JP4074203B2

JP4074203B2 - 単焦点レンズ

Info

Publication number: JP4074203B2
Application number: JP2003036926A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　　賢一
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2023-02-14
Also published as: JP2004246169A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に小型の撮像装置への搭載に適した単焦点レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子を用いた撮像装置が知られている。このような撮像装置では、撮像素子上に被写体像を結像させて、その画像を電子的に読み取ることで撮影がなされる。このような撮像装置は、近年、撮像素子の小型化が進んでいることから、装置全体としても非常に小型化が図られてきている。特に、携帯電話における画像入力用のモジュールカメラやデジタルスチルカメラ（以下、単にデジタルカメラという。）などは、近年、小型化が著しい。
【０００３】
従来、小型の撮像装置で使用可能な撮像レンズとしては、例えば以下の公報記載のものがある。特許文献１記載のレンズは、３枚構成のレンズとなっている。特許文献２記載のレンズは、２枚構成のレンズとなっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３０１０２２号公報
【特許文献２】
特開２０００−２５８６８４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年では、撮像素子の性能が向上し、素子全体のサイズを大きくすることなく、小型で高画素化が図られたものが開発されてきている。このような高画素化に伴い、それに使用される撮像レンズについても、従来より高い光学性能が要求されてきている。
【０００６】
撮像素子の高画素化に耐えうる光学性能を得るためには、レンズの枚数を増やすことが考えられる。しかしながら、上記特許文献１記載の３枚構成のレンズのように、レンズ枚数を増やすことで結像性能を向上させることができる一方、全長の点で不利となり、撮像装置に搭載した場合に、小型・携帯性が失われてしまうおそれがある。そこで、必要な光学性能を満足しつつ、小型・携帯性のために、全長のコンパクト化の図られた撮像レンズの開発が求められている。一方で、撮像装置に搭載する場合には、一般に、レンズの最終面と撮像素子との間に赤外線カットフィルタやカバーガラスなどの光学部材を配置することが多い。そのため、全長のコンパクト化を図りつつも、これらの光学部材を配置するために、ある程度のバックフォーカスも必要となってくる。特許文献２記載のレンズは、２枚構成で簡易化が図られているものの、これよりもさらに高性能なレンズの開発が望まれている。
【０００７】
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、全長のコンパクト化を図ると共に、必要なバックフォーカスを確保することができる単焦点レンズを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による単焦点レンズは、撮像レンズとして用いられる単焦点レンズであって、物体側より順に、絞りと、両面が非球面形状で正のパワーを有する第１レンズと、両面が非球面形状で正のパワーを有する第２レンズとを備え、第１レンズは、物体側の面が、近軸近傍で凸面形状であり周辺に行くにつれて凸面による正のパワーが強くなる非球面形状であり、像側の面が、近軸近傍では凹面形状であり周辺部に行くにつれて凸面形状となる非球面形状で構成され、第２レンズは、物体側の面が、近軸近傍では凸面形状であり周辺に行くにつれて凹面形状となる非球面形状であり、像側の面が、近軸近傍では凹面形状であり周辺部に行くにつれて凸面形状となる非球面形状で構成され、かつ、以下の条件式（１），（２）を満足するように構成されているものである。
【０００９】
ｆ１／ｆ２＞１．０ ……（１）
１．０＜Ｒ２／Ｒ１＜１０．０ ……（２）
ただし、ｆ１は、第１レンズの近軸焦点距離を示し、ｆ２は、第２レンズの近軸焦点距離を示し、Ｒ１は、第１レンズの前側（物体側）の面の近軸曲率半径を示し、Ｒ２は、第１レンズの後側（像側）の面の近軸曲率半径を示している。
【００１０】
本発明による単焦点レンズでは、すべての面を非球面形状にすることで、２枚という少ないレンズ枚数でありながら、全長のコンパクト化を図りつつ、良好な光学性能を得やすくしている。また、式（１）を満足することで、第２レンズの正のパワーが第１レンズよりも大きくなり、バックフォーカスの確保がし易くなっている。また特に、式（２）を満足することで、像面湾曲の補正がし易くなっている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
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。
【００１２】
