JPH06331891A

JPH06331891A - 固体撮像素子を用いた撮像装置

Info

Publication number: JPH06331891A
Application number: JP5141336A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hamano; 博之浜野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-05-20
Filing date: 1993-05-20
Publication date: 1994-12-02

Abstract

(57)【要約】【目的】フィールドレンズを用いることにより撮影系
の射出瞳位置を適切に設定し、シェーディングの少ない
高い光学性能を有した固体撮像素子を用いた撮像装置を
得ること。【構成】撮影系により物体像を像面近傍に設けた固体
撮像素子面上に形成する際、該撮影系は射出瞳が該像面
よりも物体側に位置する主光学系と該主光学系と該固体
撮像素子との間に配置した正の屈折力のフィールドレン
ズとを有していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体撮像素子を用いた撮
像装置に関し、特に撮影系のレンズ全長の短縮化を図り
つつ撮影系の射出瞳位置と像面との距離を一定以上に維
持しつつ、固体撮像素子への軸外光束の入射角の違いに
よるシェーディングの低減を図り、画面全体にわたり高
い光学性能が得られるようにしたビデオカメラやテレビ
カメラ等に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来よりビデオカメラやテレビカメラ等
に用いる撮影系においては、撮影手段として多くの場合
固体撮像素子を用いている。又固体撮像素子を用いたと
きに発生するモアレを除去する為にローパスフィルター
を固体撮像素子の物体側に配置している。

【０００３】一般に固体撮像素子を用いた撮影系におい
ては、該撮影系の射出瞳が結像面より遠く離れた位置に
くるようにレンズ系を構成し、軸上及び軸外の主光線が
結像面に対して略垂直に入射するようにした所謂テレセ
ントリック光学系となるように構成するのが重要となっ
ている。

【０００４】例えば軸上主光線と軸外主光線とが略平行
となるように構成しないとこれらの主光線が固体撮像素
子に入射する際に入射角度が各々異なってくる。そうす
ると画面中央と画面周辺とで画質が異なってきて、所謂
シェーディング（輝度シェーディング）が発生してく
る。

【０００５】又レンズ系の後方にローパスフィルターを
配置した撮影系においては軸上光線と軸外光線のローパ
スフィルター内を通過する光路長が互いに異なってき
て、常光線と異常光線の分離幅が画面位置によって異な
り、面全体にわたり均一なローパス効果が得られないと
いう問題点が生じてくる。

【０００６】この他、従来の固体撮像素子では光検出効
率を高める為に所定の周期で配列した複数の受光素子
（受光部）の光入射面側に各受光素子に対応させて集光
性の複数のマイクロレンズを所定の周期で配列してい
る。

【０００７】これによりチップサイズの小型化及び多画
素化に伴い、これに形成される画素としての受光素子の
面積が縮小し、各受光素子での受光量が減少したときの
検出感度の低下を防止している。

【０００８】図１２は従来のこの種のカラー固体撮像素
子の要部断面図である。

【０００９】同図においては半導体基板２１面上にフォ
トダイオードより成る複数の受光素子（受光部）２２
（２２ａ，２２ｂ〜）と各受光素子に発生蓄積した電荷
を転送する為の複数の転送部２３（２３ａ，２３ｂ〜）
を設けている。

【００１０】そして各受光素子２２の光入射側にゼラチ
ン又はカゼイン等の赤色Ｒ，緑色Ｇ，青色Ｂに染色した
ワンチップカラーフィルター２４Ｒ，２４Ｇ，２４Ｂ‥
‥を形成した後、該各々のカラーフィルターの光入射側
に複数のマイクロレンズ２５（２５ａ，２５ｂ‥‥）を
設けている。

