JP4083356B2 - 撮像装置及び撮像装置システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置及び撮像装置システムに関し、特に、銀塩写真に匹敵する高品位な画像を撮像することが可能な、また、ぼけの活用やトリミング等、銀塩写真と同等の撮影効果を得ることができる小型低コストな撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
写真画質に匹敵する画像を得ることが可能な印刷用等の用途を想定した業務用デジタルカメラがある。これらの多くは、撮像素子の画素ピッチが約１０μｍ前後以上で、２００万画素若しくはそれを越える画素数を有しており、撮像素子の素子サイズが銀塩フィルムのサイズに換算すると、いわゆるＡＰＳサイズ以上の大きさを有し、従来の銀塩写真用途に開発された光学系を流用するものが多い。
【０００３】
これらの撮像装置は、銀塩フィルムに近いフォーマットサイズの撮像素子を用いているため、被写界深度に伴うぼけの活用や、被写界深度と画角の相関が銀塩写真と近く、銀塩写真と同等の撮影効果を得ることができる。
【０００４】
しかし、これらの撮像装置に用いられる撮像素子は、その大きさから、１枚のウェハーから得られる素子の数に制限があり、撮像素子の画素数に伴って達成している画質に比較して、コストをある程度以上下げることができないという問題がある。
【０００５】
また、撮影に用いる光学系は、従来の銀塩写真用途に開発されたものであるため、撮像素子を用いた装置に固有の課題、例えば、開口部が一定の大きさを有し、開口部に入った光量の積分値が画像信号になることによる画像情報の劣化や、モアレ除去のための光学ローパスフィルタや、赤外光の画像への悪影響を除去するための赤外カットフィルタ等のフィルタ類の影響、撮像素子の物理的な構造に伴う画像への影響等が考慮されていない。
【０００６】
また、銀塩フィルムの場合には、カラー画像を作成するためのＣＭＹ各色画像を形成する部位が層状に重ねられてカラー画像になるが、電子撮像素子の場合には、１つの画素において複数のカラー画像を分離して形成することはできないため、通常は、各色毎に複数回の撮影に分けて撮影し、後で合成したり、複数の光路に分岐して複数の撮像素子でそれぞれが異なる色の画像を形成するようにしたり、撮像面の上にマトリックス状に配列されたカラーフィルタを配置し、フィルタの各色に各画素を対応させ、対応しているフィルタ色以外の色に関する強度は、周囲の画素から演算で求める等の手法によりカラー画像を形成する方法がとられる。
【０００７】
第１の方法では、撮影に時間がかかるため、動体の撮影ができないという問題があり、第２の方法では、複数の撮像素子や光路分岐のための部材が必要となるため、コスト高や光路分岐部材を光学系と撮像素子の間に挿入するため、装置が大型化する問題がある。そのため、小型低コストな装置には、第３の方法を用いることが望ましい。
【０００８】
この場合、マトリックス状のフィルタは、それぞれ特定の分光透過率を持たせる必要があるため、ある一定の厚みが必要であり、また、電極の構造や、光電変換面の形成方法等により、フィルタと光電変換面の間隔も無限に狭くすることは不可能である。
【０００９】
そのため、撮像素子に極度に斜めに光が入射すると、フィルタを透過した光が本来到達する光電変換面以外の面に到達すると、色情報が正確に入手できなくなる問題が生じる。
【００１０】
また、赤外カットフィルタや色フィルタを誘電体の多層膜を利用した干渉型フィルタで形成し、フィルタ類の厚みを極力薄くすることも考えられるが、このような干渉フィルタは、フィルタ内を通過する光の光路長によりその作用を果たすため、光の入射角に応じて透過率が変化する問題がある。
【００１１】
したがって、撮像素子を用いた装置の場合、光学系を射出した光、特に主光線の撮像素子への入射角はできるだけ小さい方が望ましい。
【００１２】
ところが、銀塩写真用に設計された光学系は、光学系の射出角に大きな制約はないため、銀塩写真用にラインアップされた光学系全てを撮像装置に用いることができない問題が生じる。
【００１３】
さて、撮像素子の製造コストを下げるためには、素子サイズを小型化し、１枚のウェハーから多くの素子を得るようにすることが最も効果的である。
【００１４】
比較的安価な撮像装置として商品化されている装置には、１／３〜２／３インチサイズの１００〜２５０万画素程度の撮像素子を用いているものが多い。
【００１５】
これらの撮像素子では、その画素ピッチも約３〜５μｍと、前記の業務用デジタルカメラに用いられている撮像素子と比較して大幅に小さい。このような大きさの撮像素子を用いて、写真画質に匹敵するために画素数をさらに増加していくと、必然的に画素ピッチも小さくなり、撮像素子の感度低下や、光子数の揺らぎによるショットノイズによる画質の劣化を無視できなくなることが知られている。
【００１６】
また、これらの撮像装置には、用いる撮像素子の特性を発揮させるために最適に設計された光学系を用いているため、前述のような撮像素子を用いることによる課題を十分考慮した設計になっていることが多い。
【００１７】
しかし、一方では、撮像素子の面積が小さく、それに従って光学系の焦点距離が短くなり、光学的な被写界深度が深くなるために、３５ｍｍフィルム等の銀塩写真を撮影する場合には起こり難い問題が生じることが知られている。
【００１８】
例えば、ポートレート撮影のように、人物を大きく撮影して、人物はシャープに、バックはぼけた画像を撮影したい場合にも、意図したようにはバックがぼけない現象や、被写体との間の埃や降っている雪等が、撮影者は認識していなくても、ストロボ撮影等ではっきりと写り込んでしまうといった現象が生じる。
【００１９】
この問題を解決するには、Ｆ値の明るい光学系とするか、焦点距離を長くして被写界深度を浅くする方法が考えられる。しかし、前者の方法では、光学系が大型化したり、光学系を構成するレンズ枚数が増え、コスト増を招き、また、後者の方法では、撮影画角が変わるため、撮影者の意図した画面構成にできない場合がある。これでは、解像力や色再現等が銀塩写真と同等の画質を達成したとしても、銀塩写真と同等の撮影効果を出すことができない。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来例では、銀塩写真に匹敵する画質と、銀塩写真の撮影時と大きな違和感の違いのない同等の撮影効果、小型低コスト化を同時に満足する撮像装置を達成することができない。
【００２１】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、銀塩写真に匹敵する高品位な画像を有し、ぼけの活用等、銀塩写真と同等の撮影効果を得ることができる小型低コストな撮像装置を提供することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の撮像装置は、光学系による物体の像を電子撮像素子上に結像することによって物体の画像情報を得る撮像装置であって、前記撮像素子は、光電変換面の上部にマトリックス状あるいはモザイク状のカラーフィルタを配置した素子であり、前記電子撮像素子及び前記光学系が下記の条件を満足することを特徴とする撮像装置である。
【００２３】
（１） ６．２／√Ｎ＜Ｐ＜２１／√Ｎ
（２） ３．８＜Ｎ＜２０
（３） ３．４×Ｐ−２５＜Ｎ＜２０
（４） ０＜θ＜１．３×Ｐ＋４
ただし、Ｐは撮像素子の画素ピッチ（単位はμｍ）、Ｎは撮像素子の画素数（単位は百万）、θは、最大像高において、前記光学系から射出した光束の中心光線若しくは絞り中心を通る光線が撮像素子に入射する角度（単位は°）である。
【００２４】
この場合に、下記条件を満足することがより好ましい。
【００２５】
（５） ７．６／√Ｎ＜Ｐ＜１８／√Ｎ
また、下記条件を満足することがより好ましい。
【００２６】
（６） ５．０＜Ｎ＜ ２０
また、下記条件を満足することがより好ましい。
【００２７】
（７） θ＜Ｐ＋４
また、光学系が脱着可能な構造になっていることがより好ましい。
【００２８】
また、本発明の撮像装置システムは、光電変換面の上部にマトリックス状あるいはモザイク状のカラーフィルタを配置し、前記条件式（１）から（３）を満足する電子撮像素子を備え、前記電子撮像素子上に物体の像を結像するために用意された複数の光学系が前記条件式（４）を満足することを特徴とする撮像装置システムである。
【００２９】
以下、本発明において上記構成をとった理由とその作用について説明する。
【００３０】
人間の眼の標準的な角度分解能を１' （視力１．０に対応）と考えると、この値は限界解像力を得る値であるから、画像に含まれるラインアンドスペースがシャープな画像として認識できる分解能はそれよりも下がったところ（大きい角度）にあると考えられる。
【００３１】
