JP2008139644A - 光学系及びそれを有する光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 バックフォーカスが比較的長く、製造に対する敏感度が小さく、また組立が容易で、かつ画面中心から画面周辺に至るまで収差が良好に補正された小型の光学系及びそれを有する光学機器を得ること。
【解決手段】物体側から像側へ順に、像側が凹面でメニスカス形状の負の屈折力の第１レンズ、両レンズ面が凸面の正の屈折力の第２レンズ、両レンズ面が凹面の第３レンズ、正の屈折力の第４レンズを有する光学系であって、
該第１レンズと該第２レンズの間隔をＤ２、全系の焦点距離をｆ、該第１レンズの焦点距離をｆ１、該第２レンズの焦点距離をｆ２、とするとき、
０．３＜Ｄ２／ｆ＜０．４
１．４＜|ｆ１／ｆ２|＜２．７
なる条件を満足すること。
【選択図】 図１

Description

本発明は光学系及びそれを有する光学機器に関し、特にレンズ全長が短く、コンパクトでありながらバックフォーカスが比較的長く、かつ製造がし易い、例えばビデオカメラやデジタルカメラ等の光学機器に好適なものである。

近年、撮像素子を用いた小型のビデオカメラやデジタルカメラ等の撮像装置（光学機器）が種々と開発されている。このビデオカメラやデジタルカメラ等に搭載される光学系（レンズ系）として、例えば物体側（被写体側）から像側へ順に負、正、負、正レンズの４枚構成の光学系が知られている（特許文献１〜４参照）。

特許文献１の光学系は物体側が凸面でメニスカス形状の負の屈折力の第１レンズと、両レンズ面が凸面の正の屈折力の第２レンズと、両レンズ面が凹面の第３レンズと、像側の面が非球面形状の正の屈折力の第４レンズの４枚のレンズより成っている。

特許文献２の光学系は物体側から像側に順に、像側が凹面で負の屈折力の第１レンズと、絞りと、物体側が凸面で正の屈折力の第２レンズと、物体側が凹面で負の屈折力の第３レンズとを備えている。さらに像側が、近軸領域(中心領域)において像側に凸で、かつ、レンズ周辺に行くほど正の屈折力が弱くなるような非球面形状の第４レンズより成っている。

特許文献３の光学系は被写体側より像側に順に、被写体側が凸レンズでメニスカス形状の負の屈折力の第１レンズと、物体側が凸面の正の屈折力の第２レンズと、物体側が凹面の負の屈折力の第３レンズと、像側が凸面の正の屈折力の第４レンズより成っている。

特許文献４の光学系は物体側より像側に順に、像側が凹面の負の屈折力の第１レンズ群と、開口絞りと、正の屈折力の第２レンズと、両レンズ面が凹面の負の屈折力の第３レンズと、像側が凸面の正の屈折力の第４レンズより成っている。
特開２００３−１９５１６３号公報 特開２００３−３０７６７１号公報 特開２００４−５３８１３号公報 特開２００４−２４０１２３号公報

特許文献１の実施例では全系の焦点距離に比べて両レンズ面が凸面の第２レンズの厚みが大きく、レンズ系全体が大型化する傾向がある。

特許文献２の実施例１−１、１−２では全系の焦点距離に比べて、第１レンズと第２レンズの間隔が大きくレンズ全長が長くなり、さらに第１レンズの外径も大きくなるため、レンズ系全体の小型化が難しい。

また実施例２−１、２−２ではレンズ全長を短くする為に全系の焦点距離に比べ、第１レンズと第２レンズの間隔を近づけすぎている為、諸収差の補正が困難になり、諸収差を補正するために非球面を３面使用している。このため製造に対する敏感度が高くなっている。

特許文献３の実施例では諸収差を補正するために、非球面を５〜８面使用しており、製造に対する敏感度が高くなるため、製造が難しい。

特許文献４の実施例では最終レンズの両面を非球面形状にしている。このため製造に対する敏感度が高くなる場合がある。

本発明はバックフォーカスが比較的長く、製造に対する敏感度が小さく、また組立が容易で、かつ画面中心から画面周辺に至るまで収差が良好に補正された小型の光学系及びそれを有する光学機器の提供を目的とする。

