WO2012090729A1 - 広角レンズ，撮像光学装置及びデジタル機器 - Google Patents

広角レンズ，撮像光学装置及びデジタル機器 Download PDF

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廣瀬　全利
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コニカミノルタオプト株式会社
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    • G02B13/002—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design having at least one aspherical surface
    • G02B13/0035—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design having at least one aspherical surface having three lenses
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    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/06—Panoramic objectives; So-called "sky lenses" including panoramic objectives having reflecting surfaces

Definitions

  • the present invention relates to a wide-angle lens, an imaging optical device, and a digital device.
  • a wide-angle lens For example, it is used as an interchangeable lens of a digital camera, and a curved imaging surface (that is, a solid-state imaging device such as a CCD (Charge Coupled Device) type image sensor, a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) type image sensor)) Equipped with a compact wide-angle lens that forms an optical image of a subject on the light-receiving surface, an imaging optical device that captures an image of the subject with the wide-angle lens and the imaging device, and outputs the image as an electrical signal, and the imaging optical device
  • the present invention relates to a digital device with an image input function such as a digital camera and a surveillance camera.
  • Patent Documents 1 and 2 propose a solid-state imaging device having a curved imaging surface for the purpose of reducing field curvature.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a wide-angle lens that achieves high performance, downsizing, and wide angle of view by effectively utilizing the curvature of the imaging surface.
  • the wide-angle lens of the first invention is a wide-angle lens that forms an image on an imaging element whose imaging surface is curved, has a total angle of view of 120 ° or more, and sequentially from the object side, A meniscus lens having a convex surface facing the object side, a first lens having at least one aspheric surface, a second lens having a positive power having at least one aspheric surface, and at least one aspheric surface having an aspheric surface. And a third lens having a concave surface facing the surface.
  • the wide-angle lens of the second invention is characterized in that, in the first invention, the following conditional expression (1) or (2) is satisfied.
  • f3 focal length of the third lens
  • f focal length of all lens systems, It is.
  • the wide-angle lens according to a third aspect of the invention is characterized in that, in the first or second aspect of the invention, the following conditional expression (3) or (4) is satisfied.
  • f1 / f23 ⁇ 1.5 (3) f1 / f23> 8.0 (4)
  • f1 focal length of the first lens
  • f23 composite focal length of the second lens and the third lens, It is.
  • the wide-angle lens of a fourth invention is characterized in that, in any one of the first to third inventions, the second lens is a cemented lens formed by cementing different materials.
  • a wide-angle lens according to a fifth invention is characterized in that, in any one of the first to fourth inventions, the following conditional expression (5) is satisfied. 0.09 ⁇ ((BF 2 + Y ′ 2 ) / Ri 2 ) ⁇ 1.1 (5) However, BF: Back focus, Y ′: maximum image height (distance from the optical axis), Ri: radius of curvature of imaging surface, It is.
  • a wide-angle lens according to a sixth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to fifth aspects, a diaphragm is located in the second lens.
  • An imaging optical device is a wide-angle lens according to any one of the first to sixth aspects, an imaging element that converts an optical image formed on a curved imaging surface into an electrical signal, and , And the wide-angle lens is provided so that an optical image of a subject is formed on the imaging surface of the imaging device.
  • the digital apparatus is characterized in that at least one of a still image photographing and a moving image photographing function of a subject is added by including the imaging optical device according to the seventh invention.
  • the digital device is the digital camera according to the eighth aspect, wherein the digital device is a surveillance camera, a digital camera, or a portable terminal with an image input function.
  • the configuration of the present invention it is possible to realize a wide-angle lens that achieves high performance, downsizing, and wide angle of view by effectively utilizing the curvature of the imaging surface, and an imaging optical device including the wide-angle lens. it can.
  • an imaging optical device according to the present invention in a digital device such as a digital camera, a mobile phone, or a portable information terminal, a high-performance image input function can be added to the digital device in a compact manner.
  • FIG. 6 is an aberration diagram of Example 1.
  • FIG. 6 is an aberration diagram of Example 2.
  • FIG. 6 is an aberration diagram of Example 3.
  • FIG. 6 is an aberration diagram of Example 4.
  • FIG. 6 is an aberration diagram of Example 5.
  • FIG. 10 is an aberration diagram of Example 6.
  • FIG. 10 is an aberration diagram of Example 7.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration example of a digital device equipped with an imaging optical device. The figure which shows the relationship between image height Y 'and image height y'.
  • the wide-angle lens according to the present invention is a wide-angle lens that forms an image on an imaging element having a curved imaging surface, has a total angle of view of 120 ° or more, and sequentially includes a first lens, a second lens, and a second lens in order from the object side. It consists of 3 lenses.
  • the first lens is a meniscus lens having a convex surface directed toward the object side, and has at least one aspheric surface.
  • the second lens has positive power (power: an amount defined by the reciprocal of the focal length), and has at least one aspheric surface.
  • the third lens has at least one aspheric surface and has a concave surface facing the image surface side.
  • the first lens is a meniscus lens having a convex surface facing the object side, so that a wide angle of view can be dealt with, and distortion can be controlled by making at least one surface an aspherical surface. .
  • the second lens By making at least one surface of the second lens an aspherical surface, spherical aberration and curvature of field can be reduced.
  • the chromatic aberration of magnification can be reduced by configuring the third lens with the concave surface facing the image surface side, and the curvature of field can be reduced by making at least one surface an aspherical surface.
