JP2012203119A - 撮像光学系および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２枚構成のレンズを有する撮像光学系においてゴーストの発生を抑制可能であり、好ましくはこれに加えて光学系全長のより一層の短縮化が可能で、全体として小型化が図れる撮像光学系および撮像装置を提供する。
【解決手段】物体側から順に、凸面を前記物体側に向けた正のパワーをもつメニスカス形状の第１レンズ１１と、正のパワーをもつ第２レンズ１２とを有する２枚構成のレンズからなり、第１レンズと第２レンズ１２の間隔をｄ２、第２レンズの像面側からの平行光を入れたときのバックフォーカスをｆｂ２、第１レンズの肉厚をｄ１、第１レンズの第１面の曲率半径をＲ１、第１レンズの屈折率をｎ１、Ｒ１−ｄ１＊［１＋（ｎ１−１）／ｎ１］をδとするとき、以下の条件式ｄ２＜δ＋ｆｂ２を満たす構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、像を取り込むための光の結像に用いられる撮像光学系であり、特に２枚構成のレンズを有する撮像光学系に関する。さらには、例えば車載カメラや監視カメラ等に用いられる撮像光学系を有する撮像装置に関する。

一般に、光を結像させるために用いられる撮像光学系は、諸収差が少なく鮮鋭な画像を得るために、複数枚のレンズを組み合わせたものが用いられている。像性能が求められるカメラにおいては、５枚以上のレンズを有する撮像光学系も多く用いられている。しかし、レンズ枚数が多いと小型化、軽量化が困難であり、その上生産コストの面でも低廉化に適さないという問題があった。

近年、例えば車載カメラや監視カメラ等の撮像装置の小型化、軽量化に対する要望に応じて、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子の小型化が図られ、さらに撮像光学系に関しても光学系全長のより一層の短縮化、小型化が求められている。
そこで、光学系全長の短縮化を図った撮像光学系として、２枚構成のレンズを有する撮像光学系が提案、実用化されている。

例えば、特許文献１（特開平１０−９０５９７号公報）には、物体側から順に、凸面を物体側に向けたメニスカスレンズからなる第１レンズと、正の屈折力をもつ両凸レンズからなる第２レンズとを有する撮影レンズの構成が開示されている。ここで開示される撮影レンズは、さらに、レンズ全系の焦点距離、第１レンズの焦点距離、および第１レンズと第２レンズとの空間間隔の関係性を規定することにより、全レンズ系を最小化しつつ歪曲収差を補正することを可能としている。

また、関連する技術として、特許文献２（特許第３７３７０９５号公報）には、物体側から順に、開口絞りと、凸面を物体側に向けたメニスカスレンズからなる第１レンズと、凸面を物体側に向けたメニスカスレンズからなる第２レンズとを有する撮像レンズの構成が開示されている。ここで開示される撮像レンズは、さらに、撮像レンズの合成焦点距離、第１レンズの焦点距離、および第２レンズの焦点距離等の関係性を規定することにより、諸収差を補正可能で且つ光学長の短縮化を可能としている。

特開平１０−９０５９７号公報 特許第３７３７０９５号公報

しかしながら、上記した特許文献１に開示される撮影レンズは小型化には有効であるものの、このような２枚構成のレンズを有する従来の撮像光学系においては、画角外から入射する光線がレンズ内で反射を繰り返すことによりゴーストが発生しやすいという問題があった。このゴーストの発生を抑制するために、画角外の光線がレンズに進入しないように撮像光学系の前面（物体側）に機械的なフード等を取り付けることが考えられるが、その分光学系の全長が長くなったり、外径が大きくなったりし、２枚構成のレンズの主要な目的である小型化に相反することとなる。

一方、従来の撮像光学系においては、特許文献２等に開示されるように第１レンズの前方に開口絞りを配置した構成が多く用いられている。このため、光学系以外に別途開口絞りを設置するスペースが必要となり、小型化の弊害となっていた。
したがって、本発明においては、２枚構成のレンズを有する撮像光学系においてゴーストの発生を抑制可能であり、好ましくはこれに加えて光学系全長のより一層の短縮化が可能で、全体として小型化が図れる撮像光学系および撮像装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、２枚構成のレンズにおけるゴーストの発生原理を考究した結果、このゴーストの発生を抑制するためのレンズ構成に関して後述の知見を見出し、本発明をなすに至った。
まず、ゴーストの発生原理を以下に示す。
図６に示すように、物体側から順に、凸面を物体側に向けた正のパワーをもつ第１レンズ５１と、正のパワーをもつ第２レンズ５２とを有する撮像光学系を例に挙げて説明する。なお、この撮像光学系では、第２レンズ５２と像面５４との間にカバーガラス５３を配置している。

