JP2006337402A - 広角撮像用レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 ２群２枚レンズにおいて、広角化及び小型化、軽量化が可能であり、且つ諸収差が少なく、十分なバックフォーカスや周辺光量を有し、歪曲の小さい画像が得られ、車載用カメラや監視用カメラ、テレビ電話用カメラなどに最適なレンズを提供すること。
【解決手段】 被写体側から像側に向かって、負のパワーを有する第１レンズ、第１絞り、正のパワーを有する第２レンズ、および開口絞りとから構成される広角撮像用レンズであって、次の各条件式を満たすことを特徴とする広角撮像用レンズ。［１］１．２＜｜Ｒ４｜／｜Ｒ３｜＜５［２］０．８５＜｜ｆ１｜／｜ｆ２｜＜１．５［３］１＜Ｄ／ｆ＜２ｆ：レンズ系全体の焦点距離ｆ１：第１レンズの焦点距離ｆ２：第２レンズの焦点距離Ｒ３：第２レンズ第１面の光軸上の中心の曲率半径Ｒ４：第２レンズ第２面の光軸上の中心の曲率半径Ｄ：第１レンズ像側面と第２レンズ被写体側面との光軸上の距離。
【選択図】図１

Description

本発明は、車載用カメラ、監視用カメラ、テレビ電話用カメラなどに用いられる小型で広角な撮像用レンズに関する。

これまで、車載用カメラや監視用カメラ、テレビ電話用カメラなどに用いられるレンズはその用途上、小型、且つ画角の広いレンズが求められてきた。また、近年ではＣＣＤイメージセンサーや、ＣＭＯＳイメージセンサー等の固体撮像素子を用いた小型で解像度の高い撮像レンズが搭載され急速に普及してきている。このような中で、イメージセンサーの総画素数を変えないで、画素を小さくすることによりセンサーサイズを小さくし、小型化をはかる技術が進歩している。この技術は簡易な構造で製造しやすくなるため普及が著しい。このため、サイズが小さく製造しやすいセンサーに適合した焦点距離が小さく特性の優れたものが求められている。短焦点化により被写体深度が深くなりピント合わせの範囲が広くなるという利点もある。

従来、このような要求を満たす目的として、レンズ枚数を少なくしコンパクト化を図ったり、プラスチックレンズを使用したりするなど様々な光学系の提案が行われているが、このようなレンズの設計系においては高画角化、コンパクト化を重視しているため、解像力の低下及び画像の歪曲が大きくなってしまい改善が求められている。

そこで、特許文献１には２群２枚レンズの構成のものが開示されている。該特許文献によれば、小型で製造がしやすい上、公差が緩やかであっても良好な解像力、画像の歪曲が小さいレンズを得ることができると記載されている。
しかしながら、今後、更なる広角レンズの広角化・小型化、それとともに高解像度および低歪曲化など、画像に対する要求がますます大きくなっていく中で、特許文献１に記載のレンズでは、像側の屈折パワーを被写体側へ分配しづらく、像側の曲率が強くなってしまう傾向にあった。

