JP6478900B2 - レンズ装置及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明はビデオカメラ、電子スチルカメラ、ＴＶカメラ等において、等倍程度の近接撮影を行う機能を有する撮像光学系に用いるときに好適なレンズ装置及びそれを有する撮像装置に関するものである。
撮像倍率が等倍程度の近接撮像（マクロ撮像）を主目的とした撮像光学系にマクロレンズがある。一般に、等倍程度の近接撮像においては、被写体から撮像光学系までの距離が近くなる。この結果、撮像光学系や撮像者によって被写体側に影ができてしまう場合がある。このため、マクロ撮影では照明を必要とする場合が多い。従来、撮像用の照明光源として、キセノン管によるフラッシュ発光が用いられているが、キセノン管は瞬時のパルス発光であって、照明された被写体像をファインダー等で視認することができない。
これに対して近年、青色発光ダイオードの使用により可視領域で広い波長を持つ白色発光ダイオードを用いた液晶表示のバックライト照明や懐中電灯等が実用化されている。白色発光ダイオードは白熱電球に比べ電流が少なく発光効率が高いことから白熱電球に代わる光源として注目されている。従来、撮像光学系の最も物体側のレンズを保持する保持枠に発光ダイオードを配置し、被写体側を照明する照明装置が提案されている（特許文献１、２）。
特許文献１では物体側の最先端レンズを保持する保持枠の外周部に環状に複数の白色発光ダイオードを埋設した環状光源を用いたマクロ付き撮影レンズの照明装置を開示している。特許文献２では光が伝搬する光路が環状に形成された導光部（導光部材）を用い、光源の物体側方向の位置を変えることにより、光束が表面側全体から出射する場合と、一部分のみから出射する場合に分けたカメラ用の照明装置を開示している。
特開２００６−３３７４２２号公報 特開２０１１−２４７９７８号公報
特許文献１に開示された照明装置では、近接撮影において被写体の照明を容易にしているものの、光源が該光源の発行面が光軸と平行な方向となるように配置されている。このため、被写体を均一照射するためには多数の光源が必要となる。
特許文献２に開示された照明装置では、撮像光学系の光軸に垂直な面に環状の導光部を配置して、光源から出された光が導光部を伝搬し、被写体側へ射出することで、少ない数の光源で被写体を照明している。しかしながら、光源が隣り合った近い位置に配置しているため、等倍程度の近接撮影での撮像面に平行な被写体面においては、光源から遠い側は照度が低くなってしまう傾向がある。
本発明は、少ない数の光源で、近接撮影時、被写体面を均一で一定角度分布の光束を照明光として照射することができ、均一な配光分布の照明を容易に得ることができるレンズ装置及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。
本発明のレンズ装置は、撮像光学系と、該撮像光学系を保持する保持枠と、該保持枠に対して設けられ、光を照射する照明装置とを有するレンズ装置であって、前記照明装置は、複数の光源と、物体側に光出射面を有する略環状の導光部材とを有し、前記導光部材は、内面反射させることにより前記複数の光源からの光を前記光出射面に伝搬し、前記複数の光源のうち最も近接する２つの光源の距離をＤＬ、前記導光部材の内径をＤ、前記撮像光学系が最至近距離の物体に合焦したときの前記導光部材から前記最至近距離の物体までの距離をＷＤとするとき、
０．２＜ＤＬ／Ｄ＜１．５
０．３＜Ｄ／ＷＤ＜６．０
なる条件式を満足することを特徴とする。
本発明によれば、少ない数の光源で、近接撮影時、被写体側を均一で一定角度分布の光束を照明光として照射することができ、均一な配光分布の照明を容易に得ることができるレンズ装置が得られる。
撮像光学系を保持する保持枠に照明装置を取り付けた本発明のレンズ装置の外観を示す要部斜視図 本発明に係る導光部材の内部の光路の概略を示す正面図 本発明に係る近接撮影可能な撮像光学系のレンズ断面図 本発明の実施例１に係る照明装置の要部平面図 本発明の実施例２に係る照明装置の要部平面図 本発明の実施例３に係る照明装置の要部平面図 本発明の撮像装置の要部概略図
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。本発明のレンズ装置は、撮像光学系と撮像光学系を保持する保持枠と保持部材の物体側の外周部に対して装着され、光を照射する照明装置を有する。
図１は撮像光学系２１を保持する保持枠（保持部材）２１ａの外周部の物体側（光入射側）に本発明に係る照明装置１０を取り付けた際のレンズ装置の外観を示す要部斜視図である。
