JP7395936B2 - 撮像光学系およびカメラ装置 - Google Patents

Description

この発明は、撮像光学系およびカメラ装置に関する。

撮像光学系を用いる撮像装置は近来、撮影用のカメラ装置のみならず、車載カメラ装置やステレオカメラ装置、検査用カメラ装置、監視用カメラ装置等、広範な種類のものが実用化されている。
これら広範囲な種類の撮像装置に搭載される撮像光学系には、一般に、高解像度、低ディストーションであることに加え、夜などの暗い使用環境においても良好な撮像が可能であるようにＦナンバが小さい大口径であることや、広画角で小型であることが求められている。

撮像光学系が結像する像をＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子で読み取る方式の撮像装置に用いられる撮像光学系として好適なものとして「レトロフォーカスタイプ」のものが知られている（特許文献１～５）。
レトロフォーカスタイプの撮像光学系は、物体側の前群に負のパワーのレンズ群、像側の後群に正のパワーのレンズ群を配置することにより、前群、後群ともに射出瞳を像面から離すことができ、軸外光線の受光面への入射角を小さくできるため、撮像素子への入射光を効率よく利用できる。また、バックフォーカスを大きくできるところから、撮像光学系と撮像素子との間に光学的ローパスフィルタや赤外カットフィルタ等のフィルタ類を配置するスペースの確保が容易である。
撮像装置は、使用される環境（「使用環境」という。）が非常に広範である。
例えば、撮像装置として車載カメラ装置の場合であれば、サファリラリーのように炎熱地域で使用されることもあれば、高緯度の厳寒地域で使用される場合もあり、使用環境における環境温度は－３０℃～７０℃のように広い。

従って、撮像光学系は、このような広い環境温度範囲においても、適正に機能し得ることが必要である。
大きな環境温度変化が、撮像光学系に与える影響の１つとして以下の如きものがある。

撮像光学系の環境温度が変化すると、撮像光学系を構成する複数のレンズが、光軸に直交する方向（以下「光軸直交方向」という。）へ変位し、光軸直交方向における「複数のレンズの相対的な位置関係」に変化が生じる。
このような「個々のレンズの変位による複数レンズ間の相対的な位置関係の変化」をこの明細書中において「レンズ偏芯」と称する。
レンズ偏芯が生じた撮像光学系による像の結像位置は、像面上において光軸直交方向へ変位する。撮像光学系におけるレンズ偏芯に起因する結像位置の光軸直交方向への変位をこの明細書中において「像の光軸ずれ」と称する。

撮像光学系が、例えば、車載カメラ装置や検査用カメラ装置に用いられるような場合、レンズ偏芯による「像の光軸ずれ」が生じると、撮像対象物の位置情報や形状情報に対する精度の低下をもたらす。また、レンズ偏芯による像の光軸ずれが生じると、単に、像そのものの位置がずれるのみならず、各種の収差、特に歪曲収差を劣化させ易い。

この発明は、レトロフォーカスタイプで、明るく広画角でありながら４群５枚構成と少ないレンズ枚数で小型に構成でき、環境温度変化による像の光軸ずれを有効に軽減できる新規な撮像光学系の実現を課題とする。

この発明の撮像光学系は、物体側から像側に向かって順に、第１群、第２群、開口絞り、第３群および第４群を配してなり、前記第１群は、像側に凹面を向けたメニスカス状の負の第１レンズより成り、前記第２群は、正の第２レンズより成り、前記第３群は、物体側から像側へ向かって、物体側に凹面を向けた負の第３レンズと像側に凸面を向けた正の第４レンズとを接合した接合レンズより成り、全体として負の屈折力を有し、前記第４群は、正の第５レンズより成り、４群５枚構成で、物体側から像側へ向かって負・正・負・正の屈折力配分を有し、第ｉ群（ｉ＝１～４）の焦点距離：ｆｉ、全系の焦点距離：ｆが、条件式：
（１） ０．３ ＜ｆ／｜ｆ１｜＜ ０．７
（２） ０．４ ＜ｆ／｜ｆ２｜＜ ０．７
（３） ０．４ ＜ｆ／｜ｆ４｜＜ ０．７
（４） １．２＜ｆ/｜ｆ１｜＋ｆ/｜ｆ２｜＋ｆ/｜ｆ３｜＋ｆ/｜ｆ４｜＜１．７
を満足するとともに、前記第３群を構成する第３レンズと第４レンズの材質の－３０℃～７０℃の温度範囲における平均線膨張係数：αｊが、条件式：
（６） ｜α３－α４｜＜１０×１０^－７/℃
を満足し、前記第１群ないし第４群を構成する各レンズ群がそれぞれ、光軸直交方向に２μｍ偏芯したときの、全系の最大像高；Ｙ’に対する像の光軸ずれの割合が０．５％よりも小さい。

この発明によれば、レトロフォーカスタイプで、明るく広画角でありながら４群５枚構成と少ないレンズ枚数で小型に構成でき、環境温度変化による像の光軸ずれを有効に軽減できる新規な撮像光学系を実現できる。

この発明の撮像光学系の構成を説明する図である。 撮像光学系の実施例１のレンズデータを示す図である。 撮像光学系の実施例１の諸データを示す図である。 撮像光学系の実施例１の収差図を示す図である。 撮像光学系の実施例２のレンズデータを示す図である。 撮像光学系の実施例２の諸データを示す図である。 撮像光学系の実施例２の収差図を示す図である。 撮像光学系の実施例３のレンズデータを示す図である。 撮像光学系の実施例３の諸データを示す図である。 撮像光学系の実施例３の収差図を示す図である。 撮像光学系の実施例４のレンズデータを示す図である。 撮像光学系の実施例４の諸データを示す図である。 撮像光学系の実施例４の収差図を示す図である。 撮影用のカメラ装置の１実施形態を説明するための図である。 撮影用のカメラ装置の１実施形態を説明するための図である。 検査用カメラ装置の１実施形態を説明するための図である。 ステレオカメラ装置の１実施形態を説明するための図である。 車載用カメラ装置の１実施形態を説明するための図である。

