JP2015060067A - 撮像レンズ及び固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な距離画像と、良好な可視画像との両方を取得することができる撮像レンズ及び固体撮像装置を提供すること。
【解決手段】実施形態に係る撮像レンズは、第１の光学系と、マイクロレンズアレイと、を含む。マイクロレンズアレイは、第１の光学系と、複数の画素を有する撮像素子との間に設けられる。マイクロレンズアレイは、複数のマイクロレンズ部を有する。１つのマイクロレンズ部は、光軸方向にみて２つ以上の画素と重なる。第１の光学系は、物体側から像側に向かって順に、絞りと、第１レンズと、第２レンズと、第３レンズと、を有する。第１レンズは正の屈折力を有し、第２レンズは負の屈折力を有し、第３レンズは正の屈折力を有する。第１面の曲率半径は正である。第３面及び第４面の曲率半径は負である。第５面及び第６面の曲率半径は正である。第１面から第６面のうち少なくとも１つは非球面形状を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、撮像レンズ及び固体撮像装置に関する。

２次元情報として被写体の奥行き方向の長さ（距離画像）を得ることができる撮像技術には、参照光を使用して被写体からの反射光強度や戻り時間を計測する技術や、複数カメラを使用したステレオ測距技術など、様々な手法がある。距離画像の情報によって、通常のカメラから得られる画像情報よりも高度な被写体認識が可能となる。このため、新たな入力情報として、家電用、ゲーム用、産業用など、比較的廉価な製品への応用のニーズが高まっている。

距離撮像手法の中で、単一のカメラで多数の視差を得て、三角測量に基づいた測距を行う構成として、結像光学系及び複数光学系を有する固体撮像装置が提案されている。この固体撮像装置では、結像光学系と撮像素子との間に、再結像系光学系として複数光学系が配置される。複数光学系としては、例えば、平面上に多数の微小レンズが形成されたマイクロレンズアレイが用いられる。

各マイクロレンズのそれぞれの下部には複数の画素が配置される。結像光学系において縮小された像は、マイクロレンズアレイによって撮像素子上に結像される。この結像した個眼像は、それぞれマイクロレンズの配置位置によって存在する視差の分、視点のずれた画像となる。

多数のマイクロレンズから得られた視差画像群の画像を信号処理することで、三角測量の原理にて被写体の距離推定が可能になる。また、つなぎ合わせの画像処理を行うことによって、２次元画像として再構成することも可能である。

撮像レンズ及び固体撮像装置においては、高精度な距離画像と、良好な可視画像との両方を取得することが望ましい。

特開２００４−２５２３１２号公報

本発明の実施形態は、高精度な距離画像と、良好な可視画像との両方を取得することができる撮像レンズ及び固体撮像装置を提供する。

実施形態に係る撮像レンズは、第１の光学系と、マイクロレンズアレイと、を含む。
前記マイクロレンズアレイは、前記第１の光学系と、複数の画素を有する撮像素子との間に設けられる。前記マイクロレンズアレイは、複数のマイクロレンズ部を有する。１つのマイクロレンズ部は、光軸方向にみて２つ以上の画素と重なる。
前記第１の光学系は、物体側から像側に向かって順に設けられた、絞りと、第１レンズと、第２レンズと、第３レンズと、を有する。
前記第１レンズは、正の屈折力を有し、前記物体側の第１面及び前記像側の第２面を有する。
前記第２レンズは、負の屈折力を有し、前記物体側の第３面及び前記像側の第４面を有する。
前記第３レンズは、正の屈折力を有し、前記物体側の第５面及び前記像側の第６面を有する。
前記第１面の曲率半径は、正である。前記第３面及び前記第４面の曲率半径は、負である。前記第５面及び前記第６面の曲率半径は、正である。前記第１面から前記第６面のうち少なくとも１つは、非球面形状を有する。
さらに、撮像レンズは、以下の条件式（１）〜（６）を満足する。
０．６＜ｆ１／ｆ＜０．９ ・・・（１）
１．０＜｜ｆ２｜／ｆ＜３．０ ・・・（２）
２．０＜ｆ３／ｆ＜２００ ・・・（３）
ｆ／ＴＬ＜１．３ ・・・（４）
０＜Ｄ２／ｆ＜０．２ ・・・（５）
０＜Ｄ５／ｆ＜０．５ ・・・（６）
ここで、
ｆは、前記第１の光学系の焦点距離であり、ｆ１は、前記第１レンズの焦点距離であり、ｆ２は、前記第２レンズの焦点距離であり、ｆ３は、前記第３レンズの焦点距離であり、ＴＬは、前記絞りから像面までの距離であり、Ｄ２は、前記第２レンズと前記第３レンズとの光軸上の距離であり、Ｄ５は、前記第３レンズの光軸上の厚さである。

図１は、本実施形態に係る固体撮像装置を例示するブロック図である。 図２は、本実施形態に係る固体撮像装置を例示する模式的断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、被写体の結像レンズからの距離と光線群との関係を例示する図である。 図４は、結像レンズの光軸中心におけるマイクロレンズの幾何光学的関係を例示する図である。 図５（ａ）〜図５（ｃ）は、マイクロレンズにおける重複視野の関係を例示する図である。 図６（ａ）〜図６（ｅ）は、２次元画像を再構成する方法を例示する図である。 図７は、加算平均について例示する図である。 図８は、光線がレンズ断面を通る高さを表す図である。 図９は、射出瞳の扁平率について表す図である。 図１０は、本実施形態に係る撮像レンズの構成を例示する図である。 図１１は、マイクロレンズ部の配列を例示する模式的平面図である。 図１２は、マイクロレンズの光路図である。 図１３は、マイクロレンズの光路図である。 図１４は、マイクロレンズの光路図である。 図１５は、マイクロレンズの収差曲線を表す図である。 図１６は、マイクロレンズの光路図である。 図１７は、マイクロレンズの収差曲線を表す図である。 図１８は、マイクロレンズの光路図である。 図１９は、マイクロレンズの収差曲線を表す図である。 図２０は、第１実施例に係る結像レンズの構成を例示する図である。 図２１は、第１実施例に係る結像レンズの諸収差図である。 図２２は、第１実施例に係る結像レンズの諸収差図である。 図２３は、第１実施例に係る結像レンズの射出瞳位置を例示する図である。 図２４は、第１実施例に係る結像レンズの射出瞳の形状及び数値を例示する図である。 図２５は、第２実施例に係る結像レンズの構成を例示する図である。 図２６は、第２実施例に係る結像レンズの諸収差図である。 図２７は、第２実施例に係る結像レンズの諸収差図である。 図２８は、第２実施例に係る結像レンズの射出瞳位置を例示する図である。 図２９は、第２実施例に係る結像レンズの射出瞳の形状及び数値を例示する図である。 図３０は、第３実施例に係る結像レンズの構成を例示する図である。 図３１は、第３実施例に係る結像レンズの諸収差図である。 図３２は、第３実施例に係る結像レンズの諸収差図である。 図３３は、第３実施例に係る結像レンズの射出瞳位置を例示する図である。 図３４は、第３実施例に係る結像レンズの射出瞳の形状及び数値を例示する図である。 図３５は、第４実施例に係る結像レンズの構成を例示する図である。 図３６は、第４実施例に係る結像レンズの諸収差図である。 図３７は、第４実施例に係る結像レンズの諸収差図である。 図３８は、第４実施例に係る結像レンズの射出瞳位置を例示する図である。 図３９は、第４実施例に係る結像レンズの射出瞳の形状及び数値を例示する図である。

以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

（カメラモジュールの構成）
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置を例示するブロック図である。
図１に表した固体撮像装置１は、例えばカメラモジュールである。
図１に表したように、固体撮像装置１は、撮像モジュール部１０と、撮像信号プロセッサ（以下、ＩＳＰ(Image Signal Processor)ともいう。）２０と、を有する。

撮像モジュール部１０は、結像光学系（第１の光学系）１２と、マイクロレンズアレイ１４（以下、ＭＬＡ：Micro Lens Arrayともいう。）と、固体撮像素子１６と、撮像回路１８とを有する。

結像光学系１２は、被写体からの光を固体撮像素子１６へ取り込む撮像光学系として機能する。固体撮像素子１６は、結像光学系１２により取り込まれた光を信号電荷に変換する素子として機能する。複数の画素（光電変換素子としての例えばフォトダイオード）は、受光面に沿って２次元アレイ状に配列されている。

マイクロレンズアレイ１４は、例えば複数のマイクロレンズ部１４ａを有する。マイクロレンズ部１４ａは、プリズム等の微小光学系でもよい。マイクロレンズアレイ１４は、結像光学系１２によって結像面（仮想結像面）に結像する光線群を、個々のマイクロレンズ部１４ａによって縮小する。各マイクロレンズ部１４ａによって縮小された像は、各マイクロレンズ部１４ａと対応する画素ブロック（複数の画素の群）に結像される。

