WO2014196322A1 - 複眼撮像光学系及び複眼撮像装置 - Google Patents

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WO2014196322A1
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lens
optical system
imaging optical
eye imaging
compound
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潤 太田
誠 神
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コニカミノルタ株式会社
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    • 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
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/16—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use in conjunction with image converters or intensifiers, or for use with projectors, e.g. objectives for projection TV
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G02B3/0056—Arrays characterized by the distribution or form of lenses arranged along two different directions in a plane, e.g. honeycomb arrangement of lenses

Definitions

  • the present invention relates to a compound-eye imaging optical system using a plurality of lens arrays made up of a plurality of single-eye lenses, and a compound-eye imaging apparatus using the same.
  • the area of the image sensor is divided, or a plurality of small image sensors are prepared and a plurality of image areas are set.
  • an imaging apparatus equipped with a compound eye optical system (lens array optical system) capable of outputting an image corresponding to one image by disposing an imaging optical system and processing the obtained image has attracted attention ( Patent Document 1).
  • an image pickup apparatus As one type of such an image pickup apparatus, the same subject is imaged in a plurality of image pickup regions via a plurality of image pickup optical systems, and a plurality of low resolution images obtained therefrom are synthesized by image processing.
  • an imaging apparatus that employs a so-called super-resolution system that outputs a high-resolution image.
  • a specific imaging optical system suitable for a super-resolution imaging device is not known, that is, by applying to a super-resolution imaging device, imaging is performed while acquiring a high-quality image. There was no imaging optical system that could realize ultra-thin equipment (ultra-low profile).
  • Patent Document 2 discloses a two-lens single imaging lens that can form a subject image on the imaging surface of a single imaging element. No mention is made of the problem.
  • the present invention has been made in view of the problems of the prior art, and can be used in a super-resolution imaging apparatus to realize an ultra-thin imaging apparatus while acquiring a high-quality image.
  • An object of the present invention is to provide a compound-eye imaging optical system and a compound-eye imaging device using the same.
  • a compound eye imaging optical system reflecting one aspect of the present invention is a compound eye imaging optical system that forms a plurality of object images on an imaging surface of an imaging element.
  • the compound-eye imaging optical system includes two lens arrays. Each lens array is formed by integrally forming a plurality of individual lenses, and a plurality of individual lenses are stacked by stacking the plurality of individual lenses in the optical axis direction.
  • An eye imaging optical system is formed, and a plurality of object images are formed by the plurality of single-eye imaging optical systems, respectively, and the number of single-eye imaging optical systems is equal to the number of object images acquired by the imaging element.
  • the single-eye imaging optical system includes, in order from the object side, an aperture stop, a diffractive structure (DOE) on the object side surface, and a meniscus positive refractive power having a convex surface facing the object side.
  • the lens is composed of a lens (L1) and a second individual lens (L2) having a meniscus positive refractive power with a concave surface facing the object side.
  • the single-eye imaging optical system has a two-lens configuration of the first single-lens lens and the second single-lens lens so that the manufacturing difficulty can be further reduced.
  • the size of one single-lens imaging optical system assumed in the compound-eye imaging optical system is as small as a fraction of that of a conventional monocular imaging lens, and the influence of lens molding / assembly errors becomes even greater. Therefore, the optimum power balance is selected using two lenses having positive refractive power, and the error sensitivity is kept as low as possible.
  • the two single-lens lenses share the positive refractive power of the entire single-lens imaging optical system, it is possible to reduce spherical aberration and the like generated per single-lens lens.
  • the first single-lens lens has a meniscus shape with a convex surface facing the object side
  • the second single-lens lens has a concave surface on the object side to reduce monochromatic aberration. Meniscus shape facing Since the first single-lens lens has a meniscus shape with the convex surface facing the object side, the lens principal point can be projected forward. In addition, since the second single-lens lens has a meniscus shape with the concave surface facing the object side, the incident angle and the emission angle of each light beam to the lens surface can be reduced, and the occurrence of aberration can be suppressed.
  • chromatic aberration is generally corrected by making a combination of a positive lens and a negative lens with a material having low dispersion and high dispersion. Accordingly, it is difficult to effectively correct chromatic aberration when the first single-lens lens and the second single-lens lens each have a positive refractive power. Therefore, the present inventors have found that a lens having a diffractive structure is used for aberration correction. However, there is a problem in which lens surface the diffractive structure is provided.
  • the diffractive structure DOE is provided on the object side surface S1 of the first individual lens L1 close to the aperture stop S, so that off-axis rays and on-axis rays are generated. Correction can be performed collectively, and in particular, axial chromatic aberration can be corrected efficiently. Since the object side surface S1 of the first single lens L1 passes a light beam having a diameter larger than that of the image side surface S2, the off-axis light beam and the on-axis light beam can be corrected simultaneously for chromatic aberration. It is.
  • This compound-eye imaging device includes the compound-eye imaging optical system and a solid-state imaging element.
  • a compound-eye imaging optical system capable of realizing an ultra-thin shape of an imaging device while acquiring a high-quality image by being used in a super-resolution imaging device, and a compound-eye imaging device using the same Can be provided.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a pair of single-lens lenses (single-eye imaging optical system) stacked in the optical axis direction in the compound-eye imaging system of Example 1;
  • FIG. 6 is an aberration diagram of Example 1 (spherical aberration (a), astigmatism / field curvature (b), distortion (c)) in the blue wavelength band.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a pair of single-lens lenses (single-eye imaging optical system) stacked in the optical axis direction in the compound-eye imaging system of Example 1
  • FIG. 6 is an aberration diagram of Example 1 (spherical aberration (a), astigmatism / field curvature (b), distortion (c)) in the blue wavelength band.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a pair of single-lens lenses (single-eye imaging optical system) stacked in the optical axis direction in the compound-eye imaging system of Example 1;
  • FIG. 6 is an aberration diagram of Example 1 (spherical aberration (a), astigmatism / field curvature (b), distortion (c)) in the green wavelength band.
  • FIG. 6 is an aberration diagram of Example 1 (spherical aberration (a), astigmatism / field curvature (b), distortion (c)) in the red wavelength band.
  • 6 is a cross-sectional view of a single-eye imaging optical system corresponding to a blue wavelength band of Example 2.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a single-eye imaging optical system corresponding to a green wavelength band of Example 2.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a single-eye imaging optical system corresponding to a red wavelength band of Example 2.
  • FIG. 6 is an aberration diagram (spherical aberration (a), astigmatism / field curvature (b), distortion aberration (c)) of the single-eye imaging optical system corresponding to the blue wavelength band of Example 2.
  • FIG. 6 is an aberration diagram (spherical aberration (a), astigmatism / field curvature (b), distortion aberration (c)) of the single-eye imaging optical system corresponding to the green wavelength band of Example 2.
  • FIG. 6 is an aberration diagram (spherical aberration (a), astigmatism / field curvature (b), distortion aberration (c)) of the single-eye imaging optical system corresponding to the red wavelength band of Example 2.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a single-eye imaging optical system corresponding to a blue wavelength band in Example 3.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a single-eye imaging optical system corresponding to a green wavelength band in Example 3.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a single-eye imaging optical system corresponding to a red wavelength band in Example 3.
  • FIG. 6 is an aberration diagram (spherical aberration (a), astigmatism / field curvature (b), distortion aberration (c)) of the single-eye imaging optical system corresponding to the blue wavelength band of Example 3.
  • FIG. 6 is an aberration diagram (spherical aberration (a), astigmatism / field curvature (b), distortion aberration (c)) of the single-eye imaging optical system corresponding to the green wavelength band of Example 3.
  • FIG. 6 is an aberration diagram (spherical aberration (a), astigmatism / field curvature (b), distortion aberration (c)) of the single-eye imaging optical system corresponding to the red wavelength band of Example 3.
  • a compound-eye optical system is an optical system in which a plurality of lens systems are arranged in an array for one image sensor, and each lens system captures the same subject and a field of view in which each lens system is different. Usually, it is divided into a field division type that performs imaging of the above.
  • the compound eye optical system according to the present invention corresponds to a super-resolution type in which a plurality of low resolution images of the same subject are combined by image processing and a single high resolution image is output.
