JP2020038401A - 光学系及び撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本件発明に係る光学系は、物体側より順に、負の屈折力を有し、像側面を凹とした第1レンズと、正又は負の屈折力を有し、像側に凸のメニスカス形状の第2レンズと、正の屈折力を有し、両凸形状の第3レンズと、負の屈折力を有する第4レンズと、正又は負の屈折力を有する第5レンズとを有し、以下の条件を満足することを特徴とするものでもある。
但し、R11:前記第1レンズの物体側面の近軸曲率半径
f:前記光学系全系の焦点距離
である。
本件発明に係る撮像装置は、上述に記載の光学系と、当該光学系が形成する光学像を受光して電気的画像信号に変換する撮像素子とを備えることを特徴とする。
1−1.光学系の構成
本件発明に係る光学系は、「負の屈折力を有し、像側面が凹の第1レンズ」と、「像側に凸のメニスカス形状の第2レンズ」と、「正の屈折力を有する第3レンズ」と、「負の屈折力を有する第4レンズ」と、「正又は負の屈折力を有する第5レンズ」とから構成されることを基本とする。以下、この概念に含まれる2つの具体的構成が以下のようになる。まず、本件発明に係る光学系の構成について説明し、そこで必要となる条件式に関する内容は、後述するものとする。
第1レンズは、上述したとおり、負の屈折力を有し、像側面が凹のレンズであれば、その他の具体的なレンズ構成は特に限定されるものではない。ここで、第1レンズの像側面が凹面であるため、像側に凸のメニスカス形状を備える第2レンズとの間に必然的に形成される空気レンズは、第1レンズと第2レンズとの間に両凸形状の空気レンズを設けることにより、球面収差及び像面収差をより良好に補正することが可能になる。従って、当該光学系の光学性能をより良好にすることができるという観点から、第1レンズの像側面が凹面であることが好ましい。
上述の第1構成における第2レンズは、負の屈折力を有し、像側に凸のメニスカス形状を備えるものであり、当該メニスカス形状を備える限り、その他の具体的なレンズ構成は特に限定されるものではない。そして、第2レンズが、この形状を備えることにより、前記第1レンズと第2レンズとの間に必然的に両凸形状の空気レンズが形成される。このとき条件式(1)を満足すれば、広角化及び第1レンズの一層の小径化を図ることがより容易になる。
第3レンズは、正の屈折力を有する限り、その他の具体的なレンズ構成は特に限定されるものではない。当該第3レンズとしては、両面が凸面の両凸レンズを用いることが好ましい。両面が凸面とした第3レンズは、正の屈折力を物体側面と像側面とに分散でき、後述する条件式(1)を満たすことが容易となると同時に、偏心によるコマ収差の劣化を抑制でき、良好な光学性能の確保が容易になる。
第4レンズは、上述したとおり、負の屈折力を有する限り、その他の具体的なレンズ構成は特に限定されるものではない。ところが、この第4レンズは、物体側に凸のメニスカス形状であることが好ましい。像面湾曲を良好に補正し、良好な光学性能が確保できるからである。
本件発明に係る光学系を構成する第1レンズから第5レンズはいずれもガラスレンズであることが好ましい。プラスチックと比較して、熱的安定性が高く、温度変動に伴う膨張・収縮が小さい。そのため、全てのレンズをガラスレンズとすることで、使用環境温度が変化しても焦点位置の変動を良好に抑制することができる。
本件発明に係る光学系において、絞り(開口絞り)の配置場所は、特に限定されるものではない。例えば、第2レンズと第3レンズとの間、第3レンズと第4レンズとの間等に配置できる。しかし、絞りを光学系の像面よりに配置する程、像面に対する結像光の入射角度が大きくなり、撮像素子に配置されるフォトダイオードに適切に入射することが困難となる。その結果、適正露出の確保が困難となるため、感度ムラ(シェーディングムラ)や周辺の色付きが発生してしまい好ましくない。よって、第2レンズと第3レンズとの間に絞りを配置することが好ましい。
次に、本件発明に係る光学系が満足すべき条件、又は、満足することが好ましい条件について説明する。
本件発明に係る光学系において、物体側より順に、「負の屈折力を有し、像側面が凹の第1レンズ」と、「正又は負の屈折力を有し、像側に凸のメニスカス形状の第2レンズ」と、「正の屈折力を有し、両凸形状の第3レンズ」と、「負の屈折力を有する第4レンズ」と、「正又は負の屈折力を有する第5レンズ」とを有する場合には、以下の条件式(1)を満たすことが求められる。
但し、R11:前記第1レンズの物体側面の近軸曲率半径である。
f:前記光学系全系の焦点距離である。
以下に示す条件式(2)は、本件発明に係る光学系において、当該光学系全系の半画角wを規定したものである。