撮像回路１８は、固体撮像素子１６の画素アレイの各画素を駆動する駆動回路部（図示せず）と、画素領域から出力される信号を処理する画素信号処理回路部（図示せず）とを有している。

駆動回路部は、例えば駆動する画素を垂直方向に水平ライン（行）単位で順次選択する垂直選択回路と、列単位で順次選択する水平選択回路と、それらを各種パルスにて駆動するＴＧ（タイミングジェネレータ）回路、などを有する。

画素信号処理回路部は、画素領域からのアナログ電気信号をデジタル変換するＡＤ変換回路と、ゲイン調整やアンプ動作を行うゲイン調整／アンプ回路と、デジタル信号の補正処理などを行うデジタル信号処理回路と、を有している。

ＩＳＰ２０は、カメラモジュールＩ／Ｆ（インタフェース）２２と、画像取り込み部２４と、信号処理部２６と、ドライバＩ／Ｆ２８とを備えている。撮像モジュール部１０による撮像により得られたＲＡＷ画像は、カメラモジュールＩ／Ｆ２２から画像取り込み部２４へ取り込まれる。

信号処理部２６は、画像取り込み部２４に取り込まれたＲＡＷ画像について、信号処理を実施する。ドライバＩ／Ｆ（インターフェース）２８は、信号処理部２６での信号処理を経た画像信号を、図示しない表示ドライバへ出力する。表示ドライバは、固体撮像装置１によって撮像された画像を表示する。

（カメラモジュールの部材構成）
図２は、本実施形態に係る固体撮像装置を例示する模式的断面図である。
図２に表したように、本実施形態に係る固体撮像装置１において、固体撮像素子１６は、半導体基板１６ａに形成される。半導体基板１６ａ上には、フォトダイオードを有する複数の画素１６ｂが形成される。隣り合う画素１６ｂのピッチ（画素ピッチ）は、例えば０．７マイクロメートル（μｍ）以上２．７μｍ以下程度である。固体撮像素子１６の大きさは、例えば、縦方向３．０ミリメートル（ｍｍ）以上６．０ｍｍ以下程度、横方向４．０ｍｍ以上８．０ｍｍ以下程度である。固体撮像装置１の全体の容量は、例えば１立方センチメートル（ｃｍ^３）程度である。

半導体基板１６ａ上には、各画素１６ｂを駆動してこれらの画素１６ｂからの信号を読み出す駆動／読み出し回路（図示せず）が形成される。

複数の画素１６ｂのそれぞれの上には、画素１６ｂごとにＲ（赤色波長光域の光に対して高い透過率を有する）、Ｇ（緑色波長光域の光に対して高い透過率を有する）、Ｂ（青色波長光域の光に対して高い透過率を有する）、Ｗ（赤、緑、青色波長光透過）のカラーフィルタ１６ｃが形成される。カラーフィルタ１６ｃの上部には、１画素１６ｂごとに画素集光用マイクロレンズ１６ｄが形成されていてもよい。

カラーフィルタ１６ｃの上には、マイクロレンズアレイ１４が配置される。マイクロレンズアレイ１４は、可視光透過基板１４ｂと、可視光透過基板１４ｂの上に形成されたマイクロレンズ部１４ａと、を有する。マイクロレンズ部１４ａは可視光透過基板１４ｂから見て固体撮像素子１６側に配置される。複数のマイクロレンズ部１４ｂは、可視光透過基板１４ｂ上に２次元アレイ状に配列される。各マイクロレンズ部１４ａは、半導体基板１６ａ上に設けられた複数の画素１６ｂからなる画素ブロックに対応して設けられる。各マイクロレンズ部１４ａは、対応する画素ブロックに縮小結像する光学系として機能する。

可視光透過基板１４ｂは、固体撮像素子１６と離間して設けられる。可視光透過基板１４ｂと、固体撮像素子１６が形成された半導体基板１６ａとの間には、樹脂材料等によって構成されたスペーサ４２が設けられる。可視光透過基板１４ｂは、スペーサ４２を介して半導体基板１６ａと接合される。なお、半導体基板１６ａと可視光透過基板１４ｂとを接合する際の位置合わせは、合わせマーク等を基準にして行う。

可視光透過基板１４ｂは、可視光を透過する機能の他に、例えば不要な近赤外光をカットする材料であっても良い。可視光透過基板１４ｂには、可視光を透過し、近赤外光を反射する多層膜もしくは単層膜が形成されていても良い。

また、可視光透過基板１４ｂの上部には、必要に応じて光学フィルタ４３が設けられている。可視光透過基板１４ｂが近赤外光をカットする機能をもたない場合、別途同様の機能をもつ光学フィルタ４３を配置する。

また、半導体基板１６ａには、画素１６ｃの読出し用電極パッド４４が設けられる。電極パッド４４の下部には半導体基板１６ａを貫通し、処理、駆動チップと導通する貫通電極４６が形成されている。

半導体基板１６ａは、貫通電極４６及びバンプ４８を介して処理、駆動チップ５０と電気的に接続される。この処理、駆動チップ５０には、固体撮像素子１６を駆動し読み出された信号を処理する駆動処理回路（撮像回路１８）が形成されている。また、半導体基板１６ａと処理、駆動チップ５０との電気的接続は、貫通電極４６を介してだけではなく、両チップに設けられた電極パッド間を金属ワイヤー等で結線しても良い。

また、可視光透過基板１４ｂの上方には結像光学系１２が設けられる。結像光学系１２は、複数枚のレンズを有する。結像光学系１２は、レンズ鏡筒６２に取り付けられる。レンズ鏡筒６２はレンズホルダ６４に取り付けられる。このレンズホルダ６４の取り付け時に、押し付け圧と出力像の関係から結像光学系１２の取り付け位置の調整をしても良い。

なお、半導体基板１６ａ、可視光透過基板１４ｂ、および処理、駆動チップ５０の周囲には、不要な光を遮断するための光遮蔽カバー５２が取り付けられる。そして、処理、駆動チップ５０の下部には、処理、駆動チップ５０と外部とを電気的に接続するモジュール電極５４が設けられる。

（マイクロレンズ幾何光学的関係図）
次に、本実施形態の固体撮像装置１の光学系（虚像光学系）における幾何的光学関係について説明する。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、被写体の結像レンズからの距離と光線群との関係を例示する図である。
図４は、結像レンズの光軸中心におけるマイクロレンズの幾何光学的関係を例示する図である。
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、マイクロレンズにおける重複視野の関係を例示する図である。

以下の説明では、単純化のため、結像光学系１２のレンズ光軸の近傍の範囲のみを記述する。
結像光学系１２のみを考えた場合、光軸上の被写体点Ｐからの主光線およびその同族光線である周辺光は、結像光学系の焦点距離ｆと、結像光学系１２と被写体点１００との距離Ａから決まる仮想結像面７０において、数１の関係を満たすように結像する。

ここでｆは結像光学系１２の焦点距離、Ａは結像光学系１２の物体側主面１２ａから被写体点１００Ｐまでの距離、Ｂは結像光学系１２の像側主面１２ａから仮想結像点Ｐ’７０までの距離を示す。結像光学系１２の像倍率（横倍率）は、以下の数２で表される。

ここで、本実施形態では結像光学系１２の仮想結像点Ｐ’７０を固体撮像素子１６よりも更に後方（被写体１００と反対側）へ位置させる。このとき、仮想結像点Ｐ’７０よりも前方にマイクロレンズ部１４ａを配置するため、仮想結像面７０よりも前方に位置する画素が設けられた固体撮像素子１６の面に集光する。このとき、光線群８０、８２は虚像関係で縮小結像することになる。マイクロレンズ部１４ａの結像系は、以下の数３で表される。

ここで、ｇはマイクロレンズ部１４ａの焦点距離、Ｃはマイクロレンズ部１４ａの物体側主面から仮想結像点Ｐ’７０までの距離、Ｄはマイクロレンズ部１４ａの像側主面からマイクロレンズによる結像点までの距離を示す。このとき、マイクロレンズ部１４ａの結像系による像倍率は次の数４によって表される。

ここで、幾何学的関係により、以下の数５の変数Ｅを導入する。光学系が固定焦点光学系の場合、変数Ｅは固定設計値となる。

[数５]
Ｅ＝Ｂ−Ｃ

ここで、隣接するマイクロレンズ部１４ａを２個選択した場合の、マイクロレンズ部１４ａの配列ピッチ、またはマイクロレンズ部１４ａ間の距離をＬ_ＭＬとする。このとき、同一被写体から出た光線群８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８６が隣接した複数のマイクロレンズ部１４ａにおいて、像点ｐ１，ｐ２，ｐ３，…へ分配して複数個所にて結像される。このときのＬ_ＭＬと片側の像ずれ量Δは、図４に示す各マイクロレンズ部１４ａにとっての主光線８４ａ、８４ｂ、８４ｃの幾何学的関係より、以下の数６で表される。

