JP5138884B2

JP5138884B2 - 超広角レンズ

Info

Publication number: JP5138884B2
Application number: JP2005331930A
Authority: JP
Inventors: 直樹茂庭; 靖高橋; 克行山影; 伸夫佐久間
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2025-11-16
Also published as: JP2007139985A

Description

この発明は超広角レンズに関する。

超広角レンズは、車載カメラ用や防犯カメラ用として幅広く用いられている。これらのカメラには性能はもとより小型、低コストであることが求められる。
従来、このような超広角レンズとして、２群６枚の超広角レンズが提案されている（特許文献１）。この超広角レンズは、２群６枚という少ないレンズ枚数で、１６６度を超える広画角を実現しているが、後群に貼り合せレンズを使用しており、レンズ製造における貼り合せの工数などを考えると低コスト化が容易でない。

特開２００２−７２０８５

この発明は上述した事情に鑑み、レンズ枚数が少なく、コンパクトで安価かつ高性能の超広角レンズの実現を課題とする。

この発明の超広角レンズは、複数枚の正レンズと複数枚の負レンズを有し、レンズ面のうちの少なくとも１面が回折光学面である。
そして、絞りを挟んで前群３枚と後群３枚の６枚のレンズによる構成で、前群において物体側の２枚のレンズ（物体側から数えて１枚目と２枚目のレンズ）がそれぞれ負の焦点距離を持ち、後群において像面側の２枚のレンズ（像面側から数えて１枚目と２枚目のレンズ）がそれぞれ正の焦点距離を持つ。
回折光学面は、後群に設けることが好ましい（請求項２）。

請求項１、２記載の超広角レンズは何れも、前群において物体側から数えて１枚目と２枚目の負レンズの合成焦点距離：ｆ１、後群において像面側から数えて１枚目と２枚目の正レンズの合成焦点距離：ｆ２、レンズ全体の焦点距離：ｆが、条件：
（１） −４≦ｆ１／ｆ≦−２
（２）２．５≦ｆ２／ｆ≦４．５
を満足する。

発明者らは、超広角レンズにおける画角の更なる拡大を目指して研究を行ってきたが、画角を拡大してなおかつ良好な性能を実現する際に、色収差の補正が重要であることを見出した。特許文献１には色収差に関する言及はないが、同文献記載の超広角レンズのように、レンズ系内に貼り合わせレンズを用いることは色収差補正手段として有効である。しかし、貼り合わせレンズを用いることは前述した如く、レンズの製造工程として面倒な張り合わせ工程を必要とし、低コストの超広角レンズの実現が困難である。

発明者らは、回折光学面のアッベ数が負であることに着目し、色収差の補正に回折光学面を利用できるとの認識にいたった。

回折光学面がアッベ数を有することから、回折光学面とレンズとの組合わせにより色収差を補正することができる。一般に、色収差の補正には、アッベ数の異なる正負のレンズが組合わせられるが、アッベ数はレンズ材料により一義的に定まるため、色収差補正のために適当なアッベ数をもったレンズ材質を選択しなければならず、材料選択の自由度はさほど大きくない。

これに対し、回折光学面の有する負のアッベ数は、回折光学面自体の形態に応じて設計的に設定できるので、色収差補正に最適なアッベ数を容易に実現可能である。また、回折光学面は色収差の補正のみならず、球面収差等他の収差の補正にも有効に利用できる。

請求項１記載の超広角レンズでは、上記の如く、レンズ面のうちの少なくとも１面を回折光学面とすることにより、回折光学面の有する収差補正機能を利用して、レンズ枚数を必要以上に増やすことなく、光学収差、特に色収差の補正を効果的に行ない、超広角を実現と良好な性能とを実現する。

請求項１記載の超広角レンズのように「絞りを挟んで前群３枚と後群３枚の６枚のレンズから構成」することにより、光学性能を高めることができる。また、６群６枚構成は、特許文献１記載の超広角レンズと同数枚の構成であり、特許文献１記載のものと同様にコンパクトに実現でき、またレンズ系内に貼り合わせレンズを含まないのでより安価に製造可能である。

