JP4915077B2

JP4915077B2 - 撮像光学系

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Publication number: JP4915077B2
Application number: JP2005292091A
Authority: JP
Inventors: 全利廣瀬
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2005-10-05
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2025-10-05
Also published as: KR20070038405A; EP1793255A1; JP2007101920A; KR101288292B1; US20070076308A1; US7551373B2

Description

本発明は、撮像素子に対して光を導くことができる撮像光学系に関し、特に、プラスチックレンズを用いた広画角である撮像光学系に関する。

監視カメラや車載カメラ等においては、１台のカメラで広い撮像範囲が得られるように、広画角を有する撮像光学系が用いられている。広画角である撮像光学系は、従来から数多く提案され、例えば特許文献１、２にあるように、画角が１５０度程度であるものが提案されている。
特開２００３−３０７６７４号公報特開２００５−２２７４２６号公報

ところが、特許文献１に記載されている光学系は、多くのレンズ枚数が必要であり、コスト高になり、レンズの組み立てが困難になる。また、特許文献２に記載されている光学系は、温度変動の大きい環境において用いる監視カメラ、車載カメラには適さない。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、広画角を有し、小型で、安価であり、幅広い温度環境下で結像位置の変化が小さい、レンズ性能が良好である撮像光学系を提供することを目的とする。

上記の課題は次の構成により解決される。

（１）撮像対象からの光を撮像素子上に結像させる撮像光学系において、
撮像対象側から順に、撮像対象側に凸面を向けたメニスカス形状の負のパワーの第１レンズと、
両凹形状である第２レンズと、
像面側に凸面を向けた正のパワーの第３レンズと、
像面側に凸面を向けた正のパワーの第４レンズとから成り、
前記第１レンズと前記第３レンズがガラスレンズであり、前記第２レンズと第４レンズがプラスチックレンズであり、
前記第２レンズが非球面を有し、前記第４レンズが非球面を有することを特徴とする撮像光学系。

（２）第２レンズの焦点距離をｆ２、第４レンズの焦点距離をｆ４で表すとき、
−２＜ｆ２／ｆ４＜−０．５
の関係を満たすことを特徴とする（１）に記載の撮像光学系。

（３）第３レンズのアッベ数をνｄ３で表すとき、
νｄ３＜５０
の関係を満たすことを特徴とする（１）または（２）に記載の撮像光学ユニット。

（４）前記第３レンズと前記第４レンズとの間に絞りを有することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の撮像光学ユニット。

本発明によれば、撮像対象側から順に、撮像対象側に凸面を向けたメニスカス形状の負のパワーの第１レンズと、両凹形状である第２レンズと、像面側に凸面を向けた正のパワーの第３レンズと、像面側に凸面を向けた正のパワーの第４レンズとを設け、第１レンズと第３レンズをガラスレンズにして、第２レンズと第４レンズをプラスチックレンズにすることにより、広画角で、小型で、安価にすることができ、幅広い温度環境下で結像位置の変化を小さく、レンズ性能の劣化を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る撮像光学系を搭載した車載カメラの構成を示す機能ブロック図である。図１において、車載カメラ１は、撮像装置１０、画像生成部１１、画像データバッファ１２、画像処理部１３、駆動部１４、制御部１５、記憶部１６、及びＩ／Ｆ部１７を備えて構成される。

撮像装置１０は、撮像光学系１０１と撮像素子１０２とレンズを駆動するためのレンズ駆動装置（不図示）とを備えて構成される。撮像対象からの光線は、撮像光学系１０１によって撮像素子１０２の撮像面上に結像され、被写体の光像となる。

