JP2011107235A

JP2011107235A - カメラ

Info

Publication number: JP2011107235A
Application number: JP2009259622A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Mukai; 俊郎向井
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2011-06-02

Abstract

【課題】本発明は、周囲温度が変化してもレンズの焦点距離を一定に維持できるカメラを提供する。
【解決手段】カメラは、特定の波長領域の光を被写体に向けて発光する発光素子１００と、発光素子１００から発光した光を受光する撮像素子１０７と、特定の波長領域の光を選択的に透過させるＢＰＦ１０５と、ＢＰＦ１０５を透過した光を撮像素子１０７に集光させるレンズ（第１レンズ群１０１、第２レンズ群１０２、第３レンズ群１０３）と、を備え、上記レンズは、上記特定の波長領域に選択的に作用する回折パターンを具備する。そして、上記回折パターンは、温度変化による発光素子１００の発光波長の変化および上記レンズの伸縮に起因するレンズの焦点距離の変化を補償するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、監視用のカメラに関し、特に発光素子を備えたカメラに関する。

従来より、夜間でも被写体を撮像することのできる監視用の赤外線カメラが普及している。赤外線カメラは、カメラに赤外線を発光するＬＥＤなどの発光素子を搭載し、この発光素子から発光されて被写体で反射された赤外線を撮像素子で受光して撮像する。さらに、発光素子が発光する波長領域の赤外線のみを透過させる赤外線透過フィルタを搭載し、被写体からの赤外線以外の不要光をカットして撮像を行う監視用の赤外線カメラが知られている（特に、特許文献１参照）。

特開２００１−９７１１７号公報

しかしながら、監視カメラの場合には安価なカメラが強く要望されており、これを実現する手段としてカメラに使用されるレンズの材質を従来のガラスからプラスチックに変更することが考えられる。

監視カメラは野外に設置される場合が多く、急激な温度変化にさらされる。監視カメラに使用されるプラスチックレンズが急激な温度変化にさらされるとレンズが伸縮する。レンズが伸縮すると曲率が変化して屈折率（レンズの焦点距離）が変化する。また、発光素子を搭載した監視用のカメラでは、発光素子の温度変化により発光波長が変化する。発光波長が変化してもレンズの焦点距離が変化する。フレーム固定（倍率固定）、撮影距離固定で使用される監視カメラでは、オートフォーカス機能が搭載されたカメラは稀であり、レンズの焦点距離が変化すると合焦位置がずれてしまうという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記の問題を解決すべく、周囲温度が変化してもレンズの焦点距離を一定に維持できるカメラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のカメラは、特定の波長領域の光を被写体に向けて発光する発光素子と、光を受光する撮像素子と、光を撮像素子に集光させるレンズと、を備えレンズは特定の波長領域に選択的に作用する回折パターンを具備する。また、上記回折パターンは、温度変化による発光素子の発光波長の変化およびレンズの伸縮に起因するレンズの焦点距離の変化を補償するように構成される。

これにより、周囲温度が変化してもレンズの焦点距離を一定に維持できるカメラを提供することができる。

上記の構成によれば、周囲温度が変化してもレンズの焦点距離を一定に維持できるカメラを提供することができる。

実施の形態１にかかるカメラのカメラレンズの模式図実施の形態１にかかるカメラのカメラレンズのレンズデータを示す図実施の形態１にかかるカメラの各レンズのＳＵＲＦＡＣＥ面の非球面係数を示す図実施の形態１にかかるカメラの各レンズのＳＵＲＦＡＣＥ面の位相関数係数を示す図実施の形態１にかかるカメラの各ＳＵＲＦＡＣＥ面の面間隔とズームとの関係を示す図被写体が無限遠の距離にある場合について、従来構成と実施の形態１の常温（２５℃）時および高温（３５℃）時のそれぞれのズーム位置での像高とＭＴＦの関係を示す図被写体が１ｍの距離にある場合について、従来構成と実施の形態１の常温（２５℃）時および高温（３５℃）時のそれぞれのズーム位置での像高とＭＴＦの関係を示す図発光素子の周囲温度Ｔｃと発光ピーク波長λｐｅａｋの関係を示す図プラスチック硝材の波長λと屈折率ｎの関係を示す図プラスチック硝材の温度Ｔｃ（℃）と屈折率ｎｄ（ｄ線）の関係を示す図プラスチックレンズに回折素子を付加することにより、プラスチック硝材の温度上昇による屈折率の低下を補償する様子を模式的に示した図

