JP6290694B2 - 撮像レンズおよび撮像装置 - 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撮像レンズおよびその撮像レンズを用いた撮像装置に関するものである。

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。またこの問題を克服した特許文献２、３に記載される単焦点レンズでは、レンズ枚数を４枚としたが、撮像素子の高精細化に伴い、より高い結像性能を持たせることが望まれる。

特開２００３−１９５１６１号公報 特開２００８−２６８２６８号公報 特開２００９−８８６７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、５枚構成によって高い光学性能を持ちつつ、レンズの形状、材料の光学特性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。

本上記課題を解決するために、本発明のレンズは、物体側から順に、負の屈折力を有する物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第１レンズと、負の屈折力を有する両凹形状の第２レンズと、正の屈折力を有する両凸面形状の第３レンズと、正の屈折力を有する第４レンズと、正の屈折力を有する両凸形状の第５レンズとの５枚のレンズを配置し、下記条件式（３）を満足することを特徴とする
０．０１＜ｆ５／ｆ４＜０．６０ … （３）
ただし、
ｆ４：第４レンズの焦点距離
ｆ５：第５レンズの焦点距離

従来、特許文献２や特許文献３のような４枚構成の広角レンズでは、強い負の屈折力を持つ２枚のレンズと、色分散が大きく正の屈折力を持つレンズと開口絞りの後方に正の屈折力を持つレンズを配置することで、像面湾曲と倍率の色収差を良好に補正していた。収差補正の目的で第１レンズから第４レンズの間にレンズを追加する場合、負レンズを追加すると、屈折率分散が大きければ軸上の色収差をよく補正できるかわりに、倍率の色収差が大きくなってしまい、屈折率分散が小さければ反対に倍率の色収差の発生を抑えられるものの軸上の色収差が補正不足となってしまう。正レンズを追加すると屈折率分散が大きければ倍率の色収差をよく補正できるかわりに、軸上の色収差が大きくなってしまい、屈折率分散が小さければ反対に軸上の色収差の発生を抑えられるものの倍率の色収差が補正不足となってしまう。第４レンズの後方に正の屈折力を持つ第５レンズを追加する場合には屈折率分散が小さいほど色収差の発生を抑えることができるため、適切に材料を選択することで色収差を大きく発生させずに、球面収差や像面湾曲などの単色収差を良好に補正することが可能となる。

好適には、前記第１レンズのｄ線に対するアッベ数を４０以上に、前記第２レンズのｄ線に対するアッベ数を５０以上に、前記第３レンズのｄ線に対するアッベ数を３０以下に、前記第４レンズのｄ線に対するアッベ数を５０以上に、前記第５レンズのｄ線に対するアッベ数を５０以上にそれぞれ設定されることを特徴とする。

更に好適には、下記条件式（１）〜（２）を満足することを特徴とする。

−２．６＜ｆ２／ｆ＜−１．１ … （１）
１．３＜ｆ３／ｆ＜３．５ … （２）
ただし、
ｆ：レンズ全系の焦点距離
ｆ２：第２レンズの焦点距離
ｆ３：第３レンズの焦点距離

更に好適には、前記撮像レンズを構成する前記第１から前記第５までのすべてのレンズが樹脂材料で形成されることを特徴とする。これにより従来レンズに比べレンズ枚数を増やしつつ軽量化が可能となる。

上記課題を解決するために、本発明の撮像装置は、上述のいずれかの撮像レンズと、その撮像レンズにより形成される光学像を電気信号に変換する撮像素子とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、５枚構成によって諸収差が良好に補正された小型、薄型で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。

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、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、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、および非点収差を示す収差図である。 本実施形態の撮像装置の基本構成を示す図である。

