JP4864403B2 - 広角レンズ系および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビデオカメラ等の撮像装置に搭載され、特に、近赤外域の撮影に好適なコンパクトな広角レンズ系およびこれを用いた撮像装置に関する。

近年、各種機器、例えば移動体に設置されたカメラからの撮影などにおいては、広い範囲に亘って良好な視界を確保する必要上、広角でありながら有効画面全体の結像収差特性が良いこと、また、例えば移動体におけるカメラの搭載スペースが限られるため、小型で軽量であることなどが要求される。

従来、このような広角の撮像レンズとしては、４枚のレンズ構成とされた、コンパクトな下記特許文献１に記載されたもの等が知られている。

特開２００２−２４４０３１号公報

ところで、今日では、近赤外域における種々の撮影が行われるようになってきている。例えば、夜間撮影や飛行体からの撮影などにおいては近赤外域における撮影が要求される。しかしながら、上記従来技術は、近赤外域における撮影を目的としたものではないことから、このような撮影に適した構成とはされていない。

また、上記従来技術においては、歪曲収差の発生が大きなものとなっており、有効画面の周辺において必ずしも良好な画像が得られておらず、その点においても改善が求められる。特に、近赤外域の屈折率は可視域の屈折率に比べて１ｘ１０^―３〜１ｘ１０^−２のオーダで小さく、近赤外域の撮影においては、諸収差が劣化する傾向にあることから、撮像レンズとして、可視域において用いられるものに比べて、諸収差をより良好に補正し得る構成であることが望まれる。

また、この従来技術においては、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔が大きく、前玉の大口径化やレンズ全長が長くなる傾向にあり、コンパクト化という観点においても改良の余地があった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、小型化、軽量化を達成し得る構成でありながら、近赤外域における撮像を良好なものとし得る構成とされ、かつ歪曲収差を始めとする諸収差を良好に補正し得る広角レンズ系およびこれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る広角レンズ系は、
物体側より順に、像側に凹面を向けた負メニスカス形状の第１レンズおよび第２レンズ、正の屈折力を有する第３レンズ、絞り、像側に凸面を向けた正の屈折力を有する第４レンズ、および少なくとも１枚のバンドパスフィルタを配列してなるとともに、前記第２レンズと前記第４レンズの両面は非球面とされてなり、
さらに、下記条件式（１）を満足することを特徴とするものである。
０．０７８ ≦ Ｄ_２−３ ／ Ｌ ≦ ０．１２ （１）
ここで、
Ｄ_２−３：前記第２レンズと前記第３レンズの間の空気間隔
Ｌ：前記第１レンズの物体側面の頂点位置から無限遠物点時の像点位置までの距離

また、前記第１レンズおよび前記第３レンズはガラスからなるとともに、前記第２レンズおよび前記第４レンズはプラスチックからなり、前記第２レンズの像側の面は、その有効径周辺領域が光軸付近に比べて負の屈折力が小さくなる非球面形状であり、前記第４レンズの像側の面は、その有効径周辺領域が光軸付近に比べて正の屈折力が小さくなる非球面形状とされていることが好ましい。

また、前記バンドパスフィルタが近赤外の波長域の光を選択して透過するダイクロイック膜を備えてなることが好ましい。

さらに、下記条件式（２）、（３）を満足することが好ましい。
Ｎ_１ ≧１．５３ （２）
Ｎ_３ ≧１．５８ （３）
ここで、
Ｎ_１：波長８５０ｎｍの光に対する前記第１レンズを形成する硝材の屈折率
Ｎ_３：波長８５０ｎｍの光に対する前記第３レンズを形成する硝材の屈折率

また、本発明に係る撮像装置は、上述したいずれかの広角レンズ系と、この広角レンズ系により被写体像が結像される撮像素子とを備えてなることを特徴とするものである。

本発明に係る広角レンズ系および撮像装置によれば、４枚のレンズから形成された小型で軽量な構成でありながら、非球面レンズを１つおきにかつ正負相異なる組合せとすることにより、すなわち負の第２レンズおよび正の第４レンズを両面非球面レンズとすることにより、少ない数の非球面レンズにより効率よく収差を補正することが可能となる。

また、所定の波長域の光のみを像面上に照射し、不用光をカットするためにバンドパスフィルタが光軸上に配置されるが、このバンドパスフィルタを、最も像面側の第４レンズと像面との間に位置せしめることによって、広角レンズにおいても、バンドパスフィルタへの光入射角のばらつきを全体的に小さくすることができ、これによりバンドパスフィルタへの光入射位置に伴う光透過率特性のばらつき（ダイクロイック膜特性の波長シフト）を抑制することができる。

