JP2007025261A - 撮像レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】可視光と補助光源としての近赤外光とを用いるドアホン用カメラや監視カメラの撮像レンズにおいて、可視光及び近赤外光使用時の解像力を向上する。
【解決手段】補助光源として可視光の波長より長いピーク波長の補助光を使用する撮像レンズ１０を、物体側から凹レンズである第１レンズ１、凸レンズである第２レンズ２、近赤外光の偽信号対策としてのＩＲカットフィルタ３、ＣＣＤ等の撮像素子５のカバーガラス４、及び撮像素子５により構成し、可視光の入射時の画像周辺のピント位置を、可視光の入射時の画像中心のピント位置よりも、補助光の入射時の画像中央のピント位置に近づける。これにより、可視光の入射時の画像周辺の解像力を向上し、カメラピント位置Ｐ４での解像力を高め、高感度化を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、ドアホン用カメラや監視カメラにおけるカメラ用レンズに関し、特に補助光源として、近赤外光のような可視光の波長より長いピーク波長の光源を用いる撮像レンズに関する。

ドアホン用カメラや監視カメラでは、夜間等周囲が暗い場合には、カメラに補助光源を搭載し、この補助光源により照明して撮影することにより、昼夜兼用に使用できるようにされている。そして、この補助光源による補助光として可視光の波長より長いピーク波長を持つ近赤外光が用いられる。このため、このようなカメラでは、可視光波長域（４００〜７００ｍｍ）から近赤外光波長領域（７００〜１０００ｍｍ）までの広範囲の光が利用されるので、可視光、近赤外光の何れで撮影しても解像度の高い画像が得られる撮像レンズが必要とされている。

ここで、図５を用いて、従来の近赤外光を補助光とする撮像レンズの解像力を可視光入射時と補助光入射時における概念的なＭＴＦ特性のグラフにより説明する。図５において、縦軸は、撮像レンズの相対的ＭＴＦレベルを示し、横軸は撮像レンズの光軸上における、所定の基準位置からの各光のピント位置の相対的位置関係を示す。曲線Ｌ１、Ｌ３は、可視光がレンズに入射したときの画像中央及び画像周辺の相対的ＭＴＦ特性を示し、Ｐ１、Ｐ３は、それらピント位置をそれぞれ示す。曲線Ｌ２は、補助光をレンズに入射したときの画像中央の相対的ＭＴＦ特性を示し、Ｐ２はそのピント位置を示す。

上記図５に示されるように、このような補助光を使用するカメラにおいて、可視光が撮像レンズに入射したときの画像中央のピント位置Ｐ１と、補助光が撮像レンズに入射したときの画像中央のピント位置Ｐ２は、通常は離れており、これらを一致させる撮像レンズを実現することは極めて困難である。特にレンズの低コスト化を図るために、レンズを同一種類ガラス材料もしくはプラスティック材料で構成する場合、上記ピント位置Ｐ１，Ｐ２を一致させることは殆ど不可能に近い。しかし、カメラのピントをＰ１又はＰ２のどちらかに合わせると、どちらかのピントがずれることになり、使用目的を果すことができない。

このため、補助光を使用するカメラでは、可視光の画像中央のピント位置Ｐ１と補助光の画像中央のピント位置Ｐ２の略中間にカメラのピント位置Ｐ４を設定することにより、可視光、補助光のいずれの場合にも、ある程度の高い解像力が得られるようになされている。

しかしながら、このようなカメラのピント設定においては、図５に示すように、カメラのピント位置Ｐ４を、曲線Ｌ１と曲線Ｌ２の交点Ｑ１（この点でのＭＴＦレベルをＭ１とする）に設定すると、同じカメラピント位置Ｐ４における可視光の画像周辺のＭＴＦレベルはＭ２となり、可視光の画像中央のＭＴＦレベルＭ１より大きく低下する。

