JP2013047753A

JP2013047753A - レンズユニット及び撮像装置

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Publication number: JP2013047753A
Application number: JP2011186339A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Furuta; 博之古田; Kazuyoshi Yokoo; 和良横尾; Keishun Nakada; 圭俊中田
Original assignee: Kyocera Corp; Kyocera Optec Co Ltd
Current assignee: Kyocera Corp; Kyocera Optec Co Ltd
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2013-03-07

Abstract

【課題】広い温度範囲及び波長帯域にて使用可能であり、且つ、コンパクト性に優れたレンズユニット及び撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明のレンズユニットは、被写体側から前群レンズ（１０）、絞り（６）、後群レンズ（１１）が順に配置されてなる。特に、第１のレンズ（１）の焦点距離ｆ１と第３のレンズ（３）の焦点距離ｆ３とが、
２．０００＞ｆ１／ｆ３＞１．２００
を満足することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、屋内外に設置される監視用カメラ、防犯カメラ或いは車載用カメラなどに用いられるレンズユニット及び該レンズユニットを備えてなる撮像装置の技術分野に関する。

屋内外に設置される監視用カメラ、防犯カメラ或いは車載用カメラなどに用いられるカメラとして、昼間は可視光、夜間等は赤外光を用いて様々な環境下にて撮像を行う昼夜兼用カメラが知られている。このように可視光から赤外光といった広い波長帯域光を扱うレンズユニットでは、従来、十分な収差補正ができず、鮮明な像を得ることが困難であった。

このような課題に対して、特許文献１及び２では、正レンズと負レンズを接合させてなるレンズユニットを用いることで、可視光から赤外光までの広い帯域において収差補正を良好に行うことができるとしている。しかしながら、特許文献１及び２ではレンズ同士を接着剤で接合しているため、監視カメラや車載カメラのように広い温度環境下に曝される用途に用いられた場合、材料の線膨張係数の違いにより接着面が剥離してしまい、十分な信頼性が得られないという問題があった。

そこで特許文献３では、レンズユニットを被写体側から前群レンズ、絞り、後群レンズの順に配置して構成し、これらのレンズ群に含まれる各レンズの焦点距離やアッベ数などの光学パラメータを適切な範囲に設計することにより、有機接着剤を用いることなく、良好な収差補正精度が得られるレンズユニットが提案されている。

特開２００４−３５４８２９号公報特開２００４−２９４７４号公報特開２００８−８９６０号公報

しかしながら、特許文献３に記載された光学パラメータの設計内容では、収差補正精度を改善することができるものの、レンズユニットのコンパクト性を十分確保することが困難である。屋内外に設置される監視用カメラ、防犯カメラ或いは車載用カメラなどの用途では、被写体側からカメラの存在を目立たなくするために、コンパクト性が重要となる。特に特許文献３に記載のレンズユニットでは、最も被写体側に配置されたレンズの外径が大きくなる傾向があり、十分なコンパクト性を有することができず、これらの用途に十分適しているとは言えなかった。

本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、広い温度範囲及び波長帯域にて使用可能であり、且つ、コンパクト性に優れたレンズユニット及び該レンズユニットを備えてなる撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレンズユニットは上記課題を解決するために、被写体側から前群レンズ、絞り、後群レンズが順に配置されてなるレンズユニットにおいて、前記前群レンズのうち最も被写体に近いレンズの焦点距離ｆ１と前記後群レンズのうち最も前記絞りに近いレンズの焦点距離ｆｎとが、
２．０００＞ｆ１／ｆｎ＞１．２００（１）
を満足することを特徴とする。尚、ここでｎは２以上の任意の整数であり、複数枚のレンズからなる後群レンズのうち最も絞りに近いレンズを被写体側から数えた時の枚数を意味している。

