JP6827173B2 - レンズ系および該レンズ系を含むカメラシステム - Google Patents

Description

本開示は、レンズ系、および該レンズ系を含むカメラシステムに関する。

魚眼レンズによって結像される像は円形になり、矩形の撮像素子を用いると、像と撮像素子とが重ならず使用されない領域が多くなってしまう。

特許文献１は、長方形の画像センサによりパノラマ画像を撮像する方法を開示する。また、特許文献１は、魚眼対物レンズに円環レンズを用いることにより、円形画像を楕円画像にして矩形の撮像素子に結像させることを開示する。

特表２００４−５３６３５１号公報

略矩形の像を結像するレンズ系および該レンズ系を含むカメラシステムを提供する。

本開示のカメラシステムは、少なくとも１枚のレンズ素子からなるレンズ群を有するレンズ系と、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子と、を備え、レンズ系は、物体側から像面側へと順に、前群、絞り、後群を備え、前群または後群の少なくとも一方は、光軸に対して非対称である自由曲面レンズを含み、撮像素子に略矩形の像を結像し、光軸を通り短辺に平行な軸を垂直軸、光軸を通り長辺に平行な軸を水平軸、光軸を通り撮像素子の対角を結ぶ線に平行な軸を対角軸としたとき、以下の条件を満足するレンズ系と、該レンズ系が形成する光学像を受光して電気的な画像信号に変換する撮像素子を含むカメラ本体と、を備える、カメラシステムに関する。

１＜Ａ／（Ｂ−Ｃ）＜１００００ ・・・（１）
１＜Ａ／（Ｄ−Ｅ）＜１００００ ・・・（２）
１＜Ａ／（Ｆ−Ｇ）＜１００００ ・・・（３）
ここで、
Ａ：［数１］で表される値

Ｂ：［数２］で表される値

Ｃ：［数３］で表される値

Ｄ：［数４］で表される値

Ｅ：［数５］で表される値

Ｆ：［数６］で表される値

Ｇ：［数７］で表される値

ｉ：物体側から像面側へ順に自由曲面レンズを数えたときの自由曲面レンズの番号
ｍ：絞りよりも物体側にある自由曲面レンズの個数
ｎ：自由曲面レンズの総数
Ｌｃｃｉ：撮像素子の中心に結像する主光線が物体側から順にｉ番目の自由曲面レンズ内を通る距離
Ｌｈｖｉ：撮像素子の水平軸上において光軸からＹｖ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズ内を通る距離
Ｌｖｖｉ：撮像素子の垂直軸上において光軸からＹｖ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズ内を通る距離
Ｌｄｈｉ：撮像素子の対角軸上において光軸からＹｈ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズ内を通る距離
Ｌｈｅｉ：撮像素子の水平軸上において光軸からＹｅ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズ内を通る距離
Ｌｈｈｉ：撮像素子の水平軸上において光軸からＹｈ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズを通る距離
ｎｄｉ：物体から順にｉ番目の自由曲面レンズのｄ線に対する屈折率
Ｙｖ：光軸から撮像素子の長辺までの距離
Ｙｈ：光軸から撮像素子の短辺までの距離
Ｙｅ＝√（（Ｙｖ^２＋Ｙｈ^２）／２）
である。

本開示は、略矩形の像を結像するレンズ系および該レンズ系を含むカメラシステムを実現することができる。

図１Ａは、実施の形態１（数値実施例１）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＹＺ断面におけるレンズ素子の配置図である。 図１Ｂは、実施の形態１（数値実施例１）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＸＺ断面におけるレンズ素子の配置図である。 図２Ａは、数値実施例１に係るレンズ系の無限合焦状態の球面収差を示す収差図である。 図２Ｂは、数値実施例１に係るレンズ系の無限合焦状態の垂直方向の非点収差を示す収差図である。 図２Ｃは、数値実施例１に係るレンズ系の無限合焦状態の水平方向の非点収差を示す収差図である。 図２Ｄは、数値実施例１に係るレンズ系の無限合焦状態の対角方向の非点収差を示す収差図である。 図３Ａは、実施の形態２（数値実施例２）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＹＺ断面におけるレンズ素子の配置図である。 図３Ｂは、実施の形態２（数値実施例２）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＸＺ断面におけるレンズ素子の配置図である。 図４Ａは、数値実施例２に係るレンズ系の無限合焦状態の球面収差を示す収差図である。 図４Ｂは、数値実施例２に係るレンズ系の無限合焦状態の垂直方向の非点収差を示す収差図である。 図４Ｃは、数値実施例２に係るレンズ系の無限合焦状態の水平方向の非点収差を示す収差図である。 図４Ｄは、数値実施例２に係るレンズ系の無限合焦状態の対角方向の非点収差を示す収差図である。 図５Ａは、実施の形態３（数値実施例３）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＹＺ断面におけるレンズ素子の配置図である。 図５Ｂは、実施の形態３（数値実施例３）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＸＺ断面におけるレンズ素子の配置図である。 図６Ａは、数値実施例３に係るレンズ系の無限合焦状態の球面収差を示す収差図である。 図６Ｂは、数値実施例３に係るレンズ系の無限合焦状態の垂直方向の非点収差を示す収差図である。 図６Ｃは、数値実施例３に係るレンズ系の無限合焦状態の水平方向の非点収差を示す収差図である。 図６Ｄは、数値実施例３に係るレンズ系の無限合焦状態の対角方向の非点収差を示す収差図である。 図７Ａは、実施の形態４（数値実施例４）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＹＺ断面におけるレンズ素子の配置図である。 図７Ｂは、実施の形態４（数値実施例４）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＸＺ断面におけるレンズ素子の配置図である。 図８Ａは、数値実施例４に係るレンズ系の無限合焦状態の球面収差を示す収差図である。 図８Ｂは、数値実施例４に係るレンズ系の無限合焦状態の垂直方向の非点収差を示す収差図である。 図８Ｃは、数値実施例４に係るレンズ系の無限合焦状態の水平方向の非点収差を示す収差図である。 図８Ｄは、数値実施例４に係るレンズ系の無限合焦状態の対角方向の非点収差を示す収差図である。 図９は、本開示に係るレンズ系の自由曲面レンズを通過する光を説明するための概略構成図である。 図１０は、実施の形態５に係るカメラシステムの概略構成図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１〜４）
［１．構成］
図１Ａは、実施の形態１（数値実施例１）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＹＺ断面におけるレンズ素子の配置図、図１Ｂは、実施の形態１（数値実施例１）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＸＺ断面におけるレンズ素子の配置図である。

