JP2022116839A - 照明光学系、照明装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で広い距離範囲の照明に有利な照明光学系を提供する。
【解決手段】照明光学系は、光源１０１からの光を物体に向けて出射する。照明光学系は、正の屈折力の光源側レンズ群１０３１と、該光源側レンズ群よりも物体側に配置された正の屈折力の物体側レンズ群１０３２とを有し、光源側レンズ群と物体側レンズ群との間隔を変化させて最広角照明状態と最狭角照明状態との間でズームを行う。最狭角照明状態において、物体側レンズ群の最も物体側の面は光源側レンズ群の物体側焦点よりも物体側に位置する。光源側レンズ群の最も光源側の面から物体側レンズ群の最も物体側の面までの距離が最広角照明状態において最狭角照明状態においてよりも短い。
【選択図】図３

Description

本発明は、ズーム可能な照明光学系に関する。

監視カメラ等の撮像装置には、撮像光学系のズーム機能を用いて撮像可能なものがある。特許文献１には、暗所でも良好に撮像できるように、撮像光学系のズームに応じて照明領域を変更可能な照明装置を備えた撮像装置が開示されている。この照明装置では、互いに異なる焦点距離のそれぞれに対応する複数のＬＥＤを設け、撮像光学系のズームに合わせて点灯させるＬＥＤを切り替える。

特許６７０６７０７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された照明装置では、照明光によって照明される領域が撮像領域に対して過度に大きくなる場合があり、撮像領域の照明に必要な照明光量を多数のＬＥＤを点灯させて確保する。このように多数のＬＥＤを設けることで、照明装置や撮像装置が大型化する。

本発明は、例えば、照明領域の変更および小型化の点で有利な照明光学系を提供する。

本発明の一側面としての照明光学系は、光源からの光を物体に向けて出射する。該照明光学系は、正の屈折力の光源側レンズ群と、該光源側レンズ群よりも物体側に配置された正の屈折力の物体側レンズ群とを有し、光源側レンズ群と物体側レンズ群との光軸上での間隔を変化させて最広角照明状態と最狭角照明状態との間でズームを行う。最狭角照明状態において、物体側レンズ群の最も物体側の面は、光源側レンズ群の物体側焦点よりも物体側に位置する。光源側レンズ群の最も光源側の面から物体側レンズ群の最も物体側の面までの距離が、最広角照明状態において最狭角照明状態においてよりも短いことを特徴とする。なお、上記照明光学系を有する照明装置や該照明装置を有する撮像装置も本発明の他の一側面を構成する。

本発明は、例えば、照明領域の変更および小型化の点で有利な照明光学系を提供することができる。

実施例の照明装置の（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での基本構成を示す図。 実施例における照明分布を示す図。 実施例１の照明装置の（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での構成を示す図。 実施例１における（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での照明分布を示す図。 実施例２の照明装置の（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での構成を示す図。 実施例２における（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での照明分布を示す図。 実施例３の照明装置の（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での構成を示す図。 実施例３における（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での照明分布を示す図。 実施例４の照明装置の（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での構成を示す図。 実施例４の照明装置のうち（Ａ）コリメータ系の直後と（Ｂ）照明光学系の直前での光量分布を示す図。 実施例４における（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での照明分布を示す図。 実施例５の照明装置の（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での構成を示す図。 実施例５における（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での照明分布を示す図。 実施例６の照明装置の（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での構成を示す図。 実施例６における（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での照明分布を示す図。 実施例７の照明装置の（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での構成を示す図。 実施例７における（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での照明分布を示す図。 実施例８の照明装置の（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での構成を示す図。 実施例８における（Ａ）最広角照明状態と（Ｂ）最狭角照明状態での照明分布を示す図。 実施例の照明装置を備えた撮像装置を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

具体的な実施例の説明に先立って、各実施例に共通する事項について説明する。図１（Ａ）、（Ｂ）は、実施例の照明装置の基本構成を示す。照明装置は、光源部、コリメータ系および照明光学系を有する。ＬＥＤ等の固体光源を含む光源部からの光は、コリメータ系によって平行化されて照明光学系に導かれる。照明光学系は、コリメータ系からの光を照明対象である物体（物体面）に向けて照明光として出射する。

各実施例の照明光学系は、光軸方向に移動する少なくとも１つのレンズ群を備えており、このレンズ群の移動により照明光学系を構成する２つ以上のレンズ群の光軸上での間隔を変化させることでズームが可能である。照明光学系のズームにより、距離が異なる物体面上の照明領域（照明光が照射される領域）の大きさと照明分布を変化させることができる。照明分布は、照明光学系の光軸に直交する物体面での照明光の明るさの分布である。

また、物体面において照明光が照射される照明領域のうち最も明るい位置での明るさに対して明るさが半分になる位置の光軸からの距離をｘ、照明光学系の出射面（最終面）から物体面までの光軸に沿った距離をＬとする。このとき、
２ａｒｃｔａｎ（ｘ／Ｌ）
を「照明角度」と定義する。最も明るい位置での明るさを基準に照明角度を定義するのは、撮像を目的として物体面を照明する際の照明光量の変化に応じて撮像画質が変動するからである。以下の説明において、照明角度が最も大きい照明状態を最広角照明状態とし、照明角度が最も小さい照明状態を最狭角照明状態という。

小型で簡易な光学構成で最広角照明状態の照明角度を大きくする場合は、照明分布は均一とならず、通常は図２に示すように光軸から離れるほど明るさが低下する分布となる。このような照明分布は、最も外側の光線の出射角度（図２では９０°以上）に対して照明角度（図２では５４°）が小さくなるため、照明角度を大きくするのに適していない。照明角度を大きくするには、目標とする照明角度内での照明分布を均一に近づける必要があり、そのためには光軸付近の光線の出射角度を保ちつつ、最も外側の光線の出射角度を小さくする構成が必要となる。

