広角光学系および撮像装置
【課題】
本発明は、良好な結像性能を有し、且つ小型化を実現した広角の光学系を提供する。
【解決手段】
物体側から順に物体側に凸の負メニスカスの第１レンズ１１０と、光軸に対して略直交する平面における水平方向の曲率と垂直方向の曲率からなるアナモルフィック面を物体側に有する負メニスカスの第２レンズ１２０と、物体側に凸の正の第３レンズ１３０と、開口絞り１４０と、像側に凸の正の第４レンズ１５０と、からなり、レンズ全系の前記水平方向の焦点距離をＦｈ、レンズ全系の垂直方向の焦点距離をＦｖとしたときに、１．１０ ＜ Ｆｖ/Ｆｈ ＜ １．３０ の条件を満足し、且つ、前記第２レンズの物体側面とは別の第２のアナモルフィック面を、前記第２レンズの物体側面のパワーと正負の符号が異なる面に備える。
本発明は、良好な結像性能を有し、且つ小型化を実現した広角の光学系を提供する。
【解決手段】
物体側から順に物体側に凸の負メニスカスの第１レンズ１１０と、光軸に対して略直交する平面における水平方向の曲率と垂直方向の曲率からなるアナモルフィック面を物体側に有する負メニスカスの第２レンズ１２０と、物体側に凸の正の第３レンズ１３０と、開口絞り１４０と、像側に凸の正の第４レンズ１５０と、からなり、レンズ全系の前記水平方向の焦点距離をＦｈ、レンズ全系の垂直方向の焦点距離をＦｖとしたときに、１．１０ ＜ Ｆｖ/Ｆｈ ＜ １．３０ の条件を満足し、且つ、前記第２レンズの物体側面とは別の第２のアナモルフィック面を、前記第２レンズの物体側面のパワーと正負の符号が異なる面に備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広角撮像光学系とそれを用いた撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
監視用カメラや車載用カメラなどに用いられる撮像光学系には、広い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。特に画角１８０度を超えるような超広角光学系となると歪曲収差が大きくなる傾向にあるので、低歪曲の設計を要求される。これらの要望に対応し得る可能性がある単焦点の広角光学系として、下記の特許文献１がある。
【０００３】
特許文献１には、水平方向には超広画角で、垂直方向には画角を抑制すると共に比較的像歪みが少ない超広角撮像光学系であるアナモルフィック光学系が提案されている。
しかしながら、監視用カメラや車載用カメラにおいては、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あることが要求されるが、特許文献１に係るアナモルフィック光学系は１０枚のレンズからなり、小型の撮像装置を実現する事は困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１６３５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、良好な結像性能を有し、且つ小型化を実現した広角の光学系を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため本発明の撮像光学系は、物体側から順に物体側に凸の負メニスカスの第１レンズと、光軸に対して直交する平面における水平方向と垂直方向とで異なる曲率からなるアナモルフィック面を物体側に有する負メニスカスの第２レンズと、物体側に凸の正の第３レンズと、開口絞りと、像側に凸の正の第４レンズと、からなり、レンズ全系の前記水平方向の焦点距離をＦｈ、レンズ全系の前記垂直方向の焦点距離をＦｖとしたときに、以下の条件式（１）を満足し、
１．１０ ＜ Ｆｖ/Ｆｈ ＜ １．３０ ・・・（１）
且つ、前記第２レンズの物体側面とは別の第２のアナモルフィック面を、前記第２レンズの物体側面のパワーと正負の符号が異なる面に備える事を特徴とする。
【０００７】
好ましくは、以下の条件式（２）を満足することを特徴とする。
【０００８】
０．４ ＜ ｒ１ｖ／ｒ１ｈ ＜ ０．８ ・・・（２）
ただし、ｒ１ｈは前記水平方向の曲率の半径、ｒ１ｖは前記垂直方向の曲率の半径。
【０００９】
好ましくは、前記第２レンズおよび第４レンズは樹脂材料からなる事を特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記第２のアナモルフィック面を前記第４レンズに形成したことを特徴とする。
【００１１】
上記目的を達成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。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、小型、軽量でありながら良好な結像性能を有する広角光学系および撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明である広角光学系のレンズ断面である。
【図２】実施形態１の広角光学系の水平方向における断面図である。
【図３】実施形態１の広角光学系の垂直方向における断面図である。
【図４】実施形態２の広角光学系の水平方向における断面図である。
【図５】実施形態２の広角光学系の垂直方向における断面図である。
【図６】実施形態３の広角光学系の水平方向における断面図である。
【図７】実施形態３の広角光学系の垂直方向における断面図である。
【図８】実施形態４の広角光学系の水平方向における断面図である。
【図９】実施形態４の広角光学系の垂直方向における断面図である。
【図１０】実施形態５の広角光学系の水平方向における断面図である。
【図１１】実施形態５の広角光学系の垂直方向における断面図である。
【図１２】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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を用いて、本発明の広角光学系及びそれを用いた撮像装置の実施形態について説明する。実施形態１から５の広角光学系を総称して本実施形態の広角光学系という。
【００１５】
図１は本発明である広角光学系の断面である。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が配置される４枚構成の単焦点の広角光学系１００である。更には、１６０は水晶ローパスフィルターや赤外線除去フィルターおよび撮像素子を保護する保護ガラス等に対応する設計上設けられたガラスブロック、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Mental-Oxide Semiconductor Device）等の撮像素子の受光面が配置される結像面１７０を有する。入射した光は物体側より、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、ガラスブロック１６０を順次通過し撮像素子の設けられた結像面１７０へと集光される。また、レンズの厚さとなるＲ１面１とＲ２面２間の距離をＤ１、第１レンズのＲ２面２と第２レンズのＲ３面３までの距離をＤ２、第２レンズの厚さとなるＲ３面３とＲ４面４間の距離をＤ３、第２レンズのＲ４面４と第３レンズのＲ５面５間の距離をＤ４、第３レンズの厚さとなるＲ５面５とＲ６面６間の距離をＤ５、第３レンズのＲ６面６と絞り部の面７までの距離をＤ６、絞り部の面７と第４レンズのＲ７面８間の距離をＤ７、第４レンズの厚さとなるＲ７面８とＲ８面９間の距離をＤ８、第４レンズのＲ９面１０と、結像面までの距離をバックフォーカスＢＦとする。
【００１６】
図２は実施形態１の広角光学系の水平方向における断面図である。
【００１７】
図３は実施形態１の広角光学系の垂直方向における断面図である。
実施形態１は全系の水平方向焦点距離０．７１９ｍｍ、実施形態１は全系の垂直方向焦点距離０．８１４ｍｍ、Ｆナンバー２．４、レンズ全長１１．８ｍｍ、バックフォーカス１．７７ｍｍの広角光学系である。
【００１８】
図４は実施形態２の広角光学系の水平方向における断面図である。
【００１９】
図５は実施形態２の広角光学系の垂直方向における断面図である。
実施形態２は全系の水平方向焦点距離０．６８３ｍｍ、実施形態２は全系の垂直方向焦点距離０．７７６ｍｍ、Ｆナンバー２．３７、レンズ全長１１．４ｍｍ、バックフォーカス１．７７ｍｍの広角光学系である。
【００２０】
図６は実施形態３の広角光学系の水平方向における断面図である。
【００２１】
図７は実施形態３の広角光学系の垂直方向における断面図である。
実施形態３は全系の水平方向焦点距離０．６７６ｍｍ、実施形態３は全系の垂直方向焦点距離０．７４８ｍｍ、Ｆナンバー２．４３、レンズ全長１１．１ｍｍ、バックフォーカス１．７７ｍｍの広角光学系である。
【００２２】
