JP2004118077A

JP2004118077A - 撮像光学系装置

Info

Publication number: JP2004118077A
Application number: JP2002283999A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Sato; 佐藤　賢一
Original assignee: Fuji Photo Optical Co Ltd
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【目的】少なくとも像側のレンズが非球面とされた２枚構成のレンズ系と、電子撮像面が光軸を含む断面において凹面とされた撮像素子とを備え、所定の条件式を満足することで、特に像面湾曲を良好に補正し得るようにし、撮像素子を含めた系のコンパクト化および低廉化を図る。
【構成】物体側より順に、両面が非球面とされた両凸レンズよりなる第１レンズＬ_１と、両面が非球面とされた負メニスカスレンズよりなる第２レンズＬ_２と、撮像面１ａが断面凹面形状をなすＣＣＤ１とからなり、物体からの光束を、上記第１レンズＬ_１および第２レンズＬ_２によって、ＣＣＤ１の撮像面１ａ上に効率良く集束させるようにしたものである。また、次の条件式を満足する。−１．０＞Ｒ_Ｃ／ｆ’＞−３．０　…（１）、ただし、ｆ’　…レンズ系全体の焦点距離、Ｒ_Ｃ　…電子撮像面の曲率半径である。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタルカメラ、ＰＣや携帯端末等に搭載される電子撮像素子を備えた撮像光学系装置に関し、詳しくは、安価かつ小型で実用上十分な性能を有する２枚レンズ構成の撮像光学系装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、撮像レンズの一技術分野として、簡易なデジタルカメラや、ＰＣ用Ｗｅｂカメラ、携帯端末などの比較的薄型の機器に搭載される画像読取用のレンズモジュールとしては、全長が短くコンパクトで、安価であることが要求されている。
このような要求を満足するため、従来は撮像レンズを１枚のレンズで構成することも行われていた。このような用途に用いられるレンズモジュールはＣＣＤ等の電気的撮像素子も小型で解像度の低いものであったため、撮像素子のイメージサイズが小さく、レンズ系自体も少ない枚数で小型化することが可能とされた。
【０００３】
しかしながら、近年では、撮像素子の高解像化および大型化が進んだため、レンズ１枚による構成では発生する収差が大きくなりすぎ、十分な光学性能が得られなくなっている。
そこで、高解像化および拡大化が進んだ撮像素子に見合う全長の短いレンズ系を開発する必要が生じてきており、このような問題に対処するために、例えば、非球面を有するプラスチックレンズを用いた２枚構成のＣＣＤ用レンズが知られている（下記特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、上記公報記載の技術においては、撮像素子を含めた系のコンパクト化および低廉化の面で必ずしも十分ではなかった。また、光学性能の面でも、特に像面湾曲の点で必ずしも満足いくものとはされていなかった。
【０００５】
また、特にＰＣや携帯端末等の画像読取用としては小型サイズの撮像素子が使用され、一般に、撮像素子の構造上、主光線を撮像面に対して１５°程度以内の角度で入射させることが要求されており、このため、撮像レンズと撮像面の距離を大きくとらざるを得ず、撮像素子を含めた系のコンパクト化が阻害されていた。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−３０４６９５号公報
【特許文献２】特開平８−３３４６８４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような公報記載の従来技術においては、撮像素子の撮像面は平面であることが前提とされており、このことが上記撮像素子の構造からくる特有の問題を解決することを一層難しくさせている。
本願発明者は、この点に着目し、撮像素子の撮像面を所定の凹面形状とすることで上述した問題解決の糸口が見出せるのではないかという考えを有するに至った。実際、近年の撮像素子の技術進歩は目覚しく、撮像面が曲面形状を有する撮像素子の実用化は近い将来可能になると考えられる。
【０００８】
なお、銀塩フイルムを用いたカメラの中には、フイルムを湾曲させて像面湾曲を良化したものも知られている（上記特許文献２参照）。しかし、このような銀塩フイルムを用いた場合には、フイルムに入射する光束の入射角に制限がないことから、結像レンズからの出射角には制限がない状態とされる。また、媒体としての銀塩フイルムのサイズは結像レンズのサイズに比べると大きい。したがって、このような銀塩フイルムを用いた場合の従来技術は、本発明を完成するにあたって直接的に参考となるものではない。
【０００９】
本発明は上述した事情に鑑みなされたもので、将来の撮像素子に対応した構成を有し、光学性能、特に像面湾曲を良好に補正することができ、撮像素子を含めた系のコンパクト化および低廉化を十分に満足し得る撮像光学系装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る撮像光学系装置は、上述した目的を達成するため、
電子撮像面が光軸を含む断面において凹状に形成された撮像素子と、
物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ、および少なくとも１面を非球面とされた第２レンズを配列され、物体の像を前記電子撮像面上に形成するレンズ系とからなり、
下記条件式（１）を満足するように構成されてなることを特徴とするものである。
−１．０＞Ｒ_Ｃ／ｆ’＞−３．０　…（１）
ただし、
ｆ’　…レンズ系全体の焦点距離
Ｒ_Ｃ　…電子撮像面の曲率半径
【００１１】
また、前記電子撮像面を円筒面とし、前記条件式（１）に示される該電子撮像面の曲率半径Ｒ_Ｃが円筒の軸に垂直な断面内での曲率半径を表すように構成することが好ましい。
【００１２】
さらに、前記第２レンズの像側の面を非球面とし、その非球面が中心から周辺に向かうにしたがって正の屈折力が弱くなる形状とするように構成することが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る撮像光学系装置について図面を参照しつつ説明する。図１に示す実施形態（実施例１のものを代表させて示している）の撮像光学系装置は、物体側より順に、両面が非球面とされた両凸レンズよりなる第１レンズＬ_１と、両面が非球面とされ、像面側に凸面を向けた負メニスカスレンズよりなる第２レンズＬ_２と、電子撮像面１ａが断面凹面形状をなす撮像素子（以下ＣＣＤと称する）１とからなり、物体からの光束を、上記第１レンズＬ_１および第２レンズＬ_２によって、ＣＣＤ１の撮像面１ａ上に効率良く集束させるようにしたものである。
【００１４】
なお、上記非球面のうち上記第２レンズＬ_２の像面側の面における非球面は、中心から周辺に向かうにしたがって正の屈折力が弱くなる形状とされている。
【００１５】
また、第２レンズＬ_２とＣＣＤ１との間にはＣＣＤ１のカバーガラス２が配されている。
【００１６】
上記第１レンズＬ_１および上記第２レンズＬ_２各々の両面の非球面形状は、下記非球面式で表される。
【００１７】
【数１】

