(57)【要約】      （修正有）【課題】小型で高性能な結像光学系及びそれを用いた撮像装置を提供する。【解決手段】４枚構成で低収差かつ画面内の明るを均一化した小型光学機器用レンズを備えた結像光学系とその像側に配された撮像素子を備えた撮像装置であって、結像光学系は、物体側から、第１正レンズＬ１、第２負レンズＬ２、第３正レンズＬ３、第４正レンズＬ４の順に配置され、ｆ4を第４正レンズＬ４の焦点距離、Ｉｈを結像光学系の最大像高とするとき、次の条件式を満たす。１０＜ｆ4／Ｉｈ＜２５０                ・・・（１）【選択図】        図１
2005024889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像光学系とその像側に配された撮像素子を備えた撮像装置であって、
前記結像光学系は、物体側から、第１正レンズ、第２負レンズ、第３正レンズ、第４正レンズの順に配置され、次の条件式を満たすことを特徴とする撮像装置。
１０＜ｆ４  ／Ｉｈ＜２５０                              ・・・（１）
ただし、ｆ４  は第４正レンズの焦点距離、Ｉｈは結像光学系の最大像高である。
【請求項２】
物体側から、第１正レンズ、第２負レンズ、第３正レンズ、メニスカス形状の第４正レンズの順に配置され、次の条件式を満たすことを特徴とする結像光学系。
−２＜ｆ２  ／ｆ＜−０．  ６５                            ・・・（２）
ただし、ｆ２  は第２負レンズの焦点距離、ｆは結像光学系の焦点距離である。
【請求項３】
結像光学系とその像側に配された撮像素子を備えた撮像装置であって、
前記結像光学系が請求項２記載の結像光学系であることを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
結像光学系とその像側に配された撮像素子を備えた撮像装置であって、
前記結像光学系は、物体側から、両凸形状の第１正レンズ、第２負レンズ、第３正レンズ、メニスカス形状の第４正レンズの順に配置され、次の条件式を満たすことを特徴とする撮像装置。
１＜ｆ３  ／Ｉｈ＜３                                    ・・・（３）
ただし、ｆ３  は第３正レンズの焦点距離、Ｉｈは結像光学系の最大像高である。
【請求項５】
結像光学系とその像側に配された撮像素子を備えた撮像装置であって、
前記結像光学系は、物体側から、第１正レンズ、第２負レンズ、第３正レンズ、メニスカス形状の第４正レンズの順に配置され、次の条件式を満たすことを特徴とする撮像装置。
０．  ５＜ｆ１２／Ｉｈ＜２５                              ・・・（４）
ただし、ｆ１２は第１正レンズ乃至第２負レンズの焦点距離、Ｉｈは結像光学系の最大像高である。
【請求項６】
前記第２負レンズが両凹形状であることを特徴とする請求項１、３〜５の何れか１項記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第３正レンズが両凸形状であることを特徴とする請求項１、３〜５の何れか１項記載の撮像装置。
【請求項８】
前記第３正レンズが像側に凸面を向けたメニスカス形状であることを特徴とする請求項１、３〜５の何れか１項記載の撮像装置。
【請求項９】
前記第１正レンズ乃至前記第２負レンズの合成屈折力が正であることを特徴とする請求項１、３、４の何れか１項記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記第２負レンズ乃至前記第４正レンズの合成屈折力が負であることを特徴とする請求項１、３〜５の何れか１項記載の撮像装置。
【請求項１１】
次の条件式を満たすことを特徴とする請求項１、３、４の何れか１項記載の撮像装置。
０．  ５＜ｆ１２／Ｉｈ＜５０                              ・・・（５）
ただし、ｆ１２は第１正レンズ乃至第２負レンズの焦点距離、Ｉｈは結像光学系の最大像高である。
【請求項１２】
次の条件式を満たすことを特徴とする請求項１、３〜５の何れか１項記載の撮像装置。
−１００＜ｆ２３４  ／Ｉｈ＜−０．  ５                      ・・・（６）
ただし、ｆ２３４  は第２負レンズ乃至第４正レンズの合成焦点距離、Ｉｈは結像光学系の最大像高である。
【請求項１３】
前記第１正レンズの物体側に明るさ絞りを配置したことを特徴とする請求項１、３〜５の何れか１項記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記第１正レンズと前記第２負レンズとの間に明るさ絞りを配置したことを特徴とする請求項１、３〜５の何れか１項記載の撮像装置。
【請求項１５】
次の条件式を満たすことを特徴とする請求項１、３〜５の何れか１項記載の撮像装置。
１２°＜α＜４０°                                    ・・・（７）
ただし、αは最大像高における主光線の像面への入射角度である。
【請求項１６】
次の条件式を満たすことを特徴とする請求項１、３〜５の何れか１項記載の撮像装置。
−０．  ５＜（ｒ４ｆ−ｒ４ｒ）／（ｒ４ｆ＋ｒ４ｒ）＜０．  ２      ・・・（８）
ただし、ｒ４ｆは第４正レンズの物体側光軸上曲率半径、ｒ４ｒは第４正レンズの像側光軸上曲率半径である。
【請求項１７】
次の条件式を満たすことを特徴とする請求項１、３〜５の何れか１項記載の撮像装置。
０．  ４＜ｆ１  ／ｆ３  ＜０．  ９                            ・・・（９）
ただし、ｆ１  は第１正レンズの焦点距離、ｆ３  は第３正レンズの焦点距離である。
【請求項１８】
前記第４正レンズは次の条件式を満たす非球面を有することを特徴とする請求項１、３〜５の何れか１項記載の撮像装置。
１．０＜Ｙａ／ｒａ＜２．０                                ・・・（１０）
ただし、Ｙａは光軸から測った第４正レンズの非球面の最大光線高、ｒａは第４正レンズの非球面の光軸上曲率半径である。
【請求項１９】
前記第４正レンズは次の条件式を満たす少なくとも１つの変曲点を持つ非球面を有することを特徴とする請求項１、３〜５の何れか１項記載の撮像装置。
０．２５＜Ｙｃａ／Ｙａ＜０．８５                      ・・・（１１）
ただし、Ｙｃａは光軸から測った第４正レンズの非球面の変曲点位置、Ｙａは光軸から測った第４正レンズの非球面の最大光線高である。
【請求項２０】
前記結像光学系が次の条件式を満たす非球面を有することを特徴とする請求項１、３〜５の何れか１項記載の撮像装置。
０．０１＜｜（ｒｓｐ＋ｒａｓｐ  ）／（ｒｓｐ−ｒａｓｐ  ）−１｜＜１００・・・（１３）
ただし、ｒｓｐは非球面の光軸上曲率半径、ｒａｓｐ  は非球面を考慮した曲率半径の中の光学有効範囲内で光軸上曲率半径との差が最も変化したときの値である。
【請求項２１】
前記第４正レンズが次の条件式を満たす非球面を有することを特徴とする請求項１、３〜５の何れか１項記載の撮像装置。
０．１＜｜（ｒｓｐ＋ｒａｓｐ  ）／（ｒｓｐ−ｒａｓｐ  ）−１｜＜２０・・・（１４）
ただし、ｒｓｐは非球面の光軸上曲率半径、ｒａｓｐ  は非球面を考慮した曲率半径の中の光学有効範囲内で光軸上曲率半径との差が最も変化したときの値である。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結像光学系とそれを用いた撮像装置に関するものであり、特に、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子等を用いた例えばデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話、パソコン、車に搭載される小型カメラ、監視カメラ等の撮像装置に関するものである。
【従来の技術】
近年、銀塩フィルムに代わり、ＣＣＤやＣＭＯＳのような固体撮像素子を用いて被写体を撮影するようにした電子カメラが普及してきている。このような電子カメラの中、携帯型コンピュータや携帯電話等に搭載される撮像装置では、特に小型、軽量化が求められている。
このような撮像装置に用いる結像光学系として、従来よりレンズ枚数を１枚若しくは２枚で構成したものがある。しかしながら、これらは、収差論で明らかなように、像面湾曲が補正できず高い性能は望めないことは既に知られている。そのため、高性能を満たすには３枚以上のレンズで構成することが必要である。
