JP4747645B2

JP4747645B2 - 広角レンズ、及び、撮像装置

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Publication number: JP4747645B2
Application number: JP2005113196A
Authority: JP
Inventors: 全利廣瀬; 雅史磯野
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2025-04-11
Also published as: KR20060107913A; US20060227434A1; JP2006292988A; CN100495105C; US7375906B2; CN1866068A; EP1712943A1; KR100845060B1

Description

本発明は小型の広角レンズ系に関し、特に、ＴＶ電話、ドアホーン、監視カメラ、車載カメラ等のデジタル入力機器（デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等）に適した全画角が１５０度程度の固体撮像素子用の広角レンズに関する。

監視カメラ，車載カメラ等に利用される固体撮像素子用の撮像光学系の一つである広角レンズは、従来から数多く提案されてきている。その中でも、全画角が１５０度程度の撮像領域を確保した広角レンズは、例えば、レンズ構成が８枚のものがある（特許文献１参照。）。
特開２００４−１０２１６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている広角レンズは、レンズ構成が８枚構成と非常に多く、またその構成も複雑でレンズ全長も非常に長いものとなっている。また、全てのレンズがガラスレンズにて構成されていることから、コストや質量の面からも期待に十分に応えるものとなっていない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、レンズ４枚構成で固体撮像素子用撮像光学系として良好な光学性能と広い全画角を有する、低コストかつ軽量・コンパクトな広角レンズを提供することを目的とする。

上記の課題は、以下の構成により解決される。

（請求項１）
物体側から順に物体側に凸面を向けた負のメニスカス形状の第１レンズと、両凹形状の第２レンズと、両凸形状の第３レンズと、像側に凸面を向けた正のメニスカス形状の第４レンズとで構成され、前記第２レンズは、以下の条件式を満足することを特徴とする広角レンズ。
０．２＜（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３−ｒ４）＜０．９
但し、
ｒ３：第２レンズの物体側の近軸曲率半径
ｒ４：第２レンズの像面側の近軸曲率半径

（請求項２）
前記広角レンズにおける全画角が、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の広角レンズ。
２Ｗ＞１４０度
但し、
２Ｗ：全画角

（請求項３）
前記第１レンズは、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の広角レンズ。
０．０１＜ｆ／ｒ１＜０．１２
但し、
ｆ：全系の焦点距離
ｒ１：第１レンズの物体側の曲率半径

（請求項４）
前記第２レンズは、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の広角レンズ。
−０．８＜ｆ／ｆ２＜−０．２
但し、
ｆ：全系の焦点距離
ｆ２：第２レンズの焦点距離

（請求項５）
前記第３レンズと前記第４レンズとの間に開口絞りを有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の広角レンズ。

（請求項６）
前記第１レンズはガラスレンズで構成され、前記第２レンズから前記第４レンズはそれぞれ少なくとも１つの面が非球面で構成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の広角レンズ。

（請求項７）
請求項１乃至６の何れか１項に記載の広角レンズを有し、該広角レンズを用いて固体撮像素子に像を形成することを特徴とする撮像装置。

本発明によれば、レンズ４枚構成で固体撮像素子用撮像光学系として良好な光学性能と広い全画角を有する、低コスト且つ軽量コンパクトな広角レンズを提供することが可能である。

従って、本発明に係わる広角レンズを、特にＴＶ電話用、ドアホーン用、監視カメラ用、車載カメラ用等のデジタル入力機器（デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等）の撮像光学系に適用した場合、当該デジタル入力機器の広角化、高機能化、低コスト化及び軽量かつコンパクト化に寄与することができる。

以下、本発明に係わる広角レンズの実施の形態を、図を参照しつつ説明する。

図１及び２は、本発明の実施の形態の例としての数値実施例１及び数値実施例２の広角レンズのレンズ配置をそれぞれ表す光学断面図である。

数値実施例１及び２の広角レンズはいずれも、固体撮像素子（例えばＣＣＤ：ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）に対して光学像を形成する撮像用（例えばデジタルカメラ用）の単焦点広角レンズであり、その像面側には光学的ローパスフィルター等に相当する平行平板状のガラスフィルター（ＧＦ）が配置される。

