WO2019188018A1

WO2019188018A1 - 撮像光学系、および撮像装置

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Publication number: WO2019188018A1
Application number: PCT/JP2019/008390
Authority: WO
Inventors: 一賢金田
Original assignee: ソニー株式会社
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2019-10-03
Also published as: EP3783416A4; CN111868600A; JPWO2019188018A1; EP3783416A1; KR20200134214A; JP7248014B2; US20210055507A1

Abstract

本開示の撮像光学系は、物体側から像面側に向かって順に、像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第１レンズと、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第３レンズとから構成され、両側テレセントリック光学系とされている。

Description

撮像光学系、および撮像装置

　本開示は、例えば物体側に形成された１次結像像を、撮像素子の撮像面上に２次結像像としてリレーさせる撮像光学系、および撮像装置に関する。

　１次結像した物体像（１次結像像）を２次の結像像（２次結像像）としてリレーさせるリレー光学系がある。リレー光学系では、単に光路長を調整する場合もあれば、像倍率を縮小する等の目的で複数のレンズを組み合わせて像をリレーする場合もある。一方、例えば特許文献１には、投影された映像をタッチパネルのように操作可能なタッチ検出（位置検出）機能付きのプロジェクタが提案されている。また、特許文献１には、物体位置の検出、および撮像を行うための撮像光学系として、２つのレンズ群を用いたリレー光学系が提案されている。

特開２０１５－６４５５０号公報（図１８）

　単に物体位置の検出を行う目的であれば、撮像光学系を２枚のレンズからなるリレー光学系で構成しても性能的に十分な場合があるが、より高解像で検出物を撮像したい場合には、２枚のレンズ構成では結像性能が不十分である。

　小型で結像性能に優れた撮像光学系、および撮像装置を提供することが望ましい。

　本開示の一実施の形態に係る撮像光学系は、物体側から像面側に向かって順に、像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第１レンズと、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第３レンズとから構成され、両側テレセントリック光学系とされているものである。

　本開示の一実施の形態に係る撮像装置は、撮像光学系と、撮像光学系によって形成された光学像に応じた撮像信号を出力する撮像素子とを含み、撮像光学系が、物体側から像面側に向かって順に、像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第１レンズと、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第３レンズとから構成され、両側テレセントリック光学系とされているものである。

　本開示の一実施の形態に係る撮像光学系、または撮像装置では、全体として３枚のレンズ構成で、各レンズの構成の最適化が図られている。

比較例に係る位置検出機能付きのプロジェクタの要部構成例を示す光学系断面図である。比較例１に係る撮像光学系の一構成例を示す光学系断面図である。図２に示した比較例１に係る撮像光学系のスポットダイアグラムを示す図である。本開示の第１の実施の形態に係る撮像光学系の一構成例を示す光学系断面図である。図４に示した撮像光学系のスポットダイアグラムを示す図である。撮像素子の構造例を、撮像素子に入射する光線の一例と共に示す断面図である。比較例２に係る撮像光学系の一構成例を示す光学系断面図である。図７に示した比較例２に係る撮像光学系のスポットダイアグラムを示す図である。比較例３に係る撮像光学系の一構成例を示す光学系断面図である。図９に示した比較例３に係る撮像光学系のスポットダイアグラムを示す図である。第２の実施の形態に係るプロジェクタの一構成例を示す構成図である。

　以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。

　０．比較例（図１～図３）
　１．第１の実施の形態（図４～図１０）
　　１．１　撮像光学系の構成例
　　１．２　作用・効果
　２．第２の実施の形態（図１１）
　３．その他の実施の形態

＜０．比較例＞
（比較例に係る撮像光学系が適用されるプロジェクタの概要）
　図１は、比較例に係る位置検出機能付きのプロジェクタの要部構成例を示している。

　特許文献１（特開２０１５－６４５５０号公報）の図１８には、図１に示したような位置検出機能付きのプロジェクタの構成が開示されている。

　この比較例に係るプロジェクタは、ライトバルブ２１と、偏光ビームスプリッタ２３と、投射レンズ２４とを備えている。また、この比較例に係るプロジェクタは、物体位置の検出、および撮像を行うための撮像部として、撮像素子２２と、撮像光学系とを備えている。撮像光学系は、偏光子２５と、可視光カットフィルタ２８と、第１のリレーレンズ群５１Ａと、第２のリレーレンズ群５１Ｂとを有している。

