JP5211218B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、被写体を受光面上に結像させる超広角の撮像レンズとして使用される光学装置に関する。

車戴用や監視用のカメラなどの分野において、広い視野を包括する広角レンズが使用されている。また、画像処理の進展に伴い、リアルタイムで画像の歪みを補正して、さらに広い視野を有することのできる超広角レンズに対するニーズが高まっている。その中で、設置スペースの問題、画像素子の高解像化、色々な分野への普及などに伴い、小型・高解像・安価といった条件を満たす光学装置が要求されている。

このような光学系に求められる具体的要件として，次のような項目があげられる。
・安価（少ないレンズ枚数・樹脂レンズの利用・成形し易さ・組立て易さ）
・明るい（小さなＦｎｏ）
・コンパクト（全長・レンズ径）
・広い視野（場合によって１８０度を超える大きな画角）
・高解像度（基本的な収差が良好に補正されていること）
・必要に応じた射影方式（等角射影，立体射影等）

このような条件を満足する光学装置を、少ないレンズ枚数の構成で実現できれば、様々な分野への適用が可能となる。

図１２は、以下の特許文献１に記載されている超広角レンズの断面図である。この超広角レンズは、大きな画角を包括し且つ比較的枚数の少ないレンズ系で構成されているものであり、前群のレンズ群と後群のレンズ群とで構成されている。ただし、レンズ系を構成する全てのレンズが、硝子レンズであり、且つ球面レンズであるため、９０°を超える画角への対応が困難であり、等角射影・立体射影等の画面周辺での圧縮率の小さな射影方式を実現することが難しい。

図１３は、以下の特許文献２に記載されている超広角光学系の断面図である。この超広角光学系は、非球面レンズを導入することで前記特許文献１に記載のような光学系の問題点の解決を意図しようとしている。しかしながら、前群のレンズ群のパワーが相対的に強く（後群のレンズ群の倍率が大きく）設定されているため、画角が９０°以下の場合は問題ないが、樹脂製のレンズを利用しながらさらに大きな画角を狙った場合に、温度変化による焦点移動が大きくなってしまうのみならず、前群と後群の収差のバランスも悪化する。

図１４は、以下の特許文献３に記載の広角レンズの断面図である。これも特許文献１の構成を基本とし、非球面レンズを導入したものである。この広角レンズは、特許文献２に記載のものとは逆に、前群のパワーが相対的に弱く、大きな画角には不向きである。また，樹脂を利用した場合，温度変化による焦点移動が大きくなってしまう。

特開平０４―０６８３０７号公報 特開２００５―２２１９２０号公報 特開２００３―２３２９９８号公報

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、少ない枚数で１８０°を超えるような大きな画角にも対応可能であるとともに，樹脂レンズを積極的に利用することで、周辺での圧縮率の小さな射影方式（等角射影，立体射影等）を実現でき、さらに、温度変化による焦点移動が小さく、安価でコンパクトな超広角レンズとして使用される光学装置を提供するものである。

本発明は、物体側より複数のレンズから成る前群（Ｉ）と、複数のレンズから成る後群（ＩＩ）とが配置された光学装置において、
前記前群（Ｉ）は、物体側から順に、物体側が凸のメニスカスレンズである負の第１レンズ（１）と、物体側よりも像側に強い曲率を有する負の第２レンズ（２）とから成り、前記第１レンズ（１）が硝子レンズで、前記第２レンズ（２）が樹脂製の非球面レンズであり、
前記後群（ＩＩ）は、物体側から順に、両凸の正の第３レンズ（３）と、開口絞り（Ｓ）と、物体側よりも像側に強い曲率を有する負の第４レンズ（４）と両凸の正の第５レンズ（５）とが密着した組み合わせレンズと、前記第５レンズ（５）の像側に位置する樹脂製の非球面レンズである正の第６レンズ（６）とから成っており、
全系の焦点距離をｆ、前記第１レンズ（１）の焦点距離をｆ１、前記第２レンズの焦点距離をｆ２、前記前群（Ｉ）の焦点距離をｆＩ、前記第６レンズ（６）の焦点距離をｆ６としたときに、以下の（１）（２）および（７）を満足することを特徴とするものである。
−２.４＜ｆＩ／ｆ＜−１.５５・・・・（１）
０.１５＜ｆ２／ｆ１＜０.３５・・・・（２）
４＜ｆ６／ｆ・・・・・・・・・・・・（７）