また、いずれの広角レンズも、レンズ４枚のパワー（焦点距離の逆数で定義される量）の配置が、物体側から順に、負の第１レンズ（Ｌ１）と、負の第２レンズ（Ｌ２）と、正の第３レンズ（Ｌ３）と、開口絞り（ＳＴ）と、正の第４レンズ（Ｌ４）と、ガラスフィルター（ＧＦ）とから成る。

また、第１レンズ（Ｌ１）はガラスレンズで両面が球面で構成され、第２レンズ（Ｌ２）と第３レンズ（Ｌ３）と第４レンズ（Ｌ４）はそれぞれ少なくとも１面が非球面のプラスチックレンズで構成する。

数値実施例１及び２の広角レンズは、いずれも物体側から順に、物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズ（Ｌ１）と、両凹レンズ（Ｌ２）と、両凸レンズ（Ｌ３）と、像面側に凸面を向けた正のメニスカスレンズ（Ｌ４）と，ガラスフィルター（ＧＦ）とで構成する。

上記に述べた構成にすることにより、実施の形態の広角レンズは、広い画角を確保しながら歪曲収差が適切に補正され、固体撮像素子に対して良好な光学像を形成できる。具体的には、以下に説明する。

上記のように、像側に凹面を向けた負レンズ２枚である第１レンズ（Ｌ１）及び第２レンズ（Ｌ２）により、きつい角度で入射してきた軸外光線を効果的に後ろに位置する正レンズである第４レンズ（Ｌ４）に導くことができ、各収差の補正も先の負レンズ２枚に分担して行うことができるため、効果的な補正を行うことができる。そして、負レンズ２枚で発生した残存収差を正レンズである第３レンズ（Ｌ３）で補正することにより、更に高性能化を達成することができる。

また、最も像側の正レンズである第４レンズ（Ｌ４）により、射出瞳位置をより遠くに離すことができ、固体撮像素子の撮像面周辺部に結像する光束の主光線入射角度（主光線と光軸のなす角度）を小さく抑えることができる、いわゆるテレセントリック特性を確保しつつ各収差補正による高性能化を達成することができる。このテレセントリック特性を確保する結果として、撮像面周辺において実質的な開口効率が減少する現象（シェーディング）を抑制することができる。

また、開口絞り（ＳＴ）を第３レンズ（Ｌ３）と第４レンズ（Ｌ４）の間に配置することにより開口絞り（ＳＴ）の小型化と射出瞳位置を遠くにすることが可能となる。

開口絞り（ＳＴ）が配置される位置が上記よりも物体側にある場合は射出瞳位置がより遠くなり固体撮像素子用レンズとしては有利となるが開口絞り（ＳＴ）が大型化してしまう。更に、開口絞り（ＳＴ）の大型化により歪曲収差の劣化が著しくなる。また、開口絞り（ＳＴ）が上記よりも像側にある場合は射出瞳位置が固体撮像素子用レンズとしては不利となり好ましくない。

従って、物体側から順に、負レンズ（Ｌ１）と、負レンズ（Ｌ２）と、正レンズ（Ｌ３）と、開口絞り（ＳＴ）と、正レンズ（Ｌ４）とで構成される広角レンズは、レンズ４枚ながら、固体撮像素子用の撮像レンズ系として良好な光学性能を有し、低コスト化かつ軽量・コンパクトな画角１５０度程度の広角レンズの実現を可能にする。

次に、実施の形態の広角レンズが満足すべき条件式、つまり実施の形態の様な広角レンズにおいて満たすことが望ましい条件式を説明する。但し、以下に説明する全ての条件式を同時に満たす必要はなく、個々の条件式を光学構成に応じてそれぞれ単独に満足すれば、対応する作用・効果を達成することが可能である。もちろん、複数の条件式を満足する方が光学性能、小型化あるいは組み立て等の観点からより望ましいことは言うまでもない。

