JP6416070B2 - 撮像レンズおよび撮像レンズを備えた撮像装置 - Google Patents

撮像レンズおよび撮像レンズを備えた撮像装置 Download PDF

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Description

本発明は、被写体の像を結像させる撮像レンズおよび係る撮像レンズを搭載して撮像を行う撮像装置に関するものである。
従来、被写体となる物体までの距離が近いときにも広い範囲を撮像できる小型で広画角の撮像レンズが種々の撮像装置に適用されている。このような撮像装置として、例えば、イメージスキャナー、複写機、ファクシミリ等の画像や文字を読み取る読取装置、人の顔、目の光彩、掌や指等の静脈位置を検出してその人を認証する生体認証装置、紙幣や硬貨を識別する識別装置、スマートフォンなどの携帯電話端末、携帯情報端末、タブレット型端末、顕微鏡、および、戸外の状況を監視するためドアフォンや自動車に搭載された監視装置等に使用される撮像装置が知られている。
例えば、特許文献１および２は、小型化と広画角化とを実現するために、物体側から順に、負の屈折力を有するレンズと、負の屈折力を有するレンズと、正の屈折力を有するレンズとからなる３枚構成の撮像レンズを開示している。
特開２００８−１３４５４０号公報 特開平７−７２３８２号公報
上記特許文献１および特許文献２に係る撮像レンズは、ディストーションを利用して広画角を実現するように構成されている。しかしながら、撮像された対象物を精度よく認証又は識別を行うためには、ディストーションを抑制することが好ましく、かつ、短い物像間距離において広い範囲を撮像するために全系の焦点距離に対する最大像高の比率をできるだけ大きく確保することが好ましい。
このような要求に応えるために、上記特許文献１および特許文献２に係る撮像レンズは、焦点距離に対する最大像高の比率が小さすぎるため、焦点距離に対する最大像高の比率を増加させることが好ましい。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、全系の焦点距離に対する最大像高の比率を確保した、中心画角から周辺画角まで高い結像性能を有する撮像レンズおよびこの撮像レンズを用いた撮像装置を提供することを目的とするものである。
本発明の撮像レンズは、物体側から順に、両凹形状であり、かつ、物体側の面が非球面形状である第１レンズと、負の屈折力を有する第２レンズと、正の屈折力を有し、像側に凸面を向け、物体側の面よりも像側の面の曲率半径の絶対値が小さい第３レンズとから構成される３枚のレンズから実質的になり、さらに以下の条件式を満足する。
−２．５＜ｄ２３／ｆ１２＜−１．２ （６−１）
ただし、
ｄ２３：第２レンズと第３レンズとの間の光軸上の間隔
ｆ１２：第１レンズと第２レンズの波長８５０ｎｍにおける合成焦点距離
なお、本発明の撮像レンズにおいて、「３枚のレンズから実質的になる」とは、本発明の撮像レンズが、３枚のレンズ以外に、実質的にパワーを有さないレンズ、絞りやカバーガラス等レンズ以外の光学要素、レンズフランジ、レンズバレル、撮像素子、手振れ補正機構等の機構部分、等を持つものも含むことを意味する。また、上記のレンズの面形状や屈折力の符号は、非球面が含まれている場合には近軸領域で考えるものとする。
また、本発明に係る撮像レンズにおいて、第２レンズと第３レンズとの間に位置する開口絞りをさらに備えることが好ましい。
また、本発明に係る撮像レンズにおいて、第２レンズと第３レンズとの間に位置する開口絞りをさらに備える場合に、第１レンズの物体側の面が、第１レンズの物体側の面と最大画角の主光線との交点から光軸に向かって半径方向内側に少なくとも１つの変曲点を有することが好ましい。
また、本発明に係る撮像レンズにおいて、第２レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状であることが好ましい。
さらに、本発明の撮像レンズは、以下の条件式（１）〜（５）、条件式（１−１）〜（５−１）のいずれか一つを満たすことが好ましく、あるいは任意の組合せを満たすことが好ましい。
−１０＜Ｌ１ｆ／Ｌ１ｒ＜−０．１ （１）
−５＜Ｌ１ｆ／Ｌ１ｒ＜−０．２ （１−１）
−０．９＜（Ｌ１ｆ＋Ｌ１ｒ）／（Ｌ１ｆ−Ｌ１ｒ）＜０．９ （２）
−０．７＜（Ｌ１ｆ＋Ｌ１ｒ）／（Ｌ１ｆ−Ｌ１ｒ）＜０．７ （２−１）
−０．２＜ｆ／ｆ１＜−０．０５ （３）
−０．１７＜ｆ／ｆ１＜−０．０７ （３−１）
０．５＜ｆ１／ｆ２＜５ （４）
０．７＜ｆ１／ｆ２＜３．５ （４−１）
０．１＜（Ｌ２ｆ−Ｌ２ｒ）／（Ｌ２ｆ＋Ｌ２ｒ）＜１ （５）
０．５＜（Ｌ２ｆ−Ｌ２ｒ）／（Ｌ２ｆ＋Ｌ２ｒ）＜０．９８ （５−１）
ただし、
Ｌ１ｆ：第１レンズの物体側の面の近軸曲率半径
Ｌ１ｒ：第１レンズの像側の面の近軸曲率半径
ｆ：波長８５０ｎｍにおける全系の焦点距離
ｆ１：第１レンズの波長８５０ｎｍにおける焦点距離
ｆ２：第２レンズの波長８５０ｎｍにおける焦点距離
Ｌ２ｆ：第２レンズの物体側の面の近軸曲率半径
Ｌ２ｒ：第２レンズの像側の面の近軸曲率半径
本発明による撮像装置は、本発明の撮像レンズを備えたものである。
