JP5725967B2 - 撮像レンズ - Google Patents

Description

本発明は、監視用カメラや車載用カメラ等、固体撮像素子を備えた撮像装置に用いられる撮像レンズ、特に単焦点の広角撮像レンズに関する。

監視用カメラや車載用カメラに用いられる撮像レンズには、広画角を確保しながら画面全域で結像性能が良いことが要求される。また、搭載スペースが限られることが多いことなどから小型で軽量であることが要求される。

これらの要望に対応し得る可能性がある単焦点の広角撮像レンズとして、下記の特許文献１、２、３が提案されている。しかしながら、この特許文献１に記載される単焦点レンズは構成レンズの枚数を減らし、小型化、軽量化を図った広角撮像レンズであるが収差補正が充分ではなく、画面全域で高い光学性能面を満足することが出来なかった。またこの問題を克服した特許文献２、３に記載される単焦点レンズでは、レンズ枚数を４枚とし高い結像性能を持たせることができたが、現在では更なる小型化が望まれている。

特開２００３−１９５１６１号公報 特開２００８−２６８２６８号公報 特開２００９−８８６７号公報

本発明は、上記の点に鑑みて成されたものであり、目的とするのは、３枚構成によって小型、軽量且つ安価でありながら、レンズの形状、非球面の形状等を適切に設定することにより高い光学性能を持つ広角撮像レンズを提供することである。

上記目的を達成するため第１の発明のレンズは、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズと、正の屈折力を有する第２レンズと、開口絞りと、正の屈折力を有する第３レンズとの３枚のレンズが配置され、前記第１レンズが物体側に凸面を向けたメニスカス形状と像面側に非球面形状を有し、前記第２レンズが像側に凸面を向けたメニスカス形状と少なくともどちらか一方の面に非球面形状を有し、前記第３レンズが両凸形状と少なくともどちらか一方の面に非球面を有し、下記条件式（１）〜（５）を満足することを特徴とする。

１．０ ＜ ｆ２／ｆ３ ・・・（１）
１．０ ＜ ｜ｆ１／ｆ２３｜ ＜ ３．０ ・・・（２）
ν１＞５０ ・・・（３）
ν２＜３０ ・・・（４）
ν３＞５０ ・・・（５）
０．３ ＜（Ｓ _Ａ ２-Ｓ _Ｓ ２）／Ｓ _Ａ ２＜０．８ ・・・（６）
−０．４ ＜（Ｓ _Ａ ３−Ｓ _Ｓ ３）／Ｓ _Ａ ３＜ −０．１ ・・・（７）
ただし、
ｆ１：第１レンズの焦点距離
ｆ２：第２レンズの焦点距離
ｆ３：第３レンズの焦点距離
ｆ２３：第２レンズ、第３レンズの合成焦点距離
ν１：第１レンズのｄ線に対するアッベ数
ν２：第２レンズのｄ線に対するアッベ数
ν３：第３レンズのｄ線に対するアッベ数。
Ｓ _Ａ ２：第２レンズの物体側面の有効径位置でのサグ量
Ｓ _Ｓ ２：第２レンズの物体側面の中心曲率を持つ球面の有効径位置でのサグ量
Ｓ _Ａ ３：第３レンズの像側面の有効径位置でのサグ量
Ｓ _Ｓ ３：第３レンズの像側面の中心曲率を持つ球面の有効径位置でのサグ量

従来、特許文献２や特許文献３のような４枚構成の広角レンズでは、強い負の屈折力を持つ２枚のレンズと、色分散が大きく正の屈折力を持つレンズと開口絞りの後方に正の屈折力を持つレンズを配置することで、像面湾曲と倍率の色収差を良好に補正していた。

本発明では第１レンズの像側面により強い屈折力を持たせ、それに合わせたレンズ形状を適切に設定することにより、色収差や像面湾曲などの諸収差を補正しつつ、小型化、軽量化を達成することが可能となる。

