JP7285643B2 - 光学系及び撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明は、従来の単焦点広角レンズの上述した問題点に鑑みてなされたものであって、低コストであり、広角ながら視野周辺部における光量の低下を抑制し、高い結像性能をもつ光学系及びそれを備えた撮像装置を提供することを目的とする。
物体側から順に、負の屈折力を有する第1レンズL1、負の屈折力を有する第2レンズL2、正の屈折力を有する第3レンズL3、及び正の屈折力を有する第4レンズL4から構成され、以下の条件を満足することを特徴とする光学系。
-0.2 ≦ f / EXP ・・・(1)
但し、
fは光学系の焦点距離を表し、
EXPは物体側から結像面へ向かう方向を正としたときの光学系の射出瞳と結像面との光軸上の距離を表す。
前記光学系と、当該光学系の像側に、当該光学系によって形成された光学像を電気的信号に変換する撮像素子を備えたことを特徴とする撮像装置である。
本発明に係る光学系は、物体側から順に負の屈折力を有する第1レンズL1と負の屈折力を有する第2レンズL2の2枚の負の屈折力を有するレンズを光学系の前方に配置することによって、大きな入射角の軸外主光線を少しずつ光軸に沿った小さい角度に変換する働きを持つ。また、第2レンズL2の像側に、正の屈折力を有する第3レンズL3と正の屈折力を有する第4レンズL4の2枚の正の屈折力を有するレンズを光学系の後方に配置することによって、さらに軸外主光線の光軸とのなす角を小さくする働きを持つ。これらにより射出瞳位置を結像面から離し、光学系の射出瞳位置と結像面との光軸上の距離を確保することができる。この結果、結像面に対する光線の入射角を抑え、周辺光量低下を抑制することが可能となる。
また、第1レンズL1と第2レンズL2の2枚で負の屈折力を分担し、第3レンズL3と第4レンズL4の2枚で正の屈折力を分担することにより、各レンズの屈折力が強くなり過ぎず、収差の発生を抑えることが可能となる。レンズ枚数が増加するとコストアップにつながるため、本発明の構成とすることで、低コストで広角ながら周辺部における光量低下を抑制した光学系を実現することが可能となる。
-0.2 ≦ f / EXP ・・・(1)
但し、
fは光学系の焦点距離を表し、
EXPは物体側から結像面へ向かう方向を正としたときの光学系の射出瞳と結像面との光軸上の距離を表す。
条件式(1)の下限を下回ると、光学系の射出瞳と結像面との光軸上の距離が近くなり、周辺光量の低下が大きくなる。
なお、下限を満足することで周辺光量の低下を抑えられることから、上限を設ける必要はない。しかしながら、数値が大きくなる程、周辺光量の低下を抑制するという点に関しては有利になるが、全長を大きくするか個々のレンズの屈折力を大きくする必要がある。全長を大きくする場合、光学系の小型化が困難になり、また、屈折力を大きくする場合、像面湾曲やコマ収差の補正が困難になる。そこで、上限を設ける場合は、好ましくは0より小さく(<0)、より好ましくは-0.08以下とすることで、射出瞳位置を遠ざけつつも、射出瞳位置を無限遠にしない場合すなわちテレセントリック光学系を形成しない場合、光学系の後方に配置されるレンズを小径に抑えることができる。
0.5 ≦ f1 / f2 ≦ 1.5・・・(2)
但し、
f1は第1レンズL1の焦点距離、
f2は第2レンズL2の焦点距離を表す。
条件式(2)の下限を下回ると、第1レンズL1の屈折力が相対的に強くなり、バックフォーカスを確保しやすくなるが、軸外の非点収差を補正することが困難になる。
条件式(2)の上限を上回ると、第2レンズL2の屈折力が相対的に強くなり、コマ収差、像面湾曲を補正することが困難となる。また、十分なバックフォーカスを確保することが困難となると共に、広角化を達成することが困難となる。
-10.0 ≦ f1 / f ≦ -2.0・・・(3)
但し、
f1は第1レンズL1の焦点距離を表し、
fは光学系の焦点距離を表す。
条件式(3)の下限を下回ると、第1レンズL1の負の屈折力が弱くなり、広角化を達成することが困難となると共に、バックフォーカスを確保することが困難となる。
