JP2015152780A - 光学系およびそれを用いた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの増加を抑え、広域像と狭域像とを同時に結像可能な光学系およびそれを用いた撮像装置を提供する。
【解決手段】回転対称レンズを有する撮像レンズ５と、複数の開口絞りとを備える。複数の開口絞りは、撮像レンズの中心領域１０に対応する位置に開口を有する中心開口絞り１４と、撮像レンズの周辺領域１１に対応する位置に開口を有する周辺開口絞り１５とを有し、撮像レンズは、中心領域と周辺領域とで焦点距離が異なり、像倍率が異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、広い被写体領域の広域像と狭い被写体領域の狭域像を結像可能な光学系およびそれを用いた撮像装置に関する。

撮像装置に対して、広い被写体領域を撮影したいという要望と、狭い被写体領域を大きく撮影したいという要望がある。この要望に応えるために、撮像装置は、レンズを移動させて、焦点距離を最も短くして広い被写体領域を撮影したＷＩＤＥ画像と、焦点距離を最も長くして狭い被写体領域を大きく撮影したＴＥＬＥ画像とを撮影可能とする機能を有するものがある。

ＷＩＤＥ画像とＴＥＬＥ画像では、撮影する際のレンズ位置が異なるため、これらを同時に得ることはできない。しかし、防犯カメラのように、広い被写体領域を表示する広域画像と、狭い被写体領域を拡大して表示する狭域画像を同時に撮影したい場合が考えられる。このような広域画像と狭域画像を同時に撮影可能な撮像装置としては、以下の３つの構成が考えられる。

図１１は、広域画像と狭域画像とを同時に撮影可能な第１の撮像装置の構成を示す断面図である。広い被写体領域からの光がレンズ１０１を通過して撮像センサ１０２に到達することにより広域画像が作成される。そして、図示しない処理部により、広域画像の一部を切り出し、デジタル処理をして狭域画像が作成される。したがって、広域画像と狭域画像を表示部に同時に表示することができる。

図１２は、広域画像と狭域画像とを同時に撮影可能な第２の撮像装置の構成を示す断面図である。レンズ１１１は、広画角用レンズ１１１ａと狭画角用レンズ１１１ｂが一体として形成されている。広い被写体領域からの光が広画角用レンズ１１１ａを通過して撮像センサ１１２の第１領域１１２ａに到達し、狭い被写体領域からの光が狭画角用レンズ１１１ｂを通過して撮像センサ１１２の第２領域１１２ｂに到達する。第１領域１１２ａにより広域画像が作成され、第２領域１１２ｂにより狭域画像が作成される。したがって、広域画像と狭域画像を表示部に同時に表示することができる。

図１３は、広域画像と狭域画像とを同時に撮影可能な第３の撮像装置の構成を示す断面図である。広画角用レンズ１２１と狭画角用レンズ１２２が別々に形成されている。広い被写体領域からの光が広画角用レンズ１２１を通過し、撮像センサ１２３の第１領域１２３ａに到達し、狭い被写体領域からの光が狭画角用レンズ１２２を通過して、撮像センサ１２３の第２領域１２３ｂに到達する。第１領域１２３ａにより広域画像が作成され、第２領域１２３ｂにより狭域画像が作成される。したがって、広域画像と狭域画像を表示部に同時に表示することができる。

しかしながら、上記構成の撮像装置には、以下の問題点がある。第１の撮像装置は、広域画像の一部を切り出し拡大して狭域画像を作成するため、狭域画像にボケが発生しないようにするためには、広域画像の解像度を十分高くする必要がある。このため、撮像センサ１０２として高解像度のセンサを用いる必要があり、コストが増加する。

第２の撮像装置において、広画角用レンズと狭画角用レンズを一体に形成しているため、レンズの回転対称性が失われている。このため、回転対称レンズを作成する従来の方法を用いることができず、レンズの加工誤差が大きくなる。また、組み立て実装作業の難易度が上がり、製造コストが増加する。

