KR20200134214A - 촬상 광학계 및 촬상 장치 - Google Patents

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KR20200134214A
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Abstract

본 개시의 촬상 광학계는, 물체측으로부터 상면측을 향해 순서대로, 상면측의 렌즈면이 변곡점을 갖는 비구면 형상으로 된 제1 렌즈와, 물체측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상의 제2 렌즈와, 상면측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상의 제3 렌즈로 구성되며, 양측 텔레센트릭 광학계로 되어 있다.

Description

촬상 광학계 및 촬상 장치
본 개시는, 예를 들면 물체측에 형성된 1차 결상상(結像像; image-formation image)을, 촬상 소자의 촬상면 상에 2차 결상상으로서 릴레이(relay)시키는 촬상 광학계 및 촬상 장치에 관한 것이다.
1차 결상한 물체상(object image; 1차 결상상)을 2차의 결상상(2차 결상상)으로서 릴레이시키는 릴레이 광학계가 있다. 릴레이 광학계에서는, 단순히 광로 길이를 조정하는 경우도 있고, 상 배율을 축소하는 등의 목적으로 복수의 렌즈를 조합시켜 상을 릴레이하는 경우도 있다. 한편, 예를 들면 특허문헌 1에는, 투영된 영상을 터치 패널과 같이 조작 가능한 터치 검출(위치 검출) 기능이 있는 프로젝터가 제안되어 있다. 또한, 특허문헌 1에는, 물체 위치의 검출 및 촬상을 행하기 위한 촬상 광학계로서, 2개의 렌즈군을 이용한 릴레이 광학계가 제안되어 있다.
특허문헌 1: 일본특허공개 2015-64550호 공보(도 18)
단순히 물체 위치의 검출을 행하는 목적이라면, 촬상 광학계를 2장의 렌즈로 이루어지는 릴레이 광학계로 구성하더라도 성능적으로 충분한 경우가 있지만, 보다 고해상으로 검출물을 촬상하고자 하는 경우에는, 2장의 렌즈 구성으로는 결상 성능이 충분하지 않다.
소형이고 결상 성능이 우수한 촬상 광학계 및 촬상 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
본 개시의 일 실시형태에 따른 촬상 광학계는, 물체측으로부터 상면측을 향해 순서대로, 상면측의 렌즈면이 변곡점을 갖는 비구면 형상으로 된 제1 렌즈와, 물체측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상의 제2 렌즈와, 상면측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상의 제3 렌즈로 구성되며, 양측 텔레센트릭 광학계로 된 것이다.
본 개시에 일 실시형태에 따른 촬상 장치는, 촬상 광학계와, 촬상 광학계에 의해 형성된 광학상에 따른 촬상 신호를 출력하는 촬상 소자를 포함하고, 촬상 광학계가, 물체측으로부터 상면측을 향해 순서대로, 상면측의 렌즈면이 변곡점을 갖는 비구면 형상으로 된 제1 렌즈와, 물체측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상의 제2 렌즈와, 상면측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상의 제3 렌즈로 구성되며, 양측 텔레센트릭 광학계로 된 것이다.
본 개시의 일 실시형태에 따른 촬상 광학계 또는 촬상 장치에서는, 전체적으로 3장의 렌즈 구성으로 각 렌즈의 구성의 최적화가 도모되어 있다.
도 1은 비교예에 따른 위치 검출 기능이 있는 프로젝터의 요부 구성예를 나타내는 광학계 단면도이다.
도 2는 비교예 1에 따른 촬상 광학계의 일 구성예를 나타내는 광학계 단면도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 비교예 1에 따른 촬상 광학계의 스폿 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 개시의 제1 실시형태에 따른 촬상 광학계의 일 구성예를 나타내는 광학계 단면도이다.
도 5는 도 4에 나타낸 촬상 광학계의 스폿 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 6은 촬상 소자의 구조예를 촬상 소자에 입사하는 광선의 일례와 함께 나타내는 단면도이다.
도 7은 비교예 2에 따른 촬상 광학계의 일 구성예를 나타내는 광학계 단면도이다.
도 8은 도 7에 나타낸 비교예 2에 따른 촬상 광학계의 스폿 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 9는 비교예 3에 따른 촬상 광학계의 일 구성예를 나타내는 광학계 단면도이다.
도 10은 도 9에 나타낸 비교예 3에 따른 촬상 광학계의 스폿 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 11은 제2 실시형태에 따른 프로젝터의 일 구성예를 나타내는 구성도이다.
이하, 본 개시의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 한편, 설명은 이하의 순서로 한다.
0. 비교예(도 1∼도 3)
1. 제1 실시형태(도 4∼도 10)
1.1 촬상 광학계의 구성예
1.2 작용 및 효과
2. 제2 실시형태(도 11)
3. 그 밖의 실시형태
<0. 비교예>
(비교예에 따른 촬상 광학계가 적용되는 프로젝터의 개요)
도 1은, 비교예에 따른 위치 검출 기능이 있는 프로젝터의 요부 구성예를 나타내고 있다.
특허문헌 1(일본특허공개 2015-64550호 공보)의 도 18에는, 도 1에 나타낸 바와 같이 위치 검출 기능이 있는 프로젝터의 구성이 개시되어 있다.
이 비교예에 따른 프로젝터는, 라이트 밸브(21)와, 편광 빔 스플리터(23)와, 투사 렌즈(24)를 구비하고 있다. 또한, 이 비교예에 따른 프로젝터는, 물체 위치의 검출 및 촬상을 행하기 위한 촬상부로서, 촬상 소자(22)와, 촬상 광학계를 구비하고 있다. 촬상 광학계는, 편광자(25)와, 가시광 컷 필터(28)와, 제1 릴레이 렌즈군(51A)과, 제2 릴레이 렌즈군(51B)을 갖고 있다.
