(57)【要約】  固定光学ユニット（２００）は１つまたは複数の固定光学要素（２０２）を含む。光学ユニットは、所与の物距離と、固定光学ユニットからの選択された距離に配置された画像センサの結像表面に関連する所与の空間周波数とに対する変調伝達関数（ＭＴＦ）を有し、ＭＴＦは、選択された像距離で最大となり、ほぼ最大ＭＴＦから、選択された物距離よりも小さい像距離に対応する正の焦点移動の第１の範囲内で事前定義された閾値より下まで減少し、かつほぼ前記最大ＭＴＦから減少するが、選択された物距離よりも大きい像距離に対応する負の焦点移動の第２の範囲にわたって事前定義された閾値を超えたままであるようにＭＴＦが物距離とともに変化する。負の焦点移動の第２の範囲は正の焦点移動の第１の範囲よりも大きい。
2011503652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは複数の固定光学要素を含む固定光学ユニットであって、前記光学ユニットは、所与の物距離と、前記固定光学ユニットからの選択された距離に配置された画像センサの結像表面に関連する所与の空間周波数とに対する変調伝達関数（ＭＴＦ）を有し、前記ＭＴＦは、選択された像距離で最大となり、ほぼ前記最大ＭＴＦから、前記選択された像距離よりも小さい像距離に対応する正の焦点移動の第１の範囲内で事前定義された閾値より下まで減少し、かつほぼ前記最大ＭＴＦから減少するが、前記選択された像距離よりも大きい像距離に対応する負の焦点移動の第２の範囲にわたって前記事前定義された閾値を超えたままであるように、前記ＭＴＦは像距離とともに変化し、前記負の焦点移動の第２の範囲は前記正の焦点移動の第１の範囲よりも大きいことを特徴とする固定光学ユニット。
【請求項２】
前記事前定義された閾値は約０．１であることを特徴とする請求項１に記載の固定光学ユニット。
【請求項３】
前記所与の空間周波数は前記画像センサのナイキスト周波数の約２分の１であることを特徴とする請求項１に記載の固定光学ユニット。
【請求項４】
前記所与の空間周波数は前記画像センサのナイキスト周波数の約４分の１であることを特徴とする請求項１に記載の固定光学ユニット。
【請求項５】
前記正の焦点移動の第１の範囲は、前記選択された像距離から、無限大に置かれた物体が合焦されている像距離に及ぶことを特徴とする請求項１に記載の固定光学ユニット。
【請求項６】
前記選択された像距離は過焦点距離であることを特徴とする請求項１に記載の固定光学ユニット。
【請求項７】
前記負の焦点移動の第２の範囲は、前記選択された像距離から前記過焦点距離の少なくとも４分の１に及ぶことを特徴とする請求項６に記載の固定光学ユニット。
【請求項８】
前記ＭＴＦは前記負の焦点移動の第２の範囲の特定の部分内で実質的に一定であり、前記特定の部分の最大の負の焦点移動は多くとも前記過焦点距離の４分の１であることを特徴とする請求項６に記載の固定光学ユニット。
【請求項９】
前記ＭＴＦは前記負の焦点移動の第２の範囲の特定の部分内で実質的に一定であり、前記特定の部分の最大の負の焦点移動は多くとも選択された負の焦点移動であることを特徴とする請求項１に記載の固定光学ユニット。
【請求項１０】
前記ＭＴＦは、０．０３ｍｍを超える正の焦点移動で０に近づく値を有することを特徴とする請求項１に記載の固定光学ユニット。
【請求項１１】
前記固定光学要素のうちの１つはその中に歪みを有する表面を含むことを特徴とする請求項１に記載の固定光学ユニット。
【請求項１２】
前記歪みは、光軸からの径方向距離Ｒおよび前記光軸からの角度θの関数として変化することを特徴とする請求項１１に記載の固定光学ユニット。
【請求項１３】
前記歪みは関係式の
（Ｒ，θ）＝ａ×（Ｒ4−Ｒ16）
に従って変化し、ここで、Ｒは前記光軸からの径方向距離であり、θは前記光軸からの角度であることを特徴とする請求項１１に記載の固定光学ユニット。
【請求項１４】
前記歪みは関係式の
ｆ（Ｒ，θ）＝ａ×Ｒ2×ｃｏｓ（θ）
に従って変化し、ここで、Ｒは前記光軸からの径方向距離であり、θは前記光軸からの角度であることを特徴とする請求項１１に記載の固定光学ユニット。
【請求項１５】
レンズ絞り開口をさらに含み、前記歪みを有する前記表面は前記レンズ絞り開口の最も近くにあることを特徴とする請求項１１に記載の固定光学ユニット。
【請求項１６】
前記ＭＴＦは０．５の最大値を有し、前記ＭＴＦは−３０μｍ焦点移動において多くとも０．２５であることを特徴とする請求項１に記載の固定光学ユニット。
【請求項１７】
前記ＭＴＦは少なくとも０．６の最大値を有し、前記ＭＴＦは−３０μｍよりも多い負の焦点移動において多くとも０．２５であることを特徴とする請求項１に記載の固定光学ユニット。
【請求項１８】
前記固定光学ユニットのＦナンバーは多くとも２．４であることを特徴とする請求項１に記載の固定光学ユニット。
【請求項１９】
前記固定光学ユニットの前記Ｆナンバーは少なくとも１．９であることを特徴とする請求項１８に記載の固定光学ユニット。
【請求項２０】
前記固定光学ユニットの前記Ｆナンバーは少なくとも１．７５であることを特徴とする請求項１８に記載の固定光学ユニット。
【請求項２１】
前記正の焦点移動の第１の範囲の第１のサブレンジおよび前記負の焦点移動の第２の範囲の第２のサブレンジが減少するにつれて、前記正の焦点移動の第１の範囲および前記負の焦点移動の第２の範囲は増加し、前記正の焦点移動の第１の範囲の前記第１のサブレンジおよび前記負の焦点移動の第２の範囲の前記第２のサブレンジは、前記ＭＴＦがほぼ前記最大ＭＴＦからさらなる事前定義された閾値まで減少するそれぞれのサブレンジとなり、前記さらなる事前定義された閾値は前記事前定義された閾値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の固定光学ユニット。
【請求項２２】
前記事前定義された閾値は約０．１であり、前記さらなる事前定義された閾値は約０．３であることを特徴とする請求項２１に記載の固定光学ユニット。
【請求項２３】
請求項１に記載の固定光学ユニットと、
前記結像表面を画定する画像センサであって、前記光学要素によって前記結像表面に投影された光を表す生データを生成するように動作可能である、画像センサと、
前記生データを処理して前記ＭＴＦを増強するように動作可能な画像プロセッサと
を含むことを特徴とする結像系。
【請求項２４】
前記画像プロセッサは、前記ＭＴＦが多くとも０．２５である焦点移動において前記ＭＴＦを増強するように動作可能であることを特徴とする請求項２３に記載の結像系。
【請求項２５】
前記画像プロセッサは、前記ＭＴＦが少なくとも０．１２５である焦点移動において前記ＭＴＦを増強するように動作可能であることを特徴とする請求項２３に記載の結像系。
【請求項２６】
前記結像系は１５ｃｍと無限大との間の被写界深度を有するビデオグラフィックスアレイ（ＶＧＡ）カメラであり、前記画像プロセッサは１５ｃｍから４０ｃｍまでの物距離に対応する像距離において前記ＭＴＦを増強するように動作可能であることを特徴とする請求項２３に記載の結像系。
【請求項２７】
前記結像系は１５ｃｍと無限大との間の被写界深度を有するビデオグラフィックスアレイ（ＶＧＡ）カメラであり、前記前記画像プロセッサは３０ｃｍから５０ｃｍまでの物距離に対応する像距離において前記ＭＴＦを増強するように動作可能であることを特徴とする請求項２３に記載の結像系。
【請求項２８】
１つまたは複数の固定光学要素を含む固定光学ユニットであって、前記光学ユニットは、物空間の所与の場所と、前記固定光学ユニットからの選択された像距離に配置された像面に関連する所与の空間周波数とに対する変調伝達関数（ＭＴＦ）によって特徴づけられ、前記ＭＴＦが、第１の像距離において最大値となり、ほぼ前記最大ＭＴＦから、前記第１の像距離と、前記第１の像距離からの第１の焦点移動を表す第２の像距離との間で少なくとも事前定義された閾値まで減少し、かつほぼ前記最大ＭＴＦから減少するが、前記第１の像距離と、前記第１の像距離からの第２の焦点移動を表す第３の像距離との間で前記事前定義された閾値を超えたままであるように、前記ＭＴＦは像距離とともに非対称に変化し、前記第１の焦点移動および第２の焦点移動は方向が反対であり、前記第１の焦点移動および第２の焦点移動の一方のものは、前記第１の焦点移動および第２の焦点移動の別のものよりも大きい量であることを特徴とする固定光学ユニット。
【請求項２９】
前記事前定義された閾値は約０．１であることを特徴とする請求項２８に記載の固定光学ユニット。
【請求項３０】
前記ＭＴＦは前記第２の像距離において実質的に０まで低下することを特徴とする請求項２８に記載の固定光学ユニット。
【請求項３１】
光軸に沿って物体側から像側に連続して順番に固定された、
結合絞りの第１の部材、
第１のレンズ構成要素、
前記結合絞りの第２の部材、
第２のレンズ構成要素、および
第３のレンズ構成要素
を含むレンズ系において、
３つの物体側レンズ表面のすべておよび３つの像側レンズ表面のすべてが非球面であり、前記第１のレンズ構成要素は正の屈折力を含み、前記物体側に面する前記第１のレンズ構成要素の表面は凸面形状を含み、前記像側に面する前記第１のレンズ構成要素の表面は前記光軸の近くで凹面形状を含み、
前記第２のレンズ構成要素はメニスカス形状および負の屈折力を含み、前記物体側に面する前記第２のレンズ構成要素の表面は凹面形状を含み、前記像側に面する前記第２のレンズ構成要素の表面は凸面形状を含み、
前記物体側に面する前記第３のレンズ構成要素の表面は前記光軸の近くで凸面形状を有し、前記像側に面する前記第３のレンズ構成要素の表面は前記光軸の近くで凹面形状を有し、前記レンズ系の総トラック長とイメージサークル径の比は約０．９５未満であることを特徴とするレンズ系。
【請求項３２】
前記レンズは約２．６未満のＦ／＃によって特徴づけられることを特徴とする請求項３１に記載のレンズ系。
【請求項３３】
前記レンズは、約±２５度と約±４０度との間の視野によって特徴づけられることを特徴とする請求項３１に記載のレンズ系。
【請求項３４】
前記レンズは、約±３０度と約±３５度との間の視野によって特徴づけられることを特徴とする請求項３３に記載のレンズ系。
【請求項３５】
前記レンズは約２．４のＦ／＃によって特徴づけられ、所与の物距離と、前記レンズ系からの像距離の像面に関連する所与の空間周波数とに対する変調伝達関数（ＭＴＦ）を含み、前記ＭＴＦが、過焦点距離に対応する選択された第１の像距離において約０．４よりも大きい最大値であり、ほぼ前記最大ＭＴＦから、約２５０ミリメートルの物距離に対応する選択された第２の像距離において約０．２５よりも大きいより低い値まで減少するように、前記ＭＴＦは像距離とともに変化することを特徴とする請求項３４に記載のレンズ系。
