JP4344229B2 - 撮像レンズ - Google Patents

Description

本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子を用いた車載用カメラ、監視用カメラ、デジタルカメラ、携帯電話機搭載カメラ等に使用される小型で軽量な撮像レンズに関するものである。

ＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子を用いた監視用カメラやデジタルカメラ等に組み込まれている撮像レンズは、忠実な被写体の再現性を備えていることが望ましい。また、最近では、ＣＣＤ自体やＣＣＤカメラが小型化されてきており、これに伴って、これらに組み込まれる撮像レンズも必然的に小型化、コンパクト化の要求が高まってきている。さらに、ＣＣＤ等の受光素子は、ＣＣＤの小型化とは裏腹にメガオーダの高画素化となってきている。これを用いたカメラに使用される撮像レンズも必然的に高い光学性能を発揮できるものでなければならなくなってきた。従来では、高い光学性能を発揮させるためには、多くのレンズ枚数を用いて収差補正を行ってきたのが実状である。

また、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子の特徴として、各画素に取り込まれる光線角度に制約がある。これを無視するような光学系では開口効率が減少し、シェーディングが発生することになる。

加えて、撮像レンズとＣＣＤとの間には、ローパスフィルタや赤外カットフィルタなどを挿入するスペースが必要となるので、バックフォーカスがある程度長くなければならないという制約もある。

下記の特許文献１には、３群３枚構成の像面湾曲を良好に補正することができ、小型軽量でローコストの３群３枚構成の撮像レンズが開示されている。しかしながら、ここに記載されている実施例からすると第１レンズの物体側レンズ面から結像面までの全長が比較的長く、必ずしも小型化されているとは言い難い。
特開平１０−１７０８１９号公報

本発明は、メガオーダの高画素に対応できるよう収差補正が施され、シェーディングが抑止され、小型軽量でコンパクトであり、しかも廉価な撮像レンズを提案することにある。

本発明の撮像レンズは、例えば３群３枚構成からなり、物体側より順に、物体側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカスの第１レンズを備えた第１レンズ群と、物体側に凹面を向けた正のパワーを有する第２レンズを備えた第２レンズ群と、負のパワーを有する第３レンズを備えた第３レンズ群とが配置された構成となっている。また、第１および第２レンズのレンズ面のうち、少なくとも一つのレンズ面は非球面であり、第３レンズの両側のレンズ面が非球面とされている。

第１レンズを負としたことにより安定した広角系のレンズとすることができると同時に所定のバックフォーカスを確保することができる。また、第２レンズの物体側のレンズ面の曲率を負とすることにより、ディストーションおよびその他の収差補正を容易にすることができる。

次に、本発明の撮像レンズは、当該撮像レンズの合成焦点距離をＦ、第１レンズの焦点距離をｆ１、第３レンズの焦点距離をｆ３、第１レンズの物体側のレンズ面から結像面までの光軸上の間隔をΣｄとしたとき、下記の条件式を満たしている。
０．５＜Σｄ／Ｆ＜３．０ （１）
０．５＜｜ｆ３／Ｆ｜＜１．６ （２）
−１０＜ｆ１／Ｆ＜−０．５ （３）

条件式（１）は、小型化のための条件で、下限を下回ると光学系が小さくなり加工が難しくなり、上限を上回ると小型化コンパクト化の目的を満たさなくなる。特に、Ｆ＜１．５とすることが望ましい。

条件式（２）は、倍率の色収差を良好に補正するための条件とディストーションを良好に保つための条件であり、下限を下回ると射出瞳が短くなってシェーディングを招き好ましくない。また、上限を超えると射出瞳は長くなるが色収差の補正が困難になってしまう。また、条件式（２）の上限を｜ｆ３／Ｆ｜＜１．６の範囲とすることにより主光線の最大射出角を小さくすることも可能である。

条件式（３）は、全光学系のワイド化を安定に進めるためと、十分なバックフォーカスを確保するためのものである。下限を下回るとワイド化のための各種の収差補正が困難となり、上限を超えるとバックフォーカスが長くなり、コンパクト化が達成できなくなる。

ここで、本発明の第１の形態は、前記第１レンズの厚さをｄ１としたとき、
０．１＜ｄ１／Ｆ＜０．４ （４）
であることを特徴とする。

この条件式（４）は、条件式（１）と関連し、倍率の色収差、像面湾曲および歪曲収差を安定化させると共に、レンズ径を最小にするための条件である。下限の０．１以下になると、レンズ径は小さくできるが、レンズのコバ肉が極めて小さくなり、レンズの加工性が悪くなると同時にコストアップの要因となる。併せて、周辺光量の確保も難しくなる。加えて、結像面の湾曲を安定に保つことができなくなる。一方、上限の０．４を超えるとレンズ面の曲率半径が小さくなり倍率の色収差が増大することと、結像面の湾曲と歪曲が増大し、安定した結像特性を得ることが困難となり、また、レンズ系の小型化ができなくなる。ｄ１／Ｆの値の範囲としては、０．１５＜ｄ１／Ｆ＜０．３であることが望ましい。

