JP6612813B2 - 光学レンズ - Google Patents

Description

本発明は光学レンズに関し、特に少なくとも一つの可動レンズ群を有する光学レンズに関する。

近年、科学技術の発展に伴い、光学レンズの種類も日に日に多角化しており、監視カメラのレンズもまたそのうちの一つである。例えば、米国第２０１５／０２４１６７号特許（以下１６７号案と称す）出願又は米国第４，８４４，５９９号（以下５９９号案と称す）はその例である。

・・・米国第２０１５／０２４１６７号 ・・・米国第４，８４４，５９９号

前記１６７号案を例とすると、高倍率ズームレンズを有する複数のレンズ群がフォーカシング及びズームを行う場合、相互に連動する必要がある。しかし、この方式では光学システムの設計の難易度が高まり、更にその製造過程において製造公差を制約し、精度に対する要求を高めることにより、ズームレンズの製造コストも増加する。

このほか、５９９号案を例とすると、レンズがフォーカシング及びズームを行う間、それに伴い光量絞り（ａｐｅｒｔｕｒｅ ｓｔｏｐ）が動作し、光学設計の自由度が増加する。しかし、実用化において、可動光量絞りは、その複雑な機構部材の設計により、歩留まりが低下し、更にその製造コストが増加する。

本発明の一面によれば、光学レンズは５つのレンズ群及び光量絞りを含む。各レンズ群は少なくとも一枚の屈折力を有するレンズを有し、光量絞りは、拡大側から縮小側へ昇順に表示される第２レンズ群と第３レンズ群との間の位置に配置又は固定される。また、前記昇順配列により表示される第１レンズ群と第５レンズ群との間の距離はズームまたはフォーカシング時において固定され、第２レンズ群と第４レンズ群は、ズームまたはフォーカシング時にそれぞれ第５レンズ群との距離が変化し、これによりズーム効果および光学品質との間に適切な設計トレードオフを提供する。

本発明を更にわかりやすくするために、以下において実施例を挙げるとともに、図面を合わせて詳細に説明する。

本発明の第１実施例の光学システムの概略図である。 本発明の第２実施例の光学システムの概略図である。 本発明の第３実施例の光学システムの概略図である。 本発明の第４実施例の光学システムの概略図である。 本発明の第５実施例の光学システムの概略図である。

以下の実施例における方向用語、例えば、「上」、「下」、「前」、「後ろ」などは、単に、添付図面の方向を参考にするに過ぎない。従って、使用する方向用語は図面の説明に用いるのであり、本発明を制限するものではない。

本発明は、光学レンズ及びそれを使用する光学システムに関する。図１は本発明の第１実施例の光学システムの概略図を示す。図１を参照すると、本実施例において、光学システムＡは、光学レンズ１及びイメージセンサ２を含む。光学レンズ１はイメージサーフェース又はイメージプレーンに画像を形成し、前記イメージサーフェース又はイメージプレーンは、イメージセンサＢの感光面と同一平面であり且つその形状はイメージセンサＢの感光面とほぼ同一である。

イメージセンサ２は、例えばＣＣＤ、ＣＭＯＳまたは化学感光式フィルムであり、イメージ光を画像に変換することができる。イメージセンサ２の感光面は矩形であり、そのサイズ規格は、例えば１／２．５インチ（縦５．７６ｍｍ×横４．２９ｍｍ）であるが、しかしこれに制限されない。前記感光面は、対角線長さＬを有し、対角線長さＬは、前記感光面における２つの最遠点間の直線距離を表す。そして感光面は、イメージサークル又は像高Ｉｃを設定し、その長さが前記対角線長さＬの半分である。例えば、対角線Ｌが５ｍｍ〜４３ｍｍの範囲であり、１／２．５インチ規格のイメージセンサ２は、約７．１８２ｍｍの対角線Ｌを有する。

