JP4090246B2 - 広角レンズ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子を用いた車載用カメラ、携帯電話搭載カメラ等に用いられる小型で軽量な高画質対応の後側焦点距離の長い広角レンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、自動車等の後方確認用カメラや監視用カメラ等においては、小型で、画像取り込み角度が水平方向で１００度を超すような超広角レンズが求められている。このような広角レンズを用いた小型カメラの受光素子には、殆どＣＣＤやＣＭＯＳが用いられている。これらの受光素子の特徴は、各画素に取り込める光線角度に制約があるということである。この性質を無視するような光学系が組み込まれたカメラでは、周辺光量が急激に減少し、いわゆる、周辺部の暗いカメラとなってしまう。
【０００３】
このような現象を補正するために、例えば、特許文献１に開示されているように、電気的な補正回路（シェーディング補正回路）を組み込む方式が採用されている。しかしこの方式では回路基板が大型化し、小型・コンパクト化の要請に合致しない。電気的な補正以外の方法として、特許文献２に開示されているように、受光素子と一対をなすマイクロレンズを配置し、素子面への受光角を拡大する方式も提案されている。しかし、この方式では大幅なコスト高を招くので、実用性に乏しい。
【０００４】
そこで、近年においては、上記課題をレンズ系によって解決しようとする試みが一般的に行われるようになってきている。例えば、多枚数の球面レンズを使用して、性能を整え、射出瞳の長いレンズを実現している。また、小型・軽量化を目的として、特許文献３に開示されているように、物体側より順に配列した凹非球面レンズおよび凸非球面レンズからなる２枚の非球面レンズを用いた提案もなされている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１３７０６２号公報
【特許文献２】
特開平５−１１００４７号公報
【特許文献３】
特開平６−６７０９１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、多数枚の球面レンズを用いて高性能で射出瞳の長い広角レンズを実現しようとすると、レンズ光学系のトータルコストが極めて高くなるばかりか、レンズが大型化してしまうので実用に供しない。
【０００７】
また、小型軽量化を目的とした凹レンズと凸レンズの２枚の非球面レンズを用いた方法では、長い射出瞳を得ることが難しいばかりか、倍率の色収差を抑えることも困難であり、結果的におのずとその用途に限界がある。
【０００８】
以上のように、これらいずれのタイプの広角レンズにおいても、小型軽量化および低コスト化を実現し、倍率の色収差を抑制し、長い射出瞳を得ようとする要求を同時に満たすことが極めて困難である。
【０００９】
そこで、本発明の課題は、小型軽量化および低コスト化を実現でき、高波長帯域に亘って十分な収差補正を行うことができ、しかも、射出瞳の長い超広角レンズを提案することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の広角レンズは、
物体側より順に配置した負のパワーを持った１群レンズおよび正のパワーを持った２群レンズを有し、
前記１群レンズは、負のパワーを持った１枚のレンズ、または負のパワーを持った複数枚のレンズによって構成されており、
前記２群レンズは、絞りを挟み、物体側に配置されている１枚の前レンズと像面側に配置されている後群レンズとからなり、
前記後群レンズは、絞り側に配置した色消しのための少なくとも２枚のガラスレンズからなるガラスレンズ群を備えている。
【００１１】
また、全レンズ系を構成しているレンズ群のうち少なくとも３枚のレンズを好ましくはプラスチックレンズとしている。
【００１２】
さらに、これら３枚のレンズのレンズ面のうち、少なくとも４面は非球面とし、前記前レンズにはアッベ数の小さいレンズを用い、ガラスレンズ群による色消し補正を行うようにしている。
【００１３】
この構成によれば、本来補正の難しい近赤外領域を含めた倍率の色収差を補正し、良好な各種の収差補正を実現できる、高画質対応の射出瞳の長い超広角レンズを実現できる。
【００１４】
詳細に説明すると、本発明の広角レンズは、前記１群レンズの焦点距離をＦ１、前記２群レンズの焦点距離をＦ２、前記２群レンズのうち絞りを介して前側の前記前レンズの焦点距離をｆＭ、前記後群レンズの焦点距離をｆＲ、前記後群レンズの絞り側に配置した色消しのためのガラスレンズ群の焦点距離をｆＲ１、前記後群レンズの像面側のレンズ群の焦点距離をｆＲ２、前記前レンズのアッベ数をνｄＭとしたとき、次の条件式（１）、（２）、（３）および（４）を満足することを特徴とするものである。
１．６＜ｆＲ１／ｆＲ２＜３．７ （１）
１．０＜ｆＭ／ｆＲ＜２．６ （２）
０．５＜｜Ｆ１／Ｆ２｜＜１．２ （３）
νｄＭ≦４５ （４）
【００１５】
