JP2018055059A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でありながら、広い撮影範囲を高い解像度で撮影が可能な撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置は、軸上光束を決める明るさ絞りと、複数のレンズ成分と、を有する結像光学系と、結像光学系の像側に配置され、結像光学系に向けて凹状に湾曲した非平面の受光面を有する撮像部と、を有し、レンズ成分は、光軸上にて空気に接触する面が物体側面と像側面の２面のみのレンズであり、結像光学系は、物体側から像側に順に、負の屈折力を有する第１レンズ成分と、正の屈折力を有する第２レンズ成分と、正の屈折力を有する第３レンズ成分と、からなり、第１レンズ成分では、物体側のレンズ面が物体側に凸形状であり、第２レンズ成分の物体側のレンズ面では、一部の領域が物体側に凹形状であり、以下の条件式（１）を満足する。０．５＜（Ｒ１Ｌ＋Ｒ１Ｒ）／（Ｒ１Ｌ−Ｒ１Ｒ）＜２．５ （１）【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置に関するものである。

広い画角を有し、湾曲した像を形成する光学系が、特許文献１乃至特許文献４に開示されている。

特許文献１には、４つのレンズ成分からなる光学系が開示されている。特許文献２乃至特許文献４には、負の屈折力を有する第１レンズ成分と、正の屈折力を有する第２レンズ成分と、屈折力を有する第３レンズ成分からなる光学系が開示されている。

国際公開第２０１６／０７２３３６号 特開２０１３−０２５２０２号公報 国際公開第２０１２／０９０７２９号 米国特許出願公開第２０１４／０３７６１１３号明細書

特許文献１の光学系は、小型であるとは言い難い。特許文献２乃至特許文献４の光学系は、画角が十分に広いとは言い難い。よって、これらの光学系を用いた撮像装置では、装置を小型化することや、広い撮影範囲を高い解像度で撮影することは難しい。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、小型でありながら、広い撮影範囲を高い解像度で撮影が可能な撮像装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る撮像装置は、
軸上光束を決める明るさ絞りと、複数のレンズ成分と、を有する結像光学系と、
結像光学系の像側に配置され、結像光学系に向けて凹状に湾曲した非平面の受光面を有する撮像部と、を有し、
レンズ成分は、光軸上にて空気に接触する面が物体側面と像側面の２面のみのレンズであり、
結像光学系は、物体側から像側に順に、負の屈折力を有する第１レンズ成分と、正の屈折力を有する第２レンズ成分と、正の屈折力を有する第３レンズ成分と、からなり、
第１レンズ成分では、物体側のレンズ面が物体側に凸形状であり、
第２レンズ成分の物体側のレンズ面では、一部の領域が物体側に凹形状であり、
以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
０．５＜（Ｒ１Ｌ＋Ｒ１Ｒ）／（Ｒ１Ｌ−Ｒ１Ｒ）＜２．５ （１）
ここで、
Ｒ１Ｌは、第１レンズ成分の物体側のレンズ面の近軸曲率半径、
Ｒ１Ｒは、第１レンズ成分の像側のレンズ面の近軸曲率半径、
である。

本発明によれば、小型でありながら、広い撮影範囲を高い解像度で撮影が可能な撮像装置を提供することができる。

実施例１に係る結像光学系の断面図である。 実施例１に係る結像光学系の収差図である。 実施例２に係る結像光学系の断面図である。 実施例２に係る結像光学系の収差図である。 実施例３に係る結像光学系の断面図である。 実施例３に係る結像光学系の収差図である。 実施例４に係る結像光学系の断面図である。 実施例４に係る結像光学系の収差図である。 実施例５に係る結像光学系の断面図である。 実施例５に係る結像光学系の収差図である。 実施例６に係る結像光学系の断面図である。 実施例６に係る結像光学系の収差図である。 実施例７に係る結像光学系の断面図である。 カプセル内視鏡の概略構成を示す図である。 車載カメラを示す図である。 内視鏡システムの概略構成を示す図である。 内視鏡の光学系の構成を示す図である。

実施例の説明に先立ち、本発明のある態様にかかる実施形態の作用効果を説明する。なお、本実施形態の作用効果を具体的に説明するに際しては、具体的な例を示して説明することになる。しかし、後述する実施例の場合と同様に、それらの例示される態様はあくまでも本発明に含まれる態様のうちの一部に過ぎず、その態様には数多くのバリエーションが存在する。したがって、本発明は例示される態様に限定されるものではない。

本実施形態の撮像装置は、軸上光束を決める明るさ絞りと、複数のレンズ成分と、を有する結像光学系と、結像光学系の像側に配置され、結像光学系に向けて凹状に湾曲した非平面の受光面を有する撮像部と、を有し、レンズ成分は、光軸上にて空気に接触する面が物体側面と像側面の２面のみのレンズであり、結像光学系は、物体側から像側に順に、負の屈折力を有する第１レンズ成分と、正の屈折力を有する第２レンズ成分と、正の屈折力を有する第３レンズ成分と、からなり、第１レンズ成分では、物体側のレンズ面が物体側に凸形状であり、第２レンズ成分の物体側のレンズ面では、一部の領域が物体側に凹形状であり、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
０．５＜（Ｒ１Ｌ＋Ｒ１Ｒ）／（Ｒ１Ｌ−Ｒ１Ｒ）＜２．５ （１）
ここで、
Ｒ１Ｌは、第１レンズ成分の物体側のレンズ面の近軸曲率半径、
Ｒ１Ｒは、第１レンズ成分の像側のレンズ面の近軸曲率半径、
である。

本実施形態の撮像装置は、小型でありながら、広い撮影範囲を高い解像度で撮影することができる。そのために、本実施形態の撮像装置では、撮像装置に用いられる結像光学系を、小型で広画角にすると共に、良好な像が結像できるようにしている。良好な像とは、中心部から周辺部まで収差が良好に補正された光学像のことである。

