JP2005062680A

JP2005062680A - 撮像レンズ

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Publication number: JP2005062680A
Application number: JP2003295296A
Authority: JP
Inventors: Yoji Kubota; 洋治久保田
Original assignee: Nagano Optics Laboratory Corp
Current assignee: Nagano Optics Laboratory Corp
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2023-08-19
Also published as: JP3955000B2

Abstract

【課題】変曲点を含まない非球面をレンズ面に採用し、メガオーダの高画素に対応できるように収差補正を施して、生産に有利な、構成枚数が少ない軽量でコンパクトな撮像レンズを提案すること。
【解決手段】撮像レンズ１は、３群３枚構成からなり、物体側より順に、物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカスの第１レンズ１と、物体側に凹面を向けた正または負のパワーを有するメニスカスの第２レンズ２と、正のパワーを有する第３レンズ３が配列されている。第１〜３レンズ１〜３のレンズ面１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂおよび３ａ、３ｂの形状が、その有効レンズ面領域内に変曲点が現れない非球面形状とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子を用いた車載用カメラ、監視用カメラ、デジタルカメラ、携帯電話機搭載カメラ等に使用される小型で軽量な撮像レンズに関するものである。

ＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子を用いた監視用カメラ、デジタルカメラ等に組み込まれている撮像レンズは、忠実な被写体の再現性を備えていることが望ましい。また、最近では、ＣＣＤ自体やＣＣＤカメラが小型化されてきており、これに伴って、これらに組み込まれる撮像レンズも必然的に小型化、コンパクト化の要求が高まってきている。

更に、ＣＣＤなどの受光素子は、ＣＣＤの小型化とは裏腹にメガオーダの高画素となってきている。これを用いたカメラに使用される撮像レンズも必然的に高い光学性能を発揮できるものでなければならなくなってきている。

従来では、こうした高い光学性能を発揮させるためには、多数枚のレンズを用いて収差補正を行ってきたのが実状である。

また、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子の特徴として、各画素に取り込まれる光線角度に制約があり、これを無視した光学系では開口効率が減少しシェーディングが発生する。このため射出瞳の位置を像面から極力離すようにしなければならない。

加えて、撮像レンズとＣＣＤとの間には、ローパスフィルタや赤外線カットフィルタなどを挿入するスペースが必要となるので、バックフォーカスがある程度長くなければならないという制約もある。

ここで、高解像度で、レンズ枚数が少なく、しかもコンパクトに構成された撮像レンズが下記の特許文献１に開示されている。ここに開示されている撮像レンズは、３群４枚構成であり、第２レンズ群と第３レンズ群が単レンズによって構成されている。また、レンズ面として変曲点を含む非球面が採用されている。変曲点を備えた非球面をレンズ面に採用することは、実際のレンズ加工や組み込みを考慮すると、レンズの偏芯や倒れが発生し易い。よって、レンズ加工および組み込みを精度良く行わないと、解像度が低下してしまうので、必ずしも有利とは言えない。
特開２００２−２２８９２２号公報

本発明の課題は、変曲点を含まない非球面をレンズ面に採用して、メガオーダの高画素に対応できるように収差補正を施すことにより、生産に有利であると共に、構成枚数が少ない軽量でコンパクトな撮像レンズを提案することにある。

本発明の撮像レンズは、３群３枚構成からなり、物体側より順に、物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカスの第１レンズと、物体側に凹面を向けた正または負のパワーを有するメニスカスの第２レンズと、正のパワーを有する第３レンズとを配列した構成とされている。

また、第１レンズ、第２レンズ、および第３レンズのレンズ面のうち、少なくとも一つのレンズ面の形状は、その有効レンズ面領域内に変曲点が現れない非球面形状によって規定されている。

このように、本発明の撮像レンズは３群３枚構成のレンズ系であり、物体側に配置されている第１レンズを物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズとしてあるので、レンズ系の全長を短くすることができる。また、第２レンズの物体側のレンズ面を凹面とすることにより射出瞳の位置を長くすることができ、これによりシェーディングを防止することができる。さらに、レンズ面には変曲点を持たない非球面形状を採用しているので、レンズの加工誤差や組み立て誤差などによって生じる解像度の劣化を抑止することができ、生産に適している。

