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JP4594130B2 - 撮像レンズシステム - Google Patents

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JP4594130B2
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Description

本発明は、小型撮像レンズシステムに関し、特に携帯電話、PCカメラ等の小型撮像素子のレンズシステムに関する。
近年、メディアの発展に伴って、携帯コンピュータとビジュアル電話と携帯電話などに搭載される、CCD(Charged Coupled Device)又はCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等の固体画像処理ユニットを利用した撮像素子に対する要望が多くなってきている。また、この需要の増加に対して、レンズシステムにはより一層の小型化が求められている。
一方、これら固体画像処理ユニット、例えばCCD又はCMOSの生産技術が進歩して、各画素が数ミクロンになる画素処理ユニットが生産されるため、システムの小型化につれて撮像レンズの解像度に対する要求が高くなってきている。こうした理由から、現在、小型撮像素子の小型化の発展に伴う、低コスト、良好な光学性能、優れた画質のレンズシステムの開発が行なわれている。
なお、ここでいうレンズシステムの小型化とは、レンズの第一面から結像面への距離(画像処理システムの総長)が短いとことを意味する。
また、低コストとは、システムに含まれるレンズの数が少なく、且つレンズ本体がバッチ加工及び組付けがし易いことを意味する。
レンズシステムの性能及び画質が優れているとは、以下のものに該当する場合である。
1.明るさ(小さなF数、一般的には2.8以下)
2.大きな画角(半画角が30度以上)
3.均一な像面照度(ケラレが少ない/撮像素子への入射角度が小さい)
4.高解像度(各種の単色収差が適切に補正され、色収差が少ない)
低コストのためには、プラスチックレンズを一枚だけ用いることが好ましい。しかし、単レンズは両面で非球面にしても、良好な画質及び光特性(例えば、画角は70度)が得られないので、大抵、低解像度の製品(例えば、11万画素CMOS)に利用される。一方、単レンズは、収差を補正するために、厚いものを利用し、全長と焦点距離の比(L/f)が2程度であることが多いので、システムのサイズを小さくすることができない。代表的な設計構成は、特許文献1及び特許文献2のように、長さと焦点距離の比が2である光学特性を有し、主に11画素のCMOSに利用されているが、30万画素のような高解像度のVGAに対して、光学特性や携帯利便性の要求を満たすことはできない。
特許文献3には、画質を高めるため、携帯電話及び撮像レンズのレンズシステムとして、レンズが三枚の構成が開示されている。しかし、上記文献に記載されたレンズシステムの長さと焦点距離の比は2であるので、結局、システムの小型化が実現できないし、レンズ数の増加が原因となって、システムのコスト増加につながる。
以上述べてきたことを背景として、コスト及び像質を考慮したものが二枚レンズの構成を利用する設計である。二枚レンズの構成によれば、自由度の高い設計が可能となり、単レンズの構成に比べて画質が優れ、三枚レンズに比べてコストが低く、システムのサイズも小さくなる。
従来の二枚レンズ構成はレトロフォーカスタイプのものが多く、特許文献4のように、レンズシステムが、物体側から像側に向かって順番に負の屈折力のメニスカスレンズ、開口絞り、正の屈折力のメニスカスレンズを備えている。前記構成は広角収差(wide angle aberration)に有利に作用するが、シャッターを配置するための最後のレンズと画像(像面)との距離が比較的長くなるので、システムの長さを小さくしにくく、小型化が困難になる。
前記課題を解決するため、特許文献5には、特許文献5の図30に示すように、物体側から結像面側に向かって順に、開口絞り1、両凸正レンズ2、凹面が物側に設けられたメニスカスレンズ3を含む撮像レンズシステムが記載されている。これらのレンズのそれぞれは、少なくとも一つの非球面を有し、また、fがシステム焦点距離、f1が前記正レンズの焦点距離の長さ、Tが開口絞りから画像(像面)5への距離を表すとすると、前記システムが0.3<f1/f<0.9及びT/f<2.4という条件を満たさなければならない。
しかしながら、前記システムの全長と焦点距離の比が常に2ほどであり、また最小でも1.7であるので、小型化には限界がある。また、倍率色収差がエアリ(Airy)ディスク直径の一倍を超え、しかも軸上色収差が大きいので、システムの画質に影響が現れる。
前記を鑑みて、より改善された撮像レンズシステムが必要になる。
米国特許第6,297,915号明細書 ヨーロッパ特許出願公開第1271215号明細書 米国特許第5,940,219号明細書 米国特許第6,449,105号明細書 米国特許出願公開第2004/0036983号明細書
本発明は、前記撮像レンズシステムにおいて、小型化が困難で画質が影響を受けるという問題を解決するために、小型化ないし良好な画質を実現できる撮像レンズシステムを提供することを目的とする。
