JP3768510B2 - 広角単焦点レンズおよび撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばカメラ付き携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）等の小型の情報端末機器への搭載に適した広角単焦点レンズ、およびその広角単焦点レンズを搭載した撮像装置に関する。

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、小型の撮像モジュールを搭載したカメラ付き携帯電話も急速に普及してきている。その他、ＰＤＡ等の小型の情報端末機器においても撮像モジュールを搭載したものが普及してきている。

これらの撮像機能を備えた機器では、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。これらの撮像素子は近年、非常に小型化が進んでいる。そのため、ＣＣＤなどの撮像素子を用いた撮像機器において、機器本体、ならびにそれに搭載されるレンズにも、小型軽量化が求められている。また近年では、高画質を達成するために、画素数の多い撮像素子が開発されており、それに伴いレンズ系にも、より高解像で高コントラストな性能が要求されてきている。

このような撮像機器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１に記載のものがある。この特許文献１には、物体側から順に第１〜第３レンズで構成された３枚構成の撮像レンズが記載されている。この撮像レンズにおいて、第３レンズは両凸形状となっている。開口絞りは、第２レンズと第３レンズとの間に配置されている。
特開平１０−４８５１６号公報

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、カメラ付き携帯電話等の小型の情報端末機器用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、最近ではカメラ付き携帯電話等においても撮像素子の高画素化が進む傾向にあり、例えば１００万画素以上のメガピクセル対応のものが実用化され、性能面に対する要求も高くなってきている。このため、使用者の多様なニーズに応えるためにも、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。

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。上記特許文献記載のレンズは、３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。

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ありながら、非球面を有効に用いることにより、高性能、かつコンパクトな広角レンズ系を実現できる広角単焦点レンズ、およびその広角単焦点レンズを搭載した撮像装置を提供することにある。

本発明による広角単焦点レンズは、最大画角が、
０．７０＜ｔａｎθ＜０．８０ ……（３）
（ただし、θ：最大像高における半画角）
で規定される画角範囲内にある撮像装置に搭載される広角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メニスカス形状の第１レンズと、絞りと、プラスチック材よりなり、少なくとも１面を非球面形状とし、かつ物体側の面を凹面形状とした正のパワーを有するメニスカス形状の第２レンズと、プラスチック材よりなり、両面を非球面形状とし、かつ像側の面を近軸近傍において凹面形状とした負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、かつ、以下の条件式を満足するように構成されているものである。

０．８＜Ｒ１／ｆ≦０．８５ …（１）
−２．０＜ｆ３／ｆ＜−１．０ … （２）
ただし、ｆはレンズ系全体の近軸焦点距離、ｆ３は第３レンズの近軸焦点距離、Ｒ１は第１レンズの物体側の面の曲率半径を示している。
本発明による撮像装置は、この本発明による広角単焦点レンズを搭載したものである。

この広角単焦点レンズにおいて、第３レンズは、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強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強くなる非球面形状であることが好ましい。

本発明による広角単焦点レンズでは、物体側の面を凸面形状とした正のパワーを有するメニスカス形状の第１レンズと、プラスチック材よりなり、少なくとも１面を非球面形状とし、かつ物体側の面を凹面形状とした正のパワーを有するメニスカス形状の第２レンズと、プラスチック材よりなり、両面を非球面形状とし、かつ像側の面を近軸近傍において凹面形状とした負のパワーを有するメニスカス形状の第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、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も、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。

また上記した好ましい構成を必要に応じて適宜採用することで、より高性能、かつコンパクトな広角レンズ系が実現される。

本発明の広角単焦点レンズおよび撮像装置によれば、物体側の面を凸面形状とした正のパワーを有するメニスカス形状の第１レンズと、プラスチック材よりなり、少なくとも１面を非球面形状とし、かつ物体側の面を凹面形状とした正のパワーを有するメニスカス形状の第２レンズと、プラスチック材よりなり、両面を非球面形状とし、かつ像側の面を近軸近傍において凹面形状とした負のパワーを有する第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、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、かつコンパクトな広角レンズ系を実現できる。

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。

図１は、本発明の一実施の形態に係る広角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（Ａ），（Ｂ））のレンズ構成に対応している。また、図２は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４（Ａ），（Ｂ））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に示した広角単焦点レンズの構成を基本にして説明する。

この広角単焦点レンズは、例えばカメラ付き携帯電話等の小型の情報端末機器やデジタルカメラ等、特に小型の撮像素子を用いた撮像機器に搭載されて使用されるものである。この広角単焦点レンズは、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。この広角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。撮像素子の撮像面付近には、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。

第１レンズＧ１は、例えばガラス材料よりなり、物体側に凸面を向けた物体側の面を凸面形状とした正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は、プラスチック材よりなり、少なくとも１面が非球面形状となっている。また、物体側の面を凹面形状とし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は従来、正のパワーを有していることが多かったが、この広角単焦点レンズでは、第３レンズＧ３が、像側の面を近軸近傍において凹面形状とした負のパワーを有した構成になっている。第３レンズＧ３は、近軸近傍においてメニスカス形状となっている。

また、第３レンズＧ３は、プラスチック材よりなり、両面が非球面形状となっている。第３レンズＧ３の非球面形状は、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強くなる形状であり、かつ像側の面が周辺に行くほど正のパワーが強くなる形状であることが好ましい。これにより、第３レンズＧ３は例えば、物体側の面が、近軸近傍では凸面形状で周辺部では凹面形状となっていることが好ましい。また像側の面が、近軸近傍では凹面形状で周辺部では凸面形状となっていることが好ましい。

