JP2017526019A - 撮像用対物レンズ - Google Patents

Abstract

本発明の撮像用対物レンズは、入射光の伝播方向に沿って同軸に配列される第一レンズないし第七レンズを含む。第一レンズはメニスカス状の負レンズであり、第二レンズはドラムレンズであり、第三レンズはメニスカス状の負レンズであり、第四レンズはドラムレンズであり、第五レンズは両凹型の負レンズであり、第六レンズはメニスカス状の正レンズであり、第七レンズは両凸型の正レンズである。各レンズにおいて２つの曲面はそれぞれレンズの光入射面と光出射面になる。

Description

本発明は、光学技術に関し、特に撮像用対物レンズに関するものである。

撮像の分野において、一部の使用者は広い視野の確保とともに装置の小型化を求めている。

本発明の目的は、体積が小さく、広い視野を確保することができる撮像用対物レンズを提供することにある。

撮像用対物レンズであって、入射光の伝播方向に沿って同軸に順に配列される第一レンズないし第七レンズを含み、前記第一レンズはメニスカス状の負レンズであり、前記第二レンズはドラムレンズであり、前記第三レンズはメニスカス状の負レンズであり、前記第四レンズはドラムレンズであり、前記第五レンズは両凹型の負レンズであり、前記第六レンズはメニスカス状の正レンズであり、前記第七レンズは両凸型の正レンズである。前記第一レンズは第一曲面と第二曲面を含み、第二レンズは第三曲面と第四曲面を含み、第三レンズは第五曲面と第六曲面を含み、第四レンズは第七曲面と第八曲面を含み、第五レンズは第九曲面と第十曲面を含み、第六レンズは第十一曲面と第十二曲面を含み、第七レンズは第十三曲面と第十四曲面を含む。各レンズにおいて２つの曲面はそれぞれレンズの光入射面と光出射面になり、第一曲面ないし第十四曲面は入射光の伝播方向に沿って順に配列される。前記第一曲面ないし第十四曲面の曲率半径は順に、３０．５±５％、９．６±５％、２５０±５％、−２６±５％、１７±５％、６．７±５％、１５．５±５％、−１２±５％、−１３±５％、２０±５％、−３０±５％、−１０±５％、３１±５％、−２１±５％であり、前記第一レンズないし第七レンズの中心の厚さは順に、２±５％、９±５％、１．５±５％、９±５％、０．８±５％、２±５％、３±５％であり、それらの単位はミリメートルである。

本発明の一実施例において、前記第二曲面と第三曲面の間の光軸上の距離は４．２ｍｍ±５％であり、前記第四曲面と第五曲面の間の光軸上の距離は０．２ｍｍ±５％であり、前記第六曲面と第七曲面の間の光軸上の距離は５ｍｍ±５％であり、前記第八曲面と第九曲面の間の光軸上の距離は２．４ｍｍ±５％であり、前記第十曲面と第十一曲面の間の光軸上の距離は１．６ｍｍ±５％であり、前記第十二曲面と第十三曲面の間の光軸上の距離は０．２ｍｍ±５％である。

本発明の一実施例において、前記第一レンズないし第七レンズにおいて屈折率とアッベ数との比例値は順に、（１．５／６４）±５％、（１．６７／３２）±５％、（１．６１／５５）±５％、（１．６３／５５）±５％、（１．７５／２７）±５％、（１．６２／６０）±５％、（１．６２／６０）±５％である。

本発明の一実施例において、前記第一レンズないし第七レンズの光通過孔の直径はそれぞれ、１８±５％、１３±５％、９±５％、９±５％、１０±５％、１１±５％、１４±５％であり、それらの単位はミリメートルである。