  • the third lens is configured such that the concave surface is directed to the image plane side, the light beam is refracted in a direction away from the optical axis in the plane including the optical axis, and the light beam can be bounced up. can do.
  • the incident angle of light incident on the image sensor increases as the distance from the periphery increases, and the periphery becomes dark.
  • the imaging surface is concave, the incident angle of the incident light does not increase so much in the peripheral portion of the imaging device, and it does not darken.
  • the relationship between the aberration correction and the aspherical shape is not determined in general, but the aspherical surface (especially the image side surface) of the first lens has distortion aberration and image.
  • the aspherical surface of the second lens and the third lens is effective for correcting the surface curvature, and the aspherical surface of the second lens and the third lens is effective for correcting the spherical aberration and the field curvature.
  • the imaging optical device is used in a digital device such as a digital camera, a mobile phone, or a portable information terminal, a high-performance image input function can be added to the digital device in a compact manner, and the compactness and low cost can be achieved. It can contribute to improvement in performance, performance, and functionality. The conditions for achieving such effects in a well-balanced manner and achieving higher optical performance, downsizing, etc. will be described below.
  • Conditional expressions (1) and (2) prescribe a preferable condition range for balancing the lens back and the optical performance. If the upper limit of conditional expression (1) is exceeded, the lens back becomes longer, the lens system becomes larger, and the field curvature tends to deteriorate. On the other hand, if the lower limit of conditional expression (2) is not reached, it will be difficult to secure the lens back, and the lateral chromatic aberration will tend to deteriorate.
  • Conditional expressions (3) and (4) define a preferable range of conditions for balancing the size and optical performance of the optical system. If the upper limit of conditional expression (3) is exceeded, the lens back becomes longer, the lens system becomes larger, and the field curvature tends to increase. On the other hand, if the lower limit of conditional expression (4) is not reached, the lateral chromatic aberration will be worsened and the distortion will be increased.
  • the second lens is desirably a cemented lens formed by cementing different materials. If the second lens is a cemented lens, further improvement in optical performance such as reduction of chromatic aberration can be expected. In addition, it is desirable that the diaphragm is located in the second lens. When the diaphragm is provided in the second lens, the number of surfaces before and after the diaphragm is balanced, and each aberration can be reduced with a small number of sheets.
  • the wide-angle lens according to the present invention is suitable for use as a wide-angle lens for a digital device with an image input function (for example, a portable terminal). By combining this with an image sensor or the like, an image of a subject is optically captured.
  • An imaging optical device that outputs an electrical signal can be configured.
  • the imaging optical device is an optical device that constitutes a main component of a camera used for still image shooting or moving image shooting of a subject, for example, a wide-angle lens that forms an optical image of an object in order from the object (i.e., subject) side, And an imaging device that converts an optical image formed by the wide-angle lens into an electrical signal.
  • the wide-angle lens having the above-described characteristic configuration is arranged so that an optical image of the subject is formed on the light receiving surface (that is, the imaging surface) of the imaging device.
  • An imaging optical device and a digital device (for example, a portable terminal) including the imaging optical device can be realized.
  • cameras examples include digital cameras, video cameras, surveillance cameras, in-vehicle cameras, video phone cameras, endoscopes, etc., and small computers such as personal computers and digital devices (for example, mobile phones and mobile computers).
  • Portable information device terminals Portable information device terminals
  • peripheral devices scanners, printers, etc.
  • a digital device with an image input function such as a mobile phone with a camera can be configured.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration example of a digital device DU as an example of a digital device with an image input function.
  • the imaging optical device LU mounted in the digital device DU shown in FIG. 11 includes, in order from the object (that is, the subject) side, a wide-angle lens LN (AX: optical axis) that forms an optical image (image plane) IM of the object, An imaging element SR that converts an optical image IM formed on the imaging surface (light-receiving surface) SS by the wide-angle lens LN into an electrical signal.
  • AX optical axis
  • the imaging optical device LU When a digital device DU with an image input function is constituted by this imaging optical device LU, the imaging optical device LU is usually arranged inside the body, but when necessary to realize the camera function, a form as necessary is adopted. Is possible.
  • the unitized imaging optical device LU can be configured to be detachable or rotatable with respect to the main body of the digital device DU.
  • the image sensor SR for example, a solid-state image sensor such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor having a plurality of pixels is used. Since the wide-angle lens LN is provided so that the optical image IM of the subject is formed on the imaging surface SS which is a photoelectric conversion unit of the imaging element SR, the optical image IM formed by the wide-angle lens LN is the imaging element It is converted into an electric signal by SR.
  • the digital device DU includes a signal processing unit 1, a control unit 2, a memory 3, an operation unit 4, a display unit 5 and the like in addition to the imaging optical device LU.
  • the signal generated by the image sensor SR is subjected to predetermined digital image processing, image compression processing, and the like as required by the signal processing unit 1 and recorded as a digital video signal in the memory 3 (semiconductor memory, optical disk, etc.) In some cases, it is transmitted to other devices via a cable or converted into an infrared signal or the like (for example, a communication function of a mobile phone).
  • the control unit 2 is composed of a microcomputer, and controls functions such as a photographing function (still image photographing function, moving image photographing function, etc.), an image reproduction function, etc .; and a lens moving mechanism for focusing, etc.
  • the control unit 2 controls the imaging optical device LU so as to perform at least one of still image shooting and moving image shooting of a subject.
