JP2009093071A - 組合せレンズ、レンズユニット、撮像装置及び光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ同士を嵌合するといった光学調整を無くした簡便な組み立てで、レンズが小型化しても高精度な光学系を実現する。
【解決手段】少なくとも３枚以上のレンズ１，２，３を光軸方向に沿って組み合わせた組合せレンズであって、各レンズ１，２，３は、光軸４を中心とした円錐面（凹状円錐面１ａ，凸状円錐面２ａ，凹状円錐面２ｃ，凸状円錐面３ａ）と、この円錐面の外側に連続した光軸４に垂直な平面１ｂ，２ｂ，２ｄ，３ｂとが光学的有効範囲外に形成されている。そして、第１レンズ１と第２レンズ２の対向面に形成された凹状円錐面１ａ及び凸状円錐面２ａと光軸４とのなす角度α１と、第２レンズ２と第３レンズ３の対向面に形成された凹状円錐面２ｃ及び凸状円錐面３ａと光軸４とのなす角度β２とが異なる角度（α１＞β１）となるように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に光学機器に使用される組合せレンズに係り、より詳細には、その組み立て構造に関する

近年、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant：パーソナル・デジタル・アシスタント）と呼ばれる携帯情報端末や携帯電話等が普及し、それらの多くにデジタルカメラ等の撮像装置が搭載されるようになった。この撮像装置は、数百万画素といった高い画素数に対応する光学系を実現する必要がある一方で、機器の小型化や薄型化、軽量化に対する要求も高まっている。その結果、撮像装置の光学系に使用するレンズ系を小さくしたり、撮像装置の筐体を薄肉化するなどの構成を取らざるを得なくなり、光学系の組立調整を行うための余裕がない構成になっている。また、撮像装置に限らず、複数枚のレンズを用いた光学機器においても、高性能化やサイズの小型化の要望は同様に有り、さらには、製造におけるタクトタイムの短縮に対する要望も高まっている。

そこで、複数のレンズからなる光学系においては、前述の要望に応えるために、レンズ同士を嵌合するといった光学調整を無くした簡便な組み立てで高精度な光学系を実現している。この嵌合用の部位を小さな形状で実現できれば、大掛かりな調整用の機構を廃止することができる。

例えば、レンズ同士を嵌合して光学系を形成する構成として、特許第３７３９２９５号公報に記載の光学機器がある。この光学機器の構成は、第１のレンズを鏡筒内に挿入することにより鏡筒の垂直な受け面に対して第１のレンズの垂直な面が当接されると共に、第１のレンズの円錐面と第２のレンズの円錐面が面当接して鏡筒内に収納され、第２のレンズのリブ外壁部の円錐斜面と鏡筒の垂直受け面とにより第１のレンズのコバ外周部を挟み込むように第２のレンズが鏡筒に固定されており、円錐面の面当接により第１のレンズと第２のレンズが光軸及び光軸方向に同時に位置決めされている。さらに、第２のレンズの前記円錐面が設けられている側と反対側においてリブ内壁部に第３レンズと係合する円錐面を有し、第３レンズの円錐面と第２レンズの円錐面が面当接して鏡筒内に固定され、円錐面の面当接により第１のレンズと第２のレンズと第３のレンズが光軸及び光軸方向に同時に位置決めされた構成となっている。

この構成によれば、第１のレンズの円錐面と、第２のレンズの円錐面と、第３のレンズの円錐面とで嵌合することにより、第１のレンズと第２のレンズと第３のレンズ間の光軸方向の高さと、光軸に垂直な平面内の位置が同時に決まるようになっており、第１のレンズと第２のレンズと第３のレンズの調整をすることなく、高精度に組立てることができる。
特許第３７３９２９５号

しかしながら、第１のレンズと第２のレンズの当接斜面が光軸となす角度と、第２のレンズと第３のレンズの当接斜面が光軸となす角度を同一にしてレンズを嵌合させる場合、円錐面を形成するためのコバ領域を確保する必要があるため、レンズの有効径が大きくなり、その結果レンズ外径も大きくなることから、撮像装置を小型化することが困難になるといった問題があった。また、レンズ同士の嵌合部分の形状が、レンズの高精度組立に影響することから、この嵌合部分の形状にも工夫が必要となる。

本発明はかかる問題点を解決すべく創案されたもので、その目的は、レンズ同士を嵌合するといった光学調整を無くした簡便な組み立てで、レンズが小型化しても高精度な光学系を実現することのできる組合せレンズ、レンズユニット、撮像装置及び光学機器を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の組合せレンズは、少なくとも３枚以上のレンズを光軸方向に沿って組み合わせた組合せレンズであって、前記各レンズは、前記光軸を中心とした円錐面とこの円錐面の外側に連続した前記光軸に垂直な面とが光学的有効範囲外に形成されており、隣接する任意の２つのレンズの対向面に形成されて前記光軸方向に互いに当接する前記円錐面と前記光軸とのなす角度と、次に隣接する２つのレンズの対向面に形成されて前記光軸方向に互いに当接する前記円錐面と前記光軸とのなす角度とが異なる角度となるように形成されていることを特徴としている。ここで、光学的有効範囲とは、レンズ面を通過する光線のうち、レンズ系が作り出す像に寄与する光線の範囲のことである。

