JP2006023321A - 撮像レンズ、撮像ユニット、及び小型電子カメラ - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ全体を小型化、薄型化することのできる撮像レンズを提供すること。
【解決手段】物体（被写体）位置から像面に向かって絞り１１，撮像レンズである凸レンズ２２、ＣＣＤ１４のフェースプレートに等価な平板１３で構成し、上記凸レンズ２２に赤外領域を吸収するレンズ材料を使用し、一方のレンズ面に高周波成分を除去するための位相格子２１０を形成する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像レンズ、撮像ユニット、及び小型電子カメラに関し、特に、携帯電話やＰＤＡなど情報機器の画像入力手段となる撮像素子を用いた電子カメラ用の撮像レンズの小型化、低価格化を図ったものに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近の通信技術の進歩により、文字情報や音声情報のみならず映像情報も相互に通信が可能になってきている。このため、携帯電話やＰＤＡ（携帯情報端末）などの通信機器にもＣＣＤやＣＭＯＳセンサーを用いた小型カメラが搭載されるようになってきた。この分野の小型カメラは携帯に適した超小型、超薄型化、さらに安価であることが強く求められている。
【０００３】
ところが、上述したＣＣＤやＣＭＯＳセンサーなどの撮像素子は、画像を２次元でサンプリングするため、サンプリング周波数の２分の１以上の高周波は偽信号となってしまい、そのような高周波成分をあらかじめ除去するため、水晶の光学ローパスフィルターがレンズ素子と撮像素子との間に必要となっていた。また、上記撮像素子は可視域だけでなく長波長側でも感度を持っているため、長波長の赤外領域は遮断しなければならず、このため赤外領域を吸収する赤外カットフィルターなどを組み込む必要があった。
【０００４】
この２種類のフィルターの必要性により、撮像ユニットの小型化や低価格化が制約されていた。そして、この問題に対して、例えば、特開平８−２０１７２９号公報では、平板の赤外遮蔽板にプラスチックの材料でレンズおよび光学ローパスフィルターの役割をする位相格子を貼り合わせて一体に形成する方法が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の撮像レンズは以上のように構成されており、特開平８−２０１７２９号公報に示された光学素子では、各機能素子を貼り合わせて一体にするため小型化は図れる方向であるが、個々の素子は独立して作成されて貼り合わされるため、個々の機能素子ごとに必要な厚みは変わらず、さらなる小型化、低価格化が難しいという問題点があった。
【０００６】
また、プラスチックレンズの場合、材質によっては、反射防止膜の形成が難しい場合もあり、レンズの歩留まりを向上しにくい原因にもなっていた。
【０００７】
本発明は以上のような問題点を解消するためになされたもので、レンズ全体を小型化、薄型化するとともに、低価格化を実現することのできる撮像レンズ、及び該撮像レンズを用いた撮像ユニット、小型電子カメラを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１にかかる撮像レンズは、被写体像を撮像素子に結像させる撮像レンズにおいて、上記撮像レンズを、赤外領域の光を遮断する材料を用いて形成された凸レンズで構成したものである。
【０００９】
また、この発明の請求項２にかかる撮像レンズは、上記請求項１記載の撮像レンズにおいて、上記撮像レンズを構成する凸レンズよりも被写体側に絞りを備え、上記凸レンズの焦点距離ｆと、凸レンズの被写体側の曲率半径ｒ１とが、−０．６＜ｆ／ｒ１＜０の条件を満足するものである。
【００１０】
また、本発明の請求項３にかかる撮像レンズは、上記請求項１記載の撮像レンズにおいて、上記撮像レンズを構成する凸レンズは、その被写体側のレンズ面が非球面であり、光軸近傍の局所的曲率半径Ｒ１０と、外周部の局所的曲率半径Ｒ１１とが、｜Ｒ１１｜／｜Ｒ１０｜＜０．４の条件を満足するものである。
【００１１】
また、本発明の請求項４にかかる撮像レンズは、上記請求項１記載の撮像レンズにおいて、上記撮像レンズを構成する凸レンズは、その像面側のレンズ面が非球面であり、光軸近傍の局所的曲率半径Ｒ２０と、外周部の局所的曲率半径Ｒ２１とが、０．９＜｜Ｒ２１｜／｜Ｒ２０｜＜１．２の条件を満足するものである。
【００１２】