第２レンズは、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
０．２＜（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３−ｒ４）＜０．９（１）
但し、
ｒ３：第２レンズの物体側の近軸曲率半径
ｒ４：第２レンズの像面側の近軸曲率半径
である。

上記条件式（１）は、第２レンズの形状を限定するもので主に射出瞳位置と歪曲収差をバランスさせるための条件式である。条件式（１）の下限値を超えると、射出瞳位置を像側から遠くにすることができ固体撮像素子用レンズとしては好ましいが、負の歪曲収差が増大し樽型の歪曲収差が著しく発生する。

条件式（１）の上限値を超えると、上記と逆に、歪曲収差の発生が押さえられが、射出瞳位置が像側に近くなることから固体撮像素子用レンズとしては好ましくない。

これらのことから、以下の条件式（１Ａ）を満足することが更に好ましい。
０．３＜（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３−ｒ４）＜０．８（１Ａ）。

広角レンズにおける全画角が、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
２Ｗ＞１４０度（２）
但し、
２Ｗ：全画角
である。

上記の条件式（２）は、全画角に関する条件である。条件式（２）が示す範囲を超えると、広い範囲を撮像することができないため広角レンズとしては適さない。
また、以下の条件式（２Ａ）を満足することが更に望ましい。
２Ｗ＞１５０度（２Ａ）。

第１レンズは、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。
０．０１＜ｆ／ｒ１＜０．１２（３）
但し、
ｆ：全系の焦点距離
ｒ１：第１レンズの物体側の曲率半径
である。

上記条件式（３）は、第１レンズ物体側の形状を限定するもので主に射出瞳位置と歪曲収差をバランスさせるための条件である。
条件式（３）の下限値を超えると、射出瞳位置を像側から遠くにすることができ固体撮像素子用レンズとしては好ましいが、負の歪曲収差が増大し樽型の歪曲収差が著しく発生する。

条件式（３）の上限値を超えると、上記と逆に、歪曲収差の発生が押さえられが、射出瞳位置が像側に近くなることから固体撮像素子用レンズとしては好ましくない。

これらのことから、以下の条件式（３Ａ）を満足することが更に望ましい。
０．０２＜ｆ／ｒ１＜０．１（３Ａ）。

第２レンズは、以下の条件式（４）を満足することが望ましい。
−０．８＜ｆ／ｆ２＜−０．２（４）
但し、
ｆ：全系の焦点距離
ｆ２：第２レンズの焦点距離
である。

上記条件式（４）は、第２レンズのパワーを限定するもので主に射出瞳位置と歪曲収差をバランスさせるための条件である。
条件式（４）の下限値を超えると、射出瞳位置を像側から遠くにすることができ固体撮像素子用レンズとしては好ましいが、負の歪曲収差が増大し樽型の歪曲収差が著しく発生する。

条件式（４）の上限値を超えると、上記と逆に、歪曲収差の発生が押さえられが、射出瞳位置が像側に近くなることから固体撮像素子用レンズとしては好ましくない。

これらのことから、以下の条件式（４Ａ）を満足することが更に好ましい。

−０．７＜ｆ／ｆ２＜−０．３（４Ａ）。

また、最も物体側をガラスレンズで構成することにより温度変化等の環境変化に対して光学性能の劣化を少なくすることができる。更に、ガラス球面レンズで構成することによりガラス非球面レンズで構成するよりも安価な光学系を提供できる。

更に、第２、第３、第４レンズを少なくとも１つの面が非球面のプラスチックレンズで構成することにより、ガラス球面で構成するよりも大幅にレンズ枚数を少なくすることができる。また、レンズ全長を短く、軽量化できるとともに安価な光学系を提供することができる。

実施の形態の広角レンズは、入射光線を屈折により偏向させる屈折型レンズ（異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレンズを言う。）のみで構成されているが、これに限らない。

