(57)【要約】      （修正有）【課題】矩形の撮像素子の感光面の領域を有効に活用しながら、光軸付近の中央部の被写体を拡大できるレンズ系、及びそれを含むカメラシステム及び撮像システムを提供する。【解決手段】レンズ系１１１は、光軸に配置された矩形の撮像素子１０２に結像するレンズ系であって、光軸に対して非対称である第１自由曲面レンズＬ３を備える。第１自由曲面レンズの自由曲面は、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、光軸を通り撮像素子の長辺に平行な第１面との交点で、光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有し、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、光軸を通り撮像素子の短辺に平行な第２面との交点で、光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有する。【選択図】図１
2020024439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸に配置された矩形の撮像素子に結像するレンズ系であって、
前記光軸に対して非対称である第１自由曲面レンズを備え、
前記第１自由曲面レンズの自由曲面は、
前記光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、前記光軸を通り前記撮像素子の長辺に平行な第１面との交点で、前記光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有し、
前記光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、前記光軸を通り前記撮像素子の短辺に平行な第２面との交点で、前記光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有する、
レンズ系。
【請求項２】
前記所定の比率は４０％〜８０％である、
請求項１に記載のレンズ系。
【請求項３】
開口絞りを有し、
前記第１自由曲面レンズは前記開口絞りより物体側に位置する、
請求項１又は２に記載のレンズ系。
【請求項４】
前記開口絞りより像面側に第２自由曲面レンズを有する、
請求項３に記載のレンズ系。
【請求項５】
前記第２自由曲面レンズは最も像面側に配置され、物体側と像面側の両面が自由曲面である、
請求項４に記載のレンズ系。
【請求項６】
物体側から順に、物体側に凸形状の負のパワーを有するメニスカスである第１レンズ素子と、負のパワーを有する第２レンズ素子を有する、
請求項１〜５のいずれかに記載のレンズ系。
【請求項７】
前記第１自由曲面レンズは前記第２レンズ素子の像面側に配置され、少なくとも物体側が自由曲面である、
請求項６に記載のレンズ系。
【請求項８】
前記光軸に対して回転対称なレンズ素子を少なくとも３つ以上有する、
請求項１〜７のいずれかに記載のレンズ系。
【請求項９】
以下の条件（１）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
ωＬＯＮＧ＞６０°  ・・・（１）
ここで、
ωＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
である。
【請求項１０】
以下の条件（２）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
１＜ＤＬＳＨＯＲＴ／ＤＳＳＨＯＲＴ  ・・・（２）
ここで、
ＤＬＳＨＯＲＴ：撮像素子の短辺方向の最大半画角と等しい画角の、撮像素子の長辺方向の入射光に対する像点と、撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
ＤＳＳＨＯＲＴ：撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との短辺方向の最大距離
である。
【請求項１１】
以下の条件（３）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
０．５＜ＤＳＳＨＯＲＴ×ωＬＯＮＧ／（ＤＬＬＯＮＧ×ωＳＨＯＲＴ）＜１  ・・・（３）
ここで、
ωＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
ωＳＨＯＲＴ：撮像素子の短辺方向の最大半画角
ＤＬＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
ＤＳＳＨＯＲＴ：撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との短辺方向の最大距離
である。
【請求項１２】
以下の条件（４）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
ωＬＯＮＧ−ωＳＨＯＲＴ＞０  ・・・（４）
ここで、
ωＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
ωＳＨＯＲＴ：撮像素子の短辺方向の最大半画角
である。
【請求項１３】
以下の条件（５）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
Ｌ×Ｆｎｏ．／ＤＬＬＯＮＧ＜４０  ・・・（５）
ここで、
Ｌ：レンズ系の光学全長
Ｆｎｏ．：レンズ系のＦ値
ＤＬＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
である。
【請求項１４】
以下の条件（６）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
ｎＦＲＥＥ＜１．７  ・・・（６）
ここで、
ｎＦＲＥＥ：第１又は第２自由曲面レンズのｄ線に対する屈折率
である。
【請求項１５】
レンズ素子と開口絞りとをさらに有し、以下の条件（７）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
