JP2006138969A - 変倍光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い光学性能を保持しつつ入射光線等の制約を受けずに小型化を達成した変倍光学系と、それを備えた撮像装置を提供する。
【解決手段】 撮像素子の受光面上に物体の光学像を変倍可能に形成するための変倍光学系であって、物体側より順に、負のパワーを有する第１レンズ群ＧＲ１と、正のパワーを有する第２レンズ群ＧＲ２と、正のパワーを有する第３レンズ群ＧＲ３と、正又は負のパワーを有する第４レンズ群ＧＲ４とから成る。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)までの変倍に際し、少なくとも第１レンズ群ＧＲ１と第２レンズ群ＧＲ２が可動であり、第４レンズ群ＧＲ４が位置固定であり、波長選択特性を有する光学部材を第４レンズ群ＧＲ４に含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は変倍光学系に関するものであり、例えば、被写体の映像を撮像素子で取り込む画像入力機能付きデジタル機器に適した変倍光学系(なかでも小型で高変倍のズームレンズ系)と、それを備えた撮像装置に関するものである。

近年、パーソナルコンピュータの普及に伴い、手軽に画像を取り込めるデジタルスチルカメラが普及しつつある。このようなデジタルスチルカメラの普及に伴い、より小型のデジタルスチルカメラが求められるようになってきており、撮影レンズ系にもより一層の小型化が要望されている。また、一般向けのデジタルカメラにおいても画像の変倍、特に画像劣化の少ない光学変倍が望まれているため、小型化，高性能化と共に高変倍化の要求にも応えるべく様々なタイプのズームレンズ系が従来より提案されている。例えば特許文献１では、撮像素子の直前に配置される赤外カットフィルターを省略することにより、光学系全長の短縮を図ったズームレンズ系が提案されている。そのズームレンズ系は負・正・正の３成分ズームタイプや正・負・正・正・正の５成分ズームタイプであり、赤外カットフィルターの代わりに波長選択素子が所定のズーム群に用いられている。
特開２００３−１７７３１３号公報

しかし、特許文献１で提案されているズームレンズ系では、ズーミング中可動のレンズ群に波長選択素子が用いられているため、波長選択素子に入射する光線に制約を設ける必要がある。つまり、用いられている波長選択素子がレンズ面上に干渉膜を有する構成になっているため、光線の入射角に応じて異なった波長選択特性を示し、ズーム移動するレンズ面では入射角に制約を受けることになるのである。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、高い光学性能を保持しつつ入射光線等の制約を受けずに小型化を達成した変倍光学系と、それを備えた撮像装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の変倍光学系は、撮像素子の受光面上に物体の光学像を変倍可能に形成するための変倍光学系であって、物体側より順に、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、正又は負のパワーを有する第４レンズ群とから成り、広角端から望遠端までの変倍に際し、少なくとも前記第１レンズ群と前記第２レンズ群が可動であり、前記第４レンズ群が位置固定であり、波長選択特性を有する光学部材を前記第４レンズ群に含むことを特徴とする。

第２の発明の変倍光学系は、上記第１の発明において、前記第４レンズ群が単レンズで構成されていることを特徴とする。

第３の発明の変倍光学系は、上記第２の発明において、前記単レンズの物体側面が波長選択特性を有し、前記単レンズの像側面が物体側面よりも曲率の強いレンズ面から成ることを特徴とする。

第４の発明の変倍光学系は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記第４レンズ群が撮像素子と一体に密閉された構造を有することを特徴とする。

第５の発明の変倍光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記第３レンズ群を物体側に移動させることにより、無限遠物体から近接物体へのフォーカシングを行うことを特徴とする。

第６の発明の変倍光学系は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明において、以下の条件式(1)を満足することを特徴とする。
5＜｜1／(ｆｗ×φ４)｜＜25 …(1)
ただし、
ｆｗ：広角端での変倍光学系全体の焦点距離、
φ４：第４レンズ群のパワー、
である。

第７の発明の変倍光学系は、上記第１〜第６のいずれか１つの発明において、前記光学部材が屈折レンズから成っており、そのレンズ面上に赤外カット機能を持った波長選択特性を有する薄膜が設けられており、以下の条件式(2)を満足することを特徴とする。
-0.2＜ｆｗ／Ｒ＜0.2 …(2)
ただし、
ｆｗ：広角端での変倍光学系全体の焦点距離、
Ｒ：薄膜が設けられているレンズ面の曲率半径、
である。