本発明の撮像レンズによれば、物体側から順に、両凹形状であり、かつ、物体側の面が非球面形状である第１レンズと、負の屈折力を有する第２レンズと、正の屈折力を有し、像側に凸面を向け、物体側の面よりも像側の面の曲率半径の絶対値が小さい第３レンズとから構成される３枚のレンズから実質的になるため、全系の焦点距離に対する最大像高の比率を確保した、中心画角から周辺画角まで高い結像性能を有する撮像レンズを提供することができる。
また、本発明の撮像装置によれば、本発明の高い結像性能を有する撮像レンズを備えているため、高解像の撮像画像を得ることができる。
本発明の一実施形態に係る撮像レンズの第１の構成例と光線軌跡を示す断面図であり、実施例１に対応するレンズ断面図である。 図１の第１の構成例と光線軌跡の要部を拡大して示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る撮像レンズの第２の構成例と光線軌跡の要部を拡大して示す断面図であり、実施例２に対応するレンズ断面図である。 本発明の一実施形態に係る撮像レンズの第３の構成例と光線軌跡の要部を拡大して示す断面図であり、実施例３に対応するレンズ断面図である。 本発明の一実施形態に係る撮像レンズの第４の構成例と光線軌跡の要部を拡大して示す断面図であり、実施例４に対応するレンズ断面図である。 本発明の一実施形態に係る撮像レンズの第５の構成例と光線軌跡の要部を拡大して示す断面図であり、実施例５に対応するレンズ断面図である。 実施例１の撮像レンズの赤外光（波長８５０ｎｍ）についての諸収差を示す収差図であり、左から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差を示す。 実施例２の撮像レンズの赤外光（波長８５０ｎｍ）についての諸収差を示す収差図であり、左から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差を示す。 実施例３の撮像レンズの赤外光（波長８５０ｎｍ）についての諸収差を示す収差図であり、左から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差を示す。 実施例４の撮像レンズの赤外光（波長８５０ｎｍ）についての諸収差を示す収差図であり、左から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差を示す。 実施例５の撮像レンズの赤外光（波長８５０ｎｍ）についての諸収差を示す収差図であり、左から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差を示す。 本発明に係る撮像レンズを備えた生体認証用の撮像装置の概略構成を示す断面図である。 図１２の撮像装置の内部を拡大して示す拡大斜視図である。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る撮像レンズ１０の第１の構成例と光線軌跡を示す断面図を示している。また、図２は、図１の撮像レンズ１０の要部拡大図である。
図１および図２に示す構成例は、後述の第１の数値実施例（表１〜３）のレンズ構成に対応している。図２と同様に、後述の第２乃至第５の実施形態に係る数値実施例（表４〜表１５）のレンズ構成に対応する第２乃至第５の構成例の断面構成を、図３〜図６に示す。図２において、符号Ｒｉは、最も物体側の光学要素の面を１番目として、像側（結像側）に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目の面の曲率半径を示す。また、図１および図２において、基準波長を８５０ｎｍとし、物体距離を１．５ｍｍとした場合の、軸上光束２および最大画角の光束３の各光路を示す。なお、最大画角の光束３において、最大画角の主光線Ｖ１を一点鎖線で示す。符号の意味について、図１および図２を例にとり説明したが、図３〜図６においても基本的に同様である。
なお、各構成例共に基本的な構成は同じであるため、以下では、図２に示した撮像レンズの構成例を基本にして説明し、必要に応じて図３〜図６の構成例についても説明する。
図１および図２に示すように、撮像レンズ１０は、光軸Ｚ１に沿って、物体側から順に、レンズ保護用カバーガラスＣＧ１と、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、開口絞りＳｔと、第３レンズＬ３と、受光面保護用カバーガラスＣＧ２とを備えている。撮像レンズ１０を通して被写体となる物体を表す像が結像される結像面には、不図示の撮像素子の受光面Ｉｍｇが配置されている。なお、図１および図２において、Ｒ１は、物体位置を示す物体面を示している。
第１レンズＬ１は、光軸近傍において両凹形状である。このことにより、第１レンズＬ１において好適に負の屈折力を強めることができ、広画角化を実現するために有利である。
また、第１レンズＬ１は、物体側の面が非球面形状とされている。このことにより、好適にディストーションを補正することができる。
さらに、第１レンズＬ１は、物体側の面が、第１レンズＬ１の物体側の面と最大画角の主光線との交点から光軸に向かって半径方向内側に少なくとも１つの変曲点を有する非球面形状であることが好ましい。このことにより、ディストーションと非点収差を良好に補正することができる。なお、第１レンズＬ１の物体側の面における「変曲点」とは、第１レンズＬ１の物体側の面形状が像側に対して凸形状から凹形状（又は凹形状から凸形状）に切り替わる点を意味する。また、本明細書中において、「物体側の面と最大画角の主光線との交点から光軸に向かって半径方向内側に」とは、物体側の面と最大画角の主光線との交点と同じ位置かそれより光軸に向かって半径方向内側を意味する。また、第１レンズＬ１の物体側の面に設けられた変曲点は、第１レンズＬ１の物体側の面と最大画角の主光線との交点と同じ位置かそれより光軸に向かって半径方向内側の任意の位置に配置することができる。
