JP2005258181A - 撮像レンズ及びカメラモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 高解像でありながら、使用環境の温度変化に安定であり、しかも安価で作りやすい固体撮像素子用の撮像レンズ及びカメラモジュールを提供する。
【解決手段】 物体側より順に、正のパワーを有する第１レンズＬ１と、メニスカス形状で負のパワーを有する第２レンズＬ２と、正のパワーを有する第３レンズＬ３とが順に配列して構成され、ｆをレンズ全系の焦点距離、ｆ１を第１レンズの焦点距離、ｆ２を第２レンズの焦点距離、ｆ３を第３レンズの焦点距離とするときに、以下の式（１）〜（３）の条件を満たす。
（１）０．５＜ｆ１／ｆ＜３．５
（２）０．３＜｜ｆ２｜／ｆ＜２．５
（３）０．３＜ｆ３／ｆ＜１．４
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子を備えた撮像装置に好適な撮像レンズ及びカメラモジュールに関する。

近年、マルチメディアの進展は目覚しく、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）などの固体撮像素子を備えた撮像装置、例えばデジタルスチルカメラや監視カメラ等が、小型軽量化が図られると供に急速に普及が進んでいる。こうした撮像装置に用いられる撮像レンズとして、小型化に有利な３枚構成の結像レンズ（トリプレット型レンズ）が広く用いられ、より高画質，高解像度化の対応、および低コスト化が求められている。

従来、３枚構成の結像レンズとして各種の提案がなされており、安価，小型軽量かつ高性能を目的に、３枚のレンズで構成され、しかも全てをプラスチック、またはその一部にガラスの球面レンズを採用したＣＣＤ用レンズが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−４８５１６号公報

しかしながら、上記の特許文献１のようにプラスチックを用いた撮像レンズでは、コスト低減に寄与できるが、形状精度がガラス製のレンズに比べて劣るため、高画質，高解像度化等に十分に対応できない。また、使用環境の温度変化によって屈折率やレンズ形状が変化するため、例えば車載用カメラ等に用いた場合に光学性能が不安定であるという課題がある。また、撮像レンズを搭載した撮像素子を基板に半田付する等の製造工程においてリフロー炉等を使用することができない等、コスト面での課題もあった。

一方、撮像レンズの形状精度及び使用環境の温度変化に対応するためにガラスを用いた場合には、非球面レンズの製造方法としてガラスモールド法が広く知られているが、サイクルタイムが長く掛かるためにコストが高くなってしまう課題がある。

そこで、本発明は、１００万画素以上の解像度を有する撮像素子に対応できる高解像でありながら、使用環境の温度変化に安定であり、しかも低コストで作りやすい固体撮像素子用の撮像レンズ及びカメラモジュールを提供することを目的とする。

本発明の撮像レンズは、物体側より順に、正のパワーを有する第１レンズと、メニスカス形状で負のパワーを有する第２レンズと、正のパワーを有する第３レンズとが配列して構成される３枚構成のレンズであって、ｆをレンズ全系の焦点距離、ｆ１を第１レンズの焦点距離、ｆ２を第２レンズの焦点距離、ｆ３を第３レンズの焦点距離とするときに、
（１）０．５＜ｆ１／ｆ＜３．５
（２）０．３＜｜ｆ２｜／ｆ＜２．５
（３）０．３＜ｆ３／ｆ＜１．４
の条件を満たすことを特徴とする撮像レンズ。

式（１）〜式（３）は、各レンズのパワーを制限する条件であり、上記構成によれば、式（１）を満足させると、第１レンズの非点収差とコマ収差を効果的に補正することができると供に、第１レンズを小型化することができる。また、式（２）を満足させると、第２レンズの有効径が確保できるとともに、色収差を適正に補正することができる。さらに、式（３）を満足させると、第３レンズの効果的な像面湾曲の補正ができるとともに、像面から射出瞳までの距離を大きく確保することができる。

