JP5096226B2

JP5096226B2 - 広角レンズ

Info

Publication number: JP5096226B2
Application number: JP2008129625A
Authority: JP
Inventors: 卓也今岡
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: CN102027403A; EP2273297B1; EP2273297A1; US20110069399A1; US8451547B2; JP2009276679A; EP2273297A4; WO2009139114A1; CN102027403B

Description

本発明は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の撮像素子を用いた車載カメラ、携帯電話機用カメラ、ＰＣ用カメラ、監視用カメラ等の小型カメラに用いられる広角レンズに関する。

近年、車載用カメラ等の小型カメラに用いられるレンズとして、小型かつ安価で、画角１５０度以上の広角レンズが求められている。また、このような広角レンズには、複数枚のレンズが用いられている。

以下の特許文献１、特許文献２および特許文献３には、３枚のレンズを用いて、広い画角を達成しているレンズが開示されている。
特開２００５−１８１５９６号公報特開２００６−２０９０２８号公報特開２００７−１１４５４６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された広角レンズでは、第１レンズが負のパワーを有し、第２レンズが正のパワーを有しているため、最も物体側に配置された第１レンズには、レンズの像面側の面の曲率半径が２．２０〜２．８８ｍｍと小さいレンズが用いられている（特許文献１の表１Ａ、表２Ａ、表３Ａ参照）。このため、第１レンズは球面レンズであるにもかかわらず、加工が困難になるという問題があった。また、特許文献２および特許文献３に記載された広角レンズでは、ディストーションを大きくして広角を達成している。これらの広角レンズでは、撮像素子の対角端でのディストーション（絶対値）が５０％を大きく超えている（特許文献２の図３、図４、特許文献３の図３８〜図４９参照）。このため、周辺部の画像が小さくなり、見にくくなってしまうという問題があった。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたもので、少ない枚数のレンズを用いた場合であっても、レンズを簡単に製造でき、ディストーションを小さくすることができる広角レンズを提供することを目的とする。

本発明に係る広角レンズは、物体側から順に配置された第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズと、前記第２レンズおよび前記第３レンズの間に設けられた絞りとを有するレンズ系である広角レンズであって、前記第１レンズは、負のパワーを有し、物体に凸面を向けた球面メニスカスレンズであり、前記第２レンズは、光軸上に負のパワーを有し、前記光軸から離れるにつれて正のパワーを有し、物体側に凸面を向けた非球面メニスカスレンズであり、前記第３レンズは、正のパワーを有するレンズであり、前記第２レンズはアッベ数が３０以下であり、前記レンズ系の結像面に配置される撮像素子の対角長Ｄと、前記レンズ系全体の焦点距離ｆとの比が、ｆ／Ｄ≦０．２６であり、前記第３レンズの焦点距離ｆ３と、前記レンズ系全体の焦点距離ｆとの比が、ｆ３／ｆ＜１．５である構成を有している。

この構成により、第１レンズおよび第２レンズの双方が負のパワーを有するので、負のパワーを２つのレンズに分散することができる。この結果、第１レンズの像面側の面の曲率半径を大きくすることができ、第１レンズの加工を容易にすることができる。第２レンズを物体側に凸面を向けた非球面メニスカスレンズとし、第２レンズの物体側の凸面を、光軸上において負のパワーを有し、光軸から離れるにつれて正のパワーを有する非球面としたことにより、凸面の非球面形状に変曲点ができないので、当該第２レンズの金型加工を簡単に行うことができる。また、撮像素子の対角長Ｄと、レンズ系全体の焦点距離ｆとの比をｆ／Ｄ≦０．２６とし、第３レンズの焦点距離ｆ３と、レンズ系全体の焦点距離ｆとの比をｆ３／ｆ＜１．５としたので、ディストーションが小さくて広角なレンズを提供することができ、レンズ系全体の焦点距離ｆが短くてもｆ３／ｆ＜１．５を充足することで、バックフォーカスを長くすることができる。ｆ／Ｄ＞０．２６となると、レンズ系全体の焦点距離ｆが長くなってしまうため、ディストーションを大きくしないと広い画角とすることができない。また、ｆ３／ｆ≧１．５となるとバックフォーカスが短くなりすぎて、例えばフォーカス調整などで第３レンズが移動する際に、第３レンズが撮像素子と第３レンズとの間に設けられるカバーガラスと接触して傷付く可能性がある。以上の通り、本発明により、少ない枚数のレンズを用いた場合であっても、レンズを簡単に製造でき、ディストーションを小さくすることができる。

