KR20130029013A - 렌즈 광학계 및 촬상 장치 - Google Patents

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KR20130029013A KR1020120098142A KR20120098142A KR20130029013A KR 20130029013 A KR20130029013 A KR 20130029013A KR 1020120098142 A KR1020120098142 A KR 1020120098142A KR 20120098142 A KR20120098142 A KR 20120098142A KR 20130029013 A KR20130029013 A KR 20130029013A
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solid
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히로끼 야마노
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Abstract

고체 촬상 소자의 물체측에 배치된 적어도 1장의 렌즈를 포함하는 렌즈 광학계가 구비된다. 상기 고체 촬상 소자의 촬상면은 광축으로부터의 거리가 증가함에 따라 광축 방향으로 sag량을 증가시키는 비평면 형상을 갖고, 조건식 ρ×Sag>0을 만족시키고, 여기서, ρ는 ρ=
Figure pat00027
로 나타내어지는 광학계의 펫츠팔 곡률(Petzval curvature)을 나타내고, rk는 물체측으로부터 k번째 렌즈면의 곡률 반경을 나타내고, nk는 물체측으로부터 k번째 렌즈면에 입사되기 전의 매질의 굴절률을 나타내고, n'k는 물체측으로부터 k번째 렌즈면으로부터 사출된 후의 매질의 굴절률을 나타내고, Sag는 촬상면에서 광축 이외의 소정의 지점에 관한 광축 방향의 sag량(화상측 방향이 포지티브)을 나타낸다.

Description

렌즈 광학계 및 촬상 장치{LENS OPTICAL UNIT AND IMAGING DEVICE}
본 기술은 렌즈 광학계 및 촬상 장치에 관한 것이다. 상세하게는, 본 기술은 소형이면서 고성능 촬상 수단으로서 고체 촬상 소자를 사용한 디지털 스틸 카메라, 비디오 카메라, 감시 카메라 등에 특히 적합한 렌즈 광학계 및 촬상 장치의 기술 분야에 관한 것이다.
최근 디지털 카메라 등의 촬상 장치의 시장은 매우 크며, 사용자의 디지털 카메라 등에 대한 요구도 다양하다. 고화질화, 소형화 및 박형화에 대한 요구는 물론이며, 또한 최근에는 촬영 렌즈의 밝기, 및 저 노이즈 촬영과 높은 동적 범위의 실현에 효과적인 촬상 소자의 대형화에 대한 요구가 커지고 있다.
일반적으로, 촬상 소자를 대형화하면, 그만큼 렌즈 광학계도 대형화되는 것으로 알려져 있다. 특히, 촬상 수단으로서 고체 촬상 소자를 사용한 디지털 카메라용의 렌즈 광학계에서는, 촬상면에 대한 입사 광선 각도의 허용 레벨이 작고, 가능한 한 수직에 가까운 광선 입사를 실현하기 위해서 광학계를 텔레센트릭에 근접시키는 광학 설계가 필요하다. 따라서, 상당히 작은 광학계를 실현하는 것이 곤란하다.
또한, 촬영 화상이나 영상의 중심에서 주변부에 이르는 전체 화면에서의 고해상도화를 실현하기 위해서는, 촬상면에 결상하는 광학상의 상면 만곡(field curvature)을 적절하게 보정할 필요가 있다. 그러나, 이것을 실현하기 위해서는 상면 만곡 보정을 행하기 위한 보포지티브 렌즈를 광학계에 추가할 필요가 있다. 따라서, 이는 광학계의 소형화에 대해 큰 제약이 되었다. 초점 심도가 얕아지는 F 넘버가 밝은 렌즈에서는, 특히, 이 제약이 커서 소형화가 곤란하다.
상면 만곡 보정을 행하는 촬상 장치로서, 고체 촬상 소자의 물체측에 곡면을 갖는 상면 변환 소자(image plane converting element)가 배치된 촬상 장치가 제안되고 있다(일본 특허 출원 공개(JP-A) 제2010-109096호 공보 참조).
일본 특허 출원 공개(JP-A) 제2010-109096호 공보
그러나, JP-A 제2010-109096호에 기재된 렌즈 광학계에 대해서는, 상면 변환 소자에 의해 상면 만곡 보정이 행해지도록 되어 있지만, 곡면 형상에 대한 구체적인 설계가 행해지지 않아, 충분한 상면 만곡 보정이 행해지지 않을 가능성이 있다.
또한, JP-A 제2010-109096호에 기재된 렌즈 광학계에 대해서는, 고체 촬상 소자의 물체측에 상면 변환 소자가 배치되어 있기 때문에, 그만큼 광학 전체 길이가 길어져, 소형화에 지장을 초래한다.
따라서, 본 기술은 상기한 문제점을 해결하고, 소형화를 도모하고 충분한 상면 만곡 보정을 행하여 높은 광학 성능을 실행할 수 있는 렌즈 광학계 및 촬상 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 고체 촬상 소자의 물체측에 배치된 적어도 1장의 렌즈를 포함하는 렌즈 광학계가 구비된다. 상기 고체 촬상 소자의 촬상면은 광축으로부터의 거리가 증가함에 따라 광축 방향으로 sag량을 증가시키는 비평면 형상을 갖고, 조건식 (1) ρ×Sag>0을 만족시키고, 여기서, ρ는 ρ=
Figure pat00001
로 나타내어지는 광학계의 펫츠팔 곡률(Petzval curvature)을 나타내고, rk는 물체측으로부터 k번째 렌즈면의 곡률 반경을 나타내고, nk는 물체측으로부터 k번째 렌즈면에 입사되기 전의 매질의 굴절률을 나타내고, n'k는 물체측으로부터 k번째 렌즈면으로부터 사출된 후의 매질의 굴절률을 나타내고, Sag는 촬상면에서 광축 이외의 소정의 지점에 관한 광축 방향의 sag량(화상측 방향이 포지티브)을 나타낸다.
따라서, 렌즈 광학계에서는, 광학상의 최적의 해상도가 얻어지는 상면과 촬상면을 매칭시키는 것이 가능해진다.
상기한 렌즈 광학계에서는, 이하의 조건식 (2)를 만족하는 것이 바람직하다.
(2) ρ<0
조건식 (2)를 만족함으로써, 펫츠팔 곡률이 마이너스 부호를 갖는다.
상기한 렌즈 광학계에서는, 상기 고체 촬상 소자의 촬상면의 비평면 형상이, 광축을 중심으로 회전 대칭인 곡면 형상인 것이 바람직하다.
고체 촬상 소자의 촬상면의 비평면 형상이, 광축을 중심으로 회전 대칭인 곡면 형상인 것으로 인해, 렌즈 광학계를 구성하는 각 렌즈의 렌즈면 형상을 회전 대칭의 형상으로 형성하는 것이 가능해진다.
상기한 렌즈 광학계에서는, 전체 줌 영역의 무한 촬영 상태에서, 최대 시야각(maximum angle of field) 주 광선의 상기 촬상면에 입사되는 각도가 이하의 조건식 (3)을 만족하는 것이 바람직하고, (3) θmax<45°, 여기서, θmax는 최대 시야각을 가진 주 광선이 촬상면에 입사되는 각도(수직 입사를 0°로 함)를 나타낸다.
전체 줌 영역의 무한 촬영 상태에 있어서, 최대 시야각을 가진 주 광선이 촬상면에 입사되는 각도가 조건식 (3)을 만족함으로써, 고체 촬상 소자에 대한 입사 광선 각도가 작아진다.
상기한 렌즈 광학계에서는, 상기 고체 촬상 소자의 촬상면 전체가 동일 곡률의 구면 형상인 것이 바람직하다.
고체 촬상 소자의 촬상면 전체가 동일 곡률의 구면 형상을 갖기 때문에, 촬상면의 형상이 단순화된다.
