JP2008542821A - コンパクトで軽量なデジタルカメラレンズ - Google Patents

Abstract

コンパクトで軽量な高機能レンズおよびその使用方法を提供する。一つの実施形態では、レンズは、第１の非球面を有するクラウンガラスと、クラウンガラスに光学的に結合され、第２の非球面を有する第１のフリントガラスと、クラウンガラスとフリントガラスとの間のエアギャップと、を含む。

Description

本発明は、概して、光学素子に関し、より詳細には、コンパクトで軽量なカメラレンズおよびその使用方法に関する。デジタルカメラレンズは、特に様々な用途に使用されており、該該用途としては、小型衛星用画像センサ、および携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）用の小型デジタルカメラなどの家庭用電化製品が挙げられるが、それらに限定されない。レンズは、典型的には、小型カメラおよびセンサの部品の中で、最も大きく最も重い部類に入り、およそ１４０ｇの重量のものもある。しかし、レンズの長さを短くしてサイズを低減する、またはガラス量を減らして質量を低下させると、典型的にはレンズ性能が悪影響を受け、例えば、ぶれなしでの画像生成能が低下する。したがって、高機能をも提供するコンパクトで軽量なレンズが、非常に望ましい。

概要
本発明は、コンパクトで軽量であるが高機能のレンズおよびその使用方法を提供する。一つの実施形態では、レンズは５つの光学素子を含み、それらの２つはゼロでない円錐定数を有する低次の非球面を含んでいる。開示された様々な実施形態を、サイズおよび重量の制限により、特にデジタルカメラでの使用に適合させてもよいが、このことは、限定とは解釈されない。

本発明の一つの実施形態によれば、光学レンズが提供され、該レンズは、第１の非球面を有するクラウンガラスと、前記クラウンガラスに光学的に結合され、第２の非球面を有する第１のフリントガラスと、前記クラウンガラスと前記フリントガラスとの間のエアギャップと、を含む。

一つの実施形態において、該レンズは、第１の非球面を有するクラウンレンズと、前記
クラウンレンズに光学的に結合された第１のフリントレンズと、前記第１のフリントレンズに隣接した開口絞りと、前記開口絞りに光学的に結合され、第２の非球面を有する第２のフリントレンズと、前記第２のフリントレンズに光学的に結合された第３のフリントレンズと、前記第３のフリントレンズに光学的に結合された結像レンズと、を含む。

本発明のさらに別の実施形態によれば、撮像方法が提供され、該方法は、画像源から、第１の非球面を有するクラウンガラス、次いでエアギャップ、次いで前記クラウンガラスに光学的に結合され、第２の非球面を有する第１のフリントガラスを介して光を送るステップと、前記第１の非球面、前記第２の非球面および前記エアギャップで色収差を制御するステップと、前記光を画像焦点面に向けるステップと、を含む。

有利なことに、本発明は、高機能を提供する非常にコンパクトで軽量なレンズを提供し、該レンズは多くの市販されている商用レンズよりも多くの光を集める。本発明は、衛星デジタルカメラまたは他の高精度デジタル写真、または工場機械の映像などのビデオ用途のためや、携帯電話およびＰＤＡなどの商用用途のために、優れた像を提供する。

本発明の範囲は、請求項によって規定され、それは参照することよってこの節に含めるものとする。当業者は、１つまたは複数の実施形態についての以下の詳細な説明を検討することによって、本発明のさらなる利点を認識するとともに、本発明の実施形態についてより完全に理解することができる。添付の図面を参照して、まずそれらを簡単に説明することとする。

本発明の実施形態およびそれらの利点は、以下の詳細な説明を参照することにより最もよく理解される。当然のことながら、同じ参照数字を使用して、１つまたは複数の図面に説明される同じ要素を特定する。同様に当然のことながら、図面は、必ずしも原寸に比例して描かれていない。

詳細な説明
本発明は、コンパクトで、軽量で、高機能なレンズ、およびその使用方法を提供する。一つの実施形態では、本発明のレンズは５つの光学素子を含み、それらの２つは円錐曲線を含んでいる。一つの実施例において、約４９ｍｍの長さ（焦点面へのレリーフを含む）および約６１ｇの（ガラスレンズ素子の）質量を有する３８ｍｍの絞りレンズは、速く（良好な集光）、ｆ／０．９で良好に作動し、ｆ／８で可視領域において回折限界であるように構成されてもよい。

