JP2016005197A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像素子の周辺部の画素における光量低下を抑えた撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 撮像光学系２と、撮像素子４と、撮像光学系２からの光を撮像素子４へと導く複数の光ファイバ３ｃにより構成される光ファイバ束３と、を有する撮像装置１であって、光ファイバ束の光入射面３ａは、撮像光学系２に対して凹面であり、複数の光ファイバ３ｃのうち撮像光学系２の光軸ＡＸから離れた光ファイバ３ｃは、特定の式を満たす。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像装置に関する。

複数の光ファイバにより構成された光ファイバ束を用いて、撮像光学系（結像光学手段）からの光（結像光線）を撮像素子に導く撮像装置（結像光学装置）が開発されている。
特許文献１には、光ファイバ束を用いて、その受光端面（光入射面）に入射した結像光学手段による結像光線をイメージ検収手段（撮像素子）へ伝送する結像光学装置が開示されている。そして、この結像光学装置は、光ファイバ束の受光端面を結像光学手段の結像面に位置させるとともに受光端面の面形状を結像面の形状と同等の面形状としている。

特開平１０−２５３８４１号公報

しかし、特許文献１のように、軸方向が結像光学手段の光軸と平行な光ファイバからなる光ファイバ束の受光端面を凹面形状とした場合、以下のような問題が生じる。すなわち、各光ファイバの受光端面が傾斜するため、光ファイバ内を伝搬する光が全反射条件を満たしにくくなり、結像光学手段の広画角の光束の光ファイバの透過率が大きく減衰する。その結果、撮像素子の周辺部の画素の光量が低下する。
本発明は、光軸から離れた位置にある光ファイバに入射する光の透過率の低下を抑えた撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は、撮像素子と、前記撮像光学系からの光を前記撮像素子へと導く複数の光ファイバにより構成される光ファイバ束と、を有する撮像装置であって、前記光ファイバ束の光入射面は前記撮像光学系に対して凹面であり、前記複数の光ファイバのうち前記撮像光学系の光軸から離れた光ファイバは、下記の関係式を満たすことを特徴とする撮像装置。

ただし、αは前記光ファイバの傾斜角、βは前記光ファイバの光入射面の傾斜角、ωは前記光ファイバに入射する前記撮像光学系からの主光線の角度、Ｎ１は前記光ファイバのコア部の屈折率、Ｎ２は前記光ファイバのクラッド部の屈折率である。

本発明によれば、光軸から離れた位置にある光ファイバに入射する光の透過率の低下を低減した撮像装置を得ることができる。

実施形態１に係る撮像装置の一例を示す模式図 一般的な光ファイバ束を示す模式図 従来例の光ファイバ束を示す模式図 光ファイバの傾斜角度を説明する模式図 実施形態１の光ファイバの傾斜角度を説明する模式図 実施形態２の光ファイバの傾斜角度を説明する模式図 実施形態３に係る撮像装置の一例を示す模式図

本発明について、実施形態、図面を用いて詳細に説明するが、本発明は各実施形態の構成に限らない。

（実施形態１）
図１（ａ）は、本実施形態に係る撮像装置の一例を示す模式図である。本実施形態の撮像装置１は、撮像光学系（結像光学系）であるボールレンズ２、像伝送手段である光ファイバ束３、撮像素子であるセンサ４を有している。そして、ボールレンズ２の像を光ファイバ束３によってセンサ４に伝送するように、ボールレンズ２と光ファイバ束３とセンサ４が配置されている。光ファイバ束３は、ボールレンズ２からの光をセンサ４へと導く複数の光ファイバ３ｃにより構成されている。具体的には、各光ファイバ３ｃが、撮像光ＢＭをボールレンズ２を介して受光し、光ファイバ３ｃ内を伝搬させて、撮像光ＢＭをセンサ４の各画素へと導いている。撮像光ＢＭは、絞り２ｃの開口を通り光ファイバ３ｃに入射しうる光であり、絞り２ｃの開口の中心を通る主光線ＰＲや、絞り２ｃの開口で規定される上側マージナル線ＮＲ、下側マージナル線ＭＲが含まれる。

また、光ファイバ束３の光入射面３ａは、ボールレンズ２に対して凹面であり、より具体的には、ボールレンズ２の結像面とほぼ同形状の凹面形状である。光ファイバ束３の光入射面３ａは、ガラスレンズと同様の球面研磨加工によって滑らかな光学面が形成される。この加工技術により光入射面３ａの表面で発生する散乱を抑えることができる。一方、光ファイバ束３の光射出面３ｂは平面形状である。そして、光ファイバ束３は、その光射出面３ｂとセンサ４の光入射面とが密着するように配置されている。光ファイバ束３の光射出面３ｂも、光入射面３ａと同様に平面研磨加工により光学面が形成され、撮像素子への密着性が向上している。

