JP5097086B2

JP5097086B2 - 結像光学系及びそれを用いた撮像装置

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Publication number: JP5097086B2
Application number: JP2008291203A
Authority: JP
Inventors: 拓巳井場; 優年山下
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-11-13
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2028-11-13
Also published as: CN101990646B; JP2010117584A; US20110019281A1; KR101252916B1; CN101990646A; KR20100112197A; WO2010055599A1

Description

本発明は、光学部材（例えば、光学レンズ、平行平板）を用いて結像部（例えば、撮像素子の撮像面）に被写体の像を結像させる結像光学系、及び、当該結像光学系を用いた撮像装置に関する。

かかる結像光学系においては、像質の劣化を引き起こす所謂フレアやゴーストと呼ばれる結像に寄与しない不要光束（迷光）が存在する。その主な原因としては、画角外の入射光線が、光学レンズのレンズ面やコバ部で反射し、撮像素子の撮像面に到達することが挙げられる。

従来、このようなフレアやゴーストによる像質の劣化を防止する手段として、以下のようなものが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

すなわち、特許文献１においては、光学レンズを保持するレンズ鏡筒内に組み込まれ、前記光学レンズに入射した光線を中心部の円形開口に通すことによりフレアの発生を抑える環状のフレアストッパであって、前記円形開口の端面を撮影光軸に対して傾斜させたものが提案されている。

また、特許文献２においては、レンズ鏡筒内に遮光板を設け、迷光の透過を阻止するようにした迷光防止構造が提案されている。

さらに、特許文献３においては、フレアをカットするために第２絞りが挿入された撮像用レンズが提案されている。
特許第３８９１５６７号公報特開２００１−２４２３６５号公報特許第３３９６６８３号公報

しかし、特許文献１〜３のようにフレアストッパ等を設けたとしても、一般的なレンズ設計を行っただけでは、像質の劣化を引き起こすフレアやゴーストの発生を十分に抑えることはできない。

本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、像質の劣化を引き起こすフレアやゴーストの発生を十分に抑えることのできる結像光学系、及び、当該結像光学系を用いた撮像装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る結像光学系の構成は、物体側から入射した光線を像面側に射出し、結像部に被写体の像を結像させる結像光学系であって、画角外の入射光線を、光学部材による全反射によって遮断するようにしたことを特徴とする。

前記本発明の結像光学系の構成によれば、画角外の入射光線を、光学部材による全反射によって遮断するようにしたことにより、画角外の不要光束を結像部に到達させないようにすることが可能となる。その結果、像質の劣化を引き起こすフレアやゴーストの発生を十分に抑えることが可能となる。

前記本発明の結像光学系の構成においては、前記光学部材の、前記画角外の入射光線を全反射させる全反射面が、光学面の有効開口部に設けられているのが好ましい。この好ましい例によれば、画角外の不要光束を効果的に遮断することができる。

また、前記本発明の結像光学系の構成においては、前記光学部材の、前記画角外の入射光線を全反射させる全反射面が、光学面の有効開口部外に設けられているのが好ましい。この好ましい例によれば、像質の劣化を引き起こすフレアやゴーストの発生を十分に抑えることが可能になる一方で、光学面の有効開口部の自由な設計も可能となる。また、前記画角外の入射光線を全反射させる全反射面を、光学面の有効開口部にも設けるようにすれば、像質の劣化を引き起こすフレアやゴーストの発生の抑制効果をさらに向上させることが可能となる。

また、前記本発明の結像光学系の構成においては、前記光学部材の、前記画角外の入射光線を全反射させる全反射面が、前記入射光線に対して凸面形状を有するのが好ましい。

また、前記本発明の結像光学系の構成においては、前記光学部材の、前記画角外の入射光線を全反射させる全反射面が、前記入射光線に対して凸面形状又は前記部材の光軸から離れるに従って前記結像部側に近づく傾斜面を有することが好ましい。

