JP2007510955A - 三個のレンズを有する対物レンズ系 - Google Patents

三個のレンズを有する対物レンズ系 Download PDF

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Abstract

光学系が提供される。物体側から像側への順序で、その光学系は、正のパワー、メニスカスの形状、及び物体側の表面を有する第一のレンズ素子を含む。第一のレンズ素子のその物体側の表面は、その物体側に向かって凸である。第二のレンズ素子は、負のパワー、メニスカスの形状、及び物体側表面を有する。第二のレンズ素子のその物体側の表面は、その物体側に向かって凹である。第三のレンズ素子は、正のパワーを有する。開口絞りは、第一のレンズ素子の物体側上に又は第一のレンズ素子の物体側の前に位置決めされる。

Description

本発明は、一般に、光学系に、及び、より詳しくは、例えば、感光性の受光器及び／又は検知器と使用可能な少なくとも三個のレンズ素子を有する光学系に関する。
例えば、感光性の受光器及び／又は検知器と使用可能な光学系は、知られている。例えば、特許文献１は、そのレンズ素子の遠位の表面に隣接した開口絞りを備えた単一の素子のレンズを開示する。しかしながら、特許文献１に開示されたもののような単一の均質なレンズ素子は、数十万のピクセルを用いる検知器において最良の解像度を生じさせるために要求された光学的な結像の補正の程度に影響を及ぼさない。
また、二つのレンズ群又はレンズ素子を有する光学系が、知られている。例えば、二つのレンズ群又は素子の反転望遠の設計は、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、及び特許文献６に開示されている。典型的な反転望遠レンズの構成を、
そのレンズの最も遠位の末端からその検知器までの連続して進行するとき、第一のレンズ群又は素子がパワーにおいて負のものであると共に第二のレンズ群又は素子がパワーにおいて正のものであるものとして記述することができる。この配置は、そのレンズ系の後部焦点がその焦点距離よりも長いものであることを引き起こす。その反転望遠の構成は、その検知器とその検知器に対して最も近位のレンズ素子との間の豊富な空間を許容する設計の形態である。この空間は、しばしば、赤外を排除するフィルター又は検知器の保護板と同様の付加的な光学部品を位置決めするために、使用される。加えて、その反転望遠レンズの構成は、その検知器に入射する斜めの光線の角度の大きさを減少させることを援助することもある。
前述した反転望遠の構成のものではない他の二つのレンズ素子の設計が、開示されている。特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０は、二個の群／素子で構成された反転望遠でない設計の形態のこのような例である。これらの後者の設計の形態が、反転望遠レンズの同じ典型的な好都合な構成を所有しないこともあるとはいえ、それらは、高められた製造可能性、減少した費用、又はより小型の大きさと同様の改善の他の側面を強調する。厚い板のためのそのレンズの後部における空間の必要性又はその主光線が検知器に入射する角度を限定することについての厳密な要件がほとんどない光学系において、その反転望遠でない設計の形態は、好ましいものであることもある。しかしながら、いずれの二個の群／素子の設計の形態に限定がある。画像品質は、一般に、それが三個以上のレンズ群／素子と共にあることができるであろうものよりも低いものであることになる。典型的には百万のピクセル又はそれ以上を備えた小型の検知器について設計された小型のレンズについては、三個以上のレンズ素子の設計は、適切に高い像の解像度を達成するために、望ましいものであることもある。
また、少なくとも三個のレンズ素子を有する光学系が、知られている。特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、及び特許文献１５は、検知器との、一般には、その検知器からのそのレンズの最も遠位の表面における又はその表面の近くの開口絞りとの、結像について設計された三個及び四個のレンズ素子／群の系を開示する。
特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、及び特許文献１５に開示されたものと同様の設計は、一般に、Ｆ／４以下の開口を備えた少なくとも三個の群へと組み立てられる四個以上の別個のレンズ素子で構成されたタイプのものである。優れた画像の品質が、しばしば、十分な数の光学的な表面と共に得られることもあるとはいえ、これらのものと同様の設計は、より少ない素子を備えた設計に対する製造されると共に組み立てられることを必要とするレンズ素子の数のために、高価なものである。さらに、与えられた用途について、ことは、より多くのレンズ素子が使用されるとき、短い全体的なレンズの長さを達成することは、困難なことである。レンズの設計の短さを比較することにおける有用な性能指数は、そのレンズの有効焦点距離ｆ０に対する、最も遠位の頂点からその像平面までの、全体的な系の長さＬの比である。この計量を適用することによって、特許文献１２は、約８ｍｍの全体的な系の長さ及び約４．５ｍｍの焦点距離を備えたレンズを開示する。