JP4197994B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像装置に関するものであり、更に詳しくは広画角の確保と画面中央領域の望遠画像の高精細化とを両立する撮像レンズを備えた撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な撮像装置に採用されている撮像レンズは、歪曲収差が良好に補正されており、撮像素子の受光面(すなわち撮像面)の中央部と周辺部とで像倍率の変化が小さくなっている。これとは別に、負の歪曲収差を大きく発生させた撮像レンズも存在する。それは、全画角が180°程度に達する魚眼レンズのように、超広角画像を得ることを目的とするものである。そして、負の歪曲収差を意図的に発生させることにより、中心画像に比べて周辺画像を大幅に圧縮させる特性を持っている。
【０００３】
上述した２タイプの撮像レンズのうち、後者に近い特性を有するロボット眼用の広角レンズ(以下「中心窩レンズ」と呼ぶ。)が、非特許文献１，２で提案されている。これらの中心窩レンズは、いずれも人間の視覚機能を真似たものである。人間の目の網膜には「中心窩」と呼ばれる領域があり、この領域では周辺領域に比べて視細胞(光を感じる神経細胞)の密度が高くなっている。中心窩の周辺領域での視力は低いが、眼球運動によって注視したい領域を常に中心窩で観察することが可能である。したがって、情報量の観点からも非常に効率の良い構造と言える。この中心窩の構造を模倣した中心窩レンズは、高精細な領域を中央領域のみに狭めることにより、トータルの入力画像情報量を減らして画像処理速度を向上させている。また、中心窩レンズのもう一つの大きな特徴として、撮像面の中央部での像倍率を魚眼レンズ等に比して大幅に高めている点が挙げられる。これにより中心窩レンズは、光学的な変倍作用を持たない単焦点レンズであるにもかかわらず、広画角画像と画面中央の望遠画像とを同時に得ることを可能にしている。
【０００４】
【非特許文献１】
Y.Kuniyoshi,N.Kita,K.Sugimoto,S.Nakamura,T.Suehiro:“A Foveated Wide Angle Lens for Active Vision”,Proc.IEEE Int.Conf.Robotics and Automation,pp.2982-2988,1995.[online],[平成１５年３月２６日検索],インターネット＜ＵＲＬ:http://www.is.aist.go.jp/acac/publications/ICRA95.ps＞
【非特許文献２】
Y.Suematu,H.Yamada,T.Ueda:“A Wide Angle Vision Sensor with Fovea-Design of Distortion Lens and the Simulated Images-”,IEEE International Industrial Electronics Conference,USA,pp.1770-1773(1993)
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
全画角が60°を超えるような広角レンズで画面周辺部まで歪みのない画像を得ようとすると、レンズ枚数の増加等により光学系の構成が複雑化して、コストアップにつながることになる。さらに、超広角画像を同等の高精細さで記録しようとすると、情報量が極めて大きくなるため、コスト高の高画素撮像素子が必要になる。最近普及率が高まっている携帯電話，携帯情報端末等での送受信においては、データ転送の観点からも情報量の増加は好ましくない。
【０００６】
また、負の歪曲収差を意図的に大きく発生させた超広角レンズ(又は魚眼レンズ)の場合、画面中央部の拡大画像を得るための方式として、光学系の一部を動かす光学ズーム方式と、画像処理によって補間する電子ズーム方式とが考えられる。前者の方式には、光学系・駆動機構の構成が共に複雑化してコストアップを招くという問題があり、後者の方式には、画質の劣化が生じるという問題がある。
【０００７】
一方、従来の中心窩レンズはレンズ枚数が７〜１１枚と多いため、光学系が大型化しており、また全てがガラスレンズであるためコストが高い。また、残存収差が大きく、結像特性も充分でない。このため従来の中心窩レンズは、高画質化，コンパクト化，低コスト化には適していない。また、いずれもＦナンバーが４と暗く、大口径化が難しいという問題もある。
【０００８】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、中心窩レンズの利点を活かしつつ、大口径でありながらコンパクトかつ高性能な撮像レンズを備えた撮像装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の撮像装置は、光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、その撮像素子の受光面上に前記光学像を形成する撮像レンズと、を備えた撮像装置であって、前記撮像レンズが絞りを挟んで前群と後群とから成る中心窩レンズであり、前記前群が全体として正の光学的パワーを有し、前記後群が全体として正の光学的パワーを有し、前記前群が、物体側から順に、負の光学的パワーを有する第１レンズ群と、正の光学的パワーを有する第２レンズ群と、から成り、前記後群が、物体側から順に、正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、正又は負の光学的パワーを有する第４レンズ群と、から成り、前記前群の少なくとも１つのレンズ面が、レンズ中央部で正の光学的パワー、レンズ周辺部で負の光学的パワーを有する面形状の非球面であり、面頂点を原点とするローカルな直交座標系(x、y、z)を用いた以下の式(ASP)で非球面形状を定義するとき、前記非球面の面形状が以下の条件式(5)を満足し、以下の条件式(1)及び (8)を満足することを特徴とする。
-90＜Da＜-20 …(1)
z＝(c・h2)／[1+√[1-(1+K)・c2・h2]]＋(A・h4+B・h6+C・h8+D・h10+E・h12+F・h14+G・h16+H・h18+I・h20) …(ASP)
0.2＜｜ΔZasp／ΔZsp｜＜5 …(5)
0.3 ＜ ff ／ fr ＜ 7.5 … (8)
ここで、
Da：撮像素子の受光面の対角方向の最大半画角での歪曲収差(％)、
z：高さhの位置でのz軸方向(光軸方向)の変位量(面頂点基準)、
h：z軸に対して垂直な方向の高さ(h2＝x2＋y2)、
c：面頂点での曲率(＝1／曲率半径)、
A、B、C、D、E、F、G、H、I：それぞれ4、6、8、10、12、14、16、18、20次の非球面係数、
K：円錐係数、
ΔZsp：最大有効径での球面サグ量、
ΔZasp：最大有効径での非球面サグ量、
ff ：前群の焦点距離 ( すなわち、絞りを挟んで物体側に位置するレンズ群の合成焦点距離 ) 、
fr ：後群の焦点距離 ( すなわち、絞りを挟んで像側に位置するレンズ群の合成焦点距離 ) 、
である。
【００１０】
第２の発明の撮像装置は、上記第１の発明の構成において、前記撮像レンズの最も物体側のレンズ面が前記非球面であり、前記撮像レンズが以下の条件式 (2) 〜 (4) を満足し、前記撮像素子の受光面が長方形状を成し、その受光面の中心から対角までの長さを La とすると、撮像レンズが以下の条件式 (12)を満足することを特徴とする。
0.05 ＜｜ f ／ fasp ｜＜ 1 … (2)
0.18 ＜ f ／ TL ＜ 2 … (3)
0.03 ＜ Tasp ／ TL ＜ 0.5 … (4)
2.5 ＜ f135 ／ fwide ＜ 6 … (12)
ここで、
f ：全系の近軸焦点距離、
fasp ：非球面を有するレンズの近軸焦点距離、
TL ：撮像レンズの最も物体側の面の面頂点から撮像素子の受光面までの光軸上の距離、
Tasp ：非球面を有するレンズの光軸上の厚み、
f135 ：全系の近軸焦点距離 f を 135mm フィルム ( 対角方向 ) に換算した値 [f135 ＝ 21.63 × f ／ (0.5 × La)] 、
fwide ：撮像素子の受光面の長手方向の最大半画角θ vmax から求められる焦点距離を 135mm フィルム ( 長手方向 ) に換算した値 (fwide ＝ 18 ／ tan θ vmax) 、
である。
【００１１】
第３の発明の撮像装置は、上記第１又は第２の発明の構成において、前記撮像レンズは、物体側から順に、負の光学的パワーを有する前記第１レンズ群と、正の光学的パワーを有する前記第２レンズ群と、前記絞りと、正の光学的パワーを有する前記第３レンズ群と、正の光学的パワーを有する前記第４レンズ群と、から構成されるとともに、前記絞りが全系の略中央に位置することを特徴とする。
【００１３】
第４の発明のカメラは、上記第１，第２又は第３の発明の撮像装置と、撮影方向を変えるために前記撮像装置を少なくとも一方向に回転させる回転機構と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した撮像装置を、図面を参照しつつ説明する。撮像装置は、被写体の映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する光学装置であり、物体(被写体)の光学像を形成する画像入力光学系，その光学像を電気信号に変換する撮像素子等で構成される。また撮像装置は、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラの主たる構成要素を成すものであり、カメラの例としては、デジタルカメラ；ビデオカメラ；監視カメラ；車載カメラ；テレビ電話用カメラ；ドアホーン用カメラ；パーソナルコンピュータ，モバイルコンピュータ，携帯電話，携帯情報端末(ＰＤＡ：Personal Digital Assistant)，これらの周辺機器(マウス，スキャナー，プリンター等)，その他のデジタル機器等に内蔵又は外付けされるカメラが挙げられる。したがって、撮像装置を用いることによりカメラを構成することができるだけでなく、各種機器に撮像装置を搭載することによりカメラ機能を付加することが可能である。
【００１５】
図２３に、撮像装置の代表的な構成例を示す。この撮像装置ＵＴは、物体(被写体)側から順に、撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上に物体の光学像(ＩＭ：像面)を形成する画像入力光学系ＯＰと、画像入力光学系ＯＰにより形成された光学像を電気的な信号に変換する撮像素子ＳＲと、で構成されており、カメラＤＣに搭載された状態で使用される。画像入力光学系ＯＰは、光学像を形成するための光学的パワーを有する結像光学系としての撮像レンズＳＬと、光学的パワーを持たない平行平面板ＰＬと、で構成されている。そして、撮像レンズＳＬには複数のレンズ，絞りＳＴ等が含まれ、平行平面板ＰＬには光学フィルター(光学的ローパスフィルター，赤外カットフィルター等)や撮像素子ＳＲのカバーガラス等が含まれる。
【００１６】
撮像素子ＳＲとしては、例えば複数の画素を有するＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサー等の固体撮像素子が用いられる。撮像素子ＳＲの受光面ＳＳは平面から成っており、画像入力光学系ＯＰによって撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上に形成された光学像は、撮像素子ＳＲにより電気的な信号に変換される。撮像素子ＳＲで生成した信号は、必要に応じて所定のデジタル画像処理や画像圧縮処理等が施されてデジタル映像信号としてメモリー(半導体メモリー，光ディスク等)に記録されたり、場合によってはケーブルを介したり赤外線信号に変換されたりして他の機器に伝送される。なお、上記デジタル画像処理や画像圧縮処理等は、撮像装置ＵＴ内で行うようにしてもよく、撮像装置ＵＴと共にカメラＤＣに搭載されている後述の画像処理機構ＦＡ等で行うようにしてもよい。
【００１７】
画像入力光学系ＯＰで形成されるべき光学像は、撮像素子ＳＲの画素ピッチにより決定される所定の遮断周波数特性を有する光学的ローパスフィルター(平行平面板ＰＬに相当する。)を通過することにより、電気的な信号に変換される際に発生するいわゆる折り返しノイズが最小化されるように、空間周波数特性が調整される。これにより、画素ピッチよりも高周波の被写体パターンを撮像したときのモアレ像の発生を抑えることができる。光学的ローパスフィルターとしては、複屈折型ローパスフィルターや位相型ローパスフィルター等が適用可能である。複屈折型ローパスフィルターとしては、結晶軸方向が所定方向に調整された水晶等の複屈折材料から成るもの、偏光面を変化させる波長板等を積層して成るもの等が挙げられる。位相型ローパスフィルターとしては、必要とされる光学的な遮断周波数特性を回折効果により達成するもの等が挙げられる。また、赤外カットフィルター(平行平面板ＰＬに相当する。)は、撮像素子ＳＲが有する高い赤外光感度のために正確な色調再現が阻害されるのを防止する。
【００１８】
図１９に、撮像レンズＳＬの歪曲特性の一例を示す。図１９(Ａ)は歪曲収差−画角特性を示すグラフであり、横軸が歪曲収差Ｓ(％)、縦軸が半画角θ(°)である。図１９(Ｂ)は画角−像高特性を示すグラフであり、横軸が半画角θ、縦軸が像高ｈである。図１９(Ａ)に示すように、半画角θが所定値θi以下の領域では歪曲収差Ｓが所定値Ｓi以下であり、半画角θが所定値θiを超えると歪曲収差Ｓが急激に大きくなって、半画角θ＝５０°では歪曲収差Ｓ＝−７０％となる。ここで、歪曲収差Ｓにおける所定値Ｓiは被写体像が略歪みのない自然な画像に見える値であり、例えばＳi≒３％(このときθi≒８°)である。もちろん、所定値Ｓiを３％以下の値(例えば約２％や約１％)に設定したとしても、見た目には歪みを感じない自然な画像となる。
【００１９】
図１９(Ｂ)に示すように、半画角θが小さい領域(点線より左側の領域)では、半画角θに対する像高ｈが略線形であって、半画角θの単位変化量に対する像高ｈの変化量が大きくなっている。一方、半画角θが大きい領域(点線より右側の領域)では、半画角θに対する像高ｈが非線形であって、半画角θの単位変化量に対する像高ｈの変化量が徐々に小さくなって略一定値に飽和している。つまり、画角が小さい領域では解像度が高く、画角が大きい領域では解像度が低いことが分かる。このように撮像レンズＳＬには、視野が広く、注目領域での解像度が高く、注目領域で歪みの目立たない自然な画像が得られる等の特長がある。
【００２０】
上記撮像装置ＵＴ(図２３)でデジタルカメラ，監視カメラ等を構成する場合、通常そのカメラＤＣのボディ内部に撮像装置ＵＴを配置することになるが、カメラ機能を実現する際には必要に応じた形態を採用することが可能である。例えば、ユニット化した撮像装置ＵＴをカメラＤＣのボディに対して着脱自在又は回動自在に構成してもよく、ユニット化した撮像装置ＵＴを携帯電話，携帯情報端末等のデジタル機器に対して着脱自在又は回動自在に構成してもよい。
【００２１】
カメラＤＣ(図２３)は、上記撮像装置ＵＴと共に画像処理機構ＦＡ等を備えている。画像処理機構ＦＡは、撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上の像の歪みを補正する機構である。上述した撮像レンズＳＬの歪曲特性(図１９)を知ることは容易であるため、その歪曲の逆変換を行うことにより、撮像レンズＳＬで生じた歪曲を補正すれば、歪んだ光学像の画像をほぼ歪みのない画像に変換することができる。例えば、撮像画像の画素位置と歪曲のない画像の画素位置とを計算により対応づけてマッピングを行えばよい。画面周辺部分では画像が圧縮されるため、逆変換の際に情報が不足することになるが、種々の画像補間法(ニアレストネイバー法，バイキュービック法等)を用いて画像を補間することが可能である。撮像レンズによる画面周辺での圧縮率が従来の射影方式に比べて高いため、画面周辺での解像度は先に述べたように低い。これは、逆に全情報量が少ないことを意味する。そのため、従来処理速度の問題によりリアルタイムでの歪曲補正が難しかったが、本発明に係る光学構成によれば、その処理速度を速めて動画のフレームレートを改善することが可能である。そして、歪曲収差によって歪んだ画像を肉眼で見える光景と同様な相似形の略歪みのない自然な画像に補正する歪み補正処理，解像度変換等の画像処理を、画像処理機構ＦＡによって行うことができる。図２０に、歪み補正処理前後の画像の一例を示す。図２０(Ａ)は歪み補正処理前の画像(撮像画像)５１を示しており、図２０(Ｂ)は歪み補正処理後の画像(歪み補正画像)５２を示している。
【００２２】
またカメラＤＣ(図２３)は、上記撮像装置ＵＴと共にパン・チルト機構ＦＢ等を備えている。パン・チルト機構ＦＢは画像入力光学系ＯＰをパン・チルト動作させる機構であり、画像入力光学系ＯＰを撮像装置ＵＴごとパン・チルト動作させることにより、注視したい領域を常に解像度の高い画面中央領域で捉えることを可能にする機構である。
【００２３】