ところが、３枚で構成しても性能的な限界がある。例えば２００万画素程度の高画素ＣＣＤカメラに使用すると、非球面を多用しても性能が不十分になってしまうことがある。
そこで、さらに１枚増やして、４枚で構成することが考えられる。４枚で構成したレンズタイプとして、正、負、正、正とレンズが配置された逆エルノスタータイプが知られている。
逆エルノスタータイプの先行例としては、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６等が知られている。
【特許文献１】
特開昭６３−１９９３１２号公報
【特許文献２】
特開平１−１２８０２５号公報
【特許文献３】
特開平２−１３７８１２号公報
【特許文献４】
特開平５−４０２２０号公報
【特許文献５】
特開２０００−２８９１４号公報
【特許文献６】
特開２００１−２８１５３９号公報
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これらの先行例は、次に示すように様々な問題点があった。
特許文献１のものは、非点格差が多少あり、さらに、メリジオナル方向の非点収差が最周辺において悪化しており、周辺性能は高くなかった。また、全長が大きく小型化も達成できていなかった。
特許文献２のものは、性能的には十分ではあるが、小型化は不十分であった。
特許文献３のものは、半画角が６．  ５°しかなく、小型化、高性能化であっても広角系のレンズが求められる本発明における機器に対しては、使用し難かった。
特許文献４のものは、像面湾曲がやや大きく周辺性能は余り高くはなかった。また、全長が大きく小型化も達成できていなかった。
特許文献５のものは、像面湾曲が大きいためサジタル像面が物体側に大きく倒れていた。また、小型化も十分とは言えなかった。
特許文献６のものは、非点格差が大きい上サジタル像面の収差の曲がりがあるため、周辺性能は高いとは言えなかった。また、小型化は不十分であった。
このように、従来の逆エルノスタータイプの先行例は、小型化と高性能化を同時に満たすものはなかった。
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型で高性能な結像光学系及びそれを用いた撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の第１の撮像装置は、結像光学系とその像側に配された撮像素子を備えた撮像装置であって、
前記結像光学系は、物体側から、第１正レンズ、第２負レンズ、第３正レンズ、第４正レンズの順に配置され、次の条件式を満たすことを特徴とするものである。
１０＜ｆ４  ／Ｉｈ＜２５０                              ・・・（１）
ただし、ｆ４  は第４正レンズの焦点距離、Ｉｈは結像光学系の最大像高である。
以下に、本発明の第１の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
最初に、レンズ枚数について説明する。画面中心から周辺まで高い性能を達成するためには、少なくとも３枚のレンズが必要なことは既に述べた。しかしながら、その中で最も性能が高いとされるトリプレットタイプ（物体側から、正レンズ、負レンズ、正レンズの順の配置）ですら、例えばサジタル方向の非点収差の曲がりは残ってしまう。そのため、周辺の像面が画面中間部では手前に、画面周辺部では奥に移動してしまい、共にボケた画像になってしまう。本発明のような高画素ＣＣＤにも対応できる光学系に使用するには、性能的に不十分である。そのため、本発明ではさらに１枚増やして高性能化を図る。
一方、ＣＣＤを用いたカメラの場合は、銀塩フィルム用とは異なり、光学設計に制限事項がある。結像レンズ系から射出された軸外光束が像面であるＣＣＤに対して余りに大きな角度で入射してしまうと、マイクロレンズの集光性能が十分に発揮されず、画像の明るさが画像中央部と画像周辺部で極端に変化するという問題が生じてしまう。そのため、ＣＣＤへの光線入射角を比較的小さくして設計しなければならない。
そこで、本発明では、高性能を望める４枚タイプで、さらにＣＣＤへの入射角を考慮して、物体側から順に、正レンズ、負レンズ、正レンズ、正レンズと配置した逆エルノスタータイプを採用する。すなわち、物体側に正レンズ、負レンズ、正レンズのトリプレットタイプを配置することにより、高い結像性能を保ちつつ、さらにその像側にレンズを配置してトリプレットの３枚による残存収差を補正して、かつ、最も像面側に正パワーを配置することにより、その収斂効果によりＣＣＤへの入射角を小さくして構成する。
次に、第４正レンズの構成について説明する。本発明の逆エルノスタータイプは、像面側に２枚の正レンズを配置しているため、光学系の主点が像側に移動する傾向にある。そのため、全長が大きくなってしまうことがある。したがって、全長を短縮するには像側に配置される正レンズのパワー配分が重要になってくる。一方、軸上マージナル光線を考えたとき、本発明の結像光学系の焦点距離は正なので、第１レンズ、第３レンズに比べて像側に配置される第４レンズの光線高が最も低くなりがちである。収差論で示されているように、収差補正能力はレンズのパワーだけでなく光線高も重要なファクターなので、第４レンズは収差補正の寄与度は比較的低くなる傾向にある。そのため、第４正レンズを比較的弱いパワーにすることにより、主点を像側に移動し難くして小型化を図り、性能への影響を少なくして高性能を達成できるようにする。なお、このとき、第４正レンズは光学系の大きさと性能とのバランスを考慮した条件式（１）を満たす必要がある。
この条件式（１）の上限の２５０を越えると、第４正レンズのパワーが弱くなりすぎて収差補正効果が下がって性能が劣化してしまい、下限の１０を越えると、第４正レンズのパワーが強くなりすぎて光学系が大型化してしまう。
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
２０＜ｆ４  ／Ｉｈ＜２００                          ・・・（１−１）
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
３０＜ｆ４  ／Ｉｈ＜１００                          ・・・（１−２）
本発明の第２の結像光学系は、物体側から、第１正レンズ、第２負レンズ、第３正レンズ、メニスカス形状の第４正レンズの順に配置され、次の条件式を満たすことを特徴とするものである。
−２＜ｆ２  ／ｆ＜−０．  ６５                            ・・・（２）
ただし、ｆ２  は第２負レンズの焦点距離、ｆは結像光学系の焦点距離である。
本発明の第３の撮像装置は、結像光学系とその像側に配された撮像素子を備えた撮像装置であって、
前記結像光学系が第２の結像光学系であることを特徴とするものである。
以下に、本発明の第２の結像光学系、第３の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
まず、第４レンズの構成について説明する。本発明のレンズタイプでは、第４正レンズは第２負レンズと離れて配置されるため、第２レンズの発散作用による収差補正の影響を受け難くなってしまう。そのため、第４レンズの一方の面を発散作用にすることで効果的に収差補正できるようにメニスカスレンズで構成する。これにより、特に周辺のコマ収差、非点収差等の残存収差を補正を行うことが可能になる。このとき、光学系の主点を物体側に移動できるように、物体側に凸のメニスカス形状にすると、全長の大型化を防ぐことができなおよい。
なお、本発明のレンズタイプでは負レンズが１枚しかないので、このパワーが小型化と高性能化に重要なファクターになっている。一般的に考えると、３枚の正レンズで発生する収差を１枚の負レンズで補正する必要があるが、第４正レンズによる発散効果を考慮すると、それ程強い発散作用は必要ではなくなってくる。よって、第２負レンズは条件式（２）を満たす必要がある。
この条件式（２）の上限の−０．６５を越えると、第２負レンズのパワーが強くなりすぎて発散作用が過剰になってしまい、下限の−２を越えると、第２負レンズのパワーが弱くなりすぎて発散作用が不足になってしまい、共に性能、特にコマ収差、非点収差が劣化してしまう。
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
−１．８＜ｆ２  ／ｆ＜−０．  ７                      ・・・（２−１）
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
