JP5272614B2 - 広角レンズ及びこの広角レンズを用いた撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、広角レンズ及びこの広角レンズを用いた撮像装置に関し、特に、広画角の広角レンズが要望される車載カメラ装置等に適用するのに好適な撮像装置に関する。

従来から、絞りを境に物体側から像側へ向かって前群レンズ群と後群レンズ群とが配置され、前群レンズ群を構成するレンズの枚数と後群レンズ群を構成するレンズの枚数の合計が６枚の結像レンズ系からなるものが知られている（特許文献１参照）。

また、従来から、特許文献１に開示の広角レンズの改良として、前群レンズ群を構成するレンズの枚数と後群レンズ群を構成するレンズの枚数との合計が５枚以下の結像レンズ系からなるものも知られている。この従来の広角レンズは、画角が190度以上である（特許文献２参照）。
特開２００２−７２０８５号公報 特開２００７−２５４９９号公報

しかしながら、特許文献１に開示の広角レンズは、多数のレンズを用いて収差補正等を行っているので、設計の自由度は比較的大きいが、レンズの枚数を少なくすることが困難で、結像レンズ系の全長が長くなり、小型化に限界があるのみならず、コストの増大や重量の増加を招く。

その一方、特許文献２に開示の広角レンズは、絞り後のレンズが正のパワーを持つレンズ１枚のみで構成されているため、像高が高い位置での像面への主光線の入射角度が大きくなり、すなわち、絞りを通過する最大像高の主光線の角度が40°以下であるので、像高が高い位置での像面への主光線の入射角度が大きくなり、像面の位置に撮像素子を配置して、カメラモジュールを構築した際、像高が高い位置で撮像素子へ入射する主光線の入射角度が大きくなり、撮像素子へ入射する光量が減少する。

撮像素子、又はマイクロレンズ付きの撮像素子では、撮像面に入射する光束の主光線の入射角度が大きくなればなるほど、全ての光束を撮像素子の画素（受光部）に導けなくなるので、光量ロスが発生する。

また、Fナンバーが大きく、暗い結像レンズ系となるので、この結像レンズ系を用いて車両用カメラモジュールとして組み込む構成とすると、低照度時の撮影画像が暗くなる。

本発明の目的は、180度を超える広角な結像レンズ系でありながら、全長が短く、像面への主光線の入射角度が比較的小さく、従って、撮像素子の周辺部においての光量ロスが少なく、かつ、低コストの広角レンズを提供することにある。

請求項１に記載の広角レンズは、
絞りを境にして物体側から像側へ向かって前群レンズ群と後群レンズ群とが配置され、前群レンズ群を構成するレンズの枚数と後群レンズ群を構成するレンズの枚数の合計が５枚の結像レンズ系からなり、
前記前群レンズ群は、物体側から前記絞り側に向かってそれぞれ負のパワーを有する２枚のレンズと、正のパワーを有する１枚のレンズとからなり、
前記後群レンズ群は、前記絞り側から前記像側に向かってそれぞれ正のパワーを有する２枚のレンズとからなり、
前記後群レンズ群のうち前記絞りに近い側のレンズのアッベ数をν4として、ν4＞70 を満たすとともに、前記前群レンズ群の物体側から数えて第２番目のレンズの像側の面および前記後群レンズ群の前記絞りから遠い側のレンズの像側の面が非球面であることにより、
前記絞りを通過する最大画角の主光線の前記結像レンズ系の光軸に対する入射角度θＩを、60°＞θＩ ＞ 40°としたことを特徴とする。

請求項２に記載の広角レンズは、請求項１に記載の広角レンズにおいて、前記入射角度θＩはメリジオナル平面内で定義されていることを特徴とする。

請求項３に記載の広角レンズは、請求項２に記載の広角レンズにおいて、前記後群レンズ群を構成する２枚のレンズ群のうち前記絞りに近い側のレンズに入射する主光線が前記光軸と為す角度に対して当該レンズから出射する主光線が前記光軸と為す角度が小さくなるように当該レンズが構成され、
前記後群レンズ群を構成する２枚のレンズ群のうち前記絞りに近い側のレンズから出射されかつ前記絞りから遠い側のレンズに入射する主光線が前記光軸と為す角度に対して当該レンズから出射する主光線が前記光軸と為す角度が小さくなるように当該レンズが非球面レンズから構成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の広角レンズは、 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の広角レンズにおいて、１８０度を超える画角を有することを特徴とする。

