JP2004240063A

JP2004240063A - 撮像レンズ

Info

Publication number: JP2004240063A
Application number: JP2003027549A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Shinohara; 義和篠原
Original assignee: Fuji Photo Optical Co Ltd
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2004-08-26
Also published as: US20040150893A1; US6977779B2

Abstract

【課題】高画素の撮像装置に適した性能を有し、よりコンパクトな構成の撮像レンズを提供する。
【解決手段】この撮像レンズは、各レンズ面が全て非球面であり、物体側から順に開口絞りＳｔと、面Ｓ２の中心が光軸Ｚ１を回転中心とする物体側に凸である面をなし、面Ｓ３の中心が光軸Ｚ１を回転中心とする像側に凸である面をなす正の第１レンズＬ１と、面Ｓ４の中心が光軸Ｚ１を回転中心とする物体側に凹である面をなし、面Ｓ５の中心が光軸Ｚ１を回転中心とする像側に凸である面をなす負の第２レンズＬ２と、面Ｓ７が光軸近傍において像側に凹であり周辺部に向かうに従い凸になるような非球面形状をなす正の第３レンズＬ３とを備えている。従って、諸収差を良好に補正しつつ、短い全長とテレセントリック性とを容易に確保でき、比較的小型、かつ、高画素の撮像装置への搭載に好適となる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的小型の撮像装置へ搭載される撮像レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの撮像素子を用いた撮像装置が知られている。このような撮像装置では、撮像素子上に被写体像を結像させて、その画像を電子的に読み取ることで撮影がなされる。このような撮像装置は、近年、撮像素子の小型化が進んでいることから、装置全体としても非常に小型化が図られてきている。
【０００３】
特に、携帯電話における画像入力用のモジュールカメラやデジタルスチルカメラ（以下、単にデジタルカメラという。）などは、近年、小型化が著しい。これらの小型の撮像装置で使用される撮像レンズは、従来、小型・携帯性を重視して１枚のレンズのみで構成されていることが多い。
【０００４】
撮像素子の小型化が進む一方で、近年では、高画素化も進んでいる。このため、高画素化した撮像装置に使用される撮像レンズについても、従来より高い光学性能が要求され、１枚または２枚のレンズ構成では収差性能十分な性能を満足できなくなってきている。
【０００５】
そこで、上記のような高画素の撮像素子に見合った高度な光学性能を得るため、レンズ枚数を増やした３枚構成の撮像レンズの開発が進められている（例えば、特許文献１ないし特許文献３参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２２１６５９号公報
【特許文献２】
特表２００２−５１７７７３号公報
【特許文献３】
米国特許第６４４１９７１号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レンズ枚数を増やすことにより結像性能を向上させることができる一方、１枚または２枚構成の撮像レンズに比べて全長が長くなりがちであり、上記特許文献１ないし特許文献３に記載のレンズについても十分にコンパクトな構成とは言い難い。したがって、このような撮像レンズを撮像装置に搭載した場合、小型・携帯性が失われてしまうおそれがあり、さらなる改善が望まれていた。
【０００８】
また、撮像装置用の撮像レンズにおいては、使用する撮像素子の特性に応じた種々の性能が要求される場合がある。例えば、一般にＣＣＤなどの撮像素子を用いた場合、その特性上、光線が撮像面に垂直に近い（すなわち、入射角が小さい）状態で入射することが望ましい。すなわち、テレセントリック性が確保されていることが望ましい。従って、このような撮像素子の特性に応じた性能を有する撮像レンズの開発も望まれていた。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高画素の撮像装置に適した性能を有し、よりコンパクトな構成の撮像レンズを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による撮像レンズは、撮像素子上に像を結像させるための３群３枚構成の撮像レンズであり、物体側から順に、開口絞り、第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズを備えるようにしたものである。