JP2001504949A - 電子撮像装置用レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子装置用レンズ系は２つのレンズを有する。第１のレンズ（面１／面２）は負の光屈折力を有し、第２のレンズ（面４／面５または面５／面６）は正の光屈折力を有し第１のレンズ（面１／面２）からレンズ系の焦点距離の少なくとも１／４だけ離れて配置される。１つの実施の形態（図３）において、第２のレンズ（面４／面５）は屈折−回折混成素子であり、この場合、第１及び第２のレンズ（面１／面２及び面４／面５）はともにアクリルからなり球面及びコニック面のみを有することができる。別の実施の形態（図１，２及び４）において、第１のレンズ（面１／面２）は第２のレンズ（面４／面５または面５／面６）より高い分散を有する。例えば第１のレンズ（面１／面２）はスチレンからなり、第２のレンズ（面４／面５または面５／面６）はアクリルからなる。この場合、第１のレンズ（面１／面２）は球面及び汎非球面を有し、第２のレンズ（面５／面６）はコニック面を有する（図１及び２）か、あるいは第１及び第２のレンズ（面１／面２及び面４／面５）はともに球面及びコニック面を有する（図４）ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】 電子撮像装置用レンズ 発明の分野 本発明は電子撮像装置、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）あるいは同様の光電素 子を用いる装置に使用するためのレンズに関する。この装置は技術上周知であり その説明は“フィジックス・トゥデイ（Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｔｏｄａｙ）”誌、１ ９８９年９月号、２４〜３２ページのローズ（Ｒｏｓｅ）等による「撮像装置性 能の物理的限界」及びこれに挙げられている参考文献；並びに米国ニューヨーク のアカデミック・プレス（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ）刊のエル・マートン （Ｌ．Ｍａｒｔｏｎ）編“アドバンシーズ・イン・エレクトロニクス・アンド・ エレクトロン・フイジックス（Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｏｒｎｉｃ ｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ）”、補遺第８巻（１９７５年 ）のセキン（Ｓｅｑｕｉｎ）等による「電荷転送素子」を含む、多くの参考文献 に見ることができる。上記の全参考資料の関連する部分は、参照として本明細書 に含まれる。発明の背景 電子撮像装置には、小さく高品質な画像をつくることのできるレンズ系が必要 である。すなわち電子撮像装置には短焦点レンズ系が必要である。例えば（１／ ３インチＣＣＤとして知られる）対角線がほぼ５．５ｍｍのＣＣＤが各所で入手 可能である。代表的なＣＣＤは、これだけ小さい寸法のなかに２００，０００を こえる画素を有し、従ってこのＣＣＤの表面で１ｍｍあたり約４０本の解像度を 有する。 短焦点レンズ系は一般に複数の小径レンズ素子を含む。前記複数の素子は、口 径が小さすぎると、取扱及び完成ユニットへの組込が困難になる。コストは常に 電子撮像装置用レンズの主要因であり、特に前記装置が量販製品の部品となる場 合に重視される。ＣＣＤは高解像度であるので、このような素子とともに用いる レンズは光学品質が高くなければならない。こうした要件により前記コスト問題 はさらに大きくなる。特に、前記要件により最小レンズ素子数で高水準の光学品 質を達成することには高い価値がつけられる。発明の要約 上記のことを考えて、本発明の目的は：（１）コストを最小限に抑えるために レンズ素子を２つしか用いず；（２）汎非球面の使用を、例えば汎非球面を１つ しかもたないか、ある場合には製造工程を簡単にして同じくコストを最小限にす るために、汎非球面を１つももたないように、最小限に抑え；（３）取扱及び組 込を容易にするために比較的大径のレンズを用い；（４）ＣＣＤ及び同様の電子 撮像素子の水準と同等の光学性能水準を有する、電子撮像装置用レンズ系を提供 することである。 