JP2008033327A - 超小型撮像光学系 - Google Patents

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Abstract

【課題】超小型光学機器に適した超小型撮像光学系を提供する。
【解決手段】正の屈折力を有し両面が凸らんだ第１レンズ、負の屈折力を有し被写体側に凸らんだメニスカス形状の第２レンズ、正の屈折力を有し像側に凸らんだメニスカス形状の第３レンズ、および、負の屈折力を有する第４レンズとを含む。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レンズの屈折力に関して次の条件式２を満足する。［条件式１］ １．２＜ＴＬ／ｆ＜１．３［条件式２］ ０．６＜ｆ１／ｆ＜０．８ ここで、ＴＬ：開口絞りから像面までの距離 ｆ：全体光学系の有効焦点距離 ｆ１：第１レンズの焦点距離
【選択図】図１

Description

本発明は撮像光学系に関するものであって、より詳しくは移動通信端末機、ＰＤＡなどに搭載されたり、監視用カメラ、デジタルカメラなどに使用される超小型撮像光学系に関する。
一般的に移動通信端末機は、初期には通信手段としての機能のみ持っていた。ところが、その使用が増大するにつれカメラまたは画像の転送ないし通信などの様々なサービスが求められ、これによってその機能とサービスが発展し続けている。最近は、デジタルカメラ技術とモバイルフォン技術を融合した拡張された新しい概念の移動通信端末機、いわゆるカメラフォン（ｃａｍｅｒａ ｐｈｏｎｅまたはｃａｍｅｒａ ｍｏｂｉｌｅ ｐｈｏｎｅ）が脚光を浴びている。
特に、最近はカメラフォンに搭載される撮像光学系に対して小型／軽量化／低コスト化が強く求められると共に、ＣＣＤ（電荷結合素子）やＣＭＯＳ（相補形金属酸化膜半導体）などのイメージセンサのピクセルサイズ（ｐｉｘｅｌ ｓｉｚｅ）が徐々に小さくなるにつれ、このようなイメージセンサを使用する撮像光学系に対しても高い解像度が求められている。
また、このようなイメージセンサを使用する撮像光学系に対しても広い画角の必要性が増大しつつある。
そして、携帯電話などの小型機器に装着される撮像光学系は、小型化／低コスト化を満足させるため、できるだけレンズの枚数を減らすべきであるが、設計の自由度が落ちてしまい光学性能を満足することが困難である。
従って、高解像度と広い画角が具現できると共に小型化が可能な超小型撮像光学系が求められる。
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を用いるモバイルフォン用カメラなどの超小型光学機器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ナンバーは３．０程度、画角は６２度以上で、かつ高解像度を具現することができ、各種の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。
そして、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、製作が容易で大量生産が可能で、製造費用の少な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、各種の光学的特性に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べく、一側面として本発明は、正の屈折力を有し両面が凸らんだ第１レンズと、負の屈折力を有し被写体側に凸らんだメニスカス形状の第２レンズと、正の屈折力を有し像側に凸らんだメニスカス形状の第３レンズと、負の屈折力を有する第４レンズとを含み、光軸方向の寸法に対して次の条件式１を満足し、上記第１レンズの屈折力に対して次の条件式２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。
Figure 2008033327
好ましくは、上記の超小型撮像光学系は、上記第２レンズの屈折力に対して次の条件式３を満足し、第２レンズの形状に対して次の条件式４を満足し、上記第３レンズの屈折力に対して次の条件式５を満足し、上記第４レンズの屈折力に対して次の条件式６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）に対して次の条件式７を満足することが出来る。
Figure 2008033327
また好ましくは、上記第１レンズと第２レンズとの間に開口絞りが備えられることが出来る。
他の側面として本発明は、正の屈折力を有する第１レンズと、負の屈折力を有し被写体側に凸らんだメニスカス形状の第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、上記第２レンズの屈折力に対して次の条件式３を満足し、第２レンズの形状に対して次の条件式４を満足することを特徴とする超小型撮像光学系を提供する。
Figure 2008033327
好ましくは、上記超小型撮像光学系は、光軸方向の寸法に対して次の条件式１を満足し、上記第１レンズの屈折力に対して次の条件式２を満足し、上記第３レンズの屈折力に対して次の条件式５を満足し、上記第４レンズの屈折力に対して次の条件式６を満足することが出来る。
Figure 2008033327
また好ましくは、上記第１レンズと第２レンズとの間に開口絞りが備えられることが出来る。
本発明によると、ＣＣＤやＣＭＯＳなどのイメージセンサを用いたモバイルフォン用カメラなど超小型光学機器に適合し、３．０程度のＦナンバーと６２度以上の広い画角を有する超小型の撮像光学系を得ることが可能となる。
また、本発明によると屈折率とアッベ数の差が大きい第１レンズと第２レンズを用いて色収差を減少させ、第１レンズと第２レンズの屈折力を相対的に大きくして超小型化が可能であるという効果が得られる。
