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JP4464212B2 - 魚眼レンズ系 - Google Patents

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Description

本発明は、魚眼レンズ系に関する。
魚眼レンズは、射影方式によって次の４つに分類されることが知られている。
（ａ）正射影方式 ｙ＝-ｆ・ｓｉｎθ
（ｂ）等立体角射影方式 ｙ＝-２ｆ・ｓｉｎ（θ／２）
（ｃ）等距離射影方式 ｙ＝-ｆ・θ
（ｄ）立体射影方式 ｙ＝-２ｆ・ｔａｎ（θ／２）
（ｙは像高、ｆは焦点距離、θは半画角）
従って、これらの射影方式において、半画角９０°の像高ｙは、
（ａ）ではｙ＝ｆ、（ｂ）ではｙ＝-１．４１４ｆ、（ｃ）ではｙ＝-１．５７１ｆ、（ｄ）ではｙ＝-２ｆとなる。
また、半画角９０°のときの像高Ｙｘが決められたとき、
（ａ）ではｆ＝-Ｙｘ、（ｂ）ではｆ＝-Ｙｘ／１．４１４、（ｃ）ではｆ＝-Ｙｘ／１．５７１、（ｄ）ではｆ＝-Ｙｘ／２となる。
銀塩カメラ用の魚眼レンズは一般的に、（ａ）の正射影方式と（ｂ）の等立体角射影方式との間が採用されてきたが、最近のデジタルカメラでは、画像処理技術の向上に伴い、周辺部の解像力を重視した射影方式、例えば（ｄ）の立体射影方式の魚眼レンズが提案されている（特許文献１）。しかし、軸上と軸外との解像力をバランス良く得るには、（ｃ）の等距離射影方式に近いことが望ましい。
特開２０００-２２１３９１号公報 特開平４-６９６１１号公報 特開平４-６９６１２号公報 特開平９-１５９９１２号公報 特開昭６０-１５３０１８号公報 特公昭４５-３７９５３号公報 特開平７-８４１８０号公報
本発明は、特に等距離射影方式またはこれに近い射影方式を採用したとき、軸上から軸外まで良好な解像力を示す魚眼レンズ系、別言すると、高精細な固体撮像素子に対応でき、例えば監視カメラシステム（ＣＣＴＶ）用のレンズ系として好適な、画角（１８０゜）内をほぼ均等な解像力で解析できる魚眼レンズ系を得ることを目的とする。
本発明は、軸上から軸外まで良好な解像力を示す魚眼レンズ系において最も重要な要素は、被写体光を如何に滑らかに屈折させて像面に到達させるかにあり、そのためには最も物体側のレンズ形状が重要であるとの認識に基づき、物体側のレンズ形状に着目して研究した結果完成されたものである。
本発明は、物体側から順に、負の焦点距離を有する前群と、絞りと、正の焦点距離を有する後群とからなり、半画角９０°を有する魚眼レンズ系において、前群は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた第１、第２、第３の少なくとも３枚の負のメニスカスレンズを有し、次の条件式（１）ないし（３）を満足することを特徴としている。
（１）０．２＜ＳＦ１＜０．６
（２）０．８＜ＳＦ２／ＳＦ１＜１．５
（３）０．８＜ＳＦ３／ＳＦ１＜２．０
但し、
ＳＦi：第ｉ負メニスカスレンズのシェーピング・ファクター、
ＳＦi＝（Ｒ１i-Ｒ２i）／（Ｒ１i＋Ｒ２i）、
Ｒ１i：第iレンズの物体側の面の曲率半径、
Ｒ２i：第iレンズの像側の面の曲率半径、
である。
本発明の魚眼レンズ系では、第１、第２、第３の負メニスカスレンズの像側に、同じく物体側に凸面を向けた第４の負メニスカスレンズを配置してもよい。この第４の負メニスカスレンズは、次の条件式（４）を満足することが好ましい。
（４）０．８＜ＳＦ４／ＳＦ１＜２．５
本発明の魚眼レンズ系は、前群と後群中にはそれぞれ、正レンズと負レンズの接合レンズを少なくとも１組ずつ含ませることが好ましい。
また、物体側の３枚の負メニスカスレンズ以外の条件では、次の条件式（５）および（６）を満足することが好ましい。
（５）-０．５＜ｆ／ｆＦ＜-０．１
（６）０．７５＜｛-Δｙ(90)／Δθ(90)｝／（ＮOB・ｆ）＜１．５
但し、
ｆＦ：前群の焦点距離、
ｆ：全系の焦点距離、
Δθ(90)：半画角９０°からの画角増分（微分）量（rad）、
Δｙ(90)：半画角が９０°からΔθ(90)だけ画角が増加したときの像高増分（微分）量、
ＮOB：物体側の屈折率（空気の屈折率）、
である。
さらに、物体側の３枚の負メニスカスレンズ以外の条件では、次の条件式（７）を満足することが好ましい。
（７）３．２＜ｆＢ／ｆ＜５．０
但し、
ｆＢ：空気換算バックフォーカス、
である。