また、結像面がＣＣＤやＣＭＯＳである場合の特徴として、各画素に取り込まれる光線角度に制約があり、画面の周辺部に向かって光線角度が大きくなってしまう。この現象を緩和するために、本発明の第２の形態は、非球面形状を活用して主光線の最大射出角を３０度以下にすることを特徴とする。

一方、本発明の撮像レンズを３群４枚構成とすることも可能であり、本発明の第３の形態は、第２レンズ群を構成している第２レンズを合成レンズとし、この合成レンズを、物体側に凹面を向けた負のパワーを有する物体側レンズと、正のパワーを有する像面側レンズから構成することを特徴とする。

次に、本発明の撮像レンズにおいて、第１レンズと第２レンズによって構成される空気間隔ｄａを
ｄａ／Ｆ＜０．３ （５）
を満たすように、小さく保つことにより、全光学系の小型化と周辺光量を上げることが可能である。

本発明の撮像レンズは３群３枚構成あるいは３群４枚構成のレンズであり、第１レンズを負としたことにより安定した広角系のレンズとすることができると同時に所定のバックフォーカスを確保することができる。また第３レンズの補正レンズによって、良好な収差補正ができる。従って、本発明によれば、メガオーダの高画素に対応した小型軽量でコンパクトな撮影レンズを廉価に製造できる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した撮像レンズの実施の形態を説明する。

図１は実施例１の撮像レンズを示す構成図である。撮像レンズ１０は、物体側より順に配列された第１レンズ１、第２レンズ２および第３レンズ３を備えている。第１レンズ１は物体側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカスレンズである。第２レンズ２は物体側に凹面を向けた正のパワーを有するレンズである。第３レンズ３は負のパワーを有するレンズである。第１レンズ１、第２レンズ２および第３レンズ３の各レンズ面１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂが非球面とされている。

なお、本例では、第１レンズ１と第２レンズ２の間に開口絞り４が配置され、第３レンズ３と結像面６との間にはカバーガラス５が配置されている。

実施例１の撮像レンズの全光学系のレンズデータは次のとおりである。
Ｆナンバー：３．０
焦点距離：Ｆ＝３．５０ｍｍ
第１レンズの焦点距離ｆ１＝−７．３７４ｍｍ
第３レンズの焦点距離ｆ３＝−３．１７２ｍｍ
レンズ全長：Σｄ＝５．６９３ｍｍ（第１レンズ１のレンズ面１ａから結像面までの距離）

表１Ａおよび表１Ｂには、実施例１の撮像レンズのレンズ面のレンズデータと、非球面とされたレンズ面の非球面形状を規定するための非球面係数を示してある。

表１において、ｉは物体側より数えたレンズ面の順番を表し、Ｒはレンズ面の曲率半径を表し、ｄはレンズ面間の距離を表し、Ｎｄは各レンズの屈折率を表し、νｄは各レンズのアッベ数を表す。また、ｉに星印が付してあるレンズ面は非球面であることを示す。

レンズ面に採用する非球面形状は、光軸方向の軸をＸ、光軸に直交する方向の高さをＨ、円錐係数をｋ、非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとすると、次式により表すことができる。

本例では、Σｄ／Ｆ＝５．６９３／３．５０＝１．６２７であり、｜ｆ３／Ｆ｜＝３．１７２／３．５０＝０．９０６であり、ｆ１／Ｆ＝−７．３７４／３．５０＝−２．１０７であり、ｄ１／Ｆ＝０．７５／３．５０＝０．２１４であり、各条件式（１）〜（４）を満足している。また、第１レンズ１と第２レンズ２の空気間隔ｄａ（＝ｄ２＋ｄ３）が０．３ｍｍであるので、ｄａ／Ｆ＝０．０８であり、０．３よりも小さく、条件式（５）を満たしている。さらに、主光線の最大射出角が３０度以下である。

図２は実施例１の撮像レンズの諸収差を示す収差図である。図２（ａ）は球面収差ＳＡを示す球面収差図であり、図２（ｂ）は非点収差ＡＳを表す非点収差図であり、図２（ｃ）はディストーションＤＩＳＴを表す収差図である。非点収差ＡＳのＴはタンジェンシャル、Ｓはサジタルの像面を表している。また、図２（ｄ）は横収差を表し、ＤＹはＹ瞳座標に関する横方向のＹ収差であり、ＤＸはＸ瞳座標に関する横方向のＸ収差である。これらの記号の意味は、後述の実施例においても同様である。