−３≦Ｎｏ−Ｎｉ≦３  ・・・（７）
ここで、
Ｎｏ：開口絞りよりも物体側のレンズ素子（第１自由曲面レンズを含む）の枚数
Ｎｉ：開口絞りよりも像面側のレンズ素子の枚数
である。
【請求項１６】
前記レンズ系のイメージサークルが、前記撮像素子で包含されない、
請求項１に記載のレンズ系。
【請求項１７】
請求項１に記載のレンズ系と、
前記光軸で前記レンズ系が結像する位置に配置された矩形の前記撮像素子と、を備える、
カメラシステム。
【請求項１８】
請求項１に記載のレンズ系と、
前記光軸で前記レンズ系が結像する位置に配置された矩形の前記撮像素子と、
前記撮像素子が生成する画像を処理する画像処理部と、を備える、
撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レンズ系、カメラシステム及び撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
中心射影方式でないレンズによって結像される像は矩形から崩れ、矩形の撮像素子を用いると、光学像と撮像素子とが重ならず使用されない感光面の領域が多くなってしまう。
【０００３】
また、被写体検知・認識の観点から光軸付近の中央部の被写体を、大きく拡大して撮像素子上に結像させることが求められているが、困難であった。
【０００４】
特許文献１は、長方形の画像センサによりパノラマ画像を撮像する方法を開示する。特許文献１は、魚眼対物レンズに円環レンズを用いることにより、円形画像を矩形画像にして矩形の撮像素子に結像させることを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第０３／１０１５９９号
【発明の概要】
【０００６】
矩形の撮像素子の感光面の領域を有効に活用しながら、光軸付近の中央部の被写体を拡大できるレンズ系、該レンズを含むカメラシステム及び撮像システムを提供する。
【０００７】
本開示のレンズ系は、光軸に配置された矩形の撮像素子に結像するレンズ系であって、光軸に対して非対称である第１自由曲面レンズを備える。第１自由曲面レンズの自由曲面は、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、光軸を通り撮像素子の長辺に平行な第１面との交点で、光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有し、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、光軸を通り撮像素子の短辺に平行な第２面との交点で、光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有する。
【０００８】
本開示のカメラシステムは、本開示の上記レンズ系と、光軸でレンズ系が結像する位置に配置された矩形の撮像素子と、を備える。
【０００９】
本開示の撮像システムは、本開示の上記レンズ系と、光軸でレンズ系が結像する位置に配置された矩形の撮像素子と、撮像素子が生成する画像を処理する画像処理部と、を備える。
【００１０】
本発明では、略矩形の像を結像しながら、光軸付近の中央部の被写体を拡大するレンズ系、該レンズ系を含むカメラシステム及び撮像システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係るレンズ系の無限合焦状態を示すレンズ配置図
【図２】実施の形態２に係るレンズ系の無限合焦状態を示すレンズ配置図
【図３】実施の形態３に係るレンズ系の無限合焦状態を示すレンズ配置図
【図４】実施の形態４に係るカメラシステムの概略構成図
【図５】実施の形態５に係る撮像システムの概略構成図
【図６】数値実施例１に係るレンズ系の無限合焦状態の球面収差と像面湾曲を示す収差図
【図７】数値実施例１に係るレンズ系の無限合焦状態の画角と像点の関係を示す図
【図８】数値実施例２に係るレンズ系の無限合焦状態の球面収差と像面湾曲を示す収差図
【図９】数値実施例２に係るレンズ系の無限合焦状態の画角と像点の関係を示す図
【図１０】数値実施例３に係るレンズ系の無限合焦状態の球面収差と像面湾曲を示す収差図
【図１１】数値実施例３に係るレンズ系の無限合焦状態の画角と像点の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００１３】
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るレンズ系の配置図であり、無限遠合焦状態を表している。
【００１５】
なお、図１の（ａ）はＹＺ断面で、図１の（ｂ）はＸＺ断面で、８枚のレンズ素子を有するレンズ系１１１と、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子１０２とを表している。Ｘ方向は撮像素子１０２の長辺に平行な方向、Ｙ方向は撮像素子１０２の短辺方向に平行な方向、Ｚ方向は光軸に平行な方向である。また、ＹＺ断面は、光軸を含みＹ方向とＺ方向に平行な平面である。ＸＺ断面は、光軸を含みＸ方向とＺ方向に平行な平面である。
【００１６】
図１に示すように、実施の形態１に係るレンズ系１１１は、物体側から像面側へと順に、５枚のレンズ素子Ｌ１〜Ｌ５、開口絞りＡ、３枚のレンズ素子Ｌ６〜Ｌ８を備える。レンズ系１１１の結像の位置は、撮像素子１０２の像面となっている。図１の（ｂ）では符号を省略している。
【００１７】
さらに、レンズ系１１１を詳細に説明する。レンズ系１１１は、物体側から像面側へと順に、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズ素子Ｌ１と、両凹形状のレンズ素子Ｌ２と、両凹形状のレンズ素子Ｌ３と、両凸形状のレンズ素子Ｌ４と、両面が非球面で形成されて物体側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズ素子Ｌ５と、開口絞りＡと、両凸形状のレンズ素子Ｌ６と、像面側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズ素子Ｌ７と、物体側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズ素子Ｌ８とからなる。レンズ素子Ｌ６とレンズ素子Ｌ７は接合されている。ここで、レンズ素子Ｌ１は第１レンズ素子の一例であり、レンズ素子Ｌ２は第２レンズ素子の一例である。