撮像光学系の有効画角より外側から入射する光Ｌ０は、第１レンズ５１に入って像面側のＲ２面にて反射し、さらに物体側のＲ１面で反射する。そして、Ｒ１面の反射光はＯ点に集光する。第２レンズ５２の像面５４側からの平行光を入れたときのバックフォーカスの焦点より、Ｏ点が被写体側にある場合にＯ点から像面５４側に進んだ光は像面に収束し、ゴーストが発生するものと考えられる。
このように、本発明者らは、第１レンズ５１と第２レンズ５２の間隔ｄがゴーストの発生に大きく影響していることを見出し、以下の発明を提案するものである。

本発明に係る撮像光学系は、物体側から順に、凸面を前記物体側に向けた正のパワーをもつメニスカス形状の第１レンズと、正のパワーをもつ第２レンズとを有する２枚構成のレンズからなり、第１レンズと第２レンズの間隔をｄ２、第２レンズの像面側からの平行光を入れたときのバックフォーカスをｆｂ２、第１レンズの肉厚をｄ１、第１レンズの第１面の曲率半径をＲ１、第１レンズの屈折率をｎ１、Ｒ１−ｄ１＊［１＋（ｎ１−１）／ｎ１］をδとするとき、以下の条件式
ｄ２＜δ＋ｆｂ２
を満たすことを特徴とする。
なお、第１レンズの第１面とは第１レンズの物体側の面のことである。また、第１レンズが非球面の場合は、第１レンズの第１面の曲率半径は有効径のベストフィットＲとする。

本発明によれば、２枚構成のレンズであることにより撮像光学系の小型化が可能であり、且つレンズ構成が上記条件式を満たすことにより、画角外から入射した光線が像面で発散光となり、ゴーストの発生を抑制することが可能である。
具体的には、図２に示すように、物体側から像面１４側に向けて順に、第１レンズ１１、第２レンズ１２、カバーガラス１３が配置された撮像光学系において、ｄ２＝δ＋ｆｂ２の場合、物体側から入射した光線は平行光Ｌ２として第２レンズ１２より射出される。また、ｄ２＞δ＋ｆｂ２の場合、物体側から入射した光線は収束光Ｌ３として第２レンズ１２より射出される。したがって、レンズに入射した光束が平行光Ｌ２または収束光Ｌ３として像面に集光するためゴーストが発生しやすくなる。

これに対して、撮像光学系が上記した条件式ｄ２＜δ＋ｆｂ２を満たす場合、物体側から入射した光線は発散光Ｌ１として第２レンズ１２より射出されるため、ゴーストの発生を抑制できるものである。
また、第１レンズおよび第２レンズがともに正のパワーをもつことにより、レンズの全長を短くすることができ、光学系全長のより一層の短縮化が可能となる。さらに、第１レンズがメニスカス形状であることにより、球面収差を少なくし、且つ集光性を高くすることが可能となる。

また、前記第１レンズが、非球面レンズであることが好ましい。
これにより、レンズ構成に応じて諸収差を補正することが可能となり、性能のよい画像を得ることが可能となる。

さらに、前記第１レンズと前記第２レンズとの間に配置された開口絞りをさらに有することが好ましい。
このように、開口絞りを第１レンズと第２レンズの間に配置することにより、第１レンズより物体側または第２レンズより像面側に配置する場合に比べて、撮像光学系の全長をより一層短くすることができ、延いては全体としての小型化が図れる。

また、本発明に係る撮像装置は、前記撮像光学系と、前記撮像光学系により結像した像を光電変換して画像信号を出力する撮像手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、上記したような撮像光学系を用いた撮像装置とすることで、小型で且つゴーストの発生を抑制して性能のよい画像を出力可能な撮像装置を提供することが可能となる。

本発明によれば、２枚構成のレンズであることにより撮像光学系の小型化が可能であり、且つレンズ構成が上記条件式を満たすことにより、画角外から入射した光線が像面で発散光となり、ゴーストの発生を抑制することが可能である。
また、上記したような撮像光学系を用いた撮像装置とすることで、小型で且つゴーストの発生を抑制して精鋭な画像を出力可能な撮像装置を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る撮像光学系の基本構成を示す側面図である。 本発明の実施形態に係る撮像光学系の条件式を説明する図である。 本発明の実施形態に係る撮像装置の概略構成を示す側面図である。 第１実施例の撮像光学系に関する図であり、（Ａ）は撮像光学系の概略構成を示す側面図で、（Ｂ）は収差図である。 第２実施例の撮像光学系に関する図であり、（Ａ）は撮像光学系の概略構成を示す側面図で、（Ｂ）は収差図である。 ２枚構成のレンズにおけるゴーストの発生原理を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の形状等は、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１に本発明の実施形態に係る撮像光学系の基本構成を示す。
この撮像光学系は、物体側から順に、第１レンズ１１と、第２レンズ１２とからなる２枚構成のレンズを有している。