第３の撮像装置では、レンズの数が２倍必要となり、部品点数が増加するため、レンズのコストが増加する。

本発明の光学系は、回転対称レンズを有する撮像レンズと、複数の開口絞りとを備える。上記課題を解決するために、前記複数の開口絞りは、前記撮像レンズの中心領域に対応する位置に開口を有する中心開口絞りと、前記撮像レンズの周辺領域に対応する位置に開口を有する周辺開口絞りとを有し、前記撮像レンズは、前記中心領域と前記周辺領域とで焦点距離が異なり、像倍率が異なることを特徴とする。

また、前記中心開口絞りを通過する光により相対的に像倍率が低い広域像を形成し、前記周辺開口絞りを通過する光により相対的に像倍率が高い狭域像を形成するように構成してもよい。この場合、前記中心開口絞りは、前記周辺開口絞りよりも像側に配置された構成にすることができる。この構成により、中心開口絞りを通過する光に周辺開口絞りを通過する光が干渉することを避けつつ、広域像を高解像度で検出することができる。

また、前記中心開口絞りを通過する光により相対的に像倍率が高い狭域像を形成し、前記周辺開口絞りを通過する光により相対的に像倍率が低い広域像を形成するように構成してもよい。この場合、前記中心開口絞りは、前記周辺開口絞りよりも物体側に配置された構成にすることができる。この構成により、周辺開口絞りを通過する光に中心開口絞りを通過する光が干渉することを避けつつ、広域像を高解像度で検出することができる。

また、前記広域像と前記狭域像を同一平面上に結像するように構成することができる。また、前記広域像と前記狭域像を異なる位置に結像するように構成することができる。これらにより、結像位置に撮像センサを配置することにより、広域像と狭域像のそれぞれの画像を１つの撮像センサで作成することができる。

また、前記中心開口絞りは、前記撮像レンズの光軸と同軸であり、前記周辺開口絞りは、前記撮像レンズの光軸と同軸でない構成にすることができる。

また、前記撮像レンズは、前記狭域像の像倍率が前記広域像の像倍率の２倍以上であるように形成されることが好ましい。

また、前記撮像レンズは、さらに前記広域像と前記狭域像以外の像を結像するように形成された構成にすることができる。

また、前記中心開口絞りを通過する光の光路と、前記周辺開口絞りを通過する光の光路との間に配置された遮光部材を有する構成にすることができる。

また、本発明の撮像装置は、上記課題を解決するために、上記光学系と、前記光学系を覆い、前記中心開口絞りと前記周辺開口絞りにそれぞれ対応する位置に開口を有する遮光フードと、一つの撮像素子とを備えたことを特徴とする。

また、前記撮像素子は、中心が前記撮像レンズの光軸からずれた位置に配置されている構成にすることができる。

本発明によれば、レンズの中心領域と周辺領域とで形状の異なる回転対称なレンズを用いることにより、コストの増加を抑え、広域像と狭域像とを同時に結像可能な光学系およびそれを用いた撮像装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１における撮像装置の構成を模式的に示す断面図 実施の形態１における撮像レンズの中心領域と周辺領域を示す断面図 実施の形態１における中心光路と周辺光路とを概念的に示す撮像装置の断面図 実施の形態１における撮像センサで検出された画像を示す図 実施の形態１における撮像センサにおける中心光路イメージサークルと周辺光路イメージサークルを示す図 実施の形態１における撮像レンズの中心領域における４５ｌｐ／ｍｍでのＭＴＦを示す図 実施の形態１における撮像レンズの周辺領域における４５ｌｐ／ｍｍでのＭＴＦを示す図 本発明の実施の形態２における中心光路と周辺光路とを概念的に示す撮像装置の断面図 実施の形態２における撮像センサで検出された画像を示す図 実施の形態２における撮像センサで検出された別の画像を示す図 第１の撮像装置の構成を示す断面図 第２の撮像装置の構成を示す断面図 第３の撮像装置の構成を示す断面図