以下、図を参照して説明する。
図１は、この発明の撮像光学系の構成を説明する図である。図の左方が「物体側」、右方が「像側」である。
撮像光学系は、物体側から像側に向かって順に、第１群Ｇ１０、第２群Ｇ２１、開口絞りＳ、第３群Ｇ２２および第４群Ｇ２３を配してなる。
第１群Ｇ１０は、像側に凹面を向けたメニスカス状の負の第１レンズＬ１１より成り、第２群Ｇ２１は、正の第２レンズＬ２２より成る。
開口絞りＳの像側に配置される第３群Ｇ２２は、物体側から像側へ向かって、物体側に凹面を向けた負の第３レンズＬ２３ａと像側に凸面を向けた正の第４レンズＬ２３ｂとを接合した接合レンズより成り、「全体として負の屈折力」を有する。
第４レンズ群Ｇ２３は、正の第５レンズＬ２４より成る。
従って、全体は、４群５枚構成で、物体側から像側へ向かって負・正・負・正の屈折力配分を有する。

この発明の撮像光学系は上記の如きレンズ構成において、以下の条件式（１）～（４）および後述の条件式（６）を満足する。
（１） ０．３ ＜ｆ/｜ｆ１｜＜ ０．７
（２） ０．４ ＜ｆ/｜ｆ２｜＜ ０．７
（３） ０．４ ＜ｆ/｜ｆ４｜＜ ０．７
（４） １．２ ＜ｆ/｜ｆ１｜＋ｆ/｜ｆ２｜＋ｆ/｜ｆ３｜＋ｆ/｜ｆ４｜＜ １．７
これら条件式（１）～（４）において、「ｆ」は全系の焦点距離、ｆｉは「第ｉ群（ｉ＝１～４）の焦点距離」である。
条件式（４）はまた、
１．２＜ｆ｛１/｜ｆ１｜＋１/｜ｆ２｜＋１/｜ｆ３｜＋１/｜ｆ４｜｝＜１．７
と書くこともでき、また、これを、
１．２＜ｆΣ（１/ｆｉ）（ｉ＝１～４） ＜ １．７
と書くこともできる。
なお、図１の撮像光学系は、撮像素子を用いる場合が想定されており、図中の符号ＣＧは撮像素子のカバーガラス、符号Ｉｍは像（撮像素子の受光面に結像している。）を示し、符号Ｆ１は、赤外線カットフィルタ、ローパスフィルタ等の各種フィルタを、これらと「光学的に等価」な透明平行平板（ガラス板）として示している。
また、以下において、第１レンズ群Ｇ１０を「前群」、第２レンズ群Ｇ２１、第３レンズ群Ｇ２２、第４レンズ群Ｇ２３を、前群Ｇ１０に対して「後群Ｇ２０」と言うこともある。

説明を補足する。
第１レンズ群Ｇ１０を構成する第１レンズＬ１１は、像側に凹面を有する負メニスカスレンズであり、負の屈折力を保ちつつ、歪曲収差の発生を抑える役割を担っている。
レトロフォーカスタイプで広画角を実現しようとすると、コマ収差、非点収差、像面湾曲、特に歪曲収差が増大し易く、また、大口径化を進めると、コマ収差や、特に球面収差が増大し易い。
また、レトロフォーカスタイプにおける「広画角とバックフォーカスの確保」には、軸外主光線を屈曲させる作用を第１レンズＬ１１にある程度持たせる必要がある。第１レンズＬ１１に必要とされる負の屈折力が強くなるに従い、歪曲収差が発生し易くなる。また、「像の光軸ずれ」が第１レンズＬ１１の光軸直交方向の変位に大きく影響され易くなる。
歪曲収差の発生を抑えるには、軸外光束の主光線がレンズ面へ入射する角度を小さくすることが有効であるが、前群Ｇ１０に必要とされる「負の屈折力」を確保することが難しくなる。

この発明の撮像光学系は、第１レンズＬ１１を「物体側に凸面を有するメニスカス形状」とすることにより、歪曲収差の発生を最小限としつつ、第１レンズＬ１１の像側に正の第２レンズＬ２２を配置することにより、広角化に伴って増大しがちな「軸外光の像面への入射角度」を抑制する構成としている。
この発明の撮像光学系においては、開口絞りＳの像側に設けられた第３レンズ群Ｇ２２を「負の接合レンズ」とすることにより像面特性を良好にしている。即ち、接合レンズである第３レンズ群Ｇ２２の屈折力を「負に設定」することで前群Ｇ１０と後群Ｇ２０で屈折力を相殺させ「全系のペッツバール和」を小さくしている。
また、第４レンズＬ２３ｂの像側の面を凸面とすることにより、軸外主光線を屈曲させる作用を、第５レンズＬ２４（以下「最終レンズＬ２４」ともいう。）を含め３つのレンズ面で分担することにより、最終レンズＬ２４の屈折力が極端に強くならないようにしている。
最終レンズＬ２４の屈折力が強すぎると、最終レンズＬ２４の偏芯が「像の光軸ずれ」に大きく影響するので、最終レンズＬ２４の直前のレンズである負の接合レンズＧ２２の像側面を凸面とし、最終レンズＬ２４の正の屈折力を極端に強めることなく、射出瞳を像面より離している。 このように、第３レンズＬ２３ａと第４レンズＬ２３ｂを接合レンズとすることにより、「レンズ偏心に関わるエレメント数」を減らすことができ、環境温度変化によるレンズ偏芯が発生した際の「像の光軸ずれ」の抑制に有利としている。

以下、条件式（１）～（４）について説明する。
条件式（１）～（４）は、軸外光も含めた収差特性を良好に保ちつつ、環境温度変化時に各レンズの偏芯によるレンズ偏心により発生する「像の光軸ずれ」を有効に低減させるための条件である。

条件式（１）は、第１レンズ群Ｇ１０のパワーに関するものである。
条件式（１）の上限値をこえて第１レンズＬ１１の屈折力が強まると「レンズ偏心における第１レンズＬ１１の偏心（光軸直交方向への変位）の成分」が大きくなり、「像の光軸ずれ」が第１レンズＬ１の偏芯に影響され易くなり、環境温度変化時の第１レンズ群Ｇ１０の偏芯による「像の光軸ずれ」が大きくなる。

