JP2004184987A - 撮像レンズ - Google Patents

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佑介 林
Katsunori Ebara
克典 江原
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Abstract

【課題】本発明は、CCDやCMOS等の撮像素子を用いた携帯電話搭載カメラ、PCカメラ、監視カメラ、デジタルスチルカメラ等に用いられるコンパクトで、かつ高解像な撮像レンズに利用できる撮像レンズを提供する。
【解決手段】物体側から像面側へと順に開口絞りSと、負の屈折力を有する第1レンズL1及び前記第1レンズL1と接合あるいは分離して配される正の屈折力を有する第2レンズL2から構成されるレンズ群LGと、物体側に凹面を向けたメニスカス状の正の屈折力を有する第3レンズL3と、少なくとも1つの屈折面を非球面形状とした弱い負の屈折力を有する第4レンズL4とを少なくとも有することを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、CCDやCMOS等の撮像素子を用いた携帯電話搭載カメラ、PCカメラ、監視カメラ、デジタルスチルカメラ等に用いられる撮像レンズに関する。
近年、携帯電話やデジタルカメラ等の小型化及び軽量化が強く要望されている。
この要望に答えるべく、携帯電話やデジタルスチルカメラ等に用いられる撮像レンズのレンズ枚数を少なくし、小型化を図った撮像レンズが提案されている(特許文献1、特許文献2参照)。
ここで、撮像素子を用いた小型カメラモジュールを構成するにあたり撮像レンズに適する条件について説明する。
条件1として、薄型の機器、例えば携帯電話や電子手帳等の携帯ツールにも搭載できるように全長の短い薄型のものであること。
条件2は、光学的ローパスフィルタや赤外吸収フィルタ、保護用のカバーガラス等を撮像レンズと撮像素子の間に挿入するために十分なバックフォーカスが確保されていること。
条件3は、適度なテレセントリック性を維持することである。なぜなら光線が撮像素子に対して斜めに入射した場合、シェーディングと呼ばれる開口効率の減少が起こるためである。
この条件を満足する撮像レンズを構成するとともに、小型カメラモジュールに実装することで、要望されている小型化及び軽量化されたデジタルスチルカメラ等を提供することができる。

特開平10−90597号公報 特願2002−215745号公報
しかしながら、上述の各公報記載の撮像レンズにおいては、上記した条件を満足するものの、十分満足するには至っていない。
すなわち、小型化という要求に対しては十分に応えられるものの、近年の撮像素子の画素の微細化に対しては、色収差を含む各収差の補正が満足するものでなく、解像力の面でさらなる向上が求められる。
また、近年において小型化及び高い光学性能を求められると同時に低コスト化の要求もさらに強くなっており、レンズ枚数及びガラス枚数を少なくし、低コストであるプラスチック材をできるだけ多く用いる必要がある。しかも、プラスチック材を用いた場合でも温度、湿度等の環境変化に強い仕様のレンズが求められる。
さらに、小型カメラモジュールは撮像素子を使用しており、銀塩フィルムを用いた従来のコンパクトカメラと比べ、適度なテレセントリック性を維持させる必要があり、高い開口効率や長いバックフォーカスが要求され、設計思想は基本的に大きく相違する。
本発明は上記叙情を鑑みてなされたものであり、モジュール全体を小さくかつ短く、低コストで環境変化に強い、撮像レンズを提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するために本発明の撮像レンズは、物体側から像面側へと順に開口絞りと、負の屈折力を有する第1レンズと、該第1レンズと接合あるいは分離して配される正の屈折力を有する第2レンズと、物体側に凹面を向けたメニスカス状の正の屈折力を有する第3レンズと、少なくとも1つの屈折面を非球面形状とした弱い負の屈折力を有する第4レンズとを少なくとも有することを特徴とする。
上記撮像レンズの構成としたことにより、光軸方向の寸法を短くすることができるとともに、前記第4レンズを弱い負の屈折力として十分なバックフォーカスを確保できる構成としている。
