JP4760109B2 - 撮像レンズ、撮像装置及び携帯端末 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＣＤ型イメージセンサあるいはＣＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像素子を用いた、小型の撮像レンズ、撮像ユニット及びこれを備えた携帯端末に関するものである。

近年、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型イメージセンサあるいはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型イメージセンサ等の固体撮像素子を用いた撮像装置が小型化され、これら小型の撮像装置を備えた携帯電話等の携帯情報端末が普及している。

一方、これらの撮像装置に搭載される撮像レンズは、さらなる小型化のみならず、撮像素子の高画素化に伴って、より高性能化への要求が高まっている。

このような用途の撮像レンズとして、１枚あるいは２枚構成のレンズに比べ高性能化が可能で、小型化の障害とならないということで、物体側より順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の第１レンズ、像側に凸面を向けたメニスカス形状の正の第２レンズ、像側に凹面を向けた負の第３レンズからなる３枚構成の撮像レンズが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３２２７９２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されている撮像レンズは、像側に凹面を向けたメニスカス形状の負の第３レンズが用いられている。このため、第３レンズ周辺部は像側に張り出すことになり、後方に配置された基板等に接触しないようにすると、光軸上のレンズ面位置は撮像素子から大きく離間し、バックフォーカスを小さくすることができず、小型化には更なる改善の余地を残しており、収差補正も十分であるとは言えなかった。

本発明は上記問題に鑑み、より全長が短く、諸収差が良好に補正された、３枚構成の撮像レンズを提供することを目的とするものである。

より具体的には、下記の式を満たす、撮像レンズ全長が短く、レンズ外径も小型化でき、撮像装置全体の小型軽量化を行うことが可能な３枚構成の撮像レンズを提供することを目的とするものである。

Ｌ／ｆ＜１．３０ （６）
ただし、
Ｌ：撮像レンズ全系の最も物体側のレンズ面から像側焦点までの光軸上の距離
ｆ：撮像レンズ全系の焦点距離
ここで、像側焦点とは、撮像レンズに光軸と平行な平行光線が入射した場合の像点をいう。なお、撮像レンズの最も像側の面と像側焦点位置との間に、光学的ローパスフィルタ、赤外光カットフィルタ、撮像素子パッケージのシールガラス等の平行平板が配置される場合には、平行平板部分は空気換算距離としたうえで、上記Ｌの値を計算するものとする。

また、以下の式を満たすものであれば、より好ましい。

Ｌ／ｆ＜１．２０ （６）′

上記の目的は、以下の構成により解決される。

１） 固体撮像素子に被写体像を結像する撮像レンズであって、物体側より順に、正の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第１レンズと、開口絞りと、正の屈折力を有し像側に凸面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、負の屈折力を有し物体側に凹面を向けた第３レンズとからなり、下記の条件式を満足することを特徴とする撮像レンズ。

０．２０＜Ｒ₁／ｆ＜０．４０ （１）
−３．０＜（Ｒ₅＋Ｒ₆）／（Ｒ₅−Ｒ₆）＜０ （２）
ただし、
Ｒ₁：第１レンズ物体側面の曲率半径
ｆ：撮像レンズ全系の焦点距離
Ｒ₅：第３レンズ物体側面の曲率半径
Ｒ₆：第３レンズ像側面の曲率半径
上記条件式（１）、（２）のうち条件式（１）については、より狭めた下記条件式（１）'とすることが望ましい。
０．２３＜Ｒ ₁ ／ｆ＜０．３８ （１）'
２） 下記の条件式を満たす１）の撮像レンズ。

０．１＜Ｄ₁₂／ｆ＜０．３ （３）
ただし、
Ｄ₁₂：第１レンズと第２レンズの軸上の空気間隔
ｆ：撮像レンズ全系の焦点距離
３） 下記の条件式を満足する１）又は２）の撮像レンズ。

−５．０＜Ｐ_air／Ｐ＜−１．３ （４）
ただし、
Ｐ：撮像レンズ全系の屈折力
Ｐ_air：第１レンズの像側面（Ｒ₂）と第２レンズの物体側面（Ｒ₃）とにより形成されるいわゆる空気レンズの屈折力
Ｐ_airは、下記の（５）式による
Ｐ_air＝（１−ｎ₁）／Ｒ₂＋（ｎ₂−１）／Ｒ₃−｛（（１−ｎ₁）・（ｎ₂−１））／（Ｒ₂・Ｒ₃）｝・Ｄ₁₂ （５）
ただし、
ｎ₁：第１レンズのｄ線に対する屈折率
ｎ₂：第２レンズのｄ線に対する屈折率
Ｒ₂：第１レンズ像側面の曲率半径
Ｒ₃：第２レンズ物体側面の曲率半径
Ｄ₁₂：第１レンズと第２レンズの軸上の空気間隔
４） 前記第１レンズ、前記第２レンズ、及び前記第３レンズは、プラスチック材料から形成されている１）〜３）のいずれかの撮像レンズ。

