JP4935235B2 - 小型撮像系及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は新規な小型撮像系及び撮像装置に関する。詳しくは、小型でありながら良好な光学性能を有する小型撮像系及び該小型撮像系を使用した撮像装置に関する。

一般に的に携帯用途の撮像装置用の撮像系には、小型であり、且つ、近距離での撮影範囲の広いことが望まれている。このような要求を満たすために、例えば、特許文献１や特許文献２などで示されている、１枚のプラスチックレンズで構成したＦ４程度の明るさを有し、水平画角５０°程度のものが知られている。

特開２００３−１３１１２４号公報 特開２０００−２４９９１号公報

しかしながら、最近の携帯用途の撮像装置では、小型化の要求が強いために撮像素子の小型化が更に進み、光学全長を短くしつつ結像性能を向上させることが望まれており、前記特許文献１や特許文献２で示された撮像系ではこれらの要求を満たすことができない。

本発明は、前記問題に鑑みて為されたものであり、Ｆナンバーが小さく、且つ、広い撮影画角を有し収差が良好に補正され小型撮像系を低コストの単玉レンズで構成すること及び該小型撮像系を使用した撮像装置を提供することを課題とする。

本発明の一実施形態による小型撮像系は、両凸形状で両面が非球面で構成された単レンズと該単レンズの物体側面に近接して位置した開口絞りとで構成され、物体側の非球面を光軸から周辺に向かうに従って正の屈折力を強める非球面とし、像面側の非球面を光軸から周辺に向かうに従って正の屈折力を弱める非球面とし、以下の条件式（１）、（２）、（３）、（４）を満足する。
（１）１．１０≦ｒ１／ｆ＜１．４３
（２）０．６３＜｜ｒ２｜／ｆ＜１．１９
（３）０．１５＜ｄ／Ｄ＜０．７
（４）５０＜νｄ
但し、
ｒ１：物体側の面の近軸曲率半径
ｒ２：像側の面の近軸曲率半径
ｆ：単レンズの焦点距離
ｄ：ｒ１面から開口絞りまでの距離
Ｄ：単レンズの厚み
νｄ：単レンズのｄ線（λ=587.6nm）に対するアッベ数
とする。

また、本発明の一実施形態による撮像装置は、小型撮像系と、該小型撮像系によって形成された光学像を電気信号に変換する撮像素子を備え、前記小型撮像系は、両凸形状で両面が非球面で構成された単レンズと該単レンズの物体側面に近接して位置した開口絞りとで構成され、物体側の非球面を光軸から周辺に向かうに従って正の屈折力を強める非球面とし、像面側の非球面を光軸から周辺に向かうに従って正の屈折力を弱める非球面とし、条件式（１）１．１０≦ｒ１／ｆ＜１．４３、（２）０．６３＜｜ｒ２｜／ｆ＜１．１９、（３）０．１５＜ｄ／Ｄ＜０．７、（４）５０＜νｄを満足する。

本発明によれば、小型に構成しつつ小さいＦナンバーと広い撮影画角を有し、さらに、収差が良好に補正される。

以下に、本発明小型撮像系及び撮像装置を実施するための最良の形態について図面及び表を参照して説明する。

本発明小型撮像系は、両凸形状で両面が非球面で構成された単レンズと該単レンズの物体側面に近接して位置した開口絞りとで構成され、物体側の非球面を光軸から周辺に向かうに従って正の屈折力を強める非球面とし、像面側の非球面を光軸から周辺に向かうに従って正の屈折力を弱める非球面とし、以下の条件式（１）、（２）、（３）、（４）を満足する。
（１）１．１０≦ｒ１／ｆ＜１．４３
（２）０．６３＜｜ｒ２｜／ｆ＜１．１９
（３）０．１５＜ｄ／Ｄ＜０．７
（４）５０＜νｄ
但し、
ｒ１：物体側の面の近軸曲率半径
ｒ２：像側の面の近軸曲率半径
ｆ：単レンズの焦点距離
ｄ：ｒ１面から開口絞りまでの距離
Ｄ：単レンズの厚み
νｄ：単レンズのｄ線（λ=587.6nm）に対するアッベ数
とする。