また、本発明に係る広角レンズにおいて、前記第３レンズは非球面レンズであることが好ましい。これにより、撮像素子の周辺部の光線入射角を平行に補正し、かつ、性能も上げることができる。

また、好適には、本発明に係る広角レンズにおいて、前記第２レンズの材質が樹脂であることが好ましい。これにより、第２レンズの形状を形成し易くすることができる。特に、第２レンズに非球面を形成し易く、安価にできる。

また、本発明に係る広角レンズにおいて、前記第３レンズの材質が樹脂であることが好ましい。これにより、第３レンズの形状を形成し易くすることができる。特に、第３レンズに非球面を形成し易く、安価にできる。

また、本発明に係る広角レンズにおいて、前記第１レンズの材質がガラスであることが好ましい。これにより、広角レンズ内部を様々な弊害から保護することができ、様々な環境に対して強い広角レンズとすることができる。

本発明は、負のパワーを有し、物体側レンズ面に凸面が形成された球面メニスカスレンズである第１レンズと、光軸上において負のパワーを有し、光軸から離れるにつれて正のパワーを有し、物体側レンズ面に凸面が形成された非球面メニスカスレンズである第２レンズと、正のパワーを有するレンズである第３レンズとを物体側から順に配列し、第２レンズのアッベ数を３０以下とし、撮像素子の対角長Ｄとレンズ系全体の焦点距離ｆとの比をｆ／Ｄ≦０．２６とし、第３レンズの焦点距離ｆ３とレンズ系全体の焦点距離ｆとの比をｆ３／ｆ＜１．５としたことにより、少ない枚数のレンズを用いた場合であっても、レンズを簡単に製造でき、ディストーションを小さくすることができる広角レンズを提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態に係る広角レンズについて、図面を用いて説明する。
本発明の実施の形態の広角レンズの構成を図１に示す。図１では、光軸Ｚを含む面で広角レンズの各構成部品を切断したときの切断面を表しており、紙面左側が物体側、紙面右側が像面側に相当する。図１に示されるように、広角レンズ１００は、第１レンズ１と、第２レンズ２と、第３レンズ３と、絞り４とを備えた光学系により構成される。第１レンズ１、第２レンズ２および第３レンズ３は、光軸Ｚに沿って物体側から順に配列されている。絞り４は、第２レンズ２および第３レンズ３の間に配置される。カバーガラス５および撮像素子６が広角レンズ１００より像面側に配置される。

第１レンズ１は、負のパワーを有し、物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有する球面レンズである。第１レンズ１は、アッベ数４０以上、屈折率１．７以上であることが好ましい。アッベ数を４０以上にすることにより色収差を補正し易くすることができ、屈折率を高くすることによりレンズの曲率半径を大きくすることができ、レンズを加工し易くすることができる。第１レンズ１の材質はガラスとする。これにより、広角レンズ内部を様々な弊害から保護することができ、様々な環境に対して強いレンズとすることができる。なお、第１レンズ１の材質はガラスの方が好ましいが、樹脂であってもよい。

第２レンズ２は、物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有する非球面レンズである。凸面の非球面は、光軸上において負のパワーを有し、光軸から離れるにつれて正のパワーを有するように形成されている。これにより、光軸外の光線の倍率色収差を補正することができる。また、色収差をよりよく補正するために、第２レンズ２の両方の面（物体側の面と像面側の面）を非球面とすることが好ましい。第２レンズ２のアッベ数は３０以下とする。これにより、色収差を補正しやすくすることができる。第２レンズ２の材質は樹脂とする。これにより、第２レンズ２の形状を形成し易くすることができる。特に、第２レンズ２に非球面を形成し易く、安価にできる。なお、第２レンズ２の材質は樹脂であるのが好ましいが、ガラスであってもよい。

第３レンズ３は、正のパワーを有する非球面レンズである。これにより、色収差を補正しやすくすることができ、撮像素子の周辺部の光線入射角を平行に補正し、かつ、性能も上げることができる。また、第３レンズ３のアッベ数を５０以上とした方が、色収差を補正しやすくすることができる。なお、第３レンズ３は非球面レンズであるのが好ましいが、球面であってもよい。第３レンズ３の材質は樹脂とする。これにより、第３レンズ３の形状を形成し易くすることができる。特に、第３レンズ３に非球面を形成し易く、安価にできる。なお、第３レンズ３の材質は樹脂であるのが好ましいが、ガラスであってもよい。

