JP3717488B2

JP3717488B2 - 単焦点レンズ

Info

Publication number: JP3717488B2
Application number: JP2003094151A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　　賢一
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: US20040190162A1; JP2004302058A; US6961191B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に小型の撮像装置への搭載に適した単焦点レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータの一般家庭等への普及に伴い、撮影した風景や人物像等の画像情報をパーソナルコンピュータに入力することができるデジタルスチルカメラ（以下、単にデジタルカメラという。）が急速に普及しつつある。また携帯電話の高機能化に伴い、携帯電話に画像入力用のモジュールカメラ（携帯用モジュールカメラ）が搭載されることも多くなってきている。
【０００３】
これらの撮像装置では、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子が用いられている。このような撮像装置は、近年、撮像素子の小型化が進んでいることから、装置全体としても非常に小型化が図られてきている。また、撮像素子の高画素化も進んでおり、高解像、高性能化が図られてきている。
【０００４】
このような撮像装置に用いられる撮像レンズとしては、例えば以下の特許文献記載のものがある。特許文献１〜３には、３枚構成の撮像レンズが記載されている。特許文献４には、４枚構成の撮像レンズが記載されている。特許文献１記載の撮像レンズでは、物体側から２番目のレンズと３番目のレンズとの間に、絞りの位置がある。特許文献２記載の撮像レンズでは、物体側から１番目のレンズと２番目のレンズとの間に、絞りの位置がある。特許文献３記載の撮像レンズでは、レンズ系の最も物体側に絞りの位置がある。各特許文献記載の撮像レンズにおいて、最も物体側のレンズは、いずれもメニスカス形状となっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−４８５１６号公報
【特許文献２】
特開２００２−２２１６５９号公報
【特許文献３】
米国特許第６４４１９７１号公報
【特許文献４】
特表２００２−５１７７７３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように近年の撮像素子は、小型化および高画素化が進んでおり、それに伴って、特にデジタルカメラ用の撮像レンズには、高い解像性能と構成のコンパクト化が求められている。一方、携帯用モジュールカメラの撮像レンズには従来、コスト面とコンパクト性が主に要求されていたが、最近では携帯用モジュールカメラにおいても撮像素子の高画素化が進む傾向にあり、性能面に対する要求も高くなってきている。
【０００７】
このため、コスト面、性能面、およびコンパクト性を総合的に考慮した多種多様なレンズの開発が望まれている。例えば、携帯用モジュールカメラにも搭載可能なコンパクト性を満足しつつ、性能面ではデジタルカメラへの搭載をも視野に入れた、ローコストで高性能な撮像レンズの開発が望まれている。
【０００８】
このような要求に対しては、例えば、コンパクト化およびローコスト化を図るためにレンズ枚数を３枚または４枚構成とし、高性能化を図るために、非球面を積極的に用いることが考えられる。この場合、非球面はコンパクト化および高性能化に寄与するが、製造性の点で不利でありコスト高になり易いので、その使用は製造性を十分考慮したものとすることが望ましい。上記各特許文献記載のレンズは、３枚または４枚構成で非球面を用いた構成となっているが、上記した総合的な性能が不十分であり、例えば性能面は良くても、コンパクト性に欠けたりしている。一般に、３枚構成のレンズでは、性能面では携帯用モジュールカメラには十分であっても、デジタルカメラ用としては性能面で不十分になり易い。また、４枚構成のレンズでは、３枚構成に比べて性能を向上させることはできるものの、コスト面およびコンパクト性の点で不利になり易い。