JP4800713B2

JP4800713B2 - 結像光学系及びそれを用いた撮像装置、認証装置

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Publication number: JP4800713B2
Application number: JP2005256524A
Authority: JP
Inventors: 裕二加茂
Original assignee: Olympus Imaging Corp
Current assignee: Olympus Imaging Corp
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2025-09-05
Also published as: JP2007071979A; US7385769B2; US20070053075A1

Description

本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子等を用いた結像光学系に関するものであり、例えば携帯電話、パソコン、車などに搭載される生体認証装置に利用できる結像光学系及びそれを用いた撮像装置、認証装置に関するものである。

セキュリティを重視する施設への入退室や、情報システムへのログインなどでは従来からICカードや暗証番号を用いて機密を守ってきていた。しかしながら偽造やなりすましなどの不正行為により、情報の漏洩やハッキングがしばしば発生しており、より高い認証方法が求められてきている。そのため近年では、指紋、掌紋、虹彩、静脈など人間の身体的な特徴を使って本人確認を行う生体認証（バイオメトリクス）が普及してきている。

このような生体認証用の光学系に関する技術として、例えば、特許文献１が提案されている。

特開平８−３３４６９１号公報

しかし、特許文献１に記載のものは、物体側テレセントリック光学系を構成しているため、最も物体側に配置されるレンズのレンズ径が物体面の大きさ、すなわち指のサイズに依存してしまい、光学系の小型化については設計上考慮されておらず、光学系の小型化が困難であるということが問題となっていた。

この点に関し、光学系の小型化を図る手段として、光路中に反射部材を配置して光軸を折り曲げる方法がある。こうした反射部材を用いて光軸を折り曲げる光学系に関する技術として、例えば、特許文献２乃至４が提案されている。

特開２０００−２９２６９２号公報特開昭５１−６２０５３号公報特開平１１−２０５６６４号公報

特許文献２及び３に記載の光学系は、いずれも物体側から順に、第１レンズ群と、光路を曲げるための反射部材と、第２レンズ群を配置して構成されている。
また、特許文献４に記載の光学系は、物体側から順に、第１レンズ群と、光路を曲げるための反射部材とを配置して構成されている。

しかし、特許文献２に記載のものは、広い波長域の白色光源下で使用することを前提としたデジタルカメラ用の光学系であり、色収差の補正を行なっている。そのため、色収差を補正するために配置されるレンズの枚数の分だけ光学系を構成するレンズの枚数が多くなってしまうという問題があった。

また、特許文献３に記載のものにも、同様に比較的広い波長域で使用する内視鏡用の光学系であり色収差の補正を行なっており、色収差の補正を行なうために配置されるレンズの枚数の分だけ光学系を構成するレンズ枚数が多くなってしまうという問題があった。更に、反射部材として配置されているプリズムは単に光軸を屈曲させる手段として用いられているだけであり、収差を補正する上では有効に作用していなかった。

また、特許文献４に記載のものは、レンズとプリズムを１つずつで構成しているため低コストではあるが、広い画角の光学系を構成することは性能上限界があるという問題があった。

そこで、本発明は、従来構成の有する上記のような問題点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、レンズ枚数が少なく、小型で、低コストな、高性能の結像光学系及びそれを用いた撮像装置や認証装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の結像光学系は、物体側から順に、１枚又は２枚の負レンズからなる負レンズ群と、入射面が物体側に凹となるように形成され、射出面が像側に凸となるように形成されているプリズムと、明るさ絞りと、１枚又は２枚の正レンズからなる正レンズ群と、により構成され、次の条件式を満足することを特徴とする。
０．１＜｜ｒ _1r ／ｒ _in ｜＜０．８
但し、ｒ _1r は最も物体側のレンズの像側曲率半径であり、ｒ _in は前記プリズムの入射屈折面の曲率半径である。
また、本発明の結像光学系においては、好ましくは、次の条件式を満足することを特徴とする。
−３．０＜ｆｎ／ｆｐ＜−０．２
但し、ｆｎは前記負レンズ群の焦点距離であり、ｆpは前記正レンズ群の焦点距離である。

また、本発明の結像光学系は、好ましくは、次の条件式を満足することを特徴とする。
０．０１＜Ｉｈ／Ｏｈ＜０．１
但し、Ｉｈは最大像高であり、Ｏｈは最大物体高である。
また、本発明の結像光学系は、好ましくは、次の条件式を満足することを特徴とする。
０．１＜｜ｆ_p／ｒ_out｜＜１．５
但し、ｆ_pは前記正レンズ群の焦点距離であり、ｒ_outは前記プリズムの射出屈折面の曲率半径である。
また、本発明の結像光学系は、好ましくは、次の条件式を満足することを特徴とする。
７０°＜θ＜１１０°
但し、θは前記負レンズ群の光軸と前記正レンズ群の光軸とのなす角度である。
また、本発明の結像光学系は、好ましくは、次の条件式を満足することを特徴とする。
６００ｎｍ＜λ＜９５０ｎｍ
但し、λは全系の使用波長である。

また、上記目的を達成するため、本発明の撮像装置は、上記の何れかの結像光学系と、前記結像光学系の像側に配置された撮像素子とを備えることを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明の認証装置は、対象物に光を照射する光源と、前記光源から光を照射された対象物からの光を撮像する上記の撮像装置とを備えることを特徴とする。
また、本発明の認証装置は、好ましくは、前記撮像装置より撮像した画像データに基づいて得られる前記対象物特有の情報と、予め登録されている参照情報とを照合して認証する認証処理手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、レンズ枚数が少なく、小型で、低コストな、高性能の結像光学系及びそれを用いた撮像装置や認証装置を得ることができる。

