JPH09163194A - ビデオカメラ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ローパスフィルタとしての水晶フィルタを削
除して、単焦点レンズのバックフォーカスを小さくし、
ビデオカメラ装置の小形化とコストダウンを図ること。 【解決手段】 単焦点レンズ１と、開口絞り２と、カラ
ーフィルターの付いた撮像素子３を有するビデオカメラ
装置において、単焦点レンズ１の横収差表示球面収差
と、サジタルコマ収差を、ほぼ２サイクルのピッチを有
すサイン曲線状のいわゆるうねった収差とし、また、開
口絞り２の開口形状を明るさによらず一定とし、水晶フ
ィルタと同等の空間周波数に対するＭＴＦ特性を、レン
ズ系自体で実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はビデオカメラ装置に
係り、特に、ビデオカメラ装置におけるローパスフィル
タ作用を有する小形の単焦点レンズに関する。本発明に
よるこの単焦点レンズは、ＣＣＤカメラに搭載すること
ができ、セキュリティ分野での監視カメラ，自動車の後
部監視用カメラ，鉄道・航空機・船舶等の乗り物類の内
外監視用カメラ，屋内・屋外での観察用カメラ，防犯カ
メラ等に広く利用できる。また、小形の広角レンズを搭
載したボードカメラは、テレビ電話機，テレビ会議シス
テム，テレビドアホンといった画像転送が主目的のツー
ルはもとより、パソコン・ワークステーションへの内蔵
といった分野に広く利用できる。

【０００２】

【従来の技術】従来のカラービデオカメラで一般的に用
いられている固体撮像素子は、２次元平面上に結像され
た光の像を画素単位でサンプリングするため、画素間隔
の２倍以下の周期をもつ像に対しては擬信号（折り返し
歪）が発生する。サンプリング周期の２倍よりも長い周
期をもつ信号は、サンプリングされた後低域通過フィル
タ（以下、ＬＰＦと記す）を通すことによって、ふたた
び元の信号に再生することができる。しかし、サンプリ
ング周期より短い周期の信号では、サンプリング後、Ｌ
ＰＦを通しても元の信号に戻らず、かなり低い周波数の
信号に変換される。これを周波数軸上で考えると、入力
信号に対し、サンプリング周波数ｆｓでサンプリングさ
れた信号は、ナイキスト周波数ｆｎ（＝ｆｓ／２）で折
り返されたようなスペクトルになる。一度折り返された
信号は本来の信号と区別がつかなくなり、歪として帯域
内に残留する。この歪成分（モアレ）を抑圧するため
に、結像面内に必要以上に高い周波数成分が現れないよ
う光学像上で帯域を制限するのが光学ＬＰＦの役目であ
る。このフィルターは水晶の複屈折の性質を利用し、異
常光線と正常光線とに分け、隣接する画素に入射する光
線を加算することによってＬＰＦの効果を得ている。一
般的な光学ＬＰＦの周波数特性は、くし型状になり、高
域でもレスポンスをもつが、レンズの高域でのレスポン
ス低下を加味すると総合的にＬＰＦの効果を得ることが
できる。このフィルターは１枚では１方向にしかＬＰＦ
効果がないので、実際には複数枚の水晶板を使用し、水
平方向，垂直方向，斜め方向などの、２次元的なＬＰＦ
効果を得ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】実際の水晶フィルタの
方式（水晶板の枚数）は、モアレ低減の効果とコストの
観点において決定され、１／３や１／４インチサイズの
撮像素子の場合で、２〜３ｍｍの厚みとなっている。こ
の水晶フィルタは、レンズと撮像素子の間に配置される
ので、水晶フィルタの保持部材の厚み分も含めた充分な
間隔（レンズのバックフォーカス）を確保する必要があ
る。

【０００４】ところで、撮像素子の小形化でレンズの焦
点距離が小さくなり、必然的にバックフォーカスも小さ
くなる。充分なバックフォーカスを確保する方法とし
て、物体側の先頭に凹レンズを配置するいわゆるレトロ
フォーカス型のレンズタイプが知られている。しかし、
レトロフォーカス型は、光学全長が長くなり、レンズ枚
数が増えるという欠点がある。

【０００５】例えば、本願出願人が先に提案した特願平
６−１４２８４４号の第１実施例で示した単焦点の広角
レンズのバックフォーカス８．４ｍｍは、光学全長の約
４０％もの長さを占めている。従って、水晶フィルタを
削除できれば、バックフォーカスを小さくでき、光学系
及びビデオカメラ装置のより一層の小形化が図れる。す
なわち、水晶フィルタ削除のために、水晶フィルタと同
等のＬＰＦ効果をレンズ系自体で実現することが、本発
明の課題である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ために、本発明は、水晶フイルタによるＬＰＦ効果作用
時のレンズ系のＭＴＦ性能を評価し、目標とするｆ特
（空間周波数に対するＭＴＦ性能の特性）を定め、水晶
フィルタ無しでそのｆ特を実現するために、単焦点レン
ズの収差をサイン曲線状のいわゆるうねった収差とし、
開口絞りを撮影時の明るさによらず一定の開口形状とし
た。

【０００７】本発明の作用を、図１６〜図１９をもとに
説明する。図１６は、単焦点レンズのレンズ面にサイン
曲線状のうねりを付加した場合の、像面中央の収差とｆ
特を表す図である。図１６の（ａ）〜（ｃ）の左側は、
像面中央のコマ収差図（像面中央なので、球面収差の横
収差表示と同じ）であり、縦軸が入射瞳の座標、横軸が
収差量［μｍ］である。図１６の（ａ）〜（ｃ）の右側
は、空間周波数に対するＭＴＦ性能の変化を表すｆ特の
図であり、縦軸がＭＴＦ性能［％］、横軸が空間周波数
［本／ｍｍ］である。また、図の上から順に、図１６の
（ａ）がうねりの無い基準データ、図１６の（ｂ）が振
幅１μｍで有効径の片側で１周期のうねり量を付加した
データ、図１６の（ｃ）が振幅１μｍで有効径の片側で
２周期のうねり量を付加したデータである。

