JP2008281859A

JP2008281859A - 広角レンズ

Info

Publication number: JP2008281859A
Application number: JP2007127071A
Authority: JP
Inventors: Sayuri Noda; さゆり野田
Original assignee: Largan Precision Co Ltd
Current assignee: Largan Precision Co Ltd
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2008-11-20

Abstract

【課題】特に画角１４０゜程度の超広角においても、最小限の４枚というレンズ枚数で周辺部から最周辺部にかけての極端な画像歪みを回避し、高鮮鋭度を有する広角レンズを提供する。
【解決手段】物体側から、第１レンズ１、第２レンズ２、第３レンズ３、開口絞り５、第４レンズ４の順に配置された４枚構成の超広角レンズであって、第１レンズ１及び第２レンズ２は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズであり、第３レンズ３及び第４レンズ４は、両凸レンズであり、開口絞り５よりも物体側のレンズ面は、少なくとも４面以上を非球面とし、第４レンズ４は、両面を非球面に形成した。第１レンズ１から第３レンズ３までの合成焦点距離をｆ₁₂₃、レンズ系全体の焦点距離をｆとした時、−１５．０＜ｆ₁₂₃／ｆ＜ −８．０の条件式を満足する。第４レンズ４の焦点距離をｆ₄、としたとき、−６．５＜ｆ₁₂₃／ｆ₄ ＜ −３．０の条件式を満足する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、物体側から、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ、開口絞り、第４レンズの順に配置された４枚構成の広角レンズに関し、特に、監視用カメラや車搭載カメラなどのデジタル画像入力機器に好適な固体撮像素子用の広角レンズ（特に、画角が１４０゜程度の超広角レンズ）に関するものである。

広角レンズの設計において、従来より常に課題になるのが画像の歪曲であり、球面のガラスレンズしか使用できなかった時代においては、マイナスの（樽型の）歪曲収差を補正するために、多くの枚数の負メニスカスレンズ・正メニスカスレンズをレンズ系の前部に配置して対応していた。このような広角レンズは、画角８０゜クラスで８〜１０枚、画角が１００゜を超えると１０〜１２枚のレンズが必要となり、レンズ系の重量・全長が大きくなるという問題があった。

一方、光学プラスチック材料の進展に伴い、非球面レンズを製造する技術も一般化されてきており、コンパクトかつ軽量でレンズ枚数の少ない広角レンズも設計されるようになってきている（例えば、下記特許文献１〜５参照）。非球面レンズを用いることで、画角８０゜クラスでレンズ枚数が３〜４枚、画角１００゜クラスで４〜５枚、画角１２０゜以上でも５〜６枚のものが開発されてきている。

具体的には、特許文献１には、物体側から順に、負メニスカスレンズ・負メニスカスレンズ・正レンズ・負メニスカスレンズ・正レンズの５枚構成のレンズが開示されている。特許文献２には、物体側から順に、負レンズ・負レンズ・正レンズ・正レンズの４枚構成のレンズが開示されている。特許文献３には、物体側から順に、負レンズ・正レンズ・開口絞り・接合レンズ・両凸レンズの５枚構成のレンズが開示されている。特許文献４には、物体側から順に、負メニスカスレンズ・両凹レンズ・両凸レンズ・正メニスカスレンズの４枚構成のレンズが開示されている。特許文献５には、物体側から順に、負レンズ・負レンズ・正メニスカスレンズ・両凸レンズの４枚構成のレンズが開示されている。

これら広角レンズにおいては、前述のように画像の歪曲という課題が常に付きまとっているが、近年は画像処理技術の進歩により、広角レンズにより発生している歪曲収差を画像処理により補正できるようになって来ている。このような背景により、画角が１００゜を超えるような超広角の領域においても、飛躍的にレンズの構成枚数が削減され、同時に小型化に拍車がかかっている状況である。すなわち、画角１００゜クラスでレンズ枚数が３〜４枚、画角１４０゜以上のクラスでも４〜５枚になってきている。このようなレンズ技術の進展・背景をバックにして、監視用カメラや車載用カメラの分野においても多くの広角レンズ・超広角レンズが導入されて来ている。

