(57)【要約】  撮像素子（１２）に結像するレンズ系（ＩＬ）は、光軸（Ｄ１）に沿って物体側から像面側へ順番に並んだ第１レンズ素子（Ｌ１）、第２レンズ素子（Ｌ２）及び第３レンズ素子（Ｌ３）と、絞り（Ａ）とを備える。レンズ系は、第１レンズ素子と第２レンズ素子との少なくとも一方に、光軸に対して非対称である自由曲面を有する。第１レンズ素子の物体側の面形状が、物体側に凸である。第２レンズ素子の像面側の面形状が、物体側に凸である。第３レンズ素子の物体側の面形状が、像面側に凸である。レンズ系は、絞りよりも像面側に１つ以上の自由曲面を有する。
2019187221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子に結像するレンズ系であって、
光軸に沿って物体側から像面側へ順番に並んだ第１レンズ素子、第２レンズ素子及び第３レンズ素子と、絞りとを備え、
前記第１レンズ素子と前記第２レンズ素子との少なくとも一方に、前記光軸に対して非対称である自由曲面を有し、
前記第１レンズ素子の物体側の面形状が、物体側に凸であり、
前記第２レンズ素子の像面側の面形状が、物体側に凸であり、
前記第３レンズ素子の物体側の面形状が、像面側に凸であり、
前記絞りよりも像面側に１つ以上の自由曲面を有する、レンズ系。
【請求項２】
以下の条件式（１）を満たす自由曲面を有し、
０．０１＜｜Ｓｍａｘ−Ｓｍｉｎ｜／ＩＨ＜０．６５    …（１）
ここで、
Ｓｍａｘ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最大サグ量
Ｓｍｉｎ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最小サグ量
ＩＨ：最長像高の６０％の長さ
である、請求項１に記載のレンズ系。
【請求項３】
前記第１レンズ素子は、以下の条件式（２）を満たし、
Ｎｄ１＞１．７    …（２）
ここで、
Ｎｄ１：第１レンズ素子のｄ線における屈折率
である、請求項１又は２に記載のレンズ系。
【請求項４】
前記自由曲面を有するレンズ素子が、以下の条件式（３）を満たし、
４０＜Ｖｄ＜６０    …（３）
ここで、
Ｖｄ：当該自由曲面を有するレンズ素子のアッベ数
である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項５】
前記自由曲面を有するレンズ素子が、以下の条件式（４）を満たし、
Ｎｄ＞１．５    …（４）
ここで、
Ｎｄ：当該自由曲面を有するレンズ素子のｄ線における屈折率
である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項６】
以下の条件式（５）を満たし、
Ｈω−Ｖω＜２０    …（５）
ここで、
Ｈω：水平方向の半画角
Ｖω：垂直方向の半画角
である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項７】
以下の条件式（６）を満たし、
０≦｜ＮＮ−ＮＰ｜≦２    …（６）
ここで、
ＮＮ：自由曲面を有し、且つ負のパワーを有するレンズ素子の枚数
ＮＰ：自由曲面を有し、且つ正のパワーを有するレンズ素子の枚数
である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項８】
以下の条件式（７）を満たし、
｜ΔＮｄＦ／ΔＮｄ１｜＞１０  …（７）
ここで、
ΔＮｄ１：第１レンズ素子の２５℃での温度変化に対するｄ線の屈折率変化率
ΔＮｄＦ：自由曲面を有するレンズ素子の２５℃での温度変化に対するｄ線の屈折率変化率
である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のレンズ系と、
前記レンズ系を介して結像した像を撮像する撮像素子と
を備えた撮像装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の撮像装置と、
前記撮像装置によって撮像される画像に対する画像処理を行う画像処理部と
を備えた撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レンズ系、撮像装置及び撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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している。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いる。これにより、長方形の画像センサにおいて、矩形の撮像素子に矩形画像を結像させ、パノラマ画像を撮像することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００３／０１０５９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、撮像素子における結像において、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大することができるレンズ系、撮像装置及び撮像システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示に係るレンズ系は、撮像素子に結像するレンズ系である。レンズ系は、光軸に沿って物体側から像面側へ順番に並んだ第１レンズ素子、第２レンズ素子及び第３レンズ素子と、絞りとを備える。レンズ系は、第１レンズ素子と第２レンズ素子との少なくとも一方に、光軸に対して非対称である自由曲面を有する。第１レンズ素子の物体側の面形状が、物体側に凸である。第２レンズ素子の像面側の面形状が、物体側に凸である。第３レンズ素子の物体側の面形状が、像面側に凸である。レンズ系は、絞りよりも像面側に１つ以上の自由曲面を有する。【０００６】
本開示に係る撮像装置は、レンズ系と、撮像素子とを備える。撮像素子は、レンズ系を介して結像した像を撮像する。【０００７】
本開示に係る撮像システムは、撮像装置と、画像処理部とを備える。画像処理部は、撮像装置によって撮像される画像に対する画像処理を行う。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によると、撮像素子における結像において、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大することができるレンズ系、撮像装置及び撮像システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の実施形態１に係る撮像装置の構成を示す図
【図２】実施例１に係るレンズ系の構成を示すレンズ配置図
【図３】数値実施例１のレンズ系における画角と像点との関係を示す散布図
【図４】数値実施例１におけるレンズ系の面データを示す図
【図５】数値実施例１におけるレンズ系の各種データを示す図
【図６】数値実施例１のレンズ系における３番目の面の自由曲面データを示す図
【図７】数値実施例１のレンズ系における４番目の面の自由曲面データを示す図
【図８】数値実施例１のレンズ系における５番目の面の自由曲面データを示す図
【図９】数値実施例１のレンズ系における６番目の面の自由曲面データを示す図
【図１０】数値実施例１のレンズ系における７番目の面の非球面データを示す図
【図１１】数値実施例１のレンズ系における８番目の面の非球面データを示す図
【図１２】数値実施例１のレンズ系における１３番目の面の自由曲面データを示す図
【図１３】数値実施例１のレンズ系における１４番目の面の自由曲面データを示す図
【図１４】数値実施例１におけるレンズ系の諸収差を示す収差図
【図１５】実施形態１のレンズ系における諸条件の充足性を示す図表
【図１６】実施例２に係るレンズ系の構成を示すレンズ配置図
【図１７】数値実施例２におけるレンズ系の面データを示す図
【図１８】数値実施例２におけるレンズ系の各種データを示す図
【図１９】数値実施例２のレンズ系における２番目の面の自由曲面データを示す図
【図２０】数値実施例２のレンズ系における３番目の面の自由曲面データを示す図
【図２１】数値実施例２のレンズ系における４番目の面の自由曲面データを示す図
【図２２】数値実施例２のレンズ系における５番目の面の自由曲面データを示す図
【図２３】数値実施例２のレンズ系における６番目の面の自由曲面データを示す図
【図２４】数値実施例２のレンズ系における７番目の面の非球面データを示す図