図１は、本発明の一つの実施形態による光学レンズ１００（すなわち、光学系１００）の簡略化した側面図を示す。レンズ１００は、第２のレンズ群１０３（例えば、無彩色対（複レンズ））に光学的に結合され、スペース１０８によって隔てられた第１のレンズ群１０１（例えば、無彩色対（複レンズ））を含む。第１のレンズ群１０１と第２のレンズ群１０３との間には、系開口絞り１０６が設けられている。第２のレンズ群１０３には結像レンズ１１４が光学的に結合され、スペース１１３によって隔てられており、次いで、基準１１７、あるいは基準ＩＭＡによって示された結像焦点面に物体（図示せず）の画像が付与され、ここで、結像レンズ１１４およびＩＭＡは、スペース１１７によって隔てられている。本明細書において、用語「レンズ」としては１つまたは複数の光学素子が挙げられ、一方、用語「ガラス」は、特定のレンズ素子をいうことがある。

一つの実施例では、第１のレンズ群１０１は、クラウンレンズまたはガラス１０２およびフリントレンズまたはガラス１０４を含み、第２のレンズ群１０３は、フリントガラス１１０およびフリントガラス１１２を含む。レンズ群１０１、１０３の各第１のガラスの
前面（例えば、クラウンガラス１０２の前面１およびフリントガラス１１０の前面６）に、非球面の円錐表面が設けられて、スペース１０８（例えば、エアギャップ）と一緒に機能し、色収差に対する制御を維持する。このように、クラウンレンズ１０２および第１のフリントレンズ１０４は第１の無彩色対１０１を形成し、一方、第２のフリントレンズ１１０および第３のフリントレンズ１１２は、第２の無彩色対１０３を形成する。一つの実施例では、第１のレンズ群１０１のクラウンガラス１０２とフリントガラス１０４との間には、小さなエアギャップが存在するが、第２のレンズ群１０３のフリントガラス１１０およびフリントガラス１１２は「接合」されている。

クラウンレンズ１０２と第１のフリントレンズ１０４との間に配置された開口絞り１０６（つまり、系開口絞り）は、一実施例において、金属リング、または虹彩（市販のカメラにおいて利用可能なものに類似する）が挙げられ、それによって、光学系を介して送られた光線を制限し、光学系によって送られた光束量を規定するように機能する。一実施例において、開口絞り１０６の直径は、約３８ｍｍである。

一実施例において、結像レンズ１１４は、画像に最終視野平坦化効果をもたらし、別の面では、古典的なメニスカスレンズの機能に類似する最終画像を改良する（例えば、焦点距離を明確にし、合わせ、短くし、光行差を取り除く）。

レンズ１００を速く、コンパクトにするのに寄与する一態様は関係する素子の適切な間隔であり、該間隔は一実施例において、スペース１０８、１１３、１１５によって（例えば、空気または他のガスの媒体を介して）設けられたものであり、焦点面ＩＭＡに対してレンズを介しておおよそ一定の光線角度を維持し、およそ４５度の円錐状に先細になる。スペース１０８、１１３、１１５のいずれかが空気で満たされる場合、それらは、エアギャップと考えてもよい。非球面１、６も、色収差（色分散）のよりよい制御を可能にし、したがって、レンズ群１０１、１０３間でのガラスの減少（従って、質量の減少）を可能にする。レンズ１００はまた、第１のレンズ群１０１の後ろに系絞り１０６を含むように構成されており、これにより、実質的にすべての系素子の直径、したがって質量が減少する。

この実施形態では、２対のレンズが無彩色複レンズとして設けられ、他のレンズが特有の構成で設けられているが、当業者は、（図４〜６と関連して以下に検討するように）他のレンズを選定してもよく、特に、より大きな視野が望まれる場合、レンズを系に加えて／系から除いて、さらに画像を鮮明にしてもよいことが留意される。一実施例において、フリントガラスからの第２の非球面を設ける限り、第２のレンズ群は、２つの異なるフリントガラス（１つはフリントガラス、つまりクラウンガラスおよびフリントガラス）を含むことができる。典型的な無彩色レンズが、クラウンレンズおよびフリントレンズである一方、フリント−フリント対が、その形態が類似するので、この文書において、無彩色複レンズと称することもあることにも留意すべきである。

