JP2006292991A

JP2006292991A - 撮像レンズおよびそれを用いた撮像装置

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Publication number: JP2006292991A
Application number: JP2005113211A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Nishioka; 毅洋西岡; Keiichi Zaitsu; 敬一材津
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】Ｆ値２．８程度の明るさを持ちながら、レンズ系全体を小型化し、携帯性に優れ、かつ高画素数に対応した良好な結像性能を有する撮像レンズとを搭載した光学機器を得る。
【解決手段】物体側より順に、正の屈折力を有し、両面非球面を有する、物体側に凸面を向けた第１レンズ、開口絞り、負の屈折力を有し、両面非球面を有する、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズ、負の屈折力を有し、両面非球面を有する、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第３レンズを配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、ＣＣＤなどの固体撮像素子を用いた小型の撮像ユニットに適した撮像レンズおよびこれを搭載したデジタルスチルカメラ、携帯情報端末用小型カメラなどの光学機器に関する。

近年、デジタルスチルカメラ（以下ＤＳＣという）などの急速な普及に伴い、デジタル画像を記録する画像入力機器は、５００万画素以上の高画素数に対応した高性能な撮像レンズが商品化されている。また一方で、携帯電話やＰＤＡ端末にも小型カメラが搭載されたものが多く商品化されて市場に受け入れられている。これらの中で、特に、携帯端末などに搭載される小型カメラなどで、ＤＳＣに匹敵する高画素数（２００〜４００万画素）に対応したコンパクトな撮像ユニットおよび撮像レンズが特に注目されてきている。従来の小型化された撮像ユニットおよび撮像レンズは、大きく２種類のグループに分けることができる。一つは、例えば特許文献１に開示されているように、小型化と低コストを重視した主に携帯電話やＰＣ（パーソナルコンピュータ）カメラ、あるいはＰＤＡなどに用いられている撮像レンズである。これらは、大きさ、コスト面では魅力が高く、近年多く商品化されているが、高画素数に対応しているものがなく、１０万〜３５万画素程度のものがほとんどである。中には、例えば特許文献２に示されているような１００万画素を超える結像性能を有している小型撮像素子も提案されているが、レンズ枚数が４枚以上と多く、携帯性としてはより安価で小型のものが求められている。

もう一つは、内視鏡や、監視型カメラなどに応用されている分野であり、高性能でありながら、ある程度の小型化を達成しているが、性能確保のためにレンズ枚数は６枚〜９枚と多く、携帯性、コスト面においては、一般向けではない。
特開２００３−１９５１５８号公報特開２００３−１４９５４７号公報

上述した撮像ユニットおよび撮像レンズにおいて、安価な構成をとりつつ、レンズ系全体の小型化を図り、良好な光学性能を得るには、レンズの枚数を最小限度にしながら、レンズ形状などの構成を適切にする必要がある。一般的に小型化を図るためには各レンズの屈折力を大きくすると達成できる。しかしながら各レンズの屈折力を大きくすると、各レンズによって発生する収差が大きくなり、全光学系として収差を良好に補正することが困難になるという課題が生じてくる。本発明は、前記最小限度枚数として３枚構成の撮像レンズにおいて、各レンズの構成を適切にすることによって、レンズ系全体の小型化が図られた高い光学性能を有する撮像レンズおよび光学機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のは、物体側より順に、正の屈折力を有し、両面非球面を有する、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第１レンズ、開口絞り、負の屈折力を有し、両面非球面を有する、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズ、負の屈折力を有し、両面非球面を有する、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第３レンズからなり、条件式（数式１）〜（数式３）を満たしていることを特徴とする撮像レンズである。