例えばその立体角を１．６７' （視力０．６に対応）程度と考えると、例えば４０ｃｍ離れた位置から画像を観察するとき、０．１９４ｍｍの大きさまではシャープな像と認識できることになる。
【００３２】
このようなシャープな像と認識できる場合には、色ズレが起きた場合にはっきりと認識できることになる。したがって、この場合に色ズレを目立たなくするためには、画素ピッチに対して１／２以下に倍率色収差を補正しなければならない。
【００３３】
４０ｃｍ離れた位置からＡ４（２１０ｍｍ×２９７ｍｍ）サイズのプリントを観察することを考えると、この上記の場合の画素数は、約１１００×１５００＝１６５万画素、周囲に１０ｍｍの余白をとることを考慮すると、約１４０万画素となる。
【００３４】
これから提示する数値は、基本的に４０ｃｍ離れた位置からＡ４サイズのプリントを観察することを想定しているが、プリントサイズと観察距離の間に線形関係が満足されている場合には、得られた画素数はプリントサイズによらない。しかし、一般にプリントサイズが小さくなる程、プリントサイズに比べて観察距離が伸びる傾向にあるため、Ａ６サイズ（１０５ｍｍ×１４９ｍｍ）等の小さいプリントサイズでは、提示された画素数よりも少ない画素数で十分である。言い換えれば、本発明では６切程度以上のプリントサイズを得ることを可能にして銀塩写真に匹敵する高品位な画像と考えている。
【００３５】
さて、撮像素子を用いて作成された画像は、当然画像を構成する画素単位は一定であるため、その単位以上の高い空間周波数を有する物体は表現できない。種々の空間周波数のパターン部分を有するテストチャートを撮影した場合、最も線幅の狭い部分で、その線幅が画素ピッチに等しいパターンは、全て分解して観察されるのに対して、線幅が画素ピッチを下回り、その最も狭い線幅が例えば画素ピッチの１／２となる画素単位以上の高い空間周波数を有するパターンは、低周波の濃淡、いわゆるモアレが観察されるだけである。
【００３６】
前述の計算で求めた画素数の画像では、プリントの最小画素単位を人間が高いコントラストで明確に認識できる。したがって、上述のテストチャートの観察結果を一般画像に拡張すると、ある空間周波数まではシャープに見え、最小画素単位を越えて高い空間周波数になると、急激に分解しない画像となるため、画像のコントラストは高くても、グラデーションの表現に乏しいいわゆる荒れ感のある画像となる。
【００３７】
グラデーション豊かな画像とするためには、人間が感知する解像限界に近い空間周波数まで表現しなければならない。
【００３８】
我々はこの点から、銀塩写真と等価な画質を得るためには、少なくとも立体角１．２５' （視力０．８）に対応する画素単位、Ａ４サイズで１０ｍｍの余白を取った場合に、約２５０万画素の画素数が必要であることを特願平１１−４２９３４号において示した。
【００３９】
しかし、この数値は撮影された範囲全体をプリントするいわゆるフルサイズプリントに対応しており、銀塩写真と同等の使い勝手を考慮するならば、多少のトリミング操作も必要となる。トリミングした場合には、トリミング後も同等の画質を得るのであれば、トリミング後も同じ画素数が必要になる。例えば２倍にトリミングする場合には、面積で１／４の範囲を同じサイズにプリントするのであるから、４倍の画素数が必要である。しかし、銀塩写真でもトリミングをすれば画質が劣化することは十分認識されており、２倍ものトリミングを施すことは少なく、また、補間等の画像処理による画質劣化を多少許容できることを併せて検討した結果、オリジナル画像が立体角１' 程度に相当する画素単位であれば、通常の範囲のトリミング処理は問題なく行えることが分かった。
【００４０】
立体角１' を画素数に変換すると、前述の計算と同様の計算により、Ａ４サイズの周囲１０ｍｍの余白をとったときに、約３８０万画素になる。
【００４１】
これらの条件を式で表現したものが、下記条件式（２）の下限である。
【００４２】
（２） ３．８＜Ｎ＜２０
ただし、Ｎは撮像素子の画素数（単位は百万）である。
【００４３】
条件式（２）の上限は、画素数が増えることにより、画像の読み出し速度や、記録媒体への記録速度等が長くなりすぎる問題が生じる点や、（２）の上限値２０は、前述の立体角０．０５１３' （視力２．３）に相当しており、前述の２倍以上のトリミング時に必要な画素数や、例えばＡ３以上に拡大し、プリントサイズに比べて観察距離を短くしても、ほとんど画像の劣化を認識することができなくなる画素数を考慮して定められるものである。
【００４４】
このような画素数の撮像素子を作成する場合、下記条件（１）を満足していることが望ましい。
【００４５】
（１） ６．２／√Ｎ＜Ｐ＜２１／√Ｎ
ただし、Ｐは撮像素子の画素ピッチ（単位はμｍ）である。
【００４６】
条件式（１）の上限√Ｎは、撮像装置のコストを考慮して設定したものであり、上限値を越えて大きくなると、条件式（２）の画素数を満足するためには撮像素子のサイズが大きくなり、１枚のウェハーからとれる素子数が少なくなってコストの増大を招く。また、条件式（１）の下限値６．２を越えると、条件式（１）の下限値の画素数を達成しても、撮像範囲の対角長が９ｍｍを下回り、光学系の焦点距離が短くなり、前述の被写界深度が深くなる問題が解決できない。
【００４７】
一般に、撮像素子の総画素数に対する欠陥画素の数は、その面積に比例すると言われており、したがって、撮像素子の面積が大きくなるに伴い、製造歩留まりは低下する。また、歩留まりが一定と考えても、撮像素子のコストは１枚のウェハーから得られる素子の数により決まるから、撮像素子の製作コストは撮像素子の面積が大きくなるに伴い増大すると考えられる。
【００４８】
一方、ユーザの立場からは、撮像素子の面積ではなく、画質に対して価値を見出す。したがって、画素数に比べてコストの高い撮像装置は好ましくない。この点を考慮し、許容できる画素数と撮像素子の面積を検討した結果、下記の条件（３）を満足することが望ましいことが分かった。
【００４９】
（３） ３．４×Ｐ−２５＜Ｎ＜２０
条件式（３）の下限値３．４×Ｐ−２５を越えて小さな値をとると、撮像素子の面積が大きいにも関わらず、画素数が少なくなり、コストパフォーマンスが低くなる。また、上限値は条件式（２）の上限値と同じである。
【００５０】
さて、前述の通り、小型低コストな撮像装置には、光電変換面の上部にカラーフィルタをマトリックス状に配列してカラー画像を構成する撮像素子を用いることが望ましく、その場合、カラー情報を正確に入手するためには、光学系を射出した光線、特に主光線が撮像素子に入射する角度は、できるだけ小さいことが望ましい。
【００５１】
撮像素子に入射する角度の許容範囲を大きくするためには、光電変換面の周囲に遮光部を設けて、隣接するフィルタを透過した光が光電変換面に到達しないようにする手法が考えられ、その遮光部の画素ピッチに対する比率を高くすれば、撮像素子に入射する角度の許容範囲はさらに大きくなる。
【００５２】
しかし、低コストで銀塩写真に匹敵する画質を確保するため、条件（１）ないし（３）を満足せしめ、さらに、遮光部の画素ピッチに対する比率を高くすると、光電変換面の領域が小さくなり、感度が低下しＳ／Ｎが劣化する問題が生じる。
【００５３】
そこで、光学系と撮像装置の画質に対する寄与と、大きさに対する寄与、コスト等とを総合的に考慮すると、光学系の主光線が撮像素子に入射する角度は下記条件を満足せしめることが望ましい。
【００５４】
（４） ０＜θ＜１．３×Ｐ＋４
ただし、θは、最大像高において、前記光学系から射出した主光線の撮像素子に入射する角度（単位は°）である。
【００５５】
条件（４）の上限の１．３×Ｐ＋４を越えて大きな値をとると、前述の遮光部の割合を大きくしないと、隣接した色フィルタを透過した光が光電変換面に到達する割合が増加し、シェーディング補正回路では補正することが難しくなる。
【００５６】
前述のように色フィルタや赤外カットフィルタ等に誘電体多層膜による干渉型フィルタを用いる場合等では、光線の入射角に応じて分光特性が変化するため、主光線だけではなく、イメージサークルの各点に集光する光束の状態が画面中心での状態に近いことが望ましい。
【００５７】
また、光学系を射出した光が略主光線のみと見なせるまで絞らない装置も想定して考えると、前記条件（４）は、必ずしも主光線ではなく、光束の中心光線が満足することでもよい。
【００５８】
本発明の撮像装置がより高品位な画像を得るためには、画像の画素単位をさらに小さくすることが好ましく、その場合は、下記条件式（６）を満足すると、なお好ましい。
【００５９】
（６） ５．０＜Ｎ＜２０
また、さらに低コスト化を図るためには、撮像素子の大きさをさらに小さくすることが好ましく、また、撮影時にぼけの効果を活かすには、撮像素子の大きさをさらに大きくすることが好ましい。そこで、下記条件式（５）を満足すると、なお好ましい。
