KR101306550B1

KR101306550B1 - 촬상 광학계

Info

Publication number: KR101306550B1
Application number: KR1020060110760A
Authority: KR
Inventors: 마사시 이소노
Original assignee: 코니카 미놀타 어드밴스드 레이어즈 인코포레이티드
Priority date: 2005-11-15
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2013-09-09
Also published as: JP2007139861A; US20070109668A1; KR20070051683A; EP1785759B1; EP1785759A1; US7646553B2

Abstract

본 발명의 과제는 소형이고, 제조 비용이 낮고, 또한 색수차 등 여러 수차가 양호하게 보정된 촬상 광학계를 제공하는 것이다. 촬상 대상측으로부터 차례로 플러스의 파워의 제1 렌즈와, 플러스의 파워의 제2 렌즈와, 광축 근방에서 상면측에 오목 형상인 동시에 광축 주변부에서 상면측에 볼록 형상인 비구면을 상면측에 갖는 마이너스의 파워의 제3 렌즈를 갖고, 제3 렌즈의 아베수를 υ3, 제2 렌즈의 아베수를 υ2로 나타낼 때, υ3 － υ2 ＞ 10의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 촬상 광학계이다.

제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 조리개

Description

촬상 광학계 {IMAGING OPTICAL SYSTEM}

도1은 제1 실시 형태의 촬상 광학계의 구성을 도시하는 도면.

도2는 제2 실시 형태의 촬상 광학계의 구성을 도시하는 도면.

도3은 제3 실시 형태의 촬상 광학계의 구성을 도시하는 도면.

도4는 제4 실시 형태의 촬상 광학계의 구성을 도시하는 도면.

도5는 제1 실시 형태의 촬상 광학계의 수차를 나타내는 도면.

도6은 제2 실시 형태의 촬상 광학계의 수차를 나타내는 도면.

도7은 제3 실시 형태의 촬상 광학계의 수차를 나타내는 도면.

도8은 제4 실시 형태의 촬상 광학계의 수차를 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

L1 : 제1 렌즈

L2 : 제2 렌즈

L3 : 제3 렌즈

S : 조리개

[문헌 1] 일본 특허 공개 2003-322792호 공보

[문헌 2] 일본 특허 공개 2004-163849호 공보

본 발명은, 촬상 소자에 대해 광을 유도할 수 있는 촬상 광학계에 관한 것이고, 특히 디지털 카메라나 휴대 전화에 적합한 촬상 광학계에 관한 것이다.

최근, 퍼스널 컴퓨터의 보급에 수반하여, 손쉽게 퍼스널 컴퓨터에 화상을 도입할 수 있는 디지털 카메라가 보급되고 있다. 또한, 모바일 컴퓨터, 휴대 전화, 정보 휴대 단말(PDA : Personal Digital Assistant) 등의 정보 처리 기기에 디지털 카메라를 조립하는 것도 일반화되고 있다. 이러한 디지털 카메라의 보급에 수반하여, 보다 소형인 디지털 카메라가 요망되도록 되어 촬상 광학계도 한층 소형으로 할 필요가 있다.

또한, 촬상 소자의 고해상화, 화면 사이즈의 대형화가 진행하고, 그러한 촬상 소자에 대응할 수 있는 소형의 촬상 광학계가 일본 특허 공개 2003-322792호 공보, 일본 특허 공개 2004-163849호 공보에서 제안되어 있다.

그런데, 일본 특허 공개 2003-322792호 공보 및 일본 특허 공개 2004-163849호 공보에 기재되어 있는 촬상 광학계는, 3매의 렌즈로 구성되는 것에 의해 소형화를 도모하고 있지만, 색수차 등의 수차 보정으로는 충분한 광학 성능이라고는 말하기 어렵다.

본 발명은 이러한 문제점에 비추어 이루어진 것이고, 소형이고, 제조 비용이 낮고, 또한 색수차 등 여러 수차가 양호하게 보정된 촬상 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기에 비추어, 본 발명의 1개의 형태에 의한 실시 형태는, 촬상 대상으로부터의 광을 촬상 소자 상에 결상시키는 촬상 광학계이며,

촬상 대상측에 플러스의 파워의 제1 렌즈와,

제1 렌즈의 상면(像面)측에 플러스의 파워의 제2 렌즈와,

제2 렌즈의 상면측에, 상면측에 비구면을 갖는 마이너스의 파워의 제3 렌즈를 갖고,

상기에 있어서, 상기 비구면은 광축 근방에서 상면측에 오목 형상인 동시에 광축 주변부에서 상면측에 볼록 형상이고, 상기 제2 렌즈의 아베수(υ2) 및 제3 렌즈의 아베수(υ3)는 이하의 관계를 만족시킨다.

