JP5252842B2 - 撮像レンズ - Google Patents

Description

本発明は、監視用カメラや車載用カメラ等、固体撮像素子を備えた撮像装置に用いられる単焦点の広角な撮像レンズに関する。

監視用カメラや車載用カメラに用いられる撮像レンズには、広画角を確保しながら画面全域で結像性能が良いことが要求される。また、搭載スペースが限られることが多いことなどから小型で軽量であることが要求される。

これらの要望に対応し得る可能性がある単焦点の広角撮像レンズとして、下記の特許文献１、２、３が提案されている。しかしながら、この特許文献１、２に記載される単焦点レンズでは、高い結像性能を持たせるために、ガラス球面レンズが主体でレンズ枚数が６〜７枚と多くなってしまうため、大きさや重量で問題が発生してしまう。また、特許文献３に記載される単焦点レンズは構成レンズの枚数を減らし、小型化、軽量化を図った広角撮像レンズであるが収差補正が充分ではなく、画面全域で高い光学性能面を満足することが出来なかった。
特開２００４−２９２８２号公報 特開２００５−３４５５７７号公報 特開２００３−１９５１６１号公報

本発明は、上記の点に鑑みて成されたものであり、目的とするのは、４枚構成によって高い光学性能を持ちつつ、レンズの形状、非球面の形状等を適切に設定することにより小型、薄型の広角撮像レンズを提供することである。

上記目的を達成するため本発明のレンズは、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有するメニスカスレンズである第１レンズと、少なくとも１面が非球面を持ち、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有するメニスカスレンズである第２レンズと、球面で、物体側に凸面を向けた正の屈折力を有する第３レンズと、開口絞りと、像側に凸面を向けた正の屈折力を有し、少なくとも１面が非球面である第４レンズとの４枚のレンズが配置され、前記第２レンズと前記第４レンズは樹脂材料で、前記第３レンズは硝子材料により形成され、前記第１レンズを構成する材料のｄ線に対するアッベ数が４０以上に、前記第２レンズを構成する材料のｄ線に対するアッベ数が５０以上に、前記第３レンズを構成する材料のｄ線に対するアッベ数が４０以下に、前記第４レンズを構成する材料のｄ線に対するアッベ数が５０以上に、それぞれ設定され、下記条件式（１）乃至（３）を満足することを特徴とする。
−６．５＜ｆ１／ｆ＜−３．０ … （１）
−３．８＜ｆ２／ｆ＜−１．８ … （２）
１．８＜ｆ３／ｆ＜ ４．５ … （３）
ただし、ｆ：レンズ全系の焦点距離、ｆ１：第１レンズの焦点距離、ｆ２：第２レンズの焦点距離、ｆ３：第３レンズの焦点距離である。

好ましくは、上下記条件式（４）を満足することを特徴とする。

１．５＜ｆ４／ｆ＜ ２．５ … （４）
ただし、
ｆ４：第４レンズの焦点距離
上記条件式を超えて、各レンズの焦点距離が極端に大きな値や小さな値を持つと、レンズ系全体でバランスがとれなくなり、小型でかつ広画角を実現しようとすると、収差の補正が困難になるか、もしくは製造困難な形状になってしまう。

好ましくは、全画角が以下の条件式を満足することを特徴とする。

２Ｗ≧１３０度
ただし、
２Ｗ：結像面での最大像高位置に入射する光線の全画角
上記条件を満足することで監視用カメラや車載用カメラとして適切な画角を確保できる。

好ましくは、下記条件式（５）、（６）を満足することを特徴とする。

０．０９＜ｆ／TL＜０．１４ … （５）
０．５０＜ｆ／fb＜０．６０ … （６）
ただし、
ｆ：全系の焦点距離
TL：レンズＬ１の物体側の面から結像面までの距離
fb：レンズＬ４の像側の面から結像面までの距離

本発明によれば、４枚構成によって高い光学性能を持ちつつ、レンズの形状、非球面の形状等を適切に設定することにより小型、薄型で諸収差が良好に補正された広角撮像レンズを提供することができる。その結果、監視カメラや車載用カメラに搭載可能なコンパクトな広角撮像レンズを実現することができる。