本発明の一実施例において、前記第一曲面から撮像用対物レンズの撮像面までの光軸上の距離は５６．９ｍｍ±５％である。

本発明の撮像用対物レンズは、厚さが非常に厚いドラムレンズを用いて、視野角が非常に大きな撮像用対物レンズを得ることができる。本発明の撮像用対物レンズは、口径比が大きく、体積が小さく、撮影距離が長いという特徴を有しているので、撮像用対物レンズのイメージフィールドの平面性とともに、大きな口径比、小型化の実現および長い撮影距離を確保することができる。本発明は画幅が３．３３ｃｍである撮像システムに用いることができ、様々な感光性媒体、例えばＣＣＤ、感光性フィルムなどに応用できる。特に、像質に対する要求が高く、体積の小型化が求められる撮像システムに用いることができる。

図面に示された本発明の好適な実施例の技術的事項によって本発明を具体的に説明することにより、本発明の目的、特徴および発明の効果をよく理解することができる。図面において、同様の符号は同様の部分を示す。下記図面は、実際の製品のサイズ比によって描いたものではなく、本発明の趣旨を十分表すために描かれている。

本発明の一実施例の撮像用対物レンズの構造を示す図である。 図１の撮像用対物レンズのＭ.Ｔ.Ｆ伝達関数を示す図である。 図１の撮像用対物レンズの色分散および変形曲線を示す図である。 図１の撮像用対物レンズの収差スポットダイヤグラムである。 図４に示すスポットの局部を示す拡大図である。 図４に示すスポットの局部を示す拡大図である。 図４に示すスポットの局部を示す拡大図である。 図４に示すスポットの局部を示す拡大図である。 図４に示すスポットの局部を示す拡大図である。 図４に示すスポットの局部を示す拡大図である。

本発明をよく理解してもらうため、以下、図面を参照しながら本発明の実施例をより詳細に説明する。図面には本発明の好適な実施例が示されているが、本発明は異なる実施形態によって実施することができ、下記の実施例のみに限定されるものではない。下記実施例を示す目的は、本発明の技術的事項をより詳細に理解してもらうことにある。特別な説明がない限り、本文に記載されている技術用語と科学用語は本発明の技術分野の技術者が常用する用語の意味を示す。本発明の明細書に記載されている用語は本発明の具体的な実施例を説明するためのものであり、本発明を限定する意図はない。本発明中の「及び／或いは」と言う用語は、一個または複数個の関連事項のあらゆる組合せを意味する。

注意されたいのは、本明細書中の光の伝播方向は図面中左側から右側に向かうということである。レンズの曲率半径の正負は曲面の球心の位置と、曲面と主光軸との交点との位置関係によって定義され、曲面の球心が該交点の左側に位置するときは、曲率半径は負数になり、逆に、曲面の球心が該交点の右側に位置するときは、曲率半径は正数になる。レンズの左側には物体が位置しており、レンズの右側には撮像が位置している。正レンズとはレンズの中心の厚さが辺縁の厚さより厚いレンズを指し、負レンズとはレンズの中心の厚さが辺縁の厚さより薄いレンズを指す。

図１は本発明の一実施例の撮像用対物レンズの構造を示す図である。説明を簡単にするため、該図面において本発明に係る部分のみを示している。入射光の伝播方向に沿って同軸に順に配列される第一レンズＬ１、第二レンズＬ２、第三レンズＬ３、第四レンズＬ４、第五レンズＬ５、第六レンズＬ６および第七レンズＬ７を含む。第一レンズＬ１はメニスカス状の負レンズであり、第二レンズＬ２はドラムレンズであり、第三レンズＬ３はメニスカス状の負レンズであり、第四レンズＬ４はドラムレンズであり、第五レンズＬ５は両凹型の負レンズであり、第六レンズＬ６はメニスカス状の正レンズであり、第七レンズＬ７は両凸型の正レンズである。第一レンズＬ１は第一曲面Ｓ１と第二曲面Ｓ２を含み、第二レンズＬ２は第三曲面Ｓ３と第四曲面Ｓ４を含み、第三レンズＬ３は第五曲面Ｓ５と第六曲面Ｓ６を含み、第四レンズＬ４は第七曲面Ｓ７と第八曲面Ｓ８を含み、第五レンズＬ５は第九曲面Ｓ９と第十曲面Ｓ１０を含み、第六レンズＬ６は第十一曲面Ｓ１１と第十二曲面Ｓ１２を含み、第七レンズＬ７は第十三曲面Ｓ１３と第十四曲面Ｓ１４を含む。各レンズにおいて２つの曲面はそれぞれレンズの光入射面と光出射面になり、第一曲面Ｓ１ないし第十四曲面Ｓ１４は入射光の伝播方向に沿って順に配列されている。

