JP2007003768A - 撮影レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 光学性能が良好で低コストでコンパクトな固体撮像素子用撮像レンズを提供する。
【解決手段】 物体側から順に、開口絞りと、正の第１レンズと、負の第２レンズと、負の第３レンズとで構成され、第３レンズの像側が非球面形状であって、非球面形状の光軸近傍は像側に凹形状で且つ周辺部は像側に凸形状をなしている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮影レンズに関するものであり、更に詳しくは被写体の映像を固体撮像素子を用いて取り込むデジタル入力機器（デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等）に適した、高性能でコンパクトな固体撮像素子用撮影レンズに関するものである。

近年、パーソナルコンピュータ等の普及に伴い、手軽に画像情報をデジタル機器に取り込むことが出来るデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等（以下、単に「デジタルカメラ」という。）が、個人ユーザーレベルで普及しつつある。このようなデジタルカメラは、今後も画像情報の入力機器として益々普及することが予想される。

また、デジタルカメラに搭載されるＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等の固体撮像素子の小型化が進展してきており、それに伴ってデジタルカメラにも一層の小型化が求められている。このため、デジタル入力機器において最大の容積を占める撮影レンズにも、コンパクト化が強く要望されている。

撮影レンズを小型化するには、固体撮像素子のサイズを小さくするのが最も容易な方法であるが、そのためには受光素子のサイズを小さくする必要があり、固体撮像素子の製造難易度が上がるとともに撮影レンズに要求される性能も高くなる。

一方、固体撮像素子のサイズをそのままに撮影レンズのサイズを小さくすると必然的に射出瞳位置が像面に近くなり、撮影レンズから射出された軸外光束が像面に対して斜めに入射するようになる。その結果、固体撮像素子の前面に設けられているマイクロレンズの集光性能が十分に発揮されにくくなり、画像中央部と画像周辺部とで画像の明るさに極端な差が現れるという問題が生じる。このため、撮影レンズの射出瞳位置を像面から離して配置しなくてはならず、撮影レンズ全体の大型化を避けることが困難になった。

更に、近年では、固体撮像素子の高密度化に対応可能な撮影レンズを安価に作製することが求められるようになっている。

このような要望に対し、撮影レンズの最も物体側に開口絞りを配置しパワー（焦点距離の逆数で定義される量を表す。）を正、負、正とする３枚構成のレンズよりなる固体撮像素子用撮影レンズが開示されている（例えば、特許文献１乃至７参照）。また、パワーを正、開口絞り、負、負とするレンズ３枚で構成された固体撮像素子用撮影レンズが開示されている（例えば、特許文献８，９参照）。
特開２００４−４５６６号公報 特開２００４−２２９８０７号公報 特開２００４−２４００６３号公報 特開２００４−３１７７４３号公報 特開２００４−３２５７１３号公報 特開２００５−４０４５号公報 特開２００５−１０６２２号公報 特開２００４−２１９９８２号公報 特許第３５９４０８８号公報

しかしながら、特許文献１から７に開示された撮影レンズは、負レンズが第２レンズ（物体側から２番目のレンズ）のみで負レンズのパワーが強すぎるため、レンズ光軸に対する製造誤差感度が高くなり、周辺の光学性能を維持しながら製造することが困難なことが十分予想される。

また、特許文献８及び９に開示された撮影レンズは、開口絞りが光学系の内部にあるため、撮影レンズの全長に対し像面から射出瞳位置までの距離が短かすぎて、固体撮像素子用撮影レンズとして好ましいものではない。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、光学性能が良好で低コストでコンパクトな固体撮像素子用撮像レンズを提供することを目的とする。

上記の課題は、以下の構成により解決される。

（請求項１）
固体撮像素子に像を形成する撮影レンズにおいて、
物体側から順に、開口絞りと、正の第１レンズと、負の第２レンズと、負の第３レンズとで構成され、
前記第３レンズの像側が非球面形状であって、該非球面形状の光軸近傍は像側に凹形状で且つ周辺部は像側に凸形状をなし、
前記撮像レンズは、以下の条件式を満足することを特徴とする撮影レンズ。

