JP4382423B2 - ３枚構成単焦点レンズ - Google Patents

Description

本発明は、３枚構成よりなる全長の短い単焦点レンズに関し、特に、小型のデジタルカメラの撮像レンズ、あるいはＰＣや携帯端末などの撮像用のレンズに好適な簡易な構成の３枚構成単焦点レンズに関するものである。

従来より、撮像レンズの一技術分野として、簡易なデジタルカメラや、ＰＣ用Ｗｅｂカメラ、携帯端末などの比較的薄型の機器に搭載される撮像用のレンズモジュールとして、全長が短く、安価であることが要求され、光学性能としては多少要求水準の緩いものがある。

このような要求を満足するため、従来は撮像レンズを１枚のレンズで構成することも行われていた。このような用途に用いられるレンズモジュールはＣＣＤ等の電気的撮像素子も小型で解像度の低いものであったため、撮像素子のイメージサイズが小さく、レンズ系自体も少ない枚数で小型化することが可能とされた。

しかしながら、近年では、撮像素子の高解像化（メガピクセル化）および大型化が進んだため、レンズ１枚による構成では発生する収差が大きくなりすぎ、十分な光学性能が得られなくなっている。

そこで、高解像化および大型化が進んだ撮像素子に見合う全長の短いレンズ系を開発する必要が生じてきており、このような問題に対処するために、例えば、少なくとも１面に非球面を有する、プラスチック材よりなる３枚構成のＣＣＤ用レンズが知られている（下記特許文献１参照）。

また、この特許文献１には、同じプラスチック材によって３枚のレンズを構成する例も記載されており、このようにすると生産コストや製造性の点で有利である。特に、今日の携帯端末等の撮像用レンズにおいては、低コストで量産性が求められていることから、同じプラスチック材によって全てのレンズを形成することは、その要求に応えることができることから、極めて望ましい。

特開平１０−４８５１６号公報

ところで、今日においては、ＰＣや携帯端末等の表示はカラー画像表示が標準とされているため、色収差を良好なものとすることが強く求められているが、上記特許文献１記載の技術においては、特に色収差の面で必ずしも良好なものとはされていなかった。

その携帯端末等の撮像用レンズのように小型サイズのものでは、軸上色収差は余り目立たないが、倍率色収差については、大幅に改善することが必要とされていた。

また、上記特許文献１記載の技術によっては、撮像素子を含めた系のコンパクト化という面で改良の余地があった。

なお、特にＰＣや携帯端末等の撮像用の小型撮像素子では従来、主光線を撮像面に対して１５°程度以内の角度で入射させる必要があったが、近年の撮像素子の改良により、従来以上の入射角、例えば２５°程度以上のものも許容されるようになってきた。そこで、主光線の入射角を比較的大きく設定した場合であっても、諸収差を良好に補正し得る撮像レンズの開発が望まれている。

本発明は上述した事情に鑑みなされたもので、近年の撮像素子に対応した構成を有し、光学性能、特に倍率色収差を良好に補正することができ、撮像素子を含めた系のコンパクト化を十分に満足し得る安価な３枚構成単焦点レンズを提供することを目的とするものである。

本発明の３枚構成単焦点レンズは、物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズと、絞りと、少なくとも１面を非球面とされた、正の屈折力を有する第２レンズと、少なくとも１面を非球面とされ、光軸近傍において正の屈折力を有する収差補正用の第３レンズとを配列され、これら第１、第２および第３の各レンズは同一のプラスチック材料により形成され、さらに下記条件式（１）、（２）を満足するように構成されてなることを特徴とするものである。

1.0＜f₁’/f’＜5.0 … （１）
50＜ν_ｄ＜60 … （２）
ただし、
f’ 全系の焦点距離、
f₁’ 第１レンズの焦点距離、
ν_ｄ 第１、第２および第３の各レンズのｄ線におけるアッベ数

また、前記第１レンズを物体側の面が凸面とされたメニスカスレンズとし、前記第２レンズを、物体側の面が凹面とされたメニスカスレンズとし、前記第３レンズを物体側の面が凸面とされたメニスカスレンズとすることが望ましい。

また、前記第３レンズに形成された非球面のうちの少なくとも１つは、３次を含む奇数次の非球面係数を有する非球面式により表される形状とされていることが望ましい。

本発明の３枚構成単焦点レンズによれば、全てのレンズを同一のプラスチック材料で形成するとともに、第２レンズおよび第３レンズには非球面を形成しているので、非球面の形成を容易とすることができ、３枚構成の簡易かつ安価なレンズ系でありながら光学性能、特に倍率色収差を良好なものとすることができる。

