JP2006276430A

JP2006276430A - バリフォーカルレンズ及び監視カメラ

Info

Publication number: JP2006276430A
Application number: JP2005095140A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Horiguchi; 修一堀口; Gentaro Irisawa; 元太郎入澤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2025-03-29
Also published as: JP4776961B2

Abstract

【課題】広画角を確保したまま最小限のレンズ枚数で、換言すれば低コストで広画角のバリフォーカルレンズを提供する。
【解決手段】絞りを挟んで前群のレンズ１と後群のレンズ２とが独立して可動し、超広角から標準まで画角を変えるバリフォーカルレンズであって、前群のレンズ１は、メニスカス凹の非球面レンズ１Ａ、１Ｂの２枚と、貼り合わせた両凹球面レンズ１Ｃ及び両凸球面レンズ１Ｄとの４枚のレンズからなる、全体として負の焦点距離を有し、後群のレンズ２は、両凸の非球面レンズ２Ａと、貼り合わせた両凹球面レンズ２Ｂ及び両凸球面レンズ２Ｃと、両凸球面レンズ２Ｄの４枚のレンズからなる、全体として正の焦点距離を有し、両凹球面レンズ１Ｃ及び両凸球面レンズ１Ｄは、一方のアッベ数が２４以下で、他方のアッベ数が４６以上である。
【選択図】図１

Description

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及び監視カメラに関するものである。

近年、監視カメラ用レンズ等としてバリフォーカルレンズ（可変焦点レンズ）が注目されている。このバリフォーカルレンズは、焦点距離を任意に替えることのできるレンズであって、しかも実際の設置現場の状況に合わせて画角等の調整を簡単に行なえることから、ハンドリングの良いレンズとして多用化されている。

このようにいろいろな画角をカバーできるバリフォーカルレンズは、例えば図７、図８に示すように、前群のレンズ１０１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１０１Ａと、貼り合わせた両凹球面レンズ１０１Ｂ及び両凸球面レンズ１０１Ｃとの３枚のレンズで構成する一方、後群のレンズ１０２を、全体として正の焦点距離を持つように、両凸の非球面レンズ１０２Ａと、貼り合わせた両凹球面レンズ１０２Ｂ及び両凸球面レンズ１０２Ｃとの３枚のレンズで構成している（例えば、特許文献１参照）。なお、図中符号１０３は絞り、１０４はフィルタ、１０５はＣＣＤである。

ここで、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、かつ、ｄ線の屈折率（ｎd）が１．８０以上であり、貼り合わせた、両凹球面レンズ１０１Ｂ及び両凸球面レンズ１０１Ｃ、両凹球面レンズ１０２Ｂ及び両凸球面レンズ１０２Ｃは、それぞれ、一方のアッベ数（νd）が２４以下で、他方のアッベ数（νd）が４６以上であるように設定している。また、これらのレンズのうち、非球面レンズ１０１Ａと非球面レンズ１０２Ａの２枚が合成樹脂で形成されているため、低コストのバリフォーカルレンズになっている。なお、ここで、「ｄ線」とは、ナトリウム原子が、基底状態と第１励起状態との間のエネルギー状態の遷移によって生じる共鳴線であって、ｄ＝５８９．３ｎｍ、ｄ１＝５８９．６ｎｍ、ｄ２＝５８９．０ｎｍの波長に相当する。
このような従来のバリフォーカルレンズ（可変焦点レンズ）では、例えば、広角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、非点収差および歪曲収差が、図９（Ａ）〜（Ｃ）のような状態を示す。また、広角端位置におけるタンジェンシャル方向およびサジタル方向の横収差は、それぞれ、相対的な像高が１．００、０．８０、０．７０、０．６０、０．００のときに、図１０（Ａ）〜（Ｅ）のような状態を呈している。また、従来の広角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、非点収差および歪曲収差は、図１１（Ａ）〜（Ｃ）のような状態を示し、望遠端位置におけるタンジェンシャル方向およびサジタル方向の横収差は、それぞれ、相対的な像高が１．００、０．８０、０．７０、０．６０、０．００のときに、図１２（Ａ）〜（Ｅ）のような状態を呈している。
特開２００１−２８１５４４号公報

しかしながら、従来のバリフォーカルレンズは、画角が狭いという問題点を有している。このバリフォーカルレンズの広角端の水平画角は７５度であり、例えばエレベータ内や廊下などを監視するには、水平画角が不足する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、例えば、水平画角が１００度以上のように、超広画角のバリフォーカルレンズを提供することを目的とする。また、本発明は、超広画角のバリフォーカルレンズと撮像素子と撮像素子を備えた監視カメラを提供することを目的とする。

