JP4083355B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置に関し、特に、銀塩写真に匹敵する高品位な画像、とりわけレンズの倍率色収差に起因する色ズレによる画質劣化を抑制することが可能な小型低コストな撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
写真画質に匹敵する画像を得ることが可能な印刷用等の用途を想定した業務用デジタルカメラがある。これらは２００万画素を越える画素数を有しているものの、撮像素子の画素ピッチが約７．５〜１０μｍ前後以上と大きく、１枚のウェハーから得られる素子の数に制限があり、コストをある程度以上下げることができないという問題がある。
【０００３】
撮像素子の製造コストを下げるためには、素子サイズを小型化し、１枚のウェハーから多くの素子を得るようにすることが最も効果的である。しかし、素子サイズを小型化するためには、画素数を下げるか、画素ピッチを小さくする必要がある。
【０００４】
比較的安価な撮像装置として商品化されている装置には、１／３〜２／３インチサイズの１００〜２５０万画素程度の撮像素子を用いているものが多い。このときの画素ピッチは、約３〜５μｍと、前記の業務用デジタルカメラに用いられている撮像素子と比較して大幅に小さい。
【０００５】
高品位な画像を得るために多画素な撮像素子を用いると、ますます画素ピッチの小さな撮像素子を用いることが必須の条件になる。
【０００６】
さて、高品位な画質を決める大きな要因に、解像と並んで色ズレがある。単波長の結像性能が良くても、いわゆる色収差が大きいと、色の滲みや色ズレが起こり、画質を劣化させることが知られている。特にデジタルカメラ等、固体撮像素子を用いた撮像装置の場合、軸上色収差よりも、倍率色収差に起因する色ズレが大きな問題となる。
【０００７】
図１２に入力光強度（アナログ画像）と画素からの出力強度信号の関係を示すように、固体撮像素子のようなある一定領域に結像した像が平均化若しくは加算されて映像信号になるような装置では、光量に傾斜のある像を撮影しても、得られる映像は階段状になる。
【０００８】
一方、銀塩写真では、色素の大きさが数〜数十μｍと、大きさに幅のある色素単位で構成されており、像の強度が、概ね光量の傾斜を再現している。
【０００９】
この両者を比較すると、光量の傾斜の小さいところでは小さい差しかないが、１画素内での光量の傾斜が大きくなると（例えば、左から２番目の画素の位置）、撮像素子を用いた場合には、実際の像では少ない光強度になっている領域（例えば、左から２番目の画素内の右端の領域）まで、画素内での平均的な光強度を持つ像となってしまう。
【００１０】
これがモノクロ画像や色相の似た範囲の画像であれば、単に像のグラデーションが階段状になっているだけであるが、特定の色だけがずれた場合には、図１３のように、色の差が階段状に見えることになる。図１３では、簡単のためにＲ（レッド）とＢ（ブルー）の色のみを考えた場合、図１３（ａ）のように、Ｒの像に対してＢの像がずれが場合、ＲとＢの色の差は図１３（ｂ）のようになり、色の差の信号強度Ｒ−Ｂは階段状になる。
【００１１】
人は色の絶対値よりも色の差に対し敏感であることが知られており、このような画像を人が観察、鑑賞すると、色のズレが実際のズレよりも大きく見えるという現象を引き起こす。そのため、撮像素子を用いた撮像装置に用いるレンズには、色ズレを引き起こす倍率色収差の高度な補正が求められてきた。
【００１２】
従来は、前述のズレた色の強度比が人が見ても大きな差と感じないために必要な倍率色収差の大きさを求め、多くの検討により、画素ピッチの１／２以下の倍率色収差であると、像の色ズレがほとんど問題にならないことが知られている。
【００１３】
ところが、小型の撮像素子を用いて安いコストで高品位な画像が得られる撮像装置を構成しようとすると、前述のように、画素ピッチは３〜５μｍ程度以下になり、このような撮像素子に対して倍率色収差を従来の考え方で補正すると、許容できる倍率色収差は１．５〜２．５μｍ以下となり、極めて高度な色収差の補正が求められる。
【００１４】
撮像素子を用いた撮像装置の場合には、光学レンズと撮像素子の間に光学的ローパスフィルターや赤外カットフィルター等のフィルター類、多板式装置の場合には光路分岐プリズム等が配置されることが多く、物理的な寸法は小さくても、光学的には長いバックフォーカスを必要とする。そのため、レンズもバックフォーカスを長くできるレンズタイプを用いることが一般的で、物体側から像側に向かって、絞りに対し非対称なパワー配置になることが多い。
【００１５】
そのため歪曲収差や倍率色収差といった画角に依存する収差の補正が困難であり、従来ではいわゆる異常分散性ガラスを用いて色収差を補正する方法が知られている。
【００１６】
上記に示した範囲に倍率色収差を補正するためには、さらに異常分散性ガラスを用いたレンズ要素の数を増やすことが必要になる。
【００１７】
しかし、一般的に異常分散性ガラスは膨張係数が大きいか若しくは柔らかくキズがつきやすい等といった特性を持つため、多くの加工工数が必要となり、異常分散性ガラスを多数使用すると、加工コストが高くなる問題があった。
【００１８】
異常分散性ガラスを少なくして高度な色収差の補正を実現するためには、使用するレンズ要素の枚数を増やしたり、レンズ系を大型化して、各レンズ要素のパワーを弱めることが必要になるため、装置の小型化に大きな支障をきたす。
【００１９】
一方、撮像素子を用いて得られる像は、空間的にデジタルデータとして扱うことができるため、像の強度をデジタル化すれば、画像処理等電気的な処理を施すことが容易になるため、レンズ系で出た色収差を画像処理で補正する方法が提案されている（特開平８−２０５１８１号）。しかし、画像処理を行うと、本来データのない像点におけるデータを作成する処理等が必要になるため、画質の劣化が避けられない。また、処理が複雑になると、撮影終了後、メモリーカード等の記録媒体に記録するまでの時間がかかる問題が生じる。また、レンズの持つ特性を利用するため、特性の異なるレンズに対しては異なる処理が必要となり、レンズの数に応じた処理が必要になるという問題がある。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来例では、銀塩写真に匹敵する色ズレの目立たない画像を得るためには、加工コストの増大や、レンズ系の大型化、撮影後の画像処理時間の増大等を招き、小型で低コストな撮像装置を達成することができない。
【００２１】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、銀塩写真に匹敵する高品位な画像、とりわけ色ズレが目立たない画像を撮影することができる小型低コストな撮像装置を提供することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の撮像装置は、光学系による物体の像を電子撮像素子上に結像することによって物体の画像情報を得る撮像装置であって、前記電子撮像素子及び前記光学系が下記の条件を満足することを特徴とするものである。
【００２３】
（１） １．５＜Ｐ＜７．０
（２） ３．０＜Ｎ＜２０
（３） １．０×Ｐ＜δ＜５．０×Ｐ
（４） ｎL ／ｎT ＜０．２５
ただし、Ｐは撮像素子の画素ピッチ（単位はμｍ）、Ｎは撮像素子の画素数（単位は百万）、δは画面中心を含み画面全体の９０％を占める領域内の、波長６２０ｎｍ若しくは４６０ｎｍでの倍率色収差の絶対値の最大値（単位はμｍ）、ｎT 、ｎL は光学系を構成しているレンズ要素の数及び異常分散性ガラスからなるレンズ要素の数である。
【００２４】
この場合、その光学系が脱着可能な構造になっていることが望ましい。
【００２５】
また、下記条件を満足することがより好ましい。
【００２６】
（５） １．５＜Ｐ＜４．０
（６） ４．０＜Ｎ＜２０
その場合に、下記条件を満足することがより好ましい。
【００２７】
（７） ６．０＜Ｎ＜２０
また、その撮像素子は、光電変換面の上部にマトリックス状あるいはモザイク状のカラーフィルターを配置した素子であり、かつ、下記条件を満足することがより好ましい。
【００２８】
（８） θ＜１．３×Ｐ＋４
ただし、θは、イメージサークルの９０％以内の各点において、前記光学系から射出した光束の中心光線、若しくは、絞り中心を通る光線が撮像素子に入射する角度である。
【００２９】
その場合に、下記条件を満足することがより好ましい。
【００３０】
（９） θ＜Ｐ＋４