上記及びその他の目的を達成するため、本発明が提供する２素子レンズ系は、 該レンズ系の物空間側に置かれる第１の素子が負の光屈折力を有しまた比較的厚 く、レンズ系の像空間側に置かれる第２のレンズ素子が正の光屈折力を有し、前 記第１のレンズ素子から比較的遠くに離されているかまたは比較的厚いかあるい は比較的遠くに離されていて比較的厚い。前記２枚のレンズ素子はともに、前記 レンズ系の入射瞳に比較して口径が大きいことが望ましい。 ある実施の形態において、前記系は第１のレンズ素子に１つの汎非球面及び第 ２のレンズ素子に２つのコニック（ｃｏｎｉｃ）面を含む。別の実施の形態にお いては汎非球面は用いられない。前記２つの実施の形態に関連して、１つのコニ ック面を第１のレンズ素子に用い、２つのコニック面を、屈折−回折混成素子で あることが望ましい第２のレンズ素子に用いることもできる。あるいは、球面及 びコニック面を第１及び第２のレンズ素子の双方に用いることもできる。いくつ かの実施の形態では、色補正を達成するために、第１のレンズ素子はスチレンか らなり、第２のレンズ素子はアクリルからなる。第２のレンズ素子に屈折−回折 混成素子を用いる場合には、第１及び第２のレンズ素子をともにアクリルでつく ることができる。 本発明のレンズ系は，通常のＣＣＤとの使用に適した焦点距離及び光学性能を 有する。例えば前記レンズ系は、５．０ｍｍより短い焦点距離、２．８ないしよ り明るいＦ数、及び解像度４０本／ｍｍの前記ＣＣＤでＭＴＦを容易に達成でき 、 よって１／３インチＣＣＤとの使用に適することになる。図面の簡単な説明 図１〜４は、本発明に従って構成されるレンズ系の簡略な側面図である。 本明細書に含まれその一部をなす上記の図は、本発明の望ましい実施の形態を 示し、記述とともに本発明の原理を説明する役に立つ。図面及び記述は説明のみ のためのものであって本発明を限定するものでないことはもちろん当然である。望ましい実施の形態の説明 上述したように、本発明のレンズ系は２つのレンズ素子からなる。 前記第１のレンズ素子は負の光屈折力を有し、すなわちｆ１＜０であって： ｜ｆ１｜／ｆ０＞１．０； ｔ１／ｆ０＞０．５；及び Ｄ１／ＤＥＰ＞２．５； の特性を有することが望ましい。ここでｆ０は前記レンズ系の焦点距離、ｆ１は 前記第１のレンズ素子の焦点距離、ｔ１は第１のレンズ素子の厚さ、Ｄ１は第１ のレンズ素子の径、またＤＥＰはレンズ系の入射瞳径である。前側素子を厚くす ることにより、系の像面湾曲が補正される。 ある実施の形態においては、本発明のレンズ系は： ｜ｆ１｜／ｆ０＞１．５；及び ｔ１／ｆ０＞０．７； の関係を満たす。上記２つの実施の形態に関連して、前記ｔ１／ｆ０比は１．０ より大きいことが最も望ましい。 本明細書及び請求の範囲で用いられるように、レンズ素子の径は該素子の最大 透明開口であり、レンズ系の前記入射瞳径は該系の等価単焦点距離を系の無限遠 Ｆ数で除した値である。これらの定義に基づけば、以下に示す例１〜４のレンズ 系は９．５，９．６，１１．９，及び５．６ｍｍのＤ１値並びに１．５，１．５ ，２．３，及び１．５ｍｍのＤＥＰ値を有し、よってＤ１／ＤＥＰ比はそれぞれ 、６．３，６．４，５．２，及び３．７である。前記Ｄ１／ＤＥＰ比は３．０よ り大きいことが望ましい。 前記第２のレンズ素子は正の光屈折力を有し、すなわちｆ２＞０であり： ｆ２／ｆ０＜２．０； ｄ１２／ｆ０＞０．２５； Ｄ２／ＤＥＰ＞１．３；及び ｔ２／ｆ０＞０．５； の特性を有することが望ましい。ここでｆ２は前記第２のレンズ素子の焦点距離 、ｄ１２は前記第１と第２のレンズ素子との間の距離、Ｄ２は第２のレンズ素子 の径、またｔ２は第２のレンズ素子の厚さである。レンズ素子の径に関する上記 の定義に基づけば、以下に示す例１〜４のレンズ系は、４．０，４．０，４．５ ，及び３．９ｍｍのＤ２値並びにそれぞれ、２．７，２．７，２．０，及び２． ６のＤ２／ＤＥＰ比を有する。前記Ｄ２／ＤＥＰ比は１．５より大きいことが望 ましい。 ある実施の形態においては、本発明のレンズ系は： ｆ２／ｆ０＜１．６； ｄ１２／ｆ０＞０．５；及び Ｄ２／ＤＥＰ＞１．５； の関係を満たす。 いくつかの実施の形態においては前記第２のレンズ素子は屈折−回折混成素子 である。該素子の作成は技術上周知である。例えば、シー・ロンドノ（Ｃ．