【図２５】数値実施例２のレンズ系における８番目の面の非球面データを示す図
【図２６】数値実施例２のレンズ系における１３番目の面の自由曲面データを示す図
【図２７】数値実施例２のレンズ系における１４番目の面の自由曲面データを示す図
【図２８】数値実施例２のレンズ系における画角と像点との関係を示す散布図
【図２９】数値実施例２におけるレンズ系の諸収差を示す収差図
【図３０】実施例３に係るレンズ系の構成を示すレンズ配置図
【図３１】数値実施例３におけるレンズ系の面データを示す図
【図３２】数値実施例３におけるレンズ系の各種データを示す図
【図３３】数値実施例３のレンズ系における３番目の面の自由曲面データを示す図
【図３４】数値実施例３のレンズ系における４番目の面の自由曲面データを示す図
【図３５】数値実施例３のレンズ系における５番目の面の自由曲面データを示す図
【図３６】数値実施例３のレンズ系における６番目の面の自由曲面データを示す図
【図３７】数値実施例３のレンズ系における７番目の面の非球面データを示す図
【図３８】数値実施例３のレンズ系における８番目の面の非球面データを示す図
【図３９】数値実施例３のレンズ系における１３番目の面の自由曲面データを示す図
【図４０】数値実施例３のレンズ系における１４番目の面の非球面データを示す図
【図４１】数値実施例３のレンズ系における画角と像点との関係を示す散布図
【図４２】数値実施例３におけるレンズ系の諸収差を示す収差図
【図４３】実施例４に係るレンズ系の構成を示すレンズ配置図
【図４４】数値実施例４におけるレンズ系の面データを示す図
【図４５】数値実施例４におけるレンズ系の各種データを示す図
【図４６】数値実施例４のレンズ系における１番目の面の自由曲面データを示す図
【図４７】数値実施例４のレンズ系における２番目の面の自由曲面データを示す図
【図４８】数値実施例４のレンズ系における３番目の面の非球面データを示す図
【図４９】数値実施例４のレンズ系における４番目の面の非球面データを示す図
【図５０】数値実施例４のレンズ系における５番目の面の自由曲面データを示す図
【図５１】数値実施例４のレンズ系における６番目の面の自由曲面データを示す図
【図５２】数値実施例４のレンズ系における７番目の面の非球面データを示す図
【図５３】数値実施例４のレンズ系における８番目の面の非球面データを示す図
【図５４】数値実施例４のレンズ系における１３番目の面の自由曲面データを示す図
【図５５】数値実施例４のレンズ系における１４番目の面の自由曲面データを示す図
【図５６】数値実施例４のレンズ系における画角と像点との関係を示す散布図
【図５７】数値実施例４におけるレンズ系の諸収差を示す収差図
【図５８】実施形態２における撮像システムの構成を示す図
【図５９】実施形態２における撮像装置の水平方向の画角を説明するための図
【図６０】実施形態２における撮像装置の垂直方向の画角を説明するための図
【図６１】車載用途の撮像システムにおいて想定される問題点を説明するための図
【図６２】図６１の問題点を解決する手段を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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、或いは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。
【００１１】
なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１２】
（実施形態１）
以下、本開示に係るレンズ系及び撮像装置の実施形態１を、図面を用いて説明する。
【００１３】
１．撮像装置について
本実施形態に係る撮像装置について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る撮像装置１０の構成を示す図である。
【００１４】
本実施形態に係る撮像装置１０は、例えば図１に示すように、筐体１１の内部において、レンズ系ＩＬと、撮像素子１２と、信号処理回路１３とを備える。撮像装置１０は、各種の被写体を含む物体を撮像するカメラである。以下、撮像装置１０における光軸Ｄ１の方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する水平方向をＸ方向とし、Ｚ，Ｘ方向に直交する垂直方向をＹ方向とする。
【００１５】
レンズ系ＩＬは、撮像装置１０の外部から入射する光を取り込んで、取り込んだ光による被写体等の像を撮像素子１２の撮像面に結像する。レンズ系ＩＬは、例えば屈折光学系で構成される。レンズ系ＩＬの詳細については後述する。以下、図１に示すように、レンズ系ＩＬにおける＋Ｚ側を像面側とし、−Ｚ側を物体側とする。
【００１６】
撮像素子１２は、例えばＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサである。撮像素子１２は、複数の画素が等間隔で二次元的に配置された撮像面を有する。撮像素子１２は、レンズ系ＩＬを介して撮像面に結像した像を撮像し、撮像画像を示す画像信号を生成する。撮像素子１２の撮像面は、例えば長辺及び短辺を有する矩形状である。撮像素子１２の長辺はＸ方向に平行であり、短辺はＹ方向に平行であることとする。
【００１７】
信号処理回路１３は、撮像素子１２からの画像信号に対して所定の画像処理を施す画像処理部の一例である。画像処理は、例えばガンマ補正および歪曲補正等である。撮像装置１０は、信号処理回路１３による信号処理後の画像信号を外部機器に出力するためのインタフェース回路等をさらに備えてもよい。また、信号処理回路１３等の画像処理部は、撮像装置１０の外部に設けられてもよい。
【００１８】
以上のような撮像装置１０において、本実施形態のレンズ系ＩＬは、撮像画像の画角を広く確保しながら、撮像素子１２の撮像面上で中央近傍が拡大されるような結像を実現する。以下、本実施形態のレンズ系ＩＬの詳細について説明する。
【００１９】
２．レンズ系について
本実施形態に係るレンズ系ＩＬが具体的に実施される一例として、レンズ系ＩＬの実施例１〜４を以下説明する。
【００２０】
２−１．実施例１
図２〜１４を用いて、実施例１に係るレンズ系ＩＬ１について説明する。
【００２１】
図２は、実施例１に係るレンズ系ＩＬ１の構成を示すレンズ配置図である。以下の各レンズ配置図は、例えばレンズ系ＩＬ１の無限遠合焦状態において、各種レンズの配置を示す。図２（ａ）は、本実施例のレンズ系ＩＬ１のＹＺ断面におけるレンズ配置図を示す。図２（ｂ）は、レンズ系ＩＬ１のＸＺ断面におけるレンズ配置図を示す。ＹＺ断面及びＸＺ断面は、それぞれレンズ系ＩＬ１の光軸Ｄ１に沿った仮想的な断面である。
【００２２】
図２（ａ）において、記号「＊」を付した曲面は、自由曲面であることを示す。自由曲面は、光軸Ｄ１に対して回転非対称な曲面であり、例えば後述するＸＹ多項式面である（式（Ｅ１）参照）。なお、図２（ｂ）では、各種符号を省略している。
【００２３】
本実施例のレンズ系ＩＬ１は、７枚のレンズ素子Ｌ１〜Ｌ７と、絞りＡとを備える。図２（ａ）に示すように、レンズ系ＩＬ１においては第１〜第７レンズ素子Ｌ１〜Ｌ７が、物体側から像面側へ順番に、光軸Ｄ１に沿って並んでいる。絞りＡは、開口絞りである。
【００２４】
本実施例において、第１レンズ素子Ｌ１は、負メニスカス形状を有する球面レンズである。第１レンズ素子Ｌ１は、凸面を物体側に向けて配置される。第２レンズ素子Ｌ２は、例えばパワー（即ち屈折力）が負になるように、物体側と像面側との両側に自由曲面を有する。第２レンズ素子Ｌ２の両側の面形状は、物体側に向かって凸である。第３レンズ素子Ｌ３は、例えば負のパワーを有するように、両側に自由曲面を有する。第３レンズ素子Ｌ３の両側の面形状は、像面側に凸である。
【００２５】
また、第４レンズ素子Ｌ４は、例えば非球面レンズで構成され、両凸形状を有する。第４レンズ素子Ｌ４と第５レンズ素子Ｌ５との間には、絞りＡが配置される。第５レンズ素子Ｌ５は、両凸形状を有する球面レンズである。第５レンズ素子Ｌ５と第６レンズ素子Ｌ６とは接合される。第６レンズ素子Ｌ６は、負メニスカス形状を有する球面レンズである。
【００２６】
本実施例において、第７レンズ素子Ｌ７は、例えば正のパワーを有するように、両側に自由曲面を有する。第７レンズ素子Ｌ７の物体側の面形状は、物体側に凸である。第７レンズ素子Ｌ７の像面側の面形状は、図２（ａ）に示すようにＸＺ断面においては物体側に凸である一方、図２（ｂ）に示すようにＹＺ断面においては像面側に凸である。
