JP2010091620A - レンズユニット - Google Patents

Abstract

【課題】十分なる広角系を達成でき、しかも、テレセントリックであるといった要請を満足し得るレンズユニットを提供する。
【解決手段】レンズユニットは、物体側から像側に向かって、第１レンズ１１、絞り２０、第２レンズ１２、及び、第３レンズ１３から構成されており、焦点距離ｆ₃の第３レンズ１３は、凸形状を有し、且つ、正の屈折力を有しており、光学系全体の焦点距離をｆ、第１レンズ１１の焦点距離をｆ₁、第２レンズ１２の焦点距離をｆ₂としたとき、
｜ｆ₁／ｆ｜≧２ （１）
｜ｆ₂／ｆ｜≧２ （２）
０．５≦ｆ₃／ｆ≦３ （３）
を満足する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レンズユニットに関する。

近年、ＣＭＯＳイメージセンサーに代表される撮像素子を備えた撮像装置が、高解像度、高転送レートであることを利用して、様々な用途に利用されている。そして、例えば、撮像装置が、ゲーム機器に組み込まれ、あるいは又、パーソナルコンピュータに取り付けられ、ゲームを行う者の位置や距離の測定、動きの測定に用いられている。このような用途にあっては、撮像装置に備えられた撮像レンズは、広角系であること、及び、テレセントリックであることが要求される。撮像レンズがテレセントリックであることによって、撮像レンズから出射した光が像面に垂直に入射するので、フィルターでの光のカット状態や光のフィルターの通過状態に変化が生じ難く、また、撮像素子に入射する光の受光効率に変化が生じ難い。従って、例えば、ゲームを行う者の位置や距離の測定、動きの測定において生じる誤差を出来る限り少なくすることができる。

携帯電話やパーソナルコンピュータ、ゲーム機器等に搭載される撮像装置に用いられる撮像レンズが、例えば、特開２００５−３５２３１７から周知である。この特許公開公報に開示された撮像レンズは、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ、絞り、負の屈折力を有する第２レンズ、正の屈折力を有する第３レンズといった構成である。そして、非球面レンズを用いることで、高い結像性能にて、或る程度広い画角、更には、２０度以下の像面最大主光線入射角を得ている。

特開２００５−３５２３１７

しかしながら、上記の撮像レンズは、十分なる広角系を達成できていないし、テレセントリックというまでには至らない。

従って、本発明の目的は、十分なる広角系を達成でき、しかも、テレセントリックであるといった要請を満足し得るレンズユニットを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明のレンズユニットは、物体側から像側に向かって、第１レンズ、絞り、第２レンズ、及び、第３レンズから構成されており、
焦点距離ｆ₃の第３レンズは、凸形状を有し、且つ、正の屈折力を有しており、
光学系全体の焦点距離をｆ、第１レンズの焦点距離をｆ₁、第２レンズの焦点距離をｆ₂としたとき、
｜ｆ₁／ｆ｜≧２ （１）
｜ｆ₂／ｆ｜≧２ （２）
０．５≦ｆ₃／ｆ≦３ （３）
を満足する。

本発明のレンズユニットにおいて、光学諸収差を良く補正して、テレセントリックな光学系を形成するためには、第１レンズが式（１）を満足する必要がある。即ち、式（１）を満足することによって、射出瞳位置が像面より遠くなり、テレセントリックな光学系に近くなる。ところで、例えば、第１レンズに強い負の屈折力（パワー）を与えると、光学長が長くなり、商品性が薄れる。それ故、第１レンズを、弱い負若しくは弱い正の屈折力を有するレンズ、即ち、式（１）を満足するレンズとしている。第２レンズは、弱い屈折力の第１レンズと正の強い屈折力を有する第３レンズで挟まれている。そして、第２レンズが式（２）を満足することによって、即ち、弱い屈折力（パワー）を有することで、軸上色収差を補正することができる。一方、凸形状を有し、且つ、正の屈折力を有する第３レンズは、テレセントリックな光学系と明るいレンズユニットを実現するために、式（３）を満足している。以上により、撮像装置へ組込みに適したより好ましい結像性能とコンパクトな光学系を実現することができる。そして、例えば、ゲーム機器に組み込まれ、あるいは又、パーソナルコンピュータに取り付けられた撮像装置において、本発明のレンズユニットを用いるとき、ゲームを行う者の位置や距離の測定、動きの測定を正確に行うことができる。また、高解像度で広角系のレンズユニットを、３群３枚で、しかも量産性に優れたプラスティックレンズから製造することができるので、高い生産性、低コストを実現できる。

