JP4064596B2 - バリフォーカルレンズ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、監視カメラなどに使用するバリフォーカルレンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
監視カメラで使用するレンズには、画角及び焦点距離が一定の固定焦点レンズと、画角及び焦点距離を随時可変できるズームレンズと、画角及び焦点距離を設置時に調整できるバリフォーカルレンズの３種類がある。ズームレンズを取り付けた監視カメラは、監視中に画角及び焦点距離をリモートコントロールで可変することができるが、しかし、この装置は高価である。バリフォーカルレンズは、監視場所に設置した監視カメラに取り付け、その監視場所に合わせて画角及び焦点距離を調整する。一旦調整した画角及び焦点距離は遠隔操作で変えることはできない。そのため、画角及び焦点距離の再調整が必要な場合には、監視カメラの設置場所に赴き、手動で操作する。このバリフォーカルレンズは、ズームレンズに比べて極めて安価である。
【０００３】
固定焦点レンズは、バリフォーカルレンズよりもさらに安価であるが、監視カメラを設置する場合に、焦点距離の異なる複数の固定焦点レンズを用意し、設置場所に合わせて、その中から使用するレンズを選択する必要があり、設置時の負担が大きい。これに対して、バリフォーカルレンズは、監視カメラ設置時に１本のレンズを用意すれば済むため、多くの監視カメラに用いられている。
【０００４】
図７及び図８は、従来のバリフォーカルレンズを示している。監視カメラにはＣＣＤ15に入射する赤外線等をカットするため、フィルタ14が装着されるが、バリフォーカルレンズは、このフィルタ14の前に配置される。このレンズは、絞り13を挟む前群のレンズ群11と、後群のレンズ群12とで構成され、前群11及び後群12は、それぞれ独立して光軸方向に移動することができる。図７は、最も画角を狭くした望遠端でのレンズ位置を示し、図８は、最も画角を広くした広角端でのレンズ位置を示している。バリフォーカルレンズは、この望遠端と広角端との間で、前群11及び後群12の位置を調整することが可能である。
【０００５】
レンズには各種の収差が発生する。入射光の絞りの通過位置と絞りの中心との距離に応じて像点位置が光軸上でずれる球面収差や、色による屈折率の違いによって焦点位置がずれる色収差、あるいは、光線が鮮鋭に結像されても像の形が歪む歪曲収差などがある。球面収差や色収差は解像度を低下させる。また、歪曲収差に起因して、図１３に示すように、方形の被写体（実線）の像が樽型（点線）に歪曲する。
【０００６】
従来のバリフォーカルレンズでは、こうした収差をレンズ形状や屈折率が異なるレンズを組み合わせて防いでいる。球面収差は、レンズを非球面化することにより補正することができ、色収差は、屈折率の異なるレンズを組み合わせることによって補正することができる。また、歪曲収差は、曲率が大きいレンズを一枚使う代わりに、曲率が大きくないレンズを複数枚使うことにより、補正することができる。また、歪曲収差は、後群12よりも前群11のレンズに強く依存し、解像度は、前群11よりも後群12のレンズに強く依存する。
【０００７】
こうした観点から、従来のバリフォーカルレンズでは、前群11を、メニスカス凹レンズ11ａ、凸レンズ11ｂ、メニスカス凹レンズ11ｃ、両凹レンズ11ｄ及び凸レンズ11ｅで構成し、また、後群12を、凸レンズ12ａ、凸レンズ12ｂ、両凹レンズ12ｃ、凸レンズ12ｄ及び凸レンズ12ｅで構成している。また、これらのレンズはすべてガラスで成形している。
【０００８】
この内、前群11のメニスカス凹レンズ11ａ、凸レンズ11ｂ及びメニスカス凹レンズ11ｃは、この３枚で非球面レンズを構成し、前群11の球面収差を補正している。また、３枚のレンズを組み合わせることにより、歪曲収差を補正している。また、前群11の両凹レンズ11ｄ及び凸レンズ11ｅは、前群11の色収差を補正している。また、後群12の凸レンズ12ａ及び凸レンズ12ｂは、後群12の球面収差を補正し、後群12の両凹レンズ12ｃ、凸レンズ12ｄ及び凸レンズ12ｅは後群12の色収差を補正している。また、この後群12の球面収差補正レンズと色収差補正レンズとを、それぞれ複数の枚数のレンズで構成して歪曲収差を小さくしている。
【０００９】
図９は、従来のバリフォーカルレンズの望遠端位置における球面収差、非点収差及び歪曲収差を示し、図１０は、望遠端位置におけるタンジェンシャル及びサジタル方向の横収差を示している。また、図１１は、従来のバリフォーカルレンズの広角端位置における球面収差、非点収差及び歪曲収差を示し、図１２は、広角端位置におけるタンジェンシャル及びサジタル方向の横収差を示している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のバリフォーカルレンズは、多数の枚数のガラスレンズが使用されているため、レンズの製作や組み立てが複雑であり、完成までに多くの手間と時間とを必要とし、その結果、コストが高くなると云う問題点を有している。
