JP4777018B2 - 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、特に小型の撮像装置（例えばデジタルスチルカメラや携帯電話やＰＤＡ等のデジタル撮像機器）に用いられる超小型、広画角で高い光学性能を有するズームレンズに関するものである。

通常の光学系はその焦点距離をｆ、撮影画角（画角）をθとするとき理想像高Ｙは
Ｙ＝ｆ・tanθ
で表される。

このようなｆ・tanθ射影方式のズームレンズでは、画角の拡大に伴いコサイン４乗則に従って画面周辺の周辺光量が落ちる。このため、画角80°を超えるような広角ズームレンズは画面周辺の光量(周辺光量)が大きく落ちる。

デジタル撮像機器においては撮影した画像の輝度情報を電気的に修正することが可能である。しかしながら周辺の輝度情報が失われているため、周辺の輝度を補正する回路が必要になる。

この結果デジタルカメラなどの撮像システムでは、装置全体の簡素化が難しい。また、一般に通常の広角ズームレンズは、広角端における歪曲の補正を行い、かつ周辺光量の落ちを防ぐ為に開口効率を上げている。このために最も物体側のレンズの有効径が大型化してくる。

負の歪曲収差を積極的に発生させることでレンズ構成の簡略化を図り、広角端で魚眼レンズの領域に至るズームレンズが提案されている(特許文献１)。特許文献１では負、正の屈折力のレンズ群が先行する２群又は３群ズームレンズにおいて広角端で歪曲収差を−50％以上発生させている。これにより第1レンズ群をすべて球面レンズからなる簡易なレンズ構成にし、全体として７〜１２のレンズ枚数で広角端において画角120°を超える広角ズームレンズを実現している。

特許文献１はレンズ枚数が７〜１２枚構成と比較的多い。また、第１レンズ群の最も物体側のレンズがメニスカス形状の負レンズで構成されているため、広画角になるにつれ有効径が大きくなり、小型・軽量化が難しくなる。

従来、近接観察する目的の内視鏡対物レンズには広角端において画角80°を超える魚眼レンズタイプの変倍レンズが使われている(特許文献２，３)。

特許文献２，３には負・正・負の屈折力のレンズ群より成る３群構成の拡大内視鏡用の変倍レンズが開示されている。これらの公報ではいずれも広角端において歪曲を−50％程度発生させることで画角80°以上の内視鏡対物レンズを５〜７のレンズ枚数で実現している。

しかしながら、特許文献２，３では、いずれも第１レンズ群の最も物体側に第１面が平面からなる負レンズを配置している。このため、広画角になるにつれ、有効径が大きくなり、小型、軽量化が難しい。
特開平０８−１７１０５３号公報 特開２０００−３３００２４号公報 特開２０００−２６７００２号公報

近年、携帯電話用カメラや小型のデジタルカメラ用のズームレンズには、装置全体の小型化のため、レンズ枚数が少なく、レンズ全長の短いことが要望されている。更に撮影画角が広画角で、特に撮影画角が８０度を超え、しかも周辺光量の低下が少ないズームレンズが求められている。

一般にズームレンズを構成する各レンズ群のレンズ枚数が多いと、各レンズ群の光軸上の長さが長くなり、また各レンズ群のズーミングにおける移動量が大きいとレンズ全長が長くなり、レンズ系全体の小型化が難しくなる。

そこで全体としてレンズ枚数が少なく、ズーミングの際の各レンズ群の移動量が少ないことが要望されている。又広画角ズームレンズは、撮影画角が大きくなるにつれて画面周辺の光量が低下してくるので、画面周辺の光量の低下が少ないことが強く要望されている。

本発明は、構成レンズ枚数が比較的少なく、且つ所望のズーム比を有し、広画角で高い光学性能を有するズームレンズ及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。

