JPWO2018230033A1 - レンズ系、カメラシステム及び撮像システム - Google Patents

Abstract

本開示のレンズ系は、光軸に配置された矩形の撮像素子に結像するレンズ系であって、光軸に対して非対称である第２自由曲面レンズを備え、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円における第２自由曲面レンズのサグ量が、光軸を通り撮像素子の長辺に平行な第１面及び光軸を通り撮像素子の短辺に平行な第２面との交点以外に極値を有する。

Description

本開示は、レンズ系、カメラシステム及び撮像システムに関する。

中心射影方式でないレンズによって結像される像は矩形から崩れ、矩形の撮像素子を用いると、光学像と撮像素子とが重ならず使用されない感光面の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。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、円形画像を矩形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。

国際公開第０３／１０１５９９号

矩形の撮像素子の感光面の領域を有効に活用できるレンズ系、該レンズを含むカメラシステム及び撮像システムを提供する。

本開示のレンズ系は、光軸に配置された矩形の撮像素子に結像するレンズ系であって、光軸に対して非対称である第２自由曲面レンズを備え、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円における第２自由曲面レンズのサグ量が、光軸を通り撮像素子の長辺に平行な第１面とその円との交点、及び光軸を通り撮像素子の短辺に平行な第２面とその円との交点以外に極値を有する。

本開示のカメラシステムは、本開示の上記レンズ系と、光軸でレンズ系が結像する位置に配置された矩形の撮像素子と、を備える。

本開示の撮像システムは、本開示の上記レンズ系と、光軸でレンズ系が結像する位置に配置された矩形の撮像素子と、撮像素子が生成する画像を処理する画像処理部と、を備える。

本発明では、略矩形の像を結像するレンズ系、該レンズ系を含むカメラシステム及び撮像システムを実現することができる。

実施の形態１に係るレンズ系の無限合焦状態を示すレンズ配置図 実施の形態２に係るレンズ系の無限合焦状態を示すレンズ配置図 実施の形態３に係るレンズ系の無限合焦状態を示すレンズ配置図 実施の形態１〜３に係る撮像素子の感光面の概要図 実施の形態１に係るレンズ系の自由曲面レンズのサグ量と光軸周りの角度（位相）との関係を示す図 実施の形態２に係るレンズ系の自由曲面レンズのサグ量と光軸周りの角度（位相）との関係を示す図 実施の形態３に係るレンズ系の自由曲面レンズのサグ量と光軸周りの角度（位相）との関係を示す図 実施の形態４に係るカメラシステムの概略構成図 実施の形態５に係る撮像システムの概略構成図 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と像面湾曲を示す収差図 数値実施例１に係るレンズ系の無限合焦状態の画角と像点の関係を示す図 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と像面湾曲を示す収差図 数値実施例２に係るレンズ系の無限合焦状態の画角と像点の関係を示す図 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と像面湾曲を示す収差図 数値実施例３に係るレンズ系の無限合焦状態の画角と像点の関係を示す図

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）
図１は、実施の形態１に係るレンズ系の配置図であり、無限遠合焦状態を表している。

なお、図１の（ａ）はＹＺ断面で、図１の（ｂ）はＸＺ断面で、８枚のレンズ素子を有するレンズ系１１１と、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子１０２とを表している。Ｘ方向は撮像素子１０２の長辺に平行な方向、Ｙ方向は撮像素子１０２の短辺方向に平行な方向、Ｚ方向は光軸に平行な方向である。また、ＹＺ断面は、光軸を含みＹ方向とＺ方向に平行な平面である。ＸＺ断面は、光軸を含みＸ方向とＺ方向に平行な平面である。

図１に示すように、実施の形態１に係るレンズ系１１１は、物体側から像面側へと順に、５枚のレンズ素子Ｌ１〜Ｌ５、開口絞りＡ、３枚のレンズ素子Ｌ６〜Ｌ８を備える。レンズ系１１１の結像の位置は、撮像素子１０２の像面となっている。図１の（ｂ）では符号を省略している。

