JP2006163340A - プラスチックレンズを利用した高解像度光学系 - Google Patents

プラスチックレンズを利用した高解像度光学系 Download PDF

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Abstract

【課題】プラスチック材質のレンズのみを利用した高解像度光学系を提供する。
【解決手段】上記プラスチックレンズを利用した高解像度光学系は、物体側最近傍に開口絞りを配し、以降物体側から順番に、陽の屈折力を有するプラスチック材質の第１レンズ;陰の屈折力を有するプラスチック材質の第２レンズ;及び、陽の屈折力を有するプラスチック材質の第３レンズ;を含み、上記第２レンズの屈折率とアッベ数(abbe number)に対して１.５９＜n２＜１.６５、２０＜ν２＜３０の条件式を満足する(但し、n２：第２レンズの屈折率、ν２：第２レンズのアッベ数)。かかる高解像度光学系によると、プラスチックレンズのみを利用して小型軽量でありながら高解像度の光学系を具現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラスチックレンズを利用した高解像度光学系に関する。特に本発明は、プラス、マイナス、プラスの屈折力を有する３枚のプラスチックレンズを利用して小型軽量でありながら高解像度を得られる高解像度光学系に関する。
一般に、モバイルホンは初期には通信手段機能のみを備えていた。しかし、その使用が増大するにつれて、写真撮影及び画像伝送、通信など要求されるサービスが多様になっており、これに応じてその機能とサービスが進化し続けている。最近はデジタルカメラ技術とモバイルホン技術の融合によって拡張された新概念のモバイルホン、即ちいわゆるカメラホン(camera phoneまたはcamera mobile phone)が大きく脚光を浴びている。さらに、デジタルカムコーダー技術をモバイルホン技術と融合して数十分以上の動画像マルチメディアを格納及び伝送し得る、いわゆるカムコーダーモバイルホン(camcorder mobile phoneまたはcamcorder phone)の開発も図られている。
かかるモバイルホンばかりでなくPCが大衆化・普遍化されながら画像チャットや画像会議のためにPCカメラも急速に普及され大衆化してきている。また、一般のスチールカメラも急速にデジタルカメラで代替されつつある。
かかるカメラは、通常としてその特性上カメラ装置が小型且つ軽量であることが要される。そのために、従来のモバイルホン用カメラは、３０万画素級に２枚から成るプラスチック製非球面レンズを使用していたが、かかるレンズは周辺光量に合わなくて所望の解像度が得られないので、高解像度のモバイルホンには適用し得ないとの問題がある。
一方、デジタルカメラの場合は、モバイルホンに比して高画質が要されることにより高い画素数を有するCCD撮像素子が使用され、そのレンズもまた高画質を支援し得るようVTR撮影レンズと類似する構成を用いていた。
かかるレンズ系は、要求される解像力や画像の品位の面からより高い品質が要されることにより枚数の多いレンズ系が使用され、それに応じて機器価格を上昇させる要因となっていた。また、かかるレンズ系は、多い枚数のレンズを使用し、ガラス材質のレンズで製造されるので、レンズ系の嵩の張り及び重さの増加によって撮影機器の小型軽量化に差し支えとなっていた。
したがって、高解像度を実現し得ながらも小型軽量である光学系が要されている。
本発明は上記のような問題を解決するためのものであって、プラスチック材質の３枚のレンズのみ用いて高解像でありながらレンズの構成枚数が少なくコンパクトなプラスチックレンズを利用した高解像度光学系を提供することに目的がある。
さらに、本発明は軽量化を図れるばかりでなく、作製が容易で量産が可能であり、製造費用を節減するプラスチックレンズを利用した高解像度光学系を提供することに目的がある。
