JP4785488B2 - ズームレンズ及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、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、或いは監視カメラ等のように固体撮像素子を用いた撮像装置に好適なものである。

近年、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラなどの撮像装置では、それに用いられるＣＣＤなどの固体撮像素子の著しい技術進歩や、撮像装置の小型化に伴い、より高い光学性能を持ち、しかも小型化、薄型化、軽量化の撮影レンズが要望されている。

比較的高い光学性能が得られ、しかも全体が小型のズームレンズとして、物体側より像側へ順に、負の屈折力の第１レンズ群Ｌ１と正の屈折力の第２レンズ群よりなり、双方のレンズ群の空気間隔を変化させてズーミングを行う２群ズームレンズがある。

この２群ズームレンズは比較的少ないレンズ枚数でレンズ系が構成出来るため、小型化を狙うズームタイプのレンズ系によく利用されている。

この２群ズームレンズとして、第１レンズ群が負レンズと正レンズから成り、第２レンズ群が正レンズと負レンズから成る小型の２群ズームレンズが知られている（特許文献１〜３）。

又、この２群ズームレンズとして、第１レンズ群を負レンズと正レンズより成り、第２レンズ群を正レンズ、負レンズ、正レンズより成るズームレンズが知られている（特許文献４〜８）。
特開平５−２８１４７０号公報 特開平６−２７３６７０号公報 特開平１１−０５２２３５号公報 特開平１−１８３６１６号公報 特開平４−４６３０８号公報 特開平４−５６８１４号公報 特開２００３−１３１１２８号公報 特開２００４−１０２２１１号公報

一般に負の屈折力の第１レンズ群と正の屈折力の第２レンズ群の２つのレンズ群より成るネガティブリード型のズームレンズは広画角化が比較的容易であり、又所定のバックフォーカスが容易に得られるという特徴がある。

しかしながら、レンズ系全体を５枚程度の少ないレンズ枚数で構成し、かつ良好なる光学性能を得るには、各レンズ群の屈折力配置やレンズ形状等を適切に設定する必要がある。各レンズ群の屈折力配置やレンズ構成が不適切であるとズーミングに伴う収差変動が大きくなり、全ズーム範囲にわたり高い光学性能を得るのが難しくなってくる。

本発明は、全体として少ないレンズ枚数でありながら、優れた光学性能が得られる、しかも全系がコンパクトな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、物体側より像側へ順に、負の屈折力の第１レンズ群と、正の屈折力の第２レンズ群より構成され、ズーミングに際し、双方のレンズ群の間隔が変わるズームレンズにおいて、該第１レンズ群は、負レンズと正レンズより構成され、該第２レンズ群は、物体側より像側へ順に、正レンズ２１と負レンズ２２とを接合した接合レンズと、正レンズ２３より構成され、該正レンズ２１の物体側の面の曲率半径をＲ２１ａ、該負レンズ２２の像側の面の曲率半径をＲ２２ｂ、該正レンズ２１と該負レンズ２２の材料の屈折率を各々Ｎ２１，Ｎ２２とするとき、
１３＜（Ｒ２１ａ＋Ｒ２２ｂ）／（Ｒ２１ａ−Ｒ２２ｂ）＜５０
０．２３＜Ｎ２２−Ｎ２１＜０．４
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、全体として少ないレンズ枚数でありながら、優れた光学性能が得られる、しかも全系がコンパクトな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、それぞれ本発明の実施例１のズームレンズの広角端（短焦点距離端）、中間のズーム位置、望遠端（長焦点距離）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２．８７、開口比３．１８〜５．６０程度のズームレンズである。

図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ本発明の実施例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２．８６、開口比３．６０〜６．６０程度のズームレンズである。

図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ本発明の実施例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２．８７、開口比３．６０〜６．５０程度のズームレンズである。

図７は本発明のズームレンズを備えるデジタルスチルカメラ（撮像装置）の要部概略図である。

各実施例のズームレンズは、撮像装置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。

図１、図３、図５の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レンズ群である。ＳＰは開口絞りであり、各実施例では第２レンズ群Ｌ２の像側に位置している。

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対応して光学設計上設けられた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ている。