図８は実施形態４の広角光学系の水平方向における断面図である。
【００２３】
図９は実施形態４の広角光学系の垂直方向における断面図である。
実施形態４は全系の水平方向焦点距離０．６５２ｍｍ、実施形態４は全系の垂直方向焦点距離０．７８９ｍｍ、Ｆナンバー２．３、レンズ全長１１．２ｍｍ、バックフォーカス１．７７ｍｍの広角光学系である。
【００２４】
図１０は実施形態５の広角光学系の水平方向における断面図である。
【００２５】
図１１は実施形態５の広角光学系の垂直方向における断面図である。
実施形態５は全系の水平方向焦点距離０．６６７ｍｍ、実施形態４は全系の垂直方向焦点距離０．８３ｍｍ、Ｆナンバー２．２４、レンズ全長１１．２ｍｍ、バックフォーカス１．７７ｍｍの広角光学系である。
各実施形態の断面図において、左方は物体側（被写体側）で、右方が像側（結像面側）である。１００Ａ〜１００Ｅは広角光学系であり、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、負の屈折力を有する第２レンズ１２０、正の屈折力を有する第３レンズ１３０、開口絞り１４０、正の屈折力を有する第４レンズ１５０からなっている。
【００２６】
以下、本実施形態の広角光学系の構成とその作用について説明する。
【００２７】
広角光学系では、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郡を配置し、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群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。
本実施形態の広角光学系１００Ａ〜１００Ｅでは、負の屈折力を有する第１レンズと第２レンズで光を発散させ、全体として正の屈折力を有する開口絞りをはさんだ第３レンズと第４レンズで集光する。物体側に２枚の負レンズを配置することで、主点を後方に置くための十分な負の屈折力を得ながら、諸収差を良好に補正することができる。負のレンズ群を２枚としたのは、単レンズでは像面湾曲収差や非点収差の発生を抑えるために製造上困難な形状になってしまうため分割している。特に、第２レンズを非球面化することによって第１レンズで補正しきれない上記収差の補正を行う。像側の正レンズ群のうち、開口絞りの前に第３レンズ、後に第４レンズを配置することにより、倍率の色収差を補正することが可能となる。強い屈折力をもつ第４レンズを開口絞り後に配置することにより、結像面１７０への入射角度を小さくし、かつ歪曲、非点の両収差を良好に補正することが可能となる。
【００２８】
本実施形態の広角光学系は、第１レンズ１１０は物体側に凸面を向けたメニスカスレンズであり、第２レンズ１２０は像側に凹面を向け、第３レンズ１３０は物体側に凸面を向け、第４レンズ１５０は像側に凸面を向けている。第１レンズが物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有することで、第1レンズの面１に対する軸外光線の入射角度を小さく保つことが可能となり、収差の発生を抑えることが出来る。また、第２レンズが像側に凹面を向けた形状、第３レンズが物体側に凸面を向けた形状を有することで、諸収差を良好に補正することが出来る。そして、前記第４レンズは像側に凸面を向け、像側に非球面を有することで、像面への入射角度を小さくすることが出来る。第２レンズ１２０と第４レンズ１５０が樹脂材料で形成されることにより、軽量化や低コスト化が実現でき、第３レンズ１３０を硝子材料で形成することにより幅広い分散値の材料を選択でき、結果として倍率の色収差を良好に補正することが可能となる。
【００２９】
超広角光学系において、画角を確保しながら収差補正を十分に行うには、レンズ４枚構成が妥当となる。光学性能を優先すると、４枚ともガラス材料で構成するのが望ましいが、コストを考えると樹脂材料を多用する方にメリットがある。実用的には、車載カメラや監視カメラに利用される場合、使用環境が屋外になることが多く厳しい耐環境性能を要求されるため、物体側からみて第１レンズはガラスである事が好ましい。風雨にさらされる事はもちろん紫外線にも留意しなければならないことから、第１レンズは樹脂にすることは困難となる。残りの第２、第３、第４のレンズを全て樹脂にすると、樹脂レンズのパワーの合算が強い正となる。樹脂レンズは、温度によって屈折率の変動がガラスに比べて１０倍程度大きい。その為、第２、第３、第４のレンズを樹脂にすると温度変動によって屈折率が変わりレンズのバックフォーカスがシフトする。本願のようにパワーバランスが正・正・負・負の４枚構成の超広角光学系において３枚を樹脂にするとパワーバランスが悪くなってしまう。そこで第３もしくは第４のレンズをガラスとする事で温度変動を緩和する方向に相殺ことが可能となる。第３のレンズは、倍率に色収差を補正するレンズで高屈折高分散であることが好ましい。よって第１、第３のレンズをガラス、第２、第４のレンズを樹脂とする事が好ましい。
【００３０】
第２レンズと第４レンズの各レンズはそれぞれ少なくとも１面の非球面形状が形成される。非球面形状を持つことにより、収差補正が容易となり、小型でありながら良好な解像性能を得ることが可能となる。非球面形状を有するレンズの形成には樹脂材料が適しているが、樹脂材料は一般的に温度変化による面形状変化や屈折率がガラスと比べて大きく、環境温度が変化した場合における性能変化が大きくなる。そこで負の第２レンズと正の第４レンズを樹脂化することでバランスをとり、環境変化によるピントシフトを相殺して緩和している。
【００３１】
アナモルフィック面についても同様である。アナモルフィック面は、結像面における水平方向と垂直方向の焦点距離を変える事ができる。よって、アナモルフィック面は回転非対称であるため、製造難易度が高く、コストが従来のレンズに比べて高くなる。そのため低コストでアナモルフィック光学系を実現するには、アナモルフィック面を成型の自由度が高い樹脂レンズにアナモルフィック面を設けるほうが適している。
【００３２】
アナモルフィック面を１面のみに形成し機能を満足することは可能だが、複数面に分散するほうが、製造難易度を低く抑えられるためより好ましい。アナモルフィック面の水平方向と垂直方向の焦点距離の違いが大きいほど、アナモルフィック光学系の効果は期待できるが、回転非対称の度合いも大きくなるため、製造難易度は増すことになる。そこで、アナモルフィック面を複数に分散するほうが、各アナモルフィック面の水平方向と垂直方向の焦点距離の違いも小さく抑えることができ、回転対象に近い形状となるため、製造難易度を抑えることができる。
【００３３】
またその場合、第２レンズの物体面の曲率とは符号が異なる面に第２のアナモルフィック面を付加することで、温度環境が変動しても水平画角と垂直画角の比率を一定に保つ事ができる。つまり、パワーが正の面と負の面にそれぞれ１面ずつ設ける事により、温度変化による水平方向の焦点距離と垂直方向の焦点距離の変動を相殺する事が可能となる。このためにも、第２と第４のレンズに樹脂材料を用いて、それぞれ第１と第２のアナモルフィック面を形成することが望ましい。
【００３４】
以上のように、本実施形態の広角光学系では、各レンズにそれぞれ適切な屈折力配置と非球面およびアナモルフィック面を配置することにより、良好な光学性能を保ちつつ、全系のコンパクト化を実現している。さらに、良好な光学性能を得て、レンズ全系の小型化を図るための条件を以下に説明する。
以下は、歪曲収差を緩和するために好ましい、結像平面における水平方向と垂直方向の焦点距離の比を示すものである。ただし、Ｆｈはレンズ全系の水平方向のｄ線における焦点距離、Ｆｖはレンズ全系の垂直方向のｄ線における焦点距離とする。
【００３５】
１．１０ ＜ Ｆｖ/Ｆｈ ＜ １．３０ ・・・（１）
例えば、結像面の水平方向は超広角となる１８０度以上の画角であっても、垂直方向は水平方向と比べて画角を狭くする事で、人が見たときの歪曲収差を緩和している。上記関係式（１）の値が１．１以下になると回転対称レンズとほぼ等しくなるため、アナモルフィック光学系にする効果が低い。歪曲収差もわずかにしか補正されない。つまり射影特性が変わらない為、見た目にも変化に乏しい。回転非対称のレンズを成型するのは、困難でコストも要するため、上記関係式（１）の値が１．１以下になるような場合には、アナモルフィック光学系を用いないほうが好ましい。逆に上記の値が１．３以上になると歪曲補正の点からは有利だが、アナモルフィック面に負荷が大きくなり環境変化に耐える事も困難となる。換言すれば、第２レンズのＹＺ断面とＸＺ断面で面の形状が大きく異なる。ここでＺは光軸方向の軸、Ｘ・Ｙは前記Ｚ軸に垂直で互いに直交する軸である。
【００３６】