さらに、各レンズを構成する６つの面がすべて非球面形状であり、第１レンズが、物体側の面の中心が光軸を回転中心とする物体側に凸である面をなすと共に、像側の面の中心が光軸を回転中心とする像側に凸である面をなす正のレンズであり、第２レンズが、物体側の面の中心が光軸を回転中心とする物体側に凹である面をなすと共に、像側の面の中心が光軸を回転中心とする像側に凸である面をなす負のレンズであり、第３レンズが、像側の面が光軸近傍において像側に凹であり周辺部に向かうに従い像側に凸になるような非球面形状をなす正のレンズであるようにした。
【００１１】
本発明における「光軸近傍において像側に凹」とは、像側のレンズ面の中心が光軸を回転中心とする像側に凹である状態を意味するものである。また、本発明における「周辺部」とは、あるレンズ面における変曲点よりも外側（光軸よりも遠い側）の部分を指す。変曲点とは、曲率半径を、例えば曲率中心から曲面に向けたベクトルで表した場合に、その曲率半径の符号が変化する点をいう。例えば、物体側へ向けたベクトルの符号を正とし、像側に向けたベクトルの符号を負としたときに、あるレンズ面において曲率半径の符号が正から負（あるいは、負から正）へ変化する点が、そのレンズ面における変曲点である。さらに、本発明における「像側の面が、光軸近傍において像側に凹であり周辺部に向かうに従い像側に凸になる」とは、以下のとおりである。すなわち、像側のレンズ面の中心が光軸を回転中心とする像側に凹の状態であり、かつ、像側のレンズ面の曲率半径が、レンズ面の中心から変曲点へ向かうに従い漸次その絶対値が大きくなるように連続的に変化し、この変曲点を通過すると、レンズ面の中心での符号とは逆の符号を示す（すなわち、像側に凸形状を示す）ようになる、という意味である。
【００１２】
本発明による撮像レンズでは、上記のような構成であることから、小型化を図りつつ、諸収差が良好に補正され、従来の１枚または２枚の撮像レンズに比べて光学性能の向上が図られる。さらに、開口絞りが最も物体側に設けられていることにより、系の全長を短くすることができると共にテレセントリック性の確保が容易になされる。
【００１３】
さらに、本発明による撮像レンズでは、
２５＜ν２＜４５ ……（１）
の条件式（１）を満足するように構成されていることが望ましい。但し、ν２は第２レンズのアッベ数である。なお、本発明におけるアッベ数νは、ｄ線に対応するものであり、
ν＝（ｎｄ−１）／（ｎＦ−ｎｃ）
で定義されるものである。ここで、ｎｄはｄ線に対する屈折率であり、ｎＦは、Ｆ線に対する屈折率であり、さらにｎｃはｃ線に対する屈折率である。条件式（１）を満足することで、倍率の色収差の補正が容易になる。
【００１４】
さらに、本発明による撮像レンズでは、
１．３＜Φ１／Φ＜１．８ ……（２）
の条件式（２）を満足するように構成されていることが望ましい。但し、Φは全系の屈折力であり、Φ≡１／ｆ（ｆは全系の焦点距離）で定義される。Φ１は第１レンズの屈折力であり、Φ１≡１／ｆ１（ｆ１は第１レンズの焦点距離）で定義される。条件式（２）を満足することで、より良好に諸収差を補正することができると共に、全長を短くすることができる。
【００１５】
さらに、また、本発明による撮像レンズでは、第１レンズが、光学ガラスにより構成されていることが望ましい。光学ガラスを用いることによって、より優れた耐温度特性を発揮することができる。ここで、優れた耐温度特性とは、温度変化によってピント位置がほとんど変化しないことを意味する。
【００１６】
以上の本発明による撮像レンズの各構成を、撮像素子の特性などに応じて適宜選択することで、その撮像素子の特性などに応じた最適な光学性能が得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施の形態に係る撮像レンズの構成例を示している。また、図２は、本実施の形態に係る撮像レンズの他の構成例を示している。図１および図２において、符号Ｒｉ（Ｒ２〜Ｒ７）は、ｉ番目の構成要素の面Ｓｉの中心の曲率半径を示し、符号Ｄｉ（Ｄ１〜Ｄ９）は、ｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ１上の面間隔を示す。
【００１９】
