JP2007333883A - 単焦点撮像レンズ及びそれを備えた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大口径かつ高い光学性能を有する単焦点撮像レンズの提供する。
【解決手段】単焦点撮像レンズ１０は、物体側からこの順で配列された第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２を備えている。第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２のうち少なくとも一方は正の光学的パワーを有するガラスレンズである。第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２を構成するレンズ面のうちの少なくともひとつは回折面に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は単焦点撮像レンズ及びそれを備えた撮像装置に関する。

近年、携帯情報端末等といった撮像素子を有する小型の撮像装置が広く用いられている。それに伴い、小型の撮像装置用の全長が短く低コストな撮像レンズが多く提案されている。その中には、回折面の色収差補正能力を利用したものがある。

例えば、特許文献１には、物体側からこの順で配置された，物体側に凸面を向けた樹脂製メニスカスレンズと、開口絞りと、像面側に凸面を向け，物体側に回折面を持つ樹脂製メニスカスレンズとからなる固定焦点レンズが開示されている。
特開２００５−３０１０４８号公報

近年、撮像素子の受光セルを微細化して撮像素子の画素数を増大する試みが盛んになされている。受光セルの微細化に伴って各受光セルの面積が減少すれば、各受光セルに到達する単位時間当たりの光エネルギーも減少する。このため、高画素数の撮像素子を備えた撮像装置を用いて夜間や室内などの光量が比較的不足した環境下で撮影する場合、短い露光時間では十分な光エネルギーを各受光セルに蓄積させることが困難である。よって、露光時間を比較的長くしなければならず、長い露光期間中に撮影装置又は被写体が不意に振動したり、撮像装置と被写体との相対位置が変位したりすると、撮影画像にブレが生じてしまう。また、各受光セルに十分な光エネルギーを与えることができなければ、高Ｓ／Ｎ比を保つことができず、ノイズが撮影画像に混入し、撮影画像が劣化する虞がある。このため、高画素数で小型の撮像素子を用いて、良好な撮影画像を得るためには、撮像レンズを大口径化して各受光セルに到達する単位時間当たりの光エネルギーを増大させることが必須となる。

ところで、特許文献１の実施の形態２では、レンズを樹脂製とし、色収差補正に有効な回折面を導入することで、比較的安価に製造可能な２枚構成のレンズ系を実現しようとしている。しかし、特許文献１の実施の形態２に開示されたレンズ系では、レンズを低屈折率な樹脂製とし、その樹脂レンズ上に回折光学素子を配している。このため、非点収差、歪曲収差の補正は可能であるものの、球面収差、コマ収差の十分な補正は困難である。従って、光学性能を保ったまま大口径化することが難しい。また、大口径化が難しければ、回折面に所望の光学的パワーを与えるために輪帯ピッチ幅を小さくせざるを得ず、製造コストが上昇してしまう。すなわち、製造コストと性能のバランスをとることが困難である。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、大口径かつ高い光学性能を有する撮像レンズを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る単焦点撮像レンズは、物体側からこの順で配列された第１レンズ及び第２レンズを備え、第１レンズ及び第２レンズのうち少なくとも一方は正の光学的パワーを有するガラスレンズであり、且つ第１レンズ及び第２レンズを構成するレンズ面のうちの少なくともひとつは回折面に構成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る撮像装置は、上記本発明に係る単焦点撮像レンズを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、大口径かつ高い光学性能を有する単焦点撮像レンズを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１〜６は、それぞれ第１〜６の実施形態に係る単焦点撮像レンズ１０の構成を表す光学断面図である。

各実施形態に係る単焦点撮像レンズ１０は、いずれも撮像素子（固体撮像素子であってもよい。例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等）の撮像面に対して光学像を形成するためのものである。後に詳述するように、単焦点撮像レンズ１０は、デジタルスチルカメラやカメラを搭載した携帯情報端末等に搭載可能なものである。

単焦点撮像レンズ１０は、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２の２枚のレンズと、実質的に光学的パワーを有さない光学フィルタＧとにより構成されている。且つ、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２を構成するレンズ面のうち少なくともひとつは回折面に構成されている。このように、単焦点撮像レンズ１０を２枚のレンズにより構成すると共に、その２枚のレンズを構成するレンズ面のうち少なくともひとつを回折面にすることによって、小型且つ高い光学性能を実現することができる。

さらに詳細に説明すると、例えば、単焦点撮像レンズを１枚のレンズで構成した場合、収差論から明らかなように、像面湾曲と歪曲、非点収差、軸上色収差とを同時に補正することは困難である。このため、たとえ非球面や回折面を多用したとしても、高い光学性能を達成することは困難である。

