JP2020106565A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】明るく高解像度で小型である撮像装置を提供する。【解決手段】反射屈折光学素子と反射部材と屈折光学素子を有する結像光学系であって、少なくとも２つ以上の屈折面２１および１つの反射面２２を備え、瞳面が反射面２２となる第１の光学素子である反射屈折光学素子１と、凹面の反射面を備える第２の光学素子である反射部材２と、少なくとも２つの屈折面をもつ第３の屈折光学素子３と、波長分岐機能を備える第４の光学素子４で構成されることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、光学系を用いて被写体の像を電子撮像素子上に結像して撮影する撮像装置に関し、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、測距カメラ等に好適な撮像装置に関する。

屈折面と反射面との両方を有する反射屈折レンズを用いた光学系の例が開示されている。

特許文献１には、入射面から１次ミラーに至る光路、１次ミラーから２次ミラーに至る光路、２次ミラーから射出面に至る光路がレンズにより満たされたソリッド型カタディオプトリック光学系が開示されている。

特許文献２には、構成要素を抑えつつ広角化の可能な反射屈折光学系を提供することを目的として、凸の反射面を有する反射部材と凹の反射面を有する反射部材とを、それら反射面を内側に向けて配置し、反射部材の少なくとも一方は屈折部材の一方の屈折面の裏面反射用の反射面を有する反射屈部材であり、その反射面の形成部分および非形成部分がそれぞれ裏面鏡および屈折部材として結像光束に寄与する反射屈折光学系が開示されている。

特許文献３には、１つのみのプリズム部材を有し、プリズム部材は光束をプリズム内に入射する第１面と、光束をプリズム内で反射する第２面と、光束をプリズム内で反射する第３面と、光束をプリズム外に射出する第４面とを有する結像光学系が開示されている。

特開２００４−３６１７７７号公報 特開２００３−２１５４５８号公報 特開２０００−０６６１０５号公報

しかしながら、特許文献１では、ソリッド型カタディオプトリック光学系の入射面と２次ミラー、１次ミラーと射出面が同一面としている。屈折面と反射面とを同一面（すなわち同一の面形状）とした場合、収差補正に最適な形状を実現できず、結像性能が低下することが問題となっていた。また、像面湾曲が発生し易いため、広い画角に渡って高い結像性能を実現することが困難であった。また、波長域も可視光のみで広帯域（０．４〜１．７μｍ）までの収差補正はされていない。

特許文献２でも同様に、凸の反射面を有する反射部材と最も像面に近い屈折面とを同一面としている。この場合、収差補正に最適な形状を実現できず、結像性能が低下することが問題となっていた。また、波長域も可視光のみで広帯域（０．４〜１．７μｍ）までの収差補正はされていない。

特許文献３は、第１面から第４面が独立した形状を有するプリズムであるが、第３面が光束をプリズム内で反射する反射面であり、コマ収差の補正が困難で結像性能が低下することが問題となっていた。また、波長域も可視光のみで広帯域（０．４〜１．７μｍ）までの収差補正はされていない。

上記の課題を解決するために、本発明は、
広帯域波長（０．４〜１．７μｍ）を収差補正する結像光学系において、前記結像光学系は、レンズ（１）と凹面ミラー（２）、レンズ（３）を有し、前記プリズムは４つの光学面を有し、第１面が入射光に凸形状を向けた屈折面、第２面が入射光に凸面を向けた反射面、第３面が入射光に凹面を向けた屈折面、第４面が屈折面であって、前記４つの光学面はそれぞれ第１面と第３面、第２面と第４面が同一形状であって前記プリズムの第２面は開口絞りを兼ね、前記凹面ミラーは入射光に凹形状を向けた反射面を有し、さらに波長分岐プリズム（４）を透過あるいは反射して像面に結像されることを特徴とする反射屈折光学系を提案する。

本発明に係る撮像光学系は、倍率色収差、軸上色収差、像面湾曲、コマ収差、球面収差を良好に補正しており、明るく高解像度で小型である。また、広帯域波長領域（０．４〜１．７μｍ）に対しても各収差を良好に補正してあり、可視光および赤外光を同軸に撮像することも可能である。しかも、部品点数が少ない構成であるため、コストへの寄与も大きい。ゆえに、本光学系を撮像光学系として用いれば、広帯域波長領域（０．４〜１．７μｍ）において、電子撮像素子の周辺部まで高解像度に撮影可能であるとともにコストを低減した小型撮像装置を提供することができる。

