JP6111798B2 - 結像レンズおよび撮像システム - Google Patents

Description

この発明は、結像レンズおよび撮像システムに関する。

撮像システムとしては、従来から被写体を撮影する撮影カメラが広く知られている。

近来、被写体を撮影し、撮影画像に対して画像処理を行う撮像システムが種々実用化されつつある。

例えば、有限距離の被検物を被写体として、高精細に検査するための撮像システムが知られている。

上記各種の撮像システムに用いられ、被写体の撮影を行う結像レンズとして、明るく、コンパクトなものが求められている。

特許文献１には、レンズ７枚で構成され、Ｆナンバが１．５より小さい明るくコンパクトな結像レンズが開示されている。

特許文献１の結像レンズは、フォーカシングの方式がインナフォーカスであり、レンズ系内部のレンズを変位させてフォーカシングを行う。

インナフォーカス方式には、方式に特有の利点があることは勿論であるが、フォーカシングのための機構は複雑となり易い。

また、特許文献１記載の結像レンズは、歪曲収差がやや大きい。

この発明は、明るく、コンパクトで、歪曲収差を初めとする諸収差が良好に補正された結像レンズの実現を課題とする。

この発明の結像レンズは、物体側から像側へ向かって順次、正の屈折力の第１レンズ群、開口絞り、正の屈折力の第２レンズ群を配してなり、第１レンズ群は、物体側から像側へ向かって順次、正レンズＬ１１、物体側が凸面である負メニスカスレンズＬ１２を配してなり、第２レンズ群は、物体側から像側へ向かって順次、物体側が凹面である負レンズＬ２１、像側が凸面である正レンズＬ２２および正レンズＬ２３、物体側が凸面である負メニスカスレンズＬ２４と、物体側が凸面である正レンズＬ２５を配してなり、第２レンズ群の正レンズＬ２３の焦点距離：ｆ２３、全系の焦点距離：ｆが、条件：
（６） １．３＜ｆ２３／ｆ＜１．７
を満足し、且つ、無限遠物体から有限距離物体へのフォーカシングを、全体繰出しにより行うことを特徴とする。

この発明の結像レンズは、上記の如く第１レンズ群が２枚のレンズにより構成され、第２レンズ群が５枚のレンズで構成される。

従って、全系はレンズ７枚で構成され、コンパクトである。

また、フォーカシングを「全体繰出し」により行うので、フォーカシングの機構が簡素ですむ。

また、全体繰出しに依るフォーカシングと上記レンズ構成とにより、歪曲収差を初めとする諸収差の良好な補正が可能である。

実施例１の結像レンズのレンズ構成を示す図である。 実施例２の結像レンズのレンズ構成を示す図である。 実施例３の結像レンズのレンズ構成を示す図である。 実施例４の結像レンズのレンズ構成を示す図である。 実施例１の結像レンズの収差曲線図である。 実施例２の結像レンズの収差曲線図である。 実施例３の結像レンズの収差曲線図である。 実施例４の結像レンズの収差曲線図である。 撮像システムであるカメラ装置の外観図である。 カメラ装置のシステム構造例を示すブロック図である。

以下、実施の形態を説明する。

図１〜図４に、この発明の結像レンズの実施の形態を４例示す。これら４例の結像レンズは、後述する具体的な実施例１〜４に上記順序で対応している。

繁雑を避けるため、これら４図において符号を共通化する。
図１〜図４において、図の左方は物体側、右方は像側である。

結像レンズは、物体側から像側へ向かって順次、正の屈折力の第１レンズ群Ｉ、開口絞りＳ、正の屈折力の第２レンズ群ＩＩを配してなる。

絞りＳの物体側に配される第１レンズ群Ｉは、物体側から像側へ向かって順次、正レンズＬ１１、物体側が凸面である負メニスカスレンズＬ１２を配してなる。
第２レンズ群ＩＩは、物体側から像側へ向かって順次、負レンズＬ２１、正レンズＬ２２、正レンズＬ２３、負メニスカスレンズＬ２４、正レンズＬ２５を配してなる。

