JP6338467B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
特許文献1には、光ファイバ束を用いて、その受光端面(光入射面)に入射した結像光学手段による結像光線をイメージ検収手段(撮像素子)へ伝送する結像光学装置が開示されている。そして、この結像光学装置は、光ファイバ束の受光端面を結像光学手段の結像面に位置させるとともに受光端面の面形状を結像面の形状と同等の面形状としている。
本発明は、光軸から離れた位置にある光ファイバに入射する光の透過率の低下を抑えた撮像装置を提供することを目的とする。
図1(a)は、本実施形態に係る撮像装置の一例を示す模式図である。本実施形態の撮像装置1は、撮像光学系(結像光学系)であるボールレンズ2、像伝送手段である光ファイバ束3、撮像素子であるセンサ4を有している。そして、ボールレンズ2の像を光ファイバ束3によってセンサ4に伝送するように、ボールレンズ2と光ファイバ束3とセンサ4が配置されている。光ファイバ束3は、ボールレンズ2からの光をセンサ4へと導く複数の光ファイバ3cにより構成されている。具体的には、各光ファイバ3cが、撮像光BMをボールレンズ2を介して受光し、光ファイバ3c内を伝搬させて、撮像光BMをセンサ4の各画素へと導いている。撮像光BMは、絞り2cの開口を通り光ファイバ3cに入射しうる光であり、絞り2cの開口の中心を通る主光線PRや、絞り2cの開口で規定される上側マージナル線NR、下側マージナル線MRが含まれる。
N0sinθi=N1sinθo ・・・式3
ここで、N0は、光入射面が接する媒体の屈折率(本実施形態の場合は空気N0=1.000とした)、θiは、光ファイバ3cの光入射面3caに対する主光線PRの入射角である。また、N1は、コア部3coの屈折率、θoは、光入射面3aでの主光線PRの屈折角である。さらに、光ファイバ3cのコア部3coとクラッド部3clとの界面における全反射条件は式4のように表される。
ここで、N2は、クラッド部3clの屈折率、θlは、コア部3coとクラッド部3clの界面への屈折された主光線の入射角である。なお、角度θiとθoとθlは、α、β、ωと補助的に記された図4の角度θk、θmを用いると、以下の式5乃至7のように表される。
θi=ω−β ・・・式5
θl+θk=90.00deg ・・・式6
θk=θo+θm=θo+(β―α) ・・・式7
式3乃至7を用いると、光ファイバ3cの傾斜角αが満たすべき全反射条件が以下の式8のように導かれる。
また、光軸AXに近い光ファイバ3cでは、傾斜角β、角度ωが小さく、式8の左辺は負の値を採る場合がある。一方、光ファイバ3cの傾斜角αの上限は、主光線PRの射出角ωである。これは、光ファイバ束3の製造方法にもよるが、画角±47.00[deg]を超えるような撮像光学系を用いる場合には、光ファイバ3cの傾斜角αが主光線の角度ω以上とすることが困難なためである。その点を踏まえると、光ファイバ3cの傾斜角αが、下記の式9を満たすように、光ファイバ3cが構成される。
ここで、max{A,B}はAとBのうち大きい方の値を採るという意味の関数である。なお、光軸AX上に光ファイバ3cがある場合は、その光ファイバの傾斜角αは0.00[deg]に設定される。その場合、式9を満たさないが、それ以外の光ファイバ3cはそれぞれ上記式9を満たすように構成されている。
表1に本実施形態の撮像装置における数値例を示す。
表1には、射出角ωが0.00乃至60.00[deg]の各主光線に対する各数値が示されている。射出角ω=0.00[deg]は光軸と平行であることを意味している。射出角ωが大きくなればなるほど、光ファイバ3cの位置が光軸AXからより離れることを意味している。光軸AXから離れた位置にある(ω=0.00[deg]以外の)各光ファイバ3cの傾斜角αは、式9を満たすように設定されている。表1の傾斜角αとすることで、光ファイバ束3を容易に製造することが可能である。また、本数値例では、光ファイバ束3の光入射面3aの曲率中心と撮像光学系2の射出瞳の中心PEとを一致させており、射出角ωと光ファイバ3cの光入射面3aの傾斜角βは各光ファイバ3cにおいて同じ値としている。
本実施形態の撮像装置(結像光学装置)は、撮像光BM中の全光線が光ファイバ束3の各光ファイバ3c中で全反射できる構成とした点で、実施形態1と異なっている。具体的には、実施形態2では、光ファイバ3cが満たす全反射条件の式が実施形態1と異なっており、それ以外は実施形態1と同じであり、撮像装置の模式図の構成は図1と同じである。
光ファイバ束3のうち、撮像光学系(ボールレンズ2)の光軸AX上から離れた位置にある光ファイバ3cが式10を満たすような傾斜角αを満たすことで、実施形態1と比べて光ファイバ3cの透過率の低下をより抑制することができる。その結果、実施形態1と比べて撮像素子(センサ4)の画素が受光する光量の低下をより抑制することができる。
表2に本実施形態の撮像装置における数値例を示す。
