(57)【要約】  本発明は、０．０１０ｍｍ未満の画素寸法を有する小型のデジタル画像センサと共に広角写真撮影用対物レンズとして使用されるコンパクトなレンズ系を提供する。レンズ系のＦ値は、２．９７４０であり、レンズ系の有効焦点距離は、３．８５ｍｍである。レンズ系の全画角は、６１°であり、像面への主光線の入射角は、１８°未満である。レンズ系は、それぞれが２つの非球面を有する３つのプラスチックレンズを含む。レンズ系の非球面のうちの少なくとも１つは、画像センサへの赤外線波長をブロックするために、多層赤外線カットフィルタによってコーティングされている。レンズ系は、製造許容誤差、特に光学素子及び表面の光軸に直交する方向の位置合せ誤差に対する感度は、低減される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
小型のデジタル画像センサによって画像を捕捉する広角対物レンズ系において、
３つのレンズを備え、
当該広角対物レンズ系の全画角は、５０度〜７０度であり、像面に入射する主光線の入射角は、２０度未満であることを特徴とする広角対物レンズ系。
【請求項２】
上記デジタル画像センサの対角線は、２ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の広角対物レンズ系。
【請求項３】
上記３つのレンズの光軸に直交する方向の位置合せ誤差に対する感度は、低減されていることを特徴とする請求項２記載の広角対物レンズ系。
【請求項４】
上記３つのレンズは、
ａ．撮像する物体に最も近い第１の非球面と、第２の非球面とを有する第１のレンズと、
ｂ．上記第１のレンズの第２の非球面に隣接する第１の非球面と、第２の非球面とを有する第２のレンズと、
ｃ．上記第２のレンズの第２の非球面に隣接する第１の非球面と、上記デジタル画像センサに最も近い第２の非球面とを有する第３のレンズとからなることを特徴とする請求項３記載の広角対物レンズ系。
【請求項５】
ａ．上記第１のレンズは、その第１の表面が凸面であり、その第２の表面が凹面である両非球面正メニスカス形状を有し、
ｂ．上記第２のレンズは、その第１の表面が凹面であり、その第２の表面が凸面である両非球面負メニスカス形状を有し、
ｃ．上記第３のレンズは、その第１の表面が凸面であり、その第２の表面が凹面である両非球面正メニスカス形状を有することを特徴とする請求項４記載の広角対物レンズ系。
【請求項６】
上記第１のレンズと上記第２のレンズとの間に配設された開口絞りを更に備える請求項５記載の広角対物レンズ系。
【請求項７】
上記３つのレンズは、プラスチックから製造されていることを特徴とする請求項６記載の広角対物レンズ系。
【請求項８】
上記３つのレンズの少なくとも１つは、他の２つのレンズとは異なるプラスチックから製造されていることを特徴とする請求項７記載の広角対物レンズ系。
【請求項９】
上記第１のレンズ及び第３のレンズは、第１のプラスチックから製造されており、上記第２のレンズは、第２のプラスチックから製造されていることを特徴とする請求項７記載の広角対物レンズ系。
【請求項１０】
上記３つのレンズのうちの少なくとも１つのレンズの少なくとも１つの表面は、多層赤外線カットフィルタによってコーティングされていることを特徴とする請求項９記載の広角対物レンズ系。
【請求項１１】
上記第１のプラスチックは、クラウンガラスと同じ光学特性を有し、上記第２のプラスチックは、フリントガラスと同じ光学特性を有することを特徴とする請求項１０記載の広角対物レンズ系。
【請求項１２】
ａ．撮像する物体に最も近い第１の非球面と、第２の非球面とを有する第１のレンズと、
ｂ．上記第１のレンズの第２の非球面から第１の空間によって離間された第１の非球面と、第２の非球面とを有する第２のレンズと、
ｃ．上記第２のレンズの第２の非球面から第２の空間によって離間された第１の非球面と、物体の像面に最も近い第２の非球面とを有する第３のレンズとを備え、
当該写真レンズ系の全画角は、５０度〜７０度であり、像面に入射する主光線の入射角は、２０度未満であることを特徴とする写真レンズ系。
【請求項１３】
上記第１のレンズ、第２のレンズ及び第３のレンズの光軸に直交する方向の位置合せ誤差に対する感度は、低減されていることを特徴とする請求項１２記載の写真レンズ系。
【請求項１４】
上記各レンズは、プラスチックから製造されていることを特徴とする請求項１３記載の写真レンズ系。
【請求項１５】
上記３つのレンズの少なくとも１つは、他の２つのレンズとは異なるプラスチックから製造されていることを特徴とする請求項１４記載の写真レンズ系。
【請求項１６】
上記第１及び第３のレンズは、第１のプラスチックから製造されており、上記第２のレンズは、第２のプラスチックから製造されていることを特徴とする請求項１４記載の写真レンズ系。
【請求項１７】
上記第１のプラスチックは、クラウンガラスと同じ光学特性を有し、
