JP5850191B1 - 光学系および撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】全長が長くなることを抑制した光学系および撮像システムを提供する。【解決手段】物体側から順に負の焦点距離をもつ第１レンズ群と、絞りと、正の焦点距離をもつ第２レンズ群と、を含む光学系であって、第１レンズ群は、光軸が同一、かつ、凸面が物体側に向いた２枚の負メニスカスレンズを含み、２枚の負メニスカスレンズは、屈折率が１．８以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、光学系および撮像システムに関する。

近年、１８０度を超える画角を持つ広角レンズ（いわゆる、魚眼レンズ）を有する撮像システムが、広範囲を撮影するために用いられている。魚眼レンズでは、全画角が１８０度を超える入射角に対応するために、一般的な射影方式（正射影）ではなく、立体射影方式または等距離射影方式が採用されている。

このような１８０度を超える画角に対応し、等距離射影方式を採用した撮像システムとして、負の屈折力を有する前群と、絞りと、正の屈折力を有する後群と、を有し、前群は、少なくとも３枚の負メニスカスレンズを有し、前群および後群は、正レンズと負レンズとの接合レンズを有する撮像システムが提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に記載された撮像システムは、空間的な占有が大きい負の屈折力を有するメニスカスレンズを３枚搭載しているので、全長が長くなるという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、全長が長くなることを抑制した光学系および撮像システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、物体側から順に負の焦点距離をもつ第１レンズ群と、絞りと、正の焦点距離をもつ第２レンズ群と、を含む光学系であって、前記第１レンズ群は、光軸が同一、かつ、凸面が前記物体側に向いた２枚のみの負メニスカスレンズを含み、２枚の前記負メニスカスレンズのうち、前記物体側の負メニスカスレンズは、両面が球面であり、像側の負メニスカスレンズは、両面が光軸上および光軸外に入射した光線それぞれに基づく収差を補正する非球面であり、前記第１レンズ群および前記第２レンズ群は、全画角が１８０度を超え、２枚の前記負メニスカスレンズは、前記第１レンズ群内に入射瞳を有し、前記物体側の負メニスカスレンズに入射する各画角の光線の前記入射瞳に対する角度が１３度以下となるように屈折率を１．８以上とし、かつ、Ｆナンバを２としたことを特徴とする。

本発明によれば、全長が長くなることを抑制することができる。

図１は、第１の実施の形態に係る撮像システムの全体構成図である。 図２は、第１の実施の形態に係る撮像システムにおける光軸および最大画角の主光線を示す図である。 図３は、各射影方式における画角に対する像高の変化量を示すグラフである。 図４は、第１の実施の形態に係る撮像システムの画角に対する像高の変化量と、等距離射影方式の理想の像高の変化量とを示すグラフである。 図５は、第１の実施の形態に係る撮像システムの画角に対する周辺光量比を示すグラフである。 図６は、第１の実施の形態に係る撮像システムの球面収差を示すグラフである。 図７は、第１の実施の形態に係る撮像システムの非点収差を示すグラフである。 図８は、第１の実施の形態に係る撮像システムのコマ収差を示すグラフである。 図９は、第１の実施の形態に係る撮像システムのＭＴＦの特性を示すグラフである。 図１０は、第２の実施の形態に係る撮像システムの全体構成図である。 図１１は、第３の実施の形態に係る撮像システムの全体構成図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明に係る光学系および撮像システムの実施の形態を詳細に説明する。また、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではなく、以下の実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想到できるもの、実質的に同一のもの、およびいわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下の実施の形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換、変更および組み合わせを行うことができる。

［第１の実施の形態］
（撮像システムの全体構成）
図１は、第１の実施の形態に係る撮像システムの全体構成図である。図１を参照しながら、本実施の形態に係る撮像システム１の全体構成について説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る撮像システム１は、光学系１０と、カバーガラスＣＧと、イメージセンサＩＳ（撮像素子）と、を備えている。光学系１０は、１８０度を超える画角に対応した広角レンズ（いわゆる、魚眼レンズ）であり、等距離射影方式が採用されている。ここで、等距離射影方式とは、像高（イメージセンサＩＳにより撮像される撮像画像の画像中からの高さ）をｙ、光学系１０の焦点距離をｆ、半画角をθとした場合に、ｙ＝ｆ・θの関係を有する方式である。すなわち、像高ｙは、半画角θ（入射角）に比例する。光学系１０は、前群２（第１レンズ群）と、絞り４と、後群３（第２レンズ群）と、を備えている。撮像システム１は、物体側から像側に向かって、前群２、絞り４、後群３、カバーガラスＣＧ、およびイメージセンサＩＳの順に直列に並んで構成されている。