−１．５＜ｆ２  ／ｆ＜−０．  ７５                    ・・・（２−２）
本発明の第４の撮像装置は、結像光学系とその像側に配された撮像素子を備えた撮像装置であって、
前記結像光学系は、物体側から、両凸形状の第１正レンズ、第２負レンズ、第３正レンズ、メニスカス形状の第４正レンズの順に配置され、次の条件式を満たすことを特徴とするものである。
１＜ｆ３  ／Ｉｈ＜３                                    ・・・（３）
ただし、ｆ３  は第３正レンズの焦点距離、Ｉｈは結像光学系の最大像高である。以下に、本発明の第４の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
小型化を達成するためには、焦点距離に対して主点を物体側に配置すればよい。本発明の結像光学系では、３枚ある正レンズの中の最も物体側にある第１正レンズに強いパワーを配すると、主点が物体側に移動するので小型化には好ましい。しかしながら、第１正レンズに強いパワーを配すると、そこで残存した収差がその像側に配置されているレンズにより拡大、伝播されてしまう。
ここで、一般的に１枚の正レンズを考えたとき、一方の面が収斂作用、もう一方の面が発散作用で構成したメニスカス形状にすると、収差を打ち消すことができるので最も結像性能が良いとされる。ところが、例えば正メニスカスレンズの場合、一方の面は負パワーの効果になるので、もう一方の面は強い正パワーで構成する必要がある。そのため、レンズのパワーを余り強くすると、正パワーの曲率がきつくなって高次収差が発生しやすくなる。そこで、本発明では、第１レンズを両面共収斂作用を持つ両凸レンズで構成する。これにより、第１レンズのパワーを２つの面に分割することにより高次収差の発生を抑えつつ、さらに、物体側の正レンズに強いパワーを配することにより、光学系の主点を物体側に移動させることができ小型化の達成が可能になる。
ただし、第１正レンズは両面共収斂作用なので、原理的に収差は残存する。高性能化を達成するためにはこれを補正する必要がある。
まず、第４レンズについて説明する。ここで必要なのは発散作用であるので、これは第２の結像光学系、第３の撮像装置において説明したように、第４正レンズをメニスカス形状にすることにより、発散作用を第２負レンズ以外にも増やす。これにより第１正レンズの収差を効果的に補正することが可能になる。
次に、第３レンズについて説明する。第３レンズに強い正パワーを与えると、主点が像側に移動してしまうことと、収斂作用がさらに過剰になってしまうので、比較的弱いパワーで構成する必要がある。よって、条件式（３）を満たす必要がある。
この条件式（３）の上限の３を越えると、第３正レンズのパワーが弱くなりすぎて収差補正効果が減ってしまい性能が劣化してしまい、下限の１を越えると、第３正レンズのパワーが強くなりすぎて収斂作用が過剰になって性能が劣化したり、光学系が大型化してしまう。
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
１．１＜ｆ３  ／Ｉｈ＜２．７                        ・・・（３−１）
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
１．２＜ｆ３  ／Ｉｈ＜２．５                        ・・・（３−２）
本発明の第５の撮像装置は、結像光学系とその像側に配された撮像素子を備えた撮像装置であって、
前記結像光学系は、物体側から、第１正レンズ、第２負レンズ、第３正レンズ、メニスカス形状の第４正レンズの順に配置され、次の条件式を満たすことを特徴とするものである。
０．  ５＜ｆ１２／Ｉｈ＜２５                              ・・・（４）
ただし、ｆ１２は第１正レンズ乃至第２負レンズの焦点距離、Ｉｈは結像光学系の最大像高である。
以下に、本発明の第５の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
まず、明るさ絞りの位置について説明する。撮像素子としてＣＣＤを用いる場合、結像レンズ系から射出された軸外光束が像面に対して余りに大きな角度で入射すると、マイクロレンズの集光性能が十分に発揮されず画像の明るさが画像中央部と画像周辺部で極端に変化するという問題が生じてしまう。そのため、ＣＣＤへの光線入射角、すなわち射出瞳位置が設計上重要である。枚数の少ない光学系の場合には、射出瞳位置をレンズで操作するのが難しくなるので、明るさ絞りの位置が重要になる。したがって、ＣＣＤへの光線入射角を小さくするために明るさ絞りを最も物体側に配置する。特に、逆エルノスタータイプで明るさ絞りを最も物体側に配置した場合、絞りに対して異符号のパワーを持つ第１正レンズと第２負レンズが像側に配置されるため、倍率色収差の補正が良好に行えるというメリットがある。
このとき、第４正レンズは明るさ絞りから最も遠くなるので軸外主光線高が最も高くなる。特にコマ収差や非点収差は、収差論によりこの光線高の影響を受けるため、画面周辺の収差への影響度が非常に大きい。よって、第４レンズ自体で発生する収差を小さくしないと、軸外収差が悪化してしまう。そのため、第４正レンズは一方の面を発散作用にして各面で収差を打ち消して、収差の発生量の小さいメニスカスレンズで構成することにより高性能が達成できる。
次に、小型化について説明する。本発明のレンズタイプでは、第３レンズ、第４レンズは共に正レンズなので合成パワーは正になっている。そのため、残りの第１レンズと第２レンズの合成パワーを負にしてしまうと、負、正のレトロフォーカスタイプを形成してしまう。すなわち、レトロフォーカスは主点が像側に移動してしまうので、原理的に全長短縮が難しくなってしまい、本発明の目的を達成できなくなってしまって好ましくない。そのため、この第１レンズと第２レンズの合成パワーを正にする必要がある。よって、その焦点距離は条件式（４）を満たす必要がある。
この条件式（４）の上限の２５を越えると、第１レンズと第２レンズの合成パワーが弱くなってレトロフォーカスタイプに近づいてしまうため、全長が大きくなってしまい、下限の０．５を越えると、第１レンズと第２レンズの合成パワーが強くなりすぎ、特に第２負レンズで発生するコマ収差、非点収差、ペッツバール和が補正できなくなり性能が悪化する。
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
１＜ｆ１２／Ｉｈ＜２２                              ・・・（４−１）
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
２＜ｆ１２／Ｉｈ＜２０                              ・・・（４−２）
本発明の第６の撮像装置は、第１、第３〜第５の撮像装置において、前記第２負レンズが両凹形状であることを特徴とするものである。
以下に、本発明の第６の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
逆エルノスタータイプは４枚のレンズの中、発散作用を持つ負レンズが１枚しかないので、この構成が全体の光学系の性能にとって重要である。小型化を図るときには、一般的に各レンズのパワーを強くする必要があるので、３つの正レンズで発生する収差を負レンズで効果的に補正する必要がある。また、広角化を図るには、軸外収差、例えば非点収差、ディストーションを補正しなければならないので、収斂作用と発散作用のパワーバランスを適切に設定する必要がなる。よって、第２負レンズは両面共発散作用を持つように両凹形状にするのが好ましい。
本発明の第７の撮像装置は、第１、第３〜第５の撮像装置において、前記第３正レンズが両凸形状であることを特徴とするものである。
以下に、本発明の第７の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
逆エルノスタータイプは４枚のレンズの中、発散作用を持つ負レンズが１枚しかないので、このパワーを強くすると小型化、高性能化に貢献しやすくなる。このとき、第２負レンズのパワーが強くなっていくとペッツバール和の補正が負の方向に過剰に補正されてしまい、周辺性能が低下してきてしまうことがある。そのため、この発明ではペッツバール和を正の方向に補正し周辺性能の悪化を防ぐため、第３正レンズを両凸形状に構成し、両面共収斂作用の面にするのが好ましい。