収差図において、ｄ、ｇは各々ｄ線及びｇ線、ΔＭ、ΔＳはメリディオナル像面、サジタル像面、倍率色収差はｇ線によって表わしている。

ＦｎｏはＦナンバーである。ωは半画角である。

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

図１、図３、図５の実施例１〜３のズームレンズでは、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は像側に凸状の軌跡の一部を描くように移動している。このとき、第１レンズ群Ｌ１はズーミングに際して、広角端のレンズ全長が望遠端のレンズ全長に比べて長くなるように移動している。

第２レンズ群Ｌ２は物体側に移動している。ズーミングに際して双方のレンズ群間隔が変化している。

開口絞りＳＰは、いずれの実施例においても、ズーミングに際して第２レンズ群Ｌ２と共に移動している。

各実施例のズームレンズでは、第２レンズ群Ｌ２の移動により主な変倍を行い、第１レンズ群Ｌ１の移動によって変倍に伴う像点の移動を補正している。

各実施例では、第１レンズ群Ｌ１はフォーカシング用のレンズ群である。

第１レンズ群Ｌ１でフォーカスを行うときは、ズーミング用のカム軌跡を階段状に形成し、ズーミング用の延長軌跡を用いても良い。

第１レンズ群Ｌ１は、物体側から像側へ順に、負レンズＧ１１と正レンズＧ１２より成っている。

負レンズＧ１１は、メニスカス形状より成っている。

又負レンズＧ１１は、屈折力の絶対値が物体側の面に比べ像側の面が大きく、像側の面が凹で非球面形状より成っている。

正レンズＧ１２は、物体側が凸でメニスカス形状より成っている。

第２レンズ群Ｌ２は、物体側より像側へ順に、正レンズＧ２１(正レンズ２１)と負レンズＧ２２(負レンズ２２)とを接合した接合レンズＧ２１ａと、正レンズＧ２３(正レンズ２３)より成っている。

正レンズＧ２１は、屈折力の絶対値が像側に比べ物体側の面が大きく、物体側の面が非球面形状より成っている。

負レンズＧ２２は、屈折力の絶対値が物体側に比べ像側の面が大きい形状より成っている。

正レンズＧ２３は、物体側と像側の面が凸形状より成っている。

第２レンズ群Ｌ２は、非球面形状より成るレンズ面を実施例１では１つ、実施例２，３では２つ有している。

実施例２，３では、第２レンズ群Ｌ２を構成する２つのレンズが共に非球面を有するようにしてズーミングに伴う収差変動が少なくなるようにしている。

正レンズＧ２１の物体側の面の曲率半径をＲ２１ａ、負レンズＧ２２の像側の面の曲率半径をＲ２２ｂ、正レンズＧ２３の物体側の面の曲率半径をＲ２３ａとする。

正レンズＧ２１と負レンズＧ２２の材料の屈折率を各々Ｎ２１，Ｎ２２とする。

第２レンズ群Ｌ２中に２つの非球面形状の面を有するときは、２つの非球面形状のレンズ面の光軸方向の距離をＤ２ａとする。全系の広角端の焦点距離をｆｗとする。

このとき次の各条件のうち１以上を満足している。

１３＜（Ｒ２１＋Ｒ２２ｂ）／（Ｒ２１ａ−Ｒ２２ｂ）＜５０・・・（１）
０．２３＜Ｎ２２−Ｎ２１＜０．４・・・（２）
０．４５＜Ｒ２２ｂ／Ｒ２３ａ＜０．８・・・（３）
０．４＜Ｄ２ａ／ｆｗ＜０．６・・・（４）
次に各条件式の技術的意味について説明する。