図１は、本発明の一実施の形態に係る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（図３）のレンズ構成に対応している。また、図２は、本実施の形態に係る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（図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も含めて最も物体側の構成要素の面を０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に示した単焦点レンズの構成を基本にして説明する。
【００１３】
この単焦点レンズは、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子を用いた小型の撮像装置用の撮像レンズとし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、物体側より順に、絞りＳｔと、両面が非球面形状で正のパワーを有する第１レンズＧ１と、両面が非球面形状で正のパワーを有する第２レンズＧ２とを備えている。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。その他、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光学部材が配置されていても良い。
【００１４】
第１レンズＧ１は、前側（物体側）の面が、周辺に行くにつれて正のパワーが強くなる非球面形状であり、後側（像側）の面が、近軸近傍では凹面形状であり周辺部に行くにつれて凸面形状となる非球面形状で構成されている。
【００１５】
第２レンズＧ２は、物体側の面が、周辺に行くにつれて負のパワーが強くなる非球面形状であり、像側の面が、近軸近傍では凹面形状で周辺部に行くにつれて凸面形状となる非球面形状で構成されている。第２レンズＧ２の物体側の面は、近軸近傍では、凸面形状となっている。
【００１６】
この単焦点レンズは、以下の条件式（１），（２）を満足するように構成されている。ただし、式（１），（２）において、ｆ１は、第１レンズＧ１の焦点距離（近軸上の焦点距離）を示し、ｆ２は、第２レンズＧ２の焦点距離（近軸上の焦点距離）を示し、Ｒ１は、第１レンズＧ１の前側（物体側）の面の近軸曲率半径を示し、Ｒ２は、第１レンズＧ１の後側（像側）の面の近軸曲率半径を示している。
ｆ１／ｆ２＞１．０ ……（１）
１．０＜Ｒ２／Ｒ１＜１０．０ ……（２）
【００１７】
なお、本実施の形態において、「近軸近傍」とは、後述の非球面式（Ａ）において、係数Ｋに係る部分のみ（係数Ａ_iに係る多項式部分を除いた部分）によって表される形状部分のことをいう。
【００１８】
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。
【００１９】
この単焦点レンズでは、第１レンズＧ１および第２レンズＧ２共に、両面を独特な非球面形状にしているので、球面レンズのみで構成した場合に比べて、２枚という少ないレンズ枚数でありながら、全長のコンパクト化を図りつつ、像面湾曲、歪曲収差、およびコマ収差をバランス良く補正し、良好な光学性能が得られる。例えば、第２レンズＧ２の像側の面を、近軸近傍では凹面形状で周辺部に行くにつれて凸面形状となるような非球面形状にしていることにより、像面湾曲が補正し易くなる。
【００２０】
条件式(１）は、第１レンズＧ１と第２レンズＧ２との焦点距離ｆ１，ｆ２の比に関するものである。条件式（１）の数値範囲を満足することで、第２レンズＧ２の正のパワーが第１レンズＧ１よりも大きくなり、バックフォーカスの確保がし易くなる。一方、条件式(１）の数値範囲を外れると、カバーガラスＣＧなどの光学部材を配置するために必要となる所定のバックフォーカスを確保することが困難になる。
【００２１】
条件式(２）は、第１レンズＧ１の形状に関するものである。条件式(２）の数値範囲を満足することで、像面湾曲の補正がし易くなる。一方、条件式(２）の数値範囲を外れると、像面湾曲を補正するのが困難となる。
【００２２】
このように、本実施の形態に係る単焦点レンズによれば、２枚という少ないレンズ枚数でありながら、良好な光学性能を維持しつつ、全長のコンパクト化を図り、かつ、必要なバックフォーカスを確保することができる。これにより、特に、小型の撮像装置への搭載に適した撮像レンズを提供できる。
【００２３】
【実施例】
次に、本実施の形態に係る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。図３（Ａ），（Ｂ）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、図４（Ａ），（Ｂ）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。図３（Ａ）および図４（Ａ）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、図３（Ｂ）および図４（Ｂ）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。
【００２４】
各図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も含めて最も物体側の構成要素の面を０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。