本発明の第８の撮像装置は、第１、第３〜第５の撮像装置において、前記第３正レンズが像側に凸面を向けたメニスカス形状であることを特徴とするものである。
以下に、本発明の第８の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
本発明の逆エルノスタータイプでは、第３レンズ、第４レンズが正レンズであるが、ここに強いパワーを配すると、主点が像側に移動してしまい小型化に不利になる。そのため、少なくとも第３レンズは比較的収差補正の役割を強めておくのが好ましい。そのため、第３正レンズは一方が発散作用を持つようにメニスカス形状にするのがよい。また、第３レンズは周辺光束の入射角がきつくならないような像側に凸のメニスカス形状にするのが収差バランス上好ましい。
本発明の第９の撮像装置は、第１、第３、第４の撮像装置において、前記第１正レンズ乃至前記第２負レンズの合成屈折力が正であることを特徴とするものである。
以下に、本発明の第９の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
逆エルノスタータイプは、第３レンズ、第４レンズは共に正なので、合成焦点距離は必ず正になる。このとき、第１レンズと第２レンズの合成パワーを負にしてしまうと、負、正のレトロフォーカスタイプを構成してしまう。そのため、全長の短縮が原理的に難しくなってしまう。そのため、第１正レンズ乃至第２負レンズのの合成焦点距離を正にするのが好ましい。
本発明の第１０の撮像装置は、第１、第３〜第５の撮像装置において、前記第２負レンズ乃至前記第４正レンズの合成屈折力が負であることを特徴とするものである。
以下に、本発明の第１０の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
第１レンズに強いパワーを配置したとき、第３レンズ、第４レンズの構成を十分に注意しないと効果的に小型化できなくなる。一般的に知られているように、全長を短縮するには光学系をテレフォトタイプを構成するのがよい。ここでは、第１レンズと第２レンズ〜第４レンズとでテレフォトタイプを構成するため、第２レンズ〜第４レンズの合成パワーを負にして構成するのが好ましい。
本発明の第１０の撮像装置は、第１、第３、第４の撮像装置において、次の条件式を満たすことを特徴とするものである。
０．  ５＜ｆ１２／Ｉｈ＜５０                              ・・・（５）
ただし、ｆ１２は第１正レンズ乃至第２負レンズの焦点距離、Ｉｈは結像光学系の最大像高である。
以下に、本発明の第１１の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
逆エルノスタータイプの第３レンズ、第４レンズは共に正レンズなので合成パワーは正になっている。そのため、残りの第１レンズ、第２レンズの合成パワーを負にしてしまうと、負、正のレトロフォーカスタイプを形成してしまう。すなわち、レトロフォーカスは主点が像側に移動してしまうので、原理的に全長短縮が難しくなってしまい、本発明の目的を達成できなくなってしまって好ましくない。そのため、この第１レンズ、第２レンズの合成パワーを正にする必要がある。ただし、このとき、その焦点距離は小型化と高性能化を同時に満たすように条件式（５）を満たすのがよい。
この条件式（５）の上限の５０を越えると、第１レンズ〜第２レンズの合成焦点距離が弱くなりすぎて小型化の達成が難しくなり、下限の０．５を越えると、第１レンズ〜第２レンズの合成焦点距離が強くなりすぎてコマ収差等の高次収差の発生が大きくなり性能が劣化してしまう。
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
０．８＜ｆ１２／Ｉｈ＜３０                          ・・・（５−１）
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
１．０＜ｆ１２／Ｉｈ＜１５                          ・・・（５−２）
本発明の第１２の撮像装置は、第１、第３〜第５の撮像装置において、次の条件式を満たすことを特徴とするものである。
−１００＜ｆ２３４  ／Ｉｈ＜−０．  ５                      ・・・（６）
ただし、ｆ２３４  は第２負レンズ乃至第４正レンズの合成焦点距離、Ｉｈは結像光学系の最大像高である。
以下に、本発明の第１２の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
第２レンズ〜第４レンズを負パワーにして、第１レンズの正パワーと第２レンズ〜第４レンズの負パワーで望遠タイプを構成してもよい。このとき、小型化と高性能化を同時に満たすように条件式（６）を満たすのがよい。
この条件式（６）の上限の−０．５を越えると、第２レンズの負パワーが強くなりすぎてコマ収差、非点収差、ペッツバール和が悪化してしまうか、第３レンズ、第４レンズの正パワーが弱くなりすぎてコマ収差、ディストーションが悪化してしまい、下限の−１００を越えると、第２レンズ〜第４レンズの合成パワーが弱くなりすぎ、望遠効果が小さくなって効果的に小型化できなくなってしまう。
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
−５０＜ｆ２３４  ／Ｉｈ＜−１．０                    ・・・（６−１）
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
−２０＜ｆ２３４  ／Ｉｈ＜−１．  ５                    ・・・（６−２）
本発明の第１３の撮像装置は、第１、第３〜第５の撮像装置において、前記第１正レンズの物体側に明るさ絞りを配置したことを特徴とするものである。
本発明の第１４の撮像装置は、第１、第３〜第５の撮像装置において、前記第１正レンズと前記第２負レンズとの間に明るさ絞りを配置したことを特徴とするものである。
以下に、本発明の第１３〜第１４の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
撮像素子としてＣＣＤを用いる場合、結像レンズ系から射出された軸外光束が像面に対して余り大きな角度で入射すると、マイクロレンズの集光性能が十分に発揮されず、画像の明るさが画像中央部と画像周辺部で極端に変化するという問題が生じてしまう。そのため、ＣＣＤへの光線入射角、すなわち射出瞳位置が設計上重要である。枚数の少ない光学系の場合には射出瞳位置をレンズで操作するのが難しくなるので、明るさ絞りの位置が重要になる。ＣＣＤへの光線入射角を小さくするために、明るさ絞りをより物体側に配置するのが好ましい。特に明るさ絞りを最も物体側に配置した場合、絞りに対して異符号のパワーを持ち比較的強いパワーを持つ第１正レンズと第２負レンズが共に像側に配置されるため、倍率色収差の補正が良好に行えるというメリットがある。また、特に明るさ絞りを第１正レンズと第２負レンズの間に配置した場合、絞りの前後にパワーを配置できるので、上側光線と下側光線のコマ収差のバランスが取りやすくなり、軸外収差を良好に補正できるというメリットがある。
本発明の第１５の撮像装置は、第１、第３〜第５の撮像装置において、次の条件式を満たすことを特徴とするものである。
１２°＜α＜４０°                                    ・・・（７）
ただし、αは最大像高における主光線の像面への入射角度である。
本発明の第１５の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
撮像素子にＣＣＤを用いる場合、結像光学系から射出された軸外光束が像面に対して余り大きな角度で入射すると、画像中央部と画像周辺部で画像の明るさが変化してしまう。一方、像面に対して小さい角度で入射させるとこの問題は軽減されるが、今度は光学系の全長が大きくなってしまう。そのため、条件式（７）を満たすのがよい。
この条件式（７）の上限の４０°を越えると、ＣＣＤへの入射角が大きくなりすぎ画像周辺部の明るさが低下してしまい、下限の１２°を越えると、全長が大きくなりすぎてしまう。
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
１５°＜α＜３５°                                ・・・（７−１）
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
１８°＜α＜３０°                                ・・・（７−２）