アナモルフィック光学系によって得られる画像には一般的に、レンズフレアの水平方向への歪み、絞り開放時のボケの楕円形化、フォーカスによるボケ形状の変化、レンズディストーションの水平垂直比の不均一、といったような影響が発生する。
【００３７】
以下は、上記の影響を抑えつつ良好な画質の画像を得るために好ましい、結像平面における水平方向と垂直方向の曲率半径の比を示すものである。ただし、ｒ１ｈは第２レンズの物体側における水平方向の曲率半径、ｒ１ｖは第２レンズの物体側における垂直方向の曲率半径とする。
【００３８】
０．４ ＜ ｒ１ｖ／ｒ１ｈ ＜ ０．８ ・・・（２）
第２レンズの物体側面は、収差が小さい状態を維持しながらアナモルフィック面によって水平方向と垂直方向の焦点距離を変える事が可能である。上記関係式（２）の値が１に近いほど、レンズは光軸について回転対象に近い形状となり、水平と垂直の焦点距離も違いがなくなり、前述の影響も小さくなくなる。上記関係式（２）の値が小さくなると、水平と垂直の焦点距離を大きく変えることができる反面、０に近くなるほど前述の影響を大きく受けることになる。また、レンズが回転非対称な形状になるほど、成型の樹脂充填時に均一性が保ちにくくなってレンズ内の偏肉が発生して、レンズ内複屈折を発生させ、内部の屈折率が不均一となるので光学性能を劣化させる事となる。
【００３９】
上記関係式（２）の上限値を超えると、アナモルフィック光学系としての効果が小さく、レンズで水平垂直の焦点距離を変えなくても画像処理で十分実現可能なレベルとなり、逆に下限値を超えると、アナモルフィック面への負荷が大きくなってレンズの公差が厳しくなり、製造難易度を上げることとなる。
【００４０】
以下に、実施形態１から５それぞれの具体的な数値データを示す。各数値実施例において、図１に示すように物体側から順に面番号ｉを付与し、Ｒｉは第ｉ面の近軸曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間隔、ｎｉ、νｉはそれぞれｄ線に対する屈折率、アッベ数を示す。
【００４１】
また、各数値実施例の中で記載されるレンズの非球面形状は、物体側から像側へ向かう方向を正として、光軸からの高さＨの位置での光軸方向の変位を、面頂点を基準にしてＸとするとき
【００４２】
【数１】
【００４３】
で表される。但し、ｒは近軸曲率半径、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは非球面係数、Ｋは円錐定数である。
【００４４】
さらに、各数値実施例の中で記載されるレンズのアナモルフィック面形状は、物体側から像側へ向かう方向を正として、光軸からの高さＨの位置での光軸方向の変位を、面頂点を基準にしてＸとするとき
【００４５】
【数２】
【００４６】
で表される。但し、面頂点を基準にして光軸方向の変異をＸとする。Ｘ軸方向の変異をｘ、Ｙ軸方向の変異をｙ、Ｘ軸方向の近軸曲率をＣＵＸ、Ｙ軸方向の近軸曲率をＣＵＹとする。各係数は以下のとおりとする。
回転対称の４次係数：ＡＲ
回転対称の６次係数：ＢＲ
回転対称の８次係数：ＣＲ
回転対称の１０次係数：ＤＲ
回転非対称の４次係数：ＡＰ
回転非対称の６次係数：ＢＰ
回転非対称の８次係数：ＣＰ
回転非対称の１０次係数：ＤＰ
【実施例１】
【００４７】
図２、図３は、実施例１において水平方向と垂直方向の断面図を示している。
図２に示すように、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズは像面に凹となるメニスカス形状、第３レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞り、第４レンズは両凸形状を有する。第２レンズと第４レンズはそれぞれ樹脂となり片面にアナモルフィック面、片面に非球面を有する。
＜数値実施例１＞
表１から表５は実施例１の各数値を示す。
【００４８】
表１は、実施例１における全系の水平方向の焦点距離ｆh（mm）、垂直方向焦点距離fv(mm)、Ｆナンバー、水平画角Θ1（°）、垂直画角Θ2（°）、レンズ全長（ｍｍ）、バックフォーカスＢF（ｍｍ）の数値を示している。
【００４９】
【表１】
【００５０】
表２は、実施例１における広角光学系の各面番号ｉに対応した各レンズ、絞り１４０の近軸曲率半径Ｒ（ｍｍ）、間隔Ｄ（ｍｍ）、ｄ線に対する屈折率ｎ、ｄ線に対するアッベ数νを示している。
【００５１】
【表２】
【００５２】
表３は、実施例１における非球面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面の非球面係数を示す。
【００５３】
【表３】
【００５４】
表４は、実施例１におけるアナモルフィック面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面のアナモルフィック係数を示す。
【００５５】
【表４】
【００５６】
表５は条件式の各数値を示している。実施例１は各条件式の値を満たしており、光学系の小型化、薄型化を図りつつ、諸収差が良好に補正された広角光学系が得られる。
【００５７】
【表５】
【００５８】
実施例１によれば、第２レンズの水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径を（２）式の上限値に近づけるようにアナモルフィック係数を持たせたレンズとなっている。従って、水平方向と垂直方向の曲率半径は大きく異ならず、水平方向と垂直方向の焦点距離も大きく異ならない為、アナモルフィック光学系としての効果は小さいが、回転対称のレンズに近いためにレンズの製造難易度は低く、安価で設計どおりの性能を得ることができる。
【実施例２】
【００５９】
図４、図５は、実施例２において水平方向と垂直方向の断面図を示している。
図４に示すように、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズは像面に凹となるメニスカス形状、第３レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞り、第４レンズは両凸形状を有する。第２レンズと第４レンズはそれぞれ樹脂となり両面にアナモルフィック面、片面に非球面を有する。
＜数値実施例２＞
表６から表１０は実施例２の各数値を示す。
【００６０】
表６は、実施例２における全系の水平方向焦点距離ｆh（mm）、垂直方向焦点距離fv(mm)、Ｆナンバー、水平画角Θ1（°）、垂直画角Θ2（°）、レンズ全長（ｍｍ）、バックフォーカスＢF（ｍｍ）の数値を示している。
【００６１】
【表６】
【００６２】
表７は、実施例２における広角光学系の各面番号ｉに対応した各レンズ、絞り１４０の近軸曲率半径Ｒ（ｍｍ）、間隔Ｄ（ｍｍ）、ｄ線に対する屈折率ｎ、ｄ線に対するアッベ数νを示している。
【００６３】
【表７】
【００６４】
表８は、実施例２における非球面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面の非球面係数を示す。
【００６５】
【表８】
【００６６】
表９は、実施例２におけるアナモルフィック面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面のアナモルフィック係数を示す。
【００６７】
【表９】
【００６８】
表１０は条件式の各数値を示している。実施例２は各条件式の値を満たしており、光学系の小型化、薄型化を図りつつ、諸収差が良好に補正された広角光学系が得られる。
【００６９】
【表１０】
【００７０】
実施例２によれば、実施例１に対して水平方向と垂直方向の曲率半径を（２）式の値を小さくなるようにすることでアナモルフィック光学系としての効果を高めた例となっている。従って、レンズの製造難易度は高いものの、アナモルフィック光学系としての効果が大きく期待でき、十分に水平方向と垂直方向の焦点距離の比を変えることが可能となる。
【実施例３】
【００７１】
図６、図７は、実施例３において水平方向と垂直方向の断面図を示している。
図６に示すように、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズは像面に凹となるメニスカス形状、第３レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞り、第４レンズは両凸形状を有する。第２レンズと第４レンズはそれぞれ樹脂となり両面にアナモルフィック面、両面に非球面を有する。
＜数値実施例３＞
表１１から表１５は実施例３の各数値を示す。
【００７２】
表１１は、実施例３における全系の水平方向焦点距離ｆh（mm）、垂直方向焦点距離fv(mm)、Ｆナンバー、水平画角Θ1（°）、垂直画角Θ2（°）、レンズ全長（ｍｍ）、バックフォーカスＢF（ｍｍ）の数値を示している。
【００７３】
【表１１】
【００７４】
