JP2012159841A

JP2012159841A - マイクロ結像レンズ

Info

Publication number: JP2012159841A
Application number: JP2012017984A
Authority: JP
Inventors: Shunko Chin; 俊宏陳
Original assignee: Asia Optical Co Inc
Current assignee: Asia Optical Co Inc
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2012-08-23
Also published as: US20120194917A1; US8717689B2

Abstract

【課題】体積が小さいだけでなく光学機能が高いマイクロ結像レンズを提供する。
【解決手段】第一レンズＬ１は負の屈折力を持ち、凸面が物体側に向かい、かつ少なくとも一つの表面が非球状を呈する三日月形レンズである。第二レンズＬ２は正の屈折力を持つ両凸レンズである。第三レンズＬ３は負の屈折力を持つ両凹レンズである。第四レンズＬ４は正の屈折力を持ち、かつ少なくとも一つの表面が非球状を呈する両凸レンズである。第五レンズＬ５は負の屈折力を持ち、凸面が像側に向かう三日月形レンズである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学装置に関し、詳しくはマイクロ結像レンズに関するものである。

科学技術の進歩に伴い、カメラ、ビデオカメラ、顕微鏡またはスキャナーなどの撮影装置はユーザーに携帯および使用の便が求められるため、小型軽量化される。よって、撮影装置の結像レンズの体積も大幅に縮小される。一方、撮影装置は小型化および軽量化の要求に応じるほかに、高解像度および高コントラストに達するため、より高い光学機能が必要である。従って、小型化および高光学機能は結像レンズに欠かせない二つの要件である。

現今の撮影装置に使用される結像レンズは、複数のレンズグループまたは合計十枚以上のレンズを使用することによって高光学機能を達成することが一般的である。一方、結像レンズの小型化を実現させるためにレンズの使用枚数を減らすと光学機能を向上させることができない。
従って、上述したとおり、従来の結像レンズは未だに不完全であるため、改善の余地がある。

特開２０１０−１９１１０３号公報

本発明は、体積が小さいだけでなく光学機能が高いマイクロ結像レンズを提供することを主な目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明によるマイクロ結像レンズは、光軸に沿って物体側から像側まで順に配列された第一レンズ、第二レンズ、第三レンズ、絞り、第四レンズおよび第五レンズを備える。第一レンズは負の屈折力を持ち、凸面が物体側に向かい、かつ少なくとも一つの表面が非球状を呈する三日月形レンズである。第二レンズは正の屈折力を持つ両凸レンズである。第三レンズは負の屈折力を持つ両凹レンズである。第四レンズは正の屈折力を持ち、かつ少なくとも一つの表面が非球状を呈する両凸レンズである。第五レンズは負の屈折力を持ち、凸面が像側に向かう三日月形レンズである。
本発明は、上述したレンズおよび絞りの配置によって小型化の目的および高光学機能を達成する。

本発明の第１実施形態によるマイクロ結像レンズのレンズ配列を示す模式図である。本発明の第１実施形態によるマイクロ結像レンズの光線経路を示す模式図である。本発明の第１実施形態によるマイクロ結像レンズの像面湾曲および歪曲収差を示すグラフである。本発明の第１実施形態によるマイクロ結像レンズの横収差を示すグラフである。本発明の第１実施形態によるマイクロ結像レンズのスルーフォーカスＭＴＦを示すグラフである。本発明の第１実施形態によるマイクロ結像レンズの空間周波数の変調伝達関数を示すグラフである。本発明の第２実施形態によるマイクロ結像レンズのレンズ配列を示す模式図である。本発明の第２実施形態によるマイクロ結像レンズの光線経路を示す模式図である。本発明の第２実施形態によるマイクロ結像レンズの像面湾曲および歪曲収差を示すグラフである。本発明の第２実施形態によるマイクロ結像レンズの横収差を示すグラフである。本発明の第２実施形態によるマイクロ結像レンズのスルーフォーカスＭＴＦを示すグラフである。本発明の第２実施形態によるマイクロ結像レンズの空間周波数の変調伝達関数を示すグラフである。本発明の第３実施形態によるマイクロ結像レンズのレンズ配列を示す模式図である。本発明の第３実施形態によるマイクロ結像レンズの光線経路を示す模式図である。本発明の第３実施形態によるマイクロ結像レンズの像面湾曲および歪曲収差を示すグラフである。本発明の第３実施形態によるマイクロ結像レンズの横収差を示すグラフである。本発明の第３実施形態によるマイクロ結像レンズのスルーフォーカスＭＴＦを示すグラフである。本発明の第３実施形態によるマイクロ結像レンズの空間周波数の変調伝達関数を示すグラフである。

