JP2005164653A

JP2005164653A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2005164653A
Application number: JP2003399834A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Fujiwara; 克哉藤原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】コンパクトで高性能なズームレンズを備えた撮像装置を提供する。
【解決手段】物体側から像面側へと順に負のパワーを有する第１レンズ群１０と、正のパワーを有する第２レンズ群２０と、正のパワーを有する第３レンズ群３０でレンズ系を構成し、各レンズ群の間隔を変化させて変倍を行い、各レンズ群のアッベ数、屈折率や形状などを適切に設定することで、変倍比３倍程度のコンパクトで光学性能の高いズームレンズを備えた撮像装置を提供できる。特にアッベ数を適切に設定することで、色収差を良好に補正し、高解像度に寄与するズームレンズを備えた撮像装置を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置に関し、特に、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）等の受光素子を用いた携帯端末搭載カメラ、ＰＣカメラ、監視カメラ、デジタルスチルカメラなどの撮像装置に関する。

急速に普及が拡大するデジタルカメラ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）レコーダや、もはやオフィスの必需品となっている複写機、レーザプリンタ、スキャナなど、これら市場を拡大し続け、経済を牽引する役目を担う様々な機器や装置になくてはならない重要なコンポーネントとして、レンズやミラーといった光学部品で構成される光学系がある。

携帯電話に搭載されているカメラを見ても明らかなように、この光学系の性能こそが商品そのものの価値を大きく左右する要素になっているといっても過言ではない。例えば、レンズ系の性能を向上させることで、液晶プロジェクターなどのＤＬＰ（Digital Light Processing）方式投影装置がスクリーンに精細な画像を映し出すことができる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１１６３８０号公報

ところで、デジタルカメラや携帯端末搭載カメラに搭載されるレンズ系は、高性能化のみならず、さらなるコンパクト化が求められる。そこで、負のパワーを有する第１レンズ群、正のパワーを有する第２レンズ群、正のパワーを有する第３レンズ群を、物体側から像面側に向けて順に配置される３群構成のレンズ系において、例えば、広角端から望遠端への変倍時において、第３レンズ群を像側に移動させることで、変倍時における第２レンズ群の移動量を低減させる技術が提案されている。また、そのレンズ系は、正のパワーを有するレンズを含んでいる。

確かに、上述の提案は、レンズ系全体の長さを決定づける要素である変倍時の第２レンズ群の移動量を低減させることで、レンズ系全体のコンパクト化を考慮しているが、正のパワーを有するレンズを使用していることで色収差が特に顕著に現れることになり、光学系の品質面で改善の余地がある。

本発明は、そうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コンパクトかつ高性能なズームレンズを備えた撮像装置を提供することにある。

本発明のある態様は、撮像装置に関する。この撮像装置は、負のパワーを有する第１レンズ群と、正のパワーを有する第２レンズ群と、正のパワーを有する第３レンズ群とを、物体側から像面側に向けて順に有し、広角端から望遠端への変倍に際し、第１レンズ群は像側に凸状の軌跡を描いて移動し、第２レンズ群は光軸上を物体側に移動し、第３レンズ群は光軸上を像側に移動することにより変倍を行う。この態様の撮像装置において、第１レンズ群は、少なくとも１面の非球面を含む像面側に凹面を向けた負のパワーを有する第１レンズと、物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカス状の第２レンズからなり、第２レンズ群は、少なくとも１面の非球面を含む正のパワーを有する第３レンズと、像面側に凹面を向けた負のパワーを有するメニスカス状の第４レンズ、正のパワーを有する第５レンズからなり、第３レンズ群は、少なくとも１面の非球面を含む正のパワーを有する第６レンズからなる。

この撮像装置は、下記条件式（１）から（５）を満足する装置であってもよい。

（１） νｄ１／νｄ２＞１．９
（２）（ｎｄ１＋ｎｄ２）／２＞１．７５
（３）（ｎｄ３＋ｎｄ４）／２＞１．６４
（４）０．３＜Ａｂｓ（ｆ１／ｆ１２）＜０．５５
（５）０．８５＜Ａｂｓ（ｆ４／ｆ３５）＜１．０
ただし、νｄ１：第１レンズのアッベ数、νｄ２：第２レンズのアッベ数、ｎｄ１：第１レンズの屈折率、ｎｄ２：第２レンズの屈折率、ｎｄ３：第３レンズの屈折率、ｎｄ４：第４レンズの屈折率、ｆ１：第１レンズの焦点距離、ｆ１２：第１レンズ群の焦点距離、ｆ４：第４レンズの焦点距離、ｆ３５：第２レンズ群の焦点距離、Ａｂｓ：絶対値、を表す。