【００６０】
（５） ７．６／√Ｎ＜Ｐ＜１８／√Ｎ
また、さらに色情報の精度を向上せしめるためには、下記条件式（７）を満足すると、より好ましい。
【００６１】
（７） θ＜Ｐ＋４
また、本発明の撮像装置は、装置として光学系が一体化されていてもよいが、様々な被写体に適した撮影条件に対応するためには、光学系が脱着可能な構造になっていることが好ましい。このような構造をとり、撮影条件に最適化された光学系を設計することにより、大きさ・コストの点からも最適な構成とすることが可能となる。
【００６２】
その場合、本発明の撮像装置は、撮像システムとして、光電変換面の上部にマトリックス状あるいはモザイク状のカラーフィルタを配置し、前記条件式（１）から（３）を満足する電子撮像素子を備え、前記電子撮像素子上に物体の像を結像するために用意された複数の光学系が前記条件式（４）を満足することが、より好ましい。
【００６３】
さらなる撮像素子の低コスト化と、銀塩写真並みのぼけを活かした撮影効果を両立させるためには、下記条件式を満足すると、より好ましい。
【００６４】
（８） １０．４／√Ｎ＜Ｐ＜１６／√Ｎ
【００６５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の撮像装置の実施例について説明する。
【００６６】
本発明に基づく撮像装置全体の構成は、図１に示すように、被写体の像を結像する光学系１０と、その結像位置に配置されたＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる撮像素子２０と、その撮像素子２０で得られた画像信号を処理する信号処理回路３０と、その信号処理回路３０に接続され、撮像された画像データを記憶する記憶装置４０と、信号処理回路３０に接続され、撮像された画像を表示する表示装置５０と、撮像された画像を出力するプリンター等の出力装置６０とからなる。
【００６７】
以下に、主として光学系１０に用いるレンズ系と、その際に用いる撮像素子２０に関する実施例について説明する。
【００６８】
（実施例１）
この実施例は、光学系１０として３倍の変倍比を持つズームレンズを使用する実施例であり、撮像素子２０としては、２／３インチ（撮像部６．６ｍｍ×８．８ｍｍ）で、画素数２１２１×２８２８＝５９９．８万画素で、画素ピッチＰが３．１μｍのものを用いる。
【００６９】
光学系１０を構成するレンズ系は、図２に広角端での断面図を示すように、物体側から順に、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凸レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの３枚からなり、第２レンズ群Ｇ２は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹レンズと、両凸レンズの３枚からなり、絞りＳが続き、絞りＳの後の第３レンズ群Ｇ３は、物体側にパワーの強い方の面を向けた両凸レンズと、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズの２枚からなり、第４レンズ群Ｇ４は両凸レンズと、両凸レンズと両凹レンズの接合レンズの３枚からなり、広角端から望遠端にかけて、第１レンズ群Ｇ１と絞りＳは固定されており、第２レンズ群Ｇ２は物体側から像側に移動し、第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４は相互の間隔を広げながら物体側に移動する。レンズ系と像面Ｉの間に撮像素子２０のカバーガラス、フィルタ類を構成する平行平面板Ｆが配置されている。
【００７０】
このレンズ系の数値データは後記するが、第２レンズ群Ｇ２の最も物体側の面と第３レンズ群Ｇ３の最も物体側の面に非球面を用いている。この実施例の広角端の収差図を図３に、標準状態の収差図を図４に、望遠端の収差図を図５にそれぞれ示す。図中、ＳＡは球面収差、ＡＳは非点収差、ＤＴは歪曲収差、ＣＣは倍率色収差を示す（以下の収差図においても同じ。）。また、図中、“ＦＩＹ”は像高を表している。
【００７１】
実施例１の式（１）ないし（３）に関する値は、Ｐ＝３．１μｍ、Ｎ＝６．０、式（４）に関する値θ＝３．５°（広角端）〜３．６°（標準状態）〜４．５°であり、何れもそれらの条件式を満足しており、銀塩写真に匹敵する高品位な画像が得られ、また、ぼけの活用等、銀塩写真と同等の撮影効果を活かすことが可能な小型低コストな撮像装置を得ることができる。
【００７２】
（実施例２）
この実施例は、光学系１０として３倍の変倍比を持つズームレンズを使用する実施例であり、撮像素子２０としては、略４／３インチ（撮像部１２ｍｍ×１８ｍｍ）で、画素数２１２１×３１８２＝６７４．９万画素で、画素ピッチＰが５．７μｍのものを用いる。
【００７３】
光学系１０を構成するレンズ系は、図６に広角端での断面図を示すように、物体側から順に、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凸レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの３枚からなり、第２レンズ群Ｇ２は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズと、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズの４枚からなり、絞りＳが続き、絞りＳの後の第３レンズ群Ｇ３は、物体側にパワーの強い方の面を向けた両凸レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、両凹レンズの３枚からなり、第４レンズ群Ｇ４は、両凸レンズと、両凹レンズと、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズの３枚からなり、広角端から望遠端にかけて、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２は相互の間隔を広げながら、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４は、相互の間隔を狭めながら物体側に移動する。このレンズ系の数値データは後記するが、第２レンズ群Ｇ２の最も物体側の面と、第３レンズ群Ｇ３の２番目のレンズの物体側の面と、第４レンズ群Ｇ４の２番目のレンズの像側の面に非球面を用いている。この実施例の広角端の収差図を図７に、標準状態の収差図を図８に、望遠端の収差図を図９にそれぞれ示す。
【００７４】
実施例２の式（１）ないし（３）に関する値は、Ｐ＝５．７μｍ、Ｎ＝６．７、式（４）に関する値θ＝９．７°（広角端）〜８．７°（標準状態）〜７．６°であり、何れもそれらの条件式を満足しており、銀塩写真に匹敵する高品位な画像が得られ、また、ぼけの活用等、銀塩写真と同等の撮影効果を活かすことが可能な小型低コストな撮像装置を得ることができる。
【００７５】
（実施例３）
この実施例は、光学系１０として１０倍の変倍比をもつズームレンズを使用する実施例であり、撮像素子２０としては、略略４／３インチ（撮像部１２ｍｍ×１８ｍｍ）で、画素数２６６６×４０００＝１０６６．４万画素で、画素ピッチＰが４．５μｍのものを用いる。
【００７６】
光学系１０を構成するズームレンズは、図１０に広角端での断面図を示すように、物体側から順に、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凸レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの３枚からなり、第２レンズ群Ｇ２は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹レンズと、両凸レンズと、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズの４枚からなり、絞りＳが続き、絞りＳの後の第３レンズ群Ｇ３は、物体側にパワーの強い方の面を向けた２枚の両凸レンズと、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹レンズの４枚からなり、第４レンズ群Ｇ４は、２枚の両凸レンズと、両凹レンズと、両凸レンズと両凹レンズの接合レンズの５枚からなり、広角端から望遠端にかけて、第２レンズ群Ｇ２は像面に向かって凸の軌跡を描くように移動し、第１レンズ群Ｇ１と、第３レンズ群Ｇ３と、第４レンズ群Ｇ４は、相互の間隔を狭めながら物体側に移動する。このレンズ系の数値データは後記するが、第２レンズ群Ｇ２の最も物体側の面と、第３レンズ群Ｇ３の２番目のレンズの物体側の面と、第４レンズ群Ｇ４の３番目のレンズの像側の面に非球面を用いている。この実施例の広角端の収差図を図１１に、標準状態の収差図を図１２に、望遠端の収差図を図１３にそれぞれ示す。
