JP2001281544A - バリフォーカルレンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストで構成できるバリフォーカルレンズ
を提供する。 【解決手段】 バリフォーカルレンズの前群を、全体と
して負の焦点距離を持つように、メニスカス凹の非球面
レンズ１ａと、貼り合わせた両凹球面レンズ１ｂと両凸
球面レンズ１ｃの３枚のレンズで構成し、後群を、全体
として正の焦点距離を持つように、メニスカス凸の非球
面レンズ２ａと、貼り合わせた両凹球面レンズ２ｂと両
凸球面レンズ２ｃの３枚のレンズで構成する。球面レン
ズは、いずれもレンズ有効半径（ｒ）とレンズ球面半径
（Ｒ）との比（ｒ／Ｒ）が０．５５以下で、且つ、ｄ線
の屈折率（ｎd）が１．８０以上であり、貼り合わせた
両凹の球面レンズ及び両凸の球面レンズの一方のアッベ
数（νd）が２４以下で、他方のνdが４６以上であるよ
うに設定する。少ないレンズ枚数で構成でき、製作コス
トの引き下げが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、監視カメラなどに
使用するバリフォーカルレンズに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】監視カメラで使用するレンズには、画角
及び焦点距離が一定の固定焦点レンズと、画角及び焦点
距離を随時可変できるズームレンズと、画角及び焦点距
離を設置時に調整できるバリフォーカルレンズの３種類
がある。ズームレンズを取り付けた監視カメラは、監視
中に画角及び焦点距離をリモートコントロールで可変す
ることができるが、しかし、この装置は高価である。バ
リフォーカルレンズは、監視場所に設置した監視カメラ
に取り付け、その監視場所に合わせて画角及び焦点距離
を調整する。一旦調整した画角及び焦点距離は遠隔操作
で変えることはできない。そのため、画角及び焦点距離
の再調整が必要な場合には、監視カメラの設置場所に赴
き、手動で操作する。このバリフォーカルレンズは、ズ
ームレンズに比べて極めて安価である。

【０００３】固定焦点レンズは、バリフォーカルレンズ
よりもさらに安価であるが、監視カメラを設置する場合
に、焦点距離の異なる複数の固定焦点レンズを用意し、
設置場所に合わせて、その中から使用するレンズを選択
する必要があり、設置時の負担が大きい。これに対し
て、バリフォーカルレンズは、監視カメラ設置時に１本
のレンズを用意すれば済むため、多くの監視カメラに用
いられている。

【０００４】図７及び図８は、従来のバリフォーカルレ
ンズを示している。監視カメラにはＣＣＤ15に入射する
赤外線等をカットするため、フィルタ14が装着される
が、バリフォーカルレンズは、このフィルタ14の前に配
置される。このレンズは、絞り13を挟む前群のレンズ群
11と、後群のレンズ群12とで構成され、前群11及び後群
12は、それぞれ独立して光軸方向に移動することができ
る。図７は、最も画角を狭くした望遠端でのレンズ位置
を示し、図８は、最も画角を広くした広角端でのレンズ
位置を示している。バリフォーカルレンズは、この望遠
端と広角端との間で、前群11及び後群12の位置を調整す
ることが可能である。

【０００５】レンズには各種の収差が発生する。入射光
の絞りの通過位置と絞りの中心との距離に応じて像点位
置が光軸上でずれる球面収差や、色による屈折率の違い
によって焦点位置がずれる色収差、あるいは、光線が鮮
鋭に結像されても像の形が歪む歪曲収差などがある。球
面収差や色収差は解像度を低下させる。また、歪曲収差
に起因して、図１３に示すように、方形の被写体（実
線）の像が樽型（点線）に歪曲する。

【０００６】従来のバリフォーカルレンズでは、こうし
た収差をレンズ形状や屈折率が異なるレンズを組み合わ
せて防いでいる。球面収差は、レンズを非球面化するこ
とにより補正することができ、色収差は、屈折率の異な
るレンズを組み合わせることによって補正することがで
きる。また、歪曲収差は、曲率が大きいレンズを一枚使
う代わりに、曲率が大きくないレンズを複数枚使うこと
により、補正することができる。また、歪曲収差は、後
群12よりも前群11のレンズに強く依存し、解像度は、前
群11よりも後群12のレンズに強く依存する。