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における撮像装置１の構成を模式的に示す断面図である。撮像装置１は、フード２と鏡筒３とに囲まれた内部に撮像レンズ５が配置されて構成されている。撮像レンズ５は、物体側から順に第１レンズ６、第２レンズ７、第３レンズ８が配置されて構成され、レンズバレル４に保持されている。図２は、撮像レンズ５を取り出した図である。第１レンズ６〜第３レンズ８は、それぞれ光軸９に対して回転対称な形状であり、光軸９を含む撮像レンズ５の中心領域１０と、中心領域１０の外側である周辺領域１１では形状が異なっている。すなわち、撮像レンズ５の中心領域１０と周辺領域１１とでは、焦点距離が異なっており像倍率が異なる。

図１に示すフード２には、撮像レンズ５の中心領域１０に対応する位置に中心開口１２が形成され、中心開口１２の下側であって撮像レンズ５の周辺領域１１に対応する位置に周辺開口１３が形成されている。中心開口絞り１４は、第２レンズ７と第３レンズ８の間における撮像レンズ５の中心領域１０に対応した位置に設けられている。中心開口絞り１４と撮像レンズ５の中心領域１０により中心開口１２から入射した光の光路である中心光路１６が規定される。周辺開口絞り１５は、第１レンズ６の物体側における撮像レンズ５の周辺領域１１に対応した位置に設けられている。周辺開口絞り１５と撮像レンズ５の周辺領域１１により周辺開口１３から入射した光の光路である周辺光路１７が規定される。

遮光板１８は、第３レンズ８の像側に配置され、中心光路１６を通過する光と周辺光路１７を通過する光が混在することを防止するものである。なお、遮光板１８は、第３レンズ８の像側以外の場所に配置されていてもよい。撮像センサ１９は、第３レンズ８の像側に配置され、光を電気に変換する。そして、電気に変換された信号は、図示しない処理装置により処理され、画像として表示装置に表示される。撮像センサ１９は、中心光路１６上に位置する中心撮像領域２０と、周辺光路１７上に位置する周辺撮像領域２１と、中心撮像領域２０と周辺撮像領域２１との境界であって光が届かない境界領域２２とを有する。

図３は、中心光路１６と周辺光路１７とを概念的に示す撮像装置１の断面図である。見易さを考慮して撮像レンズ５の図示を省略している。中心光路１６は、画角が広く、撮像レンズ５の中心領域１０を通過して撮像センサ１９に到達する。周辺光路１７は画角が狭く、撮像レンズ５の周辺領域１１を通過して撮像センサ１９に到達する。図３からわかるように、物体側において、中心光路１６内に周辺光路１７が存在するように、画角が調整されている。

なお、図１で示したように、中心開口絞り１４は、周辺開口絞り１５よりも像側に配置されている。これは、画角の大きい中心光路１６の光に周辺光路１７の光が干渉することを避けつつ、像を高解像度で検出するためである。

図４は、撮像センサ１９で検出された画像を示す図である。図４の画像は、撮像センサ１９に到達した位置を反転して示しており、上側が周辺撮像領域２１で検出した周辺光路１７を通過した光による画像（狭域画像）であり、下側が中心撮像領域２０で検出した中心光路１６を通過した光による画像（広域画像）である。広域画像の破線で示す領域が狭域画像で示す領域である。

このように、広域画像と狭域画像を同時に表示することにより、注目部分の拡大画像とその周辺の画像を同時に見ることができる。また、撮像センサ１９にそれぞれの像が結ばれるので、特別な信号処理の必要がないため、高解像度のセンサや特別な信号処理素子を設ける必要はない。また、回転対称レンズを用いるため、従来と同様のレンズ加工工程を用いることができ、コストの増加も生じない。

なお、撮像レンズ５は、中心領域と周辺領域でそれぞれ撮像センサ１９上に像を結像する形状であればよく、従来のレンズの中心領域の形状と別の従来のレンズの周辺領域の形状を組み合わせて撮像レンズ５を形成してもよい。

（実施例）
表１は、本実施の形態における撮像装置１の具体的な設計例を示す表である。

表２は、第１レンズ６〜第３レンズ８、中心開口絞り１４、周辺開口絞り１５の形状および位置を示す表である。Ｒ１は第１レンズ６〜第３レンズ８の物体側の面を示し、Ｒ２は第１レンズ６〜第３レンズ８の像側の面を示す。

