JP2005157154A

JP2005157154A - 撮像レンズ

Info

Publication number: JP2005157154A
Application number: JP2003398400A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Isono; 雅史磯野
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】光学性能が良好で低コスト・コンパクトな固体撮像素子用の撮像レンズを提供する。
【解決手段】固体撮像素子に像を形成する撮像レンズであって、物体側から順に、開口絞り(ST)、像面側に凸面を向けた正のメニスカス形状で両面が非球面のレンズ(GL)１枚、で構成され、条件式：{(N−1)／rF＋(1−N)／rR}×(f／N)＜0.5(N：レンズのｄ線に対する屈折率、rF：レンズの物体側の面の曲率半径、rR：レンズの像面側の面の曲率半径、f：全系の焦点距離)を満足する。
【選択図】図１

Description

本発明は撮像レンズに関するものであり、更に詳しくは被写体の映像を固体撮像素子で取り込むデジタル入力機器(デジタルスチルカメラ，デジタルビデオカメラ等)に適した、高性能でコンパクトな撮像レンズに関するものである。

近年、パーソナルコンピュータ等の普及に伴い、手軽に画像情報をデジタル機器に取り込むことができるデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等(以下単に「デジタルカメラ」という。)が個人ユーザーレベルで普及しつつある。このようなデジタルカメラは、今後も画像情報の入力機器として益々普及することが予想される。

また、デジタルカメラに搭載されるＣＣＤ(Charge Coupled Device)等の固体撮像素子の小型化が進展してきており、それに伴ってデジタルカメラにも一層の小型化が求められている。このため、デジタル入力機器において最大の容積を占める撮像レンズにも、コンパクト化が強く要望されている。撮像レンズを小型化するには固体撮像素子のサイズを小さくするのが最も容易な方法ではあるが、そのためには受光素子のサイズを小さくする必要があり、固体撮像素子の製造難易度が上がるとともに撮像レンズに要求される性能も高くなる。

一方、固体撮像素子のサイズをそのままにして撮像レンズのサイズを小さくすると、必然的に射出瞳位置が像面に近づいてしまう。射出瞳位置が像面に近づくと、撮像レンズから射出された軸外光束が像面に対して斜めに入射するため、固体撮像素子の前面に設けられているマイクロレンズの集光性能が十分に発揮されず、画像の明るさが画像中央部と画像周辺部とで極端に変化するという問題が生じることになる。この問題を解決するために撮像レンズの射出瞳位置を遠くに離そうとすると、どうしても撮像レンズ全体の大型化が避けられなくなる。

さらに近年の低価格化競争のため、撮像レンズにも低コスト化の要望が強くなってきている。以上のような要望に対し、レンズ１枚構成の固体撮像素子用撮像レンズが特許文献１〜７で提案されている。
特開平４−１９１７１６号公報特開平１０−２８２４１０号公報特開２００１−２２１９０４号公報特開２００１−２９６４７３号公報特開２００２−９８８８５号公報特開２００３−５７５３８号公報特開２００３−１４９５４９号公報

しかし、特許文献１〜７に記載されているレンズ１枚構成の撮像レンズは、周辺部の性能が充分に確保されておらず、高性能とは言えない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、光学性能が良好で低コストかつコンパクトな固体撮像素子用の撮像レンズを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明の撮像レンズは、固体撮像素子に像を形成する撮像レンズであって、物体側から順に、開口絞りと、像面側に凸面を向けた正のメニスカス形状を有し、かつ、両面が非球面から成るレンズ１枚と、で構成され、以下の条件式(1)を満足することを特徴とする。
{(N−1)／rF＋(1−N)／rR}×(f／N)＜0.5 …(1)
ただし、
N：レンズのｄ線に対する屈折率、
rF：レンズの物体側の面の曲率半径、
rR：レンズの像面側の面の曲率半径、
f：全系の焦点距離、
である。

第２の発明の撮像レンズは、上記第１の発明において、前記レンズがガラスで構成され、以下の条件式(2)を満足することを特徴とする。
1.65＜N …(2)
ただし、
N：レンズのｄ線に対する屈折率、
である。

第３の発明の撮像レンズは、上記第１又は第２の発明において、以下の条件式(3)を満足することを特徴とする。
2.6＜(rF＋rR)／(rF−rR)＜4.7 …(3)
ただし、
rF：レンズの物体側の面の曲率半径、
rR：レンズの像面側の面の曲率半径、
である。

