JP2005121799A - ズームレンズ及びそれを用いた電子撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高ズーム比、明るいＦ値、広い画角等の高い光学仕様性能を有するズームレンズ、及びこのズームレンズをを搭載しながらも、奥行き方向が極めて薄い電子撮像装置を提供する。
【解決手段】 最も物体側のレンズ群Ｇ１に光路を折り曲げるための反射面Ｍを配置し、そのレンズ群Ｇ１の最も物体側の面頂から反射面Ｍまでの光軸に沿った長さｄと、前記反射面から光路沿いを像側に向かって最初に位置する正レンズの外形形状（光軸に直角な断面形状）における光路折り曲げ位置より物体側の光軸と平行な方向の寸法ａとが、それぞれ条件（１）、（２）を満足するように、ズームレンズを構成した。また、このズームレンズを電子撮像装置に備えるようにした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ズームレンズ及びそれを用いた電子撮像装置に関し、特に、ズームレンズ等の光学系部分の工夫により、奥行き方向の薄型化を実現したビデオカメラやデジタルカメラ等の電子撮像装置に適したズームレンズに関するものである。

近年、銀塩３５ｍｍフィルム（１３５フォーマット）カメラに代わる次世代カメラとして、デジタルカメラ（電子カメラ）が注目されてきている。さらに、それは業務用高機能タイプからポータブルな普及タイプまで、幅広い範囲でいくつものカテゴリーを有するようになってきている。

カメラの奥行き方向を薄くするのに最大のネックとなっているのは、光学系、特にズームレンズ系の最も物体側の面から撮像面までの厚みである。最近におけるカメラボディ薄型化技術の主流は、沈胴式鏡筒を採用することである。この沈胴式鏡筒は、撮影時には光学系がカメラボディ内から突出しているが、携帯時には収納する構造になっている。この沈胴式鏡筒に用いられる光学系の例としては、特許文献１、特許文献２、特許文献３等のものがある。これらは、物体側から順に、負の屈折力を有する第１群、正の屈折力を含む第２群を有しており、共に変倍時には移動する。

また、最近では、光学系の光路（光軸）を、ミラーやプリズム等の反射光学素子で折り曲げる構成をとるものも出現している（非特許文献１）。この構成では、上記沈胴式鏡筒に見られるような、カメラの使用状態への立ち上げ時間（レンズのせり出し時間）がない。また、防水・防塵上も好ましく、また、奥行き方向が極めて薄いカメラとすることができる。この構成における光学系は、最も物体側のレンズ群を位置固定レンズ群とし、その中に反射光学素子を設けている。そして、以降の光路はカメラボディの縦あるいは横方向に折り曲げ、奥行き方向の寸法を極力薄くしている。
特開平１１−１９４２７４号公報 特開平１１−２８７９５３号公報 特開２０００−９９９７号公報 「写真工業」３／２００２／１０３〜１０６

しかしながら、特許文献１、特許文献２、特許文献３等の光学系は、広角端での画角が不十分であり、画角を確保した場合、レンズ系が大きくなり分厚くなることが問題である。また、非特許文献１の光学系では、ある程度の画角を確保するために、光路を折り曲げるための反射面よりも物体側に、必ず発散面を設けることになる。その場合、歪曲収差の発生を少なくするために、像側に凹面を向けた負メニスカスレンズを設けることになる。これでは、奥行き方向の厚みを減らす本来の目的に反する。また、光路を折り曲げる方式の場合は、プリズムやミラー等の反射光学素子の光学有効面を小さく抑えないと、光路折り曲げが成立しないため、広角化が困難な状況にある。

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、高ズーム比、明るいＦ値、広い画角等の高い光学仕様性能を有するズームレンズを搭載しながらも、奥行き方向が極めて薄い電子撮像装置とそのためのズームレンズを提供することである。

上記目的を達成するための本発明のズームレンズは、最も物体側のレンズ群に光路を折り曲げるための反射面を有し、そのレンズ群の最も物体側の面頂から前記反射面までの光軸に沿った長さｄと、前記反射面から光路沿いを像側に向かって最初に位置する正レンズの外形形状（光軸に直角な断面形状）における光路折り曲げ位置より物体側の光軸と平行な方向の寸法ａとが、以下の条件を満足することを特徴とするものである。

０．６ｆ_W ＜ｄ＜１．５ｆ_W ・・・（１）
１．２ｆ_W ＜ａ＜３．０ｆ_W ・・・（２）
ただし、ｆ_W はズームレンズ全系の広角端の焦点距離である。

本発明のもう１つのズームレンズは、最も物体側のレンズ群に光路を折り曲げるための反射面を有し、そのレンズ群の最も物体側の面頂から前記反射面までの光軸に沿った長さｄが以下の条件を満足し、前記反射面から光路沿いを像側に向かって最初に位置する正レンズの外形形状（光軸に直角な断面形状）が、光路折り曲げ位置より物体側の光軸と平行な方向の寸法が最短となる円以外の形状であることを特徴とするものである。

