JP2016110071A - 小型結像レンズシステム - Google Patents

Abstract

【課題】製作性が良く、且つ高性能の小型結像レンズシステムを提供する。【解決手段】物体側から像側に、順に配置されている、絞りＳｔと、第１のレンズＬ１と、第２のレンズＬ２と第３のレンズＬ３とを含む。第１のレンズＬ１は正屈折力を有し、且つ、両凸面形状である。第２のレンズＬ２は負屈折力を有し、且つ、像側面が凸半月状である。第３のレンズＬ３は負屈折力を有し、光軸に近い方向において、物体側面が凸であり、且つ、像側面が両凹面形状であるが、光軸に離間する方向において、像側面が凸の半月状であり、且つ、以下の条件式を満足する。０＜ｆ１/ｆ＜１．０、ただし、ｆは光学システムの総焦点距離であり、ｆ１は第１のレンズの焦点距離である。【選択図】図１

Description

本発明は、結像レンズシステムに関する。さらに詳しくは、スマートフォンや携帯端末に搭載することができ、カメラの機能を改進し、又はデジタルカメラに適用できるものに関する。

近年、スマートフォンや携帯端末の携帯性能はますます重要視されており、表示パネルの発展に伴い、高解像度を有する小型結像レンズが必要となっている。近年、収差の補正により高性能を確保するために、四つのレンズが用いられる場合が多い。
従来、三つのレンズが用いられたレンズシステムは物体側からの第１のレンズがメニスカス状であるため、レンズの加工は困難である。さらに、第１のレンズの第１の面から映像までの距離（ＴＴＬ）はより長くなり、光学的全長がイメージセンサの対角寸法の１倍以上であるため、小型化は難しい。
また、絞りが第１のレンズと第２のレンズとの間に配置されることで、第１のレンズと第２のレンズとの間隔は広くなる。そのため、小型化の設計は困難である。

本発明は小型化及び高解像度のイメージセンサを実現し、携帯電話及び携帯端末にカメラの機能を発揮させるとともに、容易に製作可能で且つ大量生産が可能な小型結像レンズシステムを提供することを目的としている。

従って、本発明における好ましい形態の小型結像レンズを参照すれば、物体側から順に配置されている、絞りと、第１のレンズと、第２のレンズと第３のレンズを含む。前記第１のレンズは正屈折力を有し、且つ両凸面形状である。前記第２のレンズは負屈折力を有し、且つその像側面は凸半月状である。前記第３のレンズは負屈折力を有し、その像側面は反曲点を有し、光軸において、両凹面形状であり、光軸に離間する方向において、像側面は膨らんだ半月状に反転し、且つ以下の条件式を満足するものであり。
ただし、ｆは光学システムの総焦点距離であり、ｆ１は第１のレンズの焦点距離である。
この場合に、前記小型結像レンズシステムは以下の条件式を満足することが好ましい。
ここで、ＴＴＬは前記第１のレンズの第１の面から結像面までの距離であり、ｙは小型結像レンズシステムの最大像高である。
前記第１、第２の、第３のレンズのすべての面は非球面形状を有することが好ましい。
小型結像レンズシステムは以下の条件式を満足してもよい。
ただし、Ｒ２は第１のレンズの物体側面の曲率半径であり、Ｒ３はその像側面の曲率半径である。
さらに、前記第２のレンズのアッベ数は第１のレンズのアッベ数よりも２０〜３０程度小さくても良い。
前記第３のレンズの物体側面は反曲点を有さなくてもよい。

本発明の有益な効果は以下のとおりである。上述したように、上記の形態によれば、本発明は、容易に小型且つ高解像度イメージセンサを有する携帯端末製品に適用することができるので、小型化、高性能化及び製造に対する低感度の設計は可能である。

図１は本発明における一つの好ましい形態による小型結像レンズシステムの構成図である。 図２は本発明におけるもう一つの好ましい形態による小型結像レンズシステムの構成図である。 図３は図１における小型結像レンズシステムの縦方向球面収差、非点収差及び歪みに関する収差図である。 図４は図２における小型結像レンズシステムの縦方向球面収差、非点収差及び歪みに関する収差図である。

以下、図面と実施形態を組み合わせて、本発明についてさらに説明を行う。
以下、添付の図面を参照して、本発明の形態による自動機械加工装置を詳細に説明する。本明細書において用いられる用語は、適切に本発明の好ましい形態を示すために、使用者、運用者又は本発明の所属分野によって、異なることがある。従って、これらの用語の定義及び上述した内容に基づき、以下の紹介を始める。

図１及び図２は本発明の第１及び第２の実施例に基づいた小型結像レンズシステムを示す。図１及び図２において、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ …はそれぞれ絞り、レンズとフィルターの物体側／像側面の曲率半径を示し、Ｄ１、 Ｄ２、 Ｄ３…は絞り、レンズとフィルターの間隔及び絞り、レンズとフィルターの中心の厚さを示す。