０．５＜ｆ１ｄ／ｆｄ＜０．６・・・（数式１）
−３．５＜ｆ２ｄ／ｆｄ＜−２．５・・・（数式２）
−１．２＜ｆ３ｄ／ｆｄ＜−０．９・・・（数式３）
但し、
ｆｄ：ｄ線におけるレンズ系全体の合成焦点距離（ｍｍ）
ｆ１ｄ：ｄ線における第１レンズの焦点距離（ｍｍ）
ｆ２ｄ：ｄ線における第２レンズの焦点距離（ｍｍ）
ｆ３ｄ：ｄ線における第３レンズの焦点距離（ｍｍ）

本発明によれば、レンズ系全体を小型化し、携帯性に優れ、かつ高画素数に対応した良好な像性能を有する撮像レンズおよび光学機器を得ることができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施例１の撮像レンズを示す概略構成図である。図１において、物体側から順に、１００は第１レンズ、１０１は開口絞り、１０２は第２レンズ、１０３は第３レンズ、１０４は像面、１０５はＣＣＤなどの固体撮像素子である。

第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズは全て両面非球面レンズであり、これらの非球面形状は以下の式にて表される。

但し、光軸方向を像面側に向かう軸をＺ軸、光軸に対して垂直で離れる向きにＨ軸の円筒座標系とし、ＣＲ：近軸曲率半径（ｍｍ）、Ｋ：コーニック係数、Ａｎ：ｎ次非球面係数とする。

第１レンズは両面非球面の正の屈折力を有するレンズであり、第２レンズは両面非球面の負の屈折力を有するレンズであり、第３レンズは両面非球面の負の屈折力を有するレンズである。

本発明では、小型でかつ良好な像性能を得るために、第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズの屈折力は適当な値に設計する必要があり、かつベンディング形状についても適当な値に設計する必要がある。このため以下の条件式を満たすことが好ましい。

０．５＜ｆ１ｄ／ｆｄ＜０．６・・・（数式１）
−３．５＜ｆ２ｄ／ｆｄ＜−２．５・・・（数式２）
−１．２＜ｆ３ｄ／ｆｄ＜−０．９・・・（数式３）
但し、
ｆｄ：ｄ線におけるレンズ系全体の合成焦点距離（ｍｍ）
ｆ１ｄ：ｄ線における第１レンズの焦点距離（ｍｍ）
ｆ２ｄ：ｄ線における第２レンズの焦点距離（ｍｍ）
ｆ３ｄ：ｄ線における第３レンズの焦点距離（ｍｍ）
条件式（数式１）は、第１レンズの焦点距離とレンズ系全体の焦点距離との比を表す式である。上限値を越えると光学全長が長くなるため、小型化が困難となる。また下限値を下回ると、Ｌ１Ｒ１の曲率半径が小さくする必要があるため、加工が困難となる。

条件式（数式２）は、第２レンズの焦点距離とレンズ系全体の焦点距離との比を表す式である。上限値を越えると光学全長が長くなるため、小型化が困難となる。また下限値を越えると非点収差が大きく発生し、良好な像性能を得ることが困難になる。

条件式（数式３）は、第３レンズの焦点距離とレンズ系全体の焦点距離との比を表す式である。上限値を越えると光学全長が長くなるため、小型化が困難となる。また下限値を下回ると、像面１０４に入射する軸外主光線の入射角度がきつくなるため、シェーディングが大きくなり、周辺照度低下が著しく悪くなる。

本発明ではレンズ系全体の小型化と良好な像性能を達成するために、以下の条件式を満たすことが好ましい。

Ｔ／ｆｄ＜１．１・・・（数式４）
但し、
Ｔ：第１レンズの物体側面から撮像面までの全長（ｍｍ）
条件式（４）は、上記レンズ系の全長とレンズ系全体の焦点距離との比を表す式である。小型化と、良好な像性能を満たすためにこの条件式を満たすことが必要である。この条件式の上限値を超えると、光学全長が長くなるため、小型化が達成できず、魅力の小さい撮像レンズとなってしまう。さらに像面１０４に入射する軸外主光線の入射角度がきつくなるため、シェーディングが大きくなり、周辺照度低下の原因となる。