本発明にかかる撮像レンズシステムは、物体側から像側に向かって順に開口絞り、両凸第一レンズ、凹面が物体側へ曲がるメニスカス第二レンズを含み、前記第一レンズ及び第二レンズが全て少なくとも一つの非球面を有し、条件式
(1)1<T/f<1.62;及び
(2)0.5<f1/f<0.9
を満足する。
ここで、Tは開口絞りから画像までの距離、fは撮像レンズの焦点距離、f1は第一レンズの焦点距離と定義される。
単色収差と微小な高次収差を除去するために、前記撮像レンズシステムはさらに条件式
(3)0.72≦R2/R1<1;及び
(4)1.2<d/R2<2.1
を満足することによって改善される。
ここで、R1は物体側に近い第一レンズの表面の曲率半径の絶対値、R2は像側に近い第一レンズの表面の曲率半径の絶対値、dは第一レンズの厚さと定義される。
前記撮像レンズシステムは、像面湾曲を補正するために、さらに条件式
(5)0.75≦(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)<1
を満足する。
ここで、R3は物体側に近い第二レンズの表面の曲率半径の絶対値、R4は像側に近い第一レンズの表面の曲率半径の絶対値である。
第一レンズと第二レンズは色収差、特に、倍率色収差を効率的に除去するために、条件式
(6)ν1−ν2>20
を満足する。
ここで、ν1は第一レンズのアッベ数、ν2は第二レンズのアッベ数である。
従来の技術と比べて、本発明による撮像レンズシステムは、効率的にシステムの球面収差とコマ収差を補正するために、開口絞りに隣接した第一レンズに少なくとも一つの非球面が用いられる。第二レンズは、開口絞りから遠く離れているので、第二レンズの位置では、異なる画角の異なる主光線が、対応するかなり異なった投影高さを持つことが有り得る。第二レンズの少なくとも一面を非球面化することにより、フィールドにおける収差(例えば、像面湾曲と歪曲収差)を効率的に補正することができる。そして、第二レンズの面は、系の光軸付近の第二レンズ中心部分から当該第二レンズ縁部に向かって次第に変化する屈折を有している。第二レンズの中心部分は光線を発散させるが、縁部は光線を集めるので、サジタル面/子午面部分が容易に一致させられ、サジタルと子午像面からの伝送方向は近接する。上述の全ての理由から、広角での光学像の質が高まる。なお、第一レンズと第二レンズは全てプラスチックで製造されるから、コストが低減され、量産を実現しやすい。
本発明にかかる撮像レンズシステムの構成を示した図1を参照する。光は物体側から入射され、物体側に置く開口絞り10と両凸第一レンズ20とメニスカス第二レンズ30を透過する。前記メニスカス第二レンズ30は、物体側に湾曲した凹面を備える。また、該レンズ30は、光を画像装置CCD又はCMOSの画像面40に集める。前記第一レンズ20と第二レンズ30は少なくとも一方の側の表面が非球面とされている。
まず、像面40への主光線による入射角を小さくするように開口絞り10がシステムの物体側に隣接させて配置される。なお、開口絞りがシステムの最前面に配置される設計はシステムの長さを小さくするために有利である。
システム全体の小型化と良好な画質を実現するために、前記システムの第一レンズ20と第二レンズ30は条件式
(1)1<T/f<1.62;及び
(2)0.5<f1/f<0.9
を満足する。
ここで、Tは開口絞りから像面までの距離、fは撮像レンズの焦点距離、f1は第一レンズの焦点距離と定義される。条件式(1)はシステムの全長を制限、条件式(2)は単色収差を除去して全長の要求(条件式(1)による屈折力の配分)を満足するためのものである。f1/fの値は最小値である0.5以上であれば、システムが全屈折力に関する要求を満足するので、高次の球面収差、コマ収差と倍率色収差が所定範囲に制御される。一方、f1/fの値は最大値である0.9以下であれば、システムの全屈折力を確保したり、システムの全長を小さくすることができる。
第一レンズ20はさらに条件式
(3)0.72≦R2/R1<1;及び
(4)1.2<d/R2<2.1
を満足することが好ましい。
ここで、R1は物体側に近い第一レンズ20の表面(第一表面、図示せず)の曲率半径の絶対値、R2は像側40に近い第一レンズ20の表面(第二表面、図示せず)の曲率半径の絶対値、dは第一レンズ20の厚さと定義される。条件式(3)は、単色収差を除去するために求めれた第一レンズ20の屈折力の配分(distribution)を示すが、条件式(4)は高次収差を少なくするために第一レンズ20における第二表面への入射角を小さくすることをしめす。
第一レンズ20と第二レンズ30はさらに条件式
(5)0.75≦(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)<1
を満足することがより好ましい。
