JP6481305B2 - 結像レンズおよび撮像装置 - Google Patents

Description

この発明は、結像レンズおよび撮像装置に関する。

所謂「産業用カメラ」が広く実用化され、例えば、マシンビジョン用の画像入力装置等の開発が進んでいる。

マシンビジョンの画像入力装置に用いられる結像レンズは、フォーカシングに伴うレンズ性能の変化が少なく、安定していることが重要である。

フォーカシングに伴うレンズ性能の変動を抑制した光学系として、特許文献１に記載のものが知られている。

特許文献１に記載された光学系（レンズ系）は、正の屈折力の第１レンズユニットと、正または負の屈折力の第２レンズユニットにより構成されている。

そして、物体側より像側へ順に、正の屈折力のレンズユニット１ａ、開口絞り、正の屈折力のレンズユニット１ｂからなる第１レンズユニットが物体側へ移動することにより、
無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングが行われる。

この発明は、３レンズ群構成で、フォーカシングに伴う性能の変化が少ない、新規な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に、正の屈折力を有する第１レンズ群、開口絞り、正の屈折力を有する第２レンズ群、正または負の屈折力を有する第３レンズ群を配して構成され、遠距離から近距離へのフォーカシングに際して、第３レンズ群を像面に対して固定し、第１レンズ群と開口絞りと第２レンズ群とを一体として物体側へ移動させる結像レンズであって、第３レンズ群が、物体側から像側へ向かって順に、負レンズ、正レンズの２枚を配して構成され、第３レンズ群の前記負レンズと前記正レンズとの空気間隙：Ｄ、無限遠物体に合焦した状態における第２レンズ群の最も像側の面から第３レンズ群の最も物体側の面までの光軸上の距離：Ｌ_{２Ｇ−３Ｇ}が、条件式：
（１） ４．０ ＜ Ｄ／Ｌ_{２Ｇ−３Ｇ} ＜ １２．０
を満足し、第１レンズ群が、２枚の正レンズの像側に、像側に凹面を向けた負レンズを配した３枚のレンズにより構成され、第２レンズ群が、２枚の正レンズの物体側に、物体側に凹面を向けた負レンズと、該負レンズの物体側に凹面を物体側に向けた正レンズとを配した４枚のレンズにより構成されている。

この発明によれば、３レンズ群構成で、フォーカシングに伴う性能の変化が少ない、新規な結像レンズを実現できる。

実施例１の結像レンズを説明するための図である。 実施例２の結像レンズを説明するための図である。 実施例３の結像レンズを説明するための図である。 実施例４の結像レンズを説明するための図である。 実施例５の結像レンズを説明するための図である。 実施例１の結像レンズの無限遠に合焦した状態での収差図である。 実施例１の結像レンズのワーキングディスタンス：０．２５ｍに合焦した状態での収差図である。 実施例１の結像レンズのワーキングディスタンス：０．１５ｍに合焦した状態での収差図である。 実施例２の結像レンズの無限遠に合焦した状態での収差図である。 実施例２の結像レンズのワーキングディスタンス：０．３ｍに合焦した状態での収差図である。 実施例２の結像レンズのワーキングディスタンス：０．２ｍに合焦した状態での収差図である。 実施例３の結像レンズの無限遠に合焦した状態での収差図である。 実施例３の結像レンズのワーキングディスタンス：０．３ｍに合焦した状態での収差図である。 実施例３の結像レンズのワーキングディスタンス：０．２ｍに合焦した状態での収差図である。 実施例４の結像レンズの無限遠に合焦した状態での収差図である。 実施例４の結像レンズのワーキングディスタンス：０．３ｍに合焦した状態での収差図である。 実施例４の結像レンズのワーキングディスタンス：０．２ｍに合焦した状態での収差図である。 実施例５の結像レンズの無限遠に合焦した状態での収差図である。 実施例５の結像レンズのワーキングディスタンス：０．３ｍに合焦した状態での収差図である。 実施例５の結像レンズのワーキングディスタンス：０．２ｍに合焦した状態での収差図である。 撮像装置の実施の１形態のシステムを説明するための図である。

図１ないし図５に、結像レンズの実施の形態を５例示す。これら実施の形態は、この順序に、後述する具体的な実施例１ないし５に対応する。

図１ないし図５において、図の左方が物体側、図の右方が像側である。
図１〜図５の、上段の図（（ａ）と表示）は「無限遠に合焦した状態」でのレンズ構成図、中段の図（（ｂ）と表示）は「中間距離に合焦した状態」でのレンズ構成図、下段の図（（ｃ）と表示）は「至近距離に合焦した状態」でのレンズ構成図を示している。

繁雑を避けるため、図１ないし図５において符号を共通化する。

これらの図において、符号Ｇ１は「第１レンズ群」、符号Ｇ２は「第２レンズ群」、符号Ｇ３は「第３レンズ群」を示し、符号Ｓは「開口絞り」を示す。

また、符号Ｉｍは「像面」を示す。
これら実施の形態の結像レンズは、結像させた像を撮像素子で撮像する場合を想定され、図１〜図５において符号ＣＧは「撮像素子のカバーガラス」を示している。

カバーガラスＣＧは「平行平板状」で、撮像素子の受光面は像面Ｉｍに合致している。

カバーガラスＣＧは、撮像素子の受光面をシールドして保護する機能を持つが、赤外線カットフィルタ等の各種フィルタ機能を併せ持つことができる。

第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２は、共に正の屈折力を持ち、第３レンズ群Ｇ３は「正または負の屈折力」を持つ。