さらに、レンズ系１１１を詳細に説明する。レンズ系１１１は、物体側から像面側へと順に、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズ素子Ｌ１と、両凹形状のレンズ素子Ｌ２と、両凹形状のレンズ素子Ｌ３と、両凸形状のレンズ素子Ｌ４と、両面が非球面で形成されて物体側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズ素子Ｌ５と、開口絞りＡと、両凸形状のレンズ素子Ｌ６と、像面側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズ素子Ｌ７と、物体側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズ素子Ｌ８とからなる。レンズ素子Ｌ６とレンズ素子Ｌ７は接合されている。ここで、レンズ素子Ｌ１は第１レンズ素子の一例であり、レンズ素子Ｌ２は第２レンズ素子の一例である。

レンズ系１１１において、レンズ素子Ｌ３とレンズ素子Ｌ８は、物体側と像面側の両面がＸＹ多項式の自由曲面である。図１において、自由曲面に＊印を付している。ここで、レンズ素子Ｌ３は第１自由曲面レンズの一例であり、レンズ素子Ｌ８は第２自由曲面レンズの一例である。

レンズ素子Ｌ８の像面側の自由曲面の、光軸から最短像高の４０％以上の長さ離れたそれぞれの円におけるサグ量が、光軸を通り撮像素子１０２の長辺に平行なＸＺ面（第１面）及び光軸を通り撮像素子１０２の短辺に平行なＹＺ面（第２面）との交点以外に極値を有している。ここで、サグ量とは、レンズ素子の面との交点を含んだ光軸と直交する平面を基準面としたときに、基準面からレンズ素子の面上のある点までの光軸に平行な方向の距離である。サグ量を示す数式及び各レンズ素子の面データについては後述する。なお、自由曲面レンズ及び非球面レンズの面の形状はＹ方向の光軸近傍（頂点）での形状で表現している。

（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係るレンズ系の配置図である。図２の（ａ）はＹＺ断面で、図２の（ｂ）はＸＺ断面で、８枚のレンズ素子からなるレンズ系１２１と、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子１０２とを表している。図２の（ｂ）では符号を省略している。実施の形態２のレンズ系１２１は、実施の形態１のレンズ系１１１と比較して、レンズ素子の枚数、種類及び配置順が同じで、各レンズ系素子Ｌ１〜Ｌ８の面データが異なる。面データの相違点については、後述する。レンズ系１２１において、レンズ素子Ｌ１は第１レンズ素子の一例であり、レンズ素子Ｌ２は第２レンズ素子の一例であり、レンズ素子Ｌ３は第１自由曲面レンズの一例であり、レンズ素子Ｌ８は第２自由曲面レンズの一例である。

実施の形態２のレンズ系１２１では、光軸から最短像高の２０％以上の長さ離れたそれぞれの円におけるレンズ素子Ｌ８の像面側の自由曲面のサグ量が、光軸を通り撮像素子１０２の長辺に平行なＸＺ面（第１面）及び光軸を通り撮像素子１０２の短辺に平行なＹＺ面（第２面）との交点以外に極値を有している。

（実施の形態３）
図３は、実施の形態３に係るレンズ系の配置図である。図３の（ａ）はＹＺ断面、図３の（ｂ）はＸＺ断面で、７枚のレンズ素子を有するレンズ系１３１と、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子１０２とを表している。図３の（ｂ）では符号を省略している。実施の形態３のレンズ系１３１は、実施の形態１のレンズ系１１１と比較して、レンズ素子の枚数（７枚）及び各レンズ系素子Ｌ１〜Ｌ７の面データが異なる。

図３に示すように、実施の形態３に係るレンズ系１３１は、物体側から像面側へと順に、４枚のレンズ素子Ｌ１〜Ｌ４、開口絞りＡ、３枚のレンズ素子Ｌ５〜Ｌ７を備える。レンズ系１３１の結像の位置は、撮像素子１０２の像面となっている。面データの相違点については、後述する。

さらに、レンズ系１３１を詳細に説明する。レンズ系１３１は、物体側から像面側へと順に、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズ素子Ｌ１と、両面が非球面で形成されて両凹形状のレンズ素子Ｌ２と、両凹形状のレンズ素子Ｌ３と、物体側の面が非球面で形成されて両凸形状のレンズ素子Ｌ４と、開口絞りＡと、物体側の面が非球面で形成されて両凸形状のレンズ素子Ｌ５と、像面側の面が非球面で形成されて像面側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズ素子Ｌ６と、両凸形状のレンズ素子Ｌ７とからなる。レンズ素子Ｌ５とレンズ素子Ｌ６は接合されている。ここで、レンズ素子Ｌ１は第１レンズ素子の一例であり、レンズ素子Ｌ２は第２レンズ素子の一例である。