０．６ｆ_W ＜ｄ＜１．５ｆ_W ・・・（１）
ただし、ｆ_W はズームレンズ全系の広角端の焦点距離である。

以下に、本発明のズームレンズにおいて上記構成をとる理由と作用を説明する。

ズームレンズが光路折り曲げ型の場合、ズームレンズの奥行き方向の寸法は、最も物体側の面頂から光路を折り曲げるための反射面（以下、単に「反射面」とする。）までの距離で決まる事が多い。本発明のズームレンズでは、この反射面が、最も物体側に配置されたレンズ群Ｇ１（以下、単に「レンズ群Ｇ１」とする。）に配置されている。そのため、レンズ群の最も物体側の面頂から反射面までの光軸に沿った長さｄが、ズームレンズ（光学ユニット）の奥行き方向の寸法を決めてしまうことになる。また、反射面以外にもレンズを備えているため、レンズの外形が薄型化に影響する。例えば、光路に沿って反射面から像側に向かった時、本発明のズームレンズでは、最初に正レンズがある。この正レンズの外形形状（光軸に直角な断面形状）に着目すると、光路折り曲げ位置より物体側の光軸と平行な方向の寸法ａが重要になる。

条件（１）の上限である１．５ｆ_W 、条件（２）の上限である３．０ｆ_W を上回ると、光学ユニットの奥行き寸法が大きくなりすぎて、本発明の上記目的達成が困難となる。また、下限値であるそれぞれ０．６ｆ_W 、１．２ｆ_W を下回ると、広い画角の確保が困難となる。

なお、条件（１）、（２）に関して、少なくとも以下の何れか一方を満たすと、より望ましい。

０．７ｆ_W ＜ｄ＜１．４ｆ_W ・・・（１’）
１．３ｆ_W ＜ａ＜２．５ｆ_W ・・・（２’）
また、少なくとも以下の何れか一方を満たすと、さらに望ましい。

０．８ｆ_W ＜ｄ＜１．３ｆ_W ・・・（１”）
１．４ｆ_W ＜ａ＜２．０ｆ_W ・・・（２”）
また、本発明のズームレンズは、条件（１）、（２）を満足する代わりに、条件（１）を満たしつつ、正レンズが所定の外形形状を有するようにしても良い。この正レンズは、反射面から光路沿いを像側に向かった時に、最初に位置するレンズである。また所定の形状とは円以外の形状であって、この場合、光軸に直角な方向における断面形状における形状である。より具体的には、図４に示すように、光路折り曲げ位置より物体側の光軸と平行な方向の寸法ａが最短となる形状となる。

本発明のようなズームレンズにおいては、レンズ群Ｇ１内の光線高が高くなることが薄型化に関して致命的になる。特に、レンズ群Ｇ１が正の屈折力を有する場合にその傾向が顕著となるため、上記のような構成を用いると、効果的である。また、レンズ群Ｇ１が正の屈折力を有する場合は、レンズ群Ｇ１内の光線高をできるだけ低くするため、そのレンズ群Ｇ１内の各エレメントの屈折力が高くなる。そのため、収差補正が困難となりやすい。そこで、その反射面から像側に向かって最初の正レンズには、非球面を導入することが望ましい。

また、レンズ群Ｇ１内の反射面は、その前後の媒質屈折率ができるだけ高い方が小型化しやす。そのいため、この反射面はプリズムの一部の面であることが望ましい。

なお、奥行き方向を薄くするために、そのプリズムはズームレンズ系の最も物体側に配置するのがよい。そのプリズムよりも物体側に何らかの光学素子があると、その分だけ奥行きが厚くなる。一方、プリズム内の光線高を低くするためには、その反射面よりも物体側に負の屈折力、像側に正の屈折力を配置するのが良い。このようにすることで、入射瞳位置を極力浅くすることができる。そこで、本発明のズームレンズでは、反射面よりも物体側に負の屈折力を配置するために、 プリズム用いる。すなわち、プリズムの物体側の面（入射面）を物体側に向かって凹面、つまり発散面としている。ただし、レンズ系の最も物体側の面が物体側に凹面を向けた構成になっていると、歪曲収差をはじめ、軸外諸収差が発生しやすい。そこで、最も物体側の凹面を非球面にて構成するのがよい。それも、光軸から離れる程曲率が弱くなる非球面にするのがよい。

以下、レンズ群Ｇ１を薄くするにあたって、レンズ群Ｇ１以外の部位に関する条件について言及する。先にも述べた通り、レンズ群Ｇ１を薄くするには、入射瞳位置を極力浅くするのがよい。つまり、最も物体側の面から開口絞りまでの光路長を、できる限り短くするのがよい。そのために、反射面より像側に開口絞りを配置する。そして、その反射面と開口絞りとの間に配置するレンズ部品数を、３枚以下とするのがよい。つまり、この間に配置するレンズ部品の数は、変倍機能と変倍時の色収差発生を抑制するために必要な数に留める。そして、その他の残存収差は、媒質屈折率と非球面で補正するようにする。そこで、その反射面と開口絞りとの間の非球面数は、３面以上とするのがよい。

なお、奥行き方向の厚さを薄くするあまりに、撮影画角が狭くては意味がない。したがって、本発明のズームレンズの場合、広角端における物体側での対角画角は、歪曲収差込み（実際に発生している歪曲収差を考慮した）で６５°以上する。このようにすることで、初めて薄型で広角という意味が出てくる。

また、光路折り曲げ方向を、電子撮像素子の撮像面の短辺方向とするのがよい。逆にいうと、電子撮像素子は、その短辺方向が、光路折り曲げ位置より物体側の光軸の方向に略平行になるように配置するのがよい。このようにすると、光学系を薄くして、かつ、画角を確保しやすい。