  • the display unit 5 includes a display such as a liquid crystal monitor, and displays an image using an image signal converted by the image sensor SR or image information recorded in the memory 3.
  • the operation unit 4 is a part including operation members such as an operation button (for example, a release button) and an operation dial (for example, a shooting mode dial), and transmits information input by the operator to the control unit 2.
  • the imaging lens LN in order from the object side, a first lens L1 that is a meniscus lens having a convex surface directed toward the object side, a second lens L2 having a positive power, a third lens L3 having a concave surface directed toward the image surface side,
  • the first to third lenses L1 to L3 each have at least one aspheric surface.
  • an optical image IM is formed on the imaging surface SS of the imaging element SR by the imaging lens LN.
  • the specific optical configuration of the wide-angle lens LN will be described in more detail with reference to the first to fifth embodiments. 1 to 5 show first to fifth embodiments of a wide-angle lens LN (single focus lens) in an optical section.
  • the wide-angle lens LN (FIG. 1) of the first embodiment includes a first lens L1, a second lens L2, and a third lens L3 in order from the object side, and all the lens surfaces are aspherical.
  • the first lens L1 is a negative meniscus lens convex toward the object side
  • the second lens L2 is a biconvex positive lens having an aperture stop ST therein
  • the three lens L3 is a biconcave negative lens.
  • the wide-angle lens LN (FIG. 2) according to the second embodiment includes a first lens L1, a second lens L2, and a third lens L3 in order from the object side, and all lens surfaces are aspherical.
  • the first lens L1 is a negative meniscus lens convex toward the object side
  • the second lens L2 is a biconvex positive lens having an aperture stop ST therein
  • the three lens L3 is a biconcave negative lens.
  • the wide-angle lens LN (FIG. 3) of the third embodiment is composed of a first lens L1, a second lens L2, and a third lens L3 in order from the object side, and all the lens surfaces are aspherical surfaces.
  • the first lens L1 is a negative meniscus lens convex toward the object side
  • the second lens L2 is a biconvex positive lens having an aperture stop ST therein
  • the three lens L3 is a negative meniscus lens concave on the image side.
  • the wide-angle lens LN (FIG. 4) of the fourth embodiment is composed of a first lens L1, a second lens L2, and a third lens L3 in order from the object side, and all the lens surfaces are aspherical surfaces.
  • the first lens L1 is a negative meniscus lens convex toward the object side
  • the second lens L2 is a biconvex positive lens having an aperture stop ST therein
  • the three lens L3 is a positive meniscus lens convex toward the object side.
  • the wide-angle lens LN (FIG. 5) of the fifth embodiment includes a first lens L1, a second lens L2, and a third lens L3 in order from the object side, and all the lens surfaces are aspherical.
  • the first lens L1 is a positive meniscus lens convex on the object side
  • the second lens L2 is a positive meniscus lens convex on the image side having an aperture stop ST on the cemented surface.
  • the third lens L3 is a biconcave negative lens.
  • the wide-angle lens LN (FIG. 6) of the sixth embodiment is composed of a first lens L1, a second lens L2, and a third lens L3 in order from the object side, and all the lens surfaces are aspherical surfaces.
  • the first lens L1 is a positive meniscus lens convex on the object side
  • the second lens L2 is a biconvex positive lens on the image side having an aperture stop ST on the cemented surface.
  • the third lens L3 is a negative meniscus lens convex toward the object side.
  • the wide-angle lens LN (FIG. 7) of the seventh embodiment is composed of a first lens L1, a second lens L2, and a third lens L3 in this order from the object side, and all lens surfaces are aspherical.
  • the first lens L1 is a positive meniscus lens convex on the object side
  • the second lens L2 is a biconvex positive lens on the image side having an aperture stop ST on the cemented surface.
  • the third lens L3 is a negative meniscus lens convex toward the object side.
  • Examples 1 to 7 (EX1 to EX7) listed here are numerical examples corresponding to the first to seventh embodiments, respectively, and are optical configuration diagrams showing the first to seventh embodiments.
  • FIGS. 1 to 7 show the lens configurations of the corresponding Examples 1 to 7, respectively.
  • the focal length (f, mm) of the entire system F number (Fno.), Half angle of view ( ⁇ , °), maximum image height (Y ′, mm), image along R of imaging surface SS
  • the focal lengths f1, f2, and f3 are shown.
  • Table 1 shows values corresponding to the conditional expressions of the respective examples.
  • the distance from the lens final surface to the paraxial image surface (paraxial) is expressed in terms of air length
  • the total lens length is the distance from the lens front surface to the lens final surface (paraxial). The back focus is added.
  • FIGS. 8 to 14 are aberration diagrams of Examples 1 to 7 (EX1 to 7) at an object distance at infinity (object distance: ⁇ ).
  • (A) is a spherical aberration diagram
  • (B) is an astigmatism diagram
  • (C) is a distortion diagram.
  • the spherical aberration diagram shows the amount of spherical aberration with respect to the d line (wavelength 587.56 nm) indicated by the solid line, the amount of spherical aberration with respect to the C line (wavelength 656.27 nm) indicated by the alternate long and short dash line, and the g line (wavelength 435.83 nm) indicated by the broken line.
  • the amount of spherical aberration is represented by the amount of deviation (unit: mm) in the optical axis AX direction from the paraxial image plane, and the vertical axis is a value obtained by normalizing the height of incidence on the pupil by its maximum height (ie, (Relative pupil height).
