JP4804856B2

JP4804856B2 - 単焦点レンズ

Info

Publication number: JP4804856B2
Application number: JP2005284712A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　　賢一
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: EP1770424A1; KR20070036698A; US20070070526A1; CN1940626A; CN1940626B; JP2007094113A; TW200717022A; TWI309728B; KR100773812B1; US7408725B2

Description

本発明は、撮像機能を有する小型の機器、例えばカメラ付き携帯電話、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、およびデジタルスチルカメラ等に好適に用いられる単焦点レンズに関する。

デジタルスチルカメラ等の撮像機器では、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子が用いられている。これらの撮像素子は近年、非常に小型化が進んでいる。そのため、撮像機器本体、ならびにそれに搭載されるレンズにも、小型軽量化が求められている。また近年では、高画質を達成するために、画素数の多い撮像素子が開発されており、それに伴いレンズ系にも、より高解像で高コントラストな性能が要求されてきている。

このような撮像機器に用いられる撮像レンズとしては、例えば以下の特許文献１に記載のものがある。この特許文献１には、物体側から順に第１〜第３レンズで構成された３枚構成の撮像レンズが記載されている。この撮像レンズでは、第１レンズのパワーが小さく、また開口絞りは第２レンズと第３レンズとの間に配置されている。
特開平１０−４８５１６号公報

上述したように近年の撮像素子は、小型化および高画素化が進んでおり、それに伴って、撮像レンズには高い解像性能と構成のコンパクト化が求められている。上記特許文献１に記載の撮像レンズは、３枚構成という少ない枚数で、ある程度の性能とコンパクト性を実現しているが、これよりもさらにコンパクトで高性能なレンズ系の開発が望まれている。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、少ないレンズ枚数でありながら、高性能、かつコンパクトなレンズ系を実現できる単焦点レンズを提供することにある。

本発明による単焦点レンズは、物体側より順に、物体側の面を凸面形状とした正のパワーの第１レンズと、近軸上において物体側の面を凹面形状とした負のメニスカスレンズの第２レンズと、近軸上において物体側の面を凸面形状とした非球面レンズの第３レンズとを備え、かつ、以下の条件を満足するように構成されている。
１．５＞ｆ１／ｆ＞０．６ ……（１）
６９＜νｄＡ ……（２）
２４＜νｄＢ＜３２ ……（３）
１．５５＞ＮｄＡ ……（４）
１．６５＞ＮｄＢ＞１．４８ ……（５）
１．８＞Ｌ／Ｄ ……（６）
０．３０＜ＲＡ／ｆ＜０．４０ ……（７）
ただし、
ｆ：全体の焦点距離
ｆ１：第１レンズの焦点距離
νｄＡ：第１レンズのアッベ数
νｄＢ：第２レンズのアッベ数
ＮｄＡ：第１レンズのｄ線における屈折率
ＮｄＢ：第２レンズのｄ線における屈折率
ＲＡ：第１レンズの物体側の面の近軸曲率半径
Ｌ：第１レンズの物体側の面から結像位置までの光軸上の距離
Ｄ：最大像高

本発明による単焦点レンズはさらに、光軸上において第１レンズの像側の面よりも物体側に配置された絞りを備えていても良い。

本発明による単焦点レンズでは、条件式（１），（６），（７）を満足してコンパクト性を確保しつつ、条件式（２），（３），（４），（５）を満足して第１レンズおよび第２レンズの硝材を適切なものとすることで、３枚という少ないレンズ枚数ながら、コンパクトで高性能なレンズ系が実現される。

本発明の単焦点レンズによれば、物体側より順に、物体側の面を凸面形状とした正のパワーの第１レンズと、近軸上において物体側の面を凹面形状とした負のメニスカスレンズの第２レンズと、近軸上において物体側の面を凸面形状とした非球面レンズの第３レンズとを備え、かつ、所定の条件式を満たして、コンパクト性を確保しつつ第１レンズおよび第２レンズの硝材の最適化を図るようにしたので、３枚という少ないレンズ枚数でありながら、高性能、かつコンパクトなレンズ系を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る単焦点レンズの第１の構成例を示している。この構成例は、後述の第１の数値実施例（図３，図４）のレンズ構成に対応している。また、図２は第２の構成例を示している。図２の構成例は、後述の第２の数値実施例（図５，図６）のレンズ構成に対応している。なお、図１，図２において、符号Ｒｉは、最も物体側の構成要素の面を１番目として、像側（結像側）に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目（ｉ＝１〜８）の面の曲率半径を示す。符号Ｄｉは、ｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ１上の面間隔を示す。なお、各構成例共に基本的な構成は同じなので、以下では、図１に示した単焦点レンズの構成を基本にして説明する。

