DE60306044T2

DE60306044T2 - Bildaufnahmeobjektiv

Info

Publication number: DE60306044T2
Application number: DE60306044T
Authority: DE
Inventors: c/o Milestone Co. Satoshi Fuchuu-shi Do
Original assignee: Milestone Co Ltd
Current assignee: Milestone Co Ltd
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2023-07-09
Also published as: EP1387199A1; US7009783B2; EP1387199B1; JP2004061938A; DE60306044D1; JP3411565B1; US20040125468A1; KR100530560B1; CN100359358C; KR20040011354A; CN1497288A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Aufnahmeobjektiv, welches zur Montage in einer Kamera, welche eine CCD- oder CMOS-Vorrichtung als ein Aufnahmeelement verwendet, geeignet ist.
Eine Eigenschaft dieses Aufnahmeobjektivs ist eine kurze optische Länge. Eine weitere Eigenschaft ist, daß verschiedene Aberrationen davon auf Beträge korrigiert sind, die ausreichend klein sind, so daß die Verzeichnung des von diesem Aufnahmeobjektiv aufgenommenen Bildes durch visuelle Wahrnehmung nicht erkennbar ist und die ausreichend klein sind, um die Anforderungen der Integrationsdichte des Aufnahmeelements zu erfüllen. Unten wird zur Vereinfachung "verschiedene Aberrationen sind auf Beträge korrigiert, die ausreichend klein sind, so daß eine Verzeichnung des von diesem Aufnahmeobjektiv aufgenommenen Bildes nicht durch visuelle Wahrnehmung erkennbar ist und die ausreichend klein sind, um die Anforderungen der Integrationsdichte des Aufnahmeelements zu erfüllen" durch den Ausdruck "Verschiedene Aberrationen sind zufriedenstellend korrigiert" oder ähnliches wiedergegeben. Ein Bild, für welches verschiedene Aberrationen zufriedenstellend korrigiert sind, kann als ein "zufriedenstellendes Bild" bezeichnet werden.
Ein Aufnahmeobjektiv, das in eine kompakte Kamera eingebaut ist, welche eine CCD- oder CMOS-Vorrichtung als ein Aufnahmeelement verwendet, muß eine kurze optische Länge haben und es muß zu einem niedrigen Preis herstellbar sein. Ein solches Objektiv ist zum Beispiel das in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 11-38316 offenbarte Aufnahmeobjektiv. Jedoch ist, obwohl das in dieser Veröffentlichung offenbarte Aufnahmeobjektiv wenige Komponenten aufweist, die vier Elemente in vier Gruppen zählen, die erste Linse, welche die Eingangslinse von der Objektseite her darstellt, sehr dick und daher schwer zu fertigen. Infolgedessen sind die Herstellungskosten erhöht und die Produktivität ist gering. Darüber hinaus überschreitet die optische Länge 10 mm, so daß die optische Länge zu lang für ein Objektiv ist, das in einer kompakten Kamera eingebaut ist, die eine CCD- oder CMOS-Vorrichtung als Aufnahmeelement verwendet.
Weitere Aufnahmeobjektive sind in der WO 99/63379 offenbart.
Verschiedene entsprechende Aspekte und Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen definiert. Merkmale aus den abhängigen Ansprüchen können, wie erforderlich, mit Merkmalen der unabhängigen Ansprüche kombiniert werden und nicht nur wie explizit in den Ansprüchen dargelegt.
Ausführungsformen der Erfindung können ein Aufnahmeobjektiv bereitstellen, in dem verschiedene Aberrationen zufriedenstellend korrigiert sind, das mit geringen Kosten hergestellt werden kann und das eine optische Länge von 10 mm oder weniger aufweist.
Ein Aufnahmeobjektiv dieser Erfindung, welches die genannte Aufgabe löst, weist eine Vier-Element, Vier-Gruppen-Anordnung auf, in der in einer Reihenfolge von der Objektseite her eine erste Linse L₁, eine Aperturblende S, eine zweite Linse L₂, eine dritte Linse L₃ und eine vierte Linse L₄ angeordnet sind. Die erste Linse L₁ ist eine meniskusförmige Linse mit negativer Brechkraft, die mit einer konkaven Fläche zur Objektseite hin angeordnet ist. Die zweite Linse L₂ ist eine Linse mit konvexen Flächen auf sowohl der Objektseite als auch auf der Bildseite, die eine positive Brechkraft aufweist. Die dritte Linse L₃ ist eine Linse mit konkaven Flächen sowohl auf der Objektseite als auch auf der Bildseite, die eine negative Brechkraft aufweist. Die vierte Linse L₄ ist eine Linse mit konvexen Flächen sowohl auf der Objektseite als auch auf der Bildseite, die eine positive Brechkraft aufweist.
