JP2007225642A - 赤外線吸収ガラスを用いた撮像レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】
レンズに赤外線吸収の効果を持たせた場合、当該レンズの中心部を通過する光束と周辺部を通過する光束の光路長の差が大きいと不要な赤外光のフレアを増大させるため、解像度を劣化や色再現性・色むら等の画質劣化が問題であった。複数のレンズ部材で構成される撮像レンズ系で、赤外線吸収の効果を画面全面に均一に得られるレンズ部材の最適な設定方策を図る。
【解決手段】
複数枚のレンズ部材からなる撮像レンズにおける、各レンズ部材を通過する光束で画面中心に結像する光軸上の光路長に対し、画面周辺部に結像する光束の主光線の当該レンズ内を通過する光路長との差が±15％以下になるレンズ部材、当該の複数レンズ部材を通過する光束で画面中心に結像する光軸上の光路長の総和に対し、画面周辺部に結像する光束の主光線の当該の複数レンズ部材を通過する光路長の総和の差が±10％以下になる複数レンズ部材を赤外吸収ガラス部材に構成した。
【選択図】 図６

Description

本発明は、複数のレンズ部材から構成される結像光学系と、CCD等の撮像素子を備えた撮像システムであって、赤外線を吸収するガラス部材を用いたレンズ部材を有する撮像レンズに関するものである。

デジタルスチルカメラや携帯電話用のカメラなど、カラーCCDやCMOSなどの撮像素子を使う場合、赤外線を遮断する部材を結像光学系に介在させる必要がある。比視感度分布以外の波長の光は、撮像素子には不要で画質を劣化させる。すなわち赤外域の光がCCDなどの撮像素子に入射すると、色再現性の劣化やフレアにより解像度の低下になる。

従来より有害となる赤外光を遮断する手段として方法は二つある。一つの方法は誘電体の多層膜を蒸着した赤外線カットフィルタを構成する手段、第二の方法は、赤外吸収型のガラスフィルタを構成する手段である。また、これらの方法は共に平行平板のガラス板に形成され、レンズと撮像素子の間に具備されている。

近年、上述のカメラはコンパクト化がますます必要となり、レンズとCCDの間のスペースも少なくレンズ自体に赤外吸収効果を持たせたり、特定のレンズに赤外カットの蒸着膜を構成させることも提案されている。

また、レンズ部材に赤外線吸収効果を持たせた成型レンズの生産方法も提案されているが、そこで提案されているメニスカス形状だけでは、光路長の差の問題解決には不十分であり、レンズ構成によっては色むらや赤外光のフレアを増大させ画質を劣化させる場合がある。
特開２００２−１３９６０５号公報

図1に示すように、誘電体多層膜を蒸着した赤外線カットフィルタは入射角が大きくなると分光特性が大きく変化し、分光感度特性が崩れ、色再現性が画面の中央と周辺で異なったり、赤外光のフレアにより画質が低下する。

一方、図２に示すように、平板ガラスに赤外吸収効果を持たせた場合でも、結像レンズの結像面の中心に行く光束と周辺に行く光束が、この当該赤外線吸収フィルタへの入射する角度が大きくなるに従い、そのフィルタを通過する光路長に差が生じ、画面周辺ほど長波長側の透過率が悪くなり、色再現性が画面中心と周辺で異なり、画質の劣化などが問題であった。
さらにレンズに赤外線吸収の効果を持たせた場合でも、当該レンズの中心部を通過する光束と周辺部を通過する光束の光路長の差が大きいと不要な赤外光のフレアを増大させるため、解像度を劣化や色再現性・色むらなどの画質劣化が問題であった。

最近のデジタルスチルカメラや携帯電話用のカメラモジュールのレンズ光学系は、高画素化と更なるコンパクト化が要求されている。画質性能を満足させるためにレンズ枚数が増加し、フィルタを介在させるスペースがますます取れなくなると共に、CCDなどの光電変換面への入射角が大きくなり画面周辺部のシェーディングの問題も生じている。

