JP4931462B2 - 撮像レンズ - Google Patents

Description

本発明は、ＣＣＤ等の撮像素子を備えたカメラに用いられる撮像レンズに関し、特に、基板に電子部品等を実装する実装機において電子部品等を認識するカメラに用いられるレトロフォーカス型の撮像レンズに関する。

基板に電子部品を実装する工程においては、各々の電子部品を所定位置に正確に決めるために、実装機の吸着ノズルで吸着した電子部品を認識用カメラで撮像し、得られた画像データを演算処理して吸着ノズルの位置を微調整することで、電子部品のわずかな位置ずれをも補正することが行われている。
この認識用撮像カメラに適用される撮像レンズとしては、像の歪を少なくするために、対称型又は対称型に近いトリプレット，テッサー，ダブルガウス型等のレンズが用いることが考えられる。ところで、認識用カメラは、実装機の制限された空間に配置されるため、前述のような対称型又は対称型に近い撮像レンズを配置しようとすると他の部材と干渉する虞があるため、被写体とレンズの間又はレンズと像面の間に反射鏡を配置して光路を折り曲げる手法を採ることが考えられる。
しかしながら、所定の撮像倍率を満たすようにレンズを配置すると、レンズと像面の間隔すなわちバックフォーカスが小さくて、他の部材に干渉することなく反射鏡を配置するのが困難である。

そこで、対称型又は対称型に近いレンズに替えて、焦点距離に比べてバックフォーカスを大きく確保できるレトロフォーカス型のレンズを配置することが考えられる。
従来のレトロフォーカス型のレンズとしては、物体側の凸面に向けた負の屈折力を有するメニスカス形状の第１レンズ、開口絞り、両凸形状の第２レンズ、両凹形状の第３レンズ、両凸形状の第４レンズを含み、広角で、バックフォーカスが長く、テレセントリック性に優れ、デジタルスチルカメラ等に適用されるレンズが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有するメニスカス形状の第１レンズ、両凸形状の第２レンズ、開口絞り、遮光板、両凹形状の第３レンズ、正の屈折力を有する第４レンズ、両凸形状の第５レンズを含み、広角で、バックフォーカスが長く、テレセントリック性に優れ、デジタルカメラ等に適用されるレンズが知られている（例えば、特許文献２参照）。
さらには、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有するメニスカス形状の第１レンズ、両凸形状の第２レンズ、開口絞り、両凹形状の第３レンズ、正の屈折力を有する第４レンズ、両凸形状の第５レンズを含み、バックフォーカスが長く、デジタルカメラ等に適したレンズが知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００３−１９５１６３号公報 特開２００２−２２８９２５号公報 特開平１０−２９３２４６号公報

しかしながら、従来のレトロフォーカス型レンズにおいては、特に像側のテレセントリック性を向上させ、広い画角を確保することを主目的としているため、これらのレトロフォーカス型のレンズをそのまま実装機の認識用カメラに適用すると、レンズの外径が不必要に大きくなり又レンズの厚みが厚くなり過ぎて、限られた空間に配置する撮像レンズとしては好ましくない。

本発明は、上記従来技術の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、必要とされる撮像倍率（０．４２〜０．４６）及び共役長（２１０ｍｍ〜２２０ｍｍ）並びに視野（φ１２ｍｍ程度）を確保しつつ、諸収差特に歪曲収差も十分に補正され、反射鏡を挿入できるだけの十分なバックフォーカスを確保でき、低コスト、小型で、光学性能が高く、電子部品等の実装工程等において好適なレトロフォーカス型の撮像レンズを提供することにある。

本発明の撮像レンズは、物体側から像面側に向けて順に配列された、負の屈折率を有する第１レンズと、正の屈折率を有し物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、所定の口径を有する開口絞りと、正の屈折率を有する第３レンズと、負の屈折力を有し物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第４レンズと、から構成され、上記第１レンズは、物体側に凹面及び像面側に平面を向けた平凹レンズである、ことを特徴としている。
この構成によれば、第１レンズ及び第２レンズからなる前群レンズが主として入射した光線を広げてバックフォーカスを長くする役割を担っており、第３レンズ及び第４レンズからなる後群レンズが主として第２レンズから射出された光線を収束させて焦点に結像させる役割を担っている。
このように、前群レンズ（第１レンズ及び第２レンズ）及び後群レンズ（第３レンズ及び第４レンズ）により、バックフォーカスを十分確保することができると共に、必要とされる撮像倍率，共役長，視野を確保することができ、歪曲収差等が十分補正された良好な光学特性をもつ撮像レンズを得ることができる。また、第１レンズの加工が簡単になり、作製費用を削減でき、全体として撮像レンズのコストを低減することができる。

