JP2001337270A

JP2001337270A - 高被写界深度を有する多目的観察用非球面単レンズ

Info

Publication number: JP2001337270A
Application number: JP2000197296A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Ishizuki; 英昭石附
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-29
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2001-12-07

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】複雑な構造を持たず、高性能な非球面レンズ
１個を用いた極めてシンプルな構造により、高倍率撮影
においても深い被写界深度で像面に結像する光学系を設
計し、これにより優れた光学的特性を有する軽量小型な
撮影システムを提供する。【解決手段】単一非球面レンズを、レンズホルダー６
に収め、アタッチメントフレーム５にねじ込み、各種Ｃ
ＣＤカメラ本体４に組み込む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超高被写体深度の優れた
光学特性を有し、高低段差、深みのある観察物体の画像
情報を同時に正確に取り込むことができるレンズ系が必
要とされている。これらは観測プロセスを高精度化、容
易化し、画像計測、部品検査などを含めた観察、モニタ
ーの工業分野で幅広く用いられる。

【０００２】

【従来の技術】従来の比較的被写界深度の深いカメラ
は、その特性を得るため複数の球面、あるいは非球面を
含めた組合わせにより複雑な複合レンズ系からなるが、
そのレンズ口径も大型で重量も重く、取付、作動も面倒
で、価格も非常に高価であった。

【０００３】

【発明が解決しようとしている課題】従来のような複雑
な構造を持たず、高性能な非球面レンズ１個を用いた極
めてシンプルな構造により、高倍率撮影においても深い
被写界深度で像面に結像する光学系を設計する。これに
より優れた光学的特性を有する軽量小型な撮影システム
が可能になる。

【０００４】

【課題を解決するために手段】上記目的を達成するため
に、特に高被写界深度の観察、撮影目的で開発された非
球面単レンズは、レンズ設計のパラメターとしてそのレ
ンズ厚み、曲率、非球面円錐係数、非球面高次係数に工
夫がなされた。このなかでも通常見られる球面、非球面
レンズと異なり、加工性、制作時の経済性を無視し、レ
ンズ厚をより厚くする設計上の工夫がなされた。

【０００５】

【作用】上記のように特別に設計された非球面単レンズ
を使用した観察光学系では、高倍率接写撮影においても
非常に被写界深度が深く、カメラを固定しなくても観察
時の手ぶれが少ない。かつ、部品の側面方向からの観察
も可能になった。また従来の球面レンズと異なり、レン
ズの枚数を減らしたことによりＦ値の小さい明るいレン
ズが可能になった。

【０００６】

【実施例】実施例について図面を参照して説明する。図
１は本発明による高倍率高被写界深度の非球面単レンズ
特性を示すものであり、（ａ）がそのレンズ形状等を特
徴づけるデーターである。この表の最上段は、レンズ半
径、厚み、材質、レンズ外径（直径の半分）、非球面単
レンズ円錐係数の数値が記されているが、高次非球面係
数は省かれている。左端の列には、物体位置、第一面、
第二面、像面の順に記述されており、この表にから物体
位置はレンズの前面から２５ｍｍ、レンズの厚みは５．
５ｍｍ、レンズ後端面から結像位置までは８．８１８６
ｍｍとなる。又、第一面のレンズ半径は３．６０８６ｍ
ｍ，レンズ外径（直径の半分）は２．５ｍｍ、非球面レ
ンズの円錐係数は−１．０２２４で、第二面に対しては
それぞれ、−９．８４４１ｍｍ、２．５ｍｍ、−１９．
６８３８となる。像面の外径（直径の半分）は１．８ｍ
ｍとなっているが、ほぼ１／３吋ＣＣＤ素子の対角長に
相当する使用する。図１の（ｂ）は、このレンズ形状、
位置設定の条件のもとに、被写体からの入射半画角が０
°、６°、８°に対し光線追跡を行った図である。絞り
はデーター（ａ）の左欄ＳＴＯ表示の位置に対応し、レ
ンズ前面に設けられており、この図の絞り外径は直径φ
３ｍｍである。（ｃ）は、左が色収差の特性を示すもの
でＢ、Ｇ、Ｒの三波長について示してあるが、非球面単
レンズに対しかなり収差が補正されている。右は歪曲収
差を示すもので、画面の端に至るまで高々１％以内の収
差に留まっている。図１の（ｄ）は収差の判定基準とな
るいわゆるザイデルの５収差と色収差（縦収差ＣＬＡ、
横収差ＣＴＲ）が示されている。表の全ての収差係数は
かなり低いものと判断され、通常の古典的な球面の３枚
玉レンズと比して極めて優れた単レンズと言える。

