JP4186560B2

JP4186560B2 - 超広角レンズ

Info

Publication number: JP4186560B2
Application number: JP2002267124A
Authority: JP
Inventors: 雅史磯野
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2022-09-12
Also published as: JP2004102162A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超広角レンズに関するものであり、例えば、ＴＶ電話用カメラ，ドアホーン用カメラ，監視カメラ，車載カメラ等として用いられるデジタル入力機器(デジタルスチルカメラ，デジタルビデオカメラ等)に適した、広い画角(画角１７０度程度)で小型の固体撮像素子用超広角レンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
監視カメラ，車載カメラ等に利用される固体撮像素子用の広角レンズは、従来より数多く提案されてきている。例えば、固体撮像素子用の広角レンズでレンズ８枚構成のものとしては、特許文献１〜３に記載されている広角レンズが挙げられる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−６３９８６号公報
【特許文献２】
特開平９−９６７５９号公報
【特許文献３】
特開平９−１２７４１３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１〜３に記載されている広角レンズには、プラスチックレンズや非球面が用いられている。プラスチックレンズを使用すると、温度変化によるバックフォーカス変動が大きくなるため、広い温度範囲で性能を維持することが困難になる。非球面の使用はコストアップを招くので、低コストが要求される機器には適していない。また、特許文献１〜３に記載されている広角レンズは、画角が１３０度以下であるため、広い範囲を撮像したい場合には画角が充分でない。
【０００５】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、ガラス球面レンズ８枚構成でありながら固体撮像素子用撮影レンズ系として良好な光学性能と１７０度程度の広い画角を有する、低コストかつコンパクトな超広角レンズを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の超広角レンズは、物体側から順に、負の前群と、開口絞りと、正の後群とから成る広角レンズであって、前記前群が物体側から順に像側に凹面を向けた負レンズ３枚と正レンズ１枚との４枚で構成され、前記後群が最も像側に単一の正レンズを含み、以下の条件式(1)及び(2)を満足することを特徴とする。
-0.24＜f／fF＜-0.05 …(1)
0.17＜f／fR＜0.42 …(2)
ただし、
f：全系の焦点距離、
fF：前群の焦点距離、
fR：後群の焦点距離、
である。
【０００７】
第２の発明の超広角レンズは、物体側から順に、負の前群と、開口絞りと、正の後群とから成る広角レンズであって、前記前群が物体側から順に像側に凹面を向けた負レンズ３枚と正レンズ１枚との４枚で構成され、前記後群が最も像側に単一の正レンズを含み、以下の条件式(1)及び(3)を満足することを特徴とする。
-0.24＜f／fF＜-0.05 …(1)
0.54＜f／Y'＜0.69 …(3)
ただし、
f：全系の焦点距離、
fF：前群の焦点距離、
Y'：最大像高、
である。
【０００８】
第３の発明の超広角レンズは、物体側から順に、負の前群と、開口絞りと、正の後群とから成る広角レンズであって、前記前群が物体側から順に像側に凹面を向けた負レンズ３枚と正レンズ１枚との４枚で構成され、前記後群が最も像側に単一の正レンズを含み、以下の条件式(2)及び(3)を満足することを特徴とする。
0.17＜f／fR＜0.42 …(2)
0.54＜f／Y'＜0.69 …(3)
ただし、
f：全系の焦点距離、
fR：後群の焦点距離、
Y'：最大像高、
である。
【０００９】
第４の発明の超広角レンズは、上記第１〜第３のいずれか１つの発明の構成において、前記後群が、物体側から順に、正レンズと負レンズとの貼り合わせレンズ、又は負レンズと正レンズとの貼り合わせレンズを含むことを特徴とする。
【００１０】
