JP5272858B2 - 広角レンズおよび撮像装置 - Google Patents

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Description

この発明は広角レンズおよび撮像装置に関する。
結像レンズとエリアセンサを組み合わせた「監視用カメラや車載カメラ」が実用化されつつある。
監視用カメラや車載カメラに用いられる結像レンズは、広い撮像範囲を撮像可能であることが好ましく、画角が広いレンズであることが求められる。また、監視用カメラや車載カメラも屋外で使用される機会が多く、撮像環境での明るさは、日中と夜とで大きく異なるところから、特に「夜でも良好な撮像が可能」であるように「明るいレンズ」であることも求められる。
さらに、監視用カメラや車載カメラのコンパクト性の要請から、小型のレンズであることも重要である。
従来、画角に関しては180度を超え、明るさに関してはF値:2.8のものが提案されている(特許文献1、2)。また、これら特許文献1、2に開示された広角レンズは、光学全長が11mm程度のコンパクト性を達成している。
また、広角レンズによる撮像対象の像が撮像素子(エリアセンサ)により画素ごとの電子データに変換されることに鑑み、広角レンズにおける収差の一部、例えば歪曲収差を電子的な手段で補正することも提案されている(特許文献3)。因みに、特許文献3に記載された広角レンズもF:2.8を達成している。
この発明は上述したところに鑑み、180度を超える画角を持ちながらも、従来達成されていた明るさ:F=2.8よりもさらに明るく、なおかつコンパクトな広角レンズの実現、また、かかる広角レンズを用いる撮像装置の実現を課題とする。
この発明の広角レンズは、180度を超える画角を有し、F値が2.8よりも小さい広角レンズであって、以下の如き特徴を有する(請求項1)。
即ち、物体側(撮像対象側)から像側へ向かって、前群、絞り、後群をこの順序に配してなる。
「前群」は、物体側から像側へ向かって、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズである第1レンズ、負レンズである第2レンズ、正レンズである第3レンズを配してなり、
「後群」は、絞り側から像側へ向かって、正レンズである第4レンズ、負レンズである第5レンズ、正レンズである第6レンズを配してなる。
従って、これら第1〜第6レンズの6枚のレンズが「結像系」を構成するが、第1〜第6レンズは、互いに独立した別体のレンズである。
そして、第2レンズ、第4レンズ、第6レンズが非球面レンズである。
広角レンズは、前群の第3レンズ(正レンズ)の材質のアッベ数:νdL3、後群の第5レンズ(負レンズ)の材質のアッベ数:νdL5が、条件:
(1) νdL3<21
(2) νdL5<21
を満足する。
請求項1記載の広角レンズは、F値の範囲が1.9〜2.4であることができる(請求項2)。
請求項1または2記載の広角レンズは、第1レンズをガラスレンズで構成し、第2、第4および第6レンズは樹脂レンズとすることが好ましい(請求項3)
この発明の「撮像装置」は、広角レンズと、撮像素子とを有する(請求項4)。
「広角レンズ」は、上記請求項1〜4の任意の1に記載のものである。
「撮像素子」は、画素が2次元に配列され、広角レンズにより結像された撮像対象の像を画像データに変換する素子であり、一般にCCDやCMOS等のエリアセンサを用いることができる。
請求項4記載の撮像装置はさらに「撮像素子により変換された画像データに対して電子的な処理を実行する電子処理手段」を有することができる(請求項5)。
「電子処理手段」が実行する「撮像素子により変換された画像データに対する電子的な処理」は、従来から広く知られた各種の画像処理や伝送処理、あるいは特許文献3等で知られた収差やMTFの補正等を含むことができる。
上述したように、この発明は、180度を超える画角を有する広角レンズにおいて、従来達成されているF:2.8を「さらに超える明るさ」の実現を企図している。
明るさの指標であるF値は、レンズ系の焦点距離を入射瞳径で除したものであるから、明るさを達成するためにF値を小さくするには、焦点距離を小さく、入射瞳径を大きくすれば良いが、何れの場合も、軸上光線と軸外光線のなす角が大きくなり易く、色収差(特に倍率の色収差)の増大を招来し易く、撮像画像の像質を低下させ易い。