小型の撮像素子を用いるのに適した単玉からなる全長の短い撮像系を得ようとした場合、レンズの物体側の面はそれより前に配置した開口絞りに対して、凹面とせずに凸面とし、両凸レンズを採用することが望ましい。これによって、物体側の面を凹面とする場合に比較してレンズの焦点距離を短くすることができるので、撮像系の全長を短くすることができる。

しかしながら、開口絞りに続く第１面を凸面とすると、物体側から、開口絞り、正レンズの順に配置したことで発生する歪曲収差に加えて、第１面の凸面でさらに負の歪曲を発生させることになる。

そこで、本発明小型撮像系にあっては、像側面、すなわち、第２面の非球面形状を、光軸から周辺に向かうに従って正の屈折力を弱める形状の非球面とした。このような形状の非球面が、周辺光線に対して正の歪曲を加える作用を為し、全系として歪曲収差を良好に補正することができる。

また、物体側の面を開口絞りに対してコンセトリック（ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ）な構成としないために、非点収差の補正が難しくなる。そこで、本発明小型撮像系にあっては、物体側の非球面を光軸から周辺に向かうに従って正の屈折力を強めるような非球面とすることで、周辺光束のサジタル、メリジョナル光線の曲率半径の差を小さくし、非点収差の補正を行っている。

さらに、第１面、すなわち、単レンズの物体側面を凸面とすることによって、前置絞りの構成、すなわち、開口絞りを光学系の最前部に配置する構成とする場合に有利である。例えば、撮像装置の樹脂製の筐体前面に開口を形成し、該開口を開口絞りとして利用する場合、物体側面の光学有効面から外側への延長部分（レンズフランジとなる部分）が像面側に変位するため、該レンズフランジと筐体の開口絞りに隣接した部分との間に空間が確保され、該空間の分、筐体の肉厚を厚くすることが出来、筐体の開口絞り周辺部分の変形に対する強度が増大し、開口絞りの成形性が良好となるため、開口絞りの寸法精度が向上する。

前記条件式（１）は第１面、すなわち、単レンズの物体側面の近軸曲率半径を規定するものである。

条件式（１）の上限値を上回ると、物体側面の中心の曲率半径が大きくなりすぎ、レンズフランジと第１面との間の光軸方向における位置の差が小さくなり、前置絞りの構成において、開口絞りを樹脂で形成する場合に、鏡筒の全長を短く構成しようとしたときに、筐体前面と単レンズとの間の間隔を小さくするために、筐体の開口絞り周辺の肉厚を十分に確保することが出来なくなり、成形後の変形が生じる危険が大きくなり、開口絞りの寸法精度を確保しにくくなる。

条件式（１）の下限値を下回ると、物体側面の曲率半径が小さくなり、全長を短くする上では望ましいが、像面湾曲がアンダーになり、平坦な像面を確保することが出来なくなる。

前記条件式（２）は第２面、すなわち、単レンズの像側面の近軸曲率半径を規定するものである。

条件式（２）の上限値を上回ると、像側面の中心の曲率半径が大きくなり、像面湾曲がオーバー化し、フラットな結像性能を確保することが出来なくなる。

条件式（２）の下限値を下回ると、像側面の曲率半径が小さくなり、非球面をもってしても負の歪曲収差の補正が困難になる。

前記条件式（３）は単レンズの中心厚を規定するものである。

条件式（３）の下限値を下回ると、単レンズの中心厚が小さくなり、射出成形機によってレンズを成形する際に、成形条件のコントロールが著しく難しくなり、量産性の確保が困難となる。

条件式（３）の上限値を上回ると、単レンズの中心厚が大きくなり、その結果、全長が長くなり好ましくない。

前記条件式（４）は色収差を良好に保つための条件を規定するものである。

本発明の撮像系は単レンズで構成されるので、色収差を補正するための手段を有しないため、単レンズのｄ線に対する色収差が５０以下であると、軸上色収差、倍率色収差共に悪化する。

以上のような構成により、本発明小型撮像系にあっては、レンズが両面を非球面とした単レンズのみという極めて簡単な構成にもかかわらず、Ｆナンバーを小さくすると共に、水平画角が５５°程度に及ぶまで各収差が良好に補正され、しかも全長を短く構成することができる。