第８の発明の撮像装置は、第１〜第７のいずれか１つの発明に係る変倍光学系を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、変倍時位置固定の第４レンズ群に波長選択特性を有する光学部材を含んだ構成になっているため、高い光学性能を保持しつつ入射光線等の制約を受けずに変倍光学系の小型化を達成することが可能である。したがって、小型かつ高性能な変倍光学系を備えた撮像装置を実現することができる。そして、本発明に係る撮像装置をデジタルカメラ，携帯情報機器等の機器に用いれば、これらの機器の薄型・軽量・コンパクト化，低コスト化，高性能化，高機能化等に寄与することができる。

以下、本発明を実施した変倍光学系，撮像装置等を、図面を参照しつつ説明する。本発明に係る撮像装置は、被写体の映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する光学装置であって、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラの主たる構成要素を成すものである。そのようなカメラの例としては、デジタルカメラ；ビデオカメラ；監視カメラ；車載カメラ；テレビ電話用カメラ；ドアホーン用カメラ；パーソナルコンピュータ，モバイルコンピュータ，携帯電話，携帯情報端末(ＰＤＡ：Personal Digital Assistant)，これらの周辺機器(マウス，スキャナー，プリンター等)，その他のデジタル機器等に内蔵又は外付けされるカメラが挙げられる。これらの例から分かるように、撮像装置を用いることによりカメラを構成することができるだけでなく、各種機器に撮像装置を搭載することによりカメラ機能を付加することも可能である。例えば、カメラ付き携帯電話等の画像入力機能付きデジタル機器を構成することが可能である。

なお、従来「デジタルカメラ」の語は、専ら光学的な静止画を記録するものを指していたが、静止画と動画を同時に扱えるデジタルスチルカメラや家庭用デジタルムービーカメラも提案されており、現在では特に区別されなくなってきている。したがって「デジタルカメラ」の語は、デジタルスチルカメラ，デジタルムービーカメラ，ウェッブカメラ(オープン型・プライベート型を問わず、ネットワークに接続されて画像の送受信を可能にする機器に接続されるカメラであって、ネットワークに直接接続されるもの、パーソナルコンピュータ等の情報処理機能を有する機器を介して接続されるもの、の両方を含む。)等のように、光学像を形成する撮影レンズ系，その光学像を電気映像信号に変換する撮像素子等を備えた撮像装置を主たる構成要素とするカメラすべてを含むものとする。

図１５に、撮像装置ＬＵの構成例を示す。この撮像装置ＬＵは、物体(すなわち被写体)側から順に、物体の光学像(ＩＭ：像面)を変倍可能に形成するズームレンズ系(撮影レンズ系としての変倍光学系に相当する。ＳＴ：絞り)ＴＬと、ズームレンズ系ＴＬにより受光面ＳＳ上に形成された光学像ＩＭを電気的な信号に変換する撮像素子ＳＲとを備えており、デジタルカメラ，携帯情報機器(つまり、携帯電話，ＰＤＡ等の小型で携帯可能な情報機器端末)等に相当するデジタル機器ＣＵの一部を成している。この撮像装置ＬＵでデジタルカメラを構成する場合、通常そのカメラのボディ内部に撮像装置ＬＵを配置することになるが、カメラ機能を実現する際には必要に応じた形態を採用することが可能である。例えば、ユニット化した撮像装置ＬＵをカメラボディに対して着脱自在又は回動自在に構成してもよく、ユニット化した撮像装置ＬＵを携帯情報機器(携帯電話，ＰＤＡ等)に対して着脱自在又は回動自在に構成してもよい。なお、撮像素子ＳＲは物体側にカバーガラスＣＧを有しており、また、撮像素子ＳＲとズームレンズ系ＴＬとの間には必要に応じて光学的ローパスフィルターを配置してもよい。

