JP2009192819A - 撮像レンズおよび撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】広角化を図りやすく、かつ製造適正の良いレンズ系を実現できるようにした撮像レンズ、およびその撮像レンズを搭載して高解像の撮像画像を得ることができる撮像装置を提供する。
【解決手段】物体側から順に、正レンズからなる第1レンズG1と、絞りStと、正レンズからなる第2レンズG2と、負メニスカスレンズからなる第3レンズG3と、光軸近傍の形状が物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズである第4レンズG4とを備え、第2レンズG2と第3レンズG3との間の空気間隔が、光軸近傍よりも周辺部の方が小さくなるようにし、かつ、以下の条件を満足するように構成する。ただし、f1は第1レンズG1の焦点距離、f2は第2レンズG2の焦点距離、f3は第3レンズG3の焦点距離、fは全系の焦点距離とする。
f1>f2>|f3| ……(1)
1.0<f/f2<1.5 ……(2)
【選択図】図1

Description

本発明は、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等の撮像素子上に被写体の光学像を結像させる撮像レンズ、およびその撮像レンズを搭載して撮影を行うデジタルスチルカメラやカメラ付き携帯電話機および情報携帯端末(PDA:Personal Digital Assistance)等の撮像装置に関する。
近年、パーソナルコンピュータの一般家庭等への普及に伴い、撮影した風景や人物像等の画像情報をパーソナルコンピュータに入力することができるデジタルスチルカメラが急速に普及している。また、携帯電話に画像入力用のカメラモジュールが搭載されることも多くなっている。このような撮像機能を有する機器には、CCDやCMOSなどの撮像素子が用いられている。近年、これらの撮像素子のコンパクト化が進み、撮像機器全体ならびにそれに搭載される撮像レンズにも、コンパクト性が要求されている。また同時に、撮像素子の高画素化も進んでおり、撮像レンズの高解像、高性能化が要求されている。例えば2メガピクセル以上、さらに好適には5メガピクセル以上の高画素に対応した性能が要求されている。
このような要求を満足するために、従来では、全体として4枚のレンズを用いた構成の撮像レンズが開発されている(特許文献1ないし3参照)。
特開2002−228922号公報 特開2004−53813号公報 特開2004−102234号公報
従来、4枚構成の撮像レンズにおいて、開口絞りを最も物体側に配置したものが知られている(特許文献1参照)。しかしながら、広角化になるに従い、開口絞りを最も物体側に配置すると、製造誤差やレンズ面の位置ずれに対する性能劣化の感度が大きくなりやすく、製造適正が悪くなる傾向となる。一方、特許文献2,3には、開口絞りを第1レンズと第2レンズとの間に配置した撮像レンズが開示されているが、レンズ系内で相対的に第1レンズのパワーが強く、広角化を図ろうとすると、特に像面湾曲の性能劣化が生じてしまい、性能的に不十分なレンズ系となってしまう。広角化を図ったとしても、高性能な、例えば2メガピクセル以上、さらに好ましくは5メガピクセルから10メガピクセル程度の高画素にも対応した性能のレンズの開発が望まれている。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、広角化を図りやすく、かつ製造適正の良いレンズ系を実現できるようにした撮像レンズ、およびその撮像レンズを搭載して高解像の撮像画像を得ることができる撮像装置を提供することにある。
本発明による撮像レンズは、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正レンズからなる第1レンズと、絞りと、像側に凸面を向けた正レンズからなる第2レンズと、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズからなる第3レンズと、光軸近傍の形状が物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズである第4レンズとを備え、第2レンズと第3レンズとの間の空気間隔が、光軸近傍よりも周辺部の方が小さくなるように構成され、かつ、以下の条件を満足するものである。ただし、f1は第1レンズの焦点距離、f2は第2レンズの焦点距離、f3は第3レンズの焦点距離、fは全系の焦点距離とする。
