JP2012132958A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体面が有限距離にある場合でも、シンプルな光学系で結像性能を向上させることを可能とする撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置１は、撮像光学系２と、湾曲した撮像面３を含む撮像素子とを有する。撮像面３は、撮像光学系２の射出瞳からの距離Ｌが、光軸上の位置３ａから周辺部３ｂにかけて徐々に短くなるように湾曲してなる。このとき、撮像光学系２は、例えば、球体レンズ４で構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、湾曲した撮像面を有する撮像装置に関する。

従来、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置において、複雑なレンズの構成により結像面の平坦化を行うのではなく、撮像光学系が本来有する像面湾曲に沿ってフィルム面を湾曲させて結像性能を高める技術が知られている。例えば、特許文献１は、フィルム面を長手方向に湾曲させたカメラ用広角レンズを開示している。一方、デジタルカメラの場合は、電子撮像素子へ向かう光束の入射角度と面法線角度とを近づけないと光量にケラレが生じてしまうため、像面側をテレセントリックに近づけなければならないという制約条件がある。これに対して、特許文献２は、電子撮像素子を２次元的に湾曲させることにより、入射角度の制約を緩める撮像装置を開示している。

特開平８−３３４６８４号公報 特開２００６−１８４７８３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された広角レンズでは、結像面であるフィルム面を湾曲させて像面湾曲を緩和させているが、像面湾曲が残存しており、結像性能が不十分である。一方、特許文献２に開示された撮像装置では、電子撮像素子を湾曲させることで電子撮像素子への入射光束が垂直入射に近くなるが、像面湾曲形状とは異なるため、電子撮像素子の形状に合わせた像面湾曲が発生するように調整する必要がある。例えば、物体（被写体）が無限遠にある場合は、撮像光学系が本来有する像面湾曲の形状は球面となるが、物体面（平面）が有限距離にある場合には球面とはならない。したがって、像面湾曲の形状を所望の形に補正するためには、撮像光学系として多数の光学素子が必要となる。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、物体面が有限距離にある場合でも、シンプルな光学系で結像性能を向上させることが可能な撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、撮像光学系と、湾曲した撮像面を含む撮像素子とを有する撮像装置であって、撮像面は、撮像光学系の射出瞳からの距離が、光軸上の位置から周辺部にかけて徐々に短くなるように湾曲してなることを特徴とする。

本発明によれば、物体面が有限距離にある場合でも、シンプルな光学系で結像性能を向上させることが可能な撮像装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る撮像装置の構成を示す概略図である。 撮像面の形状を球面とした撮像装置に係る縦収差図である。 第１実施形態に係る撮像装置による縦収差図である。 本発明の第２実施形態に係る撮像装置の構成を示す概略図である。 第２実施形態に係る撮像装置による縦収差図である。 本発明の第３実施形態に係る撮像装置の構成を示す概略図である。 撮像面の形状を変化させた場合の撮像装置の状態を示す概略図である。 本発明の第４実施形態に係る撮像装置の構成を示す概略図である。 第４実施形態に係る撮像装置による縦収差図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面等を参照して説明する。なお、ここで説明する撮像装置は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話等の端末機器のカメラ、又は監視用カメラ等に採用可能である。また、以下で使用する「撮像面」とは、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサー等の撮像素子（電子撮像素子）の撮像面そのもの、若しくは撮像素子に接続された光ファイバーの先端を連ねた面等を示す。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る撮像装置について説明する。図１は、本実施形態に係る撮像装置１の構成を示す概略図であり、特に、図１（ａ）は、撮像装置１の拡大図であり、図１（ｂ）は、撮像装置１を含む光路図である。この撮像装置１は、撮像光学系２と、撮像面３とを備える。撮像光学系２は、図１（ａ）に示すように、１つの球体レンズ４で構成され、この球体レンズ４の光路中心には、開口絞り５を備える。開口絞り５は、結像に関与させない光束を除去する役割を有する。また、撮像面３は、上述の通りであるが、本実施形態では、特にＣＣＤセンサーを採用する。ここで、撮像装置１が撮影対象とする物体は、図１（ｂ）に示すように、平面で形成される物体面ＯＢＪとし、撮像装置１から有限の位置（有限距離）に配置されるものとする。特に、本実施形態では、物体面ＯＢＪは、光軸上において、撮像光学系２の物体側の面（第１面）からの距離Ｌ（以下、単に「被写体距離」と表記する）が５０ｍｍの位置に配置される。これに対して、撮像光学系２は、画角θを広画角とすることができ、この場合、１２０ｄｅｇである。

