JP2016008979A

JP2016008979A - 撮像装置

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Publication number: JP2016008979A
Application number: JP2014127535A
Authority: JP
Inventors: 石原　圭一郎; Keiichiro Ishihara; 圭一郎石原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2016-01-18
Anticipated expiration: 2034-06-20
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Abstract

【課題】簡便な構成で受光感度の低下を低減することを目的とする。【解決手段】撮像光学系２の前群に含まれるレンズ面の中で最もパワーが強いレンズ面と撮像光学系２の後群に含まれるレンズ面の中で最もパワーが強いレンズ面とが、それぞれコンセントリック面であり、前群は、光入射側のレンズ面がノンパワーであり、光射出側のレンズ面が凹面を有する略平凹レンズ２１を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置に関する。

湾曲させた撮像面を用いた撮像装置が開発されている。特許文献１には、ボールレンズとそれぞれボールレンズの曲面状の像面に開口する開口端を有する光ファイバを束ねた像面変換素子とを備えた撮像装置について開示されている。さらに、特許文献１では、開口端において像面変換素子のすべての光ファイバの長手方向がボールレンズの球心方向に一致するように構成されていることについて開示されている。
特許文献２には、物体側に凹となるように湾曲させた撮像素子を有する撮像装置について開示されている。

特開２００５−３３８３４１号公報特開２０１２−２３７９６６号公報

特許文献１のような像面変換素子を用いる場合には、ボールレンズへ入射する軸外光束の光軸に対する入射角が大きくなると、像面変換素子から射出されるその光束の光軸に対する射出角も大きくなる。そして、その光束は撮像素子に対して垂直な方向から外れた斜めの方向から撮像素子へ入射することになる。その結果、撮像素子での受光感度が低下する。

また、特許文献２のような湾曲させた撮像素子では、撮像面と同じ形状で撮像素子を湾曲させる場合、撮像素子の周辺部のサグ量が大きくなり、撮像素子の製造が困難となる。なお、サグ量を抑えるために撮像面の曲率半径よりも大きい曲率半径で湾曲させた場合には、上述した撮像素子の受光感度の低下という課題が生じる。

そこで、本発明では、撮像光学系へ入射する軸外光束の入射角を大きくしても、簡便な構成で受光感度の低下を低減することを目的とする。

本発明は、複数のレンズと絞りとを有し、像面が湾曲した形状となる撮像光学系と、前記像面の像を撮像する撮像素子と、を有する撮像装置であって、前記像面を撮像する湾曲した撮像面があり、前記撮像光学系は、前記絞りよりも物体側に配置されたレンズから成る前群と、前記絞りよりも前記撮像面側に配置されたレンズから成る後群と、を有し、前記前群に含まれるレンズ面の中で最もパワーが強いレンズ面を前群最強パワー面、前記後群に含まれるレンズ面の中で最もパワーが強いレンズ面を後群最強パワー面としたとき、前記前群最強パワー面と前記後群最強パワー面とはそれぞれコンセントリック面であり、前記前群は、光入射側のレンズ面のパワーφｒが下記の式を満たし、光射出側のレンズ面が凹面を有する略平凹レンズを有することを特徴とする。

本発明を用いれば、撮像光学系へ入射する軸外光束の入射角を大きくしても、簡便な構成で受光感度の低下を低減することができる。

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コンセントリックを説明するための図

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。

本発明では、撮像光学系が絞りを有する場合、絞りよりも物体側に配置されたレンズ群を前群といい、絞りよりも撮像面側に配置されたレンズ群を後群という。なお、レンズ群は、複数のレンズで構成されていてもよいし、単一のレンズで構成されていてもよい。

また、コンセントリック面について図４を用いて説明する。図４は、レンズ面１の任意の点Ｑに入射する軸外光束の主光線ＰＲの様子が示されている。レンズ面１とは２つの異なる屈折率の媒体の界面であり、球面あるいは非球面をいう。軸外光束とは撮像光学系の光軸ＡＸに平行でない光束である。レンズ面１がコンセントリック面である場合には、主光線ＰＲはレンズ面１でほとんど屈折されず、レンズ面１の曲率中心Ｐ近傍に向かう方向に射出される。より具体的には、コンセントリック面であるレンズ面は、下記の式１を満たす。

ただし、Ｒはレンズ面１の曲率半径であり、Ｌｐはレンズ面１の任意のある点Ｑからレンズ面１の点Ｑに入射する軸外光束の主光線ＰＲの延長線と撮像光学系の光軸ＡＸとの交点までの距離である。なお、曲率半径Ｒは、曲率中心Ｐがレンズ面１よりも物体側にあれば負の値をとり、曲率中心Ｐがレンズ面１よりも撮像面側にあれば正の値をとる。同様に、距離Ｌｐは、上記の交点がレンズ面１よりも物体側にあれば負の値をとり、上記の交点がレンズ面１よりも撮像面側にあれば正の値をとる。

コンセントリック面の特徴は、前群ではレンズ面を射出した各画角の軸外光束の主光線がある１点に向かう光路となり、後群ではレンズ面を射出した各画角の軸外光束の主光線がある１点から発せられた光路となる。

