JP6838445B2 - 結像レンズ、撮像装置および検査装置 - Google Patents

Description

この発明は、結像レンズ、撮像装置および検査装置に関する。

撮像素子の高画素化が急速に進んでいる。また、近年では、高画質を得るために大型の撮像素子を採用するカメラが増加している。

このような大型の撮像素子を使用する撮像装置においては、結像光学系全体の全長および径が大型化する傾向にある。一方で、装置全体のサイズの小型化のため、バックフォーカスを十分に確保し、球面収差やコマ収差、軸上色収差、コマ収差の色差を低減した高精度の結像レンズが求められている。

この発明は、２レンズ群構成で、バックフォーカスを十分に確保した高精度の新規な結像レンズの実現を課題とする。

この発明の結像レンズは、物体側から像側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、正の屈折力を有する第２レンズ群と、を配して構成され、遠距離から近距離へのフォーカシングに際し、前記第１レンズ群を物体側へ移動させる結像レンズであって、前記第２レンズ群は、物体側から像側へ向かって順に、像側が凹面である負レンズと、物体側が凹面である負メニスカスレンズと、正レンズと、を配して構成し、前記負レンズの焦点距離：ｆ２１、前記負メニスカスレンズの焦点距離：ｆ２２、が、条件式：（１）０．１＜ｆ２１／ｆ２２＜０．５及び、前記負レンズと前記負メニスカスレンズとの合成焦点距離：ｆ２ｎ、前記正レンズの焦点距離：ｆ２ｐとしたとき、条件式：（４）−０．９５＜ｆ２ｎ／ｆ２ｐ＜−０．６５を満足する。

この発明によれば、２レンズ群構成で、バックフォーカスを十分に確保した高精度の新規な結像レンズを実現できる。

撮像装置の実施形態の一例を説明するための図である。 実施例１の結像レンズを説明するための図である。 実施例２の結像レンズを説明するための図である。 実施例３の結像レンズを説明するための図である。 実施例４の結像レンズを説明するための図である。 実施例１の結像レンズの収差図の一例である。 実施例２の結像レンズの収差図の一例である。 実施例３の結像レンズの収差図の一例である。 実施例４の結像レンズの収差図の一例である。 撮像装置の他の形態を説明するための図である。 結像レンズを用いた検査装置の一例を説明するための図である。

図１に、本発明の実施形態の一例として、結像レンズ１を備えた撮像装置１００を示す。
撮像装置１００は、２群構成のレンズ群を備えた結像レンズ１と、結像レンズ１を透過した光を像として認識するための撮像素子５０と、を有している。
また、本発明の実施形態の具体的な構成を図２〜図５において例示する。なお、図２〜図５においては、図の左方が物体側、図の右方が像側である。また、繁雑を避けるため、図２〜図５において、符号は共通化する。

結像レンズ１は、図２に示すように、それぞれ複数のレンズを用いて構成される第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２と、を有している。
第１レンズ群Ｇ１は、無限遠物体から近距離物体へのフォーカシング時に物体側へと移動する。
第２レンズ群Ｇ２は、物体側から像側へ向かって順に、像側が凹面である負レンズＬ２１と、物体側が凹面である負メニスカスレンズＬ２２と、正のパワーを持った凸レンズである正レンズＬ２３と、で構成されるレンズ群である。

以降の説明において、符号Ｇ１は「第１レンズ群」、符号Ｇ２は「第２レンズ群」、を示し、符号Ｓは「開口絞り」を示す。また、符号Ｉｍは「像面」を示す。
なお、第１レンズ群Ｇ１は、物体側から像側へ向かって順に正レンズＬ１１、正レンズＬ１２，負レンズＬ１３、開放絞りＳ、負レンズＬ１４、正レンズＬ１５、正レンズＬ１６で構成されたレンズ群であることがより好ましい。このように、第１レンズ群Ｇ１を、開放絞りに対して対称なパワー配置のレンズ群とすることで、各種収差を十分に補正して、高精度の結像レンズを得ることができる。