この単焦点レンズは、撮像機能を有する小型の機器、例えばＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、ビデオカメラおよびデジタルスチルカメラ等に搭載されて好適に使用されるものである。この単焦点レンズは、光軸Ｚ１に沿って物体側から順に、第１レンズＧ１と、第２レンズＧ２と、第３レンズＧ３とを備えている。開口絞りＳｔは、光軸Ｚ１上において第１レンズＧ１の像側の面よりも物体側に配置されている。好ましくは、光軸Ｚ１上において第１レンズＧ１の物体側の面と像側の面との間に配置されていると良い。

この単焦点レンズの結像面（撮像面）には、図示しないＣＣＤ等の撮像素子が配置される。第３レンズＧ３と撮像面との間には、レンズを装着するカメラ側の構成に応じて、種々の光学部材ＧＣが配置されていても良い。例えば撮像面保護用のカバーガラスや各種光学フィルタなどの平板状の光学部材ＧＣが配置されていても良い。

第１レンズＧ１はガラス材料からなる非球面レンズであることが好ましい。第２レンズＧ２および第３レンズＧ３は、プラスチック材料からなる非球面レンズであることが好ましい。第１レンズＧ１は、物体側の面を凸面形状とした正のパワーを有している。第２レンズＧ２は、近軸上において物体側の面を凹面形状とした負のメニスカスレンズとなっている。第３レンズＧ３は、近軸上において物体側の面を凸面形状とした非球面レンズとなっている。
第３レンズＧ３の物体側の面は、周辺に行くに連れて正のパワーが弱くなる形状であることが好ましい。第３レンズＧ３の像側の面は、近軸上において像側に凹面形状で、周辺に行くに連れて負のパワーが弱くなり、さらに周辺で正のパワーに転じる形状であることが好ましい。

この単焦点レンズは、以下の条件式を満足している。ただし、ｆは全体の焦点距離、ｆ１は第１レンズＧ１の焦点距離、νｄＡは第１レンズＧ１のアッベ数、νｄＢは第２レンズＧ２のアッベ数、ＮｄＡは第１レンズＧ１のｄ線における屈折率、ＮｄＢは第２レンズＧ２のｄ線における屈折率、ＲＡは第１レンズＧ１の物体側の面の近軸曲率半径、Ｌは第１レンズＧ１の物体側の面から結像位置までの光軸上の距離、Ｄは最大像高を示す。なお、Ｌについては、カバーガラスなどの光学部材ＧＣの厚みを空気換算した値とする。
１．５＞ｆ１／ｆ＞０．６ ……（１）
６９＜νｄＡ ……（２）
２４＜νｄＢ＜３２ ……（３）
１．５５＞ＮｄＡ ……（４）
１．６５＞ＮｄＢ＞１．４８ ……（５）
１．８＞Ｌ／Ｄ ……（６）
０．３０＜ＲＡ／ｆ＜０．４０ ……（７）

次に、以上のように構成された単焦点レンズの作用および効果を説明する。
この単焦点レンズでは、以下で説明するように条件式（１），（６），（７）を満足してコンパクト性を確保しつつ、条件式（２），（３），（４），（５）を満足して第１レンズＧ１および第２レンズＧ２の硝材の屈折率および分散特性を最適化することで、３枚という少ないレンズ枚数ながら、コンパクトで高性能なレンズ系が実現される。

条件式（１）は、第１レンズＧ１の焦点距離に関するもので、この数値範囲を上回ると全長が長くなり過ぎ、下回ると瞳が短くなり過ぎ好ましくない。条件式（６）は、光軸Ｚ１上の光学全長Ｌと最大像高Ｄとの比を表すもので、この数値範囲を上回るとレンズ系全体を十分コンパクトなものとすることができない。条件式（７）は、第１レンズＧ１の前面の曲率半径に関するもので、この数値範囲を上回るとレンズ全長を短くするのが困難になり、下回ると球面収差、像面湾曲の補正が困難となるので好ましくない。この単焦点レンズでは、第１レンズＧ１の前面の曲率半径を小さくして比較的パワーを大きくし、これにより全長の短縮化が図られている。