また、本発明の請求項５にかかる撮像レンズは、上記請求項１記載の撮像レンズにおいて、上記撮像レンズを構成する凸レンズの、被写体側もしくは像面側のいずれかの面に光学的ローパスフィルターの作用を持つ位相格子が形成されているものである。
【００１３】
また、本発明の請求項６にかかる撮像レンズは、上記請求項５記載の撮像レンズにおいて、上記位相格子は、上記凸レンズの被写体側の面上に少なくとも１方向に周期的な構造で形成されるものである。
【００１４】
また、本発明の請求項７にかかる撮像レンズは、上記請求項１ないし６のいずれかに記載の撮像レンズにおいて、上記撮像レンズを構成する凸レンズの被写体側もしくは像面側の両面に反射防止膜を形成したものである。
【００１５】
また、本発明の請求項８にかかる撮像ユニットは、被写体像を撮像素子と撮像レンズとを有する撮像ユニットにおいて、上記撮像レンズを、赤外領域の光を遮断する材料を用いて形成された凸レンズからなる撮像レンズと、上記撮像レンズと接合し、上記撮像素子を封止するレンズ部材とを備えたものである。
【００１６】
また、本発明の請求項９にかかる小型電子カメラは、請求項１ないし７のいずれかに記載の撮像レンズを用いて構成されたものである。
【００１７】
また、本発明の請求項１０にかかる小型電子カメラは、請求項８記載の撮像ユニットを用いて構成されたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１にかかる撮像レンズについて説明する。図１は本実施の形態１の撮像レンズである非球面ズームレンズを中心とした撮像部の構成を示す図である。図において、１２は凸レンズであり、赤外領域を吸収するレンズ材料が使用されており、このため、被写体像をＣＣＤ１４に結像させるレンズ作用に加え、赤外領域の光を遮断する機能を有している。また、この凸レンズ１２は、被写体から見て、絞り１１の後方に近接して配置されている。これにより凸レンズ１枚でも、特に倍率の色収差の発生を極力少なくすることができる。また、１３はＣＣＤ１４のフェースプレートに等価な平板である。
【００１９】
さらに、レンズ両面には反射防止膜１５がコーティングされており、透過率を向上させるとともに、レンズ面の保護の役割を果たしている。上記凸レンズ１２の焦点距離をｆ、物体（被写体）側の面１２ａの曲率半径をｒ１としたとき、条件式（１）として、
−０．６＜ｆ／ｒ１＜０・・・（１）
の関係を満足することが好ましい。上記条件式（１）は、物体側の面のパワーに関するものであり、下限を越えると非点格差が大きくなり、上限を越えると像面湾曲が補正できなくなる。
【００２０】
また、凸レンズ１２の物体側のレンズ面１２ａが非球面であることが好ましく、さらにこのレンズ面１２ａの光軸近傍の局所的曲率半径をＲ１０、外周部の局所的曲率半径をＲ１１としたとき、以下の条件式、
｜Ｒ１１｜／｜Ｒ１０｜＜０．４・・・（２）
の関係を満足することが望ましい。なお、上記条件式（２）を満足しない場合、すなわち、上限を越えると特に非点格差が大きくなり、良好な収差補正が得られなくなる。
【００２１】
また、凸レンズ１２の像面側のレンズ面１２ｂが非球面であることが好ましく、さらに、このレンズ面の光軸近傍の局所的曲率半径をＲ２０、外周部の局所的曲率半径をＲ２１としたとき、以下の条件式、
０．９＜｜Ｒ２１｜／｜Ｒ２０｜＜１．２・・・（３）
の関係を満足することが望ましい。なお、上記条件式（３）を満足しない場合、すなわち、下限を越えると球面収差が補正不足となる。また、上限を越えると球面収差が補正過剰となると同時にコマ収差が発生し、良好な収差補正ができなくなる。
【００２２】
なお、凸レンズ１２は超小型の非球面レンズを安価に製造するため、金型の形状を転写するプレス成形で製造されることが好ましい。また、上記レンズの両面に反射防止膜１５を形成したが、透過率向上、レンズの保護の面から考えて、反射防止膜１５は、レンズ片面よりも両面に形成するのが好ましい。
【００２３】
以下、上記条件式（１）〜（３）を満たした撮像レンズの具体例を、それぞれ、条件式の満足する範囲でパラメータを変えたものを３通り示す。
【００２４】
（具体例１）
上記凸レンズ１２の具体例を表１に示す。表１において、Ｒ（ｍｍ）はレンズの曲率半径、ｄ（ｍｍ）はレンズの肉厚またはレンズの空気間隔、ｎは各レンズのｄ線に対する屈折率、νは各レンズのｄ線に対するアッベ数を示している（以下の具体例２〜３についても同じ）。また、Ｆ１〜Ｆ４はそれぞれ、例えば、図１においては、レンズ１２の被写体側の面をＦ１とし、レンズ１２の像面側の面をＦ２とし、平板１３の被写体側の面をＦ３とし、平板１３の像面側の面をＦ４としている。
【００２５】
【表１】