条件式（１）は第２レンズ群Ｌ２中を構成する接合レンズＧ２１ａのシェープファクターに関するものである。

条件式（２）は第２レンズ群中を構成する接合レンズＧ２１ａ中の各レンズの材料の屈折率に関するものである。

条件式（１）、（２）は各実施例においてズーム全域におけるコマフレアーと色収差の補正を良好に補正するためのものである。

条件式（１）を満足するように第２レンズ群Ｌ２を構成する接合レンズＧ２１ａのレンズ形状を適切に設定する事より、コマフレアーを良好に補正している。

条件式（１）の範囲を超えるとコマフレアーの補正が困難になる。

条件式（２）を満足するように接合レンズＧ２１を構成する各レンズの材料の屈折率を適切に設定することにより、ペッツバール和を適切に保ち、良好な像面特性を得ている。

条件式（２）の範囲を超えると、特に下限値を超えると、全ズーム範囲にわたり、像面歪曲を小さくするのが難しくなる。

以上のように、条件式（１）、（２）を満足することで、全ズーム域における収差変動を良好に補正している。

条件式（３）は、接合レンズＧ２１ａと正レンズＧ２３との間で形成される空気レンズに関する。

条件式（３）は、負レンズＧ２２の像側の面の曲率半径が正レンズＧ２３の物体側の面の曲率半径に比べて小さいことを意味する。

即ち空気レンズが負の屈折力であることを意味する。

条件式（３）の上限又は下限を超えると、望遠側のズーム領域における画面周辺のコマフレアーの補正が困難になってくる。

条件式（４）は第２レンズ群Ｌ２中の２つの非球面の軸上距離に関するものである。これらの２つの非球面のうち、物体側の非球面は主に画面中心性能の補正に関与し、像側の非球面は画面中心及び画面周辺の両方の性能に作用する。

２つの非球面の光学作用は、それぞれ役割が異なる。各実施例では、光学系中に配置される位置の軸上距離を適度に保持して良好なる光学性能を得ている。

条件式（４）の上限を超えて、軸上距離が大きくなりすぎると第２レンズ群Ｌ２が厚くなり、全系が大型化してくるので良くない。

条件式（４）の下限を超えて、軸上距離が小さくなり過ぎると、画面中心部、及び画面周辺部の両方の光学性能を良好に維持するのが困難になってくる。

尚、更に好ましくは、条件式（１）〜（４）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

１５＜（Ｒ２１ａ＋Ｒ２２ｂ）／（Ｒ２１ａ−Ｒ２２ｂ）＜３０・・（１ａ）
０．２３３＜Ｎ２２−Ｎ２１＜０．３５・・・（２ａ）
０．４７＜Ｒ２２ｂ／Ｒ２３ａ＜０．７・・・（３ａ）
０．４５＜Ｄ２ａ／ｆｗ＜０．５５・・・（４ａ）
第２レンズ群Ｌ２中の正レンズ２１と負レンズ２２を接合するとき、双方のレンズの接合面の曲率半径を異ならしめても良い。このとき双方の面の間に、例えば、紫外線硬化樹脂を注入し、双方の面を接合するのが良い。

このとき正レンズＧ２１の像側の面の曲率半径をＲ２１ｂ、負レンズＧ２２の物体側の面の曲率半径をＲ２２ａとするとき、

なる条件を満足するのが良い。

このように正レンズＧ２１と負レンズＧ２２を接合することにより、色収差の補正を良好に行っている。

更に製造上の偏芯精度を緩和させて、高い光学性能を良好に維持するのを容易にしている。

尚、更に好ましくは、条件式（５）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

以上のように各実施例では、各レンズ群のレンズ構成、非球面の光学系中の位置、ズーミングによる各レンズ群の移動方法等を適切に設定し、又フォーカシング方法を適切に設定している。これにより、レンズ枚数の削減を計り、レンズ全長の短縮化を達成し、３倍程度のズーム比を有しつつ、明るく、高い光学性能を有したズームレンズを得ている。

次に本発明の実施例１〜３に対応する数値実施例を示す。

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番目の面（第ｉ面）の曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面の間隔、Ｎｉ、νｉはそれぞれ第ｉ番目の部材のｄ線を基準とした屈折率、アッベ数を示す。

また、最も像側の２つの面はガラスブロックＧを構成する面である。

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
ｘ＝（ｈ^２／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）^２｝^１／２］
＋Ａｈ^２＋Ｂｈ^４＋Ｃｈ^６＋Ｄｈ^８＋Ｅｈ^１０
で表わされる。但し、ｋは円錐定数、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは非球面係数、Ｒは近軸曲率半径である。

又「ｅ−０ｘ」は「×１０^−ｘ」を意味している。ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角を示す。