また、第３レンズにおいて、下記非球面を表す式ＺのＨに対する１階微分（ｄＺ／ｄＨ）が０となる点を少なくとも１つ有効径内に持つことが好ましい。

上記第３レンズにおいて、ｄＺ／ｄＨが０となる点を少なくとも１つ有効径内に持つことは、歪曲収差を良好に補正し、像面１０４に入射する軸外主光線の入射角度を小さくすることに有利である。また、像面１０４に入射する軸外主光線の入射角度を小さくすることで、照度低下の原因となるシェーディングを軽減する効果を有する。

さらに、第２レンズのアッベ数が下記の条件式を満たしていることが好ましい。

Ｖ２ｄ＜２５・・・（数式６）
但し、
Ｖ２ｄ：第２レンズのアッベ数
アッベ数とは、ｄ線（５８７．５６ｎｍ）、Ｆ線（４８６．１３ｎｍ）、Ｃ線（６５６．２７ｎｍ）の屈折率から計算される値で、以下の式で表す。

Ｖｄ＝（Ｎｄ−１）／（Ｎｆ−Ｎｃ）・・・（数式７）
条件式（数式６）は、第２レンズの材料のアッベ数を指定するものであり、これが条件式（数式６）を満たすことで、色収差を良好に補正することができる。また上限値を超えると、倍率色収差が大きくなると同時に、各レンズの屈折力をさらに強くする必要があるため、各レンズの曲率半径が小さくなり、加工が困難となる。

表１に、具体的な数値を数値実施例１として示す。

ここで、図２は上記各数値実施例１に対応する収差図である。この収差図に、左から順に球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳＴ）、歪曲収差（ＤＩＳ）のグラフをそれぞれ示す。次に、表３に上記各数値実施例の諸値および条件式の諸数値を示す。

（実施の形態２）
図３は本発明の第２の実施の形態におけるディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。図３に示すように、本実施の形態におけるディジタルスチルカメラは、撮像光学系１１０と、撮像光学系１１０の像面側に設けられ、撮像光学系１１０からの光エネルギーの空間的な分布を、画像として表示できるような形の電気信号に変換する撮像素子１１１と、前記電気信号を処理して画像信号を発生させる信号処理回路１１２と、光学ビューファインダ１１３と、記録系１１４と、液晶モニタ１１５と、筐体１１６とを備えている。

ここで、撮像光学系１１０としては、上記第１の実施の形態の撮像光学系が用いられている。尚、記録系１１４は、撮像した画像データを圧縮保存する部分であり、この記録系１１４には、いわゆるＳＤメモリカード等の半導体メモリを含むカードが挿入される。

以上のようにして、本発明の撮像光学系を用いたディジタルスチルカメラを構成すれば、小型（薄型）、軽量化に非常に優れ、かつ、低コストでありながら高解像度のディジタルスチルカメラを実現することができる。

（実施の形態３）
図４は本発明の第３の実施の形態におけるビデオカメラの構成を示す斜視図である。図４に示すように、本実施の形態におけるビデオカメラは、撮像光学系１２０と、撮像素子１２１と、信号処理回路１２２と、記録系１２３と、液晶モニタ１２４と、筐体１２５とを備えている。ここで、撮像光学系１２０としては、上記第１の実施の形態の撮像光学系が用いられている。

以上のようにして、本発明の撮像光学系を用いたビデオカメラを構成すれば、小型（薄型）、軽量化に非常に優れ、かつ、低コストでありながら高解像度の静止画像が得られるビデオカメラを実現することができる。

（実施の形態４）
図５は本発明の第４の実施の形態におけるモバイル機器の構成を示す斜視図である。図５に示すように、本実施の形態におけるモバイル機器は、撮像光学系１３０と、撮像素子１３１と、信号処理回路１３２と、記録系１３３と、液晶モニタ１３４と、携帯電話等のモバイル機器の筐体１３５とを備えている。ここで、撮像光学系１３０としては、上記第１の実施の形態の撮像光学系が用いられている。

