JP4856947B2 - 固体撮像素子用広角光学系 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子用広角光学系に係り、特に、携帯電話、ＰＣカメラ等に搭載される固体撮像素子を利用した撮像装置に用いるのに好適な固体撮像素子用広角光学系に関する。

近年、マルチメディアの進展にともない、携帯型のコンピュータやテレビ電話、あるいは携帯電話等に搭載するためのＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子を利用したカメラの需要が高まっている。

このようなカメラは、限られた設置スペースに搭載する必要があることから、小型であり、かつ軽量であることが望まれている。

そのため、このようなカメラに用いられる光学系も、同様に小型軽量であることが望まれている。

このようなカメラに用いられる光学系としては、専ら高性能化をねらう場合には、２枚あるいは３枚のレンズを用いたものが採用されることもあるが、小型化、低コスト化を実現するためには、単玉光学系が採用されることが多く、このような単玉光学系としては、両凸レンズやメニスカスレンズ等の撮像レンズが組み込まれたものが採用されている（例えば、特許文献１〜６参照）。

特開平６−８８９３９号公報 特開平１０−２８２４１０号公報 特開平１１−２６４９３０号公報 特開昭６１−１１６３１４号公報 特開平６−１１８３００号公報 特開昭６４−４９０１４号公報

ところで、従来から、結像光学系に発生する収差として、ディストーションと称される像（特に、軸外のもの）を歪ませる収差が知られている。

このディストーションは、画角の３乗に比例する収差であるため、狭い画角の光学系においては大きな問題とはならないが、広角光学系においては非常に大きな問題となっていた。

例えば、特許文献１〜３に記載の単玉光学系は、画角（対角画角）が６０°程度と、固体撮像素子に用いられる広角光学系としては十分に広い画角を有しており、解像度には優れているものの、その画角の広さゆえに大きなディストーションが発生するといった問題が生じていた。

なお、特許文献４および特許文献５に記載の単玉光学系は、各種センサあるいは測光用のものとして提案されている光学系であり、固体撮像素子用のものとは用途が大きく異なっている。

また、特許文献６に記載の単玉光学系は、画角が狭いもの（例えば、最大画角は３５°程度）を対象としており、広角光学系には全く適さない。

このように、従来は、固体撮像素子用の広角光学系において、ディストーションを十分に補正することができないといった問題が生じていた。

そこで、本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、ディストーションを効果的に補正することのできる固体撮像素子用広角光学系を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するため本発明の請求項１に係る固体撮像素子用広角光学系の特徴は、撮像レンズと、この撮像レンズの物体側に配設された絞りとを有する固体撮像素子用広角光学系であって、前記撮像レンズは、両凸レンズとされ、かつ、像面側の面が、光軸から径方向に離間するにしたがって負の屈折力が強くなる非球面形状に形成され、さらに、（１）および（４）の各条件式、
０．７４≧｜ｒ_１／ｒ_２｜≧０．５ （１）
０．０４８≧ＳＨ／ｆｌ≧０ （４）
但し、
ｒ_１：撮像レンズの物体側の面の中心曲率半径
ｒ_２：撮像レンズの像面側の面の中心曲率半径
ＳＨ：撮像レンズの前側主点から前記絞りまでの距離
ｆｌ：撮像レンズの焦点距離
を満足する点にある。

そして、この請求項１に係る発明によれば、撮像レンズの像面側の面の中心曲率半径に対する撮像レンズの物体側の面の中心曲率半径の比の絶対値が（１）の条件式を満足するようにすることによって、テレセントリック性を維持し、バックフォーカス距離を確保しつつ、ディストーションを効果的に補正することが可能となる。また、撮像レンズの焦点距離に対する撮像レンズの前側主点から絞りまでの距離の比が（４）の条件式を満足するようにすることによって、更に、光学系全体の大きさを抑えつつテレセントリック性を維持することが可能となる。

また、請求項２に係る固体撮像素子用広角光学系の特徴は、請求項１において、前記撮像レンズが、更に（２）の条件式、
０．８＞ｄ／ｆｌ≧０．４５ （２）
但し、
ｄ：撮像レンズの中心厚
ｆｌ：撮像レンズの焦点距離
を満足する点にある。

そして、この請求項２に係る発明によれば、焦点距離に対する撮像レンズの中心厚の比が（２）の条件式を満足するようにすることによって、更に、像面湾曲の発生を抑制して特に周辺部の画質を良好に保持しつつディストーションを効果的に補正することが可能となる。