数１、数２及び数６より被写体の結像光学系１２から距離Ａと像のずれ量Δは次の数７に示す関係となる。

数７にて、ｆ、Ｅ、Ｌ_ＭＬは設計時パラメータのため固定値で既知であり、Ａに対して一意にΔ、Ｄが決まる。

ここで、Ｄの変化量はＡの変化量に対して非常に僅かのため、固定値Ｄ０とみなすとする。Ｄ０はマイクロレンズ部１４ａマイクロレンズ部１４ａの像側主面から固体撮像素子１６の面までの距離を示す。このとき、数７は、以下の数８のように表される。

ここでは、ｆ，Ｅ，Ｄ０，Ｌ_ＭＬは設計値のため既知であるため、像のずれ量Δが撮像素子面から検出できれば、被写体距離Ａが算出可能となる。

一被写体点Pから出た光線が、結像レンズ、マイクロレンズによりp1,p2,p3,・・・に結像した際の、相互の像のずれ量Δを求めるには、撮像素子が記録した隣接するマイクロレンズの像の間の画像マッチング処理を用いる。

画像マッチング処理としては、例えば、２つの画像の類似度や相違度を調べる周知のテンプレートマッチング法を用いることができる。また、更に精密にずれ位置を求める際には、画素単位ごとに得られた類似度や相似度を連続なフィッティング関数等で補間し、フィッティング関数の最大や最小を与えるサブピクセル位置を求めることで、更に高精度にずれ量を求めることができる。

（２次元画像を再構成する方法）
ここで、同一被写体が複数回撮影されているマイクロレンズ画像群から、重複のない２次元画像を再構成する方法について図５（ａ）〜図５（ｃ）を参照して説明する。

隣接する３個のマイクロレンズ部１４ａがあり、それらが図５（ｂ）に示すように、固体撮像素子１６の面にマイクロレンズ像９１ａ、９１ｂ，９１ｃをそれぞれ形成する場合を考える。

このように重複のないマイクロレンズ像を形成するには、結像光学系１２のＦナンバーとマイクロレンズのＦナンバーが一致していれば良い。

マイクロレンズの像９１ａ、９１ｂ，９１ｃが結像する視野は、仮想結像面７０においては視野９３ａ、視野９３ｂ、視野９３ｃとなり、図５（ｃ）に示すように重複した範囲となる。図５（ｂ）及び図５（ｃ）では、像縮小率Ｎが０．５の場合を描いており、各視野が０．５倍された結果、どの被写体点も２回以上重複されて撮像される関係となる。Ｎ＝０．５の関係にあるときは、各マイクロレンズ像を１／Ｎ倍、すなわち、２倍とすることで、仮想結像面７０の像を再現できることになる。

像縮小率Ｎを、撮影後のマイクロレンズ画像群から知るためには、数４及び数６の関係から、以下の数９が導かれることを利用する。

マイクロレンズのピッチＬ_ＭＬは既知であるため、同一被写体のずれ量Δを画像から求めれば、像縮小率Ｎも求まることになる。ピッチＬ_ＭＬは、例えば１０μｍ以上６０μｍ以下程度である。

（２次元画像を再構成する合成処理方法）
次に、２次元画像を再構成する画像合成方法を説明する。
図６（ａ）〜図６（ｅ）は、２次元画像を再構成する方法を例示する図である。
図６（ａ）には、画像合成方法のフローチャートが表される。図６（ｂ）には、複眼画像の例、図６（ｃ）には、画素信号の拡大及び加算平均の例、図６（ｄ）には、画素の信号の座標対応付けの例、図６（ｅ）には、２次元画像の例が表される。

先ず、図６（ａ）に表したように、撮像素子から複眼画像（図６（ｂ）参照）の出力を得る（ステップＳ１０１）。複眼画像は、例えばＲＡＷ画像である。次に、撮像素子から出力される複眼ＲＡＷ画像に対して、Ｂ（青），Ｇ（緑）、Ｒ（赤）の信号バランスを調整するホワイトバランス処理を行う（ステップＳ１０２）。

続いて、例えばＲ画素の位置にはＧ，Ｂの信号情報がないため、その周りに配置された画素を参照し、それらから推測してＧ，Ｂ信号を作成するデモザイキング処理を行う（ステップＳ１０３）。簡単には周囲の画素から平均値をとる処理を行えば良いが、必要に応じて参照する画素範囲を広げるなど、様々な方法をとることが可能である（図６（ｃ）参照）。デモザイキング処理は、Ｇ画素、Ｂ画素に対しても同様に行う。

続いて、図６（ｄ）で示されるような１点の被写体点Ｐに対応する像点ｐ１，ｐ２，…，ｐｎを撮像素子にて記録した画素信号値Ｓ_ｐ１，Ｓ_ｐ２，…，Ｓ_ｐｎを、合成後信号Ｓ’_ｐとｎ対１にて対応付けする（ステップＳ１０４）。対応付けの方法は、前述の通り像点ずれΔの関係や視野の重複関係を画像から検出することにより行う。その後、２次元画像合成を行い（ステップＳ１０５）、２次元画像（図６（ｅ）参照）を得て終了となる。

次に、２次元画像合成について説明する。
図７は、加算平均について例示する図である。
ここでは、画素信号値Ｓ_ｐ１，Ｓ_ｐ２，…，Ｓ_ｐｎと、その画素の持つノイズ値をＮ_ｐ１，Ｎ_ｐ２，…，Ｎ_ｐｎと、を説明に用いる。まず、各画素信号値とノイズ値に対し、輝度補正処理を行う。そして輝度補正係数ａ_１，ａ_２，…，ａ_ｎを、画素信号値Ｓ_ｐ１，Ｓ_ｐ２，…，Ｓ_ｐｎにそれぞれ乗算する。

続いて、事乗算後の値を、以下の数１０に示す通り加算平均し、合成後信号値Ｓ’_ｐとする。また、このときの合成後信号値に含まれるノイズ値Ｎ’_ｐは、数１１に示す通りとなる。

[数１０]
Ｓ’_ｐ＝｛ａ_１・Ｓ_ｐ１＋ａ_２・Ｓ_ｐ２＋…＋ａ_ｎ・Ｓ_ｐｎ｝／ｎ

[数１１]
Ｎ’_ｐ＝｛ａ_１ ^２・ｎ_ｐ１ ^２＋ａ_２ ^２・ｎ_ｐ２ ^２＋…＋ａ_ｎ ^２・ｎ_ｐｎ ^２｝^０．５／ｎ

（測距性能と射出瞳の形状との関係）
図８は、光線がレンズ断面を通る高さを表す図である。
図９は、射出瞳の扁平率について表す図である。

第１レンズＬ１、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３により構成されるレンズ群はメインレンズである。図８に表したように、第２レンズＬ２と第３レンズＬ３の間において、軸外の光束が通過する空間中において、仮想面を配置した場合、その仮想面を通過する光線について、以下のように定義する。

ｈ（Ｇ２３iCR）は、軸外光線の主光線が仮想面を通過する高さである。
ｈ（Ｇ２３iUR）は、軸外光線の上光線が仮想面を通過する高さである。
ｈ（Ｇ２３iDW）は、軸外光線の下光線が仮想面を通過する高さである。

さらに、軸外光線において、紙面内を伝播する主光線について、以下のように定義する。
ｈｘ（Ｇ２３iURX）は、垂直面内の光線（球欠面内を通過する）が仮想面を通過する奥行き方向の長さである。

また、図９に表した射出瞳ＥＰの扁平率について、以下のように定義する。
半径ａは、射出瞳ＥＰを略円形または楕円形とした場合、射出瞳位置での瞳の長さの長径である。ａ＝ｈｘ（Ｇ２３iURX）である。
半径ｂは、射出瞳ＥＰを略円形または楕円形とした場合、射出瞳位置での瞳の長さの短径である。ｂ＝（ｈｙ（Ｇ２３iUR）−ｈｙ（Ｇ２３iDW））／２である。
半径ａ、半径ｂに対し、扁平率ρは、ρ＝｜１−ｂ／ａ｜で定義される。

扁平率と測距性能の関係については、射出瞳ＥＰを通過する光線群の均一性が重要である。図８に表したように、開口絞り（絞りＳ）を通った光束群の位置比率をｂ／ｂと置くとき、ｂ／ｂに対するｂ’／ｂ”の比率を１に近づけるような設計が、測距の高精度化には重要である。

光軸付近においては、ｂ／ｂに対するｂ’／ｂ”の比率の変化は少なく、歪みによる問題は発生しにくい。一方、画角の高い位置においては、ｂ／ｂに対するｂ’／ｂ”の比率の変化は大きく、歪みによる測距エラーの問題が発生しやすい。よって、光軸付近から画角の高い位置まで、極力光線群の円断面が扁平せず、また内部が均一であることが必要である。