さらにレンズ光学系の低コスト化に関して、誘電体の蒸着膜フィルタは、数十層の多層膜で高精度で形成する必要があり、コスト高が問題であった。

本発明は、複数枚のレンズからなる撮像レンズ系で、少なくとも1枚のレンズ部材に赤外線吸収効果を有するガラス部材を設定する場合の最適な手段を提供するものである。

１、当該レンズ系の光束の内、像面の中心に行く光束の光軸上の光路長に対し、画面の対角に行く光束の主光線がそのレンズを通過する光路長差が15％以下になるレンズ部に赤外線吸収効果を持たせたものである。

２、画面周辺部に結像する光束の主光線と軸上光線の光路長のそれぞれの総和の差が相殺するような複数のレンズ部材に赤外線吸収効果を具備させたものである。

３、画面周辺に結像する光束の主光線が光軸と交わる位置に最も近いレンズ部に当該赤外線吸収効果を有するレンズ部材にしたものである。

４、当該レンズ部材の心厚に対応して赤外線吸収の度合いを変えて、所定の赤外吸収効果を持たせたものである。

レンズなどのガラス部材を光線が通過する場合、光線の当該部材面への入射角と屈折角によって光路長は異なる。

図３は平行平板ガラスに光線が入射した時の光路長差を示す図である。当該ガラスの屈折率が1.5、板厚1.0mmの平行平板ガラスに、入射角が45°の光線が通過する場合の光路長（d’）は
より、d’=
1.13 mm となり、13％の増加となる。

同様に、図４は、平凸レンズに入射角θで、レンズ面の入射高をｈ、後面の凸レンズの曲率半径をrとした時、レンズを通過する光路長は
となり、光軸中心の光路長より短くなる。

同様に図５は平凹レンズの場合を示しており、
となり、光軸中心の光路長より長くなる。

図２は、赤外吸収効果を有する部材からなる平行平板のガラス部材で、板厚と分光透過率の変化を示した図である。厚くなると赤外線吸収効果は高まるが、比視感度の長波長（赤）側の透過率が減少しすぎ、CCDセンサからの出力に誤差が生じ、色再現性に不都合が生じる。また、薄すぎると赤外光の吸収効果が低下し、赤外光のフレアとなり解像度の劣化になる。

一方、赤外吸収による透過率（I/Io）は光路長（L）と赤外吸収率（C）の比例関係にあり、次式の関係がある。光学ガラスに加える赤外線吸収機能を持つ成分のそれぞれの濃度を調節することにより、適度に透過分布を変えることが可能である。

上述の課題を鑑み、複数のレンズ部材で構成される撮像レンズ系で、赤外線カットの効果を画面全面に均一に得られるレンズ部材の最適な設定方策を提供する。

以下、本発明の実施形態について、図６から図９を参照しながら説明する。

図６は、携帯電話などのカメラモジュール用のレンズ系の断面図である。レンズ系を光線が像面（例えばCCDのイメージセンサの光電変換面）に収束する状況を示しており、レンズ部材のそれぞれを通過する光線で像面の中心に収束する光線と周辺の像面に収束する光線の光路長は違っている。
本実施例のレンズの構成を以下に示す。

ｒ₁＝0.5185（非球面[1]）
d₁=0.2435 n₁=1.522 ν₁=60.0
ｒ₂=2.047
d₂=9.565×10^-2
ｒ₃=∞（絞り面）
d₃=0.1674
ｒ₄=-0.4028（非球面[2]）
d₄=0.3370 n₂=1.522 ν₂=60.0
ｒ₅=-0.2424（非球面[3]）
d₅=4.783×10^-2
ｒ₆=-9.4458（非球面[4]）
d₆=0.2739 n₃=1.584 ν₃=30.2
ｒ₇=0.6510（非球面[5]）
d₇=0.3609
ｒ₈=∞（像面）