　ライトバルブ２１は、偏光ビームスプリッタ２３を介して、図示しない照明装置から出射された照明光Ｌ１００によって照明される。ライトバルブ２１は、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の反射型の液晶素子である。ライトバルブ２１は、映像データに基づいて照明光Ｌ１００を変調して映像光を生成する。ライトバルブ２１で生成された映像光は、偏光ビームスプリッタ２３、および投射レンズ２４を介して図示しない投影面に投影される。

　投射レンズ２４は、映像を投影するための機能の他、位置検出のための結像光学系としての機能を有している。投射レンズ２４には、ライトバルブ２１で生成された映像光が入射すると共に、投影面の近傍にある検出物からの散乱光が検出光として投影面側から取り込まれる。投射レンズ２４は、検出物の像を共役面５０に１次結像像として形成する。

　撮像素子２２は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）やＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの固体撮像素子で構成されている。撮像素子２２は、投影面と光学的に共役な位置に配置されている。また、撮像素子２２は、ライトバルブ２１と光学的に共役な位置に配置されている。より具体的には、ライトバルブ２１が反射型の液晶素子である場合、映像を作り出す表示面（液晶面）と撮像素子２２の撮像面とが光学的に共役な位置となるように配置されている。撮像素子２２には、投射レンズ２４および偏光ビームスプリッタ２３を介して、検出物からの散乱光が検出光として入射する。撮像素子２２は、少なくとも投影面上の投影エリアと略同一のエリアを撮像エリアとした撮像を行うことが可能となっている。

　撮像光学系は、ライトバルブ２１の光学的な共役面５０（１次結像面）と撮像素子２２との間に配置されている。撮像光学系は、偏光ビームスプリッタ２３に近い側から順に、第１のリレーレンズ群５１Ａと第２のリレーレンズ群５１Ｂとを備えている。第２のリレーレンズ群５１Ｂの焦点距離ｆｉは、第１のリレーレンズ群５１Ａの焦点距離ｆｂよりも小さくなっている。第１のリレーレンズ群５１Ａと第２のリレーレンズ群５１Ｂとによって、
　β＝ｆｉ／ｆｂ
となる縮小倍率βの縮小光学系が構成されている。

　共役面５０と撮像素子２２との間に、リレー光学系、および縮小光学系として機能する撮像光学系を配置することで、ライトバルブ２１と光学的に共役な位置（２次結像面）を共役面５０（１次結像面）よりも遠方に設けることができる。撮像光学系を縮小光学系とすることで、撮像素子２２をライトバルブ２１と光学的に共役な位置（２次結像面）に配置しつつ、撮像素子２２のサイズをライトバルブ２１よりも小さくすることができる。

　例えば、２ｆｉ＝ｆｂとなる条件で、なおかつライトバルブ２１の共役面５０から第１のリレーレンズ群５１Ａをｆｂの位置に配置し、そこからｆｂ＋ｆｉの位置に第２のリレーレンズ群５１Ｂを配置し、撮像素子２２は第２のリレーレンズ群５１Ｂからｆｉだけ離れた場所に配置する。この場合、撮像素子２２の位置が共役面５０と等価となり、なおかつ０．５倍の縮小光学系ができ、小さな撮像素子２２で物体検出することが可能となる。　　　

　また、撮像光学系では、第１のリレーレンズ群５１Ａと第２のリレーレンズ群５１Ｂとによって、第１のリレーレンズ群５１Ａと偏光ビームスプリッタ２３との間、および第２のリレーレンズ群５１Ｂと撮像素子２２との間が略テレセントリック性を有する両側テレセントリック光学系が形成される。

（課題）
　上記比較例に係るプロジェクタにおける撮像光学系は、用途としては物体の位置を検出するものであり、共役面５０に１次結像した物体像（１次結像像）を２次の結像像（２次結像像）として撮像素子２２の撮像面上にリレーさせるリレー光学系である。

　上記比較例に係るプロジェクタのように、単に物体位置の検出を行う目的であれば、撮像面上で複数の画素のうちのいくつかの画素にまたがって撮像スポットが結像する程度の結像性能で十分であり、性能的には２枚のレンズ構成で成り立つ。しかし、物体位置のみならず、検出物の画像情報をより高解像で得る目的の場合、２枚のレンズ構成では結像性能が不十分である。２枚のレンズ構成では、軸上のみならず軸外も含めて撮像領域の全領域で十分な結像性能を得ることは困難である。