本発明によれば、軸上から軸外までをほぼ均等な解像力で撮影することができる魚眼レンズ系を得ることができる。本発明の魚眼レンズ系は、画像処理を伴う高精細なデジタルカメラに好適であるが、銀塩カメラ用に用いても新たな表現領域を獲得できると考えられる。
本実施形態の魚眼レンズ系は、図１、図３、図５、図７及び図９の各数値実施例のレンズ構成図に示すように、物体側から順に、負の焦点距離を有する前群１０と、絞りＳと、正の焦点距離を有する後群２０とからなり、半画角９０°を有している。前群１０は、図１、図３、図５及び図７の数値実施例では、物体側から順に、物体側に凸面を向けた３枚の負メニスカスレンズ１１、１２、１３を有しており、図９の数値実施例では、物体側に凸面を向けた４枚の負メニスカスレンズ１１、１２、１３、１４を有している。つまり、いずれの数値実施例も、前群１０の物体側に、物体側に凸面を向けた少なくとも３枚の負メニスカスレンズを有している。本実施形態は、前群１０の物体側に、物体側に凸という似た形状の少なくとも３枚の負メニスカスレンズを有することが必須である。
前群１０中には、この３枚または４枚の負メニスカスレンズの像側に順に、正レンズ１５と負レンズ１６の貼合せレンズと、両凸正レンズ１７とが位置している。また、正のパワーの第２レンズ群２０は、いずれの実施形態でも、物体側から順に、負レンズ２１と正レンズ２２の貼合せレンズと、両凸正レンズ２３と、物体側に凸の正レンズ２４とからなっている。ＣＧは、撮像素子の前面に位置するカバーガラス（フィルター類）である。前群１０の物体側の３枚または４枚の負メニスカスレンズ以外の構成及び後群２０の構成は必須ではないが、前群１０と後群２０中に正負レンズの貼合せレンズをそれぞれ配置することで、色収差を高度に補正し、高精細な固体撮像素子に対応することができる。
条件式（１）、（２）、（３）、及び（４）は、前群１０中の物体側に位置させて設けた３枚ないし４枚の負メニスカスレンズの形状に関する条件である。これらの条件式（１）、（２）、（３）、（４）は、３枚ないし４枚の負メニスカスレンズがほぼ同程度のシェーピング・ファクターを有していること、つまり似た形状を有することを示している。半画角９０゜の魚眼レンズ系において、軸上と軸外の解像度を同程度にするには、軸外の光線を徐々に屈折させて像面に到達させることが望ましく、そのために決定的な役割を担うのが物体側の３枚ないし４枚の負メニスカスレンズである。
条件式（１）、（２）、（３）の下限を越えると、各負メニスカスレンズのパワーが小さくなりすぎて、半画角９０°の光線を像面まで導くことができなくなり、半画角９０°を包括できなくなる。逆に条件式（１）、（２）、（３）の上限を越えると、半画角９０°の光線を包括するには有利であるが、各負メニスカスレンズのパワーが大きくなりすぎて周辺の解像力の低下を招く。条件式（１）、（２）、（３）は同時に満たされることが必須で、何れかの条件式が満たされなくても、３枚の負メニスカスレンズのパワーバランスが崩れ、大きな負のパワーを負担したレンズで発生したコマ収差、像面湾曲、歪曲収差を他のレンズで補正することは困難である。条件式（４）は、物体側の負メニスカスレンズを４枚で構成した場合に４枚目のレンズが満たすべき条件式である。この条件式（４）は、条件式（１）、（２）、（３）と同様の条件を与えるが、負メニスカスレンズを４枚使えば各レンズが負担すべきパワーがより少なくて済むので、諸収差の補正が更に容易になる。
条件式（５）は大きなバックフォーカスを維持しながら諸収差を良好に補正する為の条件である。本実施形態の魚眼レンズ系は、ＣＣＴＶ用の交換レンズとしての用途が重要な用途であり、比較的長いバックフォーカスを必要とする。条件式（５）の上限を超えると、前群１０の負のパワーが不足し、バックフォーカスを大きくするには後群２０の物体寄りのレンズ面に強い発散パワーを持たせることになり、そこで発生する諸収差を他のレンズで補正することができない。条件式（５）の下限を越えると、大きなバックフォーカスを得るには有利であるが、前群１０の負のパワーが強くなり過ぎ、前群１０で発生する諸収差を後群２０で補正することができなくなる。
条件式（６）は、本実施形態の魚眼レンズ系が対象とする射影方式に関する条件である。図１１は、条件式（６）を説明するための図であり、像面上の解像力が一定のとき（軸上と軸外の解像力が等しいとき）の、軸上の物体側解像力と半画角が９０°の軸外の物体側解像力の比を示している。
