JP2014186178A - 撮像レンズおよび撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガラスレンズ1枚樹脂レンズ3枚の4枚構成によって、高い光学性能を持ちつつ、画面周辺部を大きく写し、レンズの形状等を適切に設定することにより、小型、薄型の広角撮像レンズを提供する。
【解決手段】物体側から順に、物体側に凸面を向け負の屈折力を有し撮像側の面が非球面をなすメニスカス第1樹脂レンズ110と、負の屈折力を有し撮像側の面が非球面をなす第2樹脂レンズ120と、物体側に凸面を向け正の屈折力を有し物体側と撮像側の面が球面をなす正の第3ガラスレンズ130と、開口絞り140と、撮像側に凸面を向け正の屈折力を有し撮像側の面が非球面となる第4樹脂レンズ150より構成され、第1レンズ110、第2レンズ120および第4レンズ150を構成する材料のd線に対するアッベ数が50以上に、第3レンズ130を構成する材料のd線に対するアッベ数が40以下に、それぞれ設定する。
【選択図】図1

Description

本発明は、監視用カメラや車載用カメラ等、固体撮像素子を備えた撮像装置に用いられる撮像レンズ、特に単焦点の広角撮像レンズ、およびそれを用いた撮像装置に関する。
監視用カメラや車載用カメラに用いられる撮像レンズには、広画角を確保しながら画面中心と比べて画面周辺部の視認性を要求される事が多い為、画面周辺の像倍率を大きく結像性能が良いことが要求される。また、設置・搭載スペースが限られることが多いなどから小型で軽量であることが要求される。
これらの要望に対応し得る可能性がある単焦点の広角撮像レンズとして、下記の特許文献1が提案されている。しかしながら、この特許文献1に記載される単焦点レンズでは、設計上高い結像性能を持たせるために、非球面を多用し第1レンズをガラス、第2レンズ以降が樹脂3枚とパワー配置が悪く、製造や実使用上で問題が発生してしまう。
製造上の課題として、第1ガラスレンズの撮像側面の曲率がきつくなり、歩留まりの低下を招く。また、実使用上の課題として、第一に性能保証温度に問題がある。車に搭載するカメラモジュールとなると低温から高温まで幅広い温度領域において性能を満足することを要求される。しかしながら下記特許文献1においては、前述の通りガラスレンズと樹脂レンズのパワーバランスが悪い事から性能を保証できる温度領域が狭くなる。理由は、ガラスレンズに比べて樹脂レンズは、温度による化学的変化、物理的変化が大きいため、温度変化に伴い設計から形状が乖離してくるからである。
特開2010−054646号公報
本発明は、かかる事情に鑑みて成されたものであり、目的とするのは、ガラスレンズ1枚樹脂レンズ3枚の4枚構成においてレンズの形状等を適切に設定することによって、高い光学性能を持ちつつ、画面周辺部を大きく写すことが可能な小型、薄型の広角撮像レンズを提供することである。
上記目的を達成するため、本発明の撮像レンズは物体側から順に、物体側に凸面を向け負の屈折力を有し撮像側の面が非球面をなすメニスカス第1樹脂レンズと、負の屈折力を有し撮像側の面が非球面をなす第2樹脂レンズと、物体側の面に凸面を向け正の屈折力を有し物体側と撮像側の面が球面をなす正の第3ガラスレンズと、開口絞りと、撮像側の面に凸面を向け正の屈折力を有し撮像側の面が非球面となる第4樹脂レンズより構成され、前記第1レンズを構成する材料のd線に対するアッベ数が50以上に、前記第2レンズを構成する材料のd線に対するアッベ数が50以上に、前記第3レンズを構成する材料のd線に対するアッベ数が40以下に、前記第4レンズを構成する材料のd線に対するアッベ数が50以上に、それぞれ設定される。
好適には、d線における前記第1レンズと前記第2レンズの合算焦点距離をf12(mm)とし、光学系の焦点距離をf(mm)とするとき、下記条件式(1)を満足する。
更に好適には、d線における前記第3レンズと前記第4レンズの合算焦点距離をf34(mm)とし、光学系の焦点距離をf(mm)とするとき、下記条件式(2)を満足する。
更に好適には、撮像面での最大水平位置に入射する光線の全画角を2Wとするとき、下記条件式(3)を満足する。
更に好適には、撮像面での最大垂直位置に入射する光線の全画角を2Vとするとき、下記条件式(4)を満足する。
