JP5588858B2 - 撮像レンズ - Google Patents

Description

本発明は、白色光等の広帯域光で且つ広画角で撮影するための高分解能大口径比の撮像レンズに係り、例えば、携帯電話機等に搭載される小型撮像レンズに関するものである。

近年、撮像レンズは写真フィルムからＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子への移行に伴い、小型化が急速に進んでいる。携帯電話機等への搭載によって大量消費による低コスト化の要求が強まる一方、極端な薄型化や撮像素子への光線入射角度の制約等、技術的課題の解決も要求されている。

さらに、近年では撮像素子の小型化と相まって高画素化が進み、画素サイズは急速に極小化されてきている。このような撮像素子に適用する撮像レンズには、収差が良好に補正されていることに加え、十分な回折分解能を得るために、レンズの大口径比化が強く要求されるようになってきた。この要求に応えるために小型で、より大口径比で高性能な低コストの撮像レンズが望まれている。

撮像素子の高画素化に伴って、例えば以下に示す特許文献１，特許文献２、特許文献３には、５枚構成の撮像レンズが提案されている。

特開２００７−２６４１８０号公報 特開２０１０−１９７６６５号公報 特開２０１０−２６２２６９号公報

従来、撮像素子が受光する面積は撮像素子の高画素化に比例して、大きくなる傾向にあったため、撮像レンズの口径比はＦ／２．８程度であっても、特許文献１や特許文献２にみられるような実用的な撮像レンズが提供できた。しかし近年、撮像素子の小型化や高画素化は益々進み、画素サイズは１μｍ程度のものが提供されるようになってきている。一般に、画素サイズが小さくなると各画素の受光面積が減少し、撮像素子を通して得られる画像は暗くなる。このような小さな画素サイズに対応するために、明るい撮像レンズが望まれている。すなわち、大きな口径比、例えばＦ／２.４乃至Ｆ／１.８を達成して、十分な回折限界を確保することが求められている。この要求に対して、特許文献３ではＦ／２．４乃至Ｆ／２．０４程度の５枚構成の撮像レンズを提供しているが、十分な性能を確保しているとは言い難い。また、ガラス材料を多用しているため、低コスト化に不利である。

小型化と高性能化を両立させる為に、上述の特許文献1乃至３では５枚構成の撮像レンズが提案されているが、大口径比化とさらなる高性能化の実現は困難であった。また、低コスト化のために、プラスチック材料を選択すると、採用可能なレンズ材料が限定されるため、色収差補正や他の収差補正の両立が困難になるという問題があった。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、５枚構成でありながら効果的に色収差を補正し、かつ他の収差補正との両立を実現し、大口径比で高性能、かつ低コストな撮像レンズを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明の撮像レンズは、撮像素子用の撮像レンズであって、物体側から順に、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ、第４レンズ、第５レンズを配列してなり、各々のレンズの両面を非球面で形成し、かつ第２レンズの像側の面に色分散機能を発揮する回折光学面を配置し、各々のレンズをプラスチック材料で構成し、口径比がＦ／２．４以下であることを特徴とする。

上記の構成とすることで、各収差を良好に補正するとともに最適な面に回折光学面を設置し、色収差の良好な補正を実現している。

回折光学面は光路差関数で定義される光路差を発生させるレリーフにより構成される。通常、ガラスの分散がｅ線のアッベ数で２５から８０なのに対し、回折光学面は約−３．５と逆符号でおおよそ一桁大きな分散を示す性質がある。ガラス等の一般の光学材料で色収差を補正する場合、少なくとも２種類の分散の異なる材料を組み合わせてレンズを構成するのが一般的である。しかし、回折光学面をレンズ系の中に１面配置するだけで、前述の大きな色分散機能を発揮し効果的に色収差補正を実現することが可能となる。

一方、回折光学面は設計基準波長に対しては回折効率が極めて高いが、設計基準波長を外れたり光線入射角が大きくなると回折効率が低下する欠点があり、これらの欠点の影響を最小限にすることが望ましい。

一般に複数枚で構成されるレンズ系において、色収差を補正しようとする場合、1枚のレンズに高分散材料を用いて絞りに近い位置に配置する構成がよく採用される。回折光学面も同様に絞りに近い位置に配置することで軸上、軸外共に色収差補正に有効である。