像面側の解像力が軸上と軸外で一定とした場合、物体側の解像力は、像面側の増分量Δｙが同じときには物体側の円周の増分量ΔSに反比例し、物体側の円周の増分量ΔSが同じときには像面側の増分量Δｙに比例する。従って、物体側の軸上の解像力と、半画角９０°の物体側の解像力との比は、
-Δｙo／ΔSo：-Δｙo(90)／ΔS(90)・・・（Ａ）
ΔSo＝ａ・Δθo
ΔＳ(90)＝ａ・Δθ(90)
で表すことができる。
但し、
Δｙo：軸上光線の像側の解像力、
Δｙo(90)：半画角９０゜の光線の像側の解像力、
ΔSo：軸上光線の物体側円周の増分（微分）量
ΔS(90)：半画角９０゜の光線の物体側円周の増分（微分）量、
Δθo：光軸からの画角の増分（微分）量、
Δθ(90)：半画角９０°の光線からの画角の増分（微分）量、
Δｙ(90)：半画角９０°からΔθ(90)だけ画角が増加したときの像高増分（微分）量、
ａ：魚眼レンズ系から物体までの距離
故に（Ａ）式は
-Δｙo／Δθo：-Δｙo(90)／Δθ(90)
ここで等距離射影方式の関係から、
-Δｙo=ＮOB・Δθo・ｆ
故に、-Δｙo／Δθo＝ＮOB・ｆ
但し、
ＮOB：物体側の屈折率（空気の屈折率）。
従って軸上の解像力に対する軸外半画角９０°の解像度の比は、次の条件式で表せる。
｛-Δｙ(90)／Δθ(90)｝／（ＮOB・ｆ）
条件式（６）の下限を越えると、正射影方式や等立体角射影方式と同じように物体側の軸外解像力が低下し、上限を超えると物体側の軸外解像力の向上にはいいが、「像面上の解像力が一定」という前提条件を維持するのが困難となる。
条件式（７）は、必要なバックフォーカスを表現した条件式である。条件式（７）の下限を越えるとバックフォーカスを大きくする目的を達成できず、上限を超えるとレンズ系が大型化する。
次に具体的な数値実施例を示す。諸収差図中、球面収差で表される色収差（軸上色収差）図及び倍率色収差図中のｄ線、ｇ線、Ｃ線はそれぞれの波長に対する収差であり、Ｓはサジタル、Ｍはメリディオナルである。また、表中のＦNoはＦナンバー、ｆは全系の焦点距離、θは半画角、ｆB は空気換算バックフォーカス（後群２０の最も像側の面から像面までの空気換算距離）、ｒは曲率半径、ｄはレンズ厚またはレンズ間隔（空気間隔）、Ｎd はｄ線（波長588nm）の屈折率、νはアッベ数を示す。
［数値実施例１］
図１は数値実施例１のレンズ構成を示し、図２は図１のレンズ構成の諸収差を示す。表１はその数値データである。レンズ構成は上述した。絞りＳは、第１レンズ群１０（第１１面）の後方3.328に位置している。
（表１）
ＦNo = 1: 1.8
ｆ = 2.96
θ = 89.6
ｆB = 10.01
面No. r d Nd ν
1 38.707 1.80 1.51633 64.1
2 15.733 3.97
3 24.769 1.20 1.77250 49.6
4 10.615 3.26
5 16.814 1.00 1.77250 49.6
6 7.735 4.18
7 121.674 6.73 1.69895 30.1
8 -8.589 1.18 1.72916 54.7
9 10.821 0.87
10 25.355 7.13 1.75520 27.5
11 -25.355 8.17
12 310.905 1.04 1.84666 23.8
13 10.209 3.84 1.72916 54.7
14 -21.803 0.10
15 25.683 3.61 1.48749 70.2
16 -25.683 1.49
17 13.401 3.48 1.48749 70.2
18 15471.231 8.86
19 ∞ 1.75 1.51633 64.1
20 ∞ -
［数値実施例２］
図３は数値実施例２のレンズ構成を示し、図４は図３のレンズ構成の諸収差を示す。表２はその数値データである。基本的なレンズ構成は数値実施例１と同様である。絞りＳは、第１レンズ群１０（第１１面）の後方3.367に位置している。
（表２）
ＦNo = 1: 1.8
ｆ = 2.91
θ = 89.0
ｆB = 10.00
面No. r d Nd ν
1 35.849 1.80 1.51633 64.1
2 16.160 4.04
3 24.213 1.20 1.77250 49.6
4 10.957 3.28
5 17.758 1.00 1.77250 49.6
6 8.000 4.22
7 292.600 6.59 1.69895 30.1
8 -8.580 1.18 1.72916 54.7
9 9.680 0.93