本発明の第１６の撮像装置は、第１、第３〜第５の撮像装置において、次の条件式を満たすことを特徴とするものである。
−０．  ５＜（ｒ４ｆ−ｒ４ｒ）／（ｒ４ｆ＋ｒ４ｒ）＜０．  ２      ・・・（８）
ただし、ｒ４ｆは第４正レンズの物体側光軸上曲率半径、ｒ４ｒは第４正レンズの像側光軸上曲率半径である。
本発明の第１６の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明すると、第４正レンズは条件式（８）を満たすのがよい。
この条件式（８）の上限の０．２を越えると、第４正レンズの正のパワーが弱くなりすぎてＣＣＤへの入射角度を小さくできなくなってしまい、下限の−０．５を越えると、その入射面のパワーが強くなりすぎてコマ収差、非点収差が悪化してしまう。
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
−０．  ４＜（ｒ４ｆ−ｒ４ｒ）／（ｒ４ｆ＋ｒ４ｒ）＜０．  １５・・・（８−１）
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
−０．  ２＜（ｒ４ｆ−ｒ４ｒ）／（ｒ４ｆ＋ｒ４ｒ）＜０．  １  ・・・（８−２）
本発明の第１７の撮像装置は、第１、第３〜第５の撮像装置において、次の条件式を満たすことを特徴とするものである。
０．  ４＜ｆ１  ／ｆ３  ＜０．  ９                            ・・・（９）
ただし、ｆ１  は第１正レンズの焦点距離、ｆ３  は第３正レンズの焦点距離である。
本発明の第１７の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
第１正レンズと第３正レンズの中の第３レンズの方に強いパワーを配してしまうと、光学系の主点が像側に移動してしまうので光学系が大型化してしまう。そのため、より小型化を満たすには条件式（９）を満たすのがよい。
この条件式（９）の上限の０．９を越えると、第３正レンズのパワーが強くなりすぎて小型化を満たせなくなってしまい、下限の０．４を越えると、第１正レンズのパワーが強くなりすぎ球面収差、コマ収差の発生が大きくなり、性能が劣化してしまう。
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
０．  ５＜ｆ１  ／ｆ３  ＜０．  ７５                      ・・・（９−１）
本発明の第１８の撮像装置は、第１、第３〜第５の撮像装置において、前記第４正レンズは次の条件式を満たす非球面を有することを特徴とするものである。
１．０＜Ｙａ／ｒａ＜２．０                                ・・・（１０）
ただし、Ｙａは光軸から測った第４正レンズの非球面の最大光線高、ｒａは第４正レンズの非球面の光軸上曲率半径である。
本発明の第１８の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
周辺性能、特に逆エルノスタータイプの第１レンズ〜第３レンズで残存する非点収差の曲がりを補正するためにパワー変化を大きくするのが好ましい。このとき、光軸付近と周辺とのパワー変化を大きくするため、光軸上曲率半径に対して有効径の方が大きくなるように非球面形状を大きく変化させると効果的である。すなわち、第４正レンズの少なくとも１面の非球面は条件式（１０）を満たすのがよい。
この条件式（１０）の上限の２．０を越えると、非球面によるパワー変化が少なくなりすぎて非点収差の曲がりを十分に補正できなくなってしまい、下限の１．０を越えると、非球面によるパワー変化が大きくなりすぎて非点収差の補正が過剰になってしまうか、又は、高次収差の発生が大きくなりすぎ製造誤差による性能劣化が大きくなってしまう。
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
１．０５＜Ｙａ／ｒａ＜１．８                      ・・・（１０−１）
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
１．１＜Ｙａ／ｒａ＜１．５                        ・・・（１０−２）
本発明の第１９の撮像装置は、第１、第３〜第５の撮像装置において、前記第４正レンズは次の条件式を満たす少なくとも１つの変曲点を持つ非球面を有することを特徴とするものである。
０．２５＜Ｙｃａ／Ｙａ＜０．８５                      ・・・（１１）
ただし、Ｙｃａは光軸から測った第４正レンズの非球面の変曲点位置、Ｙａは光軸から測った第４正レンズの非球面の最大光線高である。
本発明の第１９の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
同様に非点収差の曲がりを補正するには、第４正レンズの非球面に変曲点を設けてパワー変化を与えるのが好ましい。このとき、第４正レンズの少なくとも１面の非球面は少なくとも１つの変曲点を有し、条件式（１１）を満たすのがよい。
この条件式（１１）の上限の０．８５を越えると、パワー変化の位置が画面周辺部になってしまい、画面中間部での非点収差が十分が補正できなくなってしまい、下限の０．２５を越えると、パワー変化の位置が画面中心部に近くなり、非点収差の補正が過剰になってしまうか、又は、高次収差の発生が大きくなりすぎ製造誤差による性能劣化が大きくなってしまう。
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
０．３＜Ｙｃａ／Ｙａ＜０．７                      ・・・（１１−１）
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
０．３５＜Ｙｃａ／Ｙａ＜０．６                    ・・・（１１−２）
また、変曲点を２つ設けると、軸外性能をさらに向上させることができる。そのとき、２つめの変曲点は次の条件式を満たすのがよい。
０．６＜Ｙｃａ／Ｙａ＜０．９                          ・・・（１２）
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
０．７＜Ｙｃａ／Ｙａ＜０．８                            ・・・（１２−１）
本発明の第２０の撮像装置は、第１、第３〜第５の撮像装置において、前記結像光学系が次の条件式を満たす非球面を有することを特徴とするものである。
０．０１＜｜（ｒｓｐ＋ｒａｓｐ  ）／（ｒｓｐ−ｒａｓｐ  ）−１｜＜１００・・・（１３）
ただし、ｒｓｐは非球面の光軸上曲率半径、ｒａｓｐ  は非球面を考慮した曲率半径ｒＡＳＰ  の中の光学有効範囲内で光軸上曲率半径との差が最も変化したときの値である。
ここで、非球面を考慮した曲率半径ｒＡＳＰ  は、非球面定義式（面頂に接する接平面から光軸進行方向を正としたときの形状の関数）をｆ（ｙ）としたとき、次の式で定義される。
ｒＡＳＰ  ＝ｙ・（１＋ｆ’（ｙ）２  ）１／２  ／ｆ’（ｙ）
ただし、ｙは光軸からの高さ、ｆ’（ｙ）はｆ（ｙ）の一階微分とする。
本発明の第２０の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
少なくとも１面を非球面で構成することにより良好に収差補正することができ、条件式（１３）を満たすのが望ましい。
この条件式（１３）の上限の１００を越えると、非球面効果が弱くなりすぎて補正不足になってしまい、コマ収差、非点収差が悪化してしまい、下限の０．０１を越えると、非球面効果が強くなりすぎて補正過剰になり性能が劣化すると共に、レンズの加工が難しくなってしまう。
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
０．０５＜｜（ｒｓｐ＋ｒａｓｐ  ）／（ｒｓｐ−ｒａｓｐ  ）−１｜＜５０・・・（１３−１）
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
０．１＜｜（ｒｓｐ＋ｒａｓｐ  ）／（ｒｓｐ−ｒａｓｐ  ）−１｜＜１０・・・（１３−２）
また、第１正レンズは最初に光線が入射するレンズであるので、ここで収差を大きく発生させてしまうと、その像側の光学系によって拡大、伝播されてしまう。そのため、ここで発生する収差を十分に小さくしておくのが望ましい。よって、少なくとも第１正レンズに非球面を設けるのが好ましい。
