JP2005249983A

JP2005249983A - 広角レンズ

Info

Publication number: JP2005249983A
Application number: JP2004058383A
Authority: JP
Inventors: Yoshimitsu Ohara; 由充大原; Yasuhiko Abe; 泰彦阿部
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】小型及び安価で、量産可能な、画角の大きい広角レンズを提供する。
【解決手段】物体側に凸面を向けた負の屈折力をもつメニスカス形状の第１レンズ１、物体側及び像面側に凸面を向けた正の屈折力をもつ両凸形状の第２レンズ２、第１レンズと第２レンズとの間に配置された開口絞り４を備え、第１レンズ１は物体側及び像面側の両面が非球面をなすように樹脂材料により形成され、第２レンズ２は、両凸状のガラスレンズ２ａ、その両側面に接合された樹脂製の第１コーティング膜２ｂ及び第２コーティング膜２ｃからなり、第１コーティング膜２ｂの物体側の面又は第２コーティング膜２ｃの像面側の面は非球面に形成されている。これにより、諸収差が良好に補正され、安価で、画角の大きい光学性能の高い広角レンズを得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の撮像素子を備えたデジタルスチルカメラ、ビデオカメラ等に適用される広角レンズに関し、特に監視カメラ、車載用のバックモニター等に適用される小型で画角が大きい広角レンズに関する。

従来、物体側に負の屈折力をもつ第レンズと像面側に正の屈折力をもつ第２レンズとを配置した２群２枚構成からなる（いわゆるレトロフォーカスタイプの）レンズは、少ない枚数で広い画角が得られるため、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳ等の撮像素子を備えたデジタルカメラ、車載用のモニターカメラ、監視用のカメラ等に使用されてきた。
このような２群２枚構成の広角レンズとしては、例えば、２枚のレンズを共にガラス材料により形成したものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

特開２０００−１７１７００号公報特開平１０−１０４５１１号公報特開平０７−３１８７９９号公報

ところで、上記従来の広角レンズにおいては、ガラス材料によりレンズを形成しているため、諸収差を良好に補正するためにレンズの形状を非球面化しようとすると、複雑な形状の作製が困難であるが故に高コストになる。
一方、樹脂材料（プラスチック材料）を用いて非球面を形成する場合は、比較的加工が容易であり、安価で軽量化できるという利点があるものの、単に樹脂材料により形成するだけでは、軸上色収差、倍率色収差等の補正が困難になるという問題がある。

本発明は、上記の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、２群２枚のレンズからなるシンプルな構成であるにも拘わらず、樹脂材料を使用して、小型化、低コスト化、軽量化、生産性の向上等を図りつつ、軸上色収差、倍率色収差等の諸収差を良好に補正でき、特に画角（２ω）が７０°を超える光学性能を有し、監視用のカメラ、車載用のモニターカメラ等に使用されるのに適した広角レンズを提供することにある。

本発明の広角レンズは、物体側から像面側に向けて順に、物体側に凸面を向けた負の屈折力をもつメニスカス形状の第１レンズと、物体側及び像面側に凸面を向けた正の屈折力をもつ両凸形状の第２レンズと、第１レンズと第２レンズとの間に配置された開口絞りと、を備えた広角レンズであって、上記第１レンズは、樹脂材料により、物体側及び像面側の両面が非球面をなすように形成され、上記第２レンズは、両凸状のガラスレンズ、ガラスレンズの物体側の面に接合された樹脂材料の第１コーティング膜、及びガラスレンズの像面側の面に接合された樹脂材料の第２コーティング膜からなり、第１コーティング膜の物体側の面又は第２コーティング膜の像面側の面は、非球面をなすように形成されている、ことを特徴としている。
この構成によれば、負の屈折力をもつ第１レンズと正の屈折力をもつ第２レンズとの２群２枚構成とし、レンズの屈折力を適切に設定することで、広い画角が得られると共に歪曲収差等が良好に補正される。また、樹脂材料で第１レンズを形成すると共に非球面を採用し、かつ、ガラスレンズの両面に樹脂コーティングを施して第２レンズを形成すると共に非球面を採用したことにより、軸上色収差、倍率色収差等が良好に補正され、安価で、光学性能の高い広角レンズを得ることができる。

上記構成において、レンズ全系の焦点距離をｆ、及び第１レンズの物体側の面から結像面までの光軸上の間隔をＴＬとするとき、
（１）ＴＬ／ｆ＜６．３５２、
を満足する、構成を採用することができる。
この構成によれば、レンズ系の全長とレンズ全系の焦点距離との比を適切に設定することで、広角レンズの小型化、薄型化を達成することができる。