さらに、所定の２つの条件式を満足することで、像面湾曲および倍率色収差を向上させつつ、瞳までの距離を確保することができる。

以下、本発明の実施形態に係る３枚構成単焦点レンズについて図面を参照しつつ説明する。図１に示す実施形態（実施例１のものを代表させて示している）の３枚構成単焦点レンズは、物体側より順に、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズよりなる第１レンズＬ_１と、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズよりなる第２レンズＬ_２と、物体側に凸面を向けたメニスカスレンズ（光軸近傍において正）よりなる収差補正用の第３レンズＬ_３とからなり、これら第２レンズＬ_２および第３レンズＬ_３の両面は各々非球面とされ、光軸Ｘに沿って入射する光束を撮像素子の結像面上の位置Ｐに効率良く集束させるようにした３枚構成単焦点レンズである。

なお、上記非球面のうち前記第２レンズＬ_２の像面側の面および前記第３レンズＬ_３の物体側の面は周辺に向かうほど正の屈折力が強くなる非球面とされ、また上記非球面のうち前記第３レンズＬ_３の像面側の面は周辺に向かうほど負の屈折力が弱くなる非球面とされている。

また、第１レンズＬ_１と第２レンズＬ_２との間には絞り２が配され、第３レンズＬ_３と撮像素子との間には撮像素子のカバーガラス１が配されている。

上記第２レンズＬ_２および上記第３レンズＬ_３各々の両面の非球面形状は、下記非球面式で表される。

さらに、この３枚構成単焦点レンズは、下記条件式（１）、（２）を満足している。
1.0＜f₁’/f’＜5.0 … （１）
50＜ν_ｄ＜60 … （２）
ただし、
f’ 全系の焦点距離、
f₁’ 第１レンズの焦点距離、
ν_ｄ 第１、第２および第３の各レンズのｄ線におけるアッベ数

次に本実施形態による作用効果を説明する。
３枚というレンズ枚数は、要望される程度の良好な光学性能を得るために最低限必要な枚数であるが、各レンズＬ_１〜Ｌ_３のパワーを上記のように構成することで、以下のような作用効果が得られる。

すなわち、絞り２を挟んで対向する第１レンズＬ_１および第２レンズＬ_２を正レンズとすることで、レンズ系としての屈折力の大部分を確保し、これら２つのレンズＬ_１、Ｌ_２によって発生する各収差を、２つの非球面を有しほとんどパワーを有さない、第３レンズＬ_３により補正する。すなわち、第３レンズＬ_３の両面に形成された非球面は、３次を含む奇数次の非球面係数を有する非球面式により表される形状とされていることから、光軸近傍のレンズ形状を急激に変化させることができ、また、各像高位置に対応させた各レンズ面位置毎に、高精度に形状を制御することができ、諸収差、特に倍率色収差を良好に補正することができる。なお、第３レンズＬ_３の一方の面にのみ上記と同様の非球面を設けた場合にも、ある程度上述した作用効果を得ることができる。

また、第１レンズＬ_１および第２レンズＬ_２を正レンズとすることで、レンズ系の全長を短縮化することができ、特に、ＰＣや携帯端末などの撮像用のレンズ、あるいは小型のデジタルカメラの撮像レンズとして好適なものとすることができる。また、第３レンズＬ_３の光軸近傍において正の屈折力を有するように構成することで、この第３レンズＬ_３の各面に形成された非球面を、より効果的に作用させることが可能となる。

また、像面への入射光束の最大入射角は、近年の撮像素子に対応させて、例えば２５°程度と大きなものとすることができ、これにより、第３レンズＬ_３から撮像素子までの距離を短くすることができ、撮像素子を含めた系のコンパクト化を図ることができる。

また、レンズ材料としては、全てのレンズＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３を同一のプラスチック材で構成することにより、コスト低減を図ることができ、また非球面を形成する際の製造性を向上させることができる。

また、本実施形態の３枚構成単焦点レンズにおいては、上述した条件式（１）、（２）を満足しているので以下のような作用効果を奏することができる。

すなわち、条件式（１）は第１レンズＬ_１の焦点距離を規定するもので、この上限を上回ると像面湾曲の補正が困難となり、一方この下限を下回ると瞳までの距離が短くなり過ぎ好ましくない。したがって、この条件式（１）を満足することで、像面湾曲を良好なものとしつつ、瞳までの距離を確保することができる。

また、条件式(２)は、全てのレンズＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３のアッベ数を規定するもので、この数値範囲を外れると色収差の補正が困難になる。したがって、この条件式（２）を満足することで、色収差を良好なものとすることができる。

なお、本発明の３枚構成単焦点レンズとしては種々の態様の変更が可能である。例えば各レンズの曲率半径、レンズ間隔（もしくはレンズ厚）および非球面の形状を適宜変更することが可能である。

＜実施例１＞
実施例１に係る３枚構成単焦点レンズの概略構成を図１に示す。この単焦点レンズの構成は、実施形態において説明した通りである。この単焦点レンズにおいては、第２レンズＬ_２および第３レンズＬ_３のいずれのレンズ面にも非球面が形成されている。また、各レンズＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３の形成材料は全てＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）とされている。