以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本発明のレンズユニット、全般に関する説明
２．実施例１（本発明のレンズユニットの具体的な説明）
３．実施例２（実施例１のレンズユニットの変形例）

［本発明のレンズユニット、全般に関する説明］
本発明のレンズユニットにあっては、
−１００≦ｆ₁／ｆ≦−２ （１’）
−１００≦ｆ₂／ｆ≦−２ （２’）
０．８≦ｆ₃／ｆ≦１．５ （３’）
を満足することが望ましい。

上記の好ましい構成を含む本発明のレンズユニットにあっては、限定するものではないが、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有し、第２レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状を有する形態とすることができる。このように、絞りに対し第１レンズと第２レンズをおおよそ対称に配置することによって、倍率色収差並びに像面湾曲を補正することができる。また、第１レンズ及び第２レンズを絞りを挟んでおおよそ対称な形状に配置することで、同軸で同じ半径の鏡筒室に格納することができ、偏心する要因を少なくすることができる。場合によっては、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有し、あるいは又、第２レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状を有する形態としてもよい。

また、上記の好ましい構成、形態を含む本発明のレンズユニットにあっては、少なくとも１枚のレンズが、非球面プラスチックモールドレンズから構成されていることが望ましい。尚、３枚のレンズ、全てが非球面レンズから構成されていることが、より望ましい。また、３枚のレンズ、全てが、プラスチックモールドレンズから構成されていてもよいし、プラスチックモールドレンズとガラスモールドレンズの組合せから構成されていてもよい。

更には、以上に説明した好ましい構成、形態を含む本発明のレンズユニットにあっては、像面最大主光線入射角をθ_im（単位：度）としたとき、
｜θ_im｜≦４ （４）
好ましくは、
｜θ_im｜≦１
を満足することが望ましい。これによって、テレセントリックであることが保証される。また、Ｆ値（Ｆナンバー，Ｆ_no）は３以下、好ましくは２．５以下であることが望ましい。これによって、明るいレンズユニットであることが保証される。また、第１レンズのアッベ数をν_d-f1、第２レンズのアッベ数をν_d-f2としたとき、
ν_d-f1＞ν_d-f2
を満足することが望ましく、ν_d-f1の値は４０以上、好ましくは５０以上であることが望ましい。尚、アッベ数は、ｄ線（波長５８５ｎｍ）における値である。

以上に説明した好ましい構成、形態を含む本発明のレンズユニット（以下、これらを総称して、単に、『本発明』と呼ぶ場合がある）にあっては、レンズユニットの保護のため、第１レンズよりも物体側に、透明なガラス製の保護板を備えていてもよい。また、第３レンズよりも像側に、赤外線カットフィルター、赤外線パスフィルター、可視光及び紫外線カットフィルター、ローパスフィルターを配置してもよいし、樹脂又はガラスから作製され、保護材等として機能する平行平面板を配置してもよい。

本発明において、第１レンズ及び第２レンズを負の屈折力を有する構成とする場合、係る第１レンズ、第２レンズ及び第３レンズの形状の組合せを、以下に例示する。
第１レンズ 第２レンズ 第３レンズ
メニスカス凹 メニスカス凹 両凸
メニスカス凹 両凹 両凸
両凹 メニスカス凹 両凸
メニスカス凹 メニスカス凹 両凸
両凹 両凹 両凸
メニスカス凹 メニスカス凸 両凸
メニスカス凹 両凸 両凸
両凹 メニスカス凸 両凸
両凹 両凸 両凸

プラスチックレンズを構成するプラスチックとして、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ビニル系樹脂、ハロゲン系樹脂といった熱可塑性樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、尿素樹脂、フェノール系樹脂、シリコーン系樹脂といった熱硬化性樹脂を挙げることができる。プラスチックレンズは、材料にも依るが、例えば、射出成形法にて成形することができる。

本発明のレンズユニットは、例えば、ゲーム機器やパーソナル・コンピュータ、携帯電話等に用いられる小型撮像素子を備えた撮像装置への組み込みに適している。尚、本発明の３群３枚構成の単焦点のレンズユニットの結像面には、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子が配置されることを想定している。

以下の説明において用いる記号等を、以下に定義する。尚、物体側に頂点（光軸との交点）を有する曲面の曲率の値の符号を正とし、像側に頂点（光軸との交点）を有する曲面の曲率の値の符号を負とする。