【請求項３６】
３つのレンズ構成要素はすべてプラスチックで製作されることを特徴とする請求項３１に記載のレンズ系。
【請求項３７】
前記物体側に面する前記第３のレンズ構成要素の表面の基部湾曲と、前記像側に面する前記第３のレンズ構成要素の表面の基部湾曲とは実質的に同様であることを特徴とする請求項３１に記載のレンズ系。
【請求項３８】
前記第２のレンズ構成要素と前記第３のレンズ構成要素との間に開口をさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載のレンズ系。
【請求項３９】
前記レンズは、約２．４のＦ／＃によって特徴づけられ、約４ミリメートル未満の総トラック長によってさらに特徴づけられ、約４．２ミリメートルより大きいイメージ高さを生成することを特徴とする請求項３１に記載のレンズ系。
【請求項４０】
３つのレンズ構成要素すべての屈折率は約１．５と１．６５との間の範囲内にあり、前記第１のレンズ構成要素および第３のレンズ構成要素は約５０と６０との間のアッベ数を含み、前記第２のレンズ構成要素は約２０と３０との間のアッベ数を含むことを特徴とする請求項３１に記載のレンズ系。
【請求項４１】
光軸に沿って物体側から像側に連続して順番に固定された、
開口紋り、
第１のレンズ構成要素、
第２のレンズ構成要素、
第３のレンズ構成要素、および
第４のレンズ構成要素
を含むレンズ系において、
４つの物体側レンズ表面のすべておよび４つの像側レンズ表面のすべてが非球面であり、前記第１のレンズ構成要素は正の屈折力を含み、前記物体側に面する前記第１のレンズ構成要素の表面は凸面形状を含み、
前記第２のレンズ構成要素はメニスカス形状および負の屈折力を含み、前記物体側に面する前記第２のレンズ構成要素の表面は凹面形状を含み、前記像側に面する前記第２のレンズ構成要素の表面は凸面形状を含み、
前記物体側に面する前記第３のレンズ構成要素および第４のレンズ構成要素の表面は前記光軸の近くで凸面形状を有し、前記像側に面する前記第３のレンズ構成要素および第４のレンズ構成要素の表面は前記光軸の近くで凹面形状を有し、前記第３のレンズ構成要素の前記物体サイズおよび前記像側の前記光軸における曲率半径は互いの約４０％以内であり、
前記レンズ系は約２．８未満のＦ／＃を含み、前記レンズ系の総トラック長とイメージサークル径の比は約０．９５未満であり、前記レンズ系の色焦点移動は可視スペクトルにわたって約４５ミクロン未満に制限されることを特徴とするレンズ系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学系に関し、より詳細には、結像系内の固定位置に配置され、カスタマイズされた被写界深度を与える、特に、良好な光学品質を維持しながら小型サイズが必要とされる結像用途における光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラの人気が高まり続けている。この成長は、カメラ、カメラモジュール、または電話もしくは携帯情報端末（ＰＤＡ）などの他の小型デバイス内に一体化するよう意図された他の結像デバイスに特に当てはまる。ＣＣＤまたはＣＭＯＳアレイなどのデジタル画像センサの使用により、これらのデバイスを継続して小型化することが可能になった。画像センサの改善は継続されており、画素サイズをより小さく、画素数をより多く、センサ全体の面積をより小さく、信号対雑音比（ＳＮＲ）をより高く、およびコストをより低くすることを含む。これらのデバイスの大部分において、結像レンズ系は画像をセンサ上に合焦する。センサおよび画素サイズが減少するにつれて、レンズに必然の改善が必要になっている。
【０００３】
これらのセンサに合焦させるために使用されるレンズの品質が同じように迅速に改善されていなくても、カメラの市場は画像センサの画素数によって大いに推進された。古い結像系では、レンズは画像を比較的少数の画素に十分な品質で合焦する。より小さい画素をもつ新しい結像系において画像センサ全体のサイズは同じままであるが、同じレンズ系が古い結像系におけるように新しい結像系で使用されると想定すると、新しいセンサによって検出される解像度はより高くなるが、レンズ系の解像力は同じままであろう。このレンズ系が、より低い密度のセンサで必要とされていたものよりも高品質で初めから設計されていない場合、より高い固有解像度にもかかわらず得られる画像は改善されないことになり、実際、しばしばそのようなことがある。小さい画素のセンサは比較的小さい感光面積を有し、したがって、集める光が画素密度の小さい同様のサイズのセンサアレイよりも少なく、よりノイズの多い画像を与えることがあるので、全体的な画像品質は確かに多少悪くなることがある。ほとんどの現在の用途では、センサ全体のサイズは画素サイズとともに減少しており、それによりレンズ系へのさらに厳格な要求条件がもたらされている。
【０００４】
小型カメラ用の多くの以前のレンズ設計では、１レンズ系または２レンズ系がカメラ全体のサイズをできるだけ小さく保持するために許容されていた。比較的低い画素数のこれらのカメラから画像劣化が予想されるように、画像品質は多くの場合これらの設計では悪化していた。次第に、画像センサの画素数が増加するにつれて画像品質が非常に重要な計量基準になってきた。レンズの空間解像度の向上ならびに収差の適切な補正により、画像品質を著しく改善することができるが、これは、１つまたは２つのレンズ構成要素しか組み込まないレンズ系で達成するのが非常に難しくなった。したがって、３つ以上のレンズ構成要素をもつレンズ系を使用することが非常に広く普及するようになった。これはレンズ系のコストおよび複雑さの増加をもたらし、レンズ系に強く依存するカメラモジュール全体の高さによって多くの潜在的用途は制限されるので、とりわけ光軸の方向において好ましい小型ではない設計を一般にもたらす。さらに、センサアレイの面積が小さくなるにつれて、センサに到達する光量は一般により少なくなる。これを補償するために、多くの場合、小型カメラでは、センサがより大きいまたはレンズのサイズへの制約がより少ないカメラで通常使用されるよりも低いＦナンバー（Ｆ／＃）が使用される。一般に、より低いＦ／＃は、所与の焦点距離に対してより大きい開口に対応する。これは、光収集能力、したがってＳＮＲを改善するが、それは、一般に、画像の被写界深度に悪影響を有し、ならびにレンズ系からの収差を悪化させる。これらの制約の下で画像品質を改善する一方策はレンズ系に１つまたは複数の非球面を含むことである。そのようなレンズを製造するコストおよび複雑さがこれらの系では恐らく増大するが、得られた画像品質の改善は価値があり得る。
【０００５】
総トラック長（ＴＴＬ）、すなわち光軸に沿った長さが減少するにつれて、カメラ全体のサイズはより薄くなり、多種多様な用途を有することができる。非常に小さい携帯機器での使用は明らかであるが、これらのカメラは、表示面に埋め込まれたラップトップコンピュータカメラ、小さい防犯カメラなどのような他のデバイスでも使用することができる。カメラのサイズが縮小するにつれて画像特性を維持するまたはさらに改善することが、市場においてますます重要になっている。
【０００６】
さらに、従来のデジタル結像系では、１つまたは複数のレンズからなる光学系によって受け取られた光は、画像センサが配置されている像面上に導かれる。受け取られた光は、例えば、レンズから様々な距離にある１つまたは複数の物体から反射された光または１つまたは複数の物体によって放射された光であり得る。画像センサは、像面上に導かれた画像を検出し、生データを生成し、生データは画像プロセッサによって処理されて記憶または見るのに利用できる画像を生成することができる。システムによっては、生画像データを記憶し、後のデータ処理のために移出させることができる。しかし、そのような従来のシステムでは、小さい範囲の距離内にある物体しか、所与のレンズ位置の、すなわち、１つまたは複数のレンズと像面との間の所与の距離の像面上で容認できるように合焦されない。被写界深度として知られているこの範囲の物距離の外にある物体は、像面上に導くことはできるが、容認できるように合焦されず、最終画像にぼやけが生じる。その結果、処理された画像中のある物体は合焦することできるが、処理された画像中の他の物体は各物体のレンズからの距離に応じて焦点はずれが生じる。
【０００７】
そのような従来のデジタル結像系を使用して他の像距離にある物体の合焦させるためには、１つまたは複数のレンズを結像系内で移動して結像系の焦点距離を変更しなければならない。しかし、光学系のそのような移動により、さらに、以前に合焦していた物体が移動後は焦点はずれとなる。したがって、画像中の物体の一部しかレンズ位置にかかわらず合焦とならないことになる。
【０００８】
最近、デジタル結像系を組み込んだ携帯電話および様々な他のデバイスが導入されている。そのようなデバイスは、多くの場合、サイズおよびコストの制約のために可動部を含むことが実用的ではないので光学表面が結像系内の固定位置にとどまることを必要とし、したがって、それらの結像系は固定焦点範囲を有する。一般に使用される固定焦点結像系では、標準作動区域（ｓｔａｎｄａｒｄ  ｗｏｒｋｉｎｇ  ｚｏｎｅ）として知られている過焦点距離の２分の１を超える物距離にある物体に対して許容可能な鮮鋭度を有する画像が達成される。しかし、過焦点距離の２分の１よりも近くにある物体では、画像鮮鋭度は許容可能なものではなく、物距離の減少とともに急速に悪化する。
【０００９】
そのようなデバイス中の結像系が広範囲の物距離にわたって許容可能な処理画像を提供できるようにするのに、既知の手法は、像面上に導かれた画像をぼかすぼかし光学表面を含めることによって結像系を修正することである。ぼかし光学表面の光学的性質は分かっているので、ぼかされた画像をデジタル的に処理して合焦処理された画像を得ることができる。画像のぼかしと後続のデジタル処理により、処理画像は容認できる程に鮮鋭に見える広範囲な物距離が可能になり、それによって結像系の被写界深度が拡大される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願第６１／００１，９８８号明細書
【特許文献２】米国特許出願第６１／００２，２６２号明細書
【特許文献３】米国特許出願第１１／９７０４２７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、ぼかし要素があると、標準作動区域内にある物体の誘導された画像もぼかされる。その結果、そのような物体の処理画像の鮮鋭度は低下する。
【００１２】