撮像レンズは、画面中央部に対する画面周辺部での圧縮率が、従来の魚眼レンズ等に比して高いという特性がある。このため、撮像素子の受光面周辺部分の各画素に対応する情報量は少なく、結果的に画面周辺での空間分解能が低くなってしまう。そこで、回転機構で撮像装置を少なくとも一方向に回転させる(例えば、パン動作，チルト動作の少なくとも一方を行う)ことにより撮影方向を変えて、注視したい領域を常に解像度の高い画面中央領域で捉えるようにすれば、上記問題を効果的に解消することができる。この機能は、監視用途に用いられる撮像装置に好適である。例えば、平時には広視野で観察し、解像度の低い周辺部で何らかの動きを感知すれば、感知した領域を解像度の高い画面中央領域にパン・チルトさせることにより、周回する監視カメラよりも効率良く監視することができる。しかも、メカの使用頻度が少なくなるため、耐久性の面でも有利である。光学ズーム方式の監視カメラと比較しても、コスト面で有利である。また、光学ズーム方式が望遠端で撮影している間、１台のカメラでは同時に広視野を観察することができないのに対して、カメラＤＣは広視野と望遠領域を撮像レンズで同時に観察することが可能である。
【００２４】
ここで、上記撮像装置ＵＴを搭載した監視カメラ、監視カメラを用いた監視システム等の構成例を説明する。図１５に、監視システムの構成例を示す。図１５に示す監視システム１は、所定の監視対象領域を撮影する監視カメラ２と、パーソナルコンピュータや携帯電話等のコントローラ３と、を備えた構成になっている。そして、監視カメラ２とコントローラ３とは通信ネットワーク４を介して接続されている。
【００２５】
監視カメラ２は監視対象を撮像すると、その画像の画像データを通信ネットワーク４を介してコントローラ３に送信する。一方、コントローラ３は、監視カメラ２に対する操作コマンド(例えば、撮影方向を変更する指示等)がユーザーによって入力されると、その操作コマンドを通信ネットワーク４を介して監視カメラ２に送信する。監視カメラ２は、その操作コマンドに基づいて動作する。コントローラ３の表示部には監視カメラ２により撮影された画像が表示されるので、ユーザーはそれを見ながら監視カメラ２を遠隔操作により動作させることができる。
【００２６】
図１６に、監視システム１に使用される監視カメラ２の構成例を示す。図１６に示す監視カメラ２は、撮像装置ＵＴと、Ｕ字型に屈曲した枠体２２と、撮像装置ＵＴの光軸(撮影方向，監視方向に相当する。)ＡＸを上下方向(チルト方向)に移動させるギヤードモーター２３と、撮像装置ＵＴの光軸ＡＸを左右方向(パン方向)に移動させるギヤードモーター２４と、を備えている。
【００２７】
撮像装置ＵＴは、左右の側面に突設されたチルト方向の回転軸２５を枠体２２の側面２２Ａ，２２Ａ’に穿設された孔２２Ｂに貫通させた状態で、枠体２２に取り付けられている。側面２２Ａを貫通して突出した回転軸２５の先端には、ギヤードモーター２３の出力軸が取り付けられている。枠体２２の下面中央にはパン方向の回転軸２６が下方向に突設されており、この回転軸２６の先端にはギヤードモーター２４の出力軸が取り付けられている。ギヤードモーター２３の筐体は枠体２２に固定部材(不図示)で固定されており、枠体２２と一体的にパン方向に回動可能に構成されている。ギヤードモーター２４は、監視カメラ２の支持体２７に固定されている。
【００２８】
ギヤードモーター２４を回転駆動すると、枠体２２が回転軸２６を中心に回転し、これにより撮像装置ＵＴの光軸ＡＸがパン方向に移動する。このときの監視カメラ２の動作が「パン動作」である。一方、ギヤードモーター２３を回転駆動すると、撮像装置ＵＴが回転軸２５を中心に回転し、これによりカメラ２１の光軸ＡＸがチルト方向に移動する。このときの監視カメラ２の動作が「チルト動作」である。
【００２９】
図１７に、監視カメラ２のシステム構成をブロック図で示す。監視カメラ２は、撮像装置ＵＴと、画像生成部３１と、画像データバッファ３２と、画像処理部３３(前述の画像処理機構ＦＡに相当する。)と、駆動部３４と、制御部３５と、画像データ記録部３６と、記憶部３７と、通信Ｉ／Ｆ部３８と、Ｉ／Ｆ部３９と、を備えた構成になっている。
【００３０】
撮像装置ＵＴは、前述した撮像レンズＳＬ，撮像素子ＳＲ等を備えている。ここで用いられている撮像素子ＳＲは、受光した光をその光強度に従った電気信号に変換する複数の受光素子が、２次元的(ハニカム状，マトリックス状等)に配置された光電変換素子であり、その受光面には、Ｒ(赤)・Ｇ(緑)・Ｂ(青)の色フィルタが１：２：１の比率で配設されている(なお、撮像素子ＳＲはカラー用に限らず、モノクロ用でもよい。)。撮像素子ＳＲは、被写体の光学像をＲ・Ｇ・Ｂの色成分の電気信号(画像信号)に変換し、Ｒ・Ｇ・Ｂ各色の画像信号として画像生成部３１に出力する。なお、撮像素子ＳＲにおける露出動作の開始・終了，各画素の出力信号の読み出し(水平同期，垂直同期，転送)等の撮像動作は、制御部３５によって制御される。
【００３１】
画像生成部３１は、画像全体に対して適正な黒レベルの決定，γ補正，ホワイトバランス調整(ＷＢ調整)，輪郭補正，色ムラ補正等の画像処理を行って、画像信号から各画素の画像データを生成する。画像生成部３１で生成された画像データは、画像データバッファ３２に出力される。画像データは、各画素毎に画素位置を表す位置データと画素の輝度を表す輝度データとが対応づけられて構成されている。輝度データは、監視カメラ２がモノクロ撮影する場合には各画素の輝度値で構成され、監視カメラ２がカラー撮影する場合には各画素におけるＲ・Ｇ・Ｂの各成分の輝度値又は輝度値と各色差の値で構成される。
【００３２】
画像データバッファ３２は、画像データを一時的に記憶するとともに、この画像データに対し画像処理部３３での処理を行うための作業領域として用いられるメモリ(ＲＡＭ等)である。画像処理部３３は、画像データバッファ３２の画像データに対し、歪曲収差によって歪んだ画像{図２０(Ａ)の撮像画像５１}を肉眼で見える光景と同様な相似形の略歪みのない自然な画像{図２０(Ｂ)の歪み補正画像５２}に補正する歪み補正処理，解像度変換等の画像処理を行う回路である。歪み補正処理においては、撮像レンズＳＬの特性を活かして画面中央領域の画像がそのまま歪み補正することなく用いられ、画面周辺領域のみ歪み補正処理が行われる。
【００３３】
駆動部３４は、ギヤードモーター２３，２４を含み、制御部３５から出力される制御信号により、撮像装置ＵＴの光軸ＡＸをパン方向やチルト方向に駆動する。画像データ記録部３６は、画像データバッファ３２に記憶されている画像データを記録媒体(ＣＤ−Ｒ等の光ディスク，ハードディスク等の磁気ディスク，メモリカード，半導体メモリー等)に記録する回路である。記憶部３７は、監視カメラ２の動作に必要な各種プログラム、プログラム実行中に必要なデータ、プログラム実行中に生じたデータを記憶する記憶回路であり、ＲＯＭやＲＡＭ等を備えた構成になっている。
【００３４】
通信Ｉ／Ｆ部３８は、通信ネットワーク４との間で通信を行うためのインターフェースであり、コントローラ３への画像データを収容する通信パケットの送信、コントローラ３からの操作コマンドを収容する通信パケットの受信等を行う。Ｉ／Ｆ部３９は、外部機器と画像データを送受信するインターフェースであり、例えば、ＵＳＢやＩＥＥＥ１３９４等の規格に準拠したインターフェースである。制御部３５は、マイクロプロセッサ等を備えた構成になっており、上記各部の制御を行う。
【００３５】
図１８に、コントローラ３のシステム構成をブロック図で示す。コントローラ３は、操作部４１，表示部４２，制御部４３及び通信Ｉ／Ｆ部４４を備えた構成になっている。操作部４１は、監視カメラ２に対する各種の操作を指示する操作コマンド(パン動作，チルト動作，画像データの記録・送信要求等)を入力する装置であり、例えば、コントローラ３がパーソナルコンピュータの場合にはキーボードやマウスに相当し、携帯電話の場合にはテンキーやカーソルキーに相当する。表示部４２は、監視カメラ２から通信ネットワーク４を介して送信された画像を表示するディスプレイであり、コントローラ３がパーソナルコンピュータの場合にはＣＲＴディスプレイやＬＣＤ等のモニターに相当し、携帯電話の場合にはＬＣＤ表示部に相当する。
【００３６】
通信Ｉ／Ｆ部４４は、通信ネットワーク４との間で通信を行うためのインターフェースであり、監視カメラ２から画像データを収容した通信パケットの受信、監視カメラ２へ操作コマンドを収容した通信パケットの送信等を行う。制御部４３は、例えば、コントローラ３を制御する制御プログラムを記憶するＲＯＭや一時的にデータを記憶するＲＡＭを備えたマイクロコンピュータから構成され、操作部４１，表示部４２及び通信Ｉ／Ｆ部４４を有機的に制御して、コントローラ３の動作を制御する。
【００３７】
次に、撮像レンズＳＬから成る画像入力光学系ＯＰの光学構成を説明する。図１〜図７に、第１〜第７の実施の形態の光学構成をそれぞれ示す。各光学構成図は、画像入力光学系ＯＰのレンズ配置，光路等を光学断面で示しており、各光学構成図中、si(i＝1,2,3,...)が付された面は物体側から数えてi番目の面、siに*印が付された面は非球面である。いずれの実施の形態においても、撮像レンズＳＬは単焦点レンズであり、その像側には光学フィルター等に相当する平行平面板ＰＬが配置されている。
【００３８】
第１〜第５、第７の実施の形態(図１〜図５、図７)は、撮像レンズＳＬの最も物体側のレンズ面が、レンズ中央部で正の光学的パワー、レンズ周辺部で負の光学的パワーを有する面形状の非球面になっている。また、第１〜第４、第６、第７の実施の形態(図１〜図４、図６、図７)は、撮像レンズＳＬが絞りＳＴを挟んで前群ＧｒＦと後群ＧｒＲとから成り、前群ＧｒＦが全体として正の光学的パワーを有し、後群ＧｒＲが全体として正の光学的パワーを有している。なお、第５の実施の形態では前群ＧｒＦが全体として負の光学的パワーを有しているため、この点で第５の実施の形態は本発明の参考のための一形態にすぎず、本発明には属さないものである。
【００３９】
各実施の形態のレンズ構成を以下に説明する。ただし、各レンズや各レンズ群の光学的パワーは近軸領域でのものであり、単レンズについては両側が空気である場合の光学的パワーを表記しており、接合レンズを構成している単レンズについては、接合面の両側がレンズ媒質である場合の光学的パワーを実際の光学配置に基づいて表記している。なお、本明細書中の「光学的パワー」は、領域を特記しない限り近軸領域での光学的パワーをいうものとする。
【００４０】
第１の実施の形態(図１)の撮像装置ＵＴに含まれる撮像レンズＳＬは、負・正・正・正の光学的パワー配置から成るレンズタイプの単焦点レンズである。この撮像レンズＳＬは、物体側から順に、１枚の負レンズから成る第１レンズ群と、１枚の正レンズから成る第２レンズ群と、絞りＳＴと、正レンズ及び負レンズの接合から成る全体として正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、１枚の正レンズから成る第４レンズ群と、で構成されている。そして、絞りＳＴを挟んで物体側に位置する第１，第２レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する前群ＧｒＦであり、絞りＳＴを挟んで像側に位置する第３，第４レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する後群ＧｒＲである。また、第１，第４レンズ群を構成している各レンズの両面は非球面である。ここでは低コスト化を図るために、非球面を有するレンズは全てプラスチックレンズとしている。
【００４１】
第２の実施の形態(図２)の撮像装置ＵＴに含まれる撮像レンズＳＬは、負・正・正・負の光学的パワー配置から成るレンズタイプの単焦点レンズである。この撮像レンズＳＬは、物体側から順に、１枚の負レンズから成る第１レンズ群と、１枚の正レンズから成る第２レンズ群と、絞りＳＴと、光学的パワーの弱い正レンズ及び正レンズの接合から成る全体として正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、１枚の負レンズから成る第４レンズ群と、で構成されている。そして、絞りＳＴを挟んで物体側に位置する第１，第２レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する前群ＧｒＦであり、絞りＳＴを挟んで像側に位置する第３，第４レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する後群ＧｒＲである。また、第１，第２，第４レンズ群を構成している各レンズの両面は非球面である。ここでは低コスト化を図るために、非球面を有するレンズは全てプラスチックレンズとしている。
【００４２】
第３の実施の形態(図３)の撮像装置ＵＴに含まれる撮像レンズＳＬは、負・正・正・正の光学的パワー配置から成るレンズタイプの単焦点レンズである。この撮像レンズＳＬは、物体側から順に、１枚の負レンズから成る第１レンズ群と、１枚の正レンズから成る第２レンズ群と、絞りＳＴと、正レンズ及び負レンズの接合から成る全体として正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、１枚の正レンズから成る第４レンズ群と、で構成されている。そして、絞りＳＴを挟んで物体側に位置する第１，第２レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する前群ＧｒＦであり、絞りＳＴを挟んで像側に位置する第３，第４レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する後群ＧｒＲである。また、第１，第２，第４レンズ群を構成している各レンズの両面は非球面である。ここでは低コスト化を図るために、非球面を有するレンズは全てプラスチックレンズとしている。
【００４３】
第４の実施の形態(図４)の撮像装置ＵＴに含まれる撮像レンズＳＬは、負・正・正・正の光学的パワー配置から成るレンズタイプの単焦点レンズである。この撮像レンズＳＬは、物体側から順に、１枚の負レンズから成る第１レンズ群と、１枚の正レンズから成る第２レンズ群と、絞りＳＴと、正レンズ及び負レンズの接合から成る全体として正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、１枚の正レンズから成る第４レンズ群と、で構成されている。そして、絞りＳＴを挟んで物体側に位置する第１，第２レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する前群ＧｒＦであり、絞りＳＴを挟んで像側に位置する第３，第４レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する後群ＧｒＲである。また、第１レンズ群を構成している単レンズの両面と、第４レンズ群を構成している単レンズの像側面は、非球面である。ここでは低コスト化を図るために、非球面を有するレンズは全てプラスチックレンズとしている。
【００４４】
第５の実施の形態(図５)の撮像装置ＵＴに含まれる撮像レンズＳＬは、負・正・正・正の光学的パワー配置から成るレンズタイプの単焦点レンズである。この撮像レンズＳＬは、物体側から順に、１枚の負レンズから成る第１レンズ群と、１枚の正レンズから成る第２レンズ群と、絞りＳＴと、正レンズ及び光学的パワーの弱い正レンズの接合から成る全体として正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、１枚の正レンズから成る第４レンズ群と、で構成されている。そして、絞りＳＴを挟んで物体側に位置する第１，第２レンズ群が全体として負の光学的パワーを有する前群ＧｒＦであり、絞りＳＴを挟んで像側に位置する第３，第４レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する後群ＧｒＲである。また、第１，第４レンズ群を構成している単レンズの両面と、第２レンズ群を構成している単レンズの物体側面は、非球面である。ここでは、両面非球面を有する第１，第４レンズ群の単レンズが、低コスト化に有効なプラスチックレンズである。
【００４５】
第６の実施の形態(図６)の撮像装置ＵＴに含まれる撮像レンズＳＬは、負・正・正・正の光学的パワー配置から成るレンズタイプの単焦点レンズである。この撮像レンズＳＬは、物体側から順に、２枚の負レンズから成る第１レンズ群と、１枚の正レンズから成る第２レンズ群と、絞りＳＴと、正レンズ及び負レンズの接合から成る全体として正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、１枚の正レンズから成る第４レンズ群と、で構成されている。そして、絞りＳＴを挟んで物体側に位置する第１，第２レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する前群ＧｒＦであり、絞りＳＴを挟んで像側に位置する第３，第４レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する後群ＧｒＲである。また、第１レンズ群を構成している像側の単レンズの両面と、第４レンズ群を構成している単レンズの両面が、非球面である。ここでは、両面非球面を有する第４レンズ群の単レンズが、低コスト化に有効なプラスチックレンズである。
