JP4123771B2

JP4123771B2 - 広角レンズ

Info

Publication number: JP4123771B2
Application number: JP2001386082A
Authority: JP
Inventors: 亜紀子本田; 慎司桐畑; 孝浩杉山
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2021-12-19
Also published as: JP2003107344A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は屋外や屋内に設置するドア監視用カメラ、防犯カメラ、監視用カメラあるいはテレビ電話用カメラなどに用いる広角レンズ、殊に超広角のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドア監視用カメラなどの監視カメラやテレビ電話用カメラなどに用いられる撮像レンズは、解像力の他に撮像エリアが広い超広角タイプの広角レンズが要求される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来このようなレンズはレンズ枚数が多く、小型化が困難である上に安価に製作することができなかった。
【０００４】
また、その用途上、周辺に照明光のない状態で、例えばカメラ搭載の近赤外光によって照明して撮影する場合があるが、可視光のみで設計されたものでは近赤外光照明化での撮影ではぼけが生じる。
【０００５】
また特許第２０１５３１７号などに２群２枚レンズ構成のものが開示されているが、これらでは第１レンズにメニスカスレンズを用いており、このために小型化する場合、第１レンズの像側の曲率を非常にきつくする必要があって、軸ずれ公差に弱い、製造しにくいなどの問題がある。
【０００６】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、小型で安価である上に公差が緩くても可視光及び近赤外光において良好な性能を発揮する広角レンズを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述のような目的を達成するために、請求項１の発明は、物体側から順に負のパワーを有する両凹レンズである第１レンズと、両凸レンズである第２レンズより構成され、少なくとも第１レンズの像側のレンズ面が非球面であり、第１レンズの像側の面の曲率半径をｒ２、第２レンズの物体側の曲率半径をｒ３、第２レンズの像側の曲率半径をｒ４、第１レンズと第２レンズの面間距離をＤ２、全系の焦点距離をｆ、第２レンズの焦点距離をｆ２、第１レンズの焦点距離をｆ１、第２レンズの焦点距離をｆ２、第１レンズの像側の面の曲率半径をｒ２、第１レンズの像側の面における有効半径をｈ２、第１レンズと第２レンズの面間距離をＤとする時、次の条件
１＜｜ｒ４｜／ｒ３＜３（ｉ）
Ｄ２＜１．５ｆ（ｉｉ）
０．７ｆ＜ｆ２＜１．５ｆ（ｉｉｉ）
０．６Ｄ２／ｆ≦｜ｆ２／ｆ１｜≦２．３Ｄ２／ｆ（ｉｖ）
０．６ｈ２≦ｒ２≦１．０ｈ２（ｖ）
を満足することに特徴を有している。
【０００８】
第１レンズを両凹レンズとしているために、像側の屈折パワーを物体側へ分配することになり、像側の曲率を弱くすることができるものであり、このために組立公差、特に軸ずれに強いものとなるほか、製造の面でも加工しやすいものである。ただし物体側を凹面とすると、広画角光線の入射角が大きくなり入射パワーの減少傾向があるが、緩い曲率、または平面とすることや、非球面とすることで回避できる。
【０００９】
条件式（ｉ）は面間距離Ｄ２を短くした場合に第２レンズの屈折パワーを抑える条件式である。下限を越えた場合について、面間距離Ｄ２が短くても充分な補正をするためには、第２レンズの像側の曲率ｒ４を非常に強くしなくてはならず、そして曲率を強くすると軸ずれのような組立公差に弱くなってしまう。特に、絞りを第２レンズの後ろに配する場合、レンズ有効径が小さくなり、明るさを確保するために第２レンズを厚くせざるを得なくなって、全長が大きくなることから、望ましくない。一方、上限を越えると第２レンズの物体側の曲率が強くなり、組立公差、特に軸ずれに弱くなる。
【００１０】
条件式（ｉｉ）は各収差を良好に保ちつつ、小型化を実現する。下限は０．５ｆ＜Ｄ２程度が良好である。上限を越えると全長が長くなり、望ましくない。
【００１２】
上記条件（ｉｉｉ）は、全系のパワー配分を決めるもので、第１レンズと第２レンズの面間距離Ｄ２を条件式（ｉｉ）の範囲に保つ条件である。特に全系の焦点距離ｆが小さい場合は、各レンズのパワー増大を抑えるために、ｆ＜ｆ２の範囲が良好である。しかし全系の焦点距離ｆが比較的長い場合、小型化を可能にし、かつ収差補正を適切に行うことができる範囲がｆ２≦ｆである。下限を越えると第２レンズの屈折パワーが増大し、収差補正が困難になる。一方上限を越えると面間距離Ｄ２を長くせざるを得ず、全長が長くなり望ましくない。
【００１４】