画像生成部１１は、撮像素子１０２の画像信号から各画素の画像データを生成して、画像データバッファ１２に出力される。画像データバッファ１２は、画像データを一時的に記憶するとともに、この画像データに対し画像処理部１３により処理を行うための作業領域として用いられるメモリである。駆動部１４は、制御部１５から出力される制御信号により、車載カメラ１の光軸を、例えば左右（パン）方向あるいは上下（チルト）方向に駆動し、フォーカス方向に駆動する。記憶部１６は、車載カメラ１の動作に必要な各種プログラム、プログラム実行中に生じたデータを記憶する記憶回路である。Ｉ／Ｆ部１７は、外部機器と画像データを送受信するインターフェースである。制御部１５は、例えば、撮像装置１０、画像生成部１１、画像データバッファ１２、画像処理部１３、駆動部１４、記憶部１６及びＩ／Ｆ部１７の各部を制御する。

このような構成の車載カメラ１を車のバックモニタとして用いた場合の処理の流れを以下に説明する。運転者は、車体のダッシュボードに設置されているモニタを見ながら、車体をバックさせる。このとき、運転者が確認したい領域と車載カメラ１が撮像している領域とがずれている場合、運転者はダッシュボードに設けられたボタンを操作するなど所定の操作を行う。この操作を受けて制御部１５は、駆動部１４を制御し、撮像装置１０のレンズ駆動装置を駆動し、撮像部１０の向きを調整し、またフォーカシングを行う。これにより、ピントの合った光学像が撮像素子１０２の受光面に結像され、画像信号に変換された後、画像生成部１１に出力される。その画像信号は、画像データバッファ１２に一時的に記憶され、画像処理部１３により画像処理が行われる。このようにして、運転者が確認したい領域の自然な画像が、ダッシュボードに設置されているモニタに表示される。

次に、撮像光学系１０１の構成について説明する。

第１の実施形態を図２に示す。図２の撮像光学系は、撮像対象側から順に、撮像対象側に凸面を向けたメニスカス形状の負のパワーを有する第１レンズ群Ｌ１、両凹形状であり両面が非球面である負のパワーを有する第２レンズ群Ｌ２、両凸形状の正のパワーを有する第３レンズ群Ｌ３、絞りＳ、像面側に強い凸面向けた両凸形状であり両面が非球面である正のパワーを有する第４レンズ群Ｌ４から構成される。

なお、本発明において、「パワー」とは焦点距離の逆数で定義される量を表す。

第２の実施形態を図３に示す。図３の撮像光学系は、撮像対象側から順に、撮像対象側に凸面を向けたメニスカス形状の負のパワーを有する第１レンズ群Ｌ１、両凹形状であり両面が非球面である負のパワーを有する第２レンズ群Ｌ２、像面側に凸面を向けたメニスカス形状の正のパワーを有する第３レンズ群Ｌ３、絞りＳ、像面側に強い凸面向けたメニスカス形状であり両面が非球面である正のパワーを有する第４レンズ群Ｌ４から構成される。

第１、第２の実施形態のように、撮像対象側から順に、撮像対象側に凸面を向けたメニスカス形状の負パワーの第１レンズと、両凹形状であり少なくとも１面の非球面を有する第２レンズと、像面側に凸面を向けた正のパワーの第３レンズと、像面側に凸面を向けて少なくとも１面の非球面を有する正のパワーの第４レンズとを有する構成にすることにより、広い画角を達成することができ、広画角でありながら歪曲収差を良好に補正することができる。

負パワーの第２レンズＬ２と正パワーの第４レンズＬ４をプラスチックレンズとし、各々のレンズＬ２、Ｌ４に非球面を配置することにより、大幅にレンズ枚数を削減することになり、製造コストの削減をすることができ、撮像光学系の全長を短くすることができる。

撮像光学系をプラスチックレンズで構成する場合に、温度変化による屈折率の変化とレンズ形状の変化が大きく、像面上で焦点位置がずれる。しかし、本発明のように、負パワーの第１レンズＬ１と正パワーの第３レンズＬ３をガラスレンズとして、負パワーの第２レンズＬ２と正パワーの第４レンズＬ４をプラスチックレンズで構成すると、負パワーのレンズと正パワーのレンズにより、温度変化による焦点位置のズレを打ち消し、像面での焦点位置のズレを抑えることができ、高性能である撮像光学系となる。