【０００８】単焦点レンズは、前記特願平６−１４２８
４４号の第１実施例の単焦点レンズを、１／４インチセ
ンササイズの撮像素子対応とし、また、開口絞りの径を
変更し、Ｆ値をＦ２．４とした単焦点レンズである。な
お、サイン曲線状のうねりは、２番目のレンズ玉の像面
側の面でレンズ面有効径の範囲一杯に設けているが、こ
の径は本来Ｆ１．８の有効径なので、収差図に現れてい
るうねりの周期はその分少なくなっている。また、この
図では、ＭＴＦ性能劣化の目安としてＭＴＦ＝１０％の
箇所に線を引いてある。

【０００９】図１６に示すように、うねった収差とする
ことにより、高域の空間周波数でのＭＴＦ性能を０に近
づけることが可能となり、ＬＰＦの効果が得られること
がわかる。このＬＰＦ効果は、収差を多くうねらせるこ
とでより大きくなる。ところで、うねりの振幅を大きく
することによっても、高域の空間周波数でのＭＴＦ性能
が劣化するが、この場合は、フレア成分が増加するの
で、低域の空間周波数でのＭＴＦ性能も大きく劣化して
しまい不都合となる。

【００１０】実際の設計では、レンズ面で発生する収差
量のバランスをとり、単焦点レンズ全体で目標の収差量
を得なければならない。従って、できる限り多くの周期
を確保し、その上で、振幅とのバランスをとる設計を行
なう必要がある。

【００１１】図１７は、うねった収差のタイプを表す模
式図である。縦軸が入射瞳座標、横軸が収差量である。
図１７の（ｃ）の収差図は、本発明の特徴であるうねっ
た収差であり、入射瞳の片側で１周期のうねりとなって
いる。図１７の（ｂ）と（ｄ）の収差図は、図１７の
（ｃ）の収差図と同じ１周期のうねりとなっているが、
前半の１／２周期と後半の１／２の周期が大きく異な
り、高域の空間周波数でのＭＴＦ性能を０に近づけるこ
とが困難となる。このことは、図１７の（ｂ）と（ｄ）
の収差図を極端にした収差図が、図１７の（ａ）と
（ｅ）のうねっていない収差図となることから明らかで
あろう。

【００１２】図１８は、収差図の入射瞳の中央部での傾
きと、デフォーカスとの関係を表す図である。図１８の
（ａ）が収差図であり、縦軸が入射瞳座標、横軸が収差
量である。実線が収差を表し、点線は中央部での収差曲
線の傾きを表している。従って、この点線は近軸像面
（ガウス面）を表すことになる。また、図１８の（ｂ）
は、レンズ有効径Ｄの光線、即ち、Ｆ値の光線の結像状
態を表している。焦点距離ｆ離れた位置がガウス面であ
り、そこからδ離れた位置が、収差図を評価している像
面位置（ベスト面）である。

【００１３】図１８の（ａ）で、入射瞳の最大座標がＦ
値に相当するので、点線を延長し求まる収差量ｙは、右
側の図のベスト面での収差量になる。従って、三角形の
相似関係より、 （Ｄ／２）／ｆ＝ｙ／δ ……（１）式 （１）式が得られ、 Ｆ＝ｆ／Ｄ ……（２）式 上記（２）式で定義されるＦ値を用いて、（１）式を整
理することにより、 δ＝２Ｆｙ ……（３）式 （３）式が得られる。

【００１４】従って、本発明のレンズの特徴の１つは、
ガウス面とベスト面を大きくズラスことである。なお、
撮像素子の各画素の水平方向のピッチＰ（Ｈ）により必
要なＬＰＦ効果が異なるので、上記ピッチＰ（Ｈ）で規
格化した条件を、 ３＜｜δ／（Ｆ・Ｐ（Ｈ））｜＜１０……（４）式 （４）式で定めている。

【００１５】図１９は、水晶フィルタによる分離特性例
及び、水晶フィルタのローパス作用を示すｆ特の図であ
る。図で示した水晶フィルタの分離特性タイプは、複屈
折板を２枚用いた４分離方式であり、水平方向（ΔＸ）
と角度θ＝４５度方向（ΔＸ／√２）の分離特性を有し
ている。一方、１／４インチサイズの低画素数タイプの
撮像素子の各画素の水平方向のピッチＰ（Ｈ）は、７．
１５μｍ（ＮＴＳＣ用）と、７．３μｍ（ＰＡＬ用）で
ある。そこで間をとって、水晶フィルタに必要なの水平
方向の分離幅を、ΔＸ＝７．２μｍと定めた。従って、
角度４５度方向の分離幅がΔＷ＝５．１μｍ、垂直方向
の分離幅がΔＹ＝３．６μｍとなる。

【００１６】また、図１９の（ａ）〜（ｄ）の左側が水
晶フィリタの無いレンズ単独のｆ特であり、図１９の
（ａ）〜（ｄ）の右側が水晶フィルタを付加した時のｆ
特である。また上から順に、図１９の（ａ）が像面中央
のｆ特、図１９の（ｂ）が像高０．６ｍｍ（最大像高比
０．３）のｆ特、図１９の（ｃ）が像高１．２ｍｍ（最
大像高比０．５）のｆ特、図１９の（ｄ）が像高１．７
ｍｍ（最大像高比０．８）のｆ特である。また、水平方
向のｆ特を実線で、垂直方向のｆ特を点線で示した。通
常は、メリディオナル像面とサジタル像面と表現する
が、水晶フィルタの分離特性に方向性があるので、水平
・垂直で表現した。従って、正確には、図で示したｆ特
は光軸を含み撮像素子を左右に２分割する平面内の像高
での値である。また、それぞれの図で、縦軸がＭＴＦ性
能［％］、横軸が空間周波数［本／ｍｍ］である。