また、本発明の撮像レンズは、物体側から順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状で正のパワーを有する第１レンズと、絞りと、結像側に凸面を向けたメニスカス形状で負のパワーを有する第２レンズと、結像側に曲率の強い面を向けた正のパワーを有する第３レンズとが配列して構成され、第１レンズ又は第３レンズのうち少なくとも１面が非球面であって、ν２を第２レンズのアッベ数、ν３を第３レンズのアッベ数とするときに、
（４）ν２＜５０
（５）３５＜ν３
が成り立つことを特徴とする撮像レンズ。

式（４）式及び式（５）は色収差補正に関する条件であり、上記構成によれば、第１レンズ又は第３レンズのうち少なくとも１面が非球面であって、式（４）及び式（５）の条件を同時に満たせば、色収差を適正に補正することができ、所望の結像性能が確保できる。また、絞りを第１レンズと第２レンズとの間に配置することにより、像面から射出瞳までの距離を大きく確保するとともに、第３レンズの大型化を防ぐことができる。

また、本発明の撮像レンズは、第３レンズの物体側の面が平面であることを特徴とする。
上記構成によれば、第３レンズの物体側の面が平面であることにより、レンズを成形する成形金型を容易に加工することができる。すなわち、成形金型のキャビティを構成する２つの型の合わせが不要であり、型偏心等によるレンズの光軸ズレの心配がない。

また、本発明の撮像レンズは、物体側から順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状で正のパワーを有する第１レンズと、物体側に凸面を向けたメニスカス形状で負のパワーを有する第２レンズと、絞りと、結像側に曲率の強い面を向けた正のパワーを有する第３レンズとが配列して構成され、第１レンズ又は第３レンズのうち少なくとも１面が非球面であって、ν２を第２レンズのアッベ数、ν３を第３レンズのアッベ数とするときに、
（４）ν２＜５０
（５）３５＜ν３
が成り立つことを特徴とする撮像レンズ。

式（４）式及び式（５）は色収差補正に関する条件であり、上記構成によれば、第１レンズ又は第３レンズのうち少なくとも１面が非球面であって、式（４）及び式（５）の条件を同時に満たせば、色収差を適正に補正することができ、所望の結像性能が確保できる。また、絞りを第２レンズと第３レンズとの間に配置することにより、像面から射出瞳までの距離を大きく確保するとともに、第３レンズの大型化を防ぐことができる。

また、本発明の撮像レンズは、少なくても第１レンズの結像側の面又は第３レンズの物体側の面のいずれか一方が平面であることを特徴とする。
上記構成によれば、第１レンズの結像側の面又は第３レンズの物体側の面の一方あるいは両方が平面であることにより、レンズを成形する成形金型をより容易に加工することができる。すなわち、成形金型のキャビティを構成する２つの型の合わせが不要であり、型偏心等によるレンズの光軸ズレの心配がない。

また、本発明のカメラモジュールは、前記の撮像レンズを備えたことを特徴とする。
前記の撮像レンズを用いることにより、１００万画素以上の解像度を有する撮像素子に対応できる高解像でありながら、使用環境の温度変化に安定であり、しかも低コストのカメラモジュールを得ることができる。

以下、本発明にかかる撮像レンズの実施形態を説明する。実施形態の撮像レンズは、例えば図１に示されるように、図中左側となる物体側から順に、正のパワーを有する第１レンズＬ１と、絞りＲ３と、メニスカス形状で負のパワーを有する第２レンズＬ２と、正のパワーを有する第３レンズＬ３と、カバーガラスＬ４と、映像素子としてのＣＣＤ１とが配列して構成される。いわゆる３群３枚構成の結像レンズ（トリプレット型レンズ）である。この第１レンズＬ１〜第３レンズＬ３の６つのレンズ面のうち少なくとも１つの面が非球面で構成される。なお、符合１は、ＣＣＤの撮像面を示している。また、設計時にはカバーガラスＬ４を含む光学系全体として収差を補正する。

実施形態の撮像レンズは、良好な結像性能と十分なバックフォーカスを得るために、正のパワーを有する第１レンズＬ１とメニスカス形状で負のパワーを有する第２レンズＬ２とを配置している。また、第３レンズＬ３を正のパワーを有することにより、良好なテレセントリック性を確保している。