前群の役割は、主に軸外の光を「できるだけ光学収差の発生を抑えながら絞り以降の後群へ導く」ことにある。したがって、前群においては、各レンズ面で「緩やかに光を屈折させる」必要があり、この点を鑑みて請求項１記載の超広角レンズでは、前群として３枚のレンズを配し、さらに少なくとも物体側に位置する２枚を負のパワーを持つレンズとしている。

一方、後群は、非点収差、コマ収差、色収差などの光学収差を補正する役割を担うので、光学収差を効果的に補正するように、後群として３枚のレンズを配し、さらに像面への光の結像効果を高めるため、少なくとも像面側に位置する２枚を正のパワーを持つレンズとしている。

請求項２記載の超広角レンズのように「回折光学面を後群中のレンズのレンズ面」として設けることにより、後群の有するべき収差補正機能を、回折光学面の効果を有効に利用してより高めることができる。

条件（１）のパラメータ：ｆ１／ｆが下限値を超えて小さくなると、前群における「物体側の２枚の負レンズ」の負の合成パワーが小さくなるため、超広角を確保するために、前群の最も物体側にあるレンズ（物体側から数えて１枚目のレンズ）の有効径を大きくせざるを得ず、コンパクト性、低コスト性の実現が困難となる。

パラメータ：ｆ１／ｆが条件（１）の上限を超えて大きくなると、前群における「物体側の２枚の負レンズ」の負の合成パワーが大きくなり、超広角化には有利であるが、前群の各レンズ面で「緩やかに光を屈折させる」ことが困難となり、非点収差、コマ収差などの光学収差の劣化を後群により補正することが困難になる。

条件（２）のパラメータ：ｆ２／ｆが条件（２）の下限を超えて小さくなると、後群における「像面側の２枚の正レンズ」の正の合成パワーが小さくなり、非点収差、コマ収差などの光学収差が劣化しやすくなる。また、パラメータ；ｆ２／ｆが条件（２）の上限を超えて大きくなると、後群における「像面側の２枚のレンズ」の正の合成パワーが大きくなり、超広角レンズの全長が長くなってコンパクト性に欠けるものとなってしまう。

なお、この発明の超広角レンズは、画角：１４０度以上のものとして有効に実施可能であるが、特に１７０度を超えるような大きな画角のものとして有効に実施可能である。後述する実施例では画角１９０度で良好な性能を持つ超広角レンズが実現されている。

上に説明したように、この発明によれば、回折光学面をレンズ面として用い、収差補正、特に色収差の補正に寄与させることにより、コンパクトで性能良好な超広角レンズを実現できる。この発明の超広角レンズは、貼り合わせレンズを用いないので、製造工程中に面倒な貼り合わせ工程が不要であるため製造が容易であり、低コストで実現できる。

図１は、超広角レンズの実施の１形態を示している。
図１に示す超広角レンズは、物体側（図の左方）から順に、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、第５レンズＬ５、第６レンズＬ６を配し、絞りＩを、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４の間に有する。

第１レンズＬ１〜第３レンズＬ３は「前群」を構成し、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２は共に「負レンズ」である。第３レンズＬ３は「負レンズ」にも「正レンズ」にもなりうる。第４レンズＬ４〜第６レンズＬ６は「後群」を構成し、第５レンズＬ５と第６レンズＬ６は共に「正レンズ」である。第４レンズは「正レンズ」にも「負レンズ」にもなりうる。

以下、この発明の超広角レンズの実施例１〜４を挙げる。また、比較例として「回折光学面を用いない例」を１例挙げる。これら実施例１〜４、比較例は何れも車載カメラや防犯カメラに用いられるものであり、物体像は撮像素子（ＣＣＤエリアセンサ等）の受光面上に結像する。図１における「カバーガラス」は、受光素子の受光面を保護するカバーガラスやフィルタを代表して表しており、「像面」は受光面と合致している。

