WO2023136167A1 - 撮像光学系 - Google Patents

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WO2023136167A1
WO2023136167A1 PCT/JP2022/048555 JP2022048555W WO2023136167A1 WO 2023136167 A1 WO2023136167 A1 WO 2023136167A1 JP 2022048555 W JP2022048555 W JP 2022048555W WO 2023136167 A1 WO2023136167 A1 WO 2023136167A1
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optical system
lens
imaging optical
light
imaging
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PCT/JP2022/048555
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Inventor
永悟 佐野
Original Assignee
コニカミノルタ株式会社
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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
    • G02B13/18—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
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B17/00—Details of cameras or camera bodies; Accessories therefor
    • G03B17/02—Bodies
    • G03B17/17—Bodies with reflectors arranged in beam forming the photographic image, e.g. for reducing dimensions of camera

Definitions

  • the present invention relates to an imaging optical system.
  • the technology described in Patent Document 2 configures a folded optical path by controlling the reflection and transmission of light rays. As a result, the optical path length is secured within the limited number of lenses, and the overall optical length is kept small.
  • the present invention provides a single focus imaging optical system for forming a subject image on a photoelectric conversion section of an imaging device, comprising: having at least two transmissive and reflective surfaces that control the transmission and reflection of light by controlling the polarization of the light; It satisfies the following conditional expressions. 0.50 ⁇ D12/f ⁇ 0.85 (1) however, D12: distance on the optical axis between the two transmissive and reflective surfaces f: focal length of the entire imaging optical system
  • the size of the entire imaging optical system can be suitably reduced.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an imaging device according to an embodiment
  • FIG. 3 is a block diagram showing a schematic control configuration of the imaging device according to the embodiment
  • FIG. 4A and 4B are diagrams for explaining the principle of polarization control in the imaging device according to the embodiment
  • FIG. 2 is an optical path diagram of the imaging optical system of Example 1.
  • FIG. 4 is a longitudinal aberration diagram of the imaging optical system of Example 1.
  • FIG. 10 is an optical path diagram of the imaging optical system of Example 2;
  • FIG. 10 is a longitudinal aberration diagram of the imaging optical system of Example 2;
  • FIG. 11 is an optical path diagram of the imaging optical system of Example 3;
  • FIG. 10 is a longitudinal aberration diagram of the imaging optical system of Example 3;
  • FIG. 10 is a longitudinal aberration diagram of the imaging optical system of Example 3;
  • FIG. 11 is an optical path diagram of an imaging optical system of Example 4;
  • FIG. 11 is a longitudinal aberration diagram of the imaging optical system of Example 4;
  • FIG. 11 is an optical path diagram of an imaging optical system of Example 5;
  • FIG. 12 is a longitudinal aberration diagram of the imaging optical system of Example 5;
  • FIG. 11 is an optical path diagram of an imaging optical system of Example 6;
  • FIG. 12 is a longitudinal aberration diagram of the imaging optical system of Example 6;
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an imaging device 100 according to this embodiment.
  • the imaging device 100 includes a camera module 30 for forming an image signal.
  • the camera module 30 includes an imaging optical system 10 and a sensor section 50 .
  • the imaging optical system 10 is a single focus optical system for forming a subject image on an imaging surface (projection surface) I of the imaging device 51 , and is accommodated in the lens barrel 41 .
  • the imaging optical system 10 includes a plurality of lenses (first lens L1 to fourth lens L4). The details of the configuration of the imaging optical system 10 will be described later.
  • a lens barrel 41 that accommodates the imaging optical system 10 has an aperture OP that allows light from the object side to enter. Further, the lens barrel 41 has a driving mechanism for moving at least a part of the first lens L1 to the fourth lens L4 or a lens group (for example, the second lens L2 to the fourth lens L4) along the optical axis Ax. 42 (see FIG. 2) are provided.
  • the driving mechanism 42 enables the focusing operation of the imaging optical system 10 by moving the part of the lenses or the lens group on the optical axis Ax.
  • the drive mechanism 42 includes, for example, a voice coil motor and guides.
  • the drive mechanism 42 may be configured by a stepping motor or the like instead of the voice coil motor or the like.
  • the sensor unit 50 includes an imaging device (solid-state imaging device) 51 that photoelectrically converts a subject image formed by the imaging optical system 10 .
  • the imaging device 51 is, for example, a CMOS image sensor.
  • the imaging element 51 is fixed in a state of being positioned with respect to the optical axis Ax.
  • the imaging element 51 has a photoelectric conversion section as an imaging surface I, and a signal processing circuit (not shown) is formed around it. Pixels, that is, photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged in the photoelectric conversion unit. Note that the imaging element 51 is not limited to the CMOS type image sensor described above, and may incorporate another imaging element such as a CCD.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic control configuration of the imaging device 100.
  • the imaging device 100 includes a processing section 60 that operates the camera module 30 .
  • the processing unit 60 includes a lens driving unit 61 , an element driving unit 62 , an input unit 63 , a storage unit 64 , an image processing unit 65 , a display unit 66 and a control unit 67 .
  • the lens drive unit 61 operates the drive mechanism 42 to move some lenses or lens groups (for example, the second lens L2 to the fourth lens L4) out of the first lens L1 to the fourth lens L4 along the optical axis Ax. By moving the optical system 10 by moving the lens, an operation such as focusing of the imaging optical system 10 is performed.
  • the device drive unit 62 receives voltages and clock signals for driving the image pickup device 51 from the control unit 67 and outputs them to circuits associated with the image pickup device 51 to operate the image pickup device 51 .
  • the input unit 63 is a part that receives a user's operation or a command from an external device.
  • the storage unit 64 is a part that stores information necessary for the operation of the imaging device 100, image data acquired by the camera module 30, lens correction data used for image processing, and the like.
  • the image processing unit 65 performs image processing on the image signal output from the imaging device 51 .
  • the image signal corresponds to, for example, a moving image, and the frame image forming the moving image is processed.
  • the image processing unit 65 performs distortion correction processing on the image signal based on the lens correction data read out from the storage unit 64 in addition to normal image processing such as color correction, tone correction, and zooming.
  • the display unit 66 is a part that displays information to be presented to the user, captured images, and the like. Note that the display unit 66 can also function as the input unit 63 .
  • the control unit 67 comprehensively controls the operations of the lens driving unit 61, the element driving unit 62, the input unit 63, the storage unit 64, the image processing unit 65, the display unit 66, and the like. Various image processing is performed on the