第２レンズＬ２は、光軸近傍において負の屈折力を有する。また、第２レンズＬ２は、光軸近傍において物体側に凸面を向けたメニスカス形状であることが好ましい。第２レンズＬ２が、光軸近傍において物体側に凸面を向けたメニスカス形状である場合には、ディストーションを良好に補正することができる。
第３レンズＬ３は、光軸近傍において正の屈折力を有する。また、第３レンズＬ３は、光軸近傍において像側に凸面を向け、光軸近傍において物体側の面の曲率半径の絶対値よりも像側の面の曲率半径の絶対値が小さくなるように構成されている。このため、特に結像領域の周辺部において、光学系を通過する光線の結像面（撮像素子）への入射角が大きくなることを抑制することができる。また、第３レンズＬ３は、光軸近傍において両凸形状であることが好ましい。この場合には、球面収差を良好に補正することができる。
上記のように、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３は、物体側から順に、光軸近傍において負、負、正の屈折力を有するように構成されている。像倍率（撮影倍率）を維持しつつ、物像間距離を短縮化するためには、全系の焦点距離を短縮化しつつ広画角化を図ることが必要である。上記のように、第１レンズＬ１〜第３レンズＬ３の屈折力をそれぞれ構成することにより、好適に全系の焦点距離を短縮化しつつ広画角化を図ることができる。
また、開口絞りＳｔは、第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との間に位置することが好ましい。開口絞りＳｔをこのように配置した場合には、特に結像領域の周辺部において、最大画角の主光線の結像面（撮像素子）への入射角が大きくなることを抑制することができる。
なお、撮像レンズ１０において、それぞれ物体外から侵入した迷光や箇体内での光の反射、散乱等によるフレア光などを防止するためにフレア絞りを設けることが望ましい。フレア絞りを兼ねる間隔環を設けても良いし、レンズに直接塗装やコートを施し同等の効果を持たせてもよい。これにより、部品点数の削減と全長の短縮化を図ることができる。
また、平行平面板であるレンズ保護用カバーガラスＣＧ１は、保護ガラス、フィルタ、あるいは物体を密着配置させる基準台であってもよい。また、平行平面板である受光面保護用カバーガラスＣＧ２は撮像素子のカバーガラスとして挿入されているが、例えばフィルタとして用いてもよい。平行平面板の厚みに関しては特に指定するものでなく、厚さにより最適化を行うことが可能であり、またこれらの平行平面板は、撮像レンズ１０の必須の構成ではなく、省略してもよい。
撮像レンズ１０を構成する第１レンズＬ１乃至第３レンズＬ３のそれぞれのレンズの少なくとも一方の面を非球面形状とすることが好ましい。この場合には、良好な光学性能を実現するために有利である。
また、撮像レンズ１０を構成する第１レンズＬ１乃至第３レンズＬ３を単レンズとすることが好ましい。この場合には、第１レンズＬ１乃至第３レンズＬ３のいずれかのレンズを接合レンズとした場合よりも、レンズ面数が多いため、各レンズの設計自由度が高くなり、良好な光学性能を実現するために有利である。
上記撮像レンズ１０によれば、全体として３枚というレンズ構成において、第１レンズＬ１〜第３レンズＬ３の各レンズ要素の構成を最適化したので、中心画角から周辺画角まで高い結像性能を有するレンズ系を実現できる。
特に、撮像レンズ１０によれば、第１レンズＬ１〜第３レンズＬ３の各レンズ要素の構成を最適化したので、ディストーションが良好に補正されている。この結果、撮像レンズ１０の全系の焦点距離に対する最大像高を適切な大きさに確保することができる。このため、撮像レンズ１０を、短い物像間距離において、広範囲の撮像を行う広画角な撮像レンズに好適に適用することができる。画像や文字の読取、生体認証などを行う撮像装置では、例えば、１０ｍｍ以下の物像間距離において、光軸に垂直方向に物像間距離の４倍程度の大きさの被写体（読取対象物、又は、認証対象物）を撮像し、画像や文字の読取又は生体認証などに用いたいという要求が生じる場合がある。このような撮像装置に撮像レンズ１０を適用した場合には、ディストーションを抑制し、全系の焦点距離に対する最大像高の比率が大きく確保されているため、上記要求に応じて短い物像間距離において広い範囲で被写体の撮像を行うことができ、精度よく読取又は認証を行うことができる。
一例として、図２〜図６に示す構成例は、全系の焦点距離ｆに対する最大像高ＩＨの値が２．５以上の値になるように構成されている。このため、１０ｍｍ以下の物像間距離において、光軸に垂直方向に物像間距離の４倍程度の大きさの被写体を撮像する撮像装置に好適に適用できる。これに対し、特許文献１および特許文献２に記載された撮像レンズは、ディストーションを大きく設定した魚眼タイプのレンズ系であるため、広画角ではあるが、読取又は認証のためのレンズ系として用いるためには、ディストーションをさらに抑制することが好ましい。また、特許文献１および特許文献２に記載された撮像レンズは、全系の焦点距離に対する最大像高の比率の値が、１．６以下と小さいため、より全系の焦点距離に対する最大像高を確保することが好ましい。