特に、バンドパスフィルタをダイクロイック膜を付設することにより構成した場合には、その効果が顕著である。

さらに、第２レンズと第３レンズの間の空気間隔Ｄ_２−３と、第１レンズの物体側面の頂点位置から無限遠物点時の像点位置までの距離Ｌとの比が所定の範囲となるように設定しているので、像面特性を良好なものとし、第２レンズと第３レンズの間の枠当たり間隔を確保することができ、さらに第１レンズの大口径化やレンズ全長が長くなり過ぎるのを抑制することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態（実施例１を代表例とする）に係る広角レンズ系および撮像装置の構成を示す図である。図示した本実施形態の広角レンズ系は、撮像素子とともに、近赤外の波長領域における撮像を行うビデオカメラや監視装置等の撮像装置に搭載されている。具体的には、物体側より順に、像側に凹面を向けた負メニスカス形状の第１レンズＬ_１および第２レンズＬ_２、正の屈折力を有する第３レンズＬ_３、絞り４、像側に凸面を向けた正の屈折力を有する第４レンズＬ_４、および少なくとも１枚のバンドパスフィルタ３を配列してなる。この広角レンズ系では、物体側から光軸Ｘに沿って入射した光束は、カバーガラス（ローパスフィルタ等を含む）２を介して、撮像素子（ＣＣＤ等）の結像面１上に結像される。

また、第２レンズＬ_２と第４レンズＬ_４の各々の両面は非球面とされている。ここで、第２レンズＬ_２の像側の面は、その有効径周辺領域が光軸付近に比べて負の屈折力が小さくなる非球面形状であり、第４レンズＬ_４の像側の面は、その有効径周辺領域が光軸付近に比べて正の屈折力が小さくなる非球面形状とされている。

ここで、第２レンズＬ_２の両面を非球面とし、特にその像側の面を上記の如き非球面形状とすることによって、球面とされた場合にはオーバーとなる像面湾曲および増大する歪曲収差を抑制することが可能となる。また、第４レンズＬ_４の両面を非球面とし、特にその像側の面を上記の如き非球面形状とすることによって、球面とされた場合にはアンダーとなる像面湾曲を大幅に軽減することが可能となる。

さらに、第１レンズＬ_１および第３レンズＬ_３はガラスにより形成されており、一方、第２レンズＬ_２および第４レンズＬ_４はプラスチックにより形成されている。

ここで、第１レンズＬ_１にガラスレンズを用いることにより耐候性を良好にすることが可能となる。また、非球面レンズとされる、第２レンズＬ_２および第４レンズＬ_４をプラスチックにより形成することでコストダウンを図ることができる。また、このように、１枚の負レンズと１枚の正レンズをプラスチックレンズとすることにより、各レンズの温度変化による焦点移動量を互いに相殺して、トータルとして該焦点移動を抑制できるようにしている。

また、上記バンドパスフィルタ３は、近赤外の波長域のみの光を透過させるダイクロイック膜を一方のレンズ面に付設することにより構成されている。図７は、上記バンドパスフィルタ３に付設されたダイクロイック膜の、波長に対する光透過率特性を示すものであり、そのうち実線で表された曲線は入射角が０°のときのものであり、点線で表された曲線は入射角が２０°のときのものである。

近赤外域のみの用途では、不用光（有害光）をカットするためにバンドパスフィルタを配するのが望ましいが、そのバンドパスフィルタは一般にダイクロイック膜を付設することにより形成されることから、特に広角レンズ系の場合には、レンズ系の物体側ではなく像面側に配設することにより、バンドパスフィルタの位置の相違に伴う入射角の変化を小さくして、ダイクロイック膜特性の波長シフトを生じにくくするようにしている。

また、本実施形態の広角レンズ系は、下記条件式（１）を満足するように構成される。
０．０７８ ≦ Ｄ_２−３ ／ Ｌ ≦ ０．１２ （１）
ここで、
Ｄ_２−３：第２レンズＬ_２と第３レンズＬ_３の間の空気間隔
Ｌ：第１レンズＬ_１の物体側面の頂点位置から無限遠物点時の像点位置までの距離

上記条件式（１）の下限を下回ると、像面特性が悪くなり、また、第２レンズＬ_２と第３レンズＬ_３の枠当たり間隔が取れにくくなって製造が難しくなる。一方、その上限を上回ると、前玉の大口径化やレンズ全長が長くなり過ぎる、といった問題が発生する。