図３Ａは、実施の形態２（数値実施例２）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＹＺ断面におけるレンズ素子の配置図、図３Ｂは、実施の形態２（数値実施例２）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＸＺ断面におけるレンズ素子の配置図である。

図５Ａは、実施の形態３（数値実施例３）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＹＺ断面におけるレンズ素子の配置図、図５Ｂは、実施の形態３（数値実施例３）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＸＺ断面におけるレンズ素子の配置図である。

図７Ａは、実施の形態４（数値実施例４）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＹＺ断面におけるレンズ素子の配置図、図７Ｂは、実施の形態４（数値実施例４）に係るレンズ系の無限合焦状態を示す、ＸＺ断面におけるレンズ素子の配置図である。

ここで、Ｘ方向は撮像素子の長辺に平行な方向、Ｙ方向は撮像素子の短辺に平行な方向、Ｚ方向は光軸に平行な方向である。ＹＺ断面とは、光軸を含みＹ方向とＺ方向に平行な平面である。また、ＸＺ断面とは、光軸を含みＸ方向とＺ方向に平行な平面である。

実施の形態１から４に係るレンズ系は、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子に結像させるレンズ系であり、光軸に対して非対称である少なくとも１枚の自由曲面レンズを含む。

実施の形態１から４に係るレンズ系は、開口絞りＡと、負のパワーを有し開口絞りＡより物体側の前群ＦＧと、正のパワーを有し開口絞りＡより像面側の後群ＲＧとを備える。すなわち、各実施の形態に係るレンズ系は、物体側から像面側へと順に、前群ＦＧ、開口絞りＡ、後群ＲＧを備えている。そして、各実施の形態に係るレンズ系は、これらのレンズ群のパワーを物体側から負、正の配置にすることにより、画角を広角化している。なお、開口絞りＡが、本開示に係る絞りに該当する。また、前群ＦＧ及び後群ＲＧは、少なくとも１枚のレンズ素子からなるレンズ群である。

また、各図において、各群の符号に付された記号（＋）及び記号（−）は、各群のパワーの符号に対応する。また、後群より像面側にカバーガラスＣＧが配置される。カバーガラスＣＧは、撮像素子を透明部材で封止したり透明の膜を蒸着したりすることで波長特性を持たせることができる。また、結像の位置を像面Ｓとして表す。

（実施の形態１）
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、実施の形態１に係るレンズ系において、前群ＦＧは、物体側から像面側へと順に、物体側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカス形状の第１レンズ素子Ｌ１と、物体側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカス形状の第２レンズ素子Ｌ２と、像面側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカス形状の第３レンズ素子Ｌ３とからなる。また第３レンズ素子Ｌ３の物体側の面はＸＹ多項式の自由曲面である。

ここで、第３レンズ素子Ｌ３は水平軸（光軸を通り撮像素子の長辺に平行な軸をいう。以下同じ）、垂直軸（光軸を通り撮像素子の短辺に平行な軸をいう。以下同じ）に対して対称な形状を有する自由曲面レンズであり、第１レンズ素子Ｌ１及び第２レンズ素子Ｌ２は光軸に対して軸対称なレンズ素子である。

実施の形態１に係るレンズ系において、後群ＲＧは、物体側から像面側へと順に、両凸形状の第４レンズ素子Ｌ４と、両凹形状の第５レンズ素子Ｌ５と、両凸形状の第６レンズ素子Ｌ６と、像面側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカス形状の第７レンズ素子Ｌ７と、物体側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカス形状の第８レンズ素子Ｌ８と、両凸形状の第９レンズ素子Ｌ９と、像面側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカス形状の第１０レンズ素子Ｌ１０とからなる。また、第９レンズ素子Ｌ９の物体側の面及び像面側の面、第１０レンズ素子Ｌ１０の像面側の面はＸＹ多項式の自由曲面である。これらのうち第５レンズ素子Ｌ５と第６レンズ素子Ｌ６は接合されている。なお、面の形状はＹ方向の光軸近傍（頂点）での形状である。