上記第２のプラスチックは、フリントガラスと同じ光学特性を有することを特徴とする請求項１６記載の写真レンズ系。
【請求項１８】
上記レンズのうちの少なくとも１つのレンズの少なくとも１つの表面は、多層赤外線カットフィルタによってコーティングされていることを特徴とする請求項１７記載の写真レンズ系。
【請求項１９】
ａ．上記第１のレンズは、その第１の表面が凸面であり、その第２の表面が凹面である両非球面正メニスカス形状を有し、
ｂ．上記第２のレンズは、その第１の表面が凹面であり、その第２の表面が凸面である両非球面負メニスカス形状を有し、
ｃ．上記第３のレンズは、その第１の表面が凸面であり、その第２の表面が凹面である両非球面正メニスカス形状を有することを特徴とする請求項１２記載の写真レンズ系。
【請求項２０】
上記第１のレンズと上記第２のレンズとの間に配設された開口絞りを更に備える請求項１９記載の写真レンズ系。
【請求項２１】
上記第１の空間内に配設された開口絞りを更に備える請求項１２記載の写真レンズ系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広角写真レンズ系に関する。詳しくは、本発明は、光学素子及び表面の光軸に直交する方向の位置合せ誤差（lateral misalignment）に対する公差感度（tolerance sensitivities）を低減させたコンパクトな写真撮影用レンズ系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の写真撮影用対物レンズ設計、例えば、３群３枚構成レンズ系（Cooke triplet）等は、通常、写真撮影用対物レンズ系の画角（field angle）の大きさと同程度の大きさの主光線角度（chief ray angles）を有する。例えば、ハーツバーグ（Herzberger）による米国特許第２，２７９，３７２号、発明の名称「Photographic Objective」及びバウア（Baur）他による米国特許第３，０８７，３８４号、発明の名称「Triplet Wide-Angle Objective Lens」は、何れも写真フィルム用途（photographic film applications）のための３群３枚構成レンズ系（Cooke-triplet type lens system）を開示している。写真フィルム用途では、主光線角度を小さくする必要がないので、これらの従来の発明は、何れも、比較的大きい主光線角度を有する。
【０００３】
近年の写真撮影用対物レンズは、携帯電話機カメラ用途等の、通常６４０×４８０画素〜１２８０×９６０画素の解像度を有し、画素寸法が０．０１０ｍｍ未満の小型の（small format）デジタル画像センサと共に用いられることもある。この種の用途の撮像装置は、５０°〜７０°の全画角（full angular field of view）を有していなければならない。更に、撮像装置は、像面への主光線の入射角を２０°未満とするサイズ制限（size limitation）を満たさなければならない。
【０００４】
デジタル撮像面（digital imaging planes）は、より小さくなっているが、画素数は、同じか、増加している。新たなレンズ系のための写真撮影用対物レンズは、像面の寸法の縮小に応じてレンズ系を小型化し、良好なレンズ設計を３５ｍｍフォーマットに適応することによって開発される。例えば、３５ｍｍフィルムフレームの対角線（diagonal）の長さは、４３．３ｍｍであるが、４分の１インチフォーマットの画像センサの対角線の長さは、５．６ｍｍである。したがって、レンズ系は、５．６／４３．３、すなわち、約１／８に縮小する必要があり、これは、同じ画質を維持するために、公差値（the tolerance values）も同じ比率で縮小しなければならないことを意味する。この結果、現在、大量生産において達成される縮小されたレンズ系に対して要求される公差は、より厳しくなる。
【０００５】
これまで、小型の像面のための写真撮影用対物レンズとして設計されたレンズ系アセンブリでは、製造工程における誤差の影響のために、性能仕様のバラツキをなくすことが困難であった。従来の設計は、位置合せ誤差に対する感度が必要以上に高かった。この結果、設計によって課された光学素子の厳しい中心合せ要求（centering requirements）が満たされない場合、画像の鮮鋭度が容認できない程低下した。
【０００６】
小型のデジタル画像センサと共に用いられる広角写真撮影用対物レンズ系において、製造許容誤差（manufacturing tolerances）に対する感度の低減を実現する課題は、未だ適切に解決されていない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