各実施例では、それぞれ正の屈折力を有する２つ以上のレンズ群を用いることにより、最狭角照明状態での照明角度を小さくするとともに、最広角照明状態での照明分布を均一に近づけることにより、７５度以上の照明角度を実現する。図１（Ａ）は最広角照明状態の照明光学系を、図１（Ｂ）は最狭角照明状態の最狭角照明状態への移動または不動を示している。

各実施例の照明光学系は、光源側レンズ群（以下、単に光源側レンズという）と、該光源レンズよりも物体側である出射側に配置された出射側レンズ群（物体側レンズ群：以下、出射側レンズという）とを有する。光源側レンズと出射側レンズはいずれも、正の屈折力を有する。また、光源側レンズの出射側の面および出射側レンズの最も出射側の最終面はそれぞれ凸面である。なお、各レンズ群を複数のレンズにより構成してもよい。また、光源側レンズの出射側の面および出射側レンズの最終面をそれぞれ平面としてもよい。

光源側レンズは、前述したコリメータ系からの平行光を収束させる。図１（Ｂ）に示す最狭角照明状態では、出射側レンズが、光源側レンズとの間に光源側レンズの出射側焦点（物体側焦点）を挟んだ位置に配置される。言い換えれば、最狭角照明状態において、出射側レンズの最も出射側の最終面は光源側レンズの出射側焦点よりも出射側に位置する。この配置により、光源側および出射側レンズという２つの正レンズによるアフォーカル系を構成することができ、最狭角照明状態での照明角度を最小にすることができる。

一方、図１（Ａ）に示す最広角照明状態では、出射側レンズは最狭角照明状態に比べて光源側レンズに近づき、光源側レンズの出射側焦点の近傍に配置される。このため、照明光学系は、最狭角照明状態よりも最広角照明状態において全長（光源側レンズにおける最も光源側の面から出射側レンズにおける最も出射側の最終面までの光軸上の距離）が短いズーム光学系となる。各実施例では、２つ以上の正レンズを用いてこのようなズーム光学系を構成することで、最広角照明状態での照明角度を７５度以上にする。

なお、図１（Ａ）では、説明のために光源側レンズの出射側焦点として、光軸に平行で光源側レンズに光軸から離れた高さにて入射する光線が光軸と交わる点を示している。しかし、光源側レンズへの光線の入射高さが異なると、該光線が光軸と交わる位置も変化する。このため、各実施例では、近軸光線が光軸と交わる位置を光源側レンズの出射側焦点として定義する。

以下、実施例１～８の照明装置について具体的に説明する。また、実施例８の後には、実施例１～８に対応する数値実施例１～８を示している。

各数値実施例の（Ａ）には、光源側レンズの有効半径（入射光束半径）を１として規格化したレンズデータを示している。レンズデータには、出射側から数えた面の順番としての面番号ｉ、第ｉ面の曲率半径（mm）、第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の面間隔（レンズ厚または空気間隔）（mm）および第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の光学材料のｄ線における屈折率を示している。また。第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の光学材料のｄ線を基準としたアッベ数も示している。

アッベ数νｄは、フラウンホーファ線のｄ線（５８７．６ｎｍ）、Ｆ線（４８６．１ｎｍ）、Ｃ線（６５６．３ｎｍ）における屈折率をＮｄ、ＮＦ、ＮＣとするとき、
νｄ＝（Ｎｄ－１）／（ＮＦ－ＮＣ）
で表される。

各数値実施例の（Ｂ）には、（Ａ）のレンズデータにおいて可変である面間隔を示している。また、数値実施例３、５、６～８のレンズデータにおいて面番号に付された「＊」は、その面が非球面形状を有する面であることを意味する。非球面形状は、ｚを光軸方向での座標、ｙを径方向での座標、光の進行方向を正とし、ｋを円錐定数、ｒｉを近軸曲率半径、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆを非球面係数とするとき、以下の式で表される。数値実施例３、５、６～８の（Ｄ）には、円錐定数と非球面係数を示している。

ｚ（ｙ）＝（ｙ^２／ｒｉ）／［１＋｛１－（１＋ｋ）（ｙ^２／ｒｉ^２）｝^１／２］
＋Ａｙ^４＋Ｂｙ^６＋Ｃｙ^８＋Ｄｙ^１０＋Ｅｙ^１２＋Ｆｙ^１４
各数値実施例の（Ｃ）には、各レンズのパワー（焦点距離の逆数としての屈折力）と、後述する条件に対応する数値を示す。

図３（Ａ）は実施例１の照明装置の最広角照明状態の構成を、図３（Ｂ）は該照明装置の最狭角照明状態の構成をそれぞれ示している。光源部１０１は、ＬＥＤ等の発光素子により構成され、図中の左側（出射側）に光を発する。光源部１０１は、白色光を発してもよいし、単色光や赤外光を発してもよい。

コリメータ系１０２は、光源部１０１から発せられた発散光を平行化する。コリメータ系１０２は、２つの非球面レンズにより構成されている。表１は、コリメータ系１０２のレンズデータを示している。

照明光学系１０３は、光源側から出射側へ順に配置された、光源側レンズ１０３１と出射側レンズ１０３２とにより構成されている。光源側レンズ１０３１と出射側レンズ１０３２の間の光軸方向での距離が長くなるほど照明角度が狭くなる。