從って、図１〜図５に実施の形態を示す結像レンズは、物体側から像側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１、開口絞りＳ、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ３、正または負の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３を配して構成されている。
図１〜図５に示すように「遠距離（上段の図）から至近距離（下段の図）へのフォーカシング」に際し、第３レンズ群Ｇ３が像面Ｉｍに対して固定され、第１レンズ群Ｇ１と開口絞りＳと第２レンズ群Ｇ２とが一体的に物体側へ移動される。

即ち、フォーカシングに際しては「第３レンズ群Ｇ３と像面Ｉｍとの位置関係」が不変に保たれ、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３の間隔のみが変化する。

第３レンズ群Ｇ３は、物体側から像側へ向かって順に、負レンズＬ３１と正レンズＬ３２との２枚のレンズを配して構成されている。

この発明の結像レンズは、第３レンズ群を構成する負レンズと正レンズとの間の空気間隙：Ｄ、無限遠物体に合焦した状態における第２レンズ群の最も像側の面から第３レンズ群の最も物体側の面までの距離：Ｌ_{２Ｇ−３Ｇ}が、条件式：
（１） ４．０ ＜ Ｄ／Ｌ_{２Ｇ−３Ｇ} ＜ １２．０
を満足する。

図１ないし図５に示す実施の形態に対応する後述の具体的な実施例１ないし５の結像レンズも、勿論、条件式（１）を満足する。

条件式（１）は、結像レンズの各収差をバランスよく補正した状態で、フォーカシングに伴う「各収差の変動」を有効に抑制する条件である。

条件式（１）のパラメータの値が４．０以下では「フォーカシングに伴う球面収差の変動」が過大となり、無限遠側や至近距離側に合焦させた状態での性能を十分に確保できない。

条件式（１）のパラメータの値が１２．０以上では、レンズ系が大型化し易くなり、コマ収差を良好に補正した状態を保って、結像レンズを小型化することが困難である。

「フォーカシングに伴う球面収差の変動」と「レンズ系の大型化」との、より有効な抑制のためには、条件式（１）のパラメータは、条件式（１）よりも若干狭い条件式：
（１Ａ） ４．５ ＜ Ｄ／Ｌ_{２Ｇ−３Ｇ} ＜ １１．０
を満足することが好ましい。

この発明の結像レンズは上記構成において、第３レンズ群の、負レンズの像側面を凹面、正レンズの物体側面を凸面とし、上記負レンズの像側面（凹面）の曲率半径：ｒ_３ＮＲ（＞０）、上記正レンズの物体側面（凸面）の曲率半径：ｒ_３ＰＦ（＞０）が、条件式（２）を満足するようにするのが好ましい。

（２） −０．２５＜（ｒ_３ＮＲ−ｒ_３ＰＦ）/（ｒ_３ＮＲ＋ｒ_３ＰＦ）＜０．０５
条件式（２）のパラメータの値が−０．２５以下では、球面収差がアンダー側に発生しやすくなったり、内向性のコマ収差が発生しやすくなったりする。

条件式（２）のパラメータの値が０．０５以上では、球面収差がオーバー側に発生しやすくなったり、外向性のコマ収差が発生しやすくなったりする。

条件式（２）が満足されると、球面収差やコマ収差の発生の抑制が容易になる。

条件式（２）のパラメータが条件式（２）よりも若干狭い条件式：
（２Ａ） −０．２０＜（ｒ_３ＮＲ−ｒ_３ＰＦ）／（ｒ_３ＮＲ＋ｒ_３ＰＦ）＜０．００
を満足するようにすると、球面収差やコマ収差の発生を、より有効に抑制できる。

この発明の結像レンズは、上記の如く、フォーカシングの際に像面に対して固定される第３レンズ群が、物体側から像側へ向かって順に、負レンズ、正レンズの２枚のレンズを配した点に特徴の一端がある。

このような第３レンズ群の物体側に配される第１レンズ群、開口絞り、第２レンズ群は、フォーカシングに際して一体として移動するので、以下において「第１レンズ群、開口絞り、第２レンズ群」をまとめて「可動群」と呼ぶ。

「可動群」は、以下の如き構成が好ましい。

即ち、第１レンズ群は「２枚の正レンズの像側に、像側に凹面を向けた負レンズを配した３枚のレンズ」により構成し、第２レンズ群は「２枚の正レンズの物体側に、少なくとも、物体側に凹面を向けた負レンズを有する構成」とすることが好ましい。

この場合、第２レンズ群は、物体側から像側へ向かって、負レンズ、正レンズ、正レンズの３枚で構成できる。

第２レンズ群はまた、２枚の正レンズの物体側に、物体側に凹面を向けた負レンズと、該負レンズの物体側に「凹面を物体側に向けた正レンズ」とを配した４枚のレンズにより構成することができる。

このような構成では「第１レンズ群と、開口絞りと、第２レンズ群の配置」が、開口絞りに関して対称的な所謂「ガウスタイプ」となり、可動群を「必要最低限のレンズ枚数で、各種収差を十分に小さい状態でバランスさせる構成」とすることが可能となる。

可動群をこのような構成とした場合、上記条件式（１）とともに、あるいは条件式（１）、（２）とともに、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
（３） １．２０ ＜ ｆ_１／ｆ_１−２ ＜ ４．００ 。

