JP2010151935A - 撮像レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】回折光学面を用いることにより、色収差を良好に補正し、１群１枚の最小構成のレンズ系であって、広帯域光でかつ、広画角の物体を撮影するために最適な撮像レンズを提供する。
【解決手段】１枚構成のプラスチック製レンズＬ１の物体側に凹面Ｒ２、像点側に凸面Ｒ４を形成する。凹面Ｒ２と凸面Ｒ４のそれぞれを非球面とすると共に、凸面Ｒ４上に色分散機能を発揮する回折光学面Ｒ５を形成し、以下の条件式（１）（２）を満足する。条件式（１）０．４５＜Ｌ／Ｒ＜０．９５、条件式（２）−０．０６５＜Ｌ’（１−ｎ）／Ｒ’＜０．０３５ｎＬ：主光線と光軸が交差する位置を絞り位置としたときの凸面頂点から見た見かけ上の絞りまでの距離、Ｌ’：主光線と光軸が交差する位置を絞り位置としたときの凹面頂点から見た見かけ上の絞りまでの距離、Ｒ：凸面の曲率半径、Ｒ’：凹面の曲率半径、ｎ：レンズ材質の屈折率。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話等に搭載される小型の撮像レンズ、特に、白色光等の広帯域光で且つ広画角の物体を撮影するための撮像レンズに関する。

近年、撮像レンズは写真フィルムからＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子への移行に伴い、小型化が急速に進み、携帯電話等への搭載が可能となり、大量消費による低価格化の要求が強まる一方、極端な薄型化や電子式受光素子独特の制約等の技術的な課題を満足しなくてはならない。

すなわち、近年では、携帯電話等に搭載される撮影レンズは、コンパクトでありながら、解像力や画像の品位の面で、さらに高解像の高い性能を要求され、こうような要望を満足するために、携帯電話等に搭載される小型の撮像レンズは、特許文献１〜３で示すように、２〜４枚構成のガラス又はプラスチック製レンズが主流となっている。

特開２００７−２９８７１９号公報 特開２００５−３２６６８２号公報 特開２００５−２８４１５３号公報

前記特許文献１〜３に示す撮影レンズは、複数枚のレンズを組み合わせて、レンズの球面収差や像面湾曲を補正するものであるが、レンズの枚数が増える程、コストが嵩むとともに、コンパクト化を阻害する要因ともなり、さらには、生産性も低下することになる。一方、携帯電話等の普及が急速に進むにつれ、画質に関しては多少の妥協を行っても生産性に優れ、小型で低価格な撮像レンズの要望が強まってきており、コスト面では、レンズ枚数を減らしたほうがよりコスト面で有利であるから、この種の携帯電話等に搭載される撮像レンズにおいて、１枚構成の撮像レンズを採用すれば、よりコンパクト化が可能であるとともに、コスト面でも極めて有利となる。しかし、１枚構成の撮像レンズでは、色収差補正、像面湾曲補正や電子式受光素子のための入射光線角度の最適化に対しての自由度が殆ど無いのが実情であり、光学的性能を確保できない、といった課題を有していた。

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであり、１枚の最小構成でありながら、色収差を補正すると共に、像面湾曲を許容できる範囲まで補正でき、かつ、受光素子への最適な入射角を得ることで、実用的な撮像レンズを提供することを目的とするものである。

請求項１に記載の撮像レンズは、物体側から順に、レンズに入る光量を調整する制御部材と、１枚のプラスチック製レンズとを配置し、このレンズの物体側に凹面を、像点側に凸面をそれぞれ形成し、この各々の面を非球面で構成すると共に、前記凸面が色分散機能を発揮する回折光学面であることを特徴とする。

請求項２に記載の撮像レンズは、基準点から物体方向を負、像面方向を正とする座標系において、各光学要素が以下の条件式を満足するように構成されてなることを特徴とする。
（１）０．４５＜Ｌ／Ｒ＜０．９５
（２）−０．０６５＜Ｌ’（１−ｎ）／Ｒ’＜０．０３５ｎ
ただし、
Ｌ ：主光線と光軸が交差する位置を絞り位置としたときの、凸面頂点から見た見かけ上の絞りまでの距離
Ｌ’： 主光線と光軸が交差する位置を絞り位置としたときの、凹面頂点から見た見かけ上の絞りまでの距離
Ｒ ：凸面の曲率半径
Ｒ’：凹面の曲率半径
ｎ ：レンズ材質の屈折率