例えば、カリフォルニア州サンディエゴのゼマックスディベロップメントコーポレーションのＺＥＭＡＸ（登録商標）などの一般に市販されている光学設計ソフトウェアを、光学系１００内の個々の素子／群の個々の表面領域に対応する様々な特性（例えば、半径、厚み、ガラスの種類、直径、間隔、および表面が円錐状であるかどうか）について記載する場合の支援に使用してもよい。図１に示す例示の構成では、ＺＥＭＡＸソフトウェアは、表１に示すように、これらの表面特性を表す表面データを出力する。

表面ＯＢＪ（物体）に関する表面データは、画像化される物体（図示せず）に対応する。表面１、２および３、４に関する表面データは、第１のレンズ群１０１のクラウンガラス１０２およびフリントガラス１０４のそれぞれに対応する。表面ＳＴＯ（絞り）に関する表面データは、系絞り１０６に対応する。表面６、７、８に関する表面データは、第２のレンズ群１０３のフリントガラス１１０およびフリントガラス１１２に対応する。表面９、１０およびＩＭＡに関する表面データは、結像レンズ１１４および結像焦点面にそれぞれ対応する。

一実施例においては、上述するように、クラウンガラス１０２の表面１およびフリントガラス１１０の表面６は、それぞれ、ゼロでない円錐定数を有する低次の非球面を備えている。一実施例においては、表面１は楕円であり、表面６は双曲面であり、両方ともポジ型表面である。

エアギャップは、「ガラス」の欄の下の空白によって示すように、表面２と３の間、ＳＴＯと６、８、９の間、１０とＩＭＡの間に存在する。

一実施例において、表面データ概要における素子の厚みおよび素子体積データにおける素子の質量によって示すように、本発明は、３８ｍｍの絞りレンズ、約４９ｍｍの長さ（焦点面へのレリーフを含む）、および約６１ｇの（ガラスレンズ素子の）質量を有するレンズ系を提供し、それは、従来のレンズよりよりコンパクトで軽量である。このように、クラウンレンズ、第１のフリントレンズ、第２のフリントレンズ、第３のフリントレンズおよび結像レンズの質量は６２ｇ未満であり、第１の非球面と結像焦点面との距離は５０ｍｍ未満である。

表１に提示するような素子の形状、構成および定義を表わす特定の用語は、ＺＥＭＡＸマニュアルに記載の標準に従う。レンズとしては、クラウンガラスタイプＰＳＫ３およびフリントガラスタイプＳＦ１、ＬＡＦ２などのガラス、およびゼネラルエレクトリック社から市販されているＬｅｘａｎ（登録商標）などの光学プラスチックが挙げられるが、これらに限定されず、様々な適用可能な材料で構成されてもよい。個々の素子／群に関する他の表面データ値は、本開示に照らして当業者に明らかになり、したがって、光学系１００内の個々の素子／群の全体的な構成および位置決めに依存する慣例的な実験、および望まれる画質によって決定されてもよい。

図２、３は、本発明の実施形態による、ｆ／０．８７およびｆ／２．４での、図１の光学レンズ１００の一実施例の変調伝達関数（ＭＴＦ）をそれぞれ示す。ＭＴＦは、レンズ、フィルムなどが、画像中の細部を再生することができる範囲の指標である。ＭＴＦは、電気系での周波数特性の空間的アナログであるとみなしてよい。

点広がり関数の２次元のフーリエ変換は、光学的伝達関数（ＯＴＦ）として知られている。任意の半径に沿ったこの関数の値は、同じ方向の線広がり関数のフーリエ変換である。ＭＴＦは、線広がり関数のフーリエ変換の絶対値である。

同様に、レンズのＭＴＦは、空間周波数の関数として、正弦波状に変化する明るさで、物体の相対的物体コントラストで除される相対画像コントラストの比率である。理想的なレンズ（必然的な回析の影響を無視する）に関するＭＴＦは、すべての点および方向において、０から無限大までの空間周波数に関して定数１である。実際のレンズについては、典型的な光学系のＭＴＦが、画像の端でより悪く、中心で最良である状態で、約１からスタートし、空間周波数が増加するとともに減少する。