条件式(3)の上限を上回ると、広角化やバックフォーカスの確保には有利となり、さらに射出瞳位置を結像面から遠ざけやすくなる。しかし、第1レンズL1の負の屈折力が強くなり過ぎ、非点収差や像面湾曲を補正することが困難となる。
0.0 ≦ (R2L+R2R)/(R2L-R2R) ≦ 5.0・・・(4)
但し、
R2Lは第2レンズL2の物体側のレンズ面の近軸曲率半径を表し、
R2Rは第2レンズL2の像側のレンズ面の近軸曲率半径を表す。
条件式(4)の下限を下回ると、第2レンズL2の物体側のレンズ面の曲率が像側のレンズ面の曲率よりも強い両凹レンズ形状となる。そのため第2レンズL2の物体側のレンズ面の発散作用が強くなり過ぎ、主光線よりレンズの周辺側を通る光線に対する発散作用が強くなるため、コマ収差を補正することが困難となる。また、非点収差も増大し、像面湾曲も正の方向に増大してしまう。
条件式(4)の上限を上回ると、第2レンズL2の物体側のレンズ面の正の曲率が強くなり過ぎ、第2レンズL2全体として負の屈折力を確保することが難しくなると共に、第2レンズL2の物体側の面の主光線よりレンズの周辺部を通る光線に対する収束作用が強くなるため、コマ収差の補正が困難となる。また、非点収差も増大し、像面湾曲も負の方向に増大してしまう。
2.0 ≦ f4 / f ≦ 6.0 ・・・(5)
但し、
f4は第4レンズL4の焦点距離を表し、
fは光学系の焦点距離を表す。
条件式(5)の下限を下回ると、第4レンズL4の正の屈折力が強くなり過ぎ、射出瞳位置を結像面から遠ざけることはできるが、非点収差やコマ収差を補正することが困難となる。
条件式(5)の上限を上回ると、第4レンズL4の正の屈折力が弱くなり、射出瞳位置と結像面との光軸上の距離を確保することが困難になると共に、コマ収差の補正が困難となる。
1.1 ≦ (R1L+R1R)/(R1L-R1R) ≦ 4.0 ・・・(6)
但し、
R1Lは第1レンズL1の物体側のレンズ面の曲率半径を表し、
R1Rは第1レンズL1の像側のレンズ面の曲率半径を表す。
広角レンズにおいては、物体側のレンズはレンズ面に対する軸外光束の入射角が大きく、収差発生が大きい。そのため、第1レンズL1の物体側の面を物体側に凸形状(負メニスカス)とすることで第1レンズL1の物体側の面に対する軸外光線の入射角を小さく保つことが可能となり、収差発生を抑制することができる。
条件式(6)の下限を下回ると、第1レンズL1の物体側のレンズ面が平面に近づくと共に、像側のレンズ面の負の曲率が強いメニスカス形状となる。そのため第1レンズL1の物体側のレンズ面に対する軸外光束の入射角が大きくなり、広角化には不利となる。また、第1レンズL1の像側のレンズ面の発散作用が強くなり過ぎ、非点収差が増大すると共に、像面湾曲も正の方向に増大してしまう。
条件式(6)の上限を上回ると、第1レンズL1の物体側のレンズ面の正の曲率がきつくなり過ぎ、第1レンズL1全体として負の屈折力を確保することが難しくなるため、広角化を達成することが困難となる。また非点収差が増大すると共に、像面湾曲も負の方向に増大してしまう。
0.05 ≦ f / R3L ≦ 0.4 ・・・(7)
但し、
R3Lは第3レンズL3の物体側のレンズ面の曲率半径を表し、
fは光学系の焦点距離を表す。
条件式(7)の下限を下回ると、第3レンズL3の物体側のレンズ面の曲率半径が大きくなり、コマ収差の補正が困難になると共に、球面収差が正の方向に増大してしまう。
条件式(7)の上限を上回ると、第3レンズL3の物体側のレンズ面の曲率半径が小さくなり、コマ収差の補正が困難になると共に、球面収差が負の方向に増大してしまう。
0.03 ≦ f / R4L ≦ 0.5 ・・・(8)
但し、
R4Lは第4レンズL4の物体側のレンズ面の曲率半径を表し、
fは光学系の焦点距離を表す。
条件式(8)の下限を下回ると、第4レンズL4の物体側のレンズ面の曲率半径が大きくなり、主光線よりレンズの周辺側を通る光線の収束作用が弱くなるため、コマ収差の補正が困難となる。
条件式(8)の上限を上回ると、第4レンズL4の物体側のレンズ面の曲率半径が小さくなり、主光線よりレンズの周辺側を通る光線の収束作用が強くなるため、コマ収差の補正が困難となる。