こうした目的を成し遂げるために、物体側最近傍に開口絞りを配し、以降物体側から順番に、陽の屈折力を有するプラスチック材質の第１レンズ; 陰の屈折力を有するプラスチック材質の第２レンズ;及び、陽の屈折力を有するプラスチック材質の第３レンズ;を含み、上記第２レンズの屈折率に対して次の条件式１を満足し、上記第２レンズのアッベ数(abbe number)に対して次の条件式２を満足するプラスチックレンズを利用した高解像度光学系が提供される。
（条件式１） １.５９＜ｎ２＜１.６５
（条件式２） ２０＜ν２＜３０
ここで、ｎ２：第２レンズの屈折率、ν２：第２レンズのアッベ数である。
好ましくは、上記高解像度光学系は上記第１レンズ及び上記第３レンズの屈折率及びアッベ数に対して次の条件式３ないし６をさらに満足する。
（条件式３） １.４５＜ｎ１＜１.５９
（条件式４） ５０＜ν１＜６０
（条件式５） １.４５＜ｎ３＜１.５９
（条件式６） ５０＜ν３＜６０
ここで、ｎ１：第１レンズの屈折率、ν１：第１レンズのアッベ数、ｎ３：第３レンズの屈折率、ν３：第３レンズのアッベ数である。
さらに好ましくは、上記高解像度光学系は上記第１レンズのパワーに対して次の条件式７をさらに満足し、上記レンズ系全体の光軸方向の寸法に対して次の条件式８をさらに満足する。
（条件式７） ０.５＜ｆ１／ｆ＜１.０
（条件式８） ＴＬ／ｆ＜２.０
ここで、ｆ１：第１レンズの焦点距離、ｆ：全光学系の焦点距離、ＴＬ：開口絞りから像面までの距離である。
より好ましくは、上記高解像度光学系は上記第１レンズ及び第２レンズのパワーに対して次の条件式９をさらに満足する。
（条件式９） ０.５＜｜ｆ２｜／ｆ１＜２.０
ここで、f２：第２レンズの焦点距離(ｆ２＜０)である。
また、上記第１レンズ、第２レンズ及び第３レンズの屈折面中少なくとも一つの屈折面は非球面に形成されることが好ましい。
以上のような本発明によると、プラスチック材質の３枚のレンズのみを利用して高解像度である同時にレンズの構成枚数が少なくコンパクトな高解像度光学系を具現できる効果を奏する。
また、プラスチック材質のレンズのみを使用することにより、軽量化を図れるばかりでなく、作製が容易で量産可能になり、製造費を節減できる光学系を具現できる有利な効果を奏する。
以下、本発明の実施例に対して添付の図を参照しながらより詳しく説明する。
図１は本発明によるプラスチックレンズを利用した高解像度光学系の第１実施例を示すレンズ構成図である。以下のレンズ構成図において、レンズの厚さ、大きさ、形状は説明の便宜上やや誇張されて図示され、とりわけレンズ構成図に提示された球面または非球面の形状は一例に過ぎず、その形状に限定されるわけではない。
図１に示すように、本発明の実施例によるプラスチックレンズを利用した高解像度光学系は物体側の最近傍に不要な光を除去するための開口絞り(S)を配し、以降物体側から順番に、陽の屈折力を有するプラスチック材質の第１レンズ(L１)、陰の屈折力を有するプラスチック材質の第２レンズ(L２)及び陽の屈折力を有するプラスチック材質の第３レンズ(L３)を含んで成り、上記第３レンズ(L３)と像面(IP)の間には紫外線フィルター、ガラスなどから成る光学的フィルター(OLPF)が具備される。
ここで、光学系の絞り(S)を曲率変化部である第１レンズ(L１)の前に配することにより、第１レンズ(L１)内の曲率変化が全フィールド(field)に及ぶデフォーカス(defocus)量を最少限にすることができる。
一方、光学系においては像面に入射する主光線が光軸と平行になる特性、即ちテレセントリック(telecentric)特性が要されるが、本発明はかかるテレセントリック特性を満足させるために上記絞り(S)が像面と最大限遠ざかるよう配することが好ましい。
即ち、上記絞り(S)を物体側最近傍に配することにより主光線が像面(IP)に入射する入射角をできる限り減らしてテレセントリック条件に符合するようにした。
上記第１レンズ(L１)はプラスチック材質として陽の屈折力を有し、上記第２レンズ(L２)は上記第１レンズ(L１)の屈折力と類似する大きさの陰の屈折力を有するようにして上記第１レンズ(L１)と上記第２レンズ(L２)の相互作用により収差を補正する。