本発明の撮像レンズは、最小構成枚数でレンズ系を構成することで、コンパクト化が可能であるとともに、製造が容易でコストを削減できる。さらに、像面湾曲補正を目的として負のパワーをもった凹面を配置することによりペッツバール和を小さくし、絞りから像面方向に適宜離れた位置に正のパワーをもった凸面を配置することにより、レンズからの射出主光線角度を最適化することが可能になる。さらに、色分散機能を有する回折光学面を最適に配置することで、色収差を補正すると共に、像面湾曲を許容できる範囲まで効果的に補正できる。

また、絞りと凸面との距離には一定の最適値が存在し、この最適値は条件式（１）により定義される。見かけ上の絞り位置と凸面との距離Ｌと凸面の曲率半径Ｒの比率Ｌ／Ｒが０．４５より小さくなると、軸上色収差と倍率の色収差を同時に補正することが困難になる。逆にＬ／Ｒが０．９５より大きくなった場合、回折光学面による色収差補正に関しては余裕があるが、ディストーションが増加すると共に、光学系全体が長大となるのでコンパクト化の要求に逆行することになる。なお、回折光学面は回折効率の低下による２次および３次回折によるコントラスト低下が発生するが、光路差関数の最適化により設計基準波長以外の回折効率を最小にし、撮像素子以降の電気的な処理により、コントラスト改善を図ることが可能である。

また、絞りと凹面との距離には一定の最適値が存在し、この最適値は条件式（２）により定義される。条件式（２）は凹面と絞りの位置関係を表すものであり、コマ収差を良好に保ち、かつ全系の長さを小さくするための量である。条件式（２）は見かけ上の絞りまでの距離を屈折率で正規化し、凹面の屈折力で除したものであり、Ｌ’（１−ｎ）／Ｒ’の値が０．０３５ｎより大きくなると、凹面に入射する軸外光線の入射角が大きくなるためコマ収差が増大する。また、同値が−０．０６５より負の方向に大きな値になると、収差補正上はより良好となるが、主光線射出角がより小さくなり、最適値から外れてくると共に、全系が長大となり、コンパクト化の要求に逆行することになる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。先ず本発明の代表例として実施例１を詳細に説明する。以下の各実施例においては重複する説明を省略する。

図１及び図２は本発明の実施例１を示し、図１は撮像レンズの構成図、図２は収差図を示している。図１に示す通り、本実施例の基本構成は、物体側にレンズに入る光量を調整する制御部材として鏡枠Ｒ１を配置し、その背後に１枚構成の撮像レンズＬ１を配置する。撮像レンズＬ１は物体側に凹面Ｒ２と像点側に凸面Ｒ４をそれぞれ形成している。この凹面Ｒ２、凸面Ｒ４はそれぞれ非球面で構成され、かつ凸面Ｒ４が色分散機能を有する回折光学面Ｒ５で形成されている。また、撮像レンズＬ１は非球面形成を容易にするために材質にシクロオレフィン系のプラスチックを使用している。

また、本実施例においては、撮像レンズＬ１の凸面Ｒ４と結像面Ｓとの間に平行平面Ｒ６、Ｒ７で構成されるカバーガラスが配されている。また、図１においてｄ１、ｄ２・・・ｄ５は面間隔を、Ｘは光軸をそれぞれ表すと共に、主光線と光軸が交わる位置を見かけ上の絞り位置とし、これを仮想面Ｒ３と定義する。

前記撮像レンズＬ１の凹面Ｒ２、凸面Ｒ４を構成する非球面の非球面形状式を数１で示し、数２は光路差関数で、非球面の上に回折光学面Ｒ５として形成されている。

また、実施例１の撮像レンズＬ１は以下の数３の条件式（１）及び（２）を満足するような構成になっている。

また、表１に、本実施例１の各レンズの曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各面の光軸上の面間隔ｄ（ｍｍ）、レンズ材質のｄ線における屈折率Ｎ_ｄおよびアッベ数ν_ｄを示す。また、表の下段に本実施例１の全系の焦点距離ｆ、Ｆナンバー、半画角ω、ならびに条件式（１）および（２）に対応する値を示す。なお、表１及び以下の表において、各記号に対応する番号は物体側から順次増加するようになっている。