また、適度なテレセントリック性を確保するために、最も物体側に開口絞りを配置している。この配置によって射出瞳位置を長くすることでテレセントリック性を確保しやすくし、前記第1レンズを負メニスカスレンズにすることで、その負の屈折力によってテレセントリック性をさらに確保しやすくしている。
さらに、前記第4レンズに非球面形を用いることによっても、テレセントリック性を確保しやすくしている。
本発明の他の撮像レンズは、撮像レンズの光軸方向の寸法に関して下記条件式(1)を満足していることを特徴とする。
(1)TL / Y < 3.3
但し、TL:最も物体側の面から像面までの光軸に沿った距離
Y:最大像高
上記条件式(1)は、最も物体側の面から像面までの光軸に沿った距離と最大像高の比で規定した撮像レンズの光軸方向の寸法に関する条件式であり、上限を超えると撮像レンズの光軸方向の寸法が長くなりすぎて、小型化という本発明の目的に反する。
また、本発明の他の撮像レンズは、前記第1レンズ及び前記第2レンズのd線に対するアッベ数に関して下記条件式(2)を満足していることを特徴とする撮像レンズ。
(2)10 < νL2 - νL1
但し、νL1:第1レンズのd線に対するアッベ数
νL2:第2レンズのd線に対するアッベ数
上記条件式(2)はそれぞれ第1レンズと第2レンズのd線に対するアッベ数の差で規定したレンズ群の色消しに関する条件式であり、下限を超えると軸上及び倍率の色収差が大きくなり、色収差の補正が困難になる。
また、本発明の他の撮像レンズは、少なくとも前記第1レンズ及び前記第2レンズとから構成されるレンズ群であって、
前記レンズ群と前記第3レンズの焦点距離に関して下記条件(3)を満足していることを特徴とする撮像レンズ。
(3)0.4 < fL3 / fLG < 6.0
但し、fLG:レンズ群の焦点距離
fL3:第3レンズの焦点距離
上記条件式(3)は前記第3レンズと前記レンズ群の焦点距離の比で規定した前記第3レンズと前記レンズ群の屈折力の配分に関する条件式であり、上限を超えると前記レンズ群の屈折力負担が過大となり、球面収差、コマ収差が大きくなる。また、前記レンズ群を構成しているレンズの球面の曲率半径が小さくなり、加工が困難となる。一方、下限を超えると前記第3レンズの屈折力が強くなりすぎて、全体の収差のバランスを失いやすくなり、特に軸外収差の補正が困難になる。
また、本発明の他の撮像レンズは、第4レンズの焦点距離及び像側の面形状に関して下記条件(4)、(5)を満足していることを特徴とする。
(4)-75 < fL4 / f < -1.0
(5)0.2 < rL4-2 / f < 1.0
但し、f:撮像レンズ全系の焦点距離
fL4:第4レンズの焦点距離
rL4-2:第4レンズの像側の曲率半径
上記条件式(4)は前記第4レンズの焦点距離を撮像レンズ全系の焦点距離の比で規定した前記第4レンズの屈折力に関する条件式であり、上限を超えて前記第4レンズの屈折力が大きくなると、小型化には有利であるが、周辺部のテレセントリック性、歪曲収差を補正することが困難となる。一方、下限を超えて前記第4レンズの屈折力が小さくなると、レンズ全系のバックフォーカスが長くなってしまいコンパクト性を維持することができなくなる。
上記条件式(5)は前記第4レンズの像側の曲率半径を撮像レンズ全系の焦点距離の比で規定した前記第4レンズの像側の面形状に関する条件式であり、上限を超えても下限を超えてもテレセントリック性及び歪曲収差が劣化してしまう。
また、本発明の他の撮像レンズは、前記第3レンズ及び前記第4レンズをプラスチック材で形成することを特徴とし、低コスト化、軽量化を図ることができるとともに、レンズ面の非球面化が容易となり、諸収差が良好な撮像レンズを得ることが可能となる。
ここで上記条件式(1)〜(4)において、さらに好ましい条件式を下記に示す。
(1a)2.0 < TL / Y < 2.8
(2a)20.0 <νL2 - νL1< 40.0
(3a)0.85 < fL3 / fLG < 2.1
(4a)-11.0 < fL4 / f < -1.4
(5a)0.25 < rL4-2 / f < 0.5

上記条件式(1a)は、撮像レンズの光軸方向の寸法に関する条件式である。
