(57)【要約】【課題】  少ない構成枚数で超広角を可能とする魚眼レンズを提供する。【解決手段】  ３枚構成のレンズ系からなり、凹の第１レンズ、凹の第２レンズ、絞り、凹の第３レンズと順に配置する。最も物体側に位置する第１レンズは、高屈折率のガラスレンズで、両面が球面である。第２レンズは、樹脂レンズ又はモールドガラスレンズで、非球面形状となっている。水平画角１６０°以上の超広角を有し、かつＦ／３以上の明るさを備えている。撮像素子に比べて全長が短く、近赤外域のある単一の波長に対して諸収差が補正されている。【選択図】図１
2008134540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３枚構成のレンズ系からなり、最も物体側に位置する第１レンズは、高屈折率のガラス製レンズで、両面が球面であり、第２レンズは、樹脂製レンズ又はモールドガラス製レンズで、非球面形状を有しており、全画角１６０°以上の超広角を有することを特徴とする魚眼レンズ。
【請求項２】
順に凹の第１レンズ、凹の第２レンズ、絞り、凸の第３レンズと配置することを特徴とする請求項１に記載の魚眼レンズ。
【請求項３】
第３レンズが、樹脂製レンズ又はモールドガラス製レンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載の魚眼レンズ。
【請求項４】
撮像素子に比べて全長が短く、近赤外域のある単一の波長に対して諸収差が補正され、出射瞳位置ｔ’に対して |ｔ’| ＞１０ｆ（ｆは焦点距離）で表される像側が略テレセントリックであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の魚眼レンズ。
【請求項５】
第１レンズと第２レンズが、群全体として屈折力が負である第一群（Ｇ１）を構成し、第３レンズが、絞りをはさんで、像側に、球面あるいは非球面の正の単レンズよりなる第二群（Ｇ２）を構成していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の魚眼レンズ。
【請求項６】
第１レンズが負のメニスカスレンズであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の魚眼レンズ。
【請求項７】
等距離射影に基づいていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の魚眼レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超広角の魚眼レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、気象観測、写真等の分野に加え、監視カメラ、車載カメラ等の分野でも、超広角レンズの需要が高まってきている。
【０００３】
このような用途において、レンズはできるだけ小さく、かつ明るいことが望まれる。
【０００４】
従来、魚眼レンズを含む超広角レンズは、その特徴的な射影方式により、気象撮影などの科学的用途に多く供されてきた。単純な構成を持つ魚眼レンズの歴史は古く、１９２４年にベックが製作した「ヒルのスカイレンズ」にさかのぼる（非特許文献１参照）。
【０００５】
この種のレンズは、３枚のレンズより構成され、気象記録用途として、全天を一枚の写真に記録する際に用いられる。
【０００６】
特許文献１に、３枚構成の超広角レンズが示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、３枚のレンズの配置について、凹｜凸凸（すなわち凹レンズ、絞り、凸レンズ、凸レンズ）であることが示されている。
【特許文献１】特開２００３−１９５１６１号公報
【特許文献２】特開昭５７−１７３８１０号公報
【非特許文献１】"A HISTORY OF PHOTOGRAPHIC LENS" (R.Kingslake, Academic Press, 1989)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の小型の魚眼レンズは、非常に暗い。
【０００９】
明るい魚眼レンズも開発されているが、大型のものに限られている。従来は、明るくかつ超広角にするためには、多くのレンズエレメントを使わざるをえず、大型化が避けられなかった。
【００１０】
また、特許文献１においては、最も物体側に位置する第１レンズの屈折力が極めて弱く、効果的に主光線を曲げることができないため、軸外収差（特に高次の非点収差）の補正が困難であった。
【００１１】