また、条件（ｉｖ）は、近赤外光を照射した時の性能を良好にするためのものである。一般的に可視光域だけの球面収差補正をしたレンズにおいては、近赤外光についての球面収差が可視光の像点よりもプラス側に大きくずれるが、可視光の像点とのバランスを取るために、可視光の球面収差をやや補正過剰とすることにより、目的の性能を得ている。ここにおいて、凹レンズでは球面収差がオーバーとなり、凸レンズでは球面収差がアンダーになることは周知のことであるが、本発明では第１レンズと第２レンズとの間隔Ｄ２が大きくなればなるほど凹レンズで発生した球面収差のオーバー量が強調される。
【００１５】
そして、上記条件（ｉｖ）において、｜ｆ２／ｆ１｜の値が０．６Ｄ２／ｆの値よりも小さい時には、球面収差のオーバー量が小さすぎて、可視光域での球面収差は良好であるものの近赤外光での球面収差が大きすぎて著しい性能の低下を招く。逆に｜ｆ２／ｆ１｜の値が２．３Ｄ２／ｆの値よりも大きい時には、球面収差が補正過剰になりすぎ、結果として性能が悪くなってしまう。
【００１６】
さらに条件（ｖ）は、条件（ｉｖ）と関連して、球面収差を良好に補正するための条件であって、上述のように球面収差をやや補正過剰とする時、球面収差の中間部と周縁部とのバランスを考えると、球面収差の周縁部が急激に補正過剰になってしまう。この点を良好に保つために、第１レンズの像側の面（第２面）を非球面形状として球面収差の高次の項を閉じ、周縁部の球面収差が急激に補正過剰となることがないようにしている。
【００１７】
そして条件（ｖ）において、第２面の曲率半径ｒ２が有効半径ｈ２よりも大きい時には、高次の項の影響が小さすぎて周縁部での球面収差が補正過剰になりすぎるのを補正することが困難となる。また、有効半径ｈ２の０．６倍より小さい時には、周縁部の球面収差の補正には有利であるものの、第２面の曲率半径ｒ２が小さくなりすぎてレンズ加工が困難となってしまう。
【００１８】
上記各条件に加えて、
１．０≦Ｄ２／ｆ≦１．５（ｖｉ）
を満足するものとしてもよい。この条件は、上記条件（ｉｖ）と関連して球面収差の補正を良好にするとともに所要のバックフォーカスを得るためのものである。超広角レンズでは、焦点距離が小さく設定されるために、レンズのバックフォーカスも小さくなってしまうが、このバックフォーカスはある程度の大きさがないと、レンズと結像面との間にフィルターなどを挿入できなくなってしまうほか、結像面の出射角度が大きくなって周辺光量の低下も招いてしまう。
【００１９】
そして条件（ｖｉ）において、Ｄ２／ｆの値を下限１．０よりも小さくすると、所要のバックフォーカスを得ることができなくなり、上限１．５より大きくするとバックフォーカスを得るためには有利となるものレンズ系が大きくなりすぎて好ましくない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
ＣＣＤなどの撮像素子カメラ用の具体的な実施例を図１に示す。図中１１は物体側の第１レンズ、１２は像側の第２レンズ、１３は第２レンズ２の像側に配置した絞りであり、１４はＣＣＤなどの撮像素子のカバーガラス、１５はＣＣＤなどの撮像素子の撮像面であり、この広角レンズは図からも明らかなように、両凹レンズである第１レンズ１１と、正のパワーを有する両凸レンズである第２レンズ１２より構成されている。
【００２１】
また図１の例の光学配置について表１に示す。物体側から第ｉ番目の面の曲率半径をＲｉ（ｉ＝１〜７）、面間隔をＤｉ（ｉ＝１〜７）としており（ただし第５面は絞りの位置）、また、ｊ＝１、２はそれぞれ第１レンズ、第２レンズ、ｊ＝３はカバーガラス１４とし、それぞれの材質のｄ線の屈折率をＮｊ（ｊ＝１〜３）としている。また＃印を付した面は非球面であり、その円錐係数Ｋ、及び非球面係数Ａを表２に示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
上記非球面は、光軸との交点を原点として光軸方向の座標をＸ、上記原点を通り光軸に直行する方向の座標をＹとするとき、以下の公知の非球面式で表される。
【００２５】
Ｘ＝[ＣＹ²／{1+(1-(Ｋ+1)(ＣＹ)²)^1/2}] + ＡＹ⁴ + …
ただし、Ｃ＝１／Ｒｉ
この広角レンズは｜ｒ４｜／ｒ３＝１．７５、Ｄ２＝１．４ｆ、ｆ２＝１．３３ｆであり、前記条件式（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）を全て満足している。
【００２６】
そして上記広角レンズの光学特性における可視光の球面収差、非点収差、歪曲収差を図２に、横収差を図３に示す。図中ＣはＣ線、ｄはｄ線、ＦはＦ線での特性、ｍはメリジオナル面、ｓはサジッタル面での特性を示す。
【００２７】
図４に他例を示す。基本構成は前記のものと同じであり、両凹レンズである第１レンズ１１と、正のパワーを有する両凸レンズである第２レンズ１２より構成されている。このものにおける光学配置を表３に、＃印を付した非球面の円錐係数Ｋ及び非球面係数Ａを表４に示す。
【００２８】
【表３】

