WO2024070611A1 - レンズ光学系および撮像装置 - Google Patents
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Classifications
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- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
Definitions
- This technology relates to a lens optical system and an imaging device, and in particular to a lens optical system and an imaging device that can improve the optical performance of a wide-angle lens optical system having a metasurface.
- Wide-angle lens optics are essential for high-performance imaging and sensing.
- wide-angle lens optics require multiple optical lenses, which increases size and weight, and complicates assembly work.
- a metalense is a lens that uses a metasurface that polarizes incident light or modulates its phase or amplitude using a subwavelength structure. It has been proposed to miniaturize lens optical systems by combining a refractive lens and a metalense, and correcting the positive chromatic aberration that occurs in the refractive lens with a metalense that has negative chromatic aberration (see, for example, Patent Document 2).
- This technology was developed in light of these circumstances, and makes it possible to improve the optical performance of wide-angle lens optical systems that have metasurfaces.
- the lens optical system of the first aspect of the present technology comprises, in order from the light incident side, a first lens having positive refractive power and a second lens having positive refractive power, the first lens has a metasurface formed of a plurality of nanostructures arranged thereon, an aperture stop is arranged on the light incident side of the metasurface, and at least one optical surface of the second lens is configured to have an aspheric shape.
- a first lens having positive refractive power and a second lens having positive refractive power are provided in this order from the light incident side, a metasurface formed of a plurality of nanostructures is disposed on the first lens, an aperture stop is disposed on the light incident side of the metasurface, and at least one optical surface of the second lens has an aspheric shape.
- the imaging device of the second aspect of the present technology includes, in order from the light incident side, a first lens having positive refractive power and a second lens having positive refractive power, a metasurface formed of a plurality of nanostructures is disposed on the first lens, an aperture stop is disposed on the light incident side of the metasurface, and at least one optical surface of the second lens is configured to have an aspheric shape; a solid-state imaging element having light receiving elements arranged in a two-dimensional lattice pattern; and a glass substrate disposed between the light receiving surface of the solid-state imaging element and the lens optical system.
- a lens optical system in order from the light incident side, includes a first lens having positive refractive power and a second lens having positive refractive power, a metasurface formed of a plurality of nanostructures is disposed on the first lens, an aperture stop is disposed on the light incident side of the metasurface, and at least one optical surface of the second lens is configured to have an aspheric shape; a solid-state imaging element having light receiving elements arranged in a two-dimensional lattice pattern; and a glass substrate is disposed between the light receiving surface of the solid-state imaging element and the lens optical system.
- the lens optical system of the third aspect of the present technology is a lens optical system that includes, in order from the light incident side, a first lens having a negative refractive power near the optical axis, a second lens having a positive refractive power near the optical axis, and an optical element having a positive refractive power near the optical axis, the first optical surface of the optical element being configured as a flat or curved surface, and a metasurface formed of a plurality of nanostructures being disposed on the second optical surface of the optical element.
- a first lens having a negative refractive power near the optical axis, a second lens having a positive refractive power near the optical axis, and an optical element having a positive refractive power near the optical axis are provided in this order from the light incident side, the first optical surface of the optical element being configured with a flat or curved surface, and a metasurface formed of a plurality of nanostructures is disposed on the second optical surface of the optical element.
- the imaging device is an imaging device that includes, in order from the light incident side, a first lens having a negative refractive power near the optical axis, a second lens having a positive refractive power near the optical axis, and an optical element having a positive refractive power near the optical axis, the first optical surface of the optical element being configured as a flat or curved surface, and a metasurface formed of a plurality of nanostructures being arranged on the second optical surface of the optical element; a lens optical system; a solid-state imaging element having light receiving elements arranged in a two-dimensional lattice pattern; and a glass substrate arranged between the light receiving surface of the solid-state imaging element and the lens optical system.
- a lens optical system in order from the light incident side, a first lens having a negative refractive power near the optical axis, a second lens having a positive refractive power near the optical axis, and an optical element having a positive refractive power near the optical axis, the first optical surface of the optical element being configured as a flat or curved surface, and a metasurface formed of a plurality of nanostructures being arranged on the second optical surface of the optical element; a solid-state imaging element having light receiving elements arranged in a two-dimensional lattice pattern; and a glass substrate arranged between the light receiving surface of the solid-state imaging element and the lens optical system.
- the lens optical system of the fifth aspect of the present technology includes, in order from the light incident side, a first lens, a second lens, an optical element having positive refractive power near the optical axis, and a third lens, the first optical surface of the optical element being configured as a flat or curved surface, a metasurface formed of a plurality of nanostructures being disposed on the second optical surface of the optical element, the metasurface having positive refractive power, and when the first optical surface is disposed on the incident side of the second optical surface, the second lens has positive refractive power near the optical axis, and when the second optical surface is disposed on the incident side of the first optical surface, the third lens has positive refractive power.
- a first lens, a second lens, an optical element having positive refractive power near the optical axis, and a third lens are provided in order from the light incident side, the first optical surface of the optical element is configured with a flat or curved surface, a metasurface formed of a plurality of nanostructures is arranged on the second optical surface of the optical element, the metasurface has positive refractive power, when the first optical surface is arranged on the incident side from the second optical surface, the second lens has positive refractive power near the optical axis, and when the second optical surface is arranged on the incident side from the first optical surface, the third lens has positive refractive power.
- the imaging device is an imaging device comprising, in order from the light incident side, a first lens, a second lens, an optical element having a positive refractive power near the optical axis, and a third lens, the first optical surface of the optical element being configured as a flat or curved surface, a metasurface formed of a plurality of nanostructures being disposed on the second optical surface of the optical element, the metasurface having a positive refractive power, the second lens having a positive refractive power near the optical axis when the first optical surface is disposed on the incident side of the second optical surface, and the third lens having a positive refractive power when the second optical surface is disposed on the incident side of the first optical surface, a solid-state imaging element having light receiving elements arranged in a two-dimensional lattice pattern, and a glass substrate disposed between the light receiving surface of the solid-state imaging element and the lens optical system.
- a lens optical system in order from the light incident side, a first lens, a second lens, an optical element having a positive refractive power near the optical axis, and a third lens, the first optical surface of the optical element being configured as a flat or curved surface, a metasurface formed of a plurality of nanostructures being disposed on the second optical surface of the optical element, the metasurface having a positive refractive power, and when the first optical surface is disposed on the incident side of the second optical surface, the second lens has a positive refractive power near the optical axis, and when the second optical surface is disposed on the incident side of the first optical surface, the third lens has a positive refractive power; a solid-state imaging element having light receiving elements arranged in a two-dimensional lattice; and a glass substrate disposed between the light receiving surface of the solid-state imaging element and the lens optical system.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of a first embodiment of an imaging device to which the present technology is applied.
- 1A to 1C are diagrams illustrating the effect of including a lens optical system in a CSP structure.
- FIG. 13 is another diagram illustrating the effect of including a lens optical system in a CSP structure.
- FIG. 2 is a side view showing an example of the configuration of the lens optical system of FIG. 1 .
- FIG. 1 is a plan view of a metasurface.
- FIG. 1 is a perspective view of a portion of a metasurface.
- FIG. 5 is a diagram showing a first example of the lens optical system of FIG. 4 .
- FIG. 9 is a diagram showing the radius of curvature, the surface spacing, the refractive index, the Abbe number, and the effective diameter of each optical surface designed based on the specifications in FIG. 8 .
- FIG. 9 is a diagram showing the conic constants and coefficients of each optical surface designed based on the specifications of FIG. 8 .
- FIG. 9 shows the normalized wavelength, diffraction order, and coefficient of the metasurface designed based on the specifications of FIG. 8.
- FIG. 9 shows the profile of a metasurface designed based on the specifications of FIG. 8.
- 13A to 13C are diagrams showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion occurring in a lens optical system having the characteristics of FIGS. 9 to 12.
- FIG. 9 is a diagram showing the radius of curvature, the surface spacing, the refractive index, the Abbe number, and the effective diameter of each optical surface designed based on the specifications in FIG. 8 .
- FIG. 9 is a diagram showing the conic constants and coefficient
- FIG. 5 is a diagram showing a second specification example of the lens optical system of FIG. 4 .
- FIG. 15 is a diagram showing the radius of curvature, the surface spacing, the refractive index, the Abbe number, and the effective diameter of each optical surface designed based on the specifications in FIG. 14 .
- FIG. 15 is a diagram showing the conic constants and coefficients of each optical surface designed based on the specifications of FIG. 14.
- FIG. 15 shows the normalized wavelength, diffraction order, and coefficient of the metasurface designed based on the specifications of FIG. 14.
- FIG. 15 shows the profile of a metasurface designed based on the specifications of FIG. 14.
- FIGS. 15 to 18 are diagrams showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion occurring in a lens optical system having the characteristics of FIGS. 15 to 18.
- FIG. 5 is a diagram showing a third example of the lens optical system of FIG. 4 .
- FIG. 21 is a diagram showing the radius of curvature, the surface spacing, the refractive index, the Abbe number, and the effective diameter of each optical surface designed based on the specifications of FIG. 20.
- FIG. 21 is a diagram showing the conic constants and coefficients of each optical surface designed based on the specifications of FIG. 20.
- FIG. 21 shows the normalized wavelength, diffraction order, and coefficient of the metasurface designed based on the specifications of FIG. 20.
- FIG. 21 shows the profile of a metasurface designed based on the specifications of FIG. 20.
- 25A to 25C are diagrams showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion occurring in a lens optical system having the characteristics of FIGS. 21 to 24.
- 13 is a cross-sectional view showing another example structure of a metasurface. 13 is a side view showing an example configuration of a lens optical system in a second embodiment of an imaging device to which the present technology is applied.
- FIG. 28 is a diagram showing an example of the specifications of the lens optical system of FIG. 27.
- FIG. 29 is a diagram showing the radius of curvature, the surface spacing, the refractive index, the Abbe number, and the effective diameter of each optical surface designed based on the specifications of FIG. 28.
- FIG. 29 is a diagram showing the conic constants and coefficients of each optical surface designed based on the specifications of FIG. 28.
- FIG. 29 shows the normalized wavelength, diffraction order, and coefficient of the metasurface designed based on the specifications of FIG. 28.
- FIG. 29 shows the profile of a metasurface designed based on the specifications of FIG. 28.
- 33A to 33C are diagrams showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion occurring in a lens optical system having the characteristics of FIGS. 29 to 32 .
- 13 is a side view showing an example configuration of a lens optical system in a third embodiment of an imaging device to which the present technology is applied.
- FIG. 35A and 35B are diagrams illustrating examples of the lens optical system of FIG. 34.
- FIG. 36 is a diagram showing the radius of curvature, the surface spacing, the refractive index, the Abbe number, and the effective diameter of each optical surface designed based on the specifications of FIG. 35 .
- FIG. 36 is a diagram showing the conic constants and coefficients of each optical surface designed based on the specifications of FIG. 35.
- FIG. 36 shows the normalized wavelength, diffraction order, and coefficient of a metasurface designed based on the specifications of FIG. 35.
- FIG. 36 shows the profile of a metasurface designed based on the specifications of FIG. 35.
- 40A to 40C are diagrams showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion occurring in a lens optical system having the characteristics of FIGS. 36 to 39.
- FIG. 13 is a side view showing a configuration example of a lens optical system in a fourth embodiment of an imaging device to which the present technology is applied.
- FIG. 42 is a diagram showing an example of the specifications of the lens optical system of FIG. 41.
- FIG. 43 is a diagram showing the radius of curvature, surface spacing, refractive index, Abbe number, and effective diameter of each optical surface designed based on the specifications of FIG. 42.
- FIG. 43 is a diagram showing the conic constants and coefficients of each optical surface designed based on the specifications of FIG. 42.
- FIG. 43 shows the normalized wavelength, diffraction order, and coefficient of the metasurface designed based on the specifications of FIG. 42.
- FIG. 43 shows the profile of a metasurface designed based on the specifications of FIG. 42.
- FIGS. 43 to 46 are diagrams showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion occurring in a lens optical system having the characteristics of FIGS. 43 to 46.
- 13 is a side view showing an example configuration of a lens optical system in a fifth embodiment of an imaging device to which the present technology is applied.
- FIG. 49 is a diagram showing an example of the specifications of the lens optical system of FIG. 48.
- FIG. 50 is a diagram showing the radius of curvature, surface spacing, refractive index, Abbe number, and effective diameter of each optical surface designed based on the specifications of FIG. 49.
- FIG. 50 shows the normalized wavelength, diffraction order, and coefficient of a metasurface designed based on the specifications of FIG. 49.
- FIG. 50 shows the profile of one metasurface designed based on the specifications of FIG. 49.
- FIG. 50 shows the profile of the other metasurface designed based on the specifications of FIG. 49.
- 54A to 54C are diagrams showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion occurring in a lens optical system having the characteristics of FIGS. 50 to 53.
- FIG. 1 is a side view showing an example configuration of a lens optical system that includes only one metalens as a lens.
- 56 is a diagram showing an example of the specifications of the lens optical system of FIG. 55.
- FIG. 57 is a diagram showing the radius of curvature, surface spacing, refractive index, Abbe number, and effective diameter of each optical surface designed based on the specifications of FIG. 56.
- FIG. 57 shows the normalized wavelength, diffraction order, and coefficient of a metasurface designed based on the specifications of FIG. 56.
- FIG. 57 shows the profile of a metasurface designed based on the specifications of FIG. 56.
- 60A to 60C are diagrams showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion occurring in a lens optical system having the characteristics of FIGS. 57 to 59.
- 1 is a side view showing an example of the configuration of a lens optical system including only four optical lenses as lenses.
- FIG. 62 is a diagram showing an example of the specifications of the lens optical system of FIG. 61.
- FIG. 63 is a diagram showing the radius of curvature, surface spacing, refractive index, Abbe number, and effective diameter of each optical surface designed based on the specifications of FIG. 62.
- FIG. 63 is a diagram showing the conic constants and coefficients of each optical surface designed based on the specifications of FIG. 62.
- 65A and 65B are diagrams showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion occurring in a lens optical system having the characteristics of FIGS. 63 and 64.
- 1 is a block diagram showing an example of the configuration of an imaging device as an electronic device to which the present technology is applied.
- FIG. 1 is a diagram illustrating an example of use of an imaging device.
- 1 is a diagram illustrating an example of a schematic configuration of an endoscopic surgery system.
- FIG. 1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a vehicle control system
- 4 is an explanatory diagram showing an example of the installation positions of an outside-vehicle information detection unit and an imaging unit
- FIG. 1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a vehicle control system
- 4 is an explanatory diagram showing an example of the installation positions of an outside-vehicle information detection unit and an imaging unit
- FIG. 1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a vehicle control system
- 4 is an explanatory diagram showing an example of the installation positions of an outside-vehicle information detection unit and an imaging unit
- FIG. 1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a vehicle control system
- 4 is an explanatory diagram showing an example of the installation positions of an outside-vehicle information detection unit and an imaging unit
- FIG. 1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a vehicle control system
- 4 is an explanatory diagram showing an example
- First embodiment imaging device including a metalens and one optical lens
- Second embodiment imaging device including a metalens and two optical lenses
- Third embodiment imaging device including a metalens with a metasurface arranged on the light emission side and three optical lenses
- Fourth embodiment imaging device including a metalens with a metasurface arranged on the light incident side and three optical lenses
- Fifth embodiment imaging device including an optical element having two metasurfaces
- Imaging device including only one metalens as a lens
- Imaging device including only four optical lenses as lenses 8.
- Application example to electronic devices 9. Use example of imaging device 10.
- Application example to endoscopic surgery system 11.
- Application example to moving object Application example to moving object
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a first embodiment of an imaging device to which the present technology is applied.
- the imaging device 10 in FIG. 1 is composed of a thin circuit board 14 on which a solid-state imaging device 13 is mounted, a circuit board 15, and a spacer 16.
- the solid-state imaging device 13 has a CSP (chip size package) structure.
- the CSP structure is one of the structures of solid-state imaging devices that realizes a high pixel count, compact size, and low height, and is an extremely small package structure that is realized with a size similar to that of a single chip.
- the solid-state imaging device 13 is composed of a solid-state imaging element 21, adhesive 22, glass substrate 23, black resin 24, lens optical system 25, and fixing agent 26.
- the solid-state imaging element 21 is a CCD (Charge-Coupled Device) sensor or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor, and includes a semiconductor substrate 31 and an on-chip lens 32.
- the lower surface of the semiconductor substrate 31 in FIG. 1 is connected to the circuit board 14.
- a pixel array 41 and the like are formed on a light receiving surface 31a, which is a partial area of the upper surface of the semiconductor substrate 31 in FIG. 1, and is made up of light receiving elements corresponding to each of a plurality of pixels arranged in a two-dimensional lattice pattern.
- the on-chip lens 32 is formed at a position on the pixel array 41 that corresponds to each pixel.
- the adhesive 22 is a transparent adhesive that is applied to the upper surface in FIG. 1, including the light receiving surface 31a of the solid-state imaging element 21.
- the glass substrate 23 is adhered to the solid-state imaging element 21 via the adhesive 22 for the purposes of fixing the solid-state imaging element 21 and protecting the light receiving surface 31a.
- the black resin 24 is formed on the surface of the glass substrate 23 opposite the adhesive surface to which the adhesive 22 is applied, and functions as a spacer.
- the bandpass filter (not shown) of the lens optical system 25 is placed on top of the glass substrate 23 via this black resin so that it is parallel to the glass substrate 23. This positions the glass substrate 23 between the lens optical system 25 and the light receiving surface 31a.
- the black resin 24 (black mask) blocks the light that is incident via the lens optical system 25 and that is outside the light receiving surface 31a.
- the lens optical system 25 is a wide-angle lens optical system.
- the configuration of the lens optical system 25 will be described in detail with reference to FIG. 4 below.
- the fixing agent 26 is applied to the sides of the solid-state imaging element 21, adhesive 22, glass substrate 23, black resin 24, and lens optical system 25, and around the light incident surface of the lens optical system 25 (top surface in FIG. 1).
- the fixing agent 26 fixes the solid-state imaging element 21, adhesive 22, glass substrate 23, black resin 24, and lens optical system 25.
- This fixing agent 26 can reduce light that is incident from the side of the solid-state imaging device 13 and is refracted or reflected.
- the fixing agent 26 can also block light that is incident on the solid-state imaging device 13 from outside the area corresponding to the light receiving surface 31a.
- Each light-receiving element in the pixel array 41 receives the light and generates an electrical signal according to the amount of light received, thereby capturing an image.
- the lens optical system 25 is included within the CSP structure of the solid-state imaging device 13, so the imaging device 10 can be made smaller than when the lens optical system 25 is provided separately.
- the circuit board 14 is connected to the lower surface of the semiconductor substrate 31 in FIG. 1, and outputs a camera signal corresponding to the electrical signal generated by each light receiving element to the spacer 16.
- Circuit board 15 is a circuit board for outputting the camera signal output from circuit board 14 via spacer 16 to the outside, and electronic components and the like are mounted on it.
- Circuit board 15 has connector 15a for connecting to an external device, and outputs the camera signal to the external device.
- Spacer 16 is a spacer with a built-in circuit for fixing an actuator (not shown) that drives lens optical system 25 and circuit board 15.
- Semiconductor components 16a and 16b, etc. are mounted on spacer 16.
- Semiconductor components 16a and 16b are semiconductor components that constitute a capacitor and an LSI (Large Scale Integration) that controls an actuator (not shown) that drives lens optical system 25.
- Spacer 16 outputs a camera signal output from circuit board 14 to circuit board 15.
- FIG. 2 and A in FIG. 3 are cross-sectional views of the solid-state imaging element 21, adhesive 22, and part of the glass substrate 23, and B in FIG. 2 and B in FIG. 3 are diagrams showing captured images.
- the lens optical system 25 is fixed to the solid-state imaging element 21 and the like by a fixing agent 26, and is included in the solid-state imaging device 13 with a CSP structure. Therefore, even if the thickness of the adhesive 22 and the glass substrate 23 placed on the solid-state imaging element 21 is reduced, the strength of the entire solid-state imaging device 13 can be ensured. As a result, the glass substrate 23 can be made thin, as shown in Figure 2A.
- the distance between the receiving position of light 51 directly incident from the light source and the receiving position of reflected light 53 corresponds to the total thickness of adhesive 22 and glass substrate 23, and the greater the total thickness, the longer the distance.
- glass substrate 23 can be made thin, so the distance between the receiving position of light 51 and the receiving position of light 53 can be shortened and made smaller than the radius of the image of light 51, for example.
- circular region 62 corresponding to the image of light 53 is included within circular region 61 corresponding to the image of light 51. This makes it possible to suppress the occurrence of flare and ghosting in captured image 60 and improve the image quality of captured image 60.
- the refractive index of the air layer between the glass substrate 23 and the lens optical system 25 is 1.0, and the refractive index of the glass substrate 23 is, for example, 1.5.
- the lens optical system 25 is not included in the CSP structure of the solid-state imaging device, in order to ensure the strength of the entire solid-state imaging device, it is necessary to provide a thick glass substrate 70 on the solid-state imaging element 21, as shown in FIG. 3A, for example.
- the refractive index of the glass substrate 70 is, for example, 1.5, the same as that of the glass substrate 23.
- a circular region 82 corresponding to the image of light 71 is larger than a circular region 61 corresponding to the image of light 51. Therefore, a region 82a of region 82 outside region 61 causes flare and ghosting in the subject image, degrading the image quality of the captured image 80.
- the thickness of the glass substrate 70 is reduced to prevent deterioration of the image quality of the captured image 80, the strength of the entire solid-state imaging device decreases, making it difficult to obtain good results in reliability tests such as drop tests.
- the imaging device 10 includes the lens optical system 25 in the CSP structure of the solid-state imaging device 13, so that the durability of the entire solid-state imaging device 13 can be ensured while suppressing deterioration in the quality of the captured image.
- the imaging device 10 can be made more compact by making the glass substrate 23 thinner.
- FIG. 4 is a side view showing an example of the configuration of the lens optical system 25. As shown in FIG. 4
- the lens optical system 25 includes, in order from the light incident side (left side in FIG. 4), a metalens 101 (first lens), an optical lens 102 (second lens), and a bandpass filter 103.
- the metalens 101 is an optical element that has positive refractive power near the optical axis.
- An aperture stop 111 is arranged on the optical surface 101a on the light incident side (image enlargement side) of the metalens 101.
- a metasurface 112 formed of multiple nanostructures is arranged on the optical surface 101b on the light exit side (image reduction side) of the metalens 101. That is, the aperture stop 111 is arranged on the incident side of the metasurface 112. Note that although the aperture stop 111 is arranged on the optical surface 101a in the example of FIG. 4, it may be separated from the metalens 101 as long as it is arranged on the incident side of the metasurface 112.
- Optical lens 102 has positive refractive power near the optical axis.
- Optical surface 102a on the light incident side and optical surface 102b on the light exit side of optical lens 102 have aspheric shapes with inflection points. Note that, although it is assumed here that both optical surfaces 102a and 102b have aspheric shapes with inflection points, it is sufficient that at least one of the shapes has an aspheric shape with an inflection point.
- the bandpass filter 103 transmits only light of a specific frequency from the light incident on the optical surface 103a on the light input side, and allows it to exit from the optical surface 103b on the light output side.
- An example of the bandpass filter 103 is an infrared cut filter (IRCF).
- lens optical system 25 Light from the subject is incident on optical surface 101a of metalens 101 and exits via optical surfaces 101b, 102a, 102b, 103a, and 103b.
- the light thus exited from lens optical system 25 is focused on light-receiving surface 31a via glass substrate 23, adhesive 22, and on-chip lens 32.
- FIG. 4 to simplify the drawing, only light-receiving surface 31a is shown, but in reality, glass substrate 23, adhesive 22, and on-chip lens 32 are present between lens optical system 25 and light-receiving surface 31a. This is also true in FIGS. 27, 34, 41, 48, 55, and 61, which will be described later.
- the lens optical system 25 realizes a wide-angle lens optical system by using the metalens 101 and the optical lens 102. Therefore, it can be made smaller than when a wide-angle lens optical system is realized by using only an optical lens.
- the metalens 101 has an aperture stop 111 on the optical surface 101a on the light incidence side, so that, as shown in FIG. 4, the on-axis light beam and the off-axis light beam incident on the metasurface 112 can be separated.
- the optical lens 102 it is possible to easily correct aberrations such as coma aberration, field curvature, astigmatism, spherical aberration, and distortion aberration, which depend on the angle of incidence of the off-axis light beam.
- the angle of incidence of the off-axis light beam with respect to the metasurface 112 is smaller (shallower) than when the off-axis light beam is directly incident on the metasurface 112 from the air.
- metasurfaces As described in David Sell, Jianji Yang, Sage Doshay, Rui Yang, Jonathan A. Fan, “Large-Angle, Multifunctional Metagratings Based on Freeform Multimode Geometries,” Nano Letters, vol. 17, issue 6, pp. 3752-3757, June 2017, metasurfaces generally exhibit decreasing efficiency as the diffraction angle increases.
- the metalens 101 and the optical lens 102 have positive refractive power near the optical axis, so that a thinner lens optical system 25 with a small F-number (brighter) can be realized compared to when either one of them has negative refractive power.
- the optical lens 102 has aspheric optical surfaces 102a and 102b, which can correct the aberration that occurs in the metasurface 112. Therefore, the lens optical system 25 is small, can reduce aberration, and can improve optical performance. This aberration correction function is further improved by the aspheric shape having an inflection point.
- the metasurface 112 is arranged on the optical surface 101b on the light output side, so that it is possible to suppress changes in performance when the thickness of the metalens 101 changes due to manufacturing variations, etc.
- Figure 5 is a plan view of metasurface 112.
- metasurface 112 is constructed by forming a plurality of nanostructures 132 on substrate 131.
- the planar shape of substrate 131 is, for example, a circle having a radius 133.
- Substrate 131 and nanostructures 132 are desirably dielectric materials made of TiO2, SiO2, ⁇ -Si, SiN, TiN, SiON, TiON, or the like.
- Figure 6 is a perspective view of an area of the metasurface 112 where one nanostructure 132 is arranged.
- the shape of the nanostructure 132 is, for example, cylindrical.
- the nanostructure 132 is a nano-order structure that polarizes the incident light and modulates the phase and amplitude. Therefore, the wavefront of the light that has passed through the metasurface 112 is different from the wavefront of the light that has been incident on the metasurface 112.
- Figure 7 is a cross-sectional view of a region of the metasurface 112 where two nanostructures 132 are arranged.
- the shape of the nanostructure 132 is cylindrical, and therefore the cross-sectional shape of the nanostructure 132 is rectangular, as shown in FIG. 7.
- the shape of the nanostructure 132 is not limited to a cylindrical shape, and the cross-sectional shape may be a polygon such as a square or a rectangle, or a shape including curves such as a circle or an ellipse.
- the nanostructure 132 may be hollow.
- the amount of phase delay in the metasurface 112 can be controlled by adjusting the height H and width W of the nanostructure 132, the distance L between two adjacent nanostructures 132, etc.
- the width W and distance L are set within the range of 50 to 750 nm, for example, and the height H is set within the range of 50 to 1000 nm, for example.
- FIG. 8 is a diagram showing a first example of the lens optical system 25. As shown in FIG. 8
- the focal length is 0.81 mm
- the F-number (Fno) is 1.61
- the FOV (Field Of View) is 154 degrees
- the total length TTL of the lens optical system 25 is 2.04. Therefore, 1/(Fno x TTL) is approximately 0.305.