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、第４レンズ１４０、第５レンズ１５０、ＩＲカットフィルター１６０、カバーガラス１７０、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Mental-Oxide Semiconductor device)等の撮像素子１８０が配置される５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５枚のレンズは、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ１１０と、負の屈折力を有する第２レンズ１２０と、正の屈折力を有する第３レンズ１３０と、正の屈折力を有する第４レンズ１４０と、正の屈折力を有する第５レンズ１５０のように配列されている。広角レンズでは、広い画角を得るために焦点距離を短くする必要があるが、機構的な制約からバックフォーカスは焦点距離に比べて長くしなくてはならない。そこで、前方に負の屈折力を有するレンズを配置し、入射した光を一度発散した後、後方の正の屈折力を有するレンズで集光することにより、レンズ系の主点をレンズ後方に飛出させ焦点距離に比べて長いバックフォーカスを確保することが可能となる。具体的には負の第１レンズ、第２レンズで光を発散させ、正の第３レンズ、第４レンズ、第５レンズで集光する。物体側に負レンズを配置することで、主点を後方に置くのに十分な負の屈折力を得ながら、諸収差を良好に補正することができる。強い正の屈折力をもつレンズ結像面に近い位置に配置することにより、像面への入射角度を小さくし、かつ収差を良好に補正することが可能となる。

前記撮像レンズで、第１レンズ１１０は物体側に凸面を向けたメニスカスレンズであり、第２レンズ１２０は両凹レンズであり、第３レンズ１３０は両凸レンズであり、第５レンズ１５０は両凸レンズである。前記第１レンズが物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有することで、第1面に対する軸外光線の入射角度を小さく保つことが可能となり、収差の発生を抑えることが出来る。前記第２レンズが像側に凹面を向け、前記第３レンズが物体側に凸面を向けることで、倍率の色収差や像面湾曲を補正し、良好な画像が得られる。第２レンズの像側面と第３レンズの物体側面の屈折力が強くなりすぎると、製造誤差による収差補正への影響が大きくなるため、第２レンズは両凹、第３レンズは両凸とすることで、屈折力が第２レンズと第３レンズの間に集中しないようにしている。前記第５レンズを両凸レンズとすることで、像面への入射角度を小さくし、結像に必要な屈折力を得ることが可能となる。

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、第４レンズ１４０の物体側Ｒ７面７、像面側Ｒ８面８、第５レンズ１５０の物体側Ｒ９面９、像面側Ｒ１０面１０、ＩＲカットフィルター１６０の物体側Ｒ１１面１１、像面側Ｒ１２面１２、カバーガラス１７０の物体側Ｒ１３面１３、像面側Ｒ１４面１４、を順次通過し撮像素子１８０へと集光される。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、第１レンズのｄ線に対するアッベ数を４０以上に、第２レンズのｄ線に対するアッベ数を５０以上に、第３レンズのｄ線に対するアッベ数を３０以下に、第４レンズのｄ線に対するアッベ数を５０以上に、第５レンズのｄ線に対するアッベ数を５０以上にそれぞれ設定されるように構成される。開口絞りよりも物体側にあり、負レンズである第１レンズ、第２レンズを構成する材料のアッベ数が大きいほど、第１レンズ、第２レンズで発生する倍率色収差が小さくなり、開口絞り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、第３レンズで発生する倍率色収差が大きくなるので第３レンズ以外のレンズで発生した倍率色収差を良好に補正出来る。また、開口絞りよりも像側にあり、正レンズである第４レンズ、第５レンズを構成する材料のアッベ数が大きいほど軸上色収差および倍率色収差を小さくできるためである。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、下記条件式（１）〜（２）を満足するように構成される。

−２．６＜ｆ２／ｆ＜−１．１ … （１）
１．３＜ｆ３／ｆ＜３．５ … （２）
ただし、ｆはレンズ全系の焦点距離、ｆ２は第２レンズの焦点距離、ｆ３は第３レンズの焦点距離である。

条件式（１）の上限値を超える場合には、第２レンズの焦点距離の絶対値が小さく、即ち屈折力が強くなりすぎるため、第２レンズの像側面の面形状が複雑になり、製造が厳しくなる。また条件式（１）の下限値を超える場合には、第２レンズの焦点距離の絶対値が大きく、即ち屈折力が弱くなりすぎるため、色収差および像面湾曲の補正が困難になる。