本実施形態の撮像装置では、結像光学系は、明るさ絞りと、複数のレンズ成分と、を有する。明るさ絞りは、軸上光束を決める絞りである。レンズ成分は、光軸上にて空気に接触する面が物体側面と像側面の２面のみのレンズである。

上述のように、レンズ成分は、空気に接触する面として、物体側面と像側面を有する。以下の説明では、空気に接触する２つの面のうちの物体側面を、物体側のレンズ面としている。物体側のレンズ面は、レンズ成分において最も物体側に位置している。また、空気に接触する２つの面のうちの像側面を、像側のレンズ面としている。像側のレンズ面は、レンズ成分において最も像側に位置している。

結像光学系の像側には、撮像部が配置されている。撮像部は、結像光学系に向けて凹状に湾曲した非平面の受光面を有する。受光面に形成される像は、物体側に凹状に湾曲している。

全体的に又は部分的に物体側に凹状に湾曲した像（以下、「湾曲像」という）を形成する光学系では、像面湾曲の発生をある程度許容できる。よって、湾曲像を形成する光学系では、平坦な像を形成する光学系に比べて、収差補正の負担が軽減される。

例えば、湾曲像を形成する光学系では、ペッツバール和を補正するためのレンズを削減できる。そのため、光学系を小型化できる。

また、平坦な像を形成する光学系では、像面湾曲を良好に補正するために、開口絞りから離れた位置に補正用のレンズを配置する必要がある。但し、補正用のレンズを配置すると、光学系の外径が大きくなり、さらにレンズ成分の数が増える。このように、補正用のレンズは、光学系の外径を大きくする要因の一つである。

これに対して、湾曲像を形成する光学系では、補正用のレンズを配置する必要が無くなる。よって、湾曲像を形成する光学系では、光学系の外径を小さくすることができる。

また、周辺光量比、すなわち、中心領域の光量に対する周辺領域の光量の比については、比率の低下が抑制される。また、ディストーションについては、更なる発生が抑制される。

更には、湾曲した撮像面をもつ撮像素子で光学系の像を受光する場合には、撮像面へ入射する光線をほぼ垂直にするためにテレセントリックな光学系としなくてもよい。よって、湾曲像を形成する光学系では、小型化と光学性能の両立のための設計の自由度が広がる。

本実施形態の撮像装置における結像光学系も、湾曲像を形成する光学系である。よって、レンズ成分の数を減らし、光学系を小型化することができる。更に、設計の自由度が広がるため、広い画角、例えば、１８０度以上の画角を確保しつつ、高い結像性能を有する光学系を実現することができる。

本実施形態の撮像装置では、結像光学系は、物体側から像側に順に、負の屈折力を有する第１レンズ成分と、正の屈折力を有する第２レンズ成分と、正の屈折力を有する第３レンズ成分と、からなる。このようにすることで、広画角であっても、良好な結像性能を確保することができる。

第１レンズ成分は負の屈折力を有する。このようにすることで、例えば、画角が１８０度以上であっても、撮像範囲の中心部から周辺部まで良好な結像性能を確保することができる。

第１レンズ成分では、物体側面のレンズ面が物体側に凸形状になっている。このようにすることで、物体側のレンズ面へ入射する光線とレンズ面の法線とのなす角を小さくすることができる。そのため、諸収差、例えば、非点収差、歪曲収差及びコマ収差の発生を抑えることができる。

このように、第１レンズ成分は負の屈折力を有し、物体側面のレンズ面が物体側に凸形状になっている。よって、画角が１８０度以上であっても、良好な像を結像させることができる。また、第１レンズ成分の形状は、メニスカス形状になる。

第２レンズ成分の物体側のレンズ面では、一部の領域が物体側に凹形状になっている。このようにすることで、第２レンズ成分において、適度な大きさの負の屈折力を確保することができる。よって、広い画角であっても、良好な像を結像させることができる。

物体側に凹形状になっている領域は、レンズ面の周辺部に位置していることが好ましい。すなわち、第２レンズ成分の物体側のレンズ面は、少なくとも軸外の有効面内において、メリディオナル方向で物体側に凹形状となる凹形状部分を有する面であることが好ましい。このようにすることで、画角が１８０度以上であっても、良好な像を結像させることができる。

条件式（１）は、第１レンズ成分の負の屈折力の大きさに関する条件である。条件式（１）を満足することで、画角が１８０度以上であっても、良好な像を結像させることができる。

条件式（１）の上限値を上回ると、第１レンズ成分における負の屈折力が小さくなり過ぎる。そのため、画角が１８０度以上になると、良好な像を結像させることが困難になる。

条件式（１）の下限値を下回ると、第１レンズ成分における負の屈折力が大きくなり過ぎる。そのため、第１レンズ成分における非点収差の発生量やコマ収差の発生量が増大する。

また、光学系全系での像面湾曲の発生が抑制される。像面湾曲の発生が抑制されると、そのときの像は、負の屈折力が小さい場合の像に比べて、より平坦な像になる。この場合、湾曲の度合いは、受光面と像とで大きく異なる。そのため、良好な像を結像させることが困難になる。

条件式（１）に代えて、以下の条件式（１−１）を満足することが好ましい。
１＜（Ｒ１Ｌ＋Ｒ１Ｒ）／（Ｒ１Ｌ−Ｒ１Ｒ）＜２ （１−１）

本実施形態の撮像装置は、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
０≦｜Ｒ１Ｒ／Ｒ２Ｌ｜＜０．４ （２）
ここで、
Ｒ１Ｒは、第１レンズ成分の像側のレンズ面の近軸曲率半径、
Ｒ２Ｌは、第２レンズ成分の物体側のレンズ面の近軸曲率半径、
である。