また、下記条件を満足することがより好ましい。
【００３１】
（１０） １．５×Ｐ＜δ＜５．０×Ｐ
また、下記条件を満足することがより好ましい。
【００３２】
（１１） ｎL ／ｎT ＜０．２０
以下、本発明において上記構成をとった理由とその作用について説明する。
【００３３】
人間の眼の標準的な角度分解能を１' （視力１．０に対応）と考えると、この値は限界解像力を得る値であるから、画像に含まれるラインアンドスペースがシャープな画像として認識できる分解能はそれよりも下がったところ（大きい角度）にあると考えられる。
【００３４】
例えば、その立体角を１．６７' （視力０．６に対応）程度と考えると、例えば４０ｃｍ離れた位置から画像を観察するとき、０．１９４ｍｍの大きさまではシャープな像と認識できることになる。
【００３５】
このようなシャープな像と認識できる場合には、前述の色ズレが起きた場合に、はっきりと認識できることになる。したがって、この場合に色ズレを目立たなくするためには、前述のように、画素ピッチに対して１／２以下に倍率色収差を補正しなければならない。
【００３６】
４０ｃｍ離れた位置からＡ４（２１０ｍｍ×２９７ｍｍ）サイズのプリントを観察することを考えると、この上記の場合の画素数は、約１１００×１５００＝１６５万画素、周囲に１０ｍｍの余白をとることを考慮すると、約１４０万画素となる。
【００３７】
これから提示する数値は、基本的に４０ｃｍ離れた位置からＡ４サイズのプリントを観察することを想定しているが、プリントサイズと観察距離の間に線形関係が満足されている場合には、得られた画素数はプリントサイズによらない。しかし、一般にプリントサイズが小さくなる程、プリントサイズに比べて観察距離が伸びる傾向にあるため、Ａ６サイズ（１０５ｍｍ×１４９ｍｍ）等の小さいプリントサイズでは、提示された画素数よりも少ない画素数で十分である。言い換えれば、本発明では、６切程度以上のプリントサイズを得ることを可能にして銀塩写真に匹敵する高品位な画像と考えている。
【００３８】
さて、撮像素子を用いて作成された画像は、当然画像を構成する画素単位は一定であるため、その単位以上の高い空間周波数を有する物体は表現できない。種々の空間周波数のパターン部分を有するテストチャートを撮影した場合、最も線幅の狭い部分で、その線幅が画素ピッチに等しいパターンは、すべて分解して観察されるのに対して、線幅が画素ピッチを下回り、その最も狭い線幅が例えば画素ピッチの１／２となる画素単位以上の高い空間周波数を有するパターンは、低周波の濃淡、いわゆるモアレが観察されるだけである。
【００３９】
前述の計算で求めた画素数の画像では、プリントの最小画素単位を人間が高いコントラストで明確に認識できる。したがって、上述のテストチャートの観察結果を一般画像に拡張すると、ある空間周波数まではシャープに見え、最小画素単位を越えて高い空間周波数になると、急激に分解しない画像となるため、画像のコントラストは高くても、グラデーションの表現に乏しい、いわゆる荒れ感のある画像となる。
【００４０】
グラデーション豊かな画像とするためには、人間が感知する解像限界に近い空間周波数まで表現しなければならない。
【００４１】
我々はこの点から銀塩写真と等価な画質を得るためには、少なくとも立体角１．２５' （視力０．８）に対応する画素単位、Ａ４サイズで１０ｍｍの余白を取った場合に約２５０万画素の画素数が必要であることを、特願平１１−４２９３４号において示した。
【００４２】
以上は解像力に着目した議論であるが、前述の通り、色ズレに関する問題も、ズレた部分が画素単位に起因する階段状になっていることが根本的な問題であるから、同様の議論により、光量が傾斜している場合に、その傾斜を平均化せずに、より忠実に表現できれば、色ズレは撮像素子の問題ではなく、純粋にレンズ系の問題となり、銀塩写真の場合と全く等価になる。
【００４３】
光量の傾斜を忠実に表現するレベルを設定するときに、上記の解像に対する人間の見えの評価を参考にすることができる。すなわち、プリントを観察する場合、人間が全く認識できない画素単位であれば、その画素単位以上に光強度を表現しても、人間には全く等価に見えるはずであるし、逆に、前述のように、画素単位をはっきり認識できれば、光強度の変化を忠実に表現しているとは認識できない。
【００４４】
解像の場合には、上述のように、立体角１．２５' （視力０．８）以上が必要であるが、色ズレの場合には、単に強度の変化ではなく、そこに色相の変化を伴うため、解像の検討で求めた画素数以上の画素数が必要であることが分かった。具体的には、立体角１．１１' （視力０．９）程度以上に小さい画素単位で画像を構成すれば、レンズの倍率色収差による色ズレが、画素単位の階段状に表現されても、その強度変化は、レンズの色ズレを忠実に表現した場合の強度変化と比較しても、人間がほとんど差を感知できないことが分かった。
【００４５】
立体角１．１１' を画素数に変換すると、前述の計算と同様の計算により、Ａ４サイズの周囲１０ｍｍの余白を取ったときに、約３００万画素になる。
【００４６】
さらにその場合、レンズの倍率色収差がどこまで許容できるか調べると、画素単位以上あっても、一般的には強度変化を伴うため、人間が色ズレをはっきり認識できないことが分かった。
【００４７】
言い換えると、３００万画素以上の画素数を有する撮像素子を用いると、画素ピッチに対して１．０倍以上の倍率色収差があっても、色ズレを人間がはっきりとは認識できないことになる。
【００４８】
しかし、レンズの倍率色収差が画素単位に対して５倍を越えると、色収差によるズレ量が大きくなりすぎ、撮像素子で撮影したことによる影響を無視しても、色ズレに伴う画質の劣化を許容できなくなる。
【００４９】
これらの条件を式で表現したものが、下記条件式（２）の下限と、条件式（３）である。
【００５０】
（２） ３．０＜Ｎ＜２０
（３） １．０×Ｐ＜δ＜５．０×Ｐ
ただし、Ｐは撮像素子の画素ピッチ（単位はμｍ）、Ｎは撮像素子の画素数（単位は百万）、δは画面中心を含み画面全体の９０％を占める領域内の、波長６２０ｎｍ若しくは４６０ｎｍでの倍率色収差の絶対値の最大値（単位はμｍ）である。
【００５１】
ここで、倍率色収差に関する条件を、中心を含み画面全体の９０％を占める領域内に限定したのは、それ以外の領域は、画面のほとんど四隅であり、実際上色ズレが生じていても、画質の劣化として問題になることは少ないと考えられるためである。また、倍率色収差を求める波長を６２０ｎｍ若しくは４６０ｎｍとした理由は、基準波長として扱うｅ線を緑の画像の代表と考え、赤、青の分光特性等から代表波長として選んだ波長である。装置に使用するカラーフィルターの分光透過率や撮像素子の分光感度等に応じて、この代表波長はシフトするが、おおよそこの程度の波長と考えて光学設計上問題はない。
【００５２】
条件式（２）の上限の２０は画素数が増えることにより、画像の読み出し速度や記録媒体への記録速度等が長くなりすぎる問題が生じる点や、（２）の上限値は前述の立体角０．０５１３' （視力２．３）に相当しており、例えば、Ａ３以上に拡大し、プリントサイズに比べて観察距離を短くしても、ほとんど画像の劣化を認識することができなくなる点を考慮して定められた。
【００５３】
このような画素数の撮像素子を作成する場合、下記条件（１）を満足していることが望ましい。
【００５４】
（１） １．５＜Ｐ＜７．０
条件式（１）の上限の７．０は、撮像装置のコストを考慮して設定したものであり、上限値を越えて大きくなると、画素数に比較して撮像素子のサイズが大きくなり、１枚のウェハーからとれる素子数が少なくなってコストの増大を招く。また、条件式（１）の下限値の１．５は、光学系の回折限界による画質の劣化と、光学系の製造コストを考慮して設定したものであり、下限値を越えて小さな値になると、３００万画素程度の画素数では、光学系が回折限界の性能を有していても、回折ボケの影響を無視できなくなり、画質の劣化を引き起こす。また、画素数が１０００万画素を越えた撮像素子を用いた場合においては、光学系が回折限界に近い性能を有していれば、プリントでの画質は満足できるものの、光学系を構成する各要素の製造公差が厳しくなり、加工コストの増大を招き好ましくない。
【００５５】
上記の撮像素子、光学系の組み合わせを採用すると、光学系を構成する際、倍率色収差の補正に対する余裕が生まれ、光学系を構成するレンズ枚数をより少なく、また、異常分散性ガラスの使用を極力抑えることができ、小型で安価な光学系を構成することが可能となる。
【００５６】
