JP3833218B2

JP3833218B2 - ２群ズームレンズ

Info

Publication number: JP3833218B2
Application number: JP2004036615A
Authority: JP
Inventors: 洋治久保田
Original assignee: 株式会社長野光学研究所
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: JP2005227569A

Description

本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子を用いた小型ビデオカメラ、監視用カメラ、デジタルカメラ、携帯電話機搭載カメラ等に使用されるメガオーダの高画素に対応した小型軽量の２群ズームレンズに関するものである。

ＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子は、1/3インチから1/4インチと随時小型化されてきており、これに伴って、カメラ自体も小型化されてきている。これらに組み込まれる撮影レンズはもとよりズームレンズにあっても同様に小型化、軽量コンパクト化の要求が高まってきている。さらに、ＣＣＤ等の受光素子は、ＣＣＤの小型化とは裏腹にメガオーダの高画素化となってきている。このような高画素の受光素子を用いたカメラに使用されるズームレンズも必然的に高い光学性能を発揮できるものでなければならなくなってきた。従来、この手の高い光学性能を発揮させるためには、多数枚のレンズを用いて収差補正を行なってきたのが実状である。

また、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子の特徴として、各画素に取り込まれる光線角度に制約があり、これを無視すると周辺光量が減少し、周辺部の暗い映像となってしまう。従来では、これに対応するため、電気的補正回路を設け、あるいは、受光素子の画素と対をなすようにマイクロレンズを配置するなどして素子面への光量拡大を図る方策が取られていた。

しかし、これらの方策はいずれもコストアップの要因となるものである。そこで、射出瞳位置を長くしてシェーディングを防ぎ、併せて、光学系と受光素子との間にＩＲ・ＵＶカットフィルタなどを介在させる必要性から後側焦点距離を長くする必要があるので、レトロフォーカスタイプのズームレンズとすることが必要となってくる。

従来において、類似タイプの２群構成のズームレンズとしては、例えば、ズーム比が２．１倍以上で薄型化を狙った良好な結像性能をもった35ミリ用のレンズを基幹としたものが次の特許文献１などに開示されている。
特開平５−８８０８４号公報

ここで、上記公報に開示の２群構成のズームレンズにおいては、ズーム比を２．１倍以上としているが、ワイド側ではディストーションが(−)5%程度と大きく、加えて、周辺光量が急激に減少している。また、テレ側では第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２とによる光軸上の空気間隔が既に少なく、よって、機構上必要な空気間隔を考慮するとズーム比は凡そ２．５倍程度が限界と考えられる。

本発明の課題は、デジタルカメラや携帯電話機搭載カメラに見合うように小型で、メガオーダの高画素に対応した高性能を有し、しかも３倍程度のズーム比をもった軽量コンパクトな２群構成のズームレンズを提供することにある。

本発明の２群ズームレンズは、
物体側に配列された負のパワーを有する第１レンズ群と、像面側に配列された正のパワーを有する第２レンズ群とを備えており、
前記第１レンズ群は、物体側に配列された負のパワーを有する第１レンズと、像面側に配列された正のパワーを有する第２レンズとを備え、
前記第１レンズの像面側レンズ面には凹面が形成され、前記第２レンズの物体側レンズ面には凸面が形成されており、
前記第２レンズ群は、物体側に配列された前群レンズと、像面側に配列された後群レンズとを備え、
前記前群レンズは一枚の第３レンズからなり、当該第３レンズは、物体側レンズ面に凸面が形成された凸レンズであり、
前記後群レンズは、物体側に位置する一枚の合成レンズと像面側に位置する一枚の第６レンズのみから構成され、前記合成レンズは物体側に位置する第４レンズおよび像面側に位置する第５レンズを貼り合せた構成の負のパワーを有し、前記第６レンズは負のパワーを有し、
前記第４レンズは、物体側レンズ面に凸面が形成された正のパワーを有するレンズであり、
前記第５レンズは、像面側レンズ面に凹面が形成された負のパワーを有するレンズであり、
前記第１レンズ群のレンズ面のうち、少なくとも２面は非球面であり、前記第２レンズ群のレンズ面のうち、少なくとも２面は非球面であり、
全光学系におけるワイド端のときの、半画角をθｗ、前記第１レンズの物体側レンズ面から結像面までの光軸上の距離をΣｄＷ、前記第１レンズ群の焦点距離をｆＡ、前記第２レンズ群の焦点距離をｆＢ、前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記第２レンズの焦点距離をｆ２としたとき、下記の条件式を満たしており、
０．６５＜｜ｆＢ／ｆＡ｜＜０．７５
０．０５＜｜ｆ１／ｆ２｜＜０．２
１０＜tanθｗ・ΣｄＷ＜１５
前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間隔を光軸上に沿って変化させることにより変倍を行うことを特徴としている。