前群２は、光学系１０の物体側に配置されたレンズ群である。また、前群２は、全体として負の屈折力で、１８０度を超える広画角の光線を取り込む。前群２は、物体側から像側に向かって、レンズＬ１、レンズＬ２、平行平面板ＰＰの順に直列に並んで構成されている。

レンズＬ１は、ガラス材料で構成された両面が球面の負メニスカスレンズである。レンズＬ２は、ガラス材料で構成された両面が非球面の負メニスカスレンズである。平行平面板ＰＰは、光軸に対して垂直な平行な平面を有し、ガラス材料の屈折率を有する光学部材である。

絞り４は、前群２に入射する光の量を自在に調整する開口絞りである。絞り４は、後述するレンズＬ３の物体側の面（面Ｌ３Ｒ１）の近傍に配置されている。

後群３は、光学系１０の像側に配置されたレンズ群である。後群３は、全体として正の屈折力で、主に撮像画像の収差を補正する。後群３は、物体側から像側に向かって、レンズＬ３、レンズＬ４、レンズＬ５、レンズＬ６、レンズＬ７の順に直列に並んで構成されている。

レンズＬ３は、ガラス材料で構成された両面が球面の両凸レンズである。レンズＬ４は、ガラス材料で構成された両面が非球面の両凸レンズである。レンズＬ５は、ガラス材料で構成された両面が球面の両凸レンズである。レンズＬ６は、ガラス材料で構成された両面が球面の両凹レンズである。レンズＬ５およびレンズＬ６は、レンズ面（後述の面Ｌ５Ｒ２および面Ｌ６Ｒ１）で貼り合わされた接合レンズを形成している。レンズＬ７は、ガラス材料で構成された両面が非球面の両凸レンズである。

カバーガラスＣＧは、像側に位置するイメージセンサＩＳを保護するカバー部材である。イメージセンサＩＳは、光学系１０に入射した光を電気信号に変換することにより被写体を撮像して画像を生成する。イメージセンサＩＳは、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサまたはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサ等の固体撮像素子で実現される。

また、図１は、レンズ等の配置およびレンズ等の面も示す。レンズＬ１、Ｌ２、平行平面板ＰＰ、およびレンズＬ３〜Ｌ７は、各々の光軸が一致した光軸ＯＡ上に直列に並んで配置されている。レンズＬ１〜Ｌ７の物体側のレンズ面を、それぞれ面Ｌ１Ｒ１、Ｌ２Ｒ１、Ｌ３Ｒ１、Ｌ４Ｒ１、Ｌ５Ｒ１、Ｌ６Ｒ１、およびＬ７Ｒ１とする。また、レンズＬ１〜Ｌ７の像側のレンズ面を、それぞれ面Ｌ１Ｒ２、Ｌ２Ｒ２、Ｌ３Ｒ２、Ｌ４Ｒ２、Ｌ５Ｒ２、Ｌ６Ｒ２、およびＬ７Ｒ２とする。

平行平面板ＰＰおよびカバーガラスＣＧの物体側の面を、それぞれ、面ＰＰＲ１および面ＣＧＲ１とする。また、平行平面板ＰＰおよびカバーガラスＣＧの像側の面を、それぞれ、面ＰＰＲ２および面ＣＧＲ２とする。

次に、上述の各光学部材についての設計データ（レンズデータ）の一例を示す。

表１における面番号「１」〜「６」および「８」〜「１８」は、それぞれ、図１に示す面Ｌ１Ｒ１、Ｌ１Ｒ２、Ｌ２Ｒ１、Ｌ２Ｒ２、ＰＰＲ１、ＰＰＲ２、Ｌ３Ｒ１、Ｌ３Ｒ２、Ｌ４Ｒ１、Ｌ４Ｒ２、Ｌ５Ｒ１、Ｌ６Ｒ１（Ｌ５Ｒ２）、Ｌ６Ｒ２、Ｌ７Ｒ１、Ｌ７Ｒ２、ＣＧＲ１、およびＣＧＲ２に対応する。また、タイプが「非球面」に対応する曲率半径は、近軸曲率半径を示している。また、屈折率は、ナトリウムＤ線に対する屈折率を示している。さらに、長さの次元を有する量の単位は、［ｍｍ］である。