라이트 밸브(21)는, 편광 빔 스플리터(23)를 통해, 도시하지 않은 조명 장치로부터 출사된 조명광(L100)에 의해 조명된다. 라이트 밸브(21)는, 예를 들면 LCOS(Liquid Crystal On Silicon) 등의 반사형의 액정 소자이다. 라이트 밸브(21)는, 영상 데이터에 기초하여 조명광(L100)을 변조하여 영상광(image light)을 생성한다. 라이트 밸브(21)에서 생성된 영상광은, 편광 빔 스플리터(23) 및 투사 렌즈(24)를 통해 도시하지 않은 투영면에 투영된다.
투사 렌즈(24)는, 영상을 투영하기 위한 기능 외에, 위치 검출을 위한 결상 광학계로서의 기능을 가지고 있다. 투사 렌즈(24)에는, 라이트 밸브(21)에서 생성된 영상광이 입사함과 함께, 투영면의 근방에 있는 검출물로부터의 산란 광이 검출 광으로서 투영면측으로부터 받아들여진다. 투사 렌즈(24)는, 검출물 상을 공역면(conjugate plane; 50)에 1차 결상상으로서 형성한다.
촬상 소자(22)는, CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)나 CCD(Charge Coupled Device) 등의 고체 촬상 소자로 구성되어 있다. 촬상 소자(22)는, 투영면과 광학적으로 공역인(optically conjugate) 위치에 배치되어 있다. 또한, 촬상 소자(22)는, 라이트 밸브(21)와 광학적으로 공역인 위치에 배치되어 있다. 보다 구체적으로는, 라이트 밸브(21)가 반사형의 액정 소자인 경우, 영상을 만들어 내는 표시면(액정면)과 촬상 소자(22)의 촬상면이 광학적으로 공역인 위치가 되도록 배치되어 있다. 촬상 소자(22)에는, 투사 렌즈(24) 및 편광 빔 스플리터(23)를 통해 검출물로부터의 산란 광이 검출 광으로서 입사한다. 촬상 소자(22)는, 적어도 투영면 상의 투영 에리어와 대략 동일한 에리어를 촬상 에리어로 한 촬상을 행하는 것이 가능하도록 되어 있다.
촬상 광학계는, 라이트 밸브(21)의 광학적인 공역면(50)(1차 결상면)과 촬상 소자(22)의 사이에 배치되어 있다. 촬상 광학계는, 편광 빔 스플리터(23)에 가까운 측에서부터 순서대로, 제1 릴레이 렌즈군(51A)과 제2 릴레이 렌즈군(51B)을 구비하고 있다. 제2 릴레이 렌즈군(51B)의 촛점거리(fi)는, 제1 릴레이 렌즈군(51A)의 촛점거리(fb)보다 작게 되어 있다. 제1 릴레이 렌즈군(51A)과 제2 릴레이 렌즈군(51B)에 의해,
β=fi/fb
가 되는 축소 배율(β)의 축소 광학계가 구성되어 있다.
공역면(50)과 촬상 소자(22)의 사이에, 릴레이 광학계 및 축소 광학계로서 기능하는 촬상 광학계를 배치함으로써, 라이트 밸브(21)와 광학적으로 공역인 위치(2차 결상면)를 공역면(50)(1차 결상면)보다 먼 곳에 설치할 수 있다. 촬상 광학계를 축소 광학계로 함으로써, 촬상 소자(22)를 라이트 밸브(21)와 광학적으로 공역인 위치(2차 결상면)에 배치하면서, 촬상 소자(22)의 사이즈를 라이트 밸브(21)보다 작게 할 수 있다.
예를 들면, 2fi=fb가 되는 조건 하에서, 나아가 라이트 밸브(21)의 공역면(50)로부터 제1 릴레이 렌즈군(51A)를 fb의 위치에 배치하고, 그곳으로부터 fb+fi의 위치에 제2 릴레이 렌즈군(51B)을 배치하고, 촬상 소자(22)는 제2 릴레이 렌즈군(51B)으로부터 fi만큼 떨어진 장소에 배치한다. 이 경우, 촬상 소자(22)의 위치가 공역면(50)과 등가로 되고, 또한 0.5배의 축소 광학계가 가능하여, 작은 촬상 소자(22)로 물체 검출을 행하는 것이 가능하게 된다.
또한, 촬상 광학계에서는, 제1 릴레이 렌즈군(51A)과 제2 릴레이 렌즈군(51B)에 의해, 제1 릴레이 렌즈군(51A)과 편광 빔 스플리터(23)의 사이, 및 제2 릴레이 렌즈군(51B)와 촬상 소자(22)의 사이가 대략 텔레센트릭성(telecentric property)을 갖는 양측 텔레센트릭(bi-telecentric) 광학계가 형성된다.
(과제)
상기 비교예에 따른 프로젝터에서의 촬상 광학계는, 용도로서는 물체의 위치를 검출하는 것이고, 공역면(50)에 1차 결상한 물체상(1차 결상상)을 2차의 결상상(2차 결상상)으로서 촬상 소자(22)의 촬상면 상에 릴레이시키는 릴레이 광학계이다.