  • the imaging optical system 10 includes, in order from the object side, a first parallel flat plate P, an aperture diaphragm S, a first lens L1, a second lens L2, and a third lens. L3, the fourth lens L4, and the second parallel flat plate F are substantially configured.
  • the first parallel plate P has a polarization function, and is an optical element for aligning the polarization state of light to only linearly polarized light in a predetermined direction.
  • the first parallel plate P of the present embodiment is, for example, a 0.5 mm thick parallel plate obtained by combining a 0.2 mm thick parallel plate assuming a linear polarizing plate and a 0.3 mm thick parallel plate assuming a ⁇ /4 plate. is.
  • the second parallel flat plate F is a parallel flat plate assuming an optical low-pass filter, an IR cut filter, a seal glass of the imaging element 51, or the like.
  • the imaging optical system 10 has two transmission/reflection surfaces R that control the transmission and reflection of light by controlling the polarization of the light.
  • a polarizing element for controlling the polarization of light is added to two lens surfaces (surfaces having power) of the first lens L1 to the fourth lens L4 to form two transmissive/reflective surfaces R (second It functions as one transmission/reflection surface (R1) and a second transmission/reflection surface (R2).
  • the object-side surface of the second lens L2 is the first transmission/reflection surface R1, which is coated with a half-mirror coating.
  • a half mirror is an optical element that separates incident light into transmitted light and reflected light at a predetermined light amount ratio (for example, 50:50).
  • the image side surface of the fourth lens L4 serves as the second transmission/reflection surface R2, which is added with the function of a polarizing beam splitter.
  • a polarizing beam splitter is a linear polarization selection optical element that transmits specific linearly polarized light and reflects linearly polarized light whose vibration plane is perpendicular to the linearly polarized light.
  • a ⁇ /4 plate function is added to the object side surface of the fourth lens L4.
  • a ⁇ /4 plate is an optical element that can convert linearly polarized light into circularly polarized light (or circularly polarized light into linearly polarized light) by giving a phase difference of ⁇ /4 (90°).
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of polarization control of the imaging optical system 10.
  • the polarizing element added to the lens surface is shown as an independent optical element in this embodiment for the sake of clarity.
  • the external light rays which are randomly polarized light, are converted into light rays of only linearly polarized light (for example, vertical polarized light) by the polarizing plate arranged closest to the object.
  • the light beam converted to circularly polarized light passes through the half mirror and then through the lens optical system, and is transmitted to the first ⁇ /4 plate by the second ⁇ /4 plate arranged behind it (on the image side). It is converted into linearly polarized light in the same direction as when it was incident (for example, vertically polarized light).
  • the light beam converted to linearly polarized light is reflected toward the object side by the polarization beam splitter, reenters the second ⁇ /4 plate, and is converted again to circularly polarized light (for example, right-handed circularly polarized light).
  • this light beam After passing through the lens optical system, this light beam is reflected by a half mirror to be circularly polarized in the opposite direction (for example, counterclockwise direction), and travels toward the image side again.
  • the light beam reflected by the half mirror passes through the second ⁇ /4 plate after passing through the lens optical system, and is converted into linearly polarized light (e.g., horizontal polarized light) in a direction orthogonal to the first transmission. be done.
  • FIG. 3 and the imaging optical system 10 of the present embodiment are such that the polarizing plate and the first ⁇ /4 plate are on the first parallel plate P, and the half mirror is on the object side of the second lens L2 (first transmission/reflection On the surface R1), the lens optical system is on the first lens L1 to the fourth lens L4, the second ⁇ /4 plate is on the object side surface of the fourth lens L4, and the polarizing beam splitter is on the image side surface (the fourth lens L4) of the fourth lens L4. 2 corresponding to the transflective surface R2), respectively.
  • the light rays are repeatedly transmitted and reflected by the half mirror and the polarization beam splitter (that is, the two transmissive and reflective surfaces R), so that the light rays pass through the optical surfaces (lens surfaces) of the lens optical system. pass multiple times.
  • the lens optical system is composed of two lenses
  • the light rays pass through the optical surfaces a total of 12 times, and it is possible to have an aberration correction effect equivalent to that of a normal optical system composed of six lenses. becomes. Therefore, optical performance corresponding to three times the number of lenses can be obtained while keeping the total optical length short.
  • the imaging optical system 10 satisfies the following conditional expression (1). 0.50 ⁇ D12/f ⁇ 0.85 (1)
  • D12 is the distance between the two transmission/reflection surfaces R on the optical axis Ax
  • f is the focal length of the imaging optical system 10 as a whole.
  • Conditional expression (1) is a conditional expression for appropriately setting the distance between the two transmissive/reflective surfaces R. As described above, it is effective in correcting aberrations to secure the length of the folded optical path as much as possible, but if the optical path length is too long, it is disadvantageous in terms of the overall optical length.
  • D12/f exceeds the lower limit of conditional expression (1), an appropriately folded optical path length can be ensured, and good aberration correction can be performed.
  • D12/f is less than the upper limit of conditional expression (1), it is possible to prevent the optical total length from becoming too large.
  • the imaging optical system 10 preferably satisfies the following conditional expression (2) in addition to the above conditional expression (1). 0 ⁇ DAS/f ⁇ 0.15 (2)
  • DAS is the distance between the aperture diaphragm S and the first lens L1 on the optical axis Ax
  • f is the focal length of the imaging optical system 10 as a whole.
  • Conditional expression (2) is a conditional expression for appropriately setting the distance on the optical axis Ax between the aperture diaphragm S and the first lens L1 closest to the object side, and achieving both reduction in the lens diameter and aberration correction. be.
  • DAS/f exceeds the lower limit of conditional expression (2), the distance between the aperture diaphragm S and the first lens L1 can be appropriately increased, and the positions of light rays passing through the first lens L1 can be divided for each angle of view. can be achieved, so that good aberration correction can be performed.
  • DAS/f is less than the upper limit of conditional expression (2), the distance between the aperture diaphragm S and the first lens L1 is not too large, and the diameter of the first lens L1 can be kept small.
  • the imaging optical system 10 preferably satisfies the following conditional expression (3). 1.90 ⁇ f3/f ⁇ 4.00 (3)
  • f3 is the focal length of the third lens L3
  • f is the focal length of the imaging optical system 10 as a whole.
