JPH0797178B2

JPH0797178B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JPH0797178B2
Application number: JP24368686A
Authority: JP
Inventors: 雅之鈴木; 純服部
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-10-13
Filing date: 1986-10-13
Publication date: 1995-10-18
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: JPS6396616A

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕本発明は撮像光学系に関し、特に大略球形を有するレン
ズを用いて広画角の撮像を行なう撮像装置に関する。

〔従来技術〕

従来から撮像光学系の広画角化の為に各種レンズ系が設
計されている。この種の光学系はレンズ系が大きくなる
と共に必然的に画面サイズが大きくなり、撮像光学系の
大型化を招くという欠点を有していた。又、従来の光学
系に於いて広画角化を図った場合、良く知られているコ
サイン４乗則により周辺光量が大きく低下するという問
題をも生じる。

広画角化を達成し得る簡便な光学系として、従来から球
レンズが知られているが、この球レンズの焦点面は平面
上に存在しない為、従来の撮像装置に於いて、例えばCC
D等の撮像素子に球形レンズを用いて物体像を結像せし
めて画像情報を得ることは成し得なかった。従って、高
解像且つ高画角を有する撮像装置を望む声が高まってい
る。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、上記従来の問題点を解決し、容易に高
画角化を成し得且つ所望の解像力を備えた、大略球形の
レンズを有する撮像装置を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明に係る撮像装置は、球
形レンズと該球形レンズによる曲面像面に沿って湾曲し
た受光面を有する撮像手段とを有し、前記球形レンズを
介して前記受光面に物体像を形成する撮像装置であっ
て、前記球形レンズの焦点距離をｆ、前記受光面の近軸
曲率半径を至近物点から前記球形レンズ中心までの距離をS_nとした
とき、なる関係を満足することを特徴としている。

又、本発明の更なる特徴は下記の実施例に述べられてい
る。

〔実施例〕

通常、歪曲が小さく像面が平面のレンズ系では、その画
角を180゜に近づけていくと像面サイズは無限に大きく
なる。これに伴ない像面に達する周辺光量の低下も著し
く生じる。従って、従来の魚眼レンズでは負の歪曲収差
を故意に大きく生じせしめ、180゜の画角を達成すると
共に周辺光量の著しい低下をも防いでいる。しかしなが
ら、負の歪曲収差を発生させるということは、像面の周
辺部で像を圧縮することである為、結局解像度が低下し
て結像性能を劣化させる。

一方、球形レンズを用いて無限遠に存する物体を結像さ
せる場合、球形レンズの球対称性に起因して、像面は球
形レンズと同心の球面となる。従って、球形レンズに於
いては軸上と軸外の収差が同等の収差を持つことにな
る。依って、軸上でほぼ良好な収差補正を達成すれば軸
外の収差も同様に補正される。

又、上記球面の像面上に球面状の受光面を有するセンサ
を設けることにより180゜に近い広画角に亘っての良好
な撮像が行なえる。

具体的には、球形レンズの焦点距離がｆであれば、使用
するセンサの受光面面積を２πf²とすることにより180
゜の画角が得られる為、センサとして小型の装置を使用
出来る。又、球形レンズの球対称性に起因して周辺部に
於る解像度の低下もない。更に、通常のレンズ系で生じ
るコサイン４乗則に従う周辺光量の大幅な低下もなく、
周辺光量は入射角のコサインの１乗に比例して低下する
のみである。

従って、通常のレンズ系に比べて、小型且つ簡便な光学
系であるにも係わらず、適当な収差補正を実行すること
により周辺光量の低下が小さい為に画面全体に亘り明る
く且つ結像性能も良好な広画角の光学系とすることが可
能である。

以下、図面及び実際のデータを用いて本撮像装置を具体
的に説明する。

第１図は本発明に係る撮像装置の一実施例を示す断面図
であり、光路図をも兼ね備えている。同図に於いて、１
は球形レンズ、２は球面受光面を有する撮像素子、３は
球形レンズ１の内部に設けられた絞りである。又、L₁及
びL₂は夫々軸上入射光束と軸外入射光束を示している。

本実施例に於ける撮像装置は、図示する如く球形レンズ
１と球形レンズ１の焦点面に受光面を配した撮像素子２
とで構成されている。ここで、球形レンズ１の焦点面は
球形レンズの外部に存する為、本実施例では撮像素子２
が球形レンズ１から空間的に離れた位置に配されてい
る。又、球形レンズ１の内部に設けられた絞り３は被写
体からの光束を制限する為のものであり、ここでは球形
レンズ１の中心を通る平面内に配して軸上及び軸外での
結像特性の向上に寄与している。