  • the broken line T represents the tangential image surface with respect to the d line
  • the solid line S represents the sagittal image surface with respect to the d line, expressed as a deviation amount (unit: mm) in the optical axis AX direction from the paraxial image surface.
  • the vertical axis represents the image height (IMG HT, unit: mm).
  • the final R-plane in FIGS. 1 to 7 represents that the imaging surface SS (imaging position IM) is curved, and an aberration diagram (B) showing the curvature of field is drawn with respect to this curve. . That is, the vertical axis of the aberration diagram (B) represents the imaging surface SS (curved surface).
  • the horizontal axis represents distortion (unit:%) with respect to the d-line
  • the vertical axis represents image height (IMG HT, unit: mm).
  • the maximum value of the image height IMG HT corresponds to the maximum image height Y ′ on the image plane IM (half the diagonal length of the imaging surface SS of the imaging element SR).

Abstract

　撮像面が湾曲した撮像素子に像を形成する広角レンズは、全画角が１２０°以上であり、物体側から順に第１～第３レンズから成る。第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカスレンズであり、第２レンズは正パワーを有し、第３レンズは像面側に凹面を向けている。第１～第３レンズは、いずれも非球面を少なくとも１面有する。

Description

広角レンズ，撮像光学装置及びデジタル機器
　本発明は広角レンズ，撮像光学装置及びデジタル機器に関するものである。例えば、デジタルカメラの交換レンズとして使用され、撮像素子（例えば、ＣＣＤ(Charge　Coupled　Device)型イメージセンサ，ＣＭＯＳ(Complementary　Metal-Oxide　Semiconductor)型イメージセンサ等の固体撮像素子）の湾曲した撮像面（つまり受光面）上に被写体の光学像を形成する小型の広角レンズと、その広角レンズ及び撮像素子で被写体の映像を取り込んで電気的な信号として出力する撮像光学装置と、その撮像光学装置を搭載したデジタルカメラ，監視カメラ等の画像入力機能付きデジタル機器と、に関するものである。
　近年、撮像素子の高性能化・小型化に伴い、撮像光学装置を備えた携帯電話，携帯情報端末等の画像入力機能付きデジタル機器が普及しつつある。それに伴い、撮像光学装置に搭載される撮像レンズにも、更なる高性能化・小型化と共に広画角化が求められている。しかし、広い画角にわたって諸収差を除くことは容易でないため、撮像レンズの収差補正は広角になるほど困難になる。一方、さまざまな収差のなかでも像面湾曲は撮像平面と像面とのズレによって生じるため、像面に撮像面形状を合わせれば、レンズ系にかかる収差補正の負担を軽減することが可能である。この観点から、像面湾曲の低減を目的として、湾曲した撮像面を有する固体撮像素子が特許文献１，２で提案されている。
特開２００４－１０４２５９号公報 特開２００８－１５９８２３号公報
　しかし、特許文献１，２に記載の固体撮像素子を用いただけでは、広角レンズに要求される光学性能を得ることは難しく、撮像面の湾曲を有効に利用した高性能化，小型化及び広画角化を達成することは困難である。
　本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、撮像面の湾曲を有効に利用して高性能化，小型化及び広画角化を達成した広角レンズ、それを備えた撮像光学装置及びデジタル機器を提供することにある。
　上記目的を達成するために、第１の発明の広角レンズは、撮像面が湾曲した撮像素子に像を形成する広角レンズであって、全画角が１２０°以上であり、物体側から順に、物体側に凸面を向けたメニスカスレンズであって非球面を少なくとも１面有する第１レンズと、非球面を少なくとも１面有する正パワーの第２レンズと、非球面を少なくとも１面有し像面側に凹面を向けた第３レンズと、から成ることを特徴とする。
　第２の発明の広角レンズは、上記第１の発明において、以下の条件式（１）又は（２）を満足することを特徴とする。
ｆ３／ｆ＜－０．２　…（１）
ｆ３／ｆ＞１．０　…（２）
　ただし、
ｆ３：第３レンズの焦点距離、
ｆ：全レンズ系の焦点距離、
である。
　第３の発明の広角レンズは、上記第１又は第２の発明において、以下の条件式（３）又は（４）を満足することを特徴とする。
ｆ１／ｆ２３＜－１．５　…（３）
ｆ１／ｆ２３＞８．０　…（４）
　ただし、
