JP2008058387A - 超広角レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】大きい画角で明るく、１／４ＣＣＤに好適な小型の超広角レンズを提供する。
【解決手段】物体側から像面側に向けて順に配列された、負の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第１レンズ１、負の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第２レンズ２、正の屈折力を有する第３レンズ３、所定の口径を有する開口絞りＳＤ、正の屈折力を有する両面が凸状の第４レンズ４、負の屈折力を有し物体側に凹面を向けると共に第４レンズ４に接合されたメニスカス形状の第５レンズ５、負の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第６レンズ６により、５群６枚構成の超広角レンズを構成する。これにより、画角が２２０度程度で、Ｆナンバーが２．０程度と明るく、レンズ全長が２０ｍｍ程度と短く、小型で高い光学性能を有し、１／４ＣＣＤ等に好適な超広角レンズを得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤ等の固体撮像素子を用いたデジタルカメラ等の電子撮像システムに使用される小型の超広角レンズに関し、特に、１／４ＣＣＤを用いた車載用カメラ、監視用カメラ等のレンズ系に適用される対角画角が２２０度以上の広角をなすレトロフォーカス型の超広角レンズに関する。

近年、デジタルカメラの普及に伴い電子撮影装置に用いられるレンズに関して、高性能、低コスト、コンパクト化の要求が強くなってきている。例えば、広角、高性能、低コスト、及びコンパクト化を満たすレンズ構成の多くは、バックフォーカスを十分に確保しつつ射出角度を小さくしたレトロフォーカスタイプを採用している。
また、一般に監視用カメラや車載用カメラ等に使用されるレンズは、軽量及びコンパクトで大きい画角をもつことが要望され、特に車載用カメラ等の用途には、広範な視野をカバーするために大きい画角をもつ超広角レンズであることが望まれている。

従来の超広角レンズとしては、物体側から順に配列された、像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第１レンズ、像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズ、両凹形状の第３レンズ、両凸形状の第４レンズ、像面側に凹面を向けた平凹形状の第５レンズ、第５レンズに接合された両凸形状の第６レンズ、物体側に凸面を向けた平凸形状の第７レンズを備え、２３０度の画角を確保したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、この超広角レンズにおいては、視野は広いものの、バックフォーカスが非常に短くなっており、この超広角レンズと一緒に適用される撮像媒体としては、短いバックフォーカスに対応できる特殊な撮像素子に限られ、又、７枚のレンズ構成からなるため、小型化（薄型化）の要求に対して十分に対応できるものではない。

また、他の超広角レンズとしては、物体側から順に配列された、像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第１レンズ、光軸の中心近傍で両凹形状をなすと共に外周縁近傍で像面側に凹面を向けた非球面をもつ第２レンズ、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第３レンズ、像面側に凹面を向けた平凹形状の第４レンズ、第４レンズに接合された両凸形状の第５レンズ、像面側に凹面を向けたメニスカス形状の第６レンズ、第６レンズに接合された両凸形状の第７レンズを備え、１２０度〜１４０度の画角を確保したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、この超広角レンズにおいては、樹脂材料を用いて形成した樹脂レンズに対して非球面を設けているため、樹脂化により低コスト化は図れるものの、車載用カメラ等の如く高温環境下で使用される場合には、温度の影響を受けて安定した光学特性を確保することができない。また、この超広角レンズにおいても、７枚のレンズ構成からなるため、小型化（薄型化）の要求に対して十分に対応できるものではない。

特開２００５−３４５５７７号公報 特開平１０−１１５７７８号公報

ところで、２２０°程度の大きい画角を確保しようとすると、物体側に強い発散系を配置する必要があり、像面歪曲や非点収差による性能劣化を招き易い。また、レトロフォーカスタイプは、一般に前群の負レンズの外径が大きくなる傾向があり、超広角レンズの大型化、重量化を招くことになる。
また、レンズ全長を短くして小型化を図るには、曲率半径を小さく（曲率を大きく）して半球形状に近づけることで光線を曲げる必要があるが、製造上の歩留まりあるいは加工不良等の問題を生じ、その結果コストの増加を招くことになる。
さらには、超広角レンズを使用する場所として、温度変化が激しい環境下では、樹脂材料を用いて形成したプラスチックレンズでは光学特性が安定せず好ましくない。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、画角（２ω）が２２０度以上で、Ｆナンバーが２．０程度と明るく、レンズ全長が２０ｍｍ程度と小型で、高い光学性能を有し、１／４ＣＣＤ等に使用するのに好適な超広角レンズを提供することにある。