本発明のズームレンズは、物体側から像側へ順に、負の屈折力の第１レンズ群と、正の屈折力の第２レンズ群と、負の屈折力の第３レンズ群より構成され、ズーミングに際して、前記第１レンズ群は不動であり、前記第２レンズ群および前記第３レンズ群が移動するズームレンズにおいて、前記第１レンズ群は、物体側と像側の面が凹形状の負レンズを有し、前記第１レンズ群の屈折力をφ１、前記第２レンズ群の屈折力をφ２、前記第３レンズ群の屈折力をφ３、広角端における全系の屈折力をφｗとするとき、
−１．４＜φ１／φｗ＜−１．０
０．９＜φ２／φｗ＜１．４
−１．３＜φ３／φｗ＜−０．９
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、構成レンズ枚数が比較的少なく、且つ所望のズーム比を有し、広画角で高い光学性能を有するズームレンズが得られる。

以下、本発明のズームレンズ及びそれを有する撮像装置の実施例について説明する。

図１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明の実施例１のズームレンズの広角端，中間のズーム位置，望遠端におけるレンズ断面図である。

図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ実施例１のズームレンズの広角端，中間のズーム位置，望遠端における収差図である。実施例１はズーム比１．６１、開口比４．０、広角端の画角１１１．３°のズームレンズである。

図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明の実施例２のズームレンズの広角端，中間のズーム位置，望遠端におけるレンズ断面図である。

図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ実施例２のズームレンズの広角端，中間のズーム位置，望遠端における収差図である。実施例２はズーム比１．６１、開口比４．０、広角端の画角１１１．３°のズームレンズである。

図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明の実施例３のズームレンズの広角端，中間のズーム位置，望遠端におけるレンズ断面図である。

図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ実施例３のズームレンズの広角端，中間のズーム位置，望遠端における収差図である。実施例３はズーム比１．４８、開口比４．０、広角端の画角９８．７°のズームレンズである。

図７は、本発明のズームレンズを有した撮像装置の概略図である。

各実施例のズームレンズは、撮像装置（光学機器）に用いられる撮影レンズ系であり、レンズ断面図において、左方が物体側で、右方が像側である。

レンズ断面図において、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は負の屈折力の第３レンズ群である。

ＳＰは開口絞りであり、第２レンズ群Ｌ２中に配置されている。

Ｇは光学フィルター、フェースプレート、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光学ブロックである。ＩＰは像面であり、ビデオカメラやデジタルスチルカメラの撮影光学系として使用する際にはＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）の撮像面に相当する感光面が置かれる。

収差図において、ｄ，ｇは各々ｄ線及びｇ線、Ｍ、Ｓはメリディオナル像面、サジタル像面、ωは半画角、ＦｎｏはＦナンバーである。

尚、以下の各実施例において広角端と望遠端は変倍用レンズ群（第２レンズ群Ｌ２）が機構上、光軸上移動可能な範囲の両端に位置したときのズーム位置をいう。

広角端から望遠端へのズーミングに際して、第２レンズ群Ｌ２は、物体側へ移動して主たる変倍を行う。又第３レンズ群Ｌ３は、変倍に伴う像面変動を補正するように非直線的に物体側に移動している。

尚、第１レンズ群Ｌ１はズーミングのためには不動である。フォーカスは全体を移動して行っている。

各実施例では、デジタル撮像機器に用いられる撮影光学系に対応するためにレンズ全長の短縮化・軽量化を図っている。特にレンズ枚数を削減し、更にレンズ有効径の縮小を図っている。又、各実施例ではレトロフォーカスタイプを採用している。

一般にレトロフォーカスタイプの広画角レンズでは、歪曲収差の補正を良好に行い、かつ周辺光量の落ちを少なくするのが重要となっている。周辺光量の低下を防ぐには開口効率をあげるのが良い。このため、従来の多くの広画角レンズでは最も物体側に大きな負の屈折力のメニスカス形状の負レンズを配置している。

これに対して、各実施例は所謂魚眼レンズを構成している。魚眼レンズでは従来のｆ・tanθ射影の撮影レンズに比べて周辺光量の落ちが緩和される。

このため、各実施例では、負の屈折力の第１レンズ群の最も物体側にメニスカス形状の負レンズではなく、両レンズ面が凹形状の負レンズを配置している。

これにより、レンズ有効径を縮小し、レンズ系全体を軽量化している。また、メニスカス形状の負レンズで構成するよりも負の屈折力をより強めることができ、これによりレンズ全長を容易に短くしている。