但し、w:前記光学系全系の半画角である。
本件発明に係る光学系は、以下に記載する条件式(3)及び条件式(4)を同時に満たすことが好ましい。
1.0<|f1/f|<3.0 ・・・(3)
但し、f1:前記第1レンズの焦点距離である。
f:前記光学系全系の焦点距離である。
0.01<d1−2/f<1.5 ・・・(4)
但し、 f:前記光学系全系の焦点距離である。
d1−2:前記第1レンズと前記第2レンズとの光軸上の空気間隔である。
条件式(5)は、第2レンズの焦点距離と、第1レンズの焦点距離との比を規定する式である。以下に示す条件式(5)を満足することにより、本件発明に係る光学系において、より良好な光学性能を得ることができると共に、当該光学系の一層の小型化を図ることが容易になる。
但し、f1:前記第1レンズの焦点距離である。
f2:前記第2レンズの焦点距離である。
本件発明に係る光学系は、以下に記載する条件式(6)、条件式(7)及び条件式(8)を同時に満たすことが好ましい。
但し、f3:前記第3レンズの焦点距離である。
f:前記光学系全系の焦点距離である。
νd3:前記第3レンズのd線(587.56nm)に対するアッベ数である。
dn3/dT:前記第3レンズの20℃環境下、d線(587.56nm)における 相対屈折率温度係数(1×10−6/K)である。
条件式(9)は、「第3レンズの20℃環境下、d線(587.56nm)における相対屈折率温度係数(1×10−6/K)」と、「第2レンズの20℃環境下、d線(587.56nm)における相対屈折率温度係数(1×10−6/K)」との比を規定した式である。本件出願に係る光学系の場合、最も絞りに近い位置の正レンズとして第3レンズを配し、最も絞りに近い位置の負レンズとして第2レンズを配している。この条件式(9)を満たすことにより、高温雰囲気又は低温雰囲気であっても、より高い解像度を得ることができる。条件式(9)は、以下のとおりである。
但し、dn3/dT:前記第3レンズの20℃環境下、d線(587.56nm)にお ける相対屈折率温度係数(1×10−6/K)である。
dn2/dT:前記第2レンズの20℃環境下、d線(587.56nm)にお ける相対屈折率温度係数(1×10−6/K)である。
条件式(10)は、当該光学系全体の焦点距離と、負の屈折力を有する第4レンズの焦点距離との比を規定した式である。条件式(10)を満足することにより、本件発明に係る光学系に、より良好な光学性能を付与できると共に、当該光学系の更なる小型化を図ることが容易になる。条件式(10)は、以下のとおりである。
但し、f4:前記第4レンズの焦点距離である。
f:前記光学系全系の焦点距離である。
本件発明に係る光学系において、前記第4レンズと前記第5レンズとが接合されていることを前提として、以下に記載する条件式(11)及び条件式(12)を同時に満たすことが好ましい。
但し、f45:前記第4レンズと前記第5レンズとの合成焦点距離である。
f:前記光学系全系の焦点距離である。
但し、α4:前記第4レンズに使用する硝材の−30℃から70℃における平均線膨張 係数(1×10−7/K)である。
α5:前記第5レンズに使用する硝材の−30℃から70℃における平均線膨張 係数(1×10−7/K)である。
次に、本件発明に係る撮像装置について説明する。本件発明に係る撮像装置は、上記本件発明に係る光学系と、当該光学系が形成する光学像を受光して電気的画像信号に変換する撮像素子とを備えることを特徴とする。
実施例1の光学系を図1に示す。図1から理解できるように、当該光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有し、像側面が凹の第1レンズG1と、負の屈折力を有し、像側に凸のメニスカス形状を有する第2レンズG2と、正の屈折力を有する第3レンズG3と、負の屈折力を有する第4レンズG4と、正の屈折力を有する第5レンズG5とで構成されている。そして、このときの正の屈折力を有する第5レンズG5には、物体側に凸のメニスカス形状を備えるものを用いている。また、この実施例1における第4レンズG4と第5レンズG5とは接合レンズとしており、その合成屈折力は負である。
実施例1で採用した光学系の具体的数値を適用した数値実施例について説明する。表1に当該光学系のレンズデータを示す。表1(1A)において、「面番号」は物体側から像面側に向けて数えたレンズ面の番号、「r(mm)」はレンズ面の曲率半径(但し、rの値が∞となる面は、その面が平面であることを示す。)、「d」は物体側からi番目(iは自然数)のレンズ面と、i+1番目のレンズ面とのレンズ面の光軸上の間隔、「nd」はd線(波長λ=587.56nm)に対する屈折率、「νd」はd線に対するアッベ数を示している。但し、レンズ面が非球面である場合、以下に掲載した表中の面番号の手前に「※」を付している。また、非球面である場合には、「r」の欄にはその近軸曲率半径を示している。そして、表中の「INF」は無限大を表す。