Von allen acht Linsenflächen, die diese ersten bis dritten Linsen bilden (jede Linse hat eine gekrümmte Oberfläche auf der Objekt- und der Bildseite, so daß die Gesamtzahl der Flächen für die vier Linsen acht beträgt), sind mindestens drei Linsenflächen asphärisch und erfüllen die folgenden Bedingungen. +5,0 < (r2 + r1)/(r2 – r1) < +7,0 (1) 0,15f < d1 < 0,3f (2)
Hier ist r₁ der Krümmungsradius der Fläche auf der Objektseite der ersten Linse in der Nähe der optischen Achse (axialer Krümmungsradius), r₂ ist der Krümmungsradius der Fläche auf der Bildseite der ersten Linse in der Nähe der optischen Achse (axialer Krümmungsradius), d₁ ist die Dicke der ersten Linse und f ist die Brennweite des gesamten Systems (die kombinierte Brennweite des Linsensystems mit den ersten, zweiten, dritten und vierten Linsen).
Sogenannte Krümmungs- bzw. Biegeoperationen können ausgeführt werden, bei denen durch Ändern sowohl der Krümmungsradien r₁ als auch r₂ der ersten Linse nur die Aberrationen geändert werden können, ohne die Brennweite der Linse zu verändern. Unter Bedingungen, so daß sich die Linsenbrennweite nicht ändert, wird der Wert von q, der durch q = (r₁ + r₂)/(r₂ – r₁) gegeben ist, wenn r₁ und r₂ geändert werden, der Linsenformfaktor genannt und er ist ein Parameter, der den Grad an Biegung darstellt. Das heißt, der Parameter q ist 0 für eine symmetrische Linse (r₁ = –r₂) und er wird größer, wenn die Linse asymmetrischer wird und er ist daher ein Parameter, der das Maß der Abweichung von einer symmetrischen Linse (das Maß der Asymmetrie) darstellt.
Daher bedeutet die obengenannte Bedingungsgleichung (1), daß der Parameter q, der das Maß der Biegung der ersten Linse beschreibt, innerhalb des Bereichs +5,0 bis +7,0 eingestellt sein sollte.
Dadurch, daß die Linsen, welche Komponenten sind, die Bedingungen, die durch Gleichung (1) und Gleichung (2) gegeben sind, erfüllen, und darüber hinaus durch Anordnen der Linsen in der oben beschriebenen Anordnung, kann ein Aufnahmeobjektiv zur Verfügung gestellt werden, das mit geringen Kosten hergestellt werden kann, das eine optische Länge von 10 mm oder weniger aufweist und in dem verschiedene Aberrationen zufriedenstellend korrigiert sein können.
In dem Fall eines Aufnahmeobjektivs mit einer kurzen kombinierten Brennweite f von 3,3 mm bis 4,0 mm muß ein Brennpunktabstand von der Objektivrückseite von etwa einigen Millimetern sichergestellt werden. Durch Vergrößern der negativen Brechkraft der ersten Linse kann ein angemessener Brennpunktabstand von der Objektivrückseite sichergestellt werden.
Mit Hilfe des negativen Linsenelements, welches die dritte Linse ist, können die axiale chromatische Aberration und die laterale chromatische Aberration zufriedenstellend korrigiert werden.
Gleichung (1) ist eine Bedingung zum Erzielen eines ausreichenden Brennpunktabstands von der Objektivrückseite, während ein zufriedenstellendes Bild erhalten bleibt. Wenn die Krümmungsradien r₁ und r₂ so eingestellt sind, daß sie die oberen Grenzen überschreiten, krümmt sich die Meridionalebene des Astigmatismus zu weit in die positive Richtung. Ebenfalls wird, wenn die Krümmungsradien r₁ und r₂ unter den unteren Grenzen eingestellt sind, der Brennpunktabstand von der Objektivrückseite kurz und der Winkel des auf die bildgebende Oberfläche der CCD einfallenden Strahls wird ein spitzer Winkel. Folglich tritt Totalreflexion aufgrund der Mikrolinsen im peripheren Teil des Bildes auf, so daß der periphere Teil des Bildes dunkel wird. Darüber hinaus krümmt sich die Meridionalebene des Astigmatismus zu weit in die negative Richtung.
Durch Anordnen einer Blende zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse kann eine negative Verzeichnungsaberration (Tonnenverzeichnung) in den dahinter angeordneten zweiten und vierten Linsen korrigiert werden.
Gleichung (2) gibt die Bedingung für die Korrektur der Feldkrümmung an, während eine kurze Gesamtlänge für das Linsensystem und ein kleiner Durchmesser der ersten Linse erhalten bleiben. Wenn die Dicke d₁ der ersten Linse die obere Grenze der Dicke übersteigt, werden die Gesamtlänge des Objektivs und der erste Linsendurchmesser zu groß und die Kompaktheit des Linsensystems geht verloren. Auch erhöht sich die negative Verzeichnungsaberration. Wenn d₁ kleiner ist als die untere Grenze der Gleichung (2), so daß die Linsendicke reduziert ist, erhöht sich die Feldkrümmung, was ebenfalls nicht wünschenswert ist. Auch ist es, wenn d₁ unter die untere Grenze aus Gleichung (2) verringert wird und eine Plastiklinse verwendet wird, schwierig, die Linse gemäß dem Design zu formen.