第４の発明の撮像レンズは、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、以下の条件式(4)を満足することを特徴とする。
0.2＜T／f＜0.4 …(4)
ただし、
T：レンズの軸上厚み、
f：全系の焦点距離、
である。

第５の発明の撮像レンズは、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、以下の条件式(5)を満足することを特徴とする。
1.7＜f／Y'＜2 …(5)
ただし、
f：全系の焦点距離、
Y'：最大像高、
である。

本発明によれば、光学性能が良好で低コストかつコンパクトな固体撮像素子用の撮像レンズを実現することができる。そして、本発明に係る撮像レンズを携帯電話搭載のカメラやデジタルカメラ等のデジタル入力機器に用いれば、当該機器の高性能化，高機能化，低コスト化及びコンパクト化に寄与することができる。

以下、本発明に係る撮像レンズの実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１，図２に、第１，第２の実施の形態のレンズ構成をそれぞれ光学断面で示す。各実施の形態の撮像レンズはいずれも、固体撮像素子(例えばＣＣＤ)に対して光学像を形成する撮像用(例えばデジタルカメラ用)の単焦点レンズである。そして、物体側から順に、開口絞りＳＴと、像面側に凸面を向けた正のメニスカス形状のレンズＧＬと、から成るレンズ１枚構成になっており、その像側には、光学的ローパスフィルター等に相当する平行平面板状のガラスフィルターＧＦが配置されている。なお、各レンズ構成図(図１，図２)中、ri(i=1,2,3,...)が付された面は物体側から数えてi番目の面であり、riに*印が付された面は非球面である。

いずれの実施の形態においても用いられているレンズは１枚であり、そのレンズＧＬは像面側に凸面を向けた正のメニスカス形状を有し、かつ、両側のレンズ面(r2,r3)とも非球面から成っている。像面側に凸面を向けた正のメニスカス形状とすることは、諸収差の補正に効果があり、両面を非球面とすることは、球面収差，コマ収差及び歪曲収差の補正に大きな効果がある。また、レンズＧＬの物体側に開口絞りＳＴを配置することによって、射出瞳位置をより遠くに離すことが可能になる。したがって、レンズ１枚構成の撮像レンズを、物体側から順に、開口絞りと、像面側に凸面を向けた正のメニスカス形状を有し両面が非球面から成るレンズ１枚と、で構成することにより、高い光学性能と適正な射出瞳位置を実現しながらレンズ系のコンパクト化及び低コスト化を達成することが可能となる。このような効果をバランス良く得るとともに、更に高い光学性能等を達成するための条件を以下に説明する。

まず、各実施の形態の撮像レンズが満足すべき条件式、つまり各実施の形態のようなタイプの撮像レンズにおいて満たすことが望ましい条件式を説明する。ただし、以下に説明する全ての条件式を同時に満たす必要はなく、個々の条件式を光学構成に応じてそれぞれ単独に満足すれば、対応する作用・効果を達成することは可能である。もちろん、複数の条件式を満足する方が、光学性能，小型化，製造・組立等の観点からより望ましいことはいうまでもない。

以下の条件式(1)を満足することが望ましい。
{(N−1)／rF＋(1−N)／rR}×(f／N)＜0.5 …(1)
ただし、
N：レンズのｄ線に対する屈折率、
rF：レンズの物体側の面の曲率半径、
rR：レンズの像面側の面の曲率半径、
f：全系の焦点距離、
である。

条件式(1)は、周辺部の像面性をバランスさせるための好ましい条件範囲を規定している。条件式(1)の条件範囲を外れると、周辺部の像面がアンダー側に大きく倒れてしまい、周辺部の性能が確保できなくなる。

以下の条件式(1a)を満足することが更に望ましい。
{(N−1)／rF＋(1−N)／rR}×(f／N)＜0.46 …(1a)
この条件式(1a)は、上記条件式(1)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。

レンズがガラスで構成され、以下の条件式(2)を満足することが望ましい。
1.65＜N …(2)
ただし、
N：レンズのｄ線に対する屈折率、
である。

条件式(2)は、ガラスレンズの屈折率に関し、満たすことが好ましい条件範囲を規定している。条件式(2)の条件範囲を外れると、条件式(1)と同様、周辺部の像面がアンダー側に大きく倒れてしまい、周辺部の性能が確保できなくなる。

以下の条件式(2a)を満足することが更に望ましい。
1.68＜N …(2a)
この条件式(2a)は、上記条件式(2)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。