【００１１】このような構成により受光素子で光検出す
る際の光検出効率を高めている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来の固体撮像素子で
用いているマイクロレンズは無限遠からの光束を集光
し、受光素子に入射するように屈折力や形状等が最適化
されている。この為、このような固体撮像素子を光電変
換手段として像面に用いる撮影系（投影レンズ）は、そ
の射出瞳位置が無限遠位置にある、所謂テレセントリッ
ク系であることが前提となっている。

【００１３】テレセントリック系では軸上及び軸外主光
線が撮像面の中心部及び周辺部におけるマイクロレンズ
に対して略垂直に入射する。この為画面全体にわたり均
一の光学的作用を受け、画面全体にわたり均一な画像が
得られる。

【００１４】しかしながら近年、固体撮像素子のチップ
サイズの小型化に伴って、撮影系の小型化が要望されて
いる。

【００１５】一般に撮影系の小型化を図ると、その射出
瞳が遠方より近方に変化してくる。この結果、図１３に
示すように軸外主光線ＲＡは撮像面の周辺には光軸に対
して斜めに入射する。

【００１６】そうすると周期的に配列した受光素子（２
２ａ，２２ｂ‥‥）に対応して設けたマイクロレンズ
（２５ａ，２５ｂ‥‥）に対して、撮影レンズ３１から
の周辺光束ＲＬが各々異なった状態で入射する。即ち各
マイクロレンズ毎に集光状態が異なってきて、例えば周
辺部では光束の全てが受光素子に入射しなくなってくる
場合がある。

【００１７】この結果、画面の中心部の受光素子に対し
て周辺部の受光素子での受光光量が減少し、所謂輝度シ
ェーディングが発生するという問題点が生じてくる。

【００１８】又軸外主光線の受光素子への入射角が大き
くなるとカラーフィルターを通過した光束の一部が、そ
のカラーフィルターに相当する受光素子のみでなく、隣
接する受光素子にも入射するようになり、色のにじみが
発生する。所謂色シェーディングが発生するという問題
点が生じてくる。

【００１９】本発明は、撮影系のレンズ全長の短縮化と
共に該撮影系の射出瞳から像面までの距離が一定以上の
値となるようにして、撮像手段として固体撮像素子を用
いたときの輝度シェーディングや色シェーディングの発
生を効果的に低減し、画面全体にわたり均一の高い光学
性能の画像が容易に得られる固体撮像素子を用いた撮像
装置の提供を目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子を
用いた撮像装置は、撮影系により物体像を像面近傍に設
けた固体撮像素子面上に形成する際、該撮影系は射出瞳
が該像面よりも物体側に位置する主光学系と該主光学系
と該固体撮像素子との間に配置した正の屈折力のフィー
ルドレンズとを有していることを特徴としている。

【００２１】

【実施例】図１，図２は各々、本発明に係る撮影系の後
述する数値実施例１，２の要部断面図である。図３〜図
５は本発明の後述する数値実施例１の広角端、中間、望
遠端の諸収差図である。図６〜図８は本発明の後述する
数値実施例２の広角端、中間、望遠端の諸収差図であ
る。図９〜図１１は本発明の後述する数値実施例３の広
角端、中間、望遠端の諸収差図である。

【００２２】図中、Ｍは主光学系で変倍光学系より成っ
ている。ＬＰはローパスフィルター、Ｆはフィールドレ
ンズ、ＩＭは像面である。像面ＩＭ近傍には、例えば図
１２に示すような固体撮像素子（不図示）を配置してい
る。主光学系ＭとフィールドレンズＦは撮影系の一要素
を構成している。

【００２３】Ｌ１は正の屈折力の第１群、Ｌ２は負の屈
折力の第２群、Ｌ３は正の屈折力の第３群、Ｌ４は正の
屈折力の第４群、Ｌ５は負の屈折力の第５群である。Ｓ
Ｐは開口絞りであり、第３群３の前方に配置している。

【００２４】広角端から望遠端への変倍に際して矢印の
ように第２群を像面側へ移動させると共に、変倍に伴う
像面変動を第４群を移動させて補正している。又第４群
を光軸上移動させてフォーカスを行うリヤーフォーカス
式を採用している。

