(57)【要約】【課題】両面が凸形状とされた１枚構成のレンズにおいて歪曲収差及び像面湾曲を適切に補正する。【解決手段】撮像用レンズ１０は、被写体からの光が入射される第１面１０ａと第１面から入射された光を出射する第２面１０ｂとがともに凸形状とされ、第１面１０ａ側に絞りが設けられ、第２面１０ｂが所定の特性を満たす非球面形状とされていることで、歪曲収差及び像面湾曲を適切に補正する。【選択図】　図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を受光して受光量に応じた電気信号を出力する光電変換素子により被写体像を撮像する撮像装置に用いられる１枚構成の撮像用レンズにおいて、
光の入射面及び出射面がともに凸形状とされ、上記入射面側に絞りが設けられ、少なくとも上記出射面が非球面形状とされ、上記出射面の形状が以下の条件を満たすことを特徴とする撮像用レンズ。
【数１】
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【数２】
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【数３】
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ただし、ｄはレンズの厚み、ｒ２は近軸曲率半径の絶対値、ｚは光軸方向、ｇ（ｙ）は単調減少関数であり、ｓｉｇｎ（ｒ２）はｒ２の符号部分を示す関数である。
【請求項２】
上記入射面が非球面とされてなることを特徴とする請求項１記載の撮像用レンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射された光を受光強度に応じた電気信号に変換することで、被写体像を撮像する撮像装置に用いられる撮像用レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄型で小型の筐体を有する機器、例えば携帯型の無線電話装置等に備えられる撮像装置は、小型の撮像用レンズと小型の光電変換素子とを備え、装置全体の小型化を図ったものがある。
【０００３】
上述した携帯型の無線電話装置等において、撮像用レンズは、広い範囲を撮像するために高画角であり、明るい画像を得るためにＦ値が小さく、光路長を短くするためにレンズ枚数が少なく、装置を小型化するために体積が小さくされていることが好ましい。このような撮像用レンズは、一般的に水平方向の画角が略５０°、Ｆ値が略２．８、レンズ枚数が１枚、体積が略１ｃｃ以下とする必要がある。そして、撮像用レンズは、上述したような条件を満たすためにプラスチックやガラスの非球面レンズが用いられている。
【０００４】
一方、上述した携帯型の無線電話装置等の用いられる光電変換素子は、例えば、対角線の長さが略１／６インチ（略３．０ｍｍ）以下である略方形状の受光面を有するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　ｍｅｎｔａｌ−ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｄｅｖｉｃｅ）等であり、縦横に３５２×２８８個の画素が配設されたＣＩＦ（Ｃｏｍｍｏｎ　Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　Ｆｏｒｍａｔ）規格や、６４０×４８０個の画素が配設されたＶＧＡ（Ｖｉｄｅｏ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ａｒｒａｙ）規格に対応する解像度を有している。したがって、この光電変換素子は、撮像用レンズに対してそれほど高い解像度を要求するわけではない。
【０００５】
そこで、上述したような光電変換素子に対応する撮像用レンズは、ある程度解像度を犠牲にして、小型化やレンズ枚数の削減を図っている。
【０００６】