ズームレンズ系ＴＬは複数のレンズ群から成っており、複数のレンズ群が光軸ＡＸに沿って移動し、レンズ群間隔を変化させることにより変倍(すなわちズーミング)を行う構成になっている。後述する第１〜第３，第５，第６の実施の形態ではズームレンズ系ＴＬが負・正・正・負の４成分ズーム構成になっており、第４，第７の実施の形態ではズームレンズ系ＴＬが負・正・正・正の４成分ズーム構成になっている。そして、第１〜第７の実施の形態では、いずれも第１〜第３レンズ群ＧＲ１〜ＧＲ３が移動群を構成しており、第４レンズ群ＧＲ４が固定群を構成している。

撮像素子ＳＲとしては、例えば複数の画素を有するＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサー等の固体撮像素子が用いられる。そして、ズームレンズ系ＴＬにより(撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上に)形成された光学像は、撮像素子ＳＲにより電気的な信号に変換される。撮像素子ＳＲで生成した信号は、必要に応じて所定のデジタル画像処理や画像圧縮処理等が施されてデジタル映像信号としてメモリー(半導体メモリー，光ディスク等)に記録されたり、場合によってはケーブルを介したり赤外線信号に変換されたりして他の機器に伝送される。

なお、図１５に示す撮像装置ＬＵでは、ズームレンズ系ＴＬによって拡大側の被写体から縮小側の撮像素子ＳＲへの縮小投影が行われるが、撮像素子ＳＲの代わりに２次元画像を表示する表示素子(例えば液晶表示素子)を用い、ズームレンズ系ＴＬを投影レンズ系として使用すれば、縮小側の画像表示面から拡大側のスクリーン面への拡大投影を行う画像投影装置を構成することができる。つまり、以下に説明する各実施の形態のズームレンズ系ＴＬは、撮影レンズ系としての使用に限らず、投影レンズ系としても好適に使用することが可能である。

図１〜図７は、第１〜第７の実施の形態を構成するズームレンズ系ＴＬにそれぞれ対応するレンズ構成図であり、広角端(Ｗ)でのレンズ配置を光学断面で示している。各レンズ構成図中、ｒｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)が付された面は物体側から数えてｉ番目の面(ｒｉに＊印が付された面は非球面)であり、ｄｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)が付された軸上面間隔は、物体側から数えてｉ番目の軸上面間隔のうち、ズーミングにおいて変化する可変間隔である。また各レンズ構成図中、矢印ｍ１，ｍ２，ｍ３は広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおける第１レンズ群ＧＲ１，第２レンズ群ＧＲ２，第３レンズ群ＧＲ３の移動をそれぞれ模式的に示しており、矢印ｍ４は第４レンズ群ＧＲ４とカバーガラスＣＧがズーミングにおいて位置固定であることを示している。なお、いずれの実施の形態においても第１レンズ群ＧＲ１と第２レンズ群ＧＲ２との間には絞りＳＴが配置されており、絞りＳＴは第２レンズ群ＧＲ２と共にズーム移動する構成(矢印ｍ２)になっている。

第１〜第７の実施の形態のズームレンズ系ＴＬは、物体側から順に、負のパワー(パワー：焦点距離の逆数で定義される量)を有する第１レンズ群ＧＲ１と、絞りＳＴと、正のパワーを有する第２レンズ群ＧＲ２と、正のパワーを有する第３レンズ群ＧＲ３と、正又は負のパワーを有する第４レンズ群ＧＲ４とから成り、各レンズ群間隔を変化させることによりズーミングを行う４成分ズーム構成になっている。各実施の形態のレンズ構成を以下に詳しく説明する。

第１の実施の形態(図１)では、負・正・正・負の４成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群ＧＲ１は、物体側から順に、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、両凸の正レンズ及び両凹の負レンズから成る接合レンズと、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されており、第２レンズ群ＧＲ２の物体側にはズーミングに際して第２レンズ群ＧＲ２と共に移動する絞りＳＴが配置されている。第３レンズ群ＧＲ３は、両面非球面で両凸の正レンズ１枚のみから成っている。第４レンズ群ＧＲ４は、像側に凹の負メニスカスレンズ１枚のみから成っている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１レンズ群ＧＲ１は像側への移動後に像側から物体側へＵターン移動し、第２レンズ群ＧＲ２は物体側へ単調に移動し、第３レンズ群ＧＲ３は像側へ単調に移動し、第４レンズ群ＧＲ４は像面ＩＭに対してズーム位置固定である。