　図２は、上記比較例に係るプロジェクタ等に適用される撮像光学系２０１の一構成例（比較例１）を示している。

　比較例１に係る撮像光学系２０１は、光軸Ｚ１に沿って、物体側から像面側に向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズＬ１０と、正の屈折力を有する第２レンズＬ２０とからなる実質的に２枚のレンズ構成となっている。比較例１に係る撮像光学系は、物体側と像面側との両方がテレセントリックな両側テレセントリック光学系とされている。

　なお、図２において、ＳＴＯは開口絞りを示す。Ｓｏｂｊは物体面（１次結像面）、Ｓｉｍｇは像面（２次結像面）を示す。像面Ｓｉｍｇの近傍にはＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子１０１（図１の撮像素子２２に相当）が配置される。物体面Ｓｏｂｊは、図１の撮像光学系における共役面５０に相当する。後述する実施例に係る撮像光学系１を示す図（図４）、および比較例２，３に係る撮像光学系２０２，２０３を示す図（図７、図９）においても同様である。

　物体面Ｓｏｂｊと第１レンズＬ１０との間には、各種の光学フィルタ等の光学部材が配置されていてもよい。第２レンズＬ２０と像面Ｓｉｍｇとの間には、撮像素子保護用のカバーガラスＣＧや各種の光学フィルタ等の光学部材が配置されていてもよい。

　図３は、図２に示した比較例１に係る撮像光学系２０１の軸上と軸外（最大像高）とにおけるスポットダイアグラムを示している。撮像光学系２０１は、赤外光を検出する光学系となっている。図３は、波長７８５ｎｍの光を光線追跡した場合のスポットダイアグラムとなっている。

　検出物の画像情報を取得するシステムでは、最低限ＶＧＡ（６４０×４８０）程度の解像力が必要となる。例えば撮像素子１０１として、１／４型のイメージセンサを用いた場合、有効画素エリアは水平３．６ｍｍ×垂直２．７ｍｍとなり、１画素のサイズは５．６μｍ程度である。図３において、軸上と軸外の各スポットダイアグラムの中心領域に太い黒枠で示した矩形領域が、１画素に相当する。後述する実施例に係る撮像光学系１のスポットダイアグラム（図５）、および比較例２，３に係る撮像光学系２０２，２０３のスポットダイアグラム（図８、図１０）においても同様である。

　図３に示したように、比較例１に係る撮像光学系２０１では、像面湾曲が取り切れないため、軸上においても、軸外においても１画素に結像スポットが集光せず、十分な解像性能が得られていない。

　このように、２枚のレンズ構成では十分な解像性能を得ることが困難である。このため、検出物の画像情報を取得するシステムでは、軸上から軸外まで像面を揃えるよう、レンズの枚数を５～６枚用いて撮像光学系を構成し、必要な解像性能を得ることが一般的である。しかしながら、その場合、構成の大型化を招く。

　このため、レンズ枚数を大幅に増やすことなく、小型で結像性能に優れた撮像光学系、および撮像装置を提供することが可能な技術の開発が望まれる。

＜１．第１の実施の形態＞
［１．１　撮像光学系の構成例］
　図４は、本開示の第１の実施の形態に係る撮像光学系１の一構成例（実施例）を示している。

　本実施の形態に係る撮像光学系１は、上記比較例に係る位置検出機能付きのプロジェクタに適用可能である他、より高解像の撮像性能が要求されるシステムに適用可能である。例えば、後述する第２の実施の形態に係る画像検出機能付きのプロジェクタ（図１１）等に適用可能である。本実施の形態に係る撮像装置は、少なくとも、撮像光学系１と、撮像光学系１によって形成された光学像に応じた撮像信号を出力する撮像素子１０１とを含んでいる。

　撮像光学系１は、光軸Ｚ１に沿って、物体側から像面側に向かって順に、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３とからなる実質的に３枚のレンズ構成となっている。撮像光学系１は、物体側と像面側との両方がテレセントリックな両側テレセントリック光学系とされている。