あるいは、画角を確保しやすくする別の方法として、ズームレンズに意図的に大きな樽型歪曲収差を持たせる方法がある。この場合、電子撮像素子で撮像して得られた画像データに、その歪曲収差を補償する画像処理を施す。すなわち、光学的な歪曲収差による画像のゆがみを電子的に変化させることで、歪曲収差を補正した画像データとして出力可能に構成するとよい。

以上、薄型化するために、レンズ群Ｇ１に反射面を設ける構成を示した。また、さらに細部に工夫を入れることで、広い画角を維持しながらより薄型化が可能であることを示した。なお、本発明のズームレンズにおけるレンズ群Ｇ１は、正の屈折力を有している。このレンズ群Ｇ１は、像面に対し変倍を目的とした移動はない。このレンズ群Ｇ１の構成は、反射面よりも物体側の合成屈折力が負、反射面よりも像側の合成屈折力が正となっている。

また、本発明のズームレンズは、物体側から光路に沿って順に、負の屈折力を有する移動レンズ群Ｖ₁ 、と正の屈折力を有するレンズ群Ｖ₂ を含んで構成されている。レンズ群Ｖ₂ は、広角端から望遠端に変倍する際に単調に物体側に移動する。この構成において、入射瞳位置を極力浅くしつつも効率的な変倍が可能なように、全系が広角端状態のときの移動レンズ群Ｖ₁ 、Ｖ₂ の倍率が、以下の条件を満たすようにすることが望ましい。

−１．０≦β_1W≦−０．４０ ・・・（３）
−１．０≦β_2W≦−０．４０ ・・・（４）
ただし、β_1W、β_2Wはそれぞれレンズ群Ｖ₁ 、Ｖ₂ の広角端における倍率である。

条件（３）の下限の−１．０を下回ると、レンズ群Ｖ₁ の移動による変倍比が小さくなりやすい。また、上限の−０．４０を越えると、レンズ群Ｖ₂ の移動による変倍比が小さくなりやすい。条件（３）の範囲内の場合には、レンズ群Ｖ₂ の倍率は条件（４）のようになる。そして、少なくとも以下の何れか一方を満たすと、より望ましい。

−０．９≦β_1W≦−０．４５ ・・・（３’）
−０．９≦β_2W≦−０．４５ ・・・（４’）
さらに、少なくとも以下の何れか一方を満たすと、さらに望ましい。

−０．８≦β_1W≦−０．５ ・・・（３”）
−０．８≦β_2W≦−０．５ ・・・（４”）
上記のように、レンズ群Ｇ１は、光路折り曲げや光線高の関係で大きくなりがちになる。このレンズ群Ｇ１を極力小さく薄くするには、入射瞳位置をできるだけ入射面から浅くすることが重要になる。そのためには、開口絞りまでの光学部品点数を極力少なくすることが重要である。また、開口絞りよりも物体側の各レンズ群は、物体側から光路に沿って順に、発散成分、収斂成分の順で構成することが好ましい。本発明のズームレンズでは、レンズ群Ｇ₁ とレンズ群Ｖ₁ を、合わせて僅か４部品で構成している。

また、本発明のズームレンズでは、レンズ群Ｇ₁ とレンズ群Ｖ₁ との合成系による像点、（つまり、レンズ群Ｖ₂ 以降の合成系に対する物点）が、被写体側に遠くなりやすい。そのためにレンズ群Ｖ₂ 以降の合成系の倍率が小さくなりがちで、レンズ群の移動量を大きくしても倍率を稼ぎ難い傾向にある。そこで、レンズ群Ｖ₂ のパワーをできるだけ強くし、かつ、主点をできるだけ物体側に位置する。具体的には、レンズ群Ｖ₂ の内部構成を、正レンズ、正レンズ、負レンズとする。そして、偏心敏感度が大きな負レンズとその直前の正レンズを接合させている。また、レンズ群Ｖ₁ も部品点数を減らしながら負の屈折力を強めるために、負レンズを両凹レンズとしている。つまり、レンズ群Ｖ₁ は、物体側から光路に沿って順に、両凹レンズと正レンズの２枚で構成している。また、レンズ群Ｖ₂ は、物体側から光路に沿って順に、正の単レンズと、正レンズ、像側に強い凹面を向けた負レンズの接合レンズ成分の２群３枚にて構成するとよい。

また、レンズ群Ｖ₁ とＶ₂ との間に、像面に対して略位置が固定である開口絞りを配置する。そして、その開口絞りよりも光路入射側には、プリズム１要素と３枚以下の単レンズとなるように構成するのがよい。

さらに、変倍時の収差変動を補正する関係で、レンズ群Ｖ₁ とＶ₂ で非球面を合計４面とするのが良い。あるいは、レンズ群Ｖ₁ とＶ₂ で、それぞれ非球面を２面ずつ用いるのがよい。

ところで、電子撮像装置では、ズームレンズ介して結像された像を、電子撮像素子にて撮像する。また、電子撮像装置では、撮像で得られた画像データに画像処理を施すことができる。この画像処理としては、例えば、歪曲収差を変化させる処理があり、電子撮像装置はこのような処理を施して画像データとして出力できる。このような電子撮像装置に、本発明のズームレンズを搭載する場合、本発明のズームレンズが略無限遠物点合焦時に、以下の条件を満足するようにした方がよい。

０．８＜ｙ₀₇／（ｆ_W ・ tanω_07W ）＜０．９６ ・・・（５）
ただし、電子撮像素子の有効撮像面内（撮像可能な面内）で中心から最も遠い点までの距離（最大像高）をｙ₁₀とすると、ｙ₀₇＝０．７ｙ₁₀、ω_07W は広角端における撮像面上の中心からｙ₀₇の位置に結ぶ像点に対応する物点方向の光軸に対する角度である。

