JP2019101317A - 結像レンズ、撮像装置 - Google Patents
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産業用カメラとしては例えば産業用機械に対象物を認識させるマシンビジョン用途等が挙げられるが、このような用途に用いられる結像レンズは、従来のカメラ用途等と比べてフォーカシングに伴うレンズ性能の低下が少なく、安定していることが重要である。
このような光学特性を満足するために、様々なレンズ群構成の結像光学系が知られている(例えば特許文献1〜2等参照)。
以下、本発明に係る結像光学系たる結像レンズたるレンズ系10の実施形態について説明する。
本実施形態おいて、撮像装置100は、図1に示すように、被写体たる対象物WKを撮影して画像認識により対象物WKの位置や形状等を特定するための産業用カメラである。
撮像装置100は、対象物WKの像を結像するために複数のレンズで構成された結像光学系たる結像レンズとしてのレンズ系10と、レンズ系10によって結像された光を画像として認識する撮像素子たる撮像部20と、を有している。
なお、レンズ系10においては、像面Imに結像させた像を撮像部20で撮像する場合が想定されており、図2において符号CGは「撮像素子のカバーガラス」を示している。
また、図2において、図中左方向を対象物WKが置かれる「物体側」、図中右方向を「像側」として呼称する。かかる符号は、後述する他の数値実施例におけるレンズ構成を示した図6、図10、図14、図18においても共通である。
レンズ系10は、無限遠から近距離へのフォーカシング時において、第1レンズ群G1と第2レンズ群G2と絞り30とが一体として物体側へ移動し第3レンズ群G3との間隔を増大することでフォーカスを調整する。
すなわち第1レンズ群G1は、本実施形態においては4枚のレンズで構成され、それぞれのレンズの屈折力が、物体側から像側に向かって順に負、正、正、負となるように配置されている。
なお、後述する数値実施例5において説明するように、第1レンズ群G1は、最も物体側に配置される負レンズL11を省略し、正、正、負の屈折力配置となる3枚構成のレンズ群であるとしても良い。
第2レンズ群G2は、全体として正の屈折力を有している。
このように、第3レンズ群G3を3枚構成のレンズ群とすることで、収差補正能力が向上するとともに、屈折力の配置が正、負、正の所謂トリプレットタイプとすることで、レンズ枚数を最低限に抑えながらも、無限遠から近距離へのフォーカシング時に生じる各種収差の変動をバランスよくとることを可能とする。
第3レンズ群の最も像側に配置された正レンズL33と、第3レンズ群の負レンズL32との間には、図2においてd(≠0)で示した間隙が形成されている。かかるdは、『第3レンズ群G3の負レンズL32の像側レンズ面から正レンズL33の物体側レンズ面までの光軸上の距離』であり、負レンズL32と正レンズL33との間のレンズ間隔である。
条件式(1)の上限を超えると、第1レンズ群G1と第2レンズ群G2との合成パワーが、全系のパワーに対して過小となるため、フォーカス群としての機能が弱まってしまう。従ってフォーカシング時における移動量の増大とそれに伴うレンズの大型化を招いてしまうため好ましくない。
また、条件式(1)の下限を下回ると、第1レンズ群G1と第2レンズ群G2の合成パワーが、全系のパワーに対して過大となるため、第1レンズ群G1と第2レンズ群G2とで収差が生じやすくなる。そのため、フォーカシング時の収差補正がより困難となり、フォーカシング時のレンズ性能の変動が大きくなりやすくなるため好ましくない。
本実施形態においては、レンズ系10が条件式(1)を満足することで、良好な収差補正を行いつつも少ない移動量でフォーカシングを行うことができる。