本発明の超広角レンズは、物体側から像面側に向けて順に配列された、負の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第１レンズと、負の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、正の屈折力を有する第３レンズと、所定の口径を有する開口絞りと、正の屈折力を有する両面が凸状の第４レンズと、負の屈折力を有し物体側に凹面を向けると共に第４レンズに接合されたメニスカス形状の第５レンズと、負の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第６レンズとから、ことを特徴としている。
この構成によれば、第１レンズ及び第２レンズをメニスカス形状にすることにより、光線を急激に曲げて、画角が２２０°程度の光線束を取り込むことを可能にしている。また、負，負，正，正，負，負の６枚のレンズ構成とすることで、Ｆナンバーが２．０程度と明るく、レンズ全長が２０ｍｍ程度と短く、小型で高い光学性能を有し、１／４ＣＣＤ等に好適な超広角レンズを得ることができる。

上記構成において、第１レンズの屈折率をＮ１、第２レンズの屈折率をＮ２とするとき、下記条件式（１），（２）、
（１）Ｎ１＞１．８
（２）Ｎ２＞１．８
を満足する、構成を採用することができる。
この構成によれば、第１レンズと第２レンズが条件式（１），（２）を満たすことにより、高屈折率に設定することができ、その結果、レンズ面の曲率半径を緩くでき、製造上の歩留まりあるいは加工不良等の問題が発生するのを防止することができる。

上記構成において、第４レンズの屈折率をＮ４及びアッベ数をν４、第５レンズの屈折率をＮ５及びアッベ数をν５とするとき、下記条件式（３），（４）、
（３）Ｎ４＜Ｎ５
（４）ν４＞ν５
を満足する、構成を採用することができる。
この構成によれば、第４レンズと第５レンズが条件式（３），（４）の関係、すなわち、第４レンズの屈折率が第５レンズの屈折率よりも小さく、第４レンズのアッベ数が第５レンズのアッベ数よりも大きい関係を満たすことにより、色収差を良好に補正することができ、高い光学性能を得ることができる。

上記構成において、第１レンズ〜第６レンズは、全てガラス材料により形成され、かつ、全ての面が球面に形成されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、車載用カメラ等の如く高温まで達する厳しい温度環境下で使用される場合においても、安定した光学性能を得ることができ、又、球面のみとすることでコストを低減することができる。

上記構成において、第１レンズの像面側の面の曲率半径をＲ２、焦点距離をｆとするとき、下記条件式（５）、
（５）Ｒ２／ｆ＜３．４
を満足する、構成を採用することができる。
この構成によれば、像面側に凹面を向けるメニスカス形状の第１レンズが、条件式（５）を満たすことにより、２２０度程度の大きい画角を確保しつつ、レンズの外径寸法が大きくなるのを抑えて、全体として小型化を達成することができる。

上記構成をなす超広角レンズによれば、２２０度程度の画角を確保しつつ、Ｆナンバーが（ＦＮｏ＝）２．０程度の明るさをなし、非球面を使わずレンズ枚数を減らすことで、低コスト化を達成でき、光学性能の高い小型の超広角レンズを得ることができる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１及び図２は、本発明に係る超広角レンズの一実施形態を示すものであり、図１はレンズの構成図、図２は図１に示す超広角レンズの光路図である。
この超広角レンズは、物体側から像面側に向けて順に配列された、負の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第１レンズ１、負の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第２レンズ２、正の屈折力を有する第３レンズ３、所定の口径を有する開口絞りＳＤ、正の屈折力を有し両面が凸形状の第４レンズ４、負の屈折力を有し物体側に凹面を向けると共に第４レンズ４に接合されたメニスカス形状の第５レンズ５、負の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第６レンズにより、５群６枚構成をなすように形成されている。
そして、第６レンズの後方には、赤外線カットフィルタ、ローパスフィルタ等のガラスフィルタ（不図示）が配置され、その後方にＣＣＤ等の撮像素子の結像面Ｐが配置されている。