負レンズＬ２１は「物体側が凹面」である。
正レンズＬ２２と正レンズＬ２３とは「像側が凸面」である。

負メニスカスレンズＬ２４は「物体側が凸面」である。

正レンズＬ２５は「物体側が凸面」である。

付言すると、上記各レンズにおいてＬ１１、Ｌ１２、Ｌ２１〜Ｌ２５は「レンズの名称の一部」としてレンズを指称するものである。

即ち、例えば、正レンズＬ１１は、第１レンズ群Ｉにおいて物体側から１番目のレンズの名称である。
同様に、正レンズＬ２３は、第２レンズ群ＩＩにおいて物体側から３番目のレンズの名称である。

但し、図１〜図４においては、Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ２１〜Ｌ２５は、符号としても用いられている。

図１〜図４において、結像レンズの像側における符号Ｆは、透明平行平板を示す。

この透明平行平板Ｆは、光学ローパスフィルタ・赤外カットフィルタ等の各種フィルタや、ＣＣＤセンサ等の受光素子のカバーガラス（シールガラス）を想定したものである。

即ち、これら各種フィルタやカバーガラス等を、これらに光学的に等価な透明平行平板Ｆとして表している。

前述の如く、この発明は「明るく、コンパクトで、歪曲収差を初めとする諸収差が良好に補正された結像レンズ」の実現を課題とする。

一般に、明るい結像レンズは、大口径になるほど球面収差やコマ収差の補正が難しい。

この発明では、主に、上記正レンズＬ１１、負メニスカスレンズＬ１２、負レンズＬ２１、正レンズＬ２２、正レンズＬ２３により「球面収差やコマ収差」を補正している。

そして、正レンズＬ２３に続けて、負メニスカスレンズＬ２４、正レンズＬ２５を配することにより、歪曲収差を良好に補正し、像側のテレセントリック性も実現している。

後述する実施例１〜４では、歪曲収差は「１％以下」に抑えられている。

この発明の結像レンズは「無限遠物体から有限距離物体へのフォーカシングを、全体繰出し」により行うので、像側におけるテレセントリック性が確保される必要がある。

上記実施の形態に対応する、後述の実施例１ないし実施例４の結像レンズでも「像側のテレセントリック性」が十分に確保されている。

フォーカシングを全体繰出しにより行うので、第１、第２レンズ群の全７枚のレンズ間各が固定である。

従って、負メニスカスレンズＬ２４、正レンズＬ２５を、歪曲収差の補正と、像側のテレセントリック性の確保に用いることができる。

図１〜図４に示す実施の形態では、第２レンズ群ＩＩの負レンズＬ２１と正レンズＬ２２が接合されている。

この発明の結像レンズでは、負レンズＬ２１の物体側レンズ面と正レンズＬ２２の像側レンズ面は「球面収差・コマ収差の大きなやりとり」をしている。

従って、これら負レンズＬ２１と正レンズＬ２２を整合することにより「製造誤差による球面収差」の十分な補正が可能になる。

また、上記の如く、負レンズＬ２１と正レンズＬ２２は、球面収差・コマ収差の大きなやりとりをしているので、これら２枚のレンズが偏心すると、性能への影響が極めて大きい。

負レンズＬ２１と正レンズＬ２２を接合することにより「負レンズＬ２１の物体側レンズ面と正レンズＬ２２の像側レンズ面の偏心」を小さくできる。

このように、第２レンズ群ＩＩの「負レンズＬ２１と正レンズＬ２２は、互いに接合」することが好ましい。

この発明の結像レンズは、上記の如き構成において、以下の条件（６）を満足する。
（６） １．３＜ｆ２３／ｆ＜１．７
より好ましくは、さらに以下の条件（１）〜（５）、（７）および（８）の１以上を満足することが好ましい。