【００４６】
第７の実施の形態(図７)の撮像装置ＵＴに含まれる撮像レンズＳＬは、負・正・正・正の光学的パワー配置から成るレンズタイプの単焦点レンズである。この撮像レンズＳＬは、物体側から順に、２枚の負レンズから成る第１レンズ群と、１枚の正レンズから成る第２レンズ群と、絞りＳＴと、正レンズ及び負レンズの接合から成る全体として正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、１枚の正レンズから成る第４レンズ群と、で構成されている。そして、絞りＳＴを挟んで物体側に位置する第１，第２レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する前群ＧｒＦであり、絞りＳＴを挟んで像側に位置する第３，第４レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する後群ＧｒＲである。また、第１レンズ群を構成している物体側の単レンズの両面と、第４レンズ群を構成している単レンズの両面が、非球面である。ここでは低コスト化を図るために、非球面を有するレンズは全てプラスチックレンズとしている。
【００４７】
以下に本発明の撮像装置における撮像レンズについての望ましい条件を記す。中心窩方式の特徴を活かしつつコンパクト化を図るためには、第１〜第７の実施の形態のように、最も物体側のレンズ又は最も像面側のレンズのいずれか１面に非球面を有することが望ましい。また非球面形状は、光軸ＡＸ付近では正の光学的パワー、周辺では負の光学的パワーを有する形状であることが望ましい。また撮像レンズＳＬは、前群の少なくとも１つのレンズ面が、レンズ中央部で正の光学的パワー、レンズ周辺部で負の光学的パワーを有する面形状の非球面を有していてもよい。そのような非球面形状を採用することにより、広画角の確保と画面中央領域の望遠画像の高精細化との両立を比較的容易に達成することが可能となる。
【００４８】
レンズ中央部で正の光学的パワー、レンズ周辺部で負の光学的パワーを有する非球面形状を、撮像レンズの最も物体側のレンズ面に採用することによって、従来は両立することが困難であった広画角化と長焦点距離化とを実現することが可能になる。そして、画面中央領域では標準的な光学ズームの望遠側に匹敵する拡大倍率の画像を、画質を落とさずに得ることが可能になる。なお、ここでいう「画面中央領域」とは、撮像素子の受光面の中心から対角までの長さをLaとしたとき、撮像素子の受光面中心より0.5La以下の対角長にある受光面上の領域のことをいう。図２１に、撮像素子の受光面ＳＳが長方形状を成す場合の画面中央領域ＣＡの一例を示す。撮像素子の受光面ＳＳの中心から対角までの長さをLaとしたとき、受光面ＳＳ上でその中心から0.5La以下の対角長にある領域が画面中央領域ＣＡ(斜線部分)である。
【００４９】
上記非球面を最も物体側のレンズ面に用いることにより、非点収差，コマ収差等の軸外収差を最も効果的に補正することが可能である。最も物体側のレンズの像側面のみに非球面を施したり、物体側から２番目のレンズのみに非球面を施したりして、同様の効果を得ようとすると、撮像レンズの全長やレンズ枚数の増加につながってしまう。また、上記非球面形状を特定する表現は、変曲点を有する面形状という表現と読み替えた場合でも、その作用効果に関しては等価である。つまり、レンズ中央からレンズ周辺にかけて凸面から凹面へと変化する変曲点を有する面形状を、撮像レンズの最も物体側のレンズ面に採用することによって、従来は両立することが困難であった広画角化と長焦点距離化とを実現することが可能になる。
【００５０】
撮像レンズＳＬは、以下の条件式(1)を満足することが望ましい。
-90＜Da＜-20 …(1)
ここで、
Da：撮像素子の受光面の対角方向の最大半画角での歪曲収差(％)、
である。
【００５１】
条件式(1)を満たすことも広画角化と長焦点距離化との両立に有効な手段であり、条件式(1)を満たすことにより、画面中央領域では標準的な光学ズームの望遠側に匹敵する拡大倍率の画像を、画質を落とさずに得ることができる。条件式(1)の下限を下回ると、広画角と長い近軸焦点距離との両立が困難となり、大口径かつ高性能なままでコンパクト化を達成することが困難となる。条件式(1)の上限を上回ると、画面中央領域と画面周辺領域との画角差が非常に小さくなってしまう。画面中央領域の拡大画像を得ようとすると、結局、電子ズーム等の画質が劣化する方式を採用しなければならなくなり、歪曲補正された一般的な広角単焦点レンズとの差異が見られなくなる。
【００５２】
撮像レンズＳＬは、以下の条件式(6)を満足することが更に望ましい。
-70＜Da＜-40 …(6)
【００５３】
条件式(6)の下限を下回ると、画面中央領域の拡大倍率を下げるか、画面中央領域を狭める必要が生じることになる。条件式(6)の上限を上回ると、画面中央領域で画質を落とさずに得ることができる拡大倍率が、標準的な光学ズームの望遠側のそれに比して小さくなり、光学ズーム方式に対する中心窩方式の優位性が薄れてしまう。
【００５４】
撮像レンズが絞りを挟んで前群と後群から成り、前群，後群とも正の光学的パワーを有する構成を採ることにより、全長を大幅に短縮することができ、各レンズの有効径も小さくすることができる。したがって、撮像装置全体の小型化を容易に達成することができる。また、絞りの物体側に位置する前群が全体として負の光学的パワーを有するような強いレトロフォーカス型の構成に比べて、本光学構成では絞りに対する前群・後群の対称性が良いため、非点収差，コマ収差の補正が行い易いというメリットがある。
【００５５】
上記のように、撮像レンズが絞りを挟んで前群と後群から成る正・正の光学的パワーの構成においては、以下の条件式(7)を満足することが望ましく、以下の条件式(8)を満足することが更に望ましい。
0＜ff／fr＜10 …(7)
0.3＜ff／fr＜7.5 …(8)
ここで、
ff：前群の焦点距離(すなわち、絞りを挟んで物体側に位置するレンズ群の合成焦点距離)、
fr：後群の焦点距離(すなわち、絞りを挟んで像側に位置するレンズ群の合成焦点距離)、
である。
【００５６】
条件式(7)の上限を上回ると、広画角を維持した状態で画面中央領域の長焦点距離化を達成することが困難になる。条件式(7)の下限を下回ると、前群又は後群が負の光学的パワーを有することになる。前群が負の光学的パワーを有する場合には、非対称性に起因する非点収差，コマ収差の補正が困難になる。後群が負の光学的パワーを有する場合には、撮像素子へ入射する光線の光軸に対する角度が大きくなり、撮像素子の受光面を規制する開口や撮像素子の手前に配置されたレンズアレイにおいて光線にケラレが発生し、周辺照度の低下を招いてしまう。条件式(8)の上限を上回ると、前群の光学的パワーが弱まりすぎて、軸外収差、特にコマ収差を補正することが難しくなる。条件式(8)の下限を下回ると、前群の光学的パワーが強くなるため軸外収差が過剰補正されてしまう。したがって、いずれの場合も性能劣化につながることになる。
【００５７】
撮像レンズＳＬは、最も像側のレンズ面から撮像素子の受光面(すなわち撮像面)までの間のどこかに空気間隔を設けることが望ましい。これにより、撮像レンズや鏡胴等の製造誤差によりバックフォーカスのばらつきが発生した場合に、撮像素子の位置を調整し、性能のばらつきを抑えることが容易となる。なお、「最も像側のレンズ」とは、最も像側の単レンズ又は接合レンズのことを指すものとする。
【００５８】
撮像レンズＳＬは、最も像側のレンズは正の光学的パワーを有することが望ましい。最も像側のレンズが正の光学的パワーを有することによって、撮像素子に入射する光線をテレセントリックに近づけることが可能となる。したがって、撮像素子の受光面を規制する開口や撮像素子の前に配置されたマイクロレンズアレイにおいて生じる照度低下を最小限に抑えることができる。
【００５９】
以下の条件式(9)を満足することが望ましい。
0°＜｜α｜＜30° …(9)
ここで、
α：撮像素子の受光面への入射光線のうち、撮像素子の受光面の対角方向の最大半画角の主光線が光軸に対して成す角度(deg)、
である。
【００６０】
条件式(9)の上限を上回ると、撮像面手前にレンズアレイを配置しても、周辺照度の低下を抑えることが困難になる。条件式(9)の下限は、完全なテレセントリックになることを意味し、条件式(9)の下限に達するためには撮像レンズへの負荷(例えば、レンズ枚数の増加等)が非常に大きくなる。
【００６１】
以下の条件式(10)を満足することが更に望ましい。
2°＜｜α｜＜15° …(10)
【００６２】
条件式(10)の上限を上回ると、テレセントリック性が崩れることによる周辺照度の低下が目立つようになる。条件式(10)の下限を下回ると、撮像レンズのコンパクト化を達成することが難しくなる。
【００６３】
撮像レンズは、物体側から順に、負の光学的パワーを有する第１レンズ群と、正の光学的パワーを有する第２レンズ群と、絞りと、正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、を有することが望ましい。第４レンズ群は正，負いずれのパワーを有していても良いが、正の光学的パワーを有することがテレセントリック性の点からより望ましい。また、各レンズ群が１〜２枚の単レンズ又は１組の接合レンズで構成されることが望ましい。この構成を採用することにより、バックフォーカスの確保、各収差の良好な補正、及び撮像面への光線のテレセントリック性を満足しつつ、レンズ枚数が４〜６枚程度のコンパクトな撮像レンズを得ることができる。
【００６４】
撮像レンズ中の絞りは全系の略中央に位置することが望ましい。また撮像レンズは、物体側から順に、負の光学的パワーを有する第１レンズ群と、正の光学的パワーを有する第２レンズ群と、絞りと、正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、正の光学的パワーを有する第４レンズ群と、から構成されるとともに、絞りが全系の略中央に位置することが更に望ましい。絞り位置が全系の物体側に近づくと、変曲点を有する非球面の軸外収差補正に対する効果が薄れてしまう。逆に、絞り位置が全系の像側に近づくと、撮像素子に入射する光線のテレセントリック性が崩れるため、撮像素子の受光面周辺部分での照度低下につながってしまう。
【００６５】
撮像レンズＳＬは、最も像側のレンズと最も物体側のレンズが非球面を有するプラスチックレンズから成り、最も物体側のレンズが負の光学的パワーを有し、最も像側のレンズが正の光学的パワーを有することが望ましい。これにより、環境温度変化によるバックフォーカスの変動量を相殺することができる。
【００６６】
撮像素子の受光面が長方形状を成し、その受光面の中心から対角までの長さをLaとすると、撮像レンズが以下の条件式(11)を満足することが望ましい。
2＜f135／fwide＜10 …(11)
ここで、
f135：全系の近軸焦点距離fを135mmフィルム(対角方向)に換算した値{f135＝21.63×f／(0.5×La)}、
fwide：撮像素子の受光面の長手方向の最大半画角θvmaxから求められる焦点距離を135mmフィルム(長手方向)に換算した値(fwide＝18／tanθvmax)、である。
【００６７】
広画角では長手方向の最大画角が重視されるため、条件式(11)では長手方向の画角との比を規定している。条件式(11)で規定している比は、中心窩レンズの見かけ上のズーム比と考えることができる。条件式(11)は、画面中央領域が最大0.5Laの対角長となる場合についての計算式であるが、対角長が0.5Laより小さい場合でも同様の考え方で中心窩レンズの見かけ上のズーム比を計算すればよい。条件式(11)の下限を下回ると、画面中央領域と画面周辺領域との画角差が小さくなり、従来の単焦点レンズに対する中心窩レンズの差別化が難しくなる。条件式(11)の上限を上回ると、撮像レンズが極めて複雑になり、これを避けようとすると画面中央領域を狭める必要性が生じてくる。
【００６８】
以下の条件式(12)を満足することが更に望ましい。
2.5＜f135／fwide＜6 …(12)
【００６９】
条件式(12)の上限を上回ると、画面中央領域での拡大倍率の増加からレンズ枚数を増やす必要が生じ、コンパクト化を達成することが難しくなるので、光学ズーム方式等の撮像レンズに対して大きさ，コスト面での優位性が少なくなる。条件式(12)の下限を下回ると、画面中央での拡大倍率が小さいため、画面中央領域の望遠画像を得るのに、補間による電子ズームが必要となり、画質が劣化してしまう。
【００７０】
撮像レンズＳＬが以下の条件式(2)〜(4)を満足することが望ましい。
0.05＜｜f／fasp｜＜1 …(2)
0.18＜f／TL＜2 …(3)
0.03＜Tasp／TL＜0.5 …(4)
ここで、
f：全系の近軸焦点距離、
fasp：非球面を有するレンズの近軸焦点距離、
TL：撮像レンズの最も物体側の面の面頂点から撮像素子の受光面までの光軸上の距離、
Tasp：非球面を有するレンズの光軸上の厚み、
である。
【００７１】
条件式(2)の下限を下回ると、広角領域と画面中央領域の性能を共に維持したままコンパクト化を達成することが困難となる。条件式(2)の上限を上回ると、非球面レンズの光学的パワーが強くなりすぎ、非点収差，コマ収差が大きく発生し、他のレンズでこの収差を相殺することが困難になる。
【００７２】
以下の条件式(13)を満足することが更に望ましい。
0.07＜｜f／fasp｜＜0.75 …(13)
【００７３】
条件式(13)の下限を下回ると、主に非点収差の補正不足による像面性の悪化とコマ収差の残存が生じる。条件式(13)の上限を上回ると、非点収差，コマ収差の補正が過剰になる。したがって、いずれの場合も性能を劣化させることになる。
【００７４】
条件式(3)を満たすことにより、広画角の確保と画面中央領域の望遠画像の高精細化とを両立させながら、コンパクト化を達成することができる。条件式(3)の下限を下回ると、撮像レンズが大型化し、変倍光学系や歪曲補正された超広角レンズに対する差別化が難しくなる。条件式(3)の上限を上回ると、諸収差の補正が極めて困難となる上に誤差感度も厳しくなり、レンズ芯厚，コバ厚等も含めて、製造難易度が非常に高くなる。
【００７５】
以下の条件式(14)を満足することが更に望ましい。
0.18＜f／TL＜0.8 …(14)
【００７６】
条件式(14)の下限を下回ると、撮像レンズが大型化し、変倍光学系や歪曲補正された超広角レンズに対する差別化が難しくなる。条件式(14)の上限を上回ると、軸外収差の補正が困難となり、撮像素子への光線入射角、さらには小径レンズの芯厚，コバ厚等の製造限界の制約を守ることも難しくなる。
【００７７】
条件式(4)の下限を下回ると、非球面を有するレンズ芯厚が製造上困難な薄さになる。条件式(4)の上限を上回った場合も、非球面を有するレンズの芯厚が製造上困難な厚さになる。
【００７８】
以下の条件式(15)を満足することが更に望ましい。
0.06＜Tasp／TL＜0.35 …(15)
【００７９】
条件式(15)の下限を下回ると、負の光学的パワーが強まり、軸外収差が過剰補正となる。条件式(15)の上限を上回ると、逆に負の光学的パワーが弱まって、軸外収差が補正不足となる。したがって、いずれの場合も性能劣化につながる。また、前記非球面を有するレンズがプラスチックレンズで構成されている場合に条件式(15)の上限を上回ると、厚みによる成形時の温度分布差が大きくなりすぎて、形状精度を達成することが困難となる。
【００８０】
また、画面中央領域では以下の条件式(16)を満たすことが望ましい。
0＜Dc／Da＜0.5 …(16)
ここで、
Dc：撮像素子の受光面上での実像高が0.5Laの位置(言い換えると画面中央領域の最大対角位置)での歪曲収差(％)、
である。
【００８１】
条件式(16)の下限に達すると、コンパクトな構成を保ったままでの収差補正が困難になる。条件式(16)の上限を上回ると、高精細な画面中央領域の範囲が実質上狭くなる。このため、望遠画像を得ようとすると、電子ズームによる補間が必要となり、画質の劣化を招くことになる。
【００８２】
以下の条件式(17)を満足することが更に望ましい。
0.2＜Dc／Da＜0.4 …(17)
【００８３】
条件式(17)の下限を下回ると、画面中央領域の歪曲収差補正のためにレンズ枚数を追加しなければならなくなる。条件式(17)の上限を上回ると、高精細な画面中央領域の範囲が狭まり、中心窩レンズの特徴が薄れることになる。
【００８４】
上記撮像レンズの特徴を活かして、近軸の拡大倍率を標準的な光学ズームの望遠側に匹敵するレベルに保とうとすると、従来の魚眼レンズのような全画角180°程度の超広画角を実現することは困難である。そこで、撮像素子の受光面の対角方向の最大半画角θmax(degree単位)は、以下の条件式(18)を満たすことが望ましく、以下の条件式(19)を満たすことが更に望ましい。
25°＜θmax＜85° …(18)
30°＜θmax＜60° …(19)
【００８５】
同様に、撮像素子の受光面の長手方向の最大半画角θvmax(degree単位)は、以下の条件式(20)を満たすことが望ましく、以下の条件式(21)を満たすことが更に望ましい。
20°＜θvmax＜80° …(20)