上式（１）は本発明に係るレンズユニットが良好なコンパクト性を有し、且つ、良好な収差補正を得るために、光学パラメータｆ１／ｆ３に対して課せられた条件式である。本願発明者の研究によると、ｆ１／ｆ３が２．０００以上になると、前群レンズのうち最も被写体に近いレンズの焦点距離ｆ１が長くなるために、前群レンズのうち最も被写体に近いレンズから絞りまでの距離が広がってしまい、その分レンズユニットの全長が長くなってしまうことが判明した。レンズユニットの全長が長くなると、前群レンズのうち最も被写体に近いレンズの外径も大きくならざるを得ず、コンパクト性が低下してしまうと共に、像面湾曲が大きくなるのでメリジオナル像面のＭＴＦが低下してしまう。一方、逆にｆ１／ｆ３が１．２０００以下になると、サジタル像面とメリジオナル像面が逆方向に動くため非点収差が増大してしまい、ＭＴＦが低下してしまうことが見出された。

好ましくは、前記前群レンズのうち最も被写体に近いレンズの被写体側面頂点から絞りまでの距離Ｄ_{ＦＲＯＮＴ}と該レンズユニットの全系焦点距離ｆとが
０．９９９＞Ｄ_{ＦＲＯＮＴ}／ｆ＞０．６００（２）
を満足するとよい。上式（２）は、レンズユニットにおいて球面収差と像面湾曲とのバランスがよく、良好な周辺性能を発揮可能とするために、光学パラメータＤ_{ＦＲＯＮＴ}／ｆに対して課せられた条件式である。本願発明者の研究により、Ｄ_{ＦＲＯＮＴ}／ｆが０．６００以下になると、球面収差と像面湾曲とのバランスが崩れ、周辺性能の劣化が生じてしまい、鮮明な画像を得ることが困難になってしまうことが見出された。

このように、被写体側から前群レンズ、絞り、後群レンズが順に配置されてなり、上記条件式（１）及び（２）を満足することによって、接合レンズを用いることなくコンパクトな構成で、可視光領域から近赤外光領域までの広い波長帯域において精度よく収差補正を可能とすることができる。

好ましくは、前記前群レンズのうち最も被写体側に配置されたレンズは、該レンズユニットを構成する他のレンズに比べて外径が小さく形成されているとよい。最も被写体側に配置されたレンズの外径はユニット全体のコンパクト性への寄与が大きく、このように最も被写体側に配置されたレンズの外径を小さく構成することにより、コンパクト性を効率的に高めることができる。

また、前記前群レンズは、両凹面で負のパワーを有する第１のレンズと、該第１のレンズより結像側に配置され、正のパワーを有する第２のレンズとを備えてなるとよい。第１のレンズを両凹面で形成することにより、例えばメニスカスレンズなどのように一方の面が凸面を有する場合に比べて、絞りから第１のレンズの被写体側面までの距離を短くすることができ、コンパクト性を更に高めることができる。また、特に第２のレンズが正のパワーを有することにより、収差補正の精度を高くすることができる。

本発明に係る撮像装置は、上述したレンズユニット（上記各種態様を含む）を備えることにより、コンパクト性に優れたサイズで、広い温度範囲及び波長帯域にて使用することが可能となる。

本発明に係るレンズユニットは、被写体側から前群レンズ、絞り、後群レンズが順に配置されてなり、上記各条件式を満足することによって、接合レンズを用いることなくコンパクトな構成で、可視光領域から近赤外光領域までの広い波長帯域において精度よく収差補正が可能となる。