又、前述の各条件式と各実施例との関係を表１に示す。°

数値実施例 1

ｆ＝ 6.45〜 18.53 Ｆｎｏ＝ 3.18 〜 5.60 ２ω＝54.9° 〜 20.5°

* R 1 = 102.561 D 1 = 1.30 N 1 = 1.859610 ν 1 = 40.0
* R 2 = 5.279 D 2 = 1.30
R 3 = 7.038 D 3 = 1.70 N 2 = 1.808095 ν 2 = 22.8
R 4 = 14.336 D 4 = 可変
* R 5 = 4.150 D 5 = 1.90 N 3 = 1.768020 ν 3 = 49.2
R 6 = 14.106 D 6 = 0.80 N 4 = 2.003300 ν 4 = 28.3
R 7 = 3.765 D 7 = 0.50
R 8 = 7.542 D 8 = 1.40 N 5 = 1.696797 ν 5 = 55.5
R 9 = -13.338 D 9 = 0.80
R10 = 絞り D10 = 可変
R11 = ∞ D11 = 1.30 N 6 = 1.516330 ν 6 = 64.1
R12 = ∞


＼焦点距離 6.45 12.49 18.53
可変間隔＼
D 4 12.31 4.02 1.13
D10 8.62 13.40 18.18


非球面係数

1面 : ｋ=0.00000e+00 Ａ=０ Ｂ=0.00000e+00 Ｃ=0.00000e+00
Ｄ=0.00000e+00 Ｅ=4.97787e-09

2面 : ｋ=-2.05352e+00 Ａ=０ Ｂ=1.48967e-03 Ｃ=1.07476e-05
Ｄ=-2.34434e-06 Ｅ=1.51972e-07

5面 : ｋ=2.78578e-01 Ａ=０ Ｂ=-1.16603e-03 Ｃ=-3.11076e-05
Ｄ=-7.72337e-06 Ｅ=0.00000e+00





数値実施例 2

ｆ＝ 5.94〜 17.00 Ｆｎｏ＝ 3.60 〜 6.60 ２ω＝58.8° 〜 22.3°

* R 1 = 116.837 D 1 = 1.30 N 1 = 1.859610 ν 1 = 40.0
* R 2 = 3.968 D 2 = 1.07
R 3 = 6.118 D 3 = 1.70 N 2 = 1.846660 ν 2 = 23.8
R 4 = 16.066 D 4 = 可変
* R 5 = 3.543 D 5 = 1.80 N 3 = 1.693500 ν 3 = 53.2
R 6 = 8.691 D 6 = 0.80 N 4 = 2.003300 ν 4 = 28.3
R 7 = 3.186 D 7 = 0.40
* R 8 = 4.792 D 8 = 1.60 N 5 = 1.516330 ν 5 = 64.1
R 9 = -7.890 D 9 = 可変
R10 = ∞ D10 = 1.30 N 6 = 1.516330 ν 6 = 64.1
R11 = ∞

＼焦点距離 5.94 11.47 17.00
可変間隔＼
D 4 9.85 3.40 1.15
D 9 7.84 12.77 17.70


非球面係数

1面 : ｋ=0.00000e+00 Ａ=０ Ｂ=0.00000e+00 Ｃ=0.00000e+00
Ｄ=0.00000e+00
Ｅ=1.19696e-09

2面 : ｋ=-1.83136e+00 Ａ=０ Ｂ=2.75242e-03 Ｃ=-5.40659e-05
Ｄ=3.76503e-06 Ｅ=-9.73546e-08

5面 : ｋ=-5.06294e-01 Ａ=０ Ｂ=4.93293e-04 Ｃ=-8.90894e-06
Ｄ=3.36558e-06 Ｅ=0.00000e+00

8面 : ｋ=0.00000e+00 Ａ=０ Ｂ=-9.77828e-04 Ｃ=8.26708e-05
Ｄ=0.00000e+00 Ｅ=0.00000e+00





数値実施例 3

ｆ＝ 6.45〜 18.53 Ｆｎｏ＝ 3.60 〜 6.50 ２ω＝54.9° 〜 20.5°

* R 1 = 47.092 D 1 = 1.30 N 1 = 1.859610 ν 1 = 40.0
* R 2 = 4.159 D 2 = 0.99
R 3 = 5.525 D 3 = 1.80 N 2 = 1.808095 ν 2 = 22.8
R 4 = 11.262 D 4 = 可変
* R 5 = 3.387 D 5 = 1.90 N 3 = 1.693500 ν 3 = 53.2
R 6 = 40.138 D 6 = 0.80 N 4 = 2.003300 ν 4 = 28.3
R 7 = 3.007 D 7 = 0.45
* R 8 = 4.877 D 8 = 1.40 N 5 = 1.727270 ν 5 = 40.6
R 9 = -13.640 D 9 = 可変
R10 = ∞ D10 = 1.30 N 6 = 1.516330 ν 6 = 64.1
R11 = ∞






