JP4949711B2

JP4949711B2 - 撮像レンズ

Info

Publication number: JP4949711B2
Application number: JP2006087410A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　　賢一; 実谷山
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: CN100582854C; USRE42642E1; CN101046543A; US20070229986A1; JP2007264182A; US7342729B2; EP1840616A1

Description

本発明は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の撮像素子を用いた撮像機器、例えばデジタルスチルカメラ、カメラ付き携帯電話機、および情報携帯端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistance）等に搭載される撮像レンズに関する。

ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子は近年、非常に小型化および高画素化が進んでいる。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、小型で高性能なものが求められている。小型化のためには、全長の短縮化と低背化（光軸に直交する径方向の小型化）が必要となる。また、一般に撮像光学系では、小型化のほかにもテレセントリック性、すなわち、撮像素子への主光線の入射角度が光軸に対して平行に近く（撮像面における入射角度が撮像面の法線に対してゼロに近く）なるようにすることも求められている。テレセントリック性を確保するためには、光学的開口絞りをなるべく物体側に配置することが有利である。特許文献１には、全体として３枚のレンズを有し、光学的開口絞りを最も物体側に配置した構成の撮像レンズが開示されている。また特許文献２には、全体として３枚のレンズを有し、光学的開口絞りを第１レンズと第２レンズとの間に配置した構成の撮像レンズが開示されている。
特開２００５−２９２２３５号公報特開２００４−３０２０５８号公報

ところで、静止画撮影用の撮像装置では、撮像素子の高画素化が進むにつれて、撮像素子での信号ノイズの低減を図るために機械的なシャッタを設けることが要求されてきている。シャッタを設ける場合、光量むらを減らすために光学的開口絞りの近くに配置することが有利である。一方、３枚構成の撮像レンズにおいては、上述したようにテレセントリック性を確保するためになるべく物体側、例えば第１レンズの前または後に光学的開口絞りを配置することが有利である。しかしながら、シャッタ機構を第１レンズの前、最も物体側に配置すると、小型化の点で不利となる。そこで、シャッタ機構をレンズ系内部、第１レンズと第２レンズとの間に配置することが考えられる。そのために、３枚構成の撮像レンズにおいて、シャッタ機構を配置するために第１レンズと第２レンズとの空気間隔を十分に確保しつつ、高画素化に対応した高い収差性能を有するレンズの開発が望まれている。特許文献１の実施例３は、第１レンズと第２レンズとの間隔が比較的広く確保され、シャッタ機構の配置に有利なレンズ構成となっているが、これよりもさらにシャッタ機構の配置に有利で高い収差性能を有するレンズの開発が望まれる。

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、高画素化に対応した高い収差性能を維持しつつ、シャッタ機構を配置するための内部間隔が十分確保された小型で高性能の撮像レンズを提供することにある。

本発明による撮像レンズは、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズと、物体側に凹面を向けた負の屈折力を有する第２レンズと、光軸近傍における形状が物体側に凸面を向けた正のメニスカス形状の第３レンズとからなり、第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズのうち少なくとも１面が非球面であり、下記条件式を満足するものである。
０．７＜ｆ１／ｆ＜１．３ ……（１）
０．３＜Ｄ２／ｆ＜０．５ ……（２）
１．０＜｜ｆ２／ｆ｜＜３．０ ……（３）
１．２＜ｆ３／ｆ＜４．０ ……（４）
ただし、ｆは全系の焦点距離、ｆ１は第１レンズの焦点距離、ｆ２は第２レンズの焦点距離、ｆ３は第３レンズの焦点距離、Ｄ２は光軸上での第１レンズと第２レンズとの間隔とする。

本発明による撮像レンズでは、全体として３枚という少ないレンズ構成で各レンズの形状および屈折力が適切なものとされることで、小型化が図られる。また、条件式（２）を満足することで、第１レンズと第２レンズとの間隔が広く確保され、シャッタ機構の配置に有利となる。また、条件式（１）、条件式（３）および条件式（４）を満足することで、各レンズのパワー配分が最適化され、高画素化に対応した高い収差性能が維持される。

本発明による撮像レンズにおいて、さらに下記条件式を満足することが好ましい。これにより、色収差の補正に有利となる。
２０＜ν１−ν２ ……（５）
式中、ν１は第１レンズのアッベ数、ν２は第２レンズのアッベ数とする。

