JP2015011050A - 撮像レンズおよび撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】５枚構成によって高い光学性能を持ちつつ、レンズの形状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、負の屈折力を有する物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第１レンズと、負の屈折力を有する像側に凹面を向けた形状の第２レンズと、正の屈折力を有する物体側に凸面を向けた形状の第３レンズと、正の屈折力を有する像側に凸面を向けた形状の第４レンズと、正の屈折力を有する物体側に凸面を向けた形状で像側面に波長帯域を制限するための積層膜を有する第５レンズとの５枚のレンズを配置する。【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単焦点の広角撮像レンズおよびその撮像レンズを用いた撮像装置に関するものである。

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全域で結像性能が良いことが要求される。また、搭載スペースが限られることが多いこと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、２、３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は構成レンズの枚数を減らし、小型化、軽量化を図った広角撮像レンズであるが収差補正が充分ではなく、画面全域で高い光学性能面を満足することが出来なかった。またこの問題を克服した特許文献２、３に記載される単焦点レンズでは、レンズ枚数を４枚としたが、さらなる軽量化のため樹脂材料を多用しつつ、高い結像性能を持たせることが望まれる。

特開２００３−１９５１６１号公報 特開２００８−２６８２６８号公報 特開２００９−８８６７号公報

本発明は、上記の点に鑑みて成されたものであり、目的とするのは、５枚構成によって高い光学性能を持ちつつ、レンズの形状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ことである。

上記課題を解決するため、本発明の撮像レンズは、物体側から順に、負の屈折力を有する物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第１レンズと、負の屈折力を有する像側に凹面を向けた形状の第２レンズと、正の屈折力を有する物体側に凸面を向けた形状の第３レンズと、正の屈折力を有する像側に凸面を向けた形状の第４レンズと、正の屈折力を有する物体側に凸面を向けた形状の第５レンズとの５枚のレンズが配置され、第５レンズの像側面に波長帯域を制限するための積層膜を有することを特徴とする。

好ましくは、前記第５レンズのｄ線に対するアッベ数を５０以上とすることを特徴とする。

更に好ましくは、前記第５レンズの像側面に構成する積層膜が近赤外光を遮蔽することを目的として、前記第５レンズにおける波長７００ｎｍでの透過率が５０％以下となることを特徴とする。

更に好ましくは、前記第５レンズの像側面が平面であることを特徴とする。

更に好ましくは、撮像レンズ全系の焦点距離をｆ、第５レンズの焦点距離をｆ５とするとき、１０＜ｆ５／ｆを満足することを特徴とする。

更に好ましくは、前記撮像レンズを構成する前記第１から前記第５までのすべてのレンズが樹脂材料で形成されることを特徴とする。

上記課題を解決するために、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たことを特徴とする。

本発明によれば、５枚構成によって諸収差が良好に補正された小型、薄型で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基本構成を示す図である。 本実施形態の撮像レンズと従来技術のレンズの構成を比較した図である。 本実施形態において、撮像レンズの各レンズに対して付与した面番号を示す図である。 実施例１ において、球面収差、および非点収差を示す収差図である。 実施例２ において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例２ において、球面収差、および非点収差を示す収差図である。 実施例３ において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例３ において、球面収差、および非点収差を示す収差図である。 比較例 において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 比較例 において、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、第４レンズ１４０、第５レンズ１５０、カバーガラス１６０、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Mental-Oxide Semiconductor device)等の撮像素子１７０が配置される５枚構成の単焦点レンズ１００である。