５） 光電変換部を備えた固体撮像素子と、前記固体撮像素子の前記光電変換部に被写体像を結像させる撮像レンズと、前記固体撮像素子を保持すると共に電気信号の送受を行う外部接続用端子を有する基板と、物体側からの光入射用の開口部を有し遮光性部材からなる筐体と、が一体的に形成され、前記撮像レンズの光軸方向の高さが１０（ｍｍ）以下の撮像装置であって、
前記撮像レンズとして１）〜４）のいずれかの撮像レンズを備えた撮像装置。

６） ５）の撮像装置を備えた携帯端末。

上記１）の発明によれば、所謂テレフォトタイプのレンズ構成とし、収差補正に関しては、正の屈折力を第１レンズと第２レンズで分担しているので、球面収差やコマ収差の発生を抑えることができる。また、開口絞りが第１レンズと第２レンズの間に配置され、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状であるため、第１レンズと第２レンズの形状が絞りを挟んで対称的な形状となり、第１レンズおよび第２レンズで発生するコマ収差を良好に補正することができる。また、撮像レンズ全系の倍率色収差や歪曲収差の補正が容易な構成となる。

条件式（１）は、第１レンズ物体側面の曲率半径を適切に設定し撮像レンズ全長の短縮化と収差補正を適切に達成するための条件式である。

図１５は、撮像レンズの全長について示す概念図である。

同図に示すように、第１レンズと第２レンズを合成し１枚の薄肉正レンズ（合成焦点距離をｆ₁₂とする）、第３レンズを１枚の薄肉負レンズ（焦点距離をｆ₃とする）とし、間隔Ｄ隔てて配置したレンズ系であると仮定し、バックフォーカスをｆＢとすると、レンズ全長Ｌは以下の式で与えられる。

Ｌ＝ｆＢ＋Ｄ＝ｆ（１−Ｄ／ｆ₁₂）＋Ｄ
＝ｆ−（（ｆ／ｆ₁₂）−１）Ｄ （７）
式（７）より、全系の焦点距離ｆと第１レンズと第２レンズの合成焦点距離ｆ₁₂を一定であるとすると、第１レンズと第２レンズの合成レンズと第３レンズの間隔Ｄを大きくすると、撮像レンズ全長は短くなる。即ち、第１レンズと第２レンズの合成主点をより物体側に配置するようにすることで、言い換えると第１レンズ物体側面の屈折力を比較的強く設定することで、撮像レンズ全長を短くすることが可能となる。

即ち、条件式（１）の値、より望ましくは条件式（１）'の値が上限を下回ることで、第１レンズ物体側面の屈折力を適度に維持することができ、第１レンズと第２レンズの合成主点をより物体側へ配置することができ、撮像レンズ全長を短くすることができる。一方、条件式（１）の値、より望ましくは条件式（１）'の値が下限を上回ることで、第１レンズ物体側面の屈折力が必要以上に大きくなりすぎず、第１レンズで発生する、高次の球面収差やコマ収差を小さく抑えることができる。

また、条件式（２）は、第３レンズの形状を適切に設定する条件である。条件式（２）に示す範囲において、第３レンズは物体側に凹面を向けた負の屈折力を有するメニスカス形状から、像側面に比べ物体側面の屈折力が大きいような両凹形状まで変化する。

更に上述の如く、全長を短くするためにはｆＢも短くする必要がでてくる。そこで、条件式（２）の上限を下回ることで、ｆＢを短くしながらも、第３レンズの像側面の最凸部と撮像面との間隔を適度に確保することができる。一方、下限を上回ることで、第３レンズの主点が像側へ行き過ぎることがなくなり、第３レンズを通過する軸上光線高さを適度に維持することができ、軸上色収差の補正に有利となる。また、条件式（２）は、下記の範囲とすることがより望ましい。

−２．５＜（Ｒ₅＋Ｒ₆）／（Ｒ₅−Ｒ₆）＜−１．０ （２）′
条件式（２）′の範囲では、第３レンズの像側面は平面もしくは像側に凸面を向けた凸面となり、上記の効果に加えて、撮像素子面からの微弱な反射光が第３レンズの像側面で表面反射しても発散し、不要なゴーストの発生を抑える効果も奏するようになる。