特開２００３−３０７６７４号公報特開２００５−２２７４２６号公報特開２００６−１４６０１６号公報特開２００６−２９２９８８号公報特開２００７−０２５４９９号公報

一般のカメラレンズでは、ｙ’＝ｆ・ｔａｎωで表記される通常の射影方式をベースに歪曲収差を補正するようにしている。ここで、ｙ’は撮像素子上での像高であり、ωは半画角である。しかしながら、画角が大きくなると、例えば、ω＝９０゜になると、ｙ’＝∞となり、有限の大きさの撮像素子の画面内に結像することは不可能になる。そこで、このような場合は、周辺の画像を極端に圧縮するような、
（１）立体射影方式：ｙ’＝２ｆ・ｔａｎ（ω／２）
（２）等距離射影方式：ｙ’＝ｆ・ω
（３）等立体角射影方式：ｙ’＝２ｆ・ｓｉｎ（ω／２）
（４）正射影方式：ｙ’＝２ｆ・ｓｉｎω
などの射影方式をベースにして、マイナスの歪曲収差を大きく発生させて周辺画像を圧縮し、有限の大きさの撮像素子面に画像を取り込んでいる。なお、圧縮率は、（１）が最も大きく、ついで（２）（３）（４）の順番に大きい。

いずれも、半画角ωに対する像高ｙ’は、周辺部において、通常のｙ’よりもかなり小さくなり、特に最周辺部においては極端に圧縮された画像になってしまう。従って、車搭載カメラや監視用カメラとして、周辺の被写体が何であるかの判別を困難にしてしまっている。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、特に画角１４０゜程度の超広角においても、最小限の４枚というレンズ枚数で周辺部から最周辺部にかけての極端な画像歪みを回避し、高鮮鋭度を有する広角レンズを提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る広角レンズは、
物体側から、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ、開口絞り、第４レンズの順に配置された４枚構成の超広角レンズであって、
第１レンズ及び第２レンズは、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズであり、
第３レンズ及び第４レンズは、両凸レンズであり、
開口絞りよりも物体側のレンズ面は、少なくとも４面以上を非球面とし、第４レンズは、両面を非球面に形成したことを特徴とするものである。

かかる構成による広角レンズの作用・効果を説明する。レンズ枚数は全部で４枚であり、物体側から順に、２つの物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ、２つの両凸レンズにより構成される。また、開口絞りは第３レンズと第４レンズの間に配置されるが、第４レンズは両面を非球面とし、第１〜第３レンズの各レンズ面のうち少なくとも４面以上を非球面とする。これにより、少ないレンズ枚数での収差補正が可能になる。

上記のレンズ配置によれば、例えば、画角１４０゜程度のきつい角度で入射される軸外光束は、第１レンズ及び第２レンズの負の屈折力により、緩やかな角度に調整されて第３レンズ以後に入射させられる。ただし、第２レンズより射出された光束は、マイナスの歪曲収差、非点収差、倍率色収差を含んでいるので、これらを第３レンズ・第４レンズの正の屈折力を適切に設定することで補正することができる。これにより、後述の各実施例からも分かるように、特に画角１４０゜程度の超広角においても、最小限の４枚というレンズ枚数で周辺部から最周辺部にかけての極端な画像歪みを回避し、高鮮鋭度を有する広角レンズを提供することができた。

本発明において、第１レンズから第３レンズまでの合成焦点距離をｆ₁₂₃、レンズ系全体の焦点距離をｆとした時、
−１５．０＜ｆ₁₂₃／ｆ＜ −８．０・・・（１）
の条件式を満足することが好ましい。

ｆ₁₂₃／ｆが上記条件式（１）の上限値以上になると、第１レンズと第２レンズの負のパワーが強すぎて、従来技術の超広角レンズに見られるようなマイナスの歪曲収差が大きくなり、周辺部の圧縮画像に対して、画像処理による補正が不可欠になってしまう。また、ｆ₁₂₃／ｆが条件式（１）の下限値以下になると、画角１４０゜程度の超広角の光束をレンズ系に導くためには、非常に大きな径の第１レンズが必要となり、小型化を達成することが困難になる。