（レンズ構成を表す式、パラメータ）
以下の説明において、レンズの光軸方向をＺ方向、光軸に対する法線方向の一つをＹ方向、Ｚ方向及びＹ方向に直交する方向をＸ方向とする。Ｚ方向の正方向を、メインレンズ群の物体側から像面へ向かう方向とする。

物体側から数えて、第ｉ番目の面（絞り面を含む）の曲率半径をＲｉ、第ｉ番目と第ｉ＋１番目の面の光軸上の面間隔をＤｉ、物体側から数えて第ｊ番目のレンズの屈折率およびアッベ数をそれぞれｎｉ、νｉで表す。

数１２において、ｃは非球面頂点の曲率、Ｋは円錐定数、ａＩは非球面定数、Ｙは光軸からの高さ、Ｚは非球面上の点のレンズ面頂点における接平面からの距離を表す。

（レンズ構成）
次に、具体的なレンズ構成について説明する。
図１０は、本実施形態に係る撮像レンズの構成を例示する図である。
図１０に表したように、撮像レンズ１１０は、第１の光学系である結像光学系１２と、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）と、を備える。図１０において、Ｓは絞り、Ｒ１は第１レンズＬ１の物体側の面（第１面）、Ｒ２は第１レンズＬ１の像側の面（第２面）、Ｒ３は第２レンズＬ２の物体側の面（第３面）、Ｒ４は第２レンズＬ２の像側の面（第４面）、Ｒ５は第３レンズＬ３の物体側の面（第５面）、Ｒ６は第３レンズＬ３の像側の面（第６面）、Ｒ７はカバーガラスＣＧの物体側の面（第７面）、Ｒ８はカバーガラスＣＧの像側の面（第８面）、Ｒ９はマイクロレンズアレイＭＬＡの物体側の面（第９面）、Ｒ１０はマイクロレンズアレイＭＬＡの像側の面（第１０面）、ＤＴは固体撮像素子１６の撮像面を表す。本実施形態に係る撮像レンズ１１０は、高精度な距離画像と、良好な可視画像との両方を取得することができる。

結像光学系１２は、物体側から像面側へと順に、絞りＳ、正の屈折力を有する第１レンズＬ１、負の屈折力を有する第２レンズＬ２、正の屈折力を有する第３レンズＬ３を配置して構成される。第１レンズＬ１、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３により構成されるレンズ群は、メインレンズである。

結像光学系１２よりも像側には、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）及び固体撮像素子１６が配置される。

マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）は、結像光学系１２と、複数の画素を有する固体撮像素子１６との間に配置される。マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）は、結像光学系１２と、結像光学系１２の焦点位置との間に設けられる。すなわち、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）は、結像光学系１２の焦点位置よりも物体側に配置される。マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）は、複数のマイクロレンズ部１４ａを有する。１つのマイクロレンズ部１４ａは、光軸方向にみて２つ以上の画素と重なる。

本実施形態において、メインレンズには、実質的にパワーを有しないレンズが含まれていてもよい。また、全体のレンズ構成に、実質的にパワーを有しないレンズ（例えば、カバーガラスＣＧ）が含まれていてもよい。

ここで、３枚からなるメインレンズを構成する各レンズの向きは、次のようになる。
第１レンズＬ１の物体側の面（第１面）の曲率半径は正である。
第２レンズＬ２の物体側の面（第３面）及び像側の面（第４面）の曲率半径は、共に負である。
第３レンズＬ３の物体側の面（第５面）及び像側の面（第６面）の曲率半径は、共に正である。

結像光学系１２とマイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）との配置関係は、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）が結像光学系１２を通過した像を縮小するときの縮小倍率Ｎｆが、０．００１以上０．８７以下であることが望ましい。

このようにメインレンズの基本構成は、正の第１レンズＬ１、負の第２レンズＬ２、正の第３レンズＬ３からなり、トリプレットレンズの構成になっている。このような構成をとることにより適切なバックフォーカスと、レンズの全長が短い薄型の撮像レンズ１１０を得ている。

メインレンズの枚数については、性能を最優先し、小型化も優先することを考慮した結果、３枚で構成されている。メインレンズの枚数が２枚以下では像面湾曲を小さくすることは難しく、周辺性能が劣化する。メインレンズの枚数を３枚以上にすれば、性能は更に良好になる。一方、全長が長くなり、重量の増加につながる。したがって、メインレンズの小型化を求めつつ周辺性能を良好にするために、像面湾曲及び歪曲収差を少なくすることが可能な３枚のレンズ構成としている。

メインレンズを構成する第１レンズＬ１、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３の各面（Ｒ１〜Ｒ６）について、少なくとも１つの面は非球面になっていることが望ましい。また、物体側及び像面側の少なくともいずれか一方の面に非球面を有するように構成されること望ましい。

正の第１レンズＬ１に非球面を用いて、第２レンズＬ２に負の屈折力を有した非球面を用いて、第３レンズＬ３に正の屈折力を有した非球面を用いることにより、諸収差特に、非点収差、歪曲収差の補正が行われ、かつ、レンズ系の全長を短くし、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）への入射角度が３０度以下で、固体撮像素子１６の撮像面ＤＴへの結像倍率が縮小倍率で結像する撮像レンズを得ることができる。

また、負の屈折力を有する第２レンズＬ２に非球面を採用し、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との間隔及び第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との間隔を適切に配置することで、軸上光線と周辺光線で通過高さに差を生じることを利用し、光軸から離れた画面周辺部の諸収差（コマ収差，非点収差の補正及び歪曲収差）の補正を行うことができる。

また、レンズを構成する第１レンズＬ１はガラス材料またはプラスチック材料により、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３はいずれもプラスチック材料により構成されることが望ましい。ガラス材料及びプラスチック材料により構成するレンズには、プラスチック材料の表面に反射防止や表面硬度向上を目的としたコーティング処理を施したものも含まれる。

レンズは小型のレンズであり、小型レンズの生産では、ガラス材料よりも、プラスチック材料のほうが、射出成形等の製造方法を用いることができ、量産に向いている。また、プラスチックレンズは製造コストを抑えた大量生産に向いている。

絞りＳは、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）を通して固体撮像素子１６に達する被写体光量を調整するものである。絞りＳは、メインレンズよりも物体側に配置されている。すなわち、撮像レンズ１１０は、物体側から順に、絞りＳ、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３と配置されている。

撮像レンズ１１０において、最も物体側に絞りＳを配置しているため、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）への入射角度が小さくなる。つまり、最も物体側に絞りＳを配置すると、第１レンズＬ１と第３レンズＬ３との間に絞りを設ける中絞りタイプに比べると、結像面から射出瞳位置までの距離を長くとることができる。

射出瞳が撮像面から遠くなると、撮像レンズ１１０の最終面を射出した光束の主光線がマイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）に垂直に近い角度で入射するようになり、即ちマイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）の単レンズ（マイクロレンズ部１４ａ）の射出瞳と撮像レンズ１１０の射出瞳のズレを少なくすることができ、収差性能を良好に確保できることができる。

なお、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）は、結像光学系１２と固体撮像素子１６との間に配置される。マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）を通過した像は、固体撮像素子１６上に虚像で結像し、かつ縮小倍率で結像する。これにより、本来の撮像レンズ１１０の中心性能と周辺性能とをさらに良好に補正できる。

（マイクロレンズアレイについて）
次に、撮像装置１１０に適用されるマイクロレンズアレイＭＬＡについて説明する。
図１１は、マイクロレンズ部の配列を例示する模式的平面図である。
図１２〜図１３は、マイクロレンズの光路図である。

図１１に表したように、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）は、複数のマイクロレンズ部１４ａによるレンズ光学系配列を有する。レンズ光学系配列は、各マイクロレンズ部１４ａの軸方向の光が各視野毎に各セグメントの同じ位置にあたるような配列である。複数の光学系配列内にその中心から一様に配置された各複数光学系配列であって、例えば、図１１に示すような六方配列で配置されている。複数のマイクロレンズ部１４ａをギャップ無く六方配列に敷き詰めた場合、各マイクロレンズ部１４ａの外周の形状は六角形になる。

マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）は、屈折光学系で形成される。マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）は、結像光学系１２と固体撮像素子１６との間に配置され、虚像倍率で撮像素子上に結像される。マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）は、結像光学系１２からの画角が異なる光束を固体撮像素子１６の上に撮像する。マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）内の各マイクロレンズ部１４ａは六方配列で配置されているため、画角が大きくなればなるほど、視野周辺でのマイクロレンズ部１４ａへ入射する角度が大きくなる。