物体距離は無限大、設計Ｆナンバは３．２、設計波長は４５０ｎｍ、５３０ｎｍ、６３０ｎｍである。また、実施例１〜４、比較例とも最大画角は１９０度（半画角：９５度）である。
図１８〜図２１に順次、実施例１〜４の超広角レンズのレンズ構成図を、図１に倣って示す。また、図２２には、比較例レンズのレンズ構成図を図１に倣って示す。

実施例および比較例中の非球面は、周知の以下の式で表す。

Ｚ＝(１／Ｒ)ｈ^２／[１＋{１−(１＋Ｋ)(ｈ／Ｒ)^２}^１／２]＋Ａｈ^２＋Ｂｈ^４＋Ｃｈ^６
ここに、Ｚは非球面量、ｈは光軸からの距離、Ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃは非球面係数である。
また、回折光学面（ＤＯＥ面）で生じる位相差：Φは以下の式により表す。

φ＝Ｍ｛Ｅ（ｒ／Ｒｎ）^２＋Ｆ（ｒ／Ｒｎ）^４＋Ｇ（ｒ／Ｒｎ）^６｝
ここに、Ｍは回折次数、ｒは面上の半径方向の座標、Ｅ、Ｆ、Ｇは係数である。これらＭ、Ｅ、Ｆ、Ｇを以下「位相係数」と呼ぶ。
図２に「回折光学面をレンズ面に形成した概念図」を示す。図中、連続した滑らかな線で示す「基準面」は、非球面データや曲率半径によって定まるレンズ面の形状であり、この基準面に沿う「鋸歯状の部分（形状）」は、上記位相差：Φにより特定される回折光学面の形状である。

ｆ＝０．８ｍｍ、ｆ１／ｆ＝−２．８３、ｆ２／ｆ＝３．１１
実施例１の諸元を表１に示す。

面：１〜１５は、図１において物体側から数えた面番号であり、絞りＩの面を含む。曲率半径は図１にＲ１〜Ｒ１３で示すものであり、面間隔は図１中にＤ１〜Ｄ１５で示すものである。以下においても同様である。

非球面（表１において＊印を付した面）における円錐定数、非球面係数を表２に示す。

上の表記において、例えば「5.7081E-3」は「5.7081×10^-3」を意味する。以下においても同様である。

回折光学面(表１において＊印を付した面)の位相係数を表３に示す。

第１〜第６レンズのパワーの正負を表４に示す。

ｆ＝０．８ｍｍ、ｆ１／ｆ＝−２．９６、ｆ２／ｆ＝３．１４
実施例２の諸元を表５に示す。

非球面（表５において＊印を付した面）における円錐定数、非球面係数を表６に示す。

回折光学面(表５において＊印を付した面)の位相係数を表７に示す。

第１〜第６レンズのパワーの正負を表８に示す。

ｆ＝０．８ｍｍ、ｆ１／ｆ＝−３．３４、ｆ２／ｆ＝４．１１
実施例３の諸元を表９に示す。

非球面（表９において＊印を付した面）における円錐定数、非球面係数を表10に示す。

回折光学面(表９において＊印を付した面)の位相係数を表１１に示す。

第１〜第６レンズのパワーの正負を表１２に示す。

ｆ＝０．８ｍｍ、ｆ１／ｆ＝−２．４８、ｆ２／ｆ＝４．１３
実施例４の諸元を表１３に示す。

非球面（表13において＊印を付した面）における円錐定数、非球面係数を表14に示す。

回折光学面(表１３において＊印を付した面)の位相係数を表１５に示す。

第１〜第６レンズのパワーの正負を表１６に示す。

「比較例（光学回折面なし）」
ｆ＝０．８ｍｍ
比較例の諸元を表１７に示す。

非球面（表17において＊印を付した面）における円錐定数、非球面係数を表18に示す。

第１〜第６レンズのパワーの正負を表１９に示す。

実施例１の収差図を図３〜図５に示す。図３は、非点収差およびディストーション（歪曲収差）の図、図４はコマ収差と倍率色収差の図（各画角における左図がタンジェンシアル方向、右図がサジタル方向である。）、図５はＭＴＦ図である。これら収差図において、Ｔはタンジェンシアル、Ｓはサジタルを意味する。他の収差図においても同様である。