照明装置１０は複数の光源１２と光源１２からの光を内面反射させることで伝搬する導光部材１１を有する。導光部材１１は光路を環状に形成され物体側に光を出射する光出射面１１ｂを有する。複数の光源１２は導光部材１１の環状の一部に環状の接線方向に光源の光出射面の法線が向くように配置している。光源１２は例えば白色発光ダイオードから構成されている。照明装置１０は撮像光学系２１を保持する保持枠２１ａに取り外し可能（着脱可能）に取付けられている。図１に示すように保持枠２１ａの外径は導光部材１１の外径よりも大きい。
図２は図１の導光部材１１の環状部分の一部を直線状に展開し、光軸ＯＡ方向に沿った断面図である。図２は導光部材１１の内部を伝搬する光の光路の概略を示す。図２に示す導光部材１１は透明樹脂によって環状に形成されている。裏面（物体側と反対側の一側面）（正面図において下面）は白い塗料や鏡面シートなどによる反射手段１１ａより構成されている。光源１２からの光が導光部材１１の内面で全反射及び反射手段１１ａで反射した後に表面（正面図において上面）（光出射面）１１ｂから物体側へ射出される構造となっている。
反射手段１１ａは導光部材１１の環状のうち、物体側とは反対側の一側面に設けられている。光源１２は光出射面１２ａの法線方向が導光部材１１の環状の接線方向１１ｃに向くように配置されている。光源１２から出射する光束は導光部材１１の光入射面から入射し、導光部材１１の環状の内部で全反射し、反射手段１１ａで拡散反射されて環状の光出射面１１ｂより出射する。光出射面１１ｂから光束を拡散し、出射する拡散板１３が設けられている。拡散板１３は必要に応じて配置されるものであり、省略しても良い。
光源１２の光出射面１２ａの法線方向が導光部材１１の環状の接線方向に向かない場合、光源１２から射出される光が直接、物体面側に照射される。このため、被写体側を均一で一定角度分布の照明を得るためには数多くの光源が必要となる。
本発明では、複数の光源１２を光出射面の法線方向が導光部材１１の接線方向に向くように配置している。これにより、少ない数の光源で、近接撮影時、均一で一定角度分布の光束を物体側へ照明光として照射することができ、均一な配光分布の照明を得ている。また、導光部材１１より物体側に光を拡散させる拡散板１３を設けて、これにより均一な配光分布の照明を得ている。
図３（Ａ），（Ｂ）は本発明のレンズ装置が取付け可能なマクロ撮像機能を有する撮像光学系２１のレンズ断面図である。レンズ断面図において図３（Ａ）は無限遠の物体の合焦状態、（Ｂ）は最近距離の物体の合焦状態である。レンズ断面図において、左方が物体側（前方）で、右方が像側（後方）である。
また、２１は撮像光学系、ＳＰは開口絞り、ＦＰは副絞り、ＦＣはフレアカッター、ＯＡは光軸である。ＩＰは像面である。像面ＩＰは、デジタルカメラやビデオカメラ、監視カメラの撮影光学系として使用する際には、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子（光電変換素子）の撮像面に相当する。また、銀塩フィルムカメラの撮影光学系として使用する際には、フィルム面に相当する。
次に本発明のレンズ装置の特徴について説明する。本発明に係る照明装置１０は光を内面反射を繰り返し伝搬する光路が環状に形成された透明樹脂よりなる導光部材１１を有する。更に、光出射面の法線方向が導光部材１１の環状の接線方向へ向くように配置され、導光部材１１の一端より導光部材１１の内部に光を入射させる光源１２を複数有している。
導光部材１１は光源１２からの光を内面反射させ、導光部材１１の環状の一部から物体側へ光を出射する光出射面１１ｂを有する。複数の光源１２のうち最も近接する２つの光源の距離（光源の発光面の中心間の距離）をＤＬ、導光部材１１の内径をＤとする。撮像光学系２１が最至近距離の物体に合焦しているときの導光部材１１から最至近距離の物体までの距離をＷＤとする。このとき、
０．２＜ＤＬ／Ｄ＜１．５ ・・・（１）
０．３＜Ｄ／ＷＤ＜６．０ ・・・（２）
なる条件式を満足する。ここで最至近距離の物体とは後述する撮像光学系２１の数値データをｍｍ単位であらわしたとき導光部材１１から２０ｍｍの位置にある物体をいう。
次に前述の条件式（１）、（２）の技術的意味について説明する。条件式（１）は光源１２間の距離（光源１２の発光面の中心間）と導光部材１１の内径の比を規定している。ここで、導光部材１１は環状であればどのような形状でもよい。例えば、導光部材１１の外形は楕円や円弧状又はそれらの一部でもよい。導光部材１１の内径は導光部材１１の最も内側の面の内接円と外接円の直径の平均と定義する。
条件式（１）の上限を超えると、導光部材１１の内径が小さくなりすぎて、導光部材１１の内側にレンズ系を装着することが困難となる。逆に条件式（１）の下限を超えると光源間の距離が近くなり、等倍程度の近接撮影での撮像面に平行な被写体面において、均一な配光分布の照明を得ることが困難となる。また、均一な配光分布の照明を得るためには数多くの光源が必要となるので好ましくない。