第１レンズ１１は、凸面を物体側に向けた正のパワーをもつメニスカス形状のレンズである。また、第１レンズ１１は、球面レンズであっても非球面レンズであってもよいが、好ましくは、少なくとも一面が非球面であるとよい。これは、非球面とすることにより、レンズ構成に応じて諸収差を補正することが可能となり、精鋭な画像を得ることができるためである。
第２レンズ１２は、正のパワーを有するレンズである。この第２レンズ１２は、両凸形状、平凸形状、およびメニスカス形状のうちいずれであってもよいが、特に、レンズの全長を短くできるため両凸形状であることが好ましい。

また、図２を参照して、上記した構成を有する撮像光学系は以下の条件式を満たす。
ｄ２＜δ＋ｆｂ２
このとき、第１レンズと第２レンズの間隔：ｄ２、第２レンズの像面側からの平行光を入れたときのバックフォーカス：ｆｂ２、第１レンズの肉厚：ｄ１、第１レンズの第１面の曲率半径：Ｒ１、第１レンズの屈折率：ｎ１、Ｒ１−ｄ１＊［１＋（ｎ１−１）／ｎ１］：δとする。なお、第１レンズ１１の第１面とは第１レンズ１１の物体側に位置する面のことである。また、第１レンズ１１が非球面の場合は、第１レンズ１１の第１面の曲率半径Ｒ１は有効径のベストフィットＲとする。

図２において、ｄ２＝δ＋ｆｂ２の場合、物体側から入射した光線は平行光Ｌ２として第２レンズ１２より射出される。また、ｄ２＞δ＋ｆｂ２の場合、物体側から入射した光線は収束光Ｌ３として第２レンズ１２より射出される。すなわち、レンズに入射した光束が平行光Ｌ２または収束光Ｌ３として像面１４に集光するためゴーストが発生しやすくなる。

これに対して、本実施形態によれば、撮像光学系が上記した条件式ｄ２＜δ＋ｆｂ２を満たすことにより、物体側から入射した光線は発散光Ｌ１として第２レンズ１２より射出されるため、ゴーストの発生を抑制できるものである。
また、第１レンズ１１および第２レンズ１２がともに正のパワーをもつことにより、レンズの全長を短くすることができ、光学系全長のより一層の短縮化が可能となる。さらに、第１レンズ１１がメニスカス形状であることにより、球面収差を少なくし、且つ集光性を高くすることが可能となる。

また、本実施形態においては、上記したレンズ構成に加えて、さらに第１レンズ１１と第２レンズ１２との間に配置された開口絞り１５を有することが好ましい。
このように、開口絞りを第１レンズ１１と第２レンズ１２の間に配置することにより、第１レンズ１１より物体側または第２レンズ１２より像面側に配置する場合に比べて、撮像光学系の全長をより一層短くすることができ、延いては全体として小型化が図れる。

続いて、図３を参照して、本発明の実施形態に係る撮像装置について説明する。
この撮像装置は、主として、上記した構成を有する撮像光学系と、撮像手段とを有する。
具体的には、光軸上に配置された第１レンズ１１および第２レンズ１２と、撮像手段である撮像素子１６と、２枚のレンズ１１、１２を保持するレンズホルダ１７とを有する。また、第２レンズ１２と撮像素子１６との間にカバーガラス１３を配置してもよい。撮像素子１６は、撮像光学系により結像した像を光電変換して画像信号を出力するものであり、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等を用いることができる。なお、像面１４は、撮像素子１６の撮像有効領域１６ａの受光面に形成される。
さらに、撮像装置は、第１レンズと第２レンズとの間に、開口絞りが配置されていてもよい。

本実施形態に係る撮像装置は、上記したような撮像光学系を用いた撮像装置とすることで、小型で且つゴーストの発生を抑制して精鋭な画像を出力可能な撮像装置を提供することが可能となる。
ここで説明した撮像装置は、例えば、車載カメラ、監視カメラ等の各種の撮像装置に好適に用いられる。

