5846283 広角レンズ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5846283

(24)【登録日】2015年12月4日

(45)【発行日】2016年1月20日

(54)【発明の名称】広角レンズ

(51)【国際特許分類】

   G02B 13/06 20060101AFI20151224BHJP

   G02B 13/18 20060101ALI20151224BHJP

   G02B 13/04 20060101ALI20151224BHJP

【ＦＩ】

   G02B13/06

   G02B13/18

   G02B13/04 D

【請求項の数】3

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-234599(P2014-234599)

(22)【出願日】2014年11月19日

(62)【分割の表示】特願2011-162213(P2011-162213)の分割

【原出願日】2011年7月25日

(65)【公開番号】特開2015-43108(P2015-43108A)

(43)【公開日】2015年3月5日

【審査請求日】2014年11月19日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】100127111

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 修一

(74)【代理人】

【識別番号】100067873

【弁理士】

【氏名又は名称】樺山 亨

(74)【代理人】

【識別番号】100090103

【弁理士】

【氏名又は名称】本多 章悟

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 裕之

(72)【発明者】

【氏名】寺尾 典之

(72)【発明者】

【氏名】入野 祥明

(72)【発明者】

【氏名】田中 智憲

(72)【発明者】

【氏名】今江 望

(72)【発明者】

【氏名】原田 亨

(72)【発明者】

【氏名】竹中 博一

(72)【発明者】

【氏名】山本 英明

(72)【発明者】

【氏名】増田 憲介

(72)【発明者】

【氏名】澤口 聡

(72)【発明者】

【氏名】別所 大介

【審査官】 殿岡 雅仁

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０２５２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０２００８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３１０３６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０８３３１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ９／００ − １７／０８

Ｇ０２Ｂ ２１／０２ − ２１／０４

Ｇ０２Ｂ ２５／００ − ２５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

３枚のレンズにより構成され、物体側に配されて負の屈折力を有する前群と、
４枚のレンズにより構成され、像側に配されて正の屈折力を持つ後群と、
前記前群と前記後群との間に配置され、前記前群から前記後群へ向かう光軸を内部反射によって折り曲げる反射面と、を配してなり、
１８０度より広い画角を持ち、
前側主点が前記前群内において、物体側から数えて第２レンズと第３レンズとの間に設定され、
全系の焦点距離：ｆ、前記前群の光軸と前記反射面との交点から、前記前側主点までの距離：ｄが、条件：
（１） ７．０＜ｄ/ｆ＜９．０
を満足する広角レンズ。

【請求項2】

請求項１記載の広角レンズにおいて、
前群の最も物体側のレンズ面から反射面までの距離：ＤＡ、該反射面から後群の最も像側のレンズ面までの距離：ＤＢが、条件：
（２） ＤＡ＜ＤＢ
を満足する広角レンズ。

【請求項3】

請求項１または２記載の広角レンズにおいて、
前群と後群の間に配置される反射面は、直角プリズムの斜面であって、前群からの光束を後群に向かって内部反射させるものであり、上記直角プリズムの材質のｄ線に対する屈折率：ｎｄが、条件：
（３） ｎｄ≧１．８
を満足する広角レンズ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、広角レンズに関する。

【背景技術】

【0002】

１８０度より広い画角を持つ広角レンズと、この広角レンズによる像を撮像する撮像センサとによる撮像光学系を２つ、物体側レンズが互いに逆向きになるように組み合わせ、各撮像光学系により撮像された像を合成して「４πラジアンの立体角内の像」を得る全天球型撮像装置が知られている（特許文献１）。

【0003】

このような全天球型撮像装置は、同時に全方位の画像情報を取得できるので、例えば、防犯用監視カメラや車載カメラ等に有効に利用できる。近来、全天球型撮像装置を携帯用にもできるように、その小型化が求められている。

【0004】

例えば、ニュースの取材などの際に、小型の全天球型撮像装置を「手持ち状態」で使用すれば、極めて正確且つ公平な画像情報を撮像できる。

【0005】

このような全天球型撮像装置に用いられる「画角１８０度以上の広角レンズ」では「光軸から離れた最大像高の光」は、急激な角度をつけずに屈折させ、結像面に結像させるのが好ましい。