表２に本実施例１における非球面係数と回折光学面における光路差関数の各定数の値を示す。

以上のように、本実施例においては、物体側に光量を調整する制御部材として鏡枠Ｒ１を配置し、その背後に１枚の撮像レンズＬ１を配した基本的構成を備えることにより、コンパクト化と製造コストの削減を図るものであるが、一般的に１枚構成のレンズＬ１で収差を最小にする場合、物体側に凸面を向けた平凸レンズに近い形状とし、絞りをレンズ内部に配置することが望ましいことはよく知られている。しかし、この構成では像面湾曲を小さくするには、レンズを構成するレンズの材質の屈折率を高くするしか方法は無く、画角が広くなると、撮像素子への光線入射角度の自由度がなく、シェーディングの問題が解決できない。

これらの問題を解決するために、像面湾曲補正を目的とした負のパワーをもった面を配置することにより、ペッツバール和を小さくし、絞りから像面方向に適宜離れた位置に正のパワーをもった面を配置することにより、レンズからの射出主光線角度を最適化することが可能になる。

しかし、主光線が屈折面に大きな入射角度をもって入射したり、大きな射出角度をもって射出したりすることは倍率の色収差を悪化させることになり、軸上色収差と共に、結像性能に悪影響を及ぼすことになる。そこで、本実施例は軸上色収差と合わせて、この問題を正のパワーをもつ凸面Ｒ４に、色分散機能を有する回折光学面Ｒ５を形成することで解決を図ったものである。

回折光学面Ｒ５は、光路差関数で定義される光路差を発生させるレリーフにより、構成されるものであり、通常ガラスの分散がｄ線のアッベ数で２５から８０であるのに対して同約−３．５と逆符号でおおよそ一桁大きな分散を示す性質がある。また、ガラス等の一般の光学材料で色収差を補正する場合、少なくとも２枚の分散の異なる材料でレンズを構成する必要があるが、回折光学面をレンズに１面配置するだけで、前述の大きな色分散機能を発揮し、効果的に色収差補正を実現することが可能である。

一方、回折光学面Ｒ５は設計基準波長に対しては回折効率が極めて高いが、設計基準波長を外れたり、光線入射角が大きくなると、回折効率が低下したりする欠点があるので、これらの欠点の影響が出来る限り小さくなるような設計が要求される。

回折光学面Ｒ５を用いない一般的なガラス等で構成されるレンズ系は色収差を補正する場合は、色収差補正に用いる要素が一枚の場合は絞りに比較的近い位置に配するのが一般的である。回折光学面Ｒ５も同様に絞りに近い位置に配することで軸上、軸外共に色収差補正が可能である。しかし、実施例１のように画角が大きくなると、光線入射角が大きくなるため、回折効率の急激な低下を招き、周辺部のコントラストを大きく低下させることになる。

そこで、本実施例では大きな画角に対応するために、仮想面Ｒ３（見かけ上の絞り）から最も離れた凸面Ｒ４に回折光学面Ｒ５を配することで、この問題の解決を図っている。物体側にレンズＬ１に入る光量を調整する鏡枠Ｒ１を配し、その直後に凹面Ｒ２を配することにより、主光線と光軸が交差する仮想面Ｒ３（見かけ上の絞り）としたときの、仮想面Ｒ３（見かけ上の絞り）の位置から凸面Ｒ４までの距離を最適に設定すれば、凸面Ｒ４への主光線入射角が一定の大きさに抑えられ、軸外光線についても光線入射角の変化による回折効率の低下を最小限に抑えることができる。

また、凹面Ｒ２と凸面Ｒ４の距離を大きくすることで相対的に各面Ｒ２，Ｒ４のパワーを強くすることが可能であり、結果としてペッツバール和が小さくなることで、像面湾曲が良好に補正することが可能である。しかし、凹面Ｒ２と凸面Ｒ４の距離が大きくなると、凸面Ｒ４の主光線通位置が光軸からより離れた位置になり、ディストーションが増加したり、電子受光素子への光線入射角度が小さくなりすぎることになるため限界がある。さらに、回折光学面Ｒ５により軸上光線に対して色収差補正を行ったときに、軸外光線に対しては非対称のレリーフが構成されるため、倍率の色収差と共に、波長別のコマ収差の発生量が偏り、良好な収差補正が出来なくなる結果となる。