本実施例において、光学レンズ１は、拡大側ＯＳと縮小側ＩＳとの間に配置される。そして本実施例の光学レンズ１は画像取込用レンズとして応用される場合、前記画像取り込み用レンズの拡大側ＯＳは、撮像される物体に面する側を示し、前記画像取り込み用レンズの縮小側ＩＳは、イメージセンサ２に面する側を示し、且つイメージセンサ２が光学レンズ１の縮小側ＩＳに配置される。図１を参照すると、光学レンズ１は、拡大側ＯＳから縮小側ＩＳへ光軸に沿って、第１レンズ群１１、第２レンズ群１２、光量絞りＳ、第３レンズ群１３、第４レンズ群１４、第５レンズ群１５及びカバーガラスＣＧを含む。光路差を含むその他の光学パラメータを考慮した場合、拡大側ＯＳから縮小側ＩＳの間に、屈折力がゼロのフィルタ又はカバーガラスＣＧなどの光学部品を選択的に設置することができる。更に、光量絞りＳは、レンズから独立して設置されるか又はレンズの表面に統合して形成されるが、本発明においてこれに制限されない。

本実施例において、第１レンズ群１１、第３レンズ群１３及び第５レンズ群１５はそれぞれ固定レンズ群である。即ち光学レンズ１がズーミングまたはフォーカシングを行う間、これらの群は、静止し、且つ各固定レンズ群間の相互の距離が一定に維持される。更に、光学レンズ１のズーミング及びフォーカシング時に、固定レンズ群はイメージセンサ２から一定距離を維持する。このほか、前記光量絞りの特性は、固定レンズ群と同一であり、即ちズーミング及びフォーカシングの間、光量絞りは、他の固定レンズ群に対して静止し且つ一定距離を維持する。

一方、第２レンズ群１２及び第４レンズ群１４は、可動レンズ群である。即ち、光学レンズ１のズーミングまたはフォーカシング時に、固定レンズ群（例えば第１レンズ群１１又は第５レンズ群１５）又は固定部品（例えばイメージセンサ２）に対して、可動レンズ群との距離は変化する。

この他、図１を参照すると、本実施例における第２レンズ群１２と第４レンズ群１４の下方に移動方向を示す矢印が設けられ、それぞれ光学レンズ１は広角端から中間ズーム位置を経て望遠端に切り替えた時の第２レンズ群１２及び第４レンズ群１４の移動方向を示している。特に、光学レンズ１が広角端から中間ズーム位置を経て望遠端に切り替えたとき、第２レンズ群１２の移動方向は第５レンズ群１５へ向けて一方向的に移動される。一方、第４レンズ群１４は、光学レンズ１が広角端から中間ズーム位置に切り替えたとき、第５レンズ群１５又はイメージセンサ２の方向へ移動し、光学レンズ１が中間ズーム位置から望遠端に切り替えたとき、第４レンズ群１４は第１レンズ群１１の方向へ又はイメージセンサ２から離れる方向へ移動する。更に、光学レンズ１が望遠端から広角端へ切り替わるとき、各可動レンズ群の移動方向は、相反する。

本実施例において、第１レンズ群１１から第５レンズ群１５の屈折力は、それぞれ、正、負、正、負、正である。これらは、屈折力を有するレンズを計１６枚有する。光学システムＡの詳細な光学データは以下の表１〜３に示す。

表１に、光学システムＡ中の各レンズの光学パラメータ値が記載され、「表面番号」中の星印（＊）はその表面が非球面であることを示し、印がないレンズ表面は、球面である。更に、表面番号は光学システムＡにおいて拡大側から縮小側へ配列された光学部品の表面の配列順序を示す。

この他、表１における半径及び厚み／距離の単位はミリメートル（ｍｍ）である。前記表からわかるように、第２レンズ群１２の４枚目レンズの二つの表面はいずれも非球面である。また、第３レンズ群１３の１枚目レンズの二つの表面はいずれも非球面である。更に、第１レンズ群１１、第２レンズ群１２、第３レンズ群１３及び第４レンズ群１４はそれぞれ一枚の接合レンズを含み、第３レンズ群１３の接合レンズは３枚のレンズを組み合わせて構成され、他のレンズ群の接合レンズはいずれも２枚のレンズを組み合わせて構成される。第４レンズ群１４は、負屈折力を有するレンズを含む。第２レンズ群１２、第３レンズ群１３又は第４レンズ群１４は、非球面レンズを備えているので、全体焦点距離の各焦点端の解像度は向上している。更に、各レンズ群に接合レンズを備え且つ第４レンズ群１４が負屈折力を有するレンズを備えているので、光学レンズ１の色収差（Ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）は改善される。

