JP2016523389A - 小型望遠レンズアセンブリ - Google Patents

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Abstract

光学レンズアセンブリは、5つのレンズ素子を備え、TTL/EFL<1.0を提供する。一実施形態において、第1レンズ素子の焦点距離f1は、TTLの二分の一より小さく、第1レンズ素子と第2レンズ素子の間のエアギャップは第2レンズ素子の厚みの二分の一よりも小さく、第3レンズ素子と第4レンズ素子の間のエアギャップはTTLの五分の一よりも大きく、第4レンズ素子と第5レンズ素子の間のエアギャップは上記第5レンズ素子の厚みの1.5倍よりも小さい。すべてのレンズ素子に非球面レンズを用いてもよい。

Description

発明の詳細な説明
〔関連出願のクロスリファレンス〕
本願は、2013年7月4日出願の同名称の米国仮特許出願第61/842,987号の請求項に関連し、その優先権を主張するものである。上記出願を本願全体に引用して援用する。
〔技術分野〕
ここに記載の実施形態は、光学レンズシステムとレンズアセンブリに関し、特に、このようなシステムに含まれて携帯電話などの携帯電子機器に使用される小型望遠レンズアセンブリに関する。
〔背景技術〕
種々のホスト装置にはデジタルカメラ機能が搭載されている。このようなホスト装置は、携帯電話、携帯情報端末(PDA)、コンピュータ等を含む。このようなホスト装置におけるデジタルカメラへの消費者の需要は増加を続けている。特に、携帯電話機器におけるカメラは、高品質の画像作成のための、かつ、総飛跡長(total track length)(TTL)の短い、コンパクトな画像レンズシステムが要する。4つのレンズ素子を有する従来のレンズアセンブリは、このような機器における高品質の画像作成には不十分である。米国特許第8,395,851号のような近年のレンズアセンブリ設計は、5つのレンズ素子を備えている。しかしながら、米国特許第8,395,851号の設計では、TTLと実効焦点距離(effective focal length)(EFL)の比率が大きすぎるという問題がある。
そのため、当該技術分野においては、TTL/EFLの比率が小さく、従来のレンズアセンブリよりも高品質な画質作成が可能な、5つのレンズ素子を有する光学レンズアセンブリが求められてきた。
〔発明の概要〕
ここに記載の実施形態は、被写体側から画像側の順に、(a)正の屈折力を有し、凸の被写体側の面を有する第1レンズ素子と、(b)負の屈折力を有し、光軸上に厚みdを有し、第1エアギャップによって上記第1レンズ素子から離れている第2レンズ素子と、(c)負の屈折力を有し、第2エアギャップによって上記第2レンズ素子から離れている第3レンズ素子と、(d)正の屈折力を有し、第3エアギャップによって上記第3レンズ素子から離れている第1エアギャップによって上記第1レンズ素子から離れている第4レンズ素子と、(e)負の屈折力を有し、上記光軸上に厚みdを有し、第4エアギャップによって上記第4レンズ素子から離れている第5レンズ素子と、を備えている光学レンズアセンブリに関する。
上記レンズアセンブリを備える光学レンズシステムは、さらに、第1レンズ素子の前方に絞り(stop)を備えてもよい。また、第5レンズ素子の画像側の面と、被写体の画像を形成する画像面を有する画像センサーとの間にガラスウィンドウを備えてもよい。
TTLは、第1レンズ素子の被写体側の面と画像センサーの間の光軸上の距離を指す。”EFL”においては、一般的な定義を採用する。すべての実施形態において、TTLはEFLよりも小さい。すなわち、TTL/EFLの比率は1.0よりも小さい。また、実施形態のうち、TTL/EFLの比率が0.9よりも小さい場合もある。一実施形態では、TTL/EFLの比率は約0.85である。すべての実施形態において、上記レンズアセンブリのF値であるF#は3.2よりも小さい。一実施形態では、第1レンズ素子の焦点距離f1はTTLの二分の一よりも小さく、第1、第3および第5レンズ素子それぞれのアッベ数(”Vd”)は50よりも大きく、第2および第4レンズ素子それぞれのアッベ数は30よりも小さく、第1エアギャップはdの半分よりも小さく、第3のエアギャップはTTLの五分の一よりも大きく、第4エアギャップはdの1.5倍よりも小さい。また、実施形態のうち、レンズ素子の表面は非球面であってもよい。