本発明の実施形態の説明に先立ち、本発明においてこのような構成をとった理由と作用効果について説明する。

まず本発明の結像光学系の１つめの目的である光学系の小型化を効果的に行なうためには、レンズ径の縮小と光学系全長の短縮の２点が必要である。レンズ径の縮小については、従来例のように物体側テレセントリック光学系の構成にしてしまうと、原理的に最も物体側のレンズは物体高とほぼ同じ大きさになってしまいレンズ径を小さくすることが難しくなってしまう。

そこで、本発明の結像光学系では、基本構成として、物体高に対してレンズに入射する光線高が小さくなるように広角光学系を構成した。即ち、広角光学系に適したレトロフォーカスタイプ、すなわち物体側から負のレンズ群、正のレンズ群の順に配置した。

しかしながら、単純にレトロフォーカスタイプの光学系を構成すると、光学系全長が長くなってしまうため、光学系全長の短縮化が難しくなってくる。そこで、光路の途中に光路偏向素子を配置して、光軸を折り曲げることにより光学系の厚さ方向を小さくするようにして小型化した。ここで、光路偏向素子とは、光路を折り曲げる素子を意味し、例えば、反射面を有するプリズム、ミラー、光ファイバー等が挙げられる。

また、２つめの目的である低コスト化を図るためには、用途に応じた最小のレンズ枚数で構成する必要がある。多くの正レンズと負レンズを組み合わせると収差を打ち消しあって補正できるため高性能を達成できるが、構成枚数を少なくすることができないため低コスト化が難しい。一方で、単純に構成枚数を少なくしていくと性能が確保できなくなってくる。

そこで、本発明の結像光学系のように、物体側から順に、全て負のレンズからなり、１枚もしくは２枚の負レンズからなる負レンズ群と、全て正のレンズからなり、１枚もしくは２枚の正レンズからなる正レンズ群で構成すれば、結像光学系を構成するレンズの枚数を最小に抑えることができるため、コスト化を抑えることができる。

また、本発明の結像光学系のように、負レンズ群及び正レンズ群を構成する各レンズを、異なる符号のパワーを有するレンズを混在させないで構成すれば、必要以上に各レンズのパワーを強くする必要がなく球面収差、コマ収差の発生を小さく抑えることができる。

また、本発明の結像光学系のように、光路偏向素子として入射面が物体側に凹を向けた形状に形成され、射出面が像側に凸を向けた形状に形成されているプリズムで構成すれば、収差補正効果を持たせることができるため、光学系を構成するレンズの枚数をより少ない枚数としても性能を確保することができる。

また、本発明の結像光学系のように、プリズムの入射面を物体側に凹を向けた形状に形成すれば、負レンズ効果をもたせることができるため、プリズムよりも物体側に配置される負レンズ群のパワーを分割することが可能になり、コマ収差の発生を小さくすることができる。

更に、本発明のように、プリズムの入射面を物体側に凹を向けた形状に形成すれば、
入射瞳位置をより物体側に移動することが可能になるため、負レンズ群の入射光線側の光線高を低くすることができ、各レンズ径を小さくすることもできる。

また、本発明の結像光学系のように、プリズムの射出面を像側に凸を向けた形状に形成すれば、正レンズ効果をもたせることができるため、プリズムよりも像側に配置される正レンズ群のパワーを分割することが可能になり、同様にコマ収差の発生を小さくすることができる。

また、本発明の結像光学系のように、明るさ絞りをプリズム射出面と正レンズ群の間に配置することにより、負レンズ群のレンズ径を小さくすると共に受光素子に平行に近い角度で入射させることができＣＣＤを用いた場合でも光線を効率よく受光できる。

また、本発明の結像光学系は、次の条件式（１）を満足することを特徴としている。
０．０５＜ｄ₀／Ｏｈ＜０．８・・・（１）
但し、ｄ₀は物点から最も物体側のレンズまでの軸上距離であり、Ｏｈは最大物体高である。

条件式（１）は、物体の大きさに対する物点からの距離を規定したものである。上記条件式（１）を満たせば、光学系を広角化しても、少ないレンズ枚数で性能を確保することができる。

ｄ₀／Ｏｈの値が、条件式（１）の上限を上回ると、物点距離を含めた光学系全長が大きくなりすぎ、光路偏向素子を用いたとしても十分に光学系を小型化できなくなってしまうため、好ましくない。

即ち、ｄ₀／Ｏｈの値が、条件式（１）の下限を下回ると、広角化しすぎ、レトロフォーカスの負レンズ群、正レンズ群ともパワーが強くなり、球面収差、コマ収差が悪化して性能を確保することができなくなってしまうため、好ましくない。

また、本発明の結像光学系においては、条件式（１）は、次の条件式（１−１）を満足するのがより好ましい。
０．１２＜ｄ₀／Ｏｈ＜０．６・・・（１−１）

また、本発明の結像光学系は、レトロフォーカスタイプを形成する負レンズ群と正レンズ群が次の条件式（２）を満足するのが好ましい。
−３．０＜ｆｎ／ｆｐ＜−０．２・・・（２）
但し、ｆｎは負レンズ群の焦点距離であり、ｆｐは正レンズ群の焦点距離である。

ｆｎ／ｆｐの値が、条件式（２）の上限を上回ると、負レンズ群のパワーが強くなりすぎてコマ収差、ディストーションの発生が過剰になってしまうか、正レンズ群のパワーが弱くなりすぎて光学系全長が大型化してしまう。

他方、ｆｎ／ｆｐの値が、条件式（２）の下限を下回ると、正レンズ群のパワーが強くなりすぎて球面収差、コマ収差の発生が過剰になってしまうか、負レンズ群のパワーが弱くなりすぎて負レンズの径が大きくなってしまう。