特に、広角端近傍の焦点距離にて意図的に歪曲収差を発生させ、撮像後に電気的に画像処理して歪曲収差を補正する方法を導入するのは、光学系の奥行きの薄型化と広画角化（歪曲収差込みの垂直方向の画角が３８°以上）が最大の狙いである。これにより、光学系を肥大化させずに、広い画角の情報を取り込むことが可能となる。この時、樽型に歪んだ像は、電子撮像素子にて光電変換され、画像データとして得られる。そして、電子撮像装置の信号処理系にて、形状変化に相当する加工（画像処理）が電子的に施される。このようにすることで、光学的な歪曲収差が補正された画像になる。その結果、最終的に電子撮像装置より出力された画像データを表示装置にて表示しても、被写体形状に略相似した画像になる。

ここで、無限遠物体を結像して得られた像に歪曲収差がない場合は、
ｆ＝ｙ／ tanω
が成立する。ただし、ｙは像点の光軸からの高さ、ｆは結像系の焦点距離、ωは撮像面上の中心からｙの位置に結ぶ像点に対応する物点方向の光軸に対する角度である。結像系に樽型の歪曲収差がある場合は、
ｆ＞ｙ／ tanω
となる。つまり、ｆとｙを一定とするならば、ωは大きな値となる。

条件（５）は、ズーム広角端における樽型歪曲の度合いを規定したものである。上限の０．９６を越えて１前後の値をとる場合は、歪曲収差が光学的に良く補正されたことに相当する。ただし、光学系の小型さを維持しながら広い視野角にわたって像として取り込むという点において、決して有利ではない。下限の０．８を下回ると、光学系の歪曲収差による画像歪みを画像処理にて補正した場合、画角周辺部の放射方向への引き伸ばし率が高くなりすぎて画像周辺部の鮮鋭度の劣化が目立つようになってしまう。

なお、以下の満たすと、より望ましい。

０．８５＜ｙ₀₇／（ｆ_W ・ tanω_07W ）＜０．９５ ・・・（５’）
さらに、以下を満たすと、さらに望ましい。

０．８８＜ｙ₀₇／（ｆ_W ・ tanω_07W ）＜０．９４ ・・・（５”）

本発明によれば、高ズーム比、明るいＦ値、広い画角等の高い光学仕様性能を確保しながらも、奥行き方向が極めて薄いズームレンズとすることが可能となり、かつ、これを搭載した電子撮像装置の薄型化を図ることもできる。

以下、本発明の光路折り曲げ型ズームレンズの実施例１について説明する。この実施例１の広角端（ａ）、中間状態（ｂ）、望遠端（ｃ）でのレンズ断面図を図１に示す。なお、図１では、無限遠物点に合焦している。各図中、第１レンズ群（レンズ群Ｇ₁ に対応）はＧ１、第２レンズ群（レンズ群Ｖ₁ に対応）はＧ２、開口絞りはＳ、第３レンズ群（レンズ群Ｖ₂ に対応）はＧ３、第４レンズ群はＧ４、第５レンズ群はＧ５で示している。また、電子撮像素子であるＣＣＤのカバーガラスはＣＧ、ＣＣＤの像面はＩで示してある。なお、第１レンズ群Ｇ１中には、光路折り曲げプリズム（以下、単に「プリズム」とする。）が配置されている。このプリズムは、図１においては展開した形でＰとして示してある。

図２に、実施例１のズームレンズの折り曲げ時における光路図を示す。図２は、広角端において、無限遠物点に合焦している時の図である。第１レンズ群Ｇ１中のプリズムＰは、光路を９０°折り曲げる反射プリズムとして構成されている。また、そのプリズムＰの反射面をＭで示している。

また、図３に、プリズムＰの最も物体側の面頂から反射面Ｍまでの光軸に沿った長さｄと、プリズムＰ中の反射面Ｍから射出面までの光軸に沿った距離とを示す断面図を示す。

また、図４に、プリズムＰの直後に配置される正レンズＬ_P1について、反射面Ｍより物体側にある光軸と平行な方向の寸法ａと、正レンズＬ_P1の外形の円形部分の直径の寸法とを示す。ここで、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は断面図である。

実施例１のズームレンズは、図１に示すように、第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、開口絞りＳ、第３レンズ群Ｇ３、第４レンズ群Ｇ４、第５レンズ群Ｇ５からなる。ここで、第１レンズ群Ｇ１は、プリズムＰと両凸正レンズＬ_P1とからなる。プリズムＰは、展開すると、物体側に凹面を向けた凹平負レンズになる。第２レンズ群Ｇ２は、両凹負レンズと、両凸正レンズとからなる。第３レンズ群Ｇ３は、両凸正レンズと、両凸正レンズと両凹負レンズの接合レンズとからなる。第４レンズ群Ｇ４は、両凸正レンズ１枚からなる。第５レンズ群Ｇ５は、凸平正レンズ１枚からなる。この構成において、広角端から望遠端に変倍する際は、第１レンズ群Ｇ１は固定、開口絞りＳは略固定で、第２レンズ群Ｇ２は像面側へ移動し、第３レンズ群Ｇ３は物体側へ移動し、第４レンズ群Ｇ４は像面側に凸の軌跡を描いて微小に移動し、第５レンズ群Ｇ５は固定である。なお、第４レンズ群Ｇ４は、望遠端では広角端での位置より物体側に位置する。