第２の実施の形態(図２)では、負・正・正・負の４成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群ＧＲ１は、物体側から順に、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、両凸の正レンズと、両凸の正レンズ及び両凹の負レンズから成る接合レンズと、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されており、第２レンズ群ＧＲ２の物体側にはズーミングに際して第２レンズ群ＧＲ２と共に移動する絞りＳＴが配置されている。第３レンズ群ＧＲ３は、両面非球面で両凸の正レンズ１枚のみから成っている。第４レンズ群ＧＲ４は、物体側に凹の負の平凹レンズ１枚のみから成っており、像側面でカバーガラスＣＧと接合されている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１レンズ群ＧＲ１は像側への移動後に像側から物体側へＵターン移動し、第２レンズ群ＧＲ２は物体側へ単調に移動し、第３レンズ群ＧＲ３は像側へ単調に移動し、第４レンズ群ＧＲ４は像面ＩＭに対してズーム位置固定である。

第３の実施の形態(図３)では、負・正・正・負の４成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群ＧＲ１は、物体側から順に、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、両凸の正レンズと、両凸の正レンズ及び両凹の負レンズから成る接合レンズと、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されており、第２レンズ群ＧＲ２の物体側にはズーミングに際して第２レンズ群ＧＲ２と共に移動する絞りＳＴが配置されている。第３レンズ群ＧＲ３は、両面非球面で両凸の正レンズ１枚のみから成っている。第４レンズ群ＧＲ４は、像側に凹の負の平凹レンズ１枚のみから成っている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１レンズ群ＧＲ１は像側への移動後に像側から物体側へＵターン移動し、第２レンズ群ＧＲ２は物体側へ単調に移動し、第３レンズ群ＧＲ３は像側へ単調に移動し、第４レンズ群ＧＲ４は像面ＩＭに対してズーム位置固定である。

第４の実施の形態(図４)では、負・正・正・正の４成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群ＧＲ１は、物体側から順に、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、両凸の正レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズ及び像側に凹の負メニスカスレンズから成る接合レンズと、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されており、第２レンズ群ＧＲ２の物体側にはズーミングに際して第２レンズ群ＧＲ２と共に移動する絞りＳＴが配置されている。第３レンズ群ＧＲ３は、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズ１枚のみから成っている。第４レンズ群ＧＲ４は、像側に凸の正の平凸レンズ１枚のみから成っている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１レンズ群ＧＲ１は像側への移動後に像側から物体側へＵターン移動し、第２レンズ群ＧＲ２は物体側へ単調に移動し、第３レンズ群ＧＲ３は像側へ単調に移動し、第４レンズ群ＧＲ４は像面ＩＭに対してズーム位置固定である。

第５の実施の形態(図５)では、負・正・正・負の４成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群ＧＲ１は、物体側から順に、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、両凸の正レンズ及び両凹の負レンズから成る接合レンズと、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されており、第２レンズ群ＧＲ２の物体側にはズーミングに際して第２レンズ群ＧＲ２と共に移動する絞りＳＴが配置されている。第３レンズ群ＧＲ３は、両面非球面で両凸の正レンズ１枚のみから成っている。第４レンズ群ＧＲ４は、物体側に凹の負の平凹レンズ１枚のみから成っており、像側面でカバーガラスＣＧと接合されている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１レンズ群ＧＲ１は像側への移動後に像側から物体側へＵターン移動し、第２レンズ群ＧＲ２は物体側へ単調に移動し、第３レンズ群ＧＲ３は像側へ単調に移動し、第４レンズ群ＧＲ４は像面ＩＭに対してズーム位置固定である。

第６の実施の形態(図６)では、負・正・正・負の４成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群ＧＲ１は、物体側から順に、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、両凸の正レンズ及び両凹の負レンズから成る接合レンズと、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されており、第２レンズ群ＧＲ２の物体側にはズーミングに際して第２レンズ群ＧＲ２と共に移動する絞りＳＴが配置されている。第３レンズ群ＧＲ３は、両面非球面で両凸の正レンズ１枚のみから成っている。第４レンズ群ＧＲ４は、両凹の負レンズ１枚のみから成っている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１レンズ群ＧＲ１は像側への移動後に像側から物体側へＵターン移動し、第２レンズ群ＧＲ２は物体側へ単調に移動し、第３レンズ群ＧＲ３は像側へ単調に移動し、第４レンズ群ＧＲ４は像面ＩＭに対してズーム位置固定である。