一般に、高解像を目的とした光学系では全長が長くなる傾向があるが、実用的な全長と良好な結像性能とをバランスさせることはレンズの構成上極めて重要である。
すなわち、Fナンバー、バックフォーカス、軸外収差の発生量、瞳位置等が、全長に大きく依存することによるためである。
したがって、条件式(1a)の上限を超えると全長が大きくなりすぎて本発明の目的である小型化に反する。
また、高次の像面湾曲、非点コマ収差が発生しやすくなり、周辺部の解像の低下を招きやすくなるので好ましくない。
一方、条件式(1a)の下限を超えると各々のレンズの肉厚を十分に確保することができず、製造が困難になる。
また、前記第1レンズの屈折力を強くしなければならないので、球面収差がアンダーになり、補正が困難になる。
上記条件式(2a)は、前記第1レンズ及び前記第2レンズのd線に対するアッベ数に関する条件式であり、特に倍率の色収差の補正に関与している。
条件式(2a)の上限を超えると倍率の色収差が過剰に補正されてしまい、他の収差とのバランスをとることが困難になり、下限を超えると倍率の色収差の補正ができない。
上記条件式(3a)は、前記第3レンズと前記レンズ群の屈折力の配分に関する条件式であり、条件式(3a)の上限を超えて前記第1レンズの屈折力が強くなると、球面収差、コマ収差の補正が困難となるとともに十分なバックフォーカスを確保しにくくなるので好ましくなく、下限を超えて前記第3レンズの屈折力が強くなると温度変化の影響が大きくなり好ましくない。
また、前記第3レンズによる色収差の発生が大きくなり、特に軸外の性能が劣化してしまう。
上記条件式(4a)は、前記第4レンズの屈折力に関する条件式であり、条件式(4a)の上限を超えて前記第4レンズの屈折力が強くなると、テレセントリック性が劣化してしまうとともに、温度変化の影響が大きくなり好ましくなく、下限を超えるとより小型化を図るためには不利である。
上記条件式(5a)は、前記第4レンズの像側の面形状に関する条件式であり、条件式(5a)の上限を超えると像側の面の屈折力が小さくなり、小型化に不利となり、下限を超えるとテレセントリック性を補正するためにレンズ周辺部が極端な非球面形状となり望ましくない。
また、実際に光学系を構成する際は、以上の諸条件に加えて、以下の条件を満たすことがさらに望ましい。
(6)0.3 < dL1〜2 / f < 0.6
但し、dL1〜2:第1レンズの物体側の面から第2レンズの像側の面までの
光軸に沿った距離
(7−1)前記レンズ群が接合された前記第1レンズと前記第2レンズで構成された場合において、下記条件式を満たすことが望ましい。
-15.0 < rL1-2 / { f (nL2 - nL1 ) } < -1.0
但し、rL1-2:第1レンズの像面側の曲率半径
nL1:第1レンズの屈折率
nL2:第2レンズの屈折率
(7‐2)前記レンズ群が分離された前記第1レンズと前記第2レンズで構成された場合において、下記条件式を満たすことが望ましい。
-10.0 < rL1-2 / { f (1 - nL1 ) } < -0.3
(8)-6.0 < (r L1-2 + r L1-1) / (r L1-2 - r L1-1 ) < -1.5
但し、r L1-1:第1レンズの物体側の曲率半径
r L1-2:第1レンズの像側の曲率半径
(9)0.5 <rL3-2 /rL3-1 < 1.0
但し、rL3-1:第3レンズの物体側の曲率半径
L3-2:第3レンズの像側の曲率半径
上記条件式の説明をすると、条件式(6)は、前記第1レンズの物体側の面から前記第2レンズの像側の面までの光軸に沿った距離を撮像レンズ全系の焦点距離の比で規定したレンズ群の光軸に沿った距離に関する条件式であり、条件式(6)の上限を超えると、レンズ群を構成する第1レンズ及び第2レンズの中心厚が大きくなりすぎて、小型化及び軽量化に不利になるので好ましくない。
また、ペッツバール和が負側に補正され、その結果、像面湾曲が正側に大きく傾くので好ましくない。
一方、条件式(6)の下限を超えるとコマ収差の補正が困難になる。また、ペッツバール和が正側に補正され、その結果、像面湾曲が負側に大きく傾くので好ましくない。尚、本発明の効果をさらに十分に発揮するには、条件式(6)の上限値を0.5とし、下限値を0.4とすることが好ましい。