さらに、負の歪曲(歪曲収差)を積極的に発生させ、第２レンズ群以降に入る光線の径をより絞ることで、後群のレンズ有効径を縮小している。

各実施例では、第１レンズ群Ｌ１を両レンズ面が凹形状の負レンズより構成し、更に第１レンズ面をレンズ中心からレンズ周辺に行くに従って、負の屈折力が強くなる非球面形状にしている。

これにより、歪曲収差の発生とともに他の諸収差をバランス良く補正している。

一般に各レンズ群ごとに収差を良好に補正するためにはレンズ群内部に異なる符合の屈折力のレンズを最低１枚用いるのが良い。

しかしながらそのようにするとレンズ枚数が多くなり、レンズ全長が増大してくる。レンズ枚数を削減し、レンズ全長を短縮するためには、レンズ群同士で収差を打ち消すことが好ましい。

そこで各実施例では、負・正・負の屈折力のレンズ群より成る３群のズームレンズにおいて、各レンズ群をレンズ群の屈折力の符号と同符号のレンズのみで構成している。これによりレンズ群同士で収差をバランス良く補正している。

具体的には負の屈折力の第１レンズ群Ｌ１を像側の面が凹形状の１枚の負レンズより構成している。

これによって広画角化に伴いレンズ径が大きくなる第１レンズ群Ｌ１の小型化及び軽量化を図っている。又、ズーミングのためには第１レンズ群Ｌ１を不動としている。

これによりズーミング中レンズ全長の増大を抑え、一定にしてズームの駆動機構を簡略している。

正の屈折力の第２レンズ群Ｌ２を両レンズ面が凸形状の２枚の正レンズを含む全体として２枚又は３枚の正レンズより構成している。又開口絞りＳＰを第２レンズ群Ｌ２中に設けて、ズーミングに際して第２レンズ群Ｌ２と一体的に移動している。

このように開口絞りＳＰを第２レンズ群Ｌ２中に設けてレンズ系全体が略対称な屈折力配置にしている。これにより倍率色収差、像面湾曲、非点収差などの軸外の収差を対称に発生させ収差補正を良好に行っている。

また、開口絞りＳＰをレンズ系の物体側に置くよりも開口効率が大きくなり、広画角レンズの欠点である周辺光量の落ちを抑えている。

負の屈折力の第３レンズ群Ｌ３を像側の面が凸でメニスカス形状の負レンズより構成している。

これによってコマ収差の補正を良好に行っている。又撮像面への入射角の差を緩和して固体撮像素子を用いたときの、画面全体への光束の入射角度の差が少なくなるようにして画面全体の光学性能をバランス良くしている。

各実施例において、画面周辺光量の低下を抑え、撮影画像の輝度ムラを抑制するために、射影方式をｆ・sinθ射影にしている。

即ち、あるズーム位置での焦点距離をｆ、入射光束の入射角をθ、そのときの像高をＹとするとき
Ｙ＝ｆ・sinθ
となるようにしている。

一般に、魚眼レンズ等の超広画角レンズの射影方式でｆ・sinθ射影では理想的には光量分布は画面中心から画面周辺まで一定となる。これに対して、その他の魚眼レンズの射影方式では画面周辺光量が低下する。

そこで各実施例ではｆ・sinθの射影方式を用いている。

又、各実施例では第１，第２，第３レンズ群の屈折力を順にφ１，φ２，φ３、
広角端における全系の屈折力をφｗとするとき
−１．４＜φ１／φｗ＜−１．０ ‥‥‥(１)
０．９＜φ２／φｗ＜ １．４ ‥‥‥(２)
−１．３＜φ３／φｗ＜−０．９ ‥‥‥(３)
なる条件を満足するようにしている。