本発明を実施した撮像レンズで５枚のレンズは、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ１１０と、負の屈折力を有する第２レンズ１２０と、正の屈折力を有する第３レンズ１３０と、正の屈折力を有する第４レンズ１４０と、正の屈折力を有する第５レンズ１５０のように配列されている。従来、４枚構成の広角レンズでは、強い負の屈折力を持つ２枚のレンズと、色分散が大きく正の屈折力を持つレンズと開口絞りの後方に正の屈折力を持つレンズを配置することで、像面湾曲と倍率の色収差を良好に補正していた。収差補正の目的で第１レンズから第４レンズの間にレンズを追加する場合、負レンズを追加すると、屈折率分散が大きければ軸上の色収差をよく補正できるかわりに、倍率の色収差が大きくなってしまい、屈折率分散が小さければ反対に倍率の色収差の発生を抑えられるものの軸上の色収差が補正不足となってしまう。正レンズを追加すると屈折率分散が大きければ倍率の色収差をよく補正できるかわりに、軸上の色収差が大きくなってしまい、屈折率分散が小さければ反対に軸上の色収差の発生を抑えられるものの倍率の色収差が補正不足となってしまう。第４レンズの後方に正の屈折力を持つ第５レンズを追加する場合には屈折率分散が小さいほど色収差の発生を抑えることができるため、適切に材料を選択することで色収差を大きく発生させずに、球面収差や像面湾曲などの単色収差を良好に補正することが可能となる。

また、広角レンズでは、広い画角を得るために焦点距離を短くする必要があるが、機構的な制約からバックフォーカスは焦点距離に比べて長くしなくてはならない。そこで、前方に負の屈折力を有するレンズを配置し、入射した光を一度発散した後、後方の正の屈折力を有するレンズで集光することにより、レンズ系の主点をレンズ後方に飛出させ焦点距離に比べて長いバックフォーカスを確保することが可能となる。具体的には負の第１レンズ、第２レンズで光を発散させ、正の第３レンズ、第４レンズ、第５レンズで集光する。物体側に負レンズを配置することで、主点を後方に置くのに十分な負の屈折力を得ながら、諸収差を良好に補正することができる。強い正の屈折力をもつレンズ結像面に近い位置に配置することにより、像面への入射角度を小さくし、かつ収差を良好に補正することが可能となる。

前記撮像レンズで、第１レンズ１１０は物体側に凸面を向けたメニスカスレンズであり、第２レンズ１２０は像側に凹面を向け、第３レンズ１３０は物体側に凸面を向け、第４レンズ１４０は像側に凸面を向け、第５レンズ１５０は物体側に凸面を向けている。前記第１レンズが物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有することで、第1面に対する軸外光線の入射角度を小さく保つことが可能となり、収差の発生を抑えることが出来る。前記第２レンズが像側に凹面を向け、前記第３レンズが物体側に凸面を向けることで、倍率の色収差や像面湾曲を補正し、良好な画像が得られる。前記第４レンズが像側に凸面を向け、前記第５レンズが物体側に凸面を向けることで、像面への入射角度を小さくし、結像に必要な屈折力を得ることが可能となる。

撮像レンズ１００において、物体側ＯＢＪＳ より入射した光は、第１レンズ１１０の物体側Ｒ１面１、像面側Ｒ２面２、第２レンズ１２０の物体側Ｒ３面３、像面側Ｒ４面４、第３レンズ１３０の物体側Ｒ５面５、像面側Ｒ６面６、第４レンズ１４０の物体側Ｒ７面７、像面側Ｒ８面８、第５レンズ１５０の物体側Ｒ９面９、像面側Ｒ１０面１０、カバーガラス１６０の物体側Ｒ１１面１１、像面側Ｒ１２面１２、を順次通過し撮像素子１７０へと集光される。

本発明を実施した撮像レンズは結像面に一番近い第５レンズ１５０の像側面に波長帯域を制限するための積層膜を有するように構成される。第５レンズが波長帯域を制限することにより、赤外カットフィルターを追加することが必要なくなり小型化が可能となる。図２には（i）従来技術である４枚構成の撮像レンズ、（ii）本発明を実施した撮像レンズ、（iii）従来技術である５枚構成のレンズをそれぞれ示す。赤外カットフィルターを省略できるため、（i）と（ii）では同程度の全長が達成できる。また（iii）は５枚構成の上に赤外カットフィルターを有するので全長が長くなってしまう。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、第５レンズ１５０のｄ線に対するアッベ数を５０以上とするように構成される。第５レンズは屈折率分散が小さいほど色収差の発生を抑えることができるため、ｄ線に対するアッベ数が５０以上のアクリルやシクロオレフィン系などの光学素子に適した低分散材料を選択することで色収差を大きく発生させずに、球面収差や像面湾曲などの単色収差を良好に補正することが可能となる。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、第５レンズ１５０の像側面に構成する積層膜が近赤外光を遮蔽することを目的として、第５レンズにおける波長７００ｎｍでの透過率が５０％以下となるように構成される。よって波長７００ｎｍの近赤外光線を５０％以上透過すると撮像素子で混色の原因となり、良好な画像を得ることができなくなる。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、第５レンズ１５０の像側面が平面であるように構成される。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、撮像レンズ全系の焦点距離をｆ、第５レンズの焦点距離をｆ５とするとき、１０＜ｆ５／ｆを満足するように構成される。