（光学系の各要素の機能）
図２は、第１の実施の形態に係る撮像システムにおける光軸および最大画角の主光線を示す図である。図３は、各射影方式における画角に対する像高の変化量を示すグラフである。図４は、第１の実施の形態に係る撮像システムの画角に対する像高の変化量と、等距離射影方式の理想の像高の変化量とを示すグラフである。図５は、第１の実施の形態に係る撮像システムの画角に対する周辺光量比を示すグラフである。図２〜５を参照しながら、本実施の形態に係る撮像システム１の光学系１０の各要素の機能について説明する。

上述のように、本実施の形態に係る光学系１０は、１８０度を超える画角に対応してイメージセンサＩＳに撮像させるために、等距離射影方式を採用している。ここで、図３に、各射影方式における画角（半画角）に対する像高の変化量を示す。図３に示すように、等距離射影方式は、ｙ＝ｆ・θの関係があるので、像高ｙは、半画角θに比例し、グラフは直線となる。

また、中心射影方式は、通常のレンズに採用される方式であり、ｙ＝ｆ・ｔａｎθの関係がある。中心射影方式は、画角が大きくなるとイメージセンサに収まらなくなり、イメージセンサに収まる最大の画角が製品固有の画角の限界となる。

また、正射影方式は、ｙ＝ｆ・ｓｉｎθの関係がある。正射影方式は、撮像画像の中心と周辺とで明るさが一様なため、周辺光量の低下が生じない。

また、立体射影方式は、ｙ＝２ｆ・ｔａｎ（θ／２）の関係がある。立体射影方式では、撮像画像の中心に比べて周辺の像が拡大される。立体射影方式は、太陽または月が地平線に近づくにつれて大きく見える心理的な特徴を抑えているので、人の眼に近い方式である。

そして、等立体角射影方式は、ｙ＝２ｆ・ｓｉｎ（θ／２）の関係がある。等立体射影方式は、像の面積が立体角に比例するため立体角の測定が可能である。

上述のように、本実施の形態に係る光学系１０は、等距離射影方式を採用している。図４に、上述のレンズデータに基づいた半画角に対する像高の変化量と、等距離射影方式の理想の像高の変化量とを示す。光学系１０のレンズデータに基づいた半画角に対する像高の変化量のグラフは、等距離射影方式の理想の像高の変化量のグラフに近似している。これによって、すべての画角の画素数がイメージセンサＩＳ上で同じ画素数となるため、撮像画像の中心部および周辺部の解像感を均一にし、かつ、周辺の画角まで高解像にすることができる。

前群２は、１８０度を超える広画角の光線を取り込んで屈曲させる必要があるので、全体で負の屈折力を有する。すなわち、前群２は、負の焦点距離を形成するために、負メニスカスレンズを有する。ここで、光線を屈曲させるためにメニスカスレンズの枚数を重ねた場合、光学系１０の全長が長くなる。また、光学系１０の全長を短くするために、複数のメニスカスレンズの間隔を詰めた場合、機械的に組み付けの限界がある。そこで、本実施の形態では、前群２は、負メニスカスレンズを２枚（レンズＬ１、Ｌ２）有するものとしている。

また、撮像システム１が所定の明るさを確保するために、光学系１０の焦点距離を小さく（Ｆナンバを小さく）する必要がある。ここで、レンズの厚さを無視する場合の屈折率、レンズ面の曲率半径、および焦点距離の理論式を以下の式（１）に示す。

式（１）によると、焦点距離ｆを小さくするためには、例えば、前群２が有するメニスカスレンズの曲率半径を小さくする方法がある。しかし、負メニスカスレンズの凹形状の部分は、製造工程の形状測定で、測定子を凹形状の接線に対して所定の角度以下（例えば、６０度以下）にする制約がある。そこで、本実施の形態では、前群２が有する負メニスカスレンズの屈折率ｎを大きくすることにより、焦点距離ｆを小さくしている。例えば、上述の表１に示すように、前群２のレンズＬ１、Ｌ２の屈折率を１．８以上にすることが望ましい。これによって、焦点距離を小さく抑えて、Ｆナンバの値も２．０程度に抑えることができ、撮像画像の明るさを確保することができる。また、前群２の負メニスカスレンズの屈折率を１．８以上とすることによって、負メニスカスレンズの枚数を２枚とすることができ、かつ、各レンズを薄く、レンズ径も小さくすることができる。これによって、光学系１０の全長を短くすることができる。さらに、光学系１０に対する最大画角も１９０度以上とすることができる。

