JP2009031696A - 撮影レンズユニット、撮影装置および携帯端末 - Google Patents

Abstract

【課題】撮影レンズユニットを構成する各レンズ厚みをプラスチックレンズ製造上の限界の範囲以下にすることなく、光学性能の低下を抑制しつつ、一層の低背化を達成しうる撮影レンズユニットを供給する。
【解決手段】撮影レンズユニットは、図５（ａ）に示すように、物体側から像側に向かって順に、第１レンズＬ１、絞り、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、カバーガラスＣＧ等により構成されている。図５（ｂ）に示すように、第１レンズＬ１は物体側の面が物体側に凸状であり、像側の面が像側に凸状である。第２レンズＬ２は像側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズである。また、第３レンズＬ３は物体側の面が光軸近傍で物体側に凸状であるとともに周辺部に向かうに連れて物体側に凹状であり、かつ、像側の面が光軸近傍で像側に凹状であるとともに周辺部に向かうに連れて像側に凸状である非球面レンズである。
【選択図】図５

Description

本発明は、撮影レンズユニットに係り、詳しくは小型の撮影装置への搭載に適した撮影レンズユニットに関する。また、撮影装置および携帯端末に関する。

撮影装置の小型化に伴い、撮影レンズユニットの小型化の要請が大きくなっている。特に撮影装置が携帯端末に搭載されることが一般化し、携帯端末の厚みにあわせるため極度に光軸方向に小型化すること、即ち大きく低背化することが求められている。低背化のためには撮影レンズユニットを構成するレンズ枚数を減らすことが有効であるが、1枚または２枚のレンズ構成では、収差の補正が十分にできないため、光学特性が不十分となりやすい。そこで、光学特性の低下を抑制しつつ低背位を可能とする技術として物体側から見て１つ目および２つ目のレンズにメニスカス形状のレンズを用いた３枚構成の撮影レンズユニットが提案されている（例えば、特許文献１または特許文献２等）。
特開２００６−１５４７６７号公報 特開２００６−３０１４０３号公報

ところで、限られた枚数のレンズにより収差を補正するため、撮影レンズユニットを構成する各レンズは収差が生じにくい非球面レンズを使用することが好ましい。かかる非球面レンズは、ガラスで製造することが困難であるため、通常プラスチックを射出成形して製造される。射出成形においては強度を維持するため、レンズの厚みに制限があり、極端に薄いプラスチックレンズは製造することができない。

一方、携帯端末が薄型化するに連れて、携帯端末に備えられる撮影装置の低背化要請も一層強くなっている。かかる要請に対応すべく、特許文献１または特許文献２の技術を用いて、一層の低背化を実現するためには、撮影レンズユニットを構成する各レンズを一層小型化することが必要となるが、上述したように、プラスチックレンズを薄くすることには製造工程上の限界がある。

本発明はかかる実情に鑑みて成されたもので、撮影レンズユニットを構成する各レンズ厚みをプラスチックレンズ製造上の限界の範囲以下にすることなく、光学性能の低下を抑制しつつ、一層の低背化を達成しうる撮影レンズユニットを供給すること等を目的とする。

本発明にかかる撮影レンズユニットは、物体側から像側に向かって順に配列された、物体側の面が物体側に凸状であり、像側の面が像側に凸状である第１レンズと、開口絞りと、像側に凸面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、物体側の面が光軸近傍で物体側に凸状であるとともに周辺部に向かうに連れて物体側に凹状であり、かつ、像側の面が光軸近傍で像側に凹状であるとともに周辺部に向かうに連れて像側に凸状である第３レンズとを配置したことを特徴とする。

上記構成によると、第１レンズは像側の面が像側に凸状であるため、従来のメスニカス形状の第１レンズに較べ同一レンズ厚であっても、開口絞りの位置を物体側に寄せることができる。そのため開口絞りから結像面までの距離を大きくとることが可能となるため、同一背位の従来のレンズユニットに較べ、光学性能を高めることができる。

本発明にかかる撮影レンズユニットは、第１レンズが樹脂材料により形成されていることが好ましい。第１レンズが樹脂材料により形成されているため、射出成型により容易かつ安価に第１レンズ形状を作成できる。なお、射出成型のため光学有効径の外側部分の厚みを確保してしても、第１レンズを上述の特定形状とすることにより、光学性能の低下を抑制しつつ低背化が可能となる。