線２０１、３０１は、典型的な７μｍのピクセルを有する（例えば、現在の衛星カメラの）検知器に関する近似サンプリング範囲（カットオフ）を示す。グラフのＸ軸は画像高さであり、各ラインは実線がある範囲を横切り、破線が別の範囲を横切る状態で、異なる空間周波数にある。図２、３は、ｆ／０．８７およびｆ／２．４に関して、１０、２０、３０および６０ライン対（１ｐ）／ｍｍでのＭＴＦをそれぞれ示す。

有利なことに、本発明は、優れた性能特性を有するコンパクトで軽量なレンズを提供する。一実施例において、本発明は、自律宇宙船（例えば、非常に小さなナノスケールの衛星の新しい種類における電気光学系）用の小さく軽量のセンサと共に使用して、品質管理などの工場機械の映像用途で、一般消費者カメラ、携帯電話およびＰＤＡなどの商用用途で、およびロボット用途で、空間内の他の物体を決定してもよい。

以下、図４、５、６、追加の実施形態を参照して、光学レンズを本発明に従って示す。
図４は、クラウンガラス４０２およびフリントガラス４０４を含む第１のレンズ群を含むレンズ４００を示す。フリントガラス４０４に隣接して開口絞り４０６が設けられている。第２のレンズ群は、フリントガラス４０８およびフリントガラス４１０を含む。第２のレンズ群に、結像レンズ４１２が光学的に結合され、物体（図示せず）の画像は、次い
で、基準１１７、あるいは基準ＩＭＡによって示された結像焦点面に付与される。図４に示す例示の構成では、ＺＥＭＡＸソフトウェアは、表２に示すように、これらの表面特性を表す表面データを出力する。

図５は、クラウンガラス５０２およびフリントガラス５０４を含む第１のレンズ群を含むレンズ５００を示す。フリントガラス５０４に隣接して開口絞り５０６が設けられている。第２のレンズ群は、フリントガラス５０８を含む。第２のレンズ群（つまり、フリントガラス５０８）に、結像レンズ５１０が光学的に結合されており、物体（図示せず）の画像は、次いで、基準ＩＭＡによって示された結像焦点面に付与される。図５に示す例示の構成では、ＺＥＭＡＸソフトウェアは、表３に示すように、これらの表面特性を表す表面データを出力する。

図６は、クラウンガラス６０２およびフリントガラス６０４を含む第１のレンズ群を含むレンズ６００を示す。フリントガラス６０４に隣接して開口絞り６０６が設けられている。第２のレンズ群は、フリントガラス６０８およびクラウンガラス６１０を含む。第２のレンズ群に結像レンズ６１２が光学的に結合されており、物体（図示せず）の画像は、次いで、基準ＩＭＡによって示された結像焦点面に付与される。図６に示す例示の構成では、ＺＥＭＡＸソフトウェアは、表４に示すように、これらの表面特性を表す表面データを出力する。

表２、３、４に提示される素子の形状、構成および定義を表わす特定の用語は、ＺＥＭＡＸマニュアルに記載の標準に従う。レンズとしては、クラウンガラスタイプＰＳＫ３およびフリントガラスタイプＳＦ１、ＬＡＦ２などのガラス、およびゼネラルエレクトリック社から市販されているＬｅｘａｎ（登録商標）などの光学プラスチックが挙げられるが、これらに限定されず、様々な適用可能な材料で構成されてもよい。個々の素子／群に関する他の表面データ値は、本開示に照らして当業者に明らかになり、したがって、光学系４００、５００、６００内の個々の素子／群の全体的な構成および位置決めに依存する慣例的な実験、および望まれる画質によって決定されてもよい。数字１〜１０、ＳＴＯおよびＩＭＡで、表面を参照した。

上記の実施形態は、本発明を説明するが、限定しない。また、多くの修正および変形が、本発明の原則に従って可能であることも理解されるべきである。例えば、多かれ少なかれ、レンズまたは、傾斜の変化または調整、またはレンズまたはほかの素子のセンタリングを、所望の画質に従って行なってもよい。従って、本発明の範囲は、以下の請求の範囲によってのみ定められる。