そして、このレンズについての焦点距離に対するその全体的な系の長さの比は、わずかに２未満である。さらに、特許文献１２についての好適な実施形態は、全てが球面の表面を備えたガラスで作られたレンズを含むものである。ガラスから全ての素子を作る支出は、大量生産における樹脂の材料から素子を作る費用を超える。特許文献１４及び特許文献１５に開示されたものと同様の設計は、そのプラスチックレンズ素子についての収差補正のために非球面の表面の使用と共にハイブリッドのガラス−プラスチックの形態を考慮する。特許文献１５は、おおよそ５．６ｍｍの焦点距離を備えた且つ１０ｍｍよりもわずかに大きい全体的な系の長さを備えたレンズを開示する。その結果として、焦点距離に対する全体的な系の長さの比は、わずかに２未満である。特許文献１４は、おおよそ５．７ｍｍの焦点距離を備えた且つおおよそ７．３５ｍｍの全体的な系の長さを備えたレンズを開示し、その結果として、焦点距離に対する全体的な系の長さの比は、おおよそ１．３である。特許文献１３（Ｂ１）に開示されたものと同様の設計は、全てのプラスチックの素子で構成される。開示されたレンズの全体的な系の長さは、１０ｍｍの焦点距離について１５ｍｍと同程度に少ないものである。その結果として、焦点距離に対する全体的な系の長さの比は、おおよそ１．５である。これらのレンズは、部分的には、多くのレンズ素子の使用及びその設計を短い長さへと圧縮することができないことのために、焦点距離に対する全体的な系の長さの比を最小にするエリアにおいて、不十分なものである。
特許文献１１に開示されたものと同様の他のレンズの設計は、ちょうど三個のレンズ素子で構成されると共にＦ／２．８の相対的に高い集光する開口及び広い視角を有する。ちょうど三個のレンズ素子の使用は、より多くの素子を用いるレンズよりも、より小型の設計を容易にする。特許文献１１に開示された設計は、おおよそ１．２５の焦点距離に対する全体的な系の長さの比を有する。この相対的に短い長さを達成することは、部分的に、レンズの材料の選択によって、達成される。それら開示された設計は、ほとんどのプラスチック及び多くのガラスに典型的なものよりも大きい屈折率を備えた、その検知器から最も遠位の位置における正のパワーのガラスレンズ素子を利用する。例えば、Ｎｄ＝１．６２０４１を備えたＳＫ１６又はＮｄ＝１．８０２７９を備えたＣ−ＺＬＡＦ２は、アクリル系及びポリスチレンと同様の最も一般的なプラスチックが、Ｎｄ＜１．６を有するのに対して、それら開示された設計において使用される。加えて、最も高価でないガラスの材料のタイプ、ＢＫ７は、Ｎｄ＝１．５１７を有する。レンズの厚さを一般には減少させることができるので、空気−材料の界面の屈折のパワーは、その屈折率がより高いものであると共により小型の系の設計を容易にするとき、より大きいものである。しかしながら、この設計の利点は、そのガラス素子についての製作及び材料の費用の支出に到達する。Ｎｄ＜１．６を備えたあまり高価でないプラスチックの樹脂（例えば、アクリル系、ポリカーボナート）を使用する、又は最も高価でないタイプのガラス（例えば、ＢＫ７）を使用する一つのレンズ素子を含む、設計は、一般に、より低い全体的な費用を有することになる。
特許文献１１に開示された設計は、それらが、多くの検知器の機能に重要である問題を、すなわち、その検知器に入射する光線の角度における顕著な減少を、解決しないという点で、不利な立場に置かれる。これらの設計は、２０度を超える角度を有する。数個の理由のために、その検知器に入射する光線の角度を減少させることは、重要なことである。一つは、それが、隅が中央に対して適切に照明されるような、その検知器における照明の均一性を改善することを援助するというものである。加えて、（いくつかの赤外光排除フィルターのような）いずれの二色性のタイプのフィルターは、入射の角度に対して変化する性質を有することになる。これらの差を最小にすることは、望ましいことである。また、集光するレンズ（すなわち、微小レンズアレイ）を備えた検知器に入射する斜光線は、ピクセルにわたる一つの小レンズと関連した光が、隣接したピクセルに結像されたものになるとすれば、問題になり得る。
これらの問題点を克服するために、一般に、できるだけ小さく、その検知器に入射する全ての光線の角度を有することは、望ましいことである。この要件は、しばしば、最大の主光線の角度における制約条件に単純化される。その主光線の角度は、そのレンズの射出瞳の場所によって設定される。無限遠に近い射出瞳の場所を備えたレンズは、０に近い主光線の角度を提供すると共に、一般的に、テレセントリックと呼ばれる。実際には、高い程度のテレセントリック性を備えたレンズは、増加した複雑さ及び増加した全体的な長さを備える傾向がある。これらが、両方とも、多くの結像の用途（例えば、カメラが使用可能な電話及びＰＤＡ）において鍵となる推進要素であると、いくらかの妥協が、（好ましくは、最大の主光線の角度を約２０度未満に保つ一方で）それらと与えられたレンズの解決策についてのテレセントリック性の程度との間でなされなければならない。
