JP2016005198A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像素子での結像効率を向上した撮像装置を提供することを目的とする。【解決手段】 光ファイバ３ｃは、コア部３ｃｏとクラッド部３ｃｌとを有し、光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａのコア部３ｃｏの径よりも光ファイバ３ｃの光射出面３ｃｂのコア部３ｃｏの径の方が大きく、撮像光学系３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（光導波路部材）により構成された光ファイバ束（光導波体）を備え、光ファイバを介して撮像光が撮像素子（撮像手段）に入射する撮像装置が開発されている。

特許文献１には、光導波体を構成する光導波路部材として、光入射面と光射出面の大きさが異なる光導波路部材を用いた撮像装置が開示されている。この撮像装置では、光導波体の小さい側の端面を光入射面とし、光射出面である光導波体の大きい側の端面に撮像手段を備えている。

特開平７−０８７３７１号公報

特許文献１では以下のような問題が生じる。すなわち、光導波路部材へ入射する撮像光の入射角よりも光軸に対する光導波路部材の軸の傾斜角が大きい場合には、光導波路部材から射出する撮像光の出射角を入射角よりも小さくすることはできない。このため、撮像光の撮像素子への入射角が大きくなり、撮像光と撮像素子の画素との結像効率が低下する。特に、撮像光の入射角が大きくなる撮像素子の周辺部では、結像効率の低下が顕著に表れる。
本発明は、撮像素子での結像効率を向上した撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は、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、前記光ファイバは、コア部と前記コア部の周りに配置されたクラッド部とを有し、前記光ファイバの光入射面のコア部の径よりも前記光ファイバの光射出面のコア部の径の方が大きく、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。

０≦α_ｉ＜ω_ｉ
ただし、α_ｉは、前記光入射面における前記撮像光学系の光軸から離れた光ファイバの傾斜角、ω_ｉは、前記撮像光学系の光軸から離れた光ファイバに入射する前記撮像光学系からの主光線の入射角である。

本発明によれば、撮像素子での結像効率を向上した撮像装置を提供することができる。

実施形態１に係る撮像装置の一例を示す模式図 本発明に用いられる光ファイバの構成の一例を示す図 実施形態１の光ファイバ束を構成する光ファイバ内を伝搬する光について説明する図 実施形態２に係る撮像装置の一例を示す模式図 実施形態３に係る撮像装置の一例を示す模式図 実施形態４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）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、撮像光学系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、撮像光学系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、撮像光学系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を撮像光学系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には、撮像光学系２の射出瞳の中心を通る主光線ＰＲや、上側マージナル線ＮＲ、下側マージナル線ＭＲが含まれる。

光ファイバ束３の光入射面３ａ、光射出面３ｂはともに平面形状である。また、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の周辺部にある各光ファイバ３ｃは、その軸が撮像光学系２の光軸ＡＸに対して傾斜した構成となっている。その傾斜角は、その光ファイバ３ｃに入射する撮像光ＢＭが光ファイバ３ｃ内で全反射する条件を満たすように設定されている。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、撮像光学系２の光軸ＡＸは、撮像光学系２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。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２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の間に配置されていれば、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をそれぞれ伝搬した撮像光ＢＭを受光する構成であってもよい。

また、本実施形態の光ファイバ３ｃは、その光入射面３ｃａにおける光ファイバ３ｃの傾斜角と光射出面３ｃｂにおける光ファイバ３ｃの傾斜角とが一致している。光入射面３ｃａにおける光ファイバ３ｃの傾斜角とは、図２（ａ）で示すように、光入射面３ｃａにおける光ファイバ３ｃの軸ＶＦと光軸ＡＸとのなす、０．０［ｄｅｇ］以上９０．０［ｄｅｇ］未満の角度α_ｉである。軸ＶＦは、以下のように定義する。すなわち、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。