상기 비교예에 따른 프로젝터와 같이, 단순히 물체 위치의 검출을 행하는 목적이라면, 촬상면 상에서 복수의 화소 중 몇 개의 화소에 걸쳐 촬상 스폿이 결상되는 정도의 결상 성능으로 충분하고, 성능적으로는 2장의 렌즈 구성으로 충분하다. 그러나, 물체 위치뿐만 아니라, 검출물의 화상 정보를 보다 고해상으로 얻을 목적인 경우, 2장의 렌즈 구성으로는 결상 성능이 충분하지 않다. 2장의 렌즈 구성에서는, 축상(on-axial region) 뿐 아니라 축외(off-axial region)도 포함하여 촬상 영역의 전 영역에서 충분한 결상 성능을 얻는 것은 곤란하다.
도 2는, 상기 비교예에 따른 프로젝터 등에 적용되는 촬상 광학계(201)의 일 구성예(비교예1)를 나타내고 있다.
비교예 1에 따른 촬상 광학계(201)는, 광축(Z1)을 따라, 물체측으로부터 상면측을 향해 순서대로, 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈(L10)와, 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L20)로 이루어지는 실질적으로 2장의 렌즈 구성으로 되어 있다. 비교예 1에 따른 촬상 광학계는, 물체측과 상면측의 양쪽이 텔레센트릭인 양측 텔레센트릭 광학계로 되어 있다.
한편, 도 2에 있어서, STO는 개구 조리개(aperture stop)를 나타낸다. Sobj는 물체면 (1차 결상면), Simg은 상면(2차 결상면)을 나타낸다. 상면(Simg)의 근방에는 CCD나 CMOS 등의 촬상 소자(101)(도 1의 촬상 소자(22)에 상당)가 배치된다. 물체면(Sobj)은, 도 1의 촬상 광학계에 있어서의 공역면(50)에 상당한다. 후술하는 실시예에 따른 촬상 광학계(1)를 나타내는 도면(도 4) 및 비교예 2, 3에 따른 촬상 광학계(202, 203)를 나타내는 도면(도 7, 도 9)에 있어서도 마찬가지이다.
물체면(Sobj)과 제1 렌즈(L10)의 사이에는, 각종 광학 필터 등의 광학 부재가 배치되어 있어도 된다. 제2 렌즈(L20)와 상면(Simg)의 사이에는, 촬상 소자 보호용 커버 유리(CG)나 각종 광학 필터 등의 광학 부재가 배치되어 있어도 된다.
도 3은, 도 2에 나타낸 비교예 1에 따른 촬상 광학계(201)의 축상과 축외(최대 상 높이)에 있어서의 스폿 다이어그램을 나타내고 있다. 촬상 광학계(201)는, 적외광을 검출하는 광학계로 되어 있다. 도 3은, 파장 785nm의 광을 광선 추적한 경우의 스폿 다이어그램으로 되어 있다.
검출물의 화상 정보를 취득하는 시스템에서는, 최소한 VGA(640×480) 정도의 해상력이 필요하다. 예를 들어, 촬상 소자(101)로서 1/4형의 이미지 센서를 이용한 경우, 유효 화소 에리어는 수평 3.6mm×수직 2.7mm가 되고, 1화소의 사이즈는 5.6μm정도이다. 도 3에 있어서, 축상과 축외의 각 스폿 다이어그램의 중심 영역에 굵은 검은 테두리로 나타낸 사각형 영역이, 1화소에 상당한다. 후술하는 실시예에 따른 촬상 광학계(1)의 스폿 다이어그램(도 5) 및 비교예 2, 3에 따른 촬상 광학계(202, 203)의 스폿 다이어그램(도 8, 도 10)에서도 마찬가지이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 비교예 1에 따른 촬상 광학계(201)에서는, 상면 만곡을 다 제거할 수 없기 때문에, 축상 영역과 축외 영역 모두에서 1화소에 결상 스폿이 집광되지 않아, 충분한 해상 성능이 얻어지지 않고 있다.
이와 같이, 2장의 렌즈 구성에서는 충분한 해상 성능을 얻는 것이 곤란하다. 이 때문에, 검출물의 화상 정보를 취득하는 시스템에서는, 축상에서부터 축외까지 상면이 균일하도록, 렌즈의 매수를 5∼6장 이용하여 촬상 광학계를 구성하여, 필요한 해상 성능을 얻는 것이 일반적이다. 그러나, 이 경우, 구성의 대형화를 초래한다.
이 때문에, 렌즈 매수를 대폭으로 늘리지 않고, 소형이면서 결상 성능이 우수한 촬상 광학계 및 촬상 장치를 제공할 수 있는 기술 개발이 요구된다.
<1. 제1 실시형태>
[1.1 촬상 광학계의 구성예]
도 4는, 본 개시의 제1 실시형태에 따른 촬상 광학계(1)의 일 구성예(실시예)를 나타내고 있다.
본 실시형태에 따른 촬상 광학계(1)는, 상기 비교예에 따른 위치 검출 기능이 있는 프로젝터에 적용 가능하고, 또한 보다 고해상의 촬상 성능이 요구되는 시스템에도 적용 가능하다. 예를 들면, 후술하는 제2 실시형태에 따른 화상 검출 기능이 있는 프로젝터(도 11) 등에 적용 가능하다. 본 실시형태에 따른 촬상 장치는, 적어도, 촬상 광학계(1)와, 촬상 광학계(1)에 의해 형성된 광학상에 따른 촬상 신호를 출력하는 촬상 소자(101)를 포함하고 있다.
촬상 광학계(1)는, 광축(Z1)을 따라, 물체측로부터 상면측을 향해 순서대로, 제1 렌즈(L1)와, 제2 렌즈(L2)와, 제3 렌즈(L3)로 이루어지는 실질적으로 3장의 렌즈 구성으로 되어 있다. 촬상 광학계(1)는, 물체측과 상면측의 양쪽이 텔레센트릭인 양측 텔레센트릭 광학계로 되어 있다.