本実施形態の結像レンズ１は、結像させた像を撮像素子５０で撮像する場合を想定されており、図２ないし図５において符号ＣＧは「撮像素子のカバーガラス」を示している。

カバーガラスＣＧは「平行平板状」で、撮像素子５０の受光面は像面Ｉｍに合致している。

カバーガラスＣＧは、撮像素子５０の受光面をシールドして保護する機能を持つが、赤外線カットフィルタ等の機能を併せ持つとしても良い。

第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２とは何れも正の屈折力を持つ。

負レンズＬ２１は、少なくとも像側が曲率半径：Ｒ２１２の凹面形状を有し、焦点距離：ｆ２１の負のパワーを持つレンズである。
負メニスカスレンズＬ２２は、物体側の面が曲率半径：Ｒ２２１の凹面形状を有し焦点距離：ｆ２２の負のパワーを持つメニスカス形状のレンズである。
正レンズＬ２３は、正のパワーを持つレンズであり、本実施形態では両凸レンズである。

結像レンズ１において、負レンズ２１の焦点距離：ｆ２１と、負メニスカスレンズ２２の焦点距離：ｆ２２とは、以下の条件式（１）を満たす。

負レンズ２１の焦点距離と、負メニスカスレンズ２２の焦点距離とを条件式（１）の範囲内に設定することで、第２レンズ群の負のパワーを負レンズ２１と負メニスカスレンズ２２とで分担して補正する。かかる構成により、第２レンズ群Ｇ２内の収差を十分に補正することができる。
かかる条件式の上限値を超えると、負メニスカスレンズ２２で発生する収差が増大し、下限値を下回ると負レンズ２１で発生する収差が増大するため、どちらにしても第２レンズ群Ｇ２内での収差補正が困難になりがちである。なお、より望ましくは，０．１５＜ｆ２１／ｆ２２＜０．４５の範囲内であることが望ましい。

また、結像レンズ１において、第２レンズ群Ｇ２の最も像側の面Ｐから像面Ｉｍまでの空気換算光路長：Ｂｆ、第２レンズ群Ｇ２の軸上厚さ：Ｄ２としたとき、条件式（２）を満たす。

なお、ここでいう『第２レンズ群Ｇ２の最も像側の面Ｐから像面Ｉｍまでの空気換算光路長』とは、所謂バックフォーカスである。また、『第２レンズ群Ｇ２の軸上厚さ』は、本実施形態においては、光軸上における負レンズＬ２１の物体側レンズ面から、正レンズＬ２３の像側レンズ面までの長さを示している。

条件式２において、適正なバックフォーカス値であったとしても、第２レンズ群Ｇ２の軸上厚さが薄くなりすぎると、第２レンズ群Ｇ２内で収差を小さくすることが困難となる。また同様に、第２レンズ群Ｇ２の軸上厚さを大きくとると、第１レンズ群Ｇ１を薄くせざるを得ず、収差の補正がやはり困難になる。
したがって、条件式２を満たすように空気換算光路長Ｂｆと、軸上厚さＤ２とを適切な範囲内に定めることで、レンズ全体の大型化を図ることなく、高精度の結像レンズが得られる。
なお、条件式（２）は、１．０＜Ｂｆ／Ｄ２＜１．８の範囲内に収まることが最も望ましい。

また、本実施形態では、結像レンズ１は、負レンズＬ２１の像側の面の曲率半径：Ｒ２１２、負メニスカスレンズＬ２２の物体側の面の曲率半径：Ｒ２２１、としたとき、条件式（３）を満たしている。

かかる条件式（３）を満たすことにより、負レンズＬ２１の像側レンズ面と負メニスカスレンズＬ２２の物体側レンズ面とで各種収差の発生を分担して抑制することができて、第２レンズ群Ｇ２内における収差補正性能が向上する。
一方、かかる上限値を超えると、負メニスカスレンズＬ２２の物体側レンズ面において発生する収差が増大し、他方、下限値を下回ると負レンズＬ２１の像側レンズ面における収差が増大してしまうため、収差補正が困難となる。

また、結像レンズ１は、第２レンズ群Ｇ２の負レンズＬ２１と負メニスカスレンズＬ２２との合成焦点距離：ｆ２ｎ、第２レンズ群Ｇ２の正レンズＬ２３の焦点距離：ｆ２ｐとしたとき、条件式（４）を満たしている。