米国特許第６，５６０，０３７号明細書 米国特許第５，６７７，７９８号明細書 米国特許第５，８１２，３２７号明細書 米国特許第６，１８１，４７７号明細書 米国特許第６，０９７，５５１号明細書 米国特許出願第２００２／００１８３０３号明細書 米国特許第５，２５１，０６９号明細書 米国特許第６，５１５，８０９号明細書 米国特許出願第２００３／００１６４５２号明細書 米国特許第２００３／００４８５４９号明細書 米国特許第６，４４１，９７１Ｂ２号明細書 米国特許第６，２８２，０３３号明細書 米国特許第６，４１４，８０２号明細書 米国特許第６，４７６，９８２号明細書 特開２００２−１６２５６１号公報
本発明の第一の態様に従って、物体側から像側への順序で、光学系は、正のパワー、メニスカスの形状、及び物体側の表面を有する第一のレンズ素子を含む。第一のレンズ素子のその物体側の表面は、その物体側に向かって凸のものである。第二のレンズ素子は、負のパワー、メニスカスの形状、及び物体側の表面を有する。第二のレンズ素子のその物体側の表面は、その物体側に向かって凹のものである。第三のレンズ素子は、正のパワーを有する。開口絞りは、第一のレンズ素子の物体側に又は第一のレンズ素子の物体側の前に、位置決めされる。
以下に与えられる本発明の好適な実施形態の詳細な説明において、付随する図面に参照がなされる。
本発明は、特に、本発明と一致した装置の部分を形成する、又は、本発明と一致した装置と共により直接的に協働する、素子に向けられることになる。具体的に示してない又は記載してない素子が、当業者に周知の様々な形態をとってもよいことは、理解されることである。
本発明の例の実施形態は、それぞれ、図１〜１０及び表１〜１０に図解される。図１〜１０及び表１〜１０においては、光学系１０は、光軸１５に沿って、光学系１０の物体側２０から光学系１０の像側３０への順序で配置された三個のレンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３を含む。開口絞り４０は、レンズ素子Ｅ１の物体側に位置させられると共に、少なくとも一個の遮光板５０は、レンズ素子Ｅ１及びＥ２の間に位置させられる。感光性の受光器６０は、例えば、イメージセンサー又はフィルムは、レンズ素子Ｅ３の像側に位置させられる。付加的な素子７０は、例えば、蓋板及び／又はフィルターは、感光性の受光器６０とレンズ素子Ｅ３との間に位置させられる。典型的なフィルターは、赤外光排除フィルター及び／又は光ぶれフィルター（例えば、低域通過フィルター、帯域通過フィルターなど）を含む。光学系１０の各々のレンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３の表面の半径Ｒは、物体側２０で開始すると共に像側３０で終了するように、番号付けされる。表１〜１０において、レンズ素子の厚さＴｎ及びそれらレンズ素子の間の空気間隙は、両方とも、“厚さ”として分類されると共に、その厚さに先立つ表面と同じ列に列挙される。例えば、表１における第一の厚さは、レンズ素子Ｅ１の厚さに対応する。同様に、表１における第二の厚さは、レンズ素子Ｅ１と遮光板５０との間の空気間隙に対応する。表１〜１０に提供された全ての厚さは、ミリメートル単位のものである。全ての屈折率及び（アッベ数としてもまた知られる）Ｖ数は、５８７．６ｎｍの波長におけるスペクトルのヘリウムのｄ線についてのものである。
図１及び２並びに表１及び２を参照して、それぞれ、第一の及び第二の例の実施形態を示す。光学系１０は、物体側２０から像側３０へと、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３を含む。レンズ素子Ｅ１は、正のパワー及び物体側２０に向かって凸のメニスカスの形状を有する球面の単レンズ素子である。レンズ素子Ｅ２は、負のパワー及び物体側２０に向かって凹のメニスカスの形状を有する両非球面の単レンズ素子である。レンズ素子Ｅ３は、正のパワーを有する球面の単レンズ素子である。
開口絞り４０は、レンズ素子Ｅ１の物体側の表面に位置させられる。あるいは、開口絞り４０を、レンズ素子Ｅ１の物体側の表面から間隙を介して、位置させることができる。遮光板５０は、例えば、光口径食開口（light vignetting aperture）は、レンズ素子Ｅ１及びＥ２の間に位置させられる。あるいは、遮光板５０を、レンズ素子Ｅ１及びＥ２のいずれか又は両方の表面に位置決めすることができる。
レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３は、それぞれ、ガラス、樹脂材料（例えば、プラスチック）、及び樹脂材料から作られる。しかしながら、他の材料の組み合わせは、可能なことである。例えば、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３を、それぞれ、ガラス、樹脂材料、及びガラスから作ることができる。あるいは、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３を、それぞれ、樹脂材料、樹脂材料、及びガラスから作ることができる。各々のレンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３を、樹脂材料から作ることができる。樹脂材料が、使用されるとき、その樹脂材料は、ガラス転移温度Ｔｇ＞３００°Ｆを有するタイプのものであることができる。また、ナノコンポジットの光学材料を、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３のいずれか一つ又は全てにおいて、使用することもできる。
