WO2019187221A1 - レンズ系、撮像装置及び撮像システム - Google Patents

レンズ系、撮像装置及び撮像システム Download PDF

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WO2019187221A1
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lens system
image
lens
free
lens element
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PCT/JP2018/034867
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善夫 松村
寛幸 庄林
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • G02B9/00—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
    • G02B9/12—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having three components only

Definitions

  • the present disclosure relates to a lens system, an imaging apparatus, and an imaging system.
  • Patent Document 1 discloses a method of capturing a panoramic image using a rectangular image sensor.
  • a circular image is formed into a rectangular image by using an annular lens as a fish-eye objective lens.
  • an annular lens as a fish-eye objective lens.
  • the present disclosure provides a lens system, an imaging apparatus, and an imaging system capable of enlarging the vicinity of the center while ensuring a wide angle of view in imaging with an imaging element.
  • the lens system according to the present disclosure is a lens system that forms an image on an image sensor.
  • the lens system includes a first lens element, a second lens element, a third lens element, and a stop arranged in order from the object side to the image plane side along the optical axis.
  • the lens system has a free curved surface that is asymmetric with respect to the optical axis in at least one of the first lens element and the second lens element.
  • the surface shape on the object side of the first lens element is convex on the object side.
  • the surface shape on the image plane side of the second lens element is convex on the object side.
  • the object-side surface shape of the third lens element is convex toward the image surface side.
  • the lens system has one or more free-form surfaces on the image plane side with respect to the stop.
  • the imaging device includes a lens system and an imaging element.
  • the imaging element captures an image formed through a lens system.
  • the imaging system includes an imaging device and an image processing unit.
  • the image processing unit performs image processing on an image captured by the imaging device.
  • a lens system capable of enlarging the vicinity of the center while securing a wide angle of view in imaging with the imaging device.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an imaging apparatus according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • Lens arrangement showing the configuration of the lens system according to Example 1 Scatter chart showing relationship between angle of view and image point in lens system of Numerical Example 1
  • the figure which shows the surface data of the lens system in Numerical Example 1 The figure which shows the various data of the lens system in Numerical Example 1
  • FIG. 3 is a chart showing satisfaction of various conditions in the lens system of Embodiment 1.
  • Lens arrangement diagram showing the configuration of a lens system according to Example 2 The figure which shows the surface data of the lens system in Numerical Example 2 The figure which shows the various data of the lens system in Numerical Example 2 The figure which shows the free-form surface data of the 2nd surface in the lens system of Numerical Example 2. The figure which shows the free-form surface data of the 3rd surface in the lens system of Numerical Example 2. The figure which shows the free-form surface data of the 4th surface in the lens system of Numerical Example 2. The figure which shows the free-form surface data of the 5th surface in the lens system of Numerical Example 2. The figure which shows the free-form surface data of the 6th surface in the lens system of Numerical Example 2.
  • Lens arrangement showing configuration of lens system according to Example 3 The figure which shows the surface data of the lens system in Numerical Example 3 The figure which shows the various data of the lens system in Numerical Example 3 The figure which shows the free-form surface data of the 3rd surface in the lens system of Numerical Example 3. The figure which shows the free-form surface data of the 4th surface in the lens system of Numerical Example 3. The figure which shows the free-form surface data of the 5th surface in the lens system of Numerical Example 3. The figure which shows the free-form surface data of the 6th surface in the lens system of Numerical Example 3. The figure which shows the aspherical surface data of the 7th surface in the lens system of Numerical Example 3.
  • the figure which shows the aspherical surface data of the 14th surface in the lens system of Numerical Example 3. Scatter chart showing relationship between angle of view and image point in lens system of Numerical Example 3
  • Aberration diagram showing various aberrations of the lens system in Numerical Example 3 Lens arrangement showing configuration of lens system according to Example 4
  • the figure which shows the surface data of the lens system in Numerical Example 4 The figure which shows the various data of the lens system in Numerical Example 4
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a horizontal angle of view of an imaging apparatus according to Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a vertical angle of view of an imaging apparatus according to Embodiment 2. Diagram for explaining possible problems in imaging systems for in-vehicle use The figure for demonstrating the means to solve the problem of FIG.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an imaging apparatus 10 according to the present embodiment.
  • the imaging apparatus 10 includes a lens system IL, an imaging element 12, and a signal processing circuit 13 inside a housing 11.
  • the imaging device 10 is a camera that images an object including various subjects.
  • the direction of the optical axis D1 in the imaging device 10 is defined as the Z direction
  • the horizontal direction orthogonal to the Z direction is defined as the X direction
  • the vertical direction orthogonal to the Z and X directions is defined as the Y direction.
  • the lens system IL captures light incident from the outside of the imaging device 10 and forms an image of a subject or the like by the captured light on the imaging surface of the image sensor 12.
  • the lens system IL is composed of a refractive optical system, for example. Details of the lens system IL will be described later.
  • the + Z side in the lens system IL is the image plane side
  • the ⁇ Z side is the object side.
  • the image sensor 12 is, for example, a CCD or a CMOS image sensor.
  • the imaging element 12 has an imaging surface in which a plurality of pixels are two-dimensionally arranged at equal intervals.
  • the imaging element 12 captures an image formed on the imaging surface via the lens system IL, and generates an image signal indicating the captured image.
  • the imaging surface of the imaging device 12 is, for example, a rectangular shape having a long side and a short side.
  • the long side of the image sensor 12 is parallel to the X direction, and the short side is parallel to the Y direction.
  • the signal processing circuit 13 is an example of an image processing unit that performs predetermined image processing on the image signal from the image sensor 12.
  • the image processing is, for example, gamma correction and distortion correction.
  • the imaging apparatus 10 may further include an interface circuit or the like for outputting an image signal after signal processing by the signal processing circuit 13 to an external device. Further, the image processing unit such as the signal processing circuit 13 may be provided outside the imaging apparatus 10.
  • the lens system IL realizes imaging in which the vicinity of the center is enlarged on the imaging surface of the imaging element 12 while ensuring a wide angle of view of the captured image.
  • details of the lens system IL of the present embodiment will be described.
  • Lens System Examples 1 to 4 of the lens system IL will be described below as an example in which the lens system IL according to the present embodiment is specifically implemented.
  • Example 1 The lens system IL1 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 2 is a lens arrangement diagram illustrating the configuration of the lens system IL1 according to the first embodiment.
  • the following lens arrangement diagrams show the arrangement of various lenses, for example, when the lens system IL1 is in focus at infinity.
  • FIG. 2A shows a lens arrangement diagram in the YZ section of the lens system IL1 of the present embodiment.
  • FIG. 2B shows a lens arrangement diagram in the XZ section of the lens system IL1.
  • the YZ cross section and the XZ cross section are virtual cross sections along the optical axis D1 of the lens system IL1.
  • a curved surface with a symbol “*” indicates that it is a free curved surface.
  • the free curved surface is a rotationally asymmetric curved surface with respect to the optical axis D1, and is, for example, an XY polynomial surface described later (see formula (E1)).
  • various symbols are omitted.
  • the lens system IL1 of the present embodiment includes seven lens elements L1 to L7 and a diaphragm A. As shown in FIG. 2A, in the lens system IL1, the first to seventh lens elements L1 to L7 are arranged along the optical axis D1 in order from the object side to the image plane side.
  • the stop A is an aperture stop.
  • the first lens element L1 is a spherical lens having a negative meniscus shape.
  • the first lens element L1 is arranged with the convex surface facing the object side.
  • the second lens element L2 has free curved surfaces on both the object side and the image plane side so that the power (ie, refractive power) is negative, for example.
  • the surface shapes on both sides of the second lens element L2 are convex toward the object side.
  • the third lens element L3 has free curved surfaces on both sides so as to have negative power, for example.
  • the surface shapes on both sides of the third lens element L3 are convex on the image surface side.
  • the fourth lens element L4 is composed of, for example, an aspheric lens and has a biconvex shape.
  • a diaphragm A is disposed between the fourth lens element L4 and the fifth lens element L5.
  • the fifth lens element L5 is a spherical lens having a biconvex shape.
  • the fifth lens element L5 and the sixth lens element L6 are cemented.
  • the sixth lens element L6 is a spherical lens having a negative meniscus shape.
  • the seventh lens element L7 has free curved surfaces on both sides so as to have, for example, positive power.
  • the object-side surface shape of the seventh lens element L7 is convex toward the object side.
  • the surface shape of the seventh lens element L7 on the image plane side is convex on the object side in the XZ section as shown in FIG. 2A, while the image plane is in the YZ section as shown in FIG. Convex to the side.
  • the lens system IL1 of the present embodiment since the surface shape of the first lens element L1 closest to the object side is convex toward the object side, light can be taken into the lens system IL1 from a wide range on the object side, Easy to secure wide corners. Further, the second lens element L2 has an image surface side convex shape on the object side, and the third lens element L3 has an object side surface shape convex on the image surface side. An air lens is formed between the lens elements L2 and L3.
  • the second lens element L2 of the first and second lens elements L1, L2 is provided with a free curved surface
  • the seventh lens element L7 on the image plane side with respect to the stop A is provided with a free curved surface.
  • FIG. 3 is a scatter diagram showing the relationship between the angle of view and the image point P1 in the lens system IL1 of the present embodiment.
  • image points P1 at which incident light forms an image on the image plane are plotted for each predetermined angle width in the entire angle of view of the lens system IL1.
  • the angular width was set to 10 °.
  • the lens system IL1 was set in an infinitely focused state.
  • FIG. 3 is based on Numerical Example 1 in which the lens system IL1 of Example 1 is numerically implemented. Numerical example 1 of the lens system IL1 will be described later.
  • FIG. 3 illustrates the image point P1 in the first quadrant on the XY plane of the image plane with the position of the optical axis D1 as the origin. Since the lens system IL1 of the present embodiment is axisymmetric with respect to the X axis and the Y axis, the second to fourth quadrants are the same as in FIG.
  • the number of image points P1 for each angular width is 10 along the X axis and 9 along the Y axis. That is, a wide field angle of 100 ° in the X direction and a half field angle of 90 ° in the Y direction is realized. Further, the interval between the image points P1 increases as the distance from the origin O increases in both the X direction and the Y direction. That is, it is possible to form an image that is larger than the end portion in an area of a predetermined range near the center on the image plane.
  • the imaging device 10 According to the center enlargement of the image as described above, the pixels on the imaging surface of the image sensor 12 are relatively allocated in the enlarged region near the center more than the other regions (that is, denser). Therefore, the imaging device 10 according to the present embodiment can capture images with higher resolution near the center while securing a wide angle of view. According to FIG. 3, the change in the interval between the image points P1 is remarkable particularly in the Y direction. Thereby, in the imaging device 10 of the present embodiment, it is possible to obtain a high resolution in the vicinity of the center in the vertical direction while enabling imaging of a wide range in the vertical direction.
  • the performance in the diagonal direction between the X axis and the Y axis is due to the rotational symmetry around the origin O. It is conceivable that there will be a shortage.
  • the lens system IL of the present embodiment by using a non-rotationally symmetric free-form surface, as shown in FIG. The interval between P1 can be increased.
  • FIG. 4 is a diagram showing surface data of the lens system IL1 in the numerical value example 1.
  • FIG. 4 shows the surface type, the radius of curvature r and the surface interval d in mm units, and the lens element for the d line for each surface s1 to s14 arranged in order from the object side in the lens system IL1.