【００２７】
以上のような本実施例のレンズ系ＩＬ１においては、最も物体側の第１レンズ素子Ｌ１の面形状が物体側に凸であることから、物体側の広範囲から光をレンズ系ＩＬ１に取り込め、画角を広く確保し易い。また、第２レンズ素子Ｌ２の像面側の面形状が物体側に凸であり、且つ第３レンズ素子Ｌ３の物体側の面形状が像面側に凸であることにより、第２及び第３レンズ素子Ｌ２，Ｌ３間に空気レンズが形成される。
【００２８】
さらに、第１及び第２レンズ素子Ｌ１，Ｌ２のうちの第２レンズ素子Ｌ２に自由曲面が設けられ、且つ絞りＡよりも像面側の第７レンズ素子Ｌ７に自由曲面が設けられる。以上のレンズ系ＩＬ１によると、物体側から取り込んだ光線を光軸Ｄ１に対して非対称に制御して、像面において中央近傍を拡大した像を得ることができる。このようなレンズ系ＩＬ１の作用効果について、図３を用いて説明する。
【００２９】
図３は、本実施例のレンズ系ＩＬ１における画角と像点Ｐ１との関係を示す散布図である。図３においては、レンズ系ＩＬ１の画角全体における所定の角度幅毎に、入射する光が像面上で結像する像点Ｐ１をプロットしている。当該角度幅は、１０°に設定した。また、レンズ系ＩＬ１は、無限遠合焦状態に設定した。
【００３０】
図３のプロットは、実施例１のレンズ系ＩＬ１を数値的に実施した数値実施例１に基づいている。レンズ系ＩＬ１の数値実施例１については後述する。図３では、光軸Ｄ１の位置を原点とする像面のＸＹ平面において、第１象限の像点Ｐ１を例示している。本実施例のレンズ系ＩＬ１は、Ｘ軸及びＹ軸に対して線対称であることから、第２〜第４象限についても図３と同様である。
【００３１】
図３によると、本実施例のレンズ系ＩＬ１において、上記の角度幅毎の像点Ｐ１の個数が、Ｘ軸に沿って１０個であり、Ｙ軸に沿って９個である。つまり、Ｘ方向において１００°の半画角、且つＹ方向において９０°の半画角という広い画角が実現されている。さらに、像点Ｐ１間の間隔は、Ｘ方向においてもＹ方向においても、原点Ｏに近付くほど大きくなっている。つまり、像面上で中央近傍における所定範囲の領域において、端部よりも拡大される像を結像することができる。
【００３２】
上記のような像の中央拡大によると、相対的に撮像素子１２の撮像面上の画素が、中央近傍の拡大された領域において他の領域よりも多く（即ち密に）割り当てられることとなる。よって、本実施形態の撮像装置１０は、広い画角を確保しながら、中央近傍ほど高解像度で撮像することができる。図３によると、特にＹ方向において、像点Ｐ１間の間隔の変化が顕著である。これにより、本実施形態の撮像装置１０において、垂直方向における広範囲を撮像可能にしながら、垂直方向の中央近傍を高解像度にすることができる。
【００３３】
また、例えば上記のレンズ系ＩＬ１における全ての自由曲面の代わりに、アナモルフィック非球面を用いたとすると、原点Ｏの周りの回転対称性により、Ｘ軸及びＹ軸間の対角方向において、性能が不足することが考えられる。これに対して、本実施形態のレンズ系ＩＬでは、非回転対称な自由曲面を用いることにより、図３に示すように、対角方向においても画角を広く確保しながら、中央近傍ほど像点Ｐ１間の間隔を大きくすることができる。
【００３４】
以上のような実施例１のレンズ系ＩＬ１に対応する数値実施例１について、図４〜１４を参照して説明する。
【００３５】
図４は、数値実施例１におけるレンズ系ＩＬ１の面データを示す図である。図４の面データは、レンズ系ＩＬ１において物体側から順番に並ぶ各面ｓ１〜ｓ１４について、各々の面のタイプと、ｍｍ単位の曲率半径ｒ及び面間隔ｄと、ｄ線に対する各レンズ素子の屈折率ｎｄ及びアッベ数ｖｄとを示している。面のタイプは、球面と、非球面と、自由曲面としてのＸＹ多項式面とを含む。
【００３６】
図５は、数値実施例１におけるレンズ系ＩＬ１の各種データを示す図である。図５の各種データは、本数値実施例のＦナンバーと、垂直半画角と、水平半画角と、垂直半画角における垂直像高と、水平半画角における水平像高と、垂直半画角における水平像高と、光学全長とを示している。各種像高及び光学全長の単位は「ｍｍ」であり、各半画角の単位は「°」である。
【００３７】
図６は、数値実施例１のレンズ系ＩＬ１における３番目の面ｓ３の自由曲面データを示す図である。図６の自由曲面データは、第２レンズ素子Ｌ２の物体側の面について、自由曲面としてのＸＹ多項式面を規定するＸＹ多項式の各種係数を示す。ＸＹ多項式は、次式（Ｅ１）のように表される。
【００３８】
【数１】
2019187221.tif 000003
上式（Ｅ１）において、ｃは頂点曲率であり、ｋはコーニック定数であり、ｃｊは係数である。上式（Ｅ１）の右辺第２項において、例えばｊは２以上６６以下の整数であり、各ｊについての総和が取られる。上式（Ｅ１）によると、対象とする面上の（ｘ，ｙ）座標の位置におけるサグ量ｚが規定される。
【００３９】
図７〜９は、それぞれ数値実施例１のレンズ系ＩＬ１における４〜６番目の面ｓ４〜ｓ６の自由曲面データを示す図である。図７の自由曲面データは、第２レンズ素子Ｌ２の像面側の面について、図６と同様に式（Ｅ１）の各種係数を示す。同様に、図８，９の各自由曲面データは、それぞれ第３レンズ素子Ｌ３の物体側及び像面側の面の各種係数を示す。
【００４０】
図１０，１１は、それぞれ数値実施例１のレンズ系ＩＬ１における７，８番目の面ｓ７，ｓ８の非球面データを示す図である。図１０，１１の各非球面データは、それぞれ第４レンズ素子Ｌ４の物体側及び像面側の面について、非球面の形状を規定する次式（Ｅ２）の各種係数を示す。
【００４１】
【数２】
2019187221.tif 000004
上式（Ｅ２）において、ｈは径方向の高さであり、Ｋはコーニック定数であり、Ａｎはｎ次の非球面係数である。上式（Ｅ２）の右辺第２項において、例えばｎは４以上２０以下の偶数であり、各ｎについての総和が取られる。上式（Ｅ１）によると、対象とする面上の径方向の高さｈにおけるサグ量ｚが、回転対称に規定される。
【００４２】
図１２，１３は、それぞれ数値実施例１のレンズ系ＩＬ１における１３，１４番目の面ｓ１３，ｓ１４の自由曲面データを示す図である。図１２，１３の自由曲面データは、それぞれ第７レンズ素子Ｌ７の物体側及び像面側の面について、図６と同様に式（Ｅ１）の各種係数を示す。
【００４３】
図１４は、本実施例におけるレンズ系ＩＬ１の諸収差を示す収差図である。以下の各収差図は、無限遠合焦状態における各種の縦収差を例示する。図１４（ａ）は、レンズ系ＩＬ１における球面収差「ＳＡ」を示す。図１４（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれＹ方向における非点収差「ＡＳＴ−Ｖ」、Ｘ方向における非点収差「ＡＳＴ−Ｈ」、及び対角方向における非点収差「ＡＳＴ−Ｄ」を示す。
【００４４】
図１４（ａ）〜（ｄ）の横軸は、それぞれｍｍ単位で表される。図１４（ａ）の縦軸は、瞳高さを基準としている。図１４（ａ）では、ｄ線、Ｆ線及びｃ線に対する球面収差の特性曲線を示している。また、図１４（ｂ）〜（ｄ）の縦軸は、半画角を基準としている。図１４（ｂ）〜（ｄ）では、それぞれＸ方向又はＹ方向と光軸Ｄ１とに沿ったＸＺ断面又はＹＺに関する非点収差の特性曲線を示している。
【００４５】
なお、本実施形態では、例えば図６〜９，１２，１３に示すように、各自由曲面においてＸＹ多項式のｘ及びｙの偶数項のみを使用している。このため、対角方向の収差「ＡＳＴ−Ｄ」等は、第１〜第４象限のいずれにおいても同じになる。
【００４６】
３−２．諸条件について
以上のレンズ系ＩＬ１の数値実施例１を用いて、本実施形態に係るレンズ系ＩＬが満たす各種条件について、図１５を参照して説明する。
【００４７】
図１５は、本実施形態のレンズ系ＩＬにおける諸条件の充足性を示す図表である。図１５に示す図表は、本実施形態のレンズ系ＩＬが、各数値実施例１〜４においてそれぞれ下記の条件式（１）〜（７）を満たすことを示している。図１５において、レンズ素子Ｌ１〜Ｌ３，Ｌ７の隣に付した「−Ｚ」は物体側の面であることを示し、「＋Ｚ」は像面側の面であることを示す。例えば「Ｌ７（＋Ｚ）」は、第７レンズ素子Ｌ７の像面側の面を示す。
【００４８】
条件式（１）は、以下のように表される。
０．０１＜｜Ｓｍａｘ−Ｓｍｉｎ｜／ＩＨ＜０．６５    …（１）
ここで、Ｓｍａｘは、最長像高の６０％の高さにおける自由曲面のサグ量の最大値、即ち最大サグ量である。Ｓｍｉｎは、最長像高の６０％の高さにおける同自由曲面のサグ量の最小値、即ち最小サグ量である。ＩＨは、最長像高の６０％の高さ分の長さである。