また、開口絞りの位置を屈折力が最も大きい第１レンズの後側に配置させることにより、レンズの公差敏感度を緩和させ、開口絞りにおける主光線角度（ｃｈｉｅｆ ｒａｙ ａｎｇｌｅ）を減らすことにより、歪曲補正に優れるという効果を得ることが可能となる。
また、各々の屈折面の曲率半径を調節して非球面を使用することにより、各種収差を最小化し高解像度、高鮮明度の画像を得ることが出来るという効果がある。
そして、多数のプラスチックレンズを使用することにより軽量化を図ることが出来ると共に、製作が容易であるため大量生産が可能で、製造費用が少ないという効果がある。
以下、本発明の好ましい実施例について添付の図面から詳しく説明する。
図１は、本発明による超小型撮像光学系の第１実施例を図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、説明のためやや誇張して図示され、特に、レンズ構成図から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ものでこの形状に限定されない。
図１に図示されたように、本発明による超小型撮像光学系は、正の屈折力を有し両面が凸らんだ第１レンズＬ１と、負の屈折力を有し被写体側に凸らんだメニスカス形状の第２レンズＬ２と、正の屈折力を有し像側に凸らんだメニスカス形状の第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、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との間に開口絞りＡＳが設けられる。
ここで、第１レンズＬ１、第３レンズＬ３及び第４レンズＬ４はプラスチック材質で形成され、第２レンズＬ２はガラス材質で形成されることが出来る。
一方、上記第４レンズＬ４と像面ＩＰとの間には赤外線フィルター、カバーガラスなどに対応する光学的フィルターＯＦが設けられる。
また、像面ＩＰはＣＣＤ、ＣＭＯＳなどのイメージセンサに該当する。
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て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の屈折力を第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て収差特性に優れ、高解像度、高鮮明度及び高画角が得られる光学系を提供する。
また、開口絞りの位置を屈折力が最も大きい第１レンズの裏側に配置することによりレンズの公差敏感度を緩和させ、開口絞りにおける主光線角度（ｃｈｉｅｆ ｒａｙ ａｎｇｌｅ）を減らすことにより歪曲補正に優れるという利点が得られる。
特に、非球面レンズを使用することにより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に優れた光学系を具現することが可能となる。
また、一部のレンズをプラスチック材質で形成することにより、非球面レンズを安価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７の作用効果について説明する。
Figure 2008033327
条件式１は、全体光学系の光軸方向の寸法を規定したもので小型化と収差補正に関する条件である。上記条件式１の上限を超えると、諸収差の補正の側面では有利であるが、全長が長くなり本発明の特徴である超小型という観点には反する。また、条件式１の下限を外れると全長が短すぎてしまい収差の補正及び適当なテレセントリック（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ）特性を満足し難く、製作公差が大きくなり光学系の性能が低下する。
Figure 2008033327
条件式２は、全体焦点距離に対する第１レンズＬ１の焦点距離比であって、第１レンズＬ１の屈折力（屈折力）を規定する。
条件式２の下限を外れると第１レンズＬ１の屈折力が大きくなり球面収差の補正が難しくなり、加工が困難となって公差に大きい影響を与える。
また、条件式２の上限を外れ第１レンズＬ１の屈折力が小さくなると小型化になれず色収差が大きくなる。
Figure 2008033327
条件式３は、全体焦点距離に対する第２レンズＬ２の焦点距離比であって、第２レンズＬ２の屈折力を規定する。
条件式３の上限を超えてｆ２が小さくなると（│ｆ２│が大きくなると）、色収差の補正が難しくなり光軸方向の寸法が大きくなって小型化に反する。逆に、条件式３の下限を外れｆ２が大きくなると（│ｆ２│が小さくなると）球面収差の補正が難しくなる。
Figure 2008033327
条件式４は、第２レンズＬ２の形状に関する条件である。
条件式４の上限を外れるとコマ収差及び非点収差の補正が難しくなり、下限を外れると曲率半径が小さくなり第２レンズＬ２をガラス材質で製作し難くなり製作公差の影響が大きくなり量産性に障害となる。
Figure 2008033327
条件式５は、全体焦点距離に対する第３レンズＬ３の焦点距離比であって、第３レンズＬ３の屈折力を規定する。
条件式５の下限を外れｆ３が小さくなると歪曲収差の補正が難しくなり、逆に上限を外れｆ３が大きくなるとテレセントリック特性を保持し難くなる。
Figure 2008033327
条件式６は、全体焦点距離に対する第４レンズＬ４の焦点距離比であって、第４レンズＬ４の屈折力を規定する。
条件式６の上限を超えてｆ４が小さくなると（│ｆ４│が大きくなると）、屈折力が小さくなり小型化の要求を満足させることが困難となる。逆に、条件式６の下限を外れｆ４が大きくなると（│ｆ４│が小さくなると）歪曲収差の補正が難しくなる。
Figure 2008033327
