JP5034419B2 - 撮影レンズ - Google Patents

Description

本発明は、デジタルスチルカメラ等のカメラに搭載される撮影レンズに関する。

近年、ＣＣＤ等の固体撮像素子が採用されたデジタルスチルカメラやビデオカメラ等の普及率が伸びている。また、携帯電話やノート型パソコン等の携帯通信機器に上記固体撮像素子及び撮影レンズが搭載されたものが増えていることもあり、これに用いる撮影レンズの需要も急速に高まっている。このような携帯通信機器の小型化・薄型化、高性能化に伴い、これらに搭載される撮影レンズの小型化・薄型化、高性能化が求められるとともに、普及させるための低コスト化が求められている。

このような要求に対し、従来から３枚程度のレンズを利用したものがある（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１所載の撮影レンズは、物体側より順に、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズを具備するレンズ系から構成される撮影レンズであって、第１レンズは、物体側レンズ面及び像側レンズ面の少なくとも何れか一方が非球面形状のメニスカスレンズであり、第２レンズは、物体側レンズ面及び像側レンズ面の少なくとも何れか一方が非球面形状のメニスカスレンズであり、第３レンズは、物体側レンズ面及び像側レンズ面の少なくとも何れか一方が非球面形状のメニスカスレンズである撮影レンズである。
特開２００５−２９２２３５号公報

上記特許文献１所載の撮影レンズによれば、小型サイズでありながらも、３枚レンズ構成により、諸収差を良好に補正することができるとされているが、このような構成では、さらに光学全長の短い低背なレンズを実現しようとすると、収差の補正が困難となり、高画素撮像素子（ここでは２．０メガ以上）に対応した撮像レンズを提供することが困難となる。例えば、レンズ系を短くすると、色収差が大きくなるため、アッベ数に自由度のあるガラス非球面レンズを使用し、色収差の補正を実現しなければならない。また、低背なレンズにすると、製造誤差に対する光学性能劣化が顕著となる。

そこで、本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するべくなされたもので、レンズ系の全長を短くしても、良好な収差の補正が可能となる高性能な撮影レンズを提供することを目的とする。

本発明に係る撮影レンズは、物体側より順に、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズを具備するレンズ系から構成される撮影レンズであって、第１レンズは、物体側レンズ面及び像側レンズ面ともに非球面形状のメニスカスレンズであり、第２レンズは、物体側レンズ面及び像側レンズ面ともに非球面形状のメニスカスレンズであり、第３レンズは、物体側レンズ面及び像側レンズ面ともに非球面形状のレンズであり、レンズ系は、以下の条件を満たすことを特徴とする。
ｒ１＞０、ｒ２＞０、ｒ３＜０、ｒ４＜０、ｒ５＜０、ｒ６＞０ ・・・（１）
尚、ｒ１は第１レンズの物体側レンズ面の曲率半径、ｒ２は第１レンズの像側レンズ面の曲率半径、ｒ３は第２レンズの物体側レンズ面の曲率半径、ｒ４は第２レンズの像側レンズ面の曲率半径、ｒ５は第３レンズの物体側レンズ面の曲率半径、ｒ６は第３レンズの像側レンズ面の曲率半径を表す。

上記構成に係る撮影レンズにおいては、物体側レンズ面及び像側レンズ面ともに非球面形状で正の（パワー、屈折力または焦点距離を有する）メニスカスレンズであるプラスチック製の第１レンズと、物体側レンズ面及び像側レンズ面ともに非球面形状で負の（パワー、屈折力または焦点距離を有する）メニスカスレンズであるプラスチック製の第２レンズと、同じく物体側レンズ面及び像側レンズ面ともに非球面形状で負の（パワー、屈折力または焦点距離を有する）プラスチック製の第３レンズとの３枚のレンズによりレンズ系が構成される。また、開口絞りは、第１レンズの前（物体側）に設けられる。

上記条件式（１）は、レンズ系の全長を短くしつつも、収差の補正を良好に行い得るための条件式である。即ち、上記条件式（１）を満たすことにより、レンズの全長を短くすることができると共に、上記特許文献１所載の撮影レンズでは、ｒ５＞０であるが、本発明においては、ｒ５＜０とすることで、レンズの全長を短くしても、規定する像高さ位置まで光線を持ち上げることができ、収差の補正が良好となる。

ここで，本発明に係る撮影レンズは、第２レンズが以下の条件を満たすプラスチックレンズからなるレンズ系であることを特徴とする。
Ｎｄ＞１．６、υｄ＜３０ ・・・（２）
尚、ここでＮｄは第２レンズの屈折率、νｄは第２レンズのアッベ数を表す。