第１実施例に係るレンズユニットＡの構成を模式的に示す光学配置図である。第１実施例に係るレンズユニットＡの波長毎の球面収差を示すグラフ図である。第１実施例に係るレンズユニットＡの波長毎の非点収差を示すグラフ図である。第２実施例に係るレンズユニットＢの構成を模式的に示す光学配置図である。第２実施例に係るレンズユニットＢの波長毎の球面収差を示すグラフ図である。第２実施例に係るレンズユニットＢの波長毎の非点収差を示すグラフ図である。第３実施例に係るレンズユニットＣの構成を模式的に示す光学配置図である。第３実施例に係るレンズユニットＣの波長毎の球面収差を示すグラフ図である。第３実施例に係るレンズユニットＣの波長毎の非点収差を示すグラフ図である。第４実施例に係るレンズユニットＤの構成を模式的に示す光学配置図である。第４実施例に係るレンズユニットＤの波長毎の球面収差を示すグラフ図である。第４実施例に係るレンズユニットＤの波長毎の非点収差を示すグラフ図である。第５実施例に係るレンズユニットＥの構成を模式的に示す光学配置図である。第５実施例に係るレンズユニットＥの波長毎の球面収差を示すグラフ図である。第５実施例に係るレンズユニットＥの波長毎の非点収差を示すグラフ図である。

（第１実施例）
図１は第１実施例に係るレンズユニットＡの構成を模式的に示す光学配置図である。レンズユニットＡは、第１のレンズ１、第２のレンズ２、第３のレンズ３、第４のレンズ４、第５のレンズ、絞り６、ガラス７、光電変換素子８から構成されている。レンズユニットＡに用いられている第１〜第５のレンズはいずれも単焦点レンズであり、これらのレンズは互いに貼り合わせレンズを含まない５枚の構成を有している。

前群レンズ１０は、両側が凹面であり負のパワーを有する第１のレンズ１と、両側が凸であり正のパワーを有する第２のレンズ２とから構成されている。また、後群レンズ１１は、両側が凹面であり負のパワーを有する第３のレンズ３と、両側が凸であり正のパワーを有する第４のレンズ４及び第５のレンズ５とから構成されている。特に第１のレンズ１は両側を凹面とすることにより、特許文献３のようにメニスカスレンズを用いた場合に比べて、レンズ中心を被写体側から結像側にできるので、レンズユニットＡのコンパクト化に適している。

絞り６は前群レンズ１０と後群レンズ１１との間に介在するように配置されており、後群レンズ１１の結像側にはガラス７とＣＣＤ（電荷結合素子；charge coupled device）やＣＭＯＳ（相補型ＭＯＳイメージセンサ；complementary MOS image
sensor）等の光学変換素子８が配置されている。ここで、ガラス７は光学変換素子８をパッケージするためのリッドガラス若しくはローパスフィルタ若しくはＩＲカットフィルタである。

本実施例に係るレンズユニットＡは図１に示す光学配置からなり、焦点距離が１ｍｍ、画角が５８°、Ｆ値が２．０の性能を有するものである。このレンズユニットＡの光学データを表１に示す。尚、表１においてＲは曲率半径、ｄはレンズ面間の間隔、Ｎｄは屈折率、νｄはアッベ数を示している。

レンズユニットＡでは、第１のレンズ１の焦点距離がｆ１＝―０．８５８２５、第３のレンズ３の焦点距離がｆ３＝―０．５８０１であることから、ｆ１／ｆ３＝１．３０４となり、条件式（１）を満たしている。またＤ_{ＦＲＯＮＴ}＝０．７２４２、焦点距離ｆ＝１であることから、Ｄ_{ＦＲＯＮＴ}／ｆ＝０．７２４となり、条件式（２）（３）も満たしている。このように実施例１に係るレンズユニットＡは、本発明の条件式をいずれも満足する好適な一例を示している。

図２は第１実施例に係るレンズユニットＡの波長（４００ｎｍ、５００ｎｍ、７００ｎｍ及び１０００ｎｍ）毎の球面収差を示すグラフ図であり、図３は非点収差を示すグラフ図である。尚、図３において実線はサジタル像面、点線はメリジオナル像面における像面湾曲を示している。

図２によれば、レンズ性能への寄与度が少ない波長４００ｎｍでは球面収差がやや大きくなっているものの、波長が５００ｎｍ、７００ｎｍ、１０００ｎｍについては球面収差が０．０２０ｍｍ以内の範囲に収まっており、広い波長帯域において良好なレンズ特性が得られている。また、図３に示すように、レンズユニットＡではいずれの波長においても、サジタル像面とメリジオナル像面の像面湾曲を示す曲線同士の隔差（非点収差）が少なく、良好なＭＴＦが得られている。