より具体的に説明すると、各レンズの光入射側のレンズ面に形成される円錐面は、光入射側に突出した凸状円錐面または凹んだ凹状円錐面に形成されており、光出射側のレンズ面に形成される円錐面は、光入射側に凹んだ凹状円錐面または突出した凸状円錐面に形成されている。すなわち、隣接する任意の２つのレンズの対向面にそれぞれ形成された円錐面は、一方が凸状円錐面、他方が凹状円錐面となっている。従って、対向する凸状円錐面を凹状円錐面に嵌め合わせることで、隣接する２つのレンズが嵌合固定されるようになっている。

このような構成によれば、隣接するレンズの対向する円錐面同士を嵌合していくだけで、光学調整を行うこと無く、光軸及び光軸方向に同時に位置決めされた組立てレンズを簡単に組み立てることができる。

また、本発明では、光学性能に対して、偏芯による偏芯収差敏感度の高いレンズに形成された円錐面と光軸とのなす角度が、このレンズよりも偏芯収差敏感度の低い他のレンズの円錐面と光軸とのなす角度よりも大きい角度となるように形成されているのが好ましい。これは、円錐面と光軸とのなす角度が大きいほうが、成型後のレンズの表面形状の測定を精度良く行えるからである。角度が小さくなると、レンズ成型は可能であっても表面形状の測定が困難になり、所望の精度で成型されているか否かの評価が難しくなる。偏芯収差敏感度の高いレンズには高精度なレンズ位置調整が求められるため、成型精度が保証されたレンズを使用するのが好ましい。従って、このような構成とすることで、光軸調整が容易になり、レンズ系の高性能化や、さらには、製造におけるタクトタイムの短縮にも効果を発揮する。

また、上記構成において、円錐面と光軸とのなす角度が小さいほうのレンズに形成された円錐面は、円錐面と光軸とのなす角度が大きいほうのレンズに形成された円錐面よりも光軸から遠い位置で形成されている。

また、上記構成に置いて、レンズの光学的有効範囲が最大であるレンズに形成された円錐面と光軸とのなす角度が、他のレンズの円錐面と光軸とのなす角度よりも小さい角度となるように形成されているのが好ましい。

また、上記構成において、前記レンズの円錐面と光軸とのなす角度は、１５度以上６０度以下の間の任意の角度に設定されていることが好ましい。１５度未満では、レンズ成型後の形状評価が難しくなるためである。また、６０度より大きくなると、嵌合時の位置決めの精度が悪くなるためである。

また、本発明では、前記円錐面の外側に連続して形成された前記面を平面とし、隣接する任意の２つのレンズの対向面にそれぞれ形成された前記平面同士を互いに当接させることで隣接するレンズ同時を光軸方向に配置していく構造とすることが好ましい。平面同士が当接することで、両レンズの光軸方向の位置調整が容易となる。

また、本発明では、上記構成の組合せレンズを鏡筒内に収納してレンズユニットを構成する。ここで、組合せレンズの鏡筒への収納に際しては、鏡筒の光入射側に形成された垂直面と組合せレンズの光入射側に配置されたレンズの平面とを当接させることで、組合せレンズを鏡筒内に固定支持する構造とする。

また、本発明では、このレンズユニットを撮像面を有する固体撮像装置と一体化させる。これにより、高精度で小型の撮像装置を実現することができる。そして、この撮像装置を光学機器に搭載することで、高精度の光学機器を実現することができる。

本発明によれば、隣接するレンズ同士の当接斜面である円錐面が光軸となす角度を各レンズによって異ならせることで、レンズの大きさや偏芯収差敏感度に応じたレンズ嵌合ができ、レンズが小型化しても高精度な組合せレンズを得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

＜実施形態１：（α１＞β１の場合）＞
図１は、本発明の実施形態１に係る組合せレンズであって、光線の通過する光学的な有効範囲の異なる３枚のレンズ同士を嵌合した構成を示している。レンズとしては、硝子や樹脂材料を成型等によって形成したものであり、光学設計によって最適な屈折率や曲率半径を適宜選択して構成したものである。図１に示すような複雑なレンズ形状や周辺構造の場合は、樹脂材料を用い、成型によって形成されたものを用いると良い。

光入射側（図１では左側）に位置する第１のレンズ１は、光入射側と反対側の面において、光線の通過する光学的有効範囲（レンズ面１ｙ）外に、光軸４を中心とした凹状円錐面１ａと、この凹状円錐面１ａの外側に連続した光軸に垂直な平面１ｂとを有し、凹状円錐面１ａと光軸４とのなす角度をα１とした構成となっている。

この第１のレンズ１に隣接する第２のレンズ２は、光線の通過する光学的有効範囲（レンズ面２ｘ）外において、第１のレンズ１と対向する面側に、光軸４を中心とした凸状円錐面２ａと、この凸状円錐面２ａの外側に連続した光軸４に垂直な平面２ｂとを有し、光線の通過する光学的有効範囲（レンズ面２ｙ）外において、後述する第３のレンズ３と対向する面側に、光軸４を中心とした凹状円錐面２ｃと、この凹状円錐面２ｃの外側に連続した光軸４に垂直な平面２ｄとを有している。そして、第１のレンズ１と対向する面側の凸状円錐面２ａと光軸４とのなす角度をα１、第３のレンズ３と対向する面側の凹状円錐面２ｃと光軸４とのなす角度をβ１（α１＞β１）とした構成となっている。