上記条件式（２）は、第２レンズの材料に関する条件式である。即ち、第２レンズとして、凹面に屈折率が高く、低アッベ数なフルオレン系ポリエステル材料を採用することにより、低背化及び良好な色収差の補正を実現できる。

より具体的に言えば、アッベ数が小さい材料を凹面に使用することにより、色収差を小さくすることができるので、色収差の補正が有利となる。また、屈折率が高いことにより、低背なレンズにした場合、従来から一般的に使用されるポリカーボネート製のものよりも曲率半径を小さくする必要がなく、そのため、誤差による性能劣化が少ない。

また、本発明に係る撮影レンズは、さらに以下の条件を満たすレンズ系であることを特徴とする。
１．０＜ＴＬ／ｆ＜１．１ ・・・（３）
尚、ＴＬはレンズ系の全長で第３レンズの像側レンズ面と撮像面の間に配置された固体撮像素子におけるフィルタ等の光学部材を含んだ長さを表し、ｆはレンズ系の焦点距離を表す。

上記条件式（３）は、光学性能を良好に維持しつつも、レンズ系の全長を短くするための条件式である。即ち、レンズ系の焦点距離に対するレンズ系の全長の比が上記条件式（３）の下限を下回ると、焦点距離よりも全長が短くなり（主点がレンズより前に出る）、収差の補正が困難となる。一方、上限を超えると、レンズ系の全長が長くなり、小型化が困難となる。収差の補正と小型化を両立させるには、上記条件式（３）を満たすことが最も有効なのである。

以上、本発明の発明者の鋭意研究の結果、レンズ系を３枚のレンズで構成し、レンズ系の各パラメータが上記条件式（１）（２）（３）の各条件式すべてを満足させることにより、レンズ系の全長を短くしても、良好な収差の補正が可能となる高性能な撮影レンズを開発できる。

また、本発明に係る撮影レンズは、さらに以下の条件を満たすレンズ系を採用することができる。
０．６＜ｆ１／ｆ＜０．７ ・・・（４）
２．０＜｜ｆ２｜／ｆ＜４．０ ・・・（５）
１．０＜｜ｆ３｜／ｆ＜２．０ ・・・（６）
尚、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、ｆはレンズ系の焦点距離を表す。

上記条件式（４）は、第１レンズのパワーに関する条件式である。即ち、第１レンズは結像の中心的役割を担うレンズであるが、レンズ系の焦点距離に対する第１レンズの焦点距離の比が上記条件式（４）の上限を超えると、第１レンズの屈折力が弱くなるため、レンズ系の全長を長くしなければ光学性能を維持できない。一方、下限を下回ると、第１レンズが過度に屈折力を持つようになるため、球面収差、コマ収差の補正が困難となると共に、製造誤差発生時の光学性能の劣化が顕著となる。

上記条件式（５）は、第２レンズのパワーに関する条件式である。即ち、レンズ系の焦点距離に対する第２レンズの焦点距離の比が上記条件式（５）の上限を超えると、第２レンズの屈折力が弱くなるため、レンズ系の全長を長くしなければ光学性能を維持できない。一方、下限を下回ると、第２レンズが過度に屈折力を持つようになるため、球面収差、コマ収差の補正が困難となると共に、製造誤差発生時の光学性能の劣化が顕著となる。

上記条件式（６）は、第３レンズのパワーに関する条件式である。即ち、レンズ系の焦点距離に対する第３レンズの焦点距離の比が上記条件式（６）の上限を超えると、第３レンズの屈折力が弱くなるため、軸外の諸収差、特に歪曲収差、コマ収差及び光線角度（テレセントリック性）を良好に補正できない。一方、下限を下回ると、第３レンズが過度に屈折力を持つようになるため、第１レンズ、第２レンズとのバランスが崩れ、軸外の諸収差の補正が困難となる。

また、本発明に係る撮影レンズは、さらに以下の条件を満たすレンズ系を採用することができる。
２．１＜ｒ２／ｒ１＜２．７ ・・・（７）
ｒ２／ｆ１＜１．０ ・・・（８）
尚、ｆ１は第１レンズの焦点距離を表す。

上記条件式（７）は、第１レンズの像側レンズ面の面形状に関する条件である。即ち、第１レンズの物体側レンズ面の曲率半径に対する像側レンズ面の曲率半径の比が上記条件式（７）の下限を下回ると、負の作用を持つ像側レンズ面の曲率半径が小さくなるため、第１レンズの正の屈折力が低下し、その結果、球面収差、コマ収差が大きくなって、光学性能が低下する。一方、上限を超えると、負の作用を持つ像側レンズ面の曲率半径が大きくなるため、光線を像高の高い位置に射出することが困難となり、その結果、軸外の諸収差及び光線のテレセントリック性が劣化する。また、上記条件式（７）の場合、値が小さくなるほど、製造誤差発生時の性能劣化量が小さくなり、そのため、値が２．１に近いほど、製造誤差による性能劣化の小さい第１レンズを実現することが可能となる。

