JP2005107370A - 結合光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 少ないレンズ枚数であっても、実使用上、ディストーションの目立ちにくい光学系を実現する。
【解決手段】 中間画角よりも大きい画角における光学ディストーションに関し、以下の条件式（１）〜（３）を満足する。
２．０％＜│ＤＩＳＴ６│＜５．０％ ……（１）
│ＤＩＳＴ８−ＤＩＳＴ６│＜０．５％ ……（２）
│ＤＩＳＴ１０−ＤＩＳＴ８│＜１．８％ ……（３）
ただし、ＤＩＳＴ６は６割の像高における光学ディストーション、ＤＩＳＴ８は８割の像高における光学ディストーション、ＤＩＳＴ１０は１０割の像高における光学ディストーションを示す。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えばカメラ付き携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）等の小型の情報端末機器に搭載される単焦点レンズとして用いるのに適した結合光学系に関する。

近年、パーソナルコンピュータの一般家庭等への普及に伴い、撮影した風景や人物像等の画像情報をパーソナルコンピュータに入力することができるデジタルスチルカメラ（以下、単にデジタルカメラという。）が急速に普及しつつある。また携帯電話の高機能化に伴い、小型の撮像モジュールを搭載したカメラ付き携帯電話も急速に普及してきている。その他、ＰＤＡ等の小型の情報端末機器においても撮像モジュールを搭載したものが普及してきている。

これらの撮像機能を備えた機器では、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子が用いられている。これらの撮像素子は近年、非常に小型化が進んでいる。そのため、ＣＣＤなどの撮像素子を用いた撮像機器において、機器本体、ならびにそれに搭載されるレンズにも、小型軽量化が求められている。また近年では、高画質を達成するために、画素数の多い撮像素子が開発されており、それに伴いレンズ系にも、より高解像で高コントラストな性能が要求されてきている。

このような撮像機器に用いられる撮像レンズとしては、例えば以下の特許文献１に記載のものがある。この特許文献１には、２枚構成の撮像レンズが記載されている。
特開２０００−２５８６８４号公報

上述したように近年の撮像素子は、小型化および高画素化が進んでおり、それに伴って、特にデジタルカメラ用の撮像レンズには、高い解像性能と構成のコンパクト化が求められている。一方、カメラ付き携帯電話等の小型の情報端末機器用の撮像レンズには従来、コスト面とコンパクト性が主に要求されていたが、最近ではカメラ付き携帯電話等においても撮像素子の高画素化が進む傾向にあり、例えば１００万画素以上のメガピクセル対応のものが実用化され、性能面に対する要求も高くなってきている。このため、コスト面、性能面、およびコンパクト性を総合的に考慮した多種多様なレンズの開発が望まれている。

高画素に対応した小型の情報端末機器用の撮像レンズとしては従来、例えばガラスレンズ１枚とプラスチックレンズ２枚とからなる３枚構成のレンズ系や、プラスチックレンズを３枚以上用いたレンズ系などが開発されている。しかしながら、近年の小型化の要求に応えるためには３枚よりも少ないレンズ枚数で、かつ性能面でも従来と同等のものが望まれている。上記特許文献記載のレンズは、２枚構成で非球面を用いたレンズ構成となっているが、これよりもさらにコンパクトで高性能なレンズ系の開発が望まれる。

ところで、一般に撮像レンズの高性能化を図るためには、すべての種類の収差が全画角域で良好に補正されていることが理想的である。一般にレンズ枚数の多い光学系では、そのような理想的な性能を出しやすいが、レンズ枚数が少なくなるほど、理想的な性能を出しにくくなる。その一方で、上記したように近年では撮像レンズとして、少ないレンズ枚数でありながらも高性能化への要求がある。

そのため、従来では、少ないレンズ枚数であっても、できるだけ全画角域において諸収差が良好に補正されることを目標として光学設計が行われている。しかしながら、２枚や３枚の非常に少ないレンズ枚数では、全収差、全画角域での収差補正を行うことは難しいため、一部の収差については残存してしまうことがある。この場合、たとえ一部の収差が残存していたとしても、実際の撮影画像を人間が視認したときにおいて、その視認状態への悪影響が少なければ、実使用上の問題は少ないと考えられる。