図１２には、結像光学系１２からの主光線が角度０度でマイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）へ入射した時の光路図を示す。
図１３には、結像光学系１２からの主光線が角度３０度でマイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）へ入射した時の光路図を示す。
マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）に形成される屈折光学系は、結像光学系１２からの視野外の光線をできるだけ効率良く、撮像素子上に到達できるように、適切な焦点距離とＦナンバーで構成され、かつ適切な虚像倍率で、結像光学系１２と固体撮像素子１６との間に配置される。

本実施形態に係る撮像レンズ１１０においては、像側での主光線の入射角度が２０度から３０度内の光線を効率よく固体撮像素子１６上に到達できるようなマイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）のマイクロレンズ部１４ａの焦点距離及びＦナンバーが設定されている。その例として、表１に虚像倍率０．５倍で結像させるマイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）の単レンズ（１つのマイクロレンズ部１４ａ）の緒元を示す。

なお、表１に記載する各パラメータは以下を意味する。
Ｎｄは、レンズを構成する光学材料のｄ線(５８７．６ナノメートル（ｎｍ））屈折率である。
νdは、レンズを構成する光学材料のd線に対するアッベ数である。
Ｒは、有効半径（ミリメートル（ｍｍ））、すなわち光束が通る円領域の半径である。
ｆは、焦点距離（ｍｍ）である。

図１４は、マイクロレンズの光路図である。
図１４には、表１に示したマイクロレンズアレイＭＬＡの単レンズでの主光線角度０度の光路図が表される。
図１５は、マイクロレンズの収差曲線を表す図である。
図１５には、表１に示したマイクロレンズアレイＭＬＡの単レンズの収差図（主光線角度０度）が表される。
図１６は、マイクロレンズの光路図である。
図１６には、表１に示したマイクロレンズアレイＭＬＡの単レンズでの主光線角度２０度の光路図が表される。
図１７は、マイクロレンズの収差曲線を表す図である。
図１７には、表１に示したマイクロレンズアレイＭＬＡの単レンズの収差図（主光線角度２０度）が表される。
図１８は、マイクロレンズの光路図である。
図１８には、表１に示したマイクロレンズアレイＭＬＡの単レンズでの主光線角度３０度の光路図が表される。
図１９は、マイクロレンズの収差曲線を表す図である。
図１９には、表１に示したマイクロレンズアレイＭＬＡの単レンズの収差図（主光線角度３０度）が表される。

（第１の光学系：結像光学系１２の条件式について）
次に、結像光学系１２の条件式について説明する。

図１０に表したように、本実施形態に係る撮像レンズ１１０は、物体側から像面側へと順に、絞りＳ、物体側の面の曲率半径が正となる形状で、正の屈折力を有する第１レンズＬ１、物体側面及び像側面の曲率半径が共に負となる形状で、負の屈折力を有する第２レンズＬ２、物体側面及び像側面の曲率半径が共に正となる形状に形成され、正の屈折力を有する第３レンズＬ３を配置して構成され、その後方にマイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）及び固体撮像素子１６が配置される。

撮像レンズ１１０では、結像光学系１２と固体撮像素子１６との間に、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）が配置される。結像光学系１２による像をマイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）によって縮小する場合の倍率は、０．００１以上０．８７以下であることが望ましい。

撮像レンズ１１０は、このような光学系において、以下の条件式（１）〜（６）を満足する。
０．６＜ｆ１／ｆ＜０．９ ・・・（１）
１．０＜｜ｆ２｜／ｆ＜３．０ ・・・（２）
２．０＜ｆ３／ｆ＜２００ ・・・（３）
ＴＬ／ｆ＜１．３ ・・・（４）
０＜Ｄ２／ｆ＜０．２ ・・・（５）
０＜Ｄ５／ｆ＜０．５ ・・・（６）

上記条件式（１）〜（６）において、ｆは、結像光学系１２の全系の焦点距離であり、ｆ１は、第１レンズＬ１の焦点距離であり、ｆ２は、第２レンズＬ２の焦点距離であり、ｆ３は、第３レンズＬ３の焦点距離であり、ＴＬは、絞りＳから像面ＤＴまでの距離であり、Ｄ２は、第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との光軸上の距離であり、Ｄ５は、第３レンズＬ３の光軸上の厚さである。

本実施形態の撮影レンズ１１０のレンズ構成の基本的特徴は、大きな正のパワーを持つ第１レンズＬ１及び比較的大きな負のパワーを持つ第２レンズＬ２と、そして最も像面側に小さな正のパワーを有する第３レンズＬ３とからなり、正、負、正のいわゆるトリプレットタイプのパワー配置を持つことである。

さらに、撮像レンズ１１０では、色収差の補正のために、大きなパワーを持つ第１レンズＬ１、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３にて色消しを行うことを特徴としている。

したがって、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２にて主に光軸上付近の球面収差、コマ収差、色収差を補正し、第３レンズＬ３にて、主に軸外収差である歪曲収差の補正、テレセントリック性を良好に保つなどの作用を有している。

条件式（１）、（２）、（３）は、少ない枚数で構成された撮像レンズについて良好な光学性能を得るための最適な屈折力配分を規定する。

条件式（１）は、レンズ全系の合成焦点距離に対する第１レンズＬ１のパワーに関する条件式である。この条件式（１）の下限を越えて第１レンズＬ１のパワーが強くなると、上光線のコマ収差及び球面収差、コマ収差、色収差が大きくなり性能が劣化してしまうので、補正が困難になり画面全体のコントラストが低下する。また、第１レンズＬ１を構成しているレンズの球面の曲率半径が小さくなり、加工が困難となる。

一方、条件式（１）の上限を越えて第１レンズＬ１のパワーが弱くなると、バックフォーカスが長くなり、さらにレンズ系の全長が大きくなりコンパクト性を損ない、かつ、光線のコマ収差が大きくなり性能が劣化してしまう。したがって、撮像レンズ１１０の全長を小さくすることが困難となる。

条件式（１）において、より好ましい範囲は０．６＜ｆ１／ｆ＜０．８、さらに好ましい範囲は０．７＜ｆ１／ｆ＜０．８である。

上記条件式（２）は、レンズ全系の合成焦点距離に対する第２レンズＬ２のパワーの絶対値に関する条件式である。条件式（２）は、第２レンズＬ２の負のパワーを規定する。第１レンズＬ１の正レンズで発生する収差を、負の第２レンズＬ２のパワーで補正する必要がある。第２レンズＬ２の負のパワーを強くすると、負レンズの補正効果に対して過剰になってしまうので性能劣化してしまう。特に、光軸上の色収差及び倍率の色収差が悪くなる。また、撮像面への入射角度が大きくなりすぎる。そのため、第２レンズＬ２の負のパワーは比較的弱くしておくのが好ましい。よって、条件式（２）を満たすのがよい。

この条件式（２）の下限を越えて第２レンズＬ２のパワーが強くなると、全長が長くなり、周辺光束の光線高が高くなり、非点収差の補正が困難になり画面全体のコントラストが低下する。また、第２レンズＬ２を構成しているレンズの球面の曲率半径が小さくなり、加工が困難となる。さらには、固体撮像素子１６への入射角度が大きくなり、像面側でのテレセントリック特性の確保が難しくなるため好ましくない。

条件式（２）の上限値を上回ると、軸上収差と軸外収差の収差補正のバランスが崩れ、軸外収差の補正が良好にできなくなる。

条件式（２）において、より好ましい範囲は１．０＜｜ｆ２｜／ｆ＜２．５、さらに好ましい範囲は１．５＜｜ｆ２｜／ｆ＜２．５である。

条件式（３）は、正の第３レンズＬ３の屈折力を規定するための条件式である。条件式（３）は、正の第１レンズＬ１の屈折力と、負の第２レンズＬ２の屈折力とのバランスをとるためのものである。第１レンズＬ１のパワーと、第２レンズＬ２のパワーとのバランスが崩れると、結像光学系の全長が増大し、あるいは性能が劣化してしまう。

条件式(３)の下限を超えて第３レンズＬ３のパワーが大きくなると、小型化には有利であるが、周辺部のテレセントリック性、歪曲収差を補正することが困難となる。さらには、非点収差の補正がアンダーとなるため、良好な性能を確保できなくなる。

条件式（３）の上限を超えて第３レンズＬ３のパワーが小さくなると、正の第３レンズＬ３のパワーが弱くなりすぎて固体撮像素子１６への入射角度が大きくなってしまったり、コマ収差、非点収差の補正が不十分になる。レンズ全系のバックフォーカスが長くなってしまい結像光学系の全長短縮に不利となる。

条件式（３）において、より好ましい範囲は２．０＜ｆ３／ｆ＜１５０、さらに好ましい範囲は２．０＜ｆ３／ｆ＜１００である。

条件式（４）は、結像光学系１２のレンズ系の全長を規定するものである。条件式（４）の上限を超えるとレンズ全長が大となるので、コンパクト化を達成する事ができなくなる。したがって、条件式（４）を満足する構成によれば、撮像レンズの小型化、薄型化を容易に達成することができる。

