JP2019035828A - 撮像光学系 - Google Patents

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富夫 田畑
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Abstract

【課題】狭画角でありデジタルズームにおいて高解像度の画像を得ることができる撮像光学系を提供する。【解決手段】撮像光学系が物体側に凸面を向けた正の屈折力を有するメニスカス形状である第１レンズＬ１と、両凸形状である第２レンズＬ２と、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有するメニスカス形状である第３レンズＬ３と、物体側に凸面又は凹面を向けたメニスカス形状である第４レンズＬ４と、物体側に凹面を向けた第５レンズＬ５と、像側に凸面を向けた第６レンズＬ６とから構成され、第１レンズＬ１〜第６レンズＬ６は両面のうち少なくとも一方の面が非球面形状であり、最大像高をＹ、全系の焦点距離をｆ、光学全長をＴＴＬとしたとき、以下の条件式（１）および（２）を満足する。０．２３＜Ｙ／ｆ＜０．２９ （１）０．９＜ＴＴＬ／ｆ＜１．０ （２）【選択図】図１

Description

本発明は、例えば携帯電話、スマートフォン等に搭載された撮像装置に用いられる撮像光学系に関する。
近年、携帯電話、スマートフォン、タブレット端末、パーソナルコンピュータ等に撮像装置が搭載されることが一般的になってきている。この撮像装置には、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサ等の撮像素子が用いられる。このような携帯電話、スマートフォン等では、画像処理を用いてデジタルズームを行う撮影が普及しているが、より高倍率なデジタルズームを実現するために、撮像光学系として例えば特許文献１に示すような望遠レンズを用いることが考えられる。
特開２０１６−１１４８０３号公報
しかしながら、上述した特許文献１の撮像光学系の望遠レンズは、昨今主流となっている広角レンズと望遠レンズの併用型のデジタルズームシステムにおいて利用される望遠系用のレンズとしては、比較的に画角が広くならざるを得ない構成で有るため、デジタルズームの際にズーム倍率を上げると画素が粗くなり、画質が著しく劣化してしまうという問題があった。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、狭画角でありデジタルズームにおいて高解像度の画像を得ることができる撮像光学系を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の撮像光学系は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正の屈折力を有するメニスカス形状であるとともに両面のうち少なくとも一方の面が非球面形状である第１レンズと、両凸形状であるとともに両面のうち少なくとも一方の面が非球面形状である第２レンズと、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有するメニスカス形状であるとともに両面のうち少なくとも一方の面が非球面形状である第３レンズと、物体側に凸面又は凹面を向けたメニスカス形状であるとともに両面のうち少なくとも一方の面が非球面形状である第４レンズと、物体側に凹面を向けるとともに両面のうち少なくとも一方の面が非球面形状である第５レンズと、像側に凸面を向けるとともに両面のうち少なくとも一方の面が非球面形状である第６レンズとから構成され、以下の条件式（１）および（２）を満足することを特徴とする。
０．２３＜Ｙ／ｆ＜０．２９ （１）
０．９＜ＴＴＬ／ｆ＜１．０ （２）
ただし、
Ｙ：最大像高
ｆ：全系の焦点距離
ＴＴＬ：光学全長
また、本発明の撮像光学系は、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
０．６＜Ｄ／ｆ＜０．８ （３）
ただし、
Ｄ：前記第１レンズの物体側の面から前記第６レンズの像面側の面までの距離
また、本発明の撮像光学系は、以下の条件式（４）および（５）を満足することが好ましい。
−０．７＜ｆ／ｆ４＜０．７ （４）
０＜Ｒ１０／Ｒ１１ （５）
ただし、
ｆ４：前記第４レンズの焦点距離