−０．４８ ＜ ｆ／ｆ３ ＜ −０．０２
但し、
ｆ：全系の焦点距離
ｆ３：第３レンズの焦点距離
（請求項２）
固体撮像素子に像を形成する撮影レンズにおいて、
物体側から順に、正の第１レンズと、負の第２レンズと、負の第３レンズとで構成され、前記第３レンズの像側が非球面形状であって、該非球面形状の光軸近傍は像側に凹形状で且つ周辺部は像側に凸形状をなし、
前記撮像レンズは、以下の条件式を満足することを特徴とする撮影レンズ。

０．０１ ＜ ｆ２／ｆ３ ＜ ０．２９
０．１ ＜ （ｒ１１＋ｒ１２）／（ｒ１１−ｒ１２） ＜ １．０
但し、
ｆ２：第２レンズの焦点距離
ｆ３：第３レンズの焦点距離
ｒ１１：第１レンズの物体側の曲率半径
ｒ１２：第１レンズの像面側の曲率半径
（請求項３）
前記第１レンズの物体側に開口絞りが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の撮影レンズ。

（請求項４）
前記第１レンズはガラスレンズであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の撮影レンズ。

（請求項５）
前記第１、２及び３レンズは、均質素材で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮影レンズ。

尚、ここで「光軸近傍は像側に凹形状」とは、像側のレンズ面の中心が光軸を回転中心とする像側に凹形状である状態を意味している。また、「周辺部」とは、あるレンズ面における変曲点よりも外側（光軸よりも遠い側）の部分を指す。変曲点とは、例えば、物体側に凸形状から凹形状に変化する形状でその曲率半径の符号が変化する点をいう。具体的には、物体側に凸形状で曲率半径の符号を正とし、同じく物体側に凹形状で曲率半径の符号を負としたときに、あるレンズ面において凸形状から凹形状（あるいは、凹形状から凸形状）に変化する場合、曲率半径の符号が正から負（あるいは、負から正）へ変化する点が、そのレンズ面における変曲点である。

さらに、「該非球面形状の光軸近傍は像側に凹形状で且つ周辺部は像側に凸形状をなし」とは、像側のレンズ面の中心が光軸を回転中心とする像側に凹の状態であり、かつ、像側のレンズ面の曲率半径が変曲点を通過すると、レンズ面の中心での符号と逆の符号を示す（すなわち、像側に凸形状を示す）ようになることを意味する。

本発明によれば、レンズ光軸に対する製造誤差感度が高くならずに周辺部の光学性能を維持してレンズの製造が行えるようになり、高性能の撮像レンズを手間なく低コストで提供することが可能である。

また、本発明によれば、開口絞りが光学系内部に存在することがなくなり、固体撮像素子用の撮影レンズとして像面から射出瞳位置までの距離を適度とすることができるようになり、コンパクト化対応が可能な撮影レンズを提供することが可能である。

このように、本発明に係る撮影レンズによれば、光学性能が良好で低コストでコンパクトな固体撮像素子用撮影レンズを提供することが可能である。

また、本発明に係る撮影レンズを、デジタルカメラ等の撮影光学系に適用することにより、当該カメラの高機能化とコンパクト化への寄与が可能である。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施の形態について説明する。図１及び２は、本発明の実施の形態の数値実施例１及び２の撮影レンズの構成をそれぞれ断面で示している。各数値実施例の撮影レンズはいずれも、固体撮像素子（例えば、ＣＣＤ）に対して光学像を形成する撮影用（例えば、デジタルカメラ用）の単焦点レンズである。また、どちらも物体側から順に、開口絞り（ＳＴ）と、正の第１レンズ（ＦＬ１）と、負の第２レンズ（ＦＬ２）と、負の第３レンズ（ＦＬ３）とのレンズ３枚による構成となっており、その像側に光学ローパスフィルターや赤外線（ＩＲ）カットフィルター等に相当する平行平面板状のガラスフィルター（ＧＦ）が配置されている。尚、各レンズ構成図（図１及び図２）において，ｒｉ（ｉ＝１，２，３，・・・・・・）が付されいる面は物体側から数えてｉ番目の面であり、ｒｉに＊印が付されていた面は非球面形状である。

