JP2009086589A - 撮像レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、レンズ枚数の少ない、性能がよく、且つ適当な構成形状及びプラスチック材料を運用して、一層高性能で一層緊密な構成の撮像レンズを提供する。
【解決手段】物体側に向いた面を凸面形状に形成し、且つ正の屈折力を有する凹凸レンズとしての第一レンズと、近軸上で物体側に向いた面を凹面形状に形成し、且つ負の屈折力を有する凹凸レンズとしての第二レンズと、近軸上で物体側に向いた面を凸面形状に形成し、且つ正の屈折力を有する凹凸レンズとしての第三レンズと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像レンズ、特に、撮像機能を備えた小型機器、例えば、カメラ付携帯電話・PDA及びデジタルカメラなど小型機器の単焦点レンズに適用できる撮像レンズに関するものである。

カメラ付携帯電話やPDAなどの撮像機器では、CCD (Charge Coupled Device)及びCMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor ）などの撮像素子を使用するが、これらの撮像素子は、近年来超小型化の方向へ発展しつつある。そのため、カメラ本体及びその上に搭載されるレンズも、一層小型化、軽量化が求められている。
又、近年来、画像の高画質を実現するため、一層高解像度でハイコントラスト画質の性能が開発されつつある。

この種の撮像機器に使用される撮像レンズの中には、下記の先行特許に開示された部品が存在する。
日本特開２００６−９８４２９号公報には、物体の側から見て、順次第一から第三レンズによって構成された三枚構成の撮像レンズが記載されている。
前記撮像レンズの絞りは、本案設計と同様に第一レンズと第二レンズの間に配置されている。
しかし第一レンズはガラス材質からなり、しかもこの撮像システムの寸法もまだ小さいとは言えず、Fナンバーも大きすぎ、撮像素子の感光効率に影響している。
そこで、撮像素子の小型化、且つ一層廉価で一層画質のよい光学系を求めて、本案発明に係る撮像レンズを提出した。
特開２００６−９８４２９号公報

本発明の目的は、小型で、レンズ枚数の少ない、性能がよく、且つ適当な構成形状及びプラスチック材料を運用して、一層高性能で一層緊密な構成の撮像レンズを提供することにある。

上述発明の目的を達成できる撮像レンズは、物体側に向いた面を凸面形状に形成し、且つ正の屈折力を有する凹凸レンズとしての第一レンズと、
近軸上で物体側に向いた面を凹面形状に形成し、且つ負の屈折力を有する凹凸レンズとしての第二レンズと、
近軸上で物体側に向いた面を凸面形状に形成し、且つ正の屈折力を有する凹凸レンズとしての第三レンズと、を含む。

図１・図３・図５・図７・図９・図１１・図１３・図１５は、本発明に係る撮像レンズの実施例１から実施例９までの撮像レンズ構成の略図であり、主として、第一レンズL1と、第二レンズL2と、第三レンズL3から成り、前記レンズは、プラスチック材料で形成され、且つ両面の非球面形状の単焦点レンズ(Single Focus Lens)を備えている。

上述実施例においては、光軸Z1に沿った物体側から順に、正の屈折力を有する凹凸レンズとしての第一レンズL1と、光軸Z1上の第一レンズ１と第二レンズL2の間に絞りS1を配置し、負の屈折力を有する第二レンズL2と、正の屈折力を有する第三レンズL3と、光学構成部品CG(Cover GLASS)及び撮像レンズIを配列してあり、且つ第一レンズL1と第二レンズL2と第三レンズL3の各面形状はすべて非球面形状によって構成され、又、本発明のそれぞれの実施例のイメージング・システムは、緊密な構成及び良好な画像品質を獲得するため、第一レンズL1と、第二レンズL2と、及び第三レンズL3は、下記の条件式（１）・（２）・（３）・（４）の構成を満足するよう設定することによって、適当な屈折力およびその湾曲した形状を獲得する。
1.2<TL/F<1.5 (1)
-7.3<(f1×f2)/F<-3.3 (2)
-1.6<(R1+R2)/(R1-R2)<-1.0 (3)
1.0<f3/F<4.5 (4)
但し、
Fは、レンズシステム全体のｄ線に対する合成焦点距離を表す；
f1は、第一レンズのｄ線に対する焦点距離を表す；
f2は、第二レンズのｄ線に対する焦点距離を表す；
f3は、第三レンズのｄ線に対する焦点距離を表す；
R1は、第一レンズの物体側の面の近軸曲率半径である；
R2は、第一レンズの像側の面の近軸曲率半径である；
TLは、第一レンズの物体側の面からイメージング位置の光軸Z1上に至る距離を表す。