樹脂レンズは、負の屈折力を有する第2レンズL2と、正の屈折力を有する第4レンズL4に用いることが好ましい。第2レンズL2と第4レンズL4に樹脂レンズを用いることにより、温度変化に伴う焦点距離変動を抑制することが可能となる。
また、バンドパスフィルタBPFは、第3レンズL3より結像面側に配置することにより、広角レンズでも光の入射角のばらつきを小さくすることが可能となり、バンドパスフィルタBPFへ入射する光線の角度変化に伴う透過率特性のばらつきを抑制できるため好ましい。
以下に、本発明に係る光学系及びそれを備えた撮像装置を、数値実施例及び添付図面に基づいて説明する。
また、各非球面形状は、光軸に垂直な高さをH、面頂を原点としたときの高さHにおける光軸方向の変位量をX(H)、近軸曲率半径をR、円錐係数をk、2次、4次、6次、8次、10次の非球面係数をそれぞれA、B、C、D、Eとするとき、以下に示す非球面式により表される。
※非球面式
第1実施例に係る光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有し物体側に凸のメニスカス形状の第1レンズL1、及び負の屈折力を有し物体側に凸のメニスカス形状で、両面を非球面形状とした第2レンズL2、正の屈折力を有し両凸形状の第3レンズL3、及び正の屈折力を有し両凸形状で、両面を非球面形状とした第4レンズL4から構成されている。開口絞りSは第2レンズL2と第3レンズL3の間に配置されており、バンドパスフィルタBPFは第4レンズL4と結像面IMGの間に配置されている。また、第2レンズL2と第4レンズL4は樹脂レンズである。
第1実施例に係る光学系は、中心波長850nm、波長範囲±50nmの近赤外領域で最適化しているが、中心波長587.6nm(d線)でも収差は補正されている。
d線基準 ※850nm基準
f 2.41 2.49
Fno 1.40 1.40
ω 72.65 69.62
面番号 r d Nd νd
1 24.579 0.800 1.8343 37.20
2 5.908 4.080
3 ASP 12.454 0.800 1.5350 55.63
4 ASP 4.567 7.979
5 STOP INF 0.600
6 10.851 1.944 1.9108 35.30
7 -49.982 2.741
8 ASP 7.618 2.343 1.5350 55.63
9 ASP -13.651 2.500
10 INF 0.300 1.5163 64.15
11 INF 2.000
12 INF 0.500 1.5163 64.15
13 INF 0.686
No. K B C D E
3 -6.36471E+00 4.49955E-03 -2.03570E-04 4.49939E-06 -4.49026E-08
4 -8.27621E-01 6.35458E-03 -1.20708E-04 -2.42510E-06 1.62599E-07
8 5.82019E-01 -5.24399E-04 1.02789E-06 6.23788E-07 -5.40451E-08
9 -3.40325E+00 1.31530E-03 -2.65716E-07 5.84901E-07 -3.79953E-08
第2実施例に係る光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有し物体側に凸のメニスカス形状の第1レンズL1、及び負の屈折力を有し物体側に凸のメニスカス形状で、両面を非球面形状とした第2レンズL2からなる前レンズ群と、正の屈折力を有し両凸形状の第3レンズL3、及び正の屈折力を有し両凸形状で、両面を非球面形状とした第4レンズL4からなる後レンズ群により構成されている。開口絞りSは第2レンズL2と第3レンズL3の間に配置されており、バンドパスフィルタBPFは第4レンズL4と結像面IMGの間に配置されている。また、第2レンズL2と第4レンズL4は樹脂レンズである。
第2実施例に係る光学系は、中心波長850nm、波長範囲±50nmの近赤外領域で最適化しているが、中心波長587.6nm(d線)でも収差は補正されている。