回折光学面の位置は、構成枚数、レンズ全長、個々のレンズの製造可能な厚みの条件によって最適な面に配置するが、請求項１のレンズ構成は広画角に対応するため、絞りに対してコンセントリックに近い面、即ち第２レンズの像側の面に配置している。回折光学面の位置が当該レンズ面より物体寄りになると倍率色収差が補正不足となり、反対に当該レンズ面より像面寄りになると過剰補正となる。

製造の容易性と低コスト化のため、請求項１では全てのレンズをプラスチック材料で構成している。しかし選択可能なプラスチック材料には制限があるため、諸々の収差と像面湾曲の両方を同時に最適化しようにも、色収差はどうしても補正不足になってしまう。そこで、請求項１は回折光学面によって残存する色収差を除去している。

また、本発明の撮像レンズは、前記第１レンズは物体側が凸面で正または負のパワーを有し、前記第２レンズは両面が凸面で構成され、前記第３レンズは物体側が凹面で負のパワーを有するメニスカスレンズで構成され、前記第４レンズは像側が凸面で正のパワーを有し、前記第５レンズは物体側が凸面のメニスカスレンズで構成され、開口絞りが第２レンズよりも物体側に配置されたことを特徴とする。

本発明は、第１レンズの物体側の面を凸面とし、正または負の比較的小さなパワーとすることで、全長の短縮とコマ収差補正を容易にしている。また、第２レンズの両面を凸面形状にすることで球面収差を抑制している。

また、第３レンズの物体側の面を凹面、像側の面を凸面とし、第４レンズの像側の面を凸面とした正のパワーとすることで、光学全長を短縮している。さらに、第３レンズが負のパワー、第４レンズが正のパワーになることにより軸上の色収差と倍率の色収差を効果的に補正している。また、請求項２の構成では色収差補正を目的として、第３レンズに色分散度の高い材料を用い、かつ物体側に強い凹面を設置している。そのため、第２レンズの像側面に設置した回折光学面の色収差補正効果と相まって、より良好な色収差補正効果を実現している。

また、第５レンズは物体側が凸面のメニスカス形状にして、非球面を有効に形成することで、ディストーションを良好に補正し、光線射出角を最適にしている。

さらに、第２レンズの物体側の面よりも物体側に絞りを配置することで光線射出角を小さくしている。一方、広画角に対して良好に収差補正を行うためには像面湾曲を良好に補正することが必要となる。請求項２のレンズ構成によれば、第３レンズが像面湾曲の補正に大きく寄与している。

また、本発明の撮像レンズは、以下の条件式を満足することを特徴とする。
（１）０．９＜ｆ／ｆ_１２＜１．２
（２）−０．２３＜ｆ／ｆ_３４＜０．１２
（３）−０．７２＜ｆ／ｆ_１＜０．１
（４）｜ｆ／ｆ_５｜＜０．２
ただし、
ｆ ：全系の焦点距離
ｆ_１２：第１レンズと第２レンズの合成焦点距離
ｆ_３４：第３レンズと第４レンズの合成焦点距離
ｆ_１ ：第１レンズの焦点距離
ｆ_５ ：第５レンズの焦点距離

条件式（１）は、第１レンズと第２レンズの合成パワーを、ほぼ全系のパワーに近い値にすることで球面収差の発生を抑え、軸外光線に対するコマ収差を良好に補正するための条件である。条件式（１）の下限値「０．９」を下回ると、全長の短縮化には有効であるが、球面収差補正の負担が大きくなり大口径比化が困難になる。一方、上限値「１．２」を超えると、大口径比化は容易になるが、小型化が困難になる。

条件式（２）は、軸上色収差と倍率色収差を良好に補正するための条件である。条件式（２）の下限値「−０．２３」を下回ると、条件式（１）の値が相対的に大きくなるため球面収差やコマ収差が悪化する。一方、上限値「０．１２」を超えると、像面湾曲が悪化し、大口径化、広画角化が困難になる。