この単焦点レンズは、撮像機能を備えた小型機器、例えば、カメラ付き携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント（PDA）、ビデオカメラ及びデジタル・カメラなどに適用できる。
前記単焦点レンズの撮像位置Iを、CCD (Charge Coupled Device)などの撮像素子の内部に配置した場合、第三レンズL3と撮像位置Iの間に、レンズを取り付けるカメラ側の構造に基づいて、各種の光学構成部品CG、例えば、撮像位置保護用の保護ガラスと各種光学フィルターなど平板状の光学構成部品CG、を配置することも出来る。

本発明の第一レンズL1と第二レンズL2及び第三レンズL3は、プラスチック材料で構成された非球面レンズで、第一レンズL1は、物体側に向いた面に凸面形状の正の屈折力の凹凸(meniscus)レンズを形成したものであり、第二レンズL2は、近軸上の物体側に向いた面に凹面形状の負の屈折力の凹凸レンズを形成したものであり、第三レンズL3は、近軸上の物体側の面に凸面形状の正の屈折力の凹凸レンズを形成したものである。
本発明の第一レンズL1と、第二レンズL2及び第三レンズL3は、すべて両面の非球面を備えたレンズであり、これらの非球面形状は、下記の数式（１）によって表される、

但し、
Zは、非球面の深さ（mm）を表す；
CURVは、近軸曲率＝１/Ｒ（Ｒは近軸曲率半径を表す）を表す；Yは、光軸からレンズ面までの距離（ｍｍ）を表す；
Kは、円錐係数(conic)を表す；
Aは、第４回の非球面係数を表す；
Bは、第６回の非球面係数を表す；
Cは、第８回の非球面係数を表す；
Dは、第１０回の非球面係数を表す；
Eは、第１２回の非球面係数を表す；
Fは、第１４回の非球面係数を表す；
Gは、第１６回の非球面係数を表す；
Hは、第１８回の非球面係数を表す；
Iは、第２０回の非球面係数を表す。

本発明の撮像レンズは、条件式（１）・（２）・（３）・（４）の方式で構成された単焦点レンズであり、この単焦点レンズは、条件式（１）・（４）を満足することによって、緊密性を確保し、更に条件式（２）・（３）を満足することによって、各種レンズのプラスチック材料の屈折率及び分散特性の最適化を果たし、３枚という少ないレンズ数を実現すると共に、緊密で高性能のレンズシステムを満足させることが出来る。

条件式（１）は、光軸上の光学系全長の距離TLと全体システムの合成焦点距離Fとの比に関するもので、若し式（１）の上限を上回れば、レンズ系全体を十分緊密にすることが出来ず、しかも視角もより大きくなる。
若し（１）の下限を下回れば、レンズ縁の厚みが不足して製造に適さなくなる。

条件式（２）は、第一レンズL1と第二レンズL2の屈折力及び全体システムの合成焦点距離Fとの比に関するもので、若しその数値範囲を上回れば、それによって生じる誤差敏感度がより大きくなり、量産にとって不利であり、若しその数値範囲を下回れば、色差補償が不足し、画質が悪くなる。

条件式（３）は、第一レンズL1の曲率半径の条件式に関するもので、若しその数値範囲を上回れば、絞りS1中心からの主光線角度(chief ray angle)がより大きくなり、撮像素子の取付に不利となり、若しその数値範囲を下回れば、像面湾曲(field curvature)がより大きくなり、像面の歪みの補正が困難に成る。

条件式（４）は、第三レンズL3の屈折力と全体システムの合成焦点距離Ｆとの比に関するもので、その数値範囲を上回れば、バック・フォーカルレンス（back focal length, BFL）がより短くなり、撮像素子と適当に組合わせることが出来なくなる、若しその数値範囲を下回れば、周辺の明るさが不足し、画面の隅が暗くなる現象（shading）を招く。