【００１１】
このレンズの枚数は、歪曲収差の補正を図るためには多くせざるを得ない。しかし、発明者等の知見によれば、バリフォーカルレンズを監視カメラに使用する場合には、歪曲収差の補正は必要で無く、かえって、この補正が弊害をもたらす場合すらある。
【００１２】
この点を図１４により説明する。図１４（ｂ）は、レンズ30と平板状の被写体40との相対位置が変化した場合に、レンズ30から見た被写体40の画角が変化する様子を示している。レンズ30の正面に被写体40ｂが在るときの画角θに比べて、正面からずれた位置の被写体（40ａ、40ｃ）の画角φは小さくなる（θ＞φ）。一方、歪曲収差の補正は、図１３の点線の像が実線のように補正される。そのため、図１４（ｂ）の被写体（40ａ、40ｃ）の画角φは、歪曲収差の補正により、点線で示すように広がり、カメラ正面の被写体40ｂの画角θに近づき、画面周辺での像の歪みが減少する。
【００１３】
しかし、監視カメラは、多くの場合、人を監視対象としているが、人間の頭は球の形状に近い。図１４（ａ）に示すように、被写体50が球形状に近い場合は、レンズ30と被写体50との相対位置が変化しても、レンズ30から見た被写体（50ａ、50ｂ、50ｃ）の画角は変化しない。従って、画面周辺での像の歪みは現れない。この場合、歪曲収差を補正すると、正面からずれた位置の球形状の被写体（50ａ、50ｃ）の像が楕円に映り、カメラ正面の被写体50ｂの像とは違ったものとなる。従って、人を監視する場合には、歪曲収差の補正は必要が無い。
【００１４】
本発明は、こうした観察を基に従来の問題点を解決したものであり、少ない枚数のレンズを用いて、低コストで構成することができるバリフォーカルレンズを提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明では、バリフォーカルレンズの前群を、全体として負の焦点距離を持つように、メニスカス凹の非球面レンズと、貼り合わせた両凹の球面レンズと両凸の球面レンズの３枚で構成し、後群を、全体として正の焦点距離を持つように、メニスカス凸の非球面レンズと、貼り合わせた両凹の球面レンズと両凸の球面レンズの３枚で構成し、球面レンズは、いずれもレンズ有効半径（ｒ）とレンズ球面半径（Ｒ）との比（ｒ／Ｒ）が０．５５以下で、且つ、ｄ線の屈折率（ｎd）が１．８０以上であり、貼り合わせた両凹の球面レンズ及び両凸の球面レンズの一方のアッベ数（νd）が２４以下で、他方のνdが４６以上であるように設定している。
【００１６】
このバリフォーカルレンズは、少ないレンズ枚数で構成することができ、レンズの製作や組み立てに要する作業量や作業時間の削減を図ることができ、製作コストの引き下げが可能である。また、光学特性は、広角端の歪曲収差を除けば、従来のものと遜色がない。また、広角端の歪曲収差は、それが存在しても、球形に近い人の顔を監視する場合には、実用上全く問題がない。寧ろ、歪曲収差を補正する場合より、良質の画像を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態におけるバリフォーカルレンズは、図１及び図２に示すように、絞り３を挟む前群１と後群２とのレンズから成り、前群１は、プラスチックで成形したメニスカス凹レンズの非球面レンズ１ａと、両凹のガラス球面レンズ１ｂと、両凸のガラス球面レンズ１ｃとの３枚で構成され、両凹ガラス球面レンズ１ｂ及び両凸ガラス球面レンズ１ｃは貼り合わせてある。前群１は全体として負の焦点距離を有している。後群２は、プラスチックで成形したメニスカス凸レンズの非球面レンズ２ａと、両凹のガラス球面レンズ２ｂと、両凸のガラス球面レンズ２ｃとの３枚で構成され、両凹ガラス球面レンズ２ｂ及び両凸ガラス球面レンズ２ｃは貼り合わせてある。後群２は全体として正の焦点距離を有している。図１は、最も画角を狭くした望遠端でのレンズ位置を示し、図２は、最も画角を広くした広角端でのレンズ位置を示している。このバリフォーカルレンズは、この望遠端と広角端との間で、前群１及び後群２の位置を調整することができる。なお、図１及び図２において、５はＣＣＤ、６はフィルタを示している。
【００１８】
前群１の非球面レンズ１ａは、従来のバリフォーカルレンズ（図７）の11ａ、11ｂ及び11ｃに代わるものであり、前群１の球面収差を補正している。この非球面レンズ１ａは、従来に比べて、枚数が１枚で済み、また、プラスチックで成形しているため、製造が容易である。但し、１枚のレンズしか用いていないため、歪曲収差の補正機能は無い。
【００１９】
また、前群１の貼り合わせレンズの内、両凹ガラス球面レンズ１ｂは従来のバリフォーカルレンズ（図７）の11ｄに、また、両凸ガラス球面レンズ１ｃは従来のバリフォーカルレンズ（図７）の11ｅに代わるものであり、この貼り合わせレンズは、前群１の色収差を補正している。両凹ガラス球面レンズ１ｂの素材には、ｎd（ｄ線の屈折率）が１．８０以上、νd（アッベ数）が４６以上の高屈折率ガラスを用い、両凸ガラス球面レンズ１ｃの素材には、ｎdが１．８０以上、νdが２４以下の高屈折率ガラスを用いている。