実施例２の撮像レンズ２０の光学系は、実施例１の撮像レンズ１０と基本的に同一であるので、実施例１の光学系を表す図１を参照してその光学系を説明する。撮像レンズ２０は、物体側より順に結像面に向けて、物体側に凸面を向けた負のパワーを有する第１レンズ１と、物体側に凹面を向けた正のパワーを有するレンズの第２レンズ２と、負のパワーを有する第３レンズ３とが配列された構成とされている。第１レンズ１、第２レンズ２、および第３レンズ３の各レンズ面が非球面とされている。第３レンズ３と結像面６との間にはカバーガラス５が配置されている。

撮像レンズ２０の全光学系のレンズデータは、次のとおりである。
Ｆナンバー：３．０
焦点距離：Ｆ＝３．５０ｍｍ
第１レンズの焦点距離ｆ１＝−１０．６２５ｍｍ
第３レンズの焦点距離ｆ３＝−３．１５７ｍｍ
レンズ全長：Σｄ＝５．６５５ｍｍ

本例では、Σｄ／Ｆ＝５．６５５／３．５０＝１．６１６であり、｜ｆ３／Ｆ｜＝３．１５７／３．５０＝０．９０２であり、ｆ１／Ｆ＝−１０．６２５／３．５０＝−３．０３６であり、ｄ１／Ｆ＝０．７５／３．５＝０．２１４であり、各条件式（１）〜（４）を満足している。また、第１レンズ１と第２レンズ２の空気間隔ｄａ（＝ｄ２＋ｄ３）が０．３ｍｍであるので、ｄａ／Ｆ＝０．０８であり、０．３よりも小さく、条件式（５）を満足している。さらに、主光線の最大射出角が３０度以下である。

表２Ａおよび表２Ｂには、撮像レンズ２０の各レンズ面のレンズデータと非球面とされたレンズ面の非球面形状を規定するための非球面係数を示してある。また、図３（ａ）〜（ｄ）には撮像レンズ２０の諸収差を示してある。

図４は、本発明の実施例３に係る撮像レンズを示す概略構成図である。本例の撮像レンズ３０は、物体側より順に、物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカスの第１レンズ１１からなる第１レンズ群Ｉと、物体側に凹面を向けた負のパワーを有する物体側レンズ１２ａおよび正のパワーを有する像面側レンズ１２ｂから構成される合成レンズ１２からなる第２レンズ群IIと、負のパワーを有する第３レンズ１３からなる第３レンズ群IIIによって構成されている。本例の第２レンズ群IIを構成している合成レンズ１２は、
ガラスレンズからなる物体側レンズ１２ａおよび像面側レンズ１２ｂの接合レンズである。第１レンズ１１の両側のレンズ面と、第２レンズ群IIの像面側レンズ１２ｂの像面側のレンズ面と、第３レンズ１３の両側のレンズ面とが非球面とされている。なお、第３レンズ群IIIと結像面１６の間には前例同様にカバーガラス１５が配置されている。

撮像レンズ３０の全光学系のレンズデータは、次のとおりである。
Ｆナンバー：２．８
焦点距離：Ｆ＝３．５ｍｍ
第１レンズ群の焦点距離ｆ１＝−１１．２０８ｍｍ
第３レンズ群の焦点距離ｆ３＝−５．３６３ｍｍ
レンズ全長：Σｄ＝６．８１２ｍｍ

表３Ａおよび表３Ｂには、撮像レンズ３０の各レンズ面のレンズデータと非球面とされたレンズ面の非球面形状を規定するための非球面係数を示してある。また、図５（ａ）〜（ｄ）には撮像レンズ３０の諸収差を示してある。

本例では、Σｄ／Ｆ＝６．８１２／３．５＝１．９４６であり、｜ｆ３／Ｆ｜＝５．３６３／３．５＝１．５３２であり、ｆ１／Ｆ＝−１１．２０８／３．５＝−３．２１２であり、ｄ１／Ｆ＝０．７／３．５＝０．２であり、各条件式（１）〜（４）を満足している。また、第１レンズ群と第２レンズ群とによる空気間隔ｄａ（＝ｄ２＋ｄ３）が０．４５ｍｍであるので、ｄａ／Ｆ＝６．８１２／３．５＝０．１２８であり、０．３よりも小さく、条件式（５）を満足している。さらに、主光線の最大射出角が３０度以下である。

なお、本例では、第２レンズ群を接合レンズとしているが、分離した合成レンズであっても良いことは勿論である。

本発明を適用した実施例１および２の撮像レンズの光学系を示す概略構成図である。 図１の撮像レンズの収差図である。 本発明を適用した実施例２の撮像レンズの収差図である。 本発明を適応した実施例３の撮像レンズの光学系を示す概略構成図である。 図４の撮像レンズの収差図である。

