JP2006084886A

JP2006084886A - レンズ装置

Info

Publication number: JP2006084886A
Application number: JP2004270675A
Authority: JP
Inventors: Etsuro Kawakami; 悦郎川上
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2024-09-17
Also published as: US20060061880A1; JP4591757B2; US7286297B2

Abstract

【課題】僅かに黄色味を帯び、像の鮮明度が光学ガラスのレンズに比べて僅かに低下するセラミックスレンズの着色及びフレアの発生が目立たないレンズ装置とする。
【解決手段】光軸を一致させて配置された複数枚のレンズを組み合せたレンズ装置において、透光性セラミックスを硝材として製造されたセラミックスレンズを少なくとも１枚以上使用し、画像の各像点の主光線が重なる位置の近傍にセラミックスレンズを配置したレンズ装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、主にデジタルカメラのような小型撮像装置などに用いられる小型高性能の光学系レンズ群に関するものである。

近年、デジタルスチルカメラやビデオプロジェクタなどの光学機器では、小型高性能のズームレンズが使用されている。
この光学機器のズームレンズなどの組合せレンズでは、コンパクトで高解像度が要求されている。
このため、本件出願人は、ズームレンズを構成するレンズ枚数の少ない安価な組合せレンズであって、小型で高機能を有するデジタルスチルカメラ用ズームレンズとしての組合せ条件を特定する発明の出願（例えば特許文献１）を既に行っている。

また、今日、透光性セラミックスが開発され、この透光性セラミックスは光学ガラスよりも高い屈折率を有し、硬度や曲げ強度の値も光学ガラスよりも高い数値であるため、光学系の小型化及び薄型化に適したレンズが製作されるようになってきた。
特開２００３−０５７５４２

前述のように、透光性セラミックスは、屈折率が高く、硬度や曲げ強度も大きいため、レンズとして使用すれば光学機器の光学系を小型化するには最適である。
しかし、この透光性セラミックスは、可視領域の波長における透過特性に差異があるため、僅かに黄色味を帯びて見えることになり、また、結晶粒界面にボイドと呼ばれる泡の存在あるため、セラミックスレンズは像の鮮明度が光学ガラスのレンズに比べて僅かに低下する問題があった。

本発明は、このようなセラミックスレンズの欠点を抑制し得る光学機器用のレンズ装置を提供するものである。

本発明は、光軸を一致させて配置された複数枚のレンズの組み合せであって、透光性セラミックスを硝材として製造されたセラミックスレンズを少なくとも１枚以上使用し、像面の各点の主光線が重なる位置の近傍にセラミックスレンズを配置したレンズ装置とするものである。
このように、主光線が重なる位置の近くにセラミックスレンズを配置するため、像面の各点を形成する光線束がセラミックスレンズの同一箇所を通過する割合を多くできる。

また、セラミックスレンズにおける光の入射側と射出側との２つの屈折面において、像面における光軸上位置の中心像点Ａに対する上マージナル光線の入射側光線高と像面の上方周辺である周辺像点Ｂに対する上マージナル光線の入射側光線高との比が１．５以下であり、光軸上の中心像点Ａに対する上マージナル光線の射出側光線高と像面の上方周辺である周辺像点Ｂに対する上マージナル光線の射出側光線高との比も１．５以下となる位置にセラミックスレンズを配置することが好ましく、特に、入射側での光線高の比は１．１以下、射出側の光線高の比は１．２以下とすることがより好ましい。

このように、光軸上の中心像点Ａと像面の上方周辺像点Ｂに対する上マージナル光線のセラミックスレンズにおける入射側及び射出側の光線高の比を各々１．５以下、好ましくは入射側で１．１以下、射出側で１．２以下とすることにより、光軸上に結像する光線束と像面の周辺に結像する光線束における光線のセラミックスレンズ内の光路長の差を小さくすることができる。

さらに、像面の上方周辺である周辺像点Ｂに対する下マージナル光線がセラミックスレンズの入射側においても射出側においても光軸よりも下であることが好ましく、特に、光軸上の中心像点Ａに対する下マージナル光線の光線高に対して上方周辺の周辺像点Ｂに対する下マージナル光線の光線高が入射側において３割程度以上とし且つ射出側においては２割８分程度以上とすることがより好ましい。