次に条件式(7−1)は、レンズ群が接合された第1レンズと第2レンズで構成された場合において、レンズ群内の接合面の屈折力に関する条件式であり、条件式(7−1)の上限を超えるとテレセントリック性を確保するのには有利だが、接合面の屈折力が強くなるため、軸外の収差補正が困難になる。
一方、条件式(7−1)の下限を超えると接合面の発散性が弱まり、テレセントリック性が劣化してしまう。
尚、本発明の効果をさらに十分に発揮するには、条件式(7−1)の上限値を-2.0とし、下限値を-10.0とすることが好ましい。
次に上記条件式(7−2)は、レンズ群を分離された前記第1レンズと前記第2レンズで構成された場合において、前記第1レンズの像側の面の屈折力に関する条件式であり、上限を超えるとテレセントリック性を確保するのには有利だが、前記第1レンズの像側の面の屈折力が強くなるため、軸外の収差補正が困難になる。一方、下限を超えると第1レンズの像側の面の発散性が弱まり、テレセントリック性が劣化してしまう。
尚、本発明の効果をさらに十分に発揮するには、条件式(7−2)の上限値を-0.5とし、下限値を-5.0とすることが好ましい。
次に上記条件式(8)は、前記第1レンズL1の形状因子に関する条件式であり、負メニスカスレンズについて、良好な結像性能を達成することを可能とし、且つ生産技術上、良好な形状を規定するものである。条件式(8)の上限を超えると球面収差の発生が大きくなり補正が困難になる。また、加工しにくい形状となり、生産技術上困難な形状となるため好ましくない。一方、条件式(8)の下限を超えると球面収差が補正不足となってしまう。
尚、本発明の効果をさらに十分に発揮するには、条件式(8)の上限値を-2.5とし、下限値を-5.0とすることが好ましい。
条件式(9)は、前記第3レンズの物体側と像側の面形状に関する条件式であり、上下限を超えるといずれもコンセントリック形状、効果が崩れ、特に非点収差、歪曲収差及びテレセントリック性が急速に劣化してしまう。
尚、本発明の効果をさらに十分に発揮するには、条件式(9)の上限値0.98をとし、下限値0.70とすることが好ましい。
かくして、本発明の撮像レンズによれば、モジュール全体を小さくかつ短くすることができ、低コストで環境変化に強い、撮像レンズを提供することがきた。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
(図1)及び(図2)は、本発明による撮像レンズの構成図である。(表1)から(表12)に本発明の第1〜第12の実施例の構成データを示す。
以下の実施例では、何れも図1及び図2に示す如く、最も物体側に、開口絞りSを配置し、以降物体側より順に、第1レンズL1、第2レンズL2、第3レンズL3、第4レンズL4、カバーガラスCGを配置して構成し、LGは第1レンズL1と第2レンズL2を有するレンズ群である。
Figure 2004184987
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Figure 2004184987
Figure 2004184987
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Figure 2004184987
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Figure 2004184987
各実施例とも、第1レンズL1の物体側の直前に開口絞りSが配備されている。各実施例において、物体側から数えて第i番目の面(開口絞り面を含む)の曲率半径をri、 第i番目と第i+1番目の面の光軸上の面間隔をdi、物体側から数えて第i番目の面のレンズの屈折率及びアッベ数をそれぞれni、νiで表す。屈折率及びアッベ数はd線(587.56nm)における値を示す。*の面は非球面を表し、それら各非球面は下記(数1)に示す非球面式により表される。またfは撮像レンズ全系の焦点距離、F/NOは明るさ、ωは画角を表す。
なお、本実施の形態例においては、明るさをF値2.8程度の明るさを持ちながら、4枚構成と少ないレンズ枚数で構成し、高性能なCCD又はCMOS用のカメラ、モニター、TV等に利用できるように構成している。