また、非球面形状は以下の数１で定義している（以下の具体例２〜３についても同じ）。
【００２６】
【数１】

上記具体例１の非球面ズームレンズの非球面形状を以下の表２に示す。
【表２】

具体例１は、表３に示したように、凸レンズの焦点距離に対して、物体側の面の曲率半径が上述した条件式（１）を満足し、像面湾曲、非点格差が良好に補正されている。また、物体側の面の非球面形状が条件式（２）を満足しており、条件式（１）と合わせて像面湾曲が良好に補正されている。さらに像側の面の非球面形状が条件式（３）を満足しており、球面収差、コマ収差が良好に補正されている。
【００２７】
【表３】

図５に上記表１に示した撮像レンズの収差性能図を示す。なお、図５(a)はｄ線に対する球面収差の図である。また、図５（ｂ）は、非点収差の図であって、実線はサジタル像面湾曲を示し、点線はメリディオナル像面湾曲を示す。さらに、図５（ｃ）は歪曲収差を示す図、図５（ｄ）は軸上色収差を示す図であって、それぞれにおいて、実線はｄ線、点線はＦ線、波線はＣ線に対する値を示す。また、図５（ｅ）は倍率色収差の図であって、点線はＦ線、波線はＣ線に対する値を示す。なお、以上の図５（ａ）〜（ｅ）の（ａ）〜（ｅ）における図中の記号などの説明は、以降の図面についても同じである。
図５から分かるように、具体例１に係わる撮像レンズは良好な収差性能を示している。
【００２８】
（具体例２）
以下の表４に、上記撮像レンズのもう一つの具体例２を示す。また、この具体例２の撮像レンズの非球面形状を以下の表５に示す。
【００２９】
【表４】

【表５】

具体例２は、表６に示したように、上述した条件式（１）〜（３）を満たしている。
【表６】

上記表４に示した撮像レンズにおいても、図６の収差性能図から分かるように、良好な収差性能を示している。
【００３０】
（具体例３）
さらに、以下の表７に、上記撮像レンズのもう一つの具体例３を示す。また、この具体例３の撮像レンズの非球面形状を以下の表８に示す。
【００３１】
【表７】