また、上記第３レンズ(L３)は弱いプラスのパワーを有するようにさせることで上記第１レンズ(L１)のパワーを低下し軸外収差を補正できるようにし、テレセントリック条件に符合するよう上記第３レンズ(L３)は２個の変曲点を有するかもめ形状で成ることが好ましい。
また、屈折率が低くアッベ数の大きい第１レンズ(L１)と屈折率が高くアッベ数が小さい第２レンズ(L２)を用い、上記第１レンズ(L１)と上記第２レンズ(L２)の屈折力の大きさが類似するよう構成することにより光学系の色収差を補正することになる。
一方、光学系の屈折面が球面から成ることにより発生する収差を減らすために上記第１レンズ(L１)、第２レンズ(L２)及び第３レンズ(L３)の屈折面中少なくとも一つの屈折面は非球面であることが好ましい。
かかる全体的な構成下で次の条件式１ないし９の作用効果について説明する。
（条件式１） １.５９＜n２＜１.６５
（条件式２） ２０＜ν２＜３０
（条件式３） １.４５＜n１＜１.５９
（条件式４） ５０＜ν１＜６０
（条件式５） １.４５＜n３＜１.５９
（条件式６） ５０＜ν３＜６０
ここで、n１：第１レンズの屈折率、ν１：第１レンズのアッベ数、n２：第２レンズの屈折率、ν２：第２レンズのアッベ数、n３：第３レンズの屈折率、ν３：第３レンズのアッベ数である。
条件式１、条件式３及び条件式５は各々第２レンズ(L２)、第１レンズ(L１)及び第３レンズ(L３)の屈折率に対する条件を示し、上記第２レンズ(L２)の屈折率は上記第１レンズ(L１)及び第３レンズ(L３)の屈折率より高い値を示す。
さらに、条件式２、条件式４及び条件式６は各々第２レンズ(L２)、第１レンズ(L１)及び第３レンズ(L３)のアッベ数(Abbe number)に関する条件を示し、上記第２レンズ(L２)のアッベ数は上記第１レンズ(L１)及び第３レンズ(L３)のアッベ数より小さい値を有する。
一般に、単一レンズの場合にアッベ数が小さくなると分散値が大きくなるので屈折率の変化が大きくなり色収差の補正が困難であるのに対して、アッベ数が大きくなると分散値が小さいので屈折率の変化が小さくなり色収差が小さくなるといった利点がある。
したがって、条件式１及び条件式２を満足する第２レンズ(L２)のみを利用する場合には色収差の補正が困難なので、本発明においては上記第２レンズ(L２)より屈折率が低くアッベ数が相対的に大きい第１レンズ(L１)との組合を通して色収差を補正する。
即ち、従来の光学系の場合には光ビームの色収差を補正するために、一般にアッベ数が大きく屈折率が低いクラウン(crown)系列のレンズとアッベ数が小さく屈折率が高いフリント(flint)系列のレンズの相互作用を利用するが、本発明による高解像度光学系は屈折率が低くアッベ数が大きい第１レンズ(L１)と屈折率が高くアッベ数が小さい第２レンズ(L２)を利用して色収差を補正する。
かかる第１レンズ(L１)は上記第２レンズ(L２)より屈折率が低くアッベ数が相対的に大きければよいが、後述するように屈折率とアッベ数に対して各々条件式３と４を満足する一般のプラスチック光学材料で形成されることが好ましい。
この際、上記第１レンズ(L１)と上記第２レンズ(L２)の屈折力の大きさに差違が多いと屈折力の差により色収差の補正が困難になるので、後述する条件式９のように上記第１レンズ(L１)と上記第２レンズ(L２)の屈折力の多きさは類似することが好ましい。
従来にはdライン(可視光線の中心波長、５８７.６ｎｍ)波長の屈折率が約１.５３１、アッベ数(Abbe number)が約５５.８７のゼオネックス(ZEONEX)系列のE４８Rをプラスチックレンズに主に使っていたが、かかる屈折率とアッベ数を有するプラスチックレンズのみでは収差の補正が困難なのでプラスチック材質のレンズとガラス(glass)材質のレンズと組合して使用しなければならなかったが、条件式１及び条件式２を満足するプラスチック材質のレンズを従来のプラスチックレンズと組合して使用することにより小型軽量の高解像度光学系を具現できる利点がある。
かかる条件式１及び条件式２を満足するよう上記第２レンズ(L２)に使用されるプラスチック材質の光学材料の一例であって、dライン波長の屈折率が１.６１３、アッベ数が２６.６５である大阪ガスケミカル株式会社のOKP４などを使用することができる。