【００２５】同図に示す第４群の実線の曲線４ａと点線
の曲線４ｂは各々無限遠物体と近距離物体にフォーカス
しているときの広角端から望遠端への変倍に伴う際の像
面変動を補正する為の移動軌跡を示している。尚、第１
群，第３群，第５群は変倍及びフォーカスの際固定であ
る。

【００２６】本実施例においては第４群を移動させて変
倍に伴う像面変動の補正を行うと共に第４群を移動させ
てフォーカスを行うようにしている。特に同図の曲線４
ａ，４ｂに示すように広角端から望遠端への変倍に際し
て物体側へ凸状の軌跡を有するように移動させている。
これにより第３群と第４群との空間の有効利用を図りレ
ンズ全長の短縮化を効果的に達成している。

【００２７】本実施例において、例えば望遠端において
無限遠物体から近距離物体へフォーカスを行う場合は同
図の直線４ｃに示すように第４群を前方へ繰り出すこと
により行っている。

【００２８】本実施例では従来の４群ズームレンズにお
いて第１群を繰り出してフォーカスを行う場合に比べて
前述のようなリヤーフォーカス方式を採ることにより第
１群のレンズ有効径の増大化を効果的に防止している。

【００２９】そして開口絞りを第３群の直前に配置する
ことにより可動レンズ群による収差変動を少なくし、開
口絞りより前方のレンズ群の間隔を短くすることにより
前玉レンズ径の縮小化を容易に達成している。

【００３０】本実施例では第５群に負の屈折力を持たせ
第３群以降の各レンズ群を望遠型に近づけレンズ全長の
短縮化を図っている。

【００３１】本発明に係るタイプの変倍光学系では第５
群の倍率を大きくすればするほど、レンズ全長は短くな
るが、それに伴い射出瞳と像面との距離が短くなり、前
述した輝度シェーディングや色シェーディングが発生し
やすくなる。

【００３２】そこで本発明では第５群の倍率をある程度
大きくし、レンズ全長を短くし、このときローパスフィ
ルターＬＰと固体撮像素子との間に、特に固体撮像素子
近傍にフィールドレンズＦを配置することにより射出瞳
と像面との距離が一定以上長くなるようにしている。

【００３３】これにより軸外光束の固体撮像素子への入
射角を小さくして輝度シェーディングや色シェーディン
グの発生を効果的に防止している。

【００３４】フィールドレンズＦは固体撮像素子の入射
面に密着して構成する方法やフィールドレンズの固体撮
像素子側の面を平面として固体撮像素子に固着する方法
や固体撮像素子の保護ガラスの物体側の面に曲率を付与
してフィールドレンズとしての光学的作用を持たせても
良い。フィールドレンズＦをローパスフィルターＬＰの
像面側に固着して一体構成にしても良い。

【００３５】本実施例ではローパスフィルターＬＰとし
ては水晶を用いたものや回折格子を利用したもの等が適
用可能である。又ローパスフィルターを分割してその中
にフィールドレンズを配置するようにしても良い。

【００３６】尚本発明においてレンズ全長の短縮化を図
りつつ、射出瞳から像面までの距離を一定以上維持しつ
つ、全変倍範囲にわたり高い光学性能を得るには次の諸
条件を満足させるのが良い。

【００３７】（１−１）前記撮影系の射出瞳位置が前記
像面に最も近い状態のときの、該像面から射出瞳までの
距離をｔｋ、該主光学系の射出瞳位置が該像面に最も近
い状態のときの該像面から射出瞳までの距離をｔｋａ、
前記固体撮像素子の有効対角線長をＬとするとき｜ｔｋａ／Ｌ｜＜３．３ ‥‥‥（１）４＜｜ｔｋ／Ｌ｜ ‥‥‥（２）なる条件を満足することである。