表１２は、実施例３における広角光学系の各面番号ｉに対応した各レンズ、絞り１４０の近軸曲率半径Ｒ（ｍｍ）、間隔Ｄ（ｍｍ）、ｄ線に対する屈折率ｎ、ｄ線に対するアッベ数νを示している。
【００７５】
【表１２】
【００７６】
表１３は、実施例３における非球面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面の非球面係数を示す。
【００７７】
【表１３】
【００７８】
表１４は、実施例３におけるアナモルフィック面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面のアナモルフィック係数を示す。
【００７９】
【表１４】
【００８０】
表１５は条件式の各数値を示している。実施例３は各条件式の値を満たしており、光学系の小型化、薄型化を図りつつ、諸収差が良好に補正された広角光学系が得られる。
【００８１】
【表１５】
【００８２】
実施例３によれば、アナモルフィック面が形成されるのは第２レンズのみとなっている。実施例１に比べて（２）式の値は小さく、アナモルフィック面としての効果は大きくなっているが、単体のレンズのみでアナモルフィック面を形成するには設計・製造上の制約も多い為、光学系全体としては水平方向と垂直方向の焦点距離比は実施例１に対して小さくなっている。アナモルフィック面を第２レンズのみに集約した為、第２レンズについては負荷が増して製造難易度は高くなるが、水平垂直方向の調整を行なう必要のあるレンズが一枚で済むため、組み込みの難易度は低く抑えることができる。
【実施例４】
【００８３】
図８、図９は、実施例４において水平方向と垂直方向の断面図を示している。
図８に示すように、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズは像面に凹となるメニスカス形状、第３レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞り、第４レンズは両凸形状を有する。第２レンズと第４レンズはそれぞれ樹脂となり各両面にアナモルフィック面を有する。
＜数値実施例４＞
表１６から表２０は実施例４の各数値を示す。
【００８４】
表１６は、実施例４における全系の水平方向焦点距離ｆh（mm）、垂直方向焦点距離fv(mm)、Ｆナンバー、水平画角Θ1（°）、垂直画角Θ2（°）、レンズ全長（ｍｍ）、バックフォーカスＢF（ｍｍ）の数値を示している。
【００８５】
【表１６】
【００８６】
表１７は、実施例４における広角光学系の各面番号ｉに対応した各レンズ、絞り１４０の近軸曲率半径Ｒ（ｍｍ）、間隔Ｄ（ｍｍ）、ｄ線に対する屈折率ｎ、ｄ線に対するアッベ数νを示している。
【００８７】
【表１７】
【００８８】
表１８は、実施例４における非球面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面の非球面係数を示す。但し、実施例４においては第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の各両面にアナモルフィック面が形成されており、数１で表される非球面の形成はない。
【００８９】
【表１８】
【００９０】
表１９は、実施例４におけるアナモルフィック面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面のアナモルフィック係数を示す。
【００９１】
【表１９】
【００９２】
表２０は条件式の各数値を示している。実施例４は各条件式の値を満たしており、光学系の小型化、薄型化を図りつつ、諸収差が良好に補正された広角光学系が得られる。
【００９３】
【表２０】
【００９４】
実施例４によれば、実施例１に対して、アナモルフィック面を増やした実施例となっている。具体的には、２枚の樹脂レンズの全面にアナモルフィック面を形成した例となっている。樹脂レンズである第２レンズと第４レンズにアナモルフィック光学系としての効果を分散している為、個々のレンズ製造難易度を低くできる。
【実施例５】
【００９５】
図１０、図１１は、実施例５において水平方向と垂直方向の断面図を示している。
図１０に示すように、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズは像面に凹となるメニスカス形状、第３レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞り、第４レンズは両凸形状を有する。第２レンズと第４レンズはそれぞれ樹脂となり各両面にアナモルフィック面を有する。
＜数値実施例５＞
表２１から表２５は実施例５の各数値を示す。
【００９６】
表２１は、実施例５における全系の水平方向焦点距離ｆh（mm）、垂直方向焦点距離fv(mm)、Ｆナンバー、水平画角Θ1（°）、垂直画角Θ2（°）、レンズ全長（ｍｍ）、バックフォーカスＢF（ｍｍ）の数値を示している。
【００９７】
【表２１】
【００９８】
表２２は、実施例５における広角光学系の各面番号ｉに対応した各レンズ、絞り１４０の近軸曲率半径Ｒ（ｍｍ）、間隔Ｄ（ｍｍ）、ｄ線に対する屈折率ｎ、ｄ線に対するアッベ数νを示している。
【００９９】
【表２２】
【０１００】
表２３は、実施例５における非球面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面の非球面係数を示す。但し、実施例５においては第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の各両面にアナモルフィック面が形成されており、数１で表される非球面の形成はない。
【０１０１】
【表２３】
【０１０２】
表２４は、実施例４におけるアナモルフィック面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面のアナモルフィック係数を示す。
【０１０３】
【表２４】
【０１０４】
表２５は条件式の各数値を示している。実施例５は各条件式の値を満たしており、光学系の小型化、薄型化を図りつつ、諸収差が良好に補正された広角光学系が得られる。
【０１０５】
【表２５】
【０１０６】
実施例５によれば、実施例４に対し、全アナモルフィック面について製造限界レベルまで水平方向と垂直方向の曲率の違いを大きくしている。本発明でとりうるレンズ構成で最もアナモルフィック光学系としての効果を持たせた実施例である。
【０１０７】
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、ガラスブロック１７０に赤外線除去フィルターを設ける構成にしたが、このような構成に限られず、赤外カットコートをガラスブロック１７０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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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１６０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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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に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。
【符号の説明】
【０１１２】
１００ … 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
１５０ … 第４レンズ
１６０ … ガラスブロック
１７０ … 結像面
２００ … 撮像装置
２１０ … 撮像素子
２２０ … 筐体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広角撮像光学系とそれを用いた撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
監視用カメラや車載用カメラなどに用いられる撮像光学系には、広い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。特に画角１８０度を超えるような超広角光学系となると歪曲収差が大きくなる傾向にあるので、低歪曲の設計を要求される。これらの要望に対応し得る可能性がある単焦点の広角光学系として、下記の特許文献１がある。
【０００３】
特許文献１には、水平方向には超広画角で、垂直方向には画角を抑制すると共に比較的像歪みが少ない超広角撮像光学系であるアナモルフィック光学系が提案されている。