特に、前記第１レンズの物体側レンズ面を非球面とする場合には、変曲点を有する非球面とすることが望ましい。このようにすれば、ワイド側における歪曲収差やコマ収差、非点収差などの画面周辺部の収差補正を有効に機能させることができる。

また、前記第１レンズの屈折率Ｎｄ１、およびアッベ数νｄ１を、それぞれＮｄ１＜１．６、νｄ１＞５０とし、前記第２レンズの屈折率Ｎｄ２、およびアッベ数νｄ２を、それぞれＮｄ２＜１．６、νｄ２＜３５とすることが望ましい。これにより、軸上の色収差および倍率の色収差を良好に補正する事が出来ると共に、第１および第２レンズをプラスチックレンズとすることができる。この結果、第１レンズ群はもとより全光学系の軽量化を図ることができる。また、ズーム動作時の摺動抵抗を低減できるので、ズーミングを容易にすることができる。

本発明の２群ズームレンズでは、変倍にあたって、第２レンズ群を光軸上に沿って第１レンズ群の側に接近させることによりワイド端からテレ端に切り換わり、逆に、第２レンズ群を第１レンズ群から遠ざかる方向に移動させることによりテレ端からワイド端に切り換わる。かかる変倍操作によって生じる像面移動の補正は、第１レンズ群を第２レンズ群の移動に伴って移動させて像面位置を一定に保つことにより行うことができる。ワイド端からテレ端に変倍するに当り、第１レンズ群を、第２レンズ群の側に接近させた後に再び第２レンズ群から遠ざかる方向に移動させることにより、３倍のズーム比を確保することが可能である。

上記のように、本発明の２群ズームレンズは条件式（１）〜（３）を満たしている。
０．６５＜｜ｆＢ／ｆＡ｜＜０．７５（１）
０．０５＜｜ｆ１／ｆ２｜＜０．２（２）
１０＜tanθｗ・ΣｄＷ＜１５ (３)
但し、
ｆＡ：第１レンズ群の焦点距離
ｆＢ：第２レンズ群の焦点距離
ｆ１：第１レンズ群の第１レンズの焦点距離
ｆ２：第１レンズ群の第２レンズの焦点距離
ΣｄＷ：全光学系のワイド端における第１レンズの物体側第１レンズ面より結像面ま
での光軸上の距離
θｗ：ワイド端における半画角（画角の1/2）

条件式(１)は、ズームレンズの全長を規制するもので、この種のレンズでは一般に、テレ端、またはワイド端のいずれかにおいて全長が最小になるように設定することが望ましく、本発明においては、ワイド端に対しテレ端が最小になるようにｆＡ、およびｆＢのパワーを設定している。本発明ではワイド端における第１レンズの物体側レンズ面から結像面までの光軸上の距離をΣｄＷとし、テレ端における全光学全長をΣｄＴとしたとき、０．９＜ΣｄＷ／ΣｄＴ＜１．２程度、好ましくは、１．０＜ΣｄＷ／ΣｄＴ＜１．２となるように設定するのが望ましい。

条件式(１)の上限０．７５を超えるとテレ側の全長が長くなり、本来の小型化を満たすことができなくなる。また、下限の０．６５を超えるとテレ端の全長を短くすることはできるが、ワイド端の全長が長くなってしまい、小型化の目的に適さない。また、第２レンズ群のパワーが強くなりすぎて各収差に対して安全に保つことができなくなる。