また、第２負レンズは光学系内で唯一の負レンズなので、このパワーを強くすることでコマ収差や色収差を補正できるようになったり、小型化に寄与させることができる。しかしながら、余り強くしすぎると高次収差が発生してしまい性能が劣化してしまう。よって、少なくとも第２負レンズに非球面を設けるのが好ましい。
また、第３正レンズは小型化のために第１正レンズに比べてパワーを強くしない方が好ましい。しかしながら、パワーを弱くすることにより収差補正能力が低下してしまう。そのため、第３正レンズにはパワーを強くしないで収差補正能力を向上させるのが望ましい。よって、第３正レンズに非球面を設けるのが好ましい。また、両面共非球面にするとなおよい。
本発明の第２１の撮像装置は、第１、第３〜第５の撮像装置において、前記第４正レンズが次の条件式を満たす非球面を有することを特徴とするものである。
０．１＜｜（ｒｓｐ＋ｒａｓｐ  ）／（ｒｓｐ−ｒａｓｐ  ）−１｜＜２０・・・（１４）
ただし、ｒｓｐは非球面の光軸上曲率半径、ｒａｓｐ  は非球面を考慮した曲率半径ｒＡＳＰ  の中の光学有効範囲内で光軸上曲率半径との差が最も変化したときの値である。
ここで、非球面を考慮した曲率半径ｒＡＳＰ  は、非球面定義式（面頂に接する接平面から光軸進行方向を正としたときの形状の関数）をｆ（ｙ）としたとき、次の式で定義される。
ｒＡＳＰ  ＝ｙ・（１＋ｆ’（ｙ）２  ）１／２  ／ｆ’（ｙ）
ただし、ｙは光軸からの高さ、ｆ’（ｙ）はｆ（ｙ）の一階微分とする。
本発明の第２１の撮像装置において、上記のような構成をとる理由と作用を説明する。
第４正レンズは、物体側の３つのレンズ、すなわちトリプレットで残存してしまう非点収差を補正することができる。そのため、その曲がりを補正するために面のパワーを変化させると効果的に補正できる。そのため、第４正レンズに非球面を設けるのが好ましい。このとき、条件式（１４）を満たすのがよい。
この条件式（１４）の上限の２０を越えると、第４正レンズの非球面効果が弱くなりすぎて非点収差の曲がりが補正し切れなくなってしまい、画面周辺部の性能が悪化してしまい、下限の０．１を越えると、非球面効果が強くなりすぎて特に非点収差、コマ収差が補正過剰になり性能が劣化すると共に、レンズの加工が難しくなってしまう。
なお好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
０．２＜｜（ｒｓｐ＋ｒａｓｐ  ）／（ｒｓｐ−ｒａｓｐ  ）−１｜＜１５・・・（１４−１）
さらに好ましくは、次の条件式を満たすのがよい。
０．５＜｜（ｒｓｐ＋ｒａｓｐ  ）／（ｒｓｐ−ｒａｓｐ  ）−１｜＜１０・・・（１４−２）
また、両面共非球面にすると、さらに効果的に補正できる。
なお、以上の各発明は、任意に組み合わせるとより効果を得ることができる。また、以上の各条件式に共通して、各条件式範囲をより限定した下位の条件式の上限値のみ、又は、下限値のみをその上位の条件式の上限値あるいは下限値として限定するようにしてもよい。
また、以上の条件式は、任意に複数を組み合わせることで、より本発明の効果を高めることができる。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の結像光学系の実施例１〜４について説明する。実施例１〜４の無限遠物点合焦時のレンズ断面図をそれぞれ図１〜図４に示す。図中、明るさ絞りはＳ、第１正レンズはＬ１、第２負レンズはＬ２、第３正レンズはＬ３、第４正レンズはＬ４、電子撮像素子のカバーガラスはＣＧ、像面はＩ、フレア絞りはＦＳで示してある。なお、カバーガラスＣＧの表面に波長域制限用の多層膜を施してもよい。また、そのカバーガラスＣＧにローパスフィルター作用を持たせるようにしてもよい。
実施例１の結像光学系は、図１に示すように、物体側から順に、明るさ絞りＳ、両凸の第１正レンズＬ１、両凹の両面非球面の第２負レンズＬ２、像側に凸面を向けた両面非球面の第３正メニスカスレンズＬ３、物体側に凸面を向けた両面非球面の第４正メニスカスレンズＬ４から構成されている。本実施例では、第１レンズＬ１〜第４レンズＬ４は全てプラスチックからなり、第１レンズＬ１、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４はアモルファスポリオレフィン系のゼオネックス（商品名）、第２レンズＬ２はポリカーボネイトから構成されている。
また、本実施例の仕様は、焦点距離ｆ＝４．７ｍｍ、像高Ｉｈ＝３．１７ｍｍであり、半画角ω＝３４°の広角の光学系である。また、各レンズのそれぞれの光学有効径（片側）は、第２面ｒ２  〜第９面ｒ９  の順に、０．９８５ｍｍ、１．０６６ｍｍ、１．１ｍｍ、１．３４３ｍｍ、１．３９８ｍｍ、１．６０５ｍｍ、２．３７４ｍｍ、２．６１８ｍｍである。
また、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の中間に軸外光束をカットするフレア絞りＦＳを配置している。
実施例２の結像光学系は、図２に示すように、物体側から順に、明るさ絞りＳ、両凸の第１正レンズＬ１、両凹の両面非球面の第２負レンズＬ２、像側に凸面を向けた両面非球面の第３正メニスカスレンズＬ３、物体側に凸面を向けた両面非球面の第４正メニスカスレンズＬ４、カバーガラスＣＧから構成されている。本実施例では、第１レンズＬ１はガラス、第２レンズＬ２〜第４レンズＬ４は全てプラスチックからなり、第２レンズＬ２はエスチレン、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４はアモルファスポリオレフィン系のゼオネックスから構成されている。
また、本実施例の仕様は、焦点距離ｆ＝４．７ｍｍ、像高Ｉｈ＝３．１７ｍｍであり、半画角ω＝３４°の広角の光学系である。また、各レンズのそれぞれの光学有効径（片側）は、第２面ｒ２  〜第９面ｒ９  の順に、１．０６９ｍｍ、１．１７６ｍｍ、１．２２１ｍｍ、１．４９９ｍｍ、１．５９４ｍｍ、１．６９７ｍｍ、２．４１６ｍｍ、２．５２２ｍｍである。
実施例３の結像光学系は、図３に示すように、物体側から順に、明るさ絞りＳ、物体側の面が非球面の両凸の第１正レンズＬ１、物体側の面が非球面の両凹の第２負レンズＬ２、像側に凸面を向けた両面非球面の第３正メニスカスレンズＬ３、物体側に凸面を向けた両面非球面の第４正メニスカスレンズＬ４、カバーガラスＣＧから構成されている。本実施例では、第１レンズＬ１〜第４レンズＬ４は全てプラスチックからなり、第１レンズＬ１、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４はアモルファスポリオレフィン系のゼオネックス、第２レンズＬ２はポリカーボネイトから構成されている。
また、本実施例の仕様は、焦点距離ｆ＝４．７ｍｍ、像高Ｉｈ＝３．１７ｍｍであり、半画角ω＝３４°の広角の光学系である。また、各レンズのそれぞれの光学有効径（片側）は、第２面ｒ２  〜第９面ｒ９  の順に、１．０８ｍｍ、１．２０６ｍｍ、１．２３７ｍｍ、１．４８５ｍｍ、１．６４３ｍｍ、１．７９５ｍｍ、２．５９６ｍｍ、２．６８６ｍｍである。
実施例４の結像光学系は、図４に示すように、物体側から順に、物体側の面が非球面の両凸の第１正レンズＬ１、明るさ絞りＳ、物体側の面が非球面で物体側に凸面を向けた第２負メニスカスレンズＬ２、像側に凸面を向けた両面非球面の第３正メニスカスレンズＬ３、物体側に凸面を向けた両面非球面の第４正メニスカスレンズＬ４、カバーガラスＣＧから構成されている。本実施例では、第１レンズＬ１〜第４レンズＬ４は全てプラスチックからなり、第１レンズＬ１、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４はアモルファスポリオレフィン系のゼオネックス、第２レンズＬ２はポリカーボネイトから構成されている。
また、本実施例の仕様は、焦点距離ｆ＝４．７ｍｍ、像高Ｉｈ＝３．１７ｍｍであり、半画角ω＝３４°の広角の光学系である。また、各レンズのそれぞれの光学有効径（片側）は、第１面ｒ１  〜第２面ｒ２  、第４面ｒ４  〜第９面ｒ９  の順に、１．２１９ｍｍ、１．０２２ｍｍ、０．８５６ｍｍ、１．０３６ｍｍ、１．６１６ｍｍ、１．８４１ｍｍ、２．５０３ｍｍ、２．５７１ｍｍである。
以下に、上記各実施例の数値データを示すが、記号は上記の外、ｒ１  、ｒ２  …は各レンズ面の曲率半径、ｄ１  、ｄ２  …は各レンズ面間の間隔、ｎｄ１、ｎｄ２…は各レンズのｄ線の屈折率、νｄ１、νｄ２…は各レンズのアッベ数である。なお、非球面形状は、ｘを光の進行方向を正とした光軸とし、ｙを光軸と直交する方向にとると、下記の式にて表される。