【００７７】
実施例３の式（１）ないし（３）に関する値は、Ｐ＝４．５μｍ、Ｎ＝１０．７、式（４）に関するθ＝６．０°（広角端）〜６．０°（標準状態）〜５．４°（望遠端）であり、何れもそれらの条件式を満足しており、銀塩写真に匹敵する高品位な画像が得られ、また、ぼけの活用等、銀塩写真と同等の撮影効果を活かすことが可能な小型低コストな撮像装置を得ることができる。
【００７８】
以下に、上記各実施例の光学系１０の数値データを示すが、記号は上記の外、ｆは全系焦点距離、ＦNOはＦナンバー、２ωは画角、ｆB はバックフォーカス、ｒ1 、ｒ2 …は各レンズ面の曲率半径、ｄ1 、ｄ2 …は各レンズ面間の間隔、ｎd1、ｎd2…は各レンズのｄ線の屈折率、νd1、νd2…は各レンズのアッベ数である。なお、非球面形状は、ｚを光の進行方向を正とした光軸とし、ｙを光軸と直交する方向の光軸からの距離とすると、下記の式にて表される。
【００７９】
ただし、ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐係数、A4、A6、A8、A10 はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。
【００８０】
【００８１】
【００８２】
【００８３】
なお、本発明の説明はデジタルカメラを中心に説明したが、他の撮像装置（例えば、デジタルビデオカメラ等）を用いて静止画像を観察する場合も同様である。
【００８４】
以上のような本発明の撮像装置及び撮像装置システムは、物体像を形成しその像をＣＣＤ等の撮像素子に受光させて撮像を行う撮像装置、とりわけ電子カメラ、ビデオカメラ等に用いることができる。以下に、その実施形態を例示する。
【００８５】
図１４〜図１６は、本発明の撮像装置を電子カメラとして構成した場合の概念図を示す。図１４は電子カメラ１４０の外観を示す前方斜視図、図１５は同後方斜視図、図１６は電子カメラ１４０の構成を示す断面図である。電子カメラ１４０は、この例の場合、撮影用光路１４２を有する撮影光学系１４１、ファインダー用光路１４４を有するファインダー光学系１４３、シャッター１４５、フラッシュ１４６、液晶表示モニター１４７等を含み、カメラ１４０の上部に配置されたシャッター１４５を押圧すると、それに連動して撮像用対物光学系１０を通して撮影が行われる。撮像用対物光学系１０によって形成された物体像が、ローパスフィルタ、赤外カットフィルタ等のフィルタ１５１を介してＣＣＤ２０（図１の撮像素子に対応）の撮像面上に形成される。このＣＣＤ２０で受光された物体像は、信号処理回路３０を介し、電子画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター１４７（図１の表示装置５０に相当）に表示される。また、この信号処理回路３０には記録手段４０（図１の記憶装置に対応）が配置され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、この記録手段４０は信号処理回路３０と別体に設けらてもよいし、フロッピーディスク等により電子的に記録書込を行うように構成してもよい。
【００８６】
さらに、ファインダー用光路１４４上には、カバーガラス１５４を介してファインダー用対物光学系１５３が配置してある。このファインダー用対物光学系１５３によって形成された物体像は、像正立部材であるポロプリズム１５５の視野枠１５７上に形成される。なお、視野枠１５７は、ポロプリズム１５５の第１反射面と第２反射面との間を分離し、その間に配置されている。このポリプリズム１５５の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系１５９が配置されている。
【００８７】
図１７は、本発明の撮像装置をビデオカメラとして構成した場合の概念図を示す。図１７（ａ）はビデオカメラ１６０の外観を示す斜視図、図１７（ｂ）はビデオカメラ１６０の構成を示す断面図である。ビデオカメラ１６０、撮影用光学系１０と共に、電子ビューファインダー１６２と液晶表示モニター１４７を備えており、両者が図１の表示装置５０に相当する。ビデオカメラ１６０の上部に配置された録画スタートボタン１６１をオンすると、それに連動して撮影用光学系１０を通して撮影が行われる。撮影用光学系１０によって形成された物体像が、ローパスフィルタ、赤外カットフィルタ等のフィルタ１５１を介してＣＣＤ２０（図１の撮像素子に対応）の撮像面上に形成される。このＣＣＤ２０で受光された物体像は、信号処理回路３０を介し、電子ビューファインダー１６２内に配置されたバックライト付き液晶表示素子１６３上に表示され、接眼レンズ１６４で拡大観察可能にされると共に、カメラ本体に折り畳み可能に取り付けられた液晶表示モニター１４７に表示される。ビデオカメラ１６０には、ビデオテープ挿脱用ふた１６６を開けて記録媒体としてのビデオテープをセットすることが可能になっており、信号処理回路３０を介してビデオテープを記録手段４０（図１の記憶装置に対応）として、撮影された電子画像が記録される。また、ビデオカメラ１６０はマイク１６５を備えており、映像信号記録と同時に音声情報記録も同様に行う。
【００８８】
【発明の効果】
以上の説明と各実施例から明らかなように、本発明によると、得られた画像は銀塩写真に匹敵する高品位な画像を有し、ぼけの活用等、銀塩写真と同等の撮影効果を得ることができる小型低コストな撮像装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく撮像装置全体の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１における光学系を構成するズームレンズ系の広角端での断面図である。
【図３】実施例１のズームレンズ系の広角端での収差図である。
【図４】実施例１のズームレンズ系の標準状態での収差図である。
【図５】実施例１のズームレンズ系の望遠端での収差図である。
【図６】本発明の実施例２における光学系を構成するズームレンズ系の広角端での断面図である。
【図７】実施例２のズームレンズ系の広角端での収差図である。
【図８】実施例２のズームレンズ系の標準状態での収差図である。
【図９】実施例２のズームレンズ系の望遠端での収差図である。
【図１０】本発明の実施例３における光学系を構成するズームレンズ系の広角端での断面図である。
【図１１】実施例３のズームレンズ系の広角端での収差図である。
【図１２】実施例３のズームレンズ系の標準状態での収差図である。
【図１３】実施例３のズームレンズ系の望遠端での収差図である。
【図１４】本発明の撮像装置を電子カメラとして構成した場合の外観を示す前方斜視図である。
【図１５】図１４は同後方斜視図である。
【図１６】図１４の電子カメラの構成を示す断面図である。
【図１７】本発明の撮像装置をビデオカメラとして構成した場合の概念図である。
【符号の説明】
１０…光学系
２０…撮像素子（ＣＣＤ等）
３０…信号処理回路
４０…記憶装置
５０…表示装置
６０…出力装置
１４０…電子カメラ
１４１…撮影光学系
１４２…撮影用光路
１４３…ファインダー光学系
１４４…ファインダー用光路
１４５…シャッター
１４６…フラッシュ
１４７…液晶表示モニター
１５１…フィルタ
１５４…カバーガラス
１５３…ファインダー用対物光学系
１５５…ポロプリズム
１５７…視野枠
１５９…接眼光学系
１６０…ビデオカメラ
１６１…録画スタートボタン
１６２…電子ビューファインダー
１６３…バックライト付き液晶表示素子
１６４…接眼レンズ
１６５…マイク
１６６…ビデオテープ挿脱用ふた
Ｇ１…第１レンズ群
Ｇ２…第２レンズ群
Ｇ３…第３レンズ群
Ｇ４…第４レンズ群
Ｓ …絞り
Ｆ …平行平面板
Ｉ …像面
Ｅ …観察者眼球
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置及び撮像装置システムに関し、特に、銀塩写真に匹敵する高品位な画像を撮像することが可能な、また、ぼけの活用やトリミング等、銀塩写真と同等の撮影効果を得ることができる小型低コストな撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
写真画質に匹敵する画像を得ることが可能な印刷用等の用途を想定した業務用デジタルカメラがある。これらの多くは、撮像素子の画素ピッチが約１０μｍ前後以上で、２００万画素若しくはそれを越える画素数を有しており、撮像素子の素子サイズが銀塩フィルムのサイズに換算すると、いわゆるＡＰＳサイズ以上の大きさを有し、従来の銀塩写真用途に開発された光学系を流用するものが多い。
【０００３】
