JP2007219520A - 超小型撮像光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】超小型光学器機に適した超小型撮像光学系を提供する。
【解決手段】上記光学系は、開口絞りＡＳと、正の屈折力を有し、物体側に凸面を有する第１レンズＬ１と、負の屈折力を有する第２レンズＬ２と、正の屈折力を有する第３レンズＬ３と、負の屈折力を有する第４レンズＬ４とを含み、光軸方向の寸法に関して、開口絞りから像面までの距離を全体光学系の有効焦点距離で割ったものが、所定の数値範囲に入り、アッベ数に関して、第２レンズから第１レンズを引いたものの絶対値が所定の値より大であり、屈折率に関して、第２レンズから第１レンズを引いたものの絶対値が所定の数値より大であることを満足する。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像光学系に関し、より詳しくはモバイルフォン用カメラなど超小型光学器機に適した超小型撮像光学系に関する。

一般的に、初期モバイルフォン（携帯電話）は通信手段の機能のみを有していた。しかし、その使用が増大するにつれて写真撮影または画像伝送ないし通信など、要求されるサービスが多様になっており、それによりその機能とサービスが進化し続けている。

近年ではデジタルカメラ技術とモバイルフォン技術の融合により拡張された新概念のモバイルフォン、即ち、いわゆるカメラフォン（ｃａｍｅｒａ ｐｈｏｎｅまたはｃａｍｅｒａ ｍｏｂｉｌｅ ｐｈｏｎｅ）が大きく脚光を浴びている。さらにまたデジタルキャムコーダー技術をモバイルフォン技術に融合させ数十分以上の動画像マルチメディアを保存、伝送できる、いわゆるキャムコーダーーモバイルフォン（ｃａｍｃｏｒｄｅｒ ｍｏｂｉｌｅ ｐｈｏｎｅまたはｃａｍｃｏｒｄｅｒ ｐｈｏｎｅ）も開発されている。

近年ではモバイルフォンに装着されるカメラは電子スチールカメラレベルの性能を要求しながらも撮影レンズに対しては、小型化、軽量化、低コスト化を強く求めている。最近使用されているＣＣＤやＣＭＯＳなどのイメージセンサーは、ピクセルサイズが徐々に小型化されながらもセンサー自体の大きさが増大しており、このようなイメージセンサーを利用する撮像光学系は高い解像力を要求している。

また、モバイルフォンに装着される撮影レンズは小型化及び低コスト化を満足させるためにできるだけレンズの枚数を減らさなければならないが、設計に対する自由度が少なくなり光学性能を満足し難い。

従って、高解像度を実現できながらも小型化が可能な超小型撮像光学系が要求される。

本発明は、上記のような問題点を解決するためのもので、ＣＣＤやＣＭＯＳなどのイメージセンサーを利用するモバイルフォン用カメラなど超小型光学器機に適した超小型撮像光学系を提供することを目的とする。

また、Ｆナンバーが２．８程度であり、画角は６０度以上、高解像度を実現することができ、各種収差が改善された超小型撮像光学系を提供することを目的とする。

さらに、本発明は多数のプラスチックレンズを使用して軽量化を図ることができるばかりでなく、製作が容易で、かつ大量生産が可能であり、かつかかる製作コストが低い超小型撮像光学系を提供することを目的とする。

また、非球面レンズを使用して高解像度を得ることができ、各種光学的特性が優れた超小型撮像光学系を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために本発明は、開口絞りと、正の屈折力を有し、物体側に凸面を有する第１レンズと、負の屈折力を有する第２レンズと、正の屈折力を有する第３レンズと、負の屈折力を有する第４レンズとを含み、光軸方向の寸法に関して、次の条件式１を満足し、上記第１レンズと上記第２レンズのアッベ数（ａｂｂｅ ｎｕｍｂｅｒ）に関して次の条件式２を満足し、上記第１レンズと上記第２レンズの屈折率に関して次の条件式３を満足することを特徴とする超小型結像光学系を提供する。