さらに、請求項３に係る固体撮像素子用広角光学系の特徴は、請求項２において、前記撮像レンズが、更に（３）の条件式、
１．５≧｜ｒ_２／ｆｌ｜≧０．７ （３）
を満足する点にある。

そして、この請求項３に係る発明によれば、焦点距離に対する撮像レンズの像面側の面の中心曲率半径の比の絶対値が（３）の条件式を満足するようにすることによって、更に、テレセントリック性を維持し、バックフォーカス距離を確保しながらのディストーションの補正をより効果的に行うことが可能となる。

本発明の請求項１に係る固体撮像素子用広角光学系によれば、テレセントリック性を維持し、バックフォーカス距離を確保しつつ、ディストーションを効果的に補正することができ、光学性能を大幅に向上させることができる小型軽量化に適した固体撮像素子用広角光学系を実現することができる。

また、請求項２に係る固体撮像素子用広角光学系によれば、請求項１に係る固体撮像素子用広角光学系の効果に加えて、さらに、周辺部の画質を良好に保持することができ、光学性能にさらに優れた固体撮像素子用広角光学系を実現することができる。

さらに、請求項３に係る固体撮像素子用広角光学系によれば、請求項２に係る固体撮像素子用広角光学系の効果に加えて、さらに、テレセントリック性を維持し、バックフォーカス距離を確保しながらのディストーションの補正をより効果的に行うことができ、光学性能をさらに向上させることができる固体撮像素子用広角光学系を実現することができる。

以下、本発明に係る固体撮像素子用広角光学系の実施形態について、図１を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態における固体撮像素子用広角光学系１は、樹脂材料等からなる撮像レンズ２を有しており、この撮像レンズ２の物体側には、絞り３が配設されている。

一方、撮像レンズ２の像面側には、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳ等の固体撮像素子の受光面である撮像面４が配設されている。

また、撮像レンズ２と撮像面４との間には、カバーガラス、赤外線カットフィルタまたはローパスフィルタ等の各種フィルタ５が配設されている。なお、この各種フィルタ５は、必要に応じて配設すればよい。

さらに、本実施形態においては、撮像レンズ２が両凸レンズとされており、この両凸レンズとされた撮像レンズ２における少なくとも像面側の面（以下、第２面と称する）は、光軸６から径方向に離間するのにともなって負の屈折力が強くなるような形状の非球面とされている。

そして、本実施形態においては、撮像レンズ２が、次の（１）に示す条件式を満足するようにする。

０．８＞｜ｒ_１／ｒ_２｜≧０．５ （１）
但し、（１）式におけるｒ_１は、撮像レンズ２の物体側の面（以下、第１面と称する）の中心曲率半径である（以下、同様）。また、ｒ_２は、撮像レンズ２の第２面の中心曲率半径である（以下、同様）。さらに、｜ｒ_１／ｒ_２｜は、撮像レンズの第２面の中心曲率半径に対する撮像レンズ２の第１面の中心曲率半径の比の絶対値である。

ここで、｜ｒ_１／ｒ_２｜の値が、（１）式に示す値（０．８）以上となると、撮像レンズ２の第２面のパワーが強くなり過ぎるため、ディストーションを効果的に補正することができなくなる。一方、｜ｒ_１／ｒ_２｜の値が（１）式に示す値（０．５）よりも小さくなると、ディストーションを補正することはできるが、テレセントリック性を適正に維持することができなくなり、固体撮像素子（撮像面４）に入射する光線（光束）が光軸６に対して大きな角度を有してしまう。また、撮像レンズ２の第２面の面頂と撮像面４との間の距離であるバックフォーカス距離を確保することができなくなるため、例えば、撮像面４と撮像レンズ２との間に各種フィルタ５を挿入することができない等の構造上の不都合を生じる虞がある。

従って、本実施形態によれば、｜ｒ_１／ｒ_２｜の値を（１）の条件式を満足するようにすることによって、テレセントリック性を維持し、必要なバックフォーカス距離を確保しつつ、ディストーションを効果的に補正することが可能となる。

なお、この｜ｒ_１／ｒ_２｜の値は、０．８＞｜ｒ_１／ｒ_２｜≧０．６とされることが、より好ましい。

また、本実施形態においては、撮像レンズ２が、更に、次の（２）に示す条件式を満足するようにする。

０．８＞ｄ／ｆｌ≧０．４５ （２）
但し、（２）式におけるｄは、撮像レンズ２の中心厚である（以下、同様）。また、ｆｌは、撮像レンズ２の焦点距離である（以下、同様）。さらに、ｄ／ｆｌは、撮像レンズ２の焦点距離に対する撮像レンズ２の中心厚の比である。