各種収差の低減、光学性能の向上は、単焦点撮像レンズを構成するレンズの枚数を増加させることによって達成することができる。例えば、単焦点撮像レンズを２枚の屈折レンズ（屈折作用のみを有するレンズ面により構成されたレンズ）により構成した場合、１枚のレンズにより構成する場合と比較して非点収差、像面湾曲、歪曲収差を改善することができる。しかし、非点収差、像面湾曲、歪曲収差を好適に補正しつつ、さらに軸上色収差と倍率色収差を同時に良好に補正するには、設計自由度が十分ではない。軸上色収差と倍率色収差までをも良好に補正するためには、単焦点撮像レンズを３枚以上のレンズで構成する方法も考えられる。しかしながら、単焦点撮像レンズを構成するレンズの枚数が増加すると、単焦点撮像レンズを構成するレンズの総厚、各レンズ間の間隙、単焦点撮像レンズを収納する鏡筒のスペースも増加する傾向にある。このため、レンズの枚数を増やし、構成レンズ枚数を３枚以上とすると、単焦点撮像レンズが大型化する傾向となる。

ところで、回折面は屈折面とは全く異なる分散特性を有する。具体的には、回折面は通常の屈折面よりも極端に大きく、さらに符号の異なる分散特性を示す。例えば、たとえば、ガラスＢＫ７のアッベ数νｄ＝６４．１に対し、回折面のアッベ数はνｄ＝―３．４５になる。このため、回折面を用いることによって色収差を特に効果的に抑制することができる。

以上より、小型且つ高い光学性能を実現する観点から、レンズ枚数を２枚とすると共に、２枚の屈折レンズで構成した場合には十分に補正できない各種色収差を回折面の導入により低減するようにすることが最も好ましい。

また、単焦点撮像レンズ１０を構成する２枚のレンズは比較的高い屈折率を有するものであることが好ましい。構成レンズの屈折率を比較的高くすることによって、高次の球面収差や高次のコマ収差の発生を良好に抑制することができる。この観点から、構成レンズの屈折率が１．８よりも大きいことが好ましい。

特に、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とのうち少なくとも一方を正の光学的パワーを有するガラスレンズとすることが好ましい。そうすることによって、その正の光学的パワーを有するレンズ（以下、「正レンズ」とすることがある。）の屈折率を、正レンズを樹脂製とした場合と比較して高くすることができる。正レンズの屈折率を大きくすることによって、発散作用を持つレンズを用いることなくペッツバール和を低減すると共に像面湾曲の効果的な補正が可能となる。それと共に、単焦点撮像レンズ１０の大口径化が可能となる。すなわち、高い光学性能と大口径化とを同時に達成することが可能となる。具体的には、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とのうち少なくとも一方が、屈折率が１．８より大きい正の光学的パワーを有するガラスレンズであることが特に好ましい。すなわち、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とのうち少なくとも一方が下記数式（１）を満足する正の光学的パワーを有するガラスレンズであることが好ましい。さらには、下記条件式（１ａ）を満たすことが好ましく、（１ｂ）を満たすことがより好ましい。
１．８＜ｎｄ ・・・・・（１）
１．８５＜ｎｄ ・・・・・（１ａ）
１．９５＜ｎｄ ・・・・・（１ｂ）
条件式（１）の下限を下回ると高次の球面収差、高次のコマ収差の補正が困難となり、大口径化と高い結像性能との両立が困難となる。

尚、屈折率が１．８を超えるような高屈折材料は少なく、また強い波長分散特性を有する。このため、屈折率が１．８を超えるような高屈折率材料により形成された２枚の屈折レンズにより単焦点撮像レンズを構成した場合、単色収差の良好な補正は可能であるものの、高屈折率材料の有する大きな波長分散特性に起因して、良好な色収差補正は困難になる。従って、単焦点撮像レンズを２枚の屈折レンズにより構成しようとすると、色収差を低減する観点から、２枚の屈折レンズを低屈折率材料で形成しなければならなくなり、高次の球面収差、高次のコマ収差、像面湾曲を十分に補正可能な構成とすることが困難となってしまう。

また、２枚の屈折レンズにより単焦点撮像レンズを構成する場合、色収差補正の観点から、２枚の屈折レンズのうち一方を正レンズとすると共に、他方を負の光学的パワーを有するレンズ（以下、「負レンズ」とすることがある。）にしなければならず、特にコンパクト製と大口径化に有利な正レンズを２枚列べるレンズ構成を採用することが困難となってしまう。

それに対して、本実施形態のように、高い屈折率を有する正レンズを回折面と共に用いることによって、高次の球面収差、高次のコマ収差、像面湾曲の効果的な補正と各種色収差の効果的な補正との両方を同時に実現することができる。その結果、２枚という少ないレンズ枚数でもって大口径且つ高い光学性能を実現することができる。

加えて、回折面によって好適な色収差補正を行うことができるため、特にコンパクト性と大口径化に有利な正レンズを二つ並べる２枚構成を採用することが可能となる。言い換えれば、小型化及び大口径化の観点から、第３の実施形態のように第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２のそれぞれは正レンズであることが好ましい（図３参照）。尚、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２のそれぞれを正レンズとすることにより高次の球面収差、高次のコマ収差の発生を抑制すると共に大口径化を実現することができるのは、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２のそれぞれの光学的パワーを比較的弱くできるからである。