【0006】

しかし、画角１８０度以上の広角レンズの場合「レンズ全長の短縮化」を優先すると、光軸から離れた周辺の光線を急激に屈折させねばならず、各収差の影響で「結像画面周辺部」で解像度が低下してしまう。
結像面の周辺まで高解像度を維持しようとすると、周辺の光線をゆっくり屈折させる必要があるため、レンズ全長が大きくなり、携帯や手持ち状態での使用には適さない。

【0007】

特許文献１には、広角レンズに関しては具体的な開示がない。

【0008】

画角が広く、性能も良好な広角レンズは、従来から種々提案されており、中でも、特許文献２、３に記載されたものは性能良好である。

【0009】

しかしながら、これら特許文献２、３記載の広角レンズは、全長の短縮化が困難であり、全天球型撮像装置に用いられる２個の広角レンズとして用いた場合には、装置の大型化を招きやすい。

【0010】

また、特許文献２、３記載の広角レンズを２個用いる場合、２つの広角レンズの光軸間距離を短くすることが難しく、「視差」により、各広角レンズの周辺部の画像の重なり部分が相互にずれて、合成画像の継ぎ目部分に「画像の乱れ」が顕著に発生しやすい。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

この発明は、物体側に配されて負の屈折力を有する前群の光学系から、像側に配されて正の屈折力を有する後群の光学系へ向かって、光軸を折り曲げる反射面を含む新規な広角レンズの提供を課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

この発明の広角レンズは、３枚のレンズにより構成され、物体側に配されて負の屈折力を有する前群と、４枚のレンズにより構成され、像側に配されて正の屈折力を持つ後群と、
前記前群と前記後群との間に配置され、前記前群から前記後群へ向かう光軸を内部反射によって折り曲げる反射面と、を配してなり、１８０度より広い画角を持ち、前側主点が前記前群内において、物体側から数えて第２レンズと第３レンズとの間に設定され、全系の焦点距離：ｆ、前記前群の光軸と前記反射面との交点から、前記前側主点までの距離：ｄが、条件：
（１） ７．０＜ｄ/ｆ＜９．０
を満足する。

【発明の効果】

【0013】

上記のように、この発明によれば、物体側に配されて負の屈折力を有する前群の光学系から、像側に配されて正の屈折力を有する後群の光学系へ向かって、光軸を折り曲げる反射面を含む新規な広角レンズを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】全天球型撮像装置の実施の１形態の光学配置を説明するための図である。

【図2】実施例の球面収差を示す図である。

【図3】実施例のレンズの像面湾曲を示す図である。

【図4】実施例のレンズのコマ収差を示す図である。

【図5】実施例のレンズのＯＴＦ特性を示す図である。

【図6】実施例のレンズのＯＴＦ特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、実施の形態を説明する。

【0016】

図１は、全天球型撮像装置の要部を説明図的に示す図である。

【0017】

図１において、符号Ａ、Ｂで示す部分は「撮像光学系」を示している。

【0018】

２個の撮像光学系Ａ、Ｂは何れも「１８０度より広い画角を持つ広角レンズと、この広角レンズによる像を撮像する撮像センサと」により構成されている。
「広角レンズ」は、この発明の「広角レンズ」の実施の１形態である。

【0019】

即ち、撮像光学系Ａの広角レンズは、レンズＬＡ１〜ＬＡ３により構成される「前群」、反射面を構成する直角プリズムＰＡ、レンズＬＡ４〜ＬＡ７により構成される「後群」により構成されている。そして、レンズＬＡ４の物体側に開口絞りＳＡが配置されている。

【0020】

撮像光学系Ｂの広角レンズは、レンズＬＢ１〜ＬＢ３により構成される「前群」、反射面を構成する直角プリズムＰＢ、レンズＬＢ４〜ＬＢ７により構成される「後群」により構成されている。そして、レンズＬＢ４の物体側に開口絞りＳＢが配置されている。

【0021】

撮像光学系Ａの広角レンズの前群を構成する、レンズＬＡ１〜ＬＡ３は、物体側から順に、ガラス材料による負メニスカスレンズ（ＬＡ１）、プラスチック材料による負レンズ（ＬＡ２）、ガラス材料による負のメニスカスレンズ（ＬＡ３）により構成されている。

【0022】

後群を構成するレンズＬＡ４〜ＬＡ７は、物体側から順に、ガラス材料による両凸レンズ（ＬＡ４）、ガラス材料による両凸レンズ（ＬＡ５）と両凹レンズ（ＬＡ６）の張り合わせレンズ、プラスチック材料による両凸レンズ（ＬＡ７）により構成されている。