本発明のバリフォーカルレンズは、絞りを挟んで両側に設けた前群のレンズと後群のレンズとを備え、前記各群のレンズが独立して移動して、超広角から標準まで画角が変更可能なバリフォーカルレンズであって、前記前群のレンズは、メニスカス凹の非球面レンズ２枚と、互いに貼り合わせた両凹球面レンズ及び両凸球面レンズとの４枚のレンズからなる、全体として負の焦点距離を有し、前記後群のレンズは、両凸の非球面レンズと、貼り合わせた両凹球面レンズ及び両凸球面レンズと、両凸球面レンズとの４枚のレンズからなる、全体として正の焦点距離を有し、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、かつ、貼り合わせた前群の両凹球面レンズと前群の平凸球面レンズは、ｄ線の屈折率が１．８０以上であり、一方のアッベ数が２４以下で、他方のアッベ数が４６以上であることを特徴とするものである。
上記構成によれば、低コストで広画角のものを提供することが可能になるとともに、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、製造コストの引き下げが可能である。

また、本発明のバリフォーカルレンズは、前記非球面レンズの３枚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ものである。上記構成によれば、少ないレンズ枚数で構成することができ、水平画角を１１０度と広くすることが可能となる。

本発明の監視カメラは、上記のバリフォーカルレンズを装着したことを特徴とするものである。上記構成によれば、広画角のバリフォーカルレンズを備えた監視カメラが提供できる。

本発明によれば、少ないレンズ枚数で構成することができ、例えば水平画角を１１０度と広くできる。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、延いては製作コストの引き下げが可能である。また、非球面レンズをプラスチックで成形する場合には、製作コストの引き下げが一層可能なバリフォーカルレンズを提供できる。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の実施形態に係るバリフォーカルレンズは、図１および図２に示すように、絞り３を挟んでその両側に設けた、前群のレンズ１と後群のレンズ２とを備えている。
このうち、前群のレンズ１は、プラスチックで成形したメニスカス凹の非球面レンズ１Ａ、１Ｂと、両凹ガラス球面レンズ１Ｃと、平凸ガラス球面レンズ１Ｄとの４枚で構成されており、このうち両凹ガラス球面レンズ１Ｃと平凸ガラス球面レンズ１Ｄは貼り合わせてある。また、この前群のレンズ１は、全体として負の焦点距離を有している。
他方、後群のレンズ２は、プラスチックで成形した両凸の非球面レンズ２Ａと、平凹ガラス球面レンズ２Ｂと、両凸ガラス球面レンズ２Ｃ、２Ｄとの４枚で構成されており、このうち平凹ガラス球面レンズ２Ｂと両凸ガラス球面レンズ２Ｃは貼り合わせてある。また、この後群のレンズ２は、全体として正の焦点距離を有している。

図１は、画角を最も広くした広角端でのレンズ位置を示し、図２は、画角を最も狭くした望遠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、この広角端と望遠端との間で、前群のレンズ１および後群のレンズ２の位置を調節することができる。なお、図１および図２において、４はフィルタ、５はＣＣＤを示している。

メニスカス凹の非球面レンズ１Ａ、１Ｂと、両凸の非球面レンズ２Ａとの素材には、前述したように、プラスチックを用いている。
両凹ガラス球面レンズ１Ｃ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、平凸ガラス球面レンズ１Ｄの素材には、ｎｄ（ｄ線の屈折率）が１．８０以上、νd（アッベ数）が２４以下の高屈折率ガラスを用いている。なお、アッベ数とは、分散に対する屈折率の比で示した光学媒質の定数であり、アッベ数が大きいほど色収差が少ない。
平凹ガラス球面レンズ２Ｂの素材には、ｎｄ（ｄ線の屈折率）が１．８０以上、νd（アッベ数）が２４以下の高屈折率ガラスを用いる一方、両凸ガラス球面レンズ２Ｃ、２Ｄの素材には、ｎｄ（ｄ線の屈折率）が１．４５以上、νd（アッベ数）が７０以上の低分散ガラスを用いている。