請求項５に記載の広角レンズは、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の広角レンズにおいて、前記前群レンズ群を構成するレンズのうちの物体側から数えて第１番目のレンズを構成する材料がガラスであることを特徴とする。

請求項６に記載の撮像装置は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の広角レンズと、
２次元的に配置された画素を有しかつ前記光学系により前記画素に結像された被写体を画像データに変換する撮像素子と、
該撮像素子から出力された画像データを記憶するメモリと、
該メモリから指定された画角に対応する画像データを読出すメモリ出力制御回路と、
前記広角レンズの歪曲収差を補正する第１信号処理回路と、前記広角レンズの倍率色収差を補正する第２信号処理回路と、前記広角レンズのＭＴＦを補正する第３信号処理回路とを有することを特徴とする。

請求項７に記載の車載カメラ装置は、請求項６に記載の撮像装置を有することを特徴とする。

請求項１ないし請求項３に記載の広角レンズによれば、全長が短く、像面への主光線の入射角度を比較的小さくでき、従って、撮像素子の周辺部においての光量ロスが少なく、かつ、低コストの広角レンズを提供できる。
また、前群レンズ群の絞り直前の第３レンズの厚みを厚くすることなく、像面においての色収差を小さくできる。
また、歪曲収差、非点収差の補正が容易であるという効果に加えて、像面へ入射する主光線の入射角度のコントロールが容易である、像面における解像力を向上させることができるという効果を奏する。更に、撮像素子に入射する光束の光量ロスを低減できるという効果を奏する。
また、サジタル方向のパワーとメリジオナル方向のパワーとの差を小さくできるので、非点収差の発生を抑制でき、像面における解像力を向上させることができる。

請求項４に記載の広角レンズによれば、車載用カメラ装置に用いるのに好適である。

請求項５に記載の広角レンズによれば、第１番目のレンズがガラスにより構成されているので、傷がレンズ表面につきにくいという効果を奏する。

請求項６に記載の撮像装置によれば、結像レンズ系で光学的に補正しきれない収差、歪みを画像処理により除去することができ、解像度の向上した被写体画像を提供できる。

請求項７に記載の車載カメラ装置によれば、車外の情報を取り込み、車内にその情報を表示するような車載用撮影システムに用いるのに好適であるという効果を奏する。

以下に、本発明に係わる広角レンズ及びこの広角レンズを用いた撮像装置の発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

（実施例１）
図１は、本発明に係わる広角レンズの発明の実施の形態の実施例１の結像レンズ系を示す図である。この図１において、符号１は前群レンズ群を示し、符号２は後群レンズ群を示している。前群レンズ群１は開口絞りＩを境に物体側に配置され、後群レンズ群２は絞りＩを境に像側に配置されている。

前群レンズ群１は第１レンズＬ１と第２レンズＬ２と第３レンズＬ３とから構成されている。後群レンズ群２は第４レンズＬ４と第５レンズＬ５とから構成されている。前群レンズ群１を構成するレンズの枚数と後群レンズ群２を構成するレンズの枚数との合計は５枚である。この合計５枚のレンズにより結像レンズ系が構成される。各レンズ１〜レンズ５は単一のレンズであり、貼り合わせレンズではない。絞りＩは第３レンズＬ３と第４レンズＬ４との間に配置されている。

なお、図１において、符号ｒ１〜ｒ６は広角レンズの第１面ないし第６面、ｒ８〜ｒ１１は広角レンズの第８面ないし第１１面の曲率半径、符号ｒ７は第７面の曲率半径、すなわち、絞りＩの曲率半径を表し、符号ｄ１〜ｄ１２は面間隔を表している。また、符号ＣＧはカバーガラス、符号３は像面を示している。更に、画角は２００度とする。

第１レンズＬ１、第２レンズＬ２は負のパワー（負の焦点距離）を有する。また、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、第５レンズＬ５は正のパワー（正の焦点距離）を有する。

すなわち、前群レンズ群１は、物体側から順に負、負、正のパワーを有するレンズから構成される。前群レンズ群１が物体側から順に負、負、正のパワーを与えられているので、物体側から広角に入射した光を前群レンズ群１を構成するレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３の各面で緩やかに屈折させることができることになり、特に、軸外の光を極力収差の発生を抑制しつつ絞りＩを通過させて後群レンズ群２を構成するレンズＬ４、Ｌ５に導くことができる。

特に、前群レンズ群１の物体側から第２番目に配置されている負のパワーを有する第２レンズＬ２の像側の面ｒ４は光軸Ｏに対して緩やかに曲率が小さくなるような非球面となっている。