ここに記載の光学レンズアセンブリにおいて、正の屈折力を有する第1レンズ素子によって、当該レンズシステムのTTLは好適に減少する。第1、第2および第3レンズ素子を組み合わせた設計において、それぞれの間の距離が短くすることにより、EFLを長く、TTLを短くすることができる。同じ組み合わせに、第2レンズ素子の分散が高いこと(低Vd)と、第1および第3レンズ素子の分散が低いこと(高Vd)を加えると、色収差を低減するのに役立つ。特に、1.2×|f3|>|f2|>1.5×f1の条件を満たすことで、TTL/EFLの比率が1.0よりも小さいことと、色収差を最小にすることができる。ここで、“f”はレンズ素子の実効焦点距離を示し、各番号1,2,3,4,5はレンズ素子の番号を指す。
第3レンズ素子と第4レンズ素子の間の距離を比較的大きくし、これに第4、第5レンズ素子を組み合わせた設計を加えると、すべての視野(視界)(field)の焦点を画像面へ運ぶのに役立つ。また、第4、第5レンズ素子の分散が互いに異なり、それぞれが正力(positive power)、負力(negative power)を有するため、色収差を最小に抑えるのに役立つ。
〔図面の簡単な説明〕
図1Aは、本発明に係る光学レンズシステムの第1実施形態を示す図である。
図1Bは、第1実施形態の種々の視野に対する光学レンズアセンブリ全体の光学的伝達関数の係数(MTF)と焦点移動とを示す図である。
図1Cは、第1実施形態の画角とパーセント表記の歪曲(+Y方向)とを示す図である。
図2Aは、本発明に係る光学レンズシステムの第2実施形態を示す図である。
図2Bは、第2実施形態の種々の視野に対する光学レンズアセンブリ全体のMTFと焦点移動とを示す図である。
図2Cは、第2実施形態のパーセント表記の歪曲+Y方向を示す図である。
図3Aは、本発明に係る光学レンズシステムの第3実施形態を示す図である。
図3Bは、第3実施形態の種々の視野に対する光学レンズアセンブリ全体のMTFと焦点移動とを示す図である。
図3Cは、第3実施形態のパーセント表記の歪曲+Y方向を示す図である。
〔発明の詳細な実施形態〕
以下の説明では、レンズ素子の表面形状(凸あるいは凹)について、各側(すなわち、被写体側あるいは画像側)から見た形状を記載する。図1Aは、本発明に係る光学レンズシステムの第1実施形態を示し、これを実施形態100と称する。図1Bは、実施形態100の種々の視野に対する光学レンズシステム全体のMTFと焦点移動とを示す。図1Cは、パーセント表記の歪曲+Y方向と視野とを示す。実施形態100は、被写体側から画像側の順に:随意的な絞り101;正の屈折力を有し、凸の被写体側の面102aと、凸あるいは凹の画像側の面102bとを有する第1プラスチックレンズ素子102と、負の屈折力を有し、メニスカスの凸の被写体側の面104aと、画像側の面104bとを有する第2プラスチックレンズ素子104と、負の屈折力を有し、変曲点のある凹の被写体側の面106aと、凹の画像側の面106bとを有する第3プラスチックレンズ素子106と、正の屈折力を有し、正のメニスカスおよび凹の被写体側の面108aと、画像側の面108bとを有する第4プラスチックレンズ素子108と、負の屈折力を有し、負のメニスカスおよび凹の被写体側の面110aと、画像側の面110bとを有する第5プラスチックレンズ素子110と、を有する。光学レンズシステムは、第5レンズ素子110の画像側の面110bと、被写体の画像形成を行う画像面114との間に、随意的なガラスウィンドウ112をさらに備えている。また、画像形成を行うために、画像面114には、画像センサー(図示しない)が配置されている。
実施形態100では、すべてのレンズ素子の面が非球面である。光学的データの詳細を表1に、非球面データを表2に示す。曲率半径(R)、レンズ素子の厚み、および/または、光軸に沿った素子間距離、および直径をミリメートル(mm)単位で表す。”Nd”は屈折率である。非球面形状の方程式は以下のように表される:
Figure 2016523389
ここで、rは光軸からの、光軸に対して垂直な距離を示し、kは円錐係数(conic coefficient)を示す。また、c=1/Rであり、ここでRは曲率半径を、αは表2の係数を示す。ここに記載のレンズアセンブリの実施形態に適用されるような上記方程式において、係数αとαは0である。ここで、rの最大値(“max r”)は、直径の二分の一であることに注意されたい。また、表1(下記の表3および表5も同様)において、種々の素子(および/または表面)間の距離を”Lmn”と称し、ここで、mはレンズ素子番号を示し、n=1は構成の厚みを示し、n=2は隣接するレンズ素子とのエアギャップを示し、この距離Lmnは、z=0に絞りがある光軸z上で測定される。各値は、それぞれの前方に位置する面から測定した値とする。したがって、例えば、第1距離−0.466mmは、絞りから面102aまでの距離であり、面102aから面102bまでの距離L11(すなわち、第1レンズ素子102の厚み)は0.894mmであり、面102bから面104aまでのギャップL12は0.020mmであり、面104aから面104bまでの距離L21(すなわち、第2レンズ素子104の厚みd2)は0.246mmである。また、L21=dであり、L51=dである。