携帯電話機カメラモジュール用途に適する、小型のデジタル画像センサと共に使用される小型の広角写真撮影用対物レンズ系を開示する。本発明で用いられる画像センサの対角線は、４．５６ｍｍ程度しかない。このデジタル写真撮像装置（digital photography imaging system）は、５０°〜７０°の画角を有し、同時に、像面に入射する主光線の角度は、２０°未満に制限されている。
【０００８】
本発明は、６１°の画角を有し、像面上の主光線角度は、１８°未満である。レンズ系の有効焦点距離は、３．８５ｍｍであり、レンズ系のＦ値は、２．９７である。レンズ系は、３つのレンズを有し、各レンズは、２つの非球面を有する。３つのレンズは、全て、プラスチック材料から製造されている。物体に最も近いレンズ及び像面に最も近いレンズは、同じプラスチック材料から製造されており、これらの２つのレンズの間のレンズは、異なるプラスチック材料から製造されている。外側のレンズ（the outermost lenses）のプラスチック材料の屈折率は、様々な可視の波長に亘って、真ん中のレンズの屈折率より小さい。また、３つのレンズの非球面のうちの少なくとも１つは、画像焦点面において、赤外線波長が画像センサに到達することを防ぐために多層赤外線カットフィルタによってコーティングされている。
【０００９】
このレンズ系設計は、従来の写真撮影用対物レンズに比べて、光学部品の製造時の位置合せ誤差に対する感度が低い。したがって、本発明によれば、製造工程において、画像鮮鋭度要求を一貫して満たすことがより容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の好ましい実施の形態に基づく３群レンズ系を示すと共に、０°、２１°及び３１°の入射角でレンズ系を介して伝播される光線束を示す図である。
【図２】本発明に基づいて組み立てられたレンズ系の設計図の斜視図である。
【図３】図３Ａは、本発明の好ましい実施の形態における非点収差の量を画像高さの関数として示す像面湾曲特性を示す図であり、図３Ｂは、本発明の好ましい実施の形態における光学的歪曲（optical distortion）のパーセンテージを画像高さの関数として示す歪み特性を示す図である。
【図４Ａ】本発明の好ましい実施の形態における公称設計性能の回折変調伝達関数の特性を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の好ましい実施の形態における９０パーセンタイル性能の回折変調伝達関数の特性を示す図である。
【図４Ｃ】本発明の好ましい実施の形態における９８パーセンタイル性能の回折変調伝達関数の特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、広角写真撮影用対物レンズとして使用され、小型のデジタル画像センサと共に物体の画像を捕捉するコンパクトな３群レンズ系（compact three-lens system）を開示する。このレンズ系は、画像センサの解像度が６４０×４８０画素〜１２８０×９６０画素であり、画素寸法が０．０１０ｍｍ未満であるカメラシステムで用いると最も効果的である。
【００１２】
このレンズ系は、物体面にシフトされた開口絞りを含む変更されたトリプレットとして構成される。レンズ系の第１のレンズは、視野レンズとして機能し、これにより、レンズ系の総合的なトラック長（track length）を比較的短くしたまま、像面における主光線の入射角を視野よりも著しく小さい角度に抑えることができる。第１のレンズは、従来型のトリプレットの優れた能力を維持しながら、比較的厚い正メニスカス形状を有する。同様に第２のレンズは、比較的厚い負メニスカス形状を有し、第３のレンズは、比較的厚い正メニスカス形状を有する。幾つかの実施の形態では、開口絞りは、第１のレンズと第２のレンズとの間に配設され、これにより、第１のレンズの凹面は、開口絞りに面し、第２のレンズの凸面は、開口絞りに面する。このような構成では、第３のレンズの凸面は、第３のレンズの凹面に比べて、開口絞りに近くなるように配置される。総合的なトラック長の要求を短く維持したまま、レンズ系の光学性能が最適化され、像面における主光線の入射角が最小化され、公差の影響に対するレンズ系の感度が低減されるように、レンズ系の各レンズの表面に非球面を使用することによって基本構成は更に改善する。システム要求の制約の結果、基本的な球状とは大きく異なる非球面要素を有するレンズを用いる。
【００１３】