【００２９】
【表４】

【００３０】
この広角レンズも｜ｒ４｜／ｒ３＝１．１、Ｄ２＝０．６３ｆ、ｆ２＝０．９５ｆであることから、前記条件式（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）を全て満足している。また、その光学特性における可視光の球面収差、非点収差、歪曲収差を図５に、横収差を図６に示す。図中ＣはＣ線、ｄはｄ線、ＦはＦ線での特性、ｍはメリジオナル面、ｓはサジッタル面での特性を示す。
【００３１】
なお、上記の２例で示したものは、近赤外光照明波長を９４０ｎｍとした際の各収差も同焦点位置でいずれも良く補正されており、近赤外光も併せて良好な特性を示すものとなっていた。
【００３２】
図５に別の例を示す。これも基本構成は前記のものと同じで両凹レンズである第１レンズ１１と、正のパワーを有する両凸レンズである第２レンズ１２より構成された最大画角１３０°のもので、ここでは第１レンズ１１の第１面及び第２面、第２レンズ１２の第１面と第２面の４面を非球面としている。
【００３３】
光学配置を表５に示す。物体側から第ｉ番目の面の曲率半径をＲｉ（ｉ＝１〜７）、面間隔をＤｉ（ｉ＝１〜７）、有効半径をｈｉ（ｉ＝１〜５）としており（ただし第５面は絞りの位置）、また、ｊ＝１，２はそれぞれ第１レンズと第２レンズ、ｊ＝３はＣＣＤのカバーガラス１４とし、それぞれの材質のｄ線の屈折率をＮｊ（ｊ＝１〜３）としている。また＃を付した面は非球面であり、その円錐係数Ｋ、及びｋ乗の非球面係数ＡＲｋ（ｋ＝３、４、６、８、１０）を表６に示す。
【００３４】
【表５】

【００３５】
【表６】

【００３６】
上記非球面は、光軸との交点を原点として光軸方向の座標をＸ、上記原点を通り光軸に直交する方向の座標をＹとするとき、以下の公知の非球面式で表される。
【００３７】
Ｘ＝[ＣＹ²／{1+(1-(Ｋ+1)(ＣＹ)²)^1/2}] +ΣＡＲＹ^k
ただし、Ｃ＝１／Ｒｉ
この広角レンズ（超広角レンズ）は、|ｆ２/ｆ１|＝０．７８８(ｄ２/ｆ)、ｒ２＝０．９８４ｈｉ、（ｄ２/ｆ）＝１．２５５であり、前記条件式（ｉｖ）、（ｖ）、（ｖｉ）を全て満足している。
【００３８】
そして上記広角レンズの光学特性における可視光の球面収差、非点収差、歪曲収差を図８、横収差を図９に、また波長を９４０ｎｍとした近赤外照明光での球面収差、非点収差、歪曲収差を図１０、横収差を図１１に示す。図中ＣはＣ線、ｄはｄ線、ＦはＦ線での特性、ｍはメリジオナル面、ｓはサジッタル面での特性を示す。
【００３９】
図１２に他例を示す。基本構成は前記のものと同じであり、両凹レンズである第１レンズ１１と正のパワーを有する両凸レンズである第２レンズ１２より構成されており、最大画角は１３０°である。このものにおける光学配置を表７に、＃印を付した非球面の円錐係数Ｋ及びｋ乗の非球面係数ＡＲｋ（ｋ＝３、４、６、８）を表８に示す。
【００４０】
【表７】

