JP3770493B2

JP3770493B2 - 結像レンズ

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Publication number: JP3770493B2
Application number: JP2003179250A
Authority: JP
Inventors: 隆行野田
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2023-06-24
Also published as: US20040264003A1; JP2005017440A; US7072123B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴＶ電話用、ドアホン用、および監視用等の各種ビデオカメラ、ならびにカメラ付き携帯端末機器およびスチルビデオカメラ等に搭載される撮影レンズ、さらにはパソコンの画像取込用のスキャナに搭載される結像レンズ等、広範囲の用途に適用し得る結像レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種ビデオカメラやスチルビデオカメラでは、結像面にＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの固体撮像素子を配しているものが多い。この固体撮像素子は、技術の進歩により年々小型化しており、それに用いられる結像レンズにも小型化が要求されてきている。また、製造コストの安価なものへの要求も高まっている。さらに、高画素化も進んでおり、結像レンズにも高解像、および高性能化が要求されてきている。
【０００３】
このような用途に用いられる結像レンズとしては、例えば以下の特許文献記載のものがある。この特許文献には、一部にプラスチックレンズを用いて、小型化や低コスト化を図った３枚構成の結像レンズに関する発明が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３０１０２２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように近年の撮像素子は、小型化および高画素化が進んでおり、それに伴って、結像レンズにも、高い解像性能と構成のコンパクト化が求められている。その一方で、撮像素子を用いた光学系では、最終レンズ面と撮像素子との間にカバーガラスやカットフィルタなどの光学部材を配置することが多く、このために、ある程度の機械長が確保されている必要がある。小型化と機械長の確保とを両立するために、全長に対して機械長の長さをある程度大きくすることが望ましい。上記特許文献記載のレンズは、全体としては良好な性能を有しているものの、画角が４３度とやや狭く、また、全長に対する機械長が短い点で、まだ改善の余地がある。
【０００６】
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、少ないレンズ枚数でローコスト化と全長の短縮化を図りながらも、全長に対する機械長をある程度確保し、かつ明るく高性能なレンズ系を実現できる結像レンズを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による結像レンズは、物体側から順に、近軸近傍において物体側に凸面を向け、少なくとも１面を非球面とし、かつプラスチック材料よりなる第１レンズと、物体側に凹面を向け、少なくとも１面を非球面とし、かつプラスチック材料よりなるメニスカス形状の第２レンズと、物体側に凸面を向けた、正の屈折力を有する第３レンズとが配設され、かつ、以下の条件式を満足するように構成されているものである。
【０００８】
−１．０＜ｆ／Ｒｇ３ｒ＜０．４ ……（１）
ｆ３／ｆ＜２ ……（３）
１．９＞ｆ１／ｆ＞０．３５ ……（４）
ただし、ｆは、全体の焦点距離を示し、Ｒｇ３ｒは、第３レンズの後ろ面の曲率半径を示す。ｆ１は、第１レンズの焦点距離を示し、ｆ３は、第３レンズの焦点距離を示す。
【０００９】
本発明による結像レンズでは、各条件式を満足すると共に、非球面を積極的に用いて各レンズの形状を適切なものにすることにより、３枚という少ないレンズ構成ながら、収差補正がしやすくなっている。また、プラスチック材料を用いることで、非球面の形成が容易となり、ローコスト化が図られている。特に、式（１）を満足することで、全長に対して機械長を長くしやすくなる。また特に、第１レンズおよび第３レンズのパワーに関して式（３），（４）を満足することで、バックフォーカスを長くしやすくなり、全長に対する機械長も長くしやすくなる。これらにより、少ないレンズ枚数でローコスト化と全長の短縮化を図りながらも、全長に対する機械長をある程度確保し、かつ明るく高性能なレンズ系を実現しやすくなる。
【００１０】
この結像レンズにおいて、第３レンズのレンズ材は、ガラス材料であることが好ましい。また、以下の条件式（２）を満足するように構成されていることが好ましい。
０＜ｆ／（ν３／ｆ３）＜０．０３ ……（２）
ただし、ν３は、第３レンズのアッベ数を示し、ｆ３は、第３レンズの焦点距離を示す。
【００１１】
第３レンズをガラス材料にすることで、第１，第２レンズにプラスチックレンズを用いた場合においても、温度変化に対する像面変動量を小さく抑えやすくなる。さらに、式（２）を満足することで、色収差の補正がしやすくなる。
【００１２】
さらに、第２レンズは、両面非球面形状であることが好ましい。
【００１３】
第２レンズの両面を非球面形状にすることで、明るいレンズ系を実現しやすくなる。第３レンズをガラスにすることで、温度変化に対する像面変動量を小さく抑えやすくなるが、この場合、式（３）を満足して、第３レンズのパワーを比較的強くすることが好ましい。