また、本発明による撮像レンズにおいて、第１レンズは物体側の面が光軸近傍において凸形状で像側の面が周辺部に行くにつれて正の屈折力が強くなる非球面形状であり、第２レンズは光軸近傍においてメニスカス形状であることが好ましい。これにより、各条件式を満足しやすくなり、高性能化を図りやすくなる。

本発明の撮像レンズによれば、全体として３枚という少ないレンズ構成で所定の条件式を満足して、各レンズの形状および屈折力、ならびに各レンズの配置の最適化を図るようにしたので、高画素化に対応した高い収差性能を維持しつつ、シャッタ機構を配置するための内部間隔が十分確保された小型で高性能の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撮像レンズの第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５（Ａ），図５（Ｂ））のレンズ構成に対応している。図２は、参考例に係る撮像レンズの構成例を示している。この構成例は、後述の数値参考例（図６（Ａ），図６（Ｂ））のレンズ構成に対応している。図３は、第３の構成例を示している。この構成例は、後述の第３の数値実施例（図７（Ａ），図７（Ｂ））のレンズ構成に対応している。図４は、第４の構成例を示している。この構成例は、後述の第４の数値実施例（図８（Ａ），図８（Ｂ））のレンズ構成に対応している。図１〜図４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に示した第１の構成例を基本にして説明する。

この撮像レンズは、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を用いた各種撮像機器、例えばデジタルスチルカメラ、カメラ付き携帯電話機、および情報携帯端末等に用いて好適なものである。この撮像レンズは、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。第１レンズＧ１、第２レンズＧ２および第３レンズＧ３のうち少なくとも１面が非球面となっている。

光学的な開口絞りＳｔは、テレセントリック性を確保するためになるべく物体側に配置されていることが好ましい。図１、図２および図４の構成例では、第１レンズＧ１の後ろ側に開口絞りＳｔが配置されている。図３の構成例では、第１レンズＧ１の前側、レンズ系の最も物体側に開口絞りＳｔが配置されている。シャッタ１０は、第１レンズＧ１と第２レンズＧ２との間に配置される。

この撮像レンズの結像面Ｓｉｍｇには、ＣＣＤ等の撮像素子が配置される。第３レンズＧ３と撮像素子との間には、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が配置されている。例えば撮像面保護用のカバーガラスや赤外線カットフィルタなどの平板状の光学部材が配置される。

第１レンズＧ１は正の屈折力を有している。第１レンズＧ１の物体側の面は光軸近傍において凸形状となっている。図１および図２の構成例では、第１レンズＧ１は光軸近傍における形状が両凸形状となっている。そして、像側の面が周辺部に行くにつれて正の屈折力が強くなる非球面形状となっている。図３および図４の構成例では、第１レンズＧ１は光軸近傍における形状が物体側に凸面を向けた正のメニスカス形状となっている。

第２レンズＧ２は物体側に凹面を向け、負の屈折力を有している。第２レンズＧ２は光軸近傍においてメニスカス形状であることが好ましい。これにより、後述の条件式（３）の数値範囲を満たしやすくなる。

第３レンズＧ３は、光軸近傍における形状が物体側に凸面を向けた正のメニスカス形状となっている。第３レンズＧ３は、最も撮像面側に配置されたレンズである。このため第３レンズＧ３では、第１レンズＧ１および第２レンズＧ２に比べて各画角ごとに光束が分離される。したがって第３レンズＧ３において非球面を適切に用いることで各画角ごとの収差補正をしやすく、像面湾曲および歪曲収差の補正をしやすい。また、テレセントリック性の確保をしやすい。このため、第３レンズＧ３の像側の面を光軸近傍において凹形状で周辺部で凸形状にすることが好ましい。

この撮像レンズは、以下の条件を満足している。ただし、ｆは全系の焦点距離、ｆ１は第１レンズＧ１の焦点距離、ｆ２は第２レンズＧ２の焦点距離、ｆ３は第３レンズＧ３の焦点距離、Ｄ２は光軸Ｚ１上での第１レンズＧ１と第２レンズＧ２との間隔とする。
０．７＜ｆ１／ｆ＜１．３ ……（１）
０．３＜Ｄ２／ｆ＜０．５ ……（２）
１．０＜｜ｆ２／ｆ｜＜３．０ ……（３）
１．２＜ｆ３／ｆ＜４．０ ……（４）

この撮像レンズはさらに、下記条件式を満足することが好ましい。式中、ν１は第１レンズＧ１のアッベ数、ν２は第２レンズＧ２のアッベ数とする。
２０＜ν１−ν２ ……（５）