【００１８】
さらに、この撮像光学系装置は、下記条件式（１）を満足している。
−１．０＞Ｒ_Ｃ／ｆ’＞−３．０　…（１）
ただし、
ｆ’　…レンズ系全体の焦点距離
Ｒ_Ｃ　…電子撮像面の曲率半径
【００１９】
また、上記電子撮像面１ａが円筒面とされていることが望ましく、この場合には、上記条件式（１）に示される該電子撮像面の曲率半径Ｒ_Ｃは円筒の軸に垂直な断面内での曲率半径を表す。
【００２０】
次に本実施形態による作用効果を説明する。
すなわち、第１レンズＬ_１を正レンズとするとともに、第２レンズＬ_２を少なくとも１面が非球面となるレンズとすることで、良好な光学性能を確保しつつレンズ系の全長を短縮化することができ、特に小型のデジタルカメラの撮像レンズ、あるいはＰＣや携帯端末などの画像読取用のレンズとして好適なものとすることができる。
【００２１】
また、第２レンズＬ_２を、負メニスカスレンズとするとともに、像側の面は周辺に向かうにしたがい正の屈折力が弱くなる非球面とすることで、光学性能、特に像面湾曲およびディストーションをより良好なものとすることができる。
【００２２】
また、図１に示すように、ＣＣＤ１の撮像面１ａの光軸を含む断面が凹面とされており、撮像面１ａにおける入射光束の最大入射角を小さく維持することができる。
これにより、第２レンズＬ_２と撮像面１ａとの距離を短くすることができ、ＣＣＤ１を含めた系のコンパクト化を図ることができる。
また、像面湾曲を良好なものとすることができる。すなわち、このような簡易な構成のレンズ系では、通常、像面湾曲補正（ペッツバール補正）を行なうことが難しい。しかし、撮像面１ａの光軸を含む断面形状を所定の凹面とすることにより、ペッツバールの像面に一致させることができる。
【００２３】
また、この撮像面１ａは、光学性能上はパラボラ形状とすることが望ましいが、少なくとも撮像画面の長手方向に曲面となるように形成されていれば、この撮像面１ａを円筒面としても、それ程大きな光学性能の劣化は生じない。これは、撮像面１ａの画面垂直方向では、撮像面全上下幅の６割程度しか使用しないことによる。
【００２４】
また、撮像面１ａの形状を円筒面とすることにより、連続して形成された円筒面状の撮像面を有するＣＣＤ１を所定間隔毎に切断し、同時に複数個のＣＣＤ１を製作することが可能となるので、製造性を向上させることができる。
【００２５】
また、レンズ材料としては、少なくとも第２レンズＬ_２をプラスチック材で構成することにより、コストの低減を図ることができ、また非球面を形成する際の製造性を向上させることができる。
【００２６】
さらに、第１レンズＬ_１のレンズ材料を、プラスチック材とすれば、よりコストの低減を図ることができ、また非球面を形成する際の製造性をより向上させることができる。一方、この第１レンズＬ_１のレンズ材料をガラス材とすれば、屈折力の大きいレンズの温度特性を良好とすることができ、レンズ系全体の、温度変化に対する屈折力の変化を小さなものとすることができる。
【００２７】
また、本実施形態の撮像光学系装置においては、上述した条件式（１）を満足しているので以下のような作用効果を奏することができる。
すなわち、条件式（１）は、レンズ系全体の焦点距離ｆ´と撮像面１ａの曲率半径Ｒ_Ｃの比を規定するもので、この上限を上回ると像面湾曲の補正が不足し、一方、その下限を下回ると像面湾曲の補正が過剰となり過ぎ好ましくない。したがって、この条件式（１）を満足することにより像面湾曲を良好なものとすることができる。
【００２８】
なお、本発明の撮像光学系装置としては種々の態様の変更が可能である。例えば各レンズの曲率半径、レンズ間隔（もしくはレンズ厚）および非球面の形状等を適宜変更することが可能であり、例えば、第２レンズＬ_２は負レンズとすることも可能である。
【００２９】
【実施例】
＜実施例１＞
実施例１に係る概略構成を図２に示す。この撮像光学系装置の構成は、略実施形態において説明した通りである。なお、本実施例では、第２レンズＬ_２が、光軸近傍において物体側に凹面を有する負のメニスカスレンズとされている。また、第１レンズＬ_１および第２レンズＬ_２のいずれのレンズ面にも非球面が形成されている。この撮像光学系装置の各レンズ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔（以下、これらを総称して軸上面間隔という）Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｄ線における、屈折率Ｎおよびアッベ数νの値を表１に示す。なお表中の数字は、物体側からの順番を表すものである。また、表２には、各非球面について、上記非球面式に示される非球面の各定数Ｋ、Ａ_４、Ａ_６、Ａ_８、Ａ_１０の値を示す。また、実施例１における、レンズ全系の焦点距離ｆ´は、３．８８ｍｍに設定されている。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

