JP5893997B2 - 撮像レンズおよび撮像装置 - 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単焦点の広角撮像レンズおよびそれを用いた撮像装置に関するものである。

監視用カメラや車載用カメラ等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も併せて要求される。

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、３に記載される単焦点レンズは温度が変動すると焦点距離が変化してしまい、像面位置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に記載される単焦点レンズでは、温度変動による焦点距離の変化を小さくすることは可能となったが、温度変動によって画角が変化してしまうという問題が発生する。

特開２００８−２６８２６８号公報 特開２００９−８８６７号公報 特開２０１０−５４６４６号公報

本発明は、小型、軽量且つ安価でありながら、高い光学性能を持ち、且つ温度変動による焦点距離及び画角の変動を小さくした広角撮像レンズを提供する。

上記課題を解決するため、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、負の屈折力を有する第２レンズと、正の屈折力を有する第３レ ンズと開口絞りと、正の屈折力を有する第４レンズとの４枚のレンズが配置され、下 記条件式（１）〜（６）を満足することを特徴とする。
｜α２｜ ≧ ５０×１０^-6 ・・・（１）
｜α３｜ ≧ ５０×１０^-6 ・・・（２）
｜α４｜ ≦ １５×１０^-6 ・・・（３）
ｆ２／ｆ１ ＜ ０．５ ・・・（４）
−１．１ ＜ ｆ２／ｆ３ ＜ −０．７ ・・・（５）
１．０ ＜ ｆ４／ｆ３ ・・・（６）
ただし、
α２：第２レンズの熱線膨張係数
α３：第３レンズの熱線膨張係数
α４：第４レンズの熱線膨張係数
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
ｆ４：第４レンズの焦点距離
上記課題を解決するため、本発明の撮像装置は、上述のいずれかの撮像光学系と、 その撮像光学系により形成される光学像を電気信号に変換する撮像素子とを備えたこ とを特徴とする。

本発明によれば、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、且つ温度変動による焦点距離及び画角の変動を小さくし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装置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４ 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４ において、球面収差、および非点収差を示す収差図である。 本実施形態において、温度ごとの焦点距離を示す図である。 本実施形態において、温度ごとの画角を示す図である。 本発明の実施形態の撮像装置の基本構成を示す図である。

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、第３レンズ１３０、開口絞り１４０、第４レンズ１５０、カバーガラス１６０、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Mental-Oxide Semiconductor device)等の撮像素子の受光面となる結像面１７０が配置される４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４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、負の屈折力を有する第２レンズ１２０と、正の屈折力を有する第３レンズ１３０と、開口絞り１４０と、正の屈折力を有する第４レンズ１５０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レンズと第２レンズで光を発散させ、正の第３レンズと第４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。

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、第３レンズ１３０の物体側Ｒ５面５、像面側Ｒ６面６、開口絞り部１４０の面７、第４レンズ１５０の物体側Ｒ７面８、像面側Ｒ８面９、カバーガラス１６０の物体側Ｒ９面１０、像面側Ｒ１０面１１、を順次通過し結像面１７０へと集光される。

本発明を実施した撮像レンズは、α２を第２レンズの熱線膨張係数、α３を第３レンズの熱線膨張係数、α４を第４レンズの熱線膨張係数とすると、条件式（１）〜（３）を満足するように構成される。
｜α２｜ ≧ ５０×１０^-6 ・・・（１）
｜α３｜ ≧ ５０×１０^-6 ・・・（２）
｜α４｜ ≦ １５×１０^-6 ・・・（３）
全てのレンズの熱膨張及び熱収縮が小さければ、温度変化による焦点距離と画角の変化が小さく保たれるのは自明であるが、小型、軽量且つ安価に撮像レンズを構成するためには、樹脂などガラスに比べ熱線膨張係数の大きな材料を使用する必要がある。

従来の４枚構成の広角レンズでは、強い負の屈折力を持つ第２レンズと強い正の屈折力を持つ第３レンズ及び第４レンズに熱線膨張係数の大きな材料を使用していたが、温度が変動すると焦点距離が変化してしまい、光学性能が劣化していた。この問題に対し、強い負の屈折力を持つ第２レンズと、開口絞りよりも像側に配置され強い正の屈折力を持つ第４レンズに熱線膨張係数の大きな材料を使用することで、温度変動による焦点距離の変化を小さくすることは可能となるが、温度変動によって画角が変化してしまう。