かかる条件式(2)の範囲外になると、第3レンズ群G3のパワーが、レンズ系10全系のパワーに対して過大となるため、フォーカス群である第1レンズ群G1、第2レンズ群G2との収差のやり取りのバランスが良好に取れなくなり、フォーカシング時のレンズ性能の変動が大きくなりやすいという問題がある。
本実施形態では、かかる条件式(2)を満足することで、良好な収差補正を行いつつも、フォーカシング時の収差の変動を抑制する。
言い換えると、条件式(3)は、第3レンズ群G3のレンズ長に対する負レンズL32と正レンズL33との間のレンズ間隔の比である。
かかる条件式(3)から明らかなように、本実施形態においては、何れの数値実施例においても、d≠0である。
このように、負レンズL32と正レンズL33との間隔が有限の値をとることで、負レンズL32と正レンズL33との間の空間が空気レンズとしてはたらき、第1レンズ群G1と第2レンズ群G2で発生する残存収差を良好に補正することが可能となる。
また、条件式(3)の下限を下回ると、負レンズL32と正レンズL33の間隔が第3レンズ群G3のレンズ全長に対して過小となってしまう。そのため、空気レンズとしての効果が十分に得られず、特に球面収差やコマ収差の良好な収差補正が難しくなるため、好ましくない。
かかる範囲とすることで、更に良好な収差補正を行いつつ、少ない移動量でフォーカシングを行うことができる。
また、第3レンズ群G3の正レンズL31と、負レンズL32とは接合レンズとして一体に形成されることが望ましい。
第3レンズ群G3において、正のパワーを有する正レンズL31と負のパワーを有する負レンズL32とは収差をやり取りしており、特にコマ収差の低減に寄与している。
かかる2つのレンズを接合レンズとすることで、組み立て時に生じる製造誤差の影響を受けにくくし、安定した性能の確保が可能となる。
球面収差とコマ収差のやりとりを行うレンズ面を、上述のように設定することで、フォーカシングに伴う球面収差とコマ収差の変動をさらに抑制することができる。
条件式(4)の範囲内にあることで、第3レンズ群G3における正のパワーの分配が適正な範囲内でバランスよく分担されるから、特に球面収差とコマ収差の補正を良好に補正することができる。
条件式(4)の範囲外になってしまうと、第3レンズ群G3における正のパワーのバランスが片方に偏ってしまうため、収差のバランスが崩れて性能の劣化が生じやすくなる。
条件式(5)の上限を超えると、負レンズL32のパワーが過大となって最も像側に配置されている正レンズL33との収差のやり取りが過剰となって、良好な収差補正が難しくなる。
条件式(5)の下限を下回ると、負レンズL32の負のパワーが過小となり、正レンズL31と負レンズL33との間での収差補正が不十分になり好ましくない。
条件式(6)の上限を超えると、負レンズL32の像側レンズ面の曲率半径と正レンズL31の物体側レンズ面の曲率半径とが近い値になりすぎてしまい、球面収差と像面湾曲の補正が不足気味になってしまうとともに、外向きのコマ収差が発生しやすくなる。
逆に条件式(6)の下限を下回ると、球面収差がオーバー側に発生しやすくなったり、内向きのコマ収差が発生しやすくなる。
かかる構成とすることで、フォーカシング用の移動機構を簡略化して、メカを含めたレンズ全体の小型化が容易となる。
また、第2レンズ群G2は、物体側から像側へ向けて順に、物体側に凹面を向けた負レンズL21、正レンズL22、正レンズL23を有している。
このような構成とすることで、絞り30に対して対称型のガウスタイプに近い配置となるから、フォーカス群で発生する各種収差を十分に小さい値に抑えることができる。
かかる構成とすれば、更に少ないレンズ枚数で、各種収差を十分に小さい値に抑えることができる。
条件式(7)の上限を超えると、第1レンズ群G1の最も像側に配置された負レンズL14の像側レンズ面S14bの曲率半径が過大になってしまう。