とする。
f1>f2>|f3| ……(1)
1.0<f/f2<1.5 ……(2)
本発明による撮像レンズでは、全体として4枚構成のレンズ系において、各レンズ要素の構成が適切なものとされていることで、広角化を図りやすく、製造適正の良いレンズ系を得やすくなる。特に、絞りを第1レンズと第2レンズとの間に配置していることで、製造誤差等に対する性能劣化の感度が小さくなり、製造適正に優れている。また、レンズ系内で相対的に第1レンズのパワーを弱くする一方、第2レンズおよび第3レンズのパワーを強くすることで、広角化に伴う像面湾曲の性能劣化等を改善し、広角化しやすくなっている。
そして、さらに、次の好ましい構成を適宜採用して満足することで、光学性能をより良好なものとすることができると共に、広角化を図りやすくなる。
本発明による撮像レンズは、以下の条件を満足することが好ましい。これにより、色収差の補正に有利となる。ただし、νd3は第3レンズのd線に関するアッベ数とする。
νd3<35 ……(3)
また、以下の条件を満足することが好ましい。これにより、全長の短縮化を図りつつ、フィルタ等の光学部材を配置するのに必要なバックフォーカスが確保される。
0.2<Bf/TL<0.5 ……(4)
ただし、Bfはバックフォーカス(空気換算長)、TLは全長(最も物体側の面から像面までの光軸上距離)とする。
また、本発明による撮像レンズは、以下の条件を満足し、比較的広角側での使用に適している。
0.7<Ymax/f<0.9 ……(5)
ただし、Ymaxは最大像高とする。
本発明による撮像装置は、本発明による撮像レンズと、この撮像レンズによって形成された光学像に応じた撮像信号を出力する撮像素子とを備えたものである。
本発明による撮像装置では、本発明の撮像レンズによって得られた比較的広角で高解像の光学像に基づいて高解像の撮像信号が得られる。
本発明の撮像レンズによれば、全体として4枚構成のレンズ系において、各レンズ要素の構成を最適化し、特に絞りを第1レンズと第2レンズとの間に配置すると共に、レンズ系内で相対的に第1レンズのパワーを弱くする一方、第2レンズおよび第3レンズのパワーを強くするようにしたので、広角化を図りやすく、製造適正の良いレンズ系を実現できる。
また、本発明の撮像装置によれば、上記本発明の高性能の撮像レンズによって形成された光学像に応じた撮像信号を出力するようにしたので、比較的広角で高解像の撮影画像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詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る撮像レンズの第1の構成例を示している。この構成例は、後述の第1の数値実施例(図6(A),(B))のレンズ構成に対応している。図2〜図5は、第2〜第5の構成例を示しており、後述の第2〜第5の数値実施例(図7(A),(B)〜図10(A),(B))のレンズ構成に対応している。図1〜図5において、符号Riは、最も物体側の構成要素の面を1番目として、像側(結像側)に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したi番目の面の曲率半径を示す。符号Diは、i番目の面とi+1番目の面との光軸Z1上の面間隔を示す。
本実施の形態に係る撮像レンズは、CCDやCMOS等の撮像素子を用いた各種撮像機器、特に、比較的小型の携帯端末機器、例えばデジタルスチルカメラ、カメラ付き携帯電話機、およびPDA等に用いて好適なものである。この撮像レンズは、光軸Z1に沿って、物体側から順に、第1レンズG1と、第2レンズG2と、第3レンズG3と、第4レンズG4とを備えている。この撮像レンズはまた、絞りStを有している。絞りStは、光学的な開口絞りであり、第1レンズG1と第2レンズG2との間に配置されている。
