WO2015119007A1 - 広角アレイ光学系 - Google Patents

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WO2015119007A1
WO2015119007A1 PCT/JP2015/052292 JP2015052292W WO2015119007A1 WO 2015119007 A1 WO2015119007 A1 WO 2015119007A1 JP 2015052292 W JP2015052292 W JP 2015052292W WO 2015119007 A1 WO2015119007 A1 WO 2015119007A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical system
lens
afocal
array
light beam
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/052292
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
杭迫　真奈美
Original Assignee
コニカミノルタ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by コニカミノルタ株式会社 filed Critical コニカミノルタ株式会社
Publication of WO2015119007A1 publication Critical patent/WO2015119007A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/06—Panoramic objectives; So-called "sky lenses" including panoramic objectives having reflecting surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/18—Optical objectives specially designed for the purposes specified below with lenses having one or more non-spherical faces, e.g. for reducing geometrical aberration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays

Definitions

  • the present invention relates to a wide-angle array optical system, and more specifically, a wide-angle array optical system that forms a plurality of wide-angle images with an imaging optical system that is arranged in parallel and includes a plurality of layers, and the wide-angle array optical system and
  • the present invention relates to an imaging optical device that outputs an image of a subject captured by an imaging device as an electrical signal, and a camera system or digital device in which a wide-angle array optical system is mounted as an imaging optical system.
  • Patent Document 1 describes an optical system in which a common negative lens is disposed in front of an array lens system for the plurality of imaging lenses.
  • a common negative lens for the array lens system By disposing a common negative lens for the array lens system in this way, the range that can be photographed by the entire array lens system can be made a little wider.
  • the observation range is changed for each individual lens system by arranging prisms, mirrors, etc. for the individual imaging lenses (that is, the individual lens system) constituting the array lens system, they are adjacent to each other. Therefore, it is not necessary to cut off the luminous flux of the individual lens system.
  • the optical system described in Patent Document 2 has a function of condensing in front of the array lens system, and a common optical system capable of changing the focal length using a liquid lens or a liquid crystal lens is disposed. .
  • a condensing lens By using a condensing lens, the focal length can be made shorter than the individual lens system of the array lens system.
  • the negative lens is arranged in front, the same effect as the focal length of each individual lens system is increased, so that not all the individual lens systems are isotropically wide-angle,
  • the single-lens system that forms a light beam near the periphery of the negative lens can only observe the outside from the central axis of the optical system.
  • the optical system described in Patent Document 2 changes the focal length of the entire system, but also forms an image at a position different from the image plane of the original array lens system.
  • a condensing lens it becomes shorter than the original lens back, so the array lens system must have a longer lens back or a longer focal length in view of the effect.
  • a necessary lens back is ensured, so that a substantially wide-angle lens system cannot be obtained.
  • the focal length of the front condenser lens is changed, the final image plane position also changes, so that it is necessary to adjust the sensor position or the optical system position in the optical axis direction.
  • the present invention has been made in view of such a situation, and its object is to exceed the limit of widening which is limited by the structure of the array optical system, and to form a wide-angle image for all eyes.
  • An object is to provide a high-performance wide-angle array optical system that can be obtained by an image optical system, a camera system including the same, an imaging optical device, and a digital device.
  • a wide-angle array optical system includes: one afocal optical system; and an array optical system composed of a plurality of layers of imaging optical systems arranged in parallel.
  • the afocal optical system emits a parallel light beam so that the exit angle formed by the emitted light beam from the afocal optical system with respect to the optical axis is smaller than the incident angle formed by the incident light beam with respect to the optical axis
  • the imaging optical system comprising a plurality of layers forms a plurality of optical images by individually imaging the emitted light beams that have passed through the one afocal optical system in common.
  • the wide-angle array optical system of the second invention is characterized in that, in the first invention, the afocal optical system is a detachable converter.
  • An imaging optical device is the wide-angle array optical system according to the first or second aspect of the invention, at least one imaging element that converts an optical image formed on the imaging surface into an electrical signal, And the wide-angle array optical system is provided so that the plurality of optical images are formed on an imaging surface of the at least one imaging device.
  • a camera system includes the wide-angle array optical system according to the first or second aspect of the invention.
  • the digital device of the fifth invention is characterized in that at least one of a still image shooting and a moving image shooting of a subject is added by including the imaging optical device according to the third invention.
  • the configuration of the present invention it is possible to obtain a wide-angle image with all single-eye imaging optical systems beyond the limit of widening that is limited by the structure of the array optical system.
  • Wide-angle array optical system and an image pickup optical apparatus including the same can be realized.
  • the wide-angle array optical system according to the present invention is used in a camera system such as a digital camera, or the imaging optical device according to the present invention is used in a digital device such as a smartphone (high-performance mobile phone).
  • the image input function can be realized in a compact and inexpensive manner.
  • the image input function using this wide-angle array optical system can be applied to fields that require more detailed image information than before.
  • FIG. 6 is an aberration diagram of Example 1 of the wide-angle array optical system.
  • FIG. 5 is an aberration diagram of a single-lens system constituting the array lens system of Examples 1 to 3.
  • the schematic diagram which shows the schematic structural example of the digital apparatus carrying a wide-angle array optical system.
  • the wide-angle array optical system according to the present invention has one afocal optical system and an array optical system configured by an imaging optical system that is arranged in parallel and includes a plurality of layers.
  • an imaging optical system that is arranged in parallel and includes a plurality of layers.
  • the afocal optical system emits a parallel beam so that the exit angle formed by the light beam emitted from the afocal optical system with respect to the optical axis is smaller than the incident angle formed by the light beam incident on the system with respect to the optical axis.
  • the imaging optical system comprising the plurality of layers forms a plurality of optical images by individually forming the emitted light beams that have passed through the one afocal optical system individually.
  • An imaging optical device includes the wide-angle array optical system and at least one imaging device that converts an optical image formed on an imaging surface into an electrical signal, and the at least one imaging device.
  • the wide-angle array optical system is provided so that the plurality of optical images are formed on the imaging surface of the element.
  • An array optical system is an optical system composed of an imaging optical system arranged in parallel and composed of a plurality of layers, and is also called a compound eye optical system.
  • Each imaging optical system is referred to as a single-eye optical system or a monocular optical system. Is called.
  • a single-eye optical system or a monocular optical system may refer to an ordinary large optical system that creates one image on one entire image sensor, but each of the image forming optical systems is a component optical system of the array optical system. Say about the system.
  • each image forming optical system is an image forming lens system having a lens as a constituent element. It is a system.
  • a compound eye optical system configured by a single lens system composed of a plurality of layers arranged in parallel is a compound eye lens system (array lens system).
  • the single-eye optical system is arranged in parallel so that the optical axes are parallel or almost parallel to each other to form an array optical system.
  • the arrangement may be one-dimensional (one column) or two-dimensional (multiple columns). In some cases.
  • the number of optical images formed is the same as the number of single-eye optical systems arranged in parallel.
  • the single-lens system may be composed of a single lens or a plurality of lenses, but in the first to third embodiments and Examples 1 to 3 described later, it is composed of a plurality of lenses.
  • the image pickup surface of one image sensor is divided into a plurality of regions to form images individually, or images are individually formed on a plurality of image sensors arranged in parallel. Can do.
  • An image formed by such an array optical system can create an image with improved resolution using a plurality of pieces of image information, or can obtain more color information and a plurality of distance images than a normal single image.
  • Various applications are possible, such as being able to view images in multiple ranges at once.
  • optical axes are parallel to each other, but parallax may be generated by tilting.
  • the individual image formed by the array optical system has a smaller screen size than the image formed by one normal imaging optical system, so the focal length for photographing the same angle of view is proportional to the screen size. And it will be short. Therefore, the optical system can also be reduced in size.
  • the outer diameter of each single-eye optical system is limited by the distance between adjacent images, it must be sized so that the light beam for forming adjacent images is not cut off. Further, even a lens having a short focal length cannot be manufactured unless the lens back and single lens have the same core thickness and edge thickness as those of a normal lens.