一方、光射出面３ｃｂにおける光ファイバ３ｃの傾斜角とは、図２（ｂ）で示すように、光射出面３ｃｂにおける光ファイバ３ｃの軸ＶＥと光軸ＡＸとのなす、０．０以上９０．０［ｄｅｇ］未満の角度α_ｏである。軸ＶＥは、以下のように定義する。すなわち、軸ＶＥは、光ファイバ３ｃの光射出面３ｃｂにあるコア部３ｃｏの断面の中心Ｃと中心Ｃから光ファイバ３ｃの光射出面３ｃｂのコア部３ｃｏの径の大きさＴだけコア部３ｃｏの内部にあるコア部３ｃｏの断面ＳＤの中心点Ｄとを結ぶ直線とする。本実施形態の光ファイバ３ｃは、傾斜角α_ｏと傾斜角α_ｉとが等しい。つまり、α_ｏ＝α_ｉである。

図２（ｃ）は、光ファイバ束３を構成する光ファイバ３ｃの中を光が伝搬する様子を示す。ただし、図２（ｃ）では、光軸ＡＸ上に配置された光ファイバ３ｃについて図示されており、光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａにおける傾斜角α_ｉと光入射面３ｃａにおける傾斜角α_ｏとがともに０である。入射角θ_ｉで入射する光ＢＭ_ｉは、コア部３ｃｏとクラッド部３ｃｌとの界面で全反射されることで、コア部３ｃｏ内を伝搬する。この光ファイバ３ｃは、光入射面３ｃａにおけるコア部３ｃｏの径Ｄ_ｉよりも光射出面３ｃｂにおけるコア部３ｃｏの径Ｄ_ｏが大きくなる構成である。ここで、Ｄ_ｏ／Ｄ_ｉを、光ファイバ３ｃのテーパー比Ｒという。図２（ｃ）で示すように、本実施形態では、各光ファイバ３ｃのテーパー比Ｒは１より大きい。

上述した構成の光ファイバ３ｃ内を伝搬する光は、入射角θ_ｉよりも小さい射出角θ_ｏに変換されて射出光ＢＭ_ｏとして射出される。射出角θ_ｏは、テーパー比Ｒと入射角θ_ｉを用いて、以下の式１で表される。
ｓｉｎ（θ_ｏ）＝ｓｉｎ（θ_ｉ）／Ｒ ・・・式１
図３は、本実施形態における光ファイバ束３の光軸ＡＸから離れた光ファイバ３ｃを伝搬する光の様子を示している。撮像光学系２の射出瞳の中心ＰＥから射出され、光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａへ入射する入射光ＢＭ_ｉの入射角をω_ｉとする。ここで、光ＢＭ_ｉとは、図１（ａ）に示した撮像光ＢＭの主光線ＰＲを指す。また、この入射光ＢＭ_ｉが光ファイバ３ｃを伝搬し、光射出面３ｃｂから射出される射出光ＢＭ_ｏの射出角をω_ｏとする。

本実施形態において、光入射面３ｃａにおける光ファイバ３ｃの軸ＶＦと光軸ＡＸとの交点ＰＦは、撮像光学系２の射出瞳の中心ＰＥよりも物体側に配置されている。つまり、光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａにおける傾斜角α_ｉはω_ｉよりも小さい。式で表すと、０≦α_ｉ＜ω_ｉである。光軸ＡＸ上の光ファイバ３ｃが、α_ｉ＝０に対応している。それ以外の、光軸ＡＸから離れた位置にある光ファイバ３ｃは、０＜α_ｉ＜ω_ｉを満たしている。このため、入射光ＢＭ_ｉは、光ファイバ３ｃ内を伝搬し、射出角ω_ｏに変換され、射出光ＢＭ_ｏとして射出される。射出角ω_ｏは、下記の式２で表される。

ただし、α_ｉは、光入射面３ｃａにおける撮像光学系２の光軸ＡＸから離れた位置にある光ファイバ３ｃの傾斜角である。ω_ｉは、撮像光学系２の射出瞳の中心ＰＥを通る主光線の、光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａに入射する、０．０以上９０．０［ｄｅｇ］未満の角度の入射角である。Ｒは、光ファイバ３ｃの光射出面３ｃｂのコア部３ｃｏの径の光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａのコア部３ｃｏの径に対する比の値（テーパー比の値）である。

