JP2011199714A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
歪曲が大きく発生する広角撮像レンズにおいて、広い波長帯域の光に対しても、軸上の色収差を良好に補正し、且つ画面周辺での色ずれを抑えた小型、軽量且つ安価な撮像装置を得る。
【解決手段】
レトロフォーカスタイプと呼ばれる広角レンズ系において構成材料のアッベ数を適切に選択することで軸上の色収差を良好に補正し、分光特性の異なる複数種類のカラーフィルタを介して撮像素子によって撮像する。撮像された被写体像は、カラーフィルタの色毎に倍率の色収差分のずれを座標変換によって補正する画像処理を行うことで、色ずれを抑えた良質の画像を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、監視用カメラや車載用カメラ等、広角撮像レンズと固体撮像素子を備えた撮像装置に関する。

監視用カメラや車載用カメラに用いられる撮像レンズには、小型、軽量且つ安価であることが要求されるため、レンズ構成は制限される。とりわけ枚数が少なく、樹脂材料を使用する場合、屈折率分散の選択の余地が少ないため、色収差の補正が困難となる。通常、広画角の光学系は焦点距離が短く、可視光域での軸上色収差が小さいのに比べて、歪曲の大きく発生する広画角の光学系では倍率色収差が大きくなる。よって、画面全域での結像性能を良好に保つために倍率色収差の補正を優先するようなレンズ材料を選択する。

しかし、夜間の光量不足によって画像が劣化することを補うためにＩＲカットフィルターを搭載せず、意図的に近赤外光を取り入れる場合がある。このような場合、軸上の色収差が大きくなり、可視光と近赤外光のバランスが異なる昼夜で像面位置が移動してしまうために像面位置補正機能を持たない光学系では所謂ピントぼけの状態となる。

単焦点の広角撮像レンズとして、下記の特許文献１、２、３が提案されている。しかしながら、この特許文献１に記載される単焦点レンズでは、構成レンズの枚数を減らし、小型化、軽量化を図った広角撮像レンズであるが軸上色収差の補正が充分ではない。また、特許文献２、３に記載される単焦点レンズは高い結像性能を持たせるために、ガラス球面レンズが主体でレンズ枚数が６〜７枚と多くなることで大型化、重量化する問題が発生してしまう。

特開２００３−１９５１６１号公報 特開２００４−２９２８２号公報 特開２００５−３４５５７７号公報

本発明は、上記の点に鑑みて成されたものであり、目的とするのは軸上の色収差を良好に補正することで、可視光と近赤外光のバランスが異なる昼夜で像面位置移動を小さく抑え、且つ小型、軽量で広角の撮像装置を提供することである。

上記目的を達成するため本発明の撮像装置は、前群に負、後群に正の焦点距離のレンズを持つレトロフォーカスタイプで軸上の色収差が良好に補正された広角の光学系と、分光特性の異なる複数種類のカラーフィルタと、前記光学系および前記カラーフィルタを介して得られる被写体像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子から出力される画像信号を処理する画像処理部と、を有し、前記画像処理部は、前記カラーフィルタの種類別に前記画像信号の倍率の色収差を補正する処理を行う。

好適には、前記広角の光学系における撮像面上での最大像高位置に入射する光線の全画角が１００°より大きいという条件を満足する。

更に好適には、前記光学系において、開口絞りよりも物体側に配置される正の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数が、開口絞りよりも物体側に配置される負の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数以上となる構成を含む。

更に好適には、前記光学系において、開口絞りよりも物体側に配置される正の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数が４０以上、およびもしくは開口絞りよりも物体側に配置される負の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数が４０以下となる構成を含む。

好適には、前記光学系において、開口絞りよりも像側に配置される正の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数が、開口絞りよりも像側に配置される負の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数以下となる構成を含む。

更に好適には、前記光学系において、開口絞りよりも像側に配置される正の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数が４０以上、およびもしくは開口絞りよりも像側に配置される負の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数が４０以下となる構成を含む。

好適には、前記光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズと、負の屈折力を有する第２レンズと、正の屈折力を有する第３レンズと、開口絞りと、正の屈折力を有する第４レンズと、の配置からなる。

好適には、前記光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズと、正の屈折力を有する第２レンズと、開口絞りと、負の屈折力を有する第３レンズとの３枚のレンズと、の配置からなる。