【０００７】図２は本発明のレンズによる被写界深度を
論ずるものである。この場合、像面の位置は図１に示す
ように、レンズ後端面より８．８１８６ｍｍの位置に固
定した。被写体の基準位置はレンズ前面から２５ｍｍに
あるが、これを±１ｍｍ前後したときの、光学的伝達
関数（ＭＴＦ）とスポット像の変化を示す。図２の
（ａ）は基準位置より１ｍｍ遠ざけ、物点位置が２６ｍ
ｍの場合で、各入射半画角０°、６°、８°に対応する
ＭＴＦが示される。横軸の右端は最大１００本／ｍｍの
空間周波数を示す。各画角に対し縦収差、横収差の２方
向のＭＴＦがあり、特に０°に対してはそれが重なって
いる。画面の中心部付近で１００本／ｍｍ程度の解像度
の特性を有している。（ｂ）はそのスポット像を示すも
ので、図の四角な升目は一辺が１００ミクロンに対応す
る。従って周辺においても、中心部とそれ程変わらない
スポット集光像が示される。（ｃ）は被写体の基準位置
２５ｍｍにおけるＭＴＦであり、画角によらずその値が
平均化している。（ｄ）はそのスポット像を示すもの
で、画角が高くなっても集光特性が良いことが明確であ
る。物点位置が２４ｍｍの場合の（ｅ）では、ＭＴＦの
入射角度依存性が、上記の（ａ）と逆転している。以上
のデーターから、±１ｍｍの被写体位置の変化に際し解
像度の急激な劣化がないことが分かる。実際のＣＣＤカ
メラを用いた高倍率モニター画面でも、目視判断でおよ
そ±１．５ｍｍ以上に渡る被写界深度が認められる。こ
こで我々が記述する高倍率は、レンズ自体の拡大倍率が
およそ０．８〜１倍以上であり、１４吋モニター画面の
倍率が５０〜６０倍に相当する時の拡大倍率を言う。
又、高被写界深度は、目視判断で±１．０ｍｍ〜±１．
５ｍｍ以上の被写界深度が得られる場合を意味してい
る。

【０００８】図３は上記の接写拡大とは別に、図１と全
く同じレンズを用いて３１５ｍｍの近距離にある被写体
を観察した時のレンズデーター、光学特性を示す。図３
の（ａ）は、図１の（ａ）と全くレンズの向きが逆（入
射光に対しレンズの第一面と第二面を入れ替える）にし
たデーターである。ここでの結像位置はレンズの後端か
ら６．７８９５ｍｍにある。図３の（ａ）の第一面は光
線追跡表示を分かりやすくするために挿入した仮想面で
ある。図３の（ｂ）は、入射半画角が０°、２°、４
°、８°、１２．５°の場合に対し、それぞれ光線追跡
したものである。図３の（ｃ）はそれぞれの画角に対応
するＭＴＦで、１００本／ｍｍ以上の高解像度でモニタ
ーされる。図３の（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、図１、図
２で説明した光学特性の各項目とそれぞれ対応してい
る。

【０００９】図４は、レンズ後端からの結像位置を図３
の（ａ）に示した位置に固定し、物体の位置を変えた場
合の光学特性を示す。図４の（ａ）、（ｂ）は物点の位
置がレンズの前面からそれぞれ１６５ｍｍ、無限遠の場
合の光線追跡を示すものである。著しい距離の相違にも
関わらず、光線追跡からの際立った変化は認められな
い。（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は物点がそれぞれ１６５ｍ
ｍ、１０００ｍｍ、無限遠に位置した場合のＭＴＦの曲
線で、（ｆ）、（ｈ）、（ｉ）は対応するスポット像で
ある。従って結像位置を固定した場合でも、最近接１５
０ｍｍから無限遠に至るまで余り光学特性変わらないを
ことが分かる。即ち、単一レンズを使用した固定焦点の
光学系で、近接から無限遠までの範囲が同時に撮影可能
な、非常に被写体深度の深い画像を明確になった。この
他、本発明による産業用の応用例では、電子基板上の部
品を高倍率接写モニター時に２ｍｍ〜３ｍｍ程度の段差
のある部品上の文字認識が、固定焦点位置で同時に認識
可能になった。これは同時に、手持ち撮影でも手ぶれの
影響が少ないこと、観察基板を斜めに傾けて測定しても
焦点ずれが少ないこと等のレンズ特性を示しており、従
来よりも極めて優れた新しい観察手法が可能になった。
又、絞りの外径をφ４ｍｍ程度にしても実際上画質に殆
ど影響ないため、明るさはＦ２．０程度で高倍率観察に
際しても特別な照明を施す必要がなく、通常の室内照明
で十分モニターが可能である。複数枚のレンズ系に比し
て、ＬＥＤ素子を用いた照明機構を省くことができるの
で、この発明による産業上のメリットは非常に大きい。
ここで高倍率接写撮影から近距離撮影、無限遠撮影の切
り替えは、入射光に対しレンズの面を逆向きに入れ替え
る方法を採る。