また、本発明の撮像レンズは、物体側から像面側に向けて順に配列された、負の屈折率を有する第１レンズと、正の屈折率を有し物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、正の屈折率を有する第３レンズと、負の屈折力を有し物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第４レンズと、所定の口径を有する開口絞りと、から構成され、上記第１レンズは、物体側に凹面及び像面側に平面を向けた平凹レンズである、ことを特徴としている。
この構成によれば、第１レンズ及び第２レンズからなる前群レンズが主として入射した光線を広げてバックフォーカスを長くする役割を担っており、第３レンズ及び第４レンズからなる後群レンズが主として第２レンズから射出された光線を収束させて焦点に結像させる役割を担っている。
このように、前群レンズ（第１レンズ及び第２レンズ）及び後群レンズ（第３レンズ及び第４レンズ）により、バックフォーカスを十分確保することができると共に、必要とされる撮像倍率，共役長，視野を確保することができ、歪曲収差が十分補正された良好な光学特性をもつ撮像レンズを得ることができる。
さらに、ここでは、開口絞りが第４レンズの後方に配置されているため、開口絞りの交換及び変更を容易に行うことができる。また、第１レンズの加工が簡単になり、作製費用を削減でき、全体として撮像レンズのコストを低減することができる。

上記構成の撮像レンズにおいて、第４レンズと像面の間に、少なくとも一つの反射鏡が配置されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、実装機等の制限された空間において、この撮像レンズを備えた認識用カメラを容易に配置することができる。

上記構成をなす撮像レンズによれば、バックフォーカスを十分確保でき、小型、低コストで、光学性能が高く、電子部品等の実装機等に搭載される認識用のカメラに好適なレトロフォーカス型の撮像レンズを得ることができる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１ないし図３は、本発明に係る撮像レンズの一実施形態を示すものであり、図１はレンズ構成図、図２は光路図、図３は収差図である。

この撮像レンズは、図１に示すように、物体側から像面側に向けて順に配列された、負の屈折率を有し物体側に凹面を向けた第１レンズ１及び正の屈折率を有し物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズ２からなる前群レンズ（Ｉ）と、正の屈折率を有する第３レンズ３及び負の屈折力を有し物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第４レンズ４からなる後群レンズ（ＩＩ）を備え、第２レンズ２と第３レンズ３の間でかつ第３レンズ３の直前において所定の口径を有する開口絞りＳＤを備えた、２群４枚のレトロフォーカス型のレンズ構成となっている。
そして、図２に示すように、第４レンズ４の後方に反射鏡５を配置しない状態で、光軸Ｌ上に位置する像面Ｐに結像し、又、第４レンズ４の後方に反射鏡５を配置することにより、第４レンズ４を通過した光線を折り曲げて像面Ｐ´に結像させるようになっている。

この撮像レンズにおいては、図２に示すように、物体ＯＢＪから発せられた光線は、全体として負の屈折力を有する第１レンズ１及び第２レンズ２（前群レンズ）を通過して発散するように広げられ、その発散光線が開口絞りＳＤを通過することにより所定の角度範囲の光線に絞られ、その絞られた光線が、全体として正の屈折力を有する第３レンズ３及び第４レンズ４（後群レンズ）を通過して光軸Ｌに近くづく方向に収束されて像面Ｐ又は反射鏡５を経て像面Ｐ´に結像する。

すなわち、第１レンズ１及び第２レンズ２からなる前群レンズ（Ｉ）が主として入射した光線を広げてバックフォーカスを長くする役割を担っており、第３レンズ３及び第４レンズ４からなる後群レンズ（ＩＩ）が主として光線を収束させて焦点に結像させる役割を担っている。
このように、前群レンズ（Ｉ）（第１レンズ１及び第２レンズ２）及び後群レンズ（ＩＩ）（第３レンズ３及び第４レンズ４）により、バックフォーカスを十分確保することができる。
したがって、図２に示すように、第４レンズ４の後方に反射鏡５を所定角度傾斜させて配置することにより、光軸Ｌから離れた位置の像面Ｐ´に結像させることができる。
また、前群レンズ（Ｉ）及び後群レンズ（ＩＩ）のそれぞれの内部で、歪曲収差を相殺あるいは低減させるようにしているため、レンズ全体としての歪曲収差を極めて小さな量に抑えることができる。