上記２）の発明の条件式（３）は、第１レンズと第２レンズの間隔を適切に設定しコマ収差や像面湾曲を良好に補正する条件である。上限を下回ることで、コマ収差や像面湾曲を良好に補正することができる。また、開口絞りと第１レンズおよび第２レンズとの距離が近くなるので第１レンズおよび第２レンズのレンズ外形が大きくならず撮像レンズの小型化に有利になる。一方、下限を上回ることで、開口絞りを挿入するための間隔を十分確保できる。また、条件式（３）は、下記の範囲とすることがより望ましい。

０．１２＜Ｄ₁₂／ｆ＜０．２ （３）′
上記３）の発明の条件式（４）は、第１レンズと第２レンズで形成される空気レンズの屈折力を適切にすることにより、像面補正およびレンズの加工性を良好にするための条件である。上限を下回れば空気レンズによる負の屈折力を維持できるためペッツバール和が大きくなりすぎず、像面を平坦にすることができる。一方、下限を上回ると空気レンズによる負の屈折力が強くなりすぎないので、絞りを挟む第２面と第３面の曲率半径が大きくでき、レンズの加工性がよくなる。さらに、軸外で第２面と第３面が離れるので、軸上間隔を大きくしなくても絞りを挿入するための空気間隔を十分に確保でき、撮像レンズの小型化に有利になる。また、条件式（４）は、下記の範囲とすることがより望ましい。

−３．０＜Ｐ_air／Ｐ＜−１．５ （４）′
また、近年では、撮像装置全体の小型化を目的とし、同画素数の固体撮像素子であっても、画素ピッチが小さく、結果として撮像面サイズが小さいものが開発されている。このような撮像面サイズの小さい固体撮像素子向けの撮像レンズは、全系の焦点距離を短くする必要があるため、各レンズの曲率半径や外径が非常に小さくなってしまうことになる。従って、工数の掛かる研磨加工により製造されるガラスレンズと比較して、上記４）の発明の、第１レンズ、第２レンズ及び第３レンズを、射出成形により製造されるプラスチックレンズで構成することにより、曲率半径や外径の小さなレンズであっても低コストで大量に生産することが可能となる。また、プラスチックレンズは成形温度、プレス温度を低くできることから、成形金型の損耗を抑える事ができ、その結果、成形金型の交換回数やメンテナンス回数を減少させることができ、よりコスト低減を図ることができる。

なお、本願における「プラスチック材料から形成されている」とは、プラスチック材料を母材として、その表面に反射防止や表面硬度向上を目的としてコーティング処理を行った場合を含むものとする。また、プラスチック材料の屈折率の温度変化を小さく抑えることを目的として、プラスチック材料中に無機微粒子を混合させた場合も含むものとする。

上記５）の発明によれば、より小型、特に光軸方向の全長が短く、高画質の撮像装置を得ることができる。

ここで「光入射用の開口部」とは、必ずしも孔等の空間を形成するものに限らず、物体側からの入射光を透過可能な領域が形成された部分も含むものである。

また、「撮像装置の撮像レンズ光軸方向の高さが１０（ｍｍ）以下」とは、固体撮像素子を保持すると共に、電気信号の送受を行うための接続用端子部が形成された基板と、撮像レンズと、撮像レンズを内包し、物体側からの光入射のための開口部を有する遮光性材料で形成された筐体を備えた撮像装置の光軸方向に沿った全長を意味するものである。従って、例えば、基板の表の面に筐体が設けられ、基板の背面に電子部品等が実装された場合にあっては、筐体の物体側となる先端部から、背面上で突出する電子部品の先端部までの距離が１０（ｍｍ）以下となることを意味している。

上記６）の発明によれば、より小型で高画質の画像を記録できる携帯端末を得ることができる。

即ち、本発明によれば、従来より小型でありながら諸収差が良好に補正されて高画質の画像が得られる３枚構成の撮像レンズと、これを備えた撮像装置及び携帯端末を得ることが可能となる。

以下、実施の形態により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本実施の形態に係る撮像装置５０の斜視図である。図２は、本実施の形態に係る撮像装置５０の撮像レンズの光軸に沿った断面を模式的に示した図である。

図１又は図２に示すように、撮像装置５０は光電変換部５１ａを有する固体撮像素子としてのＣＭＯＳ型撮像素子５１と、この撮像素子５１の光電変換部５１ａに被写体像を撮像する撮像レンズ１０と、物体側からの光入射用の開口部を有する遮光部材からなる鏡筒としての筐体５３と、撮像素子５１を保持する支持基板５２ａと、その電気信号の送受を行う外部接続用端子（外部接続端子とも称す）５４を有するフレキシブルプリント基板５２ｂとを備え、これらが一体的に形成されている。