したがって、過焦点距離の２分の１より近くにある物体の画像品質を改善する固定焦点光学系を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様によれば、固定光学ユニットは１つまたは複数の固定光学要素を含む。光学ユニットは、所与の物距離と、前記固定光学ユニットからの選択された距離に配置された画像センサの結像表面に関連する所与の空間周波数とに対する変調伝達関数（ＭＴＦ）を有し、ＭＴＦは、選択された像距離で最大となり、ほぼ最大ＭＴＦから、選択された像距離よりも小さい像距離に対応する正の焦点移動の第１の範囲内で事前定義された閾値より下まで減少し、かつほぼ最大ＭＴＦから減少するが、選択された像距離よりも大きい像距離に対応する負の焦点移動の第２の範囲にわたって事前定義された閾値を超えたままであるようにＭＴＦが像距離とともに変化する。負の焦点移動の第２の範囲は正の焦点移動の第１の範囲よりも大きい。
【００１４】
本発明による別の結像系は、上述のような固定光学ユニットと、結像表面を画定し、光学要素によって結像表面に投影された光を表す生データを生成するように動作可能である画像センサと、生データを処理してＭＴＦを増強するように動作可能な画像プロセッサとを含む。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、固定光学ユニットは１つまたは複数の固定光学要素を含む。光学ユニットは、物空間の所与の場所と、固定光学ユニットからの選択された像距離に配置された像面に関連する所与の空間周波数とに対する変調伝達関数（ＭＴＦ）によって特徴づけられる。ＭＴＦが、第１の像距離において最大となり、ほぼ最大ＭＴＦから、第１の像距離と、第１の像距離からの第１の焦点移動を表す第２の像距離との間で少なくとも事前定義された閾値まで減少し、かつほぼ最大ＭＴＦから減少するが、第１の像距離と、第１の像距離からの第２の焦点移動を表す第３の像距離との間で事前定義された閾値を超えたままであるように、ＭＴＦは像距離とともに非対称に変化する。第１の焦点移動および第２の焦点移動は方向が反対である。第１の焦点移動および第２の焦点移動の一方のものは、第１の焦点移動および第２の焦点移動の別のものよりも大きい量である。
【００１６】
本発明のさらなる態様によれば、レンズ系は、光軸に沿って物体側から像側に連続して順番に固定された、結合絞りの第１の部材、第１のレンズ構成要素、結合絞りの第２の部材、第２のレンズ構成要素、および第３のレンズ構成要素を含み、３つの物体側レンズ表面のすべておよび３つの像側レンズ表面のすべてが非球面であり、第１のレンズ構成要素は正の屈折力を含み、物体側に面する第１のレンズ構成要素の表面は凸面形状を含み、像側に面する第１のレンズ構成要素の表面は光軸の近くで凹面形状を含み、第２のレンズ構成要素はメニスカス形状および負の屈折力を含み、物体側に面する第２のレンズ構成要素の表面は凹面形状を含み、像側に面する第２のレンズ構成要素の表面は凸面形状を含み、物体側に面する第３のレンズ構成要素の表面は光軸の近くで凸面形状を有し、像側に面する第３のレンズ構成要素の表面は光軸の近くで凹面形状を有し、レンズ系の総トラック長とイメージサークル径の比は約０．９５未満である。
【００１７】
本発明のこの態様によれば、このレンズは約２．６未満のＦ／＃によって特徴づけることができる。このレンズは、約±２５度と約±４０度との間の視野によって特徴づけることができる。このレンズは、約±３０度と約±３５度との間の視野によって特徴づけることができる。このレンズは約２．４のＦ／＃によって特徴づけることができ、所与の物距離と、前記レンズ系からの像距離の像面に関連する所与の空間周波数とに対する変調伝達関数（ＭＴＦ）を含むことができ、ＭＴＦが、過焦点距離に対応する選択された第１の像距離において約０．４よりも大きい最大値であり、ほぼ最大ＭＴＦから、約２５０ミリメートルの物距離に対応する選択された第２の像距離において約０．２５よりも大きいより低い値まで減少するように、ＭＴＦは像距離とともに変化する。３つのレンズ構成要素はすべてプラスチックで製作することができる。物体側に面することができる第３のレンズ構成要素の表面の基部湾曲と、像側に面することができる第３のレンズ構成要素の表面の基部湾曲とは実質的に同様である。開口は第２のレンズ構成要素と第３のレンズ構成要素との間に含むことができる。このレンズは約２．４のＦ／＃によって特徴づけることができ、約４ミリメートル未満の総トラック長によってさらに特徴づけられ、約４．２ミリメートルより大きいイメージ高さを生成する。３つのレンズ構成要素すべての屈折率は約１．５と１．６５との間の範囲内とすることができ、第１のレンズ構成要素および第３のレンズ構成要素は約５０と６０との間のアッベ数を含むことができ、第２のレンズ構成要素は約２０と３０との間のアッベ数を含むことができる。
【００１８】
本明細書で説明される結像レンズ系の実施形態は、特に光軸に沿って測定されるとき一般的に小型であり、一般に少数の構成要素または要素しか使用しない。これにより、レンズ系は低コストで製造され、カメラ付き電話またはＰＤＡなどの小さいデバイス内のカメラモジュールでの使用に特に好適になる。高い光学性能は、すべて非球面レンズ表面を使用することによって達成される。
【００１９】
本発明の前述の態様、特徴、および利点は、以下の詳細な説明および添付図面を参照しながら検討されるときさらに理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】既知のデジタル結像系の一例を示すブロック図である。
【図２】合焦要素だけを有する光学系の焦点通過変調伝達関数（ＴＦ−ＭＴＦ）曲線の一例のグラフである。
【図３】ぼかし要素を含む光学系の様々な像距離における物体の結像の例を示す光線図である。
【図４】ぼかし要素を含む光学系のＴＦ−ＭＴＦ曲線の一例のグラフである。
【図５】本発明による光学系の焦点通過変調伝達関数（ＴＦ−ＭＴＦ）曲線の一例のグラフである。
【図６】本発明によるデジタル結像系の一例を示すブロック図である。
【図７】例示的レンズ系の一実施形態の断面図である。
【図８】追加の開口を含む例示的レンズ系の一実施形態の断面図である。
【図９】図８のレンズ系の実施形態の光線図を使用してＴＴＬ／イメージサークル比を示す図である。
【図１０】図８のレンズ系の実施形態の歪みを示す図である。
【図１１】図８のレンズ系の実施形態の相対照度を示す図である。
【図１２Ａ】異なる物距離における図８のレンズ系の実施形態の多色ＭＴＦを示す図である。
【図１２Ｂ】異なる物距離における図８のレンズ系の実施形態の多色ＭＴＦを示す図である。
【図１２Ｃ】異なる物距離における図８のレンズ系の実施形態の多色ＭＴＦを示す図である。
【図１２Ｄ】異なる物距離における図８のレンズ系の実施形態の多色ＭＴＦを示す図である。
【図１３Ａ】所与の空間周波数での様々な画角における図８のレンズ系の実施形態の多色焦点通過ＭＴＦを示す図である。
【図１３Ｂ】所与の空間周波数での様々な画角における図８のレンズ系の実施形態の多色焦点通過ＭＴＦを示す図である。
【図１４】例示的レンズ系の一実施形態の断面図である。
【図１５】図１４のレンズ系の実施形態の光線図を使用してＴＴＬ／イメージサークル比を示す図である。
【図１６Ａ】図１４のレンズ系の実施形態の歪み性能を提供し、像面湾曲を示す図である。
【図１６Ｂ】図１４のレンズ系の実施形態の歪み性能を提供し、同じレンズ系の実施形態の歪みを示す図である。
【図１６Ｃ】図１４のレンズ系の実施形態の歪み性能を提供し、同じレンズ系の色焦点移動を示す図である。
【図１７】図１４のレンズ系の実施形態に対する相対照度を示す図である。
【図１８Ａ】異なる物距離における図１４のレンズ系の実施形態の多色ＭＴＦを示す図である。
【図１８Ｂ】異なる物距離における図１４のレンズ系の実施形態の多色ＭＴＦを示す図である。
【図１８Ｃ】異なる物距離における図１４のレンズ系の実施形態の多色ＭＴＦを示す図である。
【図１９】所与の空間周波数での様々な画角における図１４のレンズ系の実施形態の多色焦点通過ＭＴＦを示す図である。
【図２０】例示的レンズ系の一実施形態の断面図である。
【図２１】図２０のレンズ系の実施形態の光線図を使用してＴＴＬ／イメージサークル比を示す図である。
【図２２Ａ】図２０のレンズ系の実施形態の歪み性能を提供し、像面湾曲を示す図である。
【図２２Ｂ】図２０のレンズ系の実施形態の歪み性能を提供し、同じレンズ系の実施形態の歪みを示す図である。
【図２２Ｃ】図２０のレンズ系の実施形態の歪み性能を提供し、同じレンズ系の色焦点移動を示す図である。
【図２３】図２０のレンズ系の実施形態に対する相対照度を示す図である。
【図２４Ａ】異なる物距離における図２０のレンズ系の実施形態の多色ＭＴＦを示す図である。
【図２４Ｂ】異なる物距離における図２０のレンズ系の実施形態の多色ＭＴＦを示す図である。
【図２４Ｃ】異なる物距離における図２０のレンズ系の実施形態の多色ＭＴＦを示す図である。
【図２５】所与の空間周波数での様々な画角における図２０のレンズ系の実施形態の多色焦点通過ＭＴＦを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、既知のデジタル結像系１００の一例を示すブロック図である。デジタル結像系１００は、光学系１０１、画像センサ１１０、および画像プロセッサ１２０を含む。
【００２２】
光学系１０２は、光学系から物距離ＯＤにある物体Ｏから反射される、またはそれから放射される光を受け取る。光学系は、開口１０１およびいくつかの光学要素または光学表面１０２、…、１０９を含む。光学表面１０２、…、１０９のうちの１つまたは複数は、合焦機能を提供する正の屈折力を含むことができる。他の光学表面１０２、…、１０９は、負の屈折力、またはぼかし機能などの他の機能を含むことができる。他の光学表面１０２、…、１０９は、光学収差または色収差の補正などの追加の機能を提供することができる。光学表面１０２、…、１０９は単に例示的目的のために凸レンズとして示されている。光学表面１０２、…、１０９は、例えば、凹面湾曲、メニスカス湾曲、および非球面湾曲を含む他の形状を含むことができる。実際には、各光学要素は、例えば、１つまたは複数のドロップインマスク、円対称もしくは円非対称位相マスク、または円対称もしくは円非対称非球面レンズを含むことができる屈折要素または回折要素とすることができる。
【００２３】
図示の例では、画像センサ１１０は、光学系１０１によって導かれた光を画像表面１１２で取り込み、取り込んだ光を表す生データに取り込んだ光を変換し、生データを画像プロセッサ１２０に送り出す。画像センサは、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）またはＣＭＯＳデジタル画像センサとすることができる。
【００２４】
