JP4426762B2 - Imaging optical system and imaging apparatus using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結像光学系とそれを用いた撮像装置に関するものであり、特に、CCDやCMOS等の固体撮像素子等を用いたデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話や、パソコンに搭載される小型カメラ、監視カメラ等の撮像装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、銀塩フィルムに代わり、CCDやCMOSのような固体撮像素子を用いて被写体を撮影するようにした電子カメラが普及してきている。このような電子カメラの中、携帯型コンピュータや携帯電話等に搭載される撮像装置では、特に小型、軽量化が求められている。
【0003】
このような撮像装置に用いる結像光学系として、従来よりレンズ枚数を1枚若しくは2枚で構成したものがある。しかしながら、これらは、収差論で明らかなように、像面湾曲が補正できず高い性能は望めないことは既に知られている。そのため、高性能を満たすには3枚以上のレンズで構成することが必要である。
【0004】
一方、CCDの場合、結像レンズ系から射出された軸外光束が像面に対してあまりに大きな角度で入射すると、マイクロレンズの集光性能が十分に発揮されず、画像の明るさが画像中央部と画像周辺部で極端に変化するという問題が生じてしまう。そのため、CCDへの光線入射角、すなわち、射出瞳位置が設計上重要である。枚数の少ない光学系の場合には、明るさ絞りの位置が重要になる。
【0005】
これらの問題を考慮したものとして、フロント絞りのトリプレットタイプがあげられる。そのような結像レンズとして、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5、特許文献6等で開示されている。
【0006】
【特許文献1】
特開平1−144007号公報
【0007】
【特許文献2】
特開平2−191907号公報
【0008】
【特許文献3】
特開平4−153612号公報
【0009】
【特許文献4】
特開平5−188284号公報
【0010】
【特許文献5】
特開平9−288235号公報
【0011】
【特許文献6】
特開2001−75006号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これらの先行例は、次に示すように様々な問題点があった。
【0013】
特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5では、第1正レンズは何れも両凸形状であるので、軸外光線のコマ収差、非点収差の補正が難しくなっていた。そのため、何れも半画角が25°程度であった。また、そこに高屈折率のガラスを用いないと、光学性能を十分に満足させることができないので、低コスト化、軽量化を達成することも困難であった。
【0014】
特許文献6では、第1正レンズを像側に凸のメニスカス形状にして上記の影響を軽減している。しかしながら、全長は大きく、小型化を達成しているとはいえなかった。
【0015】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高性能化と小型化を同時に満たす結像光学系及びそれを用いた撮像装置を提供することである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の結像光学系は、物体側から順に、明るさ絞りと、像側に凸面を向けた第1正メニスカスレンズと、両凹の第2負レンズと、第3正レンズの3枚のレンズからなることを特徴とするものである。
【0017】
本発明の撮像装置は、物体側から順に、明るさ絞りと、像側に凸面を向けた第1正メニスカスレンズと、両凹の第2負レンズと、第3正レンズの3枚のレンズからなる結像光学系を備えたことを特徴とするものである。
【0018】
この場合、3枚のレンズの像側に配された撮像素子を備えていることが望ましい。
【0019】
また、3枚のレンズを各々単レンズとし、3枚のレンズにて形成される2つの空気レンズが、形状の異なる2つの屈折面に挟まれて構成されていることが望ましい。その場合に、2つの空気レンズが形状の異なる2つの非球面に挟まれて構成されたていることが望ましい。
【0020】
本発明の別の撮像装置は、物体側から順に、明るさ絞りと、像側の光軸上曲率半径の絶対値が物体側の光軸上曲率半径の絶対値よりも小さい正単レンズの第1正レンズと、像側の光軸上曲率半径の絶対値が物体側の光軸上曲率半径の絶対値よりも小さい負単レンズの第2負レンズと、正単レンズの第3正レンズの3枚の単レンズからなる結像光学系と、その像側に配された撮像素子とを有し、以下の条件を満足することを特徴とするものである。
【0021】
0.30<f1 /Ih<0.90 ・・・(10)
−0. 75<f2 /Ih<−0. 1 ・・・(3)
0.70<f3 /Ih<2.00 ・・・(11)
ただし、f1 は第1正レンズの焦点距離、f2 は第2負レンズの焦点距離、f3 は第3正レンズの焦点距離、Ihは最大像高である。
【0022】
本発明のさらに別の撮像装置は、物体側から順に、明るさ絞りと、像側の光軸上曲率半径の絶対値が物体側の光軸上曲率半径の絶対値よりも小さい正単レンズの第1正レンズと、像側の光軸上曲率半径の絶対値が物体側の光軸上曲率半径の絶対値よりも小さい負単レンズの第2負レンズと、正単レンズの第3正レンズの3枚の単レンズからなる結像光学系と、その像側に配された撮像素子とを有し、以下の条件を満足することを特徴とするものである。
【0023】
0.1<f1 /f<0.46 ・・・(9−3)
−0.75<f2 /f<−0.29 ・・・(12)
0.40<f3 /f<0.85 ・・・(13)
ただし、f1 は第1正レンズの焦点距離、f2 は第2負レンズの焦点距離、f3 は第3正レンズの焦点距離、fは全系の焦点距離である。
【0024】
以上において、次の条件式を満足することが望ましい。
【0025】
−0. 5<(r2f+r2r)/(r2f−r2r)<0. 98 ・・・(1)
ただし、r2fは第2負レンズの物体側面の光軸上曲率半径、r2rは第2負レンズの像側面の光軸上曲率半径である。
【0026】
また、次の条件式を満足することが望ましい。
【0027】
0. 01<r1r/r2f<0. 75 ・・・(2)
ただし、r1rは第1正レンズの像側面の光軸上曲率半径、r2fは第2負レンズの物体側面の光軸上曲率半径である。
【0028】
また、次の条件式を満足することが望ましい。
【0029】
−0. 75<f2 /Ih<−0. 1 ・・・(3)
ただし、f2 は第2負レンズの焦点距離、Ihは最大像高である。
【0030】
また、次の条件式を満足することが望ましい。
【0031】
−5.0<f2-3 /f<−0.1 ・・・(4)
ただし、f2-3 は第2負レンズと第3正レンズの合成焦点距離、fは全系の焦点距離である。
【0032】
また、次の条件式を満足することが望ましい。
【0033】
−0.8<f2 /f3 <−0.1 ・・・(5)
ただし、f2 は第2負レンズの焦点距離、f3 は第3正レンズの焦点距離である。
【0034】
また、第2負レンズの物体側の面は非球面からなり、次の条件式を満たすことが望ましい。
【0035】
0.01<|(r2fs +r2fa )/(r2fs −r2fa )−1|<100・・・(6)
ただし、r2fs は第2負レンズの物体側面における光軸上の曲率半径、r2fa は第2負レンズの物体側面の非球面を考慮した曲率半径の中、光学有効範囲内で最も変化したときの値である。
【0036】
また、第2負レンズの像側の面は非球面からなり、次の条件式を満足することが望ましい。
【0037】
0.01<|(r2rs +r2ra )/(r2rs −r2ra )−1|<100・・・(7)
ただし、r2rs は第2負レンズの像側面における光軸上の曲率半径、r2ra は第2負レンズの像側面の非球面を考慮した曲率半径の中、光学有効範囲内で最も変化したときの値である。
【0038】
また、次の条件式を満たすことが望ましい。
【0039】
10°<α<40° ・・・(8)
ただし、αは最大像高における主光線の像面への入射角度である。
【0040】
また、次の条件式を満たすことが望ましい。
【0041】
0.1<f1 /f<1.2 ・・・(9)
ただし、f1 は第1正レンズの焦点距離、fは全系の焦点距離である。
【0042】
以下、本発明において上記のような構成をとった理由と作用を説明する。
【0043】
まず、レンズ枚数について説明する。本発明では、性能と小型化を考慮した結果、レンズ枚数を3枚で構成した。レンズ枚数を4枚以上にすればさらに性能が向上するのは明らかであるが、1枚レンズが増えることにより、レンズの厚さ、レンズの間隔、枠のスペースがそれだけ多くなり、大型化するのは避けられない。また、前記の従来の技術の項で述べたように、2枚以下では像面湾曲が小さくならず、かなり周辺性能は劣化する。3枚にするのが、性能、大きさ共に最適である。
【0044】
次に、CCD等の撮像素子への光線入射角を小さくするために、明るさ絞りを最も物体側に配置した。射出瞳位置が物体側に遠くなるようにレンズのパワーを構成すればよいが、枚数が少ないので、明るさ絞りの位置を物体側に配置するのが最も効果的である。
【0045】
ここで、明るさ絞りを最も物体側に配置すると、絞りに対して一方にしかレンズがないので、光学設計には周辺性能であるディストーションと倍率色収差の補正が難しくなってくる。そのため、物体側より順に正レンズ、負レンズ、正レンズと配置することにより、光線高の大きくなる第2、第3レンズで異符号のパワーを配置して補正している。なお、中心性能は、第1正レンズで発生する球面収差、軸上色収差を第2負レンズで補正し、画面全体の高性能化を達成している。
【0046】
なお、第1正レンズは、前記の発明が解決しようとする課題の項で述べたように、像側に凸のメニスカス形状にしている。これにより、軸外収差を良好に補正でき、高性能を達成できる。
【0047】
このとき、第2負レンズをメニスカス形状にすると、光学性能上の問題が発生してしまう。まず、一般的にレンズをメニスカス形状にすると、負レンズであっても一方の面は正パワーの収斂効果を出している。よって、このレンズのパワーを強くしていくと、もう一方の面である負パワーの面の曲率が強くなりすぎて、その結果、高次収差が発生し、性能劣化しやすくなってしまう。また、収差を両面で打ち消し合っているので、各面の相対偏心による製造誤差に対して性能劣化が大きくなるという問題もある。これは、全長短縮等を行いレンズのパワーを強くしていくと、その影響が顕著になってくるため、小型化を阻害する要因になってしまう。
【0048】
また、小型化には、望遠タイプのように全系の焦点距離に対しその主点を物体側に移動させるのがよいが、第2負レンズを物体側に凸のメニスカス形状にした場合には、第1正メニスカスレンズと共にその主点が像側に移動してしまい、小型化には不利な構成になってしまう。さらに、球面収差等の収差補正のためには、第1正レンズと第2負レンズとの主点間隔を小さくしてマージナル光線高が大きく変わらないようするのが効果があるので、第1正レンズはより像側に主点を移動せねばならず、両面の曲率、特に射出側の面の曲率がきつくなって、性能バランスが取り難くなってしまう。
【0049】
このことから、本発明では、第2負レンズを両凹で構成した。これにより、全長短縮しても高次収差の発生が少なくなるので、性能劣化し難くなる。また、メニスカス形状の場合と違って、各面で負のパワーを分割するようになるので、第2負レンズの各面の相対偏心による性能劣化が軽減される。すなわち、全長を短縮しても、高性能を達成することが可能になる。
【0050】
また、各々のレンズを単レンズとし、レンズ間に挟まれる2つの空気レンズの両側を形状の異なる屈折面にすると、軸上収差と軸外収差の双方の収差補正のバランスが取りやすくなる。特に、3枚のレンズにて形成される2つの空気レンズが形状の異なる2つの非球面に挟まれる構成とすると、より収差補正が良好に行える。
【0051】
また、以上において、次の条件式を満足することが望ましい。
【0052】
−0. 5<(r2f+r2r)/(r2f−r2r)<0. 98 ・・・(1)
ただし、r2fは第2負レンズの物体側面の光軸上曲率半径、r2rは第2負レンズの像側面の光軸上曲率半径である。
【0053】
この条件式(1)の上限の0.98を越えると、物体側の負パワーが弱くなりすぎ、第1正レンズによる収差を良好に補正できなくなり、下限の−0.5を越えると、周辺光束の光線高の高くなる像側の面のパワーが弱くなりすぎて、倍率色収差が悪化してしまう。
【0054】
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
【0055】
0<(r2f+r2r)/(r2f−r2r)<0. 95 ・・・(1−1)
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
【0056】
0.3<(r2f+r2r)/(r2f−r2r)<0. 8 ・・・(1−2)
また、第1正レンズの像側の面が強い正パワーを持つため、次の面である第2負レンズの物体側の面で残存収差を効果的に収差補正するのが望ましい。このとき、次の条件式を満たすのがよい。
【0057】
0. 01<r1r/r2f<0. 75 ・・・(2)
ただし、r1rは第1正レンズの像側面の光軸上曲率半径、r2fは第2負レンズの物体側面の光軸上曲率半径である。
【0058】
この条件式(2)の上限の0.75を越えると、第2負レンズの物体側の面の負パワーが強くなりすぎ、補正過剰になってしまい、下限の0.01を越えると、負パワーが弱くなりすぎ補正不足になってしまい、共に性能が劣化する。
【0059】
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
【0060】
0. 05<r1r/r2f<0. 6 ・・・(2−1)
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
【0061】
0. 1<r1r/r2f<0. 4 ・・・(2−2)
また、第2負レンズは第1正レンズと第3正レンズの中間に配置されているので、このパワーを適切に設定しておかないと、両正レンズの収差発生を効果的に補正できなくなってしまう。そのため、次の条件式を満たすのがよい。
【0062】
−0. 75<f2 /Ih<−0. 1 ・・・(3)
ただし、f2 は第2負レンズの焦点距離、Ihは最大像高である。
【0063】
この条件式(3)の上限の−0.1を越えると、第2負レンズのパワーが強くなりすぎ、補正過剰になってしまい、下限の−0.75を越えると、パワーが弱くなりすぎ、補正不足になってしまい、共に性能が劣化する。
【0064】
ここで、撮像装置の最大像高Ihは、結像光学系の像面側に撮像領域を制限する視野枠を配する場合は、視野枠対角長の半分であり、固体撮像素子等の撮像素子を配する場合は、有効撮像領域の対角長の半分である。
【0065】
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
【0066】
−0. 6<f2 /Ih<−0. 25 ・・・(3−1)
また、第2負レンズは発散作用を持つので、像面への入射角度に関して不利な方向に働く。そのため、その次の第3正レンズの構成が重要である。そのため、次の条件式を満たすのがよい。
【0067】
−5.0<f2-3 /f<−0.1 ・・・(4)
ただし、f2-3 は第2負レンズと第3正レンズの合成焦点距離、fは全系の焦点距離である。
【0068】
この条件式(4)の上限の−0.1を越えると、負パワーが強くなりすぎて像面への入射角度がきつくなりすぎ、下限の−5.0を越えると、負パワーが弱くなりすぎて全長が大きくなってしまう。
【0069】
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
【0070】
−2.0<f2-3 /f<−0.3 ・・・(4−1)
また、第2、3レンズは明るさ絞りから遠く離れて配置され軸外光線高が高くなるため、倍率色収差やディストーションの発生が大きくなりがちである。そのため、次の条件式を満たすのがよい。
【0071】
−0.8<f2 /f3 <−0.1 ・・・(5)
ただし、f2 は第2負レンズの焦点距離、f3 は第3正レンズの焦点距離である。
【0072】
この条件式(5)の上限の−0.1、下限の−0.8何れも越えると、倍率色収差やディストーションが補正過剰若しくは補正不足になってしまい、共に周辺性能が悪化する。
【0073】