상기한 렌즈 광학계에서는, 상기 고체 촬상 소자의 촬상면과 광학계의 초점 거리가 이하의 조건식 (4)를 만족하는 것이 바람직하고, (4) -5.0<Rimg/finf<-1.0, 여기서, Rimg는 고체 촬상 소자의 촬상면의 곡률 반경을 나타내고, finf는 무한 포커싱시의 광학계의 초점 거리를 나타낸다.
고체 촬상 소자의 촬상면과 광학계의 초점 거리가 조건식 (4)를 만족함으로써, 촬상면의 만곡의 정도가 작아지고, 렌즈 광학계의 초점 거리에 대해 고체 촬상 소자의 촬상면의 곡률이 커진다.
상기한 렌즈 광학계에서는, 2장의 포지티브 렌즈와 2장의 네거티브 렌즈를 포함하는 총 4장의 렌즈를 상기 렌즈로서 배치하는 것이 바람직하다.
렌즈로서 2장의 포지티브 렌즈와 2장의 네거티브 렌즈를 포함하는 총 4장의 렌즈를 배치함으로써, 렌즈 광학계를 구성하는 렌즈의 매수가 적은 상태에서 각종 수차 보정이 가능해진다.
상기한 렌즈 광학계에서는, 화상측(image side)에 가장 근접한 렌즈가 화상측을 향해 볼록 형상을 갖는 오목 메니스커스 렌즈인 것이 바람직하다.
화상측에 가장 근접한 렌즈가 화상측을 향해 볼록 형상을 갖는 오목 메니스커스 렌즈를 구비하기 때문에, 화상측에 가장 근접한 렌즈에 의한 배율을 증가시킬 수 있다.
상기한 렌즈 광학계에서는, 화상측에 가장 근접한 렌즈면에 비구면을 형성하는 것이 바람직하다.
화상측에 가장 근접한 렌즈면에 비구면이 형성되기 때문에, 광학계의 비점 수차의 보정을 적절하게 행할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 렌즈 광학계, 및 상기 렌즈 광학계에 의해 형성된 광학상을 전기 신호로 변환하는 고체 촬상 소자를 포함하는, 촬상 장치가 구비된다. 상기 렌즈 광학계는, 상기 고체 촬상 소자의 물체측에 배치된 적어도 1장의 렌즈를 포함하고, 상기 고체 촬상 소자의 촬상면은 광축으로부터의 거리가 증가함에 따라 광축 방향으로 sag량을 증가시키는 비평면 형상을 갖고, 조건식 (1)을 만족하고, (1) ρ×Sag>0, 여기서, ρ는 ρ=
Figure pat00002
로 나타내어지는 광학계의 펫츠팔 곡률을 나타내고, rk는 물체측으로부터 k번째 렌즈면의 곡률 반경을 나타내고, nk는 물체측으로부터 k번째 렌즈면에 입사되기 전의 매질의 굴절률을 나타내고, n'k는 물체측으로부터 k번째 렌즈면으로부터 사출된 후의 매질의 굴절률을 나타내고, Sag는 촬상면에서 광축 이외의 소정의 지점에 관한 광축 방향의 sag량(화상측 방향이 포지티브)을 나타낸다.
따라서, 촬상 장치에서, 광학상의 최적의 해상도가 얻어지는 상면과 촬상면을 매칭시키는 것이 가능해진다.
본 기술의 실시 형태에 따르면, 소형화를 도모할 수 있고 충분한 상면 만곡 보정을 행함으로써, 높은 광학 성능을 실현할 수 있는 렌즈 광학계 및 촬상 장치를 제공할 수 있다.
도 1은, 도 2 내지 도 4와 함께 본 기술에 따른 렌즈 광학계 및 촬상 장치를 실시하기 위한 예시적 실시 형태를 나타내는 것이며, 구성과 광 광로를 나타내는 개념도이다.
도 2는 촬상면의 형상이 상이한 예를 나타내는 개념도이다.
도 3은 렌즈 광학계의 제1 실시 형태의 렌즈 구성을 나타내는 도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 구체적인 수치를 적용한 수치 실시예의 구면 수차, 비점 수차 및 왜곡 수차를 나타내는 도이다.
도 5는 렌즈 광학계의 제2 실시 형태의 렌즈 구성을 나타내는 도이다.
도 6은 제2 실시 형태에 구체적인 수치를 적용한 수치 실시예의 구면 수차, 비점 수차 및 왜곡 수차를 나타내는 도이다.
도 7은 렌즈 광학계의 제3 실시 형태의 렌즈 구성을 나타내는 도이다.
도 8은 제3 실시 형태에 구체적인 수치를 적용한 수치 실시예의 구면 수차, 비점 수차 및 왜곡 수차를 나타내는 도이다.
도 9는 렌즈 광학계의 제4 실시 형태의 렌즈 구성을 나타내는 도이다.
도 10은 제4 실시 형태에 구체적인 수치를 적용한 수치 실시예의 구면 수차, 비점 수차 및 왜곡 수차를 나타내는 도이다.
도 11은 렌즈 광학계의 제5 실시 형태의 렌즈 구성을 나타내는 도이다.
도 12는, 도 13과 함께 제5 실시 형태에 구체적인 수치를 적용한 수치 실시예의 수차도를 나타내고, 광각 단부 상태에서의 구면 수차, 비점 수차 및 왜곡 수차를 나타내는 도이다.
도 13은 망원 단부 상태에서의 구면 수차, 비점 수차 및 왜곡 수차를 나타내는 도이다.
도 14는 촬상 장치의 일례를 나타내는 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명된다. 또한, 본 명세서 및 첨부된 도면에서, 실질적으로 동일한 기능 및 구조를 갖는 구조 요소는 동일한 참조 번호로 나타내고, 이러한 구조의 반복적인 설명은 생략한다.
이하에, 본 기술에 따른 렌즈 광학계 및 촬상 장치를 실시하기 위한 최선의 형태에 대해서 설명한다.
[렌즈 광학계의 구성]
본 기술에 따른 렌즈 광학계는, 도 1에 도시한 바와 같이, 고체 촬상 소자의 물체측에 적어도 1장의 렌즈(R)가 배치되고, 고체 촬상 소자의 촬상면(IMG)이, 광축으로부터 멀어짐에 따라 광축 방향으로 sag량(d)이 커지는 비평면 형상을 갖는다. 촬상면(IMG)의 물체측에는 커버 글래스(CG)가 배치된다.
도 1에는, 촬상면(IMG)이 물체측에 오목한 비평면 형상으로 형성된 예를 나타낸다. 그러나, 도 2에 도시한 바와 같이, 촬상면(IMG)이 물체측에 볼록한 비평면 형상으로 형성되어 있어도 된다.
촬상면(IMG)은 광축을 축으로 하는 회전 대칭의 형상이 아니어도 좋고, 구면 형상이 아니어도 좋다.
렌즈 광학계를 상기와 같이 구성함으로써, 렌즈 광학계에 상면 만곡 수차가 크게 발생하여도, 광학상의 최적의 해상도가 얻어지는 상면과 촬상면을 매칭시키는 것이 가능하기 때문에, 화상 또는 영상의 중심에서 최 주변부(최 외주부)에 이르는 전체 화면의 양호한 해상도를 확보할 수 있다.
또한, 본 기술에 따른 렌즈 광학계는, 이하의 조건식 (1)을 만족하도록 구성된다.
(1) ρ×Sag>0
여기서, ρ:ρ=
Figure pat00003
로 나타내어지는 광학계의 펫츠팔 곡률
rk: 물체측으로부터 k번째 렌즈면의 곡률 반경
nk: 물체측으로부터 k번째 렌즈면에 입사되기 전의 매질의 굴절률
n'k: 물체측으로부터 k번째 렌즈면으로부터 사출된 후의 매질의 굴절률
Sag: 촬상면에서 광축 이외의 소정의 지점에 관한 광축 방향의 sag량(화상측 방향이 포지티브)
조건식 (1)은, 렌즈 광학계가 갖는 상면 만곡 수차의 상태와, 고체 촬상 소자의 촬상면이 갖는 비평면 형상의 최적 조건을 규정하는 식이다.