条件式(２)は、ズーム全域における軸上の色収差および倍率の色収差に関するものであり、上限の０．２を超えるとワイド側の軸上色収差が増大し、画面中心部の性能が劣化する。また、下限の０．０５を下回ると、ワイド側における倍率の色収差が補正できなくなる。

条件式(３)は、ワイド端における全光学系の全長と画角を規定するものであり、上限の15を超えると全長が長くなり過ぎて、目的とする小型化を満たすことができないばかりか、ズーム系の広角化も達成できなくなる。また、下限の10を超えると全長は短くできるが各レンズ群のパワーが強くなると共に、各レンズのパワーも強くなるためレンズの加工が不利となることとズーム全域における安定した収差補正ができなくなる。

本発明の２群ズームレンズでは、第２レンズ群の後群レンズを負のパワーを有する合成レンズと、同じく負のパワーを有する第６レンズから構成することにより、第２レンズ群の主点の位置を物体側に移動させることができるため、全光学系の全長を短くできる。また、第１レンズ群をプラスチックレンズとすることができるので、軽量化を図ることができると共にズーム作動を円滑に行なうことが可能となる。さらに、第１レンズの物体側レンズ面を変曲点をもたせた非球面とすることにより、ワイド側の歪曲収差やコマ収差などの軸外の収差補正を良好に行なうことができ、さらに、非球面を活用してメガオーダの高解像度を達成することができる。従って、本発明によれば、メガオーダの高画素に対応した光学性能を備えた小型・コンパクトで軽量な２群ズームレンズを実現できる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した２群ズームレンズの各実施例について説明する。

図１（ａ）は、実施例１に係るズームレンズ１００のワイド端での状態を示す構成図である。ズームレンズ１００は、物体側より結像面９に向かって配列された、負のパワーを有する第１レンズ群Ａと正のパワーを有する第２レンズ群Ｂとによって構成されている。また、第３レンズ３の物体側には絞り７が配置され、第２レンズ群Ｂと結像面９の間にはカバーガラス８が配置されている。

第１レンズ群Ａは、像面側レンズ面に凹面が形成された負のパワーを有する第１レンズ１と、物体側レンズ面が凸面となっている正のパワーを有するメニスカスの第２レンズ２から構成されている。第２レンズ群Ｂは前群レンズＩおよび後群レンズIIから構成されている。

第２レンズ群Ｂにおける物体側に位置する前群レンズＩは、物体側レンズ面に凸面が形成された正のパワーを有する第３レンズ３からなる。後群レンズIIは、第４レンズ４および第５レンズ５を貼り合せた構成の負のパワーを有する合成レンズ（接合レンズ）と、同じく負のパワーを有する第６レンズ６から構成されている。

合成レンズの物体側に位置している第４レンズ４は、物体側レンズ面が凸面となっている正のパワーを有するレンズである。合成レンズの像面側に位置している第５レンズ５は、像面側レンズ面に凹面が形成された負のパワーを有するレンズである。一方、第６レンズは、物体側レンズ面が凹面となっている負のパワーを有するメニスカスレンズである。なお、本例の合成レンズは光学ガラスからなる合成レンズである。

ここで、第１レンズ１、第２レンズ２、第３レンズ３、および第６レンズ６は、それぞれ、両側のレンズ面が非球面となっており、第１レンズ１の物体側レンズ面は変曲点を有する非球面となっている。

ズームレンズ１００のズーム方式は、第２レンズ群Ｂを光軸１００ａに沿って移動させることにより変倍を行ない、第１レンズ群Ａによって像面位置の補正を行なうものである。図１（ｂ）に示すように、ワイド端Ｗからテレ端Ｔに向かってズーミングすると、第２レンズ群Ｂは、直線ｂで示すように、物体側に徐々に移動する。これに対して、第１レンズ群Ａは、曲線ａで示すように、像面側に徐々に移動した後に物体側に徐々に戻るという移動形態を採る。