  • each individual lens system is designed to have a wide angle, the lens back becomes shorter as the focal length becomes shorter, and the focal length is determined from the manufacturing limit. Even when trying to lengthen the lens back using a retro focus type or the like, it is limited to the lens outer diameter determined from the image size, and cannot be an extreme retro focus type in which the front lens becomes large. For these reasons, the angle of view of each single-lens lens system cannot be made wider than the half angle of view of 40 °, for example, when an array arrangement of 3 columns ⁇ 3 rows is considered.
  • one afocal optical system is arranged in front of an array optical system composed of a plurality of layers of image forming optical systems arranged in parallel, and the incident light flux to the afocal optical system is
  • the width of the emitted light beam from the afocal optical system is large and the exit angle is smaller than the incident angle. A wider angle can be obtained.
  • the front optical system is afocal, so that the brightness, performance and image plane of the original array optical system can be used as they are. It becomes possible. That is, in designing the array optical system, it is sufficient to design the widest-angle optical system that can be considered as a single-eye optical system to ensure the necessary brightness and performance. Since the afocal optical system has little effect on the imaging performance of the lens system that is placed later, all of the wide-angle optical images can be displayed for each individual eye optical system, taking full advantage of the capabilities of the array optical system. Can be generated.
  • the image plane position does not change even if the afocal optical system is attached or detached. It is also possible to realize a system that can obtain a desired image by simply attaching and detaching the afocal optical system. Unlike the case where a negative lens is placed in front of the array optical system, placing a wide afocal system has the same effect as reducing the focal length of each individual optical system. The image created by the school can be made wider than the original. That is, it is possible to obtain wide-angle information from all single-eye array images.
  • the afocal optical system is compatible with all the pupils of the individual eye optical systems arranged in parallel, a wide-angle image can be generated in the same manner with each individual eye optical system.
  • the afocal optical system needs to cover the entire pupil of the array optical system to be placed later and to have a size that does not cut the light beam for all the array optical systems.
  • the aberration correction for the single-eye optical system arranged toward the end is preferably performed by correcting aberrations for a pupil brighter than usual, and is preferably a combination that cancels distortion in the afocal optical system. In order to cancel the distortion, it is necessary to receive both strong negative power and strong positive power while the same light beam passes.
  • a high-performance wide-angle that can obtain a wider-angle image with all single-eye imaging optical systems, exceeding the limit of widening that is limited by the structure of the array optical system.
  • An array optical system and an imaging optical apparatus including the array optical system can be realized.
  • the wide-angle array optical system according to the present invention is used in a camera system such as a digital camera, or the imaging optical device according to the present invention is used in a digital device such as a smartphone (high-performance mobile phone).
  • the image input function can be realized in a compact and inexpensive manner.
  • the image input function using this wide-angle array optical system can be applied to fields that require more detailed image information than before.
  • a camera system equipped with a wide-angle array optical system makes it possible to obtain a wide-angle image beyond the limits of the array optical system while achieving the multi-functionality that is the feature of the array optical system as described above. For this reason, applications spread to fields that could not be used with simple array lenses, leading to the spread of multifunctional camera systems.
  • the use of the array optical system makes it possible to reduce the overall lens length as compared with the conventional lens system, thereby realizing a more compact camera system.
  • by attaching and removing an afocal optical system it is possible to observe with different image magnifications as necessary, and to synthesize one image with higher definition than the resolution determined by the number of pixels from multiple images. It is also possible to implement a system such as
  • the afocal optical system is preferably a detachable converter.
  • An afocal optical system does not have a focal point, and is characterized by emitting parallel light when it enters.
  • the afocal optical system whose performance is well corrected changes only the angle of view without changing the imaging position of the original imaging optical system, regardless of the imaging optical system. Similarly, in a finite system, only the image magnification is changed without changing the imaging position. Further, the image side F number is not changed.
  • the afocal optical system can be used as a detachable converter in this way.
  • each individual eye optical system constituting the array optical system is composed of a plurality of lenses, and the individual lens systems composed of the plurality of lenses are arranged in parallel to form an array lens system. It is preferable to arrange a diaphragm for determining the brightness of the individual eye somewhere in each individual lens system.
  • a light blocking member may be provided in order to prevent ghosts due to stray light between adjacent single-lens lens systems.
  • the parallel single-lens system may be produced and arranged individually, or an array lens system may be produced by combining single lenses arranged in parallel.
  • the afocal optical system has a function of widening, but the afocal optical system may not be completely unfocused, for example, as in Example 3 described later.
  • Any image plane may be used as long as it does not substantially move the image plane formed by the array optical system disposed behind.
  • the afocal optical system by placing the afocal optical system in front of the array optical system, even if the image plane moves from the image formation position by the original array optical system, a new image plane is located within the focal depth range.
  • it is regarded as an afocal optical system because it is almost afocal.
  • an optical member serving as a diaphragm that determines the brightness of the system is not disposed.
  • FIGS. 1, 3 and 5 show first to third embodiments of the wide-angle array lens system LN in an infinitely focused state in an optical cross section together with an optical path.
  • the wide-angle array lens system LN is composed of an afocal lens system LC and an array lens system LA in order from the object side.
  • the afocal lens system LC in the first and second embodiments is a negative / positive two-lens system (lenses C1 and C2).
  • the afocal lens system LC in the form is a single lens system (lens C1) that is not completely unfocused.
  • the afocal lens system LC is configured by one lens C1 or two lenses C1 and C2, but may be configured by three or more lenses depending on required performance.
  • the array lens systems LA in the first to third embodiments all include, in order from the object side, the stop surface ST, the biconvex positive lens A1, and the positive meniscus lens A2 convex to the object side. It consists of a single eye lens system.
  • the single lens system array lens coaxial with the afocal lens system LC
  • the single lens system array lens positioned at the array periphery P
  • a single-lens system arranged in parallel decenter from the center C on the optical axis AX to the peripheral P is defined as a single-lens system LA-P.
  • the array lens system LA has a configuration in which the single-lens systems LA-C and P having the same configuration each including the two single lenses A1 and A2 are arranged in parallel so that the optical axes AX are parallel to each other as described above. It has become.
  • Each individual lens system LA-C, P may be composed of one lens or three or more depending on the required performance.
  • the optical axes AX are not parallel to each other but slightly inclined, so that the single lens systems LA-C and P may observe a slightly different angle range from each other.
  • the afocal lens system LC causes a difference between the individual eyes in the observation range to be close to a wide angle.
  • the afocal lens system LC and the array lens system LA are composed of a single lens made of substantially the same type of optical material, but different optical materials may be used depending on the required performance and function. For example, for visible to near-infrared wavelengths, chromatic aberration can be corrected using acrylic resin, styrol resin, optical glass, etc., and for ultraviolet wavelengths, quartz glass, inorganic crystal materials, mid-infrared and For far-infrared wavelengths, a polyethylene resin, chalcogenide glass, an inorganic material, or the like may be used. Further, the single lens systems LA-C and P may be made of different optical materials. In this case, the single lens systems LA-C and P may be designed differently.
  • the wide-angle array lens system LN is suitable for use as an imaging lens for a digital device with an image input function (for example, a portable terminal). By combining this with an imaging device or the like, an image of a subject is optically captured to be electrically
  • An imaging optical device that outputs as a typical signal can be configured.
  • the imaging optical device is an optical device that is a main component of a camera used for still image shooting and moving image shooting of a subject, for example, an imaging lens that forms an optical image of an object in order from the object (that is, subject) side, And an imaging device that converts an optical image formed by the imaging lens into an electrical signal.
  • Examples of digital devices with an image input function include cameras such as digital cameras, video cameras, surveillance cameras, security cameras, in-vehicle cameras, and video phone cameras.
  • Personal computers, portable digital devices for example, small information device terminals such as mobile phones, smartphones, tablet terminals, mobile computers, etc.), peripheral devices (scanners, printers, etc.), and other digital devices (drive recorders, defenses) Etc.), etc., which have a camera function built in or attached externally.