画像プロセッサ１２０は画像センサ１１０から受け取った生データを処理し、処理済み画像を生成し、それを例えばメモリデバイスまたは表示デバイスに出力することができる。
【００２５】
物体Ｏは、光学系１０１から所与の物距離ＯＤにあり、合焦された画像Ｉは光学系１０１から距離ＩＤに導かれる。画像センサ１１０の画像表面１１２も光学系１０１から距離ＩＤに配置されている場合、最も鮮鋭な実現可能な画像が画像センサ１１０に導かれる。物体Ｏは光学系１０１のより近くにまたはそれからより遠くに移動されるが、画像表面の位置が変化しない場合（または逆に、画像表面は移動されるが、物体Ｏが光学系１０１から同じ距離にとどまる場合）、投影された画像の鮮鋭度は低下する。物体Ｏ（または画像表面１１２）の移動が十分に小さい場合、画像の鮮鋭度は許容可能な許容範囲内にとどまり、すなわち、像面上に導かれた画像は、画像プロセッサが許容可能な処理済み画像を提供するのに十分な鮮鋭度である。画像鮮鋭度がこの許容範囲内にとどまる物距離の範囲は被写界深度と呼ばれる。同様に、画像鮮鋭度が許容範囲内にとどまりながら画像表面１１２が移動できる距離の範囲は焦点深度と呼ばれる。
【００２６】
図２は、画像センサ１１０が軸上に配置されている場合の既知の光学系１０１の焦点通過変調伝達関数（ＴＦ−ＭＴＦ）曲線を示す。ＴＦ−ＭＴＦ曲線は光の所与の波長について示され、一般に波長の変化とともに変わることになる。ＴＦ−ＭＴＦは、画像表面１１２と光学系１０１との間の距離の関数としての画像鮮鋭度の指標である。ＴＦ−ＭＴＦ曲線が焦点移動の関数として、すなわち像距離の関数として示されているが、類似の曲線を物距離の関数として生成することができる。
【００２７】
図２に示されたＴＦ−ＭＴＦ曲線は本質的にベル形状であり、レンズが合焦されていると考えられる、すなわち焦点移動が０である選択された物距離Ｃでピークになる。例えば、光学系は、選択された物距離Ｃが過焦点距離であるように合焦することができる。ＴＦ−ＭＴＦの値は、正の焦点移動に対して、すなわち物距離の増加または像距離の減少とともに減少するが、選択された物距離Ｄまでの少なくともすべての物距離に対して０．３を超えたままである。ＴＦ−ＭＴＦの値は、同様に、焦点移動の減少とともに、すなわち物距離の減少または像距離の増加とともに減少するが、選択された物距離Ｂよりも大きい物距離に対応する焦点移動では０．３を超えたままである。その後、ＴＦ−ＭＴＦは焦点移動のさらなる減少とともにより迅速に減少し、その結果、その値は選択された物距離Ａよりも大きい物距離に対応する焦点移動において最小許容値未満になる。一例として、物距離Ｃが過焦点距離である場合、物距離Ｄは一般に＋∞であり、物距離Ｂは一般に過焦点距離の２分の１であり、物距離Ａは一般に過焦点距離の４分の１である。ＭＴＦ値が所定の閾値未満に低下する場合、画像コントラストは失われ、一般に後処理によって回復することができない。例えば、最小許容ＴＦ−ＭＴＦ値は、所与の後処理技法のためにより大きい値またはより小さい値が望ましいことがあるが、０．１とすることができる。
【００２８】
図３は、既知の光学系１１１へのぼかし機能の追加の効果を示す。通常、図１および２におけるような鮮鋭に合焦された光学系１０１では、物距離ＯＤ２にある物体Ｏ２は画像表面１１２上に合焦される。被写界深度の外側で物距離ＯＤ１にある物体Ｏ１は、物体Ｏ２よりも光学系からさらに遠くにある。したがって、合焦光学表面は、結像面の前の像距離ＩＤ１で画像Ｉ１を形成する。被写界深度の外側で物距離ＯＤ３にある物体Ｏ３は、物体Ｏ２よりも光学系の方の近くにある。したがって、結像表面は像距離ＩＤ３で画像１３を形成し、それは、理論上、結像面１１２の後ろで生じることになる。
【００２９】
光学系１１１におけるぼかしの効果のため、画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３の各々は物体Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３の各々から発出する様々な光線の焦点距離を変えることによってそれぞれの焦点面において引き伸ばされる。物体Ｏ２から発出する様々な光線が取る経路は、例えば、ぼかし機能によって変更され、その結果、すべての光線が結像面で合焦されるのではなく、今では光線によっては結像面の前で合焦され、今では光線によっては結像面の後ろで合焦される。さらに、物体Ｏ１およびＯ３から発出する光線の経路は各々同様にぼかし光学表面によって変更され、その結果、これらの物体の各々から発出する光線のうちのあるものは今では結像面で合焦される。すなわち、ぼかし表面の追加により、光学系の点像分布関数（ＰＳＦ）が広がり、その結果、物体Ｏ１、Ｏ２、およびＯ３は各々ぼかされた画像として結像面１１２上に導かれ、ぼかされた画像は、対応する生データが画像プロセッサによって処理された後、図１に示された像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３に復元される。
【００３０】
図４は、ぼかし機能が既知の光学系１１１に組み込まれた場合の軸上画像センサでの所与の波長光のＴＦ−ＭＴＦ曲線を示す。ＴＦ−ＭＴＦが最小許容値（例えば０．１）を超える像距離の範囲が増大し、すなわち、光学系の焦点深度が増加し、その結果、ＴＦ−ＭＴＦの値は、選択された物距離Ａよりも近いある物距離でさえ許容可能になる。しかし、選択された物距離Ｂよりも大きい物距離のＴＦ−ＭＴＦの値は、同じ範囲の物距離で図２に示されたものよりも小さい。その結果、ぼかし光学表面は、標準作動区域、すなわち、ＴＦ−ＭＴＦが０．３を超える図２に示された物距離の範囲にある物体の画像の鮮鋭度を低減させる。
【００３１】
この問題に対処するために、本明細書で開示される実施形態は、カスタマイズされた被写界深度を有し、上述の既知の光学系に存在する悪影響を少なくとも低減する光学系を提供する。
【００３２】
図５は、一実施形態による光学系について、ならびに特に、所与の波長の光、視野の中心のような視野の所与の場所、および画像センサのナイキスト周波数の約２分の１または画像センサのナイキスト周波数の約４分の１の空間周波数のような所与の空間周波数についてＴＦ−ＭＴＦ曲線の一例を示す。物距離ＢとＤとの間の物距離では、ＴＦ−ＭＴＦ曲線は、物距離の同じ範囲について図２に示されたものと形状が類似している。この範囲の物距離のＴＦ−ＭＴＦの値は閾値０．３を超えているが、同じ領域の図２のものよりもわずかに小さい。さらに、物距離Ｄよりも大きい物距離では、ＴＦ−ＭＴＦは０近くまで低下する。さらに、物距離ＡとＢとの間の物距離では、ＴＦ−ＭＴＦは約０．２までしか減少しない。さらに、物距離Ａよりも小さい物距離では、ＴＦ−ＭＴＦは約−０．０８ｍｍの焦点移動になるまで０．１を超えたままである。したがって、光学系のより近くにある物体の画像鮮鋭度は、図２に示されたＴＦ−ＭＴＦ曲線によって生成されたものと比べて改善され、したがって、標準作動区域にある物体の画像鮮鋭度は、図４に示された曲線のものと比べて改善される。その結果、被写界深度は、標準作動区域中の鮮鋭度を犠牲にすることなく光学系により近い距離を含むようにカスタマイズされる。
【００３３】
図６は、光学系２０２が開口２０１、ならびに図５に示されたＴＦ−ＭＴＦ曲線を与えるように設計された６つまでの光学表面２０４、…、２０９を含む光学系２００の一例を示す。図６に示された光学要素２０４、…、２０９の形状は、本発明による光学系の一実施形態の単なる一例である。図６に示された光学表面のうちのいくつかまたはすべてを含む、本発明による光学素子および開口の他の構成も可能である。
【００３４】
図６に示された光学系２００について、レンズを製作できる材料と共にすべての光学表面の光学設計係数および開口が表１および２に以下のように提供される。
【００３５】
【表１】
2011503652.tif 000003
【００３６】
【表２】
2011503652.tif 000004
【００３７】
【表３】
2011503652.tif 000005
【００３８】
【表４】
2011503652.tif 000006
【００３９】
ここで、表面０は物体に対応し、Ｌ１は表面２０４、２０５を含む第１のレンズに対応し、Ｌ２は表面２０６、２０７を含む第２のレンズに対応し、Ｌ３は表面２０８、２０９を含む第３のレンズに対応し、ＡＰＳは開口紋り２０１に対応し、ＩＲＦはＩＲフィルタ２１４に対応し、ＣＧはセンサカバーガラス２１６に対応し、ＩＭＧは検出器像面２１２に対応する。当然、カスタマイズされた焦点深度を実現する他の構成を達成することができる。
【００４０】
レンズを生成するために使用されるプラスチックは任意の適切なプラスチック、例えばＺｅｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙによって製造されるＥ４８Ｒなどのポリカーボネート、アクリル、ＰＭＭＡ、日本の大阪ガスケミカル株式会社からのＯＫＰ４などとすることができる。表１のレンズ材料はすべてプラスチックとして示されているが、他の好適な材料、例えばガラスを使用することができる。さらに、各レンズはそれの所望の性能に応じて様々な材料で製作することができる。レンズは、選択された材料にとって任意の適切な方法、例えば射出成形、ガラス成形、複製、ウェハレベル製造などによって製作することができる。さらに、ＩＲフィルタ２１４およびカバーガラス２１６は、ニューヨーク州、エルムズフォードのＳＣＨＯＴＴ  Ｎｏｒｔｈ  Ａｍｅｒｉｃａから入手可能なＮ−ＢＫ７またはＤ２６３Ｔなどの好適なＩＲフィルタ用材料で製作することができる。
【００４１】
結像系２００は、図１の画像センサ１１０のものと同様に機能することができる像面２１２を有する画像センサ２１０をさらに含む。画像プロセッサ２２０がさらに設けられ、光学系２０２に関連する点像分布関数（ＰＳＦ）の逆畳み込みによって画像センサ２１０から受け取った生データを処理して処理済み画像が得られる。本発明のこの態様に従って設計された光学系を使用して、許容可能な鮮鋭度の処理済み画像が、標準作動区域内にある処理済み画像の鮮鋭度を識別可能なほど犠牲にすることなしに物距離Ａよりも小さい物距離で達成される。
【００４２】
図５に示されたＴＦ−ＭＴＦ曲線を与える光学表面を得るために、３段階の設計方式を使用することができる。固定焦点距離光学系は、最初の設計として使用され、好ましいサイズおよび材料を使用して所望の焦点距離を実現する光学表面を含む。次に、光学系の設計を修正して被写界深度をカスタマイズする。具体的には、レンズ絞り開口の最も近くにある光学表面のサグに歪みが導入される。一例として、歪みは、光軸からの径方向距離Ｒの関数および光軸からの角度θの関数の両方とすることができる。そのような関数は、関係式の
