JP3564107B2 - コンパクトな撮影レンズ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮影レンズに関し、主にデジタルスチルカメラをはじめ監視カメラ、ＰＣカメラ（パーソナルコンピュータに付属の撮像装置）のようなＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）等の撮像素子を使用した小型の撮像装置に用いられると好適な、高性能でコンパクトな撮影レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年においては、一般向けデジタルスチルカメラなどの撮像装置が急速に普及している。このようなデジタルスチルカメラは、撮影レンズによって結像された静止画像を、ＣＣＤ他の撮像素子（以下、ＣＣＤ等ともいう）により画像データとして電気的に取り込み、内蔵メモリやメモリカードなどに記録するものである。デジタルスチルカメラは、液晶モニターを撮影の際のファインダーとして、また撮影した画像の再生用モニターとして使用出来るため、普及の当初は、銀塩カメラに比べて画像の即時再生性、利便性等をアピールしていたが、低画素数のＣＣＤ等を採用していたものが多く、銀塩カメラに較べて一般的には撮影画像の解像度が低い等の問題点が指摘されていた。しかしながら、近年の技術の発達により、高画素数のＣＣＤ等が安価に供給されるようになり、そのようなＣＣＤ等を搭載したデジタルスチルカメラにより得られた画像は、例えば一般的に普及しているサイズにプリントされた状態での比較において、銀塩カメラにより撮影された画像に対し、解像力に関してはほぼ同等とされるまでになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、従来のデジタルスチルカメラ用の撮影レンズを考察するに、画像の取り込みを高画素数のＣＣＤ等を用いているという点から、一般的にはビデオカメラ用撮影レンズの構成に類似しているといえる。しかし、求められる解像力や画質の要求が高いため、デジタルスチルカメラ用の撮影レンズの方が、構成的にはより複雑化している場合が多く、その大きさについても、ＣＣＤ等の画面サイズを同じ状況で比較すると、ビデオカメラ用撮影レンズより大型化してしまうことが多い。以下に、従来のデジタルスチルカメラ用の撮影レンズについて、必要な特性の概略を列挙する。
【０００４】
（１）高画質に対応できること
最近では、ＣＣＤ等における画素数で、３００万画素〜４００万画素のものが、一般向けのデジタルスチルカメラでも搭載されるようになった。ビデオカメラ用として一般的に使用されている３５万画素クラスの撮像素子とは、画面寸法が違うため、直接比較することはできないが、画面寸法を無視すれば、約１０倍の画素数の差がある事になる。すなわち、撮影レンズに要求される、収差補正の精度（補正難易度）も、この差程度の違いがあると考えられる。
【０００５】
ＣＣＤ等の画素数を上げるには、現在一般的には、画面寸法をなるべく大きくせずに、画素ピッチを小さくする方法で画素数を上げる手法がとられており、例えば、デジタルスチルカメラ用として最近発表されている有効画素数が１３０万画素クラスのＣＣＤ等では、画素ピッチは４．２μｍ程度となっている。従って、最小錯乱円径を画素ピッチの２倍と仮定しても８．４μｍとなるが、３５ｍｍ判銀塩カメラの最小錯乱円径は約３３μｍと考えられるので、この比較においても、デジタルスチルカメラ用の撮影レンズに要求される解像力は、銀塩カメラの約４倍必要であるということがいえる。又、ＣＣＤ等の高画素化が進むにつれ、かかる要求はより高まる。
【０００６】
（２）像側テレセントリック性が良好であること