  • a refractive index nd and an Abbe number vd are shown.
  • Surface types include spherical surfaces, aspheric surfaces, and XY polynomial surfaces as free-form surfaces.
  • FIG. 5 is a diagram showing various data of the lens system IL1 in the numerical value example 1.
  • the various data in FIG. 5 include the F-number, the vertical half field angle, the horizontal half field angle, the vertical image height at the vertical half field angle, the horizontal image height at the horizontal half field angle, and the vertical half field.
  • the horizontal image height at the angle of view and the optical total length are shown.
  • the unit of various image heights and optical total length is “mm”, and the unit of each half angle of view is “°”.
  • FIG. 6 is a diagram showing free-form surface data of the third surface s3 in the lens system IL1 of Numerical Example 1.
  • FIG. The free-form surface data in FIG. 6 shows various coefficients of an XY polynomial that defines an XY polynomial surface as a free-form surface for the object-side surface of the second lens element L2.
  • the XY polynomial is expressed as the following equation (E1).
  • c is a vertex curvature
  • k is a conic constant
  • cj is a coefficient
  • j is an integer of 2 to 66, and the sum for each j is taken. According to the above equation (E1), the sag amount z at the position of the (x, y) coordinate on the target surface is defined.
  • FIGS. 7 to 9 are diagrams showing free-form surface data of the fourth to sixth surfaces s4 to s6 in the lens system IL1 of Numerical Example 1, respectively.
  • the free-form surface data of FIG. 7 shows various coefficients of the formula (E1) for the image side surface of the second lens element L2 as in FIG.
  • the free-form surface data in FIGS. 8 and 9 indicate various coefficients of the object-side surface and the image-side surface of the third lens element L3, respectively.
  • FIGS. 10 and 11 are diagrams showing aspherical data of the seventh and eighth surfaces s7 and s8 in the lens system IL1 of Numerical Example 1, respectively.
  • Each of the aspheric surface data in FIGS. 10 and 11 shows various coefficients of the following equation (E2) that define the shape of the aspheric surface on the object side surface and the image surface side surface of the fourth lens element L4.
  • h is a height in the radial direction
  • K is a conic constant
  • An is an n-order aspheric coefficient.
  • n is an even number of 4 or more and 20 or less, and the sum for each n is taken.
  • the sag amount z at the radial height h on the target surface is defined as rotationally symmetric.
  • FIGS. 12 and 13 are diagrams showing free-form surface data of the 13th and 14th surfaces s13 and s14 in the lens system IL1 of Numerical Example 1, respectively.
  • the free-form surface data in FIGS. 12 and 13 show various coefficients of the equation (E1) for the object side surface and the image surface side surface of the seventh lens element L7 as in FIG.
  • FIG. 14 is an aberration diagram showing various aberrations of the lens system IL1 in the present embodiment. Each of the following aberration diagrams illustrates various longitudinal aberrations in the infinitely focused state.
  • FIG. 14A shows the spherical aberration “SA” in the lens system IL1.
  • FIGS. 14B, 14C and 14D respectively show astigmatism “AST-V” in the Y direction, astigmatism “AST-H” in the X direction, and astigmatism “AST” in the diagonal direction. -D ".
  • FIGS. 14A to 14D are each expressed in mm.
  • the vertical axis in FIG. 14A is based on the pupil height.
  • FIG. 14A shows a characteristic curve of spherical aberration with respect to d-line, F-line, and c-line.
  • the vertical axis in FIGS. 14B to 14D is based on the half angle of view.
  • FIGS. 14B to 14D show XZ cross sections along the X direction or Y direction and the optical axis D1, respectively, or characteristic curves of astigmatism with respect to YZ.
  • FIG. 15 is a chart showing satisfaction of various conditions in the lens system IL of the present embodiment.
  • the chart shown in FIG. 15 shows that the lens system IL of the present embodiment satisfies the following conditional expressions (1) to (7) in Numerical Examples 1 to 4, respectively.
  • “ ⁇ Z” attached next to the lens elements L1 to L3 and L7 indicates an object side surface
  • “+ Z” indicates an image surface side surface.
  • “L7 (+ Z)” indicates a surface on the image plane side of the seventh lens element L7.
  • Conditional expression (1) is expressed as follows. 0.01 ⁇
  • Smax is the maximum value of the sag amount of the free-form surface at the height of 60% of the longest image height, that is, the maximum sag amount.
  • Smin is a minimum value of the sag amount of the free curved surface at a height of 60% of the longest image height, that is, the minimum sag amount.
  • IH is a length corresponding to 60% of the longest image height.
  • the maximum sag amount and the minimum sag amount are measured over the entire circumference at the above height.
  • the maximum sag amount and the minimum sag amount are the sag amounts at the heights on the X axis and the Y axis.
  • the sag amount has positive and negative depending on the direction in the Z direction, for example.
  • conditional expression (1) If the lower limit of conditional expression (1) is not reached, the difference in the amount of sag is too small, and it becomes difficult to obtain the effect of capturing a wide angle of view while enlarging the vicinity of the center. In addition, it is necessary to increase the number of lenses, which increases the cost. On the other hand, if the upper limit of conditional expression (1) is exceeded, there may be disadvantages in manufacturing the lens system IL1. In addition, it is difficult to appropriately control astigmatism and field curvature in each of the vertical, diagonal, and horizontal directions.
  • Conditional expression (2) is expressed as follows. Nd1> 1.7 (2)
  • Nd1 is the refractive index at the d-line of the first lens element L1.
  • the first lens element L1 is made of, for example, a glass element.
  • the lens system IL1 of Numerical Example 1 satisfies the conditional expression (2) as shown in FIG.
  • Conditional expression (2) is a condition for increasing the refractive index so that the light beam incident from the outside can be bent significantly in the first lens element L1. If the lower limit of conditional expression (2) is not reached, it will be difficult to obtain the performance of enlarging the vicinity of the center while widening the angle of view, such as it becomes difficult to capture light from a wide range in the first lens element L1. Or, it is necessary to increase the number of lenses, which increases the cost.
  • Conditional expression (3) is expressed as follows. 40 ⁇ Vd ⁇ 60 (3)
  • Vd is the Abbe number of the free-form surface lens.
  • a free-form surface lens is a lens element having at least one free-form surface.
  • each free-form surface lens L2, L3, L7 satisfies the conditional expression (3) as shown in FIG.
  • conditional expression (3) it is possible to easily obtain the imaging performance of the lens system IL1 with respect to temperature change by setting the Abbe number of the free-form surface lens within an appropriate range. If the upper limit of conditional expression (3) is exceeded or less than the lower limit, it is difficult to ensure the imaging performance at the time of temperature change. Also, chromatic aberration changes greatly when temperature changes, making it difficult to control appropriately.
  • Conditional expression (4) is expressed as follows. Nd> 1.5 (4)
  • Nd is the refractive index at the d-line of the free-form surface lens.
  • each free-form surface lens L2, L3, L7 satisfies the conditional expression (4) as shown in FIG.
  • conditional expression (4) it is possible to easily control the light beam in a rotationally asymmetric manner by using a free-form lens having a high refractive index in the lens system IL1. If the lower limit of conditional expression (4) is not reached, it will be difficult to obtain the effects described above. Alternatively, an increase in the number of lenses is required, which increases the cost. In addition, it becomes difficult to appropriately control spherical aberration and coma aberration while taking in the central enlargement and the vertical angle of view.
  • Conditional expression (5) is expressed as follows. H ⁇ V ⁇ ⁇ 20 (5)
  • H ⁇ is a half angle of view in the horizontal direction (that is, the X direction).
  • V ⁇ is a half field angle in the vertical direction (that is, the Y direction).
  • conditional expression (5) is satisfied. If the upper limit of conditional expression (5) is exceeded, it will be difficult to obtain a wide-angle effect in both the horizontal and vertical directions.
  • Conditional expression (6) is expressed as follows. 0 ⁇
  • NN is the number of lens elements having a free-form surface and negative power.
  • NP is the number of lens elements having a free-form surface and positive power. Whether the power of NN and NP in the above equation (6) is positive or negative may be determined, for example, in any one of the YZ cross section and the XZ cross section.
  • conditional expression (6) is expressed as shown in FIG. Fulfill.
  • Conditional expression (6) makes it easy to obtain the imaging performance of the lens system IL1 with respect to temperature changes. If the upper limit of conditional expression (6) is exceeded or less than the lower limit, it is difficult to obtain the imaging performance when the temperature changes. Chromatic aberration changes greatly when temperature changes, making it difficult to perform appropriate control. Also, it becomes difficult to properly control the back focus shift that occurs when the temperature changes.
  • Conditional expression (7) is expressed as follows.
  • ⁇ Nd1 is the refractive index change rate of the d-line with respect to the temperature change from 25 ° C. of the first lens element L1.
  • ⁇ NdF is a refractive index change rate of d-line with respect to a temperature change from 25 ° C. of a lens element having a free-form surface.
  • FIG. 15 shows the refractive index change rates ⁇ Nd1 and ⁇ NdF in the respective numerical examples.
  • the lens system IL1 of Numerical Example 1 satisfies the conditional expression (7).
  • Conditional expression (7) makes it easy to obtain the imaging performance of the lens system IL1 with respect to temperature changes. If the lower limit of conditional expression (7) is not reached, it is difficult to obtain the imaging performance when the temperature changes. Chromatic aberration changes greatly when temperature changes, making it difficult to perform appropriate control. Also, it becomes difficult to properly control the back focus shift that occurs when the temperature changes.
  • Example 2 The lens system IL according to the present embodiment is not limited to the lens system IL1 of Example 1 described above, and can be implemented in various forms.
  • the lens system IL2 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 16 shows a configuration of the lens system IL2 according to the second embodiment.
  • FIGS. 16A and 16B are lens arrangement diagrams of the lens system IL2, similarly to FIGS. 2A and 2B, respectively.
  • the lens system IL2 of the second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, and the shape and the like of various lens elements L1 to L7 are changed. For example, a free curved surface is provided on the image plane side of the first lens element L1. Numerical examples corresponding to the lens system IL2 of Example 2 are shown in FIGS.
  • FIG. 17 is a diagram showing surface data of the lens system IL2 in Numerical Example 2.
  • FIG. 18 is a diagram showing various data of the lens system IL2 in the present embodiment.
  • FIGS. 17 and 18 show the respective data in the same manner as FIGS.
  • FIGS. 6 to 9 are diagrams showing free-form surface data of the second to sixth surfaces s2 to s6 in the lens system IL2 of the present embodiment, respectively.
  • the free-form surface data in FIG. 19 shows various coefficients of the equation (E1) for the image side surface of the first lens element L1 as in the numerical example 1.
  • 20 to 23 show the free-form surface data as in FIGS. 6 to 9, respectively.
  • FIGS. 24 and 25 show the aspherical data of the seventh and eighth surfaces s7 and s8 in the lens system IL2 of the present embodiment, respectively, as in FIGS. 26 and 27 show the free-form surface data of the 13th and 14th surfaces s13 and s14 in the lens system IL2, respectively, as in FIGS.
  • FIG. 28 shows the relationship between the angle of view and the image point P2 in the lens system IL2 of the present example.
  • the lens system IL2 of the present embodiment it is possible to realize an image in which the vicinity of the center is enlarged while securing a wide angle of view as in the first embodiment.