次に、以上のように構成された撮像レンズ１０の条件式に関する作用および効果をより詳細に説明する。なお、撮像レンズ１０は、下記各条件式について、各条件式のいずれか１つ又は任意の組合せを満足することが好ましい。満足する条件式は撮像レンズ１０に要求される事項に応じて適宜選択されることが好ましい。
第１レンズＬ１の物体側の面の近軸曲率半径Ｌ１ｆと第１レンズＬ１の像側の面の近軸曲率半径Ｌ１ｒは、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
−１０＜Ｌ１ｆ／Ｌ１ｒ＜−０．１ （１）
条件式（１）の上限以上とならないように、第１レンズＬ１の像側の面の近軸曲率半径Ｌ１ｒと第１レンズＬ１の物体側の面の近軸曲率半径Ｌ１ｆとを設定することにより、ディストーションと非点収差を良好に補正することができる。また、条件式（１）の下限以下とならないように、第１レンズＬ１の像側の面の近軸曲率半径Ｌ１ｒと第１レンズＬ１の物体側の面の近軸曲率半径Ｌ１ｆとを設定することにより、好適に広画角化を実現することができる。この効果をより高めるために、条件式（１−１）を満たすことが好ましい。
−５＜Ｌ１ｆ／Ｌ１ｒ＜−０．２ （１−１）
また、第１レンズＬ１の物体側の面の近軸曲率半径Ｌ１ｆと第１レンズＬ１の像側の面の近軸曲率半径Ｌ１ｒは、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
−０．９＜（Ｌ１ｆ＋Ｌ１ｒ）／（Ｌ１ｆ−Ｌ１ｒ）＜０．９ （２）
条件式（２）の上限以上とならないように、第１レンズＬ１の像側の面の近軸曲率半径Ｌ１ｒと第１レンズＬ１の物体側の面の近軸曲率半径Ｌ１ｆとを設定することにより、ディストーションと非点収差を良好に補正することができる。また、条件式（２）の下限以下とならないように、第１レンズＬ１の像側の面の近軸曲率半径Ｌ１ｒと第１レンズＬ１の物体側の面の近軸曲率半径Ｌ１ｆとを設定することにより、好適に広画角化を実現することができる。この効果をより高めるために、条件式（２−１）を満たすことが好ましい。
−０．７＜（Ｌ１ｆ＋Ｌ１ｒ）／（Ｌ１ｆ−Ｌ１ｒ）＜０．７ （２−１）
また、第１レンズＬ１の波長８５０ｎｍにおける焦点距離ｆ１および波長８５０ｎｍにおける全系の焦点距離ｆは、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
−０．２＜ｆ／ｆ１＜−０．０５ （３）
条件式（３）の上限以上とならないように、第１レンズＬ１の屈折力を確保することにより、第１レンズＬ１の負の屈折力が全系の屈折力に対して弱くなりすぎず、広画角化を実現するために有利である。条件式（３）の下限以下とならないように、第１レンズＬ１の屈折力を抑制することにより、第１レンズＬ１の負の屈折力が全系の屈折力に対して強くなりすぎず、ディストーションと非点収差とを良好に補正することができる。また、この効果をより高めるために、条件式（３−１）を満たすことが好ましい。
−０．１７＜ｆ／ｆ１＜−０．０７ （３−１）
また、第１レンズＬ１の波長８５０ｎｍにおける焦点距離ｆ１および第２レンズＬ２の波長８５０ｎｍにおける焦点距離ｆ２は、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。
０．５＜ｆ１／ｆ２＜５ （４）
条件式（４）の上限以上とならないように、第１レンズＬ１の屈折力に対する第２レンズＬ２の屈折力を抑制することにより、第１レンズＬ１の屈折力に対する第２レンズＬ２の屈折力が強くなりすぎず、広画角化を実現するために有利となる。また、条件式（４）の下限以下とならないように、第１レンズＬ１の屈折力に対する第２レンズＬ２の屈折力を維持することにより、第１レンズＬ１の屈折力に対する第２レンズＬ２の屈折力が弱くなりすぎず、ディストーションと非点収差とを良好に補正することができる。この効果をより高めるために、条件式（４−１）を満たすことが好ましい。
０．７＜ｆ１／ｆ２＜３．５ （４−１）
また、第２レンズＬ２の物体側の面の近軸曲率半径Ｌ２ｆと第２レンズＬ２の像側の面の近軸曲率半径Ｌ２ｒは、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。
０．１＜（Ｌ２ｆ−Ｌ２ｒ）／（Ｌ２ｆ＋Ｌ２ｒ）＜１ （５）
条件式（５）の上限以上とならないように、第２レンズＬ２の物体側の面の近軸曲率半径Ｌ２ｆと第２レンズＬ２の像側の面の近軸曲率半径Ｌ２ｒとを設定することにより、広画角化を実現するために有利となる。条件式（５）の下限とならないように、第２レンズＬ２の物体側の面の近軸曲率半径Ｌ２ｆと第２レンズＬ２の像側の面の近軸曲率半径Ｌ２ｒとを設定することにより、ディストーションと非点収差とを良好に補正することができる。この効果をより高めるために、条件式（５−１）を満たすことが好ましい。
０．５＜（Ｌ２ｆ−Ｌ２ｒ）／（Ｌ２ｆ＋Ｌ２ｒ）＜０．９８ （５−１）
また、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との波長８５０ｎｍにおける合成焦点距離ｆ１２と、第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との間の光軸上の間隔ｄ２３（第２レンズＬ２の像側の面から第３レンズＬ３の物体側の面までの間の光軸上の距離）とは、以下の条件式（６）を満足することが好ましい。
