JP3725520B2 - ３枚構成単焦点レンズ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３枚構成よりなる全長の短い単焦点レンズに関し、特に、小型のデジタルカメラの撮像レンズ、あるいはＰＣや携帯端末などの画像読取用のレンズに好適な簡易な構成の単焦点レンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、撮像レンズの一技術分野として、簡易なデジタルカメラや、ＰＣ用Ｗｅｂカメラ、携帯端末などの比較的薄型の機器に搭載される画像読取用のレンズモジュールとして、全長が短く、安価であることが要求され、光学性能としては多少要求水準の緩いものがある。
このような要求を満足するため、従来は撮像レンズを１枚のレンズで構成することも行われていた。このような用途に用いられるレンズモジュールはＣＣＤ等の電気的撮像素子も小型で解像度の低いものであったため、撮像素子のイメージサイズが小さく、レンズ系自体も少ない枚数で小型化することが可能とされた。
【０００３】
しかしながら、近年では、撮像素子の高解像化および大型化が進んだため、レンズ１枚による構成では発生する収差が大きくなりすぎ、十分な光学性能が得られなくなっている。
そこで、高解像化および拡大化が進んだ撮像素子に見合う全長の短いレンズ系を開発する必要が生じてきており、このような問題に対処するために、例えば、少なくとも１面に非球面を有する、プラスチック材よりなる３枚構成のＣＣＤ用レンズが知られている（下記特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−４８５１６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報記載の技術においては、撮像素子を含めた系のコンパクト化および低廉化の面で必ずしも十分ではなかった。また、光学性能の面でも、特に像面湾曲やディストーションの点で必ずしも満足いくものとはされていなかった。
【０００６】
なお、特にＰＣや携帯端末等の画像読取みには小型サイズの撮像素子が使用されており、主光線を撮像面に対して１５°程度以内の角度で入射させる必要があったが、近年の撮像素子の改良により、従来以上の入射角、例えば２５°程度以上のものも許容されるようになってきた。そこで、主光線の入射角を比較的大きく設定した場合であっても、諸収差を良好に補正し得る撮像レンズの開発が望まれている。
【０００７】
本発明は上述した事情に鑑みなされたもので、近年の撮像素子に対応した構成を有し、光学性能、特に像面湾曲やディストーションを良好に補正することができ、撮像素子を含めた系のコンパクト化および低廉化を十分に満足し得る３枚構成単焦点レンズを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の３枚構成単焦点レンズは、物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズと、絞りと、少なくとも１面を非球面とされた、プラスチックよりなる正の屈折力を有する第２レンズと、少なくとも１面を非球面とされた、プラスチックよりなる正の屈折力を有する第３レンズとを配列されてなり、
前記第３レンズは、物体側の面が凸面とされるとともに、物体側の面が周辺に向かうほど正の屈折力が弱くなる非球面とされ、
さらに下記条件式（１）、（２）を満足するように構成されてなることを特徴とするものである。
5.0＞f₁’/f’＞1.0 …（１）
50＞ν₁ …（２）
ただし、
f’ 全系の焦点距離、
f₁’ 第１レンズの焦点距離、
ν₁ 第１レンズのアッベ数
【０００９】
また、前記第１レンズは、物体側の面が凸面とされたガラス材により形成され、
前記第２レンズは、物体側の面が凹面とされるとともに、結像面側の面が周辺に向かうほど正の屈折力が強くなる非球面とされていることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る３枚構成単焦点レンズについて図面を参照しつつ説明する。図１に示す実施形態（実施例１のものを代表させて示している）の３枚構成単焦点レンズは、物体側より順に、物体側に凸面を向けた平凸レンズよりなる第１レンズＬ_１と、像面側に凸面を向けた正メニスカスレンズよりなる第２レンズＬ_２と、像面側に凹面を向けた正メニスカスレンズ（光軸近傍において正）よりなる第３レンズＬ_３とからなり、これら第２レンズＬ_２および第３レンズＬ_３の両面は各々非球面とされ、光軸Ｘに沿って入射する光束を撮像素子の結像面上の位置Ｐ（図２、３参照）に効率良く集束させるようにした３枚構成単焦点レンズである。
【００１１】
なお、上記非球面のうち前記第２レンズＬ_２の像面側の面は周辺に向かうほど正の屈折力が強くなる非球面とされ、また上記非球面のうち前記第３レンズＬ_３の物体側の面は周辺に向かうほど正の屈折力が弱くなる非球面とされている。
【００１２】
また、第１レンズＬ_１と第２レンズＬ_２との間には絞り２が配され、第３レンズＬ_３と撮像素子との間には撮像素子のカバーガラス１が配されている。
【００１３】
上記第２レンズＬ_２および上記第３レンズＬ_３各々の両面の非球面形状は、下記非球面式で表される。
【００１４】
【数１】