ここで、第９レンズ素子Ｌ９及び第１０レンズ素子Ｌ１０は水平軸、垂直軸に対して対称な形状を有する自由曲面レンズであり、第４レンズ素子Ｌ４、第５レンズ素子Ｌ５、第６レンズ素子Ｌ６、第７レンズ素子Ｌ７及び第８レンズ素子Ｌ８は光軸に対して軸対称なレンズ素子である。また、第９レンズ素子Ｌ９及び第１０レンズ素子Ｌ１０の主曲率は正のパワーを有する。

また、実施の形態１に係るレンズ系において、前群ＦＧと後群ＲＧの間には、開口絞りＡがある。

（実施の形態２）
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、実施の形態２に係るレンズ系において、前群ＦＧは、物体側から像面側へと順に、物体側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカス形状の第１レンズ素子Ｌ１と、物体側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカス形状の第２レンズ素子Ｌ２と、像面側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカス形状の第３レンズ素子Ｌ３とからなる。また第３レンズ素子Ｌ３の物体側の面はＸＹ多項式の自由曲面である。

ここで、第３レンズ素子Ｌ３は水平軸、垂直軸に対して対称な形状を有する自由曲面レンズであり、第１レンズ素子Ｌ１及び第２レンズ素子Ｌ２は光軸に対して軸対称なレンズ素子である。

実施の形態２に係るレンズ系において、後群ＲＧは、物体側から像面側へと順に、両凸形状の第４レンズ素子Ｌ４と、両凹形状の第５レンズ素子Ｌ５と、両凸形状の第６レンズ素子Ｌ６と、両凸形状の第７レンズ素子Ｌ７と、両凹形状の第８レンズ素子Ｌ８と、両凸形状の第９レンズ素子Ｌ９と、物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカス形状の第１０レンズ素子Ｌ１０とからなる。また、第４レンズ素子Ｌ４の物体側の面、第１０レンズ素子Ｌ１０の物体側の面及び像面側の面はＸＹ多項式の自由曲面である。これらのうち第５レンズ素子Ｌ５と第６レンズ素子Ｌ６は接合されている。なお、面の形状はＹ方向の光軸近傍（頂点）での形状である。

ここで、第４レンズ素子Ｌ４及び第１０レンズ素子Ｌ１０は水平軸、垂直軸に対して対称な形状を有する自由曲面レンズであり、第５レンズ素子Ｌ５、第６レンズ素子Ｌ６、第７レンズ素子Ｌ７、第８レンズ素子Ｌ８及び第９レンズ素子Ｌ９は光軸に対して軸対称なレンズ素子である。また、第４レンズ素子Ｌ４及び第１０レンズ素子Ｌ１０の主曲率は正のパワーを有する。また、最も像面側にある主曲率が正のパワーを有する自由曲面レンズである第１０レンズ素子Ｌ１０の両面が自由曲面である。

また実施の形態２に係るレンズ系において、前群ＦＧと後群ＲＧの間には、開口絞りＡがある。

（実施の形態３）
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、実施の形態３に係るレンズ系において、前群ＦＧは、物体側から像面側へと順に、物体側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカス形状の第１レンズ素子Ｌ１と、物体側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカス形状の第２レンズ素子Ｌ２と、像面側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカス形状の第３レンズ素子Ｌ３と、からなる。また第３レンズ素子Ｌ３の物体側の面はＸＹ多項式の自由曲面である。

ここで、第３レンズ素子Ｌ３は水平軸、垂直軸に対して対称な形状を有する自由曲面レンズであり、第１レンズ素子Ｌ１及び第２レンズ素子Ｌ２は光軸に対して軸対称なレンズ素子である。また、第３レンズ素子Ｌ３の主曲率は負のパワーを有する。

実施の形態３に係るレンズ系において、後群ＲＧは、物体側から像面側へと順に、両凸形状の第４レンズ素子Ｌ４と、両凹形状の第５レンズ素子Ｌ５と、両凸形状の第６レンズ素子Ｌ６と、両凸形状の第７レンズ素子Ｌ７と、両凹形状の第８レンズ素子Ｌ８と、物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカス形状の第９レンズ素子Ｌ９と、両凸形状の第１０レンズ素子Ｌ１０とからなる。また、第１０レンズ素子Ｌ１０の物体側の面及び像面側の面はＸＹ多項式の自由曲面である。これらのうち第５レンズ素子Ｌ５と第６レンズ素子Ｌ６は接合されている。なお、面の形状はＹ方向の光軸近傍（頂点）での形状である。

ここで、第１０レンズ素子Ｌ１０は水平軸、垂直軸に対して対称な形状を有する自由曲面レンズであり、第４レンズ素子Ｌ４、第５レンズ素子Ｌ５、第６レンズ素子Ｌ６、第７レンズ素子Ｌ７、第８レンズ素子Ｌ８及び第９レンズ素子Ｌ９は光軸に対して軸対称なレンズ素子である。また、第１０レンズ素子Ｌ１０の主曲率は正のパワーを有する。また、最も像面側にある主曲率が正のパワーを有する自由曲面レンズである第１０レンズ素子Ｌ１０の両面が自由曲面である。