υ3 － υ2 ＞ 10

촬상 광학계의 구성에 대해 도1 내지 도4를 기초로 하여 설명한다. 제1 실시 형태를 나타내는 도1의 촬상 광학계는, 촬상 대상측으로부터 차례로 플러스의 파워를 갖는 제1 렌즈(L1), 조리개(S), 플러스의 파워를 갖는 제2 렌즈(L2), 마이너스의 파워를 갖는 제3 렌즈(L3)로 구성된다.

제1 렌즈(L1)는 촬상 대상측에 볼록면을 향한 메니스커스 형상이고 양면이 비구면이다. 제2 렌즈(L2)는 상면측에 볼록면을 향한 메니스커스 형상이고 양면이 비구면이다. 제3 렌즈(L3)는 상면측에 오목면을 향한 메니스커스 형상으로 양면이 비구면이고, 상면측의 비구면이 광축 근방에서 상면측에 오목 형상이고 광축 주변 부에서 상면측에 볼록 형상이다.

또한, 제2 렌즈(L2)는 고분산인 플라스틱 렌즈이고, 제3 렌즈(L3)는 저분산인 플라스틱 렌즈이다.

제2 실시 형태를 도2에 나타낸다. 도2의 촬상 광학계는, 촬상 대상측으로부터 차례로 플러스의 파워를 갖는 제1 렌즈(L1), 조리개(S), 플러스의 파워를 갖는 제2 렌즈(L2), 마이너스의 파워를 갖는 제3 렌즈(L3)로 구성된다.

제1 렌즈(L1)는 촬상 대상측에 볼록면을 향한 메니스커스 형상이고 양면이 비구면이다. 제2 렌즈(L2)는 상면측에 볼록면을 향한 메니스커스 형상이고 양면이 비구면이다. 제3 렌즈(L3)는 상면측에 오목면을 향한 메니스커스 형상으로 양면이 비구면이고, 상면측의 비구면이 광축 근방에서 상면측에 오목 형상이고 광축 주변부에서 상면측에 볼록 형상이다.

제3 실시 형태를 도3에 나타낸다. 도3의 촬상 광학계는, 촬상 대상측으로부터 차례로 플러스의 파워를 갖는 제1 렌즈(L1), 조리개(S), 플러스의 파워를 갖는 제2 렌즈(L2), 마이너스의 파워를 갖는 제3 렌즈(L3)로 구성된다.

제4 실시 형태를 도4에 나타낸다. 도4의 촬상 광학계는, 촬상 대상측으로부터 차례로 플러스의 파워를 갖는 제1 렌즈(L1), 조리개(S), 플러스의 파워를 갖는 제2 렌즈(L2), 마이너스의 파워를 갖는 제3 렌즈(L3)로 구성된다.

제1 내지 제4 실시 형태에는, 커버 글래스를 포함하는 적외선 커트 필터(F)가 촬상 광학계의 상면측에 설치되어 있다. 또한,「파워」라 함은, 초점 거리의 역수로 정의되는 양을 나타낸다.

여기까지 설명한 각 실시 형태에 있어서의, 촬상 대상으로부터의 광을 촬상 소자 상에 결상시키는 촬상 광학계는, 촬상 대상측으로부터 차례로 플러스 파워의 제1 렌즈와, 플러스 파워의 제2 렌즈와, 상면측에, 광축 근방에서 상면측에 오목 형상이고 광축 주변부에서 상면측에 볼록 형상인 비구면을 갖는 마이너스 파워의 제3 렌즈로부터 되는 3매의 렌즈로 구성된다.

이 구성으로 함으로써 촬상 광학계의 전체 길이를 짧게 할 수 있고, 또한 사출동(射出瞳)이 상면으로부터 멀어져 주변의 상면으로의 입사 각도가 작아지고, 상면으로의 입사광량을 균일하게 할 수 있다.

또한, 다음의 식 1을 만족시키는 구성이다.

υ3 － υ2 ＞ 10 … 식 1

단, υ3은 제3 렌즈의 아베수, υ2는 제2 렌즈의 아베수이다.