さらに、前記撮像レンズを構成する前記第１乃至第３のすべてのレンズが樹脂材料 で形成されることを特徴とする。

本発明によれば、３枚構成によって小型、軽量且つ安価でありながら諸収差が良好に補正された広角撮像レンズを提供することができる。その結果、監視カメラや車載用カメラに搭載可能なコンパクトな広角撮像レンズを実現することができる。

本実施形態の撮像レンズの基本構成を示す図である。 本実施形態において、撮像レンズの絞り部、各レンズに対して付与した面番号を示す図である。 実施例１ において、球面収差、および非点収差を示す収差図である。 実施例２ において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例２ において、球面収差、および非点収差を示す収差図である。 実施例３ において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例３ において、球面収差、および非点収差を示す収差図である。 実施例２と実施例３ において、温度ごとの近軸像面位置を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１に実施の形態のレンズ構成をそれぞれ光学断面で示す。これらの実施形態は物体側から順に、第１レンズ１１０、第２レンズ１２０、開口絞り１３０、第３レンズ１４０、カバーガラス１５０、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Mental-Oxide Semiconductor device)等の撮像素子１６０が配置される３枚構成の単焦点レンズ１００である。

本発明を実施した撮像レンズで３枚のレンズは、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ１１０と、正の屈折力を有する第２レンズ１２０と、開口絞り１３０と、正の屈折力を有する第３レンズ１４０のように配列されている。広角レンズでは、広い画角を得るために焦点距離を短くする必要があるが、機構的な制約からバックフォーカスは焦点距離に比べて長くしなくてはならない。そこで、前方に負の屈折力を有するレンズを配置し、入射した光を一度発散した後、後方の正の屈折力を有するレンズで集光することにより、レンズ系の主点をレンズ後方に飛出させ焦点距離に比べて長いバックフォーカスを確保することが可能となる。具体的には負の第１レンズで光を発散させ、正の第２レンズと第３レンズで集光する。最も物体側に負レンズを配置することで、主点を後方に置くのに十分な負の屈折力を得ることができ、開口絞り前に正の屈折力をもつレンズを配置することにより、倍率の色収差を良好に補正し、開口絞り後に正の屈折力をもつレンズを配置することにより、像面への入射角度を小さくし、かつ収差を良好に補正する。

前記撮像レンズで、第１レンズ１１０は物体側に凸面を向けたメニスカスレンズであり、第２レンズ１２０は像側に凸面を向けたメニスカスレンズであり、第３レンズ１４０は両凸レンズである。前記第１レンズが物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有することで、第1面に対する軸外光線の入射角度を小さく保つことが可能となり、収差の発生を抑えることが出来る。また第１レンズの像側面を非球面とすることにより、軸外光線に対して強い屈折力が得られ、像面を良好に補正出来る。前記第２レンズが物体側に凹面を、像側に凸面を向けた形状を有することで、主点を後方に配置しつつ、倍率色収差を良好に補正することが出来る。前記第３レンズが両側に凸面を向け、非球面を有することで、像面への入射角度を小さくすることが出来る。

撮像レンズ１００において、物体側ＯＢＪＳ より入射した光は、第１レンズ１１０の物体側Ｒ１面１、像面側Ｒ２面２、第２レンズ１２０の物体側Ｒ３面３、像面側Ｒ４面４、開口絞り１３０の面５、第３レンズ１４０の物体側Ｒ５面６、像面側Ｒ６面７、カバーガラス１５０の物体側Ｒ７面８、像面側Ｒ８面９、を順次通過し撮像素子１６０へと集光される。

本発明を実施した撮像レンズは、ｆ１を第１レンズ１１０の焦点距離、ｆ２を第２レンズ１２０の焦点距離、ｆ３を第３レンズ１４０の焦点距離、ｆ２３を第２レンズ１２０、第３レンズ１４０の合成焦点距離とすると、条件式（１）〜（２）を満足するように構成される。

１．０ ＜ ｆ２／ｆ３ ・・・（１）
１．０ ＜ ｜ｆ１／ｆ２３｜ ＜ ３．０ ・・・（２）
（１）式の下限値１．０を下回ると、射出瞳の距離が短くなり、軸外光線の像面への入射角が大きくなる。（２）式の上限値３．０を超えると、焦点距離に比べて十分な長さのバックフォーカスの確保が難しくなる。（２）式の下限値１．０を下回ると、レンズ系を小型化することが困難となる。また、各レンズの曲率半径が小さくなるため、加工が困難になる。