  • FIG. 6 schematically shows a compound eye imaging apparatus according to the present embodiment.
  • the compound-eye imaging device DU includes an imaging unit LU, an image processing unit 1, a calculation unit 2, a memory 3, and the like.
  • the imaging unit LU has one imaging element SR and a compound-eye imaging optical system LH that forms a plurality of images of the same subject on the imaging element SR.
  • the image sensor SR for example, a solid-state image sensor such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor having a plurality of pixels is used.
  • the compound-eye imaging optical system LH is provided on the light-receiving surface SS that is the photoelectric conversion unit of the imaging element SR so that an optical image of the subject is formed, the optical image formed by the compound-eye imaging optical system LH is Then, it is converted into an electrical signal by the image sensor SR.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the compound eye imaging optical system LH of FIG.
  • the compound-eye imaging optical system LH includes an aperture stop S, a first lens array LA1, and a second lens array LA2 in order from the object side.
  • a plurality of first object side surfaces S1 are formed on the object side
  • a plurality of first image side surfaces S2 are formed on the image side so as to be aligned with the axis.
  • the first object side surface S1 has a diffractive structure (DOE) and has a convex surface facing the object side.
  • DOE diffractive structure
  • the first object side surface S1 and the first image side surface S2 constitute a first monocular lens L1 having a meniscus positive refractive power.
  • the second lens array LA2 has a plurality of second object side surfaces S3 formed on the object side, and a plurality of second image side surfaces S4 formed on the image side so as to be aligned with the axis.
  • the second object side surface S3 has a concave surface facing the object side.
  • the second object side surface S3 and the second image side surface S4 constitute a second monocular lens L2 having a meniscus positive refractive power.
  • the first eye lens L1 and the second eye lens L2 stacked in the optical axis direction constitute a single eye imaging optical system.
  • the number of individual lenses is made equal to the number of object images (referred to as individual images) formed on the imaging surface SS of the image sensor SR. That is, the light rays that have passed through the single-lens lenses stacked in the optical axis direction form one image on the imaging surface SS.
  • S is an aperture stop formed around the side surface of the first object
  • F is a parallel plate assuming an optical low-pass filter, an IR cut filter, a seal glass of a solid-state imaging device, and the like.
  • At least one of the first lens array LA1 and the second lens array LA2 may be integrally molded. Further, the single lens in one lens array may be designed for at least three different wavelength distributions and have different optical characteristics. Further, the single lens in one lens array may be combined with a plurality of color filters having transmittances corresponding to different wavelength distributions (see FIG. 5).
  • the single-eye composite image ML is compressed by the calculation unit 2 and stored in the memory 3.
  • Conditional expression (1) relates to provisions regarding the shaping factor of the first single-lens lens. Since the value of conditional expression (1) is below the upper limit, the radius of curvature of the image side surface of the first single-lens lens does not become too large, and the principal point of the first single-lens lens does not retract too much, so compound eye imaging It can suppress that the lens full length of an optical system becomes long. On the other hand, when the value of conditional expression (1) exceeds the lower limit, the radius of curvature of the first single-lens lens does not become too large, the incident angle of the light ray with respect to the lens surface does not become too large, and the aberration increases. Can be suppressed. In addition, by suppressing the radius of curvature to be small, it is possible to suppress the difficulty in molding (particularly when a lens array including individual lenses is formed by resin injection molding).
  • r3 radius of curvature (mm) of the object side surface of the second individual lens
  • r4 radius of curvature (mm) of the image side surface of the second individual lens
  • Conditional expression (2) relates to the rules for the shaping factor of the second single-eye lens.
  • the value of conditional expression (2) is less than the upper limit, the radius of curvature of the second single-lens lens does not become too large, the incident angle of the light beam with respect to the lens surface does not become too large, and aberration can be suppressed.
  • the radius of curvature to be small, it is possible to suppress the difficulty in molding (particularly when a lens array including individual lenses is formed by resin injection molding).
  • conditional expression (2) exceeds the lower limit, the radius of curvature of the object side surface of the second single-eye lens does not become too large, the principal point of the second single-eye lens does not retreat too much, and the compound eye It can suppress that the lens whole length of an imaging optical system becomes long.
  • f1 Focal length (mm) of the first individual lens
  • f Composite focal length (mm) of the first single lens and the second single lens
  • conditional expression (3) When the value of conditional expression (3) is below the upper limit, the focal length of the first single-lens lens does not become too large, and the principal point of the first single-lens lens does not retract too much. It can suppress that the lens whole length becomes long. On the other hand, when the value of conditional expression (3) exceeds the lower limit, the refractive power of the first single-eye lens does not become too strong, and aberration deterioration can be suppressed.
  • f2 Focal length (mm) of the second individual lens
  • f Composite focal length (mm) of the first single lens and the second single lens
  • conditional expression (4) exceeds the lower limit, the refractive power of the second single-lens lens does not become too small, and an aberration correction function can be secured.
  • conditional expression (5) When the value of conditional expression (5) is below the upper limit, the power of the diffractive structure does not become too large, and chromatic aberration correction can be suppressed from becoming excessive. On the other hand, when the value of conditional expression (5) exceeds the lower limit, the power of the diffractive structure does not become too small, and deficiency in chromatic aberration correction can be suppressed.
  • the single-lens lens combines a light flux of any one of at least three different wavelength distributions ( ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ )) on the imaging surface.
  • ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ ) The focal length with respect to the wavelength of the wavelength distribution ⁇ ( ⁇ ) or the wavelength distribution ⁇ ( ⁇ ) in the single lens designed for the wavelength distribution ⁇ ( ⁇ ), and the wavelength distribution ⁇ ( ⁇ )
  • the focal length with respect to the wavelength of ⁇ ( ⁇ ) in the designed single-lens lens preferably satisfies the following conditional expression (6) or (7).
  • f ⁇ focal length (mm) with respect to ⁇ ( ⁇ ) of the single lens designed for the wavelength distribution ⁇ ( ⁇ )
  • f ⁇ focal length (mm) with respect to ⁇ ( ⁇ ) of the single lens designed for the wavelength distribution ⁇ ( ⁇ )
  • f ⁇ focal length (mm) with respect to ⁇ ( ⁇ ) of the single lens designed for the wavelength distribution ⁇ ( ⁇ )
  • FIG. 2 is a graph showing the wavelength on the horizontal axis and the diffraction efficiency on the vertical axis. Assuming that the design wavelength of the diffractive structure is ⁇ 1, the diffraction efficiency at the design wavelength ⁇ 1 is 1, but it can be seen that the diffraction efficiency decreases as the wavelength of the incident light moves away from the design wavelength ⁇ 1, but this decrease is the flare. It is generated as unnecessary light. Since a general subject ray includes light of various wavelengths (band RG1 in FIG. 1), there is a problem as to which design wavelength ⁇ 1 is used.
  • the first single-lens lens and the second single-lens lens are any one of at least three different wavelength distributions ( ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ )).
  • the light beam having the wavelength distribution is designed to form an image on the imaging surface.
  • the center may be the design wavelength for a narrow wavelength band (RG2 in FIG. 1), and this can increase the diffraction efficiency.
  • production of flare can be reduced by suppressing the influence of a secondary spectrum.
  • the wavelength band is limited and the first lens unit close to the aperture stop is provided on the object side surface, off-axis rays and on-axis rays can be considered together, so that the pitch change of the diffractive structure is reduced. And a structure advantageous in terms of manufacturing can be obtained.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the focal length of an individual lens designed to correspond to different wavelength distributions.
  • the focal length when the light beam having the wavelength ⁇ ( ⁇ ) is incident on the single lens L ⁇ designed for ⁇ ( ⁇ ) is f ⁇ , and designed for ⁇ ( ⁇ ).