【0023】

撮像光学系Ｂの広角レンズの前群を構成する、レンズＬＢ１〜ＬＢ３は、物体側から順に、ガラス材料による負メニスカスレンズ（ＬＢ１）、プラスチック材料による負レンズ（ＬＢ２）、ガラス材料による負のメニスカスレンズ（ＬＢ３）により構成されている。

【0024】

後群を構成するレンズＬＢ４〜ＬＢ７は、物体側から順に、ガラス材料による両凸レンズ（ＬＢ４）、ガラス材料による両凸レンズ（ＬＢ５）と両凹レンズ（ＬＢ６）の張り合わせレンズ、プラスチック材料による両凸レンズ（ＬＢ７）により構成されている。

【0025】

これら撮像光学系Ａ、Ｂの広角レンズにおいて、前群のプラスチック材料による負レンズＬＡ２、ＬＢ２、後群のプラスチック材料による両凸レンズＬＡ７、ＬＢ７は「両面が非球面」であり、他のガラス材料による各レンズは球面レンズである。

【0026】

各広角レンズにおける前側主点の位置は、第２レンズＬＡ２、ＬＢ２と第３レンズＬＡ３、ＬＢ３との間に設定される。

【0027】

撮像光学系Ａの広角レンズにおける、前群の光軸と反射面との交点と前側主点との距離が図１における「ｄ１」であり、撮像光学系Ｂの広角レンズにおける、前群の光軸と反射面との交点と前側主点との距離が「ｄ２」である。

【0028】

これらの距離「ｄ１」、「ｄ２」は、請求項１の広角レンズにおける距離「ｄ」であって、前述の条件
（１） ７．０＜ｄ／ｆ＜９．０
を満足する。

【0029】

条件（１）の意義について説明すると、条件（１）のパラメータ：ｄ／ｆが小さくなることは、全系の焦点距離：ｆが長くなるか、前群の光軸と反射面との交点と前側主点との距離：ｄが小さくなることを意味する。

【0030】

焦点距離：ｆが大きくなれば、広角レンズの「光軸上のレンズ全長」が長くなるので、コンパクト化の観点からこれを適当な値に設定すると、その条件においては距離：ｄが小さくなることを意味する。

【0031】

ｄが小さくなると、レンズＬＡ３（ＬＢ３）とプリズムＰＡ（ＰＢ）との間隔が狭くなり、レンズＬＡ３（ＬＢ３）に必要な屈折力を確保するためのレンズ肉厚に対する制限が厳しくなる。そして、条件（１）の下限値を下回ると、レンズＬＡ３（ＬＢ３）の所望の肉厚、形状を加工できなくなったり、加工が難しくなったりする。

【0032】

図１において、撮像光学系Ａ、Ｂは、図における左右方向において、なるべく近接させることが「全天球型撮像装置の小型化」の目的に沿う。反射面は直角プリズムＰＡ、ＰＢの斜面であるので、この「斜面」同士をなるべく近接させることが、上記小型化に有効である。

【0033】

条件（１）において、パラメータ：ｄ／ｆが大きくなることは、前群の光軸と反射面との交点と前側主点との距離：ｄが大きくなることを意味し、これは「前群」が大型化することを意味する。

【0034】

このような「前群の大型化」は、全天球型撮像装置の小型化を困難にする。この場合、前群の大きさの増大による「全天球型撮像装置の大型化」を吸収する方法として、プリズムＰＡ、ＰＢの斜面同士を近接させた状態で、撮像光学系ＡとＢとを図１の上下方向へずらして配置することが考えられる。

【0035】

しかしこのようにすると、各撮像光学系の広角レンズの前群の光軸同士が、図１で上下方向にずれるので、このズレ量が程度を超えれば前述の「視差」の影響が大きくなる。

【0036】

視差の影響を有効に抑えつつ、前群の大型化を許容できるのは、パラメータ：ｄ／ｆが条件（１）の上限より小さい場合である。

【0037】

図１の全天球型撮像装置において「視差の影響」を適正に抑制するためには、以下の条件（４）を満足するのが好ましい。
（４） １６≦（ｄ１＋ｄ２）／ｆ＜２１
視差の影響を抑えつつ、条件（４）の下限を超えると、プリズムＰＡとＰＢの反射面同士が「干渉」してしまうし、上限を超えると「視差の影響」を無視できなくなる。

