WO2006025505A1 - 不連続な面を有する光学素子を含む結像光学系 - Google Patents

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WO2006025505A1
WO2006025505A1 PCT/JP2005/016040 JP2005016040W WO2006025505A1 WO 2006025505 A1 WO2006025505 A1 WO 2006025505A1 JP 2005016040 W JP2005016040 W JP 2005016040W WO 2006025505 A1 WO2006025505 A1 WO 2006025505A1
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optical system
imaging optical
optical axis
image
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PCT/JP2005/016040
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Kouei Hatade
Norihisa Sakagami
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Nalux Co., Ltd.
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    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
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    • G02B9/10—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having two components only one + and one - component

Definitions

  • Imaging optical system including an optical element having a discontinuous surface
  • the present invention relates to an imaging optical system such as a digital camera, a mobile phone with an imaging function, a lens for a solid-state imaging device such as a scanner, and a scanning lens such as a laser printer.
  • an imaging optical system such as a digital camera, a mobile phone with an imaging function, a lens for a solid-state imaging device such as a scanner, and a scanning lens such as a laser printer.
  • the refractive power in the direction perpendicular to the optical axis is rotationally asymmetric in the optical path between the imaging system and the image reading means.
  • an image reading apparatus that satisfactorily corrects astigmatism by providing an optical member (for example, JP-A-5-14602).
  • an image reading imaging lens for forming image information of the original on the image reading device, and at least one of the plurality of surfaces constituting the imaging lens is rotated with respect to the optical axis.
  • An imaging lens having asymmetric refractive power and an image reading apparatus using the same are proposed (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-171705).
  • An imaging lens having at least one Fresnel surface has also been proposed (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-55273) so that it can be downsized while suppressing curvature of field.
  • the point force to reduce astigmatism or curvature of field is not necessarily a sufficient function.
  • a meridional image plane that is a surface on which meridian rays are imaged and a spherical missing image surface that is a surface on which spherical missing rays are imaged. It is desirable to make it as close as possible to the ideal image plane (designed image plane), which is a plane perpendicular to the optical axis.
  • FIG. 8 shows the positions of the meridional image plane and the spherical image plane of the imaging optical system in the case of 1 to 3 lenses.
  • the coordinate on the horizontal axis indicates the position in the optical axis direction
  • the coordinate on the vertical axis indicates the position in the image height direction. Since a lens that is rotationally symmetric with respect to the optical axis is used, if a position in the image height direction with respect to a position in the optical axis direction is determined, a rotationally symmetric meridian image plane and a spherical image plane are determined.
  • FIGS. 5 to 7 show optical path diagrams of the above-described imaging optical system having one to three lenses.
  • the imaging optical system also includes one lens and a glass plate force.
  • the light that has entered through the aperture of the object passes through the first lens 1 and the glass plate 4 and reaches the sensor surface 5.
  • the entrance surface and the exit surface of the first lens 1 and the entrance surface and the exit surface of the glass plate 4 are referred to as second to fifth surfaces, respectively.
  • the second and third surfaces are defined by a single aspheric formula.
  • the third side has DOE.
  • the imaging optical system is composed of two lenses and a glass plate force.
  • the light incident on the object force through the diaphragm passes through the first lens 1, the second lens 2, and the glass plate 4 to reach the sensor surface.
  • the entrance surface and exit surface of the first lens 1, the entrance surface and exit surface of the second lens 2, and the entrance surface and exit surface of the glass plate 4 are referred to as the second to fifth, eighth, and ninth surfaces, respectively.
  • the second through fifth surfaces are defined by a single aspheric formula.
  • the A diffraction element a diffraction grating, DOE for correcting chromatic aberration is provided on the fifth surface, that is, the exit surface of the second lens 2.
  • the imaging optical system includes three lenses and a glass plate.
  • the light incident on the object force through the diaphragm passes through the first lens 1, the second lens 2, the third lens 3, and the glass plate 4 and reaches the sensor surface 5.
  • the entrance surface and the exit surface of the first lens 1, the entrance surface and the exit surface of the second lens 2, the entrance surface and the exit surface of the third lens 3, and the entrance surface and the exit surface of the glass plate 4 are respectively 2nd to 9th. It is called a surface.
  • the second through seventh surfaces are defined by a single aspheric expression.
  • a diffraction element diffraction grating, DOE for correcting chromatic aberration is provided on the fifth surface, that is, the exit surface of the second lens 2.
  • the curve (dotted line) and the curve (solid line) indicating the spherical image plane are curved around the straight line (vertical axis) indicating the ideal image plane. That is, the curve indicating the meridian image plane (dotted line) and the curve indicating the spherical image plane (solid line) have convex portions on the image side and the object side of the straight line indicating the ideal image plane (vertical axis). In particular, the curve (dotted line) indicating the meridional image plane has prominent protrusions on the image side and the object side of the straight line (vertical axis) indicating the ideal image plane.
  • the imaging optical system of the present invention includes at least one lens, and at least one surface of the at least one lens is divided into at least one band-like region surrounding the periphery of the optical axis and a central region including the optical axis. is doing.
  • the first region of the meridional image plane on which the meridian ray passing through one of the plurality of regions forms an image is displaced from the reference image plane of the imaging optical system to the image side.
  • the second area of the meridional image plane on which the meridional ray passing through another area forms an image is displaced toward the reference image surface force of the imaging optical system, the first and second areas are the reference.
  • a step is provided at the boundary between at least one belt-like region and the central region so as to approach the image plane
  • the imaging optical system of the present invention by adjusting the position direction and size of the step at the boundary between at least one belt-like region and the central region while keeping the number of lenses constant, The meridian image plane can be brought closer to an ideal image plane perpendicular to the optical axis.
  • the imaging optical system of the present invention since the imaging optical system of the present invention has the above-mentioned characteristics, it has conventionally been a problem of curvature of field and Z or astigmatism, such as a digital camera, a mobile phone with an imaging function, and a scanner. Widely used in imaging optical systems such as imaging element lenses and scanning lenses such as laser printers.
  • the size of the step is determined by the magnitude of the displacement of the reference image plane force of the first and second regions, and the direction of the step is determined by the first and second directions.
  • the direction of displacement of the region from the reference image plane, whether the surface with the step is the image side or the object side of the lens, and whether the surface with the step is concave or convex is determined. Therefore, the position, direction and size of the step can be appropriately determined from the meridional image plane of the imaging optical system.
  • the shapes of the surfaces constituting at least one belt-like region and the central region are individually determined. Therefore, the shapes of the meridional image plane and the spherical image plane can be adjusted by individually adjusting the shapes of the surfaces constituting at least one belt-like region and the central region.
  • a surface constituting a central region including at least one band-shaped region and an optical axis is expressed by a definition formula having an origin at the intersection of each surface and the optical axis.
  • a surface constituting a central region including at least one band-shaped region and an optical axis is expressed by a definition formula having an origin at the intersection of each surface and the optical axis.
  • the surfaces constituting at least one belt-like region and the central region are defined by an aspherical expression. Therefore, the meridional image plane and the spherical image plane are obtained by individually adjusting the shape of the surface by individually adjusting the aspherical coefficients of the surfaces constituting at least one belt-like region and the central region. Can be adjusted.
  • the slope of the step surface at the boundary between the central region and the strip region or the plurality of strip regions is determined as a function of the angle of the light beam passing through the boundary portion. Therefore, the effect of the step discontinuity on the aberration can be mitigated by bringing the surface inclination closer to the angle of the light ray passing through the boundary portion.
  • the minimum amount of light incident on the step surface is determined so that the slope is between the angle and the maximum angle. Therefore, the effect of the step discontinuity on the aberration can be mitigated by bringing the inclination of the surface closer to the angle of the light ray passing through the boundary portion.
  • the step surface at the boundary between the central region and the strip region or the plurality of strip regions is parallel to the optical axis
  • the average of the light incident on the step surface The inclination of the step surface with respect to the optical axis is determined so as to have an inclination of the angle. Therefore, the effect of the step discontinuity on the aberration can be mitigated by bringing the surface inclination closer to the angle of the light ray passing through the boundary portion.
  • At least one belt-like region and the central region are defined by a circle centered on a point on the optical axis. Therefore, the boundary of the region can be determined simply by determining the radius of the circle that forms the periphery of the region.
  • a diffraction element is provided on at least one surface of at least one optical element. Therefore, chromatic aberration correction can be performed using the effect of the negative Abbe number of the diffraction element.