여기서, 조건식 (1)이 너무 작아 하한 아래에 있을 경우에는, 렌즈 광학계의 상면 만곡의 방향과 고체 촬상 소자의 촬상면의 형상의 방향이 상반되는 방향으로 변화되어, 치명적인 화질의 열화를 초래하게 된다.
따라서, 렌즈 광학계가 조건식 (1)을 만족함으로써, 렌즈 광학계의 상면 만곡의 방향과 고체 촬상 소자의 촬상면의 형상의 방향이 상반되는 방향으로 변화하지 않아서, 상면 만곡 수차가 양호하게 보정되고, 화질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 기술에 따른 렌즈 광학계에서는, 촬상면(IMG)을 광축으로부터의 거리가 증가함에 따라 광축 방향으로 sag량(d)이 커지는 비평면 형상으로 형성하고, 상기한 조건식 (1)을 만족함으로써, 촬상면(IMG)에 대한 입사 광선의 제약이 저감되어, 렌즈의 매수를 삭감하는 것이 가능해진다.
따라서, 소형화를 도모할 수 있고, 높은 광학 성능을 확보할 수 있다.
본 기술의 일 실시 형태에 따른 렌즈 광학계에서는, 이하의 조건식 (2)를 만족하는 것이 바람직하다.
(2) ρ<0
여기서, ρ는 상기한 조건식 (1)에서의 펫츠팔 곡률이다.
조건식 (2)는, 렌즈 광학계가 갖는 상면 만곡 수차의 상태를 규정하는 식이다.
일반적으로, 렌즈 광학계의 소형화를 실현하기 위해서는, 렌즈 광학계의 사출동(exit pupil) 위치를 마이너스 부호로 설계하는 것이 유리한 것으로 잘 알려져 있다. 그러나, 조건식 (2)의 상한을 초과해서 지나치게 커질 경우에는, 펫츠팔 곡률이 포지티브 부호를 갖는 것을 의미한다.
여기서, 펫츠팔 곡률이 포지티브 부호를 가지면, 광학 상면이 물체측을 향해 볼록한 상면 만곡 수차를 갖게 되어, 렌즈 광학계의 사출동 위치는 포지티브 부호를 갖는다. 결과적으로, 렌즈 광학계의 소형화와 고화질화를 도모하는 것이 곤란해진다.
따라서, 렌즈 광학계가 조건식 (2)를 만족하는 경우, 소형화와 고화질화를 도모할 수 있다.
본 기술의 일 실시 형태에 따른 렌즈 광학계에서는, 고체 촬상 소자의 촬상면의 비평면 형상이, 광축을 중심으로 회전 대칭인 곡면 형상인 것이 바람직하다.
고체 촬상 소자의 촬상면의 비평면 형상이, 광축을 중심으로 회전 대칭인 곡면 형상을 가짐으로써, 렌즈 광학계를 구성하는 각 렌즈의 렌즈면 형상을 회전 대칭의 형상으로 형성할 수 있기 때문에, 광학 설계 및 렌즈의 제조 관점에서 용이화를 도모할 수 있다.
본 기술의 일 실시 형태에 따른 렌즈 광학계에서는, 전체 줌 영역의 무한 촬영 상태에서, 최대 시야각(maximum angle of field)을 가진 주 광선이 촬상면에 입사되는 각도가 이하의 조건식 (3)을 만족하는 것이 바람직하다.
(3) θmax<45°
여기서, θmax: 최대 시야각을 가진 주 광선이 촬상면에 입사되는 각도(수직 입사를 0°로 함)
조건식 (3)은, 최대 시야각을 가진 주 광선이 촬상면에 입사되는 각도를 규정하는 식이다.
이 각도가 조건식 (3)을 초과해서 지나치게 커지면, 고체 촬상 소자에 대한 입사 광선 각도가 경사 방향으로 지나치게 기울기 때문에, 특히, 화면 주변부의 주변 광량이 현저하게 저하된다. 또한, 고체 촬상 소자 상에 배치되어 있는 온칩 렌즈의 기능이 충분하지 않고, 화소들 사이의 이웃한 다이오드 소자에 입사광이 미광으로 입사된다. 따라서, 특히, 컬러 화상의 출력이 가능한 촬상 소자에서 혼색이 발생하여 화질의 열화를 초래한다.
그러나, 렌즈 광학계의 실시 형태로는, 이하의 조건식 (3)'를 만족하도록 구성하는 것이 바람직하다.
(3)' 5°<θmax<35°
렌즈 광학계가 조건식 (3)'를 만족하는 경우, 상기한 장점을 더 얻을 수 있다.
또한, 렌즈 광학계의 실시 형태로는, 이하의 조건식 (3)"를 만족하도록 구성하는 것이 보다 바람직하다.
(3)" 7.5°<θmax<25°
렌즈 광학계가 조건식 (3)"를 만족하는 경우, 상기한 장점을 더 얻을 수 있다.
본 기술의 일 실시 형태에 따른 렌즈 광학계에서는, 고체 촬상 소자의 촬상면 전체가 동일 곡률의 구면 형상인 것이 바람직하다.
고체 촬상 소자의 촬상면 전체를 동일 곡률의 구면 형상으로 형성하는 경우, 촬상면이 비평면 형상인 고체 촬상 소자를 제조 또는 양산 및 관리할 때 촬상면 형상의 측정 및 관리를 용이하게 행할 수 있다.
본 기술의 일 실시 형태에 따른 렌즈 광학계에서는, 고체 촬상 소자의 촬상면과 광학계의 초점 거리가 이하의 조건식 (4)를 만족하는 것이 바람직하다.
(4) -5.0<Rimg/finf<-1.0
Rimg: 고체 촬상 소자의 촬상면의 곡률 반경
finf: 무한 포커싱시의 광학계의 초점 거리
조건식 (4)는, 고체 촬상 소자의 촬상면의 곡률 반경과 렌즈 광학계의 전체 계(entire system)의 초점 거리 사이의 비를 규정하는 식이다.
그 비가 조건식 (4)의 상한을 초과해서 지나치게 커지면, 렌즈 광학계의 초점 거리에 대해 고체 촬상 소자의 촬상면의 곡률이 지나치게 강해지기 때문에, 상면 만곡 수차에 대해 필요 이상으로 촬상면이 만곡되게 설계된다. 결과적으로, 특히, 광축 방향으로 렌즈 경통의 두께가 상당히 증가한다.
그러나, 조건식 (4)의 하한을 초과해서 지나치게 작아지면, 렌즈 광학계의 초점 거리에 대해 고체 촬상 소자의 촬상면의 곡률이 지나치게 완만해지기 때문에, 상면 만곡 수차를 렌즈 광학계에서 보정할 필요가 있다.
렌즈 광학계의 실시 형태로는, 이하의 조건식 (4)'를 만족하도록 구성하는 것이 바람직하다.
(4)' -4.75<Rimg/finf<-1.5
렌즈 광학계가 조건식 (4)'를 만족하는 경우, 상기한 장점을 최대한 얻을 수 있다.
본 기술의 일 실시 형태에 따른 렌즈 광학계에서는, 2장의 포지티브 렌즈와 2장의 네거티브 렌즈를 포함하는 총 4장의 렌즈를 배치하는 것이 바람직하다.
2장의 포지티브 렌즈와 2장의 네거티브 렌즈를 포함하는 총 4장의 렌즈를 배치함으로써, 렌즈 광학계를 구성하는 렌즈의 매수를 필요 최소한의 수로 감소시킬 수 있고, 그 뒤 각종 수차 보정을 적절하게 행하는 것이 가능하고, 높은 해상도를 확보하는 것이 가능해진다.
본 기술의 일 실시 형태에 따른 렌즈 광학계에서는, 화상측에 가장 근접한 렌즈가 화상측을 향해 볼록 형상을 갖는 오목 메니스커스 렌즈인 것이 바람직하다.