かかる条件式（４）を満たすことにより、第２レンズ群Ｇ２のうち、負のパワーを備えるレンズである負レンズＬ２１と負メニスカスレンズＬ２２とで生じる収差が第２レンズ群Ｇ２のうち正のパワーを備えるレンズである正レンズＬ２３で補正される。
なお、条件式（４）におけるｆ２ｎは負、ｆ２ｐは正で表されるため、条件式（４）においてｆ２ｎ／ｆ２ｐは負の値をとる。

ｆ２ｐが大きいとき、すなわち正レンズＬ２３の焦点距離がｆ２ｎに対して大きいときには、ｆ２ｎ／ｆ２ｐが条件式（４）に示した−０．６５より大きくなる。
言い換えると条件式（４）の上限値を超えると、正レンズＬ２３の焦点距離が相対的に長くなるから、第２レンズ群Ｇ２のうち負のレンズ群によって生じる収差を補正不足になりやすい。
他方、ｆ２ｎが大きいとき、すなわち条件式（４）の下限値より小さいときには、正レンズＬ２３の焦点距離は相対的に短く、すなわち補正が過剰になった状態になりやすい。

また、条件式（４）は、その上限値と下限値とを −０．９＜ｆ２ｎ／ｆ２ｐ＜−０．７の範囲内にすることとすれば、より精度が向上するため好ましい。

また、結像レンズ１は、第２レンズ群Ｇ２の焦点距離：ｆ２、無限遠物体にフォーカスを合わせたときの結像レンズ１全系の焦点距離：ｆとしたとき、条件式（５）を満たすことが望ましい。

かかる構成により、第２レンズ群Ｇ２は、像面への入射角を小さくしつつバックフォーカスを確保しながらも、各種収差を十分に補正可能である。

また、結像レンズ１は、第１レンズ群Ｇ１の焦点距離：ｆ１としたとき、条件式（６）を満たすことが望ましい。

かかる構成により、フォーカシングの際の収差変動を十分に補正しつつ、少ない移動量で近距離までのフォーカシングを行う。なお、ここでいうフォーカシングとは、第１レンズ群Ｇ１が物体側または像側に移動して結像レンズ１の全系焦点距離を変化させる操作を指している。

さらに、結像レンズ１の小型化のためには、無限遠物体に焦点が合った状態から近距離物体へのフォーカシング時に、像面Ｐに対して第２レンズ群Ｇ２が移動しないことが望ましい。
かかる構成により、第２レンズ群Ｇ２が像面に対して固定されるから、第１レンズ群Ｇ１だけを動かす簡易な構成でフォーカシング可能である。
また、本実施形態においては、第１レンズ群Ｇ１は、物体側から正レンズ、正レンズ、負レンズ、開口絞り、負レンズ、正レンズ、正レンズ、の順に配置されることが望ましい。
かかる構成により、開放絞りＳに対して対称なパワー配置となるから、各種収差を十分に補正することができる。

また本実施形態においては、負メニスカスレンズＬ２２を用いたが、全レンズについて球面レンズを用いるとしても良い。

また、結像レンズを構成する全てのレンズを「無機固体材料」で形成することにより、温度・湿度などの環境条件の変化の影響を受けにくい結像レンズを実現できる。

以上述べたような条件式（１）を少なくとも満たす結像レンズ１の構成例を、数値として表１〜表４に示す。なお、すべての実施例について、最大像高は５．５ｍｍである。

「実施例」
以下に、図２〜図５に実施の形態を示した結像レンズの具体的な実施例として、実施例１〜４を挙げる。

なお、実施例１〜４は、何れも既に述べた条件式（１）を満足する数値実施例である。なお、条件式（１）に加えて条件式（２）〜（６）の何れかあるいはすべてを満たしているが、かかる構成に限定されるものではない。