条件式（２）を満足することで、画角が１８０度以上であっても、良好な像を結像させることができる。

条件式（２）の上限値を上回ると、第１レンズ成分における負の屈折力が小さくなり過ぎる。そのため、画角が１８０度以上になると、良好な像を結像させることが困難になる。

条件式（２）に代えて、以下の条件式（２−１）を満足することが好ましい。
０≦｜Ｒ１Ｒ／Ｒ２Ｌ｜＜０．３ （２−１）

本実施形態の撮像装置では、第２レンズ成分の物体側のレンズ面は、光軸を含む断面上にて光軸外の有効面内に変曲点を持つ非球面であることが好ましい。

このようにすることで、屈折力の符号を、光軸近傍と周辺部とで異ならせることができる。その結果、画角が１８０度以上であっても、良好な像を結像させることができる。

例えば、光軸近傍の屈折力を正の屈折力とし、周辺部の屈折力を負の屈折力にすることができる。このようにすることで、球面収差の発生の抑制を光軸近傍で行い、広い画角の確保を周辺部で行うことができる。その結果、画角が１８０度以上であっても、良好な像を結像させることができる。

本実施形態の撮像装置は、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
０＜Ｒ３Ｒ／Ｒｉｍｇ＜１．２ （３）
ここで、
Ｒ３Ｒは、第３レンズ成分の像側のレンズ面の近軸曲率半径、
Ｒｉｍｇは、光軸と受光面とが交わる点を面頂点とし、面頂点と、結像光学系に最大画角で入射する主光線と受光面とが交わる点と、を含む仮想球面の曲率半径、
である。

第３レンズ成分の像側のレンズ面は、射出瞳位置の近傍に曲率中心が位置するような面にすることが好ましい。このようにすることで、各像高に対応する主光線に対して、第３レンズ成分の像側のレンズ面におけるメリディオナル方向の曲率半径とサジタル方向の曲率半径とをほぼ一致させることができる。その結果、非点収差の発生を抑えることができる。

また、受光面は、近軸射出瞳位置の近傍に曲率中心が位置するような面にすることが好ましい。このようにすることで、各像高に対応する主光線が受光面に対して垂直に入射するようになる。その結果、シェーディングの発生を抑えることができる。

条件式（３）は、非点収差の発生とシェーディングの発生を抑えるための条件である。条件式（３）を満足することで、非点収差の発生とシェーディングの発生を抑えることができる。

条件式（３）の上限値を上回ると、非点収差が発生し易くなる。条件式（３）の下限値を下回と、シェーディングが発生し易くなる。

条件式（３）に代えて、以下の条件式（３−１）を満足することが好ましい。
０＜Ｒ３Ｒ／Ｒｉｍｇ≦１ （３−１）

本実施形態の撮像装置は、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。
０．６＜｜（Ｙ１×２）／Ｒｉｍｇ｜＜３ （４）
ここで、
Ｙ１は、所定の領域における最大光線高、
所定の領域は、第１レンズ成分の物体側のレンズ面において有効光束が通過する領域、
Ｒｉｍｇは、光軸と受光面とが交わる点を面頂点とし、面頂点と、結像光学系に最大画角で入射する主光線と受光面とが交わる点と、を含む仮想球面の曲率半径、
である。

Ｙ１は、結像光学系の最大画角での軸外光線が、第１レンズ成分の物体側のレンズ面を通過する点の光軸からの距離である。光軸から光線の通過位置までの距離が、上側光線と下側光線とで異なる場合がある。この場合、Ｙ１は、光軸から光線の通過位置までの距離が最大となる距離である。

条件式（４）は、良好な結像性能を維持しつつ、光学系を小型化するための条件である。条件式（４）を満足することで、画角が１８０度以上であっても、良好な像を結像しつつ、第１レンズ成分において、有効径の増大を抑えることができる。有効径の増大が抑制できることで、レンズ径の増大を抑えることができる。

条件式（４）の上限値を上回ると、第１レンズ成分の径が大きくなる。そのため、光学系の小型化が達成できない。

画角の広い光学系を小型化するには、例えば、最も物体側に位置するレンズの径を小さくすれば良い。この場合、入射瞳を物体側に近づけないと、画角の大きな光線が光学系の瞳を通過しなくなる。入射瞳を物体側に近づけるには、最も物体側に位置するレンズの焦点距離を短くする必要がある。

本実施形態の撮像装置では、第１レンズ成分は最も物体側に位置している。条件式（４）の下限値を下回ると、第１レンズ成分の径が小さくなる。この場合、光学系の瞳を画角の大きな光線が通過するためには、入射瞳の位置を物体側に近づけなくてはならない。そのため、第１レンズ成分の焦点距離が短くなる。その結果、諸収差、特に、非点収差、歪曲収差及びコマ収差が発生し易くなる。このように、条件式（４）の下限値を下回ると、良好な像を結像させることが困難になる。

条件式（４）に代えて、以下の条件式（４−１）を満足することが好ましい。
１．５＜｜（Ｙ１×２）／Ｒｉｍｇ｜＜３ （４−１）

本実施形態の撮像装置では、明るさ絞りよりも像側で、明るさ絞りの最も近くに位置するレンズ面は、物体側に凸形状であることが好ましい。

明るさ絞りを通過した光が発散する方向に屈折すると、球面収差やコマ収差が、より発生しやすくなる。そこで、上述のようにすることで、明るさ絞りを通過した光は収斂する方向に屈折される。その結果、球面収差の発生やコマ収差の発生を抑えることができる。