ここで、第１レンズ１〜第３レンズ３、開口絞りＳＤ、第４レンズ４〜第６レンズ６及び像面Ｐが、光軸Ｌに沿って物体側から順に配列された構成において、図１に示すように、各々の面をＳｉ（ｉ＝１〜１２）、各々の面Ｓｉの曲率半径をＲｉ（ｉ＝１〜１２）、ｄ線に対する第ｉレンズの屈折率をＮｉ及びアッベ数をνｉ（ｉ＝１〜６）で表す。また、第１レンズ１〜像面Ｐまでのそれぞれの光軸Ｌ方向における間隔（厚さ、空気間隔）を図１に示すようにＤｉ（ｉ＝１〜１２）で表す。

第１レンズ１は、ガラス材料により形成され、負の屈折力をもつように、物体側の面Ｓ１が凸状でかつ像面側の面Ｓ２が凹状をなすメニスカス形状のレンズである。ここで、面Ｓ１，Ｓ２は共に球面に形成されている。
第２レンズ２は、ガラス材料により形成され、負の屈折力をもつように、物体側の面Ｓ３が凸状でかつ像面側の面Ｓ４が凹状をなすメニスカス形状のレンズである。ここで、面Ｓ３，Ｓ４は共に球面に形成されている。
このように、第１レンズ１及び第２レンズ２を物体側に凸面を向けたメニスカス形状にすることにより、光線を急激に曲げて、画角が２２０°程度の光線束を取り込むことを可能にしている。

第３レンズ３は、ガラス材料により形成され、正の屈折力をもつように、物体側の面Ｓ５が凸状でかつ像面側の面Ｓ６が凸状又は凹状をなす両凸形状又はメニスカス形状のレンズである。ここで、面Ｓ５，Ｓ６は共に球面に形成されている。
第４レンズ４は、ガラス材料により形成され、正の屈折力をもつように、物体側の面Ｓ８が凸状でかつ像面側の面Ｓ９が凸状をなす両凸形状のレンズである。ここで、面Ｓ８，Ｓ９は共に球面に形成されている。
第５レンズ５は、ガラス材料により形成され、負の屈折力をもつように、物体側の面Ｓ９が凹状でかつ像面側の面Ｓ１０が凸状をなすメニスカス形状のレンズであり、第４レンズ４に接合されている。ここで、面Ｓ９，Ｓ１０は共に球面に形成されている。
第６レンズ６は、ガラス材料により形成され、負の屈折力をもつように、物体側の面Ｓ１１が凸状でかつ像面側の面Ｓ１２が凹状をなすメニスカス形状のレンズである。ここで、面Ｓ１１，Ｓ１２は共に球面に形成されている。

上記のように、負の屈折力を有するメニスカス形状の第１レンズ１及び第２レンズ２、正の屈折力を有する第３レンズ３、正の屈折力を有する両凸形状の第４レンズ４、負の屈折力を有し第４レンズに接合されたメニスカス形状の第５レンズ、負の屈折力を有するメニスカス形状の第６レンズからなる、５群６枚のレンズ構成とすることで、Ｆナンバーが２．０程度と明るく、レンズ全長が２０ｍｍ程度と短く、小型で高い光学性能を有し、１／４ＣＣＤ等に好適な超広角レンズを得ることができる。

また、上記のように、第１レンズ１〜第６レンズ６を全てガラス材料により形成し、かつ、全ての面を球面に形成することにより、車載用カメラ等の如く高温まで達する厳しい温度環境下で使用される場合においても、安定した光学性能を得ることができ、又、球面のみとすることでコストを低減することができる。
尚、それ程厳しい温度環境下で使用されず又低コスト化もそれ程要求されなければ、第１レンズ１〜第６レンズ６として、樹脂材料を使用し、又、適宜非球面を採用してさらなる光学性能の向上を図ってもよい。

上記構成においては、第１レンズ１の屈折率Ｎ１、第２レンズ２の屈折率Ｎ２が、好ましくは、次の条件式（１），（２）、
（１）Ｎ１＞１．８
（２）Ｎ２＞１．８
を満足するように形成される。
条件式（１），（２）は、第１レンズ１と第２レンズ２の屈折率を規定したものであり、条件式（１），（２）を満たすことにより、高屈折率に設定することができ、その結果、レンズ面の曲率半径を緩くでき、製造上の歩留まりあるいは加工不良等の問題が発生するのを防止することができる。