更に好適には、d線における前記第1レンズの焦点距離をf1(mm)、d線における前記第2レンズの焦点距離をf2(mm)、d線における前記第3レンズの焦点距離をf3(mm)、d線における前記第4レンズの焦点距離をf4(mm)とし、光学系の焦点距離をf(mm)とするとき、下記条件式(5)乃至(8)を満足する。
更に好適には、前記第1レンズの物体側面にはハードコートを塗布する事を特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の撮像装置は、上述のいずれかの撮像レンズと、その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る。
本発明によれば、4枚構成によって小型、薄型でありながら、レンズの形状、非球面の形状等を適切に設定することにより、高い光学性能を持ちつつ、周辺が大きく写る広角撮像レンズを提供することができる。その結果、監視カメラや車載用カメラに搭載可能なコンパクトな広角撮像レンズを実現することができる。
本実施形態の撮像レンズのレンズ構成を示す図である。 本実施形態の実施例1におけるレンズ系の基本構成を示す図である。 本実施形態の実施例1における球面収差、および非点収差を示す収差図である。 本実施形態の実施例2におけるレンズ系の基本構成を示す図である。 本実施形態の実施例2における球面収差、および非点収差を示す収差図である。 本実施形態の実施例3におけるレンズ系の基本構成を示す図である。 本実施形態の実施例3における球面収差、および非点収差を示す収差図である。 本実施形態の実施例4におけるレンズ系の基本構成を示す図である。 本実施形態の実施例4における球面収差、および非点収差を示す収差図である。 本発明の実施形態の撮像装置の基本構成を示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。図1に実施の形態の撮像レンズ構成をそれぞれ光学断面で示す。これらの実施形態は、図1の100Aに示すように、物体側から順に、第1レンズ110、第2レンズ120、第3レンズ130、開口絞り140、第4レンズ150、IRCFまたはカバーガラス160、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Mental-Oxide Semiconductor device)等の撮像素子の受光面である結像面170が配置される4枚構成の撮像レンズ100である。
そして、第1レンズ110は、物体側に凸面を向け負の屈折力を有し撮像側の面が非球面をなすメニスカス凹レンズであり、第2レンズ120は、負の屈折力を有し撮像側の面が非球面をなす凹レンズであり、第3レンズ130は、物体側の面に凸面を向け正の屈折力を有し物体側と撮像側の面が球面をなす凸レンズであり、第4レンズ150は、撮像側の面に凸面を向け正の屈折力を有し撮像側の面が非球面となる凸レンズである。ここで、図1の100Aに記載の1(R1)〜12(R12)は、各構成要件の面番号である。
第1レンズ、第2レンズ、第4レンズは樹脂材料により構成されている。このように、樹脂材料で構成することにより、軽量化や低コスト化が実現できるとともに、非球面形状の作製が容易となる。更に、第3レンズ130は高分散のガラス材料で構成することにより、倍率の色収差を良好に補正することが可能となる。
また、第1レンズ110を構成する材料のd線に対するアッベ数は50以上に、第2レンズ120を構成する材料のd線に対するアッベ数は50以上に、第3レンズ130を構成する材料のd線に対するアッベ数は40以下に、第4レンズ150を構成する材料のd線に対するアッベ数は50以上に、それぞれ設定される。
このように、開口絞り140よりも物体側にある負レンズの第1レンズ110と第2レンズ120と開口絞り140よりも撮像側にある正レンズの第4レンズ150を構成する材料のd線に対するアッベ数を大きくすることで、第1レンズ110および第2レンズ120、第4レンズ150で発生する倍率色収差が小さくなる。また同じく開口絞り140よりも物体側にある正レンズの第3レンズ130を構成する材料のd線に対するアッベ数を小さくすることで倍率の色収差を良好に補正できる。
また、d線における第1レンズ110と第2レンズ120の合算焦点距離をf12(mm)とし、光学系(撮像レンズ100)全体の焦点距離をf(mm)とするとき、下記の条件式(1)を満足するように構成される。
