JP4630581B2 - ズームレンズおよびそれを有する撮像装置 - Google Patents

Description

本発明はズームレンズに関し、例えば、ＣＣＤ等の固体撮像素子を用いたデジタルスチルカメラ用の撮影光学系に好適なものである。

近年、ＣＣＤ等の固体撮像素子を用いて静止画を撮影する、所謂デジタルスチルカメラが注目を集めている。デジタルスチルカメラの撮影光学系としてのズームレンズには、カメラ全体の小型化のため、レンズ全長の極めて短い光学系が要求されている。

また、静止画の特性上、広画角であることが望ましい。更には動画撮影用のビデオカメラよりも高い光学性能も要求される。

２．５〜３倍程度のズーム比（変倍比）で、広角域を含み、明るく、高性能が得られるレンズタイプとして特許文献１等で、負、正の屈折力の２つのレンズ群を有し、各群の間隔変化によってズーミングを行うズームレンズが提案されている。

また、負、正、正の屈折力の３つのレンズ群を有し、広角端より望遠端へのズーミングに際し、第２レンズ群と第３レンズ群の間隔を変えるズームレンズの例として、特許文献２等がある。

負、正、正の屈折力の３つのレンズ群を有し、広角端より望遠端へのズーミングに際し、第２レンズ群と第３レンズ群の間隔が減少するズームレンズの例として、特許文献３がある。

超広角で、負、正、正、正の屈折力の４つのレンズ群を有するタイプのズームレンズの例として特許文献４がある。

特許文献５では、負、正、正、正の屈折力の４つのレンズ群を有するズームタイプにおいて、コンパクトで、かつ３倍程度のズーム比を有し、ズーミング中の射出瞳位置の変動が比較的少ないズームレンズが提案されている。

また、従来の負の屈折力のレンズ群が先行するタイプのズームレンズにおいては、第１レンズ群は３枚以上のレンズが使用されるのが一般的であったが、コンパクト化のために、第１レンズ群中の負レンズに非球面を採用することによって、負、正の２枚構成で実現したレンズが種々提案されている。

第１レンズ群を負レンズと正レンズの２枚のレンズにて構成し、正レンズを非球面レンズとした例として特許文献６〜１０がある。
特公平６−６６００８号公報 特開平７−５２２５６号公報 米国特許第５４３４７１０号明細書 特開平１０−１０４５２０号公報 特開平１１−８４２４２号公報 特開平１１−８４２４３号公報 特開２００１−１４７３７０号公報 米国特許５６６３８３６号明細書 米国特許５８７２６６０号明細書 米国特許６０２５９６１号明細書

特許文献１に開示されたような２群ズームレンズは、レンズ枚数が多く、コンパクトネスの点で十分でなかった。また、ズーミング中に射出瞳位置の変動が大きいため、銀塩カメラ用としては問題ないものの、固体撮像素子を用いるデジタルスチルカメラに用いる場合は設計上パワー配置に制約を受けるため大型化する傾向がある。

特許文献２も特許文献１のような２群ズームと同様に射出瞳位置の変化が大きく、デジタルスチルカメラ用の撮影光学系としては不適当である。

特許文献３に開示されたズームレンズは、レンズ枚数が多くコンパクト化には限界があった。

特許文献４に開示されたズームレンズは、２．４倍程度のズーム比しか得られていないにもかかわらず、構成枚数が多く、また配置も超広角を目的としたものであるため、充分なコンパクトネスが得られていなかった。

特許文献５に開示されたズームレンズは、コンパクト化を優先したものであるため、レンズ構成枚数が極めて少なく、画素数の少ない廉価版のデジタルスチルカメラ用には適するものの、高画素のデジタルスチルカメラに適した高性能は得られていない。

また、第１レンズ群中の負レンズは中心部と周辺部の偏肉比が大きく、これを非球面レンズとすると製造コストが高くなるという問題点がある。

本発明は、これら従来の負の屈折力が先行するタイプのズームレンズの問題点を考慮してなされたものであり、レンズ枚数の削減、レンズ全長の短縮化を図りつつ、所望の変倍比、所望の光学性能が得られるズームレンズを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のズームレンズは、物体側より像側へ順に、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レンズ群からなり、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レンズ群の間隔が変化するズームレンズにおいて、第１レンズ群は、物体側より像側へ順に、負の屈折力の第１レンズと正の屈折力の第２レンズから成り、第２レンズは非球面レンズであり、第１レンズの像側の曲率半径をｒ２、第２レンズの物体側の曲率半径をｒ３、第２レンズの像側の曲率半径をｒ４、第１レンズと第２レンズの間隔をｄ２、第１レンズ群の光軸上の厚さをｄ１ｔとするとき、
０．１＜ｒ２／ｒ３＜０．３５
−１．１７≦（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３−ｒ４）＜０．５
０．３８＜ｄ２／ｄ１ｔ＜０．５５
なる条件を満足することを特徴としている。