式２から分かるように、テーパー比の値Ｒは１より大きいため、射出角ω_ｏは、傾斜角α_ｉに近づく。上述したように、α_ｉ＜ω_ｉであるためα_ｉ＜ω_ｏ＜ω_ｉのようになり、射出角ω_ｏは入射角ω_ｉよりも小さい角度に変換される。センサ４の受光面が光軸ＡＸと垂直に設けられているため、この射出角ω_ｏで光ファイバ３ｃから射出された光は、センサ４の受光面に垂直な方向に対して入射角ω_ｏの光としてセンサ４の受光面に入射する。

一般的に、ＣＭＯＳなどを用いたセンサ４では、受光面に垂直な方向からの入射光に対する受光感度が最も高く、その方向からの傾いた角度が大きくなるほど入射光に対する受光感度が落ちてしまう。本実施形態の光ファイバ束３を用いれば、光ファイバ束３がない場合に比べて、センサ４の受光面に入射する光の入射角を小さくすることができる。このため、本実施形態の光ファイバ束３によって、撮像光ＢＭとセンサ４の各画素の結合効率を向上させることができる。

一方、α_ｉ＞ω_ｉの場合を考える。この場合も射出角ω_ｏは傾斜角α_ｉに近づく。すると、α_ｉ＞ω_ｉであるためα_ｉ＞ω_ｏ＞ω_ｉのようになり、射出角ω_ｏは入射角ω_ｉよりも大きい角度に変換されることになる。このため、α_ｉ＞ω_ｉである光ファイバ束を用いると、光ファイバ束がない場合に比べて、センサの受光面に入射する光の入射角が大きくなってしまう。この結果、撮像光とセンサの各画素の結合効率が低下してしまう。

一般的なセンサ４では、センサ４への入射光の入射角が０．０［ｄｅｇ］で最大の受光感度となり、±１５．０［ｄｅｇ］で最大受光感度の８０％程度、±２０．０［ｄｅｇ］で最大受光感度の５０％程度、±３０．０［ｄｅｇ］で最大受光感度の１０％程度となる。すなわち、センサ４で効率良く撮像するためには、センサ４への入射角、つまり、光ファイバ３ｃの光射出面３ｃｂからの射出角ω_ｏは、３０．０［ｄｅｇ］以内であることが好ましく、２０．０［ｄｅｇ］以内であることがより好ましい。さらには、射出角ω_ｏは、１５．０［ｄｅｇ］以内であることが最適である。つまり、光軸から離れた光ファイバ３ｃが、以下の式３乃至式５のいずれかを満たすことが好ましい。

なお、センサ４の受光感度が最大受光感度の１０％となるセンサ４への入射角をθ_Ａとする。また、センサ４の受光感度が最大受光感度の５０％となるセンサ４への入射角をθ_Ｂとする。また、センサ４の受光感度が最大受光感度の８０％となるセンサ４への入射角をθ_Ｃとする。この場合、光軸から離れた光ファイバ３ｃが、式６乃至８のいずれかを満たすようにしてもよい。

例えば、最も光軸ＡＸから離れた光ファイバ３ｃにおいて、撮像光の主光線の入射角ω_ｉが４０．０［ｄｅｇ］とする。この場合、傾斜角α_ｉが２０．０［ｄｅｇ］、テーパー比の値Ｒが２．０とすれば、式２から射出角ω_ｏは、２９．８［ｄｅｇ］となり、最も光軸ＡＸから離れた光ファイバ３ｃでも、式３、式６を満たす。

このように、光軸ＡＸから離れた光ファイバ３ｃにおいて、その傾斜角α_ｉ、テーパー比の値Ｒを適宜設定することで、式３乃至８のいずれかを満たすことができる。なお、光軸ＡＸ上にある光ファイバ３ｃでは、α_ｉ、ω_ｉがともに０であるため、ω_ｏは０となる。

また、テーパー比の値Ｒが２．０以上とすることで、射出角ω_ｏをより小さくすることができる。光ファイバ３ｃの位置によってテーパー比の値Ｒを変える場合は、光ファイバ３ｃの光入射面３ｃａのコア部の径Ｄ_ｉのみを変えてもよいし、光ファイバ３ｃの光射出面３ｃｂのコア部の径Ｄ_ｏのみを変えてもよいし、その両方を変えてもよい。