  • FIG. 29 shows various aberrations of the lens system IL2 in this example. 29 (a), (b), (c), and (d) show aberration diagrams of the lens system IL2 in the present embodiment, as in FIGS. 14 (a) to (d).
  • the lens system IL2 of the present embodiment satisfies the above-described conditional expressions (1) to (7).
  • conditional expression (1) the free-form surface L2 (+ Z) on the image plane side of the second lens element L2 of the present embodiment has a value of “0.623” in the vicinity of the upper limit value. Also by this, the same effect as Example 1 can be acquired.
  • Example 3 In the lens system IL of the present embodiment, the number of free curved surfaces on the image plane side with respect to the stop A may be one or more. In Example 3, an example of a lens system IL3 having one free-form surface on the image plane side with respect to the stop A will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 30 shows a configuration of a lens system IL3 according to the third embodiment.
  • FIGS. 30A and 30B are lens arrangement diagrams of the lens system IL3 as in FIGS. 2A and 2B, respectively.
  • the image plane side surface of the seventh lens element L7 is changed from a free-form surface to an aspherical surface in the same configuration as that of Example 1. In the present embodiment, there is only one free-form surface closer to the image plane than the stop A on the object side of the seventh lens element L7. Numerical examples corresponding to the lens system IL3 of Example 3 are shown in FIGS.
  • FIG. 31 shows surface data of the lens system IL3 in the numerical value example 3 in the same manner as FIG. 4 in the numerical value example 1.
  • FIG. 32 shows various data of the lens system IL3 in the present embodiment in the same manner as FIG.
  • 33 to 36 show the free-form surface data of the second to sixth surfaces s2 to s6 in the lens system IL3 of the numerical value example 3 in the same manner as the numerical value example 1, respectively.
  • 37 and 38 show aspherical data of the seventh and eighth surfaces s7 and s8 in the lens system IL3 of this embodiment, respectively, as in FIGS.
  • FIG. 39 shows the free-form surface data of the thirteenth surface s13 in the lens system IL3 of the present embodiment
  • FIG. 40 shows aspherical data of the 14th surface s14 in the lens system IL3 of the present embodiment.
  • the aspherical data in FIG. 40 shows various coefficients of the equation (E2) for the image side surface of the seventh lens element L7 as in the case of the aspherical data.
  • FIG. 41 shows the relationship between the angle of view and the image point P3 in the lens system IL3 of the present example.
  • the lens system IL3 of the present embodiment can also realize image formation in which the vicinity of the center is enlarged while ensuring a wide angle of view.
  • FIG. 42 shows various aberrations of the lens system IL3 in this example.
  • FIGS. 42 (a), (b), (c), and (d) show aberration diagrams of the lens system IL3 in the present embodiment, as in FIGS. 14 (a) to (d).
  • the lens system IL3 of the present embodiment also satisfies the conditional expressions (1) to (7).
  • Example 4 In the lens system IL of the present embodiment, at least one of the first and second lens elements L1, L2 may have a free curved surface.
  • Example 4 an example of a lens system IL4 in which the first lens element L1 has a free curved surface while the second lens element L2 does not have a free curved surface will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 43 shows a configuration of a lens system IL4 according to the fourth embodiment.
  • FIGS. 43A and 43B are lens arrangement diagrams of the lens system IL4, respectively, similarly to FIGS. 2A and 2B.
  • the lens system IL4 of Example 4 has the same configuration as that of Example 1, except that both surfaces of the first lens element L1 are changed to free-form surfaces and both surfaces of the second lens element L2 are changed to aspheric surfaces. Numerical examples corresponding to the lens system IL4 of Example 4 are shown in FIGS.
  • FIG. 44 shows surface data of the lens system IL4 in the numerical value example 4 in the same manner as FIG. 4 in the numerical value example 1.
  • FIG. 45 shows various data of the lens system IL4 in the present embodiment in the same manner as FIG.
  • FIGS. 46 and 47 show free-form surface data of the first and second surfaces s1 and s2 in the lens system IL4 of the present embodiment, respectively.
  • Each free-form surface data of FIGS. 46 and 47 shows various coefficients of the formula (E1) for both the object side and the image side of the first lens element L1 as in the numerical example 1.
  • FIGS. 48 and 49 show aspherical data of the third and fourth surfaces s3 and s4 in the lens system IL4 of the present embodiment, respectively.
  • Each of the aspheric surface data in FIGS. 48 and 49 shows various coefficients of the equation (E2) for both surfaces of the second lens element L2 as in the numerical example 1.
  • FIGS. 50 and 51 show the free-form surface data of the fifth and sixth surfaces s5 and s6 in the lens system IL4 of the present embodiment, respectively, as in FIGS. 52 and 53 show aspherical data of the seventh and eighth surfaces s7 and s8 in the lens system IL4, respectively, as in FIGS. 54 and 55 show the free-form surface data of the 13th and 14th surfaces s13 and s14 in the lens system IL4, respectively, as in FIGS.
  • FIG. 56 shows the relationship between the angle of view and the image point P4 in the lens system IL4 of this example.
  • the lens system IL4 of the present embodiment can also realize image formation in which the vicinity of the center is enlarged while ensuring a wide angle of view.
  • FIG. 57 shows various aberrations of the lens system IL4 in this example.
  • FIGS. 57 (a), (b), (c), and (d) show aberration diagrams of the lens system IL4 in the present embodiment, as in FIGS. 14 (a) to (d).
  • the lens system IL4 of the present embodiment also satisfies the conditional expressions (1) to (7).
  • Embodiment 2 demonstrates the example which applies the imaging device 10 provided with the lens system IL mentioned above to vehicle-mounted use.
  • FIG. 58 is a diagram illustrating a configuration of an imaging system according to the second embodiment.
  • the imaging device 10 is applied to a rear camera of a vehicle 100 such as an automobile.
  • the imaging device 10 captures an object behind the vehicle 100 and generates image data.
  • the imaging device 10 is attached to the vehicle 100 in a rearward direction so as to capture a scene behind the vehicle 100.
  • the vehicle 100 includes a control device 20 that processes image data from the imaging device 10, a display device 30 that displays an image based on the image data processed by the control device 20, and a control object 60 that is controlled by the control device 20.
  • the imaging device 10 and the control device 20 constitute an imaging system.
  • the imaging system may include a display device 30 in addition to or instead of the control device 20.
  • the control device 20 is an example of an image processing unit that acquires image data from the imaging device 10.
  • the control device 20 recognizes various objects such as a person, a bicycle, and a vehicle obstacle behind the vehicle 100 by image analysis, and controls the control target 60 as necessary.
  • the control target 60 is, for example, a brake, an accelerator, a warning device, or the like.
  • the control device 20 performs predetermined image processing on the image data from the imaging device 10 and generates image data to be displayed on the display device 30.
  • the control device 20 includes a CPU or MPU that realizes various functions by executing a program stored in an internal memory such as a flash memory.
  • the control device 20 may include a dedicated hardware circuit designed to realize a desired function. That is, the control device 20 may include a CPU, MPU, DSP, FPGA, ASIC, or the like.
  • the display device 30 is an electronic room mirror or a vehicle-mounted display.
  • the display device 30 includes a display device such as a liquid crystal display panel or an organic EL display, and a drive circuit that drives the display device.
  • a display device such as a liquid crystal display panel or an organic EL display
  • a drive circuit that drives the display device.
  • the display device 30 displays an image of a scene behind the vehicle 100 captured by the imaging device 10.
  • the driver can grasp the situation behind the vehicle 100 by confirming the image when the vehicle 100 is moving backward, and can safely move the vehicle 100 backward.
  • FIG. 59 is a diagram illustrating a horizontal angle of view of the imaging apparatus 10.
  • FIG. 60 is a diagram illustrating the angle of view in the vertical direction of the imaging apparatus 10.
  • the imaging apparatus 10 can capture a range of an angle of view of 200 ° in the horizontal direction. As illustrated in FIG. 60, the imaging apparatus 10 has a range of 180 ° in the vertical direction. Can be taken. As described above, according to the imaging apparatus 10 of the present embodiment, it is possible to perform imaging with a wide angle of view.
  • the imaging device 10 is attached to a rear bumper or the like of the vehicle 100 with a predetermined depression angle.
  • FIG. 61A illustrates an image captured by a conventional rear camera.
  • FIG. 61B shows an example of a captured image in the case where the angle of view is widened from FIG.
  • the face of the person 210 is displayed when the field angle range that can be photographed in the vertical direction is narrow.
  • the part that includes is out of the range of the angle of view.
  • the face of the person 210 is not included, and there is a possibility that the person is not detected in the image analysis based on the captured image.
  • the imaging device 10 is attached to the vehicle 100 with a depression angle, when a person is located near the vehicle 100, the face is less likely to be photographed. Therefore, in order to more surely include the portion including the human face within the field angle range, it is conceivable to widen the vertical field angle of the imaging device 10.
  • simply widening the angle of view in the vertical direction can cause the following problems.
  • the captured image shown in FIG. 61B has the same image size as the captured image shown in FIG. 61A, but includes a wider subject range. For this reason, the size of each object included in the captured image illustrated in FIG. 61B is smaller than that included in the captured image illustrated in FIG.
  • the size of the person 220 located away from the vehicle 100 in the captured image of FIG. 61 (B) is smaller than that of FIG. 61 (A). For this reason, the resolution of the image of the face portion of the person 220 is insufficient, and there is a problem that face detection cannot be performed by image analysis on the person 220. Especially when the person 220 is a small child, this problem becomes more noticeable because the face size is small.
  • FIG. 62A illustrates a captured image similar to that in FIG.
  • FIG. 62B illustrates an image captured by the imaging device 10 of the present embodiment in the same situation as FIG.
  • the image shown in FIG. 62 (A) is obtained by forming an image with a uniform enlargement ratio, similarly to FIGS. 61 (A) and (B).
  • the imaging apparatus 10 of the present embodiment can obtain a sufficient resolution for an image region such as a central portion to be watched while expanding the field angle as a whole in the vertical direction by the lens system IL described above. Then, an image of the subject is formed on the image sensor 12. Thereby, in the imaging device 10 of the present embodiment, an image as shown in FIG.
  • the image shown in FIG. 62B has a vertical angle of view of 180 ° in the same manner as the image shown in FIG. 62A, and compared with the image shown in FIG.
  • the image at the upper and lower ends (that is, the range of the angle of view of 30 °) is compressed.
  • the problem mentioned above can be solved.
  • the imaging device 10 of the present embodiment since it has a wide angle of view in the vertical direction, as shown in FIG. 60, even when there is a person near the rear of the vehicle 100, FIG. As shown in FIG. 4, an image including the upper part of the person (that is, the part including the face) can be taken. Therefore, a person can be detected more reliably by face detection by image analysis. Furthermore, according to the imaging apparatus 10 of the present embodiment, it is possible to generate an image with a high resolution in the central portion of the imaging range that is an important area for sensing. Therefore, for example, even when there is a small child in the central region of the imaging range behind the vehicle 100, the image is enlarged and thus image data having a size sufficient for image analysis can be obtained. For this reason, even a child with a small body size can be recognized more reliably.
  • the imaging apparatus 10 of the present embodiment it is possible to capture an image with a wide angle of view, and it is possible to capture an image with a high resolution with respect to a subject in the center of the imaging range. Therefore, the accuracy of image analysis using the captured image can be improved.
