JP2005091666A

JP2005091666A - 撮像レンズ

Info

Publication number: JP2005091666A
Application number: JP2003324166A
Authority: JP
Inventors: Yoji Kubota; 洋治久保田
Original assignee: Nagano Optics Laboratory Corp
Current assignee: Nagano Optics Laboratory Corp
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】メガオーダの高画素に対応可能な、３群４枚構成の小型でコンパクトな撮像レンズを提案すること。
【解決手段】撮像レンズ１０は、物体側に凸面を向けた正のパワーの第１レンズ群Ｉ（第１レンズ１）と、物体側に凹面を向けた正のパワーの第２レンズ群II（凹レンズ２、凸レンズ３）と、負のパワーの第３レンズ群III（第４レンズ４）を有し、第４レンズ４のレンズ面４ａ、４ｂが共に非球面であり、０．６＜Σｄ＜Ｆ＜１．２、０．８＜Ｎｄ５／Ｎｄ４＜１．２、且つ、１．４＜νｄ５／νｄ４＜２．５である。Ｆ：全レンズ系の合成焦点距離、Σｄ：第１レンズの物体側のレンズ面から第４レンズの結像面側のレンズ面までの光軸上の間隔、Ｎｄ４：第２レンズの屈折率、Ｎｄ５：第３レンズの屈折率、νｄ４：第２レンズのアッベ数、νｄ５：第３レンズのアッベ数。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子を用いた車載用カメラ、監視用カメラ、デジタルカメラ、携帯電話機搭載カメラ等に使用される高画質で、小型で軽量な撮像レンズに関するものである。

ＣＣＤ等の受光素子を用いた監視用カメラやデジタルカメラ等に組み込まれている撮像レンズは、忠実な被写体の再現性を備えていることが望ましい。また、最近では、携帯電話機に組み込まれたカメラに見られるようにＣＣＤ自体やＣＣＤカメラが小型化されてきており、これに伴って、これらに組み込まれる撮像レンズも必然的に小型化、コンパクト化の要求が高まってきている。更に、ＣＣＤなどの受光素子は、ＣＣＤの小型化とは裏腹にメガオーダの高画素化となってきている。そして、これらを用いたカメラに使用される撮像レンズも必然的に高い光学性能を発揮できるものでなければならなくなってきた。従来では、こうした高い光学性能を発揮させるためには、多数枚のレンズを用いて収差補正を行ってきたのが実情である。

また、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子の特徴として、各画素に取り込まれる光線角度に制約があり、これを無視した光学系では開口効率が減少しシェーディングが発生することとなる。このため、射出瞳の位置を像面から極力離すようにしなければならない。

さらに、撮像レンズと受光素子との間には、赤外カットフィルタなどを挿入されるスペースが必要となるので、バックフォーカスがある程度長くなければならないという制約もある。

本発明の課題は、受光素子の素子面に対する最大射出角を画角よりも小さくしてシェーディングを防止し、かつメガオーダの高画素に対応できるように収差補正を施すことのできる小型でコンパクトな撮像レンズを提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の撮像レンズは３群４枚構成のレンズであり、物体側より結像面に向かって、正のパワーを有する第１レンズ群と、正のパワーを有する第２レンズ群と、負のパワーを有する第３レンズ群が配置された構成となっている。また、第１レンズ群は物体側に凸面を向けた単一の第１レンズからなり、第２レンズ群は物体側に凹面を向けた正のパワーを有する合成レンズであって、分散の異なる凹レンズ（第２レンズ）と凸レンズ（第３レンズ）との組み合わせからなる。第３レンズ群は単一の凹レンズからなる。さらに、第１、第２および第３レンズのレンズ面のうち、少なくとも一つのレンズ面が非球面である。また、第４レンズのレンズ面は双方のレンズ面が非球面である。

本発明の撮像レンズでは、第１レンズを物体側に凸面を向けたメニスカスレンズとしてあるので、そのレンズ光学系の全長を短くできる。また、第２レンズ群の第２レンズと第３レンズを異なる分散とすることにより、軸上および軸外の色収差を効果的に補正できる。さらに、広角系のレンズの場合、第２レンズ群の物体側のレンズ面を物体側に凹面とすることによりディストーションおよびコマ収差などの収差補正が容易になる。