【００４１】
【表８】

【００４２】
この超広角レンズも、|ｆ２/ｆ１|＝０．７２２(ｄ２/ｆ)、ｒ２＝０．７８９ｈｉ、（ｄ２/ｆ）＝１．４５９であり、前記条件式（ｉｖ）、（ｖ）、（ｖｉ）を全て満足している。また、その光学特性における可視光の球面収差、非点収差、歪曲収差を図１３、横収差を図１４に、また波長を９４０ｎｍとした近赤外照明光での球面収差、非点収差、歪曲収差を図１５、横収差を図１６に示す。図中ＣはＣ線、ｄはｄ線、ＦはＦ線での特性、ｍはメリジオナル面、ｓはサジッタル面での特性を示す。
【００４３】
上記２例において球面収差を始めとする各収差が可視光域はもちろん近赤外域においても良好に補正されていることが分かる。ここで示した上記２例もその数値から明らかなように前記条件式（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）も満足している。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように本発明にかかる広角レンズは、２枚組という少ないレンズ枚数である上に第１レンズと第２レンズの面間距離が小さいために、安価で小型なものであり、しかも各レンズの屈折パワーが抑えられているために、加工が容易であるとともに組立公差に強いものである。また、固定焦点で可視光だけでなく近赤外光においても良好な結像を得ることができる。
【００４５】
しかも、固定焦点で可視光だけでなく、近赤外光においても非常に良好な結像を得ることができ、照度不足の際の照明光を被写体にまぶしさを感じさせることがない近赤外光とすることができる。
【００４６】
また請求項２の発明において、２枚組という少ないレンズ枚数である上に第１レンズと第２レンズの面間隔が小さいために、安価で小型であるばかりか、所要のバックフォーカスを確保できており、色補正のためのフィルタ挿入も可能となっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の光路を同時に示した光学配置図である。
【図２】同上の球面収差、非点収差、歪曲収差図である。
【図３】同上の横収差図である。
【図４】同上の他例における光路を同時に示した光学配置図である。
【図５】同上の球面収差、非点収差、歪曲収差図である。
【図６】同上の横収差図である。
【図７】本発明の実施形態の他例の光路を同時に示した光学配置図である。
【図８】同上の可視光での球面収差、非点収差、歪曲収差図である。
【図９】同上の可視光での横収差図である。
【図１０】同上の近赤外光での球面収差、非点収差、歪曲収差図である。
【図１１】同上の近赤外光での横収差図である。
【図１２】同上の他例における光路を同時に示した光学配置図である。
【図１３】同上の可視光での球面収差、非点収差、歪曲収差図である。
【図１４】同上の可視光での横収差図である。
【図１５】同上の近赤外光での球面収差、非点収差、歪曲収差図である。
【図１６】同上の近赤外光での横収差図である。
【符号の説明】
１１第１レンズ
１２第２レンズ

Claims

物体側から順に負のパワーを有する両凹レンズである第１レンズと、両凸レンズである第２レンズより構成され、少なくとも第１レンズの像側のレンズ面が非球面であり、次の条件
１＜｜ｒ４｜／ｒ３＜３
Ｄ２＜１．５ｆ
０．７ｆ＜ｆ２＜１．５ｆ
０．６Ｄ２／ｆ≦｜ｆ２／ｆ１｜／≦２．３Ｄ２／ｆ
０．６ｈ２≦ｒ２≦１．０ｈ２
ただしｒ２：第１レンズの像側の面の曲率半径
ｒ３：第２レンズの物体側の曲率半径
ｒ４：第２レンズの像側の曲率半径
Ｄ２：第１レンズと第２レンズの面間距離
ｆ：全系の焦点距離
ｆ１：第１レンズの焦点距離
ｆ２：第２レンズの焦点距離
ｈ２：第１レンズの像側の面における有効半径
Ｄ２：第１レンズと第２レンズの面間距離
を満足することを特徴とする広角レンズ。
次の条件
１．０≦Ｄ２／ｆ≦１．５
を満足することを特徴とする請求項１記載の広角レンズ。