JP4712318B2 - 結像光学系及びそれを用いた電子機器 - Google Patents
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Description
1.0 < φm/φp < 50.0
但し、φmは最大光線高の位置における前記第4レンズのパワー、φpは近軸における前記第4レンズのパワーである。
なお、本発明による結像光学系は、次の条件式を満足することが好ましい。
0.3 < f1/f < 2.0
但し、f1は前記第1レンズの焦点距離、fは前記結像光学系全系の焦点距離である。
0.03 < ML/TL < 0.15
但し、TLは前記結像光学系の全長、MLは前記結像光学系を構成するプラスチックレンズにおける最小軸上肉厚である。
まず、結像光学系を構成するレンズ枚数について説明する。本発明の結像光学系は、性能と小型化を考慮して、上記のような第1レンズ、第2レンズ、第3レンズ及び第4レンズの4枚レンズで構成した。ここで、結像光学系を構成するレンズの枚数を5枚以上にすれば、さらに性能が向上するのは明らかである。しかしながら、レンズが1枚増えると、レンズの厚さ、レンズの間隔、枠のスペースがその分増大し、結像光学系が大型化するのは避けられない。
また、本明細書の背景技術において述べたように、結像光学系を3枚以下のレンズで構成したのでは、軸上色収差の低減と像面歪曲の低減の両立が困難である。仮に、非球面を多用して性能を確保したとしても、偏心感度が大きくなり、製造上困難である。従って、本発明のように、結像光学系を4枚のレンズで構成するのが性能、大きさともに最適である。
また、広角な光学系は、画面周辺部のディストーション及び倍率色収差の発生を低減させる必要がある。そのためには、光学系のパワー配置が対称になる位置に、明るさ絞りを配置させることが望ましい。
上記二つの理由から、本発明の結像光学系では、上記のように明るさ絞りの位置を第2レンズと第3レンズとの間に配置した。すなわち、本発明の結像光学系は、全長が小さくテレセントリック性を重視した光学系として構成されている。
しかし、光線を大きく曲げると収差が発生し易くなる。そのため、本発明の第4レンズに少なくとも一つの非球面を設けて、周辺の光線における撮像素子への光線入射および射出角度が小さくなる形状にすれば、偏角を限りなく小さくすることができる。その結果、周辺のパワーを大きくしつつも収差の発生を押さえることが可能となる。
従って、本発明の結像光学系では、以下の条件式(1)を満足することが重要である。
1.0<φm/φp<50.0 …(1)
但し、φmは最大光線高の位置における第4レンズのパワー、φpは近軸における第4レンズのパワーである。
ここで、最大光線高の位置におけるレンズのパワーφmを次のように定義するものとする。第4レンズのレンズ最大光線高Hmに、物体側の無限遠方から平行光線を入射させ、レンズ通過後の傾き角をξとしたとき、φm=tanξ/Hmで与えられるものである。
一方、条件式(1)の下限値を下回ると、レンズ周辺のパワーが小さくなりすぎて、像面への光線入射角の補正が不十分となってしまう。
1.1<φm/φp<30.0 …(1')
さらに、好ましくは、本発明の結像光学系は、次の条件式(1")を満足するのが良い。
1.2<φm/φp<20.0 …(1")
0.3<f1/f<2.0 …(2)
但し、f1は第1レンズの焦点距離、fは結像光学系全系の焦点距離である。
一方、条件式(2)の下限値を下回ると、第1レンズの正パワーが大きくなる。よって、それに伴い第2レンズ、第3レンズ及び第4レンズのパワーも負側に強くしなければならない。その結果、各レンズで発生する収差が増大し、性能を確保するのが困難となる。
0.5<f1/f<1.5 …(2')
さらに、好ましくは、本発明の結像光学系は、次の条件式(2")を満足するのが良い。
0.7<f1/f<1.0 …(2")
−8.0<r1r/r2f<−0.5 …(3)
0.01<r2r/r3f< 3.0 …(4)
但し、r1rは第1レンズの像側の曲率半径、r2fは第2レンズの物体側の曲率半径、r2rは第2レンズの像側の曲率半径、r3fは第3レンズの物体側の曲率半径である。