より具体的に、第１レンズＬ１は物体側に凸面を向けた（すなわち、レンズ面ｒ１が凸面である）正の光学的パワーを有するメニスカスレンズであってもよい。その場合に、第２レンズＬ２は、像面側に凸面を向けた（すなわち、レンズ面ｒ５が凸面である）レンズであることが好ましく、さらに、絞り（例えば、開口絞り）ＳＴを第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との間に配置することが好ましい。この構成によれば、絞りＳＴを対称軸とする対称性を向上することができ、倍率色収差、非点収差、歪曲収差の効果的な補正が可能となる。また、絞りＳＴに対して対称に軸外光線が通ることから、各レンズ間の偏心公差を大きく取れる利点もある。さらに絞りＳＴに対する対称性を向上する観点から、第２レンズＬ２は物体側に凹面を向けた（すなわち、レンズ面ｒ４が凹面である）メニスカスレンズであることが好ましい。さらには、さらなる大口径化の観点から、第２レンズＬ２は物体側に凸面を向けた正の光学的パワーを有するメニスカスレンズであることが好ましい。

尚、撮像素子の入射角感度特性等の理由により、撮像面への光線入射角を緩和する必要がある場合は、最も物体寄りに絞り（例えば、開口絞り）ＳＴを配置し、射出瞳を撮像面から遠ざける構成としてもよい。

また、第３の実施形態（図３参照）のように、第１レンズＬ１を負の光学的パワーを有するものとしてもよい。具体的には、第１レンズＬ１を物体側に凸面を向けた負の光学的パワーを有するメニスカスレンズとしてもよい。この場合、第２レンズＬ２の第１面ｒ４を回折面としてもよい。そうすることによって、回折面ｒ４への光線入射角を緩和することができる。したがって、設計次数に隣接する回折次数光強度の上昇に起因する赤紫フレアの発生を低減することができる。回折面への光線入射角に対して隣接する回折次数光強度の増大が顕著なとき、このような構成が特に有効である。

また、第２の実施形態（図２参照）のように、第２レンズＬ２を両凸レンズとしてもよい。そうすることによって、第２レンズＬ２の第１面ｒ４と第２面ｒ５とのそれぞれの正の光学的パワーを低減することができる。従って、第２レンズＬ２の第１面ｒ４と第２面ｒ５のそれぞれの曲率を弱めることができ、第２レンズＬ２の作製、ひいては単焦点撮像レンズ１０の製造が容易になるとともに、特に大口径レンズを少ない枚数で構成するときに問題となる高次の球面収差、高次のコマ収差の発生を効果的に抑制することができる。

尚、導入する回折面の数は特に限定されるものではなく、例えば、第１〜４の実施形態のように、回折面を１面のみ導入してもよい。この構成によれば、複数の回折面を導入する場合と比較して、作製が困難で高いコストを要する回折面の数を減らせるため、単焦点撮像レンズ１０の製造コストを低減することができる。また、複数の回折面の相対位置合わせ精度を考慮する必要がなくなる。

また、第５、６の実施形態のように、回折面を２面以上導入してもよい。この構成によれば、各回折面の光学的パワーを弱めることができる。よって、回折面の格子（輪帯）ピッチ幅を広げることができる。このため、回折効率の光線入射角依存性を緩和することができ、設計次数に隣接する回折次数光強度の上昇に起因する赤紫フレアの発生を抑制することができる。また、軸上色収差、倍率色収差の両方を同時に補正することが可能となるため、設計次数回折光に関して良好な結像性能を得ることができる。

第１レンズＬ１が物体側に凸面を向けたメニスカスレンズであり、且つ第２レンズＬ２が像側に凸面を向けた正レンズである場合、回折面は下記条件式（２）を満足するものであることが好ましい。
０．０２５＜ｆ／ｆ_ｄｏｅ＜０．５ ・・・・・（２）
但し、
ｆ：ｄ線における全系焦点距離、
ｆ_ｄｏｅ：回折面のｄ線に対する光学的パワー、
である。

条件式（２）は、回折面の光学的パワーに関して、結像性能と回折面の製造難度に関する条件を規定している。

条件式（２）の上限を上回ると、回折面の輪帯ピッチ幅が小さくなりすぎるため、低コストでの製造が困難となる。それと共に、回折効率の回折面への入射角依存性が強まる。そのため、特に軸外光線に対して、設計次数に隣接する回折次数光強度の上昇に起因する赤紫フレアが発生しやすくなり、結像性能が低下する傾向にある。

一方、条件式（２）の下限を下回ると、軸上色収差の十分な補正が困難となる。またペッツバール和を減少させることが困難となり、非点収差補正が困難となる。したがって、良好な結像性能を得ることが困難となる。

第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２を構成するレンズ面のうちのいずれか一面のみが回折面に構成されている場合、その回折面は下記条件式（３）を満足するものであることが好ましい。
０．１５＜ｆ／ｆ_ｄｏｅ＜０．５ ・・・・・（３）
但し、
ｆ：ｄ線における全系焦点距離、
ｆ_ｄｏｅ：回折面のｄ線に対する光学的パワー、
である。

条件式（３）は回折面を１面のみ導入したときの、回折面の好ましい光学的パワーに関する条件式である。具体的に、条件式（３）は、回折面による色収差補正、フレア抑制、製造コストのバランスを規定している。

