JP2006133283A

JP2006133283A - 小型ズームレンズ

Info

Publication number: JP2006133283A
Application number: JP2004319114A
Authority: JP
Inventors: Yoji Kubota; 洋治久保田; Takashi Sugiyama; 隆杉山
Original assignee: NAGANO KOGAKU KENKYUSHO KK; Nagano Optics Laboratory Corp
Current assignee: NAGANO KOGAKU KENKYUSHO KK; Nagano Optics Laboratory Corp
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】携帯電話搭載カメラ等に適した小型でコンパクトな３群構成の小型ズームレンズを提案すること。
【解決手段】小型ズームレンズ１００は、像側に凹面を向けた負の屈折力を有するメニスカスレンズ１および物体側に凸面を向けた正の屈折力を有するメニスカスレンズ２とを備えた第１レンズ群Ｉと、正の屈折力を有する第１レンズ３、像側に凹面を向けた負の屈折力を有する第２レンズ４、および正の屈折力を有する第３レンズ５を備えた第２レンズ群IIと、正の屈折力を有する１枚のレンズ６からなる第３レンズ群IIIとを有し、これらのレンズ群が物体側から順に配置され、第１、２および３の各レンズ群は、それぞれ、少なくとも一つのレンズ面が非球面である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの受光素子を用いた携帯電話などに使用される軽量な小型ズームレンズに関するものである。

最近、携帯電話などに用いるメガオーダー以上の解像度が要求される高精細ズームレンズについては、静止画および動画兼用のニーズが高く、そのため、シャッターやアイリス機構が必要である。しかしながら、これらの用途に用いられるズームレンズは小型化および軽量化が強く要求されているので、レンズ系にシャッターやアイリスの挿入スペースを確保することが困難である。

すなわち、このようなレンズ系を用いたカメラでは、ＣＣＤやＣＭＯＳを用いることが一般的であり、これらの受光素子の特性に起因して、周辺部への入射角を小さく保つことが求められている。このため、アイリス挿入場所によっては、ワイド端における主光線の最大射出角が大きくなり過ぎる問題が発生するので、多くの場合には、第２レンズ群の前面に配置して、最大射出角を小さく抑えるようにしている。

このような点を考慮したズームレンズは、例えば、下記の特許文献１ないし４に開示されており、これらはいずれも主としてデジタルカメラ用のズームレンズに関するものである。特許文献１では、非球面を適切に用いることによりレンズ全長の短縮化を図り、全域での色収差を含む諸収差を良好に補正し、３倍程度のデジタルカメラに適したズームレンズとしている。特許文献２では、第２レンズ群の移動量を小さくして小型化を図り、歪曲収差を十分に補正でき、高画素のデジタルカメラ等に最適な３倍程度のコンパクトなズームレンズとしている。特許文献３では、樹脂材による非球面レンズを効果的に配することにより高解像度で歪曲収差が小さく、バックフォーカスが長く、テレセントリック性が良好なコンパクトで構成枚数の少ないズームレンズとしている。また、特許文献４では、口径比が２．８以上で30度以上の画角を包含し、高解像度の撮像素子を備えた小型ビデオカメラ、デジタルカメラ等に適した、小型・コンパクト化を狙ったズームレンズとなっている。いずれの場合においても、携帯電話搭載カメラに適用可能な程度には、小型化、コンパクト化が図られていない。
特開平１１−２８７９５３号公報特開２００１−３３７０１号公報特開２００３−５７５４５号公報特開２００３−１４００４１号公報

ＣＣＤやＣＭＯＳ等の素子を用いるデジタルカメラやカメラ付き携帯電話等にあって、画素の読み出し時において、強い光源が被写体にある場合、スミア防止が必要となる。また、動きのある被写体の歪み防止等のためにシャッターや光量の低減のための絞りやＮＤが必須となってきた。

