JP2014215594A - 光学系及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、大口径の広角レンズに好適な光学系であって、特に、低ディストーションであり、明るく、低コスト化が可能な高い結像性能を有する光学系及び撮像装置を提供することにある。【解決手段】上記課題を解決するため、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群とから構成され、第１レンズ群は、最も物体側に配置されると共に、物体側から順に負レンズ及び正レンズを接合した接合レンズと、最も像面側に配置される正レンズとを有し、以下の条件式（１）及び条件式（２）を満足することを特徴とする光学系を提供する。【数１】【選択図】図１

Description

本件発明は、光学系及び撮像装置に関し、特に、簡易な構成で解像度が高く、明るい画像を得ることのできる撮像装置用の光学系及び撮像装置に関する。

従来より、広角の単焦点レンズに用いられる光学系として、フォーカシングの際に後群を移動させるリアフォーカス型のものが数多く用いられている。このような光学系として、例えば、特許文献１には、７枚レンズ構成でＦナンバーが３．０程度のものが開示されている。また、特許文献２に開示の光学系は、１２枚レンズ構成であり、Ｆナンバーが１．８程度となっている。さらに、特許文献３に開示の光学系は、１１枚レンズ構成であり、Ｆナンバーが２．９程度となっている。

近年、これらの単焦点の広角レンズに用いられる光学系に対して、特に監視用、テレビ会議用のビデオカメラに搭載される光学系に対しては、大口径であること及び低ディストーションであることへの要求が大きい。また、近年、撮像素子（ＣＣＤやＣＭＯＳ等）の高画素化の進展が著しく、例えば、５００万画素以上の高画素撮像素子が監視カメラなどにも用いられるようになってきている。このため、この種の広角レンズ系においても、高画素撮像素子に対応可能なより高い解像能が要求されるようになってきている。さらに、新興国市場の拡大も見込まれることから、Ｆナンバーの小さいより明るいレンズが要求されると共に、低コスト化への要求も大きい。

特開２００３−１９５１６２号公報 特開２０１２−１１３０３２号公報 特開２００５−３１６０１４号公報

しかしながら、引用文献１に記載された光学系は、半画角が４５°程度と大きく、ディストーションが良好に補正されているが、前玉に非球面レンズが採用されているためコスト高となる。また、Ｆナンバーが大きく、暗い場所等では明るさが不足することから、監視用用途には不適であり、使用用途が限定されるという課題がある。

引用文献２に記載された光学系では、Ｆナンバーが小さく、明るいレンズを実現すると共に、ディストーションも良好に補正されている。しかしながら、前群後群に非球面レンズが採用されているため、低コスト化を図るのは困難である。また、ディストーション以外の諸収差の補正が十分ではなく、高画素撮像素子に対応可能な高い画質の画像を得ることは困難である。さらに、半画角が３７°とやや狭く、使用用途が限定されるという課題がある。

引用文献３に記載された光学系では、半画角が４５°程度と大きく、ディストーションも良好に補正されている。しかしながら、Ｆナンバーが大きく、明るさが不足する。また、ディストーション以外の諸収差が十分に補正されておらず、さらに被写体の距離変動に伴う像面変動が大きいため、高画素撮像素子に対応可能な高い画質の画像を得ることは極めて困難であった。

本発明の課題は、大口径の広角レンズに好適な光学系であって、特に、低ディストーションであり、明るく、低コスト化が可能な高い結像性能を有する光学系及び撮像装置を提供することにある。

本発明者等は、鋭意研究を行った結果、以下の光学系及び撮像装置を採用することで上記課題を達成するに到った。

本件発明に係る光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群とから構成され、前記第１レンズ群は、最も物体側に配置されると共に、物体側から順に負レンズ及び正レンズを接合した接合レンズと、最も像面側に配置される正レンズとを有し、以下の条件式（１）及び条件式（２）を満足することを特徴とする。

