情報を簡単に把握することがきる。従って電子カメラ市場の拡大展開に大いに貢献することが期待される。

上記の一部非球面から構成される高性能光学系を、市販の各種電子カメラ本体部に着脱可能な簡易方式で取付け固定する。電子カメラ本体に備わっているズーム機能と併せて、超高倍率撮影が連続的な倍率可変方式で撮影可能になる。

実施例について図面を参照して説明する。
図１は本発明により電子カメラ本体に着脱する接写高倍率撮影用の非球面単レンズ１（呼称）の例を示すものであり、（ａ）がそのレンズ形状等を特徴づけるデーターである。この表の最上段は、レンズ半径、厚み、材質、レンズ外径（直径の半分）、非球面を示す円錐係数の数値が記されている。この例では物体が無限遠の位置に置かれており、面数１の平面は絞りを示す。面数２はレンズ前面が非球面であり、面数３はレンズ後端面が平面であり、レンズ後端面から結像位置までは２０ｍｍとなる。このレンズの焦点距離は、２２．２ｍｍであり、レンズの明るさＦ値はＦ１１である。（ｂ）は無限遠からの光線追跡を示し、（ｃ）はその解像度を示すＭＴＦ曲線でいわゆる像の光学的な変調伝達関数を意味し、横軸が空間周波数（本／ｍｍ）、縦軸がＭＴＦの値を示す。ここでは８０〜１００本／ｍｍの解像度が得られる。各曲線は、最大視野角（半角）６°までを分割した角度に対応しており、画像の周辺部においても、中心部と余り変わらない解像度を持つ。ここでＳはＳａｇｉｔａｌ（球欠像面）に対してＴはＴａｎｇｅｎｔｉａｌ（子午像面）に対して光線追跡を行ったときのＭＴＦである。ここで図の一番上に記されている曲線は、参照のために記した回折限界を示すＭＴＦ曲線である。この接写用レンズでは物体面での解像度は比較的高いが、カメラ本体と合体した総合倍率及び解像度は、カメラの光学的特性に強く依存する。実際には、カメラ本体は高画素受光センサーに対応できる優れた光学系を用いているので、その高性能レンズの影響が高倍率拡大画像にも反映されている。（ｄ）はそのスポット像を示し、中心視野角０°から最大視野角６°に至るまで極めて優れた集光特性が得られている。図の左上に書かれた尺度は、一目盛りが１００μｍを示す。（ｅ）は、歪曲収差を示し横軸が収差量（％）、縦軸が視野角を示す。全視野角に渡り、最大収差量は−０．０３％で画面の歪みは殆どない。

図２は本発明により電子カメラ本体に着脱する高倍率撮影用の非球面単レンズ２（呼称）の例を示すものであり、（ａ）がそのレンズ形状等を特徴づけるデーターである。この表の最上段は、レンズ半径、厚み、材質、レンズ外径（直径の半分）、非球面単レンズ円錐係数の数値が記されている。物体が無限遠の位置に置かれており、面数１の平面は絞りを示す。面数２はレンズ前面が平面であり、面数３はレンズ後端面が凸の非球面形状であり、レンズ後端面から結像位置までは１２ｍｍとなる。このレンズの焦点距離は、１２．２ｍｍであり、レンズの明るさＦ値はＦ６である。（ｂ）は無限遠からの光線追跡を示し、（ｃ）はその解像度を示すＭＴＦ曲線でいわゆる像の光学的な変調伝達関数であり、横軸が空間周波数（本／ｍｍ）縦軸がＭＴＦの値を示す。ここでは６０〜８０本／ｍｍの解像度が得られるものと考える。画像の高角周辺部（８〜１０°）において解像度が落ちるが、ほぼ中心部を拡大する方式の高倍率撮影にはそれ程問題ではないと考える。（ｄ）はそのスポット像を示し、中心０°から最大視野角１０°に至るまで極めて優れた集光特性が得られている。図の左上は、一目盛りが２００μｍを示す。（ｅ）は、歪曲収差を示し横軸が収差量（％）、縦軸が視野角を示す。全視野角に渡り、最大収差量は−０．６７％で画面の歪みは殆どない。上記図面１，図２の（ａ）〜（ｅ）の解析に用いたデーターは全て、光の波長０．４８６μｍ（Ｆ線）、０．５８７μｍ（ｄ線）、０．６５６μｍ（Ｃ線）を含めて計算されており、これらの波長に対する色収差は殆ど見られない。