−３＜ｄ２３／ｆ１２＜−１ （６）
条件式（６）の上限以上とならないように、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との合成屈折力と第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との間の光軸上の間隔ｄ２３との積を設定することにより、広画角化を実現するために有利となる。条件式（６）の下限以下とならないように、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との合成屈折力と第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との間の光軸上の間隔ｄ２３との積を設定することにより、好適にレンズ全長を短縮化することができ、物像間距離を短縮化するために有利である。この効果をより高めるために、条件式（６−１）を満たすことが好ましい。
−２．５＜ｄ２３／ｆ１２＜−１．２ （６−１）
撮像レンズ１０は、適宜、上記の好ましい条件を満足することで、より高い結像性能を実現することができる。
以上説明したように、本実施形態に係る広角の撮像レンズによれば、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との３枚構成において、各レンズの最適化を図ることにより、全系の焦点距離に対する最大像高の比率を適切に確保した、中心画角から周辺画角まで高い結像性能を有する広角レンズ系を提供することができる。
次に、本発明の実施形態に係る撮像装置として、７００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の波長帯域からなる近赤外光を利用して撮像を行う撮像装置の例について説明する。本発明の実施形態に係る撮像装置は、本発明の実施形態に係る撮像レンズを備えたものである。
従来、７００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の波長帯域からなる近赤外光を利用してヘモグロビン濃度を測定する装置が開発されている（「京都大学医学部保健学科紀要 健康科学 第２巻 近赤外分光画像計測法による無侵襲抹消血管モニタリング装置を用いたヘモグロビン濃度の測定」参照）。
このような波長帯域からなる近赤外光は、血中に含まれるヘモグロビンに吸収されやすく、さらに生体組織を透過しやすい。そのため、手や指を近赤外光で照明してそれをＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の撮像素子を用いたカメラで撮像すれば手や指の末梢血管を示す画像を得ることができる。上記ヘモグロビン濃度を測定する装置は、このようにして得られた末梢血管を示す画像を分析して血中のヘモグロビン濃度を求めている。
また、上記のような技術を用いて、小型カメラを用いて手や指を撮像して得られた末梢血管を示す画像から個体を判別する生体認証用撮像装置が提案されている。このような生体認証用撮像装置は主に皮膚の表面近くにある静脈を観測している。皮膚の表面近くの静脈には脱酸素化ヘモグロビンが多く含まれており、脱酸素化ヘモグロビンによる光の吸収ピークが７６０ｎｍ付近にあることから、これに近い波長帯域を撮像して得た手や指を示す画像から末梢血管を示す画像を観測することができる。
また、動脈に多く含まれる酸素化ヘモグロビンによる光の吸収ピークは７６０ｎｍよりも長波長側にある。抹消血管を詳細に観測したい場合はこの酸素化ヘモグロビンの吸収も利用した方が好ましく、双方のヘモグロビンにおいて吸収率の高い８５０ｎｍ付近の近赤外光の波長帯域を撮像して末梢血管を示す画像を観測することが望ましい。
また、上記のような生体認証用撮像装置では、短い物像間距離において、光軸に垂直方向に広い範囲で認証対象物を撮像して、撮像された画像を生体認証などに用いたいという要求がある。
本発明の一実施形態に係る撮像装置は、本発明に係る撮像レンズを備えた生体認証用の撮像装置である。係る撮像装置において、例えば、波長が７００ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下の近赤外光を用いることができ、さらには波長が８２０ｎｍ以上かつ８８０ｎｍ以下の近赤外光を用いることが好ましい。
図１２、図１３を用いて、本発明の実施形態に係る撮像装置２００である生体認証用の撮像装置について説明する。図１２は、本発明の撮像レンズを用いた生体認証用の撮像装置２００の概略構成を示す断面図である。図１３は、図１２の生体認証用の撮像装置の内部を拡大して示す拡大斜視図である。
生体認証用の撮像装置２００は、人の指２０１を観測して個体を判別するものである。
撮像装置２００は、赤外光ランプ２１０で人の指２０１を照明し、この指２０１の表面近傍の像を撮像レンズ２２０、および赤外光を透過させ可視光を遮断する赤外光透過フィルタ２２５を通して撮像素子２３０の受光面上に結像させる。そして、この受光面上に結像された指２０１の表面近傍の像を撮像素子２３０で撮像する。撮像素子２３０によって撮像された撮像信号（画像信号）は不図示の画像処理部によって画像処理が施されて表示画像として表示装置２４０に表示される。