以上の性質から回折光学面Ｒ５を凸面Ｒ４に配することが必須となるが、仮想面Ｒ３（見かけ上の絞り）と凸面Ｒ４との距離には一定の最適値が存在することになる。この最適値は数３の条件式（１）により定義される。仮想面Ｒ３（見かけ上の絞り）と凸面Ｒ４との距離Ｌと凸面Ｒ４の曲率半径Ｒの比率Ｌ／Ｒが０．４５より小さくなると、軸上色収差と倍率の色収差を同時に補正することが困難になる。逆にＬ／Ｒが０．９５より大きくなった場合、回折光学面Ｒ５による色収差補正に関しては余裕があるが、ディストーションが増加すると共に、光学系全体が大きくなるのでコンパクト化の要求に逆行することになる。なお、回折光学面Ｒ５は、回折効率の低下による２次および３次回折によるコントラスト低下が発生するが、光路差関数の最適化により、設計基準波長以外の回折効率を最小にし、撮像素子以降の電気的な処理により、コントラスト改善を図ることが可能である。

数３の条件式（２）は凹面Ｒ２と仮想面Ｒ３（見かけ上の絞り）の位置関係を表すものであり、コマ収差を良好に保ち、かつ全系の長さを小さくするための量である。条件式（２）は仮想面Ｒ３（見かけ上の絞り）までの距離を屈折率で正規化し、凹面Ｒ２の屈折力で除したものである。Ｌ’（１−ｎ）／Ｒ’の値が０．０３５ｎより大きくなると、凹面に入射する軸外光線の入射角が大きくなるため、コマ収差が増大する。また、同値が−０．０６５より負の方向に大きな値になると、収差補正上はより良好となるが、主光線射出角がより小さくなり、最適値から外れてくると共に、全系が長大となり、コンパクト化の要求に逆行することになる。

実施例１では凸面Ｒ４から仮想面Ｒ３（見かけ上の絞り）までの距離Ｌはｄ３に等しく、凹面Ｒ２から見かけ上の絞りまでの距離Ｌ’はｄ２に等しく、凸面Ｒ４の曲率半径Ｒ、凹面Ｒ２の曲率半径Ｒ’レンズ材質の屈折率ｎは条件式（１）および条件式（２）に規定される範囲にある。これにより、１枚という最小構成枚数で色収差およびその他の収差を実用的なレベルまで補正することが可能で、生産効率の高い、低コストのレンズを提供できる。特に、小型化、低価格化の要求が強い携帯電話搭載用の撮像レンズの分野では効果が大きい。

図３は実施例２の収差図を示しており、実施例２に係わる撮像レンズの構成は実施例１と略同様のレンズ構成となっており、重複する部分の詳細な説明を省略するが、レンズの中心厚が大きいにも関わらず、凸面と見かけ上の絞りまでの距離は短くなっている。

表３に、本実施例２の各レンズの曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各面の光軸上の面間隔ｄ（ｍｍ）、レンズ材質のｄ線における屈折率Ｎ_ｄおよびアッベ数ν_ｄを示す。また、表の下段に本実施例２の全系の焦点距離ｆ、Ｆナンバー、半画各ω、ならびに条件式（１）および（２）に対応する値を示す。

表４に本実施例２における非球面係数と回折光学面における光路差関数の各定数の値を示す。

図４は実施例３の収差図を示しており、本実施例３に係わる撮像レンズは実施例１と略同様のレンズ構成となっているが、分散の大きなポリカーボネート系樹脂がレンズ材料に使われているにも関わらず、軸上色収差および倍率の色収差が良好に補正されている。

表５に、本実施例３の各レンズの曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各面の光軸上の面間隔ｄ（ｍｍ）、レンズ材質のｄ線における屈折率Ｎ_ｄおよびアッベ数ν_ｄを示す。また、表の下段に本実施例３の全系の焦点距離ｆ、Ｆナンバー、半画各ω、ならびに条件式（１）および（２）に対応する値を示す。