また実施の形態３に係るレンズ系において、前群ＦＧと後群ＲＧの間には、開口絞りＡがある。

（実施の形態４）
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、実施の形態４に係るレンズ系において、前群ＦＧは、物体側から像面側へと順に、物体側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカス形状の第１レンズ素子Ｌ１と、物体側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカス形状の第２レンズ素子Ｌ２と、両凹形状の第３レンズ素子Ｌ３とからなる。

ここで、第１レンズ素子Ｌ１、第２レンズ素子Ｌ２及び第３レンズ素子Ｌ３は、光軸に対して軸対称なレンズ素子である。

実施の形態４に係るレンズ系において、後群ＲＧは、物体側から像面側へと順に、両凸形状の第４レンズ素子Ｌ４と、物体側に凸を向けた負のパワーを有するメニスカス形状の第５レンズ素子Ｌ５と、両凸形状の第６レンズ素子Ｌ６と、両凹形状の第７レンズ素子Ｌ７と、両凸形状の第８レンズ素子Ｌ８と、両凸形状の第９レンズ素子Ｌ９と、物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカス形状の第１０レンズ素子Ｌ１０とからなる。また、第４レンズ素子Ｌ４の物体側の面及び像面側の面、第１０レンズ素子Ｌ１０の物体側の面及び像面側の面はＸＹ多項式の自由曲面であり、第９レンズ素子Ｌ９の物体側の面及び像面側の面はアナモルフィック形状の自由曲面である。これらのうち第５レンズ素子Ｌ５と第６レンズ素子Ｌ６は接合されている。なお、面の形状はＹ方向の光軸近傍（頂点）での形状である。

ここで、第４レンズ素子Ｌ４、第９レンズ素子Ｌ９及び第１０レンズ素子Ｌ１０は水平軸、垂直軸に対して対称な形状を有する自由曲面レンズであり、第５レンズ素子Ｌ５、第６レンズ素子Ｌ６、第７レンズ素子Ｌ７及び第８レンズ素子Ｌ８は、光軸に対して軸対称なレンズ素子である。また、第９レンズ素子Ｌ９及び第１０レンズ素子Ｌ１０の主曲率は正のパワーを有する。また、最も像面側にある主曲率が正のパワーを有する自由曲面レンズである第１０レンズ素子Ｌ１０の両面が自由曲面である。

また実施の形態４に係るレンズ系において、前群ＦＧと後群ＲＧの間には、開口絞りＡがある。

実施の形態１から４に係るレンズ系は、少なくとも１枚のレンズ素子からなるレンズ群を有し、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子に結像させるレンズ系であって、光軸に対して非対称である自由曲面レンズを含み、物体側から像面側へと順に、前群、絞り、後群を備えている。この構成により、略矩形の像を結像することが可能となる。

また、実施の形態１から４に係るレンズ系は、光軸に対して軸対称なレンズ素子を少なくとも２つ以上有する構成をしている。この構成により、自由曲面レンズを少なくすることができ、方向による性能の偏りを小さくすることができ、また設計時に計算時間を短縮できるという利点がある。

実施の形態１から４に係るレンズ系は、自由曲面レンズの自由曲面が水平軸、垂直軸に対して対称な形状を有する構成をしており、自由曲面の中心がわかるので、製造時に形状の管理がしやすくできるという利点がある。

実施の形態１から４に係るレンズ系は、後群にある少なくとも１枚の自由曲面レンズの主曲率は正のパワーを有する構成をしている。こうすることで、後群にある他のレンズ素子の正のパワーを強めなくてよく、後群中のレンズ素子が偏心する際に発生する収差を小さくすることができるという利点がある。

実施の形態１から４に係るレンズ系は、前群は物体から順に、物体側に凸形状の負のパワーを有するメニスカス形状の第１レンズ素子、物体側に凸形状の負のパワーを有するメニスカス形状の第２レンズ素子を有する構成をしている。この構成により、広い角度で入射する光を集めることができるので、レンズ系を広角化しやすい。また、負のパワーを有するレンズ素子を２枚連続させることでそれぞれのレンズ素子の負のパワーを小さくすることができ、製造しやすい形状にすることができるという利点がある。

実施の形態２から４に係るレンズ系は、最も像面側にある主曲率が正のパワーを有する自由曲面レンズは両面が自由曲面の構成をしているので、各々の方向の光線がレンズ素子の面上で別れる。これにより、像高の位置制御と収差低減が行いやすくなるという利点がある。

実施の形態１から３に係るレンズ系は、前群及び後群にそれぞれに少なくとも１枚の自由曲面レンズを有する構成をしているので、各方向での像面湾曲を小さくすることができるという利点がある。

実施の形態３に係るレンズ系は、前群にある少なくとも１枚の自由曲面レンズの主曲率は負のパワーを有する構成をしているので、前群にある他の負のパワーを有するレンズ素子の負のパワーを強めなくてよく、前群中のレンズ素子が偏心する際に発生する収差を小さくすることができるので製造が容易できるという利点がある。

実施の形態１から４に係るレンズ系は、半画角が８０度以上の魚眼レンズであるので、広い画角をカバーすることができる。また、一般に魚眼レンズの場合には、撮像素子の対角付近において結像することが難しい。しかしながら、本開示に係る自由曲面レンズを用いることで、撮像素子の対角付近においても結像することが可能となる。