【0038】

また、広角レンズの、前群の最も物体側から反射面までの距離：ＤＡ、該反射面から後群の最も像側の面までの距離：ＤＢは、条件：
（２） ＤＡ＜ＤＢ
を満足することが好ましい。
また、広角レンズのプリズムのｄ線に対する屈折率：ｎｄは、条件：
（３） ｎｄ≧１．８
を満足することが好ましい。
条件（３）ｎｄ≧１．８は、図１のプリズムＰＡ、ＰＢの材質として、ｄ線に対する屈折率：ｎｄが１．８より大きいものを用いるべきことを定めている。

【0039】

プリズムＰＡ、ＰＢは、前群からの光を後群に向かって「内部反射」させるので、結像光束の光路はプリズム内を通る。プリズムの材料が条件（３）を満足するような高屈折率であると、プリズム内の「光学的な光路長」が、実際の光路長より長くなり、光線を屈曲させる距離を広げることが出来る。
前群・プリズム・後群における「前群と後群の間の光路長」を機械的な光路長よりも長く出来、広角レンズをコンパクトに構成できる。

【0040】

また、開口絞りＳＡ、ＳＢの近くにプリズムＰＡ、ＰＢを配置することにより、小さいプリズムを用いるができ、広角レンズ相互の間隔を小さくできる。

【0041】

プリズムＰＡ、ＰＢは、前群と後群の間に配置される。広角レンズの前群は、１８０度以上の広画角の光線を取り込む機能をもち、後群は収差補正の結像に効果的に機能する。

【0042】

プリズムを上記の如く配置することにより、プリズムの配置ずれや製造公差の影響を受けにくい。

【実施例】

【0043】

以下、広角レンズの具体的な実施例を挙げる。
実施例は、図１に示す全天球型撮像装置の撮像光学系Ａ、Ｂに用いられる広角レンズであり、撮像光学系Ａ、Ｂに共に用いられる。即ち、撮像光学系Ａ、Ｂに用いられる２つの広角レンズは「同一仕様」であり、前記ｄ１＝ｄ２である。

【0044】

以下において、ｆは全系の焦点距離、ＮｏはＦナンバ、ωは半画角である。

【0045】

また「面番号」は、物体側から順次１〜２３とし、これらはレンズ面、プリズムの入・射出面および反射面、絞りの面、撮像センサのフィルタの面や受光面を示す。

【0046】

「Ｒ」は、各面の曲率半径であり、非球面に合っては「近軸曲率半径」である。

【0047】

「Ｄ」は面間隔、「Ｎｄ」はｄ線の屈折率、「νd」はアッベ数である。また物体距離は無限遠である。長さの次元を持つ量の単位は「ｍｍ」である。

【0048】

「実施例」
ｆ＝０．７５、Ｎｏ＝２．１４、ω＝１９０度
面番号 Ｒ Ｄ Ｎｄ νｄ
１ １７．１ １．２ １．８３４８０７ ４２．７２５３２４
２ ７．４ ２．２７
３ −１８０９ ０．８ １．５３１１３１ ５５．７５３８５８
４＊ ４．５８ ２
５＊ １７．１ ０．７ １．６３９９９９ ６０．０７８１２７
６ ２．５ １．６
７ ∞ ０．３
８ ∞ ５ １．８３４０００ ３７．１６０４８７
９ ∞ １．９２
１０ ∞(開口絞り) ０．１５
１１ ９３．２ １．０６ １．９２２８６０ １８．８９６９１２
１２ −６．５６ １．０
１３ ３．３７ １．８６ １．７５４９９８ ５２．３２１４３４
１４ −３ ０．７ １．９２２８６０ １８．８９６９１２
１５ ３ ０．３
１６＊ ２．７ １．９７ １．５３１１３１ ５５．７５３８５８
１７＊ −２．１９ ０．８
１８ ∞ ０．４ １．５１６３３０ ６４．１４２０２２
１９ ∞ ０
２０ ∞ ０．３ １．５１６３３０ ６４．１４２０２２
２１ ∞ ０．３
２２ 撮像面 。