d線基準 ※850nm基準
f 2.38 2.47
Fno 1.42 1.42
ω 73.07 69.90
面番号 r d Nd νd
1 18.213 0.800 1.9109 35.20
2 5.656 3.153
3 ASP 10.382 0.800 1.6172 25.00
4 ASP 4.495 8.937
5 STOP INF 0.600
6 10.312 1.916 1.9109 35.20
7 -119.476 2.463
8 ASP 7.476 2.385 1.5350 55.63
9 ASP -14.003 2.500
10 INF 0.300 1.5163 64.15
11 INF 2.000
12 INF 0.500 1.5163 64.15
13 INF 0.895
No. K B C D E
3 -6.13628E+00 3.55948E-03 -1.57445E-04 2.70385E-06 -1.41667E-08
4 -1.50056E+00 5.72369E-03 -8.99683E-05 -5.54533E-06 2.76795E-07
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第3実施例に係る光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有し物体側に凸のメニスカス形状の第1レンズL1、及び負の屈折力を有し物体側に凸のメニスカス形状で、両面を非球面形状とした第2レンズL2からなる前レンズ群と、正の屈折力を有し両凸形状の第3レンズL3、及び正の屈折力を有し両凸形状で、両面を非球面形状とした第4レンズL4からなる後レンズ群により構成されている。開口絞りSは、第2レンズL2と第3レンズL3の間に配置されており、バンドパスフィルタBPFは第4レンズL4と結像面IMGの間に配置されている。また、第2レンズL2と第3レンズL3と第4レンズL4は樹脂レンズである。
d線基準 ※850nm基準
f 2.41 2.49
Fno 1.45 1.45
ω 71.35 68.80
面番号 r d Nd νd
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10 INF 0.3000 1.5163 64.15
11 INF 2.0000
12 INF 0.5000 1.5163 64.15
13 INF 1.8000
No. K B C D E
3 -7.69079E-01 2.70705E-03 -1.60653E-04 5.37853E-06 -8.15435E-08
4 -1.71633E+00 6.40322E-03 -1.66872E-04 8.18927E-06 -8.16843E-09
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実施例の撮像装置100は、図7に示すように、光学系102を撮像装置ハウジング104に装着して構成される。光学系102の結像面BPFには、光電素子PCが配置される。
IMG 結像面
S 開口絞り
PC 光電素子
L1 第1レンズ
L2 第2レンズ
L3 第3レンズ
L4 第4レンズ
100 撮像装置
102 光学系
104 撮像装置ハウジング
Claims (10)
- 物体側から順に、負の屈折力を有する第1レンズL1、負の屈折力を有する第2レンズL2、正の屈折力を有する第3レンズL3、及び正の屈折力を有する第4レンズL4から構成され、以下の条件を満足することを特徴とする光学系。
-0.2 ≦ f / EXP < 0 ・ ・ ・ ・ ・ ( 1 )
0.5 ≦ f1/f2 ≦ 1.0 ・ ・ ・ ・ ・ ( 2 )
0.0 ≦ (R2L+R2R) / (R2L-R2R) ≦ 5.0 ・ ・ ( 4 )
0.05 ≦ f / R3L ≦ 0.4 ・ ・ ・ ( 7 )
但し、
fは光学系の焦点距離を表し、
EXPは物体側から結像面へ向かう方向を正としたときの光学系の射出瞳と結像面との光軸上の距離を表し、
f1は第1レンズL1の焦点距離を表し、
