JP3162296U

JP3162296U - 小型ショートバックフォーカス３レンズ光学イメージングレンズシステム

Info

Publication number: JP3162296U
Application number: JP2010004068U
Authority: JP
Inventors: 柏源施; 明哲郭; 三偉徐
Original assignee: 一品光学工業股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: TWM372949U

Abstract

【課題】奥行きの短い３レンズ光学イメージングレンズシステムを提供する。【解決手段】光軸に沿って物体側から順に、新月型非球面レンズであってその凸面が物体側に面する正の屈折率の第１レンズＬ１、開口絞り１３、新月型非球面レンズであってその凸面が像側に面する負の屈折率の第２レンズＬ２、負の屈折率の非球面レンズであって、レンズ中心からレンズ辺縁に負の屈折率が屈曲点を経由して正の屈折率に変る第３レンズＬ３とから構成するレンズが以下の光学条件を満足する。０．２５≦ｂｆ／ＴＬ≦０．４（ｂｆ及びＴＬはレンズのバックフォーカス距離及び全長である）【選択図】図１

Description

本考案は、小型ショートバックフォーカス３レンズ光学イメージングレンズシステムに関し、特に、携帯電話又はＣＣＤ又はＣＭＯＳ等のイメージセンサを使用する光学システムに対して、３つのレンズから構成される全長が短くショートバックフォーカスであり、且つ低コストである光学イメージングレンズシステムに関する。

科学技術の進歩に従い、電子製品は、絶え間なく軽薄短小及び多機能の方向に発展し、電気製品中、例えば、デジタルカメラ、ＰＣカメラ、インターネットカメラ、携帯電話機、ＰＤＡ等は、既に撮像レンズを具備しており、該撮像レンズは、良好な結像品質が要求されるのみではなく、体積が小さく、低コストであり、その応用性を効率的に向上できることも要求され、特に携帯電話への応用は、上記要求がより重要である。

現在の撮像レンズは、既に非球面プラスチック透過レンズまたは鋳造ガラス透過レンズを使用し、好適な結像品質を獲得しており、そのうち、3つのレンズ片から構成される撮像レンズとして、US2007/0091457 、US6,515,809、US7,262,925、US2007/0195432、US2005/0128334，JP 2007-121820、JP2005-352317、JP 2004-163786、JP 2007-094113、JP 2005-338234 JP 2007-047513、JP 2006-098976等の複数件の撮像レンズ特許がある。上記各件特許出願発明の相違点は、概ね以下の幾つかの要件に集約される。3つのレンズの形状が異なり、例えば、3つのレンズが何れも新月型またはそのうちの第３透過レンズが平凹型または平凸型である。或いは、3つのレンズの間の各凸面/凹面の設置方向が異なり、例えば、各透過レンズの凸面/凹面が物体側または像側に面する等がある。或いは、3つのレンズの屈折力が異なり、例えば、順に、正、負、正または正、正、負等がある。或いは、3つのレンズ片の相関光学データが満足する条件が異なり、例えば、JP3717488が示すようである。このことから分かるように、各撮像レンズの間において、上記の要素の違いによって、異なる設計となっている。

近年、撮像レンズが小型カメラ、携帯電話機、PDA等の製品上に応用されており小型化、短い焦点距離、像の誤差調整が良好であることが要求されるので、各３つのレンズの撮像レンズの設計中、正（屈折力）第１透過レンズ、負第２透過レンズ、及び反曲点で正負屈折力が変化する第３レンズ片を有し、小型化の要求を達成することができる。異なる結像方法について、第１片が正の屈折度であり、第２片が負の屈折度であり、第３片が正の屈折度であるＭ型レンズでは、例えば、EP1830210、JP2008-139853、JP2006-178328、US7,397,613、US7,486,328、US7,423,817、US7,468,847、US7,515,358、US2007/0195426、US2007/0217034、US 2007/0229986、US 2008/0239510、TW M343167、TW200639432、CN1670560、CN1873460がある。第１片が正の屈折度であり、第２片が負の屈折度であり、第３片が負の屈折度であるＭ型レンズでは、例えば、EP1840618、EP1942363、US7,460,315、US7,460,314、US7,450,323、US7,511,899、US2007/0229987、US2008/0225401、US2008/0266679、US2008/0225401、US2007/0195426、JP3816093、JP2008-276200、JP2008-233222、JP2008-276200、JP2007-010773、WO2007039980、CN1945372がある。