ここで、R3は物体側に近い第二レンズ30の凹面(第三表面、図示せず)の曲率半径の絶対値、R4は像側に近い第二レンズ30の表面(第四表面、図示せず)の曲率半径の絶対値と定義される。条件式(5)は像面湾曲を補正するために求められたフラットフィールドのための条件を示す。(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)の値が最大値である1より小さければ、第二レンズ30の第三表面の負屈折力が適切に第一レンズ20による正コマ収差を補正し、同時に、R3が小さすぎないので、システムの高次収差を小さくすることができる。また、(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)の値が最小値である0.75以上であれば、前記第二レンズ30の第三表面による負ペッツヴァル像面湾曲和が、第一レンズ20の第一表面ならびに第二表面の両方の表面と、第二レンズ30の第四表面とによる正ペッツヴァル像面湾曲和を補償することができるため、像面湾曲の補正が容易になる。また、条件式(5)を満足する場合、第二レンズ30の凹面による負屈折力により、効率的に第一レンズ20による倍率色収差が補正できる。R3はシステムにおける最小曲率半径の湾曲面であり、システムが像面湾曲を補正すると共に高次収差を制限するために、曲率半径の小さい面と開口絞りとを同心配置するよう、第二レンズ30は開口絞り側に凹に曲がっていなければならない。
色収差、特に、倍率色収差を効率的に除去するために、第一レンズ20に使用される材料のアッベ数ν1と第二レンズ30に使用される材料のアッベ数ν2は条件式
(6)ν1−ν2>20
を満足する。
コストを低減するために、本発明にかかる撮像レンズシステムは、第一レンズ20の第一表面をそのまま開口絞り10として利用するなどして、開口絞り10が第一レンズ20の第一表面に直に設けられる。実際に制御する時、第一レンズ20の第一表面における遮光部分を黒くして、開口絞りとして利用する。
本発明における撮像レンズシステムの第一レンズ20と第二レンズ30はプラスチックから製造されるので、コストが低くなり、量産が容易に実現される。
次に、図2乃至図29を参照して、実施例を用いて本発明にかかる撮像レンズシステムを説明する。
次の各実施例において、第一レンズ20の第一表面と第二表面、第二レンズ30の第三表面と第四表面は、それぞれ非球面を利用する。非球面形状の計算式は以下のようにする。
Figure 0004594130
ここで、
Figure 0004594130
は光軸から測ったレンズ表面上の各点までの高さ位置、kは円すい曲線係数、Aiは第i階の非球面形状の係数である。
T:開口絞りから結像面までの距離;
f:撮像レンズの焦点距離;
FNo:F数;
ω:半画角;
2ω:画角;
R:系の光学素子上の表面の曲率半径;
D:系の光学素子上の表面から光軸までの距離;
Nd:屈折率;
ν:アッベ数。
〔実施例1〕
前記撮像レンズシステムは表1と表2の条件を満足する。
Figure 0004594130
Figure 0004594130
図2乃至図5は、この実施例1にかかる撮像レンズシステムにおける横方向のレイ・ファン・プロット(transverse ray fan plots)(本明細書中、横収差図とも言う)、像面湾曲図又は歪曲収差図、縦の球面収差図、倍率色収差図である。ここで、図2(A)、図2(B)、図2(C)及び図2(D)はそれぞれ画角が0°、15°、25°、35°での子午面とサジタル面における横収差図であるが、図3(A)と図3(B)はそれぞれ像面湾曲曲線及び歪曲収差曲線を示す。これらの図に示されるように、前記横収差、像面湾曲、歪曲収差、色収差は良好に補正することができる。
〔実施例2〕
前記撮像レンズシステムは表3及び表4の条件を満足する。
Figure 0004594130
Figure 0004594130
図6乃至図9は、この実施例2にかかる撮像レンズシステムにおける横収差図、像面湾曲図又は歪曲収差図、縦の球面収差図、倍率色収差図である。ここで、図6(A)、図6(B)、図6(C)及び図6(D)はそれぞれ画角が0°、15°、25°、35°での子午面とサジタル面における横収差図であるが、図7(A)と図7(B)はそれぞれ像面湾曲曲線及び歪曲収差曲線を示す。これらの図に示されているように、前記横収差、像面湾曲、歪曲収差、色収差は良好に補正することができる。
〔実施例3〕
前記撮像レンズシステムは表5及び表6の条件を満足する。
Figure 0004594130
Figure 0004594130
図10乃至図13は、この実施例3にかかる撮像レンズシステムにおける横収差図、像面湾曲図又は歪曲収差図、縦の球面収差図、倍率色収差図である。ここで、図10(A)、図10(B)、図10(C)及び図10(D)はそれぞれ画角が0°、15°、25°、35°での子午面とサジタル面における横収差図であるが、図11(A)と図11(B)はそれぞれ像面湾曲曲線及び歪曲収差曲線を示す。これらの図に示されるように、前記横収差、像面湾曲、歪曲収差、色収差は良好に補正することができる。
〔実施例4〕
前記撮像レンズシステムは表7及び表8の条件を満足する。
Figure 0004594130
Figure 0004594130
図14乃至図17は、この実施例4にかかる撮像レンズシステムにおける横収差図、像面湾曲図又は歪曲収差図、縦の球面収差図、倍率色収差図である。ここで、図14(A)、図14(B)、図14(C)及び図14(D)はそれぞれ画角が0°、15°、25°、35°での子午面とサジタル面における横収差図であるが、図15(A)と図15(B)はそれぞれ像面湾曲曲線及び歪曲収差曲線を示す。これらの図に示されるように、前記横収差、像面湾曲、歪曲収差、色収差は良好に補正することができる。
〔実施例5〕
前記撮像レンズシステムは表9及び表10の条件を満足する。
Figure 0004594130
