JP4171989B2 - 撮影レンズ系 - Google Patents

Description

本発明は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズである第１レンズ、開口絞り、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズである第２レンズとからなる前群と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズである第３レンズからなる後群とから構成される撮影レンズ系に関するものである。

撮影レンズ系の1つの領域として、ノートパソコン用に使用されるＷｅｂカメラや、携帯電話等の携帯端末などに使用される撮影レンズ系があり、薄型でコンパクトな光学レンズモジュールが開発されてきている。以前は、ＣＣＤ等の撮像素子もＣＩＦやＶＧＡなど、３０〜４０万画素程度のものであり、撮影レンズ系に要求される性能水準も緩いものであった。従って、主に単レンズ構成で対応することができ、少し性能水準の高いものに対しては、２枚構成の撮影レンズ系で対応することができていた。

しかしながら、近年においては撮像素子の高解像度化が進み、これと同時に撮影レンズ系に要求される性能水準も高度になってきている。従って、従来の１枚構成や２枚構成の撮影レンズ系では、到底それを満足することができなくなった。そこで、高解像度化（特に、画素数１Ｍ以上）に対応して、３枚構成のレンズ構成が登場してきた。

３枚構成のレンズ構成は、いわゆる「トリプレット」と称されて、銀塩写真カメラの分野では長い歴史があり、種々のレンズ構成（屈折力配置）のものが開発されてきている。しかしながら、これらのレンズ構成は、銀塩フィルムに対して像を形成することを前提として開発されたものであり、現在のＣＣＤやＣＭＯＳに代表される撮像素子を使用した場合の撮影レンズ系に対して、そのまま使用することは難しい。その理由は、テレセントリック性や光学全長の面で不満足点を抱えていると共に、低コスト化の面でも課題を有しているからである。すなわち、携帯機器のように小型化を要求される撮影レンズ系の場合、テレセントリック性の改善と、光学全長の短縮化というレンズ設計上、相矛盾する課題を解決させることが要求される。かかる課題を解決するために、プラスチック材料を用いた非球面レンズを用いた３枚構成の撮影レンズ系も種々開発されてきている。

撮影レンズ系を３枚のレンズ構成とする場合、以下の８通りの屈折力配置が考えられる。
（Ａ）正・負・正 （Ｂ）正・正・負 （Ｃ）正・正・正 （Ｄ）正・負・負
（Ｅ）負・正・正 （Ｆ）負・正・負 （Ｇ）負・負・正 （Ｈ）負・負・負
この中で、負屈折力のレンズが先頭にくるレンズ配置は、バックフォーカスが長くなるため、コンパクト性に欠ける。従って、携帯機器用など超コンパクト性を要求される撮影レンズ系には用いることができない。従って、超コンパクト性を要求される場合には、実質的に（Ａ）から（Ｄ）までの４通りの屈折力配置が主流となる。これらの先行技術については、図８に一覧表として示す。

タイプ（Ａ）の特許文献(1)〜(10)は、３枚ともプラスチックレンズを採用してコスト面での配慮はなされているが、いずれも望遠比（焦点距離に対する光学全長の比）が１．５以上と大きく、携帯電話用などの超コンパクト性を要求される撮影レンズ系には適さない。また、前絞りであるため、テレセントリック性の条件を満たすことは容易であるが、その弊害として第２レンズの偏芯による光学性能の低下は著しくなり、量産には不向きな屈折力配置ということができる。

タイプ（Ａ）の特許文献(11)は、３枚ともプラスチックレンズを採用すると共に、中絞りタイプとしており、偏芯による光学性能の低下は抑制されているが、望遠比は２．５となっており、非常に大きくなっている。

タイプ（Ａ）の特許文献(12)は、３枚ともプラスチックレンズを採用すると共に、中絞りタイプであり、望遠比も１．２４と小型になっている。しかし、開放Ｆナンバーが３．５と暗く実用的な明るさになっていない。更には、望遠比を小さくするために、テレセントリシティが２５゜程度と大きくなってしまい、ＣＣＤ等の撮像素子とのマッチングが悪いレンズ構成となっている。

