JP5369867B2 - 広角レンズおよび撮像装置 - Google Patents

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、広い撮像範囲が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、このような結像レンズは高解像度であることが好ましい。
例えば、車載カメラに使用する場合であれば、比較的近距離での路上の状況（釘、ガラス片等、比較的小さい危険物の有無）や、あるいは車体の移動速度が大きい高速道路上では比較的遠方での道路状況を的確に観察できる解像度を持つことが求められる。

また、例えば防犯用の監視カメラに用いる場合であれば、撮像された人物の様子や持ち物（凶器等の危険物らしきもの）の有無等を明瞭に撮像・観察できることが好ましい。

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」であることが好ましい。

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、広画角で性能も比較的良好であり、明るく、比較的コンパクトで、車載カメラや監視カメラに用いうる結像レンズとして、レンズ７枚構成のものが特許文献１、２記載のものが知られている。

特許文献１、２に開示された結像レンズは、何れも１８０度を超える広画角であり、レンズ枚数も７枚と少ないためコンパクト性の面でも優れている。

しかしながら、車載用や監視用の結像レンズで要求される広画角のもとで、解像度を高めるためには、色収差が良好に補正されている必要がある。
特許文献１記載の結像レンズの場合、画角の大きい部分で、例えば赤色光と青色光との間の色収差が０．０５ｍｍ（５０μｍ）程度もあり、撮像素子として画素ピッチで６μｍ程度のものを用いた場合には、同一画像の結像位置が赤色光と青色光とで、８画素分以上もずれてしまい、撮像したカラー画像の解像度は低いものとなってしまう。

特許文献２に開示された結像レンズでは色収差の補正の程度は不明であり、解像度の良否も明らかではない。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、色収差に起因する解像度の低下を有効に改良した結像レンズと「この結像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「画角が１６０度を超える広角レンズ」であって、物体側から像側へ向かって、前群、開口絞り、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順次、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、負レンズである第３レンズ、正レンズである第４レンズを配してなり、従って、屈折力配分は負・負・負・正である。

このように、前群の物体側に３枚の負レンズを配することにより、大きな画角をもって第１レンズに入射する最大画角の光束を、有効に光軸に平行に近づけることができるが、そのために入射画角の大きい第１レンズを、凸面を物体側に向けた負メニスカスレンズとする。

「後群」は、開口絞り側から像側へ向かって、正レンズである第５レンズと、負レンズである第６レンズと、正レンズである第７レンズとの３枚を配してなるが、これら３枚のうち「正レンズである第５レンズ」と「負レンズである第６レンズ」とが接合される。そして第５レンズと第６レンズとを接合した「接合レンズ」は正の屈折力を有する。

このように、後群は「正の屈折力を有する接合レンズ」と正レンズである第７レンズとにより構成されるので、全体として正の屈折力を有する。

また、正レンズである第５レンズの材質のアッベ数：νｄ５が５０以上であり、負レンズである第６レンズの材質のアッベ数：νｄ６が３０以下である。

そして、第７レンズの像側面は非球面である。
以上のレンズ構成を「広角レンズの基本構成」と称する。

請求項１記載の広角レンズは、上記基本構成において、「第４レンズ」の材質のアッベ数：νｄ４を３０以下としたことを特徴とする。
請求項２記載の広角レンズは、上記基本構成において、第４レンズの肉厚：ｄ４、全系の焦点距離：Ｆが、条件：
（１） ５．０ ＜ ｄ４／Ｆ ＜ ６．０
を満たすことを特徴とする。
請求項２記載の広角レンズにおいても、「第４レンズ」の材質のアッベ数：νｄ４を３０以下とすることが好ましい（請求項３）。

請求項１または２または３記載の広角レンズにおける第７レンズは、その像面側の非球面が主として「歪曲収差を調整する機能」を有することができる（請求項４）。
請求項１〜４の任意の１に記載の広角レンズは、画角が１８０度を超えるものであることができる（請求項５）。

また、請求項１〜５の任意の１に記載の広角レンズは、Ｆ値が１．９〜２．４の範囲にあるものであることが好ましい（請求項６）。

請求項１〜６の任意の１に記載の広角レンズは、第１〜第６レンズの材質を光学ガラスとし、第７レンズを樹脂レンズとすることができる（請求項７）。

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８）。
「広角レンズ」は、上記請求項１〜６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８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９）。

「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、この発明では、画角：１６０度を超える広角レンズにおいて色収差を十分に補正することにより、高解像度の実現を企図している。この広角レンズが「Ｆ値の小さい明るいレンズ」であることが好ましいことは言うまでもない。

