JP2004341512A - 結像光学系及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト化、高性能化、小型化を同時に満たす結像光学系を提供する。
【解決手段】物体側から順に、第１レンズとしての物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ１と、明るさ絞りＳと、第２レンズとしての像側に凸面を向けたメニスカスレンズＬ２と、第３レンズとしての像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３と、第４レンズとしての負レンズＬ４を配置して構成されている。
第４レンズＬ４は少なくとも１面が非球面であり、次の条件式を満足する。
−２．０ ＜ φm／φp ＜ ０
但し、φmは最大光線高の位置における第４レンズのパワー、φpは近軸における第４レンズのパワーである。
第３レンズＬ３と第４レンズＬ４はプラスチックで構成され、次の条件式を満足する。
１５．０ ＜ ν３−ν４ ＜ ４０.０
但し、ν３は第３レンズのアッベ数、ν４は第４レンズのアッベ数である。
【選択図】 図１

Description

本発明はＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子等と組み合わせて用いられる結像光学系に関し、例えばデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話やパソコンに搭載される小型カメラ、監視カメラ等に利用できる結像光学系に関するものである。また、この結像光学系を用いた、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話やパソコン等の電子機器に関する。

近年、銀塩フィルムに代わり、ＣＣＤやＣＭＯＳのような固体撮像素子を用いて被写体を撮影するようにした電子カメラが普及してきている。このような電子カメラのうち、携帯型コンピュータや携帯電話等に搭載される撮像ユニットでは特に小型、軽量化が求められている。

このような撮像ユニットに用いる結像光学系としては、従来、レンズ枚数を１枚〜２枚で構成したものがある。しかしながら、屈折面数が足りないため、軸上色収差と像面湾曲が両立せず高い性能は望めない。また、非球面形状をとることで、この問題を回避しようとすると、偏心感度が大きくなり製造上困難である。

一方、このような撮像ユニットにＣＣＤ等の撮像素子を用いる場合、結像レンズ系から射出された軸外光束が像面に対してあまりに大きな角度で入射すると、マイクロレンズの集光性能が十分に発揮されない。そのため、画像の明るさが画像中央部と画像周辺部で極端に変化するという現象が生じてしまう。この現象はＣＣＤ等の撮像素子への入射角、つまり射出瞳位置に関係する。そのため、明るさ絞りの位置と、明るさ絞りと像面の間の光学系が非常に重要である。つまり、像面から極力離れた位置に絞りを配置することが望ましい。しかしながら、明るさ絞りと物体の間に光学系が存在しないと、パワー配置の対称性が悪くなる。その結果、ディストーションや倍率の色収差が発生してしまう。

これらの問題を考慮したものとしては、４枚のレンズを用いた構成がある。この構成では、物体側から第１レンズの前や、第１レンズと第２レンズの間に絞りを配置させている。このようなタイプの結像光学系の従来例としては、次の各特許文献に記載された光学系が知られている。
特開昭５７−３８４０９号公報 特開昭５８−５７１０６号公報 特開昭５９−３４５０８号公報 特開平９−２５８１００号公報

しかし、特許文献１、３、４に記載されている光学系では、第２レンズとしての負レンズはいずれも両凹形状である。また、特許文献２に記載されている光学系では、第３レンズとしての正レンズが両凸形状である。そのため、これらの光学系では、いずれも絞り中心を向いていない屈折面が存在する。

しかるに、このような絞り中心を向いていない屈折面が存在する構成では、レンズ間で偏心があると、その面での光線の入射位置と角度が大きく変化する。その結果、性能が著しく劣化する。言い換えると、高い光学性能を確保するためには、非常に高い組立精度が要求されるということである。このため、これらの特許文献に記載の光学系では、組立工数が増加し、低コストを達成することは困難である。

また、特許文献１、２、３に記載されている光学系では、いわゆるシェーディングの考慮がされていない。そのため、撮像素子への周辺部における入射角度が大きく、中心に比べて周辺における明るさが不足している。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は低コスト化、高性能化、小型化を同時に満たす結像光学系を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明による結像光学系は、物体側から順に、第１レンズとしての物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、明るさ絞りと、第２レンズとしての像側に凸面を向けたメニスカスレンズと、第３レンズとしての像側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、第４レンズとしての負レンズを配置して構成したことを特徴としている。

また、本発明による結像光学系は、前記第４レンズの少なくとも１面が非球面であり、次の条件式(1)を満足することを特徴としている。
−２．０ ＜ φm／φp ＜ ０ …(1)
但し、φmは最大光線高の位置における第４レンズのパワー、φpは近軸における第４レンズのパワーである。

また、本発明による結像光学系は、前記第３レンズと前記第４レンズがプラスチックで構成され、次の条件式(2)を満足することを特徴としている。
１５．０ ＜ ν３−ν４ ＜ ４０．０ …(2)
但し、ν３は第３レンズのアッベ数、ν４は第４レンズのアッベ数である。

また、本発明による結像光学系は、前記結像光学系の開放ＦナンバーをＦno、撮像素子の画素間隔をＰとするとき、次の条件式を満足することを特徴とする。
０．４０［１／μｍ］＜Ｆno／Ｐ［μｍ］＜２．２０［１／μｍ］ …(8)