条件式（１）の下限値を超えて屈折力が弱まると、バックフォーカスの確保が困難になる。この場合、第１レンズ群Ｇ１０の負のパワーを、後群Ｇ２０で補ってバックフォーカスの確保しようとすると、ペッツバール和を小さくすることが困難となって、大きな像面湾曲が発生し易くなる。
また、後群Ｇ２０の屈折力を強めずに射出瞳を像面から遠ざけようとすると、レンズ全長が長くなる。
条件式（１）のパラメータ：ｆ/｜ｆ１｜は、より好ましくは、条件式（１）よりも若干狭い条件式：
（１Ａ） ０．３ ＜ｆ/｜ｆ１｜＜ ０．６０
を満足するのが良い。

条件式（２）は、第２群Ｇ２１のパワーに関するものである。
条件式（２）の上限値をこえて第２レンズ群Ｇ２１の屈折力が強まると、「像の光軸ずれ」が第２群の偏芯に対して「敏感に変化」するようなり、環境温度変化時の第２群Ｇ２１の偏芯による像の光軸ずれが大きくなる。また、球面収差・コマ収差・歪曲収差・非点収差を補正しきれなくなる。
条件式（２）の下限値をこえて第２群Ｇ２１の屈折力が弱まると、撮像光学系のバックフォーカスが長くなり光学全長の短縮による撮像光学系の小型化が困難となる。
条件式の（２）のパラメータ：ｆ/｜ｆ２｜は、より好ましくは、条件式（２）よりも若干狭い条件式：
（２Ａ） ０．４ ＜ｆ/｜ｆ２｜＜ ０．６０
を満足するのが良い。

条件式（３）は、第４群Ｇ２３のパワーに関するものである。
条件式（３）の上限値をこえて第４群Ｇ２３の屈折力が強まると、像の光軸ずれが第４群Ｇ２３の偏芯に対して「敏感に変化」するようになり、環境温度変化時の第４群Ｇ２３の偏芯による「像の光軸ずれ」が大きくなり、第４群Ｇ２３において歪曲収差、像面湾曲、非点収差が過剰に発生し、補正困難となる。
条件式（３）の下限値をこえて第４群Ｇ２３の屈折力が弱まると、バックフォーカスの確保が困難になる。
条件式（３）のパラメータ：ｆ/｜ｆ４｜は、より好ましくは、条件式（３）よりも若干狭い条件式：
（３Ａ） ０．４ ＜ｆ/｜ｆ４｜＜ ０．６０
を満足するのが良い。

条件式（４）は、第１群Ｇ１０～第４群Ｇ２３の相互の「パワーのバランス」に関するものである。
条件式（４）の上限値を超えると、環境温度変化時に、第１群Ｇ１０～第４群Ｇ２３が同時に偏芯した場合の「レンズ偏心」による「像の光軸ずれ」が大きくなる。
条件式（４）の下限値を超えると、レンズ全長の短縮化を行ないつつ、諸収差を良好に補正することができなくなる。
条件式（４）のパラメータ：ｆΣ（１/ｆｉ）（ｉ＝１～４）は、上記の如く、
（４） １．２＜ｆΣ（１/ｆｉ）（ｉ＝１～４）＜１．７
と書ける。
この発明の撮像光学系は、上記構成において、条件式（１）～（４）と共に、以下の条件式（６）を満足するが、さらに、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。

（５） －３．０ ＜（Ｒ１＋Ｒ２）/（Ｒ２－Ｒ１）＜ －１．０
（６） ｜α３-α４｜＜１３×１０^－７/℃
条件式（５）、（６）におけるパラメータの記号の意味は以下の通りである。
「Ｒ１」 第１レンズＬ１１（Ｇ１０）の、物体側面の曲率半径：Ｒ１
「Ｒ２」 第１レンズＬ１１（Ｇ１０）の、像側面の曲率半径
「α３」 第３レンズＬ２３ａの材質の－３０℃～７０℃の温度範囲における平均線膨張係数
「α４」 第４レンズＬ２３ｂの材質の－３０℃～７０℃の温度範囲における平均線膨張係数
この発明の撮像光学系は、前述の如く、第１群Ｇ１０ないし第４レンズ群Ｇ２３における「レンズ形状」やパワー配置（条件式（１）～（４））により、各種収差特性を良好に保ちつつ、レンズ偏心に起因する「像の光軸ずれ」の有効な抑制・軽減を実現するものであるが、さらに、第１群Ｇ１０をなす第１レンズＬ１１の「形状」や、第３群Ｇ２２をなす第３レンズＬ２３a、第４レンズＬ２３ｂの材質を選択することにより、さらなる効果を得ることができる。

条件式（５）は、第１レンズL１１の「負のメニスカス形状」の好ましい範囲に関するものである。第１レンズL１１は「像側に凹面を向けた負のメニスカスレンズ」であるから、Ｒ１＞０、Ｒ２＞０であり、且つ、Ｒ１＞Ｒ２である。
従って、条件式（５）における分母は負であり、条件式（５）のパラメータが大きく（小さく）なると、メニスカスレンズの負の屈折力が、小さく（大きく）なる。

条件式（５）のパラメータの増大は歪曲収差の増大につながり、後群Ｇ２０内レンズとの歪曲収差のやりとりの増大により、第１レンズＬ１１の偏心による「偏芯歪曲収差」も増大する。

条件式（５）のパラメータの減少は、周辺光束が通る光線高さの増大を招き、第１レンズＬ１１のレンズ系の増大を招く。
条件式（５）を満足することにより、像の光軸ずれを有効に抑制軽減しつつ、偏心歪曲収差の増大や、第１レンズＬ１１のレンズ径増大を有効に回避できる。

なお、条件式（５）のパラメータ：（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ２－Ｒ１）は、より好ましくは、条件式（５）よりも若干狭い条件式：
（５Ａ） －２．５ ＜（Ｒ１＋Ｒ２）/（Ｒ２－Ｒ１）＜ －１．０
を満足するのが良い。