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、少ないレンズ枚数でローコスト化を図りながら、非球面を有効に用いることにより、高性能、かつコンパクトな構成を実現できる単焦点レンズを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による単焦点レンズは、撮像レンズとして用いられる単焦点レンズであって、物体側より順に、物体側の面を凸面形状とした正のパワーを有する第１レンズと、絞りと、プラスチック材料よりなり、少なくとも１面を非球面形状とし、かつ近軸近傍において物体側に凹面を向けた正または負のパワーを有するメニスカス形状の第２レンズと、両面を非球面形状とし、かつ近軸近傍において物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカス形状の第３レンズとを備え、第２レンズの両面が非球面形状であり、その形状が、有効径の範囲内で、物体側の面が周辺に行くほど負のパワーが弱くなる形状であり、かつ、像側の面が周辺に行くほど正のパワーが弱くなる形状であり、第３レンズの物体側の面の非球面形状は、有効径の範囲内で、周辺に行くほど正のパワーが弱くなる形状であり、かつ、以下の条件式（１）〜（３）を満足するように構成されているものである。
【００１１】
０．８＜ｆ１／ｆ＜２．０ ……（１）
０．５＜（｜Ｒ２｜−Ｒ１）／（Ｒ１＋｜Ｒ２｜） ……（２）
１．５＜ｆ３／ｆ＜３．０ ……（３）
ただし、ｆは全体の焦点距離を示し、ｆ１は第１レンズの焦点距離を示し、ｆ３は第３レンズの焦点距離を示し、Ｒ１は第１レンズの物体側の面の曲率半径を示し、Ｒ２は第１レンズの像側の面の曲率半径を示している。
【００１２】
本発明による単焦点レンズでは、正のパワーを有する第１レンズと、プラスチック材料よりなる正または負のパワーの非球面形状の第２レンズと、正のパワーを有する両面非球面形状の第３レンズとを物体側から順に配設し、かつ、絞りを第１レンズと第２レンズとの間に配設し、第１レンズの焦点距離や形状などに関する所定の条件式（１）〜（３）を満たして各レンズの形状、パワー配分などを適切なものにすることで、３枚という少ないレンズ枚数でローコスト化を図りながら、非球面を有効に用い、携帯用モジュールカメラのみならず、デジタルカメラにまで対応可能な高い光学性能が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る単焦点レンズの構成例を示している。この構成例は、後述の第１の数値実施例（図３，図４）のレンズ構成に対応している。また、図２は、本実施の形態に係る単焦点レンズの他の構成例を示している。図２の構成例は、後述の第２の数値実施例（図５，図６）のレンズ構成に対応している。なお、図１，図２において、符号Ｒｉは、最も物体側の構成要素の面を１番目として、像側（結像側）に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目（ｉ＝１〜８）の面の曲率半径を示す。符号Ｄｉは、ｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ１上の面間隔を示す。なお、各構成例共に基本的な構成は同じなので、以下では、図１に示した単焦点レンズの構成を基本にして説明する。
【００１７】
この単焦点レンズは、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子を用いた携帯用モジュールカメラやデジタルカメラ等に搭載されて使用されるものである。この単焦点レンズは、光軸Ｚ１に沿って、第１レンズＧ１、絞りＳｔ、第２レンズＧ２、および第３レンズＧ３が、物体側より順に配設された構成となっている。この単焦点レンズの結像面（撮像面）には、図示しないＣＣＤなどの撮像素子が配置される。ＣＣＤの撮像面付近には、撮像面を保護するためのカバーガラスＣＧが配置されている。第３レンズＧ３と結像面（撮像面）との間には、カバーガラスＣＧのほか、赤外線カットフィルタやローパスフィルタなどの他の光学部材が配置されていても良い。
【００１８】
第１レンズＧ１は、物体側の面を凸面形状とし、正のパワーを有している。第１レンズＧ１は、例えばメニスカス形状となっている。
【００１９】