また、第２レンズ２に隣接する第３のレンズ３は、光線の通過する光学的有効範囲（レンズ面３ｘ）外において、第２のレンズ２と対向する面側に、光軸４を中心とした凸状円錐面３ａと、この凸状円錐面３ａの外側に連続した光軸４に垂直な平面３ｂとを有し、凸状円錐面３ａと光軸４とのなす角度をβ１とした構成となっている。

なお、図１中において、符号５は絞り、符号６はカバーガラス、符号７は像面である。

ここで、隣接するレンズ同士の嵌合状態について説明する。

図１に示すように、第１のレンズ１の凹状円錐面１ａに第２のレンズ２の凸状円錐面２ａが面当接すると、第２のレンズ２の中心は、円錐の中心軸（つまりは光軸４）上に位置決めされる。また、第１のレンズ１の光軸４に垂直な平面１ｂと、第２のレンズ２の光軸４に垂直な平面２ｂとを面当接させることにより、第１レンズ１と第２レンズ２の光軸及び光軸方向の位置合わせを同時に高精度で行うことができる。さらに、第２のレンズ２の凹状円錐面２ｃに第３のレンズ３の凸状円錐面３ａを面当接すると、第３のレンズ３の中心は、円錐の中心軸（つまりは光軸４）上に位置決めされる。また、第２のレンズ２の光軸４に垂直な平面２ｃと、第３のレンズ３の光軸４に垂直な平面３ｂとを面当接させることにより、第２レンズ２と第３レンズ３の光軸及び光軸方向の位置合わせを同時に高精度で行うことができる。

（α１＞β１：レンズ有効径の確保について）
ここで、本実施形態１では、α１とβ１を異なる値としている。具体的には、図１に示すように、α１＞β１としている。このように構成する理由について、以下に説明する。

撮像装置の小型化に伴いレンズの外形を小さくする必要があるが、高い光学性能を実現するためにはレンズの有効径を十分に確保しなければならない。その場合に、例えば、第３レンズ３の凸状円錐面３ａを凸状円錐面２ａよりも光軸から遠い位置に形成することで、レンズの有効径を十分に大きくすることができると同時に、β１が小さいためレンズ外形を小さくすることができる。これにより、適切なコバ形状でレンズ同士を嵌合することで、高い光学性能を実現する高精度な小型の組合せレンズを得ることができる。

（α１＞β１：偏芯収差敏感度について）
また、レンズ系の光学性能に対して、各レンズの偏芯による偏芯収差敏感度に応じてレンズの円錐面（凸状円錐面または凹状円錐面）と光軸とのなす角度を決定することが好ましい。例えば、図１に示すレンズ系では、光学性能に対して、第１レンズ１と第２レンズ２の偏芯による偏芯収差敏感度が高く、第３レンズ３の偏芯収差敏感度が低い。この場合、図１に示すように、第１レンズ１の凹状円錐面１ａと光軸４とのなす角度α１が、第３レンズ３の凸状円錐面３ａと光軸４とのなす角度β１よりも大きくなっていることが好ましい。なぜならば、円錐面と光軸とのなす角度が大きいほうが、成型後のレンズの表面形状の測定を精度良く行えるためである。この角度が小さくなると、レンズ成型は可能であっても表面形状の測定が困難になり、所望の精度で成型されているか否かの評価が難しくなる。偏芯収差敏感度の高いレンズには高精度なレンズ位置調整が求められるため、成型精度が保証されたレンズを使用するのが好ましい。このような構成とすることで、光軸調整が容易になり、レンズ系の高性能化や、さらには、製造におけるタクトタイムの短縮にも効果を奏する。

表１及び表２は、図１に示したレンズ系の構成に対する具体的なレンズデータを示したものである。表１には面データが、表２には表１の面データのうち非球面形状に関するデータがそれぞれ示されている。

表１及び表２に示したレンズデータにおける面番号Ｓｉの欄には、最も物体側の構成要素の面を１番目として、像側に向かうに従って順次増加するように番号を付したｉ番目（
ｉ＝１〜９）の面の番号を示している。ここで、面番号２，３は第１レンズ１の面番号、
面番号４，５は第２レンズ２の面番号、面番号６，７は第３レンズ３の面番号、面番号８，９はカバーガラス６の面番号である。曲率半径Ｒｉの欄には、物体側（光入射側）からｉ番目の面の曲率半径の値を示している。面間隔Ｄｉの欄には、物体側（光入射側）から
ｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓｉ＋１との光軸上の間隔を示している。Ｒｉ及びＤｉ
の値の単位はｍｍ（ミリメートル）である。屈折率及びアッベ数の欄には、レンズ要素（第１レンズ１、第２レンズ２及び第３レンズ３）のｄ線（５８７．６ｎｍ）に対する屈折率及びアッベ数の値を示している。