また、光ファイバ束３の周辺部にある各光ファイバ３ｃは、その軸方向が光軸ＡＸに対して傾斜した構成となっており、さらに、その傾斜角度が、後述するように所望の範囲に設定されている。この構成により、光ファイバ束３の周辺部の光ファイバ３ｃの透過率の低下が抑制される。

なお、ボールレンズ２の光軸ＡＸは、ボールレンズ２の中に配置された絞り２ｃで規定される開口部の中心を通り、センサ４の受光面に垂直な直線のことである。絞り２ｃの開口部の中心はボールレンズ２の射出瞳の中心と一致しており、光軸ＡＸは、撮像光学系の射出瞳の中心を通り、センサ４の受光面に垂直な直線のことであるともいえる。また、光軸ＡＸは、光ファイバ束３の光入射面３ａの中心を通っている。つまり、撮像光学系の射出瞳の中心と光ファイバ束３の光入射面３ａの中心とを結ぶ直線は光軸ＡＸと一致している。

また、図１（ｂ）は、センサ４の受光面に平行な、光ファイバ束３の断面の一部である。この断面内で、コア部３ｃｏは三角格子状に配置されており、コア部３ｃｏの間にクラッド部３ｃｌが配置されている。このように、各光ファイバ３ｃは、コア部３ｃｏとコア部３ｃｏの周りに配置されたクラッド部３ｃｌとで構成されている。なお、図１（ｂ）では、コア部３ｃｏは三角格子状に配置されているが、これに限定されるものではない。例えば、コア部３ｃｏは正方格子状や斜方格子状など任意の格子状に配置されていてもよい。また、クラッド部３ｃｌがコア部３ｃｏの間に配置されるのであれば、コア部３ｃｏはランダムに配置されていてもよい。さらに、コア部３ｃｏが格子状に配置された領域とコア部３ｃｏがランダムに配置された領域とが混在する光ファイバ束を用いることも可能である。

光ファイバ束３の各光ファイバ３ｃは、センサ４の各画素と１対１で対応していてもよいし、そうでなくてもよい。例えば、光ファイバ３ｃを伝搬する撮像光ＢＭの一部の光は、センサ４のある画素で受光され、それ以外の光が別の画素で受光される構成であってもよい。また、センサ４のある画素が、複数の光ファイバ３ｃをそれぞれ伝播した撮像光ＢＭを受光する構成であってもよい。

なお、本実施形態では、光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａ側のコア部３ｃｏの径よりも、光ファイバ３ｃの光射出面３ｃｂ側のコア部３ｃｏの径を大きくなっている。この構成であれば、光ファイバ３ｃの傾斜角度を所望の値に容易に制御することが可能となる。なお、後述の実施形態で示すように、光入射面３ｃａ側のコア部３ｃｏの径と光射出面３ｃｂ側のコア部３ｃｏの径とが同じであっても本発明は適用可能である。

次に、本発明が解決する課題について説明する。まず、一般的な光ファイバ中を光が伝搬する様子について、図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図２（ａ）は、撮像装置１１の模式図である。撮像装置１１は、撮像光学系であるボールレンズ１２、光ファイバ束１３、撮像素子であるセンサ１４を有している。光ファイバ束１３は複数の光ファイバ１３ｃを有している。そして、各光ファイバ１３ｃの各軸方向はボールレンズ１２の光軸ＡＸに平行であり、センサ１４の受光面に対して垂直に配置されている。また、各光ファイバ１３ｃの光入射面１３ｃａは、光ファイバ１３ｃの軸方向に対して垂直に配置されている。そして、各光ファイバ１３ｃの各光入射面１３ｃａは、ボールレンズ１２の結像面に合わせるように、その位置が調整されている。このため、ボールレンズ１２の光軸ＡＸからの距離に応じて、光ファイバ１３ｃの光入射面１３ｃａの位置が、光軸ＡＸに平行な方向に関して図２（ａ）のように異なっている。

図２（ｂ）は、光ファイバ１３ｃの構成と光ファイバ１３ｃの中を光が伝搬する様子を示している。光ファイバ１３ｃは、コア部１３ｃｏとクラッド部１３ｃｌとで構成されている。撮像光ＢＭは光入射面１３ａに対して入射角θｉで入射し、射出角θａでコア部１３ｃｏ内を伝搬する。そして、この伝搬光は、コア部１３ｃｏとクラッド部１３ｃｌとの界面に入射角θｂで入射する。ここで、伝搬光は、コア部１３ｃｏとクラッド部１３ｃｌとの界面を全反射することでコア部１３ｃｏ内を伝搬するのだが、その条件は、入射角θｂが式１を満足する必要がある。

ただし、Ｎ１は、コア部１３ｃｏの屈折率、Ｎ２は、クラッド部１３ｃｌの屈折率である。

図２（ａ）、（ｂ）で示すように、光ファイバ１３ｃの光入射面１３ｃａを光ファイバの軸方向に対して垂直に配置した場合、光ファイバ１３ｃの開口数ＮＡを式２で表すことができる。