25°＜θvmax＜50° …(21)
である。
【００８６】
条件式(18)又は条件式(20)の下限を下回ると、広視野を観察することができなくなる。条件式(18)又は条件式(20)の上限を上回ると、特に軸外収差の補正が困難となる。この収差補正を行うためには、拡大倍率の大きい画面中央領域の範囲を狭くするか、拡大倍率を小さくする必要が生じるため、結局中心窩方式の特徴が薄れてしまう。また条件式(19)又は条件式(21)の下限を下回ると、一般的な広角レンズの画角より狭くなり、中心窩方式の優位性が少なくなる。条件式(19)又は条件式(21)の上限を上回ると、軸外収差、特に非点収差が大きくなり、性能が劣化してしまう。
【００８７】
面頂点を原点とするローカルな直交座標系(x,y,z)を用いた以下の式(ASP)で非球面形状を定義するとき、前記非球面の面形状が以下の条件式(5)を満足することが望ましい。
z＝(c・h2)／[1+√{1-(1+K)・c2・h2}]＋(A・h4+B・h6+C・h8+D・h10+E・h12+F・h14+G・h16+H・h18+I・h20) …(ASP)
0.2＜｜ΔZasp／ΔZsp｜＜5 …(5)
ここで、
z：高さhの位置でのz軸方向(光軸方向)の変位量(面頂点基準)、
h：z軸に対して垂直な方向の高さ(h2＝x2＋y2)、
c：面頂点での曲率(＝1／曲率半径)、
A,B,C,D,E,F,G,H,I：それぞれ4,6,8,10,12,14,16,18,20次の非球面係数、
K：円錐係数、
ΔZsp：最大有効径での球面サグ量、
ΔZasp：最大有効径での非球面サグ量、
である。
【００８８】
ここで「球面サグ量」とは、レンズの面頂点位置から、最大有効径に対する近軸曲率に沿った曲線上の点までの光軸方向の変位量である。また「非球面サグ量」とは、球面サグ量から、レンズの面頂点と最大有効径に対する非球面曲線上の点との間の光軸方向の距離を引いた差分である。図２２に、同じ近軸曲率を有する球面spと非球面aspについて各サグ量ΔZsp,ΔZaspを示す。球面サグ量ΔZspは、レンズの面頂点位置tpから、最大有効径hmax(高さhの方向はレンズ径方向に相当する。)に対する近軸曲率に沿った曲線上の点までの光軸方向(z方向)の変位量である。また、非球面サグ量ΔZaspは、球面サグ量ΔZspから、レンズの面頂点tpと最大有効径hmaxに対する非球面曲線上の点との間の光軸方向(z方向)の距離を引いた差分である。
【００８９】
条件式(5)の下限を下回ると、非球面量が小さすぎて、広画角と画面中央領域の望遠画像の高精細化とを両立することが困難になる。一方、条件式(5)の上限を上回ると、非球面の金型加工が困難になる。
【００９０】
以下の条件式(22)を満足することが更に望ましい。
0.5＜｜ΔZasp／ΔZsp｜＜3 …(22)
【００９１】
条件式(22)の下限を下回ると、非球面による非点収差，コマ収差の補正に対する効果が小さくなるため、性能の劣化を招くことになる。条件式(22)の上限を上回ると、非球面に対する光線の入射角が大きくなるため、この面での反射によるゴーストが画質の低下を招くことになる。また、非球面のうねりが大きくなるため、均一な反射防止膜をコーティングすることも困難になる。
【００９２】
各実施の形態を構成している画像入力光学系ＯＰには、入射光線を屈折作用により偏向させる屈折型レンズ(つまり、異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレンズ)が用いられているが、使用可能なレンズはこれに限らない。例えば、回折作用により入射光線を偏向させる回折型レンズ，回折作用と屈折作用との組み合わせで入射光線を偏向させる屈折・回折ハイブリッド型レンズ，入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布型レンズ等を用いてもよい。ただし、媒質内で屈折率が変化する屈折率分布型レンズは、その複雑な製法がコストアップを招くため、屈折率分布の均一な均質素材レンズを用いることが望ましい。
【００９３】
撮像レンズＳＬには、絞りＳＴのほかに不要光をカットするための光束規制板等を、必要に応じて配置してもよい。また、各実施の形態の画像入力光学系ＯＰでは、１本の直線状の光軸ＡＸ上にレンズ等が配置されたいわゆる共軸系の光学構成を採用しているが、プリズム類(例えば直角プリズム)，ミラー類(例えば平面ミラー)等の光学部材を光路中に配置することにより、その光学的なパワーを有しない面(例えば、反射面，屈折面，回折面)で、撮像レンズＳＬの前，後又は途中で光路を折り曲げて屈曲光学系{例えば、光軸ＡＸを略９０°(つまり９０°又は実質的に９０°)折り曲げるようにして光束を反射させる光学系}を構成してもよい。その折り曲げ位置は必要に応じて設定すればよく、光路の適正な折り曲げにより、撮像レンズＳＬが搭載される機器(デジタルカメラ，監視カメラ等)の見かけ上の薄型化やコンパクト化を達成することが可能である。
【００９４】
【実施例】
以下、本発明を実施した撮像装置の光学構成等を、コンストラクションデータ、収差図等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１〜７は、前述した第１〜第７の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第１〜第７の実施の形態を表す光学構成図(図１〜図７)は、対応する実施例１〜７のレンズ構成、光路等をそれぞれ示している。したがって、第５の実施の形態に対応する実施例５は本発明の単なる参考例であり、本発明に属さないものである。
【００９５】
表１〜表７に、実施例１〜実施例７のコンストラクションデータを示す。各実施例のコンストラクションデータにおいて、si(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の面(最終面：像面ＩＭ)、ri(i=1,2,3,...)は面siの曲率半径(mm)、di(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の面siとi+1番目の面si+1との間の軸上面間隔(mm)を示しており、Ｎi(i=1,2,3,...),νi(i=1,2,3,...)は軸上面間隔diに位置する光学材料のｄ線に対する屈折率(Ｎd),アッベ数(νd)を示している。全系の焦点距離(f,単位:mm)，Ｆナンバー(Fno)及び最大画角(2θmax,単位:°)を、他のデータとあわせて示す。
【００９６】
*印が付された面siは、非球面(非球面形状の屈折光学面、非球面と等価な屈折作用を有する面等)であり、非球面の面形状を表わす前記式(ASP)で定義される。各実施例の非球面データを他のデータとあわせて示す。ただし、E-n=×10-nであり、表記の無い係数は０である。表８に、各条件式規定のパラメータに対応するデータ及び関連するデータを各実施例について示す。
【００９７】
図８〜図１４は実施例１〜実施例７の収差図であり、(Ａ)は球面収差図(LONGITUDINAL SPHERICAL ABER.)、(Ｂ)は非点収差図(ASTIGMATIC FIELD CURVES)、(Ｃ)は歪曲収差図(DISTORTION)である。球面収差図(Ａ)は、実線で示すｄ線(波長587.56nm)、破線で示すＣ線(波長656.28nm)、二点鎖線で示すｇ線(波長435.84nm)に対する各球面収差量を、近軸像面からの光軸ＡＸ方向のズレ量(横軸，単位:mm)で表しており、縦軸は瞳への入射高さをその最大高さで規格化した値(すなわち相対瞳高さ)を表している。非点収差図(Ｂ)において、破線はｄ線に対するタンジェンシャル像面、実線はｄ線に対するサジタル像面を、近軸像面からの光軸ＡＸ方向のズレ量(横軸，単位:mm)で表しており、縦軸は半画角(ANGLE，単位:deg)を表している。歪曲収差図(Ｃ)において、横軸はｄ線に対する歪曲(％)を表しており、縦軸は半画角(ANGLE，単位:deg)を表している。
【００９８】
【表１】
【００９９】
【表２】
【０１００】
【表３】
【０１０１】
【表４】
【０１０２】
【表５】
【０１０３】
【表６】
【０１０４】
【表７】
【０１０５】
【表８】
【０１０６】
なお、前述した各実施の形態や各実施例には、以下の構成を有する発明が含まれている。そしてこれらの構成によると、中心窩レンズの利点を活かしつつ、大口径でありながらコンパクトかつ高性能な撮像レンズ等を実現することができ、各特徴を有することにより前述した効果が得られる。
【０１０７】
(L1) 撮像素子の受光面上に光学像を形成する撮像レンズであって、最も物体側のレンズ面が、レンズ中央部で正の光学的パワー、レンズ周辺部で負の光学的パワーを有する面形状の非球面であり、前記条件式(1)又は(6)を満足することを特徴とする撮像レンズ。
(L2) 撮像素子の受光面上に光学像を形成する撮像レンズであって、絞りを挟んで前群と後群とから成り、前記前群が全体として正の光学的パワーを有し、前記後群が全体として正の光学的パワーを有し、前記前群の少なくとも１つのレンズ面が、レンズ中央部で正の光学的パワー、レンズ周辺部で負の光学的パワーを有する面形状の非球面であり、前記条件式(1)又は(6)を満足することを特徴とする撮像レンズ。
(L3) 前記条件式(2)〜(4)を満足することを特徴とする上記(L1)又は(L2)記載の撮像レンズ。
(L4) 面頂点を原点とするローカルな直交座標系(x,y,z)を用いた前記式(ASP)で非球面形状を定義するとき、前記非球面の面形状が前記条件式(5)又は(22)を満足することを特徴とする上記(L1)〜(L3)のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
【０１０８】
(L5) 前記条件式(7)又は(8)を満足することを特徴とする上記(L2)〜(L4)のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
(L6) 前記条件式(9)又は(10)を満足することを特徴とする上記(L1)〜(L5)のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
(L7) 前記条件式(11)又は(12)を満足することを特徴とする上記(L1)〜(L6)のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
(L8) 前記条件式(13),(14)又は(15)を満足することを特徴とする上記(L3)〜(L7)のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
(L9) 前記条件式(16)又は(17)を満足することを特徴とする上記(L1)〜(L8)のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
(L10) 前記条件式(18),(19),(20)又は(21)を満足することを特徴とする上記(L1)〜(L9)のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
【０１０９】
(U1) 上記(L1)〜(L10)のいずれか１項に記載の撮像レンズと、その撮像レンズにより形成された光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、を備えたことを特徴とする撮像装置。
(U2) パン・チルト動作するための機構を更に備えたことを特徴とする上記(U1)記載の撮像装置。
(U3) 前記撮像素子の受光面上の像の歪を補正する画像処理機構を更に備えたことを特徴とする上記(U1)又は(U2)記載の撮像装置。
【０１１０】
(C1) 上記(U1)記載の撮像装置と、その撮像装置をパン・チルト動作させる機構と、を備えたことを特徴とするカメラ。
(C2) 上記(U1)記載の撮像装置と、前記撮像素子の受光面上の像の歪を補正する画像処理機構と、を備えたことを特徴とするカメラ。
(C3) 上記(U1)〜(U3)のいずれか１項に記載の撮像装置を備え、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方に用いられることを特徴とするカメラ。
(C4) デジタルカメラ；ビデオカメラ；監視カメラ；車載カメラ；テレビ電話用カメラ；ドアホーン用カメラ；又はパーソナルコンピュータ，モバイルコンピュータ，携帯電話，携帯情報端末，若しくはこれらの周辺機器に内蔵又は外付けされるカメラであることを特徴とする上記(C3)記載のカメラ。
【０１１１】
(D1) 上記(U1)〜(U3)のいずれか１項に記載の撮像装置を備えることにより、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方の機能が付加されたことを特徴とするデジタル機器。
(D2) パーソナルコンピュータ，モバイルコンピュータ，携帯電話，携帯情報端末，又はこれらの周辺機器であることを特徴とする上記(D1)記載のデジタル機器。
【０１１２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、撮像レンズが特徴的な非球面を有し、かつ、条件式(1)を満たした歪曲特性を有するため、従来は両立することが困難であった広画角化と長焦点距離化とを実現することが可能になる。そして、画面中央領域では標準的な光学ズームの望遠側に匹敵する拡大倍率の画像を、画質を落とさずに得ることができる。したがって、中心窩レンズの利点を活かしつつ、大口径でありながらコンパクトかつ高性能な撮像レンズを備えた撮像装置を実現することができる。さらに、撮影方向を変えるために撮像装置を少なくとも一方向に回転させる回転機構を備えれば、注視したい領域を常に解像度の高い画面中央領域で捉えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態(実施例１)の光学構成図。
【図２】第２の実施の形態(実施例２)の光学構成図。
【図３】第３の実施の形態(実施例３)の光学構成図。
【図４】第４の実施の形態(実施例４)の光学構成図。
【図５】第５の実施の形態(実施例５)の光学構成図。
【図６】第６の実施の形態(実施例６)の光学構成図。
【図７】第７の実施の形態(実施例７)の光学構成図。
【図８】実施例１の収差図。
【図９】実施例２の収差図。
【図１０】実施例３の収差図。
【図１１】実施例４の収差図。
【図１２】実施例５の収差図。
【図１３】実施例６の収差図。
【図１４】実施例７の収差図。
【図１５】監視システムの構成例を示す模式図。
【図１６】監視システムに使用される監視カメラの構成例を示す斜視図。
【図１７】監視カメラのシステム構成を示すブロック図。
【図１８】コントローラのシステム構成を示すブロック図。
【図１９】撮像レンズの歪曲特性の一例を示すグラフ。
【図２０】歪み補正処理前後の画像の一例を示す図。
【図２１】撮像素子の受光面における画面中央領域を示す模式図。
【図２２】撮像レンズに用いられている非球面に関するサグ量を示す模式図。
【図２３】本発明に係る撮像装置の概略光学構成を示す模式図。
【符号の説明】
ＤＣ …カメラ
ＵＴ …撮像装置
ＯＰ …画像入力光学系
ＳＬ …撮像レンズ
ＳＴ …絞り
ＰＬ …平行平面板
ＳＲ …撮像素子
ＳＳ …受光面
ＩＭ …像面
ＡＸ …光軸
ＦＡ …画像処理機構
ＦＢ …パン・チルト機構
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像装置に関するものであり、更に詳しくは広画角の確保と画面中央領域の望遠画像の高精細化とを両立する撮像レンズを備えた撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な撮像装置に採用されている撮像レンズは、歪曲収差が良好に補正されており、撮像素子の受光面(すなわち撮像面)の中央部と周辺部とで像倍率の変化が小さくなっている。これとは別に、負の歪曲収差を大きく発生させた撮像レンズも存在する。それは、全画角が180°程度に達する魚眼レンズのように、超広角画像を得ることを目的とするものである。そして、負の歪曲収差を意図的に発生させることにより、中心画像に比べて周辺画像を大幅に圧縮させる特性を持っている。
【０００３】
上述した２タイプの撮像レンズのうち、後者に近い特性を有するロボット眼用の広角レンズ(以下「中心窩レンズ」と呼ぶ。)が、非特許文献１，２で提案されている。これらの中心窩レンズは、いずれも人間の視覚機能を真似たものである。人間の目の網膜には「中心窩」と呼ばれる領域があり、この領域では周辺領域に比べて視細胞(光を感じる神経細胞)の密度が高くなっている。中心窩の周辺領域での視力は低いが、眼球運動によって注視したい領域を常に中心窩で観察することが可能である。したがって、情報量の観点からも非常に効率の良い構造と言える。この中心窩の構造を模倣した中心窩レンズは、高精細な領域を中央領域のみに狭めることにより、トータルの入力画像情報量を減らして画像処理速度を向上させている。また、中心窩レンズのもう一つの大きな特徴として、撮像面の中央部での像倍率を魚眼レンズ等に比して大幅に高めている点が挙げられる。これにより中心窩レンズは、光学的な変倍作用を持たない単焦点レンズであるにもかかわらず、広画角画像と画面中央の望遠画像とを同時に得ることを可能にしている。