この発明の広角レンズにおいては、第1〜第3レンズにより構成されて「負・負・正のパワー配分を有する前群」に対し、後群を「正・負・正のパワー配分を有する第4〜第6レンズ」により構成し、前・後群間に絞りを配し、かかるレンズ構成において、第3レンズ、第5レンズとして、これらレンズの材質のアッベ数:νdL3、νdL5が上記の条件(1)、(2)を満足する高分散のものを用いることにより「F値を小さくすることに付随する色収差の増大」を有効に補正し、良好な撮像画像を実現するのである。
即ち、前群において、主として正のパワーを持つ第3レンズの高分散性により、倍率の色収差を大きく発生させることにより、補正の取り扱いを容易にし、このように大きく発生させた倍率の色収差を、後群における負のパワーの第5レンズの高分散性により良好に補正する。
条件(1)、(2)を満足しない場合、第3、第5レンズの分散性が不十分であり、F値を十分に小さくした場合に「色収差を十分に補正」することが困難である。
勿論、撮像画像の像質を良好にするためには、色収差のみならず、他の収差の補正も重要である。この発明の広角レンズは前記の如く、独立した6枚のレンズで構成されるので、特許文献2のように「接合レンズ」を用いる場合に比して、設計のパラメータ数が多いので収差補正のための設計の自由度が大きい。
収差の補正には、非球面の採用が有効であるが、請求項1のように、第2、第4、第6レンズに非球面を採用するのが良い。後述する実施例では、これら3枚のレンズの両面を非球面としている。
第2レンズ、第6レンズは何れも「結像光束径が最も小さくなる絞り位置」から離れているので、これらレンズのレンズ面上で、軸上光束と軸外光束が分離しており、軸上光束が通過する光軸近傍の領域と、軸外光束が通過するレンズ周辺の領域とで、これら各々の光束の収差補正に適した非球面形状を与えることにより収差を良好なものとすることができる。
また、第4レンズは絞りの直後に位置するため、この部分では軸上光束と軸外光束とが混交している。このため、単純な球面では「この部位における良好な収差補正」が困難となるが、この第4レンズに非球面を採用することにより、有効な収差補正(特に球面収差の補正)を実現できる。
第2、第4、第6レンズに非球面を採用することには上記の如き利点があるが、非球面を採用するレンズは第2、第4、第6レンズに限定されず、これらのレンズと他のレンズ(第1、第3、第5レンズの1以上)の組み合わせや、「第2、第4、第6レンズ以外のレンズの組み合わせ」に対して非球面を採用することも可能である。
請求項1の場合のように、第2、第4、第6レンズを非球面とする場合、請求項3のように、これら第2、第4、第6レンズは「非球面を形成しやすい樹脂レンズ」とするのが良い。
第1レンズは「これを樹脂レンズとする」ことも考えられるが、第1レンズは最も物体側にあり、これを外部に「剥き出し」で配置する場合、樹脂レンズは外部物との機械的な接触により損傷しやすい。従って、第1レンズを樹脂レンズとする場合には、カバー等のプロテクト手段により第1レンズ面を保護する必要がある。
広角レンズが180度を超える画角を有することを考慮すると、上記プロテクト手段にはその形態に工夫を要し、広角レンズとしてのコスト上昇を招来し易い。
請求項3のように、第1レンズを「硬いガラスレンズ」とすることにより、第1レンズがむき出しで配置されることによる上記問題は有効に回避される。勿論、第3、第5レンズを樹脂レンズとすることも可能である。
第1レンズはまた、入射角の大きい軸外光束を有効に「光軸に近づける」ように屈折することが設けられ、このためにも、屈折率の大きいガラスによるレンズが好ましい。
以上に説明したように、この発明の広角レンズは、上記の如き構成により、従来よりも明るく、且つ、色収差のみならず歪曲収差や他の収差も良好に補正した広角レンズを実現できる。実際、後述する実施例では、190度という画角を持ち、色収差をはじめ諸収差が良好に補正され、F:2.0という明るい広角レンズを実現できた。
広角レンズのレンズ構成と軸上光束および最軸外光束とを示す図である。 実施例1の広角レンズのデータを示す図である。 実施例1の広角レンズの非球面データを示す図である。 実施例1の広角レンズのタンジェンシアル方向およびサジタル方向の横収差図である。 実施例1に関する非点収差図である。 実施例1に関する歪曲収差図である。 実施例1に関する相対的な倍率色収差を示す図である。 実施例1に関する相対的な倍率色収差(画素単位)を示す図である。 実施例1に関する相対的な倍率色収差(画素単位)を示す図である。 撮像装置における撮像素子と電子処理手段との部分を示す図である。 撮像装置のより詳細な構成を示すブロック回路である。 信号処理部のより詳細な構成を示す図である。