Wie in der Ausführungsform 1 und der Ausführungsform 2, die unten beschrieben werden, deutlich wird, kann mit Hilfe der beiden durch Gleichung (1) und Gleichung (2) gegebenen Bedingungen ein Aufnahmeobjektiv mit exzellenter Produktivität, in dem verschiedene Aberrationen zufriedenstellend korrigiert sind und mit einer optischen Länge von 10 mm oder weniger, realisiert werden.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, daß ein Aufnahmeobjektiv dieser Erfindung aus Komponentenlinsen gebildet ist, die alle aus Kunststoffmaterial (einem Polymermaterial, das gegossen und durch Kunststoffdeformation unter Anwendung von Wärme oder Druck oder beidem geformt werden kann und das für sichtbares Licht transparent ist) bestehen.
Die Erfindung wird nun in Form eines Beispiels gemäß den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und in denen:
1 eine zusammenfassende Querschnittsansicht ist, um den Aufbau eines Aufnahmeobjektivs gemäß dieser Erfindung zu erklären,
2 eine zusammenfassende Querschnittsansicht ist, um eine erste Ausführungsform eines Aufnahmeobjektivs gemäß dieser Erfindung zu erklären,
3 ein Graph der Verzeichnungsaberration des Aufnahmeobjektivs aus 2 ist,
4 ein Graph der astigmatischen Aberration des Aufnahmeobjektivs aus 2 ist,
5 ein Graph der chromatische/sphärischen Aberration eines Aufnahmeobjektivs aus 2 ist,
6 eine zusammenfassende Querschnittsansicht ist, um eine zweite Ausführungsform eines Aufnahmeobjektivs gemäß dieser Erfindung zu erklären,
7 ein Graph der Verzeichnungsaberration des Aufnahmeobjektivs aus 6 ist,
8 ein Graph der astigmatischen Aberration des Aufnahmeobjektivs aus 6 ist,
9 ein Graph der chromatischen/sphärischen Aberration des Aufnahmeobjektivs aus 6 ist,
10 eine zusammenfassende Querschnittsansicht ist, um ein erstes vergleichendes Beispiel eines Aufnahmeobjektivs gemäß dieser Erfindung zu erklären,
11 ein Graph der Verzeichnungsaberration des Aufnahmeobjektivs aus 10 ist,
12 ein Graph der astigmatischen Aberration des Aufnahmeobjektivs aus 10 ist,
13 ein Graph der chromatischen/sphärischen Aberration des Aufnahmeobjektivs aus 10 ist,
14 eine zusammenfassende Querschnittsansicht ist, um ein zweites vergleichendes Beispiel eines Aufnahmeobjektivs gemäß dieser Erfindung zu erklären,
15 ein Graph der Verzeichnungsaberration des Aufnahmeobjektivs aus 14 ist,
16 ein Graph der astigmatischen Aberration des Aufnahmeobjektivs aus 14 ist, und
17 ein Graph der chromatischen/sphärischen Aberration des Aufnahmeobjektivs aus 14 ist.
Nachfolgend werden Aspekte dieser Erfindung gemäß den Zeichnungen erklärt. Diese Zeichnungen zeigen nur zusammenfassend die Formen, Größen und räumlichen Beziehungen der Komponenten in einem Ausmaß, welches ein Verständnis dieser Erfindung ermöglicht und die numerischen und anderen, unten erklärten Bedingungen sind nur geeignete Beispiele, die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf die Aspekte der Erfindung beschränkt.
Ausführungsformen
1 ist ein Diagramm des Aufbaus eines Aufnahmeobjektivs gemäß dieser Erfindung.
Die ersten, zweiten, dritten und vierten Linsen, gezählt von der Objektseite her, sind mit L₁, L₂, L₃ bzw. L₄ bezeichnet. Die Aufnahmeoberfläche (lichtempfangende Oberfläche des Festkörperaufnahmeelements) ist mit 10 bezeichnet, das Deckglas, welches die Aufnahmeoberfläche und das Linsensystem trennt, ist mit 12 bezeichnet und die beiden Blendenebenen sind in der Reihenfolge von der Bildseite zu der Objektseite hin mit 14 bzw. 16 bezeichnet.
Die in den Figuren gezeigten Parameter r_i (i = 1, 2, 3, ..., 12) und d_i (i = 1, 2, 3, ..., 12) und andere Parameter sind als spezifische numerische Werte nachfolgend in Tabelle 1 bis Tabelle 4 angegeben. Die Indizes i = 1, 2, ..., 12 sind Nummern der Linsenoberflächen zugeordnet oder den Linsendicken oder den Abständen zwischen Linsenoberflächen in einer Reihenfolge von der Objektseite zu der Bildseite hin.
Das heißt, r_i ist der Krümmungsradius der i-ten Oberfläche (für eine asphärische Oberfläche der Krümmungsradius auf der Achse), d_i ist der Abstand von der i-ten Oberfläche zu der i+1-ten Oberfläche, N_i ist das Brechungsvermögen des Linsenmediums von der i-ten Oberfläche zu der i+1-ten Oberfläche und v_i ist die Dispersion des Linsenmediums von der i-ten Oberfläche zu der i+1-ten Oberfläche.
Asphärische Daten sind zusammen mit Nummern der Oberflächen in den rechten Spalten der Tabelle 1 bis Tabelle 4 gezeigt. Die Aperturblenden r₃ und r₄ und die Deckgläser r₁₁ und r₁₂ sind eben und daher ist der Krümmungsradius mit ∞ bezeichnet.