以下の条件式(3)を満足することが望ましい。
2.6＜(rF＋rR)／(rF−rR)＜4.7 …(3)
ただし、
rF：レンズの物体側の面の曲率半径、
rR：レンズの像面側の面の曲率半径、
である。

条件式(3)は、主に射出瞳位置と歪曲収差とをバランスさせるための好ましい条件範囲を規定している。条件式(3)の下限を越えると、射出瞳位置には有利になるが、歪曲収差の劣化が著しくなる。逆に、条件式(3)の上限を越えると、歪曲収差には有利になるが、射出瞳位置が不利になる。したがって、固体撮像素子用の撮像レンズとしては好ましくない。

以下の条件式(3a)を満足することが更に望ましい。
3.0＜(rF＋rR)／(rF−rR)＜4.0 …(3a)
この条件式(3a)は、上記条件式(3)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。

以下の条件式(4)を満足することが望ましい。
0.2＜T／f＜0.4 …(4)
ただし、
T：レンズの軸上厚み、
f：全系の焦点距離、
である。

条件式(4)は、主に倍率色収差とレンズの製造性とをバランスさせるための好ましい条件範囲を規定している。条件式(4)の上限を越えると、倍率色収差を良好に補正することが困難になる。逆に、条件式(4)の下限を越えると、レンズ周辺部の厚みが薄すぎて製造できない、といった問題が生じてしまう。

以下の条件式(4a)を満足することが更に望ましい。
0.25＜T／f＜0.35 …(4a)
この条件式(4a)は、上記条件式(4)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。

以下の条件式(5)を満足することが望ましい。
1.7＜f／Y'＜2 …(5)
ただし、
f：全系の焦点距離、
Y'：最大像高、
である。

条件式(5)は、撮像レンズの全長とレンズ径とをバランスさせるための好ましい条件範囲を規定している。条件式(5)の下限を越えると、レンズ径が大きくなり、撮像レンズ装置の径方向の大型化を招くとともに、歪曲収差の補正が困難になる。逆に、条件式(5)の上限を越えると、撮像レンズの全長が大きくなり、撮像レンズ装置の光軸方向の大型化を招いてしまう。

以下の条件式(5a)を満足することが更に望ましい。
1.80＜f／Y'＜1.90 …(5a)
この条件式(5a)は、上記条件式(5)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。

各実施の形態の撮像レンズは、入射光線を屈折作用により偏向させる屈折型レンズ(つまり、異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレンズ)のみで構成されているが、使用可能なレンズはこれに限らない。例えば、回折作用により入射光線を偏向させる回折型レンズ，回折作用と屈折作用との組み合わせで入射光線を偏向させる屈折・回折ハイブリッド型レンズ，入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布型レンズ等を用いてもよい。ただし、媒質内で屈折率が変化する屈折率分布型レンズは、その複雑な製法がコストアップを招くため、本発明に係る撮像レンズではレンズとして均質素材レンズを用いることが望ましい。

開口絞りのほかに、不要光をカットするための光束規制板等を必要に応じて配置してもよい。また、プリズム類(例えば直角プリズム)，ミラー類(例えば平面ミラー)等を光路中に配置することにより、その光学的なパワー(焦点距離の逆数で定義される量)を有しない面(例えば、反射面，屈折面，回折面)で撮像レンズの前，後又は途中で光路を折り曲げて屈曲光学系{例えば、光軸を９０°又は略９０°折り曲げるようにして光束を反射させる光学系}を構成してもよい。その折り曲げ位置は必要に応じて設定すればよく、光路の適正な折り曲げにより、撮像レンズが搭載されるデジタル機器(デジタルカメラ等)の見かけ上の薄型化やコンパクト化を達成することが可能である。

各実施の形態の撮像レンズは、画像入力機能付きデジタル機器(例えばカメラ付き携帯電話)用の小型撮像レンズとしての使用に適しており、これを光学的ローパスフィルターや固体撮像素子と組み合わせることにより、被写体の映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する撮像レンズ装置を構成することができる。撮像レンズ装置は、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラの主たる構成要素を成すものであり、例えば、物体(被写体)側から順に、物体の光学像を形成する撮像レンズと、光学的ローパスフィルター，赤外カットフィルター等の光学フィルターと、撮像レンズにより形成された光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、で構成される。