  • a digital device with an image input function such as a mobile phone with a camera can be configured.
  • FIG. 8 shows a schematic configuration example of a digital device DU in a schematic cross section.
  • the imaging optical device LU mounted on the digital device DU shown in FIG. 8 has a wide-angle array lens system LN (AX: optical axis) that forms an optical image (image plane) IM of the object in order from the object (namely, subject) side.
  • LN wide-angle array lens system
  • an image sensor SR that converts the optical image IM formed on the light receiving surface (imaging surface) SS by the wide-angle array lens system LN into an electrical signal, and parallel plates (for example, A cover glass of the image pickup element SR; corresponding to an optical low-pass filter, an optical filter such as an infrared cut filter, etc., which are arranged as necessary.
  • the imaging optical device LU is usually arranged inside the body, but when necessary to realize the camera function, a form as necessary is adopted. Is possible.
  • the unitized imaging optical device LU can be configured to be detachable or rotatable with respect to the main body of the digital device DU.
  • the wide-angle array lens system LN is configured to form the optical image IM on the light receiving surface SS of the image sensor SR as described above.
  • the image sensor SR for example, a solid-state image sensor such as a CCD (Charge-Coupled Device) -type image sensor having a plurality of pixels, a CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) -type image sensor, or the like is used. Since the wide-angle array lens system LN is provided so that the optical image IM of the subject is formed on the light-receiving surface SS that is the photoelectric conversion unit of the image sensor SR, the optical image IM formed by the wide-angle array lens system LN. Is converted into an electrical signal by the image sensor SR.
  • the digital device DU includes a signal processing unit 1, a control unit 2, a memory 3, an operation unit 4, a display unit 5 and the like in addition to the imaging optical device LU.
  • the signal generated by the image sensor SR is subjected to predetermined digital image processing, image compression processing, and the like in the signal processing unit 1 as necessary, and recorded as a digital video signal in the memory 3 (semiconductor memory, optical disc, etc.) In some cases, it is transmitted to other devices via a cable or converted into an infrared signal or the like (for example, a communication function of a mobile phone).
  • the control unit 2 is composed of a microcomputer, and performs control of functions such as a photographing function (still image photographing function, moving image photographing function, etc.), an image reproduction function, and the like; and a lens moving mechanism for focusing.
  • the control unit 2 controls the imaging optical device LU so as to perform at least one of still image shooting and moving image shooting of a subject.
  • the display unit 5 includes a display such as a liquid crystal monitor, and performs image display using an image signal converted by the image sensor SR or image information recorded in the memory 3.
  • the operation unit 4 is a part including operation members such as an operation button (for example, a release button) and an operation dial (for example, a shooting mode dial), and transmits information input by the operator to the control unit 2.
  • Examples 1 to 3 (EX1 to 3) listed here are numerical examples corresponding to the first to third embodiments, respectively, and are optical configuration diagrams showing the first to third embodiments. (FIG. 1, FIG. 3, FIG. 5) respectively show the lens configuration (lens cross-sectional shape, lens arrangement, etc.), optical path, etc. of the corresponding Examples 1 to 3.
  • the array lens system LA is the same as in Examples 1 to 3, and the individual lens systems LA-C and P have the same configuration.
  • the construction data is shown for the focal lens system LC.
  • surface data in order from the left column, surface number (OB: object surface, ST: aperture surface, IM: image surface), radius of curvature r (mm) in paraxial, axis
  • d mm
  • refractive index nd for the d line wavelength: 587.56 nm
  • ⁇ d one: air
  • a surface with * in the surface number is an aspheric surface, and the surface shape is defined by the following expression (AS) using a local orthogonal coordinate system (x, y, z) with the surface vertex as the origin. .
  • AS a local orthogonal coordinate system
  • x, y, z a local orthogonal coordinate system with the surface vertex as the origin.
  • z (C ⁇ h 2 ) / [1 + ⁇ ⁇ 1 ⁇ (1 + K) ⁇ C 2 ⁇ h 2 ⁇ ] + ⁇ (Ai ⁇ h i ) (AS)
  • z the amount of sag in the direction of the optical axis AX at the position of the height h (based on the surface vertex)
  • C curvature at the surface vertex (the reciprocal of the radius of curvature r)
  • K conic constant
  • Ai i-th order aspheric coefficient ( ⁇ represents the sum of 4th order to ⁇ order for i), It is.
  • the specifications of the array lens system LA include the design wavelength (nm), focal length (f, mm), F number (FNO), full length (mm), half angle of view ( ⁇ , °), and maximum parallel eccentricity of the array ( mm).
  • a design wavelength (nm), a wide ratio, and a half angle of view ( ⁇ , °; when attached to the array lens system LA) are shown.
  • the wide ratio is a ratio for changing the focal length of the lens system disposed behind the wide afocal system. When the focal length of the entire system is 0.7 by being arranged in front of the lens system having the focal length 1, the wide ratio is 0.7.
  • FIG. 2 is an aberration diagram of the entire system corresponding to Examples 1 to 3 (EX1 to 3), respectively
  • FIG. 7 is an array lens system LA of Examples 1 to 3 (EX1 to 3).
  • FIG. 6 is an aberration diagram of the single-lens system LA-C that constitutes 2, 4, and 6,
  • A) and (D) are spherical aberration diagrams
  • B) and (E) are astigmatism diagrams
  • (C) and (F) are distortion diagrams.
  • (A) is a spherical aberration diagram
  • (B) is an astigmatism diagram
  • (C) is a distortion diagram.
  • FIG. 10 is an aberration diagram of wide-angle array lens system LN (EX1 to 3-C).
  • FIG. 4 is an aberration diagram of a wide-angle array lens system LN (EX1 to 3-P) including (an imaging optical system in which 0.77 mm is decentered from the center C to the periphery P on the optical axis AX in the array lens system LA). is there.
  • the spherical aberration diagram shows a spherical aberration amount at a design wavelength of 587.56 nm (d line) indicated by a solid line, a spherical aberration amount at a wavelength of 700.00 nm indicated by a broken line, and a spherical aberration amount at a wavelength of 400.00 nm indicated by a dashed line.
  • the amount of deviation (mm) in the optical axis AX direction from the axial image plane is represented, and the vertical axis represents a value obtained by normalizing the incident height to the pupil by the maximum height (that is, relative pupil height). .
  • the broken line T represents the tangential image surface with respect to the d line
  • the solid line S represents the sagittal image surface with respect to the d line, expressed as a deviation amount (unit: mm) in the optical axis AX direction from the paraxial image surface.
  • the vertical axis represents the image height (IMG HT, unit: mm).
  • the horizontal axis represents distortion (unit:%) with respect to the d-line
  • the vertical axis represents image height (IMG HT, unit: mm).
  • the wide-angle array lens system LN in Examples 1 to 3 includes an afocal lens system LC and an array lens system LA in order from the object side.
  • each of the array lens systems LA in order from the object side, includes a diaphragm surface ST, a biconvex positive lens A1 (double-sided aspheric surface), and a positive lens convex on the object side.
  • a single lens system LA-C, P composed of a meniscus lens A2 (double-sided aspheric surface).
  • the afocal lens system LC of Example 1 (EX1) is composed of two negative and positive lenses C1 and C2 when viewing each lens with a paraxial surface shape, and the lens C1 is concave on the image side.
  • the meniscus lens C2 is a biconvex lens.
  • the afocal lens system LC of Example 2 (EX2) is composed of two negative and positive lenses C1 and C2 when viewing each lens with a paraxial surface shape.
  • the lens C1 is a biconcave lens (both sides). Aspherical), the lens C2 is a meniscus lens convex toward the object side.
  • the afocal lens system LC of Example 3 (EX3) is a single lens system that is not completely unfocused.