像側のテレセントリック性とは、各像点に対する光束の主光線が、光学系の最終面を射出した後、光軸とほぼ平行になる、すなわち像面とほぼ垂直に交わることをいう。これは、光学系の射出瞳位置が像面から十分離れることと言い換えることができる。像側のテレセントリック性が必要である理由は、ＣＣＤ等の撮像面から物体側に位置する色フィルターが、撮像面からやや離れた位置にあるために、光線が斜めから入射した場合、その一部が遮光されて、実質的な開口効率が減少する（シェーディングという）という不具合を解消もしくは緩和するためである。特に、最近の高感度型のＣＣＤ等においては、撮像面の直前にマイクロレンズアレーを配しているものが多いが、この場合も同様に、射出瞳が十分離れていないと、撮像面の周辺領域では開口効率が低下してしまうという不具合があるので、像側のテレセントリック性を良好とすることは、大きな意義を持つといえる。
【０００７】
（３）ある程度のバックフォーカスが必要であること
ＣＣＤ等においては、本来的にその構造に起因する保護用のガラス板を撮像面の前に配置する必要がある。それ以外にも、撮影レンズの光学系とＣＣＤ等との間には、一般的には幾つかの光学素子を挿入する空間が必要とされる。このような光学素子としては、ＣＣＤ等の周期構造に起因して発生するモアレ現象等を防止する目的で挿入されるオプチカルローパスフィルターや、ＣＣＤ等の赤外波長域での感度を低下させて人の目の比視感度に近づける目的で、やはり光学系とＣＣＤ等の間に挿入される赤外吸収フィルターなどがある。従って、デジタルスチルカメラ用の撮影レンズには、かかるガラス板や光学素子等を収容すべく、ある程度のバックフォーカスが必要となる。
【０００８】
この様に、デジタルスチルカメラ用の撮影レンズには、銀塩カメラ用のレンズ等と比べて、満たすべき３つの特性（条件）があるが、最近になって「像側のテレセントリック性」の要求については、ＣＣＤ等の色フィルターやマイクロレンズアレーの配列の見直しによって、また、「バックフォーカス」の要求については、オプチカルローパスフィルター他の材質の見直しと共に、ＣＣＤ等の構造を根本的な所から見直すことで改善の兆しが見えてきているという実情がある。これらの改善によって条件的に緩和された分について、よりコンパクト性や経済性を意識することによって、デジタルスチルカメラ用としての特性を生かした撮影レンズの開発を行うための環境が出来つつある状況となっている。
【０００９】
本発明は、かかる事情に鑑み、高解像でかつ構成枚数が少なく、コンパクトな撮影レンズを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の撮影レンズにおいては、最も物体側に開口絞りを配し、以降物体側より順に、第１レンズ群、第２レンズ群、及び第３レンズ群から構成され、前記第１レンズ群は物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ、及び前記第１レンズと接合して配置され、負の屈折力を有する第２レンズを配して構成され、かつ、該第２レンズは、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズであり、前記第２レンズ群は、少なくとも１つの屈折面を非球面形状とし物体側に凹面を向けたメニスカスレンズである第３レンズのみで構成され、前記第３レンズ群は、少なくとも１つの屈折面を非球面形状とし、物体側に凸面を向けたメニスカスレンズである第４レンズのみで構成され、以下の条件式を満足することを特徴とする。
０．８０＜ｆ／ｆ_１，２＜１．００ （１）
−０．１０＜ｆ／ｆ_４＜０．４５ （２）
０．２＜｜ｆ／ｒ_２−２｜＜１．６ （３）
２．９＜｜ｆ／ｒ_３−１｜＜４．４ （４）
２．０＜ｆ／ｄ_１＜２．９ （５）
ただし、
ｆ：全系の焦点距離
ｆ_１，２：第１レンズと第２レンズの合成焦点距離
ｆ_４：第４レンズの焦点距離
ｒ_２−２：第２レンズの像側の面の曲率半径