ここで、本発明の撮像レンズは、当該撮像レンズの合成焦点距離をＦ、そのバックフォーカスをＢＦ、第１レンズの焦点距離をｆ１、第３レンズの物体側のレンズ面の曲率をＲａ、第３レンズの像面側のレンズ面の曲率をＲｂとしたとき、条件式（１）〜（３）を満たすことが望ましい。

０．５Ｆ＜ｆ１＜１．５Ｆ（１）
０．２５＜ＢＦ／Ｆ＜１．０（２）
１．０＜｜Ｒｂ／Ｒａ｜（３）

条件式（１）は、球面収差を安定に保つためと、レンズ系全体をコンパクトに保つための条件である。その下限値を下回るとレンズ系はコンパクトにできるが、球面収差の補正が難しくなる。逆に、上限値を超えると、球面収差の補正は容易になるが、レンズ系全体をコンパクトに纏めることができなくなる。この条件式を満足することにより、球面収差を良好な状態に保持しながら、レンズ系をコンパクトにできる。

本発明では第１レンズを物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズとしてあり、この構成と条件式（１）を満足することにより、撮像レンズの全長をより短くすることが可能である。

条件式（２）もレンズ系全体をよりコンパクトに保つための条件である。特に、携帯電話機搭載カメラに採用する撮像レンズについては、レンズ系全体を小型にすると同時に、レンズ系の全長をより短いものにする必要がある。このような要求を満足するためには条件式（２）を満足するように光学系を設定することが望ましい。条件式（２）の下限値を下回るとレンズ系はコンパクトにできるが、レンズ系とＣＣＤ等の結像面までの有機的なスペースがなくなってしまい、また、各種の収差補正が難しくなる。逆に、上限値を超えるとレンズ系が大きくなってしまい好ましくない。

条件式（３）は、射出瞳とバックフォーカスに関するものであり、曲率Ｒａの絶対値が曲率Ｒｂの絶対値以上になると、射出瞳およびバックフォーカスが短くなってしまうので好ましくない。

次に、結像面がＣＣＤやＣＭＯＳ等である場合、実質的な開口効率を確保するためには、各画素に取り込まれる光線角度に制約が生じる。この現象を緩和するため、射出瞳を長くして主光線の最大射出角を３０度以下に補正することが好ましい。このようにすれば、画面周辺部に生じるシェーディングを防ぐことができる。また、非球面形状を適切に設定することにより、ディストーションの補正も良好に行うことができる。

本発明の撮像レンズは３群３枚構成のレンズ系であり、物体側に配置されている第１レンズを物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズとしてあるので、レンズ系の全長を短くすることができる。また、第２レンズの物体側のレンズ面を凹面とすることにより射出瞳の位置を長くすることができ、これによりシェーディングを防止することができる。さらに、レンズ面には変曲点を持たない非球面形状を採用しているので、レンズの加工誤差や組み立て誤差などによって生じる解像度の劣化を抑止することができ、生産に適している。よって、本発明によれば、生産に適した、メガオーダの高画素に対応した構成レンズ枚数の少ない小型でコンパクトな撮像レンズを得ることができる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した３群３枚構成の撮像レンズを説明する。

図１は実施例１に係る撮像レンズの構成図である。本例の撮像レンズ１０は、物体側より結像面６の側に向けて順に、物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカスの第１レンズ１と、絞り４と、物体側に凹面を向けた負のパワーを有するメニスカスの第２レンズ２と、正のパワーを有する第３レンズ３とが配列されている。第３レンズ３の第２面Ｒ６と結像面６との間にはカバーガラス５が配置されている。

ここで、第１レンズ１の両側のレンズ面１ａ、１ｂ、第２レンズ２の両側のレンズ面２ａ、２ｂ、および第３レンズ３の両側のレンズ面３ａ、３ｂが非球面とされている。また、本例で採用している非球面形状は、いずれも、各レンズ面においてその有効レンズ面領域に変曲点が現れないものである。

撮像レンズ１０の全光学系のレンズデータは次のとおりである。
Ｆナンバー：２．８
焦点距離：Ｆ＝３．６５ｍｍ
バックフォーカス：ＢＦ＝１．８６３ｍｍ
第１レンズ１の焦点距離：ｆ１＝３．７６９ｍｍ

