JP2018180422A - 撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型でありながら、広い撮影範囲を高い解像度で撮影が可能な撮像装置を提供すること。
【解決手段】撮像装置は、明るさ絞りと、複数のレンズ成分と、を有する結像光学系と、結像光学系に向けて凹状に湾曲した非平面の受光面を有する撮像部と、を有し、レンズ成分は、光軸上にて空気に接触する面が物体側面と像側面の２面のみのレンズであり、結像光学系は、物体側から像側に順に、負の屈折力を有する第１レンズ成分と、正の屈折力を有する第２レンズ成分と、正の屈折力を有する第３レンズ成分と、からなり、第１レンズ成分の形状は、物体側に凸面を向けたメニスカス形状であり、第３レンズ成分の形状は、両凸形状であり、以下の条件式（１）、（２）を満足する。
０．７＜｜ＰＳ×Ｒｉｍｇ｜＜１．５ （１）
０．７＜｜θｏｕｔ９０／θｉｍｇ９０｜＜１．５ （２）
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置に関するものである。
広い画角を有し、湾曲した像を形成する光学系が、特許文献１と特許文献２に開示されている。
特許文献１と特許文献２には、負の屈折力を有する第１レンズ成分と、正の屈折力を有する第２レンズ成分と、正の屈折力を有する第３レンズ成分からなる光学系が開示されている。この光学系では、像面は湾曲している。
特開２０１３−０２５２０２号公報（実施例６） 国際公開第２０１２／０９０７２９号（実施例４）
特許文献１の光学系と特許文献２の光学系は、画角が十分に広いとは言い難い。よって、これらの光学系を用いた撮像装置では、装置を小型化することや、広い撮影範囲を高い解像度で撮影することは難しい。
また、特許文献２の光学系は、Ｆナンバーが大きい。そのため、分解能の高い像を得ることが困難である。この場合、画素ピッチが狭い撮像素子で像の撮像を行っても、高い解像度の画像を取得できない。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、小型でありながら、広い撮影範囲を高い解像度で撮影が可能な撮像装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る撮像装置は、
軸上光束を決める明るさ絞りと、複数のレンズ成分と、を有する結像光学系と、
結像光学系の像側に配置され、結像光学系に向けて凹状に湾曲した非平面の受光面を有する撮像部と、を有し、
レンズ成分は、光軸上にて空気に接触する面が物体側面と像側面の２面のみのレンズであり、
結像光学系は、物体側から像側に順に、負の屈折力を有する第１レンズ成分と、正の屈折力を有する第２レンズ成分と、正の屈折力を有する第３レンズ成分と、からなり、
第１レンズ成分の形状は、物体側に凸面を向けたメニスカス形状であり、
第３レンズ成分の形状は、両凸形状であり、
以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする。
０．７＜｜ＰＳ×Ｒｉｍｇ｜＜１．５ （１）
０．７＜｜θｏｕｔ９０／θｉｍｇ９０｜＜１．５ （２）
ここで、
ＰＳは、結像光学系のペッツバール和であり、
ペッツバール和ＰＳは、以下の式で表され、
Figure 2018180422
 ここで、
ｉは、結像光学系中の各レンズ成分の物体側からの順番、
ｋは、結像光学系中のレンズ成分の総数、
ｎｉは、ｉ番目のレンズ成分のｄ線での屈折率、
ｆｉは、ｉ番目のレンズ成分のｄ線での焦点距離、
Ｒｉｍｇは、光軸と受光面とが交わる点を面頂点とし、面頂点と、結像光学系に最大画角で入射する主光線と受光面とが交わる点と、を含む仮想球面の曲率半径、
θｏｕｔ９０は、第３レンズ成分の像側面から射出した所定の主光線と光軸とのなす角度、
θｉｍｇ９０は、所定の２点を通過する直線と光軸とのなす角度、
所定の主光線は、第１レンズ成分の物体側の空間において、光軸とのなす角度が９０°となる主光線、
所定の２点は、第３レンズ成分の像側面から射出した所定の主光線と仮想球面との交点と、仮想球面の曲率中心、
である。
本発明によれば、小型でありながら、広い撮影範囲を高い解像度で撮影が可能な撮像装置を提供することができる。
実施例１に係る結像光学系の断面図と収差図である。 実施例２に係る結像光学系の断面図と収差図である。 実施例３に係る結像光学系の断面図と収差図である。 実施例４に係る結像光学系の断面図と収差図である。 実施例５に係る結像光学系の断面図である。 カプセル内視鏡の概略構成を示す図である。 車載カメラを示す図である。 内視鏡システムの概略構成を示す図である。 内視鏡の光学系の構成を示す図である。
実施例の説明に先立ち、本発明のある態様にかかる実施形態の作用効果を説明する。なお、本実施形態の作用効果を具体的に説明するに際しては、具体的な例を示して説明することになる。しかし、後述する実施例の場合と同様に、それらの例示される態様はあくまでも本発明に含まれる態様のうちの一部に過ぎず、その態様には数多くのバリエーションが存在する。したがって、本発明は例示される態様に限定されるものではない。
本実施形態の撮像装置は、軸上光束を決める明るさ絞りと、複数のレンズ成分と、を有する結像光学系と、結像光学系の像側に配置され、結像光学系に向けて凹状に湾曲した非平面の受光面を有する撮像部と、を有し、レンズ成分は、光軸上にて空気に接触する面が物体側面と像側面の２面のみのレンズであり、結像光学系は、物体側から像側に順に、負の屈折力を有する第１レンズ成分と、正の屈折力を有する第２レンズ成分と、正の屈折力を有する第３レンズ成分と、からなり、第１レンズ成分の形状は、物体側に凸面を向けたメニスカス形状であり、第３レンズ成分の形状は、両凸形状であり、以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする。