テーパーの比の値Ｒは、全ての光ファイバ３ｃで共通でもよいし、個別に変えられていてもよい。特に光ファイバ束３の周辺部にある光ファイバ３ｃでは入射角ω_ｉが大きくなるため、光軸ＡＸに相対的に近い位置にある光ファイバ３ｃに比べて光軸ＡＸから相対的に遠い位置にある光ファイバ３ｃの方が、テーパーの比の値Ｒが大きいことが好ましい。これにより、光ファイバ束３の周辺部にある光ファイバ３ｃに対応するセンサ４の画素と撮像光との結合効率をより向上させることができる。さらには、光ファイバ３ｃの位置が光軸ＡＸから離れるほど、光ファイバ３ｃのテーパー比の値Ｒが大きくなることが好ましい。

また、傾斜角α_ｉは全ての光ファイバ３ｃで共通でもよいし、個別に変えられていてもよい。特に、光軸ＡＸに相対的に近い位置にある光ファイバ３ｃに比べて光軸ＡＸから相対的に遠い位置にある光ファイバ３ｃの方が、傾斜角α_ｉが小さくなるように光ファイバ束３を構成することが好ましい。これにより、光ファイバ束３の周辺部にある光ファイバ３ｃに対応するセンサ４の画素と撮像光との結合効率をより向上させることができる。さらには、光ファイバ３ｃの位置が光軸ＡＸから離れるほど、光ファイバ３ｃの傾斜角α_ｉが小さくなることがより好ましい。

また、センサ４の中央部と周辺部で、撮像光と画素との結合効率の差が小さくなるように、各光ファイバ３ｃのテーパーの比の値Ｒ及び傾斜角α_ｉを適宜設定されていることが好ましい。

（実施形態２）
図４（ａ）には、本実施形態の撮像装置１１の一例を示す模式図が示されている。本実施形態は、実施形態１とは、光ファイバ束の構成が異なっており、それ以外は実施形態１と同じである。具体的には、撮像装置１１の光ファイバ束１３は、光ファイバ１３ｃの光入射面１３ｃａにおける傾斜角α_ｉと光ファイバ１３ｃの光射出面１３ｃｂにおける傾斜角α_ｏとが異なっている。より具体的には、傾斜角α_ｏは、傾斜角α_ｉより小さい。つまり、α_ｏ＜α_ｉである。

図４（ｂ）に、本実施形態における光ファイバ１３ｃ内の光の伝搬の様子が示されている。実施形態１と同様に、撮像光学系２の射出瞳の中心ＰＥから射出され、光ファイバ１３ｃの光入射面１３ｃａへ入射する入射光ＢＭ_ｉの入射角をω_ｉとする。また、この入射光ＢＭ_ｉが光ファイバ１３ｃを伝搬し、光射出面１３ｃｂから射出される射出光ＢＭ_ｏの射出角をω_ｏとする。射出角ω_ｏは、下記の式９で表される。

ただし、α_ｉは、光入射面１３ｃａにおける撮像光学系２の光軸ＡＸから離れた位置にある光ファイバ１３ｃの傾斜角である。α_ｏは、光射出面３ｃｂにおける撮像光学系２の光軸ＡＸから離れた位置にある光ファイバ１３ｃの傾斜角である。ω_ｉは、撮像光学系２の射出瞳の中心ＰＥを通る主光線の、光ファイバ１３ｃの光入射面３ｃａに入射する入射角である。Ｒは、光ファイバ１３ｃのテーパー比の値である。

式９から分かるように、テーパー比の値Ｒは１より大きいため、射出角ω_ｏは、傾斜角α_ｏに近づく。実施形態１と同様にα_ｉ＜ω_ｉであり、上述したようにα_ｏ＜α_ｉであるため、α_ｏ＜ω_ｏ＜ω_ｉのようになり、射出角ω_ｏは入射角ω_ｉよりも小さい角度に変換される。よって、本実施形態の光ファイバ束１３を用いれば、光ファイバ束１３がない場合に比べて、センサ４の受光面に入射する光の入射角を小さくすることができる。このため、本実施形態の光ファイバ束１３によって、撮像光ＢＭとセンサ４の各画素の結合効率を向上させることができる。