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
【0074】
−0.5<f2 /f3 <−0.2 ・・・(5−1)
また、第2負レンズの物体側の面は非球面で構成すると、良好に収差補正することができ、次の条件式を満たすのが望ましい。
【0075】
0.01<|(r2fs +r2fa )/(r2fs −r2fa )−1|<100・・・(6)
ただし、r2fs は第2負レンズの物体側面における光軸上の曲率半径、r2fa は第2負レンズの物体側面の非球面を考慮した曲率半径の中、光学有効範囲内で最も変化したときの値である。
【0076】
ここで、非球面を考慮した曲率半径rASP は、非球面定義式をf(y)としたとき、次の式で定義される。以下、同じ。
【0077】
rASP =y・(1+f’(y)2 )1/2 /f’(y)
ただし、yは光軸からの高さ、f’(y)はf(y)の一階微分とする。
【0078】
この条件式(6)の上限の100を越えると、非球面効果が弱くなりすぎて補正不足になってしまい、コマ収差、非点収差が悪化してしまい、下限の0.01を越えると、非球面効果が強くなりすぎて補正過剰になり、性能が劣化すると共に、レンズの加工が難しくなってしまう。
【0079】
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
【0080】
0.05<|(r2fs +r2fa )/(r2fs −r2fa )−1|<5.0・・・(6−1)
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
【0081】
0.1<|(r2fs +r2fa )/(r2fs −r2fa )−1|<3.0・・・(6−2)
また、第2負レンズの像側の面は非球面で構成すると、良好に収差補正することができ、次の条件式を満たすのが望ましい。
【0082】
0.01<|(r2rs +r2ra )/(r2rs −r2ra )−1|<100・・・(7)
ただし、r2rs は第2負レンズの像側面における光軸上の曲率半径、r2ra は第2負レンズの像側面の非球面を考慮した曲率半径の中、光学有効範囲内で最も変化したときの値である。
【0083】
この条件式(7)の上限の100を越えると、非球面効果が弱くなりすぎて補正不足になってしまい、コマ収差、非点収差が悪化してしまい、下限の0.01を越えると、非球面効果が強くなりすぎて補正過剰になり、性能が劣化すると共に、レンズの加工が難しくなってしまう。
【0084】
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
【0085】
0.05<|(r2rs +r2ra )/(r2rs −r2ra )−1|<10.0
・・・(7−1)
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
【0086】
0.1<|(r2rs +r2ra )/(r2rs −r2ra )−1|<5.0
・・・(7−2)
また、撮像素子にCCDを用いる場合、結像光学系から射出された軸外光束が像面に対してあまりに大きな角度で入射すると、画像中央部と画像周辺部で画像の明るさが変化してしまう。一方、像面に対して小さい角度で入射させるとこの問題は軽減されるが、今度は光学系の全長が大きくなってしまう。そのため、次の条件式を満たすのがよい。
【0087】
10°<α<40° ・・・(8)
ただし、αは最大像高における主光線の像面への入射角度である。
【0088】
この条件式(8)の上限の40°を越えると、CCDへの入射角が大きくなりすぎ、画像周辺部の明るさが低下してしまい、下限の10°を越えると、全長が大きくなりすぎてしまう。
【0089】
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
【0090】
15°<α<35° ・・・(8−1)
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
【0091】
17.5°<α<25° ・・・(8−2)
また、第1正レンズは明るさ絞りに最も近いため、画面中心から周辺までの全ての光線が集まって略同じようなポイントを通過する。そのため、第1正レンズを適切に設定しないと、画面全体の性能に関わってしまう。よって、次の条件式を満たすのがよい。
【0092】
0.1<f1 /f<1.2 ・・・(9)
ただし、f1 は第1正レンズの焦点距離、fは全系の焦点距離である。
【0093】
この条件式(9)の上限の1.2を越えると、正レンズのパワーが弱くなりすぎて全長が大きくなってしまい、下限の0.1を越えると、正レンズのパワーが強くなりすぎて、球面収差、コマ収差等が発生して画面全体の性能が劣化してしまう。
【0094】
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
【0095】
0.2<f1 /f<0.7 ・・・(9−1)
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
【0096】
0.25<f1 /f<0.5 ・・・(9−2)
また、本発明の別の撮像装置において、フロント絞りの構成にて、結像光学系を正、負、正の順の3枚の単レンズにて構成し、第1正レンズの焦点距離を小さくして、このレンズに主たる正屈折力を担わせることで全体として正、負の順のテレフォトタイプにして主点を物体寄りにすることで、全長を短縮することが可能となる。
【0097】
このとき、第1正レンズの像側面の曲率半径を強くすることで、第1正レンズの適度な屈折力を保ちつつ、明るさ絞りから入射する軸外光束の屈折角を緩やかにして軸外収差の補正を行うことができる。
【0098】
また、第3正レンズは、撮像素子に入射する光束を垂直に近づける作用を持たせているが、第2負レンズの像側の面に強い屈折力を持たせることにより、第2、第3レンズ共同で倍率色収差、軸外収差の発生を抑えている。
【0099】
この構成において、次の条件式を満足することが望ましい。
【0100】
0.30<f1 /Ih<0.90 ・・・(10)
−0. 75<f2 /Ih<−0. 1 ・・・(3)
0.70<f3 /Ih<2.00 ・・・(11)
ただし、f1 は第1正レンズの焦点距離、f2 は第2負レンズの焦点距離、f3 は第3正レンズの焦点距離、Ihは最大像高である。
【0101】
あるいは、次の条件式を満足することが望ましい。
【0102】
0.1<f1 /f<0.46 ・・・(9−3)
−0.75<f2 /f<−0.29 ・・・(12)
0.40<f3 /f<0.85 ・・・(13)
ただし、f1 は第1正レンズの焦点距離、f2 は第2負レンズの焦点距離、f3 は第3正レンズの焦点距離、fは全系の焦点距離である。
【0103】
条件式(10)、(3)、(11)は、それぞれのレンズの焦点距離を最大像高Ihで規定したものである。
【0104】
条件式(10)は、像面のサイズを基準に、主たる屈折力を担う第1正レンズの屈折力を、収差バランスと取りつつ、全長の短縮化ができるように設定したものであり、条件式(3)、(11)は、その上での収差補正を行うための第2負レンズ、第3正レンズの屈折力を、条件式(10)と同じく最大像高を基準にして定めた条件である。
【0105】
これらの条件式を同時に満足することで、全長の短縮化、広画角化、収差補正をバランスさせている。
【0106】
条件式(10)において、下限値の0.30を越えると、第1正レンズで発生する収差の補正が難しくなり、一方、上限値の0.90を越えると、全体をテレフォトタイプにして全長を短縮する効果が薄くなる。
【0107】
さらに、条件式(10)の下限値を0.35、又は、0.40とすると、収差補正上好ましく、また、上限値を0.75、又は、0.70とすると、全長の短縮化のためにより好ましい。
【0108】
条件式(3)において、上下限の−0. 75、−0. 1を越えると、収差補正が難しくなる。
【0109】
また、条件式(11)において、下限値の0.70を越えると、第3正レンズの屈折力が強くなり、第3正レンズの光軸上の厚さが大きくなって薄型化が難しくなるか、収差補正が難しくなり、一方、上限値の2.00を越えると、最軸外光束を像面に対して垂直に近づける作用が弱くなる。
【0110】
条件式(11)において、さらに下限値を0.80、又は、0.90とすると、収差補正しやすく、また、上限値を1.80、又は、1.60とすると、軸外主光線を垂直に近づけることができ好ましい。
【0111】
また、条件式(9−3)、(12)、(13)は、それぞれのレンズの焦点距離を全系の焦点距離で規定したものである。
【0112】
条件式(9−3)は、結像光学系の主たる屈折力を第1正レンズに負担させること意味し、条件式(12)、(13)は、その上での収差補正を行うための第2負レンズ、第3正レンズの屈折力を定めた条件である。
【0113】
これらの条件式を同時に満足することで、全長の短縮化、広画角化、収差補正をバランスさせている。
【0114】
条件式(9−3)において、下限値の0.1を越えると、第1正レンズで発生する収差の補正が難しくなり、一方、上限値の0.46を越えると、全体をテレフォトタイプにして全長を短縮する効果が薄くなる。
【0115】
さらに、条件式(9−3)の下限値を0.2、又は、0.25とすると、収差補正上好ましく、また、上限値を0.44、又は、0.43とすると、全長の短縮化のためにより好ましい。
【0116】
条件式(12)において、上下限の−0. 75、−0. 29を越えると、収差補正が難しくなる。
【0117】
条件式(12)において、さらに下限値を−0.6、又は、−0.37、又は、さらに上限値を−0.3、又は、−0.31とすると、収差補正が行いやすくなる。
【0118】
条件式(13)において、下限値の0.40を越えると、第3正レンズの屈折力が強くなり、第3正レンズの光軸上の厚さが大きくなって薄型化が難しくなるか、収差補正が難しくなり、一方、上限値の0.85を越えると、最軸外光束を像面に対して垂直に近づける作用が弱くなる。
【0119】
条件式(13)において、さらに下限値を0.60、又は、0.70とすると、収差補正が行いやすく、また、上限値を0.84、又は、0.83とすると、軸外主光線を垂直に近づけることができ好ましい。
【0120】
これらの条件式(10)、(3)、(11)、及び、(9−3)、(12)、(13)を同時に満足してもよい。また、前記した条件式(1)〜(9−2)の単数あるいは複数の条件式とを同時に満足するようにしてもよい。
【0121】
なお、以上の各条件式に共通して、各条件式範囲をより限定した下位の条件式の上限値のみ、又は、下限値のみをその上位の条件式の上限値あるいは下限値として限定するようにしてもよい。
【0122】
また、以上の条件式は、任意に複数を組み合わせることで、より本発明の効果を高めることができる。
【0123】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の結像光学系の実施例1〜4について説明する。実施例1〜4の無限遠物点合焦時のレンズ断面図をそれぞれ図1〜図4に示す。図中、明るさ絞りはS、第1正レンズはL1、第2負レンズはL2、第3正レンズはL3、電子撮像素子のカバーガラスはCG、像面はIで示してある。なお、カバーガラスCGの表面に波長域制限用の多層膜を施してもよい。また、そのカバーガラスCGにローパスフィルター作用を持たせるようにしてもよい。
【0124】
実施例1の結像光学系は、図1に示すように、物体側から順に、明るさ絞りS、像側に凸面を向けた両面非球面の第1正メニスカスレンズL1、両凹の両面非球面の第2負レンズL2、両凸の両面非球面の第3正レンズL3、カバーガラスCGから構成されている。本実施例では、第1レンズL1〜第3レンズL3は全てプラスチックからなり、第1レンズL1、第3レンズL3はアモルファスポリオレフィン系のゼオネックス(商品名)、第2レンズL2はポリカーボネイトから構成されている。
【0125】
また、本実施例の仕様は、焦点距離f=3.3mm、像高Ih=2.4mmであり、半画角ω=36°の広角の光学系である。また、各レンズのそれぞれの光学有効径(片側)は、第2面r2 〜第7面r7 の順に、0. 644mm,0. 962mm,1. 144mm,1. 247mm,1. 526mm,1. 815mmである。
【0126】
実施例2の結像光学系は、図2に示すように、物体側から順に、明るさ絞りS、像側に凸面を向けた両面非球面の第1正メニスカスレンズL1、両凹の両面非球面の第2負レンズL2、物体側に凸面を向けた両面非球面の第3正メニスカスレンズL3、カバーガラスCGから構成されている。本実施例では、第1レンズL1〜第2レンズL2はガラス、第3レンズL3はプラスチックからなり、第3レンズL3はアモルファスポリオレフィン系のゼオネックス(商品名)から構成されている。
【0127】
また、本実施例の仕様は、焦点距離f=3.3mm、像高Ih=2.4mmであり、半画角ω=36°の広角の光学系である。また、各レンズのそれぞれの光学有効径(片側)は、第2面r2 〜第7面r7 の順に、0.667mm,1.043mm,1.088mm,1.062mm,1.195mm,1.641mmである。
【0128】
実施例3の結像光学系は、図3に示すように、物体側から順に、明るさ絞りS、像側に凸面を向けた両面非球面の第1正メニスカスレンズL1、両凹の両面非球面の第2負レンズL2、両凸の両面非球面の第3正レンズL3、カバーガラスCGから構成されている。本実施例では、第1レンズL1、第3レンズL3はプラスチック、第2レンズL2はガラスからなり、第1レンズL1、第3レンズL3はアモルファスポリオレフィン系のゼオネックス(商品名)から構成されている。
【0129】
また、本実施例の仕様は、焦点距離f=3.3mm、像高Ih=2.4mmであり、半画角ω=36°の広角の光学系である。また、各レンズのそれぞれの光学有効径(片側)は、第2面r2 〜第7面r7 の順に、0. 670mm,1.163mm,1.309mm,1.641mm,1.624mm,1.791mmである。
【0130】
実施例4の結像光学系は、図4に示すように、物体側から順に、明るさ絞りS、像側に凸面を向けた両面非球面の第1正メニスカスレンズL1、両凹の両面非球面の第2負レンズL2、両凸の両面非球面の第3正レンズL3、カバーガラスCGから構成されている。本実施例では、第1レンズL1〜第3レンズL3は全てプラスチックからなり、第1レンズL1、第3レンズL3はアモルファスポリオレフィン系のゼオネックス(商品名)、第2レンズL2はポリカーボネイトから構成されている。
【0131】
また、本実施例の仕様は、焦点距離f=3.3mm、像高Ih=2.4mmであり、半画角ω=36°の広角の光学系である。また、各レンズのそれぞれの光学有効径(片側)は、第2面r2 〜第7面r7 の順に、0. 652mm,0.962mm,1.097mm,1.291mm,1.397mm,1.682mmである。
【0132】
以下に、上記各実施例の数値データを示すが、記号は上記の外、r1 、r2 …は各レンズ面の曲率半径、d1 、d2 …は各レンズ面間の間隔、nd1、nd2…は各レンズのd線の屈折率、νd1、νd2…は各レンズのアッベ数である。なお、非球面形状は、xを光の進行方向を正とした光軸とし、yを光軸と直交する方向にとると、下記の式にて表される。
【0133】
x=(y2 /r)/[1+{1−(K+1)(y/r)2 }1/2 ]+A4y4 +A6y6 +A8y8 + A10y10
ただし、rは光軸上の曲率半径、Kは円錐係数、A4、A6、A8、A10 はそれぞれ4次、6次、8次、10次の非球面係数である。
【0134】
【0135】
【0136】
【0137】
【0138】
上記実施例1〜4の無限遠にフォーカシングした場合の収差図をそれぞれ図5〜図8に示す。これら収差図において、“SA”は球面収差、“AS”は非点収差、“DT”は歪曲収差、“CC”は倍率色収差を示す。また、各収差図中、“ω”は半画角を示す。
【0139】
次に、上記各実施例における条件(1)〜(13)の値を示す。
【0140】
条件式 実施例1 実施例2 実施例3 実施例4
(1) 0.95 0.74 0.71 0.54
(2) 0.024 0.12 0.14 0.24
(3) -0.55 -0.45 -0.42 -0.46
(4) -1.30 -0.43 -3.30 -1.52
(5) -0.38 -0.17 -0.41 -0.41
(6) 0.38 1.06 2.51 2.43
(7) 3.06 4.20 1.45 2.90
(8) 18.9 ° 30.4 ° 15.8 ° 20.4 °
(9) 0.44 0.34 0.41 0.42
(10) 0.60 0.47 0.56 0.58
(11) 1.45 2.57 1.03 1.14
(12) -0.40 -0.33 -0.31 -0.34
