JP2005321742A

JP2005321742A - 超広角高解像度レンズ

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Publication number: JP2005321742A
Application number: JP2004166394A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Ishizuki; 英昭石附
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2005-11-17

Abstract

【課題】小型・軽量で高解像度の広角レンズを製作する。
【解決手段】
物体側より順におかれた第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズの三枚構成のレンズからなる光学系において、第２レンズはメニスカス形状の非球面でありその凹面を第１レンズ方向に向け、絞りを第３レンズの直前に配置した機構により広角高解像度を達成する。第１、第２及び第３レンズの各焦点距離をｆ１、ｆ２、ｆ３、全系の焦点距離をｆ、第１および第２レンズの合成焦点距離をｆ１２、第１レンズの先端から結像面までの全長をＴＴＬ、第２レンズと絞りとの距離をｄ４、絞りと第３レンズとの距離をｄ５とすると次の条件を満足する。
−１９９＜ｆ２／ｆ＜２９２の条件、ＴＴＬ＜１３．６ｍｍにあっては１．０ｍｍ≦ｆ１２≦５．０ｍｍ、ＴＴＬ≧１３．６ｍｍにあっては−３０．０ｍｍ≦ｆ１２≦−６．０ｍｍの条件、−０．０３＜ｄ５／ｄ４＜０．２の条件、−５．５＜ｆ１／ｆ＜−０．８の条件及び、１．１＜ｆ３／ｆ＜３．８の条件である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子を用いた車載用、携帯電話用、盗難防止用などのあらゆる監視目的に使われる小型、軽量で、非常に広角な水平視野角を有するレンズに関する物である。

従来の技術として、小型、軽量化、低価格化のために、２〜３枚構成の球面あるいは非球面形状ので、ガラス又はプラスチックレンズ素材を用いた構成からなる超広角レンズが知られている。しかし、このレンズは超広角において極めてコマ収差などの点から解像度が悪く、いわゆる魚眼レンズとしての樽型の歪曲収差が大きかった。
特願平７−１９５９２３特開２００３−１９５１６１特開平７−７２３８２特開２００２−２４４０３１特願２００２−２４２２３１特願２００１−３９０２３３特許第３４０９２４８号特開平６−３４８７８

従来の高性能魚眼レンズは、収差を除去するためレンズ枚数を非常に多くし（例えば、８枚から１０枚以上の球面ガラスレンズ構成からなる）、明るさを確保するための大きな口径の大型レンズ系が用いられていた。しかしながら、特に最近、ＣＣＤを含めた光学センサーによる読取り用に、小型軽量化のため球面を含む非球面レンズを用いた２〜３枚のレンズ枚数からなる光学系が用いられるようになった。本発明ではこれら少数枚のレンズ構成からなる超広角レンズの性能を向上させるため、収差を改善し高解像度なＭＴＦ（光学的変調伝達関数）の特性を持つ安価な超広角レンズを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明の超広角レンズは、物体側から像側方向へと、負のパワーを有する第１レンズと、第２レンズ、及び正のパワーを有する第３レンズの三枚レンズにより構成される。ここで第２レンズは、従来見受けられる結像光学系においては、像面側に凹面を向けたメニスカス形状を有する光学設計がなされているが、本発明ではこれとは逆に、第２レンズを第１レンズと向き合う方向すなわち物体面側に凹面を向けることにより、超広視野角における光学的性能の改善を実現した。また、像面のセンサーに入射する光線の入射角度、即ち、第３レンズを射出する光線の角度を低角度に押さえることの必要性から、前記条件と合わせ、絞りの位置を調整し第３レンズのほぼ直前に配位する新規な設計を行った。これらの詳細な数値的条件を下記に示す。

まず本発明による第１レンズの焦点距離ｆ１は、−５．５＜ｆ１／ｆ＜−０．８の範囲にある。第２レンズは物体面側に凹面を向けた方向に配位し、その焦点距離ｆ２はレンズ全系の焦点距離をｆとした時、−１９９＜ｆ２／ｆ＜２９２の範囲にある。第１レンズと第２レンズを一つの合成レンズ系と考えたときにこの合成焦点距離をｆ１２とすし、第１レンズの先端から結像面までの全長をＴＴＬする。超広角を特色とするレンズ系では全焦点距離ｆが短くその範囲は設計によって著しく変わらないため、ＴＴＬが長くなるとｆ１２は負のパワーを持ち、ＴＴＬが短くなるとｆ１２は正のパワーを持ち第３レンズと併せて結像を調製すると考える。本発明によるこの条件は、ＴＴＬ＜１３．６ｍｍの範囲のレンズ系にあっては１．０ｍｍ≦ｆ１２≦５．０ｍｍの範囲にあり、ＴＴＬ≧１３．６ｍｍの範囲のレンズ系にあっては−３０．０ｍｍ≦ｆ１２≦−６．０ｍｍ範囲となる。

