JP2007187740A - ズームレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】各レンズ群の屈折力配置やレンズ形状を適切に設定することで全変倍域にわたり良好な光学性能を確保し、コンパクトで高性能なズームレンズを低コストで提供する。
【解決手段】物体側から、負屈折力を有する第１群Ｇ１、正屈折力を有する第２群Ｇ２の順に配置し、群間距離を変えることにより焦点距離を変更し、第１群Ｇ１の屈折力を１／ｆ₁、第２群Ｇ２の屈折力を１／ｆ₂とし、群間距離が大・小での全系の焦点距離を夫々ｆ_W、ｆ_Tとしたとき、０．９ ≦ ｜ｆ₁｜／（ｆ_W・ｆ_T）^1/2 ≦ １．１……（１）
１．１５ ≦ ｜ｆ₁｜／ｆ₂ ≦ １．３５ ……（２）
を満たし、第１群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１および物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズＬ２から成り、第２群Ｇ２は、両凸レンズＬ３及び両凹レンズＬ４からなる第１サブ群と、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズＬ５からなる第２サブ群により構成される。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、物体側から、負屈折力を有する第１群、正屈折力を有する第２群の順に配置し、それら群間の距離を変えることにより焦点距離を変更するズームレンズに関し、特に、デジタルスチルカメラ、携帯端末、監視カメラ等などに使用され、固体撮像素子を用いた撮像装置に好適なズーム比が２倍程度のズームレンズに関するものである。

近年、ＣＣＤなどの固体撮像素子の技術進歩により、その高密度化、高画素化が進んだことで、使用される光学系についても、より高い光学性能を要望されている。また、デジタルカメラや携帯端末の小型化、低コスト化により、搭載されるズームレンズに対しても、さらなる小型化、低コスト化、軽量化が求められている。

従来より、ズーム比が２倍程度で比較的少ないレンズ枚数で高い光学性能が得られるズームレンズとして、物体側から、負屈折力を有する第１群、正屈折力を有する第２群の順に配置し、それら群間の距離を変えることにより焦点距離を変更するズームレンズが知られている。２群ズームは、鏡筒構造も比較的簡易な構造にしやすいという利点を備えている。このような２群ズームの従来技術として、下記特許文献１〜４に開示されるズームレンズが知られている。

特許文献１は、レンズ系全体を５枚（第１群を２枚のレンズ、第２群を３枚のレンズ）という少ないレンズ枚数で構成しているが、球面ガラスレンズを使っているためコンパクト化、低コスト化において改善の余地がある。

特許文献２〜４においては、非球面を多用することでコンパクト化、高性能化を図っているが広角端でのＦナンバーが４．６と暗く、さらに、ガラス非球面レンズが使われているため高価なものになっている。

特開平１−１８３６１６号公報 特開平４−４６３０８号公報 特開平４−４６３１０号公報 特開平４−５６８１４号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、各レンズ群の屈折力配置やレンズ形状を適切に設定することで全変倍域にわたり良好な光学性能を確保し、コンパクトで高性能なズームレンズを低コストで提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係るズームレンズは、
物体側から、負屈折力を有する第１群、正屈折力を有する第２群の順に配置し、それら群間の距離を変えることにより焦点距離を変更するズームレンズにおいて、
第１群の屈折力を１／ｆ₁、第２群の屈折力を１／ｆ₂とし、それら群間距離が大となるときの全系の焦点距離をｆ_W、群間距離が小となるときの全系の焦点距離をｆ_Tとしたとき、
０．９ ≦ ｜ｆ₁｜／(ｆ_W・ｆ_T)^1/2 ≦ １．１ ……（１）
１．１５ ≦ ｜ｆ₁｜／ｆ₂ ≦ １．３５ ……（２）
なる２つの条件を満たし、
第１群は、物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズおよび物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズから成り、それぞれのレンズの少なくとも片側面は非球面に形成すると共に、
第２群は、正屈折力を有する第１サブ群と正屈折力を有する第２サブ群から成り、
該第１サブ群は両凸レンズ及び両凹レンズにより構成され、該第２サブ群は物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズにより構成されることを特徴とするものである。

この構成によるズームレンズの作用・効果を説明する。このズームレンズは、物体側から、負屈折力を有する第１群（前群）、正屈折力を有する第２群（後群）の順に配置される２群ズームレンズである。第１群は、物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズおよび物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズの２枚のレンズにより構成される。さらに、第２群は、正屈折力を有する第１サブ群と正屈折力を有する第２サブ群により構成され、第１サブ群は両凸レンズ及び両凹レンズの２枚により構成され、第２サブ群は物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズにより構成される。従って、第２群は３枚のレンズにより構成され、レンズ系全体としては、５枚のレンズにより構成されることになる。