しかしながら、監視用カメラや車載用カメラにおいては、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あることが要求されるが、特許文献１に係るアナモルフィック光学系は１０枚のレンズからなり、小型の撮像装置を実現する事は困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１６３５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、良好な結像性能を有し、且つ小型化を実現した広角の光学系を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため本発明の撮像光学系は、物体側から順に物体側に凸の負メニスカスの第１レンズと、光軸に対して直交する平面における水平方向と垂直方向とで異なる曲率からなるアナモルフィック面を物体側に有する負メニスカスの第２レンズと、物体側に凸の正の第３レンズと、開口絞りと、像側に凸の正の第４レンズと、からなり、レンズ全系の前記水平方向の焦点距離をＦｈ、レンズ全系の前記垂直方向の焦点距離をＦｖとしたときに、以下の条件式（１）を満足し、
１．１０ ＜ Ｆｖ/Ｆｈ ＜ １．３０ ・・・（１）
且つ、前記第２レンズの物体側面とは別の第２のアナモルフィック面を、前記第２レンズの物体側面のパワーと正負の符号が異なる面に備える事を特徴とする。
【０００７】
好ましくは、以下の条件式（２）を満足することを特徴とする。
【０００８】
０．４ ＜ ｒ１ｖ／ｒ１ｈ ＜ ０．８ ・・・（２）
ただし、ｒ１ｈは前記水平方向の曲率の半径、ｒ１ｖは前記垂直方向の曲率の半径。
【０００９】
好ましくは、前記第２レンズおよび第４レンズは樹脂材料からなる事を特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記第２のアナモルフィック面を前記第４レンズに形成したことを特徴とする。
【００１１】
上記目的を達成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。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、小型、軽量でありながら良好な結像性能を有する広角光学系および撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明である広角光学系のレンズ断面である。
【図２】実施形態１の広角光学系の水平方向における断面図である。
【図３】実施形態１の広角光学系の垂直方向における断面図である。
【図４】実施形態２の広角光学系の水平方向における断面図である。
【図５】実施形態２の広角光学系の垂直方向における断面図である。
【図６】実施形態３の広角光学系の水平方向における断面図である。
【図７】実施形態３の広角光学系の垂直方向における断面図である。
【図８】実施形態４の広角光学系の水平方向における断面図である。
【図９】実施形態４の広角光学系の垂直方向における断面図である。
【図１０】実施形態５の広角光学系の水平方向における断面図である。
【図１１】実施形態５の広角光学系の垂直方向における断面図である。
【図１２】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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を用いて、本発明の広角光学系及びそれを用いた撮像装置の実施形態について説明する。実施形態１から５の広角光学系を総称して本実施形態の広角光学系という。
【００１５】
図１は本発明である広角光学系の断面である。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が配置される４枚構成の単焦点の広角光学系１００である。更には、１６０は水晶ローパスフィルターや赤外線除去フィルターおよび撮像素子を保護する保護ガラス等に対応する設計上設けられたガラスブロック、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Mental-Oxide Semiconductor Device）等の撮像素子の受光面が配置される結像面１７０を有する。入射した光は物体側より、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、ガラスブロック１６０を順次通過し撮像素子の設けられた結像面１７０へと集光される。また、レンズの厚さとなるＲ１面１とＲ２面２間の距離をＤ１、第１レンズのＲ２面２と第２レンズのＲ３面３までの距離をＤ２、第２レンズの厚さとなるＲ３面３とＲ４面４間の距離をＤ３、第２レンズのＲ４面４と第３レンズのＲ５面５間の距離をＤ４、第３レンズの厚さとなるＲ５面５とＲ６面６間の距離をＤ５、第３レンズのＲ６面６と絞り部の面７までの距離をＤ６、絞り部の面７と第４レンズのＲ７面８間の距離をＤ７、第４レンズの厚さとなるＲ７面８とＲ８面９間の距離をＤ８、第４レンズのＲ９面１０と、結像面までの距離をバックフォーカスＢＦとする。
【００１６】
図２は実施形態１の広角光学系の水平方向における断面図である。
【００１７】
図３は実施形態１の広角光学系の垂直方向における断面図である。
実施形態１は全系の水平方向焦点距離０．７１９ｍｍ、実施形態１は全系の垂直方向焦点距離０．８１４ｍｍ、Ｆナンバー２．４、レンズ全長１１．８ｍｍ、バックフォーカス１．７７ｍｍの広角光学系である。
【００１８】
図４は実施形態２の広角光学系の水平方向における断面図である。
【００１９】
図５は実施形態２の広角光学系の垂直方向における断面図である。
実施形態２は全系の水平方向焦点距離０．６８３ｍｍ、実施形態２は全系の垂直方向焦点距離０．７７６ｍｍ、Ｆナンバー２．３７、レンズ全長１１．４ｍｍ、バックフォーカス１．７７ｍｍの広角光学系である。
【００２０】
図６は実施形態３の広角光学系の水平方向における断面図である。
【００２１】
図７は実施形態３の広角光学系の垂直方向における断面図である。
実施形態３は全系の水平方向焦点距離０．６７６ｍｍ、実施形態３は全系の垂直方向焦点距離０．７４８ｍｍ、Ｆナンバー２．４３、レンズ全長１１．１ｍｍ、バックフォーカス１．７７ｍｍの広角光学系である。
【００２２】
図８は実施形態４の広角光学系の水平方向における断面図である。
【００２３】
図９は実施形態４の広角光学系の垂直方向における断面図である。
実施形態４は全系の水平方向焦点距離０．６５２ｍｍ、実施形態４は全系の垂直方向焦点距離０．７８９ｍｍ、Ｆナンバー２．３、レンズ全長１１．２ｍｍ、バックフォーカス１．７７ｍｍの広角光学系である。
【００２４】
図１０は実施形態５の広角光学系の水平方向における断面図である。
【００２５】
図１１は実施形態５の広角光学系の垂直方向における断面図である。
実施形態５は全系の水平方向焦点距離０．６６７ｍｍ、実施形態４は全系の垂直方向焦点距離０．８３ｍｍ、Ｆナンバー２．２４、レンズ全長１１．２ｍｍ、バックフォーカス１．７７ｍｍの広角光学系である。
各実施形態の断面図において、左方は物体側（被写体側）で、右方が像側（結像面側）である。１００Ａ〜１００Ｅは広角光学系であり、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、負の屈折力を有する第２レンズ１２０、正の屈折力を有する第３レンズ１３０、開口絞り１４０、正の屈折力を有する第４レンズ１５０からなっている。
【００２６】
以下、本実施形態の広角光学系の構成とその作用について説明する。
【００２７】
広角光学系では、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郡を配置し、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群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。
本実施形態の広角光学系１００Ａ〜１００Ｅでは、負の屈折力を有する第１レンズと第２レンズで光を発散させ、全体として正の屈折力を有する開口絞りをはさんだ第３レンズと第４レンズで集光する。物体側に２枚の負レンズを配置することで、主点を後方に置くための十分な負の屈折力を得ながら、諸収差を良好に補正することができる。負のレンズ群を２枚としたのは、単レンズでは像面湾曲収差や非点収差の発生を抑えるために製造上困難な形状になってしまうため分割している。特に、第２レンズを非球面化することによって第１レンズで補正しきれない上記収差の補正を行う。像側の正レンズ群のうち、開口絞りの前に第３レンズ、後に第４レンズを配置することにより、倍率の色収差を補正することが可能となる。強い屈折力をもつ第４レンズを開口絞り後に配置することにより、結像面１７０への入射角度を小さくし、かつ歪曲、非点の両収差を良好に補正することが可能となる。