Ｒ₁：第１レンズの物体側の面（第１面）の光軸との交点における曲率（単位：ｍｍ）
Ｒ₂：第１レンズの像側の面（第２面）の光軸との交点における曲率（単位：ｍｍ）
Ｒ₃：第２レンズの物体側の面（第３面）の光軸との交点における曲率（単位：ｍｍ）
Ｒ₄：第２レンズの像側の面（第４面）の光軸との交点における曲率（単位：ｍｍ）
Ｒ₅：第３レンズの物体側の面（第５面）の光軸との交点における曲率（単位：ｍｍ）
Ｒ₆：第３レンズの像側の面（第６面）の光軸との交点における曲率（単位：ｍｍ）
ｄ ：光軸上におけるレンズ厚さあるいはレンズ間隔（単位：ｍｍ）
ｎ_d：ｄ線（波長５８５ｎｍ）における屈折率
ν_d：ｄ線（波長５８５ｎｍ）におけるアッベ数

実施例１は、本発明のレンズユニットに関する。図１に概念図を示す実施例１の単焦点のレンズユニットは、物体側から像側に向かって、第１レンズ１１、絞り２０、第２レンズ１２、及び、第３レンズ１３から構成されており、３群３枚構成のレンズユニットである。そして、第１レンズ１１及び第２レンズ１２は非球面プラスチックモールドレンズから構成されている。一方、第３レンズ１３は、非球面ガラスモールドレンズから構成されている。尚、レンズユニットの保護のため、第１レンズ１１よりも物体側に透明なガラス製の保護板３０が備えられ、更には、第３レンズ１３よりも像側に平行平面板３１が配置されている。

ここで、焦点距離ｆ₁の第１レンズ１１は、物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有し、焦点距離ｆ₂の第２レンズ１２は、像側に凸面を向けたメニスカス形状を有し、焦点距離ｆ₃の第３レンズ１３は、凸形状を有し、且つ、正の屈折力を有している。即ち、実施例１における（第１レンズ，第２レンズ，第３レンズ）の形状の組合せは、（メニスカス凹レンズ，メニスカス凹レンズ，両凸レンズ）である。そして、光学系全体の焦点距離をｆとしたとき、
｜ｆ₁／ｆ｜≧２ （１）
｜ｆ₂／ｆ｜≧２ （２）
０．５≦ｆ₃／ｆ≦３ （３）
を満足しており、具体的には、
−１００≦ｆ₁／ｆ≦−２ （１’）
−１００≦ｆ₂／ｆ≦−２ （２’）
０．８≦ｆ₃／ｆ≦１．５ （３’）
を満足している。

更には、実施例１のレンズユニットは、像面最大主光線入射角をθ_im（単位：度）としたとき、
｜θ_im｜≦４ （４）
を満足している。また、Ｆ値は３以下であるし、第１レンズのアッベ数をν_d-f1、第２レンズのアッベ数をν_d-f2としたとき、
ν_d-f1＞ν_d-f2
を満足している。

実施例１のレンズユニットの諸元を以下の表１に示す。

［表１］

ところで、非球面は、一般に、以下の式（５）で表すことができる。ここで、光軸からの高さがＹとなる非球面上の座標点の非球面頂点（レンズユニットを構成するレンズの面と光軸との交点）の接平面からの距離をＸ、非球面頂点の曲率(１／ｒ）をｃとする。また、「Ｋ」は、コーニック定数あるいは円錐定数とも呼ばれ、一般に、Ｋ＝０の場合には式（５）は球面を表し、Ｋ＝−１の場合には式（５）は放物面を表し、Ｋ＜−１の場合には式（５）は双曲面を表し、−１＜Ｋ＜０の場合には式（５）は楕円面（楕円を長軸を中心に回転して得られる楕円面）を表し、０＜Ｋの場合には式（５）は楕円面（楕円を短軸を中心に回転して得られる楕円面）を表す。

実施例１のレンズユニットの仕様を、以下の表２に示し、レンズの各面を構成する非球面のパラメータを、以下の表３に示す。ここで、式（５）における係数「Ｄ」、「Ｅ」の値は、実施例１にあっては０であり、表３において係数「Ｄ」、「Ｅ」の値の表示は省略している。また、実施例１にあっては、第１レンズ１１を構成する材料をポリオレフィン系樹脂とし、第２レンズ１２を構成する材料をポリカーボネート系樹脂とした。

［表２］

［表３］

実施例１のレンズユニットにおける収差図を、図２の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示す。ここで、図２の（Ａ）あるいは後述する図３の（Ａ）、図４の（Ａ）は球面収差・色収差を示し、図２の（Ｂ）あるいは後述する図３の（Ｂ）、図４の（Ｂ）は非点収差を示し、図２の（Ｃ）あるいは後述する図３の（Ｃ）、図４の（Ｃ）は歪曲収差を示す。