本発明の光学系は、
物体側から像側へ順に、像側が凹面でメニスカス形状の負の屈折力の第１レンズ、両レンズ面が凸面の正の屈折力の第２レンズ、両レンズ面が凹面の第３レンズ、正の屈折力の第４レンズを有する光学系であって、
該第１レンズと該第２レンズの間隔をＤ２、全系の焦点距離をｆ、該第１レンズの焦点距離をｆ１、該第２レンズの焦点距離をｆ２、とするとき、
０．３＜Ｄ２／ｆ＜０．４
１．４＜|ｆ１／ｆ２|＜２．７
なる条件を満足することを特徴としている。

本発明の光学機器は、
上記の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する撮像素子を有することを特徴としている。

本発明によれば４枚のレンズ構成で簡易に組立可能で、沈胴長が短く、また前玉レンズが小さく、かつ画面中心から画面周辺に至るまで収差が良好に補正された小型の光学系及びそれを有する光学撮像機器を達成することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１のレンズ断面図、図２は本発明の実施例１の縦収差図である。図３は本発明の実施例２のレンズ断面図、図４は本発明の実施例２の縦収差図である。図５は本発明の実施例３のレンズ断面図、図６は本発明の実施例３の縦収差図である。図７は本発明の実施例４のレンズ断面図、図８は本発明の実施例４の縦収差図である。図９は本発明の実施例５のレンズ断面図、図１０は本発明の実施例５の縦収差図である。

尚、レンズ断面図において左方が物体側（被写体側）で、右方が像側である。

各レンズ断面図においてＧＢは光学系（レンズ系）である。本実施例の光学系ＧＢは物体側から像側へ順に、像側が凹面でメニスカス形状の負の屈折力の第１レンズＧ１、両レンズ面が凸面の正の屈折力の第２レンズＧ２、両レンズ面が凹面の負の屈折力の第３レンズＧ３、正の屈折力の第４レンズＧ４を有している。本実施例においては、上述のように４枚のレンズから構成される光学系のみを開示している。本発明の光学系は、光学的にパワーを持った部材（屈折レンズ、回折光学素子、凹面ミラー、凸面ミラー）としては、上述の４枚のレンズのみから構成されることが望ましい。勿論、絞りやフィルターや折り返しミラー（平面ミラー）等のように、光学的なパワーを持たない部材は含んでいても構わない。

ＳはＦナンバーを決定する絞り部材（開口絞り）であり、第１レンズＧ１と第２レンズＧ２の間または第２レンズＧ２と第３レンズＧ３の間に配置されている。

ＧＬは光学フィルター、フェースプレート、水晶ローパスフィルター、赤外カットフィルター等に相当する光学ブロックである。ＩＰは像面であり、ビデオカメラやデジタルスチルカメラの撮影光学系として使用する際にはＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）の撮像面に相当する感光面が置かれる。

尚、縦収差図においてＦｎｏはＦナンバー、ｙは像高、ｄはｄ線、ｇはｇ線、ＣはＣ線、ＦはＦ線の収差を示す。Ｍはメリディオナル断面、Ｓはサジタル断面の収差である。またＳ．Ａ．は球面収差、ＡＳは非点収差、ＤＩＳＴは歪曲収差である。

本実施例においては、第１レンズＧ１と第２レンズＧ２の間隔をＤ２、全系の焦点距離をｆ、該第１レンズＧ１の焦点距離をｆ１、該第２レンズＧ２の焦点距離をｆ２とする。このとき、
０．３＜Ｄ２／ｆ＜０．４ ‥‥‥(1)
１．４＜|ｆ１／ｆ２|＜２．７ ‥‥‥(2)
なる条件を満足している。

次に上記の各条件式(1)〜(２)の技術的意味について説明する。

条件式(1)、(2)は各々第１、第２レンズＧ１、Ｇ２の平行偏芯と傾き偏芯に対する敏感度の低減及びレンズの小型化に関する条件である。

条件式(1)の下限値を越えると第１レンズＧ１と第２レンズＧ２のレンズ間隔が狭まり、主に像面湾曲、歪曲収差、倍率色収差などの補正が困難になる。さらに画面中心から画面周辺に至るまで良好なる光学性能を保つことが難しくなる。また製造及び組立て等に対する敏感度が高くなり、製造及び組立て等が困難になってくる。