具体的に、本発明の一実施例において、第一レンズＬ１の第一曲面Ｓ１は物体側へ突出しており、曲率半径は３０．５ｍｍであり、第二曲面Ｓ２の湾曲方向は第一曲面Ｓ１と同様であり、曲率半径は９．６ｍｍである。第一レンズＬ１の中心の厚さｄ１（すなわち第一レンズＬ１の光軸上の厚さ）は２ｍｍである。第一レンズＬ１の屈折率Ｎｄ１とアッベ数Ｖｄ１の比例値は１．５／６４である。第一レンズＬ１の光通過孔の直径Φは１８ｍｍである。上記した各パラメーターは希望値であり、いずれも５％程度の公差を許容する。すなわち、上記した各パラメーターは希望値の±５％の範囲内で変化することができる。

第二レンズＬ２の第三曲面Ｓ３は物体側へ突出しており、曲率半径は２５０ｍｍであり、第四曲面Ｓ４は撮像側へ突出しており、曲率半径は−２６ｍｍである。第二レンズＬ２の中心の厚さｄ３は９ｍｍである。第二レンズＬ２の屈折率Ｎｄ２とアッベ数Ｖｄ２の比例値は１．６７／３２である。第二レンズＬ２の光通過孔の直径Φは１３ｍｍである。第二レンズＬ２と第一レンズＬ１の間の光軸上の距離ｄ２は４．２ｍｍである。第二レンズＬ２の各パラメーターの公差の範囲も５％である。

第三レンズＬ３の第五曲面Ｓ５は物体側へ突出しており、曲率半径は１７ｍｍであり、第六曲面Ｓ６の湾曲方向は第五曲面Ｓ５と同様であり、曲率半径は６．７ｍｍである。第三レンズＬ３の中心の厚さｄ５は１．５ｍｍである。第三レンズＬ３の屈折率Ｎｄ３とアッベ数Ｖｄ３の比例値は１．６１／５５である。第三レンズＬ３の光通過孔の直径Φは９ｍｍである。第三レンズＬ３と第二レンズＬ２の間の光軸上の距離ｄ４は０．２ｍｍである。第三レンズＬ３の各パラメーターの公差の範囲も５％である。

第四レンズＬ４の第七曲面Ｓ７は物体側へ突出しており、曲率半径は１５．５ｍｍであり、第八曲面Ｓ８は第七曲面Ｓ７に対して外側へ突出しており、曲率半径は−１２ｍｍである。第四レンズＬ４の屈折率Ｎｄ４とアッベ数Ｖｄ４の比例値は１．６３／５５であり、第四レンズＬ４の中心の厚さｄ７は９ｍｍである。第四レンズＬ４の光通過孔の直径Φは９ｍｍである。第四レンズＬ４と第三レンズＬ３の間の光軸上の距離ｄ６は５ｍｍである。第四レンズＬ４の各パラメーターの公差の範囲も５％である。

第五レンズＬ５の第九曲面Ｓ９は撮像側へ突出しており、曲率半径は−１３ｍｍであり、第十曲面Ｓ１０は第九曲面Ｓ９に対して内側へ凹んでおり、曲率半径は２０ｍｍである。第五レンズＬ５の屈折率Ｎｄ５とアッベ数Ｖｄ５の比例値は１．７５／２７であり、第五レンズＬ５の中心の厚さｄ９は０．８ｍｍである。第五レンズＬ５の光通過孔の直径Φは１０ｍｍである。第五レンズＬ５と第四レンズＬ４の間の光軸上の距離ｄ８は２．４ｍｍである。第五レンズＬ５の各パラメーターの公差の範囲も５％である。