条件式（３）のパラメータにおいて、「ｆ_１」は第１レンズ群の焦点距離、「ｆ_１−２」は第１レンズ群と第２レンズ群の合成焦点距離である。

条件式（３）のパラメータ：ｆ_１／ｆ_１−２は、第１レンズ群の焦点距離と「可動群の合成焦点距離」との比であり、条件式（３）は、可動群における第１レンズ群の屈折力を、可動群の屈折力に対して良好にバランスさせる条件である。

第１レンズ群の屈折力は、条件式（３）のパラメータの値が１．２０以下では「可動群の屈折力」に対して相対的に過大となり、４．００以上では相対的に過小となる。

從って、条件式（３）の範囲外では、コマ収差や歪曲収差が発生し易くなる。

条件式（３）を満足することにより、コマ収差や歪曲収差の発生を有効に抑制できる。

なお、パラメータ：ｆ_１／ｆ_１−２は、条件式（３）よりも若干狭い条件式：
（３Ａ） １．５０ ＜ ｆ_１／ｆ_１−２ ＜ ３．００
を満足することがより好ましい。

可動群の構成を上記の如くガウスタイプとする場合、上記条件式（１）とともに、あるいは条件式（１）、（２）とともに、または条件式（１）、（２）、（３）とともに、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。
（４） −０．１５＜（ｒ_１ＮＲ＋ｒ_２ＮＦ）／（ｒ_１ＮＲ−ｒ_２ＮＦ）＜０．０５

条件式（４）のパラメータにおいて、「ｒ_１ＮＲ（＞０）」は、第１レンズ群の「像側に凹面を向けた負レンズの像側面」の曲率半径、「ｒ_２ＮＦ（＜０）」は、第２レンズ群の「物体側に凹面を向けた負レンズの物体側面」の曲率半径である。

条件式（４）は、開口絞りを挟んで第１レンズ群と第２レンズ群の隣接面で形成される「負の空気レンズ」の形状を規制するものである。

条件式（４）の範囲外では、空気レンズの形状が「対称形状」から崩れ、コマ収差の良好な補正が困難となり易い。条件式（４）を満足することにより、コマ収差の良好な補正が容易になる。

この発明の結像レンズは、上記条件式（１）とともに、または、条件式（１）と、条件式（２）〜（４）の任意の１とともに、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。

（５） １．１０ ＜ ｆ／ｆ_１−２ ＜ １．４０
パラメータ中の「ｆ」は、無限遠物体に合焦した状態における全系の焦点距離、「ｆ_１−２」は第１レンズ群と第２レンズ群の合成焦点距離である。

条件式（５）のパラメータの値が１．１０以下では、「第３レンズ群の倍率」が、全系の倍率に対して相対的に小さくなる。

このためフォーカシングの際の「可動群の移動量」が大きくなる。

特に、結像レンズが半画角：１０度前後の比較的狭画角、つまり「比較的長焦点距離」である場合には「可動群を駆動する駆動機構を含む実際の結像レンズ」が大型化し易い。

条件式（５）のパラメータが１．４以上では、第３レンズ群の倍率が相対的に大きく、可動群により形成された像の収差が、第３レンズ群で拡大されることになる。

このため、条件式（５）の上限を超えると、各種収差の補正をバランスさせるのが難しくなる。

条件式（５）のパラメータは、より好ましくは条件式（５）よりも若干狭い、以下の条件式
（５Ａ） １．１０ ＜ ｆ／ｆ_１−２ ＜ １．３０
を満足することが好ましい。

この発明の結像レンズにおいて、第１レンズ群の「最も物体側のレンズ」を正レンズとする場合には、上記の何れの場合にも、該正レンズの材質が、以下の条件式（６）、（７）、（８）を満足することが好ましい。

（６） １．５８ ＜ ｎ_ｄ ＜ １．６３
（７） ６２．０ ＜ ν_ｄ ＜ ７０．０
（８） ０．００４＜θ_ｇ,Ｆ-（-０．００１７４２×ν_ｄ＋０．６４９０）＜０．０３０
条件式（６）、（７）における「ｎ_ｄ」および「ν_ｄ」は、上記正レンズの材質の「ｄ線の屈折率およびアッベ数」である。

条件式（８）における「θ_ｇ,Ｆ」は部分分散比であり、レンズ材料のｇ線、Ｆ線、Ｃ線に対する屈折率：ｎ_ｇ、ｎ_Ｆ、ｎ_Ｃにより、
θ_ｇ,Ｆ＝(ｎｇ-ｎＦ)／(ｎＦ-ｎＣ)
で定義される。

条件式（６）、（７）および（８）を満足する分散特性を有する材料で、第1レンズ群の正レンズを構成することにより「色収差のより良好な補正」が可能となる。

色収差は、結像レンズの前記焦点距離：ｆが長くなるほど発生し易くなるが、条件式（６）〜（８）を満足する材料で、前記正レンズを形成すると、焦点距離を大きくしても、色収差の発生を有効に抑制できる。
前述の「マシンビジョン用の画像入力装置」に用いる結像レンズには、ワーキングディスタンスが確保し易く、パースペクティブの影響を受けにくい望遠気味のレンズとして、半画角：１０度前後のものが考えられる。

条件式（６）ないし（８）は、このような半画角：１０度前後の結像レンズにおける色収差の発生抑制に有効である。

なお、上記「ワーキングディスタンス」は、作動距離であり、画像入力のために撮像すべき対象物（「ワーク」とも言う。）の物体面からレンズ先端までの距離である。

この発明の結像レンズには勿論、非球面や回折面等の特殊面を１面以上採用することができるが、全てのレンズ面を球面で形成することもできる。

非球面や回折面などの特殊面を使用しないことによって、例えば成型用の金型などの「大きな製造コスト」の発生を回避でき、特に少ロットの生産時においてコスト的に有利である。