表６に本実施例３における非球面係数と回折光学面における光路差関数の各定数の値を示す。

図５及び図６は本発明の実施例４を示し、図５は撮像レンズの構成図、図６は収差図を示している。図５に示す本実施例４に関わる撮像レンズは実施例１と略同様のレンズ構成となっているが、撮影レンズＬ１の物体側に絞りＲ１’を備えると共に、仮想面（見かけ上の絞り位置）Ｒ３’が撮影レンズＬ１より物体側にあり撮影レンズＬ１の外に配置され、その仮想面（見かけ上の絞り位置）Ｒ３’は凹面Ｒ２により虚像となり、凸面Ｒ４の頂点からみたときに凹面Ｒ２より物体側０．１１０３ｍｍの位置に形成されている。

表７に、本実施例４の各レンズの曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各面の光軸上の面間隔ｄ（ｍｍ）、レンズ材質のｄ線における屈折率Ｎ_ｄおよびアッベ数ν_ｄを示す。また、表の下段に本実施例４の全系の焦点距離ｆ、Ｆナンバー、半画各ω、ならびに条件式（１）および（２）に対応する値を示す。

表８に本実施例４における非球面係数と回折光学面における光路差関数の各定数の値を示す。

なお、前記実施例１〜４の効果を数値的に明らかにするために、回折光学面の無い一般的な１枚構成のプラスチック非球面レンズについて、図７の撮像レンズの構成図、図８の収差図及び以下の表９、表１０を参照して説明する。すなわち、図７の撮像レンズは、前記実施例４と類似の構成であるが、凸面Ｒ４は、回折光学面ではなく、数１に説明する一般的な非球面である。

表９は、各レンズの曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各面の光軸上の面間隔ｄ（ｍｍ）、レンズ材質のｄ線における屈折率Ｎ_ｄおよびアッベ数ν_ｄを示す。また、表の下段に全系の焦点距離ｆ、Ｆナンバー、半画各ω、ならびに条件式（１）および（２）に対応する値を示す。

図８、図１０に示すように、球面収差、像面湾曲、ディストーションは本発明に関わる実施例とほぼ同等レベルに補正されているが、軸上色収差、倍率の色収差共に本発明に関わる実施例１〜４に及ばないことが解る。

以上のように、本発明の撮像レンズによれば、回折光学面Ｒ５を最適な位置に配すことにより、１枚という最小構成枚数で、色収差およびその他の収差を実用的なレベルまで補正することが可能で、生産効率の高い、低コストのレンズを提供できる。特に、小型化、低価格化の要求が強い携帯電話搭載用の撮像レンズの分野では効果が大きい。

実施例１に関わる撮像レンズの構成図である。 実施例１に関わる撮像レンズの収差図である。 実施例２に関わる撮像レンズの収差図である。 実施例３に関わる撮像レンズの収差図である。 実施例４に関わる撮像レンズの構成図である。 実施例４に関わる撮像レンズの収差図である。 回折光学面の無い１枚構成の撮像レンズの構成図である。 回折光学面の無い１枚構成の撮像レンズの収差図である。 回折光学面の無い１枚構成の撮像レンズの構成図である。 回折光学面の無い１枚構成の撮像レンズの収差図である。

符号の説明

Ｌ１ 撮影レンズ
Ｒ１ 鏡枠（制御部材）
Ｒ２ 凹面
Ｒ３，Ｒ３’ 仮想面
Ｒ４ 凸面
Ｒ５ 回折光学面
Ｘ 光軸
Ｓ 結像面

Claims (2)

1. 物体側から順にレンズに入る光量を調整する制御部材と、１枚のプラスチック製レンズとを配置し、このレンズの物体側に凹面を、像点側に凸面をそれぞれ形成し、この各々の面を非球面で構成するとともに、前記凸面が色分散機能を発揮する回折光学面であることを特徴とする撮像レンズ。
2. 基準点から物体方向を負、像面方向を正とする座標系において、各光学要素が以下の条件式を満足するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載の撮像レンズ。
   （１）０．４５＜Ｌ／Ｒ＜０．９５
   （２）−０．０６５＜Ｌ’（１−ｎ）／Ｒ’＜０．０３５ｎ
   ただし、
   Ｌ ：主光線と光軸が交差する位置を絞り位置としたときの、凸面頂点から見た見かけ上の絞りまでの距離
   Ｌ’： 主光線と光軸が交差する位置を絞り位置としたときの、凹面頂点から見た見かけ上の絞りまでの距離
   Ｒ ：凸面の曲率半径
   Ｒ’：凹面の曲率半径
   ｎ ：レンズ材質の屈折率

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