JP7108935B2 - レンズ系、カメラシステム及び撮像システム - Google Patents

Description

本開示は、レンズ系、カメラシステム及び撮像システムに関する。

中心射影方式でないレンズによって結像される像は矩形から崩れ、矩形の撮像素子を用いると、光学像と撮像素子とが重ならず使用されない感光面の領域が多くなってしまう。

また、被写体検知・認識の観点から光軸から離れた周辺部の被写体を、大きく拡大して撮像素子上に結像させることが求められているが、困難であった。

特許文献１は、長方形の画像センサによりパノラマ画像を撮像する方法を開示する。特許文献１は、魚眼対物レンズに円環レンズを用いることにより、円形画像を矩形画像にして矩形の撮像素子に結像させることを開示する。

国際公開第０３／１０１５９９号

矩形の撮像素子の感光面の領域を有効に活用しながら、光軸から離れた周辺部の被写体を拡大できるレンズ系、該レンズを含むカメラシステム及び撮像システムを提供する。

本開示のレンズ系は、光軸に配置された矩形の撮像素子に結像するレンズ系であって、光軸に対して非対称である第１自由曲面レンズを備える。第１自由曲面レンズの自由曲面は、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、光軸を通り撮像素子の長辺に平行な第１面との交点で、光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有し、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、光軸を通り撮像素子の短辺に平行な第２面との交点で、光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有する。

本開示のカメラシステムは、本開示の上記レンズ系と、光軸でレンズ系が結像する位置に配置された矩形の撮像素子と、を備える。

本開示の撮像システムは、本開示の上記レンズ系と、光軸でレンズ系が結像する位置に配置された矩形の撮像素子と、撮像素子が生成する画像を処理する画像処理部と、を備える。

本発明では、略矩形の像を結像しながら、光軸から離れた周辺部の被写体を拡大するレンズ系、該レンズ系を含むカメラシステム及び撮像システムを実現することができる。

実施の形態１に係るレンズ系の無限合焦状態を示すレンズ配置図 実施の形態２に係るレンズ系の無限合焦状態を示すレンズ配置図 実施の形態３に係るレンズ系の無限合焦状態を示すレンズ配置図 実施の形態４に係るカメラシステムの概略構成図 実施の形態５に係る撮像システムの概略構成図 数値実施例１に係るレンズ系の無限合焦状態の球面収差と像面湾曲を示す収差図 数値実施例１に係るレンズ系の無限合焦状態の画角と像点の関係を示す図 数値実施例２に係るレンズ系の無限合焦状態の球面収差と像面湾曲を示す収差図 数値実施例２に係るレンズ系の無限合焦状態の画角と像点の関係を示す図 数値実施例３に係るレンズ系の無限合焦状態の球面収差と像面湾曲を示す収差図 数値実施例３に係るレンズ系の無限合焦状態の画角と像点の関係を示す図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るレンズ系の配置図であり、無限遠合焦状態を表している。

なお、図１の（ａ）はＹＺ断面で、図１の（ｂ）はＸＺ断面で、７枚のレンズ素子を有するレンズ系１１１と、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子１０２とを表している。Ｘ方向は撮像素子１０２の長辺に平行な方向、Ｙ方向は撮像素子１０２の短辺方向に平行な方向、Ｚ方向は光軸に平行な方向である。また、ＹＺ断面は、光軸を含みＹ方向とＺ方向に平行な平面である。ＸＺ断面は、光軸を含みＸ方向とＺ方向に平行な平面である。

図１に示すように、実施の形態１に係るレンズ系１１１は、物体側から像面側へと順に、４枚のレンズ素子Ｌ１～Ｌ４、開口絞りＡ、３枚のレンズ素子Ｌ５～Ｌ７を備える。レンズ系１１１の結像の位置は、撮像素子１０２の像面となっている。図１の（ｂ）では符号を省略している。