レンズ系１３１において、レンズ素子Ｌ３は、物体側の面がＸＹ多項式の自由曲面であり、像面側の面が非球面である。レンズ素子Ｌ７は、物体側と像面側の両面がＸＹ多項式の自由曲面である。図３において、自由曲面に＊印を付している。ここで、レンズ素子Ｌ３は第１自由曲面レンズの一例であり、レンズ素子Ｌ７は第２自由曲面レンズの一例である。

レンズ素子Ｌ７の物体側の自由曲面の、光軸から最短像高の３０％以上の長さ離れた円におけるサグ量が、光軸を通り撮像素子１０２の長辺短辺に平行なＸＺ面（第１面）及び光軸を通り撮像素子１０２の短辺に平行なＹＺ面（第２面）との交点以外に極値を有している。

（実施の形態１〜３の共通の構成）
実施の形態１〜３に係るレンズ系は、複数枚のレンズ素子を有し、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子１０２に結像させる。そして、レンズ系は、レンズ素子として光軸に対して回転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、複数枚のレンズ素子、開口絞り、複数枚のレンズ素子を備えている。この構成により、矩形に近い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１〜３に係るレンズ系は、光軸に対して回転対称なレンズ素子を少なくとも３つ以上有する構成をしている。この構成により、自由曲面レンズの枚数を少なくし、方向による性能の偏りを小さくすることができる。さらに、実施の形態１〜３に係るレンズ系は、設計時に計算時間を短縮できるという利点もある。

実施の形態１〜３に係るレンズ系を構成する自由曲面レンズの全ての自由曲面は、ＸＺ面及びＹＺ面に対してそれぞれ対称な形状を有しており、自由曲面の中心を判別できるので、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１〜３に係るレンズ系において、物体側から順に、物体側に凸形状の負のパワーを有するメニスカスであるレンズ素子Ｌ１、負のパワーを有するレンズ素子Ｌ２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く、負レンズを２枚連続されることでそれぞれ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１〜３に係るレンズ系は、最も像面側にある自由曲面レンズは物体側と像面側の両面が自由曲面の構成をしているので、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１〜３に係るレンズ系は、半画角が８０°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１〜３に係るレンズ系のように、光軸に配置された矩形の撮像素子に結像す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備えるレンズ系は、光軸から最短像高の４０％以上の長さ離れた円における自由曲面レンズの自由曲面のサグ量が、光軸を通り撮像素子の長辺に平行なＸＺ面及び光軸を通り撮像素子の短辺に平行なＹＺ面との交点以外に極値を有することが好ましい（以下、この構成を実施の形態の基本構成という）。

ここで、最短像高とは、撮像素子１０２に垂直に入射する光線による像点と、レンズ系が形成するイメージサークルの端までの像面上の距離のうち、最短のものを示す。実施の形態１〜３に係るレンズ系においては、撮像素子１０２の短辺方向に最短像高を有する。

自由曲面レンズの面のサグ量がＸＺ面及びＹＺ面との交点以外に極値を有することで、特に撮像素子１０２の対角付近の方向に像を拡大しやすくなる。極値を有する光軸からの範囲は、径方向に最短像高の４０％以上の長さ離れたところであることで、良好な像の拡大効果が得られる。本実施の形態の基本構成とは異なり、最短像高の４０％以上の長さ離れた円におけるサグ量が、光軸を通り撮像素子の長辺及び短辺に平行なＸＺ面及びＹＺ面との交点以外に極値を有する自由曲面を備えない場合、矩形の撮像素子の感光面の領域を十分に活用できない。あるいは、レンズ素子の枚数が増加し、レンズ系の大型化を招くこととなってしまう。なお、光軸から最短像高の４０％〜８０％の長さ離れた円における自由曲面のサグ量が、ＸＺ面及びＹＺ面との交点以外に極値を有する場合、上記の効果をさらに奏功させることができる。

撮像素子の感光面の領域を有効に活用するためのサグ量の極値の位置について説明する。図４は、撮像素子の感光面の概要図である。図４において、撮像素子１０２のレンズ系側の全面が感光面であるとしている。或いは、撮像素子１０２の周囲に感光面でない部位がある場合は、その部位を取り除いた状態とする。また、図４において、レンズ系の光軸と撮像素子１０２の感光面との交点Ｏを撮像素子１０２の感光面の中心としている。