また、次の関係を満たすことが望ましい。

−２＜ｆ２／ｆ４＜−０．５・・・式１
ただし、ｆ２は第２レンズの焦点距離、ｆ４は第４レンズの焦点距離である。
式１は、プラスチックレンズのパワーを適正な範囲に規定して、温度変化による焦点位置のズレを抑えるものである。ｆ２／ｆ４の値が式１の下限を越えると、第４レンズのパワーが強くなり、第４レンズＬ４の温度変化による像面位置のズレの影響が大きく、常温から上昇すると像面が正規位置から像面側にずれ、常温から低下すると像面が正規位置から撮像対象側にずれる。逆に、ｆ２／ｆ４の値が式１の上限を越えると、第２レンズＬ２のパワーが強くなり、第２レンズＬ２の温度変化による像面位置のズレの影響が大きく、常温から上昇すると像面が正規位置から撮像対象側にずれ、常温から低下すると像面が正規位置から像面側にずれ、レンズ性能が劣化する。

また、次の関係を満たすことが望ましい。

νｄ３＜５０・・・式２
ただし、νｄ３は第３レンズのアッベ数である。
式２は、第３レンズのアッベ数を適正な範囲に規定して、倍率色収差を抑えるものである。νｄ３の上限を越えると倍率色収差による像面周辺の性能の劣化が著しくなる。

また、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４との間に絞りを有することが望ましい。第３レンズＬ３と第４レンズＬ４と間で不要な光線が像面に至るのを遮断することにより、像面湾曲、倍率色収差を含む諸々の収差をバランスさせることができ、レンズ性能が良くなる。

さらに、次の関係を満たすことが望ましい。

−０．５＜ｆ／ｆ２＜−０．１・・・式３
ただし、ｆは全系の焦点距離、ｆ２は第２レンズの焦点距離である。
式３は、第２レンズＬ２のパワーを適切な範囲に規定して、像面周辺の光量を確保するとともに歪曲収差を抑えるものである。ｆ／ｆ２の値が下限を越えると、第２レンズＬ２のパワーが強くなり、歪曲収差の劣化が著しく、その収差を補正することが困難となる。逆に、ｆ／ｆ２の値が上限を越えると、第２レンズＬ２のパワーが弱くなり、射出瞳位置が像面に近く、像面周辺への光線の入射角度が大きくなり、像面周辺の光量が低下する。

また、次の関係を満たすことが望ましい。

２ω＞１４０・・・式４
ただし、２ωは像面の対角における画角であり、単位は度である。
式４は、撮像光学系の画角を適切な範囲に規定するものである。２ωの値が式４の範囲にあると、撮像光学系を搭載する車載カメラ、監視カメラのパン、チルトの駆動量を小さくすることができる。

式４に代えて次の式４’の関係を満たすようにすると、さらに望ましい。

２ω＞１５０・・・式４’
また、正パワーの第４レンズは、撮像面側の面に比べて像面側に強い凸面を向けていることが望ましい。

なお、本発明の撮像光学系１０１を構成する複数のレンズ（Ｌ１〜Ｌ４）は、入射光線を屈折作用により偏向させる屈折型レンズで構成されている。しかし、使用可能なレンズはこれに限定されるものではない。例えば、回折作用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を用いてもよい。

また、プリズムやミラー等の光軸変更部材が、光路中に設けられていてもよい。光軸変更部材は、撮像対象側から像面に至るまでの光路を屈曲させることができるため、光路の適正な屈曲により、撮像光学系１０１を搭載する撮像装置の小型化を図ることができる。

本発明の撮像光学系は、テレビ電話用カメラ、ドアホーン用カメラやモバイルコンピュータ、情報携帯端末等の情報処理機器に組み込まれるカメラに採用することも可能である。

本発明を実施した撮像装置に含まれる撮像光学系の構成を、コンストラクションデータ、収差図を挙げて、更に具体的に説明する。ここで実施例として説明する実施例１、２は、前述した第１、２の実施形態にそれぞれ対応している。第１、２の実施形態を表すレンズ構成図（図２、３）は、対応する実施例１、２のレンズ構成をそれぞれ示している。図２、３において、Ｆ１はローパスフィルタ、Ｆ２はＩＲカットフィルタを成膜したカバーガラスであり、カバーガラスＦ２が後にある撮像素子を保護する。