より具体的には、光学系を構成する全レンズ要素の数に対し、異常分散性ガラスを用いたレンズ要素の数を２５％以下に抑えることができ、光学系の加工コストを低減することが可能となる。この条件を式で表現したものが、下記条件式（４）である。
【００５７】
（４） ｎL ／ｎT ＜０．２５
ただし、ｎT 、ｎL は光学系を構成しているレンズ要素の数及び異常分散性ガラスからなるレンズ要素の数である。
【００５８】
本発明の撮像装置は、装置の物体側や内部において、異なる色のカラーフィルターを順次設定し、撮影した画像を合成することによりカラー画像を構成してもよいし、あるいは、撮像素子を２枚以上用い、例えば光路分割プリズム等により光路をそれぞれの撮像素子に導くようにして、同時に複数の色の画像を撮影する方式等で構成してもよい。
【００５９】
あるいは、光電変換面の上部にマトリックス状あるいはモザイク状のカラーフィルターを配置した素子を用いて、画像を撮影後マトリックス演算によってカラー画像を構成する方式で構成してもよい。
【００６０】
後者の方式では、マトリックス演算により画像を補間する必要があるため、画質の点では前者の方法より劣るが、用いる撮像素子が少なく、しかも、少ない撮影回数でカラー画像を得ることができるため、コスト面や使い勝手の点で優れており、コンシューマ製品を中心として採用している製品が多い。
【００６１】
この方式では、撮像素子の各画素が、光電変換面とその上に配置されたカラーフィルターで１つの組をなしているため、カラーフィルターを透過した光が本来到達すべき光電変換面とは異なる変換面に到達すると、色に関する情報が正しく得られない。そのため、光学系を透過した光は撮像素子に垂直に入射することが望ましいが、光電変換面の周囲に遮光部等を配置すること等により、ある程度角度がついていても、画像に与える影響を無視することができる。しかし、極端に遮光部を広くすると、全体の面積に対する光電変換面の面積が小さくなり、電気信号に変換できる光量が少なくなり、感度の低下を招く。
【００６２】
そこで、感度面から必要な開口率を想定した際、画像に与える影響を無視できる撮像素子への入射角の許容範囲に関する条件が、下記の条件式（８）である。
【００６３】
（８） θ＜１．３×Ｐ＋４
ただし、θは、イメージサークルの９０％以内の各点において、光学系から射出した光束の中心光線、若しくは、絞り中心を通る光線が撮像素子に入射する角度である。
【００６４】
条件式（８）の上限の１．３×Ｐ＋４を越えて大きな値をとると、撮像素子に略垂直に入射する画面中心に比較して、上記理由により画面周辺で得られるカラー情報のエラーが大きくなりすぎ、電気的処理を用いても画面中心と周辺の色が一致しないという問題が生じる。
【００６５】
より高品位な画像を得るためには、画像の画素単位をさらに小さくすることが好ましく、その場合は、下記条件式（６）を満足すると、なお好ましい。
【００６６】
（６） ４．０＜Ｎ＜２０
また、下記条件式（７）を満足すると、さらに高品位な画像が得られ好ましい。
【００６７】
（７） ６．０＜Ｎ＜２０
画素ピッチに関しては、下記の条件を満足すると、なお好ましい。
【００６８】
（５） １．５＜Ｐ＜４．０
また、光学系をさらに低コストに構成するためには、倍率色収差に対する制約条件を緩めることが効果的であり、下記の条件を満足すると、なお好ましい。
【００６９】
（１０） １．５×Ｐ＜δ＜５．０×Ｐ
光学系を構成するレンズ要素として、異常分散性ガラスを使用したレンズ要素の数は下記の条件を満足すると、なお低コスト化に対し好ましい。
【００７０】
（１１） ｎL ／ｎT ＜０．２０
また、光学系を射出した光線が撮像素子に入射する角度は、下記条件を満足することが、なお好ましい。
【００７１】
（９） θ＜Ｐ＋４
また、本発明の撮像装置は、装置本体と光学系は一体型で構成してもよいし、また、光学系を交換可能な構成としてもよい。
【００７２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の撮像装置の実施例について説明する。
【００７３】
本発明に基づく撮像装置全体の構成は、図１に示すように、被写体の像を結像する光学系１０と、その結像位置に配置されたＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる撮像素子２０と、その撮像素子２０で得られた画像信号を処理する信号処理回路３０と、その信号処理回路３０に接続され、撮像された画像データを記憶する記憶装置４０と、信号処理回路３０に接続され、撮像された画像を表示する表示装置５０と、撮像された画像を出力するプリンター等の出力装置６０とからなる。
【００７４】
以下に、主として光学系１０に用いるレンズ系と、その際に用いる撮像素子２０に関する実施例１、２について説明する。
【００７５】
（実施例１）
この実施例は、光学系１０として単焦点レンズを使用する実施例であり、撮像素子２０としては、２／３インチ（６．６ｍｍ×８．８ｍｍ）で、画素数２１３０×２８４０＝６０５万画素で、画素ピッチＰが３．１μｍのものを用いる。
【００７６】
光学系１０を構成するレンズ系は、図２に断面図を示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、絞りと、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズと、両凸レンズとからなるレトロフォーカスタイプの単焦点レンズ系であり、レンズ系と像面Ｉの間に撮像素子２０のカバーガラス、フィルター類を構成する平行平面板Ｆが配置されている。このレンズ系の数値データは後記するが、最も像面側の両凸レンズの像面側の面に非球面を用いている。この実施例の収差図を図３に示す。図中、ＳＡは球面収差、ＡＳは非点収差、ＤＴは歪曲収差、ＣＣは倍率色収差を示す（以下の収差図においても同じ）。収差図の基準波長はｅ線であり、球面収差と倍率色収差は、基準波長以外は６２０ｎｍと４６０ｎｍの波長に対する収差を記載してある。また、図中、“ＦＩＹ”は像高を表している。
【００７７】
また、本実施例では異常分散性のガラスを使用していない。
【００７８】
実施例１の式（１）に関する値Ｐ＝３．１μｍ、式（２）に関する値Ｎ＝６．０５、式（３）に関する値δ＝４．４μｍ（６２０ｎｍ）、式（４）に関する値ｎL ／ｎT ＝０／５＝０、式（８）に関する値θ＝７．４°であり、何れもそれらの条件式を満足しており、得られた画像は銀塩写真に匹敵する、とりわけ色ズレが目立たない高品位な画像が得られ、小型低コストな撮像装置を得ることができる。
【００７９】
（実施例２）
この実施例は、光学系１０としてズームレンズを使用する実施例であり、撮像素子２０としては、１／２インチ（４．８ｍｍ×６．４ｍｍ）で、画素数１７８０×２３７０＝４２２万画素で、画素ピッチＰが２．７μｍのものを用いる。
【００８０】
光学系１０を構成するズームレンズは、図４に広角端での断面図を示すように、物体側から順に、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた平凸レンズ１枚からなり、第２レンズ群Ｇ２は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズの３枚からなり、絞りＳが続き、絞りＳの後の第３レンズ群Ｇ３は、θgd＝１．２４３と異常分散性を持つガラスからなる両凸レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズとの接合レンズの３枚からなり、第４レンズ群Ｇ４は両凸レンズ１枚からなり、広角端から望遠端にかけて、第１レンズ群Ｇ１と絞りＳは固定されており、第２レンズ群Ｇ２は物体側から像側に移動し、第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４は相互の間隔を広げながら物体側に移動する。レンズ系と像面Ｉの間に撮像素子２０のカバーガラス、フィルター類を構成する平行平面板Ｆが配置されている。このレンズ系の数値データは後記するが、第３レンズ群Ｇ３の最も物体側の面と第４レンズ群Ｇ４の物体側の面に非球面を用いている。この実施例の広角端の収差図を図５に、標準状態の収差図を図６に、望遠端の収差図を図７にそれぞれ示す。
【００８１】
実施例２の式（１）に関する値Ｐ＝２．７μｍ、式（２）に関する値Ｎ＝４．２２、式（３）に関する値δ＝５．０μｍ（広角端６２０ｎｍ）、３．５μｍ（標準状態６２０ｎｍ）、４．４μｍ（望遠端４６０ｎｍ）、式（４）に関する値ｎL ／ｎT ＝１／８＝０．１２５、式（８）に関する値θ＝１．７°（広角端）〜２．８°（標準状態）〜３．７°（望遠端）であり、何れもそれらの条件式を満足しており、得られた画像は銀塩写真に匹敵する、とりわけ色ズレが目立たない高品位な画像が得られ、小型低コストな撮像装置を得ることができる。