尚、全体のレンズ系にとっては、スモールサイズ構成及び良好な画質を満足させるため、その視角とレンズ系の全長を適当な数値に設定することが要求される。
視角が比較的大きい場合は、全体の焦点距離が短縮し、スモールサイズに有利である。
しかし、その影響を受ける非点収差や歪曲収差に対する補償はより困難になる。
一方、視角の設定が狭くなると、全体の焦点距離が大きくなり、この場合、サイズを小さくする要求にとっては不利となるが、非点収差や歪曲収差に対する補償はより易しくなる。

従って、レンズ系においてサイズを小さくし、且つ良好な画質を獲得するためには、それぞれの実施例の撮像レンズシステムが下記の条件式を満たすようにすることが好ましい、
0.60<tanθ<0.75 (5)
但し、θは、全体のレンズシステムのｄ線に対する半カバレージ角（単位：度）を表す。
半カバレージ角θがその数値範囲を上回る場合、視角はより広くなり、歪曲収差が増大し、周辺の明るさも低減して補償が難しくなる、半カバレージ角θがその数値範囲を下回る場合、視角はより狭くなり、しかし全体の焦点距離も大きくなる、こうなるとサイズを小さくする要求にとっては不利であるが、非点収差や歪曲収差に対してはよりよい補正が出来る。

又、総体的に好ましい色差補正を行うためには、第一レンズL1において下記条件式（６）を満足させることが好ましい。
50<Vd1<60 (6)
但し、Vd1は、レンズのアッベ数（Abbe number)を表す。
アッベ数Vd1が、前記数値範囲を上回る場合、軸方向の色差は小さくなるが、しかし横方向の色差は補正不足と成り、コントラストは増大するが、誤差敏感度も増加するので、生産面では難度が増える。
アッベ数Vd1が、前記数値範囲を下回る場合、横方向の色差は十分補償されるが、軸方向の色差が大きくなり、良好な画質が得られなくなり、コントラストが低下する。
アッベ数Vd1とは、ｄ線（光波587.56nm）、Ｆ線（光波486.13nm）、及びＣ線（光波656.27nm）の屈折率から計算した数値で、下記の式によって表示される、
Vd=(Nd-1)/(Nf-Nc)
式中，Nd、Nf及びNcは、それぞれd線(d_line)，F線(F_line)，C線(C_line)の屈折率を表す。

次に、本発明の実施例１から実施例９までの撮像レンズの具体的数値実施例を説明する。詳しくは表１から表９参照。
表１から表９の上段は、上述撮像レンズに適用される具体的数値であり、実施例１のＦナンバーは、2.8である。
又、表１から表９の中段は、各レンズ面の曲率半径R1~R8を表し、各レンズの中心厚み及び各レンズ間の間隔はd1−d8で、各レンズのｄ線における屈折率はNd及びアッベ数Vd1の数値で、そして面番号の数字は物体側から始まる順序を表す。
尚、表１から表９の下段は、上述非球面係数の数式（１）によって円錐形常数K、各非球面係数A、B、C…、Jの値を表し、そして面番号の数字は物体側から始まる順序を表す。

図２・図４・図８・図１０・図１２・図１４・図１６及び図１８は、本発明の数値実例１から実例９までの各収差（球面収差、非点収差、収差及び歪曲収差）の収差図に対応するものである。
これらの収差図は、それぞれ球面収差(spherical aberration)を表す曲線図、非点収差(astigmatism)を表す曲線図、歪曲収差(distortion)を表す曲線図である。各図の収差図において、実線５は、矢状像面（径方向）に対する収差を表し、点線Ｔは、切線像面（切線方向）に対する収差を表す。
これらの収差図から分かることは、数値実例１から実例９までの撮像レンズによって、各収差をうまく補正できることである。

本発明の撮像レンズにおいて、各絞りStは第一レンズL1と第二レンズL2との間に配置されている、従って、その構成は、第一レンズから第三レンズまでの距離間に小型絞りStが集中配置されている。下記数値表１０は、上述条件式（１）・（２）・（３）・（４）・（５）・（６）及び上述数値実施例の値を満足していることを表す。

既存の技術に比べ、本発明の長所は、条件式（１）・（４）を満足することによって、緊密性を確保し、且つ条件式（２）・（３）を満足することによってプラスチック材料を各レンズの適当な材料として使用し、此れによって３枚という少ないレンズ構成で、緊密で高性能のレンズ系を実現することが出来る。