以上のようにして、本発明の撮像光学系を用いたモバイル機器を構成すれば、小型（薄型）、軽量化に非常に優れ、かつ、高解像度の撮像光学系を搭載したモバイル機器を実現することができる。すなわち、薄さを損なうことなく、高解像度のカメラ付きモバイル機器を実現することができる。

本発明は、レンズ枚数が少ない高性能な撮像レンズとこれの搭載により小型で高性能なデジタルカメラなどの光学機器の提供に有用である。

本発明の実施例１における撮像レンズの概略構成図本発明の実施例１における撮像レンズの収差図本発明の第２の実施の形態におけるディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図本発明の第３の実施の形態におけるビデオカメラの構成を示す斜視図本発明の第４の実施の形態におけるモバイル機器の構成を示す斜視図

符号の説明

１００（Ｌ１）第１レンズ
１０１口径絞り
１０２（Ｌ２）第２レンズ
１０３（Ｌ３）第３レンズ
１０４像面
１０５固体撮像素子
１１０、１２０、１３０撮像光学系
１１１、１２１、１３１撮像素子
１１２、１２２、１３２信号処理回路
１１３光学ビューファインダ
１１４、１２３、１３３記録系
１１５、１２４、１３４液晶モニタ
１１６、１２５、１３５筐体

Claims

物体側より順に、正の屈折力を有し、両面非球面を有する、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第１レンズ、開口絞り、負の屈折力を有し、両面非球面を有する、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズ、負の屈折力を有し、両面非球面を有する、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第３レンズからなり、条件式（数式１）〜（数式３）を満たしていることを特徴とする撮像レンズ。
０．５＜ｆ１ｄ／ｆｄ＜０．６・・・（数式１）
−３．５＜ｆ２ｄ／ｆｄ＜−２．５・・・（数式２）
−１．２＜ｆ３ｄ／ｆｄ＜−０．９・・・（数式３）
但し、
ｆｄ：ｄ線におけるレンズ系全体の合成焦点距離（ｍｍ）
ｆ１ｄ：ｄ線における第１レンズの焦点距離（ｍｍ）
ｆ２ｄ：ｄ線における第２レンズの焦点距離（ｍｍ）
ｆ３ｄ：ｄ線における第３レンズの焦点距離（ｍｍ）
請求項第１項に記載の撮像レンズにおいて、さらに下記条件式（数式４）を満たしていることを特徴とする撮像レンズ。
Ｔ／ｆｄ＜１．１・・・（数式４）
但し、
Ｔ：第１レンズの物体側面から撮像面までの全長（ｍｍ）
請求項第１項又は請求項第２項に記載の撮像レンズにおいて、第３レンズは非球面を表す式（数式５）のＨに対する１階微分が０となる点を少なくとも１つ有効径内に持つことを特徴とする撮像レンズ。

但し、光軸方向を像面側に向かう軸をＺ軸、光軸に対して垂直で離れる向きにＨ軸の円筒座標系とし、
ＣＲ：近軸曲率半径（ｍｍ）
Ｋ：コーニック係数
Ａｎ：ｎ次非球面係数
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の撮像レンズにおいて、第２レンズは、条件式（数式６）を満たしていることを特徴とする撮像レンズ。
Ｖ２ｄ＜２５・・・（数式６）
但し、
Ｖ２ｄ：第２レンズのアッベ数
撮像レンズを備えたデジタルスチルカメラであって、前記撮像光学系として請求項１〜４のいずれかに記載の撮像レンズを用いることを特徴とするデジタルスチルカメラ。
撮像光学系を備えたビデオカメラであって、前記撮像光学系として請求項１〜４のいずれかに記載の撮像光学系を用いることを特徴とするビデオカメラ。
撮像光学系を備えたモバイル機器であって、前記撮像光学系として請求項１〜４のいずれかに記載の撮像光学系を用いることを特徴とするモバイル機器。