例えば、通常の撮像レンズは、ディストーションとして光学ディストーションを考慮して設計されることが多く、その補正は全画角域でなるべく光学ディストーションが少なくなるように設計するのが一般的である。しかしながら、さらにテレビディストーションをも考慮した設計とすることで、実際に撮影画像をモニタ画面などに表示した場合における画像の視認状態の改善を図ることができると考えられる。例えば光学ディストーションの収差量が多少あったとしても、テレビディストーションとのバランスによっては画像全体の歪曲を目立たなくすることができると考えられる。

ここで、図８を参照して光学ディストーションとテレビディストーションとの概念について説明する。図８は、矩形状の物体を光学系を介して結像させた状態もしくはテレビ画面などに表示させた状態を模式的に示している。図８において、符号１０で示した破線は理想的な像の形状を示し、符号１１で示した実線は実際の像の形状を示す。

図８に示したように、理想像高をｙ０、実際の像高をｙとすると、光学ディストーションの収差量Ｄは、一般に以下の式で表される。すなわち、実際の像高ｙと理想像高ｙ０との差を理想像高ｙ０で割って１００分率で表したものである。
Ｄ＝｛（ｙ−ｙ０）／ｙ０｝×１００（％）

一方、テレビディストーションＤｔは、通常テレビに関連した光学系などにおいて用いられるもので、図８に示したように、実際の像の形状１１における長辺の曲がり量を歪曲の対象と考え、一般に以下の式で表される。Δｈは曲がりの深さ、ｈは垂直画面長を表す。
Ｄｔ＝（Δｈ／２ｈ）×１００（％）

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、少ないレンズ枚数であっても、実使用上、ディストーションの目立ちにくい光学系を実現できる結合光学系を提供することにある。

本発明による結合光学系は、光学ディストーションに関し、以下の条件式（１）〜（３）を満足するように構成されているものである。

２．０％＜│ＤＩＳＴ６│＜５．０％ ……（１）
│ＤＩＳＴ８−ＤＩＳＴ６│＜０．５％ ……（２）
│ＤＩＳＴ１０−ＤＩＳＴ８│＜１．８％ ……（３）
ただし、ＤＩＳＴ６は６割の像高における光学ディストーション、ＤＩＳＴ８は８割の像高における光学ディストーション、ＤＩＳＴ１０は１０割の像高における光学ディストーションを示している。

本発明による結合光学系では、式（１）を満足することで像高６割までは比較的大きい値の光学ディストーションが許容される。その一方で、式（２），（３）を満足することで６割を超える像高での光学ディストーションの変化が小さく抑えられる。このような条件を満足することで、少ないレンズ枚数であっても、実使用上、ディストーションの目立ちにくい光学系が実現される。

ここで、この結合光学系はさらに、複数のレンズを備え、そのうち最も像側のレンズの少なくとも１面に非球面を有する構成であることが望ましい。この場合、非球面形状を以下の式（Ｘ）で表したときに、最も像側のレンズの少なくとも１面が、非球面係数Ａ_iとして奇数次の項を有効に用いた非球面形状となっていることが望ましい。なお、「奇数次の項を有効に用いた」とは、Ａ₃，Ａ₅など、奇数次の非球面係数の値として０（ゼロ）以外の数値を用いることを意味する。このように、最も像側のレンズの少なくとも１面に非球面を用いることで、上記した条件式（１）〜（３）を満足しやすくなる。

Ｚ＝Ｃ・ｈ²／｛１＋（１−Ｋ・Ｃ²・ｈ²）^1/2｝＋ΣＡ_i・ｈⁱ ……（Ｘ）
ただし、Ｚは非球面の深さ、ｈは光軸からレンズ面までの距離（高さ）、Ｋは離心率、Ｃは近軸曲率、Ａ_iは第ｉ次（ｉ＝３以上の整数）の非球面係数を示す。