ここで、条件式（１）は色収差および射出瞳に関するものであり、上限の３．７を超えると射出瞳は長くできるが、後群レンズのうち像面側の最終レンズ群のパワーが強くなり、各収差の補正が困難となると同時に、軸上および軸外の色収差を良好に保つことができなくなる。また、下限値の１．６を下回ると射出瞳の距離が短くなり、結像面の受光素子に対する周辺部への取り込み角度が増大し、周辺光量の低下を招くことになる。その結果、このような現象を補正するために、電気的な補正回路（シェーディング補正回路）による調節を行ったとしても、回路基板が大型化してしまい、コンパクト化の要請に合致しないばかりか、コストアップの要因となってしまう。加えて、軸外の色収差補正および非点収差の補正が難しく、レンズ系全体の性能を安定させることが難しい。
【００１６】
条件式（２）は、軸上および軸外の色収差に関するもので、上限値の２．６を超えると、前レンズのパワーが弱くなり、軸外の倍率の色収差の補正が困難となり、また、同時に軸上の色収差を良好に保つためには、絞りの直後に配置された色消しレンズの色収差補正値を少なくする必要があり、このため各波長（λ＝４００乃至９００ｎｍ）を理想の像面位置に一致させることが困難となる。また、下限値の１．０を下回ると前レンズのパワーが強くなり、このために各収差の補正が難しくなると同時に、各レンズの曲率半径が極端に小さくなり、加工上の制約もあって良好な性能を保つことができない。また、上限値の場合と同様に各波長（４００乃至９００ｎｍ）を理想の像面位置に一致させることが難しいばかりか、軸上の色収差及び倍率の色収差を同時に満たすことが困難となる。
【００１７】
条件式（３）は、レンズ系の大きさがレンズ性能に及ぼす影響の度合いを示すものであり、上限値の１．２を超えると各レンズ群のパワーは弱くなり、レンズの生産性は良くなるが、レンズ系全体が大きくなると同時に、特に、軸外収差のうち、サジタル方向の性能が劣化する。また、下限値の０．５を下回ると各レンズ群のパワーが強くなり、レンズ系自身の小型化はできるが、レンズ性能を確保するためには、高い精度の加工性が要求されてコストアップの要因となる。
【００１８】
条件式（４）は、特に、軸外の色収差のうち、倍率の色収差を安定させるためのものであり、この条件を超えると軸上の色収差は小さくできるが、軸外の倍率の色収差が拡大し、本来の性能を満足することができない。
【００１９】
本発明の広角レンズによれば、ＣＣＤなどへの入射角度を小さく抑えることができるとともに、十分な色消しにより良好な収差補正ができ、高画質対応として小型軽量で安価な超広角レンズを提供できる。
【００２０】
ここで、前記１群レンズを、負のパワーを持った１枚のレンズ、または負のパワーを持った複数枚のレンズによって構成することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した広角レンズの実施例を説明する。
【００２２】
各実施例の説明に先立って、図１を参照して、本発明による広角レンズの典型的な構成を説明する。
【００２３】
この図に示す広角レンズ１００は後述の実施例１におけるものであり、当該広角レンズ１００は、物体側から順に配列した負のパワーを持った１群レンズ１０および正のパワーを持った２群レンズ２０を有している。２群レンズ２０は、絞り５を挟み、物体側に配置されている前レンズ３０と、その反対側（像面側）に配置されている後群レンズ４０とを備えている。この後群レンズ４０は、絞り５の側に配置したガラスレンズ群５０と、像面側に配置したレンズ６０を備えている。
【００２４】
本例の１群レンズ１０は、２枚の凹レンズ１１、１２から構成されており、少なくとも凹レンズ１２はプラスチックレンズである。２群レンズ２０の前レンズ３０はプラスチックレンズからなる凸の非球面レンズからなり、後群レンズ４０のガラスレンズ群５０はガラスレンズ３１および３２からなり、レンズ６０はプラスチックレンズからなる凸の非球面レンズ４からなっている。
【００２５】
図示の構成では、ガラスレンズ群５０は凹レンズ３１と凸レンズ３２からなる接合レンズとなっているが、凹レンズと凸レンズを分離した構成とすることもできる。
【００２６】
また、後群レンズ４０を構成している凸の非球面レンズ４と結像面８（受光素子の受光面）との間には、ローパスフィルタ６とカバーガラス７が配置されている。これらのローパスフィルタ６およびカバーガラス７は省略することも可能である。
【００２７】
加えて、当然のことながら、上記少なくとも３枚のプラスチックスによる非球面レンズの全て、またはその一部のレンズをガラスモールドによる非球面レンズに置き換えても、同様の効果を得ることは言うまでもない。
【００２８】
ここで、広角レンズを構成しているレンズにおいて、それらの各表面を物体側から図において括弧書きの数字で示すように順番付けし、ｉ番目の表面の曲率半径をＲｉ、ｉ番目と（ｉ＋１）番目の表面の面間距離をｄｉとし、ｉ番目の表面の屈折率をＮｄｉとし、ｉ番目の表面のアッベ数をνｄｉとする。また、非球面形状は光軸方向の軸をＸ、光軸に垂直な高さ方向をＨ、円錐係数をｋ、非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとすると、次の式（５）により表わされる。
【００２９】
【数１】