次に、撮像装置１の作用について説明する。これに先立ち、まず、本発明の撮像装置の原理について説明する。一般に、被写体である物体面（平面）が無限遠にある場合には、撮像光学系の像面湾曲形状は、球面となる。これに対して、物体面が有限距離にある場合には、撮像光学系の像面湾曲形状は、球面ではなく、画角が広角になるにつれて焦点位置が物体側に近づく形状となる。ここで、撮像光学系の焦点距離をｆ、物点（物体面）から撮像光学系までの距離をｓ、撮像光学系から像点（結像面）までの距離をｓ´とすると、結像関係にある状態は、式（１）で表される。
１／ｓ´＝１／ｓ＋１／ｆ （１）
また、光軸上における撮像光学系までの距離をｓ_ｏ、画角θにおける撮像光学系までの距離をｓ_ｉとすると、距離ｓ_ｉは、式（２）で表される。
ｓ_ｉ＝ｓ_ｏ／ｃｏｓθ （２）
この式（１）と（２）から、式（３）が得られる。
１／ｓ´＝ｃｏｓθ／ｓ_ｏ＋１／ｆ＝（ｆ×ｃｏｓθ＋ｓ_ｏ）／（ｓ_ｏ×ｆ）
ｓ´＝（ｓ_ｏ×ｆ）／（ｆ×ｃｏｓθ＋ｓ_ｏ）
ｓ_ｉ´／ｓ_ｏ´＝（ｓ_ｏ×ｆ）／（ｆ×ｃｏｓθ＋ｓ_ｏ）×（ｆ＋ｓ_ｏ）／（ｓ_ｏ×ｆ）
＝（ｆ＋ｓ_ｏ）／（ｆ×ｃｏｓθ＋ｓ_ｏ） （３）
ここで、ｓ_ｏ＜０より、ｓ_ｉ´／ｓ_ｏ´＜１である。即ち、物体面が有限距離にある場合は、画角θが広角になるにつれて距離ｓが遠くなるが、距離ｓ´は、短くなる。

一方、物体面が無限遠にある場合は、物点から撮像光学系までの距離ｓ_ｏは、ｓ_ｏ＝ｓ_ｉ＝∞と等しくなり、撮像光学系から像点までの距離ｓ´も等しくなる。この画角θに関わらず、距離ｓ´が等しいことは、像面湾曲が球面形状となることを意味する。即ち、画角θに応じて距離ｓ´が短くなるときは、像面湾曲の形状は、光軸上の位置から周辺部にかけて球面形状に対して物体側にシフトする量を増加させたものとなる。

そこで、本実施形態の撮像装置１では、図１（ａ）に示すように、撮像面３は、撮像光学系２の射出瞳からの距離Ｌ_ｉが光軸上の位置３ａから周辺部３ｂにかけて徐々に短くなるように湾曲する。この場合、射出瞳の位置は、開口絞り５の位置である。ここで、撮像面３の曲面形状を形成する際には、まず、撮像面３を構成するベース球面の曲率中心を開口絞り５の開口の中心位置に設定し、距離Ｌ_ｉが各画角で等しくなるように設定する。そして、光軸から離れるに従い、ベース球面から物体側へ変位する量が増加するように、即ち、光軸上の位置３ａから周辺部３ｂにかけて曲率が徐々に大きくなるように撮像面３を非球面とする。ここでベース球面の曲率中心は、非球面である撮像面３の近軸曲率中心に相当する。

次に、撮像装置１に適用した具体的な数値を示す。（表１）は、図１に示す撮像装置１において、物体側から順に構成要素の各面に付した面番号第１〜５面における各種数値を示す表である。ここで、図１では、物体面の位置を絶対座標系の基準として３次元の座標軸（Ｚ軸、Ｙ軸、Ｘ軸）を取る。このとき、Ｚ軸は、物体面ＯＢＪの中心から第１面の中心を通り、この方向を正とする軸である。Ｙ軸は、Ｚ軸に対して反時計回りに９０度を成す軸であり、Ｘ軸は、Ｚ軸及びＹ軸に垂直となる軸である。なお、（表１）では、各面番号に対して、曲率半径（Ｒ）、面間隔（ｄ）、屈折率（ｎ）のそれぞれの数値、及び備考として各面の具体的な位置を記載している。また、上記の通り、第５面（撮像面３）の形状は、非球面であり、この非球面形状は、光軸からの高さＹの位置での光軸方向の変位を、面頂点を基準にしてＺとすると、式（４）で表される。