非球面係数
非球面[1]
k=-0.123352 a=0 b=0.295277 c=2.53361
非球面[2]
k=1.60316 a=0 b=-7.41130 c=32.2835
非球面[3]
k=-0.861581 a=0 b=2.81327 c=-32.5968
非球面[4]
k=52.2689 a=0 b=-0.131609 c=-1.35438
非球面[5]
k=-14.4171 a=0 b=-1.77742 c=0.969944

非球面サグ量式
ここで、
, y：光軸からの高さ

ｒ_i：i面の曲率半径
ｄ_i：i面とi+1面間の間隔
ｎ_i：第iレンズのd線での屈折率
ν_i：第iレンズのd線でのアッベ数
上記の記号は、以下の実施例においても同様である。

レンズ焦点距離 f＝1.0
Fナンバー F_NO＝2.4
物体距離＝∞
最大画角 ω＝66°
焦点距離は1.0に正規化している。

光路長差に関し、請求項１を満足するのは、表１に示すように第１レンズ（Ｌ１）と第３レンズ（Ｌ３）であり、かつ請求項２も満足している。このレンズ部材に赤外線吸収効果をもたせれば画面均一な分光透過率が得られる。

一方、第２レンズ（Ｌ２）の軸上主光線と周辺主光線の光路長差は、39.41％（0.110909）であり、このレンズを赤外線吸収ガラスにすると、周辺部の分光特性が変化しフレア増大となって、不都合である。

複数枚のレンズ系において、どのレンズ部材を赤外線吸収効果部材にするかは、通常、レンズ設計において、レンズの基本構成を決める初期段階で、上述のように光路差のより小さなレンズ部を指定すれば良く、その手段によりレンズ開発を機会損失無く実現させることが出来る。

次に、図７は第２の実施形態を示す図である。本実施例のレンズ構成を以下に示す。

ｒ₁＝∞（絞り面）
d₁=3.191×10^-2
ｒ₂=0.5841
d₂=0.1940
n₁=1.522 ν₁=64.9
ｒ₃=-1.8510
d₃=7.223×10^-2
ｒ₄=-0.9317（非球面[1]）
d₄=0.1277 n₂=1.584 ν₂=30.4
ｒ₅=4.142（非球面[2]）
d₅=0.1112
ｒ₆=-0.4214（非球面[3]）
d₆=0.1734 n₃=1.525 ν₃=55.7
ｒ₇=-0.3316（非球面[4]）
d₇=4.255×10^-2
ｒ₈=0.4039（非球面[5]）
d₈=0.1922 n₄=1.525 ν₄=55.7
ｒ₉=0.3428（非球面[6]）
d₉=0.4785
ｒ₁₀=∞（像面）

非球面係数
非球面[1]
k=3.72385
a=0 b=-0.837940 c=9.50255 d=-200.098
非球面[2]
k=-1391.25
a=0 b=1.45799 c=0.921030 d=-289.221
非球面[3]
k=1.57068×10^-3
a=0 b=7.34238 c=19.3275 d=-217.284
非球面[4]
k=-1.03534
a=0 b=1.22006 c=7.77343 d=126.402
非球面[5]
k=-2.16216
a=0 b=-3.58333 c=8.82514 d=-6.38637
非球面[6]
k=-3.32155
a=0 b=-2.84274 c=3.84211 d=4.57402×10^-2

レンズ焦点距離 f＝1.0
Fナンバー F_NO＝3.5
物体距離＝∞
最大画角 ω＝68°

本実施例において、請求項１を満足しているのは、表２に示すように第１レンズ（L１）および第４レンズ（L４）であり、かつ請求項２も満足している。したがって、L１あるいはL４を赤外線吸収効果部材に指定してもよいが、請求項３を満足するL2およびL4を同時に指定することによって、さらに均質な赤外線吸収効果を具備させる事が可能となる。