一方、第３レンズ(L３)は上記第１レンズ(L１)と上記第２レンズ(L２)を透過した光の収差を減らすために上記第２レンズ(L２)より屈折率が低くアッベ数が大きいプラスチック材質から成ることが好ましい。
かかる本発明によると、屈折率とアッベ数の差があるプラスチックレンズを利用して色収差を除去することにより、従来の光学系に比して小型化／薄型化を具現でき、軽く量産が容易で製造費用の少ない光学系を提供するといった利点がある。
（条件式７） ０.５＜f１／f＜１.０
（条件式８） TL／f＜２.０
ここで、f１：第１レンズの焦点距離
f：全体光学系の焦点距離
TL：開口絞りから像面までの距離
条件式７は第１レンズ(L１)のパワーを規定するものである。上記条件式７の上限を超過してf１が高くなると、単一レンズから成る第２レンズ(L２)及び第３レンズ(L３)のパワーが大きくなければならないので色収差が大きくなってしまうといった問題がある。逆に、下限を外れf１が小さくなると、第１レンズ(L１)のパワーが過大になり球面収差及びコマ収差が大きくなり、また第１レンズ(L１)を構成しているレンズ球面の曲率半径が小さくなり加工し難くなる。
条件式８はレンズの全長を規定するものであって、小型化の条件である。上記条件式８の上限を超えると高画質における諸収差の補正の面からは有利であるが、本発明の特徴である超小型という視点に反する。
（条件式９） ０.５＜｜f２｜／f１＜２.０
ここで、f２：第２レンズの焦点距離(f２＜０)である。
上記第１レンズ(L１)は陽の屈折力を有し、上記第２レンズ(L２)は陰の屈折力を有するので、条件式９の上限と下限を外れ上記第１レンズ(L１)と上記第２レンズ(L２)の屈折力の絶対値の差が大きすぎると上記第１レンズ(L１)と上記第２レンズ(L２)を通した収差の相殺が困難になり第３レンズ(L３)で収差を補正できなくなる。
例えば、上記第１レンズ(L１)はアッベ数が大きいので分散値が小さく色収差の発生が少なく、上記第２レンズ(L２)はアッベ数が小さいので分散値が大きく色収差の発生が多いので、いずれか一つのレンズのパワーが相対的に大きすぎると上記第１レンズ(L１)及び上記第２レンズ(L２)の組合による相殺効果が著しく減少し色収差の発現が大きくなってしまう。
以下、具体的な数値の実施例を通して本発明について説明する。
以下の実施例１ないし３は全て先述したように、物体側最近傍に開口絞り(S)が配され、以降物体側から順番に、陽の屈折力を有するプラスチック材質の第１レンズ(L１)、陰の屈折力を有するプラスチック材質の第２レンズ(L２)及び陽の屈折力を有するプラスチック材質の第３レンズ(L３)から成り、上記第３レンズ(L３)と像面(IP)の間には赤外線フィルター、カバーガラスなどから成る光学的フィルター(OLPF)が設けられる。
以下の各実施例及び比較例において使用される非球面は公知の数１から得られ、円錐(Conic)定数(K)及び非球面係数(A、B、C、D、E、F)に使用される「E及びこれに連なる数字」は１０の累乗を示す。例えば、E+２１は１０２１を、E-０２は１０-２を示す。
Figure 2006163340
 Z：レンズの頂点から光軸方向への距離
Y：光軸に垂直な方向への距離
r：レンズの頂点における曲率半径
K：円錐(Conic)定数
A、B、C、D、E、F：非球面係数
下記表１は本発明の第１実施例による数値例を示している。
また、図１は本発明の第１実施例によるプラスチックレンズを利用した高解像度光学系のレンズの配置を示すレンズ構成図で、図２（ａ）ないし（ｃ）は表１及び図１に示した光学系の諸収差度を示し、図３は第１実施例のMTF特性を示すグラフである。
以下のレンズ構成図においてレンズの厚さ、大きさ、形状は説明の便宜を図ってやや誇張され図示されるが、とりわけ図に提示された球面及び非球面の形状は一例に過ぎず、その形状に限定されるわけではない。
また、以下の非点収差図において「S」はサジタル(sagital)、「T」はタンジェンシャル(tangential)を示す。ここで、MTF(Modulation Transfer Function)はミリメートル当たりサイクルの空間周波数に依存し、光の最大強度(Max)と最小強度(Min)の間で次の数２により定義される値である。