  • at least one belt-like region and a central region are provided on the most image side surface. Therefore, the shape of the meridian image plane can be easily adjusted.
  • the imaging optical system of the present invention includes at least one lens, and at least one surface of at least one lens is divided into at least one band-like region surrounding the periphery of the optical axis and a central region including the optical axis. is doing.
  • the meridional image plane region on which the meridian ray passing through at least one of the band-shaped region and the central region forms an image is a reference image surface force image of the imaging optical system.
  • the imaging optical system of the present invention by adjusting the position direction and the size of the step at the boundary between at least one belt-like region and the central region while keeping the number of lenses constant, The meridian image plane can be brought closer to an ideal image plane perpendicular to the optical axis.
  • the imaging optical system of the present invention since the imaging optical system of the present invention has the above-mentioned characteristics, it has conventionally been a problem of curvature of field and Z or astigmatism, such as a digital camera, a mobile phone with an imaging function, and a scanner. Widely used in imaging optical systems such as imaging element lenses and scanning lenses such as laser printers.
  • the size of the step is determined by the magnitude of the displacement of the reference image plane force in the meridional image plane region, and the direction of the step is determined in the meridional image plane region.
  • the direction of displacement from the reference image plane, whether the surface with the step is the image side or the object side of the lens, and whether the surface with the step is concave or convex are determined. Therefore, the position, direction and size of the step can be appropriately determined from the meridional image plane of the imaging optical system.
  • the shapes of the surfaces constituting at least one belt-like region and the central region are individually determined. Therefore, the shapes of the meridional image plane and the spherical image plane can be adjusted by individually adjusting the shapes of the surfaces constituting at least one belt-like region and the central region.
  • FIG. 1 shows an optical path diagram of an imaging optical system (Numerical Example 1) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows aberration diagrams of the imaging optical system (Numerical Example 1) according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows an optical path diagram of an imaging optical system (Numerical Example 2) according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an aberration diagram of an imaging optical system (Numerical Example 2) according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows an optical path diagram of a conventional imaging optical system (conventional example 1) having a single lens configuration.
  • FIG. 6 shows an optical path diagram of a conventional two-lens imaging optical system (conventional example 2).
  • FIG. 7 shows an optical path diagram of a conventional imaging optical system (Comparative Example 1) having a three-lens configuration.
  • FIG. 8 is an aberration diagram of a conventional imaging optical system.
  • FIG. 9 shows aberration diagrams of the imaging optical system of Comparative Example 1.
  • FIG. 10 shows an optical path diagram of a conventional imaging optical system (Comparative Example 2) having two lenses.
  • FIG. 11 shows aberration diagrams of the imaging optical system of Comparative Example 2.
  • FIG. 12 shows aberration diagrams of the image forming optical system according to Numerical Example 3.
  • FIG. 13 is an aberration diagram of the image forming optical system according to Numerical Example 4.
  • the discontinuous boundaries of the present invention will be described.
  • the structure of the step surface will be described. Flare is generated by light rays incident on the step surface.
  • the step surface is parallel to the optical axis, the light on the step surface will have an inclination between the minimum and maximum angles of light incident on the step surface. It is preferable to define an inclination with respect to the axis.
  • the inclination of the step surface with respect to the optical axis may be determined so that the average angle of light incident on the step surface is inclined.
  • FIG. 1 shows an optical path diagram of the imaging optical system of Numerical Example 1.
  • the imaging optical system of Numerical Example 1 is composed of three lenses and a glass plate cover.
  • Light incident from the object through the diaphragm passes through the first lens 1, the second lens 2, the third lens 3, and the glass plate 4 and reaches the sensor surface 5.
  • the entrance surface and exit surface of the first lens 1, the entrance surface of the second lens 2, and The exit surface, the entrance surface and exit surface of the third lens 3, and the entrance surface and exit surface of the glass plate 4 are referred to as second to ninth surfaces, respectively.
  • the second through sixth surfaces are each defined by a single aspherical expression.
  • a diffraction element (diffraction grating, DOE) for correcting chromatic aberration is provided on the fifth surface, that is, the exit surface of the second lens 2.
  • the seventh surface, that is, the exit surface of the third lens 3 is an astigmatism compensation surface, that is, a surface provided with at least one band-like region surrounding the periphery of the optical axis and a central region including the optical axis. Details of the seventh aspect are explained below.
  • Fig. 9 showing an enlarged view of the aberration of Comparative Example 1 described above, the curvature of the meridional image plane is examined.
  • the dotted line indicating the meridional image plane is in the order from the side closer to the optical axis, a convex portion directed toward the image side, a convex portion directed toward the object side, and a convex portion directed toward the image side, and three convex portions.
  • the peaks of the convex portions are located at image heights l.O (mm), 2.0 (mm), and 2.5 (mm).
  • the image heights at which the defocus (defocus from the designed image plane) is 0 (mm) are the image heights 0 (mm), 1.65 (mm), and 2.2 (mm).
  • a discontinuous boundary is provided on the seventh surface so that the dotted line indicating the meridional image plane approaches the designed image plane position. Therefore, the position on the meridional image plane corresponding to the discontinuous boundary on the 7th surface is obtained.
  • the discontinuous boundary is, for example, at the image height corresponding to the peak of the convex part of the curve indicating the position where the meridian ray condensing at the image height where the defocus is 0 (mm) passes through the 7th surface. It may be the middle position where the condensed meridian rays pass through the 7th surface.
  • a meridian ray condensed at an image height where defocus is 0 (mm) may be a position where the seventh surface passes.
  • the meridian rays that converge to the image height corresponding to the peak of the convex portion directed toward the image side and the image height corresponding to the peak of the convex portion directed toward the object side and the position where the meridian ray that passes through the seventh surface is concentrated. This is the intermediate position between the shining meridian rays passing through the 7th surface.
  • the central region including the optical axis is moved in the optical axis direction, the paraxial calculation becomes deficient. Therefore, the central region including the optical axis is fixed and used as a reference.
  • the discontinuous boundary around the central region including the optical axis is halfway between the image height 0 (mm) and the first curvature of field 1.0 (mm) on the meridional image plane. Determined by the intersection of the meridian rays and the surface focused at an image height of 0.5 mm
  • the next discontinuous boundary toward the outside converges at an image height of 1.65 (mm) where the defocus is 0 (mm) next to the image height of 0 (mm) on the meridional image plane. Determined by the intersection of the meridian ray and the surface.
  • the next discontinuous boundary toward the outside is an image height of 2.2 (mm), where the defocus is 0 (mm) next to the image height of 1.65 (mm) on the meridional image plane. Determined by the intersection of the condensed meridian ray and the surface.
  • the intersection of the meridian ray focused on the image height of 0.5 (mm) and the surface is a distance of 0.24 (mm) in the optical axis force.
  • the intersection of the meridian ray and the surface that converges to an image height of 1.65 (mm) is also a distance of 0.83 (mm) in the optical axis force.
  • the intersection of the meridian ray and the surface that converges to an image height of 2.2 (mm) is a distance of 1.13 (mm) from the optical axis.
  • the seventh surface is a composite surface connected by the discontinuous boundaries defined above.
  • the seventh surface of the present embodiment is expressed by the following equation. That is, the optical axis is z, the coordinates of the plane perpendicular to the optical axis are represented by x, y, k is a constant that determines the shape of the quadratic curve, c is the central curvature, A is the correction factor, j is the central region and It is an identification number of the surrounding belt-like area, and the center area is set to 1 from the inside with the center area as 1, and the center shift amount d is determined on the basis of the origin on the optical axis of the center area.
  • the surface representing one band is a quadratic curve
  • the seventh surface of one embodiment of the present invention is expressed by a plurality of curves indicated by the identification number j for each of the central region and the surrounding belt-like regions.
  • the seventh surface of Comparative Example 1 Since it is not divided into a band and a surrounding band, it is represented by a single curve with a center shift of zero.
  • the expressions indicating the shapes of a plurality of curves having discontinuous boundaries are the same.
  • the discontinuous boundary is set as a step, and the step is provided by the center shift amount d.
  • the lens thickness decreases and the center shift amount d is-.
  • the lens thickness increases and the center shift amount d becomes +.
  • a step is provided on the image side of the lens, and the shape of the lens is concave.
  • the lens thickness increases and the center shift amount d becomes +. If the image plane is to be corrected in the + direction when the focus shift amount is, the center shift amount d is-.
