(57)【要約】【課題】固体撮像素子と共に用いられる複数枚構成の光学系を改良し、撮像装置の小型化・薄型化を図る。【解決手段】光学系の全長Ｄを３．６ｍｍ未満にして薄型化を図るとともに、結像面上における主光線の最大入射角を３３°を越える範囲まで広げる。全系の焦点距離ｆ、最終レンズの焦点距離をｆＬとしたとき、ｆ／ｆＬ＜−１．５０あるいはｆ／ｆＬ＜−０．９、さらにはＤ／ｆ＜１．１０の条件を満たすようにして光学性能の良化を図る。【選択図】図５
2012058407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚のレンズで構成された結像用の光学系と、前記光学系の結像面に結像された画像を撮像する固体撮像素子とを備えた撮像装置において、
前記光学系の最前面から結像面までの距離が３．６ｍｍ未満であり、かつ結像面に入射する主光線の最大角度が３３°を越えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
全系の焦点距離をｆ、最終レンズの焦点距離をｆＬとしたとき、ｆ／ｆＬ＜−１．５０であることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
複数枚のレンズで構成された結像用の光学系と、前記光学系の結像面に結像された画像を撮像する固体撮像素子とを備えた撮像装置において、
前記光学系の最前面から結像面までの距離Ｄが３．６ｍｍ未満であり、かつ全系の焦点距離をｆとしたとき、Ｄ／ｆ＜１．１０であることを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
最終レンズの焦点距離をｆＬとしたとき、ｆ／ｆＬ＜−０．９０であることを特徴とする請求項３記載の撮像装置。
【請求項５】
最終レンズの焦点距離をｆＬとしたとき、ｆ／ｆＬ＜−１．５０であることを特徴とする請求項３記載の撮像装置。
【請求項６】
前記光学系が負の最終レンズを含む４枚のレンズで構成されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか記載の撮像装置。
【請求項７】
前記光学系が負の最終レンズを含む３枚のレンズで構成されていることを特徴とする請求項３又は４記載の撮像装置。
【請求項８】
複数枚のレンズで構成された結像用の光学系と、前記光学系の結像面に結像された画像を撮像する固体撮像素子とを備えた撮像装置において、
前記光学系の最前面から結像面までの距離をＤ、全系の焦点距離をｆ、最終レンズの焦点距離をｆＬとしたとき、ｆ／ｆＬ＜−１．５であり、かつＤ／ｆ＜１．１０であることを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
前記固体撮像素子は、前記光学系の結像面に位置決めされる入射面に入射角度±３０°で光が入射したときの感度が、前記入射面に垂直に入射したときの感度の２０％以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記固体撮像素子は、被写体光を光電変換する光電変換部の受光面が、画素単位で撮像信号を読み出すための回路を含む配線層よりも被写体光の入射面側に設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記光電変換部が有機光電変換膜で構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記固体撮像素子は可視光域の被写体光を受光し、赤外領域には実質的な感度を有しないことを特徴とする請求項９記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記固体撮像素子は、裏面照射型固体撮像素子であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記光学系が赤外カットフィルタを含まないことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか記載の撮像装置。
【請求項１５】
請求項１〜１１のいずれか記載の撮像装置を内蔵したことを特徴とする携帯情報端末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結像用の光学系と撮像素子とからなる撮像装置に関し、詳しくは、光学系の全長を短くして薄型化を図った撮像装置及びこの撮像装置を内蔵した携帯情報端末に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラは小型化が容易であることから、携帯電話機やＰＤＡなどの各種の携帯機器に組み込まれ、さらにはＴＶ電話機用のカメラとして、また各種車両の内外の画像を運転席から確認するための車載カメラとしても広く用いられている。デジタルカメラは、結像用の光学系と、この光学系で結像された被写体画像を光電変換する固体撮像素子とをユニット化した撮像装置と、固体撮像装置を駆動して撮像信号の読出しを行い、さらには種々の信号処理を施してデジタル化した画像データを得、そして記録する回路・メモリ装置などで構成される。
【０００３】
例えば、携帯情報端末として広く利用されている携帯電話機やＰＤＡなどにデジタルカメラを内蔵させる場合、回路・メモリ装置部分については様々な実装手法で薄型化を図ることは比較的容易であるが、撮像装置部分についてはその光学的な性能を考慮するとその薄型化が難しい。というのは、簡便には光学系の全長を短くして撮像装置の薄型化を図ることは可能であるが、その結果、結像面上で光軸から離れた各点に入射する主光線の入射角度は光学系の全長が長いものと比較して大きくなる。これは、絞り面と結像面との間の幾何学距離が短くなることに起因しており、光学設計上、避けることができない。
【０００４】