上記条件式(1)を満たすように構成することで、広角レンズのパワーバランスを最適にする事が可能となる。第1レンズ110と第2レンズ120の合算焦点距離を、光学系の焦点距離にあわせる事で第3レンズ130と第4レンズ150の交換のみで焦点距離の変化、換言すれば画角を変化させる事が可能となる。第3レンズ130と第4レンズ150の変化のみで画角を変える光学系を実現するには上記条件式(1)を満足する必要がある。
また、d線における第3レンズ130と第4レンズ150の合算焦点距離をf34(mm)とし、光学系(撮像レンズ100)全体の焦点距離をf(mm)とするとき、下記の条件式(2)を満足するように構成される。

上記条件式(1)を前提として第3レンズ130と第4レンズ150の合算焦点距離が上記条件式(2)を満足する範囲で変動させることで画角を変えることが可能となる。
また、撮像面の水平方向の全幅に入射する光線の全画角を2Wとし、撮像面水平方向の全幅より小さい垂直方向の全幅に入射する光線の全画角を2Vとするとき、以下の条件式(3)および(4)を満足するように構成される。
上記条件式(3)および条件式(4)を満たすように構成することで、画面周辺部の物体を大きく写すことが可能となる。例えば車載用カメラを想定した場合に運転者の死角となる広い範囲を撮像する必要があり、特に水平方向については上記条件式(3)のように広い画角を満足することが求められる。また、垂直方向については水平方向ほど広い画角は求められないが、撮像面のアスペクト比によらず水平方向の画角に対してある一定の関係にあることが、像性能を維持したうえで画面周辺部を大きく写すために望まれる。上記条件式(4)については、垂直画角が大きいと、周辺倍率としては有利だが高い光学性能を維持することが困難となる。特に倍率色収差の補正が困難となり周辺の像性能が劣化する傾向にある。逆に垂直画角が小さいと周辺が小さく写り本特許の目的となる周辺の視認性が低下することとなる。よって、光学性能を維持しつつ周辺部を大きく写すために垂直画角は上記条件式(4)を満足することが求められる。
また、d線における第1レンズ110の焦点距離をf1(mm)、d線における第2レンズ120の焦点距離をf2(mm)、d線における第3レンズ130の焦点距離をf3(mm)、d線における第4レンズ150の焦点距離をf4(mm)とし、光学系の焦点距離をf(mm)とするとき、下記の条件式を満足するように構成される。
このような条件を満たすように構成することで、高い光学性能を満足する事が可能となる。
上記条件式(5)の下限値を超えると、負の屈折力が大きくなり、倍率の色収差の補正は容易となるが、第1レンズ110の像側面の曲率が小さくなりすぎてしまい、製造が難しくなる。上限値を超えると、第1レンズ110の物体側面の曲率が小さくなるために有効径が大きくなり、レンズ系の小型化が難しくなるとともに、広い画角を得るために必要な負の屈折力を第2レンズ120の像側面のみで補うことになり、曲率が小さくなりすぎてしまう。
上記条件式(6)の下限値を超えると負の屈折力が強くなるために第2レンズ120の像側面の曲率が小さくなりすぎてしまう。また、それに伴って第3レンズ130の物体側面の曲率も小さくなりすぎてしまうために、製造が難しくなる。上限値を超えると、負の屈折力が不足するために倍率の色収差の補正が困難になる。
上記条件式(7)の上限値を超えると、正の屈折力が不足するために倍率の色収差の補正が困難になる。下限値を超えると第3レンズ130物体側面の曲率が小さくなりすぎてしまうために、製造が難しくなる。
第4レンズ150の、特に像側面は収差の補正を大きく行なっているため、上記条件式(8)の上限値を超えると、正の屈折力が小さくなりすぎて、緒収差の補正が困難になる。逆に下限値を超えると、第4レンズ150の像側面の曲率が小さくなりすぎてしまうために、製造が難しくなる。
なお、図1の100Aに示すように、物体側より入射した光は、第1レンズ110の物体側R1面1、撮像面側R2面2、第2レンズ120の物体側R3面3、撮像面側R4面4、第3レンズ130の物体側R5面5、撮像面側R6面6、開口絞り140の面7、第4レンズ150の物体側R7面8、撮像面側R8面9、カバーガラス160の物体側R9面10、撮像面側R10面11を順次通過し撮像素子の結像面170である面12へと集光される。