また、本発明は、前記第３レンズ（３）および前記第４レンズ（４）の平均のアッベ数をｖａ、その他の全てのレンズの平均アッベ数をｖｂとしたときに、以下の（３）（４）を満足するものが好ましい。
ｖａ＜２９・・・・（３）
ｖｂ＞５０・・・・（４）

さらに本発明は、前記第３レンズ（３）の焦点距離をｆ３としたときに、以下の（５）を満足するものである。
−３．４＜ｆ３／ｆＩ＜−１．４・・・・（５）

前記第６レンズ（６）が設けられているため、本発明は、前記第４レンズ（４）の焦点距離をｆ４、前記後群（ＩＩ）の焦点距離ｆＩＩとしたときに、以下の（８）を満足することが好ましい。
−１．２＜ｆ４／ｆＩＩ＜−０．５・・・・（８）

さらに本発明は、前群Ｉで生じる温度による焦点移動をΔＩ、後群ＩＩの縦倍率α（βＩＩ×βＩＩ）、後群ＩＩで生じる焦点移動をΔＩＩ、使用波長とＦｎｏから決まる焦点深度をＤＦとしたときに、以下の（９）を満足することが好ましい。
ΔＩ×α＋ΔＩＩ＜ＤＦ・・・・・（９）

本発明は、少ない枚数で１８０°を超えるような大きな画角にも対応可能であるとともに，樹脂レンズを積極的に利用することで、周辺での圧縮率の小さな射影方式（等角射影，立体射影等）を実現でき、さらに、温度変化による焦点移動が小さく、安価でコンパクトに構成できる。

本発明の実施例１，２，３，４，５，６の光学装置の断面図である。 （Ａ）（Ｂ）は、実施例１の非点収差と歪曲の収差図である。 本発明の参考例の光学装置の断面図である。 （Ａ）（Ｂ）は、参考例１の非点収差と歪曲の収差図である。 （Ａ）（Ｂ）は、実施例２の非点収差と歪曲の収差図である。 （Ａ）（Ｂ）は、参考例２の非点収差と歪曲の収差図である。 （Ａ）（Ｂ）は、実施例３の非点収差と歪曲の収差図である。 （Ａ）（Ｂ）は、参考例３の非点収差と歪曲の収差図である。 （Ａ）（Ｂ）は、実施例４の非点収差と歪曲の収差図である。 （Ａ）（Ｂ）は、実施例５の非点収差と歪曲の収差図である。 （Ａ）（Ｂ）は、実施例６の非点収差と歪曲の収差図である。 従来技術を説明する断面図である。 従来技術を説明する断面図である。 従来技術を説明する断面図である。

図１は本発明の実施例１ないし実施例６の光学装置を示す断面図であり、図３は参考例の光学装置を示す断面図である。これらの光学装置は、前群Ｉと後群ＩＩとから成る超広角レンズ群と、撮像素子８とを有する撮像装置である。

図１と図３では、光学装置の光軸をＯ１−Ｏ２で示しており、Ｏ１側が物体側であり、Ｏ２側が像側である。

図１に示す光学装置は、物体側から２枚のレンズで構成された前群Ｉと、複数枚のレンズで構成された後群ＩＩとを有しており、物体側より入射する光束は、前群Ｉと後群ＩＩの各レンズを通過し、像側に位置する撮像素子８の受光面に結像される。後群ＩＩと撮像素子８との間には、必要に応じてカバー硝子７が設けられ、あるいはローパスフィルタなどが設けられる場合もある。

前記前群Ｉは、物体側（Ｏ１側）から順番に、硝子レンズであって物体側が凸のメニスカスレンズである負の第１レンズ１と、物体側（Ｏ１側）よりも像側（Ｏ２側）に強い曲率を有する樹脂製の負の第２レンズ２とを有している。前記後群ＩＩは、物体側から順番に、両凸の正の第３レンズ３と、開口絞りＳと、さらに開口絞りＳよりも像側に位置する組み合わせレンズを有している。前記組み合わせレンズは、物体側よりも像側に強い曲率を有する負の第４レンズ４と、両凸の正の第５レンズ５とが密着し、且つ貼り合わせて構成されている。前記後群ＩＩは、前記第５レンズ５よりも像側に、樹脂製のレンズである正の第６レンズ６が配置されている。