タイプ（Ｂ）の撮影レンズ系は、望遠タイプとなるため、望遠比は本来小さく（１以下）になりうるが、余り小さくすると、バックフォーカスが短くなりすぎて、ＩＲカットフィルターやＣＣＤカバーガラスなどの挿入物を配置するスペースが確保できなくなる。

タイプ（Ｂ）の特許文献(1)〜(3)や(6)〜(10)などは、望遠比１．４以上となっており、超コンパクト性の要求を満たしているとはいえない。光学全長をできるだけ短くしながらも、バックフォーカスについては、上記挿入物が配置できる必要最小限の望遠比（１．２〜１．４）であることが要求される。

タイプ（Ｂ）の特許文献(4)(5)(11)は、３枚のプラスチックレンズで構成され、望遠比も１．２〜１．４程度とコンパクトになっているが、ｆ₁₂／ｆ＜１．０（ｆ₁₂：第１レンズと第２レンズの合成焦点距離、ｆ：全系の焦点距離）となっているため、他のタイプ（Ａ）（Ｃ）（Ｄ）に比べると、第２レンズの屈折力が強くなり、そのためにコバ厚さを確保しにくくなっている。従って、成型や組立において、偏芯が発生しやすい構成になっている。また、タイプ（Ｂ）に特有の画面中帯付近で非点収差を大きく残存した収差補正となっているため、量産時に特に画面中帯付近での軸外Ｍ像（メリジオナル像）の偏芯による性能低下が問題になる。

（Ｃ）グループの特許文献は、いずれも第１レンズをガラス材料で形成している。しかも、低分散の比較的高価なガラス種であり、携帯機器に使用するには、コストの面において問題がある。また、撮影レンズ系の長さを決める望遠比についても１．４〜１．７の間にあり、超コンパクト性の要求を満たしていない。なお、（Ｃ）グループの先行技術には、前絞りタイプの撮影レンズ系は存在しない。

（Ｄ）グループの特許文献には、一部（Ａ）グループに含まれる屈折力配置のレンズ系が含まれているが、望遠比が１．５４と大きく、超コンパクト性の要求を満たしていない。なお、（Ｄ）グループの先行技術には、中絞りタイプの撮影レンズ系は存在しない。
図８を参照

以上説明してきた先行技術にも見られるように、超コンパクト性とテレセントリシティの両方を満足させつつ、高い光学性能を維持させる撮影レンズ系の探索、レンズ解の模索が続けられている。しかしながら、上記先行技術に開示される撮影レンズ系においては、撮像素子を含めた撮影レンズ系のコンパクト化やコスト低廉化の面や光学性能の面において、必ずしも満足のいくものではなかった。

３枚構成のレンズ系としては、前述したようにタイプ（Ａ）が一般的であり、多用されてきた。しかし、望遠比Ｔ／ｆは１．４以上となっており、光学全長を短縮させるには不適なタイプである。光学全長を短縮させるには、タイプ（Ｂ）や（Ｄ）の望遠タイプの方が有利である。望遠タイプでレンズ枚数が少ないもの（２枚あるいは３枚）は、本来銀塩フィルムカメラ用の撮影レンズ系として開発されたものであり、後群が負屈折力であるため、その広角化が難しい。従って、携帯端末などの広角化を要望される光学系としては不適のタイプである。また、テレセントリシティの面においても、ＣＣＤなどの固体撮像素子を使用する撮影レンズ系には不向きである。

また、負屈折力のレンズが第１レンズとなっているタイプ（Ｅ）〜（Ｈ）の逆望遠タイプ（レトロフォーカスタイプ）では、２枚構成のＶＧＡを使用した３０万〜４０万画素クラスのデジタルカメラ用や携帯端末用などの撮影レンズ系にしか使用されていない。また、レトロフォーカスタイプであるため、光学全長の短縮もできない。そのため、３枚以上のレンズ構成として、簡易なデジタルカメラや携帯端末等に使用されることはない。