これは、図５に示されるように、可視光の画像周辺のピント位置Ｐ３が、可視光の画像中央のピント位置Ｐ１に対して、補助光の画像中央のピント位置Ｐ２と反対側（同図においてＰ１より左側）になっていることによる。すなわち、カメラのピント位置４において、可視光の画像周辺のＭＴＦ特性は、その特性を示す曲線Ｌ３のスカートカーブの裾に位置するため常にＭＴＦが劣化する状態になってしまうことによる。

このため、従来のこのようなカメラでは、可視光がレンズに入射したときの画像周辺の解像力が常に低下するという問題があった。また、レンズを明るく（ＦＮｏを低く）すればするほどこの影響が大きくなるため、レンズの高感度化が困難なものとなっていた。

なお、可視光と近赤外光を受光するカメラ用レンズとして、絞りを挟んで、負の屈折力を有する前群レンズと、正の屈折力を有する後群レンズとで構成され、後群レンズは少なくとも４枚以上を備え、正レンズと負レンズの接合レンズを含み、可視光域と近赤外光域のピント位置を近づけた可視光近赤外光用単焦点レンズが知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１では、可視光がレンズに入射した時の画像周辺のピント位置が考慮されていないため、画像周辺の解像力が良くならないと共に、光学レンズ系の構成において、使用レンズ枚数が多いため小型化、低価格化が難しく、また、レンズの組み合わせが多いため、製造プロセスを複雑化する虞があった。
特開２００４−３５４８２９号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、画像周辺における解像力を向上し、小型で、高感度化が図れる撮像レンズを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、可視光の波長より長いピーク波長の補助光源を使用するカメラにおいて、可視光をレンズに入射させたときの画像周辺のピント位置を、可視光をレンズに入射させたときの画像中心のピント位置よりも、前記補助光源による光をレンズに入射させたときの画像中央のピント位置に近づけることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の撮像レンズにおいて、物体側から順に凹レンズである第１レンズと、凸レンズである第２レンズと、撮像素子のカバーガラスと、撮像素子とを備え、全系の焦点距離をｆ、前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記カバーガラスの厚みをｄｇとしたとき、
−１．５≦ｆ１／ｆ≦−１．０ …（１）
０．３≦ｄｇ／ｆ≦０．８ …（２）
を同時に満足するものである。

請求項３の発明は、請求項１に記載の撮像レンズにおいて、物体側から順に凹レンズである第１レンズと、凸レンズである第２レンズと、光学フィルタと、撮像素子のカバーガラスと、撮像素子とを備え、全系の焦点距離をｆ、前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記カバーガラスの厚みをｄｇ、前記光学フィルタの厚みの合計をΣｄｆｉとしたとき、

を同時に満足するものである。

請求項４の発明は、請求項２又は請求項３に記載の撮像レンズにおいて、前記第１レンズの物体側の曲率半径Ｒ１、第１レンズの像側の曲率半径Ｒ２としたとき、
−５０≦Ｒ１／Ｒ２≦−１０ …（４）
を満足するものである。

請求項１の発明によれば、可視光がレンズに入射したときの画像中央のピント位置と補助光がレンズに入射したときの画像中央のピント位置の中間位置をピント位置とするカメラのピント位置に、可視光による光をレンズに入射させたときの画像周辺のピント位置を近づけることができるので、可視光による画像周辺の解像力を向上することができ、可視光がレンズに入射している場合及び補助光源の光がレンズに入射している場合のいずれの場合においても高い解像力を確保することが可能となる。

請求項２の発明によれば、レンズが２枚組であっても、可視光がレンズに入射している場合、補助光源の光がレンズに入射している場合のいずれの場合においても高い解像力を確保できるので、安価なレンズ構成によりレンズの広角化と小型化を同時に実現することができる。

請求項３の発明によれば、カメラレンズに光学フィルタを複数枚組み込んだ状態においても、可視光がレンズに入射している場合、補助光源の光がレンズに入射している場合のいずれの場合においても高い解像力を確保することができる。これにより、例えば、光学系ローパスフィルタを導入して、細かい映像を撮影したときに生じる偽信号を除去することが可能となる。また、ＩＲカットフィルタを導入して、白熱灯などの近赤外光の波長を多く含む光源を用いて被写体を撮像した場合の色変化（光源により、色が実際の色と異なるように見える現象）を防ぐことが可能となる。このように高い解像力を保持しながら、各種フィルタを光学レンズ系に組み込むことが可能となり、画像劣化の少ない、色再現性の良いレンズ光学系を実現することができる。