【００２８】
本実施形態の広角光学系は、第１レンズ１１０は物体側に凸面を向けたメニスカスレンズであり、第２レンズ１２０は像側に凹面を向け、第３レンズ１３０は物体側に凸面を向け、第４レンズ１５０は像側に凸面を向けている。第１レンズが物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有することで、第1レンズの面１に対する軸外光線の入射角度を小さく保つことが可能となり、収差の発生を抑えることが出来る。また、第２レンズが像側に凹面を向けた形状、第３レンズが物体側に凸面を向けた形状を有することで、諸収差を良好に補正することが出来る。そして、前記第４レンズは像側に凸面を向け、像側に非球面を有することで、像面への入射角度を小さくすることが出来る。第２レンズ１２０と第４レンズ１５０が樹脂材料で形成されることにより、軽量化や低コスト化が実現でき、第３レンズ１３０を硝子材料で形成することにより幅広い分散値の材料を選択でき、結果として倍率の色収差を良好に補正することが可能となる。
【００２９】
超広角光学系において、画角を確保しながら収差補正を十分に行うには、レンズ４枚構成が妥当となる。光学性能を優先すると、４枚ともガラス材料で構成するのが望ましいが、コストを考えると樹脂材料を多用する方にメリットがある。実用的には、車載カメラや監視カメラに利用される場合、使用環境が屋外になることが多く厳しい耐環境性能を要求されるため、物体側からみて第１レンズはガラスである事が好ましい。風雨にさらされる事はもちろん紫外線にも留意しなければならないことから、第１レンズは樹脂にすることは困難となる。残りの第２、第３、第４のレンズを全て樹脂にすると、樹脂レンズのパワーの合算が強い正となる。樹脂レンズは、温度によって屈折率の変動がガラスに比べて１０倍程度大きい。その為、第２、第３、第４のレンズを樹脂にすると温度変動によって屈折率が変わりレンズのバックフォーカスがシフトする。本願のようにパワーバランスが正・正・負・負の４枚構成の超広角光学系において３枚を樹脂にするとパワーバランスが悪くなってしまう。そこで第３もしくは第４のレンズをガラスとする事で温度変動を緩和する方向に相殺ことが可能となる。第３のレンズは、倍率に色収差を補正するレンズで高屈折高分散であることが好ましい。よって第１、第３のレンズをガラス、第２、第４のレンズを樹脂とする事が好ましい。
【００３０】
第２レンズと第４レンズの各レンズはそれぞれ少なくとも１面の非球面形状が形成される。非球面形状を持つことにより、収差補正が容易となり、小型でありながら良好な解像性能を得ることが可能となる。非球面形状を有するレンズの形成には樹脂材料が適しているが、樹脂材料は一般的に温度変化による面形状変化や屈折率がガラスと比べて大きく、環境温度が変化した場合における性能変化が大きくなる。そこで負の第２レンズと正の第４レンズを樹脂化することでバランスをとり、環境変化によるピントシフトを相殺して緩和している。
【００３１】
アナモルフィック面についても同様である。アナモルフィック面は、結像面における水平方向と垂直方向の焦点距離を変える事ができる。よって、アナモルフィック面は回転非対称であるため、製造難易度が高く、コストが従来のレンズに比べて高くなる。そのため低コストでアナモルフィック光学系を実現するには、アナモルフィック面を成型の自由度が高い樹脂レンズにアナモルフィック面を設けるほうが適している。
【００３２】
アナモルフィック面を１面のみに形成し機能を満足することは可能だが、複数面に分散するほうが、製造難易度を低く抑えられるためより好ましい。アナモルフィック面の水平方向と垂直方向の焦点距離の違いが大きいほど、アナモルフィック光学系の効果は期待できるが、回転非対称の度合いも大きくなるため、製造難易度は増すことになる。そこで、アナモルフィック面を複数に分散するほうが、各アナモルフィック面の水平方向と垂直方向の焦点距離の違いも小さく抑えることができ、回転対象に近い形状となるため、製造難易度を抑えることができる。
【００３３】
またその場合、第２レンズの物体面の曲率とは符号が異なる面に第２のアナモルフィック面を付加することで、温度環境が変動しても水平画角と垂直画角の比率を一定に保つ事ができる。つまり、パワーが正の面と負の面にそれぞれ１面ずつ設ける事により、温度変化による水平方向の焦点距離と垂直方向の焦点距離の変動を相殺する事が可能となる。このためにも、第２と第４のレンズに樹脂材料を用いて、それぞれ第１と第２のアナモルフィック面を形成することが望ましい。
【００３４】
以上のように、本実施形態の広角光学系では、各レンズにそれぞれ適切な屈折力配置と非球面およびアナモルフィック面を配置することにより、良好な光学性能を保ちつつ、全系のコンパクト化を実現している。さらに、良好な光学性能を得て、レンズ全系の小型化を図るための条件を以下に説明する。
以下は、歪曲収差を緩和するために好ましい、結像平面における水平方向と垂直方向の焦点距離の比を示すものである。ただし、Ｆｈはレンズ全系の水平方向のｄ線における焦点距離、Ｆｖはレンズ全系の垂直方向のｄ線における焦点距離とする。
【００３５】
１．１０ ＜ Ｆｖ/Ｆｈ ＜ １．３０ ・・・（１）
例えば、結像面の水平方向は超広角となる１８０度以上の画角であっても、垂直方向は水平方向と比べて画角を狭くする事で、人が見たときの歪曲収差を緩和している。上記関係式（１）の値が１．１以下になると回転対称レンズとほぼ等しくなるため、アナモルフィック光学系にする効果が低い。歪曲収差もわずかにしか補正されない。つまり射影特性が変わらない為、見た目にも変化に乏しい。回転非対称のレンズを成型するのは、困難でコストも要するため、上記関係式（１）の値が１．１以下になるような場合には、アナモルフィック光学系を用いないほうが好ましい。逆に上記の値が１．３以上になると歪曲補正の点からは有利だが、アナモルフィック面に負荷が大きくなり環境変化に耐える事も困難となる。換言すれば、第２レンズのＹＺ断面とＸＺ断面で面の形状が大きく異なる。ここでＺは光軸方向の軸、Ｘ・Ｙは前記Ｚ軸に垂直で互いに直交する軸である。
【００３６】
アナモルフィック光学系によって得られる画像には一般的に、レンズフレアの水平方向への歪み、絞り開放時のボケの楕円形化、フォーカスによるボケ形状の変化、レンズディストーションの水平垂直比の不均一、といったような影響が発生する。
【００３７】
以下は、上記の影響を抑えつつ良好な画質の画像を得るために好ましい、結像平面における水平方向と垂直方向の曲率半径の比を示すものである。ただし、ｒ１ｈは第２レンズの物体側における水平方向の曲率半径、ｒ１ｖは第２レンズの物体側における垂直方向の曲率半径とする。
【００３８】
０．４ ＜ ｒ１ｖ／ｒ１ｈ ＜ ０．８ ・・・（２）
第２レンズの物体側面は、収差が小さい状態を維持しながらアナモルフィック面によって水平方向と垂直方向の焦点距離を変える事が可能である。上記関係式（２）の値が１に近いほど、レンズは光軸について回転対象に近い形状となり、水平と垂直の焦点距離も違いがなくなり、前述の影響も小さくなくなる。上記関係式（２）の値が小さくなると、水平と垂直の焦点距離を大きく変えることができる反面、０に近くなるほど前述の影響を大きく受けることになる。また、レンズが回転非対称な形状になるほど、成型の樹脂充填時に均一性が保ちにくくなってレンズ内の偏肉が発生して、レンズ内複屈折を発生させ、内部の屈折率が不均一となるので光学性能を劣化させる事となる。
【００３９】
上記関係式（２）の上限値を超えると、アナモルフィック光学系としての効果が小さく、レンズで水平垂直の焦点距離を変えなくても画像処理で十分実現可能なレベルとなり、逆に下限値を超えると、アナモルフィック面への負荷が大きくなってレンズの公差が厳しくなり、製造難易度を上げることとなる。
【００４０】
以下に、実施形態１から５それぞれの具体的な数値データを示す。各数値実施例において、図１に示すように物体側から順に面番号ｉを付与し、Ｒｉは第ｉ面の近軸曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間隔、ｎｉ、νｉはそれぞれｄ線に対する屈折率、アッベ数を示す。
【００４１】
また、各数値実施例の中で記載されるレンズの非球面形状は、物体側から像側へ向かう方向を正として、光軸からの高さＨの位置での光軸方向の変位を、面頂点を基準にしてＸとするとき
【００４２】
【数１】
【００４３】
で表される。但し、ｒは近軸曲率半径、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは非球面係数、Ｋは円錐定数である。
【００４４】
さらに、各数値実施例の中で記載されるレンズのアナモルフィック面形状は、物体側から像側へ向かう方向を正として、光軸からの高さＨの位置での光軸方向の変位を、面頂点を基準にしてＸとするとき