例えば実施の形態１から４に係るレンズ系のように、物体から順に、前群、絞り、後群を備え、前群または後群の少なくとも一方は光軸に対して非対称である少なくとも１枚の自由曲面レンズを含むレンズ系（以下、このレンズ系の構成を実施の形態の基本構成という）は、以下の条件（１）及び条件（２）を満足することが好ましい。

図９は、本開示に係るレンズ系の自由曲面レンズを通過する光を説明するための概略構成図である。

図９に示すように、光軸を通り撮像素子１０２の短辺に平行な軸を垂直軸、光軸を通り撮像素子１０２の長辺に平行な軸を水平軸、光軸を通り撮像素子１０２の対角を結ぶ線に平行な軸を対角軸とする。

１＜Ａ／（Ｂ−Ｃ）＜１００００ ・・・（１）
１＜Ａ／（Ｄ−Ｅ）＜１００００ ・・・（２）
ここで、
Ａ：［数１］で表される値

Ｂ：［数２］で表される値

Ｃ：［数３］で表される値

Ｄ：［数４］で表される値

Ｅ：［数５］で表される値

ｉ：物体側から像面側へ順に自由曲面レンズを数えたときの自由曲面レンズの番号
ｍ：前群（絞りよりも物体側）にある自由曲面レンズの個数
ｎ：前群及び後群にある自由曲面レンズの個数（自由曲面レンズの総数）
Ｌｃｃｉ：撮像素子の中心に結像する主光線が物体側から順にｉ番目の自由曲面レンズ内を通る距離
Ｌｈｖｉ：水平軸を含み撮像素子に垂直な面上において、撮像素子の光軸からＹｖ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズを通る距離（撮像素子の水平軸上において光軸からＹｖ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズ内を通る距離）
Ｌｖｖｉ：垂直軸を含み撮像素子に垂直な面上において、撮像素子の光軸からＹｖ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズを通る距離（撮像素子の垂直軸上において光軸からＹｖ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズ内を通る距離）
Ｌｄｈｉ：対角軸を含み撮像素子に垂直な面上において、撮像素子の光軸からＹｈ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズを通る距離（撮像素子の対角軸上において光軸からＹｈ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズ内を通る距離）
Ｌｈｅｉ：水平軸を含み撮像素子に垂直な面上において、撮像素子の光軸からＹｅ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズを通る距離（撮像素子の水平軸上において光軸からＹｅ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズ内を通る距離）
ｎｄｉ：物体から順にｉ番目の自由曲面レンズのｄ線に対する屈折率
Ｙｖ：光軸から撮像素子の長辺までの距離
Ｙｈ：光軸から撮像素子の短辺までの距離
Ｙｅ＝√（（Ｙｖ^２＋Ｙｈ^２）／２）
である。

条件（１）及び条件（２）は、自由曲面レンズの材料と形状を規定するための条件である。

条件（１）は、水平軸上と垂直軸上とにおいて撮像素子１０２の中心からＹｖ離れた位置及び光軸上のそれぞれの結像位置の主光線が通過する自由曲面レンズ内の光路長によって自由曲面レンズの材料と形状を規定している。分母は、水平軸と垂直軸上に到達する光線の自由曲面レンズ内の光路長差である。絞りより前側の光路長ではマイナス符号、絞りより像面側の光路長ではプラス符号となる。絞り前後に自由曲面レンズが無い場合はそれぞれの光路長差は０となる。条件（１）の下限を下回ると、水平方向における画像が水平方向における撮像素子に対して大きくなる、あるいは、垂直方向における画像が垂直方向における撮像素子に対して小さくなってしまう。逆に条件（１）の上限を上回ると水平方向における画像が水平方向における撮像素子に対して小さくなる、あるいは、垂直方向における画像が垂直方向における撮像素子に対して大きくなってしまう。つまり条件（１）を満足することで水平方向と垂直方向の画像を撮像素子に対して略同程度の大きさにすることができる。すなわち、矩形の撮像素子の有効領域に無駄なく被写体像を形成することができる。

なお、さらに以下の条件（１ａ）及び（１ｂ）の少なくとも一つを満足することにより、上述の効果をさらに奏功させることができる。

５＜Ａ／（Ｂ−Ｃ） ・・・（１ａ）
Ａ／（Ｂ−Ｃ）＜１００ ・・・（１ｂ）’’
条件（２）は、対角軸上において撮像素子１０２の中心からＹｈ離れた位置と水平軸上においてＹｅ離れた位置及び光軸上のそれぞれの結像位置の主光線が通過する自由曲面レンズ内の光路長によって自由曲面レンズの材料と形状を規定している。なお、分母は、対角軸と水平軸上に到達する光線の自由曲面レンズ内の光路長差である。絞りより前側の光路長ではマイナス符号、絞りより像面側の光路長ではプラス符号となる。絞り前後に自由曲面レンズが無い場合はそれぞれの光路長差は０となる。

条件（２）の下限を下回ると、対角方向における画像が対角方向における撮像素子に対して大きくなる、あるいは、水平方向における画像が水平方向における撮像素子に対して小さくなってしまう。逆に上限を上回ると対角方向における画像が対角方向における撮像素子に対して小さくなる、あるいは水平方向における画像が水平方向における撮像素子に対して大きくなってしまう。つまり、条件（２）を満足することで対角方向と水平方向の画像を撮像素子に対して略同程度の大きさにすることができる。すなわち、矩形の撮像素子の有効領域に無駄なく被写体像を形成することができる。

