JP2009151047A - 撮像レンズおよび撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】撮像レンズにおいて、良好な光学性能を保持するとともに、強度の強いゴーストが発生するのを抑制する。
【解決手段】撮像レンズ1は、最も物体側に配置されて物体側に凹面を向けたメニスカス形状の負のレンズL1と、最も像側に配置されて最も物体側の面が凸面であるとともに正のレンズ同士を接合してなる接合レンズLCと、接合レンズLCの物体側の直前に配置された絞りとを備える。軸上マージナル光線2の接合レンズLCの最も物体側の面への入射角αiは8°以上であり、かつ、軸上マージナル光線2の接合レンズLCの最も像側の面からの出射角αeは8°以上である。
【選択図】図1
【解決手段】撮像レンズ1は、最も物体側に配置されて物体側に凹面を向けたメニスカス形状の負のレンズL1と、最も像側に配置されて最も物体側の面が凸面であるとともに正のレンズ同士を接合してなる接合レンズLCと、接合レンズLCの物体側の直前に配置された絞りとを備える。軸上マージナル光線2の接合レンズLCの最も物体側の面への入射角αiは8°以上であり、かつ、軸上マージナル光線2の接合レンズLCの最も像側の面からの出射角αeは8°以上である。
【選択図】図1
Description
本発明は、撮像レンズおよび撮像装置に関し、より詳しくは、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等の撮像素子を用いた車載用カメラ、監視カメラ等に使用されるのに好適な撮像レンズ、および該撮像レンズを備えた撮像装置に関するものである。
近年、自動車にカメラ等の撮像装置を搭載し、自動車の前方、側方、後方等を撮像して、外部環境の認識を行い、例えば走行道路の白線認識あるいは障害物検知などを行うシステムが実用化されている。このような車載用カメラに適用される車載用レンズとしては、明るい光学系で、良好な結像性能を有し、安価に製造可能であることが重要である。
上記撮像装置に使用されるCCDやCMOS等の撮像素子は、近年非常に小型化及び高画素化が進んでいる。それとともに、これら撮像素子を備えた撮像機器本体も小型化が進み、それに搭載される撮像レンズにも小型化、軽量化が求められている。また、車載用カメラや監視カメラなどは、昼夜を通して使用されるものであり、特に、車載用カメラは、昼間は可視光、夜間は近赤外光による撮影を行うため、可視域から近赤外域までの広い波長域に対応した光学系が必要となる。
特許文献1には、物体側から順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の第1レンズと、正の第2レンズと、負の第3レンズと、絞りと、負の第4レンズおよび正の第5レンズの接合レンズとが配列されてなる中望遠レンズが記載されている。また、特許文献2には、物体側から順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の3枚のレンズからなる第1レンズ群と、メニスカス形状の負のレンズからなる第2レンズ群と、絞りと、負のレンズおよび正のレンズの接合レンズからなる第3レンズ群と、1枚以上の正のレンズからなる第4レンズ群とが配列されてなる中望遠レンズが記載されている。
特開平11−271610号公報
特開平5−224119号公報
車載用レンズにおいては、使用時に対向車のヘッドライト等の強い光が撮像素子やレンズ面等で反射してゴーストが生じることがある。ゴーストの程度によっては、画像を正しく認識できなくなる虞があるため、対策が要望されている。ゴーストの原因となる反射面の中でも、撮像素子面の反射率はレンズ面の反射率に比べて大きいため、撮像素子面とレンズ面との反射によるゴーストの方が、レンズ面とレンズ面との反射によるゴーストに比べて、強度が強いものとなる。よって、特に、撮像素子面とレンズ面との反射によるゴーストの強度を小さくすることが必要になる。
しかしながら、以上のような考慮に基づきゴースト対策が施されたレンズは少なく、上記特許文献1,2においても、ゴースト対策に関する記述はない。