ここで、ＴＬは開口絞りから像面までの距離、ｆは全体光学系の有効焦点距離、Ｖｄ１は第１レンズのアッベ数、Ｖｄ２は第２レンズのアッベ数、Ｎｄ１は第１レンズの屈折率、Ｎｄ２は第２レンズの屈折率である。

好ましく上記光学系は、上記第１レンズの形状に関して次の条件式４をさらに満足し、上記第２レンズの形状に関して次の条件式５をさらに満足することができる。

ここで、ｒ２は第１レンズの物体側面の曲率半径、ｒ５は第２レンズの像側面の曲率半径である。

また、好ましく上記光学系は、上記第３レンズの形状に関して次の条件式６を満足し、上記第４レンズの形状に関して次の条件式７を満足することができる。

ここで、ｒ７は第３レンズの像側面の曲率半径（ｒ７＜０）、ｒ９ は第４レンズの像側面の曲率半径である。

また、好ましく上記光学系は、上記第２レンズのパワーに関して次の条件式８を満足することができる。

ここで、ｆ２は第２レンズの焦点距離（ｆ２＜０）である。

一方、上記第１レンズ、第３レンズと第４レンズの屈折面のうち少なくとも一つの屈折面は非球面から成ることができる。

本発明によれば、ＣＣＤやＣＭＯＳなどのイメージセンサーを利用するモバイルフォン用カメラなど超小型光学器機に適し、２．８程度のＦナンバーと６０度以上の画角を有する超小型の撮像光学系を得ることができる。

また、本発明によれば屈折率とアッベ数の差が大きい第１レンズと第２レンズを利用して色収差を減少させ、第１レンズと第２レンズのパワーを相対的に大きくし超小型化が可能である効果を奏する。

そして、各々の屈折面の曲率半径を調節し、非球面を使用することによって、各種収差を最小化し、かつ高解像度、高鮮明度の画像を得ることができる効果を奏する。

また、多数のプラスチックレンズを使用することによって軽量化を図ることができるだけでなく、製作が容易で、かつ大量生産が可能であり、かつかかる製作コストが低いという効果を奏する。

以下、本発明の好ましい実施例について添付の図面に従って、より詳しく説明する。

図１は、本発明による超小型撮像光学系の第１実施例を示した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、形状は説明のために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として提示されただけで、その形状に限定されない。

図１に示すように、本発明による超小型撮像光学系は物体側に凸面を有し、正の屈折力を有する第１レンズ（Ｌ１）と、物体側が凹面を有し、負の屈折力を有する第２レンズ（Ｌ２）と、正の屈折力を有する第３レンズ（Ｌ３）と、負の屈折力を有する第４レンズ（Ｌ４）とを含み、物体側の最近傍に開口絞り（ＡＳ）が備えられる。

一方、上記第４レンズ（Ｌ４）と像面（ＩＰ）の間には赤外線フィルター、光学的フィルターなどに対応するカバーガラス（ＣＧ）が備えられる。

また、像面（ＩＰ）はＣＣＤ、ＣＭＯＳなどのイメージセンサーに該当する。

本発明による超小型撮像光学系では正の屈折力を有する第１レンズ（Ｌ１）と負の屈折力を有する第２レンズ（Ｌ２）のアッベ数と屈折率の差を大きくし色収差を減少させると同時に、第１レンズ（Ｌ１）と第２レンズ（Ｌ２）のパワーを第３レンズ（Ｌ３）と第４レンズ（Ｌ４）より相対的に大きくすることにより光学系の小型化を図り、非球面と屈折面の曲率半径を最適化し収差特性が優れ、かつ高解像度、高鮮明度を得ることができる光学系を提供する。

特に、非球面レンズを使用することによって、レンズの解像力を向上させると同時に歪曲収差、球面収差を減少させることができ、コンパクトで、光学的特性の優れた光学系を実現できるようになる。