比較のために、特開２００５−３５２３１７に開示されたレンズユニット（比較例１）における収差図を、図４の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示す。比較例１のレンズユニットの諸元を表１に示し、レンズユニットの仕様を以下の表４に示し、レンズの各面を構成する非球面のパラメータを以下の表５に示す。

［表４］

［表５］

図２の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示した実施例１のレンズユニットにおける球面収差、色収差、歪点収差、歪曲収差のいずれも、図４の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示した比較例１のレンズユニットにおける球面収差、色収差、歪点収差、歪曲収差よりも優れていることが判る。

実施例２は、実施例１の変形である。実施例２にあっては、第１レンズ１１、第２レンズ１２及び第３レンズ１３が、非球面プラスチックモールドレンズから構成されている。この点を除き、実施例２のレンズユニットの構成は、図１に概念図を示した実施例１のレンズユニットの構成と同じであるので、詳細な説明は省略する。実施例２のレンズユニットの諸元を以下の表１に示す。

実施例２のレンズユニットの仕様を、以下の表６に示し、レンズの各面を構成する非球面のパラメータを、以下の表７に示す。ここで、式（５）における係数「Ｄ」、「Ｅ」の値は、実施例２にあっては０であり、表６において係数「Ｄ」、「Ｅ」の値の表示は省略している。また、実施例２にあっては、第１レンズ１１を構成する材料をポリオレフィン系樹脂とし、第２レンズ１２及び第３レンズ１３を構成する材料をポリエステル系樹脂とした。

［表６］

［表７］

実施例２のレンズユニットにおける収差図を、図３の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示す。図３の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示した実施例２のレンズユニットにおける球面収差、色収差、歪点収差、歪曲収差のいずれも、図４の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示した比較例１のレンズユニットにおける球面収差、色収差、歪点収差、歪曲収差よりも優れていることが判る。

図１は、実施例１及び実施例２のレンズユニットの概念図である。 図２は、実施例１のレンズユニットにおける収差図であり、図２の（Ａ）は球面収差・色収差を示し、図２の（Ｂ）は非点収差を示し、図２の（Ｃ）は歪曲収差を示す。 図３は、実施例２のレンズユニットにおける収差図であり、図３の（Ａ）は球面収差・色収差を示し、図３の（Ｂ）は非点収差を示し、図３の（Ｃ）は歪曲収差を示す。 図４は、比較例１のレンズユニットにおける収差図であり、図４の（Ａ）は球面収差・色収差を示し、図４の（Ｂ）は非点収差を示し、図４の（Ｃ）は歪曲収差を示す。

符号の説明

１１・・・第１レンズ、１２・・・第２レンズ、１３・・・第３レンズ、２０・・・絞り、３０・・・保護板、３１・・・平行平面板

Claims (7)

1. 物体側から像側に向かって、第１レンズ、絞り、第２レンズ、及び、第３レンズから構成されており、
   焦点距離ｆ₃の第３レンズは、凸形状を有し、且つ、正の屈折力を有しており、
   光学系全体の焦点距離をｆ、第１レンズの焦点距離をｆ₁、第２レンズの焦点距離をｆ₂としたとき、
   ｜ｆ₁／ｆ｜≧２ （１）
   ｜ｆ₂／ｆ｜≧２ （２）
   ０．５≦ｆ₃／ｆ≦３ （３）
   を満足するレンズユニット。
2. −１００≦ｆ₁／ｆ≦−２ （１’）
   −１００≦ｆ₂／ｆ≦−２ （２’）
   ０．８≦ｆ₃／ｆ≦１．５ （３’）
   を満足する請求項１に記載のレンズユニット。
3. 第１レンズは、物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有し、
   第２レンズは、像側に凸面を向けたメニスカス形状を有する請求項１に記載のレンズユニット。
4. 少なくとも１枚のレンズが、非球面プラスチックモールドレンズから構成されている請求項１に記載のレンズユニット。
5. 像面最大主光線入射角をθ_im（単位：度）としたとき、
   ｜θ_im｜≦４ （４）
   を満足する請求項１に記載のレンズユニット。
6. Ｆ値は３以下である請求項１に記載のレンズユニット。
7. 第１レンズのアッベ数をν_d-f1、第２レンズのアッベ数をν_d-f2としたとき、
   ν_d-f1＞ν_d-f2
   を満足する請求項１に記載のレンズユニット。