- the table in Figure 9 shows, for each surface number, the radius of curvature, surface spacing, refractive index nd for the d-line (wavelength 588 nm), Abbe number vd for the d-line, and effective diameter of the optical surface 101a, 101b, 102a, 102b, 103a, or 103b corresponding to that surface number.
- the radius of curvature of optical surface 101a which has surface number "1" is infinity (Inf)
- the surface distance to optical surface 101b is 0.80 mm
- the refractive index nd is 1.459
- vd is 62.0
- the effective diameter is 0.25 mm. Therefore, the distance between aperture stop 111 arranged on optical surface 101a and metasurface 112 arranged on optical surface 101b is 0.80 mm.
- the radius of curvature of optical surface 101b, which has surface number "2”, is infinity
- the surface distance to optical surface 102a is 0.16 mm
- the effective diameter is 0.95 mm.
- the radius of curvature of optical surface 102a which has surface number "3" is -3.749, the surface distance to optical surface 102b is 0.67 mm, the refractive index nd is 1.595, vd is 39.0, and the effective diameter is 0.98 mm.
- the radius of curvature of optical surface 102b, which has surface number "4", is -0.899, the surface distance to optical surface 103a is 0.17 mm, and the effective diameter is 0.98 mm.
- optical surface 103a which has surface number "5", is infinite, the surface spacing with optical surface 103b is 0.20 mm, the refractive index nd is 1.51, vd is 62.6, and the effective diameter is 1.04 mm.
- the table in FIG. 10 corresponds to each surface number of the optical surfaces 102a and 102b and shows the conic constant and coefficients in function of the amount of sag as a profile of the aspheric shape of the optical surface 102a or 102b corresponding to that surface number.
- the amount of sag is expressed by the following formula (1):
- Z is the sag amount in a direction parallel to the optical axis of the lens optical system 25
- r is the distance from the optical axis
- C is the curvature, i.e., the reciprocal of the radius of curvature
- K is the conic constant
- A2i is a coefficient.
- the conic constant K of the optical surface 102a with surface number "3" is 2.4362965.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10, A12 , and A14 are -0.003873, 0.0641387 , -0.018984, 0.0004119, -0.00066, and -0.000145, respectively.
- the coefficients A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 102b having the surface number "4" is -2.849617.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are 0.1496968, 0.0578361, -0.003066, -0.00244, 0.000504, and -0.000199, respectively.
- the coefficients A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the table in FIG. 11 shows the normalized wavelength, diffraction order, and coefficient as a function of the phase delay amount as the phase profile of the metasurface 112 placed on the optical surface 101b, corresponding to the surface number of the optical surface 101b.
- phase delay (phase shift) is expressed by the following equation (2).
- Equation (2) ⁇ is the phase delay
- r is the distance from the optical axis
- ⁇ is the normalized wavelength
- M is the diffraction order
- ⁇ 2i is a coefficient.
- the function of equation (2) represents the phase delay at each position on the radius 133 of the metasurface 112 in FIG. 5 described above.
- the metasurface 112 disposed on the optical surface 101b with surface number “2” has a normalized wavelength ⁇ of 940 and a diffraction order M of 1.
- the coefficients ⁇ 2 , ⁇ 4 , ⁇ 6 , ⁇ 8 , ⁇ 10 , ⁇ 12 , ⁇ 14 , ⁇ 16 , ⁇ 18 , and ⁇ 20 are ⁇ 0.542061, ⁇ 0.030163, ⁇ 0.217498, 0.4722183, ⁇ 0.331914, 0.2195586, ⁇ 0.045823, ⁇ 0.11199, ⁇ 0.04155, and 0.070801, respectively.
- the graph in Figure 12 shows the profile of the metasurface 112.
- the horizontal axis represents the distance r [mm] from the optical axis
- the vertical axis represents the phase delay amount ⁇ [ ⁇ ⁇ 1 ]. This also applies to FIGS. 18, 24, 32, 39, 46, 52, 53, and 59, which will be described later.
- the phase delay amount ⁇ changes from 0 to approximately -500, so that the phase delay amount ⁇ becomes larger in the negative direction as the distance r increases.
- FIG. 13 is a diagram showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion occurring in a lens optical system 25 having the characteristics shown in FIGS.
- a in FIG. 13 is a graph showing the longitudinal spherical aberration that occurs in a lens optical system 25 having the characteristics of FIGS. 9 to 12.
- the horizontal axis shows the shift in the focusing position (Focus) [mm]
- the vertical axis shows the incident position (height) of the light beam.
- FIG. 13 is a graph showing the field curves that occur in a lens optical system 25 having the characteristics of FIGS. 9 to 12.
- the horizontal axis represents the shift amount (Focus) [mm] of the focusing position
- the vertical axis represents the angle [degrees] corresponding to the incident position of the light in the sagittal or tangential direction.
- the solid line represents the relationship between the shift amount between the incident position in the sagittal direction and the focusing position
- the dotted line represents the relationship between the shift amount between the incident position in the tangential direction and the focusing position.
- the difference in the shift amount between the focusing position in the sagittal direction and the tangential direction is astigmatic.
- C in FIG. 13 is a graph showing distortion that occurs in a lens optical system 25 having the characteristics of FIGS. 9 to 12.
- the horizontal axis shows distortion [%]
- the vertical axis shows the angle of incidence of the light ray [degrees].
- FIG. 14 is a diagram showing a second specification example of the lens optical system 25.
- FIG. 14 is a diagram showing a second specification example of the lens optical system 25.
- the focal length is 1.03 mm
- the F-number is 1.60
- the FOV is 100 degrees
- the total length TTL of the lens optical system 25 is 2.39. Therefore, 1/(Fno x TTL) is approximately 0.261.
- the table in FIG. 15 shows, for each surface number, the radius of curvature, surface spacing, refractive index nd, Abbe number vd, and effective diameter of the optical surface 101a, 101b, 102a, 102b, 103a, or 103b corresponding to that surface number.
- the radius of curvature of optical surface 101a which has surface number "1" is infinite
- the surface distance to optical surface 101b is 0.80 mm
- the refractive index nd is 1.459
- vd is 62.0
- the effective diameter is 0.37 mm. Therefore, the distance between aperture stop 111 arranged on optical surface 101a and metasurface 112 arranged on optical surface 101b is 0.80 mm.
- the radius of curvature of optical surface 101b, which has surface number "2”, is infinite, the surface distance to optical surface 102a is 0.13 mm, and the effective diameter is 0.82 mm.
- the radius of curvature of optical surface 102a which has surface number "3" is -2.7012, the surface distance to optical surface 102b is 0.80 mm, the refractive index nd is 1.6, vd is 27.4, and the effective diameter is 0.84 mm.
- the radius of curvature of optical surface 102b, which has surface number "4", is -0.9946, the surface distance to optical surface 103a is 0.4213 mm, and the effective diameter is 0.84 mm.
- optical surface 103a which has surface number "5"
- the surface spacing with optical surface 103b is 0.20 mm
- the refractive index nd is 1.595
- vd is 39.0
- the effective diameter is 0.94 mm.
- the radius of curvature of optical surface 103b, which has surface number "6" is infinite, and the effective diameter is 1.01 mm.
- the table in FIG. 16 shows, in association with each surface number of the optical surfaces 102a and 102b, the conic constant K and the coefficient A2i in the above-mentioned formula (1) as the profile of the aspheric shape of the optical surface 102a or 102b corresponding to that surface number.
- the conic constant K of the optical surface 102a with surface number "3" is 2.242443.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are 0.0642328, 0.0504547, -0.004702, -0.0039997, -0.000857, and 0.0004864, respectively.
- the coefficients A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 102b having the surface number "4" is 0.0504277.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are 0.2520381, 0.0229442, 0.0045332, -0.000557, 0.0004902, and -0.0000222, respectively.
- the coefficients A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the table in Figure 17 shows the normalized wavelength ⁇ , diffraction order M, and coefficient ⁇ 2i in the above-mentioned equation (2) as the phase profile of the metasurface 112 placed on the optical surface 101b, corresponding to the surface number of the optical surface 101b .
- the metasurface 112 disposed on the optical surface 101b having the surface number "2" has a normalized wavelength ⁇ of 940 and a diffraction order M of 1.
- the coefficients ⁇ 2 , ⁇ 4 , ⁇ 6 , ⁇ 8, ⁇ 10 , ⁇ 12 , ⁇ 14 , ⁇ 16 , ⁇ 18 , and ⁇ 20 are -0.412474, -0.033781, -0.369616, 0.8395306, -0.124929, 0.4159581, -0.114981 , 0.434867, -1.42176, and -0.76645, respectively.
- the graph in Figure 18 shows the profile of the metasurface 112.
- the phase delay amount ⁇ changes from 0 to approximately -300, so that the phase delay amount ⁇ becomes larger in the negative direction as the distance r increases.
- FIG. 19 is a diagram showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion occurring in a lens optical system 25 having the characteristics shown in FIGS.
- a of FIG. 19, like A of FIG. 13, is a graph showing the vertical spherical aberration that occurs in a lens optical system 25 having the characteristics of FIGS. 15 to 18.
- B of FIG. 19, like B of FIG. 13, is a graph showing the field curvature that occurs in a lens optical system 25 having the characteristics of FIGS. 15 to 18.
- C of FIG. 19, like C of FIG. 13, is a graph showing the distortion aberration that occurs in a lens optical system 25 having the characteristics of FIGS. 15 to 18.
- FIG. 20 is a diagram showing a third example of the lens optical system 25.
- FIG. 20 is a diagram showing a third example of the lens optical system 25.
- the focal length is 1.20 mm
- the F-number is 1.61
- the FOV is 90 degrees
- the total length TTL of the lens optical system 25 is 2.55. Therefore, 1/(Fno x TTL) is approximately 0.243.
- the table in FIG. 21 shows, for each surface number, the radius of curvature, surface spacing, refractive index nd, Abbe number vd, and effective diameter of the optical surface 101a, 101b, 102a, 102b, 103a, or 103b corresponding to that surface number.
- the radius of curvature of optical surface 101a which has surface number "1" is infinite
- the surface distance to optical surface 101b is 0.80 mm
- the refractive index nd is 1.459
- vd is 62.0
- the effective diameter is 0.37 mm. Therefore, the distance between aperture stop 111 arranged on optical surface 101a and metasurface 112 arranged on optical surface 101b is 0.80 mm.
- the radius of curvature of optical surface 101b, which has surface number "2”, is infinite, the surface distance to optical surface 102a is 0.13 mm, and the effective diameter is 0.82 mm.
- the radius of curvature of optical surface 102a which has surface number "3" is -2.524507, the surface distance to optical surface 102b is 0.80 mm, the refractive index nd is 1.595, vd is 39.0, and the effective diameter is 0.84 mm.
- optical surface 103a which has surface number "5"
- the surface spacing with optical surface 103b is 0.2 mm
- the refractive index nd is 1.51
- vd is 62.6
- the effective diameter is 0.94 mm.
- the radius of curvature of optical surface 103b, which has surface number "6" is infinite, and the effective diameter is 1.01 mm.
- the table in FIG. 22 shows, in association with each surface number of the optical surfaces 102a and 102b, the conic constant K and the coefficient A2i in the above-mentioned formula (1) as the profile of the aspheric shape of the optical surface 102a or 102b corresponding to that surface number.
- the conic constant K of the optical surface 102a having the surface number "3" is 2.7293601.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are 0.0347099, 0.0447354, -0.001998, -0.001298, -0.001061, and 0.0003731, respectively.
- the coefficients A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 102b having the surface number "4" is 0.5145065.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are 0.1001691, 0.022864, -0.001318, 0.0006834, -0.000213, and 0.0001393, respectively.
- the coefficients A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the table in Figure 23 shows the normalized wavelength ⁇ , diffraction order M, and coefficient ⁇ 2i in the above-mentioned equation (2) as the phase profile of the metasurface 112 placed on the optical surface 101b, corresponding to the surface number of the optical surface 101b .
- the normalized wavelength ⁇ of the metasurface 112 arranged on the optical surface 101b with surface number "2" is 940
- the diffraction order M is 1
- the coefficients ⁇ 2 , ⁇ 4 , ⁇ 6 , ⁇ 8 , ⁇ 10 , ⁇ 12 , ⁇ 14 , ⁇ 16 , ⁇ 18 , and ⁇ 20 are -0.373487, -0.019637, -0.348766, 0.8586982, -0.062983, 0.4206822, 0.0439471, 0.522635, -1.66839, and -1.48427, respectively.
- the graph in Figure 24 shows the profile of the metasurface 112.
- the phase delay amount ⁇ changes from 0 to approximately -200, so that the phase delay amount ⁇ becomes larger in the negative direction as the distance r increases.
- FIG. 25 is a diagram showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion occurring in a lens optical system 25 having the characteristics of FIGS.
- a of FIG. 25, like A of FIG. 13, is a graph showing the vertical spherical aberration that occurs in a lens optical system 25 having the characteristics of FIGS. 21 to 24.
- B of FIG. 25, like B of FIG. 13, is a graph showing the field curvature that occurs in a lens optical system 25 having the characteristics of FIGS. 21 to 24.
- C of FIG. 25, like C of FIG. 13, is a graph showing the distortion aberration that occurs in a lens optical system 25 having the characteristics of FIGS. 21 to 24.
- the spherical aberration shown in A of FIG. 25 is larger than the spherical aberration shown in A of FIG. 13 and A of FIG. 19.
- the field curvature shown in B of FIG. 25 is larger than the field curvature shown in B of FIG. 13 and B of FIG. 19.
- the FOV is 90 degrees in the specifications of FIG. 20, but 154 degrees in the specifications of FIG. 8 and 100 degrees in the specifications of FIG. 14. Therefore, it can be seen that when the FOV is 100 degrees or more, the lens optical system 25 can further reduce spherical aberration and field curvature and further improve optical performance. Therefore, it is desirable for the FOV (angle of view) to be 100 degrees or more.
- the distance between the aperture stop 111 and the metasurface 112 is 0.8 mm, but is not limited to 0.8 mm as long as it is greater than 0.6 mm. If the distance between the aperture stop 111 and the metasurface 112 is greater than 0.6 mm, the off-axis light beam can be separated more, and the aberration of the off-axis light beam can be corrected more easily.
- the metasurface 112 is constructed by forming one layer of nanostructures 132 on the substrate 131, but it may also be constructed by forming multiple layers of nanostructures.
- Figure 26 is a cross-sectional view of a region of a metasurface 112 formed by two layers of nanostructures, where two nanostructures are arranged on each layer.
- metasurface 112 in FIG. 26 differs from metasurface 112 in FIG. 7 in that two layers of nanostructures are formed on substrate 131, but is otherwise configured in the same way as metasurface 112 in FIG. 7.
- both the upper nanostructure 151 and the lower nanostructure 152 are cylindrical in shape. Therefore, as shown in Figure 26, the cross-sectional shapes of both nanostructures 151 and 152 are rectangular.
- the shapes of nanostructures 151 and 152 are not limited to a cylindrical shape, similar to nanostructure 132, and nanostructures 151 and 152 may be hollow.
- the materials of nanostructure 151 and nanostructure 152 may be the same or different.
- the light incident on the metasurface 112 is, for example, incident on the nanostructure 151 where the phase is modulated, and then incident on the nanostructure 152 where the phase is further modulated.
- the amount of phase delay in the metasurface 112 can be controlled by adjusting the height H1 and width W1 of the nanostructure 151, the distance L1 between two adjacent nanostructures 151, the height H2 and width W2 of the nanostructure 152, the distance L2 between two adjacent nanostructures 152, and the like.
- the widths W1 and W2 and the distances L1 and L2 are set, for example, within the range of 50 to 750 nm, and the heights H1 and H2 are set, for example, within the range of 50 to 1000 nm.
- the second embodiment of the imaging device to which the present technology is applied has the same configuration as the first embodiment except for the lens optical system, so only the lens optical system will be described below.
- FIG. 27 is a side view showing an example of the configuration of a lens optical system in a second embodiment of an imaging device to which this technology is applied.
- the lens optical system 211 in FIG. 27 differs from the lens optical system 25 in that, instead of the metalens 101 and optical lens 102, an optical lens 221, an aperture stop 222, an optical lens 223, and an optical element 224 are provided, and is otherwise configured in the same way as the lens optical system 25.
- the lens optical system 211 includes, in order from the light incident side (left side in FIG. 27), an optical lens 221, an aperture stop 222, an optical lens 223, an optical element 224, and a bandpass filter 103.
- Optical lens 221 (first lens) has negative refractive power near the optical axis indicated by the dashed line in FIG. 27.
- Aperture stop 222 is disposed between optical lens 221 and optical lens 223 so as to be in contact with optical lens 223. Aperture stop 222 limits the light incident on optical lens 223 via optical lens 221.
- Optical lens 223 (second lens) has positive refractive power near the optical axis.
- Optical element 224 has positive refractive power near the optical axis.
- Optical surface 224a (first optical surface) on the light incident side of optical element 224 is configured as a flat or curved surface.
- Metasurface 231 having a structure similar to metasurface 112 is arranged on optical surface 224b (second optical surface) on the light exit side of optical element 224.
- Light from the subject is incident on optical surface 221a on the light entrance side of optical lens 221, and is emitted from optical surface 221b on the light exit side to aperture stop 222.
- the light that is incident on aperture stop 222 and restricted is emitted from optical surface 223b on the light exit side to optical surface 224a via optical surface 223a on the light entrance side of optical lens 223.
- the light that is incident on optical surface 224a is emitted via optical surfaces 224b, 103a, and 103b.
- the light that is emitted from lens optical system 211 in this way is focused on light receiving surface 31a via glass substrate 23, adhesive 22, and on-chip lens 32.
- the lens optical system 211 realizes a wide-angle lens optical system by the optical element 224 on which the metasurface 231 is arranged and the two optical lenses 221 and 223. Therefore, it can be made smaller than when a wide-angle lens optical system is realized by optical lenses alone.
- the optical lens 223 and the optical element 224 have positive refractive power, it is possible to realize a lens optical system 211 that is thinner and has a smaller F-number than when either one of them has negative refractive power. Since the optical lens 221 has negative refractive power and the optical lens 223 and the optical element 224 have positive refractive power, it is possible to realize a lens optical system 211 with a large aperture.
- the metasurface 231 is disposed on the optical surface 224b on the light output side of the optical element 224, it is possible to separate the on-axis light beam and the off-axis light beam incident on the metasurface 231. As a result, the aberration of the off-axis light beam can be easily corrected in the metasurface 231, and the optical performance can be improved.
- the necessary amount of refraction and phase delay can be shared between the optical lens 223 and the optical element 224. This makes it possible to reduce the amount of refraction, i.e., the amount of phase delay, in the metasurface 231 placed on the optical element 224. As a result, it is possible to suppress a decrease in efficiency in the metasurface 231 and improve optical performance.
- Aperture stop 222 is provided between optical lenses 221 and 223, which makes it easier for optical lens 223 to correct spherical aberration, and further reduces the amount of refraction in metasurface 231. As a result, this contributes to suppressing the decrease in efficiency in metasurface 231.
- FIG. 28 is a diagram showing an example of the specifications of the lens optical system 211 in FIG.
- the focal length is 0.84 mm
- the F-number is 1.10
- the FOV is 138 degrees
- the total length TTL of the lens optical system 211 is 2.45. Therefore, 1/(Fno ⁇ TTL) is approximately 0.371.
- the table in FIG. 29 shows, for each surface number, the radius of curvature, surface spacing, refractive index nd, Abbe number vd, and effective diameter of the optical surface 221a, 221b, 223a, 223b, 224a, 224b, 103a, or 103b corresponding to that surface number.
- the radius of curvature of optical surface 221a which has surface number "1," is -5.579, the surface distance to optical surface 221b is 0.15 mm, the refractive index nd is 1.595, vd is 39.0, and the effective diameter is 0.74 mm.
- the radius of curvature of optical surface 221b, which has surface number "2,” is 6.142, the surface distance to optical surface 223a is 0.227 mm, and the effective diameter is 0.52 mm.
- the radius of curvature of optical surface 223a which has surface number "3" is 4.634, the surface distance to optical surface 223b is 0.371 mm, the refractive index nd is 1.595, vd is 39.0, and the effective diameter is 0.33 mm.
- the radius of curvature of optical surface 223b, which has surface number "4", is -2.208, the surface distance to optical surface 224a is 0.06 mm, and the effective diameter is 0.51 mm.
- the radius of curvature of optical surface 224b, which has surface number "6", is infinite, the surface distance to optical surface 103a is 0.593 mm, and the effective diameter is 0.89 mm.
- the radius of curvature of optical surface 103a, which has surface number "7”, is infinite, the surface distance to optical surface 103b is 0.2 mm, the refractive index nd is 1.51, vd is 62.6, and the effective diameter is 1.07 mm.
- the table in FIG. 30 shows, in association with each surface number of the optical surfaces 221a, 221b, 223a, and 224b, the conic constant K and the coefficient A2i in the above-mentioned formula (1) as the profile of the aspheric shape of the optical surface 221a, 221b, 223a, or 224b corresponding to that surface number.
- the conic constant K of the optical surface 221a having the surface number "1" is -0.604419.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are 1.3947, -5.014259, 21.68061, -56.97279, 81.03975, and -45.62548, respectively.
- the coefficients A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 221b having the surface number "2" is -2.385398.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are 2.5977462, -23.95668, 265.93437, -1570.59, 4777.2221, and -5673.43, respectively.
- A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 223a having the surface number "3" is 4.6341554.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are 0.344297, -1.049793, -0.005844, -0.000285, and -0.0000447, respectively.
- A14, A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 223b having the surface number "4" is 2.473324.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are -0.681893, 3.6442254, -38.86978, 167.95473, -378.1497, and 289.28276, respectively.
- A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the table in Figure 31 shows the normalized wavelength ⁇ , diffraction order M, and coefficient ⁇ 2i in the above-mentioned equation (2) as the phase profile of the metasurface 231 placed on the optical surface 224b, corresponding to the surface number of the optical surface 224b .
- the metasurface 231 disposed on the optical surface 224b with surface number “6” has a normalized wavelength ⁇ of 940 and a diffraction order M of 1.
- the coefficients ⁇ 2 , ⁇ 4 , ⁇ 6 , ⁇ 8 , ⁇ 10 , ⁇ 12 , ⁇ 14 , ⁇ 16 , ⁇ 18 , and ⁇ 20 are ⁇ 0.540842, 0.1514777, ⁇ 0.435342, 1.4528731, ⁇ 1.683942, ⁇ 0.925614, 4.997886, ⁇ 5.73152, 3.030955, and ⁇ 0.62316, respectively.
- the graph in Figure 32 shows the profile of metasurface 231.
- the phase delay amount ⁇ changes from 0 to approximately -400, so that the phase delay amount ⁇ becomes larger in the negative direction as the distance r increases.
- FIG. 33 is a diagram showing an example of spherical aberration, field curvature, and distortion that occurs in the lens optical system 211 having the characteristics of FIGS.
- a of FIG. 33 is a graph showing the vertical spherical aberration that occurs in a lens optical system 211 having the characteristics of FIGS. 29 to 32.
- B of FIG. 33 is a graph showing the field curvature that occurs in a lens optical system 211 having the characteristics of FIGS. 29 to 32.
- C of FIG. 33 is a graph showing the distortion aberration that occurs in a lens optical system 211 having the characteristics of FIGS. 29 to 32.
- the FOV when the FOV is 100 degrees or more, the spherical aberration and field curvature of the lens optical system 211 can be further reduced, and the optical performance can be further improved. Therefore, it is desirable for the FOV to be 100 degrees or more.
- the distance between the aperture stop 222 and the metasurface 231 is 1.089 mm, but is not limited to 1.089 mm as long as it is greater than 0.6 mm. If the distance between the aperture stop 222 and the metasurface 231 is greater than 0.6 mm, the off-axis light beam can be more easily separated from the on-axis light beam, and the aberration of the off-axis light beam can be more easily corrected.
- the third embodiment of the imaging device to which the present technology is applied has the same configuration as the first embodiment except for the lens optical system, so only the lens optical system will be described below.
- FIG. 34 is a side view showing an example of the configuration of a lens optical system in a third embodiment of an imaging device to which this technology is applied.
- the lens optical system 311 in FIG. 34 differs from the lens optical system 25 in that, instead of the metalens 101 and optical lens 102, an optical lens 321, an aperture stop 322, an optical lens 323, an optical element 324, and an optical lens 325 are provided, but otherwise it is configured in the same way as the lens optical system 25.
- the lens optical system 311 includes, in order from the light incident side (left side in FIG. 34), an optical lens 321 (first lens), an aperture stop 322, an optical lens 323, an optical element 324, an optical lens 325 (third lens), and a bandpass filter 103.
- Optical lens 321 has the function of ensuring the amount of light of off-axis light beams and correcting field curvature and distortion aberration.
- Aperture diaphragm 322 is disposed between optical lens 321 and optical lens 323, for example so as to be in contact with optical lens 323.
- aperture diaphragm 322 is disposed so as to be in contact with optical lens 323, but it may be disposed away from optical lens 323 as long as it is disposed between optical lens 321 and optical lens 323.
- Aperture diaphragm 322 limits the light incident on optical lens 323 via optical lens 321.
- Optical lens 323 (second lens) has positive refractive power near the optical axis shown by the dashed line in FIG. 34.
- Optical element 324 has positive refractive power near the optical axis.
- Optical surface 324a (first optical surface) on the light incident side of optical element 324 is composed of a flat or curved surface.
- a metasurface 331 having positive refractive power near the optical axis is arranged on optical surface 324b (second optical surface) on the light exit side of optical element 324.
- Metasurface 331 has a structure similar to metasurface 112.
- Optical lens 325 has the function of ensuring the amount of light of off-axis light beams and correcting field curvature and distortion aberration.
- Light from the subject is incident on optical surface 321a on the light entrance side of optical lens 321, and is emitted from optical surface 321b on the light exit side to aperture stop 322.
- the light that is incident on aperture stop 322 and limited is incident on optical surface 323a on the light entrance side of optical lens 323, and is emitted to optical surface 325a on the light entrance side of optical lens 325 via optical surfaces 323b, 324a, and 324b on the light exit side.
- the light that is incident on optical surface 325a is emitted via optical surfaces 325b, 103a, and 103b on the exit side of optical lens 325.
- the light that is emitted from lens optical system 311 in this way is focused on light receiving surface 31a via glass substrate 23, adhesive 22, and on-chip lens 32.
- the lens optical system 311 realizes a wide-angle lens optical system by using the optical element 324 on which the metasurface 331 is arranged and the three optical lenses 321, 323, and 325. Therefore, it can be made smaller than when a wide-angle lens optical system is realized using only optical lenses.
- optical lens 323 and metasurface 331 have positive refractive power near the optical axis, it is possible to realize a lens optical system 311 that is thinner and has a small F-number compared to when either one of them has negative refractive power.
- the optical lenses 321 and 325 have the function of correcting curvature of field and distortion, so that it is possible to reduce curvature of field and distortion and improve optical performance.
- optical lens 323 and metasurface 331 have positive refractive power, the necessary amount of refraction and phase delay can be shared between optical lens 323 and metasurface 331. This makes it possible to reduce the amount of phase delay in metasurface 331. As a result, it is possible to suppress a decrease in efficiency in metasurface 331 and improve optical performance.