Eine in dieser Erfindung verwendete asphärische Oberfläche ist durch die folgende Gleichung gegeben. Z = ch2/[1 + [1 – (1 + k)c2h2] + 1/2] + A0h4 + B0h6 + C0h8 + D0h10
Hier ist Z die Tiefe von der Ebene, die tangential zu dem Scheitelpunkt der Linse ist, c ist die Krümmung der Oberfläche in der Nähe der optischen Achse, h ist die Höhe von der optischen Achse, k ist die konische Konstante, A₀ ist der asphärische Koeffizient vierter Ordnung, B₀ ist der asphärische Koeffizient sechster Ordnung, C₀ ist der asphärische Koeffizient achter Ordnung und D₀ ist der asphärische Koeffizient zehnter Ordnung.
In jeder der Tabellen 1 bis 4 dieser Beschreibung bedeutet "e-1" bei der Darstellung numerischer Werte, welche asphärische Koeffizienten bezeichnen, "10^–1". Darüber hinaus ist ein als Brennweite f gezeigter Wert die kombinierte Brennweite des Linsensystems mit den ersten, zweiten, dritten und vierten Linsen.
Die ersten und zweiten Ausführungsformen werden nachfolgend gemäß 2 bis 9 erklärt. Auch werden zwei Vergleichsbeispiele (ein erstes Vergleichsbeispiel und ein zweites Vergleichsbeispiel), welche die durch die folgende Gleichung (1) gegebenen Bedingungen nicht erfüllen, gemäß 10 bis 17 erklärt. +5,0 < (r2 + r1)/(r2 – r1) < +7,0 (1)
Das heißt, in dem ersten Vergleichsbeispiel ist r₁ = –2,25 und r₂ = –3,40 (siehe Tabelle 3), so daß (r₂ + r₁)/(r₂ – r₁) = 4,913 unter der unteren Grenze liegt und in dem zweiten Vergleichsbeispiel ist r₁ = –2,55 und r₂ = –3,30 (siehe Tabelle 4), so daß (r₂ + r₁)/(r₂ – r₁) = 7,800 über der oberen Grenze liegt.
2, 6, 10 und 14 zeigen zusammenfassende Querschnittsansichten der Linsenanordnungen und der entsprechenden Punktdiagramme, die das Ausmaß der Verteilung des Punktbildes in der Bildebene in Bezug auf den Einfallsabstand bezeichnen. In diesen Zeichnungen sind die Punktbilder umgeben von einem Rechteck auf der rechten Seite der Bildebene 10 (lichtempfangende Oberfläche des Festkörperaufnahmeelements) gezeichnet, die in der vertikalen Richtung lang ist, wobei das Ausmaß der Verteilung des Punktbildes, das auf die Aufnahmeebene 10 projiziert ist, so daß es der Größe eines Kreises entspricht, gezeigt wird. Verzeichnungsaberrationskurven sind in 3, 7, 11 und 15, astigmatische Aberrationenskurven in 4, 8, 12 und 16 und chromatische/sphärische Aberrationskurven in 5, 9, 13 und 17 gezeigt.
Eine Verzeichnungsaberrationskurve zeigt den Aberrationsbetrag (den Betrag, um welchen die Tangentenbedingung nicht erfüllt ist, ausgedrückt als ein Prozentsatz entlang der horizontalen Achse) gegen den Abstand von der optische Achse (ausgedrückt als ein Prozentsatz entlang der vertikalen Achse, wobei der maximale Abstand von der optischen Achse innerhalb der Bildebene gleich 100 ist). Eine astigmatische Aberrationskurve zeigt den Betrag an Aberration entlang der horizontalen Achse (in mm-Einheiten) für einen Abstand von der optischen Achse, ähnlich einer Verzeichnungsaberrationskurve. Der Astigmatismus wurde als Aberrationsbeträge (in mm-Einheiten) in der Meridionalebene und in der Sagittalebene ausgedrückt. Eine chromatische/sphärische Aberrationskurve zeigt den Betrag an Aberration entlang der horizontalen Achse (in mm-Einheiten) für einen Einfallsabstand h (F-Zahl). In einer chromatischen/sphärischen Aberrationskurve sind die Aberrationsbeträge für die C-Linie (Licht der Wellenlänge 656,27 nm), die d-Linie (Licht der Wellenlänge 587,56 nm) und die g-Linie (Licht der Wellenlänge 435,84 nm) gezeigt. Das Brechungsvermögen ist das Brechungsvermögen für die d-Linie (Licht der Wellenlänge 587,56 nm).
Nachfolgend sind die Krümmungsradien der Komponentenlinsen (mm-Einheiten), die Abstände zwischen Linsen (mm-Einheiten), das Brechungsvermögen des Linsenmaterials, die Abbe-Zahl des Linsenmaterials, die Brennweite, die numerische Apertur und die asphärischen Koeffizienten für die erste Ausführungsform (Tabelle 1), die zweite Ausführungsform (Tabelle 2), das erste Vergleichsbeispiel (Tabelle 3) und das zweite Vergleichsbeispiel (Tabelle 4) aufgelistet.