(13) 1.05 1.87 0.75 0.83 。
【0141】
ここで、本発明において、像面における最大像高Ihは、前記のように、撮像素子の有効撮像領域(略矩形)の対角長Lの2分の1で定義される。そして、撮像領域を規定する手段として視野枠を配する場合は、視野枠対角長Lの2分の1であり、固体撮像素子等の撮像素子を配する場合は、有効撮像領域の対角長Lの2分の1である。
【0142】
そこで、撮像記録媒体がCCD等の電子撮像素子の場合の有効撮像面(有効撮像領域)の対角長Lと画素間隔aについて説明しておく。図9は、撮像素子の画素配列の1例を示す図であり、画素間隔aでR(赤)、G(緑)、B(青)の画素がモザイク状に配されている。有効撮像面は撮影した映像の再生(パソコン上での表示、プリンターによる印刷等)に用いる撮像素子上の光電変換面内における領域を意味する。図中に示す有効撮像面は、光学系の性能(光学系の性能が確保し得るイメージサークル)に合わせて、撮像素子の全光電変換面よりも狭い領域に設定されている。有効撮像面の対角長Lは、この有効撮像面の対角長である。なお、映像の再生に用いる撮像範囲を種々変更可能としてよいが、そのような機能を有する撮像装置に本発明の結像光学系を用いる際は、その有効撮像面の対角長Lが変化する。そのような場合は、本発明において最大像高Ihを定義する有効撮像面の対角長Lは、Lの取り得る範囲における最大値とする。
【0143】
図10は、CCD等の電子撮像素子の撮像面に視野枠を配する場合の視野枠対角長について説明するための図である。CCD等の電子撮像素子に像を形成して撮影する場合、その有効撮影領域は撮像面直前の視野枠の開口によって決定される。ここでも、視野枠の形状の変更は種々行う構成としてよいが、図9の場合と同様に、本発明において最大像高Ihを定義する有効撮像面の対角長Lは、Lのとり得る範囲における最大値とする。
【0144】
なお、以上の本発明の実施例において、絞りSの直前にカバーガラスを配置するようにしてもよい。
【0145】
また、本発明の以上の実施例において、プラスチックで構成しているレンズをガラスで構成するようにしてもよい。例えば何れかの実施例のプラスチックより屈折率の高いガラスを用いれば、さらに高性能を達成できるのは言うまでもない。また、特殊低分散ガラスを用いれば、色収差の補正に効果があるのは言うまでもない。特にプラスチックで構成する場合には、低吸湿材料を用いることにより、環境変化による性能劣化が軽減されるので好ましい(例えば、日本ゼオン社のゼオネックス(商品名)等がある)。
【0146】
また、ゴースト、フレア等の不要光をカットするために、明るさ絞りS以外にフレア絞りFSを配置してもよい(図1〜図4にはその配置例を示す。)。フレア絞りFSは、上記実施例の明るさ絞りSから第1レンズL1の間、第1レンズL1と第2レンズL2の間、第2レンズL2と第3レンズL3の間、第3レンズL3から像面Iの間の何れの場所に配置してもよい。図1〜図4のようにレンズ枠によりフレア光線をカットするように構成してもよいし、フレア絞りFSを別の部材で構成してもよい。また、光学系に直接印刷しても、塗装しても、シール等を接着しても構わない。また、その形状は、円形、楕円形、矩形、多角形、関数曲線で囲まれる範囲等、いかなる形状でも構わない。また、有害光束をカットするだけでなく、画面周辺のコマフレア等の光束をカットするようにしてもよい。
【0147】
また、各レンズには、反射防止コートを行い、ゴースト、フレアを軽減しても構わない。マルチコートであれば、効果的にゴースト、フレアを軽減できるので望ましい。また、赤外カットコートをレンズ面、カバーガラス等に行ってもよい。
【0148】
また、ピント調節を行うためにフォーカシングを行うようにしてもよい。レンズ系全体を繰り出してフォーカスを行ってもよいし、一部のレンズを繰り出すか、若しくは、繰り込みをしてフォーカスするようにしてもよい。
【0149】
また、画像周辺部の明るさ低下をCCDのマイクロレンズをシフトすることにより軽減するようにしてもよい。例えば、各像高における光線の入射角に合わせて、CCDのマイクロレンズの設計を変えてもよい。また、画像処理により画像周辺部の低下量を補正するようにしてもよい。
【0150】
上記各実施例は小型でありながら、図5〜図8の収差図に示すように、良好な画像が得られている。
【0151】
ところで、以上の各実施例において、前記のように、カバーガラスCGの入射面側に近赤外シャープカットコートを施してもよい。この近赤外シャープカットコートは、波長600nmでの透過率が80%以上、波長700nmでの透過率が10%以下となるように構成する。具体的には、例えば次のような27層の層構成からなる多層膜である。ただし、設計波長は780nmである。
【0152】
基 板 材質 物理的膜厚(nm) λ/4
───────────────────────────────
第1層 Al2 O3 58.96 0.50
第2層 TiO2 84.19 1.00
第3層 SiO2 134.14 1.00
第4層 TiO2 84.19 1.00
第5層 SiO2 134.14 1.00
第6層 TiO2 84.19 1.00
第7層 SiO2 134.14 1.00
第8層 TiO2 84.19 1.00
第9層 SiO2 134.14 1.00
第10層 TiO2 84.19 1.00
第11層 SiO2 134.14 1.00
第12層 TiO2 84.19 1.00
第13層 SiO2 134.14 1.00
第14層 TiO2 84.19 1.00
第15層 SiO2 178.41 1.33
第16層 TiO2 101.03 1.21
第17層 SiO2 167.67 1.25
第18層 TiO2 96.82 1.15
第19層 SiO2 147.55 1.05
第20層 TiO2 84.19 1.00
第21層 SiO2 160.97 1.20
第22層 TiO2 84.19 1.00
第23層 SiO2 154.26 1.15
第24層 TiO2 95.13 1.13
第25層 SiO2 160.97 1.20
第26層 TiO2 99.34 1.18
第27層 SiO2 87.19 0.65
───────────────────────────────
空 気 。
【0153】
上記の近赤外シャープカットコートの透過率特性は図11に示す通りである。
【0154】
また、ローパスフィルターの射出面側には、図12に示すような短波長域の色の透過を低滅する色フィルターを設けるか若しくはコーティングを行うことで、より一層電子画像の色再現性を高めている。
【0155】
具体的には、このフィルター若しくはコーティングにより、波長400nm〜700nmで透過率が最も高い波長の透過率に対する420nmの波長の透過率の比が15%以上であり、その最も高い波長の透過率に対する400nmの波長の透過率の比が6%以下であることが好ましい。
【0156】
それにより、人間の目の色に対する認識と、撮像及び再生される画像の色とのずれを低減させることができる。言い換えると、人間の視覚では認識され難い短波長側の色が、人間の目で容易に認識されることによる画像の劣化を防止することができる。
【0157】
上記の400nmの波長の透過率の比が6%を越えると、人間の目では認識され難い短波長城が認識し得る波長に再生されてしまい、逆に、上記の420nmの波長の透過率の比が15%よりも小さいと、人間の認識し得る波長城の再生が低くなり、色のバランスが悪くなる。
【0158】
このような波長を制限する手段は、補色モザイクフィルターを用いた撮像系においてより効果を奏するものである。
【0159】
上記各実施例では、図12に示すように、波長400nmにおける透過率を0%、420nmにおける透過率を90%、440nmにて透過率のピーク100%となるコーティングとしている。
【0160】
前記した近赤外シャープカットコートとの作用の掛け合わせにより、波長450nmの透過率99%をピークとして、400nmにおける透過率を0%、420nmにおける透過率を80%、600nmにおける透過率を82%、700nmにおける透過率を2%としている。それにより、より忠実な色再現を行っている。
【0161】
また、ローパスフィルターは、像面上投影時の方位角度が水平(=0°)と±45°方向にそれぞれ結晶軸を有する3種類のフィルターを光軸方向に重ねて使用することができ、それぞれについて、水平にaμm、±45°方向にそれぞれSQRT(1/2) ×aだけずらすことで、モアレ抑制を行うことができる。ここで、SQRTはスクエアルートであり平方根を意味する。
【0162】
また、CCDの撮像面I上には、図13に示す通り、シアン、マゼンダ、イエロー、グリーン(緑)の4色の色フィルターを撮像画素に対応してモザイク状に設けた補色モザイクフィルターを設けている。これら4種類の色フィルターは、それぞれが略同じ数になるように、かつ、隣り合う画素が同じ種類の色フィルターに対応しないようにモザイク状に配置されている。それにより、より忠実な色再現が可能となる。
【0163】
補色モザイクフィルターは、具体的には、図13に示すように少なくとも4種類の色フィルターから構成され、その4種類の色フィルターの特性は以下の通りであることが好ましい。
【0164】
グリーンの色フイルターGは波長GP に分光強度のピークを有し、
イエローの色フィルターYe は波長YP に分光強度のピークを有し、
シアンの色フィルターCは波長CP に分光強度のピークを有し、
マゼンダの色フィルターMは波長MP1とMP2にピークを有し、以下の条件を満足する。
【0165】
510nm<GP <540nm
5nm<YP −GP <35nm
−100nm<CP −GP <−5nm
430nm<MP1<480nm
580nm<MP2<640nm
さらに、グリーン、イエロー、シアンの色フィルターはそれぞれの分光強度のピークに対して波長530nmでは80%以上の強度を有し、マゼンダの色フィルターはその分光強度のピークに対して波長530nmでは10%から50%の強度を有することが、色再現性を高める上でより好ましい。
【0166】
上記各実施例におけるそれぞれの波長特性の1例を図14に示す。グリーンの色フィルターGは525nmに分光強度のビークを有している。イエローの色フィルターYe は555nmに分光強度のピークを有している。シアンの色フイルターCは510nmに分光強度のピークを有している。マゼンダの色フィルターMは445nmと620nmにピークを有している。また、530nmにおける各色フィルターは、それぞれの分光強度のピークに対して、Gは99%、Ye は95%、Cは97%、Mは38%としている。
【0167】
このような補色フイルターの場合、図示しないコントローラー(若しくは、デジタルカメラに用いられるコントローラー)で、電気的に次のような信号処理を行い、
輝度信号
Y=|G+M+Ye +C|×1/4
色信号
R−Y=|(M+Ye )−(G+C)|
B−Y=|(M+C)−(G+Ye )|
の信号処理を経てR(赤)、G(緑)、B(青)の信号に変換される。
【0168】
ところで、上記した近赤外シャープカットコートの配置位置は、光路上のどの位置であってもよい。また、ローパスフィルターの枚数も2枚でも1枚でも構わない。
【0169】
本発明の撮像装置において、光量調整のために、明るさ絞りSを複数の絞り羽にて構成し、その開口形状を可変とすることで調整する可変絞りを用いてもよい。図15は、開口時絞り形状の例を示す説明図、図16は、2段絞り時の絞り形状の例を示す説明図である。図15、図16において、OPは光軸、Daは6枚の絞り板、Xa、Xbは開口部を示している。本発明においては、絞りの開口形状を開放状態(図15)と、所定の条件を満たすF値となる絞り値(2段絞り、図16)の2種類のみとすることができる。
【0170】
又は、形状又は透過率の異なる形状固定の複数の明るさ絞りを設けたターレットを用いて、必要な明るさに応じて、何れかの明るさ絞りを結像光学系の物体側光軸上に配置する構成とすると、絞り機構の薄型化が図れる。また、そのターレット上に配された複数の明るさ絞りの開口の中の最も光量を低減させる開口に、他の明るさ絞りの透過率よりも低い透過率の光量低減フィルターを配する構成としてもよい。それにより、絞りの開口径を絞り込みすぎることがなくなり、絞りの開口径が小さいことにより発生する回折による結像性能の悪化を抑えることができる。
【0171】
この場合の1例の構成を示す斜視図を図17に示す。結像光学系の第1正レンズL1の物体側の光軸上の絞りSの位置に、0段、−1段、−2段、−3段、−4段の明るさ調節を可能とするターレット10を配置している。
【0172】
ターレット10には、0段の調整をする開口形状が最大絞り径の円形で固定の空間からなる開口1A(波長550nmに対する透過率は100%)と、−1段補正するために開口1Aの開口面積の約半分の開口面積を有する開口形状が固定の透明な平行平板(波長550nmに対する透過率は99%)からなる開口1Bと、開口1Bと同じ面積の円形開口部を有し、−2段、−3段、−4段に補正するため、各々波長550nmに対する透過率が50%、25%、13%のNDフィルターが設けられた開口部1C、1D、1Eとを有している。
【0173】
そして、ターレット10に設けた回転軸11の周りの回動により何れかの開口を絞り位置に配することで光量調節を行っている。
【0174】
また、図17に示すターレット10に代えて、図18の正面図に示すターレット10’を用いることができる。結像光学系の第1正レンズL1の物体側の光軸上の絞りSの位置に、0段、−1段、−2段、−3段、−4段の明るさ調節を可能とするターレット10’を配置している。
【0175】
ターレット10’には、0段の調整をする開口形状が最大絞り径の円形で固定の開口1A' と、−1段補正するために開口1A’の開口面積の約半分となる開口面積を有する開口形状が固定の開口1B' と、さらに開口面積が順に小さくなり、−2段、−3段、−4段に補正するための形状が固定の開口部1C' 、1D' 、1E' とを有している。
【0176】
そして、ターレット10’に設けた回転軸11の周りの回動により何れかの開口を絞り位置に配することで光量調節を行っている。
【0177】
また、より薄型化のために、明るさ絞りSの開口を、形状、位置共に固定の絞りとし、光量調整は、撮像素子からの出力信号を電気的に調整するようにしもよい。また、レンズ系の他の空間、例えば第3正レンズL3とCCDカバーガラスCGの間にNDフィルターを抜き差して光量調整を行う構成としてもよい。図19はその1例を示す図であり、ターレット10”の開口1A”は素通し面又は中空の開口、開口1B”は透過率1/2のNDフィルター、開口1C”は透過率1/4のNDフィルター、開口1D”は透過率1/8のNDフィルター等を設けたターレット状のものを用い、中心の回転軸の周りの回動により何れかの開口を光路中の何れかの位置に配することで光量調節を行っている。
【0178】
また、光量調節のフィルターとして、光量ムラを抑えるように光量調節が可能なフィルター面を設けてもよい。例えば、暗い被写体に対しては中心部の光量確保を優先して透過率を均一とし、明るい被写体に対してのみ明るさムラを補うように、図20に示すように、同心円状に光量が中心程低下するフィルターを配する構成としてもよい。
【0179】
また、絞りSとしては、第1正レンズL1の入射面側の周辺部を黒塗りしたものでもよい。
【0180】
また、本発明による撮像装置を、カメラ等のように映像を静止画として保存するものとする場合、光量調整のためのシャッターを光路中に配置するとよい。
【0181】
そのようなシャッターとしては、CCDの直前に配置したフォーカルプレーンシャッターやロータリーシャッター、液晶シャッターでもよいし、開口絞り自体をシャッターとして構成してもよい。
【0182】
図21にシャッターの1例を示す。図21に示すものは、フォーカルプレーンシャッターの1つであるロータリーフォーカルプレーンシャッターの例であり、図21(a)は裏面側から見た図、図21(b)は表面側から見た図である。15はシャッター基板であり、像面の直前又は任意の光路位置に配される構成となっている。基板15には、光学系の有効光束を透過する開口部16が設けられている。17はロータリーシャッター幕である。18はロータリーシャッター幕17の回転軸であり、回転軸18は基板15に対して回転し、ロータリーシャッター幕17と一体化されている。回転軸18は基板15の表面のギヤ19、20と連結されている。このギア19、20は図示しないモーターと連結されている。
【0183】
このような構成において、図示しないモーターの駆動により、ギア19、20、回転軸18を介して、ロータリーシャッター幕17が回転軸18を中心に回転するように構成されている。
【0184】
このロータリーシャッター幕17は略半円型に構成され、回転により基板15の開口部16の遮蔽と退避を行い、シャッターの役割を果たしている。シャッタースピードはこのロータリーシャッター幕17の回転するスピードを変えることで調整される。