　撮像光学系１において、物体面Ｓｏｂｊと第１レンズＬ１との間には、各種の光学フィルタＬＦ等の光学部材が配置されていてもよい。第３レンズＬ３と像面Ｓｉｍｇとの間には、撮像素子保護用のカバーガラスＣＧや各種の光学フィルタ等の光学部材が配置されていてもよい。

　撮像光学系１において、開口絞りＳＴＯは、第２レンズＬ２の物体側のレンズ面近傍に配置されている。

　撮像光学系１では、比較例１に係る撮像光学系２０１と同様に、像面側に撮像素子１０１が配置される。撮像光学系１は、物体面Ｓｏｂｊ（１次結像面）に形成された１次結像像を、撮像素子１０１の撮像面上（像面Ｓｉｍｇ（２次結像面））に２次結像像としてリレーさせるリレー光学系とされている。１次結像像は、例えば、赤外光によって形成された像である。また、撮像光学系１は、１次結像像を、像面Ｓｉｍｇ（２次結像面）に縮小して結像する縮小光学系とされている。

　第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、および第３レンズＬ３はそれぞれ、光軸近傍において正の屈折力を有することが好ましい。

　第１レンズＬ１は、像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされている。第１レンズＬ１の像面側のレンズ面は、中心部が像面側に凸形状で、周辺部に行くに従い、凹形状となる非球面形状であることが好ましい。また、第１レンズＬ１は、周辺部に行くに従い、厚みが小さくなる非球面形状であることが好ましい（条件１）。

　撮像光学系１は、第２レンズＬ２の光軸上の厚みをＤ（Ｌ２）、第３レンズＬ３の光軸上の厚みをＤ（Ｌ３）としたとき、
　Ｄ（Ｌ２）＞Ｄ（Ｌ３）
　を満足することが望ましい（条件２）。

　第２レンズＬ２と第３レンズＬ３は、互いに逆向きのメニスカス形状であることが好ましい（条件３）。

　第２レンズＬ２の物体側のレンズ面は、入射した光束を広げる方向に曲率を持つことが好ましい。第２レンズＬ２は、物体側に凹面を向けたメニスカス形状であることが好ましい。

　第３レンズＬ３は、像面側に凹面を向けたメニスカス形状であることが好ましい。

　撮像光学系１のＦナンバーは、６より小さい（明るい）ことが望ましい。

（数値実施例）
　［表１］，［表２］に、図４に示した撮像光学系１に具体的な数値を適用した数値実施例のレンズデータを示す。

　なお、［表１］，［表２］において示した記号の意味等については、下記に示す通りである。なお、後述する比較例２，３に係る撮像光学系２０２，２０３のレンズデータについても同様である。

　「Ｓｉ」は、最も物体側から順次増加するようにして符号を付したｉ番目の面の番号を示している。「Ｒｉ」は、ｉ番目の面の近軸の曲率半径の値（ｍｍ）を示す。「Ｄｉ」はｉ番目の面とｉ＋１番目の面との間の光軸上の間隔の値（ｍｍ）を示す。「Ｎｄｉ」はｉ番目の面を有する光学要素の材質のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）における屈折率の値を示す。「νｄｉ」はｉ番目の面を有する光学要素の材質のｄ線におけるアッベ数の値を示す。「Ｒｉ」の値が「Ｉｎｆｉｎｉｔｙ」となっている部分は平面、または仮想面であることを示す。「Ｔｙｐｅ」は、レンズ面の形状の種類を示す。

　非球面形状は、以下の式（Ａ）によって定義され、面頂点を原点としてＳａｇ量Ｚで表される。１／ｃ（＝Ｒ）は、各レンズ面の曲率半径を示す。ｋは、コーニック定数を示す。Ｚは、Ｓａｇ量（光の進行方向を正とする）を示す。ｒは、光軸Ｚ１からレンズ面までの距離を示す。α１，α２・・・は、各次数の非球面係数を表す。

　［表１］，［表２］に示した数値実施例では、第１レンズＬ１の両面（第３面、第４面）と、第３レンズＬ３の両面（第７面、第８面）とが非球面形状とされている。非球面形状を示す式（Ａ）におけるｋの値は、［表１］に記す。［表２］には、各次数の非球面係数α１，α２・・・を記す。［表２］において、「Ｅ－ｉ」は１０を底とする指数表現、すなわち、「１０^-i」を表しており、例えば、「０．１２３４５Ｅ－０５」は「０．１２３４５×１０^-5」を表している。