また、図1の100Bに示すように、光軸上において、第1レンズ110の厚さとなるR1面1とR2面2間の距離をD1、第1レンズ110のR2面2と第2レンズ120のR3面3までの距離をD2、第2レンズ120の厚さとなるR3面3とR4面4間の距離をD3、第2レンズ120のR4面4と第3レンズ130のR5面5間の距離をD4、第3レンズ130の厚さとなるR5面5とR6面6間の距離をD5、第3レンズ130のR6面6と開口絞り140の面7までの距離をD6、開口絞り140の面7と第4レンズ150のR8面8間の距離をD7、第4レンズ150の厚さとなるR8面8とR9面9間の距離をD8、第4レンズ150のR面9とカバーガラス160の物体側R9面10間の距離をD9、カバーガラス160の厚さとなるR9面10とR10面11間の距離をD10、カバーガラス160のR10面11と面12間の距離をD11とする。
なお、以下の数値実施例の中で記載されるレンズの非球面の形状は、物体側から撮像面側へ向かう方向を正とし、kを円錐係数、A、B、C、Dを非球面係数、rを中心曲率半径としたとき次式で表される。hは光線の高さ、cは中心曲率半径の逆数をそれぞれ表している。ただし、Zは面頂点に対する接平面からの深さを、Aは4次の非球面係数を、Bは6次の非球面係数を、Cは8次の非球面係数を、Dは10次の非球面係数をそれぞれ表している。
以下に、撮像レンズ100(100A、100B)の具体的な数値による実施例1〜4を示す。実施例1〜4の数値において、焦点距離、Fナンバー、水平画角、垂直画角、像高、レンズ全長、バックフォーカス(bf)は次の表1に記載の通りである。また、同じく実施例1〜4の数値において、条件式(1)〜(8)の数値データは、次の表2に記載の値になる。
なお、実施例1〜4を示す図面である、図2、図4、図6、図8に示す符号101乃至106は、図1に示す撮像レンズ100と同様の構成であるため、各構成要件の符号、面符号、距離符号の記載を省略する。また、図5、図7、図9は、図3に示すc線、d線、およびg線の記載と同様であるため、記載を省略する。
実施の形態1における撮像レンズ101の基本構成は図2に示され、各数値データ(設定値)は表3、表4に、球面収差、および非点収差を示す収差図は図3にそれぞれ示される。図3は、実施例1において、左が球面収差を、右が非点収差をそれぞれ示している。縦収差図の縦軸は、瞳径を1に正規化したもので、非点収差図の縦軸は半画角ωを表し、実線Mはメリジオナル像面の値、破線Sはサジタル像面の値をそれぞれ示している。図3からわかるように、実施例1によれば、球面、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズ101が得られる。
この実施例1における撮像レンズ101は、第2レンズに両凹となる樹脂の凹レンズ、第3レンズ130に屈折率が1.85、アッべ数が24相当のガラス材料を用いた場合の最適パワー配置と非球面形状を示した実施例となる。
図2に示すように、第1レンズ110は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第2レンズ120は両面凹となる形状、第3レンズ130は両凸形状、開口絞り140の像側に配置される第4レンズ150は両側に凸面を向けた両凸形状を有する。樹脂レンズはそれぞれ非球面を有する。
表3は、実施例1における撮像レンズ101の各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径R、間隔D、屈折率Nd、およびアッべ数νdを示している。表4は、所定面の非球面係数を示している。
<数値実施例1>
実施の形態2における撮像レンズ102の基本構成は図4に示され、各数値データ(設定値)は表5、表6に、球面収差、および非点収差を示す収差図は図5にそれぞれ示される。図5は、実施例2において、左が球面収差を、右が非点収差をそれぞれ示している。縦収差図の縦軸は、瞳径を1に正規化したもので、非点収差図の縦軸は半画角ωを表し、実線Mはメリジオナル像面の値、破線Sはサジタル像面の値をそれぞれ示している。図5からわかるように、実施例2によれば、球面、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズ102が得られる。