Nachfolgend werden die Eigenschaften jeder der Ausführungsformen zusammen mit den Vergleichsbeispielen diskutiert. In den ersten und zweiten Ausführungsformen sowie in den ersten und zweiten Vergleichsbeispielen wurde ZEONEX E48R (ZEONEX ist eine eingetragene Marke und E48R ist eine Produktzahl von Nippon Zeon Co., Ltd.), das ein Cycloolefin-Kunststoff ist, für die erste Linse (L₁), welche eine Meniskusform aufweist, wobei die konkave Oberfläche zur Objektseite hin zeigt und die eine negative Brechkraft aufweist, für die zweite Linse (L₂), die konvexe Oberflächen sowohl auf der Objektseite als auch auf der Bildseite aufweist und die eine positive Brechkraft aufweist, und für die vierte Linse (L₄), die eine konvexe Oberfläche sowohl auf der Objektseite als auch auf der Bildseite aufweist und die eine positive Brechkraft aufweist, verwendet.
Die dritte Linse (L₃), welche eine konkave Oberfläche sowohl auf der Objektseite als auch auf der Bildseite aufweist und die eine negative Brechkraft aufweist, verwendet ein Polycarbonat. Beide Oberflächen der ersten Linse (L₁), beide Oberflächen der zweiten Linse (L₂), die objektseitige Oberfläche der dritten Linse (L₃) und die bildseitige Oberfläche der vierten Linse (L₄) sind asphärisch. Das heißt, die Anzahl der asphärischen Oberflächen beträgt sechs in jeder der Ausführungsformen und in den Vergleichsbeispielen.
Die Abbe-Zahl des ZEONEX E48R, welches das Material der ersten Linse (L₁), der zweiten Linse (L₂) und der vierten Linse (L₄) ist, beträgt 56, aber als ein Ergebnis von Simulationen wurde festgestellt, daß wenn die Abbe-Zahl des Materials dieser Linsen in dem Bereich von 45 bis 65 liegt, kein praktischer Unterschied in der Aberration oder in einem anderen Verhalten des Objektivs auftritt. Die Abbe-Zahl des Polycarbonats, welches das Material der dritten Linse (L₃) ist, beträgt 30, aber ähnlich wie oben wurde beobachtet, daß wenn die Abbe-Zahl dieses Linsenmaterials in dem Bereich von 25 bis 35 liegt, kein praktischer Unterschied in der Aberration oder einem anderen Verhalten des Objektivs auftritt. Das heißt, es wurde festgestellt, daß wenn die Abbe-Zahlen in den entsprechenden, oben beschriebenen Bereichen liegen, ein Abbildungsobjektiv realisiert werden kann, das die Aufgaben dieser Erfindung löst, welche die zufriedenstellende Korrektur verschiedene Aberrationen des Aufnahmeobjektivs, verglichen mit den verschiedenen Aberrationen des Aufnahmeobjektivs aus dem Stand der Technik, und eine optische Länge von 10 mm oder weniger sind.
Zwischen dem Linsensystem und der Aufnahmeoberfläche ist ein Deckglas eingefügt, das in der ersten Ausführungsform 0,60 mm dick ist und in der zweiten Ausführungsform und in den ersten und zweiten Vergleichsbeispielen 1,00 mm dick ist; die verschiedenen nachfolgend beschriebenen Aberrationen sind unter der Annahme des Vorhandenseins dieses Deckglases gerechnet. Das heißt, dieses Deckglas weist die Oberflächen r₁₁ und r₁₂ auf und der Parameter d₁₁, der die Dicke darstellt, beträgt d₁₁ = 0,60 mm in der ersten Ausführungsform und d₁₁ = 1,00 mm in der zweiten Ausführungsform und in den ersten und zweiten Vergleichsbeispielen.
Erste Ausführungsform

(A) Die Brennweite des Gesamtsystems beträgt f = 3,315 mm.
(B) Die Dicke der ersten Linse beträgt d₁ = 0,72 mm.
(C) Der Krümmungsradius der objektseitigen Oberflächen der ersten Linse beträgt r₁ = –1,72 mm
(D) Der Krümmungsradius der bildseitigen Oberfläche der ersten Linse beträgt r₂ = –2,53 mm

Da (r₂ + r₁)/(r₂ – r₁) = +5,2469, erfüllt dieses Linsensystem die Bedingung aus Gleichung (1). Und da 0,15f = 0,497, d₁ = 0,72 und 0,3f = 0,9945, ist auch die Bedingung aus Gleichung (2) erfüllt.
2 zeigt die Ergebnisse eines Ray-Tracing und ein Punktdiagramm, das die Verteilung eines Punktbildes auf der Aufnahmeoberfläche zeigt. Es ist ersichtlich, daß es eine gewisse Verteilung des Punktbildes nur an dem Ort sehr nahe an dem Feldwinkel gibt und daß ein zufriedenstellendes Punktbild über nahezu die gesamte Aufnahmeoberfläche erhalten wird.
Die optische Länge beträgt 6,663 mm, welche weniger ist als 10 mm, und ein ausreichender Brennpunktabstand von der Objektivrückseite von 2,357 mm ist ebenfalls sichergestellt.