非球面は、プリズムＰの入射面の凹面と、第１レンズ群Ｇ１の両凸正レンズの入射側の面と、第２レンズ群Ｇ２の両凹負レンズの両面と、第３レンズ群Ｇ３の両凸正レンズの物体側の面と、第３レンズ群Ｇ３の接合レンズの最も物体側の面の６面に用いられている。

第５レンズ群Ｇ５を構成する凸平正レンズの像側の平面には、ローパスフィルターや赤外シャープカットコート等の光学機能膜が施こされている。

以下に、上記実施例の数値データを示すが、記号は上記の外、ｆは全系焦点距離、Ｆ_NOはＦナンバー、ＷＥは広角端、ＳＴは中間状態、ＴＥは望遠端、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、ｎ_d1、ｎ_d2…は各レンズのｄ線の屈折率、ν_d1、ν_d2…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 ］
＋Ａ₄ ｙ⁴ ＋Ａ₆ ｙ⁶ ＋Ａ₈ ｙ⁸ ＋Ａ₁₀ｙ¹⁰
ただし、ｒは近軸曲率半径、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。

実施例１
ｒ₁ = -8.6616（非球面） ｄ₁ = 8.3650 ｎ_d1 =1.84666 ν_d1 =23.78
ｒ₂ = ∞ ｄ₂ = 0.1500
ｒ₃ = 11.3272（非球面） ｄ₃ = 2.5000 ｎ_d2 =1.83400 ν_d2 =37.16
ｒ₄ = -28.0035 ｄ₄ = （可変）
ｒ₅ = -6.9944（非球面） ｄ₅ = 0.8000 ｎ_d3 =1.74320 ν_d3 =49.34
ｒ₆ = 10.3245（非球面） ｄ₆ = 0.3000
ｒ₇ = 23.3243 ｄ₇ = 1.4000 ｎ_d4 =1.84666 ν_d4 =23.78
ｒ₈ = -22.7503 ｄ₈ = （可変）
ｒ₉ = ∞（絞り） ｄ₉ = （可変）
ｒ₁₀= 10.6499（非球面） ｄ₁₀= 3.9944 ｎ_d5 =1.69350 ν_d5 =53.21
ｒ₁₁= -8.5314 ｄ₁₁= 0.1500
ｒ₁₂= 10.1912（非球面） ｄ₁₂= 2.3583 ｎ_d6 =1.58913 ν_d6 =61.14
ｒ₁₃= -65.3236 ｄ₁₃= 0.7000 ｎ_d7 =1.84666 ν_d7 =23.78
ｒ₁₄= 4.5704 ｄ₁₄= （可変）
ｒ₁₅= 9.8095 ｄ₁₅= 2.0000 ｎ_d8 =1.48749 ν_d8 =70.23
ｒ₁₆= -17.4974 ｄ₁₆= （可変）
ｒ₁₇= 61.3735 ｄ₁₇= 1.1000 ｎ_d9 =1.68893 ν_d9 =31.07
ｒ₁₈= ∞ ｄ₁₈= 0.1000 ｎ_d10 =1.51633ν_d10 =64.14
ｒ₁₉= ∞ ｄ₁₉= 0.6000
ｒ₂₀= ∞ ｄ₂₀= 0.5000 ｎ_d11 =1.51633ν_d11 =64.14
ｒ₂₁= ∞ ｄ₂₁= 1.0300
ｒ₂₂= ∞（像面）
非球面係数
第１面
Ｋ = 0
Ａ₄ = 9.2025×10^-4
Ａ₆ =-1.0055×10^-5
Ａ₈ = 1.0318×10^-7
Ａ₁₀= 0.0000
第３面
Ｋ = 0
Ａ₄ =-4.2567×10^-4
Ａ₆ = 1.3244×10^-6
Ａ₈ = 2.1981×10^-8
Ａ₁₀= 0.0000
第５面
Ｋ = 0
Ａ₄ = 1.2947×10^-3
Ａ₆ = 2.0949×10^-5
Ａ₈ =-1.0244×10^-6
Ａ₁₀= 0.0000
第６面
Ｋ = 0
Ａ₄ = 2.9049×10^-4
Ａ₆ = 4.8291×10^-5
Ａ₈ =-2.0307×10^-6
Ａ₁₀= 0.0000
第１０面
Ｋ = 0
Ａ₄ =-9.8018×10^-4
Ａ₆ =-2.1688×10^-5
Ａ₈ = 4.9020×10^-7
Ａ₁₀= 0.0000
第１２面
Ｋ = 0
Ａ₄ = 3.0365×10^-4
Ａ₆ = 2.8850×10^-5
Ａ₈ = 7.8412×10^-7
Ａ₁₀= 0.0000
ズームデータ（∞）
ＷＥ ＳＴ ＴＥ
ｆ (mm) 4.15403 6.66603 11.13572
Ｆ_NO 2.8600 3.5064 4.3811
ｄ₄ 0.93833 4.43272 6.44034
ｄ₈ 7.00187 3.49024 1.54359
ｄ₉ 7.27169 5.35290 1.58245
ｄ₁₄ 2.40541 4.35549 7.96689
ｄ₁₆ 1.93613 1.92168 2.02092

歪曲収差込み対角画角（°）（像高＝2.5mm ）
像高比 ＷＥ ＳＴ ＴＥ
×1.0 36.9 20.8 12.6
×0.9 32.5 18.9 11.4
×0.7 24.7 14.8 8.9
×0.6 21.1 12.8 7.7
×0.4 13.9 8.6 5.1