これにより、軸外の光がその面ｒ４から受けるサジタル方向のパワーとメリディオナル方向のパワーとの差を小さくすることができるため、非点収差の発生を抑えることができ、像面３においての解像力を向上させることができる。

後群レンズ群２は、一般的には、非点収差、コマ収差、色収差等の光学収差を補正しながら、図２に拡大して示すように、像面３に入射する最大画角の主光線Ｐ１の光軸Ｏに対する入射角度θ’を小さくするという役割を有している。すなわち、撮像素子３Ａの撮像面３’に入射する最大画角の主光線Ｐ１の光軸Ｏに対する入射角度θ’を小さくするという役割を有している。なお、像面３に入射する最大画角の主光線Ｐ１のみでなく、比較的大きな画角の主光線の光軸Ｏに対する入射角度θ’を小さくしても良い。

この実施例では、後群レンズ群２は、絞りＩに近い側から正、正のパワーを有する２枚のレンズからなる。従って、収差補正を効率良く行なうことができると共に、撮像素子３Ａの撮像面３’への光の結像効果を高め、像面３に入射する主光線Ｐ１の入射角度θ’を極力小さくできる。また、撮像素子３Ａに入射する光束の光量ロスを大幅に低減できる。

特に、後群レンズ群２のうちの絞りＩから遠い側のレンズＬ５の最も像側の面ｒ１１は、後群レンズ群２の中で各像高に対する主光線Ｐ１、Ｐ２が最も分離している面であるので、非球面とすることが望ましい。

これにより、結像レンズ系の歪曲収差、非点収差の収差補正を特に行い易く、像面（撮像面３’）への主光線Ｐ１、Ｐ２の入射角度のコントロールが容易となる。その結果、撮像面３’においての解像力が向上し、歪曲収差を光学設計により目標とする値に容易に設定でき、撮像素子３Ａに入射する光束の光量ロスも少なくできる。

前群レンズ群１に、物体側から負、負、正のパワーを有するレンズを配し、後群レンズ群２に、絞りＩの側から正、正のパワーを有するレンズを配した場合、絞りＩを通過する最大像高の主光線Ｐ１の入射角度θＩを下記の条件式（１）のように40°以上60°未満とすることにより、撮像素子３Ａの撮像面３’に入射する主光線Ｐ１の光軸Ｏに対する入射角度を15°以内とすることができる。

60°＞θＩ ＞ 40° ・・・・条件式（１）
すなわち、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子３Ａの撮像面３’への像高ｈ’が高い位置に入射する主光線Ｐ１の入射角度θ’が小さくなり、撮像素子３Ａへ入射する光量の減少を抑制することができる。

ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子、マイクロレンズ付きの撮像素子は、入射する光束の主光線Ｐ１の入射角度θが大きくなればなるほど、全ての光束を撮像素子３の撮像面の画素（受光部）に導けなくなるので光量ロスが生じる。

絞りＩを通過する最大像高の主光線Ｐ１の入射角度θＩを大きくし、後群レンズ群２の２枚の正のパワーを有するレンズＬ４、Ｌ５により、主光線Ｐ１のメリジオナル平面内での入射角度を絞りＩ側から像面３に向かって緩やかに小さくしながら、各主光線の同族光束を集光させる（すなわち、各主光線とその周辺光線を集光させる）ことにより、像面３において像のサイズを保ちながら、かつ、解像力を高く保ちながら、像面３に入射する主光線の光軸Ｏに対する入射角度θ’を小さくすることができる（なお、「同族光束」については、オプトエレクトロニクス社の「ユーザーエンジニアのための光学入門（岸川 敏郎 著）の第２章 近軸領域の結像関係（Ｐ．１５）：平成９年７月１３日 第１版第５刷発行 発行所 （株）オプトロニクス社」の定義を参照）。

ここで、絞りIと像面３の距離（ｄ７＋ｄ８＋ｄ９＋ｄ１０＋ｄ１１＋ｄ１２＋ｄ１３）を長くすれば、入射角度θIを４０度以上としなくとも、像面３に入射する主光線の入射角度θ’を小さくすることができる。しかしながら、このように構成すると、結像レンズ系の全体の長さ、すなわち、第1レンズＬ１の物体側の面ｒ１から像面３までの距離、すなわち、結像レンズ系の全長が長くなり、広角レンズのコンパクト化を図ることができないこととなる。