上述の如く、レンズ１枚の心厚が薄く、赤外線吸収効果を十分持たせられない場合や、周辺光束の上限光線と下限光線の光路長差が大きい場合も、当該の複数枚のレンズに赤外線吸収効果を持たせることにより最適な赤外線吸収効果を具備させる事が可能である。

次に、図８は第３の実施形態を示す図である。本実施例のレンズ構成を以下に示す。

ｒ₁＝∞ （絞り面）
ｄ₁=6.438×10^-3
ｒ₂=0.4322（非球面[1]）
ｄ₂=0.2003 n₁=1.522 ν₁=64.9
ｒ₃=3.580（非球面[2]）
ｄ₃=0.2320
ｒ₄=-0.3170（非球面[3]）
ｄ₄=9.657×10^-2 n₂=1.585 ν₂=30.0
ｒ₅=-1.037（非球面[4]）
ｄ₅=1.288×10^-2
ｒ₆=0.3112（非球面[5]）
ｄ₆=0.3494 n₃=1.525 ν₃=56.2
ｒ₇=0.4687（非球面[6]）
ｄ₇=0.2749
ｒ₈=∞（像面）

非球面係数
非球面[1]
k=-4.80532
a=0 b=4.35178 c=169.675 d=-9147.49 e=1.32378×10⁵
非球面[2]
k=-797.536
a=0 b=0.604891 c=-45.3862 d=-1413.20 e=1.86836×10⁴
非球面[3]
k=-16.7950
a=0 b=-7.06238 c=-17.9423 d=300.791 e=-1.58196×10⁴
非球面[4]
k=-14.6717
a=0 b=-0.654474 c=0.776111 d=54.4830 e=1047.30
非球面[5]
k=-12.4360
a=0 b=-1.73308 c=5.76098 d=9.66454 e=-57.5079
非球面[6]
k=-13.0857
a=0 b=-0.843063 c=-1.22118 d=-2.33401 e=-6.93929

レンズ焦点距離 f＝1.0
Fナンバー F_NO＝3.5
物体距離＝∞
最大画角 ω＝58°

本実施例において、請求項１を満足しているのは、表３に示すように第１レンズ（L１）および第３レンズ（L３）であり、かつ請求項２も満足している。

次に、図９は第４の実施形態を示す図である。本実施例はズームレンズである。そのレンズ構成を以下に示す。

ｒ₁＝-1.105（非球面[1]）
d₁=0.1000 n₁=1.530 ν₁=55.8
ｒ₂=3.382（非球面[2]）
d₂=0.05192〜0.6082
ｒ₃=∞（絞り）
d₃=0.05000
ｒ₄=0.6178（非球面[3]）
d₄=0.1959 n₂=1.522 ν₂=64.9
ｒ₅=-8.311（非球面[4]）
d₅=0.01000
ｒ₆=0.5861（非球面[5]）
d₆=0.2023 n₃=1.530 ν₃=55.8
ｒ₇=-1.391
d₇=0.2700
n₄=1.585 ν₄=30.0
ｒ₈=0.4816（非球面[6]）
d₈=0.2171〜0.8830
ｒ₉=-1.820（非球面[7]）
d₉=0.2167 n₅=1.530 ν₄=55.8
ｒ₁₀=-0.9605（非球面[8]）
d₁₀=0.3916〜0.4946
ｒ₁₁=∞（像面）

非球面係数
非球面[1]
k=0
a=0 b=-0.699060 c=0.790733 d=-28.9626
非球面[2]
k=0
a=0 b=-0.559054 c=-4.17790 d=-19.9893
非球面[3]
k=0
a=0 b=1.40725 c=-6.92019×10^-2 d=10.7920
非球面[4]
k=0
a=0 b=1.44256 c=0.931058 d=10.5172
非球面[5]
k=0
a=0 b=-0.586022 c=-6.39171 d=-45.1786
非球面[6]
k=0
a=0 b=2.11421 c=6.36455 d=-82.9566
非球面[7]
k=0
a=0 b=1.30470 c=-8.25121 d=-11.9622
非球面[8]
k=0
a=0 b=1.01947 c=-9.77694 d=1.18416