第２レンズＧ２は、プラスチック材料よりなり、少なくとも１面が非球面形状であり、かつ近軸近傍において物体側に凹面を向けた正または負のパワーを有するメニスカス形状となっている。第２レンズＧ２の両面を非球面形状にした場合、例えば、有効径の範囲内で、物体側の面が、周辺に行くほど負のパワーが弱くなる非球面形状であり、かつ、像側の面が、周辺に行くほど正のパワーが弱くなる非球面形状となっていることが好ましい。
【００２０】
第３レンズＧ３は、両面が非球面形状であり、かつ近軸近傍において物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカス形状となっている。第３レンズＧ３の物体側の面の非球面形状は、有効径の範囲内で、周辺に行くほど正のパワーが弱くなる形状であることが好ましい。
【００２１】
なお、本実施の形態において、近軸近傍におけるレンズ形状は、例えば後述の非球面式（Ａ）において、係数Ｋに係る部分（係数Ａ_iに係る多項式部分を除いた部分）によって表される。
【００２２】
この単焦点レンズは、以下の条件式（１）〜（３）を満足するように構成されている。ただし、式（１）〜（３）において、ｆは全体の焦点距離を示し、ｆ１は第１レンズＧ１の焦点距離を示し、ｆ３は第３レンズＧ３の焦点距離を示し、Ｒ１は第１レンズＧ１の物体側の面の曲率半径を示し、Ｒ２は第１レンズＧ１の像側の面の曲率半径を示している。
０．８＜ｆ１／ｆ＜２．０ ……（１）
０．５＜（｜Ｒ２｜−Ｒ１）／（Ｒ１＋｜Ｒ２｜） ……（２）
１．５＜ｆ３／ｆ＜３．０ ……（３）
【００２３】
この単焦点レンズにおいて、第１レンズＧ１のレンズ材は、主に加工性および製造コストの点を考慮して、ガラス材料であることが好ましい。特に、第１レンズＧ１を、研磨加工可能なガラスの球面レンズとすることで、ローコスト化を図ることができる。一方、第２レンズＧ２および第３レンズＧ３のレンズ材は、特殊な非球面形状加工を行うため、光学樹脂材料（プラスチックレンズ）で構成されていることが好ましい。
【００２４】
次に、以上のように構成された単焦点レンズの作用および効果を説明する。
【００２５】
この単焦点レンズでは、正のパワーを有する第１レンズＧ１と、プラスチック材料よりなる正または負のパワーの非球面形状の第２レンズＧ２と、正のパワーを有する両面非球面形状の第３レンズＧ３とを物体側から順に配設し、かつ、絞りＳｔを第１レンズと第２レンズとの間に配設し、第１レンズＧ１の焦点距離や形状などに関する所定の条件式（１）〜（３）を満たして各レンズの形状、パワー配分などを適切なものにすることで、３枚という少ないレンズ枚数でローコスト化を図りながら、高い性能とコンパクトなレンズ系を実現している。
【００２６】
この単焦点レンズでは、主に軸上の性能を向上させるために、絞りＳｔを第１レンズＧ１と第２レンズＧ２との間に配設し、第１レンズＧ１の物体側の面を凸面形状としている。
【００２７】
またこの単焦点レンズでは、第２レンズＧ２および第３レンズＧ３に非球面を用いることで、大きな収差補正効果が得られる。特に、各レンズの非球面形状を、近軸近傍と周辺部とで形状およびパワーが異なるような特殊な形状とした場合には、像面湾曲の補正を始めとして、収差補正に関してより大きな効果が得られる。
【００２８】
条件式(１）は、第１レンズＧ１の焦点距離に関するものである。条件式(１）の数値範囲を上回ると、第１レンズＧ１のパワーが小さくなり過ぎて像面湾曲の補正が困難となる。ところで一般に、デジタルカメラ等においては、ＣＣＤ等の撮像素子の特性上、光線が撮像面に垂直に近い状態で入射することが望ましい。従って、デジタルカメラ等に搭載される単焦点レンズでは、テレセントリック性が確保されていることが望ましい。条件式(１）の数値範囲を下回ると、射出光線角度が大きくなり、テレセントリック性が悪化するため好ましくない。
【００２９】
条件式(２）は、第１レンズＧ１の形状に関するものであり、この数値範囲を外れると、主に像面湾曲の補正が困難となる。条件式（３）は、第３レンズＧ３の焦点距離に関するものである。条件式（３）の数値範囲を上回ると、射出光線角度が大きくなり、テレセントリック性が悪化するため好ましくない。一般に、撮像素子を用いた光学系では、レンズの最終面と撮像素子との間に赤外線カットフィルタやカバーガラスなどの光学部材を配置することが多い。そのため、これらの光学部材を配置するために、ある程度のバックフォーカスが必要となってくる。条件式（３）の数値範囲を下回ると、第３レンズＧ３が結像位置に近づき過ぎ、フィルタ類の入るスペースが確保できなくなるため好ましくない。
【００３０】