この実施例１では、後群レンズ群２を構成する２枚のレンズＬ４、Ｌ５のうち、絞りＩに近い側の第4レンズＬ４に入射する主光線が光軸Ｏと為す角度に対してこの第4レンズＬ４から出射する主光線が光軸Ｏと為す角度に対して小さくなるように構成され、後群レンズ群２を構成する２枚のレンズＬ４、Ｌ５のうち、絞りＩに近い側のレンズＬ４から出射されかつ絞りＩから遠い側のレンズＬ５に入射する主光線が光軸Ｏと為す角度に対してこのレンズＬ５から出射する主光線が光軸Ｏと為す角度が小さくなるようにこのレンズＬ５が非球面レンズから構成されているので、広角レンズの光学系のコンパクト化を図りながら、像面３において像のサイズを保ちながら、かつ、解像力を高く保ちながら、歪曲収差、非点収差の収差補正を補正しつつ光量ロスを避けることができる。

また、絞りＩの直前に配置されている正のパワーを有する第３レンズＬ３の厚さを厚くすると、倍率色収差補正の自由度が向上する（特開２００７−２５４９９号公報の段落番号００３３参照）。

しかしながら、絞りＩの直前に配置された第3レンズＬ３の厚さを厚くすると、使用する硝材の量が多くなり、コストが高くなると同時に、広角レンズの全体の重量が大きくなる。

そこで、第3レンズＬ３を２枚のレンズに分割し、２枚のレンズを貼り合わせて合成レンズ系とすることが考えられるが、このような考えにより広角レンズを設計したとしても、追加分の製造コストやレンズモジュールの組み付けコストがアップするので、好ましくない。

このため、この実施例１の広角レンズは、第４レンズＬ４のアッベ数ν４を、
ν４＞７０ ・・・条件式（２）
とした。

これにより、色収差（軸上色収差、倍率色収差）を効果的に小さくすることができる。すなわち、第３レンズＬ３による色収差補正の負担を減らすことができ、結果として、第３レンズＬ３の厚みを厚くすることなく、像面３においての色収差を小さくできる。

また、この実施例では、非球面のレンズＬ２、Ｌ３、Ｌ５の硝材はプラスチックであり、第1レンズＬ１の硝材はガラスである。プラスチックは、ガラスに比べて融点が低いので、加工が容易であり、レンズＬ２、Ｌ３、Ｌ５をプレス成形するための金型の寿命が長くなって、コストダウンを図ることができる。また、第1レンズＬ１の硝材はガラスであるので、第１レンズＬ１の物体側の面がカメラモジュール外部にむき出しになって、小石等がぶつかっても、プラスチック材料のレンズに較べて、傷がつきにくいという利点がある。

以下に、この実施例１の具体例について説明する。
（具体例）
ここでは、この具体例の広角レンズの設計上のＦナンバーは２．０、設計上の光束の基準波長は５８７．５６nmである。

この具体例の非球面は、光軸Ｏに直交する方向の座標をｈ、光軸方向の座標をＺ、曲率半径をＲ、円錐定数をＫ、高次の非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃとして、下記の周知の定義式を用いて特定される。

Ｚ＝（ｈ²／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（ｈ²／Ｒ²）｝^1/2］＋Ａｈ⁴＋Ｂｈ⁶＋Ｃｈ⁸
下記の表１に、この広角レンズの面番号、曲率半径ｒ、面間隔ｄ、屈折率ｎ、アッベ数νの数値を示す。

面番号は物体側から像側に向かって順番に付している。曲率半径ｒに付した添字はその面番号を意味している。また、表１において、○印はその面が非球面であることを意味している。

下記の表２に、この広角レンズの面番号３〜６、面番号１０、１１についての非球面の円錐定数Ｋ、非球面係数Ａ、Ｂ、Ｃの具体的数値を示す。

下記の表３に、この広角レンズの焦点距離の具体的数値と、条件式（１）、条件式（２）の具体的数値とを示す。

この表３のように、入射角度θＩを４２．２°とすることにより、この具体例の広角レンズの像面３に入射する主光線Ｐ１の入射角度は約14.6°となり、小さな値にすることができる。入射角度θＩは４２．２以上であれば良いが、入射角度θＩの上限は結像レンズ系の構成により自ずから定まり、
９０度未満であり、6０度未満とすることが望ましい。