条件式７は色収差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さくなると色収差が大きくなり高画素の撮像光学系に適用することが難しくなる。
以下、具体的な数値実施例を通じて本発明について説明する。
以下の実施例１乃至３は何れも前述のように、正の屈折力を有し両面が凸らんだプラスチック材質の第１レンズＬ１と、負の屈折力を有し被写体側に凸らんだメニスカス形状を有するガラス材質の第２レンズＬ２と、正の屈折力を有し像側に凸らんだメニスカス形状を有するプラスチック材質の第３レンズＬ３と、負の屈折力を有するプラスチック材質の第４レンズＬ４とを含み、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との間に開口絞りＡＳが設けられる。また、上記第４レンズＬ４と像面ＩＰとの間には赤外線フィルター、カバーガラスなどに対応する光学的フィルターＯＦが備えられ、また像面ＩＰはＣＣＤ、ＣＭＯＳなどのイメージセンサに該当する。
以下の各実施例で使用される非球面は、公知の数学式１から得られ、円錐（Ｃｏｎｉｃ）定数Ｋ及び非球面係数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆに使用される「Ｅ及びこれに次ぐ数字」は１０の自乗を表す。例えば、Ｅ＋０１は１０１を、Ｅ−０２は１０−２を表す。
Figure 2008033327
 ［実施例１］
下記の表１は、本発明の第１実施例による光学系の数値例を示している。また、図１は本発明の第１実施例による超小型撮像光学系のレンズ構成図で、図２（ａ）乃至２（ｃ）は表１及び図１に図示された光学系の諸収差度を表し、図３は表１及び図１に図示された光学系のＭＴＦグラフである。
一方、以下の各実施例において非点収差度面の"Ｓ"はサジタル（ｓａｇｉｔｔａｌ）、"Ｔ"はタンゼンシャル（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）を表す。
また、以下の各実施例のＭＴＦグラフにおいてＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）はミリメートル当たりサイクルの空間周波数に依存し、光の最大強度（Ｍａｘ）と最小強度（Ｍｉｎ）との間に次の数学式２で定義される値である。
Figure 2008033327
即ち、ＭＴＦが１の場合が最も理想的でＭＴＦ値が減少すると解像度が落ちる。
第１実施例の場合、Ｆナンバー（ＦＮｏ）は３．０で、画角は６３度、第１レンズＬ１の被写体側面１から像面１２までの距離ＴＬは７．４０ｍｍ、光学系の有効焦点距離ｆは５．８８ｍｍ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はプラスチック材質からなる。
Figure 2008033327
表１において、＊は非球面を表し、第１実施例の場合第１レンズＬ１の被写体側と像側の屈折面１，２、第３レンズＬ３の被写体側と像側の屈折面６，７、第４レンズＬ４の被写体側と像側の屈折面８，９が非球面からなる。
数学式１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。
Figure 2008033327
 ［実施例２］
下記の表３は、本発明の第２実施例による光学系の数値例を示している。また、図４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構成図で、図５（ａ）乃至５（ｃ）は表３及び図４に図示された光学系の諸収差度を表し、図６は表３及び図４に図示された光学系のＭＴＦグラフである。
第２実施例の場合、Ｆナンバー（ＦＮｏ）は３．０で、画角は６３度、第１レンズＬ１の被写体側面１から像面１２までの距離ＴＬは７．３１３ｍｍ、光学系の有効焦点距離ｆは５．８８ｍｍ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はプラスチック材質からなる。
Figure 2008033327
表３において＊は非球面を表し、第２実施例の場合、第１レンズＬ１の被写体側と像側の屈折面１，２、第３レンズＬ３の被写体側と像側の屈折面６，７、第４レンズＬ４の被写体側と像側の屈折面８，９が非球面からなる。
数学式１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。
Figure 2008033327
 ［実施例３］
下記の表５は、本発明の第３実施例による光学系の数値例を示している。また、図７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構成図で、図８（ａ）乃至８（ｃ）は表５及び図７に図示された光学系の諸収差度を表し、図３は表５及び図７に図示された光学系のＭＴＦグラフである。
第３実施例の場合、Ｆナンバー（ＦＮｏ）は３．０で、画角は６３度、第１レンズＬ１の被写体側面１から像面１２までの距離ＴＬは７．３２４ｍｍ、光学系の有効焦点距離ｆは５．８８ｍｍ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はプラスチック材質からなる。
Figure 2008033327
表５において＊は非球面を表し、第３実施例の場合、第１レンズＬ１の被写体側と像側の屈折面１，２、第３レンズＬ３の被写体側と像側の屈折面６，７、第４レンズＬ４の被写体側と像側の屈折面８，９が非球面からなる。
数学式１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。
Figure 2008033327
以上の実施例を通じて図２、図５及び図７に図示されたように、諸収差の特性に優れた光学系が得られるということが確認できる。