特開２００７−１２１８２０号公報特開２００５−３５２３１７号公報

しかしながら、光学イメージングレンズへの応用、特に、小型装置、例えば、携帯電話の結像レンズ、インターネットカメラ結像レンズ等では、レンズの直径が小さく、結像レンズの全長が短く、イメージセンサ及びレンズの距離が短く（ショートバックフォーカス）、良好な像収差補正を有する光学イメージングレンズが使用者の強い要求である。従来技術は、この問題を解決する為、異なるレンズの組成を使用したり、異なるレンズ形状を使用したり、異なる関連光学パラメータを使用したりしている。但し、設計及び製造の簡便の為、本考案は、ショートバックフォーカスの光学イメージングレンズを提供し、特に、第２レンズ設計において、相対して長いフォーカス距離を採用し、ショートバックフォーカスの長さを効果的に短縮し、小型薄型の携帯電話又は光学システムに適用することができる。

本考案の目的は、光軸に沿って物体側から像側に順に配列される、新月型非球面レンズであり且つその凸面が物体側に面する正の屈折度の第１レンズ（a first lens of positive refractive power）と、開口絞り（aperture stop）と、新月型非球面レンズであり且つその凸面が像側に面する負の屈折度の第２レンズと、負の屈折度の非球面レンズであり、そのレンズ中心が光軸上に位置し、レンズ中心において凸面が物体側に面し、凹面が像側に面し、且つレンズ中心からレンズ辺縁に向かって負の屈折度が屈曲点（inflection point）を経過して正の屈折度に変わる第３レンズと、からなり、ショートバックフォーカスを短縮する為、第２レンズが相対して長いフォーカス距離であり、且つ以下の条件を満足するショートバック小型３レンズ光学イメージングレンズシステムを提供することである：

そのうち、fは、本イメージングレンズシステムの有効フォーカス距離であり、bfが本イメージングレンズシステムのバックフォーカス距離（back focal length）であり、TLが光学軸上の第１レンズ物体側面からイメージセンサ側面までの全長であり、ΔがFraunhofer F曲線及びC曲線の縦向き収差の絶対値 (absolute value of longitudinal chromatic aberrations at Fraunhofer
F curve and C curve wavelengths)であり、Ｈ−が第３レンズ像側光学面の屈曲点からその光軸に垂直な交点までの長さ（即ち、該有効点から光軸までの垂直距離）であり、Ｈ_ｔが第３レンズ像側光学面の最大光学有効点からその光軸に垂直な交点までの長さ（即ち、該有効点から光軸までの垂直距離）であり、Ｆ_１、Ｆ_２がそれぞれ第１、第２レンズの有効フォーカス距離であり、ｄ_３が光軸上の第１レンズ像側面から第２レンズ物体側面までの距離であり、Ｄ_５が光軸上の第２レンズ像側面から第３レンズ物体側面までの距離であり、ｄ_７が光軸上の第３レンズ像側面から赤外線フィルタの物体側面までの距離であり、ｄ_９が光軸上の赤外線フィルタ像側面からイメージセンサ側面の距離であり、Ｒ_２１が第２レンズの像側面の曲率半径であり、Ｒ_２２が第２レンズの像側側面の曲率半径である。

これにより、本考案は、収差を効果的に修正し、イメージングレンズシステムに高解析度を持たせ、レンズシステムの長さを効率的に縮小できるようにし、小型化且つ低コストの効果を達成し、イメージングレンズシステムの応用性を向上させる。

本考案の実施例１の光学構造説明図である。本考案の第３レンズの屈曲点の説明図である。本考案の実施例１の像面歪曲（field curvature）図である。本考案の実施例１の歪み（distortion）図である。本考案の実施例２の光学構造、像面歪曲及び歪み図である。本考案の実施例２の光学構造、像面歪曲及び歪み図である。本考案の実施例２の光学構造、像面歪曲及び歪み図である。本考案の実施例３の光学構造、像面歪曲及び歪み図である。本考案の実施例３の光学構造、像面歪曲及び歪み図である。本考案の実施例３の光学構造、像面歪曲及び歪み図である。本考案の実施例４の光学構造、像面歪曲及び歪み図である。本考案の実施例４の光学構造、像面歪曲及び歪み図である。本考案の実施例４の光学構造、像面歪曲及び歪み図である。