この撮像レンズは、光軸Ｚ１に沿って、物体側より順に、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２および第３レンズＬ３を備えた３群３枚構成のレンズとなっている。開口絞りＳｔは、第１レンズＬ１よりも物体側、すなわち、この撮像レンズの最も物体側に設けられている。この撮像レンズの結像面Ｓｉｍｇ（撮像面）には、図示しないＣＣＤなどの撮像素子が配置される。第３レンズＬ３と結像面Ｓｉｍｇとの間には、光学フィルタや撮像素子を保護するためのカバーガラスなどの平行平面板ＳＧが挿入されていてもよい。
【００２０】
第１ないし第３レンズＬ１〜Ｌ３は、その６つの面がすべて非球面形状となっている。レンズ材料としては、光学ガラスまたはプラスチックのどちらであっても適用可能である。但し、第１レンズＬ１は他のレンズよりもパワーが大きいので、プラスチックに比べて温度特性に優れている光学ガラスにより構成されることが好ましい。すなわち、線膨張率の大きいプラスチックを用いた場合には温度変化によるピント移動量が大きくなってしまうが、光学ガラスであれば、そのような温度変化によるピント移動量を抑制することができるからである。
【００２１】
図１および図２に示した撮像レンズでは、第１レンズＬ１は、物体側の面Ｓ２の中心が光軸Ｚ１を回転中心とする物体側に凸である面をなすと共に、像側の面Ｓ３の中心が光軸Ｚ１を回転中心とする像側に凸である面をなす正のレンズである。第２レンズＬ２は、物体側の面Ｓ４の中心が光軸Ｚ１を回転中心とする物体側に凹である面をなすと共に、像側の面Ｓ５の中心が光軸Ｚ１を回転中心とする像側に凸である面をなす負のレンズである。さらに、第３レンズＬ３は、像側の面Ｓ７が光軸Ｚ１近傍において像側に凹であり周辺部に向かうに従い凸になるような非球面形状をなす正のレンズである。
【００２２】
図１および図２に示した撮像レンズは、さらに、
２５＜ν２＜４５ ……（１）
の条件式（１）を満足するように構成されていることが望ましい。但し、ν２は第２レンズのアッベ数である。
【００２３】
さらに、
１．３＜Φ１／Φ＜１．８ ……（２）
の条件式（２）を満足するように構成されていることが望ましい。但し、Φは本撮像レンズ全系の屈折力であり、Φ１は第１レンズＬ１の屈折力である。
【００２４】
第１ないし第３レンズＬ１〜Ｌ３の形状としては、撮像素子の特性などに応じて、図１および図２に示した構成のいずれかを選択することができる。
【００２５】
図１に示した構成と、図２に示した構成との相違点は、以下の通りである。すなわち、図１の構成では、Ｆナンバーが３．５となるようにしたのに対し、図２の構成では、Ｆナンバーが２．４となるようにした。
【００２６】
次に、この撮像レンズの作用および効果について説明する。
【００２７】
この撮像レンズでは、３群３枚構成とし、各レンズを構成する６つの面をすべて非球面形状にしたことにより、小型化を図りつつ、諸収差を良好に補正することができる。また、開口絞りＳｔを最も物体側に配置したことにより、系の全長を短くすることができると共に結像面Ｓｉｍｇへの入射光を光軸Ｚ１とほぼ平行にすることができる。すなわち、よりコンパクトな構成としつつ、撮像素子の特性に応じてテレセントリック性の確保も容易になる。
【００２８】
特に、第１レンズＬ１の物体側の面Ｓ２が、最も物体側に位置するレンズ面であり、その面Ｓ２の中心が、光軸Ｚ１を回転中心とする物体側に凸である面をなすようにしたので、より効果的に系の全長を短くすることができる。さらに、第３レンズＬ３の像側の面Ｓ７が、最も像側に位置するレンズ面であり、その面Ｓ７の中心が、光軸Ｚ１を回転中心とする像側に凹である面をなすと共に、面Ｓ７における周辺部が、像側に凸であるように構成したので、特に像面湾曲の発生を抑制することができる。
【００２９】
さらに、図１および図２の構成において、アッベ数に関する条件式（１）を満足するようにした場合には、倍率色収差を良好に補正することができる。ここで、条件式（１）の上限を上回ると、第１レンズＬ１または第３レンズＬ３で発生する倍率色収差を第２レンズＬ２によって打ち消すことができず、系全体の倍率色収差を補正することが困難となる。一方、条件式（１）の下限を下回ると、第１レンズＬ１または第３レンズＬ３で発生する反対向きの倍率色収差よりも、第２レンズＬ２で発生する倍率色収差が過剰となり、結果的に系全体の倍率色収差が生じてしまう。すなわち、第１レンズＬ１および第３レンズＬ３はいずれも正のパワーを有するレンズなので、これらの正レンズで発生する倍率色収差を、負のパワーを有し、かつ、条件式（１）を満足する第２レンズＬ２によって良好に補正するのである。
【００３０】