【００３８】条件式（１）は主光学系である変倍光学系
Ｍの変倍に伴い変化する射出瞳と像面との距離ｔｋａに
関するものである。

【００３９】上限値を越えて距離ｔｋａが長くなると変
倍光学系としてのレンズ全長が増大してくるので、該距
離ｔｋａを条件式（１）を満足するように短くして、ま
ずレンズ全長の短縮化を図っている。そしてこのとき短
くなった距離ｔｋａをフィールドレンズを付加して長く
している。

【００４０】条件式（２）はこのときの主光学系である
変倍光学系にフィールドレンズを付加した撮影系として
の射出瞳と像面との距離ｔｋを適切に設定したものであ
る。条件式（２）の下限値を越えて距離ｔｋが短くなる
とフィールドレンズとしての作用が不十分となることで
あり、フィールドレンズを用いる効果が少なくなるので
良くない。

【００４１】（１−２）前記主光学系は変倍光学系より
成り、該主光学系の広角端の焦点距離をｆ_W 、前記フィ
ールドレンズの焦点距離をｆ_F とするとき６＜ｆ_F ／ｆ_W ＜１１ ‥‥‥（３）なる条件を満足することである。

【００４２】条件式（３）の下限値を越えてフィールド
レンズの焦点距離ｆ_F が短くなりすぎると、フィールド
レンズから発生する収差、特に負の歪曲収差の補正が難
しくなってくる。

【００４３】又条件式（３）の上限値を越えてフィール
ドレンズの焦点距離ｆ_F が長くなりすぎると、フィール
ドレンズを付加したことによる射出瞳と像面との距離ｔ
ｋを長くする効果が不十分になってくる。

【００４４】一般にレンズ全長を短縮しようとすると、
ペッツバール和が負の方向に増大し、像面弯曲の補正が
難しくなってくる。

【００４５】本発明では条件式（３）を満足するフィー
ルドレンズにより、通常状態に比べて負のペッツバール
和を小さくして像面弯曲を小さくして高い光学性能を得
ている。

【００４６】次に本発明の数値実施例を示す。数値実施
例においてＲｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ面の
曲率半径、Ｄｉは物体側より第ｉ番目のレンズ厚及び空
気間隔、Ｎｉとνｉは各々物体側より順に第ｉ番目のレ
ンズのガラスの屈折率とアッベ数である。又前述の各条
件式と数値実施例における諸数値との関係を《表−１》
に示す。

【００４７】非球面形状は光軸方向にＸ軸、光軸と垂直
方向にＨ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半
径、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを各々非球面係数としたとき

【００４８】

【数１】なる式で表している。又、「Ｄ−０Ｘ」は「１０^-X」を
意味している。

【００４９】〈数値実施例１〉 f= 1〜9.87 fno=1:1.85 〜2.89 2ω= 59.1°〜 6.6° R 1= 9.076 D 1= 0.185 N 1=1.84666 ν 1= 23.8 R 2= 3.927 D 2= 0.769 N 2=1.60311 ν 2= 60.7 R 3=-19.725 D 3= 0.035 R 4= 3.022 D 4= 0.460 N 3=1.77250 ν 3= 49.6 R 5= 6.449 D 5= 可変 R 6= 5.545 D 6= 0.106 N 4=1.77250 ν 4= 49.6 R 7= 0.858 D 7= 0.415 R 8= -2.356 D 8= 0.088 N 5=1.69680 ν 5= 55.5 R 9= 2.356 D 9= 0.194 R10= 2.214 D10= 0.247 N 6=1.84666 ν 6= 23.8 R11= 17.598 D11= 可変 R12=（絞り） D12= 0.190 R13= 非球面 D13= 0.601 N 7=1.58313 ν 7= 59.4 R14=-12.538 D14= 可変 R15= 2.216 D15= 0.106 N 8=1.84666 ν 8= 23.8 R16= 1.103 D16= 0.018 R17= 非球面 D17= 0.761 N 9=1.58313 ν 9= 59.4 R18= 非球面 D18= 可変 R19= -4.834 D19= 0.115 N10=1.83400 ν10= 37.2 R20= 5.401 D20= 0.531 R21= ∞ D21= 0.938 N11=1.51633 ν11= 64.2 R22= ∞ D22= 0.334 R23= 4.823 D23= 0.159 N12=1.51680 ν12= 64.2 R24= ∞