【００３０】
【実施例】
（実施例１）
実施例１に係るレンズ系では、上述した図１に示すように、１群レンズ１０が２枚の負のレンズにより構成され、物体側より１枚目の負のレンズ１１にはガラスレンズが使用されている。また、１群レンズ１０における２枚目の負のレンズ１２の片面が非球面とされ、２群レンズ２０の前レンズ３０の両面および後群レンズ４０の像面側のレンズ４の両面もそれぞれプラスチックの非球面とされている。本例のレンズ系のデータを表１、２に示し、図３にはその収差図を示し、ＳＡは球面収差、ＯＳＣは正弦条件、ＡＳは非点収差、ＤＩＳＴはディストーションをそれぞれ表す。また、非点収差ＡＳにおけるＴはタンジェンシャル、Ｓはサジタルの像面を表している。実施例１に係る広角レンズの性能は次の通りである。
明るさ ＦＮｏ．：１．８
焦点距離 ｆ＝１．４５ｍｍ
水平画角 Ｗ＝１２５°
射出瞳 ｅｐ＝１５７．４８ｍｍ
【００３１】
【表１】

【００３２】
【表２】

【００３３】
（実施例２）
実施例２に係るレンズ系の構成は、実施例１と同様に図１に示す通りであるが、１群レンズ１０のうち物体側より１枚目の負のレンズ１１はガラスレンズとし、２枚目の負のレンズ１２の片面と２群レンズ２０の前レンズ３０の両面および後群レンズの像面側のレンズ４の片面に非球面を施した。レンズ１２と、前レンズ３０と、レンズ４はプラスチックレンズである。本例のレンズ系のデータを表３、４に示し、図４はその収差図である。
【００３４】
【表３】

【００３５】
【表４】

【００３６】
（実施例３）
実施例３に係るレンズ系の構成は、図１と同様であるが、このレンズ系の収差補正は、波長域λ＝４００乃至９００ｎｍで良好な補正が得られるように配慮したもので、実施例１、２と同様に、１群レンズ１０の物体側より１枚目の負のレンズ１１はガラスレンズとし、１群レンズ１０のうち２枚目の負のレンズ１２の片面と２群レンズ２０の前レンズ３０および後群レンズ４０の像面側のレンズ４の両面に非球面補正を行った。実施例１、２と同様に、レンズ１２、２、４はプラスチックレンズである。本例のレンズ系のデータを表５、６に示し、図５はその収差図である。
【００３７】
【表５】