ｆ（Ｒ，θ）＝ａ×（Ｒ4−Ｒ16）
または関係式の
ｆ（Ｒ，θ）＝ａ×Ｒ2×ｃｏｓ（θ）
を有することができる。被写界深度が拡張被写界深度（ＥＤＯＦ）を与えるようにカスタマイズされる場合、得られた光学系は図４に示されたものと類似のＴＦ−ＭＴＦ曲線を有することができる。
【００４３】
その後、光学表面は、得られた光学系が図５に示されたようなＴＦ−ＭＴＦ曲線を与えることができるように事前定義の条件に従って最適化される。課された最適化条件には、ＴＦ−ＭＴＦ曲線が最大値を有する焦点距離に過焦点距離Ｆを配置するという要求を含めることができる。最適化条件には、ＴＦ−ＭＴＦ曲線が選択された物距離Ａ、Ｂ、およびＤでそれぞれの事前定義の値を有するという要求を含めることができる。例えば、選択された物距離Ｂが過焦点距離の２分の１に設定され、選択された物距離Ａが過焦点距離の４分の１に設定され、および／または選択された物距離Ｄが無限物距離＋∞に設定される場合、ＴＦ−ＭＴＦ曲線はそれぞれの事前定義の値を有することが必要となることがある。そのような条件の強制は異なる重みを割り当てることによって達成することができる。ゼロフォーシングアルゴリズムをさらに使用して、ＴＦ−ＭＴＦが、＋０．０３ｍｍなどの所定の量よりも大きい正の焦点移動で実質的に０まで確実に減少するようにできる。代替として、最適化の条件には、＋０．０３ｍｍを超える正の焦点移動でＴＦ−ＭＴＦが０に近づくという追加の制約条件と共に、選択された物距離Ａ、Ｂ、およびＤの各々で最も高い実現可能なＴＦ−ＭＴＦ値を有することを含めることができる。さらなる制約条件には、選択された物距離Ａよりも近い物距離の範囲でＴＦ−ＭＴＦが少なくとも０．１の値を有するという要求を含めることができる。標準最適化プログラムをここで使用することができる。例えば、反復手順を、ＺＥＭＡＸまたはＣｏｄｅ  Ｖなどの従来から既知の光学設計プログラムで実施することができる。
【００４４】
別の実施形態によれば、図５に示されたＴＦ−ＭＴＦを与え、かつ「通常モード」および「マクロモード」と呼ばれる２つの動作のモードを有する固定焦点光学系をデジタル結像系は含む。ＴＦ−ＭＴＦが閾値を超えている距離にある物体では、結像系は、画像プロセッサが上述の標準の方法で動作する通常モードで動作する。一例として、通常モードは、ＴＦ−ＭＴＦが所定の値かまたは最大ＴＦ−ＭＴＦ値の少なくとも５０％を超えている物距離の範囲にある物体に使用することができる。
【００４５】
ＴＦ−ＭＴＦが閾値未満である距離にある物体では、マクロモードが使用され、画像プロセッサが画像のＴＦ−ＭＴＦを増強して画像の鮮鋭度が向上される。一例として、マクロモードは、−２０ミクロンから約−８０ミクロンまでの間、すなわち−０．０２ｍｍから−０．０８ｍｍまでの間の焦点移動の範囲で使用することができる。図５が示すように、ＴＦ−ＭＴＦは、この範囲内で、−２０ミクロンの焦点移動での約０．２５から−８０ミクロンの焦点移動での約０．１２まで低下している。一実施例では、これらの焦点移動は５０ｃｍから１０ｃｍまでの物距離に対応し得る。
【００４６】
別の実施形態によれば、光学系は図５に示されたものと類似のＴＦ−ＭＴＦを与えるが、より高いピーク値を有する。ＴＦ−ＭＴＦ曲線下面積はこの変形により変化しないので、得られたＴＦ−ＭＴＦ曲線は最大値のまわりにより狭いピークを有し、その結果、結像系が通常モードで動作する物距離の範囲は減少する。
【００４７】
さらなる代替として、図５に示されたものに類似するＴＦ−ＭＴＦ曲線を有する固定焦点光学系が提供されるが、Ｆナンバーが減少した開口を有する。典型的には、図２、３、および５に示された曲線を生成するために使用される固定光学系の開口は２．８のＦナンバーを有する。例えば、Ｆナンバーを２．４まで、または１．７５もの低さまで減少させることによって、ＴＦ−ＭＴＦ曲線の幅、すなわち結像系が通常動作する物距離の範囲が減少することがあるが、得られた結像系の感度は向上する。
【００４８】
さらなる代替では、結像系の被写界深度をカスタマイズして、低減された被写界深度（ＲＤＯＦ）が提供される。すなわち、標準作動範囲の幅（すなわち、ＴＦ−ＭＴＦ曲線が少なくとも０．３の値を有する焦点移動の範囲）は、図５に示された曲線と比べて減少し、その結果、ＴＦ−ＭＴＦ曲線が０．１を超えたままである焦点移動の範囲は増大する。結像系は上述の２つのモードで動作することもできる。このように、被写界深度は低減するが、結像系の総合感度は向上する。
【００４９】
一例として、ビデオグラフィックスアレイ（ＶＧＡ）カメラを使用することができ、それでは、図５に示されたものと類似しているがより高くより狭いピークを有するＴＦ−ＭＴＦ曲線を与えるように光学系は変更される。従来のＶＧＡカメラは１５ｃｍから無限大までの間の物距離の標準作動区域を有するが、変更済みＶＧＡカメラは、従来のＶＧＡカメラよりも大きい感度で４０ｃｍから無限大までの物距離では通常モードで動作する。さらに、変更済みＶＧＡカメラは、１５ｃｍから４０ｃｍまでの間の物距離ではマクロモードで動作する。マクロモードにおけるＴＦ−ＭＴＦの増強により、これらの物距離で従来のＶＧＡカメラによってもたらされる感度よりも大きい感度が与えられる。
【００５０】
別の代替として、変更済みＶＧＡカメラの開口のＦナンバーを上述のように低減して、ＶＧＡカメラの感度をさらに増強することもできる。そのようなＶＧＡカメラは、５０ｃｍから無限大までの間の物距離では通常モードで動作し、３０ｃｍから５０ｃｍまでの間の物距離ではマクロモードで動作することができる。
【００５１】
さらなる別の代替として、ウェハレベルカメラを使用して上述の変形の１つまたは複数を実施することができる。そのようなウェハレベルカメラは、上述のように図５に示されたＴＦ−ＭＴＦ曲線またはそれの変形のうちの１つを与えるようにパターニングおよびエッチングされた屈折光学表面および／または回折光学表面を組み込むことができる。
【００５２】
図７は、本発明のレンズ系の一実施形態の断面図である。この実施形態では、物体側は左側に配置され、３つのレンズ構成要素が順番に光軸に沿って配置される。レンズ構成要素の像側において、カバーガラスが画像センサの上に示されている。開口は、物体側において第１のレンズ要素の前に配置される。
【００５３】
次に、以下の詳細な説明に関連する「レンズ要素」および「レンズ構成要素」という用語の定義が与えられる。「レンズ要素」という用語は、本明細書では、２つの対向する屈折表面を有する屈折材料の単一の透明塊として定義され、その表面は結像レンズの光軸の少なくとも一般に横方向に位置決めされる。「レンズ構成要素」という用語は、本明細書では、（ａ）レンズ要素の画像形成特性を計算する際に間隔を無視することができないほど隣接するレンズ要素から離間している単レンズ要素、または（ｂ）完全に全体的に接触しているか、または異なるレンズ要素の隣接するレンズ表面間の間隔が非常に小さいので２つ以上のレンズ要素の画像形成特性を計算する際に間隔を無視することができるほど全体的に相互に接近しているかのいずれかの隣接するレンズ表面を有する２つ以上のレンズ要素として定義される。したがって、いくつかのレンズ要素はレンズ構成要素となることもある。したがって、「レンズ要素」および「レンズ構成要素」という用語は、相互に排他的な用語として解釈されるべきでない。実際、これらの用語は、「レンズ構成要素」の定義の上述の部分（ａ）に従って単レンズ要素を記述するためにしばしば使用されることがある。
【００５４】
上述の「レンズ構成要素」および「レンズ要素」の定義によれば、下記で説明される本発明の結像レンズ系の実施形態では、すべてのレンズ要素がレンズ構成要素となることもある。したがって、本発明は、レンズ要素に関して、またはレンズ構成要素に関して様々に記述されることがある。
【００５５】
図７に、本発明のレンズ系を使用する例示的な結像デバイス３０２、ここではカメラが示される。物体側から始めて、順番に、まず、開口３０４、レンズ要素３０６、レンズ要素３０８、レンズ要素３１０、赤外フィルタ３１２、画像センサ用カバーガラス３１４、画像センサ３１６が配置される。開口３０４およびすべての３つのレンズ要素（３０６、３０８、３１０）は光軸３１８のまわりで径方向に対称である。開口３０４はレンズ要素３０６の物体側に配置される。この位置では、レンズ系の総トラック長をより小さいままとすることができ、ならびにＦ／＃をより大きく、センサの画像表面に達する光線角度を最小にすることができる。物体側からの第１のレンズ要素のレンズ要素３０６は正の屈折力である。レンズ要素３０６はレンズ系の光屈折力のほとんどを保持している。物体側に最も近い、レンズ要素３０６の表面の表面３０６ａは全表面にわたって凸面形状である。像側のレンズ要素３０６の第２の表面３０６ｂは光軸の近くで凹面形状を有し、その凹面形状はレンズの外縁の近くでわずかに凸面になる。物体側からの第２のレンズ要素のレンズ要素３０８は負の屈折力であり、一般にメニスカス形状を有する。レンズ要素３０８は、主として、色収差および他の収差を補正するために使用される。物体側に最も近い、レンズ要素３０８の表面の表面３０８ａは凹面形状である。像側のレンズ要素３０８の第２の表面３０８ｂは凸面形状を有する。物体側からの第３のレンズ要素のレンズ要素３１０は、負の屈折力および正の屈折力の両方の部分を有し、光軸の近くの領域はわずかな正の屈折力を有し、外縁への領域は負の屈折力である。レンズ要素３１０は、主として、視野補正器として働く。物体側に最も近い、レンズ要素３１０の表面の表面３１０ａは凸面形状および凹面形状の両方を含み、光軸の近くは凸面形状である。像側のレンズ要素３１０の第２の表面３１０ｂも凸面形状および凹面形状を含み、光軸の近くは凹面形状である。一実施形態では、このレンズ要素３１０の両表面の中心の曲率半径は等しい。赤外フィルタ表面３１２ａおよび３１２ｂ、ならびにカバーガラス表面３１４ａおよび３１４ｂはすべて実質的に平坦である。
【００５６】
直ぐ前の段落で説明した６つのレンズ要素表面はすべて形状が非球面であり、非球面レンズの形状を記述するのに当技術分野では他の式が一般に使用されるが、これらのレンズ要素表面は以下のサグ高さの式を満たすことができ、
【００５７】
【数１】
2011503652.tif 000007
【００５８】
ここで、Ｚは光軸からの径方向距離Ｙにおける非球面レンズ表面の点から非球面頂点の接平面まで引かれた線のサグ高さ（ｍｍ）であり、Ｃは光軸の近くの非球面レンズ表面の湾曲であり、Ｙは光軸からの径方向距離（ｍｍ）であり、Ｋは円錐定数であり、Ａiはｉ次の非球面係数である。
【００５９】