これにより、物体側から像面側へと順に負のパワーを有する第１レンズ群と、正のパワーを有する第２レンズ群と、正のパワーを有する第３レンズ群とでズームレンズを構成し、各レンズ群の間隔を変化させて変倍を行い、各レンズ群のアッベ数、屈折率や形状などを適切に設定することで、コンパクトで光学性能の高いズームレンズを備えた撮像装置を提供できる。特にアッベ数を適切に設定することで、色収差を良好に補正し、高解像度に寄与するズームレンズを備えた撮像装置を提供できる。

本発明によれば、ズームレンズの各レンズ群のレンズ構成を適切に設定するとともに、各条件式を満足させることにより、コンパクトで高性能なズームレンズを有する撮像装置を提供できる。

以下、具体的な実施例について、図面を参照して説明する。

本実施の形態に係る撮像装置は、デジタルスチルカメラやビデオカメラなどを指し、ＣＣＤやＣＯＭＳ等の電子撮像素子を用いたカメラに好適な、高い光学性とコンパクト化を実現した変倍比３倍程度のズームレンズを有する。

図１は広角端におけるズームレンズの構成を示す図であり、図２は、望遠端におけるズームレンズの構成を示す図である。図１は広角端のレンズ配置を光学断面図で示し、広角端のレンズ配置を「position1」ともいう。図２は望遠端のレンズ配置を光学断面図で示し、望遠端のレンズ配置を「position2」ともいう。図２におけるズームレンズは、レンズの構成は同一で、数値例が異なることから、各光学断面図において、同一のレンズに相当するものには同じ符号を付している。なお、図２において、見やすさを考慮して符号を一部省略している。

ズームレンズは、物体側から像面側へ、本図では左側から右側へ、負のパワーを有する第１レンズ群１０、正のパワーを有する第２レンズ群２０、正のパワーを有する第３レンズ群３０からなり、その後方には、カバーガラス５０、像面６０が配置される。このズームレンズは、各レンズ群間隔を変化させることにより、変倍を行う。変倍の際、レンズ群を単位として駆動され、これらのレンズ群の配置関係は固定である。例えば、広角端から望遠端への変倍に際し、第１レンズ群１０は像側に凸状の軌跡を描いて移動し、第２レンズ群２０は光軸上を物体側に移動し、第３レンズ群３０は光軸上を像側に移動する。

第１レンズ群１０は、物体側から順に、第１レンズ１１、第２レンズ１２のレンズ２枚から構成される。第１レンズ１１は像面側に凹面を向けた負のパワーを有するメニスカス状のレンズであり、更に第１レンズ１１の像面側の面は、非球面である。第２レンズ１２は物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカス状のレンズである。

第２レンズ群２０は、物体側から正のパワーを有する第３レンズ１３、像面側に凹面を向けた負のパワーを有するメニスカス状の第４レンズおよび正のパワーを有する第５レンズ１５のレンズ２枚から成る接合レンズを含む。また、第３レンズ１３の物体側の面は、非球面である。さらに、第３レンズ１３の物体側には絞り１７が設けられる。

第３レンズ群３０は、物体側に凸面を向けた正のパワーを有する１枚の第６レンズ１６からなり、更に物体側の面は非球面である。

なお、図中のｒ_ｉ（ｉ＝１〜１６）は、面番号を示している。ｒ_５は絞り１７を示し、ｒ_１６は受光面を示している。なお、物体側から像面側へ、本図では左側から右側へ数えて、第ｎ番目の面と第ｎ＋１番目の面との光軸上の間隔を、面間隔ｔｈｉ［ｎ］と表している。また、ズームレンズの広角端の状態と望遠端の状態は、それぞれ第１レンズ群１０と第２レンズ群２０との面間隔ｔｈｉ４、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０との面間隔ｔｈｉ１１、第３レンズ群３０とカバーガラス５０との面間隔ｔｈｉ１３を変化させることによって得られる。

本実施例では、ズームレンズが以下の条件式（１）から（５）を満足するように構成される。
（１）νｄ１／νｄ２＞１．９
（２）（ｎｄ１＋ｎｄ２）／２＞１．７５
（３）（ｎｄ３＋ｎｄ４）／２＞１．６４
（４）０．３＜Ａｂｓ（ｆ１／ｆ１２）＜０．５５
（５）０．８５＜Ａｂｓ（ｆ４／ｆ３５）＜１．０
ただし、νｄ１：第１レンズ１１のアッベ数、
νｄ２：第２レンズ１２のアッベ数、
ｎｄ１：第１レンズ１１の屈折率、
ｎｄ２：第２レンズ１２の屈折率、
ｎｄ３：第３レンズ１３の屈折率、
ｎｄ４：第４レンズ１４の屈折率、
ｆ１：第１レンズ１１の焦点距離、
ｆ１２：第１レンズ群１０の焦点距離、
ｆ４：第４レンズ１４の焦点距離、
ｆ３５：第２レンズ群２０の焦点距離、
Ａｂｓ：絶対値、
を表す。