物体側に設けられる複数の負レンズから構成される前記前群Ｉは、物体側から入射する大きな画角の入射光束を小さな角度に変換して、目的の射影方式を実現する役割を持つ。最も物体側に位置する負の第１レンズ１は、物体側から入射する超広角の光束を包括し且つ余分な収差の発生を抑えるために、メニスカスレンズであることが必要である。第１レンズ１の材質としては硝子であることが望ましい。これは、９０°を越えるような画角の場合、その物体側にカバーを設けるのが事実上困難であり、光学装置の耐久性や耐久性を保つために重要である。

前記第２レンズ２は、目的の射影方式を実現し、凹レンズ群である前群Ｉにおいて特有の収差を補正するための自由度を持たせるために非球面レンズであることが望ましい。同時にそれを安価に実現するために樹脂を採用している。また、第２レンズ２の形状は、収差を補正するために、物体側よりも像側に強い曲率を有することが必要である。なお、本明細書での強い曲率とは、曲率が大きいこと（曲率半径が小さいこと）を意味している。

前記前群Ｉでは、第１レンズ１の焦点距離をｆ１、第２レンズ２の焦点距離をｆ２、両方の合成焦点距離すなわち前群Ｉの焦点距離をｆＩ、前群Ｉと後群ＩＩの全系の焦点距離をｆとしたときに、
−２.４０＜ｆＩ／ｆ＜−１.５５・・・・（１）
０.１５＜ｆ２／ｆ１＜０.３５・・・・・（２）
を満足することが望ましい。

前記（１）（２）の条件は、大きな画角を実現するとともに、温度変化による影響を少なくし、収差を良好に保ち、圧縮率の小さな射影方式を実現するために必要である。

条件（２）は、第１レンズ１と第２レンズ２の焦点距離の比を決めるものである。条件（２）の下限以下であると、樹脂製である第２レンズ２のパワー（倍率）が相対的に強くなるため、温度変化による前群Ｉの焦点移動が大きくなり、後群ＩＩによる温度補償が難しくなる。条件（２）の上限以上であると、前記特許文献２に示される従来例のように、第１レンズ１のパワーが相対的に強くなり、メニスカスレンズである負レンズ１の像側の曲率が強くなるため、加工が難しく高価なレンズとなる。また、樹脂で形成されている第２レンズ２のパワーが相対的に弱くなるため、前群Ｉの温度変化による焦点移動は小さくなるが、後群ＩＩも同様に焦点移動を小さくする必要が生じ、後群ＩＩでの樹脂レンズの利用枚数が限定される。

前記条件（１）は、全系の焦点距離に対する前群Ｉの焦点距離の比を定めるものであり、後群ＩＩの倍率βＩＩを決定する条件でもある。条件（１）の下限以下であると、前記特許文献３に示される従来例のように、前群Ｉのパワーが相対的に弱くなり広角化が難しくなる。条件（１）の上限以上であると、前記特許文献２に記載の従来例のように、前群Ｉのパワーが相対的に強くなり過ぎ（後群ＩＩの倍率βＩＩが大きくなる）、収差補正上不利となる。また、樹脂の第２レンズ２のパワーも強くなることから、温度変化による前群Ｉの焦点移動が大きくなるとともに、大きな倍率の後群ＩＩによって更に拡大されるため、全体として収差補正と温度補償のバランスを保つことが困難になる。

以上の構成を持つレンズ系において、温度補償を効果的に実現するためには、前群Ｉで生じる温度による焦点移動をΔＩ、後群ＩＩの縦倍率α（βＩＩ×βＩＩ）、後群ＩＩで生じる焦点移動をΔＩＩ、使用波長とＦｎｏから決まる焦点深度をＤＦとしたときに、
ΔＩ×α＋ΔＩＩ＜ＤＦ・・・・・（９）
であることが必要である。

前記各条件（１）（２）（９）は、温度補償の要件を満たしつつ、且つ第２レンズ２を樹脂レンズとして、系全体の焦点移動を許容範囲に抑えながら、９０°を超える半画角を可能にするために重要な条件となっている。