화상측에 가장 근접한 렌즈를 화상측을 향해 볼록 형상을 갖는 오목 메니스커스 렌즈로 함으로써, 화상측에 가장 근접한 렌즈에 의한 확대 배율을 크게 할 수 있고, 광학계 전체의 크기를 감소시킬 수 있고, 화상측에 가장 근접한 렌즈면에 의한 비점 수차의 발생을 억제할 수 있다.
본 기술의 일 실시 형태에 따른 렌즈 광학계에서는, 화상측에 가장 근접한 렌즈면에 비구면을 형성하는 것이 바람직하다.
화상측에 가장 근접한 렌즈면 상의 비구면에 의해, 광학계의 비점 수차의 보정을 적절하게 행하는 것이 가능하게 되어 화질을 향상시킬 수 있다.
렌즈 광학계는, 광학계의 전체 또는 일부를 광축 방향으로 이동시킴으로써 포커싱을 행할 수 있고, 광축과 수직 방향으로 광학계의 전체 또는 일부를 시프트시킴으로써 손떨림 보정(camera-shake correction)을 행할 수 있다.
또한, 상기한 실시 형태에서 나타낸 고체 촬상 소자의 촬상면의 비평면 형상은, 렌즈 광학계의 포커싱이나 줌(zooming)에 따라 변조시키는 것이 효과적이다. 따라서, 본 형태에 대해서도 본 기술의 기술적 범위에 포함된다.
[렌즈 광학계의 수치 실시예]
다음에, 본 기술에 따른 렌즈 광학계의 구체적인 실시 형태 및 실시 형태에 구체적인 수치를 적용한 수치 실시예에 대해서, 도면 및 표를 참조하여 설명한다.
여기서, 표나 설명에서 사용되는 기호 등은 다음의 의미를 갖는다.
"si"는 물체측에서 화상측으로 센 제i 번째의 면의 면 번호, "ri"는 제i 번째의 면의 근축(paraxial) 곡률 반경, "di"는 제i 번째의 면과 제i+1 번째의 면 사이의 축상 면 간격(렌즈의 중심의 두께 또는 공기 간격), "ni"는 제i 번째의 면부터 시작되는 렌즈 등의 d선(λ=587.6nm)에서의 굴절률, "vi"는 제i 번째의 면부터 시작되는 렌즈 등의 d선에서의 아베수를 나타낸다.
"si"에 관한 각각의 "ASP"는 당해 면이 비구면인 것을 나타내고, "STO"는 당해 면이 개구 조리개인 것을 나타내고, "IMG"는 당해 면이 고체 촬상 소자의 촬상면인 것을 나타내고, "ri"에 관한 "INFINITY"는 당해 면이 평면인 것을 나타낸다.
"f"는 초점 거리, "Fno"는 F 넘버, "ω"는 반시야각(half angle of field)을 나타낸다.
"κ"는 원추 상수(코닉 상수), "A", "B", "C" 및 "D"는 각각 4차의 비구면 계수, 6차의 비구면 계수, 8차의 비구면 계수 및 10차의 비구면 계수를 나타낸다.
비구면 계수를 나타내는 각 표에서, "E-n"은 10을 밑으로 하는 지수 표현, 즉, "10-n"을 나타낸다. 예를 들어, "0.12345E-05"는 "0.12345×10-5"를 나타낸다.
각 실시 형태에서 사용된 렌즈 광학계에는, 렌즈면은 비구면으로 형성된다. 비구면 형상은, "x"를 렌즈면의 정점에서부터 광축 방향으로의 거리(sag량), "y"를 광축 방향에 수직인 방향으로의 높이(화상 높이), "c"를 렌즈의 정점에서의 근축 곡률(곡률 반경의 역수), "κ"을 원추 상수(코닉 상수), "A", "B", "C" 및 "D"를 각각 4차의 비구면 계수, 6차의 비구면 계수, 8차의 비구면 계수 및 10차의 비구면 계수로 하면, 이하의 수학식 1에 의해 정의된다.
Figure pat00004
<제1 실시 형태>
도 3은, 본 기술의 제1 실시 형태에서의 렌즈 광학계(1)의 렌즈 구성을 도시하고 있다.
렌즈 광학계(1)는, 물체측에서 화상측으로 순서대로 배치된 제1 포지티브 렌즈(G1), 제1 네거티브 렌즈(G2), 제2 네거티브 렌즈(G3) 및 제2 포지티브 렌즈(G4)를 갖는다.
제1 포지티브 렌즈(G1)는 물체측에 볼록한 메니스커스 형상으로 형성되고, 제1 네거티브 렌즈(G2)는 물체측에 볼록한 메니스커스 형상으로 형성되고, 제1 포지티브 렌즈(G1)와 제1 네거티브 렌즈(G2)에 의해 접합 렌즈가 구성된다.
제2 네거티브 렌즈(G3)는 물체측에 오목한 접합 렌즈로 형성된다.
제2 포지티브 렌즈(G4)는 물체측에 오목한 접합 렌즈로 형성된다.
제1 네거티브 렌즈(G2)와 제2 네거티브 렌즈(G3)의 사이에는 개구 조리개(STO)가 배치된다.
촬상면(IMG) 근방의 촬상면(IMG)의 물체측에는 커버 글래스(CG)가 배치된다.
촬상면(IMG)은 물체측에 오목한 비평면 형상, 예를 들어, 물체측에 오목한 곡면 형상으로 형성된다.
표 1에, 제1 실시 형태에서의 렌즈 광학계(1)에 구체적인 수치를 적용한 수치 실시예 1의 렌즈 데이터를 나타낸다.
Figure pat00005
수치 실시예 1에서의 초점 거리(f), F 넘버(Fno) 및 반시야각(ω)을 표 2에 나타낸다.
Figure pat00006
렌즈 광학계(1)에서, 제1 포지티브 렌즈(G1)의 물체측의 면(제1 면)과, 제2 네거티브 렌즈(G3)의 양면(제5 면, 제6 면)과, 제2 포지티브 렌즈(G4)의 양면(제7 면, 제8 면)은 비구면으로 형성된다. 수치 실시예 1에서의 비구면의 4차, 6차, 8차, 10차의 비구면 계수 A, B, C, D와 함께 원추 상수(κ)와 함께 표 3에 나타낸다.
Figure pat00007
도 4는 수치 실시예 1의 무한 촬영 상태에서의 여러 수차도를 도시한다. 도 4에는, 구면 수차도에서 실선으로 d선(파장 587.6nm)에서의 값을 나타내고, 파선으로 g선(파장 435.8nm)에서의 값을 나타낸다. 또한, 비점 수차도에서 실선으로 새지털(sagittal) 상면에서의 값을 나타내고, 파선으로 메리디오널 상면에서의 값을 나타낸다.
각 수차도로부터, 수치 실시예 1은 여러 수차가 양호하게 보정되어, 우수한 결상 성능이 얻어진다는 것이 이해될 수 있다.
<제2 실시 형태>
도 5는, 본 기술의 제2 실시 형태에서의 렌즈 광학계(2)의 렌즈 구성을 도시하고 있다.
렌즈 광학계(2)는, 물체측에서 화상측으로 순서대로 배치된 제1 포지티브 렌즈(G1)와 제1 네거티브 렌즈(G2)와 제2 네거티브 렌즈(G3)와 제2 포지티브 렌즈(G4)를 갖는다.
제1 포지티브 렌즈(G1)는 물체측에 볼록한 메니스커스 형상으로 형성된다.
제1 네거티브 렌즈(G2)는 물체측에 볼록한 메니스커스 형상으로 형성된다.
제2 네거티브 렌즈(G3)는 양쪽 오목 형상으로 형성되고, 제2 포지티브 렌즈(G4)는 양쪽 볼록 형상으로 형성되고, 제2 네거티브 렌즈(G3)와 제2 포지티브 렌즈(G4)에 의해 접합 렌즈가 구성된다.
제1 네거티브 렌즈(G2)와 제2 네거티브 렌즈(G3)의 사이에는 개구 조리개(STO)가 배치된다.
촬상면(IMG) 근방의 촬상면(IMG)의 물체측에 커버 글래스(CG)가 배치된다.