絞り４は、第２レンズ２および第３レンズ３の間に配置されており、第２レンズ２から第３レンズ３へ入射する光の量を調整する。カバーガラス５は、撮像素子６を密封したり、ある波長域の光を透過するフィルタや、ローパスフィルタの特性を有していてもよい。撮像素子６は、レンズ系の結像面に配置されており、レンズ系が結像する像を撮像する。

ここで、本発明の実施の形態の広角レンズ１００においては、以下の式（１）および式（２）の条件を満たす光学特性を有する。
ｆ／Ｄ≦０．２６・・・（１）
ｆ３／ｆ＜１．５・・・（２）
ただし、
Ｄ：撮像素子６の対角長
ｆ：レンズ系全体の焦点距離
ｆ３：第３レンズ３の焦点距離

本発明の実施の形態に係る広角レンズによれば、第１レンズおよび第２レンズの双方が負のパワーを有するので、負のパワーを２つのレンズに分散することができる。この結果、第１レンズの像面側の面の曲率半径を大きくすることができ、第１レンズの加工を容易にすることができる。第１レンズの物体側を凸面とすることにより、第１レンズに入射する光の角度を抑えることができる。特に反射防止膜を第１レンズの物体側の面に蒸着した場合に角度依存性を抑えることができる。第２レンズを物体側に凸面を向けた非球面メニスカスレンズとし、第２レンズの物体側の凸面を、光軸上において負のパワーを有し、光軸から離れるにつれて正のパワーを有する非球面としたことにより、凸面の非球面形状に変曲点ができないので、当該第２レンズの金型加工を簡単に行うことができる。

また、第２レンズはアッベ数が３０以下であることと、第２レンズの物体側の非球面形状の凸面が光軸から離れるにつれて正のパワーを有することと、第１レンズが負のパワーを有することとにより、光軸外の光線の倍率色収差を補正することができ、この結果、レンズ系全体の倍率色収差を小さくすることができる。第２レンズのアッベ数が３０を超えてしまうと、レンズ系全体の倍率色収差が大きくなり、撮像素子の周辺部で良好な画像を得ることができない。

また、撮像素子の対角長Ｄと、レンズ系全体の焦点距離ｆとの比をｆ／Ｄ≦０．２６とし、第３レンズの焦点距離ｆ３と、レンズ系全体の焦点距離ｆとの比をｆ３／ｆ＜１．５としたので、ディストーションが小さくて広角なレンズを提供することができ、レンズ系全体の焦点距離ｆが短くてもｆ３／ｆ＜１．５を充足することで、バックフォーカスを長くすることができる。ｆ／Ｄ＞０．２６となると、レンズ系全体の焦点距離ｆが長くなってしまうため、ディストーションを大きくしないと広い画角とすることができない。また、ｆ３／ｆ≧１．５となるとバックフォーカスが短くなりすぎて、例えばフォーカス調整などで第３レンズが移動する際に、第３レンズが撮像素子と第３レンズとの間に設けられるカバーガラスと接触して傷付く可能性がある。

以上の通り、本発明により、３枚という少ない枚数のレンズを用いた場合であっても、レンズを簡単に製造でき、ディストーションを小さくすることができる。

また、本発明の実施の形態に係る広角レンズによれば、第３レンズは非球面レンズであるので、撮像素子の周辺部の光線入射角を平行に補正し、かつ、性能も上げることができる。

また、本発明の実施の形態に係る広角レンズによれば、第２レンズの材質が樹脂であるので、第２レンズの形状を形成し易くすることができる。特に、第２レンズに非球面を形成し易く、安価にできる。

また、本発明の実施の形態に係る広角レンズによれば、第３レンズの材質が樹脂であるので、第３レンズの形状を形成し易くすることができる。特に、第３レンズに非球面を形成し易く、安価にできる。

また、本発明の実施の形態に係る広角レンズによれば、第１レンズの材質がガラスであるので、広角レンズ内部を様々な弊害から保護することができ、様々な環境に対して強い広角レンズとすることができる。

次に、本発明の実施の形態に係る広角レンズの具体的な数値実施例について説明する。ここで挙げる実施例１〜３は、本発明の実施の形態に対応しており、実施例１〜３のレンズの構成は図１に示された構成と同一である。