  • Conditional expression (3) is a conditional expression for appropriately setting the focal length of the positive third lens L3. Since the third lens L3 is arranged between the two transmissive and reflective surfaces R, it is a lens through which light rays pass three times in total. Therefore, it is necessary to appropriately set the focal length in order to achieve both compactness of the imaging optical system 10 and aberration correction.
  • f3/f exceeds the lower limit of conditional expression (3), the refractive power of the third lens L3 does not become too strong, and aberrations occurring in the third lens L3 can be suppressed.
  • f3/f is less than the upper limit of conditional expression (3), the positive refractive power of the third lens L3 can be appropriately maintained, and the size of the imaging optical system 10 can be reduced.
  • the imaging optical system 10 satisfies the conditional expression (1), so that the distance between the two transmission/reflection surfaces R can be appropriately set. That is, when D12/f exceeds the lower limit of the conditional expression (1), it is possible to secure an appropriately folded optical path length and perform good aberration correction.
  • TTL/Y total optical length, Y: diagonal image height
  • the optical element (first parallel plate P) for aligning the polarization state of light to only linearly polarized light in a predetermined direction is arranged closest to the object side. Therefore, polarization control in the imaging optical system 10 can be performed efficiently.
  • the imaging optical system 10 satisfies the conditional expression (2), the distance on the optical axis Ax between the aperture stop S and the first lens L1 closest to the object can be set appropriately. , it is possible to favorably achieve both reduction in lens diameter and correction of aberrations. That is, when DAS/f exceeds the lower limit of conditional expression (2), the distance between the aperture stop S and the first lens L1 is appropriately increased, and the positions of light rays passing through the first lens L1 are divided for each angle of view. can be performed, and good aberration correction can be performed. Also, when DAS/f is less than the upper limit of conditional expression (2), the distance between the aperture diaphragm S and the first lens L1 is not too large, and the diameter of the first lens L1 can be kept small.
  • a polarizing element in this embodiment, a second ⁇ /4 plate and a polarizing beam splitter
  • a polarizing element that controls the polarization of light is added to the lens surface.
  • some lenses or lens groups are moved during focusing.
  • the load on the actuator can be reduced, and the amount of movement can be suppressed to a smaller value than when the entire lens group is extended.
  • the imaging optical system 10 satisfies conditional expression (3), so that the focal length of the positive third lens L3 can be appropriately set. That is, when f3/f exceeds the lower limit of conditional expression (3), the refractive power of the third lens L3 does not become too strong, and aberrations occurring in the third lens L3 can be suppressed. In addition, when f3/f is less than the upper limit of conditional expression (3), the positive refractive power of the third lens L3 can be appropriately maintained, and the size of the imaging optical system 10 can be reduced.
  • the second ⁇ /4 plate and the polarizing beam splitter are added to the lens surface. It was decided that however, at least one of these polarizing elements is preferably attached to the lens surface, but may be arranged as an independent optical element without being attached to the lens surface. Further, in the above embodiment, a half mirror and a polarizing beam splitter are illustrated as optical elements corresponding to the transmission/reflection surface R, but the transmission/reflection surface R can transmit and reflect light by controlling the polarization of light.
  • the imaging optical system 10 may be anything as long as it can be controlled, and may be, for example, a cholesteric liquid crystal.
  • the specific configuration of the imaging optical system 10 is not limited to that of the above-described embodiment, and any configuration having at least two transmission/reflection surfaces R (that is, having a folded optical path) may be used.
  • f focal length of the entire imaging optical system
  • fB back focus
  • Fno F number 2Y: imaging surface diagonal length
  • R radius of curvature
  • D distance between upper surfaces of the axis
  • Nd refractive index of the lens material with respect to the d-line
  • ⁇ d lens Abbe number of material
  • the surface with "*" after each surface number in the lens surface data has an aspherical shape. Taking the X axis in the direction of the optical axis, and letting h be the height in the direction perpendicular to the optical axis, it is represented by the following "Equation 1". However, Ai: i-th order aspheric coefficient R: radius of curvature K: conic constant
  • Example 1 shows an optical path diagram and a longitudinal aberration diagram (spherical aberration, astigmatism, distortion aberration) of the imaging optical system of Example 1.
  • FIG. The imaging optical system 10 of Example 1 corresponds to the imaging optical system 10 of the above embodiment. Unless otherwise specified, the imaging optical system 10 having the same optical configuration as that of the above-described embodiment is used in the second and subsequent embodiments.
  • the aspheric coefficients of the lens surfaces of Example 1 are shown in Table II below.
  • powers of 10 eg, 2.5 ⁇ 10 ⁇ 02
  • E eg, 2.5E ⁇ 02
  • Example 2 shows an optical path diagram and longitudinal aberration diagrams (spherical aberration, astigmatism, distortion aberration) of the imaging optical system of Example 2.
  • FIG. 1 shows an optical path diagram and longitudinal aberration diagrams (spherical aberration, astigmatism, distortion aberration) of the imaging optical system of Example 2.
  • Example 3 shows an optical path diagram and longitudinal aberration diagrams (spherical aberration, astigmatism, distortion aberration) of the imaging optical system of Example 3.
  • FIG. 3 shows an optical path diagram and longitudinal aberration diagrams (spherical aberration, astigmatism, distortion aberration) of the imaging optical system of Example 3.
  • Example 4 shows an optical path diagram and longitudinal aberration diagrams (spherical aberration, astigmatism, distortion aberration) of the imaging optical system of Example 4.
  • FIG. 10 of Example 4 the second transmission/reflection surface R2 is not the image side surface of the fourth lens L4, but the second parallel plate F (the object side surface thereof).
  • Example 5 shows an optical path diagram and a longitudinal aberration diagram (spherical aberration, astigmatism, distortion aberration) of the imaging optical system of Example 5.
  • FIG. The imaging optical system 10 of Example 5 has three lenses, the first lens L1 to the third lens L3, and the second transmission/reflection surface R2 is the image side surface of the third lens L3.
  • Example 6 shows an optical path diagram and a longitudinal aberration diagram (spherical aberration, astigmatism, distortion aberration) of the imaging optical system of Example 6.
  • FIG. 6 shows an optical path diagram and a longitudinal aberration diagram (spherical aberration, astigmatism, distortion aberration) of the imaging optical system of Example 6.
  • the present invention is useful for suitably downsizing the entire imaging optical system.
  • Imaging optical system 51 Imaging device 100 Imaging device Ax Optical axis I Imaging surface L1 First lens L2 Second lens L3 Third lens L4 Fourth lens R Transmission reflection surface R1 First transmission reflection surface R2 Second transmission reflection surface P 1 parallel plate F 2nd parallel plate S aperture diaphragm