本件発明に係る光学系において、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。

本件発明に係る光学系において、前記第２レンズ群は、最も物体側に配置されると共に、物体側から順に負レンズ及び正レンズを接合した接合レンズを有し、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。

本件発明に係る光学系において、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。

本件発明に係る撮像装置は、上記光学系と、撮像素子とを備え、前記光学系により、物体側から入射した光を撮像素子の撮像面に結像させることを特徴とする。

本件発明によれば、当該光学系のいわゆる前玉を接合レンズとし、上記条件式（１）及び条件式（２）を満足することにより、ディストーションを効果的に補正することができ、明るく、高画質な画像を得ることができる。また、本件発明に係る光学系は、非球面レンズを採用しなくとも、低ディストーションを実現することができる。また、条件式（２）を満足することにより当該光学系のコンパクト化を図ることができる。これらのため、当該光学系を構成する全てのレンズを球面レンズとすることができ、低コスト化を実現することが可能になる。

実施例１の光学系の構成を示す断面図である。 実施例１の光学系の無限遠合焦状態における収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差；以下において同じ）である。 実施例１の光学系の至近距離合焦状態における収差図である。 実施例２の光学系の構成を示す断面図である。 実施例２の光学系の無限遠合焦状態における収差図である。 実施例２の光学系の至近距離合焦状態における収差図である。 実施例３の光学系の構成を示す断面図である。 実施例３の光学系の無限遠合焦状態における収差図である。 実施例３の光学系の至近距離合焦状態における収差図である。 実施例４の光学系の構成を示す断面図である。 実施例４の光学系の無限遠合焦状態における収差図である。 実施例４の光学系の至近距離合焦状態における収差図である。 実施例５の光学系の構成を示す断面図である。 実施例５の光学系の無限遠合焦状態における収差図である。 実施例５の光学系の至近距離合焦状態における収差図である。 実施例６の光学系の構成を示す断面図である。 実施例６の光学系の無限遠合焦状態における収差図である。 実施例６の光学系の至近距離合焦状態における収差図である。

以下、本件発明に係る光学系の実施の形態を説明する。以下では、まず本件発明に係る光学系の構成例について説明した上で、当該光学系が満足すべき条件、或いは満足することが好ましい条件について順に説明する。

１．光学系の構成
本件発明に係る光学系は、例えば、図１に示すように、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、絞りＳＴＯＰと、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とから構成される。本実施の形態の光学系は、物体側から入射する光を像面ＩＭＧに配置された撮像素子に結像させる撮像用光学系を例に挙げて説明する。

第１レンズ群Ｇ１は、最も物体側に配置されると共に、物体側から順に負レンズＬ１１及び正レンズＬ１２が接合した接合レンズＡ１１と、最も像面側に配置される正レンズ（図示例では正レンズＬ１６）とを有するものであれば、その具体的なレンズ構成は特に限定されるものではない。図１には、物体側から順に、負レンズＬ１１及び正レンズＬ１２が接合した接合レンズＡ１１と、負レンズＬ１３と、負レンズＬ１４と、負レンズＬ１５と、正レンズＬ１６とから構成された第１レンズ群Ｇ１を示した。また、第１レンズ群Ｇ１は固定レンズ群として構成される。

第２レンズ群Ｇ２は全体として正の屈折力を有せばよく、その具体的なレンズ構成は特に限定されるものではない。しかしながら、より低ディストーションで、より高い結像性能の光学系を実現するためには、当該第２レンズ群Ｇ２において最も物体側に、物体側から順に負レンズＬ２１と正レンズＬ２２とが接合された接合レンズＡ２１が配置されることが好ましい。図１には、物体側から順に、当該接合レンズＡ２１（正レンズＬ２１、負レンズＬ２２）と、正レンズＬ２３と、物体側から順に正レンズＬ２４及び負レンズＬ２５を接合した他の接合レンズＡ２２と、正レンズＬ２６とから構成された第２レンズ群Ｇ２を示した。図２に示すように、第２レンズ群Ｇ２には、最も物体側に配置した接合レンズＡ２１以外にも、他の接合レンズＡ２２を備える構成としてもよい。また、当該光学系は、いわゆるリアフォーカス型であり、無限遠から近距離物体に合焦する際、第２レンズ群Ｇ２を像面ＩＭＧ側から物体側へ移動させる。本件発明に係る光学系では、いわゆるフローティング方式のように、各レンズ群を異なる移動量で独立に移動させる場合と比較すると、フォーカスの際にレンズ群Ｇ２を移動させるための機構を簡素にすることができる。このため、外的な振動が生じた場合にも、フォーカスのぶれを防止することができる。