【００３８】
【表６】

【００３９】
（実施例４、５）
実施例４および５に係るレンズ系の構成は、図２に示すように、１群レンズ１０が１枚のレンズ１から形成されており、このレンズ１の片面と２群レンズ２０の前レンズ３０および後群レンズ４０の像面側のレンズ４の両面に非球面を施してある。これらのレンズはプラスチックレンズである。これ以外のレンズ構成は図１における場合と同様であるので、対応する部分には同一の符号を付し、それらの説明は省略するものとする。
【００４０】
実施例４のレンズ系のデータを表７、８に示し、その収差図を図６に示す。また、実施例５のレンズ系のデータを表９、１０に示し、その収差図を図７に示す。
【００４１】
【表７】

【００４２】
【表８】

【００４３】
【表９】

【００４４】
【表１０】

【００４５】
上記実施例１〜５は、条件式（１）〜（４）を満足している。すなわち、
（実施例１）は、Ｆ１＝−４．６９ｍｍ、Ｆ２＝４．６０ｍｍ、ｆＭ＝７．８８８ｍｍ、ｆＲ＝３．１４３ｍｍ、ｆＲ１＝８．６６ｍｍ、ｆＲ２＝４．６２ｍｍで、条件式（１）ｆＲ１／ｆＲ２＝１．８８、（２）ｆＭ／ｆＲ＝２．５１、（３）｜Ｆ１／Ｆ２｜＝１．０２、（４）νｄＭ＝２９．９となり、条件式を満足している。
（実施例２）は、Ｆ１＝−２．３４ｍｍ、Ｆ２＝４．１８ｍｍ、ｆＭ＝３．７１６ｍｍ、ｆＲ＝３．３４ｍｍ、ｆＲ１
＝１２．８２ｍｍ、ｆＲ２＝４．６５ｍｍで、条件式（１）ｆＲ１／ｆＲ２＝２．７６、（２）ｆＭ／ｆＲ＝１．１１４、（３）｜Ｆ１／Ｆ２｜＝０．５６、（４）νｄＭ＝２９．９となり、条件式を満足している。
（実施例３）は、Ｆ１＝−３．７２ｍｍ、Ｆ２＝６．１８ｍｍ、ｆＭ＝６．６７ｍｍ、ｆＲ＝４．３７ｍｍ、ｆＲ１＝１１．９ｍｍ、ｆＲ２＝６．９４ｍｍで、条件式（１）ｆＲ１／ｆＲ２＝１．７２、（２）ｆＭ／ｆＲ＝１．５３、（３）｜Ｆ１／Ｆ２｜＝０．６、（４）νｄＭ＝２９．９となり、条件式を満足している。
（実施例４）は、Ｆ１＝−４．５ｍｍ、Ｆ２＝３．８１ｍｍ、ｆＭ＝４．６７６ｍｍ、ｆＲ＝２．５５ｍｍ、ｆＲ１＝１２．３３ｍｍ、ｆＲ２＝３．８４８ｍｍで、条件式（１）ｆＲ１／ｆＲ２＝３．２、（２）ｆＭ／ｆＲ＝１．８３、（３）｜Ｆ１／Ｆ２｜＝１．１８、（４）νｄＭ＝２９．９となり、条件式を満足している。
（実施例５）は、Ｆ１＝−４．３５ｍｍ、Ｆ２＝３．９３ｍｍ、ｆＭ＝５．４２ｍｍ、ｆＲ＝２．５４５ｍｍ、ｆＲ１＝６．９９ｍｍ、ｆＲ２＝３．７５ｍｍで、条件式（１）ｆＲ１／ｆＲ２＝１．８６５、（２）ｆＭ／ｆＲ＝２．１３、（３）｜Ｆ１／Ｆ２｜＝１．１、（４）νｄＭ＝２９．９となり、条件式を満足している。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による広角レンズでは、物体側より順に配置した負のパワーを持った１群レンズおよび正のパワーを持った２群レンズを有し、前記１群レンズは、負のパワーを持った１枚のレンズ、または負のパワーを持った複数枚のレンズによって構成されており、２群レンズは、絞りを挟み、物体側に配置されている１枚の前レンズと像面側に配置されている後群レンズとを備えており、この後群レンズは、絞り側に配置した色消しのためのガラスレンズ群を備えている。また、全レンズ系を構成しているレンズ群のうち少なくともプラスチックレンズからなる３枚のレンズのレンズ面のうち、少なくとも４面は非球面とし、前レンズにはアッベ数の小さいレンズを用い、ガラスレンズ群による色消し補正を行うようにしている。これにより、本来補正の難しい近赤外領域を含めた倍率の色収差を補正し、良好な各種の収差補正を実現できる、高画質対応の射出瞳の長い超広角レンズを実現するようにしている。
【００４７】
本発明による広角レンズは、小型軽量で、安価に製造でき、しかも、倍率の色収差が良好に補正され、射出瞳も十分に長いことが確認された。よって、本発明によれば、小型軽量で、高画質に対応できる射出瞳の長い超広角レンズを安価に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を適用した広角レンズの典型的な構成を示す構成図である。
【図２】 本発明を適用した広角レンズの実施例４、５の構成図である。
【図３】 本発明の実施例１に係るレンズ光学系の諸収差を表わすグラフである。
【図４】 本発明の実施例２に係るレンズ光学系の諸収差を表わすグラフである。
【図５】 本発明の実施例３に係るレンズ光学系の諸収差を表わすグラフである。
【図６】 本発明の実施例４に係るレンズ光学系の諸収差を表わすグラフである。
【図７】 本発明の実施例５に係るレンズ光学系の諸収差を表わすグラフである。
【符号の説明】
１００ 広角レンズのレンズ光学系
１０ １群レンズ
１、１１、１２ １群レンズを構成しているレンズ
２０ ２群レンズ
３０ 前レンズ
４０ 後群レンズ
５０ 後群レンズの前側のガラスレンズ群
３１ 凹のガラスレンズ
３２ 凸のガラスレンズ
６０、４ 後群レンズの後ろ側のレンズ
６ ローパスフィルタ
７ カバーガラス
８ 結像面（受光素子の受光面）