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、撮像画像の解像度を低下させ易い。

「アッベ数の高い材質による正レンズ」と「アッベ数の低い材質による負レンズ」を組み合わせて用いることにより、色収差を低減できることは周知だが、このような正・負レンズを貼り合わせて接合レンズにすることにより、さらに色収差を低減できることはよく知られている。
特許文献１、２では、開口絞りの像側で「アッベ数の低い材質による負レンズ」を物体側、「アッベ数の高い材質による正レンズ」を像側にして接合レンズを構成しており、このような接合順序であると、接合面は「開口絞りに向かって凸形状」になり、各画角の主光線が、この接合面の法線に対して大きな角度で入射することになって、コマ収差が多く発生する。

この発明の請求項１の広角レンズでは、上記の如く、開口絞りの像側において、開口絞り側に「アッベ数の高い材質による正レンズ」である第５レンズを配し、像側に「アッベ数の低い材質による負レンズ」である第６レンズを配して、これらを接合して接合レンズを構成する。
このようにすると、正レンズである第５レンズ、負レンズである第６レンズの「各材質のアッベ数の大小関係」により色収差が良好に補正されるとともに、接合面が開口絞りに「凹面」を向けた形状となり、絞りの中心を通った各主光線が、接合面でその法線に対して小さい角度、即ち、コンセントリックな状態で入射するため「コマ収差の発生」を有効に低減することができる。

第５レンズ、第６レンズのこのような役割を有効に発揮させるためには、第５レンズの材質のアッベ数：νｄ５を５０以上とすると共に、第６レンズの材質のアッベ数：νｄ６を３０以下とするのがよい。

第５レンズの材質のアッベ数：νｄ５が５０以下であると、アッベ数が３０以下の材質の第６レンズと組み合わせても色収差が補正不足となり、第５レンズの材質のアッベ数が６５以上では逆に過剰補正となる。
第６レンズの材質のアッベ数：νｄ６が３０以上であると、アッベ数が５０以上の材質の第５レンズと組み合わせても色収差が補正不足となり、第６レンズの材質のアッベ数が１５以下だと、実在する硝材で構成するのが困難であり、このような硝材が存在したとしても、色収差が過剰補正となってしまう。

請求項１記載の広角レンズは、上記の如き構成により「色収差の良好な補正による高解像度の実現」を図るものであるが、前群においては、物体側から、第１レンズ〜第３レンズという「３枚の負レンズ」が配置されており、これらの像側に正レンズである第４レンズが配されている。

３枚の負レンズである第１レンズ〜第３レンズは、１６０度を超える超広角を実現するために「画角を広げる役割」を持つ。そして、これらの像側に設けられる第４レンズは、その開口絞り側の面において「３枚の負レンズである第１レンズ〜第３レンズで発生した倍率色収差」をキャンセルして補正する役割を持つ。

第４レンズのこのような役割を有効に発揮させるためには、請求項２のように、第４レンズの材質のアッベ数：νｄ４を３０以下とするのがよい。

第４レンズの材質のアッベ数が３０以上であると、前群の負レンズ群（第１レンズ〜第３レンズ）で発生した倍率色収差を補正しきれず、また、第４レンズを１５以下のアッベ数の材質で構成するのは「実在する硝材で構成する」のが困難であり、このような硝材が存在したとしても、倍率色収差が過剰補正となってしまう。

第４レンズの肉厚を大きくすることにより「前群内での光線を、緩やかに開口絞りまで導く」ことができ、特に、第４レンズの物体側面の曲率を緩くでき、発生する収差、とくに球面収差、コマ収差の低減が可能になる。

第４レンズの肉厚に関しては、請求項２、３記載のように、第４レンズの肉厚；ｄ４、全系の焦点距離：Ｆが、上記条件（１）を満足することが好ましく、パラメータである「ｄ４／Ｆ」が下限の５．０以下では、第１レンズ〜第３レンズで発生する倍率色収差と、これを補正する第４レンズの開口絞り側の面での倍率色収差のバランスを維持しつつ、球面収差、コマ収差を小さく保つのが困難になって、解像性能が劣化しやすい。

パラメータである「ｄ４／Ｆ」が６．０以上では、第４レンズの肉厚が大きくなりすぎて広角レンズの全長が長くなり、コンパクト性を損ないやすい。

「高解像度を実現するための色収差補正」であれば、第４、第６レンズの材質のアッベ数は必ずしも３０以下としなくても良いが、請求項６の場合のように「１．９〜２．４の範囲」という小さいＦ値の実現には、第４レンズ・第６レンズのアッベ数を３０以下とすることが有効である。