また、前群２は、両面が非球面の負メニスカスレンズであるレンズＬ２を有する。これによって、レンズＬ２は、光軸ＯＡ上（以下、単に軸上という）、および光軸ＯＡ外（以下、単に軸外という）の光線が集光されていない状態なので、軸上および軸外の光線に基づく撮像画像の収差の補正のための非球面の形成が容易になる。すなわち、レンズＬ２上で軸上および軸外を通過する光線に基づく撮像画像について別々に補正しやすくなる。例えば、レンズＬ２を曲率が一様な球面レンズとした場合、軸上または軸外のどちらかに対してしか補正することができず、残存する収差については、後群３で補正しなければならない。その場合、後群３のレンズの枚数の増加、または、後群３の全長の延長が必要になる。このことからも、光学系１０では、画角ごとに発生する収差を、光線が集光する前の前群２内で収差の補正をしておくことが望ましい。

なお、前群２のレンズＬ２は、両面が非球面の負メニスカスレンズとしたが、これに限定されるものではない。すなわち、レンズＬ２の面Ｌ２Ｒ１または面Ｌ２Ｒ２のうちいずれかの面を非球面としてもよい。ただし、両面を非球面とするレンズの方が製造しやすいという利点がある。また、前群２のレンズＬ２を、非球面の負メニスカスレンズとしたが、レンズＬ１、または、レンズＬ１およびＬ２の双方を、非球面の負メニスカスレンズとしてもよい。これによって、上述の効果を得ることができる。ただし、レンズＬ１は最も物体側に配置されるレンズであるため、レンズ面の損傷を受けやすいので、レンズＬ２に形成することが望ましい。

また、本実施の形態の光学系１０は、図２に示すように、前群２の平行平面板ＰＰの中に入射瞳位置を有する。ここで、入射瞳位置を含み、光軸ＯＡと垂直な平面を、入射瞳面２０とする。また、光学系１０に対する最大画角の光線のうち、絞り４の中心を通る光線を主光線３０とする。一般に、レンズに入射する光の照度は、入射前と入射後とで下記の式（２）で示されるコサイン４乗則の関係がある。

入射瞳面２０から射出する光の照度は、式（２）に従って、入射瞳面２０に入射する光の照度と比較して低下する。ここで、図２に示す式（２）の入射角Ａは、式（２）の入射角θに対応する。例えば、前群２のレンズＬ１、Ｌ２が存在しない場合、７０度以上の入射角Ａにより入射した光の光量は、式（２）により、ほぼ０となる。しかし、本実施の形態に係る光学系１０は、前群２のレンズＬ１、Ｌ２によって、入射角Ａを１３度以下に抑制することができる。これによって、光学系１０に入射する周辺光線（例えば、図２に示す主光線３０）に基づく周辺光量の低下を抑制することができる。例えば、本実施の形態に係る撮像システム１においては、図５に示すように、レンズの中心の光量に対する周辺光量の比である周辺光量比の低下を抑制することができ、その他の要因（ビネッティング、瞳収差および色収差）等を考慮しても実用上問題の無い周辺光量を担保することができる。

また、本実施の形態に係る光学系１０は、後群３において、ガラス球面の両凸レンズであるレンズＬ３、および、ガラス非球面の両凸レンズであるレンズＬ４を有している。このレンズＬ３、Ｌ４は、入射する光に対して、球面収差および軸上色収差を補正している。さらに、レンズＬ３、Ｌ４は、上述の前群２においてＦナンバを低い値に抑えたことにより発生するコマ収差を補正している。

なお、レンズＬ３およびレンズＬ４は、いずれも正の焦点距離を有する両凸レンズであるため、理論的には、１枚の両凸レンズで代用することが可能である。しかし、実際上は、１枚の両凸レンズとすると、曲率半径が非常に小さくなり、レンズのコバが製造限界を超え、さらに、レンズとしての感度も高くなり、結果として、光学系全体の性能が低下することになる。そこで、本実施の形態に係る光学系１０では、上述の理由からレンズＬ３、Ｌ４の２枚のレンズとすることによって、パワーを分散するものとしている。

また、本実施の形態に係る光学系１０では、レンズＬ４を非球面レンズとしている。これによって、各画角の光線の収差を均一に補正している。このように、絞り４に近い位置のレンズ（図１では、レンズＬ４）を非球面レンズとすることによって、絞り４を通過した光線のすべてが入射しやすくなる。さらに、収差の補正をしやすくなる。なお、レンズＬ４が、両面が非球面の両凸レンズとしたが、これに限定されない。すなわち、レンズＬ４の面Ｌ４Ｒ１または面Ｌ４Ｒ２のうちいずれかの面を非球面としてもよい。ただし、両面を非球面とするレンズの方が製造しやすいという利点がある。また、レンズＬ３、または、レンズＬ３およびＬ４の双方を、非球面の両凸レンズとしてもよい。これによって、上述の効果を得ることができる。