촬상면(IMG)은 물체측에 오목한 비평면 형상, 예를 들어, 물체측에 오목한 곡면 형상으로 형성된다.
표 4에, 제2 실시 형태에서의 렌즈 광학계(2)에 구체적인 수치를 적용한 수치 실시예 2의 렌즈 데이터를 나타낸다.
Figure pat00008
수치 실시예 2에서의 초점 거리(f), F 넘버(Fno) 및 반시야각(ω)을 표 5에 나타낸다.
Figure pat00009
렌즈 광학계(2)에서, 제1 포지티브 렌즈(G1)의 양면(제1 면, 제2 면)과, 제1 네거티브 렌즈(G2)의 양면(제3 면, 제4 면)과, 제2 포지티브 렌즈(G4)의 화상측의 면(제8 면)은 비구면으로 형성된다. 수치 실시예 2에서의 비구면의 4차, 6차, 8차, 10차의 비구면 계수 A, B, C, D를 원추 상수(κ)와 함께 표 6에 나타낸다.
Figure pat00010
도 6은 수치 실시예 2의 무한 촬영 상태에서의 여러 수차도를 나타낸다. 도 6에는, 구면 수차도에서 실선으로 d선(파장 587.6nm)에서의 값을 나타내고, 파선으로 g선(파장 435.8nm)에서의 값을 나타낸다. 또한, 비점 수차도에서 실선으로 새지털 상면에서의 값을 나타내고, 파선으로 메리디오널 상면에서의 값을 나타낸다.
각 수차도로부터, 수치 실시예 2는 여러 수차가 양호하게 보정되어, 우수한 결상 성능이 얻어지는 것을 이해할 수 있다.
<제3 실시 형태>
도 7은, 본 기술의 제3 실시 형태에서의 렌즈 광학계(3)의 렌즈 구성을 도시하고 있다.
렌즈 광학계(3)는, 물체측에서부터 화상측으로 순서대로 배치된 제1 포지티브 렌즈(G1)와 제1 네거티브 렌즈(G2)와 제2 네거티브 렌즈(G3)와 제2 포지티브 렌즈(G4)를 갖는다.
제1 포지티브 렌즈(G1)는 물체측에 볼록한 메니스커스 형상으로 형성된다.
제1 네거티브 렌즈(G2)는 물체측에 볼록한 메니스커스 형상으로 형성된다.
제2 네거티브 렌즈(G3)는 양쪽 오목 형상으로 형성되고, 제2 포지티브 렌즈(G4)는 양쪽 볼록 형상으로 형성되고, 제2 네거티브 렌즈(G3)와 제2 포지티브 렌즈(G4)에 의해 접합 렌즈가 구성된다.
제1 네거티브 렌즈(G2)와 제2 네거티브 렌즈(G3)의 사이에는 개구 조리개(STO)가 배치된다.
촬상면(IMG) 근방의 촬상면(IMG)의 물체측에 커버 글래스(CG)가 배치된다.
촬상면(IMG)은 물체측에 오목한 비평면 형상, 예를 들어, 물체측에 오목한 곡면 형상으로 형성된다.
표 7에, 제3 실시 형태에서의 렌즈 광학계(3)에 구체적인 수치를 적용한 수치 실시예 3의 렌즈 데이터를 도시한다.
Figure pat00011
수치 실시예 3에서의 초점 거리(f), F 넘버(Fno) 및 반시야각(ω)을 표 8에 나타낸다.
Figure pat00012
렌즈 광학계(3)에서, 제1 포지티브 렌즈(G1)의 양면(제1 면, 제2 면)과, 제1 네거티브 렌즈(G2)의 양면(제3 면, 제4 면)과, 제2 포지티브 렌즈(G4)의 화상측의 면(제8 면)은 비구면으로 형성된다. 수치 실시예 3에서의 비구면의 4차, 6차, 8차, 10차의 비구면 계수 A, B, C, D를 원추 상수(κ)와 함께 표 9에 나타낸다.
Figure pat00013
도 8은 수치 실시예 3의 무한 촬영 상태에서의 여러 수차도를 도시한다. 도 8에는, 구면 수차도에서 실선으로 d선(파장 587.6nm)에서의 값을 나타내고, 파선으로 g선(파장 435.8nm)에서의 값을 나타낸다. 또한, 비점 수차도에서 실선으로 새지털 상면에서의 값을 나타내고, 파선으로 메리디오널 상면에서의 값을 나타낸다.
각 수차도로부터, 수치 실시예 3은 여러 수차가 양호하게 보정되어, 우수한 결상 성능이 얻어지는 것을 이해할 수 있다.
<제4 실시 형태>
도 9는, 본 기술의 제4 실시 형태에서의 렌즈 광학계(4)의 렌즈 구성을 도시하고 있다.
렌즈 광학계(4)는, 물체측에서부터 화상측으로 순서대로 배치된 제1 네거티브 렌즈(G1)와 제1 포지티브 렌즈(G2)와 제2 네거티브 렌즈(G3)와 제2 포지티브 렌즈(G4)를 갖는다.
제1 네거티브 렌즈(G1)는 물체측에 볼록한 메니스커스 형상으로 형성된다.
제1 포지티브 렌즈(G2)는 양쪽 볼록 형상으로 형성된다.
제2 네거티브 렌즈(G3)는 양쪽 오목 형상으로 형성된다.
제2 포지티브 렌즈(G4)는 양쪽 볼록 형상으로 형성된다.
제1 포지티브 렌즈(G2)와 제2 네거티브 렌즈(G3)의 사이에는 개구 조리개(STO)가 배치된다.
촬상면(IMG) 근방의 촬상면(IMG)의 물체측에 커버 글래스(CG)가 배치된다.
촬상면(IMG)은 물체측에 오목한 비평면 형상, 예를 들어, 물체측에 오목한 곡면 형상으로 형성된다.
표 10에, 제4 실시 형태에서의 렌즈 광학계(4)에 구체적인 수치를 적용한 수치 실시예 4의 렌즈 데이터를 도시한다.
Figure pat00014
수치 실시예 4에서의 초점 거리(f), F 넘버(Fno) 및 반시야각(ω)을 표 11에 나타낸다.
Figure pat00015
렌즈 광학계(4)에서, 제1 네거티브 렌즈(G1)의 양면(제1 면, 제2 면)과, 제1 포지티브 렌즈(G2)의 양면(제3 면, 제4 면)과, 제2 포지티브 렌즈(G4)의 화상측의 면(제9 면)은 비구면으로 형성된다. 수치 실시예 4에서의 비구면의 4차, 6차, 8차, 10차의 비구면 계수 A, B, C, D를 원추 상수(κ)와 함께 표 12에 나타낸다.
Figure pat00016
도 10은 수치 실시예 4의 무한 촬영 상태에서의 여러 수차도를 나타낸다. 도 10에는, 구면 수차도에서 실선으로 d선(파장 587.6nm)에서의 값을 나타내고, 파선으로 g선(파장 435.8nm)에서의 값을 나타낸다. 또한, 비점 수차도에서 실선으로 새지털 상면에서의 값을 나타내고, 파선으로 메리디오널 상면에서의 값을 나타낸다.
각 수차도로부터, 수치 실시예 4는 여러 수차가 양호하게 보정되어, 우수한 결상 성능이 얻어지는 것을 이해할 수 있다.
<제5 실시 형태>
도 11은, 본 기술의 제5 실시 형태에서의 렌즈 광학계(5)의 렌즈 구성을 도시하고 있다.
렌즈 광학계(5)는, 제1 렌즈군(GR1)과 제2 렌즈군(GR2)과 제3 렌즈군(GR3)과 제4 렌즈군(GR4)이 물체측에서부터 화상측으로 순서대로 배치되어 이루어진다.
렌즈 광학계(5)는 줌 배율이 2.3배로 설정된다.