本発明を実施した撮像レンズでは、第１レンズ１１０を構成する材料のｄ線に対するアッベ数が５０以上に、前記第２レンズ１２０を構成する材料のｄ線に対するアッベ数が３０以下に、前記第３レンズ１４０を構成する材料のｄ線に対するアッベ数が５０以上に、それぞれ設定される。開口絞り１３０よりも物体側にあり、負レンズである第１レンズ１１０を構成する材料のアッベ数が大きいほど、第１レンズ１１０で発生する倍率色収差が小さくなり、開口絞り１３０よりも物体側にあり、正レンズである第２レンズ１２０を構成する材料のアッベ数が小さいほど、第２レンズ１２０で発生する倍率色収差が大きくなるので第１レンズ１１０および第３レンズ１４０で発生した倍率色収差を良好に補正出来る。また、開口絞り１３０よりも像側にあり、正レンズである第３レンズ１４０を構成する材料のアッベ数が大きいほど倍率色収差を小さくできるためである。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、第１から第３までのすべてのレンズが樹脂材料で形成される。樹脂材料で形成されることにより、軽量化や低コスト化が実現できるとともに、非球面形状の作製が容易となる。また、いずれかのレンズにだけガラス材料を用いるよりも温度変化による像面位置の移動を小さく抑えることが可能となる。

本発明を実施した撮像レンズでさらに好ましくは、第２レンズ１２０の物体側面の 形状が、下記条件式（６）を満足することである。（６）式の範囲を満足する形状を とることで第１レンズ１１０と第２レンズ１２０の間隔を短くしつつ像面湾曲と倍率 色収差を良好なバランスで補正することが容易となる。
０．３ ＜（Ｓ_Ａ２-Ｓ_Ｓ２）／Ｓ_Ａ２＜０．８ ・・・（６）
Ｓ_Ａ２：第２レンズ１２０の物体側面の有効径位置でのサグ量
Ｓ _Ｓ ２：第２レンズ１２０の物体側面の中心曲率を持つ球面の有効径位置でのサグ 量。

さらに、本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、第３レンズ１４０の像側面の形状が、下記条件式（７）を満足することである。（７）式の範囲を満足する形状をとることで、主点位置を像面に近づけつつ歪曲収差を適度に設定することが可能となる。
−０．４ ＜（Ｓ_Ａ３−Ｓ_Ｓ３）／Ｓ_Ａ３＜ −０．１ ・・・（７）
Ｓ_Ａ３：第３レンズ１４０の像側面の有効径位置でのサグ量
Ｓ_Ｓ３：第３レンズ１４０の像側面の中心曲率を持つ球面の有効径位置でのサグ量。

以下に、撮像レンズの具体的な数値による実施例１〜３を示す。１〜３の数値実施例において、焦点距離、Ｆナンバー、画角、像高、レンズ全長、バックフォーカス（Ｂｆ）は次の表１に記載の通りである。また、同じく１〜３の数値実施例において、条件式（１）〜（５）の数値データは、次の表２に記載の値になる。

なお、以下の数値実施例の中で記載されるレンズの非球面の形状は、物体側から像面側へ向かう方向を正とし、ｋを円錐係数、Ａは４次の非球面係数を、Ｂは６次の非球面係数を、Ｃは８次の非球面係数を、Ｄは１０次の非球面係数としたとき次式で表される。ｈは光線の高さ、ｃは中心曲率半径の逆数を、Ｚは面頂点に対する接平面からの深さを、をそれぞれ表している。

＜実施例１＞
実施の形態１におけるレンズ系の基本構成は図２に示され、各数値データ（設定値）は表３、表４に、球面収差、および非点収差を示す収差図は図３にそれぞれ示される。

図２に示すように、第１レンズ１１０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズ１２０は像側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞り１３０の像側に配置される第３レンズ１４０は両凸形状を有する。第１レンズ１１０は像側面に、第２レンズ１２０と第３レンズ１４０は両面に、それぞれ非球面を有する。