ｆ１：第１レンズの焦点距離、
ｆ２３：第２レンズと第３レンズとの合成焦点距離、
である。
　第４の発明の広角レンズは、上記第１～第３のいずれか１つの発明において、前記第２レンズが、異なる材料を接合して成る接合レンズであることを特徴とする。
　第５の発明の広角レンズは、上記第１～第４のいずれか１つの発明において、以下の条件式（５）を満足することを特徴とする。
０．０９＜√（（ＢＦ2＋Ｙ’2）／Ｒｉ2）＜１．１　…（５）
　ただし、
ＢＦ：バックフォーカス、
Ｙ’：最大像高（光軸からの距離）、
Ｒｉ：撮像面の曲率半径、
である。
　第６の発明の広角レンズは、上記第１～第５のいずれか１つの発明において、前記第２レンズ中に絞りが位置することを特徴とする。
　第７の発明の撮像光学装置は、上記第１～第６のいずれか１つの発明に係る広角レンズと、湾曲した撮像面上に形成された光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、を備え、前記撮像素子の撮像面上に被写体の光学像が形成されるように前記広角レンズが設けられていることを特徴とする。
　第８の発明のデジタル機器は、上記第７の発明に係る撮像光学装置を備えることにより、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方の機能が付加されたことを特徴とする。
　第９の発明のデジタル機器は、上記第８の発明において、監視カメラ，デジタルカメラ又は画像入力機能付き携帯端末であることを特徴とする。
　本発明の構成を採用することにより、撮像面の湾曲を有効に利用して高性能化，小型化及び広画角化を達成した広角レンズと、それを備えた撮像光学装置を実現することができる。そして、本発明に係る撮像光学装置をデジタルカメラ，携帯電話，携帯情報端末等のデジタル機器に用いることによって、デジタル機器に対し高性能の画像入力機能をコンパクトに付加することが可能となる。
第１の実施の形態（実施例１）のレンズ構成図。 第２の実施の形態（実施例２）のレンズ構成図。 第３の実施の形態（実施例３）のレンズ構成図。 第４の実施の形態（実施例４）のレンズ構成図。 第５の実施の形態（実施例５）のレンズ構成図。 第６の実施の形態（実施例６）のレンズ構成図。 第７の実施の形態（実施例７）のレンズ構成図。 実施例１の収差図。 実施例２の収差図。 実施例３の収差図。 実施例４の収差図。 実施例５の収差図。 実施例６の収差図。 実施例７の収差図。 撮像光学装置を搭載したデジタル機器の概略構成例を示す模式図。 像高Ｙ’と像高ｙ’との関係を示す図。
　以下、本発明に係る広角レンズ，撮像光学装置，デジタル機器等を説明する。本発明に係る広角レンズは、撮像面が湾曲した撮像素子に像を形成する広角レンズであって、全画角が１２０°以上であり、物体側から順に、第１レンズ，第２レンズ及び第３レンズから成っている。第１レンズは、物体側に凸面を向けたメニスカスレンズであって、非球面を少なくとも１面有している。第２レンズは、正のパワー（パワー：焦点距離の逆数で定義される量）を有し、非球面を少なくとも１面有している。第３レンズは、非球面を少なくとも１面有し、像面側に凹面を向けた構成になっている。
　湾曲した撮像面を利用すると、平面状の撮像面を使用するよりも、広角レンズの小型化や高性能化が可能となり、特に監視カメラ用等のデジタル入力機器に適した、光学性能が良好で低コストかつコンパクトな超広角レンズを得ることができる。そして、湾曲した撮像面に適した広角レンズは、上記構成を採用することによって実現可能となる。例えば、第１レンズを物体側に凸面を向けたメニスカスレンズとすることにより、広い画角に対応することができ、更に少なくとも１面を非球面とすることにより、歪曲収差をコントロールすることができる。第２レンズの少なくとも１面を非球面とすることにより、球面収差や像面湾曲を低減することができる。
　また、第３レンズを像面側に凹面を向けた構成とすることにより、倍率色収差を低減することができ、更に少なくとも１面を非球面とすることにより、像面湾曲を低減することができる。第３レンズを像面側に凹面を向けた構成とすると、光軸を含んだ面内において光軸から遠ざける方向に光線が屈折され、光線を跳ね上げることが可能になるので、倍率色収差を小さくすることができる。従来の平面の撮像素子の場合、周辺部に近づくほど撮像素子に入射する光の入射角が大きくなってしまい、周辺が暗くなるという不具合を有する。しかし、本発明では、撮像面が凹面となっているので、撮像素子の周辺部においても入射する光の入射角はさほど大きくならず、暗くならないという長所を有する。なお、収差はレンズ系トータルでのバランスの結果であるため、収差補正と非球面形状との関係は一概に決まるものではないが、第１レンズの非球面（特に像側面）は歪曲収差や像面湾曲の補正に有効であり、第２レンズや第３レンズの非球面は球面収差や像面湾曲の補正に有効である。
　上記特徴的構成によると、撮像面の湾曲を有効に利用して高性能化，小型化及び広画角化を達成した広角レンズと、それを備えた撮像光学装置を実現することができる。そして、その撮像光学装置をデジタルカメラ，携帯電話，携帯情報端末等のデジタル機器に用いれば、デジタル機器に対し高性能の画像入力機能をコンパクトに付加することが可能となり、そのコンパクト化，低コスト化，高性能化，高機能化等に寄与することができる。こういった効果をバランス良く得るとともに、更に高い光学性能，小型化等を達成するための条件等を以下に説明する。
　以下の条件式（１）又は（２）を満足することが望ましい。
ｆ３／ｆ＜－０．２　…（１）
ｆ３／ｆ＞１．０　…（２）
　ただし、
ｆ３：第３レンズの焦点距離、
ｆ：全レンズ系の焦点距離、
である。