加えて、条件式(3)及び(4)の上限値を上回ると、第1レンズと第2レンズの物体側のパワーが強くなりすぎてしまう。その結果、これらの面で発生する球面収差やコマ収差を他の面で補正することが困難になる。
一方、条件式(3)及び(4)の下限値を下回ると、第1レンズと第2レンズの像側のパワーが強くなりすぎてしまう。その結果、これらの面で発生する球面収差やコマ収差を他の面で補正することが困難になる。
−6.0<r1r/r2f<−1.0 …(3')
0.03<r2r/r3f< 1.5 …(4')
さらに、好ましくは、本発明の結像光学系は、次の条件式(3")及び(4")を満足するのが良い。
−4.0<r1r/r2f<−1.5 …(3")
0.05<r2r/r3f< 1.2 …(4")
そのため、本発明の結像光学系は、次の条件式(5)を満足するのが好ましい。
0.5<EXP/f<2.5 …(5)
但し、EXPは像面から射出瞳までの距離、fは光学系全系の焦点距離である。
一方、条件式(5)の下限値を下回ると、CCDへの入射角が大きくなりすぎて、画像周辺部の明るさが低下してしまう。
0.7<EXP/f<1.8 …(5')
さらに、好ましくは、本発明の結像光学系は、次の条件式(5")を満足するのが良い。
0.9<EXP/f<1.3 …(5")
さらに、本発明の第2レンズとしての負メニスカスレンズをプラスチックで構成すると、軽量化及び製作コストが安価になり好ましい。
0.30[1/μm]<Fno/P[μm]<2.50[1/μm] …(6)
この条件式の上限を上回ると、光学系が暗くなり過ぎる。あるいは、画素間隔が小さくなり過ぎることにより、1画素あたりの光量が少なくなってしまう。従って、シャッター速度が遅くなり、手ぶれを引き起こしたり、長時間露光によりノイズが増加する原因となる。他方、下限を下回ると、画素間隔が大きくなり過ぎ、高画素な撮像データが得られなくなる。
0.40[1/μm]<Fno/P[μm]<2.00[1/μm] …(6')
なお、本発明の結像光学系は、次の条件式を満たすのが、更に良い。
0.50[1/μm]<Fno/P[μm]<1.50[1/μm] …(6")
0.02 < ML/TL < 0.15 ・・・(7)
この条件式の上限を上回ると、結像光学系の全長に対して、結像光学系に含まれるプラスチックレンズの最小軸上肉厚が大きすぎることになる。そのため、そのプラスチックレンズとともに配置されるガラスレンズの中心肉厚に対して必要な間隔を、結像光学系中に十分に確保できず、そのガラスレンズを非常に薄く加工しなければならなくなってしまう。他方、下限を下回ると、結像光学系に含まれるプラスチックレンズの最小軸上肉厚が小さ過ぎるため、成型時にプラスチック樹脂を成型型にスムーズに注入しにくくなってしまう。その結果、応力がかかって複屈折が生じたりして、成型に時間がかかり、生産性が悪化してしまう。
0.05<ML/TL<0.11 …(7')
なお、本発明の結像光学系は、次の条件式を満たすのが、更に良い。
0.07<ML/TL<0.09 …(7")
第1実施例
図1は本発明の結像光学系の第1実施例であって、光学構成を示す光軸に沿う断面図、図2は第1実施例にかかる結像光学系の球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
第1実施例の結像光学系は、物体側から順に、正メニスカスレンズL1と、明るさ絞りSと、負メニスカスレンズL2と、正メニスカスレンズL3と、正レンズL4とで構成されている。また、上記各レンズにおける全ての屈折面は、非球面で構成されている。図1中、Iは撮像素子の撮像面である。
正メニスカスレンズL1は、第1レンズである。この正メニスカスレンズL1は、物体側に凸面を向けている。負メニスカスレンズL2は、第2レンズである。この負メニスカスレンズL2は、物体側に凹面を向けている。正メニスカスレンズL3は、第3レンズである。この正メニスカスレンズL3は、像側に凸面を向けている。正レンズL4は、第4レンズである。この正レンズL4は、両面が凸面である。