【０００４】
【非特許文献１】
Y.Kuniyoshi,N.Kita,K.Sugimoto,S.Nakamura,T.Suehiro:“A Foveated Wide Angle Lens for Active Vision”,Proc.IEEE Int.Conf.Robotics and Automation,pp.2982-2988,1995.[online],[平成１５年３月２６日検索],インターネット＜ＵＲＬ:http://www.is.aist.go.jp/acac/publications/ICRA95.ps＞
【非特許文献２】
Y.Suematu,H.Yamada,T.Ueda:“A Wide Angle Vision Sensor with Fovea-Design of Distortion Lens and the Simulated Images-”,IEEE International Industrial Electronics Conference,USA,pp.1770-1773(1993)
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
全画角が60°を超えるような広角レンズで画面周辺部まで歪みのない画像を得ようとすると、レンズ枚数の増加等により光学系の構成が複雑化して、コストアップにつながることになる。さらに、超広角画像を同等の高精細さで記録しようとすると、情報量が極めて大きくなるため、コスト高の高画素撮像素子が必要になる。最近普及率が高まっている携帯電話，携帯情報端末等での送受信においては、データ転送の観点からも情報量の増加は好ましくない。
【０００６】
また、負の歪曲収差を意図的に大きく発生させた超広角レンズ(又は魚眼レンズ)の場合、画面中央部の拡大画像を得るための方式として、光学系の一部を動かす光学ズーム方式と、画像処理によって補間する電子ズーム方式とが考えられる。前者の方式には、光学系・駆動機構の構成が共に複雑化してコストアップを招くという問題があり、後者の方式には、画質の劣化が生じるという問題がある。
【０００７】
一方、従来の中心窩レンズはレンズ枚数が７〜１１枚と多いため、光学系が大型化しており、また全てがガラスレンズであるためコストが高い。また、残存収差が大きく、結像特性も充分でない。このため従来の中心窩レンズは、高画質化，コンパクト化，低コスト化には適していない。また、いずれもＦナンバーが４と暗く、大口径化が難しいという問題もある。
【０００８】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、中心窩レンズの利点を活かしつつ、大口径でありながらコンパクトかつ高性能な撮像レンズを備えた撮像装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の撮像装置は、光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、その撮像素子の受光面上に前記光学像を形成する撮像レンズと、を備えた撮像装置であって、前記撮像レンズが絞りを挟んで前群と後群とから成る中心窩レンズであり、前記前群が全体として正の光学的パワーを有し、前記後群が全体として正の光学的パワーを有し、前記前群が、物体側から順に、負の光学的パワーを有する第１レンズ群と、正の光学的パワーを有する第２レンズ群と、から成り、前記後群が、物体側から順に、正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、正又は負の光学的パワーを有する第４レンズ群と、から成り、前記前群の少なくとも１つのレンズ面が、レンズ中央部で正の光学的パワー、レンズ周辺部で負の光学的パワーを有する面形状の非球面であり、面頂点を原点とするローカルな直交座標系(x、y、z)を用いた以下の式(ASP)で非球面形状を定義するとき、前記非球面の面形状が以下の条件式(5)を満足し、以下の条件式(1)及び (8)を満足することを特徴とする。
-90＜Da＜-20 …(1)
z＝(c・h2)／[1+√[1-(1+K)・c2・h2]]＋(A・h4+B・h6+C・h8+D・h10+E・h12+F・h14+G・h16+H・h18+I・h20) …(ASP)
0.2＜｜ΔZasp／ΔZsp｜＜5 …(5)
0.3 ＜ ff ／ fr ＜ 7.5 … (8)
ここで、
Da：撮像素子の受光面の対角方向の最大半画角での歪曲収差(％)、
z：高さhの位置でのz軸方向(光軸方向)の変位量(面頂点基準)、
h：z軸に対して垂直な方向の高さ(h2＝x2＋y2)、
c：面頂点での曲率(＝1／曲率半径)、
A、B、C、D、E、F、G、H、I：それぞれ4、6、8、10、12、14、16、18、20次の非球面係数、
K：円錐係数、
ΔZsp：最大有効径での球面サグ量、
ΔZasp：最大有効径での非球面サグ量、
ff ：前群の焦点距離 ( すなわち、絞りを挟んで物体側に位置するレンズ群の合成焦点距離 ) 、
fr ：後群の焦点距離 ( すなわち、絞りを挟んで像側に位置するレンズ群の合成焦点距離 ) 、
である。
【００１０】
第２の発明の撮像装置は、上記第１の発明の構成において、前記撮像レンズの最も物体側のレンズ面が前記非球面であり、前記撮像レンズが以下の条件式 (2) 〜 (4) を満足し、前記撮像素子の受光面が長方形状を成し、その受光面の中心から対角までの長さを La とすると、撮像レンズが以下の条件式 (12)を満足することを特徴とする。
0.05 ＜｜ f ／ fasp ｜＜ 1 … (2)
0.18 ＜ f ／ TL ＜ 2 … (3)
0.03 ＜ Tasp ／ TL ＜ 0.5 … (4)
2.5 ＜ f135 ／ fwide ＜ 6 … (12)
ここで、
f ：全系の近軸焦点距離、
fasp ：非球面を有するレンズの近軸焦点距離、
TL ：撮像レンズの最も物体側の面の面頂点から撮像素子の受光面までの光軸上の距離、
Tasp ：非球面を有するレンズの光軸上の厚み、
f135 ：全系の近軸焦点距離 f を 135mm フィルム ( 対角方向 ) に換算した値 [f135 ＝ 21.63 × f ／ (0.5 × La)] 、
fwide ：撮像素子の受光面の長手方向の最大半画角θ vmax から求められる焦点距離を 135mm フィルム ( 長手方向 ) に換算した値 (fwide ＝ 18 ／ tan θ vmax) 、
である。
【００１１】
第３の発明の撮像装置は、上記第１又は第２の発明の構成において、前記撮像レンズは、物体側から順に、負の光学的パワーを有する前記第１レンズ群と、正の光学的パワーを有する前記第２レンズ群と、前記絞りと、正の光学的パワーを有する前記第３レンズ群と、正の光学的パワーを有する前記第４レンズ群と、から構成されるとともに、前記絞りが全系の略中央に位置することを特徴とする。
【００１３】
第４の発明のカメラは、上記第１，第２又は第３の発明の撮像装置と、撮影方向を変えるために前記撮像装置を少なくとも一方向に回転させる回転機構と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した撮像装置を、図面を参照しつつ説明する。撮像装置は、被写体の映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する光学装置であり、物体(被写体)の光学像を形成する画像入力光学系，その光学像を電気信号に変換する撮像素子等で構成される。また撮像装置は、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラの主たる構成要素を成すものであり、カメラの例としては、デジタルカメラ；ビデオカメラ；監視カメラ；車載カメラ；テレビ電話用カメラ；ドアホーン用カメラ；パーソナルコンピュータ，モバイルコンピュータ，携帯電話，携帯情報端末(ＰＤＡ：Personal Digital Assistant)，これらの周辺機器(マウス，スキャナー，プリンター等)，その他のデジタル機器等に内蔵又は外付けされるカメラが挙げられる。したがって、撮像装置を用いることによりカメラを構成することができるだけでなく、各種機器に撮像装置を搭載することによりカメラ機能を付加することが可能である。
【００１５】
図２３に、撮像装置の代表的な構成例を示す。この撮像装置ＵＴは、物体(被写体)側から順に、撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上に物体の光学像(ＩＭ：像面)を形成する画像入力光学系ＯＰと、画像入力光学系ＯＰにより形成された光学像を電気的な信号に変換する撮像素子ＳＲと、で構成されており、カメラＤＣに搭載された状態で使用される。画像入力光学系ＯＰは、光学像を形成するための光学的パワーを有する結像光学系としての撮像レンズＳＬと、光学的パワーを持たない平行平面板ＰＬと、で構成されている。そして、撮像レンズＳＬには複数のレンズ，絞りＳＴ等が含まれ、平行平面板ＰＬには光学フィルター(光学的ローパスフィルター，赤外カットフィルター等)や撮像素子ＳＲのカバーガラス等が含まれる。
【００１６】
撮像素子ＳＲとしては、例えば複数の画素を有するＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサー等の固体撮像素子が用いられる。撮像素子ＳＲの受光面ＳＳは平面から成っており、画像入力光学系ＯＰによって撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上に形成された光学像は、撮像素子ＳＲにより電気的な信号に変換される。撮像素子ＳＲで生成した信号は、必要に応じて所定のデジタル画像処理や画像圧縮処理等が施されてデジタル映像信号としてメモリー(半導体メモリー，光ディスク等)に記録されたり、場合によってはケーブルを介したり赤外線信号に変換されたりして他の機器に伝送される。なお、上記デジタル画像処理や画像圧縮処理等は、撮像装置ＵＴ内で行うようにしてもよく、撮像装置ＵＴと共にカメラＤＣに搭載されている後述の画像処理機構ＦＡ等で行うようにしてもよい。
【００１７】
画像入力光学系ＯＰで形成されるべき光学像は、撮像素子ＳＲの画素ピッチにより決定される所定の遮断周波数特性を有する光学的ローパスフィルター(平行平面板ＰＬに相当する。)を通過することにより、電気的な信号に変換される際に発生するいわゆる折り返しノイズが最小化されるように、空間周波数特性が調整される。これにより、画素ピッチよりも高周波の被写体パターンを撮像したときのモアレ像の発生を抑えることができる。光学的ローパスフィルターとしては、複屈折型ローパスフィルターや位相型ローパスフィルター等が適用可能である。複屈折型ローパスフィルターとしては、結晶軸方向が所定方向に調整された水晶等の複屈折材料から成るもの、偏光面を変化させる波長板等を積層して成るもの等が挙げられる。位相型ローパスフィルターとしては、必要とされる光学的な遮断周波数特性を回折効果により達成するもの等が挙げられる。また、赤外カットフィルター(平行平面板ＰＬに相当する。)は、撮像素子ＳＲが有する高い赤外光感度のために正確な色調再現が阻害されるのを防止する。
【００１８】
図１９に、撮像レンズＳＬの歪曲特性の一例を示す。図１９(Ａ)は歪曲収差−画角特性を示すグラフであり、横軸が歪曲収差Ｓ(％)、縦軸が半画角θ(°)である。図１９(Ｂ)は画角−像高特性を示すグラフであり、横軸が半画角θ、縦軸が像高ｈである。図１９(Ａ)に示すように、半画角θが所定値θi以下の領域では歪曲収差Ｓが所定値Ｓi以下であり、半画角θが所定値θiを超えると歪曲収差Ｓが急激に大きくなって、半画角θ＝５０°では歪曲収差Ｓ＝−７０％となる。ここで、歪曲収差Ｓにおける所定値Ｓiは被写体像が略歪みのない自然な画像に見える値であり、例えばＳi≒３％(このときθi≒８°)である。もちろん、所定値Ｓiを３％以下の値(例えば約２％や約１％)に設定したとしても、見た目には歪みを感じない自然な画像となる。
【００１９】
図１９(Ｂ)に示すように、半画角θが小さい領域(点線より左側の領域)では、半画角θに対する像高ｈが略線形であって、半画角θの単位変化量に対する像高ｈの変化量が大きくなっている。一方、半画角θが大きい領域(点線より右側の領域)では、半画角θに対する像高ｈが非線形であって、半画角θの単位変化量に対する像高ｈの変化量が徐々に小さくなって略一定値に飽和している。つまり、画角が小さい領域では解像度が高く、画角が大きい領域では解像度が低いことが分かる。このように撮像レンズＳＬには、視野が広く、注目領域での解像度が高く、注目領域で歪みの目立たない自然な画像が得られる等の特長がある。
【００２０】
上記撮像装置ＵＴ(図２３)でデジタルカメラ，監視カメラ等を構成する場合、通常そのカメラＤＣのボディ内部に撮像装置ＵＴを配置することになるが、カメラ機能を実現する際には必要に応じた形態を採用することが可能である。例えば、ユニット化した撮像装置ＵＴをカメラＤＣのボディに対して着脱自在又は回動自在に構成してもよく、ユニット化した撮像装置ＵＴを携帯電話，携帯情報端末等のデジタル機器に対して着脱自在又は回動自在に構成してもよい。
【００２１】
カメラＤＣ(図２３)は、上記撮像装置ＵＴと共に画像処理機構ＦＡ等を備えている。画像処理機構ＦＡは、撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上の像の歪みを補正する機構である。上述した撮像レンズＳＬの歪曲特性(図１９)を知ることは容易であるため、その歪曲の逆変換を行うことにより、撮像レンズＳＬで生じた歪曲を補正すれば、歪んだ光学像の画像をほぼ歪みのない画像に変換することができる。例えば、撮像画像の画素位置と歪曲のない画像の画素位置とを計算により対応づけてマッピングを行えばよい。画面周辺部分では画像が圧縮されるため、逆変換の際に情報が不足することになるが、種々の画像補間法(ニアレストネイバー法，バイキュービック法等)を用いて画像を補間することが可能である。撮像レンズによる画面周辺での圧縮率が従来の射影方式に比べて高いため、画面周辺での解像度は先に述べたように低い。これは、逆に全情報量が少ないことを意味する。そのため、従来処理速度の問題によりリアルタイムでの歪曲補正が難しかったが、本発明に係る光学構成によれば、その処理速度を速めて動画のフレームレートを改善することが可能である。そして、歪曲収差によって歪んだ画像を肉眼で見える光景と同様な相似形の略歪みのない自然な画像に補正する歪み補正処理，解像度変換等の画像処理を、画像処理機構ＦＡによって行うことができる。図２０に、歪み補正処理前後の画像の一例を示す。図２０(Ａ)は歪み補正処理前の画像(撮像画像)５１を示しており、図２０(Ｂ)は歪み補正処理後の画像(歪み補正画像)５２を示している。
【００２２】
またカメラＤＣ(図２３)は、上記撮像装置ＵＴと共にパン・チルト機構ＦＢ等を備えている。パン・チルト機構ＦＢは画像入力光学系ＯＰをパン・チルト動作させる機構であり、画像入力光学系ＯＰを撮像装置ＵＴごとパン・チルト動作させることにより、注視したい領域を常に解像度の高い画面中央領域で捉えることを可能にする機構である。
【００２３】
撮像レンズは、画面中央部に対する画面周辺部での圧縮率が、従来の魚眼レンズ等に比して高いという特性がある。このため、撮像素子の受光面周辺部分の各画素に対応する情報量は少なく、結果的に画面周辺での空間分解能が低くなってしまう。そこで、回転機構で撮像装置を少なくとも一方向に回転させる(例えば、パン動作，チルト動作の少なくとも一方を行う)ことにより撮影方向を変えて、注視したい領域を常に解像度の高い画面中央領域で捉えるようにすれば、上記問題を効果的に解消することができる。この機能は、監視用途に用いられる撮像装置に好適である。例えば、平時には広視野で観察し、解像度の低い周辺部で何らかの動きを感知すれば、感知した領域を解像度の高い画面中央領域にパン・チルトさせることにより、周回する監視カメラよりも効率良く監視することができる。しかも、メカの使用頻度が少なくなるため、耐久性の面でも有利である。光学ズーム方式の監視カメラと比較しても、コスト面で有利である。また、光学ズーム方式が望遠端で撮影している間、１台のカメラでは同時に広視野を観察することができないのに対して、カメラＤＣは広視野と望遠領域を撮像レンズで同時に観察することが可能である。
【００２４】
ここで、上記撮像装置ＵＴを搭載した監視カメラ、監視カメラを用いた監視システム等の構成例を説明する。図１５に、監視システムの構成例を示す。図１５に示す監視システム１は、所定の監視対象領域を撮影する監視カメラ２と、パーソナルコンピュータや携帯電話等のコントローラ３と、を備えた構成になっている。そして、監視カメラ２とコントローラ３とは通信ネットワーク４を介して接続されている。
【００２５】
監視カメラ２は監視対象を撮像すると、その画像の画像データを通信ネットワーク４を介してコントローラ３に送信する。一方、コントローラ３は、監視カメラ２に対する操作コマンド(例えば、撮影方向を変更する指示等)がユーザーによって入力されると、その操作コマンドを通信ネットワーク４を介して監視カメラ２に送信する。監視カメラ２は、その操作コマンドに基づいて動作する。コントローラ３の表示部には監視カメラ２により撮影された画像が表示されるので、ユーザーはそれを見ながら監視カメラ２を遠隔操作により動作させることができる。