図１及び２並びに表１及び２に記載した光学系１０は、それぞれ、少なくとも２５度の物体空間における半分の視野、ｆ／４未満の相対的な開口、及び、１．６０未満である最大の屈折率を有する。加えて、光学系１０は、条件Ｌ／ｆ０＜１．２５を満足するが、ここでＬは、その最も遠位の頂点からその像平面までの全体的な系の長さであると共にｆ０はそのレンズの有効焦点距離である。
レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及び／又はＥ３を、非常に低い分散（例えば、アッベのＶ数Ｖｄ＞６５）の材料から作ることができる。例えば、図２及び表２に示す例の実施形態において、レンズ素子Ｅ１は、球面のものであると共に非常に低い分散（アッベのＶ数Ｖｄ＞６５、及び、より好ましくは、アッベのＶ数Ｖｄ＞８０）の材料から作られる。図１及び表１に示す実施形態に類似するとはいえ、レンズ素子Ｅ１についての非常に低い分散の材料の使用は、光学系１０の多色性の性能を改善する。
図３及び表３を参照して、第三の例の実施形態を示す。光学系１０は、物体側２０から像側３０へと、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３を含む。レンズ素子Ｅ１は、正のパワー及び物体側２０に向かって凸のメニスカスの形状を有する両非球面の単レンズ素子である。レンズ素子Ｅ２は、負のパワー及び物体側２０に向かって凹のメニスカスの形状を有する球面の単レンズ素子である。レンズ素子Ｅ３は、正のパワーを有する両非球面の単レンズ素子である。
開口絞り４０は、レンズ素子Ｅ１の物体側の表面に位置させられる。あるいは、開口絞り４０を、レンズ素子Ｅ１の物体側の表面から間隙を介して、位置させることができる。遮光板５０は、例えば、光口径食開口は、レンズ素子Ｅ１及びＥ２の間に位置させられる。あるいは、遮光板５０を、レンズ素子Ｅ１及びＥ２のいずれか又は両方の表面に位置決めすることができる。
レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３は、それぞれ、樹脂材料（例えば、プラスチック）、樹脂材料、及び樹脂材料から作られる。しかしながら、他の材料の組み合わせは、可能なことである。例えば、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３を、それぞれ、樹脂材料、ガラス、及び樹脂材料から作ることができる。樹脂材料が、使用されるとき、その樹脂材料は、ガラス転移温度Ｔｇ＞３００°Ｆを有するタイプのものであることができる。また、ナノコンポジットの光学材料を、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３のいずれか一つ又は全てにおいて、使用することもできる。あるいは、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及び／又はＥ３を、非常に低い分散（例えば、アッベのＶ数Ｖｄ＞６５）の材料から作ることができる。
図３、表３に記載した光学系１０は、それぞれ、少なくとも２５度の物体空間における半分の視野、ｆ／４未満の相対的な開口、及び、１．６０未満である最大の屈折率を有する。加えて、光学系１０は、条件Ｌ／ｆ０＜１．２５を満足するが、ここでＬは、その最も遠位の頂点からその像平面までの全体的な系の長さであると共にｆ０はそのレンズの有効焦点距離である。
図４及び５並びに表４及び５を参照して、それぞれ、第四の及び第五の例の実施形態を示す。光学系１０は、物体側２０から像側３０へと、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３を含む。レンズ素子Ｅ１は、正のパワー及び物体側２０に向かって凸のメニスカスの形状を有する両非球面の単レンズ素子である。レンズ素子Ｅ２は、負のパワー及び物体側２０に向かって凹のメニスカスの形状を有する両非球面の単レンズ素子である。レンズ素子Ｅ３は、正のパワーを有する球面の単レンズ素子である。
開口絞り４０は、レンズ素子Ｅ１の物体側の表面に位置させられる。あるいは、開口絞り４０を、レンズ素子Ｅ１の物体側の表面から間隙を介して、位置させることができる。遮光板５０は、例えば、光口径食開口は、レンズ素子Ｅ１及びＥ２の間に位置させられる。あるいは、遮光板５０を、レンズ素子Ｅ１及びＥ２のいずれか又は両方の表面に位置決めすることができる。
レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３は、それぞれ、樹脂材料（例えば、プラスチック）、樹脂材料、及び樹脂材料から作られる。しかしながら、他の材料の組み合わせは、可能なことである。例えば、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３を、それぞれ、樹脂材料、樹脂材料、及びガラスから作ることができる。また、ナノコンポジットの光学材料を、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３のいずれか一つ又は全てにおいて、使用することもできる。あるいは、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及び／又はＥ３を、非常に低い分散（例えば、アッベのＶ数Ｖｄ＞６５）の材料から作ることができる。