例えば、回折により入射光線を偏向させる回折型レンズ，回折作用と屈折作用との組み合わせで入射光線を偏向させる屈折・回折ハイブリッド型レンズ，入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布型レンズ等を用いてもよい。ただし、これらのレンズは、その複雑な製法等がコストアップを招くことが予測されるため、本発明に係る広角レンズでは均質媒質の素材からなるレンズを用いることが望ましい。

また実施の形態において、光学的なパワーを有しない面（例えば、反射面，屈折面，回折面）を光路中に配置することにより、広角レンズの前，後又は途中で光路を折り曲げてもよい。折り曲げ位置は必要に応じて設定すればよく、光路の適正な折り曲げにより、広角レンズが搭載されるデジタル入力機器（デジタルカメラ等）の見かけ上の薄型化やコンパクト化を達成することが可能である。

尚、広角レンズの最終面と固体撮像素子との間に配置されるガラスフィルター（ＧＦ）は、光学的ローパスフィルター（ＬＰ）、ＩＲカットフィルター（ＩＲＣ）、固体撮像素子（ＳＲ）のシールドガラス等を想定した平行平板で構成されているが、使用されるデジタル入力機器に応じたものであればよい。

例えば、所定の結晶軸方向が調整された水晶等を材料とする複屈折型ローパスフィルターや、必要とされる光学的な遮断周波数の特性を回折効果により達成する位相型ローパスフィルター等が適用可能である。

実施の形態の広角レンズは、良好な光学性能を有し低コストかつ軽量・コンパクトで画角が広いことから、デジタル入力機器の主たる構成要素である小型の撮像装置に使用することに適している。

撮像装置は、例えば図５に示す様な、物体側から順に、本発明に係わるところの物体の光学像を形成する撮像レンズ（ＴＬ）、光学的ローパスフィルター（ＬＰ）及びＩＲカットフィルター（ＩＲＣ）と、撮像レンズ（ＴＬ）により形成された光学像を電気的な信号に変換する固体撮像素子（ＳＲ）と、で構成されるものである。

固体撮像素子としては、例えば複数の画素から成るＣＣＤやＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型イメージセンサー等が用いられる。

広角レンズで形成されるべき光学像は、固体撮像素子の画素ピッチにより決定される所定の遮断周波数特性を有する光学的ローパスフィルター（ＬＰ）を通過することにより、電気的な信号に変換される際に発生するいわゆる折り返しノイズが最小化されるように、空間周波数特性が調整される。

従って、上述した様な撮像装置を、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラ〔例えば、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、車載カメラ或いは以下に挙げる機器類に内蔵又は外付けされるカメラ（デジタルビデオユニット，パーソナルコンピュータ，モバイルコンピュータ，携帯電話，ＴＶ電話，ドアホーン，携帯情報端末＜ＰＤＡ：ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔ＞，これらの周辺機器（マウス，スキャナー，プリンター，その他のデジタル入出力装置））等〕に適用すれば、上記のカメラや機器類の高性能化，高機能化，低コスト化及びコンパクト化に寄与することができる。

以下、本実施の形態である数値実施例に関して、コンストラクションデータ、収差図等を挙げて、更に具体的に示す。

以下に挙げる数値実施例１及び２のレンズ配置は図１及び図２にそれぞれ対応している。

各数値実施例において、ｒｉ（ｉ＝１，２，３，・・・・）は物体側から数えてｉ番目の面の曲率半径、ｄｉ（ｉ＝１，２，３，・・・・）は物体側から数えてｉ番目の軸上面間隔、Ｎｉ（ｉ＝１，２，３，・・・・）及びνｉ（ｉ＝１，２，３，・・・・）はそれぞれ物体側から数えてｉ番目のレンズのｄ線に対する屈折率及びアッベ数を示す。また、ｆは全系の焦点距離、ωはレンズの半画角、ＦＮＯはＦナンバーを表す。