表１Ａ、１Ｂには、撮像レンズ１０の各レンズ面のレンズデータおよび各レンズ面の非球面形状を規定するための非球面係数を示してある。

表１Ａおよび表１Ｂにおいて、ｉは物体側より数えたレンズ面の順番を表し、Ｒはレンズ面の光軸Ｌ上での曲率を示し、ｄはレンズ面間の距離を表し、Ｎｄは各レンズ面の屈折率を、νｄは各レンズのアッベ数を表す。また、レンズ面のｉに星印（＊）が付してあるレンズ面は非球面であることを示す。

レンズ面に採用する非球面形状は、光軸Ｌ方向の軸をＸ、光軸に直交する方向の高さをＨ、円錐係数をＫ、非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとすると、次式で表すことができる。

なお、各記号の意味および非球面形状を表す式は、以下の実施例２、３においても同様である。

本例では、第１レンズ１の焦点距離ｆ１は、０．５Ｆ（＝１．８２５ｍｍ）と１．５Ｆ（＝５．４７５ｍｍ）の範囲内の値であり、条件式（１）を満たしている。また、ＢＦ／Ｆの値は０．５１０９・・・であり、条件式（２）を満たしている。さらに、第３レンズ３の物体側のレンズ面３ａの曲率Ｒａは３．１８０であり、像面側のレンズ面３ｂの曲率Ｒｂは６０．６５７であるので、Ｒｂ／Ｒａ＝１９．０７４・・・となり、条件式（３）を満たしている。また、主光線の最大射出角が３０度以下である。

図２は実施例１の撮像レンズにおける諸収差を示す収差図である。図２（ａ）は球面収差ＳＡ、図２（ｂ）は非点収差ＡＳ、図２（ｃ）はディストーションＤＩＳＴをそれぞれ表す収差図である。非点収差ＡＳにおけるＴはタンジェンシャル、Ｓはサジタルの像面を表している。また、図２（ｄ）は横収差を表す収差図であり、ＤＸはＸ瞳座標に関する横方向のＸ収差、ＤＹはＹ瞳座標に関する横方向のＹ収差を表している。これらの記号の意味は後述の実施例２、３においても同様である。

図３は実施例２に係る撮像レンズを示す構成図である。撮像レンズ２０は、物体側より結像面１６に向けて、物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカスの第１レンズ１１と、絞り１４と、物体側に凹面を向けた正のパワーを有するメニスカスの第２レンズ１２と、正のパワーを有する第３レンズ１３とが、この順で配列されている。第３レンズ１３と結像面１６との間には実施例１と同様にカバーガラス１５が配置されている。本例の場合、第１レンズ１１の両側のレンズ面１１ａ、１１ｂと、第２レンズ１２の両側のレンズ面１２ａ、１２ｂと、第３レンズ１３の像面側のレンズ面１３ｂが非球面とされている。また、各非球面形状は、いずれも、各レンズ面においてその有効レンズ面領域に変曲点が現れないものである。

本例の撮像レンズに対する全光学系のレンズデータは次のとおりである。

Ｆナンバー：３．５
焦点距離：Ｆ＝３．５ｍｍ
バックフォーカス：ＢＦ＝１．９９２ｍｍ
第１レンズ１１の焦点距離ｆ１＝４．７３３ｍｍ

表２Ａおよび表２Ｂには、本例の撮像レンズ２０における各レンズ面のレンズデータおよび各レンズ面の非球面形状を規定するための非球面係数を示してある。

本例では、第１レンズ１１の焦点距離ｆ１は、０．５Ｆ（＝１．７５ｍｍ）と１．５Ｆ（＝５．２５ｍｍ）の範囲内の値であり、条件式（１）を満たしている。また、ＢＦ／Ｆの値は０．５４９・・・であり、条件式（２）を満たしている。さらに、第３レンズ１３の物体側のレンズ面１３ａの曲率Ｒａは５．８７であり、像面側のレンズ面１３ｂの曲率Ｒｂは−２７．２４５であるので、｜Ｒｂ／Ｒａ｜＝４．６４１・・・となり、条件式（３）を満たしている。また、主光線の最大射出角が３０度以下である。

図４（ａ）〜（ｄ）は本例の撮像レンズ２０における諸収差を表す収差図である。

実施例３に係る撮像レンズの構成は実施例２の撮像レンズ２０の構成と同様であり、物体側より結像面１６に向けて順に、物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカスの第１レンズ１１と、絞り１４と、物体側に凹面を向けた負のパワーを有するメニスカスの第２レンズ１２と、正のパワーを有する第３レンズ１３とが配列されている。第３レンズ１３と結像面１６との間にはカバーガラス１５が配置されている。しかるに、本例においては、第１レンズ１１の両側のレンズ面１１ａ、１１ｂ、第２レンズ１２の両側のレンズ面１２ａ、１２ｂ、および第３レンズ１３の両側のレンズ面１３ａ、１３ｂがそれぞれ非球面とされている。また、各非球面形状は、いずれも、各レンズ面においてその有効レンズ面領域に変曲点が現れないものである。