さらに、前記条件（１）（２）（９）を満足することで、後群ＩＩでの積極的な樹脂レンズの使用が可能となる。例えば、第３レンズ３を樹脂レンズとすること、組み合わせレンズを構成している第４レンズ４と第５レンズ５の両方とも樹脂とすること、あるいは、図１に示すように、樹脂レンズである第６レンズ６を追加することが可能である。もちろん、後群ＩＩを全て硝子レンズで構成することも可能であるが、後群ＩＩの全てを樹脂レンズで構成することは、温度補償上困難である。

図１に示すように、後群ＩＩの像側に、樹脂レンズである第６レンズ６が設けられている場合に、系全体での温度補償をうまく行うために、
４＜ｆ６／ｆ・・・・・（７）
を満たすことが望ましい。

条件（７）の下限以下であると、後群ＩＩに追加した第６レンズ６による温度変化が大きくなりすぎて、前群Ｉとの温度補償が困難となる。また、樹脂レンズである第６レンズ６を使用することを前提とする場合には、後群ＩＩの残りのレンズ全てを硝子で構成することが可能である。あるいは、第６レンズ６と第３レンズ３を樹脂とし、他の後群ＩＩのレンズを硝子レンズとすること、または、第６レンズ６および第４レンズ４と第５レンズ５の双方を樹脂とし、他の後群ＩＩのレンズを硝子レンズとすることなどの組み合わせが可能である。

次に、色収差の補正に関して説明する。前群Ｉによって発生する色収差は、基本的には後群ＩＩの最も物体側に設けられた両凸の第３レンズ３によって補正されるため、第３レンズ３は、アッベ数の小さな材料で形成されることが必要である。

色補正の意味からは、前記第３レンズ３を前群Ｉに属するものとして分類してもよいが、負レンズ群で構成される前群Ｉのパワーの条件を明確にするため、本明細書では、負レンズ群を前群Ｉとし、第３レンズ３は後群ＩＩに含めている。次に、後群ＩＩにおいて、開口絞りＳより像側に位置するレンズによって発生する色収差は、最も開口絞りＳに近い負の第４レンズ４により基本的に補正される。そのため、第４レンズ４も、同様にアッベ数の小さな材料で形成されることが必要である。

系全体の色収差の補正のために、第３レンズ３と第４レンズ４のアッベ数の平均値ｖａは、
ｖａ＜２９・・・・・（３）
を満たすことが必要である。それと反対の理由により、前群Ｉの第１レンズ１と第２レンズ２、および、後群ＩＩに含まれる正レンズのアッベ数の平均値、すなわち第３レンズ３と第４レンズ４以外の全てのレンズのアッベ数の平均値ｖｂは、
ｖｂ＞５０・・・・・（４）
を満たすことが必要となる。

前記条件（３）（４）の限界以上であると、前群Ｉおよび後群ＩＩの色収差補正の残存量が大きくなり。系全体としての色収差補正が困難となる。

次に、第３レンズ３の焦点距離に関しては、第３レンズ３の焦点距離をｆ３としたときに、
−３．４＜ｆ３／ｆＩ＜−１．４・・・・（５）
また、図１に示すように、後群ＩＩに樹脂レンズである第６レンズ６が使用されている場合には、第４レンズの焦点距離をｆ４とし、後群ＩＩの焦点距離をｆＩＩとしたときに、
−１．２＜ｆ４／ｆＩＩ＜−０．５・・・・（８）
を満たすことが望ましい。

図３に示す参考例の光学装置は、図１に示す光学装置において、第６レンズ６を使用していないものである。このように、第６レンズ６を使用しない場合、
−１．６＜ｆ４／ｆＩＩ＜−１．１・・・・（６）
を満たすことが望ましい。

前記後群ＩＩでは、収差補正の必要上、非球面レンズを含むことが望ましい。それはコストを考えると樹脂の利用が望ましいが、これまで述べた理由から、様々な配置上のバリエーションに基づいて、後群ＩＩに樹脂レンズを積極的に導入することが可能である。このようにして導入可能とされた樹脂レンズを非球面レンズとすることで、必要な光学特性の自由度の確保が可能となる。中でも、開口絞りＳより像側に位置するレンズを非球面レンズとすることが望ましく、さらには、最も像側に非球面レンズを含むことが有利である。