【００８２】
以下に、上記各実施例の光学系１０の数値データを示すが、記号は上記の外、ｆは全系焦点距離、ＦNOはＦナンバー、２ωは画角、ｆB はバックフォーカス、ｒ1 、ｒ2 …は各レンズ面の曲率半径、ｄ1 、ｄ2 …は各レンズ面間の間隔、ｎe1、ｎe2…は各レンズのｅ線の屈折率、νd1、νd2…は各レンズのアッベ数である。なお、非球面形状は、ｚを光の進行方向を正とした光軸とし、ｙを光軸と直交する方向の光軸からの距離とすると、下記の式にて表される。
【００８３】
ただし、ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐係数、A4、A6、A8、A10 、A12 はそれぞれ４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数である。
【００８４】
【００８５】
【００８６】
なお、本発明の説明はデジタルカメラを中心に説明したが、他の撮像装置（例えば、デジタルビデオカメラ等）を用いて静止画像を観察する場合も同様である。
【００８７】
以上のような本発明の撮像装置は、物体像を形成しその像をＣＣＤ等の撮像素子に受光させて撮像を行う撮像装置、とりわけ電子カメラ、ビデオカメラ等に用いることができる。以下に、その実施形態を例示する。
【００８８】
図８〜図１０は、本発明の撮像装置を電子カメラとして構成した場合の概念図を示す。図８は電子カメラ１４０の外観を示す前方斜視図、図９は同後方斜視図、図１０は電子カメラ１４０の構成を示す断面図である。電子カメラ１４０は、この例の場合、撮影用光路１４２を有する撮影光学系１４１、ファインダー用光路１４４を有するファインダー光学系１４３、シャッター１４５、フラッシュ１４６、液晶表示モニター１４７等を含み、カメラ１４０の上部に配置されたシャッター１４５を押圧すると、それに連動して撮像用対物光学系１０を通して撮影が行われる。撮像用対物光学系１０によって形成された物体像が、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター１５１を介してＣＣＤ２０（図１の撮像素子に対応）の撮像面上に形成される。このＣＣＤ２０で受光された物体像は、信号処理回路３０を介し、電子画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター１４７（図１の表示装置５０に相当）に表示される。また、この信号処理回路３０には記録手段４０（図１の記憶装置に対応）が配置され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、この記録手段４０は信号処理回路３０と別体に設けらてもよいし、フロッピーディスク等により電子的に記録書込を行うように構成してもよい。
【００８９】
さらに、ファインダー用光路１４４上には、カバーガラス１５４を介してファインダー用対物光学系１５３が配置してある。このファインダー用対物光学系１５３によって形成された物体像は、像正立部材であるポロプリズム１５５の視野枠１５７上に形成される。なお、視野枠１５７は、ポロプリズム１５５の第１反射面と第２反射面との間を分離し、その間に配置されている。このポリプリズム１５５の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系１５９が配置されている。
【００９０】
図１１は、本発明の撮像装置をビデオカメラとして構成した場合の概念図を示す。図１１（ａ）はビデオカメラ１６０の外観を示す斜視図、図１１（ｂ）はビデオカメラ１６０の構成を示す断面図である。ビデオカメラ１６０、撮影用光学系１０と共に、電子ビューファインダー１６２と液晶表示モニター１４７を備えており、両者が図１の表示装置５０に相当する。ビデオカメラ１６０の上部に配置された録画スタートボタン１６１をオンすると、それに連動して撮影用光学系１０を通して撮影が行われる。撮影用光学系１０によって形成された物体像が、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター１５１を介してＣＣＤ２０（図１の撮像素子に対応）の撮像面上に形成される。このＣＣＤ２０で受光された物体像は、信号処理回路３０を介し、電子ビューファインダー１６２内に配置されたバックライト付き液晶表示素子１６３上に表示され、接眼レンズ１６４で拡大観察可能にされると共に、カメラ本体に折り畳み可能に取り付けられた液晶表示モニター１４７に表示される。ビデオカメラ１６０には、ビデオテープ挿脱用ふた１６６を開けて記録媒体としてのビデオテープをセットすることが可能になっており、信号処理回路３０を介してビデオテープを記録手段４０（図１の記憶装置に対応）として、撮影された電子画像が記録される。また、ビデオカメラ１６０はマイク１６５を備えており、映像信号記録と同時に音声情報記録も同様に行う。
【００９１】
【発明の効果】
以上の説明と各実施例から明らかなように、本発明によると、撮像装置の光学系の結像性能、撮像素子の画素数、画素ピッチが最適化されているので、得られた画像は銀塩写真に匹敵する、特に色ズレが目立たない高品位な画像であり、また、装置の大きさや製造コストに有利な構成となっているため、小型低コストな撮像装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく撮像装置全体の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１における光学系を構成するレンズ系の断面図である。
【図３】実施例１のレンズ系の収差図である。
【図４】本発明の実施例２における光学系を構成するズームレンズ系の広角端での断面図である。
【図５】実施例２のズームレンズ系の広角端での収差図である。
【図６】実施例２のズームレンズ系の標準状態での収差図である。
【図７】実施例２のズームレンズ系の望遠端での収差図である。
【図８】本発明の撮像装置を電子カメラとして構成した場合の外観を示す前方斜視図である。
【図９】図８は同後方斜視図である。
【図１０】図８の電子カメラの構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の撮像装置をビデオカメラとして構成した場合の概念図である。
【図１２】電子撮像素子を用いた場合の光量と映像信号強度の関係を示す概念図である。
【図１３】電子撮像素子を用いた場合の色ズレと映像信号強度の関係を示す概念図である。
【符号の説明】
１０…光学系
２０…撮像素子（ＣＣＤ等）
３０…信号処理回路
４０…記憶装置
５０…表示装置
６０…出力装置
１４０…電子カメラ
１４１…撮影光学系
１４２…撮影用光路
１４３…ファインダー光学系
１４４…ファインダー用光路
１４５…シャッター
１４６…フラッシュ
１４７…液晶表示モニター
１５１…フィルター
１５４…カバーガラス
１５３…ファインダー用対物光学系
１５５…ポロプリズム
１５７…視野枠
１５９…接眼光学系
１６０…ビデオカメラ
１６１…録画スタートボタン
１６２…電子ビューファインダー
１６３…バックライト付き液晶表示素子
１６４…接眼レンズ
１６５…マイク
１６６…ビデオテープ挿脱用ふた
Ｇ１…第１レンズ群
Ｇ２…第２レンズ群
Ｇ３…第３レンズ群
Ｇ４…第４レンズ群
Ｓ …絞り
Ｆ …平行平面板
Ｉ …像面
Ｅ …観察者眼球
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置に関し、特に、銀塩写真に匹敵する高品位な画像、とりわけレンズの倍率色収差に起因する色ズレによる画質劣化を抑制することが可能な小型低コストな撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
写真画質に匹敵する画像を得ることが可能な印刷用等の用途を想定した業務用デジタルカメラがある。これらは２００万画素を越える画素数を有しているものの、撮像素子の画素ピッチが約７．５〜１０μｍ前後以上と大きく、１枚のウェハーから得られる素子の数に制限があり、コストをある程度以上下げることができないという問題がある。
【０００３】
撮像素子の製造コストを下げるためには、素子サイズを小型化し、１枚のウェハーから多くの素子を得るようにすることが最も効果的である。しかし、素子サイズを小型化するためには、画素数を下げるか、画素ピッチを小さくする必要がある。