条件式（３）の上限を上回ると、回折面の輪帯ピッチ幅が細かくなりすぎるため、低コストでの製造が困難となる。それと共に、回折効率の回折面への入射角依存性が強くなる。そのため特に軸外光線に対して、設計次数に隣接する回折次数光強度の上昇に起因する赤紫フレアが発生しやすくなり、結像性能が低下する傾向にある。

一方、条件式（３）の下限を下回ると、軸上色収差の補正不足となる。また、ペッツバール和が大きくなり、非点収差補正が難しくなる。

上記観点から、回折面は下記条件式（３ａ）を満たすものであることがより好ましく、下記条件式（３ｂ）を満たすものであることがさらに好ましい。
０．２０＜ｆ／ｆ_ｄｏｅ＜０．４５ ・・・・・（３ａ）
０．１５＜ｆ／ｆ_ｄｏｅ＜０．４０ ・・・・・（３ｂ）
また、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２を構成するレンズ面のうちの２面が回折面に構成されている場合、それら２面の回折面のそれぞれが下記条件式（４）を満足することが好ましい。
０．０１＜ｆ／ｆ_ｄｏｅ＜０．３５ ・・・・・（４）
但し、
ｆ：ｄ線における全系焦点距離、
ｆ_ｄｏｅ：各回折面のｄ線に対する光学的パワー、
である。

条件式（４）は、回折面を２面のみ導入したときの、各回折面の好ましい光学的パワーに関する条件式である。具体的に、条件式（４）は、回折面による色収差補正、フレア抑制、製造コストのバランスを規定している。

条件式（４）の上限を上回ると、回折面の輪帯ピッチ幅が小さくなりすぎるため、低コストでの製造が困難となる。それと共に、回折効率の回折面への入射角依存性が強まる。そのため特に軸外光線に対して、設計次数に隣接する回折次数光強度の上昇に起因する赤紫フレアが発生しやすくなり、結像性能が低下する傾向にある。

一方、条件式（４）の下限を下回ると、軸上色収差の十分な補正が困難となる。また、ペッツバール和が大きくなり、非点収差の補正が難しくなる。

上記観点から、回折面は下記条件式（４ａ）を満たすものであることがより好ましく、下記条件式（４ｂ）を満たすものであることがさらに好ましい。
０．０２＜ｆ／ｆ_ｄｏｅ＜０．３ ・・・・・（４ａ）
０．０２５＜ｆ／ｆ_ｄｏｅ＜０．２５ ・・・・・（４ｂ）
第１〜６の実施形態のように、単焦点撮像レンズ１０が絞りＳＴを備えるものである場合は、各回折面は下記条件式（５）を満足するものであることが好ましい。
０＜ｄ／ｆ＜０．３０ ・・・・・（５）
但し、
ｆ：ｄ線における全系焦点距離、
ｄ：絞りから各回折面までの距離、
である。

条件式（５）は回折面と絞り（例えば、開口絞り）ＳＴの位置に関して、倍率色収差補正に関する好ましい条件を規定している。

条件式（５）の上限を上回ると、回折面における主光線高が増大するため、回折面で発生する大きい倍率色収差を他のレンズ面で補正することが困難になってしまう。すなわち、倍率色収差の補正が困難となる傾向にある。

上記観点から、回折面は下記条件式（５ａ）を満たすものであることがより好ましく、下記条件式（５ｂ）を満たすものであることがさらに好ましい。
０＜ｄ／ｆ＜０．２５ ・・・・・（５ａ）
０＜ｄ／ｆ＜０．２０ ・・・・・（５ｂ）
第１レンズＬ１が物体側に凸面を向けた正の光学的パワーを有するメニスカスレンズであり、且つ第２レンズＬ２が物体側に凹面を向けた正の光学的パワーを有するメニスカスレンズである場合は、下記条件式（６）を満足するように単焦点撮像レンズ１０を構成することが好ましい。
０．３＜ｆ／ｆ_１＜０．９ ・・・・・（６）
但し、
ｆ：ｄ線における全系焦点距離、
ｆ_１：ｄ線における第１レンズの焦点距離、
である。

条件式（６）は第１レンズＬ１が正の光学的パワーを持つときの、第１レンズＬ１の光学的パワーに関して球面収差、コマ収差補正に関する好ましい条件を規定している。

条件式（６）の上限を上回ると、第１レンズＬ１で高次の球面収差、高次のコマ収差が発生してしまう。自由度の低い２枚構成レンズで大口径化を行えば、前記収差により、良好な結像性能を得ることが困難となる。

一方、条件式（６）の下限を下回ると、主点位置が撮像面側方向移動し過ぎるため、コンパクト化に不利となる。このため、高い結像性能を保ったままコンパクト化が困難となる。

一方、第１レンズＬ１が物体側に凸面を向けた負の光学的パワーを有するメニスカスレンズであり、且つ第２レンズＬ２が物体側面ｒ４が凹状の回折面に形成されている正の光学的パワーを有するメニスカスレンズである場合は、下記条件式（７）を満足するように単焦点撮像レンズ１０を構成することが好ましい。
０＜ｆ／｜ｆ_１｜＜０．２ ・・・・・（７）
但し、
ｆ：ｄ線における全系焦点距離、
ｆ_１：ｄ線における第１レンズの焦点距離、
である。