  • the focal length when a light beam having a wavelength ⁇ ( ⁇ ) is incident on the single lens L ⁇ is f ⁇ , and the difference is
  • the focal length when the light ray having the wavelength ⁇ ( ⁇ ) is incident on the single lens L ⁇ designed to correspond to ⁇ ( ⁇ ) is f ⁇
  • the focal length when a light ray of wavelength ⁇ ( ⁇ ) is incident on the eye lens L ⁇ is f ⁇ , and the difference is
  • FIGS. 4A to 4C when the wavelength band of visible light is 450 nm to 650 nm, three wavelength distributions ( ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ )) When the entire visible light wavelength band is covered with a lens designed according to the above, the wavelength distributions ( ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ )) are brought closer to each other as shown in FIG. Thus, it can be said that there are many areas (A) that overlap each other, and that there is little significance in changing the wavelength distribution. In the example of FIG. 4B, a band (B) with low sensitivity is generated in the visible light wavelength band. On the other hand, as shown in FIG. 4C, when the wavelength distributions ( ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ )) are separated from each other, a region (C) having low sensitivity between the wavelength distributions is generated.
  • the chromatic aberration of the single-eye imaging optical system does not become too small, that is, the wavelength distribution ⁇ ( ⁇ ) used for designing the single-eye imaging optical system.
  • the central wavelengths of ⁇ ( ⁇ ) and ⁇ ( ⁇ ) are not too close to each other. Since the center wavelength does not become too close, it is possible to cover the visible range even if there are few types of different wavelength distributions, and the overlapping of the wavelength distributions does not become too large, resulting in good color reproducibility. Also, the distribution width of each wavelength distribution does not become too large, and the diffraction efficiency can be kept high at all wavelengths in each wavelength distribution while covering the visible range.
  • conditional expression (6) or (7) when the value of conditional expression (6) or (7) is below the upper limit value, the mutual centers of the wavelength distributions ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ ) used for designing the single-eye imaging optical system
  • the wavelength is not too far away, there is no wavelength band with low sensitivity in the visible range, and color reproducibility is good.
  • the number of different wavelength distributions may be four or more, and is not limited to the visible light band.
  • the single lens is used in combination with a filter having a characteristic of transmitting a light beam having a wavelength distribution used in the design.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of a compound-eye imaging optical system using nine single-eye imaging optical systems.
  • the single-eye imaging optical system includes a single-eye imaging optical system ILg designed for the green wavelength band, a single-eye imaging optical system ILr designed for the red wavelength band, and blue. It is divided into three groups of single-eye imaging optical systems ILb designed for the wavelength band.
  • a color filter CF is inserted between the single-eye imaging optical system and the imaging surface I of the imaging device.
  • the color filter CF includes a green filter CFg disposed between the single-eye imaging optical system ILg and the imaging surface I, a red filter CFr disposed between the single-eye imaging optical system ILr and the imaging surface I, and an individual filter.
  • a blue filter CFb disposed between the eye imaging optical system ILb and the imaging surface I;
  • the subject light that has passed through the single-eye imaging optical system ILg is imaged in the single-eye region Ig on the imaging surface I by cutting off the subject light of other wavelengths by the green filter CFg, and passes through the single-eye imaging optical system ILr.
  • Subject light of other wavelengths is cut by the CFb and imaged on the single eye area Ib of the imaging surface I. Thereafter, output signals from the individual eye regions are synthesized by image processing to form a subject image. Accordingly, a high-quality image can be formed by a thin compound eye imaging optical system composed of two lens arrays.
  • S is a surface number
  • the surface on which the aspheric coefficient is described is a surface having an aspheric shape
  • the aspheric shape has the vertex of the surface as the origin and the Z axis in the optical axis direction.
  • the height in the direction perpendicular to the optical axis is represented by the following “Equation 1”.
  • z sag amount of a plane parallel to the optical axis h: height in a direction perpendicular to the optical axis
  • R radius of curvature
  • k conic coefficient (conical constant)
  • a i i-th order aspheric coefficient
  • a diffractive structure is formed on the most object side surface.
  • the optical path difference given to the light flux of each wavelength by the diffractive structure is defined by a mathematical formula in which the coefficient shown in the table is substituted into the optical path difference function of “Equation 2”.
  • ⁇ optical path difference
  • R i optical path difference function coefficient
  • h height in the direction perpendicular to the optical axis
  • ⁇ D diffraction element power
  • ⁇ wavelength used
  • ⁇ B normalized wavelength
  • FIG. 8A shows the wavelength of incident light and the wavelength of light actually incident on the image sensor in the design of the compound-eye imaging optical system (Example 1) corresponding to the entire visible light range.
  • FIG. 8B shows a compound eye imaging optical system (Example 2) in which the corresponding wavelength distributions ( ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ ), ⁇ ( ⁇ )) are different from each other.
  • 3) is a diagram showing the relationship between the wavelength of incident light and the ratio of the wavelength of light actually incident on the image sensor.
  • Table 1 shows the specific wavelength of incident light in Examples 2 and 3 and the ratio of the wavelength of light actually incident on the image sensor.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the single-eye imaging optical system of Example 1.
  • an aperture stop S in order from the object side, a first monocular lens L1 having a diffractive structure DOE on the object side surface and a meniscus positive refractive power with a convex surface facing the object side, And a second single-lens lens L2 having a meniscus positive refractive power with the concave surface facing the object side.
  • FIGS. 10 to 12 are aberration diagrams (spherical aberration (a), astigmatism / field curvature (b), distortion aberration (c)) of Example 1 shown by changing the wavelength of incident light.
  • the solid line represents the light beam having a wavelength of 490 nm
  • the dotted line represents the light beam having a wavelength of 445 nm
  • the alternate long and short dash line represents the amount of spherical aberration with respect to the light beam having a wavelength of 405 nm.
  • the solid line represents the sagittal direction
  • the dotted line represents the meridional direction (the same applies hereinafter).
  • the solid line represents a light beam having a wavelength of 580 nm
  • the dotted line represents a light beam having a wavelength of 535 nm
  • the alternate long and short dash line represents a spherical aberration amount with respect to a light beam having a wavelength of 490 nm.
  • the solid line represents the light beam having a wavelength of 666 nm
  • the dotted line represents the light beam having a wavelength of 625 nm
  • the alternate long and short dash line represents the amount of spherical aberration with respect to the light beam having a wavelength of 580 nm.
  • Example 2 Lens data of Example 2 are shown in Tables 3A to 3C. 13 to 15 are sectional views of the single-eye imaging optical system according to the second embodiment.
  • a single-eye imaging optical system is further designed for each wavelength, and the single-eye imaging optical system shown in Table 3A and FIG. 13 is an example in which optimum design is performed for a blue region.
  • the center wavelength (main wavelength) is 445 nm.
  • the single-eye imaging optical system shown in Table 3B and FIG. 14 is an example in which the optimum design is performed for the green region, and the design center wavelength is 535 nm. Further, the single-eye imaging optical system shown in Table 3C and FIG.
  • Example 15 is an example in which the optimum design is performed for the red region, and the design center wavelength is 625 nm.
  • the pitch of the diffractive structure was changed for each color, but the surface shape was the same.
  • These single-eye imaging optical systems can be formed as a set of three and used together with a corresponding color filter to form one object image.
  • Example 2 is a first monocular lens having a positive refractive power of meniscus shape having an aperture stop S, a diffractive structure DOE on the object side surface, and a convex surface facing the object side in order from the object side.
  • L1 and a second individual lens L2 having a meniscus positive refractive power with a concave surface facing the object side.
  • FIGS. 16 to 18 are aberration diagrams (spherical aberration (a), astigmatism / field curvature (b), distortion (c)) corresponding to the single-eye imaging optical systems of FIGS. 13 to 15, respectively.
  • the solid line represents a light beam having a wavelength of 490 nm
  • the dotted line represents a light beam having a wavelength of 445 nm
  • the alternate long and short dash line represents a spherical aberration amount with respect to a light beam having a wavelength of 406 nm.
  • the solid line represents a light beam having a wavelength of 580 nm
  • the dotted line represents a light beam having a wavelength of 535 nm
  • the alternate long and short dash line represents a spherical aberration amount with respect to a light beam having a wavelength of 490 nm.
  • the solid line represents a light beam having a wavelength of 665 nm
  • the dotted line represents a light beam having a wavelength of 625 nm
  • the alternate long and short dash line represents a spherical aberration amount with respect to a light beam having a wavelength of 580 nm.
  • Example 3 Lens data of Example 3 are shown in Tables 4A to 4C.