これら実施例の結像レンズは、画角：１８度前後、Ｆナンバ：２．０程度の比較的大口径でありながら小型な結像レンズとして構成されている。

[数値実施例１]
焦点距離３５．０ｍｍ
Ｆナンバ Ｆ２．００
画角2ω 17.8度

［数値実施例2］
焦点距離３５．０ｍｍ
Ｆナンバ Ｆ２．０
画角2ω17.8度

［数値実施例3］
焦点距離３５．０ｍｍ
Ｆナンバ Ｆ２．０
画角2ω17.8度

［数値実施例4］
焦点距離３５．０ｍｍ
Ｆナンバ Ｆ２．０
画角2ω17.8度

f：全系の焦点距離
F：Fナンバ
ω：半画角（無限遠に合焦した状態での半画角）
R：曲率半径
D：面間隔
Nd：屈折率
νd：アッベ数
φ：光線有効径

図６〜図９に、実施例として示した４つの結像レンズの収差図を示す。
なお、図６〜図９において、（ａ）は無限遠に合焦時の収差曲線を示し、（ｂ）は倍率が−０．２倍になる物体に対するフォーカシング時の収差曲線を示し、（ｃ）は倍率が−０．４倍になる物体に対するフォーカシング時の収差曲線を示す。
また、球面収差図における破線が正弦条件を、非点収差の図中の実線はサジタル、破線はメリディオナルをそれぞれ表す。また、細線はｄ線、太線はｇ線に対する収差曲線図である。

各実施例の収差図に示されたように、各実施例とも収差は高いレベルで補正され、フォーカシングによる像面湾曲の変化も抑制されている。
球面収差は、フォーカシングに伴って変化するが、変化量は絶対値としては十分に小さい。

軸上色収差・倍率色収差も小さく、コマ収差やその色差の乱れも最周辺部まで良く抑えられている他、歪曲収差も十分に小さく補正されている。

即ち、実施例１ないし４の結像レンズは何れも、各種収差が十分に低減され、５００万〜１０００万画素の撮像素子に対応した解像力を有し、歪曲収差の絶対値が０．５％未満で、フォーカシングに伴う性能の変化が少ない高性能の結像レンズとなっている。

図１０に即して、結像レンズ１を撮影用光学系として有する携帯情報端末の１例として、携帯端末１００’の構成を説明する。

携帯端末１００’は、背面に撮像部たるカメラ機能部１１０と、制御部１９０と、を備えた情報通信端末である。
使用者が被写体としてのワークＷＫを撮影しようとするときには、携帯端末１００のカメラ機能部１１０をワークＷＫへと向けて撮影のための操作を行うことで、制御部１９０を介してカメラ機能部１１０を操作する。

カメラ機能部１１０は、請求項１〜８の何れか１つに記載の結像レンズを撮影用光学系として備えた撮像装置としての機能を有している。
カメラ機能部１１０は、制御部１９０からの指示に基づいて、結像レンズ１の第１レンズ群Ｇ１の駆動を行ってワークＷＫを適切に撮影できるように系全体の焦点距離を調整する機能を有している。

コンピュータあるいはＣＰＵ等として構成された制御部１９０は、第１レンズ群Ｇ１の駆動や、照明装置１２０の点滅の制御を行うほか、カメラ機能部１１０内の「結像レンズのフォーカシングや撮像素子による画像の取得」を制御する。

以上のように、この発明によれば、新規な結像レンズと、これを用いる撮像装置を実現できる。

また、本発明の結像レンズを撮影用光学系として有する撮像部を有し、前記撮像部を用いて検査を行う検査装置の１例として、図１１に示すような検査装置２００について説明する。

検査装置２００は、撮影用光学系を備えた撮像装置２１０と、制御手段２２０と、制御部２２０からの指示に基づいて撮像装置２１０の撮影する対象を照らすための照明装置２１２と、を有している。
検査装置２００は製品検査を行うものであり、検査対象としてのワークＷＫをコンベヤ２３０により図の左方から右方へと搬送しつつ、撮像装置２１０によりワークＷＫを撮像して、画像入力する。

撮像装置２１０には、請求項１〜８の何れか１項に記載の結像レンズ１、具体的には、例えば実施例１〜４の何れかに示されたものを撮影用光学系として用いている。

コンピュータあるいはＣＰＵ等として構成された制御手段２２０は、コンベヤ２３０の駆動や、照明装置２１２の点滅の制御を行うほか、撮像装置１０内の「結像レンズのフォーカシングや撮像素子による画像の取得」を制御する。

種々のサイズの製品がワークＷＫとして検査の対象となり、制御手段２２０は、ワークＷＫのサイズに応じた適切なワーキングディスタンスを特定し、特定されたワーキングディスタンスに応じて、結像レンズのフォーカシングを制御する。