【００１８】
レンズ系１１１において、レンズ素子Ｌ３とレンズ素子Ｌ８は、物体側と像面側の両面がＸＹ多項式の自由曲面である。図１において、自由曲面に＊印を付している。ここで、レンズ素子Ｌ３は第１自由曲面レンズの一例であり、レンズ素子Ｌ８は第２自由曲面レンズの一例である。
【００１９】
レンズ素子Ｌ３の像面側の自由曲面は、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、光軸を通り撮像素子の長辺に平行なＸＺ面（第１面）との交点で、光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有し、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、光軸を通り撮像素子の短辺に平行なＹＺ面（第２面）との交点で、光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有している。ここで、本実施の形態においては、最短像高に対する所定の比率は全ての比率が該当するので、レンズ素子Ｌ３の像面側の自由曲面は、ＸＺ面との全ての交点で、光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有し、ＹＺ面との全ての交点で、光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有している。各レンズ素子の面データについては後述する。なお、自由曲面レンズ及び非球面レンズの面の形状はＹ方向の光軸近傍（頂点）での形状で表現している。
【００２０】
（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係るレンズ系の配置図である。図２の（ａ）はＹＺ断面で、図２の（ｂ）はＸＺ断面で、８枚のレンズ素子からなるレンズ系１２１と、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子１０２とを表している。図２の（ｂ）では符号を省略している。実施の形態２のレンズ系１２１は、実施の形態１のレンズ系１１１と比較して、レンズ素子の枚数、種類及び配置順が同じで、各レンズ系素子Ｌ１〜Ｌ８の面データが異なる。面データの相違点については、後述する。レンズ系１２１において、レンズ素子Ｌ１は第１レンズ素子の一例であり、レンズ素子Ｌ２は第２レンズ素子の一例であり、レンズ素子Ｌ３は第１自由曲面レンズの一例であり、レンズ素子Ｌ８は第２自由曲面レンズの一例である。
【００２１】
レンズ系１２１においても、レンズ素子Ｌ３の像面側の自由曲面は、ＸＺ面との全ての交点で、光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有し、ＹＺ面との全ての交点で、光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有している。
【００２２】
（実施の形態３）
図３は、実施の形態３に係るレンズ系の配置図である。図３の（ａ）はＹＺ断面で、図３の（ｂ）はＸＺ断面で、８枚のレンズ素子を有するレンズ系１３１と、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子１０２とを表している。図３の（ｂ）では符号を省略している。実施の形態３のレンズ系１３１は、実施の形態１のレンズ系１１１と比較して、レンズ素子の枚数が同じで、レンズ素子Ｌ２の種類及び各レンズ系素子Ｌ１〜Ｌ８の面データが異なる。レンズ素子Ｌ２は、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状である。面データの相違点については、後述する。レンズ系１３１において、レンズ素子Ｌ１は第１レンズ素子の一例であり、レンズ素子Ｌ２は第２レンズ素子の一例であり、レンズ素子Ｌ３は第１自由曲面レンズの一例であり、レンズ素子Ｌ８は第２自由曲面レンズの一例である。
【００２３】
レンズ系１３１においても、レンズ素子Ｌ３の像面側の自由曲面は、ＸＺ面との全ての交点で、光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有し、ＹＺ面との全ての交点で、光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有している。
【００２４】
（実施の形態１〜３の共通の構成）
実施の形態１〜３に係るレンズ系は、複数枚のレンズ素子を有し、短辺と長辺を有する矩形の撮像素子１０２に結像させる。そして、レンズ系は、レンズ素子として光軸に対して回転非対称である自由曲面レンズを含み、物体側から像面側へと順に、複数枚のレンズ素子、開口絞り、複数枚のレンズ素子を備えている。この構成により、矩形に近い略矩形の像を結像することが可能となる。
【００２５】
また、実施の形態１〜３に係るレンズ系は、光軸に対して回転対称なレンズ素子を少なくとも３つ以上有する構成をしている。この構成により、自由曲面レンズの枚数を少なくし、方向による性能の偏りを小さくすることができる。さらに、実施の形態１〜３に係るレンズ系は、設計時に計算時間を短縮できるという利点もある。
【００２６】
実施の形態１〜３に係るレンズ系を構成する自由曲面レンズの全ての自由曲面は、ＸＺ面及びＹＺ面に対してそれぞれ対称な形状を有しており、自由曲面の中心を判別できるので、製造時に形状の管理がしやすくできるという利点がある。
【００２７】
実施の形態１〜３に係るレンズ系において、物体側から順に、物体側に凸形状の負のパワーを有するメニスカスであるレンズ素子Ｌ１、負のパワーを有するレンズ素子Ｌ２を有する構成をしている。この構成により、広い角度で入射する光を集めることができるので、レンズ系を広角化しやすく、負レンズを２枚連続されることでそれぞれのパワーを小さくすることができ、製造しやすい形状にすることができるという利点がある。