図２に示すように、撮像素子５１はその受光側の面の中央部に画素（光電変換素子）が２次元的に配置された、受光部としての光電変換部５１ａが形成され、その周囲には信号処理回路５１ｂが形成されている。この信号処理回路５１ｂは、各画素を順次駆動し信号電荷を得る駆動回路部と、各信号電荷をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、このデジタル信号を用い画像信号出力を形成する信号処理部等から構成されている。

撮像素子５１の受光側の面の外縁近傍には、不図示の多数のパッドが設けられており、ボンディングワイヤＷを介して支持基板５２ａに接続されている。撮像素子５１は、光電変換部５１ａからの信号電荷をデジタルＹＵＶ信号等の画像信号に変換し、ボンディングワイヤＷを介して支持基板５２ａ上の所定の回路に出力する。Ｙは輝度信号、Ｕ（＝Ｒ−Ｙ）は赤と輝度信号との色差信号、Ｖ（＝Ｂ−Ｙ）は青と輝度信号との色差信号である。

なお、撮像素子は、上述のＣＭＯＳ型のイメージセンサに限るものでなく、ＣＣＤ等の他のものを適用したものでもよい。

基板５２は、その一方の面で撮像素子５１と筐体５３を支持する硬質の支持基板５２ａと支持基板５２ａの他方の面（撮像素子５１と反対側の面）にその一端部が接続されたフレキシブルプリント基板５２ｂとで構成されている。支持基板５２ａは、表裏両面に多数の信号伝達用パッドが設けられており、一方の面でボンディングワイヤＷを介して撮像素子５１と接続され、他方の面でフレキシブルプリント基板５２ｂと接続されている。

フレキシブルプリント基板５２ｂは、図１に示すように、一端部が支持基板５２ａと接続され、他方の端部に設けられた外部接続端子５４を介して支持基板５２ａと不図示の外部回路（例えば、撮像装置を実装した上位装置が有する制御回路）とを接続し、外部回路から撮像素子５１を駆動するための電圧やクロック信号の供給を受けたり、また、デジタルＹＵＶ信号を外部回路へ出力したりすることを可能としている。更に、フレキシブルプリント基板５２ｂは、可撓性を有し中間部が変形して支持基板５２ａに対し外部接続端子５４の向きや配置に自由度を与えている。

筐体５３は、支持基板５２ａの撮像素子５１側の面に撮像素子５１を覆うように固定配置されている。即ち、筐体５３は、撮像素子５１側は撮像素子５１を囲むように広く開口されて支持基板５２ａに当接固定され、他端部が小開口を有するフランジ付きの筒状に形成されている。

筐体５３の上部には、赤外光カットフィルタＦが固定配置されている。なお、この赤外光カットフィルタＦは、撮像レンズ１０と撮像素子５１の間に固定配置してもよい。

撮像レンズ１０は、物体側より順に、正の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第１レンズＬ１、開口絞りＳ、正の屈折力を有し像側に凸面を向けたメニスカス形状の第２レンズＬ２、負の屈折力を有し物体側に凹面を向けた第３レンズＬ３からなり、撮像素子５１の光電変換面５１ａに対し、被写体像の結像を行うよう構成されている。なお、図１では、上側が物体側、下側が像側であり、図２における一点鎖線が各レンズＬ１〜Ｌ３の共通する光軸である。

撮像レンズ１０を構成する各レンズＬ１〜Ｌ３及び絞りＳは、鏡枠５５に保持されている。筐体５３は、この鏡枠５５及び鏡枠５５に保持された撮像レンズ１０を内包し、鏡枠５５はその外周で筐体５３と嵌合され、筐体５３の小開口を有するフランジ部で突き当てられ位置決めされている。

近年では、固体撮像装置全体の小型化を目的とし、同じ画素数の固体撮像素子であっても、画素ピッチが小さく、結果として撮像面サイズの小さいものが開発されている。このような撮像面サイズの小さい固体撮像素子向けの撮像レンズは、全系の焦点距離を比較的に短くする必要があるため、各レンズの曲率半径や外径がかなり小さくなってしまう。従って、手間のかかる研磨加工により製造するガラスレンズと比較すれば、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３を、射出成形により製造されるプラスチックレンズで構成することが望ましい。