従来の魚眼レンズでは、一方で、簡単な構成では暗くなる欠点があり、他方で、明るくするには構成が複雑となり、大型化が避けられない欠点があった。その主な原因として、現実的に精密な非球面加工技術がなかったことをあげることができる。そのため、明るくするためには、球面のみで超広角レンズを構成せざるをえないが、そうすると、多くのレンズ枚数が必要になるのである。
【００１２】
本発明の目的は、少ないレンズ構成枚数で明るくかつ超広角とすることを可能にする魚眼レンズを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の解決手段を例示すると、次のとおりである。
【００１４】
（１）３枚構成のレンズ系からなり、最も物体側に位置する第１レンズは、高屈折率のガラス製レンズで、両面が球面であり、第２レンズは、樹脂製レンズ又はモールドガラス製レンズで、非球面形状を有しており、水平画角１６０°以上の超広角を有することを特徴とする魚眼レンズ。
【００１５】
（２）順に凹の第１レンズ、凹の第２レンズ、絞り、凸の第３レンズと配置することを特徴とする前述の魚眼レンズ。
【００１６】
（３）第３レンズが、樹脂製レンズ又はモールドガラス製レンズであることを特徴とする前述の魚眼レンズ。
【００１７】
（４）撮像素子に比べて全長が短く、近赤外域のある単一の波長に対して諸収差が補正され、出射瞳位置ｔ’に対して |ｔ’| ＞１０ｆ（ｆは焦点距離）で表される像側が略テレセントリックであることを特徴とする前述の魚眼レンズ。
【００１８】
（５）第１レンズと第２レンズが、群全体として屈折力が負である第一群（Ｇ１）を構成し、第３レンズが、絞りをはさんで、像側に、球面あるいは非球面の正の単レンズよりなる第二群（Ｇ２）を構成していることを特徴とする前述の魚眼レンズ。
【００１９】
（６）第１レンズが負のメニスカスレンズであることを特徴とする前述の魚眼レンズ。
【００２０】
（７）等距離射影に基づいていることを特徴とする前述の魚眼レンズ。
【発明を実施するための最良の態様】
【００２１】
両面が球面である高屈折率のガラス製レンズと、樹脂製レンズ又はモールドガラス製レンズとを組み合わせることにより、樹脂製レンズ又はモールドガラス製レンズについて非球面創成の自由度を飛躍的に向上させることができる。そのようにして得る非球面創成の大きな自由度と、焦点距離が短いため、色補正の必要が無いことを巧みに活用して、明るく、非常に簡単な構成の超広角レンズを実現することができる。
【００２２】
本発明の最良の実施形態による魚眼レンズにおけるレンズ系の群の働きについて述べると、第一群は、大きな傾角を持つ軸外主光線の傾角を緩める働きを持つ。それと同時に、∞光を、レンズから有限の距離の虚像に結像する。第二群は、その虚像を撮像面に実像として結像させる。
【００２３】
したがって、第一群の形状は、主に軸外収差、特に歪曲に関連し、第二群の形状は球面収差とコマ収差に関係する。
【００２４】
超広角レンズにあっては、射影方式が仕様において重要な因子となる。
【００２５】
最も物体側に位置する第１レンズは、第一群に属し、両面が球面のものとする。そして、この第１レンズは、耐候性の要請により、ガラスレンズとする。
【００２６】
しかも、この第１レンズは強い屈折力を有し、主光線を効果的に曲げつつ、軸上収差の悪化を防ぐために、なるべく高屈折率のガラス材を用い、曲率を小さくする。
【００２７】
なお、一応、この第１レンズに非球面加工を施すことも考えられるが、加工の容易な樹脂やモールドガラスはおしなべて低屈折率であるので、なるべく高屈折率のガラス材を用いる。しかし、高屈折率のガラス材を用いると、非球面創成は高コストである。したがって、この第１レンズは両面を加工の容易な球面で構成することが望ましい。
【００２８】
ところが、球面のみからなる第１レンズでは、軸外主光線の制御を十分に行うことができないため、高屈折率のガラス製で、かつ球面のみからなる第１レンズと、非球面創成の比較的容易な樹脂あるいはモールドガラスよりなる第２レンズとを組み合わせて第１群を構成し、所望の目的を達成する。
【００２９】
第２レンズは、ほとんど屈折力はない反面、非常に大きなコーニック係数を持つようにすることが好ましい。
【００３０】
また、第１レンズと第２レンズで１つの群を構成し、後群にまったくレンズのないいわゆる後絞りのレンズの設計も可能であるが、ＣＣＤ等の撮像素子においては、各像点を形成する主光線の入射角はできるだけ平行であることが望ましい。言い換えれば、光学系は像側テレセントリックに近いことが望ましいが、これを達成するためには、物側主点が略絞り位置にある正のレンズとすることが望ましい。そこで第一群と第二群を構成する３枚レンズの配置とし、しかも、凹凹|凸（つまり凹レンズ、凹レンズ、絞り、凸レンズ）の配置構成が望ましい。