【０００４】
比較的安価な撮像装置として商品化されている装置には、１／３〜２／３インチサイズの１００〜２５０万画素程度の撮像素子を用いているものが多い。このときの画素ピッチは、約３〜５μｍと、前記の業務用デジタルカメラに用いられている撮像素子と比較して大幅に小さい。
【０００５】
高品位な画像を得るために多画素な撮像素子を用いると、ますます画素ピッチの小さな撮像素子を用いることが必須の条件になる。
【０００６】
さて、高品位な画質を決める大きな要因に、解像と並んで色ズレがある。単波長の結像性能が良くても、いわゆる色収差が大きいと、色の滲みや色ズレが起こり、画質を劣化させることが知られている。特にデジタルカメラ等、固体撮像素子を用いた撮像装置の場合、軸上色収差よりも、倍率色収差に起因する色ズレが大きな問題となる。
【０００７】
図１２に入力光強度（アナログ画像）と画素からの出力強度信号の関係を示すように、固体撮像素子のようなある一定領域に結像した像が平均化若しくは加算されて映像信号になるような装置では、光量に傾斜のある像を撮影しても、得られる映像は階段状になる。
【０００８】
一方、銀塩写真では、色素の大きさが数〜数十μｍと、大きさに幅のある色素単位で構成されており、像の強度が、概ね光量の傾斜を再現している。
【０００９】
この両者を比較すると、光量の傾斜の小さいところでは小さい差しかないが、１画素内での光量の傾斜が大きくなると（例えば、左から２番目の画素の位置）、撮像素子を用いた場合には、実際の像では少ない光強度になっている領域（例えば、左から２番目の画素内の右端の領域）まで、画素内での平均的な光強度を持つ像となってしまう。
【００１０】
これがモノクロ画像や色相の似た範囲の画像であれば、単に像のグラデーションが階段状になっているだけであるが、特定の色だけがずれた場合には、図１３のように、色の差が階段状に見えることになる。図１３では、簡単のためにＲ（レッド）とＢ（ブルー）の色のみを考えた場合、図１３（ａ）のように、Ｒの像に対してＢの像がずれが場合、ＲとＢの色の差は図１３（ｂ）のようになり、色の差の信号強度Ｒ−Ｂは階段状になる。
【００１１】
人は色の絶対値よりも色の差に対し敏感であることが知られており、このような画像を人が観察、鑑賞すると、色のズレが実際のズレよりも大きく見えるという現象を引き起こす。そのため、撮像素子を用いた撮像装置に用いるレンズには、色ズレを引き起こす倍率色収差の高度な補正が求められてきた。
【００１２】
従来は、前述のズレた色の強度比が人が見ても大きな差と感じないために必要な倍率色収差の大きさを求め、多くの検討により、画素ピッチの１／２以下の倍率色収差であると、像の色ズレがほとんど問題にならないことが知られている。
【００１３】
ところが、小型の撮像素子を用いて安いコストで高品位な画像が得られる撮像装置を構成しようとすると、前述のように、画素ピッチは３〜５μｍ程度以下になり、このような撮像素子に対して倍率色収差を従来の考え方で補正すると、許容できる倍率色収差は１．５〜２．５μｍ以下となり、極めて高度な色収差の補正が求められる。
【００１４】
撮像素子を用いた撮像装置の場合には、光学レンズと撮像素子の間に光学的ローパスフィルターや赤外カットフィルター等のフィルター類、多板式装置の場合には光路分岐プリズム等が配置されることが多く、物理的な寸法は小さくても、光学的には長いバックフォーカスを必要とする。そのため、レンズもバックフォーカスを長くできるレンズタイプを用いることが一般的で、物体側から像側に向かって、絞りに対し非対称なパワー配置になることが多い。
【００１５】
そのため歪曲収差や倍率色収差といった画角に依存する収差の補正が困難であり、従来ではいわゆる異常分散性ガラスを用いて色収差を補正する方法が知られている。
【００１６】
上記に示した範囲に倍率色収差を補正するためには、さらに異常分散性ガラスを用いたレンズ要素の数を増やすことが必要になる。
【００１７】
しかし、一般的に異常分散性ガラスは膨張係数が大きいか若しくは柔らかくキズがつきやすい等といった特性を持つため、多くの加工工数が必要となり、異常分散性ガラスを多数使用すると、加工コストが高くなる問題があった。
【００１８】
異常分散性ガラスを少なくして高度な色収差の補正を実現するためには、使用するレンズ要素の枚数を増やしたり、レンズ系を大型化して、各レンズ要素のパワーを弱めることが必要になるため、装置の小型化に大きな支障をきたす。
【００１９】
一方、撮像素子を用いて得られる像は、空間的にデジタルデータとして扱うことができるため、像の強度をデジタル化すれば、画像処理等電気的な処理を施すことが容易になるため、レンズ系で出た色収差を画像処理で補正する方法が提案されている（特開平８−２０５１８１号）。しかし、画像処理を行うと、本来データのない像点におけるデータを作成する処理等が必要になるため、画質の劣化が避けられない。また、処理が複雑になると、撮影終了後、メモリーカード等の記録媒体に記録するまでの時間がかかる問題が生じる。また、レンズの持つ特性を利用するため、特性の異なるレンズに対しては異なる処理が必要となり、レンズの数に応じた処理が必要になるという問題がある。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来例では、銀塩写真に匹敵する色ズレの目立たない画像を得るためには、加工コストの増大や、レンズ系の大型化、撮影後の画像処理時間の増大等を招き、小型で低コストな撮像装置を達成することができない。
【００２１】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、銀塩写真に匹敵する高品位な画像、とりわけ色ズレが目立たない画像を撮影することができる小型低コストな撮像装置を提供することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の撮像装置は、光学系による物体の像を電子撮像素子上に結像することによって物体の画像情報を得る撮像装置であって、前記電子撮像素子及び前記光学系が下記の条件を満足することを特徴とするものである。
【００２３】
（１） １．５＜Ｐ＜７．０
（２） ３．０＜Ｎ＜２０
（３） １．０×Ｐ＜δ＜５．０×Ｐ
（４） ｎL ／ｎT ＜０．２５
ただし、Ｐは撮像素子の画素ピッチ（単位はμｍ）、Ｎは撮像素子の画素数（単位は百万）、δは画面中心を含み画面全体の９０％を占める領域内の、波長６２０ｎｍ若しくは４６０ｎｍでの倍率色収差の絶対値の最大値（単位はμｍ）、ｎT 、ｎL は光学系を構成しているレンズ要素の数及び異常分散性ガラスからなるレンズ要素の数である。
【００２４】
この場合、その光学系が脱着可能な構造になっていることが望ましい。
【００２５】
また、下記条件を満足することがより好ましい。
【００２６】
（５） １．５＜Ｐ＜４．０
（６） ４．０＜Ｎ＜２０
その場合に、下記条件を満足することがより好ましい。
【００２７】
（７） ６．０＜Ｎ＜２０
また、その撮像素子は、光電変換面の上部にマトリックス状あるいはモザイク状のカラーフィルターを配置した素子であり、かつ、下記条件を満足することがより好ましい。
【００２８】
（８） θ＜１．３×Ｐ＋４
ただし、θは、イメージサークルの９０％以内の各点において、前記光学系から射出した光束の中心光線、若しくは、絞り中心を通る光線が撮像素子に入射する角度である。
【００２９】
その場合に、下記条件を満足することがより好ましい。
【００３０】
（９） θ＜Ｐ＋４
また、下記条件を満足することがより好ましい。
【００３１】
（１０） １．５×Ｐ＜δ＜５．０×Ｐ
また、下記条件を満足することがより好ましい。
【００３２】
（１１） ｎL ／ｎT ＜０．２０
以下、本発明において上記構成をとった理由とその作用について説明する。
【００３３】
人間の眼の標準的な角度分解能を１' （視力１．０に対応）と考えると、この値は限界解像力を得る値であるから、画像に含まれるラインアンドスペースがシャープな画像として認識できる分解能はそれよりも下がったところ（大きい角度）にあると考えられる。
【００３４】
例えば、その立体角を１．６７' （視力０．６に対応）程度と考えると、例えば４０ｃｍ離れた位置から画像を観察するとき、０．１９４ｍｍの大きさまではシャープな像と認識できることになる。
【００３５】
このようなシャープな像と認識できる場合には、前述の色ズレが起きた場合に、はっきりと認識できることになる。したがって、この場合に色ズレを目立たなくするためには、前述のように、画素ピッチに対して１／２以下に倍率色収差を補正しなければならない。