第５の発明の超広角レンズは、上記第１〜第４のいずれか１つの発明の構成において、固体撮像素子に像を形成するように構成されていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超広角レンズの実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１〜図４に、第１〜第４の実施の形態のレンズ構成をそれぞれ光学断面で示す。各実施の形態の超広角レンズはいずれも、固体撮像素子(例えばＣＣＤ：Charge Coupled Device)に対して光学像を形成する撮像用(つまりデジタル入力機器用)の単焦点広角レンズであり、その像側には光学的ローパスフィルター等に相当する平行平面板状のガラスフィルター(GF)が配置されている。また、いずれの超広角レンズも、ガラス球面レンズ８枚でパワー(焦点距離の逆数で定義される量)の配置が負・正のレンズタイプを構成している。具体的には、物体側から順に、負の前群(GrF)と、開口絞り(ST)と、正の後群(GrR)とから成っており、前群(GrF)は物体側から順に像側に凹面を向けた負レンズ３枚(L1〜L3)と正レンズ１枚(L4)との４枚で構成されており、後群(GrR)は貼り合わせレンズ(L5,L6)を含むとともに最も像側に単一の正レンズ(L8)を含んでいる。
【００１２】
第１の実施の形態(図１)において、各群(GrF,GrR)は物体側から順に以下のように構成されている。前群(GrF)は、像側に凹面を向けた負メニスカス形状の第１レンズ(L1)と、像側に凹面を向けた負メニスカス形状の第２レンズ(L2)と、像側に凹面を向けた負メニスカス形状の第３レンズ(L3)と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズ形状の第４レンズ(L4)と、で構成されている。後群(GrR)は、両凹形状の負パワーの第５レンズ(L5)と、両凸形状の正パワーの第６レンズ(L6)と、両凸形状の正パワーの第７レンズ(L7)と、両凸形状の正パワーの第８レンズ(L8)と、で構成されている。
【００１３】
第２の実施の形態(図２)において、各群(GrF,GrR)は物体側から順に以下のように構成されている。前群(GrF)は、像側に凹面を向けた負メニスカス形状の第１レンズ(L1)と、像側に凹面を向けた負メニスカス形状の第２レンズ(L2)と、両凹形状の負パワーの第３レンズ(L3)と、両凸形状の正パワーの第４レンズ(L4)と、で構成されている。後群(GrR)は、両凸形状の正パワーの第５レンズ(L5)と、両凹形状の負パワーの第６レンズ(L6)と、両凸形状の正パワーの第７レンズ(L7)と、両凸形状の正パワーの第８レンズ(L8)と、で構成されている。
【００１４】
第３の実施の形態(図３)において、各群(GrF,GrR)は物体側から順に以下のように構成されている。前群(GrF)は、像側に凹面を向けた負メニスカス形状の第１レンズ(L1)と、像側に凹面を向けた負メニスカス形状の第２レンズ(L2)と、両凹形状の負パワーの第３レンズ(L3)と、両凸形状の正パワーの第４レンズ(L4)と、で構成されている。後群(GrR)は、両凸形状の正パワーの第５レンズ(L5)と、両凹形状の負パワーの第６レンズ(L6)と、両凸形状の正パワーの第７レンズ(L7)と、両凸形状の正パワーの第８レンズ(L8)と、で構成されている。
【００１５】
第４の実施の形態(図４)において、各群(GrF,GrR)は物体側から順に以下のように構成されている。前群(GrF)は、像側に凹面を向けた負メニスカス形状の第１レンズ(L1)と、像側に凹面を向けた負メニスカス形状の第２レンズ(L2)と、両凹形状の負パワーの第３レンズ(L3)と、両凸形状の正パワーの第４レンズ(L4)と、で構成されている。後群(GrR)は、像側に凸面を向けた正メニスカス形状の第５レンズ(L5)と、物体側に凹面を向けた負メニスカス形状の第６レンズ(L6)と、像側に凹面を向けた負メニスカス形状の第７レンズ(L7)と、両凸形状の正パワーの第８レンズ(L8)と、で構成されている。
【００１６】
上記のように、前群(GrF)を物体側から順に像側に凹面を向けた負レンズ３枚(L1〜L3)で構成することにより、きつい角度で入射してきた軸外光線を効果的に後群(GrR)に導くことができ、各収差の補正も３枚に分担して行うことができるため、非常に効果的な補正を行うことができる。そして、負レンズ３枚(L1〜L3)で発生した残存収差を正レンズ(L4)で補正することにより、更なる高性能化を達成することができる。また、後群(GrR)の最も像側を単一の正レンズ(L8)で構成することにより、テレセントリック性を確保しつつ各収差補正による高性能化を達成することができる。したがって、各実施の形態のように、物体側から順に、負の前群(GrF)と、開口絞り(ST)と、正の後群(GrR)とから成る広角レンズにおいて、前群(GrF)を物体側から順に像側に凹面を向けた負レンズ３枚(L1〜L3)と正レンズ１枚(L4)との４枚で構成し、後群(GrR)の最も像側を単一の正レンズ(L8)で構成することは、ガラス球面レンズ８枚構成でありながら、固体撮像素子用の撮影レンズ系として良好な光学性能を有し、低コスト化かつコンパクトな画角１７０度程度の超広角レンズの実現を可能にする。それを効果的に実現するための条件を以下に説明する。
【００１７】
ここでは、各実施の形態の超広角レンズが満足すべき条件式、つまり各実施の形態のようなタイプの超広角レンズにおいて満たすことが望ましい条件式を説明する。ただし、以下に説明する全ての条件式を同時に満たす必要はなく、個々の条件式を光学構成に応じてそれぞれ単独に満足すれば、対応する作用・効果を達成することは可能である。もちろん、複数の条件式を満足する方が、光学性能，小型化，組立等の観点からより望ましいことはいうまでもない。