この表示装置２４０に表示された指２０１の表面近傍を示す画像により、この指２０１の皮膚の表面近くにある静脈の末梢血管を観測することができ、これにより、個体を判別することができる。
なお、上記例では、撮像装置２００は、赤外光ランプ２１０から照射された赤外光が指２０１の表面で反射された反射光に基づいて、撮像画像を撮像するように構成されている。これに代えて、撮像装置２００は、被写体である指２０１を挟んで撮像レンズ２２０と赤外光ランプ２１０とが互いに対向する位置に位置するように赤外光ランプ２１０を設けてもよい。この場合には、撮像装置２００は、赤外光ランプ２１０から照射された赤外光が指２０１を透過した透過光に基づいて、撮像画像を撮像する。撮像装置２００を、このように透過光を利用した撮像画像を撮像するように構成した場合にも、撮像画像を用いて、好適に生体認証を行うことが可能である。
上記撮像装置２００によれば、本発明の高い結像性能を有する撮像レンズ２２０によって形成された光学像に応じた撮像信号を出力するようにしたので、高解像の撮像画像を得ることができる。また、撮像装置２００に搭載された撮像レンズ２２０によって、ディストーションを抑制し、全系の焦点距離に対する最大像高の比率を適切な大きさに確保することができる。このため、撮像装置２００によって、短い物像間距離において、光軸に垂直方向に広い範囲で認証対象物を撮像して、撮像された画像を生体認証に用いたいという要求に好適に応えることができ、撮像された撮像画像を用いて高精度に生体認証を行うことができる。
なお、本発明の一実施形態に係る撮像装置を７００ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下の波長帯域を撮像する撮像装置とする場合には、所望の波長帯域の赤外光を得るために、第１レンズより物体側又は第３レンズより像側に可視光をカットするフィルタや可視光をカットするコートを施した光学部材を備えることが望ましい。又は、第１レンズＬ１乃至第３レンズＬ３のレンズ面のうち少なくとも１つを、可視光を遮断し赤外光を透過させる表面処理が施されたものとしてもよい。撮像する波長帯域を狭めることにより不要な波長成分が除かれるので、フレア成分を減少させ解像力を向上させることができる。
なお、これとは反対に、本発明の一実施形態に係る撮像装置を可視光の波長帯域を撮像する撮像装置としてもよい。
次に、本発明の実施形態に係る撮像レンズの具体的な数値実施例について説明する。以下では、複数の数値実施例をまとめて説明する。
後掲の表１、表２および表３は、図１に示した実施例１の撮像レンズ１０の構成に対応する具体的なレンズデータを示している。特に表１には基本的なレンズデータを示し、表２には諸元データを示し、表３には非球面に関するデータを示す。表１に示したレンズデータにおける面番号Ｓｉの欄には、物体位置を示す物体面を１番目として、物体側から像側に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目の面の番号を示している。曲率半径Ｒｉの欄には、図１において付した符号Ｒｉに対応させて、物体側からｉ番目の面の曲率半径の値（ｍｍ）を示す。面間隔Ｄｉの欄についても、同様に物体側からｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓｉ＋１との光軸上の間隔（ｍｍ）を示す。Ｎｊの欄には、物体側からｊ番目の光学要素の波長８５０ｎｍに対する屈折率の値を示す。
表１には、物体の位置する平面（ｉ＝１）と、平行平面板であるレンズ保護用カバーガラスＣＧ１の物体側の面および像側の面（ｉ＝２、３）と、開口絞りＳｔ（ｉ＝８）と、受光面保護用カバーガラスＣＧ２の物体側の面および像側の面（ｉ＝９、１０）も含めて示している。表１では、物体面に相当する面の面番号の欄には、面番号と（Ｏｂｊ）という語句を記載し、開口絞りＳｔに相当する面の面番号の欄には面番号と（Ｓｔ）という語句を記載している。曲率半径の符号は、物体側に凸面を向けた面形状のものを正とし、像側に凸面を向けた面形状のものを負としている。
また、表２には、諸元データとして、波長８５０ｎｍにおける全系の焦点距離ｆ（ｍｍ）と、ＦナンバーＦｎｏ.と、最大画角２ω（°）の値と、物体面から像面までの光軸上の距離である物像間距離ＴＴＬ（ｍｍ）と、波長８５０ｎｍにおける全系の焦点距離ｆに対する最大像高ＩＨの比ＩＨ／ｆをそれぞれ示す。なお、物像間距離ＴＴＬにおいて、バックフォーカスは空気換算した値とされている。また、表２において、ＦナンバーＦｎｏ.と、最大画角２ωとは、赤外光（波長８５０ｎｍ）を基準波長とし、物体距離を１．５ｍｍとした場合の値をそれぞれ示す。レンズデータおよび諸元データにおいて、角度の単位としては度を用い、長さの単位としてはｍｍを用いているが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても使用可能なため他の適当な単位を用いることもできる。
この実施例１に係る撮像レンズは、第１レンズＬ１乃至第３レンズＬ３の両面がすべて非球面形状となっている。表１の基本レンズデータには、これらの非球面の曲率半径として、光軸近傍の曲率半径（近軸曲率半径）の数値を示している。
