JP5398400B2 - 撮像レンズ - Google Patents

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Description

本発明は、デジタルスチルカメラや携帯通信端末用カメラ等、固体撮像素子を使用した撮像装置に用いられる単焦点レンズに関する。
デジタルスチルカメラはカードタイプなど年々薄型のものが作られ、撮像装置の小型化が求められている。また、携帯電話においても端末自体の薄型化や多機能を搭載するスペース確保のために撮像装置の小型化が求められている。それにより、撮像装置に搭載される撮像レンズへのさらなる小型化の要求が高まっている。
CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Mental Oxide Semiconductor)といった撮像素子の小型化と同時に、撮像素子の画素ピッチの微細化による高画素数化が進み、それに伴い、これら撮像装置に使用される撮像レンズにも高い性能が求められてきている。
これらの固体撮像素子の表面には、光を効率良く入射させるためのマイクロレンズが設けられている。しかし、射出瞳位置が像面に近づくと、撮像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ため、シェーディング現象がおきる。すると、マイクロレンズによる集光が不十分になり、画像の明るさが画像中央部と画像周辺部とで極端に変化するという問題が生じることになる。この問題を解決するためには射出角度が小さいテレセントリック光学系であることが望ましい。
以上のように、CCDやCMOSセンサ等の撮像素子に像を結像させる撮像レンズには、まず小型であることが要求されることになる。その上で、良好な結像性能と歪曲収差特性、十分な周辺光量、適度なバックフォ−カスを持ち、また射出瞳位置ができるだけ長いことも要求される。
これらの要望に対応し得る可能性がある撮像レンズとして、計4枚のレンズで構成された単焦点レンズ(例えば、特許文献1,2を参照。)、計3枚のレンズで構成された単焦点レンズ(例えば、特許文献3を参照。)が提案されている。しかしながら、この特許文献1,2に記載される単焦点レンズでは、高い結像性能を持たせるため、レンズ系全長がかなり長くなるといった問題が発生してしまう。また、特許文献3に記載される単焦点レンズは今後さらに進む撮像装置の高画素化によって光学性能が不足する可能性がある。
特開2003−241081号公報 特開2004−102234号公報 特開2006−98429号公報
本発明は、上記の点に鑑みて成されたものであり、目的とするのは、4枚構成によって高い光学性能を持ちつつ、レンズの形状、非球面の形状等を適切に設定することにより小型、薄型の撮像レンズを提供することである。
上記目的を達成するため本発明のレンズは、物体側から順に、開口絞りと、正の屈折力を有する両凸形状の第1レンズと、第1レンズと接合され負の屈折力を有する両凹形状の第2レンズと、正の屈折力を有する少なくとも1つの屈折面を非球面形状とした像側に凸のメニスカス形状の第3レンズと、負の屈折力を有する少なくとも1つの屈折面を非球面形状とした両凹形状の第4レンズとの4枚のレンズが配置され、下記条件式(1)および(3)乃至(6)を満足することを特徴とする。
TL/f<1.7 … (1)
1.0<f12/f<1.5 … (3)
0.5<f3/f< 0.9 … (4)
−1.0<f4/f<−0.4 … (5)
−1.4<f3/f4<−0.8 … (6)
ただし、
f :レンズ全系の焦点距離
TL:開口絞りの面から結像面までの距離
(ただし、平行平面ガラス部分は空気換算距離)
f12:第1レンズと第2レンズの合成焦点距離
f3:第3レンズの焦点距離
f4:第4レンズの焦点距離
更に好適には、前記第1レンズ及び前記第2レンズが硝子材料により形成され、前記第3レンズ及び前記第4レンズが樹脂材料で形成されることを特徴とする。
更に好適には、前記第1レンズ及び前記第2レンズを構成する材料のd線に対するアッベ数に関して、下記条件式(2)を満足していることを特徴とする。
10<ν1−ν2 … (2)
ただし、
ν1:第1レンズのd線に対するアッベ数
ν2:第2レンズのd線に対するアッベ
に好適には、下記条件式(7)を満足することを特徴とする。
0.7<R3/f<5.0 … (7)
ただし、
f:レンズ全系の焦点距離
R3:第2レンズ像側面の曲率半径
更に好適には、下記条件式(8)を満足することを特徴とする。
−0.5<R5/f<−0.2 … (8)
ただし、
f:レンズ全系の焦点距離
R5:第3レンズ像側面の曲率半径
本発明によれば、全長が短く、諸収差が良好に補正され、明るい撮像レンズを提供することができる。その結果、デジタルカメラや携帯通信端末用カメラ等に搭載可能なコンパクトな撮像レンズを実現することができる。