【００４９】
上式（１）において、最大サグ量及び最小サグ量は、上記の高さにおける全周にわたって測定される。例えば、自由曲面がＸ軸及びＹ軸に関して線対称な場合、最大サグ量及び最小サグ量は、Ｘ軸及びＹ軸上の上記高さにおけるサグ量である。サグ量は、例えばＺ方向における向きに応じた正負を有する。
【００５０】
条件式（１）の下限を下回ると、サグ量の違いが少な過ぎて、中央近傍を拡大しながら画角を広く取り込む効果を得ることが難しくなる。また、レンズ枚数の増加が必要になり、コストアップの要因となる。一方、条件式（１）の上限を上回ると、レンズ系ＩＬ１の製造において不利が生じ得る。また、垂直、対角及び水平方向それぞれにおいて適切に非点収差および像面湾曲を制御することが困難となる。
【００５１】
数値実施例１のレンズ系ＩＬ１によると、図１５に示すように、全ての自由曲面Ｌ２（−Ｚ）〜Ｌ７（＋Ｚ）が、条件式（１）を満たしている。条件式（１）によると、自由曲面上でサグ量を異ならせることによって回転非対称に自由曲面を変化させ、画角を広げながら中央近傍を拡大し易くすることができる。なお、本実施形態のレンズ系ＩＬでは、必ずしも全ての自由曲面が条件式（１）を満たさなくてもよい。
【００５２】
条件式（２）は、以下のように表される。
Ｎｄ１＞１．７    …（２）
ここで、Ｎｄ１は、第１レンズ素子Ｌ１のｄ線における屈折率である。第１レンズ素子Ｌ１は、例えばガラス素子で構成される。例えば数値実施例１のレンズ系ＩＬ１は、図１５に示すように条件式（２）を満たす。
【００５３】
条件式（２）は、第１レンズ素子Ｌ１において外部から入射する光の光線を大幅に曲げられるように、屈折率を高くする条件である。条件式（２）の下限を下回ると、第１レンズ素子Ｌ１において広範囲からの光を取り込み難くなる等、画角を広くしながら中央近傍を拡大する性能を得難くなる。或いは、レンズ枚数の増加が必要になり、コストアップの要因となってしまう。
【００５４】
条件式（３）は、以下のように表される。
４０＜Ｖｄ＜６０    …（３）
ここで、Ｖｄは、自由曲面レンズのアッベ数である。自由曲面レンズは、少なくとも１つの自由曲面を有するレンズ素子である。例えば数値実施例１において、各自由曲面レンズＬ２，Ｌ３，Ｌ７は、図１５に示すように条件式（３）を満たす。
【００５５】
条件式（３）によると、自由曲面レンズのアッベ数を適切な範囲に設定することにより、温度変化に対するレンズ系ＩＬ１の結像性能を得やすくすることができる。条件式（３）の上限を上回ったり、下限を下回ったりすると、温度変化時の結像性能を確保することが難しくなる。また、温度変化時に色収差が大きく変化し、適切に制御することが難しくなる。
【００５６】
条件式（４）は、以下のように表される。
Ｎｄ＞１．５    …（４）
ここで、Ｎｄは、自由曲面レンズのｄ線における屈折率である。例えば数値実施例１において、各自由曲面レンズＬ２，Ｌ３，Ｌ７は、図１５に示すように条件式（４）を満たす。
【００５７】
条件式（４）によると、レンズ系ＩＬ１において高い屈折率の自由曲面レンズを用いて、光線を回転非対称に制御し易くすることができる。条件式（４）の下限を下回ると、上述した効果を得難くなる。或いは、レンズ枚数の増加を要し、コストアップの要因となる。また、中央拡大および垂直画角を取り込みつつ、球面収差、コマ収差を適切に制御することが困難となる。
【００５８】
条件式（５）は、以下のように表される。
Ｈω−Ｖω＜２０    …（５）
ここで、Ｈωは、水平方向（即ちＸ方向）の半画角である。Ｖωは、垂直方向（即ちＹ方向）の半画角である。
【００５９】
数値実施例１においては、図５より、Ｈω＝１００°で且つＶω＝９０°であることから、条件式（５）を満たす。条件式（５）の上限を上回ると、水平方向および垂直方向ともに広角の効果を得難くなる。
【００６０】
条件式（６）は、以下のように表される。
０≦｜ＮＮ−ＮＰ｜≦２    …（６）
ここで、ＮＮは、自由曲面を有し、且つ負のパワーを有するレンズ素子の枚数である。ＮＰは、自由曲面を有し、且つ正のパワーを有するレンズ素子の枚数である。上式（６）におけるＮＮ及びＮＰのパワーの正負は、例えばＹＺ断面とＸＺ断面とのいずれか一方において判定されてもよい。
【００６１】
数値実施例１によると、自由曲面レンズＬ２，Ｌ３，Ｌ７のうちの２枚のパワーが負である一方、１枚パワーが正であることから、図１５に示すように条件式（６）を満たす。条件式（６）によると、温度変化に対するレンズ系ＩＬ１の結像性能を得やすくすることができる。条件式（６）の上限を上回ったり、下限を下回ったりすると、温度変化時の結像性能が得難くなる。温度変化時に色収差が大きく変化し、適切な制御を行い難くなる。また、温度変化時に生じるバックフォーカスのズレを適切に制御し難くなる。
【００６２】
条件式（７）は、以下のように表される。
｜ΔＮｄＦ／ΔＮｄ１｜＞１０  …（７）
ここで、ΔＮｄ１は、第１レンズ素子Ｌ１の、２５℃からの温度変化に対するｄ線の屈折率変化率である。ΔＮｄＦは、自由曲面を有するレンズ素子の、２５℃からの温度変化に対するｄ線の屈折率変化率である。
【００６３】
各数値実施例における各々の屈折率変化率ΔＮｄ１，ΔＮｄＦを、図１５に示す。例えば数値実施例１のレンズ系ＩＬ１は、条件式（７）を満たす。条件式（７）によると、温度変化に対するレンズ系ＩＬ１の結像性能を得やすくすることができる。条件式（７）の下限を下回ると、温度変化時の結像性能が得にくくなる。温度変化時に色収差が大きく変化し、適切な制御を行い難くなる。また、温度変化時に生じるバックフォーカスのズレを適切に制御し難くなる。
【００６４】
２−３．実施例２
本実施形態に係るレンズ系ＩＬは、上述した実施例１のレンズ系ＩＬ１に限らず様々な形態で実施可能である。図１６〜図２９を用いて、実施例２のレンズ系ＩＬ２について説明する。
【００６５】
図１６は、実施例２に係るレンズ系ＩＬ２の構成を示す。図１６（ａ），（ｂ）は、それぞれ図２（ａ），（ｂ）と同様に、レンズ系ＩＬ２のレンズ配置図を示す。
【００６６】
実施例２のレンズ系ＩＬ２は、実施例１と同様の構成から、各種レンズ素子Ｌ１〜Ｌ７の形状等を変更している。例えば、第１レンズ素子Ｌ１の像面側において、自由曲面が設けられる。実施例２のレンズ系ＩＬ２に対応する数値実施例を、図１７〜２９に示す。
【００６７】
図１７は、数値実施例２におけるレンズ系ＩＬ２の面データを示す図である。図１８は、本実施例におけるレンズ系ＩＬ２の各種データを示す図である。図１７，１８は、それぞれ数値実施例１の図４，５と同様に各データを示す。
【００６８】
図１９〜２３は、それぞれ本実施例のレンズ系ＩＬ２における２〜６番目の面ｓ２〜ｓ６の自由曲面データを示す図である。図１９の自由曲面データは、第１レンズ素子Ｌ１の像面側の面について、数値実施例１と同様に式（Ｅ１）の各種係数を示す。また、図２０〜２３は、それぞれ図６〜図９と同様に各自由曲面データを示す。
【００６９】
図２４，２５は、それぞれ本実施例のレンズ系ＩＬ２における７，８番目の面ｓ７，ｓ８の非球面データを、図１０，１１と同様に示す。図２６，２７は、それぞれレンズ系ＩＬ２における１３，１４番目の面ｓ１３，ｓ１４の自由曲面データを、図１２，１３と同様に示す。
【００７０】
以上の数値実施例２に基づいて、図２８に、本実施例のレンズ系ＩＬ２における画角と像点Ｐ２との関係を示す。図２８に示すように、本実施例のレンズ系ＩＬ２によっても、実施例１と同様に画角を広く確保しながら、中央近傍を拡大した結像を実現することができる。
【００７１】
図２９は、本実施例におけるレンズ系ＩＬ２の諸収差を示す。図２９（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれ図１４（ａ）〜（ｄ）と同様に、本実施例におけるレンズ系ＩＬ２の各収差図を示している。
【００７２】
また、本実施例のレンズ系ＩＬ２は、図１５に示すように、上述した各条件式（１）〜（７）を満たしている。例えば、条件式（１）に関して、本実施例の第２レンズ素子Ｌ２の像面側の自由曲面Ｌ２（＋Ｚ）は、上限値近傍の「０．６２３」という値を有する。これによっても、実施例１と同様の効果を得ることができる。
【００７３】
２−４．実施例３
本実施形態のレンズ系ＩＬにおいて、絞りＡよりも像面側の自由曲面の個数は、１つ以上であってもよい。実施例３では、図３０〜４２を用いて、絞りＡよりも像面側に１つの自由曲面を有するレンズ系ＩＬ３の例を説明する。
【００７４】