入射角度θＩが60度よりも大きなると、レンズや保持枠に起因する口径食により光線がけられやすくなり、像面で周辺画角の光量が減少する可能性が大きくなるからである。

このように、入射角度θＩを４２．２度以上とすると、像面３に入射する主光線Ｐ１の入射角度の最大値は１４．６度となり、従って、撮像素子へ入射する光束の光量の減少を抑制することができる。また、結像レンズ系の全長（第１レンズＬ１の物体側の面ｒ１から像面３までの距離）も、11.285mmと短くできるので、コンパクトな結像レンズ系とすることができる。

図３はこの具体例の非点収差図、図４はこの具体例のディストーション（歪曲収差）図、図５はこの具体例のコマ収差図である。

なお、図４のディストーション図は、立体射影方式（Ｙを像高、fを焦点距離、θを半画角としたとき、
Ｙ＝２f×ＴＡＮ（θ/２）
で示される射影方式）を用いて求めた歪量を示しており、下記に示す表４はこのディストーション図を描くときに用いた数値を示している。

また、非点収差図、コマ収差図の符号Ｒ１は波長650nm（赤）のサジタル方向の収差曲線（図３には破線で示されている）、符号Ｒ２（実線）は波長650nm（赤）のメリディオナル方向の収差曲線、符号Ｇ１は波長587.56nm（緑）のサジタル方向の収差曲線（図３には破線で示されている）、符号Ｇ２（実線）は波長587.56nm（緑）のメリディオナル方向の収差曲線、符号Ｂ１は、波長450nm（青）のサジタル方向の収差曲線（図３には破線で示されている）、符号Ｂ２（実線）は波長450nm（青）のメリディオナル方向の収差曲線を示している。

この具体例では、第４レンズＬ４のアッベ数ν４は８１．６であり、アッベ数が非常に大きい低分散材が用いられている。

従って、図３に示す非点収差曲線、図５に示すコマ収差曲線から見てとれるように、色収差が小さく、第３レンズＬ３の厚みを厚くすることなく、像面３においての色収差を小さくできる。

また、前群レンズ群１の物体側から第２番目に配置されている負のパワーを有する第２レンズＬ２の像側の面ｒ４が光軸Ｏに対して緩やかに曲率が小さくなるような非球面となっているので、軸外の光がその面ｒ４から受けるサジタル方向のパワーとメリディオナル方向のパワーとの差を小さくすることができるため、図３に示すように、非点収差の発生を抑えることができ、像面３においての解像力を向上させることができる。
（実施例２）
図６は本発明に係わる広角レンズの発明の実施の形態の実施例２の結像レンズ系を示す図、図７はその図６に示す結像レンズ系の部分拡大図である。

その図６において、実施例１の光学要素と同一の光学要素については、同一符号を付してその説明を省略することとする。

その図６に示す広角レンズの具体例を下記の表５〜表８に示す。

この実施例２の具体例では、広角レンズの設計上のＦナンバー、設計上の光束の基準波長は実施例１の具体例と同一である。非球面の特定に用いる定義式も実施例１と同様であり、表５は表１と同様に広角レンズの面番号、曲率半径ｒ、面間隔ｄ、屈折率ｎ、アッベ数νの数値を示している。

表６は、表２と同様にこの広角レンズの面番号３〜６、面番号１０、１１についての非球面の円錐定数Ｋ、非球面係数Ａ、Ｂ、Ｃの具体的数値を示している。表７は表３と同様に広角レンズの焦点距離の具体的数値と条件式（１）、条件式（２）を充足する数値とをそれぞれ示している。表８は、表４と同様にディストーション（歪曲収差）図を描く際に用いた数値を示している。

表７に示すように、入射角度θＩを4５．９°とすることにより、実施例１の広角レンズの像面に入射する主光線の入射角度の最大値は約12.3°となり、小さな値とすることができ、像面３、すなわち、撮像素子３Ａの撮像面３’へ入射する光量の減少を抑えることができる。また、結像レンズ系の全長も11.667mmと短くでき、コンパクトな結像レンズ系とすることができる。

なお、図８は図３に対応する非点収差図、図９は図４に対応するディストーション図、図１０は図５に対応するコマ収差図であり、符号の意味は実施例１と同じである。

この具体例では、第４レンズＬ４のアッベ数ν４は７０．４であり、実施例１と同様にアッベ数が非常に大きい低分散材が用いられている。

従って、図８に示す非点収差曲線、図１０に示すコマ収差曲線から見てとれるように、実施例１と同様に色収差が小さく、第３レンズＬ３の厚みを厚くすることなく、像面３においての色収差を小さくできる。