【００２５】
図３（Ａ）および図４（Ａ）にはまた、諸データとして、全系の焦点距離ｆ（ｍｍ）、Ｆナンバー（ＦＮＯ．）、画角２ω（ω：半画角）の値を同時に示す。
【００２６】
図３（Ａ）および図４（Ａ）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（第１面および第２面）と第２レンズＧ２の両面（第３面および第４面）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。
【００２７】
図３（Ｂ）および図４（Ｂ）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。
【００２８】
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。
【００２９】
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
【００３０】
図５は、上述の条件式（１），（２）に対応する値を、各実施例についてまとめて示したものである。図５に示したように、各実施例の値が、条件式（１），（２）の数値範囲内となっている。
【００３１】
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１の単焦点レンズにおける球面収差、非点収差、およびディストーション（歪曲収差）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。同様に、実施例２についての諸収差を図７（Ａ）〜（Ｃ）に示す。
【００３２】
以上の各レンズ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、良好に収差補正がなされている。また、全長のコンパクト化と、必要なバックフォーカスの確保がなされている。
【００３３】
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。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の単焦点レンズによれば、物体側より順に、絞りと、両面が非球面形状で正のパワーを有する第１レンズと、両面が非球面形状で正のパワーを有する第２レンズとを備え、第１レンズの物体側の面を、周辺に行くにつれて正のパワーが強くなる非球面形状にし、像側の面を、近軸近傍では凹面形状であり周辺部に行くにつれて凸面形状となる非球面形状にし、第２レンズの物体側の面を、周辺に行くにつれて負のパワーが強くなる非球面形状にし、像側の面を、近軸近傍では凹面形状で周辺部に行くにつれて凸面形状となる非球面形状にし、かつ、各レンズの焦点距離に関して所定の条件式（１）を満足し、第１レンズの両面の近軸曲率半径に関して所定の条件式（２）を満足するようにしたので、球面レンズのみで構成した場合に比べて、２枚という少ないレンズ枚数でありながら、全長のコンパクト化を図りつつ、良好な光学性能を得ることができる。特に、条件式（１）を満足することで、第２レンズの正のパワーが第１レンズよりも大きくなり、必要なバックフォーカスを確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る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。
【図２】本発明の一実施の形態に係る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。
【図３】実施例１に係る単焦点レンズのレンズデータを示す図である。
【図４】実施例２に係る単焦点レンズのレンズデータを示す図である。
【図５】各実施例に係る単焦点レンズが満たす条件式の値を示す図である。
【図６】実施例１に係る単焦点レンズの球面収差、非点収差、およびディストーションを示す収差図である。
【図７】実施例２に係る単焦点レンズの球面収差、非点収差、およびディストーションを示す収差図である。
【符号の説明】
ＣＧ…カバーガラス、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

撮像レンズとして用いられる単焦点レンズであって、
物体側より順に、絞りと、両面が非球面形状で正のパワーを有する第１レンズと、両面が非球面形状で正のパワーを有する第２レンズとを備え、
前記第１レンズは、物体側の面が、近軸近傍で凸面形状であり周辺に行くにつれて凸面による正のパワーが強くなる非球面形状であり、像側の面が、近軸近傍では凹面形状であり周辺部に行くにつれて凸面形状となる非球面形状で構成され、
前記第２レンズは、物体側の面が、近軸近傍では凸面形状であり周辺に行くにつれて凹面形状となる非球面形状であり、像側の面が、近軸近傍では凹面形状であり周辺部に行くにつれて凸面形状となる非球面形状で構成され、
かつ、以下の条件式（１），（２）を満足するように構成されている
ことを特徴とする単焦点レンズ。
ｆ１／ｆ２＞１．０ ……（１）
１．０＜Ｒ２／Ｒ１＜１０．０ ……（２）
ただし、
ｆ１：第１レンズの近軸焦点距離
ｆ２：第２レンズの近軸焦点距離
Ｒ１：第１レンズの前側（物体側）の面の近軸曲率半径
Ｒ２：第１レンズの後側（像側）の面の近軸曲率半径