本発明の実施形態による光学レンズの簡略化した側面図を示す。 本発明の実施形態によるｆ／０．９での光学レンズの変調伝達関数（ＭＴＦ）を示す。 本発明の実施形態によるｆ／２．４での光学レンズの変調伝達関数（ＭＴＦ）を示す。 本発明の実施形態による光学レンズの異なる実施形態を示す。 本発明の実施形態による光学レンズの異なる実施形態を示す。 本発明の実施形態による光学レンズの異なる実施形態を示す。

Claims (20)

1. 第１の非球面を有するクラウンレンズと、
   前記クラウンレンズに光学的に結合され、第２の非球面を有する第１のフリントレンズと、
   前記クラウンレンズと前記フリントレンズとの間のエアギャップと、を含む、光学レンズ。
2. 前記クラウンレンズに光学的に結合されて無彩色対を形成する第２のフリントレンズをさらに含む、請求項１のレンズ。
3. 前記クラウンレンズと前記第１のフリントレンズとの間に開口絞りをさらに含む、請求項１のレンズ。
4. 前記第１のフリントレンズの表面に結合されて無彩色対を形成する第２のフリントレンズをさらに含む、請求項１のレンズ。
5. 前記第１のフリントレンズの表面に結合された第２のクラウンレンズをさらに含む、請求項１のレンズ。
6. 前記第２のフリントレンズに光学的に結合された結像レンズをさらに含む、請求項４のレンズ。
7. 前記第２のフリントレンズと前記結像レンズとの間に第２のエアギャップをさらに含む、請求項６のレンズ。
8. 前記結像レンズと結像焦点面との間に第２のエアギャップをさらに含む、請求項６のレンズ。
9. 質量が６２ｇ未満であり長さが５０ｍｍ未満である、請求項１のレンズ。
10. 第１の非球面を有するクラウンレンズと、
    前記クラウンレンズに光学的に結合された第１のフリントレンズと、
    前記第１のフリントレンズに隣接した開口絞りと、
    前記開口絞りに光学的に結合され、第２の非球面を有する第２のフリントレンズと、
    前記第２のフリントレンズに結合された第３のフリントレンズと、
    前記第３のフリントレンズに光学的に結合された結像レンズと、を含む、光学レンズ。
11. 前記クラウンレンズと前記第１のフリントレンズは、第１の無彩色対を形成し、前記第２のフリントレンズと前記第３のフリントレンズは、第２の無彩色対を形成する、請求項１０のレンズ。
12. 前記開口絞りは、前記クラウンレンズと前記第１のフリントレンズとの間にある、請求項１０のレンズ。
13. 前記開口絞りの直径は、約３８ｍｍである、請求項１０のレンズ。
14. 前記第３のフリントレンズは、前記第２のフリントレンズの表面に接合されている、請求項１０のレンズ。
15. 前記クラウンレンズ、前記第１のフリントレンズ、前記第２のフリントレンズ、前記第３のフリントレンズおよび前記結像レンズの質量は、６２ｇ未満である、請求項１０のレンズ。
16. 前記開口絞りと前記第２のフリントレンズとの間の第１のエアギャップと、
    前記第３のフリントレンズと前記結像レンズとの間の第２のエアギャップと、
    前記結像レンズと結像焦点面との間の第３のエアギャップと、をさらに含む、請求項１０のレンズ。
17. 前記第１の非球面と前記結像焦点面との距離は、５０ｍｍ未満である、請求項１６のレンズ。
18. 画像源から、第１の非球面を有するクラウンレンズ、次いでエアギャップ、次いで前記クラウンレンズに光学的に結合され、第２の非球面を有する第１のフリントレンズを介して光を送るステップと、
    前記第１の非球面、前記第２の非球面および前記エアギャップで色収差を制御するステップと、
    前記光を画像焦点面に向けるステップと、を含む、撮像方法。
19. 前記画像源からの光を、前記クラウンレンズに光学的に結合された第２のフリントレンズおよび前記第１のフリントレンズに光学的に結合された第３のフリントレンズを介して送るステップをさらに含む、請求項１８の方法。
20. 前記画像源からの光を、前記第３のフリントレンズに光学的に結合された結像レンズを介して送るステップをさらに含む、請求項１９の方法。

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