また、１つのレンズ面１のパワーφｒは、下記の式２で表される。

ただし、Ｎ’はレンズ面１の光射出側の媒体の屈折率、Ｎはレンズ面１の光入射側の媒体の屈折率、Ｒはレンズ面１の曲率半径である。なお、レンズ面１が非球面の場合には、Ｒはレンズ面１の近軸の曲率半径とする。

一般的な撮像素子では、受光面に対して垂直な方向を基準として表される入射角が大きくなるに連れて受光感度が低下する。入射角３５.０（ｄｅｇ）の光に対する受光感度は入射角０．０（ｄｅｇ）の光に対する受光感度の約半分になり、入射角４０.０（ｄｅｇ）の光に対する受光感度は入射角０．０（ｄｅｇ）の光に対する受光感度の約３５％にまで低減する。入射角４０.０（ｄｅｇ）よりも大きな入射角で入射する光に対しては、撮像素子の受光感度が急激に低下してしまう。そのため、撮像素子へ入射する光の入射角は４０.０（ｄｅｇ）以下とすることが好ましい。さらに、入射角が３５.０（ｄｅｇ）以下とすることが好ましい。本発明の撮像装置は、簡便でコンパクトな構成で、撮像光学系への入射光である主光線が撮像光学系の光軸に対して４０.０（ｄｅｇ）より大きい角度を有する軸外光束であっても、撮像素子への入射角を４０.０（ｄｅｇ）以下に変換することができる。（実施形態１）
図１（ａ）は、本実施形態に係る撮像装置１００の一例を示す模式図である。本実施形態の撮像装置１００は、撮像光学系（結像光学系）２、像面変換素子である光ファイバ束３、撮像素子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によって撮像素子４に伝送するように、撮像光学系２と光ファイバ束３と撮像素子４が配置されている。光ファイバ束３は、撮像光学系２からの光を撮像素子４へと導く複数の光ファイバにより構成されている。具体的には、各光ファイバが、撮像光学系２を介して撮像光ＢＭを受光し、光ファイバ内を伝搬させて、撮像光ＢＭを撮像素子４の各画素へと導いている。撮像光ＢＭは、絞り２０の開口を通り光ファイバに入射しうる光であり、絞り２０の開口の中心を通る主光線ＰＲや、絞り２０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、撮像光学系２に対して凹面であり、より具体的には、撮像光学系２の像面に沿うように、像面とほぼ同形状の凹面形状である。この形状により、光ファイバ束３は撮像光学系２の湾曲した像面上の画像をぼかすことなく高精細のまま受光できる。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と撮像素子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４への密着性が向上している。

また、光ファイバ束３の撮像光学系２の光軸ＡＸから離れた位置にある各光ファイバは、光軸ＡＸに対して傾斜した構成となっている。また、傾斜角は、その光ファイバに入射する撮像光ＢＭが光ファイバ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の透過率の低下が抑制される。

撮像装置１００の撮像光学系２は、物体側から第１レンズ２１、第２レンズ２２、第３レンズ２３、第４レンズ２４、第５レンズ２５を有している。また、撮像光学系２は、その他に絞り２０を有しており、絞り２０は第３レンズ２３と第４レンズ２４の間に配置されている。また、本実施形態において、各レンズどうしは接合されている。このため、例えば第１レンズ２１の光射出側のレンズ面と第２レンズ２２の光入射側のレンズ面とは同一のレンズ面である。また、第１レンズ２１の光入射側のレンズ面を第１レンズ面、第１レンズ２１と第２レンズ２２の界面であるレンズ面を第２レンズ面とする。また、第２レンズ２２と第３レンズ２３との界面であるレンズ面を第３レンズ面、第４レンズ２４と第５レンズ２５との界面であるレンズ面を第４レンズ面、第５レンズ２５の光射出側にあるレンズ面を第５レンズ面とする。

第１レンズ２１と第２レンズ２２と第３レンズ２３は前群を構成するレンズである。そして、第１レンズ面と第２レンズ面と第３レンズ面が前群のレンズ面である。そして、第２レンズ面が、式２で表されるパワーが前群のレンズ群の中で最も強い前群最強パワー面である。また、前群のパワーは正である。一方、第４レンズ２４と第５レンズ２５は後群を構成するレンズである。第４レンズ面と第５レンズ面が後群のレンズ面である。そして、第５レンズ面が、式２で表されるパワーが後群のレンズ群の中で最も強い後群最強パワー面である。また、後群のパワーも正である。

本実施形態において、少なくとも第２レンズ面と第５レンズ面はコンセントリック面である。つまり、第２レンズ面と第５レンズ面は式１を満たしている。さらには、第３レンズ面と第４レンズ面もコンセントリック面であることが好ましい。つまり、第３レンズ面と第４レンズ面は式１を満たすことが好ましい。