제1 렌즈군(GR1)은, 물체측에 볼록한 메니스커스 형상의 네거티브 렌즈(G1)와 양쪽 볼록 형상의 포지티브 렌즈(G2)가 물체측에서부터 화상측으로 순서대로 배치되어 이루어지고, 네거티브 렌즈(G1)와 포지티브 렌즈(G2)에 의해 접합 렌즈가 구성된다.
제2 렌즈군(GR2)은, 양쪽 오목 형상의 네거티브 렌즈(G3)와 양쪽 볼록 형상의 포지티브 렌즈(G4)가 물체측에서부터 화상측으로 순서대로 배치되어 이루어진다.
제3 렌즈군(GR3)은 화상측에 볼록한 메니스커스 형상의 포지티브 렌즈(G5)에 의해 구성된다.
제4 렌즈군(GR4)은, 물체측에 오목한 메니스커스 형상의 포지티브 렌즈(G6)와 양쪽 오목 형상의 네거티브 렌즈(G7)와 물체측에 오목한 메니스커스 형상의 네거티브 렌즈(G8)가 물체측에서부터 화상측으로 순서대로 배치되어 이루어진다.
제2 렌즈군(GR2)과 제3 렌즈군(GR3)의 사이에는 개구 조리개(STO)가 배치된다.
제4 렌즈군(GR4)과 촬상면(IMG)의 사이에는 커버 글래스(CG)가 배치된다.
촬상면(IMG)은 물체측에 오목한 비평면 형상, 예를 들어, 물체측에 오목한 곡면 형상으로 형성된다.
표 13에, 제5 실시 형태에서의 렌즈 광학계(5)에 구체적인 수치를 적용한 수치 실시예 5의 렌즈 데이터를 나타낸다.
Figure pat00017
렌즈 광학계(5)에서, 광각 단부 상태와 망원 단부 상태의 사이의 배율이 변화시에, 제1 렌즈군(GR1)과 제2 렌즈군(GR2)의 사이의 면 간격(d3), 개구 조리개(STO)와 제3 렌즈군(GR3)의 사이의 면 간격(d8), 제3 렌즈군(GR3)과 제4 렌즈군(GR4)의 사이의 면 간격(d10) 및 제4 렌즈군(GR4)과 커버 글래스(CG)의 사이의 면 간격(d16)이 변화된다. 수치 실시예 5에서의 각 면 간격의 광각 단부 상태, 중간 초점 거리 상태 및 망원 단부 상태에서의 가변 간격을 초점 거리(f), F 넘버(Fno) 및 반시야각(ω)과 함께 표 14에 나타낸다.
Figure pat00018
렌즈 광학계(5)에서, 제2 렌즈군(GR2)의 네거티브 렌즈(G3)의 양면(제4 면, 제5 면)과, 제3 렌즈군(GR3)의 포지티브 렌즈(G5)의 양면(제9 면, 제10 면)과, 제4 렌즈군(GR4)의 네거티브 렌즈(G8)의 양면(제15 면, 제16 면)은 비구면으로 형성된다. 수치 실시예 5에서의 비구면의 4차, 6차, 8차, 10차의 비구면 계수 A, B, C, D를 원추 상수(κ)와 함께 표 15에 나타낸다.
Figure pat00019
도 12 및 도 13은 수치 실시예 5의 무한 촬영 상태에서의 여러 수차도를 도시한다. 도 12는 광각 단부 상태, 도 13은 망원 단부 상태에서의 여러 수차도를 도시한다.
도 12 및 도 13에는, 구면 수차도에서 실선으로 d선(파장 587.6nm)에서의 값을 나타내고, 파선으로 g선(파장 435.8nm)에서의 값을 나타낸다. 또한, 비점 수차도에서 실선으로 새지털 촬상면에서의 값을 나타내고, 파선으로 메리디오널 촬상면에서의 값을 나타낸다.
각 수차도로부터, 수치 실시예 5는 여러 수차가 양호하게 보정되어, 우수한 결상 성능이 얻어지는 것을 이해할 수 있다.
[렌즈 광학계의 조건식의 값]
다음에, 본 기술에 따른 렌즈 광학계의 조건식의 각 값에 대해서 설명한다.
표 16에 렌즈 광학계(1) 내지 렌즈 광학계(4)에서의 조건식 (1) 내지 조건식 (4)의 값을 나타낸다.
Figure pat00020
또한, 표 17에 렌즈 광학계(5)에서의 조건식 (1) 내지 조건식 (4)의 각 값을 나타낸다.
Figure pat00021
표 16 및 표 17로부터 명백해진 바와 같이, 렌즈 광학계(1) 내지 렌즈 광학계(5)는 조건식 (1) 내지 조건식 (4)를 만족한다.
[촬상 장치의 구성]
본 기술의 촬상 장치는, 도 1에 도시한 바와 같이, 고체 촬상 소자의 물체측에 적어도 1장의 렌즈(R)가 배치되고, 고체 촬상 소자의 촬상면(IMG)이 광축으로부터의 거리가 증가함에 따라 광축 방향으로 sag량(d)이 커지는 비평면 형상을 갖는 렌즈 광학계를 구비한다. 촬상면(IMG)의 물체측에는 커버 글래스(CG)가 배치된다.
도 1에는, 촬상면(IMG)이 물체측에 오목한 비평면 형상으로 형성된 예를 나타낸다. 그러나, 도 2에 도시한 바와 같이, 촬상면(IMG)이 물체측에 볼록한 비평면 형상으로 형성되어 있어도 된다.
촬상면(IMG)은 광축을 축으로 하는 회전 대칭의 형상이 아니어도 좋고, 구면 형상이 아니어도 좋다.
렌즈 광학계가 상기 구성을 가지는 경우, 렌즈 광학계에 상면 만곡 수차가 크게 발생하고 있을 경우에도, 광학상의 최적의 해상도가 얻어지는 화상면과 촬상면을 매칭시키는 것이 가능하기 때문에, 화상 또는 영상의 중심으로부터 최 주변부(최 외주부)에 이르는 전체 화면의 양호한 해상도를 확보할 수 있다.
또한, 본 기술의 촬상 장치는, 렌즈 광학계가, 이하의 조건식 (1)을 만족하도록 구성된다.
(1) ρ×Sag>0
ρ:ρ=
Figure pat00022
로 나타내어지는 광학계의 펫츠팔 곡률
rk: 물체측으로부터 k번째 렌즈면의 곡률 반경
nk: 물체측으로부터 k번째 렌즈면에 입사되기 전의 매질의 굴절률
n'k: 물체측으로부터 k번째 렌즈면으로부터 사출된 후의 매질의 굴절률
Sag: 촬상면에서 광축 이외의 소정의 지점에 관한 광축 방향의 sag량(화상측 방향이 포지티브)으로 한다.
조건식 (1)은, 렌즈 광학계가 갖는 상면 만곡 수차의 상태와, 고체 촬상 소자의 촬상면이 갖는 비평면 형상의 최적 조건을 규정하는 식이다.
조건식 (1)이 하한을 초과해서 지나치게 작아지는 경우에는, 렌즈 광학계의 상면 만곡의 방향과 고체 촬상 소자의 촬상면의 형상의 방향이 서로 반대 방향으로 변화하기 때문에, 치명적인 화질의 열화를 초래하게 된다.
따라서, 렌즈 광학계가 조건식 (1)을 만족하는 경우, 렌즈 광학계의 상면 만곡의 방향과 고체 촬상 소자의 촬상면의 형상의 방향이 서로 반대 방향으로 변화하지 않기 때문에, 상면 만곡 수차가 양호하게 보정되어, 화질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 기술의 촬상 장치에서는, 렌즈 광학계에서, 촬상면(IMG)을 광축으로부터의 거리가 증가함에 따라 광축 방향으로 sag량(d)이 커지는 비평면 형상으로 형성하고, 상기한 조건식 (1)을 만족함으로써, 촬상면(IMG)에 대한 입사 광선의 제약이 저감되어, 렌즈의 매수를 삭감하는 것이 가능해진다.
따라서, 소형화를 도모할 수 있고, 높은 광학 성능을 확보할 수 있다.