Ｌｏ ｎｄｏｎｏ）の米国タフツ大学（Ｔｕｆｔｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）博士論文 （１９９２年）、“表面レリーフ光回折素子、すなわちキノフォームの設計及び 作成、並びに無熱光化の例”及びこれに挙げられている参考文献を参照されたい 。上記の全参考資料の関連する部分は参照として本明細書に含まれる。回折面に は回折効率の問題がある。すなわち、全ての次数の回折光が完全に焦点を結ぶと は限らない。この効果は“グレア”として見えることが多い。電子撮像装置用途 では、前記回折効率問題は電子映像のディジタル処理により解決できる。 前記第２のレンズ素子が屈折−回折混成素子である場合、ｆ２に前記回折面の 寄与を含んで、ｆ２／ｆ０比は１．０より大きく、例えばほぼ１．５であること が望ましい。混成素子を用いない場合には、前記ｆ２／ｆ０比は１．０より小さ いことが望ましい。 第２のレンズ素子に屈折−回折混成素子を用いることにより、前記レンズ系は 色補正され、前記第１及び第２のレンズ素子をともにアクリルのような低分散材 で構成することができる。前記混成素子を用いない場合は、第１のレンズ素子は 第２のレンズ素子より高分散でなければならない。例えば、前記混成素子を用い ない実施の形態において、第１のレンズ素子はスチレンからなり第２のレンズ素 子はアクリルからなる。その他のプラスチックも、望ましければもちろん用いる ことができる。例えば、スチレンの代わりにポリカーボネート及びフリントガラ スに似た分散を有するポリスチレンとアクリルの共重合体（例えばＮＡＳ）を用 いることができる。米国オハイオ州シンシナティ（Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ）のユ ー・エス・プレシジョン・レンズ社（Ｕ．Ｓ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｌｅｎｓ， Ｉｎｃ．）の「プラスチック光学ハンドブック」（１９８３年）、１７〜２９ペ ージを参照されたい。最も高水準の色補正は（軸方向及び横方向のいずれについ ても）一般に、第２のレンズ素子が屈折−回折混成素子である場合に達成される 。 ある実施の形態において、第１のレンズ素子は球面及びコニック面を有し、第 ２のレンズ素子もまた球面及びコニック面を有する。この構成により前記レンズ 系の製造が容易になる。 別の実施の形態において、第２のレンズ素子が２つのコニック面を有し、第１ のレンズ素子は球面の物空間側面及びある実施例ではコニック面、また別の実施 の形態においては汎非球面である像空間側面を有することができる。特に第２の レンズ素子が屈折−回折混成素子である場合、第１のレンズ素子の像空間側面を コニック面とすることができる。その他の場合には、上記実施の形態に関して、 第１のレンズ素子の像空間側面は収差補正を容易にするために、一般に汎非球面 である。汎非球面を定めるために用いられる多項式（下記参照）はレンズ径が透 明開口より大きくなると望ましくない面形状を導くことになるが、コニック面は この問題に悩むことがないので、コニック面が汎非球面より望ましい。 本明細書及び請求の範囲においては、“球面”，“コニック面”，及び“汎非 球面”という用語は、下記のタイプのレンズ面方程式：による通常の意味に従って用いられる。ここでｚは前記系の光軸からの距離ｙに おける表面のたわみ、ｃは光軸におけるレンズの曲率、またｋは錐面定数である 。 すなわち、“ｋ”及び“Ｄ”から“Ｉ”が全てゼロであれば球面であり、“ｋ ”はゼロではなく“Ｄ”から“Ｉ”は全てゼロであればコニック面であり、また “Ｄ”から“Ｉ”の内少なくとも１つがゼロでなければ汎非球面である。“ｋ” がゼロではなく“Ｄ”から“Ｉ”の内少なくとも１つがゼロでない面が汎非球面 である。上記とは別の式ももちろんレンズ素子面を表わするのに用いられ、特定 の面が球面、コニック面、あるいは汎非球面のいずれであるかの決定において、 そのような式のパラメータ値に関して類似の考察が加えられる。 図１から４は本発明に従う種々のレンズ系構成を示す。表１から４に、それぞ れ対応する規定条件及び光学特性を示してある。ホヤ（Ｈｏｙａ）名のガラス板 を図２及び４に用いた。