図中の符号γ，γs,lは本撮像装置を成す要素の物理量
を表わすパラメータであり、γは球形レンズ１の曲率半
径、γｓは撮像素子２の受光面曲率半径、ｌは球形レン
ズ１の像側球面と撮像素子２の受光面との軸上空気間隔
を示している。

本実施例で用いた球形レンズ１は均質媒質から成るレン
ズであり、軸上入射光束L₁と軸外入射光束L₂は共に球形
レンズ１の物体側及び像側の球面で屈折を受け、撮像素
子２の受光面に入射する。以下、本実施例の撮像装置の
設計データを記載する。ここでγ，γs,lは上述の如く
夫々球形レンズ１と撮像素子２の曲率半径と球形レンズ
１と撮像素子２との軸上空気間隔を示し、又、ndとｆは
夫々球形レンズ１のｄ線に対する屈折率と焦点距離を示
している。

〔実施例１〕 γ＝10.0;nd＝1.51633 ;l＝4.68373 ｆ＝14.68373;γｓ＝14.68373 本実施例の撮像装置では球形レンズ１と撮像素子２とが
分離しているが、球形レンズ１の屈折率ndの値を大きく
することにより球形レンズ１と撮像素子２との空気間隔
を狭めることが可能である。特に球形レンズ１の屈折率
ndを２近くまで大きくすると、入射光束（L₁,L₂）を球
形レンズ１の端面即ち像側球面上に結像させることが可
能である。以下、このタイプの撮像光学系の一例を示
す。

第２図は本発明に係る撮像装置の他の実施例を示す断面
図であり、図中の符号は全て第１図と同等の部材を指し
ている。

本実施例に於いては、上述したタイプの如く、球形レン
ズ１の像側球面上に撮像素子２の受光面が存する撮像光
学系を示している。又、絞り３の配置は第１図に示した
撮像光学系と同様である。本実施例の如く球形レンズ１
の像側球面上に受光面を形成すると、光学系の更なる小
型化が出来ると共に所謂光学配置に係る調整が殆ど不要
となる。

以下、本実施例の撮像装置の設計データを記載する。

〔実施例２〕 γ＝10.0;nd＝2.0;l＝0.0 ｆ＝10.0;γｓ＝10.0 上記設計データから解る通り、本実施例に於ける球形レ
ンズの屈折率ndはnd＝2.0と非常に高く、この為に端面
結像を可能としている。又、本実施例に於いても軸上及
び軸外の収差がほぼ同等に補正出来る。

第３図は本発明に係る撮像光学系の別の実施例を示す断
面図である。同図に於いて、第１図及び第２図に示され
た部材及びパラメータと同等のものには同符号を符して
ある。又、11は本実施例で用いる球形レンズを示してお
り、内外の球面から成る同心球から構成される同心球形
レンズである。γ_１は同心球形レンズ11の第１面（第４
面）即ち外側の球面の曲率半径、γ_２は同心球形レンズ
11の第２面（第３面）即ち内側の球面の曲率半径、を示
すパラメータである。d₁は第１面と第２面（第３面と第
４面）即ち内外球面間の軸上面間隔、d₂は第２面と第３
面との軸上面間隔即ち内側の球形レンズの直径、を示す
パラメータである。

本実施例に於ける撮像装置は、図示する如く、同心球形
レンズ11と同心球形レンズ11の焦点面に受光面を配した
撮像素子２とで構成されている。第１及び第２図で示し
た撮像装置同様、本実施例に於いても同心球形レンズ11
の中心を通る平面に絞り３を備えており、被写体からの
光束を制限している。

同心球形レンズ11は、内側の曲率半径γ_１の球面を形成
する球形レンズと、外側の曲率半径γ_２の球面を形成す
る球殻状レンズとから成り、全部で４つの屈折面を形成
している。従って、軸上入射光束L₁と軸外入射光束L₂の
双方共、外側の物体側球面、内側の物体側球面、内側の
像側球面、外側の像側球面で順次屈折を受け撮像素子２
に入射する。

第１図及び第２図で示した撮像装置に於いては、球形レ
ンズとして均質媒質のレンズを用いる為、とりわけ色収
差を除去することが難しいが、本実施例の如く同心球形
レンズを用いれば色収差をもほぼ完全に除去できる。以
下、本実施例に係る撮像装置の設計データを記載する。
但し、γ₁,γ₂,d₁,d₂,γS,l,f,γＳは前記実施例及び上
記説明で示した各パラメータであり、n₁d,ν₁d,n₂d,ν₂
dは夫々外側の球面を成す球殻状レンズと内側の球面を
成す球形レンズのｄ線に対する屈折率とアツベ数を示し
ている。