【００１８】
以下の条件式(1)を満足することが望ましい。
-0.24＜f／fF＜-0.05 …(1)
ただし、
f：全系の焦点距離、
fF：前群(GrF)の焦点距離、
である。
【００１９】
条件式(1)は、前群(GrF)のパワーに関する条件範囲を規定している。条件式(1)の上限を越えると、光学系の全長と前玉径が大きくなり、撮像レンズ装置の光軸(AX)方向と径方向の大型化を招いてしまう。逆に、条件式(1)の下限を越えると、光学系の全長と前玉径は小さくなるが、球面収差，コマ収差，倍率色収差が著しく大きくなって性能が低下する。
【００２０】
以下の条件式(2)を満足することが望ましく、前記条件式(1)とともに満足することが更に望ましい。
0.17＜f／fR＜0.42 …(2)
ただし、
f：全系の焦点距離、
fR：後群(GrR)の焦点距離、
である。
【００２１】
条件式(2)は、後群(GrR)のパワーに関する条件範囲を規定している。条件式(2)の下限を越えると、光学系の全長が大きくなり、撮像レンズ装置の光軸(AX)方向の大型化を招いてしまう。逆に、条件式(2)の上限を越えると、光学系の全長は小さくなるが、球面収差，コマ収差，倍率色収差が著しく大きくなって性能が低下する。
【００２２】
以下の条件式(3)を満足することが望ましく、前記条件式(1),(2)のうちの少なくとも１つとともに満足することが更に望ましい。
0.54＜f／Y'＜0.69 …(3)
ただし、
f：全系の焦点距離、
Y'：最大像高、
である。
【００２３】
条件式(3)は、レンズ全長と前玉径とをバランスさせるための条件範囲を規定している。条件式(3)の下限を越えると、前玉径が大きくなり、撮像レンズ装置の径方向の大型化を招くとともに歪曲収差の補正が困難になる。逆に、条件式(3)の上限を越えると、光学系の全長が大きくなり、撮像レンズ装置の光軸(AX)方向の大型化を招いてしまう。
【００２４】
第１の実施の形態(図１)では、後群(GrR)が負パワーの第５レンズ(L5)と正パワーの第６レンズ(L6)との貼り合わせレンズを含んでおり、第２〜第４の実施の形態(図２〜図４)では、後群(GrR)が正パワーの第５レンズ(L5)と負パワーの第６レンズ(L6)との貼り合わせレンズを含んでいる。後群(GrR)に貼り合わせレンズを含むことにより、広角化によって生じる倍率色収差を容易に補正することができるとともに、レンズ全長の短縮も効果的に達成することができる。したがって後群(GrR)は、物体側から順に、正レンズと負レンズとの貼り合わせレンズ、又は負レンズと正レンズとの貼り合わせレンズを含むことが望ましい。
【００２５】
先に述べたように、第１〜第４の実施の形態に用いられている全てのレンズ(L1〜L8)はガラスレンズであり、全てのレンズ面(r1,r2,...)は球面である。レンズ面を非球面で構成するとコストが高くなってしまい、低コスト化の要望に応えることが困難になるので、全てのレンズ面を球面で構成することが望ましい。また、ガラスレンズを用いると、温度変化によるバックフォーカス変動を小さくすることができ、広い温度範囲で性能を維持することができるので、全てのレンズをガラスレンズで構成することが望ましい。
【００２６】
各実施の形態の超広角レンズは、入射光線を屈折により偏向させる屈折型レンズ(つまり、異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレンズ)のみで構成されているが、これに限らない。例えば、回折により入射光線を偏向させる回折型レンズ，回折作用と屈折作用との組み合わせで入射光線を偏向させる屈折・回折ハイブリッド型レンズ，入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布型レンズ等を用いてもよい。ただし、これらのレンズは、その複雑な製法等がコストアップを招くため、本発明に係る超広角レンズでは均質素材のガラス球面レンズを用いることが望ましい。
【００２７】
また各実施の形態において、光学的なパワーを有しない面(例えば、反射面，屈折面，回折面)を光路中に配置することにより、超広角レンズの前，後又は途中で光路を折り曲げてもよい。折り曲げ位置は必要に応じて設定すればよく、光路の適正な折り曲げにより、超広角レンズが搭載されるデジタル入力機器(デジタルカメラ等)の見かけ上の薄型化やコンパクト化を達成することが可能である。
【００２８】