本発明において、第４レンズの焦点距離をｆ₄、としたとき、
−６．５＜ｆ₁₂₃／ｆ₄ ＜ −３．０・・・（２）
の条件式を満足することが好ましい。

ｆ₁₂₃／ｆ₄が条件式（２）の上限値以上になると、第４レンズの正のパワーが緩くなり、開口絞りの前部で発生したマイナスの歪曲収差を補正しきれなくなり、従来技術の超広角レンズに見られるようなマイナスの歪曲収差が大きくなる。また、ｆ₁₂₃／ｆ₄が条件式（２）の下限値以下になると、第４レンズの正のパワーがきつくなり、更にもう１枚以上のレンズ構成が必要となってしまう。

本発明において、第３レンズの物体側のレンズ面の曲率半径をｒ₅、像側のレンズ面の曲率半径をｒ₆、とした時、
０．６＜（ｒ₆＋ｒ₅）／（ｒ₆−ｒ₅）＜１．０・・・（３）
の条件式を満足することが好ましい。

（ｒ₆＋ｒ₅）／（ｒ₆−ｒ₅）が条件式（３）の上限値以上になると、物体側の曲率半径が小さくなり、歪曲収差の補正には都合がよいが、非点収差やコマ収差の補正が困難になり、画像の鮮鋭度を低下させてしまう。（ｒ₆＋ｒ₅）／（ｒ₆−ｒ₅）が条件式（３）の下限値以下になると、本来の目的である歪曲収差の補正が困難になり、従来技術のようなマイナスの歪曲収差が大きな広角レンズになってしまう。

本発明において、第４レンズの物体側のレンズ面の曲率半径をｒ₈、像側のレンズ面の曲率半径をｒ₉、とした時、
−０．５５＜（ｒ₉＋ｒ₈）／（ｒ₉−ｒ₈）＜ −０．４５・・・（４）
の条件式を満足することが好ましい。

（ｒ₉＋ｒ₈）／（ｒ₉−ｒ₈）が条件式（４）の上限値以上になると、球面収差が補正不足になる。（ｒ₉＋ｒ₈）／（ｒ₉−ｒ₈）が条件式（４）の下限値以下になると、球面収差が補正過剰となり、画面中央付近の画像の鮮鋭度を低下させてしまう。

本発明に係る広角レンズの好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１〜図７に、実施例１から実施例７までのレンズ構成図（図１Ａ〜図７Ａ）と、収差図（図１Ｂ〜図７Ｂ）を示す。本発明に係る広角レンズは、特に画角１４０゜程度の超広角レンズに好適であり、車搭載カメラや監視用カメラなどに用いることができる。

＜レンズ構成図について＞
図１Ａ〜図７Ａは、各実施例における光学系の配置を示す。各実施例において、広角レンズは、光軸に沿って物体側から順に、第１レンズ１、第２レンズ２、第３レンズ３、開口絞り５、第４レンズ４、光学ローパスフィルター６、カバーガラス７、撮像面８が配置されている。光学ローパスフィルター６は赤外光をカットするものであり、カバーガラス７は撮像面８に配置される固体撮像素子（ＣＣＤやＭＯＳ）を保護するものである。いずれも平行平面ガラスにより構成される。

第１レンズ１は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズであり、第２レンズ２も物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。第３レンズ３は、両凸レンズであり、第４レンズ４も両凸レンズである。各レンズ１〜４は、プラスチック材料により成型され、第１レンズ１〜第３レンズ３のうち、少なくとも４面は非球面により形成され、第４レンズ４は、両面非球面である。これにより、材料コストを削減することができ、４枚という最小限のレンズ枚数により、所望の性能を有する超広角レンズを構成することができる。

なお、各レンズ構成図（図１Ａ〜図７Ａ）には、光線の軌跡を入射角ごとに示している。具体的には、Ｌ１（０゜）Ｌ２（２１゜）Ｌ３（３５゜）Ｌ４（４２゜）Ｌ５（４９゜）Ｌ６（５６゜）Ｌ７（６３゜）Ｌ８（７０゜）の８通りを示しており、撮像面８の上でどの位置に結像するかを図示している。この光線軌跡図から、画像の周辺部において極端な画像の圧縮が発生していないことが確認できる。すなわち、周辺部から最周辺部にかけての極端な画像歪みを回避し、鮮鋭度の高い画像形成を可能にしている。