図３０は、実施例３に係るレンズ系ＩＬ３の構成を示す。図３０（ａ），（ｂ）は、それぞれ図２（ａ），（ｂ）と同様に、レンズ系ＩＬ３のレンズ配置図を示す。
【００７５】
実施例３のレンズ系ＩＬ３は、実施例１と同様の構成において、第７レンズ素子Ｌ７の像面側の面を、自由曲面から非球面に変更している。本実施例において、絞りＡよりも像面側の自由曲面は、第７レンズ素子Ｌ７の物体側の１つのみである。実施例３のレンズ系ＩＬ３に対応する数値実施例を、図３１〜４２に示す。
【００７６】
図３１は、数値実施例３におけるレンズ系ＩＬ３の面データを、数値実施例１の図４と同様に示す。図３２は、本実施例におけるレンズ系ＩＬ３の各種データを、図５と同様に示す。
【００７７】
図３３〜３６は、それぞれ数値実施例３のレンズ系ＩＬ３における２〜６番目の面ｓ２〜ｓ６の自由曲面データを、数値実施例１と同様に示す。図３７，３８は、それぞれ本実施例のレンズ系ＩＬ３における７，８番目の面ｓ７，ｓ８の非球面データを、図１０，１１と同様に示す。
【００７８】
図３９は、本実施例のレンズ系ＩＬ３における１３番目の面ｓ１３の自由曲面データを、図１２と同様に示す。図４０は、本実施例のレンズ系ＩＬ３における１４番目の面ｓ１４の非球面データを示す。図４０の非球面データは、第７レンズ素子Ｌ７の像面側の面について、上記の非球面データと同様に式（Ｅ２）の各種係数を示す。
【００７９】
以上の数値実施例３に基づいて、図４１に、本実施例のレンズ系ＩＬ３における画角と像点Ｐ３との関係を示す。図４１に示すように、本実施例のレンズ系ＩＬ３によっても、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大した結像を実現することができる。
【００８０】
図４２は、本実施例におけるレンズ系ＩＬ３の諸収差を示す。図４２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれ図１４（ａ）〜（ｄ）と同様に、本実施例におけるレンズ系ＩＬ３の各収差図を示している。また、図１５に示すように、本実施例のレンズ系ＩＬ３も、各条件式（１）〜（７）を満たしている。
【００８１】
２−５．実施例４
本実施形態のレンズ系ＩＬにおいては、第１及び第２レンズ素子Ｌ１，Ｌ２の少なくとも一方が、自由曲面を有してもよい。実施例４では、図４３〜５７を用いて、第１レンズ素子Ｌ１が自由曲面を有する一方、第２レンズ素子Ｌ２が自由曲面を有しないレンズ系ＩＬ４の例を説明する。
【００８２】
図４３は、実施例４に係るレンズ系ＩＬ４の構成を示す。図４３（ａ），（ｂ）は、それぞれ図２（ａ），（ｂ）と同様に、レンズ系ＩＬ４のレンズ配置図を示す
【００８３】
実施例４のレンズ系ＩＬ４は、実施例１と同様の構成において、第１レンズ素子Ｌ１の両面を自由曲面に変更し、且つ第２レンズ素子Ｌ２の両面を非球面に変更している。実施例４のレンズ系ＩＬ４に対応する数値実施例を、図４４〜５７に示す。
【００８４】
図４４は、数値実施例４におけるレンズ系ＩＬ４の面データを、数値実施例１の図４と同様に示す。図４５は、本実施例におけるレンズ系ＩＬ４の各種データを、図５と同様に示す。
【００８５】
図４６，４７は、それぞれ本実施例のレンズ系ＩＬ４における１，２番目の面ｓ１，ｓ２の自由曲面データを示す。図４６，４７の各自由曲面データは、第１レンズ素子Ｌ１の物体側と像面側の両面について、数値実施例１と同様に式（Ｅ１）の各種係数を示す。
【００８６】
図４８，４９は、それぞれ本実施例のレンズ系ＩＬ４における３，４番目の面ｓ３，ｓ４の非球面データを示す。図４８，４９の各非球面データは、第２レンズ素子Ｌ２の両面について、数値実施例１と同様に式（Ｅ２）の各種係数を示す。
【００８７】
図５０，５１は、それぞれ本実施例のレンズ系ＩＬ４における５，６番目の面ｓ５，ｓ６の自由曲面データを、図８，９と同様に示す。図５２，５３は、それぞれレンズ系ＩＬ４における７，８番目の面ｓ７，ｓ８の非球面データを、図１０，１１と同様に示す。図５４，５５は、それぞれレンズ系ＩＬ４における１３，１４番目の面ｓ１３，ｓ１４の自由曲面データを、図１２，１３と同様に示す。
【００８８】
以上の数値実施例４に基づいて、図５６に、本実施例のレンズ系ＩＬ４における画角と像点Ｐ４との関係を示す。図５６に示すように、本実施例のレンズ系ＩＬ４によっても、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大した結像を実現することができる。
【００８９】
図５７は、本実施例におけるレンズ系ＩＬ４の諸収差を示す。図５７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれ図１４（ａ）〜（ｄ）と同様に、本実施例におけるレンズ系ＩＬ４の各収差図を示している。また、図１５に示すように、本実施例のレンズ系ＩＬ４も、各条件式（１）〜（７）を満たしている。
【００９０】
（実施形態２）
以下、図面を用いて実施形態２を説明する。実施形態２では、上述したレンズ系ＩＬを備える撮像装置１０を車載用途に適用する例について説明する。
【００９１】
以下、実施形態１と同様の構成および動作の説明は適宜、省略して、本実施形態に係る撮像システムを説明する。
【００９２】
１．構成
図５８は、実施形態２における撮像システムの構成を示す図である。図５８の例では、撮像装置１０は、自動車等の車両１００のリアカメラに適用される。撮像装置１０は、車両１００後方の被写体を撮像し、画像データを生成する。撮像装置１０は、車両１００後方のシーンを撮像するように後ろ向きで車両１００に取り付けられる。
【００９３】
車両１００は、撮像装置１０からの画像データを処理する制御装置２０と、制御装置２０により処理された画像データに基づき画像を表示する表示装置３０と、制御装置２０により制御される制御対象６０とを備える。撮像装置１０と制御装置２０とは、撮像システムを構成する。撮像システムは、制御装置２０に加えて、又はこれに代えて、表示装置３０を含んでもよい。
【００９４】
制御装置２０は、撮像装置１０から画像データを取得する画像処理部の一例である。例えば、制御装置２０は、画像解析によって車両１００後方における人物、自転車および車障害物等の各種オブジェクトを認識し、必要に応じて制御対象６０を制御する。制御対象６０は、例えばブレーキ、アクセルおよび警告装置等である。また、制御装置２０は、撮像装置１０からの画像データに対して所定の画像処理を施し、表示装置３０に表示させる画像データを生成する。
【００９５】
制御装置２０は、例えばフラッシュメモリなどの内部メモリに格納されたプログラムを実行することで種々の機能を実現するＣＰＵ又はＭＰＵ等を含む。制御装置２０は、所望の機能を実現するように設計された専用のハードウェア回路を含んでもよい。すなわち、制御装置２０は、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ又はＡＳＩＣ等を含んでもよい。
【００９６】
表示装置３０は、電子ルームミラー又は車載ディスプレイ等である。表示装置３０は、液晶表示パネル又は有機ＥＬディスプレイ等の表示デバイスと、表示デバイスを駆動する駆動回路とを備える。表示装置３０は、例えば車両１００が後進するときに、撮像装置１０により撮像された車両１００後方のシーンの画像を表示する。運転者は、車両１００の後進時に当該画像を確認することにより車両１００後方の状況を把握でき、車両１００を安全に後進させることができる。
【００９７】
本実施形態の撮像システムにおいて、撮像装置１０が撮影可能な範囲を、図５９，６０に例示する。図５９は、撮像装置１０の水平方向の画角を例示する図である。図６０は、撮像装置１０の垂直方向の画角を例示する図である。
【００９８】
撮像装置１０は、例えば図５９に示すように、水平方向において画角２００°の範囲を撮影可能である、また、図６０に例示するように、撮像装置１０は、垂直方向において１８０°の範囲を撮影可能である。このように本実施形態の撮像装置１０によれば、広い画角での撮影を可能としている。図６０の例において、撮像装置１０は、車両１００の後部バンパ等に所定の俯角を持って取り付けられている。
【００９９】
２．動作
以上のように構成される撮像システムの動作について、以下説明する。
【０１００】
本実施形態の撮像システムにおいては、上述したレンズ系ＩＬを備える撮像装置１０によって、例えば図５９，６０のような状況で垂直方向において広い画角で画像を撮影する場合に想定される問題点を解決することができる。車載用途の撮像システムにおいて想定される問題点について、図６０，６１を用いて説明する。図６１（Ａ）は、従来のリアカメラによる撮像画像を例示する。図６１（Ｂ）は、図６１（Ａ）から画角を広げた場合の撮像画像の一例を示す。