【００２８】
実施の形態１〜３に係るレンズ系は、最も像面側にある自由曲面レンズは物体側と像面側の両面が自由曲面の構成をしているので、像高の位置制御と収差低減が行いやすくなるという利点がある。
【００２９】
実施の形態１〜３に係るレンズ系は、半画角が８０°以上の魚眼レンズであるので、広い画角をカバーすることができる。また、一般に魚眼レンズの場合には、撮像素子の対角付近において結像することが難しい。しかしながら、本開示に係る自由曲面レンズを用いることで、撮像素子の対角付近においても結像することが可能となる。
【００３０】
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、光軸に配置された矩形の撮像素子に結像するレンズ系は、光軸に対して非対称である第１自由曲面レンズを備える。そして、第１自由曲面レンズの自由曲面は、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、光軸を通り撮像素子の長辺に平行なＸＺ面との交点で、光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有し、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、光軸を通り撮像素子の短辺に平行なＹＺ面との交点で、光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有することが好ましい（以下、この構成を実施の形態の基本構成という）。ここで、最短像高に対する所定の比率は、４０％〜８０％が好ましく、より好ましくは６０％である。
【００３１】
ここで、最短像高とは、撮像素子１０２に垂直に入射する光線による像点と、レンズ系が形成するイメージサークルの端までの像面上の距離のうち、最短のものを示す。実施の形態１〜３に係るレンズ系においては、撮像素子１０２の短辺方向に最短像高を有する。
【００３２】
第１自由曲面レンズのような自由曲面を有することで、光軸付近でイメージサークル中央部の像を拡大し、光軸付近に存在する被写体を大きく撮影することで高い検知・認識率へつなげることが可能となる。さらに、通常円形となる魚眼レンズのイメージサークルを特に長辺方向に拡大することが可能となる。自由曲面の屈折力が正負逆転する箇所を有することで、良好な像の拡大効果が得られる。屈折力が正負逆転する箇所は、光軸から径方向に最短像高の４０％〜８０％（より好ましくは６０％）の長さ離れたところにあることで、さらに良好な像の拡大効果が得られる。
【００３３】
本実施の形態の基本構成とは異なり、第１自由曲面レンズが、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円とＸＺ面との交点で、光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有し、光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円とＹＺ面との交点で、光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有する自由曲面を備えない場合、矩形の撮像素子の感光面の中央領域で像を十分に拡大できない。あるいは、レンズ素子の枚数が増加し、レンズ系の大型化を招くこととなってしまう。このような自由曲面を有するレンズを作製することは困難であったが、近年の加工・成型技術の進歩に伴い、作製できるようになってきた。
【００３４】
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（１）を満足することが好ましい。
【００３５】
ωＬＯＮＧ＞６０°  ・・・（１）
ここで、
ωＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
条件（１）は、レンズ系の半画角を規定するための条件である。条件（１）の下限を下回ると、レンズ系の画角が狭くなり、本実施の形態の基本構成を有しなくともイメージサークルが矩形に近くでき、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域を有効活用しやすくなり、本願の意図と乖離してくる。また、球面収差の制御が困難となる。
【００３６】
なお、更に以下の条件（１）’及び（１）’’の少なくとも一つを満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。
【００３７】
ωＬＯＮＧ＞８０°  ・・・（１）’
ωＬＯＮＧ＞９０°  ・・・（１）’’
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（２）を満足することが好ましい。
【００３８】
１＜ＤＬＳＨＯＲＴ／ＤＳＳＨＯＲＴ  ・・・（２）
ここで、
ＤＬＳＨＯＲＴ：撮像素子の短辺方向の最大半画角と等しい画角の、撮像素子の長辺方向の入射光に対する像点と、撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
ＤＳＳＨＯＲＴ：撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との短辺方向の最大距離
条件（２）は、撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点について、撮像素子の短辺方向の像高よりも、長辺方向の像高の方が長くなることを規定するための条件である。条件（２）の下限を下回ると、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域の有効活用が困難になる。または、像面湾曲の制御が困難になる。
【００３９】
なお、更に以下の条件（２）’及び（２）’’の少なくとも一つを満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。
【００４０】