以上のことから、本発明におけるレンズ構成は、（Ｃ）タイプの正・正・正レンズの３枚構成を基本とするものであり、その課題は、高画素数の撮像素子に対応した最小の３枚のレンズ構成で、最適な屈折力の配置を採用し、コンパクトかつ高性能な撮影レンズ系を低コストで提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る撮影レンズ系は、
物体側から順に、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズである第１レンズ、開口絞り、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズである第２レンズとからなる前群と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズである第３レンズからなる後群とから構成される撮影レンズ系であって、
第１レンズ、第２レンズ、第３レンズは、いずれも同一の光学物性値を有するプラスチック材料により形成され、
全系の焦点距離をｆ、第１レンズと第２レンズの合成焦点距離をｆ₁₂とした場合、
１．０＜ｆ₁₂／ｆ＜１．３
を満足することを特徴とするものである。

この構成による撮影レンズ系の作用・効果を説明する。レンズ構成は先ほど説明したように、タイプ（Ｃ）の正・正・正であり、具体的には、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ（第１レンズ）、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズ（第２レンズ）、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ（第３レンズ）により構成される。開口絞りは、第１レンズと第２レンズの間に配置された、いわゆる中絞りタイプである。

また、３枚のレンズは、いずれも同一のプラスチック材料で形成するので、材料費や管理費などの削減に寄与することができる。また、プラスチックレンズとすることで、最適な屈折力の配分と共に、非球面を積極的に導入することができ、コンパクトで高性能なレンズ構成を実現することができる。

更に、１．０＜ｆ₁₂／ｆ＜１．３ とするのは次の理由による。ｆ₁₂／ｆ≧１．３では、光学全長が長くなりすぎるため、コンパクト性を損ねてしまう。また、ｆ₁₂／ｆ≦１．０では、バックフォーカスが短くなりすぎて、ＩＲカットフィルターや撮像素子のカバーガラスを配置するスペースがなくなってしまう。上記条件式を満足することで、光学全長を短くしてコンパクト性を維持することができ、なおかつ、所定の挿入物を配置するためのバックフォーカスを確保することができる。

以上のように本発明の構成によれば、高画素数の撮像素子に対応した最小の３枚のレンズ構成で、最適な屈折力の配置を採用し、コンパクトかつ高性能な撮影レンズ系を低コストで提供することができる。

さらに本発明は、全系の焦点距離をｆ、第３レンズの焦点距離をｆ₃とした場合、
ｆ₃／ｆ≧５．６（あるいは、０＜ｆ／ｆ₃ ≦１／５．６）を満足することを特徴とする。

ｆ／ｆ₃ ＜５．６では、第３レンズの全系に占める屈折力が強くなりすぎて、前群の屈折力を弱める結果となり、光学全長が長くなってしまう。すなわち、全系に占める第３レンズの屈折力の比率を弱めて、弱い正の屈折力にすることが重要である。さらに、テレセントリシティを補正するため、例えば、第３レンズの物体側と像側の双方の屈折力として、中心から周辺に向かうにつれて、徐々に正の屈折力を強めていくような非球面とすることで、撮像素子へ向かう光線の入射角を小さくしていくことが重要である。

本発明において、全系の焦点距離をｆ、第２レンズの焦点距離をｆ₂とした場合、
２．０＜ｆ₂／ｆ＜１１．０
を満足することが好ましい。

ｆ₂／ｆ≦２．０では、第２レンズの屈折力が強くなり、相対的に、第３レンズが負屈折力へと移行し、テレセントリシティを阻害してしまう。同時に、第２レンズのコバ厚が確保できない形状になるため好ましくない。また、ｆ₂／ｆ≧１１．０では、前群全体の屈折力が弱くなり、光学全長が長くなってしまう。

本発明に係る３枚構成の撮影レンズ系の好適な実施例を図面を用いて説明する。図１〜図７に、実施例１から実施例７までのレンズ構成図（図１Ａ〜図７Ａ）と、光学系特性データ（図１Ｂ〜図７Ｂ）を示す。本発明に係る撮影レンズ系は、携帯機器、特に携帯電話に内蔵される光学系として特に好適な構成を備えているものである。