条件式（７）は、第１レンズＬ１が負の光学的パワーを持つときの、第１レンズＬ１の光学的パワーに関して、コンパクト化と結像性能の好ましいバランスを規定した条件式である。

条件式（７）の上限を上回ると、主点位置が撮像面側方向移動し過ぎるため、コンパクト化に不利なパワー配置となる。したがって、結像性能を保ったままコンパクト化が困難となる。

一方、条件式（７）の下限を下回ると、第２レンズ（Ｌ２）の回折面への光線入射角を小さくすることが困難となる。このため、特に軸外光に対して設計次数に隣接する回折次数光強度の上昇に起因するフレアにより、結像性能が低下する傾向にある。

上記観点から、回折面は下記条件式（７ａ）を満たすものであることがより好ましく、下記条件式（７ｂ）を満たすものであることがさらに好ましい。
０．０５＜ｆ／｜ｆ_１｜＜０．１８ ・・・・・（７ａ）
０．１０＜ｆ／｜ｆ_１｜＜０．１７ ・・・・・（７ｂ）
また、回折面は下記条件式（８）を満足するものであることが好ましい。
０．２＜Ｃ／ｆ＜２．０ ・・・・・（８）
但し、
Ｃ：各回折面の有効直径、
ｆ：ｄ線における全系焦点距離、
である。

条件式（８）は回折面有効直径に関して、結像性能と製造難度に関する好ましい条件を規定する。

条件式（８）の上限を上回ると、回折面及び、回折面前後での光線高が高くなりすぎるため、球面、コマ収差の補正が困難となる。

一方、条件式（８）の下限を下回ると、回折面の輪帯ピッチ幅が小さくなりすぎるため、低コストでの製造が困難となる。それと共に、回折効率の回折面への入射角依存性が強まる。そのため特に軸外光線に対して、設計次数に隣接する回折次数光強度の上昇に起因する赤紫フレアが発生しやすくなり、結像性能が低下する傾向にある。

上記観点から、回折面は下記条件式（８ａ）を満たすものであることがより好ましく、下記条件式（８ｂ）を満たすものであることがさらに好ましい。
０．２５＜Ｃ／ｆ＜１．８ ・・・・・（８ａ）
０．３＜Ｃ／ｆ＜１．５ ・・・・・（８ｂ）
また、回折面は下記条件式（９）を満足するものであることが好ましい。
１０°＜θ_ｍ＜４５° ・・・・・（９）
但し、
θ_ｍ：主光線の撮像面への入射角の最大値、
である。

条件式（９）は撮像素子面への好ましい主光線入射角に関する条件式である。

条件式（９）の上限を上回ると、撮像素子のシェーディング効果により画面周辺部への光量が不足する。このため、撮影画像に電気的信号処理を行うことも考えられるが、その場合、Ｓ／Ｎ比の低下により周辺部の画質が劣化する。一方、撮影画像に電気的処理を行わなければ、周辺部の暗い劣化した画像となる。

一方、条件式（９）の下限を下回ると、２枚という限られたレンズ枚数でテレセントリック性を確保するには、バックフォーカスを増大させるしか方法がないため、コンパクト化が困難となる。したがって、結像性能とコンパクト化の両立が困難となる。

上記観点から、回折面は下記条件式（９ａ）を満たすものであることがより好ましく、下記条件式（９ｂ）を満たすものであることがさらに好ましい。
１５°＜θ_ｍ＜３５° ・・・・・（９ａ）
２０°＜θ_ｍ＜３０° ・・・・・（９ｂ）
尚、回折面は、設計次数における回折効率を向上させる目的のため、ブレーズド化されたものであることが望ましい。ブレーズド化の方法としては、半導体製造技術等を用いて鋸状をステップ形状で近似して製作する方法（バイナリオプティクス）、精密な切削加工により製作された金型でレンズ材料を成型する方法、ガラスレンズ上に形成された樹脂層に対して回折面の成型を行う方法等が挙げられる。

回折面は、単純にレンズと空気との界面に格子を構成するのみではなく、回折効率の波長依存性、または回折効率の回折面への光線入射角依存性を緩和するために、複数材料を積層しその境界面に格子構造を形成してもよい。言い換えれば、接合レンズの接合面を回折面としてもよい。具体的には、レンズ表面にレリーフ形状を作成し、そのレリーフ面を埋めるように樹脂またはガラスを積層してもよい。樹脂としてエネルギー硬化型樹脂を用いると製造コストの点から好ましい。尚、エネルギー硬化型樹脂とは、所定のエネルギーを付与することにより軟化状態から硬化状態へと変化する樹脂をいう。具体例としては、熱硬化樹脂、紫外線硬化樹脂、ＥＢ（電子線）硬化樹脂等が挙げられる。

回折面は、製造上の観点から光軸に対して回転対称な格子構造とすることが望ましい。また、回折面の格子高さは、回折面へ光線入射角を考慮し、画面全体に対して最良の像質となる回折効率を与える格子高さとすることが望ましい。特に、回折面の輪帯半径に応じて設計中心とする光線入射角を適切に決め、それに基づき格子高さを決めることが望ましい。