また、前記本発明の結像光学系の構成においては、前記画角外の入射光線を全反射させる全反射面で反射した光線が到達する部位に、前記全反射面で反射した光線の前記結像部への到達を阻止する手段が設けられているのが好ましい。この好ましい例によれば、像質の劣化を引き起こすフレアやゴーストの発生を防止することができる。また、この場合には、前記全反射面で反射した光線の前記結像部への到達を阻止する手段が、反射防止構造又は拡散構造からなるのが好ましい。この好ましい例によれば、全反射させた光線の一部が他の部位でさらに反射して結像部に到達するのを防止することができる。また、この場合には、前記全反射面で反射した光線の前記結像部への到達を阻止する手段が、前記光学部材に設けられているのが好ましい。この好ましい例によれば、全反射面で反射した光線の結像部への到達を阻止する手段を含む本発明を、光学部材の加工工程で完結させることができる。

また、本発明に係る撮像装置の構成は、被写体に対応した光信号を画像信号に変換して出力する撮像素子と、前記撮像素子の撮像面に前記被写体の像を結像させる結像光学系とを備えた撮像装置であって、前記結像光学系として前記本発明の結像光学系を用いたことを特徴とする。

前記本発明の撮像装置の構成によれば、結像光学系として前記本発明の結像光学系を用いていることにより、像質の劣化を引き起こすフレアやゴーストの発生を十分に抑えることができるので、高性能な撮像装置、ひいては当該撮像装置が搭載される高性能な携帯電話機などのモバイル製品を提供することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、像質の劣化を引き起こすフレアやゴーストの発生を十分に抑えることができ、かつ、カメラ付き携帯電話機などのモバイル製品に搭載される撮像素子に対応させることのできる結像光学系、及び、当該結像光学系を用いた撮像装置を提供することができる。

以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。

〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明の第１の実施の形態における結像光学系の構成を示す配置図である。

［１．結像光学系の構成］
まず、本実施の形態の結像光学系の構成について説明する。

図１に示すように、本実施の形態の結像光学系７は、物体側（図１では左側）から像面側（図１では右側）に向かって順に配置された、開口絞り５と、光学部材としての、正のパワーを有する両凸の第１レンズ１と、負のパワーを有し、像面側のレンズ面が凹面であるメニスカスレンズからなる第２レンズ２と、正のパワーを有し、像面側のレンズ面が凸面であるメニスカスレンズからなる第３レンズ３と、負のパワーを有し、像面側のレンズ面が光軸近傍で凹面である第４レンズ４とを備えている。ここで、結像光学系７は、物体側から入射した光線を像面側に射出し、結像部（本実施の形態においては、撮像素子の撮像面Ｓ）に光学像を形成する（被写体の像を結像させる）撮像用の単焦点レンズであり、撮像素子は、被写体に対応した光信号を画像信号に変換して出力する。そして、撮像素子と、結像光学系７とを用いて撮像装置が構成される。

第１〜第４レンズ１〜４の各レンズ面は、適宜、非球面とすることができ、レンズ面の非球面形状は、下記（数１）で与えられる（後述する第２の実施の形態についても同様である）。

但し、上記（数１）中、Ｙは光軸からの高さ、Ｘは光軸からの高さがＹの非球面形状の非球面頂点の接平面からの距離、Ｒ₀は非球面頂点の曲率半径、κは円錐常数、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、・・・はそれぞれ４次、６次、８次、１０次、・・・の非球面係数を表わしている。

第４レンズ４と撮像素子の撮像面Ｓとの間には、透明な平行平板６が配置されている。ここで、平行平板６は、光学ローパスフィルタとＩＲカットフィルタと撮像素子のフェースプレート（カバーガラス）に等価な平板である。

第１レンズ１の物体側のレンズ面から平行平板６の像面側の面に至る各面（以下「光学面」ともいう）を、物体側から順に、「第１面」、「第２面」、「第３面」、・・・、「第１０面」と呼ぶこととする（後述する第２の実施の形態についても同様である）。