また、前群レンズ群１の物体側から第２番目に配置されている負のパワーを有する第２レンズＬ２の像側の面ｒ４が光軸Ｏに対して緩やかに曲率が小さくなるような非球面となっているので、軸外の光がその面ｒ４から受けるサジタル方向のパワーとメリディオナル方向のパワーとの差を小さくすることができるため、図８に示すように、非点収差の発生を抑えることができ、像面３においての解像力を向上させることができる。
（実施例３）
以下に、本発明に係わる広角レンズを有する撮像装置（車載用カメラ装置）について説明する。

この撮像装置には、ここでは、実施例１において説明した光学特性を有する広角レンズを用いている。しかしながら、実施例２において説明した光学特性を有する広角レンズを用いても良い。

撮像素子３Ａには、既述したように、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、すなわち、２次元的に配置された画素を有しかつ広角レンズにより画素に結像された被写体像を画像データに変換するタイプが用いられる。

この撮像装置は、撮像素子３Ａから出力された画像データを記憶するメモリと、指定した画角に対応する画像データをメモリから出力させるメモリ出力制御回路と、広角レンズの歪曲収差を補正する第１信号処理回路と、広角レンズの倍率色収差を補正する第２信号処理回路と、広角レンズのＭＴＦを補正する第３信号処理回路とを備えている。

以下に、その詳細を説明する。

図１１は撮像装置の一般的なブロック回路を示している。撮像装置３Ａの光電変換信号はセンサ（Ｉ／０）３Ｂから出力される。センサ（Ｉ／Ｏ）３Ｂの出力は、例えば、ＳＹＮＣ（Ｖ−ＳＹＮＣ、ＨＳＹＮＣ）、ＤＡＴＡ、ＣＬＫ（クロック）信号である。ＤＡＴＡ信号はＲ、Ｇ、Ｂのそれぞれにつき１０ビットであり、ＣＬＫ信号は、例えば、２５ＭＨ（メガヘルツ）である。

これらの各信号は、信号処理ユニット（ＤＳＰユニット）３Ｃに入力されて処理される。ＤＳＰユニット３Ｃは、既述の機能を有するメモリ、メモリ出力制御手段、第１信号処理回路〜第３信号処理回路を有する。

そのハード構成は、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ等のプログラマブルロジックやＡＳＩＣ等、入力信号に対して後述する処理を実現できるものであれば何でもよい。ＤＳＰユニット３Ｃにはクロック発生回路３Ｄから、例えば、１００ＭＨのクロック信号が入力される。

ＤＳＰユニット３Ｃの出力は、「システムの所望の出力」となるように、ポストＩ／Ｆ３Ｅにより変換出力される。出力形式としては、デジタルの場合、ＹＵＶ４２２、ＹＵＶ４４４、ＹＵＶ２２１等があるが、ここでは、ＮＴＳＣに変換して出力するものとする。

図１２はその撮像装置のより詳細な構成を示すブロック回路である。

図１に示す結像レンズ系により像面３（撮像面３’）に結像された被写体像は、撮像素子３Ａにより光電変換され、画像データ化される。この結像レンズ系による被写体像は、図４に示す歪曲収差や図３に示す倍率色収差を有している。

撮像素子３Ａから出力される画像データは、前処理部３Ｆのオートゲインコントローラ３Ｆ１によって自動利得制御され、Ａ／Ｄ変換器３Ｆ２によってデジタル信号に変換され、デジタル画像データとされる。なお、オートゲインコントローラ３Ｆ１は操作部３Ｇの操作に基づく制御回路３Ｈの制御により調節される。

デジタル画像データは信号処理部３Ｉにより画像処理される。この画像処理には、撮像素子３Ａに起因する画像劣化の改善処理と、結像レンズ系に起因する画像劣化の改善処理とがある。

撮像素子３Ａの画素配列には、例えば、緑（Ｇ）の画素数が赤（Ｒ）や青（Ｂ）の画素数より多いベイヤー配等がある。Ｒ、Ｇ、Ｂの各画像を作成する場合、単に、Ｒ、Ｇ、Ｂの画像データを取り出して合成するのみでは、各画素配列のズレにより、各色画像のズレが生じる。

信号処理部３Ｉでは、まず、これらの画素の再配列やＲ、Ｇ、Ｂ間のホワイトバランスの補正処理等を行う。この画像処理で、撮像素子３Ａに起因する画像劣化の補正処理を行った後、結像レンズ系に起因する画像劣化要因としての倍率色収差、歪曲収差、ＭＴＦ劣化の補正処理を行う。