本発明における実施例１の可視赤外撮像光学系光路図（垂直断面図） 本発明における実施例１の可視赤外撮像光学系光路図（水平断面図） 本発明における実施例１の可視撮像光学系縦収差図 本発明における実施例１の可視撮像光学系横収差図 本発明における実施例１の赤外撮像光学系縦収差図 本発明における実施例１の赤外撮像光学系横収差図 本発明における実施例１のレンズデータ 本発明における実施例１の非球面係数 本発明における実施例２の可視赤外撮像光学系光路図（垂直断面図） 本発明における実施例２の可視赤外撮像光学系光路図（水平断面図） 本発明における実施例２の可視撮像光学系縦収差図 本発明における実施例２の可視撮像光学系横収差図 本発明における実施例２の赤外撮像光学系縦収差図 本発明における実施例２の赤外撮像光学系横収差図 本発明における実施例２のレンズデータ 本発明における実施例２の非球面係数

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

本発明を適用可能な実施例１の撮像光学系について説明する。

図１は本発明の実施例１における可視赤外撮像光学系（０．４〜１．７μｍ）の垂直断面図であり、図２は実施例１における可視赤外撮像光学系の水平断面図である。

本実施例の撮像光学系はレンズ（１）と凹面ミラー（２）、レンズ（３）、波長分岐プリズム（４）、可視光用撮像素子（２００）から構成され、焦点距離がｆ＝３０．０ｍｍ、Ｆナンバー１．８、水平画角が２２°、垂直画角が２２°である。可視光束はレンズ（１）と凹面ミラー（２）、レンズ（３）を通過し、波長分岐プリズム（４）を透過し、可視用撮像素子（２００）上に結像する。赤外光束は、レンズ（１）と凹面ミラー（２）、レンズ（３）を通過し、波長分岐プリズム（４）を反射し、赤外用撮像素子（３００）上に結像する。

撮像光学系は、図１に示したように撮像光学系全体に対して光軸（１００）を中心に３５度回転させたものである。垂直断面においては光軸（１００）の下側のみに入射させ、撮像光学系の内部で２回反射した後、光軸（１００）の上側から射出する構成としている。また、水平断面においては光軸（１００）に対して左右両側から対称に入射させる構成となっている。これにより、各収差（球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、軸上色収差）を良好に補正しつつ、光路干渉を回避して全長を短く構成した撮像光学系を実現している。

図３、図４に、本実施例の可視撮像光学系における縦収差図および横収差図を示す。

図に示すように、本実施例１の撮像光学系は球面収差、軸上色収差、倍率色収差、像面湾曲、非点収差などの各収差を十分、良好に補正されている。

また、図５、図６に、本実施例１の赤外撮像光学系における縦収差図および横収差図を示す。

可視光同様に各収差が良好に補正されている。よって、本実施例１に示す撮像光学系は０．４〜１．７μｍまでの広帯域波長において、撮像するには十分な収差補正がされている。また、全画角において開口率を１００％としており、周辺画角においても明るく高解像度な撮像光学系を実現している。

図７に、本実施例の撮像光学系の構成を示す。

Ｎｄ、νｄは波長５８７．６ｎｍに対する屈折率とアッベ数をそれぞれ示している。ｒ、ｄはそれぞれ曲率半径、面間隔を示している。

本実施例における非球面形状は光軸を中心とした回転対称非球面としており、数式１で表現される。

ここで、ｚは非球面形状の光軸方向のサグ量（ｍｍ）、ｃは光軸上における曲率（１／ｍｍ）、ｒは半径方向の光軸からの間隔（ｍｍ）であり、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇはそれぞれ４次項、６次項、８次項、１０次項、１２次項、１４次項、１６次項の係数である。ここで、非球面形状の表現式、数式１において、第１項がベース球面のサグ量を表現しており、非球面におけるベース球面の曲率半径はＲ＝１／ｃである。図８に非球面係数を示す。