特開２００３−１０７３４４号公報

本発明は２群２枚レンズにおいて、広角化及び小型化、軽量化が可能であり、且つ諸収差が少なく、十分なバックフォーカスや周辺光量を有し、歪曲の小さい画像が得られ、車載用カメラや監視用カメラ、テレビ電話用カメラなどに最適なレンズを提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために鋭意検討した結果、特定のレンズ構成や形状を最適な形状に設計することで全長が短く、画角（広画角）であり、バックフォーカスが長く、色収差が少なく近赤外領域においても良好な画角が得られ、尚且つ小型で簡易な構造が容易に製造できることを見出し、この知見に基づいて、本発明を完成するに至った。
かくして、本発明によれば、
（１）被写体側から像側に向かって、第１レンズ、第１絞り、第２レンズ、および開口絞りを含んでなる広角撮像用レンズであって、
前記第１レンズは、負のパワーを有する像側に凸を向けたメニスカスレンズからなり、
前記第２レンズは、両凸状の正のパワーを有するレンズからなり、
前記第１レンズの少なくとも１つの面が非球面であり、かつ前記第２レンズの少なくとも１つの面が非球面で全体として、少なくとも２つの非球面を有するレンズ系であって、次の［１］〜［３］の条件式を満たすように構成されたことを特徴とする広角撮像用レンズ：
［１］１．２＜｜Ｒ４｜／｜Ｒ３｜＜５；
［２］０．８５＜｜ｆ１｜／｜ｆ２｜＜１．５；
［３］１＜Ｄ／ｆ＜２；
（ここで、
ｆ：レンズ系全体の焦点距離
ｆ１：第１レンズの焦点距離
ｆ２：第２レンズの焦点距離
Ｒ３：第２レンズ第１面の光軸上の中心の曲率半径
Ｒ４：第２レンズ第２面の光軸上の中心の曲率半径
Ｄ：第１レンズ像側面と第２レンズ被写体側面との光軸上の距離である。）、
（２）前記（１）記載の広角撮像用レンズにおいて、さらに次の条件式［４］を満たすことを特徴とする広角撮像用レンズ：
［４］ＢＦ／ｆ＞１．５；
（ここで、ＢＦ：バックフォーカス（空気換算した値）である。）、
及び
（３）前記（１）又は（２）に記載の広角撮像用レンズにおいて、第１レンズおよび第２レンズがともにプラスチックレンズであることを特徴とする広角撮像用レンズ、
がそれぞれ提供される。

本発明の広角撮像用レンズは２枚レンズという非常に枚数の少ない構成であり、像側光束のセンサーへの入射角度の小さい、いわゆるテレセントリック特性の優れたレンズ系であって、且つ広画角で周辺光量を大きくするという相反する２つの特性を満たしながら、収差の少ない良好な画像が得られる。また、全体の大きさも２枚構成の利点を活かしてコンパクト化を図ることができる。更にプラスチックレンズを採用することで簡易な構造で製造しやすいという課題も達成される。

本発明の実施形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明に係る広角撮像用レンズの実施の一形態を示したもので、この広角撮像用レンズは、被写体側から像側に向かって順に、第１レンズ（Ｌ１）、第１絞り（Ｓ３）、第２レンズ（Ｌ２）、および開口絞り（Ｓ６）とカバーガラス（ＣＧ）から構成される。第１レンズ（Ｌ１）は、負のパワーを有する像側に凸を向けたメニスカスレンズであり、前記第２レンズ（Ｌ２）は、両凸状の正のパワーを有するレンズである。
そして、前記第１レンズが少なくとも１つの面が非球面であり、前記第２レンズの１面以上の面が非球面で全体として２つの非球面を有する。図１においては、第１レンズ及び第２レンズとも両面とも非球面である。
カバーガラス（ＣＧ）は平面板であり、実際に使用される場合、ＣＣＤやＣＭＯＳなど撮像素子の保護のため一般的に用いられる。また、像側には、通常結像面Ｓｉｍｇがある。

本発明で使用する第１レンズは像側に凸を向けたメニスカスレンズになっており、像側に凸で光軸から周辺に近づくところに変曲点を有し、被写体側に凸の形状となる非球面形状である。これは光軸付近の諸収差と周辺部の低歪曲化、周辺光量比の向上を両立させることが可能なことに特徴を有する形状となっている。この構造は、像側の屈折パワーを被写体側へ分配することになり、像側の曲率を弱くすることができるものであり、このために組立公差、特に軸ずれに強いものとなる。