  • the center shift amount d of the center region is set to OO (mm).
  • the center shift amount d of the outer belt-like region is 0.02 (mm ), 0.02 (mm).
  • the center shift amount of the outer belt-like region is set to -0.02 (mm) because the focus shift amount expected to occur in this surface region is -0.02 (mm).
  • the center shift amount d of the outermost strip region is OO (mm) because the shape of the meridional image plane is not changed by the center shift amount in the outermost strip region.
  • FIG. 2 shows aberration diagrams of the imaging optical system of Numerical Example 1. Compared to the aberration diagram of Comparative Example 1 in FIG. 9, the curve representing the meridional image plane indicated by the dotted line in the diagram on the left side of FIG. 2 approaches the image plane position and the astigmatism is also reduced.
  • the expressions representing the shapes of a plurality of curves having discontinuous boundaries on the seventh surface are the same.
  • the shape of multiple curves on the seventh surface may be determined individually.
  • the constant kj which determines the shape of the quadratic curve so that the meridional image plane and the spherical image plane in the diagram on the left side of Fig. 2 are close to the designed image plane (vertical axis in Fig. 2), the center
  • FIG. 3 shows an optical path diagram of the imaging optical system of Numerical Example 2.
  • the imaging optical system of Numerical Example 2 is composed of two lenses and a glass plate cover. Light incident from the object through the diaphragm passes through the first lens 1, the second lens 2, and the glass plate 4 and reaches the sensor surface 5.
  • the entrance surface and exit surface of the first lens 1, the entrance surface and exit surface of the second lens 2, and the entrance surface and exit surface of the glass plate 4 are referred to as second to seventh surfaces, respectively.
  • the second through fourth surfaces are each defined by a single aspheric formula.
  • a diffraction element (diffraction grating, DOE) for correcting chromatic aberration is provided on the third surface, that is, the exit surface of the first lens 2.
  • the fifth surface that is, the exit surface of the second lens 2 is an astigmatism correction surface, that is, a surface provided with at least one band-like region surrounding the periphery of the optical axis and a central region including the optical axis. Details of the fifth aspect are explained below.
  • FIG. 10 shows an optical path diagram of the imaging optical system of Comparative Example 2. As shown in FIG. 10, like the imaging optical system of Numerical Example 2, the imaging optical system of Comparative Example 2 is composed of two lenses and a glass plate. The light incident on the object force through the diaphragm passes through the first lens 1, the second lens 2 and the glass plate 4 and reaches the sensor surface 5.
  • the entrance surface and exit surface of the first lens 1, the entrance surface and exit surface of the second lens 2, and the entrance surface and exit surface of the glass plate 4 are referred to as second to seventh surfaces, respectively.
  • the second to fifth surfaces are each defined by a single aspherical expression.
  • a diffraction element (diffraction grating, DOE) for correcting chromatic aberration is provided on the third surface, that is, the exit surface of the first lens 2.
  • FIG. 11 showing the aberration of Comparative Example 2, the state of curvature of the meridian image plane is examined.
  • the dotted line indicating the meridional image plane indicates the three convexities, the convex portion directed toward the object side, the convex portion directed toward the image side, and the convex portion directed toward the object side in order of the direction close to the optical axis. Part.
  • the peaks of the convex portions are located at image heights of 0.8 (mm), 1.5 (mm), and 2.05 (mm).
  • the defocus (defocus from the designed image plane) is 0 (mm).
  • the image heights are 0.5 (mm), 1.0 (mm), and 1.75 (mm).
  • a discontinuous boundary is provided on the fifth surface so that the dotted line indicating the meridional image plane approaches the designed image plane position. Therefore, the position on the meridional image plane corresponding to the discontinuous boundary on the fifth plane is obtained.
  • the discontinuous boundary is, for example, at the image height corresponding to the peak of the convex part of the curve indicating the position where the meridian ray condensing at the image height where the defocus is 0 (mm) passes through the fifth surface and the meridian image plane It may be the middle position where the condensed meridian rays pass through the fifth surface.
  • a meridian ray focused at an image height where defocus is 0 (mm) may be a position where the fifth surface passes.
  • the central region including the optical axis is moved in the optical axis direction, deficiencies in paraxial calculation occur. Therefore, the central region including the optical axis is fixed and used as a reference.
  • the discontinuous boundary around the central region including the optical axis is a meridian ray that converges to an image height of 0.5 (mm) at a defocus of 0 (mm). Determined by the intersection with the surface.
  • the next discontinuous boundary toward the outside is the image height lO (mm) that becomes defocused 0 (mm) next to the image height 0.5 (mm) on the meridional image plane. Determined by the intersection of the condensed meridian ray and the surface.
  • the next discontinuous boundary toward the outside is an image height of 1.75 (mm) at the defocus 0 (mm) next to the image height of 1.0 (mm) on the meridional image plane. Determined by the intersection of the condensed meridian ray and the surface.
  • the intersection of the meridian ray focused on the image height 0.5 (mm) and the surface is a distance of 0.22 (mm) in the optical axis force.
  • the intersection of the meridian and the surface focused at the image height l.O (mm) is 0.44 (mm) from the optical axis.
  • the intersection of the meridian and the surface, which converges to an image height of 1.75 (mm), is a distance of 0.8 (mm) from the optical axis.
  • the fifth surface is a composite surface connected by the discontinuous boundaries defined above.
  • the expressions indicating the shapes of a plurality of curves having discontinuous boundaries are the same.
  • the discontinuous boundary is set as a step, and the step is provided by the center shift amount d.
  • a step is provided on the image side of the lens, and the shape of the lens is concave.
  • the lens thickness increases and the center shift amount d becomes +. If the image plane is to be corrected in the + direction when the focus shift amount is, the center shift amount d is-.
  • the center shift amount d of the center region is set to O.O (mm).
  • the center shift amount d of the outer belt-like region is set to -0.01 (mm) because it is a focus shift amount O.Ol (mm) assumed to occur in this surface region.
  • the center shift amount d of the outer belt-like region is set to 0.05 (mm) because the focus shift amount assumed to occur in this surface region is 0.05 (mm).
  • the center shift amount d of the outermost belt-like region is O.O (mm) because the shape of the meridional image plane is not changed by the center shift amount in the outermost belt-like region.
  • FIG. 4 shows aberration diagrams of the imaging optical system of Numerical Example 2. Compared to the aberration diagram of Comparative Example 2 in FIG. 11, the curve representing the meridional image plane indicated by the dotted line in the left diagram of FIG. 4 approaches the image plane position and the astigmatism is also reduced.
  • the configuration of the imaging optical system of Numerical Example 3 is the same as the configuration of the imaging optical system of Numerical Example 1 except for the configuration of the astigmatism correction surface (seventh surface).
  • the position of the step in the numerical examples 1 and 3 (inner radius of the surface) and the size of the step in the numerical examples 1 and 3 (center shift amount dj) are U, respectively (Tables 1 and 7).
  • FIG. 12 is an aberration diagram of the image forming optical system according to Numerical Example 3.
  • the configuration of the imaging optical system of Numerical Example 4 is the same as the configuration of the imaging optical system of Numerical Example 2 except for the configuration of the astigmatism correction surface (fifth surface).
  • the step position (inner surface radius) in Numerical Examples 2 and 4 and the step size (center shift dj) in Numerical Examples 2 and 4 are U, respectively (Tables 3 and 8).
  • FIG. 13 is an aberration diagram of the image forming optical system according to Numerical Example 4.