  • the imaging system includes the imaging device 10 and the control device 20 as an example of an image processing unit.
  • the control device 20 performs image processing on an image captured by the imaging device 10.
  • the lens system IL of the imaging device 10 can capture an image with a high resolution of the central portion necessary for sensing or the like while ensuring a wide angle of view as a whole. Therefore, the analysis accuracy of the captured image can be improved. Further, by actively changing the vertical resolution and the horizontal resolution of the image formed on the imaging surface, the horizontal angle of view and the vertical image of the optical system are independent of the aspect ratio of the image sensor 12. The corner can be set arbitrarily.
  • Embodiments 1 and 2 have been described as examples of the technology disclosed in the present application. However, the technology in the present disclosure is not limited to this, and can also be applied to an embodiment in which changes, substitutions, additions, omissions, and the like are appropriately performed. Moreover, it is also possible to combine each component demonstrated by each said embodiment into a new embodiment. Accordingly, other embodiments will be exemplified below.
  • the lens system IL includes the seven lens elements L1 to L7 has been described.
  • the number of lens elements in the lens system IL of the present embodiment is not limited to 7, and may be 8 or more, or 6 or less.
  • the imaging device 10 is arranged so as to capture a scene behind the vehicle.
  • the imaging device 10 may be arranged so as to capture a scene in front or side of the vehicle.
  • the vehicle 100 of an automobile has been described as an example of a moving body to which the imaging device 10 is applied, but the moving body is not limited to an automobile.
  • the imaging device of the above embodiment may be applied to other mobile objects, for example, agricultural machines such as railways, ships, aircrafts, robots, robot arms, drones, and combines, or construction machines such as cranes.
  • the imaging device 10 may be applied to a surveillance camera.
  • the image capturing apparatus 10 performs gamma correction, distortion correction, and the like on the image.
  • the image processing may be performed by the control apparatus 20.
  • gamma correction may be performed in the imaging device 10 and distortion correction may be performed in the control device 20.
  • angle of view, the resolution, and the like shown in each of the above-described embodiments are examples, and can be appropriately set according to an object and an event to be subjected to image analysis.
  • the first aspect according to the present disclosure is a lens system that forms an image on an image sensor.
  • the lens system includes a first lens element, a second lens element, a third lens element, and a stop arranged in order from the object side to the image plane side along the optical axis.
  • the lens system has a free curved surface that is asymmetric with respect to the optical axis in at least one of the first lens element and the second lens element.
  • the surface shape on the object side of the first lens element is convex on the object side.
  • the surface shape on the image plane side of the second lens element is convex on the object side.
  • the object-side surface shape of the third lens element is convex toward the image surface side.
  • the lens system has one or more free-form surfaces on the image plane side with respect to the stop.
  • the above lens system while using a free curved surface in at least one of the first and second lens elements and a free curved surface closer to the image plane than the stop, while ensuring a wide angle of view in image formation on the imaging element.
  • the vicinity of the center can be enlarged.
  • the lens system of the first aspect has a free-form surface that satisfies the following conditional expression (1). 0.01 ⁇
  • the first lens element satisfies the following conditional expression (2).
  • the lens element having a free-form surface satisfies the following conditional expression (3). 40 ⁇ Vd ⁇ 60 (3) here, Vd: Abbe number of the lens element having the free-form surface.
  • the lens element having a free-form surface satisfies the following conditional expression (4).
  • the lens system of any one of the first to fifth aspects satisfies the following conditional expression (5).
  • H ⁇ V ⁇ ⁇ 20 (5) here, H ⁇ : Half field angle in the horizontal direction
  • V ⁇ Half field angle in the vertical direction.
  • the lens system of any one of the first to sixth aspects satisfies the following conditional expression (6). 0 ⁇
  • the lens system of any one of the first to seventh aspects satisfies the following conditional expression (7).
  • the ninth aspect is an imaging apparatus including the lens system according to any one of the first to eighth aspects and an imaging element.
  • the imaging element captures an image formed through a lens system.
  • the lens system can enlarge the vicinity of the center while securing a wide angle of view in image formation on the image pickup element.
  • the tenth aspect is an imaging system including the imaging device according to the ninth aspect and an image processing unit.
  • the image processing unit performs image processing on an image captured by the imaging device.
  • the lens system of the image pickup apparatus can enlarge the vicinity of the center while securing a wide angle of view in image formation on the image pickup device.
  • the lens system according to the present disclosure can be applied to an imaging apparatus for various purposes, and can be applied to, for example, an in-vehicle camera, a surveillance camera, a Web camera, a digital camera, and the like.
  • the lens system according to the present disclosure may be provided in an interchangeable lens device.