以下、実施の形態を説明する。
図1は、広角レンズの実施の1形態を示す図である。この広角レンズは、後述する実施例1のものである。
広角レンズは、物体側である図の左方から像側である図の右方へ向かって「独立した6枚のレンズ」である第1レンズL1〜第6レンズL6を配してなる。
第1レンズL1は「凸面を物体側に向けた負メニスカスレンズ」、第2レンズL2は同じく「物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ」、第3レンズL3は「両凸レンズ」であり、これら第1レンズL1、第2レンズL2、第3レンズL3は「前群」を構成する。即ち、前群のパワー配分は「負・負・正」である。
第4レンズL4は曲率の大きい面を像側に向けた「両凸レンズ」であり、第5レンズL5は「両凹レンズ」、第6レンズL6は「両凸レンズ」である。これら第4レンズL4、第5レンズL5、第6レンズL6は「後群」を構成する。即ち、後群のパワー配分は「正・負・正」である。
前群と後群の間の「第4レンズL4の物体側面に近接した位置」に絞りSが配置されている。
図1において、符号CGは撮像素子(CCDエリアセンサ)のカバーガラスを示し、符号ISは結像面を示し、結像面ISは実体的には「撮像素子の受光面」である。撮像素子は、画素が2次元に配列され、広角レンズにより結像された「撮像対象の像」を電子的な画像データに変換する。
また、符号LF0は「軸上光束」、符号LF1は「最軸外光束」である。最軸外光束LF1の第1レンズL1への入射状況から明らかなように、この広角レンズは「180度を超える画角」を有する。
第2レンズL2、第4レンズL4、第6レンズL6は、樹脂製の非球面レンズであり、第1レンズL1はガラスレンズである。
「実施例1」
図1に示す広角レンズの「具体的な実施例」を示す。なお、以下において、長さの次元を持つ量の単位は「mm」である。
実施例1における画角:190度(半画角:95度)、焦点距離:0.876である。
図2に実施例1に関する諸元のデータを示す。
図2の最左欄は、第1レンズL1の物体側から結像面ISへ向かって数えた「面番号」を示す。面番号として数えられる面はレンズ面と絞りSの面、カバーガラスCGの両面および結像面(図2において「像面」)も含む。
図1との対応で言えば、面番号1〜6が第1レンズL1〜第3レンズL3の物体側・像側レンズ面、面番号7が「絞りSの面」、面番号8〜13が第4レンズL4〜第6レンズL6の物体側・像側レンズ面、面番号14、15はカバーガラスCGの物体側・像側面、面番号16は結像面ISの面を示す。
「非球面」の欄における「○印」はレンズ面が非球面であることを示し、図の如く、第2レンズの両面(面番号3、4)、第4レンズの両面(面番号8、9)、第6レンズの両面(面番号12、13)が非球面である。なお、図1における「曲率半径」の欄の値は、非球面にあっては「近軸曲率半径」である。
非球面形状は、光軸直交方向の座標:h、光軸方向の座標:Z、近軸曲率半径:R、円錐定数:K、高次の非球面係数:A、B、C、D、E、Fを用いて、周知の次式で表し、K、A〜Fの値を与えて形状を特定する。
Z=(h/R)/[1+{1−(1+K)(h/R)}1/2
+Ah+Bh+Ch+Dh+Eh10+Fh12
図3に、実施例の非球面データを示す。図2の最左欄は前記「面番号」である。
図3において例えば「5.107E−06」は「5.176×10−6」を意味する。
即ち、実施例1の広角レンズは、物体側から像側へ向かって、前群、絞りS、後群をこの順序に配してなり、前群は、物体側から像側へ向かって、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズである第1レンズL1、負レンズである第2レンズL2、正レンズである第3レンズL3を配してなり、後群は、絞りS側から像側へ向かって、正レンズである第4レンズL4、負レンズである第5レンズL5、正レンズである第6レンズL6を配してなり、全体として6枚の独立したレンズにより結像系が構成される。
前群の第3レンズL3の材質のアッベ数:νdL3(=18.9)、後群の第5レンズの材質のアッベ数:νdL5(=18.9)が、条件:
(1) νdL3<21
(2) νdL5<21
を満足する。
また、実施例1の広角レンズのF値は2.0である。
第2レンズL2、第4レンズL4、第6レンズL6が非球面レンズ(両面とも非球面)であり、これらのレンズは樹脂レンズである。また、第1レンズL1、第3レンズL3、第5レンズL5はガラスレンズである。
また、バックフォーカス(第6レンズの像側面から結像面までの光軸上の距離)は、1.09mm、第1レンズの物体側面から結像面までの光軸上の距離である光学全長は、12.69mmである。光軸直交方向における広角レンズのサイズを規定する第1レンズの有口径は13mm以下である。このように、この実施例の広角レンズは、特許文献1等に記載された広角レンズと同等以下のコンパクトなサイズである。
図4は、実施例1に関するタンジェンシアル方向およびサジタル方向の「コマ収差」を含めた横収差を示す。また、図5は実施例1に関する非点収差図である。図4、図5において「R1、R2」とあるのは波長:650nm、「G1、G2」とあるのは波長:532nm、「B1、B2」とあるのは波長:477nmの光に対するものであることを示し、R1、G1、B1はサジタル方向、R2、G2、B2はタンジェンシアル方向を示す。
図6は、画角に対する歪曲収差を示す。図6の左図は計算値を、右図は歪曲収差図を示す。歪曲収差図における縦軸は半画角(光軸に対する入射光束の入射角)を示し、横軸は歪曲量(%)である。なお、歪曲収差は「撮像素子における鉛直方向」における立体射影方式、即ち、広角レンズの焦点距離:f、像高:Y、半画角:θに対して、
Y=2f・tan(θ/2)
で示される射影方式によるものである。
図6右図の歪曲収差図から明らかなように、歪曲収差はきわめて良好に補正されており、撮像素子の出力による電子データに対する電子的処理により補正する必要は殆どない。
図7には、相対的な倍率色収差、即ち緑色光(前述の波長:532nm)を基準とし、緑色光に対する赤色光(前述の波長:650nm)の「倍率色収差の差:R−G」および、緑色光に対する青色光(前述の波長:477nm)の「倍率色収差の差:B−G」を示す。図7左図は計算値、図7右図はグラフで、横軸は画角、縦軸は倍率の色収差である。図7右図で曲線7−1が「R−G」、曲線7−2が「B−G」である。
図8には、図7に示した倍率色収差の差:R−GおよびB−Gを「画素数との関係」として表したものである。図8左図は計算値、右図はグラフである。グラフの横軸は画角、縦軸は画素数である。図8右図でも曲線7−1が「R−G」、曲線7−2が「B−G」である。
例えば、ある画角において倍率色収差の差:R−Gの画素数が1であるとすれば、この画角において、赤色光:Rと緑色光:Gの結像位置が「1画素分」ずれていることを意味する。
図8に示した例は画素ピッチ:0.006mm(6μm)の場合のものである。
図9は、図8と同じ倍率色収差の差:R−GおよびB−Gを「画素数との関係」として図8に倣って表したものである。図9左図は計算値、右図はグラフである。グラフの横軸は画角、縦軸は画素数である。図9は、画素ピッチ:0.003mmの場合である。図9右図でも曲線7−1が「R−G」、曲線7−2が「B−G」である。
このような広角レンズと、撮像素子を組み合わせることにより撮像装置を構成することができる。
撮像素子は、既述したように、CCDやCMOS、即ち、2次元的に配置された画素を有し、広角レンズにより画素配列面(上述の結像面)に結像された被写体像(前記「撮像対象の像」)を画像データに変換するエリアセンサタイプが用いられる。
実施例1の広角レンズと組み合わせられる撮像素子の1例として、受光面の形状が長方形形状(長手方向をH、短手方向をVで表す。)で、画素ピッチがH、V両方向に着き6μm、画素数が640(H方向)×480(V方向)のものをあげることができる。
この場合、実効撮像エリアは、2.88mm(V方向)×3.84mm(H方向)×4.80mm(D方向:対角線方向)である。
また、このような広角レンズと撮像素子とに対してさらに「電子処理手段」を組み合わせた撮像装置を構成しても良い。
図10に、撮像装置における「撮像素子と電子処理手段」との部分を示す。
「電子処理手段」は、符号3Aで示す撮像素子の「後段の部分」であり、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MTFを補正する第2信号処理回路とを備えている。