この実施例2における撮像レンズ102は、第2レンズに物体側面が凸となる樹脂のメニスカスレンズ、第3レンズ130に屈折率が1.96、アッべ数が17相当のガラス材料を用いた場合の最適パワー配置と非球面形状を示した実施例となる。
図4に示すように、第1レンズ110は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第2レンズ120は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第3レンズ130は平凸形状、開口絞り140の像側に配置される第4レンズ150は両側に凸面を向けた両凸形状を有する。各レンズはそれぞれ非球面を有する。
表5は、実施例2における撮像レンズ102の各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径R、間隔D、屈折率Nd、およびアッべ数νdを示している。表6は、所定面の非球面係数を示している。
<数値実施例2>
実施の形態3における撮像レンズ103の基本構成は図6に示され、各数値データ(設定値)は表7、表8に、球面収差、および非点収差を示す収差図は図7にそれぞれ示される。図7は、実施例3において、左が球面収差を、右が非点収差をそれぞれ示している。縦収差図の縦軸は、瞳径を1に正規化したもので、非点収差図の縦軸は半画角ωを表し、実線Mはメリジオナル像面の値、破線Sはサジタル像面の値をそれぞれ示している。図7からわかるように、実施例3によれば、球面、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズ103が得られる。
この実施例3における撮像レンズ103は、第2レンズに物体側面が凸となる樹脂のメニスカスレンズ、第3レンズ130に屈折率が1.96、アッべ数が17相当のガラス材料を用いた場合の最適パワー配置と非球面形状を示した第2の実施例となる。
図6に示すように、第1レンズ110は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第2レンズ120は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第3レンズ130は平凸形状、開口絞り140の像側に配置される第4レンズ150は両側に凸面を向けた両凸形状を有する。各レンズはそれぞれ非球面を有する。
表7は、実施例3における撮像レンズ103の各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径R、間隔D、屈折率Nd、およびアッべ数νdを示している。表8は、所定面の非球面係数を示している。
<数値実施例3>
実施の形態4における撮像レンズ104の基本構成は図8に示され、各数値データ(設定値)は表9、表10に、球面収差、および非点収差を示す収差図は図9にそれぞれ示される。図9は、実施例4において、左が球面収差を、右が非点収差をそれぞれ示している。縦収差図の縦軸は、瞳径を1に正規化したもので、非点収差図の縦軸は半画角ωを表し、実線Mはメリジオナル像面の値、破線Sはサジタル像面の値をそれぞれ示している。図9からわかるように、実施例4によれば、球面、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズ104が得られる。
この実施例3における撮像レンズ104は、第1レンズ110の有効径を大きくした場合の実施例となる。
図8に示すように、第1レンズ110は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第2レンズ120は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第3レンズ130は平凸形状、開口絞り140の像側に配置される第4レンズ150は両側に凸面を向けた両凸形状を有する。各レンズはそれぞれ非球面を有する。
表9は、実施例4における撮像レンズ104の各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径R、間隔D、屈折率Nd、およびアッべ数νdを示している。表10は、所定面の非球面係数を示している。
<数値実施例4>
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