また、結像レンズを構成する各レンズの材料は、全て「無機固体材料」とすることが好ましい。有機材料や「有機無機ハイブリッド材料」等によるレンズは、温度・湿度などの環境条件による特性の変化が大きい。

結像レンズを構成する全てのレンズを「無機固体材料」で形成することにより、温度・湿度などの環境条件の変化の影響を受けにくい結像レンズを実現できる。

「実施例」
以下に、図１ないし図５に実施の形態を示した結像レンズの具体的な実施例として、実施例１ないし５を挙げる。

実施例１ないし５の結像レンズは、マシンビジョン用の画像入力装置に使用されることを想定されており、ワーキングディスタンスが確保し易く、パースペクティブの影響を受けにくい望遠気味の結像レンズである。

符号を共通化した図１〜図５に示すように、結像レンズは、物体側から像側へ向かい、第１レンズ群Ｇ１、開口絞りＳ、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３を配してなる。

第１レンズ群Ｇ１は、物体側から像側へ向かって順次、正レンズＬ１１、正レンズＬ１２、負レンズＬ１３の３枚を配して構成されている。

開口絞りＳの像側に配された第２レンズ群Ｇ２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の３枚、もしくは、正レンズＬ２１Ａ、負レンズＬ２１Ｂ、正レンズＬ２２、正レンズＬ２３の４枚を配して構成されている。
第３レンズ群Ｇ３は、前述の如く、物体側から像側へ向かって順次、負レンズＬ３１、正レンズＬ３２を配してなる。

実施例１〜５の全てにおいて「最大像高は８．８ｍｍ」である。

各実施例において、第３レンズ群Ｇ３の像面側に配設される平行平板状のカバーガラスＣＧは、その像側面が像面Ｉｍから物体側に約１．０ｍｍの位置となるよう配設されているが、勿論、これに限られる訳ではない。

実施例１の結像レンズは、無限遠物体に合焦した状態の焦点距離：約３５ｍｍ、半画角：約１４度である。実施例２〜実施例５の結像レンズは、無限遠物体に合焦した状態の焦点距離：約５０ｍｍで半画角：約１０度のスペックを具現化したものである．
実施例１の結像レンズにおける至近距離は「ワーキングディスタンスとして０．１５ｍ」である。

実施例２〜実施例５の結像レンズにおける至近距離は「ワーキングディスタンスとして０．２ｍ」である。

実施例１〜実施例５の結像レンズとも、至近距離における撮影倍率はおよそ０．２５倍以上となっている。

各実施例における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（無限遠に合焦した状態での半画角）
R：曲率半径
D：面間隔
N_d：屈折率
ν_d：アッベ数
θ_g,F：部分分散比
W.D：ワーキングディスタンス（物体から正レンズＬ１１の物体側面までの距離）
長さの次元を持つ量の単位は、特に断らない限り「ｍｍ」である。

最初に挙げる実施例１は、図１に示した結像レンズの具体例である。

「実施例１」
f = 35.00，F = 1.82，ω = 14.09
面番号 R D N_d ν_d θ_g,F 硝種名
01 39.607 3.50 1.83481 42.72 0.5648 OHARA S-LAH55V
02 -320.677 0.20
03 17.819 2.68 1.74320 49.34 0.5531 OHARA S-LAM60
04 30.240 1.36
05 66.118 2.66 1.67270 32.10 0.5988 OHARA S-TIM25
06 12.153 4.60
07 絞り 3.60
08 -12.836 2.20 1.68893 31.07 0.6004 OHARA S-TIM28
09 52.078 5.00 1.71300 53.87 0.5459 OHARA S-LAL8
10 -18.842 0.20
11 72.561 3.50 1.83481 42.72 0.5648 OHARA S-LAH55V
12 -38.978 可変(A)
13 107.845 3.50 1.64769 33.79 0.5938 OHARA S-TIM22
14 22.368 2.84
15 31.305 3.50 1.83481 42.72 0.5648 OHARA S-LAH55V
16 375.433 16.872
17 ∞ 0.75 1.51633 64.14 カバーガラス
18 ∞ 。

上記データ中の「絞り」は勿論「開口絞り」である。

「可変間隔（Ａ）」
W.D 無限遠 0.25m 0.15m
A 0.500 5.791 9.583 。

「条件式のパラメータの値」
（１） D/L_2G-3G=5.68
（２） (r_3NR-r_3PF)/(r_3NR+r_3PF)=-0.167
（３） f₁/f_1-2=2.64
（４） (r_1NR+r_2NF)/(r_1NR-r_2NF)=-0.0273
（５） f/f_1-2=0.983
（６） n_d=1.83481 …
（７） ν_d= 42.72 …
（８） θ_g,F-(-0.001742×ν_d+0.6490)=-0.0098 … 。

実施例１の結像レンズは、焦点距離：ｆが３５ｍｍと「比較的短く」、半画角も略１４度であり「焦点距離が長いことによる色収差の増大」が実用上問題とならないので、条件式（６）〜（８）は満足されていない。