本発明においては、以下の［１］〜［３］の条件式を満たすことが必須条件である。
［１］１．２＜｜Ｒ４｜／｜Ｒ３｜＜５
［２］０．８５＜｜ｆ１｜／｜ｆ２｜＜１．５
［３］１＜Ｄ／ｆ＜２
ただし、ｆはレンズ系全体の焦点距離、ｆ１は第１レンズの焦点距離、ｆ２は第２レンズの焦点距離、Ｒ３は第２レンズ第１面の光軸上の中心の曲率半径、Ｒ４は第２レンズ第２面の光軸上の中心の曲率半径、Ｄは第１レンズ像側面と第２レンズ被写体側面との光軸上の距離である。ここで、第２レンズの第１面とは、第２レンズの被写体側の面のことをいい、第２レンズの第２面とは、第２レンズの像側の面のことをいう。

前記条件式[１]は、第１レンズ像側面と第２レンズ被写体側面との光軸上の距離Ｄを短くした場合に第２レンズの屈折パワーを抑える条件式である。｜Ｒ４｜／｜Ｒ３｜が、条件式［１］の下限値を下回ると、第１レンズ像側面と第２レンズ被写体側面との距離Ｄが短くても充分な補正をするためには、第２レンズの像側の曲率を非常に強くしなくてはならず、そして曲率を強くすると軸ずれのような組立公差に弱くなってしまう。特に、絞りを第２レンズの後ろに配する場合、レンズ有効径が小さくなり、明るさを確保するために第２レンズを厚くせざるを得なくなって、全長が大きくなることから、望ましくない。逆に、｜Ｒ４｜／｜Ｒ３｜が、条件式［１］の上限値を越えると第２レンズの被写体側の曲率が強くなり、軸ずれによる組立公差に弱くなる。したがって、前記式[１]にてレンズの設計をすることにより、組立公差、特に軸ずれに強いものとなる。

また、前記条件式[１]は、第２レンズのパワーを最適に保つ効果がある条件式である。第２レンズ像側の曲率を第２レンズ被写体側の曲率より弱くすることでコマ収差の増大を抑えることができるが、逆に上限を超えるような曲率差をつけたときにはコマ収差及び非点収差が増大し、収差補正が困難になる。

前記条件式［２］はレンズ系の全体としてのパワーを最適に保つ効果がある条件式である。｜ｆ１｜／｜ｆ２｜の値が、条件式［２］の下限値を下回ると第１レンズのパワーが強くなり、焦点距離が長くなり、同一像高の場合、画角が小さくなってしまう。逆に｜ｆ１｜／｜ｆ２｜の値が条件式［２］の上限値を超えると第２レンズのパワーが強くなり、焦点距離が短くなり、テレセントリック性が失われることになる。

前記条件式[３]は、レンズ系の大きさを制限するための条件式である。
Ｄ／ｆの値が条件式［３］の下限値を下回ると焦点距離が長くなり、同一像高の場合、画角が小さくなってしまう。逆にＤ／ｆの値が条件式［３］の上限値を超えると焦点距離が短くなることまたは全長が大きくなりテレセントリック性及び小型化の特性が失われる。

本発明では、この形状に加え、開口絞りをレンズ系全体の被写体側に置くことで、像側光束のセンサーへの入射角度の小さい、いわゆるテレセントリック特性を発揮し易くすることができる。

本発明においては、上記条件式［１］〜［３］は、以下の条件式［１’］〜［３’］を満たすことが好ましい。
［１’］１．３＜｜Ｒ４｜／｜Ｒ３｜＜３
［２’］１＜｜ｆ１｜／｜ｆ２｜＜１．２
［３’］１．３＜Ｄ／ｆ＜１．７

本発明においては、さらに以下の条件式［４］を満たすことが好ましい。
［４］ＢＦ／ｆ＞１．５
ここで、ＢＦはバックフォーカス（空気換算した値）である。条件式［４］は、レンズのバックフォーカスを長くすることである。これにより、レンズとＣＣＤの間に十分なスペースを確保でき、カバーガラスなどの挿入を可能にすることができる。バックフォーカスは、第２レンズの第２面から結像面までの距離をさす。
前記条件式［４］は、以下の関係を満たすことがより好ましい。
［４’］ＢＦ／ｆ＞１．９５