Figure 2016523389
Figure 2016523389
実施形態100では、視野(FOV)が44度、EFL=6.90mm、F#=2.80およびTTL=5.904mmである。これにより、また、有利には、TTL/EFL比率=0.855である。有利には、第1、第3、第5レンズ素子のアッベ数は57.095である。有利には、レンズ素子102と104の間の第1エアギャップ(面102bと面104aとの間のギャップ)は、厚みd(0.246mm)の十分の一以下の厚み(0.020mm)を有する。有利には、第2、第4レンズ素子のアッベ数は23.91である。有利には、レンズ素子106と108の間の第3エアギャップは、TTL/5(5.904/5 mm)よりも大きい厚み(2.020mm)を有する。有利には、レンズ素子108と110の間の第4エアギャップは、dの1.5倍(0.4395mm)よりも小さい厚み(0.068mm)を有する。
実施形態100における各レンズの焦点距離(mm表記)は、f1=2.645、f2=−5.578、f3=−8.784、f4=9.550およびf5=−5.290である。1.2×8.787>5.578>1.5×2.645であるので、1.2×|f3|>|f2|<1.5×f1の条件を確実に満たし、2.645<2.952であるので、f1は、f1<TTL/2の条件も満たす。
図2Aは、本発明に係る光学レンズシステムの第2実施形態を示し、これを実施形態200と称する。図2Bは、実施形態200の種々の視野に対する光学レンズシステム全体のMTFと焦点移動とを示す。図2Cは、パーセント表記の歪曲+Y方向と視野とを示す。実施形態200は、被写体側から画像側の順に:随意的な絞り201;正の屈折力を有し、凸の被写体側の面202aと、凸あるいは凹の画像側の面202bとを有する第1プラスチックレンズ素子202と、負の屈折力を有し、メニスカスの凸の被写体側の面204aと、画像側の面204bとを有する第2ガラスレンズ素子204と、負の屈折力を有し、変曲点のある凹の被写体側の面206aと、凹の画像側の面206bとを有する第3プラスチックレンズ素子206と、正の屈折力を有し、正のメニスカスおよび凹の被写体側の面208aと、画像側の面208bとを有する第4プラスチックレンズ素子208と、負の屈折力を有し、負のメニスカスおよび凹の被写体側の面110aと、画像側の面210bとを有する第5プラスチックレンズ素子210と、を有する。光学レンズシステムは、第5レンズ素子210の画像側の面210bと、被写体の画像形成を行う画像面214との間に、随意的なガラスウィンドウ212をさらに備えている。
実施形態200では、すべてのレンズ素子の面が非球面である。光学的データの詳細を表3に、非球面データを表4に示し、番号や単位はそれぞれ表1および2と同様である。また、非球面形状の方程式も、実施形態100と同様である。
Figure 2016523389
Figure 2016523389
実施形態200においては、FOVが43.48度、EFL=7mm、F#=2.86およびTTL=5.90mmである。これにより、また、有利には、TTL/EFL比率=0.843である。有利には、第1、第3、第5レンズ素子のアッベ数は56.18である。有利には、レンズ素子202と204の間の第1エアギャップは、厚みd(0.251mm)の約半分の厚みの(0.129mm)を有する。有利には、第2レンズ素子のアッベ数は20.65であり、第4レンズ素子のアッベ数は23.35である。有利には、レンズ素子206と208の間の第3エアギャップは、TTL/5(5.904/5 mm)よりも大きい厚み(1.766mm)を有する。有利には、レンズ素子208と210の間の第4エアギャップは、dの1.5倍(0.495mm)よりも小さい厚み(0.106mm)を有する。
実施形態200における各レンズの焦点距離(mm表記)は、f1=2.851、f2=−5.468、f3=−10.279、f4=7.368およびf5=−4.536である。1.2×10.279>5.468>1.5×2.851であるので、1.2×|f3|>|f2|<1.5×f1の条件を確実に満たし、2.851<2.950であるので、f1は、f1<TTL/2の条件も満たす。