ここで、第１レンズ１〜開口絞りＳＤ〜第４レンズにおいては、図１に示すように、各々の面をＳｉ（ｉ＝１〜９）、各々の面Ｓｉの曲率半径をＲｉ（ｉ＝１〜９）、ｄ線に対する第１レンズ１〜第４レンズ４の屈折率をＮｉ（ｉ＝１〜４）及びアッベ数をνｉ（ｉ＝１〜４）で表す。また、第１レンズ１から像面Ｐまでの光軸Ｌ上における距離（厚さ、空気間隔）をＤｉ（ｉ＝１〜８）、第４レンズ４の後面Ｓ９から像面Ｐまでの空気換算距離すなわちバックフォーカスをＢＦで表す。

第１レンズ１は、ガラス材料又は樹脂材料により形成されて、物体側に凹面及び像面側に凸面を向けたメニスカス形状の負の屈折力を有するレンズである。ここで、凹面及び凸面は共に球面に形成されている。
第２レンズ２は、ガラス材料又は樹脂材料により形成されて、物体側に凹面及び像面側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力を有するレンズである。ここで、凹面及び凸面は共に球面に形成されている。
そして、第１レンズ１及び第２レンズ２により、全体として負の屈折力を有する前群レンズが形成されている。

第３レンズ３は、ガラス材料又は樹脂材料により形成されて、物体側に凸面及び像面側に凸面を向けた両凸形状の正の屈折力を有するレンズである。ここで、両凸面は共に球面に形成されている。
第４レンズ４は、ガラス材料又は樹脂材料により形成されて、物体側に凹面及び像面側に凸面を向けたメニスカス形状の負の屈折力を有するレンズである。ここで、凹面及び凸面は共に球面に形成されている。
そして、第３レンズ３及び第４レンズ４により、全体として正の屈折力を有する後群レンズが形成されている。

上記構成の撮像レンズによれば、前群レンズ（Ｉ）（第１レンズ１及び第２レンズ２）及び後群レンズ（ＩＩ）（第３レンズ３及び第４レンズ４）により、必要とされる撮像倍率，共役長，視野を確保することができ、歪曲収差が十分補正された良好な光学特性を確保することができると共に、反射鏡５を配置するための十分なバックフォーカスＢＦを確保することができる。これにより、小型化、低コスト化を達成しつつ、電子部品等の実装機において、部品を高精度に撮像できる認識用カメラに好適な撮像レンズが得られる。

上記構成からなる撮像レンズの具体的な実施例１を以下に示す。ここで、この実施例１における主な仕様緒元、種々の数値データ（設定値）は以下の通りである。また、球面収差、非点収差、歪曲収差は図３に示すような結果となる。尚、図３中の非点収差において、Ｓはサジタル平面での収差、Ｍはメリジオナル平面での収差を示す。

＜仕様緒元＞
使用波長１（主波長）＝５８７．６ｎｍ、使用波長２＝６５６．３ｎｍ、使用波長３＝４８６．１ｎｍ、焦点距離＝４１．８２ｍｍ、視野＝φ１２．０ｍｍ、開口絞りＳＤの口径＝φ１２．０ｍｍ、明るさ（Ｆナンバー）＝５．６、共役長（物体〜像面）＝２２０ｍｍ、撮像倍率＝０．４２９２、第１レンズ１の外径寸法＝φ１２ｍｍ、第２レンズ２の外径寸法＝φ１２ｍｍ、第３レンズ３の外径寸法＝φ１４ｍｍ、第４レンズ４の外径寸法＝φ１６ｍｍ、バックフォーカス（ＢＦ）＝８０．００ｍｍ

＜第１レンズ１〜開口絞りＳＤ〜第４レンズ４の曲率半径Ｒｉ（ｍｍ）＞
Ｒ１＝−７．２８８８ｍｍ、Ｒ２＝−２０９．０９００ｍｍ、Ｒ３＝−１４．２２６０ｍｍ、Ｒ４＝−８．１４１９ｍｍ、Ｒ５＝∞（開口絞りＳＤ）、Ｒ６＝３３．５６５０ｍｍ、Ｒ７＝−１６．６２２０ｍｍ、Ｒ８＝−１４．７７２０ｍｍ、Ｒ９＝−３０．９５２０ｍｍ

＜面間隔（ｍｍ）＞
Ｄ１＝１．００ｍｍ、Ｄ２＝１．００ｍｍ、Ｄ３＝２．５０ｍｍ、Ｄ４＝１４．２５ｍｍ、Ｄ５＝０．１０ｍｍ、Ｄ６＝４．００ｍｍ、Ｄ７＝１．６２ｍｍ、Ｄ８＝１．５０ｍｍ、ＢＦ＝８０．００ｍｍ、