さらに、本実施形態の広角レンズ系において、好ましくは、下記条件式（２）、（３）を満足するように構成される。
Ｎ_１ ≧１．５３ （２）
Ｎ_３ ≧１．５８ （３）
ここで、
Ｎ_１：波長８５０ｎｍの光に対する第１レンズＬ_１を形成する硝材の屈折率
Ｎ_３：波長８５０ｎｍの光に対する第３レンズＬ_３を形成する硝材の屈折率

一般に、近赤外域の屈折率は可視域の屈折率に比べて１ｘ１０^―３〜１ｘ１０^−２のオーダで小さくなるため、それに伴い、近赤外域の撮影においては、特にコマ収差や画面周辺部の像面湾曲が劣化する傾向にある。そこで、上記条件式（２）、（３）を満足することにより、コマ収差や画面周辺部の像面湾曲の劣化を抑制するようにしている。

なお、図８は、本発明の実施形態に係る撮像装置を概念的に示すものである。すなわちこの撮像装置１１は、図示する如く、広角レンズ系１２と撮像素子１３とを光軸Ｘ上に配列するようにして搭載してなり、広角レンズ系１２によって被写体像を撮像素子１３の結像面１上に形成するものである。

以下、具体的な実施例を用いて、本発明の広角レンズ系および撮像装置をより詳細に説明する。

＜実施例１＞
実施例１に係る広角レンズ系および撮像装置の構成は、図１に示すとおりである。

すなわち、図示するように実施例１の広角レンズ系は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた（像側に凹面を向けた）負のメニスカスレンズである第１レンズＬ_１と、像側に凹面を向け、かつ両面が共に非球面である負のメニスカスレンズである第２レンズＬ_２と、両凸レンズからなる第３レンズＬ_３と、像側に凸面を向け、かつ両面が共に非球面である正のメニスカスレンズからなる第４レンズＬ_４との４枚のレンズが配されてなる。また、第３レンズＬ_３と第４レンズＬ_４との間に開口絞り４が配置されており、第４レンズＬ_４と撮像素子（ＣＣＤ等）の結像面１との間に、バンドパスフィルタ３およびカバーガラス（ローパスフィルタ等を含む）２が配置されている。

以下、実施例１について具体的なデータを示す。
表１に、実施例１の各レンズ面の曲率半径Ｒ（非球面の場合は、光軸Ｘの近傍位置での曲率半径(mm)）、各レンズの軸上面間隔（各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔）Ｄ(mm)、各レンズの波長850nmの光における屈折率Ｎ_８５０および各レンズのｄ線における屈折率Ｎ_ｄ、ならびに各レンズのｄ線におけるアッベ数ν_ｄを示す（表３、５において同じ）。

さらに、表２に、下記非球面式により表される、第２レンズＬ_２および第４レンズＬ_４における各非球面の各非球面係数を示す（表４、６において同じ）。

また、図４は、実施例１に係る広角レンズ系の諸収差（球面収差、非点収差およびディストーション）を示す収差図である。なお、これらの収差図においてωは半画角を示し、また非点収差の各収差図には、サジタル像面およびタンジェンシャル像面における収差を示す（図５、６において同じ）。

表１および図４に示すように、実施例１の広角レンズ系は、Ｄ_２−３／Ｌ＝０．０８７、Ｎ_１＝１．５８１０４、Ｎ_３＝１．６２９００であるので、条件式（１）、（２）、（３）を全て満足しており、画角２ωが１４７゜と広角で、各収差を良好に補正し得る高性能な広角レンズ系とされている。

＜実施例２＞
実施例２に係る広角レンズ系および撮像装置の構成は、図２に示すとおりである。
実施例２に係る広角レンズ系および撮像装置の構成は基本的には実施例１と同様である。
以下、実施例２について具体的なデータを示す。

また、図５は、実施例２に係る広角レンズ系の諸収差（球面収差、非点収差およびディストーション）を示す収差図である。
表３および図５に示すように、実施例２の広角レンズ系は、Ｄ_２−３／Ｌ＝０．１０８、Ｎ_１＝１．５８１０４、Ｎ_３＝１．６３８４５であるので、条件式（１）、（２）、（３）を全て満足しており、画角２ωが１４８゜と広角で、各収差を良好に補正し得る高性能な広角レンズ系とされている。

＜実施例３＞
実施例３に係る広角レンズ系および撮像装置の構成は、図３に示すとおりである。
実施例３に係る広角レンズ系および撮像装置の構成は基本的には実施例１と同様である。
以下、実施例３について具体的なデータを示す。