請求項４の発明によれば、（４）式を満足するようなレンズ構成により、歪曲収差を小さくするためにＲ１のサイズを大きくしつつ、製造困難になるまでＲ２のサイズを小さくすることなく、バランスの取れたＲ１とＲ２の組み合わせを得ることができる。これにより、性能と製造バランスの取れたレンズ構成が可能となり、可視光がレンズに入射している場合、補助光源の光がレンズに入射している場合のいずれの場合においても高い解像力を確保しながら、レンズの製造を容易にすると共に、歪の小さい画像を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る撮像レンズについて図１乃至図４を参照して説明する。図１は、本実施形態の撮像レンズ１０の構成を示す。この撮像レンズ１０は、物体側から凹レンズである第１レンズ１、凸レンズである第２レンズ２、近赤外光の波長帯域を制限するＩＲカットフィルタ３、ＣＣＤ等の撮像素子５のカバーガラス４、及び撮像素子５により構成される。そして、撮像レンズ１０は次の条件を満足している。
−１．５≦ｆ１／ｆ≦−１．０ …（１）
０．３≦（ｄｇ＋ｄｆ）／ｆ≦０．８ …（３ａ）
−５０≦Ｒ１／Ｒ２≦−１０ …（４）
ここで、ｆはレンズ全系の焦点距離、ｆ１は第１レンズの焦点距離、ｄｇはカバーガラスの厚さ、ｄｆはＩＲ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）カットフィルタの厚さ、Ｒ１は第１レンズ１の物体側の曲率半径、Ｒ２は第１レンズ１の像側の曲率半径を表している。

使用する補助光源の補助光は、９００〜１０００ｎｍの波長帯域においてピーク波長を持つような光源である。上記撮像レンズ１では、第２レンズの像側に絞りを設けているが、特にこの位置に限定するものではなく、レンズに要求される性能に応じて絞り位置を変えてもよい。また、光学フィルタとしてＩＲカットフィルタ３のみを配置しているが、画質向上のため光学ローパスフィルタを追加することもできる。このとき、式（３ａ）のｄｆはＩＲカットフィルタ３の厚みとローパスフィルタの厚みの和となる。

式（１）は、非点収差を大きくせず、可視光の画像周辺の解像力を向上させ、第１レンズ１と第２レンズ２の関係を良好に保つためのものであり、ｆ１／ｆが−１．５より小さい場合、及びｆ１／ｆが−１．０より大きい場合は、ともに非点収差が大きくなるため、画像周辺の解像力を確保することが困難となる。

式（３ａ）は、式（１）と合せて、可視光を撮像レンズ１０に入射させたときの画像周辺の解像力及び補助光を撮像レンズ１０に入射させたときの画像周辺の解像力を確保するためのものである。式（３ａ）において、（ｄｇ＋ｄｆ）／ｆが０．３より小さくなると、可視光をレンズに入射させたときの画像周辺のピント位置が、可視光を撮像レンズ１０に入射させたときの画像中央のピント位置に近づくため、補助光を撮像レンズ１０に入射させたときの画像周辺の解像力が低下する。逆に、（ｄｇ＋ｄｆ）／ｆが０．８より大きくなると、可視光を撮像レンズ１０に入射させたときの画像周辺のピント位置が、補助光源の光をレンズに入射させたときの画像中央のピント位置に近づくため、可視光を撮像レンズ１０に入射させたときの画像周辺の解像力が低下する。