実際に上記の接写レンズを取付けた画像の特性を計算するには、母体となる電子カメラの光学系が不明であるため、詳細データーを判定することは不可能である。この接続による拡大倍率、画質などもカメラ本体、その機構、レンズ構成によっても異なってくる。現在主流の電子カメラは、５００万〜７００万程度の高画素数のデジタルカメラがあり、３倍以上のズーム撮影が可能である。又、携帯電話用カメラにおいても、３００万画素以上の高画素数が実現されており、このところ３倍のズーム撮影を可能にするものも市販されている。これらのカメラは、高画素数に対応しうる優れた解像度と光学特性を持っている。本発明における非球面レンズを簡易取付けし、接写撮影した場合に本体のズーム機構と併せて倍率が連続的に変化する顕微鏡電子カメラが可能であり、高倍率でも極めて高い画質の画像が撮影可能となる。図１，及び図２に示した例は焦点距離が１０〜２０ｍｍ程度のもので、これを接続した場合の近接撮影ではズーム機構と併せて、５０倍〜１５０倍程度（１４インチＴＶモニター換算）の拡大倍率が得られる。更に焦点距離を短くした両非球面レンズ、特に接写専用に開発された複合レンズが用いられる。これにより、電子カメラを用いて倍率１５０倍〜４００倍の接写レンズ系が可能となるが、この総合倍率は接続するカメラ本体の光学系によって異なってくる。

図３は単レンズ３（呼称）の場合であり、両面が非球面から構成される焦点距離ｆ＝８．１、Ｆ値が４の明るい近接用小型レンズであり、容易にカメラ本体に着脱可能である。このレンズは短焦点距離の特に接写用に開発されたもので、電子カメラ顕微鏡として超高倍率化を実現する。なお、図３の説明は前記の図１，２と同じであるが、図の（ｄ）における目盛りは１００ミクロンを示す。本発明に使用する接写用非球面レンズは、小型化、軽量化のため外径が６ｍｍ以内の直径を持つものが最適と考えられる。しかし、場合によってはカメラ本体のレンズ機構に併せて外径が２０〜３０ｍｍ程度ものを使用する場合もある。又上記以外の複合レンズを用いる場合もあり、非球面レンズどうしの組み合わせ、あるいは球面レンズと非球面レンズの組み合わせにより、高性能な超高倍率接写レンズが実現される。レンズ設計の経験上、高被写界深度特性を持たせるため、今回の発明では個々の非球面レンズの厚みが３ｍｍ以上の単レンズ、及びこれを有する複合レンズ系に用いている。これらのレンズは、通常の球面レンズのみの使用では見られない高被写界深度特性を活かし、超高倍率撮影時において著しい像の手ぶれブレを防止することに役立つ。

市販されているデジタルカメラ、携帯電話のカメラに容易に着脱でき、超高倍率で顕微鏡的精細画像を撮影することにより、従来の顕微鏡装置で観察していた画像が小型電子カメラの内部メモリーに、高画質で記録可能となる。又、携帯電話を通じて、現場で必要な精細画像情報が即座に相手に送信される方法が可能となる。画像計測、部品検査などの工業分野、微生物の観察検査、環境汚染検査、医療用応用などを含めたあらゆる産業分野で微細、高倍率観察に幅広く用いられる。

電子カメラに取付ける高倍率非球面レンズ１の特性電子カメラに取付ける高倍率非球面レンズ２の特性電子カメラに取付ける高倍率非球面レンズ３の特性

符号の説明

（ａ）レンズデータ
（ｂ）光線追跡レイアウト
（ｃ）ＭＴＦ曲線
（ｄ）スポットダイアグラム
（ｅ）歪曲収差曲線

Claims

デジタルカメラ、携帯電話用カメラなどを含む電子カメラにおいて、超高倍率拡大撮影を目的とし、非球面を含むレンズ系を取付ける方法。
請求項１に示す非球面レンズにおいて、電子カメラのズーム系と併せて倍率可変を達成し、物体の撮影倍率が（１４インチモニター画面換算で）５０〜４００倍程度の超高倍率を実現するレンズ系。
電子カメラに取付け超高倍率拡大撮影を行う方法において、６ｍｍから２５ｍｍの範囲の焦点距離を有するレンズ系で、非球面含む構成からなる単レンズを使用する方法。及びこの単レンズと球面レンズ等の組合わせ、あるいは非球面を含む単レンズ同士の組合わせによる複合レンズ系を用いる方法。
請求項３に示す単レンズにおいて、レンズ外径が直径６ｍｍ以下の小型形状を有し、レンズの厚みが３ｍｍ以上の形状のレンズとこれを含む複合レンズ系。
上記請求項１，２，３，４において、高被写界深度特性を有する非球面レンズの光学特性、機能を活かし、高倍率撮影時における像のブレ防止に効果に役立てる方法