本実施形態の撮像装置は、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。
０．５＜｜ＥＸＰ／Ｒｉｍｇ｜≦１ （５）
ここで、
ＥＸＰは、受光面から結像光学系の近軸射出瞳位置までの光軸に沿った距離であり、近軸射出瞳位置が受光面よりも物体側にある場合の符号を負とし、
Ｒｉｍｇは、光軸と受光面とが交わる点を面頂点とし、面頂点と、結像光学系に最大画角で入射する主光線と受光面とが交わる点と、を含む仮想球面の曲率半径、
である。

条件式（５）は、光学系の小型化とシェーディングの発生の抑制を行うための条件である。条件式（５）を満足することで、光学系の小型化とシェーディングの発生の抑制を行うことができる。

条件式（５）を満足すると、受光面を、近軸射出瞳位置の近傍に受光面の曲率中心が位置するような面にすることができる。このようにすると、各像高に対応する主光線が受光面に対して垂直に入射するようになる。その結果、シェーディングの発生を抑えることができる。

条件式（５）の上限値を上回ると、近軸射出瞳位置が受光面から離れる。この場合、光学系が大型化してしまう。また、受光面へ入射する光線の向きが、受光面の法線の向きと一致しなくなる。そのため、シェーディングが発生してしまう。

条件式（５）の下限値を下回ると、受光面への入射する光線の向きが、受光面の法線の向きと一致しなくなる。そのため、シェーディングが発生してしまう。

条件式（５）に代えて、以下の条件式（５−１）を満足することが好ましい。
０．５５＜｜ＥＸＰ／Ｒｉｍｇ｜＜０．８５ （５−１）

本実施形態の撮像装置では、第１レンズ成分、第２レンズ成分及び第３レンズ成分は、いずれも、１枚の単レンズからなることが好ましい。

このようにすることで、光学系を小型化しつつ、画角が１８０度以上であっても、良好な像を結像させることができる。

本実施形態の撮像装置は、以下の条件式（６）、（７）を満足することが好ましい。
１８０°≦２ω≦２３０° （６）
１．７≦Ｆｎｏ≦６．０ （７）
ここで、
ωは、最大半画角、
Ｆｎｏは、Ｆナンバー、
である。

条件式（６）、（７）を満足することで、広い画角と小さいＦナンバーを確保しながら、光学系を小型化することができる。

本実施形態の撮像装置では、更に、照明部と、結像光学系の物体側に配置されたカバー部と、を有することが好ましい。

カバー部を配置することで、被写体と結像光学系との距離が近づきすぎないように構成でき、被写体を被写界深度内とすることに有利となる。照明部を有することで、夜間撮影や、空洞内撮影にも有利となる。

本実施形態の撮像装置では、カバー部が、結像光学系と照明部の双方の物体側を覆うドーム状のカバー部であることが好ましい。

このようにすることで、被写体と照明部との距離が近づき過ぎないように構成でき、撮影画像の白とびを軽減できる。

本実施形態の撮像装置は、上記の撮像装置と、照明部と、結像光学系及び照明部の物体側に配置されたドーム状カバー部と、を有することが好ましい。

各実施形態の撮像装置は小型化に有利である。そのため、撮像装置に照明部とドーム状のカバー部を持たせることで、撮像装置をカプセル内視鏡として使用することができる。

以下に、撮像装置に用いられる結像光学系（以下、「結像光学系」という）の実施例や撮像装置の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１、３、５、７、９、１１は、結像光学系のレンズ断面を示している。

図２、４、６、８、１０、１２は、結像光学系の収差図を示している。各収差図において、（ａ）は球面収差（ＳＡ）、（ｂ）は非点収差（ＡＳ）、（ｃ）は歪曲収差（ＤＴ）、（ｄ）はタンジェンシャル方向とサジタル方向における横収差を示している。非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）の収差図の縦軸の上端が最大画角に対応する。また、非点収差（ＡＳ）は、湾曲した受光面（撮像面）からの収差量を示している。

歪曲収差については、立体射影方式を用いて算出している。立体射影方式では、理想像高Ｙは、以下の式（Ａ）で表される。
Ｙ＝２×ｆ×ｔａｎ（ω／２） （Ａ）
ここで、
Ｙは、立体射影方式における理想像高、
ｆは焦点距離、
ωは半画角、
である。

よって、歪曲収差は、理想像高Ｙと実像高ｙを用いて、以下の式（Ｂ）から求めることができる。
ＤＴ（％）＝（ｙ−Ｙ）／Ｙ×１００ （Ｂ）

実施例１の結像光学系は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２と、両凸正レンズＬ３と、で構成されている。

明るさ絞りＳは、正メニスカスレンズＬ２と両凸正レンズＬ３との間に配置されている。

非球面は、正メニスカスレンズＬ２の両側面と、両凸正レンズＬ３の両側面と、の合計４面に設けられている。

実施例２の結像光学系は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、両凸正レンズＬ２と、両凸正レンズＬ３と、で構成されている。

明るさ絞りＳは、両凸正レンズＬ２と両凸正レンズ３との間に配置されている。

非球面は、両凸正レンズＬ２の両側面と、両凸正レンズＬ３の両側面と、の合計４面に設けられている。

実施例３の結像光学系は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２と、両凸正レンズＬ３と、で構成されている。

明るさ絞りＳは、正メニスカスレンズＬ２と両凸正レンズＬ３との間に配置されている。

非球面は、正メニスカスレンズＬ２の両側面と、両凸正レンズＬ３の両側面と、の合計４面に設けられている。

実施例４の結像光学系は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、両凸正レンズＬ２と、両凸正レンズＬ３と、で構成されている。

明るさ絞りＳは、両凸正レンズＬ２と両凸正レンズ３との間に配置されている。

非球面は、両凸正レンズＬ２の両側面と、両凸正レンズＬ３の両側面と、の合計４面に設けられている。

実施例５の結像光学系は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、両凸正レンズＬ２と、両凸正レンズＬ３と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ４と、で構成されている。ここで、両凸正レンズＬ３と負メニスカスレンズＬ４とが接合されている。