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に実施の形態のレンズ構成をそれぞれ光学断面で示す。これらの実施形態は物体側から順に、第１レンズ１１０、第２レンズ１２０、第３レンズ１３０、開口絞り１４０、第４レンズ１５０、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Mental-Oxide Semiconductor device)等の撮像素子１６０が配置される４枚構成の単焦点レンズ１００である。

本発明を実施した撮像レンズで４枚のレンズは、物体側から順に、物体側に凸面を向けて負の屈折力を有することで広い画角を得るのに有利に働くメニスカスレンズである第１レンズ１１０と、物体側に凸面を向けることで小型化に有利で製造難易度も低くした負の屈折力を有するメニスカスレンズである第２レンズ１２０と、物体側に凸面を向けて正の屈折力を有することで収差補正を容易にした第３レンズ１３０と、開口絞り１４０と像側に凸面を向けて正の屈折力を有することで結像面への入射角度を小さくした第４レンズ１５０のように配列されている。

撮像レンズ１００において、物体側ＯＢＪＳ より入射した光は、第１レンズ１１０の物体側Ｒ１面１、像面側Ｒ２面２、第２レンズ１２０の物体側Ｒ３面３、像面側Ｒ４面４、第３レンズ１３０の物体側Ｒ５面５、像面側Ｒ６面６、開口絞り部１４０の面７、第４レンズ１５０の物体側Ｒ７面８、像面側Ｒ８面９、を順次通過し撮像素子１６０へと集光される。

第２レンズ１２０と第４レンズ１５０が樹脂材料で形成されることにより、軽量化や低コスト化が実現できるとともに、非球面形状の作製が容易となる。これらのレンズはそれぞれ少なくとも１面の非球面形状が形成される。非球面形状を持つことにより、収差補正が容易となり、小型でありながら良好な解像性能を得ることが可能となる。

また、樹脂材料で形成される第２レンズ１２０と第４レンズ１５０のパワーの組み合わせを負、正としていることで屈折率の温度特性の相殺が可能となっている。一般に樹脂材料は硝子材料に比べて温度変化による屈折率の変化が大きく、その屈折力は高温で小さく、低温で大きくなる。よって本発明では負、正のレンズをそれぞれ１枚ずつ樹脂材料で構成することにより、この屈折力の変化を打ち消してレンズ全系での焦点距離の変化を小さくし、結果として幅広い温度範囲でも所望の性能を得ることが可能となる。

第３レンズ１３０は硝子材料で形成することにより幅広い分散値の材料を選択でき、結果として倍率の色収差を良好に補正することが可能となる。具体的には、第３レンズ１３０に分散値の高い硝材を用いることで第１レンズ及び第２レンズ１２０で発生した色収差の補正に有利な効果を得ている。

つまり、本発明では第２レンズ１２０と第４レンズ１５０を樹脂材料とすることで軽量化とコスト削減を図り、作製が容易となる非球面形状を形成して収差補正も行う。更にはこれらのレンズのパワーが負、正の組み合わせとなっていることで温度特性も相殺されている。また、第３レンズ１３０を硝子材料として高分散値を選択することで色収差の補正に関しても有効な構成とし、よってトータルで小型・軽量で高い解像性能を持ち、且つ温度特性にも優れた広角レンズを実現している。

なお、以下の数値実施例の中で記載されるレンズの非球面の形状は、物体側から像面側へ向かう方向を正とし、ｋを円錐係数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを非球面係数、ｒを中心曲率半径としたとき次式で表される。ｈは光線の高さ、ｃは中心曲率半径の逆数をそれぞれ表している。ただし、Ｚは面頂点に対する接平面からの深さを、Ａは４次の非球面係数を、Ｂは６次の非球面係数を、Ｃは８次の非球面係数を、Ｄは１０次の非球面係数をそれぞれ表している。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、第１レンズ１１０を構成する材料のｄ線に対するアッベ数が４０以上に、前記第２レンズ１２０を構成する材料のｄ線に対するアッベ数が５０以上に、前記第３レンズ１３０を構成する材料のｄ線に対するアッベ数が４０以下に、前記第４レンズを構成する材料のｄ線に対するアッベ数が５０以上に、それぞれ設定される。開口絞り１４０よりも物体側にあり、負レンズである第１レンズ１１０および第２レンズ１２０はそれらを構成する各材料のアッベ数が大きいほど、第１レンズ１１０および第２レンズ１２０で発生する倍率色収差が小さくなる。また、同じく開口絞り１４０よりも物体側にあり、正レンズである第３レンズ１３０を構成する材料のアッベ数が小さいほど倍率色収差を良好に補正できるためである。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、条件式（１）〜（４）を満足するように構成される。