上記条件式（８）は、第１レンズの像側レンズ面の形状に関する条件である。即ち、上記条件式（７）を満たすことを前提として、上記条件式（８）を満たすことにより、製造誤差（特に平行偏芯）による性能劣化の小さい第１レンズを実現することが可能となる。

また、本発明に係る撮影レンズは、第１レンズの物体側レンズ面、像側レンズ面、第２レンズの物体側レンズ面、像側レンズ面、第３レンズの物体側レンズ面、像側レンズ面の少なくとも何れかに回折光学素子面を有するレンズ系を採用することができる。

回折光学素子面は、主として色収差の補正の役割を担うが、回折光学素子面では、他の収差の補正を考慮する必要がないため、その屈折力を小さくすることができ、回折光学素子面での色収差以外の収差の発生を抑えることができ、レンズ系全体として諸収差を良好に補正できる。

以上の如く、本発明に係る撮影レンズによれば、レンズ系の全長を短くしつつも、収差補正を良好に行うことができるようになる。また、メガピクセルセンサに対応した光学性能を持つ低背なレンズであって、製造誤差に強いレンズを実現することができる。さらに、プラスチックレンズを使用することにより、安価なレンズであって、物理的に成型可能な形成を維持しつつも、薄型のレンズを実現することができる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態における撮影レンズの断面図である。本実施形態に係る撮影レンズは、図１に示すように、物体側より順に、開口絞り１、第１レンズ２、第２レンズ３及び第３レンズ４を具備するレンズ系から構成される。撮像レンズは、何れも固体撮像素子（例えばＣＣＤ）に対して光学像を形成する撮像用(例えばデジタルスチルカメラ用)の単焦点レンズである。そして、第１レンズ２は、物体側レンズ面Ｒ１に凸面を有する正のメニスカスレンズであり、第２レンズ３は、像側レンズ面Ｒ４に凸面を有する正のメニスカスレンズであり、第３レンズ４は、像側レンズ面Ｒ６に凹面を有するレンズである。また、第３レンズ４の像側レンズ面Ｒ６と撮像面ＩＭＧとの間にＣＣＤ等の固体撮像素子におけるカバーガラスまたはフィルタ等の光学部材５が配置される。

以上の構成を有する本実施形態における撮影レンズの各パラメータ値は以下に示す通りである。ここで、ｒｊは物体側から順にｊ番目の面番号Ｒｊにおける曲率半径（ｍｍ）、ｄｊは物体側から順にｊ番目の面中心間隔（ｍｍ）、Ｎｄはｄ線における各レンズの屈折率、νｄはｄ線における各レンズのアッベ数、ｆはレンズ系の焦点距離（ｍｍ）、Ｆｎｏ．はＦナンバー、ＴＬはレンズ系の全長（ｍｍ）を意味する。尚、面番号横の＊は、非球面形状の屈折光学面又は非球面と等価な屈折作用を有する面であることを示す。

また、非球面形状は、面頂点の接平面からの光軸方向の距離（サグ量）をｘ、光軸からの高さｈとして、ｒを近軸曲率半径、κを円錐定数、ａm （ｍ＝４，６，８，１０，１２，１４，１６）を第ｍ次の非球面係数としたとき、次式で表される。
ｘ＝｛（１／ｒ）ｈ²｝／〔１＋｛１−（１＋κ）（１／ｒ）²ｈ²｝^1/2〕
＋ａ₄ｈ⁴＋ａ₆ｈ⁶＋ａ₈ｈ⁸＋ａ₁₀ｈ¹⁰＋ａ₁₂ｈ¹²＋ａ₁₄ｈ¹⁴・・・（Ｘ）
そこで、以下では、上記式（Ｘ）におけるａmの値を示し、非球面形状を特定している。