０．７＜｜ＰＳ×Ｒｉｍｇ｜＜１．５ （１）
０．７＜｜θｏｕｔ９０／θｉｍｇ９０｜＜１．５ （２）
ここで、
ＰＳは、結像光学系のペッツバール和であり、
ペッツバール和ＰＳは、以下の式で表され、
Figure 2018180422
 ここで、
ｉは、結像光学系中の各レンズ成分の物体側からの順番、
ｋは、結像光学系中のレンズ成分の総数、
ｎｉは、ｉ番目のレンズ成分のｄ線での屈折率、
ｆｉは、ｉ番目のレンズ成分のｄ線での焦点距離、
Ｒｉｍｇは、光軸と受光面とが交わる点を面頂点とし、面頂点と、結像光学系に最大画角で入射する主光線と受光面とが交わる点と、を含む仮想球面の曲率半径、
θｏｕｔ９０は、第３レンズ成分の像側面から射出した所定の主光線と光軸とのなす角度、
θｉｍｇ９０は、所定の２点を通過する直線と光軸とのなす角度、
所定の主光線は、第１レンズ成分の物体側の空間において、光軸とのなす角度が９０°となる主光線、
所定の２点は、第３レンズ成分の像側面から射出した所定の主光線と仮想球面との交点と、仮想球面の曲率中心、
である。
本実施形態の撮像装置は、小型でありながら、広い撮影範囲を高い解像度で撮影することができる。そのために、本実施形態の撮像装置では、撮像装置に用いられる結像光学系を、小型でありながら、広い画角と小さいＦナンバーを有すると共に、良好な像が結像できるようにしている。良好な像とは、中心部から周辺部まで収差が良好に補正された光学像のことである。
本実施形態の撮像装置では、結像光学系は、明るさ絞りと、複数のレンズ成分と、を有する。明るさ絞りは、軸上光束を決める絞りである。レンズ成分は、光軸上にて空気に接触する面が物体側面と像側面の２面のみのレンズである。
上述のように、レンズ成分は、空気に接触する面として、物体側面と像側面を有する。以下の説明では、空気に接触する２つの面のうちの物体側面を、物体側のレンズ面としている。物体側のレンズ面は、レンズ成分において最も物体側に位置している。また、空気に接触する２つの面のうちの像側面を、像側のレンズ面としている。像側のレンズ面は、レンズ成分において最も像側に位置している。
結像光学系の像側には、撮像部が配置されている。撮像部は、結像光学系に向けて凹状に湾曲した非平面の受光面を有する。受光面に形成される像は、物体側に凹状に湾曲している。
全体的に又は部分的に物体側に凹状に湾曲した像（以下、「湾曲像」という）を形成する光学系では、像面湾曲の発生をある程度許容できる。よって、湾曲像を形成する光学系では、平坦な像を形成する光学系に比べて、収差補正の負担が軽減される。
例えば、湾曲像を形成する光学系では、ペッツバール和を補正するためのレンズを削減できる。そのため、光学系を小型化できる。
また、平坦な像を形成する光学系では、像面湾曲を良好に補正するために、明るさ絞りから離れた位置に補正用のレンズを配置する必要がある。但し、補正用のレンズを配置すると、光学系の外径が大きくなり、さらにレンズ成分の数が増える。このように、補正用のレンズは、光学系の外径を大きくする要因の一つである。
これに対して、湾曲像を形成する光学系では、補正用のレンズを配置する必要が無くなる。よって、湾曲像を形成する光学系では、光学系の外径を小さくすることができる。
また、周辺光量比、すなわち、中心領域の光量に対する周辺領域の光量の比については、比率の低下が抑制される。また、ディストーションについては、更なる発生が抑制される。
更には、湾曲した撮像面をもつ撮像素子で光学系の像を受光する場合には、撮像面へ入射する光線をほぼ垂直にするためにテレセントリックな光学系としなくてもよい。よって、湾曲像を形成する光学系では、小型化と光学性能の両立のための設計の自由度が広がる。
本実施形態の撮像装置における結像光学系も、湾曲像を形成する光学系である。よって、レンズ成分の数を減らし、光学系を小型化することができる。更に、設計の自由度が広がるため、広い画角、例えば、１８０度以上の画角を確保しつつ、高い結像性能を有する光学系を実現することができる。
本実施形態の撮像装置では、結像光学系は、物体側から像側に順に、負の屈折力を有する第１レンズ成分と、正の屈折力を有する第２レンズ成分と、正の屈折力を有する第３レンズ成分と、からなる。このようにすることで、広い画角と小さいＦナンバーを有する結像光学系であっても、良好な結像性能を確保することができる。また、結像光学系が小型になるので、撮像装置を小型化することができる。
第１レンズ成分は負の屈折力を有する。このようにすることで、例えば、画角が１８０度以上であっても、撮像範囲の中心部から周辺部まで良好な結像性能を確保することができる。
第１レンズ成分の形状は、物体側に凸面を向けたメニスカス形状になっている。これにより、物体側のレンズ面へ入射する光線とレンズ面の法線とのなす角を、小さくすることができる。その結果、コマ収差の発生、非点収差の発生及び歪曲収差の発生を抑えることができる。
第３レンズ成分に入射した光は、第３レンズ成分で屈折される。このとき、光が発散する方向に屈折すると、球面収差やコマ収差が、より発生しやすくなる。
第３レンズ成分は、正の屈折力を有している。また、第３レンズ成分の形状は、両凸形状になっている。このようにすることで、第３レンズ成分に入射した光を、収斂する方向に屈折させることができる。その結果、球面収差の発生やコマ収差の発生を抑えることができる。
このように、本実施形態の撮像装置における結像光学系では、負の屈折力を有する第１レンズ成分に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズ成分が用いられ、正の屈折力を有する第３レンズ成分に、両凸形状のレンズ成分が用いられている。そのため、結像光学系を広画角で明るい光学系にしても、撮像範囲の中心部から周辺部まで良好な結像性能を確保することができる。広画角で明るい光学系とは、広い画角と小さいＦナンバーを有する光学系であって、例えば、Ｆナンバーが３．５以下で、且つ、全画角が１８０度以上の光学系である。