本発明の課題は、上記の点に鑑みて、携帯電話搭載カメラに適した小型でコンパクトな３群構成の小型ズームレンズを提案することにある。

すなわち、シャッターやアイリスを第２レンズ群の第１レンズの後方または第２レンズの後方に配置するにも拘わらず、ワイド端における主光線の最大射出角をほぼ19度以内に抑え、空気間隔とレンズ肉厚の比を適切に設定することにより、ズーム全域における球面収差およびコマ収差のバランスを安定的に保つことができ、同時に、軸上および軸外の色収差を良好に補正することのできる３群構成の小型ズームレンズを提案することにある。

本発明の小型ズームレンズは次の構成を備えたことを特徴としている。
(ａ)物体側より順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、正の屈折力を有する第２レンズ群と、正の屈折力を有する第３レンズ群とが配列されている。
(ｂ)変倍に際しては、前記第３レンズ群が固定され、前記第１レンズ群および前記第２レンズ群が移動するようになっている。
(ｃ)前記第１レンズ群は、物体側より順に配列された、像側に凹面を向けた負の屈折力を有するメニスカスレンズと、物体側に凸面を向けた正の屈折力を有するメニスカスレンズとを備えている。
(ｄ)前記第２レンズ群は、物体側より順に配列された、正の屈折力を有する第１レンズと、像側に凹面を向けた負の屈折力を有する第２レンズと、正の屈折力を有する第３レンズとを備えている。
(ｅ)前記第３レンズ群は正の屈折力を有する１枚のレンズを備えている。
(ｆ)前記第１、２および３の各レンズ群は、それぞれ、少なくとも一つのレンズ面が非球面である。

ここで、本発明の小型ズームレンズは次の条件式を満足することが望ましい。
０．７＜ΣｄII／ｆｗ＜１．５（１）
０．２＜Σｄ２ａ／ΣｄII＜０．６（２）
０．５＜ｆＡ／ｆ２＜１．０（３）
｜Ｒ５／Ｒ６｜＜１．０（４）
０．１＜ｆｗ／ｆ３＜０．５（５）
但し、
ΣｄII：第２レンズ群における最も物体側のレンズ面から最も像側のレンズ面までの軸上の距離
ｆｗ：ワイド端の焦点距離
Σｄ２ａ：第２レンズ群の空気間隔の和
ｆＡ：第２レンズ群の最も物体側で正の屈折力を有する第１レンズの焦点距離
ｆ２：第２レンズ群の合成焦点距離
Ｒ５：第２レンズ群の第１レンズの物体側レンズ面の曲率半径
Ｒ６：第２レンズ群の第１レンズの像側レンズ面の曲率半径
ｆ３：第３レンズ群の焦点距離

上記の条件式(１)について説明すると、従来では、第２レンズ群の前方にアイリスおよびシャッターなどを入れることが多い。この理由は、ＣＣＤやＣＭＯＳの特性上、これらの素子への最大入射角を小さく抑えるためである。しかしながら、第２レンズ群の構成レンズ枚数を３枚程度と少なくして、なお高い画質を得るためには、第２レンズ群を構成するレンズの空気間隔、所謂、空気レンズの利用が極めて重要である。

本発明では、この点に鑑みて、第２レンズ群の第１レンズの後方に比較的大きな空気間隔を設けることにより、アイリスおよびシャッター機構を当該第１レンズの後方に配置できるようにしている。このようにすると、テレ(TELE)端およびワイド(WIDE)端における、軸上、軸外に光束が通過する光軸からの高さを大きくすることが可能となる。よって、第１レンズのレンズ面を非球面とした場合には、当該非球面による効果を最大限に利用することが可能となる。また、この空気間隔を条件式(１)を満足するように設定することにより、高画質でコンパクトな小型ズームレンズを実現できる。