また、撮像装置として、温度変化時の撮像レンズ全系の焦点位置変動を小さく抑えたい場合には、第１レンズＬ１をガラスモールドレンズとすることが望ましい。

更に、図示していないが、レンズＬ１の前方や、Ｌ２とＬ３の間に、不要光をカットする固定絞りを配置してもよい。特に、光線経路の外側に矩形の固定絞りを配置することで、ゴースト、フレアの発生を抑えることができる。

図３は、本実施の形態に係る撮像装置５０を備えた携帯端末の一例である携帯電話機１００の外観図である。

同図に示す携帯電話機１００は、表示画面Ｄ１及びＤ２を備えたケースとしての上筐体７１と、入力部である操作ボタン６０を備えた下筐体７２とがヒンジ７３を介して連結されている。撮像装置５０は、上筐体７１内の表示画面Ｄ２の下方に内蔵されており、撮像装置５０が上筐体７１の外表面側から光を取り込めるよう配置されている。

なお、この撮像装置の位置は上筐体７１内の表示画面Ｄ２の上方や側面に配置してもよい。また携帯電話機は折りたたみ式に限るものではないのは、勿論である。

図４は、携帯電話機１００の制御ブロック図である。

同図に示すように、撮像装置５０の外部接続端子５４（図示矢印）は、携帯電話機１００の制御部１０１と接続され、輝度信号や色差信号等の画像信号を制御部１０１へ出力する。

一方、携帯電話機１００は、各部を統括的に制御すると共に、各処理に応じたプログラムを実行する制御部（ＣＰＵ）１０１と、番号等を指示入力するための入力部である操作ボタン６０と、所定のデータ表示や撮像した画像を表示する表示画面Ｄ１、Ｄ２と、外部サーバとの間の各種情報通信を実現するための無線通信部８０と、携帯電話機１００のシステムプログラムや各種処理プログラム及び端末ＩＤ等の必要な諸データを記憶している記憶部（ＲＯＭ）９１と、制御部１０１により実行される各種処理プログラムやデータ、若しくは処理データ、撮像装置５０による画像データ等を一時的に格納したり、作業領域として用いられる一時記憶部（ＲＡＭ）９２を備えている。

また、撮像装置５０から入力された画像信号は、携帯電話機１００の制御部１０１により、記憶部９１に記憶されたり、或いは表示画面Ｄ１、Ｄ２に表示されたり、更には、無線通信部８０を介し画像情報として外部へ送信されるようになっている。

以下に、上記の実施の形態に適用される撮像レンズの実施例を示す。各実施例に使用する記号は下記のとおりである。

ｆ ：撮像レンズ全系の焦点距離
ｆＢ：バックフォーカス
Ｆ ：Ｆナンバー
２Ｙ：固体撮像素子の撮像面対角線長
Ｒ ：曲率半径
Ｄ ：軸上面間隔
Ｎｄ：レンズ材料のｄ線に対する屈折率
νｄ：レンズ材料のアッベ数
各実施例において非球面の形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にＸ軸をとり、光軸と垂直方向の高さをｈとして以下の（数１）で表す。

ただし、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数
Ｒ ：曲率半径
Ｋ ：円錐定数
また、以降（表のレンズデータを含む）において、１０のべき乗数（例えば、２．５×１０^-02）をＥ（例えば２．５Ｅ−０２）を用いて表すものとする。また、レンズデータの面番号は第１レンズの物体側を１面として順に付与した。

（実施例１）
実施例１の撮像レンズのレンズデータを表１、表２に示す。

図５は、実施例１に示す撮像レンズの断面図である。同図に示す、Ｓは開口絞り、Ｌ１は第１レンズ、Ｌ２は第２レンズ、Ｌ３は第３レンズ、５１は撮像素子、５１ａは受光部としての光電変換部を示している。なお、同図に示す撮像レンズは、赤外光カットフィルタを撮像レンズの前方に配置したものであり、同図では省略してある。

図６は、実施例１に示す撮像レンズの収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差、メリディオナルコマ収差）である。

（実施例２）
実施例２の撮像レンズのレンズデータを表３、表４に示す。

図７は、実施例２に示す撮像レンズの断面図である。同図に示す、Ｓは開口絞り、Ｌ１は第１レンズ、Ｌ２は第２レンズ、Ｌ３は第３レンズ、５１は撮像素子、５１ａは受光部としての光電変換部を示している。なお、同図に示す撮像レンズは、赤外光カットフィルタを撮像レンズの前方に配置したものであり、同図では省略してある。

図８は、実施例２に示す撮像レンズの収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差、メリディオナルコマ収差）である。