ここで、第１群の屈折力を１／ｆ₁、第２群の屈折力を１／ｆ₂とし、それら群間距離が大となるときの全系の焦点距離をｆ_W、群間距離が小となるときの全系の焦点距離をｆ_Tとしたとき、前述の条件式（１）（２）を満足する。この条件式（１）は、変倍全域における全長変化に関する式である。式の値が１．０の時、広角端と望遠端での全長が等しくなり、変倍による全長変化が最小になる。１．０より大きいと広角端で全長が最大となり、１．０未満では望遠端で全長が最大となることを示している。

したがって、条件式（１）が１．０から大きく外れた場合、全長変化が大きくなり好ましくない。また、条件式（１）を１．０に近い設計をしておけば、広角端と望遠端の全長がほぼ同じとなるため、例えば、第１群を像面に対して固定させ、第２群は像面に対して２つの位置をとるような２焦点レンズ系とすることで、より簡易な機構のレンズ系にすることも可能である。

ここで、式の値が０．９より小さいと、望遠端での全長が長くなり、鏡筒設計上、小型化が困難となる。さらに、望遠端での球面収差、広角端での非点収差、歪曲収差、コマ収差の補正が困難となる。式の値が１．１より大きいと、広角端での全長が長くなるため前玉径が大きくなりレンズ系全体が大型化してしまう。条件式（１）を本発明のごとく設定することで、全長変化を抑制して小型化を図り、良好な光学性能を確保することができる。

また、条件式（２）の値が１．１５より小さいと、変倍のための第２レンズ群の移動量が増加するため広角端において第１群と第２群の間隔を長くしなければならなくなり、レンズ全長が長くなってくる。また、前玉径も大きくなる。条件式（２）の値が１．３５より大きいと、広角端での像面湾曲や望遠端での球面収差の補正が困難となる。

以上のように、本発明のズームレンズによれば、各レンズ群の屈折力配置やレンズ形状を適切に設定することで全変倍域にわたり良好な光学性能を確保し、コンパクトで高性能なズームレンズを低コストで提供することができる。

本発明において、第２群中の第１サブ群の焦点距離をｆ₂₁、第２サブ群の焦点距離をｆ₂₂としたとき、
１．０ ≦ ｆ₂₁／ｆ₂ ≦ １．３ ……（３）
２ ≦ ｆ₂₂／ｆ₂ ≦ ９ ……（４）
なる条件を満足することが好ましい。

条件式（３）の値が１．０より小さいと、第２群の屈折力に対する第１サブ群の屈折力が強くなりすぎ、プラスチックレンズを用いた場合、温度変化による望遠端での球面収差の変動が大きくなる。また、ピント位置のずれも許容できなくなる。条件式（３）の値が１．３より大きいと、第２群の屈折力に対する第１サブ群の屈折力が弱くなるため、第２サブ群の屈折力が強くなりすぎてしまう。そのため、プラスチックレンズを用いた場合、温度変化による望遠端での球面収差の変動やピント位置のずれが大きくなる。

条件式（４）の値が２より小さいと、第２群の屈折力に対する第２サブ群の屈折力が強くなりすぎ、プラスチックレンズを用いた場合、温度変化による望遠端での球面収差の変動やピント位置のずれが大きくなる。条件式（４）の値が９より大きいと、第２群の屈折力に対して第２サブ群の屈折力が弱くなるため、第１サブ群の屈折力が強くなりすぎてしまう。そのため、プラスチックレンズを用いた場合、温度変化による望遠端での球面収差の変動やピント位置のずれが大きくなる。

本発明において、第１群中の負メニスカスレンズの焦点距離をｆ₁₁、正メニスカスレンズの焦点距離をｆ₁₂としたとき、
０．５５ ≦｜ｆ₁₁／ｆ₁｜≦ ０．８５ ……（５）
１．５ ≦｜ｆ₁₂／ｆ₁｜≦ ４．０ ……（６）
なる条件を満足することが好ましい。

条件式（５）の値が０．５５より小さいと、第１群の屈折力に対し、Ｌ１の屈折力が強くなりすぎ、プラスチックレンズを用いた場合、温度変化による広角端での像面湾曲の変動が大きくなる。また、ピント位置のずれも許容できなくなる。条件式（５）の値が０．８５より大きいと、Ｌ１の負の屈折力が弱くなりすぎ、第１群における色収差の補正が不完全となりレンズ性能が劣化する。