本発明にかかる撮影レンズユニットは、第１レンズの物体側の面および像側の面が非球面形状であることが好ましい。第１レンズの物体側の面および像側の面が非球面形状とすることにより限られた枚数のレンズにより収差を抑制することができる。

本発明にかかる撮影装置は、上述の撮影レンズユニットと、同撮影レンズユニットによって形成された光学像を電気的信号に変換する映像素子とを備える。

本発明にかかる携帯端末は、上述の撮影装置を備える。

本発明によれば、第１レンズの形状を変えることにより、光学性能の低下を抑制しつつ一層の低背化を達成できる撮影レンズユニットを供給することができる。

以下、本発明を具体化した携帯端末の一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。

図１に示すように、本実施形態にかかる携帯端末はヒンジＨを中心に折り畳む構成の電話である。図１は折り畳んだ状態を示す図であり前面には撮影装置５０が設けられている。図２（ａ）は、この携帯端末を開いて表示部２３、操作部２４を前面にした図である。図２（ｂ）は、開いた携帯端末を背面から見た図である。この状態で撮影装置５０を撮影したい対象に向けてシャッターボタンを操作することにより、対象物を撮影することができる。

図３のブロック図には、携帯端末の構成が示されている。携帯端末は、通話部１１と機能制御部２１と撮影装置５０から構成されている。通話部１１は、マイク１２とスピーカ１３と無線部１４とから構成されており、無線部１４は、アンテナ、送受信回路、変復調回路、圧縮伸長回路、音声コーデック等を含んでおり、無線部１４を介してマイク１２から入力された音声を音声信号として送信し、通話の相手方の音声信号を受信してスピーカ１３に出力する。

表示部２３、操作部２４は、携帯端末における通話のための表示および操作の他に、インターネット網を介したデータ通信のための操作および表示にも使用される。操作部２４は、通話時に電話番号入力をするため、また、電子メールをはじめとするインターネット網を介した各種のデータ通信サービスを利用するために所望の文字列を入力するために使用される。表示部２３は液晶表示ユニット（ＬＣＤユニット）で構成され、撮影装置５０において撮影した画像や通信により取得した画像を表示するためにも使用される。

操作部２４には、通話キー２４１、シャッターキー２４２、機能選択キー２４３、テンキー２４５が設けられ、通話時にはテンキー２４５を操作して電話番号を入力し、通話キー２４１を操作すると発信できる。また、テンキー２４５には英文字、カタカナ、ひらがなの文字が割り当てられ、図示していない英数カナ変換制御部により文字コード変換が行われる。文字コード変換は、入力モードが英数カナあるいはかな漢字変換モードであるかによりそれぞれ操作されたキーに応じた入力文字コードに変換される。機能選択キー２４３は携帯端末の所定の機能を有効にするキーであり、メーカー、機種によりこのキーに割当てられる機能は異なる。

シャッターキー２４２が操作されると、主制御部２２および撮影装置制御部２９を介して、撮影装置５０によって画像が撮影される。撮影された画像は撮影装置制御部２９および主制御部２２を介して画像データとして一時記憶装置２５に保存された後、必要に応じて、再び主制御部２２を介して表示部２３に表示されたり、図示しない外部記憶装置に保存されたり、更に無線部１４を介して外部に通信されたりする。

図４に示すように携帯端末が備える撮影装置は、基板上にＣＣＤ（charged coupled device）センサやＣＭＯＳ（complementary metal-oxide-semiconductor）センサ等の撮影素子５３が固定されているとともに、略円筒状のベース２（５６）を介してカバーガラスＣＧが固定されている。このベース２（５６）には略円筒状であるとともに内周面に雌螺子を有するベース１（５５）が物側に突出する状態で設けられている。更に、略有底円筒状であるとともにベース２（５６）の雌螺子に対応する雄螺子を外周面に有する鏡筒５１が、底部を物側に向けてベース２（５６）にねじ込み固定されている。なお、鏡筒５１の底部中央部には円形の貫通孔があけられている。

同貫通孔に光学有効径部分をはめ込む態様で、第１レンズＬ１が鏡筒５１の底部の内平面に固定されている。すなわち第１レンズＬ１の光学有効径の外側（以後周辺部とする）が鏡筒５１の底部内平面にＵＶ硬化樹脂等により固着されている。この第１レンズＬ１の像側には絞りＳがＵＶ硬化樹脂等により固着され、更に像側に向かって、第２レンズＬ２、スペーサー５２を介して第３レンズＬ３が同様に固着されている。なお、この撮影装置は鏡筒５１がベース１（５５）にねじ込み固定されているため、ねじ込み量を調節することにより、鏡筒５１と撮影素子５３との距離が調整でるとともに、鏡筒５１内の第１レンズＬ１〜第３レンズＬ３を含む撮影レンズユニットと撮影素子５３との距離を調整すること、すなわちピント合わせをすることができる。