波長帯域を制限するための積層膜の製造には通常球形の真空ドーム内で真空蒸着を行うのが一般的である。蒸着の際にはドームの中心付近に置かれた、蒸着材料が放射状に飛散して試料に膜が形成される。膜の厚みを一定にし、画像全域で波長帯域を制限する機能を得るためには、膜を形成する面が平面または緩やかな曲面であることが望ましい。

第５レンズ１５０の像側面が平面でなく、また上記条件式の下限値を超える場合には、膜の厚みがレンズ周縁部で薄くなり、画像全域で波長帯域を制限する機能を得ることが難しくなる。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、第１レンズ１１０から第５レンズ１５０までのレンズを全て樹脂材料で形成するように構成される。樹脂材料以外の光学素子材料で構成される場合、重量が増加する。また製造方法の違いから硝子材料や結晶材料を用いた場合、光線有効径外の構造の制約が多いため、撮像レンズ全体の大型化が予想される。

以下に、撮像レンズの具体的な数値による実施例１〜３、従来技術として４枚構成の比較例を示す。１〜３の数値実施例において、焦点距離、Ｆナンバー、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１〜３の数値実施例において、条件式ｆ５／ｆの数値データは、次の表２に記載の値になる。

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について、物体側から像面側へ向かう方向を正としたとき、面頂点に対する接平面からの深さＺは、ｈを光線の高さ、ｃを中心曲率半径の逆数、ｋ、Ａ_４、Ａ_６、Ａ_８、Ａ_１０を係数として数式１で表される。ただし、ｋは円錐係数、Ａ_４は４次の非球面係数を、Ａ_６は６次の非球面係数を、Ａ_８は８次の非球面係数を、Ａ_１０は１０次の非球面係数をそれぞれ表している。

実施の形態１におけるレンズ系の基本構成は図３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４にそれぞれ示される。

図３に示すように、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズは両凹形状、第３レンズは両凸形状、開口絞りの像側に配置される第４レンズは両凸形状、第５レンズは物体側に凸面を向けた平凸形状を有する。第１レンズの像側面と第２レンズの両面と第３レンズの物体側面と第４レンズの両面と第５レンズの物体側面とに非球面を有する。

また、図３に示すように第１レンズの厚さとなる面１と面２間の距離をＤ１、第１レンズの面２と第２レンズの面３までの距離をＤ２、第２レンズの厚さとなる面３と面４間の距離をＤ３、第２レンズの面４と第３レンズの面５までの距離をＤ４、第３レンズの厚さとなる面５と面６間の距離をＤ５、第３レンズの面６と第４レンズの面５までの距離をＤ６、第４レンズの厚さとなる面７と面８間の距離をＤ７、第４レンズの面８と第５レンズの面９までの距離をＤ８、第５レンズの厚さとなる面９と面１０間の距離をＤ９、第５レンズの面１０とカバーガラスの面１１までの距離をＤ１０、カバーガラスの厚さとなる面１１と面１２間の距離をＤ１１、カバーガラスの面１２と結像面までの距離をＤ１２とする。

表３は、実施例１における撮像レンズの各面番号に対応した各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎd、および分散値νdを示している。表中の記号*は非球面の面を表している（以下の実施例においても同様）。表４は、所定面の非球面係数を示している。
＜数値実施例１＞

図４は、実施例１において、図４（Ａ）が球面収差を、図４（Ｂ）が非点収差をそれぞれ示している。図４（Ｂ）の縦軸は結像面での像高を表し、図４（Ｂ）中、波長５８７．６ｎｍの光線における破線Tはタンジェンシャル像面の値、実線Ｓはサジタル像面の値をそれぞれ示している（以下の実施例においても同様）。図４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が得られる。