さらに、レンズ系１１１を詳細に説明する。レンズ系１１１は、物体側から像面側へと順に、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズ素子Ｌ１と、両面が非球面で形成されて両凹形状のレンズ素子Ｌ２と、像面側面が非球面で形成されて両凹形状のレンズ素子Ｌ３と、物体側面が非球面で形成されて両凸形状のレンズ素子Ｌ４と、開口絞りＡと、物体側面が非球面で形成されて両凸形状のレンズ素子Ｌ５と、像面側面が非球面で形成されて像面側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズ素子Ｌ６と、両凸形状のレンズ素子Ｌ７とからなる。レンズ素子Ｌ５とレンズ素子Ｌ６は接合されている。ここで、レンズ素子Ｌ１は第１レンズ素子の一例であり、レンズ素子Ｌ２は第２レンズ素子の一例である。

レンズ系１１１において、レンズ素子Ｌ３は物体側面が、レンズ素子Ｌ７は物体側と像面側の両面が、ＸＹ多項式の自由曲面である。図１において、自由曲面に＊印を付している。ここで、レンズ素子Ｌ３は第１自由曲面レンズの一例であり、レンズ素子Ｌ７は第２自由曲面レンズの一例である。

レンズ素子Ｌ３の物体側の自由曲面は、光軸から最短像高の９０％以上の長さ離れたそれぞれの円と、光軸を通り撮像素子の長辺に平行なＸＺ面（第１面）との交点で、光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有し、光軸から最短像高の９０％以上の長さ離れたそれぞれの円と、光軸を通り撮像素子の短辺に平行なＹＺ面（第２面）との交点で、光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有している。各レンズ素子の面データについては後述する。なお、自由曲面レンズ及び非球面レンズの面の形状はＹ方向の光軸近傍（頂点）での形状で表現している。

（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係るレンズ系の配置図である。図２の（ａ）はＹＺ断面、図２の（ｂ）はＸＺ断面で、７枚のレンズ素子からなるレンズ系１２１と、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子１０２とを表している。図２の（ｂ）では符号を省略している。実施の形態２のレンズ系１２１は、実施の形態１のレンズ系１１１と比較して、レンズ素子の枚数、及び配置順が同じで、レンズ素子Ｌ５とレンズ素子Ｌ６の種類及び各レンズ系素子Ｌ１～Ｌ７の面データが異なる。レンズ素子Ｌ５及びレンズ素子Ｌ６は両面が非球面で形成されている。面データの相違点については、後述する。レンズ系１２１において、レンズ素子Ｌ１は第１レンズ素子の一例であり、レンズ素子Ｌ２は第２レンズ素子の一例であり、レンズ素子Ｌ３は第１自由曲面レンズの一例であり、レンズ素子Ｌ７は第２自由曲面レンズの一例である。

実施の形態２のレンズ系１２１では、レンズ素子Ｌ３の物体側の自由曲面は、光軸から最短像高の６０％以上の長さ離れたそれぞれの円と、光軸を通り撮像素子の長辺に平行なＸＺ面（第１面）との交点で、光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有し、光軸から最短像高の６０％以上の長さ離れたそれぞれの円と、光軸を通り撮像素子の短辺に平行なＹＺ面（第２面）との交点で、光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有している。

（実施の形態３）
図３は、実施の形態３に係るレンズ系の配置図である。図３の（ａ）はＹＺ断面で、図３の（ｂ）はＸＺ断面で、７枚のレンズ素子を有するレンズ系１３１と、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子１０２とを表している。図３の（ｂ）では符号を省略している。実施の形態３のレンズ系１３１は、実施の形態１のレンズ系１１１と比較して、レンズ素子の枚数が同じで、レンズ素子Ｌ４、レンズ素子Ｌ５及びレンズ素子Ｌ６の種類及び各レンズ系素子Ｌ１～Ｌ７の面データが異なる。レンズ素子Ｌ４は、物体側に凸面を向けた正メニスカス形状であり、レンズ素子Ｌ６は、両凹形状である。また、レンズ素子Ｌ５及びレンズ素子Ｌ６は両面が非球面で形成されている。面データの相違点については、後述する。レンズ系１３１において、レンズ素子Ｌ１は第１レンズ素子の一例であり、レンズ素子Ｌ２は第２レンズ素子の一例であり、レンズ素子Ｌ３は第１自由曲面レンズの一例であり、レンズ素子Ｌ７は第２自由曲面レンズの一例である。

実施の形態３のレンズ系１３１では、レンズ素子Ｌ３の物体側の自由曲面は、光軸から最短像高の６０％以上の長さ離れたそれぞれの円と、光軸を通り撮像素子の長辺に平行なＸＺ面（第１面）との交点で、光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有し、光軸から最短像高の６０％以上の長さ離れたそれぞれの円と、光軸を通り撮像素子の短辺に平行なＹＺ面（第２面）との交点で、光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有している。