この撮影レンズユニットによって撮影素子５３の表面である結像面５４に結像された画像は撮影素子５３においてデジタルデータに変換されたのち、上述のように、撮影装置制御部２９を介して主制御部２２において画像データとして処理される。

更に図５（ａ）（ｂ）を用いて撮影レンズユニットを詳説する。この図５（ａ）（ｂ）においては説明の簡略化のため、レンズについてはその光学有効径の部分のみ図示する。また以降の図についても同様である。撮影レンズユニットは、上述のように、物体側から像側に向かって順に、第１レンズＬ１、絞りＳ、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、カバーガラスＣＧ等により構成されている。また、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３はいずれも樹脂材料を射出成型して形成したプラスチックレンズであるとともに、非球面レンズである。図５（ｂ）に示すように、第１レンズＬ１は物体側の面が物体側に凸状であり、像側の面が像側に凸状である。

ここでレンズの幅は、物体側に最も近い点と像側に最も近い点との差で示される。従来、第１レンズは物体側に凸のメニスカス形状であったため、物体側に最も近い点である、物体側の面における凸状の頂点の位置と、像側に最も近い点である、レンズの端部の像側の位置との差が第１レンズの幅ｄ１となっていた。本実施形態においては像側の面が像側に凸状であるため、レンズの端部の像側の位置は従来に比べ物体側に後退し、像側の凸状の頂点が像側に最も近い点となっている。その結果、本実施形態における第１レンズの幅ｄ２は従来の第１レンズの幅ｄ１より小さくすることが可能となった。そのため絞りＳもより物体側に設けることが可能となった。

第２レンズＬ２は像側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズである。また、第３レンズＬ３は物体側の面が光軸近傍で物体側に凸状であるとともに周辺部に向かうに連れて物体側に凹状であり、かつ、像側の面が光軸近傍で像側に凹状であるとともに周辺部に向かうに連れて像側に凸状である非球面レンズである。第１レンズを透過した光は第２レンズＬ２および第３レンズＬ３を透過することにより収差を補正され、カバーガラスＣＧを透過後に結像面５４に集光し、結像する。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）上記実施形態では、第１レンズＬ１は物体側の面が物体側に凸状であり、像側の面が像側に凸状である。そのため本実施形態における第１レンズの幅ｄ２は従来の第１レンズの幅ｄ１より小さい。そのため絞りＳをより物体側に設けることが可能となった。従って第１レンズの最も像側の位置から結像面５４までの距離（以下、全長とする）が同じであるならば、絞りＳから結像面５４までの距離を従来より長くすることができるため、収差補正が容易となり、光学性能が向上する。従って、光学性能の低下を抑制しつつ低背化を一層進めた撮影レンズユニットとすることが可能となる。

（２）上記実施形態では、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３はいずれも樹脂材料を射出成型して形成したプラスチックレンズであるため、射出成型により容易かつ安価に製造できる。また、レンズユニット全体の軽量化も容易である。

（３）上記実施形態では、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３はいずれも非球面レンズであるため、3枚のレンズであっても収差の補正が一層容易となり、光学性能の低下を抑制しつつ低背化を一層進めた撮影レンズユニットとなる。

（４）上記実施形態では、光学性能の低下を抑制しつつ低背化を一層進めた撮影レンズユニットを用いることにより、より低背化を進めた撮像装置を供給することができる。

（５）上記実施形態では、より低背化を進めた撮像装置を用いることにより、より低背化を進めた携帯端末を供給することができる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施形態では、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３はいずれも非球面レンズであるが、同等の光学特性を維持できるのであれば、すべてを非球面レンズとする必要はない。製造容易な球面レンズを一部使用することにより、コストダウンに資する。

・上記実施形態では、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３はいずれも樹脂材料により形成されたプラスチックレンズであるが、必須ではない。同等の光学特性を維持であれば、ガラスモールド非球面レンズでもよい。

・上記実施形態において第３レンズＬ３と結像面５４との間にカバーガラスＣＧを備えたが、必須ではない。また、カバーガラスＣＧに替えて、あるいはカバーガラスＣＧに加えて、赤外線をカットするフィルター等を備えても良い。