【0185】
図22(a)〜(d)は、ロータリーシャッター幕17が回転する様子を像面側からみた図である。時間を追って図の(a)、(b)、(c)、(d)、(a)の順で移動する。
【0186】
以上のように、レンズ系の異なる位置に形状が固定の開口絞りSと光量調整を行うフィルターあるいはシャッターを配置することにより、回折の影響を抑えて高画質を保ちつつ、フィルターやシャッターにより光量調整が行え、かつ、レンズ系の全長の短縮化も可能とした撮像装置を得ることができる。
【0187】
また、機械的なシャッターを用いずに、CCDの電気信号の一部を取り出して静止画を得るような電気的な制御で行う構成としてもよい。このような構成の1例を、図23、図24によりCCD撮像の動作を説明しながら説明する。図23は、インターレース式(飛び越し走査式)で信号の順次読み出しを行っているCCD撮像の動作説明図である。図23において、Pa〜Pcはフォトダイオードを用いた感光部、Va〜VcはCCDによる垂直転送部、HaはCCDによる水平転送部である。Aフィールドは奇数フィールド、Bフィールドは偶数フィールドを示している。
【0188】
図23の構成では、基本動作が次のように行われる。すなわち、(1)感光部で光による信号電荷の蓄積(光電変換)、(2)感光部から垂直転送部への信号電荷のシフト(フィールドシフト)、(3)垂直転送部での信号電荷の転送(垂直転送)、(4)垂直転送部から水平転送部への信号電荷の転送(ラインシフト)、(5)水平転送部での信号電荷の転送(水平転送)、(6)水平転送部の出力端で信号電荷の検出(検出)。このような順次読み出しは、Aフィールド(奇数フィールド)とBフィールド(偶数フィールド)の何れか一方を用いて行うことができる。
【0189】
図23のインターレース式(飛び越し走査式)CCD撮像は、TV放送方式やアナログビデオ方式では、AフィールドとBフィールドの蓄積タイミングが1/60ずれている。これをそのままDSC(Dijital Spectram Compatible)用画像としてフレーム画を構成すると、動きのある被写体の場合、二重像のようなブレを起こす。そこで、このタイプのCCD撮像では、A、Bフィールドを同時露光して隣接するフィールドの信号を混合する。そして、機械的なシャッターで露光終了時に湛光した後、AフィールドとBフィールドそれぞれ別々に読み出して信号を合成する方法が取られている。
【0190】
本発明においては、機械的なシャッターの役割をスミア防止用のみとして、Aフィールドのみの順次読み出し、あるいは、A、Bフィールドを同時混合読み出しとすることにより、垂直解像度は低下するが、機械的なシャッターの駆動スピードに左右されず(電子的なシャッターのみでコントロールできるため)、高速シャッターを切ることができる。図23の例では、垂直転送部のCCDの数が感光部を構成するフォトダイオードの数の半分であるので、小型化しやすいという利点がある。
【0191】
図24は、信号の順次読み出しをプログレッシブ式で行うCCD撮像の動作説明図である。図24において、Pd〜Pfはフォトダイオードを用いた感光部、Vd〜VfはCCDによる垂直転送部、HbはCCDによる水平転送部である。
【0192】
図24においては、画素の並び順に読み出すことができるので、電荷蓄積読み出し作業を全て電子的にコントロールすることが可能となる。したがって、露光時間を(1/10000秒)程度に短くすることができる。図24の例では、図23の場合よりも垂直CCDの数が多く、小型化が困難という不利な点があるが、前記したような利点があるので、本発明においては、図23、図24の何れの方式も採用することができる。
【0193】
さて、以上のような本発明の撮像装置は、結像光学系で物体像を形成しその像をCCD等の撮像素子に受光させて撮影を行う撮影装置、とりわけデジタルカメラやビデオカメラ、情報処理装置の例であるパソコン、電話、特に持ち運びに便利な携帯電話等に用いることができる。以下に、その実施形態を例示する。
【0194】
図25〜図27は、本発明による結像光学系をデジタルカメラの撮影光学系41に組み込んだ構成の概念図を示す。図25はデジタルカメラ40の外観を示す前方斜視図、図26は同後方斜視図、図27はデジタルカメラ40の構成を示す断面図である。デジタルカメラ40は、この例の場合、撮影用光路42を有する撮影光学系41、ファインダー用光路44を有するファインダー光学系43、シャッター45、フラッシュ46、液晶表示モニター47等を含み、カメラ40の上部に配置されたシャッター45を押圧すると、それに連動して撮影光学系41、例えば実施例1の結像光学系を通して撮影が行われる。撮影光学系41によって形成された物体像が、近赤外カットコートを設けローパスフィルター作用を持たせたカバーガラスCGを介してCCD49の撮像面上に形成される。このCCD49で受光された物体像は、処理手段51を介し、電子画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター47に表示される。また、この処理手段51には記録手段52が接続され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、この記録手段52は処理手段51と別体に設けてもよいし、フロッピーディスクやメモリーカード、MO等により電子的に記録書込を行うように構成してもよい。また、CCD49に代わって銀塩フィルムを配置した銀塩カメラとして構成してもよい。
【0195】
さらに、ファインダー用光路44上にはファインダー用対物光学系53が配置してある。このファインダー用対物光学系53によって形成された物体像は、像正立部材であるポロプリズム55の視野枠57上に形成される。このポリプリズム55の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球Eに導く接眼光学系59が配置されている。なお、撮影光学系41及びファインダー用対物光学系53の入射側、接眼光学系59の射出側にそれぞれカバー部材50が配置されている。
【0196】
このように構成されたデジタルカメラ40は、撮影光学系41が高性能で小型であるので、高性能・小型化が実現できる。
【0197】
なお、図27の例では、カバー部材50として平行平面板を配置しているが、パワーを持ったレンズを用いてもよい。
【0198】
次に、本発明の結像光学系が対物光学系として内蔵された情報処理装置の1例であるパソコンが図28〜図30に示される。図28はパソコン300のカバーを開いた前方斜視図、図29はパソコン300の撮影光学系303の断面図、図30は図28の状態の側面図である。図28〜図30に示されるように、パソコン300は、外部から繰作者が情報を入力するためのキーボード301と、図示を省略した情報処理手段や記録手段と、情報を操作者に表示するモニター302と、操作者自身や周辺の像を撮影するための撮影光学系303とを有している。ここで、モニター302は、図示しないバックライトにより背面から照明する透過型液晶表示素子や、前面からの光を反射して表示する反射型液晶表示素子や、CRTディスプレイ等であってよい。また、図中、撮影光学系303は、モニター302の右上に内蔵されているが、その場所に限らず、モニター302の周囲や、キーボード301の周囲のどこであってもよい。
【0199】
この撮影光学系303は、撮影光路304上に、本発明による結像光学系(図では略記)からなる対物レンズ112と、像を受光する撮像素子チップ162とを有している。これらはパソコン300に内蔵されている。
【0200】
ここで、撮像素子チップ162上にはローパスフィルター作用を持たせたカバーガラスCGが付加的に貼り付けられて撮像ユニット160として一体に形成され、対物レンズ112の鏡枠113の後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、対物レンズ112と撮像素子チップ162の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠113の先端には、対物レンズ112を保護するためのカバーガラス114が配置されている。
【0201】
撮像素子チップ162で受光された物体像は、端子166を介して、パソコン300の処理手段に入力され、電子画像としてモニター302に表示される、図28には、その1例として、操作者の撮影された画像305が示されている。また、この画像305は、処理手段を介し、インターネットや電話を介して、遠隔地から通信相手のパソコンに表示されることも可能である。
【0202】
次に、本発明の結像光学系が撮影光学系として内蔵された情報処理装置の1例である電話、特に持ち運びに便利な携帯電話が図31に示される。図31(a)は携帯電話400の正面図、図31(b)は側面図、図31(c)は撮影光学系405の断面図である。図31(a)〜(c)に示されるように、携帯電話400は、操作者の声を情報として入力するマイク部401と、通話相手の声を出力するスピーカ部402と、操作者が情報を入力する入力ダイアル403と、操作者自身や通話相手等の撮影像と電話番号等の情報を表示するモニター404と、撮影光学系405と、通信電波の送信と受信を行うアンテナ406と、画像情報や通信情報、入力信号等の処理を行う処理手段(図示せず)とを有している。ここで、モニター404は液晶表示素子である。また、図中、各構成の配置位置は、特にこれらに限られない。この撮影光学系405は、撮影光路407上に配置された本発明による結像光学系(図では略記)からなる対物レンズ112と、物体像を受光する撮像素子チップ162とを有している。これらは、携帯電話400に内蔵されている。
【0203】
ここで、撮像素子チップ162上にはローパスフィルター作用を持たせたカバーガラスCGが付加的に貼り付けられて撮像ユニット160として一体に形成され、対物レンズ112の鏡枠113の後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、対物レンズ112と撮像素子チップ162の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠113の先端には、対物レンズ112を保護するためのカバーガラス114が配置されている。
【0204】
撮影素子チップ162で受光された物体像は、端子166を介して、図示していない処理手段に入力され、電子画像としてモニター404に、又は、通信相手のモニターに、又は、両方に表示される。また、通信相手に画像を送信する場合、撮像素子チップ162で受光された物体像の情報を、送信可能な信号へと変換する信号処理機能が処理手段には含まれている。
【0205】
なお、以上の各実施例は、前記の特許請求の範囲の構成に合わせて種々変更することができる。
【0206】
【発明の効果】
本発明により、製造誤差に対する性能劣化が少なく、小型化しても高性能な結像光学系とそれを用いた小型で高性能の撮像装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の結像光学系の実施例1の無限遠物点合焦時のレンズ断面図である。
【図2】実施例2の結像光学系の図1と同様のレンズ断面図である。
【図3】実施例3の結像光学系の図1と同様のレンズ断面図である。
【図4】実施例4の結像光学系の図1と同様のレンズ断面図である。
【図5】実施例1の無限遠物点合焦時の収差図である。
【図6】実施例2の無限遠物点合焦時の収差図である。
【図7】実施例3の無限遠物点合焦時の収差図である。
【図8】実施例4の無限遠物点合焦時の収差図である。
【図9】撮像素子にて撮影を行う場合の最大像高Ihを定義する有効撮像面の対角長Lについて説明するための図である。
【図10】撮像素子の撮像面に視野枠を配する場合の最大像高Ihを定義する有効撮像面の対角長Lについて説明するための図である。
【図11】近赤外シャープカットコートの一例の透過率特性を示す図である。
【図12】ローパスフィルターの射出面側に設ける色フィルターの一例の透過率特性を示す図である。
【図13】補色モザイクフィルターの色フィルター配置を示す図である。
【図14】補色モザイクフィルターの波長特性の一例を示す図である。
【図15】絞りの開口形状を開放状態としたことを示す図である。
【図16】絞りの開口形状を2段絞りとした状態を示す図である。
【図17】形状と透過率の異なる形状固定の複数の明るさ絞りを設けたターレットを配置した本発明の結像光学系の構成を示す斜視図である。
【図18】図17に示すターレットに代わる別のターレットを示す正面図である。
【図19】本発明において利用可能な別のターレット状の光量調整フィルターを示す図である。
【図20】光量ムラを抑えるフィルターの例を示す図である。
【図21】ロータリーフォーカルプレーンシャッターの例を示す裏面図と表面図である。
【図22】図21のシャッターのロータリーシャッター幕が回転する様子を示す図である。
【図23】インターレース式CCD撮像の動作説明図である。
【図24】プログレッシブ式CCD撮像の動作説明図である
【図25】本発明による結像光学系を組み込んだデジタルカメラの外観を示す前方斜視図である。
【図26】図25のデジタルカメラの後方斜視図である。
【図27】図25のデジタルカメラの断面図である。
【図28】本発明による結像光学系が対物光学系として組み込れたパソコンのカバーを開いた前方斜視図である。
【図29】パソコンの撮影光学系の断面図である。
【図30】図28の状態の側面図である。
【図31】本発明による結像光学系が対物光学系として組み込れた携帯電話の正面図、側面図、その撮影光学系の断面図である。
【符号の説明】
S …明るさ絞り
L1…第1正レンズ
L2…第2負レンズ
L3…第3正レンズ
CG…カバーガラス
I …像面
FS…フレア絞り
OP…光軸
Da…絞り板
Xa、Xb…開口部
Pa〜Pf…感光部
Va〜Vf…垂直転送部
Ha、Hb…水平転送部
E …観察者眼球
1A、1B、1C、1D、1E…開口
1A’、1B’、1C’、1D’、1E’…開口
1A”、1B”、1C”、1D”…開口
10…ターレット
10’…ターレット
10”…ターレット
11…回転軸
15…シャッター基板
16…開口部
17…ロータリーシャッター幕
18…回転軸
19、20…ギヤ
40…デジタルカメラ
41…撮影光学系
42…撮影用光路
43…ファインダー光学系
44…ファインダー用光路
45…シャッター
46…フラッシュ
47…液晶表示モニター
49…CCD
50…カバー部材
51…処理手段
52…記録手段
53…ファインダー用対物光学系
55…ポロプリズム
57…視野枠
59…接眼光学系
112…対物レンズ
113…鏡枠
114…カバーガラス
160…撮像ユニット
162…撮像素子チップ
166…端子
300…パソコン
301…キーボード
302…モニター
303…撮影光学系
304…撮影光路
305…画像
400…携帯電話
401…マイク部
402…スピーカ部
403…入力ダイアル
404…モニター
405…撮影光学系
406…アンテナ
407…撮影光路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an imaging optical system and an imaging apparatus using the imaging optical system, and is particularly mounted in a digital still camera, a digital video camera, a cellular phone, or a personal computer using a solid-state imaging device such as a CCD or a CMOS. The present invention relates to an imaging apparatus such as a small camera or a surveillance camera.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, electronic cameras that take a subject using a solid-state imaging device such as a CCD or a CMOS instead of a silver salt film have become widespread. Among such electronic cameras, an imaging device mounted on a portable computer, a cellular phone, or the like is particularly required to be small and light.