２．条件式
２−１．条件式（１）及び条件式（２）
本件発明に係る光学系は上記構成を有すると共に、以下の条件式（１）及び条件式（２）を満足することを特徴とする。上述した様に、第１レンズ群Ｇ１においていわゆる前玉（最も物体側に配置されたレンズ）を上記接合レンズＡ１１とし、以下の条件式（１）及び条件式（２）を満足させることにより、非球面レンズを用いずとも、ディストーションを効果的に補正することができ、明るく、高画質な画像を得ることができる。また、当該光学系を構成する全てのレンズ（Ｌ１１〜Ｌ１６、Ｌ２１〜Ｌ２６）を球面レンズで構成することができるため、小型化、低コスト化を実現することができる。このため、本件発明に係る光学系を例えば、５００万画素を超えるような超高画素の固体撮像素子（ＣＣＤやＣＭＯＳ等）を搭載した撮像装置用の光学系として用いた場合にも、明るく解像度の高い鮮明な画像を得ることができる。また、本件発明に係る光学系によれば、周囲の明るさが不足している場合にも、高画質の画像を得ることができるため、監視用カメラ等の光学系として特に好適に用いることができる。

条件式（１）は第１レンズ群Ｇ１において、最も物体側に配置された接合レンズＡ１１の焦点距離Ｂ１１と、第１レンズ群Ｇ１の焦点距離Ｆ１との比に関する式であり、条件式（１）を満足することにより、低ディストーションを実現することができる。条件式（１）の下限値未満となると、ディストーションを補正する上では有利である。しかしながら、この場合、接合レンズＡ１１の屈折力が強くなりすぎるため、非点収差の補正が困難になり、解像度が低下するため好ましくない。一方、条件式（１）の上限値を超えると、接合レンズＡ１１の屈折力が弱くなりすぎるため、ディストーションの補正が困難になるため好ましくない。また、本実施形態の効果を更に確実にするには、条件式（１）の下限値は、１．７以上であることが好ましく、上限値は２．７以下であることが好ましい。

条件式（２）は第１レンズ群Ｇ１に配置された接合レンズＡ１１の焦点距離と、第１レンズ群Ｇ１において、最も像面側に配置された正レンズＬ１Ｒ（図１に示す例では正レンズＬ１６）の焦点距離との比に関する式であり、当該条件式（２）を満足することにより、コンパクトな光学系を実現することができる。条件式（２）の下限値未満となると、接合レンズＡ１１の直径が小さくなるため低コスト化に有利であり、且つ、ディストーションの補正を行う上でも有利である。しかしながら、この場合、接合レンズＡ１１の屈折力が強くなりすぎるため、非点収差の補正が困難になり、解像度が低下してしまうため好ましくない。また、条件式（１）の上限値を超えると、接合レンズＡ１１の屈折力が弱くなりすぎて直径が大きくなる。このため、低コスト化を図る上で不利になり、ディストーションの補正も困難となるため好ましくない。本実施形態の効果を更に確実にするには、上限値は５．７以下であることが好ましい。