条件式（１）を満足するように結像光学系を構成することで、結像光学系で発生する像面湾曲の湾曲量を、受光面の湾曲量とほぼ同じにすることができる。そのため、像面湾曲の影響を抑えることができる。その結果、撮像装置の結像光学系を、広画角で明るい光学系にすることができる。また、小型で、且つ、高画質な画像を取得できる撮像装置を実現することができる。
条件式（１）を満足しない場合、結像光学系で発生する像面湾曲の湾曲量と受光面の湾曲量との差が、大きくなり過ぎてしまう。そのため、像面湾曲の影響が大きくなる。その結果、撮像で取得した画像で、画質劣化が発生する。
像面湾曲の影響を抑えるためには、例えば、レンズの枚数を増やす必要がある。この場合、広画角で明るい光学系を３つのレンズ成分で構成することが困難になる。
条件式（２）を満足するように結像光学系を構成することで、各像高の主光線において、メリジオナル方向の曲率とサジタル方向の曲率とをほぼ一致させることができる。そのため、非点収差の発生を抑えることができる。その結果、撮像装置の結像光学系を、広画角で明るい光学系にすることができる。また、小型で、且つ、高画質な画像を取得できる撮像装置を実現することができる。
条件式（２）を満足しない場合、各像高の主光線において、メリジオナル方向の曲率とサジタル方向の曲率との差が大きくなり過ぎてしまう。そのため、非点収差の発生量が大きくなる。
条件式（１）に代えて、以下の条件式（１−１）を満足することが好ましい。
０．８＜｜ＰＳ×Ｒｉｍｇ｜＜１．４ （１−１）
条件式（２）に代えて、以下の条件式（２−１）を満足することが好ましい。
０．７５＜｜θｏｕｔ９０／θｉｍｇ９０｜＜１．３ （２−１）
θｉｍｇ９０の値は、以下の式で求めることができる。
θｉｍｇ９０＝ａｒｃｓｉｎ（ＩＭ９０／Ｒｉｍｇ）
ここで、
ＩＭ９０は、第３レンズ成分の像側面から射出した所定の主光線と仮想球面との交点から光軸までの最短距離、
である。
上述のように、レンズ成分は、空気に接触する面として、物体側面と像側面を有する。レンズ成分の具体例としては、単レンズや接合レンズがある。接合レンズには、２つのタイプがある。１つ目のタイプの接合レンズでは、複数のレンズが接着剤で接合されている。２つ目のタイプの接合レンズでは、接着剤は使用されずにレンズ同士が直接接触している。
本実施形態の撮像装置では、明るさ絞りは、第２レンズ成分の最も像側のレンズ面から、第３レンズ成分の最も物体側のレンズ面までの間に配置されていることが好ましい。
明るさ絞りを配置する場所としては、第２レンズ成分の最も像側のレンズ面から、第３レンズ成分の最も物体側のレンズ面までの間（以下、「所定の場所」という）と、所定の場所以外の場所（以下「他の場所」という）が考えられる。他の場所としては、例えば、第１レンズ成分の最も像側のレンズ面から、第２レンズ成分の最も物体側のレンズ面までの間がある。
所定の場所に明るさ絞りを配置すると、明るさ絞りの物体側と像側に、各々、正の屈折力のレンズ成分が配置されることになる。すなわち、結像光学系が、屈折力の並びが明るさ絞りを挟んで対称になる部分を持つことになる。この場合、他の場所に明るさ絞りが配置される場合と比べると、明るさ絞りの近傍における屈折力のバランスが相対的に良くなる。その結果、軸外収差の発生、特に倍率色収差の発生を抑えることができる。
明るさ絞りを通過した光が発散する方向に屈折すると、球面収差やコマ収差が、より発生しやすくなる。明るさ絞りの像側には、第３レンズ成分が位置している。上述のように、第３レンズ成分は正の屈折力を有している。そのため、第３レンズ成分で、明るさ絞りを通過した光線を収斂する方向に屈折させることができる。その結果、球面収差の発生やコマ収差の発生を抑えることができる。
明るさ絞りの位置は、第２レンズ成分の最も像側のレンズ面上であっても、第３レンズ成分の最も物体側のレンズ面上であっても良い。
本実施形態の撮像装置は、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
０．５＜ｆＬ３／ｆＬ＜３．４ （３）
ここで、
ｆＬ３は、第３レンズ成分の焦点距離、
ｆＬは、結像光学系の焦点距離、
である。
上述のように、第３レンズ成分では、屈折力は正の屈折力で、形状は両凸形状になっている。このような屈折力と形状を持つ第３レンズ成分において条件式（３）を満足することで、結像光学系を広画角で明るい光学系にしても、良好な像を結像させることができる。
条件式（３）の下限値を下回らないようにすることで、球面収差の発生量やコマ収差の発生量を抑えつつ、光学系の明るさを十分に確保することができる。光学系の明るさを十分に確保するとは、光学系のＦナンバーを十分に小さくすることができる、という意味である。
条件式（３）の上限値を上回らないようにすることで、画角が小さくなり過ぎないようにすることができる。
条件式（３）に代えて、以下の条件式（３−１）を満足することが好ましい。
０．５＜ｆＬ３／ｆＬ＜３ （３−１）
本実施形態の撮像装置は、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。
１＜（Ｒ１Ｌ＋Ｒ１Ｒ）／（Ｒ１Ｌ−Ｒ１Ｒ）＜２．５ （４）
ここで、
Ｒ１Ｌは、第１レンズ成分の最も物体側のレンズ面の近軸曲率半径、
Ｒ１Ｒは、第１レンズ成分の最も像側のレンズ面の近軸曲率半径、
である。
上述のように、第１レンズ成分では、屈折力は負の屈折力で、形状は物体側に凸面を向けたメニスカス形状になっている。このような屈折力と形状を持つ第１レンズ成分において条件式（４）を満足することで、結像光学系を広画角で明るい光学系にしても、良好な像を結像させることができる。
条件式（４）を満足しない場合、第１レンズ成分における負の屈折力が、小さくなり過ぎてしまう。そのため、広い画角、例えば、全画角が１８０度以上では、良好な像を結像させることが困難になる。