このように、像面の上方の周辺像点Ｂに対する下マージナル光線がセラミックスレンズの入射側においても射出側においても光軸よりも下とすることにより像面における各像点を形成する光線束がセラミックスレンズの同一箇所を通過する割合を多くでき、特に、入射側や射出側で略３割程度以上とすれば、より同一箇所を通過する割合を多くでき、好ましいものである。

そして、このレンズ装置がズーム機能を有する焦点距離可変の光学系である場合、広角端の状態で上マージナル光線の光線高比と下マージナル光線の光線高比を満足させるものである。
このように、レンズ装置のレンズ間距離が可変とされるズームレンズにおいては、特定のレンズにおける屈折面での各像点に対するマージナル光線の光線高が変倍によって変化するも、広角端で中心像点Ａの光線高と周辺像点Ｂの光線高とを一定比の近い値とすれば、全ての倍率変化においてその条件を略満足させることができる。

本発明に係るレンズ装置は、各像点の主光線が重なる位置の近傍にセラミックスレンズを配置するため、像面に結像する各像点の光線束がセラミックスレンズを通過する位置を共通とし、通過光線へのセラミックスによる着色やフレアの発生などの影響差を少なくできる。
従って、画像全体に同じようなフレアが掛かりフレアを目立たなくすることができ、着色も全体に同じように生じさせて目立たなくすることができる。

また、上マージナル光線や下マージナル光線の光線高を一定の比率に制限することで、ＣＣＤカメラのような受光機器のレンズ装置として使用したとき、電気的画像処理におけるホワイトバランス調整などの後処理による補正を行いやすくできる。
そして、倍率可変のレンズ装置において、広角端位置のレンズ配置で象面のむらを少なくすれば、レンズ間距離を変更した場合でも像面のむらを目立たないようにすることができる。

本発明に係るレンズ装置は、各レンズの光軸を一致させて２枚の第１レンズ群と４枚の第２レンズ群で構成されるズームレンズであって、開口絞りＳの直近後方に配置される第２レンズ群における最も肉薄とされた３枚目の第５レンズをセラミックスレンズとしたものである。

即ち、６枚のレンズを使用するＣＣＤカメラ用ズームレンズとしてのレンズ装置であって、図１に示すように、結像面Ｋである二次元ＣＣＤの前方にカバーガラスＧやローパスフィルターなどのフィルターＦが配置され、その前方に第１レンズ群としての第１レンズＬ1及び第２レンズＬ2を、更に絞りＳの後方に第２レンズ群としての第３レンズＬ3乃至第６レンズＬ6を有する光学系であり、第２レンズ群における３枚目の第５レンズＬ5を透光性セラミックスを硝材として製造されたセラミックスレンズとしているものである。

そして、このレンズ装置では、第１レンズＬ1を前方が凸面の凹メニスカスレンズ、第２レンズＬ2を前方が凸面の凸メニスカスレンズとして第１レンズ群全体で負の屈折力を持つ凹レンズとしている。また、第３レンズＬ3は前方を曲率半径の小さな面とした凸レンズ、第４レンズＬ4は前方を凸面とした凸メニスカスレンズ、第５レンズＬ5は第４レンズＬ4と接合状態で使用する凹メニスカスレンズとし、第６レンズＬ6は前方を曲率半径の大きい面とした凸レンズとして第２レンズ群全体で正の屈折力を持つ凸レンズとしているものである。

さらに、このズームレンズでは、光軸方向の寸法に関し、第１レンズ群と第２レンズ群の全長の合計をＴＬとし、広角端におけるレンズ全系の合成焦点距離をｆｗ、第２レンズ群の合成焦点距離をｆ11としたとき、
ＴＬ／ｆｗ＜ 1．9 （１）
とすると共に、
０．６＜ｆｗ／ｆ11 ＜０．７７（２）
とし、（１）を満足することで小型のズームレンズを実現すると共に、（２）を満足することで解像度が高く、収差を小さくする条件の達成を可能としている。

そして、開口絞りＳ直近後方の第２レンズ群において、レンズの肉厚が最も薄くすることのできる第５レンズＬ5をセラミックスレンズとしてセラミックスによる着色の影響を極力小さくしている。
また、レンズ装置は、光軸上の中心像点Ａに対する主光線とＣＣＤ結像面の周辺像点Ｂに対する主光線及び中間像点Ｃに対する主光線などが重なる絞りＳ近傍のレンズ群である第２レンズ群の内の１枚をセラミックスレンズとすることにより、各像点に対する光線束のセラミックスレンズにおける通過位置を重ねるようにしてセラミックスレンズによる着色やフレアの発生度合いが像面全体において差異が小さくなるようにしている。