【００３６】
４０ｃｍ離れた位置からＡ４（２１０ｍｍ×２９７ｍｍ）サイズのプリントを観察することを考えると、この上記の場合の画素数は、約１１００×１５００＝１６５万画素、周囲に１０ｍｍの余白をとることを考慮すると、約１４０万画素となる。
【００３７】
これから提示する数値は、基本的に４０ｃｍ離れた位置からＡ４サイズのプリントを観察することを想定しているが、プリントサイズと観察距離の間に線形関係が満足されている場合には、得られた画素数はプリントサイズによらない。しかし、一般にプリントサイズが小さくなる程、プリントサイズに比べて観察距離が伸びる傾向にあるため、Ａ６サイズ（１０５ｍｍ×１４９ｍｍ）等の小さいプリントサイズでは、提示された画素数よりも少ない画素数で十分である。言い換えれば、本発明では、６切程度以上のプリントサイズを得ることを可能にして銀塩写真に匹敵する高品位な画像と考えている。
【００３８】
さて、撮像素子を用いて作成された画像は、当然画像を構成する画素単位は一定であるため、その単位以上の高い空間周波数を有する物体は表現できない。種々の空間周波数のパターン部分を有するテストチャートを撮影した場合、最も線幅の狭い部分で、その線幅が画素ピッチに等しいパターンは、すべて分解して観察されるのに対して、線幅が画素ピッチを下回り、その最も狭い線幅が例えば画素ピッチの１／２となる画素単位以上の高い空間周波数を有するパターンは、低周波の濃淡、いわゆるモアレが観察されるだけである。
【００３９】
前述の計算で求めた画素数の画像では、プリントの最小画素単位を人間が高いコントラストで明確に認識できる。したがって、上述のテストチャートの観察結果を一般画像に拡張すると、ある空間周波数まではシャープに見え、最小画素単位を越えて高い空間周波数になると、急激に分解しない画像となるため、画像のコントラストは高くても、グラデーションの表現に乏しい、いわゆる荒れ感のある画像となる。
【００４０】
グラデーション豊かな画像とするためには、人間が感知する解像限界に近い空間周波数まで表現しなければならない。
【００４１】
我々はこの点から銀塩写真と等価な画質を得るためには、少なくとも立体角１．２５' （視力０．８）に対応する画素単位、Ａ４サイズで１０ｍｍの余白を取った場合に約２５０万画素の画素数が必要であることを、特願平１１−４２９３４号において示した。
【００４２】
以上は解像力に着目した議論であるが、前述の通り、色ズレに関する問題も、ズレた部分が画素単位に起因する階段状になっていることが根本的な問題であるから、同様の議論により、光量が傾斜している場合に、その傾斜を平均化せずに、より忠実に表現できれば、色ズレは撮像素子の問題ではなく、純粋にレンズ系の問題となり、銀塩写真の場合と全く等価になる。
【００４３】
光量の傾斜を忠実に表現するレベルを設定するときに、上記の解像に対する人間の見えの評価を参考にすることができる。すなわち、プリントを観察する場合、人間が全く認識できない画素単位であれば、その画素単位以上に光強度を表現しても、人間には全く等価に見えるはずであるし、逆に、前述のように、画素単位をはっきり認識できれば、光強度の変化を忠実に表現しているとは認識できない。
【００４４】
解像の場合には、上述のように、立体角１．２５' （視力０．８）以上が必要であるが、色ズレの場合には、単に強度の変化ではなく、そこに色相の変化を伴うため、解像の検討で求めた画素数以上の画素数が必要であることが分かった。具体的には、立体角１．１１' （視力０．９）程度以上に小さい画素単位で画像を構成すれば、レンズの倍率色収差による色ズレが、画素単位の階段状に表現されても、その強度変化は、レンズの色ズレを忠実に表現した場合の強度変化と比較しても、人間がほとんど差を感知できないことが分かった。
【００４５】
立体角１．１１' を画素数に変換すると、前述の計算と同様の計算により、Ａ４サイズの周囲１０ｍｍの余白を取ったときに、約３００万画素になる。
【００４６】
さらにその場合、レンズの倍率色収差がどこまで許容できるか調べると、画素単位以上あっても、一般的には強度変化を伴うため、人間が色ズレをはっきり認識できないことが分かった。
【００４７】
言い換えると、３００万画素以上の画素数を有する撮像素子を用いると、画素ピッチに対して１．０倍以上の倍率色収差があっても、色ズレを人間がはっきりとは認識できないことになる。
【００４８】
しかし、レンズの倍率色収差が画素単位に対して５倍を越えると、色収差によるズレ量が大きくなりすぎ、撮像素子で撮影したことによる影響を無視しても、色ズレに伴う画質の劣化を許容できなくなる。
【００４９】
これらの条件を式で表現したものが、下記条件式（２）の下限と、条件式（３）である。
【００５０】
（２） ３．０＜Ｎ＜２０
（３） １．０×Ｐ＜δ＜５．０×Ｐ
ただし、Ｐは撮像素子の画素ピッチ（単位はμｍ）、Ｎは撮像素子の画素数（単位は百万）、δは画面中心を含み画面全体の９０％を占める領域内の、波長６２０ｎｍ若しくは４６０ｎｍでの倍率色収差の絶対値の最大値（単位はμｍ）である。
【００５１】
ここで、倍率色収差に関する条件を、中心を含み画面全体の９０％を占める領域内に限定したのは、それ以外の領域は、画面のほとんど四隅であり、実際上色ズレが生じていても、画質の劣化として問題になることは少ないと考えられるためである。また、倍率色収差を求める波長を６２０ｎｍ若しくは４６０ｎｍとした理由は、基準波長として扱うｅ線を緑の画像の代表と考え、赤、青の分光特性等から代表波長として選んだ波長である。装置に使用するカラーフィルターの分光透過率や撮像素子の分光感度等に応じて、この代表波長はシフトするが、おおよそこの程度の波長と考えて光学設計上問題はない。
【００５２】
条件式（２）の上限の２０は画素数が増えることにより、画像の読み出し速度や記録媒体への記録速度等が長くなりすぎる問題が生じる点や、（２）の上限値は前述の立体角０．０５１３' （視力２．３）に相当しており、例えば、Ａ３以上に拡大し、プリントサイズに比べて観察距離を短くしても、ほとんど画像の劣化を認識することができなくなる点を考慮して定められた。
【００５３】
このような画素数の撮像素子を作成する場合、下記条件（１）を満足していることが望ましい。
【００５４】
（１） １．５＜Ｐ＜７．０
条件式（１）の上限の７．０は、撮像装置のコストを考慮して設定したものであり、上限値を越えて大きくなると、画素数に比較して撮像素子のサイズが大きくなり、１枚のウェハーからとれる素子数が少なくなってコストの増大を招く。また、条件式（１）の下限値の１．５は、光学系の回折限界による画質の劣化と、光学系の製造コストを考慮して設定したものであり、下限値を越えて小さな値になると、３００万画素程度の画素数では、光学系が回折限界の性能を有していても、回折ボケの影響を無視できなくなり、画質の劣化を引き起こす。また、画素数が１０００万画素を越えた撮像素子を用いた場合においては、光学系が回折限界に近い性能を有していれば、プリントでの画質は満足できるものの、光学系を構成する各要素の製造公差が厳しくなり、加工コストの増大を招き好ましくない。
【００５５】
上記の撮像素子、光学系の組み合わせを採用すると、光学系を構成する際、倍率色収差の補正に対する余裕が生まれ、光学系を構成するレンズ枚数をより少なく、また、異常分散性ガラスの使用を極力抑えることができ、小型で安価な光学系を構成することが可能となる。
【００５６】
より具体的には、光学系を構成する全レンズ要素の数に対し、異常分散性ガラスを用いたレンズ要素の数を２５％以下に抑えることができ、光学系の加工コストを低減することが可能となる。この条件を式で表現したものが、下記条件式（４）である。
【００５７】
（４） ｎL ／ｎT ＜０．２５
ただし、ｎT 、ｎL は光学系を構成しているレンズ要素の数及び異常分散性ガラスからなるレンズ要素の数である。
【００５８】
本発明の撮像装置は、装置の物体側や内部において、異なる色のカラーフィルターを順次設定し、撮影した画像を合成することによりカラー画像を構成してもよいし、あるいは、撮像素子を２枚以上用い、例えば光路分割プリズム等により光路をそれぞれの撮像素子に導くようにして、同時に複数の色の画像を撮影する方式等で構成してもよい。
【００５９】
あるいは、光電変換面の上部にマトリックス状あるいはモザイク状のカラーフィルターを配置した素子を用いて、画像を撮影後マトリックス演算によってカラー画像を構成する方式で構成してもよい。
【００６０】