　［表１］，［表２］に示した数値実施例では、撮像光学系１のＦナンバーは４である。また、［表１］に示したように、この数値実施例では、第２レンズＬ２の光軸上の厚みＤ（Ｌ２）と第３レンズＬ３の光軸上の厚みをＤ（Ｌ３）とが、
　Ｄ（Ｌ２）＞Ｄ（Ｌ３）
を満足している。

［１．２　作用・効果］
　次に、本実施の形態に係る撮像光学系１の作用および効果を説明する。
　なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。

　本実施の形態に係る撮像光学系１によれば、全体として３枚のレンズ構成とし、各レンズの構成の最適化を図るようにしたので、小型で優れた結像性能を得ることができる。

　図５は、撮像光学系１の軸上と軸外（最大像高）とにおけるスポットダイアグラムを示している。撮像光学系１は、赤外光を検出する光学系となっている。図５は、［表１］，［表２］に示した数値実施例について、波長７８５ｎｍの光を光線追跡した場合のスポットダイアグラムとなっている。

　図５から分かるように、撮像光学系１では、軸上においても、軸外においても１画素に光を集中させることができ、良好な結像性能を得ることが可能となる。

（テレセントリック光学系であることによる作用・効果）
　図６は、撮像素子１０１の構造例を、撮像素子１０１に入射する光線の一例と共に示している。

　撮像光学系１は、両側テレセントリックな結像系とされている。テレセントリック光学系は、主光線が光軸と平行に進む系である。撮像光学系１が両側テレセントリックであることで、撮像素子１０１が、例えば図６に示したような、テレセントリック光学系を前提として作製されたものである場合に、有利な効果が得られる。

　図６に示したように、撮像素子１０１は、複数の画素に相当する複数の受光素子（フォトダイオード）１２１を有している。撮像素子１０１の光入射面側には、例えば、遮光膜１１３と、フィルタ１１２と、マイクロレンズアレイ１１０とが配置される。マイクロレンズアレイ１１０は、複数のマイクロレンズ１１１を有している。

　遮光膜１１３は、複数の受光素子１２１のそれぞれの受光エリア以外の部分を遮光する。マイクロレンズ１１１は、複数の受光素子１２１のそれぞれに対応した位置に配置されている。

　撮像素子１０１の撮像面において、受光エリアは限られた領域に形成されている。その限られた受光エリアに光を導くため、受光素子１２１の１つ１つに対応したマイクロレンズ１１１が配置されていることが一般的である。これにより、光軸Ｚ１に対して平行に入射する光（平行光１３１）に対しては、入射光の大部分をマイクロレンズ１１１によって受光エリアに向けて集光することができる。これにより、効率の良い（感度の高い）受光性能を実現している。

　一方、光軸Ｚ１に対して斜めに入射する光（斜入射光１３２）に対しては、受光エリアから外れるため効率が低下する。また、受光エリアから外れた光束は迷光となり、隣接する受光素子１２１に光が漏れこむためクロストークが起こり、画質の劣化を引き起こす。このような課題に対応して、受光素子１２１（画素）の位置を軸上から軸外に向けて徐々にシフトしたような構造の撮像素子も開発されている。

　本実施の形態に係る撮像光学系１によれば、両側テレセントリックであることで、例えば、画素をシフトさせずに、軸上から軸外までマイクロレンズ１１１の中心と受光エリアの中心とが合致した、テレセントリック光学系専用に開発された撮像素子に適用する場合に、有利な効果が得られる。

（第１レンズＬ１の非球面形状（条件１）による作用・効果）
　本実施の形態に係る撮像光学系１は、第１レンズＬ１が、像面湾曲が補正されるように中心と周辺の光路長が調整された非球面形状となっている。より具体的には、第１レンズＬ１の像面側のレンズ面が変曲点を有している。また、第１レンズＬ１は、周辺部に行くに従い、厚みが小さくなっている。

　図７は、比較例２に係る撮像光学系２０２の一構成例を示している。比較例２に係る撮像光学系２０２は、本実施の形態に係る撮像光学系１の構成に対して、第１レンズＬ１の像面側のレンズ面が球面で構成されている。