実施例１〜３の各データにおいて、物体側から順に、第１レンズの物体側の面をＳ１面、像面側の面をＳ２面、第２レンズの物体側の面をＳ３面、像面側の面をＳ４面、絞りをＳ５面、第３レンズの物体側の面をＳ６面、像面側の面をＳ７面、カバーガラスの物体側の面をＳ８面、像面側の面をＳ９面とする。

また、実施例１〜３において、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ６およびＳ７の面は非球面形状の屈折光学面であり、非球面の面形状は、光軸と同軸にＸ軸、光軸に垂直にＹ軸ととり、光線の進行方向を正とした場合、次の式（３）で表される。

図５は、実施例１の広角レンズの構成を示す図である。
表１は、実施例１の広角レンズのレンズデータである。
表１において、Ｆ−ｎｏはＦナンバー、焦点距離（ｆ）は図１に示される広角レンズ１００の光学系全体の焦点距離、センサー対角長（Ｄ）は撮像素子６（センサー）の対角端間の距離、画角（２ω）は撮像素子６の対角端における画角、第３レンズの焦点距離（ｆ３）は第３レンズ単体の焦点距離、ｆ３／ｆは第３レンズの焦点距離とレンズ系全体の焦点距離の比、ｆ／Ｄはレンズ系全体の焦点距離とセンサー対角長の比、バックフォーカス（in glass）は第３レンズ３の第２面である像面側の面（Ｓ７面）から撮像素子６の物体側の面（撮像面、センサー面）までの距離を示している。

また、表１において、面タイプはＳ１〜Ｓ９の各面の形状を表しており、記載のない面は平面である。曲率半径は面の半径であり、面タイプが平面の場合は記載しない。面間隔は、物体側から順に指定した面から次の面までの光軸上の間隔であり、図１に示されるように、ｄ１はＳ１およびＳ２の間の間隔、ｄ２はＳ２およびＳ３の間の間隔、ｄ３はＳ３およびＳ４の間の間隔、・・・、ｄ９はＳ９および撮像素子６の物体側の面（撮像面）の間の間隔を示す。屈折率ｎｄは、物体側から順に指定した面から次の面までの間のｄ線（５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率である。アッベ数νｄは、物体側から順に指定した面から次の面までの間のｄ線に対するアッベ数である。

表２は実施例１で非球面とされるレンズ面の非球面形状を特定するための定数や係数を示す。表２において、コーニック定数（Ｋ）は式（３）中の円錐係数（ｋ）と同一であり、非球面係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは式（３）のＡ₁、Ａ₂、Ａ₃、Ａ₄にそれぞれ対応する。

図２は、実施例１に対応する収差図であって、図２（ａ）は球面収差図、図２（ｂ）は非点収差図、図２（ｃ）は歪曲収差図である。各収差図において、ｅ線を基準波長とした収差を示すが、球面収差図にはＣ線およびＦ線の収差も示す。非点収差図において、実線はサジタル方向、破線はタンジェンシャル方向の収差を示す。球面収差図において、縦軸はＦナンバー（Ｆ−ｎｏ）、横軸は収差量（ｍｍ）を表す。非点収差図において、縦軸は像高（ｍｍ）、横軸は収差量（ｍｍ）を表す。歪曲収差図において、縦軸は像高（ｍｍ）、横軸はｅ線に対する歪曲（％）を表す。

図２（ａ）〜（ｃ）の収差図から、ディストーション（Ｄｉ）、倍率色収差（６割）Ｃ−ｅおよび倍率色収差（６割）Ｆ−ｅは、以下の通りとなった。ここで、ディストーション（Ｄｉ）は撮像素子の対角端におけるディストーション（歪曲収差）である。倍率色収差（６割）Ｃ−ｅは、撮像素子の対角端の６割の位置でのｅ線（波長５４６．０７ｎｍ）を基準として、Ｃ線（波長６５６．２７ｎｍ）の像面上における主光線の光軸に垂直な方向での差を示す。倍率色収差（６割）Ｆ−ｅは、撮像素子の対角端の６割の位置でのｅ線を基準として、Ｆ線（波長４８６．１３ｎｍ）の像面上における主光線の光軸に垂直な方向での差を示す。