【００３２】
また、表１の下段に示すように、本実施例においては、上記条件式（１）を満足したものとなっている。
【００３３】
図３は実施例１の撮像光学系装置の諸収差（球面収差、非点収差、およびディストーション）を示す収差図である。なお、非点収差図には、サジタル像面およびタンジェンシャル像面に対する収差が示されている。この収差図においてωは半画角を示す。これらの収差図から明らかなように、実施例１の撮像光学系装置によれば、各収差を良好に補正することができる。
【００３４】
＜実施例２＞
実施例２に係る撮像光学系装置の概略構成を図３に示す。この撮像光学系装置の構成も図２に示す実施例１のものと略同様であり、対応する図面の説明において同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明については省略する。なお、本実施例では、第２レンズＬ_２が、光軸近傍において物体側に平面を向けた負のメニスカスレンズとされている。また、第１レンズＬ_１および第２レンズＬ_２のいずれのレンズ面にも非球面が形成されている。
【００３５】
この撮像光学系装置の各レンズ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各レンズの軸上面間隔Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｄ線における、屈折率Ｎおよびアッベ数νの値を表３に示す。なお表中の数字は、物体側からの順番を表すものである。また、表４には、各非球面について、上記非球面式に示される非球面の各定数Ｋ、Ａ_４、Ａ_６、Ａ_８、Ａ_１０の値を示す。また、実施例２における、レンズ全系の焦点距離ｆは、３．６０ｍｍに設定されている。
【００３６】
【表３】