以下、本発明によるマイクロ結像レンズを図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は第１実施形態によるマイクロ結像レンズ１においてのレンズの配列を示す模式図である。図２は第１実施形態によるマイクロ結像レンズ１の光線経路を示す模式図である。

図１および図２に示すように、第１実施形態によるマイクロ結像レンズ１は、光軸Ｚに沿って物体側から像側まで順に配列された第一レンズＬ１、第二レンズＬ２、第三レンズＬ３、絞りＳＴ、第四レンズＬ４および第五レンズＬ５を備える。また第１実施形態は使用上の需要に応じ、第五レンズＬ５と結像平面ＩＰ（ImagePlane）との間にフィルターＣＦを配置することができる。フィルターＣＦは板ガラスから構成される。

第一レンズＬ１は、ガラス材質から構成され、負の屈折力を持ち、凸面Ｓ１が物体側に向かう三日月形レンズである。第一レンズＬ１は凸面Ｓ１および凹面Ｓ２が非球面である。

第二レンズＬ２は、ガラス材質から構成され、正の屈折力を持つ両凸レンズである。第三レンズＬ３は、ガラス材質から構成され、負の屈折力を持つ両凹レンズである。第二レンズＬ２および第三レンズＬ３は相互に接着し、正の屈折力を持つ積層レンズＬ２３を構成する。

第四レンズＬ４は、ガラス材質から構成され、正の屈折力を持つ両凸レンズである。第四レンズＬ４は二つの凸面Ｓ８、Ｓ９が非球面である。

第五レンズＬ５は、ガラス材質から構成され、負の屈折力を持つ三日月形両凹レンズである。

第１実施形態は、上述したレンズを配置する際、第一レンズＬ１の負の屈折力、第四レンズＬ４の正の屈折力、第１レンズＬ１および第四レンズＬ４の非球面の組み合わせによってマイクロ結像レンズ１に比較的良好な結像効果を持たし、レンズ全体の長さを効果的に短縮することができるだけでなく、マイクロ結像レンズ１に比較的大きい可視角度（Field of View Angle，ＦＯＶ）を持たすことができる。

第１実施形態によるマイクロ結像レンズ１の焦点距離Ｆ（Focus Length）、数値孔径Ｆｎｏ（F-number）、レンズ表面上の光軸Ｚが通過する部位の曲率半径Ｒ（radius of curvature）、レンズ上の光軸Ｚが通過する部位の厚さＴ（thickness）、レンズの屈折率Ｎｄ（refractive index）およびアッべ数ＶＤ（Abbe number）は表１に示したとおりである。

第１実施形態において、レンズ上の非球状を呈する表面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ８およびＳ９の陥没度Ｚは下記の数式に基づいて算出される。

上述の数式において、Ｚは非球状を呈する表面の陥没度である。Ｃは曲率である。ｈ：表面の孔半径である。ｋは円錐定数である。ＡからＧは表面の孔半径ｈのランク定数である。

第１実施形態において、それぞれの非球状を呈する表面の円錐定数ｋ（conic constant）および表面の孔半径ｈのランク定数ＡからＧは表２に示したとおりである。

第１実施形態によるマイクロ結像レンズ１は、上述したレンズおよび絞りＳＴの配置によって体積を効果的に縮小し、小型化の要求を満足させることができるだけでなく、図３Ａから図３Ｄに示すように、求められた結像品質に達することができる。

図３Ａは第１実施形態によるマイクロ結像レンズ１の像面湾曲および歪曲収差を示すグラフである。図３Ｂは第１実施形態によるマイクロ結像レンズ１の横収差を示すグラフである。図３Ｃは第１実施形態によるマイクロ結像レンズ１のスルーフォーカスＭＴＦ（Through Focus MTF）を示すグラフである。図３Ｄは第１実施形態によるマイクロ結像レンズ１の空間周波数の変調伝達関数（Spatial Frequency MTF）である。

図３Ａに示すように、第１実施形態は像面湾曲の最大深度が０．１ｍｍ以下および−０．１ｍｍ以下であり、歪曲収差が０．６％以下である。図３Ｂから図３Ｃに示すように、第１実施形態によるマイクロ結像レンズ１はどんな視界に位置しても良好な解像度を持つことが判明した。図３Ｄに示すように、空間周波数が４８ｌｐ／ｍｍである際、光学的変調伝達関数は６０％以上に維持される。従って、第１実施形態によるマイクロ結像レンズ１の解像度は基準に相応しいことが判明した。

以上は第１実施形態によるマイクロ結像レンズ１についての説明である。引き続き、本発明の技術に基づいて第２実施形態を説明する。

（第２実施形態）
図４および図５に示すように、第２実施形態によるマイクロ結像レンズ２は第１実施形態と同じように光軸Ｚに沿って物体側から像側まで順に配列された第一レンズＬ１、第二レンズＬ２、第三レンズＬ３、絞りＳＴ、第四レンズＬ４、第五レンズＬ５および第５レンズＬ５と結像平面ＩＰとの間に配置されたフィルターＣＦを備える。フィルターＣＦは板ガラスから構成される。