（実施の形態１）
［１．カメラレンズの構成］
図１に実施の形態１にかかるカメラのカメラレンズの模式図を示す。投光用の発光素子１００がカメラレンズ鏡筒の外周に一定間隔を持って設置されている。発光素子１００は夜間でも被写体を撮像できるように赤外線を被写体に向けて発光するものであり、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）などで構成される。カメラレンズ鏡筒の中にあっては、物体側から順に第１レンズ群１０１、第２レンズ群１０２、第３レンズ群１０３が設けられており、物体からの赤外線を撮像素子１０７に集光させている。カメラは、第２レンズ群１０２の移動によりズーミングを行い、第３レンズ群１０３の移動によりフォーカシングを行う。また、図面内のＳＵＲＦ１、ＳＵＲＦ２は第１レンズ群１０１の前後のＳＵＲＦＡＣＥ面を示す。同様に、ＳＵＲＦ６、ＳＵＲＦ７は第２レンズ群１０２の前後のＳＵＲＦＡＣＥ面を示す。同様に、ＳＵＲＦ１２、ＳＵＲＦ１３は第３レンズ群１０３の前後のＳＵＲＦＡＣＥ面を示す。ＳＵＲＦＡＣＥ面については、図２で詳しく説明する。

絞り１０４は第２レンズ群１０２に円形開口した形状にて付加されている。第３レンズ群１０３の光軸方向後方にＢＰＦ（バンドパスフィルタ）１０５、撮像素子用ガラス１０６および撮像素子１０７が設けられている。ＢＰＦ１０５は、光フィルタであり、発光素子１００が発光する赤外線の発光波長領域を選択的に透過させ、それ以外の波長領域の光を遮断することで撮像素子１０７に入射する不要光を除去して撮像性能を向上させている。なお、第１レンズ群１０１、第２レンズ群１０２、第３レンズ群１０３には、プラスチックレンズが使用されている。

［２．レンズデータ］
図２は、本実施の形態にかかるカメラのカメラレンズのレンズデータを示す。図２において、Ｓｕｒｆａｃｅは、物体側から数えた各レンズのＳＵＲＦＡＣＥ面の番号を示す。Ｔｙｐｅはレンズの形状を示す。ＲａｄｉｕｓはＳＵＲＦＡＣＥ面の曲率半径を示す。ＴｈｉｃｋｎｅｓｓはＳＵＲＦＡＣＥ面から次のＳＵＲＦＡＣＥ面までの距離を示す。ｎｄはｄ線（波長５８７．６ｎｍ）における屈折率を示す。νｄはアッベ数を示す。ＤｉａｍｅｔｅｒはＳＵＲＦＡＣＥ面の有効径を示す。Ｃｏｎｉｃは円錐係数を示す。また、図２においてＳｕｒｆａｃｅ欄のＯＢＪは物体面を示す。同様に、ＳＴＯは絞りを示す。同様に、ＩＭＡは撮像素子１０７の撮像面を示す。

まず、Ｔｙｐｅ欄のＳＴＡＮＤＡＲＤはスタンダード面を示し、スタンダード面の関数は以下の式で表される。

式（１）において、ｋはコーニック係数（円錐係数）、ｃは曲率、ｒは光軸までの距離である。

また、Ｔｙｐｅ欄のＥＶＥＮＡＳＰＨは偶数次非球面を示し、非球面形状関数は以下の式で表される。

式（２）において、ｋはコーニック係数（円錐係数）、ｃは曲率、ｒは光軸までの距離、αｉは各次数の係数である。

また、ＤＩＦＦＥＶＥＮは基準面が偶数次非球面で、位相関数多項式により位相を追加したものである。位相関数多項式は以下の数式で表される。

式（３）において、Ｎは一連の係数の数、Ａｉは正規化ラジアンアパーチャ座標であるρの２ｉ乗項の係数、Ｍは回折次数である。

なお、図２に示すように実際にはカメラには多くのＳＵＲＦＡＣＥ面が存在するが、説明を簡単にするために図１では主要なレンズ構成のみを示しており、それ以外のＳＵＲＦＡＣＥ面をもつレンズ構成については図示を省略している。

図３は、図１のＳＵＲＦＡＣＥ面の番号と合致する面に施されている偶数次の非球面係数を示す。図４は、図１のＳＵＲＦＡＣＥ面の番号と合致する面に対して、波面の位相を変化させる位相関数係数を示す。