このような撮像用レンズとして、レンズを１枚構成として近軸量を規定する特開２０００−２６６９９８号公報及び特開平１１−５０５０５号公報に記載されたレンズや、面形状をメニスカス形状とする特開２００１−２９６４７３号公報に記載されたレンズがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したように超小型の光電変換素子に対応する撮像用レンズは、水平方向の画角が略５０°、Ｆ値が略２．８、レンズ枚数が１枚、体積が略１ｃｃ以下といった要求から光学設計の自由度を減らしてしまい、光学設計が困難となり、光学特性に妥協点を残してしまうことがあるといった問題がある。
【０００８】
特に、１枚構成の撮像用レンズでは、歪曲収差、非点収差、像面湾曲を同時に補正することが困難である。
【０００９】
また、上述した特開２０００−２６６９９８号公報や特開平１１−５０５０５号公報では、１枚構成の撮像用レンズに対する近軸量のみを規定しているが、近軸量のみを規定するだけでは、光学特性の良い１枚構成の撮像用レンズを得ることが困難であり、実施例も上述のような用途に満足できるものであるとはいえない。
【００１０】
また、上述した特開２００１−２９６４７３号公報では、面形状がメニスカス形状とされた１枚構成のレンズが記載されており、レンズ最終面と撮像面との間隔、すなわちバックフォーカスがとりやすいことを述べているだけで必要な性能を得るための具体的な記載がない。
【００１１】
本発明は、上述した問題を鑑みて創案されたものであり、１枚構成のレンズであっても歪曲収差及び像面湾曲を適切に補正することができる撮像用レンズを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る撮像用レンズは、上述した問題を解決するために、光を受光して受光量に応じた電気信号を出力する光電変換素子により被写体像を撮像する撮像装置に用いられる１枚構成の撮像用レンズであって、光の入射面及び出射面がともに凸形状とされ、入射面側に絞りが設けられ、少なくとも出射面が非球面形状とされ、出射面の形状が以下の条件を満たすことを特徴とする。
【００１３】
【数４】
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【００１４】
【数５】
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【００１５】
【数６】
2004093965.tif 000005
【００１６】
ただし、ｄはレンズの厚み、ｒ２は近軸曲率半径の絶対値、ｚは光軸方向、ｇ（ｙ）は単調減少関数であり、ｓｉｇｎ（ｒ２）はｒ２の符号部分を示す関数である。
【００１７】
以上のように構成された撮像用レンズは、１枚構成のレンズでありながら、出射面を適切な形状の非球面とすることで、歪曲収差及び像面湾曲を適切に補正する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された撮像用レンズについて、図面を参照して説明する。
【００１９】
本発明を適用した撮像用レンズは、光の入射面及び出射面がともに凸形状の１枚構成のレンズでありながら、歪曲収差及び像面湾曲を適切に補正するものである。
【００２０】
まず本発明の理解を容易とするために、一般的な１枚構成の撮像用レンズについての特性と本発明を適用した撮像用レンズの考え方を説明する。
【００２１】
撮像用レンズは、１枚構成のプラスチックを用いた非球面レンズである場合に、以下のような特徴がある。
【００２２】
撮像用レンズは、１枚構成であるため、色補正用のレンズを配設することができないので、色収差が補正できない。
【００２３】
また、撮像用レンズは、系全体の湾曲を示すペッツバール和を０に調整できないため、像面湾曲を補正することが困難である。
【００２４】
さらに、撮像用レンズは、絞りに対して対称な配置ができないので歪曲収差や非点収差を補正することが困難である。
【００２５】
上述した特徴を考慮した場合に、撮像用レンズを１枚構成のレンズとせずに、例えば、球面の組み合わせレンズとすれば、像面湾曲、歪曲収差や非点収差を補正する考え方は存在する。
【００２６】
しかし、撮像レンズを上述したような１枚構成のプラスチックを用いた非球面レンズとする場合に、像面湾曲、歪曲収差及び非点収差を補正するレンズ設計を行うためには、電算機等を用いた自動設計による試行錯誤を繰り返すこととなる。
【００２７】