【００１７】ところで、撮像素子の水平方向で必要なナ
イキストＴＶ解像度本数Ｒ（Ｈ）及び、ナイキスト空間
周波数ｆ（Ｈ）は、それぞれ、次の（５）式と（６）式
で求まる。 Ｒ（Ｈ）＝ｎ（Ｈ）×（３／４） ……（５）式 ｆ（Ｈ）＝ｎ（Ｈ）×（３／４）／｛２・Ｓ（Ｖ）｝……（６）式 ただし、ｎ（Ｈ）は水平方向の有効画素数、Ｓ（Ｖ）は
撮像素子の垂直画面サイズである。例えば、ＮＴＳＣ方
式ノーマルとＰＡＬ方式ノーマルのそれぞれで、ｆ
（Ｈ）≒７０本／ｍｍが得られる。

【００１８】水平方向のナイキスト空間周波数ｆ（Ｈ）
≒７０本／ｍｍの分離特性を持つ水晶フィルタを、単焦
点レンズに取付け逆投影の検査を行なった場合、例え
ば、空間周波数が５０本／ｍｍでも４０本／ｍｍでも３
２本／ｍｍでも、解像度が最大値となる像面位置はほぼ
一定となる。極端な例では、ナイキスト空間周波数の７
０本／ｍｍでも、水晶フィルタ方式の場合は、垂直方向
のＭＴＦ性能が充分残っているので、この７０本／ｍｍ
で像面位置を定めることもできる。

【００１９】しかし、レンズ系で生じる収差自体によっ
て、ベスト面（ある空間周波数でＭＴＦ性能が最大とな
る像面位置）で水晶フィルタと同等のｆ特を実現する場
合は、ベスト面を決定する空間周波数が重要となる。

【００２０】その説明を図８と図１４を用いて行なう。
図８と図１４は、後述する単焦点レンズの第１実施例と
第２実施例における、像面中央での像面位置ズレによる
ＭＴＦ性能を、空間周波数を媒介パラメータとして示し
た図である。図８の（ａ）及び図１４の（ａ）が水平方
向の像面、図８の（ｂ）及び図１４の（ｂ）が垂直方向
の像面でのＭＴＦ性能の値であり、縦軸がＭＴＦ性能
［％］、横軸が像面位置ズレ［μｍ］である。上記した
水平方向のナイキスト空間周波数ｆ（Ｈ）＝７０本／ｍ
ｍと、３２本／ｍｍと、１０本／ｍｍの３つの場合につ
いて表示してある。図８は、非回転対称の開口絞りを用
いているので、像面中央でも水平方向の像面と垂直方向
の像面でＭＴＦ性能の値が異なるが、この場合は、小さ
い方の値（水平方向の像面の値）を代表値とし、このＭ
ＴＦの値が最大となる像面位置をベスト面と定める。こ
の図８と図１４でわかるように、本発明の効果によっ
て、ナイキスト空間周波数より小さな空間周波数である
３２本／ｍｍや１０本／ｍｍでのＭＴＦ性能が最大とな
る像面位置で、ナイキスト空間周波数７０本／ｍｍでの
ＭＴＦ性能がほぼ最小となっている。逆にこの図で、ナ
イキスト空間周波数７０本／ｍｍでベスト面を定める
と、本来のベスト面とはまったく別な像面位置が得られ
ることは明らかである。従って、本発明の単焦点レンズ
の場合は、ベスト面を定める空間周波数（及びＴＶ解像
度本数）はナイキスト空間周波数（及びＴＶ解像度本
数）のほぼ半分あるいは半分以下の値で定めることが必
要となる。

【００２１】また、ビデオカメラ装置の機能として、手
動の合焦機能を持たせる場合は、上記の理由により、合
焦させようとした物体像のＴＶ解像度本数が、たまた
ま、水平方向のナイキストＴＶ解像度本数に一致する
と、大きなモアレが発生してしまう。そこで、合焦の際
に水平方向のナイキストＴＶ解像度約３８０本（ＮＴＳ
Ｃ方式及びＰＡＬ方式ノーマル）の約半分（ＴＶ解像度
１８０本）に相当する白線と黒線のペアの模様のチャー
トをモニタ画面上に表示し、この本数にほぼ等しい解像
度本数で合焦操作を行なえるようにする。

【００２２】上述したレンズと水晶フィルタによる総合
的なｆ特の評価結果より、本発明による単焦点レンズの
ｆ特の目標値が明らかとなった。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
１〜図５を用いて説明する。図１は、本発明のビデオカ
メラ装置の光学系の構成図であり、同図において、１は
単焦点レンズ、２は撮影時の明るさによらず一定の開口
形状を有する開口絞り、３はカラーフィルタの付いた撮
像素子、４はＩＲ（赤外線）カットフィルタ、５は鏡筒
部品である。また後述するが、単焦点レンズ１は、物体
側より順に、焦点距離が正である第１レンズ１１と、焦
点距離が正である第２レンズ１２と、焦点距離が負であ
る第３レンズ１３との、３枚構成となっている。また、
鏡筒部品５は、間隔環５１と、レンズホルダ５２と、ネ
ジカン５３と、固定ホルダ５４とで構成されている。

【００２４】本構成では、レンズホルダ５２に、第３レ
ンズ１３，第２レンズ１２，間隔環５１，第１レンズ１
１，開口絞り２，ＩＲカットフィルタ４の順に組み込
み、ネジカン５３で止める構造となっている。このレン
ズホルダ５２は、固定ホルダ５４を介して、撮像素子３
と位置決めされる構成となっている。ＩＲカットフィル
タ４は、従来は単焦点レンズ１と撮像素子３との間に配
置されていたが、バックフォーカスを小さくできる効果
をより生かすために、単焦点レンズ１及び開口絞り２の
物体側に配置した。このＩＲカットフィルタ４は、プラ
スチックレンズ玉群の保護板ガラスの役割も荷なってい
る。なお、３１は、撮像素子３のカバーガラスであり、
本発明の単焦点レンズ１のバックフォーカスが非常に小
さくできており、光学系全長、ひいては、ビデオカメラ
装置（図示せず）全体も小さくできることがわかる。

【００２５】図２は、開口絞り２の開口部の形状につい
て説明した図である。図２の（ａ）が開口部が円形のも
の、図２の（ｂ）が円形の上下に遮蔽スリットを設けた
もの、図２の（ｃ）が円形の上下左右に遮蔽スリットを
設けたものでる。