【表８】

具体例３は、表９に示したように、上述した条件式（１）〜（３）を満たしている。
【表９】

上記表７に示した撮像レンズは、図７の収差性能図から分かるように、良好な収差性能を示している。
【００３２】
このように本実施の形態１によれば、被写体像をＣＣＤ１４に結像させるレンズとして、赤外領域を遮蔽する材料を用いて形成することで、一つの部材のみの加工となるため低価格化を実現することができる。
【００３３】
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２による撮像レンズについて説明する。図２は、本実施の形態２に係る撮像レンズである非球面ズームレンズを中心とした撮像部の構成を示す図である。図において、図１と同一符号は同一、または相当部分を示し、２２は凸レンズであり上記実施の形態１と同様に、赤外領域を吸収するレンズ材料が使用されており、また、物体（被写体）側の面２２ａには光学的ローパスフィルターの作用を持つ、１方向に周期的な構造の位相格子２１０が形成されている。この構成により、赤外遮蔽の機能に加え、画像高周波成分の抑圧も１枚の凸レンズ２２で実現することができる。
【００３４】
上記凸レンズ２２は実施の形態１と同様に、上述した条件式（３）を満足することが好ましく、また、位相格子２１０の周期構造を除去したレンズ面に対して上述した条件式（１）、（２）を満足することが好ましい。さらに、位相格子２１０は、上記条件式（１）、（２）を満足する面形状に沿って台形形状の周期構造が形成されることが好ましい。
【００３５】
なお、凸レンズ２２の物体（被写体）側の面２２ａの方が、レンズの曲率がゆるく、製造が容易なため、この面に位相格子２１０を形成する方が好ましいが、像面側のレンズ面２２ｂに形成してもよい。
【００３６】
また、上記実施の形態１と同様に、凸レンズ２２は超小型の異形レンズを安価に製造するため、金型の形状を転写するプレス成形で製造されることが好ましい。
【００３７】
さらに、実施の形態１と同様に、レンズ２２の両面には反射防止膜をコーティングし、透過率を向上させるとともに、レンズ面の保護をするようにしてもよい。
【００３８】
また、撮像素子（ＣＣＤ１４）を、凸レンズ２２もしくは凸レンズ２２と一体のレンズ部材（図示せず）で封止される構成にすることで撮像ユニット全体の小型化を図ることができる。
【００３９】
このように本実施の形態２によれば、被写体像をＣＣＤ１４に結像させるレンズとして、赤外領域を遮蔽する材料を用いて形成するとともに、被写体側の面２２ａに位相格子２１０を形成したので、一つの部材のみの加工で、赤外カットフィルターと光学ローパスフィルターを形成することができ、一つの部材のみの加工となるため低価格化を実現することができる。
【００４０】
特に赤外遮蔽用の材料は、薄くすると赤外の遮蔽効果が弱くなるため、ある程度の厚みが必要であり、その板厚が本来レンズの結像作用に必要な凸レンズのレンズ厚によって不要となるため、超薄型でかつ簡単な構成とすることができる。
【００４１】
また、上記構成を有する撮像レンズを用いることにより、超小型で安価な情報機器用の電子カメラを実現することができる。
【００４２】
（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３にかかる撮像レンズユニットについて説明する。図３は、本実施の形態３かかる、撮像レンズである非球面ズームレンズをユニット化した一例を示す図である。図において、３１は被写体側に位相格子３１０を有する凸レンズ、３２は撮像素子であるＣＣＤであり、上記凸レンズ３１とＣＣＤ３２とは、ホルダー３３で接合され、凸レンズ３１とＣＣＤ３２との間の空間が密閉されている構造となっている。そしてこの密閉された空間３４中には、結露などを防ぐためガスが封入されている。
【００４３】
以上のような構成とすることで、上記実施の形態１，２に比べて、ＣＣＤのフェースプレートも不要となり、さらに小型化を図ることができる
【００４４】
（実施の形態４）
次に本発明の実施の形態４にかかる電子カメラについて説明する。図４は、本実施の形態４に係る、撮像レンズを使用した電子カメラの一例を示している。本実施の形態４は、上記実施の形態１,２で述べた撮像レンズ、あるいは実施の形態３で述べた撮像レンズユニットを含む撮像ユニット４１と、撮像素子であるＣＣＤ４２と、該ＣＣＤ４２で得られた画像信号を処理するための信号処理回路４３とから構成されており、これにより、超小型の電子カメラを実現することができる。