各収差図（図１Ｂ〜図７Ｂ）において、（ａ）は球面収差を示すグラフであり、各波長Ｃ線，ｄ線，ｅ線，Ｆ線，ｇ線についての球面収差（単位ｍｍ）を夫々示している。（ｂ）は非点収差を示すグラフであり、上記と同様に各波長についての非点収差の大きさ（単位ｍｍ）を示している。なおグラフ中、Ｓはサジタル像面での収差を示し、Ｔはメリジオナル像面での収差を示す。グラフ中においてＣ（Ｓ）とあるのは、サジタル像面におけるＣ線の収差を示し、Ｃ（Ｔ）はメリジオナル像面におけるＣ線の収差を示す。他の光線も同様である。（ｃ）は、歪曲収差の大きさを示すグラフであり、上記と同様に波長についての収差の大きさ（単位％）を示している。これらの収差図からも分かるように、実用的に問題のないレベルまで収差が補正されていることが分かる。

＜レンズ諸元について＞
＜実施例１＞
まず実施例１についての諸元を説明する。

全系の焦点距離ｆ＝０．８６８ｍｍ
Ｆナンバー＝２．８
画角２ω＝１４０゜
次に、表１により、物体側から順に面の番号を付して、曲率半径ｒ（近軸上における曲率半径：ｍｍ）、面間隔ｄ（ｍｍ）、屈折率ｎｄ、アッベ数νｄを示す。また、表２に、非球面係数を示す。第１実施例を構成するレンズは、第１面を除き非球面により形成される。

なお、非球面形状は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを非球面係数として、光軸からの高さＨの位置での光軸方向の変位Ｘを、面頂点を基準として表すと、
Ｘ＝（１／Ｒ）Ｈ²／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（Ｈ／Ｒ）²｝^1/2］＋ＡＨ⁴＋ＢＨ⁶＋ＣＨ⁸＋ＤＨ¹⁰
となる。Ｒは近軸曲率半径、Ｋはコニカル係数である。非球面係数のＥ−０３などの表記は１０^-3を意味する。この点は他の実施例も同じである。

この表において、面番号１，２は、第１レンズ１、面番号３，４は第２レンズ２、面番号５，６は第３レンズ３、面番号７は開口絞り５、面番号８，９は第４レンズ４、面番号１０，１１は光学ローパスフィルター６、面番号１２，１３はカバーガラス７に相当する。面番号７は、開口絞り５のため曲率半径ｒは∞となっている。また、面番号１０〜１３も平行平面ガラスのため曲率半径ｒは∞となっている。この点は、他の実施例についても同じである。

第１〜第４レンズ１〜４は、いずれもプラスチックにより形成される。光学ローパスフィルター６とカバーガラス７は、ＢＳＣ７により形成される。

＜実施例２＞
実施例２についての諸元を説明する。

全系の焦点距離ｆ＝０．８８１ｍｍ
Ｆナンバー＝２．８
画角２ω＝１４０゜
表２Ａにレンズ諸元、表２Ｂに非球面係数を示す。

第１〜第４レンズ１〜４は、いずれもプラスチックにより形成される。光学ローパスフィルター６とカバーガラス７は、ＢＳＣ７により形成される。各レンズ1〜４のレンズ面は、第１面を除き非球面により形成される。

＜実施例３＞
実施例３についての諸元を説明する。

全系の焦点距離ｆ＝０．８８５ｍｍ
Ｆナンバー＝２．８
画角２ω＝１４０゜
表３Ａにレンズ諸元、表３Ｂに非球面係数を示す。

第２〜第４レンズ２〜４は、いずれもプラスチックにより形成される。第1レンズ１、及び、光学ローパスフィルター６とカバーガラス７は、ＢＳＣ７により形成される。各レンズ２〜４のレンズ面は、いずれも非球面により形成される。