【００２６】図２の（ａ）に示した円形の開口部の場
合、半径をＲ（１）とすると、開口部の断面積Ｓ（１）
は、 Ｓ（１）＝π・Ｒ（１）² ……（７）式 上記（７）式で表される。

【００２７】図２の（ｂ）に示した、円形の上下に第１
の遮蔽スリット２１を設けた場合、半径をＲ（２）、第
１の遮蔽スリット２１の幅を２Ｋ・Ｒ（２）とし、図中
のθを用いると、開口部の断面積Ｓ（２）は、扇形の面
積と三角形の面積の和で、 Ｓ（２）＝π・Ｒ（２）²×（２π−４θ）／２π ＋４×Ｒ（２）×ｃｏｓθ×（Ｒ（２）×ｓｉｎθ）／２ ＝Ｒ（２）²｛π−２θ＋ｓｉｎ２θ｝ ……（８）式 上記（８）式で表される。なお、Ｋとθの関係は、Ｋ＝
ｃｏｓθである。

【００２８】図２の（ｃ）に示した、上下に第１の遮蔽
スリット２１を設け、左右に第２の遮蔽スリット２２を
設けた場合、第１の遮蔽スリット２２の幅を２Ａ、第２
の遮蔽スリット２１の幅を２Ｂ（＝Ｋ・２Ａ）とする
と、開口部の断面積Ｓ（３）は、 Ｓ（３）＝４ＡＢ ……（９）式 上記（９）式で表される。

【００２９】ところで、開口絞り２の形状を変えても、
同じ明るさを保つためには、開口部の断面積を同等とす
る必要がある。この場合、（７）式〜（９）式の各面積
が等しいという条件となる。

【００３０】先に説明した図１９の水晶フィルタによる
分離例では、水平方向と垂直方向の分離幅の比が２：１
なので、Ｋ＝１／２とし、開口部の断面積同等のために
必要なＦ値について説明する。

【００３１】Ｓ（１）＝Ｓ（２）の場合は、ｃｏｓθ＝
Ｋ＝１／２より、θ＝π／３となるので、 Ｒ（２）／Ｒ（１）＝√｛π／（π−２θ＋ｓｉｎ２θ）｝ ＝１．２８ ……（１０）式 上記（１０）式が得られる。Ｓ（１）＝Ｓ（３）の場合
は、Ｋ＝１／２から、 ｛√（Ａ²＋Ｂ²）｝／Ｒ（１）＝√｛π（１＋Ｋ²）／（４Ｋ）｝ ＝１．４０ ……（１１）式 上記（１１）式が得られる。

【００３２】以上より、上下にＫ＝１／２のスリットを
設けた場合は、開口部が円形の場合に比べて１．２８倍
の開口径が必要、即ち、１／１．２８倍ものＦ値が必要
となる。また、上下左右にＫ＝１／２のスリットを設け
た場合は、開口部が円形の場合に比べて１．４０倍の開
口径が必要、即ち、１／１．４０倍ものＦ値が必要とな
る。従って、基準となるＦ値と、使用するレンズ枚数等
で総合的に判断し、開口部の形状を選択しなければなら
ない。

【００３３】また、図２の（ｂ），（ｃ）の右側は、非
回転対称な開口絞り２を９０°回転し、点線で重ねて示
した図であり、水平と垂直での共通な断面積を表してい
る。

【００３４】上下スリットの場合の重なる断面積が、
Ｓ’（２）＝｛２Ｋ・Ｒ（２）｝² なので、Ｋ＝１／２
での面積比は、 Ｓ（２）／Ｓ’（２）＝｛π−２θ＋ｓｉｎ２θ｝／（２Ｋ）² ＝１．９１ ……（１２）式 上記（１２）式で求まる。また、上下左右スリットの場
合の重なる断面積が、Ｓ’（３）＝（２Ｂ）² なので、
Ｋ＝１／２での面積比が、 Ｓ（３）／Ｓ’（３）＝（２Ａ・２Ｂ）／（２Ｂ）² ＝２ ……（１３）式 上記（１３）式で求まる。

【００３５】従って、図２でスリットを設けた場合の像
面中央での、水平方向と垂直方向で共通な光量（断面
積）と、主に水平方向に作用する光量（残りの断面積）
の比が、Ｋ＝１／２とすることによって、ほぼ１：１に
できる。

【００３６】よって、非回転対称の上述した開口絞り２
を設けて収差をうねらせる方式では、入射瞳の範囲で２
サイクルのサイン曲線状のうねった収差とし、入射瞳の
内側の１サイクル目のピッチを入射瞳径のほぼ０．５倍
の位置とすることにより、１サイクル目を水平方向・垂
直方向で共通な収差とし、２サイクル目を水平方向のみ
で作用する収差に、振り分けることができる。ただし、
口径食が大きい場合は、２サイクル目の収差がケラレで
しまうので、一定量以上の開口効率を確保することが重
要である。

【００３７】また、円形の開口部を有する開口絞り２の
場合は、入射瞳の内側の１サイクル目と残りの２サイク
ル目の振り分けを、入射瞳の内側の１サイクル目を入射
瞳径のほぼ０．７倍の位置とすることによって、面積比
で０．５倍（＝０．７² ）に振り分けることができる。
ただし、円形の開口部を有する開口絞り２の場合は、垂
直方向のｆ特が水平方向のｆ特と同じになり、垂直方向
の解像度が従来の水晶フィルタ方式より小さくなる。し
かし、もともと、水平方向で実績のある解像度であり、
実用上充分な解像度である。

【００３８】図３は、本発明の開口絞り２と撮像素子３
の向きの関係を表す図である。円形の開口部の上下に第
１の遮蔽スリット２１を設けた開口絞り２の場合は、第
１の遮蔽スリット２１の方向と撮像素子３の矩形の撮像
素子の長手方向とを、同一方向としている。また、上下
に第１の遮蔽スリット２１とこの第１の遮蔽スリットよ
り大きい幅の第２の遮蔽スリット２２を左右に設けた開
口絞り２の場合も、第１の遮蔽スリット２１の方向と撮
像素子３の矩形の撮像素子の長手方向とを、同一方向と
している。これにより、光束のスポットを水平方向が垂
直方向よりも長い横長なスポット形状にでき、従来の水
晶フィルタのｆ特（空間周波数に対するＭＴＦ性能の特
性）に似たｆ特を得ることができる。

