JP2011095364A - 撮像レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】
レンズ３枚構成の光学系で、レンズの形状、非球面の形状等を適切に設定することにより収差を良好に補正し、小型で薄く、軽量且つ安価でありながら、優れた光学性能を有する撮像レンズを得る。
【解決手段】
物体側から順に、開口絞りと、両側に凸の形状を成し正の屈折力を有する第１レンズと、物体側に凹のメニスカス形状を成し負の屈折力を有する第２レンズと、物体側に凸のメニスカス形状を成し正の屈折力を有する第３レンズの３枚のレンズを配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタルスチルカメラや携帯通信端末用カメラ等、固体撮像素子を使用した撮像装置に用いられる単焦点レンズに関する。

デジタルスチルカメラはカードタイプなど年々薄型のものが作られ、撮像装置の小型化が求められている。また、携帯電話においても端末自体の薄型化や多機能を搭載するスペース確保のために撮像装置の小型化が求められている。それにより、撮像装置に搭載される撮像レンズへのさらなる小型化の要求が高まっている。

ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Mental Oxide Semiconductor）といった撮像素子の小型化と同時に、撮像素子の画素ピッチの微細化による高画素数化が進み、それに伴い、これら撮像装置に使用される撮像レンズにも高い性能が求められてきている。

これらの固体撮像素子の表面には、光を効率良く入射させるためのマイクロレンズが設けられている。しかし、射出瞳位置が像面に近づくと、撮像レンズから射出された軸外光束が像面に対して斜めに入射するため、シェーディング現象がおきる。すると、マイクロレンズによる集光が不十分になり、画像の明るさが画像中央部と画像周辺部とで極端に変化するという問題が生じることになる。この問題を解決するためには射出角度が小さいテレセントリック光学系であることが望ましい。

以上のように、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子に像を結像させる撮像レンズには、まず小型であることが要求されることになる。その上で、良好な結像性能と歪曲収差特性、十分な周辺光量、適度なバックフォ−カスを持ち、また射出瞳位置ができるだけ長いことも要求される。

これらの要望に対応し得る可能性がある撮像レンズとして、計４枚のレンズで構成された単焦点レンズ（例えば、特許文献１，２を参照。）、計３枚のレンズで構成された単焦点レンズ（例えば、特許文献３を参照。）が提案されている。しかしながら、この特許文献１，２に記載される単焦点レンズでは、高い結像性能を持たせるため、レンズ系全長がかなり長くなるといった問題が発生してしまう。また、特許文献３に記載される単焦点レンズは近年要望が多い広角化に伴い、光学性能が不足する可能性がある。

特開２００４−１８４９８７号公報 特開２００７−２６４４９８号公報 特開２００４−２５２３１２号公報

本発明は、上記の点に鑑みて成されたものであり、目的とするのは、３枚構成によって高い光学性能を持ちつつ、レンズの形状、非球面の形状等を適切に設定することにより小型、薄型の撮像レンズを提供することである。

上記目的を達成するため第１の発明のレンズは、下記条件式（１）、（２）を満足し、物体側から順に、開口絞りと、両側に凸の形状を成し正の屈折力を有する第１レンズと、物体側に凹のメニスカス形状を成し負の屈折力を有する第２レンズと、物体側に凸のメニスカス形状を成し正の屈折力を有する第３レンズとの３枚のレンズが配置され、下記条件式（３）〜（６）を満足することを特徴とする。
（１） １．２ ＜ ＴＬ／ｆ ＜ １．５
（２） ＴＬ／２Y ＜ ０．９
（３） ０．５ ＜ ｆ１／ｆ ＜ ０．７
（４） −１．２ ＜ ｆ２／ｆ ＜ −０．８
（５） ４．０ ＜ ｆ３／ｆ ＜ ２０．０
（６）−２．００ ＜ R１１／R１２ ＜ -０．７０
ただし、
ｆ ：レンズ全系の焦点距離
ＴＬ：開口絞りの面から結像面までの距離
Y：結像面において光軸中心から最大像高までの距離
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
R１１ ：第１レンズの物体側面の曲率半径
R１２ ：第１レンズの像側面の曲率半径
第２の発明のレンズは、上記第１の発明において、前記３枚のレンズが全ての面に非球面形状を有し、特に第２レンズの像側面と第３レンズの物体側面が、光軸近傍と周辺で屈折力の正負が逆転する形状を有することを特徴とする。