また、本発明による結像光学系は、前記結像光学系の全長をＴＬ、前記結像光学系を構成するプラスチックレンズにおける最小軸上肉厚をＭＬとしたとき、次の条件式を満足することを特徴とする。
０．０２＜ＭＬ／ＴＬ＜０．２０ …(9)

また、本発明による電子機器は、上記の結像光学系を備えていることを特徴とする。

本発明の結像光学系によれば、製造誤差に対する性能劣化が少なく、小型化しても高性能な結像光学系を得ることができる。また、小型化しても高性能な電子機器を得ることができる。

実施例の説明に先立ち、本発明のように構成した理由及び本発明の作用効果について説明する。
まず、結像光学系を構成するレンズ枚数について説明する。本発明の結合光学系は、性能と小型化を考慮して、上記のような第１、第２、第３、第４レンズの４枚レンズで構成した。ここで、結像光学系を構成するレンズの枚数を５枚以上にすれば、さらに性能が向上するのは明らかである。しかしながら、レンズが１枚増えると、レンズの厚さ、レンズの間隔、枠のスペースがその分増大し、光学系が大型化するのは避けられない。
また、本明細書の従来の技術において述べたように、結像光学系を２枚以下のレンズで構成したのでは、軸上色収差の低減と像面湾曲の低減との両立が困難である。仮に、非球面を多用して性能を確保したとしても、偏心感度が大きくなり、製造上困難である。従って、本発明のように、結像光学系を４枚のレンズで構成するのが性能、大きさともに最適である。

次に、結像光学系を用いるユニットに、例えばＣＣＤのような撮像素子を用いたとする。この場合、良好な集光性能を維持するためには、撮像素子への光線入射角度を小さくする必要がある。そこで、明るさ絞りを、像面から遠い位置に配置することが望ましい。あるいは明るさ絞りの像を、像面から遠い形成することが望ましい。
また、広角な光学系においては、画面周辺部のディストーション及び倍率色収差の発生を低減させる必要がある。そのためには、光学系のパワー配置が対称になる位置に、明るさ絞りを配置させることが望ましい。
上記二つの理由から、本発明の結像光学系では、上記のように明るさ絞りの位置を第１レンズと第２レンズとの間に配置した。すなわち、本発明の結像光学系は、広角とテレセントリック性を重視した光学系として構成されている。

また、本発明の結像光学系では、第１レンズを、物体側に正パワーの強い曲面を持つメニスカスレンズとした。このようにすると、第１レンズの主点位置を物体側に移動させることができ、全長短縮に有利となる。
また、本発明の結像光学系では、第１レンズを物体側に凸面を向けた正パワーを有するメニスカスレンズで、第２レンズ、第３レンズをともに像側に凸面を向けたメニスカスレンズで構成した。このように構成すれば、入射光線と射出光線とのなす角度、すなわち偏角を小さく保つことができ、各屈折面における収差の発生量を極力小さくすることができる。また、無偏心時における収差の発生量が小さいため、レンズの相対偏心時のおける性能変動についても極力小さくすることが可能となる。

上述のように、本発明の結像光学系では、光学系の全長を小さくするために、第４レンズを負パワーのパワー配置として構成した。しかし、広角な光学系において、最も像側のレンズが負パワーであると、次のような不都合が生じる。例えば、シェーディングを避けるために、入射角度が限定されるようなＣＣＤを撮像素子として用いたとする。この場合、光線高が高い位置で、光線入射角度を小さくすることが出来なくなる。
そこで、最も像面側のレンズにおいて、少なくとも１面を非球面とする。そして、レンズ中心のパワーは負であっても、レンズ周辺のパワーを正にすれば、光線高の大きい位置での光線を光軸側に大きく屈折させることができる。その結果、像面への光線入射角度を小さくすることが可能となる。
ゆえに、本発明の結像光学系では、前記最も像面側のレンズである第４レンズにおいて、次の条件式(1)を満足することが重要である。
−２．０ ＜ φm／φp ＜ ０ …(1)
但し、φmは最大光線高の位置における第４レンズのパワー、φpは近軸における第４レンズのパワーである。
ここで、最大光線高の位置におけるレンズのパワーφmを次のように定義するものとする。第４レンズのレンズ最大光線高Ｈmに、物体側の無限遠方から平行光線を入射させ、レンズ通過後の傾き角をξとしたとき、Φm＝tanξ／Ｈmで与えられるものである。

条件式(1)の下限値を下回ると、近軸のパワーが弱くなりすぎて全長が長くなってしまう。もしくは、周辺の正パワーが大きくなりすぎ、著しく周辺性能が劣化してしまう。
一方、条件式(1)の上限値を上回ると、第４レンズ周辺の正パワーが小さくなりすぎ、像面への光線入射角の補正が不十分となってしまう。

なお、好ましくは、本発明の結像光学系は、次の条件式(1')を満足するのが良い。
−１．０ ＜ φm／φp ＜ ０ …(1')
さらに、好ましくは、本発明の結像光学系は、次の条件式(1")を満足するのが良い。
−０．５ ＜ φm／φp ＜ ０ …(1")