また、本発明の結像光学系においては、条件式（２）は、次の条件式（２−１）を満足するのがより好ましい。
−２．０＜ｆｎ／ｆｐ＜−０．３５・・・（２−１）

また、本発明の結像光学系は、光軸を偏向させる位置が次の条件式（３）を満足するのが好ましい。
０．１５＜ｄｆ／ｄｒ＜１．５・・・（３）
但し、ｄｆは負レンズ群の第１面から光軸を偏向させる位置までの光軸に沿った距離であり、ｄｒは光軸を偏向させる位置から像面までの光軸に沿った距離である。

ｄｆ／ｄｒの値が、条件式（３）の上限を上回ると、厚さ方向のサイズが大きくなりすぎてしまう。

他方、ｄｆ／ｄｒの値が、条件式（３）の下限を下回ると、折り曲げ方向のサイズが大きくなりすぎてしまい共に小型化を達成できなくなってしまう。

また、本発明の結像光学系においては、次の条件式（３−１）を満足するのがより好ましい。
０．２５＜ｄｆ／ｄｒ＜１．２・・・（３−１）

また、本発明の結像光学系においては、レトロフォーカスタイプを形成する負レンズ群が次の条件式（４）を満足するのが好ましい。
−５＜ｆｎ／Ｉｈ＜−１・・・（４）
但し、ｆｎは負レンズ群の焦点距離であり、Ｉｈは最大像高である。

ｆｎ／Ｉｈの値が、条件式（４）の上限を上回ると、負のパワーが強くなりすぎてコマ収差、ディストーションの発生が大きくなりすぎてしまう。

他方、ｆｎ／Ｉｈの値が、条件式（４）の下限を下回ると、負のパワーが弱くなりすぎて十分なバックフォーカスがとれなくなったり、広角化の構成が難しくなってしまい効果的に小型化しにくくなる。

また、本発明の結像光学系においては、次の条件式（４−１）を満足するのがより好ましい。
−４＜ｆｎ／Ｉｈ＜−１．２・・・（４−１）

また、本発明の結像光学系においては、レトロフォーカスタイプを形成する正レンズ群が次の条件式（５）を満足するのが好ましい。
１＜ｆｐ／Ｉｈ＜５・・・（５）
但し、ｆｐは正レンズ群の焦点距離であり、Ｉｈは最大像高である。

ｆｐ／Ｉｈの値が、条件式（５）の上限を上回ると、正のパワーが弱くなりすぎて十分なバックフォーカスが取れなくなったり、広角化の構成が難しくなってしまい効果的に小型化しにくくなってしまう。

他方、ｆｐ／Ｉｈの値が、条件式（５）の下限を下回ると、正のパワーが強くなりすぎて球面収差、コマ収差が悪化してしまう。

また、本発明の結像光学系においては、次の条件式（５−１）を満足するのがより好ましい。
１．２＜ｆｐ／Ｉｈ＜４・・・（５−１）

また、本発明の結像光学系においては、次の条件式（６）を満足するのが好ましい。
０．０１＜Ｉｈ／Ｏｈ＜０．１・・・（６）
但し、Ｉｈは最大像高であり、Ｏｈは最大物体高である。

Ｉｈ／Ｏｈの値が、条件式（６）の上限を上回ると、縮小倍率が大きくなりすぎ光学系が大型化してしまうため、小型化が難しくなってしまう。

他方、Ｉｈ／Ｏｈの値が、条件式（６）の下限を下回ると、縮小倍率が小さくなりすぎて光学系のパワーがきつくなるので球面収差、コマ収差等の発生が大きくなってしまい性能が劣化する。

また、本発明の結像光学系においては、次の条件式（６−１）を満足するのがより好ましい。
０．０２＜Ｉｈ／Ｏｈ＜０．０８５・・・（６−１）

また、本発明の結像光学系においては、光路偏向素子をプリズムで構成すれば、入射屈折面と反射屈折面において収差補正効果を持つことができるため、光学性能上好ましい。

また、本発明の結像光学系においては、プリズムの入射屈折面の曲率半径が次の条件式（７）を満足するのが好ましい。
０．０５＜｜ｒ_1r／ｒ_in｜＜０．９・・・（７）
但し、ｒ_1rは第１負レンズの像側曲率半径であり、ｒ_inはプリズムの入射屈折面の曲率半径である。

｜ｒ_1r／ｒ_in｜の値が、条件式（７）の上限を上回ると、プリズムの入射屈折面の負レンズ効果が相対的に強くなりすぎて入射屈折面におけるコマ収差、非点収差の発生、特に高次収差が大きくなってしまうか、プリズムの物体側に配置される負レンズ群のパワーが弱くなりすぎて全長やレンズ径が大型化してしまう。

他方、｜ｒ_1r／ｒ_in｜の値が、条件式（７）の下限を下回ると、プリズムの入射屈折面の負レンズ効果が相対的に弱くなりすぎて収差補正効果が少なくなるため、性能が劣化したり入射瞳位置のコントロールが難しくなってレンズ径が大型化してしまうか、プリズムの物体側に配置される負レンズ群のパワーの方が強くなりすぎて、コマ収差、ディストーションの発生量が大きくなって性能が劣化してしまう。

また、本発明の結像光学系においては、次の条件式（７−１）を満足するのがより好ましい。
０．１＜｜ｒ_1r／ｒ_in｜＜０．８・・・（７−１）

また、本発明の結像光学系においては、プリズムの射出屈折面の曲率半径が次の条件式（８）を満足するのが好ましい。
０．１＜｜ｆ_p／ｒ_out｜＜１．５・・・（８）
但し、ｆ_pは正レンズ群の焦点距離であり、ｒ_outはプリズムの射出屈折面の曲率半径である。