条件式（４）において、より好ましくはｆ／ＴＬ＜１．２、さらに好ましくはｆ／ＴＬ＜１．０である。

条件式（５）は、第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との間隔を規定するための条件式である。条件式（５）の上限値を上回ると、軸上収差と軸外収差の収差補正バランスが崩れ、軸外収差の補正が良好にできなくなる。一方、条件式（５）の下限値を下回ると、像面湾曲が大きく発生し、非点収差が補正不足になるため、周辺性能が悪くなる。

条件式（５）において、より好ましい範囲は０＜Ｄ２／ｆ＜０．１５、さらに好ましい範囲は０＜Ｄ２／ｆ＜０．１０である。

条件式（６）は、第３レンズＬ３の光軸上の厚さを規定するための条件式である。条件式（６）の上限値を上回ると、軸上収差と軸外収差の収差補正バランスが崩れ、倍率色収差の補正が良好にできなくなる。さらには、軸外光線の射出瞳形状を大きく変形させるため、ＭＬＡレンズと組み合わせた時、周辺での色収差の補正が良好にできなくなる。

条件式（６）において、より好ましい範囲は０＜Ｄ５／ｆ＜０．４、さらに好ましい範囲は０＜Ｄ５／ｆ＜０．３である。

また、本実施形態に係る撮像レンズ１１０では、第２レンズＬ２を通過する主光線の高さ位置に関して下記の条件式（７）を満足していることが望ましい。
０．３＜ｈｃ（Ｇ２Ｒ）／Ｄ（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３）＜０．６ ・・・（７）

条件式（７）において、ｈｃ（Ｇ２Ｒ）は、第２レンズＬ２の像側の面（第４面）を通過する最大画角の軸外光線の主光線が通過する高さであり、Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３は、近軸近傍において絞りＳから第２レンズＬ２の像側の面（第４面）までの距離であり、Ｄ１は、第１レンズＬ１の軸上の厚さであり、Ｄ２は、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との軸上の空気間隔であり、Ｄ３は、第２レンズＬ２の軸上の厚さである。

ここで、条件式（７）は、軸外の主光線が第２レンズＬ２を通過する高さを制御するための条件式である。条件式（７）は、撮像レンズ１１０を通過してきた軸外光線がマイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）へ入射する際に、色収差をできるだけ発生させないための条件であり、軸外光線の射出瞳の形状について制限するためのものである。

条件式（７）の上限値を超えて、第２レンズＬ２の像側の面（第４面）を通過する最大画角の軸外光線の主光線が通過する高さが大きくなると、第３レンズＬ３の物体側の面（第５面）への入射高さが高くなり、第３レンズＬ３の物体側の面（第５面）の屈折力を緩める必要がある。この部分の屈折力を弱めるので、コマ収差の発生が大きくなるが、軸外の光線の射出瞳の形状が大きく変化することは無い。

条件式（７）の下限値を超えると、第３レンズＬ３の物体側の面（第５面）での光線高さが低くなり、第３レンズＬ３での光線の屈折力を強くする必要がある。この部分の屈折力を強めるので、所定の像高への光線の入射角度、つまり、ＣＲＡ（Chief Ray of Angle：主光線の像面への入射角度）を確保するのが困難になる。第３レンズＬ３への入射高さを確保するため、第２レンズＬ２の負の屈折力を強くする必要があるので、軸外光線でのコマ収差が大きく発生し、かつ、軸外の光線の射出瞳の形状が大きく変化してしまう。

条件式（７）において、より好ましい範囲は０．３＜ｈｃ（Ｇ２Ｒ）／Ｄ（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３）＜０．５、さらに好ましい範囲は０．３＜ｈｃ（Ｇ２Ｒ）／Ｄ（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３）＜０．４である。

本実施形態に係る撮像レンズ１１０では、射出瞳の位置での射出瞳形状に関して下記の条件式（８）を満足していることが望ましい。
０≦ρ＜０．３ ・・・（８）

条件式（８）において、ρは扁平率である。扁平率ρは、ρ＝｜１−ｂ／ａ｜である。ａは、軸外の射出瞳位置において、射出瞳を通過する光線の光軸と直交する第１方向の半径である。ｂは、軸外の射出瞳位置において、射出瞳を通過する光線の光軸と直交する第２方向（第１方向と直交する方向）の半径である。

半径ａは、射出瞳を略円形または楕円形とした場合、射出瞳位置での瞳の長さの長径である。半径ａは、ａ＝ｈｘ（EXTPURX）で表される。
半径ｂは、射出瞳を略円形または楕円形とした場合、射出瞳位置での瞳の長さの短径である。半径ｂは、ｂ＝（ｈｙ（EXTPiUR）−ｈｙ（EXTPiDW））／２で表される。

ｈ（EXTPiCR）は、軸外光線の主光線が射出瞳面を通過する高さである。
ｈ（EXTPiUR）は、軸外光線の上光線が射出瞳面を通過する高さである。
ｈ（EXTPiDW）は、軸外光線の下光線が射出瞳面を通過する高さである。
ｈｘ（EXTPURX）は、軸外光線の主光線に対して垂直な面内の光線が射出瞳面を通過する奥行き方向の長さである。
例えば、ｈｙ（EXTPiUR）は、軸外光線の上光線が射出瞳面を通過する第２方向の高さである。また、ｈｙ（EXTPiDW）は、軸外光線の下光線が射出瞳面を通過する第２方向の高さである。

条件式（８）は、本実施形態に係る撮像レンズ１１０の射出瞳の位置における、射出瞳の形状についての条件式である。

結像光学系１２からの光束が、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）によって固体撮像素子１６上に縮小結像される際に、効率よく固体撮像素子１６上に光束が到達するには、結像光学系１２の射出瞳の形状と、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）上の単レンズの入射瞳の形状とを一致させることが理想である。

しかし、実際には、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）の単レンズの配列が六方密度で配置されているため、固体撮像素子１６の中心に対してマイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）上の単レンズ中心を合わせても、画角が大きい軸外の光束は、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）の単レンズの光軸に対して主光線の入射角度が大きくなり、２０度から３０度でマイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）の光学軸に対して傾いて入射してくるので、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）の入射瞳位置と結像光学系１２の射出瞳位置を合わせることが難しくなる。

結像光学系１２からの傾いて射出してくる軸外の光束は、口径食の影響を受けて楕円（横長の猫の目のような形状）の瞳形状となる。できるだけ、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）の各単レンズに効率よく結像光学系１２からの軸外の光束を入射させるためには、結像光学系１２からの射出瞳の形状ができるだけ円に近い形状であることが必要である。条件式（８）は、その瞳形状を規定するための条件式である。

条件式（８）の上限を超えた場合、結像光学系１２の射出瞳の形状と、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）の単レンズの射出瞳の形状とが大きくずれる。このため、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）を通して固体撮像素子１６上へ光線を効率よく到達させることが困難になる。

条件式（８）において、より好ましい範囲は０≦ρ＜０．２、さらに好ましい範囲は０≦ρ＜０．１５である。

本実施形態に係る撮像レンズ１１０では、下記の条件式（９）を満足していることが望ましい。
０≦ν１−ν2 ・・・（９）

条件式（９）において、ν１は第１レンズＬ１のアッベ数であり、ν２は、第２レンズＬ２のアッベ数である。

条件式（９）は、正の第１レンズＬ１及び負の第２レンズＬ２を構成する材料のアッベ数を規定するものである。条件式（９）を満足することにより、光軸上の色収差と軸外の倍率の色収差を補正することが可能である。

本実施形態に係る撮像レンズ１１０では、下記の条件式（１０）を満足するように構成してもよい。
２０°≦αi≦３０° ・・・（１０）

条件式（１０）において、αiは、最大像高における主光線の撮像面への入射角度である。

本実施形態に係る撮像レンズ１１０において、固体撮像素子１６とマイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）とを組み合わせたて用いる場合に、結像光学系１２から射出された軸外光束がマイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）に対して大きな角度で入射すると、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）を通して固体撮像素子１６に結像する際、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）が許容できる軸外光束の画角が大きくずれてしまい、画像中央部と画像周辺部とで画像の明るさが変化してしまう。また、マイクロレンズアレイＭＬＡ（１４）に対する入射角度が小さいと、この問題は軽減するが、光学系の全長が大きくなってしまう。そのため、条件式（１０）を満足するのが良い。

このように本実施の形態の撮像レンズ１１０及びこれを備えた固体撮像装置１によれば、少ないレンズ枚数及び簡易なレンズ構成でありながら、Ｆナンバーが小さくなる等、高性能を達成し、かつレンズ系自体をコンパクトに構成することができる。また、高精度な距離画像と、良好な可視画像との両方を取得することができる。