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５枚のレンズと２枚貼り合わせによる接合レンズ１個とで構成されるので、独立して設定できるレンズ面が１３面あり、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。

また、第７レンズの像側面は広角レンズの「結像光束が射出する最終レンズ面」であるので、この面に非球面を採用することにより、第１レンズ以下で発生した各種の収差を有効に補正することが可能になる。

一般的な結像レンズにおいては、各種の収差が小さく補正されることが好ましいことは当然であり、歪曲収差もその例外ではない。

しかしながら、車載カメラや監視用カメラでは結像レンズが広角であることに伴い、表示される撮像画像は広い画角をカバーするものであり「歪曲収差の小さい画面」が必ずしも観察し易いとは限らない。ある程度の歪曲収差を有する画面のほうが見やすい場合もあるのである。これは画像を表示するディスプレイのサイズにもよる。

第７レンズの像側面では、軸上主光線と軸外主光線とが分離しているので、結像光線の位置に応じて、非球面形状を適切に設定することにより、歪曲収差を調整することが可能となる。なお、後述する実施例では第７レンズの両面を非球面としている。このように、第７レンズには非球面が形成されるので、第７レンズは「樹脂レンズ」とすることが好ましい。

以上に説明したように、この発明によれば上記の如き構成により「色収差を良好に補正した高解像度の広角レンズ」を実現できる。実際、後述する実施例では、画角：１６５度、１９０度という広画角で、色収差が良好に補正されて解像度が高く、しかも、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１例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。 広角レンズの別例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２の広角レンズのデータを示す図である。 実施例２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２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の広角レンズの非点収差図である。 実施例２の広角レンズの非点収差図である。 実施例１の広角レンズの歪曲収差図である。 実施例２の広角レンズの歪曲収差図である。 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。 実施例２に関する相対的な倍率色収差を示す図である。 実施例２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２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、第１レンズＬ１〜第７レンズＬ７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、第３レンズＬ３も同じく「物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ」、第４レンズＬ４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、第４レンズＬ４は「前群」を構成する。
即ち、前群のパワー配分は「負・負・負・正」である。

第４レンズＬ４の像側に開口絞りＳが配置され、その像側に後群を構成する３枚のレンズ、即ち、第５レンズＬ５、第６レンズＬ６、第７レンズＬ７が、開口絞りＳ側から像側に向かって順に配置される。

第５レンズＬ５は「両凸レンズ」、第６レンズＬ６は「両凹レンズ」であり、これら第５レンズＬ５と第６レンズＬ６とは接合されている。第５レンズＬ５と第６レンズＬ６とが接合された接合レンズは「正の屈折力」を持つ。
第７レンズＬ７は両面ともに非球面であって、近軸領域では「両凸レンズ」である。

開口絞りＳは、前群と後群の間の「第５レンズＬ５の物体側面に近接した位置」に配置されている。

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「カラー撮像素子の受光面」である。カラー撮像素子は周知のものであって、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「１６０度を超える画角」を有する。

第１レンズＬ１〜第６レンズＬ６はガラスレンズであり、第７レンズＬ７は樹脂レンズである。

図２は、広角レンズの実施の別形態を示す図である。この広角レンズは、後述する実施例２のものである。繁雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものについては図１におけると同一の符号を付した。
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、第１レンズＬ１〜第７レンズＬ７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、第３レンズＬ３も同じく「物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ」、第４レンズＬ４は「曲率の大きい曲面を像側に向けた正メニスカスレンズ」であり、これら第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４は「前群」を構成する。
即ち、前群のパワー配分は「負・負・負・正」である。

第４レンズＬ４の像側に開口絞りＳが配置され、その像側に後群を構成する３枚のレンズ即ち、第５レンズＬ５、第６レンズＬ６、第７レンズＬ７が、開口絞りＳ側から像側に向かって順に配置される。

第５レンズＬ５は「両凸レンズ」、第６レンズＬ６は「両凹レンズ」であり、これら第５レンズＬ５と第６レンズＬ６とは接合されている。第５レンズＬ５と第６レンズＬ６とが接合された接合レンズは「正の屈折力」を持つ。
第７レンズＬ７は両面ともに非球面であって、近軸領域では「両凸レンズ」である。

開口絞りＳは、前群と後群の間の「第５レンズＬ５の物体側面にやや近接した位置」に配置されている。

図１におけると同様、符号ＣＧは撮像素子（ＣＣＤエリアセンサ）のカバーガラス、符号ＩＳは結像面を示し、結像面ＩＳは実体的には「カラー撮像素子の受光面」である。

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「１９０度を超える画角」を有する。

第１レンズＬ１〜第６レンズＬ６はガラスレンズであり、第７レンズＬ７は樹脂レンズである。

「実施例１」
図１に示す広角レンズの「具体的な実施例」である実施例１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：１６５度（半画角：８２．５度）、焦点距離：１．１６６ｍｍ、Ｆ値：２．０である。