【００２６】
図１６に、監視システム１に使用される監視カメラ２の構成例を示す。図１６に示す監視カメラ２は、撮像装置ＵＴと、Ｕ字型に屈曲した枠体２２と、撮像装置ＵＴの光軸(撮影方向，監視方向に相当する。)ＡＸを上下方向(チルト方向)に移動させるギヤードモーター２３と、撮像装置ＵＴの光軸ＡＸを左右方向(パン方向)に移動させるギヤードモーター２４と、を備えている。
【００２７】
撮像装置ＵＴは、左右の側面に突設されたチルト方向の回転軸２５を枠体２２の側面２２Ａ，２２Ａ’に穿設された孔２２Ｂに貫通させた状態で、枠体２２に取り付けられている。側面２２Ａを貫通して突出した回転軸２５の先端には、ギヤードモーター２３の出力軸が取り付けられている。枠体２２の下面中央にはパン方向の回転軸２６が下方向に突設されており、この回転軸２６の先端にはギヤードモーター２４の出力軸が取り付けられている。ギヤードモーター２３の筐体は枠体２２に固定部材(不図示)で固定されており、枠体２２と一体的にパン方向に回動可能に構成されている。ギヤードモーター２４は、監視カメラ２の支持体２７に固定されている。
【００２８】
ギヤードモーター２４を回転駆動すると、枠体２２が回転軸２６を中心に回転し、これにより撮像装置ＵＴの光軸ＡＸがパン方向に移動する。このときの監視カメラ２の動作が「パン動作」である。一方、ギヤードモーター２３を回転駆動すると、撮像装置ＵＴが回転軸２５を中心に回転し、これによりカメラ２１の光軸ＡＸがチルト方向に移動する。このときの監視カメラ２の動作が「チルト動作」である。
【００２９】
図１７に、監視カメラ２のシステム構成をブロック図で示す。監視カメラ２は、撮像装置ＵＴと、画像生成部３１と、画像データバッファ３２と、画像処理部３３(前述の画像処理機構ＦＡに相当する。)と、駆動部３４と、制御部３５と、画像データ記録部３６と、記憶部３７と、通信Ｉ／Ｆ部３８と、Ｉ／Ｆ部３９と、を備えた構成になっている。
【００３０】
撮像装置ＵＴは、前述した撮像レンズＳＬ，撮像素子ＳＲ等を備えている。ここで用いられている撮像素子ＳＲは、受光した光をその光強度に従った電気信号に変換する複数の受光素子が、２次元的(ハニカム状，マトリックス状等)に配置された光電変換素子であり、その受光面には、Ｒ(赤)・Ｇ(緑)・Ｂ(青)の色フィルタが１：２：１の比率で配設されている(なお、撮像素子ＳＲはカラー用に限らず、モノクロ用でもよい。)。撮像素子ＳＲは、被写体の光学像をＲ・Ｇ・Ｂの色成分の電気信号(画像信号)に変換し、Ｒ・Ｇ・Ｂ各色の画像信号として画像生成部３１に出力する。なお、撮像素子ＳＲにおける露出動作の開始・終了，各画素の出力信号の読み出し(水平同期，垂直同期，転送)等の撮像動作は、制御部３５によって制御される。
【００３１】
画像生成部３１は、画像全体に対して適正な黒レベルの決定，γ補正，ホワイトバランス調整(ＷＢ調整)，輪郭補正，色ムラ補正等の画像処理を行って、画像信号から各画素の画像データを生成する。画像生成部３１で生成された画像データは、画像データバッファ３２に出力される。画像データは、各画素毎に画素位置を表す位置データと画素の輝度を表す輝度データとが対応づけられて構成されている。輝度データは、監視カメラ２がモノクロ撮影する場合には各画素の輝度値で構成され、監視カメラ２がカラー撮影する場合には各画素におけるＲ・Ｇ・Ｂの各成分の輝度値又は輝度値と各色差の値で構成される。
【００３２】
画像データバッファ３２は、画像データを一時的に記憶するとともに、この画像データに対し画像処理部３３での処理を行うための作業領域として用いられるメモリ(ＲＡＭ等)である。画像処理部３３は、画像データバッファ３２の画像データに対し、歪曲収差によって歪んだ画像{図２０(Ａ)の撮像画像５１}を肉眼で見える光景と同様な相似形の略歪みのない自然な画像{図２０(Ｂ)の歪み補正画像５２}に補正する歪み補正処理，解像度変換等の画像処理を行う回路である。歪み補正処理においては、撮像レンズＳＬの特性を活かして画面中央領域の画像がそのまま歪み補正することなく用いられ、画面周辺領域のみ歪み補正処理が行われる。
【００３３】
駆動部３４は、ギヤードモーター２３，２４を含み、制御部３５から出力される制御信号により、撮像装置ＵＴの光軸ＡＸをパン方向やチルト方向に駆動する。画像データ記録部３６は、画像データバッファ３２に記憶されている画像データを記録媒体(ＣＤ−Ｒ等の光ディスク，ハードディスク等の磁気ディスク，メモリカード，半導体メモリー等)に記録する回路である。記憶部３７は、監視カメラ２の動作に必要な各種プログラム、プログラム実行中に必要なデータ、プログラム実行中に生じたデータを記憶する記憶回路であり、ＲＯＭやＲＡＭ等を備えた構成になっている。
【００３４】
通信Ｉ／Ｆ部３８は、通信ネットワーク４との間で通信を行うためのインターフェースであり、コントローラ３への画像データを収容する通信パケットの送信、コントローラ３からの操作コマンドを収容する通信パケットの受信等を行う。Ｉ／Ｆ部３９は、外部機器と画像データを送受信するインターフェースであり、例えば、ＵＳＢやＩＥＥＥ１３９４等の規格に準拠したインターフェースである。制御部３５は、マイクロプロセッサ等を備えた構成になっており、上記各部の制御を行う。
【００３５】
図１８に、コントローラ３のシステム構成をブロック図で示す。コントローラ３は、操作部４１，表示部４２，制御部４３及び通信Ｉ／Ｆ部４４を備えた構成になっている。操作部４１は、監視カメラ２に対する各種の操作を指示する操作コマンド(パン動作，チルト動作，画像データの記録・送信要求等)を入力する装置であり、例えば、コントローラ３がパーソナルコンピュータの場合にはキーボードやマウスに相当し、携帯電話の場合にはテンキーやカーソルキーに相当する。表示部４２は、監視カメラ２から通信ネットワーク４を介して送信された画像を表示するディスプレイであり、コントローラ３がパーソナルコンピュータの場合にはＣＲＴディスプレイやＬＣＤ等のモニターに相当し、携帯電話の場合にはＬＣＤ表示部に相当する。
【００３６】
通信Ｉ／Ｆ部４４は、通信ネットワーク４との間で通信を行うためのインターフェースであり、監視カメラ２から画像データを収容した通信パケットの受信、監視カメラ２へ操作コマンドを収容した通信パケットの送信等を行う。制御部４３は、例えば、コントローラ３を制御する制御プログラムを記憶するＲＯＭや一時的にデータを記憶するＲＡＭを備えたマイクロコンピュータから構成され、操作部４１，表示部４２及び通信Ｉ／Ｆ部４４を有機的に制御して、コントローラ３の動作を制御する。
【００３７】
次に、撮像レンズＳＬから成る画像入力光学系ＯＰの光学構成を説明する。図１〜図７に、第１〜第７の実施の形態の光学構成をそれぞれ示す。各光学構成図は、画像入力光学系ＯＰのレンズ配置，光路等を光学断面で示しており、各光学構成図中、si(i＝1,2,3,...)が付された面は物体側から数えてi番目の面、siに*印が付された面は非球面である。いずれの実施の形態においても、撮像レンズＳＬは単焦点レンズであり、その像側には光学フィルター等に相当する平行平面板ＰＬが配置されている。
【００３８】
第１〜第５、第７の実施の形態(図１〜図５、図７)は、撮像レンズＳＬの最も物体側のレンズ面が、レンズ中央部で正の光学的パワー、レンズ周辺部で負の光学的パワーを有する面形状の非球面になっている。また、第１〜第４、第６、第７の実施の形態(図１〜図４、図６、図７)は、撮像レンズＳＬが絞りＳＴを挟んで前群ＧｒＦと後群ＧｒＲとから成り、前群ＧｒＦが全体として正の光学的パワーを有し、後群ＧｒＲが全体として正の光学的パワーを有している。なお、第５の実施の形態では前群ＧｒＦが全体として負の光学的パワーを有しているため、この点で第５の実施の形態は本発明の参考のための一形態にすぎず、本発明には属さないものである。
【００３９】
各実施の形態のレンズ構成を以下に説明する。ただし、各レンズや各レンズ群の光学的パワーは近軸領域でのものであり、単レンズについては両側が空気である場合の光学的パワーを表記しており、接合レンズを構成している単レンズについては、接合面の両側がレンズ媒質である場合の光学的パワーを実際の光学配置に基づいて表記している。なお、本明細書中の「光学的パワー」は、領域を特記しない限り近軸領域での光学的パワーをいうものとする。
【００４０】
第１の実施の形態(図１)の撮像装置ＵＴに含まれる撮像レンズＳＬは、負・正・正・正の光学的パワー配置から成るレンズタイプの単焦点レンズである。この撮像レンズＳＬは、物体側から順に、１枚の負レンズから成る第１レンズ群と、１枚の正レンズから成る第２レンズ群と、絞りＳＴと、正レンズ及び負レンズの接合から成る全体として正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、１枚の正レンズから成る第４レンズ群と、で構成されている。そして、絞りＳＴを挟んで物体側に位置する第１，第２レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する前群ＧｒＦであり、絞りＳＴを挟んで像側に位置する第３，第４レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する後群ＧｒＲである。また、第１，第４レンズ群を構成している各レンズの両面は非球面である。ここでは低コスト化を図るために、非球面を有するレンズは全てプラスチックレンズとしている。
【００４１】
第２の実施の形態(図２)の撮像装置ＵＴに含まれる撮像レンズＳＬは、負・正・正・負の光学的パワー配置から成るレンズタイプの単焦点レンズである。この撮像レンズＳＬは、物体側から順に、１枚の負レンズから成る第１レンズ群と、１枚の正レンズから成る第２レンズ群と、絞りＳＴと、光学的パワーの弱い正レンズ及び正レンズの接合から成る全体として正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、１枚の負レンズから成る第４レンズ群と、で構成されている。そして、絞りＳＴを挟んで物体側に位置する第１，第２レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する前群ＧｒＦであり、絞りＳＴを挟んで像側に位置する第３，第４レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する後群ＧｒＲである。また、第１，第２，第４レンズ群を構成している各レンズの両面は非球面である。ここでは低コスト化を図るために、非球面を有するレンズは全てプラスチックレンズとしている。
【００４２】
第３の実施の形態(図３)の撮像装置ＵＴに含まれる撮像レンズＳＬは、負・正・正・正の光学的パワー配置から成るレンズタイプの単焦点レンズである。この撮像レンズＳＬは、物体側から順に、１枚の負レンズから成る第１レンズ群と、１枚の正レンズから成る第２レンズ群と、絞りＳＴと、正レンズ及び負レンズの接合から成る全体として正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、１枚の正レンズから成る第４レンズ群と、で構成されている。そして、絞りＳＴを挟んで物体側に位置する第１，第２レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する前群ＧｒＦであり、絞りＳＴを挟んで像側に位置する第３，第４レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する後群ＧｒＲである。また、第１，第２，第４レンズ群を構成している各レンズの両面は非球面である。ここでは低コスト化を図るために、非球面を有するレンズは全てプラスチックレンズとしている。
【００４３】
第４の実施の形態(図４)の撮像装置ＵＴに含まれる撮像レンズＳＬは、負・正・正・正の光学的パワー配置から成るレンズタイプの単焦点レンズである。この撮像レンズＳＬは、物体側から順に、１枚の負レンズから成る第１レンズ群と、１枚の正レンズから成る第２レンズ群と、絞りＳＴと、正レンズ及び負レンズの接合から成る全体として正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、１枚の正レンズから成る第４レンズ群と、で構成されている。そして、絞りＳＴを挟んで物体側に位置する第１，第２レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する前群ＧｒＦであり、絞りＳＴを挟んで像側に位置する第３，第４レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する後群ＧｒＲである。また、第１レンズ群を構成している単レンズの両面と、第４レンズ群を構成している単レンズの像側面は、非球面である。ここでは低コスト化を図るために、非球面を有するレンズは全てプラスチックレンズとしている。
【００４４】
第５の実施の形態(図５)の撮像装置ＵＴに含まれる撮像レンズＳＬは、負・正・正・正の光学的パワー配置から成るレンズタイプの単焦点レンズである。この撮像レンズＳＬは、物体側から順に、１枚の負レンズから成る第１レンズ群と、１枚の正レンズから成る第２レンズ群と、絞りＳＴと、正レンズ及び光学的パワーの弱い正レンズの接合から成る全体として正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、１枚の正レンズから成る第４レンズ群と、で構成されている。そして、絞りＳＴを挟んで物体側に位置する第１，第２レンズ群が全体として負の光学的パワーを有する前群ＧｒＦであり、絞りＳＴを挟んで像側に位置する第３，第４レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する後群ＧｒＲである。また、第１，第４レンズ群を構成している単レンズの両面と、第２レンズ群を構成している単レンズの物体側面は、非球面である。ここでは、両面非球面を有する第１，第４レンズ群の単レンズが、低コスト化に有効なプラスチックレンズである。
【００４５】
第６の実施の形態(図６)の撮像装置ＵＴに含まれる撮像レンズＳＬは、負・正・正・正の光学的パワー配置から成るレンズタイプの単焦点レンズである。この撮像レンズＳＬは、物体側から順に、２枚の負レンズから成る第１レンズ群と、１枚の正レンズから成る第２レンズ群と、絞りＳＴと、正レンズ及び負レンズの接合から成る全体として正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、１枚の正レンズから成る第４レンズ群と、で構成されている。そして、絞りＳＴを挟んで物体側に位置する第１，第２レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する前群ＧｒＦであり、絞りＳＴを挟んで像側に位置する第３，第４レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する後群ＧｒＲである。また、第１レンズ群を構成している像側の単レンズの両面と、第４レンズ群を構成している単レンズの両面が、非球面である。ここでは、両面非球面を有する第４レンズ群の単レンズが、低コスト化に有効なプラスチックレンズである。
【００４６】
第７の実施の形態(図７)の撮像装置ＵＴに含まれる撮像レンズＳＬは、負・正・正・正の光学的パワー配置から成るレンズタイプの単焦点レンズである。この撮像レンズＳＬは、物体側から順に、２枚の負レンズから成る第１レンズ群と、１枚の正レンズから成る第２レンズ群と、絞りＳＴと、正レンズ及び負レンズの接合から成る全体として正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、１枚の正レンズから成る第４レンズ群と、で構成されている。そして、絞りＳＴを挟んで物体側に位置する第１，第２レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する前群ＧｒＦであり、絞りＳＴを挟んで像側に位置する第３，第４レンズ群が全体として正の光学的パワーを有する後群ＧｒＲである。また、第１レンズ群を構成している物体側の単レンズの両面と、第４レンズ群を構成している単レンズの両面が、非球面である。ここでは低コスト化を図るために、非球面を有するレンズは全てプラスチックレンズとしている。
【００４７】
以下に本発明の撮像装置における撮像レンズについての望ましい条件を記す。中心窩方式の特徴を活かしつつコンパクト化を図るためには、第１〜第７の実施の形態のように、最も物体側のレンズ又は最も像面側のレンズのいずれか１面に非球面を有することが望ましい。また非球面形状は、光軸ＡＸ付近では正の光学的パワー、周辺では負の光学的パワーを有する形状であることが望ましい。また撮像レンズＳＬは、前群の少なくとも１つのレンズ面が、レンズ中央部で正の光学的パワー、レンズ周辺部で負の光学的パワーを有する面形状の非球面を有していてもよい。そのような非球面形状を採用することにより、広画角の確保と画面中央領域の望遠画像の高精細化との両立を比較的容易に達成することが可能となる。
【００４８】