また、一部のレンズをプラスチック材で形成することによって非球面レンズを安くかつ容易に製作することが可能となる。

このような全体的な構成下で、次の条件式１乃至８の作用効果について説明する。

ここで、ＴＬは開口絞りから像面までの距離、ｆ は全体光学系の有効焦点距離である。

条件式１は、全体光学系の寸法を規定するもので、小型化に対する条件である。上記条件式１の上限を超えると諸収差の補正の面では有利であるが、全長さが長くなり本発明の特徴である超小型という観点に反する。また、条件式１の下限を外れると全長長さが短くなり過ぎてしまうため、光学系に求められる光学的特性を満足し難くなり、製作公差が大きくなり光学系の性能が低下される。

ここで、Ｖｄ１は第１レンズのアッベ数、Ｖｄ２は第２レンズのアッベ数である。

条件式２は、色収差の補正に関するもので、下限を外れ第１レンズ（Ｌ１）と第２レンズ（Ｌ２）のアッベ数の差が小くなると色収差が大きくなり高画像の撮像光学系に適用し難くなる。

ここで、Ｎｄ１は第１レンズの屈折率、Ｎｄ２は第２レンズの屈折率である。

条件式３も色収差の補正に関するもので、下限を外れ第１レンズ（Ｌ１）と第２ レンズ（Ｌ２）の屈折率の差が小くなると色収差が大きくなり高画質の鮮明な画像を得難く、第２レンズ（Ｌ２）の屈折率が小さくなると曲率半径が小くなり製作が混乱となる。

ここで、ｒ２は第１レンズの物体側面の曲率半径、ｆは全体光学系の有効焦点距離である。

条件式４は、第１レンズ（Ｌ１）の形状を規定する。上記条件式４の上限を超えｒ２が大きくなると、第１レンズ（Ｌ１）のパワーが小くなり小型化に反するようになり、球面収差が多く発生し高画質の画像を得難くなり、歪曲収差も多く発生してしまう。反対に、下限を外れｒ２が小くなると加工が困難となり公差に大きい影響を受けるようになり、球面収差と色収差が大きくなる。

ここで、ｒ５は第２レンズの像側面の曲率半径、ｆは全体光学系の有効焦点距離である。

条件式５は、第２レンズ（Ｌ２）の形状を規定するもので、条件式５の上限を超えｒ５が大きくなると、光軸方向の寸法が増大し小型化に反するようになり、モバイルフォン用カメラなど小型光学器機に適用し難くなり、非点収差が大きくなる。反対に、下限を外れｒ５が小くなると加工が難しく、製作公差の影響が大きくなり量産性に阻害要因となる。

ここで、ｒ７は第３レンズの像側面の曲率半径（ｒ７＜０）、ｆは全体光学系の有効焦点距離である。

条件式６は、第３レンズ（Ｌ３）の形状を規定する。上記条件式６の上限を超え│ｒ７│が大きくなると、イメージセンサーに入射する主光線の角度が小くなりモバイルフォン用カメラなど小型光学器機に適用し難くなる。反対に、下限を外れｒ７が小くなると加工が困難になり、球面収差、非点収差などが大きくなり高解像度の性能を満足し難くなる。

ここで、ｒ９は第４レンズの像側面の曲率半径、ｆは全体光学系の有効焦点距離である。

条件式７は、第４レンズ（Ｌ４）の形状を規定するもので、条件式７の上限と下限を外れるとイメージセンサーとマッチング（ｍａｔｃｈｉｎｇ）が難しくななり周辺光量が少なくなる。また、条件式７の下限を外れｒ９が小くなると加工が困難になり公差に大きい影響を受けるようになり、レンズ製作の際価格が上昇してしまう。