【００５０】

【表１】〈数値実施例２〉 f= 1〜7.76 fno=1:1.85 〜2.89 2ω= 60.4°〜 8.6° R 1= 7.198 D 1= 0.163 N 1=1.84666 ν 1= 23.8 R 2= 2.926 D 2= 0.790 N 2=1.51633 ν 2= 64.2 R 3= -11.192 D 3= 0.036 R 4= 2.544 D 4= 0.454 N 3=1.80400 ν 3= 46.6 R 5= 9.610 D 5= 可変 R 6=-425.562 D 6= 0.090 N 4=1.88300 ν 4= 40.8 R 7= 0.826 D 7= 0.360 R 8= -1.363 D 8= 0.090 N 5=1.51823 ν 5= 59.0 R 9= 1.158 D 9= 0.300 N 6=1.84666 ν 6= 23.8 R10= 10.668 D10= 可変 R11= （絞り） D11= 0.180 R12= 非球面 D12= 0.590 N 7=1.69350 ν 7= 53.2 R13= -4.233 D13= 0.027 R14= 1.385 D14= 0.409 N 8=1.51633 ν 8= 64.2 R15= 8.505 D15= 0.000 N 9=1.51633 ν 9= 64.2 R16= 8.505 D16= 0.100 N10=1.84666 ν10= 23.8 R17= 1.088 D17= 可変 R18= 非球面 D18= 0.372 N11=1.58313 ν11= 59.4 R19= -4.749 D19= 可変 R20= -3.310 D20= 0.109 N12=1.84666 ν12= 23.8 R21= -12.933 D21= 0.400 R22= ∞ D22= 0.781 N13=1.51633 ν13= 64.2 R23= ∞ D23= 0.181 N14=1.51633 ν14= 64.2 R24= -3.636

【００５１】

【表２】〈数値実施例３〉 f= 1〜11.95 fno=1:1.85 〜3.05 2ω= 60.4°〜 5.6° R 1= 12.590 D 1= 0.200 N 1=1.84666 ν 1= 23.8 R 2= 4.606 D 2= 0.818 N 2=1.51633 ν 2= 64.2 R 3= -12.282 D 3= 0.036 R 4= 3.593 D 4= 0.545 N 3=1.80400 ν 3= 46.6 R 5= 9.276 D 5= 可変 R 6= 36.020 D 6= 0.109 N 4=1.88300 ν 4= 40.8 R 7= 1.038 D 7= 0.481 R 8= -2.122 D 8= 0.109 N 5=1.51823 ν 5= 59.0 R 9= 1.417 D 9= 0.372 N 6=1.84666 ν 6= 23.8 R10= 16.783 D10= 可変 R11= （絞り） D11= 0.218 R12= 非球面 D12= 0.618 N 7=1.69350 ν 7= 53.2 R13= -10.568 D13= 0.027 R14= 1.675 D14= 0.509 N 8=1.51633 ν 8= 64.2 R15= 10.376 D15= 0.109 N 9=1.84666 ν 9= 23.8 R16= 1.616 D16= 可変 R17= 非球面 D17= 0.418 N10=1.58313 ν10= 59.4 R18= -5.418 D18= 可変 R19= -4.242 D19= 0.109 N11=1.84666 ν11= 23.8 R20= 14.012 D20= 0.181 R21= ∞ D21= 0.945 N12=1.51633 ν12= 64.2 R22= ∞ D22= 0.387 R23= 4.128 D23= 0.218 N13=1.51633 ν13= 64.2 R24= ∞