なお、これらの補正処理を行う際、Ｒ、Ｇ、Ｂの画像データは一時的にフレームメモリ（メモリ）３Ｊに記憶される。制御回路３Ｈは、指定した画角に対応する画像データをメモリから出力させるメモリ出力制御回路としても機能し、フレームメモリ３Ｊから読み出された画像データは、必要に応じて、信号処理部３Ｉにより処理される。

図１３はその信号処理部３Ｉのより詳細な構成を示し、ここでは、第１信号処理回路〜第３信号処理回路の詳細構成のみを示している。

第１信号処理回路、第２信号処理回路は一次変換回路３Ｉ１から構成されている。第３信号処理回路はＦＩＲフィルタ回路３Ｉ２から構成されている。

一次変換回路３Ｉ１には、撮像素子３Ａのハード構成に起因する画像劣化の補正処理済みのＲ、Ｇ、Ｂの各デジタル画像データが入力される。一次変換回路３Ｉ１はこのＲ、Ｇ、Ｂのデジタル画像データに対して、一次変換処理を行う。この一次変換処理は、歪曲収差による被写体像の歪みを考慮しながら、入力画像データの座標を出力画像データの座標に写像を用いて行う座標変換処理である。これにより、歪曲収差の補正処理が実行される。

すなわち、歪曲収差は、広角レンズの特性として予め設計で定められているので既知であるか、又は、実際に計測することにより求めることができるので、この歪曲収差特性に基づいて、入力画像データの座標から出力画像データの座標への座標変換式を決定でき、この変換式に従って補正を行えば、歪曲収差を除去すること、すなわち、歪みの補正された画像データが得られる。その変換式は、例えば、多項式を用いて近似できる。

Ｒ、Ｇ、Ｂの画像に対してそれぞれ歪曲収差補正を行うことにより、倍率色収差の補正も同時に行われることになる。

従って、一次変換回路３Ｉ１は処理歪曲収差の補正処理を行う第１信号処理回路と、倍率色収差補正を行う第２信号処理回路とを兼用している。

なお、変換式による画素の圧縮伸張により光量分布が変化し、シェーディングが発生する場合があるので、各画素の輝度に各画素の面積の拡大率に応じた係数を乗ずることにより、光量ムラの補正を行う。

このようにして、歪曲収差、倍率色収差が補正されたデジタル画像データは、次段のＦＩＲフィルタ３Ｉ２に入力される。ＦＩＲフィルタ３Ｉ２は一次変換回路３Ｉ１から出力されたデジタル画像データにデコンボリューション等の処理を施す。

これにより、ＭＴＦの劣化が補正される。このＦＩＲフィルタには、ウイナフィルタや単純なＨＰＦ（ハイパスフィルタ）を用いることができる。

図１４は実施例１の広角レンズを用いて撮像した画像データに対して、図１２、図１３に即して説明した処理を行った結果を示している。

この図１４において、横軸は空間周波数、縦軸は輝度信号のＭＴＦである。画像データに処理を加えないままの場合、倍率色収差により、周波数が高くなるに伴って、符号１１１で示す曲線で示すように、ＭＴＦが劣化する。

倍率色収差の補正と歪曲収差の補正とを行うと、ＭＴＦの劣化を補正することができる。また、ＦＩＲフィルタを用いて、高周波成分を補償することにより、更に、高周波数領域でより一層十分なＭＴＦを有する鮮明な画像を取得可能である。

その曲線１１２は倍率色収差を補正したときのサジタル方向に関するＭＴＦ、曲線１１３は倍率色収差を補正したときのタンジェンシャル方向に関するＭＴＦであり、解像力が極めて良好に補正されている。

すなわち、図１４の曲線１１１と曲線１１２〜曲線１１５との差が、電子回路による処理を用いて解像力が補正された部分である。

この発明の実施例は、結像レンズ系と画像処理系との開発を画像の品質という観点からリンクして進めるという発想から為され、結像レンズ系で負担するには相当の困難を伴う光学特性値であるが、画像処理系で処理するにはそれほどの困難を伴わない光学特性値に着目し、画像の光学特性値の劣化を画像処理系に負担させて解消させることにより、結像光学の設計に関する負担を軽減し、総合的に画像品質の改善を図ることができる。

これらの補正処理が施された画像は、結像レンズ系の広角レンズの倍率色収差、歪曲収差に基づく劣化が補正され、かつ、画像の周辺部等で低下したＭＴＦも補正された画像として出力される。静止画を出力する場合、補正されたＲ、Ｇ、Ｂの各画像からビットマップデータ、ＪＰＥＧ画像等を作成して出力する。