ここで、ｄ／ｆｌの値が（２）式に示す値（０．８）以上となると、撮像レンズ２の大きさが光軸６（厚さ）方向のみならず光軸６に直交する径方向にも大きくなるため、光学系の小型化が困難となる。また、像面湾曲が発生してしまうため、表示画像の中心部においては良好な画質を維持することができるものの、周辺部に行くにつれて画質を維持することができなくなってしまう。一方、ｄ／ｆｌの値が（２）式に示す値（０．４５）より小さくなると、ディストーションを効果的に補正することができなくなる。

従って、本実施形態によれば、ｄ／ｆｌの値を（２）の条件式を満足するようにすることによって、更に、像面湾曲の発生を抑制して、特に周辺部の画質を良好に保持しつつディストーションを効果的に補正することが可能となる。

なお、このｄ／ｆｌの値は、０．８＞ｄ／ｆｌ≧０．５５とされることが、より好ましい。

さらに、本実施形態においては、撮像レンズ２が、更に、次の（３）に示す条件式を満足するようにする。

１．５≧｜ｒ_２／ｆｌ｜≧０．７ （３）
但し、（３）式における｜ｒ_２／ｆｌ｜は、撮像レンズ２の焦点距離に対する撮像レンズ２の第２面の中心曲率半径の比の絶対値である。

ここで、｜ｒ_２ ／ｆｌ｜の値が（３）式に示す値（１．５）よりも大きくなると、ディストーションを補正することはできるが、テレセントリック性を維持することができなくなり、固体撮像素子に入射する光線（光束）が光軸６に対して大きな角度を有してしまう。さらに、必要なバックフォーカス距離を確保することが困難となる。一方、｜ｒ_２／ｆｌ｜の値が（３）式に示す値（０．７）よりも小さくなると、撮像レンズ２の第２面のパワーが強くなり過ぎるため、ディストーションを効果的に補正することができなくなる。

従って、本実施形態によれば、｜ｒ_２／ｆｌ｜の値を（３）の条件式を満足するようにすることによって、テレセントリック性を維持し、バックフォーカス距離を確保しながらのディストーションの補正をさらに効果的に行うことが可能となる。

なお、この｜ｒ_２／ｆｌ｜の値は、１．３≧｜ｒ_２／ｆｌ｜≧０．８とされることが、より好ましい。

さらにまた、本実施形態においては、更に、次の（４）に示す条件式を満足するようにする。

０．４≧ＳＨ／ｆｌ≧０ （４）
但し、（４）式におけるＳＨは、撮像レンズ２の前側主点から絞り３までの距離である。また、ＳＨ／ｆｌは、撮像レンズ２の焦点距離に対する撮像レンズ２の前側主点から絞り３までの距離の比である。

ここで、ＳＨ／ｆｌの値が（４）式に示す値（０．４）よりも大きくなると、光学系全体が大型化してしまい、小型軽量化が困難となる。一方、ＳＨ／ｆｌの値が（４）式に示す値（０）よりも小さくなると、テレセントリック性を維持することができなくなる。

従って、本実施形態によれば、ＳＨ／ｆｌの値が（４）の条件式を満足するようにすることによって、更に、光学系全体の大きさを抑えつつテレセントリック性をより適正に維持することが可能となる。

より好ましい実施形態としては、固体撮像素子用広角光学系１の最大画角（対角画角）を６０°以上とする。

この場合には、ディストーションを補正することによる画質向上の効果がより大きなものとなり、従来の最大画角６０°以上の固体撮像素子用広角光学系に比べて、光学特性を格段に向上させることが可能となる。

さらに好ましくは、撮像レンズ２が、次の（５）の条件式を満足するようにする。

ｆｌ≦２．５（ｍｍ） （５）
ここで、ｆｌの値が（５）式に示す値（２．５ｍｍ）よりも大きくなると、撮像レンズ２の中心厚が厚くなり過ぎ、成形性が低下することとなる。また、像面湾曲等の収差の影響により、軸外の画質が低下することとなる。

従って、ｆ１の値を（５）の条件式を満足するようにすれば、成形性を向上させることが可能となるとともに、像面湾曲等の収差をさらに良好に補正して画質をさらに向上させることが可能となる。