本発明によれば、レンズ枚数の削減、レンズ全長の短縮化を図りつつ、所望の変倍比、所望の光学性能が得られるズームレンズを実現できる。

以下に図面を用いて本発明のズームレンズの実施例および参考例について説明する。

図１，３，５は、それぞれ本発明の参考例１および実施例１、２のズームレンズの各ズーム位置におけるレンズ断面図を示している。本発明の参考例および実施例のズームレンズは、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ用の撮影光学系として用いられるものである。図２、図３、図４はそれぞれ本発明の参考例および実施例のズームレンズの収差図であり、（ａ）が広角端の状態、（ｂ）が中間のズーム位置の状態、（ｃ）が望遠端の状態である。

各レンズ断面図において、左方が被写体側（前方）で、右方が像側（後方）である。Ｌ１は負の屈折力（光学的パワー＝焦点距離の逆数）の第１レンズ群、Ｌ２は正の屈折力の第２レンズ群、Ｌ３は正の屈折力の第３レンズ群である。ＳＰは開口絞り、Ｇは光学的ローパスフィルター、赤外カットフィルター、カバーガラス等の光路中に存在する平行平板に対応して設計上設けたガラスブロック、ＩＰはＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）の感光面が位置する像面である。

各収差図において、ｄ，ｇは各々ｄ線及びｇ線、ΔＭ、ΔＳはメリジオナル像面、サジタル像面、倍率色収差はｇ線によって表している。

各参考例および実施例のズームレンズにおいて、広角端から望遠端へのズーミングに際して、第１レンズ群Ｌ１は、広角端のズーム位置から中間のズーム位置までは像側へ移動し、中間のズーム位置から望遠端のズーム位置までは物体側へ移動する。即ち像側に凸状の軌跡の一部を有するように移動する。第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３とは、互いの間隔を変えながら、第２レンズ群Ｌ２は物体側へ、第３レンズ群Ｌ３は像側へ移動する。

ズーミングの結果、広角端に対し望遠端での第１レンズ群Ｌ１と第２レンズ群Ｌ２の間隔は小さくなっており、第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３の間隔は大きくなっている。

開口絞りＳＰは第１レンズ群Ｌ１と第２レンズ群Ｌ２の間に配置され、ズーミングに際し第２レンズ群Ｌ２と一体で移動することでメカ構造の簡素化を達成している。

第１レンズ群Ｌ１は、物体側より像側へ順に、像側の曲率が大きい（曲率半径が小さい）負レンズ（第１レンズ）と物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正レンズ（第２レンズ）の２枚にて構成されている。第１レンズ群Ｌ１中の正レンズの物体側の面は非球面である。このように第１レンズ群を構成する負レンズを球面レンズで構成することにより安価に製造を可能とし、正レンズを非球面レンズとすることにより、非球面の製造コストが負レンズより低いにも関わらず、良好な光学性能を実現している。

第２レンズ群Ｌ２は、物体側より像側へ順に、物体側より像側へ順に、正レンズ（第３レンズ）、負レンズ（第４レンズ）、負レンズ（第５レンズ）、正レンズ（第６レンズ）で構成され、第３レンズと第４レンズ、第５レンズと第６レンズとをそれぞれ接合し、２組の接合レンズとしている。

第３レンズ群Ｌ３は、単一の正レンズにて構成している。

そして、実施例１、２のズームレンズは、第１レンズ群Ｌ１中の負レンズ（第１レンズ）の像側の曲率半径をｒ２、第１レンズ群Ｌ１中の正レンズ（第２レンズ）の物体側と像側の曲率半径をそれぞれｒ３，ｒ４、第１レンズ群Ｌ１中の正レンズと負レンズの間隔をｄ２、第１レンズ群Ｌ１の光軸上の厚さ（最も物体側の面から最も像側の面までの光軸上の間隔）をｄ１ｔとするとき、
０．１＜ｒ２／ｒ３＜０．３５ （１）
−１．１７≦（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３−ｒ４）＜０．５ （２）
０．３８＜ｄ２／ｄ１ｔ＜０．５５ （３）
なる条件を満足している。

条件式（１）は、第１レンズ群Ｌ１を構成する負レンズの像側の曲率半径と正レンズの物体側の曲率半径の比に関するものである。条件式（１）の上限を超えて負レンズの像側の曲率半径が大きくなりすぎると、広角域における画面周辺部のコマ収差の補正が困難となる。一方、条件式（１）の下限を超えて負レンズの像側の曲率半径が小さくなりすぎると、負レンズの加工が困難となってくる。

条件式（２）は第１レンズ群Ｌ１を構成する正レンズのシェイプファクターに関するものである。条件式（２）の上限又は下限を超えると、望遠域における画面周辺のコマフレアーの補正が困難となるので良くない。

条件式（３）は、第１レンズ群Ｌ１を構成する負レンズと正レンズの第１レンズ、第２レンズの間隔に関するものである。条件式（３）の上限を超えて間隔が大きくなりすぎると、前玉径が増大し、レンズ系全体が大型化するので良くない。一方、条件式（３）の下限を超えて間隔が小さくなり過ぎると、広角域における画面周辺部のコマ収差の補正が困難となる。