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Abstract

撮像素子（１２）に結像するレンズ系（ＩＬ）は、光軸（Ｄ１）に沿って物体側から像面側へ順番に並んだ第１レンズ素子（Ｌ１）、第２レンズ素子（Ｌ２）及び第３レンズ素子（Ｌ３）と、絞り（Ａ）とを備える。レンズ系は、第１レンズ素子と第２レンズ素子との少なくとも一方に、光軸に対して非対称である自由曲面を有する。第１レンズ素子の物体側の面形状が、物体側に凸である。第２レンズ素子の像面側の面形状が、物体側に凸である。第３レンズ素子の物体側の面形状が、像面側に凸である。レンズ系は、絞りよりも像面側に１つ以上の自由曲面を有する。

Description

レンズ系、撮像装置及び撮像システム
　本開示は、レンズ系、撮像装置及び撮像システムに関する。
　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している。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いる。これにより、長方形の画像センサにおいて、矩形の撮像素子に矩形画像を結像させ、パノラマ画像を撮像することができる。
国際公開第２００３／０１０５９９号
　本開示は、撮像素子における結像において、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大することができるレンズ系、撮像装置及び撮像システムを提供する。
　本開示に係るレンズ系は、撮像素子に結像するレンズ系である。レンズ系は、光軸に沿って物体側から像面側へ順番に並んだ第１レンズ素子、第２レンズ素子及び第３レンズ素子と、絞りとを備える。レンズ系は、第１レンズ素子と第２レンズ素子との少なくとも一方に、光軸に対して非対称である自由曲面を有する。第１レンズ素子の物体側の面形状が、物体側に凸である。第２レンズ素子の像面側の面形状が、物体側に凸である。第３レンズ素子の物体側の面形状が、像面側に凸である。レンズ系は、絞りよりも像面側に１つ以上の自由曲面を有する。
　本開示に係る撮像装置は、レンズ系と、撮像素子とを備える。撮像素子は、レンズ系を介して結像した像を撮像する。
　本開示に係る撮像システムは、撮像装置と、画像処理部とを備える。画像処理部は、撮像装置によって撮像される画像に対する画像処理を行う。
　本開示によると、撮像素子における結像において、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大することができるレンズ系、撮像装置及び撮像システムを提供できる。
本開示の実施形態１に係る撮像装置の構成を示す図 実施例１に係るレンズ系の構成を示すレンズ配置図 数値実施例１のレンズ系における画角と像点との関係を示す散布図 数値実施例１におけるレンズ系の面データを示す図 数値実施例１におけるレンズ系の各種データを示す図 数値実施例１のレンズ系における３番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例１のレンズ系における４番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例１のレンズ系における５番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例１のレンズ系における６番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例１のレンズ系における７番目の面の非球面データを示す図 数値実施例１のレンズ系における８番目の面の非球面データを示す図 数値実施例１のレンズ系における１３番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例１のレンズ系における１４番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例１におけるレンズ系の諸収差を示す収差図 実施形態１のレンズ系における諸条件の充足性を示す図表 実施例２に係るレンズ系の構成を示すレンズ配置図 数値実施例２におけるレンズ系の面データを示す図 数値実施例２におけるレンズ系の各種データを示す図 数値実施例２のレンズ系における２番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例２のレンズ系における３番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例２のレンズ系における４番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例２のレンズ系における５番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例２のレンズ系における６番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例２のレンズ系における７番目の面の非球面データを示す図 数値実施例２のレンズ系における８番目の面の非球面データを示す図 数値実施例２のレンズ系における１３番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例２のレンズ系における１４番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例２のレンズ系における画角と像点との関係を示す散布図 数値実施例２におけるレンズ系の諸収差を示す収差図 実施例３に係るレンズ系の構成を示すレンズ配置図 数値実施例３におけるレンズ系の面データを示す図 数値実施例３におけるレンズ系の各種データを示す図 数値実施例３のレンズ系における３番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例３のレンズ系における４番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例３のレンズ系における５番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例３のレンズ系における６番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例３のレンズ系における７番目の面の非球面データを示す図 数値実施例３のレンズ系における８番目の面の非球面データを示す図 数値実施例３のレンズ系における１３番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例３のレンズ系における１４番目の面の非球面データを示す図 数値実施例３のレンズ系における画角と像点との関係を示す散布図 数値実施例３におけるレンズ系の諸収差を示す収差図 実施例４に係るレンズ系の構成を示すレンズ配置図 数値実施例４におけるレンズ系の面データを示す図 数値実施例４におけるレンズ系の各種データを示す図 数値実施例４のレンズ系における１番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例４のレンズ系における２番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例４のレンズ系における３番目の面の非球面データを示す図 数値実施例４のレンズ系における４番目の面の非球面データを示す図 数値実施例４のレンズ系における５番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例４のレンズ系における６番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例４のレンズ系における７番目の面の非球面データを示す図 数値実施例４のレンズ系における８番目の面の非球面データを示す図 数値実施例４のレンズ系における１３番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例４のレンズ系における１４番目の面の自由曲面データを示す図 数値実施例４のレンズ系における画角と像点との関係を示す散布図 数値実施例４におけるレンズ系の諸収差を示す収差図 実施形態２における撮像システムの構成を示す図 実施形態２における撮像装置の水平方向の画角を説明するための図 実施形態２における撮像装置の垂直方向の画角を説明するための図 車載用途の撮像システムにおいて想定される問題点を説明するための図 図６１の問題点を解決する手段を説明するための図
　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、或いは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、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
（実施形態１）
　以下、本開示に係るレンズ系及び撮像装置の実施形態１を、図面を用いて説明する。
１．撮像装置について
　本実施形態に係る撮像装置について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る撮像装置１０の構成を示す図である。
　本実施形態に係る撮像装置１０は、例えば図１に示すように、筐体１１の内部において、レンズ系ＩＬと、撮像素子１２と、信号処理回路１３とを備える。撮像装置１０は、各種の被写体を含む物体を撮像するカメラである。以下、撮像装置１０における光軸Ｄ１の方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する水平方向をＸ方向とし、Ｚ，Ｘ方向に直交する垂直方向をＹ方向とする。
　レンズ系ＩＬは、撮像装置１０の外部から入射する光を取り込んで、取り込んだ光による被写体等の像を撮像素子１２の撮像面に結像する。レンズ系ＩＬは、例えば屈折光学系で構成される。レンズ系ＩＬの詳細については後述する。以下、図１に示すように、レンズ系ＩＬにおける＋Ｚ側を像面側とし、－Ｚ側を物体側とする。
　撮像素子１２は、例えばＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサである。撮像素子１２は、複数の画素が等間隔で二次元的に配置された撮像面を有する。撮像素子１２は、レンズ系ＩＬを介して撮像面に結像した像を撮像し、撮像画像を示す画像信号を生成する。撮像素子１２の撮像面は、例えば長辺及び短辺を有する矩形状である。撮像素子１２の長辺はＸ方向に平行であり、短辺はＹ方向に平行であることとする。
　信号処理回路１３は、撮像素子１２からの画像信号に対して所定の画像処理を施す画像処理部の一例である。画像処理は、例えばガンマ補正および歪曲補正等である。撮像装置１０は、信号処理回路１３による信号処理後の画像信号を外部機器に出力するためのインタフェース回路等をさらに備えてもよい。また、信号処理回路１３等の画像処理部は、撮像装置１０の外部に設けられてもよい。
　以上のような撮像装置１０において、本実施形態のレンズ系ＩＬは、撮像画像の画角を広く確保しながら、撮像素子１２の撮像面上で中央近傍が拡大されるような結像を実現する。以下、本実施形態のレンズ系ＩＬの詳細について説明する。
２．レンズ系について
　本実施形態に係るレンズ系ＩＬが具体的に実施される一例として、レンズ系ＩＬの実施例１～４を以下説明する。
２－１．実施例１
　図２～１４を用いて、実施例１に係るレンズ系ＩＬ１について説明する。
　図２は、実施例１に係るレンズ系ＩＬ１の構成を示すレンズ配置図である。以下の各レンズ配置図は、例えばレンズ系ＩＬ１の無限遠合焦状態において、各種レンズの配置を示す。図２（ａ）は、本実施例のレンズ系ＩＬ１のＹＺ断面におけるレンズ配置図を示す。図２（ｂ）は、レンズ系ＩＬ１のＸＺ断面におけるレンズ配置図を示す。ＹＺ断面及びＸＺ断面は、それぞれレンズ系ＩＬ１の光軸Ｄ１に沿った仮想的な断面である。
　図２（ａ）において、記号「＊」を付した曲面は、自由曲面であることを示す。自由曲面は、光軸Ｄ１に対して回転非対称な曲面であり、例えば後述するＸＹ多項式面である（式（Ｅ１）参照）。なお、図２（ｂ）では、各種符号を省略している。
　本実施例のレンズ系ＩＬ１は、７枚のレンズ素子Ｌ１～Ｌ７と、絞りＡとを備える。図２（ａ）に示すように、レンズ系ＩＬ１においては第１～第７レンズ素子Ｌ１～Ｌ７が、物体側から像面側へ順番に、光軸Ｄ１に沿って並んでいる。絞りＡは、開口絞りである。
　本実施例において、第１レンズ素子Ｌ１は、負メニスカス形状を有する球面レンズである。第１レンズ素子Ｌ１は、凸面を物体側に向けて配置される。第２レンズ素子Ｌ２は、例えばパワー（即ち屈折力）が負になるように、物体側と像面側との両側に自由曲面を有する。第２レンズ素子Ｌ２の両側の面形状は、物体側に向かって凸である。第３レンズ素子Ｌ３は、例えば負のパワーを有するように、両側に自由曲面を有する。第３レンズ素子Ｌ３の両側の面形状は、像面側に凸である。
　また、第４レンズ素子Ｌ４は、例えば非球面レンズで構成され、両凸形状を有する。第４レンズ素子Ｌ４と第５レンズ素子Ｌ５との間には、絞りＡが配置される。第５レンズ素子Ｌ５は、両凸形状を有する球面レンズである。第５レンズ素子Ｌ５と第６レンズ素子Ｌ６とは接合される。第６レンズ素子Ｌ６は、負メニスカス形状を有する球面レンズである。