明るさ絞りＳは、両凸正レンズＬ２と両凸正レンズ３との間に配置されている。

非球面は、両凸正レンズＬ２の両側面と、両凸正レンズＬ３の物体側面と、の合計３面に設けられている。

実施例６の結像光学系は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２と、両凸正レンズＬ３と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ４と、で構成されている。ここで、両凸正レンズＬ３と負メニスカスレンズＬ４とが接合されている。

明るさ絞りＳは、正メニスカスレンズＬ２と両凸正レンズ３との間に配置されている。負メニスカスレンズＬ４に、カバーガラスＣが配置されている。

非球面は、正メニスカスレンズＬ２の両側面と、両凸正レンズＬ３の物体側面と、負メニスカスレンズＬ４の像側面と、の合計４面に設けられている。

実施例７の結像光学系は、図１３に示すように、物体側から順に、光学部材ＣＧと、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２と、両凸正レンズＬ３と、で構成されている。負メニスカスレンズＬ１、正メニスカスレンズＬ２、明るさ絞りＳ及び両凸正レンズＬ３で構成される光学系は、実施例１の結像光学系と同じである。

図１３は、光学部材ＣＧが配置できることを例示する概略図である。そのため、レンズの大きさや位置に対して、光学部材ＣＧの大きさや位置は正確に描かれているわけではない。

光学部材ＣＧは板状の部材で、物体側面と像側面は共に曲面になっている。図１３では、物体側面と像側面は共に球面になっているので、光学部材ＣＧの全体形状は、半球になっている。実施例７では、光学部材ＣＧの肉厚、すなわち、物体側面と像側面との間隔は一定になっている。しかしながら、光学部材ＣＧの肉厚は一定でなくても良い。

また、後述のように、光学部材ＣＧは、第１レンズの物体側面から物体側に６．０ｍｍだけ離れた位置に配置されている。しかしながら、光学部材ＣＧは、この位置から前後にずらした位置に配置しても良い。また、光学部材ＣＧの曲率半径及び肉厚は一例であるので、この限りではない。

光学部材ＣＧには、光を透過する材質が用いられている。よって、被写体からの光は光学部材ＣＧを通過して、負メニスカスレンズＬ１に入射する。光学部材ＣＧは、像側面の曲率中心が入射瞳の位置と略一致するように配置されている。よって、光学部材ＣＧによる新たな収差は、ほとんど発生しない。すなわち、実施例７の結像光学系の結像性能は、実施例１の結像光学系の結像性能と変わらない。

光学部材ＣＧは、カバーガラスとして機能する。この場合、光学部材ＣＧは、例えば、カプセル内視鏡の外装部に設けられた観察窓に該当する。よって、実施例７の結像光学系は、カプセル内視鏡の光学系に用いることができる。実施例１〜６の結像光学系もカプセル内視鏡の光学系に用いることができる。

以下に、上記各実施例の数値データを示す。面データにおいて、ｒは各レンズ面の曲率半径、ｄは各レンズ面間の間隔、ｎｄは各レンズのｄ線の屈折率、νｄは各レンズのアッベ数、＊印は非球面、絞りは明るさ絞りである。

また、各種データにおいて、ｆは全系の焦点距離、ＦＮＯ．はＦナンバー、ωは半画角、ＩＨは像高、ＢＦはバックフォーカス、ＬＴＬは光学系の全長である。バックフォーカスは、最も像側のレンズ面から近軸像面までの距離を空気換算して表したものである。全長は、最も物体側のレンズ面から最も像側のレンズ面までの距離にバックフォーカスを加えたものである。

また、実施例７は、実施例１の結像光学系の物体側に光学部材ＣＧを配置したものである。実施例７の面データにおいて、Ｃ１は光学部材ＣＧの物体側面、Ｃ２は光学部材ＣＧの像側面を示す。また、実施例７の非球面データと各種データは、実施例１の非球面データや各種データと同じであるので記載は省略する。

また、非球面形状は、光軸方向をｚ、光軸に直交する方向をｙにとり、円錐係数をｋ、非球面係数をＡ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、Ａ１２…としたとき、次の式で表される。
ｚ＝（ｙ2／ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）（ｙ／ｒ）2｝1/2］
＋Ａ４ｙ4＋Ａ６ｙ6＋Ａ８ｙ8＋Ａ１０ｙ10＋Ａ１２ｙ12＋…
また、非球面係数において、「ｅ−ｎ」（ｎは整数）は、１０のｎ乗を示している。なお、これら諸元値の記号は後述の実施例の数値データにおいても共通である。

数値実施例１
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
物面 ∞ ∞
1 17.000 0.60 1.72916 54.68
2 3.989 4.04
3* -17.043 3.28 1.61441 25.11
4* -4.777 2.08
5(絞り) ∞ 0.20
6* 3.147 1.48 1.52550 55.20
7* -2.835 2.31
像面 -6.000

非球面データ
第３面
k=0.000
A4=-5.27579e-03,A6=1.02482e-04
第４面
k=0.000
A4=2.03599e-03
第６面
k=0.000
A4=-1.79617e-02
第７面
k=0.000
A4=-2.69500e-03,A6=6.38861e-03,A8=-2.51890e-03

各種データ
ｆ 1.59
ＦＮＯ． 2.02
２ω 182.00
ＩＨ 1.81
ＢＦ (in air) 2.32
ＬＴＬ (in air) 14.02

数値実施例２
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
物面 ∞ ∞
1 26.130 0.60 1.72916 54.68
2 4.157 3.95
3* 100.000 3.67 1.61441 25.11
4* -5.008 2.10
5(絞り) ∞ 0.20
6* 2.804 1.47 1.52550 55.20
7* -3.019 2.01
像面 -6.000