条件式（４）に代えて、以下の条件式（４−１）を満足することが好ましい。
１＜（Ｒ１Ｌ＋Ｒ１Ｒ）／（Ｒ１Ｌ−Ｒ１Ｒ）＜１．７５ （４−１）
本実施形態の撮像装置は、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。
−２＜（Ｒ２Ｌ＋Ｒ２Ｒ）／（Ｒ２Ｌ−Ｒ２Ｒ）＜０ （５）
ここで、
Ｒ２Ｌは、第２レンズ成分の最も物体側のレンズ面の近軸曲率半径、
Ｒ２Ｒは、第２レンズ成分の最も像側のレンズ面の近軸曲率半径、
である。
第２レンズ成分の最も物体側のレンズ面の形状を、物体側に凸面を向けた形状にすると、非点収差の発生を抑制することができる。第２レンズ成分の最も像側のレンズ面を、物体側に凸面を向けた形状にすると、非点収差の発生を抑制することができる。第２レンズ成分の最も像側のレンズ面を、像側に凸面を向けた形状にすると、球面収差の発生やコマ収差の発生を抑制することができる。
このように、第２レンズ成分の最も物体側のレンズ面と、第２レンズ成分の最も像側のレンズ面は、球面収差の発生、コマ収差の発生及び非点収差の発生に関与している。
条件式（５）を満足することで、第２レンズ成分の最も像側のレンズ面の曲率半径の方が、第２レンズ成分の最も物体側のレンズ面の曲率半径よりも大きくなる。その結果、球面収差の発生、コマ収差の発生及び非点収差の発生を、バランスよく抑えることができる。曲率半径の比較は、絶対値での比較である。
特に、第２レンズ成分では、屈折力は正の屈折力になっている。このような屈折力を持つ第２レンズ成分において条件式（５）を満足することで、球面収差の発生、コマ収差の発生及び非点収差の発生を抑えることができる。
条件式（５）を満足しない場合、絶対値で比較すると、第２レンズ成分の最も像側のレンズ面の曲率半径が小さくなり過ぎてしまう。そのため、球面収差の発生、コマ収差の発生及び非点収差の発生を、バランスよく抑えるのが困難になる。
上述のように、明るさ絞りは、第２レンズ成分の最も像側のレンズ面上、又は、第３レンズ成分の最も物体側のレンズ面上に位置させることができる。このようにした状態で条件式（５）を満足すると、球面収差の発生、コマ収差の発生及び非点収差の発生を、より効果的に抑えることができる。
条件式（５）に代えて、以下の条件式（５−１）を満足することが好ましい。
−１．５＜（Ｒ２Ｌ＋Ｒ２Ｒ）／（Ｒ２Ｌ−Ｒ２Ｒ）＜−０．７ （５−１）
本実施形態の撮像装置は、以下の条件式（６）を満足することが好ましい。
２．５＜ｆＬ２／ｆＬ＜８ （６）
ここで、
ｆＬ２は、第２レンズ成分の焦点距離、
ｆＬは、結像光学系の焦点距離、
である。
第２レンズ成分の屈折力が大きくなり過ぎると、広い画角を確保することが困難になる。条件式（６）を満足することで、結像光学系を広画角で明るい光学系にしても、良好な像を結像させることができる。
条件式（６）の下限値を下回らないようにすることで、広い画角を確保することができ、また、コマ収差や非点収差が補正過剰にならないようにすることができる。条件式（６）の上限値を上回らないようにすることで、コマ収差や非点収差が補正不足にならないようにすることができる。
条件式（６）に代えて、以下の条件式（６−１）を満足することが好ましい。
３．５＜ｆＬ２／ｆＬ＜６．５ （６−１）
本実施形態の撮像装置では、第２レンズ成分及び第３レンズ成分は、各々、非球面を有することが好ましい。
第２レンズ成分と第３レンズ成分では、最も物体側のレンズ面を非球面にするか、最も像側のレンズ面を非球面にするか、又は両面を非球面にすることが好ましい。
このようにすることで、球面収差の発生、コマ収差の発生及び非点収差の発生を抑えることができる。
第１レンズ成分では、両面を球面にすることができる。但し、第１レンズ成分に非球面を用いても良い。この場合、第１レンズ成分の最も物体側のレンズ面を球面とし、第１レンズ成分の最も像側のレンズ面を非球面にすることが好ましい。第１レンズ成分の最も物体側のレンズ面も、非球面にすることができる。
本実施形態の撮像装置では、第１レンズ成分、第２レンズ成分及び第３レンズ成分は、いずれも単レンズであることが好ましい。
このようにすることで、光学系をより小型化することができる。
本実施形態の撮像装置では、更に、照明部と、結像光学系の物体側に配置されたカバー部と、を有することが好ましい。
カバー部を配置することで、被写体と結像光学系との距離が近づきすぎないように構成でき、被写体を被写界深度内とすることに有利となる。照明部を有することで、夜間撮影や、空洞内撮影にも有利となる。
本実施形態の撮像装置では、カバー部が、結像光学系と照明部の双方の物体側を覆うドーム状のカバー部であることが好ましい。
このようにすることで、被写体と照明部との距離が近づき過ぎないように構成でき、撮影画像の白とびを軽減できる。
本実施形態の撮像装置は、上記の撮像装置と、照明部と、結像光学系及び照明部の物体側に配置されたドーム状カバー部と、を有することが好ましい。
各実施形態の撮像装置は小型化に有利である。そのため、撮像装置に照明部とドーム状のカバー部を持たせることで、撮像装置をカプセル内視鏡として使用することができる。
以下に、撮像装置に用いられる結像光学系（以下、「結像光学系」という）の実施例や撮像装置の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
断面図について説明する。図１〜４において、（ａ）はレンズ断面を示している。
収差図について説明する。図１〜４において、（ｂ）は球面収差（ＳＡ）、（ｃ）は非点収差（ＡＳ）、（ｄ）は歪曲収差（ＤＴ）、（ｅ）は倍率色収差（ＣＣ）を示している。非点収差（ＡＳ）は、湾曲した受光面（撮像面）からの収差量を示している。
歪曲収差については、立体射影方式を用いて算出している。立体射影方式では、理想像高Ｙは、以下の式（Ａ）で表される。
Ｙ＝２×ｆ×ｔａｎ（ω／２） （Ａ）
ここで、
Ｙは、立体射影方式における理想像高、