  • Fno. 2. 8 Focal length 4. 15 (ram) Optical arrangement

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Abstract

レンズの枚数を一定としながら、子午像面を、さらに光軸に垂直な理想的な結像面に近づけることができる結像光学系を提供する。 少なくとも１つの光学素子を含み、少なくとも１つの光学素子の少なくとも１つの面を、光軸の周囲を取り囲む少なくとも１つの帯状領域および光軸を含む中心領域に分割した。少なくとも１つの帯状領域および中心領域のうちの１つの領域を通過する子午光線が結像する子午像面の第１領域が、結像光学系の基準像面から像側に変位し、少なくとも１つの帯状領域および中心領域のうちの他の領域を通過する子午光線が結像する子午像面の第２領域が、結像光学系の基準像面から物体側に変位している場合に、第１および第２領域が基準像面に近づくように、少なくとも１つの帯状領域および中心領域の境界を不連続とした。

Description

明 細 書
不連続な面を有する光学素子を含む結像光学系
技術分野
[0001] 本発明は、デジタルカメラ、撮像機能付携帯電話、スキャナーなどの固体撮像素子 用レンズおよびレーザプリンタなどの走査レンズなどの結像光学系に関する。
背景技術
[0002] デジタルカメラ、携帯電話などのモパイル機器などの固体撮像素子用レンズや、レ 一ザプリンタなどの印字機器の走査光学系では小型化の要請がますます強くなつて きている。このため、これらの機器に使用される結像光学系についても小型化の要請 が強まっている。結像光学系を小型化するには、レンズの枚数を減らす方法、レンズ 力 像面までの距離を縮める方法、広画角化する方法などがあるが、このような場合 には像面湾曲や非点収差が大きくなるという問題が生じる。
[0003] 像面湾曲や非点収差を小さくする方法として従来は、結像光学系のレンズの形状 を最適化し、レンズの枚数を増やし、さらに屈折率、分散値などのノリエーシヨンが大 き ヽガラスをレンズ素材として使用することなどが行われて ヽた。
[0004] し力しながら、これらの従来の方法では結像光学系の構造が複雑となり、小型化の 要請を満たすことができず、また素材や加工の点から高価額となる。
[0005] また、イメージスキャナー、複写機、ファクシミリなどの画像読取り装置において、結 像系と画像読取手段との間の光路中に光軸に対して垂直方向の屈折力が回転非対 称である光学部材を設けることによって非点収差を良好に補正する画像読取装置が 提案されている（たとえば、特開平 5— 14602号公報)。さらに、原稿の画像情報を画 像読取装置に結像させるための画像読取用の結像レンズにぉ 、て、該結像レンズを 構成する複数の面のうち少なくとも一面は光軸に対して回転非対称な屈折力を有す る結像レンズおよびそれを用いた画像読取装置が提案されている（たとえば、特開 2 000— 171705号公報)。し力しながら、前者の場合には新たな光学部材を光路中 に配置しなければならず、装置全体が大型化し、組み立て時の調整項目も増えると いう問題があった。また、後者の場合には、非回転対称の屈折率分布を有するレンズ を使用するため、光軸を Z軸とすると、 X、 Y軸のレンズの組み合わせが必要となり組 み立ての工数を要するという問題があった。
[0006] また、像面湾曲を抑えながら、小型化できるように、少なくとも 1面をフレネル面とした 撮像レンズも提案されている（たとえば、特開平 2002— 55273号公報)。しかしなが ら、非点収差または像面湾曲を小さくするという点力 は必ずしも十分な機能を有す るものではな力 た。
[0007] 上述の用途に使用される小型の結像光学系を設計する場合に、子午光線が結像 する面である子午像面および球欠光線が結像する面である球欠像面を、光軸に垂 直な一平面である、理想的な結像面 (設計上の像面）にできるだけ近づけるのが好ま しい。
[0008] 図 8は、レンズが 1乃至 3枚構成の場合の、結像光学系の子午像面および球欠像 面の位置を示す。図 8において、横軸の座標は、光軸方向の位置を示し、縦軸の座 標は像高方向の位置を示す。光軸に対して回転対称のレンズを使用するので、光軸 方向の位置に対する像高方向の位置を定めれば、回転対称な子午像面および球欠 像面が定まる。図 8の 1乃至 3枚構成の、結像光学系は、それぞれ、点線で示す子午 像面および実線で示す球欠像面を、縦軸で示す、光軸に垂直な一平面である、理 想的な結像面 (設計上の像面）にできるだけ近づけるように設計している。
[0009] 図 5乃至 7は、レンズが 1乃至 3枚構成の、上述の結像光学系の光路図を示す。
[0010] 図 5に示すように、（従来例 1)において結像光学系は、 1枚のレンズおよびガラス板 力も構成されている。物体カゝら絞りを通って入射した光は、第 1レンズ 1、ガラス板 4を 通過してセンサ面 5に至る。第 1レンズ 1の入射面および出射面、ガラス板 4の入射面 および出射面は、それぞれ第 2乃至第 5面と呼称する。第 2および第 3面は単一の非 球面式で定義される。第 3面は、 DOEを備える。
[0011] 図 6に示すように、（従来例 2)において結像光学系は、 2枚のレンズおよびガラス板 力 構成されている。物体力も絞りを通って入射した光は、第 1レンズ 1、第 2レンズ 2 、ガラス板 4を通過してセンサ面に至る。第 1レンズ 1の入射面および出射面、第 2レ ンズ 2の入射面および出射面、ガラス板 4の入射面および出射面は、それぞれ第 2乃 至第 5および第 8、第 9面と呼称する。第 2乃至第 5面は単一の非球面式で定義され る。第 5面すなわち第 2レンズ 2の出射面には色収差を補正するための回折素子（回 折格子、 DOE)を設ける。
[0012] 図 7に示すように、（比較例 1)において結像光学系は、 3枚のレンズおよびガラス板 力 構成されている。物体力も絞りを通って入射した光は、第 1レンズ 1、第 2レンズ 2 、第 3レンズ 3、ガラス板 4を通過してセンサ面 5に至る。第 1レンズ 1の入射面および 出射面、第 2レンズ 2の入射面および出射面、第 3レンズ 3の入射面および出射面、 ガラス板 4の入射面および出射面は、それぞれ第 2乃至第 9面と呼称する。第 2乃至 第 7面は単一の非球面式で定義される。第 5面すなわち第 2レンズ 2の出射面には色 収差を補正するための回折素子（回折格子、 DOE)を設ける。
[0013] ここで、図 8に戻って、結像光学系のレンズの枚数を増加して、子午像面および球 欠像面を理想的な結像面に近づけるにしたがって、子午像面を示す曲線 (点線)お よび球欠像面を示す曲線 (実線）は、理想的な結像面を示す直線 (縦軸)の周囲にお いて湾曲する。すなわち、子午像面を示す曲線 (点線)および球欠像面を示す曲線（ 実線）は、理想的な結像面を示す直線 (縦軸)の、像側および物体側に凸部を有する 。特に、子午像面を示す曲線 (点線)が、理想的な結像面を示す直線 (縦軸)の、像 側および物体側に顕著な凸部を有する。
[0014] 結像光学系のレンズの枚数を一定としながら、像側および物体側に顕著な凸部を 有する、子午像面を、さらに光軸に垂直な理想的な結像面に近づけるのは困難であ つた o
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0015] レンズの枚数を一定としながら、子午像面を、さらに光軸に垂直な理想的な結像面 に近づけることができる結像光学系に対するニーズがある。
課題を解決するための手段
[0016] 本発明の結像光学系は、少なくとも 1つのレンズを含み、少なくとも 1つのレンズの 少なくとも 1つの面を、光軸の周囲を取り囲む少なくとも 1つの帯状領域および光軸を 含む中心領域に分割している。上記複数の領域のうちの 1つの領域を通過する子午 光線が結像する子午像面の第 1領域が、結像光学系の基準像面から像側に変位し 、他の領域を通過する子午光線が結像する子午像面の第 2領域が、結像光学系の 基準像面力 物体側に変位している場合に、上記第 1および第 2領域が基準像面に 近づくように、少なくとも 1つの帯状領域および中心領域の境界に段差を設けている
[0017] したがって、本発明の結像光学系においては、レンズの枚数を一定としながら、少 なくとも 1つの帯状領域および中心領域の境界の段差の位置向きおよび大きさを調 整することにより、子午像面を、さらに光軸に垂直な理想的な結像面に近づけること ができる。また、本発明の結像光学系は、上記の特質を有するので、従来、像面湾曲 および Zまたは非点収差が問題となっていた、デジタルカメラ、撮像機能付携帯電 話、スキャナーなどの固体撮像素子用レンズおよびレーザプリンタなどの走査レンズ などの結像光学系に広く使用される。