本実施の形態に係る撮像装置は、本実施の形態に係る撮像レンズと、この撮像レンズによって形成された光学像に応じた撮像信号を出力するCCDなどの撮像素子100とを備えて構成される。撮像素子100は、この撮像レンズの結像面(撮像面)に配置される。第4レンズG4と撮像素子100との間には、レンズを装着するカメラ側の構成に応じて、種々の光学部材GFが配置されていても良い。例えば撮像面保護用のカバーガラスや赤外線カットフィルタなどの平板状の光学部材が配置されていても良い。この場合、光学部材GFとして例えば平板状のカバーガラスに、赤外線カットフィルタやNDフィルタ等のフィルタ効果のあるコートが施されたものを使用しても良い。
また、この撮像レンズにおいて、第1レンズG1ないし第4レンズG4のすべて、または少なくとも1つのレンズ面に赤外線カットフィルタやNDフィルタ等のフィルタ効果のあるコートや、反射防止のコートが施されていても良い。
この撮像レンズにおいて、第1レンズG1は物体側に凸面を向けた正レンズからなる。第1レンズG1は物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズであることが好ましい。第2レンズG2は、像側に凸面を向けた正レンズからなる。第2レンズG2は像側に凸面を向けた正メニスカスレンズであることが好ましい。第3レンズG3は、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズからなる。
第4レンズG4は、光軸近傍の形状が物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとされている。第4レンズG4の両面は非球面形状とされている。第1レンズG1、第2レンズG2、および第3レンズG3のそれぞれについても、少なくとも1面に非球面を含んでいることが好ましい。第4レンズG4は、像側の面が、光軸近傍では像側に凹形状で、周辺部では像側に凸形状となるような非球面とされていることが好ましい。また物体側の面が、光軸近傍において物体側に凸形状であると共に周辺部では物体側に凹形状となるような非球面とされていることが好ましい。ここで、非球面形状に関しては、特に、第4レンズG4を中心部と周辺部とで異なる形状に変化させることで、像面の中心部から周辺部にわたって像面湾曲を良好に補正することができる。第4レンズG4では、第1レンズG1、第2レンズG2、および第3レンズG3に比べて、画角ごとに光束が分離される。このため、撮像素子100に最も近い最終レンズ面である第4レンズG4の像側の面を、光軸近傍において像側に凹形状で周辺部において像側に凸形状となるようにすることで、画角ごとの収差補正が適切になされ、光束の撮像素子への入射角度が一定の角度以下に制御される。従って、結像面全域における光量むらを軽減することができると共に、像面湾曲や歪曲収差等の補正に有利となる。
本実施の形態に係る撮像レンズは、以下の条件を満足し、レンズ系内で相対的に第1レンズG1のパワーを弱くする一方、第2レンズG2および第3レンズG3のパワーが比較的強くなるような構成とされている。第3レンズG3のパワーを強くするために、第2レンズG2と第3レンズG3との間の空気間隔D5は、光軸近傍よりも周辺部の方が小さくなるように構成されている。そのような構成とすることで、第3レンズG3の物体側の面の曲率半径R6の絶対値が、第2レンズG2の像側の面の曲率半径R5の絶対値よりも小さくなり、第3レンズG3のパワーを強くすることができる。
f1>f2>|f3| ……(1)
1.0<f/f2<1.5 ……(2)
ただし、f1は第1レンズG1の焦点距離、f2は第2レンズG2の焦点距離、f3は第3レンズG3の焦点距離、fは全系の焦点距離とする。
また、以下の条件を満足することが好ましい。ただし、νd3は第3レンズG3のd線に関するアッベ数とする。また、Bfはバックフォーカス(空気換算長)、TLは全長(最も物体側の面から像面までの光軸上距離)とする。Ymaxは最大像高とする。
νd3<35 ……(3)
0.2<Bf/TL<0.5 ……(4)
0.7<Ymax/f<0.9 ……(5)
次に、以上のように構成された撮像レンズの作用および効果、特に条件式に関する作用および効果をより詳細に説明する。
本実施の形態に係る撮像レンズでは、全体として4枚構成のレンズ系において、各レンズ要素の構成が適切なものとされていることで、広角化を図りやすく、製造適正の良いレンズ系を得やすくなる。特に、絞りStを第1レンズG1と第2レンズG2との間に配置していることで、製造誤差等に対する性能劣化の感度が小さくなり、製造適正に優れている。