但し、cが曲率(1/r)、hが光軸からの高さ、kが円錐係数(コーニック定数)、A4、A6、A8、A10・・・が各次数の非球面係数である。また、非球面係数及びコーニック定数の数値における「E±m」(mは整数を表す。)という表記は、「×10±m」を意味している。
実施例2の光学系を図3に示す。図3から理解できるように、当該光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有し、像側面が凹の第1レンズG1と、負の屈折力を有し、像側に凸のメニスカス形状を有する第2レンズG2と、正の屈折力を有する第3レンズG3と、負の屈折力を有する第4レンズG4と、正の屈折力を有する第5レンズG5とで構成されている。そして、このときの正の屈折力を有する第5レンズG5には、両面凸のレンズを用いている。また、この実施例2における第4レンズG4と第5レンズG5とは接合レンズとしており、その合成屈折力は負である。なお、この実施例2においては、実施例1と同様に、開口絞りSPは第2レンズG2と第3レンズG3との間に配置している。
実施例2で採用した光学系の具体的数値を適用した数値実施例について、説明する。以下、実施例1と同様であるため、極力重複した記載を省略する。表2(2A)は、当該光学系のレンズデータであり、表2(2B)は、当該光学系の諸データであり、表2(2C)は表2(2A)に示す非球面の非球面係数であり、表2(2D)は、第2レンズ及び第3レンズに使用する硝材の相対屈折率温度係数、第4レンズ及び第5レンズに使用する硝材の平均線膨張係数である。表2(2E)には、実施例1と同様の第1レンズから第5レンズの焦点距離(f1〜f5)及び第4レンズと第5レンズとの合成焦点距離(f45)を掲載している。また、表8に当該光学系の上記各条件式(1)〜条件式(13)の数値を示す。さらに、図4に当該光学系の無限遠合焦時における縦収差図を示す。
実施例3の光学系を図5に示す。図5から理解できるように、当該光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有し、像側面が凹の第1レンズG1と、負の屈折力を有し、像側に凸のメニスカス形状を有する第2レンズG2と、正の屈折力を有する第3レンズG3と、負の屈折力を有する第4レンズG4と、正の屈折力を有する第5レンズG5とで構成されている。そして、このときの正の屈折力を有する第5レンズG5には、物体側に凸のメニスカス形状を備えるものを用いている。また、この実施例3における第4レンズG4と第5レンズG5とは接合レンズとしており、その合成屈折力は正である。なお、この実施例3においては、実施例1と同様に、開口絞りSPは第2レンズG2と第3レンズG3との間に配置している。
実施例3で採用した光学系の具体的数値を適用した数値実施例について、説明する。以下、実施例1と同様であるため、極力重複した記載を省略する。表3(3A)は、当該光学系のレンズデータであり、表3(3B)は、当該光学系の諸データであり、表3(3C)は表3(3A)に示す非球面の非球面係数であり、表3(3D)は、第2レンズ及び第3レンズに使用する硝材の相対屈折率温度係数、第4レンズ及び第5レンズに使用する硝材の平均線膨張係数である。表3(3E)には、実施例1と同様の第1レンズから第5レンズの焦点距離(f1〜f5)及び第4レンズと第5レンズとの合成焦点距離(f45)を掲載している。また、表8に当該光学系の上記各条件式(1)〜条件式(13)の数値を示す。さらに、図6に当該光学系の無限遠合焦時における縦収差図を示す。
実施例4の光学系を図7に示す。図7から理解できるように、当該光学系は、物体側から順に、物体側から順に、負の屈折力を有し、像側面が凹の第1レンズG1と、負の屈折力を有し、像側に凸のメニスカス形状を有する第2レンズG2と、正の屈折力を有する第3レンズG3と、負の屈折力を有する第4レンズG4と、正の屈折力を有する第5レンズG5とで構成されている。そして、このときの正の屈折力を有する第5レンズG5には、両面凸のレンズを用いている。また、この実施例4における第4レンズG4と第5レンズG5とは接合せずに用いており、その合成屈折力は正である。なお、この実施例4においては、実施例1と同様に、開口絞りSPは第2レンズG2と第3レンズG3との間に配置している。