Ｒ１０：前記第５レンズの像側の面の曲率半径
Ｒ１１：前記第６レンズの物体側の面の曲率半径
また、本発明の撮像光学系は、以下の条件式（６）を満足することが好ましい。
０．２５＜Ｒ１／ｆ （６）
ただし、
Ｒ１：前記第１レンズの物体側の面の曲率半径
また、本発明の撮像光学系は、以下の条件式（７）を満足することが好ましい。
０．３５＜ｆ１２／ｆ＜０．６５ （７）
ただし、
ｆ１２：前記第1レンズと前記第２レンズの合成焦点距離
また、本発明の撮像光学系では、前記第１乃至第６レンズは、プラスチック材料で形成されることが好ましい。
また、本発明の撮像光学系は、前記第１レンズの物体側に光軸を略９０度折り曲げる光路偏向部材としてプリズムまたはミラーを有することが好ましい。
本発明によれば、狭画角でありデジタルズームにおいて高解像度の画像を得ることができる撮像光学系を提供することができる。
本発明の実施の形態に係る撮像光学系のレンズ構成を示すとともに実施例１の撮像光学系のレンズ構成を示す断面図である。 図１に示した本発明の実施例１の撮像光学系の球面収差図、像面湾曲図および歪曲収差図である。 本発明の実施例２の撮像光学系のレンズ構成を示す断面図である。 図３に示した本発明の実施例２の撮像光学系の球面収差図、像面湾曲図および歪曲収差図である。 本発明の実施例３の撮像光学系のレンズ構成を示す断面図である。 図５に示した本発明の実施例３の撮像光学系の球面収差図、像面湾曲図および歪曲収差図である。 本発明の実施例４の撮像光学系のレンズ構成を示す断面図である。 図７に示した本発明の実施例４の撮像光学系の球面収差図、像面湾曲図および歪曲収差図である。 図１に示した本発明の実施例１の撮像光学系が光路偏向部材としてプリズムを有する構成を示す断面図である。
本発明の実施の形態に係る撮像光学系について、以下図面を参照して説明する。本実施形態の撮像光学系は、携帯電話、スマートフォン等に搭載された撮像装置に用いられる。この撮像光学系は、図１に示すように、物体側に凸面を向けた正の屈折力を有するメニスカス形状である第１レンズＬ１と、両凸形状である第２レンズＬ２と、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有するメニスカス形状である第３レンズＬ３と、物体側に凸面又は凹面を向けたメニスカス形状である第４レンズＬ４と、物体側に凹面を向けた第５レンズＬ５と、像側に凸面を向けた第６レンズＬ６とから構成される。また、第１レンズＬ１〜第６レンズＬ６は、両面が非球面形状である。第６レンズＬ６と像面Ｉとの間には、ローパスフィルター、赤外カットフィルターやカバーガラス等の光学部材Ｇが配置されている。
第１レンズＬ１は、物体側に凸面を向けた対物用のレンズである。第２レンズＬ２は、球面収差補正を行うための非球面を有し、発生する色収差をレンズ厚で調整する作用を有するリレーレンズである。第３レンズＬ３は、第１レンズＬ１とともに光学全長(ＴＴＬ)を決定するために配置される負の屈折率のレンズである。
第１レンズＬ１と第２レンズＬ２は全体として正のパワーを有し、また第３レンズＬ３は負のパワーを有する構成であり、特に光学全長を短くするために、第１レンズＬ１の物体側の面は強い正のパワーを有し、かつ、第３レンズＬ３の像側の面は強い負のパワーを有する。この両面の強い屈折力により、平行に第１レンズＬ１に入射した光線の幅に対して、第３レンズＬ３を射出する際の光線の幅を小さく抑えることで、第１レンズＬ１から第３レンズＬ３までの合成系の倍率を低減することが可能となり、その結果、光学全長を短く抑えられる。
また、第１レンズＬ１の物体側の面及び第３レンズＬ３の像側の面で発生する球面収差及びその周辺のコマ収差は、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３が有する面のうち少なくとも３面を非球面にすることにより、効果的に補正することが可能となる。
第４レンズＬ４は、コマ収差、球面収差を補正するためのリレーレンズである。この第４レンズL４は、光学全長に応じて形状を変更する。特に光学全長を短くする場合には、第４レンズＬ４を像側に凹面を向けた形状にすることで、第３レンズＬ３の像側の面で発生する倍率色収差を軽減する作用を有する。逆に、光学全長が比較的長くてもよい場合には、第４レンズＬ４を物体側に凹面を向けた形状にすることで、より後方の第５レンズＬ５が分担するコマ収差補正、像面湾曲補正効果を助長する。