さらに、本発明の結像光学系を構成するレンズとして、プラスチックレンズを用いる。このようにすると、ガラスで構成した場合に比べて生産性が飛躍的に向上する。また、レンズ有効径の外側において、レンズ保持部材を設ける。そして、レンズ同士を嵌合させるようにすると、組立時の工数を削減でき低コスト化の面で有利である。
また、本発明の結像光学系では、次の条件式(2)を満足することが、第１レンズ、第２レンズで発生した色収差を補正するために重要である。
１５．０ ＜ ν３−ν４ ＜ ４０．０ …(2)
但し、ν３は第３レンズのアッベ数、ν４は第４レンズのアッベ数である。
条件式(2)の上限値を上回ると、第１レンズ、第２レンズで発生した色収差の補正が過剰となる。
一方、条件式(2)の下限値を下回ると、第１レンズ、第２レンズで発生した色収差の補正が不足となる。

なお、好ましくは、本発明の結像光学系は、次の条件式(2')を満足するのが良い。
２０．０ ＜ ν３−ν４ ＜ ３５．０ …(2')
さらに、好ましくは、本発明の結像光学系は、次の条件式(2")を満足するのが良い。
２４．０ ＜ ν３−ν４ ＜ ２９．０ …(2")

また、結像光学系において、結像光学系の全長を小さくするためには、結像光学系全系の主点位置を物体側寄りに配置させることが必要である。従って、第１レンズのパワーが重要となってくる。そのため、本発明の結像光学系は、次の条件式(3)を満足するのが好ましい。
０．１ ＜ ｒ１ｆ／ｆ ＜ ２．０ …(3)
但し、ｒ１ｆは第１レンズの物体側の曲率半径、ｆは結像光学系全系の焦点距離である。

条件式(3)の上限値を上回ると、第１面の曲率半径が緩くなり、正パワーの第１レンズの主点位置が像面側寄りになる。そうすると、結像光学系の全長を短縮するためには、各レンズのパワーを強くしなければならず、性能を出すのが困難となる。
一方、条件式(3)の下限値を下回ると、全長短縮には有利である。ただし、第１面で発生する球面収差の補正が困難となる。

なお、好ましくは、本発明の結像光学系は、次の条件式(3')を満足するのが良い。
０．２ ＜ ｒ１ｆ／ｆ ＜ １．２ …(3')
さらに、好ましくは、次の条件式(3")を満足するのが良い。
０．３ ＜ ｒ１ｆ／ｆ ＜ ０．９ …(3")

本発明の結像光学系は、全長を短縮するために、第１レンズと第２レンズと第３レンズの合成パワーと、第４レンズにおける負のパワーにより、テレフォトタイプの光学系となっている。そこで、次の条件式(4)，(5)を満足するのが好ましい。この条件を満足すると、このテレフォトタイプの正パワーと負パワーの配置に対して、結像光学系の全長短縮と性能確保とをバランスよく達成させることができる。
０．５ ＜ ｆ１２３／｜ｆ４｜ ＜ ３．０ …(4)
１．０ ＜ ｆ／｜ｆ４｜ ＜ ５．０ …(5)
但し、ｆ１２３は第１レンズと第２レンズと第３レンズの合成焦点距離、ｆ４は第４レンズの焦点距離、ｆは結像光学系全系の焦点距離である。

条件式(4)，(5)を満足しないと、テレフォトタイプを構成する正のパワーと負のパワーとのバランスが崩れ、結像光学系の全長が増大し、或いは性能が劣化してしまう。
すなわち、条件式(4)，(5)の上限値を上回ると、テレフォトタイプを構成する負のパワーが弱くなるので、結像光学系の全長短縮に不利となる。
一方、条件式(4)，(5)の下限値を下回ると、テレフォトタイプを構成する負のパワーが強くなりすぎ、それに伴い正のパワーも強くしなければならない。その結果、各レンズで発生する収差が増大となり、性能を確保するのが困難となる。

なお、好ましくは、本発明の結像光学系は、次の条件式(4')，(5')を満足するのが良い。
０．７ ＜ ｆ１２３／｜ｆ４｜ ＜ ２．０ …(4')
１．２ ＜ ｆ／｜ｆ４｜ ＜ ４．０ …(5')
さらに、好ましくは、本発明の結像光学系は、次の条件式(4")，(5")を満足するのが良い。
０．９ ＜ ｆ１２３／｜ｆ４｜ ＜ １．６ …(4")
１．５ ＜ ｆ／｜ｆ４｜ ＜ ３．０ …(5")

本発明の結像光学系では、明るさ絞りを挟んで、第１レンズと、第２、３、４レンズとが配置されている。ここで、倍率色収差やディストーションを小さくするためには、軸外光線が明るさ絞りの中心位置に対して点対称に通ることが重要となる。
そのため、本発明の結像光学系は、次の条件式(6)を満足するのが好ましい。
０ ＜ ｆ１／ｆ２３４ ＜ ３．０ …(6)
但し、ｆ１は第１レンズの焦点距離、ｆ２３４は第２レンズと第３レンズと第４レンズの合成焦点距離である。