第1実施例では、全てのレンズがプラスチックで構成されている。用いているプラスチックは、第1レンズL1、第3レンズL3及び第4レンズL4はポリオレフィン系のゼオネックス、第2レンズL2はポリカーボネートである。
また、結像光学系の像面には、1/3インチ、300万画素(画素間隔P=2.4μm)の撮像素子が配置されている。
また、非球面形状は、光軸方向をz軸、光軸に直交する方向をy軸にとり、円錐係数をk、非球面係数をa、b、c、d、・・・としたとき、次の式で表される。
x=(y2/r)/[1+{1−(1+k)(y/r)2}1/2]
+ay4+by6+cy8+dy10+…
これらは、以下の各実施例においても共通である。
数値データ1
焦点距離:4.60mm、Fno(開放Fナンバー):3.5、像高:3.0mm、
半画角:33°
面番号 曲率半径 面(又は空気)間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 非球面[1] 0.98 1.5091 56.2
2 非球面[2] 0.12
3 絞り面 0.53
4 非球面[3] 0.50 1.5839 30.2
5 非球面[4] 0.05
6 非球面[5] 0.98 1.5091 56.2
7 非球面[6] 0.05
8 非球面[7] 2.64 1.5091 56.2
9 非球面[8] 0.60
像 面 ∞
曲率半径 1.33
k= 7.5798×10-2
a= 6.8323×10-3 b= 7.0011×10-3
非球面[2]
曲率半径 3.30
k= 1.6269×10+1
a=-4.4165×10-2 b=-5.1535×10-2 c=-1.3163×10-1
d=-4.6932×10-3
非球面[3]
曲率半径 -0.90
k=-7.8922×10-1
a=-1.0535×10-1 b=-4.6823×10-3 c= 4.6585×10-2
d=-9.9136×10-1
非球面[4]
曲率半径 -1.23
k=-1.4014×10+0
a=-5.8390×10-4 b= 1.8702×10-2
非球面[5]
曲率半径 -10.36
k= 1.6053×10+1
a= 1.3798×10-4 b=-2.5576×10-2 c= 1.6382×10-2
d=-3.1037×10-3
非球面[6]
曲率半径 -4.45
k=-4.9016×10+0
a=-3.0400×10-2 b= 1.7725×10-3
非球面[7]
曲率半径 500.00
k=-3.5486×10+19
a= 1.2022×10-2 b=-7.0126×10-4
非球面[8]
曲率半径 -9.84
k=-5.9318×10+8
a= 3.3798×10-3 b=-7.3468×10-4
図3は本発明の結像光学系の第2実施例の光学構成を示す光軸に沿う断面図、図4は第2実施例にかかる結像光学系の球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
第2実施例の結像光学系は、物体側から順に、正メニスカスレンズL1と、明るさ絞りSと、負メニスカスレンズL2と、正メニスカスレンズL3と、正レンズL4とで構成されている。また、上記各レンズにおける全ての屈折面は、非球面で構成されている。図3中、Iは撮像素子の撮像面である。
正メニスカスレンズL1は、第1レンズである。この正メニスカスレンズL1は、物体側に凸面を向けている。負メニスカスレンズL2は、第2レンズである。この負メニスカスレンズL2は、物体側に凹面を向けている。正メニスカスレンズL3は、第3レンズである。この正メニスカスレンズL3は、像側に凸面を向けている。正レンズL4は、第4レンズである。この正レンズL4は、両面が凸面である。
第2実施例では、第1レンズL1がガラス、第2レンズL2、第3レンズL3及び第4レンズL4がプラスチックで構成されている。用いているプラスチックは、第3レンズL3と第4レンズL4はポリオレフィン系のゼオネックス、第2レンズL2はポリカーボネートである。
また、結像光学系の像面には、1/3インチ、200万画素(画素間隔P=3.0μm)の撮像素子が配置されている。
数値データ2
焦点距離:4.70mm、Fno(開放Fナンバー):2.8、像高:3.0mm、
半画角:33°