[0003]
As an image forming optical system used in such an image pickup apparatus, there is a conventional one having two or more lenses. However, as is apparent from the aberration theory, it is already known that field curvature cannot be corrected and high performance cannot be expected. Therefore, in order to satisfy high performance, it is necessary to configure with three or more lenses.
[0004]
On the other hand, in the case of a CCD, if the off-axis light beam emitted from the imaging lens system is incident at an excessively large angle with respect to the image plane, the condensing performance of the microlens is not fully exhibited, and the brightness of the image is at the center of the image. This causes the problem of extreme changes between the image and the image periphery. Therefore, the light incident angle to the CCD, that is, the exit pupil position is important in design. In the case of an optical system with a small number of sheets, the position of the aperture stop is important.
[0005]
Considering these problems, there is a triplet type with a front aperture. Such imaging lenses are disclosed in Patent Literature 1,
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-1-144007
[0007]
[Patent Document 2]
JP-A-2-191907
[0008]
[Patent Document 3]
JP-A-4-153612
[0009]
[Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-188284
[0010]
[Patent Document 5]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-288235
[0011]
[Patent Document 6]
JP 2001-750006 A
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, these prior examples have various problems as shown below.
[0013]
In Patent Document 1,
[0014]
In
[0015]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object thereof is to provide an imaging optical system that satisfies both high performance and miniaturization and an imaging apparatus using the same. .
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The imaging optical system of the present invention that achieves the above object includes, in order from the object side, an aperture stop, a first positive meniscus lens having a convex surface facing the image side, a biconcave second negative lens, and a third positive lens. It is characterized by comprising three lenses.
[0017]
The imaging apparatus of the present invention includes, in order from the object side, an aperture stop, a first positive meniscus lens having a convex surface facing the image side, a biconcave second negative lens, and a third positive lens. The image forming optical system is provided.
[0018]
In this case, it is desirable to include an image sensor disposed on the image side of the three lenses.
[0019]
Further, it is desirable that each of the three lenses is a single lens, and two air lenses formed by the three lenses are sandwiched between two refracting surfaces having different shapes. In that case, it is desirable that the two air lenses are configured to be sandwiched between two aspherical surfaces having different shapes.
[0020]
Another imaging device according to the present invention includes, in order from the object side, a first aperture of an aperture stop and a positive single lens whose absolute value of the curvature radius on the optical axis on the image side is smaller than the absolute value of the curvature radius on the optical axis on the object side A positive lens, a second negative lens of a negative single lens whose absolute value of the curvature radius on the optical axis on the image side is smaller than an absolute value of the curvature radius on the optical axis of the object side, and a third positive lens of the positive single lens It has an imaging optical system composed of three single lenses and an image sensor arranged on the image side, and satisfies the following conditions.
[0021]
0.30 <f1/Ih<0.90 (10)
−0.75 <f2/Ih<−0.1 (3)
0.70 <fThree/Ih<2.00 (11)
Where f1Is the focal length of the first positive lens, f2Is the focal length of the second negative lens, fThreeIs the focal length of the third positive lens, and Ih is the maximum image height.
[0022]
Still another imaging apparatus according to the present invention includes, in order from the object side, an aperture stop and a positive single lens whose absolute value of the curvature radius on the optical axis on the image side is smaller than the absolute value of the curvature radius on the optical axis on the object side. A first positive lens, a second negative lens of a negative single lens whose absolute value of the curvature radius on the optical axis on the image side is smaller than the absolute value of the curvature radius on the optical axis of the object side, and a third positive lens of the positive single lens The image forming optical system composed of the three single lenses and an image pickup device disposed on the image side satisfy the following conditions.
[0023]
0.1 <f1/F<0.46 (9-3)
−0.75 <f2/F<−0.29 (12)
0.40 <fThree/F<0.85 (13)
Where f1Is the focal length of the first positive lens, f2Is the focal length of the second negative lens, fThreeIs the focal length of the third positive lens, and f is the focal length of the entire system.
[0024]
In the above, it is desirable to satisfy the following conditional expression.
[0025]
−0.5 <(r2f+ R2r) / (R2f-R2r) <0.98 (1)
Where r2fIs the radius of curvature on the optical axis of the object side surface of the second negative lens, r2rIs the radius of curvature on the optical axis of the image side surface of the second negative lens.
[0026]
Moreover, it is desirable to satisfy the following conditional expression.
[0027]
0.01 <r1r/ R2f<0.75 (2)
Where r1rIs the radius of curvature on the optical axis of the image side surface of the first positive lens, r2fIs the radius of curvature on the optical axis of the object side surface of the second negative lens.
[0028]
Moreover, it is desirable to satisfy the following conditional expression.
[0029]
−0.75 <f2/Ih<−0.1 (3)
Where f2Is the focal length of the second negative lens, and Ih is the maximum image height.
[0030]
Moreover, it is desirable to satisfy the following conditional expression.
[0031]
−5.0 <f2-3/F<−0.1 (4)
Where f2-3Is the combined focal length of the second negative lens and the third positive lens, and f is the focal length of the entire system.
[0032]
Moreover, it is desirable to satisfy the following conditional expression.
[0033]
−0.8 <f2/ FThree<-0.1 (5)
Where f2Is the focal length of the second negative lens, fThreeIs the focal length of the third positive lens.
[0034]
Further, it is desirable that the object-side surface of the second negative lens is an aspheric surface and satisfies the following conditional expression.
[0035]
0.01 <| (r2fs+ R2fa) / (R2fs-R2fa) -1 | <100 (6)
Where r2fsIs the radius of curvature on the optical axis on the object side of the second negative lens, r2faIs the value when the radius of curvature considering the aspherical surface of the object side surface of the second negative lens changes most within the optical effective range.
[0036]
Further, it is desirable that the image-side surface of the second negative lens is an aspherical surface and satisfies the following conditional expression.
[0037]
0.01 <| (r2rs+ R2ra) / (R2rs-R2ra) -1 | <100 (7)
Where r2rsIs the radius of curvature on the optical axis on the image side of the second negative lens, r2raIs the value when the radius of curvature considering the aspherical surface of the image side surface of the second negative lens changes most within the effective optical range.
[0038]
Moreover, it is desirable to satisfy the following conditional expression.
[0039]
10 ° <α <40 ° (8)
Where α is the incident angle of the chief ray on the image plane at the maximum image height.
[0040]
Moreover, it is desirable to satisfy the following conditional expression.
[0041]
0.1 <f1/F<1.2 (9)
Where f1Is the focal length of the first positive lens, and f is the focal length of the entire system.
[0042]
Hereinafter, the reason and effect | action which took the above structures in this invention are demonstrated.
[0043]
First, the number of lenses will be described. In the present invention, as a result of considering performance and miniaturization, the number of lenses is three. It is clear that the performance will be further improved if the number of lenses is increased to 4 or more. However, as the number of lenses increases, the thickness of the lens, the distance between the lenses, and the space of the frame will increase accordingly. Is inevitable. In addition, as described in the section of the prior art, the field curvature is not reduced when the number is two or less, and the peripheral performance is considerably deteriorated. Three sheets are optimal for both performance and size.
[0044]
Next, in order to reduce the light incident angle to the image pickup device such as a CCD, the aperture stop was disposed closest to the object side. The power of the lens may be configured so that the exit pupil position is far from the object side. However, since the number is small, it is most effective to arrange the position of the aperture stop on the object side.
[0045]
Here, when the aperture stop is disposed closest to the object side, since there is only one lens with respect to the stop, it is difficult to correct distortion and lateral chromatic aberration, which are peripheral performances, in the optical design. For this reason, by arranging a positive lens, a negative lens, and a positive lens in this order from the object side, powers having different signs are arranged and corrected by the second and third lenses having a higher light beam height. The central performance is achieved by correcting the spherical aberration and axial chromatic aberration that occur in the first positive lens with the second negative lens, thereby improving the overall performance of the screen.
[0046]
The first positive lens has a meniscus shape that is convex on the image side, as described in the section of the problem to be solved by the invention. As a result, off-axis aberrations can be corrected well, and high performance can be achieved.
[0047]
At this time, if the second negative lens is formed in a meniscus shape, a problem in optical performance occurs. First, in general, when a lens is formed in a meniscus shape, even one of the negative lenses has a positive power convergence effect. Therefore, when the power of this lens is increased, the curvature of the negative power surface, which is the other surface, becomes too strong. As a result, higher-order aberrations are generated and the performance tends to deteriorate. In addition, since aberrations are canceled out on both sides, there is also a problem that performance degradation is increased due to manufacturing errors due to relative decentering of each side. This is a factor that hinders downsizing because the effect becomes more prominent when the lens power is increased by shortening the overall length or the like.
[0048]
For miniaturization, it is better to move the principal point to the object side with respect to the focal length of the entire system as in the telephoto type, but when the second negative lens has a meniscus shape convex to the object side, The principal point is moved to the image side together with the first positive meniscus lens, which is disadvantageous for downsizing. Further, for correcting aberrations such as spherical aberration, it is effective to reduce the principal ray height between the first positive lens and the second negative lens so that the marginal ray height does not change significantly. The lens must move the principal point to the image side more, and the curvature on both sides, particularly the curvature on the exit side, becomes tight, making it difficult to balance performance.
[0049]
Therefore, in the present invention, the second negative lens is constituted by a biconcave. Thereby, even if the entire length is shortened, the occurrence of high-order aberrations is reduced, so that the performance is hardly deteriorated. Also, unlike the meniscus shape, the negative power is divided on each surface, so that the performance deterioration due to the relative eccentricity of each surface of the second negative lens is reduced. That is, even if the overall length is shortened, high performance can be achieved.
[0050]
Further, if each lens is a single lens, and both sides of the two air lenses sandwiched between the lenses are refracting surfaces having different shapes, it is easy to balance aberration correction of both on-axis aberration and off-axis aberration. In particular, when two air lenses formed by three lenses are sandwiched between two aspheric surfaces having different shapes, aberration correction can be performed more satisfactorily.
[0051]
In the above, it is desirable that the following conditional expression is satisfied.
[0052]
−0.5 <(r2f+ R2r) / (R2f-R2r) <0.98 (1)
Where r2fIs the radius of curvature on the optical axis of the object side surface of the second negative lens, r2rIs the radius of curvature on the optical axis of the image side surface of the second negative lens.
[0053]
If the upper limit of 0.98 in the conditional expression (1) is exceeded, the negative power on the object side becomes too weak and the aberration due to the first positive lens cannot be corrected satisfactorily. The power of the image side surface where the height of the light beam becomes high becomes too weak, and the lateral chromatic aberration is deteriorated.
[0054]
Preferably, the following conditional expression is satisfied.
[0055]
0 <(r2f+ R2r) / (R2f-R2r) <0.95 (1-1)
More preferably, the following conditional expression is satisfied.
[0056]
0.3 <(r2f+ R2r) / (R2f-R2r<0.8 (1-2)
Further, since the image-side surface of the first positive lens has a strong positive power, it is desirable to effectively correct the residual aberration on the object-side surface of the second negative lens, which is the next surface. At this time, the following conditional expression should be satisfied.
[0057]
0.01 <r1r/ R2f<0.75 (2)
Where r1rIs the radius of curvature on the optical axis of the image side surface of the first positive lens, r2fIs the radius of curvature on the optical axis of the object side surface of the second negative lens.
[0058]
If the upper limit of 0.75 of the conditional expression (2) is exceeded, the negative power of the object side surface of the second negative lens becomes too strong, resulting in overcorrection. The power becomes too weak and the correction becomes insufficient, and the performance deteriorates.