条件式(6)の上限値を上回るか、或いは下限値を下回ると、倍率色収差やディストーションが補正過剰、もしくは補正不足になってしまう。その結果、いずれの場合も周辺性能が悪化する。

なお、好ましくは、本発明の結像光学系は、次の条件式(6')を満足するのが良い。
０．２ ＜ ｆ１／ｆ２３４ ＜ １．０ …(6')
さらに、好ましくは、本発明の結像光学系は、次の条件式(6")を満足するのが良い。
０．４ ＜ ｆ１／ｆ２３４ ＜ ０．７ …(6")

ところで、撮像素子にＣＣＤを用いる場合、いわゆるシェーディングという現象がおきてしまう。これは、光学系から射出された軸外光束が像面に対してあまりに大きな角度で入射すると、画像中央部と画像周辺部で画像の明るさが変化してしまう現象である。一方、像面に対して小さい角度で入射させると、上記シェーディングの問題は軽減されるが、結像光学系の全長が大きくなってしまう。
そのため、本発明の結像光学系は、次の条件式(7)を満足するのが好ましい。
０．４ ＜ ＥＸＰ／ｆ ＜ ２．０ …(7)
但し、ＥＸＰは像面からの射出瞳までの距離、ｆは結像光学系全系の焦点距離である。
条件式(7)の上限値を上回ると、結像光学系の全長が大きくなってしまう。
一方、条件式(7)の下限値を下回ると、ＣＣＤへの入射角が大きくなりすぎ画像周辺部の明るさが低下してしまう。

なお、好ましくは、本発明の結像光学系は、次の条件式(7')を満足するのが良い。
０．６ ＜ ＥＸＰ／ｆ ＜ １．５ …(7')
さらに、好ましくは、本発明の結像光学系は、次の条件式(7")を満足するのが良い。
０．８ ＜ ＥＸＰ／ｆ ＜ １．３ …(7")

また、結像光学系の開放ＦナンバーをＦno、撮像素子の画素間隔をＰとするとき、次の条件式(8)を満足するのが良い。
０．４０［１／μｍ］＜Ｆno／Ｐ［μｍ］＜２．２０［１／μｍ］ …(8)
条件式(8)の上限値を上回ると、光学系が暗くなり過ぎる。あるいは、画素間隔が小さくなり過ぎることにより、１画素あたりの光量が少なくなってしまう。従って、シャッター速度が遅くなり、手ぶれを引き起こしたり、長時間露光によりノイズが増加する原因となる。
一方、条件式(8)の下限値を下回ると、画素間隔が大きくなり過ぎ、高画素な撮像データが得られなくなる。

なお、本発明の結像光学系は、次の条件式(8')を満足するのがより良い。
０．５５［１／μｍ］＜Ｆno／Ｐ［μｍ］＜１．５０［１／μｍ］ …(8')
なお、本発明の結像光学系は、次の条件式(8")を満足するのが更に良い。
０．７７［１／μｍ］＜Ｆno／Ｐ［μｍ］＜１．１８［１／μｍ］ …(8")

また、結像光学系の全長をＴＬ、プラスチックレンズにおける最小軸上肉厚をＭＬとしたとき、次の条件式(9)を満足するのが良い。
０．０２＜ＭＬ／ＴＬ＜０．２０ …(9)
この条件式(9)の上限値を上回ると、全長に対して、プラスチックレンズにおける最小軸上肉厚が大きすぎることになる。そのために、ガラスレンズの中心肉厚が十分に確保できず、ガラスレンズの加工性が悪化してしまう。
一方、下限値を下回ると、プラスチックレンズにおける最小軸上肉厚が小さ過ぎることから、成型時にプラスチック樹脂が成型型にスムーズに入り込めなくなってしまう。その結果、応力がかかって複屈折の原因になったり、成型に時間がかかり、生産性が悪化してしまう。

なお、本発明の結像光学系は、次の条件式(9')を満足するのが良い。
０．０４＜ＭＬ／ＴＬ＜０．１５ …(9')
なお、本発明の結像光学系は、次の条件式(9")を満足するのがより良い。
０．０６＜ＭＬ／ＴＬ＜０．１０ …(9")

また、本発明の電子機器は、上記の結像光学系を備えている。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。
第１実施例
図１は、本発明の結像光学系の第１実施例であって、光学構成を示す光軸に沿う断面図、図２は第１実施例にかかる結像光学系の球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
第１実施例の結像光学系は、物体側から順に、正メニスカスレンズＬ１と、明るさ絞りＳと、負メニスカスレンズＬ２と、正メニスカスレンズＬ３と、負レンズＬ４とで構成されている。図中、Ｉは撮像素子の撮像面である。
正メニスカスレンズＬ１は、第１レンズである。この正メニスカスレンズＬ１は、物体側に凸面を向けている。負メニスカスレンズＬ２は、第２レンズである。この負メニスカスレンズＬ２は、像側に凸面を向けている。正メニスカスレンズＬ３は、第３レンズである。この正メニスカスレンズＬ３は、像側に凸面を向けている。負レンズＬ４は、第４レンズである。
また、非球面は、負メニスカスレンズＬ２の物体側の面、正メニスカスレンズＬ３の像側の面、負レンズＬ４の像側の面に設けられている。また、第４レンズＬ４の非球面は、レンズの中心のパワーが負で周辺のパワーが正である。