次に挙げる実施例２は、図２に示した結像レンズの具体例である。

「実施例２」
f = 50.00，F = 2.45，ω = 9.92
面番号 R D N_d ν_d θ_g,F 硝種名
01 32.061 5.00 1.61800 63.33 0.5441 OHARA S-PHM52
02 -139.329 0.20
03 21.428 4.00 1.74320 49.34 0.5531 OHARA S-LAM60
04 37.150 0.73
05 116.366 3.00 1.56732 42.82 0.5731 OHARA S-TIL26
06 12.500 4.30
07 絞り 3.90
08 -14.500 5.00 1.67270 32.10 0.5988 OHARA S-TIM25
09 73.560 5.00 1.65100 56.16 0.5482 OHARA S-LAL54
10 -20.097 0.20
11 53.722 3.00 1.71300 53.87 0.5459 OHARA S-LAL8
12 -51.528 可変(A)
13 85.541 2.50 1.62230 53.17 0.5542 OHARA S-BSM22
14 25.940 16.24
15 27.554 2.96 1.58144 40.75 0.5774 OHARA S-TIL25
16 68.446 12.226
17 ∞ 0.75 1.51633 64.14 カバーガラス
18 ∞ 。

「可変間隔（Ａ）］
W.D 無限遠 0.3m 0.2m
A 1.900 7.493 10.450 。

「条件式のパラメータの値」
（１） D/L_2G-3G=8.55
（２） (r_3NR-r_3PF)/(r_3NR+r_3PF)=-0.0302
（３） f₁/f_1-2=2.07
（４） (r_1NR+r_2NF)/(r_1NR-r_2NF)=-0.0741
（５） f/f_1-2=1.24
（６） n_d=1.61800
（７） ν_d=63.33
（８） θ_g,F-(-0.001742×ν_d+0.6490)=0.0055 。

次に挙げる実施例３は、図３に示した結像レンズの具体例である。

「実施例３」
f = 50.00，F = 2.45，ω = 9.99
面番号 R D N_d ν_d θ_g,F 硝種名
01 32.264 5.00 1.61800 63.33 0.5441 OHARA S-PHM52
02 -177.652 2.61
03 23.418 4.00 1.78590 44.20 0.5631 OHARA S-LAH51
04 45.843 0.77
05 1630.890 3.00 1.60342 38.03 0.5835 OHARA S-TIM5
06 13.278 4.30
07 絞り 3.90
08 -13.780 3.00 1.62004 36.26 0.5879 OHARA S-TIM2
09 44.673 5.00 1.65100 56.16 0.5482 OHARA S-LAL54
10 -18.393 0.20
11 47.326 3.00 1.71300 53.87 0.5459 OHARA S-LAL8
12 -58.035 可変(A)
13 69.224 2.50 1.80610 40.93 0.5701 OHARA S-LAH53
14 22.797 9.05
15 25.136 3.50 1.59551 39.24 0.5803 OHARA S-TIM8
16 87.309 17.956
17 ∞ 0.75 1.51633 64.14 カバーガラス
18 ∞ 。

「可変間隔（Ａ）」
W.D 無限遠 0.3m 0.2m
A 1.900 7.517 10.475 。

「条件式のパラメータの数値」
（１） D/L_2G-3G=4.76
（２） (r_3NR-r_3PF)/(r_3NR+r_3PF)=-0.0488
（３） f₁/f_1-2=1.81
（４） (r_1NR+r_2NF)/(r_1NR-r_2NF)=-0.0186
（５） f/f_1-2=1.24
（６） n_d=1.61800
（７） ν_d=63.33
（８） θ_g,F-(-0.001742×ν_d+0.6490)=0.0055 。

次に挙げる実施例４は、図４に示した結像レンズの具体例である。

「実施例４」
f = 50.00，F = 2.45，ω = 9.92
面番号 R D N_d ν_d θ_g,F 硝種名
01 30.592 5.00 1.61800 63.33 0.5441 OHARA S-PHM52
02 -386.855 1.63
03 21.275 4.00 1.78590 44.20 0.5631 OHARA S-LAH51
04 44.410 0.59
05 118.176 3.00 1.60342 38.03 0.5835 OHARA S-TIM5
06 11.488 4.30
07 絞り 4.73
08 -22.114 3.00 1.48749 70.24 0.5300 OHARA S-FSL5
09 -16.612 0.66
10 -12.075 2.00 1.60342 38.03 0.5835 OHARA S-TIM5
11 38.763 5.00 1.65100 56.16 0.5482 OHARA S-LAL54
12 -15.623 0.20
13 44.789 3.00 1.71300 53.87 0.5459 OHARA S-LAL8
14 -235.889 可変(A)
15 66.771 2.50 1.80610 40.93 0.5701 OHARA S-LAH53
16 24.406 12.38
17 26.340 3.50 1.69895 30.13 0.6030 OHARA S-TIM35
18 60.579 12.322
19 ∞ 0.75 1.51633 64.14 カバーガラス
20 ∞ 。

「可変間隔（Ａ）」
W.D 無限遠 0.3m 0.2m
A 1.900 7.525 10.445 。

「条件式のパラメータの値」
（１） D/L_2G-3G=6.52
（２） (r_3NR-r_3PF)/(r_3NR+r_3PF)=-0.0381
（３） f₁/f_1-2=2.49
（４） (r_1NR+r_2NF)/(r_1NR-r_2NF)=-0.0249
（５） f/f_1-2=1.23
（６） n_d=1.61800
（７） ν_d=63.33
（８） θ_g,F-(-0.001742×ν_d+0.6490)=0.0055 。