図４及び５並びに表４及び５に記載した光学系１０は、それぞれ、少なくとも２５度の物体空間における半分の視野、ｆ／４未満の相対的な開口、及び、１．６０未満である最大の屈折率を有する。加えて、光学系１０は、条件Ｌ／ｆ０＜１．２５を満足するが、ここでＬは、その最も遠位の頂点からその像平面までの全体的な系の長さであると共にｆ０はそのレンズの有効焦点距離である。
樹脂材料が、使用されるとき、その樹脂材料は、ガラス転移温度Ｔｇ＞３００°Ｆを有するタイプのものであることができる。例えば、図５及び表５に示す例の実施形態においては、全ての三個のレンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３は、高い温度の組み立ての操作、保管、及び用法を可能にするために、ガラス転移温度Ｔｇ＞３００°Ｆを有するタイプの樹脂材料から作られる。
図６、７及び８並びに表６、７及び８を参照して、それぞれ、第六の、第七の及び第八の例の実施形態を示す。光学系１０は、物体側２０から像側３０へと、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３を含む。レンズ素子Ｅ１は、正のパワー及び物体側２０に向かって凸のメニスカスの形状を有する非球面の単レンズ素子である。レンズ素子Ｅ１のいずれか又は両方の表面が、非球面のものであることができる。レンズ素子Ｅ２は、負のパワー及び物体側２０に向かって凹のメニスカスの形状を有する非球面の単レンズ素子である。レンズ素子Ｅ２のいずれか又は両方の表面が、非球面のものであることができる。レンズ素子Ｅ３は、正のパワーを有する非球面の単レンズ素子である。レンズ素子Ｅ３のいずれか又は両方の表面が、非球面のものであることができる。
開口絞り４０は、レンズ素子Ｅ１の物体側の表面に位置させられる。あるいは、開口絞り４０を、レンズ素子Ｅ１の物体側の表面から間隙を介して、位置させることができる。遮光板５０は、例えば、光口径食開口は、レンズ素子Ｅ１及びＥ２の間に位置させられる。あるいは、遮光板５０を、レンズ素子Ｅ１及びＥ２のいずれか又は両方の表面に位置決めすることができる。
レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３は、各々、樹脂材料（例えば、プラスチック）から作られる。樹脂材料が、使用されるとき、その樹脂材料は、ガラス転移温度Ｔｇ＞３００°Ｆを有するタイプのものであることができる。また、ナノコンポジットの光学材料を、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３のいずれか一つ又は全てにおいて、使用することもできる。あるいは、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及び／又はＥ３を、非常に低い分散（例えば、アッベのＶ数Ｖｄ＞６５）の材料から作ることができる。
図６、７及び８並びに表６、７及び８に記載した光学系１０は、それぞれ、少なくとも２５度の物体空間における半分の視野、ｆ／４未満の相対的な開口、及び、１．６０未満である最大の屈折率を有する。加えて、光学系１０は、条件Ｌ／ｆ０＜１．２５を満足するが、ここでＬは、その最も遠位の頂点からその像平面までの全体的な系の長さであると共にｆ０はそのレンズの有効焦点距離である。
図１〜８及び表１〜８に逆戻りして参照すると、それぞれ、光学系１０の各々の例の実施形態は、１．２０未満のＬ／ｆ０の比を与える、約６ｍｍである、レンズ素子Ｅ１の物体側の表面から感光性の受光器６０までの全体的な系の長さＬ及び約５ｍｍである、これらの例の場合の各々について有効焦点距離ｆ０を有する。各々の例の実施形態は、少なくとも２８度の半視野を包含し、Ｆ／２．８又はより明るいものであり、その像の中央における照明のおおよそ５０％（又はより多い）である隅における相対的な照明を有し、４％未満の最大の歪曲の大きさを有し、且つ、その検知器の平面の法線に関して約２０度未満に、感光性の受光器１０又は検知器の平面における最大の主光線の角度を束縛する。
図９及び表９を参照して、第九の例の実施形態を示す。光学系１０は、物体側２０から像側３０へと、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３を含む。レンズ素子Ｅ１は、正のパワー及び物体側２０に向かって凸のメニスカスの形状を有する非球面の単レンズ素子である。この実施形態においては、レンズ素子Ｅ１の像側の表面が、非球面のものである。しかしながら、レンズ素子Ｅ１のいずれかの表面が、非球面のものであることができる。レンズ素子Ｅ２は、負のパワー及び物体側２０に向かって凹のメニスカスの形状を有する両非球面の単レンズ素子である。レンズ素子Ｅ３は、正のパワーを有する非球面の単レンズ素子である。この実施形態においては、レンズ素子Ｅ３の像側の表面が、非球面のものである。しかしながら、レンズ素子Ｅ３のいずれかの表面が、非球面のものであることができる。