図２、図３及び図４は、レンズ系の光学性能に対する第１レンズ１、第２レンズ２、第３レンズ３の偏芯による偏芯収差敏感度を示したものである。レンズの偏芯方向は、光軸に垂直な方向である。レンズ系の光学性能は、光学的伝達関数（ＭＴＦ：Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）で評価されるのが一般的で、レンズ系の解像力を示す指針となる。図２〜図４は、各レンズが偏芯したとき、有効像円径内で光軸から８割の位置での、空間周波数７０ｌｐ/ｍｍのＭＴＦ値の設計値からの偏差を表したものである。例えば、第１レンズ１が５μｍ（ミクロン）光軸から偏芯すると、ＭＴＦ値は設計値から９％低下し（図２参照）、第２レンズ２が５μｍ光軸から偏芯すると、ＭＴＦ値は設計値から１０％低下する（図３参照）のに対し、第３レンズ３が５μｍ光軸から偏芯すると、ＭＴＦ値は設計値から１％低下に止まる（図４参照）。これより明らかなように、上記レンズ系では、第１レンズ１と第２レンズ２の偏芯による偏芯収差敏感度が高く、第３レンズ３の偏芯収差敏感度が低くなっている。

また本明細書における非球面形状は、光軸方向にＺ軸、光軸と直交する方向にＹ軸をとるとき、下記の非球面式（数１）を用いて表される。

ただし、Ｋは円錐定数、Ｒは曲率半径、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥはそれぞれ第４次、第６次、第８次、第１０次及び第１２次の非球面係数、Ｚは光軸から高さＹの位置にある非球面上の点から、非球面の頂点の接平面（光軸に垂直な平面）に下ろした垂線の長さを示している。

また、本明細書における各非球面データの数値（表２参照）は、１０のべき乗数を「Ｅ」を用いて表すものとする。例えば、２．５×１０−０２は、２．５Ｅ−０２と表すものとする。

レンズの円錐面と光軸とのなす角度α１、β１はそれぞれ１５度以上６０度以下の間の任意の値を設定すればよい。ここで、α１、β１をあまりに小さくすると、レンズ成型後の形状評価が難しくなり、逆に大きくすると嵌合時の位置決めの精度が悪くなるため、角度α１、β１の適当な値は、１５度以上６０度以下の間とすればよい。

図１の構成では、第１のレンズ１の凹状円錐面１ａより内側で光学的有効範囲（レンズ面１ｙ）の外側部分１ｃと、第２のレンズ２の凸状円錐面２ａより内側で光学的有効範囲（レンズ面２ｘ）の外側部分２ｅは、互いに接触していない。従って、この空間部Ｐ１に遮光部材などのスペーサを挿入することで、光学性能を向上させることができる。ただし、この外側部分１ｃと２ｅを共に光軸４に垂直な平面とし、互いを面当接させるように構成してもよい。このように構成することで、光軸及び光軸方向により高精度に位置決めされた組合せレンズを得ることができる。

同様に、第２のレンズ２の凹状円錐面２ｃより内側で光学的有効範囲（レンズ面２ｙ）の外側部分２ｆと、第３のレンズ３の凸状円錐面３ａより内側で光学的有効範囲（レンズ面３ｘ）の外側部分３ｃは、互いに接触していない。従って、この空間部Ｐ２に遮光部材などのスペーサを挿入することで、光学性能を向上させることができる。ただし、この外側部分２ｆと３ｃを共に光軸に４垂直な平面とし、互いを面当接させるように構成してもよい。このように構成することで、光軸及び光軸方向により高精度に位置決めされた組合せレンズを得ることができる。

＜実施形態２：（α２＜β２の場合＞
図５は、本発明の実施形態２に係る組合せレンズであって、光線の通過する光学的な有効範囲の異なる３枚のレンズ同士を嵌合した構成を示している。レンズとしては、硝子や樹脂材料を成型等によって形成したものであり、光学設計によって最適な屈折率や曲率半径を適宜選択して構成したものである。図５に示すような複雑なレンズ形状や周辺構造の場合は、樹脂材料を用い、成型によって形成されたものを用いると良い。

光入射側（図５では左側）に位置する第１のレンズ１１は、光入射側と反対側の面において、光線の通過する光学的有効範囲（レンズ面１１ｙ）外に、光軸４を中心とした凹状円錐面１１ａと、この凹状円錐面１１ａの外側に連続した光軸に垂直な平面１１ｂとを有し、凹状円錐面１１ａと光軸４とのなす角度をα２とした構成となっている。

この第１のレンズ１１に隣接する第２のレンズ１２は、光線の通過する光学的有効範囲（レンズ面１２ｘ）外において、第１のレンズ１１と対向する面側に、光軸４を中心とした凸状円錐面１２ａと、この凸状円錐面１２ａの外側に連続した光軸４に垂直な平面１２ｂとを有し、光線の通過する光学的有効範囲（レンズ面１２ｙ）外において、後述する第３のレンズ１３と対向する面側に、光軸４を中心とした凹状円錐面１２ｃと、この凹状円錐面１２ｃの外側に連続した光軸４に垂直な平面１２ｄとを有している。そして、第１のレンズ１１と対向する面側の凸状円錐面１２ａと光軸４とのなす角度をα２、第３のレンズ１３と対向する面側の凹状円錐面１２ｃと光軸４とのなす角度をβ２（α２＜β２）とした構成となっている。

また、第２レンズ１２に隣接する第３のレンズ１３は、光線の通過する光学的有効範囲（レンズ面１３ｘ）外において、第２のレンズ１２と対向する面側に、光軸４を中心とした凸状円錐面１３ａと、この凸状円錐面１３ａの外側に連続した光軸４に垂直な平面１３ｂとを有し、凸状円錐面１３ａと光軸４とのなす角度をβ２とした構成となっている。