さらに、図１および図２の構成において、第１レンズのパワーに関する条件式（２）を満足するようにした場合には、特に球面収差を良好に補正することができる。ここで、条件式（２）の下限を下回ると、第１レンズＬ１の十分なパワーが得られず、全長が長くなってしまう。一方、条件式（２）の上限を上回ると、第１レンズＬ１のパワーが強くなりすぎ、球面収差が補正しきれなくなってしまう。
【００３１】
図１の構成と図２の構成とではＦナンバーが異なるものの、いずれもコンパクトな構成であり、条件式（１）および条件式（２）を満足する場合に、より良好な収差性能が得られる。特に図２の構成とした場合には、より明るくコンパクトな撮像レンズが得られる。
【００３２】
このように、本実施の形態に係る撮像レンズによれば、物体側から順に、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２および第３レンズＬ３を備え、各レンズを構成する６つの面をすべて非球面形状とし、第１レンズＬ１よりも物体側に開口絞りＳｔを設けるようにしたので、比較的小型、かつ、高画素の撮像素子を備えた撮像装置への搭載に適した性能を得ることができる。また、図１および図２に示した構成を、撮像素子の特性などに応じて適宜選択することで、その撮像素子の特性などに応じた最適な光学性能を得ることができる。
【００３３】
【実施例】
次に、上記実施の形態に係る撮像レンズの具体的な数値実施例について説明する。
【００３４】
＜実施例１，２＞
以下、第１および第２の数値実施例（実施例１，２）をまとめて説明する。
【００３５】
図３および図４は、実施例１に係る撮像レンズに関するデータを示している。特に、図３には、実施例１に係る撮像レンズについての、面Ｓ２〜Ｓ７のそれぞれの中心における曲率半径Ｒ２〜Ｒ７、面間隔（厚さ）Ｄ１〜Ｄ７、屈折率ｎｄ１〜ｎｄ３、アッベ数νｄ１〜νｄ３および平行平面板ＳＧとしてのカバーガラスの厚さと屈折率の値を示す。曲率半径および面間隔の数値の単位はミリメートル（ｍｍ）である。また、図４には、非球面形状に関するデータを示す。同様に、実施例２に係る撮像レンズについてのデータを図５および図６に示す。
【００３６】
実施例１は図１に示した構成に対応し、実施例２は図２に示した構成に対応している。各実施例のＦナンバーは３．５（実施例１）および２．４（実施例２）であり、焦点距離ｆは４．０ｍｍ（実施例１）および３．７ｍｍ（実施例２）であり、画角２ω（ω＝半画角）は６４．２°（実施例１）および６５．２°（実施例２）であり、さらに、この撮像レンズ光学系の前端から像面までの距離ＴＣＬは６．４ｍｍ（実施例１）および５．４ｍｍ（実施例２）である。
【００３７】
図４および図６に示した非球面データは、以下の式（Ａ）によって表される非球面形状の式における係数である。なお、図４および図６に示した非球面を表す数値において、記号“Ｅ”は、その次に続く数値が１０を底とした“べき指数”であることを示し、その１０を底とした指数関数で表される数値が“Ｅ”の前の数値に乗算されることを示す。例えば、「１．０Ｅ−０２」であれば、「１．０×１０^−２」であることを示す。
【００３８】
【数１】

ただし、
Ｚ：光軸から高さρの位置にある非球面上の点から、非球面の頂点の接平面（光軸に垂直な平面）に下ろした垂線の長さ（ｍｍ）
ρ：光軸からの距離（ｍｍ）
Ｋ：円錐係数
Ｃ：近軸曲率（１／ｒ，ｒ：近軸曲率半径）
Ａｉ：第ｉ次（ｉ＝３〜１０）の非球面係数
【００３９】
図３および図５に示したように、実施例１および実施例２では、第１レンズＬ１〜第３レンズＬ３のアッベ数ν１〜ν３がいずれも条件式（１）を満たしている。さらに、実施例１ではΦ１／Φ＝１．６８であり、一方の実施例２ではΦ１／Φ＝１．４２であり、いずれも条件式（２）を満たしている。
【００４０】
図７および図８は、各実施例についての諸収差、すなわち、球面収差、非点収差およびディストーション（歪曲収差）を示している。各収差は、ｅ線（波長λ＝５４６．１ｎｍ）を基準としたものを示し、特に、実施例１の球面収差（図７（Ａ））については、ｄ線（波長λ＝５８７．５６ｎｍ）についても示す。
【００４１】
以上の各レンズデータおよび各収差図から分かるように、各実施例について、諸収差が良好に補正されており、また、小型の撮像装置への搭載に適した性能が得られている。
【００４２】