次に、以上のように構成された撮像レンズの作用および効果を説明する。
この撮像レンズでは、全体として３枚という少ないレンズ構成で開口絞りＳｔを第１レンズの前側または後ろ側に配置したことで、全長短縮とテレセン性の確保とに有利なレンズ系が得られる。かつ、各条件式を満足したことで、各レンズの屈折力、ならびに各レンズの配置の最適化が図られ、高画素化に対応した高い収差性能を維持しつつ、シャッタ機構を配置するための内部間隔が十分確保される。また、この撮像レンズでは、各面の非球面を最適化することでより一層効果的な収差補正が可能となる。高画素の撮像素子に対応するためにはテレセントリック性、すなわち、撮像素子への主光線の入射角度が光軸に対して平行に近く（撮像面における入射角度が撮像面の法線に対してゼロに近く）なるようにすることが求められる。この撮像レンズでは、例えば撮像素子に最も近い最終レンズ面である第３レンズＧ３の像側の面を光軸近傍において像側に凹形状で周辺部では像側に凸形状となる形状にすることで、各画角ごとの収差補正が適切になされ、光束の撮像素子への入射角度が一定の角度以下に制御される。これにより、結像面全域における光量むらを軽減することができ、また、像面湾曲および歪曲収差の補正に有利となる。

条件式（１）は、第１レンズＧ１の焦点距離ｆ１に関するもので、この数値範囲を上回ると第１レンズＧ１のパワーが小さくなり過ぎ全長の短縮化が困難となる。また、下回ると像面湾曲、および非点収差の補正が困難になり、さらに、射出瞳角度が大きくなり過ぎ好ましくない。

条件式（２）は、第１レンズＧ１および第２レンズＧ２間の間隔Ｄ２と全体の焦点距離ｆとに関するもので、この数値範囲を上回ると全長の短縮化が困難となる。また、下回ると第１レンズＧ１と第２レンズＧ２との間隔Ｄ２を十分確保できなくなり、シャッタ機構を配置することが困難となるので好ましくない。

条件式（３）は、第２レンズＧ２の焦点距離ｆ２に関するもので、この数値範囲を上回ると第２レンズＧ２のパワーが小さくなり過ぎ全長の短縮化が困難となる。また、下回ると像面湾曲、および非点収差等の補正が困難になるので好ましくない。条件式（４）は、第３レンズＧ３の焦点距離ｆ３に関するもので、この数値範囲を上下どちらに外れても第２レンズＧ２とのパワーバランスが崩れ、全長を短く保ったまま諸収差を補正するのが難しくなるので好ましくない。条件式（５）は、第１レンズＧ１および第２レンズＧ２のアッベ数に関するもので、この数値範囲を下回ると、十分な色収差補正が困難となるので好ましくない。

以上説明したように、本実施の形態に係る撮像レンズによれば、全体として３枚という少ないレンズ構成で所定の条件式を満足して、各レンズの形状および屈折力、ならびに各レンズの配置の最適化を図るようにしたので、高画素化に対応した高い収差性能を維持しつつ、シャッタ機構を配置するための内部間隔が十分確保された小型で高性能のレンズ系を実現できる。

次に、本実施の形態に係る撮像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、第１、第３、第４の数値実施例および数値参考例をまとめて説明する。
図１に示した撮像レンズの構成に対応する具体的なレンズデータを実施例１として、図５（Ａ），図５（Ｂ）に示す。特に図５（Ａ）にはその基本的なレンズデータを示し、図５（Ｂ）には非球面に関するデータを示す。図５（Ａ）に示したレンズデータにおける面番号Ｓｉの欄には、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（ｍｍ）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（ｍｍ）を示す。Ｎｄｊは、物体側からｊ番目（ｊ＝１〜４）の光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率の値を示す。νｄｊの欄には、物体側からｊ番目の光学要素のｄ線に対するアッベ数の値を示す。図５（Ａ）にはまた、諸データとして、全系の近軸焦点距離ｆ（ｍｍ）、およびＦナンバー（ＦＮＯ．）の値についても示す。

