JP3548537B2 - ズームレンズ及びそれを用いた光学機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はデジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、フィルム用カメラ等に好適な小型で広画角のズームレンズ及びそれを用いた光学機器に関し、特に撮影画角の広角化を図ると共に、レンズ全長の短縮化を図った携帯性に優れたズームレンズ及びそれを用いた光学機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近固体撮像素子を用いたビデオカメラ、デジタルカメラ、電子スチルカメラ等のカメラ（光学機器）の高機能化に伴い、それに用いる光学系には高い光学性能と小型化の両立が求められている。
【０００３】
又、この種のカメラには、レンズ最後部と撮像素子との間に、ローパスフィルターや色補正フィルターなどの各種光学部材を配置する必要があるため、それに用いる光学系には比較的バックフォーカスの長いレンズ系が要求されている。さらに、カラーの撮像素子を用いたカメラの場合、色シェーディングを避けるため、それに用いる光学系には像側にテレセントリックな特性が望まれている。
【０００４】
バックフォーカスとテレセントリック特性の双方を満足する負、正、正の屈折力の３つのレンズ群より成る３群ズームレンズ系が特開昭６３−１３５９１３号公報や、特開平７−２６１０８３号公報等で提案されている。
【０００５】
特開平７−５２２５６号公報では、物体側より順に負、正、正の屈折力のレンズ群の３群を有し、広角端より望遠端へのズーミングに際して第２群と第３群の間隔が広がるようにしたズームレンズを開示している。
【０００６】
米国特許第５４３４７１０号明細書では、物体側より順に負、正、正の屈折力のレンズ群の３群を有し、広角端より望遠端へのズーミングに際して第２群と第３群の間隔が減少するようにしたズームレンズを開示している。
【０００７】
特開平３−２８８１１３号公報では、負、正、正の屈折力のレンズ群の３群より成るズームレンズで負の屈折力の第１群を固定とし、正の屈折力の第２群と正の屈折力の第３群を移動させて変倍を行う光学系を開示している。
【０００８】
特開２０００−１４７３８１号公報、特開２０００−１３７１６４号公報、米国特許第４４６５３４３号では、負、正、正の屈折力のレンズ群の３群を有し、第２群でフォーカシングを行うズームレンズを開示している。
【０００９】
又、特開昭６３−８１３１３号公報では正、負、正、正の屈折力のレンズ群の４群を有し３倍程度の変倍比のズームレンズが提案されている。
【００１０】
又、負、正、正、正の屈折力のレンズ群の４群を有し、広角端より望遠端へのズーミング中第２、第３群間隔が減少し、第４群がズーム中固定したズームレンズが特開昭６０−３１１１０号公報で提案されている。
【００１１】
特開平３−２９６７０６号公報では正、負、正、正の屈折力の４群を有し、変倍比１０倍程度のズームレンズが開示されている。
【００１２】
本出願人は特開２０００−１１１７９８号公報において、物体側より順に負、正、正の屈折力のレンズ群の３群構成の撮影レンズを開示している。この撮影レンズでは像面側にフィルター等を挿入するために必要な長さのレンズバックの確保と、固体撮像素子用として必要なテレセントリック特性を両立した上で、変倍比２以上としながら極力全長を短縮しコンパクトなズームレンズを達成している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
近年の固体撮像素子は多画素化が進んでおり、特定のイメージサイズにおける画素サイズは小さくなる傾向にある。これに伴い撮影レンズには同じイメージサイズの従来のものに比べてより高い光学性能を有したものが求められている。
【００１４】
又、レンズ系の後方にフィルター等を挿入するのに必要なレンズバックの確保と、固体撮像素子用としてシェーディングを少なくする為に必要なテレセントリック特性を両立した上で、レンズ全長を短縮しコンパクトで高変倍比のズームレンズが要望されている。
【００１５】
例えば、特開２０００−１４７３８１号公報、特開２０００−１３７１６４号公報、米国特許第４４６５３４３号で開示されている３群ズームレンズは像面近傍に全ズーム域において配置される正レンズ群が存在しない為、テレセントリックである為の充分に長い射出瞳を確保するのが困難で、充分に長い射出瞳を確保する為には、第１群のパワーを緩める必要があり、この結果広角端におけるレンズ全長が長くなってしまう傾向がある。
【００１６】