（実施の形態１～３の共通の構成）
実施の形態１～３に係るレンズ系は、複数枚のレンズ素子を有し、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子１０２に結像させる。そして、レンズ系は、レンズ素子として光軸に対して回転非対称である自由曲面レンズを含み、物体側から像面側へと順に、複数枚のレンズ素子、開口絞り、複数枚のレンズ素子を備えている。この構成により、矩形に近い略矩形の像を結像することが可能となる。

また、実施の形態１～３に係るレンズ系は、光軸に対して回転対称なレンズ素子を少なくとも３つ以上有する構成をしている。この構成により、自由曲面レンズの枚数を少なくし、方向による性能の偏りを小さくすることができる。さらに、実施の形態１～３に係るレンズ系は、設計時に計算時間を短縮できるという利点もある。

実施の形態１～３に係るレンズ系を構成する自由曲面レンズの全ての自由曲面は、ＸＺ面及びＹＺ面に対してそれぞれ対称な形状を有しており、自由曲面の中心を判別できるので、製造時に形状の管理がしやすくできるという利点がある。

実施の形態１～３に係るレンズ系において、物体側から順に、物体側に凸形状の負のパワーを有するメニスカスであるレンズ素子Ｌ１、両凹形状の負のパワーを有するレンズ素子Ｌ２を有する構成をしている。この構成により、広い角度で入射する光を集めることができるので、レンズ系を広角化しやすく、負レンズを２枚連続されることでそれぞれのパワーを小さくすることができ、製造しやすい形状にすることができるという利点がある。

実施の形態１～３に係るレンズ系は、最も像面側にある自由曲面レンズは物体側と像面側の両面が自由曲面の構成をしているので、像高の位置制御と収差低減が行いやすくなるという利点がある。

実施の形態１～３に係るレンズ系は、半画角が８０°以上の魚眼レンズであるので、広い画角をカバーすることができる。また、一般に魚眼レンズの場合には、撮像素子の対角付近において結像することが難しい。しかしながら、本開示に係る自由曲面レンズを用いることで、撮像素子の対角付近においても結像することが可能となる。

例えば、実施の形態１～３に係るレンズ系のように、光軸に配置された矩形の撮像素子に結像するレンズ系は、光軸に対して非対称である第１自由曲面レンズを備える。そして、第１自由曲面レンズの自由曲面は、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、光軸を通り撮像素子の長辺に平行なＸＺ面との交点で、光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有し、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、光軸を通り撮像素子の短辺に平行なＹＺ面との交点で、光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有することが好ましい（以下、この構成を実施の形態の基本構成という）。ここで、最短像高に対する所定の比率は、実施の形態１係るレンズ系１１１では９０％以上であり、実施の形態２、３に係るレンズ系１２１、１３１では６０％以上であって、用途等に応じて適宜設計可能である。例えば、設計しやすさ等の観点からは、６０％～１００％が好ましく、より好ましくは６０％である。

ここで、最短像高とは、撮像素子１０２に垂直に入射する光線による像点と、レンズ系が形成するイメージサークルの端までの像面上の距離のうち、最短のものを示す。実施の形態１～３に係るレンズ系においては、撮像素子１０２の短辺方向に最短像高を有する。

第１自由曲面レンズのような自由曲面を有することで、光軸から離れたイメージサークル周辺部の像を拡大し、光軸から離れ周辺に存在する被写体を大きく撮影することで高い検知・認識率へつなげることが可能となる。さらに、通常円形となる魚眼レンズのイメージサークルを特に長辺方向に拡大することが可能となる。自由局面の屈折力が正負逆転する箇所を有することで、良好な像の拡大効果が得られる。屈折力が正負逆転する箇所は、光軸から径方向に最短像高の６０％～１００％（より好ましくは６０％）の長さ離れたところにあることで、良好な像の拡大効果が得られる。

