WO2019188018A1 - 撮像光学系、および撮像装置 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to an imaging optical system and an imaging apparatus that relay, for example, a primary image formed on the object side as a secondary image on the imaging surface of an image sensor.
- Patent Document 1 proposes a projector with a touch detection (position detection) function that can operate a projected image like a touch panel.
- Patent Document 1 proposes a relay optical system using two lens groups as an imaging optical system for detecting an object position and performing imaging.
- the imaging optical system For the purpose of simply detecting the object position, it may be sufficient in terms of performance to configure the imaging optical system with a relay optical system consisting of two lenses, but I want to image the detected object with higher resolution. In some cases, the imaging performance is insufficient with a two-lens configuration.
- An imaging optical system includes, in order from an object side to an image surface side, a first lens having an aspherical shape in which a lens surface on the image surface side has an inflection point; And a meniscus second lens having a concave surface directed toward the image surface side, and a meniscus third lens having a concave surface directed toward the image surface side to form a double-sided telecentric optical system.
- An imaging apparatus includes an imaging optical system and an imaging element that outputs an imaging signal corresponding to an optical image formed by the imaging optical system, and the imaging optical system is an image from the object side.
- a first lens having an aspherical surface in which the lens surface on the image surface side has an inflection point
- a second lens having a meniscus shape with a concave surface facing the object side
- a concave surface on the image surface side And a meniscus-shaped third lens with a double-sided telecentric optical system.
- the configuration of each lens is optimized with a configuration of three lenses as a whole.
- FIG. 6 is a cross-sectional view of an optical system illustrating a configuration example of an imaging optical system according to Comparative Example 1.
- FIG. It is a figure which shows the spot diagram of the imaging optical system which concerns on the comparative example 1 shown in FIG.
- It is an optical system sectional view showing an example of 1 composition of an imaging optical system concerning a 1st embodiment of this indication.
- It is a figure which shows the spot diagram of the imaging optical system shown in FIG.
- FIG. 10 is a cross-sectional view of an optical system illustrating a configuration example of an imaging optical system according to Comparative Example 2.
- FIG. It is a figure which shows the spot diagram of the imaging optical system which concerns on the comparative example 2 shown in FIG. 10 is an optical system cross-sectional view illustrating a configuration example of an imaging optical system according to Comparative Example 3.
- FIG. It is a figure which shows the spot diagram of the imaging optical system which concerns on the comparative example 3 shown in FIG. It is a block diagram which shows the example of 1 structure of the projector which concerns on 2nd Embodiment.
- FIG. 1 shows a configuration example of a main part of a projector with a position detection function according to a comparative example.
- FIG. 18 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-64550 discloses a configuration of a projector with a position detection function as shown in FIG.
- the projector according to this comparative example includes a light valve 21, a polarization beam splitter 23, and a projection lens 24.
- the projector according to this comparative example includes an imaging element 22 and an imaging optical system as an imaging unit for detecting an object position and imaging.
- the imaging optical system includes a polarizer 25, a visible light cut filter 28, a first relay lens group 51A, and a second relay lens group 51B.
- the light valve 21 is illuminated by illumination light L100 emitted from an illumination device (not shown) via the polarization beam splitter 23.
- the light valve 21 is a reflective liquid crystal element such as LCOS (Liquid Crystal On On Silicon).
- the light valve 21 modulates the illumination light L100 based on the video data to generate video light.
- the image light generated by the light valve 21 is projected onto a projection surface (not shown) via the polarization beam splitter 23 and the projection lens 24.
- the projection lens 24 has a function as an imaging optical system for position detection in addition to a function for projecting an image. Image light generated by the light valve 21 is incident on the projection lens 24, and scattered light from a detection object in the vicinity of the projection surface is captured as detection light from the projection surface side.
- the projection lens 24 forms an image of the detected object on the conjugate plane 50 as a primary image.
- the image sensor 22 is composed of a solid-state image sensor such as a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) or a CCD (Charge Coupled Device).
- the image sensor 22 is disposed at a position optically conjugate with the projection surface. Further, the image sensor 22 is disposed at a position optically conjugate with the light valve 21. More specifically, when the light valve 21 is a reflective liquid crystal element, the display surface (liquid crystal surface) for creating an image and the imaging surface of the imaging element 22 are arranged so as to be in an optically conjugate position. Yes. Scattered light from the detection object enters the imaging element 22 as detection light via the projection lens 24 and the polarization beam splitter 23.
- the imaging element 22 can perform imaging using at least an area substantially the same as the projection area on the projection plane.
- the imaging optical system is disposed between the optical conjugate plane 50 (primary imaging plane) of the light valve 21 and the imaging element 22.
- the imaging optical system includes a first relay lens group 51A and a second relay lens group 51B in order from the side closer to the polarization beam splitter 23.
- the focal length fi of the second relay lens group 51B is smaller than the focal length fb of the first relay lens group 51A.
- an imaging optical system that functions as a relay optical system and a reduction optical system between the conjugate surface 50 and the imaging element 22 . It can be provided farther than the conjugate plane 50 (primary imaging plane).
- the imaging optical system By making the imaging optical system a reduction optical system, the imaging element 22 is arranged at a position (secondary imaging plane) optically conjugate with the light valve 21, and the size of the imaging element 22 is smaller than that of the light valve 21. can do.
- the first relay lens group 51A is disposed at the position fb from the conjugate surface 50 of the light valve 21, and the second relay lens group 51B is disposed at the position fb + fi therefrom.
- the image sensor 22 is arranged at a location away from the second relay lens group 51B by fi.
- the position of the image sensor 22 is equivalent to the conjugate plane 50, and a 0.5 times reduction optical system can be formed, and an object can be detected by the small image sensor 22.
- the first relay lens group 51A and the second relay lens group 51B are used to connect the first relay lens group 51A and the polarization beam splitter 23, and the second relay lens group 51B.
- a double-sided telecentric optical system having substantially telecentricity with the image pickup element 22 is formed.
- the imaging optical system in the projector according to the comparative example is for detecting the position of an object as an application, and an object image (primary imaging image) primary-imaged on the conjugate plane 50 is a secondary imaging image.
- This is a relay optical system that relays on the imaging surface of the imaging device 22 as a (secondary image).
- the imaging performance is such that the imaging spot forms an image across several pixels of the plurality of pixels on the imaging surface. Is sufficient, and in terms of performance, it is composed of two lenses. However, in order to obtain not only the object position but also the image information of the detected object with higher resolution, the imaging performance is insufficient with the two-lens configuration. With the two-lens configuration, it is difficult to obtain sufficient imaging performance not only on the axis but also in the entire imaging area including off-axis.
- FIG. 2 shows a configuration example (Comparative Example 1) of the imaging optical system 201 applied to the projector or the like according to the comparative example.
- the imaging optical system 201 according to Comparative Example 1 includes a first lens L10 having a positive refractive power and a second lens having a positive refractive power in order from the object side to the image plane side along the optical axis Z1.
- the lens configuration is substantially two lenses consisting of L20.
- the imaging optical system according to Comparative Example 1 is a double-sided telecentric optical system in which both the object side and the image plane side are telecentric.
- STO indicates an aperture stop.
- Sobj represents an object plane (primary imaging plane)
- Simg represents an image plane (secondary imaging plane).