ｆ_W ＝ 4.15403
ｄ ＝ 4.265
ａ ＝ 7.6
ｄ／ｆ_W ＝ 1.02671
ａ／ｆ_W ＝ 1.82955
β_1W ＝-0.61874
β_2W ＝-0.63064
ｙ₁₀ ＝ 2.5
ｙ₀₇ ＝ 1.75
tan ω_07W ＝0.46056
ｙ₀₇／（ｆ_W ・ tanω_07W ）＝ 0.91471 。

以上の実施例１における広角端、中間状態、望遠端での収差図をそれぞれ図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。なお、無限遠物点に合焦している時の収差図である。各収差図において、“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。なお、図中、“ＦＩＹ”は像高を示す。

ところで、以上のような本発明のズームレンズは、デジタルカメラ等の電子撮像装置に用いることができる。このような装置では、画角を確保するために、ズームレンズにおいて、意図的に大きな樽型歪曲収差を発生させる場合がある。このような場合、電子撮像素子のＣＣＤで撮像して得られた画像には、歪曲収差による像の歪みが生じている。そこで、このような装置では、その歪曲収差を補償する画像処理機能を持たせておく必要がある。そして、この画像処理機能で歪曲収差を変化させる処理を行うことで歪曲収差を補正し、収差のない画像データとして出力するようにすることが望ましい。そのための構成例を以下に説明する。

電子撮像装置に本発明のズームレンズを用いると、上記のような歪曲収差があるため、電子撮像素子に結像される被写体の光学像には歪みが発生する。よって、電子撮像素子を介して被写体画像情報を取り込むと、電子撮像素子から出力される映像信号も、その歪みの情報が含まれる。すなわち、歪みを持つ画像データが、電子撮像装置に取り込まれる。このような光学歪みは、図６に示すような樽型歪曲収差である。この歪みは、本来、破線で示される位置にあるべき画面１０１の画像が、実線位置に結像した画面１０２の画像となるような歪みである。

このような光学歪みを伴う映像信号において、その歪みを補正するには、まず、映像信号をデジタル信号に変換して画像メモリに書き込む。そして、歪み特性に応じて読み出すことにより、画像メモリ上で歪みを補正する。図６において、歪曲収差がない場合、格子状の画像は破線で示す画像１０１となる。一方、歪曲収差がある場合、格子状の画像は破線で示す画像１０２となる。本発明のズームレンズのように、光学系で光学歪みが発生する状態では、破線で示す画像１０１が、上記の光学歪みにより、実線の画像１０２のように画像メモリに記憶される。そこで、この歪みの補正を行うには、この補正前画像データを画像メモリから読み出すとき、Ｐ_A 点を読み出すべきタイミングにＰ_a 点に記憶されている補正前画像データを、また、Ｐ_B 点を読み出すべきタイミングにＰ_b 点に記憶されている補正前画像データを、同様にＰ_D 点を読み出すぺきタイミングにＰ_d 点に記憶されている補正前画像データをそれぞれ読み出す。このようにすると、補正前画像１０２は、破線で示す歪みのない元の格子状の画面１０１の画像として読み出されるので、光学歪みが補正された画像が表示される。

図７は、光学歪み補正を行う画像処理機能を備えた装置のブロック構成図である。この装置においては、まず、本発明のズームレンズ１を介して、被写体像がＣＣＤ（電子撮像素子）２の撮像面上に形成される。このＣＣＤ２の撮像面に形成されている被写体像は、上記のような光学歪みを含んでいる。この被写体像は、ＣＣＤ２で電気信号に変換される。ＣＣＤ２からの電気信号は、撮像プロセス回路３で所定の処理が施されて映像信号としてＡ／Ｄ変換回路４に供給される。そのＡ／Ｄ変換回路４でデジタル信号に変換された映像信号は、画像メモリ５に記憶される。画像メモリ５への信号の書き込み及び読み出しは、ライトコントロール回路１０とリードコントロール回路１２Ａによって制御される。

なお、ＳＳＧ（同期信号発生）回路９は、基準タイミング信号を発生する。そして、ＳＳＧ（同期信号発生）回路９はこの基準タイミング信号を、後述するＴＧ（タイミング発生）回路８、上記撮像プロセス回路３、および、ライトコントロール回路１０、リードコントロール回路１２Ａに供給する。ＴＧ回路８は、ＳＳＧ回路９からの水平（Ｈ）方向、垂直（Ｖ）方向の読み出しタイミング信号をＣＣＤ２に送出する。また、補正量ＲＯＭ１３Ａには、画面の各部について、予め定まる補正量データが格納されている。この予め定まる補正量として格納されるものは、例えば、図６に示すように、実線上の位置と破線上の位置との関係で定まる光学歪みを補正する補正量アドレス値である。

そして、上記リードコントロール回路１２Ａから出力されるリード信号により、画像メモリ５から信号（データ）が読み出される。この時、信号は、光学歪みを補正すべく画像メモリ５から読み出される。読み出された信号は、補間処理回路６で補間処理された後、Ｄ／Ａコンバータ７によりアナログ信号に変換され、出力される。

なお、デジタルカメラ（電子カメラ）の場合、画像メモリ５に余裕がない場合もある。そのような場合には、画像メモリ５に記憶する前、すなわちＣＣＤ２から映像信号を読み出すときに、光学歪みの補正量に相当する時間だけタイミングを変化させるようにしてもよい。