[0018] 本発明の 1実施形態によれば、段差の大きさを、第 1および第 2の領域の基準像面 力 の変位の大きさによって定め、段差の向きを、第 1および第 2の領域の基準像面 からの変位の向き、段差を備える面がレンズの像側か物体側かおよび段差を備える 面が凹面か凸面かによつて定めている。したがって、結像光学系の子午像面から、 段差の位置、向きおよび大きさを適切に定めることができる。
[0019] 本発明の 1実施形態によれば、少なくとも 1つの帯状領域および中心領域を構成す る面の形状をそれぞれ個別に決定している。したがって、少なくとも 1つの帯状領域 および中心領域を構成する面の形状を個別に調整することにより、子午像面および 球欠像面の形状を調整することができる。
[0020] 本発明の 1実施形態によれば、少なくとも 1つの帯状領域および光軸を含む中心領 域を構成する面を、それぞれの面と光軸との交点を原点とする定義式で表現するとき 、それぞれの面の原点の位置を変えることにより、光軸方向の段差を定めている。し たがって、それぞれの面の原点の位置を変えることにより容易に光軸方向の段差を 調整することができる。
[0021] 本発明の 1実施形態によれば、少なくとも 1つの帯状領域および光軸を含む中心領 域を構成する面を、それぞれの面と光軸との交点を原点とする定義式で表現するとき 、少なくとも 1つの帯状領域および中心領域を構成する面の定義式を変えることによ り面の形状をそれぞれ個別に決定している。したがって、少なくとも 1つの帯状領域お よび中心領域を構成する面の定義式を変えて、面の形状をそれぞれ個別に調整す ることにより、子午像面の形状を調整することができる。
[0022] 本発明の 1実施形態によれば、少なくとも 1つの帯状領域および中心領域を構成す る面を非球面式で定義している。したがって、少なくとも 1つの帯状領域および中心 領域を構成する面の非球面式の係数を個別に調整することにより、面の形状をそれ ぞれ個別に調整することにより、子午像面および球欠像面の形状を調整することがで きる。
[0023] 本発明の 1実施形態によれば、中心領域と帯状領域または複数の帯状領域間の境 界における段差面の傾きが当該境界部分を通過する光線の角度の関数として決め られる。したがって、面の傾きを、当該境界部分を通過する光線の角度に近づけるこ とにより、段差の不連続性の収差における影響を緩和することができる。
[0024] 本発明の 1実施形態によれば、中心領域と帯状領域または複数の帯状領域間の境 界における段差面が光軸と平行であるとした場合に、段差面に入射する光の最小角 度と最大角度の間の角度の傾きとなるように段差面の光軸に対する傾きを定める。し たがって、面の傾きを、当該境界部分を通過する光線の角度に近づけることにより、 段差の不連続性の収差における影響を緩和することができる。
[0025] 本発明の 1実施形態によれば、中心領域と帯状領域または複数の帯状領域間の境 界における段差面が光軸と平行であるとした場合に、段差面に入射する光の平均角 度の傾きとなるように段差面の光軸に対する傾きを定める。したがって、面の傾きを、 当該境界部分を通過する光線の角度に近づけることにより、段差の不連続性の収差 における影響を緩和することができる。
[0026] 本発明の 1実施形態によれば、少なくとも 1つの帯状領域および中心領域周囲を光 軸上の点を中心とする円で定義している。したがって、領域の周囲を構成する円の半 径を定めるだけで領域の境界を定めることができる。
[0027] 本発明の 1実施形態によれば、少なくとも 1つの光学素子の少なくとも 1つの面に回 折素子を設けている。したがって、回折素子が有する負のアッベ数の効果を利用して 色収差補正を行うことができる。 [0028] 本発明の 1実施形態によれば、最も像側の面に、少なくとも 1つの帯状領域および 中心領域を備えている。したがって、子午像面の形状を容易に調整することができる
[0029] 本発明の結像光学系は、少なくとも 1つのレンズを含み、少なくとも 1つのレンズの 少なくとも 1つの面を、光軸の周囲を取り囲む少なくとも 1つの帯状領域および光軸を 含む中心領域に分割している。本発明の結像光学系においては、少なくとも 1つの 帯状領域および中心領域のうちの 1つの領域を通過する子午光線が結像する子午 像面の領域が、結像光学系の基準像面力 像側または物体側に変位している場合 に、当該子午像面の領域が基準像面に近づくように、少なくとも 1つの帯状領域およ び中心領域の境界に段差を設けて 、る。
[0030] したがって、本発明の結像光学系においては、レンズの枚数を一定としながら、少 なくとも 1つの帯状領域および中心領域の境界の段差の位置向きおよび大きさを調 整することにより、子午像面を、さらに光軸に垂直な理想的な結像面に近づけること ができる。また、本発明の結像光学系は、上記の特質を有するので、従来、像面湾曲 および Zまたは非点収差が問題となっていた、デジタルカメラ、撮像機能付携帯電 話、スキャナーなどの固体撮像素子用レンズおよびレーザプリンタなどの走査レンズ などの結像光学系に広く使用される。
[0031] 本発明の 1実施形態によれば、段差の大きさを、当該子午像面の領域の基準像面 力 の変位の大きさによって定め、段差の向きを、当該子午像面の領域の基準像面 からの変位の向き、段差を備える面がレンズの像側か物体側かおよび段差を備える 面が凹面か凸面かによつて定めている。したがって、結像光学系の子午像面から、 段差の位置、向きおよび大きさを適切に定めることができる。
[0032] 本発明の 1実施形態によれば、少なくとも 1つの帯状領域および中心領域を構成す る面の形状をそれぞれ個別に決定している。したがって、少なくとも 1つの帯状領域 および中心領域を構成する面の形状を個別に調整することにより、子午像面および 球欠像面の形状を調整することができる。
図面の簡単な説明
[0033] [図 1]本発明の一実施形態による結像光学系（数値実施例 1)の光路図を示す。 [図 2]本発明の一実施形態による結像光学系 (数値実施例 1)の収差図を示す。
[図 3]本発明の他の実施形態による結像光学系（数値実施例 2)の光路図を示す。
[図 4]本発明の他の実施形態による結像光学系（数値実施例 2)の収差図を示す。
[図 5]従来技術の、レンズ 1枚構成の結像光学系 (従来例 1)の光路図を示す。
[図 6]従来技術の、レンズ 2枚構成の結像光学系 (従来例 2)の光路図を示す。
[図 7]従来技術の、レンズ 3枚構成の結像光学系（比較例 1)の光路図を示す。
[図 8]従来技術の結像光学系の収差図を示す。
[図 9]比較例 1の結像光学系の収差図を示す。
[図 10]従来技術の、レンズ 2枚構成の結像光学系（比較例 2)の光路図を示す。
[図 11]比較例 2の結像光学系の収差図を示す。
[図 12]数値実施例 3の結像光学系の収差図を示す。
[図 13]数値実施例 4の結像光学系の収差図を示す。
発明を実施するための最良の形態
[0034] 最初に、本発明の不連続な境界について説明する。中心領域と帯状領域の境界ま たは、複数の帯状領域の境界には、光軸方向の段差が存在してもよい。ここで、段差 面の構造について説明する。段差面に入射する光線によりフレアが発生する。フレア の量を小さくするために、段差面が光軸と平行であるとした場合に、段差面に入射す る光の最小角度と最大角度の間の角度の傾きとなるように段差面の光軸に対する傾 きを定めるのが好ましい。また、段差面が光軸と平行であるとした場合に、段差面に 入射する光の平均角度の傾きとなるように段差面の光軸に対する傾きを定めてもよい
[0035] 各数値実施例について以下に説明する。
[0036] (数値実施例 1)
本発明の一実施形態として数値実施例 1について、比較例 1と比較して説明する。
[0037] 図 1は、数値実施例 1の結像光学系の光路図を示す。図 1に示すように、数値実施 例 1の結像光学系は、 3枚のレンズおよびガラス板カゝら構成されている。物体から絞り を通って入射した光は、第 1レンズ 1、第 2レンズ 2、第 3レンズ 3、ガラス板 4を通過し てセンサ面 5に至る。第 1レンズ 1の入射面および出射面、第 2レンズ 2の入射面およ び出射面、第 3レンズ 3の入射面および出射面、ガラス板 4の入射面および出射面は 、それぞれ第 2乃至 9面と呼称する。第 2乃至 6面は、それぞれ単一の非球面式で定 義される。第 5面すなわち第 2レンズ 2の出射面には色収差を補正するための回折素 子（回折格子、 DOE)を設ける。第 7面すなわち第 3レンズ 3の出射面が非点収差補 正面すなわち、光軸の周囲を取り囲む少なくとも 1つの帯状領域および光軸を含む 中心領域を設けた面である。第 7面の詳細は、以下に説明する。