また、本実施形態の撮像レンズによれば、撮像素子を搭載するカメラ等に好適であり、小型、軽量且つ安価でありながら、高い光学性能を持つ広角撮像レンズを備えた撮像装置が実現できる。
図10に本発明による撮像レンズ100を用いた撮像装置の実施形態の断面図を示す。撮像レンズ100およびCCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Mental-Oxide Semiconductor device)等の撮像素子210は筐体220によって位置関係を規定、保持される。このとき撮像レンズ100の結像面170は撮像素子210の受光面に一致するように配置されている。
撮像レンズ100によって取り込まれ、撮像素子210の受光面に結像した被写体像は、撮像素子210の光電変換機能によって電気信号に変換されて、画像信号として撮像装置200から出力される。
上述のような撮像レンズ100は、構成枚数が少なく、小型、軽量であるため、搭載スペースがコンパクトにできるので、様々な用途の撮像装置に適している。また広角撮像レンズでありながら、歪曲収差の発生を低減し、高い光学性能を持つ被写体像を撮像素子210に受光面上に結像でき、視認性に優れた画像信号を出力できるため、特に車載用カメラや監視用カメラ等において優位性の高い撮像装置の実現が可能である。
100、100A、100B、101〜104 … 撮像レンズ
110 … 第1レンズ
120 … 第2レンズ
130 … 第3レンズ
140 … 開口絞り
150 … 第4レンズ
160 … カバーガラス(またはIRCF)
170 … 結像面
200 … 撮像装置
210 … 撮像素子
220 … 筐体

Claims (8)

  1. 物体側から順に、物体側に凸面を向け像側の面が非球面をなすメニスカス形状で負の屈折力を有する樹脂材料の第1レンズと、像側の面が非球面をなす負の屈折力を有する樹脂材料の第2レンズと、物体側に凸面を向け物体側と像側の両面が球面をなす正の屈折力を有するガラス材料の第3レンズと、開口絞りと、像側に凸面を向けた非球面をなす樹脂材料の第4レンズとを備え、
    前記第1レンズを構成する材料のd線に対するアッベ数が50以上に、前記第2レンズを構成する材料のd線に対するアッベ数が50以上に、前記第3レンズを構成する材料のd線に対するアッベ数が40以下に、前記第4レンズを構成する材料のd線に対するアッベ数が50以上に、それぞれ設定されることを特徴とする撮像レンズ。
  2. d線における前記第1レンズと前記第2レンズの合算焦点距離をf12(mm)とし、光学系の焦点距離をf(mm)とするとき、下記の条件式を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. d線における前記第3レンズと前記第4レンズの合算焦点距離をf34(mm)とするとき、下記の条件式を満足することを特徴とする請求項2に記載の撮像レンズ。
  4. 撮像面の水平方向の全幅に入射する光線の全画角を2Wとするとき、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の撮像レンズ。
  5. 撮像面の前記水平方向の全幅より小さい垂直方向の全幅に入射する光線の全画角を2Vとするとき、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の撮像レンズ。
  6. d線における前記第1レンズの焦点距離をf1(mm)、d線における前記第2レンズの焦点距離をf2(mm)、d線における前記第3レンズの焦点距離をf3(mm)、d線における前記第4レンズの焦点距離をf4(mm)とし、d線における光学系の焦点距離をf(mm)とするとき、下記の条件式を満足することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の撮像レンズ。
  7. 前記第1レンズの物体側面にはハードコートを塗布する事を特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の撮像レンズ
  8. 前記第1乃至第7請求項のいずれかに記載の撮像レンズと、当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る撮像装置。
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