開口絞り４０は、レンズ素子Ｅ１の物体側の表面から間隙を介して、位置させられる。あるいは、開口絞り４０を、レンズ素子Ｅ１の物体側の表面に位置させることができる。遮光板５０は、例えば、光口径食開口は、レンズ素子Ｅ１及びＥ２の間に位置させられる。あるいは、遮光板５０を、レンズ素子Ｅ１及びＥ２のいずれか又は両方の表面に位置決めすることができる。別の遮光板５０は、例えば、光口径食開口及び／又はグレア絞り（glare stop）は、レンズ素子Ｅ２の像側の表面に位置させられる。あるいは、この遮光板５０を、レンズ素子Ｅ２及びＥ３の間に、又は、レンズ素子Ｅ３の表面に、位置させることができる。
レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３は、各々、樹脂材料（例えば、プラスチック）から作られる。樹脂材料が、使用されるとき、その樹脂材料は、ガラス転移温度Ｔｇ＞３００°Ｆを有するタイプのものであることができる。また、ナノコンポジットの光学材料を、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３のいずれか一つ又は全てにおいて、使用することもできる。あるいは、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及び／又はＥ３を、非常に低い分散（例えば、アッベのＶ数Ｖｄ＞６５）の材料から作ることができる。
図９及び表９に記載した光学系１０は、少なくとも２５度の物体空間における半分の視野、ｆ／４未満の相対的な開口、及び、１．６０未満である最大の屈折率を有する。加えて、光学系１０は、条件Ｌ／ｆ０＜１．２５を満足するが、ここでＬは、その最も遠位の頂点からその像平面までの全体的な系の長さであると共にｆ０はそのレンズの有効焦点距離である。光学系１０は、１．２０未満のＬ／ｆ０の比を与える、約６．３ｍｍである、開口絞り４０から感光性の受光器６０までの全体的な系の長さＬ及び約５．３ｍｍである、有効焦点距離ｆ０を有する。この例の実施形態は、少なくとも２９度の半視野を包含し、Ｆ／２．８又はより明るいものであり、その像の中央における照明のおおよそ５０％（又はより多い）である隅における相対的な照明を有し、４％未満の最大の歪曲の大きさを有し、且つ、その検知器の平面の法線に関して約２０度未満に、感光性の受光器１０又は検知器の平面における最大の主光線の角度を束縛する。
図１０及び表１０を参照して、第十の例の実施形態を示す。光学系１０は、物体側２０から像側３０へと、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３を含む。レンズ素子Ｅ１は、正のパワー及び物体側２０に向かって凸のメニスカスの形状を有する非球面の単レンズ素子である。この実施形態においては、レンズ素子Ｅ１の像側の表面が、非球面のものである。しかしながら、レンズ素子Ｅ１のいずれかの表面が、非球面のものであることができる。レンズ素子Ｅ２は、負のパワー及び物体側２０に向かって凹のメニスカスの形状を有する両非球面の単レンズ素子である。レンズ素子Ｅ３は、正のパワーを有する非球面の単レンズ素子である。この実施形態においては、レンズ素子Ｅ３の像側の表面が、非球面のものである。しかしながら、レンズ素子Ｅ３のいずれかの表面が、非球面のものであることができる。
開口絞り４０は、レンズ素子Ｅ１の物体側の表面から間隙を介して、位置させられる。あるいは、開口絞り４０を、レンズ素子Ｅ１の物体側の表面に位置させることができる。遮光板５０は、例えば、光口径食開口は、レンズ素子Ｅ１及びＥ２の間に位置させられる。あるいは、遮光板５０を、レンズ素子Ｅ１及びＥ２のいずれか又は両方の表面に位置決めすることができる。別の遮光板５０は、例えば、光口径食開口及び／又はグレア絞りは、レンズ素子Ｅ２の像側の表面に位置させられる。あるいは、この遮光板５０を、レンズ素子Ｅ２及びＥ３の間に、又は、レンズ素子Ｅ３の表面に、位置させることができる。
レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３は、各々、樹脂材料（例えば、プラスチック）から作られる。樹脂材料が、使用されるとき、その樹脂材料は、ガラス転移温度Ｔｇ＞３００°Ｆを有するタイプのものであることができる。また、ナノコンポジットの光学材料を、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３のいずれか一つ又は全てにおいて、使用することもできる。あるいは、レンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及び／又はＥ３を、非常に低い分散（例えば、アッベのＶ数Ｖｄ＞６５）の材料から作ることができる。
図１０及び表１０に記載した光学系１０は、少なくとも２５度の物体空間における半分の視野、ｆ／４未満の相対的な開口、及び、１．６０未満である最大の屈折率を有する。加えて、光学系１０は、条件Ｌ／ｆ０＜１．２５を満足するが、ここでＬは、その最も遠位の頂点からその像平面までの全体的な系の長さであると共にｆ０はそのレンズの有効焦点距離である。光学系１０は、１．２０未満のＬ／ｆ０の比を与える、約７．１３ｍｍである、開口絞り４０から感光性の受光器６０までの全体的な系の長さＬ及び約６．０ｍｍである、有効焦点距離ｆ０を有する。この例の実施形態は、少なくとも３０度の半視野を包含し、Ｆ／２．８又はより明るいものであり、その像の中央における照明のおおよそ５０％（又はより多い）である隅における相対的な照明を有し、４％未満の最大の歪曲の大きさを有し、且つ、その検知器の平面の法線に関して約２２度未満に、感光性の受光器１０又は検知器の平面における最大の主光線の角度を束縛する。