各実施の形態の超広角レンズは、デジタル入力機器用の小型撮影レンズ系としての使用に適しており、これを光学的ローパスフィルターや固体撮像素子と組み合わせることにより、被写体の映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する撮像レンズ装置を構成することができる。撮像レンズ装置は、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラ{例えば、デジタルカメラ；ビデオカメラ；監視カメラ；車載カメラ；デジタルビデオユニット，パーソナルコンピュータ，モバイルコンピュータ，スキャナー，携帯電話，ＴＶ電話，ドアホーン，携帯情報端末(ＰＤＡ：Personal Digital Assistant)等に内蔵又は外付けされるカメラ}の主たる構成要素であり、例えば、物体(被写体)側から順に、物体の光学像を形成する撮影レンズ系と、光学的ローパスフィルターと、撮影レンズ系により形成された光学像を電気的な信号に変換する固体撮像素子と、で構成される。
【００２９】
したがって、上述した各実施の形態には以下の構成を有する発明▲１▼,▲２▼が含まれており、その構成により、良好な光学性能を有し低コスト・コンパクトで画角の広い撮像レンズ装置を実現することができる。そして、その撮像レンズ装置をデジタルカメラ等のデジタル入力機器に適用すれば、当該デジタル入力機器の超広角化，高性能化，高機能化，低コスト化及びコンパクト化に寄与することができる。
▲１▼ 光学像を形成する撮像用の超広角レンズと、その超広角レンズにより形成された光学像を電気的な信号に変換する固体撮像素子と、を備えた撮像レンズ装置であって、前記超広角レンズが、物体側から順に、負の前群と、開口絞りと、正の後群とから成り、前記前群が物体側から順に像側に凹面を向けた負レンズ３枚と正レンズ１枚との４枚で構成され、前記後群が最も像側に単一の正レンズを含み、前記条件式(1),(2),(3)のうちの少なくとも１つを満足することを特徴とする撮像レンズ装置。
▲２▼ 全てのレンズがガラスレンズで構成されており、全てのレンズ面が球面で構成されていることを特徴とする上記▲１▼記載の撮像レンズ装置。
【００３０】
固体撮像素子としては、例えば複数の画素から成るＣＣＤやＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサー等が用いられ、超広角レンズにより形成された光学像は固体撮像素子により電気的な信号に変換される。超広角レンズで形成されるべき光学像は、固体撮像素子の画素ピッチにより決定される所定の遮断周波数特性を有する光学的ローパスフィルターを通過することにより、電気的な信号に変換される際に発生するいわゆる折り返しノイズが最小化されるように、空間周波数特性が調整される。固体撮像素子で生成した信号は、必要に応じて所定のデジタル画像処理や画像圧縮処理等が施されて、デジタル映像信号としてメモリー(半導体メモリー，光ディスク等)に記録されたり、場合によってはケーブルを介したり赤外線信号に変換されたりして他の機器に伝送される。
【００３１】
なお、超広角レンズの最終面と固体撮像素子との間に配置される光学的ローパスフィルターは、各実施の形態ではガラスフィルター(GF)で構成されているが、使用されるデジタル入力機器に応じたものであればよい。例えば、所定の結晶軸方向が調整された水晶等を材料とする複屈折型ローパスフィルターや、必要とされる光学的な遮断周波数の特性を回折効果により達成する位相型ローパスフィルター等が適用可能である。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明を実施した超広角レンズを、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１〜４は、前述した第１〜第４の実施の形態にそれぞれ対応しており、第１〜第４の実施の形態を表すレンズ構成図(図１〜図４)は、対応する実施例１〜４のレンズ構成をそれぞれ示している。
【００３３】
各実施例のコンストラクションデータにおいて、ri(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の面の曲率半径(mm)、di(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の軸上面間隔(mm)を示しており、Ni(i=1,2,3,...),νi(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の光学要素のｄ線に対する屈折率(Nd),アッベ数(νd)を示している。また、fは全系の焦点距離(mm)、ωは半画角(°)、FNOはＦナンバーである。表１に、各条件式で規定されるパラメータに対応する値を各実施例について示す。
【００３４】
図５〜図８は、実施例１〜実施例４に対応する収差図である。図５〜図８中、(Ａ)は球面収差等，(Ｂ)は非点収差，(Ｃ)は歪曲収差を示している{FNO:Ｆナンバー，Y':最大像高(mm)}。球面収差図において、実線(d)はｄ線、一点鎖線(g)はｇ線、二点鎖線(c)はｃ線に対する各球面収差量(mm)を表しており、破線(SC)は正弦条件不満足量(mm)を表している。非点収差図において、破線(DM)はメリディオナル面、実線(DS)はサジタル面でのｄ線に対する各非点収差(mm)を表している。また、歪曲収差図において実線はｄ線に対する歪曲(％)を表している。
【００３５】