因みに、実施例４は、第２レンズ群を「正レンズＬ２１Ａ、負レンズＬ２１Ｂ、正レンズＬ２３、正レンズＬ２４の４枚」で構成した例である。

条件式（４）のパラメータ中における「ｒ_２ｎＦ」は面番号１０の面（負レンズＬ２１Ｂの像側面、正レンズＬ２２の物体側面と接合されている。）である。

最後に挙げる実施例５は、図５に示した結像レンズの具体例である。

「実施例５」
f = 50.01，F = 2.45，ω = 9.92
面番号 R D N_d ν_d θ_g,F 硝種名
01 31.857 5.00 1.60300 65.44 0.5401 OHARA S-PHM53
02 -351.193 4.03
03 18.284 3.03 1.74320 49.34 0.5531 OHARA S-LAM60
04 28.838 0.65
05 53.015 3.00 1.53172 48.84 0.5631 OHARA S-TIL6
06 10.847 4.30
07 絞り 4.14
08 -12.662 2.00 1.63980 34.47 0.5922 OHARA S-TIM27
09 28.313 5.00 1.71300 53.87 0.5459 OHARA S-LAL8
10 -19.018 0.20
11 64.971 3.00 1.65100 56.16 0.5482 OHARA S-LAL54
12 -36.236 可変(A)
13 83.447 2.50 1.85026 32.27 0.5929 OHARA S-LAH71
14 25.471 13.56
15 28.378 4.00 1.84666 23.78 0.6205 OHARA S-TIH53
16 72.625 12.260
17 ∞ 0.75 1.51633 64.14 カバーガラス
18 ∞ 。

「可変間隔（Ａ）」
W.D 無限遠 0.3m 0.2m
A 2.000 7.568 10.494 。

「条件式のパラメータの値」
（１） D/L_2G-3G=6.78
（２） (r_3NR-r_3PF)/(r_3NR+r_3PF)=-0.0540
（３） f₁/f_1-2=2.23
（４） (r_1NR+r_2NF)/(r_1NR-r_2NF)=-0.0772
（５） f/f_1-2=1.24
（６） n_d=1.60300
（７） ν_d=65.44
（８） θ_g,F-(-0.001742×ν_d+0.6490)=0.0052 。

図６に実施例１の結像レンズの「無限遠に合焦した状態」における収差図を示す。

図７に実施例１の結像レンズの「ワーキングディスタンス：０．２５ｍに合焦した状態」における収差図を示す。

図８に実施例１の結像レンズの「ワーキングディスタンス：０．１５ｍに合焦した状態」における収差図を示す。

球面収差の図中の破線は「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。また「ｄ」はｄ線、「ｇ」はｇ線を表す。これらの表記は、以下に挙げる実施例２〜実施例５においても同様である。

図９〜図１１に、実施例２の結像レンズの収差図を、図６〜図８に倣って示す。
図１２〜図１４に、実施例３の結像レンズの収差図を、図６〜図８に倣って示す。
図１５〜図１７に、実施例４の結像レンズの収差図を、図６〜図８に倣って示す。
図１８〜図２０に、実施例５の結像レンズの収差図を、図６〜図８に倣って示す。

各実施例の収差図に示されたように、各実施例とも収差は高いレベルで補正され、フォーカシングによる像面湾曲の変化も良好に抑制されている。
球面収差は、フォーカシングに伴って「プラスからマイナスへと変化する」が、変化量は絶対値としては十分に小さい。

軸上色収差・倍率色収差も小さく、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他、歪曲収差も絶対値で０．７％未満となっている。
即ち、実施例１〜５の結像レンズは何れも各種収差が十分に低減され、６００万〜１２００万画素の撮像素子に対応した解像力を有し、歪曲収差の絶対値が１％未満で「直線を直線として描写可能」であり、フォーカシングに伴う性能の変化が少ない高性能の結像レンズとなっている。

また、Ｆナンバも２．８以下と大口径で明るい。

また、実施例１〜５の結像レンズは何れも、第１レンズ群Ｇ１ないし第３レンズ群Ｇ３を構成する全てのレンズが球面レンズであり、「無機固体材料」により形成されている。

図２１に即して、撮像装置を用いる「マシンビジョンの画像入力装置」のシステムの１例を説明する。

この「システム」は製品検査を行うものであり、検査対象としてのワークＷＫをコンベヤ３０により図の右方へ搬送しつつ、撮像装置１０によりワークＷＫを撮像して、画像入力する。

撮像装置１０には、請求項１ないし１６の何れか１項に記載の結像レンズ、具体的には、例えば実施例１〜５の何れかに示されたものを用いる。

コンピュータあるいはＣＰＵ等として構成された制御手段２０は、コンベヤ３０の駆動や、照明装置１２の点滅の制御を行うほか、撮像装置１０内の「結像レンズのフォーカシングや撮像素子による画像の取得」を制御する。

種々のサイズの製品がワークＷＫとして検査の対象となり、制御手段２０は、ワークＷＫのサイズに応じた適切なワーキングディスタンスを特定し、特定されたワーキングディスタンスに応じて、結像レンズのフォーカシングを制御する。

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

即ち、この発明の結像レンズは、上記マシンビジョン用の画像入力装置への使用が可能であるのみならず、デジタルカメラやビデオカメラ、監視カメラ等に用いることもできる。

この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

Ｇ１ 第１レンズ群
Ｓ 開口絞り
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｇ３ 第３レンズ群
Ｉｍ 像面
ＣＧ カバーガラス
Ｌ１１ 第１レンズ群の正レンズ
Ｌ１２ 第１レンズ群の正レンズ
Ｌ２１ 第２レンズ群の負レンズ
Ｌ２１Ａ 第２レンズ群の正レンズ
Ｌ２１Ｂ 第２レンズ群の負レンズ
Ｌ２２ 第２レンズ群の正レンズ
Ｌ２３ 第２レンズ群の正レンズ
Ｌ３１ 第３レンズ群の負レンズ
Ｌ３２ 第３レンズ群の正レンズ
１０ 撮像装置
１２ 照明装置
２０ 制御手段
３０ コンベヤ
ＷＫ ワーク