２−２．条件式（３）
次に条件式（３）について説明する。本件発明に係る光学系において、上記条件式（１）及び条件式（２）を満足すると共に、下記条件式（３）を満足することが好ましい。条件式（３）は、第１レンズ群Ｇ１において、最も物体側に配置された接合レンズＡ１１を構成する負レンズＬ１１及び正レンズＬ１２のｄ線に対するアッベ数（ν_１１、ν_１２）との比に関する式であり、条件式（３）を満足することにより、倍率色収差を抑制することができる。条件式（３）の下限値未満になると、当該接合レンズＡ１１を構成する負レンズＬ１１のアッベ数と、正レンズＬ１２のアッベ数との差が小さくなり、倍率色収差の補正が困難となる。また、条件式（３）の上限値を超えると、倍率色収差を補正する上では有利である。しかしながら、この場合、当該接合レンズＡ１１全体のペッツバール和が大きくなり、解像度が低下してしまうため好ましくない。本実施形態の効果を更に確実にするには、条件式（３）の下限値は、１．９以上であることが好ましく、上限値は２．９以下であることが好ましい。

２−３．条件式（４）
次に条件式（４）について説明する。本件発明に係る光学系において、上記条件式（１）及び条件式（２）等を満足すると共に、下記条件式（４）を満足することも好ましい。条件式（４）は、第２レンズ群Ｇ２において、最も物体側に配置された接合レンズＡ２１の焦点距離Ｂ２１と、第２レンズ群の焦点距離Ｆ２との比に関する式であり、条件式（４）を満足することにより、軸上色収差を抑制することができる。条件式（４）の下限値未満になると、軸上色収差の補正が困難になり、解像度が低下する場合があるため好ましくない。また、条件式（４）の上限値を超えると、第２レンズ群Ｇ２において最も物体側に配置した接合レンズＡ２１の屈折力が弱くなりすぎるため、球面収差の補正が困難となり、解像度が低下してしまうため好ましくない。本実施形態の効果を更に確実にするために、条件式（４）の下限値は、２．９以上であることが好ましく、上限値は１５．４以下であることが好ましい。

２−４．条件式（５）
条件式（５）は、第１レンズ群Ｇ１の焦点距離Ｆ１と、第２レンズ群Ｇ２の焦点距離Ｆ２との比に関する式である。当該条件式（５）を満足することにより、フォーカス変動に伴う像面変動を抑制することができる。条件式（５）の下限値未満になると、非点収差と球面収差のバランスが崩れる。このため、フォーカス変動に伴う像面変動の補正が困難になり、解像度が低下するため好ましくない。また、条件式（５）の下限値未満になると、無限遠から至近距離にかけてのフォーカス移動量が大きくなる。このため、光学系の小型化が困難になり、コスト低減を図る上で不利になる。条件式（５）の上限値を超えても、フォーカス変動に伴う像面変動の補正が困難になり、解像度が低下するため好ましくない。本実施形態の効果を更に確実にするために、条件式（５）の下限値は３．０以上であることがより好ましい。

次に、実施例を示して本件発明を具体的に説明する。但し、本件発明は以下の実施例に限定されるものではない。

まず、実施例１の光学系について説明する。実施例１の光学系の具体的なレンズ構成を図１に示す。図１に示すレンズ構成は上述したとおりであるため、ここでは説明を省略する。また、図１には、当該光学系１００を構成するレンズの各面に対して、物体側からそれぞれ順に面番号を付与している。また、第１レンズ群Ｇ１及び第２レンズ群Ｇ２に配置された各接合レンズＡ１１、Ａ２１、Ａ２２の接合面にはそれぞれ一つの面番号（面番号２、１４、１９）を付与している。