即ち、図10に「一般的なブロック回路」として示すように、撮像素子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、既述のメモリ、メモリ出力制御手段、第1信号処理回路、第2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11は「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(上述の広角レンズ)により撮像素子3AであるCCDの像面(前記結像面IS)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、電子的な画像データとされる。広角レンズによる被写体像は図6に示す歪曲収差を有する。
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、広角レンズ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12は信号処理部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2信号処理回路の詳細構成のみを示している。
第1信号処理回路は一次変換回路3I1から構成されている。第2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。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。
即ち、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。変換式は、例えば多項式を用いて近似できる。
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。
なお、実施例1として示した広角レンズの歪曲収差は図6に示すように良好に補正されているので、上に説明した歪曲収差を行なうことにより「より良好な画像」を実現することができるが、広角レンズ自体においてすでに良好に補正されているので、上記歪曲収差補正は省略しても実用上差し支えない。
L1 第1レンズ
L2 第2レンズ
L3 第3レンズ
S 絞り
L4 第4レンズ
L5 第5レンズ
L6 第6レンズ
CG 撮像素子のカバーガラス
IS 結像面
特開2007−249073号公報 特開2006−284620号公報 特開2008−276185号公報

Claims (5)

  1. 180度を超える画角を有し、F値が2.8よりも小さい広角レンズであって、
    物体側から像側へ向かって、前群、絞り、後群をこの順序に配してなり、
    上記前群は、物体側から像側へ向かって、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズである第1レンズ、負レンズである第2レンズ、正レンズである第3レンズを配してなり、
    上記後群は、上記絞り側から像側へ向かって、正レンズである第4レンズ、負レンズである第5レンズ、正レンズである第6レンズを配してなり、全体として6枚の独立したレンズにより結像系が構成され、
    上記第2レンズ、第4レンズ、第6レンズが非球面レンズであり、
    上記前群の第3レンズの材質のアッベ数:νdL3、上記後群の第5レンズの材質のアッベ数:νdL5が、条件:
    (1) νdL3<21
    (2) νdL5<21
    を満足することを特徴とする広角レンズ。
  2. 請求項1記載の広角レンズにおいて、
    Fナンバ:Fが1.9〜2.4の範囲の値であることを特徴とする広角レンズ。
  3. 請求項1または2記載の広角レンズにおいて、
    第1レンズがガラスレンズであり、
    第2、第4および第6レンズは樹脂レンズであることを特徴とする広角レンズ。
  4. 請求項1〜3の任意の1に記載の広角レンズと、
    画素が2次元に配列され、上記広角レンズにより結像された撮像対象の像を画像データに変換する撮像素子と、を有することを特徴とする撮像装置。
  5. 請求項4記載の撮像装置において、
    撮像素子により変換された画像データに対して電子的な処理を実行する電子処理手段を有することを特徴とする撮像装置。
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