ただし、Ｎ０は光入射面１３ｃａが接する媒体の屈折率（本実施形態の場合は空気Ｎ０＝１．０００とした）、θｉは、上述したように光ファイバ１３ｃの光入射面１３ｃａに対する撮像光ＢＭの入射角である。

近年では光ファイバ１３ｃを構成するガラス材料の進展が目覚ましく、コア部１３ｃｏとクラッド部１３ｃｌとの屈折率差が大きく異なるガラス材料が開発された。これにより、光ファイバの開口数ＮＡが増加し、ＮＡ＝１．０のものまで存在する。ＮＡ＝１．０となる構成例は、コア部１３ｃｏの屈折率Ｎ１＝１．８２０、クラッド部１３ｃｌの屈折率Ｎ２＝１．４９５である。ＮＡ＝１．０の構成では、式１を必ず満たすため、このような材料を用いることで光ファイバの透過率を高くすることができる。

しかし、図２（ａ）、（ｂ）のような光ファイバ束１３を構成するには、光ファイバ１３ｃを１つずつ所望の位置に配列する必要があるため製造が困難である。そのため、図３（ａ）、（ｂ）で示すような撮像装置２１の構成を採ることが考えられる。図３（ａ）は、撮像装置２１の模式図である。撮像装置２１は、撮像光学系であるボールレンズ２２、光ファイバ束２３、撮像素子であるセンサ２４を有している。光ファイバ束２３は、複数の光ファイバ２３ｃを有している。そして、複数の光ファイバ２３ｃの各軸方向は、センサ２４に対して垂直に配置され、ボールレンズ２２の光軸ＡＸに対して平行である。光ファイバ束２３の光入射面２３ａは、光ファイバ束２３の光入射面２３ａが撮像光学系１２の結像面と同じ形状にされている。これは、複数の光ファイバ２３ｃを束ねた後、光ファイバ束２３の光入射面２３ａをボールレンズ２２に対してほぼ凹面形状となるように光ファイバ束２３を削ることにより形成される。

このような光ファイバ束２３では、図３（ｂ）で示すように、光ファイバ２３ｃの光入射面２３ｃａが光ファイバ２３ｃの軸方向に対して傾く。具体的には、光ファイバ２３ｃの光入射面２３ｃａは、その面法線が光ファイバ２３ｃの軸方向に対して角度ψ傾いている。なお、光ファイバ束２３の光入射面２３ａの曲率半径が数ｍｍ乃至数十ｍｍであるのに対して、各光ファイバ２３ｃのピッチは数μｍである。よって、光ファイバ２３ｃの光入射面２３ｃａは光ファイバ束２３の光入射面２３ａの微小区間なので傾斜した平面と見なせる。

この場合、撮像光ＢＭは光ファイバ２３ｃの光入射面２３ｃａに対して入射角θｉで入射するが、図２（ｂ）の場合と比べて入射角θｉが小さくなる。その結果、光ファイバ２３ｃの光入射面２３ｃａから射出してコア部１３ｃｏとクラッド部１３ｃｌとの界面に入射する光の角度は撮像光ＢＭの角度から殆ど変更されない。つまり、コア部１３ｃｏとクラッド部１３ｃｌとの界面への入射角θｂは図２（ｂ）の場合と比べて小さくなり、式１に示した全反射条件を満足できなくなる。そのため、撮像光ＢＭはクラッド部１３ｃｌに侵入し、光ファイバ２３ｃの外へ放出され、光ファイバ２３ｃの光射出面２３ｃｂへは到達しない。

そして、光ファイバ２３ｃの光入射面２３ｃａの法線の光ファイバ２３ｃの軸方向に対する傾きは、光ファイバ束２３の中心部よりも周辺部で大きくなり、光ファイバ束２３の周辺部で光ファイバ２３ｃの透過率が低下する。それに伴い、撮像素子の周辺部の画素において、受光する光量が低下する。

この課題を解決するために、本実施形態の撮像装置１において、図１（ａ）、（ｃ）で示すように、光ファイバ３ｃの軸方向がボールレンズ２の光軸ＡＸに対して傾斜した構成となっている。図１（ｃ）は、光ファイバ３ｃの構成を示している。この光ファイバ３ｃを光軸ＡＸと平行ではなく、光軸ＡＸに対して傾斜させることで、撮像光ＢＭの入射角θｉが図３（ｂ）の構成と同じであっても、コア部３ｃｏとクラッド部３ｃｌとの界面への入射角θｂが大きくすることができる。このため、光ファイバ３ｃの透過率の低下は抑制される。