＜レンズ構成図について＞
図１Ａ〜図７Ａには、各実施例における光学系の配置を示す。各実施例において、撮影レンズ系は、光軸に沿って物体側から順に、第１レンズＬ１、開口絞り、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３，平行平面ガラス２、結像面３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正メニスカスレンズであり、第２レンズＬ２は、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズであり、第３レンズＬ３は、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズである。すなわち、３枚構成の光学系であり、いずれのレンズも正メニスカスレンズである。第１レンズＬ１と第２レンズＬ２により前群を構成し、第３レンズＬ３は後群を構成する。平行平面ガラス２は、ＩＲ（赤外）カットフィルターとしての機能を有し、結像面には、ＣＣＤ等の固体撮像素子が配置される。

後群に属する第３レンズＬ３は、主にテレセントリシティを改善するために配置されるレンズである。後述の条件式ｆ₃／ｆ＞５をあげているように、第３レンズＬ３は長い焦点距離ｆ₃を有し、ほとんどパワーがなく、テレセントリシティの改善のために使用されていることが分かる。第３レンズＬ３の像側の面には変曲点が形成されるが、近軸での形状とパワーに基づいて、正メニスカスレンズの範疇に属するものと定められる。

各レンズは、同一の光学物性値を有するプラスチック材料（同一のプラスチック材料）により成型されるため、ガラスレンズを使用する場合に比べて、材料コストを削減でき、材料の管理コストも低減できる。また、プラスチックを使用することで、各レンズのすべての面は、非球面により形成することができ、３枚という少ないレンズ枚数で所望の光学性能を達成することができる。

＜レンズ諸元・収差図について＞
図１Ｂ〜図７Ｂについて説明する。図の一番上にレンズ諸元として、焦点距離ｆ・ＦナンバーＦ・画角２ωが示されている。焦点距離ｆは、全系の焦点距離（ｍｍ）である。その下に、１，２・・・９とあるのは、物体側から順に面の番号を示している（ただし、３は開口絞りを示す）。面番号１，２は第１レンズＬ１、面番号４，５は第２レンズＬ２，面番号６，７は第３レンズＬ３に相当する。面番号８，９は、平行平面ガラス２なので曲率半径は∞となっている。なお、曲率半径は近軸上における曲率半径（ｍｍ）を示している。ｄは、面間隔（ｍｍ）を示す数値である。各レンズは同じ材料で成型されるため、屈折率とアッベ数は同じ数値となっている。

また収差図として、球面収差、非点収差、歪曲収差が夫々示されている。いずれの図もｄ線についてのデータであり、非点収差についてはサジタル像面（Ｓ）に関するデータと、メリジオナル像面（Ｍ）に関するデータの両方を示している。これらの収差図からも分かるとおり。実用的に問題ないレベルまで収差が補正されていることがわかる。

各レンズはいずれも非球面形状を有している。非球面形状は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを非球面係数として、光軸からの高さＨの位置での光軸方向の変位Ｘを、面頂点を基準として表わすと
Ｘ＝（１／Ｒ）Ｈ²／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（Ｈ／Ｒ）²｝^1/2］＋ＡＨ⁴＋ＢＨ⁶＋ＣＨ⁸＋ＤＨ¹⁰
となる。Ｒは近軸曲率半径、Ｋはコニカル係数である。非球面係数のＥ−０３などの表記は１０^-3を意味する。

本発明において、ｆ(全系の焦点距離)，ｆ₁₂（第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の合成焦点距離），ｆ₂（第２レンズＬ２の焦点距離），ｆ₃（第３レンズＬ３の焦点距離）について、次のような条件を満足することが好ましい。

（１）１．０＜ｆ₁₂／ｆ＜１．３
ｆ₁₂／ｆ≧１．３では、光学全長が長くなりすぎるため、コンパクト性を損ねてしまう。また、ｆ₁₂／ｆ≦１．０では、バックフォーカスが短くなりすぎて、赤外カットフィルターや撮像素子のカバーガラスを配置するスペースがなくなってしまう。上記条件式を満足することで、光学全長を短くしてコンパクト性を維持することができ、なおかつ、所定の挿入物を配置するためのバックフォーカスを確保することができる。