上記構成において、第１レンズの像面側の面から開口絞りまでの光軸上の間隔をＤ２、及び開口絞りから第２レンズの物体側の面までの光軸上の間隔をＤ３とするとき、
（２）２．０００＜Ｄ２／Ｄ３＜２．５００、
を満足する、構成を採用することができる。
この構成によれば、高い像高であっても非点収差等が良好に補正され、又、結像面が撮像素子に対して倒れることなく、高い光学性能が得られる。

上記構成において、第２レンズに関して、第１コーティング膜の光軸上の厚みをＤ４、ガラスレンズの光軸上の厚みをＤ５、及び第２コーティング膜の光軸上の厚みをＤ６とするとき、
（３）０．０４５＜Ｄ４／Ｄ５＜０．１１７、
（４）０．０７５＜Ｄ６／Ｄ５＜０．１５０、
を満足する、構成を採用することができる。
この構成によれば、高い像高であっても非点収差等が良好に補正され、又、結像面が撮像素子に対して倒れることなく、高い光学性能が得られる。

上記構成において、レンズ全系の焦点距離をｆ、第１レンズの焦点距離をｆ１、及び第２レンズの焦点距離をｆ２とするとき、
（５）１．３５０＜│ｆ１│／ｆ＜１．４７８、
（６）１．５２３＜ｆ２／ｆ＜１．５５０、
を満足する、構成を採用することができる。
この構成によれば、高い像高であっても、結像面が光軸方向に前方あるいは後方に倒れることなく、又、メリジオナル断面方向の結像面の倒れも防止でき、高い光学性能が得られる。

上記構成において、第１レンズの光軸上の厚みをＤ１、及び第２レンズの光軸上の厚みをＤｔとするとき、
（７）０．２６５＜Ｄ１／Ｄｔ＜０．５００、
を満足する、構成を採用することができる。
この構成によれば、メリジオナル断面方向の結像面の倒れを防止でき、又、非点収差等の諸収差を良好に補正でき、高い光学性能が得られる。

上記のように、本発明の広角レンズによれば、軽量化、生産性の向上等が達成され、軸上色収差、倍率色収差等の諸収差が良好に補正されて、特に画角（２ω）が７０°を超える光学性能を有し、監視用のカメラ、車載用のモニターカメラ等に使用されるのに適した、安価でかつ小型の広角レンズを得ることができる。

以下、本発明の最良の実施について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１及び図２は、本発明に係る広角レンズの一実施形態を示すものであり、図１はその基本構成図、図２はその光線図である。
この広角レンズにおいては、図１及び図２に示すように、光軸方向Ｌに沿って物体側から像面側に向けて、全体として負の屈折力を有する第１レンズ１と、全体として正の屈折力を有する第２レンズ２とが、順次に配列されている。

また、上記の配列構成において、第２レンズ２の後方には、赤外線カットフィルタ、ローパスフィルタ等のガラスフィルタ３が配置され、その後方にＣＣＤ等の結像面Ｐが配置されることになる。
さらに、第１レンズ１と第２レンズ２との間には、所定の口径をなす開口絞り（明るさ絞り）４が配置されている。

ここで、第１レンズ１の焦点距離はｆ１、第２レンズ２の焦点距離はｆ２、レンズ全系の焦点距離はｆで表わされる。また、第１レンズ１、開口絞り４、第２レンズ２、ガラスフィルタ３においては、図１に示すように、それぞれの面をＳｉ（ｉ＝１〜９）、それぞれの面Ｓｉの曲率半径をＲｉ（ｉ＝１〜９）、第１レンズ１、第２レンズ２、ガラスフィルタ３のｄ線に対する屈折率をＮｉ及びアッベ数をνｉ（ｉ＝１〜３）で表す。さらに、第１レンズ１〜ガラスフィルタ３までのそれぞれの光軸方向Ｌにおける（光軸上の）間隔（厚さ、空気間隔）をＤｉ（ｉ＝１〜８）、ガラスフィルタ３〜結像面ＰまでのバックフォーカスをＢＦで表す。但し、第２レンズ２においては、後述するガラスレンズ２ａ、第１コーティング膜２ｂ、第２コーティング膜２ｃのそれぞれの屈折率をＮ２ａ，Ｎ２ｂ，Ｎ２ｃ、アッベ数をν２ａ，ν２ｂ，ν２ｃ、光軸上の肉厚をＤ５，Ｄ４，Ｄ６、全体としての光軸上の肉厚をＤｔ（＝Ｄ４＋Ｄ５＋Ｄ６）で表す。