条件式（６）のパラメータ：｜α３－α４｜が増大すると、温度変化による第３レンズＬ２３ａと第４レンズL２３ｂとの「変形量の差」が増大する。
また、パラメータ：｜α３－α４｜の減少は、第３群G２２を構成する２枚の接合レンズの材料が制限され、色収差を良好に補正し得る屈折率とアッベ数の硝種の選択の幅が狭くなる。

条件式（６）を満足することにより、ペッツバール和のバランスを取りながら色収差を良好に補正し得る屈折率とアッベ数を持つ硝種の選択が容易となり、環境温度変化による、第３レンズＬ２３a、第４レンズＬ２３ｂの熱変形の差を有効に小さくでき、広い温度変化領域において、接合レンズの剥離の恐れをなくすことができる。

条件式（６）のパラメータ：｜α３－α４｜は、より好ましくは、条件式（６）よりも若干狭い条件式：
（６Ａ） ３×１０^－７/℃＜｜α３－α４｜＜１０×１０^－７）/℃
を満足するのが良い。
なお、光学樹脂材料に比較して熱膨張率が小さく、環境変動による光学特性変化が小さいガラス製レンズを全レンズに採用することで、環境変動や経時変化耐性に優れた撮像光学系を構成することが可能となる。

この発明の撮像光学系は勿論、１面以上の非球面を採用することができる。
２面以上の非球面を採用するにあたっては、第１レンズＬ１１および第２レンズＬ２２の「いずれか一方」が、少なくとも１面の非球面を有するとともに、第５レンズＬ２４が少なくとも１面の非球面を有するようにすることが好ましい。

第４群Ｇ２３を構成する第５レンズＬ２４は、撮像光学系における最終レンズである。この最終レンズの少なくとも１面に非球面を用いることで、諸収差（歪曲、球面、像面湾曲、コマ収差）を補正しながら、球面レンズのみの構成よりもレンズ全長を短くし、また、最終レンズＬ２４の屈折力が極端に強くならないようにできる。
また、第１レンズＬ１１の偏芯が、像の光軸ずれに極端に影響しないように、レンズ系全形で屈折力バランスを取ることが容易となる。

第１レンズＬ１１、第２レンズＬ２２の何れか一方に非球面を用いることで、広画角、良好な結像性能を保ちながら、第１レンズＬ１１、第２レンズＬ２２の屈折力が極端に強くならないようにできる。
第１レンズＬ１１に非球面を用いる場合、第１レンズＬ１１の負の屈折力を保ちながら、歪曲収差の発生を有効に抑えることができる。
第１レンズＬ１１での「アンダーの歪曲収差」の発生を抑えるには、軸外光束の主光線がレンズ面へ入射する角度を小さくすることが効果的である。
第１レンズＬ１１の像側の凹面に、光軸から周辺に向かって発散力が弱まるような非球面を設定することにより、歪曲収差と共に、コマ収差、非点収差を補正しながら、第1レンズＬ１１の屈折力が極端に強くならないようにできる。
第１レンズＬ１１の歪曲収差の発生を抑えることで、第１レンズＬ１１の歪曲収差をキャンセルさせるために後群Ｇ２０内のレンズで発生させる歪曲収差も抑えることができ、各レンズが環境温度変化による偏芯で発生する歪曲収差（「偏芯歪曲収差」という。）も有効に抑えることができる。

第２レンズＬ２２に非球面を用いることにより、第１レンズＬ１１で生じる歪曲収差、コマ収差、非点収差を補正しながら、第２レンズＬ２２の屈折力が極端に強くならないようにできる。 後述する実施例においては、第１レンズＬ１１で発生した歪曲収差、コマ収差、非点収差を補正するために、第２レンズＬ２２の物体側凸面に「光軸から周辺に向かって屈折力が強まるような非球面」を設定し、歪曲収差、コマ収差、非点収差を補正しながら、第２レンズＬ２２の屈折力が極端に強くならないようにしている。
なお、非球面レンズは球面レンズと比較して高価であり、撮像光学系の低コスト化を鑑みると、非球面レンズの使用は必要最低限に留めるべきことは言うまでもない。

以下に撮像光学系の具体的な実施例を挙げるが、実施例に関連した「像の光軸ずれ」について説明する。
「像の光軸ずれ」を惹起する「レンズ偏芯」は、撮像光学系を構成する複数のレンズの個々の「光軸直交方向への偏芯」により生じ、この偏芯は「撮像光学系の環境温度の変化」により生じる。
環境温度変化によるレンズの偏芯は、レンズ毎に異なるが、以下に挙げる実施例や、これと同様の構成では、環境温度範囲：－３０℃～７０℃において、サブミクロンオーダーから、最大でも2μｍを超えない。
個々のレンズの偏芯は、撮像光学系の光軸直交方向であるが、偏芯の向きは区々であり、偏芯量が同じでも、偏心の向きにより「レンズ偏心」は異なったものとなり「像の光軸ずれ」も異なる。
像の光軸ずれは、各レンズが「光軸を含む同一平面内」で光軸ずれを強め合うように偏芯するときに最も大きくなる。
そこで、光軸を含む同一平面内における各群Ｇ１１～Ｇ２３の偏芯量を表す変数を、第１群Ｇ１１につきｈ１、第２群Ｇ２１につきｈ２、第３群につきｈ３、第４群につきｈ４とし、像の光軸の位置：Ｚを、関数：ｆ(ｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４)を用いて、
Ｚ＝ｆ(ｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４)
とする。