本実施形態の撮像レンズの基本構成を示す図である。 本実施形態において、撮像レンズの絞り部、各レンズに対して付与した面 番号を示す図である。 実施例1 において、球面収差、および非点収差を示す収差図である。 実施例2 において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例2 において、球面収差、非点収差、および歪曲収差を示す収差図 である。 実施例3 において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例3 において、球面収差、非点収差、および歪曲収差を示す収差図 である。 実施例4 において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例4 において、球面収差、非点収差、および歪曲収差を示す収差図 である。 実施例5 において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例5 において、球面収差、非点収差、および歪曲収差を示す収差 図である。 実施例6 において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例6 において、球面収差、非点収差、および歪曲収差を示す収差 図である。 実施例7 において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例7 において、球面収差、非点収差、および歪曲収差を示す収差 図である。 実施例8 において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例8 において、球面収差、非点収差、および歪曲収差を示す収差 図である。 実施例9 において採用した撮像レンズの構成を示す図である。 実施例9 において、球面収差、非点収差、および歪曲収差を示す収差 図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しつつ説明する。図1に実施の形態のレンズ構成をそれぞれ光学断面で示す。これらの実施形態は物体側から順に、開口絞り110、第1レンズ120、第2レンズ130、第3レンズ140、第4レンズ150、平行平面のガラス板160、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Mental-Oxide Semiconductor device)等の撮像素子170が配置される4枚構成の単焦点レンズ100である。
本発明を実施した撮像レンズで4枚のレンズは、物体側から順に、開口絞り110と、両側に凸面を向けた正の屈折力を有する第1レンズ120と、第1レンズと接合され両側に凹面を向けた負の屈折力を有する第2レンズ130と、像側に凸面を向けた正の屈折力を有する第3レンズ140と、両側に凹面を向けた負の屈折力を有する第4レンズ150のように配列されている。レンズよりも前方に開口絞りを設けることにより、射出瞳面を結像面から離すことが可能となり、結果として結像面への光線入射角度を小さくすることが可能となる。第1レンズと第2レンズを接合させることにより、全長を短くするとともに製造誤差による偏心量を小さくすることが出来るため、結果として高い光学性能を得ることが可能となる。
撮像レンズ100において、物体側OBJS より入射した光は、開口絞り部110の面1、第1レンズ120の物体側R1面2、像面側R2面3、第2レンズ130の像面側R3面4、第3レンズ140の物体側R4面5、像面側R5面6、第4レンズ150の物体側R6面7、像面側R7面8、平行平面のガラス板160の物体側面9、像側面10を順次通過し撮像素子170へと集光される。
第1レンズ120及び第2レンズ130を硝子材料で形成することにより幅広い分散値の材料を選択でき、結果として色収差を良好に補正することが可能となる。また第3レンズ140と第4レンズ150が樹脂材料で形成されることにより、軽量化や低コスト化が実現できるとともに、非球面形状の作製が容易となる。
第3レンズと第4レンズの各レンズはそれぞれ少なくとも1面の非球面形状が形成される。非球面形状を持つことにより、収差補正が容易となり、小型でありながら良好な解像性能を得ることが可能となる。
なお、以下の数値実施例の中で記載されるレンズの非球面の形状は、物体側から像面側へ向かう方向を正とし、kを円錐係数、A、B、C、D、Eを非球面係数、rを中心曲率半径としたとき次式で表される。hは光線の高さ、cは中心曲率半径の逆数をそれぞれ表している。ただし、Zは面頂点に対する接平面からの深さを、Aは4次の非球面係数を、Bは6次の非球面係数を、Cは8次の非球面係数を、Dは10次の非球面係数を、Eは12次の非球面係数をそれぞれ表している。
本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、第1レンズ、及び第2レンズを構成する材料のd線に対するアッベ数が下記条件式(2)を満足するように設定される。この条件式を満足するような材料を選択することで色収差を良好に補正することが可能となる。
10<ν1−ν2 … (2)
ただし、
ν1:第1レンズのd線に対するアッベ数
ν2:第2レンズのd線に対するアッベ数
本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、下記条件式(3)〜(6)を満足するように構成される。
1.0<f12/f<1.5 … (3)
0.5<f3/f< 0.9 … (4)
−1.0<f4/f<−0.4 … (5)
−1.4<f3/f4<−0.8 … (6)
ただし、
f:レンズ全系の焦点距離
f12:第1レンズと第2レンズの合成焦点距離
f3:第3レンズの焦点距離
f4:第4レンズの焦点距離
本発明を実施した撮像レンズは、開口絞りに近い第1レンズに主たる結像力を持たせる構成となっている。そのため、(3)式の上限値を超えると、前方の正の屈折力が小さくなり、後方に配置される有効径の大きいレンズの屈折力が大きくなりすぎてしまい、球面収差が大きくなってしまうなどの問題が発生する。反対に下限値を超える場合には、第2レンズの屈折力が小さすぎるために色収差を十分に補正することが難しくなる。(4)式の下限値、もしくは(5)式の上限値を超えると第3レンズもしくは第4レンズの屈折力が強くなり、収差補正の面では有利であるが、レンズ像側面の曲率半径が小さくなりすぎてしまうため、製造が困難になる。反対に(4)式の上限値、(5)式の下限値を超えると、非点収差もしくは像面湾曲の補正が困難になり、全長が大型化してしまう。