実施形態１でも述べたように、一般的なセンサ４では、入射角が０．０［ｄｅｇ］で最大の受光感度となり、±１５．０［ｄｅｇ］で最大受光感度の８０％程度、±２０．０［ｄｅｇ］で最大受光感度の５０％程度、±３０．０［ｄｅｇ］で最大受光感度の１０％程度となる。すなわち、センサ４で効率良く撮像するためには、センサ４への入射角、つまり、光ファイバ１３ｃの光射出面１３ｃｂからの射出角ω_ｏは、３０．０［ｄｅｇ］以内であることが好ましく、２０．０［ｄｅｇ］以内であることがより好ましい。さらには、射出角ω_ｏは、１５．０［ｄｅｇ］以内であることが最適である。つまり、光軸から離れた光ファイバ１３ｃが、以下の式１０乃至式１２のいずれかを満たすことが好ましい。

なお、センサ４の受光感度が最大受光感度の１０％となるセンサ４への入射角をθ_Ａとする。また、センサ４の受光感度が最大受光感度の５０％となるセンサ４への入射角をθ_Ｂとする。また、センサ４の受光感度が最大受光感度の８０％となるセンサ４への入射角をθ_Ｃとする。この場合、光軸から離れた光ファイバ１３ｃが、式１３乃至１５のいずれかを満たすようにしてもよい。

例えば、最も光軸ＡＸから離れた光ファイバ１３ｃにおいて、撮像光ＢＭの主光線の入射角ω_ｉが４０．０［ｄｅｇ］とする。この場合、傾斜角α_ｉを２０．０［ｄｅｇ］、テーパー比の値Ｒを２．０とすると、式９から射出角ω_ｏは９．８［ｄｅｇ］となる。これは、式１０乃至式１５のすべてを満たすことができる。また、上述した数値例に対して、傾斜角α_ｏを０．０［ｄｅｇ］から１０．０［ｄｅｇ］に変えると、射出角ω_ｏは１９．８［ｄｅｇ］となる。これは、式１０、式１１、式１３、式１４を満たすことができる。また、入射角ω_ｉが６０．０［ｄｅｇ］のような大きな値であっても、例えば、傾斜角α_ｉを３５．０［ｄｅｇ］、傾斜角α_ｏを７．０［ｄｅｇ］、テーパー比の値Ｒを２．０とすると、射出角ω_ｏは１９．２［ｄｅｇ］となる。これは、式１０、式１１、式１３、式１４を満たすことができる。

このように、傾斜角α_ｉ、傾斜角α_ｏ、テーパー比の値Ｒを適宜設定することで、センサ４への入射角を垂直方向に近づけることができる。傾斜角α_ｉ、テーパー比の値Ｒは、実施形態１で述べたように、光ファイバ束１３の中の各光ファイバ１３ｃの位置に応じて設定することが望ましい。なお、傾斜角α_ｏも傾斜角α_ｉと同様に、光ファイバ束１３の中の各光ファイバ１３ｃの位置に応じて設定することが望ましい。また、傾斜角α_ｏは小さいほど、光ファイバ１３ｃからの射出光の射出角ω_ｏが小さくなる。このため、光軸ＡＸに相対的に近い位置にある光ファイバ１３ｃに比べて光軸ＡＸから相対的に遠い位置にある光ファイバ１３ｃの方が、傾斜角α_ｏが小さいことが好ましい。さらには、光ファイバ１３ｃの位置が光軸ＡＸから離れるほど、光ファイバ１３ｃの傾斜角α_ｏが小さくなることがより好ましい。

なお、実施形態１の式２の右辺と本実施形態の式９の右辺とは、それぞれの第１項が異なる。しかし、式２は、式９において、α_ｏ＝α_ｉの特別な場合である考えれば、同じ式を表している。上述したように、本実施形態では、光射出面１３ｃｂにおける光ファイバ１３ｃの傾斜角α_ｏを、光入射面１３ｃａにおける光ファイバ１３ｃの傾斜角α_ｉよりも小さく設定したが、本発明では０≦α_ｏ≦α_ｉを満たすと考えればよい。実施形態１では、α_ｏ＝α_ｉの場合を例示している。