촬상 광학계(1)에 있어서, 물체면(Sobj)과 제1 렌즈(L1)의 사이에는, 각종 광학 필터(LF) 등의 광학 부재가 배치되어 있어도 된다. 제3 렌즈(L3)와 상면(Simg)의 사이에는, 촬상 소자 보호용의 커버 유리(CG)나 각종 광학 필터 등의 광학 부재가 배치되어 있어도 된다.
촬상 광학계(1)에 있어서, 개구 조리개(STO)는, 제2 렌즈(L2)의 물체측의 렌즈면 근방에 배치되어 있다.
촬상 광학계(1)에서는, 비교예 1에 따른 촬상 광학계(201)와 마찬가지로, 상면측에 촬상 소자(101)가 배치된다. 촬상 광학계(1)는, 물체면(Sobj)(1차 결상면)에 형성된 1차 결상상을, 촬상 소자(101)의 촬상면 상(상면(Simg)(2차 결상면))에 2차 결상상으로서 릴레이시키는 릴레이 광학계로 되어 있다. 1차 결상상은, 예를 들면, 적외광에 의해 형성된 상이다. 또한, 촬상 광학계(1)는, 1차 결상상을 상면(Simg)(2차 결상면)에 축소하여 결상하는 축소 광학계로 되어 있다.
제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 및 제3 렌즈(L3)는 각각, 광축 근방에서 양의 굴절력을 갖는 것이 바람직하다.
제1 렌즈(L1)는, 상면측의 렌즈면이 변곡점을 갖는 비구면 형상으로 되어 있다. 제1 렌즈(L1)의 상면측의 렌즈면은, 중심부가 상면측으로 볼록 형상이며, 주변부로 감에 따라 오목 형상이 되는 비구면 형상인 것이 바람직하다. 또한, 제1 렌즈(L1)는, 주변부로 감에 따라 두께가 작아지는 비구면 형상인 것이 바람직하다(조건 1).
촬상 광학계(1)는, 제2 렌즈(L2)의 광축 상의 두께를 D(L2), 제3 렌즈(L3)의 광축 상의 두께를 D(L3)로 했을 때,
D(L2)>D(L3)
를 만족하는 것이 바람직하다 (조건 2).
제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3)는, 서로 역방향의 메니스커스(meniscus) 형상인 것이 바람직하다(조건 3).
제2 렌즈(L2)의 물체측의 렌즈면은, 입사한 광속을 넓히는 방향으로 곡률을 갖는 것이 바람직하다. 제2 렌즈(L2)는, 물체측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상인 것이 바람직하다.
제3 렌즈(L3)는, 상면측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상인 것이 바람직하다.
촬상 광학계(1)의 F 넘버는, 6보다 작은(밝은) 것이 바람직하다.
(수치 실시예)
[표 1] 및 [표 2]에, 도 4에 나타낸 촬상 광학계(1)에 구체적인 수치를 적용한 수치 실시예의 렌즈 데이터를 나타낸다.
[표 1]
Figure pct00001
[표 2]
Figure pct00002
또한, [표 1], [표 2]에서 나타낸 기호의 의미 등은, 이하에 설명하는 바와 같다. 또한, 후술하는 비교예 2, 3에 따른 촬상 광학계(202, 203)의 렌즈 데이터에 대해서도 마찬가지이다.
「Si」는, 가장 물체측으로부터 순차 증가하도록 부호가 매겨진 i번째 면의 번호를 나타내고 있다. 「Ri」는, i번째 면의 근축(近軸; paraxial)의 곡률 반경 값(mm)을 나타낸다. 「Di」는 i번째 면과 i+1번째 면 사이의 광축 상의 간격의 값(mm)을 나타낸다. 「Ndi」는 i번째 면을 갖는 광학 요소의 재질의 d선(파장 587.6nm)에 있어서의 굴절율의 값을 나타낸다. 「νdi」는 i번째 면을 갖는 광학 요소의 재질의 d선에 있어서의 아베수(Abbe's number)의 값을 나타낸다. 「Ri」의 값이 「Infinity」로 되어 있는 부분은 평면 또는 가상면인 것을 나타낸다. 「Type」는, 렌즈면 형상의 종류를 나타낸다.
비구면 형상은, 이하의 식 (A)에 의해 정의되며, 면 정점을 원점으로 하여 Sag량 Z로 표현된다. 1/c(=R)은, 각 렌즈면의 곡률 반경을 나타낸다. k는, 코닉 상수(conic constant)를 나타낸다. Z는, Sag량(광의 진행 방향을 양으로 한다)을 나타낸다. r은, 광축(Z1)으로부터 렌즈면까지의 거리를 나타낸다. α1, α2···는, 각 차수의 비구면 계수를 나타낸다.
[표 1], [표 2]에 나타낸 수치 실시예에서는, 제1 렌즈(L1)의 양면(제3 면, 제4 면)과, 제3 렌즈(L3)의 양면(제7 면, 제8 면)이 비구면 형상으로 되어 있다. 비구면 형상을 나타내는 식 (A)에 있어서의 k의 값은, [표 1]에 기재되어 있다. [표 2]에는, 각 차수의 비구면 계수 α1, α2···가 기재되어 있다. [표 2]에서, 「E-i」는 10을 베이스로 하는 지수 표현, 즉, 「10-i」를 나타내고, 예를 들면, 「0.12345E-05」는 「0.12345×10-5」를 나타내고 있다.
[수 1]
Figure pct00003
[표 1], [표 2]에 나타낸 수치 실시예에서는, 촬상 광학계(1)의 F 넘버는 4이다. 또한, [표 1]에 나타낸 바와 같이, 이 수치 실시예에서는, 제2 렌즈(L2)의 광축 상의 두께 D(L2)와 제3 렌즈(L3)의 광축 상의 두께를 D(L3)가,
D(L2)>D(L3)
를 만족하고 있다.