次に、本発明の実施例について、図２乃至図７を参照して説明する。

ここで、本実施例において、Ｆｎｏは、Ｆナンバーを示す。また、ｒ（ｍｍ）は、光学面の曲率半径（撮像レンズ２の場合は中心曲率半径）を示す。さらに、ｄ（ｍｍ）は、次の光学面までの距離を示す。さらにまた、２ωは、全画角（対角画角）を示す。また、ｎｄは、ｄ線（黄色）を照射した場合における各光学系の屈折率を示す。さらに、νｄは、同じくｄ線の場合における各光学系のアッベ数を示す。

ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、次の（６）式における各係数を示す。すなわち、撮像レンズ２の非球面の形状は、光軸６方向にＺ軸、光軸６に直交する方向にＸ軸をとり、光の進行方向を正とし、ｋを円錐係数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを非球面係数、ｒを曲率半径としたとき次式で表される。

Ｚ（Ｘ）＝ｒ^−１Ｘ^２／［１＋｛１−（ｋ＋１）ｒ^−２Ｘ^２｝^１／２］
＋ＡＸ^４＋ＢＸ^６＋ＣＸ^８＋ＤＸ^１０ （６）
また、以下の実施例において、円錐係数および非球面係数を表す数値に用いられる記号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を底としたべき指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、７．５０Ｅ−１は、７．５０×１０^−１であることを示す。

＜第１実施例＞
図２は、本発明の第１実施例を示したものであり、本実施例においては、図１に示した固体撮像素子用広角光学系１と同様に、撮像レンズ２の物体側に絞り３を、像面側にフィルタ５としてのカバーガラスをそれぞれ配置した。

この第１実施例の固体撮像素子用広角光学系１は、以下の条件に設定されている。

レンズデータ

ｆｌ＝１．０６４ｍｍ、Ｆｎｏ＝４．０、２ω＝６５°

面番号 ｒ ｄ ｎｄ νｄ
（物点）
１（絞り） 0.000 0.05
２（撮像レンズ第１面） 0.870 0.70 1.533 56.0
３（撮像レンズ第２面） -1.176 0.20
４（カバーガラス第１面） 0.000 0.30 1.518 64.0
５（カバーガラス第２面） 0.000
６（像面）

面番号 ｋ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ
２ 7.50E-1 -1.09E-1 -8.61 1.42E+2 -2.41E+2
３ -2.80E-1 1.60 1.00 -1.50 2.00

このような条件の下で、｜ｒ_１／ｒ_２｜＝０．７４となり、（１）式を満足するものであった。また、ｄ／ｆｌ＝０．６６となり、（２）式を満足するものであった。さらに、｜ｒ_２／ｆｌ｜＝１．１１となり、（３）式を満足するものであった。さらにまた、ＳＨ／ｆｌ＝０．０４７となり、（４）式を満足するものであった。また、前述のように、ｆｌ＝１．０６４ｍｍとなり、（５）式を満足するものであった。

この第１実施例の固体撮像素子用広角光学系１における球面収差、非点収差およびディストーションを図３に示す。

この結果によれば、球面収差、非点収差およびディストーションのいずれもほぼ満足できる結果となり、十分な光学特性を得ることができることが分かる。

＜第２実施例＞
図４は、本発明の第２実施例を示したものであり、本実施例においては、第１実施例と同様に、撮像レンズ２の物体側に絞り３を、像面側にフィルタ５としてのカバーガラスをそれぞれ配置した。

この第２実施例の固体撮像素子用広角光学系１は、以下の条件に設定されている。

レンズデータ

ｆｌ＝１．０５２ｍｍ、Ｆｎｏ＝４．０、２ω＝６５°

面番号 ｒ ｄ ｎｄ νｄ
（物点）
１（絞り） 0.000 0.05
２（撮像レンズ第１面） 0.833 0.65 1.533 56.0
３（撮像レンズ第２面） -1.250 0.20
４（カバーガラス第１面） 0.000 0.30 1.518 64.0
５（カバーガラス第２面） 0.000
６（像面）

面番号 ｋ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ
２ 7.50E-1 -1.09E-1 -8.60 1.42E+2 -2.41E+3
３ -2.80E-1 1.85 1.00 -1.50 2.00