・上記実施形態においては、ＣＣＤセンサもしくはＣＭＯＳセンサで構成される撮影素子５３を使用することにより、撮影装置５０をデジタル方式としたが、撮影素子５３として光学フィルムを使用することにより、銀塩写真用の撮影装置としてもよい。

・また、上記実施形態においては、撮影装置５０を携帯端末に使用したが、通常のカメラやパーソナルコンピュータに使用しても良い。また、静止画のみでなく、動画撮影用として使用しても良い。

図６（ａ）は上記実施の形態にかかる撮影レンズユニットの光軸を含む面における断面図である。この撮影レンズユニットを構成する光学部材の数値データを以下に示す。
画角 対角：６３．８° 水平：５３．０° 垂直：４１．０°
全系焦点距離：２．９０ｍｍ バックフォーカス：１．０８
レンズ全長 ：３．３０ｍｍ 有効像高：Φ３．６ｍｍ

レンズデータを表1にしめす。ただし表１において各面の番号ｉは第１レンズの物体側の面を第１面とし、像側に向かって順に振っている。Ｒｉは各面における曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の面間隔、ｎｄは屈折率、νｄはアッベ数を示す。

非球面形状は以下の式で示される。

ただし、式（１）において光軸方向をｚ軸とし、Ｒは曲率半径、Ｈ光軸と直交する方向の高さ、Ｋはコーニック定数、Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２，Ａ１４はそれぞれ４次，６次，８次，１０次，１２次，１４次の非球面係数である。

各面における非球面係数は以下に示す表２の通りである。

〔比較例１〕

図６（ｂ）は上記実施の形態にかかる撮影レンズユニットの光軸を含む面における断面図である。この撮影レンズユニットを構成する光学部材の数値データを以下に示す。
画角 対角：６０．４° 水平：５０．０° 垂直：３８．４°
全系焦点距離：３．０８ｍｍ バックフォーカス：１．０１
レンズ全長： ３．３０ｍｍ 有効像高：Φ３．６ｍｍ

レンズデータを表1にしめす。ただし表１において各面の番号ｉは第１レンズの物体側の面を第１面とし、像側に向かって順に振っている。Ｒｉは各面における曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の面間隔、ｎｄは屈折率、νｄはアッベ数を示す。

非球面形状は以下の式で示される。

ただし、式（１）において光軸方向をｚ軸とし、Ｒは曲率半径、Ｈ光軸と直交する方向の高さ、Ｋはコーニック定数、Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２，Ａ１４はそれぞれ４次，６次，８次，１０次，１２次，１４次の非球面係数である。

各面における非球面係数は以下の通りである。

〔実施例１と比較例１との比較〕

図６（ａ）および図６（ｂ）に示されるように、実施例１の撮影レンズユニットと比較例１の撮影レンズユニットとは全長はいずれも３．３０ｍｍで同じであるが、実施例１の撮影レンズユニットの絞りＳの位置は物体側に近づいている。その結果、絞りＳから結像面５４までの距離が長くなっている。

図７（ａ）および図７（ｂ）によって実施例１の撮影レンズユニットと比較例１の撮影レンズユニットとの収差を比較する。いずれの結像位置においても点のばらつきが実施例のほうが小さく、各種収差がより抑制されていることが判る。また、光の波長によるばらつきも小さく、軸上色収差、倍率色収差も実施例１のほうが抑制されていることが判る。

図８（ａ）および図８（ｂ）によって実施例１の撮影レンズユニットと比較例１の撮影レンズユニットとの像面湾曲と歪曲収差を比較する。像面湾曲についてはグラフの形状が異なるため判断困難であるが、歪曲収差については実施例１の方が光軸から離れてもぶれが少なく歪曲収差が抑制されていることが判る。

図９（ａ）および図９（ｂ）によって実施例１の撮影レンズユニットと比較例１の撮影レンズユニットとの球面収差を比較する。いずれの波長においても実施例１のほうが収差のブレが小さく、球面収差が抑制されていることが判る。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）は実施例１の撮影レンズユニットと比較例１の撮影レンズユニットとの伝達関数（ＭＴＦ）を示したもので、図１１〜図１３は結像面上の各位置に置いて実施例１と比較例１の伝達関数（ＭＴＦ）を比較して記したグラフである。結像面上のいずれの位置においても、また、タンジェンシャル方向およびサジタルいずれの方向においても実施例１のグラフは空間周波数の略全領域において比較例１の伝達関数値を上回っており、実施例１の撮影レンズユニットの結像性能が、比較例１の撮影レンズユニットの結像性能を上回っていることが判る。