【００４５】
【数２】
【００４６】
で表される。但し、面頂点を基準にして光軸方向の変異をＸとする。Ｘ軸方向の変異をｘ、Ｙ軸方向の変異をｙ、Ｘ軸方向の近軸曲率をＣＵＸ、Ｙ軸方向の近軸曲率をＣＵＹとする。各係数は以下のとおりとする。
回転対称の４次係数：ＡＲ
回転対称の６次係数：ＢＲ
回転対称の８次係数：ＣＲ
回転対称の１０次係数：ＤＲ
回転非対称の４次係数：ＡＰ
回転非対称の６次係数：ＢＰ
回転非対称の８次係数：ＣＰ
回転非対称の１０次係数：ＤＰ
【実施例１】
【００４７】
図２、図３は、実施例１において水平方向と垂直方向の断面図を示している。
図２に示すように、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズは像面に凹となるメニスカス形状、第３レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞り、第４レンズは両凸形状を有する。第２レンズと第４レンズはそれぞれ樹脂となり片面にアナモルフィック面、片面に非球面を有する。
＜数値実施例１＞
表１から表５は実施例１の各数値を示す。
【００４８】
表１は、実施例１における全系の水平方向の焦点距離ｆh（mm）、垂直方向焦点距離fv(mm)、Ｆナンバー、水平画角Θ1（°）、垂直画角Θ2（°）、レンズ全長（ｍｍ）、バックフォーカスＢF（ｍｍ）の数値を示している。
【００４９】
【表１】
【００５０】
表２は、実施例１における広角光学系の各面番号ｉに対応した各レンズ、絞り１４０の近軸曲率半径Ｒ（ｍｍ）、間隔Ｄ（ｍｍ）、ｄ線に対する屈折率ｎ、ｄ線に対するアッベ数νを示している。
【００５１】
【表２】
【００５２】
表３は、実施例１における非球面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面の非球面係数を示す。
【００５３】
【表３】
【００５４】
表４は、実施例１におけるアナモルフィック面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面のアナモルフィック係数を示す。
【００５５】
【表４】
【００５６】
表５は条件式の各数値を示している。実施例１は各条件式の値を満たしており、光学系の小型化、薄型化を図りつつ、諸収差が良好に補正された広角光学系が得られる。
【００５７】
【表５】
【００５８】
実施例１によれば、第２レンズの水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径を（２）式の上限値に近づけるようにアナモルフィック係数を持たせたレンズとなっている。従って、水平方向と垂直方向の曲率半径は大きく異ならず、水平方向と垂直方向の焦点距離も大きく異ならない為、アナモルフィック光学系としての効果は小さいが、回転対称のレンズに近いためにレンズの製造難易度は低く、安価で設計どおりの性能を得ることができる。
【実施例２】
【００５９】
図４、図５は、実施例２において水平方向と垂直方向の断面図を示している。
図４に示すように、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズは像面に凹となるメニスカス形状、第３レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞り、第４レンズは両凸形状を有する。第２レンズと第４レンズはそれぞれ樹脂となり両面にアナモルフィック面、片面に非球面を有する。
＜数値実施例２＞
表６から表１０は実施例２の各数値を示す。
【００６０】
表６は、実施例２における全系の水平方向焦点距離ｆh（mm）、垂直方向焦点距離fv(mm)、Ｆナンバー、水平画角Θ1（°）、垂直画角Θ2（°）、レンズ全長（ｍｍ）、バックフォーカスＢF（ｍｍ）の数値を示している。
【００６１】
【表６】
【００６２】
表７は、実施例２における広角光学系の各面番号ｉに対応した各レンズ、絞り１４０の近軸曲率半径Ｒ（ｍｍ）、間隔Ｄ（ｍｍ）、ｄ線に対する屈折率ｎ、ｄ線に対するアッベ数νを示している。
【００６３】
【表７】
【００６４】
表８は、実施例２における非球面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面の非球面係数を示す。
【００６５】
【表８】
【００６６】
表９は、実施例２におけるアナモルフィック面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面のアナモルフィック係数を示す。
【００６７】
【表９】
【００６８】
表１０は条件式の各数値を示している。実施例２は各条件式の値を満たしており、光学系の小型化、薄型化を図りつつ、諸収差が良好に補正された広角光学系が得られる。
【００６９】
【表１０】
【００７０】
実施例２によれば、実施例１に対して水平方向と垂直方向の曲率半径を（２）式の値を小さくなるようにすることでアナモルフィック光学系としての効果を高めた例となっている。従って、レンズの製造難易度は高いものの、アナモルフィック光学系としての効果が大きく期待でき、十分に水平方向と垂直方向の焦点距離の比を変えることが可能となる。
【実施例３】
【００７１】
図６、図７は、実施例３において水平方向と垂直方向の断面図を示している。
図６に示すように、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズは像面に凹となるメニスカス形状、第３レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞り、第４レンズは両凸形状を有する。第２レンズと第４レンズはそれぞれ樹脂となり両面にアナモルフィック面、両面に非球面を有する。
＜数値実施例３＞
表１１から表１５は実施例３の各数値を示す。
【００７２】
表１１は、実施例３における全系の水平方向焦点距離ｆh（mm）、垂直方向焦点距離fv(mm)、Ｆナンバー、水平画角Θ1（°）、垂直画角Θ2（°）、レンズ全長（ｍｍ）、バックフォーカスＢF（ｍｍ）の数値を示している。
【００７３】
【表１１】
【００７４】
表１２は、実施例３における広角光学系の各面番号ｉに対応した各レンズ、絞り１４０の近軸曲率半径Ｒ（ｍｍ）、間隔Ｄ（ｍｍ）、ｄ線に対する屈折率ｎ、ｄ線に対するアッベ数νを示している。
【００７５】
【表１２】
【００７６】
表１３は、実施例３における非球面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面の非球面係数を示す。
【００７７】
【表１３】
【００７８】
表１４は、実施例３におけるアナモルフィック面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面のアナモルフィック係数を示す。
【００７９】
【表１４】
【００８０】
表１５は条件式の各数値を示している。実施例３は各条件式の値を満たしており、光学系の小型化、薄型化を図りつつ、諸収差が良好に補正された広角光学系が得られる。
【００８１】
【表１５】
【００８２】
実施例３によれば、アナモルフィック面が形成されるのは第２レンズのみとなっている。実施例１に比べて（２）式の値は小さく、アナモルフィック面としての効果は大きくなっているが、単体のレンズのみでアナモルフィック面を形成するには設計・製造上の制約も多い為、光学系全体としては水平方向と垂直方向の焦点距離比は実施例１に対して小さくなっている。アナモルフィック面を第２レンズのみに集約した為、第２レンズについては負荷が増して製造難易度は高くなるが、水平垂直方向の調整を行なう必要のあるレンズが一枚で済むため、組み込みの難易度は低く抑えることができる。
【実施例４】
【００８３】
図８、図９は、実施例４において水平方向と垂直方向の断面図を示している。
図８に示すように、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズは像面に凹となるメニスカス形状、第３レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞り、第４レンズは両凸形状を有する。第２レンズと第４レンズはそれぞれ樹脂となり各両面にアナモルフィック面を有する。
＜数値実施例４＞
表１６から表２０は実施例４の各数値を示す。
【００８４】
表１６は、実施例４における全系の水平方向焦点距離ｆh（mm）、垂直方向焦点距離fv(mm)、Ｆナンバー、水平画角Θ1（°）、垂直画角Θ2（°）、レンズ全長（ｍｍ）、バックフォーカスＢF（ｍｍ）の数値を示している。
【００８５】
【表１６】
【００８６】
表１７は、実施例４における広角光学系の各面番号ｉに対応した各レンズ、絞り１４０の近軸曲率半径Ｒ（ｍｍ）、間隔Ｄ（ｍｍ）、ｄ線に対する屈折率ｎ、ｄ線に対するアッベ数νを示している。