第五レンズＬ５は、ガラス材質から構成され、負の屈折力を持つ三日月形レンズである。第五レンズＬ５は凸面Ｓ１１が像側に向かう。

第２実施形態は、上述したレンズを配置する際、第一レンズＬ１の負の屈折力、第四レンズＬ４の正の屈折力、第１レンズＬ１および第四レンズＬ４の非球面の組み合わせによってマイクロ結像レンズ２に比較的良好な結像効果を持たし、レンズ全体の長さを効果的に短縮することができるだけでなく、マイクロ結像レンズ２に比較的大きい可視角度（Field of View Angle，ＦＯＶ）を持たすことができる。

第２実施形態によるマイクロ結像レンズ２の焦点距離Ｆ（Focus Length）、数値孔径Ｆｎｏ（F-number）、レンズ表面上の光軸Ｚが通過する部位の曲率半径Ｒ（radius of curvature）、レンズ上の光軸Ｚが通過する部位の厚さＴ（thickness）、レンズの屈折率Ｎｄ（refractive index）およびアッべ数ＶＤ（Abbe number）は表３に示したとおりである。

第２実施形態において、レンズ上の非球状を呈する表面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ８およびＳ９の陥没度Ｚは下記の数式に基づいて算出される。

第２実施形態において、それぞれの非球状を呈する表面の円錐定数ｋ（conic constant）および表面の孔半径ｈのランク定数ＡからＧは表４に示したとおりである。

第２実施形態によるマイクロ結像レンズ２は、上述したレンズおよび絞りＳＴの配置によって体積を効果的に縮小し、小型化の要求を満足させることができるだけでなく、図６Ａから図６Ｄに示すように、求められた結像品質に達することができる。

図６Ａは第２実施形態によるマイクロ結像レンズ２の像面湾曲および歪曲収差を示すグラフである。図６Ｂは第２実施形態によるマイクロ結像レンズ２の横収差を示すグラフである。図６Ｃは第２実施形態によるマイクロ結像レンズ２のスルーフォーカスＭＴＦ（Through Focus MTF）を示すグラフである。図６Ｄは第２実施形態によるマイクロ結像レンズ２の空間周波数の変調伝達関数（Spatial Frequency MTF）である。

図６Ａに示すように、第２実施形態は像面湾曲の最大深度が０．１ｍｍ以下および−０．１ｍｍ以下であり、歪曲収差が０．６％以下である。図６Ｂから図６Ｃに示すように、第２実施形態によるマイクロ結像レンズ２はどんな視界に位置しても良好な解像度を持つことが判明した。図６Ｄに示すように、空間周波数が４８ｌｐ／ｍｍである際、光学的変調伝達関数は５０％以上に維持される。従って、第２実施形態によるマイクロ結像レンズ２の解像度は基準に相応しいことが判明した。

（第３実施形態）
図７は第３実施形態によるマイクロ結像レンズ３においてのレンズの配列を示す模式図である。図８は第３実施形態によるマイクロ結像レンズ３の光線経路を示す模式図である。マイクロ結像レンズ３も同様に光軸Ｚに沿って物体側から像側まで順に配列された第一レンズＬ１、第二レンズＬ２、第三レンズＬ３、絞りＳＴ、第四レンズＬ４、第五レンズＬ５および第５レンズＬ５と結像平面ＩＰとの間に配置されたフィルターＣＦを備える。フィルターＣＦは板ガラスから構成される。

第一レンズＬ１は、ガラス材質から構成され、負の屈折力を持ち、凸面Ｓ１が物体側に向かう三日月形レンズである。第一レンズＬ１は凸面Ｓ１および凹面Ｓ２が非球面である。
第二レンズＬ２は、ガラス材質から構成され、正の屈折力を持つ両凸レンズである。第三レンズＬ３は、ガラス材質から構成され、負の屈折力を持つ両凹レンズである。第二レンズＬ２および第三レンズＬ３は相互に接着し、負の屈折力を持つ積層レンズＬ２３を構成する。

第四レンズＬ４は、ガラス材質から構成され、正の屈折力を持つ両凸レンズである。第四レンズＬ４は二つの凸面Ｓ８、Ｓ９が非球面である。
第五レンズＬ５は、ガラス材質から構成され、負の屈折力を持つ三日月形レンズである。第五レンズＬ５は凸面Ｓ１１が像側に向かう。