このように、本実施の形態に係る単焦点レンズによれば、３枚という少ないレンズ枚数で非球面を有効に用いることにより、携帯用モジュールカメラにも搭載可能なコンパクト性を満足しつつ、性能面ではデジタルカメラへの搭載をも視野に入れた、ローコストで高性能な撮像レンズが実現できる。
【００３１】
【実施例】
次に、本実施の形態に係る単焦点レンズの具体的な数値実施例について説明する。以下では、第１および第２の数値実施例（実施例１，２）をまとめて説明する。図３，図４は、図１に示した単焦点レンズの構成に対応する具体的なレンズデータ（実施例１）を示している。また、図５，図６は、図２に示した単焦点レンズの構成に対応する具体的なレンズデータ（実施例２）を示している。図３および図５には、その実施例のレンズデータのうち基本的なデータ部分を示し、図４および図６には、その実施例のレンズデータのうち非球面形状に関するデータ部分を示す。
【００３２】
各図に示したレンズデータにおける面番号Ｓｉの欄には、各実施例の単焦点レンズについて、最も物体側の構成要素の面を１番目として、像側に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目（ｉ＝１〜８）の面の番号を示している。曲率半径Ｒｉの欄には、図１，図２で付した符号Ｒｉに対応させて、物体側からｉ番目の面の曲率半径の値を示す。面間隔Ｄｉの欄についても、図１，図２で付した符号に対応させて、物体側からｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓｉ＋１との光軸上の間隔を示す。曲率半径Ｒｉおよび面間隔Ｄｉの値の単位はミリメートル（ｍｍ）である。Ｎdｊ，νdｊの欄には、それぞれ、カバーガラスＣＧも含めて、物体側からｊ番目（j＝１〜４）のレンズ要素のｄ線（５８７．６ｎｍ）に対する屈折率およびアッベ数の値を示す。なお、カバーガラスＣＧの両面の曲率半径Ｒ７，Ｒ８の値が０（ゼロ）となっているが、これは、平面であることを示す。図３および図５にはまた、諸データとして、全系の焦点距離ｆ（ｍｍ）、Ｆナンバー（ＦＮＯ．）、画角２ω（ω：半画角）の値を同時に示す。
【００３３】
図３および図５の各レンズデータにおいて、面番号の左側に付された記号「＊」は、そのレンズ面が非球面形状であることを示す。各実施例共に、第２レンズＧ２の両面Ｓ３，Ｓ４および第３レンズＧ３の両面Ｓ５，Ｓ６が非球面形状となっている。基本レンズデータには、これらの非球面の曲率半径として、光軸近傍（近軸近傍）の曲率半径の数値を示している。
【００３４】
図４および図６の各非球面データの数値において、記号“Ｅ”は、その次に続く数値が１０を底とした“べき指数”であることを示し、その１０を底とした指数関数で表される数値が“Ｅ”の前の数値に乗算されることを示す。例えば、「１．０Ｅ−０２」であれば、「１．０×１０^-2」であることを示す。
【００３５】
各非球面データには、以下の式（Ａ）によって表される非球面形状の式における各係数Ａ_i，Ｋの値を記す。Ｚは、より詳しくは、光軸から高さｈの位置にある非球面上の点から、非球面の頂点の接平面（光軸に垂直な平面）に下ろした垂線の長さ（ｍｍ）を示す。
【００３６】
Ｚ＝Ｃ・ｈ²／｛１＋（１−Ｋ・Ｃ²・ｈ²）^1/2｝＋Ａ₃・ｈ³＋Ａ₄・ｈ⁴＋Ａ₅・ｈ⁵＋Ａ₆・ｈ⁶＋Ａ₇・ｈ⁷＋Ａ₈・ｈ⁸＋Ａ₉・ｈ⁹＋Ａ₁₀・ｈ¹⁰ ……（Ａ）
ただし、
Ｚ：非球面の深さ（ｍｍ）
ｈ：光軸からレンズ面までの距離（高さ）（ｍｍ）
Ｋ：離心率
Ｃ：近軸曲率＝１／Ｒ
（Ｒ：近軸曲率半径）
Ａ_i：第ｉ次（ｉ＝３〜１０）の非球面係数
【００３７】
各実施例共に、第２レンズＧ２の両面Ｓ３，Ｓ４の非球面形状は、非球面係数として、偶数次の係数Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀のみを有効に用いて表されている。第３レンズＧ３の両面Ｓ５，Ｓ６の非球面形状は、さらに奇数次の非球面係数Ａ₃，Ａ₇，Ａ₉をも有効に用いている。
【００３８】
図７は、上述の条件式（１）〜（３）に対応する値を、各実施例についてまとめて示したものである。図７に示したように、各実施例の値が、条件式（１）〜（３）の数値範囲内となっている。
【００３９】