以下に、本実施形態に係るバリフォーカルレンズの具体的な設計数値を示す。
ｆ＝２．７、Ｆナンバー＝１．４、像高＝３．０、物体距離＝∞、
（１）非球面レンズ１Ａについて；
ｒ１＝３０．０（非球面）ｄ１＝２．００ｎ１＝１．５２６ ν１＝５２．０８、
Ａ〜Ｄはその定義を後述するが、Ａ＝０．２０３×１０^−５、Ｂ＝０．１６８×１０^−７、Ｃ＝０、Ｄ＝０、
ｒ２＝９．５７ｄ２＝４．７８
（２）非球面レンズ１Ｂについて；
ｒ３＝３０．０（非球面）ｄ３＝２．００ｎ３＝１．５２６ ν３＝５２．０８
Ａ＝０．２８１×１０^−４、Ｂ＝０．９３３×１０^−７、Ｃ＝０、Ｄ＝０
ｒ４＝８．８７ｄ４＝１０．１８
（３）両凹ガラス球面レンズ１Ｃについて；
ｒ５＝−１６．０ｄ５＝３．００ｎ５＝１．８０４ ν５＝４６．５０
（４）平凸ガラス球面レンズ１Ｄについて；
ｒ６＝１２．５ｄ６＝３．００ｎ６＝１．８４７ ν６＝２３．７８
（５）両凸の非球面レンズ２Ａについて；
ｒ７＝−１９０．６ｄ７＝１１．０４
（６）平凹ガラス球面レンズ２Ｂについて；
ｒ８＝∞（絞り）ｄ８＝７．２９
（７）両凸ガラス球面レンズ２Ｃについて；
ｒ９＝１４．０（非球面）ｄ９＝４．０２ｎ９＝１．５２６ ν９＝５２．０８
Ａ＝−０．７３７×１０^−４、Ｂ＝０．２８３×１０^−７、Ｃ＝０．３４９×１０^−８、Ｄ＝−０．３５３×１０^−１０
（８）両凸ガラス球面レンズ２Ｄについて；
ｒ１０＝−１９．１（非球面）ｄ１０＝４．２２
Ａ＝０．１１３×１０^−３、Ｂ＝−０．３２４×１０^−７、Ｃ＝０、Ｄ＝０
ｒ１１＝４１１．４ｄ１１＝３．００ｎ１１＝１．８４７ ν１１＝２３．７８
ｒ１２＝１１．６ｄ１２＝４．２１ｎ１２＝１．４８７ ν１２＝７０．４０
ｒ１３＝−１７．７ｄ１３＝１．１３
ｒ１４＝１７．５ｄ１４＝３．０７ｎ１４＝１．４８７ ν１４＝７０．４０
ｒ１５＝−２７．６ｄ１５＝０．９３
ｒ１６＝∞ ｄ１６＝３．００ｎ１６＝１．５１６ ν１６＝６４．１０
ｒ１７＝∞
但し、ここで、
ｒ１、ｒ２、・・・は、各レンズ面の曲率半径（図１）、
ｄ１、ｄ２、・・・は、各レンズの肉厚およびレンズ間隔（図１）、
ｎ１、ｎ３、・・・は、各レンズの屈折率、
ν１、ν３、・・・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およびアッベ数は、次の通りである。
レンズ１Ａ・・ｎ１、ν１、
レンズ１Ｂ・・ｎ３、ν３、
レンズ１Ｃ・・ｎ５、ν５、
レンズ１Ｄ・・ｎ６、ν６、
レンズ２Ａ・・ｎ９、ν９、
レンズ２Ｂ・・ｎ１１、ν１１、
レンズ２Ｃ・・ｎ１２、ν１２、
レンズ２Ｄ・・ｎ１４、ν１４、
また、前述したＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、次の非球面定義式の定数である。
Ｚ＝［ｃｈ^２／｛１+√（１−ｃ^２ｈ^２）｝］
+Ａｈ^４+Ｂｈ^６+Ｃｈ^８+Ｄｈ^１０
但し、ｃ＝１／ｒ
ｈ；面高さ（半径方向）
・・・（１）

図３（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明に係るバリフォーカルレンズの広角端位置における球面収差、非点収差および歪曲収差を示し、図４（Ａ）〜（Ｅ）は、広角端位置におけるタンジェンシャル方向およびサジタル方向の横収差を示すものであって、それぞれ、相対的な像高が１．００、０．８０、０．７０、０．６０、０．００のときの様子を示している。また、図５（Ａ）〜（Ｃ）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、非点収差および歪曲収差を示し、図６は、望遠端位置におけるタンジェンシャル方向およびサジタル方向の横収差を示すものであって、それぞれ、相対的な像高が１．００、０．８０、０．７０、０．６０、０．００のときの様子を示している。

この特性から明らかなように、本発明に係る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、球面収差、非点収差、歪曲収差、横収差は、遜色がない。
一方、広角端位置での水平画角は、従来のバリフォーカルレンズが７５度に対して、本発明の超広角バリフォーカルレンズが１００度とかなり広くなっている。