さらに、撮像素子としてＣＭＯＳセンサーを用いれば、ＣＣＤ４２、信号処理回路４３は１チップで実現でき、さらに小型化が図れる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１にかかる撮像レンズによれば、この発明の請求項１にかかる撮像レンズは、被写体像を撮像素子に結像させる撮像レンズにおいて、上記撮像レンズを、赤外領域の光を遮断する材料を用いて形成された凸レンズで構成したので、同じ部材でレンズの結像作用と赤外遮蔽作用を同時に実現でき、レンズ全体を小型化、薄型化するとともに、部材の加工が簡略化され低価格化が実現され、安価な撮像レンズ、およびレンズユニットが提供でき、さらに本撮像レンズを用いた超小型の電子カメラを安価に提供することができるという効果が得られる。
【００４６】
また、本発明の請求項２にかかる撮像レンズによれば、上記請求項１にかかる撮像レンズにおいて、凸レンズより被写体側に絞りが配置され、凸レンズの焦点距離をｆ、凸レンズの物体側の曲率半径をｒ１としたとき、−０．６＜ｆ／ｒ１＜０の関係を満足することにより、凸レンズ１枚で色収差、像面湾曲を含む諸収差を良好に補正することができるという効果が得られる。
【００４７】
また、本発明の請求項３にかかる撮像レンズは、上記請求項１にかかる撮像レンズにおいて、凸レンズは物体側が非球面であり、光軸近傍の局所的曲率半径をＲ１０、外周部の局所的曲率半径をＲ１１としたとき、｜Ｒ１１｜／｜Ｒ１０｜＜０．４の関係を満足することにより、非点収差および像面湾曲を良好に補正することができるという効果が得られる。
【００４８】
また、本発明の請求項４に係る撮像レンズによれば、凸レンズは像面側が非球面であり、光軸近傍の局所的曲率半径をＲ２０、外周部の局所的曲率半径をＲ２１としたとき０．９＜｜Ｒ２１｜／｜Ｒ２０｜＜１．２の関係を満足することにより、球面収差およびコマ収差を良好に補正することができるという効果が得られる。
【００４９】
また、本発明の請求項５にかかる撮像レンズによれば、上記請求項１にかかる撮像レンズにおいて、凸レンズのいずれかの面に光学的ローパスフィルターの作用を持つ、位相格子を形成したので、赤外遮蔽の機能に加え、画像高周波成分の抑圧も１枚の凸レンズで実現できるため、レンズユニットはさらに小型化、低価格化できるという効果が得られる。
【００５０】
また、本発明の請求項６にかかる撮像レンズは、上記請求項５記載の撮像レンズにおいて、凸レンズの被写体側の面上に少なくとも１方向に周期的な構造で形成することで、凸レンズを用いて画像高周波成分の抑圧を行うことができるという効果が得られる。
【００５１】
また、本発明の請求項７にかかる撮像レンズは、上記請求項１ないし６のいずれかに記載の撮像レンズにおいて、上記撮像レンズを構成する凸レンズの被写体側もしくは像面側の両面に反射防止膜を形成するようにしたので、透過率を向上できるとともに、レンズ面の保護を行うことができるという効果が得られる。
【００５２】
また、本発明の請求項８にかかる撮像ユニットは、被写体像を撮像素子と撮像レンズとを有する撮像ユニットにおいて、上記撮像レンズを、赤外領域の光を遮断する材料を用いて形成された凸レンズからなる撮像レンズと、上記撮像レンズと接合し、上記撮像素子を封止するレンズ部材とを備えたものとしたので、撮像ユニット全体を小型化でき、かつ低価格化を図ることができるという効果が得られる。
【００５３】
また、本発明の請求項９にかかる小型電子カメラは、請求項１ないし７のいずれかに記載の撮像レンズを用いて構成したので、超小型で安価な情報機器用の電子カメラを提供することができるという効果が得られる。
【００５４】
また、本発明の請求項１０にかかる小型電子カメラは、請求項８記載の撮像ユニットを用いて構成したので、超小型で安価な情報機器用の電子カメラを提供することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る撮像レンズの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態２に係る撮像レンズの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態３に係る撮像レンズユニットの構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態４に係る電子カメラの撮像レンズユニットを中心とした構成を示す図である。
【図５】上記実施の形態１における撮像レンズの具体例１による撮像レンズの収差を示す図である。
【図６】上記実施の形態１における撮像レンズの具体例２による撮像レンズの収差を示す図である。
【図７】上記実施の形態１における撮像レンズの具体例３による撮像レンズの収差を示す図である。
【符号の説明】
１１ 絞り
１２,２２,３１,４１ 凸レンズ
１２ａ,２２ａ 被写体側のレンズ面
１２ｂ,２２ｂ 像面側のレンズ面
１３ 平板
１４,３２,４２ ＣＣＤ（撮像素子）
１５ 反射防止膜
２１０,３１０ 位相格子
３３ ホルダー
３４ 密閉された空間
４１ 撮像ユニット
４３ 信号処理回路