設計中心とする光線入射角を決めるには、例えば、画面の各部位ごとに、適切な重み付けを設定する。そして、その重み付けを利用して、画面の各部位に像を形成する同族光束主光線の回折面への入射角に重み付けを行い、統計的平均処理を行えばよい。一例として、加重平均を行えばよい。さらに、画面のある部位に像を形成する同族光束を構成する光線ごとに重み付けを設定してもよい。例えば、同族光束に属するそれぞれの光線の収差状況を勘案して重み付けをしてもよい。一例として、収差の良好な光線については大きな重みを与え、収差の悪い光線については小さな重みを与えてもよい。

第１レンズＬ１、第２レンズ（Ｌ２）のうち少なくともいずれかひとつが赤外光を遮光するレンズであることが好ましい。具体的には、例えば、いずれか一つのレンズの少なくとも一方のレンズ面を赤外光吸収材料によりコーティングするか、又はいずれか一つのレンズに赤外吸収材料を含有させることが好ましい。この構成によれば、撮像素子の撮像面へ入射する赤外光の強度を低減することができる。従って、撮像素子の感度を人の目の比視感強度近づけることが可能となり、撮像素子により取得される画像の像質を向上させることができる。

尚、設計次数の回折光の回折効率低下は、可視光域の長波長側限界、短波長側限界で発生しやすい。設計次数の回折効率が低下し、隣接する次数の回折光の強度が強まれば赤紫色の目立つフレアとなり像質を劣化させる。したがって、可視光の長波長側限界または短波長側限界の外側で速やかに透過率を低下させるフィルタを挿入すればさらに像質を改善できる。または、可視光の長波長側限界または短波長側限界の外側で速やかに透過率を低下させるような吸収材料をレンズに含有させてもよい。

絞り（ＳＴ）のほかに不要光をカットするための光束規制板等を必要に応じて配置してもよい。また、プリズム類（例えば直角プリズム），ミラー類（例えば平面ミラー）等の光学素子を光路中に配置することにより、配置された光学素子の光学的パワーを有しない面（例えば、反射面，屈折面，回折面）で単焦点撮像レンズの前，後又は途中で光路を折り曲げてもよい（例えば、光軸（ＡＸ）を約９０度折り曲げるようにして光束を反射させてもよい。）。光路の適正な折り曲げにより、単焦点撮像レンズが搭載されるデジタル入力機器（デジタルカメラ等）の見かけ上の薄型化やコンパクト化を達成することが可能である。尚、その折り曲げ位置は必要に応じて設定すればよい。

次に、上記実施の形態に係る単焦点撮像レンズ１０を備えた光学機器の実施の形態について説明する。ここでは、単焦点撮像レンズ１０を搭載したデジタルスチルカメラと、携帯情報端末とを例に挙げて説明するが、本発明に係る撮像装置はこれらに限定されるものではない。

図７及び図８はデジタルスチルカメラ１の斜視図である。

デジタルスチルカメラ（以下、「ＤＳＣ」とする。）１は、カメラ本体１４と、単焦点撮像レンズ１０と、単焦点撮像レンズ１０により形成された光学像を電気信号に変換する撮像素子（図示せず）と、ストロボ１１と、レリーズボタン１２と、表示モニタ１３とを備えている。

図９は携帯情報端末２の正面図である。図１０は携帯情報端末２の背面図である。

携帯情報端末２は、携帯電話本体２７と、スピーカ部２１と、マイク部２２と、入力ボタン２３と、表示モニタ２４と、アンテナ２５と、単焦点撮像レンズ１０と、単焦点撮像レンズ１０により形成された光学像を電気信号に変換する撮像素子（図示せず）と、表示モニタ２６とを備えている。マイク部２２は操作者の声を情報として入力するためのものである。スピーカ部２１は通話相手の声を出力するためのものである。入力ボタン２３は操作者が情報を入力するのに用いられるものである。表示モニタ２４は操作者自身や通話相手等の撮影像と電話番号等の情報を表示するためのものである。アンテナ２５は通信電波の送信と受信を行なうためのものである。

撮像素子（図示せず）で受光された物体像は、携帯情報端末２に内蔵された図示しない処理手段に入力され、電子画像として表示モニタ２４に、または、通信相手の携帯情報端末等のモニタに、または、その両方に表示される。また、通信相手の携帯情報端末等に画像を送信する場合には、上記処理手段に含まれる信号処理機能により、撮像素子で受光された物体像の情報が送信可能な信号へ変換されるようになっている。

以下、本発明を実施した単焦点撮像レンズを、コンストラクションデータ、各種収差図等を挙げて更に具体的に説明する。ここで説明する実施例１〜６は、第１〜第６の実施の形態にそれぞれ対応する実施例である。第１〜第６の実施の形態を表すレンズ構成図（図１〜図６）は、対応する実施例１〜６のレンズ構成をそれぞれ示している。

各実施例のコンストラクションデータにおいて、ｒｉ（ｉ＝１，２，３，．．．）は物体側から数えてｉ番目の面の曲率半径（ｍｍ）である。ｄｉ（ｉ＝１，２，３，．．．）は物体側から数えてｉ番目の軸上面間隔（ｍｍ）である。Ｎｉ（ｉ＝１，２，３，．．．），νｉ（ｉ＝１，２，３，．．．）は物体側から数えてｉ番目の光学要素のｄ線に対する屈折率（Ｎｄ），アッベ数（νｄ）である。全系の焦点距離（ｆ，単位：ｍｍ）及びＦナンバー（Ｆ）を他のデータとあわせて示す。