ここで、ｋは、コーニック係数であり、この式（４）に適用する各非球面係数ｋ、Ａ〜Ｄの値を（表２）に示す。

次に、比較例としての撮像装置と、本実施形態の撮像装置１とのそれぞれによる性能を縦収差図により比較する。図２は、撮像面３の形状を単に球面とした撮像装置による縦収差図（像面湾曲、歪曲収差（ディストーション））を示す。一方、図３は、図２に対応する本実施形態の撮像装置１による縦収差図を示す。図２及び３において、縦軸は、光線が撮像光学系に入射する光線高さであり、横軸は、光線が光軸と交わる位置である。まず、図２に示すように、撮像面の形状を球面とした場合には、大きな像面湾曲が発生する。この像面湾曲は、マイナス方向に発生しており、撮像面よりも物体側の位置にピント位置があることが分かる。これに対して、図３に示すように、撮像装置１によれば、像面湾曲が良好に補正され、非点収差もなく良好な結像性能を得られることが分かる。また、歪曲収差も０％であり、歪みが発生しない。

以上のように、本実施形態の撮像装置１によれば、物体面が有限距離にある場合でも、シンプルなレンズ構成で、結像性能を広角な画像の全域に渡りピンぼけがない良好なものとすることができる。これは、画角が８０ｄｅｇを超えるような広画角の撮像光学系や、物体面が１ｍ以下の距離にある至近距離撮影の場合等では、特に顕著に発揮される。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る撮像装置について説明する。図４は、本実施形態に係る撮像装置１０の構成を示す概略図であり、特に、図４（ａ）は、撮像装置１０の拡大図であり、図４（ｂ）は、撮像装置１０を含む光路図である。本実施形態の撮像装置１０の特徴は、第１実施形態の撮像装置１において、撮像光学系２の画角を変更し、かつ、撮像面３の配置と曲面形状とを変更した点にある。この撮像装置１０も、１つの球体レンズ１１で構成された撮像光学系１２と、撮像面１３とを備え、球体レンズ１１の光路中心には、開口絞り１４を備える。特に、本実施形態では、被写体距離Ｌを５０ｍｍとし、撮像光学系１２の画角θは、１１２ｄｅｇである。本実施形態の撮像装置１０では、図４（ａ）に示すように、撮像面１３を構成するベース球面の曲率中心は、撮像光学系１２の射出瞳（開口絞り１４の位置）よりも像面側にずれた位置Ｏ_１とする。即ち、この場合、射出瞳から撮像面１３までの距離Ｌ_ｉは、画角θに応じて短くなる。また、撮像面１３は、光軸上の位置１３ａから周辺部１３ｂにかけて曲率が徐々に小さくなるように湾曲する。これは、ベース球面の曲率中心を射出瞳よりも像面側の位置とした場合には、周辺部１３ｂでの射出瞳から撮像面１３までの距離Ｌ_ｉが近くなりやすいので、ベース球面だけでは補正しきれない量を撮像面１３の非球面形状により補正するためである。

次に、撮像装置１０に適用した具体的な数値を示す。（表３）は、第１実施形態に係る（表１）に対応した、図４に示す撮像装置１０において、物体側から順に構成要素の各面に付した面番号第１〜５面における各種数値を示す表である。この場合も、第５面（撮像面１３）の形状は、非球面であり、式（４）により表すことができる。この式（４）に適用する各非球面係数ｋ、Ａ〜Ｄの値を（表４）に示す。