本考案をより分かり易くする為、好適実施例を挙げ、図面に併せて、本考案の構造及び技術的特徴を詳細に説明する。

図１において、本考案のショートバック小型３レンズ光学イメージングレンズシステムは、光軸Ｚに沿って物体側から像側に順に配列される、第１レンズＬ１と、開口絞り１３と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、赤外線フィルタ（IR cut-off filter）４と、イメージセンサ（image sensing
chip）５と、から構成され、イメージング時、物体（object）からの光線は、先ず第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３とを経た後、更に赤外線フィルタ４を経て、イメージセンサ５上に結像する。

該第１レンズＬ１は、正の屈折度を有し、新月型非球面レンズであり、屈折率（Ｎ_ｄ１）が1.5より大きく、アッベ数（ν_ｄ１）が５０より大きいガラス又はプラスチック材質で形成され、且つその凸面（物体側面）１１は、物体側に面し、その凹面（像側面）１２は、像側に面し、また、該凸面１１及び凹面１２は、少なくとも一面が非球面であるか、両面が非球面である。

該第２レンズＬ２は、負の屈折度を有し、新月型非球面レンズであり、屈折率（Ｎ_ｄ２）が1.56より大きく、アッベ数（ν_ｄ２）が２５より大きいガラス又はプラスチック材質で形成され、且つその凸面（物体側面）２１は、像側に面し、その凹面２２は、物体側に面し、また、該凸面２１及び凹面２２は、少なくとも一面が非球面であるか、両面が非球面である。設計及び製造の簡便の為、第２レンズ設計において、相対して長いフォーカス距離を採用するか、式（４）の絶対値の数値を減少させ、ショートバックフォーカス距離を短縮する。

該第３レンズＬ３は、負の屈折度が徐々に正の屈折度に変化する非球面レンズであり、屈折率（Ｎ_ｄ３）が1.5より大きく、アッベ数（ν_ｄ３）が５５より大きいガラス又はプラスチック材質で形成され、且つその凸面は、物体側に面し、その凹面は、像側に面し、且つ、レンズ中心からレンズ辺縁に負の屈折度が屈曲点（inflection point）を経て正の屈折度に変わり、その断面が中央下凹を呈し、両辺がＭ字型のような形状を突出し、図２のようであり、即ち、光学有効径内に物体側面３１及び像側面３２において、光軸寄りの凹面／凸面がレンズ辺縁に向かって徐々に弧度（曲率）を変化させ、凹面／凸面に転換させ、従って、光学面型の屈折度の負/正を転換させる間に屈曲点（inflection point）を形成する。任意の接線が屈曲点を経過し、光軸と垂直に交差し、像側面３２において屈曲点から光軸までの距離が負の屈折度の範囲のレンズ高度であり、Ｈ−で記載し、図2に示すようであり、第３レンズ像側面３２の屈曲点とし、光軸に垂直な光軸との交点の長さである。第３レンズ像側面３２の最大光学有効点から光軸までの垂直距離は、Ｈ_ｔと記載し、第３レンズ像側面３２の最大光学有効点から光軸に垂直な光軸との交点までの長さであり、Ｈ−でＨ_ｔの比値が負の屈折度が正の屈折度に変化する範囲の大きさであり、良好な結像効果を有することができるようにする為、負の屈折度の範囲が３８％〜７０％が好適であり、すなわち、式（３）を満足する。

該赤外線フィルタ４は、鏡片か、又は、塗膜による赤外線フィルタ機能を有する薄膜を形成する。

該イメージセンサ５は、ＣＣＤ又はＣＭＯＳである。

該開口絞り（aperture stop）１３は、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２の間に設けられ、図１に示すようである。該開口絞り１３は、第１レンズＬ１の凹面（像側面）１２上に設けることもできる。

本考案の光学イメージングレンズシステムは、以下の式（１）〜式（７）を満足する：

本考案の目的を達成する為、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、の光学面が何れも非球面に設計することが好ましく、但し、これに限定するものではなく、その非球面の方程式（Aspherical Surface Formula）が式（８）である：

そのうち、Ｚがレンズ上の任意の点の光軸方向に鏡片０点まで平面を切った距離 (SAG)であり、cが曲率であり、hが鏡片の高さであり、Kが円錐係数（Conic Constant）であり、A₄〜A₁₄がそれぞれ４〜１４階の非球面係数である。