Figure 2006163340
即ち、MTFが１の場合が最も理想的でMTF値が減少するほど解像度が落ちる。
第１実施例はFナンバー(FNo)が２.４６で、画角は６８度、開口絞りから像面までの距離(以下、TLという)は４.９mm、焦点距離(f)は３.２mm、第１レンズの焦点距離(f１)は２.０mm、第２レンズの焦点距離(f２)は-１.９８mm、第３レンズの焦点距離(f３)は３.３mmに対する場合であり、２００万画素級１／４.５インチセンサに適したレンズシステムである。
さらに、以下の実施例において第１レンズ(L１)及び第３レンズ(L３)はゼオネックス(ZEONEX)系列のE４８Rを使用し、第２レンズ(L２)は大阪ガスケミカル株式会社のOKP４を使った。
下記表１、表３及び表５に記載されたように、E４８Rの場合dライン(可視光線の中心波長、５８７.６ｎｍ)波長の屈折率は１.５３１、アッベ数(Abbe number)は５５.８７で、OKP４の場合dライン波長の屈折率は１.６１３、アッベ数(Abbe number)は２６.６５である。
Figure 2006163340
表１において*は非球面を示し、実施例１の場合第２面(第１レンズの物体側面)、第３面(第１レンズの上側面)、第４面(第２レンズの物体側面)、第５面(第２レンズの上側面)、第６面(第３レンズの物体側面)及び第７面(第３レンズの上側面)が非球面である。数１による実施例１の非球面係数の値は次の表２a及び表２bのとおりである。
Figure 2006163340
Figure 2006163340
下記表３は本発明の第２実施例による数値例を示す。
また、図４は本発明の第２実施例によるプラスチックレンズを利用した高解像度光学系のレンズ配置を示すレンズ構成図で、図５（a）ないし（c）は表３及び図４に示した光学系の諸収差度を示し、図６は第２実施例のMTF特性を示すグラフである。
第２実施例はFナンバー(FNo)が２.８で、画角は６２度、TLは５.１５mm、焦点距離(f)は３.８mm、第１レンズの焦点距離(f１)は２.３mm、第２レンズの焦点距離(f２)は-２.３mm、第３レンズの焦点距離(３)は４.８mmに対する場合であって、２００万画素級１／４インチセンサに適したレンズシステムである。
Figure 2006163340
表３において*は非球面を示し、実施例２の場合は第２面(第１レンズの物体側面)、第３面(第１レンズの上側面)、第４面(第２レンズの物体側面)、第５面(第２レンズの上側面)、第６面(第３レンズの物体側面)及び第７面(第３レンズの上側面)が非球面である。数１による実施例２の非球面係数の値は次の表４a及び表４bのとおりである。
Figure 2006163340
Figure 2006163340
下記表５は本発明の第３実施例による数値例を示す。
また、図７は本発明の第３実施例によるプラスチックレンズを利用した高解像度光学系のレンズ配置を示すレンズ構成図で、図８（a）ないし（c）は表５及び図７に示した光学系の諸収差度を示し、図９は第３実施例のMTF特性を示すグラフである。
第３実施例はFナンバー(FNo)が２.８で、画角が６０度、TLが６.１mm、焦点距離(f)が４.７mm、第１レンズの焦点距離(f１)が３.３mm、第２レンズの焦点距離(f２)が-４.５mm、第３レンズの焦点距離(f３)が８.８mmの場合であって、２００万画素級１／３インチセンサに適したレンズシステムである。
Figure 2006163340
表５において*は非球面を示し、実施例３の場合は第２面(第１レンズの物体側面)、第３面(第１レンズの上側面)、第４面(第２レンズの物体側面)、第５面(第２レンズの上側面)、第６面(第３レンズの物体側面)及び第７面(第３レンズの上側面)が非球面である。
数１による実施例３の非球面係数の値は次の表６a及び表６bのとおりである。
Figure 2006163340
Figure 2006163340
以上の実施例を通して、図２、図５及び図８に示したように諸収差の特性が優れた光学系を得ることができ、図３、図６及び図９に示すようなMTF特性が優れた高解像度の光学系を具現できる利点を奏することを確認できる。