図１及び図２を参照すれば、物体側から像側までの順番で、順に絞りＳｔと、第１のレンズＬ１と、第２のレンズＬ２と、第３のレンズＬ３を含む。第３のレンズＬ３と結像面Ｓｉとの間にフィルター（ｆｉｌｔｅｒ）ＬＦのような光学部材がさらに含まれる。
第１のレンズＬ１は正屈折力を有する両凸面形状のレンズである。
第２のレンズＬ２は負屈折力を有し、且つ像側面は凸半月状のレンズである。
第３のレンズＬ３は負屈折力を有する。

前記第３のレンズＬ３の像側面は反曲点を有することができる。例えば、その像側面は反曲点を有し、従って、前記第３のレンズＬ３の像側面は光軸において略両凹面形状であるが、光軸に離間する像側面において凸半月状レンズである。これにより、結像面に挿入された主光線の入射角を減少させることができ、球面収差及び非点収差を減少させ、レンズの解像能力を向上することができる。

前記第３のレンズＬ３の物体側面は反曲点を有する。これと違い、前記第３のレンズＬ３の物体側面が反曲点を有さない方はより好適になり、且つ、前記第３のレンズＬ３の物体側面は反曲点を有さなくても、発明の効果を奏するとともに、製作が簡単で、製作時間が短いというメリットを有する。

本発明によれば、第１のレンズＬ１は両凸面形状である。これによれば分かるように、前記第１のレンズが容易に加工可能である。さらに、前記第２のレンズＬ２が負屈折力を有するため、光学全長を短縮することができ、周囲に発散した中心光線の有効像高及び高さも機能することができる。

本発明の実施形態において、前記第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２及び第３のレンズＬ３は少なくとも一つの非球面を含む。例えば、前記第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２及び第３のレンズＬ３の物体側面及び像側面はすべて非球面であってもよい。レンズのすべての面はいずれも非球面であれば、光学システムの全長を短縮することができるだけでなく、高性能を備えることもできる。

この場合に、前記第１のレンズの焦点距離がｆ１であり、前記第２のレンズの焦点距離がｆ２であり、前記第３のレンズの焦点距離がｆ３であるときに、｜ｆ１｜の値は最も高く、｜ｆ２｜の値は最も低いのであってもよく、そして、｜ｆ３｜の値は｜ｆ２｜の値とは著しい差がないが、｜ｆ１｜の値とは差が大きい。

それに対して、前記第１のレンズの焦点距離が大きい値を有するため、小型光学システムを製作することが可能である。
さらに、本発明の形態に基づいた小型結像レンズシステムは以下の条件式１を満足する。
ここで、ｆは光学システムの総焦点距離であり、ｆ１は第１のレンズの焦点距離である。
ｆ１／ｆは０より小さくなると、小型結像レンズシステムは負屈折力を有する。

そして、ｆ１／ｆは１より大きくなると、第１のレンズの正屈折力が小さすぎるため、コンパクトで小型の小型成像光学システムを実現することが難しくなる。この場合に、相対的には、０.５＜ｆ１／ｆ＜０.７の方はより好適である。

一方で、絞りＳｔは、以下のように、本発明に基づいた小型結像レンズシステムに配置されることが好適である。
第１のレンズＬ１の物体側面に配置されるのと比べると、絞りＳｔが物体側に配置される方は小型結像レンズシステムの全体の長さ（全長）を短縮することができるだけでなく、レンズの外径を短縮することにより、小型化を図ることもできる。

本発明に基づいた結像レンズにおいて、前記第１のレンズＬ１は以下の条件式２を満足することが好ましい。
ここで、ＴＴＬは前記第１のレンズの物体側面から結像面までの距離であり、ｙは前記小型成像系統の最大像の高さであり、即ち、前記小型結像システムにおける有効画素検知領域の対角線の長さの半分であり、これによれば分かるように、２ｙは結像面からセンサ対角線までの長さを示す。

ＴＴＬ／２ｙ＞１.０であると、光学システムの全長の増加のため、光学システムの小型化を図ることができなくなる。なお、ＴＴＬ／２ｙ＜０.７５であると、レンズの屈折力は大きすぎ、前記第２のレンズ及び前記第３のレンズにより収差を補正することが難しくなり、且つ、最終的に高性能の結像レンズシステムを構成することができなくなる。

一方で、第１のレンズは以下の条件式３を満足することができる。
ここで、Ｒ２は第１のレンズＬ１の物体側面の曲率半径であり、Ｒ３は第１のレンズＬ１の像側面の曲率半径である。条件式３は第１のレンズＬ１の物体側の曲率半径と像側の曲率半径との比率を示す。Ｒ２／Ｒ３＞０であると、第１のレンズＬ１は半月状をなし、それとともに、光学性能を維持するように収差特性を補正する。そのため、アッベ数が大きく、且つ屈折率が高い材料を使用すべきであり、従って、プラスチック樹脂の適用は難しい。プラスチック樹脂の適用が難しいことは小型結像レンズシステムの重さを増加させる。

それに対して、Ｒ２／Ｒ３＜−１.２であると、前記第１のレンズＬ１の像側面の曲率半径は小さくなり、そのため、生じた球面収差及び像面湾曲を補正するために、前記第２のレンズＬ２の物体側面の曲率半径が小さくなる方向へ修正すべきであるため、製作感度低減の設計は難しくなる。