さらに、図４、５を用いて光ファイバ３ｃのボールレンズ２の光軸ＡＸに対する傾斜角αについて説明する。図４で、傾斜角αは光ファイバ３ｃの軸ＶＦと光軸ＡＸとがなす、０．００以上９０．００［ｄｅｇ］未満の角度である。ただし、本実施形態の光ファイバ３ｃはテーパー型光ファイバであり、光ファイバ３ｃのコア部３ｃｏの太さが場所によって異なっている。また、光ファイバ３ｃの形状は、直線状でもよいし、湾曲状であってもよい。また、本実施形態では、図５（ａ）のように、光ファイバ束３を構成する光ファイバ３ｃが、光軸ＡＸと平行でない部分と光軸ＡＸに平行な部分とで構成される形態でもよい。このため、光ファイバ３ｃの軸ＶＦを図５（ｂ）を用いて、以下のように定義する。光ファイバ３ｃ軸ＶＦは、光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａにあるコア部３ｃｏの断面の中心Ａと中心Ａから光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａのコア部３ｃｏの径の大きさＬだけコア部３ｃｏの内部にあるコア部３ｃｏの断面ＳＢの中心点Ｂとを結ぶ直線とする。

図４において、βは光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａの傾斜角である。具体的には、傾斜角βは、光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａの法線ＶＲと光軸ＡＸとがなす、０．００以上９０．００［ｄｅｇ］未満の角度である。本実施形態では、光ファイバ３ｃは、傾斜角αよりも傾斜角βが大きくなるように構成されている。つまり、α＜βである。なお、光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａは、光ファイバ束３の光入射面３ａに対して微小領域であるため平面とみなす。

図４において、ωは、光ファイバ３ｃに入射する撮像光学系からの主光線ＰＲの角度である。具体的には、角度ωは、ボールレンズ２の射出瞳の中心点ＰＥと光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａにあるコア部３ｃｏの中心点Ａ（図５（ｂ）参照）とを結ぶ直線と光軸ＡＸとがなす、０．００以上９０．００［ｄｅｇ］未満の角度である。本実施形態では、光ファイバ３ｃに、傾斜角αよりも大きな角度ωの主光線ＰＲを入射させている。つまり、α＜ωである。

本実施形態では、光ファイバ３ｃの傾斜角αが、角度ωを有する主光線ＰＲに対して光ファイバ３ｃ内で全反射する条件を満たすように、光ファイバ３ｃを構成することで、任意の光ファイバ３ｃの透過率の低下を抑制している。全反射条件は、具体的には、以下のように導かれる。まず、光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａにおいて、スネルの法則から式３を満たす。
Ｎ０ｓｉｎθｉ＝Ｎ１ｓｉｎθｏ ・・・式３
ここで、Ｎ０は、光入射面が接する媒体の屈折率（本実施形態の場合は空気Ｎ０＝１．０００とした）、θｉは、光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａに対する主光線ＰＲの入射角である。また、Ｎ１は、コア部３ｃｏの屈折率、θｏは、光入射面３ａでの主光線ＰＲの屈折角である。さらに、光ファイバ３ｃのコア部３ｃｏとクラッド部３ｃｌとの界面における全反射条件は式４のように表される。

ここで、Ｎ２は、クラッド部３ｃｌの屈折率、θｌは、コア部３ｃｏとクラッド部３ｃｌの界面への屈折された主光線の入射角である。なお、角度θｉとθｏとθｌは、α、β、ωと補助的に記された図４の角度θｋ、θｍを用いると、以下の式５乃至７のように表される。
θｉ＝ω−β ・・・式５
θｌ＋θｋ＝９０．００ｄｅｇ ・・・式６
θｋ＝θｏ＋θｍ＝θｏ＋（β―α） ・・・式７
式３乃至７を用いると、光ファイバ３ｃの傾斜角αが満たすべき全反射条件が以下の式８のように導かれる。

また、光軸ＡＸに近い光ファイバ３ｃでは、傾斜角β、角度ωが小さく、式８の左辺は負の値を採る場合がある。一方、光ファイバ３ｃの傾斜角αの上限は、主光線ＰＲの射出角ωである。これは、光ファイバ束３の製造方法にもよるが、画角±４７．００［ｄｅｇ］を超えるような撮像光学系を用いる場合には、光ファイバ３ｃの傾斜角αが主光線の角度ω以上とすることが困難なためである。その点を踏まえると、光ファイバ３ｃの傾斜角αが、下記の式９を満たすように、光ファイバ３ｃが構成される。

ここで、ｍａｘ｛Ａ，Ｂ｝はＡとＢのうち大きい方の値を採るという意味の関数である。なお、光軸ＡＸ上に光ファイバ３ｃがある場合は、その光ファイバの傾斜角αは０．００［ｄｅｇ］に設定される。その場合、式９を満たさないが、それ以外の光ファイバ３ｃはそれぞれ上記式９を満たすように構成されている。