（実施例３）
実施例３の撮像レンズのレンズデータを表５、表６に示す。

図９は、実施例３に示す撮像レンズの断面図である。同図に示す、Ｓは開口絞り、Ｌ１は第１レンズ、Ｌ２は第２レンズ、Ｌ３は第３レンズ、５１は撮像素子、５１ａは受光部としての光電変換部を示している。なお、同図に示す撮像レンズは、赤外光カットフィルタを撮像レンズの前方に配置したものであり、同図では省略してある。

図１０は、実施例３に示す撮像レンズの収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差、メリディオナルコマ収差）である。

（実施例４）
実施例４の撮像レンズのレンズデータを表７、表８に示す。

図１１は、実施例４に示す撮像レンズの断面図である。同図に示す、Ｓは開口絞り、Ｌ１は第１レンズ、Ｌ２は第２レンズ、Ｌ３は第３レンズ、５１は撮像素子、５１ａは受光部としての光電変換部を示している。また、Ｆは光学的ローパスフィルタ、赤外光カットフィルタ、撮像素子のシールガラス等を想定した平行平板である。

図１２は、実施例４に示す撮像レンズの収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差、メリディオナルコマ収差）である。

（実施例５）
実施例５の撮像レンズのレンズデータを表９、表１０に示す。

図１３は、実施例５に示す撮像レンズの断面図である。同図に示す、Ｓは開口絞り、Ｌ１は第１レンズ、Ｌ２は第２レンズ、Ｌ３は第３レンズ、５１は撮像素子、５１ａは受光部としての光電変換部を示している。また、Ｆは光学的ローパスフィルタ、赤外光カットフィルタ、撮像素子のシールガラス等を想定した平行平板である。

図１４は、実施例５に示す撮像レンズの収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差、メリディオナルコマ収差）である。

上記の実施例１、２、３、４、において、第１レンズは、ポリオレフィン系のプラスチック材料から形成され、飽和吸水率は０．０１％以下である。実施例５において、第１レンズは、ガラスモールドレンズである。実施例１、２、３、４、５において、第２レンズは、ポリオレフィン系のプラスチック材料から形成され、飽和吸水率は０．０１％以下である。実施例１、２、３、４、５において、第３レンズは、ポリカーボネイト系のプラスチック材料から形成され、飽和吸水率は０．４％である。

プラスチックレンズは、ガラスレンズに比べ、飽和吸水率が大きいため、急激な湿度変化があると過渡的に吸水量の不均一分布が発生し、屈折率が均一にならず良好な結像性能が得られなくなる傾向にある。湿度変化による性能劣化を抑えるためには、飽和吸水率がすべて０．７％以下のプラスチック材料を用いることが望ましい。

また、第１レンズをガラスモールドレンズとすることで、プラスチック材料よりも低分散の材料を使用することができ、軸上色収差の低減に有効である。

上記の実施例１〜５の各条件式に対応する値を表１１に示す。

プラスチック材料は温度変化時の屈折率変化が大きいため、第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズの全てをプラスチックレンズで構成すると、周囲温度が変化した際に、撮像レンズ全系の像点位置が変動してしまうという問題をかかえてしまう。この像点位置変動が無視できない仕様の撮像ユニットにおいては、例えば正の第１レンズをガラス材料にて形成されるレンズ（例えばガラスモールドレンズ）とし、正の第２レンズと負の第３レンズをプラスチックレンズとし、かつ第２レンズと第３レンズとで温度変化時の像点位置変動をある程度相殺するような屈折力配分とすることで、この温度特性の問題を軽減することができる。ガラスモールドレンズを用いる場合は、成形金型の消耗をできるだけ防ぐために、ガラス転移点（Ｔｇ）が４００℃以下のガラス材料を使用するのが望ましい。

また最近では、プラスチック材料中に無機微粒子を混合させ、プラスチック材料の温度変化を小さくできることが分かってきた。詳細に説明すると、一般に透明なプラスチック材料に微粒子を混合させると、光の散乱が生じ透過率が低下するため、光学材料として使用することは困難であったが、微粒子の大きさを透過光束の波長より小さくすることにより、散乱が実質的に発生しないようにできる。プラスチック材料は温度が上昇することにより屈折率が低下してしまうが、無機粒子は温度が上昇すると屈折率が上昇する。そこで、これらの温度依存性を利用して互いに打ち消しあうように作用させることにより、屈折率変化がほとんど生じないようにすることができる。具体的には、母材となるプラスチック材料に最大長が２０ナノメートル以下の無機粒子を分散させることにより、屈折率の温度依存性のきわめて低いプラスチック材料となる。例えばアクリルに酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）の微粒子を分散させることで、温度変化による屈折率変化を小さくすることができる。本発明において、２枚の正レンズ（Ｌ１、Ｌ２）のうち１枚、またはすべてのレンズ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）に、このような無機粒子を分散させたプラスチック材料を用いることにより、撮像レンズ全系の温度変化時の像点位置変動を小さく抑えることが可能となる。