本発明は、構成レンズ枚数の少ない、コンパクトで優れた光学性能を有するズームレンズ及びそれを用いた光学機器の提供を目的とする。
【００１７】
この他、本発明は負、正、正の屈折力のレンズ群の３群を有し、各レンズ群のレンズ構成、非球面を用いるときはその位置、ズーミングにおける各レンズ群の移動方法を最適にし、又フォーカシング方法を最適に設定する事により、全系のレンズ枚数の削減を計り、レンズ全長の短縮化を達成しつつ、変倍比３倍程度を有し、明るく、高い光学性能を有し、広角域を含んだ、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等に適したズームレンズ及びそれを用いた光学機器の提供を目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のズームレンズは、
物体側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群より成り、広角端から望遠端へのズーミングに際し、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔が減少し、第２レンズ群と第３レンズ群の間隔が増大するズームレンズにおいて、フォーカシングに際し前記第３レンズ群を移動させると共に、前記第２レンズ群は、そのレンズ群中で最も大きな間隔を境に、正の屈折力の第２ａ群と、その像側に位置する正の屈折力の第２ｂ群より成り、前記第２ａ群と第２ｂ群の広角端における間隔をd2abw、広角端における全系の焦点距離をｆｗ、前記第２ｂ群と第３レンズ群の焦点距離を各々ｆ２ｂ，ｆ３とするとき、
０．３７ ≦ d2abw／ｆｗ ＜ １．０
１．１＜ ｆ３／ｆ２ｂ ＜２．０
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１９】
請求項２の発明は請求項１の発明において、
ズーミングに際し、前記第２ａ群と第２ｂ群の間隔が変化することを特徴としている。
【００２０】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、
ズーミングに際し、前記第２ａ群と一体的に移動する絞りを有することを特徴としている。
【００２１】
請求項４の発明は請求項３の発明において、
前記絞りは第２ａ群の物体側に配置されることを特徴としている。
【００２２】
請求項５の発明は請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、
前記第１レンズ群は非球面を有する負レンズと正レンズの２枚のレンズのみから成ることを特徴としている。
【００２３】
請求項６の発明は請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、
前記第２ｂ群は、単レンズ又は接合レンズから成る１つのレンズ成分にて構成されることを特徴としている。
【００２４】
請求項７の発明は請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、
前記第３レンズ群は単レンズから成ることを特徴としている。
【００２５】
請求項８の発明は請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、
固体撮像素子上に像を形成することを特徴としている。
【００２６】
請求項９の発明の光学機器は、
請求項１乃至８のいずれか１項のズームレンズと、該ズームレンズによって形成される像を受光する固体撮像素子とを有することを特徴としている。
【００２７】
請求項１０の発明は請求項９の発明において、
前記光学機器はデジタルカメラであることを特徴としている。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を用いて本発明のズームレンズ及びそのズームレンズを有した光学機器の実施形態について説明する。
【００２９】
図１は本発明の後述する数値実施例１のズームレンズのレンズ断面図である。図２〜図４は数値実施例１のズームレンズの広角端、中間、望遠端における収差図である。
【００３０】
図５は本発明の参考例１の数値実施例のズームレンズのレンズ断面図である。図６〜図８は参考例１の数値実施例のズームレンズの広角端、中間、望遠端における収差図である。
【００３１】
図９は本発明の後述する数値実施例２のズームレンズのレンズ断面図である。図１０〜図１２は数値実施例２のズームレンズの広角端、中間、望遠端における収差図である。
【００３２】
図１３は本発明の後述する数値実施例３のズームレンズのレンズ断面図である。図１４〜図１６は数値実施例３のズームレンズの広角端、中間、望遠端における収差図である。