【００３９】図４は、開口絞り２と単焦点レンズ１を一
緒にスライドさせる合焦方式を表す図である。図におい
て、５５はレンズホルダ５２に設けたキーである。この
キー５５に相対するキー溝を固定ホルダ５４にも設けて
いる（図示せず）。通常の合焦作用では、レンズホルダ
５２を回転させることによって、ネジ等を介して、レン
ズホルダ５２、即ち単焦点レンズ１を光軸方向に移動さ
せる構造となっている。しかし、非回転対称な開口絞り
２が回転すると水平方向と垂直方向のｆ特が変化してし
まい不都合となる。図４の構造により、レンズホルダ５
２、即ち単焦点レンズ１を光軸方向に移動させても、開
口絞り２の第１の遮蔽スリット２１が撮像素子３に対し
回転することを防止している。

【００４０】図５は、開口絞り２を固定ホルダ５４に直
接固定し、単焦点レンズ１を保持するレンズホルダ５２
を回動させる合焦方式を表す図である。この方法でも、
開口絞り２の回転を防止している。

【００４１】次に、単焦点レンズ１の基本構成につい
て、図６と図１２をもとに説明する。図６は、開口形状
が非回転対称な開口絞り２を用いた単焦点レンズ１のレ
ンズ構成図であり、図１２は、開口形状が円形である開
口絞り２を用いた単焦点レンズ１のレンズ構成図であ
る。

【００４２】図６，図１２に示したように、単焦点レン
ズ１は、物体側より順に、焦点距離が正である第１レン
ズ１１と、焦点距離が正である第２レンズ１２と、焦点
距離が負である第３レンズ１３との、３枚構成となって
いる。このレンズ構成は、本発明の特徴である水晶フィ
ルタの削除による短いバックフォーカスの効果を最大限
に生かすための、最小のレンズ枚数である３枚の構成に
ついて規定したものである。

【００４３】レンズ玉３枚構成は、凸・凹・凸のトリプ
レットタイプが良く知られている。色収差補正の観点か
らは、このトリプレットタイプが有利であるが、色収差
補正のため各レンズ玉のパワー（屈折力＝焦点距離の逆
数）が大きくなり、その結果、凹レンズ（第２番目のレ
ンズ玉）による光線のはねあげが大きくなり、バックフ
ォーカスが大きくなってしまう。従って、このトリプレ
ットタイプは、本発明の水晶フィルタを削除して短いバ
ックフォーカスが可能な単焦点レンズ１には適さない。
凹レンズを先頭の第１番目のレンズ玉とすることも、同
様の理由で不適となるので、凹レンズの位置は第３目の
レンズ玉となる。また、色収差補正のため、３枚のレン
ズ玉が隣接して配置されるので、開口絞り２の位置は、
第１番目のレンズ玉の物体側となる。

【００４４】次に、本発明による凸・凸・凹の各レンズ
玉について説明する。色収差補正のために第１レンズ１
１のパワーも大きくすると、第２レンズ１２，第３レン
ズ１３での光線高さが小さくなり、第２レンズ１２，第
３レンズ１３による色収差補正作用が小さくなる。従っ
て、第１レンズ１１をパワーの小さなメニスカス形状の
凸レンズとしている。また、第１レンズ１１の凹面側
を、開口絞り２、即ち物体側に向け、周辺の光線の収差
補正に有利な形状としている。

【００４５】また、このレンズ構成での各レンズ玉のア
ッベ数を、次の（１４）式の条件で定める。この条件
は、材料の種類が少ないプラスチックレンズで色収差補
正を達成するための条件である。

【００４６】 ν（１）＞５０ ν（２）＞５０ ν（３）＜４０ ……（１４）式 ただし、ν（１），ν（２），ν（３）は、それぞれ第
１レンズ１１，第２レンズ１２，第３レンズ１３のアッ
べ数とする。

【００４７】次に、非球面の配置については、光線高さ
が異なる各レンズ玉に、少なくとも１面以上の非球面を
設けることが、収差補正上有利となる。特に、小さな曲
率半径が相対している第２レンズ１２の像面側と、第３
レンズ１３の物体側への非球面の配置が有効である。ま
た、第１レンズ１１は、軸上光線高さが０に近く、球面
収差の補正に有利であり、第１レンズ１１の両面に非球
面を配置し、球面収差をうねらせている。

【００４８】また、大きさとコストで妥協できれば、レ
ンズ枚数を４枚以上と多用した本発明の単焦点レンズ１
も考えられることは言うまでもない。

【００４９】

【実施例】次に、本発明の単焦点レンズの実施例とし
て、Ｆ２．４で水平画角４５°の単焦点レンズでの、１
／４インチＣＣＤセンサ用の第１，第２実施例を、以下
に示す。この第１，第２実施例において、ｒ（ｉ）とｃ
（ｉ）はそれぞれ物体側より順に第ｉ番目のレンズ面Ｓ
（ｉ）の曲率半径とレンズ面有効半径、ｄ（ｉ）はレン
ズ面Ｓ（ｉ）からレンズ面Ｓ（ｉ＋１）の間の光軸上の
距離、Ｎ（ｊ）とν（ｊ）はそれぞれ物体側より順に第
ｊ番目のレンズの屈折率とアッベ数である。画角は実光
線で対角画角を表した。また、非球面形状は、光軸方向
のサグ量Ｚで表され、光軸からの高さｈ、近軸の曲率半
径ｒ、円錐定数Ｋ、４次，６次，８次，１０次の非球面
項の係数を用い、 Ｚ＝（ｈ²／ｒ）／｛１＋√〔｛１−（Ｋ＋１）ｈ²／ｒ²〕｝ ＋Ａ₄ｈ⁴＋Ａ₆ｈ⁶＋Ａ₈ｈ⁸＋Ａ₁₀ｈ¹⁰ ……（１５式） （記号：√〔 〕は、〔 〕内の量に就き平方根を取る
ことを意味する）上記（１５）式で定義される。