なお、図５中において、符号５は絞り、符号６はカバーガラス、符号７は像面である。

ここで、隣接するレンズ同士の嵌合状態について説明する。

図５に示すように、第１のレンズ１１の凹状円錐面１１ａに第２のレンズ１２の凸状円錐面１２ａが面当接すると、第２のレンズ１２の中心は、円錐の中心軸（つまりは光軸４）上に位置決めされる。また、第１のレンズ１１の光軸４に垂直な平面１１ｂと、第２のレンズ１２の光軸４に垂直な平面１２ｂとを面当接させることにより、第１レンズ１１と第２レンズ１２の光軸及び光軸方向の位置合わせを同時に高精度で行うことができる。さらに、第２のレンズ１２の凹状円錐面１２ｃに第３のレンズ１３の凸状円錐面１３ａを面当接すると、第３のレンズ１３の中心は、円錐の中心軸（つまりは光軸４）上に位置決めされる。また、第２のレンズ１２の光軸４に垂直な平面１２ｃと、第３のレンズ１３の光軸４に垂直な平面１３ｂとを面当接させることにより、第２レンズ１２と第３レンズ１３の光軸及び光軸方向の位置合わせを同時に高精度で行うことができる。

（α２＜β２：鏡筒の小型化について）
ここで、本実施形態２では、α２とβ２を異なる値としている。具体的には、図５に示すように、α２＜β２としている。このようにα２＜β２とすることで、第１レンズ１１の平面１１ｂの寸法Ｌ１を小さくすることができ、第１レンズ１１の外形を小さくすることができる。これにより、レンズを挿入する鏡筒（これについては実施形態４で詳しく説明する）の形状を第１レンズ１１側が凹んだ段差形状に形成することができる。従って、鏡筒の体積を小さくすることができ、組合せレンズを鏡筒に収納したときのレンズユニットの小型化が可能となる。また、レンズユニットを搭載した撮像装置として使用する場合、鏡筒の凹んだ段差部分を、例えばレンズユニットを駆動させるアクチュエータの配置スペースとして使用することができる。

（α２＜β２：偏芯収差敏感度について）
また、レンズ系の光学性能に対して、各レンズの偏芯による偏芯収差敏感度に応じてレンズの円錐面（凸状円錐面または凹状円錐面）と光軸とのなす角度を決定することが好ましい。例えば、図２に示すレンズ系では、光学性能に対して第２レンズ１２と第３レンズ１３の偏芯による偏芯収差敏感度が高く、第１レンズ１１の偏芯収差敏感度が低い。この場合、図２に示すように、第１レンズ１１の凹状円錐面１１ａと光軸４とのなす角度α２が、第３レンズ１３の凸状円錐面１３ａと光軸４とのなす角度β２よりも小さくなっていることが好ましい。なぜならば、円錐面と光軸とのなす角度が大きいほうが、成型後のレンズの表面形状の測定を精度良く行えるためである。この角度が小さくなると、レンズ成型は可能であっても表面形状の測定が困難になり、所望の精度で成型されているか否かの評価が難しくなる。偏芯収差敏感度の高いレンズには高精度なレンズ位置調整が求められるため、成型精度が保証されたレンズを使用するのが好ましい。このような構成とすることで、光軸調整が容易になり、レンズ系の高性能化や、さらには、製造におけるタクトタイムの短縮にも効果を奏する。

表３及び表４は、図５に示したレンズ系の構成に対する具体的なレンズデータを示したものである。表６には面データが、表４には表３の面データのうち非球面形状に関するデータがそれぞれ示されている。

表３及び表４に示したレンズデータにおける面番号Ｓｉの欄には、最も物体側の構成要素の面を１番目として、像側に向かうに従って順次増加するように番号を付したｉ番目（
ｉ＝１〜９）の面の番号を示している。ここで、面番号２，３は第１レンズ１１の面番号
、面番号４，５は第２レンズ１２の面番号、面番号６，７は第３レンズ１３の面番号、面番号８，９はカバーガラス６の面番号である。曲率半径Ｒｉの欄には、物体側（光入射側）からｉ番目の面の曲率半径の値を示している。面間隔Ｄｉの欄には、物体側（光入射側
）からｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓｉ＋１との光軸上の間隔を示している。Ｒｉ及
びＤｉの値の単位はｍｍ（ミリメートル）である。屈折率及びアッベ数の欄には、レンズ要素（第１レンズ１１、第２レンズ１２及び第３レンズ１３）のｄ線（５８７．６ｎｍ）に対する屈折率及びアッベ数の値を示している。

図６、図７及び図８は、レンズ系の光学性能に対する第１レンズ１１、第２レンズ１２、第３レンズ１３の偏芯による偏芯収差敏感度を示したものである。レンズの偏芯方向は、光軸に垂直な方向である。レンズ系の光学性能は光学的伝達関数（ＭＴＦ：Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）で評価されるのが一般的で、レンズ系の解像力を示す指針となる。図６〜図８では、各レンズが偏芯したとき、有効像円径内で光軸から８割の位置での、空間周波数７０ｌｐ/ｍｍのＭＴＦ値の設計値からの偏差を表したものである。例えば、第１レンズ１１が５μｍ（ミクロン）光軸から偏芯すると、ＭＴＦ値は設計値から４％の低下で止まる（図６参照）のに対し、第２レンズ１２が５μｍ光軸から偏芯すると、ＭＴＦ値は設計値から１５％低下（図７参照）し、第３レンズ１３が５μｍ光軸から偏芯すると、ＭＴＦ値は設計値から８％低下（図８参照）する。これより明らかなように、上記レンズ系では、第２レンズ１２と第３レンズ１３の偏芯による偏芯収差敏感度が高く、第１レンズ１１の偏芯収差敏感度が低くなっている。