本例の撮像レンズに対する全光学系のレンズデータは、次のとおりである。
Ｆナンバー：２．８
焦点距離：Ｆ＝３．６ｍｍ
バックフォーカス：ＢＦ＝１．９６７ｍｍ
第１レンズ１３の焦点距離ｆ１＝３．８４４ｍｍ

表３Ａおよび表３Ｂには、本例の撮像レンズにおける各レンズ面のレンズデータ、および各レンズ面の非球面形状を規定する非球面係数を表示している。

本例では、第１レンズ１１の焦点距離ｆ１は、０．５Ｆ（＝１．８０ｍｍ）と１．５Ｆ（＝５．４０ｍｍ）の範囲内の値であり、条件式（１）を満たしている。また、ＢＦ／Ｆの値は０．５４６・・・であり、条件式（２）を満たしている。さらに、第３レンズ１３の物体側のレンズ面１３ａの曲率Ｒａは３．１１５であり、像面側のレンズ面１３ｂの曲率Ｒｂは−４．４６４であるので、｜Ｒｂ／Ｒａ｜＝１．４３３・・・となり、条件式（３）を満たしている。また、主光線の最大射出角が３０度以下である。

図５（ａ）〜（ｄ）は本例の撮像レンズにおける諸収差を表す収差図である。

（その他の実施の形態）
実施例１、３では第１〜第３レンズの両側のレンズ面全てを非球面としてあり、実施例２では第１レンズの両側のレンズ面と第２レンズの両側のレンズ面と第３レンズの像面側のレンズ面を非球面としてある。これらのレンズ面のうち少なくとも一つのレンズ面を非球面とし、他のレンズ面を球面としてもよいことは勿論である。

実施例１の撮像レンズの構成図である。実施例１の撮像レンズの収差図である。実施例２の撮像レンズの構成図である。実施例２の撮像レンズの収差図である。実施例３の撮像レンズの収差図である。

符号の説明

１、１１第１レンズ
２、１２第２レンズ
３、１３第３レンズ
４、１４絞り
５、１５カバーガラス
６、１６結像面
１０実施例１の撮像レンズ
２０実施例２の撮像レンズ
１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂレンズ面
１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂレンズ面

Claims

物体側より順に配置された第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズを有し、
前記第１レンズは物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカスレンズであり、
前記第２レンズは物体側に凹面を向けた正のパワーを有するメニスカスレンズであり、
前記第３レンズは正のパワーを有するレンズであり、
前記第１レンズ、第２レンズ、および第３レンズのレンズ面のうち、少なくとも一つのレンズ面の形状は、その有効レンズ面領域内に変曲点が現れない非球面形状によって規定されている撮像レンズ。
物体側より順に配置された第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズを有し、
前記第１レンズは物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカスレンズであり、
前記第２レンズは物体側に凹面を向けた負のパワーを有するメニスカスレンズであり、
前記第３レンズは正のパワーを有するレンズであり、
前記第１レンズ、第２レンズ、および第３レンズのレンズ面のうち、少なくとも一つのレンズ面の形状は、その有効レンズ面領域内に変曲点が現れない非球面形状によって規定されている撮像レンズ。
請求項１または２において
前記撮像レンズの合成焦点距離をＦ、前記第１レンズの焦点距離をｆ１としたとき、
０．５Ｆ＜ｆ１＜１．５Ｆ
である撮像レンズ。
請求項１、２または３において、
前記撮像レンズの合成焦点距離をＦ、そのバックフォーカスをＢＦとしたとき、
０．２５＜ＢＦ／Ｆ＜１．０
である撮像レンズ。
請求項１、２、３または４において、
第３レンズの物体側のレンズ面の曲率をＲａとし、その像面側のレンズ面の曲率をＲｂとしたとき、
１．０＜｜Ｒｂ／Ｒａ｜
である撮像レンズ。
請求項５において、
主光線の最大射出角が３０度以下である撮像レンズ。