この特定の実施形態では、レンズ要素３０６、３０８、および３１０は各々プラスチック材料で製作されるが、代わりに光学ガラスを１つまたは複数の要素で使用する場合があることが考えられる。ここでは、レンズ要素３０６、３０８、および３１０はプラスチックで製作される。一実施形態では、レンズ要素３０６および３１０は約１．５３の屈折率および約５５．５のアッベ数を有する同じ材料で製作され、一方、レンズ３０８は約１．６３の屈折率および約２３．３のアッベ数（分散特性）を有する異なる材料で製作される。これらの材料はレンズ設計に適切な補償を与えるが、この設計では類似の屈折率およびアッベ数の他の様々な市販の材料を使用することができる。さらに、赤外フィルタ３１２およびセンサカバーガラス３１４は、機能的用途を有するが、像面の焦点位置決めが適切であれば結像デバイスが同等の光学的振舞いをするのに厳密には必要とされず、したがって、異なる実施形態では一方または両方を除去できると想定される。
【００６０】
表３は、図７に示された結像系の様々な表面に関するデータを列記しており、表面、表面の曲率半径、光軸３１８に沿った次の表面までの距離、表面がある場合その表面で始まる使用材料（屈折率ｎdおよびアッベ数νdによって指定される）を物体側から順番に列記している。さらに、焦点距離、Ｆ／＃、視野角、ＴＴＬ、総トラック長対イメージサイズ、または高さ、またはサークル比（今後、ＴＴＬ／イメージ高さ比）などの全体的に見たシステムの他の値が示される。開口３０４と第１のレンズ要素表面３０６ａとの間の距離は負であるが、それにもかかわらず開口３０４はレンズ要素３０６の物体側に配置されることに留意されたい。表面３０６ａの湾曲は十分に高く、それにより光軸に最も近い表面３０６ａの部分は開口を通って突き出る。
【００６１】
【表５】
2011503652.tif 000008
【００６２】
表３に列記された（ＴＴＬ／イメージサイズ）比にも留意されたい。イメージサイズは選ばれた視野から計算される。この特定の設計は４．４８ｍｍの対角線サイズの矩形アレイをもつ画像センサ（すなわち、１．７５ミクロンの画素サイズを含む３メガ画素センサ）に結像するように最適化された。同じレンズ設計が、より少ない画素（例えば２メガ画素）、および同様の１．７５ミクロンまたはわずかに大きい画素ピッチを有するセンサで使用され、同様のまたは改善された性能を達成することができる。すべての画素を照明するためには、イメージサイズはこれと同じ大きさでなければならないが、これよりもあまり大きくするべきでなく、それは、これによりコントラストの低下およびカメラの視野の低下が引き起こされることがあるからである。当業者には知られているように、（ＴＴＬ／イメージサイズ）比は通常１よりも大きく、得られた像に受け入れがたい収差を導入することなくこの値より下げるのは非常に挑戦的である。（ＴＴＬ／イメージサイズ）＜０．９０は非常に積極的であると考えられる。この実施形態では、（ＴＴＬ／イメージサイズ）＝０．８８である。画像センササイズが横方向に縮み続けるとき、小さい（ＴＴＬ／イメージサイズ）比を達成すると、光軸に沿って非常に薄い結像デバイスが可能になるはずである。
【００６３】
レンズを生成するために使用されるプラスチックは、任意の適切なプラスチック、例えば、Ｚｅｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙによって製造されるＥ４８Ｒなどのポリカーボネート、日本の大阪ガスケミカル株式会社から入手可能なＯＫＰ４、アクリル、ＰＭＭＡなどとすることができる。表３のレンズ材料はすべてプラスチックとして示されているが、他の好適な材料、例えばガラスを使用することができる。さらに、各レンズはそれの所望の性能に応じて様々な材料で製作することができる。レンズは、選択された材料にとって適切な方法、例えば射出成形、ガラス成形、複製、ウェハレベル製造などによって製作することができる。
【００６４】
表４は、式１による非球面ごとの非球面係数を列記している。通常、偶数次非球面の表面ではｉが奇数である場合奇項Ａi＝０であるが、表面３０７および３０８の場合はそうではない。さらに、このレンズ系では、以下の条件のｆ1／ｆ＜０．８がさらに満たされ、ここで、ｆ1は第１のレンズ要素６の焦点距離であり、ｆはレンズ系全体の焦点距離である。この実施形態のレンズ系はｆ1／ｆ≒０．６５としてこの条件を満たす。これは、この系の第１のレンズ要素の比較的高い量の光屈折力に対応する。これはレンズ系のＴＴＬを小さくしておくのに有用である。
【００６５】
【表６】
2011503652.tif 000009
【００６６】
【表７】
2011503652.tif 000010
【００６７】
次に、「結合開口」という用語が定義される。ほとんどすべてのレンズ系では、系を通過する光は、物体上の所与の点から像に達する光線の束のサイズを制限する単一開口によって制御される。したがって、十分に補正されたレンズ系では、開口は、系によって許容される光の最大角度を定めることによってレンズの視野を制限する。図７の開口３０４はこの機能に寄与する。図７のレンズ系の極端な小型化および積極的な非球面修正のために、より広い視野角の光線はそれほど十分に修正されず、より狭い視野角の光線よりも外縁の近くで大きい点像分布関数を有することがある。第１のレンズ３０６の後ろの第２の開口３２２は全体としてこの系のための絞りとして働くことに実質的に寄与し、したがって、第１の開口と共にレンズのＦ／＃に影響を与える。このように、結合開口３１９の第１の要素３０４および第２の要素３２２は各々レンズ系３０２の絞り機能に寄与する。
【００６８】
図８は代替実施形態の断面図である。図８は結像デバイス３２０を示す。この実施形態のレンズ要素およびそれらの位置決めは図７に示された実施形態のものと同様である。主な差は、やはり光軸３１８のまわりに径方向に対称である第３の開口を追加したことである。この開口３２４は二次開口として働き、第３のレンズ要素３１０の物体側の近くに配置される。レンズ要素間および画像センサとの相対的位置は、デバイス３２０では結像デバイス３０２と比べて変わっていないが、この実施形態では、第３の開口の位置は表面３０８の像側の後ろの０．１４ｍｍにある。
【００６９】
第３の開口３２４は、普通なら画像センサを照明するはずである光のうちのいくらかを阻止するが、全体としてこの系を通る光の量は少ししか低減されない。相対的および全体的な照明がわずかしか低減されず、視野が図８の結像デバイスでは図７のそれと比べて変化しないので、この開口は系の開口絞りとして規定することができない。それにもかかわらず、二次開口の存在により像の品質が改善される。像のコントラストに悪影響を及ぼすことがある、系を通り抜ける迷光が低減されることになる。これらおよび他の影響が、照明を著しく低減することなく、二次開口を介在させることよって改善され得る。
【００７０】
図９は、レンズ系の結像特性を示すために例示的光線をさらに付け加えている、上述の両方の実施形態の断面の簡略版を示す。ＴＴＬおよびイメージサークルサイズも示される。
【００７１】
図１０は、図８のレンズ系のいくつかの波長での歪み値を示す。当業者なら分かるように、レンズ系が非常に小型であるにもかかわらず、収差は十分に補償されている。
【００７２】
図１１は、図７の画像デバイス２に関してＹ高さの関数として画像センサに当たる光の相対照度を示す。像の外縁に向かっての照度の減少はいかなるレンズ系でも普通であり、ここに示された曲線は多くの類似のカメラモジュールに特有なものである。図８の画像デバイス２０の相対照度は、画像デバイス２のものとほとんど同一であり、図示されないが、これにより、図８の実施形態の二次開口は系を通る光束に小さな影響しかもたないことがさらに裏付けられる。
【００７３】
上述のように、レンズの空間解像度を測定するために使用される通常の計量基準は、様々な空間周波数におけるレンズ系の分解可能コントラストを概略的に定量化するＭＴＦ（変調伝達関数）である。ＭＴＦは、多くの場合、異なる光波長、物距離、および視野角で計測または計算される。図１２Ａ〜Ｄは、それぞれ８ｍ、１ｍ、０．５ｍ、および０．３ｍの物距離の場合の図８に示されたレンズ系の実施形態の多色ＭＴＦを示す。各グラフにおいて、各線は、必要な距離にある物体からの異なる視野角でのＭＴＦを表す。各物距離において、所与の視野角のＭＴＦは、１．０の最大値（所与の空間周波数において完全なコントラストで分解する）からより低い値に低下する傾向があり、それは、より一層細かい細部、すなわちより高い空間周波数成分をもつ細部を分解する能力の一般的な低下を示している。より浅い傾斜のＭＴＦは、より急峻に低下するＭＴＦ値を有する像と比べて、より優れた「合焦」であるように見える像に対応する。
【００７４】
図１２Ａ〜Ｄに示されたＭＴＦ曲線は多色ＭＴＦのグラフである。これは、光のいくつかの異なる波長のＭＴＦ値が系に関して独立に計算され、次に、重み係数を伴って一緒に加えて正規化され、その結果、多色ＭＴＦは、空間周波数が０に等しいときに常に１に等しくなることを意味する。図１２Ａ〜Ｄを計算するのに使用される波長および対応する重み係数が表５に列記される。波長および重み係数のほとんどいかなる組合せも使用することができるが、所望の画像センサ範囲を十分に含み、センサ波長応答または恐らく人間の目の波長応答のいずれかに十分に対応する重み係数を有する１組の波長を選ぶのが一般的な方法である。例えば、一実施形態では、表５の重みを等しくすることができる。別の実施形態では、可視スペクトルの応答を概算するために、約４８６、５８８、および６５６ｎｍのより少ない波長に概略で等しい重みを与えることができる。当業者には明らかな他の組合せを使用することができる。
【００７５】
【表８】
2011503652.tif 000011
【００７６】
この形態のＭＴＦデータは、有用ではあるが、レンズ系の品質を評価する際に直観的に明白な結果を必ずしも与えるとは限らない。多くの場合、ＭＴＦデータは焦点通過ＭＴＦグラフの形態でグラフ化される。空間周波数に対するＭＴＦを示す代わりに、ＭＴＦは、所与の曲線について波長および空間周波数を固定して、像距離に対してグラフ化される。像距離は系の像面から離れた距離として定義され、レンズ系を介して物距離から計算することができる。例示的な焦点通過ＭＴＦグラフを図１３Ａに見ることができる。これは、表５と同じ波長および重み係数による多色ＭＴＦである。ｚ＝０におけるグラフ上の像距離は、通常、物体が過焦点距離にある場合の像焦点面に対応するように選ばれ、縦軸の右側の像距離はこの距離よりもレンズから遠い物体に対応し、縦軸の左側の像距離はより近いことに対応する。
【００７７】