図５は、本実施の形態にかかるカメラのＳＵＲＦ３、ＳＵＲＦ１０、ＳＵＲＦ１３の各ＳＵＲＦＡＣＥ面の面間隔とズーム（ＺＯＯＭ）との関係を示す。図５に示される、ＷＩＤＥ（広角）１では焦点距離が５．７６ｍｍであり、ＮＯＲＭＡＬ１では焦点距離が１１．２ｍｍであり、ＴＥＬＥ（望遠）１では焦点距離が１７．９ｍｍである。したがって、図５が示す光学系のズーム倍率は、３．１倍となる。被写体距離は、物体からレンズ面までの距離を示す。また、ＳＵＲＦ３は、図２に示すＳｕｒｆａｃｅ欄の「３」であり、第２レンズ群１０２の位置に関する数値であり、ズーミングに影響を与える。ＳＵＲＦ１０は、図２に示すＳＵＲＦＡＣＥ欄の「１０」である。ＳＵＲＦ１３は、図２に示すＳｕｒｆａｃｅ欄の「１３」である。ＳＵＲＦ１０とＳＵＲＦ１３とは、第３レンズ群１０３の位置に関する数値であり、フォーカシングに影響を与える。被写体距離、ＳＵＲＦ３、ＳＵＲＦ１０、およびＳＵＲＦ１３が、図５に示す条件を満たす場合に本実施の形態にかかるカメラは合焦状態となる。

図５を参照すると、ＳＵＲＦ３が同一の場合（つまり、焦点距離が同一の場合）には、被写体距離に応じて、ＳＵＲＦ１０およびＳＵＲＦ１３の値を変更することで、合焦状態を維持できる。例えば、図５のＷＩＤＥ１とＷＩＤＥ２とを参照する。ＷＩＤＥ１とＷＩＤＥ２とは、被写体距離が異なる。ＷＩＤＥ１の場合、被写体距離は無限遠である。一方、ＷＩＤＥ２の場合、被写体距離は１ｍである。ここで、ＷＩＤＥ１の場合、ＳＵＲＦ１０は、５．１０７ｍｍであり、ＳＵＲＦ１３は、０．６６１ｍｍである。一方、ＷＩＤＥ２の場合、ＳＵＲＦ１０は、５．０８８ｍｍであり、ＳＵＲＦ１３は、０．７３０ｍｍである。このように、ＷＩＤＥ１からＷＩＤＥ２に変更した際に、合焦状態を維持するためにはＳＵＲＦ１０とＳＵＲＦ１３とを変更する必要がある。要するに、焦点距離が同一の場合において、被写体距離が変更されると、合焦状態を維持するための第３レンズ群１０３を保持すべき位置は変わる。

監視カメラでは、設置場所によりズーム倍率を可変して最適な被写体サイズを設定するとともに、物体からカメラまでの距離によりフォーカス調整をする必要がある。一度設置した監視カメラは基本的にズーム調整やフォーカス調整を行う必要が無く、際限なく撮影しているのが一般的である。一方、撮影を行う環境、温度は一定であることは稀で、昼夜での温度変化を想定する必要がある。

［３．カメラレンズの特徴］
本実施の形態のカメラのカメラレンズの特徴は、第１レンズ群１０１の後面ＳＵＲＦ２、第２レンズ群１０２の後面ＳＵＲＦ７、第３レンズ群１０３の前面ＳＵＲＦ１２に回折素子を付加していることである。これにより、カメラ周囲の温度が変化してもフォーカス調整を行う必要の無いカメラレンズを実現している。

以下に、回折素子有りの本実施の形態のレンズ構成と、回折素子無しの従来のレンズ構成を解像度の評価指標としてＭＴＦ（ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）を比べることにより、本実施の形態のカメラレンズの温度変化に対する効果確認を行う。

まず、物体が無限遠の距離にある場合について図６を用いて説明する。図６（ａ）、図６（ｂ）は、従来のレンズ構成の常温（２５℃）時および高温（３５℃）時のＷｉｄｅ（広角）、Ｎｏｒｍａｌ（通常）、Ｔｅｌｅ（望遠）それぞれのズーム位置での像高（横軸）とＭＴＦ（縦軸）の関係を示す。同様に、図６（ｃ）、図６（ｄ）は本実施の形態のレンズ構成の常温時および高温時のそれぞれのズーム位置での像高とＭＴＦの関係を示す。なお、図６に示すＭＴＦ値は、１００ｌｐ／ｍｍ時のＳａｇｉｔａｌ方向のＭＴＦ値である。

図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、従来のレンズ構成では常温時には、十分解像しているＭＴＦ値であったものが、高温時には、２０％以下のＭＴＦ値でまったく解像していない。

一方、図６（ｃ）、図６（ｄ）に示すように、本実施の形態のレンズ構成では、常温時では十分解像しているＭＴＦ値であり、高温時でも像高が０．９までは３０％以上のＭＴＦ値があり十分解像度が得られている。