他の製造業者が製造した同等のガラスも本発明の実施に 用いることができる。プラスチック素子には工業用材料を用いた。 表１及び２に示される非球面係数は上記の方程式で使用するものである。表に 用いられている略語は下記のとおりである： ＥＦＬ 実効焦点距離 ＦＶＤ 前側頂点距離 ｆ／ Ｆ数 ＥＮＰ 遠共役から見た入射瞳 ＢＲＬ バレル長 ＯＢＪ ＨＴ 物体高 ＭＡＧ 倍率 ＳＴＯＰ 開口絞りの位置及び大きさ ＩＭＤ 像距離 ＯＢＤ 物体距離 ＯＶＬ 全長。 表で種々の面につけられる表示“ｃ”はコニック面を表す。表１及び２の面２ につけられる“ａ”は汎非球面を表す。表３の面６及び７は回折面を表す。表３ で、アステリスクは回折面に関するスェット（Ｓｗｅａｔｔ）モデルで用いられ る屈折率及びアッベ（Ａｂｂｅ）数、例えば９９９９のＮｅ値及び−３．４のＶ ｅ値を表わす。“ジャーナル・オブ・ジ・オプティカル・ソサエティ・オブ・ア メリカ（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏ ｆ Ａｍｅｒｉｃａ）”誌、第６９巻（１９７９年）、４８６〜４８７ページの ダブリュー・シー・スェット（Ｗ．Ｃ．Ｓｗｅａｔｔ）による「光ホログラフ素 子と超高屈折率レンズの数学的等価性」を参照されたい。図３では回折面が分離 した素子として示されているが、前記回折面は事実上第２のレンズ素子の一部で ある。表１〜４の面３は、ビネット面である。表で与えられる寸法は全てミリメ ートル表示である。 従来と同様に、図は左側に遠共役をまた右側に近共役をもって描かれている。 従って本発明の代表的な用例では、視られる物体は左側に、また電子撮像装置、 例えばＣＣＤを用いる装置は右側にあることになる。 本発明の特定の実施の形態を説明及び図示したが、本発明の範囲及び精神を逸 脱することのない多くの変形が上述の開示から当業者には当然明らかであろう。 以下の請求の範囲は、本明細書に示した特定の実施の形態だけでなく、そのよう な変形、変更、及び等価物にもわたることを意図している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．物体の像を形成するためのレンズ系において、該系が焦点距離ｆ０を有し、 その物空間側から像空間側にかけて順に： (a)焦点距離ｆ１及び厚さｔ１を有する第１のレンズ素子；及び (b)焦点距離ｆ２を有し、前記第１のレンズ素子から距離ｄ１２だけ離して 配置される第２のレンズ素子； からなり、ここで： ｆ１＜０； ｜ｆ１｜／ｆ０＞１．０； ｔ１／ｆ０＞０．５； ｆ２＞０；及び ｄ１２／ｆ０＞０．２５ であることを特徴とするレンズ系。 ２．前記レンズ系において： ｜ｆ１｜／ｆ０＞１．５； ｔ１／ｆ０＞０．７；及び ｄ１２／ｆ０＞０．５ であることを特徴とする請求の範囲第１項記載のレンズ系。 ３．前記レンズ系において： ｆ２／ｆ０＜２．０ であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項記載のレンズ系。 ４．前記レンズ系において： ｆ２／ｆ０＜１．６ であることを特徴とする請求の範囲第３項記載のレンズ系。 ５．前記第２のレンズ素子が厚さｔ２を有し： ｔ２／ｆ０＞０．５ であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項記載のレンズ系。 ６．前記第１のレンズ素子が前記第２のレンズ素子より高い分散を有することを 特徴とする請求の範囲第１項または第２項記載のレンズ系。 ７．前記第１のレンズ素子がスチレンからなり、前記第２のレンズ素子がアクリ ルからなることを特徴とする請求の範囲第６項記載のレンズ系。 ８．前記第２のレンズ素子が屈折−回折混成素子であることを特徴とする請求の 範囲第１項または第２項記載のレンズ系。 ９．前記第１及び第２のレンズ素子がアクリルからなることを特徴とする請求の 範囲第８項記載のレンズ系。 10．前記レンズ系において： ｆ２／ｆ０＞１．０ であることを特徴とする請求の範囲第８項記載のレンズ系。 11．前記レンズ系において： (i)前記第１のレンズ素子が１つの球面及び１つの汎非球面を有し； (ii)前記第２のレンズ素子が２つのコニック面を有する； ことを特徴とする請求の範囲第１項記載のレンズ系。 12．