このとき、以下の式（１）〜（３）の条件を満たすように、第１レンズ〜第３レンズのパワーを配分することにより、良好な結像性能と十分なバックフォーカス（像面から射出瞳までの距離）を得ることができる。
（１）０．５＜ｆ１／ｆ＜３．５
（２）０．３＜｜ｆ２｜／ｆ＜２．５
（３）０．３＜ｆ３／ｆ＜１．４
但し、ｆはレンズ全系の焦点距離、ｆ１は第１レンズの焦点距離、ｆ２は第２レンズの焦点距離、ｆ３は第３レンズの焦点距離である。

式（１）は、式（１）の下限を超えると（０．５以下になると）第１レンズのパワーが強くなり過ぎ、第１面の曲率半径が小さくなることにより、非点収差とコマ収差の補正が困難になる。また、式（１）の上限を超えると（３．５以上になると）、第１レンズのパワーが弱くなり、レンズを小型化することが困難になる。

式（２）は、式（２）の下限を超えると（０．３以下になると）第２レンズのパワーが強くなり過ぎ、曲率半径が小さくなることにより、有効径が確保できなくなる。また、式（２）の上限を超えると（２．５以上になると）第２レンズのパワーが弱くなりなり、色収差補正が困難になる。

式（３）は、式（３）の下限を超えると（０．３以下になると）第３のパワーが強くなり過ぎ、ペッツバール和が大きくなり、像面湾曲の補正が困難になる。また、式（３）の上限を超えると（１．４以上になると）第３レンズのパワーが弱くなり、レンズの全長が長くなると共に、射出瞳距離が近くなり、ＣＣＤ１に入射する光束の角度が大きくなって受光感度が低下する。

なお、上記式（１）〜（３）に対応する下記の式（１１）〜（１３）の条件を満たせば、より良好な結像性能と十分なバックフォーカスを得ることができる。
（１１）０．６＜ｆ１／ｆ＜３．０
（１２）０．４＜｜ｆ２｜／ｆ＜２．５
（１３）０．４＜ｆ３／ｆ＜１．２

また、上記式（１）〜（３）に対応する下記の式（２１）〜（２３）の条件を満たせば、さらに一層良好な結像性能とバックフォーカスを得ることができる。
（２１）０．８＜ｆ１／ｆ＜２．５
（２２）０．４＜｜ｆ２｜／ｆ＜２．０
（２３）０．５＜ｆ３／ｆ＜１．０

さらに、第１レンズ又は第３レンズのうち少なくとも１面を非球面で構成し、以下の式（４），式（５）の色収差補正に関する条件を満たすことにより、適正な色収差の補正が可能となる。
（４）ν２＜５０
（５）３５＜ν３
但し、ν２は第２レンズのアッベ数、ν３は第３レンズのアッベ数である。

式（４）及び式（５）の条件を同時に満たせば、色収差を適正に補正することができ、所望の結像性能が確保できる。また、式（４）、および式（５）の条件の内、少なくともどちらか一方の条件を満たさない場合は、色収差の補正が困難となる。

なお、上記式（４），式（５）に対応する下記の式（１４），式（１５）の条件を同時に満たせば、色収差をより適正に補正することができる。
（１４）ν２＜４０
（１５）４０＜ν３

以下、この発明にかかわる撮像レンズの実施例を説明する。ここでは実施例を２例挙げるが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでない。

なお、各実施例において、ｆはレンズ全系の焦点距離、ｆ１は第１レンズの焦点距離、ｆ２は第２レンズの焦点距離、ｆ３は第３レンズの焦点距離、Ｒは各レンズ面の曲率半径、Ｄはレンズ厚または空気間隔（以降、間隔と表示する）、Ｎｄは屈折率、Ｖｄはアッベ数を示す。また、面番号は物体側から順に数えられた各レンズ等に対応する面番号を示す。