＜実施例４＞
実施例４についての諸元を説明する。

全系の焦点距離ｆ＝０．９９６ｍｍ
Ｆナンバー＝２．８
画角２ω＝１４０゜
表４Ａにレンズ諸元、表４Ｂに非球面係数を示す。

第１〜第４レンズ１〜４は、いずれもプラスチックにより形成される。光学ローパスフィルター６とカバーガラス７は、ＢＳＣ７により形成される。各レンズ１〜４のレンズ面は、第1面を除き非球面により形成される。

＜実施例５＞
実施例５についての諸元を説明する。

全系の焦点距離ｆ＝０．９８７ｍｍ
Ｆナンバー＝２．８
画角２ω＝１４０゜
表５Ａにレンズ諸元、表５Ｂに非球面係数を示す。

＜実施例６＞
実施例６についての諸元を説明する。

全系の焦点距離ｆ＝１．００３ｍｍ
Ｆナンバー＝２．８
画角２ω＝１４０゜
表６Ａにレンズ諸元、表６Ｂに非球面係数を示す。

＜実施例７＞
実施例７についての諸元を説明する。

全系の焦点距離ｆ＝０．８１９ｍｍ
Ｆナンバー＝２．８
画角２ω＝１４０゜
表７Ａにレンズ諸元、表７Ｂに非球面係数を示す。

本発明に係る広角レンズのレンズ構成は４枚であり、物体側から、第１レンズ１（負メニスカスレンズ）、第２レンズ２（負メニスカスレンズ）、第３レンズ３（両凸レンズ）、開口絞り５、第４レンズ４（両凸レンズ）の順に配置されている。かかる配置構成により、画角１４０゜にも及ぶきつい角度で入射してきた軸外光束は、負屈折力を有する第１レンズ１と第２レンズ２により、順次緩やかな角度に調整されて第３レンズ３に入射されることになる。ただし、第２レンズ２から射出された光束は、大きなマイナスの（樽型の）歪曲収差・非点収差及び倍率色収差を含んでいる。そのために、第１レンズ１から第３レンズ３までの合成焦点距離をｆ₁₂₃、レンズ系全体の焦点距離をｆとした時、
−１５．０＜ｆ₁₂₃／ｆ＜ −８．０・・・（１）
の条件式を満足することが好ましい。

ｆ₁₂₃／ｆが上記条件式（１）の上限値以上になると、第１レンズ１と第２レンズ２の負のパワーが強すぎて、従来技術の超広角レンズに見られるようなマイナスの歪曲収差が大きくなり、周辺部の圧縮画像に対して、画像処理による補正が不可欠になってしまう。また、ｆ₁₂₃／ｆが条件式（１）の下限値以下になると、画角１４０゜程度の超広角の光束をレンズ系に導くためには、非常に大きな径の第１レンズ１が必要となり、小型化を達成することが困難になる。

本発明において、第４レンズ４の焦点距離をｆ₄、としたとき、
−６．５＜ｆ₁₂₃／ｆ₄ ＜ −３．０・・・（２）
の条件式を満足することが好ましい。

ｆ₁₂₃／ｆ₄が条件式（２）の上限値以上になると、第４レンズ４の正のパワーが緩くなり、開口絞りの前部で発生したマイナスの歪曲収差を補正しきれなくなり、従来技術の超広角レンズに見られるようなマイナスの歪曲収差が大きくなる。また、ｆ₁₂₃／ｆ₄が条件式（２）の下限値以下になると、第４レンズ４の正のパワーがきつくなり、更にもう１枚以上のレンズ構成が必要となってしまう。この条件式（１）に基づいて、第３レンズ３の正屈折力を定めることにより、上記の問題を解消することができる。そして、第１レンズ１、第２レンズ２、第３レンズ３を経て絞り空間に射出された光束は、次の条件式（３）を充足することが好ましい。

本発明において、第３レンズ３の物体側のレンズ面の曲率半径をｒ₅、像側のレンズ面の曲率半径をｒ₆、とした時、
０．６＜（ｒ₆＋ｒ₅）／（ｒ₆−ｒ₅）＜１．０・・・（３）
の条件式を満足することが好ましい。