第５レンズＬ５は、色収差を補正するとともに像面湾曲とコマ収差の補正に少なからず寄与するレンズである。第６レンズＬ６は、像面湾曲および歪曲収差を効果的に補正するレンズである。また、第５レンズＬ５と第６レンズＬ６は、フィールドフラットナーの効果を奏する。
第１レンズＬ１〜第６レンズＬ６は、両面が非球面形状であることにより、最終的に像面Ｉ上に到達する光線の収束性を確保することができる。
第１レンズＬ１〜第６レンズＬ６は、プラスチック材料で形成されることが好ましい。プラスチック材料で形成することにより、軽量化することが可能になるとともに安価で大量生産が可能となる。
また、本実施の形態の撮像光学系は、以下の条件式（１）および（２）を満足する。
０．２３＜Ｙ／ｆ＜０．２９ （１）
０．９＜ＴＴＬ／ｆ＜１．０ （２）
ただし、最大像高をＹ、全系の焦点距離をｆ、光学全長をＴＴＬとする。
条件式（１）は、撮像光学系の画角を規定する式であり、条件式(１)の範囲を満たすことで所望する狭画角である望遠タイプの撮像光学系が実現する。条件式(１)の下限値を下回ると、全系の焦点距離が長くなり、光学全長が非常に大きくなってしまう。また、センササイズが小さくなってしまい、画質が劣化してしまう。条件式(１)の上限値を上回ると、センササイズに対して全系の焦点距離が短くなることで、広角タイプになってしまい、本発明の目的である望遠レンズが実現できなくなってしまう。
条件式(２)は、テレ比(ＴＴＬ／ｆ)を規定する式である。条件式(２)の下限値を下回ると、後側レンズ系のパワーが小さくなって倍率色収差が発生しやすくなり、画像の解像度が劣化してしまう。条件式(２)の上限値を上回ると、全体としてレンズサイズが大きくなってしまい、レンズ全長のみならず、レンズの径が大きくなりすぎてしまう。したがって、条件式(２)の範囲を満たすことにより、高解像度の画像を得ることができ、レンズサイズをコンパクトにすることができる。
また、本実施の形態の撮像光学系は、以下の条件式（３）を満足するのが好ましい。
０．６＜Ｄ／ｆ＜０．８ （３）
ただし、第１レンズＬ１の物体側の面から第６レンズＬ６の像面側の面までの距離をＤとする。
条件式(３)の下限値を下回ると、内向性コマ収差及び光軸上の色収差が発生して画像の解像度が劣化してしまう。条件式(３)の上限値を上回ると、レンズ鏡筒が長くなるためにケラレが生じ、周辺光量比の低下が顕著になってしまう。したがって、条件式(３)の範囲を満たすことにより、より高解像度の画像を得ることができ、十分な周辺光量比を得ることができる。
また、本実施の形態の撮像光学系は、以下の条件式（４）および（５）を満足するのが好ましい。
−０．７＜ｆ／ｆ４＜０．７ （４）
０＜Ｒ１０／Ｒ１１ （５）
ただし、第４レンズＬ４の焦点距離をｆ４、第５レンズＬ５の像側の面の曲率半径をＲ１０、第６レンズＬ６の物体側の面の曲率半径をＲ１１とする。
条件式(４)の範囲を満たすことで、第４レンズＬ４を比較的パワーの小さいレンズとし、また、条件式（５）を満たすように、第５レンズＬ５の像側の面の曲率半径Ｒ１０と第６レンズＬ６の物体側の面の曲率半径Ｒ１１の正負を同じにすることにより、上述した第５レンズＬ５と第６レンズＬ６のフィールドフラットナーの効果を向上させる。
また、本実施の形態の撮像光学系は、以下の条件式（６）を満足するのが好ましい。
０．２５＜Ｒ１／ｆ （６）
ただし、第１レンズＬ１の物体側の面の曲率半径をＲ１とする。条件式(６)の下限値を下回ると、特に瞳周辺部の収差が顕著に発生するため、撮像光学系の大口径化が困難になってしまう。更に誤差感度が増大するために生産性が劣化してしまう。したがって、条件式(６)を満たすことにより、撮像光学系の大口径化が可能となり、生産性を向上させることができる。
また、本実施の形態の撮像光学系は、以下の条件式（７）を満足するのが好ましい。
０．３５＜ｆ１２／ｆ＜０．６５ （７）
ただし、第1レンズＬ１と第２レンズＬ２の合成焦点距離をｆ１２とする。条件式(７)の下限値を下回ると、像面湾曲がオーバー側に発生し、かつ、誤差感度が増大するために生産性が劣化してしまう。条件式(７)の上限値を上回ると、軸上色収差が発生し、コントラストが劣化してしまう。したがって、条件式(７)の範囲を満たすことにより、撮像光学系の生産性をより向上させることができ、十分なコントラストを得ることができる。