最広角照明状態では、出射側レンズ１０３２を照明光学系１０３全体の出射側焦点付近に位置するように配置することによって、目標とする照明角度内での照明分布を均一に近づける。具体的には、出射側レンズ１０３２を光源側レンズ１０３１の出射側焦点付近に配置する。光源側レンズ１０３１は正レンズであるため、球面収差により光源側レンズ１０３１における周辺部を通る光線Ｒｂは光軸から離れるほど光源側レンズ１０３１に近い位置で光軸と交わり、光源側レンズ１０３１における光軸近くを通る光線Ｒａは光軸に近づくほど遠い位置で光軸と交わる。光軸近くを通る光線Ｒａは、光源側レンズ１０３１の出射側焦点Ａ付近に配置された出射側レンズ１０３２によって出射角度をほぼ変えずに出射側レンズ１０３２から出射する。一方、周辺部を通る光線Ｒｂは、該光線Ｒｂが光軸と交わる点Ｂより出射側に配置された出射側レンズ１０３２によって出射角度を小さくされて出射側レンズ１０３２から出射する。

このように構成された照明光学系１０３は、出射側レンズ１０３２にその周辺部を通る光線に対してのみ出射角度を小さくする作用を持たせ、該作用がなければ目標とする照明領域の外側に到達する光線を該照明領域内に導く。これにより、最広角照明状態における照明領域での照明分布を均一化することができる。このように照明分布を均一化することにより、照明分布の半値全幅で規定される照明領域を拡大することができる。

図４（Ａ）は、本実施例の照明光学系１０３が距離１０ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。ここでは、光源部１０１に、Ｓｔａｎｌｅｙ社製ＬＥＤであるＨＣＮＷ１１５ＡＪＴＥの光線データを用いている（これについては後述する他の実施例でも同様である）。照明パターンのうち白い部分が最も明るい部分を示し、黒に近い部分ほどより暗い部分を示す。position/mは光軸に対応する位置（０，０）からの垂直方向および水平方向の距離を示し、右側と下側にはそれぞれ垂直方向と水平方向での明るさのプロファイルを示している。本実施例によれば、最広角照明状態での照明角度を７５°程度まで広げることができる。

本実施例において上記効果を得るには、照明光学系１０３の最広角照明状態での焦点距離をｆ_Ｆ、光源側レンズ１０３１と出射側レンズ１０３２との光軸上の距離をｄ_Ｆ１３とするとき、以下の式（１）で示す条件を満足することが望ましい。
０．３≦ｄ_Ｆ１３／ｆ_Ｆ≦１．２ （１）
ｄ_Ｆ１３／ｆ_Ｆが式（１）の上限値を上回ったり下限値を下回ったりすると、最広角照明状態での照明分布が均一でなくなり、照明角度が狭くなるので、好ましくない。数値実施例１は、この条件を満足している。

なお、式（１）の数値範囲を以下のようにすることがより望ましい。
０．４≦ｄ_Ｆ１３／ｆ_Ｆ≦１．１ （１）′
また、式（１）の数値範囲を以下のようにすることがさらに望ましい。
０．５≦ｄ_Ｆ１３／ｆ_Ｆ≦１．０ （１）″
最狭角照明状態においては、光源側レンズ１０３１の出射側焦点の位置に光源部１０１の発光点の中間像が形成される。光源側レンズ１０３１の出射側焦点の位置と出射側レンズ１０３２の光源側焦点の位置とが一致（又はほぼ一致）するように光源側レンズ１０３１と出射側レンズ１０３２間の距離を設定することにより、出射側レンズ１０３２から出射される光束を平行化することができる。このとき出射側レンズ１０３２から出射する平行光は、光源部１０１の発光点のサイズと出射側レンズ１０３２での光束径とで決まる発散角度分布を有する。

図４（Ｂ）は、本実施例の照明光学系１０３が距離１００ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。本実施例では、最狭角照明状態で約８°の照明角度を実現しており、これにより最狭角照明状態と最広角照明状態間でのズーム倍率は約９倍となる。

本実施例では、最広角照明状態での照明角度を大きくするため、光源側レンズ１０３１は入射する光束に対して球面収差を発生する形状を有する。すなわち、光源側レンズ１０３１は、平行光に対して曲率半径が大きい面を光源側に向けており、曲率半径が小さい面を出射側に向けている。球面収差を大きくするほど、周辺部の光線の出射角度を制御しやすくなり、照明角度を広げる効果は大きくなる。ただし、最狭角照明状態で不要な収差が発生して照明角度が大きくなったり光のロスが増えたりするおそれがある。

また、照明光学系１０３の最広角照明状態での焦点距離をｆ_Ｆ、出射側レンズ１０３２の焦点距離をｆ_１とするとき、以下の式（２）の条件を満足することが望ましい。

１．０＜ｆ_１／ｆ_Ｆ≦３．０ （２）
ｆ_１／ｆ_Ｆが式（２）の下限を下回ると、最狭角照明状態において収差が大きくなり、照射領域が広がるため、好ましくない。また、ｆ_１／ｆ_Ｆが式（２）の上限を上回ると、最広角照明状態での照明分布の均一性が十分にならず、この結果、照明領域が狭くなるため、好ましくない数値実施例１は、この条件を満足している。

なお、式（２）の数値範囲を以下のようにすることがより望ましい。
１．１≦ｆ_１／ｆ_Ｆ≦２．８ （２）′
また、式（２）の数値範囲を以下のようにすることがさらに望ましい。
１．２≦ｆ_１／ｆ_Ｆ≦２．６ （２）″
本実施例では、光源部１０１からの発散光をコリメータ系１０２で平行化するが、平行光が得られれば他の手段を用いてもよい。例えば、ＬＥＤの代わりにレーザダイオード（ＬＤ）を用いることにより、発光点サイズを小さくし、最狭角照明状態での照明角度をさらに狭めることができる。また、ＬＤからのレーザ光を一旦拡散させ、コリメータ系で平行化してもよい。また、蛍光体を用いて光源部からの光の色を調整してもよい。これらのことは、後述する他の実施例でも同様である。