また、条件式(1),(2)を満足して、レンズ系内で相対的に第1レンズG1のパワーを弱くする一方、第2レンズG2および第3レンズG3のパワーを強くすることで、広角化に伴う像面湾曲の性能劣化等を改善し、広角化しやすくなっている。より詳しくは、条件式(1)における、f1>f2の関係を満たすことで、正レンズのうち、第2レンズG2が主たる結像機能を占めることになり、広角化を図った場合に像面湾曲の少ない性能の良いレンズ系が得られる。f1>f2の関係が逆転すると像面湾曲が大きなレンズ系となってしまう。また、f2>|f3|の関係を満たすことで、軸上色収差と倍率色収差を軽減することができ高画素化に対応したレンズ系となる,f2>|f3|の関係が逆転すると、色収差の大きなレンズ系となってしまう。
条件式(2)は、全体に占める第2レンズG2のパワーが大きいことを意味している。条件式(2)の下限を下回ると第1レンズG1にパワーが集中して像面湾曲が大きいレンズ系となってしまう。条件式(2)の上限を超えて第2レンズG2のパワーが強くなりすぎると軸上色収差と倍率色収差の大きいレンズ系となってしまう。より良好な収差補正を行うために、第2レンズG2に関して以下の条件式(2A)を満たすことが好ましい。
1.0<f/f2<1.3 ……(2A)
条件式(3)は、第3レンズG3の適切な分散を規定している。条件式(3)の上限を超えると色収差補正が不十分となってしまう。より良好な色収差補正を行うためには、第3レンズG3のアッベ数νd3が以下の条件式(3A)を満たすことが好ましい。
νd3<30 ……(3A)
条件式(4)は、全長TLに占めるバックフォーカスBfの割合を示している。なお、条件式(4)におけるバックフォーカスBfの値は、フィルタやカバーガラス等が配置されている場合には空気換算長とする。条件式(4)の下限を下回るとバックフォーカスが短くなり,赤外カットフィルタやローパスフィルタやカバーガラス等を配置するスペースが確保できなくなってしまう。また逆に上限を超えてバックフォーカスが長くなりすぎると、全長が長くなりすぎて商品価値の低い設計となってしまう。バックフォーカスBfに関しては、以下の条件式(4A)を満たすことがより好ましい。
0.3<Bf/TL<0.5 ……(4A)
条件式(5)は、撮影画角に相当するものである。本実施の形態に係る撮像レンズは、条件式(5)を満足するような、比較的広角側での使用に適している。
以上のようにして、本実施の形態に係る撮像レンズによれば、全体として4枚構成のレンズ系において、各レンズ要素の構成を最適化するようにしたので、広角化を図りやすく、製造適正の良いレンズ系を実現できる。また、適宜好ましい条件を満足することで、広角化を図ったとしても、高性能な、例えば2メガピクセル以上、さらに好適には5メガピクセルから10メガピクセルの高画素にも対応した性能を得ることができる。また、本実施の形態に係る撮像装置によれば、本実施の形態に係る高性能の撮像レンズによって形成された光学像に応じた撮像信号を出力するようにしたので、比較的広角で高解像の撮影画像を得ることができる。
次に、本実施の形態に係る撮像レンズの具体的な数値実施例について説明する。以下では、複数の数値実施例をまとめて説明する。
図6(A),(B)は、図1に示した撮像レンズの構成に対応する具体的なレンズデータを示している。特に図6(A)にはその基本的なレンズデータを示し、図6(B)には非球面に関するデータを示す。図6(A)に示したレンズデータにおける面番号Siの欄には、実施例1に係る撮像レンズについて、最も物体側の構成要素の面を1番目として、像側に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したi番目の面の番号を示している。曲率半径Riの欄には、図1において付した符号Riに対応させて、物体側からi番目の面の曲率半径の値(mm)を示す。面間隔Diの欄についても、同様に物体側からi番目の面Siとi+1番目の面Si+1との光軸上の間隔(mm)を示す。Ndjの欄には、物体側からj番目の光学要素のd線(587.6nm)に対する屈折率の値を示す。νdjの欄には、物体側からj番目の光学要素のd線に対するアッベ数の値を示す。