- An image sensor 101 such as a CCD or CMOS (corresponding to the image sensor 22 in FIG. 1) is disposed in the vicinity of the image plane Simg.
- the object plane Sobj corresponds to the conjugate plane 50 in the imaging optical system of FIG.
- FIG. 4 shows an imaging optical system 1 according to an example described later (FIG. 4) and diagrams (FIGS. 7 and 9) showing imaging optical systems 202 and 203 according to comparative examples 2 and 3.
- An optical member such as various optical filters may be disposed between the object surface Sobj and the first lens L10.
- An optical member such as a cover glass CG for protecting the image sensor and various optical filters may be disposed between the second lens L20 and the image plane Simg.
- FIG. 3 shows a spot diagram on the axis and off-axis (maximum image height) of the imaging optical system 201 according to Comparative Example 1 shown in FIG.
- the imaging optical system 201 is an optical system that detects infrared light.
- FIG. 3 is a spot diagram when the light beam having a wavelength of 785 nm is traced.
- a resolution of about VGA (640 ⁇ 480) is required.
- the effective pixel area is horizontal 3.6 mm ⁇ vertical 2.7 mm, and the size of one pixel is about 5.6 ⁇ m.
- a rectangular area indicated by a thick black frame in the central area of each on-axis and off-axis spot diagram corresponds to one pixel.
- the curvature of field cannot be completely removed, so that the imaging spot is not condensed on one pixel both on and off the axis, which is sufficient. Resolving performance is not obtained.
- an imaging optical system is configured by using 5 to 6 lenses so as to align the image plane from on-axis to off-axis to obtain necessary resolution performance. It is common. However, in this case, the configuration is increased in size.
- FIG. 4 illustrates a configuration example (example) of the imaging optical system 1 according to the first embodiment of the present disclosure.
- the imaging optical system 1 according to the present embodiment can be applied to a projector with a position detection function according to the comparative example, and can be applied to a system that requires higher resolution imaging performance.
- the present invention can be applied to a projector with an image detection function (FIG. 11) according to a second embodiment described later.
- the imaging apparatus according to the present embodiment includes at least an imaging optical system 1 and an imaging element 101 that outputs an imaging signal corresponding to an optical image formed by the imaging optical system 1.
- the imaging optical system 1 includes substantially three lenses including a first lens L1, a second lens L2, and a third lens L3 in order from the object side to the image plane side along the optical axis Z1. It has a configuration.
- the imaging optical system 1 is a double-sided telecentric optical system in which both the object side and the image plane side are telecentric.
- optical members such as various optical filters LF may be disposed between the object surface Sobj and the first lens L1.
- An optical member such as a cover glass CG for protecting the imaging device and various optical filters may be disposed between the third lens L3 and the image plane Simg.
- the aperture stop STO is disposed in the vicinity of the lens surface on the object side of the second lens L2.
- the imaging element 101 is disposed on the image plane side.
- the imaging optical system 1 secondarily combines the primary image formed on the object plane Sobj (primary imaging plane) on the imaging plane (image plane Simg (secondary imaging plane)) of the image sensor 101.
- the relay optical system relays the image as an image.
- the primary image is an image formed by infrared light, for example.
- the imaging optical system 1 is a reduction optical system that reduces the primary image to the image plane Simg (secondary image plane).
- the first lens L1, the second lens L2, and the third lens L3 each have a positive refractive power in the vicinity of the optical axis.
- the first lens L1 has an aspherical shape in which the lens surface on the image plane side has an inflection point.
- the lens surface on the image plane side of the first lens L1 is preferably an aspherical shape with a central portion convex toward the image plane side and concave toward the periphery.
- the 1st lens L1 is an aspherical shape from which thickness becomes small as it goes to a peripheral part (condition 1).
- the second lens L2 and the third lens L3 have meniscus shapes opposite to each other (Condition 3).
- the object-side lens surface of the second lens L2 has a curvature in the direction in which the incident light beam is spread.
- the second lens L2 preferably has a meniscus shape with a concave surface facing the object side.
- the third lens L3 has a meniscus shape with a concave surface facing the image surface side.
- the F number of the imaging optical system 1 is desirably smaller (brighter) than 6.
- “Si” indicates the number of the i-th surface with a sign so as to increase sequentially from the most object side.
- “Ri” indicates the value (mm) of the paraxial radius of curvature of the i-th surface.
- “Di” indicates the value (mm) of the distance on the optical axis between the i-th surface and the i + 1-th surface.
- “Ndi” indicates the value of the refractive index at the d-line (wavelength 587.6 nm) of the material of the optical element having the i-th surface.
- “ ⁇ di” indicates the value of the Abbe number in the d-line of the material of the optical element having the i-th surface.
- the portion where the value of “Ri” is “Infinity” indicates that it is a flat surface or a virtual surface.
- “Type” indicates the shape type of the lens surface.
- both surfaces (third surface, fourth surface) of the first lens L1, and both surfaces (seventh surface, eighth surface) of the third lens L3, Is an aspherical shape.
- the value of k in the formula (A) indicating the aspherical shape is described in [Table 1].
- Table 2 shows the aspheric coefficients ⁇ 1, ⁇ 2,.
- “Ei” represents an exponential expression with a base of 10, that is, “10 ⁇ i ”.
- “0.12345E-05” represents “0.12345 ⁇ 10 ⁇ 5”.
- the F number of the imaging optical system 1 is 4. Further, as shown in [Table 1], in this numerical example, the thickness D (L2) on the optical axis of the second lens L2 and the thickness D (L3) on the optical axis of the third lens L3 are: , D (L2)> D (L3) Is satisfied.
- the configuration of the three lenses as a whole is made and the configuration of each lens is optimized, so that a small and excellent imaging performance can be obtained.
- FIG. 5 shows a spot diagram on the axis and off-axis (maximum image height) of the imaging optical system 1.
- the imaging optical system 1 is an optical system that detects infrared light.
- FIG. 5 is a spot diagram in the case where light of a wavelength of 785 nm is traced for the numerical examples shown in [Table 1] and [Table 2].
- FIG. 6 shows an example of the structure of the image sensor 101 together with an example of light rays incident on the image sensor 101.
- the imaging optical system 1 is a bilateral telecentric imaging system.
- a telecentric optical system is a system in which the principal ray travels parallel to the optical axis. Since the imaging optical system 1 is telecentric on both sides, an advantageous effect can be obtained when the imaging element 101 is manufactured on the assumption of a telecentric optical system as shown in FIG. 6, for example.
- the image sensor 101 has a plurality of light receiving elements (photodiodes) 121 corresponding to a plurality of pixels.
- a light shielding film 113 On the light incident surface side of the image sensor 101, for example, a light shielding film 113, a filter 112, and a microlens array 110 are disposed.
- the microlens array 110 has a plurality of microlenses 111.
- the light shielding film 113 shields light from portions other than the respective light receiving areas of the plurality of light receiving elements 121.
- the micro lens 111 is disposed at a position corresponding to each of the plurality of light receiving elements 121.
- the light receiving area is formed in a limited area on the imaging surface of the image sensor 101.
- a microlens 111 corresponding to each of the light receiving elements 121 is arranged to guide light to the limited light receiving area. Thereby, most of the incident light can be condensed toward the light receiving area by the micro lens 111 with respect to the light (parallel light 131) incident in parallel to the optical axis Z1. Thereby, an efficient (high sensitivity) light receiving performance is realized.