【００３３】
図１，５，９，１３に示した各数値実施例のズームレンズのレンズ断面図において、Ｌ１は負の屈折力の第１群（第１レンズ群）、Ｌ２は正の屈折力の第２群（第２レンズ群）、Ｌ３は正の屈折力の第３群（第３レンズ群）、ＳＰは開口絞り、ＩＰは像面である。Ｇはフィルターや色分解プリズム等に相当するガラスブロックである。
【００３４】
第２群Ｌ２は、第２群中で最も大きな空気間隔を境に正の屈折力の第２ａ群Ｌ２ａと正の屈折力の第２ｂ群Ｌ２ｂより成っている。
【００３５】
各数値実施例のズームレンズは、広角端から望遠端へのズーミングに際し、第１群Ｌ１と第２群Ｌ２の間隔が減少し、第２群Ｌ２と第３群Ｌ３の間隔が増大するように少なくとも第１群Ｌ１と第２群Ｌ２を移動させている。また、無限遠物体から有限距離物体へのフォーカシング動作を第３群を移動させて行っている。
【００３６】
各数値実施例のズームレンズでは、正の屈折力の第２群Ｌ２の移動により主な変倍を行い、負の屈折力の第１群Ｌ１を往復移動させることによって変倍に伴う像点の移動を補正している。正の屈折力の第３群Ｌ３は、ズーミング中固定の場合には変倍に寄与しないが、撮像素子の小型化に伴う撮影レンズの屈折力の増大を分担し、第１群、第２群で構成されるショートズーム系の屈折力を減らすことで、特に第１群Ｌ１を構成する各レンズでの収差の発生を抑え、良好な光学性能を達成している。また、特に固体撮像素子等を用いた撮影装置に必要な像側にテレセントリックな結像を正の屈折力の第３群Ｌ３にフィールドレンズの役割を持たせることで達成している。
【００３７】
又、フォーカスを小型軽量の第３群Ｌ３を移動させて行なう、所謂リヤーフォーカス式を採用することにより、迅速なるフォーカスを容易にし、かつ、レンズ構成を適切に設定することにより、フォーカスの際の収差変動が少なくなるようにしている。
【００３８】
尚、第３群Ｌ３はズーミング中に移動させても良い。これによればズーミングにおける収差変動を少なくすることが容易となる。
【００３９】
本発明は上述したような構成のズームレンズにおいて、第２ａ群Ｌ２ａと第２ｂ群Ｌ２ｂの広角端における空気間隔をｄ２ａｂＷ、広角端における全系の焦点距離をｆｗとするとき、
０．３７ ≦ d2abＷ／ｆｗ ＜ １．０ ・・・・（１）
なる条件を満足することを特徴としている。
【００４０】
次に条件式の意味について説明する。
【００４１】
条件式（１）は広角端における第２ａ群Ｌ２ａと第２ｂ群Ｌ２ｂの間隔d2abwを広角端の焦点距離ｆｗで規格化したもので、条件式（１）の上限値を超えて第２ａ群Ｌ２ａと第２ｂ群Ｌ２ｂの間隔が大きくなりすぎると、第２群Ｌ２が大型化し、ひいては全系も大型化してくるので良くない。
【００４２】
条件式（１）の下限値を超えて第２ａ群Ｌ２ａと第２ｂ群Ｌ２ｂの間隔が小さくなりすぎると、広角端において射出瞳位置が短くなり過ぎるので、シェーディングの影響が大きくなるので良くない。
【００４３】
本発明のズームレンズにおいて、更に好ましくは条件式（１）の数値範囲を、
０．３７ ≦ d2abw ／ ｆｗ ＜０．６ ・・・・（１ａ）
の如く設定するのが良い。
【００４４】
本発明の目的とするズームレンズは以上の構成によって初期の目的を達成できるるが更に全変倍範囲及び画面全体にわたり、高い光学性能を得るには次の構成のうちの１以上を満足させるのが良い。
【００４５】
（ア−１）広角端から望遠端へのズーミングに際し、第２ａ群Ｌ２ａと第２ｂ群Ｌ２ｂの間隔が変化することである。
【００４６】
広角端から望遠端へのズーミングに際して第２ａ群Ｌ２ａと第２ｂ群Ｌ２ｂの間隔を変化させることにより、変倍に伴う収差変動を良好に補正することが可能となる。
【００４７】
（ア−２）ズーミングに際し開口絞りＳＰが第２ａ群Ｌ２ａと一体的に移動することである。
【００４８】
（ア−３）開口絞りＳＰは、第２ａ群Ｌ２ａの物体側に配置されることである。
【００４９】
（ア−４）第１群Ｌ２は非球面を有する負レンズと正レンズの２枚のレンズのみにて構成されることである。
【００５０】
（ア−５）第２ｂ群Ｌ２ｂは単レンズ、又は接合レンズからなる単一のレンズ成分にて構成されることである。
【００５１】
（ア−６）第３群Ｌ３は単レンズにて構成されることである。
【００５２】
（ア−７）第２ｂ群Ｌ２ｂと第３群Ｌ３の焦点距離を各々ｆ２ｂ、ｆ３とするとき、
ｆ２ｂ＜ｆ３ ・・・・（２）
なる条件を満足することである。
【００５３】
条件式（２）は第２ｂ群Ｌ２ｂと第３群Ｌ３の焦点距離の大小関係に関するもので、条件式（２）のごとく焦点距離ｆ２ｂに比較して焦点距離ｆ３を大きく設定することにより、より全長の短縮化が容易に図られた系を達成することができる。