｜ｆ_p／ｒ_out｜の値が、条件式（８）の上限を上回ると、プリズムの射出屈折面の正レンズ効果が相対的に強くなりすぎて射出屈折面における球面収差の補正量が過剰になり性能が劣化してしまうか、もしくはプリズムの像側に配置される正レンズ群のパワーが相対的に弱くなって小型化が難しくなってしまう。

他方、｜ｆ_p／ｒ_out｜の値が、条件式（８）の下限を下回ると、射出屈折面の正レンズ効果が相対的に弱くなりすぎて収差補正効果が少なくなって性能が劣化してしまうか、プリズムの像側に配置される正レンズ群のパワーの方が強くなりすぎて球面収差、コマ収差の発生量が大きくなって性能が劣化してしまう。

また、本発明の結像光学系においては、次の条件式（８−１）を満足するのがより好ましい。
０．１５＜｜ｆ_p／ｒ_out｜＜１．２・・・（８−１）

また、本発明の結像光学系においては、光路偏向素子による光軸の折り曲げ角度が次の条件式（１０）を満足するのが好ましい。
７０°＜θ＜１１０° ・・・（１０）
但し、θは負レンズ群の光軸と正レンズ群の光軸とのなす角度である。

θの値が、条件式（１０）の上限を上回ると、厚さ方向の効果的な薄型化が難しくなってしまう。

他方、θの値が、条件式（１０）の下限を下回ると、負レンズ群と正レンズ群が干渉してしまったり、他の部材の配置が困難になってしまう。

また、本発明の結像光学系においては、次の条件式（１０−１）を満足するのがより好ましい。
８０°＜θ＜１００° ・・・（１０−１）

また、本発明の結像光学系においては、光学系の使用波長が次の条件式（１１）を満足するのが好ましい。
６００ｎｍ＜λ＜９５０ｎｍ・・・（１１）
但し、λは光学系の使用波長である。

λの値が、条件式（１１）の上限を上回るか、または、下限を下回ると、色収差の影響が大きくなって性能が劣化してしまう。

また、本発明の結像光学系においては、次の条件式（１１−１）を満足するのがより好ましい。
６５０ｎｍ＜λ＜９００ｎｍ・・・（１１−１）

また、本発明の結像光学系においては、次の条件式（１１−２）を満足するのがより一層好ましい。
７００ｎｍ＜λ＜８５０ｎｍ・・・（１１−２）

以下、本発明の結像光学系の実施例について図面を用いて説明する。

第１実施例
図１は、本発明の結像光学系の第１実施例であって、結像光学系の光学構成を直進系で表した断面図である。図２は、第１実施例の結像光学系の光学構成を実際に光線を折り曲げた光軸に沿って表わした断面図である。図３は、第１実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。

第１実施例の結像光学系は、図１、２に示すように、物体側から撮像面Ｉに向かって、順に、負レンズ群Ｇ１と、プリズムＰと、正レンズ群Ｇ２で構成されている。図中、Ｓは明るさ絞りであり、ＣＧはカバーガラスであり、Ｉは撮像面である。

負レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた第１レンズとしての負メニスカスレンズＬ１１で構成されていて、負の屈折力を有している。

プリズムＰは、物体側に凹を向けた非球面の入射屈折面と、反射面と、像側に凸を向けた射出屈折面で構成されている。

正レンズ群Ｇ２は、明るさ絞りＳを挟んで上記プリズムＰの撮像面Ｉ側にあって、光軸近傍（レンズ中心部）において両凸形状の第２レンズとしての正レンズＬ２１で構成されていて、全体として正の屈折力を有している。また、光軸近傍（レンズ中心部）において両凸形状の第２レンズとしての正レンズＬ２１の像側の面は、光軸中心とその周辺で曲率が異なる構成となっている。

非球面は、プリズムＰの物体側に凹を向けた入射屈折面と、正レンズ群Ｇ２の光軸近傍（レンズ中心部）において両凸形状の第２レンズとしての正レンズＬ２１の両側面にそれぞれ設けられている。

また、プリズムＰと光軸近傍（レンズ中心部）において両凸形状の第２レンズとしての正レンズＬ２１は、アモルファスポリオレフィン系のゼオネックス（登録商標）から構成されている。

次に、第１実施例の結像光学系を構成する光学部材の数値データを以下に示す。

ここで、数値データ中、ｒ₁、ｒ₂・・・は各光学部材の面の曲率半径(mm)、ｄ₁、ｄ₂・・・は各光学部材の肉厚又はそれらの空気間隔(mm)、ｎ_d1、ｎ_d2・・・は各光学部材のｄ線の波長（587.6nm）における屈折率、ν_d1、ν_d2・・・は各光学部材のｄ線の波長（587.6nm）におけるアッベ数を表している。ｆは全系の焦点距離を表している。
また、光軸に対して回転対象な非球面形状は、光軸方向をｚとし，光軸に直交する方向をｙとし、ｚとｙの直交する方向をｘとして、円錐係数をｋ、光軸に対して回転対称な非球面係数をＡ₄、Ａ₆、Ａ₈、Ａ₁₀とした時、次式で定義される。
ｚ＝（ｙ²／ｒ）／〔１＋[１−（1＋ｋ）（ｙ／ｒ）²]^1/2〕＋Ａ₄ｙ⁴＋Ａ₆ｙ⁶＋Ａ₈ｙ⁸＋Ａ₁₀ｙ¹⁰
なお、これらの記号は、後述の第２実施例乃至第８実施例の数値データにおいても共通である。