図５は、第１実施形態の図３に対応した、本実施形態の撮像装置１０に係る縦収差図（像面湾曲、歪曲収差）を示す。図５に示すように、撮像装置１０によれば、像面湾曲が良好に補正され、非点収差もなく良好な結像性能を得られることが分かる。また、歪曲収差も０％であり、歪みが発生しない。このように、本実施形態の撮像装置１０によれば、第１実施形態の撮像装置１と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る撮像装置について説明する。図６は、本実施形態に係る撮像装置２０の構成を示す概略図である。本実施形態の撮像装置２０の特徴は、物体面の位置により、撮像面の位置及び非球面形状を可変とするフォーカス調整機構を備える点にある。この撮像装置２０は、まず、１つの球体レンズ２１で構成された撮像光学系２２と、撮像素子２３とを備え、球体レンズ２１の光路中心には、開口絞り２４を備える。この場合、撮像素子２３は、平板形状を有する。更に、撮像装置２０は、フォーカス調整機構としての光学伝達手段を備え、本実施形態では、この光学伝達手段は、複数本の光ファイバー２５である。この光ファイバー２５は、その一方の端を撮像素子（ＣＣＤセンサー）２３の各画素と結合され、その他方の端を連ねた面が、本実施形態の撮像面２６となる。このように、撮像装置２０は、図６に示すように、複数本の光ファイバー２５をその場所毎に撮像光学系２２に向かう先端部の張り出し量が異なるように配置するので、撮像面２６の形状を自由に構成することができる。また、撮像装置２０は、フォーカス調整の際には、光ファイバー２５の先端部の張り出し量を適宜調整することで、撮像面２６の形状を変更可能としている。

図７は、フォーカス調整機構により撮像面２６の形状を変化させた場合の撮像装置２０の状態を示す概略図である。特に、図７（ａ）は、被写体距離Ｌが３０ｍｍの場合、図７（ｂ）は、被写体距離Ｌが５０ｍｍの場合、更に、図７（ｃ）は、被写体距離Ｌが無限遠の場合を示す。例えば、上述したように、物体面ＯＢＪが有限距離である場合（図７（ａ）及び（ｂ））には、撮像面の像面湾曲の形状が球面形状からずれてくる。そこで、この場合、撮像装置２０は、光ファイバー２５の張り出し量を調整し、撮像面２６の曲率中心を射出瞳（開口絞り２４の開口中心）から像側にシフトさせることで、良好な結像性能を得ることができる。また、撮像装置２０は、被写体距離が短くなるにつれて光ファイバー２５の張り出し量を調整し、撮像面２６の曲率中心を球体レンズ２１の中心から像側にシフトさせる量を徐々に大きくすることで、フォーカシングによる結像性能の劣化を防ぐことができる。更に、上記実施形態と同様に、撮像面２６の曲率中心の位置をシフトさせるだけでは補正しきれない場合には、撮像面２６の形状を非球面として適宜調整すればよい。このように、本実施形態の撮像装置２０によれば、上記実施形態と同様の効果を奏すると共に、被写体距離が変化した場合でも、撮像面２６の形状を変化させることで、適宜対応することができる。

以下、撮像装置２０に適用した具体的な数値を示す。（表５）は、第１実施形態に係る（表１）に対応した、図６に示す撮像装置２０において、物体側から順に構成要素の各面に付した面番号第１〜５面における各種数値を示す表である。（表６）は、各被写体距離に設定した場合の第５面の面間隔、即ち、射出面から撮像面２６までの距離を示す表である。（表７）は、各被写体距離に設定した場合の撮像面２６の形状を表す式（４）に適用する各非球面係数ｋ、Ａ〜Ｄの値を示す表である。更に、（表８）は、各被写体距離に設定した場合の撮像面２６に係る各種寸法値を示す表である。なお、（表６）及び（表８）に記載の数値の単位は、（ｍｍ）である。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る撮像装置について説明する。図８は、本実施形態に係る撮像装置３０の構成を示す概略図であり、特に、図８（ａ）は、撮像装置３０の拡大図であり、図８（ｂ）は、撮像装置３０を含む光路図である。本実施形態の撮像装置３０の特徴は、球体レンズ３１の形状を、球の中心に対して点対称なスフェリカル型の屈折率の分布を有する屈折率分布形状とする点にある。撮像装置３０は、この球体レンズ３１で構成された撮像光学系３２と、撮像面３３とを備え、球体レンズ３１の光路中心には、開口絞り３４を備える。球体レンズ３１は、中心から周辺部にかけて屈折率が減少する形状であるため、正の屈折力（光学的パワー）を付与するとともに、球面収差を良好に補正することができる。また、球体レンズ３１の形状は、中心から周辺部にかけて屈折率の波長分散が大きくなる波長分散分布形状でもあるため、球体レンズ３１は、ここで発生した正の屈折力方向の色収差を良好に補正することができる。