第１，第２，第３レンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３の材質がイメージングレンズシステムの基本構成であり、それぞれプラスチック又はガラスで形成されることができる。上記構造により、効率的に収差を補正し、主光線の角度を低減し、本考案のイメージングレンズシステムは、高解析度を有し、レンズシステムの長さを効率的に縮小し、ショートバックフォーカス距離を短縮し、小型化且つ低コストの効果を達成する。

好適実施例を挙げ、以下にそれぞれ説明し、そのうち、各実施例の表１において、それぞれ物体側から像側まで順に番号付けした光学面コード、光軸上のそれぞれの光学面の曲率半径Ｒ（単位：mm）（the radius of curvature R）、光軸上の各面の距離d（the on-axis surface spacing）、各レンズの屈折率Ｎ_ｄ、各レンズのアッベ数(Abbe’s number)ν_d、フォーカス距離(focal
length)f、視野(Field of view)FOVを列記する。表２中に各光学面の非球面の式（８）の各項係数を列記し、表３が式（１）〜式（７）の値を示す。

実施例１は、図１、図３、図４に示す通りである。

本実施例において、第１レンズＬ１は、Ｎ_ｄ１=1.54、ν_ｄ１=56.1のプラスチック材質により形成される。第２レンズＬ２は、Ｎ_ｄ２=1.58、ν_ｄ２=30のプラスチック材質により形成される。第３レンズＬ３は、Ｎ_ｄ３=1.53、ν_ｄ３
=56のプラスチック材質により形成される。赤外線フィルタ4は、BSC7ガラス材質を利用して形成される。

本実施例のf=2.7468 mm，f₁=2.2384mm、f₂=-41.4011mm、f₃=-11.3204mmである第３レンズ像側光学面３２の屈曲点が1.42mmに位置し、表３において、各値が式（１）〜式（７）の条件を満足する。

上記から分かるように、本実施例のレンズシステムの全長は、TL=3.0952mm、バックフォーカス距離がbf=0.92mmであり、本考案のイメージングレンズシステムが効率的に収差を補正し、イメージングレンズシステムが高解析度を有し、且つレンズシステムの長さを縮小し、ショートバックフォーカス距離を短縮させる。

実施例２は、図５、図６、図７に示す通りである。

本実施例において、第１レンズＬ１は、N_d1=1.54、ν_d1=56.1のプラスチック材質を利用し形成される。第２レンズＬ２は、N_d2=1.61、ν_d2=26のプラスチック材質を利用して形成される。第３レンズＬ３は、N_d3=1.53、ν_d3 =56のプラスチック材質を利用して形成される。赤外線フィルタ4は、BSC7ガラス材質を利用して形成される。

本実施例のf=2.7706 mm，f₁=2.2888mm、f₂=-22.6801mm、f₃=-12.4237mmである第３レンズ像側光学面３２の屈曲点が1.52mmに位置し、表３において、各値が式（１）〜式（７）の条件を満足することができる。

上記から分かるように、本実施例のレンズシステム全長は、TL=3.0315mm、バックフォーカス距離がbf=0.93mmである。

実施例３は、図８、図９、図１０に示す通りである。

本実施例のf=2.8261 mm，f₁=2.8822mm、f₂=-100.0013mm、f₃=-13.2025mmである第３レンズ像側光学面３２の屈曲点が1.86mmに位置し、表３において、各値が式（１）〜式（７）の条件を満足することができる。

上記から分かるように、本実施例のレンズシステム全長は、TL=3.5413mm、バックフォーカス距離がbf=0.95mmである。

実施例４は、図１１、図１２、図１３に示す通りである。

本実施例において、第１レンズＬ１は、N_d1=1.59、ν_d1=61.２のガラス材質を利用し形成される。第２レンズＬ２は、N_d2=1.69、ν_d2=31.1のガラス材質を利用して形成される。第３レンズＬ３は、N_d3=1.59、ν_d3 =61.2のガラス材質を利用して形成される。赤外線フィルタ4は、BSC7ガラス材質を利用して形成される。

本実施例のf=2.6249 mm，f₁=2.2536mm、f₂=-95.1835mm、f₃=-51.9728mmである第３レンズ像側光学面３２の屈曲点が1.48mmに位置し、表３において、各値が式（１）〜式（７）の条件を満足する。