条件式(２)は、第２レンズ群の中間部に、シャッターおよびアイリスを挿入可能にすると同時に、ズーム全域での球面収差およびコマ収差のバランスと軸外の色収差を安定的に保つための条件式である。上限０．６を超えると、シャッター構造物の挿入が難しくなり、また、ワイド側での軸外コマ収差および球面収差のバランスの保持が困難になる。さらに、色収差を補正するための第２レンズ群の第１レンズの屈折力が強くなりすぎ、このために、軸上の色収差と軸外の色収差を同時にバランス良く補正することが困難になり、ワイド側での倍率の色収差が基準波長に対して短波長が補正不足(マイナス方向)となってしまう。

条件式(２)の下限０．２を下回ると、ズーム全域でのバックフォーカスが短くなり、レンズ系後方に配置されるローパスフィルタやＩＲカットフィルタなどの挿入物のスペースを確保することが難しくなる。また、テレ側での軸上の色収差が、基準波長に対して短波長が補正不足(マイナス方向)となり、軸外の倍率色収差が補正過剰(プラス方向)となってしまう。これに加えて、ワイド側で特に波長毎に各々ベスト像面の位置にズレが生じて良好な結像性能を保つことが困難になってしまう。

条件式(３)は、第２レンズ群全体のパワーと、その第１レンズのパワーの比を示すものであり、上限１．０を超えると、ズーム系全体の焦点距離が長い方向にシフトするので、第３レンズ群にかかる負担が増加し、このため、テレ側での球面収差と軸外のコマ収差のバランスが取れなくなる。また、ワイド側での軸外での倍率の色収差が基準波長に対して短波長側で補正不足となってしまう。逆に、下限０．５を下回ると、ズーム系全体の焦点距離が短い方向にシフトするので、第３レンズ群のパワーが弱くなり、テレ側での軸上および軸外の色収差が基準波長に対して補正過剰となり、主光線の最大射出角が大きくなってしまう。

条件式(４)は球面収差と軸外コマ収差のバランスを取るための条件式であり、この条件を超えると、ワイド側で軸外の外方コマ(外側に向かっているコマ収差)が発生すると共に、像面湾曲が(−)方向に増大して安定した補正ができない。また、テレ側での球面収差とコマ収差のバランスをとる事が困難となり、ズーム全域での安定した収差補正が困難となってしまう。

条件式(５)は第３レンズ群のパワーを定めるものであり、上限０．５を超えると第３レンズ群のパワーが強くなり、ズームレンズ全体の焦点距離が広角側にシフトし過ぎて、第１レンズ群の最大径が増加すると共に、各収差を安定的に補正することが困難となる。さらに、バックフォーカスが短くなり、レンズ系後方に配置されるＩＲカットフィルタやＣＣＤなどのカバーガラス、ローパスフィルタなどを挿入するスペースを確保できない。一方、下限０．１を下回ると、ズームレンズ全系の焦点距離が前焦点側にシフトし過ぎるので、この種のズームレンズには不向きであると同時に、ワイド端における光軸上の全長が長くなり、本発明の目的であるコンパクト化を実現できない。

次に、カメラ付き携帯電話などの情報端末機器に用いられるズームレンズはシステム全体のサイズが極めて重要な要素である。携帯電話の場合、その厚さは最大でもほぼ２５mm以下が一般的である。したがって、ズームレンズの最大全長は２３mm程度以下にすることが望ましい。このためには、本発明の小型ズームレンズは次の条件式(６)を満足することが望ましい。
ＩＨ／Σｄｗ＜０．２５（６）
但し、
ＩＨ：有効像高
Σｄｗ：ワイド端における最も物体側のレンズ面から結像面までの軸上の距離
本発明の小型ズームレンズでは、例えば、０．１５程度の値とされる。

本発明によれば、カメラ付き携帯電話などのようなメガオーダ以上の解像度が要求される機器に用いられる高精細のズームレンズ系において、ワイド端における主光線の最大射出角をほぼ19度以下に抑えて、受光素子の周辺部への入射角度を小さく保つことができる。また、ズーム全域における球面収差とコマ収差のバランスを安定的に保つことができる。さらに、軸上、軸外の色収差を良好に補正することができる。よって、本発明によれば、３倍程度の倍率の小型で軽量な高解像度のズームレンズ系を実現できる。