更に、第１レンズＬ1や第２レンズＬ2など、他のレンズの各曲面形状や他のレンズの屈折率及びアッベ数を選定し、図２に示すように、光軸上の像面である中心像点Ａに対する上マージナル光線の第５レンズＬ5への入射側光線高をＡＭ1とし、像面の上方周辺の周辺像点Ｂに対する上マージナル光線であって最大となるものの第５レンズＬ5への入射側光線高をＢＭ1としたとき、
ＢＭ1／ＡＭ1 ＜１．５（３）
とし、好ましくは、
ＢＭ1／ＡＭ1 ＜１．１（４）
とすると共に、光軸上の像面である中心像点Ａに対する上マージナル光線の第５レンズＬ5への射出側光線高をＡＭ2とし、像面の上方周辺の周辺像点Ｂに対する上マージナル光線であって最大となるものの第５レンズＬ5への射出側光線高をＢＭ2としたとき、
ＢＭ2／ＡＭ2 ＜１．５（５）
とし、好ましくは、
ＢＭ2／ＡＭ2 ＜１．２（６）
とするものである。

このように、像面上方の周辺像点Ｂに対する上マージナル光線と中心像点Ａに対する上マージナル光線との光軸からの距離を入射側及び射出側共に近接させることにより、像面の各点に結像する光線の第５レンズＬ5内の光路差を少なくし、像面の画像場所による着色やフレアの発生を均一に近くしている。

また、この場合、図３に示すように、光軸上の像面である中心像点Ａに対する下マージナル光線の第５レンズＬ5への入射側光線高をＡＬ1とし、像面の上方周辺の周辺像点Ｂに対する下マージナル光線であって最小となるものの第５レンズＬ5への入射側光線高をＢＬ1としたとき、
０＜ＢＭ1／ＡＭ1 （７）
好ましくは
０．３０＜ＢＭ1／ＡＭ1 （８）

とすると共に、光軸上の像面である中心像点Ａに対する下マージナル光線の第５レンズＬ5への射出側光線高をＡＬ2とし、像面の上方周辺の周辺像点Ｂに対する下マージナル光線であって最小となるものの第５レンズＬ5への射出側光線高をＢＬ2としたとき、
０＜ＢＭ2／ＡＭ2 （９）
好ましくは
０．２８＜ＢＭ2／ＡＭ2 （１０）
とするものである。

このように、画像上方の周辺像点Ｂの下マージナル光線が中央像点の下マージナル光線と光軸に対して同方向となるようにし、各像点の光線束が中央像点の光線束と共通の位置を通過するようにして各点に結像する光線の第５レンズＬ5内の光路差を少なくし、像面の画像場所による着色やフレアの発生を均一に近くしている。

なお、マージナル光線の光線高の条件は、このズームレンズの広角端位置での条件としている。
この様に第５レンズＬ5をセラミックスレンズとすることにより、透光性セラミックスによる着色及びフレアの影響が少ないレンズ装置とすることができた。

ｆｗ：広角端におけるレンズ全系の合焦点距離
ｆ1：第１レンズの焦点距離
ν1：第１レンズのアッベ数
ν2：第２レンズのアッベ数
ｎ2：第２レンズのｄ線における屈折率
Ｒ2：第１レンズの後方面の曲率半径
とすると、

−１．１＜ｆｗ／ｆ1 ＜ −０．８
１０＜ ν1−ν2
１．６６＜ｎ2
１．１６＜ｆｗ／Ｒ2 ＜１．５１
として、負の屈折力を有する第１レンズ群へのパワーを適切に配分し、光学系全体が大型化することを防止するとともに諸収差のバランスを取り易くするものとし、

また、
ν3：第３レンズのアッベ数
ν4：第４レンズのアッベ数
ν5：第５レンズのアッベ数
ｎ3：第３レンズのｄ線における屈折率
ｎ4：第４レンズのｄ線における屈折率
ｆ3：第３レンズの焦点距離
Ｒ5：第３レンズの前方面の曲率半径
Ｒ9：第５レンズの後方面の曲率半径
とすると、