ｒ_３−１：第３レンズの物体側の面の曲率半径
ｄ_１：第１レンズの中心厚
このような構成にすることにより、画面全域にわたって良好な収差補正がなされたコンパクトな撮影レンズが実現できる。その理由を以下に説明する。
【００１１】
本発明の撮影レンズの基本的特徴は、大きな正の屈折力を有する第１レンズ群と、それに続く小さな屈折力を有する第２レンズ群及び小さな屈折力を有する第３レンズ群とから構成し、つまり、第１レンズ群にレンズ全系の主な屈折力を持たせることにより、レンズ全長の小型化を図っていることである。
【００１２】
さらに、収差補正に関しては、第１レンズ群を正の屈折力を有する第１レンズ、負の屈折力を有する第２レンズ、の２枚で構成することにより、主に軸上付近の球面収差、コマ収差、色収差を補正し、第２レンズ群（第３レンズ）を少なくとも１つの屈折面を非球面形状とし物体側に凹面を向けたメニスカスレンズとすることにより、主にコマ収差、非点収差を良好に補正し、第３レンズ群（第４レンズ）に少なくとも１つの非球面を持たせることにより、主に歪曲収差を良好に補正している。さらに、第１レンズ群中の第２レンズを物体側に凹面を向けたメニスカスレンズとすることにより、第１レンズとの接合面で色収差、球面収差を良好に補正できるとともに、第２レンズの像側の面が凸面となるので、物体側の面が凹面である第３レンズとのぶつかり高さ（対向する光学面同士が光軸から離れた位置で当接し合うこと）を確保し、軸上空気間隔を小さくすることが可能となり、レンズ全長の小型化に有利となる。また、第３レンズ群（第４レンズ）は、物体側に凸面を向けたメニスカスレンズであることが好ましく、特に周辺部にて、歪曲収差やテレセントリック性を良好に補正することが可能となる。
【００１３】
以下、（１）式〜（５）式の条件式の作用効果について説明する。（１）式は、第１レンズ群の屈折力を規定するもので、値ｆ／ｆ_１，２が、その上限値以上であれば、第１レンズ群の屈折力が大きくなるので、球面収差、コマ収差が大きくなってしまい、また第１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るため、加工が困難となる。一方、下限値以下であれば、単レンズで構成されている第２レンズ群及び第３レンズ群の屈折力を大きくせざるをえなくなり、それにより色収差が大きくなってしまう。
【００１４】
（２）式は、第３レンズ群、すなわち第４レンズの屈折力に関するものである。値ｆ／ｆ_４が、その上限値以上であれば、第３レンズ群の屈折力が大きくなり、レンズ全系としての望遠比（焦点距離に対する全長）が大きくなり、小型化が困難となる。一方、下限値以下であれば小型化に有利であるが、周辺部のテレセントリック性が劣化し、歪曲収差の補正も困難となる。
【００１５】
（３）式は、第１レンズ群中の第２レンズの形状に関するものである。値｜ｆ／ｒ_２−２｜が、上限値以上であれば、第２レンズの像側の面の曲率半径が小さくなり、主に軸上色収差を良好に補正するために第２レンズの物体側の面の曲率半径を特に小さくする必要が生じ、加工性が悪化し、又、球面収差の補正も困難となる。一方、下限値以下であれば、第３レンズの物体側の面とのレンズ面同士でのぶつかり高さを確保するために、第３レンズとの軸上空気間隔を大きくとる必要が生じ、小型化が困難となる。
【００１６】
（４）式は、第２レンズ群、すなわち第３レンズの形状に関するものである。値｜ｆ／ｒ_３−１｜が、上限値以上であれば、第３レンズの物体側の面の曲率半径が小さくなり、軸外コマフレアが増大し、結像性能が劣化する。一方、下限値以下であれば、第３レンズ出射後の軸外主光線角度が大きくなり、テレセントリック性が劣化する。
【００１７】
（５）式は、第１レンズ群中の第１レンズの形状に関するものである。値ｆ／ｄ_１が、下限値以下であれば、第１レンズが厚くなりすぎて、十分なバックフォーカスを確保できなくなる。一方、上限値以上であれば、バックフォーカスは確保しやすいが、第１レンズの加工性が悪化する。