さて、以上のような本発明のズームレンズは、結像光学系で物体像を形成しその像をＣＣＤや銀塩フィルムといった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８〜図１０は、本発明によるズームレンズを、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８はデジタルカメラ４０の外観を示す前方斜視図、図９は同後方斜視図、図１０はデジタルカメラ４０の構成を示す水平方向の断面図である。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等を含む。この場合、プリズムＰによる光路折り曲げ方向は、デジタルカメラ４０の短軸方向となっている。すなわち、縦方向に曲げているので、カメラの薄型化に資している。

カメラ４０の上部には、シャッター４５が配置されている。このシャッター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１のズームレンズ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は、ＣＣＤ４９の撮像面上に形成される。なお、第５レンズ群Ｇ５の凸平正レンズの像側の平面には、近赤外カットフィルターと光学的ローパスフィルターが設けられている。よって、ここで余計なフレアーやモアレの除去が行われるので、良好な像が形成される。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。あるいは、、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。なお、処理手段５１には、前記した光学歪み補正を行う画像処理装置が設けられている。

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。このポロプリズム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が広画角で高変倍比であり、収差が良好（ただし、歪曲収差は除く）で、明るいズームレンズである。よって、高性能・低コスト化が実現できる。しかも、ズームレンズの光路折り曲げ方向を、デジタルカメラ４０の短軸方向に選んでいるので、カメラの薄型化に効果がある。そして、このようにすると、フラッシュ４６を撮影光学系４１の入射面よりも上方に位置させることができる。そのため、人物のストロボ撮影の際に生じる影の影響を緩和できるレイアウトにし得る。

なお、図１０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。また、光路の折り曲げ方向は、カメラのレイアウトのしやすさに応じて、縦方向、横方向の何れでも構わないのはもちろんである。

次に、本発明のズームレンズが対物光学系として内蔵された情報処理装置を示す。ここでは一例として、パソコンが図１１〜図１３に示されている。図１１はパソコン３００のカバーを開いた前方斜視図、図１２はパソコン３００の撮影光学系３０３の断面図、図１３は図１１の状態の側面図である。図１１〜図１３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、撮影光学系３０３とを有している。撮影光学系３０３は、操作者自身や周辺の像を撮影するためのものである。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、例えば実施例１のズームレンズ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上には光学的ローパスフィルターＬＦ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ている。また、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。そのため、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（図示略）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。なお、鏡枠１１３中のズームレンズの駆動機構等は図示を省いてある。

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る。そして、、電子画像としてモニター３０２に表示される。図１１には、その一例として、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、別の情報処理装置を示す。この別の情報処理装置においても、本発明のズームレンズが撮影光学系として内蔵されている。ここでは一例として、電話、特に持ち運びに便利な携帯電話が図１４に示されている。図１４（ａ）は携帯電話４００の正面図、図１４（ｂ）は側面図、図１４（ｃ）は撮影光学系４０５の断面図である。図１４（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、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とを有している。モニター４０４は液晶表示素子で、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。また、図示していないが、この他にも、画像情報や通信情報、入力信号等の処理を行う処理手段を備えている。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、例えば実施例１のズームレンズ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、撮影光路４０７上に配置されている。また、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上には光学的ローパスフィルターＬＦが付加的に貼り付けられており、撮像ユニット１６０として一体に形成されている。そして、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。そのため、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（図示略）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。なお、鏡枠１１３中のズームレンズの駆動機構等は図示を省いてある。

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る。そして、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。

以上の本発明のズームレンズ及びそれを用いた電子撮像装置は、例えば次のように構成することができる。

〔１〕 最も物体側のレンズ群に光路を折り曲げるための反射面を有し、そのレンズ群の最も物体側の面頂から前記反射面までの光軸に沿った長さｄと、前記反射面から光路沿いを像側に向かって最初に位置する正レンズの外形形状（光軸に直角な断面形状）における光路折り曲げ位置より物体側の光軸と平行な方向の寸法ａとが、以下の条件を満足することを特徴とするズームレンズ。

０．６ｆ_W ＜ｄ＜１．５ｆ_W ・・・（１）
１．２ｆ_W ＜ａ＜３．０ｆ_W ・・・（２）
ただし、ｆ_W はズームレンズ全系の広角端の焦点距離である。

〔２〕 最も物体側のレンズ群に光路を折り曲げるための反射面を有し、そのレンズ群の最も物体側の面頂から前記反射面までの光軸に沿った長さｄが以下の条件を満足し、前記反射面から光路沿いを像側に向かって最初に位置する正レンズの外形形状（光軸に直角な断面形状）が、光路折り曲げ位置より物体側の光軸と平行な方向の寸法が最短となる円以外の形状であることを特徴とするズームレンズ。

０．６ｆ_W ＜ｄ＜１．５ｆ_W ・・・（１）
ただし、ｆ_W はズームレンズ全系の広角端の焦点距離である。

〔３〕 前記最も物体側のレンズ群は、正の屈折力を有することを特徴とする上記１又は２記載のズームレンズ。

〔４〕 前記反射面から光路沿いを像側に向かって最初に位置する正レンズは非球面を有することを特徴とする上記１から３の何れか１項記載のズームレンズ。

〔５〕 前記光路を折り曲げるための反射面はプリズムの一部の面であることを特徴とする上記１から４の何れか１項記載のズームレンズ。

〔６〕 前記プリズムはズームレンズ系の最も物体側に位置することを特徴とする上記５記載のズームレンズ。

〔７〕 前記プリズムの物体側の面は、物体側に向かって凹面でかつ非球面からなることを特徴とする上記６記載のズームレンズ。

〔８〕 前記光路を折り曲げるための反射面より像側に開口絞りを有し、前記反射面と前記開口絞りとの間のレンズ枚数は３枚以下であることを特徴とする上記１又は２記載のズームレンズ。