第六レンズＬ６の第十一曲面Ｓ１１は撮像側へ突出しており、曲率半径は−３０ｍｍであり、第十二曲面Ｓ１２は撮像側へ突出しており、曲率半径は−１０ｍｍである。第六レンズＬ６の屈折率Ｎｄ６とアッベ数Ｖｄ６の比例値は１．６２／６０であり、第六レンズＬ６の中心の厚さｄ１１は２ｍｍである。第六レンズＬ６の光通過孔の直径Φは１１ｍｍである。第六レンズＬ６と第五レンズＬ５の間の光軸上の距離ｄ１０は１．６ｍｍである。第六レンズＬ６の各パラメーターの公差の範囲も５％である。

第七レンズＬ７の第十三曲面Ｓ１３は物体側へ突出しており、曲率半径は３１ｍｍであり、第十四曲面Ｓ１４は撮像側へ突出しており、曲率半径は−２１ｍｍである。第七レンズＬ７の屈折率Ｎｄ７とアッベ数Ｖｄ７の比例値は１．６２／６０であり、第七レンズＬ７の中心の厚さｄ１３は１４ｍｍである。第七レンズＬ７の光通過孔の直径Φは１４ｍｍである。第七レンズＬ７と第六レンズＬ６の間の光軸上の距離ｄ１２は０．２ｍｍである。第七レンズＬ７の各パラメーターの公差の範囲も５％である。

前記撮像用対物レンズは、λ＝５５０ｎｍの緑色光、λ＝４８６ｎｍの青色光、λ＝６５６ｎｍの赤色光に対して色収差を解消できるように設けられている。撮像用対物レンズの全長（すなわち、第一曲面Ｓ１から撮像用対物レンズの像面までの光軸上の距離）Ｌ＝５６．９ｍｍであり、これは５％の公差を有することができる。

前記撮像用対物レンズの焦点距離はｆ＝１１０ｍｍであり、口径比はＤ／ｆ＝１：２．８であり、視野角は２ω＝７２度である。

撮像用対物レンズの分野において、非常に厚い正レンズを使用するのは好ましくない。なぜならそれにより像面の湾曲が増加し、これを平面に補正することができず、大視野角の撮像用対物レンズを得ることができないからである。本発明の撮像用対物レンズはそのような技術的問題を克服し、非常に厚い厚みを有するドラムレンズにより視野角が非常に大きい撮像用対物レンズを得ることができる。また、本発明の撮像用対物レンズは、口径比が大きく、体積が小さく、撮影距離が長いという特徴を有しているので、撮像用対物レンズのイメージフィールドの平面性とともに、大きな口径比、小型化の実現および長い撮影距離を確保することができる。本発明は画幅が３．３３ｃｍの撮像システムに用いることができ、かつ様々な感光性媒体、例えばＣＣＤ、感光性フィルムなどに応用できる。特に、像質に対する要求が高く、体積の小型化が求められる撮像システムに用いることができる。また、前記撮像用対物レンズは一般の光学材料のみで製造された複数のレンズを用いることで、製造コストを低減することができる。

図２は図１の撮像用対物レンズのＭ.Ｔ.Ｆ伝達関数を示す図である。この図において、横座標は解像度を示し、単位がラインペア・パー・ミリメートルであり、ＴＳは視野を示し、単位は度である。図２に示すとおり、解像度が２０ラインペア・パー・ミリメートルになるとき、Ｍ.Ｔ.Ｆは依然として０．６以上で、非常に理想的な状態にある。図３は図１の撮像用対物レンズの色分散および変形曲線を示す図であり、この縦座標＋Ｙは視野のサイズを示す。この図には撮像用対物レンズの細い光束の収差が示されており、変形量の最大値は２％より小さい。ＸＴ、ＹＳが最もわるいときもこの数値は０．３ｍｍより小さい。図４は図１の撮像用対物レンズの収差スポットを示す図であり、この図には撮像用対物レンズの広い光束の収差が示されている。図５ａ〜図５ｆは図４の撮像用対物レンズのスポットの局部を示す拡大図であり、このうち図５ａには長さ２００マイクロメートルの目盛りが示されている。図５ａ〜図５ｆの各図には視野角（単位は度）と撮像面の画像の直径（単位はナノメートル）が示されている。図に示されるとおり、撮像用対物レンズの幾何スポットの最大値は十数マイクロメートルにしか達していない。すなわち、撮像面の全域において、像質は理想的な状態に達している。