Figure 0004594130
図18乃至図21は、この実施例5にかかる撮像レンズシステムにおける横収差図、像面湾曲図又は歪曲収差図、縦の球面収差図、倍率色収差図である。ここで、図18(A)、図18(B)、図18(C)及び図18(D)はそれぞれ画角が0°、15°、25°、35°での子午面とサジタル面における横収差図であるが、図19(A)と図19(B)はそれぞれ像面湾曲曲線及び歪曲収差曲線を示す。これらの図に示されるように、前記横収差、像面湾曲、歪曲収差、色収差は良好に補正することができる。
〔実施例6〕
前記撮像レンズシステムは表11及び表12の条件を満足する。
Figure 0004594130
Figure 0004594130
図22乃至図25は、この実施例6にかかる撮像レンズシステムにおける横収差図、像面湾曲図又は歪曲収差図、縦の球面収差図、倍率色収差図である。ここで、図22(A)、図22(B)、図22(C)及び図22(D)はそれぞれ画角が0°、15°、25°、35°での子午面とサジタル面における横収差図であるが、図23(A)と図23(B)はそれぞれ像面湾曲曲線及び歪曲収差曲線を示す。これらの図に示すように、前記横収差、像面湾曲、歪曲収差、色収差は良好に補正することができる。
〔実施例7〕
前記撮像レンズシステムは表13及び表14の条件を満足する。
Figure 0004594130
Figure 0004594130
図26乃至図29は、この実施例7にかかる撮像レンズシステムにおける横収差図、像面湾曲図又は歪曲収差図、縦の球面収差図、倍率色収差図である。ここで、図26(A)、図26(B)、図26(C)及び図26(D)はそれぞれ画角が0°、15°、25°、35°での子午面とサジタル面における横収差図であるが、図27(A)と図27(B)はそれぞれ像面湾曲曲線及び歪曲収差曲線を示す。これらの図に示されるように、前記横収差、像面湾曲、歪曲収差、色収差は良好に補正することができる。
表15はこれら七つの実施例及びそれに対応する光特性(穴径、画角、焦点距離及び前記条件式に対応する値を含み)を示す。尚、表15から明らかなように、条件式(1)〜(5)の全てを満たすのは、実施例1及び実施例2のみであり、これらの実施例が本願の発明に属する。尚、実施例1及び実施例2は条件式(6)も満たす。一方、実施例3〜実施例7は、条件式(1)〜(5)の全てを満たすものではなく、本願の発明に属さず、参考例といえるものである。
ここで、実施例1乃至実施例5において、第一レンズ20と第二レンズ30の材料はそれぞれポリメタクリル酸メチル(PMMA)とポリカーボネイト(PC)であるが、実施例6と実施例7において、第一レンズ20と第二レンズ30の材料はそれぞれ環状オリンフィンコポリマー(Cyclo-olefin Polymers) とポリカーボネイト(PC)である。
Figure 0004594130
以上見てきたように、本発明にかかる撮像レンズシステムは、2枚レンズの構成として、物体側から画像に向かって開口絞り、両凸第一レンズ、凹面が物体側の方に向いているメニスカス第二レンズを含み、第一レンズと第二レンズは、いずれも、少なくとも一つの表面が非球面であり、そして、所定の条件式を満足するときに、効率的に2枚型のレンズシステムの全長が小さくなる。また、前記システムは視界角が大きい(画角が60°以上である)場合、歪曲収差が2%以内となり、各種の収差、色収差を効率的に補正するので、広角での画質を高め、安いコストで量産することが可能となる。
本発明にかかる撮像レンズシステムの構成を示す模式図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例1にかかる撮像レンズシステムにおける横収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例1にかかる撮像レンズシステムにおける像面湾曲図、歪曲収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例1にかかる撮像レンズシステムにおける縦の球面収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例1にかかる撮像レンズシステムにおける倍率色収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例2にかかる撮像レンズシステムにおける横収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例2にかかる撮像レンズシステムにおける像面湾曲図、歪曲収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例2にかかる撮像レンズシステムにおける縦の球面収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例2にかかる撮像レンズシステムにおける倍率色収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例3にかかる撮像レンズシステムにおける横収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例3にかかる撮像レンズシステムにおける像面湾曲図、歪曲収