１．２＜ＤＬＳＨＯＲＴ／ＤＳＳＨＯＲＴ  ・・・（２）’
１．６＜ＤＬＳＨＯＲＴ／ＤＳＳＨＯＲＴ  ・・・（２）’’
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（３）を満足することが好ましい。
【００４１】
０．５＜ＤＳＳＨＯＲＴ×ωＬＯＮＧ／（ＤＬＬＯＮＧ×ωＳＨＯＲＴ）＜１  ・・・（３）
ここで、
ωＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
ωＳＨＯＲＴ：撮像素子の短辺方向の最大半画角
ＤＬＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
ＤＳＳＨＯＲＴ：撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との短辺方向の最大距離
条件（３）は、撮像素子の短辺方向と長辺方向の、最大半画角と像高の比を規定するための条件である。条件（３）の下限を下回ると、短辺方向の画角が長辺方向の画角に比較して広くなりすぎ、結像性能、特に像面湾曲の制御が困難になる。あるいはイメージサークルが長辺方向に長くなりすぎ、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域の有効活用が困難になる。条件（３）の上限を上回ると、長辺方向の画角が短辺方向の画角に比較して広くなりすぎ、結像性能、特に像面湾曲の制御が困難になる。あるいはイメージサークルが短辺方向に長くなりすぎ、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域の有効活用が困難になる。
【００４２】
なお、更に以下の条件（３）’及び（３）’’の少なくとも一つを満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。
【００４３】
０．５５＜ＤＳＳＨＯＲＴ×ωＬＯＮＧ／（ＤＬＬＯＮＧ×ωＳＨＯＲＴ）＜０．９
・・・（３）’
０．６  ＜ＤＳＳＨＯＲＴ×ωＬＯＮＧ／（ＤＬＬＯＮＧ×ωＳＨＯＲＴ）＜０．８
・・・（３）’’
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（４）を満足することが好ましい。
【００４４】
ωＬＯＮＧ−ωＳＨＯＲＴ＞０  ・・・（４）
ここで、
ωＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
ωＳＨＯＲＴ：撮像素子の短辺方向の最大半画角
条件（４）は、最大半画角について、撮像素子の長辺方向と短辺方向の差を規定する条件である。条件（４）の下限を下回ると、短辺方向の画角が長辺方向の画角に比較して等しい、あるいは大きくなってしまい、極めていびつな形状で結像してしまうことになり、画角あたりの解像度が長辺方向と短辺方向で大きく変わってしまう。また、球面収差が長辺方向と短辺方向で大きく変化してしまい、制御が困難になる。
【００４５】
なお、更に以下の条件（４）’を満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。
【００４６】
ωＬＯＮＧ−ωＳＨＯＲＴ＞８  ・・・（４）’
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（５）を満足することが好ましい。
【００４７】
Ｌ×Ｆｎｏ．／ＤＬＬＯＮＧ＜４０  ・・・（５）
ここで、
Ｌ：レンズ系の光学全長
Ｆｎｏ．：レンズ系のＦ値
ＤＬＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
条件（５）は、レンズ系の光学全長とレンズ系のＦ値、長辺方向の像高の関係を規定する条件である。条件（５）の上限を上回ると、レンズ系のＦ値、イメージサークルに対してレンズ系が肥大化しすぎ、小型化を達成できず、加えて像面湾曲の制御が困難となる。
【００４８】
なお、更に以下の条件（５）’及び（５）’’の少なくとも一つを満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。
【００４９】
Ｌ×Ｆｎｏ．／ＤＬＬＯＮＧ＜３０  ・・・（５）’
Ｌ×Ｆｎｏ．／ＤＬＬＯＮＧ＜２５  ・・・（５）’’
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、以下の条件（６）を満足することが好ましい。
【００５０】
ｎＦＲＥＥ＜１．７  ・・・（６）
ここで、
ｎＦＲＥＥ：自由曲面レンズのｄ線に対する屈折率
条件（６）は、自由曲面レンズのｄ線に対する屈折率を規定する条件である。条件（６）の上限を上回ると、自由曲面レンズの屈折率が高くなりすぎ、急激に光線を曲げることから非点収差の制御が困難になる。なお、本条件はレンズ系の中の１枚の自由曲面レンズが満足していても効果を得られるし、複数枚の自由曲面レンズが満足している場合は、さらに効果を奏功させることができる。
【００５１】
なお、更に以下の条件（６）’を満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。
【００５２】
ｎＦＲＥＥ＜１．６  ・・・（６）’
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、物体と撮像素子との間に開口絞りＡを有し、以下の条件（７）を満足することが好ましい。
【００５３】
−３≦Ｎｏ−Ｎｉ≦３  ・・・（７）
ここで、
Ｎｏ：開口絞りよりも物体側のレンズ素子の枚数
Ｎｉ：開口絞りよりも像面側のレンズ素子の枚数
条件（７）は、開口絞りＡ前後のレンズ素子の枚数差を規定する条件である。条件（７）の下限を下回ると、開口絞りＡよりも像面側のレンズ素子の枚数が増えすぎ、レンズ系の光軸方向の大型化を招いてしまう。また、開口絞りＡよりも物体側のレンズ素子の枚数が少なく、像面湾曲の制御が困難となる。条件（７）の上限を上回ると、開口絞りＡよりも物体側のレンズ素子の枚数が増えすぎ、レンズ系の径方向への大型化を招いてしまう。また、開口絞りＡよりも像面側のレンズ素子の枚数が少なく、球面収差の制御が困難となる。