また、第２レンズ面のある点に入射する軸外光束の主光線ＰＲの延長線と撮像光学系２の光軸ＡＸとの交点と、第５レンズ面のある点に入射する軸外光束の主光線ＰＲの延長線と撮像光学系２の光軸ＡＸとの交点と、がほぼ同じ位置にあることが好ましい。さらに、その位置が、絞り２０の中心ＰＥであることが好ましい。また、第３レンズ面のある点に入射する軸外光束の主光線ＰＲの延長線と撮像光学系２の光軸ＡＸとの交点と第４レンズ面のある点に入射する軸外光束の主光線ＰＲの延長線と撮像光学系２の光軸ＡＸとの交点も、絞り２０の中心ＰＥであることが好ましい。つまり、コンセントリック面であるレンズ面が、下記の式３を満たすことが好ましい。

ただし、Ｒはコンセントリック面であるレンズ面の曲率半径、Ｌａはコンセントリック面であるレンズ面の任意のある点から絞りの中心ＰＥまでの距離である。なお、曲率半径Ｒは、その曲率中心がレンズ面よりも物体側にあれば負の値をとり、曲率中心がレンズ面よりも撮像面側にあれば正の値をとる。同様に、距離Ｌａは、絞りの中心ＰＥがレンズ面よりも物体側にあれば負の値をとり、絞りの中心ＰＥがレンズ面よりも撮像面側にあれば正の値をとる。

また、第１レンズ２１は、光入射面が平面あるいは曲率半径が非常に大きい凹面からなる略平面であり、光射出面が凹面の略平凹レンズである。そして、第１レンズ面である第１レンズ２１の光入射面は、殆どパワーを有さないノンパワー面である。本実施形態において、ノンパワー面とは集光作用を殆ど持たない平面、緩い凹面、緩い凸面などであり、レンズ面のパワーφｒは下記の式４を満している。

ただし、φｏは撮像光学系２のパワーであり、撮像光学系の焦点距離の逆数で表される。

つまり、本実施形態においては、第１レンズ２１の第１レンズ面はノンパワー面であり、第２レンズ面はコンセントリック面である。第１レンズ面をノンパワー面とすることで入射した平行光束を屈折させる際、平行光束のまま光束の方向を撮像光学系２の光軸ＡＸに平行な方向に近づくようその角度を変換している。図１（ｂ）には、軸外光束の主光線ＰＲの第１レンズ２１の第１レンズ面における屈折の様子が示されている。この主光線ＰＲの第１レンズ面への入射角をθｉとし、第１レンズ面から射出された主光線ＰＲの射出角をθｍとすると、スネルの法則により、以下の式５を満たす。
ｓｉｎθｉ＝Ｎｓｉｎθｍ・・・式５
ここで、Ｎは第１レンズ２１の屈折率である。また、第１レンズ２１の光入射側は空気であるため屈折率を１とした。

第１レンズ２１の媒質である硝材は空気よりも高い屈折率を持つため（Ｎ＞１）、第１レンズ面がノンパワー面でありながら、屈折作用によって入射角θｉよりも小さい射出角θｍで光束を射出することができる。そして、前群最強パワー面である第２レンズ面は、上述したようにコンセントリック面であるため、第２レンズ面のどの位置に主光線が入射しても光軸ＡＸ上ではほぼ同じ点（絞りの中心ＰＥ）に屈折されずに向かう。つまり、光軸ＡＸに対する角度が第１レンズ面で屈折された角度θｍのまま絞りの中心ＰＥに向かう。そして、後群最強パワー面である第５レンズ面も同様にコンセントリック面であるため、この絞りの中心ＰＥを通る主光線はほぼ屈折されることなく、光ファイバ束３の光入射面３ａに第５レンズ面を介して向かう。つまり、光ファイバ束３の光入射面３ａには、光軸ＡＸに対する角度θｍのまま主光線が入射される。このため、光ファイバ束３への入射角が第１レンズ面に入射する角度よりも小さくなり、光ファイバの透過率が上がり、さらに、第１レンズ２１が無い場合に比べて撮像素子４へ入射する各画角光束の主光線の角度も小さく抑えることができる。

ノンパワー面である第１レンズ面は、撮像光学系２が有するレンズ面において物体側に配置することが好ましいので前群に配置するとよい。さらに、第１レンズ面は前群最強パワー面よりも物体側に配置されることが好ましい。最適には、第１レンズ面は撮像光学系２の最も物体側のレンズ面として配置するのがよい。つまり、第１レンズ２１は前群の中でも最も物体側に配置されることが好ましい。このように、ノンパワー面である第１レンズ面をできるだけ物体側に配置することにより光束の収束度や収差の状態がどの画角光束においても同様な状態のまま角度変換を実施できる。これにより後続のレンズによって収差補正がしやすくなる。

なお、撮像光学系２の各レンズの接合時等に生じる製造誤差で、軸外光束の主光線ＰＲの光ファイバ束３への入射角θｏが第１レンズ面の射出角θｍと必ずしも一致しない場合がある。その場合でも、下記の式６を満たせば、撮像素子４へ入射する各画角光束の主光線の角度を小さく抑えることが可能となる。