　本実施例において、第７レンズ素子Ｌ７は、例えば正のパワーを有するように、両側に自由曲面を有する。第７レンズ素子Ｌ７の物体側の面形状は、物体側に凸である。第７レンズ素子Ｌ７の像面側の面形状は、図２（ａ）に示すようにＸＺ断面においては物体側に凸である一方、図２（ｂ）に示すようにＹＺ断面においては像面側に凸である。
　以上のような本実施例のレンズ系ＩＬ１においては、最も物体側の第１レンズ素子Ｌ１の面形状が物体側に凸であることから、物体側の広範囲から光をレンズ系ＩＬ１に取り込め、画角を広く確保し易い。また、第２レンズ素子Ｌ２の像面側の面形状が物体側に凸であり、且つ第３レンズ素子Ｌ３の物体側の面形状が像面側に凸であることにより、第２及び第３レンズ素子Ｌ２，Ｌ３間に空気レンズが形成される。
　さらに、第１及び第２レンズ素子Ｌ１，Ｌ２のうちの第２レンズ素子Ｌ２に自由曲面が設けられ、且つ絞りＡよりも像面側の第７レンズ素子Ｌ７に自由曲面が設けられる。以上のレンズ系ＩＬ１によると、物体側から取り込んだ光線を光軸Ｄ１に対して非対称に制御して、像面において中央近傍を拡大した像を得ることができる。このようなレンズ系ＩＬ１の作用効果について、図３を用いて説明する。
　図３は、本実施例のレンズ系ＩＬ１における画角と像点Ｐ１との関係を示す散布図である。図３においては、レンズ系ＩＬ１の画角全体における所定の角度幅毎に、入射する光が像面上で結像する像点Ｐ１をプロットしている。当該角度幅は、１０°に設定した。また、レンズ系ＩＬ１は、無限遠合焦状態に設定した。
　図３のプロットは、実施例１のレンズ系ＩＬ１を数値的に実施した数値実施例１に基づいている。レンズ系ＩＬ１の数値実施例１については後述する。図３では、光軸Ｄ１の位置を原点とする像面のＸＹ平面において、第１象限の像点Ｐ１を例示している。本実施例のレンズ系ＩＬ１は、Ｘ軸及びＹ軸に対して線対称であることから、第２～第４象限についても図３と同様である。
　図３によると、本実施例のレンズ系ＩＬ１において、上記の角度幅毎の像点Ｐ１の個数が、Ｘ軸に沿って１０個であり、Ｙ軸に沿って９個である。つまり、Ｘ方向において１００°の半画角、且つＹ方向において９０°の半画角という広い画角が実現されている。さらに、像点Ｐ１間の間隔は、Ｘ方向においてもＹ方向においても、原点Ｏに近付くほど大きくなっている。つまり、像面上で中央近傍における所定範囲の領域において、端部よりも拡大される像を結像することができる。
　上記のような像の中央拡大によると、相対的に撮像素子１２の撮像面上の画素が、中央近傍の拡大された領域において他の領域よりも多く（即ち密に）割り当てられることとなる。よって、本実施形態の撮像装置１０は、広い画角を確保しながら、中央近傍ほど高解像度で撮像することができる。図３によると、特にＹ方向において、像点Ｐ１間の間隔の変化が顕著である。これにより、本実施形態の撮像装置１０において、垂直方向における広範囲を撮像可能にしながら、垂直方向の中央近傍を高解像度にすることができる。
　また、例えば上記のレンズ系ＩＬ１における全ての自由曲面の代わりに、アナモルフィック非球面を用いたとすると、原点Ｏの周りの回転対称性により、Ｘ軸及びＹ軸間の対角方向において、性能が不足することが考えられる。これに対して、本実施形態のレンズ系ＩＬでは、非回転対称な自由曲面を用いることにより、図３に示すように、対角方向においても画角を広く確保しながら、中央近傍ほど像点Ｐ１間の間隔を大きくすることができる。
　以上のような実施例１のレンズ系ＩＬ１に対応する数値実施例１について、図４～１４を参照して説明する。
　図４は、数値実施例１におけるレンズ系ＩＬ１の面データを示す図である。図４の面データは、レンズ系ＩＬ１において物体側から順番に並ぶ各面ｓ１～ｓ１４について、各々の面のタイプと、ｍｍ単位の曲率半径ｒ及び面間隔ｄと、ｄ線に対する各レンズ素子の屈折率ｎｄ及びアッベ数ｖｄとを示している。面のタイプは、球面と、非球面と、自由曲面としてのＸＹ多項式面とを含む。
　図５は、数値実施例１におけるレンズ系ＩＬ１の各種データを示す図である。図５の各種データは、本数値実施例のＦナンバーと、垂直半画角と、水平半画角と、垂直半画角における垂直像高と、水平半画角における水平像高と、垂直半画角における水平像高と、光学全長とを示している。各種像高及び光学全長の単位は「ｍｍ」であり、各半画角の単位は「°」である。
　図６は、数値実施例１のレンズ系ＩＬ１における３番目の面ｓ３の自由曲面データを示す図である。図６の自由曲面データは、第２レンズ素子Ｌ２の物体側の面について、自由曲面としてのＸＹ多項式面を規定するＸＹ多項式の各種係数を示す。ＸＹ多項式は、次式（Ｅ１）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　上式（Ｅ１）において、ｃは頂点曲率であり、ｋはコーニック定数であり、ｃｊは係数である。上式（Ｅ１）の右辺第２項において、例えばｊは２以上６６以下の整数であり、各ｊについての総和が取られる。上式（Ｅ１）によると、対象とする面上の（ｘ，ｙ）座標の位置におけるサグ量ｚが規定される。
　図７～９は、それぞれ数値実施例１のレンズ系ＩＬ１における４～６番目の面ｓ４～ｓ６の自由曲面データを示す図である。図７の自由曲面データは、第２レンズ素子Ｌ２の像面側の面について、図６と同様に式（Ｅ１）の各種係数を示す。同様に、図８，９の各自由曲面データは、それぞれ第３レンズ素子Ｌ３の物体側及び像面側の面の各種係数を示す。
　図１０，１１は、それぞれ数値実施例１のレンズ系ＩＬ１における７，８番目の面ｓ７，ｓ８の非球面データを示す図である。図１０，１１の各非球面データは、それぞれ第４レンズ素子Ｌ４の物体側及び像面側の面について、非球面の形状を規定する次式（Ｅ２）の各種係数を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　上式（Ｅ２）において、ｈは径方向の高さであり、Ｋはコーニック定数であり、Ａｎはｎ次の非球面係数である。上式（Ｅ２）の右辺第２項において、例えばｎは４以上２０以下の偶数であり、各ｎについての総和が取られる。上式（Ｅ１）によると、対象とする面上の径方向の高さｈにおけるサグ量ｚが、回転対称に規定される。
　図１２，１３は、それぞれ数値実施例１のレンズ系ＩＬ１における１３，１４番目の面ｓ１３，ｓ１４の自由曲面データを示す図である。図１２，１３の自由曲面データは、それぞれ第７レンズ素子Ｌ７の物体側及び像面側の面について、図６と同様に式（Ｅ１）の各種係数を示す。
　図１４は、本実施例におけるレンズ系ＩＬ１の諸収差を示す収差図である。以下の各収差図は、無限遠合焦状態における各種の縦収差を例示する。図１４（ａ）は、レンズ系ＩＬ１における球面収差「ＳＡ」を示す。図１４（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれＹ方向における非点収差「ＡＳＴ－Ｖ」、Ｘ方向における非点収差「ＡＳＴ－Ｈ」、及び対角方向における非点収差「ＡＳＴ－Ｄ」を示す。
　図１４（ａ）～（ｄ）の横軸は、それぞれｍｍ単位で表される。図１４（ａ）の縦軸は、瞳高さを基準としている。図１４（ａ）では、ｄ線、Ｆ線及びｃ線に対する球面収差の特性曲線を示している。また、図１４（ｂ）～（ｄ）の縦軸は、半画角を基準としている。図１４（ｂ）～（ｄ）では、それぞれＸ方向又はＹ方向と光軸Ｄ１とに沿ったＸＺ断面又はＹＺに関する非点収差の特性曲線を示している。
　なお、本実施形態では、例えば図６～９，１２，１３に示すように、各自由曲面においてＸＹ多項式のｘ及びｙの偶数項のみを使用している。このため、対角方向の収差「ＡＳＴ－Ｄ」等は、第１～第４象限のいずれにおいても同じになる。
３－２．諸条件について
　以上のレンズ系ＩＬ１の数値実施例１を用いて、本実施形態に係るレンズ系ＩＬが満たす各種条件について、図１５を参照して説明する。
　図１５は、本実施形態のレンズ系ＩＬにおける諸条件の充足性を示す図表である。図１５に示す図表は、本実施形態のレンズ系ＩＬが、各数値実施例１～４においてそれぞれ下記の条件式（１）～（７）を満たすことを示している。図１５において、レンズ素子Ｌ１～Ｌ３，Ｌ７の隣に付した「－Ｚ」は物体側の面であることを示し、「＋Ｚ」は像面側の面であることを示す。例えば「Ｌ７（＋Ｚ）」は、第７レンズ素子Ｌ７の像面側の面を示す。
　条件式（１）は、以下のように表される。
０．０１＜｜Ｓｍａｘ－Ｓｍｉｎ｜／ＩＨ＜０．６５　　…（１）
　ここで、Ｓｍａｘは、最長像高の６０％の高さにおける自由曲面のサグ量の最大値、即ち最大サグ量である。Ｓｍｉｎは、最長像高の６０％の高さにおける同自由曲面のサグ量の最小値、即ち最小サグ量である。ＩＨは、最長像高の６０％の高さ分の長さである。
　上式（１）において、最大サグ量及び最小サグ量は、上記の高さにおける全周にわたって測定される。例えば、自由曲面がＸ軸及びＹ軸に関して線対称な場合、最大サグ量及び最小サグ量は、Ｘ軸及びＹ軸上の上記高さにおけるサグ量である。サグ量は、例えばＺ方向における向きに応じた正負を有する。
　条件式（１）の下限を下回ると、サグ量の違いが少な過ぎて、中央近傍を拡大しながら画角を広く取り込む効果を得ることが難しくなる。また、レンズ枚数の増加が必要になり、コストアップの要因となる。一方、条件式（１）の上限を上回ると、レンズ系ＩＬ１の製造において不利が生じ得る。また、垂直、対角及び水平方向それぞれにおいて適切に非点収差および像面湾曲を制御することが困難となる。
　数値実施例１のレンズ系ＩＬ１によると、図１５に示すように、全ての自由曲面Ｌ２（－Ｚ）～Ｌ７（＋Ｚ）が、条件式（１）を満たしている。条件式（１）によると、自由曲面上でサグ量を異ならせることによって回転非対称に自由曲面を変化させ、画角を広げながら中央近傍を拡大し易くすることができる。なお、本実施形態のレンズ系ＩＬでは、必ずしも全ての自由曲面が条件式（１）を満たさなくてもよい。
　条件式（２）は、以下のように表される。
Ｎｄ１＞１．７　　…（２）
　ここで、Ｎｄ１は、第１レンズ素子Ｌ１のｄ線における屈折率である。第１レンズ素子Ｌ１は、例えばガラス素子で構成される。例えば数値実施例１のレンズ系ＩＬ１は、図１５に示すように条件式（２）を満たす。
　条件式（２）は、第１レンズ素子Ｌ１において外部から入射する光の光線を大幅に曲げられるように、屈折率を高くする条件である。条件式（２）の下限を下回ると、第１レンズ素子Ｌ１において広範囲からの光を取り込み難くなる等、画角を広くしながら中央近傍を拡大する性能を得難くなる。或いは、レンズ枚数の増加が必要になり、コストアップの要因となってしまう。
　条件式（３）は、以下のように表される。
４０＜Ｖｄ＜６０　　…（３）
　ここで、Ｖｄは、自由曲面レンズのアッベ数である。自由曲面レンズは、少なくとも１つの自由曲面を有するレンズ素子である。例えば数値実施例１において、各自由曲面レンズＬ２，Ｌ３，Ｌ７は、図１５に示すように条件式（３）を満たす。
　条件式（３）によると、自由曲面レンズのアッベ数を適切な範囲に設定することにより、温度変化に対するレンズ系ＩＬ１の結像性能を得やすくすることができる。条件式（３）の上限を上回ったり、下限を下回ったりすると、温度変化時の結像性能を確保することが難しくなる。また、温度変化時に色収差が大きく変化し、適切に制御することが難しくなる。
　条件式（４）は、以下のように表される。
Ｎｄ＞１．５　　…（４）
　ここで、Ｎｄは、自由曲面レンズのｄ線における屈折率である。例えば数値実施例１において、各自由曲面レンズＬ２，Ｌ３，Ｌ７は、図１５に示すように条件式（４）を満たす。
　条件式（４）によると、レンズ系ＩＬ１において高い屈折率の自由曲面レンズを用いて、光線を回転非対称に制御し易くすることができる。条件式（４）の下限を下回ると、上述した効果を得難くなる。或いは、レンズ枚数の増加を要し、コストアップの要因となる。また、中央拡大および垂直画角を取り込みつつ、球面収差、コマ収差を適切に制御することが困難となる。
　条件式（５）は、以下のように表される。
Ｈω－Ｖω＜２０　　…（５）
　ここで、Ｈωは、水平方向（即ちＸ方向）の半画角である。Ｖωは、垂直方向（即ちＹ方向）の半画角である。
　数値実施例１においては、図５より、Ｈω＝１００°で且つＶω＝９０°であることから、条件式（５）を満たす。条件式（５）の上限を上回ると、水平方向および垂直方向ともに広角の効果を得難くなる。
　条件式（６）は、以下のように表される。
０≦｜ＮＮ－ＮＰ｜≦２　　…（６）
　ここで、ＮＮは、自由曲面を有し、且つ負のパワーを有するレンズ素子の枚数である。ＮＰは、自由曲面を有し、且つ正のパワーを有するレンズ素子の枚数である。上式（６）におけるＮＮ及びＮＰのパワーの正負は、例えばＹＺ断面とＸＺ断面とのいずれか一方において判定されてもよい。
　数値実施例１によると、自由曲面レンズＬ２，Ｌ３，Ｌ７のうちの２枚のパワーが負である一方、１枚パワーが正であることから、図１５に示すように条件式（６）を満たす。条件式（６）によると、温度変化に対するレンズ系ＩＬ１の結像性能を得やすくすることができる。条件式（６）の上限を上回ったり、下限を下回ったりすると、温度変化時の結像性能が得難くなる。温度変化時に色収差が大きく変化し、適切な制御を行い難くなる。また、温度変化時に生じるバックフォーカスのズレを適切に制御し難くなる。
　条件式（７）は、以下のように表される。
｜ΔＮｄＦ／ΔＮｄ１｜＞１０　…（７）
　ここで、ΔＮｄ１は、第１レンズ素子Ｌ１の、２５℃からの温度変化に対するｄ線の屈折率変化率である。ΔＮｄＦは、自由曲面を有するレンズ素子の、２５℃からの温度変化に対するｄ線の屈折率変化率である。