以上の詳細な説明は、本発明の実行可能な実施例の具体的説明である、但し前記実施例は本発明の特許請求の範囲を制限するものではなく、凡そ本発明の技芸精神を逸脱せずなされる等価実施又は変更は、すべて本発明の特許請求範囲に含まれるものとする。

本発明の実施例１の撮像レンズの構成略図である。 本発明の実施例１の撮像レンズの収差略図である。 本発明の実施例２の撮像レンズの構成略図である。 本発明の実施例２の撮像レンズの収差略図である。 本発明の実施例３の撮像レンズの構成略図である。 本発明の実施例３の撮像レンズの収差略図である。 本発明の実施例４の撮像レンズの構成略図である。 本発明の実施例４の撮像レンズの収差略図である。 本発明の実施例５の撮像レンズの構成略図である。 本発明の実施例５の撮像レンズの収差略図である。 本発明の実施例６の撮像レンズの構成略図である。 本発明の実施例６の撮像レンズの収差略図である。 本発明の実施例７の撮像レンズの構成略図である。 本発明の実施例７の撮像レンズの収差略図である。 本発明の実施例８の撮像レンズの構成略図である。 本発明の実施例８の撮像レンズの収差略図である。 本発明の実施例９の撮像レンズの構成略図である。 本発明の実施例９の撮像レンズの収差略図である。

Claims (6)

1. 物体側に向いた面を凸面形状に形成し、且つ正の屈折力を有する凹凸レンズとしての第一レンズと、
   近軸上で物体側に向いた面を凹面形状に形成し、且つ負の屈折力を有する凹凸レンズとしての第二レンズと、
   近軸上で物体側に向いた面を凸面形状に形成し、且つ正の屈折力を有する凹凸レンズとしての第三レンズと、を含み、
   その構成は、下記の条件式を満足する、
   1.2<TL/F<1.5 (1)
   -7.3<(f1×f2)/F<-3.3 (2)
   -1.6<(R1+R2)/(R1-R2)<-1.0 (3)
   1.0<f3/F<4.5 (4)
   式中、
   Fは、レンズ系全体のｄ線に対する合成焦点距離を表し、
   f1は、第一レンズのｄ線に対する焦点距離を表し、
   f2は、第二レンズのｄ線に対する焦点距離を表し、
   f3は、第三レンズのｄ線に対する焦点距離を表し、
   R1は、第一レンズの物体側の面の近軸曲率半径であり、
   R2は、第一レンズの像側の面の近軸曲率半径であり、
   TLは、第一レンズの物体側の面からイメージング位置の光軸Z1上に至る距離を表す、
   ことを特徴とする、撮像レンズ。
2. 前記第一レンズ、第二レンズ及び第三レンズは、プラスチック材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。
3. 前記第一レンズ、第二レンズ及び第三レンズは、両面が非球面形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。
4. 前記レンズの非球面形状は、下記の表現式、
   

   

   式中、
   Zは、非球面の深さ（mm）を表し、
   CURVは、近軸曲率＝１/Ｒ（Ｒは近軸曲率半径を表す）を表し、
   Yは、光軸からレンズ面までの距離（ｍｍ）を表し、
   Kは、円錐係数(conic)を表し、
   Aは、第４回の非球面係数を表し、
   Bは、第６回の非球面係数を表し、
   Cは、第８回の非球面係数を表し、
   Dは、第１０回の非球面係数を表し、
   Eは、第１２回の非球面係数を表し、
   Fは、第１４回の非球面係数を表し、
   Gは、第１６回の非球面係数を表し、
   Hは、第１８回の非球面係数を表し、
   Iは、第２０回の非球面係数を表す、
   ことを特徴とする請求項３に記載の撮像レンズ。
5. 前記レンズは、更に下記の条件式、
   0.60<tanθ<0.75 (5)
   但し、θは、全体のレンズ系のｄ線に対する半カバレージ角（単位：度）を表す；
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。
6. 前記第一レンズは、更に下記条件式、
   50<Vd1<60 (6)
   但し、Vd1は、レンズのアッベ数（Abbe number）を表す；
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。

Images