第３の発明のレンズは、上記第1から第２のいずれかの発明において、前記第１レンズ及び前記第２レンズを構成する材料のｄ線に対する屈折率及びアッベ数に関して、下記条件式（７）、（８）を満足していることを特徴とする。
（７） ０．０５ ＜ （Nｄ１−Nｄ２）／Nｄ１ ＜ ０．１４
（８） １０ ＜ ν１−ν２ ＜ ３０
ただし、
Nｄ１：第１レンズのｄ線に対する屈折率
Nｄ２：第２レンズのｄ線に対する屈折率
ν１：第１レンズのｄ線に対するアッベ数
ν２：第２レンズのｄ線に対するアッベ数
第４の発明のレンズは、上記第1から第３のいずれかの発明において、前記第１レンズが硝子材料により形成され、前記第２レンズ及び前記第３レンズが樹脂材料で形成されることを特徴とする。

第５の発明のレンズは、上記第1から第４のいずれかの発明において、下記条件式（９）を満足することを特徴とする。
（９） ０．３ ＜ D１２／D２３ ＜ ０．７
ただし、
D１２：第１レンズ像側面と第２レンズ物体側面の軸上距離
D２３：第２レンズ像側面と第３レンズ物体側面の軸上距離
第６の発明のレンズは、上記第1から第５のいずれかの発明において、下記条件式（１０）を満足することを特徴とする。
（１０） １．０ ＜ D‘２３／D２３ ＜ ２．０
ただし、
D‘２３：第２レンズ像側面と第３レンズ物体側面の最大有効径位置の距離

本発明によれば、全長が短く、諸収差が良好に補正され、明るい撮像レンズを提供することができる。その結果、デジタルカメラや携帯通信端末用カメラ等に搭載可能なコンパクトな撮像レンズを実現することができる。

本実施形態の撮像レンズの基本構成を示す図である。 実施例１ において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例１ において、球面収差、非点収差、および歪曲収差を示す収差図である。 実施例２ において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例２ において、球面収差、非点収差、および歪曲収差を示す収差図である。 実施例３ において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例３ において、球面収差、非点収差、および歪曲収差を示す収差図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しつつ説明する。 図１に実施の形態のレンズ構成をそれぞれ光学断面で示す。これらの実施形態は物体側から順に、開口絞り１１０、第１レンズ１２０、第２レンズ１３０、第３レンズ１４０、平行平面のガラス板１５０、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Mental-Oxide Semiconductor device)等の撮像素子１６０が配置される３枚構成の単焦点レンズ１００である。