【００３１】
ここで、好ましい「非球面形状」について述べると、第二群を構成する正の単レンズ（第３レンズ）は、両面とも回転双曲面の形状とし、弱い面が絞りを向くようにする。例えば、この種のレンズの作用は、上述のように、前群によって有限の距離に作られた虚像を撮像面上の実像として結像する役割を持つ。
【００３２】
また、瞳結像に着目すると、これは絞りの像を出射瞳として結像する役割を持つ。特に、このときは、出射瞳は∞にあることが望ましい。この形状は、瞳結像についていえば、光ディスクのピックアップレンズと同様、アプラナティック単レンズ（つまりアプラナティック＝球面収差とコマ収差の補正されたレンズ）の構成である。
【００３３】
非球面に対するベース曲率について言えば、瞳球面収差を少なくするためには瞳共役距離の遠い側に強い面を向ける。一般に球面収差は、面の周辺部に行くに従い平行光を一点に集めるために必要な曲率より強くなることによって発生することが知られている。そこで、各面のコーニック定数ｋを負に設定することによって、中心曲率をそのまま保ち、周辺曲率を小さくすると、瞳球面収差を小さく抑える点で有効である。
【００３４】
また、「ある単一の波長に対して諸収差が補正されている」ことについて、監視カメラや車載カメラといった用途では、非常に大きな画角（２ω＞１６０°）をもち、かつ動画を記録する必要から、できるだけ明るいレンズが必要とされている。
【００３５】
このような用途にあっては、夜間撮影を可能にするため、近赤外域に高感度を持つ撮像素子が多く使用される。その結果、レンズの仕様としては、科学観測分野や写真等の芸術分野とは異なり、可視域全体での色補正の必要はあまりない。
【００３６】
また、レンズ材料の屈折率は、一般に、紫外域に近づくにつれ急激に上昇するが、赤色〜近赤外域においては、緩やかに低下するという特徴がある。したがって、撮像素子の特性に対応した近赤外域のある単一の波長に対し球面収差が補正されていれば、赤色〜近赤外域においては、それほど急激な軸上収差の崩れは無い。
【００３７】
同様の理由により、倍率の色収差を含む軸外諸収差も、赤色〜近赤外域において、それほど大きな崩れ（像が色づくこと）は示さない。
【００３８】
以上に鑑みると、「近赤外域のある単一の波長に対して諸収差が補正されている」レンズが好ましい。
【００３９】
非球面係数の定義について述べると、次のとおりである。
【数１】
2008134540.tif 000003
【００４０】
ここで、ｘは面の光軸方向へのサグ量である。Ｒは曲率半径である。また、Ｈ＝y^2 + z^2 であり、これは面形状が回転対称形状であることを示す。Ｋはコーニック係数であり、−(離心率)^2である。Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ４次、６次、８次の非球面係数であり、面形状の円錐曲線からの隔たりを表す。
【００４１】
なお、本発明においては、レンズ形状は必ずしも回転対称でなくてもよい。車載カメラや監視カメラといった使用分野では、いわゆるアナモルフィック面を導入し、光軸（ｘ軸）に垂直なｙ軸及びｚ軸のそれぞれの結像倍率を変えることで、被写体を所望のイメージサークル内に収めるからである。このように構成しても、結像性能は劣化せず、所望の結像性能を達成することができる。
【００４２】
本発明の好ましい実施形態による魚眼レンズは、等距離射影に基づく魚眼レンズである。
【００４３】
本発明の好ましい実施形態においては、魚眼レンズは、構成枚数が３枚で、超広角（２ω＞１６０°）で、かつ非常に明るい（Ｆ／３以下）。
【００４４】
また、本発明の好ましい実施形態においては、撮像素子に比べて全長が短く（全長 ≦１０ｆ程度）、近赤外域のある単一の波長にたいして諸収差が補正され、像側は略テレセントリック（ 出射瞳位置ｔ’に対して |ｔ’| ＞ １０ｆ、ｆは焦点距離）である。
【００４５】
また、本発明の好ましい実施形態においては、絞りをはさんで、物体側に、ガラスよりなる負のメニスカスレンズ（第１レンズ）と、非球面形状を含むレンズ（第２レンズ）を設ける。群全体として屈折力が負である第一群Ｇ１を、第１レンズと第２レンズで構成する。絞りをはさんで、像側に、樹脂あるいはモールド成型の可能なガラスよりなる球面あるいは非球面の正の単レンズ（第３レンズ）で、第二群Ｇ２を構成する。
【００４６】
ここで、正のレンズ（第３レンズ）の非球面形状については、コーニック定数Ｋ＜０であり、パワー配分、面間隔の条件が与えられる。
【００４７】