第3レンズと第4レンズの屈折率の比が(6)式の範囲を超えると、温度変動による焦点距離の変化が顕著になるため、望ましくない。
本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、下記条件式(7)を満足するように構成される。
0.7<R3/f<5.0 … (7)
ただし、
f:レンズ全系の焦点距離
R3:第2レンズ像側面の曲率半径
(7)式の下限値を超えると、レンズの曲率半径が小さくなりすぎてしまうため、製造が困難になる。反対に上限値を超える場合には、屈折力が小さくなりすぎるために特に倍率の色収差を十分に補正することが困難となる。
本発明を実施した撮像レンズで好ましくは、下記条件式(8)を満足するように構成される。
−0.5<R5/f<−0.2 … (8)
ただし、
f:レンズ全系の焦点距離
R5:第3レンズ像側面の曲率半径
(8)式の上限値を超えると、レンズの曲率半径が小さくなりすぎてしまうため、製造が困難になる。反対に下限値を超える場合には、屈折力が小さくなりすぎるために特に非点収差、もしくは像面湾曲を十分に補正することが困難となる。
以下に、撮像レンズの具体的な数値による実施例1〜9を示す。1〜9の数値実施例において、焦点距離、Fナンバー、画角、像高、レンズ全長、バックフォーカス(Bf)は次の表1に記載の通りである。また、同じく1〜9の数値実施例において、条件式(1)〜(8)の数値データは、次の表2に記載の値になる。
<実施例1>
実施の形態1におけるレンズ系の基本構成は図2に示され、各数値データ(設定値)は表3、表4に、球面収差、非点収差、および歪曲収差を示す収差図は図3にそれぞれ示される。
図2に示すように、第1レンズは両凸形状、第2レンズは両凹形状、第3レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状、第4レンズは両凹形状を有する。第3レンズと第4レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。また、図に示すように絞り部の面1と第1レンズのR1面2間の距離をD1、第1レンズの厚さとなるR1面2とR2面3間の距離をD2、第2レンズの厚さとなるR2面3とR3面4間の距離をD3、第2レンズのR3面4と第3レンズのR4面5間の距離をD4、第3レンズの厚さとなるR4面5とR5面6間の距離をD5、第3レンズのR5面6と第4レンズのR6面7間の距離をD6、第4レンズの厚さとなるR6面7とR7面8間の距離をD7、第4レンズのR7面8と平板ガラスの面9までの距離をD8、平行平面ガラスの厚さとなる面9と面10間の距離をD9とする。
表3は、実施例1における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径R、間隔D、屈折率Nd、および分散値νdを示している。表4は、所定面の非球面係数を示している。
数値実施例1
図3は、実施例1において、図3(A)が球面収差を、図3(B)が非点収差を、図3(C)が歪曲収差を、それぞれ示している。図3(A)の縦軸は瞳座標を表し、グラフの各線はC線、d線、g線の値を示している。図3(B)の縦軸は結像面での実像高を表し、図3(B)中、実線Sはサジタル像面の値、破線Tはタンジェンシャル像面の値をそれぞれ示している(図5、7、9、11、13、15、17、19においても同様である)。図3(C)の縦軸は結像面での実像高を表し、値はd線の値を示している。図3からわかるように、実施例1によれば、球面、非点、歪曲の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。
<実施例2>
実施の形態2におけるレンズ系の基本構成は図4に示され、各数値データ(設定値)は表5、表6に、球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図は図5にそれぞれ示される。
図4に示すように、第1レンズは両凸形状、第2レンズは両凹形状、第3レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状、第4レンズは両凹形状を有する。第3レンズと第4レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。
表5は、実施例2における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径R、間隔D、屈折率Nd、および分散値νdを示している。表6は、所定面の非球面係数を示している。
数値実施例2
図5は、実施例2において、図5(A)が球面収差を、図5(B)が非点収差を、図5(C)が歪曲収差をそれぞれ示している。図5からわかるように、実施例2によれば、球面、非点、歪曲の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。
<実施例3>
実施の形態3におけるレンズ系の基本構成は図6に示され、各数値データ(設定値)は表7、表8に、球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図は図7にそれぞれ示される。