交点Ｏ（感光面の中心）から撮像素子１０２の角部Ｃ１〜Ｃ４へのそれぞれの方向にサグ量の極値があるとき、撮像素子１０２の感光面の領域を最も有効に活用することができる。そして、角度θ±２５°の範囲であれば、略矩形の像を結像することができる。ここで、角度θは、図４に示すように、交点Ｏと角部Ｃ１を結ぶ線分ＯＣ１がＸ軸となす角度である。図４では、線分ＯＣ１が位置する第一象限について角度θを示しているが、自由曲面レンズの自由曲面はＸＺ面及びＹＺ面についてそれぞれ対称であるので、線分ＯＣ２、ＯＣ３、ＯＣ４がそれぞれ位置する第二〜四象限についても同様である。

図５は、実施の形態１に係るレンズ系１１１のレンズ素子Ｌ８の像面側の自由曲面のサグ量と、光軸から最短像高の６０％の長さ離れた円における光軸周りの角度（位相）との関係を示している。図６は、実施の形態２に係るレンズ系１２１のレンズ素子Ｌ８の像面側の自由曲面のサグ量と、光軸から最短像高の６０％の長さ離れた円における光軸周りの角度（位相）との関係を示している。図７は、実施の形態３に係るレンズ系１３１のレンズ素子Ｌ７の物体側の自由曲面のサグ量と、光軸から最短像高の６０％の長さ離れた円における光軸周りの角度（位相）との関係を示している。図５〜７では、光軸から最短像高の６０％の長さ離れた円の全周（即ち、第一〜第四象限）におけるサグ量を示している。

図５〜７に示すように、第一象限（位相０°〜９０°）と第三象限（位相１８０°〜２７０°）に示されるサグ量は同一であり、第二象限（位相９０°〜１８０°）と第四象限（位相２７０°〜３６０°）に示されるサグ量は同一である。また、第一象限と第二象限とに示されるサグ量は位相９０°について対称であり、第二象限と第三象限とに示されるサグ量は位相１８０°について対称であり、第三象限と第四象限とに示されるサグ量は位相２７０°について対称であり、第四象限と第一象限とに示されるサグ量は位相３６０°について対称である。ここで、位相０°、１８０°は、光軸を通り撮像素子１０２の長辺に平行なＸＺ面（第１面）の位置に対応し、位相９０°、２７０°は、光軸を通り撮像素子１０２の短辺に平行なＹＺ面（第２面）の位置に対応する。

図５〜７に示すレンズ系１１１、１２１、１３１におけるサグ量の第一象限の極値は、それぞれ位相約３８°、約４９°、約４２°である。このように、実施の形態１〜３におけるレンズ系は、光軸と撮像素子１０２の感光面との交点Ｏから感光面の角部Ｃ１〜Ｃ４へのそれぞれの方向に対して±２５°の範囲にサグ量の極値を有するように、設計される。以下、第一象限における角度θについて説明するが、第二〜四象限についても同様である。

レンズ系は、例えば、撮像素子１０２の感光面の長辺と短辺のアスペクト比によって以下のように設計される。撮像素子１０２の感光面の長辺と短辺の比がａ対ｂであるとき、撮像素子１０２の長辺と平行な方向（Ｘ方向）に対してｔａｎ^−１（ｂ／ａ）±２５°の範囲にサグ量の極値を有する。例えば、撮像素子１０２の長辺と短辺の比が１６対９であるとき、位相２９±２５°の範囲にサグ量の極値を有する。撮像素子１０２の長辺と短辺の比が４対３であるとき、Ｘ方向からの位相が３７±２５°の範囲にサグ量の極値を有する。

また、Ｘ方向に対して範囲２９±２５°と範囲３７±２５°の共通範囲となる、Ｘ方向に対して３３±２１°の範囲にサグ量の極値を有するレンズ系は、アスペクト比が１６対９及び４対３の撮像素子の両方に使用することができる。

サグ量が極値を有するということは光軸から所定の距離離れた円上でサグ量が反転するということであるが、該円上での最大サグ量の少なくとも３％は反転していることが好ましい。このような自由曲面を有するレンズを作製することは困難であったが、近年の加工・成型技術の進歩に伴い、作製できるようになってきた。