一方、固体撮像素子として現在広く用いられている通常の表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでは、画素の開口効率を向上させ、結像光束を可能な限り画素ごとの光電変換部に導くべく、被写体光の入射面にマイクロレンズが敷設されている。これによって、マイクロレンズが敷設されていない場合に比べて開口効率が向上し光電変換効率も向上してはいる。しかし、被写体像を光電変換する光電変換部が配線層のさらに下方に存在するため、垂直入射した光線は効率よく光電変換されるものの、ある程度の角度の角度がついた光線は光電変換部に到達する前に配線層等によって遮断され、あるいは隣接する画素に漏れてしまうため、当該画素の光電変換に寄与できない。このために、画素単位での光電変換効率は光線が撮像面に垂直に入射した場合に最も高く、入射角２０°程度になったときの光電変換効率は垂直入射時の１００％に対して３５％程度にまで激減し、入射角が３０°程度を越えると大半の光線が配線層等により遮断され、あるいは隣接する画素へ漏れる結果、垂直入射時の５％まで低下する。
【０００５】
表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサにおいては、上述の如く光電変換部が配線層のさらに下方に存在するという画素構造により光線の広がり角度の許容範囲が狭く、入射角度が垂直よりも増すと直ちに隣接する画素への光線漏れが生じて感度の低下を誘起する。このような入射角度をもつ光線は画面周辺部に近づくほど増え、結果的に画面周辺部側で光電変換に寄与できる光線が減少して画面周辺部の画像が相対的に暗くなる。換言すれば、光学系で本来的に担保している開口効率そのままの明るさをＣＭＯＳイメージセンサを通して得られる画像で再現することができない。画面周辺部が暗い画像は、後段の画像処理によってこれを補正することが一般に行われている。しかし補正にはＳＮの劣化が伴い、甚だしく暗い画像を無理に補正した場合にはＳＮの劣化が許容範囲を越え、実用にはならない。また、上記のような入射角度をもった光線が画面周辺部で増えることに伴い、隣接画素への漏光も増えて混色の問題も生じる。混色についても同様に後段の画像処理による補正が可能ではあるが、やはりＳＮの劣化が免れず、混色が甚だしい画像を無理に補正した場合には同様にＳＮの劣化が許容範囲を越えてしまうため実用には供し得ない。
【０００６】
最近では、主光線の入射角度を画面周辺部で補正するために、マイクロレンズのピッチを画素ピッチよりも詰めること（いわゆるスケーリング）で、画面周辺部での照度低下を軽減させる対策が講じられることもあるが、未だ不十分で完全な対策にはなっていない。こうした事情から、特許文献１、２、３などで知られるように、撮像装置に用いられる光学系は、画面周辺部に入射する主光線の入射角が概ね３０°以内に収まるように光学設計されているのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１２２００７号公報
【特許文献２】特開２００８−２６８９４６号公報
【特許文献３】特開２００８−１８５６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これまでの撮像装置に用いられている光学系は、固体撮像素子の構造上の制約から、固体撮像素子の光入射面と一致させる光学系の結像面上で、画面周辺部における主光線の入射角を最大でも３０°程度に抑えなくてはならないことから、特許文献１、２に見られるように光学系の全長は４ｍｍ以上であり、撮像装置のさらなる薄型化には不十分である。また、特許文献３記載の光学系は、空気換算した全長が３．２ｍｍ程度にまで薄型化されてはいるが、結像面への主光線の入射角を３０°程度に抑えることを前提にしているため解像力が不足しがちでイメージサイズが小さくなるという難点があり、一般用途では適用可能範囲が限られ汎用性に乏しい。
【０００９】
本発明は上記背景を考慮してなされたもので、小型化、特に光学系の最前面から固体撮像素子の入射面（光学系の結像面）までの距離を短くして携帯情報端末への組み込み適性を高めると同時に、光学性能についても良好な光学系を備えた撮像装置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】
【００１０】
本発明は上記目的を達成するにあたり、固体撮像素子と組み合わされる結像用の光学系を複数枚構成とし、光学系の最前面から結像面までの距離を３．６ｍｍ未満にして薄型化を図るとともに、結像面に入射する主光線の最大入射角が３３°を越えるようにしたものである。主光線の最大入射角が３３°を越える範囲まで許容されると諸収差を小さく抑えたままでさらに光学系の全長を短くすることが可能となる。これにより、光学系の最前面から結像面までの距離を３．３ｍｍ程度まで縮めることが可能である。さらに望ましくは、結像面に入射する主光線の最大入射角を４５°以上にすることによって、諸収差を小さく抑えたままでさらに全長を短くすることが可能となる。これにより、光学系の最前面から結像面までの距離を３．０ｍｍ程度にまで縮めることが可能である。また、光学系全体の焦点距離をｆ、固体撮像素子側の最終レンズの焦点距離をｆＬとしたとき、「ｆ／ｆＬ＜−１．５０」を満たすようにすることが有効である。なお、光学系の最前面はレンズ面に限られず絞り面であってもよい。また、光学系の最前面から結像面までの距離は、光学系中にフィルタプレートなどのパワーをもたない平行平面板が含まれている場合には、これを空気換算して算出した値を表す。
【００１１】
さらに本発明は、複数枚のレンズで構成された結像用の光学系と、前記光学系の結像面に結像された画像を撮像する固体撮像素子とを備えた撮像装置を構成するにあたり、前記光学系の最前面から結像面までの距離Ｄを３．６ｍｍ未満とし、かつ全系の焦点距離をｆとしたとき、Ｄ／ｆ＜１．１０とすることも効果的である。加えて、最終レンズの焦点距離をｆＬとしたとき、ｆ／ｆＬ＜−０．９０とする。望ましくは、ｆ／ｆＬ＜−１．５０とすることも有効であり、これによって光学系の全長Ｄを短くしながらも例えば解像力などの光学性能を維持することが可能となる。これらの光学系は、最終レンズに負パワーのレンズを含み、全体で４枚または３枚のレンズの組合せにより効果的に実施することができる。
【００１２】
また、本発明において固体撮像素子とともに用いられる光学系は、その最前面から結像面までの距離をＤ、全系の焦点距離をｆ、最終レンズの焦点距離をｆＬとしたとき、ｆ／ｆＬ＜−１．５であり、かつＤ／ｆ＜１．１０を満足する光学系として構成することもできる。そして、この光学系においても、全体で３〜４枚のレンズ構成とすることにより、前記距離Ｄを３．６ｍｍ未満に抑えて薄型化を図ることが可能である。
【００１３】