　［表３］，［表４］に、図７に示した比較例２に係る撮像光学系２０２に具体的な数値を適用したレンズデータを示す。［表３］，［表４］に示したレンズデータでは、第１レンズＬ１の物体側のレンズ面（第３面）と、第３レンズＬ３の両面（第７面、第８面）とが非球面形状とされている。非球面形状を示す式（Ａ）におけるｋの値を、［表３］に記す。［表４］には、各次数の非球面係数α１，α２・・・を記す。

　図７は、比較例２に係る撮像光学系２０２の軸上と軸外（最大像高）とにおけるスポットダイアグラムを示している。撮像光学系２０２は、赤外光を検出する光学系となっている。図７は、［表３］，［表４］に示した数値を適用した場合について、波長７８５ｎｍの光を光線追跡した場合のスポットダイアグラムとなっている。

　図７から分かるように、第１レンズＬ１の像面側のレンズ面を球面にした比較例２に係る撮像光学系２０２の場合、軸上については比較的良好な結像性能が得られるが、軸外に関しては像面が倒れているために十分な結像性能が得られない。これに対して、本実施の形態に係る撮像光学系１では、第１レンズＬ１が上記条件１のように最適化された非球面形状を有することにより、図５から分かるように、軸外の結像性能が改善されている。

（第２レンズＬ２の厚みの最適化（条件２）による作用・効果）
　本実施の形態に係る撮像光学系１は、上記条件２を満足することにより、第２レンズＬ２が第３レンズＬ３よりも厚い、肉厚のメニスカスレンズで構成されている。撮像光学系１では、第２レンズＬ２の厚みによって、第２レンズＬ２を通過する軸上光線の屈折角と軸外光線の屈折角とに差を与えている。第２レンズＬ２の厚みが薄い場合、第２レンズＬ２における光の射出面が入射面に近くなり、軸上光線の屈折角と軸外光線の屈折角とに適切な差を与えることができず、軸上と軸外とにおいて良好な結像性能を得ることが困難となる。その結果、以下の図９に示す比較例３に係る撮像光学系２０３のように、第２レンズＬ２の厚みを薄くした場合には、軸上、軸外ともに良好な結像スポットが得られない（図１０）。

　図９は、比較例３に係る撮像光学系２０３の一構成例を示している。比較例３に係る撮像光学系２０３は、本実施の形態に係る撮像光学系１の構成に対して、上記条件２を満足せず、第２レンズＬ２が第３レンズＬ３よりも薄いメニスカスレンズで構成されている。

　［表５］，［表６］に、図９に示した比較例３に係る撮像光学系２０３に具体的な数値を適用したレンズデータを示す。［表５］，［表６］に示したレンズデータでは、第１レンズＬ１の物体側の両面（第３面、第４面）と、第３レンズＬ３の両面（第７面、第８面）とが非球面形状とされている。非球面形状を示す式（Ａ）におけるｋの値を、［表５］に記す。［表６］には、各次数の非球面係数α１，α２・・・を記す。

　図１０は、比較例３に係る撮像光学系２０３の軸上と軸外（最大像高）とにおけるスポットダイアグラムを示している。撮像光学系２０３は、赤外光を検出する光学系となっている。図１０は、［表５］，［表６］に示した数値を適用した場合について、波長７８５ｎｍの光を光線追跡した場合のスポットダイアグラムとなっている。

（第２レンズＬ２と第３レンズＬ３とのメニスカス形状の向きの最適化（条件３）による作用・効果）
　第２レンズＬ２と第３レンズＬ３とを、互いに逆向きのメニスカス形状にしない場合、他の設計パラメータを最適化したとしても、良好な結像性能を得ることが困難となる。

＜２．第２の実施の形態＞
　次に、本開示の第２の実施の形態について説明する。なお、以下では、上記第１の実施の形態に係る撮像光学系、および撮像装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。

　図１１は、第２の実施の形態に係るプロジェクタ３００の一構成例を示している。上記第１の実施の形態に係る撮像光学系１、および撮像装置は、例えば図１１に示した構成の画像検出機能付きのプロジェクタ３００等に適用可能である。

　なお、上記第１の実施の形態に係る撮像光学系１、および撮像装置は、画像検出機能付きのプロジェクタ３００に限らず、他の装置またはシステムのリレー光学系等に適用可能である。例えば工業用の内視鏡等におけるリレー光学系等に適用可能である。この場合、必ずしも撮像光学系１のＦナンバーは、６より小さくなくてもよい。