後者の方式では、マトリックス演算により画像を補間する必要があるため、画質の点では前者の方法より劣るが、用いる撮像素子が少なく、しかも、少ない撮影回数でカラー画像を得ることができるため、コスト面や使い勝手の点で優れており、コンシューマ製品を中心として採用している製品が多い。
【００６１】
この方式では、撮像素子の各画素が、光電変換面とその上に配置されたカラーフィルターで１つの組をなしているため、カラーフィルターを透過した光が本来到達すべき光電変換面とは異なる変換面に到達すると、色に関する情報が正しく得られない。そのため、光学系を透過した光は撮像素子に垂直に入射することが望ましいが、光電変換面の周囲に遮光部等を配置すること等により、ある程度角度がついていても、画像に与える影響を無視することができる。しかし、極端に遮光部を広くすると、全体の面積に対する光電変換面の面積が小さくなり、電気信号に変換できる光量が少なくなり、感度の低下を招く。
【００６２】
そこで、感度面から必要な開口率を想定した際、画像に与える影響を無視できる撮像素子への入射角の許容範囲に関する条件が、下記の条件式（８）である。
【００６３】
（８） θ＜１．３×Ｐ＋４
ただし、θは、イメージサークルの９０％以内の各点において、光学系から射出した光束の中心光線、若しくは、絞り中心を通る光線が撮像素子に入射する角度である。
【００６４】
条件式（８）の上限の１．３×Ｐ＋４を越えて大きな値をとると、撮像素子に略垂直に入射する画面中心に比較して、上記理由により画面周辺で得られるカラー情報のエラーが大きくなりすぎ、電気的処理を用いても画面中心と周辺の色が一致しないという問題が生じる。
【００６５】
より高品位な画像を得るためには、画像の画素単位をさらに小さくすることが好ましく、その場合は、下記条件式（６）を満足すると、なお好ましい。
【００６６】
（６） ４．０＜Ｎ＜２０
また、下記条件式（７）を満足すると、さらに高品位な画像が得られ好ましい。
【００６７】
（７） ６．０＜Ｎ＜２０
画素ピッチに関しては、下記の条件を満足すると、なお好ましい。
【００６８】
（５） １．５＜Ｐ＜４．０
また、光学系をさらに低コストに構成するためには、倍率色収差に対する制約条件を緩めることが効果的であり、下記の条件を満足すると、なお好ましい。
【００６９】
（１０） １．５×Ｐ＜δ＜５．０×Ｐ
光学系を構成するレンズ要素として、異常分散性ガラスを使用したレンズ要素の数は下記の条件を満足すると、なお低コスト化に対し好ましい。
【００７０】
（１１） ｎL ／ｎT ＜０．２０
また、光学系を射出した光線が撮像素子に入射する角度は、下記条件を満足することが、なお好ましい。
【００７１】
（９） θ＜Ｐ＋４
また、本発明の撮像装置は、装置本体と光学系は一体型で構成してもよいし、また、光学系を交換可能な構成としてもよい。
【００７２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の撮像装置の実施例について説明する。
【００７３】
本発明に基づく撮像装置全体の構成は、図１に示すように、被写体の像を結像する光学系１０と、その結像位置に配置されたＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる撮像素子２０と、その撮像素子２０で得られた画像信号を処理する信号処理回路３０と、その信号処理回路３０に接続され、撮像された画像データを記憶する記憶装置４０と、信号処理回路３０に接続され、撮像された画像を表示する表示装置５０と、撮像された画像を出力するプリンター等の出力装置６０とからなる。
【００７４】
以下に、主として光学系１０に用いるレンズ系と、その際に用いる撮像素子２０に関する実施例１、２について説明する。
【００７５】
（実施例１）
この実施例は、光学系１０として単焦点レンズを使用する実施例であり、撮像素子２０としては、２／３インチ（６．６ｍｍ×８．８ｍｍ）で、画素数２１３０×２８４０＝６０５万画素で、画素ピッチＰが３．１μｍのものを用いる。
【００７６】
光学系１０を構成するレンズ系は、図２に断面図を示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、絞りと、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズと、両凸レンズとからなるレトロフォーカスタイプの単焦点レンズ系であり、レンズ系と像面Ｉの間に撮像素子２０のカバーガラス、フィルター類を構成する平行平面板Ｆが配置されている。このレンズ系の数値データは後記するが、最も像面側の両凸レンズの像面側の面に非球面を用いている。この実施例の収差図を図３に示す。図中、ＳＡは球面収差、ＡＳは非点収差、ＤＴは歪曲収差、ＣＣは倍率色収差を示す（以下の収差図においても同じ）。収差図の基準波長はｅ線であり、球面収差と倍率色収差は、基準波長以外は６２０ｎｍと４６０ｎｍの波長に対する収差を記載してある。また、図中、“ＦＩＹ”は像高を表している。
【００７７】
また、本実施例では異常分散性のガラスを使用していない。
【００７８】
実施例１の式（１）に関する値Ｐ＝３．１μｍ、式（２）に関する値Ｎ＝６．０５、式（３）に関する値δ＝４．４μｍ（６２０ｎｍ）、式（４）に関する値ｎL ／ｎT ＝０／５＝０、式（８）に関する値θ＝７．４°であり、何れもそれらの条件式を満足しており、得られた画像は銀塩写真に匹敵する、とりわけ色ズレが目立たない高品位な画像が得られ、小型低コストな撮像装置を得ることができる。
【００７９】
（実施例２）
この実施例は、光学系１０としてズームレンズを使用する実施例であり、撮像素子２０としては、１／２インチ（４．８ｍｍ×６．４ｍｍ）で、画素数１７８０×２３７０＝４２２万画素で、画素ピッチＰが２．７μｍのものを用いる。
【００８０】
光学系１０を構成するズームレンズは、図４に広角端での断面図を示すように、物体側から順に、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた平凸レンズ１枚からなり、第２レンズ群Ｇ２は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズの３枚からなり、絞りＳが続き、絞りＳの後の第３レンズ群Ｇ３は、θgd＝１．２４３と異常分散性を持つガラスからなる両凸レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズとの接合レンズの３枚からなり、第４レンズ群Ｇ４は両凸レンズ１枚からなり、広角端から望遠端にかけて、第１レンズ群Ｇ１と絞りＳは固定されており、第２レンズ群Ｇ２は物体側から像側に移動し、第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４は相互の間隔を広げながら物体側に移動する。レンズ系と像面Ｉの間に撮像素子２０のカバーガラス、フィルター類を構成する平行平面板Ｆが配置されている。このレンズ系の数値データは後記するが、第３レンズ群Ｇ３の最も物体側の面と第４レンズ群Ｇ４の物体側の面に非球面を用いている。この実施例の広角端の収差図を図５に、標準状態の収差図を図６に、望遠端の収差図を図７にそれぞれ示す。
【００８１】
実施例２の式（１）に関する値Ｐ＝２．７μｍ、式（２）に関する値Ｎ＝４．２２、式（３）に関する値δ＝５．０μｍ（広角端６２０ｎｍ）、３．５μｍ（標準状態６２０ｎｍ）、４．４μｍ（望遠端４６０ｎｍ）、式（４）に関する値ｎL ／ｎT ＝１／８＝０．１２５、式（８）に関する値θ＝１．７°（広角端）〜２．８°（標準状態）〜３．７°（望遠端）であり、何れもそれらの条件式を満足しており、得られた画像は銀塩写真に匹敵する、とりわけ色ズレが目立たない高品位な画像が得られ、小型低コストな撮像装置を得ることができる。
【００８２】
以下に、上記各実施例の光学系１０の数値データを示すが、記号は上記の外、ｆは全系焦点距離、ＦNOはＦナンバー、２ωは画角、ｆB はバックフォーカス、ｒ1 、ｒ2 …は各レンズ面の曲率半径、ｄ1 、ｄ2 …は各レンズ面間の間隔、ｎe1、ｎe2…は各レンズのｅ線の屈折率、νd1、νd2…は各レンズのアッベ数である。なお、非球面形状は、ｚを光の進行方向を正とした光軸とし、ｙを光軸と直交する方向の光軸からの距離とすると、下記の式にて表される。
【００８３】
【００８４】
なお、本発明の説明はデジタルカメラを中心に説明したが、他の撮像装置（例えば、デジタルビデオカメラ等）を用いて静止画像を観察する場合も同様である。
【００８７】