【０１０１】
図６０に示すように、車両１００の後方において車両１００から近い距離（例えば０．３ｍ）に人２１０が位置している場合、垂直方向における撮影可能な画角範囲が狭いと、人２１０の顔を含む部分が画角の範囲から外れてしまう。このため、撮像画像において、人２１０の顔が含まれなくなり、撮像画像に基づく画像解析において人が検出されないおそれがある。特に、撮像装置１０は俯角を持って車両１００に取り付けられているため、車両１００の近くに人が位置する場合、その顔はより撮影されにくい状況となる。そこで、より確実に人の顔を含む部分を画角範囲内に含めるために、撮像装置１０の垂直方向の画角を広げることが考えられる。しかし、単に垂直方向の画角を広げるだけでは、さらに以下のような問題が考えられる。
【０１０２】
例えば、図６１（Ａ）に示すように、垂直方向の画角が１５０°である場合に、人２１０の上部が画角範囲から外れる場合に、図６１（Ｂ）に示すように、垂直方向の画角を３０°だけ拡大して１８０°にすることが考えられる。これにより、人２１０の肩から上の部分も画角範囲内に入り、撮像画像において人２１０の顔が含まれることになる。この場合、図６１（Ｂ）に示す撮像画像は、図６１（Ａ）に示す撮像画像と同じ画像サイズでありながら、より広い被写体範囲を含む。このため、図６１（Ｂ）に示す撮像画像内に含まれる各オブジェクトのサイズは、図６１（Ａ）に示す撮像画像内に含まれるものよりも小さくなってしまう。
【０１０３】
例えば、図６１（Ｂ）の撮像画像において車両１００から離れた所に位置する人２２０のサイズは、図６１（Ａ）のものよりも小さくなる。このため、人２２０の顔部分の画像の解像度が不足し、人２２０に対する画像解析による顔検出ができないという問題が生じる。特に人２２０が小さい子供である場合、顔のサイズが小さいために、この問題はより顕著になる。
【０１０４】
本実施形態の撮像装置１０が、上記の問題点を解決する手段について、図６２を用いて説明する。図６２（Ａ）は、図６１（Ｂ）と同様の撮像画像を例示する。図６２（Ｂ）は、図６２（Ａ）と同じ状況における本実施形態の撮像装置１０による撮像画像を例示する。
【０１０５】
図６２（Ａ）に示す画像は、図６１（Ａ），（Ｂ）と同様に、均一な拡大率で結像して得られている。これに対して、本実施形態の撮像装置１０は、上述したレンズ系ＩＬにより、垂直方向全体としては画角を拡大しつつ、注視したい中央部等の画像領域については十分な解像度が得られるように、被写体の像を撮像素子１２に結像させる。これにより、本実施形態の撮像装置１０では、図６２（Ｂ）に示すような画像が、撮像素子１２に結像する。
【０１０６】
図６２（Ｂ）に示す画像は、垂直方向の画角は図６２（Ａ）に示す画像と同様に１８０°を確保しつつ、図６２（Ａ）に示す画像と比較して、画像中央部の像がより拡大され、上下の端部（即ち３０°の画角範囲）の像が圧縮されている。これにより、垂直方向において広い画角を実現しつつ、注視したい中央部の領域において高い解像度の画像を得ることができる。これにより、上述した問題点を解決することができる。
【０１０７】
つまり、本実施の形態の撮像装置１０によれば、垂直方向において広い画角を有するため、図６０に示すように、車両１００の後方の近い位置に人がいる場合でも、図６２（Ｂ）に示すように人の上部（すなわち、顔を含む部分）を含む画像を撮像できる。よって、画像解析による顔検出により、より確実に、人を検出することができる。さらに、本実施の形態の撮像装置１０によれば、センシングに重要な領域である撮影範囲の中央部分において解像度が高い画像を生成することができる。よって、例えば、車両１００後方の撮影範囲の中央領域において小さな子供がいる場合でも、拡大して撮像されるため、画像解析に対して十分なサイズの画像データを得ることができる。このため、体の大きさが小さい子供であっても、より確実に認識することができる。
【０１０８】
このように、本実施の形態の撮像装置１０によれば、広い画角範囲で撮影することができるとともに、撮影範囲の中央部にある被写体について高い解像度で画像を撮影することができる。よって、撮影画像を用いた画像解析の精度を向上することができる。
【０１０９】
３．まとめ
以上のように、本実施形態に係る撮像システムは、撮像装置１０と、画像処理部の一例の制御装置２０とを備える。制御装置２０は、撮像装置１０によって撮像される画像に対する画像処理を行う。
【０１１０】
以上の撮像システムによると、撮像装置１０のレンズ系ＩＬにより、全体として広い画角を確保しつつ、センシング等に必要な中央部分の画像の解像度を高くした画像の撮像が可能になる。よって、撮像画像の解析精度を向上できる。また、撮像面上に結像される像の垂直方向の解像度と水平方向の解像度とが積極的に変化させることで、画像センサ１２のアスペクト比に依らず、光学系の水平画角及び垂直画角を任意に設定することができる。
【０１１１】
（他の実施形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施形態１，２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置換、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施形態を例示する。
【０１１２】
上記の実施形態１では、レンズ系ＩＬが７枚のレンズ素子Ｌ１〜Ｌ７を備える例を説明した。本実施形態のレンズ系ＩＬにおけるレンズ素子の枚数は、７枚に限らず、８枚以上のであってもよいし、６枚以下であってもよい。
【０１１３】
また、上記の実施形態２では、撮像装置１０を車両後方のシーンを撮像するように配置したが、撮像装置１０を車両の前方又は側方のシーンを撮像するように配置してもよい。
【０１１４】
また、上記の各実施形態では、撮像装置１０を適用する移動体の一例として、自動車の車両１００を説明したが、移動体は自動車に限らない。上記の実施形態の撮像装置を、他の移動体、例えば、鉄道、船舶、航空機、ロボット、ロボットアーム、ドローン、コンバインなどの農業用機械、またはクレーンなどの建設用機械に適用してもよい。または、撮像装置１０を監視カメラに適用してもよい。
【０１１５】
また、上記の各実施形態では、撮像装置１０において、画像に対するガンマ補正、歪曲補正等を行ったが、これらの画像処理を制御装置２０において行ってもよい。または、撮像装置１０においてガンマ補正を行い、制御装置２０において歪曲補正を行ってもよい。
【０１１６】
また、上記の各実施形態で示した画角及び解像度等は一例であり、画像解析の対象とする物及び事象等に応じて適宜、設定することができる。
【０１１７】
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
【０１１８】
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【０１１９】
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、種々の変更、置換、付加、省略などを行うことができる。
【０１２０】
（態様のまとめ）
以下、本開示に係る各種態様を例示する。
【０１２１】
本開示に係る第１の態様は、撮像素子に結像するレンズ系である。レンズ系は、光軸に沿って物体側から像面側へ順番に並んだ第１レンズ素子、第２レンズ素子及び第３レンズ素子と、絞りとを備える。レンズ系は、第１レンズ素子と第２レンズ素子との少なくとも一方に、光軸に対して非対称である自由曲面を有する。第１レンズ素子の物体側の面形状が、物体側に凸である。第２レンズ素子の像面側の面形状が、物体側に凸である。第３レンズ素子の物体側の面形状が、像面側に凸である。レンズ系は、絞りよりも像面側に１つ以上の自由曲面を有する。
【０１２２】
以上のレンズ系によると、第１及び第２レンズ素子の少なくとも一方における自由曲面と、絞りよりも像面側の自由曲面とを用いて、撮像素子における結像において、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大することができる。
【０１２３】
第２の態様では、第１の態様のレンズ系が、以下の条件式（１）を満たす自由曲面を有する。
０．０１＜｜Ｓｍａｘ−Ｓｍｉｎ｜／ＩＨ＜０．６５    …（１）
ここで、