（実施形態３）
図５は、本実施形態の撮像装置２１の一例を示す模式図である。本実施形態は、実施形態２とは、撮像光学系と光ファイバ束の構成が異なっており、それ以外は、実施形態２と同じである。

本実施形態の撮像光学系２２は、点対称性を有するボールレンズである。ボールレンズは絞り２２ｃを有している。撮像光学系２２の射出瞳の中心ＰＥはボールレンズの中心にある。また、撮像光学系２２の射出瞳の中心ＰＥは、絞り２２ｃの開口部の中心に位置している。撮像光学系２２の結像面は射出瞳の中心ＰＥを曲率中心とした曲面形状となる。そのため、光ファイバ束２３の光入射面２３ａの形状を、撮像光学系２２の結像面と等しい曲面形状としている。より具体的には、ボールレンズの結像面とほぼ同形状の凹面形状である。光ファイバ束２３の光入射面２３ａ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２３ａ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２３の光射出面２３ｂは平面形状である。そして、光ファイバ束２３は、その光射出面２３ｂ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２３の光射出面２３ｂも、光入射面２３ａ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２３の光軸ＡＸにおける厚みを小さくしており、撮像装置２１の小型化を実現している。また、光ファイバ束３の光射出面２３ｂにおける光ファイバ２３ｃの傾斜角α_ｏは、光軸ＡＸ以外の位置では０ではない値を採る。

なお、本実施形態においても、光入射面２３ｃａにおける光ファイバ２３ｃの傾斜角α_ｉ、光射出面２３ｃｂにおける光ファイバ２３ｃの傾斜角α_ｏの定義は、実施形態１で用いたものと同じである。さらに、本実施形態でも、１６乃至式１８を満たしている。また、本実施形態でも、式１０乃至式１５のいずれかを満たすことが好ましい。

例えば、最も光軸ＡＸから離れた光ファイバ２３ｃにおいて、撮像光の主光線の入射角ω_ｉを６０．０［ｄｅｇ］とする。この場合、傾斜角α_ｉを３５．０［ｄｅｇ］、傾斜角α_ｏを１０．０［ｄｅｇ］、テーパー比の値Ｒを１．５とすると、式９から射出角ω_ｏは２６．４［ｄｅｇ］となる。これは、式１０、式１３を満たすことができる。

このように、光ファイバ束２３の光入射面２３ａが曲面形状であっても、光ファイバ束２３から射出した光の射出角を小さくすることができる。ゆえに、光ファイバ束２３から射出した光のセンサ４への入射角度を高効率な受光感度が得られる入射角条件に設定でき、センサ４における周辺部の光量落ちを低減することができる。

本実施形態では、光ファイバ束２３の光入射面２３ａ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。

また、撮像光学系２２は点対称性を有するボールレンズでなくてもよい。例えば、撮像光学系２２が、絞りと、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前記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４）
図６は、本実施形態の撮像装置３１の一例を示す模式図である。本実施形態と実施形態１との相違点は、光ファイバ束の構成と、光ファイバ束の直前にレンズアレイを有する点である。それ以外については、本実施形態と実施形態１とは同じである。

具体的には、光入射面３３ｃａにおける光ファイバ３３ｃの傾斜角α_ｉ、光射出面３３ｃｂにおける光ファイバ３３ｃの傾斜角α_ｏはともに０である。この様に配置した場合、光ファイバ束３３の光入射面３３ａにおいて光ファイバ３３ｃのコア部と隣の光ファイバ３３ｃのコア部との間に隙間が空いてしまう。この隙間に入射した光は、センサ４で受光することができず、受光感度の低下を招く。そこで、本実施形態では、光ファイバ束３３の光入射面３３ａの直前にレンズアレイ５を配置している。このレンズアレイ５を介して、撮像光学系２から射出された光が光ファイバ束３３の光入射面３３ａに入射される。