次に、本発明の実施例を説明する。以下の実施例では、少なくとも１つのレンズの光学面を非球面としている。非球面の方程式は以下の数１に示される。ただし、本発明は、数１の式で表される非球面に限定される訳ではない。

数１のｚは、非球面の頂点と接する基準平面からの光軸方向の面深さである。ｃは光学面の曲率半径Ｒの逆数、ｈは面の光軸からの高さを表している。ｋは２次曲面を表す円錐定数、Ａ₄〜Ａ₂₆は非球面補正係数である。

以下では、表７に示すように、全ての実施例が水平画角１９０°（半画角９５°）の例となっている。

なお、図１および図３ならびに表１ないし表７に記載されている各符号の説明は以下の通りである。

Ｒ１，Ｒ２・・・：各レンズ面の曲率半径（ｍｍ）
Ｄ１，Ｄ２・・・：各レンズ面の光軸上での厚み、または各レンズ間の光軸上での距離、あるいはレンズと開口絞りＳとの光軸上での距離、あるいはレンズとカバー硝子７との光軸上での距離、カバー硝子と撮像素子８との光軸上での距離（ｍｍ）、
Ｎ１，Ｎ２・・・：各レンズおよびカバー硝子７の相対屈折率
ｖ１，ｖ２・・・：各レンズおよびカバー硝子７のアッベ数
Ｈ１：光学装置の光軸Ｏ１−Ｏ２と直交する方向での最大高さ（ｍｍ）
全長：光学装置の光軸Ｏ１−Ｏ２方向の全長（ｍｍ）

以下の表１は、実施例１と実施例２および参考例１の構成を示している。実施例１と実施例２は、図１に示すように第６レンズ６を付加した構成であり、参考例１は、図３に示すように、第６レンズを使用していない。

実施例１では、第２レンズ２と第６レンズ６が樹脂レンズ、参考例１では、第２レンズ２、第４レンズ４および第５レンズ５が樹脂レンズ、実施例２では、第２レンズ２、第４レンズ４、第５レンズ５および第６レンズ６が、それぞれ樹脂であり、その他のレンズは硝子レンズである。

また、実施例１と実施例２ならびに参考例１およびその他の実施例と参考例の各条件は、表７に一覧表として示されている。

図２（Ａ）は実施例１の非点収差の曲線図、図２（Ｂ）は実施例１の歪曲収差の曲線図である。図４（Ａ）は参考例１の非点収差の曲線図、図４（Ｂ）は参考例１の歪曲収差の曲線図である。図５（Ａ）は実施例２の非点収差の曲線図、図５（Ｂ）は実施例２の歪曲収差の曲線図である。

表２は、実施例１と実施例２および参考例１の、各光学面の非球面係数を表す一覧表である。非球面の光学面を有するレンズは、樹脂レンズである。なお、表２において、非球面係数が示されていない光学面は、球面であり、また硝子レンズの光学面は全て球面である。

表３は、実施例３および参考例２，３の構成パラメータを示している。実施例３は、図１に示すように第６レンズ６を付加した構成であり、参考例２と参考例３は、図３に示すように、第６レンズを使用していない。

参考例２では、第レンズ２と第３レンズ３が樹脂レンズ、実施例３では第２レンズ２、第３レンズ３および第６レンズ６が樹脂レンズ、参考例３では第２レンズ２が樹脂である。その他は、硝子レンズである。

図６（Ａ）は参考例２の非点収差の曲線図、図６（Ｂ）は参考例２の歪曲収差の曲線図である。図７（Ａ）は実施例３の非点収差の曲線図、図７（Ｂ）は実施例３の歪曲収差の曲線図である。図８（Ａ）は参考例３の非点収差の曲線図、図８（Ｂ）は参考例３の歪曲収差の曲線図である。

表４は、実施例３および参考例２，３における非球面の非球面係数を示している。なお、参考例３では、第５レンズが硝子レンズでありその光学面Ｒ１０が非球面である。表４に非球面係数が示されていない光学面は球面である。