本発明において、第４レンズ４の物体側のレンズ面の曲率半径をｒ₈、像側のレンズ面の曲率半径をｒ₉、とした時、
−０．５５＜（ｒ₉＋ｒ₈）／（ｒ₉−ｒ₈）＜ −０．４５・・・（４）
の条件式を満足することが好ましい。

本発明によるレンズ系は、第１レンズ１から第３レンズ３までは所謂フロントコンバータの役目をなしており、広画角の光束を取り込み、開口絞り付近で各光束を集結させ、結像レンズたる第４レンズ４へと導く型式となっている。従って、第４レンズ４はいわば本レンズ系の主レンズの役目を担っている。上記条件式（４）は、その第４レンズ４の近軸的形状を定めるものである。

（ｒ₉＋ｒ₈）／（ｒ₉−ｒ₈）が条件式（４）の上限値以上になると、球面収差が補正不足になる。（ｒ₉＋ｒ₈）／（ｒ₉−ｒ₈）が条件式（４）の下限値以下になると、球面収差が補正過剰となり、画面中央付近の画像の鮮鋭度を低下させてしまう。更に、この範囲内に第４レンズ４の近軸的形状を定めて、両側面に非球面形状を付加することにより、画面中帯・画面周辺部まで良好な画質を保つことができる。

以上の点を各実施例について、条件式にかかるパラメータと共に表８に示す。

以上のように本発明に係る広角レンズの構成によれば、画角１４０゜程度の超広角においても、最小限の４枚というレンズ枚数で周辺部から最周辺部にかけての極端な画像歪みを回避し、高鮮鋭度を有する広角レンズを提供することができる。従って、特に車搭載カメラや監視用カメラとして好適である。

実施例１のレンズ構成を示す図実施例１の球面収差・非点収差・歪曲収差を示す図実施例２のレンズ構成を示す図実施例２の球面収差・非点収差・歪曲収差を示す図実施例３のレンズ構成を示す図実施例３の球面収差・非点収差・歪曲収差を示す図実施例４のレンズ構成を示す図実施例４の球面収差・非点収差・歪曲収差を示す図実施例５のレンズ構成を示す図実施例５の球面収差・非点収差・歪曲収差を示す図実施例６のレンズ構成を示す図実施例６の球面収差・非点収差・歪曲収差を示す図実施例７のレンズ構成を示す図実施例７の球面収差・非点収差・歪曲収差を示す図

符号の説明

１第１レンズ
２第２レンズ
３第３レンズ
４第４レンズ
５開口絞り
６光学ローパスフィルター
７カバーガラス
８撮像面

Claims

物体側から、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ、開口絞り、第４レンズの順に配置された４枚構成の広角レンズであって、
第１レンズ及び第２レンズは、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズであり、
第３レンズ及び第４レンズは、両凸レンズであり、
開口絞りよりも物体側のレンズ面は、少なくとも４面以上を非球面とし、第４レンズは、両面を非球面に形成したことを特徴とする広角レンズ。
第１レンズから第３レンズまでの合成焦点距離をｆ₁₂₃、レンズ系全体の焦点距離をｆとした時、
−１５．０＜ｆ₁₂₃／ｆ＜ −８．０・・・（１）
の条件式を満足する請求項１に記載の広角レンズ。
第４レンズの焦点距離をｆ₄、としたとき、
−６．５＜ｆ₁₂₃／ｆ₄ ＜ −３．０・・・（２）
の条件式を満足する請求項２に記載の広角レンズ。
第３レンズの物体側のレンズ面の曲率半径をｒ₅、像側のレンズ面の曲率半径をｒ₆、とした時、
０．６＜（ｒ₆＋ｒ₅）／（ｒ₆−ｒ₅）＜１．０・・・（３）
の条件式を満足する請求項１〜３のいずれか１項に記載の広角レンズ。
第４レンズの物体側のレンズ面の曲率半径をｒ₈、像側のレンズ面の曲率半径をｒ₉、とした時、
−０．５５＜（ｒ₉＋ｒ₈）／（ｒ₉−ｒ₈）＜ −０．４５・・・（４）
の条件式を満足する請求項１〜４のいずれか１項に記載の広角レンズ。