また、全長を短くするためには第３レンズと第４レンズの合成パワーを小さな値にすることで収差補正バランスを保ちながら全長を最小にすることが可能になる。

条件式（３）は、光学全長を短く保ち、かつコマ収差を良好に補正するための条件である。条件式（３）の下限値「−０．７２」を下回ると小型化が困難になる。一方、上限値「０．１」を超えると、光線の跳ねあげ量が大きくなり、コマ収差の補正が困難になる。

条件式（４）は、第５レンズのパワーを最適にするための条件であり、負のパワーが大きくなるとバックフォーカスは確保できるが、第１レンズから第４レンズまでの合成パワーが相対的に大きくなるため大口径化が困難になる。逆に正のパワーが大きくなると、バックフォーカスの確保が困難になりカバーガラスやフィルターの配置が難しくなる。

第１レンズと第２レンズを前群、第３レンズ、第４レンズ、第５レンズを後群というように２群で考えると、前群が主パワーを持った群であり、後群はパワーが小さく主に軸外の収差補正に寄与している。後群の第３レンズ、第４レンズは全長の短縮に寄与し、第５レンズは光線射出角とディストーション補正に寄与している。

本発明によれば、５枚構成で回折光学面を最適な位置に配置することにより、従来よりも色収差がより良好に補正され、かつ他の収差補正との両立を実現した小型の大口径比で高性能な撮像レンズを提供することができる。

また、すべてのレンズにプラスチック材料を使用することによって低コスト化も可能である。

実施例１に関わる撮像レンズの構成図 実施例１に関わる撮像レンズの収差図 実施例２に関わる撮像レンズの構成図 実施例２に関わる撮像レンズの収差図 実施例３に関わる撮像レンズの構成図 実施例３に関わる撮像レンズの収差図 実施例４に関わる撮像レンズの構成図 実施例４に関わる撮像レンズの収差図

以下、本発明の実施の形態について添付図面を用いて説明する。先ず本発明の代表例として実施例１を詳細に説明する。以降の各実施例においては重複する説明を省略する。

図１に本発明の実施例１に係る撮像レンズの構成図を示し、同図において第１レンズは物体側の面が凸面で構成され、弱い負のパワーを有している。また、第２レンズは両面が凸面で構成され、第３レンズは物体側の面が光軸近傍で凹面の負のパワーを有するメニスカスレンズである。さらに、第４レンズは像側の面が光軸近傍で凸面で構成され、正のパワーを有し、第５レンズは物体側の面が光軸近傍で凸面のメニスカスレンズである。

また、各々のレンズの両面が非球面で形成され、かつ第２レンズの像側の面には色分散機能を発揮する回折光学面が配置されている。また、全てのレンズはプラスチック材料で構成されている。

本実施例においては、第１レンズの像側の面Ｒ２の有効径周縁が絞りの作用を兼ねている。第５レンズの像側の面Ｒ１０と結像面Ｓとの間にＲ１１、Ｒ１２で構成されるカバーガラスが配置されている。また、図１においてｄ１、ｄ２、・・・、ｄ１１は面間隔を、Ｘは光軸をそれぞれ表している。

なお、レンズ面Ｒ１、Ｒ２、・・・、Ｒ１０は数１で表される非球面で形成している。これらレンズ面に採用する非球面形状は、光軸Ｘ方向の変位量をＺ、光軸Ｘに直交する方向の高さをＹ、離心率をＫ、非球面係数をＡ_２ｉとしたとき、次式により表わされる。レンズ面Ｒ２には基本となる非球面の上に数２で表される光路差関数の回折光学面が形成されている。

ただし、
Ｚ ：光軸からのＸ軸方向（像面方向が正）の変位量
Ｙ ：光軸からの高さ
Ａ_２ｉ ：非球面係数（ｉ＝１〜１０）
Ｋ ：離心率
Ｒ ：非球面の近軸曲率半径

ただし、
Ｐ ：光路差（単位：波数）
Ｂ_２ｉ ：光路差関数係数（ｉ＝１〜５）

表１に、本実施例１の全系の焦点距離をｆ＝１．０に正規化したときの各レンズの曲率半径Ｒ、各面の光軸上の面間隔ｄ、レンズ材料のｅ線における屈折率ｎおよびアッベ数ｖを示す。