【００２０】
後群２の非球面レンズ２ａは、従来のバリフォーカルレンズ（図７）の12ａ及び12ｂに代わるものであり、後群２の球面収差を補正している。この非球面レンズ２ａは、従来に比べて、枚数が１枚で済み、また、プラスチックで成形しているため、製造が容易である。但し、１枚のレンズしか用いていないため、歪曲収差の補正機能は無い。
【００２１】
また、後群２の貼り合わせレンズの内、両凹ガラス球面レンズ２ｂは従来のバリフォーカルレンズ（図７）の12ｃに、また、両凸ガラス球面レンズ２ｃは従来のバリフォーカルレンズ（図７）の12ｄ及び12ｅに代わるものであり、この貼り合わせレンズは、後群２の色収差を補正している。両凹ガラス球面レンズ２ｂの素材には、ｎdが１．８０以上、νdが２４以下の高屈折率ガラスを用い、両凸ガラス球面レンズ２ｃの素材には、ｎdが１．８０以上、νdが４６以上の高屈折率ガラスを用いている。この貼り合わせレンズは、高屈折率ガラスを用いているため、従来に比べて枚数を削減することができる。
【００２２】
また、４枚のガラス球面レンズ１ｂ、１ｃ、２ｂ、２ｃは、レンズの加工性を悪化させないため、いずれも、ｒ（レンズの有効半径）／Ｒ（レンズの球面半径）を０．５５以下に設定している。
【００２３】
以下に、実施形態のバリフォーカルレンズの具体的な設計数値を示す。
ｆ＝7.8、 Ｆナンバー＝1.78、 像高＝3.0、 物体距離＝∞
ｒ1＝30.0（非球面） ｄ1＝1.44 ｎ1＝1.526 ν1＝52.08
Ａ＝0.657×10-6、Ｂ＝-0.257×10-7、Ｃ＝0、Ｄ＝0
ｒ2＝8.73 ｄ2＝7.00
ｒ3＝-13.26 ｄ3＝1.50 ｎ2＝1.804 ν2＝46.50
ｒ4＝15.89 ｄ4＝7.00 ｎ3＝1.847 ν3＝23.78
ｒ5＝-81.37 ｄ5＝1.58
ｒ6＝∞（絞り） ｄ6＝1.18
ｒ7＝8.78（非球面） ｄ7＝4.13 ｎ4＝1.526 ν4＝52.08
Ａ＝0.119×10-3、Ｂ＝0.745×10-6、Ｃ＝0、Ｄ＝0
ｒ8＝158.96（非球面）ｄ8＝1.00
Ａ＝0.777×10-3、Ｂ＝0.748×10-5、Ｃ＝0、Ｄ＝0
ｒ9＝-92.44 ｄ9＝1.05 ｎ5＝1.847 ν5＝23.78
ｒ10＝9.94 ｄ10＝4.99 ｎ6＝1.804 ν6＝46.50
ｒ11＝-12.03 ｄ11＝7.46
ｒ12＝∞ ｄ12＝2.86 ｎ7＝1.516 ν7＝64.1
ｒ13＝∞
但し、ｒ1、ｒ2‥は各レンズ面の曲率半径（図１）、
ｄ1、ｄ2‥は各レンズの肉厚及びレンズ間隔（図１）、
ｎ1、ｎ2‥は各レンズの屈折率、
ν1、ν2‥は各レンズのアッベ数である。なお、各レンズに対応する屈折率及びアッベ数は次の通りである。
レンズ１ａ‥ｎ1，ν1
レンズ１ｂ‥ｎ2，ν2
レンズ１ｃ‥ｎ3，ν3
レンズ１ｄ‥ｎ4，ν4
レンズ１ｅ‥ｎ5，ν5
レンズ１ｆ‥ｎ6，ν6
また、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、次の非球面定義式の定数である。
【００２４】
Ｚ＝［ｃｈ2／｛１＋√（１−ｃ2ｈ2）｝］＋Ａｈ4＋Ｂｈ6＋Ｃｈ8＋Ｄｈ10
ｃ＝１／ｒ
【００２５】
図３は、本発明のバリフォーカルレンズの望遠端位置における球面収差、非点収差及び歪曲収差を示し、図４は、望遠端位置におけるタンジェンシャル及びサジタル方向の横収差を示している。また、図５は、本発明のバリフォーカルレンズの広角端位置における球面収差、非点収差及び歪曲収差を示し、図６は、広角端位置におけるタンジェンシャル及びサジタル方向の横収差を示している。
【００２６】
この特性図から明らかなように、本発明のバリフォーカルレンズは、従来のバリフォーカルレンズの特性と比べて、広角端での歪曲収差は大きいが、球面収差や非点収差、色収差は、同程度あるいは従来のものより小さく、また、望遠端での歪曲収差も従来と同程度である。従って、解像度に関しては従来のバリフォーカルレンズに比べて遜色がない。また、広角端の歪曲収差は大きくても、前述するように、監視カメラに用いる場合には実用上問題がない。
【００２７】
一方、レンズの枚数は、従来のバリフォーカルレンズが１０枚使用していたのに対して、本発明のバリフォーカルレンズでは６枚しか使用していない。従って、レンズの製作や組み立てが簡単になり、完成までに要する作業量と作業時間とを削減することができ、その結果、製造コストの引き下げが可能になる。
【００２８】
本発明のバリフォーカルレンズの設計条件を数式で示すと次の通りである。
前群のフォーカス ｆF＜0、
後群のフォーカス ｆR＞0、
非球面プラスチックレンズ1a、2aの屈折率 ｎ1，ｎ4＜1.53、
球面ガラスレンズ（1b、1c、2b、2c）の屈折率 ｎ2，ｎ3，ｎ5，ｎ6＞1.80
球面ガラスレンズ（1b、1c、2b、2c）のｒ／Ｒ