- the light incident obliquely with respect to the optical axis Z1 deviates from the light receiving area, and thus the efficiency decreases. Further, the light beam deviating from the light receiving area becomes stray light, and the light leaks into the adjacent light receiving element 121, so that crosstalk occurs and the image quality is deteriorated.
- an image sensor having a structure in which the position of the light receiving element 121 (pixel) is gradually shifted from on-axis to off-axis has been developed.
- the center of the microlens 111 matches the center of the light receiving area from on-axis to off-axis without shifting pixels.
- the first lens L1 has an aspherical shape in which the optical path lengths at the center and the periphery are adjusted so that the curvature of field is corrected. More specifically, the lens surface on the image plane side of the first lens L1 has an inflection point. Further, the thickness of the first lens L1 decreases as it goes to the periphery.
- FIG. 7 shows a configuration example of the imaging optical system 202 according to the comparative example 2.
- the lens surface on the image plane side of the first lens L1 is a spherical surface compared to the configuration of the imaging optical system 1 according to the present embodiment.
- [Table 3] and [Table 4] show lens data obtained by applying specific numerical values to the imaging optical system 202 according to Comparative Example 2 shown in FIG.
- the object side lens surface (third surface) of the first lens L1 and both surfaces (seventh surface, eighth surface) of the third lens L3 are shown. It is an aspherical shape.
- the value of k in the formula (A) indicating the aspheric shape is shown in [Table 3].
- [Table 4] shows the aspheric coefficients ⁇ 1, ⁇ 2,.
- FIG. 7 shows a spot diagram on the axis and off-axis (maximum image height) of the imaging optical system 202 according to Comparative Example 2.
- the imaging optical system 202 is an optical system that detects infrared light.
- FIG. 7 is a spot diagram in the case where light having a wavelength of 785 nm is traced when the numerical values shown in [Table 3] and [Table 4] are applied.
- the imaging optical system 202 according to the comparative example 2 in which the image surface side lens surface of the first lens L1 is a spherical surface, relatively good imaging performance is obtained on the axis. With respect to off-axis, the image plane is tilted, so that sufficient imaging performance cannot be obtained.
- the first lens L1 has an aspherical shape optimized as in the above condition 1, and as can be seen from FIG. Imaging performance has been improved.
- the imaging optical system 1 is configured by a thick meniscus lens in which the second lens L2 is thicker than the third lens L3 by satisfying the above condition 2.
- the difference between the refraction angle of the on-axis light beam passing through the second lens L2 and the refraction angle of the off-axis light beam is given by the thickness of the second lens L2.
- the thickness of the second lens L2 is thin, the light exit surface of the second lens L2 is close to the incident surface, and an appropriate difference cannot be given to the refraction angle of the on-axis light beam and the refraction angle of the off-axis light beam.
- FIG. 9 shows a configuration example of the imaging optical system 203 according to Comparative Example 3.
- the imaging optical system 203 according to the comparative example 3 is a meniscus lens that does not satisfy the above condition 2 with respect to the configuration of the imaging optical system 1 according to the present embodiment, and the second lens L2 is thinner than the third lens L3. It is configured.
- [Table 5] and [Table 6] show lens data obtained by applying specific numerical values to the imaging optical system 203 according to Comparative Example 3 shown in FIG.
- an aspherical shape The value of k in the formula (A) indicating the aspheric shape is shown in [Table 5].
- [Table 6] shows the aspheric coefficients ⁇ 1, ⁇ 2,.
- FIG. 10 shows a spot diagram on the axis and off-axis (maximum image height) of the imaging optical system 203 according to Comparative Example 3.
- the imaging optical system 203 is an optical system that detects infrared light.
- FIG. 10 is a spot diagram in the case where light having a wavelength of 785 nm is traced when the numerical values shown in [Table 5] and [Table 6] are applied.
- FIG. 11 shows a configuration example of the projector 300 according to the second embodiment.
- the imaging optical system 1 and the imaging apparatus according to the first embodiment can be applied to, for example, the projector 300 with an image detection function having the configuration shown in FIG.
- the imaging optical system 1 and the imaging apparatus according to the first embodiment are not limited to the projector 300 with an image detection function, and can be applied to relay optical systems of other apparatuses or systems.
- it can be applied to a relay optical system in an industrial endoscope or the like.
- the F number of the imaging optical system 1 is not necessarily smaller than 6.
- the projector 300 shown in FIG. 11 houses a projector main body 310 and an imaging optical system 303 in a housing 304.
- the imaging optical system 303 the imaging optical system 1 according to the first embodiment can be applied.
- An imaging element 101 is disposed on the imaging plane of the imaging optical system 303.
- the projector 300 may include an infrared light source that emits infrared light for image detection.
- the projector main body 310 includes an illumination optical system 301 that illuminates the light valve 311 and a projection lens 302 that projects an image formed by the light valve 311.
- the illumination optical system 301 includes a light source device (not shown) and a polarization beam splitter 312.
- the light valve 311 is illuminated with illumination light emitted from a light source device (not shown) via the polarization beam splitter 312.
- the light valve 311 generates image light by modulating illumination light based on the image data.
- the image light generated by the light valve 311 is projected onto the projection surface via the polarization beam splitter 312 and the projection lens 302.
- the projector 300 has a function of reading an image of the detection object 305 arranged in the area illuminated by the projection light 320 by the projection lens 302.
- the projection lens 302 has a function as an imaging optical system for image detection in addition to a function for projecting an image.
- the projection lens 302 forms an image of the detection object 305 on the conjugate plane 350 as a primary image.
- the light taken from the detection object 305 through the projection lens 302 is reflected in a direction different from the illumination optical system 301 by the deflection beam splitter 312, and the reflected light is detected by the imaging optical system 303.
- the position A of the light valve 311 and the position of the detected object 305 are optically conjugate.
- the detected object 305 and the position B are also optically conjugate.
- the position B is at the position of OB that is equidistant from the distance OA from the center point O of the deflecting beam splitter 312 to the light valve 311. Therefore, if the image sensor 101 can be arranged at the position B, the detected object 305 can be imaged.
- the secondary image is again guided to the position C by using the imaging optical system 303 configured by the bilateral telecentric relay optical system proposed in the technology of the present disclosure.
- the position B corresponds to the object plane Sobj (primary imaging plane) in FIG.
- the primary imaging image formed at the position B is relayed by the imaging optical system 303, and the position C led to the imaging element 101 corresponds to the image plane Simg (secondary imaging plane) in FIG.
- the projector 300 it is possible to reduce the size of the image sensor 101 by relaying the object image by the imaging optical system 303 configured by the minimum number of lenses and reducing the object image in a limited space. Become.
- the imaging optical system 303 imaging performance suitable for the purpose of detecting an image can be obtained.
- the image sensor 101 an image sensor developed exclusively for a telecentric optical system can be handled.
- the configuration including substantially three lenses has been described.
- the configuration may further include a lens having substantially no refractive power.
- this technique can also take the following structures.
- the configuration of the three lenses as a whole is optimized, and the configuration of each lens is optimized, so that an imaging optical system or an imaging device having a small size and excellent imaging performance is provided. can do.