- Aperture stop 322 is provided between optical lenses 321 and 323, which makes it easier for optical lens 323 to correct spherical aberration, and further reduces the amount of refraction in metasurface 331. As a result, this contributes to suppressing the decrease in efficiency in metasurface 331.
- FIG. 35 is a diagram showing an example of the specifications of the lens optical system 311 in FIG.
- the focal length is 0.90 mm
- the F-number is 1.70
- the FOV is 138 degrees
- the total length TTL of the lens optical system 311 is 2.00. Therefore, 1/(Fno x TTL) is approximately 0.294.
- the table in FIG. 36 shows, for each surface number, the radius of curvature, surface spacing, refractive index nd, Abbe number vd, and effective diameter of the optical surface 321a, 321b, 323a, 323b, 324a, 324b, 325a, 325b, 103a, or 103b corresponding to that surface number.
- the radius of curvature of optical surface 321a which has surface number "1," is -1.543
- the surface distance to optical surface 321b is 0.10 mm
- the refractive index nd is 1.595
- vd is 39.0
- the effective diameter is 0.83 mm.
- the radius of curvature of optical surface 321b, which has surface number "2,” is -2.848
- the surface distance to optical surface 323a is 0.20 mm
- the effective diameter is 0.63 mm.
- the radius of curvature of optical surface 323a which has surface number "3" is 3.688, the surface distance to optical surface 323b is 0.26 mm, the refractive index nd is 1.595, vd is 39.0, and the effective diameter is 0.46 mm.
- the radius of curvature of optical surface 323b, which has surface number "4", is -1.198, the surface distance to optical surface 324a is 0.05 mm, and the effective diameter is 0.28 mm.
- optical surface 324a with surface number "5" is infinite
- the surface distance to optical surface 324b on which metasurface 331 is arranged is 0.72 mm
- the refractive index nd is 1.459
- vd is 62.0
- optical surface 324b which has surface number "6"
- the surface distance to optical surface 325a is 0.28 mm
- the effective diameter is 0.75 mm.
- the radius of curvature of optical surface 325a, which has surface number "7”, is -1.438
- the surface distance to optical surface 325b is 0.11 mm
- the refractive index nd is 1.595
- vd is 39.0
- the effective diameter is 0.77 mm.
- the radius of curvature of optical surface 325b, which has surface number "8", is 6.183, the surface distance to optical surface 103a is 0.04 mm, and the effective diameter is 0.93 mm.
- the radius of curvature of optical surface 103a, which has surface number "9", is infinity, the surface distance to optical surface 103b is 0.2 mm, the refractive index nd is 1.51, vd is 62.6, and the effective diameter is 1.00 mm.
- the table in FIG. 37 shows, in association with each surface number of the optical surfaces 321a, 321b, 323a, 323b, 325a, and 325b, the conic constant K and the coefficient A2i in the above-mentioned formula (1) as the profile of the aspheric shape of the optical surface 321a, 321b, 323a, 323b, 325a, or 325b corresponding to that surface number.
- the conic constant K of the optical surface 321a having the surface number "1" is -0.893266.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are 2.2803712, -6.060354, 19.324474, -54.89126, 117.26678, and -117.5205, respectively.
- the coefficients A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 321b having the surface number "2" is 0.647557.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are 3.3421643, -14.984, 179.64501, -1436.278, 6594.0075, and -10861.29, respectively.
- the coefficients A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 323a having the surface number "3" is 0.3549672.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are -0.543197, 1.7130493, -60.6591, -348.0487, 10123.935, and -61629.05, respectively.
- A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 323b having the surface number "4" is 2.1815653.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are -0.852562, -0.49542, 13.688016, -506.7275, 3577.0279, and -10952.92, respectively.
- A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 325a having the surface number "7" is 2.4093134.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are -0.437251, 1.2846263, 3.2705159, -11.55068, 3.0325131, and 10.740538, respectively.
- A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 325b having the surface number "8" is -1.08976.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are -0.618512, 0.7721865, 5.1127144, -18.32672, 21.087371, and -8.320752, respectively.
- A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the table in FIG. 38 shows the normalized wavelength ⁇ , diffraction order M, and coefficient ⁇ 2i in the above-mentioned equation (2) as the phase profile of the metasurface 331 arranged on the optical surface 324b, corresponding to the surface number of the optical surface 324b .
- the metasurface 331 disposed on the optical surface 324b having the surface number "6" has a normalized wavelength ⁇ of 940 and a diffraction order M of 1.
- the coefficients ⁇ 2 , ⁇ 4 , ⁇ 6 , ⁇ 8, ⁇ 10 , ⁇ 12 , ⁇ 14 , ⁇ 16 , ⁇ 18 , and ⁇ 20 are -0.537357, 0.0956103, 0.1055992, 0.1189112, 0.0412749, 0.0443408, -0.412165 , -1.25273, 1.540013, and 4.296721, respectively.
- the graph in Figure 39 shows the profile of metasurface 331.
- the phase delay amount ⁇ changes from 0 to approximately -250, so that the phase delay amount ⁇ becomes larger in the negative direction as the distance r increases.
- FIG. 40 is a diagram showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion that occur in a lens optical system 311 having the characteristics of FIGS.
- a of FIG. 40 is a graph showing the vertical spherical aberration that occurs in a lens optical system 311 having the characteristics of FIGS. 36 to 39.
- B of FIG. 40 is a graph showing the field curvature that occurs in a lens optical system 311 having the characteristics of FIGS. 36 to 39.
- C of FIG. 40 is a graph showing the distortion aberration that occurs in a lens optical system 311 having the characteristics of FIGS. 36 to 39.
- the FOV when the FOV is 100 degrees or more, the spherical aberration and field curvature of the lens optical system 311 can be further reduced, and the optical performance can be further improved. Therefore, it is desirable for the FOV to be 100 degrees or more.
- the distance between the aperture stop 322 and the metasurface 331 is 1.03 mm, but is not limited to 1.03 mm as long as it is greater than 0.6 mm. If the distance between the aperture stop 322 and the metasurface 331 is greater than 0.6 mm, the off-axis light beam can be separated more, and the aberration of the off-axis light beam can be corrected more easily.
- the fourth embodiment of the imaging device to which the present technology is applied has the same configuration as the first embodiment except for the lens optical system, so only the lens optical system will be described below.
- FIG. 41 is a side view showing an example of the configuration of a lens optical system in a fourth embodiment of an imaging device to which this technology is applied.
- the lens optical system 411 in FIG. 41 differs from the lens optical system 25 in that, instead of the metalens 101 and optical lens 102, optical lenses 421 and 422, aperture stop 423, optical element 424, and optical lens 425 are provided, and otherwise is configured in the same way as the lens optical system 25.
- the lens optical system 411 includes, in order from the light incident side (left side in FIG. 41), an optical lens 421 (first lens), an optical lens 422, an aperture stop 423, an optical element 424, an optical lens 425 (third lens), and a bandpass filter 103.
- Optical lens 421 has the function of ensuring the amount of light of off-axis light beams and correcting field curvature and distortion aberration.
- Optical lens 422 (second lens) has positive or negative refractive power in the vicinity of the optical axis shown by the dashed line in FIG. 41.
- the composite focal length of optical lens 421 and optical lens 422 is negative.
- the aperture stop 423 is disposed between the optical lens 422 and the optical element 424.
- the aperture stop 423 limits the light incident on the optical element 424 via the optical lens 422.
- the optical element 424 has a positive refractive power in the vicinity of the optical axis.
- a metasurface 431 having a positive refractive power is disposed on the optical surface 424a (second optical surface) on the light incident side of the optical element 424.
- the metasurface 431 has a structure similar to that of the metasurface 112.
- the optical surface 424b (first optical surface) on the light exit side of the optical element 424 is configured with a flat or curved surface.
- the optical lens 425 has a positive refractive power.
- the optical lens 425 has the function of ensuring the amount of light of the off-axis light beam and correcting the field curvature and distortion aberration.
- Light from the subject is incident on the optical surface 421a on the light incident side of the optical lens 421, and is emitted from the optical surface 421b on the light exit side to the optical surface 422a on the light incident side of the optical lens 422.
- the light incident on the optical surface 422a is emitted from the optical surface 422b on the light exit side of the optical lens 422 to the aperture stop 423.
- the light that is incident on the aperture stop 423 and limited is emitted to the optical surface 425a on the light incident side of the optical lens 425 via the optical surfaces 424a and 424b.
- the light incident on the optical surface 425a is emitted via the optical surface 425b, the optical surface 103a, and the optical surface 103b on the light exit side of the optical lens 425.
- the light emitted from the lens optical system 411 in this way is condensed on the light receiving surface 31a via the glass substrate 23, the adhesive 22, and the on-chip lens 32.
- the lens optical system 411 realizes a wide-angle lens optical system by using the optical element 424 on which the metasurface 431 is arranged and the three optical lenses 421, 422, and 425. Therefore, it can be made smaller than when a wide-angle lens optical system is realized using only optical lenses.
- the optical lenses 421 and 425 have the function of correcting field curvature and distortion, so that it is possible to reduce field curvature and distortion and improve optical performance.
- the refractive power of the metasurface 431 and the optical lens 425 is positive, the necessary amount of refraction and phase delay can be shared between the metasurface 431 and the optical lens 425. This can reduce the amount of phase delay in the metasurface 431. As a result, this can contribute to suppressing the decrease in efficiency in the metasurface 431.
- FIG. 42 is a diagram showing an example of the specifications of the lens optical system 411 in FIG.
- the focal length is 0.99 mm
- the F-number is 1.30
- the FOV is 130 degrees
- the total length TTL of the lens optical system 411 is 2.40. Therefore, 1/(Fno x TTL) is approximately 0.321.
- the table in FIG. 43 shows, for each surface number, the radius of curvature, surface spacing, refractive index nd, Abbe number vd, and effective diameter of the optical surface 421a, 421b, 422a, 422b, 424a, 424b, 425a, 425b, 103a, or 103b corresponding to that surface number.
- the radius of curvature of optical surface 421a which has surface number "1" is 3.670
- the surface distance to optical surface 421b is 0.1 mm
- the refractive index nd is 1.52
- vd is 64.2
- the effective diameter is 0.85 mm.
- the radius of curvature of optical surface 421b, which has surface number "2” is 1.199
- the surface distance to optical surface 422a is 0.27 mm
- the effective diameter is 0.62 mm.
- the radius of curvature of optical surface 422a which has surface number "3" is 5.121, the surface distance to optical surface 422b is 0.17 mm, the refractive index nd is 1.52, vd is 64.2, and the effective diameter is 0.56 mm.
- the radius of curvature of optical surface 422b, which has surface number "4", is -5.262, the surface distance to optical surface 424a is 0.42 mm, and the effective diameter is 0.53 mm.
- optical surface 424a which has surface number "5", is infinite, the surface distance to optical surface 424b is 0.2 mm, the refractive index nd is 1.52, vd is 64.2, and the effective diameter is 0.86 mm.
- optical surface 424b which has surface number "6"
- the surface distance to optical surface 425a is 0.04 mm
- the effective diameter is 0.88 mm.
- the radius of curvature of optical surface 425a, which has surface number "7”, is 14.488, the surface distance to optical surface 425b is 0.56 mm, the refractive index nd is 1.52, vd is 64.2, and the effective diameter is 0.91 mm.
- the radius of curvature of optical surface 425b, which has surface number "8", is -1.871
- the surface distance to optical surface 103a is 0.50 mm
- the effective diameter is 0.83 mm.
- the radius of curvature of optical surface 103b, which has surface number "9”, is infinity
- the surface distance to optical surface 103b is 0.2 mm
- the refractive index nd is 1.52
- vd is 64.2
- the effective diameter is 1.02 mm.
- the table in Figure 44 shows, in association with each surface number of the optical surfaces 421a, 421b, 422a, 422b, 425a, and 425b, the conic constant K and the coefficient A2i in the above-mentioned equation (1) as the profile of the aspheric shape of the optical surface 421a, 421b, 422a, 422b, 425a, or 425b corresponding to that surface number.
- the conic constant K of the optical surface 421a having the surface number "1" is 1.3569725.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , and A12 are -0.43489, 1.25826, -1.6226, 1.156135, and -0.24311, respectively.
- A14 , A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 421b having the surface number "2" is 0.0737184.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10, and A12 are -0.29405, 0.265254, 8.36609, -32.151, and 46.89741, respectively.
- A14 , A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 422a having the surface number "3" is 0.9641904.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10, and A12 are -0.3401, -0.70328, 0.771082, -7.34188, and 8.714195, respectively.
- A14 , A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 422b having the surface number "4" is -1.004239.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10, and A12 are -0.22163, -0.82965, 0.24417, -5.0028, and 11.32613, respectively.
- A14 , A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 425a having the surface number "7" is 1.0456285.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10, and A12 are -0.00591, 0.593538, -0.45197, 0.026194, and 0.083957, respectively.
- A14 , A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 425b having the surface number "8" is -1.668483.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , and A12 are 0.212855, 0.290708, 0.057638, 0.183344, and -0.00698, respectively.
- A14 , A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the table in Figure 45 shows the normalized wavelength ⁇ , diffraction order M, and coefficient ⁇ 2i in the above-mentioned equation (2) as the phase profile of the metasurface 431 placed on the optical surface 424a, corresponding to the surface number of the optical surface 424a .
- the metasurface 431 arranged on the optical surface 424a with surface number "5" has a normalized wavelength ⁇ of 940 and a diffraction order M of 1.
- the coefficients ⁇ 2 , ⁇ 4 , ⁇ 6 , ⁇ 8 , ⁇ 10 , and ⁇ 12 are -0.38464, -0.02345, 0.148861, -0.14275, -0.008, and 0.049432, respectively.
- ⁇ 14 , ⁇ 16 , ⁇ 18 , and ⁇ 20 are all 0.
- the graph in Figure 46 shows the profile of metasurface 431.
- the phase delay amount ⁇ changes from 0 to approximately -275, so that the phase delay amount ⁇ becomes larger in the negative direction as the distance r increases.
- FIG. 47 is a diagram showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion that occur in a lens optical system 411 having the characteristics of FIGS.
- a of FIG. 47 is a graph showing the vertical spherical aberration that occurs in a lens optical system 411 having the characteristics of FIGS. 43 to 46.
- B of FIG. 47 is a graph showing the field curvature that occurs in a lens optical system 411 having the characteristics of FIGS. 43 to 46.
- C of FIG. 47 is a graph showing the distortion aberration that occurs in a lens optical system 411 having the characteristics of FIGS. 43 to 46.
- the FOV when the FOV is 100 degrees or more, the spherical aberration and field curvature of the lens optical system 411 can be further reduced, and the optical performance can be further improved. Therefore, it is desirable for the FOV to be 100 degrees or more.
- the fifth embodiment of the imaging device to which the present technology is applied has the same configuration as the first embodiment except for the lens optical system, so only the lens optical system will be described below.
- FIG. 48 is a side view showing an example of the configuration of a lens optical system in a fifth embodiment of an imaging device to which this technology is applied.
- lens optical system 511 in FIG. 48 parts corresponding to the lens optical system 25 in FIG. 4 are given the same reference numerals. Therefore, the description of those parts will be omitted as appropriate, and the description will focus on the parts that differ from the lens optical system 25.
- the lens optical system 511 differs from the lens optical system 25 in that an optical element 521 is provided instead of the metalens 101 and optical lens 102, and is otherwise configured in the same way as the lens optical system 25.
- the lens optical system 511 includes, in order from the light incident side (left side in FIG. 48), an optical element 521 and a bandpass filter 103.
- Aperture stop 531 and metasurface 532 having positive or negative refractive power are arranged on optical surface 521a on the light incident side of optical element 521. Specifically, metasurface 532 is formed at the opening of aperture stop 531. Aperture stop 531 limits the light incident on optical element 521 from the subject. Note that, although aperture stop 531 is arranged on optical surface 521a in the example of FIG. 48, it may be separated from optical element 521.
- Metasurface 533 having positive refractive power is disposed on optical surface 521b on the light emission side of optical element 521. Therefore, aperture stop 531 is disposed on the light incidence side of metasurface 533 having positive refractive power. Metasurface 532 and metasurface 533 have the same structure as metasurface 112.
- the lens optical system 511 realizes a wide-angle lens optical system by using the optical element 521 on which the two metasurfaces 532 and 533 are arranged. Therefore, it can be made smaller than when a wide-angle lens optical system is realized using only optical lenses.
- Optical element 521 has two metasurfaces 532 and 533, and since metasurface 532 assists in correcting spherical aberration, metasurface 533 with positive refractive power can easily correct the aberration of off-axis light beams. As a result, optical performance can be improved.
- the combined focal length of metasurfaces 532 and 533 can be shortened compared to optical system 25, so lens optical system 511 can be made smaller than lens optical system 25.
- FIG. 49 is a diagram showing an example of the specifications of the lens optical system 511 in FIG.
- the focal length is 1.03 mm
- the F-number is 1.50
- the FOV is 138 degrees
- the total length TTL of the lens optical system 511 is 1.53. Therefore, 1/(Fno x TTL) is approximately 0.436.
- the table in Figure 50 shows, for each surface number, the radius of curvature, surface spacing, refractive index nd, Abbe number vd, and effective diameter of the optical surface 521a, 521b, 103a, or 103b corresponding to that surface number.
- the radius of curvature of optical surface 521a which has surface number "1" is infinite
- the surface distance to optical surface 521b is 1.019 mm
- the refractive index nd is 1.459
- vd is 62
- the effective diameter is 0.27 mm.
- the radius of curvature of optical surface 521b, which has surface number "2” is infinite
- the surface distance to optical surface 103a is 0.245 mm
- the effective diameter is 0.98 mm.
- optical surface 103a which has surface number "3"
- the surface spacing with optical surface 103b is 0.200 mm
- the refractive index nd is 1.511
- vd is 62.6
- the effective diameter is 0.85 mm.
- the radius of curvature of optical surface 103b, which has surface number "4", is infinite, and the effective diameter is 0.78 mm.
- the table in FIG. 51 shows the normalized wavelength ⁇ , diffraction order M, and coefficient ⁇ 2i in the above-mentioned equation (2) as the phase profile of the metasurface 532 or 533 arranged on the optical surface 521a or 521b, corresponding to the surface numbers of the optical surfaces 521a and 521b .
- the metasurface 532 arranged on the optical surface 521a having the surface number "1" has a normalized wavelength ⁇ of 940 and a diffraction order M of 1.
- the coefficients ⁇ 2 , ⁇ 4 , ⁇ 6 , ⁇ 8 , ⁇ 10 , ⁇ 12 , ⁇ 14 , ⁇ 16 , ⁇ 18 , and ⁇ 20 are -0.22716, 1.017265, -46.0316, 1201.488, -14500.2, 43819.72, 299054.1, 5001674, -0.00000098, and 0.0000000371, respectively.
- the metasurface 533 arranged on the optical surface 521b having surface number "2" has a normalized wavelength ⁇ of 940, a diffraction order M of 1, and coefficients ⁇ 2 , ⁇ 4 , ⁇ 6, ⁇ 8 , ⁇ 10, ⁇ 12 , ⁇ 14 , ⁇ 16 , ⁇ 18 , and ⁇ 20 are -0.79112, 0.118711, -0.4603, 1.250901, -1.45946, 0.287944, 0.779283, -0.10873, -0.71612 , and 0.371127 , respectively.
- the graph in Figure 52 shows the profile of metasurface 532
- the graph in Figure 53 shows the profile of metasurface 533.
- phase delay amount ⁇ changes from 0 to approximately -20, so that the phase delay amount ⁇ becomes larger in the negative direction as the distance r increases.
- phase delay amount ⁇ changes from 0 to approximately -750, so that the phase delay amount ⁇ becomes larger in the negative direction as the distance r increases.
- FIG. 54 is a diagram showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion occurring in a lens optical system 511 having the characteristics of FIGS.
- a of FIG. 54 is a graph showing the vertical spherical aberration that occurs in a lens optical system 511 having the characteristics of FIGS. 50 to 53.
- B of FIG. 54 is a graph showing the field curvature that occurs in a lens optical system 511 having the characteristics of FIGS. 50 to 53.
- C of FIG. 54 is a graph showing the distortion aberration that occurs in a lens optical system 511 having the characteristics of FIGS. 50 to 53.
- the FOV when the FOV is 100 degrees or more, the spherical aberration and field curvature of the lens optical system 511 can be further reduced, and the optical performance can be further improved. Therefore, it is desirable for the FOV to be 100 degrees or more.
- Figure 55 is a side view showing an example configuration of a lens optical system of an imaging device in which a lens optical system including only one metalens as a lens is provided instead of the lens optical system 25.
- the lens optical system 611 in FIG. 55 differs from the lens optical system 25 in that a metalens 621 is provided instead of the metalens 101 and optical lens 102, and is otherwise configured in the same way as the lens optical system 25.
- the lens optical system 611 includes, in order from the light incident side (left side in FIG. 55), a metalens 621 and a bandpass filter 103.
- the metalens 621 is an optical element that has positive refractive power near the optical axis.
- An aperture stop 631 is arranged on the optical surface 621a on the light incident side of the metalens 621.
- the aperture stop 631 limits the light that is incident from the subject to the metalens 621.
- a metasurface 632 is arranged on the optical surface 621b on the light exit side of the metalens 621.
- FIG. 56 is a diagram showing an example of the specifications of the lens optical system 611 in FIG.
- the focal length is 1.03 mm
- the F-number is 1.60
- the FOV is 100 degrees
- the total length TTL of the lens optical system 611 is 2.39. Therefore, 1/(Fno x TTL) is approximately 0.262.
- the table in Figure 57 shows, for each surface number, the radius of curvature, surface spacing, refractive index nd, Abbe number vd, and effective diameter of the optical surface 621a, 621b, 103a, or 103b corresponding to that surface number.
- the radius of curvature of optical surface 621a which has surface number "1" is infinite
- the surface spacing with optical surface 621b is 1.52 mm
- the refractive index nd is 1.459
- vd is 62.0
- the effective diameter is 0.36 mm. Therefore, the spacing between aperture stop 631 arranged on optical surface 621a and metasurface 632 arranged on optical surface 621b is 1.52 mm.
- the radius of curvature of optical surface 621b, which has surface number "2”, is infinite, the surface spacing with optical surface 103a is 0.10 mm, and the effective diameter is 1.55 mm.
- optical surface 103a which has surface number "3"
- the surface spacing with optical surface 103b is 0.2 mm
- the refractive index nd is 1.51
- vd is 62.6
- the effective diameter is 1.50 mm.
- the radius of curvature of optical surface 103b, which has surface number "4", is infinite, and the effective diameter is 1.00 mm.
- the table in FIG. 58 shows the normalized wavelength ⁇ , the diffraction order M, and the coefficient ⁇ 2i in the above equation (2) as the phase profile of the metasurface 632 arranged on the optical surface 621b.
- the metasurface 632 arranged on the optical surface 621b having the surface number "2" has a normalized wavelength ⁇ of 940 and a diffraction order M of 1.
- the coefficients ⁇ 2 , ⁇ 4 , ⁇ 6 , ⁇ 8 , ⁇ 10 , ⁇ 12 , ⁇ 14 , ⁇ 16 , ⁇ 18 , and ⁇ 20 are -0.456686, 0.0814641, -0.247144, 0.3913524, -0.341961, 0.1574898, -0.025129, -0.00803, 0.00399, and -0.00048, respectively.
- the graph in Figure 59 shows the profile of metasurface 632.
- the phase delay amount ⁇ changes from 0 to approximately -1200, so that the phase delay amount ⁇ becomes larger in the negative direction as the distance r increases.
- FIG. 60 is a diagram showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion that occur in a lens optical system 611 having the characteristics of FIGS.
- a of FIG. 60 is a graph showing the vertical spherical aberration that occurs in a lens optical system 611 having the characteristics of FIGS. 57 to 59.
- B of FIG. 60 is a graph showing the field curvature that occurs in a lens optical system 611 having the characteristics of FIGS. 57 to 59.
- C of FIG. 60 is a graph showing the distortion aberration that occurs in a lens optical system 611 having the characteristics of FIGS. 57 to 59.
- FIG. 61 is a side view showing an example of the configuration of a lens optical system of an imaging device in which a lens optical system including only four optical lenses is provided instead of the lens optical system 25.
- the lens optical system 711 includes, in order from the light incident side (left side in FIG. 61), an optical lens 721, an aperture stop 722, an optical lens 723, an optical lens 724, and an optical lens 725.
- the aperture stop 722 limits the light incident from the optical lens 721 to the optical lens 723.
- Light from the subject is incident on the optical surface 721a of the optical lens 721 on the light incident side, and is emitted to the aperture stop 722 via the optical surface 721b on the emission side.
- the light that is incident on the aperture stop 423 and limited is incident on the optical surface 723a of the optical lens 723 on the light incident side, and is emitted from the optical surface 723b on the emission side.
- the light that is emitted from the optical surface 723b is incident on the optical surface 724a of the optical lens 724 on the light incident side, and is emitted from the optical surface 724b on the emission side.
- the light that is emitted from the optical surface 724b is incident on the optical surface 725a of the optical lens 725 on the light incident side, and is emitted from the optical surface 725b on the emission side.
- the light that is emitted from the lens optical system 711 in this way is condensed on the light receiving surface 31a via the glass substrate 23, the adhesive 22, and the on-chip lens 32.
- FIG. 62 is a diagram showing an example of the specifications of the lens optical system 711 in FIG.
- the focal length is 0.81 mm
- the F-number is 1.80
- the FOV is 141.8 degrees
- the total length TTL of the lens optical system 711 is 2.40. Therefore, 1/(Fno x TTL) is approximately 0.231.
- surface numbers 1 to 8 are assigned to optical surfaces 721a, 721b, 723a, 723b, 724a, 724b, 725a, and 725b, in that order.
- the table in Figure 63 shows, for each surface number, the radius of curvature, surface spacing, refractive index nd, Abbe number vd, and effective diameter of the optical surface 721a, 721b, 723a, 723b, 724a, 724b, 725a, or 725b corresponding to that surface number.
- the radius of curvature of optical surface 721a which has surface number "1” is 0.2963917
- the surface distance to optical surface 721b is 0.12 mm
- the refractive index nd is 1.595
- vd is 39.0
- the effective diameter is 0.73 mm.
- the radius of curvature of optical surface 721b, which has surface number "2” is 1.6361527
- the surface distance to optical surface 723a is 0.51 mm
- the effective diameter is 0.45 mm.
- the radius of curvature of optical surface 723a which has surface number "3" is 0.896999, the surface distance to optical surface 723b is 0.3339248 mm, the refractive index nd is 1.595, vd is 39.0, and the effective diameter is 0.4804284 mm.
- the radius of curvature of optical surface 723b, which has surface number "4", is -0.936237, the surface distance to optical surface 724a is 0.4680084 mm, and the effective diameter is 0.51 mm.
- optical surface 724a which has surface number "5"
- the surface distance to optical surface 724b is 0.232619 mm
- the refractive index nd is 1.595
- vd is 39.0
- the effective diameter is 0.61 mm.
- the radius of curvature of optical surface 724b, which has surface number "6”, is -1.271618
- the surface distance to optical surface 725a is 0.2595509 mm
- the effective diameter is 0.62 mm.
- optical surface 725a which has surface number "7”
- the surface spacing with optical surface 725b is 0.1 mm
- the refractive index nd is 1.595
- vd is 39.0
- the effective diameter is 0.783635 mm.