本発明において用いられる固体撮像素子としては、有機光電変換膜によって被写体光を光電変換する機能を有するものであることが最も好ましく、この場合は結像面における光線の最大入射角を３３°を越えて広げることが可能となるだけでなく、併用される光学系中に赤外カットフィルタを要しないという大きな利点がある。また、結像面における光線の最大入射角を３３°を越えた角度まで広げることができるという観点からは裏面照射型の固体撮像素子も実用の範囲内である。上記したこれらの撮像装置は、携帯電話機に代表される携帯情報端末に好適に内蔵させることが可能で、そのほかにも内視鏡装置の撮像デバイスとして、またパーソナルコンピュータやテレビジョンなどに内蔵され、人物感知用あるいは画像認証用の撮像デバイスとして広く用いることが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の撮像装置は、小型化・薄型化を図りながらも、結像面における主光線の最大入射角を従来装置と比較して大きくしても良好な結像性能が得られるように工夫されているから、例えば家電製品や携帯情報端末などに種々の用途で内蔵される撮像装置として効果的に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の撮像装置が組み込まれた携帯電話機の外観図である。
【図２】固体撮像素子の概略断面図である。
【図３】結像面における像高と入射光線の角度との相関を示すグラフである。
【図４】赤外カットフィルタの分光透過特性を示すグラフである。
【図５】本発明に用いられる光学系の実施例１を示すレンズ構成図である。
【図６】実施例１の結像面上における像高位置と光線の入射角の関係を示すグラフである。
【図７】実施例１の収差図である。
【図８】本発明に用いられる光学系の実施例２を示すレンズ構成図である。
【図９】実施例２の結像面上における像高位置と光線の入射角の関係を示すグラフである。
【図１０】実施例２の収差図である。
【図１１】本発明に用いられる光学系の実施例３を示すレンズ構成図である。
【図１２】実施例３の結像面上における像高位置と光線の入射角の関係を示すグラフである。
【図１３】実施例３の収差図である。
【図１４】本発明に用いられる光学系の実施例４を示すレンズ構成図である。
【図１５】実施例４の結像面上における像高位置と光線の入射角の関係を示すグラフである。
【図１６】実施例４の収差図である。
【図１７】本発明に用いられる光学系の実施例５を示すレンズ構成図である。
【図１８】実施例５の結像面上における像高位置と光線の入射角の関係を示すグラフである。
【図１９】実施例５の収差図である。
【図２０】本発明に用いられる光学系の実施例６を示すレンズ構成図である。
【図２１】実施例６の結像面上における像高位置と光線の入射角の関係を示すグラフである。
【図２２】実施例６の収差図である。
【図２３】本発明に用いられる光学系の実施例７を示すレンズ構成図である。
【図２４】実施例７の結像面上における像高位置と光線の入射角の関係を示すグラフである。
【図２５】実施例７の収差図である。
【図２６】本発明に用いられる光学系の実施例８を示すレンズ構成図である。
【図２７】実施例８の結像面上における像高位置と光線の入射角の関係を示すグラフである。
【図２８】実施例８の収差図である。
【図２９】本発明に用いられる光学系の実施例９を示すレンズ構成図である。
【図３０】実施例９の結像面上における像高位置と光線の入射角の関係を示すグラフである。
【図３１】実施例９の収差図である。
【図３２】本発明に用いられる光学系の実施例１０を示すレンズ構成図である。
【図３３】実施例１０の結像面上における像高位置と光線の入射角の関係を示すグラフである。
【図３４】実施例１０の収差図である。
【図３５】本発明に用いられる光学系の実施例１１を示すレンズ構成図である。
【図３６】実施例１１の結像面上における像高位置と光線の入射角の関係を示すグラフである。
【図３７】実施例１１の収差図である。
【図３８】本発明に用いられる光学系の実施例１２を示すレンズ構成図である。
【図３９】実施例１２の結像面上における像高位置と光線の入射角の関係を示すグラフである。
【図４０】実施例１２の収差図である。
【図４１】本発明に用いられる光学系の実施例１３を示すレンズ構成図である。
【図４２】実施例１３の結像面上における像高位置と光線の入射角の関係を示すグラフである。
【図４３】実施例１３の収差図である。
【図４４】本発明に用いられる光学系の実施例１４を示すレンズ構成図である。
【図４５】実施例１４の結像面上における像高位置と光線の入射角の関係を示すグラフである。
【図４６】実施例１４の収差図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を適用した撮像装置を内蔵した携帯電話機の一例を図１に示す。同図（Ａ）が正面側、同図（Ｂ）が背面側の外観で、表示パネル２の下方に設けられた操作部から入力操作を行うと表示パネル２に操作メニューが表示される。表示パネル２はタッチパネルになっており、以後は表示パネル２に表示された適宜のアイコンに指先を触れてダイヤル通話操作などを行うことができる。
【００１７】
同図（Ｂ）に示すように、携帯電話機の背面側に撮影窓３が設けられ、その奥に撮像装置５が組み込まれている。表示パネル２へのタッチ操作によりカメラモードで起動すると、撮影窓３を通して撮像装置５で得られた画像がリアルタイムで表示パネル２にスルー画像として表示される。このスルー画像を観察しながらフレーミングを行い、適宜のタイミングでレリーズ操作すれば静止画の撮影を行うことができる。カメラモードで起動した後、動画モードを選択すれば動画の撮影も可能となる。撮像装置５は、略直方体状の筐体内に、チップレベルでフレキシブル基板に実装された固体撮像素子と、この固体撮像素子の前面に位置決めされた結像用の光学系とからなり、筐体を含む全体の厚みは数ｍｍ〜８ｍｍ程度にまとめられ、携帯電話機の筐体厚み内に収容されている。
【００１８】
この撮像装置５に用いられている固体撮像素子は、光学系を通して入射した被写体光を有機光電変換膜で光電変換するＣＭＯＳイメージセンサ（以下、有機ＣＭＯＳセンサ）で構成されている。この有機ＣＭＯＳセンサは、例えば「FUJIFILM RESERCH ＆DEVELOPMENT 」(No.55-2010)などにより公知で、その概略構造は、例えば図２（Ａ）に示すようになっている。また、従来のシリコン光電変換領域が設けられたＣＭＯＳイメージセンサにおいて、受光感度を向上させることを目的として裏面照射型（背面照射型）ＣＭＯＳイメージセンサが開発されている。その概略構造は、例えば図２（Ｂ）に示すようになっている。