식 1은 제2 렌즈의 아베수에 대한 제3 렌즈의 아베수를 적절한 범위로 규정하는 것이다. 상면의 주변에 이르는 주변 광선은, 제2 렌즈에서는 광축 근변을 통과하고, 제3 렌즈에서는 광축의 주변부를 통과하게 되지만, 제3 렌즈는 그 상면측의 주변부에서 볼록 형상의 비구면이고, 제3 렌즈의 주변부에서는 플러스 파워로 되고, 제3 렌즈를 통과하는 주변 광선이 제2 렌즈를 통과하는 광선에 비해 크게 수렴한다. 이것으로부터, 제3 렌즈의 아베수를 제2 렌즈의 아베수에 비해 크게 하는, 즉 제2 렌즈를 고분산으로 하고 제3 렌즈를 저분산으로 하는 구성에 의해 전체 시스템의 배율 색수차를 보정하는 것이다. υ3 － υ2의 값이 식 1에서 규정하는 범위 밖이면, 배율 색수차가 보정 부족하게 되고, 상면의 주변부에서 색의 번짐이 커져 화면 주변부에서 화질이 저하한다.

식 1 대신에, 식 1'의 관계를 만족시키도록 하면 바람직하다.

υ3 － υ2 ＞ 15 … 식 1'

또한, 식 1 대신에, 식 1''의 관계를 만족시키도록 하면 한층 바람직하다.

υ3 － υ2 ＞ 20 … 식 1''

또한, 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈와의 사이에 조리개가 설치되어 있는 구성이다. 이 구성으로 함으로써 제1 렌즈와 제2 렌즈가 조리개에 대해 대칭 배치로 되고, 여러 수차를 균형잡히게 할 수 있어 렌즈 성능이 좋아진다.

또한, 제1 렌즈 내지 제3 렌즈는, 회절 작용에 의해 입사 광선을 편향시키는 회절형 렌즈, 회절 작용과 굴절 작용과의 조합으로 입사 광선을 편향시키는 굴절 및 회절 하이브리드 렌즈, 렌즈의 매질이 광축으로부터 주변에 도달함에 따라서 굴절률이 변화하는 굴절률 분포형 렌즈를 이용해도 좋지만, 균질의 매질로 구성되어 있는 것이 좋다. 이 구성으로 함으로써, 예를 들어 굴절률 분포형 렌즈보다 제조가 용이하고, 촬상 렌즈를 저렴하게 제공할 수 있다.

또한, 다음의 식 2를 만족시키는 구성이다.

│f3/f2│ ＜ 0.9 … 식 2

f3은 제3 렌즈의 초점 거리, f2는 제2 렌즈의 초점 거리이다.

식 2는 제2 렌즈의 파워에 대한 제3 렌즈의 파워를 적절한 범위로 규정하고, 배율 색수차와 왜곡 수차를 보정하는 것이다. │f3/f2│의 값이 식 2의 범위를 넘고, 제3 렌즈의 파워가 약해지면 배율 색수차가 보정 부족하게 되어 상면의 주변에서 색의 번짐이 많아지고, 또한 왜곡 수차가 보정 부족하게 되어 화면 주변부에서 화질이 저하한다.

식 2 대신에, 식 2'의 관계를 만족시키도록 하면 바람직하다.

│f3/f2│ ＜ 0.7 … 식 2'

또한, 식 2 대신에, 식 2''의 관계를 만족시키도록 하면 한층 바람직하다.

│f3/f2│ ＜ 0.6 … 식 2''

또한, 다음의 식 3을 만족시키는 구성이다.

0.04 ＜ f/f2 ＜ 3 … 식 3

f는 전체 시스템의 초점 거리이다.

식 3은 전체 시스템의 파워에 대한 제2 렌즈의 파워를 적절한 범위로 규정하는 것이다. f/f2의 값이 식 3의 하한을 넘어, 제2 렌즈의 파워가 약해지면 코마수차가 악화하고, 또한 페츠벌 합이 보정 과잉으로 되어, 해상력이 부족하다. 반대로, 식 3의 상한을 넘고, 제2 렌즈의 파워가 강해지면 페츠벌 합이 보정 부족하게 되고, 상면 만곡을 보정하는 것이 곤란해진다.

식 3 대신에, 식 3'의 관계를 만족시키도록 하면 바람직하다.

0.115 ＜ f/f2 ＜ 2 … 식 3'

또한, 식 3 대신에, 식 3''의 관계를 만족시키도록 하면 한층 바람직하다.

0.12 ＜ f/f2 ＜ 1 … 식 3''

또한, 다음의 식 4를 만족시키는 구성이다.

－ 18 ＜ (r21 ＋ r22)/(r21 － r22) ＜ 200 … 식 4

r21은 제2 렌즈의 촬상 대상측의 곡률 반경, r22는 제2 렌즈의 상면측의 곡률 반경이다.