下記（表１）に、本実施の形態における結像光学系７の具体的数値例を示す。

上記（表１）において、ｒ（ｍｍ）は光学面の曲率半径、ｄ（ｍｍ）は第１〜第４レンズ１〜４並びに平行平板６の軸上での肉厚又は面間隔、ｎは第１〜第４レンズ１〜４並びに平行平板６のｄ線（５８７．５６００ｎｍ）に対する屈折率、νは第１〜第４レンズ１〜４並びに平行平板６のｄ線に対するアッベ数を示している（後述する第２の実施の形態についても同様である）。

また、下記（表２Ａ）、（表２Ｂ）に、本実施の形態における結像光学系７を構成する第１〜第４レンズ１〜４の非球面係数（円錐常数を含む）を示す。下記（表２Ａ）、（表２Ｂ）中、「Ｅ＋００」、「Ｅ−０２」等は、それぞれ「１０⁺⁰⁰ 」、「１０^-02 」等を表わすものとする（後述する第２の実施の形態についても同様である）。

本実施の形態の結像光学系７においては、画角外の入射光線を、光学部材による全反射によって遮断するように構成されている。より具体的には、第２レンズ２の像面側のレンズ面ｅの有効開口部に、画角外の入射光線を全反射させる全反射面が設けられている。すなわち、第２レンズ２の像面側のレンズ面ｅは、物体側に大きい屈折率領域を有する光学面であり（第２レンズ２の屈折率ｎ₁：１．６１、第２及び第３レンズ２、３間の空気の屈折率：１．００）、全反射が起こり始める入射角度である臨界角は、sin^-1（１／ｎ₁）＝約３８度である。また、第２レンズ２の像面側のレンズ面ｅ（全反射面）は、入射光線に対して凸面形状（物体側に凸の形状）を有しており、その曲率半径は、ｒ₁＝１．７１８ｍｍである。

［２．結像光学系の作用効果］
次に、上記のように構成された結像光学系について、その作用効果を説明する。

図１において、ａ、ｂ、ｃ、ｄは、結像光学系７に入射する光線を示している。

光線ａ（実線）は、入射角約３２度で結像光学系７に入射し、撮像面Ｓに結像する光線の１つであり、第１〜第４レンズ１〜４の各レンズ面の最大有効径を通過する。

光線ｂ、ｃ、ｄ（破線）は、光線ａよりも大きい入射角約４０度（＞半画角ω₁＝約３２．５度）で結像光学系７に入射し、結像には寄与しない光線（不要光束）である（光線ｂは不要光束の上端の光線（上光線）、光線ｃは不要光束の開口絞り５の中心を通過する光線（主光線）、光線ｄは不要光束の下端の光線（下光線））。そして、光線ｂ、ｃ、ｄが第２レンズ２の像面側のレンズ面ｅに入射するとき、第２レンズ２の像面側のレンズ面ｅに対する光線ｂ、ｃ、ｄの入射角が臨界角よりも大きくなり、光線ｂ、ｃ、ｄは、第２レンズ２の像面側のレンズ面ｅで全反射する。すなわち、光線ｂ、ｃ、ｄは、第２レンズ２の像面側のレンズ面ｅによる全反射によって遮断される。従って、光線ｂ、ｃ、ｄを撮像面Ｓに到達させないようにすることが可能となり、その結果、像質の劣化を引き起こすフレアやゴーストの発生を十分に抑えることが可能となる。

このとき、第２レンズ２の像面側のレンズ面ｅで全反射した光線ｂ、ｃ、ｄは、第２レンズ２のコバ部２ａの外面（表面、外周面）に到達するが、この第２レンズ２のコバ部２ａの外面に、第２レンズ２の像面側のレンズ面ｅ（全反射面）で反射した光線ｂ、ｃ、ｄの撮像面Ｓへの到達を阻止する手段を設けておけば、像質の劣化を引き起こすフレアやゴーストの発生を防止することができる。