Abstract

撮像光学系１０は、撮像素子５１の光電変換部に被写体像を結像させる単焦点の撮像光学系であって、光の偏光を制御することで光の透過と反射を制御する少なくとも２つの透過反射面Ｒを有している。　撮像光学系１０は、以下の条件式を満足する。　０．５０＜Ｄ１２／ｆ＜０．８５　・・・（１）　ただし、　Ｄ１２：２つの透過反射面Ｒの光軸Ａｘ上での距離　ｆ：撮像光学系１０全系の焦点距離

Description

撮像光学系
　本発明は、撮像光学系に関する。
　近年、スマートフォンなどの携帯端末やノートＰＣ等に搭載される撮像光学系には、常に小型化が要求されている。
　また、リモートワークの普及に伴って、ノートＰＣに搭載されるカメラには高画素化の要求も増えてきている。カメラを高画素化しようとするとセンササイズを大きくする必要が出てくるが、ノートＰＣではカメラがディスプレイのベゼル部分に配置されることが多く、ＰＣ本体の厚みを決定する要因となり得るため、光学全長をより短くする必要がある。
　しかしながら、センササイズ又は光学系の焦点距離が決定されると、光学全長の短縮化には限界があり、TTL/Y（TTL：光学全長、Y：対角像高）やTTL/f（f：焦点距離）が概ね1.0を下回る光学系を実現するのは困難である。実際に小型化の要求が大きいスマートフォン向けの光学系でも、最も小型の設計解であってもTTL/Y＝1.1程度となっている（例えば、特許文献１参照）。
　また、光学全長を短縮するためには焦点距離も短くする必要があり、カメラの画角が広角化してしまうという課題がある。カメラの画角は広ければ良いというものでもなく、撮影用途に応じた適切な画角が決まっており、ある画角を保ったまま光学全長を短縮したいという要求は大きい。
　このような光学系の短縮要求に対し、例えば特許文献２に記載の技術では、光線の反射と透過を制御することで、折り畳まれた光路を構成している。これにより、限られたレンズ枚数の中で光路長を確保し、光学全長を小さく抑えている。
米国特許出願公開第２０２１／０２２３５１５号明細書 特開２００５－３５２２７３号公報
　しかしながら、特許文献２の記載の撮像光学系では、収差補正が十分ではないなど、好適に小型化が図られているとは言い難い。
　本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、撮像光学系全体を好適に小型化することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明は、撮像素子の光電変換部に被写体像を結像させる単焦点の撮像光学系であって、
　光の偏光を制御することで光の透過と反射を制御する少なくとも２つの透過反射面を有し、
　以下の条件式を満足する。
　　　０．５０＜Ｄ１２／ｆ＜０．８５　　　　　・・・（１）
　ただし、
　Ｄ１２：２つの透過反射面の光軸上での距離
　ｆ：撮像光学系全系の焦点距離
　本発明によれば、撮像光学系全体を好適に小型化することができる。
実施形態に係る撮像装置の模式的な断面図である。 実施形態に係る撮像装置の概略の制御構成を示すブロック図である。 実施形態に係る撮像装置における偏光制御の原理を説明するための図である。 実施例１の撮像光学系の光路図である。 実施例１の撮像光学系の縦収差図である。 実施例２の撮像光学系の光路図である。 実施例２の撮像光学系の縦収差図である。 実施例３の撮像光学系の光路図である。 実施例３の撮像光学系の縦収差図である。 実施例４の撮像光学系の光路図である。 実施例４の撮像光学系の縦収差図である。 実施例５の撮像光学系の光路図である。 実施例５の撮像光学系の縦収差図である。 実施例６の撮像光学系の光路図である。 実施例６の撮像光学系の縦収差図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
［撮像装置の全体構成］
　図１は、本実施形態に係る撮像装置１００の模式的な断面図である。
　この図に示すように、撮像装置１００は、画像信号を形成するためのカメラモジュール３０を備える。カメラモジュール３０は、撮像光学系１０とセンサー部５０とを備える。
　撮像光学系１０は、撮像素子５１の撮像面（被投影面）Ｉに被写体像を結像させるための単焦点の光学系であり、鏡筒４１内に収容されている。撮像光学系１０は、複数のレンズ（第１レンズＬ１～第４レンズＬ４）を備える。
　撮像光学系１０の構成の詳細については後述する。
　撮像光学系１０を収容する鏡筒４１は、物体側からの光を入射させる開口ＯＰを有する。
　また、鏡筒４１には、第１レンズＬ１～第４レンズＬ４のうち少なくとも一部のレンズ又はレンズ群（例えば第２レンズＬ２～第４レンズＬ４）を光軸Ａｘに沿って移動させる駆動機構４２（図２参照）が設けられている。駆動機構４２は、当該一部のレンズ又はレンズ群を光軸Ａｘ上で移動させることにより、撮像光学系１０の合焦の動作を可能にする。駆動機構４２は、例えばボイスコイルモーターとガイドとを備える。なお、駆動機構４２はボイスコイルモーター等に代えてステッピングモーター等で構成してもよい。
　センサー部５０は、撮像光学系１０によって形成された被写体像を光電変換する撮像素子（固体撮像素子）５１を備える。