【０００７】こうした観点から、従来のバリフォーカル
レンズでは、前群11を、メニスカス凹レンズ11ａ、凸レ
ンズ11ｂ、メニスカス凹レンズ11ｃ、両凹レンズ11ｄ及
び凸レンズ11ｅで構成し、また、後群12を、凸レンズ12
ａ、凸レンズ12ｂ、両凹レンズ12ｃ、凸レンズ12ｄ及び
凸レンズ12ｅで構成している。また、これらのレンズは
すべてガラスで成形している。

【０００８】この内、前群11のメニスカス凹レンズ11
ａ、凸レンズ11ｂ及びメニスカス凹レンズ11ｃは、この
３枚で非球面レンズを構成し、前群11の球面収差を補正
している。また、３枚のレンズを組み合わせることによ
り、歪曲収差を補正している。また、前群11の両凹レン
ズ11ｄ及び凸レンズ11ｅは、前群11の色収差を補正して
いる。また、後群12の凸レンズ12ａ及び凸レンズ12ｂ
は、後群12の球面収差を補正し、後群12の両凹レンズ12
ｃ、凸レンズ12ｄ及び凸レンズ12ｅは後群12の色収差を
補正している。また、この後群12の球面収差補正レンズ
と色収差補正レンズとを、それぞれ複数の枚数のレンズ
で構成して歪曲収差を小さくしている。

【０００９】図９は、従来のバリフォーカルレンズの望
遠端位置における球面収差、非点収差及び歪曲収差を示
し、図１０は、望遠端位置におけるタンジェンシャル及
びサジタル方向の横収差を示している。また、図１１
は、従来のバリフォーカルレンズの広角端位置における
球面収差、非点収差及び歪曲収差を示し、図１２は、広
角端位置におけるタンジェンシャル及びサジタル方向の
横収差を示している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のバリフ
ォーカルレンズは、多数の枚数のガラスレンズが使用さ
れているため、レンズの製作や組み立てが複雑であり、
完成までに多くの手間と時間とを必要とし、その結果、
コストが高くなると云う問題点を有している。

【００１１】このレンズの枚数は、歪曲収差の補正を図
るためには多くせざるを得ない。しかし、発明者等の知
見によれば、バリフォーカルレンズを監視カメラに使用
する場合には、歪曲収差の補正は必要で無く、かえっ
て、この補正が弊害をもたらす場合すらある。

【００１２】この点を図１４により説明する。図１４
（ｂ）は、レンズ30と平板状の被写体40との相対位置が
変化した場合に、レンズ30から見た被写体40の画角が変
化する様子を示している。レンズ30の正面に被写体40ｂ
が在るときの画角θに比べて、正面からずれた位置の被
写体（40ａ、40ｃ）の画角φは小さくなる（θ＞φ）。
一方、歪曲収差の補正は、図１３の点線の像が実線のよ
うに補正される。そのため、図１４（ｂ）の被写体（40
ａ、40ｃ）の画角φは、歪曲収差の補正により、点線で
示すように広がり、カメラ正面の被写体40ｂの画角θに
近づき、画面周辺での像の歪みが減少する。

【００１３】しかし、監視カメラは、多くの場合、人を
監視対象としているが、人間の頭は球の形状に近い。図
１４（ａ）に示すように、被写体50が球形状に近い場合
は、レンズ30と被写体50との相対位置が変化しても、レ
ンズ30から見た被写体（50ａ、50ｂ、50ｃ）の画角は変
化しない。従って、画面周辺での像の歪みは現れない。
この場合、歪曲収差を補正すると、正面からずれた位置
の球形状の被写体（50ａ、50ｃ）の像が楕円に映り、カ
メラ正面の被写体50ｂの像とは違ったものとなる。従っ
て、人を監視する場合には、歪曲収差の補正は必要が無
い。