他方、条件式(7)の下限を下回ると、第2レンズ群G2の負レンズL21の物体側レンズ面S21aの曲率半径が過大となってしまう。
条件式(8)の上限を超えると、正レンズL22の像側レンズ面の曲率半径が過大になるため、内向きのコマ収差が生じやすくなったり、球面収差の補正がオーバー側に生じやすい。
条件式(8)の下限を下回ると、正レンズL23の物体側レンズ面の曲率半径が過大になるため、外向きのコマ収差が生じやすくなったり、球面収差がアンダー側に生じやすい。
このように、条件式(8)の範囲内に収めることで、レンズ系10は、球面収差とコマ収差を良好に補正することができる。
また、本発明の結像レンズは、レンズ系10を構成するすべてのレンズが球面レンズであることが望ましい。
非球面や回折面を備えたレンズであっても良いが、かかるレンズ系10を球面レンズのみで構成することで、成形用の金型などのコスト低減に寄与する。
有機材料や有機無機ハイブリッド素材では、一般に温度や湿度の変化に弱く、光学性能の低下につながる恐れがあるが、無機固体材料であれば、安定しているため温度・湿度等による光学性能の低下を受けにくい。
実施例における記号の意味は以下の通りである。
Y’:像高
R:曲率半径
D:面間隔
Nd:d線に対する屈折率
νd:d線に対するアッベ数
BF:バックフォーカス
θg,F:部分分散比
WD:ワーキングディスタンス(物体から最も物体側に位置するレンズの物体側レンズ面の頂点までの距離)
非点収差の図中の実線はサジタル、破線はメリディオナルを示している。
また歪曲収差も絶対値で至近から無限までの測定で0.8%となっている。
すなわち、実施例1〜5のレンズは、何れも各種収差が十分に低減されており、画角24〜38°Fナンバ1.8程度で、800万画素程度の撮像素子にまで対応した解像力を有し、無限遠物体からワーキングディスタンス0.1mの至近距離を、直線を直線として描画可能であり、フォーカシング時の性能の変化が少ない高精度は結像レンズである。
以上の通りに、本発明に係る結像レンズは、数値実施例1乃至5に示した具体的な構成において、収差が十分に補正されている。良好な光学性能を確保し得ることは、各実施例より明らかである。
図2は、実施例1に係るレンズ系10の光学配置図を示している。物体側(紙面左側)から順番に、第1レンズL11から第10レンズL33で構成され、絞り30は第4レンズたる負レンズL14と第5レンズたる負レンズL21との間に設置される。
かかる実施例1において、無限遠に合焦した状態での収差図を図3、ワーキングディスタンス:0.25mに合焦した状態での収差図を図4、ワーキングディスタンス:0.10mに合焦した状態での収差図を図5、にそれぞれ示す。
上記に示した各条件式(1)〜(11)に関する数値は、表3に示す通りである。
Fナンバ:1.84
半画角ω: 19.0
図6は、実施例2に係るレンズ系10の光学配置図を示している。物体側(紙面左側)から順番に、第1レンズL11から第10レンズL33で構成され、絞り30は第4レンズL14と第5レンズL21の間に設置される。
かかる実施例2において、無限遠に合焦した状態での収差図を図7、ワーキングディスタンス:0.25mに合焦した状態での収差図を図8、ワーキングディスタンス:0.10mに合焦した状態での収差図を図9、にそれぞれ示す。
上記に示した各条件式(1)〜(11)に関する数値は、表6に示す通りである。
Fナンバ:1.84
半画角ω:19.0
図10は、実施例3に係るレンズ系10の光学配置図を示している。物体側(紙面左側)から順番に、第1レンズL11から第10レンズL33で構成され、絞り30は第4レンズL14と第5レンズL21の間に設置される。
かかる実施例3において、無限遠に合焦した状態での収差図を図11、ワーキングディスタンス:0.25mに合焦した状態での収差図を図12、ワーキングディスタンス:0.10mに合焦した状態での収差図を図13、にそれぞれ示す。