＼焦点距離 6.45 12.49 18.53
可変間隔＼
D 4 9.69 3.35 1.14
D 9 8.02 13.09 18.16


非球面係数

1面 : ｋ=0.00000e+00 Ａ=０ Ｂ=0.00000e+00 Ｃ=0.00000e+00
Ｄ=0.00000e+00
Ｅ=8.87906e-09

2面 : ｋ=-1.55164e+00 Ａ=０ Ｂ=2.27371e-03 Ｃ=1.61485e-05
Ｄ=-3.02876e-06 Ｅ=3.90616e-07

5面 : ｋ=-2.05469e-01 Ａ=０ Ｂ=-1.32517e-04 Ｃ=-3.30285e-05
Ｄ=1.12637e-06 Ｅ=0.00000e+00

8面 : ｋ=0.00000e+00 Ａ=０ Ｂ=-4.56990e-04 Ｃ=5.05801e-05
Ｄ=0.00000e+00 Ｅ=0.00000e+00

次に実施例１〜３に示したような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の実施形態を図７を用いて説明する。

図７において、２０はカメラ本体、２１は実施例１〜３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である。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）である。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である。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が実現できる。

実施例１のズームレンズのレンズ断面図 実施例１のズームレンズの広角端における収差図 実施例１のズームレンズの中間の焦点位置における収差図 実施例１のズームレンズの望遠端における収差図 実施例２のズームレンズのレンズ断面図 実施例２のズームレンズの広角端における収差図 実施例２のズームレンズの中間の焦点位置における収差図 実施例２のズームレンズの望遠端における収差図 実施例３のズームレンズのレンズ断面図 実施例３のズームレンズの広角端における収差図 実施例３のズームレンズの中間の焦点位置における収差図 実施例３のズームレンズの望遠端における収差図 デジタルスチルカメラの要部概略図

符号の説明

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

Claims (8)

1. 物体側より像側へ順に、負の屈折力の第１レンズ群と、正の屈折力の第２レンズ群より構成され、ズーミングに際し、双方のレンズ群の間隔が変わるズームレンズにおいて、該第１レンズ群は、負レンズと正レンズより構成され、該第２レンズ群は、物体側より像側へ順に、正レンズ２１と負レンズ２２とを接合した接合レンズと、正レンズ２３より構成され、該正レンズ２１の物体側の面の曲率半径をＲ２１ａ、該負レンズ２２の像側の面の曲率半径をＲ２２ｂ、該正レンズ２１と該負レンズ２２の材料の屈折率を各々Ｎ２１，Ｎ２２とするとき、
   １３＜（Ｒ２１ａ＋Ｒ２２ｂ）／（Ｒ２１ａ−Ｒ２２ｂ）＜５０
   ０．２３＜Ｎ２２−Ｎ２１＜０．４
   なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
2. 前記負レンズ２２の像側の面の曲率半径をＲ２２ｂ、前記正レンズ２３の物体側の面の曲率半径をＲ２３ａとするとき、
   ０．４５＜Ｒ２２ｂ／Ｒ２３ａ＜０．８
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１のズームレンズ。
3. 前記第２レンズ群中の２つのレンズ面は非球面形状であり、該非球面形状の２つのレンズ面の光軸方向の距離をＤ２ａ、全系の広角端の焦点距離をｆｗとするとき、
   ０．４＜Ｄ２ａ／ｆｗ＜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のズームレンズ。
4. 前記第１レンズ群は、屈折力の絶対値が物体側の面に比べ像側の面が大きく、像側の面が凹で非球面形状の負レンズと、物体側の面が凸でメニスカス形状の正レンズより成ることを特徴とする請求項１、２又は３のズームレンズ。
5. 前記第１レンズ群は、フォーカシング用のレンズ群であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項のズームレンズ。
6. 前記第２レンズ群の像側に開口絞りを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項のズームレンズ。
7. 固体撮像素子に像を形成することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項のズームレンズ。
8. 請求項１〜７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た像を受光する固体撮像素子とを有していることを特徴とする撮像装置。