−６．５＜ｆ１／ｆ＜−３．０ … （１）
−３．８＜ｆ２／ｆ＜−１．８ … （２）
１．８＜ｆ３／ｆ＜ ４．５ … （３）
１．５＜ｆ４／ｆ＜ ２．５ … （４）
ただし、ｆはレンズ全系の焦点距離、ｆ１は第１レンズ１１０の焦点距離、ｆ２は第２レンズ１２０の焦点距離、ｆ３は第３レンズ１３０の焦点距離、ｆ４は第４レンズ１５０の焦点距離である。

（１）の上限値を超えると、負の屈折力が大きくなり、倍率の色収差の補正は容易となるが、第１レンズ像側面の曲率が小さくなりすぎてしまい、製造が難しくなる。下限値を超えると、第１レンズ物体側面の曲率が小さくなるために有効径が大きくなり、レンズ系の小型化が難しくなるとともに、広い画角を得るために必要な負の屈折力を第２レンズ像側面のみで補うことになり、曲率が小さくなりすぎてしまう。（２）の上限値を超えると負の屈折力が強くなるために第２レンズ像側面の曲率が小さくなりすぎてしまう。また、それに伴って第３レンズ物体側面の曲率も小さくなりすぎてしまうために、製造が難しくなる。下限値を超えると、負の屈折力が不足するために倍率の色収差の補正が困難になる。（３）の上限値を超えると、正の屈折力が不足するために倍率の色収差の補正が困難になる。下限値を超えると第３レンズ物体側面の曲率が小さくなりすぎてしまうために、製造が難しくなる。第４レンズの、特に像側面は収差の補正を大きく行なっているため、（４）の上限値を超えると、正の屈折力が小さくなりすぎて、緒収差の補正が困難になる。逆に下限値を超えると、第４レンズ像側面の曲率が小さくなりすぎてしまうために、製造が難しくなる。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、下記の条件式を満足するように構成される。

２Ｗ≧１３０度
ただし、２Ｗは結像面での最大像高位置に入射する光線の全画角である。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、条件式（５）、（６）を満足するように構成される。

０．０９＜ｆ／TL＜０．１４ … （５）
０．５０＜ｆ／fb＜０．６０ … （６）
ただし、ｆは全系の焦点距離、TLはレンズＬ１の物体側の面から結像面までの距離、fbはレンズＬ４の像側の面から結像面までの距離である。

（５）の下限値を超えるとレンズ系が大きくなってしまい、小型化の目的を達成できない。（６）の下限値を超えるとレンズ系の焦点距離に比較してバックフォーカスが長くなりすぎるため、諸収差の補正が難しくなる。（６）の上限値を超えると像面への入射角度が大きくなってしまうために、固体撮像素子を用いることを前提とした本撮像装置では周辺光量の低下を招く原因となってしまう。

以下に、撮像レンズの具体的な数値による実施例１〜５を示す。１〜５の数値実施例において、焦点距離、Fナンバー、画角、像高、レンズ全長、バックフォーカス（BF）は次の表１に記載の通りである。また、同じく１〜５の数値実施例において、条件式（１）〜（６）の数値データは、次の表２に記載の値になる。

＜実施例１＞
実施の形態１におけるレンズ系の基本構成は図２に示され、各数値データ（設定値）は表３、表４に、球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図は図３にそれぞれ示される。