図１３Ａおよび１３Ｂは、７１サイクル／ｍｍ空間周波数のタンジェンシャル光線およびサジタル光線の両方についていくつかの異なる視野角に対してグラフ化されている。精密なタイプの画像センサは本発明にとって特別重要なものではないが、この周波数は、像面で使用することができる１つの可能な画像センサのナイキスト／４の周波数（Ｎ／４）と一致するように選ばれている。例えば、現在の実施形態に示されたレンズ設計は、約１．７５ミクロンの画素ピッチを有するセンサで使用することができる。ＴＦ−ＭＴＦのグラフは縦軸に関して非対称となることがある。このグラフが、特に過焦点距離よりもレンズ系に近い物体を示す縦軸の左側で広い場合、それは、レンズの解像力がより広い範囲の物距離にわたって良好であること、言い換えれば、レンズが高い被写界深度を有することを示している。
【００７８】
本明細書に開示されたレンズセットの実施形態およびそれの異形は、本発明の譲受人に譲渡された係属中の２００７年１１月６日に出願された特許文献１および２００７年１１月７日に出願された特許文献２に開示されたものなどの拡張被写界深度技術またはカスタマイズされた被写界深度技術に組み込むことができ、これらの米国特許出願の内容は参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。そのために、レンズ構成は、若干の縦収差（回折および色の両方を含む）をもつわずかにぼやけた像を生成することがあり、それは、本発明の譲受人に譲渡された係属中の２００８年１月７日に出願された特許文献３に開示されているものなどの後続の画像処理を使用して補正することができ、その特許出願の内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００７９】
図１３Ｂは、図１３Ａで見られるものと同じデータをグラフ化しているが、より高い視野角は見やすいように除去されている。
【００８０】
図１４は、本発明のレンズ系の一実施形態の断面図である。この実施形態では、レンズ系は、好ましくは１．４ミクロンの画素サイズを有する５メガ画素の画像センサで使用することができる。このタイプの代表的な画像センサは、２５９２個の水平画素、３．６２８８ｍｍの水平センサ幅、１９４４個の垂直画素、２．７２１６ｍｍの垂直センサ幅、および４．５３６ｍｍのセンサ対角線またはイメージサークルを含むことができる。代替として、レンズ系は、好ましくは１．７５ミクロンの画素サイズを有する３メガ画素の画像センサで使用することができる。このタイプの代表的な画像センサは、２０４８個の水平画素、３．５８４ｍｍの水平センサ幅、１５３６個の垂直画素、２．６８８ｍｍの垂直センサ幅、および４．４８ｍｍのセンサ対角線またはイメージサークルを含むことができる。このように、レンズ系によって生成されるイメージサークルは、照明および歪みの欠陥を最小にするためにセンサ対角線と少なくとも同じ大きさとするべきである。
【００８１】
図１４に、本実施形態のレンズ系を使用する例示的な結像デバイス４００、ここではカメラが示される。ここで、物体側は左側に配置され、４つのレンズ構成要素が順番に光軸に沿って配置される。レンズ構成要素の像側において、カバーガラスが画像センサの上に配置される（図示せず）。開口絞りは、物体側において第１のレンズ要素の前に配置される。物体側から始めて、順番に、第１の開口４０４、レンズ要素４０６、開口４２０、レンズ要素４０８、開口４２２、レンズ要素４１０、開口４２４、レンズ要素４１１、赤外フィルタ４１２、および画像センサ４１６が配置される。４つの開口（４０４、４２０、４２２、および４２４）のすべておよび４つのレンズ要素（４０６、４０８、４１０、４１１）のすべては光軸４１８のまわりに径方向に対称である。後者の３つの開口４２０、４２２、４２４の機能は、レンズ要素４０６、４０８、４１０、４１１が保持されるバレル（図示せず）によって備えることができる。
【００８２】
物体側からの第１のレンズ要素のレンズ要素４０６は正の屈折力である。レンズ要素４０６はレンズ系の光屈折力のほとんどを保持している。物体側に最も近い、レンズ要素４０６の表面の表面４０６ａは全表面にわたって凸面形状である。像側のレンズ要素４０６の第２の表面４０６ｂは光軸の近くで凹面形状を有し、その凹面形状はレンズの外縁の近くでわずかに凸面になる。物体側からの第２のレンズ要素のレンズ要素４０８は負の屈折力であり、一般にメニスカス形状を有する。レンズ要素４０８は、主として、色収差および他の収差を補正するために使用される。物体側に最も近い、レンズ要素４０８の表面の表面４０８ａは凹面形状である。像側のレンズ要素４０８の第２の表面４０８ｂは凸面形状を有する。
【００８３】
物体側からの第３のレンズ要素のレンズ要素４１０は、負の屈折力および正の屈折力の両方の部分を有し、光軸の近くの領域はわずかな正の屈折力を有し、外縁への領域は負の屈折力である。レンズ要素４１０は、主として、視野補正器として働く。物体側に最も近い、レンズ要素４１０の表面の表面４１０ａは凸面形状および凹面形状の両方を含み、光軸の近くは凸面形状である。像側のレンズ要素４１０の第２の表面４１０ｂも凸面形状および凹面形状を含み、光軸の近くは凹面形状である。一実施形態では、このレンズ要素４１０の両表面の中心の曲率半径は同様である。例えば、以下の表６は、レンズ要素の両側４１０ａ、４１０ｂの光軸の近くの曲率半径が互いの約２０％以内であることを示している。
【００８４】
物体側からの第４のレンズ要素のレンズ要素４１１は、負の屈折力および正の屈折力の両方の部分を有し、光軸の近くの領域はわずかな正の屈折力を有し、外縁への領域は負の屈折力である。レンズ要素４１１は、主として、さらなる視野補正器として働く。物体側に最も近い、レンズ要素４１１の表面の表面４１１ａは凸面形状および凹面形状の両方を含み、光軸の近くは凸面形状である。像側のレンズ要素４１１の第２の表面４１１ｂも凸面形状および凹面形状を含み、光軸の近くは凹面形状である。一実施形態では、このレンズ要素４１１の両表面の中心の曲率半径も同様である。例えば、以下の表６は、レンズ要素４１１の両側４１１ａ、４１１ｂの光軸の近くの曲率半径が互いの約２０％以内であることを示している。赤外フィルタ表面４１２ａおよび４１２ｂならびカバーガラス表面（図示せず）はすべて実質的に平坦である。
【００８５】
この特定の実施形態では、レンズ要素４０６、４０８、４１０、および４１１の各々はプラスチック材料で製作されるが、代わりに光学ガラスを１つまたは複数の要素で使用する場合があることが考えられる。ここでは、レンズ要素４０６、４０８、４１０、および４１１はプラスチックで製作される。一実施形態では、レンズ要素４０６、４１０、および４１１は、好ましくは約１．５３の屈折率および約５５．６のアッベ数を有するプラスチックである同じ材料で製作され、一方、レンズ４０８は、好ましくは約１．６３の屈折率および約２３．３のアッベ数を有するプラスチックである異なる材料で製作される。上述の材料は好適な屈折率および分散値を与えることができる。別の実施形態では、Ｚｅｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ  からの材料Ｆ５２Ｒがこの設計に適切であることがある。これらの材料はレンズ設計に適切な補償を与えるが、類似の屈折率およびアッベ数の他の市販の材料を所定の位置で使用することができる。さらに、赤外フィルタ４１２およびセンサカバーガラス（図示せず）は、機能的用途を有するが、像面の焦点位置決めが適切であれば結像デバイスが同等の光学的振舞いをするのに厳密には必要とされず、したがって、異なる実施形態では、一方または両方を除去できると想定される。異なるセンサパッケージおよび異なるカメラモジュールでは個別のＩＲフィルタおよびカバーガラス要素を使用することができ、一方、他のものでは、例えばＩＲフィルタ被覆を１つまたは複数の他の表面（例えばレンズまたはカバーガラス）に塗布することによってこれらの要素を組み合わせることができる。設計および材料の選択を行うことにより、レンズ系の総トラック長をより小さいままとすることができ、ならびにＦ／＃をより低く、センサの画像表面に達する光線角度を最小にすることができる。
【００８６】
図１４に示された光学系４００について、レンズを製作できる材料と共にすべての光学表面の光学設計係数および開口が表６および７に以下のように提供される。
【００８７】
【表９】
2011503652.tif 000012
【００８８】
【表１０】
2011503652.tif 000013
【００８９】
【表１１】
2011503652.tif 000014
【００９０】
【表１２】
2011503652.tif 000015
【００９１】
【表１３】
2011503652.tif 000016
【００９２】
図１５は、図１４のレンズ系の結像特性を示すために例示的光線をさらに付け加えている、図１４の実施形態の断面の簡略版を示す。
【００９３】
図１６Ａは像面湾曲を示し、図１６Ｂは図１４のレンズ系のいくつかの波長での歪み値を示す。当業者なら分かるように、レンズ系が非常に小型であるにもかかわらず、収差は十分に補償されている。本実施形態によって達成される別の性能利点は色収差性能の改善である。上述のように、被写界深度性能の改善は画像センサデータの後処理によって達成することができる。色焦点移動が図１６Ｃに示されるように制御される場合、そのような処理はより有効となり得る。色焦点移動は可視スペクトルにわたって３５ミクロン未満に制限される。プラスチックレンズを使用する従来のレンズ設計は、一般に、６０ミクロンを超える色焦点移動を示す。そのため、収差（回折および色の両方を含む）は、本発明の譲受人に譲渡された係属中の２００８年１月７日に出願された特許文献３に開示されているものなどの後続の画像処理を使用して修正することができる。
【００９４】
図１７は、図１４の画像デバイスに関してＹ高さの関数として画像センサに当たる光の相対照度を示す。ここに示された曲線は図７の画像デバイスに関して図１１に示されたものと類似であり、やはり、類似の小型カメラモジュールに特有のものである。
【００９５】
図１８Ａ〜Ｃは、それぞれ１ｍ、０．５ｍ、および０．３ｍの物距離の場合の図１４に示されたレンズ系の実施形態の多色ＭＴＦ性能を示す。各グラフにおいて、各線は、必要な距離にある物体からの異なる視野角でのＭＴＦを表す。図１８Ａ〜Ｃを計算するのに使用される波長および対応する重み係数は上記で表５に列記されている。図１８Ａ〜Ｃのグラフの各々の水平軸は、およそナイキスト／４までの空間周波数（または１．４ミクロンの画像センサ画素サイズでは約１７９サイクル／ｍｍ）を示す。
【００９６】