次に、表５は実施例４ないし６の構成パラメータを示す一覧表である。全ての実施例で、第２レンズ２と第６レンズ６が樹脂レンズであり、その他のレンズは硝子レンズである。実施例４ないし実施例６は全て、図１に示すように、第６レンズ６を有している。

図９（Ａ）は実施例４の非点収差の曲線図、図９（Ｂ）は実施例４の歪曲収差の曲線図である。図１０（Ａ）は実施例５の非点収差の曲線図、図１０（Ｂ）は実施例５の歪曲収差の曲線図である。図１１（Ａ）は実施例６の非点収差の曲線図、図１１（Ｂ）は実施例６の歪曲収差の曲線図である。

表６は、実施例４ないし６に対応する非球面係数を示す一覧表である。実施例４ないし６では、樹脂レンズである第２レンズ２と第６レンズ６が非球面レンズであり、その他の硝子レンズは球面レンズである（表６に非球面係数が示されていない光学面は球面である）。

表７は各実施例と参考例での条件式に関する一覧表である。前群Ｉの温度変化による焦点移動を表すΔＩ、後群ＩＩの温度変化による焦点移動を示すΔＩＩ、およびΔＩ、ΔＩＩを使用した式は、温度が−３０℃から８０℃まで変化したときの焦点位置の変化分を示している。

Ｓ 開口絞り
１ 負の第１レンズ
２ 負の第２レンズ
３ 正の第３レンズ
４ 負の第４レンズ
５ 正の第５レンズ
６ 正の第６レンズ
７ カバー硝子
８ 撮像素子

Claims (5)

1. 物体側より複数のレンズから成る前群（Ｉ）と、複数のレンズから成る後群（ＩＩ）とが配置された光学装置において、
   前記前群（Ｉ）は、物体側から順に、物体側が凸のメニスカスレンズである負の第１レンズ（１）と、物体側よりも像側に強い曲率を有する負の第２レンズ（２）とから成り、前記第１レンズ（１）が硝子レンズで、前記第２レンズ（２）が樹脂製の非球面レンズであり、
   前記後群（ＩＩ）は、物体側から順に、両凸の正の第３レンズ（３）と、開口絞り（Ｓ）と、物体側よりも像側に強い曲率を有する負の第４レンズ（４）と両凸の正の第５レンズ（５）とが密着した組み合わせレンズと、前記第５レンズ（５）の像側に位置する樹脂製の非球面レンズである正の第６レンズ（６）とから成っており、
   全系の焦点距離をｆ、前記第１レンズ（１）の焦点距離をｆ１、前記第２レンズの焦点距離をｆ２、前記前群（Ｉ）の焦点距離をｆＩ、前記第６レンズ（６）の焦点距離をｆ６としたときに、以下の（１）（２）および（７）を満足することを特徴とする光学装置。
   −２.４＜ｆＩ／ｆ＜−１.５５・・・・（１）
   ０.１５＜ｆ２／ｆ１＜０.３５・・・・（２）
   ４＜ｆ６／ｆ・・・・・・・・・・・・（７）
2. 前記第３レンズ（３）および前記第４レンズ（４）の平均のアッベ数をｖａ、その他の全てのレンズの平均アッベ数をｖｂとしたときに、以下の（３）（４）を満足する請求項１記載の光学装置。
   ｖａ＜２９・・・・（３）
   ｖｂ＞５０・・・・（４）
3. 前記第３レンズ（３）の焦点距離をｆ３としたときに、以下の（５）を満足する請求項１または２に記載の光学装置。
   −３．４＜ｆ３／ｆＩ＜−１．４・・・・（５）
4. 前記第４レンズ（４）の焦点距離をｆ４、前記後群（ＩＩ）の焦点距離ｆＩＩとしたときに、以下の（８）を満足する請求項１ないし３のいずれかに記載の光学装置。
   −１．２＜ｆ４／ｆＩＩ＜−０．５・・・・（８）
5. 前群Ｉで生じる温度による焦点移動をΔＩ、後群ＩＩの縦倍率α（βＩＩ×βＩＩ）、後群ＩＩで生じる焦点移動をΔＩＩ、使用波長とＦｎｏから決まる焦点深度をＤＦとしたときに、以下の（９）を満足する請求項１ないし４のいずれかに記載の光学装置。
   ΔＩ×α＋ΔＩＩ＜ＤＦ・・・・・（９）

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