尚、レンズユニットＡでは表１に示すように、面番号３及び４（第２のレンズ２の両面）の曲率半径の絶対値が同じになるように設計されている。レンズユニットＡを実際に組み立てる際には作業者がレンズの表裏を判断しながら手作業で行われることが多いが、レンズの表裏の曲率半径が微妙に異なる場合等には、作業者がレンズの表裏を取り違えるおそれがある。本実施例に係るレンズユニットＡでは、このような作業者のレンズの裏表の取り違えを防止するために、第２のレンズ２の裏表を同じ曲率半径に構成している。

第１実施例のレンズユニットＡでは、最も被写体側に配置されている第１のレンズ１の外径が他のレンズに比べて等しい又はより小さくなるように構成されることで良好なコンパクト性を有している。特に各レンズが被写体側から結像側に向かって外径が次第に大きくなるように形成されていることにより、レンズを図不示のケースなどの収納部材に収納する際に、一方向から挿入することで収納可能とすることができるので、組立性に優れたレンズユニットを得ることができる。

（第２実施例）
第２実施例に係るレンズユニットＢは図４に示す光学配置からなり、上記レンズユニットＡと同様に焦点距離が１ｍｍ、画角が５８°、Ｆ値が２．０の性能を有するものである。このレンズユニットＢの光学データを表２に示す。

レンズユニットＢにおいて第１のレンズ１の焦点距離がｆ１＝―１．２８９８、第３のレンズ３の焦点距離がｆ３＝―０．６３９６であることから、ｆ１／ｆ３＝２．０２０となり、条件式（１）の上限値（２．０００）を超えている。一方、Ｄ_{ＦＲＯＮＴ}＝０．９８２７、焦点距離ｆ＝１であることから、Ｄ_{ＦＲＯＮＴ}／ｆ＝０．９８０となり、条件式（２）（３）は満たしている。すなわち、第２実施例は条件式（１）の上限値を超えることにより、本発明の条件を満たさない比較例を示している。

図５は第２実施例に係るレンズユニットＢの波長（４００ｎｍ、５００ｎｍ、７００ｎｍ及び１０００ｎｍ）毎の球面収差を示すグラフ図であり、図６は非点収差を示すグラフ図である。尚、図６において実線はサジタル像面、点線はメリジオナル像面における像面湾曲を示している。

図５によれば、レンズ性能への寄与度が少ない波長４００mmを含め、球面収差が０．０２０ｍｍ以内の範囲に収まっており、広い波長帯域において良好なレンズ特性が得られている。また、図６に示すように、レンズユニットＢではいずれの波長においても、サジタル像面とメリジオナル像面の像面湾曲を示す曲線同士の隔差（非点収差）が少なく、良好なＭＴＦが得られている。しかしながら、レンズユニットＢでは、条件式（１）から外れてしまっているために、第１のレンズ１の外径が他のレンズに比べて大きくなってしまい、コンパクト性に欠けてしまっている。

（第３実施例）
第３実施例に係るレンズユニットＣは図７に示す光学配置からなり、上記レンズユニットＡ及びＢと同様に焦点距離が１ｍｍ、画角が５８°、Ｆ値が２．０の性能を有するものである。このレンズユニットＣの光学データを表３に示す。

レンズユニットＣにおいて第１のレンズ１の焦点距離がｆ１＝―１．０９０１、第３のレンズ３の焦点距離がｆ３＝―０．９００９であるので、ｆ１／ｆ３＝１．２１０となり、条件式（１）は下限値付近にあるものの満たしている。またＤ_{ＦＲＯＮＴ}＝０．８５５６、焦点距離ｆ＝１であるので、Ｄ_{ＦＲＯＮＴ}／ｆ＝０．８５６となり、条件式（２）（３）も満たしている。すなわち、実施例３は条件式（１）において下限値付近にあるものの、いずれの条件式を満足している好適な例を示している。そして、レンズユニットＣでは、第１のレンズ１の外径は他のレンズの外径と同程度に抑えられており、良好なコンパクト性を備えている。

