JP4431487B2 - 撮像レンズおよびこれを備えた撮像モジュール - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子等、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device:電荷結合素子)型イメージセンサ、Ｃ−ＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型イメージセンサの光学系に適した２枚構成の撮像レンズおよびこれを備えた撮像モジュールに関する。

近年、固体撮像素子として、ＣＣＤ型イメージセンサやＣ−ＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像素子を使用した各種撮像装置が広く普及している。ＣＣＤ型イメージセンサには、ＣＣＤ製造技術の発展によって、１画素の大きさが小さくなるとともに画素数が１００万から２００万のオーダーに達する高密度なＣＣＤが用いられるようになっている。このような高密度のＣＣＤを用いたＣＣＤ型イメージセンサを搭載するカメラ用の撮像レンズには、高解像度で高性能なものが要望されている。

一方、このようなＣＣＤ型イメージセンサやＣ−ＭＯＳ型イメージセンサを用いた撮像装置は、携帯電話やパーソナルコンピュータ等にも搭載されるようになってきている。携帯電話やパーソナルコンピュータ等の小型化または機能の増加による高密度化に伴って、搭載される撮像装置の小型化、ひいては、撮像装置に搭載される撮像レンズの小型化への要望が高まっている。

これらの要望に応える可能性がある撮像レンズとしては、例えば、特許文献１に記載された撮像レンズが考えられる。この撮像レンズは、２群２枚構成で、絞りが第１レンズの物体側に配置されたフロントシャッタータイプの撮像レンズである。
特開２００４−１０９５９１号公報

しかしながら、特許文献１で提案されている撮像レンズは、歪曲収差が大きく、また、撮像レンズの全長（撮像レンズ全系の最も物体側の面から像側焦点までの距離。但し、最も物体側に開口絞りが配置される撮像レンズにおいては、開口絞りから像側焦点までの距離。）を短くして小型化するには向いていなかった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、より小型化されながらも、諸収差が良好に補正され光学性能が向上した２枚構成の撮像レンズおよびこれを備えた撮像モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る撮像レンズは、物体側から順に、絞りと、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力を有する第１レンズと、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有する第２レンズとが配置され、
下記条件式(１)乃至(７)を満足することを特徴とする。
０．８＜｜ｆ１／ｆ｜＜１・・・・・（１）
−５＜ｆ２／ｆ＜−３ ・・・・・（２）
０．２＜Ｄ１／ｆ＜０．４・・・・・（３）
−０．６＜(Ｒ２−Ｒ３)／(Ｒ２＋Ｒ３)＜−０．３・・・・・（４）
０．２＜Ｄ３／ｆ＜０．４・・・・・（５）
５０＜ν１・・・・・（６）
ν２＜４０・・・・・（７）
但し、ｆ：撮像レンズ全系の焦点距離、ｆ１：第１レンズの焦点距離、ｆ２：第２レンズの焦点距離、Ｄ１：第１レンズの光軸上の厚さ、Ｄ３：第２レンズの光軸上の厚さ、Ｒ２：第１レンズの像面側の面の曲率半径、Ｒ３：第２レンズの物体側の面の曲率半径、ν１：第１レンズのアッベ数、ν２：第２レンズのアッベ数である。

また、前記第１レンズおよび前記第２レンズのいずれもが、少なくとも一方の面に非球面を有するようにしてもよい。

また、前記第１レンズおよび前記第２レンズは、いずれもプラスチック材料から構成されるようにしてもよい。

また、下記条件式(８)を満足するようにしてもよい。
１０度＜αi＜４０度・・・・・（８）
但し、αiは、最大像高における主光線の像面への入射角度である。

また、本発明の第２の観点に係る撮像モジュールは、前記撮像レンズを備えたことを特徴とする。

また、前記第１レンズの物体側に、前記撮像レンズに入射する光量を制御可能なセクタが配置されるようにしてもよい。

本発明によれば、少ない枚数で簡易なレンズ構成でありながら高性能を達成し、コンパクト化された撮像レンズおよびこれを備えた撮像モジュールを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る撮像レンズ２０およびこの撮像レンズ２０を備えた撮像モジュール１について、以下図面を参照して説明する。なお、本発明の実施の形態に係る撮像モジュール１の構成例を示した図１〜図３において、Ｒｉ（ｉ＝１〜６）は、物体側より順に第ｉ番目のレンズ等の近軸曲率半径を表し、Ｄｋ（ｋ＝１〜６）は、物体側より順に第ｋ番目の光軸Ｘ上のレンズ等の肉厚またはレンズ等の間の空気間隔を表している。