条件式(1)の上限値を超えると全系の焦点距離に対してレンズ全長が長くなり、レンズ系全体の小型化の妨げになる。また沈胴を考慮した場合、沈胴する際のストローク長が長くなるため、沈胴した際の平行及び傾きのずれ量が大きくなり、光学性能の劣化につながる。

条件式(2)の下限値を越えると第１レンズＧ１のパワー（屈折力）が強まり、敏感度が高くなり、製造及び組立て等が困難になる。また像面湾曲、非点収差等が多く生じてくる。また第１、第２レンズＧ１、Ｇ２をモールド成型する場合、曲率が大きくなり、製造が困難となる。また第１レンズＧ１または全体フォーカスをする際に至近のフォーカス性能が劣化する。

条件式(2)の上限値を超えると第２レンズＧ２のパワーが強まり、主に球面・コマ・非点収差の補正が困難になる。

尚、望ましくは上述の各条件式(1)〜(2)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．３２＜Ｄ２／ｆ＜０．３９７ ‥‥‥(1a)
１．５＜|ｆ１／ｆ２|＜２．６ ‥‥‥(2a)
また本実施例において、さらに望ましくは次の条件式(3)〜(8)のうち１以上を満足するのが良い。

即ち、第３レンズＧ３の焦点距離をｆ３、第４レンズＧ４の焦点距離をｆ４、第１レンズの像側の面の曲率半径をＲ２、第２レンズの物体側の面の曲率半径をＲ３、像側の面の曲率半径をＲ４、第３レンズの像側の面の曲率半径をＲ６、第２レンズＧ２の中心肉厚を
Ｌ２とする。このとき、
０.５＜｜ｆ３／ｆ４｜＜０.８５ ‥‥‥(3)
０.４＜Ｒ２／Ｒ３＜１.０ ‥‥‥(4)
０.２＜｜Ｒ３／Ｒ４｜＜０.８ ‥‥‥(5)
０.３５＜Ｒ２／Ｒ６＜０.６５ ‥‥‥(6)
−０.９＜ｆ４／ｆ１＜−０.３ ‥‥‥(7)
０.１＜Ｌ２／ｆ＜０.４ ‥‥‥(8)
なる条件を満足することである。

次に上記の各条件式(3)〜(8)の技術的意味について説明する。

条件式(3)は最終レンズ（第４レンズＧ４）からの光線の射出角を緩和するための条件である。

レンズ系全体を小型化していくと最終レンズから射出する光線の射出角が大きくなり、撮像素子に入射する角度が大きくなる。これにより周辺光量落ちや色シェーディングの問題が生じる。

条件式(3)の下限値を越えると第４レンズＧ４の正のパワーが強くなり、バックフォーカスが短くなりすぎ、撮像素子に入射する光線の角度がきつくなるので良くない。

条件式(3)の上限値を越えると第３レンズＧ３の負のパワーが強くなり、バックフォーカスが長くなりすぎ、レンズ系全体の小型化を図るのが困難になる。

条件式(4)は第１、第２レンズＧ１、Ｇ２の平行偏芯と傾き偏芯に対する敏感度の低減及びレンズの小型化に関する条件である。

条件式(4)の下限値を越えると第１、第２レンズＧ１、Ｇ２のパワー（屈折力）が強まり、敏感度が高くなり、製造及び組立て等が困難になる。また像面湾曲、非点収差等が多く生じてくる。また第１、第２レンズＧ１、Ｇ２をモールド成型する場合、曲率が大きくなり、製造が困難となる。また第１レンズＧ１または全体フォーカスをする際に至近のフォーカス性能が劣化する。

条件式(4)の上限値を超えるとレンズ全長及び前玉レンズ径が大きくなり、レンズ系全体が大型化してしまう。

条件式(5)は第２レンズＧ２の偏芯・傾き敏感度の低減、およびコマ収差を効果的に補正する条件式である。

条件式(5)の下限値を越えると第２レンズＧ２のＲ３面の曲率半径が小さくなり、相対的にＧ１レンズとの偏芯・傾きに対する敏感度が高くなるため、製造・組立が困難になる。

条件式(5)の上限値を越えると第２レンズＧ２のＲ４面の曲率半径が小さくなり、相対的にＧ３・Ｇ４レンズとの偏芯・傾きに対する敏感度が高くなるため、製造・組立が困難になる。