ここで、ｆ２は第２レンズの焦点距離（ｆ２＜０）、ｆは全体光学系の有効焦点距離である。

条件式８は、第２レンズ（Ｌ２）のパワーを規定する。上記条件式８の上限を超えｆ２が大きくなると（│ｆ２│が小くなると）、第４レンズ（Ｌ４）の曲率半径が小くなり球面収差、非点収差などが大きくなり高画像に適用し難くなる。反対に、下限を外れｆ２が小くなると（│ｆ２│が大きくなると）光軸方向の寸法が大きくなり小型化に反するようになる。

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。

上述したように、以下の実施例１乃至３は全て物体側から順番に、開口絞り（ＡＳ）と、物体側に凸面を有し、正の屈折力を有する第１レンズ（Ｌ１）と、物体側が凹面を有し、負の屈折力を有する第２レンズ（Ｌ２）と、正の屈折力を有する第３レンズ（Ｌ３）と、負の屈折力を有する第４レンズ（Ｌ４）を含み、一方、上記第４レンズ（Ｌ４）と像面（ＩＰ）の間には赤外線フィルター、光学的フィルターなどに対応するカバーガラス（ＣＧ）が備えられる。また、像面（ＩＰ）はＣＣＤ、ＣＭＯＳなどのイメージセンサーに該当する。

以下の各実施例で使用される非球面は公知の数式９から得られ、コニック（Ｃoｎｉｃ）定数（Ｋ）及び非球面係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ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＋０１は１０^１を、Ｅ−０２は１０^−２を示す。

ここで、Ｚはレンズの頂点から光軸方向への距離、Ｙは光軸に垂直な方向への距離、ｃはレンズの頂点における曲率半径の逆数、Ｋはコニック（Ｃｏｎｉｃ）定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは非球面係数である。

下記の表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実施例による自動焦点調節光学系のレンズ配置を示すレンズ構成図であり、図２（ａ）乃至図２（ｃ）はそれぞれ表１及び図１に示した光学系の諸収差度を示す。一方、以下の非点収差図においてＳはサジタル（ｓａｇｉｔｔａｌ）、Ｔはタンジェンシャル（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）を示す。

第１実施例の場合、Ｆナンバー（ＦＮｏ）は２．８であり、画角は６０度、開口絞りから像面までの距離（ＴＬ）は６．０７ｍｍ、光学系の有効焦点距離（ｆ）は４．６ｍｍである。また、第１実施例の場合、第１レンズ（Ｌ１）、第３レンズ（Ｌ３）及び第４レンズ（Ｌ４）はプラスチック材から成る。

表１で、＊は非球面を示し、第１実施例の場合第１レンズ（Ｌ１）の物体側と像側の屈折面、第３レンズ（Ｌ３）の物体側と像側の屈折面、第４レンズ（Ｌ４）の物体側と像側の屈折面が非球面から成る。

数式９による第１実施例の非球面係数の値は次の表２の通りである。

下記の表３は、本発明の第２実施例による数値例を示している。また、図３は本発明の第２実施例による超小型撮像光学系のレンズ配置を示すレンズ構成図であり、図４（ａ）乃至図４（ｃ）は表３及び図３に示した光学系の諸収差図である。

第２実施例の場合、Ｆナンバー（ＦＮｏ）は２．８であり、画角は６０度、開口絞りから像面までの距離（ＴＬ）は５．９６ｍｍ、光学系の有効焦点距離（ｆ）は４．８５ｍｍである。また、第２実施例の場合、第１レンズ（Ｌ１）、第３レンズ（Ｌ３）及び第４レンズ（Ｌ４）はプラスチック材から成る。

表１で、＊は非球面を示し、第２実施例の場合第１レンズ（Ｌ１）の物体側と像側の屈折面、第３レンズ（Ｌ３）の物体側と像側の屈折面、第４レンズ（Ｌ４）の物体側と像側の屈折面が非球面から成る。

数式９による第２実施例の非球面係数の値は次の表４の通りである。

下記の表５は、本発明の第３実施例による数値例を示している。また、図５は本発明の第３実施例による超小型撮像光学系のレンズ配置を示すレンズ構成図であり、図６（ａ）乃至図６（ｃ）は表５及び図５に示した光学系の諸収差図である。