第７の実施の形態(図７)では、負・正・正・正の４成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群ＧＲ１は、物体側から順に、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、両凸の正レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズ及び像側に凹の負メニスカスレンズから成る接合レンズと、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されており、第２レンズ群ＧＲ２の物体側にはズーミングに際して第２レンズ群ＧＲ２と共に移動する絞りＳＴが配置されている。第３レンズ群ＧＲ３は、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズ１枚のみから成っている。第４レンズ群ＧＲ４は、像側に凸の正の平凸レンズ１枚のみから成っている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１レンズ群ＧＲ１は像側への移動後に像側から物体側へＵターン移動し、第２レンズ群ＧＲ２は物体側へ単調に移動し、第３レンズ群ＧＲ３は像側へ単調に移動し、第４レンズ群ＧＲ４は像面ＩＭに対してズーム位置固定である。

第１〜第３，第５，第６の実施の形態では、物体側より順に、負のパワーを有する第１レンズ群ＧＲ１と、正のパワーを有する第２レンズ群ＧＲ２と、正のパワーを有する第３レンズ群ＧＲ３と、負のパワーを有する第４レンズＧＲ４群と、でズームレンズ系ＴＬが構成されている。一般に、デジタルカメラやビデオカメラに使用される固体撮像素子には、集光効率を高めるためその前面にマイクロレンズが設けられている。そのマイクロレンズの使用条件に適合させるため、変倍光学系では広角端と望遠端の射出瞳位置の変動をなるべく抑える必要がある。小型化を図った負・正・正のズームレンズ系では、各レンズ群のパワーが強くなると広角端と望遠端の射出瞳位置の変動が大きくなり、その補正が困難になってくる。上記第１〜第３，第５，第６の実施の形態のように、撮像素子に最も近い第４レンズ群に負のパワーを持たせれば、自由度の向上により広角端と望遠端の射出瞳位置の変動を小さく抑えることが可能となる。

第４，第７の実施の形態では、物体側より順に、負のパワーを有する第１レンズ群ＧＲ１と、正のパワーを有する第２レンズ群ＧＲ２と、正のパワーを有する第３レンズ群ＧＲ３と、正のパワーを有する第４レンズＧＲ４群と、でズームレンズ系ＴＬが構成されている。上述したように、デジタルカメラやビデオカメラに使用される固体撮像素子には、集光効率を高めるためその前面にマイクロレンズが設けられている。そのマイクロレンズの使用条件に適合させるため、マイクロレンズに入射する光線を撮影レンズ系でテレセントリックな光線にする必要がある。小型化を図った負・正・正のズームレンズ系では、各レンズ群のパワーが強くなるとテレセントリック性を確保することが困難になってくる。上記第４，第７の実施の形態のように、撮像素子に最も近い第４レンズ群に正のパワーを持たせれば、小型化を達成しながらテレセントリック性を確保することが可能となる。

ＣＣＤやＣＭＯＳセンサー等の固体撮像素子は、可視光だけでなく赤外光に対しても強い感度域を有する。このため、良好な色再現性を得るには、吸収タイプの赤外カットフィルターや赤外カット機能を有する薄膜等の光学部材が必要である。また色収差補正の観点から、吸収タイプの紫外カットフィルターや紫外カット機能を有する薄膜等の光学部材が必要となる場合もある。第１〜第７の実施の形態では、広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)までのズーミングに際し、像面ＩＭに対して位置固定の第４レンズ群ＧＲ４に、波長選択特性を有する光学部材(すなわち波長選択素子)を含んでいる。つまり、各実施の形態に用いられている第４レンズ群ＧＲ４は、１枚の波長選択素子から成っている。

波長選択特性を有する光学部材を正又は負のパワーを有する第４レンズ群ＧＲ４に用いることにより、特別な波長選択特性を有する光学フィルターや薄膜を持った平行平板が不要となる。また、撮像素子に最も近い第４レンズ群に波長選択機能を持たせることにより、斜入射等による波長選択特性の変化を抑えることができる。したがって各実施の形態のように、負・正・正・負の４成分ズーム構成又は負・正・正・正の４成分ズーム構成を有する変倍光学系においては、広角端から望遠端までの変倍に際し、少なくとも第１レンズ群と第２レンズ群が可動であり、第４レンズ群が位置固定であり、波長選択特性を有する光学部材を第４レンズ群に含むことが好ましい。