　撮像素子５１は、例えばＣＭＯＳ型のイメージセンサーである。撮像素子５１は、光軸Ａｘに対して位置決めされた状態で固定されている。この撮像素子５１は、撮像面Ｉとしての光電変換部を有し、その周辺には、不図示の信号処理回路が形成されている。光電変換部には、画素つまり光電変換素子が二次元的に配置されている。なお、撮像素子５１は、上述のＣＭＯＳ型のイメージセンサーに限るものでなく、ＣＣＤ等の他の撮像素子を組み込んだものであってもよい。
　図２は、撮像装置１００の概略の制御構成を示すブロック図である。
　この図に示すように、撮像装置１００は、カメラモジュール３０を動作させる処理部６０を備える。
　処理部６０は、レンズ駆動部６１と、素子駆動部６２と、入力部６３と、記憶部６４と、画像処理部６５と、表示部６６と、制御部６７とを備える。
　レンズ駆動部６１は、駆動機構４２を動作させ、第１レンズＬ１～第４レンズＬ４のうちの一部のレンズ又はレンズ群（例えば第２レンズＬ２～第４レンズＬ４）を光軸Ａｘに沿って移動させることにより、撮像光学系１０の合焦等の動作を行わせる。
　素子駆動部６２は、制御部６７から撮像素子５１を駆動するための電圧やクロック信号の供給を受けて撮像素子５１に付随する回路へ出力することによって、撮像素子５１を動作させる。
　入力部６３は、ユーザーの操作又は外部装置からのコマンドを受け付ける部分である。
　記憶部６４は、撮像装置１００の動作に必要な情報、カメラモジュール３０によって取得した画像データ、画像処理に用いるレンズ補正データ等を保管する部分である。
　画像処理部６５は、撮像素子５１から出力された画像信号に対して画像処理を行う。画像処理部６５では、画像信号が例えば動画像に対応するものであるとしてこれを構成するコマ画像に対して加工を施す。画像処理部６５は、色補正、階調補正、ズーミング等の通常の画像処理の他に、記憶部６４から読み出されたレンズ補正データに基づいて画像信号に対して歪み補正処理を実行する。
　表示部６６は、ユーザーに提示すべき情報、撮影した画像等を表示する部分である。なお、表示部６６は、入力部６３の機能を兼用できる。
　制御部６７は、レンズ駆動部６１、素子駆動部６２、入力部６３、記憶部６４、画像処理部６５、表示部６６等の動作を統括的に制御し、例えばカメラモジュール３０によって得た画像データに対して種々の画像処理を行う。
［撮像光学系の具体構成］
　続いて、撮像光学系１０についてより詳細に説明する。
　図１に示すように、撮像光学系１０は、本実施形態では、物体側から順に、第１平行平板Ｐと、開口絞りＳと、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４と、第２平行平板Ｆと、から実質的に構成される。
　第１平行平板Ｐは、偏光機能を有するものであって、光の偏光状態を所定方向の直線偏光のみに揃えるための光学素子である。本実施形態の第１平行平板Ｐは、例えば、直線偏光板を想定した0.2ｍｍ厚の平行平板と、λ／４板を想定した0.3ｍｍ厚の平行平板とを合わせた0.5ｍｍ厚の平行平板である。
　第２平行平板Ｆは、光学的ローパスフィルター、ＩＲカットフィルター、撮像素子５１のシールガラス等を想定した平行平板である。
　撮像光学系１０は、光の偏光を制御することで光の透過と反射を制御する２つの透過反射面Ｒを有している。本実施形態では、第１レンズＬ１～第４レンズＬ４のうちの２つのレンズ面（パワーを有する面）に、光の偏光を制御する偏光素子が付加されて、２つの透過反射面Ｒ（第１透過反射面Ｒ１、第２透過反射面Ｒ２）として機能する。
　具体的に、本実施形態では、第２レンズＬ２の物体側面が第１透過反射面Ｒ１となっており、ハーフミラーコートが施されている。ハーフミラーは、入射光を所定の光量割合（例えば５０：５０）で透過光と反射光とに分離する光学素子である。また、第４レンズＬ４の像側面が第２透過反射面Ｒ２となっており、偏光ビームスプリッターの機能が付加されている。偏光ビームスプリッターは、特定の直線偏光を透過させるとともに、当該直線偏光に対して振動面が垂直な直線偏光を反射させる直線偏光選択光学素子である。
　また、第４レンズＬ４の物体側面にはλ／４板の機能が付加されている。λ／４板は、位相差をλ／４（90°）与えて直線偏光を円偏光に（又は円偏光を直線偏光に）変換できる光学素子である。
　撮像光学系１０における偏光制御の原理について説明する。図３は、撮像光学系１０の偏光制御の原理を説明するための図である。ただし、図３では、分かり易さのために、本実施形態ではレンズ面に付加されている偏光素子を独立した光学素子として図示している。
　撮像光学系１０の全長を短縮化するためには、限られたスペースの中で光路長をできるだけ長く確保する必要がある。そこで本実施形態では、光の偏光状態によって光線の透過と反射を制御することで、光路が折り畳まれた光学系とし、これにより大幅な全長の短縮化を実現している。