  • each lens when viewed with a paraxial surface shape, it is composed of one negative lens C1 (focal length: ⁇ 43000 mm), and the lens C1 is a concave meniscus lens (double-sided aspheric surface) on the object side. is there.
  • Examples 1 to 3 aberrations are corrected for wavelengths of 400 to 1000 nm.
  • a material that transmits light having a wavelength of 400 to 1000 nm such as polyolefin resin, is used.
  • a flat plate corresponding to the protective plate of the image sensor SR may be disposed in front of the image plane IM.
  • Array lens system LA single-lens system of Examples 1 to 3 Unit: mm Surface data surface number r d nd ⁇ d OB: ⁇ ⁇ 1 (ST): ⁇ 0.000000 2 *: 0.65266 0.238451 1.5447 56.15 3 *: -5.16222 0.050000 4 *: 0.19373 0.204739 1.5447 56.15 5 *: 1.04998 0.090009 6 (Dummy): ⁇ 0.000000 7 (Dummy): ⁇ 0.050000 IM: ⁇ 0.000000
  • Example 1 (Afocal lens system LC) Unit: mm Surface data surface number r d nd ⁇ d OB: ⁇ ⁇ 1 (dummy): ⁇ 0.000000 2: 20.56213 0.200000 1.5447 56.15 3: 2.44424 2.216471 4: 4.07692 0.583529 1.5447 56.15 5: -156.12968 0.800000 (From here the array lens system LA)
  • Example 2 (Afocal lens system LC) Unit: mm Surface data surface number r d nd ⁇ d OB: ⁇ ⁇ 1 (dummy): ⁇ 0.000000 2 *: -28.84992 0.200000 1.5447 56.15 3 *: 2.17621 1.748483 4: 2.41558 1.051517 1.5447 56.15 5: 12.59458 0.800000 (From here the array lens system LA)
  • Example 3 (Afocal lens system LC) Unit: mm Surface data surface number r d nd ⁇ d OB: ⁇ ⁇ 1 (dummy): ⁇ 0.000000 2 *: -15.98301 2.706065 1.5447 56.15 3 *: -16.94390 0.800000 (From here the array lens system LA)
  • DU digital equipment camera system
  • LU imaging optical device LN wide-angle array lens system (wide-angle array optical system)
  • LC afocal lens system afocal optical system, converter
  • LA array lens system array optical system
  • LA-C centered single lens system (imaging optics)
  • Imaging optics Single lens system around LA-P (imaging optical system)
  • A1, A2, C1, C2 Lens ST Aperture surface
  • SR Image sensor Light receiving surface (imaging surface)
  • IM image plane optical image
  • AX Optical axis 1
  • Control unit Control unit 3
  • Operation unit 5 Display unit

Abstract

　広角アレイレンズ系は、１つのアフォーカル光学系と、並列に配置されかつ複数層からなる結像光学系で構成されたアレイ光学系と、を有する。アフォーカル光学系に平行光束を入射させると、アフォーカル光学系への入射光束の光束幅よりもアフォーカル光学系からの射出光束の光束幅の方が大きくなり、かつ、アフォーカル光学系への入射光束が光軸に対してなす入射角度よりもアフォーカル光学系からの射出光束が光軸に対してなす射出角度の方が小さくなるように、アフォーカル光学系が平行光束を射出させる。複数層からなる結像光学系が、１つのアフォーカル光学系を共通に通過した射出光束を各々個別に結像させて複数の光学像を形成する。

Description

広角アレイ光学系
　本発明は、広角アレイ光学系に関するものであり、更に詳しくは、並列に配置されかつ複数層からなる結像光学系で複数の広角画像を形成する広角アレイ光学系と、その広角アレイ光学系及び撮像素子で取り込んだ被写体の映像を電気的な信号として出力する撮像光学装置と、広角アレイ光学系が撮像光学系として搭載されたカメラシステムやデジタル機器と、に関するものである。
　特許文献１には、アレイレンズ系の前方にその複数の結像レンズに対して共通の負レンズが配置された光学系が記載されている。そのようにアレイレンズ系に対して共通の負レンズを配置すると、アレイレンズ系全体で撮影できる範囲を少し広角にすることができる。また、アレイレンズ系を構成する個々の結像レンズ（すなわち、個眼レンズ系）に対してプリズムやミラー等を配置することにより個眼レンズ系毎に観察範囲を変化させる場合とは違い、隣接する個眼レンズ系の光束を切らないようにする必要がない。
　特許文献２に記載の光学系には、アレイレンズ系の前方に集光する機能があり、液体レンズや液晶レンズを使って焦点距離を変化させることの可能な共通の光学系が配置されている。集光性のあるレンズを使うことにより、アレイレンズ系の個々の個眼レンズ系よりも焦点距離を短くすることができる。
特開２０１２－１２９７１３号公報 特開２００６－２１７１３１号公報
　特許文献１に記載されているように、アレイレンズ系の前方にアフォーカルでない負レンズを配置すると、元のアレイレンズ系の場合よりも後方に像面が位置することになる。つまり、レンズバックが長くなり、結果的に像側Ｆナンバーが暗くなってしまう。所定のＦナンバーを得ようとする場合には、アレイレンズ系のＦナンバーを前方の負レンズによる効果を見込んでより明るくしておかなければならないが、明るいアレイレンズ系にはより高い性能が必要とされる。しかも、前方に配置された負レンズを着脱するには、そのつどレンズバックを変更しなければならず、現実的ではない。また、負レンズを前方に配置すると、個々の個眼レンズ系の焦点距離が長くなったのと同じ効果が得られるため、すべての個眼レンズ系が等方的に広角になるのではなく、負レンズの周辺に近い光束を結像する個眼レンズ系ほど、光学系の中心軸から外側を観察できるようになるに過ぎない。
　特許文献２に記載の光学系は、系全体の焦点距離を変化させるものであるが、やはり元のアレイレンズ系の像面とは異なる位置に像を形成する。集光レンズの場合、元のレンズバックよりも短くなってしまうので、アレイレンズ系はその効果を見込んでレンズバックを長くするか焦点距離を長くしておかなくてはならない。しかし、これでは結果的に必要なレンズバックを確保することになるため、実質的に広角なレンズ系にすることができない。また、前置した集光レンズの焦点距離を変化させると、最終的な像面位置も変化するので、センサー位置又は光学系位置を光軸方向に調整する必要が生じる。