本実施の形態の基本構成とは異なり、第１自由曲面レンズが、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円とＸＺ面との交点で、光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有し、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円とＹＺ面との交点で、光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有する自由曲面を備えない場合、矩形の撮像素子の感光面の周辺領域で像を十分に拡大できない。あるいは、レンズ素子の枚数が増加し、レンズ系の大型化を招くこととなってしまう。このような自由曲面を有するレンズを作製することは困難であったが、近年の加工・成型技術の進歩に伴い、作製できるようになってきた。

例えば、実施の形態１～３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（１）を満足することが好ましい。

ω_ＬＯＮＧ＞６０° ・・・（１）
ここで、
ω_ＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
条件（１）は、レンズ系の半画角を規定するための条件である。条件（１）の下限を下回ると、レンズ系の画角が狭くなり、本実施の形態の基本構成を有しなくともイメージサークルが矩形に近くでき、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域を有効活用しやすくなり、本願の意図と乖離してくる。また、球面収差の制御が困難となる。

なお、更に以下の条件（１）’及び（１）’’の少なくとも一つを満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。

ω_ＬＯＮＧ＞８０° ・・・（１）’
ω_ＬＯＮＧ＞９０° ・・・（１）’’
例えば、実施の形態１～３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（２）を満足することが好ましい。

１＜Ｄ_{ＬＳＨＯＲＴ}／Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ} ・・・（２）
ここで、
Ｄ_{ＬＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角と等しい画角の、撮像素子の長辺方向の入射光に対する像点と、撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との短辺方向の最大距離
条件（２）は、撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点について、撮像素子の短辺方向の像高よりも、長辺方向の像高の方が長くなることを規定するための条件である。条件（２）の下限を下回ると、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域の有効活用が困難になる。または、像面湾曲の制御が困難になる。

なお、更に以下の条件（２）’及び（２）’’の少なくとも一つを満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。

１．２＜Ｄ_{ＬＳＨＯＲＴ}／Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ} ・・・（２）’
１．６＜Ｄ_{ＬＳＨＯＲＴ}／Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ} ・・・（２）’’
例えば、実施の形態１～３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（３）を満足することが好ましい。

０．５＜Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}×ω_ＬＯＮＧ／（Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}×ω_{ＳＨＯＲＴ}）＜１ ・・・（３）
ここで、
ω_ＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
ω_{ＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角
Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}：撮像素子の長辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との短辺方向の最大距離
条件（３）は、撮像素子の短辺方向と長辺方向の、最大半画角と像高の比を規定するための条件である。条件（３）の下限を下回ると、短辺方向の画角が長辺方向の画角に比較して広くなりすぎ、結像性能、特に像面湾曲の制御が困難になる。あるいはイメージサークルが長辺方向に長くなりすぎ、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域の有効活用が困難になる。条件（３）の上限を上回ると、長辺方向の画角が短辺方向の画角に比較して広くなりすぎ、結像性能、特に像面湾曲の制御が困難になる。あるいはイメージサークルが短辺方向に長くなりすぎ、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域の有効活用が困難になる。

なお、更に以下の条件（３）’及び（３）’’の少なくとも一つを満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。

０．５５＜Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}×ω_ＬＯＮＧ／（Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}×ω_{ＳＨＯＲＴ}）＜０．９ ・・・（３）’
０．６ ＜Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}×ω_ＬＯＮＧ／（Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}×ω_{ＳＨＯＲＴ}）＜０．８ ・・・（３）’’
例えば、実施の形態１～３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（４）を満足することが好ましい。

ω_ＬＯＮＧ－ω_{ＳＨＯＲＴ}＞０ ・・・（４）
ここで、
ω_ＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
ω_{ＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角
条件（４）は、最大半画角について、撮像素子の長辺方向と短辺方向の差を規定する条件である。条件（４）の下限を下回ると、短辺方向の画角が長辺方向の画角に比較して等しい、あるいは大きくなってしまい、極めていびつな形状で結像してしまうことになり、画角あたりの解像度が長辺方向と短辺方向で大きく変わってしまう。また、球面収差が長辺方向と短辺方向で大きく変化してしまい、制御が困難になる。

なお、更に以下の条件（４）’を満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。

ω_ＬＯＮＧ－ω_{ＳＨＯＲＴ}＞８ ・・・（４）’
例えば、実施の形態１～３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（５）を満足することが好ましい。