更に好適には、前記光学系は、正の屈折力を有する第４レンズを更に有する。

本発明によれば、小型、軽量で軸上の色収差を良好に補正が良好に補正された広角撮像レンズをもち、画面周辺での色ずれを抑えた撮像装置を提供することができる。その結果、昼夜で像面位置移動が小さい監視カメラや車載用カメラに適した撮像装置を実現することができる。

本実施形態の撮像装置の基本構成を示す図である。 本実施形態における効果を説明するための従来小型広角レンズの色収差を示す図である。 本実施形態における効果を説明するための本発明の小型広角レンズの色収差を示す図である。 本発明になる画像処理方法を用いた撮像装置のブロック図である。 本発明になる画像処理方法を用いた撮像装置の動作フロー図である。 本発明の出力画像データにおけるアドレス（ｘ，ｙ）を示した図である。 出力画像のアドレスに対応する色ずれを生じたデータアドレス（ｘ’，ｙ’）を示した図である。 アドレス（ｘ’，ｙ’）から撮像データのアドレス（ｕ，ｖ）を算出する方法を説明するための図 実施例１において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例１において、球面収差、および軸上の色収差を示す収差図である。 実施例２において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例２において、球面収差、および軸上の色収差を示す収差図である。 実施例３において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例３において、球面収差、および軸上の色収差を示す収差図である。 実施例４において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例４において、球面収差、および軸上の色収差を示す収差図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１には実施の形態の例として本発明の構成図を簡単に示した。レンズ１００に入射した光は軸上の色収差が良好に補正された状態でカラーフィルタ２００を介して撮像素子３００上に結像される。カラーフィルタ２００は例えば撮像素子の各画素に対応して図に示すようなＲＧＢからなるベイヤ配列の構成をとるものとする。カラーフィルタと撮像素子の構成はこれに限定されるものではなく、例えばＲＧＢの各色でそれぞれ独立したカラーフィルタと撮像素子を設けるいわゆる３板式の構成にしてもよく、色に関してもＲＧＢに限らず補色の構成としてもよい。撮像素子３００に入力された像信号は画像処理回路４００で倍率の色収差を補正するようにＲＧＢの各色の画素ごとに座標変換がなされて出力される。

図２には従来の小型広角レンズの色収差のイメージを示す。レトロフォーカスタイプと呼ばれる前群に負の、後群に正の焦点距離を持つタイプの広角系レンズで倍率の色収差補正を優先したレンズ材料を選択することにより、軸上の色収差が大きくなる。一方、図３に示す本発明によるレンズでは軸上の色収差が良好に補正され、代わりに倍率の色収差が少し大きくなるが、色ずれを座標変換といったような画像処理によって解消することで、画面全域が高画質であり、さらに昼夜のピントぼけが起きない。

この倍率の色収差はレンズの画角が小さければその影響は小さく、画像処理を行わなくても問題ない場合もある。しかしながら、レンズが広角になるほど倍率の色収差は大きくなる性質があり、最大画角が１００°を超えると一般的に無視できないレベルとなるため、画像処理による倍率の色収差の補正を行うことが好ましい。

本発明の画像処理部における処理の概要を図４に示す。ここでは倍率の色収差によって各色毎にずれてしまっている結像位置を、座標変換による画像処理で補正する。レンズの倍率の色収差の特性から、最終出力画素のアドレスを生成し、そのアドレスに相当する入力画像のアドレスを得るための関数演算を行う、得られた入力画像のアドレスに相当する画像データを周辺の画素の画像データから補間処理によって求め、結果をメモリに格納した後、最終出力画素のアドレスに対応させて出力する。

図５の動作フローを参照しながら処理の流れを説明する。まず、図６のような出力画像データ配列のアドレス（ｘ，ｙ）を生成し（ＳＴ１）、あらかじめ撮像レンズの設計に基づき用意された関数から、アドレス（ｘ，ｙ）に対応する図７のような撮像画像アドレス（ｘ’，ｙ’）を算出する（ＳＴ２）。このアドレス（ｘ’，ｙ’）は出力画像データにおける画素位置に一致していないため、メモリ上に画像データが存在しない。ゆえにアドレス（ｘ’，ｙ’）に第１の補間処理を行なうことにより、画素位置に対応する撮像データのアドレス（ｕ，ｖ）を算出する（ＳＴ３）。さらに図８に示すようなアドレス（ｕ，ｖ）を含む（ｘ’，ｙ’）の周辺４画素のメモリに記憶された画像データからアドレス（ｘ’，ｙ’）の画像データを第２の補間処理を行なうことにより算出する（ＳＴ４）。得られた画像データを対応する出力画像データのアドレスに出力する（ＳＴ５）。出力画像の全アドレスのデータが得られていなければ、処理を繰り返し、出力画像の全アドレスのデータが得られていれば処理を終了する。（ＳＴ６）
以下に、撮像レンズの具体的な数値実施例１〜４を示す。１〜４の数値実施例において、焦点距離、Fナンバー、画角、像高、レンズ全長、バックフォーカス（ＢＦ）は次の表１に記載の通りである。