非球面データ
第３面
k=0.000
A4=-4.48810e-03,A6=8.68982e-05
第４面
k=0.000
A4=2.16722e-03
第６面
k=0.000
A4=-1.48228e-02
第７面
k=0.000
A4=-2.36920e-03,A6=1.16229e-02,A8=-3.17096e-03

各種データ
ｆ 1.60
ＦＮＯ． 1.98
２ω 182.00
ＩＨ 1.81
ＢＦ (in air) 2.03
ＬＴＬ (in air) 14.02

数値実施例３
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
物面 ∞ ∞
1 17.000 0.60 1.72916 54.68
2 3.572 3.65
3* -37.653 2.50 1.61441 25.11
4* -5.482 2.05
5(絞り) ∞ 0.23
6* 2.705 1.30 1.52550 55.20
7* -3.106 2.36
像面 -6.000

非球面データ
第３面
k=0.000
A4=-6.12859e-03,A6=-9.47285e-05
第４面
k=0.000
A4=-1.93646e-04
第６面
k=0.000
A4=-1.85874e-02
第７面
k=0.000
A4=-1.21740e-03,A6=7.08245e-03,A8=-2.62091e-03

各種データ
ｆ 1.60
ＦＮＯ． 2.03
２ω 212.00
ＩＨ 1.80
ＢＦ (in air) 2.36
ＬＴＬ (in air) 12.69

数値実施例４
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
物面 ∞ ∞
1 17.000 0.60 1.72916 54.68
2 3.861 4.20
3* 100.000 3.54 1.61441 25.11
4* -4.832 0.84
5(絞り) ∞ 0.23
6* 2.957 1.40 1.52550 55.20
7* -3.507 2.19
像面 -6.000

非球面データ
第３面
k=0.000
A4=-8.79504e-03,A6=-2.53082e-04,A8=5.99797e-06
第４面
k=0.000
A4=4.91152e-04
第６面
k=0.000
A4=-1.47147e-02
第７面
k=0.000
A4=-4.28159e-03,A6=5.65197e-03,A8=-2.36983e-03

各種データ
ｆ 1.60
ＦＮＯ． 2.02
２ω 212.00
ＩＨ 1.81
ＢＦ (in air) 2.20
ＬＴＬ (in air) 13.02

数値実施例５
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
物面 ∞ ∞
1 17.000 0.60 1.72916 54.68
2 4.314 4.28
3* 100.000 3.37 1.61441 25.11
4* -5.369 0.50
5(絞り) ∞ 0.23
6* 3.823 1.60 1.80625 40.91
7 -1.512 0.50 1.92286 18.90
8 -3.926 1.92
像面 -4.500

非球面データ
第３面
k=0.000
A4=-8.20560e-03,A6=-1.57519e-04,A8=2.06857e-05
第４面
k=0.000
A4=1.12963e-03
第６面
k=0.000
A4=-1.81291e-03

各種データ
ｆ 1.59
ＦＮＯ． 1.92
２ω 210.00
ＩＨ 1.80
ＢＦ (in air) 1.93
ＬＴＬ (in air) 13.01

数値実施例６
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
物面 ∞ ∞
1 10.817 0.90 1.88300 40.76
2 2.522 3.07
3* -3.438 6.00 1.80625 40.91
4* -3.697 1.93
5(絞り) ∞ 0.78
6* 2.067 1.79 1.49700 81.54
7 -0.860 0.50 1.80625 40.91
8* -1.438 0.20
9 ∞ 1.20 1.51633 64.14
10 ∞ 0.50
像面 -15.000

非球面データ
第３面
k=0.000
A4=2.60187e-02,A6=-5.07766e-03,A8=3.76355e-04
第４面
k=-8.856
A4=-1.61910e-02,A6=2.66712e-03,A8=-1.96497e-04
第６面
k=0.000
A4=8.72028e-02,A6=-1.45021e-03,A8=5.65187e-02
第８面
k=-0.613
A4=1.20896e-01,A6=-5.03443e-02,A8=1.92782e-02

各種データ
ｆ 0.70
ＦＮＯ． 5.22
２ω 220.00
ＩＨ 1.89
ＢＦ (in air) 1.50
ＬＴＬ (in air) 16.48

数値実施例７
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
物面 ∞ ∞
C1 8.500 0.50 1.5896 30.00
C2 8.000 6.00
1 17.000 0.60 1.72916 54.68
2 3.989 4.04
3* -17.043 3.28 1.61441 25.11
4* -4.777 2.08
5(絞り) ∞ 0.20
6* 3.147 1.48 1.52550 55.20
7* -2.835 2.31
像面 -6.000

立体射影方式を用いて算出した歪曲収差量を以下に示す。

実施例１

実施例２

実施例３

実施例４

実施例５

実施例６

次に、各実施例における条件式の値を以下に掲げる。
実施例１ 実施例２ 実施例３
(1)(R1L+R1R)
/(R1L-R1R) 1.613 1.378 1.532
(2)|R1R/R2L| 0.234 0.042 0.095
(3)R3R/Rimg 0.473 0.503 0.518
(4)|(Y1×2)/Rimg| 2.015 1.988 1.968
(5)|EXP/Rimg| 0.639 0.583 0.616
(6)2ω 182.00 182.00 212.00
(7)Fno 2.02 1.98 2.03

実施例４ 実施例５ 実施例６
(1)(R1L+R1R)
/(R1L-R1R) 1.588 1.680 1.608
(2)|R1R/R2L| 0.039 0.043 0.734
(3)R3R/Rimg 0.585 0.872 0.096
(4)|(Y1×2)/Rimg| 2.101 2.927 0.698
(5)|EXP/Rimg| 0.600 0.841 0.710
(6)2ω 212.00 210.00 220.00
(7)Fno 2.02 1.92 5.22