【００１９】
図２（Ａ）は有機ＣＭＯＳセンサを示し、比較のために同図（Ｃ）に従来の表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサを示す。互いに共通する構成部分には同符号を付してある。マイクロカラーフィルタ層６は、青色（Ｂ光）透過フィルタと緑色（Ｇ光）透過フィルタと赤色（Ｒ光）透過フィルタとをベイヤー配列などの所定パターンで配列したもので、図中のＰが一画素分のピクセルに相当する。
【００２０】
有機ＣＭＯＳセンサは読み出し回路（図示省略）が設けられた半導体基板７の上方に配線層８を設け、その上方に画素電極９、有機光電変換膜１０、透明な対向電極１２を有する構造である。配線層８には、画素電極９を介して画素単位に得られる撮像信号を読み出すためのスイッチング回路あるいは増幅回路などの回路網が含まれ、これらの回路は配線層８中に設けられた接続部１４によって電気的に接続される。対向電極１２の上方には透明な保護層１３が形成され、その上に前述したマイクロカラーフィルタ層６が積層されている。
【００２１】
同図（Ｂ）に示す裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでは、半導体基板７中にシリコンフォトダイオードからなる光電変換部１１が画素ごとに設けられ、その上方にパッシベーション膜１５、マイクロカラーフィルタ層６を積層した構造となっている。さらにマイクロカラーフィルタ層６を画素単位で個々のマイクロレンズが覆うように、マイクロレンズアレイ１６が重ねられ、画素単位で撮像信号を読み出すためのスイッチング回路等を含む配線層８は、光電変換部１１の下方（光の入射面とは反対側）に設けられている。
【００２２】
同図（Ｃ）に示す従来の表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでは、半導体基板７中にシリコンフォトダイオードからなる光電変換部１１を設け、その上方に配線層８、パッシベーション絶縁膜１５、マイクロカラーフィルタ層６を設け、マイクロカラーフィルタ層６を画素単位で個々のマイクロレンズで覆うように、マイクロレンズアレイ１６が重ねられている。
【００２３】
図２から分るように、有機ＣＭＯＳセンサと裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでは、光電変換のための受光面となる有機光電変換膜１０の上面、あるいは光電変換部１１の上面が配線層８の上方に位置し、光の入射側に接近して設けられているのに対し、従来の表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでは受光面となる光電変換部１１の上面が配線層８の下方に位置している。また、有機ＣＭＯＳセンサでは光電変換部として機能する有機光電変換膜の厚みが０．５μｍであるが、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサおよび表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサではシリコンフォトダイオードからなる光電変換部の深さ方向の厚みが５μｍ程度となっている。
【００２４】
光電変換部の受光面を配線層８の上方に位置させることにより、表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサと比較して、有機ＣＭＯＳセンサ及び裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサは入射光束の損失が少なく感度が向上する。また、入射光が受光面に達する前に配線層８で蹴られるのを避けることができるため、光線が角度をもって入射した場合の感度劣化を抑えることができる。さらに、光電変換作用をもつ有機光電変換膜１０あるいは光電変換部１１の深さ方向の厚みＴが薄くなれば、マイクロカラーフィルタ層６を垂直に透過してきた入射光はもとより、斜めに透過してきた入射光も隣接する画素の光電変換部１１への漏光を抑えることができるようになり、混色の発生を改善することが可能となる。そして、同図（Ｂ）に示す裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでは、混色の発生を防ぐために、斜めに入射してきた光がマイクロカラーフィルタ層６にできるだけ垂直に入射するようにマイクロレンズアレイ１６を利用せざるを得ないのに対し、同図（Ａ）の有機ＣＭＯＳセンサではマイクロレンズアレイ１６を省略することができる。
【００２５】
また、図２（Ｂ），（Ｃ）に示す裏面照射型あるいは表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでは、適切なマイクロレンズアレイ１６を用いた場合でもマイクロカラーフィルタ層６の法線に対して３０°以上の角度で入射してきた光線は、該当画素の光電変換部１１に入射する割合が激減する。図３はその様子を相対感度で表したもので、光線の入射角０°が垂直入射に相当する。図３に符号Ｍ３で示す感度特性が従来の表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサのもので、光線の入射角が±２０°程度になると垂直入射と比較して３５％程度にまで低下し、±３０°がほぼ限界となっている。
【００２６】
符号Ｍ２で示す感度特性が裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサのもので、光線の入射角が±２０°ぐらいになると垂直入射と比較して感度は低下するものの、５０％程度は確保され，±３０°でも２５％程度の感度を有しており、表面入射型ＣＭＯＳイメージセンサよりも優れている。さらに、有機ＣＭＯＳセンサは符号Ｍ１で示す感度特性を有しており、理論限界となるコサインカーブＭ０とほぼ同等のレベルまで高い感度特性を示し、実用的には±４５°近辺でも十分な感度を示していることが分かる。これは、上述の如く有機光電変換膜が光の入射面に接近し、かつ、その厚みが薄いという特長に依るものである。