以上のように、この発明によれば、以下の如き、新規な結像レンズと、これを用いる検査装置を実現できる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について述べたが、この発明は上述した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において種々の構成をとることが可能である。

例えば、本発明の結像レンズは、カメラなどの撮像装置に用いるほかにも、マシンビジョン用の入力装置等にも用いることができる。

この発明の実施形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は、「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

Ｇ１ 第１レンズ群
Ｓ 絞り
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｉｍ 像面
ＣＧ カバーガラス
Ｌ２１ 第２レンズ群の負レンズ
Ｌ２２ 第２レンズ群の負メニスカスレンズ
Ｌ２３ 第２レンズ群の正レンズ
ＷＫ 被写体（ワーク）
１ 結像レンズ
５０ 撮像素子
１００ 撮像装置
１００’ 撮像装置（携帯端末）
１１０ カメラ機能部
２００ 検査装置
２１０ 撮像部（撮像装置）
２２０ 制御手段
２１２ 照明装置
２３０ コンベヤ

特開２０１６−０６１９０３号公報 特許第５８２７１４２号公報 特許第５８４０４８６号公報 特開平０３−１４１３１３号公報

Claims (9)

1. 物体側から像側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、正の屈折力を有する第２レンズ群と、を配して構成され、遠距離から近距離へのフォーカシングに際し、前記第１レンズ群を物体側へ移動させる結像レンズであって、
   前記第２レンズ群は、物体側から像側へ向かって順に、像側が凹面である負レンズと、物体側が凹面である負メニスカスレンズと、正レンズと、を配して構成し、
   前記負レンズの焦点距離：ｆ２１、前記負メニスカスレンズの焦点距離：ｆ２２、が、条件式：
   （１）０．１＜ｆ２１／ｆ２２＜０．５
   及び、前記負レンズと前記負メニスカスレンズとの合成焦点距離：ｆ２ｎ、前記正レンズの焦点距離：ｆ２ｐとしたとき、条件式：
   （４）−０．９５＜ｆ２ｎ／ｆ２ｐ＜−０．６５
   を満足する結像レンズ。
2. 請求項１記載の結像レンズにおいて、
   前記第２レンズ群の最も像側の面から像面までの空気換算光路長：Ｂｆ、前記第２レンズ群の軸上厚さ：Ｄ２、としたとき、条件式：
   （２）０．８＜Ｂｆ／Ｄ２＜２．０
   を満足する結像レンズ。
3. 請求項１または２記載の結像レンズにおいて、
   前記負レンズの像側の前記凹面の曲率半径：Ｒ２１２、前記負メニスカスレンズの物体側の面の曲率半径：Ｒ２２１、としたとき条件式：
   （３）−０．２＜（Ｒ２１２＋Ｒ２２１）／（Ｒ２１２−Ｒ２２１）＜０．２
   を満足する結像レンズ。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の結像レンズにおいて、
   前記第２レンズ群の焦点距離：ｆ２、無限遠物体にフォーカスしたときの当該結像レンズ全体の全系焦点距離：ｆとしたとき、条件式
   （５）０．１＜ｆ／ｆ２＜０．６
   を満足する結像レンズ。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載の結像レンズにおいて、
   第１レンズ群の焦点距離：ｆ１、第１レンズ群と第２レンズ群の合成焦点距離：ｆが、条件式：
   （６）０．６＜ｆ１／ｆ＜０．９
   を満足する結像レンズ。
6. 請求項１乃至５の何れか１つに記載の結像レンズにおいて、
   前記フォーカシングに際し、前記第２レンズ群が像面に対して固定されていることを特徴とする結像レンズ。
7. 請求項１乃至６の何れか１つに記載の結像レンズにおいて、
   前記第１レンズ群は、物体側から像側に向かって順に正レンズ、正レンズ、負レンズ、開放絞り、負レンズ、正レンズ、正レンズ、で構成されることを特徴とする結像レンズ。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の結像レンズを有する撮像装置。
9. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の結像レンズを撮影用光学系として有する撮像部を有し、前記撮像部を用いて検査を行う検査装置。

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