光ファイバ束３のうち、撮像光学系（ボールレンズ２）の光軸ＡＸ上から離れた位置にある光ファイバ３ｃが式９を満たすような傾斜角αを満たすことで、その光ファイバ３ｃの透過率の低下を抑制することができる。その結果、撮像素子（センサ４）の画素が受光する光量の低下を抑制することができる。

また、光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａの位置と光軸ＡＸとの間の距離に応じて、つまり、光ファイバ３ｃで取り込む撮像光ＢＭの主光線ＰＲの射出角ωや光入射面３ｃａの傾斜角βに応じて、光ファイバ３ｃの傾斜角度αが設定される。これは、光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａの位置と光軸ＡＸとの間の距離が大きくなると、式９の変数である射出角ω、傾斜角βが大きくなるためである。具体的には、光ファイバ３ｃの傾斜角度αは、光軸ＡＸに対して光入射面３ｃａの位置が相対的に遠い光ファイバ３ｃの方が、相対的に近い光ファイバ３ｃよりも、大きくすることが好ましい。この構成であれば、容易に光ファイバ束３を製造することが可能となる。

なお、撮像素子であるセンサ４は、ＣＭＯＳセンサであってもよいしＣＣＤセンサであってもよい。

本実施形態では、光ファイバ束３の光入射面３ａを球面形状としたが、これに限ったものではなく、放物面や非球面でもよい。その面の曲率中心を算出する際は、ベース球面若しくは近軸の曲率半径を用いればよい。

＜数値例１＞
表１に本実施形態の撮像装置における数値例を示す。

表１には、射出角ωが０．００乃至６０．００［ｄｅｇ］の各主光線に対する各数値が示されている。射出角ω＝０．００［ｄｅｇ］は光軸と平行であることを意味している。射出角ωが大きくなればなるほど、光ファイバ３ｃの位置が光軸ＡＸからより離れることを意味している。光軸ＡＸから離れた位置にある（ω＝０．００［ｄｅｇ］以外の）各光ファイバ３ｃの傾斜角αは、式９を満たすように設定されている。表１の傾斜角αとすることで、光ファイバ束３を容易に製造することが可能である。また、本数値例では、光ファイバ束３の光入射面３ａの曲率中心と撮像光学系２の射出瞳の中心ＰＥとを一致させており、射出角ωと光ファイバ３ｃの光入射面３ａの傾斜角βは各光ファイバ３ｃにおいて同じ値としている。

なお、本数値例では、光ファイバ３ｃの傾斜角αは、光軸ＡＸと平行光であることを意味する射出角ω＝０．００［ｄｅｇ］の場合を除き、上限値よりも小さく下限値以上に設定されており、式９を満足している。これにより、光ファイバ束３に入射する全ての撮像光ＢＭの主光線ＰＲに対して光ファイバ３ｃ内で全反射条件を満足させることができるので、撮像光学系が結像させた像を撮像素子へ伝送する際の光量の低下を低減することができる。特に、画角が±３０．００［ｄｅｇ］を超える広角撮像光学系、画角が±４７．００［ｄｅｇ］を超える超広角撮像光学系においては射出角ωも大きくなる傾向にある。光ファイバ３ｃの傾斜角αが式９を満たすように光ファイバ３ｃを構成することにより、射出角ωが大きい光ファイバ束３の周辺部においても光ファイバ３ｃの透過率の低下を軽減することができる。

また、本数値例の光ファイバ束３は、光入射面３ａ側の光ファイバ３ｃのコア部３ｃｏの口径が相対的に小さく、光射出面３ｂ側の光ファイバ３ｃのコア部３ｃｏの口径が相対的に大きい。このため、各光ファイバ３ｃの間隔を均一に保ちながら光ファイバ３ｃを傾斜できるので、光ファイバ３ｃの傾斜角αを安定して所望な角度に容易に設定することができる。

また、撮像光学系は点対称性を有するボールレンズ２でなくてもよい。例えば、撮像光学系が、絞りと、絞りより光入射側に配置された前群レンズと、絞りより光射出側に配置された後群レンズと、を有する複数のレンズ群で構成されていてもよい。さらに、その前群レンズとして、前群レンズの最強パワーを有するレンズ面の曲率中心が絞りの中心近傍に位置する光学系を用いてもよい。また、後群レンズとして、後群レンズの最強パワーを有するレンズ面の曲率中心が絞りの中心近傍に位置する光学系を用いてもよい。なお、絞りの中心近傍とは、絞りの中心から主光線の波長の長さを半径とした球内に含まれる範囲をいう。また、前群レンズ、後群レンズはそれぞれ、一つのレンズでもよいし、複数のレンズで構成されていてもよい。