〔９〕 前記光路を折り曲げるための反射面より像側に開口絞りを有し、前記反射面と前記開口絞りとの間に非球面が３面以上あることを特徴とする上記１又は２記載のズームレンズ。

〔１０〕 歪曲収差込み対角画角が６５°以上であることを特徴とする上記１から９の何れか１項記載のズームレンズ。

〔１１〕 上記１から１０の何れか１項記載のズームレンズの結像位置近傍に電子撮像素子を有し、前記電子撮像素子はその撮像面の短辺方向が光路折り曲げ位置より物体側の光軸と略平行な方向になるように配置されていることを特徴とする電子撮像装置。

〔１２〕 上記１から１０の何れか１項記載のズームレンズの結像位置近傍に電子撮像素子を有し、前記ズームレンズで結像された像を前記電子撮像素子で撮像して得られた画像データに歪曲収差を補償する画像処理を施して歪曲収差を変化させた画像データとして出力可能に構成されていることを特徴とする電子撮像装置。

本発明のズームレンズの実施例１の無限遠物点合焦時の広角端（ａ）、中間状態（ｂ）、望遠端（ｃ）でのレンズ断面図である。 実施例１のズームレンズの広角端無限遠物点合焦時の折り曲げ時における光路図である。 実施例１の光路折り曲げプリズムの最も物体側の面頂から反射面までの光軸に沿った長さｄと、プリズム中の反射面から射出面までの光軸に沿った距離とを示す断面図である。 実施例１の第１レンズ群中で光路折り曲げプリズムの直後に配置される正レンズの反射面より物体側の光軸と平行な方向の寸法ａと、正レンズの外形の円形部分の直径の寸法とを示す正面図（ａ）と断面図（ｂ）である。 実施例１の無限遠物点合焦時の広角端（ａ）、中間状態（ｂ）、望遠端（ｃ）での収差図である。 樽型歪曲収差と本来の画面の画像とを示す光学歪み図である。 光学歪み補正を行う画像処理装置の１例のブロック構成図である。 本発明によるズームレンズ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８のデジタルカメラの後方斜視図である。 図８のデジタルカメラの断面図である。 本発明によるズームレンズを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。 パソコンの撮影光学系の断面図である。 図１１の状態の側面図である。 本発明によるズームレンズを対物光学系として組み込れた携帯電話の正面図（ａ）、側面図（ｂ）、その撮影光学系の断面図（ｃ）である。

符号の説明

Ｇ１…第１レンズ群
Ｇ２…第２レンズ群
Ｇ３…第３レンズ群
Ｇ４…第４レンズ群
Ｇ５…第４レンズ群
ＣＧ…カバーガラス
Ｓ…開口絞り
Ｉ…像面
Ｐ…光路折り曲げプリズム
Ｌ_P1…正レンズ
Ｍ…反射面
Ｅ…観察者眼球
ＬＦ…光学的ローパスフィルター
１…ズームレンズ
２…ＣＣＤ
３…撮像プロセス回路
４…Ａ／Ｄ変換回路
５…画像メモリ
６…補間処理回路
７…Ｄ／Ａコンバータ
８…ＴＧ（タイミング発生）回路
９…ＳＳＧ（同期信号発生）回路
１０…ライトコントロール回路
１２Ａ…リードコントロール回路
１３Ａ…補正量ＲＯＭ
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
１０１…歪みのない状態の画面
１０２…光学歪みを持った画面
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

Claims (3)

1. 最も物体側のレンズ群に光路を折り曲げるための反射面を有し、そのレンズ群の最も物体側の面頂から前記反射面までの光軸に沿った長さｄと、前記反射面から光路沿いを像側に向かって最初に位置する正レンズの外形形状（光軸に直角な断面形状）における光路折り曲げ位置より物体側の光軸と平行な方向の寸法ａとが、以下の条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
   ０．６ｆ_W ＜ｄ＜１．５ｆ_W ・・・（１）
   １．２ｆ_W ＜ａ＜３．０ｆ_W ・・・（２）
   ただし、ｆ_W はズームレンズ全系の広角端の焦点距離である。
2. 最も物体側のレンズ群に光路を折り曲げるための反射面を有し、そのレンズ群の最も物体側の面頂から前記反射面までの光軸に沿った長さｄが以下の条件を満足し、前記反射面から光路沿いを像側に向かって最初に位置する正レンズの外形形状（光軸に直角な断面形状）が、光路折り曲げ位置より物体側の光軸と平行な方向の寸法が最短となる円以外の形状であることを特徴とするズームレンズ。
   ０．６ｆ_W ＜ｄ＜１．５ｆ_W ・・・（１）
   ただし、ｆ_W はズームレンズ全系の広角端の焦点距離である。
3. 請求項１又は２記載のズームレンズの結像位置近傍に電子撮像素子を有し、前記電子撮像素子はその撮像面の短辺方向が光路折り曲げ位置より物体側の光軸と略平行な方向になるように配置されていることを特徴とする電子撮像装置。

Images