以下に、図面を参照して本発明を適用した小型ズームレンズを説明する。なお、各実施例の小型ズームレンズの各収差を示す収差図における(ａ)は、ｅ線、Ｆ線、Ｃ線およびｄ線それぞれの波長に対する軸上色収差を示しており、(ｂ)および(ｃ)は、ｅ線によるタンジェンシャルとサジタルの非点収差および歪曲収差を示している。また、各実施例の表における各記号の意味は次の通りである。
Ｆｎｏ：Ｆナンバー
ｆ：全系の焦点距離
Ｗ：入射角
ｒ：曲率半径
ｄ：レンズ厚
Ｎｄ：ｄ線(波長５８８ｎｍ)の屈折率
νｄ：アッベ数
また、回転対称非球面は次式で定義される。
ｘ＝ｃｙ²／［１＋｛１−(１＋Ｋ)ｃ²ｙ²｝^1/2］
＋Ａ４ｙ⁴＋Ａ６ｙ⁶＋Ａ８ｙ⁸＋Ａ１０ｙ¹⁰＋Ａ１２ｙ¹²
但し、
ｃ：曲率(＝１／ｒ)
ｙ：光軸からの高さ
Ｋ：円錐係数
Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、Ａ１２：非球面係数

図１は実施例１の小型ズームレンズを示す構成図である。図７、８および９は、本例の小型ズームレンズのワイド端、ノーマルおよびテレ端における諸収差を示す収差図である。また、表１はその数値データを示し、表２は各レンズのレンズデータを示し、表３は非球面形状のレンズ面を規定するための係数を示してある。なお、表１における各値は、左側から順に、ワイド端、ノーマルおよびテレ端の値であり、表２における空気間隔Ｖ１、Ｖ２の値も同様である。

本例の小型ズームレンズ１００は、物体側より結像面９に向けて、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｉと、正の屈折力を有する第２レンズ群IIと、正の屈折力を有する第３レンズ群IIIとが配列された３群構成となっている。変倍に際しては、第１レンズ群Iが結像面を一定に保つために移動し、第２レンズ群IIが一定方向に移動するようになっている。

第１レンズ群Ｉは、像側に強い凹面を向けた負の屈折力を有するメニスカスレンズ１と、物体側に強い凸面を向けた正の屈折力を有するメニスカスレンズ２とを備え、これらがこの順序で物体側から配列されている。第２レンズ群IIは、異符号で正の屈折力を有する第１レンズ３と、像側に強い凹面を向けた負の屈折力を有する第２レンズ４と、正の屈折力を有する第３レンズ５とを備えており、これらがこの順序で物体側から配列されている。絞り７は、第１レンズ３の後方、すなわち、第１レンズ３と第２レンズ４の間に配置されている。第３レンズ群IIIは正の屈折力を有する１枚のレンズ６を備えている。レンズ６と結像面９の間にはカバーガラス８が配置されている。本例では、表３に示すように、各レンズ１ないし６の片面あるいは両面が非球面とされている。

図２は実施例２の小型ズームレンズを示す構成図である。図１０、１１および１２は、本例の小型ズームレンズのワイド端、ノーマルおよびテレ端における諸収差を示す収差図である。また、表４はその数値データを示し、表５は各レンズのレンズデータを示し、表６は非球面形状のレンズ面を規定するための係数を示してある。なお、表４における各値は、左側から順に、ワイド端、ノーマルおよびテレ端の値であり、表５における空気間隔Ｖ１、Ｖ２の値も同様である。

本例の小型ズームレンズ２００の基本構成は実施例１のズームレンズ１００と同一であるので、対応する部位には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。本例では、第１メニスカスレンズ１が球面レンズであり、それ以外のレンズ２ないし６が非球面レンズとされている。