Ｌ×Ｆｎｏ．／Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}＜４０ ・・・（５）
ここで、
Ｌ：レンズ系の光学全長
Ｆｎｏ．：レンズ系のＦ値
Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}：撮像素子の長辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
条件（５）は、レンズ系の光学全長とレンズ系のＦ値、長辺方向の像高の関係を規定する条件である。条件（５）の上限を上回ると、レンズ系のＦ値、イメージサークルに対してレンズ系が肥大化しすぎ、小型化を達成できず、加えて像面湾曲の制御が困難となる。

なお、更に以下の条件（５）’及び（５）’’の少なくとも一つを満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。

Ｌ×Ｆｎｏ．／Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}＜３０ ・・・（５）’
Ｌ×Ｆｎｏ．／Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}＜２５ ・・・（５）’’
例えば、実施の形態１～３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（６）を満足することが好ましい。

ｎ_ＦＲＥＥ＜１．７ ・・・（６）
ここで、
ｎ_ＦＲＥＥ：自由曲面レンズのｄ線に対する屈折率
条件（６）は、自由曲面レンズのｄ線に対する屈折率を規定する条件である。条件（６）の上限を上回ると、自由曲面レンズの屈折率が高くなりすぎ、急激に光線を曲げることから非点収差の制御が困難になる。なお、本条件はレンズ系の中の１枚の自由曲面レンズが満足していても効果を得られるし、複数枚の自由曲面レンズが満足している場合は、さらに効果を奏功させることができる。

なお、更に以下の条件（６）’を満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。

ｎ_ＦＲＥＥ＜１．６ ・・・（６）’
例えば、実施の形態１～３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、物体と撮像素子との間に開口絞りＡを有し、以下の条件（７）を満足することが好ましい。

－３≦Ｎ_ｏ－Ｎ_ｉ≦３ ・・・（７）
ここで、
Ｎ_ｏ：開口絞りよりも物体側のレンズ素子の枚数
Ｎ_ｉ：開口絞りよりも像面側のレンズ素子の枚数
条件（７）は、開口絞りＡ前後のレンズ素子の枚数差を規定する条件である。条件（７）の下限を下回ると、開口絞りＡよりも像面側のレンズ素子の枚数が増えすぎ、レンズ系の光軸方向の大型化を招いてしまう。また、開口絞りＡよりも物体側のレンズ素子の枚数が少なく、像面湾曲の制御が困難となる。条件（７）の上限を上回ると、開口絞りＡよりも物体側のレンズ素子の枚数が増えすぎ、レンズ系の径方向への大型化を招いてしまう。また、開口絞りＡよりも像面側のレンズ素子の枚数が少なく、球面収差の制御が困難となる。

なお、更に以下の条件（７）’を満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。

－２≦Ｎ_ｏ－Ｎ_ｉ≦２ ・・・（７）’
例えば、実施の形態１～３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、物体と撮像素子１０２との間に開口絞りＡを有し、開口絞りＡより物体側に少なくとも１枚の第１自由曲面レンズを有し、開口絞りＡより像面側に少なくとも１枚の第２自由曲面レンズを有することが好ましい。本構成を採ることで、長辺方向、短辺方向、対角方向、いずれの方向でも像面湾曲を小さくすることができるという利点がある。

例えば、実施の形態１～３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、レンズ系のイメージサークルが撮像素子１０２で包含されないことが好ましい。特に、自由曲面レンズを使用したレンズ系ではイメージサークルの端付近での解像度を確保することが設計上、ものづくり上困難であるため、イメージサークルが撮像素子１０２で包含されないようにすることで撮像素子１０２上で良好な結像性能を確保することが可能となる。

実施の形態１～３に係るレンズ系を構成している各レンズ素子は、入射光線を屈折により偏向させる屈折型レンズ素子（すなわち、異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレンズ素子）のみで構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、回折により入射光線を偏向させる回折型レンズ素子、回折作用と屈折作用との組み合わせで入射光線を偏向させる屈折・回折ハイブリッド型レンズ素子、入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布型レンズ素子等で、各レンズ系を構成してもよい。特に、屈折・回折ハイブリッド型レンズ素子において、屈折率の異なる媒質の界面に回折構造を形成すると、回折効率の波長依存性が改善されるので、好ましい。

実施の形態１～３に係るレンズ系を構成している各レンズは、撮像素子１０２の長辺あるいは短辺に対して対称な面を有しているが、非対称な面を使用した場合でも、本実施の形態の基本構成や、各条件を満足していれば、十分な効果を得られる。