Claims (10)

1. 被写体像を撮像素子に結像させる撮像レンズにおいて、
   上記撮像レンズを、赤外領域の光を遮断する材料を用いて形成された凸レンズで構成したことを特徴とする撮像レンズ。
2. 請求項１記載の撮像レンズにおいて、
   上記撮像レンズを構成する凸レンズよりも被写体側に絞りを備え、
   上記凸レンズの焦点距離ｆと、凸レンズの被写体側の曲率半径ｒ１とが、
   −０．６＜ｆ／ｒ１＜０
   の条件を満足することを特徴とする撮像レンズ。
3. 請求項１記載の撮像レンズにおいて、
   上記撮像レンズを構成する凸レンズは、その被写体側のレンズ面が非球面であり、
   光軸近傍の局所的曲率半径Ｒ１０と、外周部の局所的曲率半径Ｒ１１とが、
   ｜Ｒ１１｜／｜Ｒ１０｜＜０．４
   の条件を満足することを特徴とする撮像レンズ。
4. 請求項１記載の撮像レンズにおいて、
   上記撮像レンズを構成する凸レンズは、その像面側のレンズ面が非球面であり、
   光軸近傍の局所的曲率半径Ｒ２０と、外周部の局所的曲率半径Ｒ２１とが、
   ０．９＜｜Ｒ２１｜／｜Ｒ２０｜＜１．２
   の条件を満足することを特徴とする撮像レンズ。
5. 請求項１記載の撮像レンズにおいて、
   上記撮像レンズを構成する凸レンズの、被写体側もしくは像面側のいずれかの面に光学的ローパスフィルターの作用を持つ位相格子が形成されていることを特徴とする撮像レンズ。
6. 請求項５記載の撮像レンズにおいて、
   上記位相格子は、上記凸レンズの被写体側の面上に少なくとも１方向に周期的な構造で形成されていることを特徴とする撮影レンズ。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の撮像レンズにおいて、
   上記撮像レンズを構成する凸レンズの被写体側もしくは像面側の両面に反射防止膜を形成したことを特徴とする撮像レンズ。
8. 被写体像を撮像素子と撮像レンズとを有する撮像ユニットにおいて、
   上記撮像レンズを、赤外領域の光を遮断する材料を用いて形成された凸レンズからなる撮像レンズと、
   上記撮像レンズと接合し、上記撮像素子を封止するレンズ部材とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
9. 請求項１ないし７のいずれかに記載の撮像レンズを用いて構成されたことを特徴とする小型電子カメラ。
10. 請求項８記載の撮像ユニットを用いて構成されたことを特徴とする小型電子カメラ。

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