条件式（２）は導光部材１１の内径と撮像光学系により最至近距離の物体に合焦したときにおける導光部材１１から物体面までの光軸上の距離の比を規定している。条件式（２）は照明装置の小型化を図るためのものである。条件式（２）の上限を超えて、導光部材１１の内径が大きくなると、照明装置１０が大型化してしまう。逆に条件式（２）の下限を超えて導光部材１１の内径が小さくなると、導光部材１１の内側にレンズ系を装着することが困難となる。
以上のように条件式（１）、（２）を満足することによって、少ない数の光源で、近接撮影時、均一で一定角度分布の光束を照明光として照射することができ、均一な配光分布の照明を容易に得ることができる。好ましくは条件式（１）、（２）の数値範囲を以下の範囲とするのが良い。
０．３＜ＤＬ／Ｄ＜１．４ ・・・（１ａ）
０．３５＜Ｄ／ＷＤ＜５．５０ ・・・（２ａ）
更に好ましくは条件式（１ａ）、（２ａ）の数値範囲を以下の範囲とするのが良い。
０．４＜ＤＬ／Ｄ＜１．３ ・・・（１ｂ）
０．４＜Ｄ／ＷＤ＜５．０ ・・・（２ｂ）
本発明の撮像装置は、照明装置１０を撮像光学系２１を保持する保持枠２１ａの光入射側の外周部に設けたレンズ装置と、レンズ装置によって形成される像を受光する撮像素子を有するカメラ本体とを有する。本発明のレンズ装置において、好ましくは次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。
撮像光学系２１の無限遠物体に合焦したときのバックフォーカスをＢＦ、撮像光学系２１の焦点距離をｆとする。撮像光学系２１は開口絞りＳＰを有し、撮像光学系２１のレンズ全長をＴＤ、開口絞りＳＰから像面までの距離をＤＳＰとする。最至近距離の物体に合焦したときにおける撮像光学系２１の結像倍率をβとする。このとき、次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。
０．２０＜ＢＦ／ｆ＜１．８０ ・・・（３）
０．６５＜ＤＳＰ／ＴＤ＜０．９５ ・・・（４）
０．５≦｜β｜ ・・・（５）
ここでバックフォーカスとは最終レンズ面から像面までの距離である。レンズ全長とは第１レンズ面から最終レンズ面までの距離にバックフォーカスＢＦの値を加えた距離である。
次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。条件式（３）は無限遠物体の合焦状態におけるバックフォーカスと全系の焦点距離の比に関し、撮像光学系におけるバックフォーカスの長さを適正化したものである。条件式（３）の上限を超えてバックフォーカスが長くなりすぎると、レンズ全長が長くなり、撮像光学系の小型化が困難になってしまう。条件式（３）の下限を超えてバックフォーカスが短くなりすぎると、像面への軸外光線の入射角が大きくなり、画面周辺部に到達すべき光束が受光素子（撮像素子）上に達することが少なくなり、シェーディングが多く発生してくるので良くない。
条件式（４）は開口絞りＳＰから像面までの光軸上の距離と全系のレンズ全長の比に関し、撮像光学系における開口絞りＳＰの位置を適正化したものである。ここでレンズ全長とは無限遠物体に合焦したときの第１レンズ面から像面までの距離である。撮像光学系で広画角化を図った際、前玉有効径が増大してくる。条件式（４）を満たすことにより、周辺画角における光束の中心が開口絞りＳＰの中心近傍を通らない所謂片絞り状態を回避しつつ、前玉有効径の小型化と広画角化を図っている。
条件式（４）の上限を超えると、入射瞳位置が近くなり、フォーカスレンズ群の径方向が大型化してきて、好ましくない。条件式（４）の下限を超えると、最近距離の物体に合焦したときに軸外光束が物体側のレンズ群に入射するとき軸外光束の入射高が高くなり、物体側のレンズ群の有効径が増大してくる。
条件式（５）は、最近距離の物体に合焦したときにおける像倍率を規定する。この条件式（５）の下限値を下回ると、マクロ撮影用の撮像光学系としての効果が十分発揮できなくなるため好ましくない。好ましくは条件式（３）乃至（５）の数値範囲を以下の範囲とするのが良い。
０．２５＜ＢＦ／ｆ＜１．７０ ・・・(３ａ)
０．７０＜ＤＳＰ／ＴＤ＜０．９３ ・・・(４ａ)
０．７≦｜β｜ ・・・(５ａ)
更に好ましくは条件式（２ａ）乃至（５ａ）の数値範囲を以下の範囲とするのが良い。
０．３０＜ＢＦ／ｆ＜１．６０ ・・・(３ｂ)
０．７５＜ＤＳＰ／ＴＤ＜０．９０ ・・・(４ｂ)
１．０≦｜β｜ ・・・(５ｂ)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
図４、図５、図６は本発明のレンズ装置における照明装置の実施例１、２、３における導光部材と光源の配置を示す平面図である。図４の実施例１においてＤＬは光源２３と光源２４との間の距離である。Ｄは導光部材１１の内径である。図４の実施例１において導光部材１１は環状の一部分を切り落とした形状（略環状）を構成する２つの環状片（第１の環状片）２１、環状片（第２の環状片）２２を有している。そして環状片２１の端部２１ａに環状片２１の接線方向２１ｂに光出射面２３ａの法線が向くように光源（第１光源）２３を配置している。同様に環状片２２の端部２２ａに環状片２２の接線方向２２ｂに光出射面２４ａの法線が向くように光源（第２光源）２４を設けている。