条件式（２）の上限値を超える場合には、第３レンズの焦点距離の絶対値が小さく、即ち屈折力が強くなりすぎるため、第３レンズの物体側面が極端な凸形状となりコバ厚が確保できなくなるなど製造が厳しくなる。また条件式（２）の下限値を超える場合には、第３レンズの焦点距離の絶対値が大きく、即ち屈折力が弱くなりすぎるため、色収差および像面湾曲の補正が困難になる。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、下記条件式（３）を満足するように構成される。

０．０１＜ｆ５／ｆ４＜０．６０ … （３）
ただし、ｆ４は第４レンズの焦点距離、ｆ５は第５レンズの焦点距離である。

条件式（３）の上限値を超える場合には、第５レンズの焦点距離が第４レンズに比べ、長いために、主点位置が前側に寄り、十分なバックフォーカスを確保しつつ広角化するのが困難となる。また条件式（３）の下限値を超える場合には、後方の結像作用の大部分を第５レンズが担うこととなり、球面収差の発生が大きくなる。それにより全体として諸 収差を良好に補正することが困難となる。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、第１レンズから第５レンズまでのレンズを全て樹脂材料で形成するように構成される。樹脂材料以外の光学素子材料で構成される場合、重量が増加する。また製造方法の違いから硝子材料や結晶材料を用いた場合、光線有効径外の構造の制約が多いため、撮像レンズ全体の大型化が予想される。

以下に、撮像レンズの具体的な数値による実施例１〜３を示す。１〜３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１〜３の数値実施例において、条件式（１）〜（３）の数値データは、次の表２に記載の値になる。

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について、物体側から像面側へ向かう方向を正としたとき、面頂点に対する接平面からの深さＺは、ｈを光線の高さ、ｃを中心曲率半径の逆数、ｋ、A4、A6、A8、A10を係数として数式１で表される。

ただし、ｋは円錐係数、A4は４次の非球面係数を、A6は６次の非球面係数を、A8は８次の非球面係数を、A10は１０次の非球面係数をそれぞれ表している。

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、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レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズは両凹形状、第３レンズは両凸形状、開口絞りの像側に配置される第４レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状、第５レンズは両凸形状を有する。第１レンズは像側面に、第２レンズから第５レンズは両面に、それぞれ非球面を有する。

また、図２に示すように第１レンズの厚さとなる面１と面２間の距離をＤ１、第１レンズの面２と第２レンズの面３までの距離をＤ２、第２レンズの厚さとなる面３と面４間の距離をＤ３、第２レンズの面４と第３レンズの面５までの距離をＤ４、第３レンズの厚さとなる面５と面６間の距離をＤ５、第３レンズの面６と第４レンズの面５までの距離をＤ６、第４レンズの厚さとなる面７と面８間の距離をＤ７、第４レンズの面８と第５レンズの面９までの距離をＤ８、第５レンズの厚さとなる面９と面１０間の距離をＤ９、第５レンズの面１０とＩＲカットフィルターの面１１までの距離をＤ１０、ＩＲカットフィルターの厚さとなる面１１と面１２間の距離をＤ１１、ＩＲカットフィルター面１２とカバーガラスの面１３までの距離をＤ１２、カバーガラスの厚さとなる面１３と面１４間の距離をＤ１３、カバーガラスの面１４と結像面までの距離をＤ１４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。表中の記号*は非球面の面を表している（以下の実施例においても同様）。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）が非点収差をそれぞれ示している。図３（B）の縦軸は結像面での像高を表し、図３（B）中、波長587.6nmの光線における破線Tはタンジェンシャル像面の値、実線Ｓはサジタル像面の値をそれぞれ示している（以下の実施例においても同様）。図３からわかるように、実施例１によれば、球面、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、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。

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は両凹形状、第３レンズ１３０は両凸形状、開口絞りの像側に配置される第４レンズ１４０は像側に凸面を向けたメニスカス形状、第５レンズ１５０は両凸形状を有する。第１レンズは像側面に、第２レンズと第３レンズ両面に、第４レンズは物体側面に、第５レンズは像側面にそれぞれ非球面を有する。