【００３６】

【００３７】

【００３８】

【００３９】
【表１】

【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ガラス球面レンズ８枚構成でありながら固体撮像素子用撮影レンズ系として良好な光学性能と１７０度程度の広い画角を有する、低コストかつコンパクトな超広角レンズを実現することができる。そして、本発明に係る超広角レンズをＴＶ電話用カメラ，ドアホーン用カメラ，監視カメラ，車載カメラ等として用いられるデジタル入力機器(デジタルスチルカメラ，デジタルビデオカメラ等)に撮影レンズ系として用いれば、当該デジタル入力機器の超広角化，高性能化，高機能化，低コスト化及びコンパクト化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態(実施例１)のレンズ構成図。
【図２】第２の実施の形態(実施例２)のレンズ構成図。
【図３】第３の実施の形態(実施例３)のレンズ構成図。
【図４】第４の実施の形態(実施例４)のレンズ構成図。
【図５】実施例１の収差図。
【図６】実施例２の収差図。
【図７】実施例３の収差図。
【図８】実施例４の収差図。
【符号の説明】
GrF …前群
ST …開口絞り
GrR …後群
L1〜L3 …第１〜第３レンズ(像側に凹面を向けた負レンズ)
L4 …第４レンズ(正レンズ)
L5,L6 …第５，第６レンズ(貼り合わせレンズ)
L7 …第７レンズ
L8 …第８レンズ(単一の正レンズ)
GF …ガラスフィルター
AX …光軸

Claims

物体側から順に、負の前群と、開口絞りと、正の後群とから成る広角レンズであって、前記前群が物体側から順に像側に凹面を向けた負レンズ３枚と正レンズ１枚との４枚で構成され、前記後群が最も像側に単一の正レンズを含み、以下の条件式(1)及び(2)を満足することを特徴とする超広角レンズ；
-0.24＜f／fF＜-0.05 …(1)
0.17＜f／fR＜0.42 …(2)
ただし、
f：全系の焦点距離、
fF：前群の焦点距離、
fR：後群の焦点距離、
である。
物体側から順に、負の前群と、開口絞りと、正の後群とから成る広角レンズであって、前記前群が物体側から順に像側に凹面を向けた負レンズ３枚と正レンズ１枚との４枚で構成され、前記後群が最も像側に単一の正レンズを含み、以下の条件式(1)及び(3)を満足することを特徴とする超広角レンズ；
-0.24＜f／fF＜-0.05 …(1)
0.54＜f／Y'＜0.69 …(3)
ただし、
f：全系の焦点距離、
fF：前群の焦点距離、
Y'：最大像高、
である。
物体側から順に、負の前群と、開口絞りと、正の後群とから成る広角レンズであって、前記前群が物体側から順に像側に凹面を向けた負レンズ３枚と正レンズ１枚との４枚で構成され、前記後群が最も像側に単一の正レンズを含み、以下の条件式(2)及び(3)を満足することを特徴とする超広角レンズ；
0.17＜f／fR＜0.42 …(2)
0.54＜f／Y'＜0.69 …(3)
ただし、
f：全系の焦点距離、
fR：後群の焦点距離、
Y'：最大像高、
である。
前記後群が、物体側から順に、正レンズと負レンズとの貼り合わせレンズ、又は負レンズと正レンズとの貼り合わせレンズを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超広角レンズ。
固体撮像素子に像を形成するように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超広角レンズ。