- the radius of curvature of optical surface 725b, which has surface number "8”, is 0.2821324, and the effective diameter is 0.9117166 mm.
- the table in Figure 64 shows, for each surface number, the conic constant K and the coefficient A2i in the above-mentioned equation (1) as the profile of the aspheric shape of the optical surface 721a, 721b, 723a, 723b, 724a, 724b, 725a, or 725b corresponding to that surface number.
- the conic constant K of the optical surface 721a having the surface number "1" is 1.6471171.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10, A12 , and A14 are -0.147349, -0.073275 , -0.005032, -0.00017, 0.0005148, and -0.004031, respectively.
- A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 721b having the surface number "2" is -0.26173.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , and A12 are 0.4886352, 0.1323859, 0.0058732, -0.018081, and -0.005959, respectively.
- the coefficients A14 , A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 723a having the surface number "3" is 0.5147988.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10, and A12 are -0.18619, -0.022304, and -0.003831, respectively.
- A10 , A12 , A14 , A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 723b having the surface number "4" is 1.6832805.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are 0.0079838, -0.000301, -0.000595, -0.000674, -0.000217, and -0.000112, respectively.
- A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 724a having the surface number "5" is 1.6179066.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are -0.040361, 0.0203374, -0.010236, -0.009539, -0.000819, and 0.0020488, respectively.
- A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 724b with surface number "6" is 0.2906084.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are 0.1638346, 0.0119642, 0.0064913, 0.0018517, -0.00029, and -0.00000747, respectively.
- A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 725a having the surface number "7" is 2.2411082.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10 , A12 , and A14 are 0.5905365, 0.1177488, 0.0297443, -0.071995, 0.0025174, and -0.003776, respectively.
- A16 , A18 , and A20 are all 0.
- the conic constant K of the optical surface 725b with surface number "8" is 0.6453265.
- the coefficients A4 , A6 , A8 , A10, A12 , and A14 are -0.757005, -0.454771, and -0.259242, respectively, and A10 is -0.249923, -0.087461, and -0.031125.
- A16 , A18 , and A20 are all 0.
- FIG. 65 is a diagram showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion that occur in a lens optical system 711 having the characteristics shown in FIGS. 63 and 64.
- FIG. 65 is a diagram showing examples of spherical aberration, field curvature, and distortion that occur in a lens optical system 711 having the characteristics shown in FIGS. 63 and 64.
- a of Figure 65 is a graph showing the longitudinal spherical aberration that occurs in a lens optical system 711 having the characteristics of Figures 63 and 64.
- B of Figure 65 is a graph showing the field curvature that occurs in a lens optical system 711 having the characteristics of Figures 63 and 64.
- C of Figure 65 is a graph showing the distortion aberration that occurs in a lens optical system 711 having the characteristics of Figures 63 and 64.
- An imaging device including the above-mentioned lens optical system 25 (211, 311, 411, 511) can be applied to various electronic devices such as digital still cameras, digital video cameras, mobile phones with imaging functions, or other devices with imaging functions.
- FIG. 66 is a block diagram showing an example of the configuration of a digital still camera as an electronic device to which this technology is applied.
- the digital still camera 1001 shown in FIG. 66 is configured with an imaging unit 1004, a control circuit 1005, a signal processing circuit 1006, a monitor 1007, and a memory 1008, and is capable of capturing still images and moving images.
- the imaging unit 1004 is composed of an imaging device including the lens optical system 25 (211, 311, 411, 511) described above.
- the imaging unit 1004 forms an image of light from a subject on the light receiving surface and accumulates signal charge for a certain period of time according to the received light.
- the signal charge accumulated in the imaging unit 1004 is transferred according to a drive signal (timing signal) supplied from the control circuit 1005.
- the control circuit 1005 drives the imaging unit 1004 by outputting a drive signal that controls the transfer operation of the imaging unit 1004.
- the signal processing circuit 1006 performs various signal processing on the signal charges output from the imaging unit 1004.
- the image (image data) obtained by performing the signal processing by the signal processing circuit 1006 is supplied to a monitor 1007 for display, or supplied to a memory 1008 for storage (recording).
- the optical performance can be improved by applying the lens optical system 25 (211, 311, 411, 511) as the lens optical system of the imaging unit 1004.
- the image quality of the captured image can be improved.
- FIG. 67 is a diagram showing an example of using an imaging device including the above-mentioned lens optical system 25 (211, 311, 411, 511).
- the imaging device including the lens optical system 25 (211, 311, 411, 511) described above can be used in various cases for sensing light such as visible light, infrared light, ultraviolet light, and X-rays, for example, as follows:
- - Devices that take images for viewing such as digital cameras and mobile devices with camera functions
- - Devices used for traffic purposes such as in-vehicle sensors that take images of the front and rear of a car, the surroundings, and the interior of the car for safe driving such as automatic stopping and for recognizing the driver's state, surveillance cameras that monitor moving vehicles and roads, and distance measuring sensors that measure the distance between vehicles, etc.
- - Devices used in home appliances such as TVs, refrigerators, and air conditioners to capture images of user gestures and operate devices in accordance with those gestures
- - Devices used for medical and healthcare purposes such as endoscopes and devices that take images of blood vessels by receiving infrared light
- - Devices used for security purposes such as surveillance cameras for crime prevention and cameras for person authentication
- - Devices used for beauty purposes such as skin measuring devices that take images of the skin and microscopes that take images of the scalp
- - Devices used for sports such as action cameras and wearable cameras for sports purposes, etc.
- the technology according to the present disclosure (the present technology) can be applied to various products.
- the technology according to the present disclosure may be applied to an endoscopic surgery system.
- FIG. 68 is a diagram showing an example of the general configuration of an endoscopic surgery system to which the technology disclosed herein (the present technology) can be applied.
- an operator (doctor) 11131 is shown using an endoscopic surgery system 11000 to perform surgery on a patient 11132 on a patient bed 11133.
- the endoscopic surgery system 11000 is composed of an endoscope 11100, other surgical tools 11110 such as an insufflation tube 11111 and an energy treatment tool 11112, a support arm device 11120 that supports the endoscope 11100, and a cart 11200 on which various devices for endoscopic surgery are mounted.
- the endoscope 11100 is composed of a lens barrel 11101, the tip of which is inserted into the body cavity of the patient 11132 at a predetermined length, and a camera head 11102 connected to the base end of the lens barrel 11101.
- the endoscope 11100 is configured as a so-called rigid scope having a rigid lens barrel 11101, but the endoscope 11100 may also be configured as a so-called flexible scope having a flexible lens barrel.
- the tip of the tube 11101 has an opening into which an objective lens is fitted.
- a light source device 11203 is connected to the endoscope 11100, and light generated by the light source device 11203 is guided to the tip of the tube by a light guide extending inside the tube 11101, and is irradiated via the objective lens towards an object to be observed inside the body cavity of the patient 11132.
- the endoscope 11100 may be a direct-viewing endoscope, an oblique-viewing endoscope, or a side-viewing endoscope.
- An optical system and an image sensor are provided inside the camera head 11102, and the reflected light (observation light) from the object of observation is focused on the image sensor by the optical system.
- the observation light is photoelectrically converted by the image sensor to generate an electrical signal corresponding to the observation light, i.e., an image signal corresponding to the observed image.
- the image signal is sent to the camera control unit (CCU: Camera Control Unit) 11201 as RAW data.
- CCU Camera Control Unit
- the CCU 11201 is composed of a CPU (Central Processing Unit), a GPU (Graphics Processing Unit), etc., and controls the overall operation of the endoscope 11100 and the display device 11202. Furthermore, the CCU 11201 receives an image signal from the camera head 11102, and performs various image processing on the image signal, such as development processing (demosaic processing), in order to display an image based on the image signal.
- a CPU Central Processing Unit
- GPU Graphics Processing Unit
- the display device 11202 under the control of the CCU 11201, displays an image based on the image signal that has been subjected to image processing by the CCU 11201.
- the light source device 11203 is composed of a light source such as an LED (Light Emitting Diode) and supplies irradiation light to the endoscope 11100 when photographing the surgical site, etc.
- a light source such as an LED (Light Emitting Diode) and supplies irradiation light to the endoscope 11100 when photographing the surgical site, etc.
- the input device 11204 is an input interface for the endoscopic surgery system 11000.
- a user can input various information and instructions to the endoscopic surgery system 11000 via the input device 11204.
- the user inputs an instruction to change the imaging conditions (type of irradiation light, magnification, focal length, etc.) of the endoscope 11100.
- the treatment tool control device 11205 controls the operation of the energy treatment tool 11112 for cauterizing tissue, incising, sealing blood vessels, etc.
- the insufflation device 11206 sends gas into the body cavity of the patient 11132 via the insufflation tube 11111 to inflate the body cavity in order to ensure a clear field of view for the endoscope 11100 and to ensure a working space for the surgeon.
- the recorder 11207 is a device capable of recording various types of information related to the surgery.
- the printer 11208 is a device capable of printing various types of information related to the surgery in various formats such as text, images, or graphs.
- the light source device 11203 that supplies illumination light to the endoscope 11100 when photographing the surgical site can be composed of a white light source composed of, for example, an LED, a laser light source, or a combination of these.
- a white light source composed of, for example, an LED, a laser light source, or a combination of these.
- the white light source is composed of a combination of RGB laser light sources, the output intensity and output timing of each color (each wavelength) can be controlled with high precision, so that the white balance of the captured image can be adjusted in the light source device 11203.
- the light source device 11203 may be controlled to change the intensity of the light it outputs at predetermined time intervals.
- the image sensor of the camera head 11102 may be controlled to acquire images in a time-division manner in synchronization with the timing of the change in the light intensity, and the images may be synthesized to generate an image with a high dynamic range that is free of so-called blackout and whiteout.
- the light source device 11203 may be configured to supply light of a predetermined wavelength band corresponding to special light observation.
- special light observation for example, by utilizing the wavelength dependency of light absorption in body tissue, a narrow band of light is irradiated compared to the light irradiated during normal observation (i.e., white light), and a predetermined tissue such as blood vessels on the surface of the mucosa is photographed with high contrast, so-called narrow band imaging is performed.
- fluorescent observation may be performed in which an image is obtained by fluorescence generated by irradiating excitation light.
- excitation light is irradiated to the body tissue and the fluorescence from the body tissue is observed (autofluorescence observation), or a reagent such as indocyanine green (ICG) is locally injected into the body tissue and excitation light corresponding to the fluorescent wavelength of the reagent is irradiated to the body tissue to obtain a fluorescent image.
- the light source device 11203 may be configured to supply narrow band light and/or excitation light corresponding to such special light observation.
- FIG. 69 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the camera head 11102 and CCU 11201 shown in FIG. 68.
- the camera head 11102 has a lens unit 11401, an imaging unit 11402, a drive unit 11403, a communication unit 11404, and a camera head control unit 11405.
- the CCU 11201 has a communication unit 11411, an image processing unit 11412, and a control unit 11413.
- the camera head 11102 and the CCU 11201 are connected to each other via a transmission cable 11400 so that they can communicate with each other.
- the lens unit 11401 is an optical system provided at the connection with the lens barrel 11101. Observation light taken in from the tip of the lens barrel 11101 is guided to the camera head 11102 and enters the lens unit 11401.
- the lens unit 11401 is composed of a combination of multiple lenses including a zoom lens and a focus lens.
- the imaging unit 11402 is composed of an imaging element.
- the imaging element constituting the imaging unit 11402 may be one (so-called single-plate type) or multiple (so-called multi-plate type).
- each imaging element may generate an image signal corresponding to each of RGB, and a color image may be obtained by combining these.
- the imaging unit 11402 may be configured to have a pair of imaging elements for acquiring image signals for the right eye and the left eye corresponding to 3D (dimensional) display. By performing 3D display, the surgeon 11131 can more accurately grasp the depth of the biological tissue in the surgical site.
- 3D dimensional
- the imaging unit 11402 does not necessarily have to be provided in the camera head 11102.
- the imaging unit 11402 may be provided inside the lens barrel 11101, immediately after the objective lens.
- the driving unit 11403 is composed of an actuator, and moves the zoom lens and focus lens of the lens unit 11401 a predetermined distance along the optical axis under the control of the camera head control unit 11405. This allows the magnification and focus of the image captured by the imaging unit 11402 to be adjusted appropriately.
- the communication unit 11404 is configured with a communication device for transmitting and receiving various information to and from the CCU 11201.
- the communication unit 11404 transmits the image signal obtained from the imaging unit 11402 as RAW data to the CCU 11201 via the transmission cable 11400.
- the communication unit 11404 also receives control signals for controlling the operation of the camera head 11102 from the CCU 11201, and supplies them to the camera head control unit 11405.
- the control signals include information on the imaging conditions, such as information specifying the frame rate of the captured image, information specifying the exposure value during imaging, and/or information specifying the magnification and focus of the captured image.
- the above-mentioned frame rate, exposure value, magnification, focus, and other imaging conditions may be appropriately specified by the user, or may be automatically set by the control unit 11413 of the CCU 11201 based on the acquired image signal.
- the endoscope 11100 is equipped with so-called AE (Auto Exposure) function, AF (Auto Focus) function, and AWB (Auto White Balance) function.
- the camera head control unit 11405 controls the operation of the camera head 11102 based on a control signal from the CCU 11201 received via the communication unit 11404.
- the communication unit 11411 is configured with a communication device for transmitting and receiving various information to and from the camera head 11102.
- the communication unit 11411 receives an image signal transmitted from the camera head 11102 via the transmission cable 11400.
- the communication unit 11411 also transmits to the camera head 11102 a control signal for controlling the operation of the camera head 11102.
- the image signal and the control signal can be transmitted by electrical communication, optical communication, etc.
- the image processing unit 11412 performs various image processing operations on the image signal, which is the RAW data transmitted from the camera head 11102.
- the control unit 11413 performs various controls related to the imaging of the surgical site, etc. by the endoscope 11100, and the display of the captured images obtained by imaging the surgical site, etc. For example, the control unit 11413 generates a control signal for controlling the driving of the camera head 11102.
- the control unit 11413 also causes the display device 11202 to display the captured image showing the surgical site, etc., based on the image signal that has been image-processed by the image processing unit 11412. At this time, the control unit 11413 may recognize various objects in the captured image using various image recognition techniques. For example, the control unit 11413 can recognize surgical tools such as forceps, specific body parts, bleeding, mist generated when the energy treatment tool 11112 is used, etc., by detecting the shape and color of the edges of objects included in the captured image. When the control unit 11413 causes the display device 11202 to display the captured image, it may use the recognition result to superimpose various types of surgical support information on the image of the surgical site. By superimposing the surgical support information and presenting it to the surgeon 11131, the burden on the surgeon 11131 can be reduced and the surgeon 11131 can proceed with the surgery reliably.
- various image recognition techniques such as forceps, specific body parts, bleeding, mist generated when the energy treatment tool 11112 is used, etc.
- the transmission cable 11400 that connects the camera head 11102 and the CCU 11201 is an electrical signal cable that supports electrical signal communication, an optical fiber that supports optical communication, or a composite cable of these.
- communication is performed wired using a transmission cable 11400, but communication between the camera head 11102 and the CCU 11201 may also be performed wirelessly.
- an example of an endoscopic surgery system to which the technology disclosed herein can be applied has been described.
- the technology disclosed herein can be applied to the lens unit 11401, the imaging unit 11402, and the like, among the configurations described above.
- an imaging device including the lens optical system 25 (211, 311, 411, 511) described above can be applied to the lens unit 11401 and the imaging unit 11402.
- the optical characteristics can be improved.
- a clearer image of the surgical site can be obtained, enabling, for example, the surgeon to reliably confirm the surgical site.
- the technology according to the present disclosure can be applied to various products.
- the technology according to the present disclosure may be realized as a device mounted on any type of moving body such as an automobile, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a motorcycle, a bicycle, a personal mobility device, an airplane, a drone, a ship, or a robot.
- FIG. 70 is a block diagram showing a schematic configuration example of a vehicle control system, which is an example of a mobile object control system to which the technology disclosed herein can be applied.
- the vehicle control system 12000 includes a plurality of electronic control units connected via a communication network 12001.
- the vehicle control system 12000 includes a drive system control unit 12010, a body system control unit 12020, an outside vehicle information detection unit 12030, an inside vehicle information detection unit 12040, and an integrated control unit 12050.
- Also shown as functional components of the integrated control unit 12050 are a microcomputer 12051, an audio/video output unit 12052, and an in-vehicle network I/F (interface) 12053.
- the drive system control unit 12010 controls the operation of devices related to the drive system of the vehicle according to various programs.
- the drive system control unit 12010 functions as a control device for a drive force generating device for generating the drive force of the vehicle, such as an internal combustion engine or a drive motor, a drive force transmission mechanism for transmitting the drive force to the wheels, a steering mechanism for adjusting the steering angle of the vehicle, and a braking device for generating a braking force for the vehicle.
- the body system control unit 12020 controls the operation of various devices installed in the vehicle body according to various programs.
- the body system control unit 12020 functions as a control device for a keyless entry system, a smart key system, a power window device, or various lamps such as headlamps, tail lamps, brake lamps, turn signals, and fog lamps.
- radio waves or signals from various switches transmitted from a portable device that replaces a key can be input to the body system control unit 12020.
- the body system control unit 12020 accepts the input of these radio waves or signals and controls the vehicle's door lock device, power window device, lamps, etc.
- the outside-vehicle information detection unit 12030 detects information outside the vehicle equipped with the vehicle control system 12000.
- the image capturing unit 12031 is connected to the outside-vehicle information detection unit 12030.
- the outside-vehicle information detection unit 12030 causes the image capturing unit 12031 to capture images outside the vehicle and receives the captured images.
- the outside-vehicle information detection unit 12030 may perform object detection processing or distance detection processing for people, cars, obstacles, signs, or characters on the road surface based on the received images.
- the imaging unit 12031 is an optical sensor that receives light and outputs an electrical signal according to the amount of light received.
- the imaging unit 12031 can output the electrical signal as an image, or as distance measurement information.
- the light received by the imaging unit 12031 may be visible light, or may be invisible light such as infrared light.
- the in-vehicle information detection unit 12040 detects information inside the vehicle.
- a driver state detection unit 12041 that detects the state of the driver is connected.
- the driver state detection unit 12041 includes, for example, a camera that captures an image of the driver, and the in-vehicle information detection unit 12040 may calculate the driver's degree of fatigue or concentration based on the detection information input from the driver state detection unit 12041, or may determine whether the driver is dozing off.
- the microcomputer 12051 can calculate the control target values of the driving force generating device, steering mechanism, or braking device based on the information inside and outside the vehicle acquired by the outside vehicle information detection unit 12030 or the inside vehicle information detection unit 12040, and output a control command to the drive system control unit 12010.
- the microcomputer 12051 can perform cooperative control aimed at realizing the functions of an ADAS (Advanced Driver Assistance System), including avoiding or mitigating vehicle collisions, following based on the distance between vehicles, maintaining vehicle speed, vehicle collision warning, or vehicle lane departure warning.
- ADAS Advanced Driver Assistance System
- the microcomputer 12051 can also control the driving force generating device, steering mechanism, braking device, etc. based on information about the surroundings of the vehicle acquired by the outside vehicle information detection unit 12030 or the inside vehicle information detection unit 12040, thereby performing cooperative control aimed at automatic driving, which allows the vehicle to travel autonomously without relying on the driver's operation.
- the microcomputer 12051 can also output control commands to the body system control unit 12020 based on information outside the vehicle acquired by the outside-vehicle information detection unit 12030. For example, the microcomputer 12051 can control the headlamps according to the position of a preceding vehicle or an oncoming vehicle detected by the outside-vehicle information detection unit 12030, and perform cooperative control aimed at preventing glare, such as switching high beams to low beams.
- the audio/image output unit 12052 transmits at least one output signal of audio and image to an output device capable of visually or audibly notifying the occupants of the vehicle or the outside of the vehicle of information.
- an audio speaker 12061, a display unit 12062, and an instrument panel 12063 are exemplified as output devices.
- the display unit 12062 may include, for example, at least one of an on-board display and a head-up display.
- FIG. 71 shows an example of the installation position of the imaging unit 12031.
- the vehicle 12100 has imaging units 12101, 12102, 12103, 12104, and 12105 as the imaging unit 12031.
- the imaging units 12101, 12102, 12103, 12104, and 12105 are provided, for example, at the front nose, side mirrors, rear bumper, back door, and the top of the windshield inside the vehicle cabin of the vehicle 12100.
- the imaging unit 12101 provided at the front nose and the imaging unit 12105 provided at the top of the windshield inside the vehicle cabin mainly acquire images of the front of the vehicle 12100.
- the imaging units 12102 and 12103 provided at the side mirrors mainly acquire images of the sides of the vehicle 12100.
- the imaging unit 12104 provided at the rear bumper or back door mainly acquires images of the rear of the vehicle 12100.
- the images of the front acquired by the imaging units 12101 and 12105 are mainly used to detect preceding vehicles, pedestrians, obstacles, traffic lights, traffic signs, lanes, etc.
- FIG. 71 shows an example of the imaging ranges of the imaging units 12101 to 12104.
- Imaging range 12111 indicates the imaging range of the imaging unit 12101 provided on the front nose
- imaging ranges 12112 and 12113 indicate the imaging ranges of the imaging units 12102 and 12103 provided on the side mirrors, respectively
- imaging range 12114 indicates the imaging range of the imaging unit 12104 provided on the rear bumper or back door.
- an overhead image of the vehicle 12100 viewed from above is obtained by superimposing the image data captured by the imaging units 12101 to 12104.
- At least one of the imaging units 12101 to 12104 may have a function of acquiring distance information.
- at least one of the imaging units 12101 to 12104 may be a stereo camera consisting of multiple imaging elements, or an imaging element having pixels for detecting phase differences.
- the microcomputer 12051 can obtain the distance to each solid object within the imaging ranges 12111 to 12114 and the change in this distance over time (relative speed with respect to the vehicle 12100) based on the distance information obtained from the imaging units 12101 to 12104, and can extract as a preceding vehicle, in particular, the closest solid object on the path of the vehicle 12100 that is traveling in approximately the same direction as the vehicle 12100 at a predetermined speed (e.g., 0 km/h or faster). Furthermore, the microcomputer 12051 can set the inter-vehicle distance that should be maintained in advance in front of the preceding vehicle, and perform automatic braking control (including follow-up stop control) and automatic acceleration control (including follow-up start control). In this way, cooperative control can be performed for the purpose of automatic driving, which runs autonomously without relying on the driver's operation.
- automatic braking control including follow-up stop control
- automatic acceleration control including follow-up start control
- the microcomputer 12051 classifies and extracts three-dimensional object data on three-dimensional objects, such as two-wheeled vehicles, ordinary vehicles, large vehicles, pedestrians, utility poles, and other three-dimensional objects, based on the distance information obtained from the imaging units 12101 to 12104, and can use the data to automatically avoid obstacles.
- the microcomputer 12051 distinguishes obstacles around the vehicle 12100 into obstacles that are visible to the driver of the vehicle 12100 and obstacles that are difficult to see.
- the microcomputer 12051 determines the collision risk, which indicates the risk of collision with each obstacle, and when the collision risk is equal to or exceeds a set value and there is a possibility of a collision, it can provide driving assistance for collision avoidance by outputting an alarm to the driver via the audio speaker 12061 or the display unit 12062, or by forcibly decelerating or steering the vehicle to avoid a collision via the drive system control unit 12010.
- At least one of the imaging units 12101 to 12104 may be an infrared camera that detects infrared rays.
- the microcomputer 12051 can recognize a pedestrian by determining whether or not a pedestrian is present in the captured image of the imaging units 12101 to 12104. The recognition of such a pedestrian is performed, for example, by a procedure of extracting feature points in the captured image of the imaging units 12101 to 12104 as infrared cameras, and a procedure of performing pattern matching processing on a series of feature points that indicate the contour of an object to determine whether or not it is a pedestrian.
- the audio/image output unit 12052 controls the display unit 12062 to superimpose a rectangular contour line for emphasis on the recognized pedestrian.
- the audio/image output unit 12052 may also control the display unit 12062 to display an icon or the like indicating a pedestrian at a desired position.
- the technology according to the present disclosure can be applied to the imaging unit 12031 and the like of the configurations described above.
- an imaging device including the lens optical system 25 (211, 311, 411, 511) described above can be applied to the imaging unit 12031.
- the optical characteristics can be improved.
- a captured image that is easier to see can be obtained, which can reduce driver fatigue, for example.
- the present technology can take the following configurations. (1) In order from the light incident side, a first lens having a positive refractive power; a second lens having a positive refractive power; A metasurface formed by a plurality of nanostructures is disposed on the first lens; An aperture stop is disposed on the incident side of the metasurface; A lens optical system configured such that at least one optical surface of the second lens has an aspheric shape. (2) The lens optical system described in (1) is configured so that the metasurface is arranged on an optical surface on the light output side of the first lens. (3) The lens optical system according to (1), wherein the aspheric shape has an inflection point.
- the lens optical system configured to satisfy the following condition: (7) In order from the light incident side, a first lens having a positive refractive power; a second lens having a positive refractive power; A metasurface formed by a plurality of nanostructures is arranged on an optical surface of the first lens on the light emission side, An aperture stop is disposed on the incident side of the metasurface; a lens optical system configured such that at least one optical surface of the second lens has an aspheric shape; A solid-state imaging element in which light receiving elements are arranged in a two-dimensional lattice pattern; a glass substrate disposed between the light receiving surface of the solid-state imaging element and the lens optical system.
- the lens optical system described in (10) is configured so that the distance between the aperture stop and the metasurface is greater than 0.6 mm.
- the lens optical system according to any one of (8) to (12) above configured to satisfy the following condition: (14) In order from the light incident side, a first lens having a negative refractive power near the optical axis; a second lens having a positive refractive power in the vicinity of the optical axis; an optical element having a positive refractive power in the vicinity of the optical axis, the first optical surface of the optical element is configured as a flat surface or a curved surface; a lens optical system configured such that a metasurface formed by a plurality of nanostructures is disposed on a second optical surface of the optical element; A solid-state imaging element in which light receiving elements are arranged
- the lens optical system described in (16) is configured so that the distance between the aperture stop and the metasurface is greater than 0.6 mm.