【００１４】
この結像レンズは、第１レンズと第２レンズとの間に絞りを有する構成にすることが可能である。この場合、以下の条件式（５）を満足するように構成されていることが好ましい。このような構成にすることで、より明るいレンズ系を実現しやすくなる。
１．９＞ｆ１／ｆ＞１．０ ……（５）
ただし、ｆ１は、第１レンズの焦点距離を示す。
【００１９】
この結像レンズはまた、第１レンズよりも物体側に絞りを有する構成にすることも可能である。この場合、以下の条件式（６）を満足するように構成されていることが好ましい。このような構成にすることで、より明るいレンズ系を実現しやすくなる。
１．０＞ｆ１／ｆ＞０．３５ ……（６）
【００２０】
【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。
【００２１】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る結像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。図１において、符号Ｒｉは、最も物体側の構成要素の面を１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＝１〜９）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。
【００２２】
この結像レンズは、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子を用いたカメラ付き携帯端末機器やスチルビデオカメラ等に搭載されて使用されるものである。この結像レンズは、光軸Ｚ１に沿って、第１レンズＧ１、第２レンズＧ２、および第３レンズＧ３が、物体側より順に配設された構成となっている。絞りＳｔは、第１レンズＧ１と第２レンズＧ２との間に配設されている。この結像レンズの結像面（撮像面）Ｓｉｍｇ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。第３レンズＧ３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他の光学部材が配置されていても良い。
【００２３】
この結像レンズにおいて、第１レンズＧ１および第２レンズＧ２はそれぞれ、少なくとも１面が非球面形状であることが好ましい。特に第２レンズＧ２は、両面が非球面形状であることが、より好ましい。第１レンズＧ１および第２レンズＧ２に非球面を用いる場合、非球面を用いたレンズは、プラスチックレンズで構成されていることが好ましい。第３レンズＧ３は、ガラス材料で構成されていることが好ましい。
【００２４】
第１レンズＧ１は、物体側に凸面を向けたメニスカス形状となっている。第２レンズＧ２は、物体側に凹面を向けたメニスカス形状となっている。第３レンズＧ３は、物体側に凸面を向け、正の屈折力を有している。
【００２５】
この結像レンズは、以下の条件式（１）を満足するように構成されていることが好ましい。ただし、ｆは、全体の焦点距離を示し、Ｒｇ３ｒは、第３レンズＧ３の後ろ面の曲率半径を示す。
−１．０＜ｆ／Ｒｇ３ｒ＜０．４ ……（１）
【００２６】
また、特に第３レンズＧ３をガラス材料で構成した場合、以下の条件式（２）を満足するように構成されていることが好ましい。ν３は、第３レンズＧ３のアッベ数を示し、ｆ３は、第３レンズＧ３の焦点距離を示す。
０＜ｆ／（ν３／ｆ３）＜０．０３ ……（２）
【００２７】
この結像レンズはまた、以下の条件式（３），（４）を満足するように構成されていることが好ましい。ｆ１は、第１レンズＧ１の焦点距離を示す。
ｆ３／ｆ＜２ ……（３）
１．９＞ｆ１／ｆ＞０．３５ ……（４）
【００２８】
この結像レンズでは、絞りＳｔが、第１レンズＧ１と第２レンズＧ２との間に配設されているが、この場合、以下の条件式（５）を満足するように構成されていることが、より好ましい。
１．９＞ｆ１／ｆ＞１．０ ……（５）
【００２９】
次に、以上のように構成された結像レンズの作用および効果を説明する。
【００３０】
この結像レンズでは、第１レンズＧ１および第２レンズＧ２に非球面を積極的に用いて各レンズの形状を適切なものにすることにより、３枚という少ないレンズ構成ながら、良好な収差補正を行っている。特に、比較的パワーの弱いメニスカス形状の第２レンズＧ２の両面を非球面とすることで、明るいレンズ系を実現しやすくなる。また、第１レンズＧ１および第２レンズＧ２をプラスチックレンズとすることで、非球面の形成が容易となり、ローコスト化を図ることができる。また、第３レンズＧ３をガラス材料にすることで、第１，第２レンズＧ１，Ｇ２にプラスチックレンズを用いた場合においても、温度変化に対する像面変動量を小さく抑えやすくなる。
【００３１】
この結像レンズでは、上記条件式（１）を満足することで、最終レンズ面と結像面Ｓｉｍｇとの間のいわゆる機械長Ｔｂを、全長に対して長くしやすくなる。最終レンズ面である第３レンズＧ３の後ろ面の形状が、例えば像側に凹面を向け、かつその曲率半径が小さいと、最終レンズ面と結像面Ｓｉｍｇとの間の光軸上での長さ（バックフォーカス）に比べて機械長Ｔｂの長さを確保しにくくなる。条件式（１）において、Ｒｇ３ｒは、最終レンズ面である第３レンズＧ３の後ろ面の曲率半径を示しており、条件式（１）の数値範囲を満たすことで、最終レンズ面の曲率半径が比較的大きくなる（平面に近くなる）。これにより、カバーガラスやカットフィルタなどの光学部材を配置するための機械長Ｔｂを確保しやすくなる。
【００３２】