Graphen der Verzeichnungsaberrationskurve 20 sind in 3, der astigmatischen Aberrationskurven (Aberrationskurve 22 für die Meridionalebene und Aberrationskurve 24 für die Sagittalebene) in 4 und der chromatischen/sphärischen Aberrationskurven (Aberrationskurve 26 für die C-Linie, Aberrationskurve 28 für die d-Linie und Aberrationskurve 30 für die g-Linie; jedoch gibt es fast keinen Unterschied zwischen den Aberrationskurven 26 und 28, welche sich überlappen) in 5 gezeigt. Die vertikalen Achsen der Aberrationskurven aus 3 und 4 zeigen die Bildhöhe, wobei 100 %, 85 %, 70 %, 50 % und 30 % 2,187 mm, 1,859 mm, 1,531 mm, 1,093 mm bzw. 0,656 mm entsprechen. Die horizontale Achse bezeichnet die Stärke der Aberration. Die vertikale Achse der Aberrationskurve aus 5 zeigt den Einfallsabstand h (F-Zahl), das Maximum beträgt F2,8.
Die Verzeichnungsaberration liegt innerhalb von 2 %, die astigmatische Aberration liegt innerhalb von 0,1 mm und die chromatische/sphärische Aberration beträgt weniger als 0,02 mm. In allen Fällen ist die für ein in eine kompakte Kamera, welche eine CCD- oder CMOS-Vorrichtung als Aufnahmeelement verwendet, eingebautes Objektiv erforderliche Leistungsfähigkeit sichergestellt.
Zweite Ausführungsform

(A) Die Brennweite des gesamten Systems beträgt f = 3,812 mm.
(B) Die Dicke der ersten Linse beträgt d₁ = 0,9 mm.
(C) Der Krümmungsradius der objektseitigen Oberfläche der ersten Linse beträgt r₁ = –2,45 mm.
(D) Der Krümmungsradius der bildseitigen Oberfläche der ersten Linse beträgt r₂ = –3,35 mm.

Da (r₂ + r₁)/(r₂ – r₁) =+6,444, erfüllt dieses Linsensystem die Bedingung aus Gleichung (1). Und da 0,15f = 0,572, d₁ = 0,9 und 0,3f = 1,144, ist auch die Bedingung aus Gleichung (2) erfüllt.
6 zeigt die Ergebnisse eines Ray-Tracing und ein Punktdiagramm, das die Verteilung eines Punktbildes auf der Aufnahmeoberfläche zeigt. Ein zufriedenstellendes Punktbild wird über die gesamte Aufnahmeoberfläche hinweg erhalten, einschließlich dem Punktbild an den Positionen sehr nahe dem Feldwinkel.
Die optische Länge beträgt 9,256 mm, was weniger ist als 10 mm, und ein ausreichender Brennpunktabstand von der Objektivrückseite von 3,396 mm wird ebenfalls sichergestellt.
Graphen der Verzeichnungsaberrationskurve 32 sind in 7, astigmatische Aberrationskurven (Aberrationskurve 34 für die Meridionalebene und Aberrationskurve 36 für die Sagittalebene) in 8 und chromatische/sphärische Aberrationskurven (Aberrationskurve 38 für die C-Linie, Aberrationskurve 40 für die d-Linie und Aberrationskurve 42 für die g-Linie) in 9 gezeigt. Die vertikalen Achsen der Aberrationskurven aus 7 und 8 zeigen die Bildhöhe, wobei 100 %, 85 %, 70 %, 50 % und 30 % 2,250 mm, 1,913 mm, 1,575 mm, 1,125 mm bzw. 0,675 mm entsprechen. Die vertikale Achse der Aberrationskurve aus 9 zeigt den Einfallsabstand h (F-Zahl), das Maximum beträgt F2,8. Die horizontale Achse zeigt den Betrag der Aberration. Die Verzeichnungsaberration liegt innerhalb von 2,6 %, die astigmatische Aberration liegt innerhalb von 0,08 mm und die chromatische/sphärische Aberration beträgt weniger als 0,05 mm. In allen Fällen ist die Leistungsfähigkeit in Bezug auf die Aberration die, welche für ein Objektiv, das in eine kompakte Kamera, die eine CCD- oder CMOS-Vorrichtung als das Aufnahmeelement verwendet, erforderlich ist.
(Erstes Vergleichsbeispiel)

(A) Die Brennweite des Gesamtsystems beträgt f = 3,832 mm.
(B) Die Dicke der ersten Linse beträgt d₁ = 0,9 mm.
(C) Der Krümmungsradius der objektseitigen Oberfläche der ersten Linse beträgt r₁ = –2,25 mm.
(D) Der Krümmungsradius der bildseitigen Oberfläche der ersten Linse beträgt r₂ = –3,40 mm.

Da (r₂ + r₁)/(r₂ – r₁) = +4,913, ist der Wert für dieses Linsensystem niedriger als die untere Grenze der Bedingung aus Gleichung (1), so daß die Bedingung nicht erfüllt ist.
10 zeigt das Ergebnis eines Ray-Tracing und ein Punktdiagramm, welches die Verteilung eines Punktbildes auf der Aufnahmeoberfläche zeigt. Es ist offensichtlich, daß die Verteilung des Punktbildes sich vergrößert, wenn man sich hin zu der Peripherie der Aufnahmeoberfläche bewegt und daß ein zufriedenstellendes Punktbild in dem peripheren Teil der Aufnahmeoberfläche nicht erhalten wird.