また、表１に、実施例１の光学系を構成する各レンズの具体的な数値データを示す。表１において、「Ｒ」は各レンズ面の曲率半径を示す、「Ｄ」は互いに隣接するレンズの面間隔を示す。「Ｎｄ」は、ｄ線に対する屈折率であり、「Ｖｄ］はｄ線に対するアッベ数を示す。更に、「Ｂ１１」は、第１レンズ群に配置された接合レンズの焦点距離、「Ｆ１」は第１レンズ群の焦点距離、「ｆ１Ｒ」は第１レンズ群Ｇ１において、最も像面側に配置された正レンズＬ１Ｒ（但し、図１に示す例では正レンズＬ１６）の焦点距離、「Ｂ２１」は第２レンズ群に配置された接合レンズの焦点距離、「Ｆ２」は第２レンズ群の焦点距離を示す。また、表１において、「Ｄ１１」は、無限遠合焦状態及び至近距離合焦状態におけるレンズＬ１Ｒ（Ｌ１６）の像面側の面（第１１面）と、絞り（第１２面）との間隔を示す。本実施例１の光学系は、無限遠から近距離物体に合焦する際、第１レンズ群は固定されており、第２レンズ群Ｌ２が像面側から物体側に移動する。このため、無限遠合焦状態と至近距離合焦状態において面間隔が変化するのは、この第１１面と第１２面との間隔のみとなる。なお、表２〜表６に示す各数値データも表１と同じものを表している。

また、図２及び図３にそれぞれ無限遠合焦状態と近距離合焦状態における各収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）を示す。球面収差において、「Ｆ」はＦ線における収差を示している。また、非点収差において、「Ｓ」はサジタル方向、「Ｔ」はタンデンシャル方向を示している。さらに、表７に条件式（１）〜条件式（５）の各数値を示す。表７に示すように、本実施例１の光学系において、条件式（１）〜条件式（５）の数値はいずれも上述した範囲内にある。

本実施例１の光学系は、Ｆナンバー：１．８、画角（２Ｗ）：８３．１°、焦点距離：６．２ｍｍであり、明るく、低ディステーションの大口径広角レンズを得ることが確認された。また、図２及び図３に示すように、無限遠合焦状態と近距離合焦状態における収差の変動が少なく、フォーカス変動に伴う像面変動を抑制することができる。

次に、実施例２の光学系について説明する。図４に実施例２の光学系の具体的なレンズ構成を示す。また、表２に、実施例２の光学系を構成する各レンズの具体的な数値データを示す。当該光学系は実施例１と同様の構成を備えるため、ここでは説明を省略する。図５及び図６にそれぞれ無限遠合焦状態と近距離合焦状態における各収差図を示す。また、表７に条件式（１）〜条件式（５）の各数値を示す。

本実施例２の光学系は、Ｆナンバー：１．８、画角（２Ｗ）：８６．２°、焦点距離：６．１ｍｍであり、当該実施例２の光学系についても低ディステーションの大口径広角レンズを得ることができフォーカス変動に伴う像面変動を抑制することが可能であることが確認された。

次に、実施例３の光学系について説明する。図７に実施例３の光学系の具体的なレンズ構成を示す。また、表３に、実施例３の光学系を構成する各レンズの具体的な数値データを示す。当該光学系は実施例１と同様の構成を備えるため、ここでは説明を省略する。図８及び図９にそれぞれ無限遠合焦状態と近距離合焦状態における各収差図を示す。また、表７に条件式（１）〜条件式（５）の各数値を示す。

本実施例３の光学系は、Ｆナンバー：１．８、画角（２Ｗ）：８８．２°、焦点距離：６．１ｍｍであり、当該実施例３の光学系についても低ディステーションの大口径広角レンズを得ることができ、フォーカス変動に伴う像面変動を抑制することが可能であることが確認された。

次に、実施例４の光学系について説明する。図１０に実施例４の光学系の具体的なレンズ構成を示す。また、表４に、実施例４の光学系を構成する各レンズの具体的な数値データを示す。当該光学系は実施例１と同様の構成を備えるため、ここでは説明を省略する。図１１及び図１２にそれぞれ無限遠合焦状態と近距離合焦状態における各収差図を示す。また、表７に条件式（１）〜条件式（５）の各数値を示す。

本実施例４の光学系は、Ｆナンバー：１．８、画角（２Ｗ）：８８．２°、焦点距離：６．１ｍｍであり、当該実施例４の光学系についても低ディステーションの大口径広角レンズを得ることができ、フォーカス変動に伴う像面変動を抑制することが可能であることが確認された。