本発明では、上記ｆ１２の合成光学系にあわせ、絞りを第３レンズの手前の近い位置に設けた。この条件は第２レンズと絞りとの距離をｄ４、絞りと第３レンズとの距離をｄ５とすると−０．０３＜ｄ５／ｄ４＜０．２を満足することを特徴とするものである。焦点距離ｆ３はｆ１２に関連し、１．１＜ｆ３／ｆ＜３．８の範囲になる。これにより、通常の広角レンズでは見られない高解像度観察が、視野角が約１５０度近辺まで可能となった。

以上説明したように本発明によれば、僅か３枚のレンズ構成でありながら超広角の視野を有し、諸収差が良好に補正され超高解像度の広角レンズを実現することができる。また本発明の超広角レンズは、被写界深度が深くおよそ４００ｍｍから無限遠までレンズ全体焦点を調節することなく高解像度な映像を撮ることができるが、それ以下の撮像距離においても第２レンズと第３レンズ間距離を調節するか、全体を繰り出すことによりピント合わせをすることができる。

発明の実施するための最良の形態

本発明に係る超広角レンズは高解像度を実現するため、第２レンズをメニスカス非球面レンズ形状とし、その凹面を物体方向に向ける機構、及び第３レンズの直前に絞りを設ける機構により、光学的性能の著しい改善を実現した。その実施例を下記に示す。

本発明による具体的な実施例について説明する。図１（ａ）に示す当該広角レンズ系は、物体側から順に配列した第１面が球面、第２面が非球面である第１レンズ１と、両面とも非球面でメニスカス凹面形状である第２レンズ２と、両面とも非球面であり凸面形状の第３レンズ４とを有し、第３レンズの物体側に向け直前に絞り３が配置されている。また、図のセンサー６は受光センサーを用いた結像面であり、これと４との間には、受光センサーに付帯する保護ガラス５が配置されている。カメラの仕様によっては、これら間に赤外カットフィルタなどの光学部品を配置した設計がなされる。各面の光軸中心に対する面間距離は、第１レンズ１の中心厚をｄ１、第１レンズ１と第２レンズ２の間隔をｄ２、第２レンズ２の中心厚をｄ３、第２レンズ２と絞り３の間隔をｄ４、絞り３と第３レンズ４の間隔をｄ５，第３レンズ４の中心厚をｄ６，第３レンズ４と保護ガラス５の間隔をｄ７，保護ガラス５の中心厚をｄ８、５とセンサー６の間隔をｄ９と記している。図の光線追跡は、いわゆるＢ，Ｇ，Ｒの波長λＢ＝０．４８６μｍ、λＧ＝０．５８８μｍ、λＲ＝０．６５６μｍに対しなされたもので、ＣＣＤの対角長に相当するセンサー６に結像し、レンズ１への入射角が１０°、２０°、３０°、４０°、５０°、６０°、７５°の光線の追跡を示したものである。全視野角が１５０°の超広角な結像が示される。

図１に示す実施例について、レンズ形状を含めたレンズ系の諸パラメーターを、次の表（１）に示す。

ここでＲはレンズ半径を示し曲率の逆数であり、Ｋは円錐係数、非球面係数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞれ４次、６次、８次、１０次の高次項である。非球面形状の光軸方向をＺ、光軸と垂直方向の高さをｈとすると、上記の係数は次式に基づく。
Ｚ＝ｃｈ^２／［１＋｛１−（１＋Ｋ）ｃ^２ｈ^２｝^１／２］＋Ａｈ^４＋Ｂｈ^６＋Ｃｈ^８＋Ｄｈ^１０
表の左欄下段のＮＯ．１０は結像面を示し、センサーの対角長４．５ｍｍの領域に相当する外径である。ＮＯ．８、ＮＯ．９の欄はそれぞれ、一般的なＣＣＤセンサーに使われる保護ガラス５の厚みと、受光面に対する距離を想定したものである。また、表のレンズ材質ＰＬＡ１は、ｄ線に対する屈折率Ｎｄ＝１．５２、アッペ数νｄ＝５８．２５のプラスティック材料であり、ＢＫ７はＮｄ＝１．５１７、νｄ＝６４．１７のガラス材料用いた例である。又、第１レンズ１の第１面から結像面までの全長ＴＴＬは、表の中心厚の合計から、１８．７ｍｍとなる。