Ｚ(０)＝ｆ(０，０，０，０)
は「レンズ偏心による像の光軸ずれが無い時の像の光軸」の位置である。
この状態で、第１群Ｇ１１ないし第４群Ｇ２３がそれぞれ、Δｈ１、Δｈ２、Δｈ３、Δｈ４だけ偏芯したとすると、このときの像の光軸位置は、
ｆ(Δｈ１、Δｈ２、Δｈ３、Δｈ４)
であるが、１次までの近似で、
ｆ(０，０，０，０)
＋(∂ｆ(０，０，０，０)/∂ｈ１)Δｈ１
＋(∂ｆ(０，０，０，０)/∂ｈ２)Δｈ２
＋(∂ｆ(０，０，０，０)/∂ｈ３)Δｈ３
＋(∂ｆ(０，０，０，０)/∂ｈ１)Δｈ３
となり、像の光軸ずれは、
(∂ｆ(０，０，０，０)/∂ｈ１)Δｈ１
＋(∂ｆ(０，０，０，０)/∂ｈ２)Δｈ２
＋(∂ｆ(０，０，０，０)/∂ｈ３)Δｈ３
＋(∂ｆ(０，０，０，０)/∂ｈ１)Δｈ３
となる。
Δｈ１、Δｈ２、Δｈ３、Δｈ４は、何れも2μｍを超えない微小量であるから、２次以上の変化は無視できる。
前述の如く、各群を構成するレンズの偏芯は「2μｍ」を超えないから、偏芯量：Δｈ１、Δｈ２、Δｈ３、Δｈ４として、それぞれ2μｍとすると、
像の光軸ずれは、
｛∂ｆ(０，０，０，０)/∂ｈ１
＋∂ｆ(０，０，０，０)/∂ｈ２
＋∂ｆ(０，０，０，０)/∂ｈ３
＋∂ｆ(０，０，０，０)/∂ｈ４｝×２
となる。

この式において、例えば、∂ｆ(０，０，０，０)/∂ｈ３は、第１群Ｇ１１ないし第４群Ｇ２３のうち第３群Ｇ２２のみを１μｍだけ偏芯させ、他の群を光軸上に固定した場合の像の光軸のずれ量である。

従って、第１群Ｇ１１ないし第４群Ｇ２３が、それぞれ2μｍずつ偏芯した場合の「像の光軸ずれ」は、４つの群のうちの１つのみを偏芯させ、他の３つの群を固定した場合の「像の光軸ずれ」を４つの群につき加算し、２倍したもので与えられる。

このとき、個々の群の偏芯の向きは、「像の光軸ずれ」が互いに強め合うように設定する。

「像の光軸ずれ」は、最大像高に対して０．５％以下であることが好ましい。

また、撮像素子で読み取った読み取り画像に対しては、その歪曲収差分を電子的に補正することができるが、補正の手法や補正に伴う画像劣化を考慮すると、撮影光学系で生じる歪曲収差は、最大で－２％未満であることが望ましい。

「実施例」
以下、撮像光学系の具体的な実施例を４例挙げる。
各実施例における共通の記号の意味は、以下の通りである。
ｆ：全系の焦点距離
Ｆｎｏ：Ｆナンバ
ω：半画角（度）
Ｒ：曲率半径
Ｄ：面間隔
Ｎｄ：屈折率
νｄ：アッベ数 。

また、「非球面：Ｘ」は、近軸曲率（近軸曲率半径：Ｒの逆数）：Ｃ、光軸からの高さ：Ｈ、円錐定数：Ｋ、非球面係数：Ａ_ｉ（ｉ＝２～１４）を用いて、周知の次式で表現される。
Ｘ＝ＣＨ^２／[１＋√（１－（１＋Ｋ）Ｃ^２Ｈ^２）]
＋Ａ_４・Ｈ^４＋Ａ_６・Ｈ^６＋Ａ_８・Ｈ^８＋Ａ_１０・Ｈ^１０＋Ａ_１２・Ｈ^１２＋Ａ_１４・Ｈ^１４ 。

「実施例１」
実施例１のデータを図２（ａ）に示す。

図２（ａ）において、左端の欄における数字は、物体側から像側へ向かう面番号を表す。この面番号には開口絞りの面番号：５、各種フィルタに対応する透明平行平板Ｆ１の面番号：１２、１３、撮像素子のカバーガラスＣＧの面番号：１４、１５が含まれている。
面間隔：Ｄにおける最下段の「ＢＦ」は、カバーガラスＣＧの像側面から像面Ｉｍまでの距離を表している。また、レンズ材質のガラスにおいて（ＯＨＡＲＡ）は「株式会社オハラ製」、（ＳＵＭＩＴＡ）は「株式会社住田光学ガラス製」を示し、これらにおける光学硝種名（商品名）を挙げてある。以下の他の実施例においても同様である。
また、曲率半径：Ｒ＝∞は「平面」であり、面番号に「＊」印を付した面は非球面である。

実施例１の撮像光学系における非球面データを図２（ｂ）に示す。
なお、図２（ｂ）に記載された数値において、例えば「５．８５３４Ｅ－０４」は「５．８５３４×１０^－４」を表す。以下の他の実施例においても同様である。
実施例１の撮像光学系の、全系の焦点距離：ｆ、Ｆナンバ：Ｆｎｏ、画角：２ｗを、図３（ａ）に、また、条件式：（１）～（６）の各パラメータにかかる量の値を（ｂ）に、条件式（１）～（６）の各パラメータの値を（ｃ）に示す。
図３（ｄ）には「像の光軸ずれ」の値を示す。
図３（ｄ）に示す像の光軸ずれについて説明を補足する。
像の光軸ずれは、前述の如く「レンズ偏心」により生じる。この発明の撮像光学系の場合、接合レンズＬ２３ａ、Ｌ２３ｂを含む５枚のレンズで構成されるが、図３（ｄ）の左欄において、第１群の第１レンズＬ１１を「Ｌ１」、第２群の第２レンズＬ２２をレンズ「Ｌ２」、第３群をなす第３レンズＬ２３ａ、第４レンズＬ２３ｂの接合レンズを「Ｌ３４」、第４群の第５レンズを「Ｌ５」で表している。

図３（ｄ）の右欄において、これら「Ｌ１」～「Ｌ５」に対する数値は、それぞれ、これらレンズのうちの１つのみを１μｍ偏芯させ、他のレンズの偏芯量を０とした場合の「像の光軸ずれ」を表している。