表３には実施例１の撮像レンズにおける非球面データを示す。非球面データとして示した数値において、記号“Ｅ”は、その次に続く数値が１０を底とした“べき指数”であることを示し、その１０を底とした指数関数で表される数値が“Ｅ”の前の数値に乗算されることを示す。例えば、「１．０Ｅ−０２」であれば、「１．０×１０-2」であることを示す。
非球面データとしては、以下の式（Ａ）によって表される非球面形状の式における各係数Ａｎ，ＫＡの値を記す。Ｚは、より詳しくは、光軸から高さｈの位置にある非球面上の点から、非球面の頂点の接平面（光軸に垂直な平面）に下ろした垂線の長さ（ｍｍ）を示す。
ただし、
Ｚ：非球面の深さ（ｍｍ）
ｈ：光軸からレンズ面までの距離（高さ）（ｍｍ）
Ｃ：近軸曲率＝１／Ｒ
（Ｒ：近軸曲率半径）
Ａｎ：第ｎ次（ｎは３以上の整数）の非球面係数
ＫＡ：非球面係数
とする。
以上の実施例１の撮像レンズと同様にして、図３〜図６に示した撮像レンズの構成に対応する具体的なレンズデータを実施例２乃至実施例５として、表４〜表１５に示す。これらの実施例１〜５に係る撮像レンズでは、第１レンズＬ１乃至第３レンズＬ３の両面がすべて非球面形状となっている。
図７は、左から順に実施例１の撮像レンズにおける球面収差、非点収差、ディストーション（歪曲収差）を表す収差図をそれぞれ示している。球面収差、非点収差、ディストーション（歪曲収差）を表す各収差図には、赤外光（波長８５０ｎｍ）を基準波長とした収差を示す。非点収差図において、実線はサジタル方向（Ｓ）、破線はタンジェンシャル方向（Ｔ）の収差を示す。また、Ｆｎｏ．はＦナンバーを、ωは最大画角の半値をそれぞれ示す。また、図７における、Ｆｎｏ．とωとは、物体距離を１．５ｍｍとした場合の値をそれぞれ示す。
同様に、実施例２乃至実施例５の撮像レンズについての諸収差を図８乃至図１１に示す。符号の意味について、図７を例にとり説明したが、図８乃至図１１においても基本的に同様である。図８乃至図１１に示す収差図は全て物体距離が１．５ｍｍの場合の収差図である。
また、表１６には、各条件式（１）〜（６）に関する値を、各実施例１〜５についてそれぞれ示す。また、表１６には、第１レンズＬ１の８５０ｎｍにおける焦点距離ｆ１と、第２レンズＬ２の８５０ｎｍにおける焦点距離ｆ２と、第３レンズＬ３の８５０ｎｍにおける焦点距離ｆ３についても併せて示す。
以上の各数値データおよび各収差図から分かるように、各実施例について、小型化を図りつつ広画角化を実現し、高い結像性能が実現されている。
なお、上記した近軸曲率半径、面間隔、屈折率はいずれも光学測定に係わる専門家が以下の方法により測定して求めたものである。
近軸曲率半径は、超高精度三次元測定機UA3P（パナソニックファクトリーソリューションズ株式会社製）を用いてレンズを測定し、以下の手順により求める。近軸曲率半径Ｒｍ(ｍは自然数)と円錐係数Ｋｍを仮に設定してUA3Pに入力し、これらと測定データからUA3P付属のフィッティング機能を用いて非球面形状の式の第ｎ次の非球面係数Ａｎを算出する。上記した非球面形状の式（Ａ）において、Ｃ＝１／Ｒｍ、ＫＡ＝Ｋｍ−１と考える。Ｒｍ、Ｋｍ、Ａｎと非球面形状の式から、光軸からの高さｈに応じた光軸方向の非球面の深さＺを算出する。光軸からの各高さｈにおいて、算出された深さＺと実測値の深さＺ’との差分を求め、この差分が所定範囲内であるか否かを判別し、所定範囲内の場合は設定したＲｍを近軸曲率半径とする。一方、差分が所定範囲外の場合は、光軸からの各高さｈにおいて算出された深さＺと実測値の深さＺ’との差分が所定範囲内になるまで、その差分の算出に用いられたＲｍおよびＫｍの少なくとも一方の値を変更してＲｍ＋１とＫｍ＋１として設定してUA3Pに入力し、上記同様の処理を行い、光軸からの各高さｈにおいて算出された深さＺと実測値の深さＺ’との差分が所定範囲内であるかを判別する処理を繰り返す。なお、ここで言う所定範囲内は、２００ｎｍ以内とする。また、ｈの範囲としてはレンズ最大外径の０〜１／５以内に対応する範囲とする。
面間隔は、組レンズ測長用の中心厚・面間隔測定装置OptiSurf（Trioptics製）を用いて測定して求める。
屈折率は、精密屈折計KPR-2000（株式会社島津製作所製）を用いて、被検物の温度を25°Ｃの状態にして測定して求める。ここでは、波長８５０ｎｍの波長を採用した例を示しているため、赤外光（波長８５０ｎｍ）で測定したときの屈折率をＮとする。なお、撮像レンズに、波長８５０ｎｍ以外の波長を採用した場合には、採用した波長で測定したときの屈折率をＮとする。
また、撮像装置２００の実施形態では、生体認証装置を例示して説明したが、本発明の撮像装置はこれに限定されるものではない。撮像装置２００は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を用いた比較的小型で広画角な撮像装置に好適に適用することができる。例えば、イメージスキャナー、複写機、ファクシミリ等の画像や文字を読み取る読取装置、人の顔、目の光彩、掌や指等の静脈位置を検出してその人を認証する生体認証装置、紙幣や硬貨を識別する識別装置、スマートフォンなどの携帯電話端末、携帯情報端末、タブレット型端末、顕微鏡、および、戸外の状況を監視するためドアフォンや自動車に搭載された監視装置等にも本発明の撮像レンズを適用することも可能である。