以下に、本発明小型撮像系の具体的な実施形態及びそれら実施形態にさらに具体的な数値を適用した数値実施例について説明する。

なお、本発明小型撮像系においては非球面が採用されている。そこで、非球面変形量ΔＨ（ｈ）は、面の頂点を原点とし光軸方向をＸ軸とした直交座標系において、光軸と直交する方向をｈ、頂点曲率半径をｒ、円錐定数をＫ、４次、６次、８次、１０次、１２次、１４次の非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆとして、数１式によって定義されるものとする。

図１は本発明小型撮像系の第１の実施の形態のレンズ構成を示すものである。小型撮像系１は、物体側から順に、開口絞りＳ、両凸形状で両面が非球面で構成された正レンズＬ１を配置して構成する。なお、図１において、ＩＭＧは撮像面、Ｇは撮像面の物体側に位置しローパスフィルターを兼ねたカバーガラスである。

表１に前記第１の実施の形態にかかる小型撮像系１に具体的数値を適用した数値実施例１のレンズデータを示す。なお、表１及び他のレンズデータ示す表において、Ｓｉは物体側からｉ番目の面を、Ｒは第ｉ面の近軸曲率半径を、Ｄは物体側からｉ番面の面とｉ＋１番面の面との間の軸上面間隔を、Ｎｄは物体側に第ｉ面を有する媒体のｄ線に対する屈折率を、νｄは物体側に第ｉ面を有する媒体のｄ線に対するアッベ数を、ｆは正レンズＬ１の焦点距離を、それぞれ示し、また、曲率半径Ｒに関しｉｎｆは当該面が平面であることを示す。

第２面（Ｓ２）及び第３面（Ｓ３）は非球面で構成されている。数値実施例１における前記各面の４次、６次、８次、１０次、１２次、１４次の非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆを円錐定数κと共に表２に示す。なお、表２及び以下の非球面係数を示す表において「Ｅ−ｉ」は１０を底とする指数表現、すなわち、「１０^−ｉ」を表しており、例えば、「0.12345E-05」は「0.12345×10^-5」を表している。

図２は数値実施例１の縦収差（球面収差、非点収差、歪曲収差）を示すものであり、球面収差を示す図で実線はｄ線に対するものを、破線はｇ線（λ＝435.84nm）に対するものを、非点収差を示す図で実線はサジタル像面を、破線はメリジョナル像面を、それぞれ示す。

図２は本発明小型撮像系の第２の実施の形態のレンズ構成を示すものである。小型撮像系２は、物体側から順に、開口絞りＳ、両凸形状で両面が非球面で構成された正レンズＬ１を配置して構成する。なお、図２において、ＩＭＧは撮像面、Ｇは撮像面の物体側に位置しローパスフィルターを兼ねたカバーガラスである。

表３に前記第２の実施の形態にかかる小型撮像系２に具体的数値を適用した数値実施例１のレンズデータを示す。

第２面（Ｓ２）及び第３面（Ｓ３）は非球面で構成されている。数値実施例２における前記各面の４次、６次、８次、１０次、１２次、１４次の非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆを円錐定数κと共に表４に示す。

図４は数値実施例２の縦収差（球面収差、非点収差、歪曲収差）を示すものであり、球面収差を示す図で実線はｄ線に対するものを、破線はｇ線に対するものを、非点収差を示す図で実線はサジタル像面を、破線はメリジョナル像面を、それぞれ示す。

表５に数値実施例１及び数値実施例２の条件式（１）乃至（４）対応値を示す。

前記各表及び収差図から分かるように、数値実施例１及び数値実施例２共に、レンズが両面を非球面とした単レンズのみという極めて簡単な構成にもかかわらず、条件式（１）乃至（４）を満足し、Ｆナンバーが３程度と明るく、水平画角が５５°程度に及ぶまで各収差が良好に補正され、しかも全長を短く構成することができた。さらに、レンズＬ１をプラスチックで形成することによって、さらに安価に、且つ、軽量に構成することができ、また、非球面の形成も容易である。