特開２０１３−２１８０１５号公報

Claims (17)

1. 物体側から像側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、開口絞り、正の屈折力を有する第２レンズ群、正または負の屈折力を有する第３レンズ群を配して構成され、遠距離から近距離へのフォーカシングに際して、第３レンズ群を像面に対して固定し、第１レンズ群と開口絞りと第２レンズ群とを一体として物体側へ移動させる結像レンズであって、
   第３レンズ群が、物体側から像側へ向かって順に、負レンズ、正レンズの２枚を配して構成され、
   第３レンズ群の前記負レンズと前記正レンズとの空気間隙：Ｄ、無限遠物体に合焦した状態における第２レンズ群の最も像側の面から第３レンズ群の最も物体側の面までの光軸上の距離：Ｌ_{２Ｇ−３Ｇ}が、条件式：
   （１） ４．０ ＜ Ｄ／Ｌ_{２Ｇ−３Ｇ} ＜ １２．０
   を満足し、
   第１レンズ群が、２枚の正レンズの像側に、像側に凹面を向けた負レンズを配した３枚のレンズにより構成され、
   第２レンズ群が、２枚の正レンズの物体側に、物体側に凹面を向けた負レンズと、該負レンズの物体側に凹面を物体側に向けた正レンズとを配した４枚のレンズにより構成された結像レンズ。
2. 請求項１記載の結像レンズにおいて、
   第３レンズ群の負レンズの像側面は凹面、第３レンズ群の正レンズの物体側面は凸面であり、
   第３レンズ群の負レンズの像側面の曲率半径：ｒ_３ＮＲ、第３レンズ群の正レンズの物体側面の曲率半径：ｒ_３ＰＦが、条件式：
   （２） −０．２５＜（ｒ_３ＮＲ−ｒ_３ＰＦ）/（ｒ_３ＮＲ＋ｒ_３ＰＦ）＜０．０５
   を満足する結像レンズ。
3. 請求項１または２記載の結像レンズにおいて、
   第１レンズ群の焦点距離：ｆ _１ 、第１レンズ群と第２レンズ群の合成焦点距離：ｆ _１−２ が、条件式：
   （３） １．２０ ＜ ｆ _１ ／ｆ _１−２ ＜ ４．００
   を満足する結像レンズ。
4. 請求項１ないし３の何れか１項に記載の結像レンズにおいて、
   第１レンズ群の像側に凹面を向けた負レンズの像側面の曲率半径：ｒ _１ＮＲ 、第２レンズ群の物体側に凹面を向けた負レンズの物体側面の曲率半径：ｒ _２ＮＦ が、条件式：
   （４） −０．１５＜（ｒ _１ＮＲ ＋ｒ _２ＮＦ ）／（ｒ _１ＮＲ −ｒ _２ＮＦ ）＜０．０５
   を満足する結像レンズ。
5. 請求項１ないし４の何れか１項に記載の結像レンズにおいて、
   無限遠物体に合焦した状態における全系の焦点距離：ｆ、第１レンズ群と第２レンズ群の合成焦点距離：ｆ _１−２ が、条件式：
   （５） １．１０ ＜ ｆ／ｆ _１−２ ＜ １．４０
   を満足する結像レンズ。
6. 物体側から像側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、開口絞り、正の屈折力を有する第２レンズ群、正または負の屈折力を有する第３レンズ群を配して構成され、遠距離から近距離へのフォーカシングに際して、第３レンズ群を像面に対して固定し、第１レンズ群と開口絞りと第２レンズ群とを一体として物体側へ移動させる結像レンズであって、
   第３レンズ群が、物体側から像側へ向かって順に、負レンズ、正レンズの２枚を配して構成され、
   第３レンズ群の前記負レンズと前記正レンズとの空気間隙：Ｄ、無限遠物体に合焦した状態における第２レンズ群の最も像側の面から第３レンズ群の最も物体側の面までの光軸上の距離：Ｌ _{２Ｇ−３Ｇ} が、条件式：
   （１） ４．０ ＜ Ｄ／Ｌ _{２Ｇ−３Ｇ} ＜ １２．０
   を満足し、
   第１レンズ群が、２枚の正レンズの像側に、像側に凹面を向けた負レンズを配した３枚のレンズにより構成され、
   第２レンズ群が、２枚の正レンズの物体側に、少なくとも、物体側に凹面を向けた負レンズを有し、
   第１レンズ群の像側に凹面を向けた負レンズの像側面の曲率半径：ｒ _１ＮＲ 、第２レンズ群の物体側に凹面を向けた負レンズの物体側面の曲率半径：ｒ _２ＮＦ が、条件式：
   （４） −０．１５＜（ｒ _１ＮＲ ＋ｒ _２ＮＦ ）／（ｒ _１ＮＲ −ｒ _２ＮＦ ）＜０．０５
   を満足する結像レンズ。
7. 請求項６記載の結像レンズにおいて、
   第３レンズ群の負レンズの像側面は凹面、第３レンズ群の正レンズの物体側面は凸面であり、
   第３レンズ群の負レンズの像側面の曲率半径：ｒ _３ＮＲ 、第３レンズ群の正レンズの物体側面の曲率半径：ｒ _３ＰＦ が、条件式：
   （２） −０．２５＜（ｒ _３ＮＲ −ｒ _３ＰＦ ）/（ｒ _３ＮＲ ＋ｒ _３ＰＦ ）＜０．０５