また、上記構成においては、第４レンズ４の屈折率Ｎ４及びアッベ数ν４、第５レンズ５の屈折率Ｎ５及びアッベ数ν５が、好ましくは、次の条件式（３），（４）、
（３）Ｎ４＜Ｎ５
（４）ν４＞ν５
を満足するように形成される。
条件式（４）は、第４レンズ４と第５レンズ５の屈折率の関係を規定し、条件式（５）は、第４レンズ４と第５レンズ５のアッベ数の関係を規定したものである。
すなわち、第４レンズ４と第５レンズ５が条件式（３），（４）の関係、すなわち、第４レンズ４の屈折率Ｎ４が第５レンズ５の屈折率Ｎ５よりも小さく、第４レンズ４のアッベ数ν４が第５レンズ５のアッベ数ν５よりも大きい関係を満たすことにより、色収差を良好に補正することができ、高い光学性能を得ることができる。

さらに、上記構成においては、第１レンズ１の像面側の面Ｓ２の曲率半径Ｒ２及び焦点距離ｆが、好ましくは、次の条件式（５）、
（５）Ｒ２／ｆ＜３．４
を満足するように形成される。
条件式（５）は、レンズ系の焦点距離に対する第１レンズの像面側の面の曲率半径の割合を規定したものであり、像面側に凹面Ｓ２を向けるメニスカス形状の第１レンズ１が条件式（５）を満たすことにより、画角（２ω）が２２０度程度の大きい画角を確保しつつ、第１レンズ１の外径寸法が大きくなるのを抑えて、全体として小型化を達成することができる。
次に、上記超広角レンズの具体的な数値による実施例を以下に示す。

実施例における条件式（１）〜（５）の数値データ、第１レンズ１〜第６レンズ６の主な仕様諸元、種々の数値データ（設定値）は以下の通りである。
＜条件式の値＞
（１）Ｎ１＞１．８＝１．８３４００＞１．８
（２）Ｎ２＞１．８＝１．８３４００＞１．８
（３）Ｎ４＜Ｎ５＝１．７７２５０＜１．８４６６６
（４）ν４＞ν５＝４９．６＞２３．８
（５）Ｒ２／ｆ＜３．４＝５．５０００／１．６３＜３．４ → ３．３７＜３．４

＜仕様諸元＞
使用波長＝４３６ｎｍ，４８６ｎｍ，５４６ｎｍ，５８８ｎｍ，６５６ｎｍ、レンズ系の焦点距離＝１．６３ｍｍ、撮像範囲＝φ４．６ｍｍ、開口絞りＳＤの口径＝φ２．１４ｍｍ、Ｆナンバー（ＦＮｏ）＝２．０、共役長（物体〜像面）＝∞、画角（２ω）＝２２０°、バックフォーカス＝２．５０ｍｍ、レンズ全長＝２０．０５ｍｍ、第１レンズ１の外径寸法＝φ１６ｍｍ、第２レンズ２の外径寸法＝φ１０ｍｍ、第３レンズ３の外径寸法＝φ５ｍｍ、第４レンズ４の外径寸法＝φ４ｍｍ、第５レンズ５の外径寸法＝φ４ｍｍ、第６レンズ６の外径寸法＝φ５ｍｍ

＜曲率半径＞
Ｒ１＝１３．７５００ｍｍ、Ｒ２＝５．５０００ｍｍ、Ｒ３＝１８．８９３０ｍｍ、Ｒ４＝２．８３９０ｍｍ、Ｒ５＝５．７４７７ｍｍ、Ｒ６＝１６３．６９１０ｍｍ、Ｒ７（開口絞りＳＤ）＝∞、Ｒ８＝５．４６６７ｍｍ、Ｒ９＝−１．７３４５ｍｍ、Ｒ１０＝−１２．００８０ｍｍ、Ｒ１１＝５．０１７５ｍｍ、Ｒ１２＝９．９７１１ｍｍ