また、本実施の形態に係る光学系１０は、ガラス非球面の両凸レンズであるレンズＬ７を有している。レンズ７は、後群３のレンズの中でイメージセンサＩＳに最も近い位置にある。ここで、レンズＬ７は、絞り４から離れた位置に配置されているので、軸上および軸外の画角の主光線の通過位置が異なる。レンズ７は、レンズＬ２と同様に、軸上および軸外の光線に基づく撮像画像の収差の補正、およびイメージセンサＩＳへの入射角度の補正のための非球面の形成が容易になる。例えば、一般的に使用されるイメージセンサ（撮像素子）は、入射角１０度程度を想定してマイクロレンズが配置されているので、その入射角に合せて、イメージセンサから射出するレンズの射出角を決定する必要がある。これは、レンズ（図１ではレンズＬ７に相当）からの射出角と、イメージセンサへの入射角とが大きく乖離した場合、最終的に得られる撮像画像では、周辺光量が低下してしまう等の問題が発生するためである。しかし、上述のように、レンズＬ７は、軸上および軸外の光線に基づく撮像画像の収差の補正、およびイメージセンサＩＳへの入射角度の補正のための非球面の形成が容易であるので、この問題の発生を抑制することができる。

なお、レンズＬ７は、収差およびイメージセンサＩＳへの入射角を補正するが、これに限定されず、収差またはイメージセンサＩＳの入射角の少なくともいずれかを補正してもよい。

図６は、第１の実施の形態に係る撮像システムの球面収差を示すグラフである。図７は、第１の実施の形態に係る撮像システムの非点収差を示すグラフである。図８は、第１の実施の形態に係る撮像システムのコマ収差を示すグラフである。図９は、第１の実施の形態に係る撮像システムのＭＴＦの特性を示すグラフである。図６〜９を参照しながら、本実施の形態に係る撮像システム１が有する収差等について説明する。

図６に示す球面収差を示すグラフは、横軸が球面収差［ｍｍ］を示し、縦軸が光学系１０に入射する光線の入射高さを示す。

図７に示す非点収差を示すグラフは、横軸が収差（縦収差）［ｍｍ］を示し、縦軸が光学系１０に入射する光線の入射角（画角）を示す。「Ｓ」のグラフは、それぞれの画角で入射する光線のうち、サジタル面上の光線についての非点収差を示す。また、「Ｔ」のグラフは、それぞれの画角で入射する光線のうち、タンジェンシャル（メリディオナル）面上の光線についての非点収差を示す。

図８に示すコマ収差を示すグラフは、光学系１０へ入射する画角が０［ｄｅｇ］、３０［ｄｅｇ］、６０［ｄｅｇ］、および９０［ｄｅｇ］の場合のそれぞれのコマ収差を示す。横軸が光学系１０に入射する入射高（「ｐｙ」がイメージセンサＩＳのｙ方向を示し、「ｐｘ」がイメージセンサＩＳのｘ方向を示す）を示し、縦軸が横収差（「ｅｙ」がｙ方向の横収差を示し、「ｅｘ」がｘ方向の横収差を示す）［ｍｍ］を示す。

図９に示すＭＴＦの特性を示すグラフは、横軸が空間周波数［ｍｍ^−１］を示し、縦軸がＭＴＦを示す。ＭＴＦの特性は、値が「１．０」に近づくほど光学性能が高いことになるが、光学系には、持ち得ることができる解像力の限界がある。この限界を図９の「回折限界」のグラフで示しており、空間周波数が高いほどＭＴＦの性能が落ちる。また、ＭＴＦの特性のグラフは、「回折限界」のグラフに近づくほど光学性能が高いことになる。図９では、光学系１０に入射する画角が３０［ｄｅｇ］、６０［ｄｅｇ］、および９０［ｄｅｇ］の場合のそれぞれのＭＴＦの特性のグラフで、「Ｓ」または「Ｔ」に属している。このうち、「Ｓ」のグラフは、それぞれの画角で入射する光線のうち、サジタル面上の光線についてのＭＴＦの特性を示す。そして、「Ｔ」のグラフは、それぞれの画角で入射する光線のうち、タンジェンシャル（メリディオナル）面上の光線についてのＭＴＦの特性を示す。