【００１４】本発明は、こうした観察を基に従来の問題
点を解決したものであり、少ない枚数のレンズを用い
て、低コストで構成することができるバリフォーカルレ
ンズを提供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、バ
リフォーカルレンズの前群を、全体として負の焦点距離
を持つように、メニスカス凹の非球面レンズと、貼り合
わせた両凹の球面レンズと両凸の球面レンズの３枚で構
成し、後群を、全体として正の焦点距離を持つように、
メニスカス凸の非球面レンズと、貼り合わせた両凹の球
面レンズと両凸の球面レンズの３枚で構成し、球面レン
ズは、いずれもレンズ有効半径（ｒ）とレンズ球面半径
（Ｒ）との比（ｒ／Ｒ）が０．５５以下で、且つ、ｄ線
の屈折率（ｎd）が１．８０以上であり、貼り合わせた
両凹の球面レンズ及び両凸の球面レンズの一方のアッベ
数（νd）が２４以下で、他方のνdが４６以上であるよ
うに設定している。

【００１６】このバリフォーカルレンズは、少ないレン
ズ枚数で構成することができ、レンズの製作や組み立て
に要する作業量や作業時間の削減を図ることができ、製
作コストの引き下げが可能である。また、光学特性は、
広角端の歪曲収差を除けば、従来のものと遜色がない。
また、広角端の歪曲収差は、それが存在しても、球形に
近い人の顔を監視する場合には、実用上全く問題がな
い。寧ろ、歪曲収差を補正する場合より、良質の画像を
得ることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態におけるバリフ
ォーカルレンズは、図１及び図２に示すように、絞り３
を挟む前群１と後群２とのレンズから成り、前群１は、
プラスチックで成形したメニスカス凹レンズの非球面レ
ンズ１ａと、両凹のガラス球面レンズ１ｂと、両凸のガ
ラス球面レンズ１ｃとの３枚で構成され、両凹ガラス球
面レンズ１ｂ及び両凸ガラス球面レンズ１ｃは貼り合わ
せてある。前群１は全体として負の焦点距離を有してい
る。後群２は、プラスチックで成形したメニスカス凸レ
ンズの非球面レンズ２ａと、両凹のガラス球面レンズ２
ｂと、両凸のガラス球面レンズ２ｃとの３枚で構成さ
れ、両凹ガラス球面レンズ２ｂ及び両凸ガラス球面レン
ズ２ｃは貼り合わせてある。後群２は全体として正の焦
点距離を有している。図１は、最も画角を狭くした望遠
端でのレンズ位置を示し、図２は、最も画角を広くした
広角端でのレンズ位置を示している。このバリフォーカ
ルレンズは、この望遠端と広角端との間で、前群１及び
後群２の位置を調整することができる。なお、図１及び
図２において、５はＣＣＤ、６はフィルタを示してい
る。

【００１８】前群１の非球面レンズ１ａは、従来のバリ
フォーカルレンズ（図７）の11ａ、11ｂ及び11ｃに代わ
るものであり、前群１の球面収差を補正している。この
非球面レンズ１ａは、従来に比べて、枚数が１枚で済
み、また、プラスチックで成形しているため、製造が容
易である。但し、１枚のレンズしか用いていないため、
歪曲収差の補正機能は無い。

【００１９】また、前群１の貼り合わせレンズの内、両
凹ガラス球面レンズ１ｂは従来のバリフォーカルレンズ
（図７）の11ｄに、また、両凸ガラス球面レンズ１ｃは
従来のバリフォーカルレンズ（図７）の11ｅに代わるも
のであり、この貼り合わせレンズは、前群１の色収差を
補正している。両凹ガラス球面レンズ１ｂの素材には、
ｎd（ｄ線の屈折率）が１．８０以上、νd（アッベ数）
が４６以上の高屈折率ガラスを用い、両凸ガラス球面レ
ンズ１ｃの素材には、ｎdが１．８０以上、νdが２４以
下の高屈折率ガラスを用いている。

【００２０】後群２の非球面レンズ２ａは、従来のバリ
フォーカルレンズ（図７）の12ａ及び12ｂに代わるもの
であり、後群２の球面収差を補正している。この非球面
レンズ２ａは、従来に比べて、枚数が１枚で済み、ま
た、プラスチックで成形しているため、製造が容易であ
る。但し、１枚のレンズしか用いていないため、歪曲収
差の補正機能は無い。