以上のような本発明の撮像装置は、物体像を形成しその像をＣＣＤ等の撮像素子に受光させて撮像を行う撮像装置、とりわけ電子カメラ、ビデオカメラ等に用いることができる。以下に、その実施形態を例示する。
【００８８】
図８〜図１０は、本発明の撮像装置を電子カメラとして構成した場合の概念図を示す。図８は電子カメラ１４０の外観を示す前方斜視図、図９は同後方斜視図、図１０は電子カメラ１４０の構成を示す断面図である。電子カメラ１４０は、この例の場合、撮影用光路１４２を有する撮影光学系１４１、ファインダー用光路１４４を有するファインダー光学系１４３、シャッター１４５、フラッシュ１４６、液晶表示モニター１４７等を含み、カメラ１４０の上部に配置されたシャッター１４５を押圧すると、それに連動して撮像用対物光学系１０を通して撮影が行われる。撮像用対物光学系１０によって形成された物体像が、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター１５１を介してＣＣＤ２０（図１の撮像素子に対応）の撮像面上に形成される。このＣＣＤ２０で受光された物体像は、信号処理回路３０を介し、電子画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター１４７（図１の表示装置５０に相当）に表示される。また、この信号処理回路３０には記録手段４０（図１の記憶装置に対応）が配置され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、この記録手段４０は信号処理回路３０と別体に設けらてもよいし、フロッピーディスク等により電子的に記録書込を行うように構成してもよい。
【００８９】
さらに、ファインダー用光路１４４上には、カバーガラス１５４を介してファインダー用対物光学系１５３が配置してある。このファインダー用対物光学系１５３によって形成された物体像は、像正立部材であるポロプリズム１５５の視野枠１５７上に形成される。なお、視野枠１５７は、ポロプリズム１５５の第１反射面と第２反射面との間を分離し、その間に配置されている。このポリプリズム１５５の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系１５９が配置されている。
【００９０】
図１１は、本発明の撮像装置をビデオカメラとして構成した場合の概念図を示す。図１１（ａ）はビデオカメラ１６０の外観を示す斜視図、図１１（ｂ）はビデオカメラ１６０の構成を示す断面図である。ビデオカメラ１６０、撮影用光学系１０と共に、電子ビューファインダー１６２と液晶表示モニター１４７を備えており、両者が図１の表示装置５０に相当する。ビデオカメラ１６０の上部に配置された録画スタートボタン１６１をオンすると、それに連動して撮影用光学系１０を通して撮影が行われる。撮影用光学系１０によって形成された物体像が、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター１５１を介してＣＣＤ２０（図１の撮像素子に対応）の撮像面上に形成される。このＣＣＤ２０で受光された物体像は、信号処理回路３０を介し、電子ビューファインダー１６２内に配置されたバックライト付き液晶表示素子１６３上に表示され、接眼レンズ１６４で拡大観察可能にされると共に、カメラ本体に折り畳み可能に取り付けられた液晶表示モニター１４７に表示される。ビデオカメラ１６０には、ビデオテープ挿脱用ふた１６６を開けて記録媒体としてのビデオテープをセットすることが可能になっており、信号処理回路３０を介してビデオテープを記録手段４０（図１の記憶装置に対応）として、撮影された電子画像が記録される。また、ビデオカメラ１６０はマイク１６５を備えており、映像信号記録と同時に音声情報記録も同様に行う。
【００９１】
【発明の効果】
以上の説明と各実施例から明らかなように、本発明によると、撮像装置の光学系の結像性能、撮像素子の画素数、画素ピッチが最適化されているので、得られた画像は銀塩写真に匹敵する、特に色ズレが目立たない高品位な画像であり、また、装置の大きさや製造コストに有利な構成となっているため、小型低コストな撮像装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく撮像装置全体の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１における光学系を構成するレンズ系の断面図である。
【図３】実施例１のレンズ系の収差図である。
【図４】本発明の実施例２における光学系を構成するズームレンズ系の広角端での断面図である。
【図５】実施例２のズームレンズ系の広角端での収差図である。
【図６】実施例２のズームレンズ系の標準状態での収差図である。
【図７】実施例２のズームレンズ系の望遠端での収差図である。
【図８】本発明の撮像装置を電子カメラとして構成した場合の外観を示す前方斜視図である。
【図９】図８は同後方斜視図である。
【図１０】図８の電子カメラの構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の撮像装置をビデオカメラとして構成した場合の概念図である。
【図１２】電子撮像素子を用いた場合の光量と映像信号強度の関係を示す概念図である。
【図１３】電子撮像素子を用いた場合の色ズレと映像信号強度の関係を示す概念図である。
【符号の説明】
１０…光学系
２０…撮像素子（ＣＣＤ等）
３０…信号処理回路
４０…記憶装置
５０…表示装置
６０…出力装置
１４０…電子カメラ
１４１…撮影光学系
１４２…撮影用光路
１４３…ファインダー光学系
１４４…ファインダー用光路
１４５…シャッター
１４６…フラッシュ
１４７…液晶表示モニター
１５１…フィルター
１５４…カバーガラス
１５３…ファインダー用対物光学系
１５５…ポロプリズム
１５７…視野枠
１５９…接眼光学系
１６０…ビデオカメラ
１６１…録画スタートボタン
１６２…電子ビューファインダー
１６３…バックライト付き液晶表示素子
１６４…接眼レンズ
１６５…マイク
１６６…ビデオテープ挿脱用ふた
Ｇ１…第１レンズ群
Ｇ２…第２レンズ群
Ｇ３…第３レンズ群
Ｇ４…第４レンズ群
Ｓ …絞り
Ｆ …平行平面板
Ｉ …像面
Ｅ …観察者眼球
Claims (8)
- 光学系による物体の像を電子撮像素子上に結像することによって物体の画像情報を得る撮像装置であって、前記電子撮像素子及び前記光学系が下記の条件を満足することを特徴とする撮像装置。
（１） １．５＜Ｐ＜７．０
（２） ３．０＜Ｎ＜２０
（３） １．０×Ｐ＜δ＜５．０×Ｐ
（４） ｎL ／ｎT ＜０．２５
ただし、Ｐは撮像素子の画素ピッチ（単位はμｍ）、Ｎは撮像素子の画素数（単位は百万）、δは画面中心を含み画面全体の９０％を占める領域内の、波長６２０ｎｍ若しくは４６０ｎｍでの倍率色収差の絶対値の最大値（単位はμｍ）、ｎT 、ｎL は光学系を構成しているレンズ要素の数及び異常分散性ガラスからなるレンズ要素の数である。 - 該光学系が脱着可能な構造になっていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
- 下記条件を満足することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
（５） １．５＜Ｐ＜４．０
（６） ４．０＜Ｎ＜２０ - 下記条件を満足することを特徴とする請求項３記載の撮像装置。
（７） ６．０＜Ｎ＜２０ - 前記撮像素子は、光電変換面の上部にマトリックス状あるいはモザイク状のカラーフィルターを配置した素子であり、かつ、下記条件を満足することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
（８） θ＜１．３×Ｐ＋４
ただし、θは、イメージサークルの９０％以内の各点において、前記光学系から射出した光束の中心光線、若しくは、絞り中心を通る光線が撮像素子に入射する角度である。 - 下記条件を満足することを特徴とする請求項５記載の撮像装置。
（９） θ＜Ｐ＋４ - 下記条件を満足することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
（１０） １．５×Ｐ＜δ＜５．０×Ｐ - 下記条件を満足することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
（１１） ｎL ／ｎT ＜０．２０
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