JP4268323B2 - 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、監視用カメラ、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や、携帯電話等に用いられる小型で高性能な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。ここで、これらの広角レンズを用いる小型カメラの受光素子にはほとんどＣＣＤやＣＭＯＳが用いられており、これらの受光素子の特徴として、各画素に取り込める光線角度に制約がある。この性能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、特開平０５−１３７０６２号公報に見られる様な電気的な補正回路（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・コンパクト化の要望に合致しないことがある。電気的な補正以外としては、特開平０５−１１００４７号公報として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になり、実用性に乏しい。
【０００４】
このため、近頃においては、レンズ系において対応することが多く、所謂、射出瞳の長い広角レンズが用いられることが一般化しており、多数枚の球面ガラスレンズを用いて、広角でありながら高性能で射出瞳の長いレンズを実現している。また、小型・軽量化を目的とした特開平０６−０６７０９１号公報のような２枚の非球面レンズからなる小型レンズも提案されている。この小型レンズは、一般に、物体側より順に配列された凹非球面レンズおよび凸非球面レンズから構成されている。さらには、当該凹非球面レンズおよび凸非球面レンズの間に色補正のための接合レンズを介在させた特開平０５−１７３０６７号公報の３枚のレンズから構成したものも提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、多数枚の球面ガラスレンズを用いて、広角でありながら高性能で射出瞳の長いレンズを実現するレンズ光学系は、レンズコストが極めて高くなり、またレンズが大型化してしまい、実用的でない。
【０００６】
また、小型・軽量化を目的とした２枚の非球面レンズからなる小型レンズでは、長い射出瞳を得ることができないばかりか、倍率の色収差を押さえることが難しく、このために、用途に限界がある。
【０００７】
さらに、色補正のための接合レンズを含む３枚のレンズから構成されたものにおいては、長い射出瞳を得ることができないという欠点がある。
【０００８】
このように、従来の広角レンズとしては、多数枚の球面レンズを用いて構成される高コストタイプのものと、２枚の非球面レンズからなる低コストタイプのもの、および色補正のための接合レンズを含む３枚のレンズからなるタイプのもの等が提案されている。しかし、いずれのタイプの広角レンズも、小型・軽量であり、低コストであり、倍率の色収差を抑えることができ、長い射出瞳を得ることができるという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・軽量で、低コストであり、倍率の色収差補正が可能であり、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、本発明の超広角レンズは、物体側より順に配置された第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズからなり、前記第１レンズは凹非球面レンズとされ、前記第２および第３レンズは凸非球面レンズとされている。また、物体側に近い第２レンズのアッベ数を、結像側に配置されている第３レンズのアッベ数よりも小さくしてある。これにより、本来補正が難しい倍率の色収差の補正を行ない得るようにすると同時に、射出瞳の長い超広角レンズを実現可能としている。
【００１１】
すなわち、本発明の超広角レンズでは、前記第１ないし第３レンズの各焦点距離をｆ１、ｆ２、ｆ３、アッベ数をνｄ１、νｄ２、νｄ３とし、前記第２および第３レンズの合成焦点距離をｆ２３とすると、以下の（１）ないし（３）の条件式を満足することを特徴としている。
【００１２】
【数５】
【００１３】