　具体的に、撮像光学系１０では、図３に示すように、ランダム偏光である外界の光線が、最も物体側に配置された偏光板によって直線偏光（例えば縦偏光）のみの光線とされた後、第１のλ／４板によって円偏光に変換（例えば右回りに円偏光化）される。円偏光に変換された光線は、ハーフミラーを透過した後にレンズ光学系を透過し、その後方（像側）に配置された第２のλ／４板によって、第１のλ／４板への入射時と同じ方向の直線偏光（例えば縦偏光）に変換される。直線偏光に変換された光線は、偏光ビームスプリッターによって物体側へ反射され、第２のλ／４板に再入射して再び円偏光に変換（例えば右回りに円偏光化）される。この光線は、レンズ光学系を透過した後に、ハーフミラーによって反射されることで逆回り（例えば左回り）の円偏光とされつつ、再び像側へ向かう。ハーフミラーで反射された光線は、レンズ光学系を透過した後に、第２のλ／４板を透過することで、１度目の透過時とは直交する方向の直線偏光（例えば横偏光）に変換される。そのため、この光線は偏光ビームスプリッターで反射されることなく透過され、撮像素子に結像される。
　上記図３の構成と本実施形態の撮像光学系１０とは、偏光板及び第１のλ／４板が第１平行平板Ｐに、ハーフミラーが第２レンズＬ２の物体側面（第１透過反射面Ｒ１）に、レンズ光学系が第１レンズＬ１～第４レンズＬ４に、第２のλ／４板が第４レンズＬ４の物体側面に、偏光ビームスプリッターが第４レンズＬ４の像側面（第２透過反射面Ｒ２）に、それぞれ対応する。
　このように、撮像光学系１０では、ハーフミラーと偏光ビームスプリッター（すなわち２つの透過反射面Ｒ）によって光線の透過及び反射を繰り返すことにより、当該光線がレンズ光学系の光学面（レンズ面）を複数回通過する。例えば、レンズ光学系が２枚のレンズ構成であった場合、その光学面を光線が合計１２回通過することになり、通常の光学系における６枚構成相当の収差補正作用を持たせることが可能となる。したがって、光学全長を短く抑えつつ、その３倍のレンズ枚数相当の光学性能を得ることができる。
　なお、同じレンズ面を複数回通過するため、厳密には６枚構成ほどの面の自由度はないものの、非球面レンズなどを使用することで形状自由度を増加させ、６枚構成相当の性能に近づけることができる。
　また、撮像光学系１０は、以下の条件式（１）を満足する。
　　　０．５０＜Ｄ１２／ｆ＜０．８５　　　　　・・・（１）
　ただし、Ｄ１２は２つの透過反射面Ｒの光軸Ａｘ上での距離であり、ｆは撮像光学系１０全系の焦点距離である。
　条件式（１）は、２つの透過反射面Ｒ間の距離を適切に設定するための条件式である。前述の通り、できる限り折り畳んだ光路長を確保することが、収差補正の点では効果的であるものの、あまりに光路長を長く取ると光学全長の観点で不利になってしまう。
　Ｄ１２／ｆが条件式（１）の下限を上回ることで、適度に折り畳んだ光路長を確保でき、良好な収差補正を行うことができる。一方、Ｄ１２／ｆが条件式（１）の上限を下回ることで、光学全長が大きくなり過ぎることを抑制できる。
　また、撮像光学系１０は、上記条件式（１）に加えて、以下の条件式（２）を満足するのが好ましい。
　　　０≦ＤＡＳ／ｆ＜０．１５　　　　　　　　・・・（２）
　ただし、ＤＡＳは開口絞りＳと第１レンズＬ１との光軸Ａｘ上での距離であり、ｆは撮像光学系１０全系の焦点距離である。
　条件式（２）は、開口絞りＳと最も物体側の第１レンズＬ１との光軸Ａｘ上の距離を適切に設定し、レンズ径の小型化と収差補正の両立を図るための条件式である。
　ＤＡＳ／ｆが条件式（２）の下限を上回ることで、開口絞りＳと第１レンズＬ１の距離を適度に空けることができ、第１レンズＬ１を通過する光線位置を画角ごとに分けることができるため、良好な収差補正を行うことができる。一方、ＤＡＳ／ｆが条件式（２）の上限を下回ることで、開口絞りＳと第１レンズＬ１との距離が空き過ぎることがなくなり、第１レンズＬ１の径を小さく抑えることができる。
　さらに、撮像光学系１０は、以下の条件式（３）を満足するのが好ましい。
　　　１．９０＜ｆ３／ｆ＜４．００　　　　　　・・・（３）
　ただし、ｆ３は第３レンズＬ３の焦点距離であり、ｆは撮像光学系１０全系の焦点距離である。
　条件式（３）は、正の第３レンズＬ３の焦点距離を適切に設定するための条件式である。第３レンズＬ３は２つの透過反射面Ｒの間に配置されているため、光線が合計３回通過するレンズである。そのため、撮像光学系１０の小型化と収差補正の両立をするためには焦点距離を適切に設定する必要がある。
　ｆ３／ｆが条件式（３）の下限を上回ることで第３レンズＬ３の屈折力が強くなり過ぎず、第３レンズＬ３で発生する収差を小さく抑えることができる。一方、ｆ３／ｆが条件式（３）の上限を下回ることで、第３レンズＬ３の正の屈折力を適度に維持することができ、撮像光学系１０の小型化を図ることができる。
［本実施形態の技術的効果］
　以上のように、本実施形態によれば、光の偏光を制御することで光の透過と反射を制御する２つの透過反射面Ｒを有することにより、光線をレンズ面に複数回通過させることができる。これにより、所望の光学性能を達成しつつ、光学全長を短く抑えることができる。
　また、撮像光学系１０が条件式（１）を満足することで、２つの透過反射面Ｒ間の距離を適切に設定できる。すなわち、Ｄ１２／ｆが条件式（１）の下限を上回ることで、適度に折り畳んだ光路長を確保して、良好な収差補正を行うことができる。また、Ｄ１２／ｆが条件式（１）の上限を下回ることで、光学全長が大きくなり過ぎることを抑制できる。
　以上より、撮像光学系１０全体を好適に小型化することができる。