　図１１に示したプロジェクタ３００は、筐体３０４内に、プロジェクタ本体３１０と、撮像光学系３０３とが収納されている。撮像光学系３０３として、上記第１の実施の形態に係る撮像光学系１を適用可能である。撮像光学系３０３の結像面には、撮像素子１０１が配置されている。

　また、プロジェクタ３００は、画像検出用の赤外光を照射する赤外光源を備えてもよい。

　プロジェクタ本体３１０は、ライトバルブ３１１を照明する照明光学系３０１と、ライトバルブ３１１によって形成された映像を投影する投射レンズ３０２とを備えている。

　照明光学系３０１は、図示しない光源装置と、偏光ビームスプリッタ３１２とを備えている。ライトバルブ３１１は、偏光ビームスプリッタ３１２を介して、図示しない光源装置から出射された照明光によって照明される。

　ライトバルブ３１１は、映像データに基づいて照明光を変調して映像光を生成する。ライトバルブ３１１で生成された映像光は、偏光ビームスプリッタ３１２、および投射レンズ３０２を介して投影面に投影される。

　プロジェクタ３００は、投射レンズ３０２による投影光３２０で照らされたエリアに配置された検出物３０５の画像を読み取る機能を有している。投射レンズ３０２は、映像を投影するための機能の他、画像検出のための結像光学系としての機能を有している。投射レンズ３０２は、検出物３０５の像を共役面３５０に１次結像像として形成する。

　プロジェクタ３００では、投射レンズ３０２を介して検出物３０５から取り込んだ光を偏向ビームスプリッタ３１２によって照明光学系３０１とは別の方向へ反射させ、その反射光を撮像光学系３０３で検出する。

　プロジェクタ３００では、ライトバルブ３１１の位置Ａと検出物３０５の位置とが光学的に共役な関係にある。また、検出物３０５と位置Ｂ（共役面３５０）も光学的に共役な関係にある。位置Ｂは、偏向ビームスプリッタ３１２の中央点Ｏからライトバルブ３１１までの距離ＯＡと等距離となるＯＢの位置にある。従って、この位置Ｂに撮像素子１０１を配置することが可能であれば、検出物３０５を撮像することが可能となる。しかしながら、実際には他の光学素子等との場所の取り合いとなり設置が困難な場合が多い。

　そこで、本開示の技術で提案する両側テレセントリックなリレー光学系で構成された撮像光学系３０３を用いて、位置Ｃに再び２次結像像を導く。位置Ｂ（共役面３５０）は、図４の物体面Ｓｏｂｊ（１次結像面）に相当する。位置Ｂに形成された１次結像像を撮像光学系３０３によってリレーさせ、撮像素子１０１に導いた位置Ｃが図４の像面Ｓｉｍｇ（２次結像面）に相当する。

　プロジェクタ３００では、限られたスペースにおいて、最低枚数のレンズで構成された撮像光学系３０３によって物体像をリレーさせ、なおかつ物体像を縮小させることで、撮像素子１０１のサイズを小さくすることが可能となる。撮像光学系３０３を、本開示の技術で提案する構成にすることで、画像を検出する目的に適した結像性能が得られる。撮像素子１０１としても、テレセントリック光学系専用に開発された撮像素子を取り扱うことができる。

＜３．その他の実施の形態＞
　本開示による技術は、上記各実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。

　例えば、上記実施例において示した各部の形状および数値は、いずれも本技術を実施するための具体化のほんの一例に過ぎず、これらによって本技術の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。

　また、上記実施の形態および実施例では、実質的に３枚のレンズからなる構成について説明したが、実質的に屈折力を有さないレンズをさらに備えた構成であってもよい。

　例えば、本技術は以下のような構成を取ることもできる。
　以下の構成の本技術によれば、全体として３枚のレンズ構成とし、各レンズの構成の最適化を図るようにしたので、小型で結像性能に優れた撮像光学系、または撮像装置を提供することができる。