この実施例1に係る撮像レンズは、第1レンズG1ないし第4レンズG4の両面がすべて非球面形状となっている。図6(A)の基本レンズデータには、これらの非球面の曲率半径として、光軸近傍の曲率半径の数値を示している。
図6(B)には実施例1の撮像レンズにおける非球面データを示す。非球面データとして示した数値において、記号“E”は、その次に続く数値が10を底とした“べき指数”であることを示し、その10を底とした指数関数で表される数値が“E”の前の数値に乗算されることを示す。例えば、「1.0E−02」であれば、「1.0×10-2」であることを示す。
実施例1の撮像レンズの非球面データとしては、以下の式(A)によって表される非球面形状の式における各係数Bn,Kの値を記す。Zは、より詳しくは、光軸から高さh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(mm)を示す。
Z=CC・h2/{1+(1−K・CC2・h21/2}+ΣBn・hn ……(A)
(n=3以上の整数)
ただし、
Z:非球面の深さ(mm)
h:光軸からレンズ面までの距離(高さ)(mm)
K:離心率
CC:近軸曲率=1/R
(R:近軸曲率半径)
n:第n次の非球面係数
実施例1の撮像レンズは、非球面係数BnとしてB3〜B16までの次数を有効に用いて表されている。
以上の実施例1の撮像レンズと同様にして、図2に示した撮像レンズの構成に対応する具体的なレンズデータを実施例2として、図7(A),(B)に示す。また同様にして、図3〜図5に示した撮像レンズの構成に対応する具体的なレンズデータを実施例3〜5として、図8(A),(B)〜図10(A),(B)に示す。これらの実施例2〜5では、実施例1の撮像レンズと同様、第1レンズG1ないし第4レンズG4の両面がすべて非球面形状となっている。
また、図11には、上述の各条件式に関する値を、各実施例についてまとめたものを示す。図11から分かるように、各実施例の値が各条件式の数値範囲内となっている。
図12(A)〜図12(C)はそれぞれ、実施例1の撮像レンズにおける球面収差、非点収差、およびディストーション(歪曲収差)を示している。なお、非点収差図において、Sはサジタル方向、Tはタンジェンシャル方向の収差を示す。Yは像高を示す。
同様にして、実施例2〜5に係る撮像レンズにおける諸収差を、図13(A),(B),(C)〜図16(A),(B),(C)に示す。
以上の各数値データおよび各収差図から分かるように、各実施例について、各レンズ要素の構成が最適化され、良好な光学性能を保持しながら、広角で小型化の図られたレンズ系が実現できている。特に、8メガピクセル程度の画素数に好適な性能が得られている。
なお、本発明は、上記実施の形態および各実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔および屈折率の値などは、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得る。
また、上記各実施例では、すべて固定焦点で使用する前提での記載とされているが、フォーカス調整可能な構成とすることも可能である。例えばレンズ系全体を繰り出したり、一部のレンズを光軸上で動かしてオートフォーカス可能な構成とすることも可能である。
また、上記各実施例では、8メガピクセル程度の画素数に好適な設計例を示したが、本発明の撮像レンズは、例えば10メガピクセル程度のより高い画素数であっても良好な性能が得られる。また、8メガピクセルよりも低い画素数であっても良好な性能が得られる。