　本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、アレイ光学系の構造によって制限されている広角化の限界を超えて、より広角の画像を全ての個眼の結像光学系で得ることの可能な高性能の広角アレイ光学系、それを備えたカメラシステム、撮像光学装置及びデジタル機器を提供することにある。
　上記目的を達成するために、第１の発明の広角アレイ光学系は、１つのアフォーカル光学系と、並列に配置されかつ複数層からなる結像光学系で構成されたアレイ光学系と、を有し、
　前記アフォーカル光学系に平行光束を入射させると、アフォーカル光学系への入射光束の光束幅よりもアフォーカル光学系からの射出光束の光束幅の方が大きくなり、かつ、アフォーカル光学系への入射光束が光軸に対してなす入射角度よりもアフォーカル光学系からの射出光束が光軸に対してなす射出角度の方が小さくなるように、アフォーカル光学系が平行光束を射出させ、
　前記複数層からなる結像光学系が、前記１つのアフォーカル光学系を共通に通過した射出光束を各々個別に結像させて複数の光学像を形成することを特徴とする。
　第２の発明の広角アレイ光学系は、上記第１の発明において、前記アフォーカル光学系が着脱可能なコンバーターであることを特徴とする。
　第３の発明の撮像光学装置は、上記第１又は第２の発明に係る広角アレイ光学系と、撮像面上に形成された光学像を電気的な信号に変換する少なくとも１つの撮像素子と、を備え、前記少なくとも１つの撮像素子の撮像面上に前記複数の光学像が形成されるように、前記広角アレイ光学系が設けられていることを特徴とする。
　第４の発明のカメラシステムは、上記第１又は第２の発明に係る広角アレイ光学系を備えたことを特徴とする。
　第５の発明のデジタル機器は、上記第３の発明に係る撮像光学装置を備えることにより、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方の機能が付加されたことを特徴とする。
　本発明の構成を採用することにより、アレイ光学系の構造によって制限されている広角化の限界を超えて、より広角の画像を全ての個眼の結像光学系で得ることの可能な高性能の広角アレイ光学系と、それを備えた撮像光学装置を実現することができる。そして、本発明に係る広角アレイ光学系をデジタルカメラ等のカメラシステムに用いたり、本発明に係る撮像光学装置をスマートフォン（高機能携帯電話）等のデジタル機器に用いたりすることによって、高性能の画像入力機能をコンパクトかつ安価に実現することが可能となる。この広角アレイ光学系を用いた画像入力機能は、今までよりも詳細な画像情報を必要とする分野に応用が可能である。
広角アレイ光学系の第１の実施の形態（実施例１）の光学構成図。 広角アレイ光学系の実施例１の収差図。 広角アレイ光学系の第２の実施の形態（実施例２）の光学構成図。 広角アレイ光学系の実施例２の収差図。 広角アレイ光学系の第３の実施の形態（実施例３）の光学構成図。 広角アレイ光学系の実施例３の収差図。 実施例１～３のアレイレンズ系を構成している個眼レンズ系の収差図。 広角アレイ光学系を搭載したデジタル機器の概略構成例を示す模式図。
　以下、本発明に係る広角アレイ光学系，撮像光学装置等を説明する。本発明に係る広角アレイ光学系は、１つのアフォーカル光学系と、並列に配置されかつ複数層からなる結像光学系で構成されたアレイ光学系と、を有している。そして、前記アフォーカル光学系に平行光束を入射させると、アフォーカル光学系への入射光束の光束幅よりもアフォーカル光学系からの射出光束の光束幅の方が大きくなり、かつ、アフォーカル光学系への入射光束が光軸に対してなす入射角度よりもアフォーカル光学系からの射出光束が光軸に対してなす射出角度の方が小さくなるように、アフォーカル光学系が平行光束を射出させ、前記複数層からなる結像光学系が、前記１つのアフォーカル光学系を共通に通過した射出光束を各々個別に結像させて複数の光学像を形成することを特徴としている。
　また、本発明に係る撮像光学装置は、上記広角アレイ光学系と、撮像面上に形成された光学像を電気的な信号に変換する少なくとも１つの撮像素子と、を備え、前記少なくとも１つの撮像素子の撮像面上に前記複数の光学像が形成されるように、前記広角アレイ光学系が設けられていることを特徴としている。
　アレイ光学系は、並列に配置されかつ複数層からなる結像光学系で構成された光学系であり、複眼光学系とも言われ、各結像光学系は個眼光学系又は単眼光学系と言われる。個眼光学系や単眼光学系は、１つの撮像素子全体に１つの画像を作るような通常の大きい光学系を言う場合もあるが、アレイ光学系の構成光学系としては、個々の結像光学系のことを言う。また、後述する第１～第３の実施の形態や実施例１～３では、各結像光学系が構成要素としてレンズを有する結像レンズ系であることから、個眼光学系は個眼レンズ系である。したがって、並列に配置された複数層からなる個眼レンズ系で構成された複眼光学系（アレイ光学系）は複眼レンズ系（アレイレンズ系）である。
　個眼光学系は光軸が互いに平行又はほぼ平行になるように並列に配置されてアレイ光学系を構成するが、その配置は１次元（１列）の場合もあれば２次元（複数列）の場合もある。そして、形成される光学像の数は並列に配列されている個眼光学系の数と同じになる。また、個眼レンズ系は単レンズからなる場合も複数レンズからなる場合もあるが、後述する第１～第３の実施の形態や実施例１～３では、複数レンズからなっている。
　アレイ光学系を使用すると、１個の撮像素子の撮像面を複数の領域に分けて個別に像を形成したり、複数の撮像素子を並列に配置したものに個別に像を形成したりすることができる。このようなアレイ光学系によって形成された像は、複数の画像情報を使って解像力を上げた画像を作成したり、通常の１枚の画像よりも多くの色情報や複数の距離画像を得ることができたり、複数の範囲の画像を一度に見たりできる等、色々な応用が考えられる。例えば、フィルターを用いて同じ画像の光学像を異なる波長の光（可視光，赤外光，紫外光等）で形成したり、各個眼光学系で見る方向を変えて奥行き情報をとったり、することに使用できる。なお、後述する第１～第３の実施の形態や実施例１～３では、光軸が互いに平行になっているが、傾斜により視差を発生させてもよい。
　また、アレイ光学系で形成される個別の像は、通常の１つの結像光学系で形成された像よりも画面サイズが小さいため、同じ画角を撮影するための焦点距離は画面サイズに比例して短いものとなる。したがって、光学系も小型化することができる。しかし、個々の個眼光学系の外径は隣り合う画像同士の距離で制限されてしまうため、隣り合う画像を形成するための光束が切られてしまわないような大きさにしなければならない。また、短い焦点距離のレンズであってもレンズバックや単レンズの心厚，コバ厚等は、通常のレンズと同程度でなければ製造することができない。
　例えば、各個眼レンズ系を広角にしようとすると、焦点距離が短くなるにつれてレンズバックも短くなり、製造上の限界から焦点距離が決まってしまう。レトロフォーカスタイプ等を使ってレンズバックを長くしようとした場合でも、画像サイズから決まるレンズ外径に制限され、前玉が大きくなる極端なレトロフォーカスタイプにはできない。このような事情から各個眼レンズ系の画角は、例えば３列×３行のアレイ配置を考えた場合、半画角４０°よりも大幅に広角化することはできない。
　そこで、前記のように１つのアフォーカル光学系を、並列に配置されかつ複数層からなる結像光学系で構成されたアレイ光学系の前に共通に配置し、アフォーカル光学系に対する入射光束よりもアフォーカル光学系からの射出光束の幅が大きく、入射角度よりも射出角度の方が小さい機能を持たせた、いわゆるワイドアフォーカル系とすることで、最終的に形成される個々の像をより広角化することができる。
　上記のようにアレイ光学系の前方に１つのワイドアフォーカル光学系を配置すると、前方の光学系がアフォーカルであるため、元のアレイ光学系の明るさ，性能及び像面をそのまま使うことが可能となる。つまり、アレイ光学系の設計では、個眼光学系として考えられる最も広角の光学系を設計して、必要な明るさと性能を確保すれば十分である。アフォーカル光学系は後置されるレンズ系に対し結像性能にほとんど影響を与えないため、アレイ光学系の能力を充分活かした上で個々の個眼光学系に対して全て広角の光学像を生成させることが可能となる。