なお、さらに以下の条件（２ａ）及び（２ｂ）の少なくとも一つを満足することにより、上述の効果をさらに奏功させることができる。

１０＜Ａ／（Ｄ−Ｅ） ・・・（２ａ）
Ａ／（Ｄ−Ｅ）＜１０００ ・・・（２ｂ）
例えば実施の形態１から４に係るレンズ系のように、基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（３）を満足することが好ましい。

１＜Ａ／（Ｆ−Ｇ）＜１００００ ・・・（３）
ここで、
Ｆ：［数６］で表される値

Ｇ：［数７］で表される値

Ｌｈｈｉ：撮像素子の水平軸上において光軸からＹｈ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズを通る距離（水平軸を含み撮像素子に垂直な面上において、撮像素子の光軸からＹｈ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズを通る距離）
である。

条件（３）は、自由曲面レンズの材料と形状を規定するための条件である。

条件（３）は、光軸から撮像素子１０２の対角軸上と水平軸上とにそれぞれＹｈ離れた位置及び光軸上のそれぞれの結像位置の主光線が通過する自由曲面レンズ内の光路長によって、自由曲面レンズの材料と形状を規定している。なお、分母は、対角軸と水平軸上に到達する光線の自由曲面レンズ内の光路長差である。絞りより前側の光路長ではマイナス符号、絞りより像面側の光路長ではプラス符号となる。絞り前後に自由曲面レンズが無い場合はそれぞれの光路長差は０となる。条件（３）の下限を下回ると、対角方向における画像が対角方向における撮像素子に対して大きくなる、あるいは、水平方向における画像が水平方向における撮像素子に対して小さくなってしまう。逆に、条件（３）の上限を上回ると、対角方向における画像が対角方向における撮像素子に対して小さくなる、あるいは、水平方向における画像が水平方向における撮像素子に対して大きくなってしまう。つまり、条件（３）を満足することで対角方向と水平方向の画像を撮像素子に対して略同程度の大きさにすることができる。すなわち、矩形の撮像素子の有効領域に無駄なく被写体像を形成することができる。

なお、更に以下の条件（３ａ）及び（３ｂ）の少なくとも一つを満足することにより、上述の効果をさらに奏功させることができる。

１０＜Ａ／（Ｆ−Ｇ） ・・・（３ａ）
Ａ／（Ｆ−Ｇ）＜５００ ・・・（３ｂ）
例えば実施の形態１から４に係るレンズ系のように、基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（４）を満足することが好ましい。

０．１ ＜ Ｌｓｉ／Ｌｔｔ ＜ ０．７ ・・・（４）
ここで、
Ｌｓｉ：絞りから撮像素子までの距離
Ｌｔｔ：レンズ系の最物体側面から撮像素子までの距離
である。
ここで、距離とは光軸上の距離をいう。

条件（４）は、絞りの位置と光学全長との関係を規定するものである。条件（４）の下限を下回ると、撮像素子へ入射する光線の角度が大きくなりすぎ、シェーディングが発生してしまう。逆に上限を上回ると、撮像面側のレンズ群が大きくなりすぎてしまう。

なお、更に以下の条件（４ａ）及び（４ｂ）の少なくとも一つを満足することにより、上述の効果をさらに奏功させることができる。

０．３ ＜ Ｌｓｉ／Ｌｔｔ ・・・（４ａ）
Ｌｓｉ／Ｌｔｔ ＜ ０．６ ・・・（４ｂ）
実施の形態１〜４に係るレンズ系を構成している各レンズ素子は、入射光線を屈折により偏向させる屈折型レンズ素子（すなわち、異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレンズ素子）のみで構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、回折により入射光線を偏向させる回折型レンズ素子、回折作用と屈折作用との組み合わせで入射光線を偏向させる屈折・回折ハイブリッド型レンズ素子、入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布型レンズ素子等で、各レンズ群を構成してもよい。特に、屈折・回折ハイブリッド型レンズ素子において、屈折率の異なる媒質の界面に回折構造を形成すると、回折効率の波長依存性が改善されるので、好ましい。

実施の形態１〜４に係るレンズ系は、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子に結像させるレンズ系であるとして説明したが、これに限定されるものではない。例えば、撮像素子は二辺の長さが略等しい略正方形状であってもよい。この場合、一方の辺を短辺、他方の辺を長辺とし、条件（１）〜（３）を適用すればよい。

（実施の形態５）
図１０は、実施の形態５に係るカメラシステムの概略構成図である。本実施の形態に係るカメラシステム１００は、カメラ本体１０１と、レンズ系２０１によって形成される光学像を受光して、電気的な画像信号に変換する撮像素子１０２と、実施の形態１〜４いずれかに係るレンズ系２０１と、カバーガラスＣＧとを含む。なお、図１０においては、レンズ系２０１として実施の形態１に係るレンズ系を用いた場合を図示している。

本実施の形態５では、実施の形態１〜４いずれかに係るレンズ系２０１を用いているので、撮像素子１０２に略矩形の像を結像させることができ、画素数の多い画像を得ることができるカメラシステムを実現することができる。