そこで、この熱線膨張係数の大きな材料を、熱による光学的な変化を互いに打ち消しあうように配置することで、全系として温度変化による焦点距離と画角の変化を小さくすることが本発明の狙いである。そのためには第２レンズと第３レンズに熱線膨張係数の大きな材料を用い、第４レンズには熱線膨張係数の小さな材料を用いることが望ましい。（１）式の下限値を下回ると、第３レンズの正の屈折力の変化のみが大きくなり、その結果、焦点距離は高温で長く、低温で短くなる。また画角は高温で狭く、低温で広くなる。（２）式の下限値を下回ると、第２レンズの負の屈折力の変化のみが大きくなり、その結果、焦点距離は高温で短く、低温で長くなる。また画角は高温で広く、低温で狭くなる。（３）式の上限値を上回ると、第４レンズの正の屈折力の変化が大きくなり、第２レンズと第３レンズでとれているバランスがくずれるため、正の屈折力変化が大きくなる。その結果、焦点距離は高温で長く、低温で短くなる。また、開口絞りよりも像側で、正の屈折力変化が大きくなるので画角は高温で広く、低温で狭くなる。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、ｆ１を第１レンズの焦点距離、ｆ２を第２レンズの焦点距離、ｆ３を第３レンズの焦点距離、ｆ４を第４レンズの焦点距離とすると、条件式（４）〜（６）を満足するように構成される。
ｆ２／ｆ１ ＜ ０．５ ・・・（４）
−１．１ ＜ ｆ２／ｆ３ ＜ −０．７ ・・・（５）
１．０ ＜ ｆ４／ｆ３ ・・・（６）
前述のように、熱による光学的な変化を互いに打ち消しあうように各レンズを配置する必要があるが、材料の選択と合わせて各レンズの屈折力も適切に調節されるべきである。通常は主な負の屈折力を第２レンズが担うが、（４）式の上限を超えると、第１レンズの負の屈折力が大きくなりすぎて、熱変化を打ち消せなくなり易い。第２レンズと第３レンズは互いに変化を打ち消すように配置するが、（５）式の範囲を超えると、屈折力の差が大きくなりすぎてうまく打ち消すことが出来なくなり易い。（６）式の下限値を下回ると、第４レンズの屈折力が大きくなりすぎるため、熱変化を打ち消せなくなり易い。

以下に、撮像レンズの具体的な数値による実施例１〜４を示す。１〜４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１〜４の数値実施例において、条件式（１）〜（６）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は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第３レンズ１３０は両凸形状、開口絞り１４０の像側に配置される第４レンズ１５０は両凸形状を有する。第２レンズ、第３レンズと第４レンズは両面に、それぞれ非球面を有する。

また、図２に示すように第１レンズの厚さとなる面１と面２間の距離をＤ１、第１レンズの面２と第２レンズの面３までの距離をＤ２、第２レンズの厚さとなる面３と面４間の距離をＤ３、第２レンズの面４と第３レンズの面５までの距離をＤ４、第３レンズの厚さとなる面５と面６間の距離をＤ５、第３レンズの面６絞り部の面７までの距離をＤ６、絞り部の面７と第４レンズの面８間の距離をＤ７、第４レンズの厚さとなる面８と面９間の距離をＤ８、第４レンズの面９とカバーガラスの面１０までの距離をＤ９、カバーガラスの厚さとなる面１０と面１１間の距離をＤ１０、カバーガラスの面１１と結像面１７０までの距離をＤ１１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。
＜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は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第３レンズ１３０は両凸形状、開口絞り１４０の像側に配置される第４レンズ１５０は両凸形状を有する。第２レンズと第３レンズは両面に、第４レンズは物体側面に、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。
＜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。

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は両凹形状、第３レンズ１３０は物体側に凸面を向けた平凸形状、開口絞り１４０の像側に配置される第４レンズ１５０は両凸形状を有する。第２レンズと第３レンズは両面に、第４レンズは像側面に、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。
＜数値実施例３＞