（実施の形態４）
図４は実施の形態４に係るカメラシステムの概略構成図である。実施の形態４に係るカメラシステム１００は、レンズ系１１１と、レンズ系１１１によって形成される光学像を受光して、電気的な画像信号に変換する撮像素子１０２と、カメラ本体１０３を含む。実施の形態４のレンズ系は、実施の形態１～３いずれかに係るレンズ系を用いることができる。図４は、レンズ系として実施の形態１に係るレンズ系１１１を用いた場合を図示している。

実施の形態４では、実施の形態１～３いずれかに係るレンズ系を用いているので、撮像素子１０２に略矩形の像を結像させることができ、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域を有効活用した画像を得ることができるカメラシステム１００を実現することができる。

（実施の形態５）
図５は実施の形態５に係る撮像システムの概略構成図である。実施の形態５に係る撮像システム２００に用いられている撮像光学系２０１は、実施の形態４のカメラシステム１００のように、実施の形態１～３いずれかに係るレンズ系を含んでいる。撮像光学系２０１で得られた画像を、画像処理部２０２で処理することで、さまざまなアプリケーションに応用可能な画像に変形、加工することが可能となる。なお、画像処理部２０２はカメラ本体１０３（図４参照）の内部または外部のどちらにあっても良い。

（数値実施例１）
以下、実施の形態１に係るレンズ系１１１を具体的に実施した数値実施例１を説明する。なお、数値実施例１において、図や表中の長さの単位は「ｍｍ」であり、画角の単位は「°」である。また、数値実施例１において、曲率半径ｒ、面間隔ｄ、ｄ線に対する屈折率ｎｄ、ｄ線に対するアッベ数νｄを示す。非球面及び自由曲面のＺ軸に平行な面のサグ量ｚはそれぞれ、数式１及び数式２で定義している。

ここで
ｈ：径方向の高さ
ｋ：コーニック定数
Ａｎ：ｎ次の非球面係数

ここで
ｃ：頂点曲率
ｋ：コーニック定数
ｃ_ｊ：係数
図６は、数値実施例１に係るレンズ系１１１の無限遠合焦状態の球面収差図及び非点収差図であり、左側から順に、撮像素子１０２の短辺方向の球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳＴ―Ｖ）、撮像素子１０２の長辺方向の非点収差（ＡＳＴ―Ｈ）、対角方向の非点収差（ＡＳＴ―Ｄ）を示す。球面収差の図において、横軸は球面収差を、縦軸は瞳高さを表している。そして、実線はｄ線、短破線はＣ線、長破線はＦ線の特性である。非点収差の図において、横軸は非点収差を、縦軸は画角を表している。そして、実線はＹＺ平面（図中、ｙ方向）、破線はＸＺ平面（図中、ｘ方向）の特性である。

なお、実施の形態１はＸＹ多項式のｘ及びｙの偶数項のみを使用しているので、ｘ軸とｙ軸に対して対称なので対角方向の非点収差ＡＳＴ－Ｄはどの方向でも同じになる。

図７は、数値実施例１に係るレンズ系１１１の無限遠合焦状態の画角と像点の関係を示した図である。図７は、光軸を原点（０，０）として像面の第一象限において、画角の１０°毎に像点をプロットしている。他の象限については、第一象限との間で、縦軸、横軸に対して線対称となるような関係を有する。通常の回転対称レンズに比較して、像面の形状が拡大され、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域を有効活用できていることが分かる。さらに、特にＸ像高方向で顕著なように、光軸から離れた周辺部の像が光軸付近の中央部の像よりも拡大できていることが分かる。

数値実施例１のレンズ系１１１は、図１に示した実施の形態１に対応する。数値実施例１のレンズ系１１１の面データを表１に、各種データを表２に、第３面、第４面、第５面、第６面、第７面、第１０面、第１２面、第１３面、および第１４面の非球面・自由曲面データをそれぞれ表３、表４、表５、表６、表７、表８、表９、表１０および表１１に示す。