図１〜１０及び表１〜１０に逆戻りして参照すると、それぞれ、それら例の実施形態に記載した各々の球面のレンズ素子は、低い屈折率（Ｎｄ＜１．６）の材料から作られる。このようなものとして、各々の球面の素子を、光学系１０の他のレンズ素子が、（望まれたものであれば）不変のままである一方で、これらの素子に対する非常に軽微な湾曲の変化のみを備えた、いずれかの光学ガラス又は樹脂材料から作ることができる。これは、光学系１０について、例えば、二個のガラスの球面のレンズ素子及び一個のプラスチックのレンズ素子で、試作品を製造することを可能にする。そして、生産において、それら二個のガラスの球面のレンズを、他の光学素子に対する変化の無い及び実装のハードウェア（胴、スペーサーなど）に対する変化の軽微な又は無い球面のプラスチックの素子で交換することができる。
この様式において、製造業者は、最小限の付加的な費用のために、製品寿命におけるいずれの点においても、望まれるように、光学ガラス素子又はプラスチックの樹脂の素子のいずれかの特有の利益の使用をなす、光学系１０の実施形態の間で、切り替えることができる。一般に、ガラスについて、主要な利益は、１）より熱的に安定した設計、２）あまり高価でない試作品、及び３）生産することがより速い試作品であるであろう。プラスチックの樹脂については、主要な利益は、１）あまり高価でない大量生産の設計及び２）より軽い重量の設計であるであろう。
光学系１０の非球面を有するレンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及び／又はＥ３は、典型的には、樹脂材料から作られる。あるいは、これらの素子を、ガラスから作ることができる。しかしながら、費用の問題点は、これを妨げることもある。光学系１０の非球面の表面を有するレンズ素子Ｅ１、Ｅ２、及び／又はＥ３を、望まれるように、低い屈折率のガラス又は樹脂材料のいずれかから作ることができる。
適切な感光性の受光器６０は、例えば、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）及び相補型金属酸化物センサー（ＣＭＯＳ）を含む。加えて、上述した光学系１０は、約八ミリメートル未満の能動的な対角の寸法（active diagonal dimension）を有するこれらのタイプの感光性の受光器（センサー）と機能するように、適合させられる。あるいは、上述した光学系１０を、より大きい又はより小さい能動的な対角の寸法を有する感光性の受光器（センサー）と機能するように、拡大する又は縮小することのいずれかをすることができる。
上述した光学系１０は、多種多様なフィルム及び／又は電子的な結像の用途に向いている。光学系１０は、消費者の移動式の結像の用途、例えば、カメラが使用可能な携帯電話及び個人情報機器（ＰＤＡ）における使用に特に適切なものである。
図１１〜２０に示す焦点を通じたＭＴＦのプロットは、それぞれ、図１〜１０及び表１〜１０に描かれた実施形態についての多色性の（０．３５での４８６ｎｍ、１．００での５３８ｎｍ、及び、０．５０での５９７ｎｍ）ものである。それらＭＴＦのプロットを、３３線対／ｍｍについて示す。
本発明を、それのある一定の実施形態に対する特定の参照と共に、詳細に記載してきたが、しかし、変形及び変更を本発明の範囲内で遂げることができることは、理解されると思われる。
その光学系の第一の例の実施形態の概略的な断面図である。 その光学系の第二の例の実施形態の概略的な断面図である。 その光学系の第三の例の実施形態の概略的な断面図である。 その光学系の第四の例の実施形態の概略的な断面図である。 その光学系の第五の例の実施形態の概略的な断面図である。 その光学系の第六の例の実施形態の概略的な断面図である。 その光学系の第七の例の実施形態の概略的な断面図である。 その光学系の第八の例の実施形態の概略的な断面図である。 その光学系の第九の例の実施形態の概略的な断面図である。 その光学系の第十の例の実施形態の概略的な断面図である。 図１に示す実施形態についての焦点を通じたＭＴＦのプロットである。 図２に示す実施形態についての焦点を通じたＭＴＦのプロットである。 図３に示す実施形態についての焦点を通じたＭＴＦのプロットである。 図４に示す実施形態についての焦点を通じたＭＴＦのプロットである。 図５に示す実施形態についての焦点を通じたＭＴＦのプロットである。 図６に示す実施形態についての焦点を通じたＭＴＦのプロットである。 図７に示す実施形態についての焦点を通じたＭＴＦのプロットである。 図８に示す実施形態についての焦点を通じたＭＴＦのプロットである。 図９に示す実施形態についての焦点を通じたＭＴＦのプロットである。 図１０に示す実施形態についての焦点を通じたＭＴＦのプロットである。
符号の説明
１０ 光学系
１５ 光軸
２０ 物体側
３０ 像側
４０ 開口絞り
５０ 遮光板
６０ 感光性の受光器
７０ 付加的な素子
Ｅ１、Ｅ２、及びＥ３ レンズ素子