  • 19 to 21 are sectional views of the single-eye imaging optical system of Example 3.
  • the single-eye imaging optical system shown in Table 4B and FIG. 20 is an example in which the optimum design is performed for the green region, and the design center wavelength is 535 nm.
  • Example 21 is an example in which the optimum design is performed for the red region, and the design center wavelength is 625 nm.
  • These single-eye imaging optical systems can be formed as a set of three and used together with a corresponding color filter to form one object image.
  • Example 3 is a first single-lens lens having an aperture stop S, a diffractive structure DOE on the object side surface, and a meniscus-shaped positive refractive power with the convex surface facing the object side in order from the object side.
  • L1 and a second individual lens L2 having a meniscus positive refractive power with a concave surface facing the object side.
  • I denotes an imaging surface
  • F denotes a parallel plate assuming an optical low-pass filter, an IR cut filter, a seal glass of a solid-state imaging device, or the like.
  • 22 to 24 are aberration diagrams (spherical aberration (a), astigmatism / field curvature (b), distortion aberration (c)) corresponding to the single-eye imaging optical systems of FIGS. 19 to 21, respectively.
  • the solid line represents the light beam having a wavelength of 490 nm
  • the dotted line represents the light beam having a wavelength of 445 nm
  • the alternate long and short dash line represents the amount of spherical aberration with respect to the light beam having a wavelength of 405 nm.
  • the solid line represents the light beam having a wavelength of 580 nm
  • the dotted line represents the light beam having a wavelength of 535 nm
  • the alternate long and short dash line represents the amount of spherical aberration with respect to the light beam having a wavelength of 490 nm.
  • the solid line represents the light beam with a wavelength of 666 nm
  • the dotted line represents the light beam with a wavelength of 625 nm
  • the alternate long and short dash line represents the amount of spherical aberration with respect to the light beam with a wavelength of 580 nm.
  • Table 5 shows the values of each example corresponding to each conditional expression.

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Abstract

　超解像方式の撮像装置に用いることで、高画質での画像を取得しながらも撮像装置の超薄形を実現できる複眼撮像光学系、及びそれを用いた複眼撮像装置を提供する。複眼撮像光学系は、２枚のレンズアレイからなり、各レンズアレイは複数の個眼レンズを一体に形成してなり、前記複数の個眼レンズを光軸方向に積層することで複数の個眼撮像光学系が形成され、各個眼撮像光学系は、物体側より順に、開口絞りと、物体側面に回折構造（ＤＯＥ）を有し、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力を有する第１の個眼レンズと、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の正の屈折力を有する第２の個眼レンズと、から構成される。

Description

複眼撮像光学系及び複眼撮像装置
　本発明は、複数の個眼レンズからなるレンズアレイを複数用いた複眼撮像光学系、及びこれを用いた複眼撮像装置に関する。
　近年、スマートフォンやタブレット型パーソナルコンピュータなどに代表される薄型の撮像装置付き携帯端末が急速に普及している。しかるに、このような薄型の携帯端末に搭載される撮像装置には、高解像度を有しながらも薄形でコンパクトであることが要求されており、これに伴い、撮像光学系に対する薄型化の要求も非常に高まっている。これに対し、従来は、光学設計による全長短縮やそれに伴う誤差感度増大に対応した製造精度向上により対応してきたが、このような対処設計により従来のような単一の撮像光学系と撮像素子とで像を得るという構成には限界があり、さらなる薄型化（超薄型化）の要求に対応するためには、従来とは発想を変えた光学系の開発が期待されている。
　一方、このような超薄型化への要求に対応するために、撮像素子の領域を分割するか、または小型の撮像素子を複数枚用意して複数の撮像領域を設定し、各撮像領域に対して撮像光学系を配置し、得られた画像を処理することで、１枚の画像に対応した画像出力を行える複眼光学系（レンズアレイ光学系）を備えた撮像装置が注目されている（特許文献１参照）。
特開平１０－１４５８０２号公報 特開２００８－８９９４９号公報
　このような撮像装置の１タイプとして、同一被写体を複数の撮像光学系を介して複数の撮像領域に結像させ、ここから得られた複数の低解像度画像を画像処理で合成し、１枚の高解像度画像を出力する、いわゆる超解像方式を採用する撮像装置がある。しかるに、超解像方式の撮像装置に適した具体的な撮像光学系は知られておらず、すなわち超解像方式の撮像装置に適用することで、高画質での画像を取得しながらも撮像装置の超薄形化（超低背化）を実現できる撮像光学系は，存在していなかった。
　尚、特許文献２には、単一撮像素子の撮像面に被写体像を結像できる、２枚玉の単一撮像レンズが開示されているが、超解像方式の撮像装置に適用する際の問題点について、何ら言及されていない。
　本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、超解像方式の撮像装置に用いることで、高画質での画像を取得しながらも撮像装置の超薄形を実現できる複眼撮像光学系、及びそれを用いた複眼撮像装置を提供することを目的とする。
　上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した複眼撮像光学系は、撮像素子の撮像面に複数の物体像を形成する複眼撮像光学系において、