更に詳しくは、数値実施例１及び２の撮影レンズは物体側から順に、開口絞り（ＳＴ）と、像側に強い曲率を持つ両凸形状の第１レンズ（ＦＬ１）と、物体側に凹面を向けた負でメニスカス形状の第２レンズ（ＦＬ２）と、像側に凹面を向けた負でメニスカス形状の第３レンズ（ＦＬ３）と、ガラスフィルター（ＧＦ）とからなる。そして、第１レンズ（ＦＬ１）の両面（ｒ２，ｒ３）、第２レンズ（ＦＬ２）の両面（ｒ４，ｒ５）及び第３レンズ（ＦＬ３）の両面（ｒ６，ｒ７）は非球面形状から成っている。

本発明に係る実施の形態のように、第１レンズの物体側に、開口絞り（ＳＴ）が設けられていることが望ましい。これは、光学系の全長を小型化しても射出瞳位置を像側から遠くにする効果がある。また、正の第１レンズ（ＦＬ１）と、負の第２レンズ（ＦＬ２）を物体側から順に配置するのが望ましい。この配置にすることで、テレフォトタイプに近い構成とし、撮影レンズ全長の短縮化を図ることが出来る。

また、第３レンズは、負レンズで像側の面が非球面形状であり、この非球面形状の光軸近傍は像側に凹形状で周辺部は像側に凸形状であることが望ましい。これは、光軸近傍の凹形状の面で撮像レンズの全長を小型化しつつ、周辺部の凸形状の面で射出瞳位置を像側から遠くする効果がある。

したがって本発明に係る実施の形態のように、物体側から順に、開口絞り（ＳＴ）と、正の第１レンズ（ＦＬ１）と、負の第２レンズ（ＦＬ２）と、負の第３レンズ（ＦＬ３）と、のレンズ３枚構成で、第３レンズの像側は非球面形状とし、この非球面形状の光軸近傍は像側に凹形状で且つ周辺部は像側に凸形状とすることが好ましい。

次に、本発明に係る実施の形態の撮影レンズが満足すべき条件式を説明する。尚、実施の形態の撮影レンズは、以下に示す各条件式を全て同時に満足する必要はなく、個々の条件式をそれぞれ単独に満足することによって対応する作用効果を達成することが可能である。もちろん、複数の条件式を満足している方が光学性能、小型化あるいは組み立ての観点からより望ましいことはいうまでもない。

本発明に係る撮像レンズは、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
−０．４８ ＜ ｆ／ｆ３ ＜ −０．０２ ・・・・・・・・・・・・・（１）
但し、
ｆ：全系の焦点距離
ｆ３：第３レンズの焦点距離
である。

上記条件式（１）は、第３レンズのパワーに関して主にテレセントリック性と製造誤差感度とのバランスを適切にとるための条件式である。

条件式（１）の下限値を上回る設定にすると、射出瞳位置は像側から適度な位置に配置される状態になり固体撮像素子用の撮影レンズとして良好に作用する。また、条件式（１）の上限値を下回る設定にすると、製造誤差感度が適度となり収差の劣化を適度に抑えることが出来る。

さらに、以下の条件式（１Ａ）を満足することが好ましい。
−０．３２ ＜ ｆ／ｆ３ ＜ −０．０２・・・・・・・・・・・・・・（１Ａ）。

また、本発明に係る撮像レンズは、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
０．０１ ＜ ｆ２／ｆ３ ＜ ０．２９・・・・・・・・・・・・・・（２）
但し、
ｆ２：第２レンズの焦点距離
ｆ３：第３レンズの焦点距離
である。

上記条件式（２）は、第２レンズと第３レンズのパワーに関して主にテレセントリック性と製造誤差感度とのバランスを適切にとるための条件式である。

条件式（２）の上限値を下回る設定にすると、射出瞳位置は像側から適度な位置に配置される状態になり固体撮像素子用の撮影レンズとして良好に作用する。また、条件式（２）の下限値を上回る設定にすると、製造誤差感度が適度となり収差の劣化を適度に抑えることが出来る。

さらに、以下の条件式（２Ａ）を満足することが好ましい。
０．０２ ＜ ｆ２／ｆ３ ＜ ０．２５・・・・・・・・・・・・・・（２Ａ）。

また、本発明に係る撮像レンズは、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
０．１ ＜ （ｒ１１＋ｒ１２）／（ｒ１１−ｒ１２） ＜ １．０・・・（３）
但し、
ｒ１１：第１レンズの物体側の曲率半径
ｒ１２：第１レンズの像側の曲率半径
である。