【００２７】
上述のように、有機ＣＭＯＳセンサの感度特性は裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサよりも格段に優れており、かつ表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサに対しては圧倒的に優れている。感度特性としては有機ＣＭＯＳセンサが最も優れてはいるが、本発明を実施する上では、入射角±３０°の光線に対する相対的な感度が、垂直入射に対して２０％を上回る感度特性があればよい。したがって、感度特性上からは裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでも実用的には利用可能で、必ずしも有機光電変換膜によって光電変換作用を行う固体撮像素子に限られない。入射角±３０°の光線に対して相対的な感度が２０％を下回る固体撮像素子では、後段の画像処理によってシェーディング補正処理を行った際にＳＮ  の劣化が許容できなくなり、結果として画質の著しい低下を招く。望ましくは、光線入射角±３０°における相対的な感度が５０％を上回る特性をもつ固体撮像素子であればなお良い。
【００２８】
また、従来型のＣＭＯＳイメージセンサは赤外領域にも感度を有するため、赤外カットフィルタを光学系内に組み込むのが一般となっている。一般的な多層膜を用いた赤外カットフィルタは、例えば図４に符号Ｔ０で示すように、垂直入射光に対する透過率の半値が６５０ｎｍ程度に設定された分光透過特性をもつ。ところが、斜め入射光に対しては波長シフトを生じ、２０°入射ではＴ１、３０°入射ではＴ２、４０°入射ではＴ３と透過特性が変化する。したがって、入射角が小さい画面中央部分と入射角が大きくなる画面周辺部とで色味が変わる色シェーディングの問題が生じてくる。この色シェーディングの観点からも、従来型のＣＭＯＳイメージセンサでは、結像面の特に周辺部に入射する主光線の入射角の最大値を２５°〜３０°に抑えておくことが前提的条件にもなっているのが現状となっている。
【００２９】
これに対し本発明の撮像装置では、従来の常識的制約にとらわれることなく、結像面に入射する主光線の最大角度を３３°以上にまで広げることによって、全長が３．６ｍｍ未満にまで抑えることができる光学系を用いるようにしたことが大きなポイントになっている。また、結像面に入射する主光線の最大角度を４０°以上にまで広げることによって、全長が３．３ｍｍ程度にまで縮めることが可能である。さらに望ましくは、結像面に入射する主光線の最大入射角を４５°以上にすることによって、光学系の最前面から結像面までの距離を３．０ｍｍ程度にまで縮めることが可能となる。しかも、主光線の最大入射角を大きくしても、図２及び図３で説明したような隣接画素への漏光が生じることがないように、光学系とともに用いられる固体撮像素子も改善を施しておくことが好ましく、固体撮像素子としては前述した有機ＣＭＯＳイメージセンサや、裏面照射型イメージセンサが好適に用いられる。
【００３０】
特に、有機ＣＭＯＳイメージセンサでは、その分光感度特性が図４に破線で示すように、赤外領域での感度を著しく低下させることが可能であるため、必ずしも赤外カットフィルタを光学系中に組み込まなくても実用化ができる。したがって、赤外カットフィルタを省略して色シェーディングをなくすとともに、製造コストを抑えることも可能となる。
【００３１】
本発明に用いられる結像用の光学系の特徴は、第一に複数枚で構成される光学系の全長Ｄが３．６０ｍｍ未満であり、より好ましくは３．５０ｍｍであることで、さらに結像面上で許容される主光線の最大入射角が３３°を越えていることである。ここで、主光線とは光学絞り面の中心を通って結像面に達する光線を意味し、また光学系の全長Ｄとは、最前面に絞り面がある場合には絞り面から結像面までの距離を意味し、光学系内にパワーをもたない平行平面板が含まれる場合にあっては、その屈折率と厚みに応じた空気換算を行った値を意味する。
【００３２】
さらに、本発明の光学系が４枚レンズで構成されている場合の特徴は、光学系全系の焦点距離をｆ、固体撮像素子に最も近く、そしてパワーをもった最終レンズの焦点距離をｆＬとしたとき、ｆ／ｆＬ＜−１．５０の条件を満たすことである。この条件を満たさないと、光学系の全長Ｄを短くしながらも例えば解像力などの光学性能を維持することが困難になる。実用的にはさらに下限をもたせ、−３．００＜ｆ／ｆＬ＜−１．５の範囲にすることが望ましい。この下限が満たされないと、最終レンズの負パワーが強くなり過ぎて光学性能の維持が難しくなる。
【００３３】
さらに、光学系の全長Ｄと、全系の焦点距離ｆとを用い、Ｄ／ｆ＜１．１０の条件を満足させることも有効である。この条件を満たさずに全長Ｄを短くすると必要以上に広角となり、一般的な使用状態のもとでは光学諸元として適切でない。この条件に下限を加えるなら、０．８０＜Ｄ／ｆ＜１．１０とするのが望ましい。この下限を下まわると、各レンズのパワーが強くなり過ぎて収差補正が難しくなる。
【００３４】
本発明の光学系を３枚レンズの組み合わせで構成する場合には、ｆ／ｆＬ＜−０．９０の条件式を満足させるのが好ましい。この条件式が満たされないと、やはり光学性能の劣化が避けられない。さらに下限を設け、−２．００＜ｆ／ｆＬ＜−０．９０にすることが望ましい。この下限を下まわると最終レンズの負パワーが強くなり過ぎて光学性能の維持が困難になる。さらに、３枚レンズ構成あるいは４枚レンズ構成のいずれの場合でも最終レンズの像側の面は光軸近辺で像面側に凹であることが望ましい。これによりｆ／ｆＬ  を適切な値に保つことが容易になる。
【００３５】
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。実施例１〜８は光学系を４枚のレンズで構成した例、実施例９〜１４は光学系を３枚のレンズで構成した例である。これらの実施例１〜１４の代表的な数値データは表１に示すとおりで、参考までに比較例１〜６についても併記した。比較例１，２はそれぞれ特許文献１の実施例１、２として記載された例、比較例３，４はそれぞれ特許文献２の実施例１，４として記載された例、比較例５，６はそれぞれ特許文献３の実施例４，７として記載された例を示している。なお、これらの実施例では３枚レンズ構成、４枚レンズ構成について説明しているが、５枚以上のレンズ構成の場合でも本発明は適用することができる。この場合、４枚レンズ構成の場合と同等の数値範囲が適用できる。