（数値実施例２）
図８は、数値実施例２に係るレンズ系１２１の無限遠合焦状態の球面収差図及び非点収差図である。また、図９は、数値実施例２に係るレンズ系１２１の無限遠合焦状態の画角と像点の関係を示した図である。図９に示すレンズ系１２１の場合も、通常の回転対称レンズに比較して、像面の形状が拡大され、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域を有効活用できていることが分かる。特にＸ像高方向で顕著なように、光軸から離れた周辺部の像が光軸付近の中央部の像よりも拡大できていることが分かる。数値実施例２のレンズ系１２１は、図２に示した実施の形態２に対応する。数値実施例２のレンズ系１２１の面データを表１２に、各種データを表１３に、第３面、第４面、第５面、第６面、第７面、第１０面、第１１面、第１２面、第１３面および第１４面の非球面・自由曲面データをそれぞれ表１４、表１５、表１６、表１７、表１８、表１９、表２０、表２１、表２２および表２３に示す。

（数値実施例３）
図１０は、数値実施例３に係るレンズ系１３１の無限遠合焦状態の球面収差図及び非点収差図である。また、図１１は、数値実施例３に係るレンズ系１３１の無限遠合焦状態の画角と像点の関係を示した図である。図１１に示すレンズ系１３１の場合も、通常の回転対称レンズに比較して、像面の形状が拡大され、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域を有効活用できていることが分かる。特にＸ像高方向で顕著なように、光軸から離れた周辺部の像が光軸付近の中央部の像よりも拡大できていることが分かる。数値実施例３のレンズ系１３１は、図３に示した実施の形態３に対応する。数値実施例３のレンズ系１３１の面データを表２４に、各種データを表２５に、第３面、第４面、第５面、第６面、第７面、第１０面、第１１面、第１２面、第１３面および第１４面の非球面・自由曲面データをそれぞれ表２６、表２７、表２８、表２９、表３０、表３１、表３２、表３３、表３４および表３５に示す。

以下の表３６に、各数値実施例のレンズ系における各条件の対応値を示す。

（条件の対応値）

本実施に係るレンズ系は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話機器のカメラ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）のカメラ、監視システムにおける監視カメラ、Ｗｅｂカメラ、車載カメラ等に適用可能であり、特にデジタルスチルカメラシステム、デジタルビデオカメラシステムといった高画質が要求される撮影光学系に好適である。

また、本実施に係るレンズ系は、交換レンズ装置にも備えられる。

１００ カメラシステム
１１１，１２１，１３１ レンズ系
１０２ 撮像素子
１０３ カメラ本体
２００ 撮像システム
２０１ 撮像光学系
２０２ 画像処理部
Ａ 開口絞り
Ｌ１～Ｌ７ レンズ素子

Claims (19)