（実施形態２）
本実施形態の撮像装置（結像光学装置）は、撮像光ＢＭ中の全光線が光ファイバ束３の各光ファイバ３ｃ中で全反射できる構成とした点で、実施形態１と異なっている。具体的には、実施形態２では、光ファイバ３ｃが満たす全反射条件の式が実施形態１と異なっており、それ以外は実施形態１と同じであり、撮像装置の模式図の構成は図１と同じである。

図６は、本実施形態の光ファイバ３ｃの傾斜角αについて説明するための図である。本実施形態では、上述したように、全光線が光ファイバ束３の各光ファイバ３ｃ中で全反射できるために、主光線ＰＲの他、下側マージナル光線ＭＲが光ファイバ３ｃ内で全反射するための条件を考える。なお、１つの光ファイバ３ｃには、撮像光ＢＭとしては、下側マージナル光線ＭＲから上側マージナル光線（不図示）まで含まれる光線が入射する。

撮像光の主光線ＰＲは、撮像光学系の射出瞳の中心点ＰＣから射出され、撮像光学系の結像面に結像している。一方、下側マージナル光線ＭＲは射出瞳の下端からから射出され、結像面上の主光線と同じ結像点に集光している。ここで、結像点に向かう主光線ＰＲと下側マージナル光線ＭＲとのなす角度をマージナル光線角ρとして図示している。

光ファイバ３ｃ内で下側マージナル光線ＭＲを全反射するためには、図６と図４を比べると分かるように、式５の入射角θｉを、ω−βではなく、ω−βにマージナル光線角ρを加えたω−β＋ρとして計算すればよい。つまり、本実施形態において、光軸ＡＸから離れた位置にある光ファイバ３ｃは、光ファイバ３ｃの傾斜角αが下記式１０満たすように構成されている。なお、実施形態１と同様に、光軸ＡＸ上にある光ファイバ３ｃの傾斜角αは０．００［ｄｅｇ］に設定されている。

光ファイバ束３のうち、撮像光学系（ボールレンズ２）の光軸ＡＸ上から離れた位置にある光ファイバ３ｃが式１０を満たすような傾斜角αを満たすことで、実施形態１と比べて光ファイバ３ｃの透過率の低下をより抑制することができる。その結果、実施形態１と比べて撮像素子（センサ４）の画素が受光する光量の低下をより抑制することができる。

＜数値例２＞
表２に本実施形態の撮像装置における数値例を示す。

表２には、射出角ωが０．００乃至６０．００［ｄｅｇ］の各撮像光に対する各数値が示されている。射出角ω＝０．００［ｄｅｇ］は光軸と平行であることを意味している。射出角ωが大きくなればなるほど、光ファイバ３ｃの位置が光軸ＡＸからより離れることを意味している。光軸ＡＸから離れた位置にある（ω＝０．００［ｄｅｇ］以外の）各光ファイバ３ｃの傾斜角αは、式１０を満たすように設定されている。表２の傾斜角αとすることで、光ファイバ束３を容易に製造することが可能である。また、本数値例では、光ファイバ束３の光入射面３ａの曲率中心と撮像光学系２の射出瞳の中心ＰＥとを一致させており、射出角ωと光ファイバ３ｃの光入射面３ａの傾斜角βは各光ファイバ３ｃにおいて同じ値としている。

なお、本数値例では、光ファイバ３ｃの傾斜角αは、光軸ＡＸと平行光であることを意味する射出角ω＝０．００［ｄｅｇ］の場合を除き、上限値よりも小さく下限値以上に設定しており、式１０を満足している。本数値例では、光ファイバ３ｃ内で全反射させる対象を数値例１の時の主光線ＰＲではなく、下側マージナル光線ＭＲまで広げている。この下側マージナル光線ＭＲは、撮像光ＢＭのうち光ファイバ３ｃの軸方向に対して最も傾斜した角度で光ファイバ３ｃに入射するため、撮像光ＢＭの全光線中で最も全反射し難い光線である。式１０を満足すれば、全ての撮像光ＢＭの全ての光線が光ファイバ３ｃのコア部３ｃｏとクラッド部３ｃｌとの界面で全反射して光ファイバ３ｃを伝搬し、撮像素子に到達させることができる。これにより、光ファイバ３ｃの透過率の低減をより低減し、センサ４の周辺部の画素における光量の低下を抑制することができ、周辺画角まで明るい高品位な画像を提供することができる。特に、画角が±３０．００［ｄｅｇ］を超える広角撮像光学系、画角が±４７．００［ｄｅｇ］を超える超広角撮像光学系においては射出角ωも大きくなる傾向にある。光ファイバ３ｃの傾斜角αが式９を満たすように光ファイバ３ｃを構成することにより、射出角ωが大きい光ファイバ束３の周辺部においても光ファイバ３ｃの透過率の低下を大幅に軽減することができる。