このように各実施例では、条件式（１）〜（３）を満足するように第１〜第３レンズ群Ｌ１〜Ｌ３の屈折力を設定している。これにより、ｆ・sinθ射影方式を利用し、広画角化を図ったときの画面周辺の光量が低下するのを少なくしている。

これらの条件を外れると、広画角化を図りつつ、画面全体にわたり、十分な周辺光量を得るのが難しくなってくる。

更に好ましくは、条件式（１）〜（３）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

−１．３＜φ１／φｗ＜−１．０５ ‥‥‥(１ａ)
１．０＜φ２／φｗ＜ １．３２ ‥‥‥(２ａ)
−１．２＜φ３／φｗ＜−０．９１ ‥‥‥(３ａ)
又、第１レンズ群Ｌ１と、第３レンズ群Ｌ３の屈折力を各々φ１、φ３とするとき
０．８＜φ３／φ１＜１．０ ‥‥‥（４）
なる条件を満足するようにしている。

条件式（４）は第１レンズ群Ｌ１と第３レンズ群Ｌ３を略対称な屈折力配置にするためのものである。一眼フレックスカメラなどにおいては像側にクイックリターンミラーなどの部材のスペース確保のため、バックフォーカスを長くする必要がある。そのため一般的に広画角レンズではレトロフォーカス型のパワー配置が採用される。

しかしながら、近年のデジタル撮像機器ではバックフォーカスをより短くできる。このため、レトロフォーカス性を弱め、対称なパワー配置に近づけることでレンズ系全体のコンパクト化が可能となる。また、負・正・負の屈折力のレンズ群より成る３群ズームレンズにおいて屈折力を略対称な配置にするのが良い。これにより色収差、像面湾曲、球面収差などの収差を負の屈折力の第１、第３レンズ群Ｌ１・Ｌ３と正の屈折力の第２レンズ群Ｌ２とバランス良く相殺することができる。

条件式（４）の下限値を超えて第１レンズ群Ｌ１の屈折力が第３レンズ群Ｌ３の屈折力に比べ、大きくなりすぎると、レトロフォーカス性が強まってくる。

この結果、バックフォーカスが長くなり、レンズ全長が長くなってくる。さらに第２レンズ群Ｌ２との屈折力のバランスが崩れ、主に色収差などを良好に補正することが困難になる。

上限値を超えて第３レンズ群Ｌ３のパワーが第１レンズ群Ｌ１の屈折力に比べ大きくなりすぎると、撮像面への軸外光束の入射角がきつくなり、デジタル撮像機器においては色ムラが生じてくる。また、第２レンズ群Ｌ２との屈折力のバランスが崩れ収差補正が困難になる。

各実施例において、更に好ましくは、条件式（４）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．８３＜φ３／φ１＜０．９６ ‥‥‥（４ａ）
開口絞りＳＰよりも物体側と像側に配置されているレンズ群の屈折力を各々φＦ，φＲとするとき
３＜φＦ／φＲ＜９ ‥‥‥（５）
なる条件を満足するようにしている。

このように開口絞りＳＰに対して屈折力を適切に配置することにより、広画角化を図ったときの周辺光量の落ちを少なくしている。

又、像面湾曲や非点収差等の軸外諸収差の発生が少なくなるようにしている。

各実施例では、広角端のズーム位置において、撮影画角θのときの負の歪曲収差をＤＩＳＴとするとき、次の条件を満足するようにしている。

θ＝４９°で ＤＩＳＴ＜−２５％
特に ＤＩＳＴ＜−３３％
である。

又、θ＝４０°で ＤＩＳＴ＜−１５％
特に ＤＩＳＴ＜−２０％
である。

このように各レンズ群の屈折力、開口絞りＳＰ、そして近軸屈折力配置を設定している。これらを満足することによって、広角端において撮影画角を８０度以上の広角化を図ったときの画面周辺の光量落ちが少なくなるようにしている。