各非球面の表面の非球面係数の値は、下記の表２の通りである。

非球面の表面は下記の式１で表される。

この他、表１に表示された変数の数値を表３に記載する。表３に、光学レンズ１の広角端、中間ズーム位置及び望遠端時における各レンズ表面とその隣接する表面との間の距離又は厚さの異なる数値を記載する。本実施例において、光学レンズ１の広角端、中間ズーム位置及び望遠端は、それぞれ光学レンズ１の５ｍｍ、６１ｍｍ及び２００ｍｍの実効焦点距離（ＥＦＬ）時に相当する。特に注意すべきことは、広角端、中間ズーム位置及び望遠端に対応する実効焦点距離の数値は、異なるレンズ設計に合わせて調整できる。この他、光学レンズ１が広角端時及び望遠端時に位置するとき、そのズーム倍率はそれぞれ最小及び最大であり、例えば、ズーム倍率はそれぞれ１倍及び４０倍である。この他、光学レンズ１が広角端及び望遠端時の絞り値（Ｆ値）は、相互に異なる。本実施例において、光学レンズ１の絞り値は、１．７（広角端）から５．１（望遠端）の範囲である。通常、光学レンズの実効絞りが増大するに従い、光学レンズのＦ値は、減少する。例えば、光学レンズの実効絞りの径が２ｍｍより大きい場合、光学レンズの絞り値（Ｆ値）は１．７である。

更に、本実施例において、光学レンズ１のトータルトラック長（Ｔｏｔａｌ Ｔｒａｃｋ Ｌｅｎｇｔｈ、ＴＴＬ）は、約９２．７９ｍｍである。本発明のトータルトラック長は、拡大側から最も近く屈折力を有するレンズの拡大側に面する表面と光軸が交わる第１交差と、イメージプレーンと光軸が交わる第２交差との間の直線距離で定義される。本実施例において、イメージプレーンは、イメージセンサ２に形成される。また、光学レンズ１の機械的長さの別の計算方法は、光学メカニズムの全長で定義される。つまり、光学レンズ１において光軸上の互いに最も遠く、屈折力を有する２枚のレンズの距離である。従って、第１レンズ群（拡大側に最も近い）と最後のレンズ群（縮小側に最も近い）が固定されている場合、機械的長さは、光学レンズ１の異なる焦点距離により固定されたままである。

以下の表は表１〜３と同様の書式である。従って、以下の表における各項が表す意味は、簡潔にするためここでは繰り返し述べない。同様に、以下の実施例を説明する場合においても、第１実施例と異なる個所について選択的に説明し、述べられていない部分は、第１実施例の内容を参照することにより、ここでは繰り返さない。

図２は、本発明の第２実施例の光学システムの概略図である。本実施例の光学システムＡ中の各部品の詳細なパラメータは、以下の表４から表６の通りである。

表からわかるように、本実施例において、全てのレンズ群の屈折力を有するレンズは、計１５枚である。第４レンズ群１４は、一つの単レンズから構成される。第１レンズ群１１から第５レンズ群１５の屈折力は、正、負、正、負、正である。本実施例において、第２レンズ群１２の最後のレンズ、第３レンズ群１３の第１のレンズ、第４レンズ群の第１のレンズはそれぞれ少なくとも一枚の非球面レンズを含む。ここでの「第１のレンズ」とは、同じレンズ群において他のレンズよりも拡大側に最も近いレンズのことを言い、又「最後のレンズ」とは同じレンズ群において他のレンズよりも拡大側から最も遠いレンズのことを言う。第１レンズ群１１、第２レンズ群１２及び第３レンズ群１３は、それぞれ少なくとも一枚の接合レンズを含み、各接合レンズはそれぞれ、２枚のレンズの組み合わせ、２枚のレンズの組み合わせ、三枚のレンズの組み合わせである。この他、本実施例において、光学レンズ１のトータルトラック長（ＴＴＬ）は、９２．７７ｍｍであり、光学レンズ１の絞り値（Ｆ値）は、広角端１．６から望遠端４．８の範囲であり、そして、光学レンズ１の最大ズーム倍率は、約４０倍である。各レンズ群のズーミング及びフォーカシングの動作は、第１実施例と類似するので、ここでは詳細に述べない。