撮像モジュール１は、図１〜図３に示すように、レンズ１０と、絞りＳと、シャッタ１３と、平行平板ガラス１４と、固体撮像素子１５とをケース（図示せず）内に備えている。また、レンズ１０および絞りＳにより撮像レンズ２０を構成している。

被写体の光学画像を集光するレンズ１０は、物体側から順に、光軸Ｘに沿って、物体側に凸面を向けたメニスカス形状である正の屈折力を有する第１レンズ１１と、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有する第２レンズ１２とが配置された構成をとっている。図７に第２レンズ１２の拡大図を示す。第２レンズ１２は、光軸周辺では、物体側に凸面を形成しているが、光軸から離れ外周部に近づくと凹面になる形状となっている。つまり、光軸周辺では曲率半径がプラスで外周部にいくにつれて曲率半径がマイナスとなる形状となっている。

レンズ１０では、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正の屈折力を有する第１レンズ１１と、負の屈折力を有する物体側に凸面を向けた第２レンズ１２とを配置することで、いわゆるテレフォトタイプに近い構成を採るようにしている。これにより、撮像レンズ２０全長の短縮化を図ることができる。

また、レンズ１０を２枚のレンズで構成することにより、撮像レンズ２０全体の小型化を優先しつつ性能も良好にすることができる。レンズ枚数を３枚以上にすれば、小型化の実現が困難となり、レンズ枚数を１枚にすれば、像面湾曲を小さくすることが難しくなり、レンズの周辺性能が劣化してしまう。

絞りＳは、固体撮像素子１５の像面に達する被写体光量を調整するものである。絞りＳは、レンズ１０よりも物体側に配置されている。すなわち、物体側から順に、絞りＳ、第１レンズ１１および第２レンズ１２と配置されている。このように第１レンズ１１の物体側である最も物体側に絞りＳを配置することにより、固体撮像素子１５の結像面(像面)から射出瞳位置までの距離を長くとることができる。射出瞳が像面から遠くなると、レンズ１０の最終面(第２レンズ１２の像面側の面)を射出した光束の主光線が固体撮像素子１５の像面に垂直に近い角度で入射するようになるテレセントリック特性を良好に確保することができ、画面周辺部において光量が減少するシェーディング現象を軽減することができる。

シャッタ１３は、開口１３１を有するシャッタ基板１３２と不図示のアクチュエータにより開口１３１を開閉するように進退可能なセクタ１３３とを有している。セクタ１３３を進退させて開口１３１の開口度を調整することにより、撮像レンズ２０に入射する光量を制御することができる。シャッタ１３は、第１レンズ１１の物体側（絞りＳの物体側）に配置されている。このように第１レンズ１１の物体側にシャッタ１３を配置する構成とすれば、撮像レンズ２０系全体とシャッタ１３の機構とを別々に構成することができるので、撮像モジュール１の組み立てが容易になるとともに、撮像モジュール１をより小型に構成することができる。

平行平板ガラス１４は、フィルタやガラスブロックに相当するものである。平行平板ガラス１４は、第２レンズ１２の像面側に配置されている。固体撮像素子１５は、撮像レンズ２０により結像された被写体像を撮像して電気信号に変換するものである。固体撮像素子１５は、例えばＣＣＤ型イメージセンサ、ＣＭＯＳ型イメージセンサ等により構成される。固体撮像素子１５は、図示しない基板に電気的に接続されるとともに保持される。

レンズ１０を構成する第１レンズ１１および第２レンズ１２について、少なくともいずれか一方の面(物体側か像面側か少なくともいずれか一方の面)が非球面により構成されることが望ましい。正の屈折力を有する第１レンズ１１に非球面を用いると、球面収差、コマ収差の補正が行われる。負の屈折力を有する第２レンズ１２に非球面を用いて、かつ、第１レンズ１１と第２レンズ１２の空気間隔Ｄ２を適切な間隔にすることにより、軸上光線と周辺光線で通過高さに差が生じることを利用し、光軸Ｘから離れた画面周辺部の諸収差(コマ収差、非点収差、および、歪曲周差)の補正を行うことができる。