【数６】
【００１４】
【数７】
【００１５】
ここで条件式（１）は倍率の色収差および射出瞳を制限するものである。上限値３．０を超えると倍率の色収差のうち、短波長の倍率が一方向へ増加し、画面周辺部での青色の色ずれが発生すると共に、軸外のサジタル像が＋方向に増大し、画面の周辺部で非点収差が発生する。また、下限値０．５を下回ると、射出瞳の距離が短くなり、軸外光のＣＣＤ素子への入射角が増大し、この結果、周辺光量の減少を招くことになると共に、後側焦点距離が短くなり、本来の目的を達成できない。また、軸外の短波長像面が一方向に増大し、結像性能を阻害し、高性能な画像を得ることができない。
【００１６】
条件式（２）は色収差の補正に関するものである。この条件を満たさない範囲では、倍率の色収差のうち、短波長の軸外色収差が増大し、その結果、周辺部に青色の色ずれが発生し、本来の性能を満たすことができない。特に、軸上の色収差および軸外の色収差は短波長に関して相反方向にあるので、設計上十分な注意が必要である。
【００１７】
条件式（３）は後側焦点距離の制約と光学特性を制限するものである。上限値３．０を超えると、後側焦点距離が小さくなり、また、長い後側焦点距離を持った短焦点レンズを作ることができないと共に、像面の湾曲が増大するばかりでなく、当初の目的である画像取り込み角度の大幅な減少を招くことになる。次に、下限値０．５を下回ると、後側焦点距離は長くできるが、光学系全体の小型化を達成することができない。また、軸外の非点収差が増大し、結像性能を劣化させることになると共に、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安定的な性能を保つことができない。
【００１８】
さらに、本発明は、全レンズ系の水平画角が１００度以上の広角レンズであり、レンズ系全体の大きさに関する問題として次に示すような条件を満たしている。即ち、当該全レンズ系の焦点距離をｆ０、第１レンズの物体側第１面の曲率半径をＲ１とすると、条件式（４）を満たす。Ｒ１／ｆ０が正の範囲で２３より小さくなると、コマ収差の補正が困難になるばかりでなく、Ｒ２が小さくなりすぎて加工性の悪いレンズとなる。また、Ｒ１／ｆ０が負の範囲で−２３より大きくなるとディストーションが増大し、非点収差およびコマ収差の補正が困難になり、安定した性能を得ることができない。
【００１９】
【数８】
【００２０】
上記のように構成した本発明の広角レンズによれば、ＣＣＤ等への入射角度を小さく抑えることができると共に、プラスチックレンズやガラスモールドレンズ等の非球面レンズを使用して小型・軽量で廉価な広角レンズを提供できる。
【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。この図に示す広角レンズは後述の実施例３におけるものであり、当該広角レンズ１は、物体側から順に配列した第１レンズである凹非球面レンズ１と、第２レンズである凸非球面レンズ２と、第３レンズである凸非球面レンズ４とを有し、凸非球面レンズ２、４の間には絞り３が配置されている。また、非球面レンズ４と結像面７（受光素子の受光面）との間には、ローパスフィルタ５およびカバーガラス６が配列されている。これらローパスフィルタ５およびカバーガラス６は省略することも可能である。
【００２３】
ここで、各光学素子１ないし６において、それらの表面の曲率半径を物体側からＲ１ないしＲｎ、面間距離をｄ１ないしｄｎとし、屈折率をＮｄ１ないしＮｄｎとし、アッベ数をνｄ１ないしνｄｎとする。また、非球面形状は光軸方向の軸をＸ、光軸と垂直方向の高さをＨ、円錐係数をＫ、非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとするとき、次の式（５）により表わされる。
【００２４】
【数９】
【００２５】
【実施例１】
実施例１に係るレンズ系のデータを表１に示し、各焦点距離はＦ０＝１．６５mm、ｆ１＝−３．７mm、ｆ２＝４．７３mm、ｆ３＝２．９１mm、ｆ２３＝４．１５mmで、図２にはその収差図を示す。なお、前記条件式１、２、３および４について、ｆ２／ｆ３＝１．６３、νｄ３／νｄ２＝１．８４、｜ｆ１／ｆ２３｜＝０．９、Ｒ１／Ｆ０＝３０３、で条件式を満たしている。
【００２６】
【表１】
【００２７】
【実施例２】