実施の形態１におけるレンズ系の基本構成は図９に示され、各数値データ（設定値）は表２、表３に軸上の色収差を表す波長656.3nm、587.6nm、486.1nmの球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図は図１０に示される。

図９に示すように、本実施例は４枚構成の例であり、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第３レンズは両凸形状、開口絞りの像側に配置される第４レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状を有する。また、第２レンズと第４レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。負の屈折率を有し、開口絞りよりも前に位置する第１レンズと第２レンズはそれぞれアッベ数が46.0と29.9で正の屈折率を有する第３レンズのアッベ数56.2よりも小さい。これにより、軸上の色収差を良好に補正することが可能となる。

表２は、実施例１における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、ｄ線に対する屈折率Ｎd、および分散値νdを示している。*の面は非球面を示し、その非球面係数は表３に示している。

なお、以下の数値実施例の中で記載されるレンズの非球面の形状は、物体側から像面側へ向かう方向を正とし、ｋを円錐係数、A、B、C、Dは非球面係数、ｒを中心曲率半径としたとき次式で表される。ｈは光線の高さ、ｃは中心曲率半径の逆数をそれぞれ表している。ただしZは面頂点に対する接平面からの深さを、Aは４次の非球面係数を、Bは６次の非球面係数を、Cは８次の非球面係数を、Dは１０次の非球面係数をそれぞれ表している。

＜数値実施例１＞

図１０は、実施例１において、図１０（Ａ）が球面収差を、図１０（Ｂ）が非点収差を、図１０（Ｃ）が歪曲収差をそれぞれ示している。図１０（Ｂ）の実線Ｍはメリディオナル像面の値、破線Ｓはサジタル像面の値をそれぞれ示している（図１２、１４、１６においても同様である）。波長656.3nmを表す実線と、波長486.1nmを表す破線の間隔が狭いほど色収差が小さいことを表し、図１０からわかるように、実施例１によれば、軸上の収差および球面、歪曲、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。結果として昼夜でピントボケが無く、画面周辺での色ずれを抑えた小型、軽量且つ安価な撮像装置が得られる。

実施の形態２におけるレンズ系の基本構成は図１１に示され、各数値データ（設定値）は表４、表５に軸上の色収差を表す波長656.3nm、587.6nm、486.1nmの球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図は図１３に示される。

図１１に示すように、本実施例は４枚構成の例であり、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズは物体側に凹面を向けたメニスカス形状、開口絞りの像側に配置される第３レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第４レンズは両凸形状を有する。また、第２レンズと第４レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。開口絞りよりも前に位置し、負の屈折率を有する第１レンズと正の屈折率を有する第２レンズのアッベ数は56.2で等しい。開口絞りよりも後に位置し、負の屈折率を有する第３レンズのアッベ数は29.9で正の屈折率を有する第４レンズのアッベ数56.2よりも小さい。これにより、軸上の色収差を良好に補正することが可能となる。

実施例２における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、ｄ線に対する屈折率Ｎd、および分散値νdは表４に、非球面係数は表５に示している。
＜数値実施例２＞

図１２は、実施例１において、図１２（Ａ）が球面収差を、図１２（Ｂ）が非点収差を、図１２（Ｃ）が歪曲収差をそれぞれ示している。図１２からわかるように、実施例２によれば、軸上の収差および球面、歪曲、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。結果として昼夜でピントボケが無く、画面周辺での色ずれを抑えた小型、軽量且つ安価な撮像装置が得られる。

実施の形態３におけるレンズ系の基本構成は図１３に示され、各数値データ（設定値）は表６、表７に軸上の色収差を表す波長656.3nm、587.6nm、486.1nmの球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図は図１４に示される。