次に、本発明の撮像光学系の数値実施例について具体的に説明する。本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１の撮像光学系のレンズ構成を図１に示す。即ち、実施例１の撮像光学系のレンズ構成は上述したレンズ構成と同様である。実施例１の撮像光学系のレンズデータを表１に示し、全系の焦点距離ｆ、Ｆナンバー、および、画角のデータを表２に示し、非球面係数のデータを表３に示す。表１において、Ｓｉは最も物体側の第１のレンズＬ１の物体側の面をＳ１とし像面Ｉ側に向かって順次増加する面番号であり、Ｒｉは最も物体側からｉ番目の面の曲率半径であり、Ｄｉは最も物体側からｉ番目の面とｉ＋１番目の面との間の間隔である。なお、表において長さの単位はｍｍである。また、表１において、Ｎｄｉは最も物体側からｉ番目の面を有する光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率であり、νｄｉは最も物体側からｉ番目の面を有する光学要素のｄ線に対するアッベ数である。
表３には非球面係数のデータが示されているが、非球面形状は下記の式で表される。
Ｚ＝Ｃ・ｈ2／｛１＋（１−Κ・Ｃ2・ｈ2）1/2｝＋Ａ４・ｈ4＋Ａ６・ｈ6＋Ａ８・ｈ8＋Ａ１０・ｈ10＋Ａ１２・ｈ12＋Ａ１４・ｈ14＋Ａ１６・ｈ16＋Ａ１８・ｈ18＋Ａ２０・ｈ20
ただし、非球面深さをＺ、近軸曲率半径の逆数をＣ、円錐定数をΚ、光軸からレンズ面までの距離をｈ、各次数の非球面係数をＡ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、Ａ１２、Ａ１４、Ａ１６、Ａ１８、Ａ２０とする。なお、表３の非球面係数の数値における「Ｅ−ｍ」は「×１０-m」を意味している。
実施例１の撮像光学系の球面収差図、像面湾曲図および歪曲収差図を図２に示す。球面収差図では、波長が６５０ｎｍ、５５５ｎｍ、４７０ｎｍの収差を示している。また、像面湾曲図において「Ｓ」はサジタル像面における収差を示し、「Ｔ」はタンジェンシャル像面における収差を示している。
上記の実施例１における表１から表３についての説明は、実施例２から実施例４における表についても同様な説明となるので、その説明を省略する。
実施例２の撮像光学系のレンズ構成を図３に示す。実施例２の撮像光学系のレンズデータを表４に示し、全系の焦点距離ｆ、Ｆナンバー、および、画角のデータを表５に示し、非球面係数のデータを表６に示す。また、実施例２の撮像光学系の球面収差図、像面湾曲図および歪曲収差図を図４に示す。
実施例３の撮像光学系のレンズ構成を図５に示す。実施例３の撮像光学系のレンズデータを表７に示し、全系の焦点距離ｆ、Ｆナンバー、および、画角のデータを表８に示し、非球面係数のデータを表９に示す。また、実施例３の撮像光学系の球面収差図、像面湾曲図および歪曲収差図を図６に示す。
実施例４の撮像光学系のレンズ構成を図７に示す。実施例４の撮像光学系のレンズデータを表１０に示し、全系の焦点距離ｆ、Ｆナンバー、および、画角のデータを表１１に示し、非球面係数のデータを表１２に示す。また、実施例４の撮像光学系の球面収差図、像面湾曲図および歪曲収差図を図８に示す。
ここで、実施例１から実施例４の撮像光学系において、条件式（１）から（４）、および、（６）、(７)に対応する値を表１３に示す。表１３に示されたように、実施例１から実施例４の撮像光学系においては、条件式（１）から（４）、および、（６）、(７)をすべて満たしていることがわかる。また、実施例１から実施例４の撮像光学系では、第５レンズＬ５の像側の面の曲率半径Ｒ１０と第６レンズＬ６の物体側の面の曲率半径Ｒ１１の正負は同じであり、条件式(５)についても満たしていることがわかる。
実施例１の撮像光学系は、図９に示すように、携帯電話、スマートフォン等の携帯端末１０内に配置して、第１レンズＬ１の物体側に光軸を略９０度折り曲げる光路偏向部材ＵＲとして、全反射を利用した直角プリズムをさらに有するようにしてもよい。なお、光路偏向部材ＵＲは、携帯端末１０のカバーガラス１１の後側に配置され、光路偏向部材ＵＲ及び第第１レンズＬ１から第６レンズＬ６は、携帯端末１０の液晶ディスプレイ等の表示部１２側と裏面カバー１３との間に幅方向に配置されている。また、光路偏向部材ＵＲとして直角プリズムの代わりに反射ミラーを配置するようにしてもよい。狭画角の撮像光学系は比較的長い焦点距離になるため、光学全長が比較的長く、そのまま携帯電話、スマートフォン等の携帯端末１０に搭載すると携帯端末１０の厚さを増さなければならなくなる場合があるが、プリズムやミラー等の光路偏向部材ＵＲを用いることにより、ガラスカバー１１を通過した物体からの光の光路を略垂直に折り曲げ、その直後に十分に光量が確保でき、かつ、有効径の比較的小さな望遠タイプの第１レンズＬ１から第６レンズＬ６を幅方向に配置することができるので、携帯端末１０の薄型化が可能になる。