図６〜９に示すように、本実施の形態に係る魚眼レンズとしての光学系１０の光学性能が極めて高い。

以上のように、本実施の形態の光学系１０は、絞り４に対して物体側に、２枚の負メニスカスレンズを有し、各メニスカスレンズの屈折率を１．８以上にする。これによって、焦点距離を小さく抑え、Ｆナンバの値も２．０程度に抑えるので、撮像画像の明るさを確保することができる。また、負メニスカスレンズの屈折率を１．８以上としているので、負メニスカスレンズの枚数を２枚とすることができ、かつ、各レンズを薄く、レンズ径も小さくし、そして、光学系１０の全長を短くすることができる。さらに、光学系１０に対する最大画角も１９０度以上とすることができる。

また、本実施の形態に係る光学系１０は、絞り４に対して物体側である前群２のレンズのうち、非球面の負メニスカスレンズを有するものとしている。絞り４に対して物体側では、軸上および軸外の光線が集光されていない状態なので、軸上および軸外の光線に基づく撮像画像の収差の補正のための非球面の形成が容易になる。すなわち、負メニスカスレンズの非球面上で軸上および軸外を通過する光線に基づく撮像画像について別々に補正しやすくなる。

また、本実施の形態に係る光学系１０は、前群２のレンズＬ１、Ｌ２を有することによって、入射角Ａを１３度以下に抑制することができる。これによって、レンズの中心の光量に対する周辺光量の比である周辺光量比の低下を抑制することができ、その他の要因（ビネッティング、瞳収差および色収差）等を考慮しても実用上問題の無い周辺光量を担保することができる。

また、本実施の形態に係る光学系１０は、魚眼レンズを実現する等距離射影方式を採用している。これによって、すべての画角の画素数がイメージセンサＩＳ上で同じ画素数となるため、撮像画像の中心部および周辺部の解像感を均一にし、かつ、周辺の画角まで高解像になる。

［第２の実施の形態］
本実施の形態に係る撮像システム１ａについて、第１の実施の形態に係る撮像システム１と相違する点を中心に説明する。

（撮像システムの全体構成）
図１０は、第２の実施の形態に係る撮像システムの全体構成図である。図１０を参照しながら、本実施の形態に係る撮像システム１ａの全体構成について説明する。

図１０に示すように、本実施の形態に係る撮像システム１ａは、光学系１０ａと、カバーガラスＣＧと、イメージセンサＩＳと、を備えている。光学系１０ａは、第１の実施の形態に係る光学系１０と同様に、魚眼レンズを構成するために、等距離射影方式が採用されている。光学系１０ａは、前群２ａ（第１レンズ群）と、絞り４と、後群３ａ（第２レンズ群）と、を備えている。後群３ａの構成は、第１の実施の形態の後群３と同様の構成である。

前群２ａは、光学系１０ａの物体側に配置されたレンズ群である。前群２は、全体として負の屈折力で、１８０度を超える広画角の光線を取り込む。前群２ａは、物体側から像側に向かって、レンズＬ１、レンズＬ２、直角プリズムＰＳの順に直列に並んで構成されている。

直角プリズムＰＳは、斜面部にアルミニウムのコーティングにより反射膜が形成されたミラー面ＭＳを有する。直角プリズムＰＳは、ミラー面ＭＳによって、前群２ａからの光線を後群３ａに向かって内部反射させる。すなわち、光学系１０ａの光軸ＯＡ１は、直角プリズムＰＳのミラー面ＭＳにおいて９０度屈曲され、後群３ａを通りイメージセンサＩＳへ向かうことになる。これによって、光学系１０ａの前群２ａのレンズＬ１の物体側のレンズ面からの厚さＴを薄くすることができる。よって、例えば、車載カメラまたは監視カメラ等のように、車のフレーム内、または壁の内部に撮像システムを埋め込む必要がある場合、本実施の形態に係る撮像システム１ａの構成であれば埋め込むことが可能となる。

なお、一般的には、図１０に示す厚さＴをより短くするためには、レンズの枚数を減らす、間隔を詰める、明るさを暗くする、または、イメージセンサのサイズを小さくする等の方法がある。しかし、レンズの枚数を減らすこと、および間隔を詰めることは、光学性能を落とし、レンズの感度が高くなる状態を招来する。光学系は、緩やかに光線を曲げることにより収差の発生、およびレンズの感度を抑えることができるためである。また、明るさを暗くしたり、イメージセンサのサイズを小さくしたりすることは、光学仕様の変更なので、撮像システムのコンセプト自体を変更しなければならない。これに対し、本実施の形態に係る撮像システム１ａでは、直角プリズムＰＳにより光軸ＯＡ１を９０度屈曲させることにより、厚さＴを薄くする。これにより、撮像画像の明るさを確保し、周辺の画角まで高解像の状態を維持することができ、第１の実施の形態に係る撮像システム１と同様の光学性能を維持できる。