実施例4で採用した光学系の具体的数値を適用した数値実施例について、説明する。以下、実施例1と同様であるため、極力重複した記載を省略する。表4(4A)は、当該光学系のレンズデータであり、表4(4B)は、当該光学系の諸データであり、表4(4C)は表4(4A)に示す非球面の非球面係数であり、表4(4D)は、第2レンズ及び第3レンズに使用する硝材の相対屈折率温度係数、第4レンズ及び第5レンズに使用する硝材の平均線膨張係数である。表4(4E)には、実施例1と同様の第1レンズから第5レンズの焦点距離(f1〜f5)及び第4レンズと第5レンズとの合成焦点距離(f45)を掲載している。また、表8に当該光学系の上記各条件式(1)〜条件式(13)の数値を示す。さらに、図8に当該光学系の無限遠合焦時における縦収差図を示す。
実施例5の光学系を図9に示す。図9から理解できるように、当該光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有し、像側面が凹の第1レンズG1と、正の屈折力を有し、像側に凸のメニスカス形状を有する第2レンズG2と、正の屈折力を有する第3レンズG3と、負の屈折力を有する第4レンズG4と、正の屈折力を有する第5レンズG5とで構成されている。そして、このときの正の屈折力を有する第5レンズG5には、両面凸のレンズを用いている。また、この実施例5における第4レンズG4と第5レンズG5とは接合せずに用いており、その合成屈折力は正である。なお、この実施例4においては、実施例1と同様に、開口絞りSPは第2レンズG2と第3レンズG3との間に配置している。
実施例5で採用した光学系の具体的数値を適用した数値実施例について、説明する。以下、実施例1と同様であるため、極力重複した記載を省略する。表5(5A)は、当該光学系のレンズデータであり、表5(5B)は、当該光学系の諸データであり、表5(5C)は表5(5A)に示す非球面の非球面係数であり、表5(5D)は、第2レンズ及び第3レンズに使用する硝材の相対屈折率温度係数、第4レンズ及び第5レンズに使用する硝材の平均線膨張係数である。表5(5E)には、実施例1と同様の第1レンズから第5レンズの焦点距離(f1〜f5)及び第4レンズと第5レンズとの合成焦点距離(f45)を掲載している。また、表8に当該光学系の上記各条件式(1)〜条件式(13)の数値を示す。さらに、図10に当該光学系の無限遠合焦時における縦収差図を示す。
実施例6の光学系を図11に示す。図11から理解できるように、当該光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有し、像側面が凹の第1レンズG1と、負の屈折力を有し、像側に凸のメニスカス形状を有する第2レンズG2と、正の屈折力を有する第3レンズG3と、負の屈折力を有する第4レンズG4と、正の屈折力を有する第5レンズG5とで構成されている。そして、このときの正の屈折力を有する第5レンズG5には、物体側に凸のメニスカス形状を備えるものを用いている。また、この実施例6における第4レンズG4と第5レンズG5とは接合レンズとしており、その合成屈折力は負である。
次に、当該光学系の具体的数値を適用した数値実施例について説明する。表6(6A)は、当該光学系のレンズデータであり、表6(6B)は、当該光学系の諸データであり、表6(6C)は表6(6A)に示す非球面の非球面係数であり、表6(6D)は、第2レンズ及び第3レンズに使用する硝材の相対屈折率温度係数、第4レンズ及び第5レンズに使用する硝材の平均線膨張係数である。表6(6E)には、実施例1と同様の第1レンズから第5レンズの焦点距離(f1〜f5)及び第4レンズと第5レンズとの合成焦点距離(f45)を掲載している。また、表8に当該光学系の上記各条件式(1)〜条件式(13)の数値を示す。さらに、図12に当該光学系の無限遠合焦時における縦収差図を示す。
実施例7の光学系を図13に示す。図13から理解できるように、当該光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有し、像側面が凹の第1レンズG1と、負の屈折力を有し、像側に凸のメニスカス形状を有する第2レンズG2と、正の屈折力を有する第3レンズG3と、負の屈折力を有する第4レンズG4と、正の屈折力を有する第5レンズG5とで構成されている。そして、このときの正の屈折力を有する第5レンズG5には、物体側に凸のメニスカス形状を備えるものを用いている。また、この実施例7における第4レンズG4と第5レンズG5とは接合レンズとしており、その合成屈折力は負である。
次に、当該光学系の具体的数値を適用した数値実施例について説明する。表7(7A)は、当該光学系のレンズデータであり、表7(7B)は、当該光学系の諸データであり、表7(7C)は表7(7A)に示す非球面の非球面係数であり、表7(7D)は、第2レンズ及び第3レンズに使用する硝材の相対屈折率温度係数、第4レンズ及び第5レンズに使用する硝材の平均線膨張係数である。表7(7E)には、実施例1と同様の第1レンズから第5レンズの焦点距離(f1〜f5)及び第4レンズと第5レンズとの合成焦点距離(f45)を掲載している。また、表8に当該光学系の上記各条件式(1)〜条件式(13)の数値を示す。さらに、図14に当該光学系の無限遠合焦時における縦収差図を示す。