식 4는 제2 렌즈의 형상을 적절한 범위로 규정하고, 전체 시스템의 전체 길이를 짧게 하면서 비점수차를 균형잡히게 하는 것이다. (r21 ＋ r22)/(r21 － r22) 의 값이 식 4의 하한을 넘으면, 전체 시스템의 전체 길이를 짧게 할 수 있지만 비점수차가 커져 그 수차를 보정하는 것이 곤란하게 된다. 반대로, (r21 ＋ r22)/(r21 － r22)의 값이 식 4의 상한을 넘으면, 비점수차를 억제할 수 있지만 전체 시스템의 전체 길이가 길어진다.

식 4 대신에, 식 4'의 관계를 만족시키도록 하면 바람직하다.

1 ＜ (r21 ＋ r22)/(r21 － r22) ＜ 150 … 식 4'

또한, 식 4대신에, 식 4''의 관계를 만족시키는 바와 같이 하면 한층 바람직하다.

3 ＜ (r21 ＋ r22)/(r21 － r22) ＜ 120 … 식 4''

본 발명의 촬상 광학계는, 동화상을 촬상하는 디지털 비디오카메라, 영상 전화용 카메라, 도어폰용 카메라나 모바일 컴퓨터, 정보 휴대 단말 등의 정보 처리 기기에 조립되는 카메라에 채용하는 것도 가능하다.

본 발명은, 촬상 대상측으로부터 차례로 플러스의 파워의 제1 렌즈와, 플러스의 파워의 제2 렌즈와, 상면측에 비구면을 갖는 동시에 마이너스의 파워의 제3 렌즈를 갖고, 제2 렌즈의 아베수와 제3 렌즈의 아베수의 관계를 적절한 범위로 설정하는 것에 의해, 소형이고 저비용인 색수차 등 여러 수차를 양호하게 보정한 촬상 광학계를 제공할 수 있다.

(실시예)

본 발명의 실시 형태의 촬상 광학계의 구성을 구성 데이터, 수차도를 예로 들어 더 구체적으로 설명한다. 여기서 실시예로서 설명하는 제1 내지 제4 실시예는, 전술한 제1 내지 제4 실시 형태에 각각 대응하고 있다. 제1 내지 제4 실시 형 태를 나타내는 렌즈 구성도(도1 내지 도4)는 대응하는 제1 내지 제4 실시예의 렌즈 구성을 각각 나타내고 있다.

표 1 내지 표 8의 구성 데이터에 있어서, 곡률 반경을 r로 나타내고, 촬상 대상측으로부터 차례로 번호를 붙여 축상 간격을 d로 나타내고, 촬상 대상측으로부터의 축상 간격을 표의 위로부터 차례로 나타내고 있다. 굴절률, 아베수를 N, υ로 나타내고, 촬상 대상측으로부터의 굴절률, 아베수를 표 위로부터 차례로 나타내고 있다. 또한, 굴절률 및 아베수는 d선에 대한 것이고, 굴절률 및 아베수는 공기에 대해서는 생략하고 있다. 또한, 비구면에 대해서는 면 번호의 말미에 별표(*표)를 붙이고 있다. 촬상 소자가 최종면의 뒤에 배치되어 있다. 전체 시스템의 초점 거리(f), F 넘버(FNO)를 다른 데이터와 함께 나타낸다. 초점 거리, 곡률 반경, 축상 간격의 단위는 ㎜이다.

비구면은 다음의 식 5에서 정의하고 있다.

X(H) ＝ CㆍH²/{1 ＋ (1 － εㆍC²ㆍH²)^1/2 } ＋ ΣAkㆍHk … 식 5

여기서, H는 광축에 대해 수직인 방향의 높이, X(H)는 높이(H)의 위치에서의 광축 방향의 변위량(면 정점 기준), C는 근축 곡률, ε은 2차 곡면 파라미터, k는 비구면의 차수, Ak는 k차의 비구면 계수, Hk는 H의 k승이다. 비구면에 관한 데이터를 나타내는 표 2, 표 4, 표 6, 표 8의 데이터에 붙은 문자 E는 해당하는 수치의 지수 부분을 나타내고, 예를 들어 1.0E － 02이면 1.0 × 10^-2를 나타낸다.