そこで、以下では、歪曲収差がよく補正されるとともに像面湾曲を改良する１枚構成の非球面レンズの考え方を示す。
【００２８】
撮像用レンズ１は、図１に示すように、光の入射面である第１面１ａ及び出射面である第２面１ｂがともに凸形状とされたレンズ素子であり、シールガラス５０を介して所望の被写体からの光を撮像素子５１の受光面５１ａに集光する。なお、撮像用レンズ１は、第１面１ａに図示しない絞りが密着しており、実質的な光学面が第１面１ａ及び第２面１ｂの２面しかない。
【００２９】
なお、上述したシールガラス５０は、受光素子５１を保護するためのガラス等の透光性を有する材料により構成されてなり、略平行平板とされている。また、受光素子５１は、対角線の長さが略１／６インチ（略３．０ｍｍ）とされた略平面の受光面５１ａに入射した光を受光量に応じた電気信号に変換する光電変換素子であり、受光面５１ａに格子状に複数の素子が配設されている。受光素子５１は、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の光電変換素子であり、格子状に配列された素子が縦横に３５２×２８８個の画素を形成し、いわゆるＣＩＦ規格に対応する解像度とされている。
【００３０】
ここで、撮像用レンズ１における最も大きな歪曲収差の発生源は、第１面１ａでの屈折である。これは、屈折の法則、すなわちＳｎｅｌｌの法則が光の入射角に対して線形な関係の屈折角とならない、すなわち屈折角が入射角に比例しないためである。
【００３１】
入射角と屈折角とは、図２に示すように、第１面１ａに入射する光の入射角をθ、屈折角をθ’とすると、図３に示すように、比例しない。
【００３２】
図３中において、実線が入射角と屈折角との関係を示し、点線が入射角と屈折角とが比例する線を示し、１点差線が線形からのずれ角を示し、入射角の変化に対する屈折角の変化が点線上にあれば、この第１面１ａでの歪曲収差は０となる。
【００３３】
しかし、上述したように光の入射角に対して屈折角が線形でないため、第１面１ａ及び第２面１ｂが凸形状とされた撮像用レンズ１では、樽型の歪曲収差、すなわち負の歪曲が発生する。
【００３４】
一般的には、第１面１ａを絞りのほうに向いた凹面形状、いわゆるメニスカス形状としてそれぞれの光線の入射角が大きくならないように設計することが多い。この場合は、バックフォーカスも大きくすることができるので、その点では有利であるが、歪曲収差をある程度以下に低減することができない。
【００３５】
そこで、第１面１ａでの歪曲収差を減らすためにメニスカス形状とはせずに、第２面１ｂを用いて第１面１ａで発生する歪曲収差を補正する場合を考える。
【００３６】
なお、以下では、図４に示すように、撮像用レンズ１の第１面１ａに高画角で入射した主光線について考える。なお、図４において上述のシールガラス５０の図示は省略してある。
【００３７】
図４中においては、実線が主光線の光路を示し、点線が第２面１ｂに主光線が入射する位置における第２面１ｂの法線を示し、一点差線が歪曲収差の無い場合、すなわち入射角と屈折角とが比例する場合の光線の光路を示す。
【００３８】
第１面１ａに入射した主光線は、第１面１ａで発生する歪曲が負であるため、通常の光線追跡の符号の定義における第２面１ｂに入射するときの入射角が正であれば、第２面１ｂでの屈折により第１面１ａの歪曲収差を補正する方向に向かう。
【００３９】
上述したように歪曲収差を補正するためには、第２面１ｂの各点での法線と光軸ｃとの交点が第１面１ａより被写体側、すなわち物体側にあることが必要である。第２面１ｂが球面である場合、この条件は、ｄをレンズ中心厚、ｒ２を第２面１ｂの曲率半径とすると、以下の式７に示す条件式と等価である。
【００４０】
【数７】ｄ＜｜ｒ２｜・・・（式７）
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【００４１】
ただし、第２面１ｂが球面の場合は、ペッツバールの法則から像面湾曲を除去することが不可能となる。このため、像面湾曲を除去するためには、第２面１ｂを非球面化して像面の平坦化を図る必要がある。
【００４２】
そこで、以下では、第２面１ｂを非球面化して像面を平坦化する方法を述べる。
【００４３】