また、例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（１）を満足することが好ましい。

ω_ＬＯＮＧ＞６０° ・・・（１）
ここで、
ω_ＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
条件（１）は、レンズ系の半画角を規定するための条件である。条件（１）の下限を下回ると、レンズ系の画角が狭くなり、本実施の形態の基本構成を有しなくともイメージサークルが矩形に近くでき、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域を有効活用しやすくなり、本願の意図と乖離してくる。また、球面収差の制御が困難となる。

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

ω_ＬＯＮＧ＞８０° ・・・（１）’
ω_ＬＯＮＧ＞９０° ・・・（１）’’
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（２）を満足することが好ましい。

１＜Ｄ_{ＬＳＨＯＲＴ}／Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ} ・・・（２）
ここで、
Ｄ_{ＬＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角と等しい画角の、撮像素子の長辺方向の入射光に対する像点と、撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との短辺方向の最大距離
条件（２）は、撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点について、撮像素子の短辺方向の像高よりも、長辺方向の像高の方が長くなることを規定するための条件である。条件（２）の下限を下回ると、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域の有効活用が困難になる。または、像面湾曲の制御が困難になる。

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

１．２＜Ｄ_{ＬＳＨＯＲＴ}／Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ} ・・・（２）’
１．６＜Ｄ_{ＬＳＨＯＲＴ}／Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ} ・・・（２）’’
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の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。

０．５＜Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}×ω_ＬＯＮＧ／（Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}×ω_{ＳＨＯＲＴ}）＜１ ・・・（３）
ここで、
ω_ＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
ω_{ＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角
Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}：撮像素子の長辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との短辺方向の最大距離
条件（３）は、撮像素子の短辺方向と長辺方向の、最大半画角と像高の比を規定するための条件である。条件（３）の下限を下回ると、短辺方向の画角が長辺方向の画角に比較して広くなりすぎ、結像性能、特に像面湾曲の制御が困難になる。あるいはイメージサークルが長辺方向に長くなりすぎ、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域の有効活用が困難になる。条件（３）の上限を上回ると、長辺方向の画角が短辺方向の画角に比較して広くなりすぎ、結像性能、特に像面湾曲の制御が困難になる。あるいはイメージサークルが短辺方向に長くなりすぎ、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域の有効活用が困難になる。

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

０．５５＜Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}×ω_ＬＯＮＧ／（Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}×ω_{ＳＨＯＲＴ}）＜０．９ ・・・（３）’
０．６ ＜Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}×ω_ＬＯＮＧ／（Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}×ω_{ＳＨＯＲＴ}）＜０．８ ・・・（３）’’
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の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。

ω_ＬＯＮＧ−ω_{ＳＨＯＲＴ}＞０ ・・・（４）
ここで、
ω_ＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
ω_{ＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角
条件（４）は、最大半画角について、撮像素子の長辺方向と短辺方向の差を規定する条件である。条件（４）の下限を下回ると、短辺方向の画角が長辺方向の画角に比較して等しい、あるいは大きくなってしまい、極めていびつな形状で結像してしまうことになり、画角あたりの解像度が長辺方向と短辺方向で大きく変わってしまう。また、球面収差が長辺方向と短辺方向で大きく変化してしまい、制御が困難になる。

なお、更に以下の条件（４）’を満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。

ω_ＬＯＮＧ−ω_{ＳＨＯＲＴ}＞８ ・・・（４）’
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（５）を満足することが好ましい。

Ｌ×Ｆｎｏ．／Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}＜４０ ・・・（５）
ここで、
Ｌ：レンズ系の光学全長
Ｆｎｏ．：レンズ系のＦ値
Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}：撮像素子の長辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
条件（５）は、レンズ系の光学全長とレンズ系のＦ値、長辺方向の像高の関係を規定する条件である。条件（５）の上限を上回ると、レンズ系のＦ値、イメージサークルに対してレンズ系が肥大化しすぎ、小型化を達成できず、加えて像面湾曲の制御が困難となる。

なお、更に以下の条件（５）’及び（５）’’の少なくとも一つを満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。

Ｌ×Ｆｎｏ．／Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}＜３０ ・・・（５）’
Ｌ×Ｆｎｏ．／Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}＜２５ ・・・（５）’’
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（６）を満足することが好ましい。