一方、上記の実施例１乃至３に対する条件式１乃至７の値は次の表７の通りである。
Figure 2008033327
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７を満足していることが確認できる。
上記の実施形態の記載から明らかなように、下記超小型結像光学系が提供される。
正の屈折力を有し両面が凸らんだ第１レンズと、
負の屈折力を有し被写体側に凸らんだメニスカス形状の第２レンズと、
正の屈折力を有し像側に凸らんだメニスカス形状の第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レンズの屈折力に関して次の条件式２を満足することを特徴とする超小型結像光学系。
Figure 2008033327
また、上記超小型結像光学系は、下記の態様を採り得る。
即ち、上記超小型結像光学系において、第１レンズ、開口絞り、第２レンズ、第３レンズ、光学的フィルターおよび第４レンズは、被写体側から像側に向かってこの順序で配置されてよい。
本発明は、特定の実施例に関して図示し説明したが、当業界において通常の知識を有している者であれば添付の特許請求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内で本発明を様々に修正及び変更させることが出来ることを明らかにする。
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に図示された第１実施例の諸収差度を図示したもので、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲である。 図１に図示された第１実施例のＭＴＦグラフである。 本発明の第２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４に図示された第２実施例の諸収差度を図示したもので、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲である。 図４に図示された第２実施例のＭＴＦグラフである。 本発明の第３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７に図示された第３実施例の諸収差度を図示したもので、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲である。 図７に図示された第３実施例のＭＴＦグラフである。
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
ＯＦ 光学的フィルター
ＩＰ 像面
１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２ 面番号

Claims (10)

  1. 正の屈折力を有し両面が凸らんだ第１レンズと、
    負の屈折力を有し被写体側に凸らんだメニスカス形状の第２レンズと、
    正の屈折力を有し像側に凸らんだメニスカス形状の第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レンズの屈折力に関して次の条件式２を満足することを特徴とする超小型結像光学系。
    Figure 2008033327
  2. 前記第２レンズの屈折力に関して次の条件式３を満足し、第２レンズの形状に関して次の条件式４を満足することを特徴とする請求項１に記載の超小型撮像光学系。
    Figure 2008033327
  3. 前記第３レンズの屈折力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または２に記載の超小型撮像光学系。
    Figure 2008033327
  4. 前記第４レンズの屈折力に関して次の条件式６を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の超小型撮像光学系。
    Figure 2008033327
  5. 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７を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の超小型撮像光学系。
    Figure 2008033327
  6. 前記第１レンズと第２レンズとの間に開口絞りが備えられることを特徴とする請求項１または２に記載の超小型撮像光学系。
  7. 正の屈折力を有する第１レンズと、
    負の屈折力を有し被写体側に凸らんだメニスカス形状の第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、
    前記第２レンズの屈折力に関して次の条件式３を満足し、第２レンズの形状に関して次の条件式４を満足することを特徴とする超小型撮像光学系。
    Figure 2008033327
  8. 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レンズの屈折力に関して次の条件式２を満足することを特徴とする請求項７に記載の超小型撮像光学系。
    Figure 2008033327
  9. 前記第３レンズの屈折力に関して次の条件式５を満足し、前記第４レンズの屈折力に関して次の条件式６を満足することを特徴とする請求項７または８に記載の超小型撮像光学系。
    Figure 2008033327
  10. 前記第１レンズと第２レンズとの間に開口絞りが備えられることを特徴とする請求項７または８に記載の超小型撮像光学系。
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