全反射面で反射した光線ｂ、ｃ、ｄの撮像面Ｓへの到達を阻止する手段としては、反射防止構造や拡散構造などが挙げられる。反射防止構造を実現するためには、例えば、反射防止塗料を塗布したり、遮光シートを設けたりすればよい。また、拡散構造を実現するためには、例えば、シボ加工を施して不規則な面を形成したり、規則的な凹凸を形成したりすればよい。全反射面で反射した光線ｂ、ｃ、ｄの撮像面Ｓへの到達を阻止する手段としてこれらの構造を用いれば、全反射させた光線ｂ、ｃ、ｄの一部が他の部位でさらに反射して撮像面Ｓに到達するのを防止することができる。

そして、このように、第２レンズ２（光学部材）の像面側のレンズ面ｅ（全反射面）で反射した光線ｂ、ｃ、ｄの撮像面Ｓへの到達を阻止する手段を、第２レンズ２（光学部材）のコバ部２ａの外面に設けるようにすれば、全反射面で反射した光線ｂ、ｃ、ｄの撮像面Ｓへの到達を阻止する手段を含む本発明を、第２レンズ２（光学部材）の加工工程で完結させることができる。尚、全反射面で反射した光線の撮像面Ｓへの到達を阻止する手段は、全反射面が設けられた光学部材（本実施の形態においては、第２レンズ２）とは異なる光学部材（第３レンズ３、平行平板６等）に設けられていてもよい。

また、レンズを保持している部材（レンズ保持部材）に第２レンズ２を通過した光線が到達することを考慮し、レンズ保持部材に、上記と同様の反射防止構造や拡散構造を設けておけば、上記と同様に、第２レンズ２の像面側のレンズ面ｅで全反射させた光線ｂ、ｃ、ｄの一部が他の部位でさらに反射して撮像面Ｓに到達するのをさらに防止することができる。

以上のような、全反射した光線ｂ、ｃ、ｄが到達する部位は、光路解析（光線追跡シミュレーション）によって決定することができる。

尚、本実施の形態においては、第２レンズ２に全反射面を設けているが、全反射面は、いずれの光学部材に設けられていてもよい（本実施の形態においては、第１〜第４レンズ１〜４のいずれに設けられていてもよい）。

〈第２の実施の形態〉
図２は、本発明の第２の実施の形態における結像光学系の構成を示す配置図である。

図２に示すように、本実施の形態の結像光学系１３は、物体側（図２では左側）から像面側（図２では右側）に向かって順に配置された、開口絞り１１と、光学部材としての、正のパワーを有し、像面側のレンズ面が凹面であるメニスカスレンズからなる第１レンズ８と、正のパワーを有し、像面側のレンズ面が凸面であるメニスカスレンズからなる第２レンズ９と、負のパワーを有し、像面側のレンズ面が光軸近傍で凹面である第３レンズ１０とを備えており、これらはレンズ保持部材１４によって保持されている。ここで、結像光学系１３は、物体側から入射した光線を像面側に射出し、結像部（本実施の形態においては、撮像素子の撮像面Ｓ）に光学像を形成する（被写体の像を結像させる）撮像用の単焦点レンズであり、撮像素子は、被写体に対応した光信号を画像信号に変換して出力する。そして、撮像素子と、結像光学系１３とを用いて撮像装置が構成される。