表2には、射出角ωが0.00乃至60.00[deg]の各撮像光に対する各数値が示されている。射出角ω=0.00[deg]は光軸と平行であることを意味している。射出角ωが大きくなればなるほど、光ファイバ3cの位置が光軸AXからより離れることを意味している。光軸AXから離れた位置にある(ω=0.00[deg]以外の)各光ファイバ3cの傾斜角αは、式10を満たすように設定されている。表2の傾斜角αとすることで、光ファイバ束3を容易に製造することが可能である。また、本数値例では、光ファイバ束3の光入射面3aの曲率中心と撮像光学系2の射出瞳の中心PEとを一致させており、射出角ωと光ファイバ3cの光入射面3aの傾斜角βは各光ファイバ3cにおいて同じ値としている。
表3に本実施形態の撮像装置における別の数値例を示す。
表3には、射出角ωが0.00乃至60.00[deg]の各撮像光に対する各数値が示されている。射出角ω=0.00[deg]は光軸と平行であることを意味している。射出角ωが大きくなればなるほど、光ファイバ3cの位置が光軸AXからより離れることを意味している。光軸AXから離れた位置にある(ω=0.00[deg]以外の)各光ファイバ3cの傾斜角αは、式10を満たすように設定されている。
図7は、本実施形態に係る撮像装置(結像光学装置)31の一例を示す模式図である。本実施形態の撮像装置は、実施形態2の撮像装置1とは、撮像光学系の構成と像伝送手段である光ファイバ束の構成が異なる。
表4に本実施形態の撮像装置における数値例を示す。
表4には、射出角ωが0.00乃至60.00[deg]の各撮像光に対する各数値が示されている。射出角ω=0.00[deg]は光軸と平行であることを意味している。射出角ωが大きくなればなるほど、光ファイバ3cの位置が光軸AXからより離れることを意味している。光軸AXから離れた位置にある(ω=0.00[deg]以外の)各光ファイバ33cの傾斜角αは、式10を満たすように設定されている。表4の傾斜角αとすることで、光ファイバ束33を容易に製造することが可能である。また、数値例3と同様に、光ファイバ束33の光入射面33aは、撮像光学系32の射出瞳の中心PEよりも物体側に曲率中心を有する球面形状としている。つまりβ<ωとしている。
2 撮像光学系
3 光ファイバ束
3c 光ファイバ
4 撮像素子
Claims (10)
- 撮像光学系と、撮像素子と、前記撮像光学系からの光を前記撮像素子へと導く複数の光ファイバにより構成される光ファイバ束と、を有する撮像装置であって、
前記光ファイバ束の光入射面は、前記撮像光学系に対して凹面であり、
前記複数の光ファイバのうち前記撮像光学系の光軸上以外に配置された光ファイバは、下記の式を満たすことを特徴とする撮像装置。
ただし、αは前記光軸に対する前記光ファイバの傾斜角、βは前記光軸に対する前記光ファイバの光入射面の傾斜角、ωは前記光ファイバに入射する前記撮像光学系からの主光線の前記光軸に対する角度、N1は前記光ファイバのコア部の屈折率、N2は前記光ファイバのクラッド部の屈折率である。 - 前記光軸上以外に配置された光ファイバは、β<ωを満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像装置。
- 前記光入射面の曲率中心が、前記撮像光学系の射出瞳の中心よりも物体側に配置されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記複数の光ファイバのコア部は、前記撮像素子の受光面に平行な断面において、格子状に配置されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記光軸上以外に配置された光ファイバは、第1の光ファイバと、該第1の光ファイバよりも前記光軸から離れた位置に配置された第2のファイバとを含み、前記第1及び第2の光ファイバの傾斜角は互いに異なることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記第1の光ファイバよりも前記第2の光ファイバの傾斜角の方が大きいことを特徴とする請求項6に記載の撮像装置。
- 前記撮像光学系は、絞りと、前記絞りよりも光入射側に配置された前群と、前記絞りよりも光射出側に配置された後群と、を有し、前記前群において最も大きいパワーを有するレンズ面の曲率中心が前記絞りの中心近傍に位置していることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記後群において最も大きいパワーを有するレンズ面の曲率中心が前記絞りの中心近傍に位置していることを特徴とする請求項8に記載の撮像装置。
- 前記撮像光学系は、点対称性を有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の撮像装置。
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