また、各実施例で使用される非球面は次の式で与えられる。

但し、ｒは光軸からの距離、ｚは曲面の座標値、Ｋは円錐定数、ｃは面の近似的曲率、Ａ４は４次の非球面係数、Ａ６は６次の非球面係数、Ａ８は８次の非球面係数、Ａ１０は１０次の非球面係数を示す。また、非球面係数を示す数値表示において、［Ｅ−○○］の表示は１０の−○○乗を示す。

図１は撮像レンズの一実施形態を示す概略構成図であり、撮像レンズの具体的な数値構成は表１，表２に示す。なお、表１はレンズデータを示し、表２は非球面データを示す。図２は撮像レンズの諸収差を示し、図２（ａ）はｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｇ線（４３５．４ｎｍ）、Ｃ線（６５６．２７ｎｍ）の波長における球面収差によって示される色収差、図２（ｂ）は比点収差を示し、符合Ｓは球欠的像面に対する収差、符合Ｔは子午的像面に対する収差を表す。図２（ｃ）は歪曲収差を示している。なお、歪曲収差量を示す横軸の単位はパーセント（％）、他の収差量を示す横軸の単位はｍｍである。

図１において、撮像レンズは図中左側となる物体側から順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状で正のパワーを有する第１レンズＬ１と、絞りＳと、結像側に凸面を向けたメニスカス形状で負のパワーを有する第２レンズＬ２と、結像側に曲率の強い面を向けた正のパワーを有する第３レンズＬ３と、カバーガラスＬ４と、映像素子としてのＣＣＤ１（図は、ＣＣＤの撮像面を示している）とが配列して構成される。いわゆる３群３枚構成の結像レンズ（トリプレット型レンズ）である。この第１レンズＬ１〜第３レンズＬ３の６つのレンズ面のうち面Ｒ１および面Ｒ７が非球面で構成される。なお、設計時にはカバーガラスＬ４を含む光学系全体として収差を補正する。

このように構成された撮像レンズとカバーガラスＬ４及びＣＣＤ１とでカメラモジュール１０が構成される。さらに、カメラモジュール１０に図示しない鏡筒やハウジング及び電子部品等を構成することにより、例えばデジタルスチルカメラなどの小型カメラとなる。

この撮像レンズの設計仕様を表３に示す（表３における実施例１の項を参照）。

次に、撮像レンズの製造方法について説明する。本実施形態の製造方法は、多数個取り金型を用いて複数種類の撮像レンズを同時に製造するものである。図３は撮像レンズの製造工程を示す概略説明図であり、同図（ａ），（ｂ）は成型工程におけるキャビティの断面図であり、同図（ｃ），（ｄ）は成形物の平面図及び断面図であり、同図（ｅ）は成形物が切断されたレンズを示す。図４は成形物の部分断面図を示す。

図３（ａ）に示すように、レンズ成形体としての成形金型２００は、閉じられたときにキャビティを構成する第２のレンズ成形体としての下型２０１と第１のレンズ成形体としての上型２０２との２つの型で構成され、下型２０１および上型２０２のキャビティを構成する面には、レンズの屈折表面を形成する複数の凸面２０３および凹面２０４を有する多数固取り成型金型である。下型２０１と上型２０２とを合わせたときのキャビティは、図３（ｃ）のキャビティの形状が転写された成形物２０の平面図に示すように、凸部３１〜３３がマトリクス状に配列された形状を有する。

図３（ｃ）において、上型２０２により転写された凸面は、球面あるいは非球面の形状や外径（曲率）が異なる。例えば二点鎖線で示す範囲の成形物２０の凸部３１に第１レンズＬ１の非球面形状、二点鎖線で示す範囲の凸部３２に第２レンズＬ２の球面形状、二点鎖線で示す範囲の凸部３３に第３レンズＬ３の非球面形状が各々転写された形状に形成されている。同様に、成形物２０のもう一方の面（裏面）には、図３（ｄ）の成形物の断面図に示すように、凸部３１に対応する第１レンズＬ１および凸部３２に対応する第２レンズＬ２のもう一方の球面形状が下型２０１により転写された凹面形状に形成されている。なお、凸部３３に対応する第３レンズＬ３のもう一方の面は、下型２０１の平板の平面（表面）で形成されている。こうしたレンズの屈折表面を形成する凹面および凸面は、上型２０２及び下型２０１のキャビティ面に直接形成する、あるいは入れ子によって構成することができる。