本発明は特定の実施例について図示、説明したが、当業界において通常の知識を有する者であれば添付の特許請求範囲に記載された本発明の思想及び領域を外れない範囲内において本発明を多様に修正及び変更させられることを明かしておく。
本発明による高解像度光学系の第１実施例のレンズ構成図を示す。 図１に示した第１実施例の諸収差度を示したもので、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差を各々示す。 図１に示した第１実施例のMTF特性を示すグラフである。 本発明による高解像度光学系の第２実施例のレンズ構成図を示す. 図４に示した第２実施例の諸収差度を示したもので、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差を各々示す。 図４に示した第２実施例のMTF特性を示すグラフである。 本発明による高解像度光学系の第３実施例のレンズ構成図を示す。 図７に示した第３実施例の諸収差度を示したもので、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差を各々示す。 図７に示した第３実施例のMTF特性を示すグラフである。
符号の説明
L１ 第１レンズ
L２ 第２レンズ
L３ 第３レンズ
OLPF 光学的フィルター
IP 像面
S 開口絞り
１ 開口絞り面
２、３、４、５、６、７、８、９ 屈折面
１０ 像面

Claims (5)

  1. 物体側最近傍に開口絞りを配し、以降物体側から順番に、
    陽の屈折力を有するプラスチック材質の第１レンズと、
    陰の屈折力を有するプラスチック材質の第２レンズと、
    陽の屈折力を有するプラスチック材質の第３レンズと
    を備え、
    上記第２レンズの屈折率に対して次の条件式１を満足し、上記第２レンズのアッベ数(abbe number)に対して次の条件式２を満足するプラスチックレンズを利用した高解像度光学系。
    （条件式１） １.５９＜ｎ２＜１.６５
    （条件式２） ２０＜ν２＜３０
    ここで、ｎ２：第２レンズの屈折率、ν２：第２レンズのアッベ数である。
  2. 上記第１レンズ及び上記第３レンズの屈折率及びアッベ数に対して次の条件式３ないし６をさらに満足することを特徴とする請求項１に記載のプラスチックレンズを利用した高解像度光学系。
    （条件式３） １.４５＜ｎ１＜１.５９
    （条件式４） ５０＜ν１＜６０
    （条件式５） １.４５＜ｎ３＜１.５９
    （条件式６） ５０＜ν３＜６０
    ここで、ｎ１：第１レンズの屈折率、ν１：第１レンズのアッベ数、ｎ３：第３レンズの屈折率、ν３：第３レンズのアッベ数である。
  3. 上記第１レンズのパワーに対して次の条件式７をさらに満足し、上記レンズ系全体の光軸方向の寸法に対して次の条件式８をさらに満足することを特徴とする請求項２に記載のプラスチックレンズを利用した高解像度光学系。
    （条件式７） ０.５＜ｆ１／ｆ＜１.０
    （条件式８） ＴＬ／ｆ＜２.０
    ここで、ｆ１：第１レンズの焦点距離、ｆ：全光学系の焦点距離、ＴＬ：開口絞りから像面までの距離である。
  4. 上記第１レンズ及び第２レンズのパワーに対して次の条件式９をさらに満足することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のプラスチックレンズを利用した高解像度光学系。
    （条件式９） ０.５＜｜ｆ２｜／ｆ１＜２.０
    ここで、ｆ２：第２レンズの焦点距離(ｆ２＜０)である。
  5. 上記第１レンズ、第２レンズ及び第３レンズの屈折面中少なくとも一つの屈折面は非球面から成ることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のプラスチックレンズを利用した高解像度光学系。
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