【0049】

非球面
上のデータで「＊」印を付した面（前群の第２レンズの両面および後群の最終レンズの両面）は非球面である。

【0050】

非球面形状は、近軸曲率半径の逆数(近軸曲率)：Ｃ、光軸からの高さ：Ｈ、円錐定数：Ｋ、上記各次数の非球面係数を用い、Ｘを光軸方向における非球面量として、周知の式
Ｘ＝ＣＨ^２／[１＋√{１−(１＋Ｋ)Ｃ^２Ｈ^２}]
＋Ａ４・Ｈ⁴＋Ａ６・Ｈ⁶＋Ａ８・Ｈ⁸＋Ａ１０・Ｈ¹⁰＋Ａ１２・Ｈ¹²＋Ａ１４・Ｈ¹⁴
で表されるものであり、近軸曲率半径と円錐定数、非球面係数を与えて形状を特定する。

【0051】

上記実施例の非球面データを以下に挙げる。

【0052】

第３面
4ｔｈ：0.001612
6ｔｈ：-5.66534e-6
8ｔｈ：-1.99066e-7
10ｔｈ：3.69959e-10
12ｔｈ：6.47915e-12
第４面
4ｔｈ：-0.00211
6ｔｈ：1.66793e-4
8ｔｈ：9.34249e-6
10ｔｈ：-4.44101e-7
12ｔｈ：-2.96463e-10
第１６面
4ｔｈ：-0.006934
6ｔｈ：-1.10559e-3
8ｔｈ：5.33603e-4
10ｔｈ：-1.09372e-4
12ｔｈ：1.80753-5
14ｔｈ：-1.52252e-7
第１７面
4ｔｈ：0.041954
6ｔｈ：-2.99841e-3
8ｔｈ：-4.27219e-4
10ｔｈ：3.426519e-4
12ｔｈ：-7.19338e-6
14ｔｈ：-1.69417e-7
上記非球面の表記において例えば「-1.69417e-7」は「-1.69417×10^-7」を意味する。
また、「４ｔｈ〜１４ｔｈ」は、それぞれ「Ａ４〜Ａ１４」である。

【0053】

各条件のパラメータの値は、以下の通りである。
条件（１）のパラメータの値
ｄ＝ｄ１＝ｄ２＝６ ｆ＝０．７５
ｄ／ｆ＝８
条件（２）のパラメータの値
ＤＡ＝１１．３７
ＤＢ＝１４．７６
条件（３）のパラメータの値
Ｎｄ＝１．８３４０００
条件（４）のパラメータの値
（ｄ１＋ｄ２）／ｆ＝１６
従って、実施例の広角レンズおよび全天球型撮像装置は、条件（１）〜（３）を満足している。

【0054】

なお、広角レンズとして「光路を折り曲げないもの」を平行に用いる場合に比して、光軸間の間隔（図１における前側主点相互の、図１の上下方向の間隔）を１４ｍｍ短くすることが出来た。

【0055】

上記の如く、画角１８０度を超える広角レンズでは、レンズの中心を通る光線と周辺を通る光線では、レンズ肉厚の差で光路長が変わり、性能劣化につながる。実施例の広角レンズでは、前群の３枚のレンズのうち、第２レンズに「光軸近傍と周辺とのレンズ肉厚の差」が出やすい。それで、該第２レンズをプラスチックレンズとして両面を非球面とすることにより補正を行っている。

【0056】

また、後群の最終レンズをプラスチックレンズとし、その両面を非球面とすることにより「このレンズよりも物体側で発生する諸収差」を良好に補正するようにしている。

【0057】

また、後群の４枚のレンズのうち、２番目の両凸レンズと３番目の両凹レンズを接合することにより「色収差」を良好に補正している。

【0058】

実施例の広角レンズの球面収差図を、図２に示す。また、像面湾曲の図を図３に示す。

【0059】

図４には、コマ収差図を示す。

【0060】

図５、図６は、ＯＴＦ特性を示す図であり、横軸は、図５が「空間周波数」、図６が半画角を「度」で表している。

【0061】

これらの図から明らかなように、実施例の広角レンズは性能が極めて高い。

【符号の説明】

【0062】

Ａ 撮像光学系
Ｂ 撮像光学系
ＬＡ１〜ＬＡ７ レンズ
ＬＢ１〜ＬＢ７ レンズ
ＰＡ、ＰＢ プリズム
ＳＡ、ＳＢ 開口絞り

【先行技術文献】

【特許文献】

【0063】

【特許文献1】特許第３２９０９９３号公報

【特許文献2】特開２００７−１５５９７７号公報

【特許文献3】特開２０１０−２５６６２７号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】