上記条件式（３）は、第１レンズの形状を特定するもので、特に、光学性能と非点収差とのバランスを適切にとるための条件である。

条件式（３）の上限値を下回る設定にすると、非点収差を良好な状態にし、且つ、撮影レンズの全長を増大させることがない。また、条件式（３）の下限値を上回る設定にすると、撮影レンズの全長を短縮することが可能であり、しかも非点収差が適度な大きさに抑えられるので収差の劣化を適度に抑えることが出来る。

さらに、以下の条件式（３Ａ）を満足することがより好ましい。
０．２ ＜ （ｒ１１＋ｒ１２）／（ｒ１１−ｒ１２） ＜ ０．６・・・（３Ａ）。

また、本発明に係る撮像レンズは、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。
−１０ ＜ （ｒ２１＋ｒ２２）／（ｒ２１−ｒ２２） ＜ −１・・・・（４）
但し、
ｒ２１：第２レンズの物体側の曲率半径
ｒ２２：第２レンズの像側の曲率半径
である。

上記条件式（４）は、第２レンズの形状を特定するもので、特に、光学性能と製造誤差感度とのバランスを適切にとるための条件である。

条件式（４）の下限値を上回る設定にすると、製造誤差感度に対しては有利に作用するとともに、撮影レンズの全長を増大させることがない。また、条件式（４）の上限値を下回る設定にすると、撮影レンズの全長を短縮することが可能であり、製造誤差感度が適度となり収差の劣化を適度に抑えることが出来る。

さらに、以下の条件式（４Ａ）を満足することが好ましい。
−５ ＜ （ｒ２１＋ｒ２２）／（ｒ２１−ｒ２２） ＜ −２・・・・・（４Ａ）。

また、本発明に係る撮像レンズは、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。
０．０７ ＜ Ｄ３／ｆ ＜０．３・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
但し、
Ｄ３：第３レンズの軸上の厚み
ｆ：全系の焦点距離
である。

上記条件式（５）は、第３レンズの軸上の厚みに関する条件である。

条件式（５）の下限値を上回る設定にすると、撮影レンズの全長を短縮出来るとともに、収差、特に歪曲収差と像面湾曲の著しい劣化を懸念する必要がない。また、条件式（５）の上限値を下回る設定にすると、撮影レンズの全長を増大させることなく有利な光学性能を発現させることが可能である。

さらに、以下の条件式（５Ａ）を満足することが好ましい。
０．１ ＜ Ｄ３／ｆ ＜０．２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５Ａ）。

また、本実施の形態の撮影レンズは、第１レンズがガラスレンズであることが望ましい。これにより、温度変化によるフォーカス位置の変動を最小限に抑えることができ、広い温度範囲で高性能を維持することができる。

また、本実施の形態の撮影レンズは、媒質内で屈折率が変化する屈折率分布型レンズを用いてもよいが、３枚のレンズを均質な素材で作製する方が好ましい。３枚のレンズを均質素材で作成するようにすれば、撮影レンズをより安価に提供できる。

以下、本実施の形態の数値実施例に関して、コンストラクションデータ、収差図等を挙げて、更に具体的に示す。

以下に挙げる数値実施例１及び２は、これまでに説明した通り、それらのレンズ配置は、図１及び図２にそれぞれ対応している。

各数値実施例において、ｒｉ（ｉ＝１，２，３，・・・・）は物体側から数えてｉ番目の面の曲率半径、ｄｉ（ｉ＝１，２，３，・・・・）は物体側から数えてｉ番目の軸上面間隔、Ｎｉ（ｉ＝１，２，３，・・・・）及びνｉ（ｉ＝１，２，３，・・・・）はそれぞれ物体側から数えてｉ番目のレンズのｄ線に対する屈折率及びアッベ数を示す。また、ｆは撮影レンズの全系の焦点距離、ＦＮＯはＦナンバーを表す。