以下、実施の形態１〜４に係るレンズ系を具体的に実施した数値実施例を説明する。なお、各数値実施例において、表中の長さの単位はすべて「ｍｍ」であり、画角の単位はすべて「°」である。また、各数値実施例において、ｒは曲率半径、ｄは面間隔、ｎｄはｄ線に対する屈折率、νｄはｄ線に対するアッベ数である。また、各数値実施例において、＊印を付した面はアナモルフィックの自由曲面、またはＸＹ多項式の自由曲面である。アナモルフィック及びＸＹ多項式のＺ軸に平行な面のサグ量ｚはそれぞれ、アナモルフィック形状を［数８］、ＸＹ多項式を［数９］で定義している。

ここで
ＣＵＸ：ｘ方向の曲率
ＣＵＹ：ｙ方向の曲率
である。

ここで
ｃ：頂点曲率（ＣＵＹ）
ｋ（ｃ１）：コーニック定数
ｃ_ｊ：多項式ｘ^ｐｙ^ｑの係数
である。

図２Ａは、数値実施例１に係るレンズ系の無限合焦状態の球面収差を示す収差図、図２Ｂは、数値実施例１に係るレンズ系の無限合焦状態の垂直方向の非点収差を示す収差図、図２Ｃは、数値実施例１に係るレンズ系の無限合焦状態の水平方向の非点収差を示す収差図、図２Ｄは、数値実施例１に係るレンズ系の無限合焦状態の対角方向の非点収差を示す収差図である。

図４Ａは、数値実施例２に係るレンズ系の無限合焦状態の球面収差を示す収差図、図４Ｂは、数値実施例２に係るレンズ系の無限合焦状態の垂直方向の非点収差を示す収差図、図４Ｃは、数値実施例２に係るレンズ系の無限合焦状態の水平方向の非点収差を示す収差図、図４Ｄは、数値実施例２に係るレンズ系の無限合焦状態の対角方向の非点収差を示す収差図である。

図６Ａは、数値実施例３に係るレンズ系の無限合焦状態の球面収差を示す収差図、図６Ｂは、数値実施例３に係るレンズ系の無限合焦状態の垂直方向の非点収差を示す収差図、図６Ｃは、数値実施例３に係るレンズ系の無限合焦状態の水平方向の非点収差を示す収差図、図６Ｄは、数値実施例３に係るレンズ系の無限合焦状態の対角方向の非点収差を示す収差図である。

図８Ａは、数値実施例４に係るレンズ系の無限合焦状態の球面収差を示す収差図、図８Ｂは、数値実施例４に係るレンズ系の無限合焦状態の垂直方向の非点収差を示す収差図、図８Ｃは、数値実施例４に係るレンズ系の無限合焦状態の水平方向の非点収差を示す収差図、図８Ｄは、数値実施例４に係るレンズ系の無限合焦状態の対角方向の非点収差を示す収差図である。

ここで、球面収差及び非点収差についてそれぞれ、球面収差（ＳＡ（ｍｍ））、垂直方向の非点収差（ＡＳＴ―Ｖ（ｍｍ））、水平方向の非点収差（ＡＳＴ―Ｈ（ｍｍ））、対角方向の非点収差（ＡＳＴ―Ｄ（ｍｍ））を示す。球面収差に係る収差図において、縦軸は瞳高さを表し、実線はｄ線、短破線はＣ線、長破線はＦ線の特性である。非点収差に係る収差図において、縦軸は画角を表し、実線はＹＺ平面（図中、ｙで示す）、破線はＸＺ平面（図中、ｘで示す）の特性である。

なお、実施の形態１から４はＸＹ多項式のｘ及びｙの偶数項のみを使用しているので、ｘ軸とｙ軸に対して対称なので対角方向の非点収差ＡＳＴ−Ｄはどの方向でも同じになる。

（数値実施例１）
数値実施例１のレンズ系は、図１Ａ及び図１Ｂに示した実施の形態１に対応する。数値実施例１のレンズ系の面データを表１に、各種データを表２に、第５面、第１７面、第１８面および第２０面の自由曲面データをそれぞれ表３、表４、表５および表６に示す。

（数値実施例２）
数値実施例２のレンズ系は、図３Ａ及び図３Ｂに示した実施の形態２に対応する。数値実施例２のレンズ系の面データを表７に、各種データを表８に、第５面、第８面、第１９面および第２０面の自由曲面データをそれぞれ表９、表１０、表１１および表１２に示す。

（数値実施例３）
数値実施例３のレンズ系は、図５Ａ及び図５Ｂに示した実施の形態３に対応する。数値実施例３のレンズ系の面データを表１３に、各種データを表１４に、第５面、第１９面および第２０面の自由曲面データをそれぞれ表１５、表１６および表１７に示す。

（数値実施例４）
数値実施例４のレンズ系は、図７Ａ及び図７Ｂに示した実施の形態４に対応する。数値実施例４のレンズ系の面データを表１８に、各種データを表１９に、第８面、第９面、第１９面および第２０面の自由曲面データをそれぞれ表２０、表２１、表２２および表２３に、第１７面と第１８面のアナモルフィック面のデータをそれぞれ表２４と表２５に示す。