上記に示した各条件式(1)〜(11)に関する数値は、表9に示す通りである。
Fナンバ:1.84
半画角ω: 19.0
図14は、実施例4に係るレンズ系10の光学配置図を示している。物体側(紙面左側)から順番に、第1レンズL11から第10レンズL33で構成され、絞り30は第4レンズL14と第5レンズL21の間に設置される。
かかる実施例4において、無限遠に合焦した状態での収差図を図15、ワーキングディスタンス:0.25mに合焦した状態での収差図を図16、ワーキングディスタンス:0.10mに合焦した状態での収差図を図17、にそれぞれ示す。
上記に示した各条件式(1)〜(11)に関する数値は、表12に示す通りである。
Fナンバ:1.84
半画角ω: 19.0
図18は、実施例5に係るレンズ系10の光学配置図を示している。物体側(紙面左側)から順番に、第1レンズL11から第9レンズL33で構成され、絞り30は第3レンズと第4レンズとの間に設置される。
かかる実施例5において、無限遠に合焦した状態での収差図を図19、ワーキングディスタンス:0.25mに合焦した状態での収差図を図20、ワーキングディスタンス:0.10mに合焦した状態での収差図を図21、にそれぞれ示す。
上記に示した各条件式(1)〜(11)に関する数値は、表15に示す通りである。
Fナンバ:1.84
半画角ω: 12.4
20 撮像素子
100 撮像装置
f 全系の焦点距離
f1g2g 第1レンズ群と第2レンズ群の合成焦点距離
f3g 第3レンズ群の焦点距離
fL31 第3レンズ群の最も物体側に配置された正レンズの焦点距離
fL32 第3レンズ群の負レンズの焦点距離
fL33 第3レンズ群の最も像側に配置された正レンズの焦点距離
L21 第2レンズ群の負レンズ
L22 第2レンズ群の物体側に配置された正レンズ
L23 第2レンズ群の像側に配置された正レンズ
L31 像側に凸面を向けた正レンズ(第3レンズ群の最も物体側に配置された正レンズ)
L32 第3レンズ群の負レンズ
L33 第3レンズ群の最も像側に配置された正レンズ
RL1gb 第1レンズ群の最も像側に配置される負レンズの像側レンズ面の曲率半径
RL2ga 第2レンズ群の負レンズの物体側レンズ面の曲率半径
RL22b 第2レンズ群の物体側に配置された正レンズの像側レンズ面の曲率半径
RL23a 第2レンズ群の像側に配置された正レンズの物体側レンズ面の曲率半径
Claims (13)
- 物体側から像側へ向かって順に、第1レンズ群、絞り、正の屈折力を有する第2レンズ群、第3レンズ群を配設してなり、
無限遠から近距離へのフォーカシング時に、前記第1レンズ群と前記絞りと前記第2レンズ群とを一体として前記第3レンズ群との間隔を増大するように物体側へ移動する結像レンズであって、
前記第3レンズ群は、物体側から像側へ向かって順に、像側に凸面を向けた正レンズ、負レンズ、正レンズで構成され、
無限遠物体に合焦した状態での全系の焦点距離:f、第1レンズ群と第2レンズ群の合成焦点距離:f1g2g、第3レンズ群の焦点距離:f3g、第3レンズ群の負レンズの像側レンズ面から、当該負レンズよりも像側に配置された正レンズの物体側レンズ面までの光軸上の距離:d、第3レンズ群の最も物体側の正レンズの物体側レンズ面から最も像側に配置された正レンズの像側レンズ面までの光軸上の距離:D3g、としたとき、以下の条件式(1)〜(3):
(1)0.80<f1g2g/f<1.20
(2)−0.15<f/f3g<0.25
(3)0.03<d/D3g<0.20
を満足することを特徴とする結像レンズ。 - 請求項1に記載の結像レンズにおいて、
前記第3レンズ群の最も物体側に配置された正レンズの焦点距離:fL31、前記第3レンズ群の最も像側に配置された正レンズの焦点距離:fL33としたとき、条件式(4):
(4)0.75<fL33/fL31<1.10