（１）
　物体側から像面側に向かって順に、
　像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第１レンズと、
　物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、
　像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第３レンズと
　から構成され、
　両側テレセントリック光学系とされている
　撮像光学系。
（２）
　前記第２レンズの光軸上の厚みをＤ（Ｌ２）、
　前記第３レンズの光軸上の厚みをＤ（Ｌ３）としたとき、
　Ｄ（Ｌ２）＞Ｄ（Ｌ３）
　を満足する
　上記［１］に記載の撮像光学系。
（３）
　前記第１レンズ、前記第２レンズ、および前記第３レンズはそれぞれ、光軸近傍において正の屈折力を有する
　上記［１］または［２］に記載の撮像光学系。
（４）
　前記第１レンズの像面側のレンズ面は、中心部が像面側に凸形状で、周辺部に行くに従い、凹形状となる非球面形状である
　上記［１］ないし［３］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
（５）
　Ｆナンバーが６より小さい
　上記［１］ないし［４］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
（６）
　前記第２レンズの物体側のレンズ面近傍に、開口絞りが配置されている
　上記［１］ないし［５］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
（７）
　像面側に撮像素子が配置され、
　物体側に形成された１次結像像を、前記撮像素子の撮像面上に２次結像像としてリレーさせる光学系とされている
　上記［１］ないし［６］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
（８）
　前記１次結像像は、赤外光によって形成された像である
　上記［７］に記載の撮像光学系。
（９）
　撮像光学系と、前記撮像光学系によって形成された光学像に応じた撮像信号を出力する撮像素子とを含み、
　前記撮像光学系は、
　物体側から像面側に向かって順に、
　像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第１レンズと、
　物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、
　像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第３レンズと
　から構成され、
　両側テレセントリック光学系とされている
　撮像装置。
（１０）
　前記撮像光学系は、
　物体側に形成された１次結像像を、前記撮像素子の撮像面上に２次結像像としてリレーさせる光学系である
　上記［９］に記載の撮像装置。
（１１）
　検出物の像を前記１次結像像として形成する結像光学系、をさらに含み、
　前記撮像素子は、前記結像光学系、および前記撮像光学系を介して前記検出物を撮像する
　上記［１０］に記載の撮像装置。

　本出願は、日本国特許庁において２０１８年３月２６日に出願された日本特許出願番号第２０１８－０５８３７０号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。

　当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims

　物体側から像面側に向かって順に、
　像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第１レンズと、
　物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、
　像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第３レンズと
　から構成され、
　両側テレセントリック光学系とされている
　撮像光学系。
　前記第２レンズの光軸上の厚みをＤ（Ｌ２）、
　前記第３レンズの光軸上の厚みをＤ（Ｌ３）としたとき、
　Ｄ（Ｌ２）＞Ｄ（Ｌ３）
　を満足する
　請求項１に記載の撮像光学系。
　前記第１レンズ、前記第２レンズ、および前記第３レンズはそれぞれ、光軸近傍において正の屈折力を有する
　請求項１に記載の撮像光学系。
　前記第１レンズの像面側のレンズ面は、中心部が像面側に凸形状で、周辺部に行くに従い、凹形状となる非球面形状である
　請求項１に記載の撮像光学系。
　Ｆナンバーが６より小さい
　請求項１に記載の撮像光学系。
　前記第２レンズの物体側のレンズ面近傍に、開口絞りが配置されている
　請求項１に記載の撮像光学系。
　像面側に撮像素子が配置され、
　物体側に形成された１次結像像を、前記撮像素子の撮像面上に２次結像像としてリレーさせる光学系とされている
　請求項１に記載の撮像光学系。
　前記１次結像像は、赤外光によって形成された像である
　請求項７に記載の撮像光学系。
　撮像光学系と、前記撮像光学系によって形成された光学像に応じた撮像信号を出力する撮像素子とを含み、
　前記撮像光学系は、
　物体側から像面側に向かって順に、
　像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第１レンズと、
　物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、
　像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第３レンズと
　から構成され、
　両側テレセントリック光学系とされている
　撮像装置。
　前記撮像光学系は、
　物体側に形成された１次結像像を、前記撮像素子の撮像面上に２次結像像としてリレーさせる光学系である
　請求項９に記載の撮像装置。
　検出物の像を前記１次結像像として形成する結像光学系、をさらに含み、
　前記撮像素子は、前記結像光学系、および前記撮像光学系を介して前記検出物を撮像する
　請求項１０に記載の撮像装置。