また、動画を出力する場合、Ｒ、Ｇ、Ｂの各画像から図１２に示すように、ビデオエンコーダ３Ｋを通して、Ｈ．２６４やＭＰＥＧ２、４等の動画フォーマットの画像を生成する。デジタル出力の場合、ＨＤＭＩ(登録商標)やＤＶＩ、アナログ出力の場合、Ｄ／Ａ変換回路を通してＮＴＳＣ、Ｄ２、Ｄ４、コンポーネント信号等に変換してディスプレイ３Ｌに出力する。

これらの処理方法については、特願２００８−０３５２６３号に詳述されているので、これ以上の説明は省略する。

本発明の実施例１に係わる広角レンズの光学図である。 図１に示す広角レンズの部分拡大図である。 図１に示す広角レンズの非点収差曲線を示す図である。 図１に示す広角レンズのディストーション曲線を示す図である。 図１に示す広角レンズのコマ収差曲線を示す図である。 本発明の実施例２に係わる広角レンズの光学図である。 図６に示す広角レンズの部分拡大図である。 図６に示す広角レンズの非点収差曲線を示す図である。 図７に示す広角レンズのディストーション曲線を示す図である。 図８に示す広角レンズのコマ収差曲線を示す図である。 本発明の実施例３に係わる撮像装置の一般的な画像処理ブロック回路を示す図である。 図１１に示す画像処理ブロック回路のより詳細な構成を示す図である。 図１２に示す信号処理部のより詳細な構成を示すブロック回路図である。 本発明の実施例３に係わる撮像装置のＭＴＦ特性曲線図である。

符号の説明

１…前群レンズ群
２…後群レンズ群
Ｉ…絞り
Ｏ…光軸
θＩ…入射角度

Claims (7)

1. 絞りを境にして物体側から像側へ向かって前群レンズ群と後群レンズ群とが配置され、前群レンズ群を構成するレンズの枚数と後群レンズ群を構成するレンズの枚数の合計が５枚の結像レンズ系からなる広角レンズであって、
   前記前群レンズ群は、物体側から前記絞り側に向かってそれぞれ負のパワーを有する２枚のレンズと、正のパワーを有する１枚のレンズとからなり、
   前記後群レンズ群は、前記絞り側から前記像側に向かってそれぞれ正のパワーを有する２枚のレンズとからなり、
   前記後群レンズ群のうち前記絞りに近い側のレンズのアッベ数をν4として、ν4＞70 を満たすとともに、前記前群レンズ群の物体側から数えて第２番目のレンズの像側の面および前記後群レンズ群の前記絞りから遠い側のレンズの像側の面が非球面であることにより、
   前記絞りを通過する最大画角の主光線の前記結像レンズ系の光軸に対する入射角度θＩを、60°＞θＩ ＞ 40°としたことを特徴とする広角レンズ。
2. 前記入射角度θＩはメリジオナル平面内で定義されていることを特徴とする請求項１に記載の広角レンズ。
3. 前記後群レンズ群を構成する２枚のレンズ群のうち前記絞りに近い側のレンズに入射する主光線が前記光軸と為す角度に対して当該レンズから出射する主光線が前記光軸と為す角度が小さくなるように当該レンズが構成され、
   前記後群レンズ群を構成する２枚のレンズ群のうち前記絞りに近い側のレンズから出射されかつ前記絞りから遠い側のレンズに入射する主光線が前記光軸と為す角度に対して当該レンズから出射する主光線が前記光軸と為す角度が小さくなるように当該レンズが非球面レンズから構成されていることを特徴とする請求項２に記載の広角レンズ。
4. １８０度を超える画角を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の広角レンズ。
5. 前記前群レンズ群を構成するレンズのうちの物体側から数えて第１番目のレンズを構成する材料がガラスであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の広角レンズ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の広角レンズと、
   ２次元的に配置された画素を有しかつ前記光学系により前記画素に結像された被写体を画像データに変換する撮像素子と、
   該撮像素子から出力された画像データを記憶するメモリと、
   該メモリから指定された画角に対応する画像データを読出すメモリ出力制御回路と、
   前記広角レンズの歪曲収差を補正する第１信号処理回路と、前記広角レンズの倍率色収差を補正する第２信号処理回路と、前記広角レンズのＭＴＦを補正する第３信号処理回路とを有することを特徴とする撮像装置。
7. 請求項６に記載の撮像装置を有する車載カメラ装置。

Images