図１９は、ナイキスト／２、または約８９サイクル／ｍｍの空間周波数の場合のタンジェンシャル光線およびサジタル光線の両方のいくつかの異なる視野角に対してグラフ化された、図１４に示されたレンズ系に関する焦点通過ＭＴＦグラフを示す。特に、このＴＦ−ＭＴＦグラフは上述と同じ非対称の性質を示す。すなわち、０ｍｍの焦点移動での湾曲ピークにもかかわらず、０ｍｍの左側のＭＴＦ曲線下面積は、０ｍｍの右側のＭＴＦ曲線下面積よりも大きい。これを例証すると、約−０．０４ｍｍの焦点移動におけるＭＴＦ曲線は約０．２と０．３との間にある。それに比べて、約＋０．０４ｍｍの焦点移動におけるＭＴＦ曲線は実質的に約０．２未満である。
【００９７】
図２０は、本発明のレンズ系の一実施形態の断面図である。この実施形態では、レンズ系は、好ましくは１．７５ミクロンの画素サイズを有する５メガ画素の画像センサで使用することができる。このタイプの代表的な画像センサは、２５９２個の水平画素、４．５３６ｍｍの水平センサ幅、１９４４個の垂直画素、３．４０２ｍｍの垂直センサ幅、および５．６７ｍｍのセンサ対角線を含むことができる。したがって、レンズ系によって生成されるイメージサークルは、照明および歪みの欠陥を最小にするためにセンサ対角線と少なくとも同じ大きさとするべきである。
【００９８】
図２０において、物体側は左側に配置され、４つのレンズ構成要素が順番に光軸に沿って配置される。レンズ構成要素の像側において、ＩＲフィルタおよびカバーガラスが画像センサの上に配置される。開口は、物体側において第１のレンズ要素の前に配置される。
【００９９】
本実施形態のレンズ系を使用する例示的な結像デバイス５００、ここではカメラが示される。物体側から始めて、順番に、開口（例えば遮光板または太陽光遮蔽）５０４および絞り５２０、レンズ要素５０６、レンズ要素５０８、レンズ要素５１０、開口５２２、レンズ要素５１１、赤外フィルタ５１２、画像センサ用カバーガラス５１４、および画像センサ５１６が配置される。３つの開口（５０４、５２０、および５２２）およびすべての４つのレンズ要素（５０６、５０８、５１０、５１１）は光軸５１８のまわりで径方向に対称である。
【０１００】
物体側からの第１のレンズ要素のレンズ要素５０６は正の屈折力である。レンズ要素５０６はレンズ系の光屈折力のほとんどを保持している。物体側に最も近い、レンズ要素５０６の表面の表面５０６ａは全表面にわたって凸面形状である。像側のレンズ要素５０６の第２の表面５０６ｂは光軸の近くでわずかに凸面形状を有し、その凸面形状はレンズの外縁の近くでわずかに一層凸面になる。物体側からの第２のレンズ要素のレンズ要素５０８は負の屈折力であり、一般にメニスカス形状を有する。レンズ要素５０８は、主として、色収差および他の収差を補正するために使用される。物体側に最も近い、レンズ要素５０８の表面の表面５０８ａは凹面形状である。像側のレンズ要素５０８の第２の表面５０８ｂは凸面形状を有する。
【０１０１】
物体側からの第３のレンズ要素のレンズ要素５１０は、負の屈折力および正の屈折力の両方の部分を有し、光軸の近くの領域はわずかな正の屈折力を有し、外縁への領域は負の屈折力である。レンズ要素５１０は、主として、視野補正器として働く。物体側に最も近い、レンズ要素５１０の表面の表面５１０ａは凸面形状および凹面形状の両方を含み、光軸の近くは凸面形状である。像側のレンズ要素５１０の第２の表面５１０ｂも凸面形状および凹面形状を含み、光軸の近くは凹面形状である。一実施形態では、このレンズ要素５１０の両表面の中心の曲率半径は同様である。例えば、以下の表８は、レンズ要素５１０の両側５１０ａ、５１０ｂの光軸の近くの曲率半径が互いの約２６％以内であることを示している。
【０１０２】
物体側からの第４のレンズ要素のレンズ要素５１１は、負の屈折力および正の屈折力の両方の部分を有し、光軸の近くの領域はわずかな正の屈折力を有し、外縁への領域は負の屈折力である。レンズ要素５１１は、主として、さらなる視野補正器として働く。物体側に最も近い、レンズ要素５１１の表面の表面５１１ａは凸面形状および凹面形状の両方を含み、光軸の近くは凸面形状である。像側のレンズ要素５１１の第２の表面５１１ｂも凸面形状および凹面形状を含み、光軸の近くは凹面形状である。一実施形態では、このレンズ要素５１１の両表面の中心の曲率半径は同様である。例えば、以下の表８は、レンズ要素５１１の両側５１１ａ、５１１ｂの光軸の近くの曲率半径が互いの約３８％以内であることを示している。赤外フィルタ表面５１２ａおよび５１２ｂならびカバーガラス表面５１４ａおよび５１４ｂはすべて実質的に平坦である。
【０１０３】
この特定の実施形態では、レンズ要素５０６、５０８、５１０、および５１１の各々はプラスチックで製作されるが、代わりに光学ガラスを１つまたは複数の要素で使用する場合があることが考えられる。ここでは、レンズ要素５０６、５０８、５１０、および５１１はプラスチックで製作される。一実施形態では、レンズ要素５０６、５１０、および５１１は、好ましくは約１．５３の屈折率および約５５．５のアッベ数を有するプラスチックである同じ材料で製作され、一方、レンズ５０８は、好ましくは約１．６３の屈折率および約２３．３のアッベ数を有するプラスチックである異なる材料で製作される。上述の材料は好適な屈折率および分散値を与えることができる。これらの材料はレンズ設計に適切な補償を与えるが、類似の屈折率およびアッベ数の他の市販の材料をこの設計の所定の位置で使用することができる。さらに、赤外フィルタ５１２およびセンサカバーガラス５１４は、機能的用途を有するが、像面の焦点位置決めが適切であれば結像デバイスが同等の光学的振舞いをするのに厳密には必要とされず、したがって、異なる実施形態では、一方または両方を除去するかまたは他の要素と組み合わせることができると想定される。開口５０４および５２０はレンズ要素５０６の物体側に配置され、開口５２２は第３のレンズ５１０の後ろに配置される。設計および材料の選択を行うことにより、レンズ系の総トラック長をより小さいままとすることができ、ならびにＦ／＃をより小さく、センサの画像表面に達する光線角度を最小にすることができる。
【０１０４】
図２０に示された光学系５００について、レンズを製作できる材料と共にすべての光学表面の光学設計係数および開口が表８および９に以下のように提供される。
【０１０５】
【表１４】
2011503652.tif 000017
【０１０６】
【表１５】
2011503652.tif 000018
【０１０７】
【表１６】
2011503652.tif 000019
【０１０８】
【表１７】
2011503652.tif 000020
【０１０９】
図２１は、図１４のレンズ系の結像特性を示すために例示的光線をさらに付け加えている、図２０の実施形態の断面の簡略版を示す。
【０１１０】
図２２Ａは像面湾曲を示し、図２２Ｂは図２０のレンズ系のいくつかの波長での歪み値を示す。さらに、色焦点移動は約４５ミクロン未満に制限される。
【０１１１】
図２３は、図２０の画像デバイスに関してＹ高さの関数として画像センサに当たる光の相対照度を示す。ここに示された曲線は、それぞれ図７および１４の画像デバイスに関して図１１および１７に示されたものと類似であり、やはり、多くの類似の小型カメラモジュールに特有のものである。
【０１１２】
図２４Ａ〜Ｃは、それぞれ１ｍ、０．５ｍ、および０．３ｍの物距離の場合の図２０に示されたレンズ系の実施形態の多色ＭＴＦ性能を示す。各グラフにおいて、各線は、必要な距離にある物体からの異なる視野角でのＭＴＦを表す。図１８Ａ〜Ｃを計算するのに使用される波長および対応する重み係数は上記で表５に列記されている。図１８Ａ〜Ｃのグラフの各々の水平軸は、およそナイキスト／４までの空間周波数（または１．７５ミクロンの画像センサ画素サイズでは約１４２サイクル／ｍｍ）を示す。
【０１１３】
図２５は、ナイキスト／２、または約７１サイクル／ｍｍ空間周波数のタンジェンシャル光線およびサジタル光線の両方についていくつかの異なる視野角に対してグラフ化された、図２０に示されたレンズ系に関する焦点通過ＭＴＦグラフを示す。特に、このＴＦ−ＭＴＦのグラフは上述と同じ非対称の性質を示す。すなわち、０ｍｍの焦点移動での湾曲ピークにもかかわらず、０ｍｍの左側のＭＴＦ曲線下面積は、０ｍｍの右側のＭＴＦ曲線下面積よりも大きい。これを例証すると、約−０．０４ｍｍの焦点移動におけるＭＴＦ曲線は約０．２５と０．３５との間にある。それに比べて、約＋０．０４ｍｍの焦点移動におけるＭＴＦ曲線は実質的に約０．３未満である。
【０１１４】
本明細書の本発明が特定の実施形態を参照しながら説明されたが、これらの実施形態は本発明の原理および用途の単なる例証であることが理解されるべきである。したがって、例示的実施形態に非常に多くの変更を行うことができ、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく他の構成を考案することができることが理解されるべきである。
【図１】
2011503652.tif 000021
【図２】
2011503652.tif 000022
【図３】
2011503652.tif 000023
【図４】
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【図５】
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【図６】
2011503652.tif 000026
【図７】
2011503652.tif 000027
【図８】
2011503652.tif 000028
【図９】
2011503652.tif 000029
【図１０】
2011503652.tif 000030
【図１１】
2011503652.tif 000031
【図１２Ａ】
2011503652.tif 000032
【図１２Ｂ】
2011503652.tif 000033
【図１２Ｃ】
2011503652.tif 000034
【図１２Ｄ】
2011503652.tif 000035
【図１３Ａ】
2011503652.tif 000036
【図１３Ｂ】
2011503652.tif 000037
【図１４】
2011503652.tif 000038
【図１５】
2011503652.tif 000039
【図１６Ａ】
2011503652.tif 000040
【図１６Ｂ】
2011503652.tif 000041
【図１６Ｃ】
2011503652.tif 000042
【図１７】
2011503652.tif 000043
【図１８Ａ】
2011503652.tif 000044
【図１８Ｂ】
2011503652.tif 000045
【図１８Ｃ】
2011503652.tif 000046
【図１９】
2011503652.tif 000047
【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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