図3Aは、本発明に係る光学レンズシステムの第3実施形態を示し、これを実施形態300と称する。図3Bは、実施形態300の種々の視野に対する光学レンズシステム全体のMTFと焦点移動とを示す。図3Cは、パーセント表記の歪曲+Y方向と視野とを示す。実施形態300は、被写体側から画像側の順に:随意的な絞り301;正の屈折力を有し、凸の被写体側の面302aと、凸あるいは凹の画像側の面302bとを有する第1ガラスレンズ素子302と、負の屈折力を有し、メニスカスの凸の被写体側の面304aと、画像側の面304bとを有する第2プラスチックレンズ素子304と、負の屈折力を有し、変曲点のある凹の被写体側の面306aと、凹の画像側の面306bとを有する第3プラスチックレンズ素子306と、正の屈折力を有し、正のメニスカスおよび凹の被写体側の面308aと、画像側の面308bとを有する第4プラスチックレンズ素子308と、負の屈折力を有し、負のメニスカスおよび凹の被写体側の面110aと、画像側の面310bとを有する第5プラスチックレンズ素子310と、を有する。光学レンズシステムは、第5レンズ素子310の画像側の面310bと、被写体の画像形成を行う画像面314との間に、随意的なガラスウィンドウ312をさらに備えている。
実施形態300では、すべてのレンズ素子の面が非球面である。光学的データの詳細を表5に、非球面データを表6に示し、番号や単位はそれぞれ表1および2と同様である。また、非球面形状の方程式も、実施形態100および200と同様である。
Figure 2016523389
Figure 2016523389
実施形態300においては、FOVが44度、EFL=6.84mm、F#=2.80およびTTL=5.904mmである。これにより、また、有利には、TTL/EFL比率=0.863である。有利には、第1レンズ素子のアッベ数は63.1であり、第3、第5レンズ素子のアッベ数は57.09となる。レンズ素子302と304の間の第1エアギャップは、厚みd(0.254mm)の約十分の一である厚み(0.029mm)を有する。有利には、第2、第4レンズ素子のアッベ数は23.91である。有利には、レンズ素子306と308の間の第3エアギャップは、TTL/5(5.904/5 mm)よりも大きい厚み(1.998mm)を有する。有利には、レンズ素子208と210の間の第4エアギャップは、dの1.5倍(0.6465mm)よりも小さい厚み(0.121mm)を有する。
実施形態300における各レンズの焦点距離(mm表記)は、f1=2.687、f2=−6.016、f3=−6.777、f4=8.026およびf5=−5.090である。1.2×6.777>6.016>1.5×2.687であるので、1.2×|f3|>|f2|<1.5×f1の条件を確実に満たし、2.687<2.952であるので、f1は、f1<TTL/2の条件も満たす。
本開示は、特定の実施形態および一般的に関連する方法について述べたが、実施形態および方法の変更や置換は当業者には明らかである。本開示は、ここに開示の特定の実施形態によって限定されず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されると理解すべきである。
本発明に係る光学レンズシステムの第1実施形態を示す図である。 第1実施形態の種々の視野に対する光学レンズアセンブリ全体の光学的伝達関数の係数(MTF)と焦点移動とを示す図である。 第1実施形態の画角とパーセント表記の歪曲(+Y方向)とを示す図である。 本発明に係る光学レンズシステムの第2実施形態を示す図である。 第2実施形態の種々の視野に対する光学レンズアセンブリ全体のMTFと焦点移動とを示す図である。 第2実施形態のパーセント表記の歪曲+Y方向を示す図である。 本発明に係る光学レンズシステムの第3実施形態を示す図である。 第3実施形態の種々の視野に対する光学レンズアセンブリ全体のMTFと焦点移動とを示す図である。 第3実施形態のパーセント表記の歪曲+Y方向を示す図である。

Claims (20)

  1. 被写体側から画像側の順に、
    (a)正の屈折力を有し、凸の被写体側の面を有する第1レンズ素子と、
    (b)負の屈折力を有し、光軸上に厚みdを有し、第1エアギャップによって上記第1レンズ素子から離れている第2レンズ素子と、
    (c)負の屈折力を有し、第2エアギャップによって上記第2レンズ素子から離れている第3レンズ素子と、
    (d)正の屈折力を有し、第3エアギャップによって上記第3レンズ素子から離れている第1エアギャップによって上記第1レンズ素子から離れている第4レンズ素子と、
    (e)負の屈折力を有し、上記光軸上に厚みdを有し、第4エアギャップによって上記第4レンズ素子から離れている第5レンズ素子と、
    を備え、