|r3/R3|,|r4/R4|,|r5/R5|,|r9/R9|,|r10/R10|,|r11/R11|＜0.55
球面ガラスレンズ１ｂのｒ及びν
ｒ3＜0、ｒ4＞0、ν2＞46.0
球面ガラスレンズ１ｃのｒ及びν
ｒ4＞0、ｒ5＜0、ν3＜24.0
球面ガラスレンズ２ｂのｒ及びν
ｒ9＜0、ｒ10＞0、ν5＜24.0
球面ガラスレンズ２ｃのｒ及びν
ｒ10＞0、ｒ11＜0、ν6＞46.0
非球面レンズ１ａのｒ及びｆ
ｒ1＞0、ｒ2＞0、ｆ1＜0
非球面レンズ２ａのｒ及びｆ
ｒ7＞0、ｒ8＞0、ｆ4＞0
【００２９】
球面ガラスレンズ（１ｂ、１ｃ、２ｂ、２ｃ）の屈折率を１．８０以上に設定することにより、バリフォーカルレンズにおけるレンズ使用枚数を減らすことができる。
【００３０】
また、球面ガラスレンズ（１ｂ、１ｃ、２ｂ、２ｃ）のｒ／Ｒを０．５５以下に設定することにより、レンズの加工性を高めることができる。
【００３１】
また、貼り合わせレンズの内、球面ガラスレンズ１ｂ、２ｃのνを４６以上、球面ガラスレンズ１ｃ、２ｂのνを２４以下に設定することにより色収差を補正することができ、この条件を満たさないと、解像度が低下する。
【００３２】
なお、非球面レンズ１ａ、２ａはプラスチックで形成することにより、安価に製造することができる。しかし、この非球面レンズ１ａ、２ａはガラスを用いて形成しても良い。
【００３３】
また、ここでは、このバリフォーカルレンズを監視カメラに用いる場合について説明したが、球形に近い被写体を撮影する撮像装置や、球形に近い物体を観察対象とする光学装置には本発明の適用が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のバリフォーカルレンズは、少ないレンズ枚数で構成することができ、また、光学特性に関しても実用上全く支障がない。
【００３５】
また、レンズ枚数を減らすことにより、レンズの製作や組み立てに要する作業量や作業時間の削減を図ることができ、製作コストの引き下げが可能である。
【００３６】
また、非球面レンズをプラスチックで成形する場合には、一層の製作コストの引き下げが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態におけるバリフォーカルレンズの望遠端断面図、
【図２】実施形態のバリフォーカルレンズの広角端断面図、
【図３】実施形態のバリフォーカルレンズの望遠端の光学特性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）、
【図４】実施形態のバリフォーカルレンズの望遠端の光学特性図（横収差）、
【図５】実施形態のバリフォーカルレンズの広角端の光学特性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）、
【図６】実施形態のバリフォーカルレンズの広角端の光学特性図（横収差）、
【図７】従来のバリフォーカルレンズの望遠端断面図、
【図８】従来のバリフォーカルレンズの広角端断面図、
【図９】従来のバリフォーカルレンズの望遠端の光学特性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）、
【図１０】従来のバリフォーカルレンズの望遠端の光学特性図（横収差）、
【図１１】従来のバリフォーカルレンズの広角端の光学特性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）、
【図１２】従来のバリフォーカルレンズの広角端の光学特性図（横収差）、
【図１３】歪曲収差を示す図、
【図１４】（ａ）カメラと球面状被写体との相対位置の変化に伴う画角変化を示す図、
（ｂ）カメラと平面状被写体との相対位置の変化に伴う画角変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 前群
１ａ メニスカス凹非球面レンズ
１ｂ 両凹ガラス球面レンズ
１ｃ 両凸ガラス球面レンズ
２ 後群
２ａ メニスカス凸非球面レンズ
２ｂ 両凹ガラス球面レンズ
２ｃ 両凸ガラス球面レンズ
３、13 絞り
４、14 フィルタ
５、15 ＣＣＤ
11 前群
11ａ メニスカス凹レンズ
11ｂ 凸レンズ
11ｃ メニスカス凹レンズ
11ｄ 両凹レンズ
11ｅ 凸レンズ
12 後群
12ａ 凸レンズ
12ｂ 凸レンズ
12ｃ 両凹レンズ
12ｄ 凸レンズ
12ｅ 凸レンズ
30 レンズ
40 平面被写体
50 球面被写体
【発明の属する技術分野】
本発明は、監視カメラなどに使用するバリフォーカルレンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