表１乃至４のコンストラクションデータ、非球面データにおいて、曲率半径をｒで示し、撮像対象側から順に番号を付し、軸上間隔をｄで示し、撮像対象側からの軸上間隔を表の上から順に表している。屈折率、アッベ数をＮ、νで示し、撮像対象側からの屈折率、アッベ数を表の上から順に表している。また、屈折率およびアッベ数はｄ線に対するものであり、屈折率およびアッベ数は空気については省略してある。なお、非球面については面番号の末尾にアスタリスク（＊印）を付している。撮像素子が最終面の後ろに配置されている。全系の焦点距離を１．０ｍｍに設定し、曲率半径、軸上間隔の単位はｍｍである。

非球面は次の式５で定義している。

Ｘ（Ｈ）＝Ｃ・Ｈ²／｛１＋（１−ε・Ｃ²・Ｈ²）^1/2｝＋ΣＡｋ・Ｈｋ・・・式５
ここで、Ｈは光軸に対して垂直な方向の高さ、Ｘ（Ｈ）は高さＨの位置での光軸方向の変位量（面頂点基準）、Ｃは近軸曲率、εは２次曲面パラメータ、ｋは非球面の次数、Ａｋはｋ次の非球面係数、ＨｋはＨのｋ乗である。非球面に関するデータを表２、４に示す。なお、表２、４のデータに付された文字Ｅは、該当する数値の指数部分を表し、例えば、１．０Ｅ−０２であれば１．０×１０^-2を示す。

図４、５の収差図について、球面収差の線ｄはｄ線、線ｇはｇ線、線ｃはｃ線の収差、線ＳＣは正弦条件不満足量を表している。また、非点収差の線ＤＭおよび線ＤＳはそれぞれメリジオナル面およびサジタル面での収差である。単位は、歪曲の横軸のみ百分率であり、他の軸については全てｍｍである。

条件式に対応する各実施例の値を表５に示し、各実施例はすべて条件式を満たしている。
＜実施例１＞

［非球面データ］

＜実施例２＞

［非球面データ］

［条件式対応値］

各実施形態の車載カメラの構成ブロックを示す図。第１の実施形態の撮像光学系の構成を示す図。第２の実施形態の撮像光学系の構成を示す図。第１の実施形態の撮像光学系の収差を示す図。第２の実施形態の撮像光学系の収差を示す図。

符号の説明

１車載カメラ
１０撮像装置
１０１撮像光学系
１０２撮像素子
Ｌ１〜Ｌ４レンズ
Ｓ絞り
Ｆ１ローパスフィルタ
Ｆ２カバーガラス
ｒ１〜ｒ１２面

Claims

撮像対象からの光を撮像素子上に結像させる撮像光学系において、
撮像対象側から順に、撮像対象側に凸面を向けたメニスカス形状の負のパワーの第１レンズと、
両凹形状である第２レンズと、
像面側に凸面を向けた正のパワーの第３レンズと、
像面側に凸面を向けた正のパワーの第４レンズとから成り、
前記第１レンズと前記第３レンズがガラスレンズであり、前記第２レンズと第４レンズがプラスチックレンズであり、
前記第２レンズが非球面を有し、前記第４レンズが非球面を有することを特徴とする撮像光学系。
第２レンズの焦点距離をｆ２、第４レンズの焦点距離をｆ４で表すとき、
−２＜ｆ２／ｆ４＜−０．５
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の撮像光学系。
第３レンズのアッベ数をνｄ３で表すとき、
νｄ３＜５０
の関係を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像光学系。
前記第３レンズと前記第４レンズとの間に絞りを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像光学系。