　各数値実施例における各々の屈折率変化率ΔＮｄ１，ΔＮｄＦを、図１５に示す。例えば数値実施例１のレンズ系ＩＬ１は、条件式（７）を満たす。条件式（７）によると、温度変化に対するレンズ系ＩＬ１の結像性能を得やすくすることができる。条件式（７）の下限を下回ると、温度変化時の結像性能が得にくくなる。温度変化時に色収差が大きく変化し、適切な制御を行い難くなる。また、温度変化時に生じるバックフォーカスのズレを適切に制御し難くなる。
２－３．実施例２
　本実施形態に係るレンズ系ＩＬは、上述した実施例１のレンズ系ＩＬ１に限らず様々な形態で実施可能である。図１６～図２９を用いて、実施例２のレンズ系ＩＬ２について説明する。
　図１６は、実施例２に係るレンズ系ＩＬ２の構成を示す。図１６（ａ），（ｂ）は、それぞれ図２（ａ），（ｂ）と同様に、レンズ系ＩＬ２のレンズ配置図を示す。
　実施例２のレンズ系ＩＬ２は、実施例１と同様の構成から、各種レンズ素子Ｌ１～Ｌ７の形状等を変更している。例えば、第１レンズ素子Ｌ１の像面側において、自由曲面が設けられる。実施例２のレンズ系ＩＬ２に対応する数値実施例を、図１７～２９に示す。
　図１７は、数値実施例２におけるレンズ系ＩＬ２の面データを示す図である。図１８は、本実施例におけるレンズ系ＩＬ２の各種データを示す図である。図１７，１８は、それぞれ数値実施例１の図４，５と同様に各データを示す。
　図１９～２３は、それぞれ本実施例のレンズ系ＩＬ２における２～６番目の面ｓ２～ｓ６の自由曲面データを示す図である。図１９の自由曲面データは、第１レンズ素子Ｌ１の像面側の面について、数値実施例１と同様に式（Ｅ１）の各種係数を示す。また、図２０～２３は、それぞれ図６～図９と同様に各自由曲面データを示す。
　図２４，２５は、それぞれ本実施例のレンズ系ＩＬ２における７，８番目の面ｓ７，ｓ８の非球面データを、図１０，１１と同様に示す。図２６，２７は、それぞれレンズ系ＩＬ２における１３，１４番目の面ｓ１３，ｓ１４の自由曲面データを、図１２，１３と同様に示す。
　以上の数値実施例２に基づいて、図２８に、本実施例のレンズ系ＩＬ２における画角と像点Ｐ２との関係を示す。図２８に示すように、本実施例のレンズ系ＩＬ２によっても、実施例１と同様に画角を広く確保しながら、中央近傍を拡大した結像を実現することができる。
　図２９は、本実施例におけるレンズ系ＩＬ２の諸収差を示す。図２９（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれ図１４（ａ）～（ｄ）と同様に、本実施例におけるレンズ系ＩＬ２の各収差図を示している。
　また、本実施例のレンズ系ＩＬ２は、図１５に示すように、上述した各条件式（１）～（７）を満たしている。例えば、条件式（１）に関して、本実施例の第２レンズ素子Ｌ２の像面側の自由曲面Ｌ２（＋Ｚ）は、上限値近傍の「０．６２３」という値を有する。これによっても、実施例１と同様の効果を得ることができる。
２－４．実施例３
　本実施形態のレンズ系ＩＬにおいて、絞りＡよりも像面側の自由曲面の個数は、１つ以上であってもよい。実施例３では、図３０～４２を用いて、絞りＡよりも像面側に１つの自由曲面を有するレンズ系ＩＬ３の例を説明する。
　図３０は、実施例３に係るレンズ系ＩＬ３の構成を示す。図３０（ａ），（ｂ）は、それぞれ図２（ａ），（ｂ）と同様に、レンズ系ＩＬ３のレンズ配置図を示す。
　実施例３のレンズ系ＩＬ３は、実施例１と同様の構成において、第７レンズ素子Ｌ７の像面側の面を、自由曲面から非球面に変更している。本実施例において、絞りＡよりも像面側の自由曲面は、第７レンズ素子Ｌ７の物体側の１つのみである。実施例３のレンズ系ＩＬ３に対応する数値実施例を、図３１～４２に示す。
　図３１は、数値実施例３におけるレンズ系ＩＬ３の面データを、数値実施例１の図４と同様に示す。図３２は、本実施例におけるレンズ系ＩＬ３の各種データを、図５と同様に示す。
　図３３～３６は、それぞれ数値実施例３のレンズ系ＩＬ３における２～６番目の面ｓ２～ｓ６の自由曲面データを、数値実施例１と同様に示す。図３７，３８は、それぞれ本実施例のレンズ系ＩＬ３における７，８番目の面ｓ７，ｓ８の非球面データを、図１０，１１と同様に示す。
　図３９は、本実施例のレンズ系ＩＬ３における１３番目の面ｓ１３の自由曲面データを、図１２と同様に示す。図４０は、本実施例のレンズ系ＩＬ３における１４番目の面ｓ１４の非球面データを示す。図４０の非球面データは、第７レンズ素子Ｌ７の像面側の面について、上記の非球面データと同様に式（Ｅ２）の各種係数を示す。
　以上の数値実施例３に基づいて、図４１に、本実施例のレンズ系ＩＬ３における画角と像点Ｐ３との関係を示す。図４１に示すように、本実施例のレンズ系ＩＬ３によっても、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大した結像を実現することができる。
　図４２は、本実施例におけるレンズ系ＩＬ３の諸収差を示す。図４２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれ図１４（ａ）～（ｄ）と同様に、本実施例におけるレンズ系ＩＬ３の各収差図を示している。また、図１５に示すように、本実施例のレンズ系ＩＬ３も、各条件式（１）～（７）を満たしている。
２－５．実施例４
　本実施形態のレンズ系ＩＬにおいては、第１及び第２レンズ素子Ｌ１，Ｌ２の少なくとも一方が、自由曲面を有してもよい。実施例４では、図４３～５７を用いて、第１レンズ素子Ｌ１が自由曲面を有する一方、第２レンズ素子Ｌ２が自由曲面を有しないレンズ系ＩＬ４の例を説明する。
　図４３は、実施例４に係るレンズ系ＩＬ４の構成を示す。図４３（ａ），（ｂ）は、それぞれ図２（ａ），（ｂ）と同様に、レンズ系ＩＬ４のレンズ配置図を示す
　実施例４のレンズ系ＩＬ４は、実施例１と同様の構成において、第１レンズ素子Ｌ１の両面を自由曲面に変更し、且つ第２レンズ素子Ｌ２の両面を非球面に変更している。実施例４のレンズ系ＩＬ４に対応する数値実施例を、図４４～５７に示す。
　図４４は、数値実施例４におけるレンズ系ＩＬ４の面データを、数値実施例１の図４と同様に示す。図４５は、本実施例におけるレンズ系ＩＬ４の各種データを、図５と同様に示す。
　図４６，４７は、それぞれ本実施例のレンズ系ＩＬ４における１，２番目の面ｓ１，ｓ２の自由曲面データを示す。図４６，４７の各自由曲面データは、第１レンズ素子Ｌ１の物体側と像面側の両面について、数値実施例１と同様に式（Ｅ１）の各種係数を示す。
　図４８，４９は、それぞれ本実施例のレンズ系ＩＬ４における３，４番目の面ｓ３，ｓ４の非球面データを示す。図４８，４９の各非球面データは、第２レンズ素子Ｌ２の両面について、数値実施例１と同様に式（Ｅ２）の各種係数を示す。
　図５０，５１は、それぞれ本実施例のレンズ系ＩＬ４における５，６番目の面ｓ５，ｓ６の自由曲面データを、図８，９と同様に示す。図５２，５３は、それぞれレンズ系ＩＬ４における７，８番目の面ｓ７，ｓ８の非球面データを、図１０，１１と同様に示す。図５４，５５は、それぞれレンズ系ＩＬ４における１３，１４番目の面ｓ１３，ｓ１４の自由曲面データを、図１２，１３と同様に示す。
　以上の数値実施例４に基づいて、図５６に、本実施例のレンズ系ＩＬ４における画角と像点Ｐ４との関係を示す。図５６に示すように、本実施例のレンズ系ＩＬ４によっても、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大した結像を実現することができる。
　図５７は、本実施例におけるレンズ系ＩＬ４の諸収差を示す。図５７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれ図１４（ａ）～（ｄ）と同様に、本実施例におけるレンズ系ＩＬ４の各収差図を示している。また、図１５に示すように、本実施例のレンズ系ＩＬ４も、各条件式（１）～（７）を満たしている。
（実施形態２）
　以下、図面を用いて実施形態２を説明する。実施形態２では、上述したレンズ系ＩＬを備える撮像装置１０を車載用途に適用する例について説明する。
　以下、実施形態１と同様の構成および動作の説明は適宜、省略して、本実施形態に係る撮像システムを説明する。
１．構成
　図５８は、実施形態２における撮像システムの構成を示す図である。図５８の例では、撮像装置１０は、自動車等の車両１００のリアカメラに適用される。撮像装置１０は、車両１００後方の被写体を撮像し、画像データを生成する。撮像装置１０は、車両１００後方のシーンを撮像するように後ろ向きで車両１００に取り付けられる。
　車両１００は、撮像装置１０からの画像データを処理する制御装置２０と、制御装置２０により処理された画像データに基づき画像を表示する表示装置３０と、制御装置２０により制御される制御対象６０とを備える。撮像装置１０と制御装置２０とは、撮像システムを構成する。撮像システムは、制御装置２０に加えて、又はこれに代えて、表示装置３０を含んでもよい。
　制御装置２０は、撮像装置１０から画像データを取得する画像処理部の一例である。例えば、制御装置２０は、画像解析によって車両１００後方における人物、自転車および車障害物等の各種オブジェクトを認識し、必要に応じて制御対象６０を制御する。制御対象６０は、例えばブレーキ、アクセルおよび警告装置等である。また、制御装置２０は、撮像装置１０からの画像データに対して所定の画像処理を施し、表示装置３０に表示させる画像データを生成する。
　制御装置２０は、例えばフラッシュメモリなどの内部メモリに格納されたプログラムを実行することで種々の機能を実現するＣＰＵ又はＭＰＵ等を含む。制御装置２０は、所望の機能を実現するように設計された専用のハードウェア回路を含んでもよい。すなわち、制御装置２０は、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ又はＡＳＩＣ等を含んでもよい。
　表示装置３０は、電子ルームミラー又は車載ディスプレイ等である。表示装置３０は、液晶表示パネル又は有機ＥＬディスプレイ等の表示デバイスと、表示デバイスを駆動する駆動回路とを備える。表示装置３０は、例えば車両１００が後進するときに、撮像装置１０により撮像された車両１００後方のシーンの画像を表示する。運転者は、車両１００の後進時に当該画像を確認することにより車両１００後方の状況を把握でき、車両１００を安全に後進させることができる。
　本実施形態の撮像システムにおいて、撮像装置１０が撮影可能な範囲を、図５９，６０に例示する。図５９は、撮像装置１０の水平方向の画角を例示する図である。図６０は、撮像装置１０の垂直方向の画角を例示する図である。
　撮像装置１０は、例えば図５９に示すように、水平方向において画角２００°の範囲を撮影可能である、また、図６０に例示するように、撮像装置１０は、垂直方向において１８０°の範囲を撮影可能である。このように本実施形態の撮像装置１０によれば、広い画角での撮影を可能としている。図６０の例において、撮像装置１０は、車両１００の後部バンパ等に所定の俯角を持って取り付けられている。
２．動作
　以上のように構成される撮像システムの動作について、以下説明する。
　本実施形態の撮像システムにおいては、上述したレンズ系ＩＬを備える撮像装置１０によって、例えば図５９，６０のような状況で垂直方向において広い画角で画像を撮影する場合に想定される問題点を解決することができる。車載用途の撮像システムにおいて想定される問題点について、図６０，６１を用いて説明する。図６１（Ａ）は、従来のリアカメラによる撮像画像を例示する。図６１（Ｂ）は、図６１（Ａ）から画角を広げた場合の撮像画像の一例を示す。
　図６０に示すように、車両１００の後方において車両１００から近い距離（例えば０．３ｍ）に人２１０が位置している場合、垂直方向における撮影可能な画角範囲が狭いと、人２１０の顔を含む部分が画角の範囲から外れてしまう。このため、撮像画像において、人２１０の顔が含まれなくなり、撮像画像に基づく画像解析において人が検出されないおそれがある。特に、撮像装置１０は俯角を持って車両１００に取り付けられているため、車両１００の近くに人が位置する場合、その顔はより撮影されにくい状況となる。そこで、より確実に人の顔を含む部分を画角範囲内に含めるために、撮像装置１０の垂直方向の画角を広げることが考えられる。しかし、単に垂直方向の画角を広げるだけでは、さらに以下のような問題が考えられる。
　例えば、図６１（Ａ）に示すように、垂直方向の画角が１５０°である場合に、人２１０の上部が画角範囲から外れる場合に、図６１（Ｂ）に示すように、垂直方向の画角を３０°だけ拡大して１８０°にすることが考えられる。これにより、人２１０の肩から上の部分も画角範囲内に入り、撮像画像において人２１０の顔が含まれることになる。この場合、図６１（Ｂ）に示す撮像画像は、図６１（Ａ）に示す撮像画像と同じ画像サイズでありながら、より広い被写体範囲を含む。このため、図６１（Ｂ）に示す撮像画像内に含まれる各オブジェクトのサイズは、図６１（Ａ）に示す撮像画像内に含まれるものよりも小さくなってしまう。
　例えば、図６１（Ｂ）の撮像画像において車両１００から離れた所に位置する人２２０のサイズは、図６１（Ａ）のものよりも小さくなる。このため、人２２０の顔部分の画像の解像度が不足し、人２２０に対する画像解析による顔検出ができないという問題が生じる。特に人２２０が小さい子供である場合、顔のサイズが小さいために、この問題はより顕著になる。