また、撮像レンズ２０は、下記(１)〜(７)の条件式を満足する構成にしてもよい。

０．８＜｜ｆ１／ｆ｜＜１・・・・・（１）
−５＜ｆ２／ｆ＜−３ ・・・・・（２）
０．２＜Ｄ１／ｆ＜０．４・・・・・（３）
−０．６＜(Ｒ２−Ｒ３)／(Ｒ２＋Ｒ３)＜−０．３・・・・・（４）
０．２＜Ｄ３／ｆ＜０．４・・・・・（５）
５０＜ν１・・・・・（６）
ν２＜４０・・・・・（７）
但し、
ｆ：撮像レンズ２０全系の焦点距離
ｆ１：第１レンズ１１の焦点距離
ｆ２：第２レンズ１２の焦点距離
Ｄ１：第１レンズ１１の光軸Ｘ上の厚さ
Ｄ３：第２レンズ１２の光軸Ｘ上の厚さ
Ｒ２：第１レンズ１１の像面側の面の曲率半径
Ｒ３：第２レンズ１２の物体側の面の曲率半径
ν１：第１レンズ１１のアッベ数
ν２：第２レンズ１２のアッベ数
である。

条件式(１)，(２)は、少ない枚数で構成された撮像レンズ２０において、良好な光学特性を得るための最適な屈折力配分を規定する。
条件式(１)は、第１レンズ１１の屈折力（パワー）を規定する式である。条件式(１)の上限を上回ると、下光線のコマ収差が大きくなり、下限を下回ると、上光線のコマ収差が大きくなる。

条件式(２)は、第２レンズ１２のパワーを規定する式である。条件式(２)の上限を上回ると、第２レンズ１２の負の屈折力が弱くなり、全体のペッツバール和が正に大きくなる。また、像面への入射角がきつくなりすぎてしまう。条件式(２)の下限を下回ると、まず、凸レンズのパワーが強くなりすぎるので、撮像レンズ２０の全長が長くなってしまう。また、第１レンズ１１と第２レンズ１２でバランスをとっていた球面収差およびコマ収差が大きくずれるために、好ましくない。さらには、倍率の色収差およびディストーションが、補正過剰もしくは補正不足になり、周辺性能が悪くなる。

条件式(３)，(５)は、第１レンズ１１および第２レンズ１２について、それぞれ球面収差、コマ収差等の諸収差をバランスよく保つための条件式である。条件式(３)，(５)の上限を上回ると、軸上収差と軸外収差の収差補正のバランスがくずれ、軸外収差の補正が良好にできなくなる。特に倍率の色収差が悪化するので好ましくない。一方、条件式(３)，(５)の下限を下回ると、周辺光束の光線高が低くなり、非点収差が補正不足になり、また、コマ収差のバランスが崩れるため周辺性能が悪くなる。

条件式(４)は、第１レンズ１１の像面側の面形状と第２レンズ１２の物体側の面形状に関する条件式である。条件式(４)の上限を上回ると、撮像レンズ２０のバックフォーカスを確保できなくなる。条件式(４)の下限を下回ると、像面側でのテレセントリック特性の確保が難しくなる。

条件式(６)，(７)は、それぞれ第１レンズ１１および第２レンズ１２での色収差補正の条件式である。条件式(６)，(７)を満足するような別々のアッベ数のレンズで第１レンズ１１および第２レンズ１２をそれぞれ構成したほうが、軸上の色収差および倍率の色収差が良好に補正されるので好ましい。

また、レンズ１０を構成する第１レンズ１１および第２レンズ１２は、プラスチック材料から構成することが好ましい。プラスチック材料から構成するレンズ１０には、プラスチック材料の表面に反射防止や表面硬度向上を目的としたコーティング処理を施したものも含まれる。レンズ１０は微小レンズであり、微小レンズの生産では、ガラス材料よりも、プラスチック材料のほうが、射出成形等の製造方法を用いることができ、量産に向いている。また、小径レンズを製造できるレンズとしてガラスモールドレンズが考えられるが、プラスチックレンズのほうが製造コストを抑えた大量生産に向いている。