条件式（２），（４）は、第１レンズＧ１の硝材の特性に関するもので、これらの条件を満たすように、正のパワーを有する第１レンズＧ１にアッベ数が大きく屈折率が小さい硝材を用いることで、色収差、像面湾曲を良好に補正することができる。条件式（３），（５）は、第２レンズＧ２の硝材の特性に関するもので、これらの数値範囲内であれば、第１レンズＧ１との組み合わせで色収差、像面湾曲とも必要十分な性能が得られる。また、第３レンズＧ３については、アクリル樹脂、もしくはシクロオレフィンポリマーといった、アッベ数５５〜６０程度の安価で入手性が良く光学的に安定（低歪み等）した材料を選択することで良好な性能が得られる。

またこの単焦点レンズでは、開口絞りＳｔを光軸Ｚ１上において第１レンズＧ１の像側の面よりも物体側、より好ましくは光軸Ｚ１上において第１レンズＧ１の物体側の面と像側の面との間に配置することで、開口絞りＳｔも含めた全長を短縮化できる。さらにこの単焦点レンズでは、各レンズに非球面を適切に用いることで、大きな収差補正効果が得られる。特に、第３レンズＧ３の非球面形状に関して近軸形状と周辺形状とを適切なものとすることで、像面湾曲の補正を始めとして、収差補正に関してより大きな効果が得られる。

以上説明したように、本実施の形態に係る単焦点レンズによれば、所定の条件式を満たして第１レンズＧ１および第２レンズＧ２の硝材の最適化やパワー配分の最適化等を行うようにしたので、３枚という少ないレンズ枚数でありながら、高性能、かつコンパクトなレンズ系を実現できる。

次に、本実施の形態に係る単焦点レンズの具体的な数値実施例について説明する。以下では、２つの数値実施例（実施例１，２）をまとめて説明する。

図３，図４は、図１に示した単焦点レンズの構成に対応する具体的なレンズデータ（実施例１）を示している。特に図３にはその基本的なレンズデータを示し、図４には非球面に関するデータを示す。また図５，図６は、図２に示した単焦点レンズの構成に対応する具体的なレンズデータ（実施例２）を示している。特に図５にはその基本的なレンズデータを示し、図６には非球面に関するデータを示す。

図３，図５に示したレンズデータにおける面番号Ｓｉの欄には、各実施例に係る単焦点レンズについて、最も物体側の構成要素の面を１番目として、像側に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目（ｉ＝１〜８）の面の番号を示している。曲率半径Ｒｉの欄には、図１，図２において付した符号Ｒｉに対応させて、物体側からｉ番目の面の曲率半径の値を示す。面間隔Ｄｉの欄についても、同様に物体側からｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓｉ＋１との光軸上の間隔を示す。曲率半径Ｒｉおよび面間隔Ｄｉの値の単位はミリメートル（ｍｍ）である。Ｎdｊ，νdｊの欄には、それぞれ、光学部材ＧＣも含めて、物体側からｊ番目（j＝１〜４）の光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率およびアッベ数の値を示す。図３，図５にはまた、諸データとして、全系の近軸焦点距離ｆ（ｍｍ）、Ｆナンバー（ＦＮＯ．）、および画角２ω（ω：半画角）の値についても示す。

なお、実施例１に係る単焦点レンズにおいて、開口絞りＳｔは、光軸Ｚ１上において第１レンズＧ１の物体側の面から像面側に０．０５ｍｍの位置に配置されている。実施例２に係る単焦点レンズでは、開口絞りＳｔが、光軸Ｚ１上において第１レンズＧ１の物体側の面から像面側に０．１ｍｍの位置に配置されている。

図３，図５の各レンズデータにおいて、面番号の左側に付された記号「＊」は、そのレンズ面が非球面形状であることを示す。各実施例に係る単焦点レンズ共に、第１レンズＧ１、第２レンズＧ２および第３レンズＧ３の両面がすべて非球面形状となっている。図３，図５の基本レンズデータには、これらの非球面の曲率半径として、光軸近傍の曲率半径の数値を示している。

図４，図６には実施例１，２に係る単焦点レンズにおける非球面データを示す。非球面データとして示した数値において、記号“Ｅ”は、その次に続く数値が１０を底とした“べき指数”であることを示し、その１０を底とした指数関数で表される数値が“Ｅ”の前の数値に乗算されることを示す。例えば、「１．０Ｅ−０２」であれば、「１．０×１０^-2」であることを示す。