第３レンズ１０と撮像素子の撮像面Ｓとの間には、上記第１の実施の形態の平行平板６と同様の透明な平行平板１２が配置されている。

下記（表３）に、本実施の形態における結像光学系１３の具体的数値例を示す。

また、下記（表４Ａ）、（表４Ｂ）に、本実施の形態における結像光学系７を構成する第１〜第３レンズ８〜１０の非球面係数（円錐常数を含む）を示す。

本実施の形態の結像光学系１３においても、画角外の入射光線を、光学部材による全反射によって遮断するように構成されている。より具体的には、第３レンズ１０の像面側のレンズ面ｆの有効開口部外にある面ｇ（コバ部１０ａの像面側の表面）に、画角外の入射光線を全反射させる全反射面が設けられている。すなわち、第３レンズ１０の像面側のレンズ面ｆの有効開口部外にある面ｇは、物体側に大きい屈折率領域を有する面であり（第３レンズ１０の屈折率ｎ₂：１．５２５、第３レンズ１０と平行平板１２との間の空気の屈折率：１．００）、全反射が起こり始める入射角度である臨界角は、sin^-1（１／ｎ₂）＝約４１度である。また、面ｇ（全反射面）は、光軸から離れるにしたがって撮像面Ｓとの間の距離が減少するように傾斜している（入射光線に対して斜めに配置されている）。ここで、面ｇの、光軸に垂直な面とのなす角度は、θ₂＝約２０度である。この場合、面ｇは、光路解析などによって適切に配置されるべきである。

図２において、ａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’は、結像光学系１３に入射する光線を示している。

光線ａ’（実線）は、入射角約３２度で結像光学系１３に入射し、撮像面Ｓに結像する光線の１つであり、第１〜第３レンズ８〜１０の各レンズ面の最大有効径を通過する。

光線ｂ’、ｃ’、ｄ’（破線）は、光線ａ’よりも大きい入射角約４０度（＞半画角ω₂＝約３２度）で結像光学系１３に入射し、結像には寄与しない光線（不要光束）である（光線ｂ’は不要光束の上端の光線（上光線）、光線ｃ’は不要光束の開口絞り１１の中心を通過する光線（主光線）、光線ｄ’は不要光束の下端の光線（下光線））。そして、光線ｂ’、ｃ’、ｄ’が第３レンズ１０の像面側のレンズ面ｆの有効開口部外にある面ｇに入射するとき、当該面ｇに対する光線ｂ’、ｃ’、ｄ’の入射角が臨界角よりも大きくなり、光線ｂ’、ｃ’、ｄ’は、面ｇで全反射する。すなわち、光線ｂ’、ｃ’、ｄ’は、面ｇによる全反射によって遮断される。従って、光線ｂ’、ｃ’、ｄ’を撮像面Ｓに到達させないようにすることが可能となり、その結果、像質の劣化を引き起こすフレアやゴーストの発生を十分に抑えることが可能となる。尚、画角外の入射光線を全反射させる全反射面を、レンズ面の有効開口部にも設けるようにすれば、像質の劣化を引き起こすフレアやゴーストの発生の抑制効果をさらに向上させることが可能となる。

このとき、第３レンズ１０（光学部材）の面ｇで全反射した光線ｂ’、ｃ’、ｄ’は、第３レンズ１０のコバ部１０ａの外周面に到達するが、この第３レンズ１０（光学部材）のコバ部１０ａの外周面に、上記第１の実施の形態と同様の、面ｇ（全反射面）で反射した光線ｂ’、ｃ’、ｄ’の撮像面Ｓへの到達を阻止する手段を設けておけば、例えば、全反射させた光線ｂ’、ｃ’、ｄ’の一部が他の部位でさらに反射して撮像面Ｓに到達するのを防止することができる。尚、本実施の形態においても、全反射面で反射した光線の撮像面Ｓへの到達を阻止する手段は、全反射面が設けられた光学部材（本実施の形態においては、第３レンズ１０）とは異なる光学部材（第２レンズ９、平行平板１２等）に設けることができる。例えば、図示していないが、第３レンズ１０の面ｇで全反射した光線ｂ’、ｃ’、ｄ’がレンズ保持部材１４で反射し、その反射した光線が第２レンズ９のコバ部の表面に到達する場合には、第２レンズ９のコバ部の表面に反射防止構造や拡散構造を設けることにより、全反射面で反射した光線の撮像面Ｓへの到達を阻止することができる。