なお、本発明は、上記実施の形態および各実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔、屈折率およびアッベ数の値などは、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得る。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の撮像レンズによれば、物体側から順に、開口絞り、第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズを備え、各レンズを構成する６つの面をすべて非球面形状とし、第１レンズを、物体側の面の中心が光軸を回転中心とする物体側に凸である面をなすと共に、像側の面の中心が光軸を回転中心とする像側に凸である面をなす正のレンズとし、第２レンズを、物体側の面の中心が光軸を回転中心とする物体側に凹である面をなすと共に、像側の面の中心が光軸を回転中心とする像側に凸である面をなす負のレンズとし、さらに、第３レンズを、像側の面が、光軸近傍において像側に凹であり周辺部に向かうに従い像側に凸になるような非球面形状をなす正のレンズとしたので、光学性能の向上を図ることができると共に、全長を短くすることができる。さらに、開口絞りを最も物体側に設けたことにより、全長をより短くすることができると共にテレセントリック性を容易に確保することができる。よって、比較的小型、かつ、高画素の撮像素子を備えた撮像装置に用いることができる。
【００４４】
さらに、第２レンズのアッベ数に関する所定の条件式（１）を満足するようにした場合には、倍率色収差をより良好に補正することができる。
【００４５】
さらに、第１レンズのパワーに関する所定の条件式（２）を満足するようにした場合には、特に、球面収差をより良好に補正できると共に全長を短くすることができる。
【００４６】
さらに、第１レンズを、光学ガラスにより構成するようにした場合には、温度変化によるピント移動量を低減することができ、良好な光学特性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る撮像レンズの構成例を示すものであり、実施例１に対応するレンズ断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る撮像レンズの他の構成例を示すものであり、実施例２に対応するレンズ断面図である。
【図３】本発明の実施例１に係る撮像レンズのレンズデータのうち、基本的なデータを示す説明図である。
【図４】本発明の実施例１に係る撮像レンズのレンズデータのうち、非球面のデータを示す説明図である。
【図５】本発明の実施例２に係る撮像レンズのレンズデータのうち、基本的なデータを示す説明図である。
【図６】本発明の実施例２に係る撮像レンズのレンズデータのうち、非球面のデータを示す説明図である。
【図７】実施例１の撮像レンズについての球面収差、非点収差およびディストーション（歪曲収差）を示す図である。
【図８】実施例２の撮像レンズについての球面収差、非点収差およびディストーション（歪曲収差）を示す図である。
【符号の説明】
Ｌ１…第１レンズ、Ｌ２…第２レンズ、Ｌ３…第３レンズ、ＳＧ…平行平面板、Ｓｔ…開口絞り。

Claims

撮像素子上に像を結像させるための３群３枚構成の撮像レンズであって、
物体側から順に、開口絞り、第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズを備え、
前記各レンズを構成する６つの面がすべて非球面形状であり、
前記第１レンズは、物体側の面の中心が光軸を回転中心とする物体側に凸である面をなすと共に、像側の面の中心が光軸を回転中心とする像側に凸である面をなす正のレンズであり、
前記第２レンズは、物体側の面の中心が光軸を回転中心とする物体側に凹である面をなすと共に、像側の面の中心が光軸を回転中心とする像側に凸である面をなす負のレンズであり、
前記第３レンズは、像側の面が、光軸近傍において像側に凹であり周辺部に向かうに従い像側に凸になるような非球面形状をなす正のレンズである
ことを特徴とする撮像レンズ。
さらに、以下の条件式（１）を満足するように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。
２５＜ν２＜４５ ……（１）
但し、
ν２：前記第２レンズのアッベ数
とする。
さらに、以下の条件式（２）を満足するように構成されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像レンズ。
１．３＜Φ１／Φ＜１．８ ……（２）
但し、
Φ：全系の屈折力
Φ１：前記第１レンズの屈折力
とする。
さらに、前記第１レンズは、光学ガラスにより構成されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の撮像レンズ。