式（４）は、歪曲収差を小さくするためのＲ１の大きさと、製造を困難にしない程度に小さくしないＲ２の大きさの要求に対し、バランスの取れたＲ１とＲ２の組み合わせを得ることができる。そして、このバランスを保ちながら、可視光を撮像レンズ１０に入射させたときの画像中心と画像周辺の解像力及び補助光を撮像レンズ１０に入射させたときの画像周辺の解像力を確保するためのものである。従って、式（４）において、Ｒ１／Ｒ２が−５０より小さくなると第１レンズ１の像側のレンズ面の曲率半径Ｒ２が小さくなり過ぎ、第１レンズ１の製造が困難となる。これはＲ１／Ｒ２が正となる場合も同じである。逆にＲ１／Ｒ２が−１０から０の場合、歪曲収差が大きくなり歪みの大きい画像になる。

上記式（１）乃至（４）を同時に満足させることにより、可視光の画像中心と補助光源の画像中心のピント位置に、可視光の画像周辺のピント位置を接近させることができる。これにより、可視光が撮像レンズ１０に入射している場合及び補助光が撮像レンズ１０に入射している場合のいずれの場合においても高い解像力を確保することが可能となる。

図２は、上記構成における本実施形態の撮像レンズ１０について、前記条件式で設計上得られる可視光及び補助光におけるレンズのＭＴＦ特性の概要を従来例の図５と比較する形で示す。ここで、縦軸は各光におけるレンズのＭＴＦの相対的レベル、横軸はレンズ１０の光軸６上のある基準位置からの各ピント位置の相対的位置関係を示している。図２の曲線において、曲線Ｌ１、Ｌ３は可視光を撮像レンズ１０に入射したときの画像中央及び画像周辺の解像力の相対的ＭＴＦ特性を示し、Ｐ１、Ｐ３はそれぞれのピント位置を示す。曲線Ｌ２は、可視光の波長より長いピーク波長の光源となる補助光を入射したときの画像中央の解像力の相対レベルを示し、Ｐ２は補助光の画像中央のピント位置を示す。曲線Ｌ１と曲線Ｌ２の交点Ｑ１におけるＭＴＦ値をＭ１とし、交点Ｑ１と同じピント位置上における曲線Ｌ３との交点をＱ２とし、交点Ｑ２でのＭＴＦ値をＭ２で示す。この可視光の画像周辺のピント位置Ｐ３は、可視光の画像中央のピント位置Ｐ１より補助光の画像中央のピント位置Ｐ２に近くなる。即ち、図２において、Ｐ３は、Ｐ１より右側に位置し、従来の可視光の画像周辺のピント位置（図５参照）とは逆方向になる。

このように、前記の各式（１）乃至（４）で表される条件を満足するようにレンズ形状を設定することにより、、図２に示すように、可視光をレンズに入射したときの画像周辺のピント位置Ｐ３が、画像中央のピント位置Ｐ１に対して、補助光をレンズに入射したときの画像中央のピント位置Ｐ２と同じ側に形成することができる。

これにより、可視光がレンズに入射したときの画像周辺のピント位置Ｐ３を、可視光入射時の画像中心のピント位置Ｐ１と補助光がレンズに入射したときの画像中央のピント位置Ｐ２との中間位置にあるカメラのピント位置Ｐ４に接近させることができる。このため、ピント位置Ｐ４における曲線Ｌ１、曲線Ｌ２のＭＴＦ値Ｍ１と、同じピント位置Ｐ４の曲線Ｌ３のＭＴＦ値Ｍ２とを、高いＭＴＦレベルでほぼ一致させることができる。その結果、カメラのピント位置Ｐ４において、可視光による画像周辺の解像力を向上することができ、可視光がレンズに入射している場合及び補助光源の光がレンズに入射している場合のいずれの場合においても高い解像力を確保することが可能となる。

次に、上記条件式を用いて実際に、設計した撮像レンズの具体例を表１及び図３、図４に示す。表１は、本実施形態における撮像レンズ１０のレンズ形状及び基本特性の設計結果例を示す。