ｎ_ＦＲＥＥ＜１．７ ・・・（６）
ここで、
ｎ_ＦＲＥＥ：自由曲面レンズのｄ線に対する屈折率
条件（６）は、自由曲面レンズのｄ線に対する屈折率を規定する条件である。条件（６）の上限を上回ると、自由曲面レンズの屈折率が高くなりすぎ、急激に光線を曲げることから非点収差の制御が困難になる。なお、本条件はレンズ系の中の１枚の自由曲面レンズが満足していても効果を得られるし、複数枚の自由曲面レンズが満足している場合は、さらに効果を奏功させることができる。

なお、更に以下の条件（６）’を満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。

ｎ_ＦＲＥＥ＜１．６ ・・・（６）’
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、物体と撮像素子との間に開口絞りＡを有し、以下の条件（７）を満足することが好ましい。

−３≦Ｎ_ｏ−Ｎ_ｉ≦３ ・・・（７）
ここで、
Ｎ_ｏ：開口絞りよりも物体側のレンズ素子の枚数
Ｎ_ｉ：開口絞りよりも像面側のレンズ素子の枚数
条件（７）は、開口絞りＡ前後のレンズ素子の枚数差を規定する条件である。条件（７）の下限を下回ると、開口絞りＡよりも像面側のレンズ素子の枚数が増えすぎ、レンズ系の光軸方向の大型化を招いてしまう。また、開口絞りＡよりも物体側のレンズ素子の枚数が少なく、像面湾曲の制御が困難となる。条件（７）の上限を上回ると、開口絞りＡよりも物体側のレンズ素子の枚数が増えすぎ、レンズ系の径方向への大型化を招いてしまう。また、開口絞りＡよりも像面側のレンズ素子の枚数が少なく、球面収差の制御が困難となる。

なお、更に以下の条件（７）’を満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。

−２≦Ｎ_ｏ−Ｎ_ｉ≦２ ・・・（７）’
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、物体と撮像素子１０２との間に開口絞りＡを有し、開口絞りＡより物体側に少なくとも１枚の第１自由曲面レンズを有し、開口絞りＡより像面側に少なくとも１枚の第２自由曲面レンズを有することが好ましい。本構成を採ることで、長辺方向、短辺方向、対角方向、いずれの方向でも像面湾曲を小さくすることができるという利点がある。

例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、レンズ系のイメージサークルが撮像素子１０２で包含されないことが好ましい。特に、自由曲面レンズを使用したレンズ系ではイメージサークルの端付近での解像度を確保することが設計上、ものづくり上困難であるため、イメージサークルが撮像素子１０２で包含されないようにすることで撮像素子１０２上で良好な結像性能を確保することが可能となる。

実施の形態１〜３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、各レンズ系を構成してもよい。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１〜３に係るレンズ系を構成している各レンズは、撮像素子１０２の長辺あるいは短辺に対して対称な面を有しているが、非対称な面を使用した場合でも、本実施の形態の基本構成や、各条件を満足していれば、十分な効果を得られる。

（実施の形態４）
図８は実施の形態４に係るカメラシステムの概略構成図である。実施の形態４に係るカメラシステム１００は、レンズ系１１１と、レンズ系１１１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、カメラ本体１０３を含む。実施の形態４のレンズ系は、実施の形態１〜３いずれかに係るレンズ系を用いることができる。図８は、レンズ系として実施の形態１に係るレンズ系１１１を用いた場合を図示している。

実施の形態４では、実施の形態１〜３いずれかに係るレンズ系を用いているので、撮像素子１０２に略矩形の像を結像させることができ、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域を有効活用した画像を得ることができるカメラシステム１００を実現することができる。

（実施の形態５）
図９は実施の形態５に係る撮像システムの概略構成図である。実施の形態５に係る撮像システム２００に用いられている撮像光学系２０１は、実施の形態４のカメラシステム１００のように、実施の形態１〜３いずれかに係るレンズ系を含んでいる。撮像光学系２０１で得られた画像を、画像処理部２０２で処理することで、さまざまなアプリケーションに応用可能な画像に変形、加工することが可能となる。なお、画像処理部２０２はカメラ本体１０３（図８参照）の内部または外部のどちらにあっても良い。