第１レンズ１は、樹脂材料（プラスチック材料）により形成されており、物体側の面Ｓ１が凸面に形成されかつ像面側の面Ｓ２が凹面に形成されたメニスカス形状のレンズである。また、第１レンズ１の物体側の面Ｓ１と像面側の面Ｓ２とは、共に非球面に形成されている。
このように、第１レンズ１を樹脂材料により形成することで、ガラス材料を用いる場合に比べて、安価に形成することができ、レンズ形状の自由度が増し、非球面も容易に形成することができる。

第２レンズ２は、両凸のガラスレンズ２ａ、ガラスレンズ２ａの物体側の面Ｓ５に接合された樹脂材料の第１コーティング膜２ｂ、ガラスレンズ２ａの像面側の面Ｓ６に接合された樹脂材料の第２コーティング膜２ｃにより形成された、ハイブリッドレンズである。
そして、第１コーティング膜２ｂの物体側の面Ｓ４又は第２コーティング膜２ｃの像面側の面Ｓ７は、非球面に形成されている。ここでも、第１コーティング膜２ｂ及び第２コーティング膜２ｃが樹脂材料により形成されているため、レンズの面形状の自由度が増し、非球面を容易に形成することができる。

このように、基本構成として、負の屈折力をもつ第１レンズ１と正の屈折力をもつ第２レンズ２とを採用し、レンズの屈折力を適切に設定することで、広い画角を確保すると共に、歪曲収差（ディストーション）を良好に補正している。
また、広角化に伴い第１レンズ１の外径が大きくなってレンズの深さが深くなる傾向にあるが、物体側に配置した第１レンズ１を開口絞り４に近づけることで、第１レンズ１の外径を小径化でき、より製造し易い形状にすることができる。
さらに、第２レンズ２の光軸上の肉厚Ｄｔ（＝Ｄ４＋Ｄ５＋Ｄ６）を、十分な厚さとすることにより、第２レンズ２のコバ厚を確保でき、又、歪曲収差を軽減でき、射出角度を穏やかにすることができる。

ここで、第レンズ１、第２レンズ２に形成する非球面を表す式は、次式で規定される。
Ｚ＝Ｃｙ^２／［１＋（１−εＣ^２ｙ^２）^１／２］＋Ｄｙ^４＋Ｅｙ^６＋Ｆｙ^８＋Ｇｙ^１０、
ただし、Ｚ：非球面の頂点における接平面から，光軸Ｌからの高さがｙの非球面上の点までの距離、ｙ：光軸からの高さ、Ｃ：非球面の頂点における曲率（１／Ｒ）、ε：円錐定数、Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ：非球面係数である。

また、上記構成においては、レンズ全系の焦点距離ｆと、第１レンズ１の物体側の面Ｓ１から結像面Ｐまでの光軸上の間隔ＴＬとが、次式（１）、
（１）ＴＬ／ｆ＜６．３５２、
を満足するように形成されている。
条件式（１）は、レンズ全系の光軸方向の寸法（レンズ全系の全長）とレンズ全系の焦点距離との適切な比を定めて、レンズの薄型化に関する条件を規定したものである。すなわち、ＴＬ／ｆの値がこの条件式を満たすことにより、広角レンズの小型化、薄型化を達成することができる。

また、上記構成においては、第１レンズ１の像面側の面Ｓ１から開口絞り４までの光軸上の間隔Ｄ２と、開口絞り４から第２レンズ２の物体側の面Ｓ４までの光軸上の間隔Ｄ３とが、次式（２）、
（２）２．０００＜Ｄ２／Ｄ３＜２．５００、
を満足するように形成されている。
条件式（２）は、それぞれのレンズ１，２と開口絞り４との間の間隔の適切な比を定めたものである。すなわち、Ｄ２／Ｄ３の値が上限値を超えると、高い像高で非点収差が発生して十分な光学性能が得られず、又、Ｄ２／Ｄ３の値が下限値を下回ると、結像面が撮像素子に対して後方に倒れて十分な光学性能が得られなくなる。
したがって、この条件式を満たすことにより、高い像高であっても非点収差等が良好に補正され、又、結像面が撮像素子に対して倒れることなく、高い光学性能が得られる。