尚、本実施形態においては、第１レンズ２の物体側レンズ面Ｒ１の曲率半径ｒ１＝０．９４２９ｍｍであり、第１レンズ２の像側レンズ面Ｒ２の曲率半径ｒ２＝２．２０００ｍｍであり、第２レンズ３の物体側レンズ面Ｒ３の曲率半径ｒ３＝−１．１７３５ｍｍであり、第２レンズ３の像側レンズ面Ｒ４の曲率半径ｒ４＝−１．５３４０ｍｍであり、第３レンズ４の物体側レンズ面Ｒ５の曲率半径ｒ５＝−８．４０３７ｍｍであり、第３レンズ４の像側レンズ面Ｒ６の曲率半径ｒ６＝５．２８７６ｍｍであり、第２レンズ３の屈折率Ｎｄ＝１．６０７であり、第２レンズ３のアッベ数νｄ＝２７であり、レンズ系の全長ＴＬ＝４．２８５ｍｍであり、第１レンズ２の焦点距離ｆ１＝２．７３３８８８ｍｍであり、第２レンズ３の焦点距離ｆ２＝−１４．３４７２ｍｍであり、第３レンズ４の焦点距離ｆ３＝−６．０２２７８ｍｍであり、レンズ系の焦点距離ｆ＝４．１７ｍｍである。

よって、ｒ１＝０．９４２９、ｒ２＝２．２０００、ｒ３＝−１．１７３５、ｒ４＝−１．５３４０、ｒ５＝−８．４０３７、ｒ６＝５．２８７６は、上記条件式（１）を満たしており、Ｎｄ＝１．６０７、νｄ＝２７は、上記条件式（２）を満たしており、ＴＬ／ｆ＝１．０２７６は、上記条件式（３）を満たしており、ｆ１／ｆ＝０．６５５６は、上記条件式（４）を満たしており、｜ｆ２｜／ｆ＝３．４４０６は、上記条件式（５）を満たしており、｜ｆ３｜／ｆ＝１．４４４３は、上記条件式（６）を満たしており、ｒ２／ｒ１＝２．３３３２は、上記条件式（７）を満たしており、ｒ２／ｆ１＝０．８０４７は、上記条件式（８）を満たしている。

図２は、図１の撮影レンズにおける収差図である。図２（ａ）は、球面収差を示し、図２（ｂ）は、非点収差を示し、図２（ｃ）は、歪曲収差を示す。

本実施の形態においては、従来技術に比較して、非常にコンパクトな撮影レンズを実現しているにも関わらず、各収差とも良好に補正されている。
＜第２実施形態＞
次に、本発明に係る撮影レンズの第２実施形態について説明する。図３は、本発明の第２実施形態における撮影レンズの断面図である。

本実施形態に係る撮影レンズが第１実施形態と異なる点は、第１レンズ２及び第２レンズ３のレンズ形状である。但し、第１レンズ１が、物体側レンズ面Ｒ１に凸面を有する正のメニスカスレンズであり、第２レンズ２が、像側レンズ面Ｒ４に凸面を有する正のメニスカスレンズである点は、共通している。

以上の構成を有する本実施形態における撮影レンズの各パラメータ値は以下に示す通りである。ここでも、各値の意味するところは第１実施形態と同じである。

尚、本実施形態においては、第１レンズ２の物体側レンズ面Ｒ１の曲率半径ｒ１＝０．９２３９ｍｍであり、第１レンズ２の像側レンズ面Ｒ２の曲率半径ｒ２＝２．００００ｍｍであり、第２レンズ３の物体側レンズ面Ｒ３の曲率半径ｒ３＝−１．２３８８ｍｍであり、第２レンズ３の像側レンズ面Ｒ４の曲率半径ｒ４＝−１．５９９２ｍｍであり、第３レンズ４の物体側レンズ面Ｒ５の曲率半径ｒ５＝−８．４０３７ｍｍであり、第３レンズ４の像側レンズ面Ｒ６の曲率半径ｒ６＝５．２８７６ｍｍであり、第２レンズ３の屈折率Ｎｄ＝１．６０７であり、第２レンズ３のアッベ数νｄ＝２７であり、レンズ系の全長ＴＬ＝４．２８５ｍｍであり、第１レンズ２の焦点距離ｆ１＝２．７８５３８ｍｍであり、第２レンズ３の焦点距離ｆ２＝−１５．７９７ｍｍであり、第３レンズ４の焦点距離ｆ３＝−６．０２２７８ｍｍであり、レンズ系の焦点距離ｆ＝４．１７ｍｍである。

よって、ｒ１＝０．９２３９、ｒ２＝２．００００、ｒ３＝−１．２３８８、ｒ４＝−１．５９９２、ｒ５＝−８．４０３７、ｒ６＝５．２８７６は、上記条件式（１）を満たしており、Ｎｄ＝１．６０７、νｄ＝２７は、上記条件式（２）を満たしており、ＴＬ／ｆ＝１．０２７６は、上記条件式（３）を満たしており、ｆ１／ｆ＝０．６６８０は、上記条件式（４）を満たしており、｜ｆ２｜／ｆ＝３．７８８２は、上記条件式（５）を満たしており、｜ｆ３｜／ｆ＝１．４４４３は、上記条件式（６）を満たしており、ｒ２／ｒ１＝２．１６４７は、上記条件式（７）を満たしており、ｒ２／ｆ１＝０．７１８０は、上記条件式（８）を満たしている。