【００１５】
さらに、この３枚構成単焦点レンズは、下記条件式（１）、（２）を満足している。
5.0＞f₁’/f’＞1.0 …（１）
50＞ν₁ …（２）
ただし、
f’ 全系の焦点距離、
f₁’ 第１レンズの焦点距離、
ν₁ 第１レンズのアッベ数
【００１６】
次に本実施形態による作用効果を説明する。
３枚というレンズ枚数は、要望される程度の良好な光学性能を得るために必要な枚数であるが、全てのレンズＬ_１〜Ｌ_３を正レンズとすることで、以下のような作用効果が得られる。
【００１７】
すなわち、第１レンズＬ_１および第２レンズＬ_２を正レンズとすることで、レンズ系の全長を短縮化することができ、特に小型のデジタルカメラの撮像レンズ、あるいはＰＣや携帯端末などの画像読取用のレンズとして好適なものとすることができる。また、第３レンズＬ_３の光軸近傍において正レンズとすることで、この第３レンズＬ_３の各面に形成された非球面を、より効果的に作用させることが可能となる。
【００１８】
また、第２レンズＬ_２を、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズとするとともに、像面側の面は周辺に向かうにしたがい正の屈折力が強くなる非球面とし、かつ第３レンズＬ_３を、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとするとともに、物体側の面は周辺に向かうにしたがい正の屈折力が弱くなる非球面とすることで、これら２つの非球面の相互作用により、像面湾曲およびディストーションを良好なものとすることができる。
【００１９】
また、図１に示すように、像面への入射光束の最大入射角は、近年の撮像素子に対応させて、例えば２５°程度と大きなものとなっている。これにより、第３レンズＬ_３と撮像素子までの距離を短くすることができ、撮像素子を含めた系のコンパクト化を図ることができる。
【００２０】
また、レンズ材料としては、少なくとも第２レンズＬ_２および第３レンズＬ_３をプラスチック材で構成することにより、コスト低減を図ることができ、また非球面を形成する際の製造性を向上させることができる。
【００２１】
さらに、第１レンズＬ_１のレンズ材料を、プラスチック材とすれば、よりコスト低減を図ることができ、また非球面を形成する際の製造性をより向上させることができる。一方、この第１レンズＬ_１のレンズ材料をガラス材とすれば、第２レンズＬ_２および第３レンズＬ_３を形成する材料と異種のもの（屈折率差が大きなもの）とすることができ、倍率色収差を良好なものとすることができる。
【００２２】
また、本実施形態の単焦点レンズにおいては、上述した条件式（１）、（２）を満足しているので以下のような作用効果を奏することができる。
すなわち、条件式（１）は第１レンズＬ_１の焦点距離を規定するもので、この上限を上回ると像面湾曲の補正が困難となり、一方この下限を下回ると瞳までの距離が短くなり過ぎ好ましくない。したがって、この条件式（１）を満足することで、像面湾曲を良好なものとしつつ、瞳までの距離を確保することができる。
【００２３】
また、条件式(２）は、第１レンズＬ_１のアッベ数を規定するもので、この数値範囲を外れると色収差の補正が困難になる。したがって、この条件式（２）を満足することで、色収差を良好なものとすることができる。
【００２４】
なお、本発明の３枚構成単焦点レンズとしては種々の態様の変更が可能である。例えば各レンズの曲率半径、レンズ間隔（もしくはレンズ厚）および非球面の形状を適宜変更することが可能である。
【００２５】
【実施例】
＜実施例１＞
実施例１に係る３枚構成単焦点レンズの概略構成を図２に示す。この単焦点レンズの構成は、実施形態において説明した通りである。この単焦点レンズにおいては、第２レンズＬ_２および第３レンズＬ_３のいずれのレンズ面にも非球面が形成されている。この単焦点レンズの各レンズ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔（以下、これらを総称して軸上面間隔という）Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｄ線における、屈折率Ｎおよびアッベ数νの値を表１に示す。なお表中の数字は、物体側からの順番を表すものである。また、表２には、各非球面について、上記非球面式に示される非球面の各定数Ｋ、Ａ_４、Ａ_６、Ａ_８、Ａ_１０の値を示す。また、実施例１における、レンズ全系の焦点距離ｆは、3.59ｍｍに設定されている。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【表２】