- the lens optical system according to any one of (15) to (18), configured to satisfy the following condition: (20) In order from the light incident side, A first lens; A second lens; an optical element having a positive refractive power in the vicinity of the optical axis; a third lens; the first optical surface of the optical element is configured as a flat surface or a curved surface; A metasurface formed by a plurality of nanostructures is disposed on a second optical surface of the optical element; the metasurface has a positive refractive power; a lens optical system configured such that, when the first optical surface is disposed on the incident side of the second optical surface, the second lens has a positive refractive power in the vicinity of the optical axis, and when the second optical surface is disposed on the incident side of the first optical surface, the third lens has a positive refractive power; A solid-state imaging element in which light receiving elements are arranged in a two-dimensional lattice
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Abstract
本技術は、メタサーフェスを有する広角のレンズ光学系において光学性能を向上させることができるようにするレンズ光学系および撮像装置に関する。 レンズ光学系は、光の入射側から順に、正の屈折力を有するメタレンズと、正の屈折力を有する光学レンズとを備える。メタレンズには、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置される。メタサーフェスの入射側には、開口絞りが配置される。第2のレンズの少なくとも1つの光学面は、非球面形状を有する。本技術は、例えば、被写体からの光を固体撮像素子に集光する広角のレンズ光学系等に適用できる。
Description
本技術は、レンズ光学系および撮像装置に関し、特に、メタサーフェスを有する広角のレンズ光学系において光学性能を向上させることができるようにしたレンズ光学系および撮像装置に関する。
広角のレンズ光学系は高性能なイメージングやセンシングに必要不可欠である。しかしながら、広角のレンズ光学系は、複数枚の光学レンズを必要とし、サイズや重量の増大化、組み立ての作業の複雑化等を招く。
一方、メタレンズを用いてレンズ光学系の小型化を図ることが考案されている(例えば、特許文献1参照)。なお、メタレンズとは、サブ波長構造により、入射する光を偏光したり、位相や振幅を変調したりするメタサーフェスを用いたレンズである。屈折レンズとメタレンズを組合せたレンズ光学系を構成し、屈折レンズで発生する正の色収差を負の色収差を有するメタレンズで補正することでレンズ光学系を小型化することが考案されている(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、メタサーフェスを有する広角のレンズ光学系において光学性能を向上させることはまだ実現されていない。よって、かかる工夫を実現できる手法の提供が要望されているが、そのような要望に十分にこたえられていない状況である。
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、メタサーフェスを有する広角のレンズ光学系において光学性能を向上させることができるようにするものである。
本技術の第1の側面のレンズ光学系は、光の入射側から順に、正の屈折力を有する第1のレンズと、正の屈折力を有する第2のレンズとを備え、前記第1のレンズには、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、前記メタサーフェスの前記入射側には、開口絞りが配置され、前記第2のレンズの少なくとも1つの光学面は、非球面形状を有するように構成されたレンズ光学系である。
本技術の第1の側面においては、光の入射側から順に、正の屈折力を有する第1のレンズと、正の屈折力を有する第2のレンズとが設けられ、前記第1のレンズには、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、前記メタサーフェスの前記入射側には、開口絞りが配置され、前記第2のレンズの少なくとも1つの光学面は、非球面形状を有する。
本技術の第2の側面の撮像装置は、光の入射側から順に、正の屈折力を有する第1のレンズと、正の屈折力を有する第2のレンズとを備え、前記第1のレンズには、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、前記メタサーフェスの前記入射側には、開口絞りが配置され、前記第2のレンズの少なくとも1つの光学面は、非球面形状を有するように構成されたレンズ光学系と、受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板とを備える撮像装置である。
本技術の第2の側面においては、光の入射側から順に、正の屈折力を有する第1のレンズと、正の屈折力を有する第2のレンズとを備え、前記第1のレンズには、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、前記メタサーフェスの前記入射側には、開口絞りが配置され、前記第2のレンズの少なくとも1つの光学面は、非球面形状を有するように構成されたレンズ光学系と、受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板とが設けられる。
本技術の第3の側面のレンズ光学系は、光の入射側から順に、光軸の近傍において負の屈折力を有する第1のレンズと、前記光軸の近傍において正の屈折力を有する第2のレンズと、前記光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子とを備え、前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置されるように構成されたレンズ光学系である。
本技術の第3の側面においては、光の入射側から順に、光軸の近傍において負の屈折力を有する第1のレンズと、前記光軸の近傍において正の屈折力を有する第2のレンズと、前記光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子とが設けられ、前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置される。
本技術の第4の側面の撮像装置は、光の入射側から順に、光軸の近傍において負の屈折力を有する第1のレンズと、前記光軸の近傍において正の屈折力を有する第2のレンズと、前記光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子とを備え、前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置されるように構成されたレンズ光学系と、受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板とを備える撮像装置である。
本技術の第4の側面においては、光の入射側から順に、光軸の近傍において負の屈折力を有する第1のレンズと、前記光軸の近傍において正の屈折力を有する第2のレンズと、前記光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子とを備え、前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置されるように構成されたレンズ光学系と、受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板とが設けられる。
本技術の第5の側面のレンズ光学系は、光の入射側から順に、第1のレンズと、第2のレンズと、光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と、第3のレンズとを備え、前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、前記メタサーフェスは、正の屈折力を有し、前記第1の光学面が前記第2の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第2のレンズは前記光軸の近傍において正の屈折力を有し、前記第2の光学面が前記第1の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第3のレンズは正の屈折力を有するように構成されたレンズ光学系である。
本技術の第5の側面においては、光の入射側から順に、第1のレンズと、第2のレンズと、光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と、第3のレンズとが設けられ、前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、前記メタサーフェスは、正の屈折力を有し、前記第1の光学面が前記第2の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第2のレンズは前記光軸の近傍において正の屈折力を有し、前記第2の光学面が前記第1の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第3のレンズは正の屈折力を有する。
本技術の第6の側面の撮像装置は、光の入射側から順に、第1のレンズと、第2のレンズと、光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と、第3のレンズとを備え、前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、前記メタサーフェスは、正の屈折力を有し、前記第1の光学面が前記第2の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第2のレンズは前記光軸の近傍において正の屈折力を有し、前記第2の光学面が前記第1の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第3のレンズは正の屈折力を有するように構成されたレンズ光学系と、受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板とを備える撮像装置である。
本技術の第6の側面においては、光の入射側から順に、第1のレンズと、第2のレンズと、光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と、第3のレンズとを備え、前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、前記メタサーフェスは、正の屈折力を有し、前記第1の光学面が前記第2の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第2のレンズは前記光軸の近傍において正の屈折力を有し、前記第2の光学面が前記第1の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第3のレンズは正の屈折力を有するように構成されたレンズ光学系と、受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板とが設けられる。
以下、本技術を実施するための形態(以下、実施の形態という)について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1実施の形態(メタレンズと1枚の光学レンズを含む撮像装置)
2.第2実施の形態(メタレンズと2枚の光学レンズを含む撮像装置)
3.第3実施の形態(光の出射側にメタサーフェスが配置されるメタレンズと3枚の光学レンズを含む撮像装置)
4.第4実施の形態(光の入射側にメタサーフェスが配置されるメタレンズと3枚の光学レンズを含む撮像装置)
5.第5実施の形態(2枚のメタサーフェスを有する光学素子を含む撮像装置)
6.1枚のメタレンズのみをレンズとして含む撮像装置
7.4枚の光学レンズのみをレンズとして含む撮像装置
8.電子機器への適用例
9.撮像装置の使用例
10.内視鏡手術システムへの応用例
11.移動体への応用例
1.第1実施の形態(メタレンズと1枚の光学レンズを含む撮像装置)
2.第2実施の形態(メタレンズと2枚の光学レンズを含む撮像装置)
3.第3実施の形態(光の出射側にメタサーフェスが配置されるメタレンズと3枚の光学レンズを含む撮像装置)
4.第4実施の形態(光の入射側にメタサーフェスが配置されるメタレンズと3枚の光学レンズを含む撮像装置)
5.第5実施の形態(2枚のメタサーフェスを有する光学素子を含む撮像装置)
6.1枚のメタレンズのみをレンズとして含む撮像装置
7.4枚の光学レンズのみをレンズとして含む撮像装置
8.電子機器への適用例
9.撮像装置の使用例
10.内視鏡手術システムへの応用例
11.移動体への応用例
なお、以下の説明で参照する図面において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なる。また、図面相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
また、以下の説明における上下等の方向の定義は、単に説明の便宜上の定義であって、本開示の技術的思想を限定するものではない。例えば、対象を90°回転して観察すれば上下は左右に変換して読まれ、180°回転して観察すれば上下は反転して読まれる。
<第1実施の形態>
<撮像装置の構成例>
図1は、本技術を適用した撮像装置の第1実施の形態の構成例を示す断面図である。
<撮像装置の構成例>
図1は、本技術を適用した撮像装置の第1実施の形態の構成例を示す断面図である。
図1の撮像装置10は、固体撮像装置13が設置される薄型の回路基板14、回路基板15、およびスペーサ16により構成される。
固体撮像装置13は、CSP(chip size package)構造を有する。CSP構造は、多画素化、小型化、および低背化を実現する固体撮像装置の構造の1つであり、チップ単体と同程度のサイズで実現された極めて小型のパッケージ構造である。固体撮像装置13は、固体撮像素子21、接着剤22、ガラス基板23、黒樹脂24、レンズ光学系25、および固定剤26により構成される。
固体撮像素子21は、CCD(Charge-Coupled Device)センサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサであり、半導体基板31とオンチップレンズ32を備える。半導体基板31の図1中下側の面は回路基板14と接続する。半導体基板31の図1中上側の面の一部の領域である受光面31aには、2次元格子状に配列された複数の各画素に対応する受光素子からなる画素アレイ41等が形成される。オンチップレンズ32は、画素アレイ41上の各画素に対応する位置に形成される。
接着剤22は、固体撮像素子21の受光面31aを含む図1中上側の面上に設けられる透明な接着剤である。ガラス基板23は、固体撮像素子21の固定、受光面31aの保護などの目的で、接着剤22を介して固体撮像素子21に接着される。
黒樹脂24は、ガラス基板23の接着剤22の接着面と反対側の面に形成され、スペーサの機能を有する。この黒樹脂を介して、ガラス基板23の上にレンズ光学系25のバンドパスフィルタ(図示せず)がガラス基板23と平行になるように設置される。これにより、ガラス基板23は、レンズ光学系25と受光面31aとの間に配置されることになる。黒樹脂24(ブラックマスク)は、レンズ光学系25を介して入射される光のうちの、受光面31aの外側の光を遮光する。
レンズ光学系25は、広角のレンズ光学系である。レンズ光学系25の構成については、後述する図4を参照して詳細に説明する。
固定剤26は、固体撮像素子21、接着剤22、ガラス基板23、黒樹脂24、およびレンズ光学系25の側面と、レンズ光学系25の光の入射側の面(図1中上面)の周囲とに塗布される。固定剤26は、固体撮像素子21、接着剤22、ガラス基板23、黒樹脂24、およびレンズ光学系25を固定する。この固定剤26により、固体撮像装置13の側面から入射され、屈折されたり反射されたりする光を軽減させることができる。また、固定剤26により、受光面31aに対応する領域の外側から固体撮像装置13に入射される光を遮光することができる。
被写体からの光は、レンズ光学系25を介して集光され、ガラス基板23、接着剤22、およびオンチップレンズ32を介して、画素アレイ41に照射される。画素アレイ41の各受光素子は、その光を受光し、受光量に応じた電気信号を生成することにより、撮像を行う。
以上のように、固体撮像装置13のCSP構造内にレンズ光学系25が含まれるので、別体でレンズ光学系25が設けられる場合に比べて、撮像装置10を小型化することができる。
回路基板14は、半導体基板31の図1中下側の面と接続し、各受光素子により生成された電気信号に対応するカメラ信号をスペーサ16に出力する回路基板である。
回路基板15は、回路基板14からスペーサ16を介して出力されたカメラ信号を外部に出力するための回路基板であり、電子部品等が実装される。回路基板15は、外部の装置と接続するためのコネクタ15aを有し、カメラ信号を外部の装置に出力する。
スペーサ16は、レンズ光学系25を駆動する図示せぬアクチュエータと回路基板15を固定するための回路内蔵のスペーサである。スペーサ16には、半導体部品16aおよび16b等が実装されている。半導体部品16aおよび16bは、コンデンサ、レンズ光学系25を駆動する図示せぬアクチュエータを制御するLSI(Large Scale Integration)を構成する半導体部品等である。スペーサ16は、回路基板14から出力されたカメラ信号を回路基板15に出力する。
<CSP構造内にレンズ光学系を含むことによる効果の説明>
次に、図2および図3を参照して、固体撮像装置13のCSP構造内にレンズ光学系を含むことによる効果を説明する。
次に、図2および図3を参照して、固体撮像装置13のCSP構造内にレンズ光学系を含むことによる効果を説明する。
図2のAおよび図3のAは、固体撮像素子21、接着剤22、およびガラス基板23の一部の断面図であり、図2のBおよび図3のBは、撮像画像を示す図である。
撮像装置10では、レンズ光学系25が固定剤26で固体撮像素子21等と固定され、CSP構造の固体撮像装置13に含まれる。従って、固体撮像素子21上に配置される接着剤22とガラス基板23の厚みを薄くしても、固体撮像装置13全体の強度を確保することができる。その結果、図2のAに示すように、ガラス基板23を薄型にすることができる。
このような撮像装置10において、図2のAに示すように、図示せぬ光源からの光51が被写体からの光として入射されると、光51の像が、一定の広がりを有して受光面31aに投影され、画素アレイ41の受光素子で受光される。このとき、光51の一部の光52は、オンチップレンズ32が形成された受光面31aで全反射される。オンチップレンズ32により全反射された光52のうちの一部の光53は、ガラス基板23と空気層との境界面(ガラス基板23の光の入射側の面)で全反射され、受光面31aに折り返されて画素アレイ41の受光素子により受光される。
光源から直接入射された光51の受光位置と折り返された光53の受光位置の距離は、接着剤22とガラス基板23の厚みの合計に対応し、厚みの合計が大きいほど、その距離は長くなる。上述したように撮像装置10ではガラス基板23を薄型にすることができるので、光51の受光位置と光53の受光位置の距離を短縮し、例えば光51の像の半径より小さくすることができる。その結果、図2のBに示すように、撮像画像60において、光53の像に対応する円状の領域62が、光51の像に対応する円状の領域61内に含まれる。これにより、撮像画像60におけるフレアやゴーストの発生を抑制し、撮像画像60の画質を向上させることができる。
なお、ガラス基板23とレンズ光学系25の間の空気層の屈折率は1.0であり、ガラス基板23の屈折率は例えば1.5である。
一方、レンズ光学系25が固体撮像装置のCSP構造に含まれない場合、固体撮像装置全体の強度を確保するため、例えば、図3のAに示すように、固体撮像素子21上に厚いガラス基板70を設ける必要がある。ガラス基板70の屈折率は、例えばガラス基板23と同様に1.5である。
この場合、受光面31aで全反射された光52のうちの、ガラス基板70と空気層との境界面で全反射され、受光面31aに折り返された光71の受光位置と、光源から直接入射された光51の受光位置との距離は長くなる。従って、その距離が光51の像の半径より大きくなる。その結果、図3のBに示すように、撮像画像80において、光71の像に対応する円状の領域82は、光51の像に対応する円状の領域61より大きくなる。従って、領域82のうちの領域61の外側の領域82aにより被写体像に対するフレアやゴーストが発生し、撮像画像80の画質が劣化する。
撮像画像80の画質の劣化を抑制するためにガラス基板70の厚みを薄くすると、固体撮像装置全体の強度が低下し、落下試験などの信頼性試験で良好な結果を得ることが難しい。
以上のように、撮像装置10は、レンズ光学系25を固体撮像装置13のCSP構造に含めるので、固体撮像装置13全体の耐久性を確保しつつ、撮像画像の画質の劣化を抑制することができる。また、ガラス基板23の薄型化により、撮像装置10を小型化することができる。
<レンズ光学系の構成例>
図4は、レンズ光学系25の構成例を示す側面図である。
図4は、レンズ光学系25の構成例を示す側面図である。
図4に示すように、レンズ光学系25は、光の入射側(図4中左側)から順に、メタレンズ101(第1のレンズ)、光学レンズ102(第2のレンズ)、およびバンドパスフィルタ103を備える。
メタレンズ101は、光軸近傍において正の屈折力を有する光学素子である。メタレンズ101の光の入射側(像の拡大側)の光学面101aには開口絞り111が配置される。メタレンズ101の光の出射側(像の縮小側)の光学面101bには、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェス112が配置される。即ち、開口絞り111は、メタサーフェス112より入射側に配置される。なお、図4の例において開口絞り111は光学面101aに配置されているが、メタサーフェス112より入射側に配置されていればメタレンズ101と離れていてもよい。
光学レンズ102は、光軸近傍において正の屈折力を有する。光学レンズ102の光の入射側の光学面102aと光の出射側の光学面102bは、変曲点を有する非球面形状を有する。なお、ここでは、光学面102aと102bの両方の形状が変曲点を有する非球面形状であるものとするが、少なくとも一方の形状が変曲点を有する非球面形状であればよい。
バンドパスフィルタ103は、光の入射側の光学面103aから入射された光のうちの所定の周波数の光のみを透過させ、光の出射側の光学面103bから出射させる。バンドパスフィルタ103としては、赤外カットフィルタ(IRCF)等がある。
被写体からの光は、メタレンズ101の光学面101aに入射され、光学面101b、光学面102a、光学面102b、光学面103a、および光学面103bを介して出射される。このようにしてレンズ光学系25から出射された光は、ガラス基板23、接着剤22、およびオンチップレンズ32を介して、受光面31aに集光される。図4では、図を簡略化するため、受光面31aのみを図示しているが、実際には、レンズ光学系25と受光面31aの間には、ガラス基板23、接着剤22、およびオンチップレンズ32が存在する。このことは、後述する図27、図34、図41、図48、図55、および図61においても同様である。
以上のように、レンズ光学系25は、メタレンズ101と光学レンズ102により広角のレンズ光学系を実現する。従って、光学レンズのみにより広角のレンズ光学系を実現する場合に比べて小型化することができる。
メタレンズ101は、光の入射側の光学面101aに開口絞り111を有するので、図4に示すように、メタサーフェス112に入射される軸上光束と軸外光束を分離することができる。その結果、光学レンズ102において、軸外光束の、入射角の角度に依存するコマ収差、像面湾曲、非点収差、球面収差、歪曲収差等の収差の補正を容易に行うことができる。また、メタサーフェス112に対する軸外光束の入射角は、空気中から直接メタサーフェス112に入射される場合に比べて小さくなる(浅くなる)。従って、メタサーフェス112における位相遅延量を削減することができる。その結果、メタサーフェス112における効率の低下を抑制し、レンズ光学系25の光学性能を向上させることができる。David Sell, Jianji Yang, Sage Doshay, Rui Yang, Jonathan A. Fan, “Large-Angle, Multifunctional Metagratings Based on Freeform Multimode Geometries” Nano Letters, vol. 17, issue 6, pp. 3752-3757, June 2017等に記載されているように、一般的に、メタサーフェスは、回折角の増大に伴って効率が低下する。
メタレンズ101と光学レンズ102は、光軸近傍において正の屈折力を有するので、いずれか一方が負の屈折力である場合に比べて薄型で、小F値の(明るい)レンズ光学系25を実現することができる。
光学レンズ102は、非球面形状の光学面102aや102bを有するので、この光学面102aや102bにより、メタサーフェス112において発生する収差を補正することができる。従って、レンズ光学系25は、小型で、収差を低減し、光学性能を向上させることができる。この収差の補正機能は、非球面形状が変曲点を有することによりさらに向上する。メタレンズ101では、光の出射側の光学面101bにメタサーフェス112が配置されるので、メタレンズ101の肉厚が製造時のばらつき等に起因して変化した場合の性能変化を抑制することができる。
<メタサーフェスの構造例>
次に、図5乃至図7を参照して、メタサーフェス112の構造例について説明する。
次に、図5乃至図7を参照して、メタサーフェス112の構造例について説明する。
図5は、メタサーフェス112の平面図である。
図5に示すように、メタサーフェス112は、基板131上に複数のナノ構造体132が形成されることにより構成される。基板131の平面形状は、例えば半径133を有する円形である。基板131とナノ構造体132は、TiO2,SiO2,α-Si, SiN, TiN, SiON, TiON等を材料とする誘電体であることが望ましい。
図6は、メタサーフェス112のうちの、1つのナノ構造体132が配置された領域の斜視図である。
図6に示すように、ナノ構造体132の形状は、例えば円柱形状である。ナノ構造体132は、ナノオーダーの構造体であり、入射された光を偏光したり、位相や振幅を変調したりする。従って、メタサーフェス112を透過した光の波面は、メタサーフェス112に入射された光の波面とは異なる。
図7は、メタサーフェス112のうちの、2つのナノ構造体132が配置された領域の断面図である。
ここでは、ナノ構造体132の形状は円柱形状であるので、図7に示すように、ナノ構造体132の断面の形状は矩形である。なお、ナノ構造体132の形状は円柱形状に限定されず、断面の形状が、正方形、長方形等の多角形、円形、楕円形等の曲線を含む形状であってもよい。ナノ構造体132は、中空であってもよい。
ナノ構造体132の高さHや幅W、隣り合う2つのナノ構造体132間の距離L等を調整することにより、メタサーフェス112における位相遅延量を制御することができる。幅Wおよび距離Lは、例えば50~750nmの範囲内で設定され、高さHは、例えば50~1000nmの範囲内で設定される。
<レンズ光学系の第1の仕様例>
図8は、レンズ光学系25の第1の仕様例を示す図である。
図8は、レンズ光学系25の第1の仕様例を示す図である。
図8の仕様では、焦点距離が0.81mmであり、Fナンバー(Fno)が1.61であり、FOV(Field Of View)が154度であり、レンズ光学系25の全長TTLが2.04である。従って、1/(Fno×TTL)は約0.305である。
<各光学面の第1の特徴例>
次に、図9乃至図12を参照して、図8の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系25の各光学面の特徴の例について説明する。
次に、図9乃至図12を参照して、図8の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系25の各光学面の特徴の例について説明する。
図9乃至図11では、光学面101a,101b,102a,102b,103a、および103bに対して、順に、1から6までの面番号が付与されている。このことは、後述する図15乃至図17および図21乃至図23においても同様である。
図9の表は、各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面101a,101b,102a,102b,103a、または103bの曲率半径、面間隔、d線(波長588nm)に対する屈折率nd、d線に対するアッベ数vd、および有効径を示している。
図9に示すように、面番号が「1」である光学面101aの曲率半径は、無限大(Inf)であり、光学面101bとの面間隔は0.80mmであり、屈折率ndは1.459であり、vdは62.0であり、有効径は0.25mmである。従って、光学面101aに配置された開口絞り111と光学面101bに配置されたメタサーフェス112との間の間隔は0.80mmである。面番号が「2」である光学面101bの曲率半径は、無限大であり、光学面102aとの面間隔は0.16mmであり、有効径は0.95mmである。
面番号が「3」である光学面102aの曲率半径は、-3.749であり、光学面102bとの面間隔は0.67mmであり、屈折率ndは1.595であり、vdは39.0であり、有効径は0.98mmである。面番号が「4」である光学面102bの曲率半径は、-0.899であり、光学面103aとの面間隔は0.17mmであり、有効径は0.98mmである。
面番号が「5」である光学面103aの曲率半径は、無限大であり、光学面103bとの面間隔は0.20mmであり、屈折率ndは1.51であり、vdは62.6であり、有効径は1.04mmである。面番号が「6」である光学面103bの曲率半径は、無限大であり、有効径は1.11mmである。
図10の表は、光学面102aおよび102bの各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面102aまたは102bの非球面形状のプロファイルとしてのサグ量の関数におけるコーニック定数と係数を示している。
ここで、サグ量は、以下の式(1)で表される。
式(1)において、Zは、レンズ光学系25の光軸に平行な方向に対するサグ量であり、rは、光軸からの距離であり、Cは曲率、即ち曲率半径の逆数である。Kはコーニック定数であり、A2iは係数である。
図10に示すように、面番号が「3」である光学面102aのコーニック定数Kは、2.4362965である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、-0.003873,0.0641387,-0.018984,0.0004119,-0.00066,-0.000145である。係数A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「4」である光学面102bのコーニック定数Kは、-2.849617である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、0.1496968,0.0578361,-0.003066,-0.00244,0.000504,-0.000199である。係数A16,A18,およびA20は全て0である。
図11の表は、光学面101bの面番号に対応付けて、その光学面101bに配置されるメタサーフェス112の位相プロファイルとしての位相遅延量の関数における規格化波長、回折次数、および係数を示している。
ここで、位相遅延量(位相シフト)は、以下の式(2)で表される。
式(2)において、ψは位相遅延量であり、rは光軸からの距離であり、λは規格化波長であり、Mは回折次数であり、α2iは係数である。式(2)の関数は、上述した図5のメタサーフェス112の半径133上の各位置における位相遅延量を表している。
図11に示すように、面番号が「2」である光学面101bに配置されるメタサーフェス112の規格化波長λは940であり、回折次数Mは1である。係数α2,α4,α6,α8,α10,α12,α14,α16,α18,α20は、それぞれ、-0.542061,-0.030163,-0.217498,0.4722183,-0.331914,0.2195586,-0.045823,-0.11199,-0.04155,0.070801である。
図12のグラフは、メタサーフェス112のプロファイルを示している。
図12において、横軸は、光軸からの距離r[mm]を表し、縦軸は、位相遅延量ψ[λ-1]である。このことは、後述する図18、図24、図32、図39、図46、図52、図53、および図59においても同様である。
図12に示すように、光軸からの距離rが0mmから0.9mm付近までの範囲のとき、距離rが大きいほど位相遅延量ψが負の方向に大きくなるように、位相遅延量ψが0から-500付近まで変化する。
<球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の第1の例>
図13は、図9乃至図12の特徴を有するレンズ光学系25において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図13は、図9乃至図12の特徴を有するレンズ光学系25において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図13のAは、図9乃至図12の特徴を有するレンズ光学系25において発生する縦方向の球面収差(Longitudinal Spherical Aberration)を表すグラフである。図13のAのグラフにおいて、横軸は、集光位置のずれ量(Focus)[mm]を表し、縦軸は、光線の入射位置(高さ)を表す。
図13のBは、図9乃至図12の特徴を有するレンズ光学系25において発生する像面湾曲(field curves)を表すグラフである。図13のBのグラフにおいて、横軸は、集光位置のずれ量(Focus)[mm]を表し、縦軸は、光線のサジタル方向またはタンジェンシャル方向の入射位置に対応する角度[degree]を表す。実線はサジタル方向の入射位置と集光位置のずれ量の関係を表し、点線はタンジェンシャル方向の入射位置と集光位置のずれ量の関係を表す。サジタル方向とタンジェント方向の集光位置のずれ量の差が非点収差(Astigmatic)である。
図13のCは、図9乃至図12の特徴を有するレンズ光学系25において発生する歪曲収差(Distortion)を表すグラフである。図13のCのグラフにおいて、横軸は、歪曲収差(Distortion)[%]を表し、縦軸は、光線の入射角度[degree]を表す。
<レンズ光学系の第2の仕様例>
図14は、レンズ光学系25の第2の仕様例を示す図である。
図14は、レンズ光学系25の第2の仕様例を示す図である。
図14の仕様では、焦点距離が1.03mmであり、Fナンバーが1.60であり、FOVが100度であり、レンズ光学系25の全長TTLが2.39である。従って、1/(Fno×TTL)は約0.261である。
<各光学面の第2の特徴例>
次に、図15乃至図18を参照して、図14の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系25の各光学面の特徴の例について説明する。
次に、図15乃至図18を参照して、図14の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系25の各光学面の特徴の例について説明する。
図15の表は、各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面101a,101b,102a,102b,103a、または103bの曲率半径、面間隔、屈折率nd、アッベ数vd、および有効径を示している。
図15に示すように、面番号が「1」である光学面101aの曲率半径は、無限大であり、光学面101bとの面間隔は0.80mmであり、屈折率ndは1.459であり、vdは62.0であり、有効径は0.37mmである。従って、光学面101aに配置された開口絞り111と光学面101bに配置されたメタサーフェス112との間の間隔は0.80mmである。面番号が「2」である光学面101bの曲率半径は、無限大であり、光学面102aとの面間隔は0.13mmであり、有効径は0.82mmである。
面番号が「3」である光学面102aの曲率半径は、-2.7012であり、光学面102bとの面間隔は0.80mmであり、屈折率ndは1.6であり、vdは27.4であり、有効径は0.84mmである。面番号が「4」である光学面102bの曲率半径は、-0.9946であり、光学面103aとの面間隔は0.4213mmであり、有効径は0.84mmである。
面番号が「5」である光学面103aの曲率半径は、無限大であり、光学面103bとの面間隔は0.20mmであり、屈折率ndは1.595であり、vdは39.0であり、有効径は0.94mmである。面番号が「6」である光学面103bの曲率半径は、無限大であり、有効径は1.01mmである。
図16の表は、光学面102aおよび102bの各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面102aまたは102bの非球面形状のプロファイルとしての、上述した式(1)におけるコーニック定数Kと係数A2iを示している。
図16に示すように、面番号が「3」である光学面102aのコーニック定数Kは、2.242443である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、0.0642328,0.0504547,-0.004702,-0.0039997,-0.000857,0.0004864である。係数A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「4」である光学面102bのコーニック定数Kは、0.0504277である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、0.2520381,0.0229442,0.0045332.-0.000557.0.0004902,-0.0000222である。係数A16,A18,およびA20は全て0である。
図17の表は、光学面101bの面番号に対応付けて、その光学面101bに配置されるメタサーフェス112の位相プロファイルとしての、上述した式(2)における規格化波長λ、回折次数M、および係数α2iを示している。