図５（Ａ）は実施例２の照明装置の最広角照明状態の構成を、図５（Ｂ）は該照明装置の最狭角照明状態の構成をそれぞれ示している。本実施例の照明装置は、実施例１と同様の光源部１０１およびコリメータ系１０２と、照明光学系２０１とを有する。照明光学系２０１は、光源側から出射側へ順に配置された、光源側レンズ２０１１、中間レンズ群（以下、単に中間レンズという）２０１２および出射側レンズ２０１３により構成されている。

光源側レンズ２０１１、中間レンズ２０１２および出射側レンズ２０１３はいずれも、正の屈折所を有する。また、中間レンズ２０１２は複数のレンズにより構成されていてもよい。これらのことは、後述する実施例３～７でも同じである。また、本実施例では、中間レンズ２０１２のすべての面が球面である。このことは、後述する実施例３～６でも同様である。

広角照明状態から最狭角照明状態へのズームにより照明領域を狭くするときには、光源側レンズ２０１１と中間レンズ２０１２間の距離と、中間レンズ２０１２と出射側レンズ２０１３間の距離を大きくする。なお、これらの距離のうち少なくとも一方を大きくしてもよい。

最狭角照明状態においては、光源側レンズ２０１１の出射側焦点の位置に光源部１０１の発光点の中間像が形成される。中間レンズ２０１２は、光源側レンズ２０１１の出射側焦点の位置付近に配置される。出射側レンズ２０１３の位置は、光源側レンズ２０１１の出射側焦点の位置と出射側レンズ２０１３の光源側焦点の位置とが一致（又はほぼ一致）するように設定される。

光源側レンズ２０１１に対して光軸と平行に入射する光線は、中間レンズ２０１２に入射する時点では光軸近傍を進むため、中間レンズ２０１２の作用をほとんど受けない。このため、照明光学系２０１全体としては光源側レンズ２０１１と出射側レンズ２０１３の２つのレンズの作用によって平行光を出射する光学系である。

図６（Ａ）は、本実施例の照明光学系２０１が距離１０ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。本実施例によれば、最広角照明状態での照明角度を９０°程度まで広げることができる。

本実施例において上記のような作用を持たせるためには、最狭角照明状態での中間レンズ２０１２と光源側レンズ２０１１との光軸上の距離をｄ_Ｓ２３とし、光源側レンズ２０１１の焦点距離をｆ_３とするとき、以下の式（３）に示す条件を満足することが望ましい。
０．５≦ｄ_Ｓ２３／ｆ_３≦１．２ （３）
ｄ_Ｓ２３／ｆ_３が式（２）の上限値を上回ったり下限値を下回ったりすると、中間レンズ２０１２の影響により再狭角照明状態での照明領域が広がるため、好ましくない。数値実施例２は、この条件を満足している。

なお、式（３）の数値範囲を以下のようにすることがより望ましい。
０．６≦ｄ_Ｓ２３／ｆ_３≦１．１ （３）′
また、式（３）の数値範囲を以下のようにすることがさらに望ましい。
０．６５≦ｄ_Ｓ２３／ｆ_３≦１．０５ （３）″
なお、中間レンズ２０１２は、光源側レンズ２０１１に対して入射角度を持って入射する光線をロスなく出射側レンズ２０１３に導く作用も持っている。このとき出射側レンズ２０１３から出射する平行光は、光源部１０１の発光点のサイズと出射側レンズ２０１３での光束径で決まる発散角度分布を有する。
図６（Ｂ）は、本実施例の照明光学系２０１が距離１００ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。本実施例では、最狭角照明状態で約８°を実現しており、ズーム倍率では約１０倍となる。

最広角照明状態においては、出射側レンズ２０１３は、光源側レンズ２０１１と中間レンズ２０１２の合成系の出射側焦点の位置付近に配置される。このとき、光源側レンズ２０１１と中間レンズ２０１２はいずれも正レンズであるため、それらの球面収差によって、光源側レンズ２０１１の外周に近い位置を通る光線ほど光源側レンズ２０１１に近い位置で光軸と交わる。言い換えれば、光源側レンズ２０１１の光軸近くを通る光線ほど光源側レンズ２０１１から遠い位置で光軸と交わる。

また、出射側レンズ２０１３の最終面は、光源側レンズ２０１１の周辺部を通る光線（以下、周辺光線とという）が光軸と交わる位置よりも出射側に配置される。この位置に出射側レンズ２０１３を配置することにより、出射側レンズ２０１３は周辺光線の出射角度を小さくする作用を持つ。一方、光軸近くを通る光線に対しては、出射側レンズ２０１３は出射角度をほぼ変えない又は出射角度を大きくする作用を持つ。このような構成を採ることにより、最広角照明状態の照明分布を均一に近づけることができる。

出射側レンズ２０１３を以上のような作用を持つように配置することは、照明光学系２０１の出射側焦点を出射側レンズ２０１３の最終面付近に配置することに相当する。このとき、最広角照明状態での中間レンズ２０１２と光源側レンズ２０１１との光軸上の距離をｄ_Ｆ２３とするとき、以下の式（４）で示す条件を満足することが望ましい。
ｄ_Ｆ２３＜ｄ_Ｓ２３ （４）
また、最広角照明状態で中間レンズ２０１２により球面収差を強く出すには、以下の式（５）で示す条件を満足することが望ましい。数値実施例２は、式（４）、（５）の条件を満足している。

ｄ_Ｆ２３／ｆ_３≦０．７ （５）
なお、式（４）の数値範囲を以下のようにすることがより望ましい。

ｄ_Ｆ２３／ｆ_３≦０．６ （５）′
また、式（４）の数値範囲を以下のようにすることがさらに望ましい。
ｄ_Ｆ２３／ｆ_３≦０．５ （５）″
本実施例では、上述した効果を得るため、中間レンズ２０１２は強い正レンズとなっている。これは、実施例１よりもさらに強い球面収差を出射側レンズ２０１３より手前で出すためである。また、中間レンズ２０１２の出射側の面は凹面になっている。これは、中間レンズ２０１２の出射光は光軸に対して９０°に近い角度を有する光線を含んでおり、このような光線を無理なく出射する形状とするためである。ただし、中間レンズ２０１２の出射側の面を平面としてもよい。