【００２８】
また、表１の下段に示すように、本実施例においては、上記条件式（１）、（２）を満足したものとなっている。
図４は実施例１の単焦点レンズの諸収差（球面収差、非点収差、およびディストーション）を示す収差図である。なお、非点収差図には、サジタル像面およびタンジェンシャル像面に対する収差が示されている。この収差図においてωは半画角を示す。これらの収差図から明らかなように、実施例１の単焦点レンズによれば、各収差を良好に補正することができる。
【００２９】
＜実施例２＞
実施例２に係る単焦点レンズの概略構成を図３に示す。この単焦点レンズの構成も実施例１のものと略同様であり、対応する図面の説明において同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明については省略する。この単焦点レンズにおいても、第２レンズＬ_２および第３レンズＬ_３のいずれのレンズ面にも非球面が形成されている。
【００３０】
この単焦点レンズの各レンズ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各レンズの軸上面間隔Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｄ線における、屈折率Ｎおよびアッベ数νの値を表３に示す。なお表中の数字は、物体側からの順番を表すものである。また、表４には、各非球面について、上記非球面式に示される非球面の各定数Ｋ、Ａ_４、Ａ_６、Ａ_８、Ａ_１０の値を示す。また、実施例２における、レンズ全系の焦点距離ｆは、3.61ｍｍに設定されている。
【００３１】
【表３】

【００３２】
【表４】

【００３３】
また、表３の下段に示すように、本実施例においては、上記条件式（１）、（２）を満足したものとなっている。
【００３４】
図５は実施例２の単焦点レンズの諸収差（球面収差、非点収差、およびディストーション）を示す収差図である。なお、非点収差図には、サジタル像面およびタンジェンシャル像面に対する収差が示されている。この収差図においてωは半画角を示す。これらの収差図から明らかなように、実施例２の単焦点レンズによれば、各収差を良好に補正することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の３枚構成単焦点レンズによれば、少なくとも第２レンズおよび第３レンズを非球面を有するプラスチックレンズとし、非球面の形成を容易としているので、３枚構成の簡易かつ安価なレンズ系でありながら光学性能を良好なものとすることができる。
【００３６】
また、３枚のレンズの全てを正レンズとすることで、レンズ系の全長を短縮化することができ、かつ像面湾曲およびディストーションを向上させることができる。
【００３７】
また、像面への入射光束の最大入射角は、近年の撮像素子に対応させて、大きなものとされており、これにより、第３レンズと撮像素子までの距離を短くすることができ、撮像素子を含めた系のコンパクト化を図ることができる。
【００３８】
さらに、所定の２つの条件式を満足することで、像面湾曲および倍率色収差を向上させつつ、瞳までの距離を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る３枚構成単焦点レンズのレンズ構成および光線軌跡を示す概略図
【図２】実施例１に係る３枚構成単焦点レンズのレンズ構成を示す図
【図３】実施例２に係る３枚構成単焦点レンズのレンズ構成を示す図
【図４】実施例１の３枚構成単焦点レンズの諸収差（球面収差、非点収差、およびディストーション）を示す収差図
【図５】実施例２の３枚構成単焦点レンズの諸収差（球面収差、非点収差、およびディストーション）を示す収差図
【符号の説明】
Ｌ_１〜Ｌ_３ レンズ
Ｒ_１〜Ｒ_８ レンズ面（光学部材面）の曲率半径
Ｄ_１〜Ｄ_７ 軸上面間隔
Ｘ 光軸
Ｐ 結像位置
１ カバーガラス
２ 絞り

Claims (2)

1. 物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズと、絞りと、少なくとも１面を非球面とされた、プラスチックよりなる正の屈折力を有する第２レンズと、少なくとも１面を非球面とされた、プラスチックよりなる正の屈折力を有する第３レンズとを配列されてなり、
   前記第３レンズは、物体側の面が凸面とされるとともに、物体側の面が周辺に向かうほど正の屈折力が弱くなる非球面とされ、
   さらに下記条件式（１）、（２）を満足するように構成されてなることを特徴とする３枚構成単焦点レンズ。
   5.0＞f₁’/f’＞1.0 …（１）
   50＞ν₁ …（２）
   ただし、
   f’ 全系の焦点距離、
   f₁’ 第１レンズの焦点距離、
   ν₁ 第１レンズのアッベ数
2. 前記第１レンズは、物体側の面が凸面とされたガラス材により形成され、
   前記第２レンズは、物体側の面が凹面とされるとともに、像面側の面が周辺に向かうほど正の屈折力が強くなる非球面とされていることを特徴とする請求項１記載の３枚構成単焦点レンズ。

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