JP4932508B2 - 広角レンズ系 - Google Patents

Description

本発明は、監視カメラ、車載カメラ等に用いられる小型且つ安価で全長の短い広角レンズ系に関する。

従来から、監視カメラ、車載カメラ等の産業分野では、光学系を小型化しつつ、特殊な射影方式の下、広い画角を実現する必要があった。又、撮像素子としてＣＣＤ或はＣＭＯＳ等を使用する為、バックフォーカスを大きくとり、且つ主光線が光軸と平行であること(テレセントリック性)も求められていた。

通常の射影方式とは異なる広角レンズでは、極めて大きな画角を持って入射する主光線を大きく屈折させ、適切な角度で像面に入射させねばならない。その為、絞りより物体側に位置する群、即ち、前群に、大きな画角の主光線の角度を減少させる発散群を配置し、絞りより撮像素子側に位置する群、即ち後群に、前群で角度を緩められた主光線を略テレセントリックに像面に入射させ、且つ像を結ばせる役割を担う正のレンズを配置する。

その結果、レンズ構成としては、物体側に負のパワーを配置し、像側に正のパワーを配置した、所謂レトロフォーカス型（非対称型）の構成が採られている。

これらの役割分担の下では、前群は負のレンズのみで構成し、後群は正のレンズのみで構成することが望ましい。

特に前群の構成について述べると、負のレンズ群は、主光線についてのみ考えれば非点収差及び歪曲を制御するという積極的な役割を持っているが、大口径化に主に関係する球面収差を増大するという負の側面を持っている。又、前群の負の成分を増加させることは、レトロフォーカス作用を増大させ、全長を長くする作用を持っている。

従来の広角レンズ系に於いて、前群の有すべきパワーを複数のレンズに分担させ、レンズ１枚当たりの収差の負担を軽減するという構成が採られていたが、この様な構成では、レンズ１枚当りの負のパワーは却って増加し、上記問題が増幅するという問題があった。又、従来のレンズ構成では、一般的に口径を大きくとることが困難であり、同時に広角レンズ系全長が長くなってしまうという問題もあった。

ところで、近年、光学材料として使用可能な樹脂の実用化によって、非球面の製作が容易になり、非球面を持った樹脂レンズが組込まれた様々な仕様のレンズ系が実用化されている。又非球面レンズの採用は、広角レンズ系の広角化と大口径化に役立つものである。然し乍ら、大口径化と広角化の要求は相矛盾するものであり、同時に広角レンズ系全長を充分に短縮することは現在に於いても大きな課題である。

特開２００１−７５００６号公報

特開２００１−８３４０９号公報

特開２００５−３０９２１０号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、上記課題を解決すべく、極めて簡単な構成により、全長の短い、広角且つ大口径の広角レンズ系を提供するものである。

本発明は、全画角（２ω）が１６０°でレンズ系の焦点距離が１．６２５ｍｍでバックフォーカスが３．８３２００４ｍｍである広角レンズ系に於いて、絞り面を挟んで物体側から第１、第２、像側に第３のそれぞれ単レンズからなり、第１のレンズは、物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズであり、第２のレンズは物体側に凹面を向けた正又は負のメニスカスレンズであり、第３のレンズは両凸レンズであり、前記第２のレンズの物体側面の曲率半径をＲ１、像側面の曲率半径をＲ２とする時、０．５＜Ｒ１／Ｒ２＜２を満たし、前記第２のレンズの物体側面で負のパワーを持たせ、前記像側面に正のパワーを持たせ、全系の焦点距離をｆとする時、全長Ｌと像高Ｈ′は、Ｌ／（Ｈ′×ｆ）≦５を満たす広角レンズ系に係るものである。

本発明によれば、全画角（２ω）が１６０°でレンズ系の焦点距離が１．６２５ｍｍでバックフォーカスが３．８３２００４ｍｍである広角レンズ系に於いて、絞り面を挟んで物体側から第１、第２、像側に第３のそれぞれ単レンズからなり、第１のレンズは、物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズであり、第２のレンズは物体側に凹面を向けた正又は負のメニスカスレンズであり、第３のレンズは両凸レンズであり、前記第２のレンズの物体側面の曲率半径をＲ１、像側面の曲率半径をＲ２とする時、０．５＜Ｒ１／Ｒ２＜２を満たし、前記第２のレンズの物体側面で負のパワーを持たせ、前記像側面に正のパワーを持たせ、全系の焦点距離をｆとする時、全長Ｌと像高Ｈ′は、Ｌ／（Ｈ′×ｆ）≦５を満たす様にしたので、簡単な構成で、広角レンズ系の全長を短くすることができ、小型且つ安価な広角レンズ系とすることができるという優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