ズームレンズ１００の全光学系のレンズデータは次のとおりである。
Ｆナンバー：３．０４．２６５．６５
焦点距離：３．７０７．１３１１．０３mm
ｆＡ： −７．３５５mm
ｆＢ：４．９８７mm
ｆ１： −５．９０９mm
ｆ２：３０．７３２mm
ｆ４５： −１４．９７７mm
ΣｄＷ：１９．０５７mm
ｔａｎθｗ：０．６２１６
(注)ｆ４５は、後側レンズの第４レンズと第５レンズの合成焦点距離である。

これらの符号の意味は後述の実施例２、３においても同様である。

表１Ａにはズームレンズ１００の各レンズデータを示し、表１Ｂには非球面とされたレンズ面の非球面形状を規定するための非球面係数を示してある。表１Ａにおいて、ｉは物体側より数えたレンズ面の順番を表し、Ｒはレンズ面の曲率半径を表し、ｄはレンズ面間の距離を表し、Ｎｄは各レンズの屈折率を表し、νｄは各レンズのアッベ数を表す。また、番号ｉに星印が付いているレンズ面は非球面である。なお、表１Ａにおける右端の列におけるＷ、Ｓ、Ｔは、それぞれ、ワイド端、スタンダードおよびテレ端におけるレンズ面間の距離ｄを表している。

レンズ面に採用する非球面形状は、光軸方向の軸をＸ、光軸に直交する方向の高さをＨ、円錐係数をｋ、非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとすると、次式により表すことができる。

なお、各記号の意味、および非球面形状を表す式は、後述の実施例２、３においても同様である。

図４は、実施例１に係るズームレンズ１００における諸収差を示す収差図である。(Ｗ)はワイド、(Ｓ)はスタンダード、(Ｔ)はテレの位置を示し、ＳＡは球面収差、ＡＳは非点収差、ＤＩＳＴはディストーションを表している。これらの記号の意味は、後述の実施例２、３においても同様である。

本実施例１に係るズームレンズ１００では、第１レンズ１の屈折率およびアッベ数がそれぞれＮｄ１＝１．５２４７、νｄ１＝５６．２であり、第２レンズの屈折率およびアッベ数がそれぞれＮｄ２＝１．５８５、νｄ２＝２９．９である。したがって、Ｎｄ１＜１．６，νｄ１＞５０，Ｎｄ２＜１．６，νｄ２＜３５の各条件を満足している。

また、ズームレンズ１００は次の条件式(１)〜(３)を満足している。
０.６５＜｜ｆＢ／ｆＡ｜＜０.７５ (１)
０.０５＜｜ｆ１／ｆ２｜＜０.２ (２)
１０＜ｔａｎθｗ・ΣｄＷ＜１５ (３)
但し、
ｆＡ：第１レンズ群の焦点距離
ｆＢ：第２レンズ群の焦点距離
ｆ１：第１レンズ群の第１レンズの焦点距離
ｆ２：第１レンズ群の第２レンズの焦点距離
θｗ：ワイド端における半画角
ΣｄＷ：ワイド端における第１レンズの物体側第１レンズ面から結像面までの光軸上の距離

すなわち、｜ｆＢ／ｆＡ｜＝０．６７８、｜ｆ１／ｆ２｜＝０．１９２、tanθｗ・ΣｄＷ＝１１．８５となり、条件式(１)〜（３）を満足している。

図２は実施例２に係るズームレンズ２００のワイド端の状態を示す構成図である。ズームレンズ２００の光学系の構成は実施例１と基本的に同一であり、物体側より結像面に向かって、負のパワーを有する第１レンズ群Ａと正のパワーを有する第２レンズ群Ｂにより構成されている。また、第１レンズ群Ａは、像面側に小さな凹面を向けた負のパワーを有する第１レンズ１１と、物体側に凸面を向けた正のパワーを有する第２レンズ１２からなる。第２レンズ群Ｂは前群レンズＩと後群レンズIIからなり、前群レンズＩは、物体側に小さな凸面を向けた正のパワーを有する第３レンズ１３である。後群レンズIIは、物体側に凸面を向けた正のパワーを有する第４レンズ１４と像面側に凹面を向けた負のパワーを有する第５レンズ１５の接合レンズと、物体側に凹面を向けた負のパワーを有する第６レンズ１６とからなっている。当該接合レンズは負のパワーを有する光学ガラスからなる合成レンズである。第１レンズ１１、第２レンズ１２、第３レンズ１３および第６レンズ１６のレンズ面の両面は非球面となっており、第１レンズ１１の物体側レンズ面は変曲点を有する非球面となっている。第３レンズ１３の物体側には絞り１７が配置され、第６レンズ１６と結像面９との間にはカバーガラス８が配置されている。なお、ズームレンズ２００のズーム方式は、実施例１のズームレンズ１００と同様である。