第1乃至7及び第9乃至12の実施例は、レンズ群LGが接合された第1レンズL1と第2レンズL2で構成された場合であり、第8の実施例はレンズ群LGが分離された第1レンズL1と第2レンズL2で構成された場合である。
第1乃至3及び第8乃至12の実施例では、上記条件式(1)〜(8)を満足することにより、諸収差が図3乃至図5及び図10乃至図14に示すデータのようになっており、球面収差、非点収差、歪曲収差のいずれもほぼ満足できる値となり、小型化を達成し、且つ、他の光学特性も良好な撮像レンズを得ることができることが分かる。
第4乃至7の実施例では、上記条件式(1)〜(8)を満足し、且つ、上記条件式(1a)〜(5a)及び上記条件式(6)〜(9)のうちの好ましい範囲を満たすことにより、諸収差が図6乃至図9に示すデータのようになっており、球面収差、非点収差、歪曲収差のいずれもほぼ満足できる値となり、小型化を達成し、さらにバックフォーカスを十分に確保することができ、且つ、他の光学特性も良好な撮像レンズを得ることができることが分かる。
また、全ての実施例において、第3レンズL3及び第4レンズL4に耐熱樹脂であるゼオネックス(商品名)を用いている。プラスチック材料を用いることにより低コスト化、軽量化を図ることが可能である。
尚、本発明は前記実施例形態のものに限定されるものではなく、必要に応じて種々変更することが可能である。
Figure 2004184987
以上説明したように本実施の形態のうち請求項1に係る発明は、物体側より正の屈折力を持つレンズ群LGと、正の屈折力を持つ第3レンズL3と、負の屈折力を持つ第4レンズL4が配置されたテレフォトタイプの構成を採用することにより、小型化が可能となる。ただし、バックフォーカスが短くなってしまうため、第4レンズL4を弱い負の屈折力として十分なバックフォーカスを確保している。また、適度なテレセントリック性を確保するために、最も物体側に開口絞りSを配置している。この配置によって射出瞳位置を長くすることができる。また、第1レンズL1を負メニスカスレンズにすることにより、その負の屈折力によってテレセントリック性を確保しやすくしている。さらに第4レンズ
L4に非球面形を用いることによって、さらにテレセントリック性を確保しやすくしている。
また、本実施の形態のうち請求項3に係る発明は、条件式(2)を満足するように構成したことにより、本発明の目的である小型化を達成することが可能となる。
また、本実施の形態のうち請求項2に係る発明は、前記第1レンズL1と前記第2レンズL2のアッベ数に関する所定の条件式(2)を満足するように構成したことにより、色収差を適正に補正することが可能となり、より光学特性の良好な撮像レンズを得ることが可能となる。
また、本実施の形態のうち請求項4に係る発明は、前記レンズ群LGと前記第3レンズL3の屈折力に関する所定の条件式(3)を満足するように構成したことにより主に球面収差、コマ収差を補正することが可能となり、より光学特性の良好な撮像レンズを得ることが可能となる。
また、本実施の形態のうち請求項5に係る発明は、前記第4レンズL4の屈折力及び像側の曲率に関する所定の条件式(4)、(5)を満足するように構成したことによりバックフォーカスを十分に確保することが可能となり、また適度なテレセントリック性を維持することが可能となり、より光学特性の良好な撮像レンズを得ることが可能となる。
また、請求項6記載の発明は、前記第3レンズL3と前記第4レンズL4にプラスチック材を用いることによって低コスト化、軽量化を図ることができる。また、レンズ面の非球面化が容易となり、諸収差が良好な撮像レンズを得ることが可能となる。
本発明の撮像レンズにおいて、レンズ群LGが接合された第1レンズL1と第2レンズL2で構成された場合の実施例の構成を示す外観図である。 本発明の撮像レンズにおいて、レンズ群LGが分離された第1レンズL1と第2レンズL2で構成された場合の実施例の構成を示す外観図である。 第1の実施例のd線(587.56nm)における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。 第2の実施例のd線(587.56nm)における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。 