＜第１レンズ１〜第４レンズ４の屈折率Ｎｉ（ｄ線）＞
Ｎ１＝１．５１６８０、Ｎ２＝１．５８９１３、Ｎ３＝１．５８９１３、Ｎ４＝１．７５５２０
＜第１レンズ１〜第４レンズ４のアッベ数νｉ＞
ν１＝６４．２、ν２＝６１．２、ν３＝６１．２、ν４＝２７．５

上記実施例１においては、撮像倍率が０．４２９２、共役長が２２０ｍｍ、視野がφ１２．０ｍｍ、バックフォーカスＢＦが８０．００ｍｍで、球面収差、非点収差、歪曲収差等が十分に補正された、実装機の認識用カメラに好適な撮像レンズが得られた。

図４ないし図６は、本発明に係る撮像レンズの他の実施形態を示すものであり、図４はレンズ構成図、図５は光路図、図６は収差図である。尚、前述の実施形態と同一の構成については説明を省略する。
この撮像レンズは、図１に示すように、物体側から像面側に向けて順に配列された、負の屈折率を有し物体側に凹面を向けた第１レンズ１´及び正の屈折率を有し物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズ２からなる前群レンズ（Ｉ）と、正の屈折率を有する第３レンズ３及び負の屈折力を有し物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第４レンズ４からなる後群レンズ（ＩＩ）を備え、第４レンズ４の後方近傍に所定の口径を有する開口絞りＳＤを備えた、２群４枚のレトロフォーカス型のレンズ構成となっている。
そして、図５に示すように、第４レンズ４の後方に反射鏡５を配置しない状態で、光軸Ｌ上に位置する像面Ｐに結像し、又、第４レンズ４の後方に反射鏡５を配置することにより、第４レンズ４を通過した光線を折り曲げて像面Ｐ´に結像させるようになっている。

この撮像レンズにおいては、図５に示すように、物体ＯＢＪから発せられた光線は、全体として負の屈折力を有する第１レンズ１´及び第２レンズ２（前群レンズ）を通過して発散するように広げられ、その発散光線が、全体として正の屈折力を有する第３レンズ３及び第４レンズ４（後群レンズ）を通過して光軸Ｌに近くづく方向に収束され、開口絞りＳＤを通過することにより所定の角度範囲の光線に絞られて像面Ｐ又は反射鏡５を経て像面Ｐ´に結像する。

すなわち、前群レンズ（Ｉ）（第１レンズ１´及び第２レンズ２）及び後群レンズ（ＩＩ）（第３レンズ３及び第４レンズ４）により、前述実施形態と同様に、バックフォーカスを十分確保することができ、図５に示すように、第４レンズ４の後方に反射鏡５を所定角度傾斜させて配置することにより、光軸Ｌから離れた位置の像面Ｐ´に結像させることができる。
また、前述実施形態と同様に、前群レンズ（Ｉ）及び後群レンズ（ＩＩ）のそれぞれの内部で、歪曲収差を相殺あるいは低減させるようにしているため、レンズ全体としての歪曲収差を極めて小さな量に抑えることができる。
第１レンズ１´は、ガラス材料又は樹脂材料により形成されて、物体側に凹面及び像面側に平面を向けた平凹形状の負の屈折力を有する平凹レンズである。ここで、凹面は球面に形成されている。

上記構成の撮像レンズによれば、前群レンズ（Ｉ）（第１レンズ１´及び第２レンズ２）及び後群レンズ（ＩＩ）（第３レンズ３及び第４レンズ４）により、必要とされる撮像倍率，共役長，視野を確保することができ、歪曲収差が十分補正された良好な光学特性を確保することができると共に、反射鏡５を配置するための十分なバックフォーカスＢＦを確保することができる。これにより、小型化、低コスト化を達成しつつ、電子部品等の実装機において、部品を高精度に撮像できる認識用カメラに好適な撮像レンズが得られる。

上記構成からなる撮像レンズの具体的な実施例２を以下に示す。ここで、この実施例２における主な仕様緒元、種々の数値データ（設定値）は以下の通りである。また、球面収差、非点収差、歪曲収差は図６に示すような結果となる。尚、図６中の非点収差において、Ｓはサジタル平面での収差、Ｍはメリジオナル平面での収差を示す。