例えば、「Ｌ５」に対する「７．８Ｅ－０４ｍｍ（＝０．７８μｍ）」は、上の説明における「∂ｆ(０，０，０，０)/∂ｈ４」に相当する。

図３（ｄ）における「ＳＵＭ１」は、「Ｌ１ないしＬ５」における「像の光軸ずれ」を合算したものである。先に説明したように、この値は、第１群ないし第４群が、それぞれ１μｍ偏芯したときの「像の光軸ずれ」に相当する。ＳＵＭ２は第１群ないし第４群が、それぞれ２μｍ偏芯したときの「像の光軸ずれ」に相当する。

また、「ＳＵＭ２／Ｙ’」は第１群ないし第４群が、それぞれ２μｍ偏芯したときの、最大像高に対する、レンズユニット全系の「像の光軸ずれ」の割合である。

実施例１においては、各群Ｇ１～Ｇ４が「像の光軸ずれを強め合う方向」に偏芯した場合においても、レンズユニット全系の光軸ずれは、最大像高Ｙ’に対して０．１８％であり、０．５％よりも十分に小さい。

図４に、実施例１の撮像光学系の収差図を示す。球面収差、非点収差、歪曲収差（図４の上側の図）、コマ収差（下側の図）は、何れも、環境温度：２０℃における無限遠物体の結像状態におけるものである。各収差図において、「ｄ」はｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）、「ｇ」はｇ線（λ＝４３５．８ｎｍ）を表している。非点収差の図における実線はサジタル収差、破線はメリディオナル収差を表す。

「実施例２」
実施例２のデータおよび非球面データを、図２に倣って図５（ａ）、図５（ｂ）に示す。
実施例２の撮像光学系の、全系の焦点距離：ｆ、Ｆナンバ：Ｆｎｏ、画角：２ｗを、図６（ａ）に、また、条件式：（１）～（６）の各パラメータにかかる量の値を（ｂ）に、条件式（１）～（６）の各パラメータの値を（ｃ）に示す。
図６（ｄ）には「像の光軸ずれ」の値を、図３（ｄ）に倣って示す。
図７に、実施例２の撮像光学系の収差図を図４に倣って示す。

「実施例３」
実施例３のデータおよび非球面データを、図２に倣って図８（ａ）、図８（ｂ）に示す。
実施例３の撮像光学系の、全系の焦点距離：ｆ、Ｆナンバ：Ｆｎｏ、画角：２ｗを、図９（ａ）に、また、条件式：（１）～（６）の各パラメータにかかる量の値を（ｂ）に、条件式（１）～（６）の各パラメータの値を（ｃ）に示す。
図９（ｄ）には「像の光軸ずれ」の値を、図３（ｄ）に倣って示す。
図１０に、実施例３の撮像光学系の収差図を図４に倣って示す。

「実施例４」
実施例４のデータ及び非球面データを、図２に倣って図１１（ａ）、図１１（ｂ）に示す。
実施例４の撮像光学系の、全系の焦点距離：ｆ、Ｆナンバ：Ｆｎｏ、画角：２ｗを、図１１（ａ）に、また、条件式：（１）～（６）の各パラメータにかかる量の値を（ｂ）に、条件式（１）～（６）の各パラメータの値を（ｃ）に示す。
図１２（ｄ）には「像の光軸ずれ」の値を、図３（ｄ）に倣って示す。
図１３に、実施例４の撮像光学系の収差図を図４に倣って示す。

各実施例の撮像光学系は、何れも、ＦＮｏ.１．９と明るく、半画角が略３０°と広画角であり、各実施例とも、収差図に示すように各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他、歪曲収差も「絶対値で２．０％未満」となっており、環境温度変化時の「像の光軸ずれ」を抑えた、良好な光学性能を確保できている。

上に示した実施例では、環境温度変化によるレンズの偏芯が「環境温度範囲：－３０℃～７０℃において、サブミクロンオーダーから、最大でも２μｍを超えない」場合を示した。
第１～第４群の環境温度変化によるレンズの偏芯量は、各レンズの外径、レンズ保持方法、レンズや保持部材の線膨張係数に応じて異なり、外径の大きいレンズの場合には、１０μｍ程度の偏芯が生じる場合がある。このように、偏心量の大きいレンズを含む場合でも、この発明のレンズ構成と、条件式（１）～（４）、さらにはこれらと、条件式（５）や（６）を満足させつつ、環境温度変化に拘らず「像の光軸ずれ」を有効に軽減させた撮像光学系を実現できる。

以下、この発明の撮像光学系を用いる「カメラ装置」の実施の形態を説明する。この発明のカメラ装置は、上に説明した撮像光学系を用いるものであり、種々の撮像装置、即ち「撮影用のカメラ装置」、「検査用カメラ装置」、「ステレオカメラ装置」、「車載カメラ装置」や「監視用カメラ装置」として実施できる。
「撮影用のカメラ装置」であるデジタルカメラの実施形態を図１４、図１５を参照して説明する。
図１４は、デジタルカメラの外観を示している。図１４（ａ）は全面側図、（ｂ）は背面側図である。
図１４に示すように、デジタルカメラ１００は、筐体（カメラボディ）５に、撮像光学系１、光学ファインダ２、ストロボ（電子フラッシュライト）３、シャッタボタン４、電源スイッチ６、液晶モニタ７、操作ボタン８及びメモリカードスロット９等を装備している。
図１５に示すように、デジタルカメラ１００は、筐体５内に、中央演算装置（ＣＰＵ）１１、画像処理装置１２、受光素子１３、信号処理装置１４、半導体メモリ１５及び通信カード１６等を具備している。
図１５においては、光学ファインダ２は「ファインダ」と、また、撮像光学系１は「撮影レンズ」とされている。また、受光素子１３は上に説明した「撮像素子」である。

デジタルカメラ１００は、撮像光学系１と、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）撮像素子又はＣＣＤ（電荷結合素子）撮像素子等を用いてイメージセンサとして構成された受光素子１３とを有し、撮像光学系１によって結像される被写体光学像を受光素子１３によって読み取る。撮像光学系１として、上述した実施例１～実施例４の撮像光学系を用いることができる。
受光素子１３の出力は、中央演算装置１１によって制御される信号処理装置１４によって処理され、デジタル画像情報に変換される。信号処理装置１４によってデジタル化された画像情報は、やはり中央演算装置１１によって制御される画像処理装置１２において所定の画像処理を施された後、不揮発性メモリ等の半導体メモリ１５に記録される。この場合、半導体メモリ１５は、メモリカードスロット９に装填されたメモリカードや、デジタルカメラ本体にオンボードで内蔵された半導体メモリを用いることもできる。