Die vertikalen Achsen der Aberrationskurven aus 11 und 12 zeigen die Bildhöhe, wobei 100 %, 85 %, 70 %, 50 % und 30 % 2,249 mm, 1,911 mm, 1,574 mm, 1,124 mm bzw. 0,675 mm entsprechen. Die vertikale Achse der Aberrationskurve aus 13 zeigt den Einfallsabstand h (F-Zahl), das Maximum beträgt F2,8. Die horizontale Achse bezeichnet die Stärke der Aberration.
Die Verzeichnungsaberration liegt innerhalb von 0,7 % und die chromatische/sphärische Aberration beträgt weniger als 0,06 mm. Jedoch beträgt die astigmatische Aberration für eine Bildhöhe von 2,249 mm 2,3 mm in der Meridionalebene.
Die in 11 gezeigte Verzeichnungsaberrationskurve 44 und die in 13 gezeigten chromatischen/sphärischen Aberrationskurven (Aberrationskurve 50 für die C-Linie, Aberrationskurve 52 für die d-Linie und Aberrationskurve 54 für die g-Linie) zeigen zufriedenstellende Eigenschaften, aber in den in 12 gezeigten astigmatischen Aberrationskurven (Aberrationskurve 46 für die Meridionalebene, Aberrationskurve 48 für die Sagittalebene) sind die Werte in der Meridionalebene groß (Aberrationskurve 46). In dieser Beziehung sind die Eigenschaften, verglichen mit den Ausführungsformen, nicht zufriedenstellend.
(Zweites Vergleichsbeispiel)

(A) Die Brennweite des Gesamtsystems beträgt f = 3,799 mm.
(B) Die Dicke der ersten Linse beträgt d₁ = 0,9 mm.
(C) Der Krümmungsradius der objektseitigen Oberfläche der ersten Linse beträgt r₁ = –2,55 mm.
(D) Der Krümmungsradius der bildseitigen Oberfläche der ersten Linse beträgt r₂ = –3,30 mm.

Da (r₂ + r₁)/(r₂ – r₁) = +7,800, liegt der Wert für dieses Linsensystem über der oberen Grenze der Bedingung aus Gleichung (1), so daß die Bedingung nicht erfüllt ist.
14 zeigt das Ergebnis eines Ray-Tracing und ein Punktdiagramm, das die Verteilung eines Punktbildes auf der Aufnahmeoberfläche zeigt. Ähnlich dem ersten Vergleichsbeispiel wird die Verteilung des Punktbildes beim Bewegen hin zu der Peripherie der Aufnahmeoberfläche größer und ein zufriedenstellendes Punktbild wird in dem peripheren Teil auf der Aufnahmeoberfläche nicht erhalten.
Die vertikalen Achsen der Aberrationskurven aus 15 und 16 zeigen die Bildhöhe, wobei 100 %, 85 %, 70 %, 50 % und 30 % 2,252 mm, 1,914 mm, 1,576 mm, 1,126 mm bzw. 0,675 mm entsprechen. Die vertikale Achse der Aberrationskurve aus 17 zeigt den Einfallsabstand h (F-Zahl), das Maximum beträgt F2,8. Die horizontale Achse bezeichnet die Stärke der Aberration.
Die chromatische/sphärische Aberration beträgt weniger als 0,04 %. Jedoch beträgt die Verzeichnungsaberration 4,2 % und die astigmatische Aberration beträgt für eine Bildhöhe von 2,252 mm 0,78 mm in der Meridionalebene.
Die in 17 gezeigten chromatischen/sphärischen Aberrationskurven (Aberrationskurve 62 für die C-Linie, Aberrationskurve 64 für die d-Linie und Aberrationskurve 66 für die g-Linie) zeigen zufriedenstellende Eigenschaften, aber wie aus der in 15 gezeigte Verzeichnungsaberrationskurve 56 und den in 16 gezeigten astigmatischen Aberrationskurven (Aberrationskurve 58 für die Meridionalebene, Aberrationskurve 60 für die Sagittalebene) ersichtlich ist, sind die Verzeichnungsaberration und die astigmatische Aberration in der Meridionalebene (Aberrationskurven 56 und 58) groß. Diesbezüglich sind die Eigenschaften, verglichen mit den Ausführungsformen, nicht zufriedenstellend.
Daher ist aus den oben angegebenen Ausführungsformen und Vergleichsbeispielen ersichtlich, daß durch Konstruieren eines Objektivs, das so eingerichtet ist, daß es Gleichung (1) und Gleichung (2) erfüllt, welche die Bedingungen angeben, unter denen verschiedene Aberrationen zufriedenstellend korrigiert sind, ein ausreichender Brennpunktabstand von der Objektivrückseite erhalten wird, darüber hinaus die optische Länge kurzgehalten wird und die durch diese Erfindung zu lösenden Aufgaben gelöst werden können.
In den Ausführungsformen und Vergleichsbeispielen wurden die Kunststoffmaterialien ZEONEX E48R und Polycarbonat für die ersten, zweiten und vierten Linsen bzw. für die dritte Linse verwendet, aber andere als die in den Ausführungsformen beschriebenen Kunststoffmaterialien können ebenfalls verwendet werden, und darüber hinaus können natürlich andere Materialien als Kunststoff, wie z.B. Glas, verwendet werden, solange die Materialien die in den Ausführungsformen erklärten Bedingungen erfüllen.