実施例１に係る撮像レンズは、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５（Ａ）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５（Ｂ）に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_n，Ｋの値を記す。Ｚは、より詳しくは、光軸Ｚ１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Ｚ１に垂直な平面）に下ろした垂線の長さ（ｍｍ）を示す。実施例１に係る撮像レンズは、各非球面が非球面係数Ａ_nとして第３次〜第１０次の係数Ａ₃〜Ａ₁₀を有効に用いて表されている。
Ｚ＝Ｃ・ｈ²／｛１＋（１−Ｋ・Ｃ²・ｈ²）^1/2｝＋ΣＡ_n・ｈⁿ ……（Ａ）
（ｎ＝３以上の整数）
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（第２次の非球面係数）
Ｃ：近軸曲率＝１／Ｒ
（Ｒ：近軸曲率半径）
Ａ_n：第ｎ次の非球面係数

以上の実施例１に係る撮像レンズと同様にして、図２に示した撮像レンズの構成に対応する具体的なレンズデータを参考例として、図６（Ａ），図６（Ｂ）に示す。また同様に、図３に示した撮像レンズの構成に対応する具体的なレンズデータを実施例３として、図７（Ａ），図７（Ｂ）に示す。また同様に、図４に示した撮像レンズの構成に対応する具体的なレンズデータを実施例４として、図８（Ａ），図８（Ｂ）に示す。なお、実施例３、実施例４、参考例に係る撮像レンズのいずれについても、実施例１と同様、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９には、上述の各条件式に関する値を各実施例および参考例についてまとめて示す。図９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１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）はそれぞれ、実施例１に係る撮像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。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。ＦＮＯ．はＦ値、ωは半画角を示す。

同様にして、参考例に係る撮像レンズについての諸収差を図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）に、実施例３に係る撮像レンズについての諸収差を図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）に、実施例４に係る撮像レンズについての諸収差を図１３（Ａ）〜図１３（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、全体として３枚のレンズ構成で、レンズ材料、レンズの面形状および各レンズのパワー配分が最適化され、かつシャッタ機構を配置するための内部間隔が十分確保された小型で高性能の撮像レンズ系が実現できている。

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。

本発明の実施例１に係る撮像レンズに対応するレンズ断面図である。本発明の参考例に係る撮像レンズに対応するレンズ断面図である。本発明の実施例３に係る撮像レンズに対応するレンズ断面図である。本発明の実施例４に係る撮像レンズに対応するレンズ断面図である。本発明の実施例１に係る撮像レンズのレンズデータを示す図であり、（Ａ）は基本的なレンズデータ、（Ｂ）は非球面に関するレンズデータを示す。本発明の参考例に係る撮像レンズのレンズデータを示す図であり、（Ａ）は基本的なレンズデータ、（Ｂ）は非球面に関するレンズデータを示す。本発明の実施例３に係る撮像レンズのレンズデータを示す図であり、（Ａ）は基本的なレンズデータ、（Ｂ）は非球面に関するレンズデータを示す。本発明の実施例４に係る撮像レンズのレンズデータを示す図であり、（Ａ）は基本的なレンズデータ、（Ｂ）は非球面に関するレンズデータを示す。条件式に関する値を各実施例および参考例についてまとめて示した図である。本発明の実施例１に係る撮像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。本発明の参考例に係る撮像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。本発明の実施例３に係る撮像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。本発明の実施例４に係る撮像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

１０…シャッタ、Ｇ１…第１レンズ、Ｇ２…第２レンズ、Ｇ３…第３レンズ、Ｓｔ…開口絞り、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

物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズと、物体側に凹面を向けた負の屈折力を有する第２レンズと、光軸近傍における形状が物体側に凸面を向けた正のメニスカス形状の第３レンズとからなり、前記第１レンズ、前記第２レンズおよび前記第３レンズのうち少なくとも１面が非球面であり、下記条件式を満足する
ことを特徴とする撮像レンズ。
０．７＜ｆ１／ｆ＜１．３ ……（１）
０．３＜Ｄ２／ｆ＜０．５ ……（２）
１．０＜｜ｆ２／ｆ｜＜３．０ ……（３）
１．２＜ｆ３／ｆ＜４．０ ……（４）
ただし、
ｆ：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
ｆ３：第３レンズの焦点距離
Ｄ２：光軸上での第１レンズと第２レンズとの間隔
とする。
さらに下記条件式を満足する
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。
２０＜ν１−ν２ ……（５）
ただし、
ν１：第１レンズのアッベ数
ν２：第２レンズのアッベ数
とする。
前記第１レンズは、物体側の面が光軸近傍において凸形状で像側の面が周辺部に行くにつれて正の屈折力が強くなる非球面形状であり、
前記第２レンズは、光軸近傍においてメニスカス形状である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像レンズ。