実施の形態２におけるレンズ系の基本構成は図５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６にそれぞれ示される。

図５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は像側に凹面を向けた平凹形状、第３レンズ１３０は両凸形状、開口絞りの像側に配置される第４レンズ１４０は像側に凸面を向けたメニスカス形状、第５レンズ１５０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有する。第１レンズと第２レンズはそれぞれ像側面に、第３レンズは物体側面に、第４レンズと第５レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。

表５は、実施例２における撮像レンズの各面番号に対応した各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎd、および分散値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＞

図６は、実施例２において、図６（Ａ）が球面収差を、図６（Ｂ）が非点収差をそれぞれ示している。図６（Ｂ）の縦軸は結像面での像高を表している。図６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が得られる。

実施の形態３におけるレンズ系の基本構成は図７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は両凸形状、開口絞りの像側に配置される第４レンズ１４０は像側に凸面を向けたメニスカス形状、第５レンズ１５０は両凸形状を有する。第１レンズは像側面に、第２レンズと第３レンズと第４レンズはそれぞれ両面に、第５レンズは物体側面に非球面を有する。

表７は、実施例３における撮像レンズの各面番号に対応した各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎd、および分散値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３＞

図８は、実施例３において、図８（Ａ）が球面収差を、図８（Ｂ）が非点収差をそれぞれ示している。図８（Ｂ）の縦軸は結像面での像高を表している。図８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が得られる。

比較例

従来技術による4枚構成のレンズ系の基本構成は図９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１０にそれぞれ示される。

図９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は両凸形状、開口絞りの像側に配置される第４レンズ１４０は両凸形状を有する。第１レンズは像側面に、第２レンズと第３レンズと第４レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。

表９は、比較例における撮像レンズの各面番号に対応した各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎd、および分散値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。
＜数値比較例＞

図１０は、比較例において、図１０（Ａ）が球面収差を、図１０（Ｂ）が非点収差をそれぞれ示している。図１０（Ｂ）の縦軸は結像面での像高を表している。図１０からわかるように、比較例によれば、球面、非点の諸収差が良好に補正されるものの、図４、６、８と比較すればわかるように、前記実施例１から３よりも球面収差、像面湾曲が大きく、結像性能では本発明の実施形態に劣る撮像レンズとなる。

図１１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、赤外カットフィルターを別途用いる必要がなく、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ため、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、諸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の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、特に監視用カメラや車載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。

本発明を諸図面や実施形態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。

１００，１００Ａ〜１００Ｄ・・・撮像レンズ
１１０ ・・・第１レンズ
１２０ ・・・第２レンズ
１３０ ・・・第３レンズ
１４０ ・・・第４レンズ
１５０ ・・・第５レンズ
１６０ ・・・カバーガラス
１７０ ・・・結像面
２００ ・・・撮像装置
２１０ ・・・撮像素子
２２０ ・・・筐体

Claims (7)

1. 物体側から順に、負の屈折力を有する物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第１レンズと、負の屈折力を有する像側に凹面を向けた形状の第２レンズと、正の屈折力を有する物体側に凸面を向けた形状の第３レンズと、正の屈折力を有する像側に凸面を向けた形状の第４レンズと、正の屈折力を有する物体側に凸面を向けた形状の第５レンズとの５枚のレンズが配置され、前記第５レンズの像側面に波長帯域を制限するための積層膜を有することを特徴とする撮像レンズ。
2. 前記第５レンズのｄ線に対するアッベ数を５０以上とすることを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。
3. 前記第５レンズの像側面に構成する積層膜が近赤外光を遮蔽することを目的として、前記第５レンズにおける波長７００ｎｍでの透過率が５０％以下となることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の撮像レンズ。
4. 前記第５レンズの像側面が平面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の撮像レンズ。
5. 前記撮像レンズ全系の焦点距離をｆ、前記第５レンズの焦点距離をｆ５とするとき、１０＜ｆ５／ｆを満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の撮像レンズ。
6. 前記第１レンズから第５レンズまでのレンズを全て樹脂材料で形成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の撮像レンズ。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項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たことを特徴とする撮像装置。