図３に実施例１に関する諸元のデータを示す。
図３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開口絞り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１〜８が第１レンズＬ１〜第４レンズＬ４の物体側・像側レンズ面、面番号９が「開口絞りＳの面」、面番号１０〜１４が第５レンズＬ５〜第７レンズＬ７の物体側・像側レンズ面、面番号１５、１６はカバーガラスＣＧの物体側・像側面、面番号１７は結像面ＩＳの面を示す。面番号１１は第５レンズＬ５と第６レンズＬ６との接合面である。

「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７レンズの両面（面番号１３、１４）が非球面である。なお、図３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^２／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（ｈ^２／Ｒ^２）｝^１／２］
＋Ａｈ^２＋Ｂｈ^４＋Ｃｈ^６＋Ｄｈ^８＋Ｅｈ^１０＋Ｆｈ^１２
図４に、実施例１の非球面データを示す。図４の最左欄は前記「面番号」である。

図４において例えば「９．４１Ｅ−０３」は「９．４１×１０^−３」を意味する。以下に説明する実施例２においても同様である。

「実施例２」
図２に示す広角レンズの「具体的な実施例」である実施例２を示す。

実施例２における画角：１９０度（半画角：９５度）、焦点距離：０．９４６ｍｍ、Ｆ値：２．０である。

図５に実施例２に関する諸元のデータを図３に倣って示す。
図２との対応で言えば、面番号１〜８が第１レンズＬ１〜第４レンズＬ４の物体側・像側レンズ面、面番号９が「開口絞りＳの面」、面番号１０〜１４が第５レンズＬ５〜第７レンズＬ７の物体側・像側レンズ面、面番号１５、１６はカバーガラスＣＧの物体側・像側面、面番号１７は結像面ＩＳの面を示す。面番号１１は第５レンズＬ５と第６レンズＬ６との接合面である。

「非球面」は「○印」を付した第７レンズの両面（面番号１３、１４）である。

図６に、実施例２の非球面データを図４に倣って示す。

即ち、実施例１、２の広角レンズは、物体側から像側へ向かって、前群、開口絞り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、第３レンズＬ３、正レンズである第４レンズＬ４を配してなり、後群は、開口絞りＳ側から像側へ向かって、正レンズである第５レンズＬ５、負レンズである第６レンズＬ６、正レンズである第７レンズＬ７を配してなり、第５レンズＬ６と第６レンズＬ６が接合されている。

前群の第４レンズＬ４の材質のアッベ数：νｄ４は実施例１において２８．５、実施例２において２６．５、第６レンズＬ６の材質のアッベ数：νｄ６は実施例１において２０．９、実施例２において２３．８であって、ともに３０以下である。

また、第５レンズＬ５の材質のアッベ数：νｄ５は、実施例１において５５．３、実施例２において６０．１であり共に５０より大きい。

Ｆ値は上記の如く、実施例１、２とも２．０である。

また、第４レンズＬ４の肉厚：ｄ４と全系の焦点距離：Ｆとの比：ｄ４／Ｆの値は、実施例１において「５．１５（＝６．００／１．１６６）」、実施例２において「５．８９（＝５．５７／０．９４６）」であって、条件（１）を満足する。

第７レンズＬ７は非球面レンズ（両面とも非球面）で樹脂レンズである。第１レンズＬ１〜第６レンズＬ６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、実施例１において２．６５４ｍｍ、実施例２において２．３ｍｍである。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、実施例１において１９．８５４ｍｍ、実施例２において２０．９７ｍｍ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Ｌ１の有口径は、実施例１において１２．８ｍｍ、実施例２において１３．２ｍｍである。このように、この実施例１、２の広角レンズはコンパクトなサイズである。
図７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。図８は、実施例２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。

図９は実施例１に関する非点収差図、図１０は実施例２に関する非点収差図である。図７〜図１０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９、図１０に見られるように、実施例１、実施例２とも「非点収差」がよく補正されている。特に実施例１では非点収差の補正が極めて良好である。非点収差が良好に補正されていることもまた、解像度を高める効果を有している。

図１１、図１２に「画角に対する歪曲収差」を示す。図１１は実施例１に関するものであり、図１２は実施例２に関するものである。これらの図の左図は計算値を、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１１、図１２右図の歪曲収差図は、必要によりあるいは所望により「カラー撮像素子の出力による電子データに対する電子的処理」により補正することもできる。なお、実施例１、２とも、撮像画像のディスプレイの見易さの観点から、図１１、図１２のような歪曲収差を意図的に生じさせたものである。