本発明は、上記事情に鑑み、良好な光学性能を保持するとともに、強度の強いゴーストの発生を抑制可能な撮像レンズ、および該撮像レンズを備えた撮像装置を提供することを目的とするものである。
本発明の撮像レンズは、最も物体側に配置されて物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズと、最も像側に配置されて最も物体側の面が凸面であるとともに正のレンズ同士を接合してなる接合レンズと、該接合レンズの物体側の直前に配置された絞りとを備え、軸上マージナル光線の前記接合レンズの最も物体側の面への入射角が8°以上であり、かつ、前記軸上マージナル光線の前記接合レンズの最も像側の面からの出射角が8°以上であることを特徴とするものである。
また、本発明の撮像レンズにおいては、全系の全てのレンズの空気接触面において、前記軸上マージナル光線の空気から各面への入射角が6°以上であり、かつ、前記軸上マージナル光線の各面から空気への出射角が6°以上であることが好ましい。
本発明の撮像装置は、上記記載の本発明の撮像レンズと、該撮像レンズにより形成される光学像を電気信号に変換する撮像素子とを備えたことを特徴とするものである。
なおここで、「接合レンズの物体側の直前に配置された絞り」の「直前」とは、距離的なものを意味するのではなく、接合レンズと絞りとの間に、別の光学要素が入らないという意味である。
なおここで、「軸上マージナル光線」とは、光軸上の物点を出て、光学系の入射瞳の端を通る光線のことである。
また、上記の「軸上マージナル光線の前記接合レンズの最も物体側の面への入射角」とは、軸上マージナル光線が該面へ入射する位置における、該面の法線と軸上マージナル光線とのなす角のことである。「軸上マージナル光線の空気から各面への入射角」についても同様である。また、「軸上マージナル光線の前記接合レンズの最も像側の面からの出射角」とは、軸上マージナル光線が該面から出射する位置における、該面の法線と軸上マージナル光線とのなす角のことである。「軸上マージナル光線の各面から空気への出射角」についても同様である。
本発明の撮像レンズは、面の法線と入射する軸上マージナル光線との角、および面の法線と出射する軸上マージナル光線との角を所定角度以上の大きな角度となるように規定するものである。かかる構成によれば、各面で光が反射したときには、その反射光は大きく広がったものとなりやすく、この反射光が像面に達したときには像面上での光密度は低くなる傾向にあり、結果として、強度の強いゴーストを発生しにくくすることができる。
本発明の撮像レンズによれば、軸上マージナル光線の入射角および出射角が所定角度より大きくなるように構成されているため、多重反射により再び像面に入射した光は広がったものとなりやすく、強度の強いゴーストが発生するのを抑制することができる。また、本発明の撮像装置によれば、本発明の撮像レンズを備えているため、画面上で強度の強いゴーストが発生しにくいものとなり、ゴースト対策の施されていない撮像装置に比べて、より正確な映像を提供することが可能となる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。まず、本発明の撮像レンズの実施形態について説明し、その後で撮像装置の実施形態について説明する。
図1に本発明の一実施形態にかかる撮像レンズ1のレンズ断面図を示す。図1には、軸上マージナル光線(軸上光線の最外周光線)2も合わせて示してある。なお、この図1に示す構成例は、図8に示す後述の実施例1のレンズ構成に対応している。また、図9〜図12には、本発明の実施形態にかかる撮像レンズの別の構成例のレンズ断面図を示しており、これらは後述の実施例2〜5のレンズ構成に対応している。実施例1〜5の撮像レンズは、基本的なレンズ構成は同じであるため、以下では本発明の実施形態にかかる撮像レンズとして、図1に示す構成例の撮像レンズ1を例にとり説明する。