[1.2 작용 및 효과]
다음으로, 본 실시형태에 따른 촬상 광학계(1)의 작용 및 효과를 설명한다.
한편, 본 명세서에 기재된 효과는 어디까지나 예시이며 한정되는 것이 아니고, 또한 다른 효과가 있어도 된다.
본 실시형태에 따른 촬상 광학계(1)에 의하면, 전체로서 3장의 렌즈 구성으로 하고, 각 렌즈의 구성 최적화를 도모하도록 하였기 때문에, 소형이면서 우수한 결상 성능을 얻을 수 있다.
도 5는, 촬상 광학계(1)의 축상과 축외(최대 상 높이)에서의 스폿 다이어그램을 나타내고 있다. 촬상 광학계(1)는, 적외광을 검출하는 광학계로 되어 있다. 도 5는, [표 1], [표 2]에 나타낸 수치 실시예에 대해, 파장 785nm의 광을 광선 추적한 경우의 스폿 다이어그램으로 되어 있다.
도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 촬상 광학계(1)에서는, 축상 영역과 축외 영역 모두에서 1 화소에 광을 집중시킬 수 있고, 양호한 결상 성능을 얻는 것이 가능하게 된다.
(텔레센트릭 광학계인 것에 따른 작용 및 효과)
도 6은, 촬상 소자(101)의 구조예를, 촬상 소자(101)에 입사하는 광선의 일례와 함께 나타내고 있다.
촬상 광학계(1)는, 양측 텔레센트릭 결상계로 되어 있다. 텔레센트릭 광학계는, 주 광선이 광축과 평행하게 진행하는 시스템이다. 촬상 광학계(1)가 양측 텔레센트릭이 됨으로써, 촬상 소자(101)가 예를 들어 도 6에 도시한 바와 같이 텔레센트릭 광학계를 전제로 하여 제작되는 경우에, 유리한 효과가 얻어진다.
도 6에 도시된 바와 같이, 촬상 소자(101)는, 복수의 화소에 상당하는 복수의 수광 소자(포토다이오드)(121)를 가지고 있다. 촬상 소자(101)의 광 입사면 측에는, 예를 들면, 차광막(113)과, 필터(112)와, 마이크로렌즈 어레이(110)가 배치된다. 마이크로렌즈 어레이(110)는, 복수의 마이크로렌즈(111)를 갖고 있다.
차광막(113)은, 복수의 수광 소자(121)의 각각의 수광 에리어 이외의 부분을 차광한다. 마이크로렌즈(111)는, 복수의 수광 소자(121)의 각각에 대응한 위치에 배치되어 있다.
촬상 소자(101)의 촬상면에 있어서, 수광 에리어는 한정된 영역에 형성되어 있다. 그 한정된 수광 에리어에 광을 가이드하기 위해, 수광 소자(121) 하나 하나에 대응한 마이크로렌즈(111)가 배치되어 있는 것이 일반적이다. 이에 의해, 광축(Z1)에 대해 평행하게 입사하는 광(평행광(131))에 대해서는, 입사광의 대부분을 마이크로렌즈(111)에 의해 수광 에리어를 향해 집광할 수 있다. 이에 의해, 효율이 좋은(감도가 높은) 수광 성능을 실현하고 있다.
한편, 광축(Z1)에 대해 경사지게 입사하는 광(경사 입사광(132))에 대해서는, 수광 에리어로부터 벗어나기 때문에 효율이 저하된다. 또한, 수광 에리어로부터 벗어난 광속은 미광(迷光; stray light)이 되고, 인접하는 수광 소자(121)로 광이 누설되어 들어가기 때문에 크로스토크(crosstalk)가 발생하여, 화질의 열화를 초래한다. 이러한 과제에 대응하여, 수광 소자(121)(화소)의 위치를 축상으로부터 축외로 서서히 시프트시킨 구조의 촬상 소자도 개발되고 있다.
본 실시형태에 따른 촬상 광학계(1)에 의하면, 양측 텔레센트릭임으로써, 예를 들면, 화소를 시프트시키지 않고, 축상에서부터 축외까지 마이크로렌즈(111)의 중심과 수광 에리어의 중심이 일치한 텔레센트릭 광학계 전용으로 개발된 촬상 소자에 적용할 경우에 유리한 효과가 얻어진다.
(제1 렌즈(L1)의 비구면 형상(조건1)에 의한 작용 및 효과)
본 실시형태에 따른 촬상 광학계(1)는, 제1 렌즈(L1)가, 상면 만곡이 보정되도록 중심과 주변의 광로 길이가 조정된 비구면 형상으로 되어 있다. 보다 구체적으로는, 제1 렌즈(L1)의 상면측의 렌즈면이 변곡점을 갖고 있다. 또한, 제1 렌즈(L1)는, 주변부로 감에 따라, 두께가 작아지고 있다.
도 7은, 비교예 2에 따른 촬상 광학계(202)의 일 구성예를 나타내고 있다. 비교예 2에 따른 촬상 광학계(202)는, 본 실시형태에 따른 촬상 광학계(1)의 구성과 비교하여, 제1 렌즈(L1)의 상면측의 렌즈면이 구면으로 구성되어 있다.
[표 3], [표 4]에, 도 7에 나타낸 비교예 2에 따른 촬상 광학계(202)에 구체적인 수치를 적용한 렌즈 데이터를 나타낸다. [표 3], [표 4]에 나타낸 렌즈 데이터에서는, 제1 렌즈(L1)의 물체측의 렌즈면(제3 면)과, 제3 렌즈(L3)의 양면(제7 면, 제8 면)이 비구면 형상으로 되어 있다. 비구면 형상을 나타내는 식 (A)에 있어서의 k의 값이, [표 3]에 기재되어 있다. [표 4]에는, 각 차수의 비구면 계수 α1, α2···가 기재되어 있다.