本発明においては、第１レンズおよび第２レンズがともにプラスチックレンズであることが好ましい。第１レンズ及び第２レンズがともにプラスチックレンズであることにより、安価に非球面を実現し、高い性能を有する広角撮像用レンズを提供することができる。
さらに、プラスチックレンズを構成する樹脂のアッベ数が５０よりも大きいものがより好ましい。樹脂のアッベ数が５０よりも大きいことにより、色収差、特に軸外倍率色収差に優れる広角撮像用レンズを提供することができる。
プラスチックレンズに用いる樹脂としては、脂環式構造を有する樹脂、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネートなどの樹脂が挙げられる。これらの中でも低吸湿性による寸法安定性、軽量性の観点から脂環式構造を有する樹脂が好ましい。脂環式構造を有する樹脂は、主鎖及び／または側鎖にシクロアルカン構造を有する樹脂である。機械的強度や耐熱性などの観点から、主鎖にシクロアルカン構造を含有する重合体が好適である。また、シクロアルカン構造としては、単環、多環（縮合多環、橋架け環など）が挙げられる。シクロアルカン構造の一単位を構成する炭素原子数は、格別な制限はないが、通常４〜３０個、好ましくは５〜２０個、より好ましくは５〜１５個の範囲であるときに、機械的強度、耐熱性、及び成形性の諸特性が高度にバランスされ好適である。脂環式構造を有する樹脂の具体例としては（１）ノルボルネン系重合体、（２）単環の環状オレフィン系重合体、（３）環状共役ジエン系重合体、（４）ビニル脂環式炭化水素重合体、及びこれらの水素添加物などが挙げられる。これらの中でも、透明性、成形性の観点からノルボルネン系重合体がより好ましい。
第１レンズ及び／又は第２レンズとしてプラスチックレンズを用いる場合、レンズを製造する方法としては、特に制限されず、射出成形などの公知の成形方法が挙げられる。

本発明を、実施例を示しながら、さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
図１は実施例１で得られた広角撮像用レンズの構成図である。被写体側から像側に向かって順に、第１レンズ（Ｌ１）、第１絞り（Ｓ３）、第２レンズ（Ｌ２）、および開口絞り（Ｓ６）とカバーガラス（ＣＧ）とから構成される。第１レンズ（Ｌ１）は、負のパワーを有する像側に凸を向けたメニスカスレンズであり、前記第２レンズ（Ｌ２）は、両凸状の正のパワーを有するレンズである。前記第１レンズ、第２レンズはともに両面非球面レンズからなっている。ここで第１レンズを構成する材料はノルボルネン系重合体（日本ゼオン社製、ＺＥＯＮＥＸ４８０Ｒ）、第２レンズにノルボルネン系重合体（日本ゼオン社製、ＺＥＯＮＥＸ Ｅ４８Ｒ）を採用している。カバーガラス（ＣＧ）は平面板であり、実際に使用される場合、ＣＣＤやＣＭＯＳなど撮像素子の保護のため一般的に用いられる。材料はＨＯＹＡ社製ガラスＢＳＣ７を採用している。

表１に実施例１のレンズ構成データを示す。この説明に用いる記号は次の通りである。
ｆ：全系のレンズ焦点距離
ＢＦ：バックフォーカス（空気換算した長さ）
ＦＮＯ：Ｆナンバー
ω：半画角
Ｓｉ：レンズの面番号（ｉ＝１〜７）
Ｒｉ：レンズの曲率半径（ｉ＝１〜７）
Ｄｉ：光軸上のレンズ厚みまたは空気間隔（ｉ＝１〜７）
Ｎ：ｄ線に対するレンズ材質の屈折率
υｄ：ｄ線に対するレンズ材質のアッベ数
Ｓ１〜Ｓ８は被写体側から像側へと順に数えた面番号である。Ｒ１〜Ｒ８はそのレンズ面の光軸上の中心の曲率半径を示し、曲率半径Ｒｉが０とは曲率半径が無限大であることを示している。また、レンズ番号の前に＃が付いたレンズ面は非球面であることを示している。Ｄ１〜Ｄ８に関して、レンズ第１面の数字はレンズ面の光軸上の厚みを示し、レンズ第２面の数字はレンズの空気間隔または次の面までの距離を示している。屈折率は光の波長ｄ線（５８７．５６ｎｍ）における屈折率を、アッベ数は分散の逆数を示す。それぞれ第1レンズ、第２レンズ、カバーガラスの物性値である。