条件式（１）は、変倍比３倍程度のズームレンズにおいて、負のパワーを有する第１レンズ１１および正のパワーを有する第２レンズ１２のアッベ数の比を適切に設定することで、軸上色収差を良好に補正し、それにより優れた光学的性能を提供するものである。つまり、負のパワーを有する第１レンズ１１のアッベ数を大きくし、正のパワーを有する第２レンズ１２のアッベ数を小さくすることで、色消しの効果を高め、さらに２枚という少ない枚数で第１レンズ群１０を構成することで、光学系全体の高精度化およびコンパクト化に貢献することができる。

条件式（２）は、変倍比３倍程度のズームレンズにおいて、負のパワーを有する第１レンズ１１および正のパワーを有する第２レンズ１２の屈折率を適切に設定することで、優れた光学的性能のレンズ系を提供する。条件式（２）の下限値を越えて、屈折率が低くなると、所定の屈折率を得るために各面の曲率半径が小さくなり、特に球面収差や歪曲収差などの軸外諸収差が大きくなる。

条件式（３）は、変倍比３倍程度のズームレンズにおいて、条件式（２）と同様に、正のパワーを有する第３レンズ１３および負のパワーを有する第４レンズ１４の屈折率を適切に設定することで、優れた光学的性能のレンズ系を提供する。条件式（３）の下限値を越えて、屈折率が低くなると、所定の屈折率を得るために各面の曲率半径が小さくなり、特に球面収差や歪曲収差などの軸外諸収差が大きくなる。

条件式（４）は、変倍比３倍程度のズームレンズにおいて、負のパワーを有する第１レンズ１１の焦点距離を適切に設定することで、充分なバックフォーカスを確保しつつ、諸収差を良好に補正し、それにより優れた光学的性能のレンズ系を提供する。条件式（４）の上限値を越えて第１レンズ１１の焦点距離が大きくなると、バックフォーカスを確保することができるが、ペッツバール和が正の方向に大きくなり、像面湾曲の補正が難しくなる。逆に下限値を越えるとペッツバール和を小さくすることができるが、バックフォーカスを確保することが困難になる。

条件式（５）も、変倍比３倍程度のズームレンズにおいて、条件式（４）の場合と同様に、負のパワーを有する第４レンズ１４の焦点距離を適切に設定することで、充分なバックフォーカスを確保しつつ、諸収差を良好に補正することで、優れた光学的性能のレンズ系を提供する。条件式（５）の上限値を越えて第１レンズ１１の焦点距離が大きくなると、バックフォーカスを確保することができるが、ペッツバール和が正の方向に大きくなり、像面湾曲の補正が難しくなる。逆に下限値を超えるとペッツバール和を小さくすることができるが、バックフォーカスを確保することが困難になる。

また、レンズの枚数を増やさずに、第１レンズ群１０中の第１レンズ１１の少なくとも一面を非球面化することにより、主に歪曲収差の発生を低減させることができ、第２レンズ群２０の第３レンズ１３の少なくとも一面を非球面化することにより、主に球面収差の発生を低減させることができる。

さらに、第３レンズ群３０に正のパワーを有する第６レンズ１６を配置することにより、光学系の射出瞳位置を遠ざけて、電子撮像素子特有のシェーディング現象を押さえることができる。また、少なくとも一面を非球面化することにより、第１レンズ群１０および第２レンズ群２０で生じた残存収差をズーム全域において、効率よく補正することが可能である。