【００５０】〈第１実施例〉 焦点距離 ｆ＝４．５３ Ｆ値 ＦＮＯ．＝１：２．４９５ 画角 ２Ｗ＝５７．７° Ｓ ｒ ｄ Ｎ ν ｃ １ （絞り） ０．４８５ （非対称） ２ −１．８３０ １．８００ １．４９２００ ５７．９ １．１６３ ３ −１．７２４ ０．１００ １．５６０ ４ ３．４８０ １．７８０ １．４９２００ ５７．９ １．５０５ ５ −２．２６８ ０．０５０ １．３７０ ６ −２．５９８ １．５５０ １．５８３９０ ３０．３ １．３５０ ７ ５．２７６ １．３７２ １．４６５ ８ ∞ ０．７７５ １．５１６８０ ６４．２ ９ ∞ １．１９０ １０ ∞ 第２面は非球面であり、（１５）式の係数は以下の通りである。 Ｋ ＝０．０ Ａ₄＝−１．６６４÷１０² Ａ₆ ＝−１．７０２÷１０³ Ａ₈＝４．７５８÷１０³ Ａ₁₀＝−６．１１０÷１０⁴ 第３面も非球面であり、（１５）式の係数は以下の通りである。 Ｋ ＝−０．５９８３ Ａ₄＝２．９４３÷１０³ Ａ₆ ＝２．６４０÷１０³ Ａ₈＝−１．４６２÷１０³ Ａ₁₀＝３．６７８÷１０⁴ 第５面も非球面であり、（１５）式の係数は以下の通りである。 Ｋ ＝−１．００８ Ａ₄＝１．０１１÷１０² Ａ₆ ＝１．８３８÷１０³ Ａ₈＝−１．１２８÷１０³ Ａ₁₀＝１．９７５÷１０⁵ 第６面も非球面であり、（１５）式の係数は以下の通りである。 Ｋ ＝−２．４０８ Ａ₄＝９．９４２÷１０³ Ａ₆ ＝１．４８４÷１０³ Ａ₈＝−２．２４８÷１０³ Ａ₁₀＝３．０８０÷１０⁴ 第１面の開口絞りは、円形の開口部の上下に遮蔽スリッ
トを設けたタイプを用いた。また、有効径の垂直方向／
水平方向の比は、１／２とした。

【００５１】基準の有効半径が０．９０７（Ｆ２．４９
５）なので、（８）式よりＲ（２）＝１．１６２（Ｆ
１．９４７）と定めた。また、上下スリット幅及びＦ値
は、１．１６２とＦ３．８９４である。

【００５２】また、（４）式の条件に対する本第１実施
例の値は、８．６（画素ピッチ７．２μｍ）である。

【００５３】撮影距離２ｍでの光学性能を、図７〜図１
１に示す。図７は、像面全体のｆ特を示した図である。
図７の（ａ）が像面中央のｆ特、図７の（ｂ）が像高
０．６ｍｍのｆ特、図７の（ｃ）が像高１．２ｍｍのｆ
特、図７の（ｄ）が像高１．７ｍｍのｆ特であり、図７
の（ｂ）〜（ｄ）の左側が上下方向の像高のｆ特、図７
の（ｂ）〜（ｄ）の真中が４５度方向の像高のｆ特、図
７の（ｂ）〜（ｄ）の右側が左右方向の像高のｆ特であ
る。また、それぞれの図で、縦軸がＭＴＦ性能［％］、
横軸が空間周波数［本／ｍｍ］である。ベスト面の位置
は、ナイキスト空間周波数７０本／ｍｍに対して約半分
の３２本／ｍｍの空間周波数で定めた。図７における実
線と点線の意味は、図１９と同じであり、ナイキスト空
間周波数７０本／ｍｍの箇所に補助線を加えた。図７か
ら明らかなように、目標とした図１９と同等のｆ特を実
現していることがわかる。

【００５４】図８については先に説明したが、空間周波
数１０本／ｍｍや３２本／ｍｍのベスト面位置におい
て、ナイキスト空間周波数７０本／ｍｍでの水平方向の
ＭＴＦ性能≒０を実現している。

【００５５】図９は、最小のＦ値で、スリットを削除し
た状態でのコマ収差図である。図９の（ａ）が像面中央
であり、球面収差の横収差表示に等しい。また、図９の
（ｂ）が像高１．２ｍｍでのコマ収差であり、図９の
（ｃ）が像高１．７ｍｍでのコマ収差である。図９の
（ａ）〜（ｃ）において、上側がメリディオナル像面で
のコマ収差、下側がサジタル像面でのコマ収差である
（図９の（ａ）はメリディオナル像面でのコマ収差のみ
が示されている）。それぞれの図で、縦軸が入射瞳座
標、横軸が収差量［μｍ］である。この図９に示すよう
に、ほぼ像面全体で２サイクルのいわゆるうねった収差
を実現していることがわかる。なお、開口効率が小さい
と、特に周辺部での光線がケラレるため、２サイクル目
の収差が存在しなくなるので、本第１実施例では、開口
効率を４６％（上下方向）と５４％（左右方向）と大き
くしている。なお、スリットを削除した状態でも開口効
率は４７％ある。

【００５６】図１０は、スリットを設置した状態での収
差図である。また、図１１は、スリットを９０°回転し
設置した状態での収差図である。なお、図１１および図
１２における、（ａ）〜（ｃ）並びに上側，下側は、図
９の場合と同様である。図１１，図１２に示すように、
スリットによる光線のケラレの状態、および、収差図の
入射瞳の内側の１サイクル目の収差が、水平方向と垂直
方向で共通の収差となっていることがわかる。