[0038] 先に説明した比較例 1の収差を拡大して示す図 9において、子午像面の湾曲の様 子を調べる。図 9において、子午像面を示す点線は、光軸に近い方カゝら順に、像側 に向けた凸部、物体側に向けた凸部及び像側に向けた凸部と 3個の凸部を有する。
[0039] つぎに、凸部のピークの像高方向の位置を調べる。凸部のピークは、像高 l.O(mm) 、 2.0(mm)、 2.5(mm)に位置する。
[0040] 他方、図 9においてデフォーカス (設計上の像面からの焦点ずれ)が 0(mm)になる像 高は像高 0(mm)、 1.65(mm)、 2.2(mm)である。
[0041] ここで、子午像面を示す点線を設計上の像面位置に近づけるように、第 7面に不連 続な境界を設けることを考える。そこで、第 7面における不連続な境界に対応させる、 子午像面上の位置を求める。不連続な境界は、たとえば、デフォーカス 0(mm)になる 像高に集光する子午光線が第 7面を通過する位置と子午像面を示す曲線の凸部の ピークに対応する像高に集光する子午光線が第 7面を通過する位置の中間位置とし てもよい。あるいは、たとえば、デフォーカス 0(mm)になる像高に集光する子午光線が 第 7面を通過する位置としてもよい。あるいは、像側に向けた凸部のピークに対応す る像高に集光する子午光線が第 7面を通過する位置と、物体側に向けた凸部のピー クに対応する像高に集光する子午光線が第 7面を通過する位置との中間位置として ちょい。
[0042] 光軸を含む中心領域を光軸方向に移動させると近軸計算に不備が生じるので、光 軸を含む中心領域を固定し基準とする。第 7面における、光軸を含む中心領域の周 囲の不連続な境界は、子午像面において像高 0(mm)と最初の像面湾曲のピークであ る 1.0(mm)との中間の像高 0.5(mm)に集光する子午光線と面との交点によって定める [0043] 第 7面における、外側に向かってつぎの不連続な境界は、子午像面において像高 0 (mm)のつぎにデフォーカス 0(mm)になる像高 1.65(mm)に集光する子午光線と面との 交点によって定める。
[0044] 第 7面における、外側に向かってつぎの不連続な境界は、子午像面において像高 1 .65(mm)のつぎにデフォーカス 0(mm)になる像高 2.2(mm)に集光する子午光線と面と の交点によって定める。
[0045] 第 7面における、不連続な境界の位置を計算すると、像高 0.5(mm)に集光する子午 光線と面との交点は、光軸力も 0.24(mm)の距離である。像高 1.65(mm)に集光する子 午光線と面との交点は、光軸力も 0.83(mm)の距離である。像高 2.2(mm)に集光する 子午光線と面との交点は、光軸から 1.13(mm)の距離である。第 7面は、上述のように 定めた不連続な境界によって接続された複合面になる。
[0046] ここで、本実施形態の第 7面を以下の式によって表す。すなわち、光軸を z、光軸に 垂直な面の座標を x、 yで表わし、 kは、 2次曲線の形状を決める定数、 cは中心曲率 、 Aは補正係数、 jは、中心領域およびその周囲の帯状領域の識別番号であり、中心 領域を 1として内側から順に番号を付したものとして、中心領域の光軸上の原点を基 準として中心シフト量 dを定めるとして、中心領域および少なくとも 1つの帯状領域を 表す面が、 2次曲線
[数 1]
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を光軸の周りに回転させた光軸対称回転面であるとする。すなわち、本発明の一実 施形態の第 7面は、中心領域およびその周囲の帯状領域ごとの識別番号 jによって 示される複数の曲線によって表現される。これに対して、比較例 1の第 7面は、中心領 域およびその周囲の帯状領域に分割されていないので、中心シフト量 をゼロとした 単一の曲線によって表現される。
[0047] 本実施形態においては、不連続な境界を有する複数の曲線の形状を示す式は同 一とする。また、不連続な境界を段差とし、中心シフト量 dによって段差を設ける。
[0048] つぎに、段差の定め方について説明する。従来の非球面を用いた光学系における 像面での集光位置は段差を設けることにより変化する。以下において光の進む方向 を +、逆の方向を-で示す。
[0049] 一例として、レンズの像側で段差を設ける場合でレンズの形状が凸面であれば (集 光パワー)、フォーカスズレ量力 である場合に-方向に像面を補正しょうとする場合は
、レンズ厚みを減らす方向になり、中心シフト量 dは-となる。
[0050] 一例として、レンズの物体側で段差を設ける場合でレンズの形状が凸面であれば（ 集光パワー)、フォーカスズレ量力 である場合に-方向に像面を補正しょうとする場合 は、レンズ厚みを増やす方向になり中心シフト量 dは-となる。
[0051] 一例として、レンズの像側で段差を設ける場合でレンズの形状が凹面であれば (発 散パワー)、フォーカスズレ量力 である場合に-方向に像面を補正しょうとする場合は
、レンズ厚みを増やす方向になり、中心シフト量 dは +となる。
[0052] 一例として、レンズの物体側で段差を設ける場合でレンズの形状が凹面であれば（ 発散パワー)、フォーカスズレ量力 である場合に-方向に像面を補正しょうとする場合 は、レンズ厚みを減らす方向になり中心シフト量 dは +となる。
[0053] フォーカスズレ量カ である場合に +方向に像面を補正しょうとする場合は、中心シ フト量 dの符号は、上述の符号と反対になる。
[0054] 本実施形態においては、レンズの像側で段差を設け、レンズの形状が凹面である。
したがって、フォーカスズレ量力 である場合に-方向に像面を補正しょうとする場合 は、レンズ厚みを増やす方向になり、中心シフト量 dは +となる。また、フォーカスズレ 量カ である場合に +方向に像面を補正しょうとする場合は、中心シフト量 dは-となる
[0055] 具体的に、中心領域の中心シフト量 dは、 O.O(mm)とする。つぎに外側の帯状領域 の中心シフト量 dは、この面領域で発生すると想定されるフォーカスズレ量が 0.02(mm )であるので、 0.02(mm)とする。つぎに外側の帯状領域の中心シフト量 は、この面領 域で発生すると想定されるフォーカスズレ量が- 0.02(mm)であるので、 -0.02(mm)とす る。最も外側の帯状領域の中心シフト量 dは、最も外側の帯状領域においては、中心 シフト量によって子午像面の形状は変えられな 、ので、 O.O(mm)とする。
[0056] J=lの面 d= 0.0(mm)
J=2の面 d= 0.02(mm)
J=3の面 d= - 0.02(mm)
J=4の面 d = O.O(mm)
[0057] 図 2は、数値実施例 1の結像光学系の収差図を示す。図 9の比較例 1の収差図と比 較して、図 2の左側の図の点線で示す子午像面を表す曲線は、像面位置に近づき、 非点収差も小さくなつている。
[0058] 数値実施例 1においては、上述のように、第 7面の、不連続な境界を有する複数の 曲線の形状を示す式は同一とした。しかし、第 7面の複数の曲線の形状を個別に定 めてもよい。その場合には、図 2の左側の図の子午像面および球欠像面を、設計上 の像面（図 2の縦軸）に近づけるように、 2次曲線の形状を決める定数 kj、中心曲率 cj 、補正係数 Aijを、 J=l乃至 6の面ごとに定める。
[0059] (数値実施例 2)
本発明の一実施形態として数値実施例 2について、比較例 2と比較して説明する。
[0060] 図 3は、数値実施例 2の結像光学系の光路図を示す。図 3に示すように、数値実施 例 2の結像光学系は、 2枚のレンズおよびガラス板カゝら構成されている。物体から絞り を通って入射した光は、第 1レンズ 1、第 2レンズ 2、ガラス板 4を通過してセンサ面 5に 至る。第 1レンズ 1の入射面および出射面、第 2レンズ 2の入射面および出射面、ガラ ス板 4の入射面および出射面は、それぞれ第 2乃至 7面と呼称する。第 2乃至 4面は、 それぞれ単一の非球面式で定義される。第 3面すなわち第 1レンズ 2の出射面には 色収差を補正するための回折素子（回折格子、 DOE)を設ける。第 5面すなわち第 2 レンズ 2の出射面が非点収差補正面すなわち、光軸の周囲を取り囲む少なくとも 1つ の帯状領域および光軸を含む中心領域を設けた面である。第 5面の詳細は、以下に 説明する。 [0061] 図 10は、比較例 2の結像光学系の光路図を示す。図 10に示すように、数値実施例 2の結像光学系と同様に、比較例 2の結像光学系は、 2枚のレンズおよびガラス板か ら構成されている。物体力も絞りを通って入射した光は、第 1レンズ 1、第 2レンズ 2、 ガラス板 4を通過してセンサ面 5に至る。第 1レンズ 1の入射面および出射面、第 2レ ンズ 2の入射面および出射面、ガラス板 4の入射面および出射面は、それぞれ第 2乃 至 7面と呼称する。第 2乃至 5面は、それぞれ単一の非球面式で定義される。第 3面 すなわち第 1レンズ 2の出射面には色収差を補正するための回折素子（回折格子、 D OE)を設ける。