図３は実施例３の小型ズームレンズを示す構成図である。図１３、１４および１５は、本例の小型ズームレンズのワイド端、ノーマルおよびテレ端における諸収差を示す収差図である。また、表７はその数値データを示し、表８は各レンズのレンズデータを示し、表９は非球面形状のレンズ面を規定するための係数を示してある。なお、表７における各値は、左側から順に、ワイド端、ノーマルおよびテレ端の値であり、表８における空気間隔Ｖ１、Ｖ２の値も同様である。

本例の小型ズームレンズ３００の基本構成は実施例１のズームレンズ１００と同一であるので、対応する部位には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。本例では、第２レンズ群IIの第３レンズ５が球面レンズであり、それ以外のレンズが非球面レンズとされている。

図４は実施例４の小型ズームレンズを示す構成図である。図１６、１７および１８は、本例の小型ズームレンズのワイド端、ノーマルおよびテレ端における諸収差を示す収差図である。また、表１０はその数値データを示し、表１１は各レンズのレンズデータを示し、表１２は非球面形状のレンズ面を規定するための係数を示してある。なお、表１０における各値は、左側から順に、ワイド端、ノーマルおよびテレ端の値であり、表１１における空気間隔Ｖ１、Ｖ２の値も同様である。

本例の小型ズームレンズ４００の基本構成は実施例１のズームレンズ１００と同一であるので、対応する部位には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。本例では、第３レンズ群IIIを構成しているレンズ６が球面レンズであり、それ以外のレンズが非球面レンズとされている。

図５は実施例５の小型ズームレンズを示す構成図である。図１９、２０および２１は、本例の小型ズームレンズのワイド端、ノーマルおよびテレ端における諸収差を示す収差図である。また、表１３はその数値データを示し、表１４は各レンズのレンズデータを示し、表１５は非球面形状のレンズ面を規定するための係数を示してある。なお、表１３における各値は、左側から順に、ワイド端、ノーマルおよびテレ端の値であり、表１４における空気間隔Ｖ１、Ｖ２の値も同様である。

本例の小型ズームレンズ５００の基本構成は実施例１のズームレンズ１００と同一であるので、対応する部位には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。異なる点は、絞り７を、第２レンズ群IIの第２レンズ４の後方に配置したことである。また、第１レンズ群Ｉのレンズ１および第２レンズ群IIのレンズ５が球面レンズであり、それ以外のレンズが非球面レンズとされている。

図６は実施例６の小型ズームレンズを示す構成図である。図２２、２３および２４は、本例の小型ズームレンズのワイド端、ノーマルおよびテレ端における諸収差を示す収差図である。また、表１６はその数値データを示し、表１７は各レンズのレンズデータを示し、表１８は非球面形状のレンズ面を規定するための係数を示してある。なお、表１６における各値は、左側から順に、ワイド端、ノーマルおよびテレ端の値であり、表１７における空気間隔Ｖ１、Ｖ２の値も同様である。

本例の小型ズームレンズ６００の基本構成は実施例１のズームレンズ１００と同一であるので、対応する部位には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。本例では、第１レンズ群Ｉのレンズ１が球面レンズであり、それ以外のレンズが非球面レンズとされている。