条件式（６）の値が１．５より小さいと、第１群の屈折力に対し、Ｌ２の屈折力が強くなりすぎ、プラスチックレンズを用いた場合、温度変化による広角端での像面湾曲の変動が大きくなる。また、ピント位置のずれも許容できなくなる。条件式（６）の値が４．０より大きいと、Ｌ２の正の屈折力が弱くなりすぎ、第１群における色収差の補正が不完全となりレンズ性能が劣化する。

本発明において、第１群を構成する負のメニスカスレンズおよび正のメニスカスレンズ、第２群を構成する両凸レンズ、両凹レンズおよび正メニスカスレンズの全てのレンズがプラスチックであることが好ましい。

かかる構成により、非球面形状を有するレンズの製造を容易に行うことができる。

本発明に係るズームレンズの好適な実施例を図面を用いて説明する。図１〜図６に、実施例１から実施例６までのレンズ構成図（図１Ａ〜図６Ａ）と、光学系特性データ（図１Ｂ〜図６Ｂ）と、収差図（図１Ｃ〜図６Ｃ）を示す。図７は、各実施例の非球面データを示す図である。本発明に係る２群ズームレンズは、デジタルカメラ、携帯電話等の携帯機器、監視カメラ等に内蔵されるズームレンズとして特に好適な構成を備えているものである。

＜レンズ構成図について＞
図１Ａ〜図６Ａには、各実施例における光学系の配置を示す。第１実施例に係るズームレンズは、光軸に沿って物体側から順に、第１群（前群）Ｇ１、第２群（後群）Ｇ２、平行平面ガラス１，２、結像面３が配置されている。第１群Ｇ１と第２群Ｇ２の群間の距離を変えることにより、焦点距離を変更することができる。

第１群Ｇ１は負屈折力を有し、物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズＬ１および物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズＬ２の２枚のレンズにより構成されている。第２群Ｇ２は正屈折力を有し、物体側から順にさらに正屈折力を有する第１サブ群と正屈折力を有する第２サブ群により構成される。第１サブ群は、両凸レンズＬ３と両凹レンズＬ４により構成され、第２サブ群は物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズＬ５により構成される。従って、第２群Ｇ２は３枚のレンズにより構成され、レンズ系全体で５枚のレンズにより構成される。これら５枚のレンズはプラスチックレンズにより形成される。

レンズＬ１とレンズＬ２は、少なくとも片側面が非球面であり、各実施例においてレンズＬ１の第２面とレンズＬ２の第４面が非球面に形成される。

各実施例は広角側にセットした状態の配置図であり、第１群Ｇ１と第２群Ｇ２を図示の矢印方向に移動させることで望遠側にセットすることができる。

平行平面ガラス１，２は、赤外カットフィルターおよびカバーガラスとしての機能を有する。赤外カットフィルターにカバーガラスの機能を持たせる場合は、平行平面ガラス１，２は１つだけでもよい。結像面３には、ＣＣＤ等の固体撮像素子が配置される。

＜レンズ諸元・収差図について＞
図１Ｂ〜図６Ｂについて説明する。図の一番上にレンズ諸元として、焦点距離ｆ・ＦナンバーＦ・画角２ωが示されている。これらは、「広角側〜中間位置〜望遠側」の値がそれぞれ示されている。

その下の表に、１，２・・・１５とあるのは、物体側から順に面の番号を示している。ｒは近軸上における曲率半径（ｍｍ）を示している。例えば、各実施例において第１２面〜第１５面は、平行平面ガラス１，２なので、いずれも∞となっている。ｄは、面間隔（ｍｍ）を示す数値である。ｎｄは各レンズＬ１〜Ｌ５及び平行平面ガラス１，２の屈折率を示し、ｖｄは各レンズＬ１〜Ｌ５及び平行平面ガラス１，２のアッベ数を示す。

また、第４面と第５面の間隔ｄ（第１群Ｇ１と第２群の間隔）、第１１面と第１２面の間隔ｄ（第２群Ｇ２と平行平面ガラス１の間隔）については、「広角側〜中間位置〜望遠側」における値がそれぞれ示されている。