図２に示すように、第１レンズ１１０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズ１２０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第３レンズ１３０は両凸形状、開口絞り１４０の像側に配置される第４レンズ１５０は像側に凸面を向けたメニスカス形状を有する。第２レンズ１２０と第４レンズ１５０はそれぞれ両面に非球面を有する。また、図に示すように第１レンズ１１０の厚さとなるＲ１面１とＲ２面２間の距離をＤ１、第１レンズ１１０のＲ２面２と第２レンズ１２０のＲ３面３までの距離をＤ２、第２レンズ１２０の厚さとなるＲ３面３とＲ４面４間の距離をＤ３、第２レンズ１２０のＲ４面４と第３レンズ１３０のＲ５面５間の距離をＤ４、第３レンズ１３０の厚さとなるＲ５面５とＲ６面６間の距離をＤ５、第３レンズ１３０のＲ６面６と絞り部の面７までの距離をＤ６、絞り部の面７と第４レンズ１５０のＲ７面８間の距離をＤ７、第４レンズ１５０の厚さとなるＲ７面８とＲ８面９間の距離をＤ８とする。

表３は、実施例１における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎd、および分散値νdを示している。表３中で面番号に＊がついている面は非球面形状となっていることを示す。表４は、所定面の非球面係数を示している。

数値実施例１

図３は、実施例１において、図３（Ａ）が球面収差を、図３（Ｂ）が非点収差を、図３（Ｃ）が歪曲収差をそれぞれ示している。図３（Ｂ）、（Ｃ）の縦軸は半画角ωを表し、図３（Ｂ）中、実線Ｍはメリディオナル像面の値、破線Ｓはサジタル像面の値をそれぞれ示している（図５、７、９、１１においても同様である）。図３からわかるように、実施例１によれば、球面、歪曲、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。

＜実施例２＞
実施の形態２におけるレンズ系の基本構成は図４に示され、各数値データ（設定値）は表５、表６に、球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図は図５にそれぞれ示される。

この実施例２における撮像レンズは広画角の光学系で起こりやすい周辺部での歪みを小さくするために、特に歪曲収差をよく補正することを目的に設計されている。

図４に示すように、第１レンズ１１０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズ１２０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第３レンズ１３０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞り１４０の像側に配置される第４レンズ１５０は両凸形状を有する。第２レンズ１２０と第４レンズ１５０はそれぞれ両面に非球面を有し、特に第４レンズの像側面９は周辺で曲率の正負が逆転する変曲点を持つ。

表５は、実施例２における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎd、および分散値νdを示している。表６は、所定面の非球面係数を示している。

数値実施例２

図５は、実施例２において、図５（Ａ）が球面収差を、図５（Ｂ）が非点収差を、図５（Ｃ）が歪曲収差をそれぞれ示している。図５からわかるように、実施例２によれば、球面、非点の諸収差が良好に補正され、特に広画角のレンズとしては歪曲収差がよく補正された結像性能に優れた撮像レンズが得られる。

＜実施例３＞
実施の形態３におけるレンズ系の基本構成は図６に示され、各数値データ（設定値）は表７、表８に、球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図は図７にそれぞれ示される。

この実施例３における撮像レンズは小型化、特に光学全長を短くすることを目的に設計されている。

図６に示すように、第１レンズ１１０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズ１２０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第３レンズ１３０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞り１４０の像側に配置される第４レンズ１５０は両凸形状を有する。第２レンズ１２０と第４レンズ１５０はそれぞれ両面に非球面を有する。

表７は、実施例３における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎd、および分散値νdを示している。表８は、所定面の非球面係数を示している。

数値実施例３

図７は、実施例３において、図７（Ａ）が球面収差を、図７（Ｂ）が非点収差を、図７（Ｃ）が歪曲収差をそれぞれ示している。図７からわかるように、実施例３によれば、球面、歪曲、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。

＜実施例４＞
実施の形態４におけるレンズ系の基本構成は図８に示され、各数値データ（設定値）は表９、表１０に、球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図は図９にそれぞれ示される。

この実施例４における撮像レンズは小型化、特に光学全長を短くすることを目的に設計されている。

図８に示すように、第１レンズ１１０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズ１２０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第３レンズ１３０は両凸形状、開口絞り１４０の像側に配置される第４レンズ１５０は像側に凸面を向けたメニスカス形状を有する。第２レンズ１２０と第４レンズ１５０はそれぞれ両面に非球面を有する
表９は、実施例４における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎd、および分散値νdを示している。表１０は、所定面の非球面係数を示している。