[0062] 比較例 2の収差を示す図 11において、子午像面の湾曲の様子を調べる。図 11に おいて、子午像面を示す点線は、光軸に近い方力も順に、物体側に向けた凸部、像 側に向けた凸部及び物体側に向けた凸部と 3個の凸部を有する。
[0063] つぎに、凸部のピークの像高方向の位置を調べる。凸部のピークは、像高 0.8(mm) 、 1.5(mm)、 2.05(mm)に位置する。
[0064] 他方、図 11においてデフォーカス (設計上の像面からの焦点ずれ）が 0(mm)になる 像高は像高 0.5(mm)、 1.0(mm)、 1.75(mm)である。
[0065] ここで、子午像面を示す点線を設計上の像面位置に近づけるように、第 5面に不連 続な境界を設けることを考える。そこで、第 5面における不連続な境界に対応させる、 子午像面上の位置を求める。不連続な境界は、たとえば、デフォーカス 0(mm)になる 像高に集光する子午光線が第 5面を通過する位置と子午像面を示す曲線の凸部の ピークに対応する像高に集光する子午光線が第 5面を通過する位置の中間位置とし てもよい。あるいは、たとえば、デフォーカス 0(mm)になる像高に集光する子午光線が 第 5面を通過する位置としてもよい。あるいは、像側に向けた凸部のピークに対応す る像高に集光する子午光線が第 5面を通過する位置と、物体側に向けた凸部のピー クに対応する像高に集光する子午光線が第 5面を通過する位置との中間位置として ちょい。
[0066] 光軸を含む中心領域を光軸方向に移動させると近軸計算に不備が生じるので、光 軸を含む中心領域を固定し基準とする。第 5面における、光軸を含む中心領域の周 囲の不連続な境界は、デフォーカス 0(mm)になる像高 0.5(mm)に集光する子午光線と 面との交点によって定める。
[0067] 第 5面における、外側に向かってつぎの不連続な境界は、子午像面において像高 0 .5 (mm)のつぎにデフォーカス 0(mm)になる像高 l.O(mm)に集光する子午光線と面との 交点によって定める。
[0068] 第 5面における、外側に向かってつぎの不連続な境界は、子午像面において像高 1 .0 (mm)のつぎにデフォーカス 0(mm)になる像高 1.75(mm)に集光する子午光線と面と の交点によって定める。
[0069] 第 5面における、不連続な境界の位置を計算すると、像高 0.5(mm)に集光する子午 光線と面との交点は、光軸力も 0.22(mm)の距離である。像高 l.O(mm)に集光する子午 光線と面との交点は、光軸から 0.44(mm)の距離である。像高 1.75(mm)に集光する子 午光線と面との交点は、光軸から 0.8(mm)の距離である。第 5面は、上述のように定 めた不連続な境界によって接続された複合面になる。
[0070] ここで、本実施形態の第 5面を数値実施例 1と同様の式によって表す。
[0071] 本実施形態においては、不連続な境界を有する複数の曲線の形状を示す式は同 一とする。また、不連続な境界を段差とし、中心シフト量 dによって段差を設ける。
[0072] 本実施形態においては、レンズの像側で段差を設け、レンズの形状が凹面である。
したがって、フォーカスズレ量力 である場合に-方向に像面を補正しょうとする場合 は、レンズ厚みを増やす方向になり、中心シフト量 dは +となる。また、フォーカスズレ 量カ である場合に +方向に像面を補正しょうとする場合は、中心シフト量 dは-となる
[0073] 具体的に、中心領域の中心シフト量 dは、 O.O(mm)とする。つぎに外側の帯状領域の 中心シフト量 dは、この面領域で発生すると想定されるフォーカスズレ量カ O.Ol(mm) であるので、 -0.01 (mm)とする。つぎに外側の帯状領域の中心シフト量 dは、この面 領域で発生すると想定されるフォーカスズレ量が 0.05(mm)であるので、 0.05 (mm)とす る。最も外側の帯状領域の中心シフト量 dは、最も外側の帯状領域においては、中心 シフト量によって子午像面の形状は変えられな 、ので、 O.O(mm)とする。
[0074] J=lの面 d= 0.0(mm)
J=2の面 d= -0.01 (mm) J=3の面 d= 0.05 (mm)
J=4の面 d = O.O(mm)
[0075] 図 4は、数値実施例 2の結像光学系の収差図を示す。図 11の比較例 2の収差図と 比較して、図 4の左側の図の点線で示す子午像面を表す曲線は、像面位置に近づ き、非点収差も小さくなつている。
[0076] 数値実施例 2においては、上述のように、第 5面の、不連続な境界を有する複数の 曲線の形状を示す式は同一とした。しかし、第 5面の複数の曲線の形状を個別に定 めてもよい。その場合には、図 4の左側の図の子午像面および球欠像面を、設計上 の像面（図 2の縦軸）に近づけるように、 2次曲線の形状を決める定数 kj、中心曲率 cj 、補正係数 Aijを、 J=l乃至 6の面ごとに定める。
[0077] (数値実施例 3)
数値実施例 3の結像光学系の構成は、非点収差補正面 (第 7面)の構成を除いて 数値実施例 1の結像光学系の構成と同じである。数値実施例 1において、非点収差 補正面の、段差によって分けられた各面 (j=l,2,3,4)の形状を決める係数は全て等し い（表 1)。しかし、数値実施例 3においては、子午像面および球欠像面の基準像面 力 の変位をできるだけ小さくするように、各面 (j=l,2,3,4)の形状を決める係数を変 化させている（表 7)。具体的には、光学シミュレーションにおいて、設計上の像面上 のスポット径が小さくなるように係数を変化させている。数値実施例 1および 3におけ る段差の位置 (面最内半径)および数値実施例 1および 3における段差の大きさ（中 心シフト量 dj)は、それぞれ等 U、（表 1および 7)。
[0078] 図 12は、数値実施例 3の結像光学系の収差図を示す。
[0079] (数値実施例 4)
数値実施例 4の結像光学系の構成は、非点収差補正面 (第 5面)の構成を除!ヽて 数値実施例 2の結像光学系の構成と同じである。数値実施例 2において、非点収差 補正面の、段差によって分けられた各面 (j=l,2,3,4)の形状を決める係数は全て等し い（表 3)。しかし、数値実施例 4においては、子午像面および球欠像面の基準像面 力 の変位をできるだけ小さくするように、各面 (j=l,2,3,4)の形状を決める係数を変 化させている（表 8)。具体的には、光学シミュレーションにおいて、設計上の像面上 のスポット径が小さくなるように係数を変化させている。数値実施例 2および 4におけ る段差の位置 (面最内半径)および数値実施例 2および 4における段差の大きさ（中 心シフト量 dj)は、それぞれ等 U、（表 3および 8)。
[0080] 図 13は、数値実施例 4の結像光学系の収差図を示す。
[0081] [表 1]
数値実施例 1
Fno. -2. 8 焦点距離 =4. 15 (mm)
Figure imgf000019_0001
非球面形状
Figure imgf000019_0002
第二レンズ 5面光路差関数係数
Figure imgf000019_0003
非点収差補正面形状
面係数 j =1 j=2 j = 3 j- 面最内半径 0 0.24フ 0.83 1.13 dj 0.000 0.02 - 0.02 0 j 2.062 2.062 2.062 2.062 kj 0.0000E+00 O.OOOOE+00 O.OOOOE+00 O.OOOOE+00
A4j -4.1757E-02 -4.1757E-02 -4.1757E-02 -4.1757E-02
A6j -4.3381 E-03 -4.3381 E-03 -4.3381E-03 -4.3381 E-03
A8j 1.1449E-03 1.1449E-03 1.1449E-03 1.1449E-03
A10j - 3.3252E - 04 - 3.3252E - 04 -3.3252E-04 -3.3252E-04 [表 2] 比較例 1
Fno. =2. 8 焦点距離 4. 15 (ram) 光学配置
Figure imgf000020_0001
非球面形状
Figure imgf000020_0002
光路差関数係数
Figure imgf000020_0003