さらに、このような大きな角度分布を持つ光線を出射側レンズ２０１３に入射させるため、出射側レンズ２０１３と中間レンズ２０１２との距離を短くすることが望ましい。このとき、最広角照明状態での出射側レンズ２０１３と中間レンズ２０１２との光軸上の距離をｄ_Ｆ１２、照明光学系２０１の最広角照明状態での焦点距離をｆ_Ｆとするとき、以下の式（５）で示す条件を満足することが望ましい。数値実施例２は、この条件を満足している。

ｄ_Ｆ１２／ｆ_Ｆ≦０．３ （６）
なお、式（６）の数値範囲を以下のようにすることがより望ましい。

ｄ_Ｆ１２／ｆ_Ｆ≦０．２８ （６）′
また、式（６）の数値範囲を以下のようにすることがさらに望ましい。
ｄ_Ｆ１２／ｆ_Ｆ≦０．２６ （６）′
また、本実施例では前述した式（２）で示した条件を満足すること、さらに中間レンズ２０１２の焦点距離をｆ_２とするときに以下の式（７）で示す条件を満足することが望ましい。
０．５≦ｆ_２／ｆ_Ｆ≦２．５ （７）
ｆ_２／ｆ_Ｆが式（７）の上限を上回ると、中間レンズ２０１２が十分な球面収差を与えず、最広角照射状態での照射領域が狭くなるため、好ましくない。また、ｆ_２／ｆ_Ｆが式（７）の下限を下回ると、最狭角照射時の収差が増加して照射領域が広がっるため、好ましくない。数値実施例２は、これらの条件を満足している。

なお、式（７）の数値範囲を以下のようにすることがより望ましい。

０．６≦ｆ_２／ｆ_Ｆ≦２．４ （７）′
また、式（７）の数値範囲を以下のようにすることがさらに望ましい。

０．７≦ｆ_２／ｆ_Ｆ≦２．３ （７）″

図７（Ａ）は実施例３の照明装置の最広角照明状態の構成を、図７（Ｂ）は該照明装置の最狭角照明状態の構成をそれぞれ示している。本実施例の照明装置は、実施例１と同様の光源部１０１およびコリメータ系１０２と、照明光学系３０１とを有する。照明光学系３０１は、光源側から出射側へ順に配置された、光源側レンズ３０１１、中間レンズ３０１２および出射側レンズ３０１３により構成されている。最広角照明状態から最狭角照明状態へのズームにより照明領域を狭くするときには、光源側レンズ３０１１と中間レンズ３０１２間の距離と、中間レンズ３０１２と出射側レンズ３０１３間の距離を大きくする。

数値実施例３に示すように、出射側レンズ３０１３の出射側の面は非球面形状を有する。

図８（Ａ）は、本実施例の照明光学系３０１が距離１０ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。図８（Ｂ）は、本実施例の照明光学系３０１が距離１００ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。本実施例では、最狭角照明状態で約９°、最広角照明状態で約９０°の照明角度を実現しており、ズーム倍率は約１０倍となる。

本実施例では、最狭角照明状態での照明分布の均一性を向上させることができる。数値実施例３は、式（２）～（７）の条件を満足している。

図９（Ａ）は実施例４の照明装置の最広角照明状態の構成を、図９（Ｂ）は該照明装置の最狭角照明状態の構成をそれぞれ示している。本実施例の照明装置は、照明光量を増やすために、実施例１と同様の光源部１０１とコリメータ系１０２を複数（７つ）有する。図１０（Ａ）は、コリメータ系１０２からの出射直後の光の光量分布を示している。この図から分かるように、光源部１０１とコリメータ系１０２は６つが六角形の頂点に配置され、１つが中央に配置されている。

本実施例の照明装置は、上述した光源部１０１およびコリメータ系１０２と、集光レンズ４０２と、拡散板４０３と、平行化レンズ４０４と、照明光学系３０１とを有する。照明光学系４０１に入射する光の強度分布を平滑化するため、コリメータ系１０２からの照明光を集光レンズ４０２で拡散板４０３に向けて集光し、拡散板４０３からの拡散光を再度、平行化レンズ４０４で平行化する。これにより、照明光学系４０１に入射する光の強度分布を、図１０（Ｂ）に示すような滑らかで非均一な分布とする。

照明光学系４０１は、光源側から出射側へ順に配置された、光源側レンズ４０１１、中間レンズ４０１２および出射側レンズ４０１３により構成されている。最広角照明状態から最狭角照明状態へのズームにより照明領域を狭くするときには、光源側レンズ４０１１と中間レンズ４０１２間の距離と、中間レンズ４０１２と出射側レンズ４０１３間の距離を大きくする。

図１１（Ａ）は、本実施例の照明光学系４０１が距離１０ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。図１１（Ｂ）は、本実施例の照明光学系４０１が距離１００ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。本実施例では、最狭角照明状態で約９°、最広角照明状態で約９０°の照明角度を実現しており、ズーム倍率は約１０倍となる。数値実施例４は、式（２）～（７）の条件を満足している。

なお、本実施例では照明光学系４０１への入射光の強度分布を滑らかにするために集光レンズ４０２、拡散板４０３および平行化レンズ４０４を用いているが、単にコリメータ系１０２と照明光学系４０１を離すだけで強度分布を滑らかにしてもよい。また、光源部１０１とコリメータ系１０２の数は上述した７つでなくてもよいし、これらの並べ方も図１０（Ａ）に示すものに限定されない。