ｆは、焦点距離、
ωは、半画角、
である。
よって、歪曲収差は、理想像高Ｙと実像高ｙを用いて、以下の式（Ｂ）から求めることができる。
ＤＴ（％）＝（ｙ−Ｙ）／Ｙ×１００ （Ｂ）
実施例１の結像光学系は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、両凸正レンズＬ２と、両凸正レンズＬ３と、で構成されている。
明るさ絞りＳは、両凸正レンズＬ２と両凸正レンズＬ３との間に配置されている。
非球面は、両凸正レンズＬ２の両側面と、両凸正レンズＬ３の両側面と、の合計４面に設けられている。
実施例２の結像光学系は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、両凸正レンズＬ２と、両凸正レンズＬ３と、で構成されている。
明るさ絞りＳは、両凸正レンズＬ２と両凸正レンズＬ３との間に配置されている。
非球面は、両凸正レンズＬ２の両側面と、両凸正レンズＬ３の両側面と、の合計４面に設けられている。
実施例３の結像光学系は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ３と、両凸正レンズＬ４と、で構成されている。ここで、負メニスカスレンズＬ３と両凸正レンズＬ４とが接合されている。
明るさ絞りＳは、正メニスカスレンズＬ２と負メニスカスレンズＬ３との間に配置されている。
非球面は、正メニスカスレンズＬ２の両側面と、負メニスカスレンズＬ３の物体側面と、両凸正レンズＬ４の像側面と、の合計４面に設けられている。
実施例４の結像光学系は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、両凸正レンズＬ２と、両凸正レンズＬ３と、で構成されている。
明るさ絞りＳは、両凸正レンズＬ２と両凸正レンズＬ３との間に配置されている。
非球面は、負メニスカスレンズＬ１の像側面と、両凸正レンズＬ２の両側面と、両凸正レンズＬ３の両側面と、の合計５面に設けられている。
実施例５の結像光学系は、図５に示すように、物体側から順に、光学部材ＣＧと、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、両凸正レンズＬ２と、両凸正レンズＬ３と、で構成されている。負メニスカスレンズＬ１、両凸正レンズＬ２、明るさ絞りＳ及び両凸正レンズＬ３で構成される光学系は、実施例１の結像光学系と同じである。
図５は、光学部材ＣＧが配置できることを例示する概略図である。そのため、レンズの大きさや位置に対して、光学部材ＣＧの大きさや位置は正確に描かれているわけではない。
光学部材ＣＧは板状の部材で、物体側面と像側面は共に曲面になっている。図５では、物体側面と像側面は共に球面になっているので、光学部材ＣＧの全体形状は、半球になっている。実施例５では、光学部材ＣＧの肉厚、すなわち、物体側面と像側面との間隔は一定になっている。しかしながら、光学部材ＣＧの肉厚は一定でなくても良い。
また、後述のように、光学部材ＣＧは、負メニスカスレンズＬ１の物体側面から物体側に６．０ｍｍだけ離れた位置に配置されている。しかしながら、光学部材ＣＧは、この位置から前後にずらした位置に配置しても良い。また、光学部材ＣＧの曲率半径及び肉厚は一例であるので、この限りではない。
光学部材ＣＧには、光を透過する材質が用いられている。よって、被写体からの光は光学部材ＣＧを通過して、負メニスカスレンズＬ１に入射する。光学部材ＣＧは、像側面の曲率中心が入射瞳の位置と略一致するように配置されている。よって、光学部材ＣＧによる新たな収差は、ほとんど発生しない。すなわち、実施例５の結像光学系の結像性能は、実施例１の結像光学系の結像性能と変わらない。
光学部材ＣＧは、カバーガラスとして機能する。この場合、光学部材ＣＧは、例えば、カプセル内視鏡の外装部に設けられた観察窓に該当する。よって、実施例５の結像光学系は、カプセル内視鏡の光学系に用いることができる。実施例１〜４の結像光学系もカプセル内視鏡の光学系に用いることができる。
以下に、上記各実施例の数値データを示す。面データにおいて、ｒは各レンズ面の曲率半径、ｄは各レンズ面間の間隔、ｎｄは各レンズのｄ線の屈折率、νｄは各レンズのアッベ数、＊印は非球面、絞りは明るさ絞りである。
また、各種データにおいて、ｆは全系の焦点距離、ＦＮＯ．はＦナンバー、ωは半画角、ＩＨは像高、ＬＴＬは光学系の全長である。全長は、最も物体側のレンズ面から最も像側のレンズ面までの距離にバックフォーカスを加えたものである。
また、実施例５は、実施例１の結像光学系の物体側に光学部材ＣＧを配置したものである。実施例５の面データにおいて、Ｃ１は光学部材ＣＧの物体側面、Ｃ２は光学部材ＣＧの像側面を示す。また、実施例５の非球面データと各種データは、実施例１の非球面データや各種データと同じであるので記載は省略する。
また、非球面形状は、光軸方向をｚ、光軸に直交する方向をｙにとり、円錐係数をｋ、非球面係数をＡ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、Ａ１２…としたとき、次の式で表される。
ｚ＝（ｙ2／ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）（ｙ／ｒ）2｝1/2］
＋Ａ４ｙ4＋Ａ６ｙ6＋Ａ８ｙ8＋Ａ１０ｙ10＋Ａ１２ｙ12＋…
また、非球面係数において、「ｅ−ｎ」（ｎは整数）は、１０のｎ乗を示している。なお、これら諸元値の記号は後述の実施例の数値データにおいても共通である。
数値実施例１
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
1 12.000 0.30 1.88300 40.76
2 1.727 1.13
3* 2.028 2.21 1.61441 25.11
4* -21.498 0.71
5(絞り) ∞ 0.10
6* 0.797 1.10 1.52550 55.20