本発明に係る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。
前群の焦点距離；ｆ１＜０
後群の焦点距離；ｆ２＞０
非球面プラスチックレンズ１Ａ、１Ｂ、２Ａの屈折率；
ｎ１、ｎ３、ｎ９＜１．５３
球面ガラスレンズ１Ｃ、１Ｄ、２Ｂの屈折率；
ｎ５，ｎ６，ｎ１１＞１．８０
球面ガラスレンズ１Ｃ、１Ｄ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄのｒ／Ｒ；
｜ｒ５／Ｒ５｜、｜ｒ６／Ｒ６｜、｜ｒ７／Ｒ７｜＜０．５５
｜ｒ１１／Ｒ１１｜、｜ｒ１２／Ｒ１２｜、｜ｒ１３／Ｒ１３｜＜０．５５
｜ｒ１４／Ｒ１４｜、｜ｒ１５／Ｒ１５｜＜０．５５
但し、ｒ；各レンズ面の曲率半径
Ｒ；各レンズの有効半径
球面ガラスレンズ１Ｃのｒおよびν；
ｒ５＜０、ｒ６＞０、ν５＞４６．０
球面ガラスレンズ１Ｄのｒおよびν；
ｒ６＞０、１００＜ｒ７またはｒ７＜−１００、ν６＜２４．０
球面ガラスレンズ２Ｂのｒおよびν；
１００＜ｒ１１またはｒ１１＜−１００、ｒ１２＞０、ν１１＜２４．０
球面ガラスレンズ２Ｃのｒおよびν；
ｒ１２＞０、ｒ１３＜０、ν１２＞７０．０
球面ガラスレンズ２Ｄのｒおよびν；
ｒ１４＞０、ｒ１５＜０、ν１４＞７０．０
非球面プラスチックレンズ１Ａのｒおよびｆ；
ｒ１＞０、ｒ２＞０、ｆ１ａ＜０
非球面プラスチックレンズ１Ｂのｒおよびｆ；
ｒ３＞０、ｒ４＞０、ｆ１ｂ＜０
非球面プラスチックレンズ２Ａのｒおよびｆ；
ｒ９＞０、ｒ１０＜０、ｆ２ａ＞０

このように、本実施形態では、球面ガラスレンズ（１Ｃ、１Ｄ、２Ｂ）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。また、球面ガラスレンズ（１Ｃ、１Ｄ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ）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。
また、貼り合わせレンズのうち、球面ガラスレンズ１Ｃ、２Ｃのνを４６以上、球面ガラスレンズ１Ｄ、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る。なお、非球面レンズ１Ａ、１Ｂ、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、１Ｂ、２Ａは、ガラスを用いて形成しても良い。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。

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、例えば水平画角を１１０度と広くできる。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る、製作コストの引き下げが可能である。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超広角のバリフォーカルレンズを提供できる効果を有し、超広画角のバリフォーカルレンズを備えた監視カメラ等に有用である。

本発明の実施形態に係るバリフォーカルレンズの広角端での断面図本実施形態のバリフォーカルレンズの望遠端での断面図本実施形態のバリフォーカルレンズの広角端での光学特性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）本実施形態のバリフォーカルレンズの広角端での光学特性図（横収差）本実施形態のバリフォーカルレンズの望遠端での光学特性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）本実施形態のバリフォーカルレンズの望遠端での光学特性図（横収差）従来のバリフォーカルレンズの広角端での断面図従来のバリフォーカルレンズの望遠端での断面図従来のバリフォーカルレンズの広角端での光学特性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）従来のバリフォーカルレンズの広角端での光学特性図（横収差）従来のバリフォーカルレンズの望遠端での光学特性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）従来のバリフォーカルレンズの望遠端での光学特性図（横収差）

符号の説明

１前群のレンズ
１Ａメニスカス凹非球面レンズ
１Ｂメニスカス凹非球面レンズ
１Ｃ両凹ガラス球面レンズ
１Ｄ平凸ガラス球面レンズ
２後群のレンズ
２Ａ両凸非球面レンズ
２Ｂ平凹ガラス球面レンズ
２Ｃ両凸ガラス球面レンズ
２Ｄ両凸ガラス球面レンズ
３絞り
４フィルタ
５ＣＣＤ

Claims

絞りを挟んで両側に設けた前群のレンズと後群のレンズとを備え、前記各群のレンズが独立して移動して、超広角から標準まで画角が変更可能なバリフォーカルレンズであって、
前記前群のレンズは、メニスカス凹の非球面レンズ２枚と、互いに貼り合わせた両凹球面レンズ及び両凸球面レンズとの４枚のレンズからなる、全体として負の焦点距離を有し、
前記後群のレンズは、両凸の非球面レンズと、貼り合わせた両凹球面レンズ及び両凸球面レンズと、両凸球面レンズとの４枚のレンズからなる、全体として正の焦点距離を有し、
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、かつ、
貼り合わせた前群の両凹球面レンズと前群の平凸球面レンズは、ｄ線の屈折率が１．８０以上であり、一方のアッベ数が２４以下で、他方のアッベ数が４６以上であることを特徴とするバリフォーカルレンズ。
前記非球面レンズが合成樹脂で形成されているとともに、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。
請求項１又は２に記載のバリフォーカルレンズと撮像素子を装着した監視カメラ。