また、撮像レンズ２０は、次式(８)を満足するように構成してもよい。

１０度＜αi＜４０度・・・・・（８）
但し、αiは、最大像高における主光線の像面への入射角度である。

条件式(８)は、最大像高における主光線の像面への入射角度αiを規制するための式である。条件式(８)の上限を上回ると、固体撮像素子１５にＣＣＤ型イメージセンサ等を用いた場合に、結像光学系から射出された軸外光束が像面に対して大きな角度で入射してしまい、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、条件式(８)の下限を下回ると、光学系の全長が長くなってしまう。

このように本実施の形態の撮像レンズ及びこれを備えた撮像モジュールでは、第１レンズ１１、第２レンズ１２、絞りＳ、シャッタ１３、固体撮像素子１５等を様々な適切な条件で構成するようにしたので、２枚という少ない枚数で簡易なレンズ構成でありながら、高性能を達成し、かつ、小型化することができる。

また、本実施の形態では、絞りＳから固体撮像素子１５の像面までの距離（高さ）をほぼ４ｍｍ以下に短く抑えることができるので、小型化、軽量化及び、高画質の撮像が可能な携帯端末等のモバイル機器を実現することが可能である。

以下に、本発明を実施した撮像レンズ２０およびこれを備えた撮像モジュール１の構成について、コンストラクションデータ、収差図を挙げて更に具体的に説明する。なお、撮像レンズ２０および撮像モジュール１の構成は本実施例に限定されるものではない。ここで、各実施例に用いられる記号で、上記実施の形態で説明していない記号は、下記の通りである。
Ｆ：Ｆナンバー
ＴＬ：撮像レンズ２０の全長
Ｎｄ：各レンズ等のｄ線での屈折率
νｄ：各レンズ等のｄ線でのアッベ数

また、各実施例において、非球面の形状は、面の頂点を原点とし光軸方向をＸ軸とした直交座標系において、以下の非球面式(９)で表される。
Ｚ＝Ｃ×ｈ^２／｛１＋（１−Ｋ×Ｃ^２×ｈ^２）^１／２｝＋Ａ_４ｈ^４＋Ａ_６ｈ^６＋Ａ_８ｈ^８＋Ａ_１０ｈ^１０＋・・・＋Ａ_２ｎｈ^２ｎ ・・・・・（９）
ここで、
Ｚ：光軸Ｘから高さｈの非球面上の点より非球面頂点の接平面(光軸Ｘに垂直な平面)に下ろした垂線の長さ
Ｃ：非球面の近軸曲率半径Ｒの逆数
ｈ：光軸Ｘからの高さ
Ｋ：離心率
ｎ：２以上の自然数
Ａ_４，Ａ_６，Ａ_８，Ａ_１０，…，Ａ_２ｎ：第４，６，８，１０，…，２ｎ次の非球面係数

上記実施の形態で図１〜図３に示した撮像レンズ２０および撮像モジュール１の構成例が、実施例１〜３に係る撮像レンズ２０および撮像モジュール１の構成例にそれぞれ対応している。

（実施例１）
表１は、実施例１のコンストラクションデータを示している。

図４は、表１に示した実施例１に係る撮像レンズ２０の収差性能（球面収差、非点収差、歪曲収差）を示す。なお、球面収差図、非点収差図では、ｄ線、Ｆ線に対する収差を表す。

図４より、実施例１に係る撮像レンズ２０が良好な光学性能を有していることがわかる。

また、後述するように、本実施例は上記条件式（１）〜（７）を満足する。

（実施例２）
表２は、実施例２のコンストラクションデータを示している。

図５は、表２に示した実施例２に係る撮像レンズ２０の収差性能（球面収差、非点収差、歪曲収差）を示す。なお、球面収差図、非点収差図では、ｄ線、Ｆ線に対する収差を表す。

図５より、実施例２に係る撮像レンズ２０が良好な光学性能を有していることがわかる。

また、後述するように、本実施例は上記条件式（１）〜（７）を満足する。

（実施例３）
表３は、実施例３のコンストラクションデータを示している。

図６は、表３に示した実施例３に係る撮像レンズ２０の収差性能（球面収差、非点収差、歪曲収差）を示す。なお、球面収差図、非点収差図では、ｄ線、Ｆ線に対する収差を表す。