実施の形態４におけるレンズ系の基本構成は図８に示され、各数値データ（設定値）は表９、表１０に、球面収差、および非点収差を示す収差図は図９にそれぞれ示される。

図８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は像側に凹面を向けた平凹形状、第３レンズ１３０は両凸形状、開口絞り１４０の像側に配置される第４レンズ１５０は両凸形状を有する。第２レンズは像側面に、第３レンズと第４レンズは両面に、それぞれ非球面を有する。

表９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１０は、所定面の非球面係数を示している。
＜数値実施例４＞

図９は、実施例４において、図９（Ａ）が球面収差を、図９（Ｂ）が非点収差をそれぞれ示している。図９（Ｂ）の縦軸は結像面での像高を表している。図９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１０は、実施例１から実施例４における温度と焦点距離の関係を示している。横軸は温度を、縦軸は焦点距離を２０度での値で正規化したもの示している。また、図１１は、実施例１から実施例４における温度と画角の関係を示している。横軸は温度を、縦軸は画角を２０度での値で正規化したもの示している。図１０及び図１１からわかるように、実施例１から実施例４によれば、諸収差が良好に補正され、温度変化による焦点距離と画角の変化が少ない結像性能に優れた撮像レンズが得られる。

以上、本実施形態の広角光学系および撮像モジュールについて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種種の変形が可能である。例えば、上記実施例において、カバーガラス１６０に赤外線除去フィルターを設ける構成にしたり、赤外カットコートをカバーガラス１６０の面に施しても良い。また、他のレンズ面やローパスフィルター等のフィルターに赤外コートを施しても良い。

本実施形態の広角光学系によれば、撮像素子を用いた撮像系、特に監視用カメラや車載カメラ等に好適であり、小型、薄型で高い光学性能の広角光学系、及び、前記広角光学系を備えた撮像モジュールが実現できる。

図１２に本発明による撮像レンズ１００を用いた撮像装置の実施形態の断面図を示す。撮像レンズ１００およびＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Mental-Oxide Semiconductor device)等の撮像素子２１０は筐体２２０によって位置関係を規定、保持される。このとき撮像レンズ１００の結像面１７０は撮像素子２１０の受光面に一致するように配置されている。

撮像レンズ１００によって取り込まれ、撮像素子２１０の受光面に結像した被写体像は、撮像素子２１０の光電変換機能によって電気信号に変換されて、画像信号として撮像装置２００から出力される。

上述のような撮像レンズ１００は、構成枚数が少なく、小型、軽量であるため、搭載スペースがコンパクトにできるため、様々な用途の撮像装置に適している。また広角撮像レンズでありながら、歪曲収差の発生を低減し、高い光学性能を持つ被写体像を撮像素子２１０の受光面上に結像でき、視認性に優れた画像信号を出力できるため、特に監視用カメラや車載用カメラ等において優位性の高い撮像装置の実現が可能である。

１００，１００Ａ〜１００Ｄ・・・撮像レンズ、撮像光学系
１１０ ・・・第１レンズ
１２０ ・・・第２レンズ
１３０ ・・・第３レンズ
１４０ ・・・開口絞り部
１５０ ・・・第４レンズ
１６０ ・・・カバーガラス
１７０ ・・・結像面
２００ ・・・撮像装置
２１０ ・・・撮像素子
２２０ ・・・筐体

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、負の屈折力を有する第２レン ズと、正の屈折力を有する第３レンズと開口絞りと、正の屈折力を有する第４レンズ との４枚のレンズが配置され、下記条件式（１）〜（６）を満足することを特徴とす る撮像レンズ。
   ｜α２｜ ≧ ５０×１０^-6 ・・・（１）
   ｜α３｜ ≧ ５０×１０^-6 ・・・（２）
   ｜α４｜ ≦ １５×１０^-6 ・・・（３）
   ｆ２／ｆ１ ＜ ０．５ ・・・（４）
   −１．１ ＜ ｆ２／ｆ３ ＜ −０．７ ・・・（５）
   １．０ ＜ ｆ４／ｆ３ ・・・（６）
   ただし、
   α２：第２レンズの熱線膨張係数
   α３：第３レンズの熱線膨張係数
   α４：第４レンズの熱線膨張係数
   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
   ｆ４：第４レンズの焦点距離
2. 前記第１に記載の撮像レンズと、当該撮像レンズにより形成される光学像を電気信 号に変換する撮像素子とを備えたことを特徴とする撮像装置。