図１３に示すように、本実施例は３枚構成の例であり、第１レンズは両凹形状、第２レンズは両凸形状、開口絞りの像側に配置される第３レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状を有する。また、第１レンズと第３レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。負の屈折率を有し、開口絞りよりも前に位置する第１レンズはアッベ数が56.2であり、正の屈折率を有する第２レンズのアッベ数63.3よりも小さい。これにより、軸上の色収差を良好に補正することが可能となる。

実施例３における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、ｄ線に対する屈折率Ｎd、および分散値νdは表６に、非球面係数は表７に示している。
＜数値実施例３＞

図１４は、実施例３において、図１４（Ａ）が球面収差を、図１４（Ｂ）が非点収差を、図１４（Ｃ）が歪曲収差をそれぞれ示している。図１４からわかるように、実施例２によれば、軸上の収差および球面、歪曲、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。結果として昼夜でピントボケが無く、画面周辺での色ずれを抑えた小型、軽量且つ安価な撮像装置が得られる。

実施の形態４におけるレンズ系の基本構成は図１５に示され、各数値データ（設定値）は表８、表９に軸上の色収差を表す波長656.3nm、587.6nm、486.1nmの球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図は図１６に示される。

図１５に示すように、本実施例は２枚構成の例であり、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞りの像側に配置される第２レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状を有する。また、第２レンズは両面に非球面を有する。開口絞りよりも後に位置する正の屈折率を有する第２レンズのアッベ数は40よりも大きい。これにより、軸上の色収差を良好に補正することが可能となる。

実施例４における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、ｄ線に対する屈折率Ｎd、および分散値νdは表８に、非球面係数は表９に示している。
＜数値実施例４＞

図１６は、実施例４において、図１６（Ａ）が球面収差を、図１６（Ｂ）が非点収差を、図１６（Ｃ）が歪曲収差をそれぞれ示している。図１６からわかるように、実施例４によれば、軸上の収差および球面、歪曲、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。結果として昼夜でピントボケが無く、画面周辺での色ずれを抑えた小型、軽量且つ安価な撮像装置が得られる。

１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ … 撮像レンズ
２００ … カラーフィルタ
３００ … 撮像素子
４００ … 画像処理回路

Claims (9)

1. 前群に負、後群に正の焦点距離のレンズを持つレトロフォーカスタイプで軸上の色収差が良好に補正された広角の光学系と、
   分光特性の異なる複数種類のカラーフィルタと、
   前記光学系および前記カラーフィルタを介して得られる被写体像を撮像する撮像素子と、
   前記撮像素子から出力される画像信号を処理する画像処理部と、を有し、
   前記画像処理部は、前記カラーフィルタの種類別に前記画像信号の倍率の色収差を補正する処理を行う撮像装置。
2. 前記広角の光学系における最大画角が、以下の条件式を満足する請求項１に記載の撮像装置。
   ２Ｗ＞１００度
   ただし、
   ２Ｗ：撮像面上での最大像高位置に入射する光線の全画角
3. 前記光学系において、開口絞りよりも物体側に配置される正の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数が、開口絞りよりも物体側に配置される負の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数以上となる構成を含む請求項１もしくは２に記載の撮像装置。
4. 前記光学系において、開口絞りよりも物体側に配置される正の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数が４０以上、およびもしくは開口絞りよりも物体側に配置される負の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数が４０以下となる構成を含む請求項１から３のいずれかに記載の撮像装置。
5. 前記光学系において、開口絞りよりも像側に配置される正の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数が、開口絞りよりも像側に配置される負の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数以下となる構成を含む請求項１から４のいずれかに記載の撮像装置。
6. 前記光学系において、開口絞りよりも像側に配置される正の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数が４０以上、およびもしくは開口絞りよりも像側に配置される負の焦点距離のレンズのｄ線に対するアッベ数が４０以下となる構成を含む請求項１から５のいずれかに記載の撮像装置。
7. 前記光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズと、負の屈折力を有する第２レンズと、正の屈折力を有する第３レンズと、開口絞りと、正の屈折力を有する第４レンズと、の配置からなる請求項１から４のいずれかに記載の撮像装置。
8. 前記光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズと、正の屈折力を有する第２レンズと、開口絞りと、負の屈折力を有する第３レンズとの３枚のレンズと、の配置からなる請求項１から６のいずれかに記載の撮像装置。
9. 前記光学系は、正の屈折力を有する第４レンズを更に有する８に記載の撮像装置。