上記から分かるように、本実施例のレンズシステム全長は、TL=3.4426mmであり、バックフォーカス距離は、bf=1.07mmである。

Ｌ１第１レンズ
１１第１レンズ物体側面
１２第１レンズ像側面
１３開口絞り
Ｌ２第２レンズ
２１第２レンズ物体側面
２２第２レンズ像側面
Ｌ３第３レンズ
３１第３レンズ物体側面
３２第３レンズ像側面
４赤外線フィルタ
５イメージセンサ
ｄ２光軸Ｚ上の第１レンズ物体側面から像側面までの距離
ｄ３光軸Ｚ上の第１レンズ像側面から第２レンズ物体側面までの距離
ｄ４光軸Ｚ上の第２レンズ物体側面から像側面までの距離
ｄ５光軸Ｚ上の第２レンズ像側面から第３レンズ物体側面までの距離
ｄ６光軸Ｚ上の第３レンズ物体側面から像側面までの距離
ｄ７光軸Ｚ上の第３レンズ像側面から赤外線フィルタ物体側面までの距離
ｄ８光軸Ｚ上の赤外線フィルタ物体側面から像側面までの距離
ｄ９光軸Ｚ上の赤外線フィルタ像側面からイメージセンサ面までの距離

Claims

光軸に沿って物体側から像側に順に、
新月型非球面レンズであり且つその凸面が物体側に面し、凹面が像側に面する正の屈折度の第１レンズと、
新月型非球面レンズであり且つその凸面が像側に面し、凹面が物体側に面する負の屈折度の第２レンズと、
光軸上において、負の屈折度の非球面レンズであり、そのレンズ中心が光軸上に位置し、レンズ中心の凸面が物体側に面し、凹面が像側に面し、且つレンズ中心からレンズ辺縁に向かって負の屈折度が屈曲点を経過して正の屈折度に変わる第３レンズと、
を含み、以下の条件を満足し、

そのうち、fは、本イメージングレンズシステムの有効フォーカス距離であり、bfが本イメージングレンズシステムのバックフォーカス距離であり、TLが光学軸上の第１レンズ物体側面からイメージセンサ側面までの全長であり、ΔがFraunhofer F曲線及びC曲線の縦向き収差の絶対値であり、H_-が第３レンズ像側光学面の屈曲点からその光軸に垂直な交点までの長さ（即ち、該有効点から光軸までの垂直距離）であり、H_tが第３レンズ像側光学面の最大光学有効点からその光軸に垂直な交点までの長さ（即ち、該有効点から光軸までの垂直距離）であり、f₁、f₂がそれぞれ第１、第２レンズの有効フォーカス距離であるショートバック小型３レンズ光学イメージングレンズシステム。
前記第１レンズ及び第２レンズの間に開口絞り（aperture
stop）を設置する請求項１に記載の光学イメージングレンズシステム。
前記開口絞りは、第１レンズの凹面上に設けられる請求項２に記載の光学イメージングレンズシステム。
前記第１レンズのフォーカス距離及びレンズ間の距離は、更に以下の条件を満足し、

そのうち、ｆは、本イメージングレンズシステムの有効フォーカス距離であり、f₁が第１レンズの有効フォーカス距離でありf₂がそれぞれ第２レンズの有効フォーカス距離であり、d_３が光軸上の第１レンズ像側面から第２レンズ物体側面までの距離であり、d_５が光軸上の第２レンズ像側面から第３レンズ物体側面までの距離であり、d_７が光軸上の第３レンズ像側面から赤外線フィルタの物体側面までの距離であり、d_９が光軸上の赤外線フィルタ像側面からイメージセンサ側面の距離である請求項１に記載の光学イメージングレンズシステム。
前記第２レンズが更に以下の条件を満足し、

そのうち、R₂₁が第２レンズの像側面の曲率半径であり、R₂₂が第２レンズの像側側面の曲率半径である請求項１に記載の光学イメージングレンズシステム。
前記第１レンズ、第２レンズ及び第３レンズは、プラスチック材質で形成される請求項１に記載の光学イメージングレンズシステム。
前記第２レンズは、ガラス材質で形成される請求項１に記載の光学イメージングレンズシステム。
前記第１レンズ及び第３レンズは、ガラス材質で形成される請求項１に記載の光学イメージングレンズシステム。