[촬상 장치의 일 실시 형태]
도 14에, 본 기술의 촬상 장치의 일 실시 형태에 따른 디지털 스틸 카메라의 블록도를 도시한다.
촬상 장치(디지털 스틸 카메라)(100)는, 촬상 기능을 담당하는 카메라 블록(10)과, 촬영된 화상 신호의 아날로그-디지털 변환 등의 신호 처리를 행하는 카메라 신호 처리부(20)와, 화상 신호의 기록 재생 처리를 행하는 화상 처리부(30)를 갖는다. 또한, 촬상 장치(100)는, 촬영된 화상 등을 표시하는 LCD(Liquid Crystal Display)(40)와, 메모리 카드(1000)에 대한 화상 신호의 기입 및 판독을 행하는 리더/라이터(R/W)(50)와, 촬상 장치 전체를 제어하는 CPU(Central Processing Unit)(60)와, 사용자에 의해 필요한 조작이 행해지는 각종 스위치 등을 포함하는 입력부(70)와, 카메라 블록(10)에 배치된 렌즈의 구동을 제어하는 렌즈 구동 제어부(80)를 포함한다.
카메라 블록(10)은, 렌즈 광학계(11)(본 기술이 적용되는 렌즈 광학계(1) 내지 렌즈 광학계(5))를 포함하는 광학계나, CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 등의 촬상 소자(12) 등에 의해 구성된다.
카메라 신호 처리부(20)는, 촬상 소자(12)로부터의 출력 신호를 디지털 신호로의 변환, 노이즈 제거, 화질 보정, 휘도/색차 신호로의 변환 등의 각종 신호 처리를 행한다.
화상 처리부(30)는, 소정의 데이터 포맷에 기초하는 화상 신호의 압축 부호화/압축해제 복호화 처리, 해상도 등의 데이터 사양의 변환 처리 등을 행한다.
LCD(40)는 사용자가 입력부(70)를 조작하는 조작 상태, 촬영한 화상 등의 각종 데이터를 표시하는 기능을 갖는다.
R/W(50)는, 화상 처리부(30)에 의해 부호화된 화상 데이터를 메모리 카드(1000)에 기입하고 메모리 카드(1000)에 기록된 화상 데이터의 판독을 행한다.
CPU(60)는, 촬상 장치(100)에 설치된 각 회로 블록을 제어하는 제어 처리부로서 기능하고, 입력부(70)로부터의 지시 입력 신호에 기초하여 각 회로 블록을 제어한다.
입력부(70)는, 예를 들어, 터치 조작을 행하기 위한 셔터 릴리즈 버튼, 동작 모드를 선택하기 위한 선택 스위치 등을 포함하고, 사용자의 조작에 상응하는 지시 입력 신호를 CPU(60)에 출력한다.
렌즈 구동 제어부(80)는, CPU(60)로부터의 제어 신호에 기초하여 렌즈 광학계(11)의 각 렌즈를 구동하는 예를 들어, (도시하지 않은) 모터를 제어한다.
예를 들어, 메모리 카드(1000)는, R/W(50)에 접속된 슬롯에 부착될 수 있는 리무버블 반도체 메모리다.
다음에, 촬상 장치(100)에서의 동작을 설명한다.
촬영의 대기 상태에서는, CPU(60)의 제어하에, 카메라 블록(10)에서 촬영된 화상 신호가 카메라 신호 처리부(20)를 통해 LCD(40)에 출력된 후, 카메라 스루 화상으로서 표시된다. 이 때, 입력부(70)로부터의 줌을 위한 지시 입력 신호가 입력되면, CPU(60)가 렌즈 구동 제어부(80)에 제어 신호를 출력하고, 렌즈 구동 제어부(80)의 제어에 기초하여 렌즈 광학계(11)의 소정의 렌즈가 이동된다.
또한, 입력부(70)로부터의 지시 입력 신호에 응답하여 카메라 블록(10)의 (도시하지 않은) 셔터가 동작되면, 촬영된 화상 신호가 카메라 신호 처리부(20)로부터 화상 처리부(30)에 출력된 후, 압축 부호화 처리에 의해 소정의 데이터 포맷의 디지털 데이터로 변환된다. 변환된 데이터는 R/W(50)에 출력된 후, 메모리 카드(1000)에 기입된다.
포커싱은, 예를 들어, 입력부(70)의 셔터 릴리즈 버튼이 절반 눌려졌을 경우나 셔터 릴리즈 버튼이 기록(촬영)을 위해 완전히 눌려졌을 경우, CPU(60)로부터의 제어 신호에 기초하여 렌즈 구동 제어부(80)가 렌즈 광학계(11)의 소정의 렌즈를 이동시키도록 행해진다.
또한, 메모리 카드(1000)에 기록된 화상 데이터를 재생하는 경우, 입력부(70)에 대한 조작에 응답하여 R/W(50)는 메모리 카드(1000)로부터 소정의 화상 데이터를 판독하고, 판독된 화상 데이터는 화상 처리부(30)에 의해 압축해제 복호화 처리가 행해진 후, 재생 화상 신호로서 LCD(40)에 출력되어, 재생 화상이 LCD(40)에 표시된다.
상기한 실시 형태에서는, 촬상 장치를 디지털 스틸 카메라에 적용한 예와 관련하여 설명했다. 그러나, 촬상 장치의 적용은 디지털 스틸 카메라에 한정되지 않고, 디지털 비디오 카메라, 카메라가 내장된 휴대 전화, 카메라가 내장된 PDA(personal digital assistants) 등의 디지털 입출력 기기의 카메라부로서 널리 적용할 수 있다.
[기타]
본 기술의 촬상 장치 및 본 기술에 따른 렌즈 광학계에서는, 실질적으로 렌즈 파워를 갖지 않는 렌즈가 더 배치될 수 있고, 이러한 렌즈를 포함하는 렌즈군이 더 배치되어 있어도 된다. 이 경우에는, 본 기술의 촬상 장치 및 본 기술에 따른 렌즈 광학계는, 더 배치된 렌즈군을 포함하는 실질적으로 추가된 수와 동일한 수로 있는 렌즈군으로 구성되어 있어도 된다.
[본 기술]
또한, 본 기술은, 이하의 구성으로 할 수도 있다.
<1> 고체 촬상 소자(solid-state image sensor)의 물체측에 배치된 적어도 1장의 렌즈를 포함하고,
상기 고체 촬상 소자의 촬상면은 광축으로부터의 거리가 증가함에 따라 광축 방향으로 sag량을 증가시키는 비평면 형상을 갖고, 이하의 조건식 (1)을 만족하는, 렌즈 광학계.
(1) ρ×Sag>0
여기서, ρ는 ρ=
Figure pat00023
로 나타내어지는 광학계의 펫츠팔 곡률(Petzval curvature)을 나타내고,
rk는 물체측으로부터 k번째 렌즈면의 곡률 반경을 나타내고,
nk는 물체측으로부터 k번째 렌즈면에 입사되기 전의 매질의 굴절률을 나타내고,
n'k는 물체측으로부터 k번째 렌즈면으로부터 사출된 후의 매질의 굴절률을 나타내고,
Sag는 촬상면에서 광축 이외의 소정의 지점에 관한 광축 방향의 sag량(화상측 방향이 포지티브)을 나타냄.
<2> 상기 <1>에 있어서,
조건식 (2)를 만족하는, 렌즈 광학계.조건식 (2)를 만족하는, 렌즈 광학계.
(2) ρ<0
<3> 상기 <1> 또는 상기 <2>에 있어서,
상기 고체 촬상 소자의 촬상면의 비평면 형상은 광축을 중심으로 회전 대칭인 곡면 형상인, 렌즈 광학계.
<4> 상기 <1> 내지 상기 <3> 중 어느 하나에 있어서,
전체 줌 영역의 무한 촬영 상태에서, 최대 시야각(angle of field)을 가진 주 광선이 상기 촬상면에 입사되는 각도가 조건식 (3)을 만족하는, 렌즈 광학계.