本発明を実施した撮像レンズで３枚のレンズは、下記条件式（１）、（２）を満足し、物体側から順に、開口絞り１１０と、両側に凸の形状を成し正の屈折力を有する第１レンズ１２０と、物体側に凹のメニスカス形状を成し負の屈折力を有する第２レンズ１３０と、物体側に凸のメニスカス形状を成し正の屈折力を有する第３レンズ１４０のように配列されている。
条件式（１）、（２）は光学系の厚みと撮影画角を規定する条件で、この範囲内にあれば小型広角のレンズといえる。レンズよりも前方に開口絞りを設けることにより、射出瞳面を結像面から離すことが可能となり、結果として結像面への光線入射角度を小さくすることが可能となる。開口絞りをレンズ前方に配置することで光学系の開口絞りに対する対称性がなくなるため、歪曲収差が大きくなるが、開口絞りに近い第１レンズに結像のための主たる屈折力を持たせ、第２レンズを負の屈折力とすることで歪曲収差をバランス良く補正することが可能となる。結像面への光線入射角度を小さくするために第３レンズは正の屈折力を持たせるが、屈折力を大きくしすぎると負の歪曲が大きくなってしまうため、良好に収差補正を行いながら屈折力を小さくするようにメニスカス形状とする。第２レンズと第３レンズの間の空気間隔によって像面湾曲を除去するために、第２レンズ像側面と第３レンズ物体側面は互いに凸面にする。
（１） １．２ ＜ ＴＬ／ｆ ＜ １．５
（２） ＴＬ／２Y ＜ ０．９
ただし、
ｆ ：レンズ全系の焦点距離
ＴＬ：開口絞りの面から結像面までの距離
Y：結像面において光軸中心から最大像高までの距離
さらに本発明を実施したレンズは下記条件式（３）〜（６）を満足するように構成される。
（３） ０．５ ＜ ｆ１／ｆ ＜ ０．７
（４） −１．２ ＜ ｆ２／ｆ ＜ −０．８
（５） ４．０ ＜ ｆ３／ｆ ＜ ２０．０
（６）−２．００ ＜ R１１／R１２ ＜ -０．７０
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
R１１ ：第１レンズの物体側面の曲率半径
R１２ ：第１レンズの像側面の曲率半径
本発明を実施した撮像レンズは、開口絞りに近い第１レンズに主たる結像力を持たせる構成となっている。そのため、（３）式の上限値を超えると、前方の正の屈折力が小さくなり、後方に配置される有効径の大きいレンズの屈折力が大きくなりすぎてしまい、歪曲収差が大きくなってしまうなどの問題が発生する。反対に下限値を超える場合には、曲率半径が小さくなりすぎるために十分なコバ厚の確保が難しくなる。第２レンズは第1レンズで発生した歪曲収差や球面収差などの緒収差を補正するので、（４）式の範囲を超えると、諸収差が補正不足もしくは補正過剰となってしまう。第３レンズの屈折力を（５）式の範囲内で設定することで歪曲と結像面への光線入射角をバランス良く構成することが可能である。第１レンズの曲率半径の比は（６）式の範囲内で設定する。開口絞りからの距離が離れるに従い周辺の光線高さが増すため物体側面の曲率半径を小さくしなければならないが、（４）式の上限値を超えると、製造が困難な形状となる。

撮像レンズ１００において、物体側ＯＢＪＳ より入射した光は、開口絞り部１１０の面１、第１レンズ１２０の物体側Ｒ１面２、像面側Ｒ２面３、第２レンズ１３０の物体側Ｒ３面４、像面側Ｒ４面５、第３レンズ１４０の物体側Ｒ５面６、像面側Ｒ６面７、平行平面のガラス板１５０の物体側面８、像側面９を順次通過し撮像素子１６０へと集光される。

３枚のレンズが全ての面に非球面形状を持つことにより、収差補正が容易となり、小型でありながら良好な解像性能を得ることが可能となる。特に第２レンズの像側面と第３レンズの物体側面が、光軸近傍と周辺で屈折力の正負が逆転する形状を有することで、像面湾曲を良好に補正することが可能となる。

なお、以下の数値実施例の中で記載されるレンズの非球面の形状は、物体側から像面側へ向かう方向を正とし、ｋを円錐係数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを非球面係数、ｒを中心曲率半径としたとき次式で表される。ｈは光線の高さ、ｃは中心曲率半径の逆数をそれぞれ表している。ただし、Ｚは面頂点に対する接平面からの深さを、Ａは４次の非球面係数を、Ｂは６次の非球面係数を、Ｃは８次の非球面係数を、Ｄは１０次の非球面係数をそれぞれ表している。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、第１レンズ及び前記第２レンズを構成する材料のｄ線に対する屈折率及びアッベ数に関して、下記条件式（７）、（８）を満足するように設定される。
（７） ０．０５ ＜ （Nｄ１−Nｄ２）／Nｄ１ ＜ ０．１４
（８） １０ ＜ ν１−ν２ ＜ ３０
ただし、
Nｄ１：第１レンズのｄ線に対する屈折率
Nｄ２：第２レンズのｄ線に対する屈折率
ν１：第１レンズのｄ線に対するアッベ数
ν２：第２レンズのｄ線に対するアッベ数
第３レンズの屈折力が小さいために、ペッツバール和と色消し条件は第１レンズ及び第２レンズの材料構成に強く影響される。条件式（３）〜（５）を満足するような屈折力配置において、条件式（７）を満足するような材料を選択することで非点収差及び像面湾曲を良好に補正することが可能となる。同様に条件式（８）を満足するような材料を選択すること色収差を良好に補正することが可能となる。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、第１レンズが硝子材料により形成され、第２レンズ及び第３レンズが樹脂材料で形成される。第1レンズを硝子材料で形成することにより、前記条件式（７）、（８）を満たす材料の選択が容易になる。また第２レンズ、第３レンズを樹脂材料で形成することにより、非球面形状を成型することが容易になる。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、下記条件式（９）を満足するように構成される。
（９） ０．３ ＜ D１２／D２３ ＜ ０．７
ただし、
D１２：第１レンズ像側面と第２レンズ物体側面の軸上距離
D２３：第２レンズ像側面と第３レンズ物体側面の軸上距離
（９）式の下限値を超えると、歪曲収差や像面湾曲の補正が困難になる。反対に（９）式の上限値を超えると、第２レンズに入射する光線高さが大きくなりレンズが大型化してしまう。