【００１８】
請求項２に記載の撮影レンズにおいては、前記第３レンズおよび第４レンズはいずれも、樹脂素材により形成され、以下の条件式を満足することを特徴とする。
｜ｆ／ｆ_３，４｜＜０．３５ （６）
ただし、
ｆ_３，４：第３レンズと第４レンズの合成焦点距離
【００１９】
（６）式は、第２レンズ群と第３レンズ群、すなわち、第３レンズと第４レンズの合成屈折力に関するものである。第２レンズ群，第３レンズ群をともに樹脂素材、すなわちプラスチックで形成すると、非球面の適用が容易になるとともに、コスト低減の効果が期待できる。但し、プラスチックレンズの特徴として、温度変化時の影響を受けやすくなるが、第２レンズ群，第３レンズ群の合成屈折力を示す値｜ｆ／ｆ_３，４｜を、（６）式の範囲内にすることで、温度変化時の焦点位置移動を十分小さくすることが可能となる。
【００２０】
請求項３に記載の撮影レンズは、以下の条件式を満足することを特徴とする。
２７＜ν_１−ν_２ （７）
ただし、
ν_１：第１レンズのアッベ数
ν_２：第２レンズのアッベ数
【００２１】
（７）式は、第１レンズ群での色収差補正のための条件であり、値ν_１−ν_２
を下限値より大きくすることで、特に軸上色収差の補正を容易にできる。
【００２２】
従って、請求項１〜３のいずれかに記載の撮影レンズを用いることで、コンパクトでありながら高画質な画像を撮影できる撮像装置を提供できる。
【００２３】
（実施例）
以下に、好適な実施例を示す。実施例で用いる符号として、ｒはレンズ各面の曲率半径、ｄはレンズ厚、またはレンズ間隔、ｎｄは屈折率、νｄはアッベ数を示すものとする。又、これより示すレンズデータ内において、１０のべき乗数（例えば、２．５×１０^−３）を、Ｅ（例えば、２．５×Ｅ−０３）を用いて表している。
【００２４】
非球面の形状は、光軸方向にＺ軸、光軸と直交する方向にＹ軸をとり、近軸曲率半径をｒ、円錐定数をＫ、非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅとしたとき、次式で表している。
Ｚ＝（Ｙ^２／ｒ）〔１＋√｛１−（１＋Ｋ）（Ｙ／ｒ）^２｝〕＋Ａ・Ｙ^４＋Ｂ・Ｙ^６＋Ｃ・Ｙ^８＋Ｄ・Ｙ^１０＋Ｅ・Ｙ^１２‥‥
【００２５】
以下の表中、＊はプラスチックレンズを表わしており、温度変化による屈折率の変化は以下の通りである。また、Ｓは開口絞りを表している。
常温での屈折率 ：１．４９２
常温＋３０℃での屈折率 ：１．４８８
【００２６】

【００２７】

【００２８】

【００２９】
図１は、実施例１の撮影レンズの断面図であり、Ａが開口絞り、Ｌ１が第１のレンズ、Ｌ２が第２のレンズ、Ｌ３が第３のレンズ、Ｌ４が第４のレンズ、Ｃが撮像素子（図示せず）に一体的もしくは別体で設けられるＣＣＤフェースプレートやローパスフィルター等のカバー基板である。かかる実施例１の撮影レンズの収差図を図２に示す。尚、図２の球面収差図中、実線がｄ線に関する収差であり、点線がｇ線に関する収差である。又、図２の非点収差図中、実線がサジタル像面に関する収差であり、点線がメリジオナル像面に関する収差である。
【００３０】
図３は、実施例２の撮影レンズの断面図であり、Ａが開口絞り、Ｌ１が第１のレンズ、Ｌ２が第２のレンズ、Ｌ３が第３のレンズ、Ｌ４が第４のレンズ、Ｃが撮像素子（図示せず）に一体的もしくは別体で設けられるＣＣＤフェースプレートやローパスフィルター等のカバー基板である。かかる実施例２の撮影レンズの収差図を図４に示す。尚、図４の球面収差図中、実線がｄ線に関する収差であり、点線がｇ線に関する収差である。又、図４の非点収差図中、実線がサジタル像面に関する収差であり、点線がメリジオナル像面に関する収差である。
【００３１】