本発明に係る広角レンズ系では、前群に正のパワーを適切な形で組込むという構成を有している。

図１は第１の実施の形態に係る広角レンズ系１の構成を示し、図中、２は光軸、３は撮像素子等が配設される像面を示している。

前記光軸２上には絞り４が配設され、又該絞り４より物体側に第１レンズ５、第２レンズ６が配設され、前記第１レンズ５、前記第２レンズ６により前群が構成される。前記絞り４より前記像面３側には第３レンズ７が配設され、該第３レンズ７は後群を構成する。

前群の内、最も物体側に位置する前記第１レンズ５として、物体側に凸面を向けた負のパワーを持つメニスカスレンズを採用し、負のパワーを負担すべき前記第２レンズ６に、物体側に凹面を向け、前記絞り４側に凸面を向けた厚いメニスカスレンズを採用している。

又、後群の前記第３レンズ７は、前記絞り４側、前記像面３側それぞれの面が凸面をした凸レンズとなっている。

前記第２レンズ６の物体側の面で負のパワーを分担し、主光線傾角を小さくすると共に、該第２レンズ６の前記絞り４側の面に正のパワーを持たせることによって、全長の短縮化、大口径化を実現している。尚、前記第２レンズ６自体のパワーは、前記広角レンズ系１全体が要求するパワーとなり、正の場合も負の場合もあり得る。

尚、前記第２レンズ６は、貼合わせ面を持たず、色収差を積極的に補正するエレメントを持たない。

ところで、想定される用途に於いては、一般に像面サイズは小さく、且つ、画角は大きい為、焦点距離の小さな設計のもとで製造され、実用に供される。

ここで、色収差を含む諸収差は、焦点距離に比例する。又、収差の許容量は画像を電子的に取得する場合、撮像素子のサイズ、フィルム等で取得する場合、感光面の乳剤粒子の径のみに依存することが知られている。そこで、適切な硝材、及び樹脂材料を選択することで軸上及び倍率色収差をその素子サイズに適した適切な大きさに低減することができる。

又、図１中に於いて、１１は軸上光線、１２は最軸外光線（画角ω＝８０°)を示している。

又第１の実施の形態に於いて、前記第１レンズ５の物体側面を第１面、前記絞り４側面を第２面、前記第２レンズ６の物体側面を第３面（曲率半径Ｒ１）、前記絞り４側面を第４面（曲率半径Ｒ２）、前記絞り４を第５面、前記第３レンズ７の前記絞り４側面を第６面、前記像面３側面を第７面とすると、前記第２レンズ６の第３面、第４面は非球面、前記第３レンズ７の第６面、第７面は非球面となっている。

第１の実施の形態では、前記第１レンズ５の材質としては硝子、前記第２レンズ６、前記第３レンズ７の材質としては樹脂が用いられている。各レンズの諸元は図２に示され、図中、Ｎは屈折率、νはアッベ数を示している。尚、前記第２レンズ６には樹脂１が用いられ、前記第３レンズ７には樹脂２が用いられ、樹脂１、樹脂２の屈折率は図１７に示されている。

前記第２レンズ６の第３面の曲率をＲ１とし、第４面の曲率をＲ２とすると、Ｒ１／Ｒ２＝１．０１８１３５であり、又、前記広角レンズ系１の焦点距離をｆとすると、ｆ＝１．６２５ｍｍ、全長Ｌ＝１２．５ｍｍ、像高Ｈ′＝２．３ｍｍ、又、Ｌ／（Ｈ′×ｆ）＝１２．５／（２．３×１．６２５）＝３．３４４５である。

又、前記広角レンズ系１に於ける、レンズのＦナンバーをＦ／ｎｏとし、画角、焦点距離、バックフォーカスは図３に示される。更に、レンズの非球面の形状が、光軸方向にｘ、光軸からの離反距離Ｈとして（１式）で表されるとし、レンズ各面の非球面係数Ｒ、Ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃは図４で表される。

ｘ＝Ｈ^２／Ｒ（１＋√［１−（１＋Ｋ）（Ｈ／Ｒ）^２］）＋ＡＨ^４＋ＢＨ^６＋ＣＨ^８ （１式）

上記構成の広角レンズ系１に於ける、球面収差及び正弦条件の収差が図５に示される。

図５に示される様に、球面収差及びコマ収差は望ましく小さい状態で補正されている。

又、非点収差については図６に示されている。尚、図６中、ΔＳはサジタル像面、ΔＭはメリディオナル像面であり、図６に示される様に非点収差及び像面湾曲は望ましく小さい状態で補正されている。