〔実施例３〕 γ_１＝10.0;γ_２＝5.4;d₁＝4.6 d₂＝10.8 n₁d＝1.80518;ν₁d＝25.4 n₂d＝1.53172;ν₂d＝48.9 ｌ＝9.01925;f＝19.01925; γＳ＝19.01925 本実施例で用いた同心球形レンズは、n₁d＞n₂d,ν₁d＜
ν₂dとすることにより、球面収差及び色収差を良好に補
正しており、第１図及び第２図に示した撮像光学系と比
較して、更に優れた結像性能が得られる装置を提供して
いる。又、絞り３の効果で本撮像光学系の結像特性が向
上することは言うまでもなく、撮像素子２としてCCD等
を用いた広画角のビデオカメラや電子カメラを構成する
ことが出来る。

以下、本実施例に係る撮像装置の他の設計例を示す設計
データを記載する。

〔実施例４〕 γ_１＝10.0;γ_２＝4.89166; d₁＝5.10834;d₂＝9.78332 n₁d＝1.66446;ν₁d＝35.8 n₂d＝1.51633;ν₂d＝64.1 ｌ＝7.90692;f＝17.90692; γＳ＝17.90692 第４図（ａ），（ｂ）は本発明に係る撮像装置の更なる
別の実施例を示す図で、第４図（ａ）は断面図、第４図
（ｂ）は屈折率分布図を示す。第４図（ａ）に於いて、
12は内部に球対称な屈折率分布を有する球形レンズを示
し、他の符番及び符号は前記各実施例と同等の機能を有
する部材又はパラメータを示す。

又、第４図（ｂ）の横軸は球中心から距離ρを半径1.0
として示し、縦軸は屈折率ｎ（ρ）を示している。

本実施例に係る撮像装置の基本構成は、球形レンズ内部
に屈折率分布が存することを除いて第２図に示した光学
系と同等のものである。本実施例の球形レンズ12は内部
に屈折率分布を有する為に収差補正が可能であり、前記
実施例の同心球から成る球形レンズ同様球面収差を良好
に補正し得る。又、色収差に関しても収差補正は可能で
ある。以下、本実施例に係る撮像装置の設計データを記
載する。尚、各パラメータは前記各実施例で示したパラ
メータと同様の意味を有しており、ｄ線及びｇ線に対す
る屈折率分布ｎ（ρ）をρに関する６次の多項式で示し
てある。

〔実施例５〕 γ＝1.0 ｆ＝1.0 γＳ＝1.0 ｄ線＝ｎ（ρ）＝1.70−2.92501 ×10^-1・ρ^２−3.08353 ×10^-2・ρ^４＋2.82057 ×10^-1・ρ^６ｇ線＝ｎ（ρ）＝1.71592 −2.91426×10^-1・ρ^２ −3.76254×10^-2・ρ^４＋2.96988×10^-1・ρ^６上記実施例１乃至実施例５で示される光学系の球面収差
曲線を第５図乃至第９図に示す。

実施例１及び実施例２に夫々対応する第５図及び第６図
に於いてはｄ線に対する球面収差を示しており、実施例
３乃至実施例５に順次対応する第７図乃至第９図に於い
てはｄ線及びｇ線に対する球面収差を示している（即
ち、色収差も示している）。尚、上記各実施例で使用さ
れる球形レンズは、その球対称性によって軸外と軸上の
収差が同等の収差となる為、ここでは軸上収差のみ示し
ている。又、この場合は絞りのケラレによる影響は無視
して考える。

既に述べたように、無限遠物体に対する球形レンズの像
面は、曲率半径が焦点距離ｆに等しい球面状となる。

従って、撮像素子等のセンサーは上記各実施例に示した
ように、曲率半径γ_Ｓ＝ｆなる球面状とし、球形レンズ
と同心状に配すればよい。

この場合、軸外の結像においてもコマ収差・非点収差・
像面湾曲は発生せず、軸上と同等の結像特性が得られ
る。

但し、受光面に沿って測った像高は、画角Ｗに比例して
fWとなり、大きな負の歪曲が発生することになる。これ
を光学的に補正するのは困難であるが、センサーとして
例えばCCDの如き光電変換素子を用い、電気的な画像処
理により補正することは可能である。

次に、有限距離物体の結像の様子を第10図に示す。図
中、P₀,P₀′は軸上の物点及び像点であり、P_W,P_W′は画
角Ｗに対応する物点及び像点である。またS₀,S_W及び
S₀′,S_W′は、各々の結像における、物点とレンズ中心
間距離及びレンズ中心と像点間距離を表わす。このと
き、S₀′とS₀の関係は周知のように、である。また、球レンズの対称性から軸外の結像におい
ても同様の関係が成り立つため、S_W′をS₀′であらわす
と、となる。従って、有限距離物体の場合、センサーは上記
（１）式，（２）式で表わされる像曲面に受光面が一致
する形状とするのが最も望ましい。