カメラの例としては、デジタルカメラ；ビデオカメラ；監視カメラ；車載カメラ；テレビ電話用カメラ；ドアホーン用カメラ；パーソナルコンピュータ，モバイルコンピュータ，携帯電話，携帯情報端末(ＰＤＡ：Personal Digital Assistant)，これらの周辺機器(マウス，スキャナー，プリンター等)，その他のデジタル機器等に内蔵又は外付けされるカメラが挙げられる。したがって、撮像レンズ装置を用いることによりカメラを構成することができるだけでなく、各種機器に撮像レンズ装置を搭載することによりカメラ機能を付加することが可能である。

撮像素子としては、例えば複数の画素から成るＣＣＤやＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサー等の固体撮像素子が用いられ、撮像レンズにより形成された光学像は固体撮像素子により電気的な信号に変換される。撮像レンズで形成されるべき光学像は、固体撮像素子の画素ピッチにより決定される所定の遮断周波数特性を有する光学的ローパスフィルターを通過することにより、電気的な信号に変換される際に発生するいわゆる折り返しノイズが最小化されるように、空間周波数特性が調整される。固体撮像素子で生成した信号は、必要に応じて所定のデジタル画像処理や画像圧縮処理等が施されて、デジタル映像信号としてメモリー(半導体メモリー，光ディスク等)に記録されたり、場合によってはケーブルを介したり赤外線信号に変換されたりして他の機器に伝送される。

なお、撮像レンズの最終面と固体撮像素子との間に配置される光学的ローパスフィルターは、各実施の形態ではガラスフィルターＧＦで構成されているが、使用されるデジタル入力機器に応じたものであればよい。例えば、所定の結晶軸方向が調整された水晶等を材料とする複屈折型ローパスフィルターや、必要とされる光学的な遮断周波数の特性を回折効果により達成する位相型ローパスフィルター等が適用可能である。

以上の説明から分かるように、上述した各実施の形態や後述する各実施例には以下の構成が含まれている。その構成により、良好な光学性能を有し低コストでコンパクトな撮像レンズ装置を実現することができ、カメラ，デジタル機器等への適用により、その高性能化，高機能化，低コスト化及びコンパクト化に寄与することができる。

(U1) 光学像を形成する撮像レンズと、その撮像レンズにより形成された光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、を備えた撮像レンズ装置であって、前記撮像レンズが、物体側から順に、開口絞りと、像面側に凸面を向けた正のメニスカス形状を有する両面非球面レンズ１枚と、で構成され、前記条件式(1),(1a),(2),(2a),(3),(3a),(4),(4a),(5),(5a)のうちの少なくとも１つを満足することを特徴とする撮像レンズ装置。

(U2) 前記両面非球面レンズが均質素材レンズであることを特徴とする上記(U1)記載の撮像レンズ装置。

(C1) 上記(U1)又は(U2)記載の撮像レンズ装置を備え、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方に用いられることを特徴とするカメラ。

(C2) デジタルカメラ；ビデオカメラ；又はパーソナルコンピュータ，モバイルコンピュータ，携帯電話，携帯情報端末，若しくはこれらの周辺機器に内蔵又は外付けされるカメラであることを特徴とする上記(C1)記載のカメラ。

(D1) 上記(U1)又は(U2)記載の撮像レンズ装置を備えることにより、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方の機能が付加されたことを特徴とするデジタル機器。

(D2) パーソナルコンピュータ，モバイルコンピュータ，携帯電話，携帯情報端末，又はこれらの周辺機器であることを特徴とする上記(D1)記載のデジタル機器。

以下、本発明を実施した撮像レンズを、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１，２は、前述した第１，第２の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第１，第２の実施の形態を表すレンズ構成図(図１，図２)は、対応する実施例１，２のレンズ構成をそれぞれ示している。

各実施例のコンストラクションデータにおいて、ri(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の面の曲率半径(mm)、di(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の軸上面間隔(mm)を示しており、Ni(i=1,2),νi(i=1,2)は物体側から数えてi番目の光学要素のｄ線に対する屈折率(Ｎd),アッベ数(νd)を示している。全系の焦点距離(f,mm)及びＦナンバー(FNO)を、他のデータとあわせて示す。また、表１に各条件式規定のパラメータに対応する値を各実施例について示す。