又、歪曲収差については図７に示され、図７に示される様に歪曲は等距離射影の下、望ましく小さい状態で補正されている。

又、図８は、入射光Ｆ１の画角ω＝０（光軸上の光線）、入射光Ｆ２の画角ω＝７０°、入射光Ｆ３の画角ω＝８０°の場合のＭＴＦ特性(空間周波数応答特性)を示している。又、ＲＡＤはＲａｄｉａｌ方向の特性、又、ＴＡＮはｔａｎｇｅｎｔｉａｌ方向の特性を示している。又、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が示すＭＴＦ特性は、それぞれＣ線（波長６５６．２７ｎｍ）、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）、Ｆ線（波長４８６．１３ｎｍ）についてのＭＴＦ特性を、Ｃ線：ｄ線：Ｆ線＝１：２：１で加重平均して示したものである。

このグラフによると、前記広角レンズ系１は、色収差を初めとする諸収差は望ましく小さい状態に補正され、撮像素子の一般的なサイズに対する空間周波数（５０ｌｐ／ｍｍ：１ｍｍ当りの白黒の線の対が５０本を意味する。尚、ｌｐはＬｉｎｅ ｐａｉｒを示す。）に於いて充分な解像力を持つことが見て取れる。

図９は第２の実施の形態に係る広角レンズ系１５の構成を示し、該広角レンズ系１５は第１の実施の形態に於ける広角レンズ系１と同等の構成を有しており、図９中、図１中で示したものと同等のものには同符号を付してある。

又図９中に於いて、１１は軸上光線、１２は最軸外光線（画角ω＝５５°)を示している。

第１レンズ５の物体側面を第１面、絞り４側面を第２面、第２レンズ６の物体側面を第３面（曲率半径Ｒ１）、前記絞り４側面を第４面（曲率半径Ｒ２）、前記絞り４を第５面、第３レンズ７の前記絞り４側面を第６面、像面３側面を第７面とし、前記第２レンズ６の第３面、第４面は非球面、前記第３レンズ７の第６面、第７面は非球面となっている。

第２の実施の形態では、前記第１レンズ５の材質としては硝子、前記第２レンズ６、前記第３レンズ７の材質としては樹脂が用いられている。各レンズの諸元は図１０に示され、図中、Ｎは屈折率、νはアッベ数を示している。尚、前記第２レンズ６には樹脂１が用いられ、前記第３レンズ７には樹脂３が用いられ、樹脂１、樹脂３の屈折率は図１７に示されている。

前記第２レンズ６の第３面の曲率をＲ１とし、第４面の曲率をＲ２とすると、Ｒ１／Ｒ２＝１．４３８０であり、前記広角レンズ系１５の焦点距離をｆとすると、ｆ＝２．３６５ｍｍ、全長Ｌ＝６．３８５ｍｍ、像高Ｈ′＝２．３ｍｍ、又、Ｌ／（Ｈ′×ｆ）＝６．３８５／（２．３×２．３６５）＝１．１７３８である。

又、前記広角レンズ系１に於ける、レンズのＦナンバーをＦ／ｎｏとし、画角、焦点距離、バックフォーカスは図１１に示される。更に、レンズの非球面の形状が、光軸方向にｘ、光軸からの離反距離Ｈとして（１式）で表されるとし、レンズ各面の非球面係数Ｒ、Ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃは図１２で表される。

図１３に示される様に、球面収差及びコマ収差は望ましく小さい状態で補正されている。

又、非点収差については図１４に示されている。尚、図１４中、ΔＳはサジタル像面、ΔＭはメリディオナル像面であり、図１４に示される様に非点収差及び像面湾曲は望ましく小さい状態で補正されている。

又、歪曲収差については図１５に示され、図１５に示される様に歪曲は等距離射影の下、望ましく小さい状態で補正されている。

又、図１６は、入射光Ｆ１の画角ω＝０（光軸上の光線）、入射光Ｆ２の画角ω＝４０°、入射光Ｆ３の画角ω＝５５°の場合のＭＴＦ特性(空間周波数応答特性)を示している。又、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が示すＭＴＦ特性は、それぞれＣ線（波長６５６．２７ｎｍ）、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）、Ｆ線（波長４８６．１３ｎｍ）についてのＭＴＦ特性を、Ｃ線：ｄ線：Ｆ線＝１：２：１で加重平均して示したものである。又、図１６中、ＲＡＤはＲａｄｉａｌ方向のＭＴＦ特性、又、ＴＡＮはｔａｎｇｅｎｔｉａｌ方向のＭＴＦ特性を示している。