数値データ１
最大像高（有効撮像領域の対角長の半分の長さ）Ｉｈ：0.987mm
焦点距離f：0.633mm
Ｆｎｏ．（Ｆナンバー）：2.400
最大物体高Ｏｈ：25.00mm
ｒ₀=∞ ｄ₀=5.00
ｒ₁=10.088 ｄ₁=1.00 ｎ_d1=1.78590 ν_d1=44.20
ｒ₂=1.867 ｄ₂=2.25
ｒ₃=-2.829（非球面）ｄ₃=2.00 ｎ_d3=1.52542 ν_d3=55.78
ｒ₄=∞（反射面）ｄ₄=2.00 ｎ_d4=1.52542 ν_d4=55.78
ｒ₅=-5.273 ｄ₅=1.67
ｒ₆=∞（絞り）ｄ₆=1.41
ｒ₇=1.876（非球面）ｄ₇=3.63 ｎ_d7=1.52542 ν_d7=55.78
ｒ₈=-1.590（非球面）ｄ₈=0.59
ｒ₉=∞ ｄ₉=0.50 ｎ_d9=1.51633 ν_d9=64.14
ｒ₁₀=∞
ｒ₁₁=∞（撮像面）

非球面係数
面番号ｋＡ₄ Ａ₆ Ａ₈ Ａ₁₀
3 -5.527 -1.99081×10^-3 1.35735×10^-3
7 -1.132 2.10816×10^-3 4.64410×10^-3
8 0.224 1.19891×10^-1 6.69058×10^-2 -7.04458×10^-2 3.68355×10^-2

第２実施例
図４は、本発明の結像光学系の第２実施例であって、結像光学系の光学構成を直進系で表した断面図である。図５は、第２実施例の結像光学系の光学構成を実際に光線を折り曲げた光軸に沿って表わした断面図である。図６は、第２実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。

第２実施例の結像光学系は、図４、５に示すように、物体側から撮像面Ｉに向かって、順に、負レンズ群Ｇ１と、プリズムＰと、正レンズ群Ｇ２で構成されている。図中、Ｓは明るさ絞りであり、ＣＧはカバーガラスであり、Ｉは撮像面である。

正レンズ群Ｇ２は、明るさ絞りＳを挟んで上記プリズムＰの撮像面Ｉ側にあって、物体側から順に、像側に凸面を向けた第２レンズとしての正メニスカスレンズＬ２１’と、物体側に凸面を向けた第３レンズとしての正メニスカスレンズＬ２２で構成されていて、全体として正の屈折力を有している。

非球面は、プリズムＰの物体側に凹を向けた入射屈折面と、正レンズ群Ｇ２の像側に凸面を向けた第２レンズとしての正メニスカスレンズＬ２１’の両側面と、物体側に凸面を向けた第３レンズとしての正メニスカスレンズＬ２２の像側面にそれぞれ設けられている。

また、プリズムＰと第２レンズとしての正メニスカスレンズＬ２１’と物体側に凸を向けた第３レンズとしての正メニスカスレンズＬ２２はアモルファスポリオレフィン系のゼオネックス（登録商標）から構成されている。

次に、第２実施例の結像光学系を構成する光学部材の数値データを以下に示す。

数値データ２
最大像高（有効撮像領域の対角長の半分の長さ）Ｉｈ：0.990mm
焦点距離f：0.633mm
Ｆｎｏ．（Ｆナンバー）：2.400
最大物体高Ｏｈ：25.00mm
ｒ₀=∞ ｄ₀=5.00
ｒ₁=9.659 ｄ₁=1.00 ｎ_d1=1.78590 ν_d1=44.20
ｒ₂=1.803 ｄ₂=1.92
ｒ₃=-4.433（非球面）ｄ₃=1.70 ｎ_d3=1.52542 ν_d3=55.78
ｒ₄=∞（反射面）ｄ₄=1.69 ｎ_d4=1.52542 ν_d4=55.78
ｒ₅=-12.356 ｄ₅=0.20
ｒ₆=∞（絞り）ｄ₆=0.56
ｒ₇=-8.014（非球面）ｄ₇=1.70 ｎ_d7=1.52542 ν_d7=55.78
ｒ₈=-1.338（非球面）ｄ₈=0.20
ｒ₉=2.431 ｄ₉=1.20 ｎ_d9=1.52542 ν_d9=55.78
ｒ₁₀=87.556（非球面）ｄ₁₀=0.67
ｒ₁₁=∞ ｄ₁₁=0.50 ｎ_d11=1.51633 ν_d11=64.14

ｒ₁₂=∞
ｒ₁₃=∞（撮像面）

非球面係数
面番号ｋＡ₄ Ａ₆ Ａ₈ Ａ₁₀
3 0.000 3.51603×10^-2 -1.98452×10^-3
7 0.000 -1.95001×10^-1 1.45796×10^-3
8 0.000 -2.20193×10^-2 7.23950×10^-3 -6.18380×10^-3 8.75043×10^-3
10 0.000 9.81131×10^-2 4.15516×10^-3 -1.51055×10^-2

第３実施例
図７は、本発明の結像光学系の第３実施例であって、結像光学系の光学構成を直進系で表した断面図である。図８は、第３実施例の結像光学系の光学構成を実際に光線を折り曲げた光軸に沿って表わした断面図である。図９は、第３実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。

第３実施例の結像光学系は、図７、８に示すように、物体側から撮像面Ｉに向かって、順に、負レンズ群Ｇ１と、プリズムＰと、正レンズ群Ｇ２で構成されている。図中、Ｓは明るさ絞りであり、ＣＧはカバーガラスであり、Ｉは撮像面である。

負レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた第１レンズとしての負メニスカスレンズＬ１１と物体側に凸面を向けた第２レンズとしての負メニスカスレンズＬ１２で構成されていて、全体として負の屈折力を有している。