図６より、実施例３に係る撮像レンズ２０が良好な光学性能を有していることがわかる。

また、後述するように、本実施例は上記条件式（１）〜（７）を満足する。

表４は、上記各実施例１〜３の撮像レンズ２０における上記条件式（１）〜（７）に対応する値を示したものである。

各実施例１〜３は、上記条件式（１）〜（７）について、すべて満足している。

以上、実施の形態および各実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および各実施例に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態および各実施例では、平行平板ガラス１４を設ける例について説明したが、平行平板ガラス１４を必ずしも設ける必要はない。また、上記実施の形態および各実施例では、シャッタ１３と絞りＳとを別に設ける例について説明したが、シャッタ１３の開口１３１を絞りＳの開口と同径にし、開口１３１を絞りとしてもよい。この場合、絞りＳが設けられていた位置にシャッタ基板１３２を設ける。またシャッタ１３には、撮像レンズ２０に入射する光量を制御するための絞りＳよりも小径の小絞り開口を形成したり、または、ＮＤフィルタ等で光量を減少する小絞り機能を持たせてもよい。また、シャッタ１３ではなくレンズバリアを設けてもよい。

なお、上記各実施例で挙げたデータは例示にすぎず、本発明の要件を満たすものであれば他の値をとりうる。

本発明の実施の形態に係る撮像レンズ及びこの撮像レンズを備えた撮像モジュールの構成図であり、実施例１に係る撮像レンズ及びこの撮像レンズを備えた撮像モジュールの構成図である。 本発明の実施の形態に係る撮像レンズ及びこの撮像レンズを備えた撮像モジュールの構成図であり、実施例２に係る撮像レンズ及びこの撮像レンズを備えた撮像モジュールの構成図である。 本発明の実施の形態に係る撮像レンズ及びこの撮像レンズを備えた撮像モジュールの構成図であり、実施例３に係る撮像レンズ及びこの撮像レンズを備えた撮像モジュールの構成図である。 実施例１に係る撮像レンズの収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）である。 実施例２に係る撮像レンズの収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）である。 実施例３に係る撮像レンズの収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）である。 第２レンズの光軸付近の拡大図である。

１ 撮像モジュール
１０ レンズ
１１ 第１レンズ
１２ 第２レンズ
Ｓ 絞り
２０ 撮像レンズ
１３ シャッタ
１３３ セクタ
１４ 平行平板ガラス
１５ 固体撮像素子

Claims (6)

1. 物体側から順に、絞りと、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力を有する第１レンズと、物体側に凸面を向けた負の屈折力を有する第２レンズとが配置され、
   下記条件式(１)乃至(７)を満足することを特徴とする撮像レンズ。
   ０．８＜｜ｆ１／ｆ｜＜１・・・・・（１）
   −５＜ｆ２／ｆ＜−３ ・・・・・（２）
   ０．２＜Ｄ１／ｆ＜０．４・・・・・（３）
   −０．６＜(Ｒ２−Ｒ３)／(Ｒ２＋Ｒ３)＜−０．３・・・・・（４）
   ０．２＜Ｄ３／ｆ＜０．４・・・・・（５）
   ５０＜ν１・・・・・（６）
   ν２＜４０・・・・・（７）
   但し、ｆ：撮像レンズ全系の焦点距離、ｆ１：第１レンズの焦点距離、ｆ２：第２レンズの焦点距離、Ｄ１：第１レンズの光軸上の厚さ、Ｄ３：第２レンズの光軸上の厚さ、Ｒ２：第１レンズの像面側の面の曲率半径、Ｒ３：第２レンズの物体側の面の曲率半径、ν１：第１レンズのアッベ数、ν２：第２レンズのアッベ数である。
2. 前記第１レンズおよび前記第２レンズのいずれもが、少なくとも一方の面に非球面を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。
3. 前記第１レンズおよび前記第２レンズは、いずれもプラスチック材料から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像レンズ。
4. 下記条件式(８)を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
   １０度＜αi＜４０度・・・・・（８）
   但し、αiは、最大像高における主光線の像面への入射角度である。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載された撮像レンズを備えたことを特徴とする撮像モジュール。
6. 前記第１レンズの物体側に、前記撮像レンズに入射する光量を制御可能なセクタが配置されたことを特徴とする請求項５に記載の撮像モジュール。
   

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