曲率半径riに*印が付された面は、非球面(非球面形状の屈折光学面、非球面と等価な屈折作用を有する面等)であり、非球面の面形状を表す以下の式(AS)で定義される。各実施例の非球面データを他のデータとあわせて示す。
X(H)＝(C0・H²)／{1+√(1-ε・C0²・H²)}＋Σ(Aj・H^j) …(AS)
ただし、式(AS)中、
X(H)：高さHの位置での光軸ＡＸ方向の変位量(面頂点基準)、
H：光軸ＡＸに対して垂直な方向の高さ、
C0：近軸曲率(=1／ri)、
ε：２次曲面パラメータ、
Aj：j次の非球面係数(Aj=0の場合のデータは省略する。)、
である。

図３，図４は、実施例１，実施例２に対応する収差図であり、図３，図４中、(Ａ)は球面収差図，(Ｂ)は非点収差図，(Ｃ)は歪曲収差図である{FNO:Ｆナンバー，Y':最大像高(mm)}。球面収差図において、実線ｄはｄ線、一点鎖線ｇはｇ線、二点鎖線ｃはｃ線に対する各球面収差量(mm)を表しており、破線ＳＣは正弦条件不満足量(mm)を表している。非点収差図において、破線ＤＭはメリディオナル像面(mm)、実線ＤＳはサジタル像面(mm)をそれぞれ表している。また、歪曲収差図において実線はｄ線に対する歪曲(％)を表している。

《実施例１》
f=2.995,FNO=2.8
[曲率半径] [軸上面間隔] [屈折率] [アッベ数]
r1= ∞(ST)
d1= 0.150
r2*=-2.235(=rF)
d2= 0.898(=T) N1=1.75450 ν1=51.57(GL)
r3*=-1.318(=rR)
d3= 2.683
r4= ∞
d4= 0.500 N2=1.51680 ν2=64.20(GF)
r5= ∞

[第２面(r2)の非球面データ]
ε= 0.10000×10,A4=-0.73663×10^-1,A6=-0.78824,A8= 0.24931×10,A10=-0.40593×10
[第３面(r3)の非球面データ]
ε= 0.10000×10,A4= 0.27154×10^-1,A6=-0.18608,A8= 0.27121,A10=-0.17969

《実施例２》
f=3.021,FNO=2.8
[曲率半径] [軸上面間隔] [屈折率] [アッベ数]
r1= ∞(ST)
d1= 0.150
r2*=-2.508(=rF)
d2= 0.909(=T) N1=1.69100 ν1=54.75(GL)
r3*=-1.308(=rR)
d3= 2.639
r4= ∞
d4= 0.500 N2=1.51680 ν2=64.20(GF)
r5= ∞

[第２面(r2)の非球面データ]
ε= 0.10000×10,A4=-0.14027,A6=-0.27202,A8= 0.74020,A10=-0.18108×10
[第３面(r3)の非球面データ]
ε= 0.10000×10,A4= 0.12685×10^-1,A6=-0.14323,A8= 0.20735,A10=-0.14610

第１の実施の形態(実施例１)のレンズ構成図。第２の実施の形態(実施例２)のレンズ構成図。実施例１の収差図。実施例２の収差図。

符号の説明

ＳＴ開口絞り
ＧＬレンズ
ＧＦガラスフィルター
ＡＸ光軸

Claims

固体撮像素子に像を形成する撮像レンズであって、物体側から順に、開口絞りと、像面側に凸面を向けた正のメニスカス形状を有し、かつ、両面が非球面から成るレンズ１枚と、で構成され、以下の条件式(1)を満足することを特徴とする撮像レンズ；
{(N−1)／rF＋(1−N)／rR}×(f／N)＜0.5 …(1)
ただし、
N：レンズのｄ線に対する屈折率、
rF：レンズの物体側の面の曲率半径、
rR：レンズの像面側の面の曲率半径、
f：全系の焦点距離、
である。
前記レンズがガラスで構成され、以下の条件式(2)を満足することを特徴とする請求項１記載の撮像レンズ；
1.65＜N …(2)
ただし、
N：レンズのｄ線に対する屈折率、
である。
以下の条件式(3)を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の撮像レンズ；
2.6＜(rF＋rR)／(rF−rR)＜4.7 …(3)
ただし、
rF：レンズの物体側の面の曲率半径、
rR：レンズの像面側の面の曲率半径、
である。
以下の条件式(4)を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像レンズ；
0.2＜T／f＜0.4 …(4)
ただし、
T：レンズの軸上厚み、
f：全系の焦点距離、
である。
以下の条件式(5)を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像レンズ；
1.7＜f／Y'＜2 …(5)
ただし、
f：全系の焦点距離、
Y'：最大像高、
である。