撮像レンズ1は、物体側から順に、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の負の第1レンズL1と、物体側に凸面を向けた正の第2レンズL2と、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の第3レンズL3と、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負の第4レンズL4と、開口絞りStと、物体側に凸面を向けた正の第5レンズL5および正の第6レンズL6からなる接合レンズLCとが配列されてなる。
なお、図1における開口絞りStは形状や大きさを表すものではなく光軸Z上の位置を示すものである。また、図1では、撮像レンズ1が撮像装置に適用される場合を考慮して、撮像レンズの結像位置Pimを含む像面に配置された撮像素子5も図示している。撮像素子5は、撮像レンズにより形成される光学像を電気信号に変換するものであり、例えばCCDイメージセンサ等からなる。
図1では示していないが、撮像レンズ1を撮像装置に適用する際には、撮像レンズ1と撮像素子5との間に、レンズを装着するカメラ側の構成に応じて、カバーガラスや、ローパスフィルタ、赤外線カットフィルタ、紫外線カットフィルタなどの各種フィルタを配置することが好ましい。例えば、本撮像レンズが、車載用カメラに使用され、夜間の視覚補助用の暗視カメラとして使用される場合には、レンズ系と撮像素子との間に紫外光から青色光をカットするようなフィルタを挿入することが好ましい。
撮像レンズ1は、本発明の課題を解決するべく、強い強度のゴーストが発生しにくいように構成されている。具体的には、図2の部分拡大図に示すように、撮像レンズ1では、軸上マージナル光線2の接合レンズLCの最も物体側の面への入射角αiが8°以上であり、かつ、軸上マージナル光線2の接合レンズLCの最も像側の面からの出射角αeが8°以上であるように構成されている。
また、強いゴーストを発生しにくくさせるには、全系の全てのレンズの空気接触面において、軸上マージナル光線2の空気から各面への入射角が6°以上であり、かつ、軸上マージナル光線2の各面から空気への出射角が6°以上であることが好ましく、撮像レンズ1はこのように構成されている。
なお、ここで言う入射角、出射角は全て、光線が入射または出射する点における、各面の法線と光線のなす角のことである。図2では、入射点および出射点における各面の法線を点線で図示している。
ゴーストは、撮像素子5やレンズ面等で反射した光が撮像素子5に入射することにより生じる。各レンズ面において、光線が入射するとき、入射する点における面の法線と光線とのなす角(入射角)が小さいと、レンズ面で反射した反射光と入射光のなす角が小さくなるため、再び撮像素子5上の有効範囲内(画像形成領域)に集光し、強度の強いゴーストとなる可能性が高くなる。
また、一般的な回転対称光学系であれば、軸上マージナル光線のあるレンズ面からの出射角は、その軸上マージナル光線が撮像素子5で反射して再び同じレンズ面に入射するときの入射角と等しくなる。つまり、図2における下側の軸上マージナル光線2が撮像素子5で反射し、再び第6レンズL6に入射するときの入射角(上側の軸上マージナル光線2と第6レンズL6の像側の面の法線とのなす角、不図示)は、図2に示す出射角αeと同じ大きさになる。上述したように、入射角が小さいと強度の強いゴーストが発生しやすいため、このゴーストを抑制するには各面への入射角、すなわち各面からの出射角の大きさが大きいことが好ましい。
以上のことから、入射角と出射角の両方について、所定角以上の大きさであることが好ましいことがわかる。なお、接合面よりも空気接触面での反射率の方が高いため、空気接触面についての入射角と出射角を考慮することが好ましい。
また、撮像素子5での反射率はレンズ面での反射率に比べて大きいため、撮像素子5で反射し、いずれかのレンズ面で反射して再び撮像素子5に入射した光線によるゴーストの方が、レンズ面同士の反射によるゴーストよりも強度が強くなる。したがって、撮像素子5での反射した場合を考えることにより、効率よく強いゴーストを抑制できる。
また、撮像素子5での反射を考えた場合、主光線が撮像素子5に斜入射する上に画面中心から外れる軸外光線よりも、画面中心に集光する軸上光線の方が、画面内にゴーストを生じる可能性が高い。したがって、軸上マージナル光線について入射角、出射角を規定することが有効である。