面番号 曲率半径 面(又は空気)間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 非球面[1] 1.01 1.6779 55.3
2 非球面[2] 0.21
3 絞り面 0.43
4 非球面[3] 0.50 1.5839 30.2
5 非球面[4] 0.10
6 非球面[5] 0.78 1.5091 56.2
7 非球面[6] 0.10
8 非球面[7] 1.63 1.5091 56.2
9 非球面[8] 1.38
像 面 ∞
曲率半径 1.78
k= 2.0971×10-1
a= 2.3654×10-3 b= 3.1037×10-3
非球面[2]
曲率半径 3.57
k= 4.8780×10+0
a= 3.2966×10-3 b=-1.5751×10-2
非球面[3]
曲率半径 -1.72
k=-1.4015×10+0
a=-3.6868×10-2 b=-5.6464×10-3 c=-6.7915×10-2
非球面[4]
曲率半径 -2.24
k=-2.4168×10+0
a= 3.7716×10-2 b=-1.2219×10-2
非球面[5]
曲率半径 -4.40
k= 1.0107×10+1
a= 3.0421×10-2 b=-9.2829×10-3
非球面[6]
曲率半径 -2.87
k=-2.5874×10+0
a=-1.6234×10-2 b= 2.9518×10-3
非球面[7]
曲率半径 300.00
k=-3.5486×10+19
a= 4.6389×10-4 b=-1.5500×10-5
非球面[8]
曲率半径 -84.94
k=-5.9318×10+8
a=-4.9294×10-3 b=-1.4313×10-3
図5は本発明の結像光学系の第3実施例の光学構成を示す光軸に沿う断面図、図6は第3実施例にかかる結像光学系の球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
第3実施例の結像光学系は、物体側から順に、正メニスカスレンズL1と、明るさ絞りSと、負メニスカスレンズL2と、正メニスカスレンズL3と、正レンズL4とで構成されている。また、上記各レンズにおける全ての屈折面は、非球面で構成されている。図5中、Iは撮像素子の撮像面である。
正メニスカスレンズL1は、第1レンズである。この正メニスカスレンズL1は、物体側に凸面を向けている。負メニスカスレンズL2は、第2レンズである。この負メニスカスレンズL2は、物体側に凹面を向けている。正メニスカスレンズL3は、第3レンズである。この正メニスカスレンズL3は、像側に凸面を向けている。正レンズL4は、第4レンズである。この正レンズL4は、両面が凸面である。
第3実施例では、第1レンズL1と第3レンズL3がガラス、第2レンズL2と第4レンズL4がプラスチックで構成されている。用いているプラスチックは、第4レンズL4はポリオレフィン系のゼオネックス、第2レンズL2はポリカーボネートである。
また、結像光学系の像面には、1/3インチ、200万画素(画素間隔P=3.0μm)の撮像素子が配置されている。
数値データ3
焦点距離:4.50mm、Fno(開放Fナンバー):3.2、像高:3.0mm、
半画角:34°
面番号 曲率半径 面(又は空気)間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 非球面[1] 0.97 1.6779 55.3
2 非球面[2] 0.20
3 絞り面 0.52
4 非球面[3] 0.50 1.5839 30.2
5 非球面[4] 0.10
6 非球面[5] 1.09 1.5091 56.2
7 非球面[6] 0.10
8 非球面[7] 1.91 1.5091 56.2
9 非球面[8] 0.79
像 面 ∞
曲率半径 1.63
k= 1.8093×10-1
a= 4.5318×10-3 b= 4.1201×10-3
非球面[2]
曲率半径 2.86
k= 3.9847×10+0
a= 9.5441×10-4 b=-2.8751×10-2
非球面[3]
曲率半径 -1.05
k=-4.4472×10-1
a=-7.1775×10-2 b= 7.1040×10-2 c=-1.6964×10-1