　前記複眼撮像光学系は、２枚のレンズアレイからなり、各レンズアレイは複数の個眼レンズを一体に形成してなり、前記複数の個眼レンズを光軸方向に積層することで複数の個眼撮像光学系が形成され、該複数の個眼撮像光学系により複数の物体像がそれぞれ形成され、前記個眼撮像光学系の数は前記撮像素子に取得される前記物体像の数と等しくなっており、
　前記個眼撮像光学系は、物体側より順に、開口絞りと、物体側面に回折構造（ＤＯＥ）を有し、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力を有する第１の個眼レンズ（Ｌ１）と、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の正の屈折力を有する第２の個眼レンズ（Ｌ２）と、から構成されることを特徴とする。
　低背化した撮像レンズとしては、最大で５枚レンズ構成のものが開発されているが、複眼撮像光学系に５枚レンズ構成を採用するには、スケーリングによる縮小を考慮すると、製造技術的に実現困難であるといえる。また、超解像技術を用いることで、複眼撮像光学系の薄形化を実現できるから、必ずしもレンズ枚数を増やす必要はないともいえる。そこで、超低背化を目的とする複眼撮像光学系で、実用可能なレンズ枚数を想定すると２枚前後が好ましいといえる。よって本発明では、製造困難性をより低減できるよう、個眼撮像光学系を、第１の個眼レンズと第２の個眼レンズの２枚レンズ構成としたのである。
　ところで、複眼撮像光学系で想定される個眼撮像光学系１つの大きさは、従来の単眼撮像レンズの数分の１と非常に小さく、レンズの成形・組立誤差の影響は一層大きくなる。そこで、正の屈折力を有するレンズを２枚用いて最適なパワーバランスを選択し、できるだけ誤差感度を低く抑えるようにする。また、個眼撮像光学系全体の正の屈折力を、２枚の個眼レンズが分担することで、個眼レンズ1枚当たりに発生する球面収差等を低減できる。
　更に、個眼撮像光学系の全長短縮のために、第１の個眼レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状とし、単色収差低減のために、第２の個眼レンズは物体側に凹面を向けたメニスカス形状とした。第１の個眼レンズを物体側に凸面を向けたメニスカス形状としたので、レンズ主点を前方に出すことができる。また、第２の個眼レンズを物体側に凹面を向けたメニスカス形状としたので、各光線のレンズ面への入射角および出射角を小さくでき、収差の発生を抑制できる。
　ところで、色収差は、一般的に低分散と高分散の材料で、正レンズと負レンズの組合せを作ることにより補正される。従って、第１の個眼レンズと第２の個眼レンズが、それぞれ正の屈折力を有する場合、色収差を有効に補正することは困難である。そこで、本発明者らは、収差補正として回折構造を有するレンズを用いることを見いだした。しかしながら、回折構造をいずれのレンズ面に設けるかという問題がある。
　本複眼撮像光学系によれば、図１に示すように、回折構造ＤＯＥを、開口絞りＳに近い第１の個眼レンズＬ１の物体側面Ｓ１に設けることで、軸外光線と軸上光線をまとめて補正でき、特に軸上色収差を効率的に補正可能となる。第１の個眼レンズＬ１の物体側面Ｓ１の方が、像側面Ｓ２よりも径が大きい光束が通過するので、軸外光線と軸上光線を同時に色収差補正できるため、軸上色収差補正に適しているのである。
　本複眼撮像装置は、上記複眼撮像光学系と、固体撮像素子とを有することを特徴とする。
　本発明によれば、超解像方式の撮像装置に用いることで、高画質での画像を取得しながらも撮像装置の超薄形を実現できる複眼撮像光学系、及びそれを用いた複眼撮像装置を提供することができる。
本発明に基づく第１個眼レンズの一例を示す断面図である。 回折効率の一例を示す図である。 異なる波長分布に対応して設計したレンズの焦点距離を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、可視光帯域を異なる波長分布によりカバーする状態を示す図である。 異なる波長分布に対応して設計したレンズと、カラーフィルタを用いた複眼撮像光学系の概略図である。 本実施形態にかかる撮像装置を模式的に示す図である。 図６の複眼撮像光学系の断面図である。 （ａ）（ｂ）は、本実施例の設計に用いた入射光の波長と，実際に撮像素子に入射する光の波長の割合の関係を示す図である。 実施例１の複眼撮像系における、光軸方向に積層した一組の個眼レンズ（個眼撮像光学系）の断面図である。 青色の波長帯域における実施例１の収差図（球面収差（ａ）、非点収差・像面湾曲（ｂ）、歪曲収差（ｃ））である。 緑色の波長帯域における実施例１の収差図（球面収差（ａ）、非点収差・像面湾曲（ｂ）、歪曲収差（ｃ））である。 赤色の波長帯域における実施例１の収差図（球面収差（ａ）、非点収差・像面湾曲（ｂ）、歪曲収差（ｃ））である。 実施例２の青色の波長帯域に対応した個眼撮像光学系の断面図である。 実施例２の緑色の波長帯域に対応した個眼撮像光学系の断面図である。 実施例２の赤色の波長帯域に対応した個眼撮像光学系の断面図である。 実施例２の青色の波長帯域に対応した個眼撮像光学系の収差図（球面収差（ａ）、非点収差・像面湾曲（ｂ）、歪曲収差（ｃ））である。 実施例２の緑色の波長帯域に対応した個眼撮像光学系の収差図（球面収差（ａ）、非点収差・像面湾曲（ｂ）、歪曲収差（ｃ））である。 実施例２の赤色の波長帯域に対応した個眼撮像光学系の収差図（球面収差（ａ）、非点収差・像面湾曲（ｂ）、歪曲収差（ｃ））である。 実施例３の青色の波長帯域に対応した個眼撮像光学系の断面図である。 実施例３の緑色の波長帯域に対応した個眼撮像光学系の断面図である。 実施例３の赤色の波長帯域に対応した個眼撮像光学系の断面図である。 実施例３の青色の波長帯域に対応した個眼撮像光学系の収差図（球面収差（ａ）、非点収差・像面湾曲（ｂ）、歪曲収差（ｃ））である。 実施例３の緑色の波長帯域に対応した個眼撮像光学系の収差図（球面収差（ａ）、非点収差・像面湾曲（ｂ）、歪曲収差（ｃ））である。 実施例３の赤色の波長帯域に対応した個眼撮像光学系の収差図（球面収差（ａ）、非点収差・像面湾曲（ｂ）、歪曲収差（ｃ））である。
　以下、本発明の実施形態に係る複眼光学系とそれを用いた撮像装置等を説明する。複眼光学系は、１つの撮像素子に対して複数のレンズ系がアレイ状に配置された光学系であり、各レンズ系が同一被写体の撮像を行う超解像タイプと、各レンズ系が異なる視野の撮像を行う視野分割タイプと、に通常分けられる。本発明に係る複眼光学系は、同一被写体の複数の低解像度画像を画像処理にて合成し、１枚の高解像度画像を出力する超解像タイプに相当する。
　図６に本実施形態にかかる複眼撮像装置を模式的に示す。図６に示すように、複眼撮像装置ＤＵは、撮像ユニットＬＵ，画像処理部１，演算部２，メモリー３等を有している。撮像ユニットＬＵは、１つの撮像素子ＳＲと、その撮像素子ＳＲに対して同一被写体の複数の像を結像する複眼撮像光学系ＬＨと、を有している。撮像素子ＳＲとしては、例えば複数の画素を有するＣＣＤ型イメージセンサー，ＣＭＯＳ型イメージセンサー等の固体撮像素子が用いられる。撮像素子ＳＲの光電変換部である受光面ＳＳ上には、被写体の光学像が形成されるように複眼撮像光学系ＬＨが設けられているので、複眼撮像光学系ＬＨによって形成された光学像は、撮像素子ＳＲによって電気的な信号に変換される。
　図７は、図６の複眼撮像光学系ＬＨの拡大断面図である。複眼撮像光学系ＬＨは、物体側より順に、開口絞りＳ，第１レンズアレイＬＡ１、第２レンズアレイＬＡ２からなる。第１レンズアレイＬＡ１は、物体側に複数の第１物体側面Ｓ１を形成し、これに軸線を合わせるようにして像側に複数の第１像側面Ｓ２を形成している。第１物体側面Ｓ１は、回折構造（ＤＯＥ）を有し、物体側に凸面を向けてなる。第１物体側面Ｓ１と、第１像側面Ｓ２とで、メニスカス形状の正の屈折力を有する第１個眼レンズＬ１を構成する。
　又、第２レンズアレイＬＡ２は、物体側に複数の第２物体側面Ｓ３を形成し、これに軸線を合わせるようにして像側に複数の第２像側面Ｓ４を形成している。第２物体側面Ｓ３は、物体側に凹面を向けてなる。第２物体側面Ｓ３と、第２像側面Ｓ４とで、メニスカス形状の正の屈折力を有する第２個眼レンズＬ２を構成する。光軸方向に積層された第１個眼レンズＬ１と第２個眼レンズＬ２とで、個眼撮像光学系を構成する。
　個眼レンズの数は、撮像素子ＳＲの撮像面ＳＳ上に形成される物体像（個眼像という）の数と等しくさせてなる。つまり、光軸方向に積層された個眼レンズを通過した光線が、それぞれ撮像面ＳＳ上で１つの像を形成する。尚、Ｓは、第１物体側面の周囲に形成された開口絞りであり、Ｆは光学的ローパスフィルタやＩＲカットフィルタ、固体撮像素子のシールガラス等を想定した平行平板である。