【００５４】
なお、更に以下の条件（７）’を満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。
【００５５】
−２≦Ｎｏ−Ｎｉ≦２  ・・・（７）’
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、物体と撮像素子１０２との間に開口絞りＡを有し、開口絞りＡより物体側に少なくとも１枚の第１自由曲面レンズを有し、開口絞りＡより像面側に少なくとも１枚の第２自由曲面レンズを有することが好ましい。本構成を採ることで、長辺方向、短辺方向、対角方向、いずれの方向でも像面湾曲を小さくすることができるという利点がある。
【００５６】
例えば、実施の形態１〜３に係るレンズ系のように、本実施の形態の基本構成を有するレンズ系は、レンズ系のイメージサークルが撮像素子１０２で包含されないことが好ましい。特に、自由曲面レンズを使用したレンズ系ではイメージサークルの端付近での解像度を確保することが設計上、ものづくり上困難であるため、イメージサークルが撮像素子１０２で包含されないようにすることで撮像素子１０２上で良好な結像性能を確保することが可能となる。
【００５７】
実施の形態１〜３に係るレンズ系を構成している各レンズ素子は、入射光線を屈折により偏向させる屈折型レンズ素子（すなわち、異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレンズ素子）のみで構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、回折により入射光線を偏向させる回折型レンズ素子、回折作用と屈折作用との組み合わせで入射光線を偏向させる屈折・回折ハイブリッド型レンズ素子、入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布型レンズ素子等で、各レンズ系を構成してもよい。特に、屈折・回折ハイブリッド型レンズ素子において、屈折率の異なる媒質の界面に回折構造を形成すると、回折効率の波長依存性が改善されるので、好ましい。
【００５８】
実施の形態１〜３に係るレンズ系を構成している各レンズは、撮像素子１０２の長辺あるいは短辺に対して対称な面を有しているが、非対称な面を使用した場合でも、本実施の形態の基本構成や、各条件を満足していれば、十分な効果を得られる。
【００５９】
（実施の形態４）
図４は実施の形態４に係るカメラシステムの概略構成図である。実施の形態４に係るカメラシステム１００は、レンズ系１１１と、レンズ系１１１によって形成される光学像を受光して、電気的な画像信号に変換する撮像素子１０２と、カメラ本体１０３を含む。実施の形態４のレンズ系は、実施の形態１〜３いずれかに係るレンズ系を用いることができる。図４は、レンズ系として実施の形態１に係るレンズ系１１１を用いた場合を図示している。
【００６０】
実施の形態４では、実施の形態１〜３いずれかに係るレンズ系を用いているので、撮像素子１０２に略矩形の像を結像させることができ、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域を有効活用した画像を得ることができるカメラシステム１００を実現することができる。
【００６１】
（実施の形態５）
図５は実施の形態５に係る撮像システムの概略構成図である。実施の形態５に係る撮像システム２００に用いられている撮像光学系２０１は、実施の形態４のカメラシステム１００のように、実施の形態１〜３いずれかに係るレンズ系を含んでいる。撮像光学系２０１で得られた画像を、画像処理部２０２で処理することで、さまざまなアプリケーションに応用可能な画像に変形、加工することが可能となる。なお、画像処理部２０２はカメラ本体１０３（図４参照）の内部または外部のどちらにあっても良い。
【００６２】
（数値実施例１）
以下、実施の形態１に係るレンズ系１１１を具体的に実施した数値実施例１を説明する。なお、数値実施例１において、図や表中の長さの単位は「ｍｍ」であり、画角の単位は「°」である。また、数値実施例１において、曲率半径ｒ、面間隔ｄ、ｄ線に対する屈折率ｎｄ、ｄ線に対するアッベ数νｄを示す。非球面及び自由曲面のＺ軸に平行な面のサグ量ｚはそれぞれ、数式１及び数式２で定義している。
【００６３】
【数１】
2020024439.tif 000003
【００６４】
ここで
ｈ：径方向の高さ
ｋ：コーニック定数
Ａｎ：ｎ次の非球面係数
【００６５】
【数２】
2020024439.tif 000004
【００６６】
ここで
ｃ：頂点曲率
ｋ：コーニック定数
ｃｊ：係数
図６は、数値実施例１に係るレンズ系１１１の無限遠合焦状態の球面収差図及び非点収差図であり、左側から順に、撮像素子１０２の短辺方向の球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳＴ―Ｖ）、撮像素子１０２の長辺方向の非点収差（ＡＳＴ―Ｈ）、対角方向の非点収差（ＡＳＴ―Ｄ）を示す。球面収差の図において、横軸は球面収差を、縦軸は瞳高さを表している。そして、実線はｄ線、短破線はＣ線、長破線はＦ線の特性である。非点収差の図において、横軸は非点収差を、縦軸は画角を表している。そして、実線はＹＺ平面（図中、ｙ方向）、破線はＸＺ平面（図中、ｘ方向）の特性である。
【００６７】
なお、実施の形態１はＸＹ多項式のｘ及びｙの偶数項のみを使用しているので、ｘ軸とｙ軸に対して対称なので対角方向の非点収差ＡＳＴ−Ｄはどの方向でも同じになる。
【００６８】
図７は、数値実施例１に係るレンズ系１１１の無限遠合焦状態の画角と像点の関係を示した図である。図７は、光軸を原点（０，０）として像面の第一象限において、画角の１０°毎に像点をプロットしている。他の象限については、第一象限との間で、縦軸、横軸に対して線対称となるような関係を有する。通常の回転対称レンズに比較して、像面の形状が拡大され、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域を有効活用できていることが分かる。さらに、特にＸ像高方向で顕著なように、光軸付近の中央部の像が光軸から離れた周辺部の像よりも拡大できていることが分かる。