図17に示すように、面番号が「2」である光学面101bに配置されるメタサーフェス112の規格化波長λは940であり、回折次数Mは1である。係数α2,α4,α6,α8,α10,α12,α14,α16,α18,α20は、それぞれ、-0.412474,-0.033781,-0.369616,0.8395306,-0.124929,0.4159581,-0.114981,0.434867,-1.42176,-0.76645である。
図18のグラフは、メタサーフェス112のプロファイルを示している。
図18に示すように、光軸からの距離rが0mmから0.8 mm付近までの範囲のとき、距離rが大きいほど位相遅延量ψが負の方向に大きくなるように、位相遅延量ψが0から-300付近まで変化する。
<球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の第2の例>
図19は、図15乃至図18の特徴を有するレンズ光学系25において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図19は、図15乃至図18の特徴を有するレンズ光学系25において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図19のAは、図13のAと同様に、図15乃至図18の特徴を有するレンズ光学系25において発生する縦方向の球面収差を表すグラフである。図19のBは、図13のBと同様に、図15乃至図18の特徴を有するレンズ光学系25において発生する像面湾曲を表すグラフである。図19のCは、図13のCと同様に、図15乃至図18の特徴を有するレンズ光学系25において発生する歪曲収差を表すグラフである。
<レンズ光学系の第3の仕様例>
図20は、レンズ光学系25の第3の仕様例を示す図である。
図20は、レンズ光学系25の第3の仕様例を示す図である。
図20の仕様では、焦点距離が1.20mmであり、Fナンバーが1.61であり、FOVが90度であり、レンズ光学系25の全長TTLが2.55である。従って、1/(Fno×TTL)は約0.243である。
<各光学面の第3の特徴例>
次に、図21乃至図24を参照して、図20の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系25の各光学面の特徴の例について説明する。
次に、図21乃至図24を参照して、図20の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系25の各光学面の特徴の例について説明する。
図21の表は、各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面101a,101b,102a,102b,103a、または103bの曲率半径、面間隔、屈折率nd、アッベ数vd、および有効径を示している。
図21に示すように、面番号が「1」である光学面101aの曲率半径は、無限大であり、光学面101bとの面間隔は0.80mmであり、屈折率ndは1.459であり、vdは62.0であり、有効径は0.37mmである。従って、光学面101aに配置された開口絞り111と光学面101bに配置されたメタサーフェス112との間の間隔は0.80mmである。面番号が「2」である光学面101bの曲率半径は、無限大であり、光学面102aとの面間隔は0.13mmであり、有効径は0.82mmである。
面番号が「3」である光学面102aの曲率半径は、-2.524507であり、光学面102bとの面間隔は0.80mmであり、屈折率ndは1.595であり、vdは39.0であり、有効径は0.84mmである。面番号が「4」である光学面102bの曲率半径は、-1.229971であり、光学面103aとの面間隔は0.5775396mmであり、有効径は0.84mmである。
面番号が「5」である光学面103aの曲率半径は、無限大であり、光学面103bとの面間隔は0.2mmであり、屈折率ndは1.51であり、vdは62.6であり、有効径は0.94mmである。面番号が「6」である光学面103bの曲率半径は、無限大であり、有効径は1.01mmである。
図22の表は、光学面102aおよび102bの各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面102aまたは102bの非球面形状のプロファイルとしての、上述した式(1)におけるコーニック定数Kと係数A2iを示している。
図22に示すように、面番号が「3」である光学面102aのコーニック定数Kは、2.7293601である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、0.0347099, 0.0447354,-0.001998,-0.001298,-0.001061,0.0003731である。係数A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「4」である光学面102bのコーニック定数Kは、0.5145065である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、0.1001691,0.022864,-0.001318,0.0006834,-0.000213,0.0001393である。係数A16,A18,およびA20は全て0である。
図23の表は、光学面101bの面番号に対応付けて、その光学面101bに配置されるメタサーフェス112の位相プロファイルとしての、上述した式(2)における規格化波長λ、回折次数M、および係数α2iを示している。
図23に示すように、面番号が「2」である光学面101bに配置されるメタサーフェス112の規格化波長λは940であり、回折次数Mは1であり、係数α2,α4,α6,α8,α10,α12,α14,α16,α18,α20は、それぞれ、-0.373487, -0.019637, -0.348766, 0.8586982, -0.062983, 0.4206822, 0.0439471, 0.522635, -1.66839, -1.48427である。
図24のグラフは、メタサーフェス112のプロファイルを示している。
図24に示すように、光軸からの距離rが0mmから0.8mm付近までの範囲のとき、距離rが大きいほど位相遅延量ψが負の方向に大きくなるように、位相遅延量ψが0から-200付近まで変化する。
<球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の第3の例>
図25は、図21乃至図24の特徴を有するレンズ光学系25において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図25は、図21乃至図24の特徴を有するレンズ光学系25において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図25のAは、図13のAと同様に、図21乃至図24の特徴を有するレンズ光学系25において発生する縦方向の球面収差を表すグラフである。図25のBは、図13のBと同様に、図21乃至図24の特徴を有するレンズ光学系25において発生する像面湾曲を表すグラフである。図25のCは、図13のCと同様に、図21乃至図24の特徴を有するレンズ光学系25において発生する歪曲収差を表すグラフである。
図25のAに示す球面収差は、図13のAや図19のAに示す球面収差に比べて大きい。図25のBに示す像面湾曲は、図13のBや図19のBに示す像面湾曲に比べて大きい。ここで、上述したように、図20の仕様ではFOVは90度であるが、図8の仕様では154度であり、図14の仕様では100度である。従って、FOVが100度以上である場合、レンズ光学系25は、球面収差および像面湾曲をより低減し、光学性能をより向上させることができることがわかる。よって、FOV(画角)は100度以上であることが望ましい。
撮像範囲が広いほど、受光面31aのサイズを拡大し、撮像画像の解像度、即ち画素数を増加させることができる。従って、撮像装置10の各モジュールの組み立て誤差等を考慮し、最大像高が1mm程度になる撮像範囲が望ましい。
図8、図14、および図20の仕様のレンズ光学系25では、開口絞り111とメタサーフェス112との間の間隔は、0.8mmであったが、0.6mmより大きければ、0.8mmに限定されない。開口絞り111とメタサーフェス112との間の間隔が0.6mmより大きい場合、軸外光束をより分離することができ、より容易に軸外光束の収差を補正することができる。
なお、上述した説明では、メタサーフェス112は、基板131上に1層のナノ構造体132が形成されることにより構成されるものとしたが、複数層のナノ構造体が形成されることにより構成されるようにしてもよい。
<メタサーフェスの他の構造例>
図26を参照して、2層のナノ構造体により形成されるメタサーフェス112の構造例について説明する。
図26を参照して、2層のナノ構造体により形成されるメタサーフェス112の構造例について説明する。
図26は、2層のナノ構造体により形成されるメタサーフェス112のうちの、各層のナノ構造体が2つずつ配置された領域の断面図である。
図26のメタサーフェス112において、図7のメタサーフェス112と対応する部分については同一の符号を付してある。従って、その部分の説明は適宜省略し、図7のメタサーフェス112と異なる部分に着目して説明する。図26のメタサーフェス112は、基板131上に2層のナノ構造体が形成される点が、図7のメタサーフェス112と異なっており、その他は図7のメタサーフェス112と同様に構成されている。
図26の例では、上層のナノ構造体151と下層のナノ構造体152の両方の形状が円柱形状である。従って、図26に示すように、ナノ構造体151および152の両方の断面の形状は矩形である。ナノ構造体151および152の形状は、ナノ構造体132と同様に円柱形状に限定されず、ナノ構造体151および152は、中空であってもよい。ナノ構造体151とナノ構造体152の材質は同一であっても異なっていてもよい。
メタサーフェス112に入射される光は、例えば、ナノ構造体151に入射されて位相の変調等が行われ、その後、ナノ構造体152に入射されてさらに位相の変調等が行われる。ナノ構造体151の高さH1や幅W1、隣り合う2つのナノ構造体151間の距離L1、ナノ構造体152の高さH2や幅W2、隣り合う2つのナノ構造体152間の距離L2等を調整することにより、メタサーフェス112における位相遅延量を制御することができる。幅W1およびW2並びに距離L1およびL2は、例えば50~750nmの範囲内で設定され、高さH1およびH2は、例えば50~1000nmの範囲内で設定される。
<第2実施の形態>
<レンズ光学系の構成例>
本技術を適用した撮像装置の第2実施の形態は、レンズ光学系を除いて第1実施の形態と同様に構成されるので、以下では、レンズ光学系についてのみ説明する。
<レンズ光学系の構成例>
本技術を適用した撮像装置の第2実施の形態は、レンズ光学系を除いて第1実施の形態と同様に構成されるので、以下では、レンズ光学系についてのみ説明する。
図27は、本技術を適用した撮像装置の第2実施の形態におけるレンズ光学系の構成例を示す側面図である。
図27のレンズ光学系211において、図4のレンズ光学系25と対応する部分については同一の符号を付してある。従って、その部分の説明は適宜省略し、レンズ光学系25と異なる部分に着目して説明する。レンズ光学系211は、メタレンズ101と光学レンズ102の代わりに、光学レンズ221、開口絞り222、光学レンズ223、および光学素子224が設けられる点が、レンズ光学系25と異なっており、その他はレンズ光学系25と同様に構成されている。
具体的には、レンズ光学系211は、光の入射側(図27中左側)から順に、光学レンズ221、開口絞り222、光学レンズ223、光学素子224、およびバンドパスフィルタ103を備える。
光学レンズ221(第1のレンズ)は、図27中一点鎖線で示す光軸の近傍において負の屈折力を有する。開口絞り222は、光学レンズ221と光学レンズ223の間に光学レンズ223に接するように配置される。開口絞り222は、光学レンズ221を介して光学レンズ223に入射される光を制限する。
光学レンズ223(第2のレンズ)は、光軸の近傍において正の屈折力を有する。光学素子224は、光軸の近傍において正の屈折力を有する。光学素子224の光の入射側の光学面224a(第1の光学面)は、平面または曲面により構成される。光学素子224の光の出射側の光学面224b(第2の光学面)には、メタサーフェス112と同様の構造を有するメタサーフェス231が配置される。
被写体からの光は、光学レンズ221の光の入射側の光学面221aに入射され、光の出射側の光学面221bから開口絞り222に出射される。開口絞り222に入射され、制限された光は、光学レンズ223の光の入射側の光学面223aを介して、光の出射側の光学面223bから光学面224aに出射される。光学面224aに入射された光は、光学面224b、光学面103a、光学面103bを介して出射される。このようにしてレンズ光学系211から出射された光は、ガラス基板23、接着剤22、およびオンチップレンズ32を介して、受光面31aに集光される。
以上のように、レンズ光学系211は、メタサーフェス231が配置される光学素子224と2枚の光学レンズ221および223とにより広角のレンズ光学系を実現する。従って、光学レンズのみにより広角のレンズ光学系を実現する場合に比べて小型化することができる。
光学レンズ223と光学素子224は、正の屈折力を有するので、いずれか一方が負の屈折力である場合に比べて薄型で、小F値のレンズ光学系211を実現することができる。光学レンズ221が負の屈折力を有し、光学レンズ223と光学素子224が正の屈折力を有するので、大口径のレンズ光学系211を実現することができる。
メタサーフェス231が光学素子224の光の出射側の光学面224bに配置されるので、メタサーフェス231に入射される軸上光束と軸外光束を分離することができる。その結果、メタサーフェス231において軸外光束の収差の補正を容易に行い、光学性能を向上させることができる。
光学レンズ223および光学素子224が光軸近傍において正の屈折力を有するので、必要な屈折量および位相遅延量を光学レンズ223および光学素子224で分担することができる。これにより、光学素子224に配置されるメタサーフェス231における屈折量、即ち位相遅延量を削減することができる。その結果、メタサーフェス231における効率の低下を抑制し、光学性能を向上させることができる。
開口絞り222が光学レンズ221と223の間に設けられるので、光学レンズ223による球面収差の補正が容易になり、メタサーフェス231における屈折量をより削減することができる。その結果、メタサーフェス231における効率の低下の抑制に貢献することができる。
<レンズ光学系の仕様例>
図28は、図27のレンズ光学系211の仕様例を示す図である。
図28は、図27のレンズ光学系211の仕様例を示す図である。
図28の仕様では、焦点距離が0.84mmであり、Fナンバーが1.10であり、FOVが138度であり、レンズ光学系211の全長TTLが2.45である。従って、1/(Fno×TTL)は約0.371である。
<各光学面の特徴例>
次に、図29乃至図32を参照して、図28の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系211の各光学面の特徴の例について説明する。
次に、図29乃至図32を参照して、図28の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系211の各光学面の特徴の例について説明する。
図29乃至図31では、光学面221a,221b,223a,223b,224a,224b,103a、および103bに対して、順に、1から8までの面番号が付与されている。
図29の表は、各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面221a,221b,223a,223b,224a,224b,103a、または103bの曲率半径、面間隔、屈折率nd、アッベ数vd、および有効径を示している。
図29に示すように、面番号が「1」である光学面221aの曲率半径は、-5.579であり、光学面221bとの面間隔は0.15mmであり、屈折率ndは1.595であり、vdは39.0であり、有効径は0.74mmである。面番号が「2」である光学面221bの曲率半径は、6.142であり、光学面223aとの面間隔は0.227mmであり、有効径は0.52mmである。
面番号が「3」である光学面223aの曲率半径は、4.634であり、光学面223bとの面間隔は0.371mmであり、屈折率ndは1.595であり、vdは39.0であり、有効径は0.33mmである。面番号が「4」である光学面223bの曲率半径は、-2.208であり、光学面224aとの面間隔は0.06mmであり、有効径は0.51mmである。
面番号が「5」である光学面224aの曲率半径は、無限大であり、メタサーフェス231が配置される光学面224bとの面間隔は0.658mmであり、屈折率ndは1.459であり、vdは62.0であり、有効径は0.62mmである。従って、光学面223aと接する開口絞り222とメタサーフェス231との間の間隔は1.089(=0.371+0.06+0.658)mmである。
面番号が「6」である光学面224bの曲率半径は、無限大であり、光学面103aとの面間隔は0.593mmであり、有効径は0.89mmである。面番号が「7」である光学面103aの曲率半径は、無限大であり、光学面103bとの面間隔は0.2mmであり、屈折率ndは1.51であり、vdは62.6であり、有効径は1.07mmである。
図30の表は、光学面221a,221b,223a、および224bの各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面221a,221b,223a、または224bの非球面形状のプロファイルとしての、上述した式(1)におけるコーニック定数Kと係数A2iを示している。
図30に示すように、面番号が「1」である光学面221aのコーニック定数Kは、-0.604419である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、1.3947,-5.014259,21.68061,-56.97279,81.03975,-45.62548である。係数A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「2」である光学面221bのコーニック定数Kは、-2.385398である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、2.5977462,-23.95668,265.93437,-1570.59,4777.2221,-5673.43である。A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「3」である光学面223aのコーニック定数Kは、4.6341554である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、0.344297,-1.049793,-0.005844,-0.000285,-0.0000447である。A14,A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「4」である光学面223bのコーニック定数Kは、2.473324である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、-0.681893,3.6442254,-38.86978,167.95473,-378.1497,289.28276である。A16,A18,およびA20は全て0である。
図31の表は、光学面224bの面番号に対応付けて、その光学面224bに配置されるメタサーフェス231の位相プロファイルとしての、上述した式(2)における規格化波長λ、回折次数M、および係数α2iを示している。
図31に示すように、面番号が「6」である光学面224bに配置されるメタサーフェス231の規格化波長λは940であり、回折次数Mは1である。係数α2,α4,α6,α8,α10,α12,α14,α16,α18,α20は、それぞれ、-0.540842, 0.1514777, -0.435342, 1.4528731, -1.683942, -0.925614, 4.997886, -5.73152, 3.030955,-0.62316である。
図32のグラフは、メタサーフェス231のプロファイルを示している。
図32に示すように、光軸からの距離rが0mmから0.9mm付近までの範囲のとき、距離rが大きいほど位相遅延量ψが負の方向に大きくなるように、位相遅延量ψが0から-400付近まで変化する。
<球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例>
図33は、図29乃至図32の特徴を有するレンズ光学系211において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図33は、図29乃至図32の特徴を有するレンズ光学系211において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図33のAは、図13のAと同様に、図29乃至図32の特徴を有するレンズ光学系211において発生する縦方向の球面収差を表すグラフである。図33のBは、図13のBと同様に、図29乃至図32の特徴を有するレンズ光学系211において発生する像面湾曲を表すグラフである。図33のCは、図13のCと同様に、図29乃至図32の特徴を有するレンズ光学系211において発生する歪曲収差を表すグラフである。
なお、図示は省略するが、第2実施の形態においても、第1実施の形態と同様に、FOVが100度以上である場合、レンズ光学系211の球面収差および像面湾曲をより低減し、光学性能をより向上させることができる。よって、FOVは100度以上であることが望ましい。
図28の仕様のレンズ光学系211では、開口絞り222とメタサーフェス231との間の間隔は、1.089mmであったが、0.6mmより大きければ、1.089mmに限定されない。開口絞り222とメタサーフェス231との間の間隔が0.6mmより大きい場合、軸外光束をより軸上光束と分離することができ、より容易に軸外光束の収差を補正することができる。
<第3実施の形態>
<レンズ光学系の構成例>
本技術を適用した撮像装置の第3実施の形態は、レンズ光学系を除いて第1実施の形態と同様に構成されるので、以下では、レンズ光学系についてのみ説明する。
<レンズ光学系の構成例>
本技術を適用した撮像装置の第3実施の形態は、レンズ光学系を除いて第1実施の形態と同様に構成されるので、以下では、レンズ光学系についてのみ説明する。
図34は、本技術を適用した撮像装置の第3実施の形態におけるレンズ光学系の構成例を示す側面図である。
図34のレンズ光学系311において、図4のレンズ光学系25と対応する部分については同一の符号を付してある。従って、その部分の説明は適宜省略し、レンズ光学系25と異なる部分に着目して説明する。レンズ光学系311は、メタレンズ101と光学レンズ102の代わりに、光学レンズ321、開口絞り322、光学レンズ323、光学素子324、および光学レンズ325が設けられる点が、レンズ光学系25と異なっており、その他はレンズ光学系25と同様に構成されている。
具体的には、レンズ光学系311は、光の入射側(図34中左側)から順に、光学レンズ321(第1のレンズ)、開口絞り322、光学レンズ323、光学素子324、光学レンズ325(第3のレンズ)、およびバンドパスフィルタ103を備える。
光学レンズ321は、軸外光束の光量を確保し、像面湾曲および歪曲収差を補正する機能を有する。開口絞り322は、光学レンズ321と光学レンズ323の間に、例えば光学レンズ323に接するように配置される。図34の例では、開口絞り322は光学レンズ323に接するように配置されるが、光学レンズ321と光学レンズ323の間に配置されれば、光学レンズ323から離れて配置されてもよい。開口絞り322は、光学レンズ321を介して光学レンズ323に入射される光を制限する。
光学レンズ323(第2のレンズ)は、図34中一点鎖線で示す光軸の近傍において正の屈折力を有する。光学素子324は、光軸の近傍において正の屈折力を有する。光学素子324の光の入射側の光学面324a(第1の光学面)は、平面または曲面により構成される。光学素子324の光の出射側の光学面324b(第2の光学面)には、光軸近傍において正の屈折力を有するメタサーフェス331が配置される。メタサーフェス331は、メタサーフェス112と同様の構造を有する。光学レンズ325は、軸外光束の光量を確保し、像面湾曲および歪曲収差を補正する機能を有する。
被写体からの光は、光学レンズ321の光の入射側の光学面321aに入射され、光の出射側の光学面321bから開口絞り322に出射される。開口絞り322に入射され、制限された光は、光学レンズ323の光の入射側の光学面323aに入射され、光の出射側の光学面323b、光学面324a、および光学面324bを介して、光学レンズ325の入射側の光学面325aに出射される。光学面325aに入射された光は、光学レンズ325の出射側の光学面325b、光学面103a、および光学面103bを介して出射される。このようにしてレンズ光学系311から出射された光は、ガラス基板23、接着剤22、およびオンチップレンズ32を介して、受光面31aに集光される。
以上のように、レンズ光学系311は、メタサーフェス331が配置される光学素子324と3枚の光学レンズ321,323、および325とにより広角のレンズ光学系を実現する。従って、光学レンズのみにより広角のレンズ光学系を実現する場合に比べて小型化することができる。
光学レンズ323およびメタサーフェス331が光軸近傍において正の屈折力を有するので、いずれか一方が負の屈折力である場合に比べて薄型で、小F値のレンズ光学系311を実現することができる。光学レンズ321および325は、像面湾曲および歪曲収差を補正する機能を有するので、像面湾曲および歪曲収差を低減し、光学性能を向上させることができる。
光学レンズ323およびメタサーフェス331が正の屈折力を有するので、必要な屈折量および位相遅延量を光学レンズ323およびメタサーフェス331で分担することができる。これにより、メタサーフェス331における位相遅延量を削減することができる。その結果、メタサーフェス331における効率の低下を抑制し、光学性能を向上させることができる。
開口絞り322が光学レンズ321と323の間に設けられるので、光学レンズ323による球面収差の補正が容易になり、メタサーフェス331における屈折量をより削減することができる。その結果、メタサーフェス331における効率の低下の抑制に貢献することができる。
<レンズ光学系の仕様例>
図35は、図34のレンズ光学系311の仕様例を示す図である。
図35は、図34のレンズ光学系311の仕様例を示す図である。
図35の仕様では、焦点距離が0.90mmであり、Fナンバーが1.70であり、FOVが138度であり、レンズ光学系311の全長TTLが2.00である。従って、1/(Fno×TTL)は約0.294である。
<各光学面の特徴例>
次に、図36乃至図39を参照して、図35の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系311の各光学面の特徴の例について説明する。
次に、図36乃至図39を参照して、図35の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系311の各光学面の特徴の例について説明する。
図36乃至図38では、光学面321a,321b,323a,323b,324a,324b,325a,325b,103a、および103bに対して、順に、1から10までの面番号が付与されている。
図36の表は、各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面321a,321b,323a,323b,324a,324b,325a,325b,103a、または103bの曲率半径、面間隔、屈折率nd、アッベ数vd、および有効径を示している。
図36に示すように、面番号が「1」である光学面321aの曲率半径は、-1.543であり、光学面321bとの面間隔は0.10mmであり、屈折率ndは1.595であり、vdは39.0であり、有効径は0.83mmである。面番号が「2」である光学面321bの曲率半径は、-2.848であり、光学面323aとの面間隔は0.20mmであり、有効径は0.63mmである。
面番号が「3」である光学面323aの曲率半径は、3.688であり、光学面323bとの面間隔は0.26mmであり、屈折率ndは1.595であり、vdは39.0であり、有効径は0.46mmである。面番号が「4」である光学面323bの曲率半径は、-1.198であり、光学面324aとの面間隔は0.05mmであり、有効径は0.28mmである。
面番号が「5」である光学面324aの曲率半径は、無限大であり、メタサーフェス331が配置される光学面324bとの面間隔は0.72mmであり、屈折率ndは1.459であり、vdは62.0であり、有効径は0.47mmである。従って、光学面323aと接する開口絞り322とメタサーフェス331との間の間隔は1.03(=0.26+0.05+0.72)mmである。
面番号が「6」である光学面324bの曲率半径は、無限大であり、光学面325aとの面間隔は0.28mmであり、有効径は0.75mmである。面番号が「7」である光学面325aの曲率半径は、-1.438であり、光学面325bとの面間隔は0.11mmであり、屈折率ndは1.595であり、vdは39.0であり、有効径は0.77mmである。
面番号が「8」である光学面325bの曲率半径は、6.183であり、光学面103aとの面間隔は0.04mmであり、有効径は0.93mmである。面番号が「9」である光学面103aの曲率半径は、無限大であり、光学面103bとの面間隔は0.2mmであり、屈折率ndは1.51であり、vdは62.6であり、有効径は1.00mmである。
図37の表は、光学面321a,321b,323a,323b,325a、および325bの各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面321a,321b,323a,323b,325a、または325bの非球面形状のプロファイルとしての、上述した式(1)におけるコーニック定数Kと係数A2iを示している。
図37に示すように、面番号が「1」である光学面321aのコーニック定数Kは、-0.893266である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、2.2803712,-6.060354,19.324474,-54.89126,117.26678,-117.5205である。係数A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「2」である光学面321bのコーニック定数Kは、0.647557である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、3.3421643,-14.984,179.64501,-1436.278,6594.0075,-10861.29である。係数A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「3」である光学面323aのコーニック定数Kは、0.3549672である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、-0.543197,1.7130493,-60.6591,-348.0487,10123.935,-61629.05である。A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「4」である光学面323bのコーニック定数Kは、2.1815653である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、-0.852562,-0.49542,13.688016,-506.7275,3577.0279,-10952.92である。A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「7」である光学面325aのコーニック定数Kは、2.4093134である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、-0.437251,1.2846263,3.2705159, -11.55068,3.0325131,10.740538である。A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「8」である光学面325bのコーニック定数Kは、-1.08976である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、-0.618512,0.7721865,5.1127144,-18.32672,21.087371,-8.320752である。A16,A18,およびA20は全て0である。
図38の表は、光学面324bの面番号に対応付けて、その光学面324bに配置されるメタサーフェス331の位相プロファイルとしての、上述した式(2)における規格化波長λ、回折次数M、および係数α2iを示している。
図38に示すように、面番号が「6」である光学面324bに配置されるメタサーフェス331の規格化波長λは940であり、回折次数Mは1である。係数α2,α4,α6,α8,α10,α12,α14,α16,α18,α20は、それぞれ、-0.537357, 0.0956103, 0.1055992, 0.1189112, 0.0412749,0.0443408, -0.412165, -1.25273, 1.540013,4.296721である。
図39のグラフは、メタサーフェス331のプロファイルを示している。
図39に示すように、光軸からの距離rが0mmから0.8 mm付近までの範囲のとき、距離rが大きいほど位相遅延量ψが負の方向に大きくなるように、位相遅延量ψが0から-250付近まで変化する。
<球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例>
図40は、図36乃至図39の特徴を有するレンズ光学系311において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図40は、図36乃至図39の特徴を有するレンズ光学系311において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図40のAは、図13のAと同様に、図36乃至図39の特徴を有するレンズ光学系311において発生する縦方向の球面収差を表すグラフである。図40のBは、図13のBと同様に、図36乃至図39の特徴を有するレンズ光学系311において発生する像面湾曲を表すグラフである。図40のCは、図13のCと同様に、図36乃至図39の特徴を有するレンズ光学系311において発生する歪曲収差を表すグラフである。
なお、図示は省略するが、第3実施の形態においても、第1実施の形態と同様に、FOVが100度以上である場合、レンズ光学系311の球面収差および像面湾曲をより低減し、光学性能をより向上させることができる。よって、FOVは100度以上であることが望ましい。
図35の仕様のレンズ光学系311では、開口絞り322とメタサーフェス331との間の間隔は、1.03mmであったが、0.6mmより大きければ、1.03mmに限定されない。開口絞り322とメタサーフェス331との間の間隔が0.6mmより大きい場合、軸外光束をより分離することができ、より容易に軸外光束の収差を補正することができる。
<第4実施の形態>
<レンズ光学系の構成例>
本技術を適用した撮像装置の第4実施の形態は、レンズ光学系を除いて第1実施の形態と同様に構成されるので、以下では、レンズ光学系についてのみ説明する。
<レンズ光学系の構成例>
本技術を適用した撮像装置の第4実施の形態は、レンズ光学系を除いて第1実施の形態と同様に構成されるので、以下では、レンズ光学系についてのみ説明する。
図41は、本技術を適用した撮像装置の第4実施の形態におけるレンズ光学系の構成例を示す側面図である。
図41のレンズ光学系411において、図4のレンズ光学系25と対応する部分については同一の符号を付してある。従って、その部分の説明は適宜省略し、レンズ光学系25と異なる部分に着目して説明する。レンズ光学系411は、メタレンズ101と光学レンズ102の代わりに、光学レンズ421および422、開口絞り423、光学素子424、および光学レンズ425が設けられる点が、レンズ光学系25と異なっており、その他はレンズ光学系25と同様に構成されている。
具体的には、レンズ光学系411は、光の入射側(図41中左側)から順に、光学レンズ421(第1のレンズ)、光学レンズ422、開口絞り423、光学素子424、光学レンズ425(第3のレンズ)、およびバンドパスフィルタ103を備える。
光学レンズ421は、軸外光束の光量を確保し、像面湾曲および歪曲収差を補正する機能を有する。光学レンズ422(第2のレンズ)は、図41中一点鎖線で示す光軸の近傍において正または負の屈折力を有する。光学レンズ421と光学レンズ422の合成焦点距離は負である。
開口絞り423は、光学レンズ422と光学素子424の間に配置される。開口絞り423は、光学レンズ422を介して光学素子424に入射される光を制限する。光学素子424は、光軸の近傍において正の屈折力を有する。光学素子424の光の入射側の光学面424a(第2の光学面)には、正の屈折力を有するメタサーフェス431が配置される。メタサーフェス431は、メタサーフェス112と同様の構造を有する。光学素子424の光の出射側の光学面424b(第1の光学面)は、平面または曲面により構成される。光学レンズ425は、正の屈折力を有する。光学レンズ425は、軸外光束の光量を確保し、像面湾曲および歪曲収差を補正する機能を有する。
被写体からの光は、光学レンズ421の光の入射側の光学面421aに入射され、光の出射側の光学面421bから光学レンズ422の光の入射側の光学面422aに出射される。光学面422aに入射された光は、光学レンズ422の光の出射側の光学面422bから開口絞り423に出射される。開口絞り423に入射され、制限された光は、光学面424aおよび424bを介して、光学レンズ425の光の入射側の光学面425aに出射される。光学面425aに入射された光は、光学レンズ425の光の出射側の光学面425b、光学面103a、および光学面103bを介して出射される。このようにしてレンズ光学系411から出射された光は、ガラス基板23、接着剤22、およびオンチップレンズ32を介して、受光面31aに集光される。
以上のように、レンズ光学系411は、メタサーフェス431が配置される光学素子424と3枚の光学レンズ421,422、および425とにより広角のレンズ光学系を実現する。従って、光学レンズのみにより広角のレンズ光学系を実現する場合に比べて小型化することができる。光学レンズ421および425は、像面湾曲および歪曲収差を補正する機能を有するので、像面湾曲および歪曲収差を低減し、光学性能を向上させることができる。
光学レンズ421および422の合成焦点距離が負であるので、メタサーフェス431に入射される光の入射角は小さくなる。これにより、メタサーフェス431における屈折量を削減することができる。その結果、メタサーフェス431における効率の低下を抑制し、レンズ光学系411の光学性能を向上させることができる。
メタサーフェス431と光学レンズ425の屈折力が正であるので、必要な屈折量および位相遅延量をメタサーフェス431と光学レンズ425で分担することができる。これにより、メタサーフェス431における位相遅延量を削減することができる。その結果、メタサーフェス431における効率の低下の抑制に貢献することができる。
<レンズ光学系の仕様例>
図42は、図41のレンズ光学系411の仕様例を示す図である。
図42は、図41のレンズ光学系411の仕様例を示す図である。