＜光軸上の間隔＞
Ｄ１＝１．０３ｍｍ、Ｄ２＝２．５０ｍｍ、Ｄ３＝１．０２ｍｍ、Ｄ４＝３．５０ｍｍ、Ｄ５＝２．２９ｍｍ、Ｄ６＝２．４７ｍｍ、Ｄ７＝０．２０ｍｍ、Ｄ８＝１．７９ｍｍ、Ｄ９＝１．００ｍｍ、Ｄ１０＝０．１０ｍｍ、Ｄ１１＝１．６４ｍｍ、Ｄ１２＝２．５０ｍｍ

＜屈折率（Ｎｄ）＞
Ｎ１＝１．８３４００、Ｎ２＝１．８３４００、Ｎ３＝１．８４６６６、Ｎ４＝１．７７２５０、Ｎ５＝１．８４６６６、Ｎ６＝１．７７２５０
＜アッベ数（νｄ）＞
ν１＝３７．２、ν２＝３７．２、ν３＝２３．８、ν４＝４９．６、ν５＝２３．８、ν６＝４９．６

上記実施例における球面収差、非点収差、歪曲収差は、ズ３に示すような結果となる。尚、図３中の非点収差において、Ｓはサジタル平面での収差、Ｍはメリジオナル平面での収差を示す。
この実施例によれば、画角（２ω）が２２０°、Ｆナンバーが２．０、レンズ全長が２０．０５ｍｍ、バックフォーカスが２．５０ｍｍとなり、大きい画角で、小型で、諸収差が良好に補正されかつ温度に影響されない安定した高い光学特性を有し、１／４ＣＣＤ等に使用するのに好適な超広角レンズが得られる。

以上述べたように、本発明の超広角レンズは、２２０度程度の画角を確保しつつ、Ｆナンバーが（ＦＮｏ＝）２．０程度の明るさをなし、低コストで、安定した高い光学性能を有するため、車載用カメラ、監視カメラ等のレンズ系として適用できるのは勿論のこと、その他のデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等の電子撮像装置においても有用である。

本発明に係る超広角レンズの一実施形態を示すレンズ構成図である。 図１に示す超広角レンズの光路図である。 実施例における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す収差図である。

符号の説明

１ 第１レンズ
２ 第２レンズ
３ 第３レンズ
４ 第４レンズ
５ 第５レンズ
６ 第６レンズ
Ｐ 像面
Ｌ 光軸
ｆ 焦点距離
Ｎ１ 第１レンズの屈折率
Ｎ２ 第２レンズの屈折率
Ｎ４ 第４レンズの屈折率
Ｎ５ 第５レンズの屈折率
ν４ 第４レンズのアッベ数
ν５ 第５レンズのアッベ数
Ｒ２ 第１レンズの像面側の面の曲率半径

Claims (5)

1. 物体側から像面側に向けて順に配列された、
   負の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第１レンズと、
   負の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、
   正の屈折力を有する第３レンズと、
   所定の口径を有する開口絞りと、
   正の屈折力を有し両面が凸状の第４レンズと、
   負の屈折力を有し物体側に凹面を向けると共に前記第４レンズに接合されたメニスカス形状の第５レンズと、
   負の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第６レンズと、
   からなる、ことを特徴とする超広角レンズ。
2. 前記第１レンズの屈折率をＮ１、前記第２レンズの屈折率をＮ２とするとき、下記条件式（１），（２）、
   （１）Ｎ１＞１．８
   （２）Ｎ２＞１．８
   を満足する、ことを特徴とする請求項１記載の超広角レンズ。
3. 前記第４レンズの屈折率をＮ４及びアッベ数をν４、前記第５レンズの屈折率をＮ５及びアッベ数をν５とするとき、下記条件式（３），（４）、
   （３）Ｎ４＜Ｎ５
   （４）ν４＞ν５
   を満足する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超広角レンズ。
4. 前記第１レンズ〜第６レンズは、全てガラス材料により形成され、かつ、全ての面が球面に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の超広角レンズ。
5. 前記第１レンズの像面側の面の曲率半径をＲ２、焦点距離をｆとするとき、下記条件式（５）、
   （５）Ｒ２／ｆ＜３．４
   を満足する、ことを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の超広角レンズ。
   
   
   

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