ただし、θｉは第１レンズ面へ入射する際の主光線ＰＲの延長線と光軸ＡＸとがなす、０．０以上９０．０（ｄｅｇ）未満の入射角である。θｏは撮像光学系２から射出し像面へ入射する際の主光線ＰＲの延長線と光軸ＡＸとがなす、０．０以上９０．０（ｄｅｇ）未満の角度である。Ｎ１は第１レンズ２１の屈折率である。

式６の下限値を下回ると、光束の方向を撮像光学系２の光軸ＡＸに近づける効果が、ノンパワー面で屈折すること以外の作用により発揮されることとなり、球面収差や軸上色収差を他の収差と独立して後続のレンズで補正することが難しくなる。一方、式６の上限値を超えると撮像素子４への入射角が大きくなって受光感度の低下を軽減する効果が小さくなる。

例えば、後述する数値例において、第１レンズ２１の屈折率Ｎは１．４８７４９としている。その結果、撮像光学系２への入射光である主光線ＰＲの入射角θｉは６０．０（ｄｅｇ）、撮像光学系２からの主光線の射出角θｏは３５．３（ｄｅｇ）であり、式６の中央の数式の値を計算すると−０．００８となり、式６を満たしている。

また、第１レンズ２１のアッベ数νｄは下記の式７を満たすことが好ましい。

式７の下限値を下回ると、ノンパワー面である第１レンズ面での屈折による倍率色収差が大きくなってします。また、硝材はアッベ数が大きくなると屈折率が小さくなる傾向にあり、式７の上限値を超えると、第１レンズ２１の屈折率が小さくなりすぎるため、第１レンズ面による屈折作用が小さくなってしまう。

第２レンズ２２は光入射面が凸面、光射出面が凹面のメニスカスレンズである。光入射面は第２レンズ面であり、光射出面は第３レンズ面である。第２レンズ面と第３レンズ面の曲率中心は絞り２０の中心ＰＥ近傍に配置されている。そして、第２レンズ面と第３レンズ面は、式１、３を満たすことが好ましい。また、第２レンズ２２の光射出面は第３レンズ２３の光入射面と貼り合わされている。

第３レンズ２３は光入射面が凸面、光射出面が平面の平凸レンズである。また、第３レンズ２３の光射出面には絞り２０が設置されている。具体的には第３レンズ２３の光射出面に絞り２０の遮光部を設けることにより光束幅を制限している。第３レンズ２３の光射出面は第４レンズ２４の光入射面と貼り合わされている。

第４レンズ２４は光入射面が平面、光射出面が凸面の平凸レンズである。光射出面である第４レンズの曲率中心は絞り２０の中心ＰＥ近傍に配置されている。そして、第４レンズ面は、式１、３を満たすことが好ましい。第４レンズ２４の光射出面は第５レンズ２５の光入射面と貼り合わされている。

第５レンズ２５は光入射面が凹面、光射出面が凹面のメニスカスレンズである。光射出面である第５レンズ面の曲率中心は絞り２０の中心の近傍に配置されている。そして、第５レンズ面は、式１，３を満足すことが好ましい。

また、本実施形態では光ファイバ束３の光入射面にある撮像面の曲率中心を絞り２０の中心の近傍に配置している。具体的には下記の式８を満たしている。

ただし、Ｒｉｍｇは撮像面の曲率半径、Ｌｂは撮像面の任意のある点から絞り２２の中心までの距離である。なお、曲率半径Ｒｉｍｇは、その曲率中心が撮像面よりも物体側にあれば負の値をとり、曲率中心が撮像面に対して物体側とは反対側にあれば正の値をとる。同様に、距離Ｌｂは、絞りの中心ＰＥが撮像面よりも物体側にあれば負の値をとり、絞りの中心ＰＥが撮像面に対して物体側とは反対側にあれば正の値をとる。

この式８を満たすことにより、撮像光学系２の像面湾曲の形状に沿った撮像面を構成することができ、像面湾曲がなく常にベストピント面で高精細な画像を撮影することができる。

また、光ファイバ束３の光入射面にある撮像面の曲率中心は、下記の式９を満たすことが好ましい。

ただし、Ｒｉｍｇは撮像面の曲率半径、Ｌｑは撮像面の任意のある点から撮像面のある点に入射する軸外光束の主光線ＰＲの延長線と撮像光学系２の光軸ＡＸとの交点までの距離である。なお、曲率半径Ｒｉｍｇは、その曲率中心が撮像面よりも物体側にあれば負の値をとり、曲率中心が撮像面に対して物体側とは反対側にあれば正の値をとる。同様に、距離Ｌｂは、上記の交点が撮像面よりも物体側にあれば負の値をとり、上記の交点が撮像面に対して物体側とは反対側にあれば正の値をとる。

さらに、本実施形態では、第１レンズ面と第５レンズ面は、空気と接するレンズ面である。空気と接するレンズ面のうちノンパワー面である第１レンズ面以外のレンズ面、つまり第５レンズ面は上述したようにコンセントリック面としている。これにより、ノンパワー面で変換した光束の角度を保ち、像面入射角を小さくすることができる。