これらの撮像装置は、銀塩フィルムに近いフォーマットサイズの撮像素子を用いているため、被写界深度に伴うぼけの活用や、被写界深度と画角の相関が銀塩写真と近く、銀塩写真と同等の撮影効果を得ることができる。
【０００４】
しかし、これらの撮像装置に用いられる撮像素子は、その大きさから、１枚のウェハーから得られる素子の数に制限があり、撮像素子の画素数に伴って達成している画質に比較して、コストをある程度以上下げることができないという問題がある。
【０００５】
また、撮影に用いる光学系は、従来の銀塩写真用途に開発されたものであるため、撮像素子を用いた装置に固有の課題、例えば、開口部が一定の大きさを有し、開口部に入った光量の積分値が画像信号になることによる画像情報の劣化や、モアレ除去のための光学ローパスフィルタや、赤外光の画像への悪影響を除去するための赤外カットフィルタ等のフィルタ類の影響、撮像素子の物理的な構造に伴う画像への影響等が考慮されていない。
【０００６】
また、銀塩フィルムの場合には、カラー画像を作成するためのＣＭＹ各色画像を形成する部位が層状に重ねられてカラー画像になるが、電子撮像素子の場合には、１つの画素において複数のカラー画像を分離して形成することはできないため、通常は、各色毎に複数回の撮影に分けて撮影し、後で合成したり、複数の光路に分岐して複数の撮像素子でそれぞれが異なる色の画像を形成するようにしたり、撮像面の上にマトリックス状に配列されたカラーフィルタを配置し、フィルタの各色に各画素を対応させ、対応しているフィルタ色以外の色に関する強度は、周囲の画素から演算で求める等の手法によりカラー画像を形成する方法がとられる。
【０００７】
第１の方法では、撮影に時間がかかるため、動体の撮影ができないという問題があり、第２の方法では、複数の撮像素子や光路分岐のための部材が必要となるため、コスト高や光路分岐部材を光学系と撮像素子の間に挿入するため、装置が大型化する問題がある。そのため、小型低コストな装置には、第３の方法を用いることが望ましい。
【０００８】
この場合、マトリックス状のフィルタは、それぞれ特定の分光透過率を持たせる必要があるため、ある一定の厚みが必要であり、また、電極の構造や、光電変換面の形成方法等により、フィルタと光電変換面の間隔も無限に狭くすることは不可能である。
【０００９】
そのため、撮像素子に極度に斜めに光が入射すると、フィルタを透過した光が本来到達する光電変換面以外の面に到達すると、色情報が正確に入手できなくなる問題が生じる。
【００１０】
また、赤外カットフィルタや色フィルタを誘電体の多層膜を利用した干渉型フィルタで形成し、フィルタ類の厚みを極力薄くすることも考えられるが、このような干渉フィルタは、フィルタ内を通過する光の光路長によりその作用を果たすため、光の入射角に応じて透過率が変化する問題がある。
【００１１】
したがって、撮像素子を用いた装置の場合、光学系を射出した光、特に主光線の撮像素子への入射角はできるだけ小さい方が望ましい。
【００１２】
ところが、銀塩写真用に設計された光学系は、光学系の射出角に大きな制約はないため、銀塩写真用にラインアップされた光学系全てを撮像装置に用いることができない問題が生じる。
【００１３】
さて、撮像素子の製造コストを下げるためには、素子サイズを小型化し、１枚のウェハーから多くの素子を得るようにすることが最も効果的である。
【００１４】
比較的安価な撮像装置として商品化されている装置には、１／３〜２／３インチサイズの１００〜２５０万画素程度の撮像素子を用いているものが多い。
【００１５】
これらの撮像素子では、その画素ピッチも約３〜５μｍと、前記の業務用デジタルカメラに用いられている撮像素子と比較して大幅に小さい。このような大きさの撮像素子を用いて、写真画質に匹敵するために画素数をさらに増加していくと、必然的に画素ピッチも小さくなり、撮像素子の感度低下や、光子数の揺らぎによるショットノイズによる画質の劣化を無視できなくなることが知られている。
【００１６】
また、これらの撮像装置には、用いる撮像素子の特性を発揮させるために最適に設計された光学系を用いているため、前述のような撮像素子を用いることによる課題を十分考慮した設計になっていることが多い。
【００１７】
しかし、一方では、撮像素子の面積が小さく、それに従って光学系の焦点距離が短くなり、光学的な被写界深度が深くなるために、３５ｍｍフィルム等の銀塩写真を撮影する場合には起こり難い問題が生じることが知られている。
【００１８】
例えば、ポートレート撮影のように、人物を大きく撮影して、人物はシャープに、バックはぼけた画像を撮影したい場合にも、意図したようにはバックがぼけない現象や、被写体との間の埃や降っている雪等が、撮影者は認識していなくても、ストロボ撮影等ではっきりと写り込んでしまうといった現象が生じる。
【００１９】
この問題を解決するには、Ｆ値の明るい光学系とするか、焦点距離を長くして被写界深度を浅くする方法が考えられる。しかし、前者の方法では、光学系が大型化したり、光学系を構成するレンズ枚数が増え、コスト増を招き、また、後者の方法では、撮影画角が変わるため、撮影者の意図した画面構成にできない場合がある。これでは、解像力や色再現等が銀塩写真と同等の画質を達成したとしても、銀塩写真と同等の撮影効果を出すことができない。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来例では、銀塩写真に匹敵する画質と、銀塩写真の撮影時と大きな違和感の違いのない同等の撮影効果、小型低コスト化を同時に満足する撮像装置を達成することができない。
【００２１】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、銀塩写真に匹敵する高品位な画像を有し、ぼけの活用等、銀塩写真と同等の撮影効果を得ることができる小型低コストな撮像装置を提供することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の撮像装置は、光学系による物体の像を電子撮像素子上に結像することによって物体の画像情報を得る撮像装置であって、前記撮像素子は、光電変換面の上部にマトリックス状あるいはモザイク状のカラーフィルタを配置した素子であり、前記電子撮像素子及び前記光学系が下記の条件を満足することを特徴とする撮像装置である。
【００２３】
（１） ６．２／√Ｎ＜Ｐ＜２１／√Ｎ
（２） ３．８＜Ｎ＜２０
（３） ３．４×Ｐ−２５＜Ｎ＜２０
（４） ０＜θ＜１．３×Ｐ＋４
ただし、Ｐは撮像素子の画素ピッチ（単位はμｍ）、Ｎは撮像素子の画素数（単位は百万）、θは、最大像高において、前記光学系から射出した光束の中心光線若しくは絞り中心を通る光線が撮像素子に入射する角度（単位は°）である。
【００２４】
この場合に、下記条件を満足することがより好ましい。
【００２５】
（５） ７．６／√Ｎ＜Ｐ＜１８／√Ｎ
また、下記条件を満足することがより好ましい。
【００２６】
（６） ５．０＜Ｎ＜ ２０
また、下記条件を満足することがより好ましい。
【００２７】
（７） θ＜Ｐ＋４
また、光学系が脱着可能な構造になっていることがより好ましい。
【００２８】
また、本発明の撮像装置システムは、光電変換面の上部にマトリックス状あるいはモザイク状のカラーフィルタを配置し、前記条件式（１）から（３）を満足する電子撮像素子を備え、前記電子撮像素子上に物体の像を結像するために用意された複数の光学系が前記条件式（４）を満足することを特徴とする撮像装置システムである。
【００２９】
以下、本発明において上記構成をとった理由とその作用について説明する。
【００３０】
人間の眼の標準的な角度分解能を１' （視力１．０に対応）と考えると、この値は限界解像力を得る値であるから、画像に含まれるラインアンドスペースがシャープな画像として認識できる分解能はそれよりも下がったところ（大きい角度）にあると考えられる。
【００３１】
例えばその立体角を１．６７' （視力０．６に対応）程度と考えると、例えば４０ｃｍ離れた位置から画像を観察するとき、０．１９４ｍｍの大きさまではシャープな像と認識できることになる。
【００３２】
このようなシャープな像と認識できる場合には、色ズレが起きた場合にはっきりと認識できることになる。したがって、この場合に色ズレを目立たなくするためには、画素ピッチに対して１／２以下に倍率色収差を補正しなければならない。
【００３３】
４０ｃｍ離れた位置からＡ４（２１０ｍｍ×２９７ｍｍ）サイズのプリントを観察することを考えると、この上記の場合の画素数は、約１１００×１５００＝１６５万画素、周囲に１０ｍｍの余白をとることを考慮すると、約１４０万画素となる。
【００３４】