＜数値例３＞
表３に本実施形態の撮像装置における別の数値例を示す。

表３には、射出角ωが０．００乃至６０．００［ｄｅｇ］の各撮像光に対する各数値が示されている。射出角ω＝０．００［ｄｅｇ］は光軸と平行であることを意味している。射出角ωが大きくなればなるほど、光ファイバ３ｃの位置が光軸ＡＸからより離れることを意味している。光軸ＡＸから離れた位置にある（ω＝０．００［ｄｅｇ］以外の）各光ファイバ３ｃの傾斜角αは、式１０を満たすように設定されている。

本数値例では、撮像光学系２の結像面は、撮像光学系２の射出瞳の中心ＰＥ位置よりも物体側に曲率中心を有する球面形状とする。それに合わせて、光ファイバ束３の光入射面３ａは、撮像光学系２の射出瞳の中心ＰＥよりも物体側に曲率中心を有する球面形状としている。つまり、β＝ωではなく、β＜ωである。具体的には、撮像光学系２の射出瞳の中心ＰＥから光ファイバ束３の光入射面３ａまでの距離が１０．００［ｍｍ］であるのに対して、光ファイバ束３の光入射面３ａの曲率半径を１３．００［ｍｍ］としている。これにより、光ファイバ束３の光入射面３ａの曲率中心が撮像光学系２の射出瞳の中心ＰＥよりも物体側に３．００［ｍｍ］の位置に配置されている。

数値例２では、β＝ωであるため、主光線ＰＲは光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａに垂直に入射し、光入射面３ｃａで屈折せずに光ファイバ３ｃ内を射出角ωのままの角度で通過する。マージナル光線ＭＲも光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａで屈折はするが、その屈折角が小さい。こうした場合、光ファイバ３ｃのコア部３ｃｏとクラッド部３ｃｌへの入射角は鋭角となり全反射条件を満たすためには、光ファイバ３ｃの傾斜角αを大きく設定する必要がある。

本数値例のように、β＜ωとする場合、光ファイバ３ｃの光入射面３ａにおいて主光線ＰＲを光ファイバ３ｃの傾斜角αに近づく方向に屈折させることができる。また、マージナル光線ＭＲも光ファイバ３ｃの光入射面３ａで屈折し、光ファイバ３ｃの傾斜角αにより近づく方向に屈折させることができる。これにより、光ファイバ３ｃのコア部３ｃｏとクラッド部３ｃｌへの入射角は鈍角となり全反射条件を満たし易くなり、光ファイバ３ｃの傾斜角αを小さく設定することができるようになる。

なお、本数値例では、光ファイバ３ｃの傾斜角αは、光軸上である射出角ω＝０．００［ｄｅｇ］を除き、常に上限値よりも小さく下限値以上に設定しており、式１０を満足している。これにより、光ファイバ３ｃの透過率の低減をより低減することができる。

（実施形態３）
図７は、本実施形態に係る撮像装置（結像光学装置）３１の一例を示す模式図である。本実施形態の撮像装置は、実施形態２の撮像装置１とは、撮像光学系の構成と像伝送手段である光ファイバ束の構成が異なる。

具体的には、本実施形態の撮像装置３１における撮像光学系３２は複数のレンズ３２ａ、３２ｂから構成されている。そして、この撮像光学系３２により、入射瞳ＰＩへ入射した撮像光ＢＭを射出瞳ＰＥから射出させている。

光ファイバ束３３は、複数の光ファイバ３３ｃで構成されている。光ファイバ３３ｃは光入射面３３ａ側と光射出面３３ｂ側とでそのコア部の径が等しい光ファイバである。光ファイバ束３の光入射面３３ａ側では光ファイバ３３ｃは密に形成されている。一方、光射出面３３ｂ側では光ファイバ３３ｃが疎となるように、隙間３３ｄが形成されている。これにより、光ファイバ３３ｃの軸方向が撮像光学系３２の光軸ＡＸへ向けて傾斜するように構成されている。

この場合でも、光軸ＡＸから離れた光ファイバ３３ｃの傾斜角αが式１０を満たすように、各光ファイバ３３ｃが構成されていればよい。全ての撮像光ＢＭの全ての光線が光ファイバ３３ｃのコア部３ｃｏとクラッド部３ｃｌとの界面で全反射して光ファイバ３３ｃを伝搬し、撮像素子に到達させることができる。ただし撮像光学系の光軸ＡＸ上は光ファイバの傾斜角α＝０．００［ｄｅｇ］に設定しており除外する。

＜数値例４＞
表４に本実施形態の撮像装置における数値例を示す。

表４には、射出角ωが０．００乃至６０．００［ｄｅｇ］の各撮像光に対する各数値が示されている。射出角ω＝０．００［ｄｅｇ］は光軸と平行であることを意味している。射出角ωが大きくなればなるほど、光ファイバ３ｃの位置が光軸ＡＸからより離れることを意味している。光軸ＡＸから離れた位置にある（ω＝０．００［ｄｅｇ］以外の）各光ファイバ３３ｃの傾斜角αは、式１０を満たすように設定されている。表４の傾斜角αとすることで、光ファイバ束３３を容易に製造することが可能である。また、数値例３と同様に、光ファイバ束３３の光入射面３３ａは、撮像光学系３２の射出瞳の中心ＰＥよりも物体側に曲率中心を有する球面形状としている。つまりβ＜ωとしている。