ディストーション（Ｄ）：−５２．０％
倍率色収差（６割）Ｃ−ｅ：９．５ｕｍ
倍率色収差（６割）Ｆ−ｅ：−７．０ｕｍ

図６は、実施例２の広角レンズの構成を示す図である。
表３は実施例２の広角レンズのレンズデータである。表３中の各記号は、表１の説明と同様である。

表４は実施例２で非球面とされるレンズ面の非球面形状を特定するための定数や係数を示す。表４中の各記号は、表２の説明と同様である。

図３は、実施例２に対応する収差図であって、図３（ａ）は球面収差図、図３（ｂ）は非点収差図、図３（ｃ）は歪曲収差図である。各収差図において、ｅ線を基準波長とした収差を示すが、球面収差図にはＣ線およびＦ線の収差も示す。非点収差図において、実線はサジタル方向、破線はタンジェンシャル方向の収差を示す。各収差図の縦軸および横軸の説明は、図２の説明と同様である。

図３（ａ）〜（ｃ）の収差図から、ディストーション（Ｄｉ）、倍率色収差（６割）Ｃ−ｅおよび倍率色収差（６割）Ｆ−ｅは、以下の通りとなった。
ディストーション（Ｄ）：−５２．２％
倍率色収差（６割）Ｃ−ｅ：１５．６ｕｍ
倍率色収差（６割）Ｆ−ｅ：−１２．５ｕｍ

図７は、実施例３の広角レンズの構成を示す図である。
表５は実施例３の広角レンズのレンズデータである。表５中の各記号は、表１の説明と同様である。

表６は実施例３で非球面とされるレンズ面の非球面形状を特定するための定数や係数を示す。表６中の各記号は、表２の説明と同様である。

図４は、実施例３に対応する収差図であって、図４（ａ）は球面収差図、図４（ｂ）は非点収差図、図４（ｃ）は歪曲収差図である。各収差図において、ｅ線を基準波長とした収差を示すが、球面収差図にはＣ線およびＦ線の収差も示す。非点収差図において、実線はサジタル方向、破線はタンジェンシャル方向の収差を示す。各収差図の縦軸および横軸の説明は、図２の説明と同様である。
ディストーション（Ｄ）：−５２．０％
倍率色収差（６割）Ｃ−ｅ：９．３ｕｍ
倍率色収差（６割）Ｆ−ｅ：−７．０ｕｍ

以上、本発明の実施の形態を例示により説明したが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではなく、請求項に記載された範囲内において目的に応じて変更・変形することが可能である。

以上のように、本発明は、少ない枚数のレンズを用いて、倍率色収差を少なくしつつ、レンズを製造し易くでき、ディストーションを小さくすることができるという効果を有し、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を用いた車載カメラ、携帯電話機用カメラ、ＰＣ用カメラ、監視用カメラ等に代表される小型カメラに用いる広角レンズに有用である。

本発明の実施の形態の広角レンズの構成を示す図実施例１のレンズ系の収差図実施例２のレンズ系の収差図実施例３のレンズ系の収差図実施例１の広角レンズの構成を示す図実施例２の広角レンズの構成を示す図実施例３の広角レンズの構成を示す図

１第１レンズ
２第２レンズ
３第３レンズ
４絞り
５カバーガラス
６撮像素子
１００広角レンズ

Claims

物体側から順に配置された第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズから構成され、前記第２レンズおよび前記第３レンズの間に設けられた絞りとを有するレンズ系からなる広角レンズであって、
前記第１レンズは、負のパワーを有し、物体側に凸面を向けた球面メニスカスレンズであり、
前記第２レンズは、光軸上において負のパワーを有し、前記光軸から離れるにつれて正のパワーを有し、物体側に凸面を向けた非球面メニスカスレンズであり、
前記第３レンズは、正のパワーを有するレンズであり、
前記第２レンズはアッベ数が３０以下であり、
前記レンズ系の結像面に配置される撮像素子の対角長Ｄと、前記レンズ系全体の焦点距離ｆとの比が、ｆ／Ｄ≦０．２６であり、
前記第３レンズの焦点距離ｆ３と、前記レンズ系全体の焦点距離ｆとの比が、ｆ３／ｆ＜１．５であることを特徴とする広角レンズ。
前記第３レンズは非球面レンズであることを特徴とする請求項１に記載の広角レンズ。
前記第２レンズの材質が樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載の広角レンズ。
前記第３レンズの材質が樹脂であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の広角レンズ。
前記第１レンズの材質がガラスであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の広角レンズ。