[0059]
Preferably, the following conditional expression is satisfied.
[0060]
0.05 <r1r/ R2f<0.6 (2-1)
More preferably, the following conditional expression is satisfied.
[0061]
0.1 <r1r/ R2f<0.4 (2-2)
In addition, since the second negative lens is disposed between the first positive lens and the third positive lens, the aberration generation of both positive lenses cannot be corrected effectively unless this power is set appropriately. End up. Therefore, the following conditional expression should be satisfied.
[0062]
−0.75 <f2/Ih<−0.1 (3)
Where f2Is the focal length of the second negative lens, and Ih is the maximum image height.
[0063]
If the upper limit of -0.1 in this conditional expression (3) is exceeded, the power of the second negative lens becomes too strong and overcorrected. If the lower limit of -0.75 is exceeded, the power becomes too weak. , The correction becomes insufficient, and the performance deteriorates.
[0064]
Here, the maximum image height Ih of the imaging device is half of the diagonal length of the field frame when a field frame that restricts the imaging region is arranged on the image plane side of the imaging optical system. When an element is arranged, it is half the diagonal length of the effective imaging area.
[0065]
Preferably, the following conditional expression is satisfied.
[0066]
−0.6 <f2/Ih<−0.25 (3−1)
Further, since the second negative lens has a diverging action, it works in a disadvantageous direction with respect to the incident angle to the image plane. Therefore, the configuration of the next third positive lens is important. Therefore, the following conditional expression should be satisfied.
[0067]
−5.0 <f2-3/F<−0.1 (4)
Where f2-3Is the combined focal length of the second negative lens and the third positive lens, and f is the focal length of the entire system.
[0068]
If the upper limit of -0.1 in conditional expression (4) is exceeded, the negative power becomes too strong and the incident angle on the image surface becomes too tight. If the lower limit of -5.0 is exceeded, the negative power becomes weak. Too much will increase the overall length.
[0069]
Preferably, the following conditional expression is satisfied.
[0070]
−2.0 <f2-3/F<−0.3 (4-1)
Further, since the second and third lenses are arranged far from the aperture stop and the off-axis ray height becomes high, the occurrence of lateral chromatic aberration and distortion tends to increase. Therefore, the following conditional expression should be satisfied.
[0071]
−0.8 <f2/ FThree<-0.1 (5)
Where f2Is the focal length of the second negative lens, fThreeIs the focal length of the third positive lens.
[0072]
If both the upper limit −0.1 and the lower limit −0.8 of the conditional expression (5) are exceeded, the lateral chromatic aberration and distortion will be overcorrected or undercorrected, and the peripheral performance will deteriorate.
[0073]
Preferably, the following conditional expression is satisfied.
[0074]
−0.5 <f2/ FThree<-0.2 (5-1)
If the object-side surface of the second negative lens is an aspherical surface, it is possible to correct aberrations satisfactorily, and it is desirable that the following conditional expression is satisfied.
[0075]
0.01 <| (r2fs+ R2fa) / (R2fs-R2fa) -1 | <100 (6)
Where r2fsIs the radius of curvature on the optical axis on the object side of the second negative lens, r2faIs the value when the radius of curvature considering the aspherical surface of the object side surface of the second negative lens changes most within the optical effective range.
[0076]
Here, the radius of curvature r considering the aspherical surfaceASPIs defined by the following equation, where f (y) is the aspherical definition equation. same as below.
[0077]
rASP= Y · (1 + f ′ (y)2)1/2/ F ’(y)
Here, y is the height from the optical axis, and f ′ (y) is the first derivative of f (y).
[0078]
If the upper limit of 100 of the conditional expression (6) is exceeded, the aspherical effect becomes too weak and the correction becomes insufficient, coma aberration and astigmatism deteriorate, and if the lower limit of 0.01 is exceeded, The aspherical effect becomes too strong and overcorrected, resulting in degraded performance and difficult lens processing.
[0079]
Preferably, the following conditional expression is satisfied.
[0080]
0.05 <| (r2fs+ R2fa) / (R2fs-R2fa) -1 | <5.0 (6-1)
More preferably, the following conditional expression is satisfied.
[0081]
0.1 <| (r2fs+ R2fa) / (R2fs-R2fa) -1 | <3.0 (6-2)
In addition, when the image-side surface of the second negative lens is formed of an aspherical surface, it is possible to satisfactorily correct aberrations, and it is desirable that the following conditional expression is satisfied.
[0082]
0.01 <| (r2rs+ R2ra) / (R2rs-R2ra) -1 | <100 (7)
Where r2rsIs the radius of curvature on the optical axis on the image side of the second negative lens, r2raIs the value when the radius of curvature considering the aspherical surface of the image side surface of the second negative lens changes most within the effective optical range.
[0083]
If the upper limit of 100 of the conditional expression (7) is exceeded, the aspherical effect becomes too weak and the correction becomes insufficient, coma aberration and astigmatism deteriorate, and if the lower limit of 0.01 is exceeded, The aspherical effect becomes too strong and overcorrected, resulting in degraded performance and difficult lens processing.
[0084]
Preferably, the following conditional expression is satisfied.
[0085]
0.05 <| (r2rs+ R2ra) / (R2rs-R2ra) -1 | <10.0
... (7-1)
More preferably, the following conditional expression is satisfied.
[0086]
0.1 <| (r2rs+ R2ra) / (R2rs-R2ra) -1 | <5.0
... (7-2)
In addition, when a CCD is used as the image sensor, if the off-axis light beam emitted from the imaging optical system is incident at an excessively large angle with respect to the image plane, the brightness of the image changes at the image center and the image periphery. End up. On the other hand, if the light is incident on the image plane at a small angle, this problem is reduced, but the total length of the optical system is increased. Therefore, the following conditional expression should be satisfied.
[0087]
10 ° <α <40 ° (8)
Where α is the incident angle of the chief ray on the image plane at the maximum image height.
[0088]
If the upper limit of 40 ° in the conditional expression (8) is exceeded, the incident angle to the CCD becomes too large and the brightness of the peripheral portion of the image decreases. If the lower limit of 10 ° is exceeded, the total length becomes too large. End up.
[0089]
Preferably, the following conditional expression is satisfied.
[0090]
15 ° <α <35 ° (8-1)
More preferably, the following conditional expression is satisfied.
[0091]
17.5 ° <α <25 ° (8-2)
Further, since the first positive lens is closest to the aperture stop, all light rays from the center of the screen to the periphery gather and pass through substantially the same point. Therefore, unless the first positive lens is set appropriately, the performance of the entire screen is involved. Therefore, the following conditional expression should be satisfied.
[0092]
0.1 <f1/F<1.2 (9)
Where f1Is the focal length of the first positive lens, and f is the focal length of the entire system.
[0093]
If the upper limit of 1.2 in the conditional expression (9) is exceeded, the power of the positive lens becomes too weak and the total length becomes large. If the lower limit of 0.1 is exceeded, the power of the positive lens becomes too strong. As a result, spherical aberration, coma aberration, etc. occur, and the performance of the entire screen deteriorates.
[0094]
Preferably, the following conditional expression is satisfied.
[0095]
0.2 <f1/F<0.7 (9-1)
More preferably, the following conditional expression is satisfied.
[0096]
0.25 <f1/F<0.5 (9-2)
In another imaging apparatus of the present invention, the imaging optical system is configured with three single lenses in the order of positive, negative, and positive in the configuration of the front diaphragm, and the focal length of the first positive lens is reduced. By making the lens have a main positive refracting power, the overall length can be shortened by using a telephoto type of positive and negative order as a whole and moving the principal point closer to the object.
[0097]
At this time, by increasing the curvature radius of the image side surface of the first positive lens, the refraction angle of the off-axis light beam incident from the aperture stop is moderated while maintaining the appropriate refractive power of the first positive lens, and the off-axis is maintained. Aberration correction can be performed.
[0098]
In addition, the third positive lens has a function of bringing the light beam incident on the image sensor closer to the vertical direction, but the second and third lenses can have a strong refractive power on the image side surface of the second negative lens. The lens jointly suppresses the occurrence of lateral chromatic aberration and off-axis aberration.
[0099]
In this configuration, it is desirable that the following conditional expression is satisfied.
[0100]
0.30 <f1/Ih<0.90 (10)
−0.75 <f2/Ih<−0.1 (3)
0.70 <fThree/Ih<2.00 (11)
Where f1Is the focal length of the first positive lens, f2Is the focal length of the second negative lens, fThreeIs the focal length of the third positive lens, and Ih is the maximum image height.
[0101]
Alternatively, it is desirable that the following conditional expression is satisfied.
[0102]
0.1 <f1/F<0.46 (9-3)
−0.75 <f2/F<−0.29 (12)
0.40 <fThree/F<0.85 (13)
Where f1Is the focal length of the first positive lens, f2Is the focal length of the second negative lens, fThreeIs the focal length of the third positive lens, and f is the focal length of the entire system.
[0103]
Conditional expressions (10), (3), and (11) define the focal length of each lens with the maximum image height Ih.
[0104]
Conditional expression (10) is set so that the total length can be shortened while keeping the refractive power of the first positive lens, which bears the main refractive power, in balance with the aberration, based on the size of the image plane. Expressions (3) and (11) determine the refractive powers of the second negative lens and the third positive lens for performing aberration correction on the basis of the maximum image height as in the conditional expression (10). It is a condition.
[0105]
Satisfying these conditional expressions at the same time balances shortening of the overall length, widening of the angle of view, and aberration correction.
[0106]
In conditional expression (10), if the lower limit value of 0.30 is exceeded, it will be difficult to correct aberrations that occur in the first positive lens. On the other hand, if the upper limit value of 0.90 is exceeded, the entire lens will be telephoto type. The effect of shortening the overall length is reduced.
[0107]
Further, if the lower limit value of conditional expression (10) is 0.35 or 0.40, it is preferable for aberration correction, and if the upper limit value is 0.75 or 0.70, the overall length can be shortened. Therefore, it is more preferable.
[0108]
In conditional expression (3), if the upper and lower limits of −0.75 and −0.1 are exceeded, aberration correction becomes difficult.
[0109]
In conditional expression (11), if the lower limit of 0.70 is exceeded, the refractive power of the third positive lens becomes strong, and the thickness on the optical axis of the third positive lens becomes large, making it difficult to reduce the thickness. On the other hand, aberration correction becomes difficult. On the other hand, when the upper limit of 2.00 is exceeded, the effect of bringing the most off-axis light beam perpendicular to the image plane becomes weak.
[0110]
In conditional expression (11), if the lower limit value is further set to 0.80 or 0.90, aberration correction is easy, and if the upper limit value is set to 1.80 or 1.60, the off-axis principal ray is It can be close to vertical, which is preferable.
[0111]
Conditional expressions (9-3), (12), and (13) define the focal length of each lens by the focal length of the entire system.
[0112]
Conditional expression (9-3) means that the main refractive power of the imaging optical system is borne by the first positive lens, and conditional expressions (12) and (13) are for correcting aberrations on the first positive lens. This is a condition that determines the refractive power of the second negative lens and the third positive lens.
[0113]
Satisfying these conditional expressions at the same time balances shortening of the overall length, widening of the angle of view, and aberration correction.
[0114]
In conditional expression (9-3), if the lower limit of 0.1 is exceeded, it will be difficult to correct aberrations occurring in the first positive lens. On the other hand, if the upper limit of 0.46 is exceeded, the whole will be telephoto type. Thus, the effect of shortening the overall length is reduced.
[0115]
Further, when the lower limit value of conditional expression (9-3) is 0.2 or 0.25, it is preferable for aberration correction, and when the upper limit value is 0.44 or 0.43, the total length is shortened. It is more preferable because of
[0116]
In conditional expression (12), if the upper and lower limits of −0.75 and −0.29 are exceeded, aberration correction becomes difficult.
[0117]
In conditional expression (12), if the lower limit value is further set to -0.6 or -0.37, or the upper limit value is set to -0.3 or -0.31, it becomes easier to correct aberrations.
[0118]
In conditional expression (13), if the lower limit of 0.40 is exceeded, the refractive power of the third positive lens will increase, and the thickness on the optical axis of the third positive lens will increase, making it difficult to reduce the thickness. On the other hand, when the upper limit of 0.85 is exceeded, the action of bringing the most off-axis light beam perpendicular to the image plane becomes weak.
[0119]
In conditional expression (13), if the lower limit value is further set to 0.60 or 0.70, aberration correction is easy to perform, and if the upper limit value is set to 0.84 or 0.83, the off-axis principal ray. Can be brought close to vertical.
[0120]
These conditional expressions (10), (3), (11), and (9-3), (12), (13) may be satisfied simultaneously. Moreover, you may make it satisfy | fill simultaneously the above-mentioned conditional expression (1)-(9-2) of one or several conditional expressions.
[0121]
In addition, in common with each of the above conditional expressions, only the upper limit value of the lower conditional expression that limits each conditional expression range or only the lower limit value is limited as the upper limit value or lower limit value of the higher conditional expression. It may be.
[0122]
Moreover, the effect of this invention can be heightened more by combining the above conditional expressions arbitrarily.
[0123]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Examples 1 to 4 of the imaging optical system of the present invention will be described below. FIGS. 1 to 4 show lens cross-sectional views of Examples 1 to 4 when focusing on an object point at infinity, respectively. In the drawing, the aperture stop is indicated by S, the first positive lens is indicated by L1, the second negative lens is indicated by L2, the third positive lens is indicated by L3, the cover glass of the electronic image sensor is indicated by CG, and the image plane is indicated by I. In addition, you may give the multilayer film for wavelength range limitation to the surface of the cover glass CG. Further, the cover glass CG may have a low-pass filter function.
[0124]
As shown in FIG. 1, the imaging optical system of Example 1 includes, in order from the object side, an aperture stop S, a double-sided aspherical first positive meniscus lens L1 having a convex surface facing the image side, and a double-concave double-sided surface. It includes a spherical second negative lens L2, a biconvex double-sided aspherical third positive lens L3, and a cover glass CG. In this embodiment, the first lens L1 to the third lens L3 are all made of plastic, the first lens L1 and the third lens L3 are made of amorphous polyolefin ZEONEX (trade name), and the second lens L2 is made of polycarbonate. Yes.