図１２（Ａ）は、実施例５の照明装置の最広角照明状態の構成を、図１２（Ｂ）は該照明装置の最狭角照明状態の構成をそれぞれ示している。本実施例の照明装置は、実施例４と同様に複数の光源部１０１およびコリメータ系１０２と集光レンズ４０２と拡散板４０３と平行化レンズ４０４を有し、さらに照明光学系５０１を有する。

照明光学系５０１は、光源側から出射側へ順に配置された、光源側レンズ５０１１、中間レンズ５０１２および出射側レンズ５０１３により構成されている。最広角照明状態から最狭角照明状態へのズームにより照明領域を狭くするときには、光源側レンズ５０１１と中間レンズ５０１２間の距離と、中間レンズ５０１２と出射側レンズ５０１３間の距離を大きくする。数値実施例５に示すように、光源側レンズ５０１１の両面は非球面形状を有する。

図１３（Ａ）は、本実施例の照明光学系５０１が距離１０ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。図１３（Ｂ）は、本実施例の照明光学系５０１が距離１００ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。光源側レンズ５０１１が非球面を有するため、最広角照明状態の照明分布をより均一にすることができる。

本実施例では、最狭角照明状態で約９°、最広角照明状態で約９０°の照明角度を実現しており、ズーム倍率は約１０倍となる。数値実施例５は、式（２）～（７）の条件を満足している。

図１４（Ａ）は、実施例６の照明装置の最広角照明状態の構成を、図１４（Ｂ）は該照明装置の最狭角照明状態の構成をそれぞれ示している。本実施例の照明装置は、実施例４と同様に複数の光源部１０１およびコリメータ系１０２と集光レンズ４０２と拡散板４０３と平行化レンズ４０４を有し、さらに照明光学系６０１を有する。

照明光学系６０１は、光源側から出射側へ順に配置された、光源側レンズ６０１１、中間レンズ６０１２および出射側レンズ６０１３により構成されている。最広角照明状態から最狭角照明状態へのズームにより照明領域を狭くするときには、光源側レンズ６０１１と中間レンズ６０１２間の距離と、中間レンズ６０１２と出射側レンズ６０１３間の距離を大きくする。数値実施例６に示すように、光源側レンズ６０１１の両面と出射側レンズ６０１３の両面はそれぞれ非球面形状を有する。

図１５（Ａ）は、本実施例の照明光学系６０１が距離１０ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。図１５（Ｂ）は、本実施例の照明光学系６０１が距離１００ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。光源側レンズ６０１１と出射側レンズ６０１３が非球面を有するため、最広角照明状態の照明分布をより均一にすることができる。

本実施例では、最狭角照明状態で約８°、最広角照明状態で約９０°の照明角度を実現しており、ズーム倍率は約１１倍となる。数値実施例６は、式（２）～（７）の条件を満足している。

図１６（Ａ）は、実施例７の照明装置の最広角照明状態の構成を、図１６（Ｂ）は該照明装置の最狭角照明状態の構成をそれぞれ示している。本実施例の照明装置は、実施例４と同様に複数の光源部１０１およびコリメータ系１０２と集光レンズ４０２と拡散板４０３と平行化レンズ４０４を有し、さらに照明光学系７０１を有する。

照明光学系７０１は、光源側から出射側へ順に配置された、光源側レンズ７０１１、中間レンズ７０１２および出射側レンズ７０１３により構成されている。最広角照明状態から最狭角照明状態へのズームにより照明領域を狭くするときには、光源側レンズ７０１１と中間レンズ７０１２間の距離と、中間レンズ７０１２と出射側レンズ７０１３間の距離を大きくする。数値実施例７に示すように、光源側レンズ７０１１の両面と中間レンズ７０１２の両面はそれぞれ非球面形状を有する。

図１７（Ａ）は、本実施例の照明光学系７０１が距離１０ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。図１７（Ｂ）は、本実施例の照明光学系７０１が距離１００ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。光源側レンズ７０１１と中間レンズ７０１２が非球面を有するため、最広角照明状態の照明分布をより均一にすることができる。

本実施例では、最狭角照明状態で約９°、最広角照明状態で約９０°の照明角度を実現しており、ズーム倍率は約１０倍となる。数値実施例７は、式（２）～（７）の条件を満足している。

図１８（Ａ）は、実施例７の照明装置の最広角照明状態の構成を、図１８（Ｂ）は該照明装置の最狭角照明状態の構成をそれぞれ示している。本実施例の照明装置は、実施例１と同様の光源部１０１およびコリメータ系１０２と、照明光学系８０１とを有する。

照明光学系８０１は、光源側から出射側へ順に配置された、光源側レンズ８０１１および出射側レンズ８０１２により構成されている。光源側レンズ８０１１と出射側レンズ８０１２はいずれも正の屈折力を有する。最広角照明状態から最狭角照明状態へのズームにより照明領域を狭くするときには、光源側レンズ８０１１と出射側レンズ８０１２間の距離を大きくする。なお、本実施例では、最広角照明状態において光源側レンズ８０１１の出射側焦点が出射側レンズ８０１２（の最終面）よりも出射側に位置する。

本実施例では、数値実施例８に示すように光源側レンズ７０１１の両面と出射側レンズ８０１２の両面はそれぞれ非球面形状を有し、最広角照明状態における照射領域の拡張と照明分布の均一化をこれらのレンズ面の形状によって調整している。具体的には、それぞれ凸レンズである光源側レンズ８０１１と出射側レンズ８０１２の周辺部の曲率を小さくする（光軸側から周辺側に向かって屈折力を弱くする）ことにより、目標とする照明領域の外側に拡がる光線をより光軸付近に導く。

図１９（Ａ）は、本実施例の照明光学系８０１が距離１０ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。図１９（Ｂ）は、本実施例の照明光学系８０１が距離１００ｍの物体面上に形成する照明パターンを示している。凸レンズの周辺部の曲率を小さくすることにより、照明分布をより均一に近づけることができるとともに、明るさの半値幅で規定される照明領域を拡大することができる。