図6に示すように、第1レンズは両凸形状、第2レンズは両凹形状、第3レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状、第4レンズは両凹形状を有する。第3レンズと第4レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。
表7は、実施例3における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径R、間隔D、屈折率Nd、および分散値νdを示している。表8は、所定面の非球面係数を示している。
数値実施例3
図7は、実施例3において、図7(A)が球面収差を、図7(B)が非点収差を、図7(C)が歪曲収差をそれぞれ示している。図7からわかるように、実施例3によれば、球面、非点、歪曲の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。
<実施例4>
実施の形態4におけるレンズ系の基本構成は図8に示され、各数値データ(設定値)は表9、表10に、球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図は図9にそれぞれ示される。
図8に示すように、第1レンズは両凸形状、第2レンズは両凹形状、第3レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状、第4レンズは両凹形状を有する。第3レンズと第4レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。
表9は、実施例4における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径R、間隔D、屈折率Nd、および分散値νdを示している。表10は、所定面の非球面係数を示している。
数値実施例4
図9は、実施例4において、図9(A)が球面収差を、図9(B)が非点収差を、図9(C)が歪曲収差をそれぞれ示している。図9からわかるように、実施例4によれば、球面、非点、歪曲の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。
<実施例5>
実施の形態5におけるレンズ系の基本構成は図10に示され、各数値データ(設定値)は表11、表12に、球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図は図11にそれぞれ示される。
図10に示すように、第1レンズは両凸形状、第2レンズは両凹形状、第3レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状、第4レンズは両凹形状を有する。第3レンズと第4レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。
表11は、実施例5における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径R、間隔D、屈折率Nd、および分散値νdを示している。表12は、所定面の非球面係数を示している。
数値実施例5
図11は、実施例5において、図11(A)が球面収差を、図11(B)が非点収差を、図11(C)が歪曲収差をそれぞれ示している。図11からわかるように、実施例5によれば、球面、非点、歪曲の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。
<実施例6>
実施の形態6におけるレンズ系の基本構成は図12に示され、各数値データ(設定値)は表13、表14に、球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図は図13にそれぞれ示される。
図12に示すように、第1レンズは両凸形状、第2レンズは両凹形状、第3レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状、第4レンズは両凹形状を有する。第3レンズと第4レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。
表13は、実施例6における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径R、間隔D、屈折率Nd、および分散値νdを示している。表14は、所定面の非球面係数を示している。
数値実施例6
図13は、実施例6において、図13(A)が球面収差を、図13(B)が非点収差を、図13(C)が歪曲収差をそれぞれ示している。図13からわかるように、実施例6によれば、球面、非点、歪曲の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。
<実施例7>
実施の形態7におけるレンズ系の基本構成は図14に示され、各数値データ(設定値)は表15、表16に、球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図は図15にそれぞれ示される。
図14に示すように、第1レンズは両凸形状、第2レンズは両凹形状、第3レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状、第4レンズは両凹形状を有する。第3レンズと第4レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。