＜仕様緒元＞
使用波長１（主波長）＝５８７．６ｎｍ、使用波長２＝６５６．３ｎｍ、使用波長３＝４８６．１ｎｍ、焦点距離＝４１．８２ｍｍ、視野＝φ１２．０ｍｍ、開口絞りＳＤの口径＝φ１１．０ｍｍ、明るさ（Ｆナンバー）＝５．１、共役長（物体〜像面）＝２１０ｍｍ、撮像倍率＝０．４５５０、第１レンズ１´の外径寸法＝φ１３ｍｍ、第２レンズ２の外径寸法＝φ１３ｍｍ、第３レンズ３の外径寸法＝φ１４ｍｍ、第４レンズ４の外径寸法＝φ１４ｍｍ、バックフォーカス（ＢＦ）＝８０．００ｍｍ

＜第１レンズ１´〜第４レンズ４、開口絞りＳＤの曲率半径Ｒｉ（ｍｍ）＞
Ｒ１＝−７．３３３８ｍｍ、Ｒ２＝∞、Ｒ３＝−２３．６０５８ｍｍ、Ｒ４＝−８．５２０９ｍｍ、Ｒ５＝３１．２７８２、Ｒ６＝−１５．３７９７ｍｍ、Ｒ７＝−１４．１３９４ｍｍ、Ｒ８＝−２５．６８４７ｍｍ、Ｒ９＝∞（開口絞りＳＤ）

＜面間隔（ｍｍ）＞
Ｄ１＝１．００ｍｍ、Ｄ２＝０．６０ｍｍ、Ｄ３＝３．３０ｍｍ、Ｄ４＝８．２５ｍｍ、Ｄ５＝３．５０ｍｍ、Ｄ６＝１．７２ｍｍ、Ｄ７＝１．２０ｍｍ、Ｄ８＝０．００ｍｍ、ＢＦ＝８０．００ｍｍ、

＜第１レンズ１´〜第４レンズ４の屈折率Ｎｉ（ｄ線）＞
Ｎ１＝１．５１６３３、Ｎ２＝１．５１６３３、Ｎ３＝１．５１６３３、Ｎ４＝１．７５５２０
＜第１レンズ１´〜第４レンズ４のアッベ数νｉ＞
ν１＝６４．１、ν２＝６４．１、ν３＝６４．１、ν４＝２７．５

上記実施例２においては、撮像倍率が０．４５５５、共役長が２１０ｍｍ、視野がφ１２．０ｍｍ、バックフォーカスＢＦが８０．００ｍｍで、球面収差、非点収差、歪曲収差等が十分に補正された、実装機の認識用カメラに好適な撮像レンズが得られた。

以上述べたように、本発明の撮像レンズは、バックフォーカスを十分確保でき、反射鏡等の配置が可能で、小型、低コストで、高い光学性能を得ることができるため、電子部品等の実装機の撮像レンズとして適用できるのは勿論のこと、実装分野に限らず、その他の認識あるいは撮像を行うレンズ光学系においても有用である。

本発明に係る撮像レンズの一実施形態を示す概略構成図である。 図１に示す撮像レンズの光路図である。 図１に示す撮像レンズの実施例における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す収差図である。 本発明に係る撮像レンズの他の実施形態を示す概略構成図である。 図４に示す撮像レンズの光路図である。 図４に示す撮像レンズの実施例における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す収差図である。

符号の説明

１，１´ 第１レンズ
２ 第２レンズ
３ 第３レンズ
４ 第４レンズ
５ 反射鏡
Ｌ 光軸
ＢＦ バックフォーカス

Claims (3)

1. 物体側から像面側に向けて順に配列された、
   負の屈折率を有する第１レンズと、
   正の屈折率を有し物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、
   所定の口径を有する開口絞りと、
   正の屈折率を有する第３レンズと、
   負の屈折力を有し物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第４レンズと、
   から構成され、
   前記第１レンズは、物体側に凹面及び像面側に平面を向けた平凹レンズである、
   ことを特徴とする撮像レンズ。
2. 物体側から像面側に向けて順に配列された、
   負の屈折率を有する第１レンズと、
   正の屈折率を有し物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、
   正の屈折率を有する第３レンズと、
   負の屈折力を有し物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第４レンズと、
   所定の口径を有する開口絞りと、
   から構成され、
   前記第１レンズは、物体側に凹面及び像面側に平面を向けた平凹レンズである、
   ことを特徴とする撮像レンズ。
3. 前記第４レンズと像面の間に、少なくとも一つの反射鏡が配置されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像レンズ。

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