また、第３レンズ１０を通過して、レンズ保持部材１４に光線が到達することを考慮し、レンズ保持部材１４に同様の構造を設けておけば、上記と同様に、面ｇで全反射させた光線ｂ’、ｃ’、ｄ’の一部が他の部位でさらに反射して撮像面Ｓに到達するのをさらに防止することができる。

尚、本実施の形態においては、第３レンズ１０のコバ部の像面側の面（レンズ面の有効開口部外にある面）に全反射面を設けているが、全反射面は、いずれの光学部材に設けられていてもよい（本実施の形態においては、第１〜第３レンズ８〜１０のいずれに設けられていてもよい）。

また、本実施の形態においては、このように、全反射面が入射光線に対して斜めに配置されている場合を例に挙げて説明したが、この場合の全反射面は、上記第１の実施の形態と同様に、入射光線に対して凸面形状を有するものであってもよい。

また、上記第１及び第２の実施の形態においては、結像光学系として単焦点レンズを例に挙げて説明したが、ズーム機能を有する結像光学系にも本発明は適用可能である。さらに、上記第１及び第２の実施の形態を組み合わせた本発明も、単焦点レンズからなる結像光学系、ズーム機能を有する結像光学系のそれぞれに適用可能である。

本発明の結像光学系は、像質の劣化を引き起こすフレアやゴーストの発生を十分に抑えることができるので、高性能化が望まれるカメラ付き携帯電話機などのモバイル製品の分野において特に有用である。

本発明の第１の実施の形態における結像光学系の構成を示す配置図本発明の第２の実施の形態における結像光学系の構成を示す配置図

符号の説明

ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’ 光線
ｅレンズ面（全反射面）
ｆレンズ面
ｇ面（全反射面）
Ｓ撮像面
１、８第１レンズ
２、９第２レンズ
２ａ、１０ａコバ部
３、１０第３レンズ
４第４レンズ
５、１１開口絞り
６平行平板
７、１３結像光学系

Claims

物体側から入射した光線を像面側に射出し、結像部に被写体の像を結像させる結像光学系であって、
画角外の入射光線を、レンズ部を有する部材による全反射によって遮断するように、前記部材の、前記画角外の入射光線を全反射させる全反射面が、前記部材の光学面の有効開口部内に設けられていて、
前記部材の、前記画角外の入射光線を全反射させる前記全反射面が、前記入射光線に対して凸面形状を有することを特徴とする結像光学系。
物体側から入射した光線を像面側に射出し、結像部に被写体の像を結像させる結像光学系であって、
画角外の入射光線を、レンズ部を有する部材による全反射によって遮断するように、前記部材の、前記画角外の入射光線を全反射させる全反射面が、前記部材の光学面の有効開口部外に設けられ、かつ、前記部材の、前記画角外の入射光線を全反射させる前記全反射面が、前記入射光線に対して凸面形状又は前記部材の光軸から離れるに従って前記結像部側に近づく傾斜面を有することを特徴とする結像光学系。
前記画角外の入射光線を全反射させる全反射面で反射した光線が到達する部位に、前記全反射面で反射した光線の前記結像部への到達を阻止する手段が設けられている、請求項１又は２に記載の結像光学系。
前記全反射面で反射した光線の前記結像部への到達を阻止する手段が、反射防止構造又は拡散構造からなる、請求項３に記載の結像光学系。
前記全反射面で反射した光線の前記結像部への到達を阻止する手段が、前記部材に設けられている、請求項３又は４に記載の結像光学系。
被写体に対応した光信号を画像信号に変換して出力する撮像素子と、前記撮像素子の撮像面に前記被写体の像を結像させる結像光学系とを備えた撮像装置であって、
前記結像光学系として請求項１〜５のいずれか１項に記載の結像光学系を用いたことを特徴とする撮像装置。