JP4748220B2 - 超広角レンズ - Google Patents

Description

本発明は小型の広角レンズ系に関するものであり、特に監視カメラ用、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）に好適で、光学性能が良好で低コストで且つコンパクトな固体撮像素子用超広角レンズに関するものである。

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超広角レンズは、従来から数多く提案されてきている。

特許公報には、全画角１５０度程度の撮像領域を確保した超広角レンズが開示されている（特許文献１，２参照）。

また、非回転対称面を用いてアスペクト比を変えている超広角レンズも開示されている（特許文献３参照）。
特開２００３−３０７６７４号公報 特開２００５−２２７４２６号公報 特開２００６−０１１０９３号公報

近年、車載用や監視用の光学系において、広画角撮影に対するニーズが多様化している。例えば車載リアカメラ用の光学系では、垂直方向は地面から水平線までの略９０°の全画角があれば、使用上十分であるのに対して、水平方向は運転者の死角をカバーする目的から、全画角１４０°程度の超広画角を撮影することが望まれている。

なお、特許文献１においてはレンズ枚数が５枚構成と多く、特許文献２においては４枚構成ではあるが、車載カメラ用等幅広い温度環境下で使用されることを考慮されているとは言えない。

また、車載カメラに代表される様なニーズに、光軸に対して回転対称な撮像光学系を使用すると、撮像範囲、特に垂直方向に不要な領域が多く映し出されることになり、必要とする情報が少なくなってしまうことになる。

なお、特許文献３においては、非回転対称面を用いてアスペクト比を変えているが、これも６枚構成で寸法が大きくなる。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、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）に好適で、光学性能が良好で低コストで且つコンパクトな、固体撮像素子用超広角レンズを提案することを目的とする。

前記目的は、下記に記載した発明により達成される。

本発明の超広角レンズは、物体側から順に、負の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカスレンズである第１レンズと、負の屈折力を有する第２レンズと、正の屈折力を有する第３レンズと、正の屈折力を有する第４レンズとにより構成され、前記第２レンズ及び前記第４レンズはそれぞれ少なくとも１面以上の非回転対称面を有し、以下の条件式、
０．５≦｜ｆ２ｘ／ｆ４ｘ｜＜２
０．５≦｜ｆ２ｙ／ｆ４ｙ｜＜２
但し、
ｆ２ｘ：前記第２レンズのＸＺ断面の近軸焦点距離
ｆ２ｙ：前記第２レンズのＹＺ断面の近軸焦点距離
ｆ４ｘ：前記第４レンズのＸＺ断面の近軸焦点距離
ｆ４ｙ：前記第４レンズのＹＺ断面の近軸焦点距離
を満足することを特徴とする。

本発明の超広角レンズによれば、レンズ４枚構成で固体撮像素子用撮像レンズ系として良好な光学性能と広い全画角を有し、且つ、所望する方向のみ更に広角に出来るため、必要な情報を無駄なく撮像素子に結像させることが可能となる。更に、低コスト且つコンパクトな超広角レンズを提供することが可能となる。

実施例１の広角レンズ系のレンズ構成図である。 実施例１の広角レンズ系のＹＺ断面ＸＺ断面での収差図である。 実施例１のスポット図である。 実施例２の広角レンズ系のレンズ構成図である。 実施例２の広角レンズ系のＹＺ断面ＸＺ断面での収差図である。 実施例２のスポット図である。 実施例３の広角レンズ系のレンズ構成図である。 実施例３の広角レンズ系のＹＺ断面ＸＺ断面での収差図である。 実施例３のスポット図である。

符号の説明

Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ
Ｌ４ 第４レンズ
Ｓ 開口絞り
ＧＦ ガラスフィルタ
ＣＧ カバーガラス

以下、図面を参照して、本発明に好適な実施の形態について説明する。

なお、本明細書における「パワー」とは、焦点距離の逆数で定義される量を表す。

また、非回転対称面の焦点距離については、アナモルフィック面は各断面の近軸曲率から算出し、自由曲面は２次の項をローカル曲率に変換することにより算出している。歪曲値は、Ｙ’＝ｆ・ｔａｎω（Ｙ’：像高、ｆ：全系の焦点距離、ω：半画角）で求めた理想像高に対する値である。

また、本発明では、長辺をＸ軸方向と考え、後述する条件式（１），（２），（３）を算出しているが、光軸を回転軸とした９０°の回転と考えると長辺がＹ軸の場合と全く等価であり、この場合には上記条件式数値が逆数となる。