図１（ｂ）は実施レンズの光学的性能を示すＭＴＦ曲線１を示し、特に入射角が１０°、２０°、３０°、４０°、５０°、６０°、７０°、７５°の場合の解像度特性を示す。図で記号Ｔは子午面の光線追跡、記号Ｓは球欠面の光線追跡によって得られたＭＴＦ曲線を示す。従来の３枚程度のレンズ構成を使ったレンズ設計の手法では、入射角が７５°に至る超広角において、図のような高解像度特性を得ることは難しいと思われる。このような高角度入射角の場合、通常ＭＴＦの値がゼロになるカットオフ周波数は高々４０〜５０本／ｍｍでしかなく、入射角度の増加とともに解像度は急激に悪くなり著しい周辺ボケが生ずる。これは従来、盗難防止対策の例においても映像が極めて不鮮明で、画像処理を施しても対処が困難となっている。

１／４インチＣＣＤ結像面の半対角長は、２．２５ｍｍであり、特にＭＴＦの急激に低下する入射角が６０度のときの像高は、２．１５ｍｍとなる。従って入射角が６０度以上に対応する領域は高さ方向で全体の９５．５％であり、これ以上の高さは対角方向の隅の微小領域にしか相当しない。したがって監視で重要な水平方向にも特に影響を与えないと考え、入射角が６０度までのＭＴＦ曲線を求めた結果を図２（ａ）に示す。この領域での解像度は、入射角が６０度に至っても空間周波数が２００本／ｍｍの高解像度が得られ、本発明によるレンズ系は１００〜２００万画素以上の高画素のカメラに対応できるものと考える。図２（ｂ）は、光線追跡により像面に結像したスポット像を示したもので、左端の列と右端の列には書かれてないが、図上の数値は主光線の入射角度を示す。広角ではコマ収差及び多少の色収差が見られるが、スポットの外径は高角度入射でも４０〜５０μｍに収まる。上記は主として分解能に関連する収差であるが、その他の像面湾曲、色収差、歪曲収差の光学特性を、図３（ａ）に示す。像面湾曲の収差曲線で、図のＴは子午面、Ｓは球欠面の成分を示し、その右に併記された１、２、３の数値は、それぞれ波長０．６５６μｍ、０．５８８μｍ、０．４８６μｍ、に対し、計算した収差であることを示す。像面湾曲は補正されており、色収差による焦点のずれは超広角においては、０．２ｍｍ程度である。図で右側の歪曲収差曲線では、最大−８０度％である。図３（ｂ）入射角度による結像面における照度の相対的変化を示した曲線で、いわゆる周辺光量比と呼ばれる画面周辺での光量の減衰を示す。周辺光量も中心部の８５％程度であり、超広角にもかかわらず周辺も明るいレンズ系である。又、表．１による絞り外径は０．８５ｍｍであり、これによる明るさＦ値は２．９６となる。

実施例１のセンサーでは縦横の寸法比が３：４であり、水平方向の半外径は１．８ｍｍとなる。この高さに対応する入射視野角は９０°であり、歪曲収差は−３９％になる。これは、車載用も含め一般的にみられる超広角レンズの−７０〜８０％程度の歪曲収差に比べて形状の判別がかなり容易となる。詳細は特に記さないが、本発明における各請求項の条件により水平視野角が１４０°のレンズ系も設計が可能である。この場合、実施例１と同程度の高解像度が超広角まで得られるが、歪曲収差は−６９．５°であり視野角に比例して歪曲収差が増大する。図４は上記の水平領域における、物体距離によるＭＴＦ特性の変化を示す。正確には、で物体距離はレンズ先端から物体位置までの作動距離のことであり、記号ｄ０で表示した。図４（ａ）はｄ０＝無限遠の時、図４（ｂ）はｄ０＝４００ｍｍの時、図４（ｃ）はｄ０＝５０ｍｍの時のＭＴＦ曲線で、参照ラインとして回折限界の曲線を示す。この様に、本発明によるレンズ系は３枚の少数枚レンズ構成にもかかわらず、水平視野において、およそ３００本／ｍｍの超高解像度特性を提供するものである。図４の（ａ），（ｂ）に示す様に、レンズの焦点位置を固定したままｄ０が無限遠から約４００ｍｍまで、ほぼ同じ解像度の画像を得ることができる。近接距離、例えばｄ０＝５０ｍｍの場合には（ｃ）に示すＭＴＦ曲線から、中心付近の低角度における解像度が減少しており、再度、焦点位置合わせをする必要がある。