この単焦点レンズの各レンズ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔（以下、これらを総称して軸上面間隔という）Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｄ線における、屈折率Ｎおよびアッベ数νの値を表１に示す。なお表中の数字は、物体側からの順番を表すものである。また、表２には、各非球面について、上記非球面式に示される非球面の各定数Ｋ、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５、Ａ_６、Ａ_７、Ａ_８、Ａ_９、Ａ_１０（第２レンズＬ_２についてはＫ、Ａ_４、Ａ_６、Ａ_８、Ａ_１０）の値を示す。また、表１の中段に示すように、実施例１における、レンズ全系の焦点距離ｆは3.93ｍｍ、FナンバーFno.は４．０、画角２ωは64．6度に設定されている。

また、表１の下段に示すように、本実施例においては、上記条件式（１）、（２）を満足したものとなっている。

図３は実施例１の単焦点レンズの諸収差（球面収差、非点収差、ディストーションおよび倍率色収差）を示す収差図である。なお、非点収差図には、サジタル像面およびタンジェンシャル像面に対する収差が示されている。この収差図においてωは半画角を示す。これらの収差図から明らかなように、実施例１の単焦点レンズによれば、倍率色収差を始めとする諸収差を良好に補正することができる。

＜実施例２＞
実施例２に係る３枚構成単焦点レンズの概略構成を図２に示す。この単焦点レンズの構成も実施例１のものと略同様であり、対応する図面の説明において同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明については省略する。この単焦点レンズにおいても、第２レンズＬ_２および第３レンズＬ_３のいずれのレンズ面にも非球面が形成されている。また、各レンズＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３の形成材料は全てＰＭＭＡとされている。

この単焦点レンズの各レンズ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各レンズの軸上面間隔Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｄ線における、屈折率Ｎおよびアッベ数νの値を表３に示す。なお表中の数字は、物体側からの順番を表すものである。また、表４には、各非球面について、上記非球面式に示される非球面の各定数Ｋ、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５、Ａ_６、Ａ_７、Ａ_８、Ａ_９、Ａ_１０（第２レンズＬ_２についてはＫ、Ａ_４、Ａ_６、Ａ_８、Ａ_１０）の値を示す。また、表３の中段に示すように、実施例２における、レンズ全系の焦点距離ｆは3.93ｍｍ、FナンバーFno.は４．０、画角２ωは64．6度に設定されている。

また、表３の下段に示すように、本実施例においては、上記条件式（１）、（２）を満足したものとなっている。

図４は実施例２の単焦点レンズの諸収差（球面収差、非点収差、ディストーションおよび倍率色収差）を示す収差図である。なお、非点収差図には、サジタル像面およびタンジェンシャル像面に対する収差が示されている。この収差図においてωは半画角を示す。これらの収差図から明らかなように、実施例２の単焦点レンズによれば、倍率色収差を始めとする諸収差を良好に補正することができる。

本発明の実施例１に係る３枚構成単焦点レンズのレンズ構成を示す概略図 本発明の実施例２に係る３枚構成単焦点レンズのレンズ構成を示す概略図 実施例１の３枚構成単焦点レンズの諸収差（球面収差、非点収差、ディストーションおよび倍率色収差）を示す収差図 実施例２の３枚構成単焦点レンズの諸収差（球面収差、非点収差、ディストーションおよび倍率色収差）を示す収差図

符号の説明

Ｌ_１〜Ｌ_３ レンズ
Ｒ_１〜Ｒ_８ レンズ面（光学部材面）の曲率半径
Ｄ_１〜Ｄ_７ 軸上面間隔
Ｘ 光軸
Ｐ 結像位置
１ カバーガラス
２ 絞り

Claims (3)

1. 物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズと、絞りと、少なくとも１面を非球面とされた、正の屈折力を有する第２レンズと、少なくとも１面を非球面とされ、光軸近傍において正の屈折力を有する収差補正用の第３レンズとを配列され、これら第１、第２および第３の各レンズは同一のプラスチック材料により形成され、
   さらに下記条件式（１）、（２）を満足するように構成されてなることを特徴とする３枚構成単焦点レンズ。
   1.0＜f₁’/f’＜5.0 … （１）
   50＜ν_ｄ＜60 … （２）
   ただし、
   f’ 全系の焦点距離、
   f₁’ 第１レンズの焦点距離、
   ν_ｄ 第１、第２および第３の各レンズのｄ線におけるアッベ数
2. 前記第１レンズは、物体側の面が凸面とされたメニスカスレンズ、
   前記第２レンズは、物体側の面が凹面とされたメニスカスレンズ、
   前記第３レンズは、物体側の面が凸面とされたメニスカスレンズ、
   とされていることを特徴とする請求項１記載の３枚構成単焦点レンズ。
3. 前記第３レンズに形成された非球面のうちの少なくとも１つは、３次を含む奇数次の非球面係数を有する非球面式により表される形状とされていることを特徴とする請求項１または２記載の３枚構成単焦点レンズ。

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