非球面係数が記された面は、非球面形状の屈折光学面又は非球面と等価な屈折作用を有する面であることを示し、非球面の面形状を表す以下の式（ＡＳ）で定義されるものとする。

但し、式（ＡＳ）中、
ｚ：高さｙの位置での光軸（ＡＸ）方向の変位量（面頂点基準）、
ｙ：光軸（ＡＸ）に対して垂直な方向の高さ、
Ｒ：近軸曲率半径、
ｋ：コーニック係数、
Ａｎ：ｎ次の非球面係数（Ａｎ＝０の場合のデータは省略する。）、
である。

位相係数が記された面は、回折格子のレリーフパターンで構成された回折面であることを示し、回折面のピッチの位相形状を表す以下の式（ＤＳ）で定義されるものとする。

但し、式（ＤＳ）中、
φ：位相シフト量、
λ：波長（ｍｍ）、
ｙ：光軸（ＡＸ）に対して垂直な方向の高さ、
Ｐｎ：ｎ次の位相係数（Ｐｎ＝０の場合のデータは省略する。）、
である。

各実施例の非球面及び回折面データを他のデータとあわせて示す。

図１１〜図１６は、それぞれ実施例１〜実施例６に対応する無限遠撮影状態での収差図である。各図において、（ａ）は球面収差図、（ｂ）は非点収差図、（ｃ）は歪曲収差図である。但し、Ｆ：Ｆナンバー、ω：最大半画角（ｄｅｇ）である。球面収差図（ａ）において、実線はｄ線を、細かい破線はＦ線を、粗い破線はＣ線を表している。非点収差図（ｂ）において、破線はメリディオナル面、実線はサジタル面でのｄ線に対する各非点収差（ｍｍ）を表わしている。また、歪曲収差図において実線はｄ線に対する歪曲（％）を表している。

−実施例１−
ｆ：４．３４、Ｆ：１．９８

尚、表２に示すデータは、実施例１における各レンズ面の非球面係数である。

尚、表３に示すデータは、実施例１における各レンズ面の位相係数である。

−実施例２−
ｆ：４．３５、Ｆ：２．０５

尚、表５に示すデータは、実施例２における各レンズ面の非球面係数である。

尚、表６に示すデータは、実施例２における各レンズ面の位相係数である。

−実施例３−
ｆ：４．１９、Ｆ：２．１６

尚、表８に示すデータは、実施例３における各レンズ面の非球面係数である。

尚、表９に示すデータは、実施例３における各レンズ面の位相係数である。

−実施例４−
ｆ：４．５３、Ｆ：２．０９

尚、表１１に示すデータは、実施例４における各レンズ面の非球面係数である。

尚、表１２に示すデータは、実施例４における各レンズ面の位相係数である。

−実施例５−
ｆ：５．０４、Ｆ：２．３５

尚、表１４に示すデータは、実施例５における各レンズ面の非球面係数である。

尚、表１５に示すデータは、実施例５における各レンズ面の位相係数である。

−実施例６−
ｆ：５．１９、Ｆ：１．４５

尚、表１７に示すデータは、実施例４における各レンズ面の非球面係数である。

尚、表１８に示すデータは、実施例４における各レンズ面の位相係数である。

下記、表１９、表２０に各実施例における条件式（１）〜（９）の値を示す。

本発明に係る単焦点撮像レンズは、大口径且つ高い光学性能を有するため、携帯情報端末搭載カメラ、監視カメラ、ＰＣカメラ、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等の種々の撮像装置に有用である。

第１の実施形態（実施例１）に係る単焦点撮像レンズ１０の構成を表す光学断面図である。 第２の実施形態（実施例２）に係る単焦点撮像レンズ１０の構成を表す光学断面図である。 第３の実施形態（実施例３）に係る単焦点撮像レンズ１０の構成を表す光学断面図である。 第４の実施形態（実施例４）に係る単焦点撮像レンズ１０の構成を表す光学断面図である。 第５の実施形態（実施例５）に係る単焦点撮像レンズ１０の構成を表す光学断面図である。 第６の実施形態（実施例６）に係る単焦点撮像レンズ１０の構成を表す光学断面図である。 デジタルスチルカメラ１の前側斜視図である。 デジタルスチルカメラ１の後側斜視図である。 携帯情報端末２の正面図である。 携帯情報端末２の背面図である。 実施例１に対応する無限遠撮影状態での収差図である。 実施例２に対応する無限遠撮影状態での収差図である。 実施例３に対応する無限遠撮影状態での収差図である。 実施例４に対応する無限遠撮影状態での収差図である。 実施例５に対応する無限遠撮影状態での収差図である。 実施例６に対応する無限遠撮影状態での収差図である。