【００６９】
数値実施例１のレンズ系１１１は、図１に示した実施の形態１に対応する。数値実施例１のレンズ系１１１の面データを表１に、各種データを表２に、第５面、第６面、第９面、第１０面、第１５面、および第１６面の非球面・自由曲面データをそれぞれ表３、表４、表５、表６、表７および表８に示す。
【００７０】
【表１】
2020024439.tif 000005
【００７１】
【表２】
2020024439.tif 000006
【００７２】
【表３】
2020024439.tif 000007
【００７３】
【表４】
2020024439.tif 000008
【００７４】
【表５】
2020024439.tif 000009
【００７５】
【表６】
2020024439.tif 000010
【００７６】
【表７】
2020024439.tif 000011
【００７７】
【表８】
2020024439.tif 000012
【００７８】
（数値実施例２）
図８は、数値実施例２に係るレンズ系１２１の無限遠合焦状態の球面収差図及び非点収差図である。また、図９は、数値実施例２に係るレンズ系１２１の無限遠合焦状態の画角と像点の関係を示した図である。図９に示すレンズ系１２１の場合も、通常の回転対称レンズに比較して、像面の形状が拡大され、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域を有効活用できていることが分かる。特にＸ像高方向で顕著なように、光軸付近の中央部の像が光軸から離れた周辺部の像よりも拡大できていることが分かる。数値実施例２のレンズ系１２１は、図２に示した実施の形態２に対応する。数値実施例２のレンズ系１２１の面データを表９に、各種データを表１０に、第５面、第６面、第９面、第１０面、第１５面、および第１６面の非球面・自由曲面データをそれぞれ表１１、表１２、表１３、表１４、表１５および表１６に示す。
【００７９】
【表９】
2020024439.tif 000013
【００８０】
【表１０】
2020024439.tif 000014
【００８１】
【表１１】
2020024439.tif 000015
【００８２】
【表１２】
2020024439.tif 000016
【００８３】
【表１３】
2020024439.tif 000017
【００８４】
【表１４】
2020024439.tif 000018
【００８５】
【表１５】
2020024439.tif 000019
【００８６】
【表１６】
2020024439.tif 000020
【００８７】
（数値実施例３）
図１０は、数値実施例３に係るレンズ系１３１の無限遠合焦状態の球面収差図及び非点収差図である。また、図１１は、数値実施例３に係るレンズ系１３１の無限遠合焦状態の画角と像点の関係を示した図である。図１１に示すレンズ系１３１の場合も、通常の回転対称レンズに比較して、像面の形状が拡大され、矩形の撮像素子１０２の感光面の領域を有効活用できていることが分かる。特にＸ像高方向で顕著なように、光軸付近の中央部の像が光軸から離れた周辺部の像よりも拡大できていることが分かる。数値実施例３のレンズ系１３１は、図３に示した実施の形態３に対応する。数値実施例３のレンズ系１３１の面データを表１７に、各種データを表１８に、第５面、第６面、第９面、第１０面、第１５面、および第１６面の非球面・自由曲面データをそれぞれ表１９、表２０、表２１、表２２、表２３、および表２４に示す。
【００８８】
【表１７】
2020024439.tif 000021
【００８９】
【表１８】
2020024439.tif 000022
【００９０】
【表１９】
2020024439.tif 000023
【００９１】
【表２０】
2020024439.tif 000024
【００９２】
【表２１】
2020024439.tif 000025
【００９３】
【表２２】
2020024439.tif 000026
【００９４】
【表２３】
2020024439.tif 000027
【００９５】
【表２４】
2020024439.tif 000028
【００９６】
以下の表２５に、各数値実施例のレンズ系における各条件の対応値を示す。
【００９７】
（条件の対応値）
【００９８】
【表２５】
2020024439.tif 000029
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本実施に係るレンズ系は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話機器のカメラ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）のカメラ、監視システムにおける監視カメラ、Ｗｅｂカメラ、車載カメラ等に適用可能であり、特にデジタルスチルカメラシステム、デジタルビデオカメラシステムといった高画質が要求される撮影光学系に好適である。
【０１００】
また、本実施に係るレンズ系は、交換レンズ装置にも備えられる。
【符号の説明】
【０１０１】
１００    カメラシステム
１１１，１２１，１３１    レンズ系
１０２    撮像素子
１０３    カメラ本体
２００    撮像システム
２０１    撮像光学系
２０２    画像処理部
Ａ    開口絞り
Ｌ１〜Ｌ８    レンズ素子
【図１】
2020024439.tif 000030
【図２】
2020024439.tif 000031
【図３】
2020024439.tif 000032
【図４】
2020024439.tif 000033
【図５】
2020024439.tif 000034
【図６】
2020024439.tif 000035
【図７】
2020024439.tif 000036
【図８】
2020024439.tif 000037
【図９】
2020024439.tif 000038
【図１０】
2020024439.tif 000039
【図１１】
2020024439.tif 000040