波長選択特性を薄膜で構成する場合、第４レンズ群を構成する面のうち最も物体側の面に薄膜を配置することが望ましい。波長選択特性を持った薄膜は一般的に１０層近くの多層膜となるため、薄膜表面に付着するゴミや異物を低減することは困難である。そのゴミや異物は、薄膜位置が像面に近いほど撮影時に写り込みやすくなる。したがって、薄膜位置は像面から遠いほど好ましく、第４レンズ群の最も物体側に薄膜を構成することにより、薄膜上のゴミや異物が撮影時に写り込むのを防ぐことが可能となる。

各実施の形態では、第４レンズ群ＧＲ４が負又は正のパワーを有する単レンズで構成されている。第４レンズ群を単レンズで構成すれば、全長を増やすことなく、従来赤外カットフィルターがあった場所に赤外カット機能を持たせることができる。したがって、変倍光学系を小型化する上で、第４レンズ群は単レンズで構成されることが好ましい。また、第３レンズ群を物体側に移動させることにより、無限遠物体から近接物体へのフォーカシングを行う方式を採用するのが好ましい。

第１，第３，第４，第６，第７の実施の形態では、第４レンズ群ＧＲ４を構成している単レンズの像側面が曲面から成っている。平行平板状の光学フィルターを撮像素子の直前に配置すると、撮像素子のカバーガラスとの間で面間反射が発生するおそれがある。しかし、第４レンズ群の最も像側面を曲面にすれば、面間反射が抑制されるため、光学性能の低下を防止することができる。さらに、第１，第３，第４，第７の実施の形態では、第４レンズ群ＧＲ４を構成している単レンズの像側面が物体側面よりも曲率の強い曲面から成っている。このように像側面へのパワー負担を増やせば、上記面間反射が抑制されるだけでなく、物体側面に対する薄膜形成が容易になるとともに、緩い曲率の物体側面に対する光線入射角との関係から薄膜の波長選択特性を良好にすることが可能になる。したがって、第４レンズ群を構成する単レンズは、その物体側面が波長選択特性を有し、像側面が物体側面よりも曲率の強いレンズ面から成ることが好ましい。なお、第２，第５の実施の形態では、第４レンズ群ＧＲ４が像側面でカバーガラスＣＧと接合されているため上記面間反射は発生せず、また、撮像素子ＳＲの前面に異物が付着することがないのでその異物が撮影時に写り込むこともない。

撮像素子の小型化・高画素化が進むと、画素のサイズも非常に小型化されることになる。このため、撮像素子の前面に異物が付着すると、撮影時に異物が大きく写り込んでしまうことになる。これを防止するには、第４レンズ群が撮像素子と一体に密閉された構造を有することが望ましい。第４レンズ群は変倍に際して位置固定となっているため、第４レンズ群と撮像素子とを一体の密閉された構造にすることは容易に可能である。図１６，図１７に、撮像素子ＳＲと第４レンズ群ＧＲ４との密閉構成例を示す。図１６に示すように、基板Ｐ１には撮像素子ＳＲが固定されており、構造部材Ｐ３には第４レンズ群ＧＲ４が組み込まれている。ゴム部材Ｐ２を介して基板Ｐ１に構造部材Ｐ３を３点でネジ止めすると、図１７に示すように第４レンズ群ＧＲ４と撮像素子ＳＲとが一体的に密閉された構造となる。この密閉構造により、撮像素子ＳＲの前面への異物の進入を防止して、撮影時の異物の写り込みを効果的に防ぐことが可能となる。

波長選択特性を有する光学部材を第４レンズ群に含むとともに、以下の条件式(1)を満足することが望ましい。
5＜｜1／(ｆｗ×φ４)｜＜25 …(1)
ただし、
ｆｗ：広角端での変倍光学系全体の焦点距離、
φ４：第４レンズ群のパワー、
である。