[표 3]
Figure pct00004
[표 4]
Figure pct00005
도 8은, 비교예 2에 따른 촬상 광학계(202)의 축상과 축외(최대 상 높이)에서의 스폿 다이어그램을 나타내고 있다. 촬상 광학계(202)는, 적외광을 검출하는 광학계로 되어 있다. 도 8은, [표 3], [표 4]에 나타낸 수치를 적용한 경우에 대해, 파장 785nm의 광을 광선 추적한 경우의 스폿 다이어그램을 도시한다.
도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1 렌즈(L1)의 상면측의 렌즈면을 구면으로 한 비교예 2에 따른 촬상 광학계(202)의 경우, 축상 영역에서는 비교적 양호한 결상 성능이 얻어지지만, 축외 영역에서는 상면이 기울어져 있기 때문에 충분한 결상 성능을 얻을 수 없다. 이에 대해, 본 실시형태에 따른 촬상 광학계(1)에서는, 제1 렌즈(L1)가 상기 조건 1과 같이 최적화된 비구면 형상을 가짐으로써, 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 축외 영역의 결상 성능이 개선되고 있다.
(제2 렌즈(L2)의 두께 최적화(조건 2)에 의한 작용 및 효과)
본 실시형태에 따른 촬상 광학계(1)는, 상기 조건 2를 충족함으로써, 제2 렌즈(L2)가 제3 렌즈(L3)보다 큰 두께를 갖는 두꺼운 메니스커스 렌즈로 구성되어 있다. 촬상 광학계(1)에서는, 제2 렌즈(L2)의 두께에 의해, 제2 렌즈(L2)를 통과하는 축상 광선의 굴절각과 축외 광선의 굴절각에 차이를 부여하고 있다. 제2 렌즈(L2)의 두께가 얇을 경우, 제2 렌즈(L2)에서의 광의 사출면이 입사면에 가깝게 되어, 축상 광선의 굴절각과 축외 광선의 굴절각에 적절한 차를 부여할 수 없고, 따라서 축상 영역과 축외 영역에서 양호한 결상 성능을 얻는 것이 곤란하게 된다. 결과적으로, 이하의 도 9에 나타내는 비교예 3에 따른 촬상 광학계(203)와 같이, 제2 렌즈(L2)의 두께를 얇게 한 경우에는, 축상, 축외 모두에서 양호한 결상 스폿을 얻을 수 없다(도 10).
도 9는, 비교예 3에 따른 촬상 광학계(203)의 일 구성예를 나타내고 있다. 비교예 3에 따른 촬상 광학계(203)는, 본 실시형태에 따른 촬상 광학계(1)의 구성과 비교하여, 상기 조건 2를 만족하지 않고, 제2 렌즈(L2)가 제3 렌즈(L3)보다도 얇은 메니스커스 렌즈로 구성되어 있다.
[표 5], [표 6]에, 도 9에 나타낸 비교예 3에 따른 촬상 광학계(203)에 구체적인 수치를 적용한 렌즈 데이터를 나타낸다. [표 5], [표 6]에 나타낸 렌즈 데이터에서는, 제1 렌즈(L1)의 물체측의 양면(제3 면, 제4 면)과, 제3 렌즈(L3)의 양면(제7 면, 제8 면)이 비구면 형상으로 되어 있다. 비구면 형상을 나타내는 식 (A)에 있어서의 k의 값이, [표 5]에 기재되어 있다. [표 6]에는, 각 차수의 비구면 계수 α1, α2···가 기재되어 있다.
[표 5]
Figure pct00006
[표 6]
Figure pct00007
[0078]
도 10은, 비교예 3에 따른 촬상 광학계(203)의 축상 영역과 축외 영역(최대 상 높이)에 있어서의 스폿 다이어그램을 나타내고 있다. 촬상 광학계(203)는, 적외광을 검출하는 광학계로 되어 있다. 도 10은, [표 5], [표 6]에 나타낸 수치를 적용한 경우에 대해, 파장 785nm의 광을 광선 추적한 경우의 스폿 다이어그램을 도시한다.
(제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3)의 메니스커스 형상의 방향 최적화(조건3)에 의한 작용 및 효과)
제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3)를, 서로 역방향의 메니스커스 형상으로 하지 않을 경우, 다른 설계 파라미터를 최적화하더라도, 양호한 결상 성능을 얻는 것이 곤란하게 된다.
<2. 제2 실시형태>
다음으로, 본 개시의 제2 실시형태에 대해 설명한다. 한편, 이하에서는, 상기 제1 실시형태에 따른 촬상 광학계 및 촬상 장치의 구성요소와 실질적으로 동일한 부분에 대해서는, 동일 부호를 붙여, 적절히 설명을 생략한다.
도 11은, 제2 실시형태에 따른 프로젝터(300)의 일 구성예를 나타내고 있다. 상기 제1 실시형태에 따른 촬상 광학계(1) 및 촬상 장치는, 예를 들면 도 11에 나타낸 구성의 화상 검출 기능이 있는 프로젝터(300) 등에 적용 가능하다.
한편, 상기 제1 실시형태에 따른 촬상 광학계(1) 및 촬상 장치는, 화상 검출 기능이 있는 프로젝터(300)에 한하지 않고, 다른 장치 또는 시스템의 릴레이 광학계 등에 적용 가능하다. 예를 들면, 공업용 내시경 등에서의 릴레이 광학계 등에 적용 가능하다. 이 경우, 촬상 광학계(1)의 F 넘버는 반드시 6보다 작지 않아도 된다.