２９．７＜（ν3＋ν4）／２ −ν5
１．４５＜（ｎ3＋ｎ4）／２＜１．７８
０．５＜ｆｗ／ｆ3 ＜０．８５
０．８＜ｆｗ／Ｒ5 ＜１．４５
０．７５＜Ｒ5／Ｒ9 ＜１．４５
とすることにより、諸収差の少ない光学系とするものとした。

そして、このズームレンズの具体的数値例を表１に示す。
表中のｆはレンズ全系の焦点距離、Ｆ_NoはＦナンバー、２ωはレンズの全画角、ｂ_ｆはバックフォーカスを表す。バックフォーカスｂ_ｆは第２レンズ群を構成する第６レンズ後面から像面までの距離の空気換算距離である。また、Ｒは曲率半径、Ｄはレンズ厚またはレンズ間隔、ｎ_ｄはｄ線の屈折率、ν_ｄはｄ線のアッベ数を示す。

このズームレンズとしたレンズ装置の第５レンズＬ5における上マージナル光線の光線高の比が、
ＢＭ1／ＡＭ1 ＜１．０８
ＢＭ2／ＡＭ2 ＜１．１２
ＢＬ1／ＡＬ1 ＜０．３３１
ＢＬ2／ＡＬ2 ＜０．２９１
となり、セラミックスレンズを用いたことによる鮮明度の低下が殆んど生じることなく、また、着色も殆んど生じなかった。

本発明によれば、セラミックスレンズを用いて小型で耐久性のあるレンズ装置としつつ、画質の低下を防止できる。

本発明に係るレンズ装置による結像状態を示す模式図。本発明に係るレンズ装置の要部拡大図。本発明に係るレンズ装置の要部拡大図。

Claims

光軸を一致させて複数枚のレンズが組み合わされ、透光性セラミックスを硝材とするセラミックスレンズを少なくとも１枚以上を含み、像面における各像点の主光線が重なる位置の近傍にセラミックスレンズが配置されていることを特徴とするレンズ装置。
主光線が重なる位置の近くに設けられた１枚のセラミックスレンズが有する２つの屈折面において、光軸上の像点に対する上マージナル光線と屈折面との交点の光線高をＡＭ1、ＡＭ2とし、周辺像点に対する上マージナル光線と屈折面との交点で最大のものの光線高をＢＭ1、ＢＭ2としたとき、
ＢＭ1／ＡＭ1 ＜１．５
であり、且つ、
ＢＭ2／ＡＭ2 ＜１．５
ただし、
ＡＭ1 ：屈折面１における光軸上の像点に対する上マージナル光線の光線高（符号正）
ＡＭ2 ：屈折面２における光軸上の像点に対する上マージナル光線の光線高（符号正）
ＢＭ1 ：屈折面１における周辺の像点に対する上マージナル光線との交点で最大の光線高（符号は、光軸を０として光軸よりも上が正、下が負）
ＢＭ2 ：屈折面１における周辺の像点に対する上マージナル光線との交点で最大の光線高（符号は、光軸を０として光軸よりも上が正、下が負）
であることを特徴とする請求項１に記載のレンズ装置。
主光線が重なる位置の近くに設けられた１枚のセラミックスレンズが有する２つの屈折面において、光軸上の像点に対する下マージナル光線と屈折面との交点の光線高をＡＬ1、ＡＬ2とし、周辺像点に対する下マージナル光線と屈折面との交点で最小のものの光線高をＢＬ1、ＢＬ2としたとき、
０＜ＢＬ1／ＡＬ1
であり、且つ、
０＜ＢＬ2／ＡＬ2
ただし、
ＡＬ1 ：屈折面１における光軸上の像点に対する下マージナル光線の光線高（符号負）
ＡＬ2 ：屈折面２における光軸上の像点に対する下マージナル光線の光線高（符号負）
ＢＬ1 ：屈折面１における周辺の像点に対する下マージナル光線との交点で最小の光線高（符号は、光軸を０として光軸よりも上が正、下が負）
ＢＬ2 ：屈折面１における周辺の像点に対する下マージナル光線との交点で最小の光線高（符号は、光軸を０として光軸よりも上が正、下が負）
であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレンズ装置。
レンズ装置がズームレンズであり、セラミックスレンズにおける光線の通過状態が、広角端の状態で各光線高の比率条件を満足していることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載したレンズ装置。