本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、下記条件式（１０）を満足するように構成される。
（１０） １．０ ＜ D‘２３／D２３ ＜ ２．０
ただし、
D‘２３：第２レンズ像側面と第３レンズ物体側面の最大有効径位置の距離
（１０）式の下限値を超えると、中心と周辺での十分な光路差が確保できず、非点収差もしくは像面湾曲の補正が困難になる。反対に上限値を超える場合には、第２レンズもしくは第３レンズの形状が複雑になり製造が困難となる。

以下に、撮像レンズの具体的な数値による実施例１〜３を示す。１〜３の数値実施例において、焦点距離、Fナンバー、画角、像高、レンズ全長、バックフォーカス（Bf）は次の表１に記載の通りである。また、同じく１〜３の数値実施例において、条件式（１）〜（１０）の数値データは、次の表２に記載の値になる。

実施の形態１におけるレンズ系の基本構成は図２に示され、各数値データ（設定値）は表３、表４に、球面収差、非点収差、および歪曲収差を示す収差図は図３にそれぞれ示される。

図２に示すように、第１レンズは両凸形状、第２レンズは物体側に凹面を向けたメニスカス形状、第３レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有する。第１レンズから第３レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。また、図に示すように絞り部の面１と第１レンズのR１面２間の距離をＤ１、第１レンズの厚さとなるＲ１面２とＲ２面３間の距離をＤ２、第１レンズのＲ２面３と第２レンズのＲ３面４間の距離をＤ３、第２レンズの厚さとなるＲ３面４とＲ４面５間の距離をＤ４、第２レンズのＲ４面５と第３レンズのＲ５面６間の距離をＤ５、第３レンズの厚さとなるＲ５面６とＲ６面７間の距離をＤ６、第３レンズのＲ６面７と平板ガラスの面８までの距離をＤ７、平行平面ガラスの厚さとなる面８と面９間の距離をＤ８、平行平面ガラスと結像面までの距離をD９とする。

表３は、実施例１における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎd、および分散値νdを示している。表４は、所定面の非球面係数を示している。

〈数値実施例１〉

図３は、実施例１において、図３（Ａ）が球面収差を、図３（Ｂ）が非点収差を、図３（C）が歪曲収差を、それぞれ示している。図３（Ａ）の縦軸は瞳座標を表し、グラフの各線はC線、d線、g線の値を示している。図３（B）の縦軸は結像面での実像高を表し、図３（B）中、実線Sはサジタル像面のd線の値、破線Tはタンジェンシャル像面のd線の値をそれぞれ示している（図５、７においても同様である）。図３（C）の縦軸は結像面での実像高を表し、値はd線の値を示している。図３からわかるように、実施例１によれば、球面、非点、歪曲の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。

実施の形態２におけるレンズ系の基本構成は図４に示され、各数値データ（設定値）は表５、表６に、球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図は図５にそれぞれ示される。

図４に示すように、第１レンズは両凸形状、第２レンズは物体側に凹面を向けたメニスカス形状、第３レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有する。第１レンズから第３レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。