ここで、屈折率の温度変化について詳細に説明する。屈折率の温度変化Ａは、ローレンツ・ローレンツの式に基づいて、屈折率ｎを温度ｔで微分することにより、下記の（数２）で表される。

プラスチック素材の場合は、一般に式中第１項に比べ第２項の寄与が小さく、ほぼ無視できる。例えば、ＰＭＭＡ樹脂の場合、線膨張係数αは７×１０^-5であり、上記式に代入すると、Ａ＝−１．２×１０^-4（／℃）となり、実測値とおおむね一致する。

具体的には、従来は−１．２×１０^-4（／℃）程度であった屈折率の温度変化Ａを、絶対値で８×１０^-5（／℃）未満に抑えることが好ましい。好ましくは絶対値で６×１０^-5（／℃）未満にすることが好ましい。

本発明で適用可能なプラスチック材料の屈折率の温度変化Ａ（＝ｄｎ／ｄＴ）を表１２に示す。

ここで、実施例１の撮像レンズを例にとり、上記微粒子を分散させたプラスチックレンズを使用した場合と使用しない場合の温度変化時のバックフォーカス変化量の違いを示す。

まず、実施例１の撮像レンズに上記微粒子を分散させたプラスチックレンズを全く使用しない場合の常温（２０（℃））に対し＋３０（℃）上昇時のバックフォーカス変化量（ΔｆＢ）は、＋０．０２６（ｍｍ）、−３０（℃）下降時のバックフォーカス変化量（ΔｆＢ）は、−０．０２６（ｍｍ）となる。

次に、第１レンズ及び第２レンズに上記微粒子を分散させたプラスチック材料を使用し、第３レンズは上記微粒子を含まないプラスチックレンズとした場合の、温度による屈折率Ｎｄの変化を表１３に示す。

これより、常温（２０（℃））に対し＋３０（℃）上昇時のバックフォーカス変化量（ΔｆＢ）は、第１レンズおよび第２レンズがＡ＝−８×１０^-5（／℃）のとき＋０．０１８（ｍｍ）、第１レンズおよび第２レンズがＡ＝−６×１０^-5（／℃）のとき＋０．０１２（ｍｍ）、−３０（℃）下降時のバックフォーカス変化量（ΔｆＢ）は、第１レンズおよび第２レンズがＡ＝−８×１０^-5（／℃）のとき−０．０１８（ｍｍ）、第１レンズおよび第２レンズがＡ＝−６×１０^-5（／℃）のとき−０．０１２（ｍｍ）となる。

これより、上記微粒子を全く含まない場合と比較し、第１レンズ及び第２レンズに上記微粒子を分散させたプラスチック材料を使用し、Ａ＝−６×１０^-5（／℃）の場合は、温度変化時のバックフォーカス変化量（ΔｆＢ）が半分以下まで抑えられていることが分かる。

また、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズそれぞれに異なった屈折率の温度変化Ａの値を持つ上記微粒子を分散させたプラスチック材料を使用してもよく、その場合は、それぞれのレンズの温度変化時の像点位置変動の寄与の大きさを考慮して、最適なＡの値を選択することによって、撮像レンズ全体で温度変化時の像点位置変動がまったく生じないようにすることも可能となる。

また、上述の実施例５は、正の第１レンズをガラスモールドレンズとし、正の第２レンズと負の第３レンズをプラスチックレンズとし、かつ第２レンズと第３レンズとで温度変化時の像点位置変動をある程度相殺するような屈折力配分とすることで、温度変化時のバックフォーカス変化量を非常に小さくしている例である。実施例５における常温（２０（℃））に対し＋３０（℃）上昇時のバックフォーカス変化量（ΔｆＢ）は、−０．００１（ｍｍ）、−３０（℃）下降時のバックフォーカス変化量（ΔｆＢ）は、＋０．００１（ｍｍ）である。

