(57)【要約】      （修正有）【課題】光学レンズの分野に関し、システムの長さを有効的に減少させることができ、かつ異なる温度環境で良好な性能安定性を有する、投影レンズを提供。【解決手段】投影レンズは、物体側から像側に向かって、順に、物面、正の屈折力を有する第１レンズＬ１、負の屈折力を有する第２レンズＬ２、正の屈折力を有する第３レンズＬ３を備え、全体投影レンズの焦点距離をｆ、前記投影レンズの光学全長をＴＴＬ、前記第２レンズの屈折率をｎ２、前記第３レンズの屈折率をｎ３にしたときに、１．７０≦ｎ２≦２．２０、１．７０≦ｎ３≦２．２０、１．２５≦ｆ／ＴＴＬ≦２．２０を満たす。【選択図】図１
2020021054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影レンズであって、
物体側から像側に向かって、順に、物面、正の屈折力を有する第１レンズ、負の屈折力を有する第２レンズ、正の屈折力を有する第３レンズを備え、
全体投影レンズの焦点距離をｆ、前記投影レンズの光学全長をＴＴＬ、前記第２レンズの屈折率をｎ２、前記第３レンズの屈折率をｎ３にしたときに、以下の関係式を満たすことを特徴とする投影レンズ。
１．７０≦ｎ２≦２．２０
１．７０≦ｎ３≦２．２０
１．２５≦ｆ／ＴＴＬ≦２．２０
【請求項２】
前記第２レンズの物体側の面の曲率半径をＲ３、前記第２レンズの像側の面の曲率半径をＲ４にしたときに、以下の関係式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の投影レンズ。
−１．００≦（Ｒ３＋Ｒ４）／（Ｒ３−Ｒ４）≦−０．１０
【請求項３】
前記全体投影レンズの焦点距離をｆ、前記第１レンズの焦点距離をｆ１にしたときに、以下の関係式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の投影レンズ。
０．３０≦ｆ１／ｆ≦０．４１
【請求項４】
前記全体投影レンズの焦点距離をｆ、前記第２レンズの焦点距離をｆ２にしたときに、以下の関係式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の投影レンズ。
−０．２０≦ｆ２／ｆ≦０
【請求項５】
前記第２レンズの像側の面から前記第３レンズの物体側の面までの軸上距離をｄ４、前記第３レンズの軸上厚みをｄ５にしたときに、以下の関係式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の投影レンズ。
１．１０≦ｄ４／ｄ５≦２．００
【請求項６】
前記第３レンズの物体側の面の曲率半径をＲ５、前記第３レンズの像側の面の曲率半径をＲ６にしたときに、以下の関係式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の投影レンズ。
１．７０≦（Ｒ５＋Ｒ６）／（Ｒ５−Ｒ６）≦２．５０
【請求項７】
前記第１レンズの材料がプラスチックで、前記第２レンズの材料がガラスで、前記第３レンズの材料がガラスであることを特徴とする請求項１に記載の投影レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学レンズの分野に関し、特に、スマートフォン、デジタルカメラなどの携帯端末装置に適用される投影レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
スマートフォンの急速な発展に伴い、携帯電話の撮像機能も革新的な技術を遂げ、例えば３Ｄ結像技術がある。このような３Ｄ構造光に基づく光学センシング技術は、顔、ジェスチャ識別に用いることができ、写真機能を強化し、ＡＲの新たな応用をもたらし、光学画像を従来の２次元から３次元空間に変換することで、よりリアルな、明瞭な知覚体験をもたらす。
【０００３】
３Ｄ構造光は、特定のレーザ情報を物体表面に投影した後、カメラによって収集され、物体による光情報の変化に基づいて物体の位置及び深さ等の情報を計算して、３次元空間全体を復元する。特定のレーザ情報は３Ｄ構造光技術のうちの非常に重要な指標であり、従って、レーザ情報を被測定物体の表面に投影する投影レンズに対しての要求が高い。このＶＣＳＥＬ（垂直面発光レーザ）レーザ表面の特定の立体角発光を有するアレイ点光源を被測定物体に投影する投影レンズは、３Ｄ結像品質の重要な部分である。
【０００４】