（１） ０．２５ ＜Ｄａ／Ｄ２＜ ０．４５
（２） −０．３５＜（Ｒ２１１−Ｒ２２２）／（Ｒ２１１＋Ｒ２２２）＜−０．１５
（３） −０．７＜ｆ２１／ｆ＜−０．４
（４） ０．７＜ｆ２２／ｆ＜１．０
（５） １．０＜（Ｒ２３１−Ｒ２３２）／（Ｒ２３１＋Ｒ２３２）＜３．０
（７） −２．５＜ｆ２４／ｆ＜−１．５
（８） ０．９＜ｆ２５／ｆ＜１．４ 。

これらの条件におけるパラメータ中の各記号は以下のとおりである。

「Ｄａ」は、第２レンズ群における、負レンズＬ２１の物体側レンズ面と正レンズＬ２２の像側レンズ面との光軸上での間隔である。

「Ｄ２」は、「負レンズＬ２１の物体側レンズ面と正レンズＬ２５の像側レンズ面の光軸上の距離」である。

「Ｒ２１１１」は、負レンズＬ２１の物体側レンズ面の曲率半径、「Ｒ２２２」は、正レンズＬ２２の像側レンズ面の曲率半径である。

上述の如く、これらの２面は「球面収差・コマ収差の大きなやりとり」をしている。

「ｆ２１」は、負レンズＬ２１の焦点距離であり、「ｆ２２」は、正レンズＬ２２の焦点距離である。また「ｆ」は全系の焦点距離である。

「Ｒ２３１」は、正レンズＬ２３の物体側レンズ面の曲率半径であり、「Ｒ２３２」は、正レンズＬ２３の像側レンズ面の曲率半径である。

「ｆ２３」は、第２レンズ群の正レンズＬ２３の焦点距離である。

「ｆ２４」は、負レンズＬ２４の焦点距離、「ｆ２５」は、正レンズＬ２５の焦点距離である。

条件（１）は、結像レンズの小型化と高性能を両立させるのに有効な条件である。

上限値を超えると、負レンズＬ２１の物体側レンズ面と正レンズＬ２２の像側レンズ面の間隔が過大に大きくなる。

このため、結像レンズを小型化するのに、正レンズＬ２３、負レンズＬ２４、正レンズＬ２５の配置の自由度が少なくなり、全体としての単色収差の十分な補正が困難になり易い。