なお、本実施例は、固体撮像素子の撮像面に入射する光束の主光線入射角については、撮像面周辺部において必ずしも十分小さい設計になっていない。しかし、最近の技術では、固体撮像素子の色フィルタやオンチップマイクロレンズアレイの配列の見直しによって、シェーディングを軽減することができるようになってきた。具体的には撮像素子の撮像面の画素ピッチに対し、色フィルタやオンチップマイクロレンズアレイの配列のピッチをわずかに小さく設定すれば、撮像面の周辺部にいくほど各画素に対し色フィルタやオンチップマイクロレンズアレイが撮像レンズ光軸側へシフトするため、斜入射の光束を効率的に各画素の受光部に導くことができる。これにより固体撮像素子で発生するシェーディングを小さく抑えることができる。

本実施の形態に係る撮像装置の斜視図である。 本実施の形態に係る撮像装置の撮像レンズの光軸に沿った断面を模式的に示した図である。 本実施の形態に係る撮像装置を備えた携帯端末の一例である携帯電話機の外観図である。 携帯電話機の制御ブロック図である。 実施例１に示す撮像レンズの断面図である。 実施例１に示す撮像レンズの収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差、メリディオナルコマ収差）である。 実施例２に示す撮像レンズの断面図である。 実施例２に示す撮像レンズの収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差、メリディオナルコマ収差）である。 実施例３に示す撮像レンズの断面図である。 実施例３に示す撮像レンズの収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差、メリディオナルコマ収差）である。 実施例４に示す撮像レンズの断面図である。 実施例４に示す撮像レンズの収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差、メリディオナルコマ収差）である。 実施例５に示す撮像レンズの断面図である。 実施例５に示す撮像レンズの収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差、メリディオナルコマ収差）である。 撮像レンズの全長について示す概念図である。

符号の説明

Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ
Ｆ 赤外光カットフィルタ
Ｓ 開口絞り
５０ 撮像装置
５１ 撮像素子
５２ 基板
５３ 筐体
５５ 鏡枠

Claims (6)

1. 固体撮像素子に被写体像を結像する撮像レンズであって、物体側より順に、正の屈折力を有し物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第１レンズと、開口絞りと、正の屈折力を有し像側に凸面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、負の屈折力を有し物体側に凹面を向けた第３レンズとからなり、下記の条件式を満足することを特徴とする撮像レンズ。
   ０．２３＜Ｒ₁／ｆ＜０．３８ （１）
   −３．０＜（Ｒ₅＋Ｒ₆）／（Ｒ₅−Ｒ₆）＜０ （２）
   ただし、
   Ｒ₁：第１レンズ物体側面の曲率半径
   ｆ：撮像レンズ全系の焦点距離
   Ｒ₅：第３レンズ物体側面の曲率半径
   Ｒ₆：第３レンズ像側面の曲率半径
   
2. 下記の条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。
   ０．１＜Ｄ₁₂／ｆ＜０．３ （３）
   ただし、
   Ｄ₁₂：第１レンズと第２レンズの軸上の空気間隔
   ｆ：撮像レンズ全系の焦点距離
3. 下記の条件式を満足す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。
   −５．０＜Ｐ_air／Ｐ＜−１．３ （４）
   ただし、
   Ｐ：撮像レンズ全系の屈折力
   Ｐ_air：第１レンズの像側面（Ｒ₂）と第２レンズの物体側面（Ｒ₃）とにより形成されるいわゆる空気レンズの屈折力
   Ｐ_airは、下記の（５）式による
   Ｐ_air＝（１−ｎ₁）／Ｒ₂＋（ｎ₂−１）／Ｒ₃−｛（（１−ｎ₁）・（ｎ₂−１））／（Ｒ₂・Ｒ₃）｝・Ｄ₁₂ （５）
   ただし、
   ｎ₁：第１レンズのｄ線に対する屈折率
   ｎ₂：第２レンズのｄ線に対する屈折率
   Ｒ₂：第１レンズ像側面の曲率半径
   Ｒ₃：第２レンズ物体側面の曲率半径
   Ｄ₁₂：第１レンズと第２レンズの軸上の空気間隔
4. 前記第１レンズ、前記第２レンズ、及び前記第３レンズは、プラスチック材料から形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
5. 光電変換部を備えた固体撮像素子と、前記固体撮像素子の前記光電変換部に被写体像を結像させる撮像レンズと、前記固体撮像素子を保持すると共に電気信号の送受を行う外部接続用端子を有する基板と、物体側からの光入射用の開口部を有し遮光性部材からなる筐体と、が一体的に形成され、前記撮像レンズの光軸方向の高さが１０（ｍｍ）以下の撮像装置であって、
   前記撮像レンズとして請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像レンズを備えたことを特徴とする撮像装置。
6. 請求項５に記載の撮像装置を備えたことを特徴とする携帯端末。

Images