これから提示する数値は、基本的に４０ｃｍ離れた位置からＡ４サイズのプリントを観察することを想定しているが、プリントサイズと観察距離の間に線形関係が満足されている場合には、得られた画素数はプリントサイズによらない。しかし、一般にプリントサイズが小さくなる程、プリントサイズに比べて観察距離が伸びる傾向にあるため、Ａ６サイズ（１０５ｍｍ×１４９ｍｍ）等の小さいプリントサイズでは、提示された画素数よりも少ない画素数で十分である。言い換えれば、本発明では６切程度以上のプリントサイズを得ることを可能にして銀塩写真に匹敵する高品位な画像と考えている。
【００３５】
さて、撮像素子を用いて作成された画像は、当然画像を構成する画素単位は一定であるため、その単位以上の高い空間周波数を有する物体は表現できない。種々の空間周波数のパターン部分を有するテストチャートを撮影した場合、最も線幅の狭い部分で、その線幅が画素ピッチに等しいパターンは、全て分解して観察されるのに対して、線幅が画素ピッチを下回り、その最も狭い線幅が例えば画素ピッチの１／２となる画素単位以上の高い空間周波数を有するパターンは、低周波の濃淡、いわゆるモアレが観察されるだけである。
【００３６】
前述の計算で求めた画素数の画像では、プリントの最小画素単位を人間が高いコントラストで明確に認識できる。したがって、上述のテストチャートの観察結果を一般画像に拡張すると、ある空間周波数まではシャープに見え、最小画素単位を越えて高い空間周波数になると、急激に分解しない画像となるため、画像のコントラストは高くても、グラデーションの表現に乏しいいわゆる荒れ感のある画像となる。
【００３７】
グラデーション豊かな画像とするためには、人間が感知する解像限界に近い空間周波数まで表現しなければならない。
【００３８】
我々はこの点から、銀塩写真と等価な画質を得るためには、少なくとも立体角１．２５' （視力０．８）に対応する画素単位、Ａ４サイズで１０ｍｍの余白を取った場合に、約２５０万画素の画素数が必要であることを特願平１１−４２９３４号において示した。
【００３９】
しかし、この数値は撮影された範囲全体をプリントするいわゆるフルサイズプリントに対応しており、銀塩写真と同等の使い勝手を考慮するならば、多少のトリミング操作も必要となる。トリミングした場合には、トリミング後も同等の画質を得るのであれば、トリミング後も同じ画素数が必要になる。例えば２倍にトリミングする場合には、面積で１／４の範囲を同じサイズにプリントするのであるから、４倍の画素数が必要である。しかし、銀塩写真でもトリミングをすれば画質が劣化することは十分認識されており、２倍ものトリミングを施すことは少なく、また、補間等の画像処理による画質劣化を多少許容できることを併せて検討した結果、オリジナル画像が立体角１' 程度に相当する画素単位であれば、通常の範囲のトリミング処理は問題なく行えることが分かった。
【００４０】
立体角１' を画素数に変換すると、前述の計算と同様の計算により、Ａ４サイズの周囲１０ｍｍの余白をとったときに、約３８０万画素になる。
【００４１】
これらの条件を式で表現したものが、下記条件式（２）の下限である。
【００４２】
（２） ３．８＜Ｎ＜２０
ただし、Ｎは撮像素子の画素数（単位は百万）である。
【００４３】
条件式（２）の上限は、画素数が増えることにより、画像の読み出し速度や、記録媒体への記録速度等が長くなりすぎる問題が生じる点や、（２）の上限値２０は、前述の立体角０．０５１３' （視力２．３）に相当しており、前述の２倍以上のトリミング時に必要な画素数や、例えばＡ３以上に拡大し、プリントサイズに比べて観察距離を短くしても、ほとんど画像の劣化を認識することができなくなる画素数を考慮して定められるものである。
【００４４】
このような画素数の撮像素子を作成する場合、下記条件（１）を満足していることが望ましい。
【００４５】
（１） ６．２／√Ｎ＜Ｐ＜２１／√Ｎ
ただし、Ｐは撮像素子の画素ピッチ（単位はμｍ）である。
【００４６】
条件式（１）の上限√Ｎは、撮像装置のコストを考慮して設定したものであり、上限値を越えて大きくなると、条件式（２）の画素数を満足するためには撮像素子のサイズが大きくなり、１枚のウェハーからとれる素子数が少なくなってコストの増大を招く。また、条件式（１）の下限値６．２を越えると、条件式（１）の下限値の画素数を達成しても、撮像範囲の対角長が９ｍｍを下回り、光学系の焦点距離が短くなり、前述の被写界深度が深くなる問題が解決できない。
【００４７】
一般に、撮像素子の総画素数に対する欠陥画素の数は、その面積に比例すると言われており、したがって、撮像素子の面積が大きくなるに伴い、製造歩留まりは低下する。また、歩留まりが一定と考えても、撮像素子のコストは１枚のウェハーから得られる素子の数により決まるから、撮像素子の製作コストは撮像素子の面積が大きくなるに伴い増大すると考えられる。
【００４８】
一方、ユーザの立場からは、撮像素子の面積ではなく、画質に対して価値を見出す。したがって、画素数に比べてコストの高い撮像装置は好ましくない。この点を考慮し、許容できる画素数と撮像素子の面積を検討した結果、下記の条件（３）を満足することが望ましいことが分かった。
【００４９】
（３） ３．４×Ｐ−２５＜Ｎ＜２０
条件式（３）の下限値３．４×Ｐ−２５を越えて小さな値をとると、撮像素子の面積が大きいにも関わらず、画素数が少なくなり、コストパフォーマンスが低くなる。また、上限値は条件式（２）の上限値と同じである。
【００５０】
さて、前述の通り、小型低コストな撮像装置には、光電変換面の上部にカラーフィルタをマトリックス状に配列してカラー画像を構成する撮像素子を用いることが望ましく、その場合、カラー情報を正確に入手するためには、光学系を射出した光線、特に主光線が撮像素子に入射する角度は、できるだけ小さいことが望ましい。
【００５１】
撮像素子に入射する角度の許容範囲を大きくするためには、光電変換面の周囲に遮光部を設けて、隣接するフィルタを透過した光が光電変換面に到達しないようにする手法が考えられ、その遮光部の画素ピッチに対する比率を高くすれば、撮像素子に入射する角度の許容範囲はさらに大きくなる。
【００５２】
しかし、低コストで銀塩写真に匹敵する画質を確保するため、条件（１）ないし（３）を満足せしめ、さらに、遮光部の画素ピッチに対する比率を高くすると、光電変換面の領域が小さくなり、感度が低下しＳ／Ｎが劣化する問題が生じる。
【００５３】
そこで、光学系と撮像装置の画質に対する寄与と、大きさに対する寄与、コスト等とを総合的に考慮すると、光学系の主光線が撮像素子に入射する角度は下記条件を満足せしめることが望ましい。
【００５４】
（４） ０＜θ＜１．３×Ｐ＋４
ただし、θは、最大像高において、前記光学系から射出した主光線の撮像素子に入射する角度（単位は°）である。
【００５５】
条件（４）の上限の１．３×Ｐ＋４を越えて大きな値をとると、前述の遮光部の割合を大きくしないと、隣接した色フィルタを透過した光が光電変換面に到達する割合が増加し、シェーディング補正回路では補正することが難しくなる。
【００５６】
前述のように色フィルタや赤外カットフィルタ等に誘電体多層膜による干渉型フィルタを用いる場合等では、光線の入射角に応じて分光特性が変化するため、主光線だけではなく、イメージサークルの各点に集光する光束の状態が画面中心での状態に近いことが望ましい。
【００５７】
また、光学系を射出した光が略主光線のみと見なせるまで絞らない装置も想定して考えると、前記条件（４）は、必ずしも主光線ではなく、光束の中心光線が満足することでもよい。
【００５８】
本発明の撮像装置がより高品位な画像を得るためには、画像の画素単位をさらに小さくすることが好ましく、その場合は、下記条件式（６）を満足すると、なお好ましい。
【００５９】
（６） ５．０＜Ｎ＜２０
また、さらに低コスト化を図るためには、撮像素子の大きさをさらに小さくすることが好ましく、また、撮影時にぼけの効果を活かすには、撮像素子の大きさをさらに大きくすることが好ましい。そこで、下記条件式（５）を満足すると、なお好ましい。
【００６０】
（５） ７．６／√Ｎ＜Ｐ＜１８／√Ｎ
また、さらに色情報の精度を向上せしめるためには、下記条件式（７）を満足すると、より好ましい。
【００６１】
（７） θ＜Ｐ＋４
また、本発明の撮像装置は、装置として光学系が一体化されていてもよいが、様々な被写体に適した撮影条件に対応するためには、光学系が脱着可能な構造になっていることが好ましい。このような構造をとり、撮影条件に最適化された光学系を設計することにより、大きさ・コストの点からも最適な構成とすることが可能となる。
【００６２】
その場合、本発明の撮像装置は、撮像システムとして、光電変換面の上部にマトリックス状あるいはモザイク状のカラーフィルタを配置し、前記条件式（１）から（３）を満足する電子撮像素子を備え、前記電子撮像素子上に物体の像を結像するために用意された複数の光学系が前記条件式（４）を満足することが、より好ましい。
【００６３】
さらなる撮像素子の低コスト化と、銀塩写真並みのぼけを活かした撮影効果を両立させるためには、下記条件式を満足すると、より好ましい。