【００８７】
【表１７】
【００８８】
表１８は、実施例４における非球面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面の非球面係数を示す。但し、実施例４においては第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の各両面にアナモルフィック面が形成されており、数１で表される非球面の形成はない。
【００８９】
【表１８】
【００９０】
表１９は、実施例４におけるアナモルフィック面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面のアナモルフィック係数を示す。
【００９１】
【表１９】
【００９２】
表２０は条件式の各数値を示している。実施例４は各条件式の値を満たしており、光学系の小型化、薄型化を図りつつ、諸収差が良好に補正された広角光学系が得られる。
【００９３】
【表２０】
【００９４】
実施例４によれば、実施例１に対して、アナモルフィック面を増やした実施例となっている。具体的には、２枚の樹脂レンズの全面にアナモルフィック面を形成した例となっている。樹脂レンズである第２レンズと第４レンズにアナモルフィック光学系としての効果を分散している為、個々のレンズ製造難易度を低くできる。
【実施例５】
【００９５】
図１０、図１１は、実施例５において水平方向と垂直方向の断面図を示している。
図１０に示すように、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズは像面に凹となるメニスカス形状、第３レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、開口絞り、第４レンズは両凸形状を有する。第２レンズと第４レンズはそれぞれ樹脂となり各両面にアナモルフィック面を有する。
＜数値実施例５＞
表２１から表２５は実施例５の各数値を示す。
【００９６】
表２１は、実施例５における全系の水平方向焦点距離ｆh（mm）、垂直方向焦点距離fv(mm)、Ｆナンバー、水平画角Θ1（°）、垂直画角Θ2（°）、レンズ全長（ｍｍ）、バックフォーカスＢF（ｍｍ）の数値を示している。
【００９７】
【表２１】
【００９８】
表２２は、実施例５における広角光学系の各面番号ｉに対応した各レンズ、絞り１４０の近軸曲率半径Ｒ（ｍｍ）、間隔Ｄ（ｍｍ）、ｄ線に対する屈折率ｎ、ｄ線に対するアッベ数νを示している。
【００９９】
【表２２】
【０１００】
表２３は、実施例５における非球面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面の非球面係数を示す。但し、実施例５においては第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の各両面にアナモルフィック面が形成されており、数１で表される非球面の形成はない。
【０１０１】
【表２３】
【０１０２】
表２４は、実施例４におけるアナモルフィック面を含む第２レンズ１２０および第４レンズ１５０の所定面のアナモルフィック係数を示す。
【０１０３】
【表２４】
【０１０４】
表２５は条件式の各数値を示している。実施例５は各条件式の値を満たしており、光学系の小型化、薄型化を図りつつ、諸収差が良好に補正された広角光学系が得られる。
【０１０５】
【表２５】
【０１０６】
実施例５によれば、実施例４に対し、全アナモルフィック面について製造限界レベルまで水平方向と垂直方向の曲率の違いを大きくしている。本発明でとりうるレンズ構成で最もアナモルフィック光学系としての効果を持たせた実施例である。
【０１０７】
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、ガラスブロック１７０に赤外線除去フィルターを設ける構成にしたが、このような構成に限られず、赤外カットコートをガラスブロック１７０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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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１６０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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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に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。
【符号の説明】
【０１１２】
１００ … 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
１５０ … 第４レンズ
１６０ … ガラスブロック
１７０ … 結像面
２００ … 撮像装置
２１０ … 撮像素子
２２０ … 筐体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体側から順に物体側に凸の負メニスカスの第１レンズと、光軸に対して直交する平面における水平方向と垂直方向とで異なる曲率からなるアナモルフィック面を物体側に有する負メニスカスの第２レンズと、物体側に凸の正の第３レンズと、開口絞りと、像側に凸の正の第４レンズと、からなり、レンズ全系の前記水平方向の焦点距離をＦｈ、レンズ全系の前記垂直方向の焦点距離をＦｖとしたときに、以下の条件を満足し、
１．１０ ＜ Ｆｖ/Ｆｈ ＜ １．３０ ・・・（１）
且つ、前記第２レンズの物体側面とは別の第２のアナモルフィック面を、前記第２レンズの物体側面のパワーと正負の符号が異なる面に備える事を特徴とする撮像光学系。
【請求項２】
前記撮像光学系において、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像光学系
０．４ ＜ ｒ１ｖ／ｒ１ｈ ＜ ０．８ ・・・（２）
ただし、ｒ１ｈは前記水平方向の曲率の半径、ｒ１ｖは前記垂直方向の曲率の半径。
【請求項３】
前記第２レンズおよび第４レンズは樹脂材料からなる請求項１もしくは２に記載の撮像光学系。
【請求項４】
前記第２のアナモルフィック面を前記第４レンズに形成したことを特徴とする請求項３に記載の撮像光学系。
【請求項５】
前記第１から４請求項のいずれかに記載の撮像光学系と、当該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撮像装置。
【請求項１】
物体側から順に物体側に凸の負メニスカスの第１レンズと、光軸に対して直交する平面における水平方向と垂直方向とで異なる曲率からなるアナモルフィック面を物体側に有する負メニスカスの第２レンズと、物体側に凸の正の第３レンズと、開口絞りと、像側に凸の正の第４レンズと、からなり、レンズ全系の前記水平方向の焦点距離をＦｈ、レンズ全系の前記垂直方向の焦点距離をＦｖとしたときに、以下の条件を満足し、
１．１０ ＜ Ｆｖ/Ｆｈ ＜ １．３０ ・・・（１）
且つ、前記第２レンズの物体側面とは別の第２のアナモルフィック面を、前記第２レンズの物体側面のパワーと正負の符号が異なる面に備える事を特徴とする撮像光学系。
【請求項２】
前記撮像光学系において、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像光学系
０．４ ＜ ｒ１ｖ／ｒ１ｈ ＜ ０．８ ・・・（２）
ただし、ｒ１ｈは前記水平方向の曲率の半径、ｒ１ｖは前記垂直方向の曲率の半径。
【請求項３】
前記第２レンズおよび第４レンズは樹脂材料からなる請求項１もしくは２に記載の撮像光学系。
【請求項４】
前記第２のアナモルフィック面を前記第４レンズに形成したことを特徴とする請求項３に記載の撮像光学系。
【請求項５】
前記第１から４請求項のいずれかに記載の撮像光学系と、当該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撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−１０９２６８（Ｐ２０１３−１０９２６８Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５５９８６（Ｐ２０１１−２５５９８６）
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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