ｘ＝（ｙ２  ／ｒ）／［１＋｛１−（Ｋ＋１）（ｙ／ｒ）２  ｝１／２  ］＋Ａ４ｙ４  ＋Ａ６ｙ６  ＋Ａ８ｙ８  ＋  Ａ１０ｙ１０
ただし、ｒは光軸上の曲率半径、Ｋは円錐係数、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０  はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。
2005024889.tif 000003
2005024889.tif 000004
2005024889.tif 000005
2005024889.tif 000006
2005024889.tif 000007
2005024889.tif 000008
2005024889.tif 000009
上記実施例１〜４の無限遠にフォーカシングした場合の収差図をそれぞれ図５〜図８に示す。これら収差図において、“ＳＡ”は球面収差、“ＡＳ”は非点収差、“ＤＴ”は歪曲収差、“ＣＣ”は倍率色収差を示す。また、各収差図中、“ω”は半画角を示す。
次に、上記各実施例における条件（１）〜（１４）の値を示す。
2005024889.tif 000010
（注）条件式（１０）の値は、上段が物体側面、下段が像側面の値を示す。
（注）条件式（１１）、（１２）の値は、上段が物体側面、下段が像側面の値を示す。なお、変曲点が２つある実施例では、データを２つ示してある。
（注）条件式（１３）、（１４）の値は、上段から第１正レンズの物体側、像側、第２負レンズの物体側、像側、第３正レンズの物体側、像側、第４正レンズの物体側、像側の値をそれぞれ示す。
ここで、本発明において、像面における最大像高Ｉｈは、撮像素子の有効撮像領域（略矩形）の対角長Ｌの２分の１で定義される。そして、撮像領域を規定する手段として視野枠を配する場合は、視野枠対角長Ｌの２分の１であり、固体撮像素子等の撮像素子を配する場合は、有効撮像領域の対角長Ｌの２分の１である。
そこで、撮像記録媒体がＣＣＤ等の電子撮像素子の場合の有効撮像面（有効撮像領域）の対角長Ｌと画素間隔ａについて説明しておく。図９は、撮像素子の画素配列の１例を示す図であり、画素間隔ａでＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の画素がモザイク状に配されている。有効撮像面は撮影した映像の再生（パソコン上での表示、プリンターによる印刷等）に用いる撮像素子上の光電変換面内における領域を意味する。図中に示す有効撮像面は、光学系の性能（光学系の性能が確保し得るイメージサークル）に合わせて、撮像素子の全光電変換面よりも狭い領域に設定されている。有効撮像面の対角長Ｌは、この有効撮像面の対角長である。なお、映像の再生に用いる撮像範囲を種々変更可能としてよいが、そのような機能を有する撮像装置に本発明の結像光学系を用いる際は、その有効撮像面の対角長Ｌが変化する。そのような場合は、本発明において最大像高Ｉｈを定義する有効撮像面の対角長Ｌは、Ｌの取り得る範囲における最大値とする。
図１０は、ＣＣＤ等の電子撮像素子の撮像面に視野枠を配する場合の視野枠対角長について説明するための図である。ＣＣＤ等の電子撮像素子に像を形成して撮影する場合、その有効撮影領域は撮像面直前の視野枠の開口によって決定される。ここでも、視野枠の形状の変更は種々行う構成としてよいが、図９の場合と同様に、本発明において最大像高Ｉｈを定義する有効撮像面の対角長Ｌは、Ｌのとり得る範囲における最大値とする。
なお、以上の本発明の実施例１〜３において、明るさ絞りＳの直前にカバーガラスを配置するようにしてもよい。
また、本発明の以上の実施例において、プラスチックで構成しているレンズをガラスで構成するようにしてもよい。例えば何れかの実施例のプラスチックより屈折率の高いガラスを用いれば、さらに高性能を達成できるのは言うまでもない。また、特殊低分散ガラスを用いれば、色収差の補正に効果があるのは言うまでもない。特にプラスチックで構成する場合には、低吸湿材料を用いることにより、環境変化による性能劣化が軽減されるので好ましい（例えば、日本ゼオン社のゼオネックス（商品名）等がある）。
また、ゴースト、フレア等の不要光をカットするために、明るさ絞りＳ以外にフレア絞りを配置してもよい。以上の実施例１〜３において、明るさ絞りＳから第１レンズＬ１間、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２間、第２レンズＬ２と第３レンズＬ３間、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４間、第４レンズＬ４と像面Ｉ間の何れの場所にフレア絞りを配置してもよい。また、実施例４において、第１レンズＬ１と明るさ絞りＳの間、明るさ絞りＳと第２レンズＬ２間、第２レンズＬ２と第３レンズＬ３間、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４間、第４レンズＬ４と像面Ｉ間の何れの場所にフレア絞りを配置してもよい。また、枠によりフレア光線をカットするように構成してもよいし、別の部材を用いてフレア絞りを構成してもよい。また、光学系に直接印刷しても、塗装しても、シール等を接着しても構わない。また、その形状は、円形、楕円形、矩形、多角形、関数曲線で囲まれる範囲等、いかなる形状でも構わない。また、有害光束をカットするだけでなく、画面周辺のコマフレア等の光束をカットするようにしてもよい。
また、各レンズには、反射防止コートを行い、ゴースト、フレアを軽減しても構わない。マルチコートであれば、効果的にゴースト、フレアを軽減できるので望ましい。また、赤外カットコートをレンズ面、カバーガラス等に行ってもよい。
また、ピント調節を行うためにフォーカシングを行うようにしてもよい。レンズ系全体を繰り出してフォーカスを行ってもよいし、一部のレンズを繰り出すか、若しくは、繰り込みをしてフォーカスするようにしてもよい。
また、画像周辺部の明るさ低下をＣＣＤのマイクロレンズをシフトすることにより軽減するようにしてもよい。例えば、各像高における光線の入射角に合わせて、ＣＣＤのマイクロレンズの設計を変えてもよい。また、画像処理により画像周辺部の低下量を補正するようにしてもよい。
さて、以上のような本発明の撮像装置は、結像光学系で物体像を形成しその像をＣＣＤ等の撮像素子に受光させて撮影を行う撮影装置、とりわけデジタルカメラやビデオカメラ、情報処理装置の例であるパソコン、電話、特に持ち運びに便利な携帯電話等に用いることができる。以下に、その実施形態を例示する。
図１１〜図１３は、本発明による結像光学系をデジタルカメラの撮影光学系４１に組み込んだ構成の概念図を示す。図１１はデジタルカメラ４０の外観を示す前方斜視図、図１２は同後方斜視図、図１３はデジタルカメラ４０の構成を示す断面図である。デジタルカメラ４０は、この例の場合、撮影用光路４２を有する撮影光学系４１、ファインダー用光路４４を有するファインダー光学系４３、シャッター４５、フラッシュ４６、液晶表示モニター４７等を含み、カメラ４０の上部に配置されたシャッター４５を押圧すると、それに連動して撮影光学系４１、例えば実施例２の結像光学系を通して撮影が行われる。撮影光学系４１によって形成された物体像が、近赤外カットコートを設けローパスフィルター作用を持たせたカバーガラスＣＧを介してＣＣＤ４９の撮像面上に形成される。このＣＣＤ４９で受光された物体像は、処理手段５１を介し、電子画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター４７に表示される。また、この処理手段５１には記録手段５２が接続され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、この記録手段５２は処理手段５１と別体に設けてもよいし、フロッピーディスクやメモリーカード、ＭＯ等により電子的に記録書込を行うように構成してもよい。また、ＣＣＤ４９に代わって銀塩フィルムを配置した銀塩カメラとして構成してもよい。
さらに、ファインダー用光路４４上にはファインダー用対物光学系５３が配置してある。このファインダー用対物光学系５３によって形成された物体像は、像正立部材であるポロプリズム５５の視野枠５７上に形成される。このポリプリズム５５の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系５９が配置されている。なお、撮影光学系４１及びファインダー用対物光学系５３の入射側、接眼光学系５９の射出側にそれぞれカバー部材５０が配置されている。