図４は、図３の撮影レンズにおける収差図である。図４（ａ）は、球面収差を示し、図４（ｂ）は、非点収差を示し、図４（ｃ）は、歪曲収差を示す。

本実施の形態においても、従来技術に比較して、非常にコンパクトな撮影レンズを実現しているにも関わらず、各収差とも良好に補正されている。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜、必要に応じて、設計変更や改良等を行うのは自由である。

例えば、第１レンズの物体側レンズ面、像側レンズ面、第２レンズの物体側レンズ面、像側レンズ面、第３レンズの物体側レンズ面、像側レンズ面の少なくとも何れかに回折光学素子面を有するレンズ系を採用することができる。

回折光学素子面は、主として色収差の補正の役割を担うが、回折光学素子面では、他の収差の補正を考慮する必要がないため、その屈折力を小さくすることができ、回折光学素子面での色収差以外の収差の発生を抑えることができ、レンズ系全体として諸収差を良好に補正できる。

本発明に係る撮影レンズは、レンズ系を３枚のレンズで構成し、レンズ系の各パラメータが条件式（１）〜（８）を満足させることにより、レンズ系の全長を短くしつつも、収差補正を良好に行うことができるという効果を奏し、デジタルスチルカメラ等のカメラに搭載される撮影レンズとして有用である。

本発明の第１実施形態における撮影レンズの断面図 図１の撮影レンズにおける収差図 本発明の第２実施形態における撮影レンズの断面図 図３の撮影レンズにおける収差図

符号の説明

１ 開口絞り
２ 第１レンズ
３ 第２レンズ
４ 第３レンズ
５ 光学部材

Claims (4)

1. 物体側より順に、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズを具備するレンズ系およびから構成される撮影レンズであって、
   第１レンズは、物体側レンズ面及び像側レンズ面ともに非球面形状のメニスカスレンズであり、
   第２レンズは、プラスチックレンズであって、物体側レンズ面及び像側レンズ面ともに非球面形状のメニスカスレンズであり、
   第３レンズは、物体側レンズ面及び像側レンズ面ともに非球面形状のレンズである撮像レンズであって、
   ｒ１を第１レンズの物体側レンズ面の曲率半径、
   ｒ２を第１レンズの像側レンズ面の曲率半径、
   ｒ３を第２レンズの物体側レンズ面の曲率半径、
   ｒ４を第２レンズの像側レンズ面を曲率半径、
   ｒ５は第３レンズの物体側レンズ面の曲率半径、
   ｒ６は第３レンズの像側レンズ面の曲率半径、としたときに以下の条件を満足し、
   
   ｒ１＞０、ｒ２＞０、ｒ３＜０、ｒ４＜０、ｒ５＜０、ｒ６＞０ ・・・（１）
   
   かつ、第２レンズの屈折率Ｎｄとそのアッベ数νｄが、以下の条件を満足し、
   
   Ｎｄ＞１．６、νｄ＜３０ ・・・（２）
   
   さらにレンズ系の全長（像側レンズ面と撮像面の間に配置された固体撮像素子におけるフィルタ等の光学部材を含んだ長さ）をＴＬ、レンズ系の焦点距離をｆとした場合、以下の条件を満足することを特徴とする撮影レンズ。
   
   １．０＜ＴＬ／ｆ＜１．１ ・・・（３）
2. レンズ系は、さらに以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の撮影レンズ
   ０．６＜ｆ１／ｆ＜０．７ ・・・（４）
   ２．０＜｜ｆ２｜／ｆ＜４．０ ・・・（５）
   １．０＜｜ｆ３｜／ｆ＜２．０ ・・・（６）
   尚、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、ｆはレンズ系の焦点距離を表す。
   
3. レンズ系は、さらに以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の撮影レンズ
   ２．１＜ｒ２／ｒ１＜２．７ ・・・（７）
   ｒ２／ｆ１＜１．０ ・・・・・・・（８）
   尚、ｆ１は第１レンズの焦点距離を表す。
   
4. レンズ系は、第１レンズの物体側レンズ面、像側レンズ面、第２レンズの物体側レンズ面、像側レンズ面、第３レンズの物体側レンズ面、像側レンズ面の少なくとも何れかに回折光学素子面を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の撮影レンズ。

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