【００６４】
（８） １０．４／√Ｎ＜Ｐ＜１６／√Ｎ
【００６５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の撮像装置の実施例について説明する。
【００６６】
本発明に基づく撮像装置全体の構成は、図１に示すように、被写体の像を結像する光学系１０と、その結像位置に配置されたＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる撮像素子２０と、その撮像素子２０で得られた画像信号を処理する信号処理回路３０と、その信号処理回路３０に接続され、撮像された画像データを記憶する記憶装置４０と、信号処理回路３０に接続され、撮像された画像を表示する表示装置５０と、撮像された画像を出力するプリンター等の出力装置６０とからなる。
【００６７】
以下に、主として光学系１０に用いるレンズ系と、その際に用いる撮像素子２０に関する実施例について説明する。
【００６８】
（実施例１）
この実施例は、光学系１０として３倍の変倍比を持つズームレンズを使用する実施例であり、撮像素子２０としては、２／３インチ（撮像部６．６ｍｍ×８．８ｍｍ）で、画素数２１２１×２８２８＝５９９．８万画素で、画素ピッチＰが３．１μｍのものを用いる。
【００６９】
光学系１０を構成するレンズ系は、図２に広角端での断面図を示すように、物体側から順に、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凸レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの３枚からなり、第２レンズ群Ｇ２は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹レンズと、両凸レンズの３枚からなり、絞りＳが続き、絞りＳの後の第３レンズ群Ｇ３は、物体側にパワーの強い方の面を向けた両凸レンズと、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズの２枚からなり、第４レンズ群Ｇ４は両凸レンズと、両凸レンズと両凹レンズの接合レンズの３枚からなり、広角端から望遠端にかけて、第１レンズ群Ｇ１と絞りＳは固定されており、第２レンズ群Ｇ２は物体側から像側に移動し、第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４は相互の間隔を広げながら物体側に移動する。レンズ系と像面Ｉの間に撮像素子２０のカバーガラス、フィルタ類を構成する平行平面板Ｆが配置されている。
【００７０】
このレンズ系の数値データは後記するが、第２レンズ群Ｇ２の最も物体側の面と第３レンズ群Ｇ３の最も物体側の面に非球面を用いている。この実施例の広角端の収差図を図３に、標準状態の収差図を図４に、望遠端の収差図を図５にそれぞれ示す。図中、ＳＡは球面収差、ＡＳは非点収差、ＤＴは歪曲収差、ＣＣは倍率色収差を示す（以下の収差図においても同じ。）。また、図中、“ＦＩＹ”は像高を表している。
【００７１】
実施例１の式（１）ないし（３）に関する値は、Ｐ＝３．１μｍ、Ｎ＝６．０、式（４）に関する値θ＝３．５°（広角端）〜３．６°（標準状態）〜４．５°であり、何れもそれらの条件式を満足しており、銀塩写真に匹敵する高品位な画像が得られ、また、ぼけの活用等、銀塩写真と同等の撮影効果を活かすことが可能な小型低コストな撮像装置を得ることができる。
【００７２】
（実施例２）
この実施例は、光学系１０として３倍の変倍比を持つズームレンズを使用する実施例であり、撮像素子２０としては、略４／３インチ（撮像部１２ｍｍ×１８ｍｍ）で、画素数２１２１×３１８２＝６７４．９万画素で、画素ピッチＰが５．７μｍのものを用いる。
【００７３】
光学系１０を構成するレンズ系は、図６に広角端での断面図を示すように、物体側から順に、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凸レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの３枚からなり、第２レンズ群Ｇ２は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズと、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズの４枚からなり、絞りＳが続き、絞りＳの後の第３レンズ群Ｇ３は、物体側にパワーの強い方の面を向けた両凸レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、両凹レンズの３枚からなり、第４レンズ群Ｇ４は、両凸レンズと、両凹レンズと、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズの３枚からなり、広角端から望遠端にかけて、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２は相互の間隔を広げながら、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４は、相互の間隔を狭めながら物体側に移動する。このレンズ系の数値データは後記するが、第２レンズ群Ｇ２の最も物体側の面と、第３レンズ群Ｇ３の２番目のレンズの物体側の面と、第４レンズ群Ｇ４の２番目のレンズの像側の面に非球面を用いている。この実施例の広角端の収差図を図７に、標準状態の収差図を図８に、望遠端の収差図を図９にそれぞれ示す。
【００７４】
実施例２の式（１）ないし（３）に関する値は、Ｐ＝５．７μｍ、Ｎ＝６．７、式（４）に関する値θ＝９．７°（広角端）〜８．７°（標準状態）〜７．６°であり、何れもそれらの条件式を満足しており、銀塩写真に匹敵する高品位な画像が得られ、また、ぼけの活用等、銀塩写真と同等の撮影効果を活かすことが可能な小型低コストな撮像装置を得ることができる。
【００７５】
（実施例３）
この実施例は、光学系１０として１０倍の変倍比をもつズームレンズを使用する実施例であり、撮像素子２０としては、略略４／３インチ（撮像部１２ｍｍ×１８ｍｍ）で、画素数２６６６×４０００＝１０６６．４万画素で、画素ピッチＰが４．５μｍのものを用いる。
【００７６】
光学系１０を構成するズームレンズは、図１０に広角端での断面図を示すように、物体側から順に、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凸レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの３枚からなり、第２レンズ群Ｇ２は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹レンズと、両凸レンズと、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズの４枚からなり、絞りＳが続き、絞りＳの後の第３レンズ群Ｇ３は、物体側にパワーの強い方の面を向けた２枚の両凸レンズと、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹レンズの４枚からなり、第４レンズ群Ｇ４は、２枚の両凸レンズと、両凹レンズと、両凸レンズと両凹レンズの接合レンズの５枚からなり、広角端から望遠端にかけて、第２レンズ群Ｇ２は像面に向かって凸の軌跡を描くように移動し、第１レンズ群Ｇ１と、第３レンズ群Ｇ３と、第４レンズ群Ｇ４は、相互の間隔を狭めながら物体側に移動する。このレンズ系の数値データは後記するが、第２レンズ群Ｇ２の最も物体側の面と、第３レンズ群Ｇ３の２番目のレンズの物体側の面と、第４レンズ群Ｇ４の３番目のレンズの像側の面に非球面を用いている。この実施例の広角端の収差図を図１１に、標準状態の収差図を図１２に、望遠端の収差図を図１３にそれぞれ示す。
【００７７】
実施例３の式（１）ないし（３）に関する値は、Ｐ＝４．５μｍ、Ｎ＝１０．７、式（４）に関するθ＝６．０°（広角端）〜６．０°（標準状態）〜５．４°（望遠端）であり、何れもそれらの条件式を満足しており、銀塩写真に匹敵する高品位な画像が得られ、また、ぼけの活用等、銀塩写真と同等の撮影効果を活かすことが可能な小型低コストな撮像装置を得ることができる。
【００７８】
以下に、上記各実施例の光学系１０の数値データを示すが、記号は上記の外、ｆは全系焦点距離、ＦNOはＦナンバー、２ωは画角、ｆB はバックフォーカス、ｒ1 、ｒ2 …は各レンズ面の曲率半径、ｄ1 、ｄ2 …は各レンズ面間の間隔、ｎd1、ｎd2…は各レンズのｄ線の屈折率、νd1、νd2…は各レンズのアッベ数である。なお、非球面形状は、ｚを光の進行方向を正とした光軸とし、ｙを光軸と直交する方向の光軸からの距離とすると、下記の式にて表される。