次に、実施例５の光学系について説明する。図１３に実施例５の光学系の具体的なレンズ構成を示す。また、表５に、実施例５の光学系を構成する各レンズの具体的な数値データを示す。当該光学系は実施例１と同様の構成を備えるため、ここでは説明を省略する。図１４及び図１５にそれぞれ無限遠合焦状態と近距離合焦状態における各収差図を示す。また、表７に条件式（１）〜条件式（５）の各数値を示す。

本実施例５の光学系は、Ｆナンバー：１．８、画角（２Ｗ）：８４．５°、焦点距離：６．１ｍｍであり、当該実施例５の光学系についても低ディステーションの大口径広角レンズを得ることができ、フォーカス変動に伴う像面変動を抑制することが可能であることが確認された。

最後に、実施例６の光学系について説明する。図１６に実施例６の光学系の具体的なレンズ構成を示す。また、表６に、実施例６の光学系を構成する各レンズの具体的な数値データを示す。当該光学系は実施例１と同様の構成を備えるため、ここでは説明を省略する。図１７及び図１８にそれぞれ無限遠合焦状態と近距離合焦状態における各収差図を示す。また、表７に条件式（１）〜条件式（５）の各数値を示す。

本実施例６の光学系は、Ｆナンバー：１．８、画角（２Ｗ）：８４．４°、焦点距離：６．２ｍｍであり、当該実施例６の光学系についても低ディステーションの大口径広角レンズを得ることができ、フォーカス変動に伴う像面変動を抑制することが可能であることが確認された。

本件発明に係る光学系によれば、当該光学系のいわゆる前玉を接合レンズとし、上記条件式（１）及び条件式（２）を満足することにより、ディストーションを効果的に補正することができ、明るく、高画質な画像を得ることができる。また、本件発明に係る光学系は、非球面レンズを採用しなくとも、低ディストーションを実現することができる。また、条件式（２）を満足することにより当該光学系のコンパクト化を図ることができる。これらのため、当該光学系を構成する全てのレンズを球面レンズとすることができ、低コスト化を実現することが可能になる。

Ａ１１・・・第１レンズ群において、最も物体側に配置される接合レンズ
Ａ２１・・・第２レンズ群において、最も物体側に配置される接合レンズ
Ｌ１・・・第１レンズ群
Ｌ１１・・・第１レンズ群において、最も物体側に配置される接合レンズＡ１１を構成する負レンズ
Ｌ１２・・・第１レンズ群において、最も物体側に配置される接合レンズＡ１１を構成する正レンズ
Ｌ１Ｒ（Ｌ１６）・・・第１レンズ群において、最も像面側に配置される正レンズ
Ｌ２・・・第２レンズ群
Ｌ２１・・・第２レンズ群において、最も物体側に配置される接合レンズＡ２１を構成する負レンズ
Ｌ２２・・・第２レンズ群において、最も物体側に配置される接合レンズＡ２１を構成する正レンズ
ＳＴＯＰ・・・絞り
ＩＭＧ・・・撮像素子

Claims (5)

1. 物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群とから構成され、
   前記第１レンズ群は、最も物体側に配置されると共に、物体側から順に負レンズ及び正レンズを接合した接合レンズと、最も像面側に配置される正レンズとを有し、
   以下の条件式（１）及び条件式（２）を満足することを特徴とする光学系。
   

   
2. 以下の条件式（３）を満足する請求項１に記載の光学系。
   

   
3. 前記第２レンズ群は、最も物体側に配置されると共に、物体側から順に負レンズ及び正レンズを接合した接合レンズを有し、
   以下の条件式（４）を満足する請求項１又は請求項２に記載の光学系。
   

   
4. 以下の条件式（５）を満足する請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の光学系。
   

   
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の光学系と、撮像素子とを備え、
   前記光学系により、物体側から入射した光りを撮像素子の撮像面に結像させることを特徴とする撮像装置。

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