前記レンズ系において： (i)前記第１のレンズ素子が１つの球面及び１つのコニック面を有し； (ii)前記第２のレンズ素子が２つのコニック面を有する； ことを特徴とする請求の範囲第１項記載のレンズ系。 13．前記第２のレンズ素子が屈折−回折混成素子であることを特徴とする請求の 範囲第１２項記載のレンズ系。 14．前記レンズ系において： (i)前記第１のレンズ素子が１つの球面及び１つのコニック面を有し； (ii)前記第２のレンズ素子が１つの球面及び１つのコニック面を有する； ことを特徴とする請求の範囲第１項記載のレンズ系。 15．前記コニック面が前記第１及び第２のレンズ素子のそれぞれの物空間側にあ ることを特徴とする請求の範囲第１４項記載のレンズ系。 16．前記レンズ系は直径がＤＥＰの入射瞳を有し、前記第１のレンズ素子は直径 Ｄ１を有し、前記第２のレンズ素子は直径Ｄ２を有し、ここで： Ｄ１／ＤＥＰ＞２．５；及び Ｄ２／ＤＥＰ＞１．３； であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項記載のレンズ系。 17．前記レンズ系において： Ｄ１／ＤＥＰ＞３．０；及び Ｄ２／ＤＥＰ＞１．５； であることを特徴とする請求の範囲第１６項記載のレンズ系。 18．物体の像を形成するためのレンズ系において、該系がその物空間側から像空 間側にかけて順に： (a)１つの球面及び１つの汎非球面を有する負の第１のレンズ素子；及び (b)２つのコニック面を有する正の第２のレンズ素子； からなることを特徴とするレンズ系。 19．物体の像を形成するためのレンズ系において、該系がその物空間側から像空 間側にかけて順に： (a)１つの球面及び１つのコニック面を有する負の第１のレンズ素子；及び (b)２つのコニック面を有する正の第２のレンズ素子； からなることを特徴とするレンズ系。 20．前記第２のレンズ素子が屈折−回折混成素子であることを特徴とする請求の 範囲第１９項記載のレンズ系。 21．物体の像を形成するためのレンズ系において、該系がその物空間側から像空 間側にかけて順に： (a)１つの球面及び１つのコニック面を有する負の第１のレンズ素子；及び (b)１つの球面及び１つのコニック面を有する正の第２のレンズ素子； からなることを特徴とするレンズ系。 22．物体の像を形成するためのレンズ系において、該系は直径がＤＥＰの入射瞳 を有し、その物空間側から像空間側にかけて順に： (a)直径Ｄ１を有する負のレンズ素子；及び (b)直径Ｄ２を有する正のレンズ素子； からなり、ここで： Ｄ１／ＤＥＰ＞２．５；及び Ｄ２／ＤＥＰ＞１．３； であることを特徴とするレンズ系。 23．前記レンズ系において： Ｄ１／ＤＥＰ＞３．０；及び Ｄ２／ＤＥＰ＞１．５； であることを特徴とする請求の範囲第２２項記載のレンズ系。 24．物体の像を形成するためのレンズ系及び前記像を検出するための電子撮像装 置を含み、前記レンズ系が請求の範囲第１項または第２項記載のレンズ系であ ることを特徴とする光学装置。 25．前記電子撮像装置が電荷結合素子であることを特徴とする請求の範囲第２４ 項記載の光学装置。 26．物体の像を形成するためのレンズ系及び前記像を検出するための電子撮像装 置を含み、前記レンズ系が請求の範囲第１８項記載のレンズ系であることを特 徴とする光学装置。 27．前記電子撮像装置が電荷結合素子であることを特徴とする請求の範囲第２６ 項記載の光学装置。 28．物体の像を形成するためのレンズ系及び前記像を検出するための電子撮像装 置を含み、前記レンズ系が請求の範囲第１９項記載のレンズ系であることを特 徴とする光学装置。 29．前記電子撮像装置が電荷結合素子であることを特徴とする請求の範囲第２８ 項記載の光学装置。 30．物体の像を形成するためのレンズ系及び前記像を検出するための電子撮像装 置を含み、前記レンズ系が請求の範囲第２１項記載のレンズ系であることを特 徴とする光学装置。 31．前記電子撮像装置が電荷結合素子であることを特徴とする請求の範囲第３０ 項記載の光学装置。 32．物体の像を形成するためのレンズ系及び前記像を検出するための電子撮像装 置を含み、前記レンズ系が請求の範囲第２２項または第２３項記載のレンズ系 であることを特徴とする光学装置。 33．前記電子撮像装置が電荷結合素子であることを特徴とする請求の範囲第３２ 項記載の光学装置。