監視カメラで使用するレンズには、画角及び焦点距離が一定の固定焦点レンズと、画角及び焦点距離を随時可変できるズームレンズと、画角及び焦点距離を設置時に調整できるバリフォーカルレンズの３種類がある。ズームレンズを取り付けた監視カメラは、監視中に画角及び焦点距離をリモートコントロールで可変することができるが、しかし、この装置は高価である。バリフォーカルレンズは、監視場所に設置した監視カメラに取り付け、その監視場所に合わせて画角及び焦点距離を調整する。一旦調整した画角及び焦点距離は遠隔操作で変えることはできない。そのため、画角及び焦点距離の再調整が必要な場合には、監視カメラの設置場所に赴き、手動で操作する。このバリフォーカルレンズは、ズームレンズに比べて極めて安価である。
【０００３】
固定焦点レンズは、バリフォーカルレンズよりもさらに安価であるが、監視カメラを設置する場合に、焦点距離の異なる複数の固定焦点レンズを用意し、設置場所に合わせて、その中から使用するレンズを選択する必要があり、設置時の負担が大きい。これに対して、バリフォーカルレンズは、監視カメラ設置時に１本のレンズを用意すれば済むため、多くの監視カメラに用いられている。
【０００４】
図７及び図８は、従来のバリフォーカルレンズを示している。監視カメラにはＣＣＤ15に入射する赤外線等をカットするため、フィルタ14が装着されるが、バリフォーカルレンズは、このフィルタ14の前に配置される。このレンズは、絞り13を挟む前群のレンズ群11と、後群のレンズ群12とで構成され、前群11及び後群12は、それぞれ独立して光軸方向に移動することができる。図７は、最も画角を狭くした望遠端でのレンズ位置を示し、図８は、最も画角を広くした広角端でのレンズ位置を示している。バリフォーカルレンズは、この望遠端と広角端との間で、前群11及び後群12の位置を調整することが可能である。
【０００５】
レンズには各種の収差が発生する。入射光の絞りの通過位置と絞りの中心との距離に応じて像点位置が光軸上でずれる球面収差や、色による屈折率の違いによって焦点位置がずれる色収差、あるいは、光線が鮮鋭に結像されても像の形が歪む歪曲収差などがある。球面収差や色収差は解像度を低下させる。また、歪曲収差に起因して、図１３に示すように、方形の被写体（実線）の像が樽型（点線）に歪曲する。
【０００６】
従来のバリフォーカルレンズでは、こうした収差をレンズ形状や屈折率が異なるレンズを組み合わせて防いでいる。球面収差は、レンズを非球面化することにより補正することができ、色収差は、屈折率の異なるレンズを組み合わせることによって補正することができる。また、歪曲収差は、曲率が大きいレンズを一枚使う代わりに、曲率が大きくないレンズを複数枚使うことにより、補正することができる。また、歪曲収差は、後群12よりも前群11のレンズに強く依存し、解像度は、前群11よりも後群12のレンズに強く依存する。
【０００７】
こうした観点から、従来のバリフォーカルレンズでは、前群11を、メニスカス凹レンズ11ａ、凸レンズ11ｂ、メニスカス凹レンズ11ｃ、両凹レンズ11ｄ及び凸レンズ11ｅで構成し、また、後群12を、凸レンズ12ａ、凸レンズ12ｂ、両凹レンズ12ｃ、凸レンズ12ｄ及び凸レンズ12ｅで構成している。また、これらのレンズはすべてガラスで成形している。
【０００８】
この内、前群11のメニスカス凹レンズ11ａ、凸レンズ11ｂ及びメニスカス凹レンズ11ｃは、この３枚で非球面レンズを構成し、前群11の球面収差を補正している。また、３枚のレンズを組み合わせることにより、歪曲収差を補正している。また、前群11の両凹レンズ11ｄ及び凸レンズ11ｅは、前群11の色収差を補正している。また、後群12の凸レンズ12ａ及び凸レンズ12ｂは、後群12の球面収差を補正し、後群12の両凹レンズ12ｃ、凸レンズ12ｄ及び凸レンズ12ｅは後群12の色収差を補正している。また、この後群12の球面収差補正レンズと色収差補正レンズとを、それぞれ複数の枚数のレンズで構成して歪曲収差を小さくしている。
【０００９】
図９は、従来のバリフォーカルレンズの望遠端位置における球面収差、非点収差及び歪曲収差を示し、図１０は、望遠端位置におけるタンジェンシャル及びサジタル方向の横収差を示している。また、図１１は、従来のバリフォーカルレンズの広角端位置における球面収差、非点収差及び歪曲収差を示し、図１２は、広角端位置におけるタンジェンシャル及びサジタル方向の横収差を示している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のバリフォーカルレンズは、多数の枚数のガラスレンズが使用されているため、レンズの製作や組み立てが複雑であり、完成までに多くの手間と時間とを必要とし、その結果、コストが高くなると云う問題点を有している。
【００１１】
このレンズの枚数は、歪曲収差の補正を図るためには多くせざるを得ない。しかし、発明者等の知見によれば、バリフォーカルレンズを監視カメラに使用する場合には、歪曲収差の補正は必要で無く、かえって、この補正が弊害をもたらす場合すらある。
【００１２】