図１，４，７は、本発明に係る実施例１〜３における超広角レンズのレンズ配置を表す断面図である。

実施例１〜３における超広角レンズは物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズＬ１と、負の屈折力を有する第２レンズＬ２と、正の屈折力を有する第３レンズＬ３と、開口絞りＳと、正の屈折力を有する第４レンズＬ４と、ガラスフィルタＧＦと、カバーガラスＣＧとから成る。

更に詳しくは、実施例１〜３における超広角レンズは、物体側から順に、負の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカスレンズである第１レンズＬ１と、両凹レンズである第２レンズＬ２と、正の屈折力を有する第３レンズＬ３と、像面側に強い凸面を向けた正の屈折力を有する第４レンズＬ４、ガラスフィルタＧＦと、カバーガラスＣＧとから成る。また、第１レンズＬ１と第３レンズＬ３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４レンズＬ４はそれぞれ少なくとも１面が非対称面を持った非球面のプラスチックレンズで構成されている。

前記構成にすることにより広い画角を確保しながら歪曲収差を適切に補正できる。

また、第１レンズＬ１と第３レンズＬ３はガラスレンズで構成されているので、温度変化等の環境変化に対して性能劣化が少なくできる。

更に、第１レンズＬ１と第３レンズＬ３とを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レンズＬ２に少なくとも１面が非回転対称面を持つプラスチックレンズ非球面を配置することにより水平方向と垂直方向のアスペクト比を変え、第４レンズＬ４に少なくとも１面が非回転対称面を持つプラスチック非球面を配置することにより、第２面で生じる水平方向と垂直方向のピント位置のズレ等の性能の差を補正することが出来る。

非回転対称面は、面形状が面頂点を原点とするローカルな直行座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた下記式で定義されるアナモルフィック面である。

ｚ＝（ＣＸ・ｘ²＋ＣＹ・ｙ²）／［１＋√｛１−（１＋ＫＸ）・ＣＸ²・ｘ²−（１＋ＫＹ）・ＣＹ²・ｙ²｝］
＋ＡＲ・［（１−ＡＰ）・ｘ²＋（１＋ＡＰ）・ｙ²］²＋ＢＲ・［（１−ＢＰ）・ｘ²＋（１＋ＢＰ）・ｙ²］³
＋ＣＲ・［（１−ＣＰ）・ｘ²＋（１＋ＣＰ）・ｙ²］⁴＋ＤＲ・［（１−ＤＰ）・ｘ²＋（１＋ＤＰ）・ｙ²］⁵
但し、
ｚ：座標（ｘ，ｙ）の位置でのｚ軸方向の変位量（面頂点基準）
ＣＸ，ＣＹ：面頂点でのｘｚ，ｙｚ断面の各々の曲率（＝１／曲率半径）
ＫＸ，ＫＹ：ｘｚ断面とｙｚ断面の各々のコーニック定数
ＡＲ，ＢＲ，ＣＲ，ＤＲ：円錐から４次、６次、８次、１０次の変形した回転対称係数
ＡＰ，ＢＰ，ＣＰ，ＤＰ：円錐から４次、６次、８次、１０次の変形した非回転対称係数
また、アナモルフィック非球面については、略同等の面形状を自由曲面の式（ＸＹＰ）で表すことができる。つまり、自由曲面の式を用いたレンズ設計を行っても、自由曲面のある定数を変えればアナモルフィック面の式と同等になるので、自由曲面でレンズ面を設計したとしても、上下方向と左右方向が対象でないなら、本発明の範疇に入る。

非回転対称面は、面形状が面頂点を原点とするローカルな直行座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた下記式で定義される自由曲面である。

ｚ＝ｃ・ｈ²／［１＋√｛１−（１＋Ｋ）・ｃ²・ｈ²｝］＋ｍΣｎΣ［Ｃ（ｍ，ｎ）・ｘ^m・ｙⁿ］
但し、
ｚ：高さｈの位置でのｚ軸方向の変位量（面頂点基準）
ｈ：ｚ軸に対して垂直な方向の高さ（ｈ²＝ｘ²＋ｙ²）
ｃ：面頂点での曲率（＝１／曲率半径）
Ｋ：コーニック定数
Ｃ（ｍ，ｎ）：自由曲面係数（ｍ，ｎ＝０，１，２・・・）
次に、各実施形態の超広角レンズ系が満足すべき条件式を説明する。なお、各実施の形態の超広角レンズ系は、以下に示す各条件式を全て同時に満足する必要はなく、個々の条件式をそれぞれ単独に満足することによって対応する作用効果を達成することが可能である。勿論、複数の条件式を満足している方が光学性能、小型化或いは組立の観点からより望ましいことは言うまでもない。