第３実施例の場合、Ｆナンバー（ＦＮｏ）は２．８であり、画角は６０度、開口絞りから像面までの距離（ＴＬ）は７．２２ｍｍ、光学系の有効焦点距離（ｆ）は６ｍｍである。また、第３実施例の場合、第１レンズ（Ｌ１）、第３レンズ（Ｌ３）及び第４レンズ（Ｌ４）はプラスチック材から成る。

表１で、＊は非球面を示し、第３実施例の場合第１レンズ（Ｌ１）の物体側と像側の屈折面、第３レンズ（Ｌ３）の物体側と像側の屈折面、第４レンズ（Ｌ４）の物体側と像側の屈折面が非球面から成る。

数式９による第３実施例の非球面係数の値は次の表６の通りである。

以上の実施例を通して図２、図４及び図６に示すように諸収差の特性が優れた光学系を得ることができる点が確認できる。

一方、上記の実施例１乃至３に対する条件式１乃至８の値は、次の表７の通りである。

上記の表７のように、本発明の実施例１乃至３は条件式１乃至８を満足していることが確認できる。

本発明は、特定な実施例に関して図示して、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、上述した特許請求の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の内で、本発明を多様に修正及び変更することが可能であることを明らかにして置く。

本発明の第１実施例による超小型撮像光学系のレンズ構成図である。 図１に示した第１実施例の諸収差図を示すもので、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲である。 本発明の第２実施例による超小型光学系のレンズ構成図である。 図３に示した第２実施例の諸収差図を示すもので、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲である。 本発明の第３実施例による超小型光学系のレンズ構成図である。 図５に示した第３実施例の諸収差図を示すもので、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲である。

符号の説明

Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ
Ｌ４ 第４レンズ
ＡＳ 開口絞り
ＣＧ カバーガラス
ＩＰ 像面
１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２ 面番号

Claims (5)

1. 開口絞りと、
   正の屈折力を有し、物体側に凸面を有する第１レンズと、
   負の屈折力を有する第２レンズと、
   正の屈折力を有する第３レンズと、
   負の屈折力を有する第４レンズと、
   を含み、
   光軸方向の寸法に関して、次の条件式１を満足し、前記第１レンズと前記第２レンズのアッベ数（ａｂｂｅ ｎｕｍｂｅｒ）に関して次の条件式２を満足し、前記第１レンズと前記第２レンズの屈折率に関して次の条件式３を満足することを特徴とする超小型結像光学系。
   

   

   

   

   ここで、ＴＬは開口絞りから像面までの距離、ｆは全体光学系の有効焦点距離、Ｖｄ１は第１レンズのアッベ数、Ｖｄ２は第２レンズのアッベ数、Ｎｄ１は第１レンズの屈折率、Ｎｄ２は第２レンズの屈折率である。
2. 前記第１レンズの形状に関して次の条件式４を満足し、前記第２レンズの形状に関して次の条件式５を満足することを特徴とする、請求項１記載の超小型撮像光学系。
   

   

   

   ここで、ｒ２は第１レンズの物体側面の曲率半径、ｒ５は第２レンズの像側面の曲率半径である。
3. 前記第３レンズの形状に関して次の条件式６を満足し、前記第４レンズの形状に関して次の条件式７を満足することを特徴とする、請求項１または請求項２記載の超小型撮像光学系。
   

   

   

   ここで、ｒ７は第３レンズの像側面の曲率半径（ｒ７＜０）、ｒ９は第４レンズの像側面の曲率半径である。
4. 前記第２レンズのパワーに関して次の条件式８を満足することを特徴とする、請求項１または請求項２記載の超小型撮像光学系。
   

   

   ここで、ｆ２は第２レンズの焦点距離（ｆ２＜０）である。
5. 前記第１レンズ、第３レンズと第４レンズの屈折面のうち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または請求項２記載の超小型撮像光学系。

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