　上記のようにアレイ光学系の前方に１つのアフォーカル光学系を配置した場合、アフォーカル光学系を着脱しても像面位置が変化しないため、異なる画角の像が必要になったとき、単純にアフォーカル光学系を着脱するだけで所望の画像を得られる系を実現することもできる。また、アレイ光学系の前方に負レンズを配置した場合とは異なり、ワイドアフォーカル系を置くと個々の個眼光学系の焦点距離が全て短くなったのと同じ効果が得られるため、個眼光学系の作る画像を元よりも広角化することができる。つまり、全ての個眼アレイ像で広角の情報を得ることが可能である。
　アフォーカル光学系は、並列に配置された各個眼光学系の瞳全てに対応していれば、個々の個眼光学系で同様に広角の画像を生成することができる。つまり、アフォーカル光学系は後置するアレイ光学系全体の瞳をカバーし、全てのアレイ光学系に対して光線を切らない大きさであることが必要である。また、端の方に配置された個眼光学系に対する収差補正は、通常よりも明るい瞳に対する収差補正を行っておくことが好ましく、歪曲をアフォーカル光学系内で打ち消す組み合わせにすることが好ましい。歪曲を打ち消すには、同じ光束が通る間に強い負パワーと強い正パワーの両方を受ける必要がある。
　上述した特徴的構成によると、アレイ光学系の構造によって制限されている広角化の限界を超えて、より広角の画像を全ての個眼の結像光学系で得ることの可能な高性能の広角アレイ光学系と、それを備えた撮像光学装置を実現することができる。そして、本発明に係る広角アレイ光学系をデジタルカメラ等のカメラシステムに用いたり、本発明に係る撮像光学装置をスマートフォン（高機能携帯電話）等のデジタル機器に用いたりすることによって、高性能の画像入力機能をコンパクトかつ安価に実現することが可能となる。この広角アレイ光学系を用いた画像入力機能は、今までよりも詳細な画像情報を必要とする分野に応用が可能である。
　広角アレイ光学系を備えたカメラシステムは、上述したようにアレイ光学系の特長である多機能化を達成しながら、アレイ光学系の限界を超えて広角の画像を得ることを可能とする。そのため、単純なアレイレンズではこれまで使用できなかった分野まで応用が広がり、多機能なカメラシステムの普及につながる。また、アレイ光学系の使用により、これまでよりもレンズ全長を短くすることができるため、よりコンパクトなカメラシステムを実現できる。さらに、アフォーカル光学系を着脱することで、必要に応じて画像倍率を変えて観察することが可能となり、また、複数の画像から画素数で決まる解像力よりもより高精細な１つの画像を合成する等のシステムも実現可能となる。
　アフォーカル光学系を着脱すれば、一時的に画角の異なる像を得ることができる。この点で、前記アフォーカル光学系は着脱可能なコンバーターであることが望ましい。アフォーカルな光学系は焦点を持たず、平行光が入射すると平行光を射出するのが特徴である。性能が良く補正されたアフォーカル光学系は、どのような結像光学系の前に置いても元の結像光学系の結像位置を変えることなく画角のみを変える。また、有限系では同様に結像位置を変えることなく像倍率のみを変える。さらに、像側Ｆナンバーを変えることもない。つまり、元のレンズに対して調整して撮像素子を組み立てた後でも、アフォーカル光学系を追加し、調整することなくほぼ元と同様の焦点で同様の明るさや画質が得られる。アフォーカル光学系はこのように着脱可能なコンバータとして使用できる。前述のアレイ光学系にアフォーカル光学系を着脱可能とすることで、撮影中に調整することなく像倍率を変えることが可能で、前に挙げたアレイ光学系の種々の機能を異なる像倍率のもとでも調整することなく利用することができる。
　アレイ光学系を構成する個々の個眼光学系が複数のレンズからなり、その複数のレンズからなる個眼レンズ系を並列に配置することでアレイレンズ系とすることが好ましい。各々の個眼レンズ系のどこかに個眼の明るさを決める絞りを配置することが好ましい。また、隣接する個眼レンズ系同士の迷光によるゴーストを防止するため、遮光部材を設けてもよい。並列する個眼レンズ系は個々に作製して配列するか、又は並列に配置された単レンズを組み合わせてアレイレンズ系を作製してもよい。
　本発明に係る広角アレイ光学系では、ワイド化する機能をアフォーカル光学系が持っているが、例えば後述する実施例３のように、アフォーカル光学系は完全な無焦点でなくてもよく、後ろに配置されるアレイ光学系により形成される像面を実質的に移動させないものであればよい。つまり、アフォーカル光学系をアレイ光学系の前方に配置することによって、元のアレイ光学系による結像位置から像面が移動しても、焦点深度の範囲内に新しい像面が位置しており、焦点調整の必要が無い場合には、ほぼアフォーカルであることからアフォーカル光学系とみなす。なお、アフォーカル光学系内には系の明るさを決める絞りの役割をする光学部材を配置しないものとする。
　図１，図３，図５に、無限遠合焦状態にある広角アレイレンズ系ＬＮの第１～第３の実施の形態を、光路と共に光学断面でそれぞれ示す。広角アレイレンズ系ＬＮは、物体側から順に、アフォーカルレンズ系ＬＣとアレイレンズ系ＬＡとからなっている。近軸の面形状で各レンズを見た場合、第１，第２の実施の形態におけるアフォーカルレンズ系ＬＣは負・正の２枚系（レンズＣ１，Ｃ２）であり、第３の実施の形態におけるアフォーカルレンズ系ＬＣは、完全な無焦点ではない１枚系（レンズＣ１）である。このように、アフォーカルレンズ系ＬＣは、１枚のレンズＣ１又は２枚のレンズＣ１，Ｃ２で構成されているが、必要性能によっては３枚以上のレンズで構成してもよい。
　また、第１～第３の実施の形態におけるアレイレンズ系ＬＡはいずれも、物体側から順に、絞り面ＳＴと、両凸の正レンズＡ１と、物体側に凸の正メニスカスレンズＡ２と、からなる個眼レンズ系で構成されている。以下、アレイ中心Ｃに位置する個眼レンズ系（アフォーカルレンズ系ＬＣと共軸の個眼レンズ系）を個眼レンズ系ＬＡ－Ｃとし、アレイ周辺Ｐに位置する個眼レンズ系（アレイレンズ系ＬＡにおいて光軸ＡＸ上の中心Ｃから周辺Ｐへ平行偏芯配置された個眼レンズ系）を個眼レンズ系ＬＡ－Ｐとする。
　アレイレンズ系ＬＡは、上記のように各々２枚の単レンズＡ１，Ａ２からなる同一構成の個眼レンズ系ＬＡ－Ｃ，Ｐを、光軸ＡＸが互いに平行になるように並列に配置した構成となっている。個々の個眼レンズ系ＬＡ－Ｃ，Ｐは、必要な性能により１枚で構成しても３枚以上で構成してもよい。また、光軸ＡＸは互いに平行ではなくわずかに傾きを持たせることで、個眼レンズ系ＬＡ－Ｃ，Ｐが互いに少しずつ異なる角度範囲を観察するように配置してもよい。このとき、アフォーカルレンズ系ＬＣによって観察範囲の個眼同士の違いが広角寄りに生じる。
　アフォーカルレンズ系ＬＣとアレイレンズ系ＬＡは、ほぼ同種の光学材料からなる単レンズで構成されているが、必要な性能や機能によって異なる光学材料を用いてもよい。例えば、可視から近赤外の波長に対しては、アクリル系樹脂，スチロール系樹脂，光学ガラス等を用いて色収差補正可能とし、紫外波長に対しては石英ガラスや無機結晶材料、中赤外や遠赤外波長に対してはポリエチレン系樹脂，カルコゲナイドガラス，無機材料等を用いればよい。また、個眼レンズ系ＬＡ－Ｃ，Ｐ同士も異なる光学材料で構成してもよく、その場合は個眼レンズ系ＬＡ－Ｃ，Ｐを互いに異なる設計としてもよい。
　広角アレイレンズ系ＬＮは、画像入力機能付きデジタル機器（例えば携帯端末）用の撮像レンズとしての使用に適しており、これを撮像素子等と組み合わせることにより、被写体の映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する撮像光学装置を構成することができる。撮像光学装置は、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラの主たる構成要素をなす光学装置であり、例えば、物体（すなわち被写体）側から順に、物体の光学像を形成する撮像レンズと、その撮像レンズにより形成された光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、を備えることにより構成される。そして、少なくとも１つの撮像素子の受光面（すなわち撮像面）上に被写体の複数の光学像ＩＭが形成されるように、前述した特徴的構成を有する広角アレイレンズ系ＬＮが配置されることにより、小型・低コストで高い性能を有する撮像光学装置やそれを備えたカメラシステム及びデジタル機器を実現することができる。