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。

この広角単焦点レンズは、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はレンズ系全体の近軸焦点距離、ｆ３は第３レンズＧ３の近軸焦点距離、Ｒ１は第１レンズＧ１の物体側の面の曲率半径、θは最大像高における半画角を示している。
０．８＜Ｒ１／ｆ≦０．８５ …（１）
−２．０＜ｆ３／ｆ＜−１．０ … （２）
０．７０＜ｔａｎθ＜０．８０ ……（３）

次に、以上のように構成された広角単焦点レンズの作用および効果を説明する。

この広角単焦点レンズでは、例えばガラス材料よりなる正のパワーを有する第１レンズＧ１と、プラスチック材料の非球面レンズよりなる正のパワーを有する第２レンズＧ２と、プラスチック材料の非球面レンズよりなる負のパワーを有する第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Ｇ１と第２レンズＧ２との間に配設し、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も、高い性能とコンパクトな広角レンズ系を実現している。

この広角単焦点レンズでは、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。

またこの広角単焦点レンズでは、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。この場合、第２レンズＧ２および第３レンズＧ３をプラスチック材料としているので、加工しやすく製造性の点で有利となる。特に、第３レンズＧ３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。

各条件式の作用は以下のとおりである。条件式（１）は、第１レンズＧ１の物体側の面の曲率半径に関するものである。条件式（１）の上限を上回ると、全長が長くなり、下限を下回ると、像面湾曲、および球面収差などの補正が困難となるので好ましくない。条件式（２）は、第３レンズＧ３のパワーに関するもので、この数値範囲を外れると、特に像面湾曲の補正が困難となるので好ましくない。条件式（３）は、最大像高における半画角、すなわち主光線の最大入射角度に関するもので、この広角単焦点レンズの画角範囲を規定するものである。

このように、本実施の形態に係る広角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。

次に、本実施の形態に係る広角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（Ａ），（Ｂ）は、図１に示した広角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４（Ａ），（Ｂ）は、図２に示した広角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（Ａ）および図４（Ａ）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３（Ｂ）および図４（Ｂ）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。

各レンズデータにおける面番号Ｓｉの欄には、各実施例の広角単焦点レンズについて、最も物体側のレンズ要素の面を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。

図３（Ａ）および図４（Ａ）にはまた、諸データとして、全系の近軸焦点距離ｆ（ｍｍ）、Ｆナンバー（ＦＮＯ．）、および画角２ω（ω：半画角）の値を同時に示す。

図３（Ａ）および図４（Ａ）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と、第３レンズＧ３の両面Ｓ５，Ｓ６と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。データから分かるように、第３レンズＧ３は、近軸近傍においてメニスカス形状となっている。

図３（Ｂ）および図４（Ｂ）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。

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。

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

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。

図５には、上述の条件式（１）〜（３）に関する値を、各実施例についてまとめたものを示す。図５に示したように、各実施例の値が、各条件式（１）〜（３）の数値範囲内となっている。

図６（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１の広角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、球面収差図および倍率色収差図には、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。ωは、半画角を示す。同様にして、実施例２についての諸収差を図７（Ａ）〜（Ｃ）に示す。

以上の各数値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、少ないレンズ枚数でありながら、良好に収差補正がなされ、コンパクトな広角レンズ系が実現されている。

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。

本発明の一実施の形態に係る広角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。 本発明の一実施の形態に係る広角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。 実施例１に係る広角単焦点レンズのレンズデータを示す図である。 実施例２に係る広角単焦点レンズのレンズデータを示す図である。 各実施例に係る広角単焦点レンズが満たす条件式の値を示す図である。 実施例１に係る広角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。 実施例２に係る広角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、Ｓｔ…絞り、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 (4)

1. 最大画角が、
   ０．７０＜ｔａｎθ＜０．８０ ……（３）
   （ただし、θ：最大像高における半画角）
   で規定される画角範囲内にある撮像装置に搭載される広角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メニスカス形状の第１レンズと、
   絞りと、
   プラスチック材よりなり、少なくとも１面を非球面形状とし、かつ物体側の面を凹面形状とした正のパワーを有するメニスカス形状の第２レンズと、
   プラスチック材よりなり、両面を非球面形状とし、かつ像側の面を近軸近傍において凹面形状とした負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、
   かつ、以下の条件式を満足するように構成されている
   ことを特徴とする広角単焦点レンズ。
   ０．８＜Ｒ１／ｆ≦０．８５ …（１）
   −２．０＜ｆ３／ｆ＜−１．０ … （２）
   ただし、
   ｆ：レンズ系全体の近軸焦点距離
   ｆ３：第３レンズの近軸焦点距離
   Ｒ１：第１レンズの物体側の面の曲率半径
2. 前記第３レンズは、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強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強くなる非球面形状となっている
   ことを特徴とする請求項１に記載の広角単焦点レンズ。
3. 広角単焦点レンズを搭載した撮像装置であって、
   前記広角単焦点レンズは、
   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メニスカス形状の第１レンズと、
   絞りと、
   プラスチック材よりなり、少なくとも１面を非球面形状とし、かつ物体側の面を凹面形状とした正のパワーを有するメニスカス形状の第２レンズと、
   プラスチック材よりなり、両面を非球面形状とし、かつ像側の面を近軸近傍において凹面形状とした負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、
   かつ、以下の条件式を満足するように構成されている
   ことを特徴とする撮像装置。
   ０．８＜Ｒ１／ｆ≦０．８５ …（１）
   −２．０＜ｆ３／ｆ＜−１．０ … （２）
   ０．７０＜ｔａｎθ＜０．８０ ……（３）
   ただし、
   ｆ：レンズ系全体の近軸焦点距離
   ｆ３：第３レンズの近軸焦点距離
   Ｒ１：第１レンズの物体側の面の曲率半径
   θ：最大像高における半画角
4. 前記第３レンズは、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強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強くなる非球面形状となっている
   ことを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。

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