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例3にかかる撮像レンズシステムにおける縦の球面収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例3にかかる撮像レンズシステムにおける倍率色収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例4にかかる撮像レンズシステムにおける横収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例4にかかる撮像レンズシステムにおける像面湾曲図、歪曲収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例4にかかる撮像レンズシステムにおける球面収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例4にかかる撮像レンズシステムにおける倍率色収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例5にかかる撮像レンズシステムにおける横収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例5にかかる撮像レンズシステムにおける像面湾曲図、歪曲収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例5にかかる撮像レンズシステムにおける縦の球面収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例5にかかる撮像レンズシステムにおける倍率色収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例6にかかる撮像レンズシステムにおける横収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例6にかかる撮像レンズシステムにおける像面湾曲図、歪曲収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例6にかかる撮像レンズシステムにおける縦の球面収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例6にかかる撮像レンズシステムにおける倍率色収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例7にかかる撮像レンズシステムにおける横収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例7にかかる撮像レンズシステムにおける像面湾曲図、歪曲収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例7にかかる撮像レンズシステムにおける縦の球面収差図である。 本発明にかかる撮像レンズシステムの実施例7にかかる撮像レンズシステムにおける倍率色収差図である。 米国特許出願公開第2004/0036983号明細書に記載の撮像レンズシステムの構成を示す図である。
符号の説明
10 開口絞り
20 第一レンズ
30 第二レンズ
40 画像

Claims (4)

  1. 物体側から画像に向かって順に、
    開口絞り、
    両凸第一レンズ、
    物体側に向かって凹面が湾曲形成されたメニスカス第二レンズ、からなり、
    前記第一レンズと前記第二レンズは、少なくとも一方の表面が非球面であり、また、条件式
    (1)1<T/f<1.62;
    (2)0.5<f1/f<0.9;
    (3)0.72R2/R1<1;及び
    (4)1.2<d/R2<2.1
    (5)0.75(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)<1
    を満足し、
    Tは開口絞りから画像までの距離、fは撮像レンズの焦点距離、f1は第一レンズの焦点距離、R1は物体側に近い第一レンズの表面の曲率半径の絶対値、R2は像側に近い第一レンズの表面の曲率半径の絶対値、dは第一レンズの厚さ、R3は物体側に近い第二レンズの表面の曲率半径の絶対値、R4は像側に近い第一レンズの表面の曲率半径の絶対値と定義されることを特徴とする撮像レンズシステム。
  2. 前記第一レンズと第二レンズは条件式
    (6)ν1−ν2>20
    を満足し、
    ここで、ν1は第一レンズのアッベ数、ν2は第二レンズのアッベ数であることを特徴とする請求項1記載の撮像レンズシステム。
  3. 前記第一レンジと第二レンズがプラスチックで製造されることを特徴とする請求項1記載の撮像レンズシステム。
  4. プラスチックの成分はポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリカーボネイト(PC)、環状オリンフィンコポリマーを含むことを特徴とする請求項3記載の撮像レンズシステム。
JP2005046079A 2004-05-15 2005-02-22 撮像レンズシステム Expired - Fee Related JP4594130B2 (ja)

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