本発明の結合光学系によれば、光学ディストーションに関し、条件式（１）を満足することで像高６割までは比較的大きい値の光学ディストーションを許容し、その一方で、式（２），（３）を満足することで６割を超える像高での光学ディストーションの変化を小さく抑えるようにしたので、少ないレンズ枚数であっても、実使用上、ディストーションの目立ちにくい光学系を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る結合光学系としての単焦点レンズの構成例を示している。この構成例は、後述の第１の数値実施例（表１，表２）のレンズ構成に対応している。また、図２は、単焦点レンズの他の構成例を示している。図２の構成例は、後述の第２の数値実施例（表３，表４）のレンズ構成に対応している。なお、図１，図２において、符号Ｒｉは、絞りＳｔを０番目、最も物体側のレンズ要素の面を１番目として、像側（結像側）に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目（ｉ＝０〜６）の面の曲率半径を示す。符号Ｄｉは、ｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ１上の面間隔を示す。なお、各構成例共に基本的な構成は同じなので、以下では、図１に示した結合光学系の構成を基本にして説明する。

なお、ここでは２枚構成の単焦点レンズの構成を例に説明するが、本実施の形態に係る結合光学系は、３枚以上のレンズを有する光学系にも適用可能である。

この単焦点レンズは、例えばカメラ付き携帯電話等の小型の情報端末機器やデジタルカメラ等、特に小型の撮像素子を用いた撮像機器に搭載されて使用されるものである。この単焦点レンズは、光軸Ｚ１に沿って、絞りＳｔ、第１レンズＧ１、および第２レンズＧ２が、物体側より順に配設された構成となっている。

この単焦点レンズの結像面（撮像面）には、図示しないＣＣＤなどの撮像素子が配置される。ＣＣＤの撮像面付近には、撮像面を保護するためのカバーガラスＣＧが配置されている。第２レンズＧ２と結像面（撮像面）との間には、カバーガラスＣＧのほか、赤外線カットフィルタやローパスフィルタなどの他の光学部材が配置されていても良い。

第１レンズＧ１は例えば、両面が非球面形状であり、かつ物体側の面を凸面形状とした正のパワーを有するメニスカス形状となっている。

第２レンズＧ２は例えば、両面が非球面形状であり、かつ近軸近傍において物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカス形状となっている。第２レンズＧ２の非球面形状は例えば、物体側の面については、有効径の範囲内で中心から周辺に行くに従い物体側に凸形状から凹形状へと変曲するような部分を有している。像側の面については、有効径の範囲内で中心から周辺に行くに従い像側に凹形状から凸形状へと変曲するような部分を有している。これにより、第２レンズＧ２は例えば、近軸近傍においては正のパワーを有しているが、物体側の面の有効径内において、近軸以外の部分で負のパワーとして作用する部分を有している。

なお、本実施の形態において、近軸近傍におけるレンズ形状は、例えば後述の非球面式（Ｘ），（Ａ）において、係数Ｋに係る部分（係数Ａ_iに係る多項式部分を除いた部分）によって表される。

この単焦点レンズは、第１レンズＧ１および第２レンズＧ２の両面が非球面形状であるため、加工性の点で、第１レンズＧ１および第２レンズＧ２のレンズ材が共に、プラスチック材料であることが望ましい。

この単焦点レンズは、中間画角よりも大きい画角における光学ディストーションに関し、以下の条件式（１）〜（３）を満足するように構成されている。
２．０％＜│ＤＩＳＴ６│＜５．０％ ……（１）
│ＤＩＳＴ８−ＤＩＳＴ６│＜０．５％ ……（２）
│ＤＩＳＴ１０−ＤＩＳＴ８│＜１．８％ ……（３）
ただし、ＤＩＳＴ６は６割の像高における光学ディストーション、ＤＩＳＴ８は８割の像高における光学ディストーション、ＤＩＳＴ１０は１０割の像高における光学ディストーションを示している。