非球面データとしては、以下の式（Ａ）によって表される非球面形状の式における各係数Ａ_i，Ｋの値を記す。Ｚは、より詳しくは、光軸から高さｈの位置にある非球面上の点から、非球面の頂点の接平面（光軸に垂直な平面）に下ろした垂線の長さ（ｍｍ）を示す。各実施例に係る単焦点レンズ共に、各非球面が非球面係数として、偶数次の係数Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀と奇数次の係数Ａ₃，Ａ₅，Ａ₇，Ａ₉とを有効に用いて表されている。
Ｚ＝Ｃ・ｈ²／｛１＋（１−Ｋ・Ｃ²・ｈ²）^1/2｝＋Ａ₃・ｈ³＋Ａ₄・ｈ⁴＋Ａ₅・ｈ⁵＋Ａ₆・ｈ⁶＋Ａ₇・ｈ⁷＋Ａ₈・ｈ⁸＋Ａ₉・ｈ⁹＋Ａ₁₀・ｈ¹⁰ ……（Ａ）
ただし、
Ｚ：非球面の深さ（ｍｍ）
ｈ：光軸からレンズ面までの距離（高さ）（ｍｍ）
Ｋ：離心率
Ｃ：近軸曲率＝１／Ｒ
（Ｒ：近軸曲率半径）
Ａ_i：第ｉ次の非球面係数

図７には、上述の各条件式に関する値を、各実施例についてまとめたものを示す。図７から分かるように、各実施例の値が、各条件式の数値範囲内となっている。

図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は、実施例１に係る単焦点レンズにおける球面収差、非点収差、およびディストーション（歪曲収差）を示している。各収差図には、ｄ線を基準波長とした収差を示すが、球面収差図には、ｇ線（波長４３５．８ｎｍ），Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）についての収差も示す。非点収差図において、実線はサジタル方向、破線はタンジェンシャル方向の収差を示す。ωは、半画角を示す。同様にして、実施例２に係る単焦点レンズについての諸収差を図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に示す。

以上の各数値データおよび各収差図から分かるように、各実施例について、少ないレンズ枚数でありながら、良好に収差補正がなされ、コンパクトなレンズ系が実現されている。

なお、本発明は、上記実施の形態および各実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔および屈折率の値などは、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得る。

本発明の一実施の形態に係る単焦点レンズの第１の構成例を示すものであり、実施例１に対応するレンズ断面図である。本発明の一実施の形態に係る単焦点レンズの第２の構成例を示すものであり、実施例２に対応するレンズ断面図である。実施例１に係る単焦点レンズの基本的なレンズデータを示す図である。実施例１に係る単焦点レンズの非球面に関するデータを示す図である。実施例２に係る単焦点レンズの基本的なレンズデータを示す図である。実施例２に係る単焦点レンズの非球面に関するデータを示す図である。条件式に関する値を各実施例についてまとめて示した図である。実施例１に係る単焦点レンズの諸収差を示す収差図であり、（Ａ）は球面収差、（Ｂ）は非点収差、（Ｃ）はディストーションを示す。実施例２に係る単焦点レンズの諸収差を示す収差図であり、（Ａ）は球面収差、（Ｂ）は非点収差、（Ｃ）はディストーションを示す。

符号の説明

ＧＣ…光学部材、Ｇ１…第１レンズ、Ｇ２…第２レンズ、Ｇ３…第３レンズ、Ｓｔ…絞り、Ｒｉ…物体側から第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、Ｄｉ…物体側から第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ面との面間隔、Ｚ１…光軸。

Claims

実質的に、物体側より順に、物体側の面を凸面形状とした正のパワーの第１レンズと、近軸上において物体側の面を凹面形状とした負のメニスカスレンズの第２レンズと、近軸上において物体側の面を凸面形状とした非球面レンズの第３レンズとからなり、
かつ、以下の条件を満足するように構成されていることを特徴とする単焦点レンズ。
１．５＞ｆ１／ｆ＞０．６ ……（１）
６９＜νｄＡ ……（２）
２４＜νｄＢ＜３２ ……（３）
１．５５＞ＮｄＡ ……（４）
１．６５＞ＮｄＢ＞１．４８ ……（５）
１．８＞Ｌ／Ｄ ……（６）
０．３６≦ＲＡ／ｆ≦０．３７ ……（７）
ただし、
ｆ：全体の焦点距離
ｆ１：第１レンズの焦点距離
νｄＡ：第１レンズのアッベ数
νｄＢ：第２レンズのアッベ数
ＮｄＡ：第１レンズのｄ線における屈折率
ＮｄＢ：第２レンズのｄ線における屈折率
ＲＡ：第１レンズの物体側の面の近軸曲率半径
Ｌ：第１レンズの物体側の面から結像位置までの光軸上の距離
Ｄ：最大像高
さらに、光軸上において前記第１レンズの像側の面よりも物体側に配置された絞りを備えたことを特徴とする請求項１に記載の単焦点レンズ。