[0125]
The specification of this example is a wide-angle optical system with a focal length f = 3.3 mm, an image height Ih = 2.4 mm, and a half angle of view ω = 36 °. In addition, each optical effective diameter (one side) of each lens is the second surface r.2~ Seventh surface r7In this order, they are 0.664 mm, 0.962 mm, 1.144 mm, 1.247 mm, 1.526 mm, and 1.815 mm.
[0126]
As shown in FIG. 2, the imaging optical system of Example 2 includes, in order from the object side, an aperture stop S, a double-sided aspherical first positive meniscus lens L1 with a convex surface facing the image side, and a biconcave double-sided non-side surface. The lens includes a spherical second negative lens L2, a double-sided aspherical third positive meniscus lens L3 having a convex surface facing the object side, and a cover glass CG. In the present embodiment, the first lens L1 to the second lens L2 are made of glass, the third lens L3 is made of plastic, and the third lens L3 is made of amorphous polyolefin ZEONEX (trade name).
[0127]
The specification of this example is a wide-angle optical system with a focal length f = 3.3 mm, an image height Ih = 2.4 mm, and a half angle of view ω = 36 °. In addition, each optical effective diameter (one side) of each lens is the second surface r.2~ Seventh surface r7In order of 0.667 mm, 1.043 mm, 1.088 mm, 1.062 mm, 1.195 mm, and 1.641 mm.
[0128]
As shown in FIG. 3, the imaging optical system of Example 3 includes, in order from the object side, the aperture stop S, the first aspherical positive meniscus lens L1 with the convex surface facing the image side, and the double-sided double-sided non-side surface. It includes a spherical second negative lens L2, a biconvex double-sided aspherical third positive lens L3, and a cover glass CG. In the present embodiment, the first lens L1 and the third lens L3 are made of plastic, the second lens L2 is made of glass, and the first lens L1 and the third lens L3 are made of amorphous polyolefin ZEONEX (trade name). .
[0129]
The specification of this example is a wide-angle optical system with a focal length f = 3.3 mm, an image height Ih = 2.4 mm, and a half angle of view ω = 36 °. In addition, each optical effective diameter (one side) of each lens is the second surface r.2~ Seventh surface r7In this order, they are 0.670 mm, 1.163 mm, 1.309 mm, 1.641 mm, 1.624 mm, and 1.791 mm.
[0130]
As shown in FIG. 4, the imaging optical system of Example 4 includes, in order from the object side, an aperture stop S, a first aspherical first positive meniscus lens L1 having a convex surface facing the image side, and a double-concave double-sided non-surface. It includes a spherical second negative lens L2, a biconvex double-sided aspherical third positive lens L3, and a cover glass CG. In this embodiment, the first lens L1 to the third lens L3 are all made of plastic, the first lens L1 and the third lens L3 are made of amorphous polyolefin ZEONEX (trade name), and the second lens L2 is made of polycarbonate. Yes.
[0131]
The specification of this example is a wide-angle optical system with a focal length f = 3.3 mm, an image height Ih = 2.4 mm, and a half angle of view ω = 36 °. In addition, each optical effective diameter (one side) of each lens is the second surface r.2~ Seventh surface r7In this order, they are 0.652 mm, 0.962 mm, 1.097 mm, 1.291 mm, 1.397 mm, and 1.682 mm.
[0132]
The numerical data of each of the above examples is shown below, but the symbols are the above, r1, R2... is the radius of curvature of each lens surface, d1, D2... is the distance between each lens surface, nd1, Nd2... is the refractive index of d-line of each lens, νd1, Νd2... is the Abbe number of each lens. The aspherical shape is represented by the following formula, where x is an optical axis with the light traveling direction being positive, and y is a direction orthogonal to the optical axis.
[0133]
x = (y2/ R) / [1+ {1- (K + 1) (y / r)2}1/2] + AFouryFour+ A6y6+ A8y8+ ATenyTen
Where r is the radius of curvature on the optical axis, K is the cone coefficient, AFour, A6, A8, ATenAre the 4th, 6th, 8th and 10th order aspherical coefficients, respectively.
[0134]
[0135]
[0136]
[0137]
[0138]
Aberration diagrams in Examples 1 to 4 when focusing to infinity are shown in FIGS. In these aberration diagrams, “SA” indicates spherical aberration, “AS” indicates astigmatism, “DT” indicates distortion, and “CC” indicates lateral chromatic aberration. In each aberration diagram, “ω” indicates a half angle of view.
[0139]
Next, the values of the conditions (1) to (13) in the above embodiments will be shown.
[0140]
Conditional Example Example 1 Example 2 Example 3 Example 4
(1) 0.95 0.74 0.71 0.54
(2) 0.024 0.12 0.14 0.24
(3) -0.55 -0.45 -0.42 -0.46
(4) -1.30 -0.43 -3.30 -1.52
(5) -0.38 -0.17 -0.41 -0.41
(6) 0.38 1.06 2.51 2.43
(7) 3.06 4.20 1.45 2.90
(8) 18.9 ° 30.4 ° 15.8 ° 20.4 °
(9) 0.44 0.34 0.41 0.42
(10) 0.60 0.47 0.56 0.58
(11) 1.45 2.57 1.03 1.14
(12) -0.40 -0.33 -0.31 -0.34
(13) 1.05 1.87 0.75 0.83.
[0141]
Here, in the present invention, the maximum image height Ih in the image plane is defined as one half of the diagonal length L of the effective imaging region (substantially rectangular) of the imaging device as described above. When the field frame is arranged as a means for defining the imaging region, the field frame diagonal length L is ½, and when an imaging element such as a solid-state imaging element is arranged, the diagonal of the effective imaging region is used. One half of the length L.
[0142]
Accordingly, the diagonal length L and the pixel interval a of the effective imaging surface (effective imaging area) when the imaging recording medium is an electronic imaging element such as a CCD will be described. FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a pixel array of the image sensor, and R (red), G (green), and B (blue) pixels are arranged in a mosaic pattern at a pixel interval a. The effective image pickup surface means a region in the photoelectric conversion surface on the image pickup element used for reproduction (display on a personal computer, printing by a printer, etc.) of a taken image. The effective image pickup surface shown in the figure is set to a region narrower than the entire photoelectric conversion surface of the image pickup device in accordance with the performance of the optical system (image circle that can ensure the performance of the optical system). The diagonal length L of the effective imaging surface is the diagonal length of this effective imaging surface. It should be noted that the imaging range used for image reproduction may be variously changed. However, when the imaging optical system of the present invention is used in an imaging apparatus having such a function, the diagonal length L of the effective imaging surface changes. . In such a case, the diagonal length L of the effective imaging surface that defines the maximum image height Ih in the present invention is the maximum value in a range that L can take.
[0143]
FIG. 10 is a diagram for explaining the diagonal length of the field frame when the field frame is arranged on the imaging surface of an electronic image sensor such as a CCD. When an image is formed on an electronic imaging device such as a CCD, the effective imaging area is determined by the opening of the field frame immediately before the imaging surface. Here, the shape of the field frame may be changed variously. However, as in the case of FIG. 9, the diagonal length L of the effective imaging surface that defines the maximum image height Ih in the present invention is a range that L can take. The maximum value at.
[0144]
In the embodiment of the present invention described above, a cover glass may be disposed immediately before the diaphragm S.
[0145]
In the above embodiments of the present invention, the lens made of plastic may be made of glass. For example, it is needless to say that higher performance can be achieved by using a glass having a higher refractive index than the plastic of any of the embodiments. Needless to say, the use of special low dispersion glass is effective in correcting chromatic aberration. In particular, when it is made of plastic, it is preferable to use a low moisture-absorbing material because performance deterioration due to environmental changes is reduced (for example, ZEONEX (trade name) manufactured by ZEON Corporation).
[0146]
Further, in order to cut unnecessary light such as ghost and flare, a flare stop FS may be arranged in addition to the brightness stop S (an arrangement example is shown in FIGS. 1 to 4). The flare stop FS is provided between the brightness stop S and the first lens L1, between the first lens L1 and the second lens L2, between the second lens L2 and the third lens L3, and from the third lens L3. You may arrange | position in any place between the image surfaces I. The flare ray may be cut by a lens frame as shown in FIGS. 1 to 4, or the flare stop FS may be constituted by another member. Further, it may be printed directly on the optical system, painted, or bonded with a seal or the like. Further, the shape may be any shape such as a circle, an ellipse, a rectangle, a polygon, or a range surrounded by a function curve. Further, not only the harmful light flux but also the light flux such as coma flare around the screen may be cut.
[0147]
Each lens may be provided with an antireflection coating to reduce ghost and flare. A multi-coat is desirable because it can effectively reduce ghosts and flares. Moreover, you may perform an infrared cut coat on a lens surface, a cover glass, etc.
[0148]
Further, focusing may be performed to adjust the focus. Focusing may be performed by extending the entire lens system, or a part of the lenses may be extended, or focusing may be performed by retraction.
[0149]
Further, the brightness decrease in the peripheral portion of the image may be reduced by shifting the micro lens of the CCD. For example, the design of the CCD microlens may be changed in accordance with the incident angle of the light beam at each image height. Further, the amount of decrease in the peripheral portion of the image may be corrected by image processing.
[0150]
Although each of the above examples is small, good images are obtained as shown in the aberration diagrams of FIGS.
[0151]
By the way, in each above-mentioned Example, you may give a near-infrared sharp cut coat to the entrance plane side of cover glass CG as mentioned above. This near-infrared sharp cut coat is configured such that the transmittance at a wavelength of 600 nm is 80% or more and the transmittance at a wavelength of 700 nm is 10% or less. Specifically, it is a multilayer film composed of the following 27 layers, for example. However, the design wavelength is 780 nm.
[0152]
Substrate material Physical film thickness (nm) λ / 4
───────────────────────────────
1st layer Al2OThree 58.96 0.50
Second layer TiO2 84.19 1.00
Third layer SiO2 134.14 1.00
4th layer TiO2 84.19 1.00
5th layer SiO2 134.14 1.00
6th layer TiO2 84.19 1.00
7th layer SiO2 134.14 1.00
8th layer TiO2 84.19 1.00
9th layer SiO2 134.14 1.00
10th layer TiO2 84.19 1.00
11th layer SiO2 134.14 1.00
12th layer TiO2 84.19 1.00
13th layer SiO2 134.14 1.00
14th layer TiO2 84.19 1.00
15th layer SiO2 178.41 1.33
16th layer TiO2 101.03 1.21
17th layer SiO2 167.67 1.25
18th layer TiO2 96.82 1.15
19th layer SiO2 147.55 1.05
20th layer TiO2 84.19 1.00
21st layer SiO2 160.97 1.20
22nd layer TiO2 84.19 1.00
23rd layer SiO2 154.26 1.15
24th layer TiO2 95.13 1.13
25th layer SiO2 160.97 1.20
26th layer TiO2 99.34 1.18
27th layer SiO2 87.19 0.65
───────────────────────────────
Air.
[0153]
The transmittance characteristics of the near infrared sharp cut coat are as shown in FIG.
[0154]
Further, by providing or coating a color filter that reduces the transmission of colors in the short wavelength region as shown in FIG. 12 on the emission surface side of the low-pass filter, the color reproducibility of the electronic image is further improved. Yes.
[0155]
Specifically, with this filter or coating, the ratio of the transmittance of the wavelength of 420 nm to the transmittance of the wavelength having the highest transmittance at a wavelength of 400 nm to 700 nm is 15% or more, and 400 nm to the transmittance of the highest wavelength. It is preferable that the ratio of the transmittances of the wavelengths is 6% or less.
[0156]
Thereby, it is possible to reduce the difference between the recognition of the color of the human eye and the color of the image to be captured and reproduced. In other words, it is possible to prevent deterioration of the image due to the human eye easily recognizing a short wavelength color that is difficult to be recognized by human vision.
[0157]
If the ratio of the transmittance at the wavelength of 400 nm exceeds 6%, the short wavelength castle that is difficult to be recognized by the human eye is regenerated to a wavelength that can be recognized. Conversely, the ratio of the transmittance at the wavelength of 420 nm is reversed. If the value is smaller than 15%, the reproduction of the wavelength castle that can be recognized by humans becomes low, and the color balance becomes poor.
[0158]
Such means for limiting the wavelength is more effective in an imaging system using a complementary color mosaic filter.
[0159]
In each of the above embodiments, as shown in FIG. 12, the coating has a transmittance of 0% at a wavelength of 400 nm, a transmittance of 90% at 420 nm, and a transmittance peak of 100% at 440 nm.
[0160]
By multiplying the action with the above-mentioned near infrared sharp cut coat, the transmittance at 400 nm is peaked at 99%, the transmittance at 400 nm is 0%, the transmittance at 420 nm is 80%, and the transmittance at 600 nm is 82%. The transmittance at 700 nm is 2%. As a result, more faithful color reproduction is performed.
[0161]
The low-pass filter can be used by superimposing three types of filters with crystal axes in the horizontal (= 0 °) and ± 45 ° directions when projected on the image plane in the optical axis direction. Can be suppressed by shifting by SQRT (1/2) × a horizontally in the direction of a μm and ± 45 °. Here, SQRT is a square route and means a square root.
[0162]
Further, on the image pickup surface I of the CCD, as shown in FIG. 13, a complementary color mosaic filter in which four color filters of cyan, magenta, yellow and green (green) are provided in a mosaic pattern corresponding to the image pickup pixels is provided. ing. These four types of color filters are arranged in a mosaic so that each of them has approximately the same number and adjacent pixels do not correspond to the same type of color filter. Thereby, more faithful color reproduction is possible.
[0163]
Specifically, as shown in FIG. 13, the complementary color mosaic filter is composed of at least four types of color filters, and the characteristics of the four types of color filters are preferably as follows.
[0164]
Green color filter G has wavelength GPHas a peak of spectral intensity,
Yellow color filter YeIs the wavelength YPHas a peak of spectral intensity,
Cyan color filter C has wavelength CPHas a peak of spectral intensity,
Magenta color filter M has wavelength MP1And MP2And satisfy the following conditions.
[0165]
510nm <GP<540 nm
5nm <YP-GP<35nm
−100 nm <CP-GP<-5nm
430 nm <MP1<480nm
580 nm <MP2<640nm
Further, the green, yellow, and cyan color filters have an intensity of 80% or more at a wavelength of 530 nm with respect to each spectral intensity peak, and the magenta color filter has an intensity of 10% at a wavelength of 530 nm. From the viewpoint of improving the color reproducibility, it is more preferable that the strength is 50% to 50%.