【００３６】
【表１】
2012058407.tif 000003
【００３７】
以下、本発明の実施例１〜１４及び、比較例１〜６について、それぞれレンズデータと非球面係数を示す各表と、光学系の基本構成と、結像面における各像高位置に入射する主光線（Ｐ）の入射角並びにその主光線の上方（Ｕ）と下方（Ｌ）からそれぞれ入射する光線の入射角を示すグラフと、各実施例の収差図を表す図面にしたがって説明する。光学系の基本構成を示す図面においては、物体側から順にＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の符号を付し、Ｓは絞り面を、Ｐは結像面を表し、また赤外カットフィルタＦＬは平行平面板で構成され結像性能には寄与しない。収差図にあっては、球面収差図の符号Ｆ，ｄ，ＣはそれぞれＦ線（４８６ｎｍ）、ｄ線（５８８ｎｍ）、Ｃ線（６５６ｎｍ）の波長光に対する特性を示し、非点収差図の符号ｓ，ｔは、それぞれサジタル，タンジェンシャルの特性を示す。
【００３８】
また、本発明の各実施例では、複数枚構成のレンズの各面には全て非球面が用いられ、レンズデータ中の各面の曲率半径は近軸曲率半径を示す。非球面係数は、以下の数式で表される非球面形状の各係数Ａｉと、Ｋの値を表す。表中の記号Ｅは、その次に続く数値が１０を底とする「べき指数」であることを意味している。
【００３９】
上記非球面形状を表す数式は、
Ｚ（ｈ）＝Ｃ・ｈ２／｛１＋（１−Ｋ・Ｃ２・ｈ２）１／２｝＋ΣＡ（ｉ）・ｈｉ
で表され、上式の各文字は以下を表す。
Ｚ：非球面の深さ（ｍｍ）
ｈ：光軸からレンズ面までの距離（高さ）（ｍｍ）
Ｋ：円錐係数
Ｃ：近軸曲率＝１／Ｒ
Ｒ：近軸曲率半径
Ａｉ：第ｉ次（ｉは３以上の整数）の非球面係数
【００４０】
以下に説明する各実施例は、本発明の撮像装置に用いられる光学系についてのものであるが、これらの各実施例に挙げた光学系とともに共通に用いられる固体撮像素子としては、光線入射角度±３０°において相対的な感度が２０％を上回る特性をもつものであればよい。具体的には、有機ＣＭＯＳセンサもしくは裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサが挙げられる。望ましくは、光電変換部としては有機光電変換膜に限らず最終的に光線入射角度±３０°において相対的な感度が５０％を上回る特性をもつものであればなお良い。
【００４１】
［実施例１］
実施例１の光学系は図５の構成を有し、そのレンズデータ及び非球面係数は次の表２及び表３のとおりである。
【００４２】
【表２】
2012058407.tif 000004
【００４３】
【表３】
2012058407.tif 000005
【００４４】
実施例１では、光学系の全長が実寸で３．３８２ｍｍであるが、赤外カットフィルタＦＬの厚み分を空気換算した値３．３０３ｍｍが全長ＤとなりＤ＜３．６mmの条件を満たす。また、結像面における主光線の最大入射角は周辺部で約３６．８°に達し、所期の条件を満たす。なお、結像面における主光線の最大入射角は、他の実施例についても「ＣＲＡ（Chief Ray Angleの略)」として表１に併記した。表１にも示すように、全系の焦点距離ｆは３．０９ｍｍ、最終レンズであるＧ４の焦点距離ｆＬは−１．８６０ｍｍであるから、ｆ／ｆＬ、Ｄ／ｆの値はそれぞれ−１．６６１（＜−１．５０）、１．０６８（＜１．１０）となり、所期の条件を満たしている。
【００４５】
［実施例２］
実施例２の光学系は図８の構成を有し、そのレンズデータ及び非球面係数は次の表４及び表５のとおりである。この実施例では、絞りが第１レンズＧ１の像面側の面とほぼ一致して具体的な図示が難しいので図８では絞りの図示を省略した。
【００４６】
【表４】
2012058407.tif 000006
【００４７】
【表５】
2012058407.tif 000007
【００４８】
実施例２では、光学系の全長が実寸で３．００８ｍｍであり、光学系中に赤外カットフィルタがないためこれが全長Ｄとなり、Ｄ＜３．６ｍｍの条件を満たす。結像面における主光線の最大入射角は周辺部で約４５．８°（＞３３°）に達し、この点でも所期の条件が満たされている。表１にも示すように、全系の焦点距離ｆは３．００ｍｍ、最終レンズであるＧ４の焦点距離ｆＬは−１．９１４ｍｍであるから、ｆ／ｆＬ、Ｄ／ｆの値はそれぞれ−１．５６７（＜−１．５０）、１．００２（＜１．１０）となり、所期の条件を満たしている。
【００４９】
［実施例３］
実施例３の光学系は図１１の構成を有し、そのレンズデータ及び非球面係数は次の表６及び表７のとおりである。
【００５０】
【表６】
2012058407.tif 000008
【００５１】
【表７】
2012058407.tif 000009
【００５２】
実施例３では、光学系の全長が実寸で３．１２９ｍｍであり、光学系中に赤外カットフィルタがないためこれが全長Ｄとなり、所期の条件を満たしている。結像面における主光線の最大入射角は周辺部で約４５．５°（＞３３°）に達している。表１にも示すように、全系の焦点距離ｆは３．０１ｍｍ、最終レンズであるＧ４の焦点距離ｆＬは−１．８７８ｍｍであるから、ｆ／ｆＬ、Ｄ／ｆの値はそれぞれ−１．６０３（＜−１．５０）、１．０４０（＜１．１０）となり、これらの値も所期の条件を満たしている。
【００５３】
［実施例４］
実施例４の光学系は図１４の構成を有し、そのレンズデータ及び非球面係数は次の表８及び表９のとおりである。
【００５４】
【表８】
2012058407.tif 000010
【００５５】
【表９】
2012058407.tif 000011
【００５６】
実施例４では、光学系の全長が実寸で３．２０５ｍｍであり、光学系中に赤外カットフィルタＦＬを有するため、空気換算した３．１２７ｍｍが全長Ｄとなるから、Ｄ＜３．６ｍｍの条件をクリアしている。結像面における主光線の最大入射角は周辺部で約４６．９°（＞３３°）に達する。表１にも示すように、全系の焦点距離ｆは３．０１ｍｍ、最終レンズであるＧ４の焦点距離ｆＬは−１．９６９ｍｍであるから、ｆ／ｆＬ、Ｄ／ｆの値はそれぞれ−１．５２９（＜−１．５０）、１．０４１（＜１．１０）となり、これらの値も所期の条件を満たす。