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。また、半導体メモリ１５に記録した画像は、通信カードスロット（明確には図示していないが、メモリカードスロット９と兼用することもできる）に装填した通信カード１６等を介して外部へ送信することも可能である。

撮像光学系１は、カメラの携帯時には、その対物面がレンズバリア（明確には図示していない）により覆われており、ユーザが電源スイッチ６を操作して電源を投入すると、レンズバリアが開き、対物面が露出する構成とする。
半導体メモリ１５に記録した画像を液晶モニタ７に表示させたり、通信カード１６等を介して外部へ送信させたりする際には、操作ボタン８を操作する。半導体メモリ１５及び通信カード１６等は、メモリカードスロット９及び通信カードスロット等のような、それぞれ専用または汎用のスロットに装填して使用される。

図１６を参照して「検査カメラ装置」の実施の１形態を説明する。

以下に説明する検査カメラ装置は、所謂「製品検査」を行うための検査装置である。
製品検査には種々の検査や検査項目があり得るが、簡単のために多数個が製造される製品の「傷の有無」を検査する場合を例にとって説明する。
図１６（ａ）において、符号２０は「撮像部」、符号２３は「検査プロセス実行部」を示し、符号２４は「表示部」を示す。また、符号Ｗは「製品」、符号２６は「製品搬送ベルト（以下においては単に「搬送ベルト２６」と言う。）」を示している。
撮像部２０は、検査装置におけるカメラ機能部であり、撮像光学系２１と画像処理部２２とを有する。
検査対象としての製品Ｗは、搬送ベルト２６上に等間隔に置かれ、搬送ベルト２６により矢印方向（図の右方）へ等速的に搬送される。
撮像光学系２１は、検査対象である製品Ｗの像を結像するものであり、この発明の撮像光学系、具体的には上に説明した実施例１ないし４の何れかを用いることができる。
製品検査は、図１６（ｂ）に示す「準備工程」、「検査工程」、「結果表示工程」の各工程に從って行われる。これらの工程のうち、「検査工程と結果表示工程」が「検査プロセス」である。

「準備工程」では、検査条件を設定する。
即ち、搬送ベルト２６により搬送される製品Ｗの大きさや形状、傷の有無を検査する部位等に応じて、撮像光学系２１の撮影位置、撮影態位（結像レンズの向きや撮影対象との距離、即ち、物体距離）を定める。
そして、有無を検出すべき「傷」の位置や大きさに応じて、撮像光学系２１の位置を設定する。
一方において「傷のないことが確認されているモデル製品」を搬送ベルト２６上の検査位置に置いて、これを結像レンズ２１により撮影する。
撮影は、画像処理部２２に配置された撮像素子による撮像で行われ、撮像素子により撮像された画像は「画像情報」とされデジタルデータ化する画像処理が行われる。

画像処理されたデジタルデータは、検査プロセス実行部２３に送られ、検査プロセス実行部２３は、前記デジタルデータを「モデルデータ」として記憶する。
「検査工程」では、製品Ｗが搬送ベルト２６上に「モデル製品と同一態位」に置かれ、搬送ベルト２６により順次搬送される。搬送される個々の製品Ｗが「検査位置」を通過する際に撮像光学系２１による撮影が行われ、画像処理部２２でデジタルデータ化されて、検査プロセス実行部２３に送られる。
検査プロセス実行部２３は「コンピュータやＣＰＵ」として構成され、画像処理部２２を制御し、また、画像処理部２２を介して撮像光学系２１の撮影を制御する。

検査プロセス実行部２３は、画像処理部２２でデジタルデータ化された「製品Ｗの画像データ」を受けると、この画像データと、前記記憶したモデルデータのマッチングを行う。
撮影された製品Ｗに「傷」がある場合は、画像データとモデルデータとが合致しないので、この場合には、当該製品は「不良品」と判定する。
また、製品Ｗに傷が無い場合は、該製品の画像データとモデルデータが合致するので、この場合は、当該製品が「良品」であると判定する。
「結果表示工程」は、検査プロセス実行部２３による個々の製品の「良品、不良品」の判定結果を、表示部２４に表示する工程である。
なお、装置の構成上は、検査プロセス実行部２３と表示部２４とが「検査プロセス実行手段」を構成する。

次に、図１７を参照して、ステレオカメラ装置の実施の形態を説明する。
図１７において、符号１１１Ａ、１１１Ｂは撮像光学系で、同一仕様のものである。
撮像光学系１１１Ａ、１１１Ｂとしては、請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載のもの、具体的には、上述の実施例１ないし４の適宜のものを用いる。
符号１１２Ａ、１１２Ｂは撮像素子であり、例えばＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサを用いることができる。
撮像光学系１１１Ａ、１１１Ｂは、光軸ＡＸＡと光軸ＡＸＢとを互いに平行にして、所定の距離：Ｄ（基線長という。）を隔して配置されている。
撮像光学系１１１Ａは、物体Ｏｂの像を撮像素子１１２Ａの受光面に結像させる。
撮像光学系１１１Ｂは、物体Ｏｂの像を撮像素子１１２Ｂの受光面に結像させる。