また、本実施形態では、撮像光学系２の中に空気層はない。しかし、本実施形態において、撮像光学系２の中にわずかに空気層があってもよい。撮像光学系２のうち物体側に最も近いレンズ面（第１レンズ面）の撮像光学系２の光軸ＡＸとの交点と像面側に最も近いレンズ面（第５レンズ面）と撮像光学系２の光軸ＡＸとの交点との間に含まれる空気層の総厚さをＤａｉｒとする。また、撮像光学系２の全長、つまり、撮像光学系２のうち物体側に最も近いレンズ面（第１レンズ面）の撮像光学系２の光軸ＡＸとの交点と像面側に最も近いレンズ面（第５レンズ面）と撮像光学系２の光軸ＡＸとの交点とのとの間の距離をＬｏとする。このとき、下記の式１０が満たされていることが好ましい。

式９を満たさない場合には、レンズ面から空気層への射出角が大きくなり、像面入射角を小さくすることが困難となる。また収差補正にも問題が生じる。

次に、本実施形態の数値例を表１乃至３に示す。

表１において、Ｄは、光軸ＡＸ上におけるレンズの厚さ、又は光軸ＡＸに平行な方向の絞り２０の部材の厚さのことである。

表３において、Ｌａはレンズ面と光軸ＡＸとの交点から絞りの中心ＰＥまでの距離である。Ｌｂは撮像面と光軸ＡＸとの交点から絞りの中心ＰＥまでの距離である。Ｌｐは、レンズ面と光軸ＡＸとの交点から軸外光束の主光線ＰＲの延長線と光軸ＡＸとの交点までの距離である。Ｌｑは、撮像面と光軸ＡＸとの交点から軸外光束の主光線ＰＲの延長線と光軸ＡＸとの交点までの距離である。

また、表３において、Ａとは、式３の中央の数式の値、又は式８の中央の数式の値である。Ｂとは、式１の中央の数式の値、又は式９の中央の数式の値である。入射角とは、レンズ面、絞りが形成されたレンズ間の界面又は撮像面に入射する軸外光束の主光線ＰＲの延長線と光軸ＡＸとがなす、０．０以上９０．０（ｄｅｇ）未満の角度である。

表３に示した通り、本数値例では第２レンズ面、第３レンズ面、第４レンズ面、第５レンズ面が式１を満たしており、コンセントリック面となっている。これは、第１レンズ面を射出した各画角光束が絞り２０へ向かうように第１レンズ面を配置し、それ以降のレンズ面を絞り２０の中心を中心とした略点対称形状となるように配置したためである。

コンセントリック面の作用は、各画角光束の主光線においてはレンズ面に対してほぼ垂直に入射するため屈折力が弱く殆ど作用しない。一方、マージナル光線においてはレンズ面に対して角度を有して入射するため屈折力を有し、集光作用、球面収差補正や軸上色収差を補正する作用を有する。

また、表３で示すように、第２レンズ面、第３レンズ面、第４レンズ面、第５レンズ面、撮像面は式３又は式８を満たし、各画角光束に対して同様の形状を有している。このため、光軸ＡＸ上で球面収差と軸上色収差を補正すれば全画角の光束において球面収差と軸上色収差が補正される。

撮像装置１００では、光ファイバ束３の光入射面（撮像面）を撮像光学系２の像面の形状に沿わせているので像面湾曲収差が発生しない。また、撮像光学系２をほぼ点対称な構成とすればコマ収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差が発生しない。残る収差は球面収差と軸上色収差であるが、第２レンズ面、第３レンズ面、第４レンズ面、第５レンズ面で球面収差と軸上色収差を補正できるので、高精細な撮像が可能な撮像装置を実現できる。

特に、前群最強パワー面である第２レンズ面と、後群最強パワー面である第５レンズ面とをコンセントリック面としている。そのため、球面収差と軸上色収差を良好に補正しつつ、コマ収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差が発生しない構成にする効果を十分に発揮することができる。

これにより、撮像面上では極めて高い結像性能を実現することができる。また、極めて高い結像性能によって絞り値（Ｆナンバー）が明るい光学系とすることができる。本実施形態ではこの効果を用いて、絞り値Ｆ／２．０の光学系を実現することが可能である。

表２で示すように、前群のパワーはφｇｒ１＝０．２１１２であり、正のパワーである。前群に正のパワーを与えることにより、撮像面から離れた位置から集光作用を発揮させて結像性能を向上させる効果を有している。全系の小型化にも効果を発揮する。

また、第１レンズ２１の屈折率Ｎ１が１．４８７４９であるのに対して、第２レンズ２２の屈折率Ｎ２が２．００２７０である。つまり、Ｎ１＜Ｎ２となっている。この構成により、第１レンズ２１の光射出面と第２レンズ２２の光入射面との接合面である第２レンズ面のパワーを正とすることができ、前群に正パワーを持たせて上記の効果を引き出すことができる。

このように、本実施形態の撮像装置１００では、光入射面がノンパワー面、光射出面が凹面を有する略平凹レンズを前群に配置し、前群最強パワー面および後群最強パワー面をコンセントリック面としている。