レンズ（１）は、光学面（２１）、（２２）を有する。第１面（２１）は物体側に凸面形状の屈折面、第２面（２２）は入射光に対して凹面形状の内面反射面である。また、第２面（２２）は反射用の蒸着膜を開口絞りの形状に塗布してあり、それ以外の部分には光吸収部材を塗布している。これにより、結像に寄与する光束を反射し、それ以外の光束を吸収している。第２面（２２）は開口絞りを兼ねている。

撮像光学系に入射した被写体からの光束は、次の順の光路を通る。入射光束は先ずレンズ（１）の第１面（２１）へ入射してレンズ（１）内部へ入射する。その後、第２面（２２）で反射されるが、第２面（２２）の開口絞りの機能により光束幅を制限される。第２面（２２）で反射された光束は一旦レンズ（１）の外に出る。その後、凹面ミラー（２）で反射され、レンズ（１）内部へ入射し、レンズ（３）から射出して波長分岐プリズムを可視光透過、赤外光は反射してそれぞれ可視用撮像素子（２００）、赤外光用撮像素子（３００）上に結像される。

本実施例１においては、撮像光学系を構成する全ての光学面は回転対称面としており、各光学面の面頂点を撮像光学系の光軸（１００）上に配置している。すなわち、開口絞りを光軸上に配置し、光軸を挟んで共軸な回転対称光学系としている。このように配置することにより、共軸な回転対称光学系が持つ水平方向と垂直方向との光学性能を良好に補正することができる。特に屈折面（２１）を通過し、レンズ（１）に入射し、再度、レンズ（１）を射出する際に、入射する光束と同様な屈折角を持たせることで、コマ収差や倍率色収差を良好に補正することができる。つまり、レンズ（１）と凹面ミラー（２）の間に空気間隔を設けることがコマ収差および倍率色収差をキャンセルする効果をもつ。

撮像光学系の凹面ミラー（２）は入射光に対して凹面を向けた形状の反射面を有することにより、像面湾曲を補正する効果がある。一般的な像面湾曲の補正方法は、各レンズや光学面のペッツバール和を小さくなるように構成してペッツバール像面を平面に近づけるようにする。すなわち、正のパワーと負のパワーとの打ち消し合いによってペッツバール和を小さくする方法である。しかしながら、本実施例１の撮像光学系では、凹面ミラー（２）の反射面のサグ量を使って像面湾曲を補正している。撮像光学系の凹面ミラー（２）は入射光に対して凹面を向けた形状の反射面を有するであり、像面湾曲を補正する効果を有する。

レンズ（１）のパワーは正でレンズ（３）のパワーは負である。光学系全体としては正パワーである。レンズ（１）の硝子は低分散硝材を用い、レンズ（３）の硝子は高分散硝材を用いる。これにより、広帯域（０．４〜１．７μｍ）において色消し効果を持つ。請求項３記載の第１光学素子および第３光学素子の硝材のアッべ数をνｄ１は７０．４、νｄ２は６０．３であり、νｄ１／νｄ２は１．１６となり請求項３を満たしている。

よって、本実施例の撮像光学系は広帯域波長（０．４〜１．７μｍ）において十分収差補正されている光学系であり、かつ、全体として２つの反射面における入射光路と反射光路との光路干渉を回避してコンパクトな構成を実現している。

本発明を適用可能な実施例２の撮像光学系について説明する。

図９は本発明の実施例２における可視赤外撮像光学系（０．４〜１．７μｍ）の垂直断面図であり、図１０は実施例２における可視赤外撮像光学系の水平断面図である。

本実施例の撮像光学系はレンズ（１）と凹面ミラー（２）、波長分岐プリズム（４）、可視光用撮像素子（２００）から構成され、焦点距離がｆ＝３０．０ｍｍ、Ｆナンバー１．８、水平画角が２２°、垂直画角が２２°である。可視光束はレンズ（１）と凹面ミラー（２）を通過し、波長分岐プリズム（４）を透過し、可視用撮像素子（２００）上に結像する。赤外光束は、レンズ（１）と凹面ミラー（２）を通過し、波長分岐プリズム（４）を反射し、赤外用撮像素子（３００）上に結像する。