なお、本数値例では、光ファイバ３３ｃの傾斜角αは、光軸ＡＸと平行光であることを意味する射出角ω＝０．００［ｄｅｇ］を除き、常に上限値よりも小さく下限値以上に設定しており、式１０を満足している。

また、本実施形態の光ファイバ束３３ではストレート型の光ファイバ３３ｃを採用している。このため、光ファイバ束３３の光入射面３３ａにおいて中心部と周辺部とで光ファイバ３３ｃのピッチがほぼ等しくなり、光ファイバ３３ｃに入射する光量を略同一とすることで、撮像素子に入射する光量の像高依存性を軽減することができる。これにより、周辺光量落ちが少ない高品位な画像を提供することができる。

また、光ファイバ３３ｃ同士の隙間３３ｄに空気を配置すれば、光ファイバ束３３は光入射面３３ａ近傍以外の場所は自由に動かすことも可能となり、フレキシブルな光ファイバ束３３を構成することも可能となる。これは、ファイバースコープなどに利用可能である。

本発明は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ、携帯電話用カメラ、監視カメラ、ファイバースコープなど、撮像装置を用いる製品に利用可能である。

１ 撮像装置
２ 撮像光学系
３ 光ファイバ束
３ｃ 光ファイバ
４ 撮像素子

Claims (13)

1. 撮像光学系と、撮像素子と、前記撮像光学系からの光を前記撮像素子へと導く複数の光ファイバにより構成される光ファイバ束と、を有する撮像装置であって、
   前記光ファイバ束の光入射面は、前記撮像光学系に対して凹面であり、
   前記複数の光ファイバのうち前記撮像光学系の光軸から離れた光ファイバは、下記の式を満たすことを特徴とした撮像装置。
   

   

   
   ただし、αは前記撮像光学系の光軸に対する前記光ファイバの傾斜角、βは前記撮像光学系の光軸に対する前記光ファイバの光入射面の傾斜角、ωは前記光ファイバに入射する前記撮像光学系からの主光線の、前記撮像光学系の光軸に対する角度、Ｎ１は前記光ファイバのコア部の屈折率、Ｎ２は前記光ファイバのクラッド部の屈折率である。
2. 前記撮像光学系の光軸から離れた光ファイバは、下記の式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
   

   

   
   但し、ρは前記光ファイバに入射する前記撮像光学系からのマージナル光線の前記撮像光学系の光軸に対する角度である。
3. 前記撮像光学系の光軸から離れた光ファイバは、β＜ωを満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記光ファイバ束は、前記光入射面の曲率中心が前記撮像光学系の射出瞳の中心よりも物体側になるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記複数の光ファイバのコア部は、前記撮像素子に垂直な断面において、格子状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記撮像光学系の光軸に近い光ファイバと前記撮像光学系の光軸から遠い光ファイバとで、光ファイバの傾斜角度が異なることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記撮像光学系の光軸に近い光ファイバよりも前記撮像光学系の光軸から遠い光ファイバの方が、光ファイバの軸方向の傾斜角度が大きいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記撮像光学系の光軸に対する前記光ファイバの軸方向の傾斜角度とは、前記光ファイバの光入射面にあるコア部の中心と前記中心から前記光ファイバの光入射面のコア部の径の大きさだけコア部の内部にあるコア部の断面の中心とを結ぶ直線と前記撮像光学系の光軸とがなす、０．００以上９０．００［ｄｅｇ］未満の角度である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 前記撮像光学系の光軸に対する前記光ファイバの入射面の傾斜角度とは、前記光ファイバの光入射面の法線と前記撮像光学系の光軸とがなす、０．００以上９０．００［ｄｅｇ］未満の角度である請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
10. 前記光ファイバに入射する前記撮像光学系からの主光線の、前記撮像光学系の光軸に対する角度とは、前記撮像光学系の射出瞳の中心点と前記光ファイバの光入射面にあるコア部の中心とを結ぶ直線と前記撮像光学系の光軸とのなす、０．００以上９０．００［ｄｅｇ］未満の角度である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
11. 前記撮像光学系は、絞りと、前記絞りより光入射側に配置された前群レンズと、前記絞りより光射出側に配置された後群レンズと、を有し、
    前記前群レンズの最強パワーを有するレンズ面の曲率中心が前記絞りの中心近傍に位置していることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
12. 前記後群レンズの最強パワーを有するレンズ面の曲率中心が前記絞りの中心近傍に位置していることを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置。
13. 前記撮像光学系は、点対称性を有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の撮像装置。

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