Wie oben erläutert, kann mit Hilfe dieser Erfindung ein Aufnahmeobjektiv realisiert werden, welches, während es nur vier Elemente in vier Gruppen aufweist, eine wirkungsvolle Verwendung von Kunststofflinsen ermöglicht, eine zufriedenstellende Korrektur von verschiedenen Aberrationen erreicht, mit geringen Kosten hergestellt werden kann, eine optische Länge von 10 mm oder weniger hat und das für eine Verwendung in kompakten CCD-Kameras geeignet ist. Dies ist schwierig für ein Aufnahmeobjektiv, das als Komponenten Linsen verwendet, die Material mit einem d-Linien-Brechungsvermögen von 1,583 und mit Brechungsvermögen-Wellenlängendispersionseigenschaften mit einer Abbe-Zahl von ungefähr 30 aufweisen, wobei alle diese Komponentenlinsen aus optischem Glas gebildet sind. Unter einem anderen Gesichtspunkt war es in den Ausführungsformen dieser Erfindung möglich, neue experimentelle Ergebnisse zu präsentieren, die zeigen, daß sogar ein Material, das eine große Wellenlängendispersionseigenschaft mit einer Abbe-Zahl von ungefähr 30 aufweist, in dem Verfahren zur Linsenanordnung gemäß dieser Erfindung verwendet werden kann, um ein Kombinationsobjektiv zu bilden, das zufriedenstellende Bilder ermöglicht.
Wie oben erklärt, ist das Aufnahmeobjektiv gemäß dieser Erfindung zusätzlich zur Verwendung als Objektiv für eine Videokamera, die in ein tragbares Telefon eingebaut ist, als Objektiv einer Videokamera, die in einem PDA (Personal Digital Assistant) eingebaut ist, als Objektiv einer Videokamera, die in ein Spielzeug eingebaut ist, das Bilderkennungsfunktionen aufweist und als Objektiv von Überwachungsvideokameras und Sicherheitsvideokameras geeignet.

Claims

Aufnahmeobjektiv, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es aufweist, eine erste Linse (L₁), welche eine Meniskusform hat, mit einer konkaven Oberfläche auf der Objektseite, und die eine negative Brechkraft aufweist, eine Aperturblende (S), eine zweite Linse (L₂) mit konvexen Oberflächen sowohl auf der Objektseite als auch auf der Bildseite, und die eine positive Brechkraft aufweist, eine dritte Linse (L₃) mit konkaven Oberflächen sowohl auf der Objektseite als auch auf der Bildseite, und die eine negative Brechkraft aufweist und eine vierte Linse (L₄) mit konvexen Oberflächen sowohl auf der Objektseite als auch auf der Bildseite, und die eine positive Brechkraft aufweist und welches konfiguriert ist durch Anordnen von der Objektseite her in der Reihenfolge: die erste Linse (L₁), die Aperturblende (S), die zweite Linse (L₂), die dritte Linse (L₃) und die vierte Linse (L₄) und wobei mindestens drei Linsenoberflächen der Oberflächen der ersten bis vierten Linsen aspherisch sind und die folgenden Bedingungen erfüllt sind: +5,0 < (r2 + r1)/(r2 – r1) < +7,0 (1) 0,15f < d1 < 0,3f (2),wobei r₁ der axiale Krümmungsradius der objektseitigen Oberfläche der ersten Linse in der Nähe der optischen Achse ist, r₂ der axiale Krümmungsradius der bildseitigen Oberfläche der ersten Linse in der Nähe der optischen Achse ist, d₁ die Dicke der ersten Linse ist und f die Brennweite des gesamten Systems ist, welche als die kombinierte Brennweite des Linsensystems definiert ist, welches die ersten, zweiten, dritten und vierten Linsen aufweist.
Aufnahmeobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Linsen, welche das Aufnahmeobjektiv aufweist, aus Kunststoffmaterial gebildet sind.
Aufnahmeobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linse (L₁), die zweite Linse (L₂) und die vierte Linse (L₄) Linsen sind, welche aus einem Material mit einer Abbe-Zahl in dem Bereich von 45 bis 65 gebildet sind und die dritte Linse (L₃) eine Linse ist, welche aus Material mit einer Abbe-Zahl in dem Bereich von 25 bis 35 gebildet ist.
Aufnahmeobjektiv nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von den Linsen, welche das Aufnahmeobjektiv aufweist, die erste Linse (L₁), die zweite Linse (L₂) und die vierte Linse (L₄) Linsen sind, welche gebildet sind, wobei ein Cycloolefin-Kunststoff verwendet wird und die dritte Linse (L₃) eine Linse ist, welche aus Polycarbonat gebildet ist.
Aufnahmeobjektiv nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand von der objektseitigen Oberfläche der ersten Linse zu der Bildebene 10 mm oder weniger beträgt.
Aufnahmeobjektiv nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand von der objektseitigen Oberfläche der ersten Linse zu der Bildebene 10 mm oder weniger beträgt.