この場合、撮像面３３は、まず、半径５．２２４ｍｍの球面形状に湾曲させ、かつ、物体側に凹面を向けて、球体レンズ３１の中心から５．７７６ｍｍの位置に配置される。次に、撮像面３３の曲率中心Ｏ_１を、開口絞り３４の開口中心にある撮像光学系３２の射出瞳よりも像側に設定し、射出瞳から撮像面３３までの距離Ｌ_ｉが光軸上の位置３３ａから周辺部３３ｂにかけて徐々に短くなるように、撮像面３３を湾曲させる。この構成によれば、撮像光学系３２は、画角θを１５０ｄｅｇと超広画角とすることができ、更に、Ｆナンバーが０．８６の高解像力を有する。

次に、撮像装置３０に適用した具体的な数値を示す。（表９）は、第１実施形態に係る（表１）に対応した、図８に示す撮像装置３０の構成要素の各面に付した面番号第１〜５面における各種数値を示す表である。また、上記の通り、第５面（撮像面３３）の形状は、屈折率分布形状であり、この屈折率分布形状を示す、球心からの距離ｐ（ｍｍ）の位置における波長λの屈折率Ｎ（ｐ、λ）は、式（５）で表される。なお、この屈折率Ｎについては、（表９）において「ＳＰＨ−ＧＩ」と表記している。

ここで、Ｎ_０（λ）は、球体レンズ３１の中心の屈折率であり、Ｃ_１（λ）〜Ｃ_４（λ）は、波長λにおける各次数項の係数である。（表１０）は、屈折率分布形状を表す式（５）に適用する中心屈折率Ｎ_０（λ）、及び各次数項の係数Ｃ_１（λ）〜Ｃ_４（λ）の値を示す表である。この場合、長波長の側ほど、２次の係数Ｃ_２（λ）の値を小さくし、屈折率の減少率を大きくしているので、球心から周辺部にかけて屈折率の波長分散が大きい。したがって、撮像装置３０は、正の方向に発生する軸上色収差を良好に補正することができる。

図９は、本実施形態の撮像装置３０に係る縦収差図（球面収差、像面湾曲、歪曲収差）を示す。図９は、第１実施形態に係る図３の縦収差図と同様に、縦軸は、光線が撮像光学系に入射する光線高さであり、横軸は、光線が光軸と交わる位置であるが、ここでは、Ｃ線、ｄ線、Ｆ線の各波長λについて記載している。図９に示すように、撮像装置３０によれば、像面湾曲が良好に補正され、非点収差もなく良好な結像性能を得られることが分かる。また、球体レンズ３１の屈折率分布形状により、軸上色収差も良好に補正している。本実施形態における撮像光学系３２では、倍率色収差は発生しないので、軸上色収差のみ補正すれば、色収差の補正については解決できる。このように、本実施形態の撮像装置３０によれば、第１実施形態の撮像装置１と同様の効果に加え、色収差も良好に補正することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ 撮像装置
２ 撮像光学系
３ 撮像面
３ａ 撮像面の光軸上の位置
３ｂ 撮像面の周辺部

Claims (8)

1. 撮像光学系と、湾曲した撮像面を含む撮像素子とを有する撮像装置であって、
   前記撮像面は、前記撮像光学系の射出瞳からの距離が、光軸上の位置から周辺部にかけて徐々に短くなるように湾曲してなることを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮像面の形状は、前記光軸上の位置から前記周辺部にかけて曲率が徐々に大きくなる非球面形状であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記撮像面の近軸曲率中心は、前記射出瞳よりも像側に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記撮像面は、近軸曲率中心が前記射出瞳よりも像側に位置し、かつ、
   前記撮像面の形状が、前記光軸上の位置から前記周辺部にかけて曲率が徐々に小さくなる非球面形状であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記撮像面の形状は、被写体距離の変化に応じて可変であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記撮像素子と光学的に接続された光学伝達手段を有し、
   前記撮像面は、前記光学伝達手段の先端部を連ねた面により形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記撮像光学系は、球体レンズで構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記球体レンズは、球心を中心としたスフェリカル型の屈折率の分布を形成し、
   前記屈折率は、前記球心から周辺部にかけて小さくなり、かつ、
   前記屈折率の波長分散は、前記球心から前記周辺部にかけて大きくなることを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。

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