また、図に示すように第１レンズ１１０の厚さとなるＲ１面１とＲ２面２間の距離をＤ１、第１レンズ１１０のＲ２面２と第２レンズ１２０のＲ３面３までの距離をＤ２、第２レンズ１２０の厚さとなるＲ３面３とＲ４面４間の距離をＤ３、第２レンズ１２０のＲ４面４と開口絞り１３０の面５までの距離をＤ４、開口絞り１３０の面５と第３レンズ１４０のＲ５面６間の距離をＤ５、第３レンズ１４０の厚さとなるＲ５面６とＲ６面７間の距離をＤ６、第３レンズ１４０のＲ６面７とカバーガラス１５０のＲ７面８までの距離をＤ７、カバーガラス１５０の厚さとなるＲ７面８とＲ８面９間の距離をＤ８、カバーガラス１５０のＲ８面９と結像面（撮像面）１６０までの距離をＤ９とする。

表３は、実施例１における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎd、および分散値νdを示している。表中の記号＊は非球面の面を表している（以下の実施例においても同様）。表４は、所定面の非球面係数を示している。

なお、本実施例１でサグ量Ｓ_Ａ２は０．０４１、サグ量Ｓ_Ｓ２は０．０２４であり、（Ｓ_Ａ２−Ｓ_Ｓ２)／Ｓ_Ａ２は０．４１となり、（６）式を満足する。また、本実施例でサグ量Ｓ_Ａ３は０．７４７、サグ量Ｓ_Ｓ３は０．９７６であり、（Ｓ_Ａ３−Ｓ_Ｓ３)／Ｓ_Ａ３は−０．３１となり、（７）式を満足する。
数値実施例１

図３は、実施例１において、図３（Ａ）が球面収差を、図３（Ｂ）が非点収差をそれぞれ示している。図３（Ｂ）の縦軸は結像面での像高を表し、図３（Ｂ）中、実線Ｓはサジタル像面の値、破線Ｔはタンジェンシャル像面の値をそれぞれ示している。図３からわかるように、実施例１によれば、球面、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。

＜実施例２＞
実施の形態２におけるレンズ系の基本構成は図４に示され、各数値データ（設定値）は表５、表６に、球面収差、および非点収差を示す収差図は図５にそれぞれ示される。

図４に示すように、第１レンズ１１０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズ１２０は像側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞り１３０の像側に配置される第３レンズ１４０は両凸形状を有する。第１レンズ１１０は像側面に、第２レンズ１２０と第３レンズ１４０は両面に、それぞれ非球面を有する。

表５は、実施例２における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎd、および分散値νdを示している。表６は、所定面の非球面係数を示している。

なお、本実施例２でサグ量Ｓ_Ａ２は０．２４７、サグ量Ｓ_Ｓ２は０．０９４であり、（Ｓ_Ａ２−Ｓ_Ｓ２)／Ｓ_Ａ２は０．６２となり、（６）式を満足する。また、本実施例でサグ量Ｓ_Ａ３は０．３３０、サグ量Ｓ_Ｓ３は０．４０５であり、（Ｓ_Ａ３−Ｓ_Ｓ３)／Ｓ_Ａ３は−０．２３となり、（７）式を満足する。
数値実施例２

図５は、実施例２において、図５（Ａ）が球面収差を、図５（Ｂ）が非点収差をそれぞれ示している。図５（Ｂ）の縦軸は結像面での像高を表している。図５からわかるように、実施例２によれば、球面、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。
＜実施例３＞
実施の形態３におけるレンズ系の基本構成は図６に示され、各数値データ（設定値）は表７、表８に、球面収差、および非点収差を示す収差図は図７にそれぞれ示される。なお実施例３は実施例２と同様の仕様に基づき、第1レンズ１１０の材料を樹脂にして設計した例である。

図６に示すように、第１レンズ１１０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズ１２０は像側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞り１３０の像側に配置される第３レンズ１４０は両凸形状を有する。第１レンズ１１０は像側面に、第２レンズ１２０と第３レンズ１４０は両面に、それぞれ非球面を有する。