（数値実施例１）
以下、実施の形態１に係るレンズ系１１１を具体的に実施した数値実施例１を説明する。なお、数値実施例１において、図や表中の長さの単位は「ｍｍ」であり、画角の単位は「°」である。また、数値実施例１において、曲率半径ｒ、面間隔ｄ、ｄ線に対する屈折率ｎｄ、ｄ線に対するアッベ数νｄを示す。非球面及び自由曲面のＺ軸に平行な面のサグ量ｚはそれぞれ、数式１及び数式２で定義している。

ここで
ｈ：径方向の高さ
ｋ：コーニック定数
Ａｎ：ｎ次の非球面係数

ここで
ｃ：頂点曲率
ｋ：コーニック定数
ｃ_ｊ：係数
図１０は、数値実施例１に係るレンズ系１１１の無限遠合焦状態の球面収差図及び非点収差図であり、左側から順に、撮像素子１０２の短辺方向の球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳＴ―Ｖ）、撮像素子１０２の長辺方向の非点収差（ＡＳＴ―Ｈ）、対角方向の非点収差（ＡＳＴ―Ｄ）を示す。球面収差の図において、横軸は球面収差を、縦軸は瞳高さを表している。そして、実線はｄ線、短破線はＣ線、長破線はＦ線の特性である。非点収差の図において、横軸は非点収差を、縦軸は画角を表している。そして、実線はＹＺ平面（図中、ｙ方向）、破線はＸＺ平面（図中、ｘ方向）の特性である。

なお、実施の形態１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。

図１１は、数値実施例１に係るレンズ系１１１の無限遠合焦状態の画角と像点の関係を示した図である。図１１は、光軸を原点（０，０）として像面の第一象限において、画角の１０°毎に像点をプロットしている。他の象限については、第一象限との間で、縦軸、横軸に対して線対称となるような関係を有する。通常の回転対称レンズに比較して、像面の形状が拡大され、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域を有効活用できていることが分かる。

数値実施例１のレンズ系１１１は、図１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１１１の面データを表１に、各種データを表２に、第５面、第６面、第９面、第１０面、第１５面、および第１６面の非球面・自由曲面データをそれぞれ表３、表４、表５、表６、表７および表８に示す。

（数値実施例２）
図１２は、数値実施例２に係るレンズ系１２１の無限遠合焦状態の球面収差図及び非点収差図である。また、図１３は、数値実施例２に係るレンズ系１２１の無限遠合焦状態の画角と像点の関係を示した図である。図１３に示すレンズ系１２１の場合も、通常の回転対称レンズに比較して、像面の形状が拡大され、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域を有効活用できていることが分かる。数値実施例２のレンズ系１２１は、図２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１２１の面データを表９に、各種データを表１０に、第５面、第６面、第９面、第１０面、第１５面、および第１６面の非球面・自由曲面データをそれぞれ表１１、表１２、表１３、表１４、表１５および表１６に示す。

（数値実施例３）
図１４は、数値実施例３に係るレンズ系１３１の無限遠合焦状態の球面収差図及び非点収差図である。また、図１５は、数値実施例３に係るレンズ系１３１の無限遠合焦状態の画角と像点の関係を示した図である。図１５に示すレンズ系１３１の場合も、通常の回転対称レンズに比較して、像面の形状が拡大され、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域を有効活用できていることが分かる。数値実施例３のレンズ系１３１は、図３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１３１の面データを表１７に、各種データを表１８に、第３面、第４面、第５面、第６面、第７面、第１０面、第１２面、第１３面および第１４面の非球面・自由曲面データをそれぞれ表１９、表２０、表２１、表２２、表２３、表２４、表２５、表２６および表２７に示す。

以下の表２８に、各数値実施例のレンズ系における各条件の対応値を示す。

（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。

１００ カメラシステム
１１１，１２１，１３１ レンズ系
１０２ 撮像素子
１０３ カメラ本体
２００ 撮像システム
２０１ 撮像光学系
２０２ 画像処理部
Ａ 開口絞り
Ｌ１〜Ｌ８ レンズ素子

Claims (21)