下限値を超えると、負レンズＬ２１の物体側レンズ面と正レンズＬ２２の像側レンズ面の間隔が過剰に小さくなり、球面収差・コマ収差の十分な補正が困難になり易い。

条件（１）のパラメータ：Ｄａ／Ｄ２は、より好ましくは、以下の条件：
（１Ａ） ０．３０ ＜Ｄａ／Ｄ２＜ ０．４０
を満足するのがよい。

条件（２）は、球面収差・コマ収差の補正に有効な条件である。

条件（２）の範囲外では、負レンズＬ２１の物体側レンズ面と正レンズＬ２２の像側レンズ面の「球面収差・コマ収差を補正するバランス」が崩れやすい。

このため、球面収差・コマ収差の良好な補正が困難となり易い。

条件（３）、（４）を満足すると、負レンズＬ２１と正レンズＬ２２のパワー配分が良好となり、これらレンズの「球面収差・コマ収差補正機能」が有効に発揮される。

条件（５）は、正レンズＬ２３の両面の屈折力の適正な範囲である。

条件（５）を満足すると、正レンズＬ２３の物体側レンズ面と像側レンズ面で収差補正機能を分担でき、結像レンズ全体として単色収差の良好な補正が容易になる。

なお、条件（５）のパラメータ：（Ｒ２３１−Ｒ２３２）／（Ｒ２３１＋Ｒ２３２）は、より好ましくは、以下の条件を満足するのがよい。

（５Ａ） １．５＜（Ｒ２３１−Ｒ２３２）／（Ｒ２３１＋Ｒ２３２）＜２．５
条件（６）は、正レンズＬ２３の適当なパワー範囲を示す。

上限値を超えると、正レンズＬ２３の焦点距離が過大に大きくなり、コンパクト化のためにこれを補うために正レンズＬ２２の焦点距離を小さくする必要が生じる。

このため、球面収差やコマ収差の十分な補正が困難になり易い。

下限値を超えると、正レンズＬ２３の焦点距離が過小に小さくなり、正レンズＬ２３で生じる収差が大きくなり易い。

このため、結像レンズ全体としての単色収差補正が困難になり易い。また、正レンズＬ２３の偏心の影響が大きくなり、製造が困難になる。

条件（６）のパラメータ：ｆ２３／ｆは、より好ましくは、以下の条件を満足するのが良い。

（６Ａ） １．３＜ｆ２３／ｆ＜１．７
条件（７）、（８）は、歪曲収差のより良好な補正を容易にし、像側のテレセントリック性の実現を容易にできる条件である。

前述の如く、この発明の結像レンズでは、上記レンズ構成において、負レンズＬ２４と正レンズＬ２５とにより、歪曲収差の補正と像側のテレセントリック性を実現している。

条件（７）、（８）を満足することにより、負レンズＬ２４、正レンズＬ２５の歪曲収差補正機能と像側のテレセントリック性の実現が容易になる。

結像レンズの具体的な実施例を示す前に、図９、図１０を参照して「撮像システム（以下、「カメラ装置」と言う。）」の実施の１形態を説明する。

カメラ装置は、その撮影用光学系として、この発明の結像レンズを用いている。

図１０に示すように、カメラ装置は、結像レンズ１と、「固体撮像素子」である受光素子（エリアセンサ）１３を有する。

そして、結像レンズ１によって形成される撮影対象物の像を、受光素子１３によって読み取るように構成されている。
結像レンズ１として、請求項１〜請求項７の任意の１に記載の結像レンズ、より具体的には、後述の実施例１〜４の何れかの結像レンズを用いる。

受光素子１３からの出力は中央演算装置１１の制御を受ける信号処理装置１４によって処理され「デジタル情報」に変換される。

信号処理装置１４によってデジタル化された画像情報は、中央演算装置１１の制御を受ける画像処理装置１２において所定の画像処理を受ける。

画像処理された画像情報は、半導体メモリ１５に記録される。

液晶モニタ７には、撮影中の画像を表示することもできるし、半導体メモリ１５に記録されている画像を表示することもできる。

液晶モニタ７に「撮影中の画像」を表示できるので、ファインダ２は省略することもできる。

半導体メモリ１５に記録した画像は、通信カード等１６を使用して外部へ送信することも可能である。

結像レンズ１は、カメラ装置の携帯時には、図９（Ａ）に示すように沈胴状態にある。

ユーザが電源スイッチ６を操作して電源を入れると、図９（ｂ）に示すように鏡胴が繰り出される。

このように「繰出された状態」において、結像レンズ１は無限遠物体に合焦している。

シャッタボタン４の「半押し」によりフォーカシングが実行される。
無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングは、結像レンズ１を物体側に全体繰出しして行われる。

シャッタボタン４をさらに押し込むと撮影がなされ、上述の処理が実行される。

半導体メモリ１５に記録した画像を液晶モニタ７に表示したり、通信カード等１６を使用して外部へ送信したりする際は、操作ボタン８を使用する。
なお、結像レンズ１が沈胴状態にあるとき、結像レンズの各レンズは必ずしも光軸上に並んでいなくても良い。
例えば、第１レンズ群Ｉが光軸上から退避し、第２レンズ群ＩＩと並列に収納されるような機構とすれば、カメラ装置のさらなる薄型化を実現できる。