この単焦点レンズは、非球面形状を以下の式（Ｘ）で表したときに、最も像側のレンズＧ２の少なくとも１面が、非球面係数Ａ_iとして奇数次の項を有効に用いた非球面形状となっていることが望ましい。なお、「奇数次の項を有効に用いた」とは、Ａ₃，Ａ₅など、奇数次の非球面係数の値として０（ゼロ）以外の数値を用いることを意味する。

Ｚ＝Ｃ・ｈ²／｛１＋（１−Ｋ・Ｃ²・ｈ²）^1/2｝＋ΣＡ_i・ｈⁱ ……（Ｘ）
ただし、Ｚは非球面の深さ、ｈは光軸からレンズ面までの距離（高さ）、Ｋは離心率、Ｃは近軸曲率、Ａ_iは第ｉ次（ｉ＝３以上の整数）の非球面係数を示す。

次に、以上のように構成された単焦点レンズの作用および効果を説明する。

一般に、レンズ枚数の制限がある携帯端末用等の撮影レンズにおいて、画角全域でディストーションを小さく抑えようとすると、光学設計上の制約が大きく、レンズ全長や他の収差をコントロールすることが困難である。そこで、この単焦点レンズでは、光学ディストーションに関して条件式（１）〜（３）を満足することで、レンズ枚数を増やすことなく、実使用においてディストーションが目立ちにくい光学系を実現している。

図３は、式（１）〜（３）で示した光学ディストーションの条件の概念を図示したものである。条件式（１）は、６割の像高（画角）における光学ディストーションに関するもので、この数値範囲を下回ると、光学設計上の制約が大きく、レンズ全長や他の収差をコントロールすることが困難となるので好ましくない。また、数値範囲を上回ると中間画角においても、テレビディストーションとのバランスも含めてディストーションが目立ち好ましくない。条件式（２），（３）は、６割、８割および１０割の像高での光学ディストーションに関するもので、これらの数値範囲を上回ると、テレビディストーションとのバランスも含めてディストーションが目立ち好ましくない。

この単焦点レンズでは、図３に示したように、式（１）を満足して像高６割までは比較的大きい値の光学ディストーションを許容しつつ、その一方で、その一方で、式（２），（３）を満足することで６割を超える像高での光学ディストーションの変化が小さく抑えられる。このような条件を満足することで、少ないレンズ枚数であっても、実使用上、テレビディストーションとのバランスも含めてディストーションの目立ちにくい光学系が実現される。

またこれらの条件式（１）〜（３）を満足するために、最も像側のレンズＧ２の少なくとも１面を、非球面係数Ａ_iとして奇数次の項を有効に用いた非球面形状とすることが有効である。また、１６次項以上の非球面係数を含む係数により形状が決定される非球面を用いることも有効である。

このように、本実施の形態に係る単焦点レンズによれば、中間画角よりも大きい画角における光学ディストーションに関して、所定の条件式（１）〜（３）を満足し、６割を超える像高での光学ディストーションの変化を小さく抑えるようにしたので、少ないレンズ枚数であっても、実使用上、ディストーションの目立ちにくい光学系を実現できる。これにより、２枚という極めて少ないレンズ枚数で非球面を有効に用いることにより、従来のカメラ付き携帯電話等に用いられている一般的な３枚構成のレンズと同等の高い光学性能を得ることができる。また、従来よりも極めてコンパクトなレンズ系を実現できる。

次に、本実施の形態に係る結合光学系としての単焦点レンズの具体的な数値実施例について説明する。以下では、第１および第２の数値実施例（実施例１，２）をまとめて説明する。表１，表２は、図１に示した単焦点レンズの構成に対応する具体的なレンズデータ（実施例１）を示している。また、表３，表４は、図２に示した単焦点レンズの構成に対応する具体的なレンズデータ（実施例２）を示している。表１および表３には、その実施例のレンズデータのうち基本的なデータ部分を示し、表２および表４には、その実施例のレンズデータのうち非球面形状に関するデータ部分を示す。