さらに、開口絞りStより物体側にあるレンズで反射した光線は開口絞りStにより遮光される可能性があるのに対し、開口絞りStより像側にあるレンズ面と撮像素子5とで反射した光線は、開口絞りにより遮光されることがないため、問題となるゴーストになりやすい。したがって、特に、開口絞りStよりも像側に位置する接合レンズにおいて入射角と出射角を規定することが有効である。
本実施形態にかかる撮像レンズ1では、上記考察に基づき、軸上マージナル光線の入射角αiおよび出射角αeを規定しており、これにより、強度の強いゴーストを効率よく抑制することができる。入射角αiおよび出射角αeが上記の角度以上となるように構成することで、反射した光が大きく広がり、像面上での集光密度が小さくなりやすいため、強度の強いゴーストの発生を抑制しやすくなる。
また、撮像レンズ1の接合レンズLCは、正のレンズ同士の接合により構成されているため、最終面を凸面または曲率の小さな凹面とすることができ、撮像素子5で反射して最終面で再度反射したフレア光が撮像素子5上で高密度に集光するのを防止して、強い強度のゴーストを抑制することができる。これに対し、仮に、最も像側のレンズを負のレンズとした場合、全系の最も像側のレンズ面(以下、最終面という)が曲率の大きな凹面となり、撮像素子5で反射した光が最終面で再度反射して撮像素子5上に再び集光し、強度の強いフレア、つまりゴーストとなる可能性が高い。
図3〜図7に、撮像レンズ1において、平行光線群3を入射させ、撮像素子5と各レンズ面とを反射面としたときの多重反射の光線追跡シミュレーションを行った結果を示す。図3は撮像素子5と接合レンズLCの最も物体側の面とによる反射、図4は撮像素子5と接合レンズLCの最も像側の面とによる反射、図5は撮像素子5と第1レンズL1の物体側の面とによる反射、図6は撮像素子5と第3レンズL3の物体側の面とによる反射、図7は撮像素子5と第4レンズL4の像側の面とによる反射を示すものである。なお、図3〜図7では、見やすくするため、平行光線群3は軸上光線からわずかに角度を持たせたものとしており、その径も適宜設定している。
図3〜図7のいずれの場合も、撮像素子5と各レンズ面とで反射して再び撮像素子5へ入射した光は、発散光となり、撮像素子5上での集光密度は高くないことから、強度の強いゴーストは発生しないことがわかる。すなわち、図3〜図7に示す例の撮像素子5と各レンズ面との反射において、本撮像レンズ1では、強いゴーストの抑制が良好になされている。
次に、撮像レンズ1のその他の構成およびその作用・効果について説明する。
撮像レンズ1において、最も物体側に配置された第1レンズL1は、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の負のレンズであり、これにより、長いバックフォーカスとF値が小さな明るい光学系を得ることが容易になる。長いバックフォーカスを有することにより、撮像レンズ1と撮像素子5との間に、カバーガラスやフィルタ等を余裕を持って配置し、これらの取付時に調整することが容易になる。
接合レンズLCは、バックフォーカスを長くとりつつ、色収差と像面湾曲を補正するのに有利に作用する。なお、接合レンズLCの最も物体側の面である、第5レンズL5の物体側の面が、物体側に凸面を向けるよう構成した場合には、収差補正上さらに有利となる。
なお、接合レンズLCでは、各面の曲率半径の絶対値が、物体側から像側に向かうに従い大きくなるように構成することが好ましく、図1に示す撮像レンズ1はそのように構成されている。この構成により、長いバックフォーカスを確保するとともに、軸上色収差と倍率の色収差のバランスをとりつつ、像面湾曲を良好に保つことができる。
なお、本撮像レンズが例えば車載用カメラ等の厳しい環境において使用される場合には、最も物体側に配置されるレンズは、風雨による表面劣化、直射日光による温度変化に強く、さらには油脂・洗剤等の化学薬品に強い材質、すなわち耐水性、耐候性、耐酸性、耐薬品性等が高い材質を用いることが好ましい。