レンズアレイ５は、光ファイバ束３３の光入射面３３ａにおける光ファイバ３３ｃのピッチと同程度の口径を有するレンズが、光ファイバ３３ｃとほぼ同数並べて構成されている。レンズアレイ５は、撮像光学系２の結像面に配置されており、撮像光学系２からの撮像光を集めて光ファイバ３３ｃに導光する機能を有している。この構成により、光ファイバ束３３の光入射面３３ａにおける光ファイバ３ｃのコア部の間の隙間に到達する撮像光をレンズを介して光ファイバ３３ｃへ入射させることができる。

また、レンズアレイ５の各レンズのピッチは、光ファイバ束３３の光入射面３３ａにおける光ファイバ３３ｃのコア部のピッチよりも小さく設定している。これにより、入射角ω_ｉが大きい撮像光であっても光ファイバへの結合効率を向上させることができる。なお、コア部のピッチとはコア部の中心とコア部の中心とを結んだ線分の長さである。

なお、本実施形態においても、光入射面３３ｃａにおける光ファイバ３３ｃの傾斜角α_ｉ、光射出面３３ｃｂにおける光ファイバ３３ｃの傾斜角α_ｏの定義は、実施形態１で用いたものと同じである。さらに、本実施形態でも、１６乃至式１８を満たしている。また、本実施形態でも、式１０乃至式１５のいずれかを満たすことが好ましい。

例えば、最も光軸ＡＸから離れた光ファイバ３３ｃにおいて、撮像光の主光線の入射角ω_ｉを４０．０［ｄｅｇ］とする。この場合、傾斜角α_ｉが０．０［ｄｅｇ］、傾斜角α_ｏが０［ｄｅｇ］、テーパー比の値Ｒを２．０とすると、式９から射出角ω_ｏは１８．７［ｄｅｇ］となる。これは、式１０、式１１、式１３、式１４を満たすことができる。

これにより、センサ４の周辺部の結合効率に伴う光量落ちを低減することができる。

なお、本実施形態では、α_ｉ＝α_ｏ＝０で説明したが、この構成に限らない。光ファイバ３３の光入射面３３ａにおいて、光ファイバ３３ｃのコア部の間の間隔が、光ファイバ３３ｃの光入射面３３ｃａのコア部の径の半分の長さより大きい場合であれば、本実施形態を適用することができる。

本発明の撮像装置は、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に利用可能である。

１、１１、２１、３１ 撮像装置
２、２２ 撮像光学系
３、１３、２３、３３ 光ファイバ束
４ 撮像素子

Claims (25)

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、
   前記光ファイバは、コア部と前記コア部の周りに配置されたクラッド部とを有し、
   前記光ファイバの光入射面のコア部の径よりも前記光ファイバの光射出面のコア部の径の方が大きく、
   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撮像装置。
   ０≦α_ｉ＜ω_ｉ
   ただし、α_ｉは前記光入射面における前記光ファイバの前記撮像光学系の光軸に対する傾斜角、ω_ｉ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。
   ０≦α_ｏ≦α_ｉ
   ただし、α_ｏは前記光射出面における前記光ファイバの前記撮像光学系の光軸に対する傾斜角である。
3. 前記撮像光学系の光軸から離れた光ファイバは、下記の式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。
   

   

   
   ただし、α_ｏは前記光射出面における前記光ファイバの前記撮像光学系の光軸に対する傾斜角、Ｒは前記光ファイバの光射出面のコア部の径の前記光ファイバの光入射面のコア部の径に対する比の値、θ_Ａは前記撮像素子の受光感度が最大受光感度の１０％となる前記撮像素子への入射角である。
4. 前記光ファイバは、下記の式を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
   

   

   
   ただし、α_ｏは前記光射出面における前記光ファイバの前記撮像光学系の光軸に対する傾斜角、Ｒは前記光ファイバの光射出面のコア部の径の前記光ファイバの光入射面のコア部の径に対する比の値、θ_Ｂは前記撮像素子の受光感度が最大受光感度の５０％となる前記撮像素子への入射角である。
5. 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乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
   

   