０．５≦｜ｆ２ｘ／ｆ４ｘ｜＜２・・・（１）
０．５≦｜ｆ２ｙ／ｆ４ｙ｜＜２・・・（２）
但し、
ｆ２ｘ：第２レンズのＸＺ断面の近軸焦点距離
ｆ２ｙ：第２レンズのＹＺ断面の近軸焦点距離
ｆ４ｘ：第４レンズのＸＺ断面の近軸焦点距離
ｆ４ｙ：第４レンズのＹＺ断面の近軸焦点距離
条件式（１）、（２）は、温度変化に寄る性能劣化を抑えるための条件式である。条件式（１）、（２）から外れると、温度変化による結像位置の動き量が大きくなる。

ωＸ＞１５０・・・（３）
但し、
ωＸ：長辺方向の最大全画角（ｄｅｇ）
条件式（３）以下だと、回転対称光学系で構成できる光学系との差別化が小さくなる。即ち、条件式（３）を満たすようにすることで、必要な方向にのみ非常に広い画角を確保し、不要な方向の不要な被写体領域の映りこみを防止し、必要とする方向の情報を大きく表示させることができる。

−０．６＜ｆｘ／ｆ２ｘ＜−０．２・・・（４）
−０．６＜ｆｙ／ｆ２ｙ＜−０．２・・・（５）
但し、
ｆｘ：全系のＸＺ断面での焦点距離
ｆｙ：全系のＹＺ断面での焦点距離
ｆ２ｘ：第２レンズのＹＺ断面での焦点距離
ｆ２ｙ：第２レンズのＹＺ断面での焦点距離
条件式（４）、（５）は、第２レンズのパワーに関して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）、（５）の下限値を越えると、射出瞳位置には有利であるが、歪曲収差の劣化が著しくなる。また、上限を超えると射出瞳位置に不利となり、レンズバックを確保出来なくなる。

νｄ３＜５０・・・（６）
条件式（６）は第３レンズのアッベ数に関して、倍率色収差を抑えるための条件である。

条件式（６）を超えると倍率色収差による周辺の性能劣化が著しくなる。

以下、本発明に係る実施例に関し、コンストラクションデータ、収差図等を挙げて、更に具体例を示す。

以下に挙げる実施例１〜３は、前述した実施の形態にそれぞれ対応している。

また、非球面（ＡＳＰ）と記した面は、非球面の面形状を表す以下の式で定義するものとする。

ｚ＝Ｃ・ｈ²／｛１＋√（１−ε・Ｃ²・Ｈ²）｝＋ΣＡｉ・Ｈｉ
但し、
ｚ：高さｈの位置での光軸方向の変位量（面頂点基準）
ｈ：光軸に対して垂直な方向の高さ
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乗を表す記号
なお、面番号における記号は下記の通りである。

ＡＡＳ：アナモルフィック非球面
ＡＳＰ：非球面
ＧＦ：ガラスフィルタ
ＣＧ：カバーガラス
［実施例１］
実施例１の光学諸値は下記の通りである。

ＸＺ断面の焦点距離：１．３７４
ＹＺ断面の焦点距離：１．４７５
ＸＺ断面のＦＮｏ．：２．７５
ＹＺ断面のＦＮｏ．：２．８
レンズデータを表１に示す。

非球面データを表２に示す。なお、これ以降（表のレンズデータを含む）において、１０のべき乗数（例えば ２．５×１０^−０３）を、Ｅ（例えば ２．５Ｅ―３）を用いて表すものとする。

評価像点Ｆ１〜Ｆ９の位置の座標（ｘ，ｙ）を表３に示す。

また、レンズ構成図を図１に、ＹＺ断面、ＸＺ断面での収差図を図２に、スポット図を図３に示す。

［実施例２］
実施例２の光学諸値は下記の通りである。

ＸＺ断面の焦点距離：１．３８２
ＹＺ断面の焦点距離：１．４８３
ＸＺ断面のＦＮｏ．：２．７３
ＹＺ断面のＦＮｏ．：２．８
レンズデータを表４に示す。

非球面データを表５に示す。

評価像点Ｆ１〜Ｆ９の位置の（ｘ，ｙ）を表６に示す。

また、レンズ構成図を図４に、ＹＺ断面、ＸＺ断面での収差図を図５に、スポット図を図６に示す。

［実施例３］
実施例３の光学諸値は下記の通りである。

ＸＺ断面の焦点距離：１．３６０
ＹＺ断面の焦点距離：１．４０２
ＸＺ断面のＦＮｏ．：２．７５
ＹＺ断面のＦＮｏ．：２．８
レンズデータを表７に示す。

非球面データを表８に示す。

評価像点Ｆ１〜Ｆ９の位置の（ｘ，ｙ）を表９に示す。

また、レンズ構成図を図７に、ＹＺ断面、ＸＺ断面での収差図を図８に、スポット図を図９に示す。

更に、各数値実施例の条件式（１）〜（６）で規定されるパラメータに対応する値を表１０に示す。

なお、図２、図５及び図８において、非点収差図及び歪曲収差図の縦軸は、ＸＺ断面、ＹＺ断面のそれぞれの最大画角を表す。

Claims (6)