このように実施例１から実施例４の撮像光学系では、狭画角でありデジタルズームにおいて高解像度の画像を得ることができる。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態や上記各実施例に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、第１レンズＬ１〜第６レンズＬ６は、両面が非球面形状である例について説明したが、両面のうち少なくとも一方の面が非球面形状であれば、最終的に像面Ｉ上に到達する光線の収束性を確保することが可能である。
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ
Ｌ４ 第４レンズ
Ｌ５ 第５レンズ
Ｌ６ 第６レンズ
Ｉ 像面
Ｇ 光学部材
ＵＲ 光路偏向部材

Claims (7)

  1. 物体側から順に、
    物体側に凸面を向けた正の屈折力を有するメニスカス形状であるとともに両面のうち少なくとも一方の面が非球面形状である第１レンズと、
    両凸形状であるとともに両面のうち少なくとも一方の面が非球面形状である第２レンズと、
    物体側に凸面を向けた負の屈折力を有するメニスカス形状であるとともに両面のうち少なくとも一方の面が非球面形状である第３レンズと、
    物体側に凸面又は凹面を向けたメニスカス形状であるとともに両面のうち少なくとも一方の面が非球面形状である第４レンズと、
    物体側に凹面を向けるとともに両面のうち少なくとも一方の面が非球面形状である第５レンズと、
    像側に凸面を向けるとともに両面のうち少なくとも一方の面が非球面形状である第６レンズとから構成され、
    以下の条件式（１）および（２）を満足することを特徴とする撮像光学系。
    ０．２３＜Ｙ／ｆ＜０．２９ （１）
    ０．９＜ＴＴＬ／ｆ＜１．０ （２）
    ただし、
    Ｙ：最大像高
    ｆ：全系の焦点距離
    ＴＴＬ：光学全長
  2. 以下の条件式（３）を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像光学系。
    ０．６＜Ｄ／ｆ＜０．８ （３）
    ただし、
    Ｄ：前記第１レンズの物体側の面から前記第６レンズの像面側の面までの距離
  3. 以下の条件式（４）および（５）を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像光学系。
    −０．７＜ｆ／ｆ４＜０．７ （４）
    ０＜Ｒ１０／Ｒ１１ （５）
    ただし、
    ｆ４：前記第４レンズの焦点距離
    Ｒ１０：前記第５レンズの像側の面の曲率半径
    Ｒ１１：前記第６レンズの物体側の面の曲率半径
  4. 以下の条件式（６）を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像光学系。
    ０．２５＜Ｒ１／ｆ （６）
    ただし、
    Ｒ１：前記第１レンズの物体側の面の曲率半径
  5. 以下の条件式（７）を満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像光学系。
    ０．３５＜ｆ１２／ｆ＜０．６５ （７）
    ただし、
    ｆ１２：前記第1レンズと前記第２レンズの合成焦点距離
  6. 前記第１乃至第６レンズは、プラスチック材料で形成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像光学系。
  7. 前記第１レンズの物体側に光軸を略９０度折り曲げる光路偏向部材としてプリズムまたはミラーを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像光学系。
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