Ｒ１…ＲＮ 表面の半径
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Claims (28)

  1. 光学系であって、
    物体側から及び像側への順序で、
    正のパワー、メニスカスの形状、及び物体側の表面を有する第一のレンズ素子
    を含み、該第一のレンズ素子の該物体側の表面は、該物体側に向かって凸であり、
    当該光学系は、
    負のパワー、メニスカスの形状、及び物体側の表面を有する第二のレンズ素子
    を含み、該第二のレンズ素子の該物体側の表面は、該物体側に向かって凹であり、
    当該光学系は、
    正のパワーを有する第三のレンズ素子、並びに
    該第一のレンズ素子の物体側に位置決めされた開口絞り
    を含む光学系。
  2. 前記第一のレンズ素子は、単一である、請求項１に記載の光学系。
  3. 前記開口絞りは、前記第一のレンズ素子の前記物体側の表面に位置決めされる、請求項１に記載の光学系。
  4. 第一のレンズ素子と第二のレンズ素子との間に位置させられた光口径食開口をさらに含む、請求項１に記載の光学系。
  5. 前記第一のレンズ素子、前記第二のレンズ素子、及び前記第三のレンズ素子は、樹脂材料から作られる、請求項１に記載の光学系。
  6. 当該光学系は、有効焦点距離ｆ０、前記第一のレンズ素子の前記物体側の表面の頂点と空気に等価な後部焦点に位置させられた像平面との間の距離を定義する全長Ｌを有し、当該光学系は、条件Ｌ／ｆ０＜１．２０を満足する、請求項１に記載の光学系。
  7. 前記第一のレンズ素子は、アッベのＶ数Ｖｄ＞６５を有する材料から作られる、請求項６に記載の光学系。
  8. 当該光学系は、少なくとも２５度の物体空間における半分の視野を有する、請求項１に記載の光学系。
  9. 当該光学系は、ｆ／４未満の相対的な開口を有する、請求項１に記載の光学系。
  10. 前記レンズ素子の全ては、１．６０未満の屈折率を有する、請求項１に記載の光学系。
  11. 前記第一のレンズ素子は、アッベのＶ数Ｖｄ＞６５を有する材料から作られる、請求項１に記載の光学系。
  12. 前記レンズ素子の少なくとも一つは、ガラス転移温度Ｔｇ＞３００°Ｆを有する樹脂材料から作られる、請求項１に記載の光学系。
  13. 前記レンズ素子の少なくとも一つは、ナノコンポジットの光学材料から作られる、請求項１に記載の光学系。
  14. 前記第一のレンズ素子は、球面であり、前記第二のレンズ素子は、非球面であり、且つ、前記第三のレンズ素子は、球面である、請求項１に記載の光学系。
  15. 前記第一のレンズ素子は、球面であり、前記第二のレンズ素子は、両非球面であり、且つ、前記第三のレンズ素子は、球面である、請求項１に記載の光学系。
  16. 前記第一のレンズ素子は、ガラスから作られ、前記第二のレンズ素子は、樹脂材料から作られ、且つ、前記第三のレンズ素子は、ガラスから作られる、請求項１５に記載の光学系。
  17. 前記第一のレンズ素子は、ガラスから作られ、前記第二のレンズ素子は、樹脂材料から作られ、且つ、前記第三のレンズ素子は、樹脂材料から作られる、請求項１５に記載の光学系。
  18. 前記第一のレンズ素子は、樹脂材料から作られ、前記第二のレンズ素子は、樹脂材料から作られ、且つ、前記第三のレンズ素子は、ガラスから作られる、請求項１５に記載の光学系。
  19. 前記第一のレンズ素子、前記第二のレンズ素子、及び前記第三のレンズ素子は、樹脂材料から作られる、請求項１５に記載の光学系。
  20. 前記第一のレンズ素子は、非球面であり、前記第二のレンズ素子は、球面であり、且つ、前記第三のレンズ素子は、非球面である、請求項１に記載の光学系。
  21. 前記第一のレンズ素子は、樹脂材料から作られ、前記第二のレンズ素子は、ガラスから作られ、且つ、前記第三のレンズ素子は、樹脂材料から作られる、請求項２０に記載の光学系。
  22. 前記第一のレンズ素子、前記第二のレンズ素子、及び前記第三のレンズ素子は、樹脂材料から作られる、請求項２０に記載の光学系。
  23. 前記第一のレンズ素子は、非球面であり、前記第二のレンズ素子は、非球面であり、且つ、前記第三のレンズ素子は、球面である、請求項１に記載の光学系。
  24. 前記第一のレンズ素子は、樹脂材料から作られ、前記第二のレンズ素子は、樹脂材料から作られ、且つ、前記第三のレンズ素子は、ガラスから作られる、請求項２３に記載の光学系。
  25. 前記第一のレンズ素子、前記第二のレンズ素子、及び前記第三のレンズ素子は、樹脂材料から作られる、請求項２３に記載の光学系。
  26. 前記第一のレンズ素子は、非球面であり、前記第二のレンズ素子は、非球面であり、且つ、前記第三のレンズ素子は、非球面である、請求項１に記載の光学系。
  27. 前記第一のレンズ素子、前記第二のレンズ素子、及び前記第三のレンズ素子は、樹脂材料から作られる、請求項２６に記載の光学系。
  28. 像の表面の法線に関する空気における最大の主光線の角度は、２０°未満であり、主光線は、前記開口絞りの中心を通過する光線として定義される、請求項１に記載の光学系。
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