【００３７】
【表４】

【００３８】
また、表３の下段に示すように、本実施例においては、上記条件式（１）を満足したものとなっている。
【００３９】
図５は実施例２の撮像光学系装置の諸収差（球面収差、非点収差、およびディストーション）を示す収差図である。なお、非点収差図には、サジタル像面およびタンジェンシャル像面に対する収差が示されている。この収差図においてωは半画角を示す。これらの収差図から明らかなように、実施例２の撮像光学系装置によれば、各収差を良好に補正することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る撮像光学系装置は、第１レンズを正レンズとするとともに、第２レンズを少なくとも１面が非球面となるレンズとすることで、良好な光学性能を確保しつつレンズ系の全長を短縮化することができ、特に小型のデジタルカメラの撮像レンズ、あるいはＰＣや携帯端末などの画像読取用のレンズとして好適なものとすることができる。
【００４１】
また、第２レンズを、負メニスカスレンズとするとともに、像側の面は周辺に向かうにしたがい正の屈折力が弱くなる非球面とすることで、光学性能、特に像面湾曲およびディストーションをより良好なものとすることができる。
【００４２】
また、撮像素子の電子撮像面の光軸を含む断面が凹面とされており、撮像面１ａにおける入射光束の最大入射角を小さく維持することができることから、第２レンズと電子撮像面との距離を短くすることができ撮像素子を含めた系のコンパクト化を図ることが可能となるとともに、像面湾曲を良好なものとすることが可能である。
【００４３】
さらに、全体の焦点距離ｆ´と撮像面の曲率半径Ｒ_Ｃの比を規定する所定の条件式を満足するように構成しているので像面湾曲をさらに良好なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る撮像光学系装置のレンズ構成および光線軌跡を示す概略図
【図２】実施例１に係る撮像光学系装置のレンズ構成を示す図
【図３】実施例２に係る撮像光学系装置のレンズ構成を示す図
【図４】実施例１の撮像光学系装置の諸収差（球面収差、非点収差、およびディストーション）を示す収差図
【図５】実施例２の撮像光学系装置の諸収差（球面収差、非点収差、およびディストーション）を示す収差図
【符号の説明】
Ｌ_１〜Ｌ_２　　レンズ
Ｒ_１〜Ｒ_６　　レンズ面（光学部材面）の曲率半径
Ｄ_１〜Ｄ_５　　軸上面間隔
Ｘ　　光軸
１　　撮像素子（ＣＣＤ）
１ａ　電子撮像面
２　　カバーガラス

Claims

電子撮像面が光軸を含む断面において凹状に形成された撮像素子と、
物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ、および少なくとも１面を非球面とされた第２レンズを配列され、物体の像を前記電子撮像面上に形成するレンズ系とからなり、
下記条件式（１）を満足するように構成されてなることを特徴とする撮像光学系装置。
−１．０＞Ｒ_Ｃ／ｆ’＞−３．０　…（１）
ただし、
ｆ’　…レンズ系全体の焦点距離
Ｒ_Ｃ　…電子撮像面の曲率半径
前記電子撮像面が円筒面とされ、前記条件式（１）に示される該電子撮像面の曲率半径Ｒ_Ｃが円筒の軸に垂直な断面内での曲率半径を表すことを特徴とする請求項１記載の撮像光学系装置。
前記第２レンズの像側の面が非球面とされており、その非球面が中心から周辺に向かうにしたがって正の屈折力が弱くなる形状とされていることを特徴とする請求項１または２記載の撮像光学系装置。