レンズ中央部で正の光学的パワー、レンズ周辺部で負の光学的パワーを有する非球面形状を、撮像レンズの最も物体側のレンズ面に採用することによって、従来は両立することが困難であった広画角化と長焦点距離化とを実現することが可能になる。そして、画面中央領域では標準的な光学ズームの望遠側に匹敵する拡大倍率の画像を、画質を落とさずに得ることが可能になる。なお、ここでいう「画面中央領域」とは、撮像素子の受光面の中心から対角までの長さをLaとしたとき、撮像素子の受光面中心より0.5La以下の対角長にある受光面上の領域のことをいう。図２１に、撮像素子の受光面ＳＳが長方形状を成す場合の画面中央領域ＣＡの一例を示す。撮像素子の受光面ＳＳの中心から対角までの長さをLaとしたとき、受光面ＳＳ上でその中心から0.5La以下の対角長にある領域が画面中央領域ＣＡ(斜線部分)である。
【００４９】
上記非球面を最も物体側のレンズ面に用いることにより、非点収差，コマ収差等の軸外収差を最も効果的に補正することが可能である。最も物体側のレンズの像側面のみに非球面を施したり、物体側から２番目のレンズのみに非球面を施したりして、同様の効果を得ようとすると、撮像レンズの全長やレンズ枚数の増加につながってしまう。また、上記非球面形状を特定する表現は、変曲点を有する面形状という表現と読み替えた場合でも、その作用効果に関しては等価である。つまり、レンズ中央からレンズ周辺にかけて凸面から凹面へと変化する変曲点を有する面形状を、撮像レンズの最も物体側のレンズ面に採用することによって、従来は両立することが困難であった広画角化と長焦点距離化とを実現することが可能になる。
【００５０】
撮像レンズＳＬは、以下の条件式(1)を満足することが望ましい。
-90＜Da＜-20 …(1)
ここで、
Da：撮像素子の受光面の対角方向の最大半画角での歪曲収差(％)、
である。
【００５１】
条件式(1)を満たすことも広画角化と長焦点距離化との両立に有効な手段であり、条件式(1)を満たすことにより、画面中央領域では標準的な光学ズームの望遠側に匹敵する拡大倍率の画像を、画質を落とさずに得ることができる。条件式(1)の下限を下回ると、広画角と長い近軸焦点距離との両立が困難となり、大口径かつ高性能なままでコンパクト化を達成することが困難となる。条件式(1)の上限を上回ると、画面中央領域と画面周辺領域との画角差が非常に小さくなってしまう。画面中央領域の拡大画像を得ようとすると、結局、電子ズーム等の画質が劣化する方式を採用しなければならなくなり、歪曲補正された一般的な広角単焦点レンズとの差異が見られなくなる。
【００５２】
撮像レンズＳＬは、以下の条件式(6)を満足することが更に望ましい。
-70＜Da＜-40 …(6)
【００５３】
条件式(6)の下限を下回ると、画面中央領域の拡大倍率を下げるか、画面中央領域を狭める必要が生じることになる。条件式(6)の上限を上回ると、画面中央領域で画質を落とさずに得ることができる拡大倍率が、標準的な光学ズームの望遠側のそれに比して小さくなり、光学ズーム方式に対する中心窩方式の優位性が薄れてしまう。
【００５４】
撮像レンズが絞りを挟んで前群と後群から成り、前群，後群とも正の光学的パワーを有する構成を採ることにより、全長を大幅に短縮することができ、各レンズの有効径も小さくすることができる。したがって、撮像装置全体の小型化を容易に達成することができる。また、絞りの物体側に位置する前群が全体として負の光学的パワーを有するような強いレトロフォーカス型の構成に比べて、本光学構成では絞りに対する前群・後群の対称性が良いため、非点収差，コマ収差の補正が行い易いというメリットがある。
【００５５】
上記のように、撮像レンズが絞りを挟んで前群と後群から成る正・正の光学的パワーの構成においては、以下の条件式(7)を満足することが望ましく、以下の条件式(8)を満足することが更に望ましい。
0＜ff／fr＜10 …(7)
0.3＜ff／fr＜7.5 …(8)
ここで、
ff：前群の焦点距離(すなわち、絞りを挟んで物体側に位置するレンズ群の合成焦点距離)、
fr：後群の焦点距離(すなわち、絞りを挟んで像側に位置するレンズ群の合成焦点距離)、
である。
【００５６】
条件式(7)の上限を上回ると、広画角を維持した状態で画面中央領域の長焦点距離化を達成することが困難になる。条件式(7)の下限を下回ると、前群又は後群が負の光学的パワーを有することになる。前群が負の光学的パワーを有する場合には、非対称性に起因する非点収差，コマ収差の補正が困難になる。後群が負の光学的パワーを有する場合には、撮像素子へ入射する光線の光軸に対する角度が大きくなり、撮像素子の受光面を規制する開口や撮像素子の手前に配置されたレンズアレイにおいて光線にケラレが発生し、周辺照度の低下を招いてしまう。条件式(8)の上限を上回ると、前群の光学的パワーが弱まりすぎて、軸外収差、特にコマ収差を補正することが難しくなる。条件式(8)の下限を下回ると、前群の光学的パワーが強くなるため軸外収差が過剰補正されてしまう。したがって、いずれの場合も性能劣化につながることになる。
【００５７】
撮像レンズＳＬは、最も像側のレンズ面から撮像素子の受光面(すなわち撮像面)までの間のどこかに空気間隔を設けることが望ましい。これにより、撮像レンズや鏡胴等の製造誤差によりバックフォーカスのばらつきが発生した場合に、撮像素子の位置を調整し、性能のばらつきを抑えることが容易となる。なお、「最も像側のレンズ」とは、最も像側の単レンズ又は接合レンズのことを指すものとする。
【００５８】
撮像レンズＳＬは、最も像側のレンズは正の光学的パワーを有することが望ましい。最も像側のレンズが正の光学的パワーを有することによって、撮像素子に入射する光線をテレセントリックに近づけることが可能となる。したがって、撮像素子の受光面を規制する開口や撮像素子の前に配置されたマイクロレンズアレイにおいて生じる照度低下を最小限に抑えることができる。
【００５９】
以下の条件式(9)を満足することが望ましい。
0°＜｜α｜＜30° …(9)
ここで、
α：撮像素子の受光面への入射光線のうち、撮像素子の受光面の対角方向の最大半画角の主光線が光軸に対して成す角度(deg)、
である。
【００６０】
条件式(9)の上限を上回ると、撮像面手前にレンズアレイを配置しても、周辺照度の低下を抑えることが困難になる。条件式(9)の下限は、完全なテレセントリックになることを意味し、条件式(9)の下限に達するためには撮像レンズへの負荷(例えば、レンズ枚数の増加等)が非常に大きくなる。
【００６１】
以下の条件式(10)を満足することが更に望ましい。
2°＜｜α｜＜15° …(10)
【００６２】
条件式(10)の上限を上回ると、テレセントリック性が崩れることによる周辺照度の低下が目立つようになる。条件式(10)の下限を下回ると、撮像レンズのコンパクト化を達成することが難しくなる。
【００６３】
撮像レンズは、物体側から順に、負の光学的パワーを有する第１レンズ群と、正の光学的パワーを有する第２レンズ群と、絞りと、正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、を有することが望ましい。第４レンズ群は正，負いずれのパワーを有していても良いが、正の光学的パワーを有することがテレセントリック性の点からより望ましい。また、各レンズ群が１〜２枚の単レンズ又は１組の接合レンズで構成されることが望ましい。この構成を採用することにより、バックフォーカスの確保、各収差の良好な補正、及び撮像面への光線のテレセントリック性を満足しつつ、レンズ枚数が４〜６枚程度のコンパクトな撮像レンズを得ることができる。
【００６４】
撮像レンズ中の絞りは全系の略中央に位置することが望ましい。また撮像レンズは、物体側から順に、負の光学的パワーを有する第１レンズ群と、正の光学的パワーを有する第２レンズ群と、絞りと、正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、正の光学的パワーを有する第４レンズ群と、から構成されるとともに、絞りが全系の略中央に位置することが更に望ましい。絞り位置が全系の物体側に近づくと、変曲点を有する非球面の軸外収差補正に対する効果が薄れてしまう。逆に、絞り位置が全系の像側に近づくと、撮像素子に入射する光線のテレセントリック性が崩れるため、撮像素子の受光面周辺部分での照度低下につながってしまう。
【００６５】
撮像レンズＳＬは、最も像側のレンズと最も物体側のレンズが非球面を有するプラスチックレンズから成り、最も物体側のレンズが負の光学的パワーを有し、最も像側のレンズが正の光学的パワーを有することが望ましい。これにより、環境温度変化によるバックフォーカスの変動量を相殺することができる。
【００６６】
撮像素子の受光面が長方形状を成し、その受光面の中心から対角までの長さをLaとすると、撮像レンズが以下の条件式(11)を満足することが望ましい。
2＜f135／fwide＜10 …(11)
ここで、
f135：全系の近軸焦点距離fを135mmフィルム(対角方向)に換算した値{f135＝21.63×f／(0.5×La)}、
fwide：撮像素子の受光面の長手方向の最大半画角θvmaxから求められる焦点距離を135mmフィルム(長手方向)に換算した値(fwide＝18／tanθvmax)、である。
【００６７】
広画角では長手方向の最大画角が重視されるため、条件式(11)では長手方向の画角との比を規定している。条件式(11)で規定している比は、中心窩レンズの見かけ上のズーム比と考えることができる。条件式(11)は、画面中央領域が最大0.5Laの対角長となる場合についての計算式であるが、対角長が0.5Laより小さい場合でも同様の考え方で中心窩レンズの見かけ上のズーム比を計算すればよい。条件式(11)の下限を下回ると、画面中央領域と画面周辺領域との画角差が小さくなり、従来の単焦点レンズに対する中心窩レンズの差別化が難しくなる。条件式(11)の上限を上回ると、撮像レンズが極めて複雑になり、これを避けようとすると画面中央領域を狭める必要性が生じてくる。
【００６８】
以下の条件式(12)を満足することが更に望ましい。
2.5＜f135／fwide＜6 …(12)
【００６９】
条件式(12)の上限を上回ると、画面中央領域での拡大倍率の増加からレンズ枚数を増やす必要が生じ、コンパクト化を達成することが難しくなるので、光学ズーム方式等の撮像レンズに対して大きさ，コスト面での優位性が少なくなる。条件式(12)の下限を下回ると、画面中央での拡大倍率が小さいため、画面中央領域の望遠画像を得るのに、補間による電子ズームが必要となり、画質が劣化してしまう。
【００７０】
撮像レンズＳＬが以下の条件式(2)〜(4)を満足することが望ましい。
0.05＜｜f／fasp｜＜1 …(2)
0.18＜f／TL＜2 …(3)
0.03＜Tasp／TL＜0.5 …(4)
ここで、
f：全系の近軸焦点距離、
fasp：非球面を有するレンズの近軸焦点距離、
TL：撮像レンズの最も物体側の面の面頂点から撮像素子の受光面までの光軸上の距離、
Tasp：非球面を有するレンズの光軸上の厚み、
である。
【００７１】
条件式(2)の下限を下回ると、広角領域と画面中央領域の性能を共に維持したままコンパクト化を達成することが困難となる。条件式(2)の上限を上回ると、非球面レンズの光学的パワーが強くなりすぎ、非点収差，コマ収差が大きく発生し、他のレンズでこの収差を相殺することが困難になる。
【００７２】
以下の条件式(13)を満足することが更に望ましい。
0.07＜｜f／fasp｜＜0.75 …(13)
【００７３】
条件式(13)の下限を下回ると、主に非点収差の補正不足による像面性の悪化とコマ収差の残存が生じる。条件式(13)の上限を上回ると、非点収差，コマ収差の補正が過剰になる。したがって、いずれの場合も性能を劣化させることになる。
【００７４】
条件式(3)を満たすことにより、広画角の確保と画面中央領域の望遠画像の高精細化とを両立させながら、コンパクト化を達成することができる。条件式(3)の下限を下回ると、撮像レンズが大型化し、変倍光学系や歪曲補正された超広角レンズに対する差別化が難しくなる。条件式(3)の上限を上回ると、諸収差の補正が極めて困難となる上に誤差感度も厳しくなり、レンズ芯厚，コバ厚等も含めて、製造難易度が非常に高くなる。
【００７５】
以下の条件式(14)を満足することが更に望ましい。
0.18＜f／TL＜0.8 …(14)
【００７６】
条件式(14)の下限を下回ると、撮像レンズが大型化し、変倍光学系や歪曲補正された超広角レンズに対する差別化が難しくなる。条件式(14)の上限を上回ると、軸外収差の補正が困難となり、撮像素子への光線入射角、さらには小径レンズの芯厚，コバ厚等の製造限界の制約を守ることも難しくなる。
【００７７】
条件式(4)の下限を下回ると、非球面を有するレンズ芯厚が製造上困難な薄さになる。条件式(4)の上限を上回った場合も、非球面を有するレンズの芯厚が製造上困難な厚さになる。
【００７８】
以下の条件式(15)を満足することが更に望ましい。
0.06＜Tasp／TL＜0.35 …(15)
【００７９】
条件式(15)の下限を下回ると、負の光学的パワーが強まり、軸外収差が過剰補正となる。条件式(15)の上限を上回ると、逆に負の光学的パワーが弱まって、軸外収差が補正不足となる。したがって、いずれの場合も性能劣化につながる。また、前記非球面を有するレンズがプラスチックレンズで構成されている場合に条件式(15)の上限を上回ると、厚みによる成形時の温度分布差が大きくなりすぎて、形状精度を達成することが困難となる。
【００８０】
また、画面中央領域では以下の条件式(16)を満たすことが望ましい。
0＜Dc／Da＜0.5 …(16)
ここで、
Dc：撮像素子の受光面上での実像高が0.5Laの位置(言い換えると画面中央領域の最大対角位置)での歪曲収差(％)、
である。
【００８１】
条件式(16)の下限に達すると、コンパクトな構成を保ったままでの収差補正が困難になる。条件式(16)の上限を上回ると、高精細な画面中央領域の範囲が実質上狭くなる。このため、望遠画像を得ようとすると、電子ズームによる補間が必要となり、画質の劣化を招くことになる。
【００８２】
以下の条件式(17)を満足することが更に望ましい。
0.2＜Dc／Da＜0.4 …(17)
【００８３】
条件式(17)の下限を下回ると、画面中央領域の歪曲収差補正のためにレンズ枚数を追加しなければならなくなる。条件式(17)の上限を上回ると、高精細な画面中央領域の範囲が狭まり、中心窩レンズの特徴が薄れることになる。
【００８４】
上記撮像レンズの特徴を活かして、近軸の拡大倍率を標準的な光学ズームの望遠側に匹敵するレベルに保とうとすると、従来の魚眼レンズのような全画角180°程度の超広画角を実現することは困難である。そこで、撮像素子の受光面の対角方向の最大半画角θmax(degree単位)は、以下の条件式(18)を満たすことが望ましく、以下の条件式(19)を満たすことが更に望ましい。
25°＜θmax＜85° …(18)
30°＜θmax＜60° …(19)
【００８５】
同様に、撮像素子の受光面の長手方向の最大半画角θvmax(degree単位)は、以下の条件式(20)を満たすことが望ましく、以下の条件式(21)を満たすことが更に望ましい。
20°＜θvmax＜80° …(20)
25°＜θvmax＜50° …(21)
である。
【００８６】
条件式(18)又は条件式(20)の下限を下回ると、広視野を観察することができなくなる。条件式(18)又は条件式(20)の上限を上回ると、特に軸外収差の補正が困難となる。この収差補正を行うためには、拡大倍率の大きい画面中央領域の範囲を狭くするか、拡大倍率を小さくする必要が生じるため、結局中心窩方式の特徴が薄れてしまう。また条件式(19)又は条件式(21)の下限を下回ると、一般的な広角レンズの画角より狭くなり、中心窩方式の優位性が少なくなる。条件式(19)又は条件式(21)の上限を上回ると、軸外収差、特に非点収差が大きくなり、性能が劣化してしまう。
【００８７】
面頂点を原点とするローカルな直交座標系(x,y,z)を用いた以下の式(ASP)で非球面形状を定義するとき、前記非球面の面形状が以下の条件式(5)を満足することが望ましい。
z＝(c・h2)／[1+√{1-(1+K)・c2・h2}]＋(A・h4+B・h6+C・h8+D・h10+E・h12+F・h14+G・h16+H・h18+I・h20) …(ASP)
0.2＜｜ΔZasp／ΔZsp｜＜5 …(5)
ここで、
z：高さhの位置でのz軸方向(光軸方向)の変位量(面頂点基準)、
h：z軸に対して垂直な方向の高さ(h2＝x2＋y2)、
c：面頂点での曲率(＝1／曲率半径)、
A,B,C,D,E,F,G,H,I：それぞれ4,6,8,10,12,14,16,18,20次の非球面係数、
K：円錐係数、
ΔZsp：最大有効径での球面サグ量、
ΔZasp：最大有効径での非球面サグ量、
である。
【００８８】
ここで「球面サグ量」とは、レンズの面頂点位置から、最大有効径に対する近軸曲率に沿った曲線上の点までの光軸方向の変位量である。また「非球面サグ量」とは、球面サグ量から、レンズの面頂点と最大有効径に対する非球面曲線上の点との間の光軸方向の距離を引いた差分である。図２２に、同じ近軸曲率を有する球面spと非球面aspについて各サグ量ΔZsp,ΔZaspを示す。球面サグ量ΔZspは、レンズの面頂点位置tpから、最大有効径hmax(高さhの方向はレンズ径方向に相当する。)に対する近軸曲率に沿った曲線上の点までの光軸方向(z方向)の変位量である。また、非球面サグ量ΔZaspは、球面サグ量ΔZspから、レンズの面頂点tpと最大有効径hmaxに対する非球面曲線上の点との間の光軸方向(z方向)の距離を引いた差分である。