以下、成形工程について説明する。図３（ａ）に示すように、金型２０１，２０２を開き、キャビティに溶融した光学ガラス素材２０５を投入する。光学ガラス素材２０５としては、屈折率とアッベ数を考慮して選択される。

次に、図３（ｂ）に示すように、下型２０１と上型２０２とを閉じて光学ガラス素材２０５をキャビティ内に展延させ、この状態で光学ガラス素材２０５を冷却して固める。

キャビティの形状が転写された成形物２０は、図３（ｃ）に示すように、第１レンズＬ１〜第３レンズＬ３に対応する３種類の凸部３１〜３３がマトリクス状に配列され、各レンズ間が平板部２１で接続されたレンズ成形物である。

そして、図３（ｄ）に示すように、下型２０１，上型２０２を開いて成形した成形物２０を取り出す。そして、図示しないダイシング装置のダイシングブレードで各レンズ間の平板部２１を切断（ダイシング）して、各レンズに分離させる。これにより、図３（ｅ）に示すように、３種類の異なる設計のレンズ３１ａ，３２ａ，３３ａを一度の成型で形成することができる。

図３（ｃ）に示すように、成形物２０の各レンズ間の平板部２１に、各レンズに分離させるアライメントマーク２２を金型からの転写で設けることができる。アライメントマーク２２は、マトリクス状に配列された全ての凸部間に、外形の幾何学中心が凸部（レンズ）の光軸と一致するように分割する直線で設けられている。アライメントマーク２２が成形物２０に設けられることによって、図示しないダイシング装置（ダイシングブレード）等で自動的に各レンズを正確に切り出すことができる。

アライメントマーク２２を転写する金型としては、下型２０１と上型２０２のいずれでも良い。また、転写する各アライメントマーク２２は、例えば直線の場合で示したが部分線で構成しても良い、さらにアライメントマーク２２の断面形状は例えば突起状、あるいは溝状の形状等を用いることができる。

また、図４に示すように、ダイシングのときのチッピングを防止するために、下型２０１にダイシングブレード（図示せず）の幅よりやや幅広のＶ字状溝２３を転写できるような突起を設けることが好ましい。ダイシングブレードが成形物２０のテーパー状になっているＶ字状溝２３の中に進入して切断することにより、切断面（アライメントマーク２２に沿った断面）に欠けが生じ難く、不良品の発生を抑制し、歩留まりを向上させることができる。なお、Ｖ字状溝２３を設けた場合は、Ｖ字状溝２３をアライメントマークとして用いることにより、アライメントマーク２２を設けないことであっても良い。

また、必要に応じて成形物２０を各レンズに分離させた後に、分離された各レンズの外周面を、例えば円形等の所望の形状及び外径寸法に研削することができる。

本実施形態によれば、固体撮像素子（ＣＣＤ１）を用いたカメラモジュール１０に最適な、高性能で熱的に安定であり、かつ低コストで作りやすい撮像レンズ、及び固体撮像素子（ＣＣＤ１）を用いたカメラモジュール１０を得ることが出来る。また、平板の表面に多数個取りレンズ成型物を一体成形し、これらの凸部毎に切断することにより、複数種類の複数個のレンズを効率良くまとめて成形することができるため、低コストで製造することができる。また、ガラスで成形することにより、使用環境の温度変化に安定な撮像レンズを得ることができる。

図５は撮像レンズの一実施形態を示す概略構成図であり、撮像レンズの具体的な数値構成を表４，表５に示す。なお、表４にはレンズデータを示し、表５には非球面データを示す。図６は撮像レンズの諸収差を示す。なお、図６（ａ）〜（ｃ）の表示項目は、実施例１における図２と同様であり、説明は省略する。また、実施例２は実施例１と撮像レンズの数値構成以外は同様であり、これを省略する。