また、上記構成においては、第２レンズ２に関して、第１コーティング膜２ｂの光軸上の厚みＤ４、ガラスレンズ２ａの光軸上の厚みＤ５、及び第２コーティング膜２ｃの光軸上の厚みＤ６が、次式（３），（４）、
（３）０．０４５＜Ｄ４／Ｄ５＜０．１１７、
（４）０．０７５＜Ｄ６／Ｄ５＜０．１５０、
を満足するように形成されている。
条件式（３），（４）は、良好な光学性能を得るべく、コーティング膜２ｂ，２ｃとガラスレンズ２ａとのそれぞれの厚さの適切な比を定めたものである。すなわち、この条件式（３）を逸脱すると、高い像高で非点収差が発生し、結像面が物体側に倒れて結像性能が劣ることになり、又、条件式（４）を逸脱すると、高い像高で結像面が物体側に倒れて十分な光学性能が得られない。
したがって、この条件式（３），（４）を満たすことにより、高い像高であっても非点収差等が良好に補正され、又、結像面が撮像素子に対して倒れることなく、高い光学性能が得られる。

また、上記構成においては、レンズ全系の焦点距離ｆ、第１レンズ１の焦点距離ｆ１、及び第２レンズ２の焦点距離ｆ２とが、次式（５），（６）、
（５）１．３５０＜│ｆ１│／ｆ＜１．４７８、
（６）１．５２３＜ｆ２／ｆ＜１．５５０、
を満足するように形成されている。
条件式（５），（６）は、第１レンズ１及び第２レンズ２の良好な光学性能を達成するべく、光学系のパワー配置に関する条件を定めたものである。すなわち、│ｆ１│／ｆの値が上限値を超えると、高い像高に行くにしたがって結像面が前方に倒れ、一方、│ｆ１│／ｆの値が下限値を下回ると、高い像高に行くにしたがって結像面が後方に倒れて十分な光学性能が得られない。また、│ｆ２│／ｆの値が上限値を超えると、メリジオナル断面方向の結像面が後方に倒れ、一方、│ｆ２│／ｆの値が下限値を下回ると、全体的に結像面が撮像素子に対して後方に倒れて十分な光学性能が得られない。
したがって、これらの条件式（５），（６）を満たすことにより、高い像高であっても、結像面が光軸方向に前方あるいは後方に倒れることなく、又、メリジオナル断面方向の結像面の倒れも防止でき、高い光学性能が得られる。

さらに、上記構成においては、第１レンズ１の光軸上の厚みＤ１、及び第２レンズ２の光軸上の厚みＤｔ（＝Ｄ４＋Ｄ５＋Ｄ６）が、次式（７）、
（７）０．２６５＜Ｄ１／Ｄｔ＜０．５００、
を満足するように形成されている。
条件式（７）は、第１レンズ１と第２レンズ２との肉厚の適切な比を定めたものである。すなわち、Ｄ１／Ｄｔの値が上限値を超えると、メリジオナル断面方向の結像面が後方に倒れ、一方、Ｄ１／Ｄｔの値が下限値を下回ると、非点収差が発生し、結像面が撮像素子に対して後方に倒れて十分な光学性能が得られない。
したがって、この条件式（７）を満たすことにより、メリジオナル断面方向の結像面の倒れを防止でき、又、非点収差等の諸収差を良好に補正でき、高い光学性能が得られる。

上記の構成からなる広角レンズの具体的な数値による実施例を、実施例１及び実施例２として、以下に示す。

実施例１の広角レンズにおける主な仕様諸元は表１に、種々の数値データ（設定値）は表２に、非球面に関する数値データは表３にそれぞれ示される。
また、条件式（１）〜（７）の数値データは、ＴＬ／ｆ＝６．１１５、Ｄ２／Ｄ３＝２．４００、Ｄ４／Ｄ５＝０．０５、Ｄ６／Ｄ５＝０．０８３、│ｆ１│／ｆ＝１．４２４、ｆ２／ｆ＝１．５４６、Ｄ１／Ｄｔ＝０．３８２、となる。

また、球面収差、非点収差、歪曲収差（ディスト−ション）、倍率色収差に関する収差線図は、図３に示されるような結果となる。尚、図３及び後述する図４において、ｄはｄ線による収差、ｇはｇ線による収差、ｃはｃ線による収差をそれぞれ示し、又、ＳＣは正弦条件の不満足量を示し、ＤＳはサジタル平面での収差、ＤＴはメリジオナル平面での収差を示す。

以上の実施例１においては、レンズ系全長（第１レンズ１の前面Ｓ１〜像面Ｐ）が１０．０８９ｍｍ、バックフォーカス（空気換算）が１．１９ｍｍ、Ｆナンバーが２．４７１、画角（２ω）が１２８．３°となり、薄型（全長が短い）かつ小型で、諸収差が良好に補正された画角（２ω）が非常に大きい、光学性能の高い広角レンズが得られる。