f2は第2レンズL2の焦点距離を表し、
R2Lは第2レンズL2の物体側のレンズ面の近軸曲率半径を表し、
R2Rは第2レンズL2の像側のレンズ面の近軸曲率半径を表し、
R3Lは第3レンズL3の物体側のレンズ面の曲率半径を表す。 - 物体側から順に、負の屈折力を有する第1レンズL1、負の屈折力を有する第2レンズL2、正の屈折力を有する第3レンズL3、及び正の屈折力を有する第4レンズL4から構成され、以下の条件を満足することを特徴とする光学系。
-0.2 ≦ f / EXP < 0 ・ ・ ・ ・ ・ ( 1 )
0.5 ≦ f1/f2 ≦ 1.0 ・ ・ ・ ・ ・ ( 2 )
0.0 ≦ (R2L+R2R) / (R2L-R2R) ≦ 5.0 ・ ・ ( 4 )
0.03 ≦ f / R4L ≦ 0.5 ・ ・ ・ ( 8 )
但し、
fは光学系の焦点距離を表し、
EXPは物体側から結像面へ向かう方向を正としたときの光学系の射出瞳と結像面との光軸上の距離を表し、
f1は第1レンズL1の焦点距離を表し、
f2は第2レンズL2の焦点距離を表し、
R2Lは第2レンズL2の物体側のレンズ面の近軸曲率半径を表し、
R2Rは第2レンズL2の像側のレンズ面の近軸曲率半径を表し、
R4Lは第4レンズL4の物体側のレンズ面の曲率半径を表す。 - 物体側から順に、負の屈折力を有する第1レンズL1、負の屈折力を有する第2レンズL2、正の屈折力を有する第3レンズL3、及び正の屈折力を有する第4レンズL4から構成され、以下の条件を満足することを特徴とする光学系。
-0.2 ≦ f / EXP < 0 ・ ・ ・ ・ ・ ( 1 )
0.5 ≦ f1/f2 ≦ 1.0 ・ ・ ・ ・ ・ ( 2 )
0.5 ≦ (R2L+R2R) / (R2L-R2R) ≦ 5.0 ・ ・ ( 4 )
但し、
fは光学系の焦点距離を表し、
EXPは物体側から結像面へ向かう方向を正としたときの光学系の射出瞳と結像面との光軸上の距離を表し、
f1は第1レンズL1の焦点距離を表し、
f2は第2レンズL2の焦点距離を表し、
R2Lは第2レンズL2の物体側のレンズ面の近軸曲率半径を表し、
R2Rは第2レンズL2の像側のレンズ面の近軸曲率半径を表す。 - 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の光学系。
-10.0 ≦ f1/f ≦ -2.0 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ( 3 ) - 以下の条件を満足することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光学系。
2.0 ≦ f4 / f ≦ 6.0 ・ ・ ・ ・ ・ ( 5 )
但し、
f4は第4レンズL4の焦点距離を表す。 - 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の光学系。
1.1 ≦ (R1L+R1R) / (R1L-R1R) ≦ 4.0・ ・ ( 6 )
但し、
R1Lは第1レンズL1の物体側のレンズ面の曲率半径を表し、
R1Rは第1レンズL1の像側のレンズ面の曲率半径を表す。 - 前記第2レンズL2と前記第3レンズL3との間に絞りを有することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の光学系。
- 少なくとも1枚のレンズは樹脂材料からなることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の光学系。
- 特定の波長域の光を選択して透過するバンドパスフィルタBPFを有する請求項1から8のいずれか1項に記載の光学系。
- 請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の光学系と、当該光学系の像側に、当該光学系によって形成された光学像を電気的信号に変換する撮像素子とを備えたことを特徴とする撮像装置。
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