図３は本発明の第３実施例の光学システムの概略図である。図３を参照すると、本実施例の光学システムＡの詳細な光学データは、下記の表７〜９に示されるとおりである。

上記表からわかるように、本実施例において、全てのレンズ群の屈折力を有するレンズは、計１６枚である。第１レンズ群１１から第５レンズ群１５の屈折力は、正、負、正、負、正である。第２レンズ群１２、第３レンズ群１３及び第４レンズ群の第１のレンズはいずれも、少なくとも一枚の非球面レンズを含む。第１レンズ群１１、第２レンズ群１２、第３レンズ群１３及び第４レンズ群１４は、それぞれ少なくとも一枚の接合レンズを含み、各接合レンズは、それぞれ２枚のレンズを組み合わせて構成されている。この他、本実施例において、光学レンズ１のトータルトラック長（ＴＴＬ）は、９２．７８ｍｍであり、光学レンズ１の絞り値（Ｆ値）は、広角端１．６から望遠端４．８の範囲であり、そして、光学レンズ１の最大ズーム倍率は、約４０倍である。各レンズ群のズーミング及びフォーカシングの動作は、第１実施例と類似するので、ここでは詳細に述べない。

図４を参照すると、図４は本発明の第４実施例の光学システムの概略図である。本実施例の光学システムＡの詳細な光学データは、下記の表１０〜１２に示されるとおりである。

上記表からわかるように、本実施例において、全てのレンズ群の屈折力を有するレンズは、計１６枚である。第１レンズ群１１から第５レンズ群１５の屈折力は、正、負、正、正、正である。第３レンズ群１３及び第４レンズ群は、それぞれ３枚レンズを含む。第２レンズ群１２、第３レンズ群１３及び第４レンズ群１４の第１のレンズはそれぞれ少なくとも非球面を含む。第１レンズ群１１は、２枚のレンズを組み合わせて構成される接合レンズを含む。この他、本実施例において、光学レンズ１のトータルトラック長（ＴＴＬ）は、９１．３１ｍｍであり、光学レンズ１の絞り値（Ｆ値）は、広角端１．６から望遠端３．３の範囲であり、そして、光学レンズ１の最大ズーム倍率は、約２８．７５倍である。光学レンズ１が広角端から中間ズーム位置に切り替えたとき、第４レンズ群１４は第１レンズ群１１へ向けて移動する（つまり、第５レンズ群１５及びイメージセンサ２から離れる）。光学レンズ１が中間ズーム位置から望遠端に切り替えたとき、第４レンズ群１４は、第５レンズ群１５及びイメージセンサ２へ向けて移動する（つまり、第１レンズ群１１から離れる）。第４レンズ群１４を除き、その他のレンズ群の動作は第１実施例と類似するので、ここでは詳細に述べない。

図５は本発明の第５実施例の光学システムの概略図である。本実施例の光学システムＡの詳細な光学データは、下記の表１３〜１５に示されるとおりである。

上記表からわかるように、本実施例において、全てのレンズ群の屈折力を有するレンズは、計１６枚である。第１レンズ群１１から第５レンズ群１５の屈折力は、正、負、正、正、正である。第２レンズ群１２の第１のレンズと最後のレンズの二つの表面は非球面である。また、第５レンズ群１５の第１レンズの二つの表面は非球面である。更に、第１レンズ群１１は、接合レンズを含み、前記接合レンズは２枚のレンズを組み合わせて構成される。この他、本実施例において、光学レンズ１のトータルトラック長（ＴＴＬ）は、９３ｍｍであり、光学レンズ１の絞り値（Ｆ／＃）は、広角端１．６から望遠端３．６の範囲であり、そして、光学レンズ１の最大ズーム倍率は、約３０倍である。各レンズ群のズーミング及びフォーカシングの動作は、第４実施例と類似するので、ここでは詳細に述べない。