表１において、面番号１〜４は非球面形状である。非球面形状は、式５のｚで表され、ｚは光軸から距離ｈだけ離れた非球面上の点から光軸に下ろされた垂線の長さを示し、Ｒはレンズの曲率半径、Ｋ、Ａ４、Ａ６は非球面係数をそれぞれ示している。また、ｆはレンズ全系の焦点距離、ＦＮｏはレンズのＦナンバー、ωは最大画角の半画角、ｆ１は第１レンズの焦点距離、ｄｆはフィルタの厚み、ｄｇはカバーガラスの厚み、ｄは面間隔、ｎdはd線での屈折率、υdはd線に対するアッベ数をそれぞれ示している。

上記設計例では、ｆ１／ｆ＝１．３３６、（ｄｇ＋ｄｆｉ）／ｆ＝０．６１１、Ｒ１／Ｒ２＝−２３．６２２とし、前記式（１）、（３ａ）、（４）の条件を全て満足している。

図３は、上記表１の設計に基く撮像レンズ１０のＭＴＦ特性を示す。図３において、縦軸はＭＴＦ値、横軸はレンズの所定の基準面からデフォーカスされたピント位置を示し、曲線Ｌ１，曲線Ｌ２は、可視光の画像中央及び補助光の画像中央の各ＭＴＦ特性曲線を示す。また、曲線Ｌ３，曲線Ｌ４は、可視光の画像周辺におけるレンズ中心からの放射方向（ラジアル、サジタル）とこれに直交する同心方向（タンジェンシャル、メリジオナル）における各ＭＴＦ特性曲線を示す。曲線Ｌ１と曲線Ｌ２の交点Ｑ１におけるＭＴＦレベルＭ１とし、交点Ｑ１のピント位置上における曲線Ｌ３の交点Ｑ２のＭＴＦレベルをＭ２で示す。

これらの特性に示されるように、可視光の画像中央及び補助光の画像中央の各ＭＴＦ特性曲線Ｌ１、Ｌ２の交点Ｑ１をカメラのピント位置Ｐ４とし、このピント位置Ｐ４に可視光の画像周辺のＭＴＦ特性曲線Ｌ３のピント位置Ｐ３を接近させることができる。そして、カメラのピント位置Ｐ４において、ＭＴＦ特性曲線Ｌ３のＭＴＦレベルＭ２を、ＭＴＦレベルＭ１にほぼ一致させることができる。この時、可視光の画像周辺における同心方向におけるＭＴＦ特性曲線Ｌ４のピント位置Ｐ５もカメラのピント位置Ｐ４の近傍に近づけることができる。これらにより、カメラのピント位置Ｐ４において、可視光及び補助光とも解像力を良くすることができる。

この結果、前記各式で表される条件を満足するカメラレンズの設計により、図２に示したレンズの特性概要は、ほぼ概要通り達成されている。これにより、昼間時に可視光の下で撮影している場合でも、夜間及び暗所で近赤外光等の補助光を用いて撮影する場合でも、カメラピント位置を一定のまま、高い解像力を確保することが可能となり、良好な画像が得られる。

また、全系の焦点距離をｆ＝１．８とし短焦点化を実現しているため、対角の長さが４．５ｍｍ程度の小さい撮像素子を用いて半画角６０°以上の広画角化を達成でき、広い視野が要求されるドアホン用カメラや監視・防犯用途のカメラに好適となる。

また、ＩＲカットフィルタ３を備え付けているため、白熱灯など近赤外の波長を多く含む光源によるカラー撮影時に、色が実際の色と異なるように見える現象の発生を防ぐことができ、色再現性の高いカラー画像を撮影することが可能となる。また、Ｆナンバー（ＦＮｏと略す）をＦＮｏ２．８に設定しているが、ＦＮｏ２．４程度までレンズを明るくしても実仕様上問題ないレベルの解像力を達成することができる。

また、レンズ２枚の最小の組合わせ枚数によりレンズ設計ができるので、レンズ構成が簡単になり、高性能、小型、低コストの撮像レンズを得ることができる。

図４に、本実施形態の撮像レンズ１０の光学特性として、可視光の球面収差、非点収差、歪曲収差の各レンズ収差を示している。図中、ＣはＣ線、ｄはｄ線、ＦはＦ線での特性、ｍはメリジオナル面、Ｓはサジッタル面での特性を示し、いずれも良好な特性を示す。