尚、数値実施例中のデータに付された文字Ｄは、該当する数値の指数部分を表し、例えば、１．０Ｄ−０２であれば１．０×１０^-2を示す。

更に、各数値実施例において、曲率半径ｒｉに＊印を付した面は非球面形状の屈折光学面或いは非球面と等価な屈折作用を有する面であることを示し、その非球面の面形状は以下の式（ＡＳ）で表す。

Ｘ（Ｈ）＝Ｃ・Ｈ²／｛１＋（１−ε・Ｃ²・Ｈ²）^1/2｝＋ΣＡｉ・Ｈｉ・・・（ＡＳ）
但し、
Ｈ：光軸に対して垂直な方向の高さ、
Ｘ（Ｈ）：高さＨの位置での光軸方向の変位量（面頂点基準）、
Ｃ：近軸曲率、
ε：２次曲面パラメータ、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数、
Ｈｉ：Ｈのｉ乗を示す記号
である。

図３及び図４は、数値実施例１及び２に対応する収差図である。各収差図は、左から順に、球面収差図、非点収差図、歪曲収差図を表している。

各球面収差図において、実線（ｄ）はｄ線、一点鎖線（ｇ）はｇ線、二点鎖線（ｃ）はｃ線それぞれに対する球面収差量（ｍｍ）、ＳＣは正弦条件不満足量（ｍｍ）を表している。

各非点収差図において、実線（ＤＳ）はサジタル面、点線（ＤＭ）はメリディオナル面でのｄ線に対する各非点収差量（ｍｍ）を表している。

各歪曲収差図において、実線はｄ線に対する歪曲（％）を表している。

また、球面収差図の縦軸は光線のＦナンバー（ＦＮＯ）を、非点収差図及び歪曲収差図の縦軸は、最大像高Ｙ’（ｍｍ）を表している。

また、各数値実施例における条件式（１）、（２）、（３）、（４）に対応する値を併せて以下の表に示す。

本発明の実施の形態の一例である数値実施例１のレンズ配置を示す図である。本発明の実施の形態の一例である数値実施例２のレンズ配置を示す図である。数値実施例１の諸収差を示す図である。数値実施例２の諸収差を示す図である。本発明の撮像装置の一例の概略構成を示す図である。

符号の説明

Ｌ１第１レンズ（負レンズ）
Ｌ２第２レンズ（負レンズ）
ＳＴ開放絞り
Ｌ３第３レンズ（正レンズ）
Ｌ４第４レンズ（正レンズ）
ＧＦガラスフィルター
ＡＸ光軸
ＬＰローパスフィルター
ＩＲＣＩＲカットフィルター
ＳＲ撮像素子
ＴＬ撮像レンズ

Claims

物体側から順に物体側に凸面を向けた負のメニスカス形状の第１レンズと、両凹形状の第２レンズと、両凸形状の第３レンズと、像側に凸面を向けた正のメニスカス形状の第４レンズとで構成され、前記第２レンズは、以下の条件式を満足することを特徴とする広角レンズ。
０．２＜（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３−ｒ４）＜０．９
但し、
ｒ３：第２レンズの物体側の近軸曲率半径
ｒ４：第２レンズの像面側の近軸曲率半径
前記広角レンズにおける全画角が、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の広角レンズ。
２Ｗ＞１４０度
但し、
２Ｗ：全画角
前記第１レンズは、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の広角レンズ。
０．０１＜ｆ／ｒ１＜０．１２
但し、
ｆ：全系の焦点距離
ｒ１：第１レンズの物体側の曲率半径
前記第２レンズは、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の広角レンズ。
−０．８＜ｆ／ｆ２＜−０．２
但し、
ｆ：全系の焦点距離
ｆ２：第２レンズの焦点距離
前記第３レンズと前記第４レンズとの間に開口絞りを有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の広角レンズ。
前記第１レンズはガラスレンズで構成され、前記第２レンズから前記第４レンズはそれぞれ少なくとも１つの面が非球面で構成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の広角レンズ。
請求項１乃至６の何れか１項に記載の広角レンズを有し、該広角レンズを用いて固体撮像素子に像を形成することを特徴とする撮像装置。