上に説明したカメラ装置における上記通信機能部を除いた部分を「独立したカメラ」として構成できることは言うまでもない。

上に説明したカメラ装置には、具体的な結像レンズとして、以下に挙げる実施例１〜４の任意のものを使用できる。

そして、２００万〜５００万画素クラスの固体撮像素子を使用した高画質で小型のカメラ装置や携帯可能な情報端末装置を、撮像システムもしくはその一部として実現できる。

以下、結像レンズの具体的な実施例を４例説明する。
実施例の具体的なデータにおいて、長さの次元を持つものの単位は、特に断らない限り「ｍｍ」である。

実施例１〜４において、最大像高は５．５０ｍｍである。

実施例１〜４のデータは「無限遠物体に合焦した状態」における値を示している。

実施例１〜４の結像レンズは何れも、像面から３００ｍｍ程度の位置にある物体に「全体繰り出しによりフォーカシング」したときに性能が高くなるように設定されている。

従って、収差図は「像面から３００ｍｍ程度の位置にある物体に合焦させたとき」の性能を示している。

実施例における各記号の意味は以下の通りである。

f：全系の焦点距離
F：Fナンバ
ω：半画角
R：曲率半径
D：面間隔
N_d：屈折率
ν_d：アッベ数 。

「実施例１」
実施例１は、図１にレンズ構成を示した結像レンズの具体例である。

ｆ＝１６．０ Ｆ＝１．４３ ω＝１８．９度
実施例１の結像レンズのデータを表１に示す。

「条件のパラメータの値」
条件のパラメータの値を表２に示す。

「実施例２」
実施例２は、図２にレンズ構成を示した結像レンズの具体例である。

ｆ＝１６．０ Ｆ＝１．４２ ω＝１８．８°
実施例２の結像レンズのデータを表３に示す。

「条件のパラメータの値」
条件のパラメータの値を表４に示す。

「実施例３」
実施例３は、図３にレンズ構成を示した結像レンズの具体例である。

ｆ＝１６．０ Ｆ＝１．４３ ω＝１８．９°
実施例３の結像レンズのデータを表５に示す。

「条件のパラメータの値」
条件のパラメータの値を表６に示す。

「実施例４」
実施例４は、図４にレンズ構成を示した結像レンズの具体例である。

ｆ＝１６．０ Ｆ＝１．４３ ω＝１８．９°
実施例４の結像レンズのデータを表７に示す。

「条件のパラメータの値」
条件のパラメータの値を表８に示す。

前述の如く、実施例１〜４に関して上に示したデータは「無限遠物体に合焦した状態」における値を示している。

無限遠物体から有限距離（像面から３００ｍｍの距離）へのフォーカシングは、結像レンズ全体を物体側に繰出して行う。

従って、第１５面とフィルタＦの物体側面である第１６面との面間隔が変化する。

実施例１〜４についての、この繰出し量（面間隔）を以下に示す。

物体距離 無限大 像面から３００ｍｍ
実施例１ ９．７４０ １０．７００
実施例２ ９．７２８ １０．６８９
実施例３ ９．７５０ １０．１７４
実施例４ ９．７４１ １０．７０３ 。

実施例１〜実施例４の結像レンズの収差曲線図を順次、図５〜図８に示す。

収差曲線図において、球面収差の破線は「正弦条件」を表し、非点収差の図中の実線は「サジタル」、破線は「メリディオナル」を表す。

「細い線」はd線、「太い線」はｇ線に対する収差曲線図である。

図５〜図８に示すように、各実施例とも諸収差は高いレベルで補正され、球面収差、軸上色収差は問題にならないほど小さい。

非点収差、像面湾曲、倍率色収差も十分に小さく、コマ収差やその色差の乱れも最周辺部まで良く抑えられている。

そして、歪曲収差は「絶対値で０．５％程度」と極めて良好に補正されている。

また、色差等は十分に低減され、２００〜５００万画素の受光素子に対応した解像力を有する。

そして、像側のテレセントリック性が良好に確保されており、受光素子への入射角が小さく、絞り開放から高コントラストで画角の周辺部まで点像の崩れがない。

そして「直線を直線として歪みなく描写可能」である。

これらの実施例から、この発明の結像レンズは、半画角が２０度程度で、Ｆナンバが１．４程度と大口径でありながら、非常に良好な像性能を実現しうることが明らかである。

なお、この発明の結像レンズは、交換レンズとして各種の撮像システムに組み付け得るように構成できる。
特に実施例１〜４のものは「近距離撮影用の結像レンズ」として適している。