また、表の下段に本実施例１のＦナンバー、半画角ωを示す。なお、表１及び以降の表において、各記号に対応する番号は物体側から順次増加するようになっている。

表２に本実施例１における非球面係数と回折光学面における光路差関数の各定数の値を示す。

実施例１の撮像レンズは以下に示すように、条件式（１）、条件式（２）、条件式（３）および条件式（４）を満足している。
（１） ｆ／ｆ_１２＝１．０９１、
（２） ｆ／ｆ_３４＝−０．１８７、
（３） ｆ／ｆ_１＝−０．４９０、
（４） ｜ｆ／ｆ_５｜＝０．１５９

図２は、実施例１の撮像レンズについて球面収差（ｍｍ）、非点収差（ｍｍ）、およびディストーション（％）を示したものである。これらの収差図において、球面収差図にはＦ線（４８６．１３ｎｍ）、ｅ線（５４６．０７ｎｍ）、Ｃ線（６５６．２７ｎｍ）の各波長に対する収差量を示し、非点収差図にはサジタル像面における収差量とメリジオナル像面における収差量をそれぞれ示す（図４、６，８において同じ）。

図２に示されるように、実施例１に係る撮像レンズによれば、色収差が良好に補正され、その他の収差も好適に補正されている。

本実施例２に係る撮像レンズは実施例１と略同様のレンズ構成となっているが、本実施例においては、第１レンズの物体側の面Ｒ１の有効径周縁が絞りの作用を兼ねている。

表３に、本実施例２の全系の焦点距離をｆ＝１．０に正規化したときの各レンズの曲率半径Ｒ、各面の光軸上の面間隔ｄ、レンズ材質のｅ線における屈折率ｎおよびアッベ数ｖを示す。また、表の下段に本実施例１のＦナンバー、半画角ωを示す。なお、表３及び以降の表において、各記号に対応する番号は物体側から順次増加するようになっている。

表４に本実施例２における非球面係数と回折光学面における光路差関数の各定数の値を示す。

実施例２の撮像レンズは以下に示すように、条件式（１）、条件式（２）条件式（３）および条件式（４）を満足している。
（１）
ｆ／ｆ_１２＝１．０３６、
（２）
ｆ／ｆ_３４＝０．０８３、
（３）
ｆ／ｆ_１＝−０．１３１、
（４）
｜ｆ／ｆ_５｜＝０．０２１

図４に示されるように、実施例２に係る撮像レンズによれば、色収差が良好に補正され、その他の収差も好適に補正されている。

本実施例３に係る撮像レンズは実施例１と略同様のレンズ構成となっている。

表５に、本実施例３の全系の焦点距離をｆ＝１．０に正規化したときの各レンズの曲率半径Ｒ、各面の光軸上の面間隔ｄ、レンズ材質のｅ線における屈折率ｎおよびアッベ数ｖを示す。また、表の下段に本実施例３のＦナンバー、半画角ωを示す。なお、表１及び以降の表において、各記号に対応する番号は物体側から順次増加するようになっている。

表６に本実施例３における非球面係数と回折光学面における光路差関数の各定数の値を示す。

実施例３の撮像レンズは以下に示すように、条件式（１）、条件式（２）条件式（３）および条件式（４）を満足している。
（１）
ｆ／ｆ_１２＝１．００４、
（２）
ｆ／ｆ_３４＝−０．０３５、
（３）
ｆ／ｆ_１＝−０．６６４、
（４）
｜ｆ／ｆ_５｜＝０．００９

図６に示されるように、実施例３に係る撮像レンズによれば、色収差が良好に補正され、その他の収差も好適に補正されている。

実施例４に係る撮像レンズは実施例１と略同様のレンズ構成となっているが、本実施例においては、第１レンズの物体側の面Ｒ１の有効径周縁が絞りの作用を兼ねている。
また、第１レンズは弱い正のパワーを有している点で実施例１とは相違する

表７に、実施例４の全系の焦点距離をｆ＝１．０に正規化したときの各レンズの曲率半径Ｒ、各面の光軸上の面間隔ｄ、レンズ材質のｅ線における屈折率ｎおよびアッベ数ｖを示す。また、表の下段に本実施例４のＦナンバー、半画角ωを示す。なお、表１及び以降の表において、各記号に対応する番号は物体側から順次増加するようになっている。