（各実施例の評価）
表１９には、上記の実施例１〜６における条件式(１)〜(６)の値を示してある。この表に示すように、各実施例ともすべての条件式を満足している。

本発明の実施例１の小型ズームレンズの構成図である。本発明の実施例２の小型ズームレンズの構成図である。本発明の実施例３の小型ズームレンズの構成図である。本発明の実施例４の小型ズームレンズの構成図である。本発明の実施例５の小型ズームレンズの構成図である。本発明の実施例６の小型ズームレンズの構成図である。実施例１の小型ズームレンズにおけるワイド端での諸収差図である。実施例１の小型ズームレンズにおけるノーマルでの諸収差図である。実施例１の小型ズームレンズにおけるテレ端での諸収差図である。実施例２の小型ズームレンズにおけるワイド端での諸収差図である。実施例２の小型ズームレンズにおけるノーマルでの諸収差図である。実施例２の小型ズームレンズにおけるテレ端での諸収差図である。実施例３の小型ズームレンズにおけるワイド端での諸収差図である。実施例３の小型ズームレンズにおけるノーマルでの諸収差図である。実施例３の小型ズームレンズにおけるテレ端での諸収差図である。実施例４の小型ズームレンズにおけるワイド端での諸収差図である。実施例４の小型ズームレンズにおけるノーマルでの諸収差図である。実施例４の小型ズームレンズにおけるテレ端での諸収差図である。実施例５の小型ズームレンズにおけるワイド端での諸収差図である。実施例５の小型ズームレンズにおけるノーマルでの諸収差図である。実施例５の小型ズームレンズにおけるテレ端での諸収差図である。実施例６の小型ズームレンズにおけるワイド端での諸収差図である。実施例６の小型ズームレンズにおけるノーマルでの諸収差図である。実施例６の小型ズームレンズにおけるテレ端での諸収差図である。

符号の説明

Ｉ第１レンズ群
II 第２レンズ群
III 第３レンズ群
１、２、３、４、５、６レンズ
７絞り
８カバーガラス
９結像面

Claims

物体側より順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、正の屈折力を有する第２レンズ群と、正の屈折力を有する第３レンズ群とが配列されており、
変倍に際しては、前記第３レンズ群が固定され、前記第１レンズ群および前記第２レンズ群が移動するようになっており、
前記第１レンズ群は、像側に凹面を向けた負の屈折力を有するメニスカスレンズと、物体側に凸面を向けた正の屈折力を有するメニスカスレンズとがこの順序で物体側から結像面側に向けて配列された構成となっており、
前記第２レンズ群は、正の屈折力を有する第１レンズと、像側に凹面を向けた負の屈折力を有する第２レンズと、正の屈折力を有する第３レンズとがこの順序で物体側から結像面側に向けて配列された構成となっており、
前記第３レンズ群は正の屈折力を有する１枚のレンズからなり、
前記第１、２および３の各レンズ群は、それぞれ、少なくとも一つのレンズ面が非球面であることを特徴とする小型ズームレンズ。
請求項１において、
次の条件式を満足することを特徴とする小型ズームレンズ。
０．７＜ΣｄII／ｆｗ＜１．５（１）
０．２＜Σｄ２ａ／ΣｄII＜０．６（２）
但し、
ΣｄII：第２レンズ群における第１レンズの物体側レンズ面から第３レンズの結像面側レンズ面までの軸上の距離
ｆｗ：ワイド端の焦点距離
Σｄ２ａ：第２レンズ群の空気間隔の和
請求項１または２において、
次の条件式を満足することを特徴とする小型ズームレンズ。
０．５＜ｆＡ／ｆ２＜１．０（３）
但し、
ｆＡ：第２レンズ群の最も物体側に配置されている第１レンズの焦点距離
ｆ２：第２レンズ群の合成焦点距離
請求項１、２または３において、
次の条件式を満足することを特徴とする小型ズームレンズ。
｜Ｒ５／Ｒ６｜＜１．０（４）
但し、
Ｒ５：第２レンズ群の第１レンズにおける物体側レンズ面の曲率半径
Ｒ６：第２レンズ群の第１レンズにおける結像面側レンズ面の曲率半径
請求項１ないし４のうちのいずれかの項において、
次の条件式を満足することを特徴とする小型ズームレンズ。
０．１＜ｆｗ／ｆ３＜０．５（５）
但し、
ｆｗ：ワイド端の焦点距離
ｆ３：第３レンズ群の焦点距離
請求項１ないし５のうちのいずれかの項において、
次の条件式を満足することを特徴とする小型ズームレンズ。
ＩＨ／Σｄｗ＜０．２５（６）
但し、
ＩＨ：有効像高
Σｄｗ：ワイド端における最も物体側のレンズ面から結像面までの軸上の距離