JP4501065B2 - レンズ装置 - Google Patents

Description

本発明は、主にデジタルカメラのような小型撮像装置などに用いられる小型高性能の光学系レンズ群であって、セラミックスレンズを用いた組合せレンズに関するものである。

今日、二次元ＣＣＤなどの撮像素子を用いたカメラや画像読取装置などの小型撮像装置が種々用いられている。
そして近年、デジタルスチルカメラなどの光学機器では、小型高性能のズームレンズが使用されるようになっている。
この光学機器のズームレンズなどの組合せレンズでは、コンパクトで高解像度が要求されている。

このため、本件出願人は、ズームレンズを構成するレンズ枚数の少ない安価な組合せレンズであって、小型で高機能を有するデジタルスチルカメラ用ズームレンズとしての組合せ条件を特定する発明の出願（例えば特許文献１）を既に行った。
また、今日、透光性セラミックスが開発され、この透光性セラミックスは光学ガラスよりも高い屈折率を有し、硬度や曲げ強度の値も光学ガラスよりも高い数値であるため、光学系の小型化及び薄型化に適したレンズが製作され、使用されるようになってきた。
特開２００３−０５７５４２

前述のように、二次元ＣＣＤなどの撮像素子を用いた撮像装置は、小型軽量にして、画質も良好であり、解像度も高く、高品質の撮像装置とされているも、ＣＣＤの表面で結像光が反射することにより、撮像素子に入射された光の内の一部が反射され、この撮像素子からの反射光が撮像素子の前方に設けたレンズに後方から迷光として入射され、この迷光がレンズの表面で反射されて撮像素子に再度入射されることがある。

そして、小型の撮像装置では、撮像素子とレンズとの距離も小さく、この迷光により画像にゴーストを生じさせることが有った。
また、透光性セラミックスは、屈折率が高く、硬度や曲げ強度も大きいため、レンズとして使用すれば光学機器の光学系を小型化するには最適である。

しかし、この透光性セラミックスは、屈折率が大きく、光学ガラスの屈折率が１．５から１．８程度であり、その反射率が４パーセントから８パーセント程度であるのに対し、セラミックスレンズとして屈折率が２．０８の透光性セラミックスを用いた場合、反射率が約１２パーセントと光学ガラスの反射率よりも極めて大きくなり、ＣＣＤからの反射光などをレンズで反射し、迷光としてＣＣＤに戻すことがあり、ゴーストなどへの影響が大きくなる問題があった。

本発明は、このような高屈折率のセラミックスレンズを使用しつつ、セラミックスレンズの表面反射によるゴーストの発生を効率的に防止するものである。

本発明は、撮像素子の前方に配置され、ガラスレンズと貼り合わされたセラミックスレンズを少なくとも１枚以上含むレンズ群であり、物体側から入射されてレンズ群を通過して撮像素子の撮像面で反射した迷光がセラミックスレンズとガラスレンズとの貼り合わせ面で更に反射された場合に拡散光となるようなレンズ構成のレンズ群とし、前記セラミックスレンズは前記ガラスレンズにおける前記撮像素子側の面に貼り合わされており、前記ガラスレンズは前方を凸面とした凸メニスカス形状であり、前記セラミックスレンズは凹メニスカス形状であることを特徴とする。
このような構成により、撮像素子の表面で反射された迷光をこの貼り合わせ面で反射したとき、この反射光を拡散させる状態でＣＣＤに戻すことができる。

なお、セラミックスレンズの貼り合わせ面でない面は、無反射コート又は減反射コートしておくものである。
このように、セラミックスレンズをガラスレンズと貼り合せない面には無反射コート又は減反射コートしておくことにより、セラミックスレンズ表面での撮像素子からの迷光などに対する反射率を極めて小さくすることができる。

本発明に係るレンズ装置は、撮像素子の表面反射による迷光が貼り合わせ面で反射されたとき、拡散光として撮像素子に戻すことができるため、撮像素子に入射される迷光の照度を低くすることができ、セラミックスレンズとガラスレンズとの貼り合わせ面は、ガラスレンズとの接着剤の屈折率によってセラミックスレンズの屈折率が大きくても反射率を低減させるため、この貼り合わせ面で反射された迷光によるゴーストの発生を抑制することができる。

このため、セラミックスレンズ表面の反射防止処理を省略してゴーストの発生を防止することができる。
また、張り合わせ面でない面は、無反射コート又は減反射コートを施して表面反射率を極めて小さくし、撮像素子に戻る迷光を極めて少なくすることによりゴーストの発生を防止できる。

本発明に係るレンズ装置は、ＣＣＤカメラ用ズームレンズの撮影レンズとして全体で凸レンズ作用を有するレンズ群とするものである。
このレンズ装置は、２枚の単レンズによる凹レンズ作用を有する第１レンズ群と組み合せてズームレンズとされるものであって、４枚のレンズにより形成される撮影レンズとしてのレンズ装置であり、該レンズ装置と対物レンズとしての第１レンズ群とを合せて撮像素子に像面を形成するものである。