- a first lens having an aspherical surface with an inflection point on the image side lens surface; A second meniscus lens with a concave surface facing the object side; A meniscus third lens with a concave surface facing the image surface,
- An imaging optical system that is considered to be a telecentric optical system on both sides.
- the thickness on the optical axis of the second lens is D (L2), When the thickness on the optical axis of the third lens is D (L3), D (L2)> D (L3)
- the imaging optical system according to [1], wherein the imaging optical system is satisfied.
- An image sensor is arranged on the image plane side, The optical system that relays a primary image formed on the object side as a secondary image on the imaging surface of the image sensor.
- Imaging optical system The imaging optical system according to [7], wherein the primary image is an image formed by infrared light.
- An imaging optical system, and an imaging element that outputs an imaging signal corresponding to an optical image formed by the imaging optical system The imaging optical system is In order from the object side to the image plane side, A first lens having an aspherical surface with an inflection point on the image side lens surface; A second meniscus lens with a concave surface facing the object side; A meniscus third lens with a concave surface facing the image surface, An imaging device that is a bilateral telecentric optical system. (10) The imaging optical system is The imaging apparatus according to [9], wherein the imaging system is an optical system that relays a primary image formed on the object side as a secondary image on the imaging surface of the image sensor. (11) An imaging optical system for forming an image of a detection object as the primary imaging image; The imaging device according to [10], wherein the imaging element images the detection object via the imaging optical system and the imaging optical system.
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Abstract
本開示の撮像光学系は、物体側から像面側に向かって順に、像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第1レンズと、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第2レンズと、像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第3レンズとから構成され、両側テレセントリック光学系とされている。
Description
本開示は、例えば物体側に形成された1次結像像を、撮像素子の撮像面上に2次結像像としてリレーさせる撮像光学系、および撮像装置に関する。
1次結像した物体像(1次結像像)を2次の結像像(2次結像像)としてリレーさせるリレー光学系がある。リレー光学系では、単に光路長を調整する場合もあれば、像倍率を縮小する等の目的で複数のレンズを組み合わせて像をリレーする場合もある。一方、例えば特許文献1には、投影された映像をタッチパネルのように操作可能なタッチ検出(位置検出)機能付きのプロジェクタが提案されている。また、特許文献1には、物***置の検出、および撮像を行うための撮像光学系として、2つのレンズ群を用いたリレー光学系が提案されている。
単に物***置の検出を行う目的であれば、撮像光学系を2枚のレンズからなるリレー光学系で構成しても性能的に十分な場合があるが、より高解像で検出物を撮像したい場合には、2枚のレンズ構成では結像性能が不十分である。
小型で結像性能に優れた撮像光学系、および撮像装置を提供することが望ましい。
本開示の一実施の形態に係る撮像光学系は、物体側から像面側に向かって順に、像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第1レンズと、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第2レンズと、像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第3レンズとから構成され、両側テレセントリック光学系とされているものである。
本開示の一実施の形態に係る撮像装置は、撮像光学系と、撮像光学系によって形成された光学像に応じた撮像信号を出力する撮像素子とを含み、撮像光学系が、物体側から像面側に向かって順に、像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第1レンズと、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第2レンズと、像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第3レンズとから構成され、両側テレセントリック光学系とされているものである。
本開示の一実施の形態に係る撮像光学系、または撮像装置では、全体として3枚のレンズ構成で、各レンズの構成の最適化が図られている。
以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
0.比較例(図1~図3)
1.第1の実施の形態(図4~図10)
1.1 撮像光学系の構成例
1.2 作用・効果
2.第2の実施の形態(図11)
3.その他の実施の形態
1.第1の実施の形態(図4~図10)
1.1 撮像光学系の構成例
1.2 作用・効果
2.第2の実施の形態(図11)
3.その他の実施の形態
<0.比較例>
(比較例に係る撮像光学系が適用されるプロジェクタの概要)
図1は、比較例に係る位置検出機能付きのプロジェクタの要部構成例を示している。
(比較例に係る撮像光学系が適用されるプロジェクタの概要)
図1は、比較例に係る位置検出機能付きのプロジェクタの要部構成例を示している。
特許文献1(特開2015-64550号公報)の図18には、図1に示したような位置検出機能付きのプロジェクタの構成が開示されている。
この比較例に係るプロジェクタは、ライトバルブ21と、偏光ビームスプリッタ23と、投射レンズ24とを備えている。また、この比較例に係るプロジェクタは、物***置の検出、および撮像を行うための撮像部として、撮像素子22と、撮像光学系とを備えている。撮像光学系は、偏光子25と、可視光カットフィルタ28と、第1のリレーレンズ群51Aと、第2のリレーレンズ群51Bとを有している。