実施例２の広角レンズにおける主な仕様諸元は表４に、種々の数値データ（設定値）は表５に、非球面に関する数値データは表６にそれぞれ示される。
また、条件式（１）〜（７）の数値データは、ＴＬ／ｆ＝６．０９０、Ｄ２／Ｄ３＝２．４００、Ｄ４／Ｄ５＝０．０５、Ｄ６／Ｄ５＝０．０８３、│ｆ１│／ｆ＝１．４４７、ｆ２／ｆ＝１．５４２、Ｄ１／Ｄｔ＝０．３８２、となる。
また、球面収差、非点収差、歪曲収差（ディスト−ション）、倍率色収差に関する収差線図は、図４に示されるような結果となる。

以上の実施例２においては、レンズ系全長（第１レンズ１の前面Ｓ１〜像面Ｐ）が１０．０９８ｍｍ、バックフォーカス（空気換算）が１．１９ｍｍ、Ｆナンバーが２．４７５、画角（２ω）が１３０．３°となり、薄型（全長が短い）かつ小型で、諸収差が良好に補正された画角（２ω）が非常に大きい、光学性能の高い広角レンズが得られる。

以上述べたように、本発明の広角レンズは、撮像素子を備えたデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等のレンズ光学系として適用されるのは勿論のこと、特に監視用のカメラ、車載用のバックモニターカメラ等のレンズ光学系として好適に利用される。

本発明に係る広角レンズの一実施形態を示す構成図である。図１に示す広角レンズにおける光線図である。実施例１に係る広角レンズにおいて、球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差の各収差を示す収差図である。実施例２に係る広角レンズにおいて、球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差の各収差を示す収差図である。

符号の説明

１第１レンズ
２第２レンズ
２ａガラスレンズ
２ｂ第１コーティング膜
２ｃ第２コーティング膜
３ガラスフィルタ
４開口絞り
Ｄ１〜Ｄ８光軸上の間隔
Ｐ結像面
Ｒ１〜Ｒ９曲率半径
Ｓ１〜Ｓ９面
ＢＦバックフォーカス
Ｌ光軸

Claims

物体側から像面側に向けて順に、物体側に凸面を向けた負の屈折力をもつメニスカス形状の第１レンズと、物体側及び像面側に凸面を向けた正の屈折力をもつ両凸形状の第２レンズと、第１レンズと第２レンズとの間に配置された開口絞りと、を備えた広角レンズであって、
前記第１レンズは、樹脂材料により、物体側及び像面側の両面が非球面をなすように形成され、
前記第２レンズは、両凸状のガラスレンズ、前記ガラスレンズの物体側の面に接合された樹脂材料の第１コーティング膜、及び前記ガラスレンズの像面側の面に接合された樹脂材料の第２コーティング膜からなり、
前記第１コーティング膜の物体側の面又は前記第２コーティング膜の像面側の面は、非球面をなすように形成されている、
ことを特徴とする広角レンズ。
レンズ全系の焦点距離をｆ、及び前記第１レンズの物体側の面から結像面までの光軸上の間隔をＴＬとするとき、
（１）ＴＬ／ｆ＜６．３５２、
を満足する、ことを特徴とする請求項１記載の広角レンズ。
前記第１レンズの像面側の面から前記開口絞りまでの光軸上の間隔をＤ２、及び前記開口絞りから前記第２レンズの物体側の面までの光軸上の間隔をＤ３とするとき、
（２）２．０００＜Ｄ２／Ｄ３＜２．５００、
を満足する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の広角レンズ。
前記第２レンズにおいて、前記第１コーティング膜の光軸上の厚みをＤ４、前記ガラスレンズの光軸上の厚みをＤ５、及び前記第２コーティング膜の光軸上の厚みをＤ６とするとき、
（３）０．０４５＜Ｄ４／Ｄ５＜０．１１７、
（４）０．０７５＜Ｄ６／Ｄ５＜０．１５０、
を満足する、ことを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の広角レンズ。
レンズ全系の焦点距離をｆ、前記第１レンズの焦点距離をｆ１、及び前記第２レンズの焦点距離をｆ２とするとき、
（５）１．３５０＜│ｆ１│／ｆ＜１．４７８、
（６）１．５２３＜ｆ２／ｆ＜１．５５０、
を満足する、ことを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の広角レンズ。
前記第１レンズの光軸上の厚みをＤ１、及び前記第２レンズの光軸上の厚みをＤｔとするとき、
（７）０．２６５＜Ｄ１／Ｄｔ＜０．５００、
を満足する、ことを特徴とする請求項１ないし５いずれかに記載の広角レンズ。