以下、実験例をもとにズームレンズの構成のレンズデータ、収差図などを表や図を用いて更に具体的に説明する。

（実施例１）
表１は、実験例１におけるレンズ構成データ、非球面係数データ、ズームデータおよび波長データを表している。

レンズ構成データは、面番号、曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数からなる。表１中のレンズ構成データについて、面番号０は無限遠を示しており、面番号０に記された間隔「０．１００Ｅ＋２２」は、無限遠と面番号１との間隔を示す。ここで「Ｅ＋Ｚ」の表示は、「１０^＋Ｚ」を意味し、「Ｅ−Ｚ」の表示は、「１０^―Ｚ」を意味する。レンズ構成データの面番号ｎにおける間隔は、面番号ｎと面番号ｎ＋１との間隔を示す。具体的に、面番号１は、曲率半径「５５．２９５」を有し、面番号１と面番号２との距離が「１．０５０」であり、面番号１の面を有するレンズの屈折率が「１．８００２５」、そのレンズのアッベ数が「４０．８」であることを示している。また、図１に示した面番号１６は、像面６０であるために曲率半径や屈折率などのパラメータを有しないので、本レンズ構成データには表れない。なお、面番号４について、面番号５との間隔が変倍により、「１７．４８８」から「２．３１１」まで変動することを示す。前者が広角端における値で、後者が望遠端における値である。

面番号に「ｓ」を付してあるものはその面が絞りを、「＊」を付しているものはその面が非球面であることを表している。非球面係数データは、各非球面における円錐係数および各次の非球面係数からなる。なお、非球面形状は次の式（６）で表される。

（６）ｚ＝ｃｈ^２／[｛１＋（１−（１＋Ｋ）ｃ^２ｈ^２）｝＋１／２]
＋Ａｈ^４＋Ｂｈ^６＋Ｃｈ^８＋Ｄｈ^１０＋Ｅｈ^１２＋Ｆｈ^１４
ただし、ｚ：非球面深さ、
ｃ：近軸曲率、
Ｋ：円錐係数、
ｈ：光軸からの高さ、
Ａ：４次の非球面係数、
Ｂ：６次の非球面係数、
Ｃ：８次の非球面係数、
Ｄ：１０次の非球面係数、
Ｅ：１２次の非球面係数、
Ｆ：１４次の非球面係数、
を表す。

ズームデータは、position1およびposition2における面間隔ｔｈｉ４、面間隔ｔｈｉ１１および面間隔ｔｈｉ１３を、具体的な数値として示している。波長データは、本実験例において使用した光線の波長を具体的な数値として示している。

表２は、実験例１において各条件式で用いられる各種パラメータやその他の各種パラメータを示している。表２に示された各パラメータは、上述の条件式（１）から（５）までを満足している。

図３は、実験例１におけるズームレンズの広角端の光線収差を示す図であり、図４は、実験例１におけるズームレンズの望遠端の光線収差を示す図である。さらに、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）は、実験例１における広角端の、それぞれ、球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す図である。図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図４（ｄ）は、それぞれ、実験例１における望遠端の、それぞれ、球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す図である。なお、図３および図４に示す実験結果は、表１および表２のデータに基づいて得られた。

図３（ａ）および図４（ａ）における球面収差のグラフにおいて、縦軸はレンズの明るさ（ＦＮＯ）を、横軸は収差量を表し、ｇ線（４３６ｎｍ）、Ｆ線（４８６ｎｍ）、e線（５４６ｎｍ）、ｄ線（５８８ｎｍ）およびＣ線（６５６ｎｍ）における球面収差を示している。図３（ｂ）および図４（ｂ）における非点収差のグラフにおいて、縦軸は像高を、横軸は収差量を表し、上述の５つの線に対し、それぞれメリディオナル非点収差（Ｍ）とサジタル非点収差（Ｓ）を示している。図３（ｃ）および図４（ｃ）における歪曲収差のグラフにおいて、縦軸は像高を、横軸は収差を表し、ｄ線における歪曲収差を示している。そして、図３（ｄ）および図４（ｄ）における倍率色収差のグラフは、縦軸は像高を、横軸は収差を表し、ｇ線、Ｆ線、e線およびＣ線における倍率色収差を示している。

図３および図４から分かるように、条件式（１）から（５）を満足させるパラメータでズームレンズを構成した場合に、良好に諸収差を補正することができる。

（実験例２）
表３は、実験例２におけるレンズ構成データ、非球面係数データ、ズームデータおよび波長データを示している。

なお、表３に記載のレンズ構成データ、非球面係数データ、ズームデータおよび波長データのデータ構造は、表１に記載のそれぞれのデータ構造と同一である。表４は、実験例２において各条件式で用いられる各種パラメータやその他の各種パラメータを示している。また、表４に示された各パラメータは、上述の条件式（１）から（５）までを満足している。

図５は、実験例２におけるズームレンズの広角端の光線収差を示す図であり、図６は、実験例２におけるズームレンズの望遠端の光線収差を示す図である。さらに、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）は、実験例２における広角端の、それぞれ、球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す図であり、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）は、それぞれ、実験例２における望遠端の、それぞれ、球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す図である。なお、図５および図６に示す実験結果は、表３および表４のデータに基づいて得られた。