Claims (1)

1. 物体側より順に配置した負のパワーを持った１群レンズおよび正のパワーを持った２群レンズを有し、
   前記１群レンズは、負のパワーを持った１枚のレンズ、または負のパワーを持った複数枚のレンズによって構成されており、
   前記２群レンズは、絞りを挟み、物体側に配置されている１枚の前レンズと像面側に配置されている後群レンズとからなり、
   前記後群レンズは、絞り側に配置した色消しのための少なくとも２枚のガラスレンズからなるガラスレンズ群を備えており、
   全レンズ系を構成しているレンズ群のうち、少なくとも３枚のプラスチックレンズのレンズ面のうち、少なくとも４面は非球面であり、
   前記１群レンズの焦点距離をＦ１、前記２群レンズの焦点距離をＦ２、前記２群レンズのうち絞りを介して前側の前記前レンズの焦点距離をｆＭ、前記後群レンズの焦点距離をｆＲ、前記後群レンズにおける前記ガラスレンズ群の焦点距離をｆＲ１、前記後群レンズにおける像面側のレンズ群の焦点距離をｆＲ２、前記前レンズのアッベ数をνｄＭとしたとき、次の条件式（１）、（２）、（３）および（４）を満足することを特徴とする広角レンズ。
   １．６＜ｆＲ１／ｆＲ２＜３．７ （１）
   １．０＜ｆＭ／ｆＲ＜２．６ （２）
   ０．５＜｜Ｆ１／Ｆ２｜＜１．２ （３）
   νｄＭ≦４５ （４）

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