図１４は、撮像装置の例である。この例では、撮像装置はカプセル内視鏡である。カプセル内視鏡１００は、カプセルカバー１０１と透明カバー１０２とを有する。カプセルカバー１０１と透明カバー１０２とによって、カプセル内視鏡１００の外装部が構成されている。

カプセルカバー１０１は、略円筒形状の中央部と、略椀形状の底部と、で構成されている。透明カバー１０２は、中央部を挟んで、底部と対向する位置に配置されている。透明カバー１０２は、略椀形状の透明部材によって構成されている。カプセルカバー１０１と透明カバー１０２とは、互いに水密的に連設されている。

カプセル内視鏡１００の内部には、結像光学系１０３と、照明部１０４と、撮像素子１０５と、駆動制御部１０６と、信号処理部１０７と、を備えている。なお、図示しないが、カプセル内視鏡１００の内部には、受電手段と送信手段が設けられている。

照明部１０４からは、照明光が出射する。照明光は透明カバー１０２を通過して、被写体に照射される。被写体からの光は、結像光学系１０３に入射する。結像光学系１０３によって、像位置に被写体の光学像が形成される。

光学像は、撮像素子１０５で撮像される。撮像素子１０５の駆動と制御は、駆動制御部１０６で行われる。また、撮像素子１０５からの出力信号は、必要に応じて、信号処理部１０７で処理される。

ここで、結像光学系１０３には、例えば、上述の実施例１の結像光学系が用いられている。このように、結像光学系１０３は、小型でありながら、広い画角と小さいＦナンバーを有する。よって、結像光学系１０３では、高い解像度を有する広角な光学像が得られる。

また、カプセル内視鏡１００は、小型でありながら、広い画角と小さいＦナンバーを有する光学系を備えている。よって、カプセル内視鏡１００では、小型でありながら、高解像で広角な画像が得られる。

図１５は、撮像装置の別の例である。この例では、撮像装置は車載カメラである。図１５（ａ）は車外に車載カメラを搭載した例を示す図である。図１５（ｂ）は、車内に車載カメラを搭載した例を示す図である。

図１５（ａ）に示すように、車載カメラ２０１は、自動車２００のフロントグリルに設けられている。車載カメラ２０１は、結像光学系と撮像素子を備えている。車載カメラ２０１の結像光学系には、例えば、上述の実施例１の結像光学系が用いられている。よって、非常に広い範囲（１８０°以上の画角）の光学像が形成される。

図１５（ｂ）に示すように、車載カメラ２０１は、自動車２００の天井近傍に設けられている。車載カメラ２０１の作用効果は、既に説明したとおりである。車載カメラ２０１では、小型でありながら、高解像で広角な画像が得られる。

図１６は、撮像装置の別の例である。この例では、撮像装置は内視鏡システムである。図１６は、内視鏡システムの概略構成を示す図である。

内視鏡システム３００は、電子内視鏡を用いた観察システムである。内視鏡システム３００は、電子内視鏡３１０と画像処理装置３２０とから構成されている。電子内視鏡３１０は、スコープ部３１０ａと接続コード部３１０ｂとを備えている。また、画像処理装置３２０には、表示ユニット３３０が接続されている。

スコープ部３１０ａは、操作部３４０と挿入部３４１に大別される。挿入部３４１は、細長で患者の体腔内へ挿入可能になっている。また、挿入部３４１は、可撓性を有する部材で構成されている。観察者は、操作部３４０に設けられているアングルノブ等により、諸操作を行うことができる。

また、操作部３４０からは、接続コード部３１０ｂが延設されている。接続コード部３１０ｂは、ユニバーサルコード３５０を備えている。ユニバーサルコード３５０は、コネクタ３６０を介して画像処理装置３２０に接続されている。

ユニバーサルコード３５０は、各種の信号等の送受信に用いられる。各種の信号としては、電源電圧信号及びＣＣＤ駆動信号等がある。これらの信号は、電源装置やビデオプロセッサからスコープ部３１０ａに送信される。また、各種の信号として映像信号がある。この信号は、スコープ部３１０ａからビデオプロセッサに送信される。

なお、画像処理装置３２０内のビデオプロセッサには、図示しないＶＴＲデッキ、ビデオプリンタ等の周辺機器が接続可能である。ビデオプロセッサは、スコープ部３１０ａからの映像信号に対して信号処理を施す。映像信号に基づいて、表示ユニット３３０の表示画面上に内視鏡画像が表示される。

挿入部３４１の先端部３４２には、光学系が配置されている。図１７は、内視鏡の光学系の構成を示す図である。光学系４００は、照明部と観察部とを有する。

照明部は、ライトガイド４０１と照明レンズ４０２とを有する。ライトガイド４０１は、照明光を挿入部３４１の先端部３４２に伝送する。伝送された照明光は、ライトガイド４０１の先端面から出射する。

先端部３４２には、照明レンズ４０２が配置されている。照明レンズ４０２は、ライトガイド４０１の先端面と対向する位置に配置されている。照明光は照明レンズ４０２を通過し、照明窓４０３から出射する。これにより、被検体内部の観察対象部位（以下、「観察部位４０４」という）が照明される。

先端部３４２には、観察窓４０５が、照明窓４０３の隣に設けられている。観察部位４０４からの光は、観察窓４０５を通過して、先端部３４２内に入射する。観察窓４０５の後方には、観察部が設けられている。