　条件式（１），（２）は、レンズバックと光学性能をバランスさせる上で好ましい条件範囲を規定している。条件式（１）の上限を上回ると、レンズバックが長くなってレンズ系が大型化し、更には像面湾曲が悪化する傾向になる。また、条件式（２）の下限を下回ると、レンズバックを確保することが困難になり、更には倍率色収差が悪化する傾向になる。
　以下の条件式（３）又は（４）を満足することが望ましい。
ｆ１／ｆ２３＜－１．５　…（３）
ｆ１／ｆ２３＞８．０　…（４）
　ただし、
ｆ１：第１レンズの焦点距離、
ｆ２３：第２レンズと第３レンズとの合成焦点距離、
である。
　条件式（３），（４）は、光学系のサイズと光学性能をバランスさせる上で好ましい条件範囲を規定している。条件式（３）の上限を上回ると、レンズバックが長くなってレンズ系が大型化し、更に像面湾曲は増大傾向となる。また、条件式（４）の下限を下回ると、倍率色収差の悪化や歪曲収差の増大につながる。
　以下の条件式（５）を満足することが望ましい。
０．０９＜√（（ＢＦ2＋Ｙ’2）／Ｒｉ2）＜１．１　…（５）
　ただし、
ＢＦ：バックフォーカス、
Ｙ’：最大像高（光軸からの距離）、
Ｒｉ：撮像面の曲率半径、
である。
　条件式（５）の下限を下回ると、撮像面の曲率半径が大きくなりすぎて、湾曲させるメリットが少なくなる。条件式（５）の上限を上回ると、撮像面の曲率半径がきつくなりすぎて、湾曲した撮像面に結像させることが難しくなる。具体的には、湾曲した撮像面に対して、像高が高くなるほどレンズから離れる方向に結像してしまう。
　第２レンズは、異なる材料を接合して成る接合レンズであることが望ましい。第２レンズを接合レンズにすると、色収差の低減など光学性能の更なる向上が見込める。また、絞りは第２レンズ中に位置することが望ましい。絞りを第２レンズ中に設けると、絞りの前後の面数のバランスが取れて、各収差を少ない枚数で低減させることが可能になる。
　本発明に係る広角レンズは、画像入力機能付きデジタル機器（例えば携帯端末）用の広角レンズとしての使用に適しており、これを撮像素子等と組み合わせることにより、被写体の映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する撮像光学装置を構成することができる。撮像光学装置は、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラの主たる構成要素を成す光学装置であり、例えば、物体（すなわち被写体）側から順に、物体の光学像を形成する広角レンズと、その広角レンズにより形成された光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、を備えることにより構成される。そして、撮像素子の受光面（すなわち撮像面）上に被写体の光学像が形成されるように、前述した特徴的構成を有する広角レンズが配置されることにより、小型・低コストで高い性能を有する撮像光学装置やそれを備えたデジタル機器（例えば携帯端末）を実現することができる。
　カメラの例としては、デジタルカメラ，ビデオカメラ，監視カメラ，車載カメラ，テレビ電話用カメラ，内視鏡等が挙げられ、また、パーソナルコンピュータ，デジタル機器（例えば、携帯電話，モバイルコンピュータ等の小型で携帯可能な情報機器端末），これらの周辺機器（スキャナー，プリンター等），その他のデジタル機器等に内蔵又は外付けされるカメラが挙げられる。これらの例から分かるように、撮像光学装置を用いることによりカメラを構成することができるだけでなく、各種機器に撮像光学装置を搭載することによりカメラ機能を付加することが可能である。例えば、カメラ付き携帯電話等の画像入力機能付きデジタル機器を構成することが可能である。
　図１１に、画像入力機能付きデジタル機器の一例として、デジタル機器ＤＵの概略構成例を模式的断面で示す。図１１に示すデジタル機器ＤＵに搭載されている撮像光学装置ＬＵは、物体（すなわち被写体）側から順に、物体の光学像（像面）ＩＭを形成する広角レンズＬＮ（ＡＸ：光軸）と、広角レンズＬＮにより撮像面（受光面）ＳＳ上に形成された光学像ＩＭを電気的な信号に変換する撮像素子ＳＲと、を備えている。この撮像光学装置ＬＵで画像入力機能付きデジタル機器ＤＵを構成する場合、通常そのボディ内部に撮像光学装置ＬＵを配置することになるが、カメラ機能を実現する際には必要に応じた形態を採用することが可能である。例えば、ユニット化した撮像光学装置ＬＵをデジタル機器ＤＵの本体に対して着脱自在又は回動自在に構成することが可能である。
　撮像素子ＳＲとしては、例えば複数の画素を有するＣＣＤ型イメージセンサ，ＣＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像素子が用いられる。広角レンズＬＮは、撮像素子ＳＲの光電変換部である撮像面ＳＳ上に被写体の光学像ＩＭが形成されるように設けられているので、広角レンズＬＮによって形成された光学像ＩＭは、撮像素子ＳＲによって電気的な信号に変換される。
　デジタル機器ＤＵは、撮像光学装置ＬＵの他に、信号処理部１，制御部２，メモリ３，操作部４，表示部５等を備えている。撮像素子ＳＲで生成した信号は、信号処理部１で所定のデジタル画像処理や画像圧縮処理等が必要に応じて施され、デジタル映像信号としてメモリ３（半導体メモリ，光ディスク等）に記録されたり、場合によってはケーブルを介したり赤外線信号等に変換されたりして他の機器に伝送される（例えば携帯電話の通信機能）。制御部２はマイクロコンピュータから成っており、撮影機能（静止画撮影機能，動画撮影機能等），画像再生機能等の機能の制御；フォーカシングのためのレンズ移動機構の制御等を集中的に行う。例えば、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方を行うように、制御部２により撮像光学装置ＬＵに対する制御が行われる。表示部５は液晶モニター等のディスプレイを含む部分であり、撮像素子ＳＲによって変換された画像信号あるいはメモリ３に記録されている画像情報を用いて画像表示を行う。操作部４は、操作ボタン（例えばレリーズボタン），操作ダイヤル（例えば撮影モードダイヤル）等の操作部材を含む部分であり、操作者が操作入力した情報を制御部２に伝達する。