尚、数値実施例中のデータに付された文字Ｄは、該当する数値の指数部分を表し、例えば、１．０Ｄ−０２であれば１．０×１０^-2を示す。

更に、各数値実施例において、曲率半径ｒｉに＊印を付した面は非球面形状の屈折光学面或いは非球面と等価な屈折作用を有する面であることを示し、その非球面の面形状は以下の式（ＡＳ）で表す。

Ｘ（Ｈ）＝Ｃ・Ｈ²／｛１＋（１−ε・Ｃ²・Ｈ²）^1/2｝＋ΣＡｉ・Ｈｉ・・・（ＡＳ）
但し、
Ｈ：光軸に対して垂直な方向の高さ
Ｘ（Ｈ）：高さＨの位置での光軸方向の変位量（面頂点基準）
Ｃ：近軸曲率
ε：２次曲面パラメータ
Ａｉ：ｉ次の非球面係数
Ｈｉ：Ｈのｉ乗を示す記号
である。
（数値実施例１）

（数値実施例２）

図３及び図４は、数値実施例１及び２に対応する収差図である。各収差図は、左から順に、球面収差図、非点収差図、歪曲収差図を表している。

各球面収差図において、実線（ｄ）はｄ線、一点鎖線（ｇ）はｇ線、二点鎖線（ｃ）はｃ線それぞれに対する球面収差量（ｍｍ）、ＳＣは正弦条件不満足量（ｍｍ）を表している。

各非点収差図において、実線（ＤＳ）はサジタル面、点線（ＤＭ）はメリディオナル面でのｄ線に対する各非点収差量（ｍｍ）を表している。

各歪曲収差図において、実線はｄ線に対する歪曲（％）を表している。

また、球面収差図の縦軸は光線のＦナンバー（ＦＮＯ）を、非点収差図及び歪曲収差図の縦軸は、最大像高Ｙ’（ｍｍ）を表している。

また、各数値実施例における条件式（１）、（２）、（３）、（４）、（５）で規定されるパラメータに対応する値を併せて以下の表に示す。

本発明の実施の形態の一例である数値実施例１のレンズ配置を示す図である。 本発明の実施の形態の一例である数値実施例２のレンズ配置を示す図である。 数値実施例１の諸収差を示す図である。 数値実施例２の諸収差を示す図である。

符号の説明

ＳＴ 開放絞り
ＦＬ１ 第１レンズ（正レンズ）
ＦＬ２ 第２レンズ（負レンズ）
ＦＬ３ 第３レンズ（負レンズ）
ＧＦ ガラスフィルター
ＡＸ 光軸

Claims (5)

1. 固体撮像素子に像を形成する撮影レンズにおいて、
   物体側から順に、開口絞りと、正の第１レンズと、負の第２レンズと、負の第３レンズとで構成され、
   前記第３レンズの像側が非球面形状であって、該非球面形状の光軸近傍は像側に凹形状で且つ周辺部は像側に凸形状をなし、
   前記撮像レンズは、以下の条件式を満足することを特徴とする撮影レンズ。
   −０．４８ ＜ ｆ／ｆ３ ＜ −０．０２
   但し、
   ｆ：全系の焦点距離
   ｆ３：第３レンズの焦点距離
2. 固体撮像素子に像を形成する撮影レンズにおいて、
   物体側から順に、正の第１レンズと、負の第２レンズと、負の第３レンズとで構成され、前記第３レンズの像側が非球面形状であって、該非球面形状の光軸近傍は像側に凹形状で且つ周辺部は像側に凸形状をなし、
   前記撮像レンズは、以下の条件式を満足することを特徴とする撮影レンズ。
   ０．０１ ＜ ｆ２／ｆ３ ＜ ０．２９
   ０．１ ＜ （ｒ１１＋ｒ１２）／（ｒ１１−ｒ１２） ＜ １．０
   但し、
   ｆ２：第２レンズの焦点距離
   ｆ３：第３レンズの焦点距離
   ｒ１１：第１レンズの物体側の曲率半径
   ｒ１２：第１レンズの像面側の曲率半径
3. 前記第１レンズの物体側に開口絞りが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の撮影レンズ。
4. 前記第１レンズはガラスレンズであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の撮影レンズ。
5. 前記第１、２及び３レンズは、均質素材で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮影レンズ。

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