ライトバルブ21は、偏光ビームスプリッタ23を介して、図示しない照明装置から出射された照明光L100によって照明される。ライトバルブ21は、例えばLCOS(Liquid Crystal On Silicon)等の反射型の液晶素子である。ライトバルブ21は、映像データに基づいて照明光L100を変調して映像光を生成する。ライトバルブ21で生成された映像光は、偏光ビームスプリッタ23、および投射レンズ24を介して図示しない投影面に投影される。
投射レンズ24は、映像を投影するための機能の他、位置検出のための結像光学系としての機能を有している。投射レンズ24には、ライトバルブ21で生成された映像光が入射すると共に、投影面の近傍にある検出物からの散乱光が検出光として投影面側から取り込まれる。投射レンズ24は、検出物の像を共役面50に1次結像像として形成する。
撮像素子22は、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)やCCD(Charge Coupled Device)などの固体撮像素子で構成されている。撮像素子22は、投影面と光学的に共役な位置に配置されている。また、撮像素子22は、ライトバルブ21と光学的に共役な位置に配置されている。より具体的には、ライトバルブ21が反射型の液晶素子である場合、映像を作り出す表示面(液晶面)と撮像素子22の撮像面とが光学的に共役な位置となるように配置されている。撮像素子22には、投射レンズ24および偏光ビームスプリッタ23を介して、検出物からの散乱光が検出光として入射する。撮像素子22は、少なくとも投影面上の投影エリアと略同一のエリアを撮像エリアとした撮像を行うことが可能となっている。
撮像光学系は、ライトバルブ21の光学的な共役面50(1次結像面)と撮像素子22との間に配置されている。撮像光学系は、偏光ビームスプリッタ23に近い側から順に、第1のリレーレンズ群51Aと第2のリレーレンズ群51Bとを備えている。第2のリレーレンズ群51Bの焦点距離fiは、第1のリレーレンズ群51Aの焦点距離fbよりも小さくなっている。第1のリレーレンズ群51Aと第2のリレーレンズ群51Bとによって、
β=fi/fb
となる縮小倍率βの縮小光学系が構成されている。
β=fi/fb
となる縮小倍率βの縮小光学系が構成されている。
共役面50と撮像素子22との間に、リレー光学系、および縮小光学系として機能する撮像光学系を配置することで、ライトバルブ21と光学的に共役な位置(2次結像面)を共役面50(1次結像面)よりも遠方に設けることができる。撮像光学系を縮小光学系とすることで、撮像素子22をライトバルブ21と光学的に共役な位置(2次結像面)に配置しつつ、撮像素子22のサイズをライトバルブ21よりも小さくすることができる。
例えば、2fi=fbとなる条件で、なおかつライトバルブ21の共役面50から第1のリレーレンズ群51Aをfbの位置に配置し、そこからfb+fiの位置に第2のリレーレンズ群51Bを配置し、撮像素子22は第2のリレーレンズ群51Bからfiだけ離れた場所に配置する。この場合、撮像素子22の位置が共役面50と等価となり、なおかつ0.5倍の縮小光学系ができ、小さな撮像素子22で物体検出することが可能となる。
また、撮像光学系では、第1のリレーレンズ群51Aと第2のリレーレンズ群51Bとによって、第1のリレーレンズ群51Aと偏光ビームスプリッタ23との間、および第2のリレーレンズ群51Bと撮像素子22との間が略テレセントリック性を有する両側テレセントリック光学系が形成される。
(課題)
上記比較例に係るプロジェクタにおける撮像光学系は、用途としては物体の位置を検出するものであり、共役面50に1次結像した物体像(1次結像像)を2次の結像像(2次結像像)として撮像素子22の撮像面上にリレーさせるリレー光学系である。
上記比較例に係るプロジェクタにおける撮像光学系は、用途としては物体の位置を検出するものであり、共役面50に1次結像した物体像(1次結像像)を2次の結像像(2次結像像)として撮像素子22の撮像面上にリレーさせるリレー光学系である。
上記比較例に係るプロジェクタのように、単に物***置の検出を行う目的であれば、撮像面上で複数の画素のうちのいくつかの画素にまたがって撮像スポットが結像する程度の結像性能で十分であり、性能的には2枚のレンズ構成で成り立つ。しかし、物***置のみならず、検出物の画像情報をより高解像で得る目的の場合、2枚のレンズ構成では結像性能が不十分である。2枚のレンズ構成では、軸上のみならず軸外も含めて撮像領域の全領域で十分な結像性能を得ることは困難である。
図2は、上記比較例に係るプロジェクタ等に適用される撮像光学系201の一構成例(比較例1)を示している。
比較例1に係る撮像光学系201は、光軸Z1に沿って、物体側から像面側に向かって順に、正の屈折力を有する第1レンズL10と、正の屈折力を有する第2レンズL20とからなる実質的に2枚のレンズ構成となっている。比較例1に係る撮像光学系は、物体側と像面側との両方がテレセントリックな両側テレセントリック光学系とされている。
なお、図2において、STOは開口絞りを示す。Sobjは物体面(1次結像面)、Simgは像面(2次結像面)を示す。像面Simgの近傍にはCCDやCMOS等の撮像素子101(図1の撮像素子22に相当)が配置される。物体面Sobjは、図1の撮像光学系における共役面50に相当する。後述する実施例に係る撮像光学系1を示す図(図4)、および比較例2,3に係る撮像光学系202,203を示す図(図7、図9)においても同様である。
物体面Sobjと第1レンズL10との間には、各種の光学フィルタ等の光学部材が配置されていてもよい。第2レンズL20と像面Simgとの間には、撮像素子保護用のカバーガラスCGや各種の光学フィルタ等の光学部材が配置されていてもよい。
図3は、図2に示した比較例1に係る撮像光学系201の軸上と軸外(最大像高)とにおけるスポットダイアグラムを示している。撮像光学系201は、赤外光を検出する光学系となっている。図3は、波長785nmの光を光線追跡した場合のスポットダイアグラムとなっている。
検出物の画像情報を取得するシステムでは、最低限VGA(640×480)程度の解像力が必要となる。例えば撮像素子101として、1/4型のイメージセンサを用いた場合、有効画素エリアは水平3.6mm×垂直2.7mmとなり、1画素のサイズは5.6μm程度である。図3において、軸上と軸外の各スポットダイアグラムの中心領域に太い黒枠で示した矩形領域が、1画素に相当する。後述する実施例に係る撮像光学系1のスポットダイアグラム(図5)、および比較例2,3に係る撮像光学系202,203のスポットダイアグラム(図8、図10)においても同様である。
図3に示したように、比較例1に係る撮像光学系201では、像面湾曲が取り切れないため、軸上においても、軸外においても1画素に結像スポットが集光せず、十分な解像性能が得られていない。
このように、2枚のレンズ構成では十分な解像性能を得ることが困難である。このため、検出物の画像情報を取得するシステムでは、軸上から軸外まで像面を揃えるよう、レンズの枚数を5~6枚用いて撮像光学系を構成し、必要な解像性能を得ることが一般的である。しかしながら、その場合、構成の大型化を招く。
このため、レンズ枚数を大幅に増やすことなく、小型で結像性能に優れた撮像光学系、および撮像装置を提供することが可能な技術の開発が望まれる。
<1.第1の実施の形態>
[1.1 撮像光学系の構成例]
図4は、本開示の第1の実施の形態に係る撮像光学系1の一構成例(実施例)を示している。
[1.1 撮像光学系の構成例]
図4は、本開示の第1の実施の形態に係る撮像光学系1の一構成例(実施例)を示している。
本実施の形態に係る撮像光学系1は、上記比較例に係る位置検出機能付きのプロジェクタに適用可能である他、より高解像の撮像性能が要求されるシステムに適用可能である。例えば、後述する第2の実施の形態に係る画像検出機能付きのプロジェクタ(図11)等に適用可能である。本実施の形態に係る撮像装置は、少なくとも、撮像光学系1と、撮像光学系1によって形成された光学像に応じた撮像信号を出力する撮像素子101とを含んでいる。
撮像光学系1は、光軸Z1に沿って、物体側から像面側に向かって順に、第1レンズL1と、第2レンズL2と、第3レンズL3とからなる実質的に3枚のレンズ構成となっている。撮像光学系1は、物体側と像面側との両方がテレセントリックな両側テレセントリック光学系とされている。
撮像光学系1において、物体面Sobjと第1レンズL1との間には、各種の光学フィルタLF等の光学部材が配置されていてもよい。第3レンズL3と像面Simgとの間には、撮像素子保護用のカバーガラスCGや各種の光学フィルタ等の光学部材が配置されていてもよい。
撮像光学系1において、開口絞りSTOは、第2レンズL2の物体側のレンズ面近傍に配置されている。