次に、第１実施例の結像光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
第１実施例では、全てのレンズがプラスチックで構成されている。用いているプラスチックは、第１レンズと第３レンズはポリオレフィン系のゼオネックス、第２レンズと第４レンズはポリカーボネートである。
また、結像光学系の像面には、１／３インチ、３００万画素（画素間隔Ｐ＝２．４μｍ）の撮像素子が配置されている。
なお、第１実施例の数値データにおいて、屈折率、アッベ数はｅ線におけるものである。
また、非球面形状は、光軸方向をｚ、光軸に直交する方向をｙにとり、円錐係数をｋ、非球面係数をａ、ｂ、ｃ、・・・としたとき、次の式で表される。
ｚ＝（ｙ²／ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）（ｙ／ｒ）²｝^1/2］
＋ａｙ⁴＋ｂｙ⁶＋ｃｙ⁸＋・・・
これらは、以下の各実施例においても共通である。
数値データ１
焦点距離：４．６ｍｍ、Ｆno（開放Ｆナンバー）：２．８、像高：３．０ｍｍ、
半画角：３３°
面番号 曲率半径 面（又は空気）間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 2.95 0.87 1.5091 56.2
2 233.13 0.10
3 絞り面 1.00
4 非球面[1] 0.60 1.5839 30.2
5 -4.14 0.10
6 -5.47 1.41 1.5091 56.2
7 非球面[2] 0.10
8 9.20 0.70 1.5839 30.2
9 非球面[3] 0.63
10 ∞ 1.50
像 面 ∞

非球面[1]
曲率半径 −2.27
ｋ＝ 5.8166×10^-1
ａ＝−2.9072×10^-2 ｂ＝ 3.2484×10^-2 ｃ＝−3.8009×10^-3
非球面[2]
曲率半径 −0.97
ｋ＝−2.9953×10⁺⁰
ａ＝−4.7166×10^-2 ｂ＝ 1.0868×10^-2
非球面[3]
曲率半径 1.31
ｋ＝−7.6191×10⁺⁰
ａ＝−6.7292×10^-3

第２実施例
図３は本発明の結像光学系の第２実施例であって、光学構成を示す光軸に沿う断面図、図４は第２実施例にかかる結像光学系の球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
第２実施例の結像光学系は、物体側から順に、正メニスカスレンズＬ１と、明るさ絞りＳと、負メニスカスレンズＬ２と、正メニスカスレンズＬ３と、負レンズＬ４とで構成されている。図中、Ｉは撮像素子の撮像面である。
正メニスカスレンズＬ１は、第１レンズである。この正メニスカスレンズＬ１は、物体側に凸面を向けている。負メニスカスレンズＬ２は、第２レンズである。この負メニスカスレンズＬ２は、像側に凸面を向けている。正メニスカスレンズＬ３は、第３レンズである。この正メニスカスレンズＬ３は、像側に凸面を向けている。負レンズＬ４は、第４レンズである。
また、非球面は、負メニスカスレンズＬ２の物体側の面、正メニスカスレンズＬ３の像側の面、負レンズＬ４の像側の面に設けられている。また、第４レンズＬ４の非球面は、レンズの中心のパワーが負で周辺のパワーが正である。

次に、第２実施例の結像光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
第２実施例では、第１レンズがガラス、第２レンズと第３レンズと第４レンズがプラスチックで構成されている。用いているプラスチックは、第３レンズはポリオレフィン系のゼオネックス、第２レンズと第４レンズはポリカーボネートである。
また、結像光学系の像面には、１／３インチ、２００万画素（画素間隔Ｐ＝３．０μｍ）の撮像素子が配置されている。
数値データ２
焦点距離：４．６ｍｍ、Ｆno（開放Ｆナンバー）：２．８、像高：３．０ｍｍ、
半画角：３３°
面番号 曲率半径 面（又は空気）間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 3.78 0.78 1.7433 49.2
2 25.69 0.11
3 絞り面 0.98
4 非球面[1] 0.60 1.5839 30.2
5 -13.16 0.08
6 -19.41 1.50 1.5091 56.2
7 非球面[2] 0.10
8 10.28 0.80 1.5839 30.2
9 非球面[3] 0.56
10 ∞ 1.50
像 面 ∞

非球面[1]
曲率半径 −2.77
ｋ＝ 7.8076×10^-1
ａ＝−2.1697×10^-2 ｂ＝ 2.7786×10^-2 ｃ＝−3.9258×10^-3
非球面[2]
曲率半径 −1.05
ｋ＝−3.0607×10⁺⁰
ａ＝−4.1942×10^-2 ｂ＝ 1.0402×10^-2
非球面[3]
曲率半径 1.43
ｋ＝−8.0802×10⁺⁰
ａ＝−7.3101×10^-3