図１は、本発明の好ましい実施の形態に基づくレンズ系１００の概略的な側面図を示している。無限遠に位置する物体について、像面１８０を第３のレンズ１３０の右側に示している。レンズ系１００は、３つのレンズ１１０、１２０、１３０と、レンズ系を介して像面１８０に透過する光量を制限する開口絞り１４０とを備える。各レンズは、レンズ系の光軸１９０に沿って、空間的ギャップ（air space gap）によって互いに分離されている。物体は、（図１の左側から進む平行な光線束によって示すように）無限遠にあるため、図１には示していないが、第１のレンズ１１０は、物体に最も近く、第３のレンズ１３０は、像面１８０に最も近い。第１のレンズ１１０の右側には、開口絞り１４０があり、開口絞り１４０の右側には、第２のレンズ１２０がある。第１のレンズ１１０には、２つの非球面、すなわち、第１のレンズ１１０の左側の表面１１１と、第１のレンズ１１０の右側の表面１１２とを備える。また、第２のレンズ１２０は、２つの非球面、すなわち、第２のレンズ１２０の左側の表面１２１と、第２のレンズ１２０の右側の表面１２２とを備える。また、第３のレンズ１３０は、２つの非球面、すなわち、第３のレンズ１３０の左側の表面１３１と、第３のレンズ１３０の右側の表面１３２とを備える。本発明の好ましい実施の形態の像面１８０は、解像度が６４０×４８０画素であり、画素幅が５．６μｍであり、総対角線が４．５６ｍｍである画像センサである。なお、画素幅及び像面センサの解像度は、これより大きくても小さくてもよい。
【００１４】
全ての３つのレンズ１１０、１２０、１３０は、光軸１９０に沿って中央が位置合せされ、光軸１９０に対して垂直に配置されている。光線束１５０、１６０、１７０は、軸上物点及び軸外物点の画像を示すために、レンズ系１００によってトレースされている。光線束１５０は、軸上物点（角度が０°）からレンズ系を介して伝播する光に対応し、点線によって示されている光線束１６０は、軸外物点（角度が２１°）からレンズ系を介して伝播する光に対応し、光線束１７０は、他の軸外物点（角度が３１°）からレンズ系を介して伝播する光に対応している。
【００１５】
３つのレンズ１１０、１２０、１３０は、それぞれ、波長に依存した（wavelength-dependent）屈折率を有する高分子プラスチック材料から製造されている。好ましくは、第１のレンズ１１０及び第３のレンズ１３０は、クラウンガラスと同じ高分子プラスチック材料から製造されており、第２のレンズ１２０は、フリントガラスと同じ高分子プラスチック材料から製造されている。これに代えて、３つのレンズ１１０、１２０、１３０は、それぞれ異なる高分子プラスチック材料から形成してもよい。
【００１６】
３つのレンズ１１０、１２０、１３０の非球面１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２の少なくとも１つは、赤外線（ＩＲ）カットフィルタによってコーティングされている。ＩＲフィルタは、好ましくは、多層膜フィルタ（multilayer filter）である。
【００１７】
表１は、本発明の好ましい実施の形態に基づくレンズ系１００のデータを示しており、詳しくは、最も左の第１のレンズ１１０の表面１１１から像面１８０に至る順の各表面の表面番号と、その表面に対応する曲率半径Ｒと、次の表面への軸方向の距離Ｄとを示している。３つのレンズ１１０、１２０、１３０の屈折率は、後述する表２に示している。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
表２は、本発明の好ましい実施の形態で使用される２つのプラスチックの、可視スペクトルの３つの固有波長、すなわち、λ＝６５６．２７ｎｍ（水素Ｃ線）、λ＝５８７．５６ｎｍ（ヘリウムＤ線）、λ＝４８６．１３ｎｍ（水素Ｆ線）の波長に依存する屈折率を示している。プラスチックＡは、第１のレンズ１１０及び第３のレンズ１３０を製造するために用いられ、プラスチックＢは、第２のレンズ１２０を製造するために用いられる。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
レンズ系１００のＦ値は、２．９７４０であり、レンズ系１００の有効焦点距離は、３．８５１４ｍｍである。製造されたレンズ系の全長は、無限遠の物体に焦点を合わせたレンズ系の物体に最も近い点から像面センサまでを測定したところ、５．３ｍｍである。
【００２２】
３つのレンズ１１０、１２０、１３０の６つの表面１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２は、全て非球面である。非球面の表面のサグ（surface sag）Ｚは、以下の式によって表される。
Ｚ＝｛［Ｃｙ２］／［１＋（１−（１＋Ｋ）Ｃ２ｙ２）１／２］｝＋Ａ４ｙ４＋Ａ６ｙ６＋Ａ８ｙ８＋Ａ１０ｙ１０
【００２３】