このような簡便な構成で、軸外光束の撮像光学系２へ入射する際の光軸ＡＸに対する入射角よりも、撮像面に入射する際の光軸ＡＸに対する入射角を小さくできる。そのため、広画角の光束に対する撮像素子４での受光感度の低下が抑制される。ゆえに、広画角な撮像装置において、撮像素子４の周辺部での光量落ちを低減させた高品位な画像を撮影することができる。

（実施形態２）
実施形態２の撮像装置２００について図２を用いて説明する。本実施形態と実施形態１との相違点は、撮像光学系の構成を変更して広画角とした点である。撮像装置２００は撮像光学系５と、光ファイバ束３と、撮像素子４と、を備えている。撮像光学系５が被写体の像を湾曲した光ファイバ束３の光入射面３ａ上に結像し、光ファイバ束３の光入射面３ａから光射出面３ｂへと画像を伝送し、伝送画像を撮像素子４で受光して撮影する。

撮像光学系５は、物体側から第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３、第４レンズ５４、第５レンズ５５を有しており、さらに第３レンズ５３と第４レンズ５４との間に絞り５０を有している。つまり、第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３からなるレンズ群が前群であり、後群は第４レンズ５４、第５レンズ５５からなるレンズ群である。

また、各レンズどうしは張り合わされている。よって、第１レンズ５１と第２レンズ５２の界面が第２レンズ面、第２レンズ５２と第３レンズ５３との界面が第３レンズ面、第４レンズ５４と第５レンズ５５との界面が第４レンズ面である。また、第１レンズ５１の光入射側にあるレンズ面が第１レンズ面、第５レンズ５５の光射出側にあるレンズ面が第５レンズ面である。

次に、本実施形態の数値例を表４乃至６に示す。

表４において、Ｄは、光軸ＡＸ上におけるレンズの厚さ、又は光軸ＡＸに平行な方向の絞りの部材の厚さのことである。

表６において、Ｌａはレンズ面と光軸ＡＸとの交点から絞りの中心ＰＥまでの距離である。Ｌｂは撮像面と光軸ＡＸとの交点から絞りの中心ＰＥまでの距離である。Ｌｐは、レンズ面と光軸ＡＸとの交点から軸外光束の主光線ＰＲの延長線と光軸ＡＸとの交点までの距離である。Ｌｑは、撮像面と光軸ＡＸとの交点から軸外光束の主光線ＰＲの延長線と光軸ＡＸとの交点までの距離である。

また、表６において、Ａとは、式３の中央の数式の値、又は式８の中央の数式の値である。Ｂとは、式１の中央の数式の値、又は式９の中央の数式の値である。入射角とは、レンズ面、絞りが形成されたレンズ間の界面又は撮像面に入射する軸外光束の主光線ＰＲの延長線と光軸ＡＸとがなす、０．０以上９０．０（ｄｅｇ）未満の角度である。

第１レンズ５１の光入射側の第１レンズ面は曲率半径が極めて大きい凸面であり、第１レンズ５１の光射出側の第２レンズ面は凹面である。そして、第１レンズ面は上記の式４を満たす、ノンパワー面である。つまり、第１レンズ５１は略平凹レンズである。

第２レンズ面は、前群最強パワー面である。また、第２レンズ面は上記の式１を満たすコンセントリック面である。また、第２レンズ面の曲率中心は絞り５０の中心ＰＥの近傍に位置しており、第２レンズ面は上記の式３を満たしている。

第３レンズ面は、上記の式１を満たしておらず、コンセントリック面ではない。また、第３レンズ面の曲率中心は絞り５０の中心ＰＥ、またはその近傍から外れており、第３レンズ面は上記の式３も満たさない。

第４レンズ面は、上記の式１を満たすコンセントリック面である。また、第４レンズ面の曲率中心は絞り５０の中心ＰＥの近傍に位置しており、第４レンズ面は上記の式３を満たしている。

第５レンズ面は、後群最強パワー面である。また、第５レンズ面は上記の式１を満たすコンセントリック面である。また、第５レンズ面の曲率中心は絞り５０の中心ＰＥの近傍に位置しており、第５レンズ面は上記の式３を満たしている。

撮像面は、その曲率中心が絞り５０の中心ＰＥの近傍に位置しており、上記の式８を満たしている。

第１レンズ５１のアッベ数は、式７を満たしている。また、前群のパワー、後群のパワーはともに正である。また、レンズどうしは張り合わされているため、レンズ間に空気層はなく、式１０が満たされている。

本実施形態では、軸外光束の主光線が、撮像光学系５へ入射する際の撮像光学系５の光軸ＡＸとなす角度θｉが８０．０（ｄｅｇ）、撮像面へ入射する際の撮像光学系５の光軸ＡＸとなす角度θｏが３５．０（ｄｅｇ）である。よって、この撮像光学系５は上記の式６を満たしている。これにより、ノンパワー面の屈折作用による像面入射角の緩和効果が発揮され、収差を高精度に補正することができる撮像装置を提供することができる。また、広画角な光束においても撮像素子４の受光感度の低下を軽減することができ、広画角な光束を十分な明るさで撮影することが可能である。