非球面[4]
曲率半径 -1.26
k=-7.4056×10-1
a= 1.0694×10-2 b= 4.1614×10-2
非球面[5]
曲率半径 -19.08
k= 2.2912×10+1
a= 1.3407×10-2 b=-1.4085×10-3
非球面[6]
曲率半径 -6.50
k= 3.1891×10+0
a=-1.7929×10-2 b= 2.3492×10-3
非球面[7]
曲率半径 300.00
k=-3.5486×10+19
a= 1.5087×10-3 b=-1.4407×10-4
非球面[8]
曲率半径 -20.64
k=-5.9318×10+8
a=-1.0964×10-3 b=-6.6442×10-4
図7は本発明の結像光学系の第4実施例の光学構成を示す光軸に沿う断面図、図8は第4実施例にかかる結像光学系の球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
第4実施例の結像光学系は、物体側から順に、正メニスカスレンズL1と、明るさ絞りSと、負メニスカスレンズL2と、正メニスカスレンズL3と、正レンズL4とで構成されている。また、上記各レンズにおける全ての屈折面は、非球面で構成されている。図7中、Iは撮像素子の撮像面である。
正メニスカスレンズL1は、第1レンズである。この正メニスカスレンズL1は、物体側に凸面を向けている。負メニスカスレンズL2は、第2レンズである。この負メニスカスレンズL2は、物体側に凹面を向けている。正メニスカスレンズL3は、第3レンズである。この正メニスカスレンズL3は、像側に凸面を向けている。正レンズL4は、第4レンズである。この正レンズL4は、両面が凸面である。
第4実施例では、第1レンズL1と第3レンズL3がガラス、第2レンズL2と第4レンズL4がプラスチックで構成されている。用いているプラスチックは、第4レンズL4はポリオレフィン系のゼオネックス、第2レンズL2はポリカーボネートである。
また、結像光学系の像面には、1/3インチ、130万画素(画素間隔P=3.6μm)の撮像素子が配置されている。
数値データ4
焦点距離:4.90mm、Fno(開放Fナンバー):2.4、像高:3.0mm、
半画角:31°
面番号 曲率半径 面(又は空気)間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 非球面[1] 1.22 1.5831 59.4
2 非球面[2] 0.23
3 絞り面 0.40
4 非球面[3] 0.50 1.5839 30.2
5 非球面[4] 0.11
6 非球面[5] 0.87 1.8061 40.9
7 非球面[6] 0.10
8 非球面[7] 1.50 1.5091 56.2
9 非球面[8] 1.73
像 面 ∞
曲率半径 1.82
k= 3.5885×10-1
a=-1.1794×10-3 b= 5.3463×10-4
非球面[2]
曲率半径 4.06
k= 5.2264×10+0
a= 1.1141×10-2 b= 1.0771×10-3
非球面[3]
曲率半径 -2.28
k=-2.0296×10+0
a=-3.0425×10-2 b=-8.3232×10-3 c=-3.7680×10-2
非球面[4]
曲率半径 -7.13
k=-4.1823×10+1
a= 4.7941×10-2 b=-1.5400×10-2
非球面[5]
曲率半径 -7.16
k= 1.9967×10+1
a= 2.7582×10-2 b=-1.7023×10-4
非球面[6]
曲率半径 -2.79
k=-6.1217×10+0
a=-2.7227×10-2 b= 6.7906×10-3
非球面[7]
曲率半径 300.00
k=-3.5486×10+19
a= 3.5355×10-3 b=-1.1022×10-4
非球面[8]
曲率半径 -247.18
k=-5.9318×10+8
a=-6.7287×10-3 b=-7.6835×10-4
このフレア絞りとしての作用を持たせるためには、枠によりフレア光線をカットする方法でも良いし、別の部材を設けることによって、フレア光線をカットする方法を採用しても良い。または、フレア絞りを光学系に直接印刷したり、塗装したり、シールなどを接着することにより構成しても良い。