本実施形態に係る撮像レンズ１１０及び固体撮像装置１は、例えば、携帯電話、タブレット型端末、デジタルカメラなどの携帯端末、映像機器、産業用ロボット、ロボットアーム、内視鏡等の医療機器などの各種の電子機器に適用可能である。

以下に、実施例として結像光学系１２の数値例を示す。

（第１実施例）
図２０は、第１実施例に係る結像レンズの構成を例示する図である。
図２１及び図２２は、第１実施例に係る結像レンズの諸収差図である。
図２３は、第１実施例に係る結像レンズの射出瞳位置を例示する図である。
図２４は、第１実施例に係る結像レンズの射出瞳の形状及び数値を例示する図である。

以下の表２に、第１実施例に係る結像光学系１２の各面における曲率半径Ｒｉ、間隔Ｄｉ、屈折率ｎｄ及び分散値νｄを示す。

以下に、第１実施例に係る結像光学系１２の非球面データを示す。

第１面
K＝-0.20635
ａ４＝0.0026523617
ａ６＝0.0007572847
ａ８＝0.0291724751
ａ１０＝-0.088437280
ａ１２＝0.0936050540
ａ１４＝-0.037365195

第２面
K＝-26.44687
ａ４＝-0.019607836
ａ６＝-0.059941816
ａ８＝0.0683856688
ａ１０＝-0.23123545
ａ１２＝ 0.1976539207
ａ１４＝-0.055919811

第３面
K＝-1.07394
ａ４＝-0.186694844
ａ６＝-0.209825776
ａ８＝0.6492044946
ａ１０＝-0.648835892
ａ１２＝-0.527660809
ａ１４＝1.5596893775
ａ１６＝-0.812155745

第４面
K＝10.90861
ａ４＝-0.257661814
ａ６＝0.2041165409
ａ８＝-0.066789470
ａ１０＝0.0058690518
ａ１２＝0.0254239177
ａ１４＝0.0371547120
ａ１６＝-0.019455088

第５面
K＝-16.94786
ａ４＝-0.56635536
ａ６＝0.670840323
ａ８＝-1.47204909
ａ１０＝1.549708682
ａ１２＝0.150886336
ａ１４＝-1.06494220
ａ１６＝-0.72016649
ａ１８＝1.717681955
ａ２０＝-0.65311677

第６面
K＝-6.37821
ａ４＝-0.1369577
ａ６＝-0.02239878
ａ８＝0.033002391
ａ１０＝-0.01986092
ａ１２＝0.008995937
ａ１４＝-0.000399589
ａ１６＝0.001095174
ａ１８＝-0.00012917
ａ２０＝-0.00000215

ｆ１／ｆ＝0.801
｜ｆ２｜／ｆ＝1.561
ｆ３／ｆ＝5.311
ｆ／ＴＬ＝1.121
Ｄ２／ｆ＝0.093
Ｄ５／ｆ＝0.276
ｈｃ（G2R）／（D1+D2＋D3)＝0.418
ν１−ν２＝30.37
ρ＝0.163
主光線の像面への入射角度…ＣＲＡ（画角３１度）＝２７．１６８°

後述するように、本実施例は上記条件式（１）〜（１０）を満足する。上記のように、第１実施例に係る結像光学系１２は、良好な性能を有していることが分かる。

（第２実施例）
図２５は、第２実施例に係る結像レンズの構成を例示する図である。
図２６及び図２７は、第２実施例に係る結像レンズの諸収差図である。
図２８は、第２実施例に係る結像レンズの射出瞳位置を例示する図である。
図２９は、第２実施例に係る結像レンズの射出瞳の形状及び数値を例示する図である。

以下の表３に、第２実施例に係る結像光学系１２の各面における曲率半径Ｒｉ、間隔Ｄｉｃ、屈折率ｎｄ及び分散値νｄを示す。

以下に、第２実施例に係る結像光学系１２の非球面データを示す。

第１面
K＝-0.38494
ａ４＝0.0171071031
ａ６＝0.0036350659
ａ８＝0.0363451319
ａ１０＝-0.085885467
ａ１２＝0.0917809567
ａ１４＝-0.034697572
ａ１６＝-0.000087116

第２面
K＝14.26463
ａ４＝-0.015181501
ａ６＝-0.019061020
ａ８＝0.0440043763
ａ１０＝-0.145180982
ａ１２＝0.1838550056
ａ１４＝-0.101532532

第３面
K＝0.84715
ａ４＝-0.105398051
ａ６＝-0.095650008
ａ８＝0.5354757811
ａ１０＝-0.652596321
ａ１２＝-0.164674543
ａ１４＝0.9793333945
ａ１６＝-0.606186909

第４面
K＝4.05765
ａ４＝-0.167280149
ａ６＝0.1612834476
ａ８＝-0.036538152
ａ１０＝0.0077283823
ａ１２＝0.0091569156
ａ１４＝0.0138977112
ａ１６＝-0.00545494

第５面
K＝-83.08277
ａ４＝-0.36728695
ａ６＝0.318695236
ａ８＝-1.06102987
ａ１０＝1.371938273
ａ１２＝0.013873971
ａ１４＝-0.99872086
ａ１６＝-0.61335553
ａ１８＝1.68667291
ａ２０＝-0.67437564

第６面
K＝-32.8186
ａ４＝-0.0721218
ａ６＝-0.06358615
ａ８＝0.037227031
ａ１０＝-0.00605082
ａ１２＝-0.00148953
ａ１４＝-0.00135596
ａ１６＝0.001342416
ａ１８＝-0.00036955
ａ２０＝0.000031273

ｆ１／ｆ＝0.794
｜ｆ２｜／ｆ＝2.033
ｆ３／ｆ＝103.683
ＴＬ／ｆ＝1.096
Ｄ２／ｆ＝0.104
Ｄ５／ｆ＝0.281
ｈｃ（G2R）／（D1+D2+D3)＝0.467
ν１−ν２＝30.37
ρ＝0.179
主光線の像面への入射角度…ＣＲＡ（画角３１度）＝２６．１２°

後述するように、本実施例は上記条件式（１）〜（１０）を満足する。上記のように、第２実施例に係る結像光学系１２は、良好な性能を有していることが分かる。

（第３実施例）
図３０は、第３実施例に係る結像レンズの構成を例示する図である。
図３１及び図３２は、第３実施例に係る結像レンズの諸収差図である。
図３３は、第３実施例に係る結像レンズの射出瞳位置を例示する図である。
図３４は、第３実施例に係る結像レンズの射出瞳の形状及び数値を例示する図である。

以下の表４に、第３実施例に係る結像光学系１２の各面における曲率半径Ｒｉ、間隔Ｄｉｃ、屈折率ｎｄ及び分散値νｄを示す。

以下に、第３実施例に係る結像光学系１２の非球面データを示す。

第１面
K＝-0.20245
ａ４＝0.003229775
ａ６＝0.001694589
ａ８＝0.02561581
ａ１０＝-0.08767680
ａ１２＝0.097495696
ａ１４＝-0.04023964

第２面
K＝-6.895721
ａ４＝-0.01976406
ａ６＝-0.07477942
ａ８＝0.104317366
ａ１０＝-0.23078865
ａ１２＝0.171090494
ａ１４＝-0.04583522

第３面
K＝-1.09407719
ａ４＝-0.1864082
ａ６＝-0.2045030
ａ８＝0.704900832
ａ１０＝-0.62715201
ａ１２＝-0.60554692
ａ１４＝1.578193714
ａ１６＝-0.81214824

第４面
K＝7.945479347
ａ４＝-0.290128124
ａ６＝0.266293358
ａ８＝-0.05940777
ａ１０＝-0.00351743
ａ１２＝0.015588693
ａ１４＝0.034025947
ａ１６＝-0.01389210

第５面
K＝-21.9355106
ａ４＝-0.6349963
ａ６＝0.793265391
ａ８＝-1.4705880
ａ１０＝1.530192682
ａ１２＝0.140633914
ａ１４＝-1.07426579
ａ１６＝-0.7284073
ａ１８＝1.71623391
ａ２０＝-0.64358185

第６面
K＝-23.3394184
ａ４＝-0.12023343
ａ６＝-0.02629781
ａ８＝0.037999974
ａ１０＝-0.02143799
ａ１２＝-0.008517051
ａ１４＝-0.00388616
ａ１６＝0.001166162
ａ１８＝-0.00012250
ａ２０＝-0.00001139

ｆ１／ｆ＝0.770
｜ｆ２｜／ｆ＝1.254
ｆ３／ｆ＝3.545
ＴＬ／ｆ＝1.121
Ｄ２／ｆ＝0.081
Ｄ５／ｆ＝0.286
hc(G2R)／（D1＋D2+D3)＝0.433
ν１−ν２＝30.37
ρ＝0.166
主光線の像面への入射角度…ＣＲＡ（画角３１度）＝２５．９°