表７は、実施例３における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎd、および分散値νdを示している。表８は、所定面の非球面係数を示している。

なお、本実施例１でサグ量Ｓ_Ａ２は０．２８１、サグ量Ｓ_Ｓ２は０．０８４であり、（Ｓ_Ａ２−Ｓ_Ｓ２)／Ｓ_Ａ２は０．７０となり、（６）式を満足する。また、本実施例でサグ量Ｓ_Ａ３は０．３６１、サグ量Ｓ_Ｓ３は０．４２１であり、（Ｓ_Ａ３−Ｓ_Ｓ３)／Ｓ_Ａ３は−０．１６となり、（７）式を満足する。
数値実施例３

図７は、実施例３において、図７（Ａ）が球面収差を、図７（Ｂ）が非点収差をそれぞれ示している。図７（Ｂ）の縦軸は結像面での像高を表している。図７からわかるように、実施例３によれば、球面、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。

図８は、実施例２および実施例３における温度とバックフォーカスの関係を示している。横軸は温度を、縦軸はレンズ最終面から近軸像面までの空気換算距離を常温２０度での値で正規化したもの示している。図からわかるように、同様の仕様でありながら、第1レンズ１１０にガラス材料を用いた実施例２よりも樹脂材料を用いた実施例３の方が温度変化による像面移動が少なく、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。したがって本発明においては、第１レンズ１１０を第２レンズ１２０および第４レンズ１４０と同様に樹脂材料で形成することが好ましいことが示される。

１００，１００Ａ〜１００Ｃ・・・撮像レンズ
１１０ ・・・第１レンズ
１２０ ・・・第２レンズ
１３０ ・・・開口絞り
１４０ ・・・第３レンズ
１５０ ・・・カバーガラス
１６０ ・・・撮像面（結像面）

Claims (2)

1. 物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズと、正の屈折力を有する第２レン ズと、開口絞りと、正の屈折力を有する第３レンズとの３枚のレンズが配置され、前 記第１レンズが物体側に凸面を向けたメニスカス形状と像面側に非球面形状を有し、 前記第２レンズが像側に凸面を向けたメニスカス形状と少なくともどちらか一方の面 に非球面形状を有し、前記第３レンズが両凸形状と少なくともどちらか一方の面に非 球面を有し、下記条件式（１）〜（５）を満足することを特徴とする撮像レンズ。
   １．０ ＜ ｆ２／ｆ３ ・・・（１）
   １．０ ＜ ｜ｆ１／ｆ２３｜ ＜ ３．０ ・・・（２）
   ν１＞５０ ・・・（３）
   ν２＜３０ ・・・（４）
   ν３＞５０ ・・・（５）
   ０．３ ＜（Ｓ _Ａ ２-Ｓ _Ｓ ２）／Ｓ _Ａ ２＜０．８ ・・・（６）
   −０．４ ＜（Ｓ _Ａ ３−Ｓ _Ｓ ３）／Ｓ _Ａ ３＜ −０．１ ・・・（７）
   ただし、
   ｆ１：第１レンズの焦点距離
   ｆ２：第２レンズの焦点距離
   ｆ３：第３レンズの焦点距離
   ｆ２３：第２レンズ、第３レンズの合成焦点距離
   ν１：第１レンズのｄ線に対するアッベ数
   ν２：第２レンズのｄ線に対するアッベ数
   ν３：第３レンズのｄ線に対するアッベ数
   Ｓ _Ａ ２：第２レンズの物体側面の有効径位置でのサグ量
   Ｓ _Ｓ ２：第２レンズの物体側面の中心曲率を持つ球面の有効径位置でのサグ量
   Ｓ _Ａ ３：第３レンズの像側面の有効径位置でのサグ量
   Ｓ _Ｓ ３：第３レンズの像側面の中心曲率を持つ球面の有効径位置でのサグ量
2. 前記撮像レンズを構成する前記第１乃至第３のすべてのレンズが樹脂材料で形成さ れることを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。
   

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