次に、上記構成を有する撮像光学系の第１レンズ、第２レンズ、カバーガラスのそれぞれにおいて、曲率半径Ｒ（ｍｍ）と、距離（肉厚）Ｄ（ｍｍ）と、屈折率Ｎｄと、アッベ数νｄとを具体的に定めて実施した各実施例について説明する。なお、第１実施例の中で＊印をつけた面は非球面を表し、この非球面は次式によって求めてある。

ここで、Ｚは非球面と光軸との交点を原点とした光軸方向の座標であり、ｈは前記原点を通り光軸に直交する方向の座標である。また、ｃは、ｃ＝１／ｒｉ（ｉ＝１〜４）であり、したがって、非球面は光軸近傍の曲率半径Ｒと、円錐定数Ｋと、高次の非球面係数ａｊ（ｊ＝２〜５）によって特定される。

（第１実施例）
図４は第１実施例の撮像光学系に関する図であり、（Ａ）は撮像光学系の概略構成を示す側面図で、（Ｂ）は収差図である。
図４（Ａ）に示すように、この撮像光学系は、第１レンズ１１ａと第２レンズ１２ａの２枚構成のレンズからなり、さらにカバーガラス１３ａと開口絞り１５ａとを有する。第１レンズ１１ａは、凸面を物体側に向けた正のパワーをもつメニスカス形状のレンズで、且つ第１面および第２面が非球面である。第２のレンズ１２ａは正のパワーをもつ。なお、図中、１４ａはこの撮像光学系の像面である。

この第１実施例の場合、（ｄ２＝）０．２６＜０．０９６＋０．７６８（＝δ＋ｆｂ２）となり、上記した条件式を満たす。ここで得られた各収差を図４（Ｂ）に示す。同図の左側から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差をそれぞれ示している。なお、球面収差の図において、ａ、ｂ、ｃは異なる３波長を示す。非点収差においてＭはメリディオナル像面、Ｓはサジタル像面を示す。

（第２実施例）
図５は第２実施例の撮像光学系に関する図であり、（Ａ）は撮像光学系の概略構成を示す側面図で、（Ｂ）は収差図である。
図５（Ａ）に示すように、この撮像光学系は、第１レンズ１１ｂと第２レンズ１２ｂの２枚構成のレンズからなり、さらにカバーガラス１３ｂと開口絞り１５ｂとを有する。第１レンズ１１ａは、凸面を物体側に向けた正のパワーをもつメニスカス形状のレンズで、且つ第１面および第２面が球面である。第２のレンズ１２ｂは正のパワーをもつ。なお、図中、１４ｂはこの撮像光学系の像面である。

この第２実施例の場合、（ｄ２＝）０．２６５＜０．０８３＋０．５７４（＝δ＋ｆｂ２）となり、上記した条件式を満たす。ここで得られた各収差を図５（Ｂ）に示す。同図の左側から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差をそれぞれ示している。なお、球面収差の図において、ａ、ｂ、ｃは異なる３波長を示す。非点収差においてＭはメリディオナル像面、Ｓはサジタル像面を示す。

１１、１１ａ、１１ｂ 第１レンズ
１２、１２ａ、１２ｂ 第２レンズ
１３、１３ａ、１３ｂ カバーガラス
１４、１４ａ、１４ｂ 像面
１５、１５ａ、１５ｂ 開口絞り
１６ 撮像素子
１６ａ 撮像有効領域
１７ レンズホルダ

Claims (4)

1. 物体側から順に、
   凸面を前記物体側に向けた正のパワーをもつメニスカス形状の第１レンズと、
   正のパワーをもつ第２レンズとを有する２枚構成のレンズからなり、
   第１レンズと第２レンズの間隔をｄ２、第２レンズの像面側からの平行光を入れたときのバックフォーカスをｆｂ２、第１レンズの肉厚をｄ１、第１レンズの第１面の曲率半径をＲ１、第１レンズの屈折率をｎ１、Ｒ１−ｄ１＊［１＋（ｎ１−１）／ｎ１］をδとするとき、以下の条件式
   ｄ２＜δ＋ｆｂ２
   を満たすことを特徴とする撮像光学系。
2. 前記第１レンズが、非球面レンズであることを特徴とする請求項１に記載の撮像光学系。
3. 前記第１レンズと前記第２レンズとの間に配置された開口絞りをさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像光学系。
4. 請求項１に記載の撮像光学系と、
   前記撮像光学系により結像した像を光電変換して画像信号を出力する撮像手段とを有することを特徴とする撮像装置。

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