各表に示したレンズデータにおける面番号Ｓｉの欄には、各実施例の単焦点レンズについて、絞りＳｔを０番目、最も物体側のレンズ要素の面を１番目として、像側に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目（ｉ＝０〜６）の面の番号を示している。曲率半径Ｒｉの欄には、図１，図２で付した符号Ｒｉに対応させて、物体側からｉ番目の面の曲率半径の値を示す。面間隔Ｄｉの欄についても、図１，図２で付した符号に対応させて、物体側からｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓｉ＋１との光軸上の間隔を示す。曲率半径Ｒｉおよび面間隔Ｄｉの値の単位はミリメートル（ｍｍ）である。Ｎdｊ，νdｊの欄には、それぞれ、カバーガラスＣＧも含めて、物体側からｊ番目（j＝１〜３）のレンズ要素のｄ線（５８７．６ｎｍ）に対する屈折率およびアッベ数の値を示す。なお、カバーガラスＣＧの両面の曲率半径Ｒ５，Ｒ６の値が０（ゼロ）となっているが、これは、平面であることを示す。また、絞りＳｔの曲率半径Ｒ０の値が０（ゼロ）となっているが、これは、仮想面であることを示す。

表１および表３にはまた、諸データとして、全系の近軸焦点距離ｆ（ｍｍ）、Ｆナンバー（ＦＮＯ．）、画角２ω（ω：半画角）の値を同時に示す。なお、各実施例の単焦点レンズは、撮像面を３５ｍｍフィルム換算で表したときに焦点距離ｆ＝３５ｍｍ相当の性能を有している。

表１および表３の各レンズデータにおいて、面番号の左側に付された記号「＊」は、そのレンズ面が非球面形状であることを示す。各実施例共に、第１レンズＧ１の両面Ｓ１，Ｓ２と、第２レンズＧ２の両面Ｓ３，Ｓ４とが非球面形状となっている。基本レンズデータには、これらの非球面の曲率半径として、光軸近傍（近軸近傍）の曲率半径の数値を示している。

表２および表４の各非球面データの数値において、記号“Ｅ”は、その次に続く数値が１０を底とした“べき指数”であることを示し、その１０を底とした指数関数で表される数値が“Ｅ”の前の数値に乗算されることを示す。例えば、「１．０Ｅ−０２」であれば、「１．０×１０^-2」であることを示す。

各非球面データには、以下の式（Ａ）によって表される非球面形状の式における各係数Ａ_i，Ｋの値を記す。Ｚは、より詳しくは、光軸から高さｈの位置にある非球面上の点から、非球面の頂点の接平面（光軸に垂直な平面）に下ろした垂線の長さ（ｍｍ）を示す。

Ｚ＝Ｃ・ｈ²／｛１＋（１−Ｋ・Ｃ²・ｈ²）^1/2｝＋Ａ₃・ｈ³＋Ａ₄・ｈ⁴＋Ａ₅・ｈ⁵＋Ａ₆・ｈ⁶＋Ａ₇・ｈ⁷＋Ａ₈・ｈ⁸＋Ａ₉・ｈ⁹＋Ａ₁₀・ｈ¹⁰ ……（Ａ）
ただし、
Ｚ：非球面の深さ（ｍｍ）
ｈ：光軸からレンズ面までの距離（高さ）（ｍｍ）
Ｋ：離心率
Ｃ：近軸曲率＝１／Ｒ
（Ｒ：近軸曲率半径）
Ａ_i：第ｉ次（ｉ＝３〜１０）の非球面係数

各実施例共に、第１レンズＧ１の両面Ｓ１，Ｓ２の非球面形状は、非球面係数として、偶数次の係数Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀のみを有効に用いて表されている。第２レンズＧ２の両面Ｓ３，Ｓ４の非球面形状は、さらに奇数次の非球面係数Ａ₃，Ａ₇，Ａ₉をも有効に用いている。

また、以下の表５に、上述の条件式（１）〜（３）に関する値を、各実施例についてまとめたものを示す。表５に示したように、各実施例の値が、各条件式（１）〜（３）の数値範囲内となっている。