即ち、６枚のレンズを使用するＣＣＤカメラ用ズームレンズの内の凸レンズ作用を有する第２レンズ群としてのレンズ装置であって、図１に示すように、撮影対象の像が結像する撮像面Ｋの位置に設ける二次元ＣＣＤの前方に凹レンズ作用を有する第１レンズ群としての第１レンズＬ1及び第２レンズＬ2が配置されており、この第１レンズ群の後方に配置するレンズ装置である。

このレンズ装置は、凸レンズ作用を有するズームレンズの撮影レンズとする第２レンズ群であり、第３レンズＬ3乃至第６レンズＬ6の４枚のレンズで構成され、第２レンズ群における３枚目の第５レンズＬ5を透光性セラミックスを硝材として製造されたセラミックスレンズとしているものである。

そして、このズームレンズでは、第１レンズＬ1を前方が凸面の凹メニスカスレンズ、第２レンズＬ2を前方が凸面の凸メニスカスレンズとして第１レンズ群全体で負の屈折力を持つ凹レンズとしている。また、第３レンズＬ3は前方を曲率半径の小さな面とした凸レンズ、第４レンズＬ4は前方を凸面とした凸メニスカスレンズ、第５レンズＬ5は第４レンズＬ4と接合状態で使用する凹メニスカスレンズとし、第６レンズＬ6は前方を曲率半径の大きい面とした凸レンズとして第２レンズ群全体で正の屈折力を持つ凸レンズとしているものである。

さらに、このズームレンズでは、光軸方向の寸法に関し、第１レンズ群と第２レンズ群の全長の合計をＴＬとし、広角端におけるレンズ全系の合成焦点距離をｆｗ、第２レンズ群の合成焦点距離をｆ11としたとき、
ＴＬ／ｆｗ ＜ 1．9 （１）
とすると共に、
０．６ ＜ ｆｗ／ｆ11 ＜ ０．７７ （２）
とし、（１）を満足することで小型のズームレンズを実現すると共に、（２）を満足することでこのズームレンズの解像度が高く、且つ、収差を小さくする条件の達成を可能としている。

そして、第２レンズ群において、レンズの肉厚が最も薄くすることのできる第５レンズＬ5をセラミックスレンズとしている。
このセラミックスレンズである第５レンズＬ5は、前述のように、前方を凸面とする凹メニスカスレンズであるため、前方屈折面及び後方屈折面を共に前方へ突出させる曲面であり、この第５レンズＬ5の材質である透光性セラミックスは、屈折率が大きいため、本来の反射率は約１２パーセントと大きな反射率を有し、迷光によりゴーストを生じさせる危険性を有するものである。

このため、この実施の形態では、第５レンズＬ5の後面のみ反射防止処理を行って反射率を極めて小さくし、また、前面は、第４レンズＬ4と密着させた複合レンズとして前方の屈折面における反射率を約２パーセントと６分の１程度に低減させたものである。
更に、この第２レンズ群である組合せレンズとしたレンズ装置は、全体で凸レンズの作用を有するものであるも、諸収差を低減させるため、正の屈折力を有する凸レンズである第３レンズＬ3、正の屈折力を有する凸メニスカスレンズである第４レンズＬ4、負の屈折力を有する第５レンズＬ5、小さな正の屈折力を有する凸レンズである第６レンズＬ6を用いており、撮像面からの迷光が第５レンズＬ5の前方屈折面で後方に反射されても、この反射光が第６レンズＬ6を通過して撮像面に戻るとき、拡散光とされて撮像面への入射光量を減少させることによりゴーストの発生を防止しているものである。

即ち、セラッミクスレンズとガラスレンズとの貼り合わせ面における迷光の反射に関しては、図２に示すように、撮像面Ｋの中心点Ａから射出された光や周辺近傍点Ｂ又は周辺点Ｃなどの各点から出た迷光が、第６レンズＬ6で僅かに集光作用を受けるも、第５レンズＬ5の後面52から第５レンズＬ5に入射されたときに拡散作用を受け、第５レンズＬ5の前面51で反射されたとき、僅かに集光作用を受けるも、第５レンズＬ5の後面52から射出されるとき、再度、拡散作用を受け、第６レンズＬ6を通過して撮像面Ｋに戻る光は第５レンズＬ5の前面51よりも前方の共役面Ｋ'から発せられた拡散光として撮像面Ｋに戻るものである。