Ｓｍａｘ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最大サグ量
Ｓｍｉｎ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最小サグ量
ＩＨ：最長像高の６０％の長さ
である。これにより、自由曲面のサグ量を適切な範囲で変化させて、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大する結像を実現し易くすることができる。
【０１２４】
第３の態様では、第１又は第２の態様のレンズ系において、第１レンズ素子は、以下の条件式（２）を満たす。
Ｎｄ１＞１．７    …（２）
ここで、
Ｎｄ１：第１レンズ素子のｄ線における屈折率
である。これにより、第１レンズ素子において外部からの光線が大幅に曲がるように屈折率を設定して、画角の確保等を行い易くすることができる。
【０１２５】
第４の態様では、第１〜第３のいずれかの態様のレンズ系において、自由曲面を有するレンズ素子が、以下の条件式（３）を満たす。
４０＜Ｖｄ＜６０    …（３）
ここで、
Ｖｄ：当該自由曲面を有するレンズ素子のアッベ数
である。これにより、自由曲面を有するレンズ素子において、アッベ数を適切に設定することにより、温度変化に対するレンズ系の結像の性能を確保し易くすることができる。
【０１２６】
第５の態様では、第１〜第４のいずれかの態様のレンズ系において、自由曲面を有するレンズ素子が、以下の条件式（４）を満たす。
Ｎｄ＞１．５    …（４）
ここで、
Ｎｄ：当該自由曲面を有するレンズ素子のｄ線における屈折率
である。これにより、レンズ系において高い屈折率の自由曲面レンズを用いて、光線を自由に制御し易くすることができる。
【０１２７】
第６の態様では、第１〜第５のいずれかの態様のレンズ系が、以下の条件式（５）を満たす。
Ｈω−Ｖω＜２０    …（５）
ここで、
Ｈω：水平方向の半画角
Ｖω：垂直方向の半画角
である。これにより、水平方向および垂直方向において広角化の効果を得易くすることができる。
【０１２８】
第７の態様では、第１〜第６のいずれかの態様のレンズ系が、以下の条件式（６）を満たす。
０≦｜ＮＮ−ＮＰ｜≦２    …（６）
ここで、
ＮＮ：自由曲面を有し、且つ負のパワーを有するレンズ素子の枚数
ＮＰ：自由曲面を有し、且つ正のパワーを有するレンズ素子の枚数
である。これにより、温度変化等に対してレンズ系の結像性能を得やすくすることができる。
【０１２９】
第８の態様では、第１〜第７のいずれかの態様のレンズ系が、以下の条件式（７）を満たす。
｜ΔＮｄＦ／ΔＮｄ１｜＞１０  …（７）
ここで、
ΔＮｄ１：第１レンズ素子の２５℃での温度変化に対するｄ線の屈折率変化率
ΔＮｄＦ：自由曲面を有するレンズ素子の２５℃での温度変化に対するｄ線の屈折率変化率
である。これにより、温度変化に対するレンズ系の結像性能を得やすくすることができる。
【０１３０】
第９の態様は、第１〜第８のいずれかの態様のレンズ系と、撮像素子とを備えた撮像装置である。撮像素子は、レンズ系を介して結像した像を撮像する。撮像装置においては、レンズ系により、撮像素子における結像において、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大することができる。
【０１３１】
第１０の態様は、第９の態様の撮像装置と、画像処理部とを備えた撮像システムである。画像処理部は、撮像装置によって撮像される画像に対する画像処理を行う。撮像システムにおいては、撮像装置のレンズ系により、撮像素子における結像において、画角を広く確保しながら中央近傍を拡大することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３２】
本開示に係るレンズ系は、種々の用途の撮像装置に適用可能であり、例えば車載カメラ、監視カメラ、Ｗｅｂカメラ、及びデジタルカメラ等に適用可能である。また、本開示に係るレンズ系は、交換レンズ装置において提供されてもよい。
【図１】
2019187221.tif 000005
【図２】
2019187221.tif 000006
【図３】
2019187221.tif 000007
【図４】
2019187221.tif 000008
【図５】
2019187221.tif 000009
【図６】
2019187221.tif 000010
【図７】
2019187221.tif 000011
【図８】
2019187221.tif 000012
【図９】
2019187221.tif 000013
【図１０】
2019187221.tif 000014
【図１１】
2019187221.tif 000015
【図１２】
2019187221.tif 000016
【図１３】
2019187221.tif 000017
【図１４】
2019187221.tif 000018
【図１５】
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【図１６】
2019187221.tif 000020
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
2019187221.tif 000030
【図２７】
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【図２８】
2019187221.tif 000032
【図２９】
2019187221.tif 000033
【図３０】
2019187221.tif 000034
【図３１】
2019187221.tif 000035
【図３２】
2019187221.tif 000036
【図３３】
2019187221.tif 000037
【図３４】
2019187221.tif 000038
【図３５】
2019187221.tif 000039
【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
2019187221.tif 000066
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月30日(2019.10.30)
【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】
撮像素子に結像するレンズ系であって、
光軸に沿って物体側から像面側へ順番に並んだ第１レンズ素子、第２レンズ素子及び第３レンズ素子と、絞りと、前記絞りよりも像面側にある第４レンズ素子とを備え、
前記第１レンズ素子の物体側の面形状が、物体側に凸であり、
前記第２レンズ素子の像面側の面形状が、物体側に凸であり、
前記第１レンズ素子と前記第２レンズ素子との一方は、物体側と像面側の両側に、面形状が物体側に凸で、前記光軸に対して回転非対称である自由曲面を有し、
前記第３レンズ素子は、物体側と像面側の両側に、面形状が像面側に凸で、前記光軸に対して回転非対称である自由曲面を有し、
前記第４レンズ素子は、少なくとも物体側に、前記光軸に対して回転非対称である自由曲面を有する、レンズ系。
【請求項２】
前記第１レンズ素子と前記第２レンズ素子との少なくとも一方の自由曲面は、以下の条件式（１）を満たし、
０．０１＜｜Ｓｍａｘ−Ｓｍｉｎ｜／ＩＨ＜０．６５    …（１）
ここで、
Ｓｍａｘ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最大サグ量
Ｓｍｉｎ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最小サグ量
ＩＨ：最長像高の６０％の長さ
である、請求項１に記載のレンズ系。
【請求項３】
前記第１レンズ素子は、以下の条件式（２）を満たし、
Ｎｄ１＞１．７    …（２）
ここで、
Ｎｄ１：第１レンズ素子のｄ線における屈折率
である、請求項１又は２に記載のレンズ系。
【請求項４】
前記自由曲面を有するレンズ素子が、以下の条件式（３）を満たし、
４０＜Ｖｄ＜６０    …（３）
ここで、
Ｖｄ：当該自由曲面を有するレンズ素子のアッベ数
である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項５】
前記自由曲面を有するレンズ素子が、以下の条件式（４）を満たし、
Ｎｄ＞１．５    …（４）
ここで、
Ｎｄ：当該自由曲面を有するレンズ素子のｄ線における屈折率