実施例２に係るレンズ系のデータを表２に示し、各焦点距離はＦ０＝１．６４mm、ｆ１＝−３．５１mm、ｆ２＝５．１３mm、ｆ３＝３．０３mm、ｆ２３＝４．１３mmで、図３にはその収差図を示す。なお、前記条件式について、ｆ２／ｆ３＝１．７、νｄ３／νｄ２＝１．８４、｜ｆ１／ｆ２３｜＝１．１６、Ｒ１／Ｆ０＝７１、で条件式を満たしている。
【００２８】
【表２】
【００２９】
【実施例３】
実施例３に係るレンズ系のデータを表３に示し、各焦点距離はＦ０＝１．６４mm、ｆ１＝−３．４８mm、ｆ２＝５．２mm、ｆ３＝３．０６mm、ｆ２３＝４．１４mmで、図４にはその収差図を示す。前記条件式については、ｆ２／ｆ３＝１．７、νｄ３／νｄ２＝１．８４、｜ｆ１／ｆ２３｜＝０．８４、Ｒ１／Ｆ０＝１３０、で条件式を満たしている。
【００３０】
【表３】
【００３１】
【実施例４】
実施例４に係るレンズ系のデータを表４に示し、各焦点距離はＦ０＝２．０mm、ｆ１＝−５．６３mm、ｆ２＝６．６mm、ｆ３＝２．９６mm、ｆ２３＝４．３７mmで、図５にはその収差図を示す。前記条件式については、ｆ２／ｆ３＝２．２３、νｄ３／νｄ２＝１．８４、｜ｆ１／ｆ２３｜＝１．２９、Ｒ１／Ｆ０＝２３、で条件式を満たしている。
【００３２】
【表４】
【００３３】
【実施例５】
実施例５に係るレンズ系のデータを表５に示し、各焦点距離はＦ０＝１．７mm、ｆ１＝−３．７mm、ｆ２＝１．８７mm、ｆ３＝３．０７mm、ｆ２３＝４．１５mmで、図６にはその収差図を示す。前記条件式については、ｆ２／ｆ３＝０．６、νｄ３／νｄ２＝１．８４、｜ｆ１／ｆ２３｜＝０．８８、Ｒ１／Ｆ０＝５８．７、で条件式を満たしている。
【００３４】
【表５】
【００３５】
【実施例６】
実施例６に係るレンズ系のデータを表６に示し、各焦点距離はＦ０＝２．０mm、ｆ１＝−５．８７mm、ｆ２＝６．６mm、ｆ３＝２．９３mm、ｆ２３＝３．９９mmで、図７にはその収差図を示す。前記条件式については、ｆ２／ｆ３＝２．１、νｄ３／νｄ２＝１．７、｜ｆ１／ｆ２３｜＝１．５、Ｒ１／Ｆ０＝２６．６、で条件式を満たしている。
【００３６】
【表６】
【００３７】
上記の実施例１ないし６は、レンズ系の水平方向取込み画角が１００度以上である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に従って構成した広角レンズは、小型・軽量で、廉価に製造することができ、しかも、倍率の色収差が補正され、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・軽量で射出瞳の長い高性能な広角レンズを廉価に実現できる。
【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例を示す図である。
【図２】 本発明の実施例１に係るレンズ光学系の諸収差を示すグラフである。
【図３】 本発明の実施例２に係るレンズ光学系の諸収差を示すグラフである。
【図４】 本発明の実施例３に係るレンズ光学系の諸収差を示すグラフである。
【図５】 本発明の実施例４に係るレンズ光学系の諸収差を示すグラフである。
【図６】 本発明の実施例５に係るレンズ光学系の諸収差を示すグラフである。
【図７】 本発明の実施例６に係るレンズ光学系の諸収差を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 第１レンズ（凹非球面レンズ）
２ 第２レンズ（凸非球面レンズ）
３ 絞り
４ 第３レンズ（凸非球面レンズ）
５ ローパスフィルタ
６ カバーガラス
７ 結像面（受光素子の受光面）

Claims (1)

1. 物体側より順に配置された第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズからなり、
   前記第１レンズは凹非球面レンズであり、前記第２および第３レンズは凸非球面レンズであり、
   全レンズ系の水平画角が１００度以上であり、
   前記第１ないし第３レンズの各焦点距離をｆ１、ｆ２、ｆ３、アッベ数をνｄ１、νｄ２、νｄ３とし、前記第２および第３レンズの合成焦点距離をｆ２３とし、前記全レンズ系の焦点距離をｆ０、第１レンズの物体側第１面の曲率半径をＲ１とすると、
   以下の（１）ないし（４）の条件式を満足することを特徴とする広角レンズ。