以下の表２６に、各数値実施例のレンズ系における各条件（１）〜（４）の対応値を示す。

（条件の対応値）

本実施に係るレンズ系は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話機器のカメラ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）のカメラ、監視システムにおける監視カメラ、Ｗｅｂカメラ、車載カメラ等に適用可能であり、特にデジタルスチルカメラシステム、デジタルビデオカメラシステムといった高画質が要求される撮影光学系に好適である。

また本実施に係るレンズ系は、本実施に係る交換レンズ装置の中でも、デジタルビデオカメラシステムに備えられる。

ＦＧ 前群
ＲＧ 後群
Ａ 開口絞り（絞り）
Ｌ１ 第１レンズ素子
Ｌ２ 第２レンズ素子
Ｌ３ 第３レンズ素子
Ｌ４ 第４レンズ素子
Ｌ５ 第５レンズ素子
Ｌ６ 第６レンズ素子
Ｌ７ 第７レンズ素子
Ｌ８ 第８レンズ素子
Ｌ９ 第９レンズ素子
Ｌ１０ 第１０レンズ素子
ＣＧ カバーガラス
Ｓ 像面
１００ カメラシステム
１０１ カメラ本体
１０２ 撮像素子

Claims (10)

1. 少なくとも１枚のレンズ素子からなるレンズ群を有するレンズ系と、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子と、を備え、
   前記レンズ系は、物体側から像面側へと順に、前群、絞り、後群を備え、前記前群または前記後群の少なくとも一方は、光軸に対して非対称である自由曲面レンズを含み、前記撮像素子に略矩形の像を結像し、光軸を通り前記短辺に平行な軸を垂直軸、光軸を通り前記長辺に平行な軸を水平軸、光軸を通り前記撮像素子の対角を結ぶ線に平行な軸を対角軸としたとき、以下の条件を満足するカメラシステム：
   １＜Ａ／（Ｂ−Ｃ）＜１００００ ・・・（１）
   １＜Ａ／（Ｄ−Ｅ）＜１００００ ・・・（２）
   １＜Ａ／（Ｆ−Ｇ）＜１００００ ・・・（３）
   ここで、
   Ａ：［数１］で表される値
   Ｂ：［数２］で表される値
   Ｃ：［数３］で表される値
   Ｄ：［数４］で表される値
   Ｅ：［数５］で表される値
   Ｆ：［数６］で表される値
   Ｇ：［数７］で表される値
   ｉ：物体側から像面側へ順に自由曲面レンズを数えたときの自由曲面レンズの番号
   ｍ：絞りよりも物体側にある自由曲面レンズの個数
   ｎ：自由曲面レンズの総数
   Ｌｃｃｉ：撮像素子の中心に結像する主光線が物体側から順にｉ番目の自由曲面レンズ内を通る距離
   Ｌｈｖｉ：撮像素子の水平軸上において光軸からＹｖ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズ内を通る距離
   Ｌｖｖｉ：撮像素子の垂直軸上において光軸からＹｖ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズ内を通る距離
   Ｌｄｈｉ：撮像素子の対角軸上において光軸からＹｈ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズ内を通る距離
   Ｌｈｅｉ：撮像素子の水平軸上において光軸からＹｅ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズ内を通る距離
   Ｌｈｈｉ：撮像素子の水平軸上において光軸からＹｈ離れた位置に結像する主光線が物体から順にｉ番目の自由曲面レンズを通る距離
   ｎｄｉ：物体から順にｉ番目の自由曲面レンズのｄ線に対する屈折率
   Ｙｖ：光軸から撮像素子の長辺までの距離
   Ｙｈ：光軸から撮像素子の短辺までの距離
   Ｙｅ＝√（（Ｙｖ^２＋Ｙｈ^２）／２）
   である。
   ここで、
2. 光軸に対して軸対称なレンズ素子を少なくとも２つ以上有する、請求項１記載のカメラシステム。
3. 前記前群及び前記後群は、それぞれ少なくとも１枚の自由曲面レンズを有する、請求項１または２に記載のカメラシステム。
4. 自由曲面レンズは、前記水平軸、前記垂直軸に対して対称な形状を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載のカメラシステム。
5. 前記前群は自由曲面レンズを含み、前記前群に位置する自由曲面レンズの主曲率は負のパワーを有する、請求項１から４のいずれか１項に記載のカメラシステム。
6. 前記後群は自由曲面レンズを含み、前記後群に位置する自由曲面レンズの主曲率は正のパワーを有する、請求項１から５のいずれか１項に記載のカメラシステム。
7. 前記前群は、物体側から像面側へと順に、物体側に凸形状の負のパワーを有するメニスカス形状の第１レンズ素子、物体側に凸形状の負のパワーを有するメニスカス形状の第２レンズ素子を有する、請求項１から６のいずれか１項に記載のカメラシステム。
8. 以下の条件（４）を満足する、請求項１から７のいずれか１項に記載のカメラシステム：
   ０．１ ＜ Ｌｓｉ／Ｌｔｔ ＜ ０．７ ・・・（４）
   ここで、
   Ｌｓｉ：絞りから像面までの距離
   Ｌｔｔ：最も物体側のレンズ面から像面までの距離
   である。
9. 最も像面側にある主曲率が正のパワーを有する自由曲面レンズの両面が自由曲面である、請求項１から８のいずれか１項に記載のカメラシステム。
10. 前記レンズ系は魚眼レンズ系である、請求項１から９のいずれか１項に記載のカメラシステム。