ここで、Ｃは、基本球面の曲率であり、Ｋは、円錐係数であり、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０は、それぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面変形の非球面係数であり、ｙは、光軸からの点の距離である。表３は、６つの非球面１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２のそれぞれに関連している定数を示している。本発明の好ましい実施の形態では、第１のレンズ１１０は、両非球面であるが、正メニスカスの基本形状を維持している。第２のレンズ１２０は、両非球面であるが、負メニスカスの基本形状を維持している。第３のレンズ１３０は、両非球面であり、正メニスカスの基本形状を有している。図１に示す実施の形態では、第１のレンズ１１０の表面１１１は、凸面であり、第１のレンズの表面１１２は、凹面であり、第２のレンズの表面１２１は、凹面であり、第２のレンズの表面１２２は、凸面であり、第３のレンズの表面１３１は、凸面であり、第３のレンズの表面１３２は、シュミットレンズ（Schmidt-like）と同じ凹面である。表３に示す６つの非球面１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２のそれぞれに関連する定数は、これらの球面が同じ基本形状を有している限り、僅かに異なる値であってもよく、このような場合も基本的な広角写真撮影用対物レンズ系の要件を満たし、製造許容誤差に対する感度が低減されることは当業者にとって明らかである。
【００２４】
【表３】
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【００２５】
図２は、組み立てられたレンズ系２００の設計図の断面を示している。レンズ系２００の部品は、バレル２１０内に組み立てられる。バレル２１０内には、物体側から像面側の順に、第１のレンズ２２０、開口絞り２３０、第２のレンズ２４０及び第３のレンズ２５０が設けられている。レンズ系２００の部品は、バレル２１０内で保持リング（retaining ring）２６０によって適所に保持されている。
【００２６】
図３は、本発明の好ましい実施の形態の２つの収差の特性を示している。具体的には、図３Ａは、像面１８０内の接線方向（tangential direction）３００及びサジタル方向（sagittal direction）３１０における非点収差の量を画像高さの関数として示す像面湾曲特性を示しており、図３Ｂは、像面１８０における光学的歪曲を画像高さの関数の割合として示す歪曲の特性を表す。
【００２７】
本発明の好ましい実施の形態の上述の設計項目（prescription）は、レンズ系１００の製造許容誤差、特に光学素子及び表面の光軸に直交する方向の位置合せ誤差に対する感度が低減されるという点で、特に有利である。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃの３つの特性は、回折変調伝達関数（diffraction modulation transfer function：ＭＴＦ）としても知られる光学伝達関数（Optical transfer function：ＯＴＦ）の絶対値を示している。図４Ａは、公称設計性能（nominal design performance）の回折ＭＴＦ特性を示しており、図４Ｂ及び図４Ｃは、それぞれ、モンテカルロ統計解析に基づく、レンズ系の９０パーセンタイル及び９８パーセンタイルの性能のＭＴＦ特性を示している。より高いＭＴＦ値は、レンズ系のユーザにとって重要な、画像詳細のコントラストが高いので、総合性能がより良好なレンズ系であることを意味する。図４の各特性では、特性内で特定しているように、異なる視野位置に対応する曲線の幾つかの対を示している。各対の一方の曲線（線Ｔ）は、接線方向のＭＴＦを示しており、他方の曲線（線Ｓ）は、サジタル方向のＭＴＦを示している。図４Ａは、最適化された公称設計性能を示している。２２．５線対／ｍｍ（ｌｐ／ｍｍ）の空間周波数において８０％より大きい周波数応答と、４５線対／ｍｍ（ｌｐ／ｍｍ）の空間周波数において５０％より大きい周波数応答が、レンズ系仕様内で十分に実現される。図４Ｂ及び図４Ｃに示す性能特性は、製造位置合せ誤差及びレンズ組立誤差を考慮に入れた３群レンズ系１００のモンテカルロ解析によって得られた。公差化統計の結果に基づき、図４Ｂは、大量生産工程で製造されたレンズ系の９０％以上が２２．５ｌｐ／ｍｍの空間周波数で約６０％の周波数応答を実現していることを示している。図４Ｃは、大量生産工程で製造されたレンズ系の９８％以上が２２．５ｌｐ／ｍｍの空間周波数で約５０％の周波数応答を実現していることを示している。
【００２８】
本発明の構造及び動作の原理を明瞭に説明するために、本発明を詳細事項とともに特定の実施の形態を用いて説明した。以上説明した特定の実施の形態及び詳細事項は、ここに添付する請求の範囲を限定するものではない。本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、上述の実施の形態を変更できることは、当業者にとって明らかである。特に、本発明に関するレンズ系は、幾つかの異なる方法で実現してもよく、幾つかの異なる形態を有していてもよいことは当業者にとって明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【国際調査報告】
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