［第３の実施の形態］
本実施の形態に係る撮像システム１ｂについて、第１の実施の形態に係る撮像システム１と相違する点を中心に説明する。

（撮像システムの全体構成）
図１１は、第３の実施の形態に係る撮像システムの全体構成図である。図１１を参照しながら、本実施の形態に係る撮像システム１ｂの全体構成について説明する。

図１１に示すように、本実施の形態に係る撮像システム１ｂは、光学系１０ｂと、カバーガラスＣＧｂと、イメージセンサＩＳｂ（撮像素子）と、光学系１０ｃと、カバーガラスＣＧｃと、イメージセンサＩＳｃ（撮像素子）と、を備えている。光学系１０ｂ、１０ｃは、共に、第１の実施の形態に係る光学系１０と同様に、魚眼レンズを構成するために、等距離射影方式が採用されている。光学系１０ｂは、前群となるレンズ群（第１レンズ群）と、絞り４ｂと、後群となるレンズ群（第２レンズ群）と、を備えている。光学系１０ｃは、前群となるレンズ群（第１レンズ群）と、絞り４ｃと、後群となるレンズ群（第２レンズ群）と、を備えている。

光学系１０ｂの前群となるレンズ群は、光学系１０ｂの物体側に配置されている。このレンズ群は、全体として負の屈折力で、１８０度を超える広画角の光線を取り込む。このレンズ群は、物体側から像側に向かって、レンズＬ１ｂ、レンズＬ２ｂ、直角プリズムＰＳｂの順に直列に並んで構成されている。

直角プリズムＰＳｂは、斜面部にアルミニウムのコーティングにより反射膜が形成されたミラー面ＭＳｂを有する。直角プリズムＰＳｂは、ミラー面ＭＳｂによって、前群となるレンズ群からの光線を後群となるレンズ群に向かって内部反射させる。すなわち、光学系１０ｂの光軸ＯＡ２ｂは、直角プリズムＰＳｂのミラー面ＭＳｂにおいて９０度屈曲され、後群となるレンズ群を通りイメージセンサＩＳｂへ向かうことになる。

光学系１０ｂの後群となるレンズ群は、光学系１０ｂの像側に配置されている。このレンズ群は、全体として正の屈折力で、主に撮像画像の収差を補正する。このレンズ群は、物体側から像側に向かって、レンズＬ３ｂ、レンズＬ４ｂ、レンズＬ５ｂ、レンズＬ６ｂ、レンズＬ７ｂの順に直列に並んで構成されている。このレンズ群の構成および機能は、第１の実施の形態の後群３の構成および機能と同様である。

光学系１０ｃの前群となるレンズ群は、光学系１０ｃの物体側に配置されている。このレンズ群は、全体として負の屈折力で、１８０度を超える広画角の光線を取り込む。このレンズ群は、物体側から像側に向かって、レンズＬ１ｃ、レンズＬ２ｃ、直角プリズムＰＳｃの順に直列に並んで構成されている。

直角プリズムＰＳｃは、斜面部にアルミニウムのコーティングにより反射膜が形成されたミラー面ＭＳｃを有する。直角プリズムＰＳｃは、ミラー面ＭＳｃによって、前群となるレンズ群からの光線を後群となるレンズ群に向かって内部反射させる。すなわち、光学系１０ｃの光軸ＯＡ２ｃは、直角プリズムＰＳｃのミラー面ＭＳｃにおいて９０度屈曲され、後群となるレンズ群を通りイメージセンサＩＳｃへ向かうことになる。

光学系１０ｃの後群となるレンズ群は、光学系１０ｃの像側に配置されている。このレンズ群は、全体として正の屈折力で、主に撮像画像の収差を補正する。このレンズ群は、物体側から像側に向かって、レンズＬ３ｃ、レンズＬ４ｃ、レンズＬ５ｃ、レンズＬ６ｃ、レンズＬ７ｃの順に直列に並んで構成されている。このレンズ群の構成および機能は、第１の実施の形態の後群３の構成および機能と同様である。