【００５７】
［実施例５］
実施例５の光学系は図１７の構成を有し、そのレンズデータ及び非球面係数は次の表１０及び表１１のとおりである。
【００５８】
【表１０】
2012058407.tif 000012
【００５９】
【表１１】
2012058407.tif 000013
【００６０】
実施例５では、光学系の全長が実寸で３．５９７ｍｍであり、光学系中に赤外カットフィルタＦＬを有するため、空気換算した３．４９５ｍｍが全長Ｄとなり、３．６ｍｍよりも小さい。また、結像面における主光線の最大入射角は周辺部で約３６．２°（＞３３°）に達している。表１にも示すように、全系の焦点距離ｆは２．８８ｍｍ、最終レンズであるＧ４の焦点距離ｆＬは−１．７８４ｍｍであるから、ｆ／ｆＬの値は−１．６１４（＜−１．５０）となり所期の条件を満たす。Ｄ／ｆの値は１．２１３でＤ／ｆ＜１．１０の条件を満たしていないが、収差図にみられるように結像性能は良好で十分に実用レベルである。
【００６１】
［実施例６］
実施例６の光学系は図２０の構成を有し、そのレンズデータ及び非球面係数は次の表１２及び表１３のとおりである。
【００６２】
【表１２】
2012058407.tif 000014
【００６３】
【表１３】
2012058407.tif 000015
【００６４】
実施例６では、光学系の全長が実寸で３．３９２ｍｍであり、光学系中に赤外カットフィルタがないためこれが全長Ｄとなり、Ｄ＜３．６ｍｍの条件を満たす。また、結像面における主光線の最大入射角は約３４．９°（＞３３°）に達している。表１にも示すように、全系の焦点距離ｆは２．７０ｍｍ、最終レンズであるＧ４の焦点距離ｆＬは−１．６９３ｍｍであるから、ｆ／ｆＬの値は−１．５９５（＜−１．５０）となり所期の条件を満たす。Ｄ／ｆの値は１．２５６でＤ／ｆ＜１．１０の条件を満たしていないが、収差図にみられるように結像性能は良好で十分に実用レベルである。
【００６５】
［実施例７］
実施例７の光学系は図２３の構成を有し、そのレンズデータ及び非球面係数は次の表１４及び表１５のとおりである。
【００６６】
【表１４】
2012058407.tif 000016
【００６７】
【表１５】
2012058407.tif 000017
【００６８】
実施例７では、光学系の全長が実寸で３．３９２ｍｍであり、光学系中に赤外カットフィルタがないためこれが全長Ｄとなり、やはり３．６ｍｍよりも小さくなっている。また、結像面における主光線の最大入射角は４４．６°（＞３３°）に達する。表１にも示すように、全系の焦点距離ｆは２．６５ｍｍ、最終レンズであるＧ４の焦点距離ｆＬは−２．１９０ｍｍであるから、ｆ／ｆＬ、Ｄ／ｆの値はそれぞれ−１．２１、１．２５５となる。ｆ／ｆＬ＜−０．９の条件が満たされ、Ｄ／ｆ＜１．１０の条件は満たされていないものの、収差図にみられるように光学性能は十分に実用レベルである。
【００６９】
［実施例８］
実施例８の光学系は図２６の構成を有し、そのレンズデータ及び非球面係数は次の表１６及び表１７のとおりである。
【００７０】
【表１６】
2012058407.tif 000018
【００７１】
【表１７】
2012058407.tif 000019
【００７２】
実施例８では、光学系の全長が実寸で３．０８７ｍｍであり、光学系中に赤外カットフィルタがないためこれが全長Ｄとなり、条件であるＤ＜３．６ｍｍを大幅にクリアしている。また、結像面における主光線の最大入射角は約３８．７°（＞３３°）に達する。表１にも示すように、全系の焦点距離ｆは２．６２ｍｍ、最終レンズであるＧ４の焦点距離ｆＬは−１．３００ｍｍであるから、ｆ／ｆＬの値は−２．０１５（＜−１．５０）となり所期の条件を満たす。Ｄ／ｆの値は１．１７９でＤ／ｆ＜１．１０の条件をわずかに満たしていないが、収差図にみられるように結像性能は良好で十分に実用レベルである。
【００７３】
［実施例９］
実施例９の光学系は、図２９に示すように３枚レンズで構成され、そのレンズデータ及び非球面係数は次の表１８及び表１９のとおりである。
【００７４】
【表１８】
2012058407.tif 000020
【００７５】
【表１９】
2012058407.tif 000021
【００７６】
実施例９では、光学系の全長が実寸で３．３６３ｍｍであり、光学系中に赤外カットフィルタがないためこれが全長Ｄとなり、Ｄ＜３．６ｍｍを満たす。また、結像面における主光線の最大入射角は画面周辺部では約４０．６°（＞３３°）に達する。表１にも示すように、全系の焦点距離ｆは３．１２ｍｍ、最終レンズＧ３の焦点距離ｆＬは−２．０７４ｍｍであるから、ｆ／ｆＬ，Ｄ／ｆの値はそれぞれ−１．０５４，１．０７９となる。３枚構成の光学系では、ｆ／ｆＬ＜−０．９でも十分で、この実施例９ではｆ／ｆＬ＜−０．９の条件及びＤ／ｆ＜１．１０の条件は共に満たされている。
【００７７】
［実施例１０］
実施例１０の光学系は図３２に示すとおりで、そのレンズデータ及び非球面係数は次の表２０及び表２１のとおりである。
【００７８】
【表２０】
2012058407.tif 000022
【００７９】
【表２１】
2012058407.tif 000023
【００８０】
実施例１０では、光学系の全長が実寸で３．２５６ｍｍであり、光学系中に赤外カットフィルタがないためこれが全長Ｄとなり、Ｄ＜３．６ｍｍを満たす。また、結像面における主光線の最大入射角は画面周辺部では約４４．９°（＞３３°）に達する。表１にも示すように、全系の焦点距離ｆは３．０１ｍｍ、最終レンズＧ３の焦点距離ｆＬは−３．０８１ｍｍであるから、ｆ／ｆＬ，Ｄ／ｆの値はそれぞれ−０．９７７，１．０８３となる。ｆ／ｆＬ＜−０．９の条件及びＤ／ｆ＜１．１０の条件は満たされている。
【００８１】
［実施例１１］
実施例１１の光学系は図３５に示すとおりで、そのレンズデータ及び非球面係数は次の表２２及び表２３のとおりである。
【００８２】
【表２２】
2012058407.tif 000024
【００８３】
【表２３】
2012058407.tif 000025
【００８４】
実施例１１では、光学系の全長が実寸で３．２５７ｍｍであり、光学系中に赤外カットフィルタがないためこれが全長Ｄとなり、Ｄ＜３．６ｍｍを満たす。また、結像面における主光線の最大入射角は画面周辺部では約４３．９°（＞３３°）である。表１にも示すように、全系の焦点距離ｆは３．０１ｍｍ、最終レンズＧ３の焦点距離ｆＬは−２．７０２ｍｍであるから、ｆ／ｆＬ，Ｄ／ｆの値はそれぞれ−１．１１４，１．０８３となる。ｆ／ｆＬ＜−０．９の条件及びＤ／ｆ＜１．１０の条件は満たされている。