7* -0.656 0.05
8 ∞ 0.30 1.51633 64.14
9 ∞ 0.20
10(像面) -1.419

非球面データ
第３面
k=0.000
A4=1.23130e-02,A6=-1.91427e-02,A8=1.49350e-03
第４面
k=0.000
A4=-6.38357e-02,A6=1.53933e-02
第６面
k=0.000
A4=-4.10690e-01,A6=5.39893e-01
第７面
k=0.000
A4=2.18638e+00,A6=-7.75462e+00,A8=1.82742e+01

各種データ
ｆ 0.65
ＦＮＯ． 3.03
２ω 190.00
ＩＨ 0.73
ＬＴＬ (in air) 6.10
数値実施例２
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
1 9.457 0.30 1.88300 40.76
2 1.812 1.34
3* 2.076 2.02 1.61441 25.11
4* -45.362 0.69
5(絞り) ∞ 0.10
6* 0.810 1.10 1.52550 55.20
7* -0.676 0.05
8 ∞ 0.30 1.51633 64.14
9 ∞ 0.20
10(像面) -1.433

非球面データ
第３面
k=0.000
A4=9.81846e-03,A6=-2.04754e-02,A8=-2.01513e-03
第４面
k=0.000
A4=-9.55477e-02,A6=2.17816e-02
第６面
k=0.000
A4=-4.10206e-01,A6=5.88124e-01
第７面
k=0.000
A4=2.22004e+00,A6=-8.19123e+00,A8=1.70592e+01

各種データ
ｆ 0.67
ＦＮＯ． 3.06
２ω 210.00
ＩＨ 0.73
ＬＴＬ (in air) 6.10
数値実施例３
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
1 8.900 0.30 1.88300 40.76
2 1.805 1.33
3* 2.059 2.06 1.61441 25.11
4* 15.195 0.51
5(絞り) ∞ 0.10
6* 0.894 0.30 1.68948 31.02
7 0.650 0.80 1.59201 67.02
8* -0.675 0.05
9 ∞ 0.30 1.51633 64.14
10 ∞ 0.23
11(像面) -1.426

非球面データ
第３面
k=0.000
A4=1.56977e-02,A6=-2.42074e-02,A8=-1.25273e-03
第４面
k=0.000
A4=-1.60890e-01,A6=6.00386e-02
第６面
k=0.000
A4=-1.76167e-01,A6=7.56171e-02
第８面
k=0.000
A4=2.01450e+00,A6=-7.30124e+00,A8=1.51490e+01

各種データ
ｆ 0.63
ＦＮＯ． 2.96
２ω 210.00
ＩＨ 0.73
ＬＴＬ (in air) 5.98
数値実施例４
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
1 8.610 0.30 1.88300 40.76
2* 1.722 1.37
3* 2.034 2.00 1.61441 25.11
4* -66.148 0.69
5(絞り) ∞ 0.10
6* 0.804 1.10 1.52542 55.78
7* -0.680 0.05
8 ∞ 0.30 1.51633 64.14
9 ∞ 0.20
10(像面) -1.509

非球面データ
第２面
k=0.061
A4=-4.38879e-03,A6=2.15203e-03
第３面
k=0.000
A4=1.14398e-02,A6=-1.99268e-02,A8=-1.87863e-03
第４面
k=0.000
A4=-9.72838e-02,A6=2.19605e-02
第６面
k=0.000
A4=-3.77500e-01,A6=3.96953e-01
第７面
k=0.000
A4=2.23131e+00,A6=-8.18718e+00,A8=1.70915e+01

各種データ
ｆ 0.66
ＦＮＯ． 3.06
２ω 210.00
ＩＨ 0.73
ＬＴＬ (in air) 6.10
立体射影方式を用いて算出した歪曲収差量を以下に示す。
実施例１
Figure 2018180422
実施例２
Figure 2018180422
実施例３
Figure 2018180422
実施例４
Figure 2018180422
次に、各実施例における条件式の値を以下に掲げる。
条件式 実施例１ 実施例２
(1)|PS×Rimg| 1.32 1.32
(2)|θout90/θimg90| 0.86 0.83
(3)fL3/fL 1.43 1.40
(4)(R1L+R1R)/(R1L-R1R) 1.34 1.47
(5)(R2L+R2R)/(R2L-R2R) -0.83 -0.91
(6)fL2/fL 4.80 4.86

条件式 実施例３ 実施例４
(1)|PS×Rimg| 1.29 1.38
(2)|θout90/θimg90| 0.79 0.88
(3)fL3/fL 1.41 1.43
(4)(R1L+R1R)/(R1L-R1R) 1.51 1.50
(5)(R2L+R2R)/(R2L-R2R) -1.31 -0.94
(6)fL2/fL 5.72 4.90
図６は、撮像装置の例である。この例では、撮像装置はカプセル内視鏡である。カプセル内視鏡１００は、カプセルカバー１０１と透明カバー１０２とを有する。カプセルカバー１０１と透明カバー１０２とによって、カプセル内視鏡１００の外装部が構成されている。