ここで、結像面がＣＣＤやＣＭＯＳである場合の特徴として、各画素に取り込まれる光線の角度に制約があり、一般に、画面の周辺部に向かって次第に大きくなる。本発明の撮像レンズにおいては、第２レンズ群の物体側のレンズ面の形状を物体側に凹面を向けたことと、第３レンズ群のレンズ面に非球面を採用して当該非球面形状を活用することにより、主光線の最大射出角を３０度以下とすることが可能である。また、第３レンズ群のレンズ面に非球面を採用したことにより、像面湾曲の微調整とディストーションを良好に補正することが可能となり、加えて、主光線の最大射出角を小さくすることが可能である。

次に、本発明の撮像レンズは、以下の条件式（１）〜（３）を満たすことが望ましい。
０．６＜Σｄ＜Ｆ＜１．２（１）
０．８＜Ｎｄ５／Ｎｄ４＜１．２（２）
１．４＜νｄ５／νｄ４＜２．５（３）
但し、Ｆ：全レンズ系の合成焦点距離
Σｄ：第１レンズの物体側のレンズ面から第４レンズの結像面側のレンズ面までの光軸上の間隔
Ｎｄ４：第２レンズの屈折率
Ｎｄ５：第３レンズの屈折率
νｄ４：第２レンズのアッベ数
νｄ５：第３レンズのアッベ数

条件式（１）は、小型化のための条件式で、下限を下回ると小型化は可能であるが、レンズが小さくなって加工が困難となってくる。上限を上回るとレンズ系全体をコンパクトに纏めることが難しくなる。

ここで、条件式（１）に加えて、第１レンズ群と第２レンズ群によって形成される空気間隔も小型化と周辺光量に寄与している。この空気間隔をｄａとすると、
０．０５＜ｄａ／Ｆ＜０．５（４）
とすることが望ましい。この条件において下限を下回ると球面収差や像面湾曲の補正が難しくなり、上限を超えると周辺光量の確保が困難となると同時に小型化ができなくなる。

条件式（２）は、球面収差を良好に保つためと、像面の湾曲を安定に保つためのもので、下限を下回ると球面収差をはじめコマ収差などの補正が困難となり、上限を上回ると像面湾曲が安定に保てなくなる。

条件式（３）は、軸上および軸外の色消しを行うための条件であり、上限を上回ると色収差の補正は容易となるが球面収差や像面湾曲の補正が難しくなる。また、下限を下回ると色収差の補正が困難になる。

さらに、本発明では、第２レンズの物体側のレンズ面が物体側に凹面をむけたものである。すなわち、当該物体側のレンズ面の曲率をＲ４とすると、
Ｒ４／Ｆ＜０（５）
である。このようにしてあるので、軸外のコマ収差や像面湾曲およびディストーションの補正を安定に保つことができる。この条件を超えると負のディストーションが増大するので、第３レンズ群の非球面形状が極めて複雑になってしまう。

また、前述のように、第３レンズ群のレンズ面に非球面を採用し、少なくとも一つ以上の変曲点を設けることにより、像面湾曲の微調整とディストーションを良好に補正することが可能となると共に、主光線の最大射出角を小さくすることが可能であるが、これに加えて、第２レンズ群の結像面側のレンズ面の曲率をＲ６としたときに、
０．１＜Ｒ６／Ｒ４＜１．０（６）
とすることが望ましい。この条件の下限を下回ると主光線の最大射出角を小さくすることができるものの、第２レンズ群のパワーが大きくなり負の像面湾曲が発生すると同時にバックフォーカスの確保が難しくなる。逆に、上限を上回ると主光線の最大射出角が大きくなると共に、バックフォーカスが長くなり小型化が困難となる。

本発明の撮像レンズは３群４枚構成のレンズであり、その第１レンズ群である第１レンズを物体側に凸面を向けたメニスカスレンズとしてあるので、レンズ光学系の全長を短くできる。また、第２レンズ群の第２レンズと第３レンズを異なる分散とすることにより軸上および軸外の色収差を効果的に補正できる。さらに、広角系のレンズの場合、第２レンズ群の第１レンズ面を物体側に凹面とすることによりディストーションおよびコマ収差などの収差補正が容易になる。