条件式（２）は、色消しに関する条件を示している。第１，第２レンズＧ１，Ｇ２にプラスチックレンズを用いた場合、材質の選択できる領域が乏しい。この場合、第３レンズＧ３をガラスレンズにして、色収差の補正を第３レンズＧ３で行うことが好ましい。第３レンズＧ３に関して、条件式（２）の条件を満足することで、良好に色収差の補正を行うことができる。
【００３３】
条件式（３）は、第３レンズＧ３の好ましいパワーの大きさを規定している。第１，第２レンズＧ１，Ｇ２をプラスチックレンズとし、第３レンズＧ３をガラスレンズにした場合、温度変化による像点移動を減らすため、条件式（３）を満足して、第３レンズＧ３のパワーを比較的強くすることが好ましい。
【００３４】
また、条件式（３），（４）の条件を満足するように第１レンズＧ１および第３レンズＧ３のパワーを規定することで、バックフォーカスを長くしやすくなり、機械長も長くしやすくなる。
【００３５】
この結像レンズでは、第１レンズＧ１と第２レンズＧ２との間に絞りＳｔを有しているが、この場合、条件式（５）を満足することで、より明るいレンズ系を実現しやすくなる。
【００３６】
このように、本実施の形態に係る結像レンズによれば、非球面を積極的に用いて各レンズのパワーや形状を適切なものにすることにより、３枚という少ないレンズ枚数でローコスト化と全長の短縮化を図りながらも、全長に対する機械長をある程度確保し、かつ明るく高性能なレンズ系を実現できる。
【００３７】
［第２の実施の形態］
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る結像レンズの構成例を示している。この構成例は、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、本実施の形態に係る結像レンズの基本的な構成は、第１の実施の形態に係る結像レンズ（図１）と同じなので、以下では、図１に示した結像レンズと同一の構成、作用および効果を有する部分については適宜説明を省略する。
【００３８】
図１に示した結像レンズでは、絞りＳｔが、第１レンズＧ１と第２レンズＧ２との間に配設されていたが、本実施の形態に係る結像レンズでは、第１レンズＧ１の物体側に絞りＳｔが配設されている。絞りＳｔが第１レンズＧ１の物体側に配設されている場合、以下の条件式（６）を満足することで、より明るいレンズ系を実現しやすくなる。
１．０＞ｆ１／ｆ＞０．３５ ……（６）
【００３９】
この結像レンズでは、第１レンズＧ１が、少なくとも近軸近傍において例えば両凸形状となっている。第１レンズＧ１の物体側の面を非球面形状にする場合、例えば、近軸近傍では凸面形状で周辺部に行くにつれて凹面形状となるように構成することが好ましい。また、第２レンズＧ２の像面側の面を非球面形状にする場合、例えば、近軸近傍では凸面形状で周辺部に行くにつれて凹面形状となるように構成することが好ましい。これにより、収差補正に関してより大きな効果が得られる。
【００４０】
【実施例】
次に、本実施の形態に係る結像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に示した結像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に示した結像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。
【００４１】
各図に示したレンズデータにおける面番号Ｓｉの欄には、各実施例の結像レンズについて、最も物体側の構成要素の面を１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＝１〜９）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＝１〜４）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。
【００４２】
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。実施例１の結像レンズでは、第１レンズＧ１の物体側の面Ｓ１と第２レンズＧ２の両面Ｓ４，Ｓ５とが非球面形状となっている。実施例２の結像レンズでは、第１レンズＧ１の両面Ｓ２，Ｓ３と第２レンズＧ２の両面Ｓ４，Ｓ５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。
【００４３】
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“ｄ”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“ｄ”の前の数値に乗算されることを示す。例えば、「１．０ｄ−０２」であれば、「１．０×１０^-2」であることを示す。
【００４４】
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ｙ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。
【００４５】
Ｚ＝Ｃ・ｙ²／｛１＋（１−Ｋ・Ｃ²・ｙ²）^1/2｝＋ΣＡ_i・ｙⁱ ……（Ａ）
ただし、
Ｚ：非球面の深さ（ｍｍ）
ｙ：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≦１４）の非球面係数
【００４６】
実施例１の結像レンズでは、第１レンズＧ１の物体側の面Ｓ１と第２レンズＧ２の像側の面Ｓ５が、非球面係数として、奇数次および偶数次の係数Ａ₃〜Ａ₁₄を有効に用いて表され、第２レンズＧ２の物体側の面Ｓ４が、偶数次の係数Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀，Ａ₁₂，Ａ₁₄のみを有効に用いて表されている。