上述した撮像用レンズ１の場合、ペッツバール像面は、図５に示すように、点線で示される。この像面を平坦化するには、光軸ｃ付近から外に向かうにつれて第２面１ｂの曲率を下げていき、図５中に示す一点差線の位置に結像させるようにすれば良い。
【００４４】
このような非球面は、第２面１ｂの面形状の光軸高さに対する２回微分が、光軸ｃから離れるほど小さくなるという条件を満たすことになる。つまり、撮像用レンズ１は、第２面１ｂの非球面が以下の式８で表されるｙの関数である場合に、以下の式９に示すｙが単調減少となるよう第２面１ｂの非球面を設計すればよい。
【００４５】
【数８】
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【００４６】
【数９】
2004093965.tif 000008
【００４７】
ここで、ｚは光軸方向の位置を示し、ｓｉｇｎ（ａ）は、ｓの符号部分を表す関数であり、ａ≧０のとき１、ａ＜０のとき−１となるような関数である。なおこのｓｉｇｎ（ａ）は、座標の取り方によらず曲率の大きさだけを考慮するために用いる関数である。
【００４８】
上述した式９は、光軸ｃ付近で式７を満たせば、第２面１ｂの各点での法線と光軸ｃとの交点が第１面１ａより被写体側、すなわち物体側にあることという条件に矛盾しない。つまり、所望の撮像レンズを設計するためには、上述した歪曲収差を補正する条件と像面湾曲を補正する条件とを満たすようにすればよい。
【００４９】
上述した考え方に基づき、本発明を適用した撮像用レンズを図６に示す。なお、この撮像用レンズは、小型の機器に内蔵される撮像装置等の内部に配設されて用いられ、したがって以下に示すような性能が要求されるものとする。また、上述した撮像用レンズ１において説明したものと略同等のものについては同じ符号を付して説明を省略する。
【００５０】
撮像用レンズは、撮像素子の受光面の対角線の長さであるイメージャサイズが略１／６インチ（略３．０ｍｍ）、第１面から撮像素子５１の受光面５１ａまでの距離である全長が４．５ｍｍ以下、焦点距離が２．４ｍｍ〜２．６５ｍｍ、Ｆ値が２．８、有効像円直径が３．１ｍｍ、ＴＶ歪曲が２．５％以下、撮影至近距離が２５０ｍｍ、レンズ中心の解像度が７８本／ｍｍ、像高７割での解像度が４０本／ｍｍ、周辺光量が像高９割で５０％以上とすることが要求される。
【００５１】
上述の要求を満たす撮像用レンズ１０は、例えば、焦点距離が２．５ｍｍ、Ｆ値が２．８、最大画角３１．４°、水平画角５１°とされたレンズ素子である。
この撮像用レンズ１０は、透光性の高い樹脂材料により形成されてなり、被写体からの光が入射される第１面１０ａと、第１面１０ａから入射した光を出射する第２面１０ｂとを有している。また、撮像用レンズ１０は、第１面１０ａ及び第２面１０ｂがともに凸形状とされ、シールガラス５０を介して所望の被写体からの光を撮像素子５１の受光面５１ａに集光する。なお、撮像用レンズ１０は、第１面１０ａに図示しない絞りが密着している。
【００５２】
撮像用レンズ１０は、以下の表１に示すように、レンズ厚が２．１ｍｍ、屈折率が１．５３２２６、アッベ数が５５．７とされ、第１面１０ａ及び第２面１０ｂが非球面とされている。
【００５３】
【表１】
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【００５４】
ここで、表１において、ｒは曲率半径、ｋは円錐係数、ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ非球面係数を示し、各非球面係数は以下の式１０に示す非球面の式に対応している。
【００５５】
【数１０】
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【００５６】
表１より、撮像用レンズ１０は、第１面１０ａの曲率半径ｒが２．１、第１面１０ａの円錐係数が−０．０１５２９３２、第１面１０ａの非球面係数ａが−０．０３１８８１６、第１面１０ａの非球面係数ｂが０．０８１９３３６、第２面１０ｂの曲率半径ｒが−２．３７０４３、第２面１０ｂの円錐係数ｋが−７．１１２７７、第２面１０ｂの非球面係数ａが０．０４２１０８６とされている。
【００５７】