従来の投射レンズ系の製品において、使用環境温度の変化に伴って、レンズの焦点距離ｆが大きく変化するという問題が存在する。これにより、レンズ投影光の角度が著しく変化し、既存の光情報を変化させることで、システム全体の計算に誤差が発生し、３次元物体の輪郭復元精度に影響を与える。また、環境温度の変化に伴って、投影像点が大きくなる問題もあり、これによって３次元物体のシステム復元の鮮明度を低下させる。システムの長さを有効的に減少させ、且つ投影レンズの環境温度変化に対しての安定性を向上させるために、本発明の投影レンズを提案する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、システムの長さを有効的に減少させることができ、且つ異なる温度環境において良好な安定性を有する投影レンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するために、本発明の実施形態は、投影レンズを提供する。前記投影レンズは、物体側から像側に向かって、順に、物面、正の屈折力を有する第１レンズ、負の屈折力を有する第２レンズ、正の屈折力を有する第３レンズを備え、全体投影レンズの焦点距離をｆ、前記投影レンズの光学全長をＴＴＬ、前記第２レンズの屈折率をｎ２、前記第３レンズの屈折率をｎ３にしたときに、以下の関係式を満たす。
１．７０≦ｎ２≦２．２０
１．７０≦ｎ３≦２．２０
１．２５≦ｆ／ＴＴＬ≦２．２０
【０００７】
従来技術に比べて、本発明の実施形態では、上記レンズの配置に基づいて、異なる屈折率及び焦点距離を有するレンズを有効的に利用して鮮明的に結像を実現することができ、かつシステムの長さを有効的に減少させて、システムの占有空間を減少させることができる。また、システムは環境温度に対して敏感ではなく、性能が異なる温度で安定しており、投影の角度変化が目立たず、光情報が良好的に保持されるので、システムの投影性能がより良好であり、携帯型高出力レーザ投影装置にさらに適する。
【０００８】
また、前記第２レンズの物体側の面の曲率半径をＲ３、前記第２レンズの像側の面の曲率半径をＲ４にしたときに、以下の関係式を満たす。
−１．００≦（Ｒ３＋Ｒ４）／（Ｒ３−Ｒ４）≦−０．１０
【０００９】
また、前記全体投影レンズの焦点距離をｆ、第１レンズの焦点距離をｆ１にしたときに、以下の関係式を満たす。
０．３０≦ｆ１／ｆ≦０．４１
【００１０】
また、前記全体投影レンズの焦点距離をｆ、第２レンズの焦点距離をｆ２にしたときに、以下の関係式を満たす。
−０．２０≦ｆ２／ｆ≦０
【００１１】
また、前記第２レンズの像側の面から第３レンズの物体側の面までの軸上距離をｄ４、前記第３レンズの軸上厚みをｄ５にしたときに、以下の関係式を満たす。
１．１０≦ｄ４／ｄ５≦２．００
【００１２】
前記第３レンズの物体側の面の曲率半径をＲ５、前記第３レンズの像側の面の曲率半径をＲ６にしたときに、以下の関係式を満たす。
１．７０≦（Ｒ５＋Ｒ６）／（Ｒ５−Ｒ６）≦２．５０
【００１３】
また、前記第１レンズの材料がプラスチックで、前記第２レンズの材料がガラスで、前記第３レンズの材料がガラスである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る投影レンズの構造を示す図である。
【図２】図２は、図１に示す投影レンズの像面湾曲及び歪曲収差を示す図である。
【図３】図３は、図１に示す投影レンズのスポットダイアグラムである。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態に係る投影レンズの構造を示す図である。
【図５】図５は、図４に示す投影レンズの像面湾曲及び歪曲収差を示す図である。
【図６】図６は、図４に示す投影レンズのスポットダイアグラムである。
【図７】図７は、本発明の第３実施形態に係る投影レンズの構造を示す図である。
【図８】図８は、図７に示す投影レンズの像面湾曲及び歪曲収差を示す図である。
【図９】図９は、図７に示す投影レンズのスポットダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の目的、技術方案及び利点をより明確にするために、以下に、図面を参照しながら本発明の各実施形態を詳しく説明する。ただ、本発明の各実施形態において、本発明に対する理解を便宜にするために、多くの技術的細部まで記載されているが、これらの技術的細部および以下の各実施形態に基づく各種の変化及び修正がなくても、本発明が保護しようとする技術方案を実現可能であることは、当業者にとっては自明なことである。