（実施形態３）
実施形態３の撮像装置３００について図３を用いて説明する。本実施形態と実施形態１との相違点は、撮像光学系の構成を変更した点と湾曲した撮像面を有する撮像素子を用いた点である。撮像装置３００は、撮像光学系６と、湾曲した撮像素子７と、を備えており、実施形態１のような光ファイバ束は備えていない。

撮像光学系６は、湾曲した像面を形成する。そして、撮像面７ａを撮像光学系６の像面形状に沿うように湾曲させた撮像素子７によって撮像光学系６の像面上の画像を高精細に取得し撮像している。

撮像装置３００は、物体側から第１レンズ６１、第２レンズ６２、第３レンズ６３、第４レンズ６４、第５レンズ６５、第６レンズ６６を有している。また、絞り６０が第４レンズ６４と第５レンズ６５の間に配置されている。つまり、第１レンズ６１、第２レンズ６２、第３レンズ６３、第４レンズ６４からなるレンズ群が前群であり、後群は第５レンズ６５、第６レンズ６６からなるレンズ群である。また、第１レンズ６２と第２レンズ６２の間、第２レンズ６２と第３レンズの間には、それぞれ空気層がある。一方、第３レンズ６３と第４レンズ６４、第４レンズ６４と第５レンズ６５、第５レンズ６５と第６レンズ６６はそれぞれ張り合わされている。

次に、本実施形態の数値例を表７乃至９に示す。

表７において、Ｄは、光軸ＡＸ上におけるレンズの厚さ、光軸ＡＸに平行な方向の絞りの部材の厚さ、又は空気層の厚さのことである。

表９において、Ｌａはレンズ面と光軸ＡＸとの交点から絞りの中心ＰＥまでの距離である。Ｌｂは撮像面と光軸ＡＸとの交点から絞りの中心ＰＥまでの距離である。Ｌｐは、レンズ面と光軸ＡＸとの交点から軸外光束の主光線ＰＲの延長線と光軸ＡＸとの交点までの距離である。Ｌｑは、撮像面と光軸ＡＸとの交点から軸外光束の主光線ＰＲの延長線と光軸ＡＸとの交点までの距離である。

表９において、Ａとは、式３の中央の数式の値、又は式８の中央の数式の値である。Ｂとは、式１の中央の数式の値、又は式９の中央の数式の値である。入射角とは、レンズ面、絞りが形成されたレンズ間の界面又は撮像面に入射する軸外光束の主光線ＰＲの延長線と光軸ＡＸとがなす、０．０以上９０．０（ｄｅｇ）未満の角度である。

第１レンズ６１は、第２レンズ６２などの第１レンズ６１の後続のレンズ群や撮像素子７を保護するフードの役割を果たしている。第１レンズ６１の光入射面が第１レンズ面であり、第１レンズ６１の光射出面は第２レンズ面である。ただし、第１レンズ面は上記の式４を満たさない。そのため、第１レンズ６１は略平凹レンズではない。

第２レンズ６２の光入射面は略平面形状の第３レンズ面であり、第２レンズ６２の光射出面は凹面形状の第４レンズ面である。そして、第３レンズ面は上記の式４を満たすノンパワー面であるため、第２レンズ６２が略平凹レンズである。

第３レンズ６３の光入射面は第５レンズ面であり、前群最強パワー面である。そして、第５レンズ面は上記の式１を満たすコンセントリック面である。このため、コマ収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差の発生を抑えることができる。さらに第５レンズ面は式３を満たす。つまり、第５レンズ面の曲率中心は絞り６０の中心ＰＥの近傍に配置されている。このため、広画角な撮像光学系においても球面収差や軸上色収差を良好に補正できる構成としている。特に、この第５レンズ面では球面収差を補正している。

また、第５レンズ面のパワーφｐｉと第４レンズ面のパワーφ１ｏの和は正である。つまり、φｐｉ＋φ１ｏ＞０である。このように、第４レンズ面と第５レンズ面の各パワーの和が正であるため、略平凹レンズの光射出面である第４レンズ面と前群最強パワー面である第５レンズ面とが別々のレンズ面であっても前群を正のパワーにし易い構成としている。前群を正のパワーに設定することにより、撮像面から離れた位置から集光作用を発揮させて結像性能を向上させる効果を有している。全系の小型化にも効果を発揮する。

第３レンズ６３の光射出面は、第４レンズ６４の光入射面と接合されており、第６レンズ面である。

第４レンズ６４の光射出面は平面であり、そこに遮光部を設けることで絞り６０が形成されている。また、第４レンズ６４の光射出面の絞り６０が形成されていない領域で、第４レンズ６４と第５レンズ６５は接合されている。

第５レンズ６５の光射出面は凸面であり、第６レンズ６６の光入射面との接合面であり、第７レンズ面である。この第７レンズ面は、上記の式１を満たすコンセントリック面である。また、第７レンズ面の曲率中心は絞り６０の中心ＰＥの近傍に位置しており、第７レンズ面は上記の式３を満たしている。