この点を図１４により説明する。図１４（ｂ）は、レンズ30と平板状の被写体40との相対位置が変化した場合に、レンズ30から見た被写体40の画角が変化する様子を示している。レンズ30の正面に被写体40ｂが在るときの画角θに比べて、正面からずれた位置の被写体（40ａ、40ｃ）の画角φは小さくなる（θ＞φ）。一方、歪曲収差の補正は、図１３の点線の像が実線のように補正される。そのため、図１４（ｂ）の被写体（40ａ、40ｃ）の画角φは、歪曲収差の補正により、点線で示すように広がり、カメラ正面の被写体40ｂの画角θに近づき、画面周辺での像の歪みが減少する。
【００１３】
しかし、監視カメラは、多くの場合、人を監視対象としているが、人間の頭は球の形状に近い。図１４（ａ）に示すように、被写体50が球形状に近い場合は、レンズ30と被写体50との相対位置が変化しても、レンズ30から見た被写体（50ａ、50ｂ、50ｃ）の画角は変化しない。従って、画面周辺での像の歪みは現れない。この場合、歪曲収差を補正すると、正面からずれた位置の球形状の被写体（50ａ、50ｃ）の像が楕円に映り、カメラ正面の被写体50ｂの像とは違ったものとなる。従って、人を監視する場合には、歪曲収差の補正は必要が無い。
【００１４】
本発明は、こうした観察を基に従来の問題点を解決したものであり、少ない枚数のレンズを用いて、低コストで構成することができるバリフォーカルレンズを提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明では、バリフォーカルレンズの前群を、全体として負の焦点距離を持つように、メニスカス凹の非球面レンズと、貼り合わせた両凹の球面レンズと両凸の球面レンズの３枚で構成し、後群を、全体として正の焦点距離を持つように、メニスカス凸の非球面レンズと、貼り合わせた両凹の球面レンズと両凸の球面レンズの３枚で構成し、球面レンズは、いずれもレンズ有効半径（ｒ）とレンズ球面半径（Ｒ）との比（ｒ／Ｒ）が０．５５以下で、且つ、ｄ線の屈折率（ｎd）が１．８０以上であり、貼り合わせた両凹の球面レンズ及び両凸の球面レンズの一方のアッベ数（νd）が２４以下で、他方のνdが４６以上であるように設定している。
【００１６】
このバリフォーカルレンズは、少ないレンズ枚数で構成することができ、レンズの製作や組み立てに要する作業量や作業時間の削減を図ることができ、製作コストの引き下げが可能である。また、光学特性は、広角端の歪曲収差を除けば、従来のものと遜色がない。また、広角端の歪曲収差は、それが存在しても、球形に近い人の顔を監視する場合には、実用上全く問題がない。寧ろ、歪曲収差を補正する場合より、良質の画像を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態におけるバリフォーカルレンズは、図１及び図２に示すように、絞り３を挟む前群１と後群２とのレンズから成り、前群１は、プラスチックで成形したメニスカス凹レンズの非球面レンズ１ａと、両凹のガラス球面レンズ１ｂと、両凸のガラス球面レンズ１ｃとの３枚で構成され、両凹ガラス球面レンズ１ｂ及び両凸ガラス球面レンズ１ｃは貼り合わせてある。前群１は全体として負の焦点距離を有している。後群２は、プラスチックで成形したメニスカス凸レンズの非球面レンズ２ａと、両凹のガラス球面レンズ２ｂと、両凸のガラス球面レンズ２ｃとの３枚で構成され、両凹ガラス球面レンズ２ｂ及び両凸ガラス球面レンズ２ｃは貼り合わせてある。後群２は全体として正の焦点距離を有している。図１は、最も画角を狭くした望遠端でのレンズ位置を示し、図２は、最も画角を広くした広角端でのレンズ位置を示している。このバリフォーカルレンズは、この望遠端と広角端との間で、前群１及び後群２の位置を調整することができる。なお、図１及び図２において、５はＣＣＤ、６はフィルタを示している。
【００１８】
前群１の非球面レンズ１ａは、従来のバリフォーカルレンズ（図７）の11ａ、11ｂ及び11ｃに代わるものであり、前群１の球面収差を補正している。この非球面レンズ１ａは、従来に比べて、枚数が１枚で済み、また、プラスチックで成形しているため、製造が容易である。但し、１枚のレンズしか用いていないため、歪曲収差の補正機能は無い。
【００１９】
また、前群１の貼り合わせレンズの内、両凹ガラス球面レンズ１ｂは従来のバリフォーカルレンズ（図７）の11ｄに、また、両凸ガラス球面レンズ１ｃは従来のバリフォーカルレンズ（図７）の11ｅに代わるものであり、この貼り合わせレンズは、前群１の色収差を補正している。両凹ガラス球面レンズ１ｂの素材には、ｎd（ｄ線の屈折率）が１．８０以上、νd（アッベ数）が４６以上の高屈折率ガラスを用い、両凸ガラス球面レンズ１ｃの素材には、ｎdが１．８０以上、νdが２４以下の高屈折率ガラスを用いている。
【００２０】
後群２の非球面レンズ２ａは、従来のバリフォーカルレンズ（図７）の12ａ及び12ｂに代わるものであり、後群２の球面収差を補正している。この非球面レンズ２ａは、従来に比べて、枚数が１枚で済み、また、プラスチックで成形しているため、製造が容易である。但し、１枚のレンズしか用いていないため、歪曲収差の補正機能は無い。
【００２１】