第３実施例
図５は本発明の結像光学系の第３実施例であって、光学構成を示す光軸に沿う断面図、図６は第３実施例にかかる結像光学系の球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
第３実施例の結像光学系は、物体側から順に、正メニスカスレンズＬ１’と、明るさ絞りＳと、正メニスカスレンズＬ２’と、正メニスカスレンズＬ３’と、負レンズＬ４’とで構成されている。図中、Ｉは撮像素子の撮像面である。
正メニスカスレンズＬ１’は、第１レンズである。この正メニスカスレンズＬ１’は、物体側に凸面を向けている。正メニスカスレンズＬ２’は、第２レンズである。この正メニスカスレンズＬ２’は、像側に凸面を向けている。正メニスカスレンズＬ３’は、第３レンズである。この正メニスカスレンズＬ３’は、像側に凸面を向けている。負レンズＬ４’は、第４レンズである。
また、非球面は、正メニスカスレンズＬ１’の両面、正メニスカスレンズＬ２’の両面、正メニスカスレンズＬ３’の両面、負レンズＬ４’の両面に設けられている。また、第４レンズＬ４の非球面は、レンズの中心のパワーが負で周辺のパワーが正である。

次に、第３実施例の結像光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
第３実施例では、全てのレンズがプラスチックで構成されている。用いているプラスチックは、第１レンズと第２レンズと第３レンズはポリオレフィン系のゼオネックス、第４レンズはポリカーボネートである。
また、結像光学系の像面には、１／３インチ、１３０万画素（画素間隔Ｐ＝３．６μｍ）の撮像素子が配置されている。
数値データ３
焦点距離：４．７ｍｍ、Ｆno（開放Ｆナンバー）：２．８、像高：３．０ｍｍ、
半画角：３３°
面番号 曲率半径 面（又は空気）間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 非球面[1] 1.22 1.5091 56.2
2 非球面[2] 0.10
3 絞り面 0.63
4 非球面[3] 1.18 1.5091 56.2
5 非球面[4] 0.05
6 非球面[5] 1.46 1.5091 56.2
7 非球面[6] 0.10
8 非球面[7] 0.50 1.5839 30.2
9 非球面[8] 0.44
10 ∞ 1.32
像 面 ∞

非球面[1]
曲率半径 1.90
ｋ＝−3.7539×10^-1
ａ＝ 1.2801×10^-2 ｂ＝ 6.8695×10^-3
非球面[2]
曲率半径 5.28
ｋ＝ 1.5098×10⁺¹
ａ＝−3.2940×10^-3 ｂ＝−2.5345×10^-2
非球面[3]
曲率半径 −1.51
ｋ＝ 1.3544×10⁺⁰
ａ＝−2.1703×10^-2 ｂ＝−6.3127×10^-3 ｃ＝−8.1155×10^-3
非球面[4]
曲率半径 −1.49
ｋ＝−1.2296×10⁺⁰
ａ＝−3.3113×10^-3 ｂ＝−1.1439×10^-2
非球面[5]
曲率半径 −4.39
ｋ＝ 1.9660×10⁺⁰
ａ＝ 9.3712×10^-3 ｂ＝ 2.7884×10^-3
非球面[6]
曲率半径 −1.13
ｋ＝−4.0965×10⁺⁰
ａ＝−3.0803×10^-2 ｂ＝ 5.7752×10^-3
非球面[7]
曲率半径 143.88
ｋ＝−3.5486×10⁺¹⁹
ａ＝−1.7624×10^-3 ｂ＝ 1.5002×10^-4
非球面[8]
曲率半径 1.42
ｋ＝−9.6398×10⁺⁰
ａ＝−9.4524×10^-3 ｂ＝ 7.8945×10^-5

第４実施例
図７は本発明の結像光学系の第４実施例の光学構成を示す光軸に沿う断面図、図８は第４実施例にかかる結像光学系の球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
第４実施例の結像光学系は、物体側から順に、正メニスカスレンズＬ１と、明るさ絞りＳと、正メニスカスレンズＬ２’と、正メニスカスレンズＬ３’と、負レンズＬ４’とで構成されている。図中、Ｉは撮像素子の撮像面である。
正メニスカスレンズＬ１は、第１レンズである。この正メニスカスレンズＬ１は、物体側に凸面を向けている。正メニスカスレンズＬ２’は、第２レンズである。この正メニスカスレンズＬ２’は、像側に凸面を向けている。正メニスカスレンズＬ３’は、第３レンズである。この正メニスカスレンズＬ３’は、像側に凸面を向けている。負レンズＬ４’は、第４レンズである。
また、非球面は、正メニスカスレンズＬ２’の両面、正メニスカスレンズＬ３’の両面、負レンズＬ４’の両面に設けられている。また、第４レンズＬ４の非球面は、レンズの中心のパワーが負で周辺のパワーが正である。

次に、第４実施例の結像光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
第４実施例では、第１レンズがガラス、第２レンズと第３レンズと第４レンズがプラスチックで構成されている。用いているプラスチックは、第３レンズはポリオレフィン系のゼオネックス、第２レンズと第４レンズはポリカーボネートである。
また、結像光学系の像面には、１／３インチ、１３０万画素（画素間隔Ｐ＝３．６μｍ）の撮像素子が配置されている。
数値データ４
焦点距離：４．６ｍｍ、Ｆno（開放Ｆナンバー）：２．８、像高：３．０ｍｍ、
半画角：３３°
面番号 曲率半径 面（又は空気）間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 3.80 0.91 1.8061 40.9
2 14.15 0.21
3 絞り面 1.14
4 非球面[1] 0.95 1.5091 56.2
5 非球面[2] 0.05
6 非球面[3] 1.58 1.5091 56.2
7 非球面[4] 0.20
8 非球面[5] 0.50 1.5839 30.2
9 非球面[6] 0.61
10 ∞ 0.88
像 面 ∞