本実施例においては、最狭角状態において出射側レンズ８０１２と光源側レンズ８０１１の間の距離が両レンズの焦点距離の和に近い値に設定される。このとき、コリメータ部１０２から照明系８０１へ入射する光線はすべてが光軸と平行となるわけではなく、ある角度分布を有する。この結果、照明系８０１の径を大きくしないためには、出射側レンズ８０１２の屈折力を光源側レンズ８０１１の屈折力よりも大きくする必要がある。一方、最広角照明状態では、出射側レンズ８０１２から出射する光線は光軸に対して４５°以上の大きな角度をなす光線を含んでいる。このような光線を出射側レンズ８０１２の有効径内の周辺部から出射するためには、出射側レンズ８０１２の光源側の面を強い凸面とすることが望ましい。

本実施例では光源側レンズ８０１１の両面と出射側レンズ８０１２の両面を非球面としているが、いずれか一方のレンズのみに非球面を設けてもよいし、両面のうち一方の面のみを非球面としてもよい。特に、出射側レンズ８０１２の光源側の面は強い凸面となっており、この面を非球面とすることが効果的である。また、その非球面の形状は、有効径の８割の位置での非球面量（参照球面と非球面との差）をΔ８ａとし、出射側レンズ８０１２の焦点距離をｆ_１とするとき、以下の式（８）で示す条件を満足することが望ましい。
|Δ８ａ／ｆ_１|≧０．０４ （８）
|Δ８ａ／ｆ_１|が式（８）の下限値を下回ると、照明分布が十分に均一にならず、したがって照明角度が大きくならないため、好ましくない。数値実施例８－１、８－２は、この条件を満足している。

なお、式（８）の数値範囲を以下のようにすることがより望ましい。
|Δ８ａ／ｆ_１|≧０．０５ （８）′
また、式（８）の数値範囲を以下のようにすることがさらに望ましい。
|Δ８ａ／ｆ_１|≧０．０６ （８）″
また、本実施例では、光源側レンズ８０１１と出射側レンズ８０１２の距離を近づけることによって照明角度を大きくすることで最広角照明状態が得られる。最広角照明状態での出射側レンズ８０１２と光源側レンズ８０１１との光軸上の距離をｄ_Ｆ１２、照明光学系８０１の最広角照明状態での焦点距離をｆ_Ｆとするとき、以下の式（９）で示す条件を満足することが望ましい。
ｄ_Ｆ１２／ｆ_Ｆ≦０．８ （９）
ｄ_Ｆ１２／ｆ_Ｆが式（９）の上限値を上回ると、最広角照明状態で照明角度が大きくならないため、好ましくない。数値実施例８－１、８－２は、この条件を満足している。

なお、式（９）の数値範囲を以下のようにすることがより望ましい。
ｄ_Ｆ１２／ｆ_Ｆ≦０．６ （９）′
また、式（９）の数値範囲を以下のようにすることがさらに望ましい。
ｄ_Ｆ１２／ｆ_Ｆ≦０．４ （９）″
さらに、出射側レンズ８０１２の焦点距離をｆ_１とするとき、以下の式（１０）で示す条件を満足することが望ましい。
１．０＜ｆ１／ｆ_Ｆ≦２．０ （１０）
ｆ１／ｆ_Ｆが式(１０)の下限を下回ると、最狭角照明状態において収差が大きくなり、照射領域が広がるため、好ましくない。また、ｆ１／ｆ_Ｆが式(１０)の上限を上回ると、最広角照明状態での照明分布の均一性が十分にならず、この結果、照明領域が狭くなるため、好ましくない。数値実施例８－１、８－２は、この条件を満足している。

なお、式（１０）の数値範囲を以下のようにすることがより望ましい。
１．０＜ｆ１／ｆ_Ｆ≦１．８ （１０）′
また、式（１０）の数値範囲を以下のようにすることがさらに望ましい。
１．０＜ｆ１／ｆ_Ｆ≦１．６ （１０）′
以上説明した各実施例によれば、小型でありながらも広い距離範囲の照明が可能な照明光学系および照明装置を実現することができる。

図２０は、上述した実施例１～８のいずれかの照明装置を備えた撮像装置（監視カメラ）の外観を示している。撮像装置は、撮像部とズーム照明部とを有する。撮像部は、撮像光学系１１と撮像素子１２を有する。撮像光学系１１は、図示の物体からの光束を撮像素子１２上に結像させる。撮像光学系１１は、広角端と無限遠端との間でズームが可能である。撮像素子１２は、ＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子であり、物体像を電気信号に変換する。撮像部は、撮像素子１２からの電気信号に対して各種処理を行って画像データを生成する。画像データは、ケーブルや無線通信を介して外部に送信される。

ズーム照明部は、実施例１～８のいずれかの照明装置により構成され、物体を照明するための照明光を発する。照明装置の照明光学系は、撮像部の広角端と無限遠端との間のズームに機械的または電気的に連動して最広角照明状態と最狭角照明状態との間でズームを行う。

この撮像装置によれば、小型の照明装置を搭載しながら、暗所における広い距離範囲の物体を良好に撮像することが可能となる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１０１ 光源部
１０３，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１ 照明光学系
１０３１，２０１１，３０１１，４０１１，５０１１，６０１１，７０１１，８０１１ 光源側レンズ
１０３２，２０１３，３０１３，４０１３，５０１３，６０１３，７０１３，８０１２ 出射側レンズ
２０１２，３０１２，４０１２，５０１２，６０１２，７０１２ 中間レンズ

Claims (25)