撮像光学系1では、比較例1に係る撮像光学系201と同様に、像面側に撮像素子101が配置される。撮像光学系1は、物体面Sobj(1次結像面)に形成された1次結像像を、撮像素子101の撮像面上(像面Simg(2次結像面))に2次結像像としてリレーさせるリレー光学系とされている。1次結像像は、例えば、赤外光によって形成された像である。また、撮像光学系1は、1次結像像を、像面Simg(2次結像面)に縮小して結像する縮小光学系とされている。
第1レンズL1、第2レンズL2、および第3レンズL3はそれぞれ、光軸近傍において正の屈折力を有することが好ましい。
第1レンズL1は、像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされている。第1レンズL1の像面側のレンズ面は、中心部が像面側に凸形状で、周辺部に行くに従い、凹形状となる非球面形状であることが好ましい。また、第1レンズL1は、周辺部に行くに従い、厚みが小さくなる非球面形状であることが好ましい(条件1)。
撮像光学系1は、第2レンズL2の光軸上の厚みをD(L2)、第3レンズL3の光軸上の厚みをD(L3)としたとき、
D(L2)>D(L3)
を満足することが望ましい(条件2)。
D(L2)>D(L3)
を満足することが望ましい(条件2)。
第2レンズL2と第3レンズL3は、互いに逆向きのメニスカス形状であることが好ましい(条件3)。
第2レンズL2の物体側のレンズ面は、入射した光束を広げる方向に曲率を持つことが好ましい。第2レンズL2は、物体側に凹面を向けたメニスカス形状であることが好ましい。
第3レンズL3は、像面側に凹面を向けたメニスカス形状であることが好ましい。
撮像光学系1のFナンバーは、6より小さい(明るい)ことが望ましい。
(数値実施例)
[表1],[表2]に、図4に示した撮像光学系1に具体的な数値を適用した数値実施例のレンズデータを示す。
[表1],[表2]に、図4に示した撮像光学系1に具体的な数値を適用した数値実施例のレンズデータを示す。
なお、[表1],[表2]において示した記号の意味等については、下記に示す通りである。なお、後述する比較例2,3に係る撮像光学系202,203のレンズデータについても同様である。
「Si」は、最も物体側から順次増加するようにして符号を付したi番目の面の番号を示している。「Ri」は、i番目の面の近軸の曲率半径の値(mm)を示す。「Di」はi番目の面とi+1番目の面との間の光軸上の間隔の値(mm)を示す。「Ndi」はi番目の面を有する光学要素の材質のd線(波長587.6nm)における屈折率の値を示す。「νdi」はi番目の面を有する光学要素の材質のd線におけるアッベ数の値を示す。「Ri」の値が「Infinity」となっている部分は平面、または仮想面であることを示す。「Type」は、レンズ面の形状の種類を示す。
非球面形状は、以下の式(A)によって定義され、面頂点を原点としてSag量Zで表される。1/c(=R)は、各レンズ面の曲率半径を示す。kは、コーニック定数を示す。Zは、Sag量(光の進行方向を正とする)を示す。rは、光軸Z1からレンズ面までの距離を示す。α1,α2・・・は、各次数の非球面係数を表す。
[表1],[表2]に示した数値実施例では、第1レンズL1の両面(第3面、第4面)と、第3レンズL3の両面(第7面、第8面)とが非球面形状とされている。非球面形状を示す式(A)におけるkの値は、[表1]に記す。[表2]には、各次数の非球面係数α1,α2・・・を記す。[表2]において、「E-i」は10を底とする指数表現、すなわち、「10-i」を表しており、例えば、「0.12345E-05」は「0.12345×10-5」を表している。
[表1],[表2]に示した数値実施例では、撮像光学系1のFナンバーは4である。また、[表1]に示したように、この数値実施例では、第2レンズL2の光軸上の厚みD(L2)と第3レンズL3の光軸上の厚みをD(L3)とが、
D(L2)>D(L3)
を満足している。
D(L2)>D(L3)
を満足している。
[1.2 作用・効果]
次に、本実施の形態に係る撮像光学系1の作用および効果を説明する。
なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
次に、本実施の形態に係る撮像光学系1の作用および効果を説明する。
なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
本実施の形態に係る撮像光学系1によれば、全体として3枚のレンズ構成とし、各レンズの構成の最適化を図るようにしたので、小型で優れた結像性能を得ることができる。
図5は、撮像光学系1の軸上と軸外(最大像高)とにおけるスポットダイアグラムを示している。撮像光学系1は、赤外光を検出する光学系となっている。図5は、[表1],[表2]に示した数値実施例について、波長785nmの光を光線追跡した場合のスポットダイアグラムとなっている。
図5から分かるように、撮像光学系1では、軸上においても、軸外においても1画素に光を集中させることができ、良好な結像性能を得ることが可能となる。
(テレセントリック光学系であることによる作用・効果)
図6は、撮像素子101の構造例を、撮像素子101に入射する光線の一例と共に示している。
図6は、撮像素子101の構造例を、撮像素子101に入射する光線の一例と共に示している。
撮像光学系1は、両側テレセントリックな結像系とされている。テレセントリック光学系は、主光線が光軸と平行に進む系である。撮像光学系1が両側テレセントリックであることで、撮像素子101が、例えば図6に示したような、テレセントリック光学系を前提として作製されたものである場合に、有利な効果が得られる。
図6に示したように、撮像素子101は、複数の画素に相当する複数の受光素子(フォトダイオード)121を有している。撮像素子101の光入射面側には、例えば、遮光膜113と、フィルタ112と、マイクロレンズアレイ110とが配置される。マイクロレンズアレイ110は、複数のマイクロレンズ111を有している。
遮光膜113は、複数の受光素子121のそれぞれの受光エリア以外の部分を遮光する。マイクロレンズ111は、複数の受光素子121のそれぞれに対応した位置に配置されている。
撮像素子101の撮像面において、受光エリアは限られた領域に形成されている。その限られた受光エリアに光を導くため、受光素子121の1つ1つに対応したマイクロレンズ111が配置されていることが一般的である。これにより、光軸Z1に対して平行に入射する光(平行光131)に対しては、入射光の大部分をマイクロレンズ111によって受光エリアに向けて集光することができる。これにより、効率の良い(感度の高い)受光性能を実現している。
一方、光軸Z1に対して斜めに入射する光(斜入射光132)に対しては、受光エリアから外れるため効率が低下する。また、受光エリアから外れた光束は迷光となり、隣接する受光素子121に光が漏れこむためクロストークが起こり、画質の劣化を引き起こす。このような課題に対応して、受光素子121(画素)の位置を軸上から軸外に向けて徐々にシフトしたような構造の撮像素子も開発されている。
本実施の形態に係る撮像光学系1によれば、両側テレセントリックであることで、例えば、画素をシフトさせずに、軸上から軸外までマイクロレンズ111の中心と受光エリアの中心とが合致した、テレセントリック光学系専用に開発された撮像素子に適用する場合に、有利な効果が得られる。
(第1レンズL1の非球面形状(条件1)による作用・効果)
本実施の形態に係る撮像光学系1は、第1レンズL1が、像面湾曲が補正されるように中心と周辺の光路長が調整された非球面形状となっている。より具体的には、第1レンズL1の像面側のレンズ面が変曲点を有している。また、第1レンズL1は、周辺部に行くに従い、厚みが小さくなっている。
本実施の形態に係る撮像光学系1は、第1レンズL1が、像面湾曲が補正されるように中心と周辺の光路長が調整された非球面形状となっている。より具体的には、第1レンズL1の像面側のレンズ面が変曲点を有している。また、第1レンズL1は、周辺部に行くに従い、厚みが小さくなっている。
図7は、比較例2に係る撮像光学系202の一構成例を示している。比較例2に係る撮像光学系202は、本実施の形態に係る撮像光学系1の構成に対して、第1レンズL1の像面側のレンズ面が球面で構成されている。
[表3],[表4]に、図7に示した比較例2に係る撮像光学系202に具体的な数値を適用したレンズデータを示す。[表3],[表4]に示したレンズデータでは、第1レンズL1の物体側のレンズ面(第3面)と、第3レンズL3の両面(第7面、第8面)とが非球面形状とされている。非球面形状を示す式(A)におけるkの値を、[表3]に記す。[表4]には、各次数の非球面係数α1,α2・・・を記す。
図7は、比較例2に係る撮像光学系202の軸上と軸外(最大像高)とにおけるスポットダイアグラムを示している。撮像光学系202は、赤外光を検出する光学系となっている。図7は、[表3],[表4]に示した数値を適用した場合について、波長785nmの光を光線追跡した場合のスポットダイアグラムとなっている。