この撮像用レンズ１０では、図７に示すように、第２面１０ｂの任意の位置における主光線の入射角と、その位置における第２面１０ｂの法線と光軸ｃとの交点の位置とが所定の関係を有している。
【００５８】
具体的に、図７より、撮像用レンズ１０の第２面１０ｂは、歪曲収差が補正できるように光軸ｃから離れるにつれて、主光線の入射角が大きくなるような形状とされている。
【００５９】
ここで、撮像用レンズ１０の第２面１０ｂにおける上述の式９に示す関数ｇ（ｙ）を図８に示す。
【００６０】
図８より、上述の式９に示す関数ｇ（ｙ）が単調減少であり、撮像用レンズ１０の第２面１０ｂは、ｙの値の増加にしたがって光軸ｃから離れた位置で曲率が小さくなるような形状とされている。
【００６１】
以上のように構成された撮像用レンズ１０の縦収差図を図９乃至図１１に示す。
【００６２】
撮像用レンズ１０は、図９より、球面収差が非常に小さく、良好な光学特性となっている。また、撮像用レンズ１０は、図１０より、像面湾曲、すなわち非点収差のメリジオナルとサジタルとの平均が特開平２０００−２６６９９８号公報に記載されたレンズと比して半分以下となっており、良好な光学特性となっている。さらに、撮像用レンズ１０は、図１１より、歪曲収差の最大値が略０．５％であり、全体として略０％となり、非常に良好な光学特性であることがわかる。
【００６３】
以上のように本発明を適用した撮像用レンズ１０は、１枚構成の両面が凸形状とされた高画角のレンズであっても、歪曲収差及び像面湾曲が適切に補正することができる。
【００６４】
また、本発明を適用した撮像用レンズ１０は、従来のように試行錯誤を繰り返しながら光学設計をすることなく上述した考え方に基づいて光学設計をすればよく、光学設計を容易とすることができる。
【００６５】
さらに、本発明を適用した撮像用レンズ１０は、従来のメニスカス形状を用いた撮像用レンズと比較して、同一焦点距離であれば、両面が凸形状とされているので加工が容易である。
【００６６】
なお、上述では、受光素子の解像度をＣＩＦ規格に対応するものとして撮像用レンズを設計したが、上述した考え方で撮像用レンズを設計すれば、受光素子が、例えばＶＧＡ規格に対応する解像度であっても、この受光素子に対応するように撮像レンズを設計することができることは言うまでもない。
【００６７】
【発明の効果】
上述したように、本発明に係る撮像用レンズは、１枚構成の両面が凸形状とされた高画角のレンズであっても、歪曲収差及び像面湾曲が適切に補正することができ、光学設計を容易とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】１枚構成で両面が凸形状のレンズを説明するための側面図である。
【図２】１枚構成で両面が凸形状のレンズの第１面における光の屈折を説明するための側面図である。
【図３】１枚構成で両面が凸形状のレンズの第１面における光の入射角と屈折角との関係を説明するためのグラフである。
【図４】１枚構成で両面が凸形状のレンズの第２面における歪曲収差の補正について説明するための側面図である。
【図５】歪曲収差とペッツバール像面を説明するための側面図である。
【図６】本発明を適用した撮像用レンズを説明するための側面図である。
【図７】図６に示す撮像用レンズにおける第２面への光線の入射角と、光線が入射した位置における第２面の法線が光軸と交わる位置との関係を説明するためのグラフである。
【図８】図６に示す撮像用レンズにおける第２面のｇ（ｙ）関数を説明するためのグラフである。
【図９】図６に示す撮像用レンズの球面収差を測定した結果を示す図である。
【図１０】図６に示す撮像用レンズの非点・像面湾曲を測定した結果を示す図である。
【図１１】図６に示す撮像用レンズの歪曲収差を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
１　撮像用レンズ、１ａ　第１面、１ｂ　第２面、１０　撮像用レンズ、１０ａ　第１面、１０ｂ　第２面、５０　シールガラス、５１　受光素子、５１ａ　受光面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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