1. 物体側から順に、負の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカスレンズである第１レンズと、負の屈折力を有する第２レンズと、正の屈折力を有する第３レンズと、正の屈折力を有する第４レンズとにより構成され、前記第２レンズ及び前記第４レンズはそれぞれ少なくとも１面以上の非回転対称面を有し、以下の条件式を満足することを特徴とする超広角レンズ。
   ０．５≦｜ｆ２ｘ／ｆ４ｘ｜＜２
   ０．５≦｜ｆ２ｙ／ｆ４ｙ｜＜２
   但し、
   ｆ２ｘ：前記第２レンズのＸＺ断面の近軸焦点距離
   ｆ２ｙ：前記第２レンズのＹＺ断面の近軸焦点距離
   ｆ４ｘ：前記第４レンズのＸＺ断面の近軸焦点距離
   ｆ４ｙ：前記第４レンズのＹＺ断面の近軸焦点距離
2. 前記非回転対称面は、面形状が面頂点を原点とするローカルな直行座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた下記の条件式で定義されるアナモルフィック面であることを特徴とする請求項１に記載の超広角レンズ。
   ｚ＝（ＣＸ・ｘ ² ＋ＣＹ・ｙ ² ）／［１＋√｛１−（１＋ＫＸ）・ＣＸ ² ・ｘ ² −（１＋ＫＹ）・ＣＹ ² ・ｙ ² ｝］
   ＋ＡＲ・［（１−ＡＰ）・ｘ ² ＋（１＋ＡＰ）・ｙ ² ］ ² ＋ＢＲ・［（１−ＢＰ）・ｘ ² ＋（１＋ＢＰ）・ｙ ² ］ ³
   ＋ＣＲ・［（１−ＣＰ）・ｘ ² ＋（１＋ＣＰ）・ｙ ² ］ ⁴ ＋ＤＲ・［（１−ＤＰ）・ｘ ² ＋（１＋ＤＰ）・ｙ ² ］ ⁵
   但し、
   ｚ：座標（ｘ，ｙ）の位置でのｚ軸方向の変位量（面頂点基準）
   ＣＸ，ＣＹ：面頂点でのｘｚ，ｙｚ断面の各々の曲率（＝１／曲率半径）
   ＫＸ，ＫＹ：ｘｚ断面とｙｚ断面の各々のコーニック定数
   ＡＲ，ＢＲ，ＣＲ，ＤＲ：円錐から４次、６次、８次、１０次の変形した回転対称係数
   ＡＰ，ＢＰ，ＣＰ，ＤＰ：円錐から４次、６次、８次、１０次の変形した非回転対称係数
3. 前記非回転対称面は、面形状が面頂点を原点とするローカルな直行座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた下記の条件式で定義される自由曲面であることを特徴とする請求項１に記載の超広角レンズ。
   ｚ＝ｃ・ｈ ² ／［１＋√｛１−（１＋Ｋ）・ｃ ² ・ｈ ² ｝］＋ｍΣｎΣ［Ｃ（ｍ，ｎ）・ｘ ^m ・ｙ ⁿ ］
   但し、
   ｚ：高さｈの位置でのｚ軸方向の変位量（面頂点基準）
   ｈ：ｚ軸に対して垂直な方向の高さ（ｈ ² ＝ｘ ² ＋ｙ ² ）
   ｃ：面頂点での曲率（＝１／曲率半径）
   Ｋ：コーニック定数
   Ｃ（ｍ，ｎ）：自由曲面係数（ｍ，ｎ＝０，１，２・・・）
4. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の超広角レンズ。
   νｄ３＜５０
   但し、
   νｄ３：前記第３レンズのアッベ数
5. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の超広角レンズ。
   ωＸ＞１５０
   但し、
   ωＸ：長辺方向の最大全画角（ｄｅｇ）
6. 前記第３レンズと前記第４レンズの間に開口絞りを有することを特徴とする請求項１に記載の超広角レンズ。