　撮像レンズＬＮは、物体側から順に、物体側に凸面を向けたメニスカスレンズである第１レンズＬ１と、正パワーの第２レンズＬ２と、像面側に凹面を向けた第３レンズＬ３と、から成っており、第１～第３レンズＬ１～Ｌ３は各々非球面を少なくとも１面有している。そして、撮像レンズＬＮにより撮像素子ＳＲの撮像面ＳＳ上には光学像ＩＭが形成される。ここで、第１～第５の実施の形態を挙げて、広角レンズＬＮの具体的な光学構成を更に詳しく説明する。図１～図５に、広角レンズＬＮ（単焦点レンズ）の第１～第５の実施の形態を光学断面でそれぞれ示す。
　第１の実施の形態の広角レンズＬＮ（図１）は、物体側から順に、第１レンズＬ１，第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３から成っており、全てのレンズ面は非球面である。近軸の面形状で各レンズを見た場合、第１レンズＬ１は物体側に凸の負メニスカスレンズであり、第２レンズＬ２は開口絞りＳＴを内部に有する両凸の正レンズであり、第３レンズＬ３は両凹の負レンズである。
　第２の実施の形態の広角レンズＬＮ（図２）は、物体側から順に、第１レンズＬ１，第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３から成っており、全てのレンズ面は非球面である。近軸の面形状で各レンズを見た場合、第１レンズＬ１は物体側に凸の負メニスカスレンズであり、第２レンズＬ２は開口絞りＳＴを内部に有する両凸の正レンズであり、第３レンズＬ３は両凹の負レンズである。
　第３の実施の形態の広角レンズＬＮ（図３）は、物体側から順に、第１レンズＬ１，第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３から成っており、全てのレンズ面は非球面である。近軸の面形状で各レンズを見た場合、第１レンズＬ１は物体側に凸の負メニスカスレンズであり、第２レンズＬ２は開口絞りＳＴを内部に有する両凸の正レンズであり、第３レンズＬ３は像側に凹の負メニスカスレンズである。
　第４の実施の形態の広角レンズＬＮ（図４）は、物体側から順に、第１レンズＬ１，第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３から成っており、全てのレンズ面は非球面である。近軸の面形状で各レンズを見た場合、第１レンズＬ１は物体側に凸の負メニスカスレンズであり、第２レンズＬ２は開口絞りＳＴを内部に有する両凸の正レンズであり、第３レンズＬ３は物体側に凸の正メニスカスレンズである。
　第５の実施の形態の広角レンズＬＮ（図５）は、物体側から順に、第１レンズＬ１，第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３から成っており、全てのレンズ面は非球面である。近軸の面形状で各レンズを見た場合、第１レンズＬ１は物体側に凸の正メニスカスレンズであり、第２レンズＬ２は開口絞りＳＴを接合面に有する像側に凸の正メニスカスレンズであり、第３レンズＬ３は両凹の負レンズである。
　第６の実施の形態の広角レンズＬＮ（図６）は、物体側から順に、第１レンズＬ１，第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３から成っており、全てのレンズ面は非球面である。近軸の面形状で各レンズを見た場合、第１レンズＬ１は物体側に凸の正メニスカスレンズであり、第２レンズＬ２は開口絞りＳＴを接合面に有する像側に両凸の正レンズであり、第３レンズＬ３は物体側に凸の負メニスカスレンズである。
　第７の実施の形態の広角レンズＬＮ（図７）は、物体側から順に、第１レンズＬ１，第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３から成っており、全てのレンズ面は非球面である。近軸の面形状で各レンズを見た場合、第１レンズＬ１は物体側に凸の正メニスカスレンズであり、第２レンズＬ２は開口絞りＳＴを接合面に有する像側に両凸の正レンズであり、第３レンズＬ３は物体側に凸の負メニスカスレンズである。
　以下、本発明を実施した広角レンズの構成等を、実施例のコンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１～７（ＥＸ１～７）は、前述した第１～第７の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第１～第７の実施の形態を表す光学構成図（図１～図７）は、対応する実施例１～７のレンズ構成をそれぞれ示している。
　各実施例のコンストラクションデータでは、面データとして、左側の欄から順に、面番号ｉ，曲率半径ｒ（ｍｍ），軸上での面間隔ｄ（ｍｍ），ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に関する屈折率ｎｄ，ｄ線に関するアッベ数ｖｄを示す。面番号ｉに（ＡＳＰ）が付された面は非球面であり、その面形状は面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた以下の式（ＡＳ）で定義される。非球面データとして、非球面係数等を示す。なお、各実施例の非球面データにおいて表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ－ｎ＝×１０-nである。
ｚ＝（ｃ・ｈ2）／［１＋√｛１－（１＋Ｋ）・ｃ2・ｈ2｝］＋Σ（Ａｊ・ｈj）　…（ＡＳ）
　ただし、