次に、物体が１ｍの距離にある場合について図７を用いて説明する。図７（ａ）、図７（ｂ）は、従来のレンズ構成の常温（２５℃）時および高温（３５℃）時のＷｉｄｅ、Ｎｏｒｍａｌ、Ｔｅｌｅそれぞれのズーム位置での像高とＭＴＦの関係を示す。同様に、図７（ｃ）、図７（ｄ）は本実施の形態のレンズ構成の常温時および高温時のそれぞれのズーム位置での像高とＭＴＦの関係を示す。

図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、従来のレンズ構成では常温時には、十分解像しているＭＴＦ値であったものが、高温時には、２０％以下のＭＴＦ値でまったく解像していない。

一方、図７（ｃ）、図７（ｄ）に示すように、本実施の形態のレンズ構成では、常温時では十分解像しているＭＴＦ値であり、高温時でも全域で約４０％のＭＴＦ値があり十分解像度が得られている。また、図示していないが、Ｓａｇｉｔａｌ方向のみでなくＭｅｒｉｄｉｏｎａｌ方向についても回折素子は同様の効果を発揮する。

［４．高温でＭＴＦ値が下がる理由］
次に、従来のレンズ構成では図６（ｂ）、図７（ｂ）に示すように高温時にＭＴＦ値が下がる理由について図１を参照しながら図８〜図１１を用いて説明する。

図８は、発光素子１００の周囲の温度Ｔｃ（横軸）と発光ピーク波長λｐｅａｋ（縦軸）の関係を示す。図８から分かるように、発光素子１００の発光ピーク波長λｐｅａｋは常温（２５℃）時には８５２．５ｎｍであるが、高温（３５℃）時には８６２ｎｍと長くなり、逆に低温（１５℃）時には８４７．５ｎｍと短くなる。

図９は、第１レンズ群１０１、第２レンズ群１０２、第３レンズ群１０３に使用されるプラスチック硝材の透過光の波長λ（ｎｍ）と屈折率ｎの関係を示す。図９に示すように、プラスチック硝材では、透過光の波長λが長くなると屈折率ｎが小さくなる関係にある。

図１０は、同じくプラスチック硝材の温度Ｔｃ（℃）と屈折率ｎｄ（ｄ線）の関係を示す。図１０に示すように、プラスチック硝材では、温度Ｔｃが高くなれば屈折率ｎｄは小さくなる関係にある。

このように、カメラの周囲温度が上昇すると、大きく２つの理由からプラスチックレンズの屈折率ｎが小さくなる。第１の理由は、発光素子１００の温度が上昇することにより、図８に示すように、発光波長λが長くなり、発光波長λが長くなると、図９に示すように屈折率ｎが小さくなる。第２の理由は、レンズ自体の温度が上昇すると、図１０に示すようにレンズが膨張し屈折率ｎｄが小さくなる。屈折率ｎが小さくなると、第１レンズ群１０１、第２レンズ群１０２、第３レンズ群１０３の各レンズ群の焦点距離は長くなり、物体からの赤外線の合焦位置は撮像素子１０７の撮像面よりも後方にずれてしまう。このために、撮像素子１０７にはボケた画像が撮像され、ＭＴＦ値が下がることになる。

［５．温度変化による屈折率の変化を補償する原理］
上記の問題を解決するために、本実施の形態のレンズ構成ではレンズのＳＵＲＦＡＣＥ面に回折素子を付加する。レンズに回折素子を付加することにより、レンズの屈折力（屈折率ｎに相当）を透過光の波長λによって変えることが可能となる。回折素子としては、種々のものが存在するが、ここではレンズの中心から同心円状に回折パターンを形成し、その回折状パターンの間隔がレンズ中心から端に向かって徐々に小さくなっているような回折格子を例に説明する。このような回折素子では回折格子の偏向角θ、回折パターン間隔ｐ、波長λの関係は次の式で示される。

したがって、回折パターンを適切に設定することにより、温度上昇による、プラスチック硝材の屈折率の変化を補償することが可能となる。図１１は、プラスチックレンズに回折素子を付加することにより、プラスチック硝材の温度上昇による屈折率の低下を補償する様子を模式的に示す。