図１３〜図１５には実施例１に関する「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。
これらの図における左図は計算値、右図はグラフで、横軸は画角、縦軸は倍率の色収差を示す。

図１４、図１５では縦軸のスケールを画素数としたものである。
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１４では、縦軸の画素単位は画素ピッチ：０．００６ｍｍ（６μｍ）の場合のものである。図１５では、画素ピッチを０．００３ｍｍとしている。

図１６〜図１８は、実施例２に関する「相対的な倍率色収差」を、図１３〜図１５にそれぞれ倣って示している。

実施例１や実施例２の広角レンズと、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もしくは実施例２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、身近手方向をＶで表す。）で、Ｈ、Ｖ両方向につき画素ピッチ：６μｍ、画素数：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１９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１９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２０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あるいは図２に示す結像レンズ系（上述の実施例１、２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１１あるいは図１２に示す如き歪曲収差を有する。

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「ベイヤー配列」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２１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、実施例２として示した広角レンズの歪曲収差は図１１、図１２に示す如きものであるが、所望により意図的に発生させているので、この歪曲収差を補正する必要はなく、上記歪曲収差の補正はオプションとして行なうようにすることができる。

Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ
Ｌ４ 第４レンズ
Ｓ 開口絞り
Ｌ５ 第５レンズ
Ｌ６ 第６レンズ
Ｌ７ 第７レンズ
ＣＧ 撮像素子のカバーガラス
ＩＳ 結像面

特開２００６−３３７６９１号公報 特開２００５−３４５５７７号公報 特開２００８−２７６１８５号公報

Claims (9)

1. １６０度を超える画角を有する広角レンズであって、
   物体側から像側へ向かって、前群、開口絞り、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順次、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、負レンズである第３レンズ、正レンズである第４レンズを配してなり、上記第４レンズは、その材質のアッベ数：νｄ４が３０以下であり、
   上記後群は、上記開口絞り側から像側へ向かって、正レンズである第５レンズ、負レンズである第６レンズ、正レンズである第７レンズを配してなり、上記第５レンズと第６レンズが接合され、全７枚のレンズにより結像系が構成され、
   上記第５レンズと第６レンズとの接合レンズが正の屈折力を有し、
   正レンズである第５レンズの材質のアッベ数：νｄ５が５０以上、かつ、負レンズである第６レンズの材質のアッベ数：νｄ６が３０以下であって、
   第７レンズの像側面が非球面であることを特徴とする広角レンズ。
2. １６０度を超える画角を有する広角レンズであって、
   物体側から像側へ向かって、前群、開口絞り、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順次、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、負レンズである第３レンズ、正レンズである第４レンズを配してなり、上記第４レンズの肉厚：ｄ４、全系の焦点距離：Ｆが、条件：
   （１） ５．０ ＜ ｄ４／Ｆ ＜ ６．０
   を満たし、
   上記後群は、上記開口絞り側から像側へ向かって、正レンズである第５レンズ、負レンズである第６レンズ、正レンズである第７レンズを配してなり、上記第５レンズと第６レンズが接合され、全７枚のレンズにより結像系が構成され、
   上記第５レンズと第６レンズとの接合レンズが正の屈折力を有し、
   正レンズである第５レンズの材質のアッベ数：νｄ５が５０以上、かつ、負レンズである第６レンズの材質のアッベ数：νｄ６が３０以下であって、
   第７レンズの像側面が非球面であることを特徴とする広角レンズ。
3. 請求項２記載の広角レンズにおいて、
   前群の第４レンズは、その材質のアッベ数：νｄ４が３０以下であることを特徴とする広角レンズ。
4. 請求項１または２または３記載の広角レンズにおいて、
   第７レンズの像側面の非球面が、主として歪曲収差を調整する機能を有することを特徴とする広角レンズ。
5. 請求項１〜４の任意の１に記載の広角レンズにおいて、
   画角が１８０度を超えることを特徴とする広角レンズ。
6. 請求項１〜５の任意の１に記載の広角レンズにおいて、
   Ｆナンバが１．９〜２．４の範囲内の値であることを特徴とする広角レンズ。
7. 請求項１〜６の任意の１に記載の広角レンズにおいて、
   第１〜第６レンズの材質が光学ガラスであり、第７レンズが樹脂レンズであることをと特徴とする広角レンズ。
8. 請求項１〜７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カラー撮像素子と、を有することを特徴とする撮像装置。
9. 請求項８記載の撮像装置において、
   カラー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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