また、図６は、実施例３に係る広角レンズ系の諸収差（球面収差、非点収差およびディストーション）を示す収差図である。
表５および図６に示すように、実施例３の広角レンズ系は、Ｄ_２−３／Ｌ＝０．１０７、Ｎ_１＝１．５８１０４、Ｎ_３＝１．６２９００であるので、条件式（１）、（２）、（３）を全て満足しており、画角２ωが１４７゜と広角で、各収差を良好に補正し得る高性能な広角レンズ系とされている。

ここで、下記表７に、各実施例における、全系の焦点距離ｆ´、バックフォーカスＢｆ´、第２レンズＬ_２と第３レンズＬ_３の間の空気間隔Ｄ_２−３、第１レンズＬ_１の物体側面の頂点位置から無限遠物点時の像点位置までの距離Ｌ、Ｄ_２−３／Ｌ の値、画角２ω、波長８５０ｎｍの光に対する第１レンズＬ_１を形成する硝材の屈折率Ｎ_１および波長８５０ｎｍの光に対する第３レンズＬ_３を形成する硝材の屈折率Ｎ_３を示す。

なお、本発明の広角レンズ系としては、上記実施例のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。例えば、第１レンズＬ_１および第３レンズＬ_３の各レンズ面のうち少なくとも１つの面を非球面で構成することが可能である。

また、本発明の撮像装置としては、ビデオカメラ、監視装置、移動体搭載カメラ以外にもＣＣＤやＣＭＯＳ等の近赤外域用撮像素子を備えた種々の光学装置に搭載可能である。

本発明の実施例１に係る広角レンズ系および撮像装置の構成を表す図 本発明の実施例２に係る広角レンズ系および撮像装置の構成を表す図 本発明の実施例３に係る広角レンズ系および撮像装置の構成を表す図 実施例１に係る広角レンズ系の諸収差（球面収差、非点収差およびディストーション）を示す収差図 実施例２に係る広角レンズ系の諸収差（球面収差、非点収差およびディストーション）を示す収差図 実施例３に係る広角レンズ系の諸収差（球面収差、非点収差およびディストーション）を示す収差図 本発明の広角レンズ系において用いられるバンドパスフィルタの光透過率特性の一例を示す特性図 本発明の実施形態に係る撮像装置を示す概念図

符号の説明

１ 結像面
２ カバーガラス（ローパスフィルタ等を含む）
３ バンドパスフィルタ
４ 開口絞り
１１ 撮像装置
１２ 広角レンズ系
１３ 撮像素子
Ｌ_１〜Ｌ_４ レンズ
Ｘ 光軸

Claims (3)

1. 物体側より順に、像側に凹面を向けた負メニスカス形状の第１レンズおよび第２レンズ、正の屈折力を有する第３レンズ、絞り、像側に凸面を向けた正の屈折力を有する第４レンズ、および少なくとも１枚のバンドパスフィルタを配列してなるとともに、前記第２レンズと前記第４レンズの両面は非球面とされてなり、
   前記バンドパスフィルタが、近赤外の波長域の光を選択して透過するダイクロイック膜を備えてなり、
   さらに、下記条件式（１）、（２）、および（３）を満足することを特徴とする広角レンズ系。
   ０．０７８ ≦ Ｄ_２−３ ／ Ｌ ≦ ０．１２ （１）
   Ｎ１ ≧１．５３ （２）
   Ｎ３ ≧１．５８ （３）
   ここで、
   Ｄ_２−３：前記第２レンズと前記第３レンズの間の空気間隔
   Ｌ：前記第１レンズの物体側面の頂点位置から無限遠物点時の像点位置までの距離
   Ｎ１：波長８５０ｎｍの光に対する前記第１レンズを形成する硝材の屈折率
   Ｎ３：波長８５０ｎｍの光に対する前記第３レンズを形成する硝材の屈折率
2. 前記第１レンズおよび前記第３レンズはガラスからなるとともに、前記第２レンズおよび前記第４レンズはプラスチックからなり、前記第２レンズの像側の面は、その有効径周辺領域が光軸付近に比べて負の屈折力が小さくなる非球面形状であり、前記第４レンズの像側の面は、その有効径周辺領域が光軸付近に比べて正の屈折力が小さくなる非球面形状とされていることを特徴とする請求項１記載の広角レンズ系。
3. 請求項１または２記載の広角レンズ系と、この広角レンズ系により被写体像が結像される撮像素子とを備えてなることを特徴とする撮像装置。

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