また、フレア絞りの形状は、円形、楕円形、矩形、多角形、関数曲線で囲まれる範囲等、いかなる形状でもかまわない。
また、フレア絞りを設けることによって、有害光束をカットするだけでなく画面周辺のコマフレア等の光束をカットするようにしても良い。
また、各レンズに反射防止コートを行い、ゴースト、フレアを軽減するようにしてもかまわない。その場合、マルチコートにすると効果的にゴースト、フレアを軽減できる。また、レンズ面やカバーガラスなどに、赤外カットコートを行っても良い。
また、図示はしていないが、本発明の光学系は、フィルムやCCDを記録部材とするカメラや監視カメラ等の光学装置にも適している。よって、上記の光学系を備えた光学装置も、本発明として含まれる。
表1
撮影光学系14は、撮影光路16上に配置された本発明の結像光学系と、像を受光する撮像素子とを有し、これらは携帯電話に内臓されている。撮像素子の前面にはIRカットフィルターが設けられ、また、撮影光学系14の先端には該光学系を保護するためのカバーガラスが配置されている。撮像素子で受光された物体像は、携帯電話に内蔵された図示しない処理手段に入力され、電子画像としてモニター13に、または、通信相手のモニターに、または、その両方に表示される。また、通信相手に画像を送信する場合には、上記処理手段に含まれる信号処理機能により、撮像素子で受光された物体像の情報が送信可能な信号へ変換されるようになっている。
L12、L22、L32、L42 正屈折力の第2レンズ
L13、L23、L33、L43 負屈折力の第3レンズ
L14、L24、L34、L44 正屈折力の第4レンズ
I 撮像面
S 明るさ絞り
1 撮影光学系
2 撮影光路
3 ファインダー光学系
4 ファインダー用光路
5 シャッター釦
6 フラッシュ
7 液晶表示モニター
10 マイク部
11 スピーカ部
12 入力ダイアル
13 モニター
14 撮影光学系
15 アンテナ
16 撮影光路
Claims (4)
- 物体側から順に、第1レンズとしての物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、明るさ絞りと、第2レンズとしての物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズと、第3レンズとしての像側に凸面を向けた正レンズと、第4レンズとしての両面が凸面の正レンズを配置して構成し、
前記第4レンズは少なくとも一つの非球面を有し、
次の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
1.0 < φm/φp < 50.0
但し、φmは最大光線高の位置における前記第4レンズのパワー、φpは近軸における前記第4レンズのパワーである。 - 次の条件式を満足することを特徴とする請求項1に記載の結像光学系。
0.3 < f1/f < 2.0
但し、f1は前記第1レンズの焦点距離、fは前記結像光学系全系の焦点距離である。 - 物体側から順に、第1レンズとしての物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、明るさ絞りと、第2レンズとしての物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズと、第3レンズとしての像側に凸面を向けた正レンズと、第4レンズとしての両面が凸面の正レンズを配置して構成し、
前記第1レンズ、前記第2レンズ、前記第3レンズ及び前記第4レンズのうち一部のレンズはプラスチックレンズであり、
次の条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
0.03 < ML/TL < 0.15
但し、TLは前記結像光学系の全長、MLは前記結像光学系を構成するプラスチックレンズにおける最小軸上肉厚である。 - 請求項1から3のいずれかに記載の結像光学系を備えた電子機器。
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