図５は、実施例３の撮影レンズの断面図であり、Ａが開口絞り、Ｌ１が第１のレンズ、Ｌ２が第２のレンズ、Ｌ３が第３のレンズ、Ｌ４が第４のレンズ、Ｃが撮像素子（図示せず）に一体的もしくは別体で設けられるＣＣＤフェースプレートやローパスフィルター等のカバー基板である。かかる実施例３の撮影レンズの収差図を図６に示す。尚、図６の球面収差図中、実線がｄ線に関する収差であり、点線がｇ線に関する収差である。又、図６の非点収差図中、実線がサジタル像面に関する収差であり、点線がメリジオナル像面に関する収差である。
【００３２】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、本発明の撮影レンズは、デジタルスチルカメラ等の撮像装置に限らず、銀塩カメラに用いても良い。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、高解像でかつ構成枚数が少なく、コンパクトな撮影レンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の撮影レンズの断面図である。
【図２】実施例１の撮影レンズの収差図である。
【図３】実施例２の撮影レンズの断面図である。
【図４】実施例２の撮影レンズの収差図である。
【図５】実施例３の撮影レンズの断面図である。
【図６】実施例３の撮影レンズの収差図である。
【符号の説明】
Ａ： 開口絞り
Ｌ１： 第１のレンズ
Ｌ２： 第２のレンズ
Ｌ３： 第３のレンズ
Ｌ４： 第４のレンズ
Ｃ： カバー基板

Claims (3)

1. 最も物体側に開口絞りを配し、以降物体側より順に、第１レンズ群、第２レンズ群、及び第３レンズ群から構成され、前記第１レンズ群は物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ、及び前記第１レンズと接合して配置され、負の屈折力を有する第２レンズを配して構成され、かつ、該第２レンズは、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズであり、前記第２レンズ群は、少なくとも１つの屈折面を非球面形状とし物体側に凹面を向けたメニスカスレンズである第３レンズのみで構成され、前記第３レンズ群は、少なくとも１つの屈折面を非球面形状とし、物体側に凸面を向けたメニスカスレンズである第４レンズのみで構成され、以下の条件式を満足することを特徴とするコンパクトな撮影レンズ。
   ０．８０＜ｆ／ｆ_１，２＜１．００ （１）
   −０．１０＜ｆ／ｆ_４＜０．４５ （２）
   ０．２＜｜ｆ／ｒ_２−２｜＜１．６ （３）
   ２．９＜｜ｆ／ｒ_３−１｜＜４．４ （４）
   ２．０＜ｆ／ｄ_１＜２．９ （５）
   ただし、
   ｆ：全系の焦点距離
   ｆ_１，２：第１レンズと第２レンズの合成焦点距離
   ｆ_４：第４レンズの焦点距離
   ｒ_２−２：第２レンズの像側の面の曲率半径
   ｒ_３−１：第３レンズの物体側の面の曲率半径
   ｄ_１：第１レンズの中心厚
2. 前記第３レンズおよび第４レンズはいずれも、樹脂素材により形成され、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載のコンパクトな撮影レンズ。
   ｜ｆ／ｆ_３，４｜＜０．３５ （６）
   ただし、
   ｆ_３，４：第３レンズと第４レンズの合成焦点距離
3. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載のコンパクトな撮影レンズ。
   ２７＜ν_１−ν_２ （７）
   ただし、
   ν_１：第１レンズのアッベ数
   ν_２：第２レンズのアッベ数

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