カプセルカバー１０１は、略円筒形状の中央部と、略椀形状の底部と、で構成されている。透明カバー１０２は、中央部を挟んで、底部と対向する位置に配置されている。透明カバー１０２は、略椀形状の透明部材によって構成されている。カプセルカバー１０１と透明カバー１０２とは、互いに水密的に連設されている。
カプセル内視鏡１００の内部には、結像光学系１０３と、照明部１０４と、撮像素子１０５と、駆動制御部１０６と、信号処理部１０７と、を備えている。なお、図示しないが、カプセル内視鏡１００の内部には、受電手段と送信手段が設けられている。
照明部１０４からは、照明光が出射する。照明光は透明カバー１０２を通過して、被写体に照射される。被写体からの光は、結像光学系１０３に入射する。結像光学系１０３によって、像位置に被写体の光学像が形成される。
光学像は、撮像素子１０５で撮像される。撮像素子１０５の駆動と制御は、駆動制御部１０６で行われる。また、撮像素子１０５からの出力信号は、必要に応じて、信号処理部１０７で処理される。
ここで、結像光学系１０３には、例えば、上述の実施例１の結像光学系が用いられている。このように、結像光学系１０３は、小型でありながら、広い画角と小さいＦナンバーを有する。よって、結像光学系１０３では、高い解像度を有する広角な光学像が得られる。
また、カプセル内視鏡１００は、小型でありながら、広い画角と小さいＦナンバーを有し、良好な像が結像できる光学系を備えている。よって、カプセル内視鏡１００では、小型でありながら、高解像な画像が得られる。
なお、ここでは撮像素子が湾曲した受光面を有しているが、撮像素子の受光面は平坦であっても、像を受ける面が湾曲していれば、その面を湾曲した受光面ということができる。このような例として、平坦な受光面を持つ撮像素子の受光面上にファイバ束を配置して、その一端面を湾曲した形状に加工し、その湾曲した端面で物体像を受ける構成が考えられる。
図７は、撮像装置の別の例である。この例では、撮像装置は車載カメラである。図７（ａ）は車外に車載カメラを搭載した例を示す図である。図７（ｂ）は、車内に車載カメラを搭載した例を示す図である。
図７（ａ）に示すように、車載カメラ２０１は、自動車２００のフロントグリルに設けられている。車載カメラ２０１は、結像光学系と撮像素子を備えている。車載カメラ２０１の結像光学系には、例えば、上述の実施例１の結像光学系が用いられている。よって、良好な光学像が形成される。
図７（ｂ）に示すように、車載カメラ２０１は、自動車２００の天井近傍に設けられている。車載カメラ２０１の作用効果は、既に説明したとおりである。車載カメラ２０１では、小型でありながら、高解像な画像が得られる。
図８は、撮像装置の別の例である。この例では、撮像装置は内視鏡システムである。図８は、内視鏡システムの概略構成を示す図である。
内視鏡システム３００は、電子内視鏡を用いた観察システムである。内視鏡システム３００は、電子内視鏡３１０と画像処理装置３２０とから構成されている。電子内視鏡３１０は、スコープ部３１０ａと接続コード部３１０ｂとを備えている。また、画像処理装置３２０には、表示ユニット３３０が接続されている。
スコープ部３１０ａは、操作部３４０と挿入部３４１に大別される。挿入部３４１は、細長で患者の体腔内へ挿入可能になっている。また、挿入部３４１は、可撓性を有する部
材で構成されている。観察者は、操作部３４０に設けられているアングルノブ等により、諸操作を行うことができる。
また、操作部３４０からは、接続コード部３１０ｂが延設されている。接続コード部３１０ｂは、ユニバーサルコード３５０を備えている。ユニバーサルコード３５０は、コネクタ３６０を介して画像処理装置３２０に接続されている。
ユニバーサルコード３５０は、各種の信号等の送受信に用いられる。各種の信号としては、電源電圧信号及びＣＣＤ駆動信号等がある。これらの信号は、電源装置やビデオプロセッサからスコープ部３１０ａに送信される。また、各種の信号として映像信号がある。この信号は、スコープ部３１０ａからビデオプロセッサに送信される。
なお、画像処理装置３２０内のビデオプロセッサには、図示しないＶＴＲデッキ、ビデオプリンタ等の周辺機器が接続可能である。ビデオプロセッサは、スコープ部３１０ａからの映像信号に対して信号処理を施す。映像信号に基づいて、表示ユニット３３０の表示画面上に内視鏡画像が表示される。
挿入部３４１の先端部３４２には、光学系が配置されている。図９は、内視鏡の光学系の構成を示す図である。光学系４００は、照明部と観察部とを有する。
照明部は、ライトガイド４０１と照明レンズ４０２とを有する。ライトガイド４０１は、照明光を挿入部３４１の先端部３４２に伝送する。伝送された照明光は、ライトガイド４０１の先端面から出射する。
先端部３４２には、照明レンズ４０２が配置されている。照明レンズ４０２は、ライトガイド４０１の先端面と対向する位置に配置されている。照明光は照明レンズ４０２を通過し、照明窓４０３から出射する。これにより、被検体内部の観察対象部位（以下、「観察部位４０４」という）が照明される。
先端部３４２には、観察窓４０５が、照明窓４０３の隣に設けられている。観察部位４０４からの光は、観察窓４０５を通過して、先端部３４２内に入射する。観察窓４０５の後方には、観察部が設けられている。
観察部は、結像光学系４０６と撮像素子４０７とを有する。結像光学系４０６に、例えば、実施例１の結像光学系が用いられている。
観察部位４０４からの反射光は、結像光学系４０６を通過して撮像素子４０７に入射する。撮像素子４０７の撮像面には、観察部位４０４の像（光学像）が形成される。観察部位４０４の像は撮像素子４０７によって光電変換され、これにより観察部位４０４の画像が得られる。観察部位４０４の画像は表示ユニット３３０に表示される。このようにして、観察者は、観察部位４０４の画像を観察できる。