さらに、条件式(5)の範囲にすることで、第２レンズＧ２のＲ３面で発生するコマ収差を第２レンズＧ２のＲ４面で打ち消すことができる。

条件式(6)は第１、第３レンズＧ１、Ｇ３の製造及び組立て等に対する敏感度に関する条件である。

条件式(6)の下限値を越えると第３レンズＧ３の製造及び組立て等に対する敏感度が高くなり、製造や組み立て等が困難になる。条件式(6)の上限値を超えると第１レンズＧ１の製造及び組立て等に対する敏感度が高くなり、該第１レンズＧ１の沈胴などを考慮すると製造及び組立て等が困難になる。

条件式(7)は光線のレンズの小型化、射出角の緩和及び、歪曲・倍率色収差の補正に関する条件式である。

歪曲は主に第１レンズＧ１及び、第４レンズＧ４で補正を行っているが、条件式(7)の下限値を越えると第１レンズＧ１のパワーに比べて、第４レンズＧ４のパワーが強まり、歪曲・倍率色収差が大きくなる。さらに、光線の射出角も大きくなるため、色シェーディングの問題も生じる。条件式(7)の上限値を越えると第４レンズＧ４のパワーに比べて第１レンズＧ１のパワーが強まり、バックフォーカスが長くなるため、小型化の妨げになる。

条件式(8)は第２レンズＧ２の厚み（中心肉厚）に関する条件である。

条件式(8)の下限値を越えるとレンズの厚みが薄くなるため、コバ厚の確保が困難になるので良くない。また非点収差の補正が困難になる。

条件式(8)の上限値を超えるとレンズの厚みが厚くなり、レンズ系全体の小型化を図るのが困難になる。

また条件式(8)を満足すると条件式(1)との組み合わせにより、開口効率があがり、周辺光量を確保しやすくなるので良い。

尚、さらに望ましくは上述の各条件式(3)〜(8)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０.５＜｜ｆ３／ｆ４｜＜０.８３ ‥‥‥(3a)
０.４＜Ｒ２／Ｒ３＜０．９ ‥‥‥(4a)
０.２＜｜Ｒ３／Ｒ４｜＜０.７７ ‥‥‥(5a)
０.３８＜Ｒ２／Ｒ６＜０.６５ ‥‥‥(6a)
−０.８５＜ｆ４／ｆ１＜−０.３５ ‥‥‥(7a)
０.１＜Ｌ２／ｆ＜０.３８ ‥‥‥(8a)
絞り部材Ｓは数値実施例１、２、５では第２レンズＧ２と第３レンズＧ３の間に配置されている。これにより第１レンズＧ１を沈胴する場合、絞り部材Ｓを第２レンズＧ２の像側に配置できるため、カメラの沈胴長が短くなり、カメラのさらなる小型化を可能としている。

数値実施例３，４では絞り部材Ｓが第１レンズＧ１と第２レンズＧ２の間に配置されている。これにより射出角の緩和及び周辺光量の確保を容易としている。

上述のように、レンズ面の曲率やパワー（屈折力）を適切に設定することにより、負、正、負、正レンズの４枚構成で、小型で収差の小さい光学系を得ることができる。また、本実施例によれば、簡易に組立が可能で、かつ沈胴長が短く、また前玉レンズが小さく、さらに画面周辺まで収差が良好に補正された小型の光学系を得ることができる。更に、また光学系の開口効率が上がり、レンズ系の周辺光量を十分に多く確保できるため、比較的広画角な明るい光学系を得ることができる。

さらに各実施例では第１レンズＧ１と第２レンズＧ２の間隔を適切にすることにより、その間に反射面を持ったプリズム部材などを配置でき、光路を屈曲させれば、カメラの厚み方向（前後方向）のさらなる薄型化を図ることができる。

次に本発明の光学系を撮影光学系として用いたデジタルカメラ（光学機器）に適用した実施例を図１１を用いて説明する。

図１１において、２０はカメラ本体、２１は本発明の光学系によって構成された撮影光学系、２２はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系２１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光学変換素子）である。２３は固体撮像素子２２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリである。２４は液晶ディスプレイパネル等によって構成され、固体撮像素子２２上に形成された被写体像を観察するためのファインダである。

このように本発明の光学系をデジタルスチルカメラの撮影光学系に使用すれば、小型で高性能な撮像装置が実現できる。

次に本発明の実施例１〜５に対応する数値実施例１〜５を示す。各数値実施例においてｆは全系の焦点距離、ｆｎｏはＦナンバー、ｓｉ(ｉ=1〜10)はｉ番目の面、Ｒは曲率半径、ｄは空気間隔、Ｎｄは各レンズのｄ線における材料の屈折率、νdは各レンズの材料のアッベ数である。