表５は、実施例２における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎd、および分散値νdを示している。表６は、所定面の非球面係数を示している。

〈数値実施例２〉

図５は、実施例２において、図５（Ａ）が球面収差を、図５（Ｂ）が非点収差を、図５（C）が歪曲収差をそれぞれ示している。図５からわかるように、実施例２によれば、球面、非点、歪曲の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。

実施の形態３におけるレンズ系の基本構成は図６に示され、各数値データ（設定値）は表７、表８に、球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図は図７にそれぞれ示される。

図６に示すように、第１レンズは両凸形状、第２レンズは物体側に凹面を向けたメニスカス形状、第３レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有する。第１レンズから第３レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。

表７は、実施例３における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎd、および分散値νdを示している。表８は、所定面の非球面係数を示している。

〈数値実施例３〉

図７は、実施例３において、図７（Ａ）が球面収差を、図７（Ｂ）が非点収差を、図７（C）が歪曲収差をそれぞれ示している。図７からわかるように、実施例３によれば、球面、非点、歪曲の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。

１００，１００Ａ〜１００C・・・撮像レンズ
１１０ ・・・開口絞り部
１２０ ・・・第１レンズ
１３０ ・・・第２レンズ
１４０ ・・・第３レンズ
１５０ ・・・平行平面ガラス
１６０ ・・・撮像面

Claims (6)

1. 物体側から順に、開口絞りと、両側に凸の形状を成し正の屈折力を有する第１レンズと、物体側に凹のメニスカス形状を成し負の屈折力を有する第２レンズと、物体側に凸のメニスカス形状を成し正の屈折力を有する第３レンズの３枚のレンズが配置され、下記条件式（１）〜（６）を満足することを特徴とする撮像レンズ。
   （１） １．２ ＜ ＴＬ／ｆ ＜ １．５
   （２） ＴＬ／２Y ＜ ０．９
   （３） ０．５ ＜ ｆ１／ｆ ＜ ０．７
   （４） −１．２ ＜ ｆ２／ｆ ＜ −０．８
   （５） ４．０ ＜ ｆ３／ｆ ＜ ２０．０
   （６）−２．００ ＜ R１１／R１２ ＜ -０．７０
   ただし、
   ｆ ：レンズ全系の焦点距離
   ＴＬ：開口絞りの面から結像面までの距離
   Y：結像面において光軸中心から最大像高までの距離
   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
   R１１ ：第１レンズの物体側面の曲率半径
   R１２ ：第１レンズの像側面の曲率半径
2. 前記３枚のレンズが全ての面に非球面形状を有し、特に第２レンズの像側面と第３レンズの物体側面が、光軸近傍と周辺で屈折力の正負が逆転する形状を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。
3. 前記第１レンズ及び前記第２レンズを構成する材料のｄ線に対する屈折率及びアッベ数に関して、下記条件式（７）、（８）を満足してい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。
   （７） ０．０５ ＜ （Nｄ１−Nｄ２）／Nｄ１ ＜ ０．１４
   （８） １０ ＜ ν１−ν２ ＜ ３０
   ただし、
   Nｄ１：第１レンズのｄ線に対する屈折率
   Nｄ２：第２レンズのｄ線に対する屈折率
   ν１：第１レンズのｄ線に対するアッベ数
   ν２：第２レンズのｄ線に対するアッベ数
4. 前記第１レンズが硝子材料により形成され、前記第２レンズ及び前記第３レンズが樹脂材料で形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の撮像レンズ。
5. 下記条件式（９）を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の撮像レンズ。
   （９） ０．３ ＜ D１２／D２３ ＜ ０．７
   ただし、
   D１２：第１レンズ像側面と第２レンズ物体側面の軸上距離
   D２３：第２レンズ像側面と第３レンズ物体側面の軸上距離
6. 下記条件式（１０）を満足することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の撮像レンズ。
   （１０） １．０ ＜ D‘２３／D２３ ＜ ２．０
   ただし、
   D‘２３：第２レンズ像側面と第３レンズ物体側面の最大有効径位置の距離