図7から分かるように、第1レンズL1の像面側のレンズ面を球面にした比較例2に係る撮像光学系202の場合、軸上については比較的良好な結像性能が得られるが、軸外に関しては像面が倒れているために十分な結像性能が得られない。これに対して、本実施の形態に係る撮像光学系1では、第1レンズL1が上記条件1のように最適化された非球面形状を有することにより、図5から分かるように、軸外の結像性能が改善されている。
(第2レンズL2の厚みの最適化(条件2)による作用・効果)
本実施の形態に係る撮像光学系1は、上記条件2を満足することにより、第2レンズL2が第3レンズL3よりも厚い、肉厚のメニスカスレンズで構成されている。撮像光学系1では、第2レンズL2の厚みによって、第2レンズL2を通過する軸上光線の屈折角と軸外光線の屈折角とに差を与えている。第2レンズL2の厚みが薄い場合、第2レンズL2における光の射出面が入射面に近くなり、軸上光線の屈折角と軸外光線の屈折角とに適切な差を与えることができず、軸上と軸外とにおいて良好な結像性能を得ることが困難となる。その結果、以下の図9に示す比較例3に係る撮像光学系203のように、第2レンズL2の厚みを薄くした場合には、軸上、軸外ともに良好な結像スポットが得られない(図10)。
本実施の形態に係る撮像光学系1は、上記条件2を満足することにより、第2レンズL2が第3レンズL3よりも厚い、肉厚のメニスカスレンズで構成されている。撮像光学系1では、第2レンズL2の厚みによって、第2レンズL2を通過する軸上光線の屈折角と軸外光線の屈折角とに差を与えている。第2レンズL2の厚みが薄い場合、第2レンズL2における光の射出面が入射面に近くなり、軸上光線の屈折角と軸外光線の屈折角とに適切な差を与えることができず、軸上と軸外とにおいて良好な結像性能を得ることが困難となる。その結果、以下の図9に示す比較例3に係る撮像光学系203のように、第2レンズL2の厚みを薄くした場合には、軸上、軸外ともに良好な結像スポットが得られない(図10)。
図9は、比較例3に係る撮像光学系203の一構成例を示している。比較例3に係る撮像光学系203は、本実施の形態に係る撮像光学系1の構成に対して、上記条件2を満足せず、第2レンズL2が第3レンズL3よりも薄いメニスカスレンズで構成されている。
[表5],[表6]に、図9に示した比較例3に係る撮像光学系203に具体的な数値を適用したレンズデータを示す。[表5],[表6]に示したレンズデータでは、第1レンズL1の物体側の両面(第3面、第4面)と、第3レンズL3の両面(第7面、第8面)とが非球面形状とされている。非球面形状を示す式(A)におけるkの値を、[表5]に記す。[表6]には、各次数の非球面係数α1,α2・・・を記す。
図10は、比較例3に係る撮像光学系203の軸上と軸外(最大像高)とにおけるスポットダイアグラムを示している。撮像光学系203は、赤外光を検出する光学系となっている。図10は、[表5],[表6]に示した数値を適用した場合について、波長785nmの光を光線追跡した場合のスポットダイアグラムとなっている。
(第2レンズL2と第3レンズL3とのメニスカス形状の向きの最適化(条件3)による作用・効果)
第2レンズL2と第3レンズL3とを、互いに逆向きのメニスカス形状にしない場合、他の設計パラメータを最適化したとしても、良好な結像性能を得ることが困難となる。
第2レンズL2と第3レンズL3とを、互いに逆向きのメニスカス形状にしない場合、他の設計パラメータを最適化したとしても、良好な結像性能を得ることが困難となる。
<2.第2の実施の形態>
次に、本開示の第2の実施の形態について説明する。なお、以下では、上記第1の実施の形態に係る撮像光学系、および撮像装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
次に、本開示の第2の実施の形態について説明する。なお、以下では、上記第1の実施の形態に係る撮像光学系、および撮像装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
図11は、第2の実施の形態に係るプロジェクタ300の一構成例を示している。上記第1の実施の形態に係る撮像光学系1、および撮像装置は、例えば図11に示した構成の画像検出機能付きのプロジェクタ300等に適用可能である。
なお、上記第1の実施の形態に係る撮像光学系1、および撮像装置は、画像検出機能付きのプロジェクタ300に限らず、他の装置またはシステムのリレー光学系等に適用可能である。例えば工業用の内視鏡等におけるリレー光学系等に適用可能である。この場合、必ずしも撮像光学系1のFナンバーは、6より小さくなくてもよい。
図11に示したプロジェクタ300は、筐体304内に、プロジェクタ本体310と、撮像光学系303とが収納されている。撮像光学系303として、上記第1の実施の形態に係る撮像光学系1を適用可能である。撮像光学系303の結像面には、撮像素子101が配置されている。
また、プロジェクタ300は、画像検出用の赤外光を照射する赤外光源を備えてもよい。
プロジェクタ本体310は、ライトバルブ311を照明する照明光学系301と、ライトバルブ311によって形成された映像を投影する投射レンズ302とを備えている。
照明光学系301は、図示しない光源装置と、偏光ビームスプリッタ312とを備えている。ライトバルブ311は、偏光ビームスプリッタ312を介して、図示しない光源装置から出射された照明光によって照明される。
ライトバルブ311は、映像データに基づいて照明光を変調して映像光を生成する。ライトバルブ311で生成された映像光は、偏光ビームスプリッタ312、および投射レンズ302を介して投影面に投影される。
プロジェクタ300は、投射レンズ302による投影光320で照らされたエリアに配置された検出物305の画像を読み取る機能を有している。投射レンズ302は、映像を投影するための機能の他、画像検出のための結像光学系としての機能を有している。投射レンズ302は、検出物305の像を共役面350に1次結像像として形成する。
プロジェクタ300では、投射レンズ302を介して検出物305から取り込んだ光を偏向ビームスプリッタ312によって照明光学系301とは別の方向へ反射させ、その反射光を撮像光学系303で検出する。
プロジェクタ300では、ライトバルブ311の位置Aと検出物305の位置とが光学的に共役な関係にある。また、検出物305と位置B(共役面350)も光学的に共役な関係にある。位置Bは、偏向ビームスプリッタ312の中央点Oからライトバルブ311までの距離OAと等距離となるOBの位置にある。従って、この位置Bに撮像素子101を配置することが可能であれば、検出物305を撮像することが可能となる。しかしながら、実際には他の光学素子等との場所の取り合いとなり設置が困難な場合が多い。
そこで、本開示の技術で提案する両側テレセントリックなリレー光学系で構成された撮像光学系303を用いて、位置Cに再び2次結像像を導く。位置B(共役面350)は、図4の物体面Sobj(1次結像面)に相当する。位置Bに形成された1次結像像を撮像光学系303によってリレーさせ、撮像素子101に導いた位置Cが図4の像面Simg(2次結像面)に相当する。
プロジェクタ300では、限られたスペースにおいて、最低枚数のレンズで構成された撮像光学系303によって物体像をリレーさせ、なおかつ物体像を縮小させることで、撮像素子101のサイズを小さくすることが可能となる。撮像光学系303を、本開示の技術で提案する構成にすることで、画像を検出する目的に適した結像性能が得られる。撮像素子101としても、テレセントリック光学系専用に開発された撮像素子を取り扱うことができる。
<3.その他の実施の形態>
本開示による技術は、上記各実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
本開示による技術は、上記各実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
例えば、上記実施例において示した各部の形状および数値は、いずれも本技術を実施するための具体化のほんの一例に過ぎず、これらによって本技術の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。
また、上記実施の形態および実施例では、実質的に3枚のレンズからなる構成について説明したが、実質的に屈折力を有さないレンズをさらに備えた構成であってもよい。
例えば、本技術は以下のような構成を取ることもできる。
以下の構成の本技術によれば、全体として3枚のレンズ構成とし、各レンズの構成の最適化を図るようにしたので、小型で結像性能に優れた撮像光学系、または撮像装置を提供することができる。
以下の構成の本技術によれば、全体として3枚のレンズ構成とし、各レンズの構成の最適化を図るようにしたので、小型で結像性能に優れた撮像光学系、または撮像装置を提供することができる。
(1)
物体側から像面側に向かって順に、
像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第1レンズと、