数値実施例２、３、４における間隔の値が一部、負の値となっているが、これは物体側から順に各部材の位置を示したためである。

非球面形状は光軸方向にＸ軸、光軸と垂直な方向にＨ軸、光の進行方向を正としＲを近軸曲率半径、ｋをコーニック係数（円錐定数）、非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅとしたとき次の式で表される。またＥーｘは１０^ーｘを示す。

また、前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表１に示す。
（数値実施例１）

非球面係数
*8
ｋ -8.27514
Ａ -0.01202
Ｂ -0.002158
Ｃ -0.00043
Ｄ 5.28E-05
（数値実施例２）

非球面係数
*8
ｋ -8.12166
Ａ -0.01146
Ｂ 0.001554
Ｃ -0.00016
Ｄ 6.57E-06
（数値実施例３）

非球面係数
*8
ｋ -7.5115
Ａ -0.01032
Ｂ 0.001397
Ｃ -0.00012
Ｄ 5.61E-06
（数値実施例４）

非球面係数
*8
ｋ -4.30921
Ａ -7.5115
Ｂ -0.01032
Ｃ 0.001397
Ｄ -0.00012
（数値実施例５）

非球面係数
*8
ｋ -4.54564
Ａ -6.77419
Ｂ -0.00854
Ｃ 0.001004
Ｄ -0.00013

本発明の光学系の実施例１のレンズ断面図 本発明の実施例１に対応する数値実施例１の縦収差図 本発明の光学系の実施例２のレンズ断面図 本発明の実施例２に対応する数値実施例２の縦収差図 本発明の光学系の実施例３のレンズ断面図 本発明の実施例３に対応する数値実施例３の縦収差図 本発明の光学系の実施例４のレンズ断面図 本発明の実施例４に対応する数値実施例４の縦収差図 本発明の光学系の実施例５のレンズ断面図 本発明の実施例５に対応する数値実施例５の縦収差図 本発明の光学機器（撮像装置）の要部概略図

符号の説明

ＧＢ 光学系
Ｇ１ 第１レンズ
Ｇ２ 第２レンズ
Ｇ３ 第３レンズ
Ｇ４ 第４レンズ
Ｓ 絞り
ＧＬ 光学ブロック
ＩＰ 像面
Ｓ．Ａ． 球面収差
ＡＳ 非点収差
ＤＩＳＴ 歪曲収差
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
Ｍ メリディオナル像面
Ｓ サジタル像面
Y 撮像面の半対角長
Ｆｎｏ Ｆナンバー

Claims (6)

1. 物体側から像側へ順に、像側が凹面でメニスカス形状の負の屈折力の第１レンズ、両レンズ面が凸面の正の屈折力の第２レンズ、両レンズ面が凹面の第３レンズ、正の屈折力の第４レンズを有する光学系であって、
   該第１レンズと該第２レンズの間隔をＤ２、全系の焦点距離をｆ、該第１レンズの焦点距離をｆ１、該第２レンズの焦点距離をｆ２、とするとき、
   ０．３＜Ｄ２／ｆ＜０．４
   １．４＜|ｆ１／ｆ２|＜２．７
   なる条件を満足することを特徴とする光学系。
2. 前記第３レンズの焦点距離をｆ３、前記第４レンズの焦点距離をｆ４とするとき、
   ０．５＜|ｆ３／ｆ４|＜０．８５
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記第１レンズの像側のレンズ面の曲率半径をＲ２、前記第２レンズの物体側のレンズ面の曲率半径をＲ３とするとき、
   ０．４＜Ｒ２／Ｒ３＜１．０
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
4. 前記第２レンズの物体側と像側のレンズ面の曲率半径をＲ３、Ｒ４とするとき、
   ０．２＜｜Ｒ３／Ｒ４｜＜０．８
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学系。
5. 前記第１レンズの像側のレンズ面の曲率半径をＲ２、前記第３レンズの像側のレンズ面の曲率半径をＲ６とするとき、
   ０．３５＜Ｒ２／Ｒ６＜０．６５
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学系。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する撮像素子を有することを特徴とする光学機器。