　なお、特に限定はされないが、本明細書では、TTL/Y（TTL：光学全長、Y：対角像高）が1.0を下回ることを撮像光学系１０の「小型化」の指標としている。
　また、本実施形態によれば、光の偏光状態を所定方向の直線偏光のみに揃えるための光学素子（第１平行平板Ｐ）が、最も物体側に配置されている。これにより、効率よく撮像光学系１０内の偏光制御を行うことができる。
　また、本実施形態によれば、撮像光学系１０が条件式（２）を満足することで、開口絞りＳと最も物体側の第１レンズＬ１との光軸Ａｘ上の距離を適切に設定し、レンズ径の小型化と収差補正の両立を好適に図ることができる。すなわち、ＤＡＳ／ｆが条件式（２）の下限を上回ることで、開口絞りＳと第１レンズＬ１の距離を適度に空けて、第１レンズＬ１を通過する光線位置を画角ごとに分けることができ、良好な収差補正を行うことができる。また、ＤＡＳ／ｆが条件式（２）の上限を下回ることで、開口絞りＳと第１レンズＬ１との距離が空き過ぎることがなく、第１レンズＬ１の径を小さく抑えることができる。
　また、本実施形態によれば、光の偏光を制御する偏光素子（本実施形態では、第２のλ／４板と偏光ビームスプリッター）がレンズ面に付加されている。これにより、これらの偏光素子が個別に設けられる場合に比べ、光学全長を短くすることができる。
　また、本実施形態によれば、合焦の際に一部のレンズ又はレンズ群を移動させる。これにより、アクチュエーターの負荷を低減できたり、レンズ群全体を繰り出す方式よりも移動量を小さく抑制できたりするようになる。
　また、本実施形態によれば、撮像光学系１０が条件式（３）を満足することで、正の第３レンズＬ３の焦点距離を適切に設定することができる。すなわち、ｆ３／ｆが条件式（３）の下限を上回ることで第３レンズＬ３の屈折力が強くなり過ぎず、第３レンズＬ３で発生する収差を小さく抑えることができる。また、ｆ３／ｆが条件式（３）の上限を下回ることで、第３レンズＬ３の正の屈折力を適度に維持することができ、撮像光学系１０の小型化を図ることができる。
　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態及びその変形例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
　例えば、上記実施形態では、光の偏光を制御する偏光素子（直線偏光板、２つのλ／４板、偏光ビームスプリッター）のうち、第２のλ／４板と偏光ビームスプリッターがレンズ面に付加されることとした。しかし、これらの偏光素子は、いずれか少なくとも１つがレンズ面に付加されるのが好ましいが、レンズ面に付加されずに独立した光学素子として配置されてもよい。
　また、上記実施形態では、透過反射面Ｒに相当する光学素子としてハーフミラー及び偏光ビームスプリッターを例示して説明したが、透過反射面Ｒは光の偏光を制御することで光の透過と反射を制御するものであればよく、例えばコレステリック液晶等であってもよい。
　また、撮像光学系１０の具体構成は、上記実施形態のものに限定されず、少なくとも２つの透過反射面Ｒを有するもの（すなわち、折り畳まれた光路を有するもの）であればよい。
　以下、本発明の撮像光学系の実施例を示す。各実施例に使用する記号は下記の通りである。
ｆ　　：撮像光学系全系の焦点距離
ｆＢ　：バックフォーカス
Ｆno　：Ｆナンバー
２Ｙ　：固体撮像素子の撮像面対角線長
Ｒ　　：曲率半径
Ｄ　　：軸上面間隔
Ｎｄ　：レンズ材料のｄ線に対する屈折率
νｄ　：レンズ材料のアッベ数
　各実施例において、レンズ面データの各面番号の後に「＊」が記載されている面が非球面形状を有する面であり、非球面の形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にＸ軸をとり、光軸と垂直方向の高さをｈとして以下の「数１」で表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
ただし、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数
Ｒ　：曲率半径
Ｋ　：円錐定数
（実施例１）
　図４Ａ及び図４Ｂに実施例１の撮像光学系の光路図及び縦収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）を示す。
　実施例１の撮像光学系１０は、上記実施形態の撮像光学系１０に対応する。実施例２以降においても、特に断りのない限り、上記実施形態と同様の光学構成を有する撮像光学系１０であるものとする。
　実施例１の撮像光学系の全体諸元を以下に示す。
ｆ＝8.78mm
Ｆno＝1.90
２Ｙ＝15.86mm
　実施例１のレンズ面のデータを以下の表Ｉに示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 　
　実施例１のレンズ面の非球面係数を以下の表IIに示す。なお、これ以降（表のレンズデータを含む）において、１０のべき乗数（たとえば２．５×１０－０２）をＥ（たとえば２．５Ｅ－０２）を用いて表すものとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
  