　第１レンズアレイＬＡ１と第２レンズアレイＬＡ２のうち少なくとも一方を、一体成形しても良い。又、１つのレンズアレイ内における個眼レンズが、少なくとも３つ以上の異なる波長分布に対して各々設計され異なる光学特性を有するようにしても良い。又、１つのレンズアレイ内における個眼レンズが、異なる複数の波長分布に応じた透過率を持った複数のカラーフィルタと組み合わされるようにしても良い（図５参照）。
　図６に示すように、画像処理部１は、複眼撮像光学系ＬＨにより撮像素子ＳＲの撮像面ＳＳ上に形成された複数の個眼像Ｚｎ（ｎ＝１，２，３，…）に応じた信号を合成処理し、１枚の個眼合成画像ＭＬを出力することができる。個眼合成画像ＭＬは、演算部２で圧縮されてメモリー３に記憶される。
　以下、好ましい実施態様についてさらに説明する。
　上記複眼撮像光学系において、以下の式を満たすことが好ましい。
　－６．４　＜　（ｒ１＋ｒ２）／（ｒ１－ｒ２）　＜　－４．０　　　（１）
但し、
ｒ１：前記第１の個眼レンズの物体側面の曲率半径（ｍｍ）
ｒ２：前記第１の個眼レンズの像側面の曲率半径（ｍｍ）
（但し、ｒ２＞ｒ１＞０）
　条件式（１）は、第１の個眼レンズのシェイピングファクターについての規定に関する。条件式（１）の値が上限を下回ることで、第１の個眼レンズの像側面の曲率半径が大きくなりすぎず、第１の個眼レンズの主点が後退しすぎないため、複眼撮像光学系のレンズ全長が長くなることを抑制できる。一方、条件式（１）の値が下限を上回ることで、第１の個眼レンズの曲率半径が大きくなりすぎず、レンズ面に対する光線の入射角が大きくなりすぎず、収差が大きくなることを抑制できる。又、曲率半径を小さく抑えることで、成形（特に個眼レンズを含むレンズアレイを樹脂の射出成形で行う場合など）が困難になることを抑制できる。
　また、以下の式を満たすことが好ましい。
　３．５　＜　（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３－ｒ４）　＜　２０．５　　　（２）
但し、
ｒ３：前記第２の個眼レンズの物体側面の曲率半径（ｍｍ）
ｒ４：前記第２の個眼レンズの像側面の曲率半径（ｍｍ）
　条件式（２）は、第２の個眼レンズのシェイピングファクターについての規定に関する。条件式（２）の値が上限を下回ることで、第２の個眼レンズの曲率半径が大きくなりすぎず、レンズ面に対する光線の入射角が大きくなりすぎず、収差を抑えることができる。又、曲率半径を小さく抑えることで、成形（特に個眼レンズを含むレンズアレイを樹脂の射出成形で行う場合など）が困難になることを抑制できる。一方、条件式（２）の値が下限を上回ることで、第２の個眼レンズの物体側面の曲率半径が大きくなりすぎず、第２の個眼レンズの主点が後退しすぎず、複眼撮像光学系のレンズ全長が長くなることを抑制できる。
　また、以下の式を満たすことが好まし。
　０．９　＜　ｆ１／ｆ　＜　１．０　　　（３）
但し、
ｆ１：前記第１の個眼レンズの焦点距離（ｍｍ）
ｆ：前記第１の個眼レンズと前記第２の個眼レンズの合成焦点距離（ｍｍ）
　条件式（３）の値が上限を下回ることで、第１の個眼レンズの焦点距離が大きくなり過ぎず、第１の個眼レンズの主点が後退しすぎないので、複眼撮像光学系のレンズ全長が長くなることを抑制できる。一方、条件式（３）の値が下限を上回ることで、第１の個眼レンズの屈折力が強くなりすぎず、収差劣化を抑制できる。
　また、以下の式を満たすことが好ましい。
　６．０　＜　ｆ２／ｆ　　　（４）
但し、
ｆ２：前記第２の個眼レンズの焦点距離（ｍｍ）
ｆ：前記第１の個眼レンズと前記第２の個眼レンズの合成焦点距離（ｍｍ）
　条件式（４）の値が下限を上回ることで、第２の個眼レンズの屈折力が小さくなりすぎず、収差補正機能を確保できる。
　また、以下の式を満たすことが好ましい。
　０．０４　＜　Ｄｆ＊ｆ１　＜　０．１５　　　（５）
但し、
ｆ１：前記第１の個眼レンズの焦点距離（ｍｍ）
Ｄｆ：前記回折構造のパワー
　条件式（５）の値が上限を下回ることで、回折構造のパワーが大きくなり過ぎず、色収差補正が過剰になることを抑制できる。一方、条件式（５）の値が下限を上回ることで、回折構造のパワーが小さくなり過ぎず、色収差補正の不足を抑制できる。
　また、前記個眼レンズは、少なくとも異なる３つ以上の波長分布（α（λ）、β（λ）、γ（λ））のうち、いずれかの波長分布の光束を、前記撮像面上に結像するように設計されており、
　前記波長分布α（λ）に対して設計された前記個眼レンズにおける前記波長分布β（λ）または前記波長分布γ（λ）の波長に対する焦点距離と、前記波長分布β（λ）に対して設計された個眼レンズにおけるβ（λ）の波長に対する焦点距離は、以下の条件式（６）または（７）を満たすことが好ましい。
　０．０５　＞｜ｆαβ－ｆββ｜／ｆββ　＞　０．０００２　　　（６）
　０．０５　＞｜ｆαγ－ｆββ｜／ｆββ　＞　０．０００２　　　（７）
但し、
ｆαβ：前記波長分布α（λ）に対して設計された前記個眼レンズのβ（λ）に対する焦点距離（ｍｍ）
ｆαγ：前記波長分布α（λ）に対して設計された前記個眼レンズのγ（λ）に対する焦点距離（ｍｍ）
ｆββ：前記波長分布β（λ）に対して設計された前記個眼レンズのβ（λ）に対する焦点距離（ｍｍ）
　回折構造には波長依存性があることが知られており、そのため撮像レンズに回折構造を設けるとフレアなどの影響が懸念される。図２は、横軸に波長をとり、縦軸に回折効率をとって示す図である。回折構造の設計波長をλ１とすると、設計波長λ１での回折効率は１であるが、設計波長λ１から入射光の波長が遠ざかるにつれて、回折効率が低下することが分かるが、この低下分がフレアなどの不要光として発生する。一般的な被写体光線は種々の波長の光を含んでいる（図１で帯域ＲＧ１）から、設計波長λ１をいずれとするかの問題がある。
　これに対し、複眼撮像光学系の場合には、各個眼撮像光学系毎に、ある狭い波長帯域を対象に最適に設計することができる。より具体的には、第１の個眼レンズと第２の個眼レンズを、少なくとも異なる３つ以上の波長分布（α（λ）、β（λ）、γ（λ））のうち、いずれかの波長分布の光束を、撮像面上に結像するように設計するのである。このように設計された第１の個眼レンズに回折構造を設ける場合、狭い波長帯域（図１でＲＧ２）を対象として、その中心を設計波長とすれば良く、これにより回折効率を高くでき、かつ２次スペクトルの影響を抑制することでフレアの発生を低減できる。さらに、波長帯域が限定されることと、開口絞りに近い第１の個眼レンズの物体側面に設けることにより、軸外光線と軸上光線をまとめて考慮できるため、回折構造のピッチ変化を少なくでき製造上有利な構造にすることができる。
　図３は、異なる波長分布に対応して設計された個眼レンズの焦点距離を説明するための図である。ここで、α（λ）に対応して設計された個眼レンズＬαに、波長β（λ）の光線が入射した場合の焦点距離はｆαβであり、β（λ）に対応して設計された個眼レンズＬβに、波長β（λ）の光線が入射した場合の焦点距離はｆββであって、その差は｜ｆαβ－ｆββ｜となる。この差が、ｆββに対して大きすぎても、小さすぎても問題である。
　又、α（λ）に対応して設計された個眼レンズＬαに、波長γ（λ）の光線が入射した場合の焦点距離はｆαγであり、β（λ）に対応して設計された個眼レンズＬβに、波長γ（λ）の光線が入射した場合の焦点距離はｆββであって、その差は｜ｆαγ－ｆββ｜となる。この差が、ｆββに対して大きすぎても、小さすぎても問題である。
　ここで図４（ａ）～（ｃ）を参照して、可視光の波長帯域を４５０ｎｍ～６５０ｎｍとしたときに、３つの波長分布（α（λ）、β（λ）、γ（λ））に応じて設計されたレンズで可視光波長帯域全体をカバーする際に、図４（ａ）のように、波長分布（α（λ）、β（λ）、γ（λ））を互いに接近させると、相互に重なる領域（Ａ）が多くなり、波長分布を異ならせる意義が少ないといえる。又、図４（ｂ）の例では、可視光波長帯域内に感度が低い帯域（Ｂ）が生じてしまう。一方、図４（ｃ）のように、波長分布（α（λ）、β（λ）、γ（λ））を互いに離すと、波長分布間で感度が低い領域（Ｃ）が生じてしまう。
　条件式（６）又は（７）の値が下限値を上回ることで、個眼撮像光学系の色収差が小さくなりすぎず、つまり、個眼撮像光学系の設計に用いる波長分布α（λ）、β（λ）、γ（λ）・・の互いの中心波長が近くなりすぎない。中心波長が近くなり過ぎないので、異なる波長分布の種類が少なくても可視域をカバーすることが可能になり、さらに、波長分布同士の重なりも大きくなりすぎず、色再現性が良好となる。また、各波長分布の分布幅が大きくなりすぎず、可視域をカバーしつつ、各波長分布内のすべての波長で回折効率を高く維持することができる。
　一方、条件式（６）又は（７）の値が上限値を下回ることで、個眼撮像光学系の設計に用いる波長分布α（λ）、β（λ）、γ（λ）の互いの中心波長が大きく離れすぎず、可視域内で感度が低い波長帯域が存在せず、色再現性が良好となる。また、各個眼撮像光学系ごとの画角差を抑制できる。尚、異なる波長分布の数は４つ以上であっても良く、また可視光帯域には限らない。