【００１０】上記のように、接写〜無限遠までの広範囲
な被写体位置に渡り焦点深度の深い設計は、我々が繰り
返し非球面単レンズの設計、研削試作を繰り返すことに
より習得した技術であり、本発明の中に生かされてい
る。レンズ外径で直径をＨ、単レンズの厚みをＤとする
と、この条件は経験的に、Ｄ／Ｈ≧ ０．８〜１とな
る。従来の球面レンズの設計では色収差をなくすためで
きる限りレンズ厚を薄くし、また市販の非球面単レンズ
は非常に薄い厚みのものが用いられており、本発明によ
る厚みのレンズは見られない。その意味で我々の方法は
全く独自な発明と考えられる。我々の他の非球面単レン
ズの設計例では、Ｈ＝φ２０ｍｍ、Ｄ＝２０ｍｍの通常
では考えられない厚みを持たせることにより、優れた光
学特性が引き出されている。

【００１１】図５はこのレンズを用いた実際のＣＣＤカ
メラに取付、撮影を可能な商品に開発した例で、（ａ）
は本発明により特に設計された非球面単レンズを用い、
取付を小型、軽量化したものであり、ＣＣＤカメラ本体
４にレンズアタッチメント５がネジで着脱される方式に
なっている。レンズホルダー６はアタッチメントフレー
ム５に対しネジ回転で前後し、その内部に収納されてい
る非球面単レンズの位置を変えて、ＣＣＤに対する結像
距離を調節する。単レンズの外径がφ５ｍｍであるの
で、アタッチメントフレーム５の外径を、市販のＣＣＤ
カメラに比して極めて小型にすることができる。この場
合レンズアタッチメント５は外径がφ２５ｍｍ、厚みが
５ｍｍ程度のサイズであり、レンズの重量も含めて極め
て軽量で且つ小型なため、手持ち撮影が容易である。
（ｂ）はこのレンズを、市販のＣマウント型の取付ネジ
を有するＣＣＤカメラに簡易取り付けできる様、非球面
単レンズを着脱する方法を示したものである。この時Ｃ
マウントネジの大きさに取付機構をマッチさせるため、
アタッチメントフレーム５の外径は多少大きくなるが、
厚みは上記（ａ）と同程度で、市販の取付レンズに比し
て遙かに軽量小型である。従ってまた観察時の操作性が
すぐれ、たとえば電子基板の観察時に部品の狭い配置に
際しても、大きな外径のレンズフレームが近接高倍率観
察撮影の障害となることが少ない。

【００１２】

【発明の効果】本発明は、上記の通りに構成されている
ので、下記に記載される効果を生む。接写高倍率撮影か
ら無限遠までの撮影が１枚構成のレンズにより可能とな
り、１４吋ＴＶモニタ画面上で、例えば８０倍の高倍率
観察でも通常の室内照明のみで観察可能な明るいレンズ
が設計された。しかも、非常に被写界深度が深いため、
各種産業での種々の観察目的で利用され観測の性能向上
に役立てられ、手ぶれが少なく高倍率でも手持ち撮影が
可能となった。これは容易にＣＣＤカメラなどの撮像系
に着脱可能であり、小型軽量の機構の実現により、操作
性に優れたアタッチメントの制作が可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】接写高倍率撮影における単一非球面レンズのデ
ーターとその特性

【図２】接写高倍率観察における、被写体深度特性

【図３】近距離撮影における単一非球面レンズのデータ
ーとその特性

【図４】近距離から無限遠観察における、被写体深度特
性

【図５】レンズを、ＣＣＤカメラに取り付けた外観図

【符号の説明】

１非球面レンズ２被写体３像面４ＣＣＤカメラ本体５アタッチメントフレーム６レンズホルダー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高被写界深度の特性を有し、図１のデー
ター（ａ）に示される非球面形状を有する単レンズ。
【請求項２】高拡大倍率、高被写界深度特性を有し、
ＣＣＤあるいはＭＯＳの素子等から構成されるカメラ
に、非球面単レンズを取付ける使用方法。
【請求項３】図５に示される手法を用い、ＣＣＤある
いはＭＯＳの素子等から構成されるカメラに、非球面単
レンズを取付ける機構。
【請求項４】高被写界深度の特性を引き出すため、レ
ンズ厚に対するレンズ外径（直径）の比率が０．８〜１
以上の条件で設計された非球面単レンズ。
【請求項５】高倍率観察時と通常の近接撮影〜無限遠
までの２通りの観察方法において、入射光に対しレンズ
の向きを逆にしその高性能観察を可能にする非球面単レ
ンズ。