図42の仕様では、焦点距離が0.99mmであり、Fナンバーが1.30であり、FOVが130度であり、レンズ光学系411の全長TTLが2.40である。従って、1/(Fno×TTL)は約0.321である。
<各光学面の特徴例>
次に、図43乃至図46を参照して、図42の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系411の各光学面の特徴の例について説明する。
次に、図43乃至図46を参照して、図42の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系411の各光学面の特徴の例について説明する。
図43乃至図45では、光学面421a,421b,422a,422b,424a,424b,425a,425b,103a、および103bに対して、順に、1から10までの面番号が付与されている。
図43の表は、各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面421a,421b,422a,422b,424a,424b,425a,425b,103a、または103bの曲率半径、面間隔、屈折率nd、アッベ数vd、および有効径を示している。
図43に示すように、面番号が「1」である光学面421aの曲率半径は、3.670であり、光学面421bとの面間隔は0.1mmであり、屈折率ndは1.52であり、vdは64.2であり、有効径は0.85mmである。面番号が「2」である光学面421bの曲率半径は、1.199であり、光学面422aとの面間隔は0.27mmであり、有効径は0.62mmである。
面番号が「3」である光学面422aの曲率半径は、5.121であり、光学面422bとの面間隔は0.17mmであり、屈折率ndは1.52であり、vdは64.2であり、有効径は0.56mmである。面番号が「4」である光学面422bの曲率半径は、-5.262であり、光学面424aとの面間隔は0.42mmであり、有効径は0.53mmである。
面番号が「5」である光学面424aの曲率半径は、無限大であり、光学面424bとの面間隔は0.2mmであり、屈折率ndは1.52であり、vdは64.2であり、有効径は0.86mmである。
面番号が「6」である光学面424bの曲率半径は、無限大であり、光学面425aとの面間隔は0.04mmであり、有効径は0.88mmである。面番号が「7」である光学面425aの曲率半径は、14.488であり、光学面425bとの面間隔は0.56mmであり、屈折率ndは1.52であり、vdは64.2であり、有効径は0.91mmである。
面番号が「8」である光学面425bの曲率半径は、-1.871であり、光学面103aとの面間隔は0.50mmであり、有効径は0.83mmである。面番号が「9」である光学面103bの曲率半径は、無限大であり、光学面103bとの面間隔は0.2mmであり、屈折率ndは1.52であり、vdは64.2であり、有効径は1.02mmである。
図44の表は、光学面421a,421b,422a,422b,425a、および425bの各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面421a,421b,422a,422b,425a、または425bの非球面形状のプロファイルとしての、上述した式(1)におけるコーニック定数Kと係数A2iを示している。
図44に示すように、面番号が「1」である光学面421aのコーニック定数Kは、1.3569725である。係数A4,A6,A8,A10,A12は、それぞれ、-0.43489,1.25826,-1.6226,1.156135,-0.24311である。A14,A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「2」である光学面421bのコーニック定数Kは、0.0737184である。係数A4,A6,A8,A10,A12は、それぞれ、-0.29405,0.265254,8.36609,-32.151,46.89741である。A14,A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「3」である光学面422aのコーニック定数Kは、0.9641904である。係数A4,A6,A8,A10,A12は、それぞれ、-0.3401,-0.70328,0.771082,-7.34188,8.714195である。A14,A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「4」である光学面422bのコーニック定数Kは、-1.004239である。係数A4,A6,A8,A10,A12は、それぞれ、-0.22163,-0.82965,0.24417,-5.0028,11.32613である。A14,A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「7」である光学面425aのコーニック定数Kは、1.0456285である。係数A4,A6,A8,A10,A12は、それぞれ、-0.00591,0.593538,-0.45197,0.026194,0.083957である。A14,A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「8」である光学面425bのコーニック定数Kは、-1.668483である。係数A4,A6,A8,A10,A12は、それぞれ、0.212855,0.290708,0.057638,0.183344,-0.00698である。A14,A16,A18,およびA20は全て0である。
図45の表は、光学面424aの面番号に対応付けて、その光学面424aに配置されるメタサーフェス431の位相プロファイルとしての、上述した式(2)における規格化波長λ、回折次数M、および係数α2iを示している。
図45に示すように、面番号が「5」である光学面424aに配置されるメタサーフェス431の規格化波長λは940であり、回折次数Mは1である。係数α2,α4,α6,α8,α10,α12は、それぞれ、-0.38464, -0.02345, 0.148861, -0.14275, -0.008,0.049432である。α14,α16,α18,α20は全て0である。
図46のグラフは、メタサーフェス431のプロファイルを示している。
図46に示すように、光軸からの距離rが0mmから0.85mm付近までの範囲のとき、距離rが大きいほど位相遅延量ψが負の方向に大きくなるように、位相遅延量ψが0から-275付近まで変化する。
<球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例>
図47は、図43乃至図46の特徴を有するレンズ光学系411において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図47は、図43乃至図46の特徴を有するレンズ光学系411において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図47のAは、図13のAと同様に、図43乃至図46の特徴を有するレンズ光学系411において発生する縦方向の球面収差を表すグラフである。図47のBは、図13のBと同様に、図43乃至図46の特徴を有するレンズ光学系411において発生する像面湾曲を表すグラフである。図47のCは、図13のCと同様に、図43乃至図46の特徴を有するレンズ光学系411において発生する歪曲収差を表すグラフである。
なお、図示は省略するが、第4実施の形態においても、第1実施の形態と同様に、FOVが100度以上である場合、レンズ光学系411の球面収差および像面湾曲をより低減し、光学性能をより向上させることができる。よって、FOVは100度以上であることが望ましい。
<第5実施の形態>
<レンズ光学系の構成例>
本技術を適用した撮像装置の第5実施の形態は、レンズ光学系を除いて第1実施の形態と同様に構成されるので、以下では、レンズ光学系についてのみ説明する。
<レンズ光学系の構成例>
本技術を適用した撮像装置の第5実施の形態は、レンズ光学系を除いて第1実施の形態と同様に構成されるので、以下では、レンズ光学系についてのみ説明する。
図48は、本技術を適用した撮像装置の第5実施の形態におけるレンズ光学系の構成例を示す側面図である。
図48のレンズ光学系511において、図4のレンズ光学系25と対応する部分については同一の符号を付してある。従って、その部分の説明は適宜省略し、レンズ光学系25と異なる部分に着目して説明する。レンズ光学系511は、メタレンズ101と光学レンズ102の代わりに、光学素子521が設けられる点が、レンズ光学系25と異なっており、その他はレンズ光学系25と同様に構成されている。
具体的には、レンズ光学系511は、光の入射側(図48中左側)から順に、光学素子521、およびバンドパスフィルタ103を備える。
光学素子521の光の入射側の光学面521aには、開口絞り531と、正または負の屈折力を有するメタサーフェス532とが配置される。具体的には、メタサーフェス532は、開口絞り531の開口部に形成される。開口絞り531は、被写体から光学素子521に入射される光を制限する。なお、図48の例において開口絞り531は光学面521aに配置されているが、光学素子521と離れていてもよい。
光学素子521の光の出射側の光学面521bには、正の屈折力を有するメタサーフェス533が配置される。従って、開口絞り531は、正の屈折力を有するメタサーフェス533より光の入射側に配置される。メタサーフェス532とメタサーフェス533は、メタサーフェス112と同様の構造を有する。
被写体からの光は、開口絞り531により制限され、メタサーフェス532に入射される。メタサーフェス532に入射された光は、メタサーフェス533、光学面103a、および光学面103bを介して出射される。このようにしてレンズ光学系511から出射された光は、ガラス基板23、接着剤22、およびオンチップレンズ32を介して、受光面31aに集光される。
以上のように、レンズ光学系511は、2枚のメタサーフェス532および533が配置される光学素子521により広角のレンズ光学系を実現する。従って、光学レンズのみにより広角のレンズ光学系を実現する場合に比べて小型化することができる。
光学素子521は、2枚のメタサーフェス532および533を有するので、メタサーフェス532が球面収差の補正を補助することにより、正の屈折力を有するメタサーフェス533は軸外光束の収差の補正を容易に行うことができる。その結果、光学性能を向上させることができる。レンズ光学系511では、メタサーフェス532および533の合成焦点距離を光学系25に比べて短縮することができるので、レンズ光学系25に比べて、レンズ光学系511を小型化することができる。
<レンズ光学系の仕様例>
図49は、図48のレンズ光学系511の仕様例を示す図である。
図49は、図48のレンズ光学系511の仕様例を示す図である。
図49の仕様では、焦点距離が1.03mmであり、Fナンバーが1.50であり、FOVが138度であり、レンズ光学系511の全長TTLが1.53である。従って、1/(Fno×TTL)は約0.436である。
<各光学面の特徴例>
次に、図50乃至図53を参照して、図49の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系511の各光学面の特徴の例について説明する。
次に、図50乃至図53を参照して、図49の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系511の各光学面の特徴の例について説明する。
図50および図51では、光学面521a,521b,103a、および103bに対して、順に、1から4までの面番号が付与されている。
図50の表は、各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面521a,521b,103a、または103bの曲率半径、面間隔、屈折率nd、アッベ数vd、および有効径を示している。
図50に示すように、面番号が「1」である光学面521aの曲率半径は、無限大であり、光学面521bとの面間隔は1.019mmであり、屈折率ndは1.459であり、vdは62であり、有効径は0.27mmである。面番号が「2」である光学面521bの曲率半径は、無限大であり、光学面103aとの面間隔は0.245mmであり、有効径は0.98mmである。
面番号が「3」である光学面103aの曲率半径は、無限大であり、光学面103bとの面間隔は0.200mmであり、屈折率ndは1.511であり、vdは62.6であり、有効径は0.85mmである。面番号が「4」である光学面103bの曲率半径は、無限大であり、有効径は0.78mmである。
図51の表は、光学面521aおよび521bの面番号に対応付けて、その光学面521aまたは521bに配置されるメタサーフェス532または533の位相プロファイルとしての、上述した式(2)における規格化波長λ、回折次数M、および係数α2iを示している。
図51に示すように、面番号が「1」である光学面521aに配置されるメタサーフェス532の規格化波長λは940であり、回折次数Mは1である。係数α2,α4,α6,α8,α10,α12,α14,α16,α18,α20は、それぞれ、-0.22716,1.017265, -46.0316, 1201.488, -14500.2,43819.72,299054.1,5001674,-0.00000098,0.0000000371である。
面番号が「2」である光学面521bに配置されるメタサーフェス533の規格化波長λは940であり、回折次数Mは1であり、係数α2,α4,α6,α8,α10,α12,α14,α16,α18,α20は、それぞれ、-0.79112,0.118711,-0.4603,1.250901,-1.45946,0.287944,0.779283,-0.10873,-0.71612,0.371127である。
図52のグラフは、メタサーフェス532のプロファイルを示し、図53のグラフは、メタサーフェス533のプロファイルを示している。
図52に示すように、メタサーフェス532では、光軸からの距離rが0mmから0.3 mm付近までの範囲のとき、距離rが大きいほど位相遅延量ψが負の方向に大きくなるように、位相遅延量ψが0から-20付近まで変化する。
図53に示すように、メタサーフェス533では、光軸からの距離rが0mmから1mm付近までの範囲のとき、距離rが大きいほど位相遅延量ψが負の方向に大きくなるように、位相遅延量ψが0から-750付近まで変化する。
<球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例>
図54は、図50乃至図53の特徴を有するレンズ光学系511において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図54は、図50乃至図53の特徴を有するレンズ光学系511において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図54のAは、図13のAと同様に、図50乃至図53の特徴を有するレンズ光学系511において発生する縦方向の球面収差を表すグラフである。図54のBは、図13のBと同様に、図50乃至図53の特徴を有するレンズ光学系511において発生する像面湾曲を表すグラフである。図54のCは、図13のCと同様に、図50乃至図53の特徴を有するレンズ光学系511において発生する歪曲収差を表すグラフである。
なお、図示は省略するが、第5実施の形態においても、第1実施の形態と同様に、FOVが100度以上である場合、レンズ光学系511の球面収差および像面湾曲をより低減し、光学性能をより向上させることができる。よって、FOVは100度以上であることが望ましい。
<1枚のメタレンズのみをレンズとして含む撮像装置>
<レンズ光学系の構成例>
図55は、レンズ光学系25の代わりに、1枚のメタレンズのみをレンズとして含むレンズ光学系が設けられる撮像装置のレンズ光学系の構成例を示す側面図である。
<レンズ光学系の構成例>
図55は、レンズ光学系25の代わりに、1枚のメタレンズのみをレンズとして含むレンズ光学系が設けられる撮像装置のレンズ光学系の構成例を示す側面図である。
図55のレンズ光学系611において、図4のレンズ光学系25と対応する部分については同一の符号を付してある。従って、その部分の説明は適宜省略し、レンズ光学系25と異なる部分に着目して説明する。レンズ光学系611は、メタレンズ101と光学レンズ102の代わりに、メタレンズ621が設けられる点が、レンズ光学系25と異なっており、その他はレンズ光学系25と同様に構成されている。
具体的には、レンズ光学系611は、光の入射側(図55中左側)から順に、メタレンズ621およびバンドパスフィルタ103を備える。
メタレンズ621は、光軸近傍において正の屈折力を有する光学素子である。メタレンズ621の光の入射側の光学面621aには開口絞り631が配置される。開口絞り631は、被写体からメタレンズ621に入射される光を制限する。メタレンズ621の光の出射側の光学面621bには、メタサーフェス632が配置される。
被写体からの光は、開口絞り631により制限され、メタサーフェス632に入射される。メタサーフェス632に入射された光は、光学面103a、および光学面103bを介して出射される。このようにしてレンズ光学系611から出射された光は、ガラス基板23、接着剤22、およびオンチップレンズ32を介して、受光面31aに集光される。
<レンズ光学系の仕様例>
図56は、図55のレンズ光学系611の仕様例を示す図である。
図56は、図55のレンズ光学系611の仕様例を示す図である。
図56の仕様では、焦点距離が1.03mmであり、Fナンバーが1.60であり、FOVが100度であり、レンズ光学系611の全長TTLが2.39である。従って、1/(Fno×TTL)は約0.262である。
<各光学面の特徴例>
次に、図57乃至図59を参照して、図56の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系611の各光学面の特徴の例について説明する。
次に、図57乃至図59を参照して、図56の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系611の各光学面の特徴の例について説明する。
図57および図58では、光学面621a,621b,103a、および103bに対して、順に、1から4までの面番号が付与されている。
図57の表は、各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面621a,621b,103a、または103bの曲率半径、面間隔、屈折率nd、アッベ数vd、および有効径を示している。
図57に示すように、面番号が「1」である光学面621aの曲率半径は、無限大であり、光学面621bとの面間隔は1.52mmであり、屈折率ndは1.459であり、vdは62.0であり、有効径は0.36mmである。従って、光学面621aに配置される開口絞り631と光学面621bに配置されるメタサーフェス632との間隔は、1.52mmである。面番号が「2」である光学面621bの曲率半径は、無限大であり、光学面103aとの面間隔は0.10mmであり、有効径は1.55mmである。
面番号が「3」である光学面103aの曲率半径は、無限大であり、光学面103bとの面間隔は0.2mmであり、屈折率ndは1.51であり、vdは62.6であり、有効径は1.50mmである。面番号が「4」である光学面103bの曲率半径は、無限大であり、有効径は1.00mmである。
図58の表は、光学面621bに配置されるメタサーフェス632の位相プロファイルとしての、上述した式(2)における規格化波長λ、回折次数M、および係数α2iを示している。
図58に示すように、面番号が「2」である光学面621bに配置されるメタサーフェス632の規格化波長λは940であり、回折次数Mは1である。係数α2,α4,α6,α8,α10,α12,α14,α16,α18,α20は、それぞれ、-0.456686, 0.0814641,-0.247144,0.3913524,-0.341961,0.1574898,-0.025129,-0.00803,0.00399,-0.00048である。
図59のグラフは、メタサーフェス632のプロファイルを示している。
図59に示すように、光軸からの距離rが0mmから1.5mm付近までの範囲のとき、距離rが大きいほど位相遅延量ψが負の方向に大きくなるように、位相遅延量ψが0から-1200付近まで変化する。
<球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例>
図60は、図57乃至図59の特徴を有するレンズ光学系611において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図60は、図57乃至図59の特徴を有するレンズ光学系611において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図60のAは、図13のAと同様に、図57乃至図59の特徴を有するレンズ光学系611において発生する縦方向の球面収差を表すグラフである。図60のBは、図13のBと同様に、図57乃至図59の特徴を有するレンズ光学系611において発生する像面湾曲を表すグラフである。図60のCは、図13のCと同様に、図57乃至図59の特徴を有するレンズ光学系611において発生する歪曲収差を表すグラフである。
<4枚の光学レンズのみをレンズとして含む撮像装置>
<レンズ光学系の構成例>
図61は、レンズ光学系25の代わりに、4枚の光学レンズのみをレンズとして含むレンズ光学系が設けられる撮像装置のレンズ光学系の構成例を示す側面図である。
<レンズ光学系の構成例>
図61は、レンズ光学系25の代わりに、4枚の光学レンズのみをレンズとして含むレンズ光学系が設けられる撮像装置のレンズ光学系の構成例を示す側面図である。
レンズ光学系711は、光の入射側(図61中左側)から順に、光学レンズ721、開口絞り722、光学レンズ723、光学レンズ724、光学レンズ725を備える。開口絞り722は、光学レンズ721から光学レンズ723に入射される光を制限する。
被写体からの光は、光学レンズ721の光の入射側の光学面721aに入射され、出射側の光学面721bを介して、開口絞り722に出射される。開口絞り423に入射され、制限された光は、光学レンズ723の光の入射側の光学面723aに入射され、出射側の光学面723bから出射される。光学面723bから出射された光は、光学レンズ724の光の入射側の光学面724aに入射され、出射側の光学面724bから出射される。光学面724bから出射された光は、光学レンズ725の光の入射側の光学面725aに入射され、出射側の光学面725bから出射される。このようにしてレンズ光学系711から出射された光は、ガラス基板23、接着剤22、およびオンチップレンズ32を介して、受光面31aに集光される。
<レンズ光学系の仕様例>
図62は、図61のレンズ光学系711の仕様例を示す図である。
図62は、図61のレンズ光学系711の仕様例を示す図である。
図62の仕様では、焦点距離が0.81mmであり、Fナンバーが1.80であり、FOVが141.8度であり、レンズ光学系711の全長TTLが2.40である。従って、1/(Fno×TTL)は約0.231である。
<各光学面の特徴例>
次に、図63および図64を参照して、図62の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系711の各光学面の特徴の例について説明する。
次に、図63および図64を参照して、図62の仕様に基づいて設計されたレンズ光学系711の各光学面の特徴の例について説明する。
図63および図64では、光学面721a,721b,723a,723b,724a,724b,725a、および725bに対して、順に、1から8までの面番号が付与されている。
図63の表は、各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面721a,721b,723a,723b,724a,724b,725a、または725bの曲率半径、面間隔、屈折率nd、アッベ数vd、および有効径を示している。
図63に示すように、面番号が「1」である光学面721aの曲率半径は、0.2963917であり、光学面721bとの面間隔は0.12mmであり、屈折率ndは1.595であり、vdは39.0であり、有効径は0.73mmである。面番号が「2」である光学面721bの曲率半径は、1.6361527であり、光学面723aとの面間隔は0.51mmであり、有効径は0.45mmである。
面番号が「3」である光学面723aの曲率半径は、0.896999であり、光学面723bとの面間隔は0.3339248mmであり、屈折率ndは1.595であり、vdは39.0であり、有効径は0.4804284mmである。面番号が「4」である光学面723bの曲率半径は、-0.936237であり、光学面724aとの面間隔は0.4680084mmであり、有効径は0.51mmである。
面番号が「5」である光学面724aの曲率半径は、0.1975937であり、光学面724bとの面間隔は0.232619mmであり、屈折率ndは1.595であり、vdは39.0であり、有効径は0.61mmである。面番号が「6」である光学面724bの曲率半径は、-1.271618であり、光学面725aとの面間隔は0.2595509mmであり、有効径は0.62mmである。
面番号が「7」である光学面725aの曲率半径は、-0.690404であり、光学面725bとの面間隔は0.1mmであり、屈折率ndは1.595であり、vdは39.0であり、有効径は0.783635mmである。面番号が「8」である光学面725bの曲率半径は、0.2821324であり、有効径は0.9117166mmである。
図64の表は、各面番号に対応付けて、その面番号に対応する光学面721a,721b,723a,723b,724a,724b,725a、または725bの非球面形状のプロファイルとしての、上述した式(1)におけるコーニック定数Kと係数A2iを示している。
図64に示すように、面番号が「1」である光学面721aのコーニック定数Kは、1.6471171である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、-0.147349,-0.073275,-0.005032,-0.00017,0.0005148,-0.004031である。A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「2」である光学面721bのコーニック定数Kは、-0.26173である。係数A4,A6,A8,A10,A12は、それぞれ、0.4886352,0.1323859,0.0058732,-0.018081,-0.005959である。係数A14,A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「3」である光学面723aのコーニック定数Kは、0.5147988である。係数A4,A6,A8,A10,A12は、それぞれ、-0.18619,-0.022304,-0.003831である。A10,A12,A14,A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「4」である光学面723bのコーニック定数Kは、1.6832805である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、0.0079838,-0.000301,-0.000595,-0.000674,-0.000217,-0.000112である。A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「5」である光学面724aのコーニック定数Kは、1.6179066である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、-0.040361,0.0203374,-0.010236,-0.009539,-0.000819,0.0020488である。A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「6」である光学面724bのコーニック定数Kは、0.2906084である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、0.1638346,0.0119642,0.0064913,0.0018517,-0.00029,-0.00000747である。A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「7」である光学面725aのコーニック定数Kは、2.2411082である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、0.5905365,0.1177488,0.0297443,-0.071995,0.0025174,-0.003776である。A16,A18,およびA20は全て0である。
面番号が「8」である光学面725bのコーニック定数Kは、0.6453265である。係数A4,A6,A8,A10,A12,A14は、それぞれ、-0.757005,-0.454771,-0.259242であり、A10は-0.249923,-0.087461,-0.031125である。A16,A18,およびA20は全て0である。
<球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例>
図65は、図63および図64の特徴を有するレンズ光学系711において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図65は、図63および図64の特徴を有するレンズ光学系711において発生する球面収差、像面湾曲、および歪曲収差の例を示す図である。
図65のAは、図13のAと同様に、図63および図64の特徴を有するレンズ光学系711において発生する縦方向の球面収差を表すグラフである。図65のBは、図13のBと同様に、図63および図64の特徴を有するレンズ光学系711において発生する像面湾曲を表すグラフである。図65のCは、図13のCと同様に、図63および図64の特徴を有するレンズ光学系711において発生する歪曲収差を表すグラフである。
以上のように、図13、図19、図33、図40、図47、および図54に示すように、1/(Fno×TTL)が0.25以上である場合の球面収差、像面湾曲、および歪曲収差は、図60および図65で示す球面収差、像面湾曲、および歪曲収差に比べて良好である。しかしながら、図25に示すように、1/(Fno×TTL)が0.25以下である場合の球面収差、像面湾曲、および歪曲収差は、図60および図65で示す球面収差、像面湾曲、および歪曲収差と比べて同等または不良である。また、1/(Fno×TTL)が0.45より大きい場合、軸外光束の像面湾曲およびコマ収差の補正が困難である。従って、第1乃至第5実施の形態において、例えば以下の条件を満たすことが望ましい。
<電子機器への適用例>
上述したレンズ光学系25(211,311,411,511)を含む撮像装置は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器に適用することができる。
上述したレンズ光学系25(211,311,411,511)を含む撮像装置は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器に適用することができる。
図66は、本技術を適用した電子機器としてのデジタルスチルカメラの構成例を示すブロック図である。
図66に示されるデジタルスチルカメラ1001は、撮像部1004、制御回路1005、信号処理回路1006、モニタ1007、およびメモリ1008を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。
撮像部1004は、上述したレンズ光学系25(211,311,411,511)を含む撮像装置等により構成される。撮像部1004は、被写体からの光を受光面で結像させ、受光された光に応じて、一定期間、信号電荷を蓄積する。撮像部1004に蓄積された信号電荷は、制御回路1005から供給される駆動信号(タイミング信号)に従って転送される。
制御回路1005は、撮像部1004の転送動作を制御する駆動信号を出力して、撮像部1004を駆動する。
信号処理回路1006は、撮像部1004から出力された信号電荷に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路1006が信号処理を施すことにより得られた画像(画像データ)は、モニタ1007に供給されて表示されたり、メモリ1008に供給されて記憶(記録)されたりする。
このように構成されているデジタルスチルカメラ1001においても、撮像部1004のレンズ光学系としてレンズ光学系25(211,311,411,511)を適用することにより、光学性能を向上させることができる。その結果、撮像画像の画質を向上させることができる。
<撮像装置の使用例>
図67は、上述のレンズ光学系25(211,311,411,511)を含む撮像装置を使用する使用例を示す図である。
図67は、上述のレンズ光学系25(211,311,411,511)を含む撮像装置を使用する使用例を示す図である。
上述したレンズ光学系25(211,311,411,511)を含む撮像装置は、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
<内視鏡手術システムへの応用例>
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
図68は、本開示に係る技術(本技術)が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
図68では、術者(医師)11131が、内視鏡手術システム11000を用いて、患者ベッド11133上の患者11132に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム11000は、内視鏡11100と、気腹チューブ11111やエネルギー処置具11112等の、その他の術具11110と、内視鏡11100を支持する支持アーム装置11120と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート11200と、から構成される。
内視鏡11100は、先端から所定の長さの領域が患者11132の体腔内に挿入される鏡筒11101と、鏡筒11101の基端に接続されるカメラヘッド11102と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒11101を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡11100を図示しているが、内視鏡11100は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
鏡筒11101の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡11100には光源装置11203が接続されており、当該光源装置11203によって生成された光が、鏡筒11101の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者11132の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡11100は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
カメラヘッド11102の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光(観察光)は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、RAWデータとしてカメラコントロールユニット(CCU: Camera Control Unit)11201に送信される。
CCU11201は、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)等によって構成され、内視鏡11100及び表示装置11202の動作を統括的に制御する。さらに、CCU11201は、カメラヘッド11102から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理(デモザイク処理)等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。
表示装置11202は、CCU11201からの制御により、当該CCU11201によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。
光源装置11203は、例えばLED(Light Emitting Diode)等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡11100に供給する。
入力装置11204は、内視鏡手術システム11000に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置11204を介して、内視鏡手術システム11000に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、内視鏡11100による撮像条件(照射光の種類、倍率及び焦点距離等)を変更する旨の指示等を入力する。
処置具制御装置11205は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具11112の駆動を制御する。気腹装置11206は、内視鏡11100による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者11132の体腔を膨らめるために、気腹チューブ11111を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ11207は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ11208は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。
なお、内視鏡11100に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置11203は、例えばLED、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。RGBレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色(各波長)の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置11203において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、RGBレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド11102の撮像素子の駆動を制御することにより、RGBそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
また、光源装置11203は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド11102の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
また、光源装置11203は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光(すなわち、白色光)に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察(Narrow Band Imaging)が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること(自家蛍光観察)、又はインドシアニングリーン(ICG)等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置11203は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び/又は励起光を供給可能に構成され得る。