後述するように、本実施例は上記条件式（１）〜（１０）を満足する。上記のように、第３実施例に係る結像光学系１２は、良好な性能を有していることが分かる。

（第４実施例）
図３５は、第４実施例に係る結像レンズの構成を例示する図である。
図３６及び図３７は、第４実施例に係る結像レンズの諸収差図である。
図３８は、第４実施例に係る結像レンズの射出瞳位置を例示する図である。
図３９は、第４実施例に係る結像レンズの射出瞳の形状及び数値を例示する図である。

以下の表５に、第４実施例に係る結像光学系１２の各面における曲率半径Ｒｉ、間隔Ｄｉｃ、屈折率ｎｄ及び分散値νｄを示す。

以下に、第４実施例に係る結像光学系１２の非球面データを示す。

第１面
K＝-0.14556925
ａ４＝0.00865748
ａ６＝0.01535309
ａ８＝0.022838803
ａ１０＝-0.0807432
ａ１２＝0.101719532
ａ１４＝-0.04098285

第２面
K＝-64.93822
ａ４＝0.065296325
ａ６＝-0.04793898
ａ８＝0.072653147
ａ１０＝-0.13704764
ａ１２＝0.185529421
ａ１４＝-0.11017364

第３面
K＝0.421682639
ａ４＝-0.0838032
ａ６＝-0.15298818
ａ８＝0.671464289
ａ１０＝-0.7491886
ａ１２＝-0.3598329
ａ１４＝1.378890211
ａ１６＝-0.8109447

第４面
K＝-9.97319261
ａ４＝-0.23169433
ａ６＝0.181826267
ａ８＝-0.06421142
ａ１０＝0.018411689
ａ１２＝0.002007272
ａ１４＝0.007578708
ａ１６＝-0.00430411

第５面
K＝-41.3232311
ａ４＝-0.38012889
ａ６＝ｖ0.473270827
ａ８＝-1.27740830
ａ１０＝1.500018546
ａ１２＝0.119769405
ａ１４＝-1.18479210
ａ１６＝-0.66533645
ａ１８＝1.948821319
ａ２０＝-0.85388631

第６面
K＝-9.37636765
ａ４＝-0.17333756
ａ６＝0.0800088524
ａ８＝-0.06665131
ａ１０＝0.02565206
ａ１２＝0.006098033
ａ１４＝-0.00750137
ａ１６＝0.000734333
ａ１８＝0.000627152
ａ２０＝-0.00013698

ｆ１／ｆ＝0.834
｜ｆ２｜／ｆ＝2.560
ｆ３／ｆ＝101.258
ＴＬ／ｆ＝1.139
Ｄ２／ｆ＝0.119
Ｄ５／ｆ＝0.286
hc（G2R)／（D1+D2+D3)＝0.462
ν１−ν２＝30.37
ρ＝0.174
主光線の像面への入射角度…ＣＲＡ（画角３１度）＝２５．３°

後述するように、本実施例は上記条件式（１）〜（１０）を満足する。上記のように、第４実施例に係る結像光学系１２は、良好な性能を有していることが分かる。

表６には、各実施例における条件式の値が表される。

表６に表したように、第１実施例〜第４実施例は、上記条件式（１）〜（１０）を全て満たしている。

以上説明したように、実施形態に係る撮像レンズ及び固体撮像装置によれば、高精度な距離画像と、良好な可視画像との両方を取得することができる。

なお、上記に本実施形態及び各実施例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、上記実施形態及び各実施例では、カバーガラス（ＣＧ）とマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を設ける例について説明したが、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）のみの構成にしてもよい。また、上記各実施例で挙げた値は例示にすぎず、本発明の用件を満たすものであれば他の値を取りうる。また、前述の各実施形態及び各実施例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施の形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…固体撮像装置、１０…撮像モジュール部、１２…結像光学系、１４（ＭＬＡ）…マイクロレンズアレイ、１４ａ…マイクロレンズ部、１６…固体撮像素子、１８…撮像回路、２０…撮像信号プロセッサ、Ｌ１…第１レンズ、Ｌ２…第２レンズ、Ｌ３…第３レンズ

Claims (8)

1. 第１の光学系と、
   前記第１の光学系と、複数の画素を有する撮像素子との間に設けられ、複数のマイクロレンズ部を有し、光軸方向にみて１つのマイクロレンズ部と２つ以上の画素とが重なるマイクロレンズアレイと、
   を備え、
   第１の光学系は、物体側から像側に向かって順に設けられた、
   絞りと、
   正の屈折力を有し、前記物体側の第１面及び前記像側の第２面を有する第１レンズと、
   負の屈折力を有し、前記物体側の第３面及び前記像側の第４面を有する第２レンズと、
   正の屈折力を有し、前記物体側の第５面及び前記像側の第６面を有する第３レンズと、
   を有し、
   前記第１面の曲率半径は、正であり、
   前記第３面及び前記第４面の曲率半径は、負であり、
   前記第５面及び前記第６面の曲率半径は、正であり、
   前記第１面から前記第６面のうち少なくとも１つは、非球面形状を有し、
   以下の条件式（１）〜（６）を満足する撮像レンズ。
   
   ０．６＜ｆ１／ｆ＜０．９ ・・・（１）
   １．０＜｜ｆ２｜／ｆ＜３．０ ・・・（２）
   ２．０＜ｆ３／ｆ＜２００ ・・・（３）
   ｆ／ＴＬ＜１．３ ・・・（４）
   ０＜Ｄ２／ｆ＜０．２ ・・・（５）
   ０＜Ｄ５／ｆ＜０．５ ・・・（６）
   
   ここで、
   ｆは、前記第１の光学系の焦点距離であり、
   ｆ１は、前記第１レンズの焦点距離であり、
   ｆ２は、前記第２レンズの焦点距離であり、
   ｆ３は、前記第３レンズの焦点距離であり、
   ＴＬは、前記絞りから像面までの距離であり、
   Ｄ２は、前記第２レンズと前記第３レンズとの光軸上の距離であり、
   Ｄ５は、前記第３レンズの光軸上の厚さである。
2. 前記第１の光学系による像を前記マイクロレンズアレイによって縮小する場合の倍率は、０．００１以上０．８７以下である請求項１記載の撮像レンズ。
3. 前記第４面を通過する軸外光線の主光線が通過する高さをｈｃ（Ｇ２Ｒ）、
   近軸近傍において前記絞りから前記第４面までの距離をＤ１＋Ｄ２＋Ｄ３とした時、
   以下の条件式（７）を満足する請求項１または２に記載の撮像レンズ。
   
   ０．３＜ｈｃ（Ｇ２Ｒ）／（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３）＜０．６ ・・・（７）
   
   ここで、
   Ｄ１は、前記第１レンズの軸上の厚さであり、
   Ｄ２は、前記第１レンズと前記第２レンズとの軸上の空気間隔であり、
   Ｄ３は、前記第２レンズの軸上の厚さである。
4. 前記第１レンズの材料は、ガラスまたは樹脂であり、
   前記第２レンズ及び前記第３レンズの材料は、樹脂である請求項１〜３のいずれか１つに記載の撮像レンズ。
5. 軸外の射出瞳位置において、射出瞳を通過する光線の光軸と直交する第１方向の半径をａ、前記光軸及び前記第１方向と直交する第２方向の半径をｂ、扁平率をρとした場合、以下の条件式（８）を満足する請求項１〜４のいずれか１つの撮像レンズ。
   
   ０≦ρ＜０．３ ・・・（８）
   
   ここで、
   半径ａは、ａ＝ｈｘ（EXTPURX）であり、
   半径ｂは、ｂ＝（ｈｙ（EXTPiUR）−ｈｙ（EXTPiDW））／２であり、
   扁平率ρは、ρ＝｜１−ｂ／ａ｜であり、
   ｈｙ（EXTPiUR）は、軸外光線の上光線が射出瞳面を通過する前記第２方向の高さであり、
   ｈｙ（EXTPiDW）は、軸外光線の下光線が射出瞳面を通過する前記第２方向の高さであり、
   ｈｘ（EXTPURX）は、軸外光線の主光線に対して垂直な面内の光線が射出瞳面を通過する前記第１方向の長さである。
6. 下記条件式（９）を満足することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の撮像レンズ。
   
   ０≦ν１−ν２ ・・・（９）
   
   ここで、
   ν１は、前記第１レンズのアッベ数であり、
   ν２は、前記第２レンズのアッベ数である。
7. 下記条件式（１０）を満足することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の撮像レンズ。
   
   ２０°≦αｉ≦３０° ・・・（１０）
   
   ここで、
   αｉは、最大画角における主光線の前記マイクロレンズアレイの光軸への入射角である。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の撮像レンズと、
   前記撮像レンズを通過した光を電気信号に変換する固体撮像素子と、
   を備えた固体撮像装置。