条件式（１）〜（３）の数値範囲は以下の範囲を満足することで、上述した効果を更に顕著にすることができる。
０．１３＜ｒ２／ｒ３＜０．３０ （１ａ）
−１．１７≦（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３−ｒ４）＜０ （２ａ）
０．４＜ｄ２／ｄ１ｔ＜０．４５ （３ａ）

次に参考例１および実施例１、２に対応する数値実施例１〜３の数値データを示す。数値実施例において、ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角である。ｉは物体側より数えた順序を示し、Ｒｉは第ｉ番目の面の曲率半径、Ｄｉは第ｉ番目の面と第（ｉ＋１）番目の面との軸上間隔、Ｎｉとνｉは各々第ｉ番目の面と第（ｉ＋１）番目の面との間の材料のｄ線を基準とした屈折率とアッベ数である。

非球面形状は、光の進行方向を正とし、ｘを光軸方向の面頂点からの変位量、ｈを光軸と垂直な方向の光軸からの高さ、Ｒを近軸曲率半径、Ｋを円錐定数、Ｂ〜Ｅを各々非球面係数とするとき、

なる式で表している。なお「ｅ±Ｚ」は「×１０±Ｚ」を意味する。

又前述の各条件式と数値実施例の関係を表１に示す。

以上説明したように、各レンズ群のレンズ構成、非球面の配置、ズーミングの際の移動方法等を最適に設定することで、レンズ枚数の削減を図り、レンズ全長の短縮化を達成したにもかかわらず、２倍程度のズーム比を有しつつ、極めて高い光学性能で、製造コストが低い、デジタルスチルカメラに適した光学系を達成することができる。

次に参考例１および実施例１、２のズームレンズを撮影光学系として用いた光学機器の実施例を、図７を用いて説明する。

図７は、本発明のズームレンズをデジタルスチルカメラに用いた例である。図７において、２０はカメラ本体、２１は参考例１および実施例１、２で説明したいずれかのズームレンズによって構成された撮影光学系、２２はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系２１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）、２３は固体撮像素子２２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリ、２４は液晶ディスプレイパネル等によって構成され、固体撮像素子２２上に形成された被写体像を観察するためのファインダーである。

このように本発明のズームレンズをビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮像装置に適用することにより、小型で高い光学性能を有する撮像装置が実現できる。

参考例１のズームレンズのレンズ断面図である。 参考例１のズームレンズの諸収差図である。 実施例１ズームレンズのレンズ断面図である。 実施例１のズームレンズの諸収差図である。 実施例２のズームレンズのレンズ断面図である。 実施例２のズームレンズの諸収差図である。 デジタルスチルカメラの要部概略図である。

Ｌ１ 第１レンズ群
Ｌ２ 第２レンズ群
Ｌ３ 第３レンズ群
ＳＰ 開口絞り
Ｇ ガラスブロック
ＩＰ 像面

Claims (8)

1. 物体側より像側へ順に、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レンズ群からなり、広角端から望遠端へのズーミングに際し、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間隔が減少し、前記第２レンズ群と前記第３レンズ群の間隔が変化するズームレンズにおいて、前記第１レンズ群は、物体側より像側へ順に、負の屈折力の第１レンズと正の屈折力の第２レンズから成り、前記第２レンズは非球面レンズであり、前記第１レンズの像側の曲率半径をｒ２、前記第２レンズの物体側の曲率半径をｒ３、前記第２レンズの像側の曲率半径をｒ４、前記第１レンズと前記第２レンズの間隔をｄ２、前記第１レンズ群の光軸上の厚さをｄ１ｔとするとき、
   ０．１＜ｒ２／ｒ３＜０．３５
   −１．１７≦（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３−ｒ４）＜０．５
   ０．３８＜ｄ２／ｄ１ｔ＜０．５５
   なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
2. 前記第２レンズ群は、物体側より像側へ順に、正の屈折力の第３レンズ、負の屈折力の第４レンズ、負の屈折力の第５レンズ、正の屈折力の第６レンズから成り、前記第３レンズと前記第４レンズ、前記第５レンズと前記第６レンズとはそれぞれ接合レンズを構成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. 前記第２レンズは、物体側の面が凸形状であり、且つその物体側の面が非球面であ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. 前記第２レンズ群の物体側に開口絞りを有し、該開口絞りは、ズーミングに際して前記第２レンズ群と一体的に移動することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のズームレンズ。
5. 前記第１レンズは球面レンズであることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載のズームレンズ。
6. 前記第３レンズ群は物体側の面が凸形状で、正の屈折力の球面単レンズにて構成されることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のズームレンズ。
7. 光電変換素子上に像を形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のズームレンズ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のズームレンズと、該ズームレンズによって形成された像を受光する光電変換素子とを有することを特徴とする撮像装置。

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