[0166]
FIG. 14 shows an example of each wavelength characteristic in each of the above embodiments. The green color filter G has a spectral intensity beak at 525 nm. Yellow color filter YeHas a spectral intensity peak at 555 nm. The cyan color filter C has a spectral intensity peak at 510 nm. The magenta color filter M has peaks at 445 nm and 620 nm. Each color filter at 530 nm has a G of 99% and Ye95%, C 97%, M 38%.
[0167]
In the case of such a complementary color filter, the following signal processing is performed electrically with a controller (not shown) (or a controller used in a digital camera),
Luminance signal
Y = | G + M + Ye+ C | × 1/4
Color signal
R−Y = | (M + Ye)-(G + C) |
B−Y = | (M + C) − (G + Ye) |
The signal is converted into R (red), G (green), and B (blue) signals.
[0168]
By the way, the arrangement position of the above-mentioned near infrared sharp cut coat may be any position on the optical path. The number of low-pass filters may be two or one.
[0169]
In the image pickup apparatus of the present invention, for adjusting the light amount, a variable aperture may be used in which the brightness stop S is configured with a plurality of aperture blades and the aperture shape is variable. FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating an example of the aperture shape at the time of opening, and FIG. 16 is an explanatory diagram illustrating an example of the aperture shape at the time of two-stage aperture. 15 and 16, OP represents the optical axis, Da represents six diaphragm plates, and Xa and Xb represent openings. In the present invention, the aperture shape of the aperture can be set to only two types: an open state (FIG. 15) and an aperture value (a two-stage aperture, FIG. 16) that provides an F value that satisfies a predetermined condition.
[0170]
Or, using a turret provided with a plurality of fixed-shaped brightness stops with different shapes or transmittances, depending on the required brightness, place any brightness stop on the object-side optical axis of the imaging optical system. With the arrangement, the diaphragm mechanism can be thinned. In addition, a configuration in which a light amount reduction filter having a transmittance lower than the transmittance of other aperture stops is arranged in the aperture that reduces the amount of light most among the apertures of the aperture stops arranged on the turret. Good. Accordingly, the aperture diameter of the diaphragm is not excessively narrowed, and deterioration of the imaging performance due to diffraction that occurs due to the small aperture diameter of the diaphragm can be suppressed.
[0171]
FIG. 17 is a perspective view showing a configuration of an example in this case. Brightness can be adjusted in 0, −1, −2, −3, and −4 stages at the position of the stop S on the optical axis on the object side of the first positive lens L1 of the imaging optical system. A
[0172]
The
[0173]
The light quantity is adjusted by arranging one of the apertures at the aperture position by turning around the rotation shaft 11 provided in the
[0174]
Moreover, it can replace with the
[0175]
The
[0176]
The light quantity is adjusted by arranging any opening at the stop position by turning around the rotation shaft 11 provided in the turret 10 '.
[0177]
In order to reduce the thickness, the aperture of the aperture stop S may be an aperture having a fixed shape and position, and the light amount adjustment may be performed by electrically adjusting an output signal from the image sensor. Alternatively, the light amount may be adjusted by inserting and removing an ND filter between other spaces in the lens system, for example, the third positive lens L3 and the CCD cover glass CG. FIG. 19 is a diagram showing an example of this. The
[0178]
Further, as a filter for adjusting the light amount, a filter surface capable of adjusting the light amount so as to suppress unevenness in the light amount may be provided. For example, as shown in FIG. 20, the light intensity is centered concentrically so that the transmittance is uniform with priority given to securing the light intensity at the center for dark subjects and the uneven brightness is compensated only for bright subjects. It is good also as a structure which arrange | positions the filter which falls so much.
[0179]
Further, as the diaphragm S, the peripheral portion on the incident surface side of the first positive lens L1 may be painted black.
[0180]
When the imaging apparatus according to the present invention stores an image as a still image like a camera or the like, a shutter for adjusting the amount of light may be disposed in the optical path.
[0181]
As such a shutter, a focal plane shutter, a rotary shutter, or a liquid crystal shutter disposed immediately before the CCD may be used, or the aperture stop itself may be configured as a shutter.
[0182]
FIG. 21 shows an example of the shutter. FIG. 21 shows an example of a rotary focal plane shutter which is one of the focal plane shutters. FIG. 21A is a view seen from the back side, and FIG. 21B is a view seen from the front side. is there. A
[0183]
In such a configuration, the
[0184]
The
[0185]
22A to 22D are views of the
[0186]
As described above, the aperture stop S with a fixed shape and a filter or shutter that adjusts the amount of light are placed at different positions in the lens system. In addition, an imaging apparatus capable of reducing the overall length of the lens system can be obtained.
[0187]
Further, a configuration may be adopted in which electrical control is performed so as to obtain a still image by extracting a part of the electrical signal of the CCD without using a mechanical shutter. One example of such a configuration will be described with reference to FIG. 23 and FIG. FIG. 23 is a diagram for explaining the operation of CCD imaging in which signals are sequentially read out by an interlace method (interlaced scanning method). In FIG. 23, Pa to Pc are photosensitive sections using photodiodes, Va to Vc are vertical transfer sections using CCD, and Ha is a horizontal transfer section using CCD. The A field indicates an odd field, and the B field indicates an even field.
[0188]
In the configuration of FIG. 23, the basic operation is performed as follows. That is, (1) signal charge accumulation (photoelectric conversion) by light in the photosensitive part, (2) signal charge shift (field shift) from the photosensitive part to the vertical transfer part, and (3) signal charge in the vertical transfer part. Transfer (vertical transfer), (4) transfer of signal charges from the vertical transfer unit to the horizontal transfer unit (line shift), (5) transfer of signal charges in the horizontal transfer unit (horizontal transfer), (6) horizontal transfer unit The signal charge is detected (detected) at the output terminal. Such sequential reading can be performed using either the A field (odd field) or the B field (even field).
[0189]
In the interlaced (interlaced scanning) CCD imaging shown in FIG. 23, the accumulation timing of the A field and the B field is shifted by 1/60 in the TV broadcast system and the analog video system. If this is used as it is as a DSC (Digital Spectral Compatible) image to form a frame image, in the case of a moving subject, a blur like a double image occurs. Therefore, in this type of CCD imaging, the A and B fields are simultaneously exposed to mix the signals of adjacent fields. Then, after a fluorescent light is emitted at the end of exposure using a mechanical shutter, a method is employed in which the A field and the B field are read out separately to synthesize signals.
[0190]
In the present invention, the mechanical shutter functions only for smear prevention and only the A field is sequentially read out, or the A and B fields are simultaneously mixed readout. The high-speed shutter can be released regardless of the shutter speed (because it can be controlled only with an electronic shutter). In the example of FIG. 23, since the number of CCDs in the vertical transfer unit is half of the number of photodiodes constituting the photosensitive unit, there is an advantage that it is easy to reduce the size.
[0191]
FIG. 24 is a diagram for explaining the operation of CCD imaging in which sequential readout of signals is performed in a progressive manner. In FIG. 24, Pd to Pf are photosensitive portions using photodiodes, Vd to Vf are vertical transfer portions by CCD, and Hb is a horizontal transfer portion by CCD.
[0192]
In FIG. 24, since reading can be performed in the pixel arrangement order, it is possible to electronically control all charge accumulation and reading operations. Therefore, the exposure time can be shortened to about (1/10000 seconds). In the example of FIG. 24, the number of vertical CCDs is larger than in the case of FIG. 23, and there is a disadvantage that downsizing is difficult. However, because of the advantages as described above, in the present invention, FIG. Any of these methods can be employed.
[0193]
The imaging apparatus of the present invention as described above is an imaging apparatus that forms an object image with an imaging optical system and receives the image with an imaging element such as a CCD, and in particular, a digital camera, video camera, information processing It can be used for personal computers, telephones, and especially mobile phones that are convenient to carry. The embodiment is illustrated below.
[0194]
FIGS. 25 to 27 are conceptual diagrams of structures in which the imaging optical system according to the present invention is incorporated in the photographing optical system 41 of a digital camera. 25 is a front perspective view showing the appearance of the
[0195]
Further, a finder objective optical system 53 is disposed on the finder optical path 44. The object image formed by the finder objective optical system 53 is formed on the field frame 57 of the Porro prism 55 which is an image erecting member. Behind this polyprism 55 is an eyepiece optical system 59 that guides the erect image to the observer eyeball E. Note that cover
[0196]
The
[0197]
In the example of FIG. 27, a parallel plane plate is disposed as the
[0198]
Next, a personal computer which is an example of an information processing apparatus in which the imaging optical system of the present invention is incorporated as an objective optical system is shown in FIGS. 28 is a front perspective view with the cover of the
[0199]
The photographing
[0200]
Here, a cover glass CG having a low-pass filter function is additionally attached on the image
[0201]
The object image received by the
[0202]
Next, FIG. 31 shows a telephone which is an example of an information processing apparatus in which the imaging optical system of the present invention is incorporated as a photographing optical system, particularly a portable telephone which is convenient to carry. 31A is a front view of the
[0203]
Here, a cover glass CG having a low-pass filter function is additionally attached on the image
[0204]
The object image received by the
[0205]
Each of the above embodiments can be variously modified in accordance with the configuration of the claims.
[0206]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain a high-performance imaging optical system and a small and high-performance imaging device using the same even if the size is reduced, with little performance degradation due to manufacturing errors.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a lens cross-sectional view of an imaging optical system according to a first embodiment of the present invention when focusing on an object point at infinity.
2 is a lens cross-sectional view similar to FIG. 1 of the imaging optical system of Example 2. FIG.
3 is a lens cross-sectional view similar to FIG. 1 of the imaging optical system of Example 3. FIG.
4 is a lens cross-sectional view similar to FIG. 1 of the imaging optical system of Example 4. FIG.
5 is an aberration diagram for Example 1 upon focusing on an object point at infinity. FIG.
FIG. 6 is an aberration diagram for Example 2 upon focusing on an object point at infinity.
FIG. 7 is an aberration diagram for Example 3 upon focusing on an object point at infinity.
8 is an aberration diagram for Example 4 upon focusing on an object point at infinity. FIG.
FIG. 9 is a diagram for explaining a diagonal length L of an effective imaging surface that defines a maximum image height Ih when imaging is performed with an imaging element.
FIG. 10 is a diagram for explaining a diagonal length L of an effective imaging surface that defines a maximum image height Ih when a field frame is arranged on an imaging surface of an imaging element.
FIG. 11 is a diagram showing transmittance characteristics of an example of a near-infrared sharp cut coat.
FIG. 12 is a diagram illustrating a transmittance characteristic of an example of a color filter provided on the emission surface side of the low-pass filter.
FIG. 13 is a diagram illustrating a color filter arrangement of a complementary color mosaic filter.
FIG. 14 is a diagram illustrating an example of wavelength characteristics of a complementary color mosaic filter.
FIG. 15 is a diagram showing that the aperture shape of the aperture is in an open state.
FIG. 16 is a diagram showing a state where the aperture shape of the diaphragm is a two-stage diaphragm.
FIG. 17 is a perspective view showing a configuration of an imaging optical system according to the present invention in which a turret provided with a plurality of fixed-shape brightness stops having different shapes and transmittances is disposed.
FIG. 18 is a front view showing another turret replacing the turret shown in FIG. 17;
FIG. 19 is a diagram showing another turret-shaped light amount adjustment filter that can be used in the present invention.
FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a filter that suppresses unevenness in the amount of light.
FIG. 21 is a rear view and a front view showing an example of a rotary focal plane shutter.
22 is a diagram illustrating a state in which a rotary shutter curtain of the shutter in FIG. 21 rotates.
FIG. 23 is an explanatory diagram of the operation of interlaced CCD imaging.
FIG. 24 is a diagram illustrating the operation of progressive CCD imaging.
FIG. 25 is a front perspective view showing the external appearance of a digital camera incorporating the imaging optical system according to the present invention.
26 is a rear perspective view of the digital camera of FIG. 25. FIG.
27 is a cross-sectional view of the digital camera of FIG. 25. FIG.
FIG. 28 is a front perspective view in which a cover of a personal computer in which the imaging optical system according to the present invention is incorporated as an objective optical system is opened.
FIG. 29 is a cross-sectional view of a photographing optical system of a personal computer.
30 is a side view of the state of FIG. 28. FIG.
FIG. 31 is a front view, a side view, and a sectional view of a photographing optical system of a mobile phone in which the imaging optical system according to the present invention is incorporated as an objective optical system.
[Explanation of symbols]
S ... Brightness stop
L1 ... 1st positive lens
L2 ... Second negative lens
L3 ... Third positive lens
CG ... Cover glass
I: Image plane
FS ... Flare aperture
OP ... Optical axis
Da ... Aperture plate
Xa, Xb ... opening
Pa to Pf: photosensitive part
Va to Vf: Vertical transfer unit
Ha, Hb ... Horizontal transfer section
E ... Observer eyeball
1A, 1B, 1C, 1D, 1E ... Opening
1A ', 1B', 1C ', 1D', 1E '... opening
1A ", 1B", 1C ", 1D" ... opening
10 ... Turret
10 '... Turret
10 "... Turret
11 ... Rotating shaft
15 ... Shutter substrate
16 ... opening
17 ... Rotary shutter curtain
18 ... Rotating shaft
19, 20 ... Gear
40 ... Digital camera
41. Photography optical system
42. Optical path for photographing
43. Viewfinder optical system
44. Optical path for viewfinder
45 ... Shutter
46 ... Flash
47 ... LCD monitor
49 ... CCD
50. Cover member
51. Processing means
52. Recording means
53. Objective optical system for viewfinder
55 ... Porro prism
57 ... View frame
59 ... Eyepiece optical system
112 ... Objective lens
113 ... Mirror frame
114 ... cover glass
160: Imaging unit
162. Image sensor chip
166 ... Terminal
300 ... PC
301 ... Keyboard
302 ... Monitor
303 ... Shooting optical system
304: Optical path for photographing
305 ... Image
400 ... mobile phone
401: Microphone unit
402: Speaker unit
403 ... Input dial
404 ... Monitor
405 ... Shooting optical system
406 ... Antenna
407: Photography optical path
Claims (4)
−0. 6<f2 /Ih<−0. 25 ・・・(3−1)
ただし、f2 は第2負レンズの焦点距離、Ihは最大像高である。In order from the object side, the imaging optical system is composed of three lenses: an aperture stop, a first positive meniscus lens having a convex surface facing the image side, a biconcave second negative lens, and a third positive lens. An imaging optical system characterized by satisfying the following conditional expression:
−0.6 <f 2 /Ih<−0.25 (3−1)
Here, f 2 is the focal length of the second negative lens, and Ih is the maximum image height.
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