このように、第５レンズＬ5の前面51を第４レンズＬ4と接合して第５レンズＬ5の前方屈折面での反射率を低減すると共に、反射面よりも前方に撮像素子表面の共役面Ｋ'を形成することにより、撮像面Ｋから発射されて撮像面Ｋに戻る迷光を拡散光として撮像素子に入射される迷光を分散させ、反射防止処理を省きつつゴーストの発生を防止することができた。
なお、第５レンズＬ5のガラスレンズと接合されない後面は、反射防止コート処理を行って反射光を殆ど無くし、反射光によるゴーストが発生しないようにしているものである。

ｆｗ：広角端におけるレンズ全系の合焦点距離
ｆ1：第１レンズの焦点距離
ν1：第１レンズのアッベ数
ν2：第２レンズのアッベ数
ｎ2：第２レンズのｄ線における屈折率
Ｒ2：第１レンズの後方面の曲率半径
とすると、

−１．１ ＜ ｆｗ／ｆ1 ＜ −０．８
１０ ＜ ν1−ν2
１．６６ ＜ ｎ2
１．１６ ＜ ｆｗ／Ｒ2 ＜ １．５１
として、負の屈折力を有する第１レンズ群への屈折力を適切に配分し、光学系全体が大型化することを防止するとともに諸収差のバランスを取り易くするものとし、

また、
ν3：第３レンズのアッベ数
ν4：第４レンズのアッベ数
ν5：第５レンズのアッベ数
ｎ3：第３レンズのｄ線における屈折率
ｎ4：第４レンズのｄ線における屈折率
ｆ3：第３レンズの焦点距離
Ｒ5：第３レンズの前方面の曲率半径
Ｒ9：第５レンズの後方面の曲率半径
とすると、

２９．７ ＜ （ν3＋ν4）／２ −ν5
１．４５ ＜ （ｎ3＋ｎ4）／２ ＜ １．７８
０．５ ＜ ｆｗ／ｆ3 ＜ ０．８５
０．８ ＜ ｆｗ／Ｒ5 ＜ １．４５
０．７５ ＜ Ｒ5／Ｒ9 ＜ １．４５
とすることにより、諸収差の少ない光学系とするものとした。

そして、第５レンズＬ5のセラミックスレンズは、ｄ線における屈折率ｎ5が２．０８１６５の透光性セラミックスを用いるものとし、他のガラスレンズである第１レンズＬ1乃至第４レンズＬ4及び第６レンズＬ6は、ｄ線における屈折率ｎが、ｎ１＝１．８００２５、ｎ2＝１．８４６６６、ｎ3＝１．５６９０７、ｎ4＝１．６２０４１、ｎ6＝１．６７４０７、である光学ガラスを用いることとした。
更に、第４レンズＬ4と第５レンズＬ5との接合に際しては、ｄ線における屈折率が１．５４の接着剤を使用した。

また、セラミックスレンズとする透光性セラミックスのアッベ数ν5は３０．２８８であり、他の第１レンズＬ1乃至第４レンズＬ4及び第６レンズＬ6には各アッベ数νが、ν1＝４０．８、ν2＝２７．７８５、ν3＝７１．３１５、ν4＝６０．３４４、ν6＝５５、である光学ガラスを用いた。
そして、第５レンズＬ5の後面は、反射防止コート処理を行ってｄ線における反射率を０．８パーセント以下とした。

なお、このズームレンズの具体的数値例を表１に示す。
表中のｆはレンズ全系の焦点距離、ＦNoはＦナンバー、２ωはレンズの全画角、ｂｆはバックフォーカスを表す。バックフォーカスｂｆは第２レンズ群を構成する第６レンズ後面から像面までの距離の空気換算距離である。また、Ｒは曲率半径、Ｄはレンズ厚またはレンズ間隔、ｎｄはｄ線の屈折率、νｄはｄ線のアッベ数を示す。

この結果、小型軽量にして、ゴーストを生じさせることのない高品質の画像を形成することのできるデジタルスチルカメラ用レンズとすることができた。

本発明によれば、セラミックスレンズを用いて小型で高品質画像を形成することのできるレンズ装置とすることができる。

本発明に係るレンズ装置を用いたズームレンズによる結像状態を示す模式図。 本発明に係るレンズ装置による迷光の反射状態を示す図。

Claims (2)

1. 撮像素子の前方に配置され、ガラスレンズと貼り合わされたセラミックスレンズを少なくとも１枚以上含むレンズ群であり、物体側から入射されて前記レンズ群を通過して前記撮像素子の撮像面で反射した迷光が前記セラミックスレンズと前記ガラスレンズとの貼り合わせ面で更に反射された場合に拡散光となるようなレンズ構成のレンズ群とし、
   前記セラミックスレンズは前記ガラスレンズにおける前記撮像素子側の面に貼り合わされており、前記ガラスレンズは前方を凸面とした凸メニスカス形状であり、前記セラミックスレンズは凹メニスカス形状であることを特徴とするレンズ装置。
2. 前記セラミックスレンズの貼り合わせ面でない面が無反射コート又は減反射コートされていることを特徴とする請求項１に記載したレンズ装置。

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