（２）ｆ₃／ｆ＞５．０（あるいは、０＜ｆ／ｆ₃＜０．２）
ｆ₃／ｆ≦５．０では、第３レンズＬ３の全系に占める屈折力が強くなりすぎて、前群の屈折力を弱める結果となり、光学全長が長くなってしまう。すなわち、全系に占める第３レンズＬ３の屈折力の比率を弱めて、弱い正の屈折力にすることが重要である。さらに、テレセントリシティを補正するため、例えば、第３レンズＬ３の物体側と像側の双方の屈折力として、中心から周辺に向かうにつれて、徐々に正の屈折力を強めていくような非球面とすることで、撮像素子へ向かう光線の入射角を小さくしていくことが重要である。

（３）ｆ₂／ｆ≦２．０では、第２レンズＬ２の屈折力が強くなり、相対的に、第３レンズＬ３が負屈折率へと移行し、テレセントリシティを阻害してしまう。同時に、第２レンズＬ２のコバ厚が確保できない形状になるため好ましくない。また、ｆ₂／ｆ≧１１．０では、前群全体の屈折力が弱くなり、光学全長が長くなってしまう。

本発明に係る撮影レンズ系によれば、望遠比Ｔ／ｆ（Ｔは、第１レンズＬ１の物体側面（面番号１）から結像面までの長さ）は、
（４）１．２＜Ｔ／ｆ＜１．４
の関係を満足することができる。従って、コンパクト性を確保することができる。以上の点を、タイプ（Ｃ）に属する先行技術の各実施例（比較例に相当）と本発明の各実施例１〜７と対比した表を示す。

表１から分かるように、条件式（１）（２）（３）をいずれも充足する本発明の撮影レンズ系は、式（４）に表される望遠比を達成することができ、コンパクト性を達成し、かつ、バックフォーカスも確保することができる。さらに、先行技術がガラスレンズを使用しているのに対して、本発明では、すべてプラスチックレンズを使用しているため、コストの面でも有利である。なお、使用するプラスチック材料については、特定の材質に限定されるものではない。

また、本発明にかかる撮影レンズ系はテレセントリシティの面においても、要求される性能を満たしている。ちなみに、テレセントリシティの面では、従来の小型ＣＣＤでは、主光線傾角が１５゜以内でレンズ系を射出させて撮像素子に入射させる必要があったが、現在では撮像素子分野での技術的な進歩（マイクロレンズの形状変更）に伴い、２０゜〜２３゜でも許容されるようになってきている。

また、プラスチックレンズを使用しているため、第３レンズＬ３のように変曲点を有する非球面を容易に成型することができる。

本発明に係る撮影レンズ系は、携帯電話等の携帯機器に特に好適であるが、デジタルカメラなどに用いることもできる。

実施例１のレンズ構成を示す図 実施例１の収差図・光学系特性データを示す図 実施例２のレンズ構成を示す図 実施例２の収差図・光学系特性データを示す図 実施例３のレンズ構成を示す図 実施例３の収差図・光学系特性データを示す図 実施例４のレンズ構成を示す図 実施例４の収差図・光学系特性データを示す図 実施例５のレンズ構成を示す図 実施例５の収差図・光学系特性データを示す図 実施例６のレンズ構成を示す図 実施例６の収差図・光学系特性データを示す図 実施例７のレンズ構成を示す図 実施例７の収差図・光学系特性データを示す図 先行技術の光学系の特性を示す一覧表

符号の説明

１ 開口絞り
２ 平行平面ガラス
３ 結像面
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ

Claims (2)

1. 物体側から順に、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズである第１レンズ、開口絞り、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズである第２レンズとからなる前群と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズである第３レンズからなる後群とから構成される撮影レンズ系であって、
   第１レンズ、第２レンズ、第３レンズは、いずれも同一の光学物性値を有するプラスチック材料により形成され、
   全系の焦点距離をｆ、第１レンズと第２レンズの合成焦点距離をｆ₁₂とした場合、
   １．０＜ｆ₁₂／ｆ＜１．３
   を満足し、かつ、
   全系の焦点距離をｆ、第３レンズの焦点距離をｆ ₃ とした場合、
   ｆ ₃ ／ｆ≧５．６を満足することを特徴とする撮影レンズ系。
2. 全系の焦点距離をｆ、第２レンズの焦点距離をｆ₂とした場合、
   ２．０＜ｆ₂／ｆ＜１１．０
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮影レンズ系。

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