図５は、撮像センサ１９における中心光路イメージサークル２３と、周辺光路イメージサークル２４とを示す図である。中心光路イメージサークル２３は、撮像センサ１９の点Ａの位置に撮像レンズ５の光軸９が位置するようにした場合の画角２５°の中心光路１６の光が照射される領域である。周辺光路イメージサークル２４は、撮像センサ１９の点Ａの位置に撮像レンズ５の光軸９が位置するようにした場合の画角１８°の周辺光路１７の光が照射される領域である。撮像センサ１９の中心撮像領域２０には中心光路１６の光が到達し、周辺撮像領域２１には周辺光路１７の光が到達する。なお、中心光路イメージサークル２３と周辺撮像領域２１とが重なる領域の中心光路１６の光は遮光板１８により光路の途中で取り除かれて、周辺撮像領域２１には周辺光路１７の光のみが到達する。

図６は、表１、２に示した撮像レンズ５の中心領域１０における４５ｌｐ／ｍｍでのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）を示す図である。タンジェンシャル（ＴＡＮ）方向およびサジタル（ＳＡＧ）方向のどちらにおいても、ＭＴＦが７０％を超え、角度によらずほぼ一定である。図７は、表１、２に示した撮像レンズ５の周辺領域１１における４５ｌｐ／ｍｍでのＭＴＦを示す図である。タンジェンシャル方向およびサジタル方向のどちらにおいても、ＭＴＦが７０％を超え、角度によらずほぼ一定である。すなわち、撮像レンズ５の異なる領域に、中心光路１６と周辺光路１７の２つの光路を設けて光を伝搬させる構成であっても、十分な効果が得られることがわかる。

以上、実施例を示したが、本実施の形態はこの実施例に限定されるものではない。例えば、本実施例では、光軸９の中心を撮像センサ１９の端部（点Ａ）に位置させたが、撮像する所望の画像に応じて、光軸９を撮像センサ１９内側に位置するようにしても、外側に位置するようにしてもよい。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における中心光路１６ｂと周辺光路１７ｂとを概念的に示す撮像装置１ｂの断面図である。撮像装置１ｂにおいて、実施の形態１における撮像装置１と異なるのは、中心光路１６ｂの画角が周辺光路１７ｂの画角より狭いことである。すなわち、撮像レンズ５ｂは、実施の形態１における撮像レンズ５に対して中心領域１０、周辺領域１１の形状が異なる。これに伴って、周辺光路の光に中心光路の光が干渉することを避けるため、図示しない中心開口絞りが、周辺開口絞りよりも物体側に配置される。これら以外の構成は、実施の形態１の撮像装置１と同様である。撮像装置１ｂにおいて、撮像装置１と同様の構成要素については、撮像装置１と同一の符号を付して説明を省略する。

図９は、撮像装置１ｂの撮像センサ１９で検出された画像を示す図である。上側が撮像センサ１９の周辺撮像領域で撮影した画角の広い周辺光路１７ｂを通過した光の画像（広域画像）であり、下側が撮像センサ１９の中心撮像領域で撮影した画角の狭い中心光路１６ｂを通過した光の画像（狭域画像）である。このように構成することにより、注目する被写体領域を拡大表示し、周辺の広い被写体領域を表示することができる。

図８では、狭域画像と広域画像を上下方向で撮影する構成を示したが、本実施の形態はこの構成に限定されない。例えば、周辺開口を中心開口の周囲全方向に設けることにより、図１０に示すように、中心に狭域画像、狭域画像の周囲に広域画像を表示することができる。この構成により、注目する被写体領域を拡大表示するとともに、周辺の広い被写体領域を撮影することができる。

実施の形態１、２では、撮像装置を例に挙げて説明した。この撮像装置としては、車載用カメラや防犯カメラなど、広い範囲の撮影と特定部分を拡大して撮影する用途に利用できる。また、広域画像を撮影する際に、ピント合わせをより厳密に確認するために狭域画像を用いる撮像装置とすることもできる。また、撮像センサ１９を取り除いて、周辺を確認可能としつつ、一部を拡大する拡大鏡としても利用できる。