ｈ：ｚ軸（光軸ＡＸ）に対して垂直な方向の高さ（ｈ2＝ｘ2＋ｙ2）、
ｚ：高さｈの位置での光軸ＡＸ方向のサグ量（面頂点基準）、
ｃ：面頂点での曲率（曲率半径ｒの逆数）、
Ｋ：円錐定数、
Ａｊ：ｊ次の非球面係数、
である。
　各種データとして、全系の焦点距離（ｆ，ｍｍ），Ｆナンバー（Ｆｎｏ．），半画角（ω，°），最大像高（Ｙ’，ｍｍ），撮像面ＳＳのＲに沿った像高（ｙ’，ｍｍ；図１２参照。），レンズ全長（ＴＬ，ｍｍ），バックフォーカス（ＢＦ，ｍｍ）を示し、単レンズデータとして、第１レンズＬ１，第２レンズＬ２，第３レンズＬ３の各焦点距離ｆ１，ｆ２，ｆ３を示す。また、表１に各実施例の条件式対応値を示す。なお、バックフォーカスは、レンズ最終面から近軸像面までの距離（近軸）を空気換算長により表記しており、レンズ全長は、レンズ最前面からレンズ最終面までの距離（近軸）にバックフォーカスを加えたものである。
　図８～図１４は、実施例１～７（ＥＸ１～７）の無限遠物体距離時（物体距離：∞）の収差図である。図８～図１４のそれぞれにおいて、（Ａ）は球面収差図、（Ｂ）は非点収差図、（Ｃ）は歪曲収差図である。球面収差図は、実線で示すｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対する球面収差量、一点鎖線で示すＣ線（波長６５６．２７ｎｍ）に対する球面収差量、破線で示すｇ線（波長４３５．８３ｎｍ）に対する球面収差量を、それぞれ近軸像面からの光軸ＡＸ方向のズレ量（単位：ｍｍ）で表しており、縦軸は瞳への入射高さをその最大高さで規格化した値（すなわち相対瞳高さ）を表している。
　非点収差図において、破線Ｔはｄ線に対するタンジェンシャル像面、実線Ｓはｄ線に対するサジタル像面を、近軸像面からの光軸ＡＸ方向のズレ量（単位：ｍｍ）で表しており、縦軸は像高（ＩＭＧ　ＨＴ，単位：ｍｍ）を表している。図１～図７中の最終Ｒ面は撮像面ＳＳ（結像位置ＩＭ）が曲がっていることを表しており、像面湾曲を示す収差図（Ｂ）はこの曲線に対して描かれている。つまり、収差図（Ｂ）の縦軸のラインが撮像面ＳＳ（曲面）を表していることになる。歪曲収差図において、横軸はｄ線に対する歪曲（単位：％）を表しており、縦軸は像高（ＩＭＧ　ＨＴ，単位：ｍｍ）を表している。なお、像高ＩＭＧ　ＨＴの最大値は、像面ＩＭにおける最大像高Ｙ’（撮像素子ＳＲの撮像面ＳＳの対角長の半分）に相当する。
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　ＤＵ　　デジタル機器
　ＬＵ　　撮像光学装置
　ＬＮ　　広角レンズ
　Ｌ１～Ｌ３　　第１～第３レンズ
　ＳＴ　　絞り（開口絞り）
　ＳＲ　　撮像素子
　ＳＳ　　撮像面（受光面）
　ＩＭ　　像面（光学像）
　ＡＸ　　光軸
　１　　信号処理部
　２　　制御部
　３　　メモリ
　４　　操作部
　５　　表示部

Claims (9)

  1. 　撮像面が湾曲した撮像素子に像を形成する広角レンズであって、全画角が１２０°以上であり、物体側から順に、物体側に凸面を向けたメニスカスレンズであって非球面を少なくとも１面有する第１レンズと、非球面を少なくとも１面有する正パワーの第２レンズと、非球面を少なくとも１面有し像面側に凹面を向けた第３レンズと、から成ることを特徴とする広角レンズ。
  2. 　以下の条件式（１）又は（２）を満足することを特徴とする請求項１記載の広角レンズ；
    ｆ３／ｆ＜－０．２　…（１）
    ｆ３／ｆ＞１．０　…（２）
    　ただし、
    ｆ３：第３レンズの焦点距離、
    ｆ：全レンズ系の焦点距離、
    である。
  3. 　以下の条件式（３）又は（４）を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の広角レンズ；
    ｆ１／ｆ２３＜－１．５　…（３）
    ｆ１／ｆ２３＞８．０　…（４）
    　ただし、
    ｆ１：第１レンズの焦点距離、
    ｆ２３：第２レンズと第３レンズとの合成焦点距離、
    である。
  4. 　前記第２レンズが、異なる材料を接合して成る接合レンズであることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の広角レンズ。
  5. 　以下の条件式（５）を満足することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の広角レンズ；
    ０．０９＜√（（ＢＦ2＋Ｙ’2）／Ｒｉ2）＜１．１　…（５）
    　ただし、
    ＢＦ：バックフォーカス、
    Ｙ’：最大像高（光軸からの距離）、
    Ｒｉ：撮像面の曲率半径、
    である。
  6. 　前記第２レンズ中に絞りが位置することを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の広角レンズ。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の広角レンズと、湾曲した撮像面上に形成された光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、を備え、前記撮像素子の撮像面上に被写体の光学像が形成されるように前記広角レンズが設けられていることを特徴とする撮像光学装置。
  8. 　請求項７記載の撮像光学装置を備えることにより、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方の機能が付加されたことを特徴とするデジタル機器。
  9. 　監視カメラ，デジタルカメラ又は画像入力機能付き携帯端末であることを特徴とする請求項８記載のデジタル機器。
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