【００８９】
条件式(5)の下限を下回ると、非球面量が小さすぎて、広画角と画面中央領域の望遠画像の高精細化とを両立することが困難になる。一方、条件式(5)の上限を上回ると、非球面の金型加工が困難になる。
【００９０】
以下の条件式(22)を満足することが更に望ましい。
0.5＜｜ΔZasp／ΔZsp｜＜3 …(22)
【００９１】
条件式(22)の下限を下回ると、非球面による非点収差，コマ収差の補正に対する効果が小さくなるため、性能の劣化を招くことになる。条件式(22)の上限を上回ると、非球面に対する光線の入射角が大きくなるため、この面での反射によるゴーストが画質の低下を招くことになる。また、非球面のうねりが大きくなるため、均一な反射防止膜をコーティングすることも困難になる。
【００９２】
各実施の形態を構成している画像入力光学系ＯＰには、入射光線を屈折作用により偏向させる屈折型レンズ(つまり、異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレンズ)が用いられているが、使用可能なレンズはこれに限らない。例えば、回折作用により入射光線を偏向させる回折型レンズ，回折作用と屈折作用との組み合わせで入射光線を偏向させる屈折・回折ハイブリッド型レンズ，入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布型レンズ等を用いてもよい。ただし、媒質内で屈折率が変化する屈折率分布型レンズは、その複雑な製法がコストアップを招くため、屈折率分布の均一な均質素材レンズを用いることが望ましい。
【００９３】
撮像レンズＳＬには、絞りＳＴのほかに不要光をカットするための光束規制板等を、必要に応じて配置してもよい。また、各実施の形態の画像入力光学系ＯＰでは、１本の直線状の光軸ＡＸ上にレンズ等が配置されたいわゆる共軸系の光学構成を採用しているが、プリズム類(例えば直角プリズム)，ミラー類(例えば平面ミラー)等の光学部材を光路中に配置することにより、その光学的なパワーを有しない面(例えば、反射面，屈折面，回折面)で、撮像レンズＳＬの前，後又は途中で光路を折り曲げて屈曲光学系{例えば、光軸ＡＸを略９０°(つまり９０°又は実質的に９０°)折り曲げるようにして光束を反射させる光学系}を構成してもよい。その折り曲げ位置は必要に応じて設定すればよく、光路の適正な折り曲げにより、撮像レンズＳＬが搭載される機器(デジタルカメラ，監視カメラ等)の見かけ上の薄型化やコンパクト化を達成することが可能である。
【００９４】
【実施例】
以下、本発明を実施した撮像装置の光学構成等を、コンストラクションデータ、収差図等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１〜７は、前述した第１〜第７の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第１〜第７の実施の形態を表す光学構成図(図１〜図７)は、対応する実施例１〜７のレンズ構成、光路等をそれぞれ示している。したがって、第５の実施の形態に対応する実施例５は本発明の単なる参考例であり、本発明に属さないものである。
【００９５】
表１〜表７に、実施例１〜実施例７のコンストラクションデータを示す。各実施例のコンストラクションデータにおいて、si(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の面(最終面：像面ＩＭ)、ri(i=1,2,3,...)は面siの曲率半径(mm)、di(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の面siとi+1番目の面si+1との間の軸上面間隔(mm)を示しており、Ｎi(i=1,2,3,...),νi(i=1,2,3,...)は軸上面間隔diに位置する光学材料のｄ線に対する屈折率(Ｎd),アッベ数(νd)を示している。全系の焦点距離(f,単位:mm)，Ｆナンバー(Fno)及び最大画角(2θmax,単位:°)を、他のデータとあわせて示す。
【００９６】
*印が付された面siは、非球面(非球面形状の屈折光学面、非球面と等価な屈折作用を有する面等)であり、非球面の面形状を表わす前記式(ASP)で定義される。各実施例の非球面データを他のデータとあわせて示す。ただし、E-n=×10-nであり、表記の無い係数は０である。表８に、各条件式規定のパラメータに対応するデータ及び関連するデータを各実施例について示す。
【００９７】
図８〜図１４は実施例１〜実施例７の収差図であり、(Ａ)は球面収差図(LONGITUDINAL SPHERICAL ABER.)、(Ｂ)は非点収差図(ASTIGMATIC FIELD CURVES)、(Ｃ)は歪曲収差図(DISTORTION)である。球面収差図(Ａ)は、実線で示すｄ線(波長587.56nm)、破線で示すＣ線(波長656.28nm)、二点鎖線で示すｇ線(波長435.84nm)に対する各球面収差量を、近軸像面からの光軸ＡＸ方向のズレ量(横軸，単位:mm)で表しており、縦軸は瞳への入射高さをその最大高さで規格化した値(すなわち相対瞳高さ)を表している。非点収差図(Ｂ)において、破線はｄ線に対するタンジェンシャル像面、実線はｄ線に対するサジタル像面を、近軸像面からの光軸ＡＸ方向のズレ量(横軸，単位:mm)で表しており、縦軸は半画角(ANGLE，単位:deg)を表している。歪曲収差図(Ｃ)において、横軸はｄ線に対する歪曲(％)を表しており、縦軸は半画角(ANGLE，単位:deg)を表している。
【００９８】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
なお、前述した各実施の形態や各実施例には、以下の構成を有する発明が含まれている。そしてこれらの構成によると、中心窩レンズの利点を活かしつつ、大口径でありながらコンパクトかつ高性能な撮像レンズ等を実現することができ、各特徴を有することにより前述した効果が得られる。
【０１０７】
(L1) 撮像素子の受光面上に光学像を形成する撮像レンズであって、最も物体側のレンズ面が、レンズ中央部で正の光学的パワー、レンズ周辺部で負の光学的パワーを有する面形状の非球面であり、前記条件式(1)又は(6)を満足することを特徴とする撮像レンズ。
(L2) 撮像素子の受光面上に光学像を形成する撮像レンズであって、絞りを挟んで前群と後群とから成り、前記前群が全体として正の光学的パワーを有し、前記後群が全体として正の光学的パワーを有し、前記前群の少なくとも１つのレンズ面が、レンズ中央部で正の光学的パワー、レンズ周辺部で負の光学的パワーを有する面形状の非球面であり、前記条件式(1)又は(6)を満足することを特徴とする撮像レンズ。
(L3) 前記条件式(2)〜(4)を満足することを特徴とする上記(L1)又は(L2)記載の撮像レンズ。
(L4) 面頂点を原点とするローカルな直交座標系(x,y,z)を用いた前記式(ASP)で非球面形状を定義するとき、前記非球面の面形状が前記条件式(5)又は(22)を満足することを特徴とする上記(L1)〜(L3)のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
【０１０８】
(L5) 前記条件式(7)又は(8)を満足することを特徴とする上記(L2)〜(L4)のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
(L6) 前記条件式(9)又は(10)を満足することを特徴とする上記(L1)〜(L5)のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
(L7) 前記条件式(11)又は(12)を満足することを特徴とする上記(L1)〜(L6)のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
(L8) 前記条件式(13),(14)又は(15)を満足することを特徴とする上記(L3)〜(L7)のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
(L9) 前記条件式(16)又は(17)を満足することを特徴とする上記(L1)〜(L8)のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
(L10) 前記条件式(18),(19),(20)又は(21)を満足することを特徴とする上記(L1)〜(L9)のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
【０１０９】
(U1) 上記(L1)〜(L10)のいずれか１項に記載の撮像レンズと、その撮像レンズにより形成された光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、を備えたことを特徴とする撮像装置。
(U2) パン・チルト動作するための機構を更に備えたことを特徴とする上記(U1)記載の撮像装置。
(U3) 前記撮像素子の受光面上の像の歪を補正する画像処理機構を更に備えたことを特徴とする上記(U1)又は(U2)記載の撮像装置。
【０１１０】
(C1) 上記(U1)記載の撮像装置と、その撮像装置をパン・チルト動作させる機構と、を備えたことを特徴とするカメラ。
(C2) 上記(U1)記載の撮像装置と、前記撮像素子の受光面上の像の歪を補正する画像処理機構と、を備えたことを特徴とするカメラ。
(C3) 上記(U1)〜(U3)のいずれか１項に記載の撮像装置を備え、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方に用いられることを特徴とするカメラ。
(C4) デジタルカメラ；ビデオカメラ；監視カメラ；車載カメラ；テレビ電話用カメラ；ドアホーン用カメラ；又はパーソナルコンピュータ，モバイルコンピュータ，携帯電話，携帯情報端末，若しくはこれらの周辺機器に内蔵又は外付けされるカメラであることを特徴とする上記(C3)記載のカメラ。
【０１１１】
(D1) 上記(U1)〜(U3)のいずれか１項に記載の撮像装置を備えることにより、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方の機能が付加されたことを特徴とするデジタル機器。
(D2) パーソナルコンピュータ，モバイルコンピュータ，携帯電話，携帯情報端末，又はこれらの周辺機器であることを特徴とする上記(D1)記載のデジタル機器。
【０１１２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、撮像レンズが特徴的な非球面を有し、かつ、条件式(1)を満たした歪曲特性を有するため、従来は両立することが困難であった広画角化と長焦点距離化とを実現することが可能になる。そして、画面中央領域では標準的な光学ズームの望遠側に匹敵する拡大倍率の画像を、画質を落とさずに得ることができる。したがって、中心窩レンズの利点を活かしつつ、大口径でありながらコンパクトかつ高性能な撮像レンズを備えた撮像装置を実現することができる。さらに、撮影方向を変えるために撮像装置を少なくとも一方向に回転させる回転機構を備えれば、注視したい領域を常に解像度の高い画面中央領域で捉えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態(実施例１)の光学構成図。
【図２】第２の実施の形態(実施例２)の光学構成図。
【図３】第３の実施の形態(実施例３)の光学構成図。
【図４】第４の実施の形態(実施例４)の光学構成図。
【図５】第５の実施の形態(実施例５)の光学構成図。
【図６】第６の実施の形態(実施例６)の光学構成図。
【図７】第７の実施の形態(実施例７)の光学構成図。
【図８】実施例１の収差図。
【図９】実施例２の収差図。
【図１０】実施例３の収差図。
【図１１】実施例４の収差図。
【図１２】実施例５の収差図。
【図１３】実施例６の収差図。
【図１４】実施例７の収差図。
【図１５】監視システムの構成例を示す模式図。
【図１６】監視システムに使用される監視カメラの構成例を示す斜視図。
【図１７】監視カメラのシステム構成を示すブロック図。
【図１８】コントローラのシステム構成を示すブロック図。
【図１９】撮像レンズの歪曲特性の一例を示すグラフ。
【図２０】歪み補正処理前後の画像の一例を示す図。
【図２１】撮像素子の受光面における画面中央領域を示す模式図。
【図２２】撮像レンズに用いられている非球面に関するサグ量を示す模式図。
【図２３】本発明に係る撮像装置の概略光学構成を示す模式図。
【符号の説明】
ＤＣ …カメラ
ＵＴ …撮像装置
ＯＰ …画像入力光学系
ＳＬ …撮像レンズ
ＳＴ …絞り
ＰＬ …平行平面板
ＳＲ …撮像素子
ＳＳ …受光面
ＩＭ …像面
ＡＸ …光軸
ＦＡ …画像処理機構
ＦＢ …パン・チルト機構
Claims (4)
- 光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、その撮像素子の受光面上に前記光学像を形成する撮像レンズと、を備えた撮像装置であって、前記撮像レンズが絞りを挟んで前群と後群とから成る中心窩レンズであり、前記前群が全体として正の光学的パワーを有し、前記後群が全体として正の光学的パワーを有し、前記前群が、物体側から順に、負の光学的パワーを有する第１レンズ群と、正の光学的パワーを有する第２レンズ群と、から成り、前記後群が、物体側から順に、正の光学的パワーを有する第３レンズ群と、正又は負の光学的パワーを有する第４レンズ群と、から成り、前記前群の少なくとも１つのレンズ面が、レンズ中央部で正の光学的パワー、レンズ周辺部で負の光学的パワーを有する面形状の非球面であり、面頂点を原点とするローカルな直交座標系(x、y、z)を用いた以下の式(ASP)で非球面形状を定義するとき、前記非球面の面形状が以下の条件式(5)を満足し、以下の条件式(1)及び (8)を満足することを特徴とする撮像装置；
-90＜Da＜-20 …(1)
z＝(c・h2)／[1+√[1-(1+K)・c2・h2]]＋(A・h4+B・h6+C・h8+D・h10+E・h12+F・h14+G・h16+H・h18+I・h20) …(ASP)
0.2＜｜ΔZasp／ΔZsp｜＜5 …(5)
0.3 ＜ ff ／ fr ＜ 7.5 … (8)
ここで、
Da：撮像素子の受光面の対角方向の最大半画角での歪曲収差(％)、
z：高さhの位置でのz軸方向(光軸方向)の変位量(面頂点基準)、
h：z軸に対して垂直な方向の高さ(h2＝x2＋y2)、
c：面頂点での曲率(＝1／曲率半径)、
A、B、C、D、E、F、G、H、I：それぞれ4、6、8、10、12、14、16、18、20次の非球面係数、
K：円錐係数、
ΔZsp：最大有効径での球面サグ量、
ΔZasp：最大有効径での非球面サグ量、
ff ：前群の焦点距離 ( すなわち、絞りを挟んで物体側に位置するレンズ群の合成焦点距離 ) 、
fr ：後群の焦点距離 ( すなわち、絞りを挟んで像側に位置するレンズ群の合成焦点距離 ) 、
である。 - 前記撮像レンズの最も物体側のレンズ面が前記非球面であり、前記撮像レンズが以下の条件式(2)〜(4)を満足し、前記撮像素子の受光面が長方形状を成し、その受光面の中心から対角までの長さを La とすると、撮像レンズが以下の条件式 (12) を満足することを特徴とする請求項１記載の撮像装置；
0.05＜｜f／fasp｜＜1 …(2)
0.18＜f／TL＜2 …(3)
0.03＜Tasp／TL＜0.5 …(4)
2.5 ＜ f135 ／ fwide ＜ 6 … (12)
ここで、
f：全系の近軸焦点距離、
fasp：非球面を有するレンズの近軸焦点距離、
TL：撮像レンズの最も物体側の面の面頂点から撮像素子の受光面までの光軸上の距離、
Tasp：非球面を有するレンズの光軸上の厚み、
f135 ：全系の近軸焦点距離 f を 135mm フィルム ( 対角方向 ) に換算した値 [f135 ＝ 21.63 × f ／ (0.5 × La)] 、
fwide ：撮像素子の受光面の長手方向の最大半画角θ vmax から求められる焦点距離を 135mm フィルム ( 長手方向 ) に換算した値 (fwide ＝ 18 ／ tan θ vmax) 、
である。 - 前記撮像レンズは、物体側から順に、負の光学的パワーを有する前記第１レンズ群と、正の光学的パワーを有する前記第２レンズ群と、前記絞りと、正の光学的パワーを有する前記第３レンズ群と、正の光学的パワーを有する前記第４レンズ群と、から構成されるとともに、前記絞りが全系の略中央に位置することを特徴とする請求項１又は２記載の撮像装置。
- 請求項１、２又は３記載の撮像装置と、撮影方向を変えるために前記撮像装置を少なくとも一方向に回転させる回転機構と、を備えたことを特徴とするカメラ。
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