1. 光源からの光を物体に向けて出射する照明光学系であって、
   正の屈折力の光源側レンズ群と、該光源側レンズ群よりも物体側に配置された正の屈折力の物体側レンズ群とを有し、前記光源側レンズ群と前記物体側レンズ群との光軸上での互いの間隔を変化させて最広角照明状態と最狭角照明状態との間でズームを行い、
   前記最狭角照明状態において、前記物体側レンズ群の最も物体側の面は、前記光源側レンズ群の物体側焦点よりも物体側に位置し、
   前記光源側レンズ群の最も光源側の面から前記物体側レンズ群の前記最も物体側の面までの距離が、前記最広角照明状態において前記最狭角照明状態においてよりも短いことを特徴とする照明光学系。
2. 前記照明光学系の前記最広角照明状態での焦点距離をｆ_Ｆ、前記物体側レンズ群と前記光源側レンズ群との光軸上の距離をｄ_Ｆ１３とするとき、
   ０．３≦ｄ_Ｆ１３／ｆ_Ｆ≦１．２
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記光源側レンズ群は、物体側に凸面を有するレンズを含むことを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
4. 前記物体側レンズ群の前記最も物体側の面は凸面であることを特徴とする請求項２または３に記載の照明光学系。
5. 前記物体側レンズ群の焦点距離をｆ_１とするとき、
   １．０＜ｆ_１／ｆ_Ｆ≦３．０
   なる条件を満足することを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の照明光学系。
6. 前記光源側レンズ群と前記物体側レンズ群との間に、正の屈折力の中間レンズ群を有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照明光学系。
7. 前記最広角照明状態から前記最狭角照明状態へのズームにおいて、前記中間レンズ群と前記物体側レンズ群との距離が大きくなることを特徴とする請求項６に記載の照明光学系。
8. 前記中間レンズ群は、物体側の面が平面または凹面であるレンズを含むことを特徴とする請求項６または７に記載の照明光学系。
9. 前記中間レンズ群におけるすべての面が球面であることを特徴とする請求項７に記載の照明光学系。
10. 前記中間レンズ群は、非球面を有するレンズを含むことを特徴とする請求項７に記載の照明光学系。
11. 前記光源側レンズ群は、非球面を有するレンズを含むことを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項に記載の照明光学系。
12. 前記物体側レンズ群は、非球面を有するレンズを含むことを特徴とする請求項６から１１のいずれか一項に記載の照明光学系。
13. 前記最狭角照明状態における前記中間レンズ群と前記光源側レンズ群との光軸上の距離をｄ_ｓ２３、前記光源側レンズ群の焦点距離をｆ_３とするとき、
    ０．５≦ｄ_ｓ２３／ｆ_３≦１．２
    なる条件を満足することを特徴とする請求項６から１２のいずれか一項に記載の照明光学系。
14. 前記最広角照明状態における前記中間レンズ群と前記光源側レンズ群との光軸上の距離をｄ_Ｆ２３、前記最狭角照明状態における前記中間レンズ群と前記光源側レンズ群との光軸上の距離をｄ_ｓ２３、前記光源側レンズ群の焦点距離をｆ_３とするとき、
    ｄ_Ｆ２３＜ｄ_ｓ２３
    ｄ_Ｆ２３／ｆ_３≦０．７
    なる条件を満足することを特徴とする請求項６から１３のいずれか一項に記載の照明光学系。
15. 前記最広角照明状態における前記物体側レンズ群と前記中間レンズ群との光軸上の距離をｄ_Ｆ１２、前記照明光学系の前記広角照明状態での焦点距離をｆ_Ｆとするとき、
    ｄ_Ｆ１２／ｆ_Ｆ≦０．３
    なる条件を満足することを特徴とする請求項６から１４のいずれか一項に記載の照明光学系。
16. 前記中間レンズ群の焦点距離をｆ_２、前記照明光学系の前記最広角照明状態での焦点距離をｆ_Ｆとするとき、
    ０．５≦ｆ_２／ｆ_Ｆ≦２．５
    なる条件を満足することを特徴とする請求項６から１５のいずれか一項に記載の照明光学系。
17. 前記照明光学系は、光軸上の屈折力から周辺の屈折力まで屈折力が弱くなる非球面を有するレンズを含むことを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の照明光学系。
18. 前記物体側レンズ群が、前記非球面を有するレンズを含むことを特徴とする請求項１７に記載の照明光学系。
19. 前記最広角照明状態において、前記光源側レンズ群の物体側焦点が前記物体側レンズ群よりも物体側に位置することを特徴とする請求項１８に記載の照明光学系。
20. 前記物体側レンズ群に含まれる前記非球面の有効径の８割の位置での参照球面との差としての非球面量をΔ８ａ、前記物体側レンズ群の焦点距離をｆ_１とするとき、
    |Δ８ａ／ｆ_１|≧０．０４
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１８または１９に記載の照明光学系。
21. 前記最広角照明状態における前記物体側レンズ群と前記光源側レンズ群との光軸上の距離をｄ_Ｆ１２、前記照明光学系の前記最広角照明状態での焦点距離をｆ_Ｆとするとき、
    ｄ_Ｆ１２／ｆ_Ｆ≦０．８
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１８から２０のいずれか一項に記載の照明光学系。
22. 前記物体側レンズ群の焦点距離をｆ_１、前記照明光学系の前記最広角照明状態での焦点距離をｆ_Ｆとするとき、
    １．０＜ｆ_１／ｆ_Ｆ ≦２．０
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１８から２１のいずれか一項に記載の照明光学系。
23. 請求項１から２２のいずれか一項に記載の照明光学系と、
    前記光源とを有することを特徴とする照明装置。
24. 前記光源からの光を前記照明光学系に導くコリメータ系を有することを特徴とする請求項２３に記載の照明装置。
25. 請求項２３または２４に記載の照明装置と、
    ズームが可能な撮像光学系と、
    該撮像光学系を介して形成された前記物体の像を撮る撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。
    

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