   
   ただし、α_ｏは前記光射出面における前記光ファイバの前記撮像光学系の光軸に対する傾斜角、Ｒは前記光ファイバの光射出面のコア部の径の前記光ファイバの光入射面のコア部の径に対する比の値、θ_Ｃは前記撮像素子の受光感度が最大受光感度の８０％となる前記撮像素子への入射角である。
6. 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又は２に記載の撮像装置。
   

   

   
   ただし、α_ｏは前記光射出面における前記光ファイバの前記撮像光学系の光軸に対する傾斜角、Ｒは前記光ファイバの光射出面のコア部の径の前記光ファイバの光入射面のコア部の径に対する比の値である。
7. 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６に記載の撮像装置。
   

   

   
   ただし、α_ｏは前記光射出面における前記光ファイバの前記撮像光学系の光軸に対する傾斜角、Ｒは前記光ファイバの光射出面のコア部の径の前記光ファイバの光入射面のコア部の径に対する比の値である。
8. 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７に記載の撮像装置。
   

   

   
   ただし、α_ｏは前記光射出面における前記光ファイバの前記撮像光学系の光軸に対する傾斜角、Ｒは前記光ファイバの光射出面のコア部の径の前記光ファイバの光入射面のコア部の径に対する比の値である。
9. 前記光ファイバの光射出面のコア部の径の前記光ファイバの光入射面のコア部の径に対する比の値Ｒは、２．０以上であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
10. 前記光ファイバの光射出面のコア部の径の前記光ファイバの光入射面のコア部の径に対する比の値Ｒは、前記撮像光学系の光軸から相対的に遠い光ファイバの方が前記撮像光学系の光軸から相対的に近い光ファイバよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
11. 前記撮像光学系の光軸から離れた位置にある光ファイバほど、前記光ファイバの光射出面のコア部の径の前記光ファイバの光入射面のコア部の径に対する比の値Ｒが大きくな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. 前記撮像光学系の光軸から離れた光ファイバの前記光入射面における傾斜角α_ｉは、前記撮像光学系の光軸から相対的に遠い光ファイバの方が前記撮像光学系の光軸から相対的に近い光ファイバよりも小さいことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の撮像装置。
13. 前記撮像光学系の光軸から離れた位置にある光ファイバほど、前記撮像光学系の光軸から離れた光ファイバの前記光入射面における傾斜角α_ｉが小さくな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。
14. 前記撮像光学系の光軸から離れた光ファイバの前記光射出面における傾斜角α_ｏは、前記撮像光学系の光軸から相対的に遠い光ファイバの方が前記撮像光学系の光軸から相対的に近い光ファイバよりも小さいことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の撮像装置。
15. 前記撮像光学系の光軸から離れた位置にある光ファイバほど、前記撮像光学系の光軸から離れた光ファイバの前記光射出面における傾斜角α_ｏが小さくなることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の撮像装置。
16. 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ることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の撮像装置。
17. 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１６に記載の撮像装置。
18. 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１７に記載の撮像装置。
19. 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１６乃至１８のいずれか１項に記載の撮像装置。
20. 前記光ファイバ束の光入射面に前記撮像光学系から射出された光を入射させるための複数のレンズを有するレンズアレイを有することを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の撮像装置。
21. 前記複数のレンズのピッチが、前記光ファイバのコア部のピッチよりも小さいことを特徴とする請求項２０に記載の撮像装置。
22. 前記光入射面における前記光ファイバの前記撮像光学系の光軸に対する傾斜角と前記光射出面における前記光ファイバの前記撮像光学系の光軸に対する傾斜角とが等しいことを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の撮像装置。
23. 前記光入射面における前記光ファイバの前記撮像光学系の光軸に対する傾斜角とは、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、０．０以上９０．０［ｄｅｇ］未満の角度である請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の撮像装置。
24. 前記光射出面における前記光ファイバの前記撮像光学系の光軸に対する傾斜角とは、前記光ファイバの光射出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射出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、０．０以上９０．０［ｄｅｇ］未満の角度である請求項２乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
25. 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、０．０以上９０．０［ｄｅｇ］未満の角度である請求項１乃至２４のいずれか１項に記載の撮像装置。

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