   を満足する結像レンズ。
8. 請求項６または７記載の結像レンズにおいて、
   第１レンズ群の焦点距離：ｆ _１ 、第１レンズ群と第２レンズ群の合成焦点距離：ｆ _１−２ が、条件式：
   （３） １．２０ ＜ ｆ _１ ／ｆ _１−２ ＜ ４．００
   を満足する結像レンズ。
9. 請求項６ないし８の何れか１項に記載の結像レンズにおいて、
   無限遠物体に合焦した状態における全系の焦点距離：ｆ、第１レンズ群と第２レンズ群の合成焦点距離：ｆ _１−２ が、条件式：
   （５） １．１０ ＜ ｆ／ｆ _１−２ ＜ １．４０ を満足する結像レンズ。
10. 物体側から像側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、開口絞り、正の屈折力を有する第２レンズ群、正または負の屈折力を有する第３レンズ群を配して構成され、遠距離から近距離へのフォーカシングに際して、第３レンズ群を像面に対して固定し、第１レンズ群と開口絞りと第２レンズ群とを一体として物体側へ移動させる結像レンズであって、
    第３レンズ群が、物体側から像側へ向かって順に、負レンズ、正レンズの２枚を配して構成され、
    第３レンズ群の前記負レンズと前記正レンズとの空気間隙：Ｄ、無限遠物体に合焦した状態における第２レンズ群の最も像側の面から第３レンズ群の最も物体側の面までの光軸上の距離：Ｌ _{２Ｇ−３Ｇ} が、条件式：
    （１） ４．０ ＜ Ｄ／Ｌ _{２Ｇ−３Ｇ} ＜ １２．０
    を満足し、
    無限遠物体に合焦した状態における全系の焦点距離：ｆ、第１レンズ群と第２レンズ群の合成焦点距離：ｆ _１−２ が、条件式：
    （５） １．１０ ＜ ｆ／ｆ _１−２ ＜ １．４０
    を満足する結像レンズ。
11. 請求項１０記載の結像レンズにおいて、
    第３レンズ群の負レンズの像側面は凹面、第３レンズ群の正レンズの物体側面は凸面であり、
    第３レンズ群の負レンズの像側面の曲率半径：ｒ _３ＮＲ 、第３レンズ群の正レンズの物体側面の曲率半径：ｒ _３ＰＦ が、条件式：
    （２） −０．２５＜（ｒ _３ＮＲ −ｒ _３ＰＦ ）/（ｒ _３ＮＲ ＋ｒ _３ＰＦ ）＜０．０５
    を満足する結像レンズ。
12. 請求項１０または１１記載の結像レンズにおいて、
    第１レンズ群が、２枚の正レンズの像側に、像側に凹面を向けた負レンズを配した３枚のレンズにより構成され、
    第２レンズ群が、２枚の正レンズの物体側に、少なくとも、物体側に凹面を向けた負レンズを有する結像レンズ。
    第１レンズ群の焦点距離：ｆ _１ 、第１レンズ群と第２レンズ群の合成焦点距離：ｆ _１−２ が、条件式：
    （３） １．２０ ＜ ｆ _１ ／ｆ _１−２ ＜ ４．００
    を満足する結像レンズ。
13. 請求項１２記載の結像レンズにおいて、
    第１レンズ群の像側に凹面を向けた負レンズの像側面の曲率半径：ｒ _１ＮＲ 、第２レンズ群の物体側に凹面を向けた負レンズの物体側面の曲率半径：ｒ _２ＮＦ が、条件式：
    （４） −０．１５＜（ｒ _１ＮＲ ＋ｒ _２ＮＦ ）／（ｒ _１ＮＲ −ｒ _２ＮＦ ）＜０．０５
    を満足する結像レンズ。
14. 請求項１ないし１３の何れか１項に記載の結像レンズにおいて、
    第１レンズ群の最も物体側のレンズは正レンズであり、
    レンズ材料の部分分散比：θ _ｇ,Ｆ を、該レンズ材料のｇ線、Ｆ線、Ｃ線に対する屈折率：ｎ _ｇ 、ｎ _Ｆ 、ｎ _Ｃ により、
    θ _ｇ,Ｆ ＝(ｎｇ-ｎＦ)／(ｎＦ-ｎＣ)
    で定義するとき、第１レンズ群の最も物体側に配される前記正レンズの材質の、屈折率：ｎ _ｄ 、アッベ数：ν _ｄ 、部分分散比：θ _ｇ,Ｆ が、条件式：
    （６） １．５８ ＜ ｎ _ｄ ＜ １．６３
    （７） ６２．０ ＜ ν _ｄ ＜ ７０．０
    （８） ０．００４＜θ _ｇ,Ｆ -（-０．００１７４２×ν _ｄ ＋０．６４９０）＜０．０３０
    を満足する結像レンズ。
15. 請求項１ないし１４の何れか１項に記載の結像レンズにおいて、
    第１レンズ群ないし第３レンズ群を構成する全てのレンズが球面レンズである結像レンズ。
16. 請求項１ないし１５の何れか１項に記載の結像レンズにおいて、
    第１レンズ群ないし第３レンズ群を構成する全てのレンズの材質が、無機固体材料である結像レンズ。
17. 請求項１ないし１６の何れか１項に記載の結像レンズを有する撮像装置。

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