数値実施例４

図９は、実施例４において、図９（Ａ）が球面収差を、図９（Ｂ）が非点収差を、図９（Ｃ）が歪曲収差をそれぞれ示している。図９からわかるように、実施例４によれば、球面、歪曲、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。

＜実施例５＞
実施の形態５におけるレンズ系の基本構成は図１０に示され、各数値データ（設定値）は表１１、表１２に、球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図は図１１にそれぞれ示される。

この実施例４における撮像レンズは小型化、特にレンズの最大有効径を小さくすることを目的に設計されている。

図１０に示すように、第１レンズ１１０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズ１２０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第３レンズ１３０は両凸形状、開口絞り１４０の像側に配置される第４レンズ１５０は両凸形状を有する。第２レンズ１２０と第４レンズ１５０はそれぞれ像側の面に非球面を有し、特に第４レンズの像側面９は周辺で曲率の正負が逆転する変曲点を持つ。

表１１は、実施例５における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎd、および分散値νdを示している。表１２は、所定面の非球面係数を示している。

数値実施例５

図１１は、実施例５において、図１１（Ａ）が球面収差を、図１１（Ｂ）が非点収差を、図１１（Ｃ）が歪曲収差をそれぞれ示している。図１１からわかるように、実施例５によれば、球面、歪曲、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。

本実施形態の撮像レンズの基本構成を示す図である。 本実施形態において、撮像レンズの絞り部、各レンズに対して付与した面番号を示す図である。 実施例１ において、球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図である。 実施例２ において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例２ において、球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図である。 実施例３ において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例３ において、球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図である。 実施例４ において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例４ において、球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図である。 実施例５ において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例５ において、球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図である。

符号の説明

１００，１００Ａ〜１００Ｅ・・・撮像レンズ
１１０ ・・・第１レンズ
１２０ ・・・第２レンズ
１３０ ・・・第３レンズ
１４０ ・・・開口絞り部
１５０ ・・・第４レンズ
１６０ ・・・結像面

Claims (4)

1. 物体側から順に、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有するメニスカスレンズである第１レンズと、少なくとも１面が非球面を持ち、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有するメニスカスレンズである第２レンズと、球面で、物体側に凸面を向けた正の屈折力を有する第３レンズと、開口絞りと、像側に凸面を向けた正の屈折力を有し、少なくとも１面が非球面である第４レンズとの４枚のレンズが配置され、
   記第２レンズと前記第４レンズは樹脂材料で、前記第３レンズは硝子材料により形成され、
   前記第１レンズを構成する材料のｄ線に対するアッベ数が４０以上に、前記第２レンズを構成する材料のｄ線に対するアッベ数が５０以上に、前記第３レンズを構成する材料のｄ線に対するアッベ数が４０以下に、前記第４レンズを構成する材料のｄ線に対するアッベ数が５０以上に、それぞれ設定され、
   下記条件式（１）乃至（３）を満足することを特徴とする撮像レンズ。
   −６．５＜ｆ１／ｆ＜−３．０ … （１）
   −３．８＜ｆ２／ｆ＜−１．８ … （２）
   １．８＜ｆ３／ｆ＜ ４．５ … （３）
   ただし、
   ｆ：レンズ全系の焦点距離
   ｆ１：第１レンズの焦点距離
   ｆ２：第２レンズの焦点距離
   ｆ３：第３レンズの焦点距離
2. 下記条件式（４）を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。
   １．５＜ｆ４／ｆ＜ ２．５ … （４）
   ただし、
   ｆ４：第４レンズの焦点距離
3. 前記撮像角レンズにおける全画角が、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１もしくは２のいずれかに記載の撮像レンズ。
   ２Ｗ≧１３０度
   ただし、
   ２Ｗ：結像面での最大像高位置に入射する光線の全画角
4. 下記条件式（５）、（６）を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の撮像レンズ。
   ０．０９＜ｆ／TL＜０．１４ … （５）
   ０．５０＜ｆ／fb＜０．６０ … （６）
   ただし、
   ｆ：全系の焦点距離
   TL：レンズＬ１の物体側の面から結像面までの距離
   fb：レンズＬ４の像側の面から結像面までの距離

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