符号の説明

１ デジタルスチルカメラ
２ 携帯情報端末
１０ 単焦点撮像レンズ
１１ ストロボ
１２ レリーズボタン
１３ 表示モニタ
１４ カメラ本体
２１ スピーカ部
２２ マイク部
２３ 入力ボタン
２４ 表示モニタ
２５ アンテナ
２６ 表示モニタ
２７ 携帯電話本体
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ

Claims (13)

1. 撮像素子の撮像面上に光学像を形成するための単焦点撮像レンズであって、
   物体側からこの順で配列された第１レンズ及び第２レンズを備え、
   上記第１レンズ及び第２レンズのうち少なくとも一方は正の光学的パワーを有するガラスレンズであり、且つ上記第１レンズ及び第２レンズを構成するレンズ面のうちの少なくともひとつは回折面に構成されている単焦点撮像レンズ。
2. 請求項１に記載された単焦点撮像レンズにおいて、
   上記ガラスレンズは下記条件式（１）を満足するものである単焦点撮像レンズ；
   １．８＜ｎｄ ・・・・・（１）
   但し、
   ｎｄ：ガラスレンズのｄ線における屈折率、
   である。
3. 請求項１又は２に記載された単焦点撮像レンズにおいて、
   上記第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカスレンズであると共に、上記第２レンズは像側に凸面を向けた正の光学的パワーを有するレンズであり、且つ上記回折面は下記条件式（２）を満足するように構成されている単焦点撮像レンズ；
   ０．０２５＜ｆ／ｆ_ｄｏｅ＜０．５ ・・・・・（２）
   但し、
   ｆ：ｄ線における全系焦点距離、
   ｆ_ｄｏｅ：回折面のｄ線に対する光学的パワー、
   である。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載された単焦点撮像レンズにおいて、
   上記第１レンズ及び第２レンズを構成するレンズ面のうちのいずれか一面のみが回折面に構成されており、且つ該回折面は下記条件式（３）を満足するように構成されている単焦点撮像レンズ；
   ０．１５＜ｆ／ｆ_ｄｏｅ＜０．５ ・・・・・（３）
   但し、
   ｆ：ｄ線における全系焦点距離、
   ｆ_ｄｏｅ：回折面のｄ線に対する光学的パワー、
   である。
5. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載された単焦点撮像レンズにおいて、
   上記第１レンズ及び第２レンズを構成するレンズ面のうちの２面が回折面に構成されており、且つ該２つの回折面のそれぞれは下記条件式（４）を満足するように構成されている単焦点撮像レンズ；
   ０．０１＜ｆ／ｆ_ｄｏｅ＜０．３５ ・・・・・（４）
   但し、
   ｆ：ｄ線における全系焦点距離、
   ｆ_ｄｏｅ：各回折面のｄ線に対する光学的パワー、
   である。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載された単焦点撮像レンズにおいて、
   絞りをさらに備え、上記各回折面は下記条件式（５）を満足するように構成されている単焦点撮像レンズ；
   ０＜ｄ／ｆ＜０．３０ ・・・・・（５）
   但し、
   ｆ：ｄ線における全系焦点距離、
   ｄ：絞りから各回折面までの距離、
   である。
7. 請求項６に記載された単焦点撮像レンズにおいて、
   上記絞りは上記第１レンズと上記第２レンズとの間に配置されている単焦点撮像レンズ。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載された単焦点撮像レンズにおいて、
   上記第１レンズは物体側に凸面を向けた正の光学的パワーを有するメニスカスレンズであると共に、上記第２レンズは物体側に凹面を向けた正の光学的パワーを有するメニスカスレンズであり、且つ、下記条件式（６）を満足する単焦点撮像レンズ；
   ０．３＜ｆ／ｆ_１＜０．９ ・・・・・（６）
   但し、
   ｆ：ｄ線における全系焦点距離、
   ｆ_１：ｄ線における第１レンズの焦点距離、
   である。
9. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載された単焦点撮像レンズにおいて、
   上記第１レンズは物体側に凸面を向けた負の光学的パワーを持つメニスカスレンズであると共に、上記第２レンズは物体側面が凹状の回折面に形成されている正の光学的パワーを有するメニスカスレンズであり、且つ、下記条件式（７）を満たす単焦点撮像レンズ；
   ０＜ｆ／｜ｆ_１｜＜０．２ ・・・・・（７）
   但し、
   ｆ：ｄ線における全系焦点距離、
   ｆ_１：ｄ線における第１レンズの焦点距離、
   である。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載された単焦点撮像レンズにおいて、
    上記各回折面は下記条件式（８）を満足するように構成されている単焦点撮像レンズ；
    ０．２＜Ｃ／ｆ＜２．０ ・・・・・（８）
    但し、
    Ｃ：各回折面の有効直径、
    ｆ：ｄ線における全系焦点距離、
    である。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載された単焦点撮像レンズにおいて、
    下記条件式（９）を満足する単焦点撮像レンズ；
    １０°＜θ_ｍ＜４５° ・・・・・（９）
    但し、
    θ_ｍ：主光線の撮像面への入射角の最大値、
    である。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載された単焦点撮像レンズにおいて、
    上記第１レンズ及び第２レンズのうち少なくとも一方は赤外光を遮蔽するレンズである単焦点撮像レンズ。
13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載された単焦点撮像レンズを備えた撮像装置。

Images