10 24.330 7.14 1.75520 27.5
11 -24.330 8.22
12 517.000 1.02 1.84666 23.8
13 10.248 3.87 1.72916 54.7
14 -19.920 0.10
15 26.416 3.61 1.48749 70.2
16 -26.416 1.49
17 14.000 3.46 1.48749 70.2
18 -298.345 8.85
19 ∞ 1.75 1.51633 64.1
20 ∞ -
［数値実施例３］
図５は数値実施例３のレンズ構成を示し、図６は図５のレンズ構成の諸収差を示す。表３はその数値データである。基本的なレンズ構成は数値実施例１と同様である。絞りＳは、第１レンズ群１０（第１１面）の後方3.059に位置している。
（表３）
ＦNo = 1: 1.8
ｆ = 2.85
θ = 89.0
ｆB = 10.11
面No. r d Nd ν
1 31.310 1.80 1.51633 64.1
2 15.526 4.02
3 22.415 1.20 1.77250 49.6
4 10.053 3.61
5 19.896 1.00 1.77250 49.6
6 7.774 3.50
7 144.158 6.19 1.69895 30.1
8 -8.933 1.01 1.72916 54.7
9 9.121 0.89
10 21.240 5.66 1.75520 27.5
11 -21.240 7.66
12 -195.230 2.44 1.84666 23.8
13 10.609 3.98 1.72916 54.7
14 -17.468 0.10
15 27.070 3.35 1.48749 70.2
16 -27.070 0.14
17 13.117 3.68 1.48749 70.2
18 -962.470 8.95
19 ∞ 1.75 1.51633 64.1
20 ∞ -
［数値実施例４］
図７は数値実施例４のレンズ構成を示し、図８は図６のレンズ構成の諸収差を示す。表４はその数値データである。基本的なレンズ構成は数値実施例１と同様である。絞りＳは、第１レンズ群１０（第１１面）の後方3.081に位置している。
（表４）
ＦNo = 1: 1.8
ｆ = 2.80
θ = 89.0
ｆB = 10.00
面No. r d Nd ν
1 30.807 1.80 1.51633 64.1
2 14.967 4.06
3 21.174 1.20 1.77250 49.6
4 9.752 3.63
5 19.668 1.00 1.77250 49.6
6 7.861 3.58
7 -8095.035 6.16 1.69895 30.1
8 -9.157 1.00 1.72916 54.7
9 9.229 0.96
10 24.214 5.63 1.75520 27.5
11 -17.585 7.72
12 -211.945 2.44 1.84666 23.8
13 10.159 4.07 1.72916 54.7
14 -16.837 0.10
15 29.479 3.35 1.48749 70.2
16 -29.180 0.13
17 14.436 3.68 1.48749 70.2
18 -106.240 8.85
19 ∞ 1.75 1.51633 64.1
20 ∞ -
［数値実施例５］
図９は数値実施例５のレンズ構成を示し、図１０は図９のレンズ構成の諸収差を示す。表５はその数値データである。この数値実施例５では、第１レンズ群１０の物体側に４枚の負メニスカスレンズが位置している。絞りＳは、第１レンズ群１０（第１３面）の後方2.711に位置している。
（表５）
ＦNo = 1: 1.4
ｆ = 2.22
θ = 89.0
ｆB = 9.91
面No. r d Nd ν
1 26.833 2.00 1.69680 55.5
2 17.527 3.44
3 19.107 1.62 1.77250 49.6
4 11.839 4.31
5 19.781 1.08 1.77250 49.6
6 8.570 3.52
7 24.246 0.90 1.77250 49.6
8 9.179 3.29
9 58.677 5.59 1.69895 30.1
10 -7.393 1.02 1.72916 54.7
11 8.169 1.06
12 26.674 5.09 1.75520 27.5
13 -17.804 7.05
14 -957.980 2.45 1.84666 23.8