図８（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１の単焦点レンズにおける球面収差、非点収差、およびディストーション（歪曲収差）を示している。各収差図には、ｄ線を基準波長とした収差を示すが、球面収差図には、ｇ線（波長４３５．８ｎｍ），Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）についての収差も示す。非点収差図において、実線はサジタル方向、破線はタンジェンシャル方向の収差を示す。同様に、実施例２についての諸収差を図９（Ａ）〜（Ｃ）に示す。
【００４０】
以上の各レンズデータおよび各収差図から分かるように、各実施例について、良好に収差補正がなされている。また、全長のコンパクト化が図られている。
【００４１】
なお、本発明は、上記実施の形態および各実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔および屈折率の値などは、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得る。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の単焦点レンズによれば、正のパワーを有する第１レンズと、プラスチック材料よりなる正または負のパワーの非球面形状の第２レンズと、正のパワーを有する両面非球面形状の第３レンズとを物体側から順に配設し、かつ、絞りを第１レンズと第２レンズとの間に配設し、第１レンズの焦点距離や形状などに関する所定の条件式（１）〜（３）を満たして各レンズの形状、パワー配分などを最適化するようにしたので、少ないレンズ枚数でローコスト化を図りながら、非球面を有効に用い、高性能、かつコンパクトな構成を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る単焦点レンズの構成例を示すものであり、実施例１に対応するレンズ断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る単焦点レンズの他の構成例を示すものであり、実施例２に対応するレンズ断面図である。
【図３】実施例１に係る単焦点レンズの基本レンズデータを示す図である。
【図４】実施例１に係る単焦点レンズの非球面に関するデータを示す図である。
【図５】実施例２に係る単焦点レンズの基本レンズデータを示す図である。
【図６】実施例２に係る単焦点レンズの非球面に関するデータを示す図である。
【図７】各実施例に係る単焦点レンズが満たす条件式の値を示す図である。
【図８】実施例１に係る単焦点レンズの球面収差、非点収差、およびディストーションを示す収差図である。
【図９】実施例２に係る単焦点レンズの球面収差、非点収差、およびディストーションを示す収差図である。
【符号の説明】
ＣＧ…カバーガラス、Ｇｊ…物体側から第ｊ番目のレンズ、Ｒｉ…物体側から第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、Ｄｉ…物体側から第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ面との面間隔、Ｚ１…光軸。

Claims

撮像レンズとして用いられる単焦点レンズであって、
物体側より順に、
物体側の面を凸面形状とした正のパワーを有する第１レンズと、
絞りと、
プラスチック材料よりなり、少なくとも１面を非球面形状とし、かつ近軸近傍において物体側に凹面を向けた正または負のパワーを有するメニスカス形状の第２レンズと、
両面を非球面形状とし、かつ近軸近傍において物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカス形状の第３レンズと
を備え、
前記第２レンズの両面が非球面形状であり、その形状が、有効径の範囲内で、物体側の面が周辺に行くほど負のパワーが弱くなる形状であり、かつ、像側の面が周辺に行くほど正のパワーが弱くなる形状であり、
前記第３レンズの物体側の面の非球面形状は、有効径の範囲内で、周辺に行くほど正のパワーが弱くなる形状であり、
かつ、以下の条件式（１）〜（３）を満足するように構成されている
ことを特徴とする単焦点レンズ。
０．８＜ｆ１／ｆ＜２．０ ……（１）
０．５＜（｜Ｒ２｜−Ｒ１）／（Ｒ１＋｜Ｒ２｜） ……（２）
１．５＜ｆ３／ｆ＜３．０ ……（３）
ただし、
ｆ：全体の焦点距離
ｆ１：第１レンズの焦点距離
ｆ３：第３レンズの焦点距離
Ｒ１：第１レンズの物体側の面の曲率半径
Ｒ２：第１レンズの像側の面の曲率半径