第3の実施例のd線(587.56nm)における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。 第4の実施例のd線(587.56nm)における 球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。 第5の実施例のd線(587.56nm)における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。 第6の実施例のd線(587.56nm)における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。 第7の実施例のd線(587.56nm)における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。 第8の実施例のd線(587.56nm)における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。 第9の実施例のd線(587.56nm)における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。 第10の実施例のd線(587.56nm)における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。 第11の実施例のd線(587.56nm)における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。 第12の実施例のd線(587.56nm)における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
符号の説明
S 開口絞り
L1 第1レンズ
L2 第2レンズ
L3 第3レンズ
L4 第4レンズ
CG カバーガラス

Claims (6)

  1. 物体側から像面側へと順に開口絞りと、負の屈折力を有する第1レンズと、該第1レンズと接合あるいは分離して配される正の屈折力を有する第2レンズと、物体側に凹面を向けたメニスカス状の正の屈折力を有する第3レンズと、少なくとも1つの屈折面を非球面形状とした弱い負の屈折力を有する第4レンズとを少なくとも有することを特徴とする撮像レンズ。
  2. 請求項1記載の撮像レンズにおいて、
    撮像レンズの光軸方向の寸法に関して下記条件式(1)を満足していることを特徴とする撮像レンズ。
    (1)TL / Y < 3.3
    但し、TL:最も物体側の面から像面までの光軸に沿った距離
    Y:最大像高
  3. 請求項1又は請求項2記載の撮像レンズにおいて、
    前記第1レンズ及び前記第2レンズのd線に対するアッベ数に関して下記条件式(2)を満足していることを特徴とする撮像レンズ。
    (2)10 < νL2 - νL1
    但し、νL1:第1レンズのd線に対するアッベ数
    νL2:第2レンズのd線に対するアッベ数
  4. 請求項1乃至3の何れかに記載の撮像レンズにおいて、
    少なくとも前記第1レンズ及び前記第2レンズとから構成されるレンズ群であって、
    前記レンズ群と前記第3レンズの焦点距離に関して下記条件(3)を満足していることを特徴とする撮像レンズ。
    (3)0.4 < fL3 / fLG < 6.0
    但し、fLG:レンズ群の焦点距離
    fL3:第3レンズの焦点距離
  5. 請求項1乃至4の何れかに記載の撮像レンズおいて、
    第4レンズの焦点距離及び像側の面形状に関して下記条件(4)、(5)を満足していることを特徴とする撮像レンズ。
    (4)-75 < fL4 / f < -1.0
    (5)0.2 < rL4-2 / f < 1.0
    但し、f:撮像レンズ全系の焦点距離
    fL4:第4レンズの焦点距離
    rL4-2:第4レンズの像側の曲率半径
  6. 請求項1乃至5の何れかに記載の撮像レンズおいて、
    前記第3レンズ及び前記第4レンズをプラスチック材で形成することを特徴とする撮像レンズ。
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