　実施例１の撮像光学系における条件式（１）～（３）の各数値を以下に示す。
　　条件式（１）：Ｄ１２／ｆ＝0.67
　　条件式（２）：ＤＡＳ／ｆ＝0.01
　　条件式（３）：ｆ３／ｆ＝2.54
（実施例２）
　図５Ａ及び図５Ｂに実施例２の撮像光学系の光路図及び縦収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）を示す。
　実施例２の撮像光学系の全体諸元を以下に示す。
ｆ＝8.60mm
Ｆno＝1.00
２Ｙ＝15.86mm
　実施例２のレンズ面のデータを以下の表IIIに示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
  
　実施例２のレンズ面の非球面係数を以下の表IVに示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
  
　実施例２の撮像光学系における条件式（１）～（３）の各数値を以下に示す。
　　条件式（１）：Ｄ１２／ｆ＝0.67
　　条件式（２）：ＤＡＳ／ｆ＝0.00
　　条件式（３）：ｆ３／ｆ＝2.60
（実施例３）
　図６Ａ及び図６Ｂに実施例３の撮像光学系の光路図及び縦収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）を示す。
　実施例３の撮像光学系の全体諸元を以下に示す。
ｆ＝7.43mm
Ｆno＝1.90
２Ｙ＝15.86mm
　実施例３のレンズ面のデータを以下の表Ｖに示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
  
　実施例３のレンズ面の非球面係数を以下の表VIに示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
  
　実施例３の撮像光学系における条件式（１）～（３）の各数値を以下に示す。
　　条件式（１）：Ｄ１２／ｆ＝0.62
　　条件式（２）：ＤＡＳ／ｆ＝0.07
　　条件式（３）：ｆ３／ｆ＝2.23
（実施例４）
　図７Ａ及び図７Ｂに実施例４の撮像光学系の光路図及び縦収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）を示す。
　実施例４の撮像光学系１０では、第２透過反射面Ｒ２が、第４レンズＬ４の像側面ではなく、第２平行平板Ｆ（の物体側面）となっている。
　実施例４の撮像光学系の全体諸元を以下に示す。
ｆ＝8.89mm
Ｆno＝1.90
２Ｙ＝15.86mm
　実施例４のレンズ面のデータを以下の表VIIに示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
  
　実施例４のレンズ面の非球面係数を以下の表VIIIに示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
  
　実施例４の撮像光学系における条件式（１）～（３）の各数値を以下に示す。
　　条件式（１）：Ｄ１２／ｆ＝0.66
　　条件式（２）：ＤＡＳ／ｆ＝0.02
　　条件式（３）：ｆ３／ｆ＝2.61
（実施例５）
　図８Ａ及び図８Ｂに実施例５の撮像光学系の光路図及び縦収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）を示す。
　実施例５の撮像光学系１０では、レンズが第１レンズＬ１～第３レンズＬ３の３枚であり、第２透過反射面Ｒ２が第３レンズＬ３の像側面となっている。
　実施例５の撮像光学系の全体諸元を以下に示す。
ｆ＝5.88mm
Ｆno＝1.90
２Ｙ＝15.86mm
　実施例５のレンズ面のデータを以下の表IXに示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
  
　実施例５のレンズ面の非球面係数を以下の表Ｘに示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
  
　実施例５の撮像光学系における条件式（１）～（３）の各数値を以下に示す。
　　条件式（１）：Ｄ１２／ｆ＝0.53
　　条件式（２）：ＤＡＳ／ｆ＝0.09
　　条件式（３）：ｆ３／ｆ＝3.98
（実施例６）
　図９Ａ及び図９Ｂに実施例６の撮像光学系の光路図及び縦収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）を示す。
　実施例６の撮像光学系の全体諸元を以下に示す。
ｆ＝9.50mm
Ｆno＝1.90
２Ｙ＝15.86mm
　実施例６のレンズ面のデータを以下の表XIに示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
  
　実施例６のレンズ面の非球面係数を以下の表XIIに示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000013
  
　実施例６の撮像光学系における条件式（１）～（３）の各数値を以下に示す。
　　条件式（１）：Ｄ１２／ｆ＝0.79
　　条件式（２）：ＤＡＳ／ｆ＝0.01
　　条件式（３）：ｆ３／ｆ＝2.43
産業上の利用の可能性
　以上のように、本発明は、撮像光学系全体を好適に小型化するのに有用である。
１０　　撮像光学系
５１　　撮像素子
１００　撮像装置
Ａｘ　　光軸
Ｉ　　　撮像面
Ｌ１　　第１レンズ
Ｌ２　　第２レンズ
Ｌ３　　第３レンズ
Ｌ４　　第４レンズ
Ｒ　　　透過反射面
Ｒ１　　第１透過反射面
Ｒ２　　第２透過反射面
Ｐ　　　第１平行平板
Ｆ　　　第２平行平板
Ｓ　　　開口絞り

Claims (6)

  1. 　撮像素子の光電変換部に被写体像を結像させる単焦点の撮像光学系であって、
    　光の偏光を制御することで光の透過と反射を制御する少なくとも２つの透過反射面を有し、
    　以下の条件式を満足する撮像光学系。
    　　　０．５０＜Ｄ１２／ｆ＜０．８５　　　　　・・・（１）
    　ただし、
    　Ｄ１２：２つの透過反射面の光軸上での距離
    　ｆ：撮像光学系全系の焦点距離
  2. 　最も物体側に配置され、光の偏光状態を所定方向の直線偏光のみに揃えるための光学素子を備える請求項１に記載の撮像光学系。
  3. 　開口絞りと、前記開口絞りよりも像側に配置された第１レンズと、を備え、
    　以下の条件式を満足する請求項１又は２に記載の撮像光学系。
    　　　０≦ＤＡＳ／ｆ＜０．１５　　　　　　　　・・・（２）
    　ただし、
    　ＤＡＳ：開口絞りと第１レンズとの光軸上での距離
    　ｆ：撮像光学系全系の焦点距離
  4. 　光の偏光を制御する偏光素子が付加されたレンズ面を有するレンズを備える請求項１～３のいずれか一項に記載の撮像光学系。
  5. 　合焦の際に一部のレンズ又はレンズ群を移動させる請求項１～４のいずれか一項に記載の撮像光学系。
  6. 　物体側から順に配置された、第１レンズ、第２レンズ及び第３レンズを備え、
    　以下の条件式を満足する請求項１～５のいずれか一項に記載の撮像光学系。
    　　　１．９０＜ｆ３／ｆ＜４．００　　　　　　・・・（３）
    　ただし、
    　ｆ３：第３レンズの焦点距離
    　ｆ：撮像光学系全系の焦点距離
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