また、後群２の貼り合わせレンズの内、両凹ガラス球面レンズ２ｂは従来のバリフォーカルレンズ（図７）の12ｃに、また、両凸ガラス球面レンズ２ｃは従来のバリフォーカルレンズ（図７）の12ｄ及び12ｅに代わるものであり、この貼り合わせレンズは、後群２の色収差を補正している。両凹ガラス球面レンズ２ｂの素材には、ｎdが１．８０以上、νdが２４以下の高屈折率ガラスを用い、両凸ガラス球面レンズ２ｃの素材には、ｎdが１．８０以上、νdが４６以上の高屈折率ガラスを用いている。この貼り合わせレンズは、高屈折率ガラスを用いているため、従来に比べて枚数を削減することができる。
【００２２】
また、４枚のガラス球面レンズ１ｂ、１ｃ、２ｂ、２ｃは、レンズの加工性を悪化させないため、いずれも、ｒ（レンズの有効半径）／Ｒ（レンズの球面半径）を０．５５以下に設定している。
【００２３】
以下に、実施形態のバリフォーカルレンズの具体的な設計数値を示す。
ｆ＝7.8、 Ｆナンバー＝1.78、 像高＝3.0、 物体距離＝∞
ｒ1＝30.0（非球面） ｄ1＝1.44 ｎ1＝1.526 ν1＝52.08
Ａ＝0.657×10-6、Ｂ＝-0.257×10-7、Ｃ＝0、Ｄ＝0
ｒ2＝8.73 ｄ2＝7.00
ｒ3＝-13.26 ｄ3＝1.50 ｎ2＝1.804 ν2＝46.50
ｒ4＝15.89 ｄ4＝7.00 ｎ3＝1.847 ν3＝23.78
ｒ5＝-81.37 ｄ5＝1.58
ｒ6＝∞（絞り） ｄ6＝1.18
ｒ7＝8.78（非球面） ｄ7＝4.13 ｎ4＝1.526 ν4＝52.08
Ａ＝0.119×10-3、Ｂ＝0.745×10-6、Ｃ＝0、Ｄ＝0
ｒ8＝158.96（非球面）ｄ8＝1.00
Ａ＝0.777×10-3、Ｂ＝0.748×10-5、Ｃ＝0、Ｄ＝0
ｒ9＝-92.44 ｄ9＝1.05 ｎ5＝1.847 ν5＝23.78
ｒ10＝9.94 ｄ10＝4.99 ｎ6＝1.804 ν6＝46.50
ｒ11＝-12.03 ｄ11＝7.46
ｒ12＝∞ ｄ12＝2.86 ｎ7＝1.516 ν7＝64.1
ｒ13＝∞
但し、ｒ1、ｒ2‥は各レンズ面の曲率半径（図１）、
ｄ1、ｄ2‥は各レンズの肉厚及びレンズ間隔（図１）、
ｎ1、ｎ2‥は各レンズの屈折率、
ν1、ν2‥は各レンズのアッベ数である。なお、各レンズに対応する屈折率及びアッベ数は次の通りである。
レンズ１ａ‥ｎ1，ν1
レンズ１ｂ‥ｎ2，ν2
レンズ１ｃ‥ｎ3，ν3
レンズ１ｄ‥ｎ4，ν4
レンズ１ｅ‥ｎ5，ν5
レンズ１ｆ‥ｎ6，ν6
また、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、次の非球面定義式の定数である。
【００２４】
Ｚ＝［ｃｈ2／｛１＋√（１−ｃ2ｈ2）｝］＋Ａｈ4＋Ｂｈ6＋Ｃｈ8＋Ｄｈ10
ｃ＝１／ｒ
【００２５】
図３は、本発明のバリフォーカルレンズの望遠端位置における球面収差、非点収差及び歪曲収差を示し、図４は、望遠端位置におけるタンジェンシャル及びサジタル方向の横収差を示している。また、図５は、本発明のバリフォーカルレンズの広角端位置における球面収差、非点収差及び歪曲収差を示し、図６は、広角端位置におけるタンジェンシャル及びサジタル方向の横収差を示している。
【００２６】
この特性図から明らかなように、本発明のバリフォーカルレンズは、従来のバリフォーカルレンズの特性と比べて、広角端での歪曲収差は大きいが、球面収差や非点収差、色収差は、同程度あるいは従来のものより小さく、また、望遠端での歪曲収差も従来と同程度である。従って、解像度に関しては従来のバリフォーカルレンズに比べて遜色がない。また、広角端の歪曲収差は大きくても、前述するように、監視カメラに用いる場合には実用上問題がない。
【００２７】
一方、レンズの枚数は、従来のバリフォーカルレンズが１０枚使用していたのに対して、本発明のバリフォーカルレンズでは６枚しか使用していない。従って、レンズの製作や組み立てが簡単になり、完成までに要する作業量と作業時間とを削減することができ、その結果、製造コストの引き下げが可能になる。
【００２８】
本発明のバリフォーカルレンズの設計条件を数式で示すと次の通りである。
前群のフォーカス ｆF＜0、
後群のフォーカス ｆR＞0、
非球面プラスチックレンズ1a、2aの屈折率 ｎ1，ｎ4＜1.53、
球面ガラスレンズ（1b、1c、2b、2c）の屈折率 ｎ2，ｎ3，ｎ5，ｎ6＞1.80
球面ガラスレンズ（1b、1c、2b、2c）のｒ／Ｒ
|r3/R3|,|r4/R4|,|r5/R5|,|r9/R9|,|r10/R10|,|r11/R11|＜0.55
球面ガラスレンズ１ｂのｒ及びν
ｒ3＜0、ｒ4＞0、ν2＞46.0
球面ガラスレンズ１ｃのｒ及びν
ｒ4＞0、ｒ5＜0、ν3＜24.0
球面ガラスレンズ２ｂのｒ及びν
ｒ9＜0、ｒ10＞0、ν5＜24.0
球面ガラスレンズ２ｃのｒ及びν
ｒ10＞0、ｒ11＜0、ν6＞46.0
非球面レンズ１ａのｒ及びｆ
ｒ1＞0、ｒ2＞0、ｆ1＜0
非球面レンズ２ａのｒ及びｆ
ｒ7＞0、ｒ8＞0、ｆ4＞0
【００２９】
球面ガラスレンズ（１ｂ、１ｃ、２ｂ、２ｃ）の屈折率を１．８０以上に設定することにより、バリフォーカルレンズにおけるレンズ使用枚数を減らすことができる。