Ｉ 第１レンズ群
ＩＩ 第２レンズ群
Ｓ 開口絞り
Ｌ１１ 第１レンズ群の正レンズＬ１１
Ｌ１２ 第１レンズ群の負メニスカスレンズＬ１２
Ｌ２１ 第２レンズ群の負レンズＬ２１
Ｌ２２ 第２レンズ群の正レンズＬ２２
Ｌ２３ 第２レンズ群の正レンズＬ２３
Ｌ２４ 第２レンズ群の負メニスカスレンズＬ２４
Ｌ２５ 第２レンズ群の正レンズＬ２５

特開２０１２−２２０６５４号公報

Claims (8)

1. 物体側から像側へ向かって順次、正の屈折力の第１レンズ群、開口絞り、正の屈折力の第２レンズ群を配してなり、
   第１レンズ群は、物体側から像側へ向かって順次、正レンズＬ１１、物体側が凸面である負メニスカスレンズＬ１２を配してなり、
   第２レンズ群は、物体側から像側へ向かって順次、物体側が凹面である負レンズＬ２１、像側が凸面である正レンズＬ２２および正レンズＬ２３、物体側が凸面である負メニスカスレンズＬ２４と、物体側が凸面である正レンズＬ２５を配してなり、
   第２レンズ群の正レンズＬ２３の焦点距離：ｆ２３、全系の焦点距離：ｆが、条件：
   （６） １．３＜ｆ２３／ｆ＜１．７
   を満足し、且つ、
   無限遠物体から有限距離物体へのフォーカシングを、全体繰出しにより行うことを特徴とする結像レンズ。
2. 請求項１記載の結像レンズにおいて、
   第２レンズ群における負レンズＬ２１と正レンズＬ２２が接合されていることを特徴とする結像レンズ。
3. 請求項１または２記載の結像レンズにおいて、
   第２レンズ群における、負レンズＬ２１の物体側レンズ面と正レンズＬ２２の像側レンズ面との光軸上での間隔：Ｄａ、
   第２レンズ群における、負レンズＬ２１の物体側レンズ面と正レンズＬ２５の像側レンズ面の光軸上の距離：Ｄ２が、条件：
   （１） ０．２５ ＜Ｄａ／Ｄ２＜ ０．４５
   を満足することを特徴とする結像レンズ。
4. 請求項１〜３の任意の１に記載の結像レンズにおいて、
   第２レンズ群の、負レンズＬ２１の物体側レンズ面の曲率半径：Ｒ２１１、正レンズＬ２２の像側レンズ面の曲率半径：Ｒ２２２が、条件：
   （２） −０．３５＜（Ｒ２１１−Ｒ２２２）/（Ｒ２１１＋Ｒ２２２）＜−０．１５
   を満足することを特徴とする結像レンズ。
5. 請求項１〜４の任意の１に記載の結像レンズにおいて、
   第２レンズ群の、負レンズＬ２１の焦点距離：ｆ２１、正レンズＬ２２の焦点距離：ｆ２２、全系の焦点距離：ｆが、条件：
   （３） −０．７＜ｆ２１／ｆ＜−０．４
   （４） ０．７＜ｆ２２／ｆ＜１．０
   を満足することを特徴とする結像レンズ。
6. 請求項１〜５の任意の１に記載の結像レンズにおいて、
   第２レンズ群の正レンズＬ２３の、物体側レンズ面の曲率半径：Ｒ２３１、像側レンズ面の曲率半径：Ｒ２３２が、条件：
   （５） １．０＜（Ｒ２３１−Ｒ２３２）／（Ｒ２３１＋Ｒ２３２）＜３．０
   を満足することを特徴とする結像レンズ。
7. 請求項１〜６の任意の１に記載の結像レンズにおいて、 第２レンズ群の、負レンズＬ２４の焦点距離：ｆ２４、正レンズＬ２５の焦点距離：ｆ２５、全系の焦点距離：ｆが、条件：
   （７） −２．５＜ｆ２４／ｆ＜−１．５
   （８） ０．９＜ｆ２５／ｆ＜１．４
   を満足することを特徴とする結像レンズ。
8. 請求項１〜７の任意の１に記載の結像レンズを、撮影用光学系として有することを特徴とする撮像システム。

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