プリズムＰは、物体側に凹を向けた入射屈折面と、反射面と、像側に凸を向けた射出屈折面で構成されている。

正レンズ群Ｇ２は、明るさ絞りＳを挟んで上記プリズムＰの撮像面Ｉ側にあって、物体側から順に、両凸形状の第３レンズとしての正レンズＬ２１’’と、光軸近傍（レンズ中心部）において両凸形状の第４レンズとしての正レンズＬ２２’で構成されていて、全体として正の屈折力を有している。

非球面は、正レンズ群Ｇ２の光軸近傍（レンズ中心部）において両凸形状の第４レンズとしての正レンズＬ２２’の両側面にそれぞれ設けられている。

また、正レンズ群Ｇ２の光軸近傍（レンズ中心部）において両凸形状の第４レンズとしての正レンズＬ２２’はアモルファスポリオレフィン系のゼオネックス（登録商標）から構成されている。

次に、第３実施例の結像光学系を構成する光学部材の数値データを以下に示す。

数値データ３
最大像高（有効撮像領域の対角長の半分の長さ）Ｉｈ：0.902mm
焦点距離f：0.719mm
Ｆｎｏ．（Ｆナンバー）：2.400
最大物体高Ｏｈ：25.00mm
ｒ₀=∞ ｄ₀=5.00
ｒ₁=7.144 ｄ₁=1.00 ｎ_d1=1.78590 ν_d1=44.20
ｒ₂=1.728 ｄ₂=1.50
ｒ₃=12.292 ｄ₃=1.00 ｎ_d3=1.60311 ν_d3=60.64
ｒ₄=1.908 ｄ₄=0.90
ｒ₅=-8.165 ｄ₅=1.30 ｎ_d5=1.60311 ν_d5=60.64
ｒ₆=∞（反射面）ｄ₆=1.30 ｎ_d6=1.60311 ν_d6=60.64
ｒ₇=-7.453 ｄ₇=0.20
ｒ₈=∞（絞り）ｄ₈=0.68
ｒ₉=5.599 ｄ₉=1.87 ｎ_d9=1.60311 ν_d9=60.64
ｒ₁₀=-9.083 ｄ₁₀=0.81
ｒ₁₁=2.470（非球面）ｄ₁₁=1.50 ｎ_d11=1.52542 ν_d11=55.78
ｒ₁₂=-4.657（非球面）ｄ₁₂=1.57
ｒ₁₃=∞ ｄ₁₃=0.50 ｎ_d13=1.51633 ν_d13=64.14
ｒ₁₄=∞
ｒ₁₅=∞（撮像面）

非球面係数
面番号ｋＡ₄ Ａ₆ Ａ₈ Ａ₁₀
11 0.000 -7.62116×10^-3 -2.23578×10^-4 8.68256×10^-4 -1.98761×10^-4
12 0.000 1.69860×10^-2 -1.51621×10^-3 1.92114×10^-3 -3.73340×10^-4

第４実施例
図１０は、本発明の結像光学系の第４実施例であって、結像光学系の光学構成を直進系で表した断面図である。図１１は、第４実施例の結像光学系の光学構成を実際に光線を折り曲げた光軸に沿って表わした断面図である。図１２は、第４実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。

第４実施例の結像光学系は、図１０、１１に示すように、物体側から撮像面Ｉに向かって、順に、負レンズ群Ｇ１と、プリズムＰと、正レンズ群Ｇ２で構成されている。図中、Ｓは明るさ絞りであり、ＣＧはカバーガラスであり、Ｉは撮像面である。

負レンズ群Ｇ１は、両凹形状の第１レンズとしての負レンズＬ１１’で構成されていて、負の屈折力を有している。

正レンズ群Ｇ２は、明るさ絞りＳを挟んで上記プリズムＰの撮像面Ｉ側にあって、光軸近傍（レンズ中心部）において両凸形状の第２レンズとしての正レンズＬ２１で構成されていて、正の屈折力を有している。

また、プリズムＰと光軸近傍（レンズ中心部）において両凸形状の第２レンズとしての正レンズＬ２１はアモルファスポリオレフィン系のゼオネックス（登録商標）から構成されている。

次に、第４実施例の結像光学系を構成する光学部材の数値データを以下に示す。

数値データ４
最大像高（有効撮像領域の対角長の半分の長さ）Ｉｈ：1.765mm
焦点距離f：1.5mm
Ｆｎｏ．（Ｆナンバー）：2.400
最大物体高Ｏｈ：25.00mm
ｒ₀=∞ ｄ₀=15.0
ｒ₁=-42.268 ｄ₁=1.00 ｎ_d1=1.51633 ν_d1=64.14
ｒ₂=1.743 ｄ₂=1.38
ｒ₃=-9.496（非球面）ｄ₃=2.00 ｎ_d3=1.52542 ν_d3=55.78
ｒ₄=∞（反射面）ｄ₄=2.00 ｎ_d4=1.52542 ν_d4=55.78
ｒ₅=-3.730 ｄ₅=0.20
ｒ₆=∞（絞り）ｄ₆=1.76
ｒ₇=3.884（非球面）ｄ₇=6.78 ｎ_d7=1.52542 ν_d7=55.78
ｒ₈=-1.697（非球面）ｄ₈=1.13
ｒ₉=∞ ｄ₉=0.50 ｎ_d9=1.51633 ν_d9=64.14
ｒ₁₀=∞
ｒ₁₁=∞（撮像面）

非球面係数
面番号ｋＡ₄ Ａ₆ Ａ₈
3 -211.088 -1.28544×10^-3 2.38331×10^-3
7 -11.696 1.54380×10^-2 -1.52099×10^-3
8 -1.025 3.73843×10^-2 -5.19955×10^-3 5.00000×10^-4