観察部は、結像光学系４０６と撮像素子４０７とを有する。結像光学系４０６に、例えば、実施例１の結像光学系が用いられている。

観察部位４０４からの反射光は、結像光学系４０６を通過して撮像素子４０７に入射する。撮像素子４０７の撮像面には、観察部位４０４の像（光学像）が形成される。観察部位４０４の像は撮像素子４０７によって光電変換され、これにより観察部位４０４の画像が得られる。観察部位４０４の画像は表示ユニット３３０に表示される。このようにして、観察者は、観察部位４０４の画像を観察できる。

結像光学系４０６では、像面は湾曲形状になっている。撮像素子４０７は、像面の形状と同じ湾曲形状の受光面（撮像面）を有している。撮像素子４０７を用いることで、撮影画像の画質を向上することができる。

以上のように、本発明は、小型でありながら、広い撮影範囲を高い解像度で撮影が可能な撮像装置に適している。

Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ レンズ
Ｓ 明るさ絞り
Ｉ 像面
Ｃ カバーガラス
ＣＧ 光学部材
１００ カプセル内視鏡
１０１ カプセルカバー
１０２ 透明カバー
１０３ 結像光学系
１０４ 照明部
１０５ 撮像素子
１０６ 駆動制御部
１０７ 信号処理部
２００ 自動車
２０１ 車載カメラ
３００ 内視鏡システム
３１０ 電子内視鏡
３１０ａ スコープ部
３１０ｂ 接続コード部
３２０ 画像処理装置
３３０ 表示ユニット
３４０ 操作部
３４１ 挿入部
３４２ 先端部
３５０ ユニバーサルコード
３６０ コネクタ
４００ 光学系
４０１ ライトガイド
４０２ 照明レンズ
４０３ 照明窓
４０４ 観察部位
４０５ 観察窓
４０６ 結像光学系
４０７ 撮像素子

Claims (9)

1. 軸上光束を決める明るさ絞りと、複数のレンズ成分と、を有する結像光学系と、
   前記結像光学系の像側に配置され、前記結像光学系に向けて凹状に湾曲した非平面の受光面を有する撮像部と、を有し、
   前記レンズ成分は、光軸上にて空気に接触する面が物体側面と像側面の２面のみのレンズであり、
   前記結像光学系は、物体側から像側に順に、負の屈折力を有する第１レンズ成分と、正の屈折力を有する第２レンズ成分と、正の屈折力を有する第３レンズ成分と、からなり、
   前記第１レンズ成分では、物体側のレンズ面が物体側に凸形状であり、
   前記第２レンズ成分の物体側のレンズ面では、一部の領域が物体側に凹形状であり、
   以下の条件式（１）を満足することを特徴とする撮像装置。
   ０．５＜（Ｒ１Ｌ＋Ｒ１Ｒ）／（Ｒ１Ｌ−Ｒ１Ｒ）＜２．５ （１）
   ここで、
   Ｒ１Ｌは、前記第１レンズ成分の前記物体側のレンズ面の近軸曲率半径、
   Ｒ１Ｒは、前記第１レンズ成分の像側のレンズ面の近軸曲率半径、
   である。
2. 以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
   ０≦｜Ｒ１Ｒ／Ｒ２Ｌ｜＜０．４ （２）
   ここで、
   Ｒ１Ｒは、前記第１レンズ成分の前記像側のレンズ面の近軸曲率半径、
   Ｒ２Ｌは、前記第２レンズ成分の前記物体側のレンズ面の近軸曲率半径、
   である。
3. 前記第２レンズ成分の前記物体側のレンズ面は、光軸を含む断面上にて光軸外の有効面内に変曲点を持つ非球面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 以下の条件式（３）を満足することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の撮像装置。
   ０＜Ｒ３Ｒ／Ｒｉｍｇ＜１．２ （３）
   ここで、
   Ｒ３Ｒは、前記第３レンズ成分の像側のレンズ面の近軸曲率半径、
   Ｒｉｍｇは、前記光軸と前記受光面とが交わる点を面頂点とし、前記面頂点と、前記結像光学系に最大画角で入射する主光線と前記受光面とが交わる点と、を含む仮想球面の曲率半径、
   である。
5. 以下の条件式（４）を満足することを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の撮像装置。
   ０．６＜｜（Ｙ１×２）／Ｒｉｍｇ｜＜３ （４）
   ここで、
   Ｙ１は、所定の領域における最大光線高、
   前記所定の領域は、前記第１レンズ成分の前記物体側のレンズ面において有効光束が通過する領域、
   Ｒｉｍｇは、前記光軸と前記受光面とが交わる点を面頂点とし、前記面頂点と、前記結像光学系に最大画角で入射する主光線と前記受光面とが交わる点と、を含む仮想球面の曲率半径、
   である。
6. 前記明るさ絞りよりも像側で、前記明るさ絞りの最も近くに位置するレンズ面は、物体側に凸形状であることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の撮像装置。
7. 以下の条件式（５）を満足することを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の撮像装置。
   ０．５＜｜ＥＸＰ／Ｒｉｍｇ｜≦１ （５）
   ここで、
   ＥＸＰは、前記受光面から前記結像光学系の近軸射出瞳位置までの前記光軸に沿った距離であり、前記近軸射出瞳位置が前記受光面よりも物体側にある場合の符号を負とし、
   Ｒｉｍｇは、前記光軸と前記受光面とが交わる点を面頂点とし、前記面頂点と、前記結像光学系に最大画角で入射する主光線と前記受光面とが交わる点と、を含む仮想球面の曲率半径、
   である。
8. 前記第１レンズ成分、前記第２レンズ成分及び前記第３レンズ成分は、いずれも、１枚の単レンズからなることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の撮像装置。
9. 以下の条件式（６）、（７）を満足することを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の撮像装置。
   １８０°≦２ω≦２３０° （６）
   １．７≦Ｆｎｏ≦６．０ （７）
   ここで、
   ωは、最大半画角、
   Ｆｎｏは、Ｆナンバー、
   である。

Images