【００２１】また、後群２の貼り合わせレンズの内、両
凹ガラス球面レンズ２ｂは従来のバリフォーカルレンズ
（図７）の12ｃに、また、両凸ガラス球面レンズ２ｃは
従来のバリフォーカルレンズ（図７）の12ｄ及び12ｅに
代わるものであり、この貼り合わせレンズは、後群２の
色収差を補正している。両凹ガラス球面レンズ２ｂの素
材には、ｎdが１．８０以上、νdが２４以下の高屈折率
ガラスを用い、両凸ガラス球面レンズ２ｃの素材には、
ｎdが１．８０以上、νdが４６以上の高屈折率ガラスを
用いている。この貼り合わせレンズは、高屈折率ガラス
を用いているため、従来に比べて枚数を削減することが
できる。

【００２２】また、４枚のガラス球面レンズ１ｂ、１
ｃ、２ｂ、２ｃは、レンズの加工性を悪化させないた
め、いずれも、ｒ（レンズの有効半径）／Ｒ（レンズの
球面半径）を０．５５以下に設定している。

【００２３】以下に、実施形態のバリフォーカルレンズ
の具体的な設計数値を示す。 ｆ＝7.8、 Ｆナンバー＝1.78、 像高＝3.0、 物体距離＝∞ ｒ₁＝30.0（非球面） ｄ₁＝1.44 ｎ₁＝1.526 ν₁＝52.08 Ａ＝0.657×10^-6、Ｂ＝-0.257×10^-7、Ｃ＝0、Ｄ＝0 ｒ₂＝8.73 ｄ₂＝7.00 ｒ₃＝-13.26 ｄ₃＝1.50 ｎ₂＝1.804 ν₂＝46.50 ｒ₄＝15.89 ｄ₄＝7.00 ｎ₃＝1.847 ν₃＝23.78 ｒ₅＝-81.37 ｄ₅＝1.58 ｒ₆＝∞（絞り） ｄ₆＝1.18 ｒ₇＝8.78（非球面） ｄ₇＝4.13 ｎ₄＝1.526 ν₄＝52.08 Ａ＝0.119×10^-3、Ｂ＝0.745×10^-6、Ｃ＝0、Ｄ＝0 ｒ₈＝158.96（非球面）ｄ₈＝1.00 Ａ＝0.777×10^-3、Ｂ＝0.748×10^-5、Ｃ＝0、Ｄ＝0 ｒ₉＝-92.44 ｄ₉＝1.05 ｎ₅＝1.847 ν₅＝23.78 ｒ₁₀＝9.94 ｄ₁₀＝4.99 ｎ₆＝1.804 ν₆＝46.50 ｒ₁₁＝-12.03 ｄ₁₁＝7.46 ｒ₁₂＝∞ ｄ₁₂＝2.86 ｎ₇＝1.516 ν₇＝64.1 ｒ₁₃＝∞ 但し、ｒ₁、ｒ₂‥は各レンズ面の曲率半径（図１）、 ｄ₁、ｄ₂‥は各レンズの肉厚及びレンズ間隔（図１）、 ｎ₁、ｎ₂‥は各レンズの屈折率、 ν₁、ν₂‥は各レンズのアッベ数である。なお、各レン
ズに対応する屈折率及びアッベ数は次の通りである。 レンズ１ａ‥ｎ₁，ν₁ レンズ１ｂ‥ｎ₂，ν₂ レンズ１ｃ‥ｎ₃，ν₃ レンズ１ｄ‥ｎ₄，ν₄ レンズ１ｅ‥ｎ₅，ν₅ レンズ１ｆ‥ｎ₆，ν₆ また、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、次の非球面定義式の定数であ
る。