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月9日(2019.10.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸に配置された矩形の撮像素子に結像するレンズ系であって、
物体側から順に、
物体側に凸形状の負のパワーを有するメニスカスである第１レンズ素子と、
負のパワーを有する第２レンズ素子と、
少なくとも物体側が前記光軸に対して非対称な自由曲面である第１自由曲面レンズと、
開口絞りと、
最も像面側に配置され、物体側と像面側の両面が自由曲面である第２自由曲面レンズを備え、
前記第１自由曲面レンズの自由曲面は、
前記光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、前記光軸を通り前記撮像素子の長辺に平行な第１面との交点で、前記光軸と平行な光線に対し負の屈折力を有し、
前記光軸から最短像高に対する所定の比率の長さ離れた円と、前記光軸を通り前記撮像素子の短辺に平行な第２面との交点で、前記光軸と平行な光線に対し正の屈折力を有する、
レンズ系。
【請求項２】
物体側から順に、
前記第１レンズ素子と、前記第２レンズ素子と、前記第１自由曲面レンズとを少なくとも含む第１の複数のレンズ素子と、
前記開口絞りと、
前記第２自由曲面レンズを含む第２の複数のレンズ素子とを備える、
請求項１に記載のレンズ系。
【請求項３】
前記第１自由曲面レンズと前記第２自由曲面レンズとの間に、
前記開口絞りを間に配置した、前記光軸に対して回転対称なレンズ素子を少なくとも３つ以上有する、
請求項１または２に記載のレンズ系。
【請求項４】
前記第１自由曲面レンズと前記開口絞りとの間の前記回転対称なレンズ素子は、
物体側から順に、物体側と像面側の両面が球面である両凸形状の第３レンズ素子と、物体側と像面側の両面が非球面で形成されて物体側に凸面を向けた正メニスカス形状の第４レンズ素子である、
請求項３に記載のレンズ系。
【請求項５】
前記開口絞りと前記第２自由曲面レンズとの間の前記回転対称なレンズ素子は、
物体側から順に、物体側と像面側の両面が球面である両凸形状の第５レンズ素子と、物体側と像面側の両面が球面で形成され物体側に凸面を向けた正メニスカス形状の第６レンズ素子であり、
前記第５レンズ素子と前記第６レンズ素子は接合されている、
請求項３または４に記載のレンズ系。
【請求項６】
以下の条件（１）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
ωＬＯＮＧ＞６０°  ・・・（１）
ここで、
ωＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
である。
【請求項７】
以下の条件（２）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
１＜ＤＬＳＨＯＲＴ／ＤＳＳＨＯＲＴ  ・・・（２）
ここで、
ＤＬＳＨＯＲＴ：撮像素子の短辺方向の最大半画角と等しい画角の、撮像素子の長辺方向の入射光に対する像点と、撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
ＤＳＳＨＯＲＴ：撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との短辺方向の最大距離 
である。
【請求項８】
以下の条件（３）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
０．５＜ＤＳＳＨＯＲＴ×ωＬＯＮＧ／（ＤＬＬＯＮＧ×ωＳＨＯＲＴ）＜１  ・・・（３）
ここで、
ωＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
ωＳＨＯＲＴ：撮像素子の短辺方向の最大半画角
ＤＬＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
ＤＳＳＨＯＲＴ：撮像素子の短辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との短辺方向の最大距離
である。
【請求項９】
以下の条件（４）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
ωＬＯＮＧ−ωＳＨＯＲＴ＞０  ・・・（４）
ここで、
ωＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角
ωＳＨＯＲＴ：撮像素子の短辺方向の最大半画角
である。
【請求項１０】
以下の条件（５）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
Ｌ×Ｆｎｏ．／ＤＬＬＯＮＧ＜４０  ・・・（５）
ここで、
Ｌ：レンズ系の光学全長
Ｆｎｏ．：レンズ系のＦ値
ＤＬＬＯＮＧ：撮像素子の長辺方向の最大半画角の入射光に対する像点と撮像素子に垂直な入射光に対する像点との長辺方向の最大距離
である。
【請求項１１】
以下の条件（６）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
ｎＦＲＥＥ＜１．７  ・・・（６）
ここで、
ｎＦＲＥＥ：第１又は第２自由曲面レンズのｄ線に対する屈折率
である。
【請求項１２】
レンズ素子と開口絞りとをさらに有し、以下の条件（７）を満足する、請求項１に記載のレンズ系：
−３≦Ｎｏ−Ｎｉ≦３  ・・・（７）
ここで、
Ｎｏ：開口絞りよりも物体側のレンズ素子（第１自由曲面レンズを含む）の枚数
Ｎｉ：開口絞りよりも像面側のレンズ素子の枚数
である。
【請求項１３】
前記レンズ系のイメージサークルが、前記撮像素子で包含されない、
請求項１に記載のレンズ系。
【請求項１４】
請求項１に記載のレンズ系と、
前記光軸で前記レンズ系が結像する位置に配置された矩形の前記撮像素子と、を備える、
カメラシステム。
【請求項１５】
請求項１に記載のレンズ系と、
前記光軸で前記レンズ系が結像する位置に配置された矩形の前記撮像素子と、
前記撮像素子が生成する画像を処理する画像処理部と、を備える、
撮像システム。