また、ｆ₁は第１群Ｇ１の焦点距離、ｆ₂は第２群Ｇ２の焦点距離、ｆ_Wは群間距離が大（広角側）となったときのレンズ全系の焦点距離、ｆ_Tは群間距離が小（望遠側）となったときのレンズ全系の焦点距離、ｆ₁₁は第１群の負メニスカスレンズＬ１の焦点距離、ｆ₁₂は正メニスカスレンズＬ２の焦点距離、ｆ₂₁は第１サブ群の焦点距離、はｆ₂₂第２サブ群の焦点距離をそれぞれ示している。

図１Ｃ〜図６Ｃには、各実施例について、球面収差、非点収差、歪曲収差の図を示している。いずれの図もｄ線についてのデータであり、非点収差についてはサジタル像面（Ｓ）に関するデータと、メリジオナル像面（Ｍ）に関するデータの両方を示している。これら収差図は、広角側（Ｗ）、中間位置（Ｍ）、望遠側（Ｔ）におけるデータがそれぞれ示されている。これらの収差図からも分かるとおり、実用的に問題のないレベルまで収差が補正されていることが分かる。

図７Ａ，７Ｂの非球面形状を説明する。非球面形状は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを非球面係数として、光軸からの高さＨの位置での光軸方向の変位Ｘを、面頂点を基準として表わすと
Ｘ＝（１／Ｒ）Ｈ^２／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（Ｈ／Ｒ）^２｝^１／２］
＋ＡＨ^４＋ＢＨ^６＋ＣＨ^８＋ＤＨ^１０
となる。Ｒは近軸曲率半径、Ｋはコニカル係数である。非球面係数のＥ−０３などの表記は１０^−３を意味する。

本発明において、｜ｆ₁｜／ (ｆ_W・ｆ_T)^1/2 、｜ｆ_１｜／ｆ₂、ｆ₂₁／ｆ₂、ｆ₂₂／ｆ₂、｜ｆ₁₁／ｆ₁｜、｜ｆ₁₂／ｆ₁｜、に関する数値範囲を次のように設定することが好ましい。

０．９ ≦ ｜ｆ₁｜／(ｆ_W・ｆ_T)^1/2 ≦ １．１ ……（１）
式の値が０．９より小さいと、望遠端での全長が長くなり、鏡筒設計上、小型化が困難となる。さらに、望遠端での球面収差、広角端での非点収差、歪曲収差、コマ収差の補正が困難となる。式の値が１．１より大きいと、広角端での全長が長くなるため前玉径が大きくなりレンズ系全体が大型化してしまう。

１．１５ ≦ ｜ｆ₁｜／ｆ₂ ≦ １．３５ ……（２）
式の値が１．１５より小さいと、変倍のための第２レンズ群の移動量が増加するため広角端において第１群Ｇ１と第２群Ｇ２の間隔を長くしなければならなくなり、レンズ全長が長くなってくる。また、前玉径も大きくなる。式の値が１．３５より大きいと、広角端での像面湾曲や望遠端での球面収差の補正が困難となる。

１．０ ≦ ｆ₂₁／ｆ₂ ≦ １．３ ……（３）
式の値が１．０より小さいと、第２群Ｇ２の屈折力に対する第１サブ群の屈折力が強くなりすぎ、プラスチックレンズを用いた場合、温度変化による望遠端での球面収差の変動が大きくなる。また、ピント位置のずれも許容できなくなる。式の値が１．３より大きいと、第２群Ｇ２の屈折力に対する第１サブ群の屈折力が弱くなるため、第２サブ群の屈折力が強くなりすぎてしまう。そのため、プラスチックレンズを用いた場合、温度変化による望遠端での球面収差の変動やピント位置のずれが大きくなる。

２ ≦ ｆ₂₂／ｆ₂ ≦ ９ ……（４）
式の値が２より小さいと、第２群Ｇ２の屈折力に対する第２サブ群の屈折力が強くなりすぎ、プラスチックレンズを用いた場合、温度変化による望遠端での球面収差の変動やピント位置のずれが大きくなる。式の値が９より大きいと、第２群Ｇ２の屈折力に対して第２サブ群の屈折力が弱くなるため、第１サブ群の屈折力が強くなりすぎてしまう。そのため、プラスチックレンズを用いた場合、温度変化による望遠端での球面収差の変動やピント位置のずれが大きくなる。

０．５５ ≦｜ｆ₁₁／ｆ₁｜≦ ０．８５ ……（５）
式の値が０．５５より小さいと、第１群Ｇ１の屈折力に対し、レンズＬ１の屈折力が強くなりすぎ、プラスチックレンズを用いた場合、温度変化による広角端での像面湾曲の変動が大きくなる。また、ピント位置のずれも許容できなくなる。式の値が０．８５より大きいと、レンズＬ１の負の屈折力が弱くなりすぎ、第１群Ｇ１における色収差の補正が不完全となりレンズ性能が劣化する。