【００５７】〈第２実施例〉 焦点距離 ｆ＝４．７２ Ｆ値 ＦＮＯ．＝１：２．４９５ 画角 ２Ｗ＝５６．７° Ｓ ｒ ｄ Ｎ ν ｃ １ （絞り） ０．３００ ０．９４６ ２ −１．６９２ １．６００ １．４９２００ ５７．９ ０．９４６ ３ −２．０００ ０．１００ １．３７０ ４ ３．３９０ ２．１９０ １．４９２００ ５７．９ １．６３０ ５ −１．６７９ ０．０５０ １．６５５ ６ −２．１９３ １．３２５ １．５８３９０ ３０．３ １．５３５ ７ １０．０６４ １．７５０ １．５１０ ８ ∞ ０．７７５ １．５１６８０ ６４．２ ９ ∞ １．１９０ １０ ∞ 第２面は非球面であり、（１５）式の係数は以下の通りである。 Ｋ ＝−８．３９９÷１０² Ａ₄＝−９．０５３÷１０³ Ａ₆ ＝９．０３６÷１０² Ａ₈＝−８．２４２÷１０² Ａ₁₀＝２．６４８÷１０² 第３面も非球面であり、（１５）式の係数は以下の通りである。 Ｋ ＝−０．６７６４ Ａ₄＝４．３９２÷１０³ Ａ₆ ＝１．２８３÷１０² Ａ₈＝−８．３９４÷１０³ Ａ₁₀＝２．５６０÷１０³ 第５面も非球面であり、（１５）式の係数は以下の通りである。 Ｋ ＝−０．３６４４ Ａ₄＝３．４３５÷１０² Ａ₆ ＝３．９０７÷１０³ Ａ₈＝−１．８３５÷１０³ Ａ₁₀＝４．６８６÷１０^４ 第６面も非球面であり、（１５）式の係数は以下の通りである。 Ｋ ＝−１．９４３ Ａ₄＝７．３１３÷１０³ Ａ₆ ＝９．２２８÷１０⁴ Ａ₈＝−１．２９０÷１０³ Ａ₁₀＝１．５４４÷１０⁴ また、（４）式の条件に対する本第２実施例の値は、−
４．６（画素ピッチ７．２μｍ）である。

【００５８】撮影距離１ｍでの光学性能を、図１３〜図
１５に示す。図１３は、像面全体のｆ特を示した図で、
図１３における（ａ）〜（ｄ）、並びに左側，真中，右
側は、図７の場合と同様である。本第２実施例では、円
形の開口絞りを用いているので、図１３の像面中央のｆ
特は、水平方向と垂直方向で等しくなり曲線は実線１本
のみとなっており、また、４５度方向の像高のｆ特も同
様に実線１本のみとなっている。

【００５９】図１４については先に説明したが、空間周
波数１０本／ｍｍや３２本／ｍｍのベスト面位置におい
て、ナイキスト空間周波数７０本／ｍｍでのＭＴＦ性能
がほぼ最小（ほぼ０）を実現している。

【００６０】また、収差図は、本第２実施例ではスリッ
トを用いていないので、図１５の１種類のみを示した。
図１５における（ａ）〜（ｃ）、並びに上側，下側は、
図９の場合と同様である。第１実施例で説明した開口効
率は、本第２実施例では６５％と大きな値を実現してい
る。

【００６１】これらの光学性能の図で明らかなように、
本第２実施例においても、性能が良好であることがわか
る。

【００６２】ところで、本発明においては先にも説明し
たように、そもそもサイン曲線状の収差図が得られれば
よいのであって、例えば、モールド加工レンズの場合、
球面（あるいは非球面）の金型加工の際に、一定のピッ
チと振幅を有する振動を起こし、うねりを付加する方法
でも同様の効果が得られることは言うまでもない。な
お、検査の点で、球面にニュートン縞で数本分のうねり
を付加することが望ましい。

【００６３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、レンズ系
自体の収差性能によって、特定の空間周波数でのＭＴＦ
性能をほぼ０とするｆ特を達成することができる。従っ
て、ＬＰＦとしての水晶フィルタを削除できるので、単
焦点レンズのバックフォーカスを小さくでき、ビデオカ
メラ装置の小形化、及び水晶フィルタ削除による低コス
ト化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を表す図である。