物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第2レンズと、
像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第3レンズと
から構成され、
両側テレセントリック光学系とされている
撮像光学系。
(2)
前記第2レンズの光軸上の厚みをD(L2)、
前記第3レンズの光軸上の厚みをD(L3)としたとき、
D(L2)>D(L3)
を満足する
上記[1]に記載の撮像光学系。
(3)
前記第1レンズ、前記第2レンズ、および前記第3レンズはそれぞれ、光軸近傍において正の屈折力を有する
上記[1]または[2]に記載の撮像光学系。
(4)
前記第1レンズの像面側のレンズ面は、中心部が像面側に凸形状で、周辺部に行くに従い、凹形状となる非球面形状である
上記[1]ないし[3]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
(5)
Fナンバーが6より小さい
上記[1]ないし[4]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
(6)
前記第2レンズの物体側のレンズ面近傍に、開口絞りが配置されている
上記[1]ないし[5]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
(7)
像面側に撮像素子が配置され、
物体側に形成された1次結像像を、前記撮像素子の撮像面上に2次結像像としてリレーさせる光学系とされている
上記[1]ないし[6]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
(8)
前記1次結像像は、赤外光によって形成された像である
上記[7]に記載の撮像光学系。
(9)
撮像光学系と、前記撮像光学系によって形成された光学像に応じた撮像信号を出力する撮像素子とを含み、
前記撮像光学系は、
物体側から像面側に向かって順に、
像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第1レンズと、
物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第2レンズと、
像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第3レンズと
から構成され、
両側テレセントリック光学系とされている
撮像装置。
(10)
前記撮像光学系は、
物体側に形成された1次結像像を、前記撮像素子の撮像面上に2次結像像としてリレーさせる光学系である
上記[9]に記載の撮像装置。
(11)
検出物の像を前記1次結像像として形成する結像光学系、をさらに含み、
前記撮像素子は、前記結像光学系、および前記撮像光学系を介して前記検出物を撮像する
上記[10]に記載の撮像装置。
物体側から像面側に向かって順に、
像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第1レンズと、
物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第2レンズと、
像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第3レンズと
から構成され、
両側テレセントリック光学系とされている
撮像光学系。
(2)
前記第2レンズの光軸上の厚みをD(L2)、
前記第3レンズの光軸上の厚みをD(L3)としたとき、
D(L2)>D(L3)
を満足する
上記[1]に記載の撮像光学系。
(3)
前記第1レンズ、前記第2レンズ、および前記第3レンズはそれぞれ、光軸近傍において正の屈折力を有する
上記[1]または[2]に記載の撮像光学系。
(4)
前記第1レンズの像面側のレンズ面は、中心部が像面側に凸形状で、周辺部に行くに従い、凹形状となる非球面形状である
上記[1]ないし[3]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
(5)
Fナンバーが6より小さい
上記[1]ないし[4]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
(6)
前記第2レンズの物体側のレンズ面近傍に、開口絞りが配置されている
上記[1]ないし[5]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
(7)
像面側に撮像素子が配置され、
物体側に形成された1次結像像を、前記撮像素子の撮像面上に2次結像像としてリレーさせる光学系とされている
上記[1]ないし[6]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
(8)
前記1次結像像は、赤外光によって形成された像である
上記[7]に記載の撮像光学系。
(9)
撮像光学系と、前記撮像光学系によって形成された光学像に応じた撮像信号を出力する撮像素子とを含み、
前記撮像光学系は、
物体側から像面側に向かって順に、
像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第1レンズと、
物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第2レンズと、
像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第3レンズと
から構成され、
両側テレセントリック光学系とされている
撮像装置。
(10)
前記撮像光学系は、
物体側に形成された1次結像像を、前記撮像素子の撮像面上に2次結像像としてリレーさせる光学系である
上記[9]に記載の撮像装置。
(11)
検出物の像を前記1次結像像として形成する結像光学系、をさらに含み、
前記撮像素子は、前記結像光学系、および前記撮像光学系を介して前記検出物を撮像する
上記[10]に記載の撮像装置。
本出願は、日本国特許庁において2018年3月26日に出願された日本特許出願番号第2018-058370号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。
当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。
Claims (11)
- 物体側から像面側に向かって順に、
像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第1レンズと、
物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第2レンズと、
像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第3レンズと
から構成され、
両側テレセントリック光学系とされている
撮像光学系。 - 前記第2レンズの光軸上の厚みをD(L2)、
前記第3レンズの光軸上の厚みをD(L3)としたとき、
D(L2)>D(L3)
を満足する
請求項1に記載の撮像光学系。 - 前記第1レンズ、前記第2レンズ、および前記第3レンズはそれぞれ、光軸近傍において正の屈折力を有する
請求項1に記載の撮像光学系。 - 前記第1レンズの像面側のレンズ面は、中心部が像面側に凸形状で、周辺部に行くに従い、凹形状となる非球面形状である
請求項1に記載の撮像光学系。 - Fナンバーが6より小さい
請求項1に記載の撮像光学系。 - 前記第2レンズの物体側のレンズ面近傍に、開口絞りが配置されている
請求項1に記載の撮像光学系。 - 像面側に撮像素子が配置され、
物体側に形成された1次結像像を、前記撮像素子の撮像面上に2次結像像としてリレーさせる光学系とされている
請求項1に記載の撮像光学系。 - 前記1次結像像は、赤外光によって形成された像である
請求項7に記載の撮像光学系。 - 撮像光学系と、前記撮像光学系によって形成された光学像に応じた撮像信号を出力する撮像素子とを含み、
前記撮像光学系は、
物体側から像面側に向かって順に、
像面側のレンズ面が変曲点を有する非球面形状とされた第1レンズと、
物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第2レンズと、
像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第3レンズと
から構成され、
両側テレセントリック光学系とされている
撮像装置。 - 前記撮像光学系は、
物体側に形成された1次結像像を、前記撮像素子の撮像面上に2次結像像としてリレーさせる光学系である
請求項9に記載の撮像装置。 - 検出物の像を前記1次結像像として形成する結像光学系、をさらに含み、
前記撮像素子は、前記結像光学系、および前記撮像光学系を介して前記検出物を撮像する
請求項10に記載の撮像装置。
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