さらにまた、第２レンズ群の第１レンズ面の形状を物体側に凹面を向けたことと、第３レンズ群の非球面形状を活用することにより、主光線の最大射出角を３０度以下とすることが可能になる。

加えて、第３レンズ群のレンズ面に非球面を採用したことにより、像面湾曲の微調整とディストーションを良好に補正することが可能となり、同時に、主光線の最大射出角を小さくすることが可能である。

よって、本発明によれば、メガオーダの高画素に対応でき、シェーディングを防止できる小型軽量でコンパクトな撮像レンズを実現できる。

以下に、図面を参照にして、本発明を適用した撮像レンズを説明する。

図１は実施例１の撮像レンズを示す構成図である。本例の撮像レンズ１０は、物体側より結像面に向かって、第１レンズ群Ｉの第１レンズ１と、第２レンズ群IIの第２レンズ２および第３レンズ３と、第３レンズ群IIIの第４レンズ４とが、この順に配置されている。第１レンズ１と第２レンズ２の間には絞り５が配置されている。また、第４レンズ４と結像面７との間にはカバーガラス６が配置されている。

第１レンズ群の第１レンズ１は物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズである。第２レンズ群は物体側に凹面を向けた正のパワーを有しており、負のパワーを有する第２レンズ２と正のパワーを有する第３レンズ３の組み合わせからなる接合レンズからなる。第３レンズ群の第４レンズ４は負のパワーを有するレンズによって構成されている。

本例では、第１レンズ１の両側のレンズ面１ａ、１ｂと第４レンズ４の両側のレンズ面４ａ、４ｂが共に非球面とされている。また、第４レンズ４の物体側のレンズ面４ａには有効径の約３２％、結像面側のレンズ面４ｂには有効径の約４０％の所に非球面変曲点を有している。

撮像レンズ１０の全光学系のレンズデータは次の通りである。
Ｆナンバー：２．８
焦点距離：Ｆ＝３．５５ｍｍ
レンズ全長：Σｄ＝３．８７ｍｍ

表１Ａには撮像レンズ１０の各レンズデータを示し、表１Ｂには、非球面とされたレンズ面の非球面形状を規定するための非球面係数を示してある。表１Ａにおいて、ｉは物体側より数えたレンズ面の順番を表し、Ｒはレンズ面の曲率半径を表し、ｄはレンズ面間の距離を表し、Ｎｄは各レンズ面の屈折率を表し、νｄは各レンズのアッベ数を表す。また、番号ｉに星印が付してあるレンズ面は非球面であることを示す。

レンズ面に採用する非球面形状は、光軸方向の軸をＸ、光軸に直交する方向の高さをＨ、円錐係数をｋ、非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとすると、次式により表すことができる。

なお、各記号の意味および非球面形状を表す式は、後述の実施の形態においても同様である。

本例の撮像レンズ１０では、実施例２の説明の後に掲載する表３に示すように、各条件式（１）〜（３）を満足している。

図３は撮像レンズ１０における諸収差を示す収差図である。図３（ａ）は球面収差ＳＡを表し、図３（ｂ）は非点収差ＡＳを表し、図３（ｃ）はディストーションを表す。図３（ｂ）において、Ｔはタンジェンシャル、Ｓはサジタルの像面を表している。また、図３（ｄ）は横収差を表し、ＤＹはＹ瞳座標に関する横方向のＹ収差であり、ＤＸはＸ瞳座標に関する横方向のＸ収差である。これらの記号の意味は、後述の実施例２においても同様である。

図２は実施例２の撮像レンズを示す構成図である。本例の撮像レンズ２０は、物体側より結像面に向かって、第１レンズ群Ｉの第１レンズ１１と、第２レンズ群IIの第２レンズ１２および第３レンズ１３と、第３レンズ群IIIの第４レンズ１４とが、この順に配置されている。第１レンズ１１と第２レンズ１２の間には絞り１５が配置されている。また、第４レンズ１４と結像面１７との間にはカバーガラス１６が配置されている。