上記実施例によれば、本発明の一つの態様では、光学システムＡ又は光学レンズ１の焦点距離は、広角端、中間ズーム位置、望遠端において、それぞれ３−７ｍｍ、４０−９０ｍｍ及び１００−２５０ｍｍであり、好ましくは、それぞれ４．５−４．８ｍｍ、５６−７１ｍｍ、１３６−２００ｍｍである。

本発明の一態様では、広角端における光学レンズ１の最小ズーム倍率は、１−３倍の間であり、好ましくは１倍である。望遠端における光学レンズ１の最大ズーム倍率は、１０−４５倍の間であり、好ましくは２８．７５−４０倍である。この他、光学レンズ１の絞り値（Ｆ値）は、広角端１．２から望遠端６の間であり、好ましくは、広角端１．２−２から望遠端４−５である。

この他、広角端における光学レンズ１のトータルトラック長（ＴＴＬ）は１２０ｍｍ以下であり、より好ましくは、９１．３９−９３ｍｍの間である。

更に、本実施例において、光学効果を改善するために、光学システムＡのＤ／Ｌの割合は８以上に設定する。Ｄはトータルトラック長を表し、Ｌはイメージセンサ２の感光面の対角線の距離を表す。好ましくは、Ｄ／Ｌの割合が１０以上であり、より好ましくは、１２以上であり、光学効果がより改善される。Ｄ／Ｌの割合が４０より小さい場合、光学システムＡのコストパフォーマンス比は比較的高い。第１実施例を例とすると、Ｄは約９２．７８ｍｍであり、Ｌは約７．１８２ｍｍであるので、Ｄ／Ｌは約１２．９である。

更に、光学システムＡのＩｃ／ＴＴＬｗの数値は、約０．０７より小さいとき、光学システムＡの光学効果は向上する。Ｉｃは、イメージセンサ２の感光面の対角線長Ｌの半分に等しいイメージサークル又は像高を表し、ＴＴＬｗは、広角端におけるトータルトラック長を表す。好ましくは、Ｉｃ／ＴＴＬｗ値が、０．０３−０．０５又は０．０３−０．４５の範囲であり、より好ましくは０．０３５−０．０４の範囲において、光学効果は更に向上する。第１実施例を例にすると、Ｉｃが約３．６ｍｍであり、ＴＴＬｗが約９２．８ｍｍであるので、Ｉｃ／ＴＴＬｗは約０．０４である。

また、本発明の一態様によれば、光学レンズ１の相対照度（Ｒｉ，Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）は、約３０％−９０％の間において、像のシェーディングが減少する。シェーディングとは、イメージの中央と比較して、周縁における像の輝度や彩度が低下することである。像のシェーディングは、相対照度が３３％より大きい時、基本的に低下し、相対照度が５０％より大きい時に著しく低下する。

図示及び詳細な説明により本発明の実施例を説明したが、これらは、本発明を制限するものではない。従って、本発明の本質を逸脱しない限り、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。例えば、各レンズ群の合計レンズ数、又は各レンズの屈折力のような光学パラメータは変更でき、若しくは全ての光学効果に影響を与えないレンズを追加することができる。本発明が保護しようとする範囲は、ここに添付の請求項及びその均等により定義される。

Ａ：光学システム
１：光学レンズ
２：イメージセンサ
１１：第１レンズ群
１２：第２レンズ群
１３：第３レンズ群
１４：第４レンズ群
１５：第５レンズ群
Ｓ：光量絞り
ＯＳ：拡大側
ＩＳ：縮小側
ＣＧ：カバーガラス

Claims (8)