なお、実施の形態１、２において、撮像レンズは、撮像センサ１９上に、狭域像の像倍率が広域像の像倍率の２倍以上となるように像を結像するように形成されることが好ましい。すなわち、狭域画像は、広域画像の一部を２倍以上拡大した画像となるようにすることが好ましい。これにより、狭域画像と広域画像の倍率による差が明確となるからである。

なお、実施の形態１、２では、撮像レンズとして３枚組みのレンズを用いたが、３枚に限定する必要はなく、１枚以上何枚あってもよい。

また、撮像レンズは、広域像と狭域像以外に、例えば広域画像と狭域画像の間の像倍率の像など別の像を結像するように形成されてもよい。

本発明は、簡易な構成で狭域画像と広域画像を同時に撮影可能であるという利点を有し、撮像装置として利用可能である。

１、１ｂ 撮像装置
２ フード
３ 鏡筒
４ レンズバレル
５、５ｂ 撮像レンズ
６ 第１レンズ
７ 第２レンズ
８ 第３レンズ
９ 光軸
１０ 中心領域
１１ 周辺領域
１２ 中心開口
１３ 周辺開口
１４ 中心開口絞り
１５ 周辺開口絞り
１６、１６ｂ 中心光路
１７、１７ｂ 周辺光路
１８ 遮光板
１９ 撮像センサ
２０ 中心撮像領域
２１ 周辺撮像領域
２２ 境界領域
２３ 中心光路イメージサークル
２４ 周辺光路イメージサークル

Claims (13)

1. 回転対称レンズを有する撮像レンズと、
   複数の開口絞りとを備えた光学系において、
   前記複数の開口絞りは、
   前記撮像レンズの中心領域に対応する位置に開口を有する中心開口絞りと、
   前記撮像レンズの周辺領域に対応する位置に開口を有する周辺開口絞りとを備え、
   前記撮像レンズは、前記中心領域と前記周辺領域とで焦点距離が異なり、像倍率が異なることを特徴とする光学系。
2. 前記中心開口絞りを通過する光により相対的に像倍率が低い広域像を結像し、
   前記周辺開口絞りを通過する光により相対的に像倍率が高い狭域像を結像するように構成された請求項１記載の光学系。
3. 前記中心開口絞りを通過する光により相対的に像倍率が高い狭域像を結像し、
   前記周辺開口絞りを通過する光により相対的に像倍率が低い広域像を結像するように構成された請求項１記載の光学系。
4. 前記広域像と前記狭域像を同一平面上に結像する請求項２または３に記載の光学系。
5. 前記広域像と前記狭域像を異なる位置に結像する請求項４記載の光学系。
6. 前記中心開口絞りは、前記撮像レンズの光軸と同軸であり、
   前記周辺開口絞りは、前記撮像レンズの光軸と同軸でない請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学系。
7. 前記中心開口絞りは、前記周辺開口絞りよりも像側に配置された請求項２記載の光学系。
8. 前記中心開口絞りは、前記周辺開口絞りよりも物体側に配置された請求項３記載の光学系。
9. 前記撮像レンズは、前記狭域像の像倍率が前記広域像の像倍率の２倍以上であるように形成された請求項２〜８のいずれか一項に記載の光学系。
10. 前記撮像レンズは、さらに前記広域像と前記狭域像以外の像を結像するように形成された請求項２〜９のいずれか一項に記載の光学系。
11. 前記中心開口絞りを通過する光の光路と、前記周辺開口絞りを通過する光の光路との間に配置された遮光部材を有する請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光学系。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項の光学系と、
    前記光学系を覆い、前記中心開口絞りと前記周辺開口絞りにそれぞれ対応する位置に開口を有する遮光フードと、
    一つの撮像素子とを備えたことを特徴とする撮像装置。
13. 前記撮像素子は、中心が前記撮像レンズの光軸からずれた位置に配置されている請求項１２記載の撮像装置。