図４（Ａ）〜（Ｄ）は、実施例１の単焦点レンズにおける球面収差、非点収差、光学ディストーション（歪曲収差）、および倍率色収差を示している。各収差図には、ｄ線を基準波長とした収差を示すが、球面収差図および倍率色収差図には、ｇ線（波長４３５．８ｎｍ），Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）についての収差も示す。非点収差図において、実線はサジタル方向、破線はタンジェンシャル方向の収差を示す。ωは、半画角を示す。同様に、実施例２についての諸収差を図５（Ａ）〜（Ｄ）に示す。

図６および図７は、実施例１および実施例２の単焦点レンズによる実使用時での画像の歪みを模式的に示している。すなわち、矩形格子状の物体が、各実施例の単焦点レンズにより、全体的にどのような歪みを有して結像されるかを示している。図４（Ｃ）および図５（Ｃ）の光学ディストーションの特性のみに着目すると残存する収差があるものの、図６および図７に示した全体の像の形状を見ると、それほど視認状態は悪くなく、実使用上、問題のない特性が得られている。

以上の各数値データおよび各収差図から分かるように、各実施例について、少ないレンズ枚数でありながら、良好に収差補正がなされ、実使用上、ディストーションが目立ちにくく、極めてコンパクトなレンズ系が実現されている。

なお、本発明は、上記実施の形態および各実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔および屈折率の値などは、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得る。

本発明の一実施の形態に係る結合光学系としての単焦点レンズの構成例を示すものであり、実施例１に対応するレンズ断面図である。 本発明の一実施の形態に係る結合光学系としての単焦点レンズの他の構成例を示すものであり、実施例２に対応するレンズ断面図である。 本発明の一実施の形態に係る結合光学系としての単焦点レンズにおける光学ディストーションの特性を示す説明図である。 実施例１に係る単焦点レンズの球面収差、非点収差、光学ディストーション、および倍率色収差を示す収差図である。 実施例２に係る単焦点レンズの球面収差、非点収差、光学ディストーション、および倍率色収差を示す収差図である。 実施例１に係る単焦点レンズのディストーションの特性を示す図である。 実施例２に係る単焦点レンズのディストーションの特性を示す図である。 光学ディストーションとテレビディストーションとを説明するための図である。

符号の説明

ＣＧ…カバーガラス、Ｓｔ…絞り、Ｇｊ…物体側から第ｊ番目のレンズ、Ｒｉ…物体側から第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、Ｄｉ…物体側から第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ面との面間隔、Ｚ１…光軸。

Claims (4)

1. 光学ディストーションに関し、
   以下の条件式（１）〜（３）を満足するように構成されている
   ことを特徴とする結合光学系。
   ２．０％＜│ＤＩＳＴ６│＜５．０％ ……（１）
   │ＤＩＳＴ８−ＤＩＳＴ６│＜０．５％ ……（２）
   │ＤＩＳＴ１０−ＤＩＳＴ８│＜１．８％ ……（３）
   ただし、
   ＤＩＳＴ６：６割の像高における光学ディストーション
   ＤＩＳＴ８：８割の像高における光学ディストーション
   ＤＩＳＴ１０：１０割の像高における光学ディストーション
2. 複数のレンズを備え、そのうち最も像側のレンズの少なくとも１面に非球面を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の結合光学系。
3. 非球面形状を以下の式（Ｘ）で表したときに、
   前記最も像側のレンズの少なくとも１面が、非球面係数Ａ_iとして奇数次の項を有効に用いた非球面形状となっている
   ことを特徴とする請求項２に記載の結合光学系。
   Ｚ＝Ｃ・ｈ²／｛１＋（１−Ｋ・Ｃ²・ｈ²）^1/2｝＋ΣＡ_i・ｈⁱ ……（Ｘ）
   ただし、
   Ｚ：非球面の深さ
   ｈ：光軸からレンズ面までの距離（高さ）
   Ｋ：離心率
   Ｃ：近軸曲率＝１／Ｒ
   （Ｒ：近軸曲率半径）
   Ａ_i：第ｉ次（ｉ＝３以上の整数）の非球面係数
4. プラスチックレンズを少なくとも２枚以上用いた単焦点レンズとして構成されている
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の結合光学系。
   

Images