(3) θmax<45°
여기서, θmax는 최대 시야각을 가진 주 광선이 상기 촬상면에 입사되는 각도(수직 입사를 0°로 설정함)를 나타냄.
<5> 상기 <3> 또는 상기 <4>에 있어서,
상기 고체 촬상 소자의 전체 촬상면은 동일 곡률을 가진 구면 형상을 갖는, 렌즈 광학계.
<6> 상기 <1> 내지 상기 <5> 중 어느 하나에 있어서,
상기 고체 촬상 소자의 촬상면과 광학계의 초점 거리가 조건식 (4)를 만족하는, 렌즈 광학계.
(4) -5.0<Rimg/finf<-1.0
여기서, Rimg는 상기 고체 촬상 소자의 상기 촬상면의 곡률 반경을 나타내고,
finf는 무한 포커싱시의 광학계의 초점 거리를 나타냄.
<7> 상기 <1> 내지 상기 <6> 중 어느 하나에 있어서,
2장의 포지티브 렌즈와 2장의 네거티브 렌즈를 포함하는 총 4장의 렌즈가 상기 렌즈로서 배치되는, 렌즈 광학계.
<8> 상기 <1> 내지 상기 <7> 중 어느 하나에 있어서,
화상측에 가장 근접한 렌즈는 상기 화상측을 향해 볼록 형상을 갖는 오목 메니스커스 렌즈인, 렌즈 광학계.
<9> 상기 <1> 내지 상기 <8> 중 어느 하나에 있어서,
상기 화상측에 가장 근접한 렌즈면에 비구면이 형성되는, 렌즈 광학계.
<10> 렌즈 광학계, 및
상기 렌즈 광학계에 의해 형성된 광학상을 전기 신호로 변환하는 고체 촬상 소자를 포함하고,
상기 렌즈 광학계는, 상기 고체 촬상 소자의 물체측에 배치된 적어도 1장의 렌즈를 포함하고,
상기 고체 촬상 소자의 촬상면은 광축으로부터의 거리가 증가함에 따라 광축 방향으로 sag량을 증가시키는 비평면 형상을 갖고, 조건식 (1)을 만족하는, 촬상 장치.
(1) ρ×Sag>0
여기서, ρ는 ρ=
Figure pat00024
로 나타내어지는 광학계의 펫츠팔 곡률을 나타내고,
rk는 물체측으로부터 k번째 렌즈면의 곡률 반경을 나타내고,
nk는 물체측으로부터 k번째 렌즈면에 입사되기 전의 매질의 굴절률을 나타내고,
n'k는 물체측으로부터 k번째 렌즈면으로부터 사출된 후의 매질의 굴절률을 나타내고,
Sag는 촬상면에서 광축 이외의 소정의 지점에 관한 광축 방향의 sag량(화상측 방향이 포지티브)을 나타냄.
<11> 실질적으로 렌즈 파워를 갖지 않는 렌즈를 더 포함하는, 상기 <1> 내지 상기 <9> 중 어느 하나에 따른 렌즈 광학계 또는 상기 <10>에 따른 촬상 장치.
상기 실시 형태에서 언급된 각 부품의 형상 및 수치는, 본 기술을 실시하기 위한 구체화의 단지 일례이며, 본 기술의 기술적 범위가 제한적으로 해석되려고 의도하는 것은 아니다.
본 기술 분야의 당업자는 첨부된 청구범위 또는 그 등가물의 범위 내에 있으면 그 설계 조건 및 다른 팩터에 따라 다양한 변경, 조합, 하위 조합 및 대체가 일어날 수 있다는 것을 이해한다.
본 명세서는 2011년 9월 13일 일본 특허청에 출원된 일본 우선권 특허 출원 JP2011-199649호에 개시된 것에 관한 요지를 포함하고, 그 전체 내용들은 본 명세서에 참조로서 원용된다.

Claims (10)

  1. 고체 촬상 소자(solid-state image sensor)의 물체측에 배치된 적어도 1장의 렌즈를 포함하고,
    상기 고체 촬상 소자의 촬상면은 광축으로부터의 거리가 증가함에 따라 광축 방향으로 sag량을 증가시키는 비평면 형상을 갖고, 이하의 조건식 (1)을 만족하는, 렌즈 광학계.
    조건식 (1) ρ×Sag>0
    여기서, ρ는 ρ=
    Figure pat00025
    로 나타내어지는 광학계의 펫츠팔 곡률(Petzval curvature)을 나타내고,
    rk는 물체측으로부터 k번째 렌즈면의 곡률 반경을 나타내고,
    nk는 물체측으로부터 k번째 렌즈면에 입사되기 전의 매질의 굴절률을 나타내고,
    n'k는 물체측으로부터 k번째 렌즈면으로부터 사출된 후의 매질의 굴절률을 나타내고,
    Sag는 촬상면에서 광축 이외의 소정의 지점에 관한 광축 방향의 sag량(화상측 방향이 포지티브)을 나타냄.
  2. 제1항에 있어서,
    조건식 (2)를 만족하는, 렌즈 광학계.
    조건식 (2) ρ<0
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고체 촬상 소자의 상기 촬상면의 비평면 형상은 광축을 중심으로 회전 대칭인 곡면 형상인, 렌즈 광학계.
  4. 제1항에 있어서,
    전체 줌 영역의 무한 촬영 상태에서, 최대 시야각(maximum angle of field)을 가진 주 광선이 상기 촬상면에 입사되는 각도가 조건식 (3)을 만족하는, 렌즈 광학계.
    조건식 (3) θmax<45°
    여기서, θmax는 최대 시야각을 가진 주 광선이 상기 촬상면에 입사되는 각도(수직 입사를 0°로 설정함)를 나타냄.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 고체 촬상 소자의 전체 촬상면은 동일 곡률을 가진 구면 형상을 갖는, 렌즈 광학계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고체 촬상 소자의 상기 촬상면과 광학계의 초점 거리가 조건식 (4)를 만족하는, 렌즈 광학계.
    조건식 (4) -5.0<Rimg/finf<-1.0
    여기서, Rimg는 상기 고체 촬상 소자의 상기 촬상면의 곡률 반경을 나타내고,
    finf는 무한 포커싱시의 광학계의 초점 거리를 나타냄.
  7. 제1항에 있어서,
    2장의 포지티브 렌즈와 2장의 네거티브 렌즈를 포함하는 총 4장의 렌즈가 상기 렌즈로서 배치되는, 렌즈 광학계.
  8. 제1항에 있어서,
    화상측에 가장 근접한 렌즈는 상기 화상측을 향해 볼록 형상을 갖는 오목 메니스커스 렌즈인, 렌즈 광학계.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 화상측에 가장 근접한 렌즈면에 비구면이 형성되는, 렌즈 광학계.
  10. 렌즈 광학계, 및
    상기 렌즈 광학계에 의해 형성된 광학상을 전기 신호로 변환하는 고체 촬상 소자를 포함하고,
    상기 렌즈 광학계는, 상기 고체 촬상 소자의 물체측에 배치된 적어도 1장의 렌즈를 포함하고,
    상기 고체 촬상 소자의 촬상면은 광축으로부터의 거리가 증가함에 따라 광축 방향으로 sag량을 증가시키는 비평면 형상을 갖고, 조건식 (1)을 만족하는, 촬상 장치.
    조건식 (1) ρ×Sag>0
    여기서, ρ는 ρ=
    Figure pat00026
    로 나타내어지는 광학계의 펫츠팔 곡률을 나타내고,
    rk는 물체측으로부터 k번째 렌즈면의 곡률 반경을 나타내고,
    nk는 물체측으로부터 k번째 렌즈면에 입사되기 전의 매질의 굴절률을 나타내고,
    n'k는 물체측으로부터 k번째 렌즈면으로부터 사출된 후의 매질의 굴절률을 나타내고,
    Sag는 촬상면에서 광축 이외의 소정의 지점에 관한 광축 방향의 sag량(화상측 방향이 포지티브)을 나타냄.
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