【００３０】
また、球面ガラスレンズ（１ｂ、１ｃ、２ｂ、２ｃ）のｒ／Ｒを０．５５以下に設定することにより、レンズの加工性を高めることができる。
【００３１】
また、貼り合わせレンズの内、球面ガラスレンズ１ｂ、２ｃのνを４６以上、球面ガラスレンズ１ｃ、２ｂのνを２４以下に設定することにより色収差を補正することができ、この条件を満たさないと、解像度が低下する。
【００３２】
なお、非球面レンズ１ａ、２ａはプラスチックで形成することにより、安価に製造することができる。しかし、この非球面レンズ１ａ、２ａはガラスを用いて形成しても良い。
【００３３】
また、ここでは、このバリフォーカルレンズを監視カメラに用いる場合について説明したが、球形に近い被写体を撮影する撮像装置や、球形に近い物体を観察対象とする光学装置には本発明の適用が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のバリフォーカルレンズは、少ないレンズ枚数で構成することができ、また、光学特性に関しても実用上全く支障がない。
【００３５】
また、レンズ枚数を減らすことにより、レンズの製作や組み立てに要する作業量や作業時間の削減を図ることができ、製作コストの引き下げが可能である。
【００３６】
また、非球面レンズをプラスチックで成形する場合には、一層の製作コストの引き下げが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態におけるバリフォーカルレンズの望遠端断面図、
【図２】実施形態のバリフォーカルレンズの広角端断面図、
【図３】実施形態のバリフォーカルレンズの望遠端の光学特性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）、
【図４】実施形態のバリフォーカルレンズの望遠端の光学特性図（横収差）、
【図５】実施形態のバリフォーカルレンズの広角端の光学特性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）、
【図６】実施形態のバリフォーカルレンズの広角端の光学特性図（横収差）、
【図７】従来のバリフォーカルレンズの望遠端断面図、
【図８】従来のバリフォーカルレンズの広角端断面図、
【図９】従来のバリフォーカルレンズの望遠端の光学特性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）、
【図１０】従来のバリフォーカルレンズの望遠端の光学特性図（横収差）、
【図１１】従来のバリフォーカルレンズの広角端の光学特性図（球面収差、非点収差、歪曲収差）、
【図１２】従来のバリフォーカルレンズの広角端の光学特性図（横収差）、
【図１３】歪曲収差を示す図、
【図１４】（ａ）カメラと球面状被写体との相対位置の変化に伴う画角変化を示す図、
（ｂ）カメラと平面状被写体との相対位置の変化に伴う画角変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 前群
１ａ メニスカス凹非球面レンズ
１ｂ 両凹ガラス球面レンズ
１ｃ 両凸ガラス球面レンズ
２ 後群
２ａ メニスカス凸非球面レンズ
２ｂ 両凹ガラス球面レンズ
２ｃ 両凸ガラス球面レンズ
３、13 絞り
４、14 フィルタ
５、15 ＣＣＤ
11 前群
11ａ メニスカス凹レンズ
11ｂ 凸レンズ
11ｃ メニスカス凹レンズ
11ｄ 両凹レンズ
11ｅ 凸レンズ
12 後群
12ａ 凸レンズ
12ｂ 凸レンズ
12ｃ 両凹レンズ
12ｄ 凸レンズ
12ｅ 凸レンズ
30 レンズ
40 平面被写体
50 球面被写体
Claims (3)
- 絞りを挟んで前群のレンズと後群のレンズとが存在し、各群のレンズが独立して可動して、広角から望遠まで画角を変えることができるバリフォーカルレンズであって、
前群のレンズは、全体として負の焦点距離を持ち、メニスカス凹の非球面レンズと、貼り合わせた両凹の球面レンズと両凸の球面レンズとの３枚のレンズから成り、
後群のレンズは、全体として正の焦点距離を持ち、メニスカス凸の非球面レンズと、貼り合わせた両凹の球面レンズと両凸の球面レンズとの３枚のレンズから成り、
前記球面レンズは、いずれもレンズ有効半径（ｒ）とレンズ球面半径（Ｒ）との比（ｒ／Ｒ）が０．５５以下で、且つ、ｄ線の屈折率（ｎd）が１．８０以上であり、貼り合わせた前記両凹の球面レンズ及び両凸の球面レンズの一方のアッベ数（νd）が２４以下で、他方のνdが４６以上であることを特徴とするバリフォーカルレンズ。 - 前記非球面レンズが合成樹脂で形成され、前記球面レンズがガラスで形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバリフォーカルレンズ。
- 請求項１または２に記載のバリフォーカルレンズを装着した監視カメラ。
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