【００２４】Ｚ＝［ｃｈ²／｛１＋√（１−ｃ
²ｈ²）｝］＋Ａｈ⁴＋Ｂｈ⁶＋Ｃｈ⁸＋Ｄｈ¹⁰ ｃ＝１／ｒ

【００２５】図３は、本発明のバリフォーカルレンズの
望遠端位置における球面収差、非点収差及び歪曲収差を
示し、図４は、望遠端位置におけるタンジェンシャル及
びサジタル方向の横収差を示している。また、図５は、
本発明のバリフォーカルレンズの広角端位置における球
面収差、非点収差及び歪曲収差を示し、図６は、広角端
位置におけるタンジェンシャル及びサジタル方向の横収
差を示している。

【００２６】この特性図から明らかなように、本発明の
バリフォーカルレンズは、従来のバリフォーカルレンズ
の特性と比べて、広角端での歪曲収差は大きいが、球面
収差や非点収差、色収差は、同程度あるいは従来のもの
より小さく、また、望遠端での歪曲収差も従来と同程度
である。従って、解像度に関しては従来のバリフォーカ
ルレンズに比べて遜色がない。また、広角端の歪曲収差
は大きくても、前述するように、監視カメラに用いる場
合には実用上問題がない。

【００２７】一方、レンズの枚数は、従来のバリフォー
カルレンズが１０枚使用していたのに対して、本発明の
バリフォーカルレンズでは６枚しか使用していない。従
って、レンズの製作や組み立てが簡単になり、完成まで
に要する作業量と作業時間とを削減することができ、そ
の結果、製造コストの引き下げが可能になる。

【００２８】本発明のバリフォーカルレンズの設計条件
を数式で示すと次の通りである。 前群のフォーカス ｆ_F＜0、 後群のフォーカス ｆ_R＞0、 非球面プラスチックレンズ1a、2aの屈折率 ｎ₁，ｎ₄＜1.53、 球面ガラスレンズ（1b、1c、2b、2c）の屈折率 ｎ₂，ｎ₃，ｎ₅，ｎ₆＞1.80 球面ガラスレンズ（1b、1c、2b、2c）のｒ／Ｒ |r₃/R₃|,|r₄/R₄|,|r₅/R₅|,|r₉/R₉|,|r₁₀/R₁₀|,|r₁₁/R₁₁|＜0.55 球面ガラスレンズ１ｂのｒ及びν ｒ₃＜0、ｒ₄＞0、ν₂＞46.0 球面ガラスレンズ１ｃのｒ及びν ｒ₄＞0、ｒ₅＜0、ν₃＜24.0 球面ガラスレンズ２ｂのｒ及びν ｒ₉＜0、ｒ₁₀＞0、ν₅＜24.0 球面ガラスレンズ２ｃのｒ及びν ｒ₁₀＞0、ｒ₁₁＜0、ν₆＞46.0 非球面レンズ１ａのｒ及びｆ ｒ₁＞0、ｒ₂＞0、ｆ₁＜0 非球面レンズ２ａのｒ及びｆ ｒ₇＞0、ｒ₈＞0、ｆ₄＞0

【００２９】球面ガラスレンズ（１ｂ、１ｃ、２ｂ、２
ｃ）の屈折率を１．８０以上に設定することにより、バ
リフォーカルレンズにおけるレンズ使用枚数を減らすこ
とができる。

【００３０】また、球面ガラスレンズ（１ｂ、１ｃ、２
ｂ、２ｃ）のｒ／Ｒを０．５５以下に設定することによ
り、レンズの加工性を高めることができる。

【００３１】また、貼り合わせレンズの内、球面ガラス
レンズ１ｂ、２ｃのνを４６以上、球面ガラスレンズ１
ｃ、２ｂのνを２４以下に設定することにより色収差を
補正することができ、この条件を満たさないと、解像度
が低下する。

【００３２】なお、非球面レンズ１ａ、２ａはプラスチ
ックで形成することにより、安価に製造することができ
る。しかし、この非球面レンズ１ａ、２ａはガラスを用
いて形成しても良い。

【００３３】また、ここでは、このバリフォーカルレン
ズを監視カメラに用いる場合について説明したが、球形
に近い被写体を撮影する撮像装置や、球形に近い物体を
観察対象とする光学装置には本発明の適用が可能であ
る。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のバリフォーカルレンズは、少ないレンズ枚数で構成す
ることができ、また、光学特性に関しても実用上全く支
障がない。