図５の実施例２においてＤＬは光源３２と光源３３との間の距離である。Ｄは導光部材１１の内径である。図５の実施例２において導光部材１１は環状の一部を切り落とした１つの環状片３１よりなっている。環状片３１の両端部３１ａ、３１ｂに環状片３１の接線方向３１ａ１（３１ｂ１）に光出射面の法線方向が向くように光源３２、３３を配置している。
図６（Ａ）の実施例３においてＤＬは光源４４と光源４５との間の距離である。Ｄは導光部材１１の内径である。実施例３においては図６（Ａ）の一部断面図である図６（Ｂ）に示すように導光部材４１の環状の一部を切り欠いた凹形状の領域に光源４２を配置している。このとき導光部材４１の切り欠き部の内部に導光部材４１の環状の接線方向４１ａに光出射面４２ａの法線方向が向くように光源４２を配置している。他の光源４３、４４、４５についても光源４２と同様である。
図６の実施例３では環状の導光部材４１の周辺上に略等間隔に４つの光源４２ないし４５を設けている。光源の数は等間隔であればいくつ設けてもよい。
次に本発明のレンズ装置を用いたデジタルスチルカメラ（撮像装置）の実施例を図７を用いて説明する。
図７において、２０はカメラ本体、２１はレンズ装置に取付けられている撮像光学系である。２２はカメラ本体に内蔵され、撮像光学系２１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子（光電変換素子）、２３は撮像素子２２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリである。２４は液晶ディスプレイパネル等によって構成され、撮像素子２２上に形成された被写体像を観察するためのファインダーである。
以下に、本発明のレンズ装置が有する撮像光学系の数値データを示す。数値データにおいて、ｉは物体側からの面の順番を示し、ｒｉは第ｉ番目（第ｉ面）の曲率半径である。ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の間隔である。ｎｄｉ、νｄｉはそれぞれｄ線を基準とした第i番目の材料の屈折率、アッベ数を示す。＊はその面が非球面であることを示す。非球面データには、非球面を次式で表した場合の非球面係数を示す。
ｘ＝（ｈ２／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）２｝１/２ ＋Ｂ・ｈ4＋Ｃ・ｈ6＋Ｄ・ｈ8＋Ｅ・ｈ１0
但し、ｘは光軸方向の基準面からの変位量、ｈは光軸に対して垂直な方向の高さ、Ｒはベースとなる２次曲面の半径、ｋは円錐定数、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅはそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。尚、「ｅ−Ｚ」の表示は「１０−Ｚ」を意味する。又前述の各条件式と実施例における諸数値との関係を表１に示す。
（数値データ）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd
1 -197.665 0.50 1.58313 59.5
2* 8.009 3.33
3(FC) ∞ -0.30
4 34.792 1.84 1.80518 25.4
5 -34.792 2.55
6 -39.399 1.22 1.77250 49.6
7 -24.094 1.67
8 -23.519 0.60 1.95375 32.3
9 82.440 0.95
10(FP) ∞ 1.90
11(絞り)(SP)∞ 0.61
12 16.940 5.23 1.51823 58.9
13 -16.940 2.75
14 -12.932 0.65 1.90366 31.3
15 -143.739 0.15
16 26.215 4.23 1.49700 81.5
17 -18.292 0.15
18* 64.432 2.97 1.58313 59.5
19* -17.234 0.29
20(FC) ∞ (可変)
21 51.516 1.22 1.95906 17.5
22 332.148 0.45 1.83481 42.7
23 16.990 42.22
像面 ∞
非球面データ
第2面
K = 0.00000e+000 B=-1.76791e-004 C=-2.65273e-006 D= 7.81442e-009 E=-6.68614e-010

第18面
K = 0.00000e+000 B =-7.23379e-005 C=-1.23764e-008 D=-2.58452e-009 E= 1.02225e-010