次に、本発明撮像装置について説明する。

本発明撮像装置は、小型撮像系と、該小型撮像系によって形成された光学像を電気信号に変換する撮像素子を備え、前記小型撮像系は、両凸形状で両面が非球面で構成された単レンズと該単レンズの物体側面に近接して位置した開口絞りとで構成され、物体側の非球面を光軸から周辺に向かうに従って正の屈折力を強める非球面とし、像面側の非球面を光軸から周辺に向かうに従って正の屈折力を弱める非球面とし、以下の条件式（１）１．１０≦ｒ１／ｆ＜１．４３、（２）０．６３＜｜ｒ２｜／ｆ＜１．１９、（３）０．１５＜ｄ／Ｄ＜０．７、（４）５０＜νｄを満足する。

図５乃至図７に本発明撮像装置を携帯電話のカメラ部に適用した実施の形態を示す。

図５及び図６は携帯電話１０の外観を示すものである。

携帯電話１０は、表示部２０と本体部３０とが中央のヒンジ部で折り畳み可能に連結されて構成され、携行時には図５に示すように折り畳んだ状態とし、通話時等の使用時には図６に示すように表示部２０と本体部３０とを開いた状態とする。

表示部２０の背面側の一側部に寄った位置には基地局との間で電波の送受信を行うためのアンテナ２１が出し入れ自在に設けられ、また、表示部２０の内側面には該内側面のほぼ全体を占める大きさの液晶表示パネル２２が配置され、該液晶表示パネル２２の上方にはスピーカ２３が配置されている。さらに、この表示部２０にはデジタルカメラ部の撮像ユニット１Ａが配置されており、該撮像ユニット１Ａの撮像系１（又は撮像系２）が表示部２０の背面に形成された臨ませ孔２４を介して外方に臨んでいる。なお、ここで撮像ユニットの用語は、撮像レンズ１と撮像素子４とによって構成されるものとして使用している。すなわち、撮像レンズ１と撮像素子４とは同時に表示部２０内に設けられる必要があるが、デジタルカメラ部を構成するその他の部分、例えば、カメラ制御部や記録媒体等は本体部３０に配置されても良いことを明確にするために用いたのが撮像ユニットなる概念である。なお、上記撮像素子４としては、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)等の光電変換素子を使用したものが適用可能である。また、前記臨ませ孔２４の開口周縁２４ａが前記撮像系１（又は撮像系２）の開口絞りＳとなる。

さらにまた、表示部２０の先端部には赤外通信部２５が配置され、該赤外通信部には、図示しないが、赤外線発光素子と赤外線受光素子を備えている。

本体部３０の内側面には「０」乃至「９」の数字キー、発呼キー、電源キー等の操作キー３１、３１、・・・が設けられており、操作キー３１、３１、・・・が配置された部分の下方にはマイクロフォン３２が配置されている。また、本体部３０の側面にはメモリカードスロット３３が設けられ、該メモリカードスロット３３を介してメモリカード４０を本体部３０に挿脱することができるようになっている。

図７は携帯電話１０の構成を示すブロック図である。

携帯電話１０はＣＰＵ（Central Processing Unit）５０を備え、該ＣＰＵ５０が携帯電話１０の全体の動作を制御する。すなわち、ＣＰＵ５０はＲＯＭ（Read Only Memory）５１に記憶されている制御プログラムをＲＡＭ５２（Random Access Memory）に展開し、バス５３を介して携帯電話１０の動作を制御する。

カメラ制御部６０は撮像系１と撮像素子４から成る撮像ユニット１Ａを制御して静止画及び動画等の画像の撮影を行うもので、得られた画像情報に関してＪＰＥＧ、ＭＰＥＧ等への圧縮加工等を行った後、バス５３に載せる。バス５３に乗せられた画像情報は、上記ＲＡＭ５２に一時的に保存され、必要に応じてメモリカードインターフェース４１に出力され、メモリカードインターフェース４１によってメモリカード４０に保存されたり、或いは、表示制御部５４を介して液晶表示パネル２２に表示される。また、撮影時に同時にマイクロフォン３２を通じて収録された音声情報も音声コーデック７０を介して画像情報と共にＲＡＭ５２へ一時的に保存されたり、メモリカード４０へ保存され、また、液晶表示パネル２２への画像表示と同時に音声コーデック７０を介してスピーカ２３から出力される。さらに、上記画像情報や音声情報は、必要に応じて、赤外線インターフェース５５に出力され、該赤外線インターフェース５５によって赤外線通信部２５を介して外部に出力され、同じような赤外線通信部を備えた機器、例えば、携帯電話、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）等の外部の情報機器へ伝達される。なお、ＲＡＭ５２やメモリカード４０に保存されている画像情報に基づいて液晶表示パネル２２に動画あるいは静止画を表示するときには、カメラ制御部６０において、ＲＡＭ５２やメモリカード４０に保存されているファイルのデコードや解凍を行った後の画像データがバス５３を介して表示制御部５４に送られる。