【００４７】
実施例２の結像レンズでは、第１レンズＧ１の物体側の面Ｓ２が、非球面係数として、偶数次の係数Ａ₂，Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀のみを有効に用いて表されている。また、第１レンズＧ１の像側の面Ｓ３と第２レンズＧ２の両面Ｓ４，Ｓ５とが、偶数次の係数Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀のみを有効に用いて表されている。
【００４８】
表１は、上述の条件式（１）〜（６）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。表１に示したように、各実施例の値が、条件式（１）〜（５）の数値範囲内となっている。特に、実施例２については、条件式（６）の条件をも満たしている。
【００４９】
【表１】

【００５０】
各実施例の結像レンズにおいて、カバーガラスＣＧの厚みを０とした場合のバックフォーカスの換算値は、以下の通りである。実施例１，２共に、最終レンズ面である第３レンズＧ３の像側の面Ｓ７が平面となっているので、機械長は、実質的にこのバックフォーカスと同じである。
実施例１：５７．１ｍｍ
実施例２：５２．２ｍｍ
（ただし、全体の焦点距離ｆを、１００ｍｍとした場合の値。）
【００５１】
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１の結像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、５４０ｎｍを基準波長とした収差を示すが、球面収差図および非点収差図には、４２０ｎｍ，６８０ｎｍ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。ＦＮＯ．は、Ｆナンバー、ωは、半画角を示す。同様に、実施例２についての諸収差を図６（Ａ）〜（Ｃ）に示す。
【００５２】
以上の各数値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、明るく高性能なレンズ系が実現できている。また、全長の短縮化を図りながらも、全長に対する機械長がある程度確保されている。
【００５３】
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。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の結像レンズによれば、物体側から順に、近軸近傍において物体側に凸面を向け、少なくとも１面を非球面とし、かつプラスチック材料よりなる第１レンズと、物体側に凹面を向け、少なくとも１面を非球面とし、かつプラスチック材料よりなるメニスカス形状の第２レンズと、物体側に凸面を向けた、正の屈折力を有する第３レンズとを配設し、かつ、第３レンズの形状に関わる所定の条件式（１）等を満足するようにしたので、少ないレンズ枚数でローコスト化と全長の短縮化を図りながらも、全長に対する機械長をある程度確保し、かつ明るく高性能なレンズ系を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る結像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】本発明の第２の実施の形態に係る結像レンズ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に係る結像レンズのレンズデータを示す図である。
【図４】実施例２に係る結像レンズのレンズデータを示す図である。
【図５】実施例１に係る結像レンズの球面収差、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６】実施例２に係る結像レンズの球面収差、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、Ｓｉｍｇ…結像面（撮像面）、Ｚ１…光軸。

Claims

物体側から順に、
近軸近傍において物体側に凸面を向け、少なくとも１面を非球面とし、かつプラスチック材料よりなる第１レンズと、
物体側に凹面を向け、少なくとも１面を非球面とし、かつプラスチック材料よりなるメニスカス形状の第２レンズと、
物体側に凸面を向けた、正の屈折力を有する第３レンズと
が配設され、
かつ、以下の条件式を満足するように構成されている
ことを特徴とする結像レンズ。
−１．０＜ｆ／Ｒｇ３ｒ＜０．４ ……（１）
ｆ３／ｆ＜２ ……（３）
１．９＞ｆ１／ｆ＞０．３５ ……（４）
ただし、
ｆ：全体の焦点距離
Ｒｇ３ｒ：第３レンズの後ろ面の曲率半径
ｆ１：第１レンズの焦点距離
ｆ３：第３レンズの焦点距離
前記第３レンズは、ガラス材料よりなる
ことを特徴とする請求項１に記載の結像レンズ。
前記第２レンズは、両面が非球面形状である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の結像レンズ。
前記第１レンズと前記第２レンズとの間に絞りを有し、
かつ、以下の条件式（５）を満足するように構成されている
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の結像レンズ。
１．９＞ｆ１／ｆ＞１．０ ……（５）
ただし、
ｆ１：第１レンズの焦点距離
前記第１レンズよりも物体側に絞りを有し、
かつ、以下の条件式（６）を満足するように構成されている
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の結像レンズ。
１．０＞ｆ１／ｆ＞０．３５ ……（６）