以上、上記第１実施例乃至４実施例の結像光学系では、ディストーションを発生させて、ｆθ特性になるように構成している。また、使用波長は８６０ｎｍである。

第５実施例
図１３は、本発明の第５実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。第５実施例の結像光学系には、第１実施例と同様のものを用いているため、ここではその詳細についての説明は省略する。

第６実施例
図１４は、本発明の第６実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。第６実施例の結像光学系には、第２実施例と同様のものを用いているため、ここではその詳細についての説明は省略する。

第７実施例
図１５は、本発明の第５実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。第７実施例の結像光学系には、第３実施例と同様のものを用いているため、ここではその詳細についての説明は省略する。

第８実施例
図１６は、本発明の第８実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。第８実施例の結像光学系には、第４実施例と同様のものを用いているため、ここではその詳細についての説明は省略する。

以上、上記第５実施例乃至８実施例の結像光学系では、ディストーションを発生させて、ｆθ特性になるように構成している。また、使用波長は７６０ｎｍである。

なお、上記各実施例において、プラスチックで構成しているレンズをガラスで構成しているレンズを用いてもかまわない。同様に、ガラスで構成しているレンズをプラスチックで構成しているレンズを用いてもかまわない。

さらに、本発明の各実施例における結像光学系を構成するレンズは、例えば、上記各実施例よりも屈折率の高いガラスを用いればさらに高性能を達成できる。また、結像光学系を構成するレンズは、上記各実施例よりも屈折率の低いガラスを用いれば低コスト化を達成できる。

また、本発明の各実施例における結像光学系を構成するレンズは、特殊低分散ガラスを用いれば色収差の補正に効果がある。特に、結像光学系を構成するレンズをプラスチックで構成する場合には、低吸湿材料を用いることにより環境変化による性能劣化が軽減されるので好ましい（例えば日本ゼオン社のゼオネックス（登録商標）等がある）。

また、本発明の各実施例の結像光学系において、ゴースト、フレア等の不要光をカットするために、明るさ絞り以外にフレア絞りを配置してもかまわない。フレア絞りは上記各実施例の結像光学系において物体面と第１レンズとの間、第１レンズと第２レンズとの間、第２レンズと第３レンズとの間、第３レンズと明るさ絞りとの間、明るさ絞りと第４レンズとの間、第５レンズと第６レンズとの間、第６レンズと像面との間のいずれの場所に配置しても良い。

また、本発明の各実施例の結像光学系において、枠によりフレア光線をカットするように構成しても良いし、別の部材を構成しても良い。また光学系に直接印刷したり、塗装したり、シールなどを接着しても良い。また、その形状は円形、楕円形、矩形、多角形、関数曲線で囲まれる範囲等、いかなる形状でもかまわない。また有害光束をカットするだけでなく画面周辺のコマフレア等の光束をカットしても良い。

また、本発明の各実施例の結像光学系において、各レンズには反射防止コートを行い、ゴースト、フレアを軽減してもかまわない。また波長をカットするコートをレンズ面、カバーガラス等に行ってもかまわない。

また、本発明の各実施例の結像光学系において、ピント調節を行うためにフォーカシングを行っても良い。レンズ系全体を繰り出してフォーカスを行っても良いし、一部のレンズを繰り出し、もしくは繰り込みしてフォーカスしても良い。

また、本発明の各実施例の結像光学系において、画像周辺部の明るさ低下をＣＣＤのマイクロレンズをシフトすることにより軽減しても良い。例えば、各像高における光線の入射角に合わせてＣＣＤのマイクロレンズの設計を変えても良い。更に、画像処理により画像周辺部の低下量を補正しても良い。また、光学系で発生するディストーションは画像処理によって補正してもかまわない。

次に、上記各実施例における条件式に対応した値を次の表１に示す。
表１

以上のような本発明の結像光学系は、指紋、虹彩、声紋、顔、筆跡、静脈（指、掌、手の甲）等を利用した認証装置に用いることができる。以下に、その一実施形態を例示する。

図１７は、認証装置としての指静脈認証装置１に本発明の結像光学系を適用した一例である。図１７に示すように、指静脈認証装置１は、撮像部１０と、認証処理部２０とから構成されている。

撮像部１０は、撮像対象物としての指に近赤外光線を照射する光源１１と、指を載置する透明部材１２と、本発明の実施例１の結像光学系を有する撮像系（撮像装置）１３と、撮像系１３によって撮像された画像から静脈パターン（対象物特有の情報）を抽出する静脈パターン抽出部１４を備える。
認証処理部２０は、静脈パターンを参照パターン（参照情報）として登録する登録データベース２１と、静脈パターン抽出部１４から得られた静脈パターンと登録データベース２１に登録された参照パターンとを照合して認証を行う認証部２２を備える。

まず、登録データベース２１に参照パターンとして使用する静脈パターンを登録する工程について説明する。

対象者の指を透明部材１２上に載置し、指の裏側（手の甲側）から近赤外光線を照射する。指を透過した光線は、透明部材１２と撮像系１３を通過し、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の撮像素子に結像する。そして、撮像系１３によって得られた画像は、静脈パターン抽出部１４に送られ、静脈パターンが抽出される。抽出された静脈パターンは、認証処理部２０の登録データベース２１に登録・保存される。

次に、新たに得られた静脈パターンを認証する工程について説明する。対象者の静脈パターンを抽出するまでの工程については、上述の登録工程と同様のため、詳細な説明は省略する。