【００８５】
［実施例１２］
実施例１２の光学系は図３８に示すとおりで、そのレンズデータ及び非球面係数は次の表２４及び表２５のとおりである。
【００８６】
【表２４】
2012058407.tif 000026
【００８７】
【表２５】
2012058407.tif 000027
【００８８】
実施例１２では、光学系の全長が実寸で３．３３９ｍｍであり、光学系中に赤外カットフィルタがないためこれが全長Ｄとなり、Ｄ＜３．６ｍｍを満たす。また、結像面における主光線の最大入射角は画面周辺部では約４１．６°（＞３３°）に達する。全系の焦点距離ｆは３．０２ｍｍ、最終レンズＧ３の焦点距離ｆＬは−２．９８７ｍｍであるから、ｆ／ｆＬ，Ｄ／ｆの値はそれぞれ−１．０１１，１．１０５となる。ｆ／ｆＬ＜−０．９の条件はクリアしている。Ｄ／ｆ＜１．１０の条件をわずかに満たされていないが、収差図にみられるように結像性能は実用レベルである。
【００８９】
［実施例１３］
実施例１３の光学系は図４１に示すとおりで、そのレンズデータ及び非球面係数は次の表２６及び表２７のとおりである。
【００９０】
【表２６】
2012058407.tif 000028
【００９１】
【表２７】
2012058407.tif 000029
【００９２】
実施例１３では、光学系の全長が実寸で３．２１６ｍｍであるが、赤外カットフィルタＦＬの厚み分を空気換算した値３．１６６ｍｍが全長ＤとなりＤ＜３．６mmの条件を満たす。また、結像面における主光線の最大入射角は画面周辺部では約３６．０°（＞３３°）に達する。全系の焦点距離ｆは２．７２ｍｍ、最終レンズＧ３の焦点距離ｆＬは−３３．５８ｍｍであるから、ｆ／ｆＬ，Ｄ／ｆの値はそれぞれ−１．０１１，１．１０５となる。ｆ／ｆＬ＜−０．９及びＤ／ｆ＜１．１０の条件は満たされてはいないが、収差図にみられるように結像性能は実用レベルである。
【００９３】
［実施例１４］
実施例１４の光学系は図４４に示すとおりで、そのレンズデータ及び非球面係数は次の表２８及び表２９のとおりである。この実施例では、絞りが第１レンズＧ１の像面側の面とほぼ一致して具体的な図示が難しいので図４４では絞りの図示を省略した。
【００９４】
【表２８】
2012058407.tif 000030
【００９５】
【表２９】
2012058407.tif 000031
【００９６】
実施例１４では、光学系の全長が実寸で３．２８９ｍｍであるが、赤外カットフィルタＦＬの厚み分を空気換算した値３．２４ｍｍが全長ＤとなりＤ＜３．６mmの条件を満たす。また、結像面における主光線の最大入射角は画面周辺部では約４０．４°（＞３３°）に達する。全系の焦点距離ｆは２．７７ｍｍ、最終レンズＧ３の焦点距離ｆＬは４６．９５ｍｍであるから、ｆ／ｆＬ，Ｄ／ｆの値はそれぞれ０．０５９，１．１７１となる。ｆ／ｆＬ＜−０．９及びＤ／ｆ＜１．１０の条件は満たされてはいないが、収差図にみられるように結像性能は実用レベルである。
【符号の説明】
【００９７】
５  撮像装置
６  マイクロカラーフィルタ層
７  ＣＭＯＳ基板
１０  有機光電変換膜  
【図１】
2012058407.tif 000032
【図２】
2012058407.tif 000033
【図３】
2012058407.tif 000034
【図４】
2012058407.tif 000035
【図５】
2012058407.tif 000036
【図６】
2012058407.tif 000037
【図７】
2012058407.tif 000038
【図８】
2012058407.tif 000039
【図９】
2012058407.tif 000040
【図１０】
2012058407.tif 000041
【図１１】
2012058407.tif 000042
【図１２】
2012058407.tif 000043
【図１３】
2012058407.tif 000044
【図１４】
2012058407.tif 000045
【図１５】
2012058407.tif 000046
【図１６】
2012058407.tif 000047
【図１７】
2012058407.tif 000048
【図１８】
2012058407.tif 000049
【図１９】
2012058407.tif 000050
【図２０】
2012058407.tif 000051
【図２１】
2012058407.tif 000052
【図２２】
2012058407.tif 000053
【図２３】
2012058407.tif 000054
【図２４】
2012058407.tif 000055
【図２５】
2012058407.tif 000056
【図２６】
2012058407.tif 000057
【図２７】
2012058407.tif 000058
【図２８】
2012058407.tif 000059
【図２９】
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【図３０】
2012058407.tif 000061
【図３１】
2012058407.tif 000062
【図３２】
2012058407.tif 000063
【図３３】
2012058407.tif 000064
【図３４】
2012058407.tif 000065
【図３５】
2012058407.tif 000066
【図３６】
2012058407.tif 000067
【図３７】
2012058407.tif 000068
【図３８】
2012058407.tif 000069
【図３９】
2012058407.tif 000070
【図４０】
2012058407.tif 000071
【図４１】
2012058407.tif 000072
【図４２】
2012058407.tif 000073
【図４３】
2012058407.tif 000074
【図４４】
2012058407.tif 000075
【図４５】
2012058407.tif 000076
【図４６】
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