第３実施形態は、上述したレンズを配置する際、第一レンズＬ１の負の屈折力、第四レンズＬ４の正の屈折力、第１レンズＬ１および第四レンズＬ４の非球面の組み合わせによってマイクロ結像レンズ３に比較的良好な結像効果を持たし、レンズ全体の長さを効果的に短縮することができるだけでなく、マイクロ結像レンズ３に比較的大きい可視角度（Field of View Angle，ＦＯＶ）を持たすことができる。

第３実施形態によるマイクロ結像レンズ３の焦点距離Ｆ（Focus Length）、数値孔径Ｆｎｏ（F-number）、レンズ表面上の光軸Ｚが通過する部位の曲率半径Ｒ（radius of curvature）、レンズ上の光軸Ｚが通過する部位の厚さＴ（thickness）、レンズの屈折率Ｎｄ（refractive index）およびアッべ数ＶＤ（Abbe number）は表５に示したとおりである。

第３実施形態において、レンズ上の非球状を呈する表面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ８およびＳ９の陥没度Ｚは下記の数式に基づいて算出される。

第３実施形態において、それぞれの非球状を呈する表面の円錐定数ｋ（conic constant）および表面の孔半径ｈのランク定数ＡからＧは表６に示したとおりである。

第３実施形態によるマイクロ結像レンズ３は、上述したレンズおよび絞りＳＴの配置によって体積を効果的に縮小し、小型化の要求を満足させることができるだけでなく、図９Ａから図９Ｄに示すように、求められた結像品質に達することができる。

図９Ａは第３実施形態によるマイクロ結像レンズ３の像面湾曲および歪曲収差を示すグラフである。図９Ｂは第３実施形態によるマイクロ結像レンズ３の横収差を示すグラフである。図９Ｃは第３実施形態によるマイクロ結像レンズ３のスルーフォーカスＭＴＦ（Through Focus MTF）を示すグラフである。図９Ｄは第３実施形態によるマイクロ結像レンズ３の空間周波数の変調伝達関数（Spatial Frequency MTF）である。

図９Ａに示すように、第３実施形態は像面湾曲の最大深度が０．１ｍｍ以下および−０．１ｍｍ以下であり、歪曲収差が０．６％以下である。図９Ｂから図９Ｃに示すように、第３実施形態によるマイクロ結像レンズ３はどんな視界に位置しても良好な解像度を持つことが判明した。図９Ｄに示すように、空間周波数が４８ｌｐ／ｍｍである際、光学的変調伝達関数は５０％以上に維持される。従って、第３実施形態によるマイクロ結像レンズ３の解像度は基準に相応しいことが判明した。

上述したとおり、本発明によるマイクロ結像レンズは体積を効果的に縮小することができるだけでなく、高光学機能を保つことができる。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１・・・マイクロ結像レンズ、
Ｌ１・・・第一レンズ、
Ｌ２・・・第二レンズ、
Ｌ３・・・第三レンズ、
Ｌ２３・・・積層レンズ、
Ｌ４・・・第四レンズ、
Ｌ５・・・第五レンズ、
ＳＴ・・・絞り、
Ｚ・・・光軸、
ＣＦ・・・フィルター、
ＩＰ・・・結像平面、
Ｓ１〜Ｓ１３・・・表面、
２・・・マイクロ結像レンズ、
３・・・マイクロ結像レンズ。

Claims

光軸に沿って物体側から像側まで順に配列された第一レンズ、第二レンズ、第三レンズ、絞り、第四レンズおよび第五レンズを備え、
前記第一レンズは、負の屈折力を持ち、凸面が物体側に向かい、かつ少なくとも一つの表面が非球状を呈する三日月形レンズであり、
前記第二レンズは、正の屈折力を持つ両凸レンズであり、
前記第三レンズは、負の屈折力を持つ両凹レンズであり、
前記第四レンズは、正の屈折力を持ち、かつ少なくとも一つの表面が非球状を呈する両凸レンズであり、
前記第五レンズは負の屈折力を持ち、凸面が像側に向かう三日月形レンズであることを特徴とするマイクロ結像レンズ。
前記第一レンズ、前記第二レンズ、前記第三レンズ、前記第四レンズおよび前記第五レンズは、ガラス材質から構成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ結像レンズ。
前記第一レンズは、凹面および凸面が非球面であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ結像レンズ。
前記第四レンズは、二つの凸面が非球面であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ結像レンズ。
前記第二レンズおよび前記第三レンズは、相互に接着して積層レンズを構成し、積層レンズは正の屈折力を持つことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ結像レンズ。
前記第二レンズおよび前記第三レンズは、相互に接着して積層レンズを構成し、積層レンズは負の屈折力を持つことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ結像レンズ。
さらにフィルターを備え、
前記フィルターは板ガラスから構成され、前記第五レンズと像との間に位置付けられることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ結像レンズ。
前記第五レンズは、三日月形レンズであり、凸面が像側を向くことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ結像レンズ。
前記第五レンズは、両凹レンズであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ結像レンズ。