1. 拡大側から縮小側の順に、
   正の屈折力を有する少なくとも３つのレンズを含み、正の屈折力を有する第１レンズ群と、
   屈折力を有する少なくとも４つのレンズを含む第２レンズ群であって、非球面レンズを含み、負の屈折力を有する第２レンズ群と、
   屈折力を有する少なくとも４つのレンズを含み、３枚のレンズを含む接合レンズを含み、正の屈折力を有する第３レンズ群であって、そのうち、前記接合レンズの前記３枚のレンズは正の屈折力を有するレンズと負の屈折力を有するレンズとを、少なくとも含む第３レンズ群と、
   負の屈折力を有するレンズを含み、負の屈折力を有する第４レンズ群と、
   正の屈折力を有する第５レンズ群と、そのうち、広角端から望遠端に切り替わる過程において、前記第１レンズ群及び前記第５レンズ群との距離が固定され、前記第３レンズ群及び前記第５レンズ群との距離が固定され、前記第２レンズ群及び前記第５レンズ群との距離が可変であり、前記第４レンズ群及び前記第５レンズ群との距離が可変であり、
   前記第２レンズ群と前記第３レンズ群との間に配置される光量絞りと、
   からなることを特徴とする光学レンズ。
2. 前記第３レンズ群の前記接合レンズの前記３枚のレンズは、拡大側から縮小側へ配列された第１レンズと、第２レンズと、第３レンズとを含み、前記第１レンズの屈折率と前記第３レンズの屈折率は前記第２レンズの屈折率より小さく、前記第１レンズのアッベ数と前記第３レンズのアッベ数は前記第２レンズのアッベ数よりも大きく、
   前記第４レンズ群の前記負の屈折力を有するレンズは、少なくとも一非球面表面を含むことを特徴とする請求項１記載の光学レンズ。
3. 前記第１レンズ群は、屈折力を有する少なくとも４つのレンズを含み、
   前記光学レンズが広角端から望遠端に切り替わる過程において、前記第２レンズ群は、前記第５レンズ群へ単方向移動することを特徴とする請求項１記載の光学レンズ。
4. 前記光学レンズが広角端から望遠端に切り替わる過程において、前記第４レンズ群は、前記第１レンズ群の方向への移動及び前記第５レンズ群の方向への移動を含むことを特徴とする請求項３記載の光学レンズ。
5. 屈折力を有する少なくとも１５枚のレンズと、
   ３枚のレンズを含む接合レンズであって、前記３枚のレンズは正の屈折力を有する少なくとも２つのレンズを含む接合レンズと、
   を含むことを特徴とする請求項１記載の光学レンズ。
6. 前記光学レンズは１６枚以上の屈折力を有するレンズを含み、且つ２枚以上のレンズを組み合わせてなる屈折力を有する少なくとも２つの接合レンズを含み、
   前記第１レンズ群、前記第２レンズ群、前記第３レンズ群、前記第５レンズ群の屈折力は、正、負、正、正であり、
   前記第１レンズ群、前記第３レンズ群、前記第５レンズ群は固定レンズ群であり、
   前記第２レンズ群、前記第４レンズ群は、前記第５レンズ群に対して可動レンズ群であり、
   第４レンズ群の負の屈折力を有するレンズは、少なくとも一枚の非球面を含み、
   前記光学レンズが広角端から望遠端に切り替わる過程において、前記第２レンズ群は、前記第５レンズ群の方向のみに移動し、前記第４レンズ群は、前記第１レンズ群の方向への移動及び前記第５レンズ群の方向への移動を含むことを特徴とする請求項１記載の光学レンズ。
7. Ｄ／Ｌ≧１０を満たし、Ｄがレンズのトータルトラック長を示し、Ｌがイメージ表面の対角線の長さを示し、
   前記光学レンズのズーム倍率が２６−４０倍の範囲であり、
   前記光学レンズの実効絞りの径は２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項５記載の光学レンズ。
8. 前記第１レンズ群と、前記第２レンズ群と、前記第３レンズ群と、前記第５レンズ群の屈折力が、正、負、正、正であり、
   前記第３レンズ群の前記接合レンズの前記３枚のレンズは、拡大側から縮小側へ配列された屈折力を有する第１レンズと、屈折力を有する第２レンズと、屈折力を有する第３レンズとを含み、
   前記第１レンズの屈折率と前記第３レンズの屈折率は前記第２レンズの屈折率より小さく、前記第１レンズのアッベ数と前記第３レンズのアッベ数は前記第２レンズのアッベ数よりも大きいことを特徴とする請求項７記載の光学レンズ。