図８は第３実施例に係るレンズユニットＣの波長（４００ｎｍ、５００ｎｍ、７００ｎｍ及び１０００ｎｍ）毎の球面収差を示すグラフ図であり、図９は非点収差を示すグラフ図である。図８に示すとおり、第３実施例に係るレンズユニットＣもまた、いずれの波長帯域においても球面収差が０．０２０ｍｍ以内の範囲に収まっており、良好なレンズ特性が得られている。また、図９に示すように、レンズユニットＣではいずれの波長においても、サジタル像面とメリジオナル像面の像面湾曲を示す曲線同士の隔差（非点収差）が少なく、良好なＭＴＦが得られる。そして、レンズユニットＣでは、第１のレンズ１の外径は他のレンズの外径と同程度に抑えられており、良好なコンパクト性を備えている。

（第４実施例）
第４実施例に係るレンズユニットＤは図１０に示す光学配置からなり、上記レンズユニットＡ乃至Ｃと同様に焦点距離が１ｍｍ、画角が５８°、Ｆ値が２．０の性能を有するものである。このレンズユニットＤの光学データを表４に示す。

レンズユニットＤにおいて第１のレンズ１の焦点距離がｆ１＝―１．０４１１、第３のレンズ３の焦点距離がｆ３＝―０．５８３２であるので、ｆ１／ｆ３＝１．７９０となり、条件式（１）を満たしている。また、Ｄ_{ＦＲＯＮＴ}＝０．６００１、焦点距離ｆ＝１であるので、Ｄ_{ＦＲＯＮＴ}／ｆ＝０．６００１となり、条件式（２）（３）も下限値近傍にあるものの満たしている。すなわち、第４実施例は条件式（２）において下限値付近にあるものの、いずれの条件式も満たしている好適な例を示している。

図１１は第４実施例に係るレンズユニットＤの波長（４００ｎｍ、５００ｎｍ、７００ｎｍ及び１０００ｎｍ）毎の球面収差を示すグラフ図であり、図１２は非点収差を示すグラフ図である。図１１に示すとおり、第４実施例に係るレンズユニットＤもまた、いずれの波長帯域においても球面収差が０．０２０ｍｍ以内の範囲に収まっており、良好なレンズ特性が得られている。また、図１２に示すように、レンズユニットＤではいずれの波長においても、サジタル像面とメリジオナル像面の像面湾曲を示す曲線同士の隔差（非点収差）が少なく、良好なＭＴＦが得られている。そして、レンズユニットＤでは、第１のレンズ１の外径は他のレンズの外径と同程度に抑えられており、良好なコンパクト性を備えている。

（第５実施例）
第５実施例に係るレンズユニットＥは図１３に示す光学配置からなり、上記レンズユニットＡ乃至Ｄと同様に焦点距離が１ｍｍ、画角が５８°、Ｆ値が２．０の性能を有するものである。このレンズユニットＥの光学データを表５に示す。

レンズユニットＥにおいて第１のレンズ１の焦点距離がｆ１＝―１．２９９２、第３のレンズ３の焦点距離がｆ３＝―０．７３８０であるので、ｆ１／ｆ３＝１．７６０となり、条件式（１）を満たしている。一方、Ｄ_{ＦＲＯＮＴ}＝０．９９９２、焦点距離ｆ＝１であるので、Ｄ_{ＦＲＯＮＴ}／ｆ＝０．９９９となり、条件式（２）（３）は上限値を超えてしまっている。すなわち、第５実施例は条件式（３）の上限値を超えた場合であり、本発明の比較例を示している。