【００５４】
更に条件式（２）は以下の条件を満足することが好ましい。
【００５５】
１．１＜ ｆ３／ｆ２ｂ ＜２．０ …（２ａ）
条件式（２ａ）の上限値を超えてｆ３が大きくなり、第３群Ｌ３の屈折力が弱くなり過ぎるとフォーカシング時の第３群Ｌ３の移動量（繰り出し量）が大きくなり、全系が大型化してくるので好ましくない。一方、条件式（２ａ）の下限値を超えてｆ２ｂが大きくなり、第２ｂ群Ｌ２ｂの屈折力が弱くなりすぎると、ズーミング時の射出瞳位置の変動が大きくなり好ましくない。
【００５６】
次に数値実施例１〜３と参考例１の数値実施例のズームレンズの具体的なレンズ構成について説明する。
【００５７】
数値実施例１〜３において、第１群Ｌ１は、物体側より順に、物体側が凸面で像側に非球面を有するメニスカス状の負レンズ、物体側が凸面のメニスカス状の正レンズの２枚のレンズにて構成されている。
【００５８】
数値実施例１，３において、第２ａ群Ｌ２ａは、両レンズ面が凸面の正レンズ、両レンズ面が凹面の負レンズを接合した全体として正の屈折力のレンズ成分にて構成されている。
【００５９】
数値実施例２において、第２ａ群Ｌ２ａは、物体側に凸面を向けたメニスカス状の正レンズの１枚のレンズにて構成されている。
【００６０】
数値実施例１〜３において、第２ａ群Ｌ２ａの物体側に開口絞りＳＰを有し、開口絞りＳＰは第２群Ｌ２ａとズーミングに際し一体的に移動する。
【００６１】
数値実施例１〜３において，第２ａ群Ｌ２ａの最も物体側の面には非球面を配している。
【００６２】
数値実施例１〜３において、第２ｂ群Ｌ２ｂは、物体側が凸面の負レンズと両レンズ面が凸面の正レンズを接合したレンズにて構成される。
【００６３】
数値実施例１〜３において、第３群Ｌ３は単一の正レンズにて構成している。
【００６４】
数値実施例２において、第３群Ｌ３の正レンズの物体側に非球面を配している。
【００６５】
ズーミングに際し、第１群Ｌ１は往復タイプの移動軌跡であり、広角端と望遠端における第１群の位置は略同一で、像側に凸状の軌跡を描くように移動する。
【００６６】
またいずれの数値実施例においても、第２ａ群Ｌ２ａと第２ｂ群Ｌ２ｂは広角端から望遠端への変倍に際し物体側へ移動するが、数値実施例１，２では第２ａ群Ｌ２ａと第２ｂ群Ｌ２ｂの間隔を減少させながら、数値実施例３では第２ａ群Ｌ２ａと第２ｂ群Ｌ２ｂの間隔を変えることなく移動している。
【００６７】
以下に、本発明の数値実施例と参考例を示す。各数値実施例において、ｉは物体側からの面の順序を示し、Ｒｉは第ｉ面の曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の光学部材厚又は空気間隔、Ｎｉ、νｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の光学部材のｄ線に対する屈折率、アッベ数をそれぞれ示す。また、最も像側の２つの面は水晶ローパスフィルター、赤外カットフィルター等に相当するガラスブロックである。非球面形状は光軸からの高さＨの位置での光軸方向の変位を面頂点を基準にしてｘとするとき、
【００６８】
【数１】
【００６９】
で表される。但しＲは曲率半径、Ｋは円錐定数、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは非球面係数である。である。
【００７０】
又、[ｅ−Ｘ]は「×１０^-X」を意味している。
【００７１】
又、前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表１に示す。
【００７２】
【表１】
【００７３】
【表２】
【００７４】
【表３】
【００７５】
【表４】
【００７６】
【表５】
【００７７】
次に本発明のズームレンズを撮影光学系として用いたデジタルカメラの実施形態を図１７を用いて説明する。
【００７８】
図１７において、１０はカメラ本体、１１は本発明のズームレンズによって構成された撮影光学系、１２はカメラ本体に内蔵されたストロボ、１３は外部式ファインダー、１４はシャッターボタンである。
【００７９】
このように本発明のズームレンズをデジタルカメラ等の光学機器に適用することにより、小型で高い光学性能を有する光学機器を実現している。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、構成レンズ枚数の少ない、コンパクトで優れた光学性能を有するズームレンズ及びそれを用いた光学機器を達成することができる。
【００８１】