また本明細書における非球面形状は、光軸方向にＺ軸、光軸と直交する方向にＹ軸をとるとき、下記の非球面式（数２）を用いて表される。

ただし、Ｋは円錐定数、Ｒは曲率半径、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤはそれぞれ第４次、第６次、第８次及び第１０次の非球面係数、Ｚは光軸から高さＹの位置にある非球面上の点から、非球面の頂点の接平面（光軸に垂直な平面）に下ろした垂線の長さを示す。

また、本明細書等における各非球面データの数値（表４参照）は、１０のべき乗数を「Ｅ」を用いて表すものとする。例えば、２．５×１０−０２は、２．５Ｅ−０２と表すものとする。

レンズの円錐面と光軸とのなす角度α２、β２はそれぞれ１５度以上６０度以下の間の任意の値を設定すればよい。ここで、α２、β２をあまりに小さくすると、レンズ成型後の形状評価が難しくなり、逆に大きくすると嵌合時の位置決めの精度が悪くなるため、角度α２、β２の適当な値は、１５度以上６０度以下の間とすればよい。

図５の構成では、第１のレンズ１１の凹状円錐面１１ａより内側で光学的有効範囲（レンズ面１１ｙ）の外側部分１１ｃと、第２のレンズ１２の第１レンズ１１側の凸状円錐面１１ｂより内側で光学的有効範囲（レンズ面１２ｘ）の外側部分１２ｅは、互いに接触していない。従って、この空間部Ｐ１１に遮光部材などのスペーサを挿入することで、光学性能を向上させることができる。ただし、この外側部分１１ｃと１２ｅを共に光軸４に垂直な平面とし、互いを面当接させるように構成してもよい。このように構成することで、光軸及び光軸方向により高精度に位置決めされた組合せレンズを得ることができる。

同様に、第２のレンズ１２の凹状円錐面１２ｃより内側で光学的有効範囲（レンズ面１２ｙ）の外側部分１２ｆと、第３のレンズ１３の凸状円錐面１３ａより内側で光学的有効範囲（レンズ面１３ｘ）の外側部分１３ｃは、互いに接触していない。従って、この空間部Ｐ１１に遮光部材などのスペーサを挿入することで、光学性能を向上させることができる。ただし、この外側部分１２ｆと１３ｃを共に光軸４に垂直な平面とし、互いを面当接させるように構成してもよい。このように構成することで、光軸及び光軸方向により高精度に位置決めされた組合せレンズを得ることができる。

＜実施形態３＞
本実施形態３は、図１に示す実施形態１の組合せレンズを鏡筒に収納したレンズユニットの実施形態であり、図９は、本実施形態３のレンズユニットの構造を示している。ただし、図９では、各レンズの破断線を省略している。

本実施形態３の鏡筒８は、組合せレンズを収納するための円筒状の本体部８ａと、この本体部８ａの一方の側（図９では左側）の縁部から垂直に形成された環状の受け部８ｂとからなり、受け部８ｂの中央部に形成された円形状の開口部８ｃは、第１レンズ１の入射光側のレンズ面１ｘが嵌め合わされる形状に形成されている。なお、第１レンズ１の入射光側には、レンズ面１ｘの外側に連続して平面１ｄが形成されている。

そして、鏡筒８の受け部８ｂの垂直面に第１レンズ１の平面１ｄが当接するように、鏡筒８の後部側（図９では右側）の開口部８ｄから第１レンズ１を挿入し、次に、第１レンズ１の後側の平面１ｂに第２レンズ２の前側の平面２ｂが当接するように、鏡筒８の後部側の開口部８ｄから第２レンズ２を挿入し、次に、第２レンズ２の後側の平面２ｄに第３レンズ３の前側の平面３ｂが当接するように、鏡筒８の後部側の開口部８ｄから第３レンズ３を挿入すれば、各レンズ１，２，３の凹状円錐面と凸状円錐面同士（１ａと２ａ，２ｃと３ａ）がそれぞれ面当接して嵌合固定されることになる。すなわち、各レンズ１，２，３を鏡筒８内に順次挿入するだけで、隣接する互いのレンズ（１と２または２と３）の光軸及び光軸方向の位置合わせを同時に高精度で行うことができる。そして、第３レンズ３のコバ外周部と鏡筒８の本体部８ａとを接着剤によって固定することにより、図９に示す一体形状のレンズユニットを得ることができる。

本実施形態３では、第１レンズ１、第２レンズ２は接着剤等によって鏡筒８の本体部８ａに直接固定されていないが、第３レンズ３の凸状円錐面３ａ及び平面３ｂと、鏡筒８の受け部８ｂの垂直面とで挟み込まれているため、その位置がずれることはない。なお、第３レンズ３と鏡筒８の接着部分はレンズの有効径部分から離れた位置にあるため、接着剤の収縮等により第３レンズ３が変形するのを防止する効果がある。従って、接着剤の硬化時の収縮により第３レンズ３が引っ張られてその位置がずれて光学性能が劣化することはない。