1. 光軸に配置された矩形の撮像素子に結像するレンズ系であって、
   前記光軸に対して回転対称な少なくとも３つ以上レンズ素子と、
   前記光軸に対して非対称である第１自由曲面レンズを備え、
   前記第１自由曲面レンズの自由曲面は、
   前記光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、前記光軸を通り前記撮像素子の長辺に平行な第１面との交点で、前記光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有し、
   前記光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、前記光軸を通り前記撮像素子の短辺に平行な第２面との交点で、前記光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有する、
   レンズ系。
2. 前記所定の比率は６０％～１００％である、
   請求項１に記載のレンズ系。
3. 開口絞りを有し、
   前記第１自由曲面レンズは前記開口絞りより物体側に位置する、
   請求項１又は２に記載のレンズ系。
4. 前記開口絞りより像面側に第２自由曲面レンズを有する、
   請求項３に記載のレンズ系。
5. 前記第２自由曲面レンズは最も像面側に配置され、物体側と像面側の両面が自由曲面である、
   請求項４に記載のレンズ系。
6. 物体側から順に、物体側に凸形状の負のパワーを有するメニスカスである第１レンズ素子と、負のパワーを有する第２レンズ素子を有する、
   請求項１～５のいずれかに記載のレンズ系。
7. 前記第１自由曲面レンズは前記第２レンズ素子の像面側に配置され、少なくとも物体側が自由曲面である、
   請求項６に記載のレンズ系。
8. 光軸に配置された矩形の撮像素子に結像するレンズ系であって、
   開口絞りと、
   前記開口絞りより物体側に、前記光軸に対して非対称である第１自由曲面レンズと、
   前記開口絞りより像面側に、第２自由曲面レンズと、を備え、
   前記第１自由曲面レンズの自由曲面は、
   前記光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、前記光軸を通り前記撮像素子の長辺に平行な第１面との交点で、前記光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有し、
   前記光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、前記光軸を通り前記撮像素子の短辺に平行な第２面との交点で、前記光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有し、
   前記第２自由曲面レンズは最も像面側に配置され、物体側と像面側の両面が自由曲面である、
   レンズ系。
9. 光軸に配置された矩形の撮像素子に結像するレンズ系であって、
   物体側から順に、
   物体側に凸形状の負のパワーを有するメニスカスである第１レンズ素子と、
   負のパワーを有する第２レンズ素子と、
   前記光軸に対して非対称である第１自由曲面レンズを備え、
   前記第１自由曲面レンズは少なくとも物体側が自由曲面であり、前記自由曲面は、
   前記光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、前記光軸を通り前記撮像素子の長辺に平行な第１面との交点で、前記光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有し、
   前記光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、前記光軸を通り前記撮像素子の短辺に平行な第２面との交点で、前記光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有する、
   レンズ系。
10. 以下の条件（１）を満足する、請求項１～９のいずれかに記載のレンズ系：
    ω_ＬＯＮＧ＞６０° ・・・（１）
    ここで、
    ω_ＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
    である。
11. 以下の条件（２）を満足する、請求項１～９のいずれかに記載のレンズ系：
    １＜Ｄ_{ＬＳＨＯＲＴ}／Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ} ・・・（２）
    ここで、
    Ｄ_{ＬＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角と等しい画角の、撮像素子の長辺方向の入射光に対する像点と、撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
    Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子
    に垂直な入射光に対する像点との短辺方向の最大距離
    である。
12. 以下の条件（３）を満足する、請求項１～９のいずれかに記載のレンズ系：
    ０．５＜Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}×ω_ＬＯＮＧ／（Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}×ω_{ＳＨＯＲＴ}）＜１ ・・・（３）
    ここで、
    ω_ＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
    ω_{ＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角
    Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}：撮像素子の長辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
    Ｄ_{ＳＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との短辺方向の最大距離
    である。
13. 以下の条件（４）を満足する、請求項１～９のいずれかに記載のレンズ系：
    ω_ＬＯＮＧ－ω_{ＳＨＯＲＴ}＞０ ・・・（４）
    ここで、
    ω_ＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
    ω_{ＳＨＯＲＴ}：撮像素子の短辺方向の最大半画角
    である。
14. 以下の条件（５）を満足する、請求項１～９のいずれかに記載のレンズ系：
    Ｌ×Ｆｎｏ．／Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}＜４０ ・・・（５）
    ここで、
    Ｌ：レンズ系の光学全長
    Ｆｎｏ．：レンズ系のＦ値
    Ｄ_{ＬＬＯＮＧ}：撮像素子の長辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
    である。
15. 以下の条件（６）を満足する、請求項１～９のいずれかに記載のレンズ系：
    ｎ_ＦＲＥＥ＜１．７ ・・・（６）
    ここで、
    ｎ_ＦＲＥＥ：第１又は第２自由曲面レンズのｄ線に対する屈折率
    である。
16. レンズ素子と開口絞りとをさらに有し、以下の条件（７）を満足する、請求項１～９のいずれかに記載のレンズ系：
    －３≦Ｎ_ｏ－Ｎ_ｉ≦３ ・・・（７）
    ここで、
    Ｎ_ｏ：開口絞りよりも物体側のレンズ素子（第１自由曲面レンズを含む）の枚数
    Ｎ_ｉ：開口絞りよりも像面側のレンズ素子の枚数
    である。
17. 前記レンズ系のイメージサークルが、前記撮像素子で包含されない、
    請求項１～９のいずれかに記載のレンズ系。
18. 請求項１～１７のいずれかに記載のレンズ系と、
    前記光軸で前記レンズ系が結像する位置に配置された矩形の前記撮像素子と、を備える、
    カメラシステム。
19. 請求項１～１７のいずれかに記載のレンズ系と、
    前記光軸で前記レンズ系が結像する位置に配置された矩形の前記撮像素子と、
    前記撮像素子が生成する画像を処理する画像処理部と、を備える、
    撮像システム。

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