第19面
K = 0.00000e+000 B = 6.10927e-005 C= 1.30720e-007 D=-2.33941e-009 E= 1.12506e-010

各種データ
焦点距離 27.74
Fナンバー 3.61
半画角（度） 26.21
像高 13.66

無限遠 （撮像倍率）×1.00
d20 0.94 8.75
１０ 照明装置 １１ 導光部材 １２ 光源 １３ 拡散板
２０ カメラ本体 ２１ 撮像光学系 ２２ 撮像素子 ２３ メモリ
２４ ファインダー ＯＡ 光軸 ＳＰ 開口絞り
ＦＰ 副絞り ＦＣ フレアカッター ＩＰ 像面

Claims (14)

  1. 撮像光学系と、該撮像光学系を保持する保持枠と、該保持枠に対して設けられ、光を照射する照明装置とを有するレンズ装置であって、
    前記照明装置は、複数の光源と、物体側に光出射面を有する略環状の導光部材とを有し、
    前記導光部材は、内面反射させることにより前記複数の光源からの光を前記光出射面に伝搬し、
    前記複数の光源のうち最も近接する２つの光源の距離をＤＬ、前記導光部材の内径をＤ、前記撮像光学系が最至近距離の物体に合焦したときの前記導光部材から前記最至近距離の物体までの距離をＷＤとするとき、
    ０．２＜ＤＬ／Ｄ＜１．５
    ０．３＜Ｄ／ＷＤ＜６．０
    なる条件式を満足することを特徴とするレンズ装置。
  2. 前記導光部材は、前記光出射面と反対側の面に配置された、前記導光部材に入射した光を反射させる反射手段を有することを特徴とする請求項１に記載のレンズ装置。
  3. 前記光出射面の物体側に、前記光出射面より出射した光を拡散させる拡散板を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ装置。
  4. 無限遠物体に合焦したときにおける前記撮像光学系のバックフォーカスをＢＦ、前記撮像光学系の焦点距離をｆとするとき、
    ０．２０＜ＢＦ／ｆ＜１．８０
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレンズ装置。
  5. 前記撮像光学系は開口絞りを有し、前記撮像光学系のレンズ全長をＴＤ、前記開口絞りから像面までの距離をＤＳＰとするとき、
    ０．６５＜ＤＳＰ／ＴＤ＜０．９５
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレンズ装置。
  6. 最至近距離の物体に合焦したときにおける前記撮像光学系の結像倍率をβとするとき、
    ０．５≦｜β｜
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレンズ装置。
  7. 前記光源は、該光源の光出射面の法線方向が前記導光部材の接線方向を向くように配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレンズ装置。
  8. 前記導光部材の形状は、環状、または、円弧形状であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のレンズ装置。
  9. 前記導光部材の形状は円弧形状であり、前記複数の光源は前記導光部材の端部に配置されていることを特徴とする請求項８に記載のレンズ装置。
  10. 前記複数の光源のそれぞれからの光は、前記導光部材の周方向において同じ回転方向に伝搬されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のレンズ装置。
  11. 前記導光部材は円弧形状第１の環状片と円弧形状第２の環状片を有し、前記最も近接する２つの光源のうち一方が前記第１の環状片の端部に、他方が前記第２の環状片の端部に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のレンズ装置。
  12. 前記保持枠の外径は、前記導光部材の外径よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のレンズ装置。
  13. 前記照明装置は、前記保持枠に対して取り外し可能であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のレンズ装置。
  14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のレンズ装置と、該レンズ装置によって形成される像を受光する撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。
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