図５および図６から分かるように、条件式（１）から（５）を満足させるパラメータでズームレンズを構成した場合に、良好に諸収差を補正することができる。

（実験例３）
表５は、実験例３におけるレンズ構成データ、非球面係数データ、ズームデータおよび波長データを示している。

なお、表５に記載のレンズ構成データ、非球面係数データ、ズームデータおよび波長データのデータ構造は、表１および表３に記載のそれぞれのデータ構造と同一である。表６は、実験例３において各条件式で用いられる各種パラメータやその他の各種パラメータを示している。

図７は実験例３におけるームレンズの広角端の光線収差を示す図であり、図８は実験例３におけるームレンズの望遠端の光線収差を示す図である。さらに、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図７（ｄ）は、実験例３における広角端の、それぞれ、球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す図であり、図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）、図８（ｄ）は、それぞれ、実験例３における望遠端の、それぞれ、球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す図である。なお、図７および図８に示す実験結果は、表５および表６のデータに基づいて得られた。

図７および図８から分かるように、条件式（１）から（５）を満足させるパラメータでズームレンズを構成した場合に、良好に諸収差を補正することができる。

つまり、本実施例によれば、物体側から像面側へと順に負のパワーを有する第１レンズ群と、正のパワーを有する第２レンズ群と、正のパワーを有する第３レンズ群でズームレンズを構成し、各レンズ群の間隔を変化させて変倍を行い、各レンズ群のアッベ数、屈折率や形状などを適切に設定することで、変倍比３倍程度のコンパクトで光学性能の高いズームレンズを備えた撮像装置を提供できる。特にアッベ数を適切に設定することで、色収差を良好に補正し、高解像度に寄与するズームレンズを備えた撮像装置を提供できる。

以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素やその組合せにいろいろな変形が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

広角端におけるズームレンズの構成を示す図である。望遠端におけるズームレンズの構成を示す図である。実験例１におけるズームレンズの広角端の光線収差を示す図である。実験例１におけるズームレンズの望遠端の光線収差を示す図である。実験例２におけるズームレンズの広角端の光線収差を示す図である。実験例２におけるズームレンズの望遠端の光線収差を示す図である。実験例３におけるズームレンズの広角端の光線収差を示す図である。実験例３におけるズームレンズの望遠端の光線収差を示す図である。

符号の説明

１０第１レンズ群、１１第１レンズ、１２第２レンズ、１３第３レンズ、１４第４レンズ、１５第５レンズ、１６第６レンズ、２０第２レンズ群、３０第３レンズ群、６０像面。

Claims

負のパワーを有する第１レンズ群と、
正のパワーを有する第２レンズ群と、
正のパワーを有する第３レンズ群とを、物体側から像面側に向けて順に有し、
広角端から望遠端への変倍に際し、前記第１レンズ群は像側に凸状の軌跡を描いて移動し、前記第２レンズ群は光軸上を物体側に移動し、前記第３レンズ群は光軸上を像側に移動することにより変倍を行うとともに、
前記第１レンズ群は、少なくとも１面の非球面を含む像面側に凹面を向けた負のパワーを有する第１レンズと、物体側に凸面を向けた正のパワーを有するメニスカス状の第２レンズからなり、
前記第２レンズ群は、少なくとも１面の非球面を含む正のパワーを有する第３レンズと、像面側に凹面を向けた負のパワーを有するメニスカス状の第４レンズ、正のパワーを有する第５レンズからなり、
前記第３レンズ群は、少なくとも１面の非球面を含む正のパワーを有する第６レンズからなることを特徴とする撮像装置。
下記条件式（１）から（５）を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置：
（１） νｄ１／νｄ２＞１．９
（２）（ｎｄ１＋ｎｄ２）／２＞１．７５
（３）（ｎｄ３＋ｎｄ４）／２＞１．６４
（４）０．３＜Ａｂｓ（ｆ１／ｆ１２）＜０．５５
（５）０．８５＜Ａｂｓ（ｆ４／ｆ３５）＜１．０
ただし、νｄ１：第１レンズのアッベ数、νｄ２：第２レンズのアッベ数、ｎｄ１：第１レンズの屈折率、ｎｄ２：第２レンズの屈折率、ｎｄ３：第３レンズの屈折率、ｎｄ４：第４レンズの屈折率、ｆ１：第１レンズの焦点距離、ｆ１２：第１レンズ群の焦点距離、ｆ４：第４レンズの焦点距離、ｆ３５：第２レンズ群の焦点距離、Ａｂｓ：絶対値、
を表す。