非球面[1]
曲率半径 −2.61
ｋ＝−6.9628×10^-1
ａ＝−2.0780×10^-2 ｂ＝−2.1734×10^-2 ｃ＝ 1.0103×10^-2
非球面[2]
曲率半径 −2.10
ｋ＝−1.6740×10⁺⁰
ａ＝ 1.7428×10^-2 ｂ＝−6.4850×10^-3
非球面[3]
曲率半径 −4.06
ｋ＝ 2.2608×10⁺⁰
ａ＝ 3.0315×10^-2 ｂ＝−1.4105×10^-3
非球面[4]
曲率半径 −0.88
ｋ＝−3.4614×10⁺⁰
ａ＝−2.8465×10^-2 ｂ＝ 5.5681×10^-3
非球面[5]
曲率半径 62.03
ｋ＝−3.5486×10⁺¹⁹
ａ＝−4.2958×10^-3 ｂ＝ 4.5975×10^-4
非球面[6]
曲率半径 0.91
ｋ＝−6.3059×10⁺⁰
ａ＝−1.3126×10^-2 ｂ＝ 4.0147×10^-4

なお、本発明の上記各実施例では少なくとも一部レンズをプラスチックで構成したが、プラスチックレンズをガラスレンズで構成してもかまわない。また、例えば、上記各実施例で用いる材料よりも屈折率の高いガラスを用いれば、さらに高性能な光学系にすることが可能である。また、特殊低分散ガラスを用いれば色収差の補正にとって有効である。また、レンズをプラスチックで構成する場合には、低吸湿材料を用いることにより、環境変化による性能の劣化を軽減し得る。

また、上記各実施例において、ゴースト、フレア等の不要光をカットするために、明るさ絞り以外にフレア絞りを配置しても良い。フレア絞りは、上記各実施例の第１レンズの前、第１レンズと明るさ絞りとの間、明るさ絞りと第２レンズとの間、第２レンズと第３レンズとの間、第３レンズと第４レンズとの間、第４レンズと像面との間のいずれの場所に配置しても良い。
このフレア絞りとしての作用を持たせるためには、枠によりフレア光線をカットする方法を採用しても良いし、別の部材を設けることによって、フレア光線をカットする方法を採用してもよい。または、フレア絞りを光学系に直接印刷したり、塗装したり、シールなどを接着することにより構成しても良い。
また、フレア絞りの形状は、円形、楕円形、矩形、多角形、関数曲線で囲まれる範囲等、いかなる形状でもかまわない。
また、フレア絞りを設けることによって、有害光束をカットするだけでなく画面周辺のコマフレア等の光束をカットするようにしても良い。
また、各レンズに反射防止コートを行い、ゴースト、フレアを軽減するようにしてもかまわない。その場合、マルチコートにすると効果的にゴースト、フレアを軽減できる。また、レンズ面やカバーガラスなどに、赤外カットコートを行っても良い。

また、本発明の上記各実施例の結像光学系において、ピント調節を行うためにフォーカシングを行うように構成しても良い。フォーカシング方法としては、レンズ系全体の繰り出し、一部レンズの繰り出し、もしくは繰り込みのいずれを採用してもよい。

また、本発明の上記各実施例の結像光学系において、画像周辺部の明るさ低下を、ＣＣＤのマイクロレンズをシフトすることにより軽減しても良い。例えば、各像高における光線の入射角に合わせてＣＣＤのマイクロレンズの設計を変えても良い。また画像処理により画像周辺部の低下量を補正しても良い。
また、図示はしていないが、本発明の光学系は、フィルムやＣＣＤを記録部材とするカメラ、あるいは携帯電話、携帯型情報入力端末等の光学装置に適している。よって、上記の光学系を備えた光学装置も、本発明として含まれる。

次に、各実施例における条件式パラメータ計算値を表１に示す。
表１

図９は撮像光学系に本発明の結像光学系を含んだデジタルカメラの外観を示す前側斜視図、図１０は撮像光学系に本発明の結像光学系を含んだデジタルカメラの外観を示す後側斜視図である。図において、１は撮影光路２を有する撮影光学系、３はファインダー用光路４を有するファインダー光学系、５はシャッター釦、６はフラッシュ、７は液晶表示モニターである。また、カメラの上部に配置されたシャッター釦５を押すと、それに連動して撮影光学系１を通して撮影が行われるようになっている。