以上、上述した実施例により本発明の好適な実施例を詳述してきたが、本発明の構成は前記実施例のみに限定されるものではない。本技術分野の当業者は本発明の要旨を逸脱しない範囲内で設計の変更等を行うことができ、このような設計の変更等があっても本発明に含まれることは勿論である。本発明の保護範囲は後述する特許請求の範囲が定めたものを基準にする。

Claims (5)

1. 撮像用対物レンズであって、入射光の伝播方向に沿って同軸に順に配列される第一レンズないし第七レンズを含み、前記第一レンズはメニスカス状の負レンズであり、前記第二レンズはドラムレンズであり、前記第三レンズはメニスカス状の負レンズであり、前記第四レンズはドラムレンズであり、前記第五レンズは両凹型の負レンズであり、前記第六レンズはメニスカス状の正レンズであり、前記第七レンズは両凸型の正レンズであり、前記第一レンズは第一曲面と第二曲面を含み、第二レンズは第三曲面と第四曲面を含み、第三レンズは第五曲面と第六曲面を含み、第四レンズは第七曲面と第八曲面を含み、第五レンズは第九曲面と第十曲面を含み、第六レンズは第十一曲面と第十二曲面を含み、第七レンズは第十三曲面と第十四曲面を含み、各レンズにおいて２つの曲面はそれぞれレンズの光入射面と光出射面になり、第一曲面ないし第十四曲面は入射光の伝播方向に沿って順に配列され、
   前記第一曲面ないし第十四曲面の曲率半径は順に、３０．５±５％、９．６±５％、２５０±５％、−２６±５％、１７±５％、６．７±５％、１５．５±５％、−１２±５％、−１３±５％、２０±５％、−３０±５％、−１０±５％、３１±５％、−２１±５％であり、前記第一レンズないし第七レンズの中心の厚さは順に、２±５％、９±５％、１．５±５％、９±５％、０．８±５％、２±５％、３±５％であり、それらの単位はミリメートルであることを特徴とする撮像用対物レンズ。
2. 前記第二曲面と第三曲面の間の光軸上の距離は４．２ｍｍ±５％であり、前記第四曲面と第五曲面の間の光軸上の距離は０．２ｍｍ±５％であり、前記第六曲面と第七曲面の間の光軸上の距離は５ｍｍ±５％であり、前記第八曲面と第九曲面の間の光軸上の距離は２．４ｍｍ±５％であり、前記第十曲面と第十一曲面の間の光軸上の距離は１．６ｍｍ±５％であり、前記第十二曲面と第十三曲面の間の光軸上の距離は０．２ｍｍ±５％であることを特徴とする請求項１に記載の撮像用対物レンズ。
3. 前記第一レンズないし第七レンズにおいて屈折率とアッベ数との比例値は順に、（１．５／６４）±５％、（１．６７／３２）±５％、（１．６１／５５）±５％、（１．６３／５５）±５％、（１．７５／２７）±５％、（１．６２／６０）±５％、（１．６２／６０）±５％であることを特徴とする請求項１に記載の撮像用対物レンズ。
4. 前記第一レンズないし第七レンズの光通過孔の直径はそれぞれ、１８±５％、１３±５％、９±５％、９±５％、１０±５％、１１±５％、１４±５％であり、それらの単位はミリメートルであることを特徴とする請求項１に記載の撮像用対物レンズ。
5. 前記第一曲面から撮像用対物レンズの撮像面までの光軸上の距離は５６．９ｍｍ±５％であることを特徴とする請求項１に記載の撮像用対物レンズ。

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