図１１において、特性ａは発光素子１００の発光波長λの変化に起因するプラスチック硝材の屈折率ｎの変化（図８、９に対応）を示す。特性ｂはプラスチック硝材自身の温度変化による屈折率ｎの変化（図１０に対応）を示す。特性ｃはプラスチックレンズに付加した回折素子（回折パターン）に起因する屈折率ｎ（回折による偏向力を屈折率に換算）の変化を示す。特性ｄは特性ａ〜特性ｃの合成後の屈折率ｎの変化を示す。図１１に示すように、特性ｃが特性ａおよび特性ｂの温度変化を打ち消すように回折パターンを適切に設定すれば、プラスチックレンズの温度変化による屈折率ｎの変化を補償することが可能となる。これにより、カメラの周囲温度が変化してもプラスチックレンズの屈折率ｎの変化を補償できる。すなわち、プラスチックレンズの焦点距離を一定に維持でき、撮像素子１０７の撮像面に合焦させることが可能となる。

［６．まとめ］
本実施の形態のカメラは、特定の波長領域の光を被写体に向けて発光する発光素子１００と、発光素子１００から発光した光を受光する撮像素子１０７と、特定の波長領域の光を選択的に透過させるＢＰＦ１０５と、ＢＰＦ１０５を透過した光を撮像素子１０７に集光させるレンズ（第１レンズ群１０１、第２レンズ群１０２、第３レンズ群１０３）と、を備え、上記レンズは、上記特定の波長領域に選択的に作用する回折パターンを具備する。そして、上記回折パターンは、温度変化による発光素子１００の発光波長の変化および上記レンズの伸縮に起因するレンズの焦点距離の変化を補償するように構成される。

これにより、レンズに付加された回折パターンが、ＢＰＦ１０５で選択された特定の波長領域の光のみに作用し、周囲温度が変化して発光素子１００の発光波長やレンズ自身の屈折率が変化しても、レンズの焦点距離を一定に維持できるカメラを提供することができる。

（他の実施の形態）
本発明の実施の形態として、実施の形態１を例示した。しかし、本発明はこれには限らない。そこで、本発明の他の実施の形態を以下まとめて説明する。なお、本発明は、これらには限定されず、適宜修正された実施の形態に対しても適用可能である。

実施の形態１において、発光素子１００としてはＬＥＤとしたが、これに限らない。例えば、ＬＤもよい。すなわち、温度により発光波長が変化する発光素子であれば何でもよい。また、発光素子１００は赤外線発光素子であるとしたが、これに限定されるものではなく可視光でもよい。

また、実施の形態１では、第１レンズ群１０１の後面ＳＵＲＦ２、第２レンズ群１０２の後面ＳＵＲＦ７、第３レンズ群１０３の前面ＳＵＲＦ１２に回折素子を付加するとしたが、各レンズ群の少なくとも１つのレンズ群の１面に回折素子を付加してもよい。これにより、より簡単なレンズ構成とすることができる。

また、実施の形態１では、第１レンズ群１０１、第２レンズ群１０２、第３レンズ群１０３はプラスチックレンズとしたが、ガラスレンズが含まれてもよい。

また、実施の形態１では、ＢＰＦ１０５は第３レンズ群１０３の後方に配置したが、第１レンズ群１０１の前方に配置してもよい。あるいは、レンズの表面に薄膜パターンとして形成してもよい。さらには、夜間などカメラに搭載したＬＥＤ１００以外の光が入らない環境で使用する場合には、ＢＰＦ１０５が無くてもよい。

また、実施の形態１では、ズームレンズを搭載したカメラについて説明したが、固定焦点レンズのカメラでもよい。

本発明は、監視用のカメラに関し、特に発光素子を備えたカメラに関するものであって、周囲の温度変化によっても焦点距離を一定に維持できるカメラを提供できる。そのため、本発明は、通常のビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、カメラ付き携帯電話端末、カメラ付き端末などに適用できる。

１００発光素子
１０１第１レンズ群
１０２第２レンズ群
１０３第３レンズ群
１０４絞り
１０５ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）
１０６撮像素子用ガラス
１０７撮像素子

Claims

特定の波長領域の光を被写体に向けて発光する発光素子と、
光を受光する撮像素子と、
光を前記撮像素子に集光させるレンズと、を備え
前記レンズは前記特定の波長領域に選択的に作用する回折パターンを具備したことを特徴とするカメラ。
前記回折パターンは、温度変化による前記発光素子の発光波長の変化および前記レンズの伸縮に起因する前記レンズの焦点距離の変化を補償するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のカメラ。
前記レンズは複数のレンズから構成され、前記回折パターンは前記複数のレンズの少なくとも１つのレンズの一方の面に構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のカメラ。
前記特定の波長領域の光を選択的に透過させる光フィルタを前記撮像素子の前方にさらに具備したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のカメラ。
前記レンズはプラスチックレンズであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のカメラ。
前記発光素子は赤外線発光素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のカメラ。