また、最も物体側に配置されるレンズの材質としては堅く、割れにくい材質を用いることが好ましく、具体的にはガラスもしくは透明なセラミックスを用いることが好ましい。セラミックスは通常のガラスに比べ強度が高く、耐熱性が高いという性質を有する。
また、本撮像レンズが、例えば車載用カメラに適用される場合には、寒冷地の外気から熱帯地方の夏の車内まで広い温度範囲で使用可能なことが要求される。広い温度範囲で使用される場合には、レンズの材質としては線膨張係数の小さいものを用いることが好ましい。また、安価にレンズを製作するためには、全てのレンズが球面レンズであることが好ましい。
次に、本発明にかかる撮像レンズの具体的な数値実施例について説明する。まず、実施例1を例にとり説明する。実施例1にかかる撮像レンズのレンズ構成図を図8に、レンズデータを表1に示す。
表1のレンズデータにおいて、Siは最も物体側の構成要素の面を1番目として像側に向かうに従い順次増加するi番目(i=1、2、3、…)の面番号を示し、Riはi番目の面の曲率半径を示し、Diはi番目の面とi+1番目の面との光軸Z上の面間隔を示し、Ndjは最も物体側の光学要素を1番目として像側に向かうに従い順次増加するj番目(j=1、2、3、…)の光学要素のd線に対する屈折率を示し、νdjはj番目の光学要素のd線に対するアッベ数を示す。表1において、曲率半径および面間隔の単位はmmであり、曲率半径は物体側に凸の場合を正、像側に凸の場合を負としている。なお、表1のレンズデータには開口絞りStも含めて示している。
実施例2〜5にかかる撮像レンズのレンズ構成図を図9〜図12に、レンズデータを表2〜表5にそれぞれ示す。なお、図8〜図12では、結像位置Pimを含む像面に配置された撮像素子5も含めて示しており、図示の開口絞りStは形状や大きさを表すものではなく光軸Z上の位置を示すものである。また、各実施例において、レンズデータの表のRi、Di(i=1、2、3、…)は、レンズ構成図の符号Ri、Diと対応している。
上記実施例1〜5の撮像レンズにおいては、全系を構成する全てのレンズの材質として、d線に対する屈折率が1.75より大きいものが用いられている。光学系の小型化のためには、個々のレンズのパワーが大きい方が好ましいが、パワーを大きくするために面の曲率半径を小さくすると色収差を始めとする諸収差の補正が困難になってしまう。面の曲率半径を小さくすることなく、パワーを大きくするためには、上記のように高い屈折率の材質を採用すればよく、これにより、諸収差を抑制しつつ小型化を図ることができる。なお、同様の理由から、全てのレンズのd線に対する屈折率が1.8より大きいことがより好ましい。
実施例1〜5の撮像レンズにおける各種データを表6に示す。表6において、焦点距離は全系の焦点距離であり、f5は第5レンズL5の焦点距離であり、f6は第6レンズL6の焦点距離であり、αiは軸上マージナル光線2の接合レンズLCの最も物体側の面への入射角であり、αeは軸上マージナル光線2の接合レンズLCの最も像側の面からの出射角である。また、αminは、全系の全てのレンズの空気接触面において、軸上マージナル光線2の空気から各面への入射角および軸上マージナル光線2の各面から空気への出射角のうち、最小の値である。表6において、焦点距離、バックフォーカス、f5,f6の単位はmmであり、全画角、αi、αe、αminの単位は度である。
表6からわかるように、実施例1〜5は全て、αiが8°以上、αeが8°以上、αminが6°以上であり、強い強度のゴーストを抑制可能な構成となっている。
上記実施例1〜5にかかる撮像レンズの球面収差、非点収差、ディストーション(歪曲収差)、倍率色収差の収差図をそれぞれ図13〜図17に示す。各収差図には、e線(波長546.07nm)を基準波長とした収差を示すが、球面収差図および倍率色収差図には、g線(波長435.83nm)、C線(波長656.3nm)、s線(波長852.11nm)についての収差も示す。ディストーションの図は、全系の焦点距離f、半画角θ(変数扱い、0≦θ≦ω)を用いて、理想像高をf×tanθとし、それからのずれ量を示す。球面収差図のFNo.はF値であり、その他の収差図のωは半画角を示す。