以上のように構成すれば、色補正の必要が無いことから、明るく、非常に簡単な構成の超広角レンズとすることができる。
【００４８】
また、３枚のレンズの配置は、凹凹|凸（つまり凹レンズ、凹レンズ、絞り、凸レンズ）とし、凹|凸凸（凹レンズ、絞り、凸レンズ、凸レンズ）の配置や、凹凹凸|（つまり凹レンズ、凹レンズ、凸レンズ、絞り）の配置に比較して優れたものとすることができる。
【実施例】
【００４９】
本発明の第１〜第３実施例を説明する。
【００５０】
表１は、第１〜第３実施例における魚眼レンズの半画角、イメージサークル、全長、Ｆ／ｎｏ、焦点距離、出射瞳、ｆＢ、ｆ１〜ｆ３、ｆ（Ｇ１）、コーニック係数すなわちＫ（Ｓ５）およびＫ（Ｓ６）、曲率半径すなわちＲ（Ｓ５）およびＲ（Ｓ６）、直径／全長を示す。
【表１】
2008134540.tif 000004
【００５１】
＜第１実施例＞
図１は、本発明の第１実施例による魚眼レンズの概略を示す。
【００５２】
図２は、図１に示す魚眼レンズの球面収差を示す。
【００５３】
図３は、図１に示す魚眼レンズの非球面収差を示す。
【００５４】
図４は、図１に示す魚眼レンズの歪曲収差を示す。
【００５５】
表２は、図１に示す魚眼レンズの面データを示す。
【表２】
2008134540.tif 000005
【００５６】
＜第２実施例＞
図５は、本発明の第２実施例による魚眼レンズの概略を示す。
【００５７】
図６は、図５に示す魚眼レンズの球面収差を示す。
【００５８】
図７は、図５に示す魚眼レンズの非球面収差を示す。
【００５９】
図８は、図５に示す魚眼レンズの歪曲収差を示す。
【００６０】
表３は、図５に示す魚眼レンズの面データを示す。
【表３】
2008134540.tif 000006
【００６１】
＜第３実施例＞
図９は、本発明の第３実施例による魚眼レンズの概略を示す。
【００６２】
図１０は、図９に示す魚眼レンズの球面収差を示す。
【００６３】
図１１は、図９に示す魚眼レンズの非球面収差を示す。
【００６４】
図１２は、図９に示す魚眼レンズの歪曲収差を示す。
【００６５】
表４は、図９に示す魚眼レンズの面データを示す。
【表４】
2008134540.tif 000007
【００６６】
表２〜４において、Ｒは曲率半径である。Ｋはコーニック係数であり、−(離心率)^2である。Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ４次、６次、８次の非球面係数であり、面形状の円錐曲線からの隔たりを表す。
【００６７】
実施例１〜３に示すレンズは、すべて等距離射影に基づく魚眼レンズである。
【００６８】
＜レンズ面の成形方法＞
第１〜第３レンズ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）の球面及び非球面は、以下の方法で精密に測定して所望の形状に形成するのが好ましい。
【００６９】
図１３は、本発明によるレンズの凸面の形状測定装置の１例を示す。
【００７０】
図１３において、回動部材２３は、レンズ１０の非球面の第２面１０ｂに接触してその非球面レンズ１０を精密に測定するための第１接触子２２、好ましくは球状接触部材を有する。非球面のレンズ１０の第２面１０ｂに第１接触子２２を接触させ、リニア測長器２６側の第２接触子２４ａが四角柱状の回動部材２３の接触面２３ｂに接触していて、レンズ表面からの反力をリニア測長器２６で測定する。
【００７１】
リニア測長器２４の基部２６ａの先端に取り付けられた板ばね２３ｃに回動部材２３が設けられている。
【００７２】
第２接触子２４ａ（球状接触部材）が非球面のレンズ１０の第２面１０ｂから受ける反力に伴い旋回運動する軌跡（図１３の点線）上に第１接触子２２の接触点（球状接触部材）を配置して、レンズ１０を的確に測定する。
【００７３】
この場合、第１接触子２２（球状接触部材）は非球面のレンズ１０の第２接触面１０ｂに接触するときに点接触し、かつ、支点２３ａを中心に弧を描くように支点２３ａから矩形状の回動部材２３に設けられた第２接触子２２（球状接触部材）の配置位置までの距離を半径として第２接触子２４ａ（球状接触部材）は旋回運動し、非球面のレンズ１０の第２面１０ｂに対して法線方向から接触すると共に、支点２３ａを中心とした第１接触子２２の旋回運動の軌跡上に第２接触子２４ａが配置されているため、第１球状接触部材２２の旋回運動が第２球状接触部材２４ａの進退直線運動に伝達され、非球面のレンズ１０の第２面１０ｂからの押圧力を正確に伝え、非球面のレンズ１０を精密に測定することができる。そして、第１接触子２２と第２接触子２４ａは、四角柱状の回動部材２３を支持する板バネ等の板状部材２３ｃなどにより非球面のレンズ１０の第２面１０ｂに正確に追従して接触し、非球面形状を精密に測定することができる。