結像光学系４０６では、像面は湾曲形状になっている。撮像素子４０７は、像面の形状と同じ湾曲形状の受光面（撮像面）を有している。撮像素子４０７を用いることで、撮影画像の画質を向上することができる。
以上のように、本発明は、小型でありながら、広い撮影範囲を高い解像度で撮影する撮像装置に適している。また、本発明は、小型でありながら、広い画角と小さいＦナンバーを有すると共に、良好な像を結像できる結像光学系を備えた撮像装置に適している。
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ レンズ
Ｓ 明るさ絞り
Ｉ 像面
Ｃ カバーガラス
ＣＧ 光学部材
１００ カプセル内視鏡
１０１ カプセルカバー
１０２ 透明カバー
１０３ 結像光学系
１０４ 照明部
１０５ 撮像素子
１０６ 駆動制御部
１０７ 信号処理部
２００ 自動車
２０１ 車載カメラ
３００ 内視鏡システム
３１０ 電子内視鏡
３１０ａ スコープ部
３１０ｂ 接続コード部
３２０ 画像処理装置
３３０ 表示ユニット
３４０ 操作部
３４１ 挿入部
３４２ 先端部
３５０ ユニバーサルコード
３６０ コネクタ
４００ 光学系
４０１ ライトガイド
４０２ 照明レンズ
４０３ 照明窓
４０４ 観察部位
４０５ 観察窓
４０６ 結像光学系
４０７ 撮像素子

Claims (8)

  1. 軸上光束を決める明るさ絞りと、複数のレンズ成分と、を有する結像光学系と、
    前記結像光学系の像側に配置され、前記結像光学系に向けて凹状に湾曲した非平面の受光面を有する撮像部と、を有し、
    前記レンズ成分は、光軸上にて空気に接触する面が物体側面と像側面の２面のみのレンズであり、
    前記結像光学系は、物体側から像側に順に、負の屈折力を有する第１レンズ成分と、正の屈折力を有する第２レンズ成分と、正の屈折力を有する第３レンズ成分と、からなり、
    前記第１レンズ成分の形状は、物体側に凸面を向けたメニスカス形状であり、
    前記第３レンズ成分の形状は、両凸形状であり、
    以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする撮像装置。
    ０．７＜｜ＰＳ×Ｒｉｍｇ｜＜１．５ （１）
    ０．７＜｜θｏｕｔ９０／θｉｍｇ９０｜＜１．５ （２）
    ここで、
    ＰＳは、前記結像光学系のペッツバール和であり、
    前記ペッツバール和ＰＳは、以下の式で表され、
    Figure 2018180422
     ここで、
    ｉは、前記結像光学系中の各レンズ成分の物体側からの順番、
    ｋは、前記結像光学系中のレンズ成分の総数、
    ｎｉは、ｉ番目のレンズ成分のｄ線での屈折率、
    ｆｉは、ｉ番目のレンズ成分のｄ線での焦点距離、
    Ｒｉｍｇは、前記光軸と前記受光面とが交わる点を面頂点とし、前記面頂点と、前記結像光学系に最大画角で入射する主光線と前記受光面とが交わる点と、を含む仮想球面の曲率半径、
    θｏｕｔ９０は、前記第３レンズ成分の像側面から射出した所定の主光線と前記光軸とのなす角度、
    θｉｍｇ９０は、所定の２点を通過する直線と前記光軸とのなす角度、
    前記所定の主光線は、前記第１レンズ成分の物体側の空間において、前記光軸とのなす角度が９０°となる主光線、
    前記所定の２点は、前記第３レンズ成分の前記像側面から射出した前記所定の主光線と前記仮想球面との交点と、前記仮想球面の曲率中心、
    である。
  2. 前記明るさ絞りは、前記第２レンズ成分の最も像側のレンズ面から、前記第３レンズ成分の最も物体側のレンズ面までの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
  3. 以下の条件式（３）を満足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。
    ０．５＜ｆＬ３／ｆＬ＜３．４ （３）
    ここで、
    ｆＬ３は、前記第３レンズ成分の焦点距離、
    ｆＬは、前記結像光学系の焦点距離、
    である。
  4. 以下の条件式（４）を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置。
    １＜（Ｒ１Ｌ＋Ｒ１Ｒ）／（Ｒ１Ｌ−Ｒ１Ｒ）＜２．５ （４）
    ここで、
    Ｒ１Ｌは、前記第１レンズ成分の最も物体側のレンズ面の近軸曲率半径、
    Ｒ１Ｒは、前記第１レンズ成分の最も像側のレンズ面の近軸曲率半径、
    である。
  5. 以下の条件式（５）を満足することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像装置。
    −２＜（Ｒ２Ｌ＋Ｒ２Ｒ）／（Ｒ２Ｌ−Ｒ２Ｒ）＜０ （５）
    ここで、
    Ｒ２Ｌは、前記第２レンズ成分の最も物体側のレンズ面の近軸曲率半径、
    Ｒ２Ｒは、前記第２レンズ成分の最も像側のレンズ面の近軸曲率半径、
    である。
  6. 以下の条件式（６）を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の撮像装置。
    ２．５＜ｆＬ２／ｆＬ＜８ （６）
    ここで、
    ｆＬ２は、前記第２レンズ成分の焦点距離、
    ｆＬは、前記結像光学系の焦点距離、
    である。
  7. 前記第２レンズ成分及び前記第３レンズ成分は、各々、非球面を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の撮像装置。
  8. 前記第１レンズ成分、前記第２レンズ成分及び前記第３レンズ成分は、いずれも単レンズであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の撮像装置。
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