実施例２の収差図を図６〜図８に示す。図６は、非点収差およびディストーション（歪曲収差）の図、図７はコマ収差の図、図８はＭＴＦ図である。
実施例３の収差図を図９〜図１１に示す。図９は、非点収差およびディストーション（歪曲収差）の図、図１０はコマ収差と倍率色収差の図、図１１はＭＴＦ図である。
実施例４の収差図を図１２〜図１４に示す。図１２は、非点収差およびディストーション（歪曲収差）の図、図１３はコマ収差と倍率色収差の図、図１４はＭＴＦ図である。
比較例の収差図を図１５〜図１７に示す。図１５は、非点収差およびディストーション（歪曲収差）の図、図１６はコマ収差と倍率色収差の図、図１７はＭＴＦ図である。
比較例は、実施例１と同じレンズ構成（「前群」負・負・正、「後群」負・正・正）で、条件（１）、（２）を満足しつつ、回折光学面を用いずに各収差を最適化した例であるが、比較例の各収差を実施例１のものと比較すると明らかなように、像面湾曲、コマ収差、倍率色収差、ＭＴＦの何れを見ても実施例１の性能に及ばない。このことから、回折光学面を用いることの効果が明らかである。

この発明の超広角レンズの実施の１形態を示す図である。回折光学面の概念図である。実施例１の非点収差図、ディストーション図である。実施例１のコマ収差図、倍率色収差図である。実施例１のＭＴＦ図である。実施例２の非点収差図、ディストーション図である。実施例２のコマ収差図、倍率色収差図である。実施例２のＭＴＦ図である。実施例３の非点収差図、ディストーション図である。実施例３のコマ収差図、倍率色収差図である。実施例３のＭＴＦ図である。実施例４の非点収差図、ディストーション図である。実施例４のコマ収差図、倍率色収差図である。実施例４のＭＴＦ図である。比較例の非点収差図、ディストーション図である。比較例のコマ収差図、倍率色収差図である。比較例のＭＴＦ図である。実施例１の超広角レンズのレンズ構成を示す図である。実施例２の超広角レンズのレンズ構成を示す図である。実施例３の超広角レンズのレンズ構成を示す図である。実施例４の超広角レンズのレンズ構成を示す図である。比較例レンズのレンズ構成を示す図である。

符号の説明

Ｌ１第１レンズ
Ｌ２第２レンズ
Ｌ３第３レンズ
Ｌ４第４レンズ
Ｌ５第５レンズ
Ｌ６第６レンズ
Ｉ絞り

Claims

複数枚の正レンズと複数枚の負レンズとを有し、レンズ面のうちの少なくとも１面が回折光学面であり、
絞りを挟んで前群３枚と後群３枚の６枚のレンズから構成され、
前群において物体側の２枚のレンズがそれぞれ負の焦点距離を持ち、後群において像面側の２枚のレンズがそれぞれ正の焦点距離を持ち、
前群において物体側から数えて１枚目と２枚目の負レンズの合成焦点距離：ｆ１、後群において像面側から数えて１枚目と２枚目の正レンズの合成焦点距離：ｆ２、レンズ全体の焦点距離：ｆが、条件：
（１） −４≦ｆ１／ｆ≦−２
（２）２．５≦ｆ２／ｆ≦４．５
を満足することを特徴とする超広角レンズ。
請求項１記載の超広角レンズにおいて、
回折光学面を後群に設けたことを特徴とする超広角レンズ。