撮像光学系は、図９に示したように撮像光学系全体に対して光軸（１００）を中心に３５度回転させたものである。垂直断面においては光軸（１００）の下側のみに入射させ、撮像光学系の内部で２回反射した後、光軸（１００）の上側から射出する構成としている。また、水平断面においては光軸（１００）に対して左右両側から対称に入射させる構成となっている。これにより、各収差（球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、軸上色収差）を良好に補正しつつ、光路干渉を回避して全長を短く構成した撮像光学系を実現している。

実施例１と比較してレンズ（１）と凹面ミラー（２）の構成のため、色収差を低減する効果は少なくなる。しかし、部品点数が少なくなり、コストへの効果は大きくなる。

図１１、図１２に、本実施例の可視撮像光学系における縦収差図および横収差図を示す。

図に示すように、本実施例２の撮像光学系は球面収差、倍率色収差、像面湾曲、非点収差などの各収差を十分、良好に補正されている。

また、図１３、図１４に、本実施例２の赤外撮像光学系における縦収差図および横収差図を示す。

可視光同様に各収差が良好に補正されている。

図１５、図１６に、本実施例の撮像光学系の構成及び非球面係数を示す。

Ｎｄ、νｄは波長５８７．６ｎｍに対する屈折率とアッベ数をそれぞれ示している。ｒ、ｄはそれぞれ曲率半径、面間隔を示している。本実施例における非球面形状は光軸を中心とした回転対称非球面としており、数式１で表現される。ここで、ｚは非球面形状の光軸方向のサグ量（ｍｍ）、ｃは光軸上における曲率（１／ｍｍ）、ｒは半径方向の光軸からの間隔（ｍｍ）であり、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇはそれぞれ４次項、６次項、８次項、１０次項、１２次項、１４次項、１６次項の係数である。

これより、本実施例１、２に示す撮像光学系は０．４〜１．７μｍまでの広帯域波長において、撮像するには十分な収差補正がされており、かつ部品点数も非常に少ない。また、全画角において開口率を１００％としており、周辺画角においても明るく高解像度な撮像光学系を実現している。

本発明は、反射屈折光学系を用いて被写体の像を電子撮像素子上に結像して撮影する撮像装置に関し、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。

１ レンズ、２ 凹面ミラー、３ レンズ、４ 波長分岐プリズム、
２１ プリズム屈折面、２２ 瞳反射面、１００ 光軸、
２００ 可視光用撮像素子、３００ 赤外光用撮像素子

Claims (7)

1. 反射屈折光学素子と反射部材と屈折光学素子を有する結像光学系であって、少なくとも２つ以上の屈折面および１つの反射面を備え、瞳面が反射面となる第１の光学素子である反射屈折光学素子と、凹面の反射面を備える第２の光学素子である反射部材と、少なくとも２つの屈折面をもつ第３の屈折光学素子と、波長分岐機能を備える第４の光学素子で構成されることを特徴とする撮像装置。
2. 反射屈折光学素子と反射部材と屈折光学素子を有する結像光学系であって、少なくとも２つ以上の屈折面および１つの反射面を備え、瞳面が反射面となる第１の光学素子である反射屈折光学素子と、凹面の反射面を備える第２の光学素子である反射部材と、波長分岐機能を備える第３の光学素子で構成されることを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１に記載の第１光学素子および第３光学素子の硝材のアッべ数をνｄ１、νｄ２とすると
   νｄ１／νｄ２＞１．０
   となることを特徴とする請求項１を満たす結像光学系。
4. 請求項１または２に記載の波長分岐機能を備える光学素子はおもに可視光（０．４〜０．７μｍ）および赤外光（０．７〜１．７μｍ）における波長を分岐することを特徴とする撮像装置。
5. 前記結像光学系の全ての光学面を回転対称形状とし、各光学面の面頂点を前記結像光学系の光軸上に配置したことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の結像光学系。
6. 前記結像光学系の開口絞りは前記プリズムの第２面の反射面として反射面の有効部の形状を開口形状としていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の結像光学系。
7. 前記請求項１乃至６の何れか一項に載の結像光学系と、前記結像光学系の像面近傍に可視光用撮像素子（０．４〜０．７μｍ）と赤外光（０．７〜１．７μｍ）用撮像素子を有した撮像装置。