である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項６】
以下の条件式（５）を満たし、
Ｈω−Ｖω＜２０    …（５）
ここで、
Ｈω：水平方向の半画角
Ｖω：垂直方向の半画角
である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項７】
以下の条件式（６）を満たし、
０≦｜ＮＮ−ＮＰ｜≦２    …（６）
ここで、
ＮＮ：自由曲面を有し、且つ負のパワーを有するレンズ素子の枚数
ＮＰ：自由曲面を有し、且つ正のパワーを有するレンズ素子の枚数
である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項８】
以下の条件式（７）を満たし、
｜ΔＮｄＦ／ΔＮｄ１｜＞１０    …（７）
ここで、
ΔＮｄ１：第１レンズ素子の２５℃での温度変化に対するｄ線の屈折率変化率
ΔＮｄＦ：自由曲面を有するレンズ素子の２５℃での温度変化に対するｄ線の屈折率変化率
である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のレンズ系と、
前記レンズ系を介して結像した像を撮像する撮像素子と
を備えた撮像装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の撮像装置と、
前記撮像装置によって撮像される画像に対する画像処理を行う画像処理部と
を備えた撮像システム。
【請求項１１】
前記第１〜第４レンズ素子が有する全ての自由曲面は、以下の条件式（１）を満たし、
０．０１＜｜Ｓｍａｘ−Ｓｍｉｎ｜／ＩＨ＜０．６５    …（１）
ここで、
Ｓｍａｘ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最大サグ量
Ｓｍｉｎ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最小サグ量
ＩＨ：最長像高の６０％の長さ
である、請求項１，３〜８のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項１２】
前記第３レンズ素子は、負のパワーを有し、
前記第４レンズ素子は、正のパワーを有する、
請求項１〜８，１１のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項１３】
前記第４レンズ素子の像面側の面形状は、前記光軸を含む第１断面においては物体側に凸であり、前記第１断面と垂直な第２断面においては像面側に凸である、
請求項１２に記載のレンズ系。
【請求項１４】
前記第１〜第４レンズ素子が有する全ての自由曲面は、前記光軸に垂直な第１軸、及び、前記光軸と前記第１軸に垂直な第２軸に関して線対称である、
請求項１〜８，１１〜１３のいずれか１項に記載のレンズ系。
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月1日(2020.4.1)
【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】
撮像素子に結像するレンズ系であって、
光軸に沿って物体側から像面側へ順番に並んだ第１レンズ素子、第２レンズ素子及び第３レンズ素子と、前記第３レンズ素子よりも像面側にある絞りと、前記絞りよりも像面側にある像面側レンズ素子とを備え、
前記第１レンズ素子と前記第２レンズ素子との少なくとも一方に、前記光軸に対して回転非対称である自由曲面を有し、さらに、前記第１レンズ素子と前記第２レンズ素子のいずれかは物体側と像面側の両側に自由曲面を有し、
前記第３レンズ素子の物体側と像面側の両側に、前記光軸に対して回転非対称である自由曲面を有し、
前記第１レンズ素子の物体側の面形状が、物体側に凸であり、
前記第２レンズ素子の像面側の面形状が、物体側に凸であり、
前記第３レンズ素子の物体側の面形状が、像面側に凸であり、
前記像面側レンズ素子は、少なくとも物体側に前記光軸に対して回転非対称である自由曲面を有する、レンズ系。
【請求項２】
前記第１レンズ素子と前記第２レンズ素子との少なくとも一方の自由曲面は、以下の条件式（１）を満たし、
０．０１＜｜Ｓｍａｘ−Ｓｍｉｎ｜／ＩＨ＜０．６５      …（１）
ここで、
Ｓｍａｘ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最大サグ量
Ｓｍｉｎ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最小サグ量
ＩＨ：最長像高の６０％の長さ
である、請求項１に記載のレンズ系。
【請求項３】
前記第１レンズ素子は、以下の条件式（２）を満たし、
Ｎｄ１＞１．７      …（２）
ここで、
Ｎｄ１：第１レンズ素子のｄ線における屈折率
である、請求項１又は２に記載のレンズ系。
【請求項４】
前記自由曲面を有するレンズ素子が、以下の条件式（３）を満たし、
４０＜Ｖｄ＜６０      …（３）
ここで、
Ｖｄ：当該自由曲面を有するレンズ素子のアッベ数
である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項５】
前記自由曲面を有するレンズ素子が、以下の条件式（４）を満たし、
Ｎｄ＞１．５      …（４）
ここで、
Ｎｄ：当該自由曲面を有するレンズ素子のｄ線における屈折率
である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項６】
以下の条件式（５）を満たし、
Ｈω−Ｖω＜２０      …（５）
ここで、
Ｈω：水平方向の半画角
Ｖω：垂直方向の半画角
である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項７】
以下の条件式（６）を満たし、
０≦｜ＮＮ−ＮＰ｜≦２      …（６）
ここで、
ＮＮ：自由曲面を有し、且つ負のパワーを有するレンズ素子の枚数
ＮＰ：自由曲面を有し、且つ正のパワーを有するレンズ素子の枚数
である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項８】
以下の条件式（７）を満たし、
｜ΔＮｄＦ／ΔＮｄ１｜＞１０      …（７）
ここで、
ΔＮｄ１：第１レンズ素子の２５℃での温度変化に対するｄ線の屈折率変化率
ΔＮｄＦ：自由曲面を有するレンズ素子の２５℃での温度変化に対するｄ線の屈折率変化率
である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のレンズ系と、
前記レンズ系を介して結像した像を撮像する撮像素子と
を備えた撮像装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の撮像装置と、
前記撮像装置によって撮像される画像に対する画像処理を行う画像処理部と
を備えた撮像システム。
【請求項１１】
前記第１レンズ素子、前記第２レンズ素子、前記第３レンズ素子及び前記像面側レンズ素子が有する全ての自由曲面は、以下の条件式（１）を満たし、
０．０１＜｜Ｓｍａｘ−Ｓｍｉｎ｜／ＩＨ＜０．６５      …（１）
ここで、
Ｓｍａｘ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最大サグ量
Ｓｍｉｎ：最長像高の６０％における当該自由曲面の最小サグ量
ＩＨ：最長像高の６０％の長さ
である、請求項１，３〜８のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項１２】
前記第３レンズ素子は、負のパワーを有し、
前記像面側レンズ素子は、正のパワーを有する、
請求項１〜８，１１のいずれか１項に記載のレンズ系。
【請求項１３】
前記像面側レンズ素子の像面側の面形状は、前記光軸を含む第１断面においては物体側に凸であり、前記第１断面と垂直な第２断面においては像面側に凸である、
請求項１２に記載のレンズ系。
【請求項１４】
前記第１レンズ素子、前記第２レンズ素子、前記第３レンズ素子及び前記像面側レンズ素子が有する全ての自由曲面は、前記光軸に垂直な第１軸、及び、前記光軸と前記第１軸に垂直な第２軸に関して線対称である、
請求項１〜８，１１〜１３のいずれか１項に記載のレンズ系。
【国際調査報告】
2019187221.tif 000067
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