条件式(1)は、第４レンズ群のパワーについて好ましい条件範囲を規定している。この条件式(1)の下限を越えると、第４レンズ群のパワーが強くなり過ぎて、薄膜を用いた波長選択素子では曲率が強くなるため、斜入射による波長選択特性の変化が無視できなくなる。吸収フィルターによる波長選択素子では中心部と周辺部の厚みの差が大きくなるため、波長選択特性の変化が無視できなくなる。逆に、条件式(1)の上限を越えると、第４レンズ群のパワーが弱くなり過ぎて、第４レンズ群での収差補正が困難となる。

前述したように、変倍位置固定の第４レンズ群が波長選択特性を有する光学部材を含むことが望ましい。そして、その光学部材が屈折レンズであって、そのレンズ面上に赤外カット機能を持った波長選択特性を有する薄膜が設けられており、以下の条件式(2)を満足することが更に望ましい。
-0.2＜ｆｗ／Ｒ＜0.2 …(2)
ただし、
ｆｗ：広角端での変倍光学系全体の焦点距離、
Ｒ：薄膜が設けられているレンズ面の曲率半径、
である。

条件式(2)は、第４レンズ群のレンズ面のうち赤外カット機能の薄膜を有するレンズ面の曲率半径について好ましい条件範囲を規定している。条件式(2)の上限又は下限を越えると、薄膜を用いた波長選択素子では曲率が強くなり過ぎるため、斜入射による選択特性の変化が無視できなくなる。

各実施の形態を構成しているズームレンズ系ＴＬには、入射光線を屈折作用により偏向させる屈折型レンズ(つまり、異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレンズ)が用いられているが、使用可能なレンズはこれに限らない。例えば、回折作用により入射光線を偏向させる回折型レンズ，回折作用と屈折作用との組み合わせで入射光線を偏向させる屈折・回折ハイブリッド型レンズ，入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布型レンズ等を用いてもよい。ただし、媒質内で屈折率が変化する屈折率分布型レンズは、その複雑な製法がコストアップを招くため、屈折率分布の均一な均質素材レンズを用いることが望ましい。また、各実施の形態を構成しているズームレンズ系ＴＬには、光学素子としてレンズ以外に絞りＳＴが用いられているが、必要に応じて不要光をカットするための光束規制板(例えばフレアカッター)等を必要に応じて配置してもよい。

以下、本発明を実施したズームレンズ系の構成等を、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１〜７は、前述した第１〜第７の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第１〜第７の実施の形態を表す光学構成図(図１〜図７)は、対応する実施例１〜７のレンズ構成をそれぞれ示している。各実施例において第４レンズ群ＧＲ４を構成している単レンズは、例えば、少なくとも一方のレンズ面(好ましくは物体側のレンズ面)上に波長選択特性を有する薄膜が設けられることにより、赤外カット機能が付加される。

表１〜表１４に実施例１〜実施例７のコンストラクションデータを示し、表１５に各実施例の条件式対応値を示す。表１，表３，表５，表７，表９，表１１，表１３に示す基本的な光学構成(ｉ：面番号)において、ｒｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)は物体側から数えてｉ番目の面の曲率半径(ｍｍ)、ｄｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)は物体側から数えてｉ番目の面と(ｉ＋１)番目の面との間の軸上面間隔(ｍｍ)を示しており、Ｎｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)，νｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)は軸上面間隔ｄｉに位置する光学材料のｄ線に対する屈折率(Ｎｄ)，アッベ数(νｄ)をそれぞれ示している。また、ズーミングにおいて変化する軸上面間隔ｄｉは、広角端(最短焦点距離状態，Ｗ)〜ミドル(中間焦点距離状態，Ｍ)〜望遠端(最長焦点距離状態，Ｔ)での可変空気間隔であり、ｆ，ＦＮＯは各焦点距離状態(Ｗ)，(Ｍ)，(Ｔ)に対応する全系の焦点距離(ｍｍ)，Ｆナンバーをそれぞれ示している。

曲率半径ｒｉのデータに＊印が付された面は、非球面(非球面形状の屈折光学面、非球面と等価な屈折作用を有する面等)であり、非球面の面形状を表わす以下の式(AS)で定義される。表２，表４，表６，表８，表１０，表１２，表１４中に、各実施例の非球面データを示す。ただし、表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０^-nである。
Ｘ(Ｈ)＝(Ｃ０・Ｈ²)／{１＋√(１−ε・Ｃ０²・Ｈ²)}＋Σ(Ａｊ・Ｈ^j) …(AS)
ただし、式(AS)中、
Ｘ(Ｈ)：高さＨの位置での光軸ＡＸ方向の変位量(面頂点基準)、
Ｈ：光軸ＡＸに対して垂直な方向の高さ、
Ｃ０：近軸曲率(＝１／ｒｉ)、
ε：２次曲面パラメータ、
Ａｊ：ｊ次の非球面係数、
である。