도5 내지 도8의 수차도에 대해, 구면수차의 선 d는 d선의 수차, g는 g선의 수차, c는 c선의 수차, 선(SC)은 정현 조건 불만족량을 나타내고 있다. 또한, 비점수차의 선(DM) 및 선(DS)은 각각 자오면(子午面) 및 화살형면에서의 수차이다. 단위는 왜곡의 횡축만 백분률이고, 다른 축에 대해서는 전부 ㎜이다.

조건식에 대응하는 각 실시예의 값을 표 9에 나타내고, 각 실시예는 모두 조건식을 만족시키고 있다.

(제1 실시예)

[표 1]

[비구면 데이터]

[표 2]

(제2 실시예)

[표 3]

[비구면 데이터]

[표 4]

(제3 실시예)

[표 5]

[비구면 데이터]

[표 6]

(제4 실시예)

[표 7]

[비구면 데이터]

[표 8]

[조건식 대응치]

[표 9]

본 발명에 따르면, 소형이고 제조 비용이 낮고, 또한 색수차 등 여러 수차가 양호하게 보정된 촬상 광학계를 제공할 수 있다.

Claims

촬상 대상으로부터의 광을 촬상 소자 상에 결상시키는 촬상 광학계이며,

촬상 대상측에 플러스의 파워의 제1 렌즈와,

제1 렌즈의 상면측에 플러스의 파워의 제2 렌즈와,

제2 렌즈의 상면측에, 상면측에 비구면을 갖는 마이너스의 파워의 제3 렌즈를 갖고,

상기 비구면은 광축 근방에서 상면측에 오목 형상인 동시에 광축 주변부에서 상면측에 볼록 형상이고, 상기 제2 렌즈의 아베수(υ2) 및 제3 렌즈의 아베수(υ3)는 하기 식1의 관계를 만족시키고, 상기 제2 렌즈의 초점 거리(f2) 및 상기 제3 렌즈의 초점 거리(f3)는 하기 식 2의 관계를 만족시키는 촬상 광학계.

υ3 － υ2 ＞ 10 … 식 1

│f3/f2│ ＜ 0.9 … 식 2
제1항에 있어서, 상기 제1 렌즈가 촬상 대상측에 볼록면을 향한 메니스커스 형상이고, 상기 제2 렌즈가 상면측에 볼록면을 향한 메니스커스 형상이고, 상기 제3 렌즈가 상면측에 오목면을 향한 메니스커스 형상인 촬상 광학계.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈와의 사이에 조리개를 갖는 촬상 광학계.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 렌즈 내지 제3 렌즈는 균질한 매질로 구성되어 있는 촬상 광학계.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 전체 계의 초점 거리(f) 및 제2 렌즈의 초점 거리(f2)는 하기 식 3의 관계를 만족시키는 촬상 광학계.

0.04 ＜ f/f2 ＜ 3 … 식 3
촬상 대상으로부터의 광을 촬상 소자 상에 결상시키는 촬상 광학계이며,

촬상 대상측에 플러스의 파워의 제1 렌즈와,

제1 렌즈의 상면측에 플러스의 파워의 제2 렌즈와,

제2 렌즈의 상면측에, 상면측에 비구면을 갖는 마이너스의 파워의 제3 렌즈를 갖고,

상기 비구면은 광축 근방에서 상면측에 오목 형상인 동시에 광축 주변부에서 상면측에 볼록 형상이고, 상기 제2 렌즈의 아베수(υ2) 및 제3 렌즈의 아베수(υ3)는 하기 식 1의 관계를 만족시키고, 상기 제2 렌즈의 촬상 대상측의 곡률 반경(r21) 및 상기 제2 렌즈의 상면측의 곡률 반경(r22)은 하기 식 4의 관계를 만족시키는 촬상 광학계.

υ3 － υ2 ＞ 10 … 식 1

－18 ＜ (r21 ＋ r22)/(r21 － r22) ＜ 200 … 식 4
제7항에 있어서, 상기 제1 렌즈가 촬상 대상측에 볼록면을 향한 메니스커스 형상이고, 상기 제2 렌즈가 상면측에 볼록면을 향한 메니스커스 형상이고, 상기 제3 렌즈가 상면측에 오목면을 향한 메니스커스 형상인 촬상 광학계.
제7항에 있어서, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈와의 사이에 조리개를 갖는 촬상 광학계.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 제1 렌즈 내지 제3 렌즈는 균질한 매질로 구성되어 있는 촬상 광학계.
제7항 또는 제8항에 있어서, 전체 계의 초점 거리(f) 및 제2 렌즈의 초점 거리(f2)는 하기 식 3의 관계를 만족시키는 촬상 광학계.

0.04 ＜ f/f2 ＜ 3 … 식 3