　また、前記個眼レンズは、設計に用いた波長分布の光束を透過する特性のフィルターと組み合わせて用いられることが好ましい。
　図５は、９つの個眼撮像光学系を用いた複眼撮像光学系の一例を示す概略図である。ここで、個眼撮像光学系は、緑の波長帯域に対応して設計された個眼撮像光学系ＩＬｇと、赤の波長帯域に対応して設計された個眼撮像光学系ＩＬｒと、青の波長帯域に対応して設計された個眼撮像光学系ＩＬｂの３グループに分けられる。個眼撮像撮像光学系と、撮像素子の撮像面Ｉとの間に、カラーフィルタＣＦが挿入されている。カラーフィルタＣＦは、個眼撮像光学系ＩＬｇと撮像面Ｉとの間に配置された緑色フィルタＣＦｇと、個眼撮像光学系ＩＬｒと撮像面Ｉとの間に配置された赤色フィルタＣＦｒと、個眼撮像光学系ＩＬｂと撮像面Ｉとの間に配置された青色フィルタＣＦｂとを有する。
　個眼撮像光学系ＩＬｇを通過した被写体光は、緑色のフィルタＣＦｇによりそれ以外の波長の被写体光がカットされて撮像面Ｉの個眼領域Ｉｇに結像され、個眼撮像光学系ＩＬｒを通過した被写体光は、赤色のフィルタＣＦｒによりそれ以外の波長の被写体光がカットされて撮像面Ｉの個眼領域Ｉｒに結像され、個眼撮像光学系ＩＬｂを通過した被写体光は、赤色のフィルタＣＦｂによりそれ以外の波長の被写体光がカットされて撮像面Ｉの個眼領域Ｉｂに結像される。その後、各個眼領域からの出力信号を画像処理にて合成し、被写体像を形成することとなる。これにより、２枚のレンズアレイからなる薄形の複眼撮像光学系により、高画質な画像を形成できる。
　次に、上述した実施形態に好適な実施例について説明する。以下に示す実施例において、複眼撮像光学系は共通するから、その仕様を説明する。
Ｆｎｏ：Ｆナンバー
ω：画角（゜）
Ｙ：像高（ｍｍ）
ｆ：全系焦点距離（ｍｍ）
φＤ：回折パワー
ｆＢ：バックフォーカス（ｍｍ）
ＴＴＬ：レンズ全長（ｍｍ）
Ｒ：曲率半径（ｍｍ）
ｄ：軸上面間隔（ｍｍ）
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、Ｓは面番号であり、非球面係数が記載された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Z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
 但し、
ｚ：光軸に平行な面のサグ量
ｈ：光軸に垂直な方向の高さ
Ｒ：曲率半径
ｋ：コーニック係数（円錐定数）
Ａi：ｉ次の非球面係数
　各実施例において、最も物体側の面には回折構造が形成されている。回折構造は、その回折構造により各波長の光束に対して与えられる光路差は、「数２」の光路差関数に、表に示す係数を代入した数式で規定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 但し、
φ：光路差
Ｒi：光路差関数係数
ｈ：光軸に垂直な方向の高さ
φＤ：回折素子パワー
λ：使用波長
λB：規格化波長
　尚、以下の実施例において、図８（ａ）は、可視光全域に対応する複眼撮像光学系（実施例１）の設計において、入射光の波長と，実際に撮像素子に入射する光の波長の割合との関係を示す図であり、図８（ｂ）は、対応する波長分布（α（λ）、β（λ）、γ（λ））を異ならせた複眼撮像光学系（実施例２，３）の設計において、入射光の波長と，実際に撮像素子に入射する光の波長の割合との関係を示す図である。実施例２，３における具体的な入射光の波長と，実際に撮像素子に入射する光の波長の割合を、表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
（実施例１）
　実施例１のレンズデータを表２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。図９は、実施例１の個眼撮像光学系の断面図である。実施例１は、物体側より順に、開口絞りＳと、物体側面に回折構造ＤＯＥを有し、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力を有する第１の個眼レンズＬ１と、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の正の屈折力を有する第２の個眼レンズＬ２と、から構成される。Iは撮像面を示し、Ｆは光学的ローパスフィルタやＩＲカットフィルタ、固体撮像素子のシールガラス等を想定した平行平板を示す。図１０～１２は、入射光の波長を変えて示す実施例１の収差図（球面収差（ａ）、非点収差・像面湾曲（ｂ）、歪曲収差（ｃ））である。ここで、図１０の球面収差図において、実線は波長４９０ｎｍの光線、点線は波長４４５ｎｍの光線、一点鎖線は波長４０５ｎｍの光線に対する球面収差量をそれぞれ表す。又、非点収差・像面湾曲図において、実線はサジタル方向、点線はメリジオナル方向を表す（以下同じ）。図１１の球面収差図において、実線は波長５８０ｎｍの光線、点線は波長５３５ｎｍの光線、一点鎖線は波長４９０ｎｍの光線に対する球面収差量をそれぞれ表す。図１２の球面収差図において、実線は波長６６６ｎｍの光線、点線は波長６２５ｎｍの光線、一点鎖線は波長５８０ｎｍの光線に対する球面収差量をそれぞれ表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
（実施例２）
　実施例２のレンズデータを表３Ａ～３Ｃに示す。図１３～１５は、実施例２の個眼撮像光学系の断面図である。実施例２は、更に個眼撮像光学系を波長毎に設計しており、表３Ａ、図１３に示す個眼撮像光学系では、青色領域に対して最適設計を行った例であり、その設計中心波長（主波長）は、４４５ｎｍである。又、表３Ｂ、図１４に示す個眼撮像光学系では、緑色領域に対して最適設計を行った例であり、その設計中心波長は、５３５ｎｍである。更に、表３Ｃ、図１５に示す個眼撮像光学系では、赤色領域に対して最適設計を行った例であり、その設計中心波長は、６２５ｎｍである。但し、実施例２では回折構造のピッチを色毎に変えているが、面形状は同一とした。これらの個眼撮像光学系は３つを１セットとし、対応する色のカラーフィルタとともに用いることで、１つの物体像を形成できる。図中、実施例２は、物体側より順に、開口絞りＳと、物体側面に回折構造ＤＯＥを有し、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力を有する第１の個眼レンズＬ１と、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の正の屈折力を有する第２の個眼レンズＬ２と、から構成される。Iは撮像面を示し、Ｆは光学的ローパスフィルタやＩＲカットフィルタ、固体撮像素子のシールガラス等を想定した平行平板を示す。図１６～１８は、図１３～１５の個眼撮像光学系にそれぞれ対応する収差図（球面収差（ａ）、非点収差・像面湾曲（ｂ）、歪曲収差（ｃ））である。図１６の球面収差図において、実線は波長４９０ｎｍの光線、点線は波長４４５ｎｍの光線、一点鎖線は波長４０６ｎｍの光線に対する球面収差量をそれぞれ表す。図１７の球面収差図において、実線は波長５８０ｎｍの光線、点線は波長５３５ｎｍの光線、一点鎖線は波長４９０ｎｍの光線に対する球面収差量をそれぞれ表す。図１８の球面収差図において、実線は波長６６５ｎｍの光線、点線は波長６２５ｎｍの光線、一点鎖線は波長５８０ｎｍの光線に対する球面収差量をそれぞれ表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
（実施例３）
　実施例３のレンズデータを表４Ａ～４Ｃに示す。図１９～２１は、実施例３の個眼撮像光学系の断面図である。実施例３は、更に個眼撮像光学系を波長毎に設計しており、表４Ａ、図１９に示す個眼撮像光学系では、青色領域に対して最適設計を行った例であり、その設計中心波長は、４４５ｎｍである。又、表４Ｂ、図２０に示す個眼撮像光学系では、緑色領域に対して最適設計を行った例であり、その設計中心波長は、５３５ｎｍである。更に、表４Ｃ、図２１に示す個眼撮像光学系では、赤色領域に対して最適設計を行った例であり、その設計中心波長は、６２５ｎｍである。これらの個眼撮像光学系は３つを１セットとし、対応する色のカラーフィルタとともに用いることで、１つの物体像を形成できる。図中、実施例３は、物体側より順に、開口絞りＳと、物体側面に回折構造ＤＯＥを有し、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力を有する第１の個眼レンズＬ１と、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の正の屈折力を有する第２の個眼レンズＬ２と、から構成される。Iは撮像面を示し、Ｆは光学的ローパスフィルタやＩＲカットフィルタ、固体撮像素子のシールガラス等を想定した平行平板を示す。図２２～２４は、図１９～２１の個眼撮像光学系にそれぞれ対応する収差図（球面収差（ａ）、非点収差・像面湾曲（ｂ）、歪曲収差（ｃ））である。図２２の球面収差図において、実線は波長４９０ｎｍの光線、点線は波長４４５ｎｍの光線、一点鎖線は波長４０５ｎｍの光線に対する球面収差量をそれぞれ表す。図２３の球面収差図において、実線は波長５８０ｎｍの光線、点線は波長５３５ｎｍの光線、一点鎖線は波長４９０ｎｍの光線に対する球面収差量をそれぞれ表す。図２４の球面収差図において、実線は波長６６６ｎｍの光線、点線は波長６２５ｎｍの光線、一点鎖線は波長５８０ｎｍの光線に対する球面収差量をそれぞれ表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