また、鏡筒８に挿入されるレンズの向きは、第１レンズ１の平面１ｄが鏡筒８の受け部８ｂの垂直面と当接する方向（すなわち、図９に示す方向）であっても、逆に、第３レンズ３の後部側の平面３ｄが鏡筒８の受け部８ｂの垂直面に当接する方向（すなわち、図９に示す状態から組合せレンズ全体を１８０度回転（若しくは左右方向を反転）させた方向）であっても構わない。例えば、図９に示すように、第２レンズ２に比べ、第１レンズ１の光学的有効範囲が小さく、絞りの位置を第１レンズ１の前面に配置した構成を取る場合、第１レンズ１の平面３ｄと当接する鏡筒８の受け部８ａ部分に絞りを設けた構成とすれば、絞りを不要とすることができる。

一方、逆に第３レンズ３の平面３ｄと当接するように鏡筒８の受け部８ｂの垂直面を設けた構成としてもよい。この構成であれば、第１レンズ１、第２レンズ２、第３レンズ３の光学的有効範囲を通過しない光線、すなわち迷光を遮光する機能を有することができる。

＜実施形態４＞
本実施形態４は、図５に示す実施形態２の組合せレンズを鏡筒に収納したレンズユニットの実施形態であり、図１０は、本実施形態４のレンズユニットの構造を示している。ただし、図１０では、各レンズの破断線を省略している。

図１０に示すように、第１レンズ１１の凹状円錐面１１ａと光軸４とのなす角度α２が、第３レンズ１３の凸状円錐面１３ａと光軸４とのなす角度β２よりも小さい場合、第３レンズ１３の外形に比べて第１レンズ１１の外形を小さくすることができる。従って、鏡筒１８の形状も、図１０に示すような第１レンズ１１側に１段凹んだ段差形状に形成することができる。

すなわち、鏡筒１８は、組合せレンズを収納するための円筒状の本体部１８ａと、この本体部１８ａの一方の側（図１０では左側）の縁部から垂直方向に形成された環状の受け部１８ｂとからなり、受け部１８ｂの中央部に形成された円形状の開口部１８ｃは、第１レンズ１１の入射光側のレンズ面１１ｘが嵌め合わされる形状に形成されている。

すなわち、受け部１８ｂは、本体部１８ａから１段凹んだ段差形状に形成されており、この段差部１８ｂ１の内周面の形状が、第１レンズ１１の外周形状と略等しい形状に形成されている。なお、第１レンズ１１の入射光側には、レンズ面１１ｘの外側に連続して平面１１ｄが形成されている。

そして、鏡筒１８の受け部１８ｂの垂直面に第１レンズ１１の平面1１ｄが当接するように、鏡筒８の後部側（図１０では右側）の開口部１８ｄから第１レンズ１１を挿入し、次に、第１レンズ１１の後側の平面１１ｂに第２レンズ１２の前側の平面１２ｂが当接するように、鏡筒１８の後部側の開口部１８ｄから第２レンズ１２を挿入し、次に、第２レンズ１２の後側の平面１２ｄに第３レンズ１３の前側の平面１３ｂが当接するように、鏡筒１８の後部側の開口部１８ｄから第３レンズ１３を挿入すれば、各レンズ１１，１２，１３の凹状円錐面と凸状円錐面同士（１１ａと１２ａ，１２ｃと１３ａ）がそれぞれ面当接して嵌合固定されることになる。すなわち、各レンズ１１，１２，１３を鏡筒１８内に順次挿入するだけで、隣接する互いのレンズ（１１と１２または１２と１３）の光軸及び光軸方向の位置合わせを同時に高精度で行うことができる。そして、第３レンズ１３のコバ外周部と鏡筒１８の本体部１８ａとを接着剤によって固定することにより、図１０に示す一体形状のレンズユニットを得ることができる。

本実施形態４では、第１レンズ１１、第２レンズ１２は接着剤等によって鏡筒１８の本体部１８ａに直接固定されていないが、第３レンズ１３の凸状円錐面１３ａ及び平面１３ｂと、鏡筒１８の受け部１８ｂの垂直面とで挟み込まれているため、その位置がずれることはない。なお、第３レンズ１３と鏡筒１８の接着部分はレンズの有効径部分から離れた位置にあるため、接着剤の収縮等により第３レンズ１３が変形するのを防止する効果がある。従って、接着剤の硬化時の収縮により第３レンズ１３が引っ張られてその位置がずれて光学性能が劣化することはない。

本実施形態４によれば、鏡筒１８の体積を小さくすることができ、撮像ユニットの小型化に効果を奏する。また、撮像ユニットを搭載した撮像装置として使用する場合、鏡筒１８の１段凹んだ部分である段差部１８ｂ１を、例えば撮像ユニットを駆動させるアクチュエータの配置スペースとして使用することができる。

＜本発明の組合せレンズを用いた撮像装置、光学機器の説明＞
以上説明したように、本発明の組合せレンズは、例えば光学設計によって固体撮像装置の撮像面に結像する光学系として、固体撮像装置と一体化させて用いることができる。また、撮像装置を搭載した光学機器にも適用することができる。

撮像装置としては、例えば、デジタルスチルカメラや携帯電話といった撮像装置に搭載されるカメラモジュールが挙げられる。このようなカメラモジュールにおいては、撮像装置の小型化・薄型化や、携帯されることによる耐落下衝撃性、あるいは、高画素化等が要求されている。従って、本発明における組合せレンズのように高精度なレンズの嵌合が可能である構成はますます重要となっている。