レンズ焦点距離 f＝1.0〜2.0
Fナンバー F_NO＝4.5
物体距離＝∞
最大画角 ω＝22.6°〜43.6°

通常、ズームレンズは焦点距離がワイド端とテレ端で各レンズ部材を通過する光路長は異なる。したがって、どのレンズ部に赤外線吸収効果を持たせるかは、上述のように各レンズの軸上主光線と周辺主光線の光路長差の小さい１枚のレンズ部材、または複数枚の当該光路長の合計の差が最小となる、あるいは請求項４の条件を満足する組み合わせとすることによって、本発明の目的を達成することが出来る。

以上のように、本発明の請求項１記載の撮像レンズによれば、複数枚のレンズ部からなる撮像レンズ系のどのレンズ部に赤外線吸収効果を持たせば良いか明確に設定でき、色再現性やフレアによる解像度の劣化を予測できる。
同様に、請求項３記載の撮像レンズによれば、レンズ部が薄すぎたり、より分光特性を良くしたい場合などには、複数枚のレンズ部に赤外吸収効果を有する事により実現可能である。
さらに、請求項５の撮像レンズによれば、分光特性の微調整を赤外吸収効果材の濃度の最適化を当該レンズに合わせる事により任意に赤外線吸収特性を実現することができる。
請求項全体を通じて、本発明はレンズ設計の初期の段階で適用する事により、効果の事前確認が出来、レンズ開発の機会損失を無くす事ができる。

赤外線カットフィルタのAOI（光束の主光線のフィルタ入射角）と分光特性を示す図 赤外線吸収部材の光路長と分光特性を示す図 平行平板ガラス部材の光路長を示す図 平凸レンズ部材の光路長を示す図 平凹レンズ部材の光路長を示す図 本発明による撮像レンズの一実施例を示す図 本発明による撮像レンズの他の実施例を示す図 本発明による撮像レンズの他の実施例を示す図 本発明による撮像レンズの他の実施例を示す図

符号の説明

１・・・・平行平板ガラス
２・・・・平凸レンズ
３・・・・平凹レンズ
Ｌｎ・・・第ｎレンズ
Ｓ・・・・絞り
Ｉ・・・・像面

Claims (5)

1. 複数枚のレンズ部材からなる撮像レンズであって、各レンズ部材を通過する光束で画面中心に結像する光軸上の光路長（レンズの心厚）に対し、画面周辺部に結像する光束の主光線の当該レンズ内を通過する光路長との差が±15％以下になるレンズ部材を赤外線吸収ガラス部材に構成した事を特徴とする撮像レンズ。
2. 画面周辺部に結像する光束の主光線と、当該主光線に対する上限光と下限光のそれぞれの光路長の差の平均が±25％以下になるレンズ部材を赤外線吸収ガラス部材に構成したことを特徴とする請求項１の撮像レンズ。
3. 複数枚のレンズ部材からなる撮像レンズであって、当該の複数レンズ部材を通過する光束で画面中心に結像する光軸上の光路長（レンズの心厚）の総和に対し、画面周辺部に結像する光束の主光線の当該の複数レンズ部材を通過する光路長の総和の差が±10％以下になる複数レンズ部材を赤外吸収ガラス部材に構成した事を特徴とする撮像レンズ。
4. 画面周辺部に結像する光束の主光線が光軸と交わる位置に最も近いレンズ部材を赤外光吸収ガラス部材に構成した事を特徴とする請求項１または請求項３の撮像レンズ。
5. レンズ部材の心厚に対応し当該ガラスの赤外線吸収の度合いを変えて、有効な赤外線吸収効果を持たせたことを特徴とする請求項１または請求項３の撮像レンズ。