　画像入力機能付きデジタル機器の例としては、デジタルカメラ，ビデオカメラ，監視カメラ，防犯カメラ，車載カメラ，テレビ電話用カメラ等のカメラが挙げられる。また、パーソナルコンピューター，携帯用デジタル機器（例えば、携帯電話，スマートフォン，タブレット端末，モバイルコンピュータ等の小型情報機器端末），これらの周辺機器（スキャナー，プリンター等），その他のデジタル機器（ドライブレコーダー，防衛機器等）等に内蔵又は外付けによりカメラ機能が搭載されたものが挙げられる。これらの例から分かるように、撮像光学装置を用いることによりカメラシステムを構成することができるだけでなく、各種機器に撮像光学装置を搭載することによりカメラ機能を付加することが可能である。例えば、カメラ付き携帯電話等の画像入力機能付きデジタル機器を構成することが可能である。
　画像入力機能付きデジタル機器の一例として、図８にデジタル機器ＤＵの概略構成例を模式的断面で示す。図８に示すデジタル機器ＤＵに搭載されている撮像光学装置ＬＵは、物体（すなわち被写体）側から順に、物体の光学像（像面）ＩＭを形成する広角アレイレンズ系ＬＮ（ＡＸ：光軸）と、広角アレイレンズ系ＬＮにより受光面（撮像面）ＳＳ上に形成された光学像ＩＭを電気的な信号に変換する撮像素子ＳＲと、を備えており、必要に応じて平行平板（例えば、撮像素子ＳＲのカバーガラス；必要に応じて配置される光学的ローパスフィルター，赤外カットフィルター等の光学フィルター等に相当する。）も配置される。この撮像光学装置ＬＵで画像入力機能付きデジタル機器ＤＵを構成する場合、通常そのボディ内部に撮像光学装置ＬＵを配置することになるが、カメラ機能を実現する際には必要に応じた形態を採用することが可能である。例えば、ユニット化した撮像光学装置ＬＵをデジタル機器ＤＵの本体に対して着脱可能又は回動可能に構成することが可能である。
　広角アレイレンズ系ＬＮは、前述したように、撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上に光学像ＩＭを形成する構成になっている。撮像素子ＳＲとしては、例えば複数の画素を有するＣＣＤ(Charge Coupled Device)型イメージセンサー，ＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)型イメージセンサー等の固体撮像素子が用いられる。広角アレイレンズ系ＬＮは、撮像素子ＳＲの光電変換部である受光面ＳＳ上に被写体の光学像ＩＭが形成されるように設けられているので、広角アレイレンズ系ＬＮによって形成された光学像ＩＭは、撮像素子ＳＲによって電気的な信号に変換される。
　デジタル機器ＤＵは、撮像光学装置ＬＵの他に、信号処理部１，制御部２，メモリー３，操作部４，表示部５等を備えている。撮像素子ＳＲで生成した信号は、信号処理部１で所定のデジタル画像処理や画像圧縮処理等が必要に応じて施され、デジタル映像信号としてメモリー３（半導体メモリー，光ディスク等）に記録されたり、場合によってはケーブルを介したり赤外線信号等に変換されたりして他の機器に伝送される（例えば携帯電話の通信機能）。制御部２はマイクロコンピューターからなっており、撮影機能（静止画撮影機能，動画撮影機能等），画像再生機能等の機能の制御；フォーカシングのためのレンズ移動機構の制御等を集中的に行う。例えば、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方を行うように、制御部２により撮像光学装置ＬＵに対する制御が行われる。表示部５は液晶モニター等のディスプレイを含む部分であり、撮像素子ＳＲによって変換された画像信号あるいはメモリー３に記録されている画像情報を用いて画像表示を行う。操作部４は、操作ボタン（例えばレリーズボタン），操作ダイヤル（例えば撮影モードダイヤル）等の操作部材を含む部分であり、操作者が操作入力した情報を制御部２に伝達する。
　以下、本発明を実施した広角アレイ光学系の構成等を、実施例のコンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１～３（ＥＸ１～３）は、前述した第１～第３の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第１～第３の実施の形態を表す光学構成図（図１，図３，図５）は、対応する実施例１～３のレンズ構成（レンズ断面形状，レンズ配置等），光路等をそれぞれ示している。
　アレイレンズ系ＬＡは実施例１～３とも同じであり、各個眼レンズ系ＬＡ－Ｃ，Ｐも互いに同じ構成になっているため、その個眼レンズ系ＬＡ－Ｃ，Ｐと各実施例のアフォーカルレンズ系ＬＣについて、コンストラクションデータを示す。また、各実施例のコンストラクションデータでは、面データとして、左側の欄から順に、面番号（ＯＢ：物体面，ＳＴ：絞り面，ＩＭ：像面），近軸における曲率半径ｒ（ｍｍ），軸上面間隔ｄ（ｍｍ），ｄ線（波長：５８７．５６ｎｍ）に関する屈折率ｎｄ，ｄ線に関するアッベ数νｄ（無し：空気）を示す。
　面番号に＊が付された面は非球面であり、その面形状は面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた以下の式（ＡＳ）で定義される。非球面データとして、非球面係数等を示す。なお、各実施例の非球面データにおいて表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ－ｎ＝×１０-nである。
ｚ＝（Ｃ・ｈ2）／［１＋√｛１－（１＋Ｋ）・Ｃ2・ｈ2｝］＋Σ（Ａｉ・ｈi）　…（ＡＳ）
　ただし、
ｈ：ｚ軸（光軸ＡＸ）に対して垂直な方向の高さ（ｈ2＝ｘ2＋ｙ2）、
ｚ：高さｈの位置での光軸ＡＸ方向のサグ量（面頂点基準）、
Ｃ：面頂点での曲率（曲率半径ｒの逆数）、
Ｋ：円錐定数、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数（Σはｉについて４次から∞次の総和を表す。）、
である。
　アレイレンズ系ＬＡのスペックとして、設計波長（ｎｍ），焦点距離（ｆ，ｍｍ），Ｆナンバー（ＦＮＯ），全長（ｍｍ），半画角（ω，°）及びアレイの最大平行偏芯量（ｍｍ）を示す。また、アフォーカルレンズ系ＬＣのスペックとして、設計波長（ｎｍ），ワイド率及び半画角（ω，°；アレイレンズ系ＬＡに装着時）を示す。なお、ワイド率は、ワイドアフォーカル系がその後ろに配置されるレンズ系の焦点距離を変える比率である。焦点距離１のレンズ系の前に配置されることで全系の焦点距離が０．７になる場合、そのワイド率は０．７である。
　また、アフォーカルレンズ系ＬＣに平行光束を入射させたとき（有効径全体に光束を通した場合）の入射光束及び射出光束について、入射光束幅（軸上），射出光束幅（軸上），軸外入射角度及び軸外射出角度を以下に示す。
　　　　　　入射光束幅（軸上）　射出光束幅（軸上）
実施例１　　０．６１５ｍｍ　　　０．８９５ｍｍ
実施例２　　０．６１３ｍｍ　　　０．８９５ｍｍ
実施例３　　０．７９９ｍｍ　　　０．８４５ｍｍ
　　　　　　軸外入射角度　　　　軸外射出角度
実施例１　　６３．７０°　　　　４４．００°
実施例２　　６６．４４°　　　　４４．００°
実施例３　　４９．０８°　　　　４４．００°
　図２，図４，図６は、実施例１～３（ＥＸ１～３）にそれぞれ対応する全系の収差図であり、図７は実施例１～３（ＥＸ１～３）のアレイレンズ系ＬＡを構成している個眼レンズ系ＬＡ－Ｃの収差図である。図２，図４，図６において、（Ａ），（Ｄ）は球面収差図、（Ｂ），（Ｅ）は非点収差図、（Ｃ），（Ｆ）は歪曲収差図であり、図７において、（Ａ）は球面収差図、（Ｂ）は非点収差図、（Ｃ）は歪曲収差図である。また図２，図４，図６において、（Ａ）～（Ｃ）はアフォーカルレンズ系ＬＣと中心Ｃの個眼レンズ系ＬＡ－Ｃ（アレイレンズ系ＬＡにおいて光軸ＡＸ上に中心配置された結像光学系）とからなる広角アレイレンズ系ＬＮ（ＥＸ１～３－Ｃ）の収差図であり、（Ｄ）～（Ｆ）はアフォーカルレンズ系ＬＣと周辺Ｐの個眼レンズ系ＬＡ－Ｐ（アレイレンズ系ＬＡにおいて光軸ＡＸ上の中心Ｃから周辺Ｐへ０．７７ｍｍ平行偏芯配置された結像光学系）とからなる広角アレイレンズ系ＬＮ（ＥＸ１～３－Ｐ）の収差図である。
　球面収差図は、実線で示す設計波長５８７．５６ｎｍ（ｄ線）における球面収差量、破線で示す波長７００．００ｎｍにおける球面収差量、一点鎖線で示す波長４００．００ｎｍにおける球面収差量を、それぞれ近軸像面からの光軸ＡＸ方向のズレ量（ｍｍ）で表しており、縦軸は瞳への入射高さをその最大高さで規格化した値（すなわち相対瞳高さ）を表している。非点収差図において、破線Ｔはｄ線に対するタンジェンシャル像面、実線Ｓはｄ線に対するサジタル像面を、近軸像面からの光軸ＡＸ方向のズレ量（単位：ｍｍ）で表しており、縦軸は像高（ＩＭＧ　ＨＴ，単位：ｍｍ）を表している。歪曲収差図において、横軸はｄ線に対する歪曲（単位：％）を表しており、縦軸は像高（ＩＭＧ　ＨＴ，単位：ｍｍ）を表している。