また、光学系１０ｂの直角プリズムＰＳｂのミラー面ＭＳｂが形成された外面と、光学系１０ｃの直角プリズムＰＳｃのミラー面ＭＳｃが形成された外面とは、それぞれ接着固定されている。すなわち、第２の実施の形態に係る撮像システム１ａと同一仕様の撮像システムが２つ組み合わされた構成を有するので、撮像システム１ｂの全体の小型化を実現し、手持ち可能なシステムを実現することができる。

また、図１１に示す、光学系１０ｂ、カバーガラスＣＧｂおよびイメージセンサＩＳｂで構成されたシステム、および、光学系１０ｃ、カバーガラスＣＧｃおよびイメージセンサＩＳｃで構成されたシステムは、それぞれ、第１の実施の形態に係る撮像システム１と同様の光学性能を有する。したがって、光学系１０ｂおよび光学系１０ｃの最大画角も、それぞれ１９０度以上となっているので、これらが図１１のように組み合わされ、上下左右３６０度の画像を撮像する全天球型の撮像システムを構成することができる。

１、１ａ、１ｂ 撮像システム
２、２ａ 前群
３、３ａ 後群
４、４ｂ、４ｃ 絞り
１０、１０ａ〜１０ｃ 光学系
２０ 入射瞳面
３０ 主光線
Ａ 入射角
ＣＧ、ＣＧｂ、ＣＧｃ カバーガラス
ＣＧＲ１、ＣＧＲ２ 面
ｆ 焦点距離
ＩＳ、ＩＳｂ、ＩＳｃ イメージセンサ
Ｌ１〜Ｌ７ レンズ
Ｌ１ｂ〜Ｌ７ｂ レンズ
Ｌ１ｃ〜Ｌ７ｃ レンズ
Ｌ１Ｒ１、Ｌ１Ｒ２ 面
Ｌ２Ｒ１、Ｌ２Ｒ２ 面
Ｌ３Ｒ１、Ｌ３Ｒ２ 面
Ｌ４Ｒ１、Ｌ４Ｒ２ 面
Ｌ５Ｒ１、Ｌ５Ｒ２ 面
Ｌ６Ｒ１、Ｌ６Ｒ２ 面
Ｌ７Ｒ１、Ｌ７Ｒ２ 面
ＭＳ、ＭＳｂ、ＭＳｃ ミラー面
ＯＡ、ＯＡ１、ＯＡ２ｂ、ＯＡ２ｃ 光軸
ＰＰ 平行平面板
ＰＰＲ１、ＰＰＲ２ 面
ＰＳ、ＰＳｂ、ＰＳｃ 直角プリズム
Ｔ 厚さ

特開２００６−０１７８３７号公報

Claims (6)

1. 物体側から順に負の焦点距離をもつ第１レンズ群と、絞りと、正の焦点距離をもつ第２レンズ群と、を含む光学系であって、
   前記第１レンズ群は、光軸が同一、かつ、凸面が前記物体側に向いた２枚のみの負メニスカスレンズを含み、
   ２枚の前記負メニスカスレンズのうち、前記物体側の負メニスカスレンズは、両面が球面であり、像側の負メニスカスレンズは、両面が光軸上および光軸外に入射した光線それぞれに基づく収差を補正する非球面であり、
   前記第１レンズ群および前記第２レンズ群は、全画角が１８０度を超え、
   ２枚の前記負メニスカスレンズは、前記第１レンズ群内に入射瞳を有し、前記物体側の負メニスカスレンズに入射する各画角の光線の前記入射瞳に対する角度が１３度以下となるように屈折率を１．８以上とし、かつ、Ｆナンバを２とした光学系。
2. 前記第２レンズ群が含むレンズのうち、撮像素子に最も近い凸レンズは、収差、または前記撮像素子に対する入射角度の少なくともいずれかを補正する請求項１に記載の光学系。
3. 全画角の光線に等距離射影方式で撮像素子に入射させる請求項１または２に記載の光学系。
4. ２枚の前記負メニスカスレンズを通過した光学系の光軸を、反射面で反射により屈曲させて、前記第２レンズ群に向けるプリズムを、さらに有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学系。
5. 請求項４に記載の光学系を、２つ有し、
   ２つの前記光学系の前記プリズムは、それぞれ前記反射面が形成された外面で当接し、
   ２つの前記光学系の前記第２レンズ群の光軸は、互いに平行であり、
   ２つの前記光学系の前記第２レンズ群を構成するレンズの並び順が、互いに逆である撮像システム。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学系と、
   前記光学系を通過した光を電気信号に変換して撮像画像を生成する撮像素子と、
   を備えた撮像システム。

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