なお、本発明は、上記実施形態および各実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔および屈折率の値などは、上記各図中に示した数値に限定されず、他の値を取り得る。本明細書では波長８５０ｎｍに最適化した例を示したが、その外の波長に対応した設計も実施可能である。
１０、２２０ 撮像レンズ
２００ 撮像装置
ＣＧ１ レンズ保護用カバーガラス
ＣＧ２ 受光面保護用カバーガラス
Ｉｍｇ 受光面（結像面）
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ
Ｄｉ 物体側から第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ面との面間隔
Ｒｉ 物体側から第ｉ番目のレンズ面の曲率半径
Ｓｔ 開口絞り
Ｚ１ 光軸

Claims (15)

  1. 物体側から順に、
    両凹形状であり、かつ、物体側の面が非球面形状である第１レンズと、
    負の屈折力を有する第２レンズと、
    正の屈折力を有し、像側に凸面を向け、物体側の面よりも像側の面の曲率半径の絶対値が小さい第３レンズとから構成される３枚のレンズから実質的になり、
    さらに以下の条件式を満足する撮像レンズ。
    −２．５＜ｄ２３／ｆ１２＜−１．２ （６−１）
    ただし、
    ｄ２３：前記第２レンズと前記第３レンズとの間の光軸上の間隔
    ｆ１２：前記第１レンズと前記第２レンズの波長８５０ｎｍにおける合成焦点距離
  2. 前記第２レンズと前記第３レンズとの間に位置する開口絞りをさらに備えた請求項１記載の撮像レンズ。
  3. 前記第１レンズの物体側の面が、該第１レンズの物体側の面と最大画角の主光線との交点から光軸に向かって半径方向内側に少なくとも１つの変曲点を有する請求項２記載の撮像レンズ。
  4. さらに以下の条件式を満足する請求項１から３のいずれか１項記載の撮像レンズ。
    −１０＜Ｌ１ｆ／Ｌ１ｒ＜−０．１ （１）
    ただし、
    Ｌ１ｆ：前記第１レンズの物体側の面の近軸曲率半径
    Ｌ１ｒ：前記第１レンズの像側の面の近軸曲率半径
  5. さらに以下の条件式を満足する請求項１から４のいずれか１項記載の撮像レンズ。
    −０．９＜（Ｌ１ｆ＋Ｌ１ｒ）／（Ｌ１ｆ−Ｌ１ｒ）＜０．９ （２）
    ただし、
    Ｌ１ｆ：前記第１レンズの物体側の面の近軸曲率半径
    Ｌ１ｒ：前記第１レンズの像側の面の近軸曲率半径
  6. さらに以下の条件式を満足する請求項１から５のいずれか１項記載の撮像レンズ。
    −０．２＜ｆ／ｆ１＜−０．０５ （３）
    ただし、
    ｆ１：前記第１レンズの波長８５０ｎｍにおける焦点距離
    ｆ：波長８５０ｎｍにおける全系の焦点距離
  7. さらに以下の条件式を満足する請求項１から６のいずれか１項記載の撮像レンズ。
    ０．５＜ｆ１／ｆ２＜５ （４）
    ただし、
    ｆ１：前記第１レンズの波長８５０ｎｍにおける焦点距離
    ｆ２：前記第２レンズの波長８５０ｎｍにおける焦点距離
  8. 前記第２レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状である請求項１から７のいずれか１項記載の撮像レンズ。
  9. さらに以下の条件式を満足する請求項１から８のいずれか１項記載の撮像レンズ。
    ０．１＜（Ｌ２ｆ−Ｌ２ｒ）／（Ｌ２ｆ＋Ｌ２ｒ）＜１ （５）
    ただし、
    Ｌ２ｆ：前記第２レンズの物体側の面の近軸曲率半径
    Ｌ２ｒ：前記第２レンズの像側の面の近軸曲率半径
  10. さらに以下の条件式を満足する請求項１から９のいずれか１項記載の撮像レンズ。
    −５＜Ｌ１ｆ／Ｌ１ｒ＜−０．２ （１−１）
    ただし、
    Ｌ１ｆ：前記第１レンズの物体側の面の近軸曲率半径
    Ｌ１ｒ：前記第１レンズの像側の面の近軸曲率半径
  11. さらに以下の条件式を満足する請求項１から１０のいずれか１項記載の撮像レンズ。
    −０．７＜（Ｌ１ｆ＋Ｌ１ｒ）／（Ｌ１ｆ−Ｌ１ｒ）＜０．７ （２−１）
    ただし、
    Ｌ１ｆ：前記第１レンズの物体側の面の近軸曲率半径
    Ｌ１ｒ：前記第１レンズの像側の面の近軸曲率半径
  12. さらに以下の条件式を満足する請求項１から１１のいずれか１項記載の撮像レンズ。
    −０．１７＜ｆ／ｆ１＜−０．０７ （３−１）
    ただし、
    ｆ１：前記第１レンズの波長８５０ｎｍにおける焦点距離
    ｆ：波長８５０ｎｍにおける全系の焦点距離
  13. さらに以下の条件式を満足する請求項１から１２のいずれか１項記載の撮像レンズ。
    ０．７＜ｆ１／ｆ２＜３．５ （４−１）
    ただし、
    ｆ１：前記第１レンズの波長８５０ｎｍにおける焦点距離
    ｆ２：前記第２レンズの波長８５０ｎｍにおける焦点距離
  14. さらに以下の条件式を満足する請求項１から１３のいずれか１項記載の撮像レンズ。
    ０．５＜（Ｌ２ｆ−Ｌ２ｒ）／（Ｌ２ｆ＋Ｌ２ｒ）＜０．９８ （５−１）
    ただし、
    Ｌ２ｆ：前記第２レンズの物体側の面の近軸曲率半径
    Ｌ２ｒ：前記第２レンズの像側の面の近軸曲率半径
  15. 請求項１から１４のいずれか１項記載の撮像レンズを備えた撮像装置。
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