【００７９】
【００８０】
なお、本発明の説明はデジタルカメラを中心に説明したが、他の撮像装置（例えば、デジタルビデオカメラ等）を用いて静止画像を観察する場合も同様である。
【００８４】
以上のような本発明の撮像装置及び撮像装置システムは、物体像を形成しその像をＣＣＤ等の撮像素子に受光させて撮像を行う撮像装置、とりわけ電子カメラ、ビデオカメラ等に用いることができる。以下に、その実施形態を例示する。
【００８５】
図１４〜図１６は、本発明の撮像装置を電子カメラとして構成した場合の概念図を示す。図１４は電子カメラ１４０の外観を示す前方斜視図、図１５は同後方斜視図、図１６は電子カメラ１４０の構成を示す断面図である。電子カメラ１４０は、この例の場合、撮影用光路１４２を有する撮影光学系１４１、ファインダー用光路１４４を有するファインダー光学系１４３、シャッター１４５、フラッシュ１４６、液晶表示モニター１４７等を含み、カメラ１４０の上部に配置されたシャッター１４５を押圧すると、それに連動して撮像用対物光学系１０を通して撮影が行われる。撮像用対物光学系１０によって形成された物体像が、ローパスフィルタ、赤外カットフィルタ等のフィルタ１５１を介してＣＣＤ２０（図１の撮像素子に対応）の撮像面上に形成される。このＣＣＤ２０で受光された物体像は、信号処理回路３０を介し、電子画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター１４７（図１の表示装置５０に相当）に表示される。また、この信号処理回路３０には記録手段４０（図１の記憶装置に対応）が配置され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、この記録手段４０は信号処理回路３０と別体に設けらてもよいし、フロッピーディスク等により電子的に記録書込を行うように構成してもよい。
【００８６】
さらに、ファインダー用光路１４４上には、カバーガラス１５４を介してファインダー用対物光学系１５３が配置してある。このファインダー用対物光学系１５３によって形成された物体像は、像正立部材であるポロプリズム１５５の視野枠１５７上に形成される。なお、視野枠１５７は、ポロプリズム１５５の第１反射面と第２反射面との間を分離し、その間に配置されている。このポリプリズム１５５の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系１５９が配置されている。
【００８７】
図１７は、本発明の撮像装置をビデオカメラとして構成した場合の概念図を示す。図１７（ａ）はビデオカメラ１６０の外観を示す斜視図、図１７（ｂ）はビデオカメラ１６０の構成を示す断面図である。ビデオカメラ１６０、撮影用光学系１０と共に、電子ビューファインダー１６２と液晶表示モニター１４７を備えており、両者が図１の表示装置５０に相当する。ビデオカメラ１６０の上部に配置された録画スタートボタン１６１をオンすると、それに連動して撮影用光学系１０を通して撮影が行われる。撮影用光学系１０によって形成された物体像が、ローパスフィルタ、赤外カットフィルタ等のフィルタ１５１を介してＣＣＤ２０（図１の撮像素子に対応）の撮像面上に形成される。このＣＣＤ２０で受光された物体像は、信号処理回路３０を介し、電子ビューファインダー１６２内に配置されたバックライト付き液晶表示素子１６３上に表示され、接眼レンズ１６４で拡大観察可能にされると共に、カメラ本体に折り畳み可能に取り付けられた液晶表示モニター１４７に表示される。ビデオカメラ１６０には、ビデオテープ挿脱用ふた１６６を開けて記録媒体としてのビデオテープをセットすることが可能になっており、信号処理回路３０を介してビデオテープを記録手段４０（図１の記憶装置に対応）として、撮影された電子画像が記録される。また、ビデオカメラ１６０はマイク１６５を備えており、映像信号記録と同時に音声情報記録も同様に行う。
【００８８】
【発明の効果】
以上の説明と各実施例から明らかなように、本発明によると、得られた画像は銀塩写真に匹敵する高品位な画像を有し、ぼけの活用等、銀塩写真と同等の撮影効果を得ることができる小型低コストな撮像装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく撮像装置全体の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１における光学系を構成するズームレンズ系の広角端での断面図である。
【図３】実施例１のズームレンズ系の広角端での収差図である。
【図４】実施例１のズームレンズ系の標準状態での収差図である。
【図５】実施例１のズームレンズ系の望遠端での収差図である。
【図６】本発明の実施例２における光学系を構成するズームレンズ系の広角端での断面図である。
【図７】実施例２のズームレンズ系の広角端での収差図である。
【図８】実施例２のズームレンズ系の標準状態での収差図である。
【図９】実施例２のズームレンズ系の望遠端での収差図である。
【図１０】本発明の実施例３における光学系を構成するズームレンズ系の広角端での断面図である。
【図１１】実施例３のズームレンズ系の広角端での収差図である。
【図１２】実施例３のズームレンズ系の標準状態での収差図である。
【図１３】実施例３のズームレンズ系の望遠端での収差図である。
【図１４】本発明の撮像装置を電子カメラとして構成した場合の外観を示す前方斜視図である。
【図１５】図１４は同後方斜視図である。
【図１６】図１４の電子カメラの構成を示す断面図である。
【図１７】本発明の撮像装置をビデオカメラとして構成した場合の概念図である。
【符号の説明】
１０…光学系
２０…撮像素子（ＣＣＤ等）
３０…信号処理回路
４０…記憶装置
５０…表示装置
６０…出力装置
１４０…電子カメラ
１４１…撮影光学系
１４２…撮影用光路
１４３…ファインダー光学系
１４４…ファインダー用光路
１４５…シャッター
１４６…フラッシュ
１４７…液晶表示モニター
１５１…フィルタ
１５４…カバーガラス
１５３…ファインダー用対物光学系
１５５…ポロプリズム
１５７…視野枠
１５９…接眼光学系
１６０…ビデオカメラ
１６１…録画スタートボタン
１６２…電子ビューファインダー
１６３…バックライト付き液晶表示素子
１６４…接眼レンズ
１６５…マイク
１６６…ビデオテープ挿脱用ふた
Ｇ１…第１レンズ群
Ｇ２…第２レンズ群
Ｇ３…第３レンズ群
Ｇ４…第４レンズ群
Ｓ …絞り
Ｆ …平行平面板
Ｉ …像面
Ｅ …観察者眼球
Claims (6)
- 光学系による物体の像を電子撮像素子上に結像することによって物体の画像情報を得る撮像装置であって、前記撮像素子は、光電変換面の上部にマトリックス状あるいはモザイク状のカラーフィルタを配置した素子であり、前記電子撮像素子及び前記光学系が下記の条件を満足することを特徴とする撮像装置。
（１） ６．２／√Ｎ＜Ｐ＜２１／√Ｎ
（２） ３．８＜Ｎ＜２０
（３） ３．４×Ｐ−２５＜Ｎ＜２０
（４） ０＜θ＜１．３×Ｐ＋４
ただし、Ｐは撮像素子の画素ピッチ（単位はμｍ）、Ｎは撮像素子の画素数（単位は百万）、θは、最大像高において、前記光学系から射出した光束の中心光線若しくは絞り中心を通る光線が撮像素子に入射する角度（単位は°）である。 - 下記条件を満足することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
（５） ７．６／√Ｎ＜Ｐ＜１８／√Ｎ - 下記条件を満足することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
（６） ５．０＜Ｎ＜２０ - 下記条件を満足することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
（７） θ＜Ｐ＋４ - 前記光学系が脱着可能な構造になっていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
- 光電変換面の上部にマトリックス状あるいはモザイク状のカラーフィルタを配置し、下記条件式（１）から（３）を満足する電子撮像素子を備え、前記電子撮像素子上に物体の像を結像するために用意された複数の光学系が下記条件式（４）を満足することを特徴とする撮像装置システム。
（１） ６．２／√Ｎ＜Ｐ＜２１／√Ｎ
（２） ３．８＜Ｎ＜２０
（３） ３．４×Ｐ−２５＜Ｎ＜２０
（４） ０＜θ＜１．３×Ｐ＋４
ただし、Ｐは撮像素子の画素ピッチ（単位はμｍ）、Ｎは撮像素子の画素数（単位は百万）、θは、最大像高において、前記光学系から射出した光束の中心光線若しくは絞り中心を通る光線が撮像素子に入射する角度（単位は°）である。
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