静脈パターン抽出部１４より抽出された静脈パターンと予め登録データベース２１に登録されている対象者の参照パターンとが認証処理部２０の認証部２２に送られ、新たに得られた静脈パターンと参照パターンとの照合が行われる。そして、静脈パターンと参照パターンとの照合・認証結果に関する信号がパソコン、セキュリティーロック、銀行の現金預払機、携帯電話、ソフトウェアプログラム等の認証を必要としている種々の制御対象に送信され、認証部２２において静脈パターンと参照パターンとが合致した場合のみ、対象者は制御対象にアクセス等することができる。

尚、登録モードまたは認証モードとする方法については、任意の方法を用いてよい。また、認証部２２から制御対象へは、静脈パターンと参照パターンとが合致した場合のみに信号を送信する構成であってもよいし、静脈パターンと参照パターンとが合致した場合は合致した旨の信号を、合致しない場合は合致しない旨の信号を送信する構成としてもよい。

以上、本発明の結像光学系を用いた認証装置の一実施形態について説明したが、本発明の結像光学系を用いた認証装置はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、認証装置として指静脈パターンを抽出する装置を例示しているが、本発明の結像光学系を用いた認証装置はこれに限らず、掌・手の甲の静脈、指紋、虹彩、声紋、顔、筆跡等を利用した認証装置にも適用可能である。

また、撮像部１０と認証処理部２０とは、必ずしも１：１で対応している必要はなく、例えば、複数の撮像部１０を１つの認証処理部２０に接続可能にした形態としてもよい。さらに、光源の配置箇所については、目的とする生体パターンを得るための画像が撮像系１３を介して得られればどこであってもよい。

本発明の第１実施例に係る結像光学系の光学構成を直進系で表した断面図である。本発明の第１実施例に係る結像光学系の光学構成を実際に光線を折り曲げた光軸に沿って表わした断面図である。第１実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。本発明の第２実施例に係る結像光学系の光学構成を直進系で表した断面図である。本発明の第２実施例に係る結像光学系の光学構成を実際に光線を折り曲げた光軸に沿って表わした断面図である。第２実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。本発明の第３実施例に係る結像光学系の光学構成を直進系で表した断面図である。本発明の第３実施例に係る結像光学系の光学構成を実際に光線を折り曲げた光軸に沿って表わした断面図である。第３実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。本発明の第４実施例に係る結像光学系の光学構成を直進系で表した断面図である。本発明の第４実施例に係る結像光学系の光学構成を実際に光線を折り曲げた光軸に沿って表わした断面図である。第４実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。第５実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。第６実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。第７実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。第８実施例における結像光学系の無限遠合焦時における収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。認証装置としての指静脈認証装置１に本発明の結像光学系を適用した一例である。

符号の説明

Ｓ明るさ絞り
Ｐプリズム
ＣＧカバーがラス
Ｉ撮像面
Ｇ１負レンズ群
Ｇ２正レンズ群
Ｌ１１物体側に凸面を向けた第１レンズとしての負メニスカスレンズ
Ｌ１１’ 両凹形状の第１レンズとしての負レンズ
Ｌ１２物体側に凸面を向けた第２レンズとしての負メニスカスレンズ
Ｌ２１光軸近傍（レンズ中心部）において両凸形状の第２レンズとしての正レンズ
Ｌ２１’ 像側に凸面を向けた第２レンズとしての正メニスカスレンズ
Ｌ２１’’ 両凸形状の第３レンズとしての正レンズ
Ｌ２２物体側に凸面を向けた第３レンズとしての正メニスカスレンズ
Ｌ２２’ 光軸近傍（レンズ中心部）において両凸形状の第４レンズとしての正レンズ
１指静脈認証装置
１０撮像部
１１光源
１２指を載置する透明部材
１３撮像系（撮像装置）
１４静脈パターン抽出部
２０認証処理部
２１登録データベース
２２認証部

Claims

物体側から順に、
１枚又は２枚の負レンズからなる負レンズ群と、
入射面が物体側に凹となるように形成され、射出面が像側に凸となるように形成されているプリズムと、
明るさ絞りと、
１枚又は２枚の正レンズからなる正レンズ群と、により構成され、
次の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
０．１＜｜ｒ _1r ／ｒ _in ｜＜０．８
但し、ｒ _1r は最も物体側のレンズの像側曲率半径であり、ｒ _in は前記プリズムの入射屈折面の曲率半径である。
次の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
−３．０＜ｆｎ／ｆｐ＜−０．２
但し、ｆｎは前記負レンズ群の焦点距離であり、ｆpは前記正レンズ群の焦点距離である。
次の条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の結像光学系。
０．０１＜Ｉｈ／Ｏｈ＜０．１
但し、Ｉｈは最大像高であり、Ｏｈは最大物体高である。
次の条件式を満足することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の結像光学系。
０．１＜｜ｆ _p ／ｒ _out ｜＜１．５
但し、ｆ _p は前記正レンズ群の焦点距離であり、ｒ _out は前記プリズムの射出屈折面の曲率半径である。
次の条件式を満足することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の結像光学系。
７０°＜θ＜１１０°
但し、θは前記負レンズ群の光軸と前記正レンズ群の光軸とのなす角度である。
次の条件式を満足することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の結像光学系。
６００ｎｍ＜λ＜９５０ｎｍ
但し、λは全系の使用波長である。
請求項１〜６の何れかに記載の結像光学系と、前記結像光学系の像側に配置された撮像素子とを備えることを特徴とする撮像装置。
対象物に光を照射する光源と、前記光源から光を照射された対象物からの光を撮像する請求項７に記載の撮像装置とを備えることを特徴とする認証装置。
前記撮像装置より撮像した画像データに基づいて得られる前記対象物特有の情報と、予め登録されている参照情報とを照合して認証する認証処理手段を備えることを特徴とする請求項８に記載の認証装置。