【図２】本発明の開口絞りの開口部の形状図である。

【図３】本発明の開口絞りと撮像素子の向きの関係を表
す図である。

【図４】開口絞りとレンズを一緒にスライドさせる合焦
方式を表す図である。

【図５】開口絞りを固定し、レンズを保持する鏡筒を回
動させる合焦方式を表す図である。

【図６】本発明の第１実施例のレンズ構成図である。

【図７】本発明の第１実施例のＭＴＦのｆ特を表す図で
ある。

【図８】本発明の第１実施例のデフォーカス時のＭＴＦ
性能を表す図である。

【図９】本発明の第１実施例でスリットを外した状態で
のｄ線に対するコマ収差図である。

【図１０】本発明の第１実施例でスリットを設けた状態
でのｄ線に対するコマ収差図である。

【図１１】本発明の第１実施例でスリットを９０°回転
し設けた状態でのｄ線に対するコマ収差図である。

【図１２】本発明の第２実施例のレンズ構成図である。

【図１３】本発明の第２実施例のＭＴＦのｆ特を表す図
である。

【図１４】本発明の第２実施例のデフォーカス時のＭＴ
Ｆ性能を表す図である。

【図１５】本発明の第２実施例のｄ線に対するコマ収差
図である。

【図１６】サイン曲線状の収差（うねった収差）と空間
周波数に対するＭＴＦ特性の関係を表す図である。

【図１７】うねった収差のタイプを表す模式図である。

【図１８】収差図の入射瞳の中央部での傾きと、デフォ
ーカス量の関係を表す模式図である。

【図１９】水晶フィルタによる分離特性例及び、ローパ
ス作用を示すｆ特の図である。

【符号の説明】

１ 単焦点レンズ ２ 開口絞り ３ 撮像素子 ４ ＩＲカットフィルタ ５ 鏡筒部品

フロントページの続き (72)発明者 礒嵜 薫 茨城県ひたちなか市稲田1410番地 株式会 社日立製作所パーソナルメディア機器事業 部内

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単焦点レンズ（１）と、開口絞り（２）
   と、カラーフィルタの付いた撮像素子（３）を有するビ
   デオカメラ装置において、 上記単焦点レンズ（１）のベスト面における横収差表示
   の球面収差と、サジタルコマ収差を、口径食の範囲でほ
   ぼ２サイクル以上のピッチを有するサイン曲線状のうね
   った収差とし、上記開口絞り（２）を撮影時の明るさに
   よらず一定の開口形状としたことを特徴とするビデオカ
   メラ装置。ただし、上記ベスト面は、上記撮像素子
   （３）の水平方向の有効画素数ｎ（Ｈ）と垂直画面サイ
   ズＳ（Ｖ）を用い、以下の式で定義される水平方向のナ
   イキスト空間周波数ｆ（Ｈ）のほぼ半分あるいは半分以
   下の空間周波数で、中央のＭＴＦが最大となる像面位置
   とする。また、水平方向像面と垂直方向像面での中央の
   ＭＴＦの値が異なる場合は、小さい方の値を代表値と
   し、このＭＴＦの値が最大となる像面位置をベスト面と
   する。 ｆ（Ｈ）＝ｎ（Ｈ）×（３／４）／（２・Ｓ（Ｖ）） また、スリット等を設けた非回転対称な上記開口絞り
   （２）の場合は、最小のＦ値でスリット等を取り除いた
   状態で表示した収差図表示とする。
2. 【請求項２】 請求項１記載において、 前記開口絞り（２）の開口部を、光軸に対して非回転対
   称な形状としたことを特徴とするビデオカメラ装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載において、 前記開口絞り（２）の開口部を、円形の開口部の上下に
   第１の遮蔽スリット（２１）を設けた形状としたことを
   特徴とするビデオカメラ装置。
4. 【請求項４】 請求項２記載において、 前記開口絞り（２）の開口部を、上下に第１の遮蔽スリ
   ット（２１）、左右に第１の遮蔽スリット（２１）より
   大きな幅の第２の遮蔽スリット（２２）を設けた矩形形
   状としたことを特徴とするビデオカメラ装置。
5. 【請求項５】 請求項３または４記載において、 前記第１の遮蔽スリット（２１）の方向と、前記撮像素
   子（３）の矩形の撮像素子面の長手方向とを、同一方向
   としたことを特徴とするビデオカメラ装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載において、 前記単焦点レンズ（１）と前記開口絞り（２）を一体
   に、スライドによって光軸方向に移動させ、合焦作用を
   行なうことを特徴とするビデオカメラ装置。
7. 【請求項７】 請求項５記載において、 前記開口絞り（２）を前記単焦点レンズ（１）の物体側
   の位置で固定し、前記単焦点レンズ（１）を回転によっ
   て光軸方向に移動させ、合焦作用を行なうことを特徴と
   するビデオカメラ装置。
8. 【請求項８】 請求項３記載において、 前記第１の遮蔽スリット（２１）の幅を、前記開口絞り
   （２）の円形の開口部の直径の約半分の長さとしたこと
   を特徴とするビデオカメラ装置。
9. 【請求項９】 請求項４記載において、 前記第１の遮蔽スリット（２１）の幅を、前記第２の遮
   蔽スリット（２２）の幅の約半分の長さとしたことを特
   徴とするビデオカメラ装置。
10. 【請求項１０】 請求項１または２記載において、 前記開口絞り（２）を、前記単焦点レンズ（１）の物体
    側に配置したことを特徴とするビデオカメラ装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０記載において、 ＩＲ（赤外線）カットフィルタ（４）を、前記開口絞り
    （２）の物体側に配置したことを特徴とするビデオカメ
    ラ装置。
12. 【請求項１２】 請求項１または２記載において、 前記単焦点レンズ（１）のガウス面と前記ベスト面との
    位置ズレδが、下式で規定されることを特徴とするビデ
    オカメラ装置。 ３＜｜δ／（Ｆ・Ｐ（Ｈ））｜＜１０ ただし、Ｆは前記単焦点レンズ（１）のＦ値、Ｐ（Ｈ）
    は前記撮像素子（３）内の各画素の水平方向の間隔（ピ
    ッチ）とする。
13. 【請求項１３】 請求項１または２記載において、 前記単焦点レンズ（１）を、物体側から順に、像面側に
    凸面を向けて焦点距離が正である第１レンズ（１１）
    と、両凸で焦点距離が正である第２レンズ（１２）と、
    両凹で焦点距離が負である第３レンズ（１３）との、レ
    ンズ３枚構成としたことを特徴とするビデオカメラ装
    置。
14. 【請求項１４】 請求項１３記載において、 前記第１レンズ（１１），第２レンズ（１２），第３レ
    ンズ（１３）を、少なくとも片面に非球面を設けた非球
    面プラスチックレンズとし、且つ、各レンズ玉のアッべ
    数νを以下のように規定したことを特徴とするビデオカ
    メラ装置。 ν（１）＞５０ ν（２）＞５０ ν（３）＜４０ ただし、ν（１），ν（２），ν（３）は、それぞれ第
    １レンズ（１１），第２レンズ（１２），第３レンズ
    （１３）のアッべ数とする。
15. 【請求項１５】 請求項１４記載において、 前記第１レンズ（１１）を、両面に非球面を設けた非球
    面プラスチックレンズとしたことを特徴とするビデオカ
    メラ装置。
16. 【請求項１６】 請求項１または２記載において、 前記撮像素子（３）の水平方向の有効画素数ｎ（Ｈ）を
    用い、以下の式で定義される水平方向のＴＶ解像度Ｒ
    （Ｈ）のほぼ半分以下のＴＶ解像度の本数で、合焦作用
    を行なうことを特徴とするビデオカメラ装置。 Ｒ（Ｈ）＝ｎ（Ｈ）×（３／４）
17. 【請求項１７】 請求項１６記載において、 手動で合焦作用を行なう際に、前記ＴＶ解像度本数Ｒ
    （Ｈ）の約半分に相当する白線と黒線のペアの模様のチ
    ャートを、モニタ画面上に表示することを特徴とするビ
    デオカメラ装置。