表８に本実施例４における非球面係数と回折光学面における光路差関数の各定数の値を示す。

実施例４の撮像レンズは以下に示すように、条件式（１）、条件式（２）条件式（３）および条件式（４）を満足している。
（１）ｆ／ｆ_１２＝１．０７６、
（２）ｆ／ｆ_３４＝−０．０４４、
（３）ｆ／ｆ_１＝０．０３３、
（４）｜ｆ／ｆ_５｜＝０．０９４

図８に示されるように、実施例４に係る撮像レンズによれば、色収差が良好に補正され、その他の収差も好適に補正されている。

以上のように、本発明の撮像レンズによれば、収差が良好に補正された大口径比の撮像レンズを提供することが可能である。また、近年の高画素の小型撮像素子に適用でき、より高性能で小型な撮像レンズを提供することが可能である。特に、小型高性能化の要求が強い携帯電話機に搭載する撮像レンズの分野では効果が大きい。

Ｒ１ 図１、図５における第１レンズの物体側の面
Ｒ２ 同上、第１レンズの像側の面、絞り
Ｒ３ 同上、第２レンズの物体側の面
Ｒ４ 同上、第２レンズの像側の回折光学面が形成された面
Ｒ５ 同上、第３レンズの物体側の面
Ｒ６ 同上、第３レンズの像側の面
Ｒ７ 同上、第４レンズの物体側の面
Ｒ８ 同上、第４レンズの像側の面
Ｒ９ 同上、第５レンズの物体側の面
Ｒ１０ 同上、第５レンズの像側の面
Ｒ１１、Ｒ１２ 同上、カバーガラスの面
ｄ１〜ｄ１１ 同上、軸上面間隔
Ｘ 同上、光軸
Ｓ 同上、結像面
Ｒ１ 図３、図７における第１レンズの物体側の面、絞り
Ｒ２ 同上、第１レンズの像側の面
Ｒ３ 同上、第２レンズの物体側の面
Ｒ４ 同上、第２レンズの像側の回折光学面が形成された面
Ｒ５ 同上、第３レンズの物体側の面
Ｒ６ 同上、第３レンズの像側の面
Ｒ７ 同上、第４レンズの物体側の面
Ｒ８ 同上、第４レンズの像側の面
Ｒ９ 同上、第５レンズの物体側の面
Ｒ１０ 同上、第５レンズの像側の面
Ｒ１１、Ｒ１２ 同上、カバーガラスの面
ｄ１〜ｄ１１ 同上、軸上面間隔
Ｘ 同上、光軸
Ｓ 同上、結像面

Claims (3)

1. 撮像素子用の撮像レンズであって、物体側から順に、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ、第４レンズ、第５レンズを配列してなり、前記第１レンズは物体側が凸面で正または負のパワーを有し、前記第３レンズは物体側が凹面のメニスカスレンズで構成され、前記第５レンズは物体側が凸面のメニスカスレンズで構成され、開口絞りが第２レンズよりも物体側に配置されており、各々のレンズの両面を非球面で形成し、かつ第２レンズの像側の面に色分散機能を発揮する回折光学面を配置し、各々のレンズをプラスチック材料で構成し、口径比がＦ／２．４以下であることを特徴とする撮像レンズ。
2. 前記第２レンズは両面が凸面で構成され、前記第３レンズは負のパワーを有し、前記第４レンズは像側が凸面で正のパワーを有することを特徴とする、請求項１記載の撮像レンズ。
3. 以下の条件式を満足することを特徴とする、請求項１または請求項２記載の撮像レンズ。
   （１）０．９＜ｆ／ｆ_１２＜１．２
   （２）−０．２３＜ｆ／ｆ_３４＜０．１２
   （３）−０．７２＜ｆ／ｆ_１＜０．１
   （４）｜ｆ／ｆ_５｜＜０．２
   ただし、
   ｆ ：全系の焦点距離
   ｆ_１２：第１レンズと第２レンズの合成焦点距離
   ｆ_３４：第３レンズと第４レンズの合成焦点距離
   ｆ_１ ：第１レンズの焦点距離
   ｆ_５ ：第５レンズの焦点距離
   

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