ズームレンズ２００の全光学系のレンズデータは次のとおりである。
Ｆナンバー：３．０４．２３５．６３
焦点距離：３．７０７．１３１１．０４mm
ｆＡ： −７．３６mm
ｆＢ：４．９８mm
ｆ１： −６．１５mm
ｆ２：３８．１４mm
ｆ４５： −１９．２０４mm
ΣｄＷ：１９．０５５mm
ｔａｎθｗ：０．６２１６

表２Ａにはズームレンズ２００の各レンズ面のレンズデータを示し、表２Ｂには非球面とされたレンズ面の非球面形状を規定するための非球面係数を示してある。

図５は、ズームレンズ２００の諸収差を示す収差図である。

ズームレンズ２００では、第１レンズ１１の屈折率およびアッベ数がそれぞれＮｄ１＝１．５２４７、νｄ１＝５６．２であり、第２レンズ１２の屈折率およびアッベ数がそれぞれＮｄ２＝１．５８５、νｄ２＝２９．９である。したがって、Ｎｄ１＜１．６，νｄ１＞５０，Ｎｄ２＜１．６，νｄ２＜３５の各条件を満足している。

また、ズームレンズ２００は条件式(１)〜(３)を満足している。すなわち、｜ｆＢ／ｆＡ｜＝０．６７７、｜ｆ１／ｆ２｜＝０．１６、tanθｗ・ΣｄＷ＝１１．８４である。

図３は実施例３に係るズームレンズ３００のワイド端の状態を示す構成図である。ズームレンズ３００も実施例１のズームレンズ１００と基本的に同様であり、物体側より順に結像面に向かって、負のパワーを有する第１レンズ群Ａと正のパワーを有する第２レンズ群Ｂにより構成されている。第１レンズ群Ａは、像面側に小さな凹面を向けた負のパワーを有する第１レンズ２１と、物体側に凸面を向けた正のパワーを有する第２レンズ２２からなる。第２レンズ群Ｂは前群レンズＩと後群レンズIIによって構成されている。前群レンズＩは、物体側に小さな凸面を向けた正のパワーを有する第３レンズ２３である。後群レンズIIは、物体側に凸面を向けた正のパワーを有する第４レンズ２４と像面側に小さな凹面を向けた負のパワーを有する第５レンズ２５との接合レンズと、像面側に凸面を向けた負のパワーを有する第６レンズ２６とによって構成されている。当該接合レンズは光学ガラスからなる負のパワーを有する合成レンズである。第１レンズ２１、第２レンズ２２、第３レンズ２３、および第６レンズ２６のレンズ面の両面が非球面であり、第１レンズ２１の物体側レンズ面が変曲点を有する非球面となっている。第３レンズ２７の物体側には絞り２７が配置されており、第６レンズ２６と結像面９との間には、カバーガラス８が配置されている。なお、ズームレンズ３００のズーム方式は、実施例１のズームレンズ１００と同様である。

ズームレンズ３００の全光学系のレンズデータは次のとおりである。
Ｆナンバー：２．８６４．０１５．３７
焦点距離：３．７０７．１５１１．０８mm
ｆＡ： −７．３８mm
ｆＢ：４．９６mm
ｆ１： −５．８８mm
ｆ２：３１．６１mm
ｆ４５： −１３．５３４mm
ΣｄＷ：１８．９６８mm
ｔａｎθｗ：０．６２１６