通信制御部８０はアンテナ２１を介して基地局との間で電波の送受信を行い、音声通話モードにおいては、受信した音声情報を処理した後音声コーデック７０を介してスピーカ２３に出力し、また、マイクロフォン３２が集音した音声を音声コーデック７０を介して受領して所定の処理を施した後送信する。

上記した撮像系１（又は撮像系２）は奥行を短く構成することが出来るので、携帯電話１０のように厚さに制約のある機器にも容易に搭載することが出来る。また、広い水平画角を有するので、１画面に多くの情報を取り込むことができ、携帯型情報機器である携帯電話の撮像系として好適である。

なお、上記実施の形態では、本発明撮像装置を携帯電話に適用した例を示したが、本発明撮像装置は、その他の情報機器、例えば、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ等にも適用することができることは勿論であり、また、これら情報機器に適用して大きな利点を有する。

なお、上記した実施の形態及び数値実施例において示した具体的な構造及び形状並びに数値は、本発明を実施するに際して行う具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。

本発明小型撮像系の第１の実施の形態のレンズ構成を示す図である。 第１の実施の形態に具体的数値を適用した数値実施例１の縦収差（球面収差、非点収差、歪曲収差）を示す図である。 本発明小型撮像系の第２の実施の形態のレンズ構成を示す図である。 第２の実施の形態に具体的数値を適用した数値実施例２の縦収差（球面収差、非点収差、歪曲収差）を示す図である。 図６及び図７と共に本発明撮像装置を携帯電話のカメラ部に適用した実施の形態を示すものであり、本図は非使用状態又は待ち受け状態を示す斜視図である。 使用状態を示す斜視図である。 内部構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…小型撮像系、２…小型撮像系、Ｌ１…レンズ、Ｓ…開口絞り、４…撮像素子、１０…携帯電話（撮像装置）

Claims (2)

1. 両凸形状で両面が非球面で構成された単レンズと該単レンズの物体側面に近接して位置した開口絞りとで構成され、
   物体側の非球面を光軸から周辺に向かうに従って正の屈折力を強める非球面とし、
   像面側の非球面を光軸から周辺に向かうに従って正の屈折力を弱める非球面とし、
   以下の条件式（１）、（２）、（３）、（４）を満足することを特徴とする小型撮像系。
   （１）１．１０≦ｒ１／ｆ＜１．４３
   （２）０．６３＜｜ｒ２｜／ｆ＜１．１９
   （３）０．１５＜ｄ／Ｄ＜０．７
   （４）５０＜νｄ
   但し、
   ｒ１：物体側の面の近軸曲率半径
   ｒ２：像側の面の近軸曲率半径
   ｆ：単レンズの焦点距離
   ｄ：ｒ１面から開口絞りまでの距離
   Ｄ：単レンズの厚み
   νｄ：単レンズのｄ線（λ=587.6nm）に対するアッベ数
   とする。
2. 小型撮像系と、該小型撮像系によって形成された光学像を電気信号に変換する撮像素子を備えた撮像装置であって、
   前記小型撮像系は、両凸形状で両面が非球面で構成された単レンズと該単レンズの物体側面に近接して位置した開口絞りとで構成され、物体側の非球面を光軸から周辺に向かうに従って正の屈折力を強める非球面とし、像面側の非球面を光軸から周辺に向かうに従って正の屈折力を弱める非球面とし、以下の条件式（１）、（２）、（３）、（４）を満足することを特徴とする撮像装置。
   （１）１．１０≦ｒ１／ｆ＜１．４３
   （２）０．６３＜｜ｒ２｜／ｆ＜１．１９
   （３）０．１５＜ｄ／Ｄ＜０．７
   （４）５０＜νｄ

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