　各条件式に対応する各実施例の値を表５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
　本発明は、明細書に記載の実施形態、実施例に限定されるものではなく、他の実施形態・実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態や実施例や技術思想から本分野の当業者にとって明らかである。
１　　　　　　　画像処理部
１ｃ　　　　　　出力画像処理部
２　　　　　　　レンズ
３　　　　　　　メモリー
ＡＰ　　　　　　遮光部材
ＡＸ　　　　　　光軸
ＣＧ　　　　　　カバーガラス
ＬＡ１　　　　　第１レンズアレイ
ＬＡ２　　　　　第２レンズアレイ
ＬＨ　　　　　　複眼光学系
Ｌｎ　　　　　　個眼レンズ
ＬＵ　　　　　　撮像ユニット
ＳＲ　　　　　　撮像素子
ＳＳ　　　　　　撮像面

Claims (9)

  1. 　撮像素子の撮像面に複数の物体像を形成する複眼撮像光学系において、
    　前記複眼撮像光学系は、２枚のレンズアレイからなり、各レンズアレイは複数の個眼レンズを一体に形成してなり、前記複数の個眼レンズを光軸方向に積層することで複数の個眼撮像光学系が形成され、該複数の個眼撮像光学系により複数の物体像がそれぞれ形成され、前記個眼撮像光学系の数は前記撮像素子に取得される前記物体像の数と等しくなっており、
    　前記個眼撮像光学系は、物体側より順に、開口絞りと、物体側面に回折構造（ＤＯＥ）を有し、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力を有する第１の個眼レンズと、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の正の屈折力を有する第２の個眼レンズと、から構成されることを特徴とする複眼撮像光学系。
  2. 　以下の式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の複眼撮像光学系。
    　－６．４　＜　（ｒ１＋ｒ２）／（ｒ１－ｒ２）　＜　－４．０　　　（１）
    但し、
    ｒ１：前記第１の個眼レンズの物体側面の曲率半径（ｍｍ）
    ｒ２：前記第１の個眼レンズの像側面の曲率半径（ｍｍ）
    （但し、ｒ２＞ｒ１＞０）
  3. 　以下の式を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の複眼撮像光学系。
    　３．５　＜　（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３－ｒ４）　＜　２０．５　　　（２）
    但し、
    ｒ３：前記第２の個眼レンズの物体側面の曲率半径（ｍｍ）
    ｒ４：前記第２の個眼レンズの像側面の曲率半径（ｍｍ）
  4. 　以下の式を満たすことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の複眼撮像光学系。
    　０．９　＜　ｆ１／ｆ　＜　１．０　　　（３）
    但し、
    ｆ１：前記第１の個眼レンズの焦点距離（ｍｍ）
    ｆ：前記第１の個眼レンズと前記第２の個眼レンズの合成焦点距離（ｍｍ）
  5. 　以下の式を満たすことを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の複眼撮像光学系。
    　６．０　＜　ｆ２／ｆ　　　（４）
    但し、
    ｆ２：前記第２の個眼レンズの焦点距離（ｍｍ）
    ｆ：前記第１の個眼レンズと前記第２の個眼レンズの合成焦点距離（ｍｍ）
  6. 　以下の式を満たすことを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の複眼撮像光学系。
    　０．０４　＜　Ｄｆ＊ｆ１　＜　０．１５　　　（５）
    但し、
    ｆ１：前記第１の個眼レンズの焦点距離（ｍｍ）
    Ｄｆ：前記回折構造のパワー
  7. 　前記個眼レンズは、少なくとも異なる３つ以上の波長分布（α（λ）、β（λ）、γ（λ））のうち、いずれかの波長分布の光束を、前記撮像面上に結像するように設計されており、
    　前記波長分布α（λ）に対して設計された前記個眼レンズにおける前記波長分布β（λ）または前記波長分布γ（λ）の波長に対する焦点距離と、前記波長分布β（λ）に対して設計された個眼レンズにおけるβ（λ）の波長に対する焦点距離は、以下の条件式（６）または（７）を満たすことを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の複眼撮像光学系。
    　０．０５　＞｜ｆαβ－ｆββ｜／ｆββ　＞　０．０００２　　　（６）
    　０．０５　＞｜ｆαγ－ｆββ｜／ｆββ　＞　０．０００２　　　（７）
    但し、　　　　　　
    ｆαβ：前記波長分布α（λ）に対して設計された前記個眼レンズのβ（λ）に対する焦点距離（ｍｍ）
    ｆαγ：前記波長分布α（λ）に対して設計された前記個眼レンズのγ（λ）に対する焦点距離（ｍｍ）
    ｆββ：前記波長分布β（λ）に対して設計された前記個眼レンズのβ（λ）に対する焦点距離（ｍｍ）
  8. 　前記個眼レンズは、設計に用いた波長分布の光束を透過する特性のフィルターと組み合わせて用いられることを特徴とする請求項７に記載の複眼撮像光学系。
  9. 　請求項１～８のいずれかに記載の複眼撮像光学系と、固体撮像素子とを有することを特徴とする複眼撮像装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015093438A1 (ja) * 2013-12-18 2015-06-25 コニカミノルタ株式会社 複眼撮像光学系及び撮像装置
CN107861240A (zh) * 2016-09-29 2018-03-30 北京理工大学 曲面基底多层衍射光学元件的制作方法及装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10145802A (ja) * 1996-11-04 1998-05-29 Eastman Kodak Co 視野をセグメントに分割する小型デジタルカメラ
JPH10161020A (ja) * 1996-12-02 1998-06-19 Olympus Optical Co Ltd 回折光学素子を用いた撮影光学系
JP2013044893A (ja) * 2011-08-23 2013-03-04 Ricoh Co Ltd 複眼撮像装置及び距離画像取得装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10145802A (ja) * 1996-11-04 1998-05-29 Eastman Kodak Co 視野をセグメントに分割する小型デジタルカメラ
JPH10161020A (ja) * 1996-12-02 1998-06-19 Olympus Optical Co Ltd 回折光学素子を用いた撮影光学系
JP2013044893A (ja) * 2011-08-23 2013-03-04 Ricoh Co Ltd 複眼撮像装置及び距離画像取得装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015093438A1 (ja) * 2013-12-18 2015-06-25 コニカミノルタ株式会社 複眼撮像光学系及び撮像装置
CN107861240A (zh) * 2016-09-29 2018-03-30 北京理工大学 曲面基底多层衍射光学元件的制作方法及装置
CN107861240B (zh) * 2016-09-29 2019-08-27 北京理工大学 曲面基底多层衍射光学元件的制作方法及装置

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