撮像素子１１２Ａ、１１２Ｂは、撮像光学系１１１Ａ、１１１Ｂにより結像した画像を撮影画像のデータとして制御演算部１１３に入力させる。
コンピュータやＣＰＵとして構成された制御演算部１３は、撮像素子１１２Ａ、１１２Ｂから入力される画像情報をデジタル情報化する。
そして、デジタル情報化された画像情報に基づき、物体Ｏｂまでの距離を演算により算出する。即ち、制御演算部１１３は「撮像素子１１２Ａ、１１２Ｂから入力され、デジタル情報化された画像情報」に対して歪曲収差の電子的な補正を行い、このように歪曲収差を補正された画像情報に基づき、物体Ｏｂまでの距離を演算算出する。
制御演算部１１３では、各撮像素子１１２Ａ、１１２Ｂに結像する物体Ｏｂの像位置に基づき、像位置間の距離：Ｄ＋Δを求める。
撮像光学系の焦点距離：ｆ、上記基線長：Ｄを用いると、上記の如く求められた「Ｄ＋Δ」により、撮像面から物体Ｏｂまでの距離：Ｚは、次式：
Ｚ＝ｆ｛１＋（Ｄ/Δ）｝
により算出される。
これが、ステレオカメラ装置による距離測定である。

図１８は、車載カメラ装置の実施の１形態を概略図として示す図である。
図１８（ａ）において、符号１１４により示された撮像装置は「車載カメラ装置」として、車両ＡＵに載置され、車両外の画像情報を取得する。
車載カメラ装置１１４は、図１８（ｂ）に示すように、撮像系１２０と制御演算部１１３Ｃとを有する。撮像系１２０は撮像光学系１１１Ｃと撮像素子１１２Ｃとを有する。
車両ＡＵに搭載された車載カメラ装置１１４は、車両外の画像情報を取得してデジタル情報化する。デジタル情報化された画像情報は、制御演算部１１３Ｃで画像処理等のデジタル処理を受け、適宜の方法で表示される。
撮像光学系１１１Ｃとしては、請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載のもの、具体的には、実施例１ないし４の適宜のものを用いる。
なお、図１８（ｂ）における撮像系１２０と制御演算部１３Ｃの部分（車載カメラ装置１１４）を、図１７の「ステレオカメラ装置」に代えることができる。
即ち、図１８に示すステレオカメラ装置は、これを車載カメラ装置として車両に搭載することができる。

図１４、図１５に即して説明したデジタルカメラ、図１６に即して説明した検査カメラ装置、図１７に即して説明したステレオカメラ装置、図１８に即して説明した車載カメラ装置は、何れも、この発明の撮像光学系を用いるので、明るく、画角の広い画像を撮像でき、また、環境温度の広範囲な変化に対しても影響を受けにくいので、広い使用環境での使用が可能である。

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。
例えば、カメラ装置は、動画撮影を主としたビデオカメラ、及び在来の所謂銀塩フィルムを用いるフィルムカメラ等を含む主として撮影専用のカメラ装置としても用い得る。
また、このようなカメラ装置だけでなく、携帯電話機や、ＰＤＡ（personal data assistant）などと称される携帯情報端末装置、さらにはこれらの機能を含む、いわゆるスマートフォンやタブレット端末などの携帯端末装置を含む種々の情報装置に、デジタルカメラ等に相当する撮像機能が組み込まれることが多い。このような情報装置にも、この発明の撮像光学系を用いることができる。
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。

Ｇ１０ 第1群
Ｌ１１ 第1レンズ
Ｇ２１ 第2群
Ｌ２２ 第2レンズ
Ｇ２２ 第３群
Ｌ２３ａ 第3レンズ
Ｌ２３ｂ 第４レンズ
Ｇ２３ 第４群
Ｌ２４ 第5レンズ
Ｉｍ 像面
ＣＧ 撮像素子のカバーガラス
Ｆ１ 各種フィルタ

特許第６３７２７４４号公報 特許第６４５９５２１号公報 特開２０１５－１１８１５２号公報 特開２０１８－０７７２９１号公報 特開２０１９－０２０５０５号公報

Claims (5)

1. 物体側から像側に向かって順に、第１群、第２群、開口絞り、第３群および第４群を配
   してなり、
   前記第１群は、像側に凹面を向けたメニスカス状の負の第１レンズより成り、
   前記第２群は、正の第２レンズより成り、
   前記第３群は、物体側から像側へ向かって、物体側に凹面を向けた負の第３レンズと像
   側に凸面を向けた正の第４レンズとを接合した接合レンズより成り、全体として負の屈折
   力を有し、
   前記第４群は、正の第５レンズより成り、
   ４群５枚構成で、物体側から像側へ向かって負・正・負・正の屈折力配分を有し、
   第ｉ群（ｉ＝１～４）の焦点距離：ｆｉ、全系の焦点距離：ｆが、条件式：
   （１） ０．３ ＜ｆ／｜ｆ１｜＜ ０．７
   （２） ０．４ ＜ｆ／｜ｆ２｜＜ ０．７
   （３） ０．４ ＜ｆ／｜ｆ４｜＜ ０．７
   （４） １．２＜ｆ/｜ｆ１｜＋ｆ/｜ｆ２｜＋ｆ/｜ｆ３｜＋ｆ/｜ｆ４｜＜１．７
   を満足するとともに、
   前記第３群を構成する第３レンズと第４レンズの材質の－３０℃～７０℃の温度範囲における平均線膨張係数：αｊが、条件式：
   （６） ｜α３－α４｜＜１０×１０^－７/℃
   を満足し、
   前記第１群ないし第４群を構成する各レンズ群がそれぞれ、光軸直交方向に２μｍ偏芯
   したときの、全系の最大像高；Ｙ’に対する像の光軸ずれの割合が０．５％よりも小さい
   撮像光学系。
2. 請求項１記載の撮像光学系であって、
   前記第１レンズの、物体側面の曲率半径：Ｒ１、および、像側面の曲率半径：Ｒ２が、
   条件式：
   （５） －３．０＜（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ２－Ｒ１）＜－１．０
   を満足する撮像光学系。
3. 請求項１または２記載の撮像光学系であって、
   前記第1レンズおよび前記第２レンズのいずれか一方が少なくとも１面の非球面を有す
   るとともに、前記第５レンズが少なくとも１面の非球面を有する撮像光学系。
4. 請求項１ないし３の何れか１項に記載の撮像光学系を含むカメラ装置。
5. 撮影用のカメラ装置、検査用カメラ装置、ステレオカメラ装置、車載カメラ装置、監視
   用カメラ装置の何れかである、請求項４記載のカメラ装置。

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