図１４は第５実施例に係るレンズユニットＥの波長（４００ｎｍ、５００ｎｍ、７００ｎｍ及び１０００ｎｍ）毎の球面収差を示すグラフ図であり、図１５は非点収差を示すグラフ図である。図１４に示すとおり、第５実施例に係るレンズユニットＥもまた、いずれの波長帯域においても球面収差が０．０２０ｍｍ以内の範囲に収まっており、良好なレンズ特性が得られている。また、図１５に示すように、レンズユニットＥではいずれの波長においても、サジタルとメリジオナルの像面湾曲を示す曲線同士の隔差（非点収差）が少なく、良好なＭＴＦが得られる。しかしながら、レンズユニットＥでは、第１のレンズ１の外径が他のレンズに比べて大きくなってしまい、コンパクト性に欠けてしまっている。

（特許文献３（特開２００８−８９６０号公報）との比較）
ここで条件式（１）及び（２）を共に満たす好適な一例である本発明の第１実施例に係るレンズユニットＡの光学データを、特許文献３に記載されたレンズユニットと比較して説明する。表６は本発明の第１実施例に係るレンズユニットＡの光学データを、特許文献３の実施例１と比較して示したものである。これらのレンズユニットは、いずれも焦点距離が１ｍｍ、画角が５８°（特許文献３は設計の都合上５６°となっているが微差である）、Ｆ値が２．０の性能を有するものである。

表６に示すように、特許文献３の実施例１は、本発明の条件式（１）（２）を満足していない。そのため、光学全長が本発明の実施例１に比べて約２倍に長くなっており、空間に占める容積も大きくなってコンパクト性に欠けている。

また、上記温度範囲におけるバックフォーカスのズレ量も、本発明の第１実施例は特許文献３に比べて半分以下に抑えることが出来ている。そのため、より広い温度範囲において使用可能である。

上記レンズユニットを用いて撮像装置を構成することにより、従来の撮像装置に比べて、良好なコンパクト性を有しつつ、広い温度範囲及び波長帯域において使用可能な撮像装置を実現することができる。この撮像装置は広い温度範囲及び波長帯域にて使用できるため、例えば監視用カメラ、防犯カメラ或いは車載用カメラなどに適している。

以上説明したように、本発明に係るレンズユニットは、被写体側から前群レンズ、絞り、後群レンズが順に配置されてなり、上記条件式（１）、（２）及び（３）を満足することによって、接合レンズを用いることなくコンパクトな構成で、可視光領域から近赤外光領域までの広い波長帯域において精度よく色収差補正が可能となる。

本発明は、屋内外に設置される監視用カメラ、防犯カメラ或いは車載用カメラなどに用いられるレンズユニット及び該レンズユニットを備えてなる撮像装置に利用可能である。

１第１のレンズ
２第２のレンズ
３第３のレンズ
４第４のレンズ
５第５のレンズ
６絞り
７ガラス
８光電変換素子

Claims

被写体側から前群レンズ、絞り、後群レンズが順に配置されてなるレンズユニットにおいて、
前記前群レンズのうち最も被写体に近いレンズの焦点距離ｆ１と前記後群レンズのうち最も前記絞りに近いレンズの焦点距離ｆｎとが、
２．０００＞ｆ１／ｆｎ＞１．２００
を満足することを特徴とするレンズユニット。
前記前群レンズのうち最も被写体に近いレンズの被写体側面頂点から絞りまでの距離Ｄ_{ＦＲＯＮＴ}と該レンズユニットの全系焦点距離ｆとが
０．９９９＞Ｄ_{ＦＲＯＮＴ}／ｆ＞０．６００
を満足することを特徴とする請求項１に記載のレンズユニット。
前記前群レンズのうち最も被写体側に配置されたレンズは、該レンズユニットを構成する他のレンズに比べて外径が小さく形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズユニット。
前記前群レンズは、
両凹面で負のパワーを有する第１のレンズと、
該第１のレンズより結像側に配置され、正のパワーを有する第２のレンズと
を備えてなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のレンズユニット。
請求項１から４のいずれか一項に記載のレンズユニットを備えたことを特徴とする撮像装置。