　本実施形態の撮像装置１０が、上記の問題点を解決する手段について、図６２を用いて説明する。図６２（Ａ）は、図６１（Ｂ）と同様の撮像画像を例示する。図６２（Ｂ）は、図６２（Ａ）と同じ状況における本実施形態の撮像装置１０による撮像画像を例示する。
　図６２（Ａ）に示す画像は、図６１（Ａ），（Ｂ）と同様に、均一な拡大率で結像して得られている。これに対して、本実施形態の撮像装置１０は、上述したレンズ系ＩＬにより、垂直方向全体としては画角を拡大しつつ、注視したい中央部等の画像領域については十分な解像度が得られるように、被写体の像を撮像素子１２に結像させる。これにより、本実施形態の撮像装置１０では、図６２（Ｂ）に示すような画像が、撮像素子１２に結像する。
　図６２（Ｂ）に示す画像は、垂直方向の画角は図６２（Ａ）に示す画像と同様に１８０°を確保しつつ、図６２（Ａ）に示す画像と比較して、画像中央部の像がより拡大され、上下の端部（即ち３０°の画角範囲）の像が圧縮されている。これにより、垂直方向において広い画角を実現しつつ、注視したい中央部の領域において高い解像度の画像を得ることができる。これにより、上述した問題点を解決することができる。
　つまり、本実施の形態の撮像装置１０によれば、垂直方向において広い画角を有するため、図６０に示すように、車両１００の後方の近い位置に人がいる場合でも、図６２（Ｂ）に示すように人の上部（すなわち、顔を含む部分）を含む画像を撮像できる。よって、画像解析による顔検出により、より確実に、人を検出することができる。さらに、本実施の形態の撮像装置１０によれば、センシングに重要な領域である撮影範囲の中央部分において解像度が高い画像を生成することができる。よって、例えば、車両１００後方の撮影範囲の中央領域において小さな子供がいる場合でも、拡大して撮像されるため、画像解析に対して十分なサイズの画像データを得ることができる。このため、体の大きさが小さい子供であっても、より確実に認識することができる。
　このように、本実施の形態の撮像装置１０によれば、広い画角範囲で撮影することができるとともに、撮影範囲の中央部にある被写体について高い解像度で画像を撮影することができる。よって、撮影画像を用いた画像解析の精度を向上することができる。
３．まとめ
　以上のように、本実施形態に係る撮像システムは、撮像装置１０と、画像処理部の一例の制御装置２０とを備える。制御装置２０は、撮像装置１０によって撮像される画像に対する画像処理を行う。
　以上の撮像システムによると、撮像装置１０のレンズ系ＩＬにより、全体として広い画角を確保しつつ、センシング等に必要な中央部分の画像の解像度を高くした画像の撮像が可能になる。よって、撮像画像の解析精度を向上できる。また、撮像面上に結像される像の垂直方向の解像度と水平方向の解像度とが積極的に変化させることで、画像センサ１２のアスペクト比に依らず、光学系の水平画角及び垂直画角を任意に設定することができる。
（他の実施形態）
　以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施形態１，２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置換、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施形態を例示する。
　上記の実施形態１では、レンズ系ＩＬが７枚のレンズ素子Ｌ１～Ｌ７を備える例を説明した。本実施形態のレンズ系ＩＬにおけるレンズ素子の枚数は、７枚に限らず、８枚以上のであってもよいし、６枚以下であってもよい。
　また、上記の実施形態２では、撮像装置１０を車両後方のシーンを撮像するように配置したが、撮像装置１０を車両の前方又は側方のシーンを撮像するように配置してもよい。
　また、上記の各実施形態では、撮像装置１０を適用する移動体の一例として、自動車の車両１００を説明したが、移動体は自動車に限らない。上記の実施形態の撮像装置を、他の移動体、例えば、鉄道、船舶、航空機、ロボット、ロボットアーム、ドローン、コンバインなどの農業用機械、またはクレーンなどの建設用機械に適用してもよい。または、撮像装置１０を監視カメラに適用してもよい。
　また、上記の各実施形態では、撮像装置１０において、画像に対するガンマ補正、歪曲補正等を行ったが、これらの画像処理を制御装置２０において行ってもよい。または、撮像装置１０においてガンマ補正を行い、制御装置２０において歪曲補正を行ってもよい。
　また、上記の各実施形態で示した画角及び解像度等は一例であり、画像解析の対象とする物及び事象等に応じて適宜、設定することができる。
　以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
　したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
　また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、種々の変更、置換、付加、省略などを行うことができる。
（態様のまとめ）
　以下、本開示に係る各種態様を例示する。
　本開示に係る第１の態様は、撮像素子に結像するレンズ系である。レンズ系は、光軸に沿って物体側から像面側へ順番に並んだ第１レンズ素子、第２レンズ素子及び第３レンズ素子と、絞りとを備える。レンズ系は、第１レンズ素子と第２レンズ素子との少なくとも一方に、光軸に対して非対称である自由曲面を有する。第１レンズ素子の物体側の面形状が、物体側に凸である。第２レンズ素子の像面側の面形状が、物体側に凸である。第３レンズ素子の物体側の面形状が、像面側に凸である。レンズ系は、絞りよりも像面側に１つ以上の自由曲面を有する。
　以上のレンズ系によると、第１及び第２レンズ素子の少なくとも一方における自由曲面と、絞りよりも像面側の自由曲面とを用いて、撮像素子における結像において、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大することができる。
　第２の態様では、第１の態様のレンズ系が、以下の条件式（１）を満たす自由曲面を有する。
０．０１＜｜Ｓｍａｘ－Ｓｍｉｎ｜／ＩＨ＜０．６５　　…（１）
　ここで、
Ｓｍａｘ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最大サグ量
Ｓｍｉｎ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最小サグ量
ＩＨ：最長像高の６０％の長さ
である。これにより、自由曲面のサグ量を適切な範囲で変化させて、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大する結像を実現し易くすることができる。
　第３の態様では、第１又は第２の態様のレンズ系において、第１レンズ素子は、以下の条件式（２）を満たす。
Ｎｄ１＞１．７　　…（２）
　ここで、
Ｎｄ１：第１レンズ素子のｄ線における屈折率
である。これにより、第１レンズ素子において外部からの光線が大幅に曲がるように屈折率を設定して、画角の確保等を行い易くすることができる。
　第４の態様では、第１～第３のいずれかの態様のレンズ系において、自由曲面を有するレンズ素子が、以下の条件式（３）を満たす。
４０＜Ｖｄ＜６０　　…（３）
　ここで、
Ｖｄ：当該自由曲面を有するレンズ素子のアッベ数
である。これにより、自由曲面を有するレンズ素子において、アッベ数を適切に設定することにより、温度変化に対するレンズ系の結像の性能を確保し易くすることができる。
　第５の態様では、第１～第４のいずれかの態様のレンズ系において、自由曲面を有するレンズ素子が、以下の条件式（４）を満たす。
Ｎｄ＞１．５　　…（４）
　ここで、
Ｎｄ：当該自由曲面を有するレンズ素子のｄ線における屈折率
である。これにより、レンズ系において高い屈折率の自由曲面レンズを用いて、光線を自由に制御し易くすることができる。
　第６の態様では、第１～第５のいずれかの態様のレンズ系が、以下の条件式（５）を満たす。
Ｈω－Ｖω＜２０　　…（５）
　ここで、
Ｈω：水平方向の半画角
Ｖω：垂直方向の半画角
である。これにより、水平方向および垂直方向において広角化の効果を得易くすることができる。
　第７の態様では、第１～第６のいずれかの態様のレンズ系が、以下の条件式（６）を満たす。
０≦｜ＮＮ－ＮＰ｜≦２　　…（６）
　ここで、
ＮＮ：自由曲面を有し、且つ負のパワーを有するレンズ素子の枚数
ＮＰ：自由曲面を有し、且つ正のパワーを有するレンズ素子の枚数
である。これにより、温度変化等に対してレンズ系の結像性能を得やすくすることができる。
　第８の態様では、第１～第７のいずれかの態様のレンズ系が、以下の条件式（７）を満たす。
｜ΔＮｄＦ／ΔＮｄ１｜＞１０　…（７）
　ここで、
ΔＮｄ１：第１レンズ素子の２５℃での温度変化に対するｄ線の屈折率変化率
ΔＮｄＦ：自由曲面を有するレンズ素子の２５℃での温度変化に対するｄ線の屈折率変化率
である。これにより、温度変化に対するレンズ系の結像性能を得やすくすることができる。
　第９の態様は、第１～第８のいずれかの態様のレンズ系と、撮像素子とを備えた撮像装置である。撮像素子は、レンズ系を介して結像した像を撮像する。撮像装置においては、レンズ系により、撮像素子における結像において、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大することができる。
　第１０の態様は、第９の態様の撮像装置と、画像処理部とを備えた撮像システムである。画像処理部は、撮像装置によって撮像される画像に対する画像処理を行う。撮像システムにおいては、撮像装置のレンズ系により、撮像素子における結像において、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大することができる。
　本開示に係るレンズ系は、種々の用途の撮像装置に適用可能であり、例えば車載カメラ、監視カメラ、Ｗｅｂカメラ、及びデジタルカメラ等に適用可能である。また、本開示に係るレンズ系は、交換レンズ装置において提供されてもよい。

Claims (10)

  1. 　撮像素子に結像するレンズ系であって、
    　光軸に沿って物体側から像面側へ順番に並んだ第１レンズ素子、第２レンズ素子及び第３レンズ素子と、絞りとを備え、
    　前記第１レンズ素子と前記第２レンズ素子との少なくとも一方に、前記光軸に対して非対称である自由曲面を有し、
    　前記第１レンズ素子の物体側の面形状が、物体側に凸であり、
    　前記第２レンズ素子の像面側の面形状が、物体側に凸であり、
    　前記第３レンズ素子の物体側の面形状が、像面側に凸であり、
    　前記絞りよりも像面側に１つ以上の自由曲面を有する、レンズ系。
  2. 　以下の条件式（１）を満たす自由曲面を有し、
    ０．０１＜｜Ｓｍａｘ－Ｓｍｉｎ｜／ＩＨ＜０．６５　　…（１）
    　ここで、
    Ｓｍａｘ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最大サグ量
    Ｓｍｉｎ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最小サグ量
    ＩＨ：最長像高の６０％の長さ
    である、請求項１に記載のレンズ系。
  3. 　前記第１レンズ素子は、以下の条件式（２）を満たし、
    Ｎｄ１＞１．７　　…（２）
    　ここで、
    Ｎｄ１：第１レンズ素子のｄ線における屈折率
    である、請求項１又は２に記載のレンズ系。
  4. 　前記自由曲面を有するレンズ素子が、以下の条件式（３）を満たし、
    ４０＜Ｖｄ＜６０　　…（３）
    　ここで、
    Ｖｄ：当該自由曲面を有するレンズ素子のアッベ数
    である、請求項１～３のいずれか１項に記載のレンズ系。
  5. 　前記自由曲面を有するレンズ素子が、以下の条件式（４）を満たし、
    Ｎｄ＞１．５　　…（４）
    　ここで、
    Ｎｄ：当該自由曲面を有するレンズ素子のｄ線における屈折率
    である、請求項１～４のいずれか１項に記載のレンズ系。
  6. 　以下の条件式（５）を満たし、
    Ｈω－Ｖω＜２０　　…（５）
    　ここで、
    Ｈω：水平方向の半画角
    Ｖω：垂直方向の半画角
    である、請求項１～５のいずれか１項に記載のレンズ系。
  7. 　以下の条件式（６）を満たし、
    ０≦｜ＮＮ－ＮＰ｜≦２　　…（６）
    　ここで、
    ＮＮ：自由曲面を有し、且つ負のパワーを有するレンズ素子の枚数
    ＮＰ：自由曲面を有し、且つ正のパワーを有するレンズ素子の枚数
    である、請求項１～６のいずれか１項に記載のレンズ系。
  8. 　以下の条件式（７）を満たし、
    ｜ΔＮｄＦ／ΔＮｄ１｜＞１０　…（７）
    　ここで、
    ΔＮｄ１：第１レンズ素子の２５℃での温度変化に対するｄ線の屈折率変化率
    ΔＮｄＦ：自由曲面を有するレンズ素子の２５℃での温度変化に対するｄ線の屈折率変化率
    である、請求項１～７のいずれか１項に記載のレンズ系。
  9. 　請求項１～８のいずれか１項に記載のレンズ系と、
    　前記レンズ系を介して結像した像を撮像する撮像素子と
    を備えた撮像装置。
  10. 　請求項９に記載の撮像装置と、
    　前記撮像装置によって撮像される画像に対する画像処理を行う画像処理部と
    を備えた撮像システム。
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