以上述べたように、本実施形態に係る発光装置１０によれば、補助光源として可視光のピーク波長より長いピーク波長の光源を使用するカメラにおいて、可視光の画像周辺のピント位置Ｐ３を、可視光の画像中心のピント位置Ｐ１より補助光の画像中心のピント位置Ｐ２に近づけることにより、可視光の画像周辺の解像力を向上することができると共に、可視光及び補助光がレンズに入射している場合のどちらにおいても高い解像力を確保することを可能にする。

また、レンズ構成を第１レンズ、第２レンズの２枚組の最小組合わせ枚数で実現したことにより、可視光がレンズに入射している場合、補助光源の光がレンズに入射している場合のいずれの場合においても高い解像力を確保しながら、撮像レンズの低廉化、広角化、小型化及び高感度化（低ＦＮｏ化）を同時に実現することができる。

また、式（１）、（３）を満足するようなレンズ構成にすることにより、各光学フィルタを挿入した状態においても、可視光及び補助光の両方において高い解像力を確保することを可能になる。従って、細かい映像を撮影したときに発生する偽信号による画像劣化対策や、白熱灯など近赤外の波長を多く含む光源によるカラー撮影時に色が実際の色と異なるように見える現象の防止対策として、ローパスフィルタや、ＩＲカットフィルタをレンズ系に自由度をもって挿入することができる。これにより、色再現性の良い、画像劣化の少ない、高解像度のレンズ系を構成することが可能となる。

また、式（４）を満足するようレンズの曲率半径を設定することにより、可視光がレンズに入射している場合、補助光源の光がレンズに入射している場合のいずれの場合においても高い解像力を確保しながら、歪みが少なくかつ製造も容易なレンズを得ることができる。

本発明の一実施形態における撮像レンズの構成図。 上記撮像レンズのピント位置を説明する図。 上記撮像レンズのＭＴＦ特性図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ上記撮像レンズの可視光における球面収差図、非点収差図、及び歪曲収差図。 従来の撮像レンズのピント位置を説明する図。

符号の説明

１ 第１レンズ
２ 第２レンズ
３ ローパスフィルタ
４ カバーガラス
５ 撮像素子
１０ 撮像レンズ
ｆ レンズ全系の焦点距離
ｆ１ 第１レンズの焦点距離
ｆ２ 第２レンズの焦点距離
ｄｆ ＩＲカットフィルタの厚さ
ｄｇ カバーガラスの厚さ
Ｒ１ 第１レンズの物体側の曲率半径
Ｒ２ 第１レンズの像側の曲率半径

Claims (4)

1. 可視光の波長より長いピーク波長の補助光源を使用するカメラにおいて、
   可視光をレンズに入射させたときの画像周辺のピント位置を、可視光をレンズに入射させたときの画像中心のピント位置よりも、前記補助光源による光をレンズに入射させたときの画像中央のピント位置に近づけることを特徴とする撮像レンズ。
2. 物体側から順に凹レンズである第１レンズと、凸レンズである第２レンズと、撮像素子のカバーガラスと、撮像素子とを備え、全系の焦点距離をｆ、前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記カバーガラスの厚みをｄｇとしたとき、
   −１．５≦ｆ１／ｆ≦−１．０ …（１）
   ０．３≦ｄｇ／ｆ≦０．８ …（２）
   を同時に満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。
3. 物体側から順に凹レンズである第１レンズと、凸レンズである第２レンズと、光学フィルタと、撮像素子のカバーガラスと、撮像素子とを備え、全系の焦点距離をｆ、前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記カバーガラスの厚みをｄｇ、前記光学フィルタの厚みの合計をΣｄｆｉとしたとき、
   

   

   を同時に満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。
4. 前記第１レンズの物体側の曲率半径をＲ１、前記第１レンズの像側の曲率半径をＲ２としたとき、
   −５０≦Ｒ１／Ｒ２≦−１０ …（４）
   を満足することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の撮像レンズ。

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