【００３５】また、レンズ枚数を減らすことにより、レ
ンズの製作や組み立てに要する作業量や作業時間の削減
を図ることができ、製作コストの引き下げが可能であ
る。

【００３６】また、非球面レンズをプラスチックで成形
する場合には、一層の製作コストの引き下げが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態におけるバリフォーカルレン
ズの望遠端断面図、

【図２】実施形態のバリフォーカルレンズの広角端断面
図、

【図３】実施形態のバリフォーカルレンズの望遠端の光
学特性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）、

【図４】実施形態のバリフォーカルレンズの望遠端の光
学特性図（横収差）、

【図５】実施形態のバリフォーカルレンズの広角端の光
学特性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）、

【図６】実施形態のバリフォーカルレンズの広角端の光
学特性図（横収差）、

【図７】従来のバリフォーカルレンズの望遠端断面図、

【図８】従来のバリフォーカルレンズの広角端断面図、

【図９】従来のバリフォーカルレンズの望遠端の光学特
性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）、

【図１０】従来のバリフォーカルレンズの望遠端の光学
特性図（横収差）、

【図１１】従来のバリフォーカルレンズの広角端の光学
特性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）、

【図１２】従来のバリフォーカルレンズの広角端の光学
特性図（横収差）、

【図１３】歪曲収差を示す図、

【図１４】（ａ）カメラと球面状被写体との相対位置の
変化に伴う画角変化を示す図、（ｂ）カメラと平面状被
写体との相対位置の変化に伴う画角変化を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 前群 １ａ メニスカス凹非球面レンズ １ｂ 両凹ガラス球面レンズ １ｃ 両凸ガラス球面レンズ ２ 後群 ２ａ メニスカス凸非球面レンズ ２ｂ 両凹ガラス球面レンズ ２ｃ 両凸ガラス球面レンズ ３、13 絞り ４、14 フィルタ ５、15 ＣＣＤ 11 前群 11ａ メニスカス凹レンズ 11ｂ 凸レンズ 11ｃ メニスカス凹レンズ 11ｄ 両凹レンズ 11ｅ 凸レンズ 12 後群 12ａ 凸レンズ 12ｂ 凸レンズ 12ｃ 両凹レンズ 12ｄ 凸レンズ 12ｅ 凸レンズ 30 レンズ 40 平面被写体 50 球面被写体

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H087 KA03 PA04 PA19 PB06 QA02 QA07 QA17 QA22 QA25 QA33 QA42 QA45 RA05 RA12 RA32 RA43 RA44 SA07 SA09 SA62 SA63 SB04 SB14 UA01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絞りを挟んで前群のレンズと後群のレン
   ズとが存在し、各群のレンズが独立して可動して、広角
   から望遠まで画角を変えることができるバリフォーカル
   レンズであって、 前群のレンズは、全体として負の焦点距離を持ち、メニ
   スカス凹の非球面レンズと、貼り合わせた両凹の球面レ
   ンズと両凸の球面レンズとの３枚のレンズから成り、 後群のレンズは、全体として正の焦点距離を持ち、メニ
   スカス凸の非球面レンズと、貼り合わせた両凹の球面レ
   ンズと両凸の球面レンズとの３枚のレンズから成り、 前記球面レンズは、いずれもレンズ有効半径（ｒ）とレ
   ンズ球面半径（Ｒ）との比（ｒ／Ｒ）が０．５５以下
   で、且つ、ｄ線の屈折率（ｎd）が１．８０以上であ
   り、貼り合わせた前記両凹の球面レンズ及び両凸の球面
   レンズの一方のアッベ数（νd）が２４以下で、他方の
   νdが４６以上であることを特徴とするバリフォーカル
   レンズ。
2. 【請求項２】 前記非球面レンズが合成樹脂で形成さ
   れ、前記球面レンズがガラスで形成されていることを特
   徴とする請求項１に記載のバリフォーカルレンズ。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のバリフォーカ
   ルレンズを装着した監視カメラ。