尚、各実施例において、第１レンズ群Ｌ１の物体側又は／及び第３レンズ群Ｌ３の像側に屈折力の小さなレンズ群やコンバーターレンズ等を配置しても良い。

次に本発明の数値実施例を示す。尚、数値実施例においてｉは物体側からの順番を示し、Ｒｉは物体側より順にｉ番目の面の曲率半径、ｄｉは物体側より順にｉ番目のレンズ厚および空気間隔、ｎｄｉとνｉはそれぞれ物体側より順にｉ番目の材料のｄ線での屈折率とアッベ数である。

最終の２つの面は、フィルター、フェースプレート等のガラスブロックである。

非球面形状は光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向にＨ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、ｋを離心率、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを各々非球面係数としたとき、

なる式で表している。

また例えば「ｅ−Ｚ」の表示は「１０^-Z」を意味する。ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角を示す。

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。

又、各実施例において撮影画角θのときの歪曲収差の値を（表−２）に示す。

ここで歪曲収差ＤＩＳＴは撮影画角θのとき、理想像高をｙ’、実際の像高をｙとするとき
ＤＩＳＴ＝（ｙ−ｙ’／ｙ’）×１００
ｙ’＝ｆ・tanθ
で表されるものである。

以上のように各実施例によれば、レンズ有効径が小さく、レンズ枚数が少なく、レンズ全長の短い小型・軽量で近年の小型デジタル撮像機器に好適な、画面周辺光量の落ちの少ない画角80°を超える広画角のズームレンズを得ることができる。

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スチルカメラ（撮像装置）の実施例を図７を用いて説明する。

図７において、２０はカメラ本体、２１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、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を実現している。

本発明の数値実施例１のレンズ断面図 本発明の数値実施例１の諸収差 本発明の数値実施例２のレンズ断面図 本発明の数値実施例２の諸収差 本発明の数値実施例３のレンズ断面図 本発明の数値実施例３の諸収差 本発明の撮像装置の実施例の要部概略図

符号の説明

Ｌ１ 第１レンズ群
Ｌ２ 第２レンズ群
Ｌ３ 第３レンズ群
ＳＰ 絞り
ＩＰ 像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
Ｓ サジタル像面
Ｍ メリディオナル像面
Ｇ ガラスブロック

Claims (10)

1. 物体側から像側へ順に、負の屈折力の第１レンズ群と、正の屈折力の第２レンズ群と、負の屈折力の第３レンズ群より構成され、ズーミングに際して、前記第１レンズ群は不動であり、前記第２レンズ群および前記第３レンズ群が移動するズームレンズにおいて、前記第１レンズ群は、物体側と像側の面が凹形状の負レンズを有し、前記第１レンズ群の屈折力をφ１、前記第２レンズ群の屈折力をφ２、前記第３レンズ群の屈折力をφ３、広角端における全系の屈折力をφｗとするとき、
   −１．４＜φ１／φｗ＜−１．０
   ０．９＜φ２／φｗ＜１．４
   −１．３＜φ３／φｗ＜−０．９
   なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
2. 前記ズームレンズは、
   ０．８＜φ３／φ１＜１．０
   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. 前記第２レンズ群は、ズーミングに際して該第２レンズ群と一体的に移動する開口絞りを有し、該開口絞りの物体側と像側に配置されている物体側レンズ群と像側レンズ群の屈折力を各々φＦ，φＲとするとき、
   ３＜φＦ／φＲ＜９
   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. 前記負レンズは、物体側の面がレンズ中心からレンズ周辺にいくに従って負の屈折力が強くなる非球面形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のズームレンズ。
5. 前記第１、第２、第３レンズ群は、各レンズ群の屈折力と同符号の屈折力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のいずれか１項に記載のズームレンズ。
6. 前記第２レンズ群は、両レンズ面が凸形状の２枚の正レンズを含む２枚又は３枚の正レンズより成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のズームレンズ。
7. 前記第３レンズ群は、像側の面が凸でメニスカス形状の１枚の負レンズより成ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項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１項に記載のズームレンズ。
9. 任意のズーム位置における焦点距離をｆ、撮影画角θ（度）のときの理想像高をＹとするとき、
   Ｙ＝ｆ・sinθ
   を満足する射影方式を利用していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のズームレンズ。
10. 請求項１乃至９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固体撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。