このグラフによると、前記広角レンズ系１５は、色収差を初めとする諸収差は望ましく小さい状態に補正され、撮像素子の一般的なサイズに対する空間周波数(５０ｌｐ／ｍｍ：１ｍｍ当りの白黒の線の対が５０本)に於いて充分な解像力を持つことが見て取れる。

上記した様に、第１レンズ５には硝子が使用され、第２レンズ６、第３レンズ７には樹脂が使用されている。前記第２レンズ６、前記第３レンズ７に使用される樹脂硝材１，２，３の特性としては、図１７で示すものが例示され、図１７は６５６．２７ｎｍ（Ｃ線）、５８７．５６ｎｍ（ｄ線）、４８６．１３ｎｍ（Ｆ線）の屈折率を示している。

又、上記第１の実施の形態、第２の実施の形態に於ける広角レンズ系の諸元をまとめると、図１８の通りである。

尚、上記実施の形態に限らず、前記第２レンズ６の第３面の曲率Ｒ１、第４面の曲率Ｒ２は、０．５＜Ｒ１／Ｒ２＜２を満たし、又広角レンズ系１、広角レンズ系１５の全系の焦点距離ｆ、全長Ｌ、像高Ｈ′は、Ｌ／（Ｈ′×ｆ）≦５を満たせばよい。

又、従来では、特許文献１〜３に示す様に、ｆ＝１ｍｍで、Ｌ＝１４ｍｍ程度、像高２．３（１／４′′ＣＣＤ）位が限度であったが、０．５＜Ｒ１／Ｒ２＜２、Ｌ／（Ｈ′×ｆ）≦５を満足させることで、広角レンズ系の全長を短くすることができる。

更に、本発明は、監視カメラ、車載カメラ等に限らず、カメラ付き携帯電話のカメラや、デジタルカメラ、ビデオカメラその他にも適用することができ、小型且つ安価で、又全長の短い広角レンズ系なので装置本体もコンパクトにすることができる。

本発明の第１の実施の形態を示す概略構成図である。 同前第１の実施の形態に於ける各レンズの諸元を示す図である。 同前第１の実施の形態に於ける広角レンズ系の諸元を示す図である。 同前第１の実施の形態に於ける各レンズの非球面形状に関する係数を示す図である。 同前第１の実施の形態に於ける球面収差、正弦条件を示す図である。 同前第１の実施の形態に於ける非点収差を示す図である。 同前第１の実施の形態に於ける歪曲収差を示す図である。 同前第１の実施の形態に於けるＭＴＦ特性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態を示す概略構成図である。 同前第２の実施の形態に於ける各レンズの諸元を示す図である。 同前第２の実施の形態に於ける広角レンズ系の諸元を示す図である。 同前第２の実施の形態に於ける各レンズの非球面形状に関する係数を示す図である。 同前第２の実施の形態に於ける球面収差、正弦条件を示す図である。 同前第２の実施の形態に於ける非点収差を示す図である。 同前第２の実施の形態に於ける歪曲収差を示す図である。 同前第２の実施の形態に於けるＭＴＦ特性を示す図である。 レンズに使用される樹脂材料の屈折率を示す図である。 第１の実施の形態、第２の実施の形態の諸元のまとめを示す図である。

符号の説明

１ 広角レンズ系
２ 光軸
３ 像面
４ 絞り
５ 第１レンズ
６ 第２レンズ
７ 第３レンズ
１１ 軸上光線
１２ 最軸外光線
１５ 広角レンズ系

Claims (1)

1. 全画角（２ω）が１６０°でレンズ系の焦点距離が１．６２５ｍｍでバックフォーカスが３．８３２００４ｍｍである広角レンズ系に於いて、
   絞り面を挟んで物体側から第１、第２、像側に第３のそれぞれ単レンズからなり、第１のレンズは、物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズであり、
   第２のレンズは物体側に凹面を向けた正又は負のメニスカスレンズであり、
   第３のレンズは両凸レンズであり、
   前記第２のレンズの物体側面の曲率半径をＲ１、像側面の曲率半径をＲ２とする時、０．５＜Ｒ１／Ｒ２＜２を満たし、前記第２のレンズの物体側面で負のパワーを持たせ、前記像側面に正のパワーを持たせ、
   全系の焦点距離をｆとする時、全長Ｌと像高Ｈ′は、Ｌ／（Ｈ′×ｆ）≦５を満たすことを特徴とする広角レンズ系。

Images