１．５ ≦｜ｆ₁₂／ｆ₁｜≦ ４．０ ……（６）
式の値が１．５より小さいと、第１群Ｇ１の屈折力に対し、レンズＬ２の屈折力が強くなりすぎ、プラスチックレンズを用いた場合、温度変化による広角端での像面湾曲の変動が大きくなる。また、ピント位置のずれも許容できなくなる。式の値が４．０より大きいと、レンズＬ２の正の屈折力が弱くなりすぎ、第１群Ｇ１における色収差の補正が不完全となりレンズ性能が劣化する。

なお、実施例１〜６の実際のデータは、表１のようになっている。

以上のように本発明によれば、レンズ系全体を５枚（第１群を２枚のレンズ、第２群を３枚のレンズ）という少ないレンズ枚数で構成し、さらに、プラスチックレンズを使うことでコンパクト化、低コスト化を実現している。また、各レンズ群の屈折力配置やレンズ形状を適切に設定することで全変倍域にわたり良好な光学性能を確保し、コンパクトで高性能なズームレンズを低コストで提供することができた。

実施例１のレンズ構成を示す図 実施例１の光学系特性データを示す図 実施例１の収差図データを示す図 実施例２のレンズ構成を示す図 実施例２の光学系特性データを示す図 実施例２の収差図データを示す図 実施例３のレンズ構成を示す図 実施例３の光学系特性データを示す図 実施例３の収差図データを示す図 実施例４のレンズ構成を示す図 実施例４の光学系特性データを示す図 実施例４の収差図データを示す図 実施例５のレンズ構成を示す図 実施例５の光学系特性データを示す図 実施例５の収差図データを示す図 実施例６のレンズ構成を示す図 実施例６の光学系特性データを示す図 実施例６の収差図データを示す図 実施例１〜実施例３の非球面係数を示す図 実施例４〜実施例６の非球面係数を示す図

符号の説明

１ 平行平面ガラス
２ 平行平面ガラス
３ 結像面
Ｇ１ 第１群
Ｇ２ 第２群
Ｌ１ 負のメニスカスレンズ
Ｌ２ 正のメニスカスレンズ
Ｌ３ 両凸レンズ
Ｌ４ 両凹レンズ
Ｌ５ 正のメニスカスレンズ

Claims (4)

1. 物体側から、負屈折力を有する第１群、正屈折力を有する第２群の順に配置し、それら群間の距離を変えることにより焦点距離を変更するズームレンズにおいて、
   第１群の屈折力を１／ｆ₁、第２群の屈折力を１／ｆ₂とし、それら群間距離が大となるときの全系の焦点距離をｆ_W、群間距離が小となるときの全系の焦点距離をｆ_Tとしたとき、
   ０．９ ≦ ｜ｆ₁｜／(ｆ_W・ｆ_T)^1/2 ≦ １．１ ……（１）
   １．１５ ≦ ｜ｆ₁｜／ｆ₂ ≦ １．３５ ……（２）
   なる２つの条件を満たし、
   第１群は、物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズおよび物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズから成り、それぞれのレンズの少なくとも片側面は非球面に形成すると共に、
   第２群は、正屈折力を有する第１サブ群と正屈折力を有する第２サブ群から成り、
   該第１サブ群は両凸レンズ及び両凹レンズにより構成され、該第２サブ群は物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズにより構成されることを特徴とするズームレンズ。
2. 第２群中の第１サブ群の焦点距離をｆ₂₁、第２サブ群の焦点距離をｆ₂₂としたとき、
   １．０ ≦ ｆ₂₁／ｆ₂ ≦ １．３ ……（３）
   ２ ≦ ｆ₂₂／ｆ₂ ≦ ９ ……（４）
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
3. 第１群中の負メニスカスレンズの焦点距離をｆ₁₁、正メニスカスレンズの焦点距離をｆ₁₂としたとき、
   ０．５５ ≦｜ｆ₁₁／ｆ₁｜≦ ０．８５ ……（５）
   １．５ ≦｜ｆ₁₂／ｆ₁｜≦ ４．０ ……（６）
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載のズームレンズ。
4. 第１群を構成する負のメニスカスレンズおよび正のメニスカスレンズ、第２群を構成する両凸レンズ、両凹レンズおよび正メニスカスレンズの全てのレンズがプラスチックである請求項１〜３のいずれか１項に記載のズームレンズ。

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