SP 絞り
G 光学ブロック
IP 像面
Claims (14)
- 物体側より順に、負の屈折力を有し、像側面が凹の第1レンズと、正又は負の屈折力を有し、像側に凸のメニスカス形状の第2レンズと、正の屈折力を有し、両凸形状の第3レンズと、負の屈折力を有する第4レンズと、正又は負の屈折力を有する第5レンズとを有し、以下の条件を満足することを特徴とする光学系。
R11/f<6.0 ・・・(1)
但し、R11:前記第1レンズの物体側面の近軸曲率半径
f:前記光学系全系の焦点距離
である。 - 以下の条件式を満たす請求項1に記載の光学系。
45°<w<90° ・・・(2)
但し、w:前記光学系全系の半画角
である。 - 以下の条件式を満たす請求項1又は請求項2に記載の光学系。
1.0<|f1/f|<3.0 ・・・(3)
0.01<d1−2/f<1.5 ・・・(4)
但し、f1:前記第1レンズの焦点距離
d1−2:前記第1レンズと前記第2レンズとの光軸上の空気間隔
である。 - 前記第2レンズは、負の屈折力を有し、以下の条件式を満たす請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の光学系。
5<f2/f1<100 ・・・(5)
但し、f1:前記第1レンズの焦点距離
f2:前記第2レンズの焦点距離
である。 - 以下の条件式を満たす請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の光学系。
1.0<f3/f<3.0 ・・・(6)
νd3>40.0 ・・・(7)
(dn3/dT)<6.0×10−6/K ・・・(8)
但し、f3:前記第3レンズの焦点距離
νd3:前記第3レンズのd線(587.56nm)に対するアッベ数
dn3/dT:前記第3レンズの20℃環境下、d線(587.56nm)における相対屈折率温度係数(1×10−6/K)
である。 - 以下の条件式を満たす請求項5に記載の光学系。
−5.0<(dn3/dT)/(dn2/dT)<20.0 ・・・(9)
但し、dn2/dT:前記第2レンズの20℃環境下、d線(587.56nm)における相対屈折率温度係数(1×10−6/K)
である。 - 以下の条件式を満たす請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の光学系。
1.0<|f4/f|<3.5 ・・・(10)
但し、f4:前記第4レンズの焦点距離
である。 - 前記第2レンズは、少なくとも1面が非球面である請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の光学系。
- 前記第3レンズは、少なくとも1面が非球面である請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の光学系。
- 前記第4レンズは物体側に凸のメニスカス形状を有し、前記第5レンズは物体側に凸のメニスカス形状を有する請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の光学系。
- 前記第1レンズから第5レンズは、いずれもガラスレンズである請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の光学系。
- 前記第4レンズと前記第5レンズとが接合されており、以下の条件式を満たす請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の光学系。
f45/f<200 ・・・(11)
|α4−α5|<50×10−7/K ・・・(12)
但し、f45:前記第4レンズと前記第5レンズとの合成焦点距離
α4:前記第4レンズに使用する硝材の−30℃から70℃における平均線膨張係数(1×10−7/K)
α5:前記第5レンズに使用する硝材の−30℃から70℃における平均線膨張係数(1×10−7/K)
である。 - 前記第5レンズは正の屈折力を有する請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の光学系。
- 請求項1から請求項13のいずれか一項に記載の光学系と、当該光学系が形成する光学像を受光して電気的画像信号に変換する撮像素子とを備えることを特徴とする撮像装置。
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