このような条件の下で、｜ｒ_１／ｒ_２｜＝０．６７となり、（１）式を満足するものであった。また、ｄ／ｆｌ＝０．６２となり、（２）式を満足するものであった。さらに、｜ｒ_２／ｆｌ｜＝１．１９となり、（３）式を満足するものであった。さらにまた、ＳＨ／ｆｌ＝０．０４８となり、（４）式を満足するものであった。また、前述のように、ｆｌ＝１．０５２ｍｍとなり、（５）式を満足するものであった。

この第２実施例の固体撮像素子用広角光学系１における球面収差、非点収差およびディストーションを図５に示す。

この結果によれば、球面収差、非点収差およびディストーションのいずれもほぼ満足できる結果となり、十分な光学特性を得ることができることが分かる。

＜第３実施例＞
図６は、本発明の第３実施例を示したものであり、本実施例においては、第１実施例と同様に、撮像レンズ２の物体側に絞り３を、像面側にフィルタ５としてのカバーガラスをそれぞれ配置した。

この第３実施例の固体撮像素子用広角光学系１は、以下の条件に設定されている。

レンズデータ

ｆｌ＝１．２６２ｍｍ、Ｆｎｏ＝４．０、２ω＝８３°

面番号 ｒ ｄ ｎｄ νｄ
（物点）
１（絞り） 0.000 0.05
２（撮像レンズ第１面） 0.952 0.75 1.533 56.0
３（撮像レンズ第２面） -1.667 0.20
４（カバーガラス第１面） 0.000 0.30 1.518 64.0
５（カバーガラス第２面） 0.000
６（像面）

面番号 ｋ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ
２ -3.21 -6.69E-1 -8.30E-1 9.15E+2 -2.90E+2
３ -2.80E-1 1.20 3.08E-1 -2.89E-1 2.41E-1

このような条件の下で、｜ｒ_１／ｒ_２｜＝０．５７となり、（１）式を満足するものであった。また、ｄ／ｆｌ＝０．５９となり、（２）式を満足するものであった。さらに、｜ｒ_２／ｆｌ｜＝１．３２となり、（３）式を満足するものであった。さらにまた、ＳＨ／ｆｌ＝０．０４となり、（４）式を満足するものであった。また、ｆｌ＝１．２６２ｍｍとなり、（５）式を満足するものであった。

この第３実施例の固体撮像素子用広角光学系１における球面収差、非点収差およびディストーションを図７に示す。

この結果によれば、球面収差、非点収差およびディストーションのいずれもほぼ満足できる結果となり、十分な光学特性を得ることができることが分かる。

なお、本発明は前記実施形態のものに限定されるものではなく、必要に応じて種々変更することが可能である。

本発明に係る固体撮像素子用広角光学系の実施形態を示す概略構成図 本発明に係る固体撮像素子用広角光学系の第１実施例を示す概略構成図 図２に示す固体撮像素子用広角光学系の球面収差、非点収差およびディストーションを示す説明図 本発明に係る固体撮像素子用広角光学系の第２実施例を示す概略構成図 図４に示す固体撮像素子用広角光学系の球面収差、非点収差およびディストーションを示す説明図 本発明に係る固体撮像素子用広角光学系の第３実施例を示す概略構成図 図６に示す固体撮像素子用広角光学系の球面収差、非点収差およびディストーションを示す説明図

符号の説明

１ 固体撮像素子用広角光学系
２ 撮像レンズ
３ 絞り

Claims (3)

1. 撮像レンズと、この撮像レンズの物体側に配設された絞りとを有する固体撮像素子用広角光学系であって、
   前記撮像レンズは、両凸レンズとされ、かつ、像面側の面が、光軸から径方向に離間するにしたがって負の屈折力が強くなる非球面形状に形成され、さらに、（１）および（４）の各条件式、
   ０．７４≧｜ｒ_１／ｒ_２｜≧０．５ （１）
   ０．０４８≧ＳＨ／ｆｌ≧０ （４）
   但し、
   ｒ_１：撮像レンズの物体側の面の中心曲率半径
   ｒ_２：撮像レンズの像面側の面の中心曲率半径
   ＳＨ：撮像レンズの前側主点から前記絞りまでの距離
   ｆｌ：撮像レンズの焦点距離
   を満足することを特徴とする固体撮像素子用広角光学系。
2. 前記撮像レンズが、更に（２）の条件式、
   ０．８＞ｄ／ｆｌ≧０．４５ （２）
   但し、
   ｄ：撮像レンズの中心厚
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子用広角光学系。
3. 前記撮像レンズが、更に（３）の条件式、
   １．５≧｜ｒ_２／ｆｌ｜≧０．７ （３）
   を満足することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子用広角光学系。