    光学レンズアセンブリを備える光学レンズシステムの実効焦点距離(EFL)と総飛跡長(TTL)との比率が1.0よりも小さく、
    上記第1レンズ素子の焦点距離f1はTTLの二分の一よりも小さく、
    上記第3エアギャップはTTLの五分の一より大きいことを特徴とする光学レンズアセンブリ。
  2. 上記第1レンズ素子は、凸の被写体側の面と、凸あるいは凹の画像側の面を備え、
    上記第2レンズ素子は、メニスカスの凸の被写体側の面を備え、
    上記第4レンズ素子は、正のメニスカスおよび凹の被写体側の面を有し、
    上記第5レンズ素子は、負のメニスカスおよび凹の被写体側の面を有し、
    上記第4エアギャップはdの1.5倍よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の光学レンズアセンブリ。
  3. 上記第1、第3、第5レンズ素子のそれぞれのアッベ数は50よりも大きく、
    上記第2、第4レンズ素子それぞれのアッベ数は30よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の光学レンズアセンブリ。
  4. 上記第1レンズ素子は、凸の被写体側の面と凸あるいは凹の画像側の面を備え、
    上記第2レンズ素子は、メニスカスの凸の被写体側の面を備え、
    上記第4レンズ素子は、正のメニスカスおよび凹の被写体側の面を有し、
    上記第5レンズ素子は、負のメニスカスおよび凹の被写体側の面を有し、
    上記第4エアギャップはdの1.5倍よりも小さいことを特徴とする請求項3に記載の光学レンズアセンブリ。
  5. 上記第1エアギャップはdの二分の一よりも小さいことを特徴とする請求項3に記載の光学レンズアセンブリ。
  6. 上記第1レンズ素子は、凸の被写体側の面と凸あるいは凹の画像側の面を備え、
    上記第2レンズ素子は、メニスカスの凸の被写体側の面を備え、
    上記第4レンズ素子は、正のメニスカスおよび凹の被写体側の面を有し、
    上記第5レンズ素子は、負のメニスカスおよび凹の被写体側の面を有し、
    上記第4エアギャップはdの1.5倍よりも小さいことを特徴とする請求項5に記載の光学レンズアセンブリ。
  7. すべてのレンズ素子はプラスチック製であることを特徴とする請求項1に記載の光学レンズアセンブリ。
  8. 上記第1レンズ素子はガラス製であり、他のすべてのレンズ素子はプラスチック製であることを特徴とする請求項1に記載の光学レンズアセンブリ。
  9. 上記第2レンズ素子はガラス製であり、他のすべてのレンズ素子はプラスチック製であることを特徴とする請求項1に記載の光学レンズアセンブリ。
  10. F値が3.2よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の光学レンズアセンブリ。
  11. F値が3.2よりも小さいことを特徴とする請求項3に記載の光学レンズアセンブリ。
  12. F値が3.2よりも小さいことを特徴とする請求項5に記載の光学レンズアセンブリ。
  13. すべてのレンズ素子が非球面レンズであることを特徴とする請求項1に記載の光学レンズアセンブリ。
  14. すべてのレンズ素子が非球面レンズであることを特徴とする請求項3に記載の光学レンズアセンブリ。
  15. すべてのレンズ素子が非球面レンズであることを特徴とする請求項5に記載の光学レンズアセンブリ。
  16. f1、上記第2レンズ素子の焦点距離f2および上記第3レンズ素子の焦点距離f3が、
    1.2×|f3|>|f2|>1.5×f1
    を満たすことを特徴とする請求項1に記載の光学レンズアセンブリ。
  17. f1、上記第2レンズ素子の焦点距離f2および上記第3レンズ素子の焦点距離f3が、
    1.2×|f3|>|f2|>1.5×f1
    を満たすことを特徴とする請求項2に記載の光学レンズアセンブリ。
  18. f1、上記第2レンズ素子の焦点距離f2および上記第3レンズ素子の焦点距離f3が、
    1.2×|f3|>|f2|>1.5×f1
    を満たすことを特徴とする請求項3に記載の光学レンズアセンブリ。
  19. f1、上記第2レンズ素子の焦点距離f2および上記第3レンズ素子の焦点距離f3が、
    1.2×|f3|>|f2|>1.5×f1
    を満たすことを特徴とする請求項5に記載の光学レンズアセンブリ。
  20. EFL=6.84mm、F#=2.80およびTTL=5.90mmであることを特徴とする請求項1に記載の光学レンズアセンブリ。
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