【００１６】
（第１実施形態）
図面を参照すれば分かるように、本発明の第１実施形態は、投影レンズ１０を提供する。図１には、本発明の第１実施形態の投影レンズ１０を示しており、該投影レンズ１０は、３枚のレンズを備えており、具体的には、前記投影レンズ１０は、物体側から像側に向かって、順に、物面Ｓ１、正の屈折力を有する第１レンズＬ１、負の屈折力を有する第２レンズＬ２、正の屈折力を有する第３レンズＬ３を備える。
【００１７】
第１レンズＬ１は、正の屈折力を有し、システムの長さを有効的に減少させることができ、その物体側の面が外に向かって突出するような凸面であり、像側の面が内側に凹んだ凹面である。第２レンズＬ２は、負の屈折力を有し、本実施形態において、第２レンズＬ２の物体側の面と像側の面が共に凹面である。第３レンズＬ３は、正の屈折力を有し、本実施形態において、第３レンズＬ３の物体側の面が凹面であり、像側の面が凸面である。
【００１８】
ここで、全体投影レンズ１０の焦点距離をｆ、前記投影レンズ１０の光学全長をＴＴＬ、物面Ｓ１から第３レンズＬ３の像側の面までの軸上距離を指し、前記第２レンズの屈折率をｎ２、前記第３レンズの屈折率をｎ３にしたときに、ｆ、ＴＴＬ、ｎ２、ｎ３は以下の関係式を満たす。
１．７０≦ｎ２≦２．２０
１．７０≦ｎ３≦２．２０
１．２５≦ｆ／ＴＴＬ≦２．２０
【００１９】
本発明の前記投影レンズ１０の焦点距離ｆ、光学全長ＴＴＬ及び第２レンズの屈折率ｎ２と第３レンズの屈折率ｎ３が上記関係式を満たす場合、投影レンズ１０の屈折力の大きさの配置を制御／調整することができ、鮮明的に投影することを満たすとともに、システムの長さを有効的に減少させ、システム占有の空間を減少させることができる。また、第２レンズと第３レンズがともにガラス材料を用いて、システムが環境温度に対しての安定性を向上し、投影の角度変化が目立たず、光情報が良好的に保持されるので、システムの投影性能がより良好であり、携帯型高出力レーザ投影装置にさらに適する。
【００２０】
具体的には、本実施形態において、前記第２レンズＬ２の物体側の面の曲率半径をＲ３、前記第２レンズＬ２の像側の面の曲率半径をＲ４にしたときに、−１．００≦（Ｒ３＋Ｒ４）／（Ｒ３−Ｒ４）≦−０．１０の関係式を満たす。このようにすることで、第２レンズＬ２の形状を限定し、投影レンズのシステム収差を有効的に校正することができる。
【００２１】
本発明に係る実施形態における前記投影レンズ１０の焦点距離をｆ、第１レンズＬ１の焦点距離をｆ１にしたときに、０．３０≦ｆ１／ｆ≦０．４１の関係式を満たすことが好ましい。このようにすることで、投影レンズのシステム収差を有効的に校正することができ、システムの極薄化をさらに実現することができる。
【００２２】
前記投影レンズ１０の焦点距離をｆ、第２レンズＬ２の焦点距離をｆ２にしたときに、−０．２０≦ｆ２／ｆ≦０の関係式を満たすことが好ましい。このようにすることで、投影レンズのシステム収差をさらに校正することができる。
【００２３】
また、前記第２レンズＬ２の像側の面から第３レンズＬ３の物体側の面までの軸上距離をｄ４、前記第３レンズＬ３の軸上厚みをｄ５にしたときに、１．１０≦ｄ４／ｄ５≦２．００の関係式を満たすことが好ましい。このようにすることで、レンズの位置と軸上厚さを適切に配置された、投影レンズ１０の加工と組み立てに有利である。
【００２４】
前記第３レンズＬ３の物体側の面の曲率半径をＲ５、前記第３レンズＬ３の像側の面の曲率半径をＲ６にしたときに、１．７０≦（Ｒ５＋Ｒ６）／（Ｒ５−Ｒ６）≦２．５０の関係式を満たすことが好ましい。このようにすることで、第３レンズＬ３の形状を限定し、投影レンズシステムの収差の校正に有利である。
【００２５】
具体的には、前記第１レンズＬ１の材料がプラスチックで、前記第２レンズＬ２の材料がガラスで、前記第３レンズＬ３の材料がガラスである。ガラス材料の屈折率が高く且つ光透過性が良好であるため、前記投影レンズ10の光学性能を有効的に向上させることができる。そのうえ、ガラス材料はより良好な熱安定性を有し、それにより光学システムが異なる温度で良好な性能安定性を有する。
【００２６】
また、レンズの表面を非球面とすることができ、非球面は球面以外の形状とすることが容易になり、多くの制御変数が得られ、収差を削減することに用いられて、さらにレンズの使用数を減少することができるので、本発明の投影レンズの全長を有効的に低減するができる。本発明の実施形態において、各レンズの物体側面及び像側面はいずれも非球面である。