第６レンズ６６の光射出面は第８レンズ面であって、後群最強パワー面である。また第８レンズ面は上記の式１を満たすコンセントリック面である。このため、コマ収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差の発生を抑えることができる。さらに第８レンズ面は上記の式３を満たす。つまり、第８レンズ面の曲率中心は、絞り６０の中心の近傍に配置されている。このため、より広画角な撮像光学系においても球面収差や軸上色収差を良好に補正できる構成としている。特に、第８レンズ面では第５レンズ面とは異なり、軸上色収差を補正している。

本実施形態では、湾曲した撮像面７ａを有する撮像素子７を用いている。表７に示すように、撮像面７ａの曲率半径Ｒｉｍｇは−６．９３６０ｍｍとしている。また、撮像面７ａの任意の点から絞りの中心までの距離Ｌａは８．００ｍｍであって、上記の式８を満たしている。撮像素子７の撮像面７ａをこのように湾曲させた場合、軸外光束が撮像素子７へ入射する角度を非常に小さくすることができる。

本発形態では、略平凹レンズを用いて軸外光束が撮像光学系へ入射する時より射出する時の角度を小さくすることにより撮像素子７の幅を狭くすることができ、湾曲させた撮像面７ａの周辺部におけるサグ量（平面からの変位量）を小さく抑えることができる。これにより、湾曲した撮像面を製造することが容易となるメリットが得られる。

本発明は、特にデジタルスチ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、ウェアラブルカメラ、医療用カメラ等に好適な撮像装置を提供するものである。

１００、２００、３００撮像装置
２、５、６撮像光学系
４、７撮像素子
２１、５１、６２略平凹レンズ

Claims

複数のレンズと絞りとを有し、像面が湾曲した形状となる撮像光学系と、
前記像面の像を撮像する撮像素子と、を有する撮像装置であって、
前記像面を撮像する湾曲した撮像面があり、
前記撮像光学系は、前記絞りよりも物体側に配置されたレンズから成る前群と、前記絞りよりも前記撮像面側に配置されたレンズから成る後群と、を有し、
前記前群に含まれるレンズ面の中で最もパワーが強いレンズ面を前群最強パワー面、前記後群に含まれるレンズ面の中で最もパワーが強いレンズ面を後群最強パワー面としたとき、前記前群最強パワー面と前記後群最強パワー面とはそれぞれコンセントリック面であり、
前記前群は、光入射側のレンズ面のパワーφｒが下記の式を満たし、光射出側のレンズ面が凹面を有する略平凹レンズを有することを特徴とする撮像装置。

ただし、φｏは、前記撮像光学系の全系のパワーである。
コンセントリック面であるレンズ面は、下記の式を満たすことを特徴する請求項１に記載の撮像装置。

ただし、Ｒはレンズ面の曲率半径、Ｌｐはレンズ面のある点から前記レンズ面のある点に入射する軸外光束の主光線の延長線と前記撮像光学系の光軸との交点までの距離である。
前記略平凹レンズは、前記前群最強パワー面を有するレンズよりも物体側に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
前記略平凹レンズの屈折率をＮ１、前記前群最強パワー面を有するレンズの屈折率をＮ２としたとき、下記の式が満たされることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
Ｎ１＜Ｎ２
前記略平凹レンズのアッベ数νｄ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。
前記略平凹レンズの光射出側のレンズ面は、コンセントリック面であ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。
前記撮像光学系に含まれる、空気と接する全てのレンズ面は、コンセントリック面である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。
前記コンセントリック面であるレンズ面は、下記の式を満たすことを特徴する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。

ただし、Ｒはコンセントリック面であるレンズ面の曲率半径、Ｌａはコンセントリック面であるレンズ面にある点から前記絞りの中心までの距離である。
前記撮像面は、下記の式を満たすことを特徴する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。

ただし、Ｒｉｍｇは撮像面の曲率半径、Ｌｂは撮像面のある点から前記絞りの中心までの距離である。
前記撮像光学系のうち物体側に最も近いレンズ面の前記撮像光学系の前記光軸との交点と撮像面側に最も近いレンズ面と前記撮像光学系の前記光軸との交点との間の距離をＬｏ、前記撮像光学系のうち物体側に最も近いレンズ面の前記撮像光学系の前記光軸との交点と撮像面側に最も近いレンズ面と前記撮像光学系の前記光軸との交点との間に含まれる空気層の総厚さをＤａｉｒとしたとき、下記の式が満たされる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。
軸外光束の主光線が前記撮像光学系のうち物体側に最も近いレンズ面へ入射する際の前記撮像光学系の光軸と成す角度をθｉ、前記軸外光束の主光線が前記撮像光学系から射出され前記撮像面へ入射する際の前記撮像光学系の光軸と成す角度をθｏ、前記略平凹レンズの屈折率をＮ１としたとき、下記の式が満たされ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。
前記略平凹レンズの光の射出側のレンズ面と前記前群最強パワー面とが異なる場合には、それぞれのパワーの和が正である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。
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をさらに有し、
前記光ファイバ束の光入射面は、前記撮像面であ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。
前記撮像素子の光入射面は、前記撮像面である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。