도 11에 나타낸 프로젝터(300)는, 하우징(304) 내에, 프로젝터 본체(310)와, 촬상 광학계(303)가 수납되어 있다. 촬상 광학계(303)로서, 상기 제1 실시형태에 따른 촬상 광학계(1)를 적용할 수 있다. 촬상 광학계(303)의 결상면에는, 촬상 소자(101)가 배치되어 있다.
또한, 프로젝터(300)는, 화상 검출용 적외광을 조사하는 적외 광원을 구비해도 된다.
프로젝터 본체(310)는, 라이트 밸브(311)를 조명하는 조명 광학계(301)와, 라이트 밸브(311)에 의해 형성된 영상을 투영하는 투사 렌즈(302)를 구비하고 있다.
조명 광학계(301)는, 도시하지 않은 광원 장치와, 편광 빔 스플리터(312)를 구비하고 있다. 라이트 밸브(311)는, 편광 빔 스플리터(312)를 통해, 도시하지 않은 광원 장치로부터 출사된 조명광에 의해 조명된다.
라이트 밸브(311)는, 영상 데이터에 기초하여 조명광을 변조하여 영상광을 생성한다. 라이트 밸브(311)에서 생성된 영상광은, 편광 빔 스플리터(312) 및 투사 렌즈(302)를 통해 투영면에 투영된다.
프로젝터(300)는, 투사 렌즈(302)에 의한 투영 광(320)으로 비추어진 에리어에 배치된 검출물(305)의 화상을 판독하는 기능을 가지고 있다. 투사 렌즈(302)는, 영상을 투영하기 위한 기능 외에, 화상 검출을 위한 결상 광학계로서의 기능을 가지고 있다. 투사 렌즈(302)는, 검출물(305)의 상을 공역면(350)에 1차 결상상으로서 형성한다.
프로젝터(300)에서는, 투사 렌즈(302)를 통해 검출물(305)로부터 받아들인 광을 편향 빔 스플리터(312)에 의해 조명 광학계(301)과는 다른 방향으로 반사시켜, 그 반사광을 촬상 광학계(303)로 검출한다.
프로젝터(300)에서는, 라이트 밸브(311)의 위치 A와 검출물(305)의 위치가 광학적으로 공역의 관계에 있다. 또한, 검출물(305)과 위치 B(공역면(350))도 광학적으로 공역의 관계에 있다. 위치 B는, 편향 빔 스플리터(312)의 중앙점(O)으로부터 라이트 밸브(311)까지의 거리 OA와 같은 거리가 되는 OB의 위치에 있다. 따라서, 이 위치 B에 촬상 소자(101)를 배치하는 것이 가능하다면, 검출물(305)을 촬상하는 것이 가능하게 된다. 그러나, 실제로는 그러한 장소는 다른 광학 소자 등에 의해 종종 차지되기 때문에 설치가 곤란한 경우가 많다.
이에, 본 개시의 기술에서 제안하는 양측 텔레센트릭 릴레이 광학계로 구성된 촬상 광학계(303)를 이용하여, 위치 C에 다시 2차 결상상을 가이드한다. 위치 B(공역면(350))는, 도 4의 물체면(Sobj)(1차 결상면)에 상당한다. 위치 B에 형성된 1차 결상상을 촬상 광학계(303)에 의해 릴레이시켜, 촬상 소자(101)로 가이드한 위치 C가 도 4의 상면(Simg)(2차 결상면)에 상당한다.
프로젝터(300)에서는, 한정된 스페이스에서, 최소 매수의 렌즈로 구성된 촬상 광학계(303)에 의해 물체상을 릴레이시키고, 물체상을 축소시킴으로써, 촬상 소자(101)의 사이즈를 작게 하는 것이 가능하게 된다. 촬상 광학계(303)를 본 개시의 기술에서 제안하는 구성으로 함으로써, 화상을 검출하는 목적에 적합한 결상 성능이 얻어진다. 촬상 소자(101)로서도, 텔레센트릭 광학계 전용으로 개발된 촬상 소자를 취급할 수 있다.
<3. 그 밖의 실시형태>
본 개시에 의한 기술은, 상기 각 실시형태의 설명에 한정되지 않고 다양한 변형 실시가 가능하다.
예를 들면, 상기 실시예에 있어서 나타낸 각 부의 형상 및 수치는, 모두 본 기술을 실시하기 위한 구체화의 일례에 불과하며, 이들에 의해 본 기술의 기술적 범위가 한정적으로 해석되어서는 안 된다.
또한, 상기 실시형태 및 실시예에서는, 실질적으로 3장의 렌즈로 이루어지는 구성에 대해 설명하였으나, 실질적으로 굴절력을 갖지 않는 렌즈를 더 구비한 구성이여도 된다.
예를 들면, 본 기술은 이하와 같은 구성을 취할 수도 있다.
이하의 구성의 본 기술에 의하면, 전체적으로 3장의 렌즈 구성으로 하고, 각 렌즈 구성의 최적화를 도모하도록 하였기 때문에, 소형이면서 결상 성능이 뛰어난 촬상 광학계 또는 촬상 장치를 제공할 수 있다.
(1)
물체측(object side)으로부터 상면측(image plane side)을 향해 순서대로,
상면측의 렌즈면이 변곡점을 갖는 비구면 형상으로 된 제1 렌즈와,
물체측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상의 제2 렌즈와,
상면측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상의 제3 렌즈를 포함하고,
양측 텔레센트릭(bi-telecentric) 광학계로 되어 있는 촬상 광학계.