図69は、図68に示すカメラヘッド11102及びCCU11201の機能構成の一例を示すブロック図である。
カメラヘッド11102は、レンズユニット11401と、撮像部11402と、駆動部11403と、通信部11404と、カメラヘッド制御部11405と、を有する。CCU11201は、通信部11411と、画像処理部11412と、制御部11413と、を有する。カメラヘッド11102とCCU11201とは、伝送ケーブル11400によって互いに通信可能に接続されている。
レンズユニット11401は、鏡筒11101との接続部に設けられる光学系である。鏡筒11101の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド11102まで導光され、当該レンズユニット11401に入射する。レンズユニット11401は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。
撮像部11402は、撮像素子で構成される。撮像部11402を構成する撮像素子は、1つ(いわゆる単板式)であってもよいし、複数(いわゆる多板式)であってもよい。撮像部11402が多板式で構成される場合には、例えば各撮像素子によってRGBそれぞれに対応する画像信号が生成され、それらが合成されることによりカラー画像が得られてもよい。あるいは、撮像部11402は、3D(Dimensional)表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための1対の撮像素子を有するように構成されてもよい。3D表示が行われることにより、術者11131は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部11402が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット11401も複数系統設けられ得る。
また、撮像部11402は、必ずしもカメラヘッド11102に設けられなくてもよい。例えば、撮像部11402は、鏡筒11101の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。
駆動部11403は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部11405からの制御により、レンズユニット11401のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部11402による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。
通信部11404は、CCU11201との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部11404は、撮像部11402から得た画像信号をRAWデータとして伝送ケーブル11400を介してCCU11201に送信する。
また、通信部11404は、CCU11201から、カメラヘッド11102の駆動を制御するための制御信号を受信し、カメラヘッド制御部11405に供給する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに/又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。
なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、ユーザによって適宜指定されてもよいし、取得された画像信号に基づいてCCU11201の制御部11413によって自動的に設定されてもよい。後者の場合には、いわゆるAE(Auto Exposure)機能、AF(Auto Focus)機能及びAWB(Auto White Balance)機能が内視鏡11100に搭載されていることになる。
カメラヘッド制御部11405は、通信部11404を介して受信したCCU11201からの制御信号に基づいて、カメラヘッド11102の駆動を制御する。
通信部11411は、カメラヘッド11102との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部11411は、カメラヘッド11102から、伝送ケーブル11400を介して送信される画像信号を受信する。
また、通信部11411は、カメラヘッド11102に対して、カメラヘッド11102の駆動を制御するための制御信号を送信する。画像信号や制御信号は、電気通信や光通信等によって送信することができる。
画像処理部11412は、カメラヘッド11102から送信されたRAWデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。
制御部11413は、内視鏡11100による術部等の撮像、及び、術部等の撮像により得られる撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部11413は、カメラヘッド11102の駆動を制御するための制御信号を生成する。
また、制御部11413は、画像処理部11412によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部等が映った撮像画像を表示装置11202に表示させる。この際、制御部11413は、各種の画像認識技術を用いて撮像画像内における各種の物体を認識してもよい。例えば、制御部11413は、撮像画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具11112の使用時のミスト等を認識することができる。制御部11413は、表示装置11202に撮像画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させてもよい。手術支援情報が重畳表示され、術者11131に提示されることにより、術者11131の負担を軽減することや、術者11131が確実に手術を進めることが可能になる。
カメラヘッド11102及びCCU11201を接続する伝送ケーブル11400は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
ここで、図示する例では、伝送ケーブル11400を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド11102とCCU11201との間の通信は無線で行われてもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、レンズユニット11401と撮像部11402等に適用され得る。具体的には、上述したレンズ光学系25(211,311,411,511)を含む撮像装置は、レンズユニット11401と撮像部11402に適用することができる。レンズユニット11401と撮像部11402に本開示に係る技術を適用することにより、光学特性を向上することができる。その結果、より鮮明な術部画像を得ることができるため、例えば術者が術部を確実に確認することが可能になる。
なお、ここでは、一例として内視鏡手術システムについて説明したが、本開示に係る技術は、その他、例えば、顕微鏡手術システム等に適用されてもよい。
<移動体への応用例>
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
図70は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
車両制御システム12000は、通信ネットワーク12001を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図70に示した例では、車両制御システム12000は、駆動系制御ユニット12010、ボディ系制御ユニット12020、車外情報検出ユニット12030、車内情報検出ユニット12040、及び統合制御ユニット12050を備える。また、統合制御ユニット12050の機能構成として、マイクロコンピュータ12051、音声画像出力部12052、及び車載ネットワークI/F(interface)12053が図示されている。
駆動系制御ユニット12010は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット12010は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
ボディ系制御ユニット12020は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット12020は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット12020には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット12020は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
車外情報検出ユニット12030は、車両制御システム12000を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット12030には、撮像部12031が接続される。車外情報検出ユニット12030は、撮像部12031に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット12030は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
撮像部12031は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部12031は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部12031が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
車内情報検出ユニット12040は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット12040には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部12041が接続される。運転者状態検出部12041は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット12040は、運転者状態検出部12041から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット12010に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むADAS(Advanced Driver Assistance System)の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット12020に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
音声画像出力部12052は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図70の例では、出力装置として、オーディオスピーカ12061、表示部12062及びインストルメントパネル12063が例示されている。表示部12062は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
図71は、撮像部12031の設置位置の例を示す図である。
図71では、車両12100は、撮像部12031として、撮像部12101,12102,12103,12104,12105を有する。
撮像部12101,12102,12103,12104,12105は、例えば、車両12100のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部12101及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として車両12100の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部12102,12103は、主として車両12100の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部12104は、主として車両12100の後方の画像を取得する。撮像部12101及び12105で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
なお、図71には、撮像部12101ないし12104の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲12111は、フロントノーズに設けられた撮像部12101の撮像範囲を示し、撮像範囲12112,12113は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部12102,12103の撮像範囲を示し、撮像範囲12114は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部12104の撮像範囲を示す。例えば、撮像部12101ないし12104で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両12100を上方から見た俯瞰画像が得られる。
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を基に、撮像範囲12111ないし12114内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化(車両12100に対する相対速度)を求めることにより、特に車両12100の進行路上にある最も近い立体物で、車両12100と略同じ方向に所定の速度(例えば、0km/h以上)で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ12051は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御(追従停止制御も含む)や自動加速制御(追従発進制御も含む)等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、2輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両12100の周辺の障害物を、車両12100のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ12051は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ12061や表示部12062を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット12010を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部12101ないし12104の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ12051が、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部12052は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部12062を制御する。また、音声画像出力部12052は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部12062を制御してもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部12031等に適用され得る。具体的には、上述したレンズ光学系25(211,311,411,511)を含む撮像装置は、撮像部12031に適用することができる。撮像部12031に本開示に係る技術を適用することにより、光学特性を向上させることができる。その結果、より見やすい撮影画像を得ることができるため、例えばドライバの疲労を軽減することが可能になる。
本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
例えば、上述した複数の実施の形態の全てまたは一部を組み合わせた形態を採用することができる。
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、本明細書に記載されたもの以外の効果があってもよい。
本技術は、以下の構成を取ることができる。
(1)
光の入射側から順に、
正の屈折力を有する第1のレンズと、
正の屈折力を有する第2のレンズと
を備え、
前記第1のレンズには、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、
前記メタサーフェスの前記入射側には、開口絞りが配置され、
前記第2のレンズの少なくとも1つの光学面は、非球面形状を有する
ように構成された
レンズ光学系。
(2)
前記メタサーフェスは、前記第1のレンズの光の出射側の光学面に配置される
ように構成された
前記(1)に記載のレンズ光学系。
(3)
前記非球面形状は変曲点を有する
ように構成された
前記(1)に記載のレンズ光学系。
(4)
前記開口絞りと前記メタサーフェスの間の間隔は、0.6mmより大きい
ように構成された
前記(1)乃至(3)のいずれかに記載のレンズ光学系。
(5)
画角は100度以上である
ように構成された
前記(1)乃至(4)のいずれかに記載のレンズ光学系。
(6)
F値をFNOとし、前記レンズ光学系の全長をTTL[mm]としたとき、
という条件を満たす
ように構成された
前記(1)乃至(5)のいずれかに記載のレンズ光学系。
(7)
光の入射側から順に、
正の屈折力を有する第1のレンズと、
正の屈折力を有する第2のレンズと
を備え、
前記第1のレンズの前記光の出射側の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、
前記メタサーフェスの前記入射側には、開口絞りが配置され、
前記第2のレンズの少なくとも1つの光学面は、非球面形状を有する
ように構成された
レンズ光学系と、
受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板と
を備える撮像装置。
(8)
光の入射側から順に、
光軸の近傍において負の屈折力を有する第1のレンズと、
前記光軸の近傍において正の屈折力を有する第2のレンズと、
前記光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と
を備え、
前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、
前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置される
ように構成された
レンズ光学系。
(9)
前記第1の光学面は、前記第2の光学面より前記入射側に配置される
ように構成された
前記(8)に記載のレンズ光学系。
(10)
前記第1のレンズと前記第2のレンズの間に配置される開口絞り
をさらに備える
前記(8)または(9)に記載のレンズ光学系。
(11)
前記開口絞りと前記メタサーフェスの間の間隔は、0.6mmより大きい
ように構成された
前記(10)に記載のレンズ光学系。
(12)
画角は100度以上である
ように構成された
前記(8)乃至(11)のいずれかに記載のレンズ光学系。
(13)
F値をFNOとし、前記レンズ光学系の全長をTTL[mm]としたとき、
という条件を満たす
ように構成された
前記(8)乃至(12)のいずれかに記載のレンズ光学系。
(14)
光の入射側から順に、
光軸の近傍において負の屈折力を有する第1のレンズと、
前記光軸の近傍において正の屈折力を有する第2のレンズと、
前記光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と
を備え、
前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、
前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置される
ように構成された
レンズ光学系と、
受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板と
を備える撮像装置。
(15)
光の入射側から順に、
第1のレンズと、
第2のレンズと、
光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と、
第3のレンズと
を備え、
前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、
前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、
前記メタサーフェスは、正の屈折力を有し、
前記第1の光学面が前記第2の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第2のレンズは前記光軸の近傍において正の屈折力を有し、前記第2の光学面が前記第1の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第3のレンズは正の屈折力を有する
ように構成された
レンズ光学系。
(16)
前記第1のレンズと前記第2のレンズの間に配置される開口絞り
をさらに備える
前記(15)に記載のレンズ光学系。
(17)
前記開口絞りと前記メタサーフェスの間の間隔は、0.6mmより大きい
ように構成された
前記(16)に記載のレンズ光学系。
(18)
画角は100度以上である
ように構成された
前記(15)乃至(17)のいずれかに記載のレンズ光学系。
(19)
F値をFNOとし、前記レンズ光学系の全長をTTL[mm]としたとき、
という条件を満たす
ように構成された
前記(15)乃至(18)のいずれかに記載のレンズ光学系。
(20)
光の入射側から順に、
第1のレンズと、
第2のレンズと、
光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と、
第3のレンズと
を備え、
前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、
前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、
前記メタサーフェスは、正の屈折力を有し、
前記第1の光学面が前記第2の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第2のレンズは前記光軸の近傍において正の屈折力を有し、前記第2の光学面が前記第1の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第3のレンズは正の屈折力を有する
ように構成された
レンズ光学系と、
受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板と
を備える撮像装置。
(21)
少なくとも一方が正の屈折力を有する2面のメタサーフェスと、
正の屈折力を有する前記メタサーフェスの光の入射側に配置される開口絞りと
を備えるレンズ光学系。
(22)
少なくとも一方が正の屈折力を有する2面のメタサーフェスと、
正の屈折力を有する前記メタサーフェスの光の入射側に配置される開口絞りと
を備えるレンズ光学系と、
受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板と
を備える撮像装置。
(1)
光の入射側から順に、
正の屈折力を有する第1のレンズと、
正の屈折力を有する第2のレンズと
を備え、
前記第1のレンズには、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、
前記メタサーフェスの前記入射側には、開口絞りが配置され、
前記第2のレンズの少なくとも1つの光学面は、非球面形状を有する
ように構成された
レンズ光学系。
(2)
前記メタサーフェスは、前記第1のレンズの光の出射側の光学面に配置される
ように構成された
前記(1)に記載のレンズ光学系。
(3)
前記非球面形状は変曲点を有する
ように構成された
前記(1)に記載のレンズ光学系。
(4)
前記開口絞りと前記メタサーフェスの間の間隔は、0.6mmより大きい
ように構成された
前記(1)乃至(3)のいずれかに記載のレンズ光学系。
(5)
画角は100度以上である
ように構成された
前記(1)乃至(4)のいずれかに記載のレンズ光学系。
(6)
F値をFNOとし、前記レンズ光学系の全長をTTL[mm]としたとき、
ように構成された
前記(1)乃至(5)のいずれかに記載のレンズ光学系。
(7)
光の入射側から順に、
正の屈折力を有する第1のレンズと、
正の屈折力を有する第2のレンズと
を備え、
前記第1のレンズの前記光の出射側の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、
前記メタサーフェスの前記入射側には、開口絞りが配置され、
前記第2のレンズの少なくとも1つの光学面は、非球面形状を有する
ように構成された
レンズ光学系と、
受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板と
を備える撮像装置。
(8)
光の入射側から順に、
光軸の近傍において負の屈折力を有する第1のレンズと、
前記光軸の近傍において正の屈折力を有する第2のレンズと、
前記光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と
を備え、
前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、
前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置される
ように構成された
レンズ光学系。
(9)
前記第1の光学面は、前記第2の光学面より前記入射側に配置される
ように構成された
前記(8)に記載のレンズ光学系。
(10)
前記第1のレンズと前記第2のレンズの間に配置される開口絞り
をさらに備える
前記(8)または(9)に記載のレンズ光学系。
(11)
前記開口絞りと前記メタサーフェスの間の間隔は、0.6mmより大きい
ように構成された
前記(10)に記載のレンズ光学系。
(12)
画角は100度以上である
ように構成された
前記(8)乃至(11)のいずれかに記載のレンズ光学系。
(13)
F値をFNOとし、前記レンズ光学系の全長をTTL[mm]としたとき、
ように構成された
前記(8)乃至(12)のいずれかに記載のレンズ光学系。
(14)
光の入射側から順に、
光軸の近傍において負の屈折力を有する第1のレンズと、
前記光軸の近傍において正の屈折力を有する第2のレンズと、
前記光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と
を備え、
前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、
前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置される
ように構成された
レンズ光学系と、
受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板と
を備える撮像装置。
(15)
光の入射側から順に、
第1のレンズと、
第2のレンズと、
光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と、
第3のレンズと
を備え、
前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、
前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、
前記メタサーフェスは、正の屈折力を有し、
前記第1の光学面が前記第2の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第2のレンズは前記光軸の近傍において正の屈折力を有し、前記第2の光学面が前記第1の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第3のレンズは正の屈折力を有する
ように構成された
レンズ光学系。
(16)
前記第1のレンズと前記第2のレンズの間に配置される開口絞り
をさらに備える
前記(15)に記載のレンズ光学系。
(17)
前記開口絞りと前記メタサーフェスの間の間隔は、0.6mmより大きい
ように構成された
前記(16)に記載のレンズ光学系。
(18)
画角は100度以上である
ように構成された
前記(15)乃至(17)のいずれかに記載のレンズ光学系。
(19)
F値をFNOとし、前記レンズ光学系の全長をTTL[mm]としたとき、
ように構成された
前記(15)乃至(18)のいずれかに記載のレンズ光学系。
(20)
光の入射側から順に、
第1のレンズと、
第2のレンズと、
光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と、
第3のレンズと
を備え、
前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、
前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、
前記メタサーフェスは、正の屈折力を有し、
前記第1の光学面が前記第2の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第2のレンズは前記光軸の近傍において正の屈折力を有し、前記第2の光学面が前記第1の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第3のレンズは正の屈折力を有する
ように構成された
レンズ光学系と、
受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板と
を備える撮像装置。
(21)
少なくとも一方が正の屈折力を有する2面のメタサーフェスと、
正の屈折力を有する前記メタサーフェスの光の入射側に配置される開口絞りと
を備えるレンズ光学系。
(22)
少なくとも一方が正の屈折力を有する2面のメタサーフェスと、
正の屈折力を有する前記メタサーフェスの光の入射側に配置される開口絞りと
を備えるレンズ光学系と、
受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板と
を備える撮像装置。
10 撮像装置, 21 固体撮像素子, 23 ガラス基板, 25 レンズ光学系, 101 メタレンズ, 101b 光学面, 102 光学レンズ, 102a,102b 光学面, 111 開口絞り, 112 メタサーフェス, 132 ナノ構造体, 211 レンズ光学系, 221 光学レンズ, 222 開口絞り, 223 光学レンズ, 224 光学素子, 224a,224b 光学面, 231 メタサーフェス, 311 レンズ光学系, 321 光学レンズ, 322 開口絞り, 323 光学レンズ, 324 光学素子, 324a,324b 光学面, 325 光学レンズ, 331 メタサーフェス, 411 レンズ光学系, 421,422 光学レンズ, 424 光学素子, 424a,424b 光学面, 425 光学レンズ, 431 メタサーフェス, 511 レンズ光学系, 521 光学素子, 531 開口絞り, 532,533 メタサーフェス
Claims (20)
- 光の入射側から順に、
正の屈折力を有する第1のレンズと、
正の屈折力を有する第2のレンズと
を備え、
前記第1のレンズには、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、
前記メタサーフェスの前記入射側には、開口絞りが配置され、
前記第2のレンズの少なくとも1つの光学面は、非球面形状を有する
ように構成された
レンズ光学系。 - 前記メタサーフェスは、前記第1のレンズの光の出射側の光学面に配置される
ように構成された
請求項1に記載のレンズ光学系。 - 前記非球面形状は変曲点を有する
ように構成された
請求項1に記載のレンズ光学系。 - 前記開口絞りと前記メタサーフェスの間の間隔は、0.6mmより大きい
ように構成された
請求項1に記載のレンズ光学系。 - 画角は100度以上である
ように構成された
請求項1に記載のレンズ光学系。 - 光の入射側から順に、
正の屈折力を有する第1のレンズと、
正の屈折力を有する第2のレンズと
を備え、
前記第1のレンズには、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、
前記メタサーフェスの前記入射側には、開口絞りが配置され、
前記第2のレンズの少なくとも1つの光学面は、非球面形状を有する
ように構成された
レンズ光学系と、
受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板と
を備える撮像装置。 - 光の入射側から順に、
光軸の近傍において負の屈折力を有する第1のレンズと、
前記光軸の近傍において正の屈折力を有する第2のレンズと、
前記光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と
を備え、
前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、
前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置される
ように構成された
レンズ光学系。 - 前記第1の光学面は、前記第2の光学面より前記入射側に配置される
ように構成された
請求項8に記載のレンズ光学系。 - 前記第1のレンズと前記第2のレンズの間に配置される開口絞り
をさらに備える
請求項8に記載のレンズ光学系。 - 前記開口絞りと前記メタサーフェスの間の間隔は、0.6mmより大きい
ように構成された
請求項10に記載のレンズ光学系。 - 画角は100度以上である
ように構成された
請求項8に記載のレンズ光学系。 - 光の入射側から順に、
光軸の近傍において負の屈折力を有する第1のレンズと、
前記光軸の近傍において正の屈折力を有する第2のレンズと、
前記光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と
を備え、
前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、
前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置される
ように構成された
レンズ光学系と、
受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板と
を備える撮像装置。 - 光の入射側から順に、
第1のレンズと、
第2のレンズと、
光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と、
第3のレンズと
を備え、
前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、
前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、
前記メタサーフェスは、正の屈折力を有し、
前記第1の光学面が前記第2の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第2のレンズは前記光軸の近傍において正の屈折力を有し、前記第2の光学面が前記第1の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第3のレンズは正の屈折力を有する
ように構成された
レンズ光学系。 - 前記第1のレンズと前記第2のレンズの間に配置される開口絞り
をさらに備える
請求項15に記載のレンズ光学系。 - 前記開口絞りと前記メタサーフェスの間の間隔は、0.6mmより大きい
ように構成された
請求項16に記載のレンズ光学系。 - 画角は100度以上である
ように構成された
請求項15に記載のレンズ光学系。 - 光の入射側から順に、
第1のレンズと、
第2のレンズと、
光軸の近傍において正の屈折力を有する光学素子と、
第3のレンズと
を備え、
前記光学素子の第1の光学面は平面または曲面により構成され、
前記光学素子の第2の光学面には、複数のナノ構造体により形成されるメタサーフェスが配置され、
前記メタサーフェスは、正の屈折力を有し、
前記第1の光学面が前記第2の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第2のレンズは前記光軸の近傍において正の屈折力を有し、前記第2の光学面が前記第1の光学面より前記入射側に配置される場合、前記第3のレンズは正の屈折力を有する
ように構成された
レンズ光学系と、
受光素子が2次元格子状に配列された固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の受光面と前記レンズ光学系の間に配置されるガラス基板と
を備える撮像装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022-157593 | 2022-09-30 | ||
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2024070611A1 true WO2024070611A1 (ja) | 2024-04-04 |
Family
ID=90477508
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/JP2023/032953 WO2024070611A1 (ja) | 2022-09-30 | 2023-09-11 | レンズ光学系および撮像装置 |
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Country | Link |
---|---|
WO (1) | WO2024070611A1 (ja) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20200355913A1 (en) * | 2019-05-07 | 2020-11-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Metalens and optical apparatus including the same |
US20210103075A1 (en) * | 2019-10-08 | 2021-04-08 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Meta lens and optical apparatus including the same |
JP2021071727A (ja) * | 2019-10-30 | 2021-05-06 | 三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd. | メタレンズ、レンズアセンブリー及びそれを含む電子装置 |
-
2023
- 2023-09-11 WO PCT/JP2023/032953 patent/WO2024070611A1/ja unknown
Patent Citations (3)
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