本発明の一実施の形態に係る撮像レンズの第1の構成例を示すものであり、実施例1に対応するレンズ断面図である。 本発明の一実施の形態に係る撮像レンズの第2の構成例を示すものであり、実施例2に対応するレンズ断面図である。 本発明の一実施の形態に係る撮像レンズの第3の構成例を示すものであり、実施例3に対応するレンズ断面図である。 本発明の一実施の形態に係る撮像レンズの第4の構成例を示すものであり、実施例4に対応するレンズ断面図である。 本発明の一実施の形態に係る撮像レンズの第5の構成例を示すものであり、実施例5に対応するレンズ断面図である。 本発明の実施例1に係る撮像レンズのレンズデータを示す図であり、(A)は基本的なレンズデータを示し、(B)は非球面のデータを示す。 本発明の実施例2に係る撮像レンズのレンズデータを示す図であり、(A)は基本的なレンズデータを示し、(B)は非球面のデータを示す。 本発明の実施例3に係る撮像レンズのレンズデータを示す図であり、(A)は基本的なレンズデータを示し、(B)は非球面のデータを示す。 本発明の実施例4に係る撮像レンズのレンズデータを示す図であり、(A)は基本的なレンズデータを示し、(B)は非球面のデータを示す。 本発明の実施例5に係る撮像レンズのレンズデータを示す図であり、(A)は基本的なレンズデータを示し、(B)は非球面のデータを示す。 条件式に関する値を各実施例についてまとめて示した図である。 本発明の実施例1に係る撮像レンズの諸収差を示す収差図であり、(A)は球面収差、(B)は非点収差、(C)はディストーションを示す。 本発明の実施例2に係る撮像レンズの諸収差を示す収差図であり、(A)は球面収差、(B)は非点収差、(C)はディストーションを示す。 本発明の実施例3に係る撮像レンズの諸収差を示す収差図であり、(A)は球面収差、(B)は非点収差、(C)はディストーションを示す。 本発明の実施例4に係る撮像レンズの諸収差を示す収差図であり、(A)は球面収差、(B)は非点収差、(C)はディストーションを示す。 本発明の実施例5に係る撮像レンズの諸収差を示す収差図であり、(A)は球面収差、(B)は非点収差、(C)はディストーションを示す。
符号の説明
G1…第1レンズ、G2…第2レンズ、G3…第3レンズ、G4…第4レンズ、GF…光学部材、St…開口絞り、Ri…物体側から第i番目のレンズ面の曲率半径、Di…物体側から第i番目と第i+1番目のレンズ面との面間隔、Z1…光軸、100…撮像素子。

Claims (5)

  1. 物体側から順に、
    物体側に凸面を向けた正レンズからなる第1レンズと、
    絞りと、
    像側に凸面を向けた正レンズからなる第2レンズと、
    物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズからなる第3レンズと、
    光軸近傍の形状が物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズである第4レンズと
    を備え、
    前記第2レンズと前記第3レンズとの間の空気間隔が、光軸近傍よりも周辺部の方が小さくなるように構成され、
    かつ、以下の条件を満足する
    ことを特徴とする撮像レンズ。
    f1>f2>|f3| ……(1)
    1.0<f/f2<1.5 ……(2)
    ただし、
    f1:第1レンズの焦点距離
    f2:第2レンズの焦点距離
    f3:第3レンズの焦点距離
    f:全系の焦点距離
    とする。
  2. さらに以下の条件を満足する
    ことを特徴とする請求項1に記載の撮像レンズ。
    νd3<35 ……(3)
    ただし、
    νd3:第3レンズのd線に関するアッベ数
    とする。
  3. さらに以下の条件を満足する
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の撮像レンズ。
    0.2<Bf/TL<0.5 ……(4)
    ただし、
    Bf:バックフォーカス(空気換算長)
    TL:全長(最も物体側の面から像面までの光軸上距離)
    とする。
  4. さらに以下の条件を満足する
    ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の撮像レンズ。
    0.7<Ymax/f<0.9 ……(5)
    ただし、
    Ymax:最大像高
    とする。
  5. 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の撮像レンズと、
    前記撮像レンズによって形成された光学像に応じた撮像信号を出力する撮像素子と
    を備えたことを特徴とする撮像装置。
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