【００２７】
好ましくは、高品質な結像性能を得られるように、前記レンズの物体側の面及び／又は像側の面に、変曲点及び／又は停留点がさらに設けられていてもよい。具体的な実施方案については、後述する。
【００２８】
以下、本発明の実施形態に係る投影レンズ１０の設定データを示す。各実施形態に記載の符号は、以下のように示している。焦点距離、軸上距離、曲率半径、軸上厚み、変曲点位置、停留点位置の単位はｍｍである。表１、表２は、本発明の実施形態に係る投影レンズ１０のデータを示す。
【００２９】
【表１】
2020021054.tif 000003
【００３０】
各符号の意味は、以下の通りである。
ｆ      ：投影レンズ１０の焦点距離
ｆ１    ：第１レンズＬ１の焦点距離
ｆ２    ：第２レンズＬ２の焦点距離
ｆ３    ：第３レンズＬ３の焦点距離
【００３１】
【表２】
2020021054.tif 000004
【００３２】
各符号の意味は、以下の通りである。
Ｒ      ：光学面の曲率半径、レンズの場合、中心曲率半径
Ｒ１    ：第１レンズＬ１の物体側の面の曲率半径
Ｒ２    ：第１レンズＬ１の像側の面の曲率半径  
Ｒ３    ：第２レンズＬ２の物体側の面の曲率半径
Ｒ４    ：第２レンズＬ２の像側の面の曲率半径
Ｒ５    ：第３レンズＬ３の物体側の面の曲率半径
Ｒ６    ：第３レンズＬ３の像側の面の曲率半径
ｄ      ：レンズの軸上厚みとレンズ間の軸上距離
ｄ０    ：投影レンズの物面Ｓ１から第１レンズＬ１の物体側の面までの軸上距離
ｄ１    ：第１レンズＬ１の軸上厚み
ｄ２    ：第１レンズＬ１の像側の面から第２レンズＬ２の物体側の面までの軸上距離
ｄ３    ：第２レンズＬ２の軸上厚み
ｄ４    ：第２レンズＬ２の像側の面から第３レンズＬ３の物体側の面までの軸上距離
ｄ５    ：第３レンズＬ３の軸上厚み
ｄ６    ：第３レンズＬ３の像側の面から投影レンズの像側の面までの軸上距離
ｎｄ    ：ｄ線の屈折率
ｎｄ１  ：第１レンズＬ１の屈折率
ｎｄ２  ：第２レンズＬ２の屈折率
ｎｄ３  ：第３レンズＬ３の屈折率
ｖｄ    ：アッベ数
ｖ１    ：第１レンズＬ１のアッベ数
ｖ２    ：第２レンズＬ２のアッベ数
ｖ３    ：第３レンズＬ３のアッベ数
【００３３】
表３は、本発明の実施形態に係る投影レンズ１０における各レンズの非球面のデータを示す。
【００３４】
【表３】
2020021054.tif 000005
【００３５】
その中で、ｋは円錐係数であり、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、Ａ１２、Ａ１４、Ａ１６は非球面係数である。
ＩＨ：像高
y＝（ｘ２／Ｒ）／［１＋｛１−（ｋ＋１）（ｘ２／Ｒ２）｝１／２］＋Ａ４ｘ４＋Ａ６ｘ６＋Ａ８ｘ８＋Ａ１０ｘ１０＋Ａ１２ｘ１２＋Ａ１４ｘ１４＋Ａ１６ｘ１６                        （１）
【００３６】
各レンズ面の非球面は、便宜上、上記式（１）で表される非球面を使用しているが、本発明は、この式（１）の非球面多項式に限定されるものではない。
【００３７】
表４、表５は、本発明の実施形態に係る投影レンズ１０における各レンズの変曲点及び停留点の設定データを示す。ここで、Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ第１レンズＬ１の物体側の面と像側の面を示し、Ｒ３、Ｒ４は、それぞれ第２レンズＬ２の物体側の面と像側の面を示し、Ｒ５、Ｒ６は、それぞれ第３レンズＬ３の物体側の面と像側の面を示す。また、「変曲点位置」欄の対応するデータは、各レンズの表面に設けられた変曲点から投影レンズ１０の光軸までの垂直距離であり、「停留点位置」欄の対応するデータは、各レンズの表面に設けられた停留点から投影レンズ１０の光軸までの垂直距離である。
【００３８】
【表４】
2020021054.tif 000006
【００３９】
【表５】
2020021054.tif 000007
【００４０】
図２は、それぞれ波長９２５ｎｍ、９４０ｎｍ及び９５５ｎｍの光が第１実施形態に係る投影レンズ１０を通った後の像面湾曲及び歪曲収差を示す図である。
【００４１】
図３は、第１実施形態に係る投影レンズ１０のスポットダイアグラムである
【００４２】
以下の表６は、上記条件式に基づいて、本実施形態における各条件式に対応する数値を列挙したものである。本実施形態の投影レンズ１０は、上述した条件式を満すことが明らかになる。