その形状は、近軸曲率半径が式（１）で示されるS₀′か
ら成り、光軸から離れるに従い面の傾きが強くなる様な
非球面形状である。

また、センサー製作の容易性などの点からセンサー面形
状を球面とする場合は、その曲率半径γ_ＳをS₀′とほぼ
等しくすれば良い。但し、このとき光軸を離れるに従っ
て像面がセンサー面からレンズ側（物体側）にずれる。
即ち負の像面湾曲が発生する。

しかし、画角、開口数が比較的小さく、また物体距離が
大きい場合には、実用上許容できる。

更に、物体距離の変化に応じて、球形レンズとセンサー
面との間隔を変化させてフオーカシングを行なう場合
は、（１）式と（２）式とで表わされる像曲面が連続的
に変化するため、すべての物体距離に対して像面面とセ
ンサー面を完全に一致させることはできない。この場
合、センサー受光面の形状は、その近軸曲率半径をとすると、次の関係を満たすことが望ましい。

ここに、S_nは至近物点から球形レンズ中心までの距離で
ある。（３）式の右辺は、至近物点に対する像面位置
（レンズ中心からの距離）を示している。

の値を上記（３）式を満たすように選択することによ
り、無限遠から至近に至る全フオーカシング域で、セン
サーの受光面と近軸的な像曲面とのズレを小さくし、軸
外の結像特性を良好に保つことができる。

また、は次の関係を満たすことが更に望ましい。

前に述べたように、センサーの受光面か球形レンズに対
し同心状の球面の場合、有限物体距離において負の像面
湾曲が発生し、物体距離が小さくなる程その発生量は増
大する。一方、センサーの受光面の近軸曲率半径が上記（４）式を満たす場合は、物体に至近に近づくに
従ってレンズ中心から像面までの距離がに比べて大きくなり、これは負の像面湾曲の発生と相殺
する方向である。即ち、像面湾曲を考慮するとき、
（４）式の関係を満たすことにより、軸外の結像特性、
特に至近近傍の結像特性を更に良好に保つことができ
る。

上記各実施例に於いてセンサー受光面は球面としたが、
上述のようにセンサー受光面は必ずしも球面に限定する
ものではなく、非球面を用いてもよい。また、球形レン
ズの屈折面も非球面化しても良い。これらによって、至
近性能の改善が大幅に期待できる。

前述の如く、一般の像面が平面の光学系においては、光
線の入射角（光軸となす角）をθとすると、像面状の照
度はcos⁴θに比例して低下する。しかし、本発明によれ
ば、像面が球面の光学系を用いることにより、照度がco
sθに比例して低下するのみとなり、周辺光量の低下が
少ない為に超広角でも使用可能となる。

又、例えばCCD等を使って光電変換を行なう様に、セン
サーによって光信号を光以外の信号（電気信号）に変換
すれば、信号の処理によって歪曲の補正をも可能とな
る。

更に、第２図や第４図に示したようにセンサーを球形レ
ンズ端面に密着する場合には、コンパクト性、球形レン
ズ・センサー間距離の調整不要などの点で特に効果があ
り、又、構成が従来の写真レンズと比べて簡易である。

〔発明の効果〕

以上、本発明に係る撮像装置は、高画角化を図ることが
容易で、超広画角であっても優れた結像特性を有する装
置である。しかも、球形レンズと球面像面との組合せに
より周辺光量の低下が少ない明るい装置となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る撮像装置の一実施例を示す断面
図。第２図は本発明に係る撮像装置の他の実施例を示す断面
図。第３図は本発明に係る撮像装置の別の実施例を示す断面
図。第４図（ａ），（ｂ）は本発明に係る撮像装置の更なる
別の実施例を示す断面図と、球形レンズの内部に存する
屈折率分布を示す図。第５図〜第９図は実施例１〜実施例５で示した装置の光
学系の球面収差図。第10図は本撮像装置に於ける有限距離物体の撮像の様子
を示す説明図。 1,11,12……球形レンズ２……撮像素子３……絞り L₁……軸上入射光束 L₂……軸外〃

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】球形レンズと該球形レンズによる曲面像面
に沿って湾曲した受光面を有する撮像手段とを有し、前
記球形レンズを介して前記受光面に物体像を形成する撮
像装置であって、前記球形レンズの焦点距離をｆ、前記
受光面の近軸曲率半径を至近物点から前記球形レンズ中心までの距離をS_nとした
とき、なる関係を満足することを特徴とする撮像装置。