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）が非点収差をそれぞれ示している。図５（B）の縦軸は結像面での像高を表している。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、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。

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、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。

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は両凹形状、第３レンズ１３０は両凸形状、開口絞りの像側に配置される第４レンズ１４０は両凸形状、第５レンズ１５０は両凸形状を有する。第１レンズは像側面に、第２レンズと第３レンズ両面に、第４レンズは物体側面に、第５レンズは像側面にそれぞれ非球面を有する。

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）が非点収差をそれぞれ示している。図７（Ｂ）の縦軸は結像面での像高を表している。図７からわかるように、実施例３によれば、球面、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。

また、本実施形態の撮像レンズによれば、撮像素子を搭載するカメラ等に好適であり、小型、軽量且つ安価でありながら、高い光学性能を持つ広角撮像レンズを備えた撮像装置が実現できる。

図８に本発明による撮像レンズ１００を用いた撮像装置の実施形態の断面図を示す。撮像レンズ１００およびＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Mental-Oxide Semiconductor device)等の撮像素子２１０は筐体２２０によって位置関係を規定、保持される。このとき撮像レンズ１００の結像面１７０は撮像素子２１０の受光面に一致するように配置されている。

撮像レンズ１００によって取り込まれ、撮像素子２１０の受光面に結像した被写体像は、撮像素子２１０の光電変換機能によって電気信号に変換されて、画像信号として撮像装置２００から出力される。

上述のような撮像レンズ１００は、小型、薄型、軽量で、搭載スペースがコンパクトにできるため、様々な用途の撮像装置に適している。また広角撮像レンズでありながら、諸収差の発生を良好に補正し、高い光学性能を持つ被写体像を撮像素子２１０の受光面上に結像でき、視認性に優れた画像信号を出力できるため、特に監視用カメラや車載用カメラ等において優位性の高い撮像装置の実現が可能である。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

１００，１００Ａ〜１００C・・・撮像レンズ
１１０ ・・・第１レンズ
１２０ ・・・第２レンズ
１３０ ・・・第３レンズ
１４０ ・・・第４レンズ
１５０ ・・・第５レンズ
１６０ ・・・ＩＲカットフィルター
１７０ ・・・カバーガラス
１８０ ・・・撮像面
２００ ・・・撮像装置
２１０ ・・・撮像素子
２２０ ・・・筐体

Claims (5)

1. 物体側から順に、負の屈折力を有する物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第１レンズと、負の屈折力を有する両凹形状の第２レンズと、正の屈折力を有する両凸面形状の第３レンズと、正の屈折力を有する第４レンズと、正の屈折力を有する両凸形状の第５レンズとの５枚のレンズを配置し、下記条件式（３）を満足することを特徴とする撮像レンズ。
   ０．０１＜ｆ５／ｆ４＜０．６０ … （３）
   ただし、
   ｆ４：第４レンズの焦点距離
   ｆ５：第５レンズの焦点距離
2. 前記第１レンズのｄ線に対するアッベ数を４０以上に、前記第２レンズのｄ線に対するアッベ数を５０以上に、前記第３レンズのｄ線に対するアッベ数を３０以下に、前記第４レンズのｄ線に対するアッベ数を５０以上に、前記第５レンズのｄ線に対するアッベ数を５０以上にそれぞれ設定されることを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。
3. 下記条件式（１）〜（２）を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像レンズ。
   −２．６＜ｆ２／ｆ＜−１．１ … （１）
   １．３＜ｆ３／ｆ＜３．５ … （２）
   ただし、
   ｆ：レンズ全系の焦点距離
   ｆ２：第２レンズの焦点距離
   ｆ３：第３レンズの焦点距離
4. 前記第１レンズから第５レンズまでのレンズを全て樹脂材料で形成することを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の撮像レンズ。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の撮像レンズと、当該撮像レンズにより形成される光学像を電気信号に変換する撮像素子とを備えることを特徴とする撮像装置。
   

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