1. 光軸に配置された矩形の撮像素子に結像するレンズ系であって、
   前記光軸に対して非対称である第２自由曲面レンズを備え、
   前記光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円における前記第２自由曲面レンズのサグ量が、前記光軸を通り前記撮像素子の長辺に平行な第１面と前記円との交点、及び前記光軸を通り前記撮像素子の短辺に平行な第２面と前記円との交点以外に極値を有する、
   レンズ系。
2. 前記所定の比率は４０％〜８０％である、
   請求項１に記載のレンズ系。
3. 物体側と像面側との間に開口絞りを有し、
   前記開口絞りより物体側に第１自由曲面レンズを、前記開口絞りより像面側に前記第２自由曲面レンズを有する、
   請求項１又は２に記載のレンズ系。
4. 前記第２自由曲面レンズは最も像面側に配置され、物体側と像面側の両面が自由曲面である、
   請求項３に記載のレンズ系。
5. 物体側から順に、物体側に凸形状の負のパワーを有するメニスカスである第１レンズ素子と、負のパワーを有する第２レンズ素子を有する、
   請求項１〜４のいずれかに記載のレンズ系。
6. 前記第１自由曲面レンズは前記第２レンズ素子の像面側に配置され、少なくとも物体側が自由曲面である、
   請求項５に記載のレンズ系。
7. 前記光軸に対して回転対称なレンズ素子を少なくとも３つ以上有する、
   請求項１〜６のいずれかに記載のレンズ系。
8. 前記撮像素子の感光面と前記光軸との交点から前記感光面の角部への方向の±２５°の範囲に前記極値を有する、
   請求項１〜７のいずれかに記載のレンズ系。
9. 前記撮像素子の感光面の長辺と短辺の比がａ対ｂであるとき、前記第１面に対してｔａｎ^−１（ｂ／ａ）±２５°の範囲に前記極値を有する、
   請求項１〜７のいずれかに記載のレンズ系。
10. 前記撮像素子の長辺と短辺の比が１６対９であるとき、前記第１面に対して２９±２５°の範囲に前記極値を有する、
    請求項１〜７のいずれかに記載のレンズ系。
11. 前記第１面に対して３３±２１°の範囲に前記極値を有する、
    請求項１〜７のいずれかに記載のレンズ系。
12. 以下の条件（１）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
    ω_ＬＯＮＧ＞６０° ・・・（１）
    ここで、
    ω_ＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
    である。
13. 以下の条件（２）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
    １＜Ｄ_{ＬＳＨＯＲＴ}／Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ} ・・・（２）
    ここで、
    Ｄ_{ＬＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角と等しい画角の、撮像素子の長辺方向の入射光に対する像点と、撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
    Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との短辺方向の最大距離
    である。
14. 以下の条件（３）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
    ０．５＜Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}×ω_ＬＯＮＧ／（Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}×ω_{ＳＨＯＲＴ}）＜１ ・・・（３）
    ここで、
    ω_ＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
    ω_{ＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角
    Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}：撮像素子の長辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
    Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との短辺方向の最大距離
    である。
15. 以下の条件（４）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
    ω_ＬＯＮＧ−ω_{ＳＨＯＲＴ}＞０ ・・・（４）
    ここで、
    ω_ＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
    ω_{ＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角
    である。
16. 以下の条件（５）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
    Ｌ×Ｆｎｏ．／Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}＜４０ ・・・（５）
    ここで、
    Ｌ：レンズ系の光学全長
    Ｆｎｏ．：レンズ系のＦ値
    Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}：撮像素子の長辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
    である。
17. 以下の条件（６）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
    ｎ_ＦＲＥＥ＜１．７ ・・・（６）
    ここで、
    ｎ_ＦＲＥＥ：第１又は第２自由曲面レンズのｄ線に対する屈折率
    である。
18. レンズ素子と開口絞りとをさらに有し、以下の条件（７）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
    −３≦Ｎ_ｏ−Ｎ_ｉ≦３ ・・・（７）
    ここで、
    Ｎ_ｏ：開口絞りよりも物体側のレンズ素子の枚数
    Ｎ_ｉ：開口絞りよりも像面側のレンズ素子（第２自由曲面レンズを含む）の枚数
    である。
19. 前記レンズ系のイメージサークルが、前記撮像素子で包含されない、
    請求項１に記載のレンズ系。
20. 請求項１に記載のレンズ系と、
    前記光軸で前記レンズ系が結像する位置に配置された矩形の前記撮像素子と、を備える、
    カメラシステム。
21. 請求項１に記載のレンズ系と、
    前記光軸で前記レンズ系が結像する位置に配置された矩形の前記撮像素子と、
    前記撮像素子が生成する画像を処理する画像処理部と、を備える、
    撮像システム。

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