図１１（ａ）は撮像光学系に本発明の結像光学系を含んだ携帯電話の一例の正面図、図１１（ｂ）は同側面図である。図中、１０はマイク部、１１はスピーカ部、１２は入力ダイアル、１３はモニター、１４は撮影光学系、１５は通信電波の送信と受信を行うアンテナである。マイク部１０は操作者の声を情報として入力し、スピーカ部１１は通話相手の声を出力する。入力ダイアル１２は操作者が情報を入力するのに用いられ、モニター１３は操作者自身や通話相手等の撮影像と電話番号等の情報を表示する。アンテナ１５は通信電波の送信と受信を行なう。
撮影光学系１４は、撮影光路１６上に配置された本発明の結像光学系と、像を受光する撮像素子とを有し、これらは携帯電話に内臓されている。撮像素子の前面にはＩＲカットフィルターが設けられ、また、撮影光学系１４の先端には該光学系を保護するためのカバーガラスが配置されている。撮像素子で受光された物体像は、携帯電話に内蔵された図示しない処理手段に入力され、電子画像としてモニター１３に、または、通信相手のモニターに、または、その両方に表示される。また、通信相手に画像を送信する場合には、上記処理手段に含まれる信号処理機能により、撮像素子で受光された物体像の情報が送信可能な信号へ変換されるようになっている。

以上説明したように、本発明の結像光学系は、特許請求の範囲に記載された発明の他に、次のような特徴を備えている。

（１）次の条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の結像光学系。
０．１ ＜ ｒ１ｆ／ｆ ＜ ２．０ …(3)
但し、ｒ１ｆは第１レンズの物体側の曲率半径、ｆは光学系全系の焦点距離である。

（２）次の条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の結像光学系。
０．５ ＜ ｆ１２３／｜ｆ４｜ ＜ ３．０ …(4)
１．０ ＜ ｆ／｜ｆ４｜ ＜ ５．０ …(5)
但し、ｆ１２３は第１レンズと第２レンズと第３レンズの合成焦点距離、ｆ４は第４レンズの焦点距離、ｆは光学系全系の焦点距離である。

（３）次の条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の結像光学系。
０ ＜ ｆ１／ｆ２３４ ＜ ３．０ …(6)
但し、ｆ１は第１レンズの焦点距離、ｆ２３４は第２レンズと第３レンズと第４レンズの合成焦点距離である。

（４）次の条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の結像光学系。
０．４ ＜ ＥＸＰ／ｆ ＜ ２．０ …(7)
但し、ＥＸＰは像面から射出瞳までの距離、ｆは結像光学系全系の焦点距離である。

本発明の結像光学系の第１実施例の光学構成を示す光軸に沿う断面図である。 第１実施例にかかる結像光学系の球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。 本発明の結像光学系の第２実施例の光学構成を示す光軸に沿う断面図である。 第２実施例にかかる結像光学系の球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。 本発明の結像光学系の第３実施例の光学構成を示す光軸に沿う断面図である。 第３実施例にかかる結像光学系の球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。 本発明の結像光学系の第４実施例の光学構成を示す光軸に沿う断面図である。 第４実施例にかかる結像光学系の球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。 本発明の結像光学系を用いたデジタルカメラの概略構成を示す前側斜視図である。 本発明の結像光学系を用いたデジタルカメラの概略構成を示す後側斜視図である。 (a)は、本発明の結像光学系を用いた携帯電話の概略構成を示す正面図、(b)は、同側面図である。

符号の説明

Ｌ１，Ｌ１’ 正メニスカスレンズ（第１レンズ）
Ｌ２ 負メニスカスレンズ（第２レンズ）
Ｌ２’ 正メニスカスレンズ（第２レンズ）
Ｌ３，Ｌ３’ 正メニスカスレンズ（第３レンズ）
Ｌ４，Ｌ４’ 負メニスカスレンズ（第４レンズ）
Ｓ 明るさ絞り
Ｉ 撮像面
１ 撮影光学系
２，１６ 撮影光路
３ ファインダー光学系
４ ファインダー用光路
５ シャッター釦
６ フラッシュ
７ 液晶表示モニター
１０ マイク部
１１ スピーカ部
１２ 入力ダイアル
１３ モニター
１４ 撮影光学系
１５ アンテナ

Claims (6)

1. 物体側から順に、第１レンズとしての物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、明るさ絞りと、第２レンズとしての像側に凸面を向けたメニスカスレンズと、第３レンズとしての像側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、第４レンズとしての負レンズを配置して構成したことを特徴とする結像光学系。
2. 前記第４レンズの少なくとも１面が非球面であり、次の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
   −２．０ ＜ φm／φp ＜ ０
   但し、φmは最大光線高の位置における第４レンズのパワー、φpは近軸における第４レンズのパワーである。
3. 前記第３レンズと前記第４レンズがプラスチックで構成され、次の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
   １５．０ ＜ ν３−ν４ ＜ ４０．０
   但し、ν３は第３レンズのアッベ数、ν４は第４レンズのアッベ数である。
4. 前記結像光学系の開放FナンバーをＦno、撮像素子の画素間隔をＰとするとき、次の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
   ０．４０［１／μｍ］＜Ｆno／Ｐ［μｍ］＜２．２０［１／μｍ］
5. 前記結像光学系の全長をＴＬ、前記結像光学系を構成するプラスチックレンズにおける最小軸上肉厚をＭＬとしたとき、次の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
   ０．０２＜ＭＬ／ＴＬ＜０．２０
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の結像光学系を備えた電子機器。