以上のデータからわかるように、上記実施例1〜5は、F値が1.40〜1.46という小さな値でありながら、可視域から近赤外までの広い波長帯域にわたり、各収差が良好に補正されているとともに、フィルタ等の挿入が容易に可能な長いバックフォーカスを有し、小型に構成されている。さらに、上記実施例1〜5は、非球面を全く用いず全て球面レンズで構成されているため、安価に製造可能である。このような実施例1〜5の撮像レンズは、自動車の前方、側方、後方などの映像を撮影するための車載用カメラなどに好適に使用可能である。
図18に使用例として、自動車100に本実施形態の撮像レンズおよび撮像装置を搭載した様子を示す。図18において、自動車100は、その助手席側の側面の死角範囲を撮像するための車外カメラ101と、自動車100の後側の死角範囲を撮像するための車外カメラ102と、ルームミラーの背面に取り付けられ、ドライバーと同じ視野範囲を撮影するための車内カメラ103とを備えている。車外カメラ101と車外カメラ102と車内カメラ103とは、撮像装置であり、本発明の実施形態による撮像レンズ1と、撮像レンズ1により形成される光学像を電気信号に変換する撮像素子5とを備えている。
上述したように、本発明の実施形態にかかる撮像レンズ1は、良好な光学性能を有するとともに、強度の強いゴーストの発生を抑制するように構成されているため、車外カメラ101、102および車内カメラ103も良好な像を得ることができるとともに、強度の強いゴーストが発生しにくいものとなる。
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔および屈折率の値は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。
また、撮像装置の実施形態では、本発明を車載用カメラに適用した例について図を示して説明したが、本発明はこの用途に限定されるものではなく、例えば、携帯端末用カメラや監視カメラ等にも適用可能である。
1 撮像レンズ
2 軸上マージナル光線
3 平行光線群
5 撮像素子
100 自動車
101、102 車外カメラ
103 車内カメラ
Di(i=1、2、3、…) i番目の面とi+1番目の面との光軸上の面間隔
Pim 結像位置
L1 第1レンズ
L2 第2レンズ
L3 第3レンズ
L4 第4レンズ
L5 第5レンズ
L6 第6レンズ
LC 接合レンズ
Ri(i=1、2、3、…) i番目の面の曲率半径
St 開口絞り
Z 光軸
αi 入射角
αe 出射角
2 軸上マージナル光線
3 平行光線群
5 撮像素子
100 自動車
101、102 車外カメラ
103 車内カメラ
Di(i=1、2、3、…) i番目の面とi+1番目の面との光軸上の面間隔
Pim 結像位置
L1 第1レンズ
L2 第2レンズ
L3 第3レンズ
L4 第4レンズ
L5 第5レンズ
L6 第6レンズ
LC 接合レンズ
Ri(i=1、2、3、…) i番目の面の曲率半径
St 開口絞り
Z 光軸
αi 入射角
αe 出射角
Claims (3)
- 最も物体側に配置されて物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズと、最も像側に配置されて最も物体側の面が凸面であるとともに正のレンズ同士を接合してなる接合レンズと、該接合レンズの物体側の直前に配置された絞りとを備え、
軸上マージナル光線の前記接合レンズの最も物体側の面への入射角が8°以上であり、かつ、前記軸上マージナル光線の前記接合レンズの最も像側の面からの出射角が8°以上であることを特徴とする撮像レンズ。 - 全系の全てのレンズの空気接触面において、前記軸上マージナル光線の空気から各面への入射角が6°以上であり、かつ、前記軸上マージナル光線の各面から空気への出射角が6°以上であることを特徴とする請求項1記載の撮像レンズ。
- 請求項1または2記載の撮像レンズと、
該撮像レンズにより形成される光学像を電気信号に変換する撮像素子と
を備えたことを特徴とする撮像装置。
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