図８〜図１４は実施例１〜実施例７にそれぞれ対応する収差図であり、(Ｗ)は広角端，(Ｍ)はミドル，(Ｔ)は望遠端における無限遠合焦状態での諸収差{左から順に、球面収差等，非点収差，歪曲収差である。ＦＮＯはＦナンバー、Ｙ’(ｍｍ)は撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上での最大像高(光軸ＡＸからの距離に相当する。)である。}を示している。球面収差図において、実線ｄはｄ線に対する球面収差(ｍｍ)を表しており、破線ＳＣは正弦条件不満足量(ｍｍ)を表している。非点収差図において、破線ＤＭはメリディオナル面、実線ＤＳはサジタル面でのｄ線に対する各非点収差(ｍｍ)を表している。また、歪曲収差図において実線はｄ線に対する歪曲(％)を表している。

第１の実施の形態(実施例１)のレンズ構成図。 第２の実施の形態(実施例２)のレンズ構成図。 第３の実施の形態(実施例３)のレンズ構成図。 第４の実施の形態(実施例４)のレンズ構成図。 第５の実施の形態(実施例５)のレンズ構成図。 第６の実施の形態(実施例６)のレンズ構成図。 第７の実施の形態(実施例７)のレンズ構成図。 実施例１の収差図。 実施例２の収差図。 実施例３の収差図。 実施例４の収差図。 実施例５の収差図。 実施例６の収差図。 実施例７の収差図。 撮像装置の概略光学構成例を示す模式図。 撮像素子と第４レンズ群との密閉構成例を示す斜視図。 撮像素子と第４レンズ群との密閉構成例を示す断面図。

符号の説明

ＣＵ デジタル機器
ＬＵ 撮像装置
ＴＬ ズームレンズ系(変倍光学系)
ＧＲ１ 第１レンズ群
ＧＲ２ 第２レンズ群
ＧＲ３ 第３レンズ群
ＧＲ４ 第４レンズ群
ＳＴ 絞り
ＣＧ カバーガラス
ＳＲ 撮像素子
ＳＳ 受光面
ＩＭ 像面
ＡＸ 光軸

Claims (8)

1. 撮像素子の受光面上に物体の光学像を変倍可能に形成するための変倍光学系であって、
   物体側より順に、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、正又は負のパワーを有する第４レンズ群とから成り、広角端から望遠端までの変倍に際し、少なくとも前記第１レンズ群と前記第２レンズ群が可動であり、前記第４レンズ群が位置固定であり、波長選択特性を有する光学部材を前記第４レンズ群に含むことを特徴とする変倍光学系。
2. 前記第４レンズ群が単レンズで構成されていることを特徴とする請求項１記載の変倍光学系。
3. 前記単レンズの物体側面が波長選択特性を有し、前記単レンズの像側面が物体側面よりも曲率の強いレンズ面から成ることを特徴とする請求項２記載の変倍光学系。
4. 前記第４レンズ群が撮像素子と一体に密閉された構造を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の変倍光学系。
5. 前記第３レンズ群を物体側に移動させることにより、無限遠物体から近接物体へのフォーカシングを行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の変倍光学系。
6. 以下の条件式(1)を満足することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の変倍光学系；
   5＜｜1／(ｆｗ×φ４)｜＜25 …(1)
   ただし、
   ｆｗ：広角端での変倍光学系全体の焦点距離、
   φ４：第４レンズ群のパワー、
   である。
7. 前記光学部材が屈折レンズから成っており、そのレンズ面上に赤外カット機能を持った波長選択特性を有する薄膜が設けられており、以下の条件式(2)を満足することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の変倍光学系；
   -0.2＜ｆｗ／Ｒ＜0.2 …(2)
   ただし、
   ｆｗ：広角端での変倍光学系全体の焦点距離、
   Ｒ：薄膜が設けられているレンズ面の曲率半径、
   である。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の変倍光学系を備えたことを特徴とする撮像装置。

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