次に、本発明の条件式について説明する。本発明では、図１（ａ）に示す当該広角レンズ系の第１レンズ１の第１面が球面であるが、この両面とも非球面であってもよい。第２レンズ２は両面とも非球面でメニスカス凹面形状であり、その凹面をレンズ１と向き合わせることを超高性能超広角レンズの特色としている。又、レンズ１の第１面から結像面までの全長をＴＴＬは、１８．７ｍｍである。レンズ２の焦点距離をｆ２、レンズ１とレンズ２の合成焦点をｆ１２、レンズ全系の焦点距離をｆとすると、表（１）から、ｆ２＝２４．９ｍｍ、ｆ１２＝−２５．９ｍｍ、ｆ＝２．９６ｍｍ，ｆ２／ｆ＝８．４１となる。次に本実施例では、第３レンズ４の前に設けた絞り位置を特に工夫した設計を行った。レンズ２と絞り３との距離をｄ４、絞りとレンズ４との距離をｄ５とすると、ｄ５／ｄ４＝０でありさらに、レンズ４の焦点距離はｆ３＝５．０４ｍｍであり、全焦点を示すｆと対比しｆ３／ｆ＝１．７となる。ｆ１＝−９．０ｍｍでありｆ１／ｆ＝−３．０４となる。

実施例１以外でも非常に多くの数のレンズ設計例で優れた解像度が得られ、本発明の各請求項に示した数値的条件をまとめた項目を表（２）示す。表の型式Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥの各レンズについて、請求項１の数値条件−１９９＜ｆ２／ｆ＜２９２、請求項２の数値条件すなわちＴＴＬ＜１３．６ｍｍの範囲のレンズ系にあっては１．０≦ｆ１２≦５．０、ＴＴＬ≧１３．６ｍｍの範囲のレンズ系にあっては、−３０．０ｍｍ≦ｆ１２≦−６．０ｍｍ、請求項３の要求する数値条件 −０．０３＜ｄ５／ｄ４＜０．２、請求項４の数値条件−５．５＜ｆ１／ｆ＜−０．８及び１．１＜ｆ３／ｆ＜３．８の要求となる。

本発明による超広角レンズは、ＣＣＤ、Ｃ−ＭＯＳなどの画像センサーを使ったカメラの分野で、その高解像度特性を利点とする監視目的に広く用いられる。例えば自動車用広角カメラ（車載カメラ）用レンズ、携帯電話用広角レンズ、細孔管内の側壁の傷、汚れを観察するための広視野角で高被写界深度を必要とする対物レンズ、あるいは非常に狭い物体空間で視野の広い高解像度観察が要求される計測用広角レンズなどを含め、非常に多岐の分野に渡って有効実用いられる。

（ａ）本発明の実施例１にかかわる超広角レンズの構成、及び光線追跡を示す図である。（ｂ）第１実施例において、半視野角７５度のまでのＭＴＦ特性曲線を示す。（ａ）第１実施例において、半視野角６０度までの高解像度を示すＭＴＦ特性曲線図を示す。（ｂ）第１実施例において、最大対角７５度までのスポット像を示す。（ａ）第１実施例において、最大対角７５度までの像面湾曲、色収差、歪曲収差を示す。（ｂ）第１実施例において、最大対角７５度まで相対照度（周辺光量比）を示す。（ａ）第１実施例において、物体距離が無限遠の場合のＭＴＦ特性曲線図を示す。（ｂ）第１実施例において、物体距離が４００ｍｍの場合のＭＴＦ特性曲線図を示す。（ｃ）第１実施例において、物体距離が５０ｍｍの場合のＭＴＦ特性曲線図を示す。

符号の説明

１第１レンズ
２第２レンズ
３絞り
４第３レンズ
５保護ガラス
６センサー

Claims

物体側から像側方向へと、負のパワーを有する第１レンズと、第２レンズ及び正のパワーを有する第３レンズの三枚レンズにより構成される結像光学系において、前記第２レンズは両面が凹面であるメニスカス形状を有し、これを物体側に凹面を向け配位したもので、第２レンズと第３レンズのレンズ面の少なくとも各々１面以上の面が非球面であることを特徴とする次の条件を満たす超広角レンズ。前記第２レンズの焦点距離をｆ２、レンズ全系の焦点距離をｆとした時、−１９９＜ｆ２／ｆ＜２９２の範囲にあること。
第１レンズの先端から、結像面までの全長をＴＴＬとし、第１レンズと第２レンズの合成焦点距離をｆ１２としたとき、ＴＴＬ＜１３．６ｍｍのレンズ系にあっては１．０ｍｍ≦ｆ１２≦５．０ｍｍの範囲にあり、ＴＴＬ≧１３．６ｍｍのレンズ系にあっては−３０．０ｍｍ≦ｆ１２≦−６．０ｍｍの範囲にある請求項１に記載の超広角レンズ。
第２レンズと第３レンズの中間位置のきわめて第３レンズに近い位置に絞りを設け、第２レンズと絞りとの距離をｄ４、絞りと第３レンズとの距離をｄ５とすると、絞り位置が−０．０３＜ｄ５／ｄ４＜０．２の条件であることを特徴とする請求項１または２に記載の超広角レンズ。
前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記第３レンズの焦点距離をｆ３とする時、−５．５＜ｆ１／ｆ＜−０．８、１．１＜ｆ３／ｆ＜３．８の条件であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の超広角レンズ。