また、光学機器としては、先に示したデジタルスチルカメラや携帯電話といった撮像装置や、組合せレンズを搭載した情報読み取りゲーム機、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末等の機器が挙げられる。本発明の組合せレンズにおいては、レンズを必要とする全ての機器に対して、簡便な嵌合構造によって高精度な組合せレンズを提供することができる。

本発明に係る組合せレンズ、組合せレンズを備えたレンズユニット、レンズユニットを搭載した撮像装置、この撮像装置を搭載した光学機器は、デジタルスチルカメラなどの撮像装置に好適に用いることができる。また、携帯用途に適した小型の撮像装置に対して特に好適に用いることができる。具体的には、携帯型情報端末または携帯電話に搭載されるデジタルカメラを挙げることができる。

本発明の実施形態１に係る組合せレンズの嵌合構造を示す概略断面図である。 レンズ系の光学性能に対する第１レンズの偏芯による偏芯収差敏感度を示したグラフである。 レンズ系の光学性能に対する第２レンズの偏芯による偏芯収差敏感度を示したグラフである。 レンズ系の光学性能に対する第３レンズの偏芯による偏芯収差敏感度を示したグラフである。 本発明の実施形態２に係る組合せレンズの嵌合構造を示す概略断面図である。 レンズ系の光学性能に対する第１レンズの偏芯による偏芯収差敏感度を示したグラフである。 レンズ系の光学性能に対する第２レンズの偏芯による偏芯収差敏感度を示したグラフである。 レンズ系の光学性能に対する第３レンズの偏芯による偏芯収差敏感度を示したグラフである。 実施形態１に係る組合せレンズを鏡筒に収納した状態の実施形態３に係るレンズユニットの構造を示す概略断面図である。 実施形態２に係る組合せレンズを鏡筒に収納した状態の実施形態４に係るレンズユニットの構造を示す概略断面図である。

符号の説明

１，１１ 第１レンズ
１ａ，１１ａ 凹状円錐面
１ｂ，１１ｂ 平面
１ｃ，１１ｃ 平面
２，１２ 第２レンズ
２ａ，１２ａ 凸状円錐面
２ｂ，１２ｂ 平面
２ｃ，１２ｃ 凹状円錐面
２ｄ，１２ｄ 平面
２ｅ，１２ｅ 平面
２ｆ，１２ｆ 平面
３，１３ 第３レンズ
３ａ，１３ａ 凸状円錐面
３ｂ，１３ｂ 平面
３ｃ，１３ｃ 平面
４ 光軸
５ 絞り
６ カバーガラス
７ 像面
８，１８ 鏡筒
８ａ，１８ａ 本体部
８ｂ，１８ｂ 受け部
１８ｂ１ 段差部

Claims (10)

1. 少なくとも３枚以上のレンズを光軸方向に沿って組み合わせた組合せレンズであって、
   前記各レンズは、前記光軸を中心とした円錐面とこの円錐面の外側に連続した前記光軸に垂直な面とが光学的有効範囲外に形成されており、
   隣接する任意の２つのレンズの対向面に形成されて前記光軸方向に互いに当接する前記円錐面と前記光軸とのなす角度と、次に隣接する２つのレンズの対向面に形成されて前記光軸方向に互いに当接する前記円錐面と前記光軸とのなす角度とが異なる角度となるように形成されていることを特徴とする組合せレンズ。
2. 請求項１記載の組合せレンズにおいて、
   光学性能に対して、偏芯による偏芯収差敏感度の高いレンズに形成された前記円錐面と光軸とのなす角度が、前記レンズよりも偏芯収差敏感度の低い他のレンズの前記円錐面と光軸とのなす角度よりも大きいことを特徴とする組合せレンズ。
3. 請求項１または請求項２記載の組合せレンズにおいて、
   円錐面と光軸とのなす角度が小さいほうのレンズに形成された前記円錐面は、円錐面と光軸とのなす角度が大きいほうのレンズに形成された前記円錐面よりも光軸から遠い位置で形成されていることを特徴とする組合せレンズ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の組合せレンズにおいて、
   レンズの光学的有効範囲が最大であるレンズに形成された前記円錐面と光軸とのなす角度が、他のレンズの円錐面と光軸とのなす角度よりも小さいことを特徴とする組合せレンズ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の組合せレンズにおいて、
   前記レンズの円錐面と光軸とのなす角度が１５度以上６０度以下の間の任意の角度に設定されていることを特徴とする組合せレンズ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の組合せレンズにおいて、
   前記円錐面の外側に連続して形成された前記面が平面であり、隣接する任意の２つのレンズの対向面にそれぞれ形成された前記平面同士が互いに当接していることを特徴とする組合せレンズ。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の組合せレンズが鏡筒内に収納されていることを特徴とするレンズユニット。
8. 請求項７記載のレンズユニットにおいて、
   前記鏡筒内部の光入射側に形成された垂直面と前記組合せレンズの光入射側に配置されたレンズの前記平面とが当接していることを特徴とするレンズユニット。
9. 請求項７または請求項８記載のレンズユニットと撮像面を有する固体撮像装置を備えていることを特徴とする撮像装置。
10. 請求項７または請求項８記載のレンズユニット、または請求項９記載の撮像装置を備えていることを特徴とする光学機器。

Images