実施例１で使用した第１レンズおよび第２レンズの非球面レンズのレンズ円錐係数Ｋ、及び非球面係数Ａを表２に示す。表２に示した非球面を表す数値において、記号“Ｅ”は、その次に続く数値が１０を底とした“べき指数”であることを示し、その１０を底とした指数関数で表される数値が“Ｅ”の前の数値に乗算されることを示す。例えば、「１．０Ｅ−０２」であれば、「１．０×１０^−２」であることを示す。後記の表５及び表８も同様である。

上記非球面係数は、光軸との交点を原点として、Ｚ軸方向をＺ、原点を通り光軸に直交する方向の座標をＸとすると、以下の非球面公式であらわされる。

ここで、Ｒは各レンズの頂点の曲率半径、ｈはレンズの光軸からの高さである。

上記式[１]〜[４]の各項目について実施例１にあてはめると、表３のようになる。ここで、表中に示すＤとはＤ２とＤ３の和である。

図２に実施例１の光路図を示す。この光路図はレンズが軸対象であり、被写体側から入射光を下部半分の４点（軸上、像高６割、像高８割、像高１０割）に集光する光線を入射させた場合の光路図を示している。
図３に実施例１の収差図を示す。図３の収差図は３つに分類され、それぞれ球面収差、歪曲収差、非点収差図である。球面収差図中のｃはＣ線、ｄはｄ線、ｆはＦ線での特性を示し、非点収差図中のＭはメリジオナル、Ｓはサジタル面での特性を示す。球面収差図よりＦ線、Ｃ線、ｄ線ともに±０．２［ｍｍ］以下の良好な補正がなされていることが分かる。歪曲収差図より最大像高において−２０［％］以下という良好な画像であると分かる。非点収差においてはＭ（メリジオナル）、Ｓ（サジタル）ともに±０．２５［ｍｍ］以下であり、良好な補正がなされている。つまり、上記記載の最大画角１１０度という高画角を有し、十分な光量も保持しながら、且つここで述べた諸収差の補正されたレンズとなっている。

また、図４にイメージセンサー高さにおける周辺光量比の関係図を示す。いずれの像高に対しても集光する光線が十分な光量を有していることが分かる。

（実施例２）
表４に実施例２のレンズ構成データを示す。

実施例２で使用した第１レンズおよび第２レンズの非球面レンズのレンズ円錐係数Ｋ、及び非球面係数Ａを表５に示す。

上記式[１]〜[４]の各項目について実施例２にあてはめると、表６のようになる。ここで、表中に示すＤとはＤ２とＤ３の和である。

図５に実施例２の収差図を示す。図３の収差図は３つに分類され、それぞれ球面収差、歪曲収差、非点収差図である。球面収差図よりＦ線、Ｃ線、ｄ線ともに±０．２［ｍｍ］以下の良好な補正がなされていることが分かる。歪曲収差図より最大像高において−２０［％］以下という良好な画像であると分かる。非点収差においてはＭ（メリジオナル）、Ｓ（サジタル）ともに±０．２５［ｍｍ］以下であり、良好な補正がなされている。つまり、上記記載の最大画角１１０度という高画角を有し、十分な光量も保持しながら、且つここで述べた諸収差の補正されたレンズとなっている。