【００５２】

【表３】尚、射出瞳の最も短い状態を算出した物体距離は数値実
施例では177ｆ_W 、数値実施例２，３では182ｆ_W であ
る。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、撮影系の
レンズ全長の短縮化と共に該撮影系の射出瞳から像面ま
での距離が一定以上の値となるようにして、撮像手段と
して固体撮像素子を用いたときの輝度シェーディングや
色シェーディングの発生を効果的に低減し、画面全体に
わたり均一の高い光学性能の画像が容易に得られる固体
撮像素子を用いた撮像装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る撮影系の数値実施例１の要部断
面図

【図２】本発明に係る撮影系の数値実施例２の要部断
面図

【図３】本発明に係る撮影系の数値実施例１の広角端
の収差図

【図４】本発明に係る撮影系の数値実施例１の中間
の収差図

【図５】本発明に係る撮影系の数値実施例１の望遠
端の収差図

【図６】本発明に係る撮影系の数値実施例２の広角
端の収差図

【図７】本発明に係る撮影系の数値実施例２の中間
の収差図

【図８】本発明に係る撮影系の数値実施例２の望遠
端の収差図

【図９】本発明に係る撮影系の数値実施例３の広角
端の収差図

【図１０】本発明に係る撮影系の数値実施例３の中間
の収差図

【図１１】本発明に係る撮影系の数値実施例３の望遠
端の収差図

【図１２】従来の固体撮像素子の要部断面図

【図１３】従来の固体撮像素子を撮影系に用いたとき
の光路説明図

【符号の説明】

Ｌ１第１群Ｌ２第２群Ｌ３第３群Ｌ４第４群Ｌ５第５群Ｍ主光学系ＬＰローパスフィルターＦフィールドレンズＩＭ像面ＳＰ絞り

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】撮影系により物体像を像面近傍に設けた
固体撮像素子面上に形成する際、該撮影系は射出瞳が該
像面よりも物体側に位置する主光学系と該主光学系と該
固体撮像素子との間に配置した正の屈折力のフィールド
レンズとを有していることを特徴とする固体撮像素子を
用いた撮像装置。
【請求項２】前記フィールドレンズの近傍にはローパ
スフィルターが設けられていることを特徴とする請求項
１の固体撮像素子を用いた撮像装置。
【請求項３】前記撮影系の主光学系は変倍光学系より
成り、該撮影系の射出瞳位置が前記像面に最も近い状態
のときの、該像面から射出瞳までの距離をｔｋ、該主光
学系の射出瞳位置が該像面に最も近い状態のときの該像
面から射出瞳までの距離をｔｋａ、前記固体撮像素子の
有効対角線長をＬとするとき｜ｔｋａ／Ｌ｜＜３．３４＜｜ｔｋ／Ｌ｜なる条件を満足することを特徴とする請求項２又は３の
固体撮像素子を用いた撮像装置。
【請求項４】前記主光学系は変倍光学系より成り、該
主光学系の広角端の焦点距離をｆ_W 、前記フィールドレ
ンズの焦点距離をｆ_F とするとき６＜ｆ_F ／ｆ_W ＜１１なる条件を満足することを特徴とする請求項１，２又は
３の固体撮像素子を用いた撮像装置。
【請求項５】前記フィールドレンズとローパスフィル
ターとは一体化して構成されていることを特徴とする請
求項１，２又は３の固体撮像素子を用いた撮像装置。
【請求項６】前記フィールドレンズは前記固体撮像素
子に固着又は該固体撮像素子の保護ガラスを兼ねている
ことを特徴とする請求項１，２又は３の固体撮像素子を
用いた撮像装置。
【請求項７】前記主光学系は変倍光学系より成り、か
つ最も像面側には負の屈折力のレンズ群が配置されてい
ることを特徴とする請求項１，２又は３の固体撮像素子
を用いた撮像装置。