【００４３】
【表６】
2020021054.tif 000008
【００４４】
本実施形態において、全視野の像高が０．５ｍｍであり、作動距離が３９９．６４ｍｍである。
【００４５】
（第２実施形態）
図４に示しているのは本発明の第２実施形態に係る投影レンズ２０であり、その各レンズの配置は、第１実施形態の投影レンズ１０とほぼ同じであり、異なる点のみを以下に示す。以下、本発明の第２実施形態に係る投影レンズ２０の設定データを示す。
【００４６】
表７、表８は、本発明の実施形態に係る投影レンズ２０のデータを示す。
【００４７】
【表７】
2020021054.tif 000009
【００４８】
【表８】
2020021054.tif 000010
【００４９】
表９は、本発明の実施形態に係る投影レンズ２０における各レンズの非球面のデータを示す。
【００５０】
【表９】
2020021054.tif 000011
【００５１】
表１０、表１１は、本発明の実施形態に係る投影レンズ２０における各レンズの変曲点及び停留点の設定データを示す。
【００５２】
【表１０】
2020021054.tif 000012
【００５３】
【表１１】
2020021054.tif 000013
【００５４】
図５は、それぞれ波長９２５ｎｍ、９４０ｎｍ及び９５５ｎｍの光が実施形態に係る投影レンズ２０を通った後の像面湾曲及び歪曲収差を示す図である。
【００５５】
図６は、第２実施形態に係る投影レンズ２０のスポットダイアグラムである
【００５６】
以下の表１２は、上記条件式に基づいて、本実施形態における各条件式に対応する数値を列挙したものである。本実施形態の投影レンズ２０は、上述した条件式を満すことが明らかになる。
【００５７】
【表１２】
2020021054.tif 000014
【００５８】
本実施形態において、全視野の像高が０．５ｍｍであり、作動距離が３９９．６４ｍｍである。
【００５９】
（第３実施形態）
図７に示しているのは本発明の第３実施形態に係る投影レンズ３０であり、その各レンズの配置は、第１実施形態の投影レンズ１０とほぼ同じである。以下、本発明の第３実施形態に係る投影レンズ３０のデータを示す。
【００６０】
表１３、表１４は、本発明の実施形態に係る投影レンズ３０の設定データを示す。
【００６１】
【表１３】
2020021054.tif 000015
【００６２】
【表１４】
2020021054.tif 000016
【００６３】
表１５は、本発明の実施形態に係る投影レンズ３０における各レンズの非球面のデータを示す。
【００６４】
【表１５】
2020021054.tif 000017
【００６５】
表１６、表１７は、本発明の実施形態に係る投影レンズ３０における各レンズの変曲点及び停留点の設定データを示す。
【００６６】
【表１６】
2020021054.tif 000018
【００６７】
【表１７】
2020021054.tif 000019
【００６８】
図８は、それぞれ波長９２５ｎｍ、９４０ｎｍ及び９５５ｎｍの光が実施形態に係る投影レンズ３０を通った後の像面湾曲及び歪曲収差を示す図である。
【００６９】
図９は、第３実施形態に係る投影レンズ３０のスポットダイアグラムである
【００７０】
以下の表１８は、上記条件式に基づいて、本実施形態における各条件式に対応する数値を列挙したものである本実施形態の投影レンズ３０は、上述した条件式を満すことが明らかになる。
【００７１】
【表１８】
2020021054.tif 000020
【００７２】
本実施形態において、全視野の像高が０．５ｍｍであり、作動距離が３９９．７４４ｍｍである。
【００７３】
上記の各実施形態は本発明を実現するための具体的な実施形態であるが、実際の応用において、本発明の主旨及び範囲から逸脱しない範囲での形式及び細部に対する各種の変更は、いずれも本発明の保護範囲に属することは、当業者であれば理解できるはずである。
【図１】
2020021054.tif 000021
【図２】
2020021054.tif 000022
【図３】
2020021054.tif 000023
【図４】
2020021054.tif 000024
【図５】
2020021054.tif 000025
【図６】
2020021054.tif 000026
【図７】
2020021054.tif 000027
【図８】
2020021054.tif 000028
【図９】
2020021054.tif 000029