また、図６にイメージセンサー高さにおける周辺光量比の関係図を示す。いずれの像高に対しても集光する光線が十分な光量を有していることが分かる。

（実施例３）
表７に実施例３のレンズ構成データを示す。

実施例３で使用した第１レンズおよび第２レンズの非球面レンズのレンズ円錐係数Ｋ、及び非球面係数Ａを表８に示す。

上記式[１]〜[４]の各項目について実施例３にあてはめると、表９のようになる。ここで、表中に示すＤとはＤ２とＤ３の和である。

図７に実施例３の収差図を示す。図３の収差図は３つに分類され、それぞれ球面収差、歪曲収差、非点収差図である。球面収差図よりＦ線、Ｃ線、ｄ線ともに±０．２［ｍｍ］以下の良好な補正がなされていることが分かる。歪曲収差図より最大像高において−２０［％］以下という良好な画像であると分かる。非点収差においてはＭ（メリジオナル）、Ｓ（サジタル）ともに±０．２５［ｍｍ］以下であり、良好な補正がなされている。つまり、上記記載の最大画角１１０度という高画角を有し、十分な光量も保持しながら、且つここで述べた諸収差の補正されたレンズとなっている。

また、図８にイメージセンサー高さにおける周辺光量比の関係図を示す。いずれの像高に対しても集光する光線が十分な光量を有していることが分かる。

図１は、本発明による広角撮像用レンズの構成図である。 図２は、実施例１〜３における光路図である。 図３は、実施例１における球面収差、歪曲収差、非点収差図である。 図４は、実施例１におけるイメージセンサー高さに対する周辺光量比の関係を示した図である。 図５は、実施例２における球面収差、歪曲収差、非点収差図である。 図６は、実施例２におけるイメージセンサー高さに対する周辺光量比の関係を示した図である。 図７は、実施例３における球面収差、歪曲収差、非点収差図である。 図８は、実施例３におけるイメージセンサー高さに対する周辺光量比の関係を示した図である。

符号の説明

Ｌ１：第１レンズ、Ｌ２：第２レンズ、Ｓ１〜Ｓ８：面番号、Ｓｉｍｇ：結像面、Ｄ１〜Ｄ８：厚み又は距離、ＣＧ：カバーガラス、Ｍ：メリジオナル、Ｓ：サジタル

Claims (3)

1. 被写体側から像側に向かって、第１レンズ、第１絞り、第２レンズ、および開口絞りを含んでなる広角撮像用レンズであって、
   前記第１レンズは、負のパワーを有する像側に凸を向けたメニスカスレンズからなり、
   前記第２レンズは、両凸状の正のパワーを有するレンズからなり、
   前記第１レンズの少なくとも１つの面が非球面であり、かつ前記第２レンズの少なくとも１つの面が非球面で全体として、少なくとも２つの非球面を有するレンズ系であって、
   次の［１］〜［３］の条件式を満たすように構成されたことを特徴とする広角撮像用レンズ：
   ［１］１．２＜｜Ｒ４｜／｜Ｒ３｜＜５；
   ［２］０．８５＜｜ｆ１｜／｜ｆ２｜＜１．５；
   ［３］１＜Ｄ／ｆ＜２；
   （ここで、
   ｆ：レンズ系全体の焦点距離
   ｆ１：第１レンズの焦点距離
   ｆ２：第２レンズの焦点距離
   Ｒ３：第２レンズ第１面の光軸上の中心の曲率半径
   Ｒ４：第２レンズ第２面の光軸上の中心の曲率半径
   Ｄ：第１レンズ像側面と第２レンズ被写体側面との光軸上の距離である。）。
2. 請求項１記載の広角撮像用レンズにおいて、さらに次の条件式［４］を満たすことを特徴とする広角撮像用レンズ；
   ［４］ＢＦ／ｆ＞１．５
   （ここで、ＢＦ：バックフォーカス（空気換算した値）である。）。
3. 請求項１又は２に記載の広角撮像用レンズにおいて、第１レンズおよび第２レンズがともにプラスチックレンズであることを特徴とする広角撮像用レンズ。

Images