本発明にかかる撮影レンズユニットは、小型の撮影装置への搭載に適した撮影レンズユニットであるため、携帯端末に使用する撮影装置をはじめ広範囲に利用可能である。

実施形態にかかる携帯端末の非使用時の外観図である。 実施形態にかかる携帯端末の使用時の外観図であり、（ａ）は正面斜視図、（ｂ）は背面斜視図である。 実施形態にかかる携帯端末の構成を示すブロック図である。 実施形態にかかる撮影装置の構造を説明する図であり、光軸を含む面による断面模式図である。 実施形態にかかる撮影レンズユニットのレンズ構成を説明する図であって、光軸を含む面による断面模式図であり、（ａ）は光軸を含む平面による断面図であり、（ｂ）は第１レンズの拡大模式断面図である。 実施例にかかる撮影レンズユニットの効果を説明する図であって、（ａ）は実施例にかかる撮影レンズユニットの光軸を含む断面図であり、（ｂ）は比較例にかかる撮影レンズユニットの光軸を含む断面図である。 実施例にかかる撮影レンズユニットの効果を説明する図であって、（ａ）は実施例にかかる撮影レンズユニットのスポットダイアグラムであり、（ｂ）は比較例にかかる撮影レンズユニットのスポットダイアグラムである。 実施例にかかる撮影レンズユニットの効果を説明する図であって、（ａ）は実施例にかかる撮影レンズユニットの像面湾曲および歪曲収差であり、（ｂ）は比較例にかかる撮影レンズユニットの像面湾曲および歪曲収差である。 実施例にかかる撮影レンズユニットの効果を説明する図であって、（ａ）は実施例にかかる撮影レンズユニットの球面収差であり、（ｂ）は比較例にかかる撮影レンズユニットの球面収差である。 実施例にかかる撮影レンズユニットの効果を説明する図であって、（ａ）は実施例にかかる撮影レンズユニットの伝達関数のグラフであり、（ｂ）は比較例にかかる撮影レンズユニットの伝達関数のグラフである。 実施例にかかる撮影レンズユニットの効果を説明する図であって、実施例１および比較例１の像高０．０００ｍｍ位置における伝達関数のグラフである。 実施例にかかる撮影レンズユニットの効果を説明する図であって、実施例１および比較例１の像高０．９００ｍｍ位置における伝達関数のグラフである。 実施例にかかる撮影レンズユニットの効果を説明する図であって、実施例１および比較例１の像高１．０００ｍｍ位置における伝達関数のグラフである。

符号の説明

１１・・・通話部、１２・・・マイク、１２・・・保持部、１３・・・スピーカ、１４・・・無線部、２１・・・機能制御部、２２・・・主制御部、２３・・・表示部、２４・・・操作部、２５・・・一時記憶装置、２９・・・撮影装置制御部、５０・・・撮影装置、５１・・・鏡筒、５２・・・スペーサー、５３・・・撮影素子、５４・・・結像面、５５・・・ベース１、５６・・・ベース２、２４１・・・通話キー、２４２・・・シャッターキー、２４３・・・機能選択キー、２４５・・・テンキー、ＣＧ・・・カバーガラス、ｄ１・・・幅、ｄ２・・・幅、Ｈ・・・ヒンジ、Ｌ１・・・第１レンズ、Ｌ２・・・第２レンズ、Ｌ３・・・第３レンズ、S・・・絞り。

Claims (5)

1. 物体側から像側に向かって順に配列された、
   物体側の面が物体側に凸状であり、像側の面が像側に凸状である第１レンズと、
   開口絞りと、
   像側に凸面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、
   物体側の面が光軸近傍で物体側に凸状であるとともに周辺部に向かうに連れて物体側に凹状であり、かつ、像側の面が光軸近傍で像側に凹状であるとともに周辺部に向かうに連れて像側に凸状である第３レンズとを配置した撮影レンズユニット。
2. 前記第１レンズが樹脂材料により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮影レンズユニット。
3. 前記第１レンズの物体側の面および像側の面が非球面形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の撮影レンズユニット。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮影レンズユニットと、
   前記撮影レンズユニットによって形成された光学像を電気的信号に変換する映像素子とを備えた撮影装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮影装置を備えた携帯端末。

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