(2)
상기 제2 렌즈의 광축 상의 두께를 D(L2),
상기 제3 렌즈의 광축 상의 두께를 D(L3)로 하였을 때,
D(L2)>D(L3)
을 만족하는 상기 [1]에 기재된 촬상 광학계.
(3)
상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈, 및 상기 제3 렌즈는 각각, 광축 근방에서 양의 굴절력을 갖는 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 촬상 광학계.
(4)
상기 제1 렌즈의 상면측의 렌즈면은, 중심부가 상면측으로 볼록한 형상이고, 주변부로 감에 따라 오목 형상이 되는 비구면 형상인 상기 [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 촬상 광학계.
(5)
F 넘버가 6보다 작은 상기 [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 촬상 광학계.
(6)
상기 제2 렌즈의 물체측의 렌즈면 근방에, 개구 조리개(aperture stop)가 배치되어 있는 상기 [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 기재된 촬상 광학계.
(7)
상기 상면측에 촬상 소자가 배치되고,
상기 찰상 광학계는, 상기 물체측에 형성된 1차 결상상을, 상기 촬상 소자의 촬상면 상에 2차 결상상으로서 릴레이시키는 광학계로 되어 있는 상기 [1] 내지 [6] 중 어느 하나에 기재된 촬상 광학계.
(8)
상기 1차 결상상은, 적외광에 의해 형성된 상인 상기 [7]에 기재된 촬상 광학계.
(9)
촬상 광학계와, 상기 촬상 광학계에 의해 형성된 광학상에 따른 촬상 신호를 출력하는 촬상 소자를 포함하는 촬상 장치로서,
상기 촬상 광학계는,
물체측으로부터 상면측을 향해 순서대로,
상면측의 렌즈면이 변곡점을 갖는 비구면 형상으로 된 제1 렌즈와,
물체측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상의 제2 렌즈와,
상면측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상의 제3 렌즈를 포함하고,
양측 텔레센트릭 광학계로 되어 있는, 촬상 장치.
(10)
상기 촬상 광학계는,
상기 물체측에 형성된 1차 결상상을, 상기 촬상 소자의 촬상면 상에 2차 결상상으로서 릴레이시키는 광학계인 상기 [9]에 기재된 촬상 장치.
(11)
검출물의 상을 상기 1차 결상상으로 형성하는 결상 광학계를 더 포함하고,
상기 촬상 소자는, 상기 결상 광학계 및 상기 촬상 광학계를 통해 상기 검출물을 촬상하는 상기 [10]에 기재된 촬상 장치.
본 출원은, 일본특허청에서 2018년3월 26일에 출원된 일본 특허출원번호 제2018-058370호를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것이며, 이 출원의 모든 내용을 참조에 의해 본 출원에 원용한다.
당업자라면, 설계상의 요건이나 다른 요인에 따라, 다양한 수정, 콤비네이션, 서브 콤비네이션, 및 변경을 생각해 낼 수 있으며, 이들은 첨부의 청구의 범위나 그 균등물의 범위에 포함되는 것으로 이해된다.

Claims (11)

  1. 물체측(object side)으로부터 상면측(image plane side)을 향해 순서대로,
    상면측의 렌즈면이 변곡점을 갖는 비구면 형상으로 된 제1 렌즈와,
    물체측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상의 제2 렌즈와,
    상면측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상의 제3 렌즈를 포함하고,
    양측 텔레센트릭(bi-telecentric) 광학계로 되어 있는 촬상 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈의 광축 상의 두께를 D(L2),
    상기 제3 렌즈의 광축 상의 두께를 D(L3)로 하였을 때,
    D(L2)>D(L3)
    을 만족하는 촬상 광학계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈, 및 상기 제3 렌즈는, 각각, 광축 근방에서 양의 굴절력을 갖는 광학계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 상면측의 렌즈면은, 중심부가 상면측으로 볼록한 형상이고, 주변부로 감에 따라 오목 형상이 되는 비구면 형상인 촬상 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    F 넘버가 6보다 작은 촬상 광학계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈의 물체측의 렌즈면 근방에, 개구 조리개(aperture stop)가 배치되어 있는 청구항 1에 기재된 촬상 광학계.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상면측에 촬상 소자가 배치되고,
    상기 찰상 광학계는, 상기 물체측에 형성된 1차 결상상을, 상기 촬상 소자의 촬상면 상에 2차 결상상으로서 릴레이시키는 광학계로 되어 있는 촬상 광학계.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 1차 결상상은, 적외광에 의해 형성된 상인 촬상 광학계.
  9. 촬상 광학계와, 상기 촬상 광학계에 의해 형성된 광학상에 따른 촬상 신호를 출력하는 촬상 소자를 포함하는 촬상 장치로서,
    상기 촬상 광학계는,
    물체측으로부터 상면측을 향해 순서대로,
    상면측의 렌즈면이 변곡점을 갖는 비구면 형상으로 된 제1 렌즈와,
    물체측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상의 제2 렌즈와,
    상면측을 향해 오목면을 포함하는 메니스커스 형상의 제3 렌즈를 포함하고,
    양측 텔레센트릭 광학계로 되어 있는, 촬상 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 촬상 광학계는,
    상기 물체측에 형성된 1차 결상상을, 상기 촬상 소자의 촬상면 상에 2차 결상상으로서 릴레이시키는 광학계인 촬상 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    검출물의 상을 상기 1차 결상상으로 형성하는 결상 광학계를 더 포함하고,
    상기 촬상 소자는, 상기 결상 광학계 및 상기 촬상 광학계를 통해 상기 검출물을 촬상하는 촬상 장치.
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