符号の説明

１、１１ 第１レンズ
２ 第２レンズ
３、１３ 第３レンズ
１２ 合成レンズ
１２ａ 物体側レンズ
１２ｂ 像面側レンズ
４ 絞り
５、１５ カバーガラス
６、１６ 結像面
１０ 撮像レンズ
２０ 撮像レンズ
３０ 撮像レンズ
ｄ１、ｄ４、ｄ６ レンズの肉厚
ｄａ 第１レンズと第２レンズの間の空気間隔

Claims (8)

1. 物体側より順に配置された第１レンズ群、第２レンズ群および第３レンズ群からなり、
   前記第１レンズ群は物体側に凸面を向けた負のパワーを有する第１レンズを備え、
   前記第２レンズ群は物体側に凹面を向けた正のパワーを有する第２レンズを備え、
   前記第３レンズ群は負のパワーを有する第３レンズを備え、
   前記第１および第２レンズのレンズ面のうち、少なくとも一つのレンズ面が非球面であり、
   前記第３レンズは双方のレンズ面が非球面であり、
   前記撮像レンズの合成焦点距離をＦ、第１レンズの物体側のレンズ面から結像面までの光軸上の距離をΣｄ、前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記第３レンズの焦点距離をｆ３、前記第１レンズの厚さをｄ１としたとき、
   ０．５＜Σｄ／Ｆ＜３．０ （１）
   ０．５＜｜ｆ３／Ｆ｜＜１．６ （２）
   −１０＜ｆ１／Ｆ＜−０．５ （３）
   ０．１＜ｄ１／Ｆ＜０．４ （４）
   である撮像レンズ。
2. 請求項１において、
   ０．１５＜ｄ１／Ｆ＜０．３
   である撮像レンズ。
3. 請求項１または２において、
   主光線の最大射出角が３０度以下である撮像レンズ。
4. 物体側より順に配置された第１レンズ群、第２レンズ群および第３レンズ群からなり、
   前記第１レンズ群は物体側に凸面を向けた負のパワーを有する第１レンズを備え、
   前記第２レンズ群は物体側に凹面を向けた正のパワーを有する第２レンズを備え、
   前記第３レンズ群は負のパワーを有する第３レンズを備え、
   前記第１および第２レンズのレンズ面のうち、少なくとも一つのレンズ面が非球面であり、
   前記第３レンズは双方のレンズ面が非球面であり、
   主光線の最大射出角が３０度以下であり、
   前記撮像レンズの合成焦点距離をＦ、第１レンズの物体側のレンズ面から結像面までの光軸上の距離をΣｄ、前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記第３レンズの焦点距離をｆ３としたとき、
   ０．５＜Σｄ／Ｆ＜３．０ （１）
   ０．５＜｜ｆ３／Ｆ｜＜１．６ （２）
   −１０＜ｆ１／Ｆ＜−０．５ （３）
   である撮像レンズ。
5. 請求項１ないし４のうちのいずれかの項において、
   前記第２レンズ群は合成レンズであり、この合成レンズは、物体側に凹面を向けた負のパワーを有する物体側レンズと、正のパワーを有する像面側レンズから構成されている撮像レンズ。
6. 物体側より順に配置された第１レンズ群、第２レンズ群および第３レンズ群からなり、
   前記第１レンズ群は物体側に凸面を向けた負のパワーを有する第１レンズを備え、
   前記第２レンズ群は合成レンズであり、この合成レンズは、物体側に凹面を向けた負のパワーを有する物体側レンズと、物体側に凹面を向けた正のパワーを有する像面側レンズから構成されており、
   前記第３レンズ群は負のパワーを有する第３レンズを備え、
   前記第１および第２レンズのレンズ面のうち、少なくとも一つのレンズ面が非球面であり、
   前記第３レンズは双方のレンズ面が非球面であり、
   前記撮像レンズの合成焦点距離をＦ、第１レンズの物体側のレンズ面から結像面までの光軸上の距離をΣｄ、前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記第３レンズの焦点距離をｆ３としたとき、
   ０．５＜Σｄ／Ｆ＜３．０ （１）
   ０．５＜｜ｆ３／Ｆ｜＜１．６ （２）
   −１０＜ｆ１／Ｆ＜−０．５ （３）
   である撮像レンズ。
7. 請求項１ないし６のうちのいずれかの項において、
   Σｄ／Ｆ＜１．５
   である撮像レンズ。
8. 請求項１ないし７のうちのいずれかの項において、
   前記第１レンズと前記第２レンズによって構成される空気間隔をｄａとしたとき、
   ｄａ／Ｆ＜０．３ （５）
   である撮像レンズ。

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