15 8.744 3.54 1.72916 54.7
16 -15.915 0.09
17 35.413 2.65 1.48749 70.2
18 -29.483 0.10
19 13.705 3.23 1.48749 70.2
20 -39.825 8.88
21 ∞ 1.57 1.51633 64.1
22 ∞ -
各数値実施例の各条件式に対する値を表６に示す。（表６）
実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４ 実施例５
条件式（１） 0.422 0.379 0.337 0.346 0.210
条件式（２） 0.948 0.996 1.130 1.167 1.120
条件式（３） 0.876 1.001 1.300 1.239 1.885
条件式（４） - - - - 2.149
条件式（５） -0.313 -0.324 -0.310 -0.273 -0.286
条件式（６） 0.814 0.905 0.985 1.085 1.317
条件式（７） 3.384 3.435 3.545 3.571 4.507
各数値実施例は、各条件式を満足しており、諸収差も十分良く補正されている。
本発明による魚眼レンズ系の数値実施例１のレンズ構成図である。 図１のレンズ構成の諸収差図である。 本発明による魚眼レンズ系の数値実施例２のレンズ構成図である。 図３のレンズ構成の諸収差図である。 本発明による魚眼レンズ系の数値実施例３のレンズ構成図である。 図５のレンズ構成の諸収差図である。 本発明による魚眼レンズ系の数値実施例４のレンズ構成図である。 図７のレンズ構成の諸収差図である。 本発明による魚眼レンズ系の数値実施例５のレンズ構成図である。 図９のレンズ構成の諸収差図である。 魚眼レンズ系の軸上と軸外の解像度の比を説明するための図である。

Claims (6)

  1. 物体側から順に、負の焦点距離を有する前群と、絞りと、正の焦点距離を有する後群とからなり、半画角９０°を有する魚眼レンズ系において、
    前群は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた第１、第２、第３の少なくとも３枚の負のメニスカスレンズを有し、次の条件式（１）ないし（３）を満足することを特徴とする魚眼レンズ系。
    （１）０．２＜ＳＦ１＜０．６
    （２）０．８＜ＳＦ２／ＳＦ１＜１．５
    （３）０．８＜ＳＦ３／ＳＦ１＜２．０
    但し、
    ＳＦi：第ｉ負メニスカスレンズのシェーピング・ファクター、
    ＳＦi＝（Ｒ１i-Ｒ２i）／（Ｒ１i＋Ｒ２i）、
    Ｒ１i：第iレンズの物体側の面の曲率半径、
    Ｒ２i：第iレンズの像側の面の曲率半径。
  2. 請求項１記載の魚眼レンズ系において、第１、第２、第３の負メニスカスレンズの像側に第４の負メニスカスレンズを有する魚眼レンズ系。
  3. 請求項２記載の魚眼レンズ系において、上記第４の負メニスカスレンズは、次の条件式（４）を満足する魚眼レンズ系。
    （４）０．８＜ＳＦ４／ＳＦ１＜２．５
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の魚眼レンズ系において、前群と後群中にはそれぞれ、正レンズと負レンズの接合レンズが少なくとも１組ずつ含まれている魚眼レンズ系。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の魚眼レンズ系において、次の条件式（５）および（６）を満足する魚眼レンズ系。
    （５）-０．５＜ｆ／ｆＦ＜-０．１
    （６）０．７５＜｛-Δｙ(90)／Δθ(90)｝／（ＮOB・ｆ）＜１．５
    但し、
    ｆＦ：前群の焦点距離、
    ｆ：全系の焦点距離、
    Δθ(90)：半画角９０°からの画角増分（微分）量（rad）、
    Δｙ(90)：半画角が９０°からΔθ(90)だけ画角が増加したときの像高増分（微分）量、
    ＮOB：物体側の屈折率（空気の屈折率）。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載の魚眼レンズ系において、次の条件式（７）を満足する魚眼レンズ系。
    （７）３．２＜ｆＢ／ｆ＜５．０
    但し、
    ｆＢ：空気換算バックフォーカス。
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