このように構成されたデジタルカメラ４０は、撮影光学系４１が高性能で小型であるので、高性能・小型化が実現できる。
なお、図１３の例では、カバー部材５０として平行平面板を配置しているが、パワーを持ったレンズを用いてもよい。
次に、本発明の結像光学系が対物光学系として内蔵された情報処理装置の１例であるパソコンが図１４〜図１６に示される。図１４はパソコン３００のカバーを開いた前方斜視図、図１５はパソコン３００の撮影光学系３０３の断面図、図１６は図１４の状態の側面図である。図１４〜図１６に示されるように、パソコン３００は、外部から繰作者が情報を入力するためのキーボード３０１と、図示を省略した情報処理手段や記録手段と、情報を操作者に表示するモニター３０２と、操作者自身や周辺の像を撮影するための撮影光学系３０３とを有している。ここで、モニター３０２は、図示しないバックライトにより背面から照明する透過型液晶表示素子や、前面からの光を反射して表示する反射型液晶表示素子や、ＣＲＴディスプレイ等であってよい。また、図中、撮影光学系３０３は、モニター３０２の右上に内蔵されているが、その場所に限らず、モニター３０２の周囲や、キーボード３０１の周囲のどこであってもよい。
この撮影光学系３０３は、撮影光路３０４上に、本発明による例えば実施例２の結像光学系からなる対物レンズ１１２と、像を受光する撮像素子チップ１６２とを有している。これらはパソコン３００に内蔵されている。
ここで、撮像素子チップ１６２上にはローパスフィルター作用を持たせたカバーガラスＣＧが付加的に貼り付けられて撮像ユニット１６０として一体に形成され、対物レンズ１１２の鏡枠１１３の後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、対物レンズ１１２と撮像素子チップ１６２の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠１１３の先端には、対物レンズ１１２を保護するためのカバーガラス１１４が配置されている。
撮像素子チップ１６２で受光された物体像は、端子１６６を介して、パソコン３００の処理手段に入力され、電子画像としてモニター３０２に表示される、図１４には、その１例として、操作者の撮影された画像３０５が示されている。また、この画像３０５は、処理手段を介し、インターネットや電話を介して、遠隔地から通信相手のパソコンに表示されることも可能である。
次に、本発明の結像光学系が撮影光学系として内蔵された情報処理装置の１例である電話、特に持ち運びに便利な携帯電話が図１７に示される。図１７（ａ）は携帯電話４００の正面図、図１７（ｂ）は側面図、図１７（ｃ）は撮影光学系４０５の断面図である。図１７（ａ）〜（ｃ）に示されるように、携帯電話４００は、操作者の声を情報として入力するマイク部４０１と、通話相手の声を出力するスピーカ部４０２と、操作者が情報を入力する入力ダイアル４０３と、操作者自身や通話相手等の撮影像と電話番号等の情報を表示するモニター４０４と、撮影光学系４０５と、通信電波の送信と受信を行うアンテナ４０６と、画像情報や通信情報、入力信号等の処理を行う処理手段（図示せず）とを有している。ここで、モニター４０４は液晶表示素子である。また、図中、各構成の配置位置は、特にこれらに限られない。この撮影光学系４０５は、撮影光路４０７上に配置された本発明による例えば実施例２の結像光学系からなる対物レンズ１１２と、物体像を受光する撮像素子チップ１６２とを有している。これらは、携帯電話４００に内蔵されている。
ここで、撮像素子チップ１６２上にはローパスフィルター作用を持たせたカバーガラスＣＧが付加的に貼り付けられて撮像ユニット１６０として一体に形成され、対物レンズ１１２の鏡枠１１３の後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっているため、対物レンズ１１２と撮像素子チップ１６２の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単となっている。また、鏡枠１１３の先端には、対物レンズ１１２を保護するためのカバーガラス１１４が配置されている。
撮影素子チップ１６２で受光された物体像は、端子１６６を介して、図示していない処理手段に入力され、電子画像としてモニター４０４に、又は、通信相手のモニターに、又は、両方に表示される。また、通信相手に画像を送信する場合、撮像素子チップ１６２で受光された物体像の情報を、送信可能な信号へと変換する信号処理機能が処理手段には含まれている。
以上の各実施例は、前記の特許請求の範囲の構成に合わせて種々変更することができる。
なお、本発明において次のように結像光学系を構成することもできる。
〔１〕  物体側から、明るさ絞り、第１正レンズ、第２負レンズ、第３正レンズ、第４正レンズの順に配置され、第４正レンズに非球面を使用したことを特徴とする結像光学系。
〔２〕  物体側から、第１正レンズ、第２負レンズ、第３正レンズ、第４正レンズの順に配置され、第４正レンズに非球面を有し、次の条件式を満たすことを特徴とする結像光学系。
１．０＜Ｙａ／ｒａ＜２．０                                ・・・（１０）
ただし、Ｙａは光軸から測った第４正レンズの非球面の最大光線高、ｒａは第４正レンズの非球面の光軸上曲率半径である。
〔３〕  物体側から、第１正レンズ、第２負レンズ、第３正レンズ、第４正レンズの順に配置され、第４正レンズに非球面を有し、次の条件式を満たすことを特徴とする結像光学系。
０．２５＜Ｙｃａ／Ｙａ＜０．８５                      ・・・（１１）
ただし、Ｙｃａは光軸から測った第４正レンズの非球面の変曲点位置、Ｙａは光軸から測った第４正レンズの非球面の最大光線高である。
【発明の効果】
本発明により、小型で高性能な結像光学系とそれを用いた小型で高性能の撮像装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の結像光学系の実施例１の無限遠物点合焦時のレンズ断面図である。
【図２】実施例２の結像光学系の図１と同様のレンズ断面図である。
【図３】実施例３の結像光学系の図１と同様のレンズ断面図である。
【図４】実施例４の結像光学系の図１と同様のレンズ断面図である。
【図５】実施例１の無限遠物点合焦時の収差図である。
【図６】実施例２の無限遠物点合焦時の収差図である。
【図７】実施例３の無限遠物点合焦時の収差図である。
【図８】実施例４の無限遠物点合焦時の収差図である。
【図９】撮像素子にて撮影を行う場合の最大像高Ｉｈを定義する有効撮像面の対角長Ｌについて説明するための図である。
【図１０】撮像素子の撮像面に視野枠を配する場合の最大像高Ｉｈを定義する有効撮像面の対角長Ｌについて説明するための図である。
【図１１】本発明による結像光学系を組み込んだデジタルカメラの外観を示す前方斜視図である。
【図１２】図１１のデジタルカメラの後方斜視図である。
【図１３】図１１のデジタルカメラの断面図である。
【図１４】本発明による結像光学系が対物光学系として組み込れたパソコンのカバーを開いた前方斜視図である。
【図１５】パソコンの撮影光学系の断面図である。
【図１６】図１４の状態の側面図である。
【図１７】本発明による結像光学系が対物光学系として組み込れた携帯電話の正面図、側面図、その撮影光学系の断面図である。
【符号の説明】
Ｓ  …明るさ絞り
Ｌ１…第１正レンズ
Ｌ２…第２負レンズ
Ｌ３…第３正レンズ
Ｌ４…第４正レンズ
ＣＧ…カバーガラス
Ｉ  …像面
ＦＳ…フレア絞り
Ｅ  …観察者眼球
４０…デジタルカメラ
４１…撮影光学系
４２…撮影用光路
４３…ファインダー光学系
４４…ファインダー用光路
４５…シャッター
４６…フラッシュ
４７…液晶表示モニター
４９…ＣＣＤ
５０…カバー部材
５１…処理手段
５２…記録手段
５３…ファインダー用対物光学系
５５…ポロプリズム
５７…視野枠
５９…接眼光学系
１１２…対物レンズ
１１３…鏡枠
１１４…カバーガラス
１６０…撮像ユニット
１６２…撮像素子チップ
１６６…端子
３００…パソコン
３０１…キーボード
３０２…モニター
３０３…撮影光学系
３０４…撮影光路
３０５…画像
４００…携帯電話
４０１…マイク部
４０２…スピーカ部
４０３…入力ダイアル
４０４…モニター
４０５…撮影光学系
４０６…アンテナ
４０７…撮影光路
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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