表15は、実施例7における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径R、間隔D、屈折率Nd、および分散値νdを示している。表16は、所定面の非球面係数を示している。
数値実施例7
図15は、実施例7において、図15(A)が球面収差を、図15(B)が非点収差を、図15(C)が歪曲収差をそれぞれ示している。図15からわかるように、実施例7によれば、球面、非点、歪曲の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。
<実施例8>
実施の形態8におけるレンズ系の基本構成は図16に示され、各数値データ(設定値)は表17、表18に、球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図は図17にそれぞれ示される。
図16に示すように、第1レンズは両凸形状、第2レンズは両凹形状、第3レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状、第4レンズは両凹形状を有する。第3レンズと第4レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。
表17は、実施例8における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径R、間隔D、屈折率Nd、および分散値νdを示している。表18は、所定面の非球面係数を示している。
数値実施例8
図17は、実施例8において、図17(A)が球面収差を、図17(B)が非点収差を、図17(C)が歪曲収差をそれぞれ示している。図17からわかるように、実施例8によれば、球面、非点、歪曲の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。
<実施例9>
実施の形態9におけるレンズ系の基本構成は図18に示され、各数値データ(設定値)は表19、表20に、球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図は図19にそれぞれ示される。
図18に示すように、第1レンズは両凸形状、第2レンズは両凹形状、第3レンズは像側に凸面を向けたメニスカス形状、第4レンズは両凹形状を有する。第3レンズと第4レンズはそれぞれ両面に非球面を有する。
表19は、実施例9における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径R、間隔D、屈折率Nd、および分散値νdを示している。表20は、所定面の非球面係数を示している。
数値実施例9
図19は、実施例9において、図19(A)が球面収差を、図19(B)が非点収差を、図19(C)が歪曲収差をそれぞれ示している。図19からわかるように、実施例9によれば、球面、非点、歪曲の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。
100,100A〜100I・・・撮像レンズ
110 ・・・開口絞り部
120 ・・・第1レンズ
130 ・・・第2レンズ
140 ・・・第3レンズ
150 ・・・第4レンズ
160 ・・・平行平面ガラス
170 ・・・撮像面

Claims (5)

  1. 物体側から順に、開口絞りと、正の屈折力を有する両凸形状の第1レンズと、第1レンズと接合され負の屈折力を有する両凹形状の第2レンズと、正の屈折力を有する少なくとも1つの屈折面を非球面形状とした像側に凸のメニスカス形状の第3レンズと、負の屈折力を有する少なくとも1つの屈折面を非球面形状とした両凹形状の第4レンズとの4枚のレンズが配置され、下記条件式(1)および(3)乃至(6)を満足することを特徴とする撮像レンズ。
    TL/f<1.7 … (1)
    1.0<f12/f<1.5 … (3)
    0.5<f3/f< 0.9 … (4)
    −1.0<f4/f<−0.4 … (5)
    −1.4<f3/f4<−0.8 … (6)
    ただし、
    f :レンズ全系の焦点距離
    TL:開口絞りの面から結像面までの距離
    (ただし、平行平面ガラス部分は空気換算距離)
    f12:第1レンズと第2レンズの合成焦点距離
    f3:第3レンズの焦点距離
    f4:第4レンズの焦点距離
  2. 前記第1レンズ及び前記第2レンズが硝子材料により形成され、前記第3レンズ及び前記第4レンズが樹脂材料で形成されることを特徴とする請求項に記載の撮像レンズ。
  3. 前記第1レンズ及び前記第2レンズを構成する材料のd線に対するアッベ数に関して、下記条件式(2)を満足することを特徴とする請求項1もしくは2に記載の撮像レンズ。
    10<ν1−ν2 … (2)
    ただし、
    ν1:第1レンズのd線に対するアッベ数
    ν2:第2レンズのd線に対するアッベ数
  4. 下記条件式(7)を満足することを特徴とする請求項1からのいずれか一に記載の撮像レンズ。
    0.7<R3/f<5.0 … (7)
    ただし、
    f:レンズ全系の焦点距離
    R3:第2レンズ像側面の曲率半径
  5. 下記条件式(8)を満足することを特徴とする請求項1からのいずれか一に記載の撮像レンズ。
    −0.5<R5/f<−0.2 … (8)
    ただし、
    f:レンズ全系の焦点距離
    R5:第3レンズ像側面の曲率半径
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