特に、負、正、正の屈折力のレンズ群の３群を有し、各レンズ群のレンズ構成、非球面を用いるときはその位置、ズーミングにおける各レンズ群の移動方法を最適にし、又フォーカシング方法を最適に設定する事により、全系のレンズ枚数の削減を計り、レンズ全長の短縮化を達成しつつ、変倍比３倍程度を有し、明るく、高い光学性能を有し、広角域を含んだ、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等に適したズームレンズ及びそれを用いた光学機器を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の数値実施例１のズームレンズの光学断面図。
【図２】数値実施例１のズームレンズの広角端での収差図。
【図３】数値実施例１のズームレンズの中間位置での収差図。
【図４】数値実施例１のズームレンズの望遠端での収差図。
【図５】参考例１の数値実施例のズームレンズの光学断面図。
【図６】参考例１の数値実施例のズームレンズの広角端での収差図。
【図７】参考例１の数値実施例のズームレンズの中間位置での収差図。
【図８】参考例１の数値実施例のズームレンズの望遠端での収差図。
【図９】本発明の数値実施例２のズームレンズの光学断面図。
【図１０】数値実施例２のズームレンズの広角端での収差図。
【図１１】数値実施例２のズームレンズの中間位置での収差図。
【図１２】数値実施例２のズームレンズの望遠端での収差図。
【図１３】本発明の数値実施例３のズームレンズの光学断面図。
【図１４】数値実施例３のズームレンズの広角端での収差図。
【図１５】数値実施例３のズームレンズの中間位置での収差図。
【図１６】数値実施例３のズームレンズの望遠端での収差図。
【図１７】本発明のズームレンズを有する光学機器の概略図。
【符号の説明】
Ｌ１ 第１群
Ｌ２ 第２群
Ｌ３ 第３群
ＳＰ 絞り
ＩＰ 像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＳ サジタル像面
ΔＭ メリディオナル像面

Claims (10)

1. 物体側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群より成り、広角端から望遠端へのズーミングに際し、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔が減少し、第２レンズ群と第３レンズ群の間隔が増大するズームレンズにおいて、フォーカシングに際し前記第３レンズ群を移動させると共に、前記第２レンズ群は、そのレンズ群中で最も大きな間隔を境に、正の屈折力の第２ａ群と、その像側に位置する正の屈折力の第２ｂ群より成り、前記第２ａ群と第２ｂ群の広角端における間隔をd2abw、広角端における全系の焦点距離をｆｗ、前記第２ｂ群と第３レンズ群の焦点距離を各々ｆ２ｂ，ｆ３とするとき、
   ０．３７ ≦ d2abw／ｆｗ ＜ １．０
   １．１＜ ｆ３／ｆ２ｂ ＜２．０
   なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
2. ズーミングに際し、前記第２ａ群と第２ｂ群の間隔が変化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. ズーミングに際し、前記第２ａ群と一体的に移動する絞りを有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. 前記絞りは第２ａ群の物体側に配置されることを特徴とする請求項３に記載のズームレンズ。
5. 前記第１レンズ群は非球面を有する負レンズと正レンズの２枚のレンズのみから成ることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のズームレンズ。
6. 前記第２ｂ群は、単レンズ又は接合レンズから成る１つのレンズ成分にて構成されることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のズームレンズ。
7. 前記第３レンズ群は単レンズから成ることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載のズームレンズ。
8. 固体撮像素子上に像を形成することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のズームレンズ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項のズームレンズと、該ズームレンズによって形成される像を受光する固体撮像素子とを有することを特徴とする光学機器。
10. 前記光学機器はデジタルカメラであることを特徴とする請求項９に記載の光学機器。