表３Ａにはズームレンズ３００の各レンズ面のレンズデータを示し、表３Ｂには非球面とされたレンズ面の非球面形状を規定するための非球面係数を示してある。

図６は、ズームレンズ３００における諸収差を示す収差図である。

ズームレンズ３００では、第１レンズ２１の屈折率およびアッベ数がそれぞれＮｄ１＝１．５２４７、νｄ１＝５６．２であり、第２レンズ２２の屈折率およびアッベ数がそれぞれＮｄ２＝１．５８５、νｄ２＝２９．９である。したがって、Ｎｄ１＜１．６，νｄ１＞５０，Ｎｄ２＜１．６，νｄ２＜３５の各条件を満足している。

また、ズームレンズ３００は、条件式(１)〜(３)を満足している。すなわち、｜ｆＢ／ｆＡ｜＝０．６７、｜ｆ１／ｆ２｜＝０．１８６、tanθｗ・ΣｄＷ＝１１．７９である。

実施例１に係るズームレンズ１００の光学系の概略構成図である。実施例２に係るズームレンズ２００の光学系の概略構成図である。実施例３に係るズームレンズ３００の光学系の概略構成図である。実施例１に係るズームレンズ１００の収差図である。実施例２に係るズームレンズ２００の収差図である。実施例３に係るズームレンズ３００の収差図である。

符号の説明

１、１１、２１第１レンズ
２、１２、２２第２レンズ
３、１３、２３第３レンズ
４、１４、２４第４レンズ
５、１５、２５第５レンズ
６、１６、２６第６レンズ
７絞り
８カバーガラス
９結像面
Ｉ前群レンズ
II 後群レンズ
Ａ第１レンズ群
Ｂ第２レンズ群
１００、２００、３００、ズームレンズ

Claims

物体側に配列された負のパワーを有する第１レンズ群と、像面側に配列された正のパワーを有する第２レンズ群とを備えており、
前記第１レンズ群は、物体側に配列された負のパワーを有する第１レンズと、像面側に配列された正のパワーを有する第２レンズとを備え、
前記第１レンズの像面側レンズ面には凹面が形成され、前記第２レンズの物体側レンズ面には凸面が形成されており、
前記第２レンズ群は、物体側に配列された前群レンズと、像面側に配列された後群レンズとを備え、
前記前群レンズは一枚の第３レンズからなり、当該第３レンズは、物体側レンズ面に凸面が形成された凸レンズであり、
前記後群レンズは、物体側に位置する一枚の合成レンズと像面側に位置する一枚の第６レンズのみから構成され、前記合成レンズは物体側に位置する第４レンズおよび像面側に位置する第５レンズを貼り合せた構成の負のパワーを有し、前記第６レンズは負のパワーを有し、
前記第４レンズは、物体側レンズ面に凸面が形成された正のパワーを有するレンズであり、
前記第５レンズは、像面側レンズ面に凹面が形成された負のパワーを有するレンズであり、
前記第１レンズ群のレンズ面のうち、少なくとも２面は非球面であり、前記第２レンズ群のレンズ面のうち、少なくとも２面は非球面であり、
全光学系におけるワイド端のときの、半画角をθｗ、前記第１レンズの物体側レンズ面から結像面までの光軸上の距離をΣｄＷ、前記第１レンズ群の焦点距離をｆＡ、前記第２レンズ群の焦点距離をｆＢ、前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記第２レンズの焦点距離をｆ２としたとき、下記の条件式を満たしており、
０．６５＜｜ｆＢ／ｆＡ｜＜０．７５
０．０５＜｜ｆ１／ｆ２｜＜０．２
１０＜tanθｗ・ΣｄＷ＜１５
前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間隔を光軸上に沿って変化させることにより変倍を行う２群ズームレンズ。
請求項１において、
前記第１レンズの物体側レンズ面は変曲点を有する非球面となっている２群ズームレンズ。
請求項１または２において、
前記第１レンズの屈折率をＮｄ１、アッベ数をνｄ１、前記第２レンズの屈折率をＮｄ２、アッベ数をνｄ２としたとき、下記の条件を満たしている２群ズームレンズ。
Ｎｄ１＜１．６
νｄ１＞５０
Ｎｄ２＜１．６
νｄ２＜３５
請求項１ないし３のうちのいずれかの項において、
テレ端における全光学全長をΣｄＴとしたとき、
０．９＜ΣｄＷ／ΣｄＴ＜１．２
を満たしている２群ズームレンズ。