図５において、撮像レンズは図中左側となる物体側から順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状で正のパワーを有する第１レンズＬ１と、物体側に凸面を向けたメニスカス形状で負のパワーを有する第２レンズＬ２と、絞りＳと、結像側に曲率の強い面を向けた正のパワーを有する第３レンズＬ３と、カバーガラスＬ４とが配列して構成される。第１レンズＬ１〜第３レンズＬ３の６つのレンズ面のうち面Ｒ１および面Ｒ７が非球面で構成され、第１レンズＬ１の結像側の面Ｒ２と第３レンズＬ３の物体側の面Ｒ６が平面で構成されている。

この撮像レンズ（結像光学系）の設計仕様を表３に示す（表３における実施例２の項を参照）。

この撮像レンズの製造方法も実施例１と同様であり、これを省略する。

本発明による撮像レンズの実施例１の概略構成図。 実施例１の撮像レンズの収差図。 撮像レンズの製造工程を示す概略説明図。 成形物の部分断面図。 撮像レンズの実施例２の概略構成図。 実施例２の撮像レンズの収差図。

符号の説明

１…ＣＣＤ、１０…カメラモジュール、Ｌ１…撮像レンズを構成する第１レンズ、Ｌ２…撮像レンズを構成する第２レンズ、Ｌ３…撮像レンズを構成する第３レンズ、Ｌ４…カバーガラス、Ｓ…絞り、２０…成形物、２１…平板部、２２…アライメントマーク、２３…Ｖ字状溝、２００…レンズ成形体としての成形金型、２０１…第２のレンズ成形体としての下型、２０２…第１のレンズ成形体としての上型、２０５…光学ガラス素材。

Claims (6)

1. 物体側より順に、正のパワーを有する第１レンズと、メニスカス形状で負のパワーを有する第２レンズと、正のパワーを有する第３レンズとが配列して構成される３枚構成のレンズであって、
   ｆをレンズ全系の焦点距離、ｆ１を第１レンズの焦点距離、ｆ２を第２レンズの焦点距離、ｆ３を第３レンズの焦点距離とするときに、
   （１）０．５＜ｆ１／ｆ＜３．５
   （２）０．３＜｜ｆ２｜／ｆ＜２．５
   （３）０．３＜ｆ３／ｆ＜１．４
   の条件を満たすことを特徴とする撮像レンズ。
2. 請求項１に記載の撮像レンズにおいて、
   物体側より順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状で正のパワーを有する第１レンズと、絞りと、結像側に凸面を向けたメニスカス形状で負のパワーを有する第２レンズと、結像側に曲率の強い面を向けた正のパワーを有する第３レンズとが配列して構成され、
   第１レンズ又は第３レンズのうち少なくとも１面が非球面であり、
   ν２を第２レンズのアッベ数、ν３を第３レンズのアッベ数とするときに、
   （４）ν２＜５０
   （５）３５＜ν３
   が成り立つことを特徴とする撮像レンズ。
3. 請求項２に記載の撮像レンズにおいて、
   第３レンズの物体側の面が平面であることを特徴とする撮像レンズ。
4. 請求項１に記載の撮像レンズにおいて、
   物体側から順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状で正のパワーを有する第１レンズと、物体側に凸面を向けたメニスカス形状で負のパワーを有する第２レンズと、絞りと、結像側に曲率の強い面を向けた正のパワーを有する第３レンズとが配列して構成され、第１レンズ又は第３レンズのうち少なくとも１面が非球面であり、
   ν２を第２レンズのアッベ数、ν３を第３レンズのアッベ数とするときに、
   （４）ν２＜５０
   （５）３５＜ν３
   が成り立つことを特徴とする撮像レンズ。
5. 請求項４に記載の撮像レンズにおいて、
   第１レンズの結像側の面又は第３レンズの物体側の面が平面であることを特徴とする撮像レンズ。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の撮像レンズを備えたカメラモジュール。
   

Images