　実施例１～３（図１，図３，図５）の広角アレイレンズ系ＬＮは、物体側から順に、アフォーカルレンズ系ＬＣとアレイレンズ系ＬＡとからなっている。近軸の面形状で各レンズを見た場合、アレイレンズ系ＬＡはいずれも、物体側から順に、絞り面ＳＴと、両凸の正レンズＡ１（両面非球面）と、物体側に凸の正メニスカスレンズＡ２（両面非球面）と、からなる個眼レンズ系ＬＡ－Ｃ，Ｐで構成されている。
　実施例１（ＥＸ１）のアフォーカルレンズ系ＬＣは、近軸の面形状で各レンズを見た場合、負・正の２枚のレンズＣ１，Ｃ２からなっており、レンズＣ１は像側に凹のメニスカスレンズ、レンズＣ２は両凸レンズである。実施例２（ＥＸ２）のアフォーカルレンズ系ＬＣは、近軸の面形状で各レンズを見た場合、負・正の２枚のレンズＣ１，Ｃ２からなっており、レンズＣ１は両凹レンズ（両面非球面）、レンズＣ２は物体側に凸のメニスカスレンズである。実施例３（ＥＸ３）のアフォーカルレンズ系ＬＣは、完全な無焦点ではない１枚系である。つまり、近軸の面形状で各レンズを見た場合、１枚の負のレンズＣ１（焦点距離：－４３０００ｍｍ）からなっており、レンズＣ１は物体側に凹のメニスカスレンズ（両面非球面）である。
　実施例１～３（ＥＸ１～３）は、波長４００～１０００ｎｍに対して収差補正されている。各レンズの材料としては、ポリオレフィン系樹脂等、波長４００～１０００ｎｍの光線を透過する材料の使用を想定している。また、像面ＩＭの前に撮像素子ＳＲの保護板に相当する平板を配置してもよい。
　実施例１～３のアレイレンズ系ＬＡ(個眼レンズ系)
単位：mm
　面データ
面番号           r               d           nd         νd
OB:              ∞              ∞
1(ST):           ∞        0.000000
2*:         0.65266        0.238451       1.5447      56.15
3*:        -5.16222        0.050000
4*:         0.19373        0.204739       1.5447      56.15
5*:         1.04998        0.090009
6(ダミー):       ∞        0.000000
7(ダミー):       ∞        0.050000
IM:              ∞        0.000000
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　スペック
設計波長      587.56nm
焦点距離f     0.3288
FNO           2.8000
全長          0.5832
半画角ω      44.2845°
アレイの最大平行偏芯量 ±0.77
　実施例１(アフォーカルレンズ系ＬＣ)
単位：mm
　面データ
面番号           r               d           nd         νd
OB:              ∞              ∞
1(ダミー):       ∞        0.000000
2:         20.56213        0.200000       1.5447      56.15
3:          2.44424        2.216471
4:          4.07692        0.583529       1.5447      56.15
5:       -156.12968        0.800000
(ここからアレイレンズ系ＬＡ)
　スペック
設計波長      587.56nm
ワイド率      0.700
半画角ω      64.3090°(アレイレンズ系ＬＡに装着時)
　実施例２(アフォーカルレンズ系ＬＣ)
単位：mm
　面データ
面番号           r               d           nd         νd
OB:              ∞              ∞
1(ダミー):       ∞        0.000000
2*:       -28.84992        0.200000       1.5447      56.15
3*:         2.17621        1.748483
4:          2.41558        1.051517       1.5447      56.15
5:         12.59458        0.800000
(ここからアレイレンズ系ＬＡ)
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　スペック
設計波長      587.56nm
ワイド率      0.700
半画角ω      67.2814°(アレイレンズ系ＬＡに装着時)
　実施例３(アフォーカルレンズ系ＬＣ)
単位：mm
　面データ
面番号           r               d           nd         νd
OB:              ∞              ∞
1(ダミー):       ∞        0.000000
2*:       -15.98301        2.706065       1.5447      56.15
3*:       -16.94390        0.800000
(ここからアレイレンズ系ＬＡ)
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　スペック
設計波長      587.56nm
ワイド率      0.944
半画角ω      49.4683°(アレイレンズ系ＬＡに装着時)
　ＤＵ　　デジタル機器（カメラシステム）
　ＬＵ　　撮像光学装置
　ＬＮ　　広角アレイレンズ系（広角アレイ光学系）
　ＬＣ　　アフォーカルレンズ系（アフォーカル光学系，コンバーター）
　ＬＡ　　アレイレンズ系（アレイ光学系）
　ＬＡ－Ｃ　　中心の個眼レンズ系（結像光学系）
　ＬＡ－Ｐ　　周辺の個眼レンズ系（結像光学系）
　Ａ１，Ａ２，Ｃ１，Ｃ２　　レンズ
　ＳＴ　　絞り面
　ＳＲ　　撮像素子
　ＳＳ　　受光面（撮像面）
　ＩＭ　　像面（光学像）
　ＡＸ　　光軸
　１　　信号処理部
　２　　制御部
　３　　メモリー
　４　　操作部
　５　　表示部

Claims (5)

  1. 　１つのアフォーカル光学系と、並列に配置されかつ複数層からなる結像光学系で構成されたアレイ光学系と、を有し、
    　前記アフォーカル光学系に平行光束を入射させると、アフォーカル光学系への入射光束の光束幅よりもアフォーカル光学系からの射出光束の光束幅の方が大きくなり、かつ、アフォーカル光学系への入射光束が光軸に対してなす入射角度よりもアフォーカル光学系からの射出光束が光軸に対してなす射出角度の方が小さくなるように、アフォーカル光学系が平行光束を射出させ、
    　前記複数層からなる結像光学系が、前記１つのアフォーカル光学系を共通に通過した射出光束を各々個別に結像させて複数の光学像を形成することを特徴とする広角アレイ光学系。
  2. 　前記アフォーカル光学系が着脱可能なコンバーターであることを特徴とする請求項１記載の広角アレイ光学系。
  3. 　請求項１又は２記載の広角アレイ光学系と、撮像面上に形成された光学像を電気的な信号に変換する少なくとも１つの撮像素子と、を備え、前記少なくとも１つの撮像素子の撮像面上に前記複数の光学像が形成されるように、前記広角アレイ光学系が設けられていることを特徴とする撮像光学装置。
  4. 　請求項１又は２記載の広角アレイ光学系を備えたことを特徴とするカメラシステム。
  5. 　請求項３記載の撮像光学装置を備えることにより、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方の機能が付加されたことを特徴とするデジタル機器。
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