を満足することを特徴とする結像レンズ。 - 請求項1または2に記載の結像レンズにおいて、
前記第3レンズ群の最も物体側に配置された正レンズの焦点距離:fL31、前記第3レンズ群の負レンズの焦点距離:fL32としたとき、条件式(5):
(5)−0.60<fL32/fL31<−0.35
を満足することを特徴とする結像レンズ。 - 請求項1乃至3の何れか1つに記載の結像レンズにおいて、
前記第3レンズ群の負レンズの像側レンズ面の曲率半径:RL32b第3レンズ群の最も像側に配置された正レンズの物体側レンズ面の曲率半径:RL33a、としたとき、条件式(6):
(6)−0.30<(RL32b−RL33a)/(RL32b+RL33a)<−0.04
を満足することを特徴とする結像レンズ。 - 請求項1乃至4の何れか1つに記載の結像レンズにおいて、
前記フォーカシング時に前記第3レンズ群は像面に対して固定されていることを特徴とする結像レンズ。 - 請求項1乃至5の何れか1つに記載の結像レンズにおいて、
前記第1レンズ群は、最も像側に配置され像側に凹面を向けた負レンズと、当該負レンズの物体側に配置された少なくとも2枚の正レンズとを有し、
前記第2レンズ群は、物体側から像側へ向かって順に、物体側に凹面を向けた負レンズ、正レンズ、正レンズの3枚のレンズで構成されることを特徴とする結像レンズ。 - 請求項6に記載の結像レンズにおいて、
前記第1レンズ群は、4枚構成のレンズ群であり、
前記第1レンズ群の最も物体側に配置された負レンズと、
前記第1レンズ群の最も像側に配置された負レンズと、
前記2枚の負レンズの間に配置された2枚の正レンズと、
を有することを特徴とする結像レンズ。 - 請求項6または7に記載の結像レンズにおいて、
前記第1レンズ群の最も像側に配置された負レンズの像側レンズ面の曲率半径:RL1gb、
前記第2レンズ群の負レンズの物体側レンズ面の曲率半径:RL2ga、
としたとき、以下の条件式(7):
(7)−0.65<(RL1gb+RL2ga)/(RL1gb−RL2ga)<0.15
を満足することを特徴とする結像レンズ。 - 請求項6乃至8の何れか1つに記載の結像レンズにおいて、
前記第2レンズ群に配置された2枚の正レンズのうち、
物体側に配置された正レンズの像側レンズ面の曲率半径:RL22b、
像側に配置された正レンズの物体側レンズ面の曲率半径:RL23a、
としたとき、以下の条件式(8):
(8)−0.65<(RL22b+RL23a)/(RL22b−RL23a)<0.15
を満足することを特徴とする結像レンズ。 - 請求項1乃至9の何れか1つに記載の結像レンズにおいて、
前記絞りの像側に隣接されるレンズは負レンズであり、
d線に対する絞りの像側に隣接される負レンズの屈折率:ndn、
d線に対する絞りの像側に隣接される負レンズのアッベ数:νdn、
g線,F線,C線に対する屈折率ng,nF,nCにより(ng−nF)/(nF−nC)と定義される部分分散比:θg,F、としたとき、
当該負レンズの材質が、以下の条件式(9)〜(11):
(9)1.78<ndn<2.00
(10)20.0<νdn<32.0
(11)0.005<θg,F-(-0.001802×νdn+0.6483)<0.009
を満足することを特徴とする結像レンズ。 - 請求項1乃至10の何れか1つに記載の結像レンズにおいて、
前記第1レンズ群、前記第2レンズ群、前記第3レンズ群を構成するレンズが全て球面レンズであることを特徴とする結像レンズ。 - 請求項1乃至11の何れか1つに記載の結像レンズにおいて、
前記第1レンズ群、前記第2レンズ群、前記第3レンズ群を構成するレンズの材質が全て無機固体材料であることを特徴とする結像レンズ。 - 請求項1乃至12の何れか1つに記載の結像レンズを有する撮像装置。
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