本発明によれば、前記第１、第２の及び第３のレンズはプラスチック材質により製作することができる。従って、光学システムの重さを減少させることができる。

一方で、前記第１のレンズＬ１のアッベ数は５０以上であり、前記第２のレンズＬ２は２０〜３０のアッベ数を有することができる。これにより、焦点距離の増大に伴う収差の増加を効果的に補正することができる。前記第１のレンズＬ１と前記第２のレンズＬ２とのアッベ数の差は２０を超えると、コントラスト（Ｃｏｎｔｒａｓｔ）を低下させる光スポットを削減することができる。この場合に、２２〜２５のアッベ数と比べ、前記第２のレンズＬ２のアッベ数が２３〜２４であることが好ましい。

本発明の形態にあった非球面の定義は以下のとおりである。
本発明の形態におけるレンズの非球面形状に基づき、光軸方向をＺ軸とし、光軸に垂直な方向をＨ軸とするときに、光線が進行する方向は正であり、且つ、以下の数学式１で示すことができる。ここで、Ｚはレンズの頂点から光軸方向までの距離であり、Ｒは光軸に垂直な方向までの距離であり、Ｃはレンズ頂点における曲率半径の逆数であり、a１は円錐定数（ｃｏｎｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ）であり、a４、a６、a８、a１０及びa１２は非球面係数である。

以下、本発明の実施例に基づいた小型結像レンズシステムの設計データを示す。
表１は図１に示された小型撮像レンズ群の設計データを示し、表２は非球面データを示す。表１において、曲率半径は図１におけるＲ１、Ｒ２……に示され、厚さ及び距離は図１において、Ｄ１、Ｄ２……に示される。

図３は図１における小型結像レンズシステムのレンズシステム（１００）の縦方向球面収差（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）、非点収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）及び歪み（ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を示す。
縦方向球面収差は波長が約６５６.２８ｎｍ、５８７.５６ｎｍ、５４６.０７ｎｍ、４８６.１３ｎｍ、４３５.８３ｎｍの光線の図示であり、非点収差及び歪みは５８７.５６ｎｍの光線の図示である。

表３は図２に示された小型結像レンズシステムの設計データを示し、表４は非球面データを示す。

図４ は図２における小型結像レンズシステムのレンズシステム（１００）の縦方向球面収差（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）、非点収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）及び歪み（ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を示す。
縦方向球面収差は波長が約６５６.２８ｎｍ、５８７.５６ｎｍ、５４６.０７ｎｍ、４８６.１３ｎｍ、４３５.８３ｎｍの光線の図示であり、非点収差及び歪みは５８７.５６ｎｍの光線の図示である。

表５は条件式１乃至３における各実施例に基づいた差分値を示す。

本明細書では、上述した好ましい実施例にについて説明を行ったが、本発明の趣旨及び範囲を逸脱しない限り、多様な修整又は改変を行うことができる。従って、添付の特許請求の範囲は本発明の趣旨に属する上記のような修整又は改変を含む。
上述したのは本発明の実施形態に過ぎず、ここで、明確すべきことは、当業者にとって、本発明の創造的な発想を逸脱しない前提で、改進をすることができるが、これらはいずれも本発明の保護範囲に含まれるということである。

Claims (6)

1. 物体側から像側に、順に配置される、
   絞りと、
   正屈折力を有し、且つ両凸面形状をなす第１のレンズと、
   負屈折力を有し、且つ像側面が膨らんだ半月状である第２のレンズと、
   負屈折力を有し、像側面が反曲点を有し、光軸において両凹面形状であり、光軸に離間する方向において像側面が膨らんだ半月状に反転した第３のレンズとを含み、
   前記第１、第２の及び第３のレンズにおいて、少なくとも一つの面は非球面形状を有し、以下の条件を満足するものであり、
   ただし、ｆは光学システムの総焦点距離であり、ｆ１は第１のレンズの焦点距離である
   ことを特徴とする小型結像レンズシステム。
2. 前記小型結像レンズシステムは、以下の式を満足するものであり、
   ただし、ＴＴＬは前記第１のレンズの第１の側面から結像面までの距離であり、ｙは結像面からの対角線の長さの半分である
   ことを特徴とする請求項１記載の小型結像レンズシステム。
3. 前記第１、第２の及び第３のレンズのすべての面は非球面形状を有する
   ことを特徴とする請求項２記載の小型結像レンズシステム。
4. 前記小型結像レンズシステムは、以下の式を満足するものであり、
   ただし、Ｒ２は第１のレンズの物体側面の曲率半径であり、Ｒ３は像側面の曲率半径である
   ことを特徴とする請求項３記載の小型結像レンズシステム。
5. 前記第２のレンズのアッベ数は２０〜３０であり、前記第１のレンズのアッベ数は５０〜６０である
   ことを特徴とする請求項１記載の小型結像レンズシステム。
6. 前記第３のレンズの物体側面は反曲点を有さない
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載の小型結像レンズシステム。