【００７４】
図１４は、レンズの凹面の形状測定装置の一例を示す。凹面５１を有するレンズ５０の場合、従来の形状測定装置では接触子自体がレンズ５０の凹面５１にうまく入らず、レンズ５０の形状や凹凸の傾斜を正確に測定できない。しかし、図１４の測定装置は、第１接触子５３として針状接触子を用い、その針状の第１接触子５３を支持する支持部材が基部５８に対して支点５５を中心として回動可能な回動部材５４として構成されている。第１接触子５３をレンズ５０の凹面５１に接触させる。針状の第１接触子５３の裏側の対応するところに、回動部材５４を介在する形で、球状の第２接触子５６を配置している。そして、針状の第１接触子５３の移動（円弧状運動）を球状の第２接触子５６に伝達することで、レンズ５０の凹面５１を正確に測定する。５７はリニア側長器の棒状部材の一部を示す。
【００７５】
また、図１５では、針状の第１接触子５３をレンズ６０の凸面６１に接触させ、針状の第１接触子５３の移動（円弧状運動）を球状の第２接触子５６に伝達することで、レンズ６０の凸面６１の形状や凹凸の傾斜などを精密測定する。この場合、凸面６１と平坦面６３の境界付近にも針状の第１接触子５３を的確に接触させることができるので、凸面６１と平坦面６３の境界及び凹凸の傾斜が例えば６０度以上の高接触角の非球面形状をきわめて高精度に測定することができる。
【００７６】
好ましくは、レンズの研削加工装置に前述の測定装置を備える。レンズを研削砥石で研削加工しながら、レンズの振れ、形状を測定し、再度レンズを研削し修正する。
【００７７】
また、レンズの研磨装置にも、前述の測定装置を備える。レンズを研磨しながら、レンズの振れ、形状を測定し、再度レンズを研磨し修正する。
【００７８】
また、前述の測定装置は、モールドでレンズを製造するための金型の凹面や凸面を測定するためにも適用できる。
【００７９】
このような測定装置の詳細は、特願２００６−２７０５７２号明細書及び図面に記載されている。その記載内容を本願明細書及び図面の記載内容の一部とする。
【００８０】
レンズの研削方法や研磨方法は、従来の種々のものを採用できる。その一例として、特許第３７５６１３０号公報に記載の非球面レンズ研磨方法をあげることができる。
【００８１】
なお、本発明は、前述の実施例に限定されない。例えば、より画角を制限したレンズも、前述の条件に基づき容易に設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の第１実施例による魚眼レンズを示す。
【図２】図１に示す魚眼レンズの球面収差と正弦条件を示す。
【図３】図１に示す魚眼レンズの非点収差を示す。
【図４】図１に示す魚眼レンズの歪曲収差を示す。
【図５】本発明の第２実施例による魚眼レンズを示す。
【図６】図５に示す魚眼レンズの球面収差と正弦条件を示す。
【図７】図５に示す魚眼レンズの非点収差を示す。
【図８】図５に示す魚眼レンズの歪曲収差を示す。
【図９】本発明の第３実施例による魚眼レンズを示す。
【図１０】図９に示す魚眼レンズの球面収差と正弦条件を示す。
【図１１】図９に示す魚眼レンズの非点収差を示す。
【図１２】図９に示す魚眼レンズの歪曲収差を示す。
【図１３】本発明の魚眼レンズを製造する際に使用するレンズ面の形状測定装置の一例を示す。
【図１４】本発明の魚眼レンズの製造の際に使用するレンズ面の形状測定装置の他の例を示す。
【図１５】本発明の魚眼レンズの製造の際に使用するレンズ面の形状測定装置の更に他の例を示す。
【符号の説明】
【００８３】
Ｌ１  第１レンズ
Ｌ２  第２レンズ
Ｌ３  第３レンズ
【図１】
2008134540.tif 000008
【図２】
2008134540.tif 000009
【図３】
2008134540.tif 000010
【図４】
2008134540.tif 000011
【図５】
2008134540.tif 000012
【図６】
2008134540.tif 000013
【図７】
2008134540.tif 000014
【図８】
2008134540.tif 000015
【図９】
2008134540.tif 000016
【図１０】
2008134540.tif 000017
【図１１】
2008134540.tif 000018
【図１２】
2008134540.tif 000019
【図１３】
2008134540.tif 000020
【図１４】
2008134540.tif 000021
【図１５】
2008134540.tif 000022