[表 3] 数値実施例 2
Fno. =2.8 焦点距離 =3.60 (mm)
Figure imgf000021_0001
非球面形状
Figure imgf000021_0002
第一レンズ 3面光路差関数係数
Figure imgf000021_0003
非点収差補正面形状
面係数 j=1 」=2 j=3 j=4 面取内
0 0.22 0.44 0.8 半径
dj 0.000 -0.01 0.05 0
Rj 1.936 1.936 1.936 1.936 kj 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 O.OOOOE+00
A4j -6.6584E-03 -6.6584E-03 - 6.6584E - 03 -6.6584E-03
A6j -1.1798E-01 -1.1798E-01 -1.1798E-01 - 1.1798E - 01
A8j 5.7224E-02 5.7224E-02 5.7224E - 02 5.7224E-02
A10j -9.6774E-03 -9.6774E-03 -9.6774E-03 -9.6774E-03 [表 4] 比較例 2
Fno. =2.8 焦点距離 =3.60 (mm) 光学配置
Figure imgf000022_0001
非球面形状
Figure imgf000022_0002
第一レンズ 3面光路差関数係数
3面
C2 -7.1401E-03
C4 - 1.4128E - 03 [表 5] 従来例 1
Fno. =2.8 焦点距離 =1.96 (mm) 光学配置
Figure imgf000023_0001
非球面形状
Figure imgf000023_0002
光路差関数係数
非球面係数 2面
C2 -1.6825E-02
C4 -1.1202E-02
C6 1.9336E-02
C8 - 1.1003E - 02 [表 6] 従来例 2
Fno. =2. 7 焦点距離 = 3.514mm
Figure imgf000024_0001
非球面形状
Figure imgf000024_0002
光路差関数係数
5面
C2 -1.8769E-02
C4 9.7000E-03
C6 - 2.4347E - 03
[表 7] 数値実施例 3
Fno. =2.8 焦点距離 =4.15 (mm)
Figure imgf000025_0001
非球面形状
Figure imgf000025_0002
第二レンズ 5面光路差関数係数
Figure imgf000025_0003
非点収差補正面形状
面係数 」=1 j=2 j=3 j=4 面最内半径 0 0.247 0.83 1.13 dj 0.000 0.02 -0.02 0 j 2.060 2.038 2.066 2.089 kj 0.0000E+00 O.OOOOE+00 0.0000E+00 0.0000E+00
A4j - 4.0645E- 03 -4.3041E-02 -4.2244E-02 -3.8041E-02
A6j -5.8200E-01 -6.5043E-03 - 4.1664E - 03 -5.1898E-03
A8j -5.4110E-01 5.8014E-03 1.3850E-03 1.1279E - 03
A10j 4.7682E+01 -3.0227E-03 -4.4395E-04 - 2.フ 708E - 04 [表 8]
数値実施例 4
Fno. =2.8 焦点距離 =3.50 (mm)
Figure imgf000026_0001
非球面形状
Figure imgf000026_0002
第二レンズ 5面光路差関数係数
Figure imgf000026_0003
非点収差補正面形状
面係数 j=1 j=2 j=3 j=4 面最内半径 0 0.22 0.44 0.8 dj 0.000 -0.01 0.05 0 j 2.033 1.959 1.912 1.922 kj 0.0000E+00 0.0000E+00 O.OOOOE+00 0.0000E+00
A4j 2.8778E-01 - 3.5750E - 03 - 4.9428E-04 -1.7978E-02
A6j -2.8490E+00 -1.0706E-01 -1.2722E-01 -1.0350E-01
A8j 5.7224E-02 3.1393E-01 5.8942E- 02 4.9501 E - 02
A10j - 9.6774E- 03 -1.1851E+00 -6.3799E-03 -8.2582E-03

Claims

請求の範囲
[1] 少なくとも 1つのレンズを含み、少なくとも 1つのレンズの少なくとも 1つの面を、光軸 の周囲を取り囲む少なくとも 1つの帯状領域および光軸を含む中心領域に分割した 結像光学系であって、
少なくとも 1つの帯状領域および中心領域のうちの 1つの領域を通過する子午光線 が結像する子午像面の第 1領域が、結像光学系の基準像面力 像側に変位し、少な くとも 1つの帯状領域および中心領域のうちの他の領域を通過する子午光線が結像 する子午像面の第 2領域が、結像光学系の基準像面力 物体側に変位している場 合に、子午像面の第 1および第 2領域が基準像面に近づくように、少なくとも 1つの帯 状領域および中心領域の境界に段差を設けた結像光学系。
[2] 段差の大きさを、第 1および第 2の領域の基準像面力 の変位の大きさによって定 め、段差の向きを、第 1および第 2の領域の基準像面力もの変位の向き、段差を備え る面がレンズの像側か物体側かおよび段差を備える面が凹面か凸面かによつて定め た請求項 1に記載の結像光学系。
[3] 少なくとも 1つの帯状領域および中心領域を構成する面の形状をそれぞれ個別に 決定した請求項 1または 2に記載の結像光学系。
[4] 少なくとも 1つの帯状領域および光軸を含む中心領域を構成する面を、それぞれの 面と光軸との交点を原点とする定義式で表現するとき、それぞれの面の原点の位置 を変えることにより、光軸方向の段差を定めた請求項 1から 3のいずれかに記載の結 像光学系。
[5] 少なくとも 1つの帯状領域および光軸を含む中心領域を構成する面を、それぞれの 面と光軸との交点を原点とする定義式で表現するとき、少なくとも 1つの帯状領域およ び中心領域を構成する面の定義式を変えることにより面の形状をそれぞれ個別に決 定した請求項 3項に記載の結像光学系。
[6] 少なくとも 1つの帯状領域および中心領域を構成する面を非球面式で定義した請 求項 1から 5のいずれかに記載の結像光学系。
[7] 中心領域と帯状領域または複数の帯状領域間の境界における段差面の傾きが当 該境界部分を通過する光線の角度の関数として決められる 1から 6のいずれかに記 載の結像光学系。
[8] 中心領域と帯状領域または複数の帯状領域間の境界における段差面が光軸と平 行であるとした場合に、段差面に入射する光の最小角度と最大角度の間の角度の傾 きとなるように段差面の光軸に対する傾きを定める請求項 7に記載の結像光学系。
[9] 中心領域と帯状領域または複数の帯状領域間の境界における段差面が光軸と平 行であるとした場合に、段差面に入射する光の平均角度の傾きとなるように段差面の 光軸に対する傾きを定める請求項 7に記載の結像光学系。
[10] 少なくとも 1つの帯状領域および中心領域の周囲を光軸上の点を中心とする円で 定義した請求項 1から 9のいずれかに記載の結像光学系。
[11] 少なくとも 1つの光学素子の少なくとも 1つの面に回折素子を設けた請求項 1から 1
0の!、ずれかに記載の結像光学系。
[12] 最も像側の面に、少なくとも 1つの帯状領域および中心領域を備えた請求項 1から 1
1のいずれかに記載の結像光学系。
[13] 少なくとも 1つのレンズを含み、少なくとも 1つのレンズの少なくとも 1つの面を、光軸 の周囲を取り囲む少なくとも 1つの帯状領域および光軸を含む中心領域に分割した 結像光学系であって、
少なくとも 1つの帯状領域および中心領域のうちの 1つの領域を通過する子午光線 が結像する子午像面の領域が、結像光学系の基準像面力 像側または物体側に変 位している場合に、当該子午像面の領域が基準像面に近づくように、少なくとも 1つ の帯状領域および中心領域の境界に段差を設けた結像光学系。
[14] 段差の大きさを、当該子午像面の領域の基準像面からの変位の大きさによって定 め、段差の向きを、当該子午像面の領域の基準像面からの変位の向き、段差を備え る面がレンズの像側か物体側かおよび段差を備える面が凹面か凸面かによつて定め た請求項 13に記載の結像光学系。
[15] 少なくとも 1つの帯状領域および中心領域を構成する面の形状をそれぞれ個別に 決定した請求項 13または 14に記載の結像光学系。
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