第１レンズ群の第１レンズ１１は物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズである。第２レンズ群は物体側に凹面を向けた正のパワーを有しており、負のパワーを有する第２レンズ１２と正のパワーを有する第３レンズ１３の組み合わせからなる接合レンズからなる。第３レンズ群の第４レンズ１４は負のパワーを有するレンズによって構成されている。

本例では、第１レンズ１１の両側のレンズ面１１ａ、１１ｂと第４レンズ１４の両側のレンズ面１４ａ、１４ｂが共に非球面とされている。また、第４レンズ１４の物体側のレンズ面１４ａには有効径の約３２％、決像面側のレンズ面１４ｂには有効径の約４０％の所に非球面変曲点を有している。

撮像レンズ２０の全光学系のレンズデータは、次のとおりである。
Ｆナンバー：２．８
焦点距離：Ｆ＝３．６５ｍｍ
レンズ全長：Σｄ＝３．８ｍｍ

表２Ａには撮像レンズ２０の各レンズ面のレンズデータを示し、表２Ｂには非球面とされたレンズ面の非球面形状を規定するための非球面係数を示してある。図４には、撮像レンズ２０における諸収差を示してある。

本例の撮像レンズ２０においても、表３に示すように、各条件式（１）〜（３）を満足している。

（その他の実施の形態）
なお、上記の各実施例の撮像レンズでは、第２レンズ群を接合レンズとしているが、分離した２枚のレンズにより構成してもよいことは勿論である。また、第２レンズ群はガラスレンズによって構成されているが、プラスチックレンズを用いても良いことは勿論である。

本発明の実施例１の撮像レンズの構成図である。本発明の実施例２の撮像レンズの構成図である。図１の実施例１の撮像レンズの収差図である。図２の実施例２の撮像レンズの収差図である。

符号の説明

Ｉ第１レンズ群
II 第２レンズ群
III 第３レンズ群
１、１１第１レンズ
２、１２第２レンズ
３、１３第３レンズ
４、１４第４レンズ
５、１５絞り
６、１６カバーガラス
７、１７結像面
１０、２０撮像レンズ
ｄ１、ｄ４、ｄ５、ｄ７レンズの肉厚
ｄａ（ｄ２＋ｄ３）第１レンズ群と第２レンズ群の間の空気間隔
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８レンズの光軸上の曲率半径

Claims

物体側より順に配置された正のパワーを有する第１群レンズと、正のパワーを有する第２群レンズと、負のパワーを有する第３群レンズとを有し、
前記第１群レンズは物体側に凸面を向けた単一の第１レンズからなり、
前記第２群レンズは、物体側に凹面を向けた凹レンズからなる第２レンズと、凸レンズからなる第３レンズとの組み合わせからなり、
前記第３群レンズは単一の第４レンズからなり、
前記第１、第２、および第３レンズのレンズ面のうち、少なくとも一つのレンズ面が非球面であり、
前記第４レンズのレンズ面は両方のレンズ面が非球面である撮像レンズ。
請求項１において、
前記撮像レンズの合成焦点距離をＦ、前記第１レンズの物体側のレンズ面から前記第４レンズの結像面側のレンズ面までの光軸上の間隔をΣｄとしたとき、
０．６＜Σｄ＜Ｆ＜１．２
である撮像レンズ。
請求項１または２において、
前記第２レンズの屈折率をＮｄ４、前記第３レンズの屈折率をＮｄ５としたとき、
０．８＜Ｎｄ５／Ｎｄ４＜１．２
である撮像レンズ。
請求項１、２または３において、
前記第２レンズのアッベ数をνｄ４、前記第３レンズのアッベ数をνｄ５としたとき、
１．４＜νｄ５／νｄ４＜２．５
である撮像レンズ。
請求項１ないし４のうちのいずれかの項において、
前記第１レンズ群と第２レンズ群の間の空気間隔をｄａとしたとき、
０．０５＜ｄａ／Ｆ＜０．５
である撮像レンズ。
請求項１ないし５のうちのいずれかの項において、
前記第２レンズ群の結像面側のレンズ面の曲率をＲ６としたときに、
０．１＜Ｒ６／Ｒ４＜１．０
である撮像レンズ。