JP4813669B2

JP4813669B2 - ズームレンズ

Info

Publication number: JP4813669B2
Application number: JP2001013622A
Authority: JP
Inventors: ティー．グージーウィリアム
Original assignee: イーストマンコダックカンパニー
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2021-01-22
Also published as: TW470851B; JP2001201684A; US6377404B1; CN1332384A; CN1250996C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的にズームレンズに関し、特に小型デジタルカメラでの使用に適した逆望遠ズームレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型で安価なカメラ、そして近時デジタルカメラは一般に非常に人気の商品となっている。コラのカメラの望ましい特徴の１つにズームレンズがある。これにより、許容できる画像品質を維持しながら、カメラのサイズおよび機構の単純さに関して両立しうるより小型のズームレンズを開発する必要がある。ＣＭＯＳやＣＣＤアレーといったデジタルカメラにおいて典型的に用いられる電子画像獲得媒体は、画素単位で集光性能を高めると共にエイリアシングを抑制するために、しばしばマイクロレンズレットアレー(microlenslet arrays)が採用される。有効に作用させるためには、然しながら、これらアレーへ光を方向付けるレンズシステムは、テレセントリックまたはそれに近くなければならない。と言うのは、アレーの有効性は入射する光束の入射角の関数で表されるからである。テレセントリックによれば、マイクロレンズレットアレーに衝突する光は、光軸に関して実質的に平行で非常に薄い衝突角度を以てアレーに衝突する。
【０００３】
３つの可動ズームレンズ群と、固定式の正のレンズ群を備えた無限焦点レンズ群により、高度のテレセントリック性を得ることができるが、高価な非球面要素を含む多くの要素を必要としコストが掛かり、小型化を困難にし、また、複雑なズーム駆動機構を必要とする。
【０００４】
歴史的には、リトロフォーカスレンズまたは逆望遠レンズシステムが３５ｍｍ一眼レフ（ＳＬＲ）カメラで用いられていた。これらのレンズシステムは体格が大きくなるが、一眼レフカメラ内の可動鏡を収納するために必要な後側焦点距離(back focal length)を長くすることが出来る。然しながら、体格が大きくなることから、小型デジタルカメラでのこの種のレンズシステムを使用難しくしている。それにも拘らず、デジタルカメラのＣＣＤフォーマットが３５ｍｍフィルムフォーマットと比較して小さいために、こうした本格的なレンズシステムの小型デジタルカメラにおける使用を可能としている。更に、逆望遠レンズシステムは、その長い後側焦点距離および「緩やかな(soft)」衝突角度のためにテレセントリックの問題を有利に解決している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
既述したように、無限焦点ズームレンズと、全てのズーム位置で開口絞りに前焦点が合致する正特性の固定後部レンズ要素とを含む望遠レンズシステムは、前頂点から画像平面までの距離(front vertex-to-image plane distance(FVIP))が長くなることから、レンズ集成体が長く大きくなる。更に、FVIPおよび基線長(baseline length)、つまり全ての焦点距離におけるレンズの絶対最小長さ）が、各々、前方および後方レンズ群のレンズ特性(power)の関数である。典型的には、望遠位置から広角位置に移動する際、これらのレンズシステムの前方レンズ群は固定式の後方レンズ群に対して放物線状(parabolic motion)の動作を受け、従ってカメラの機構がより複雑になる。それと同時に、収差の修正を容易にするために後方レンズ群のレンズ特性(power)は限定される。２つの可動群（正負）レンズシステムでは、広角モードにおいて光束の画像平面への衝突各が非常に大きくなり、従って、デジタルカメラでの使用に適していない。
【０００６】
発散する第１のズームレンズユニットと、収斂する第２のズームレンズユニットとを有するズームレンズは公知である。こうしたズームレンズの第２のレンズユニットは、３以上の正レンズ要素と、該正レンズ要素のうち２つのレンズ要素に挟まれた少なくとも１つの負レンズ要素とを具備している（プラス、マイナス、プラス構成）。こうしたズームレンズは、米国特許第4,155,629号、同4,299452号、同5,552,937号、同5,563,739号に開示されている。米国特許第4,999,007号は、発散する第１のズームレンズユニットと収斂する第２のズームレンズユニットとを有するズームレンズを開示している。このズームレンズの第２のレンズユニットは、全体的には正の光学パワー特性を有しているが、１つの正レンズと２つの負レンズのみを含んでいる。従って、正レンズは非常に強度の高いレンズ要素である。この特徴は、次いで、光学収差の源となり、全体の画像品質に影響を与える。
【０００７】
従って、本発明は、特に小型のデジタルカメラに用いるのに適した低コストで、機械的、光学的により単純で、より小型で、かつ、高品質で耐環境性に優れた画像を形成し、既述した従来技術の問題を解決したズームレンズを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、発散する光学パワー特性を有する第１のズームレンズユニットであって、負の第１のレンズ要素と、第２のレンズ要素と、正の第３のレンズ要素とを含み、少なくとも１つのレンズ要素が非球面を有して成る第１のズームレンズユニットと、収斂する光学パワー特性を有する第２のズームレンズユニットであって、正の第４のレンズ要素と、正の第５のレンズ要素と、画像側に向かって凹状の負の第６のレンズ要素とを含む第２のズームレンズユニットと、を被写体側から順次に配設し、前記第１と第２のズームレンズユニットの距離を変更することによりズーミングを行うようになっており、前記第２のレンズ要素は、周縁部では正の屈折力を持ち、かつ、中心部では負の屈折力を持っているズームレンズを要旨とする。
【００１１】
一つの特徴によれば、ズームレンズは、被写体から順次に、発散する光学パワー特性の第１のズームレンズユニットと、収斂する第２のズームレンズユニットとを有している（負正レンズシステム）。第１のズームレンズユニットは、負の光学パワー特性の第１のレンズ要素と、第２のレンズ要素と、正の光学パワー特性の第３のレンズ要素とを含んでいる。これらレンズ要素の少なくとも１つのレンズ要素は、非球面を有している。第２のズームレンズユニットは、順次に、正の光学パワー特性の第４のレンズ要素と、正の光学パワー特性の第５のレンズ要素と、負の光学パワー特性の第６のレンズ要素とを含み、第６のレンズ要素は、システムの画像形成側に面した凹面を有している。第１と第２のレンズユニットの間の距離を変更することによりズーミングが行われる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、一般的に逆望遠、２レンズ群ズームレンズ装置に関し、好ましくは、テレセントリックに近い性能を発揮し特に小型デジタルカメラに適したズームレンズに関する。
【００１３】
以下の説明では、特に本発明による装置を構成する要素または本発明の装置に直接関連する要素について記載するが、特に図示されず或いは記載されない要素に関しては種々の形態を採ることができることは当業者の当然とするところである。
【００１４】
図１から図３の各々は、望遠位置、中間焦点位置および広角位置にある好ましいズームレンズ１０を示している。ズームレンズ１０は、前方レンズ群１２および後方レンズ群１４を具備し、各々のレンズ群は光軸１３に沿って移動自在に配設されている。ズーミング中に、２つのレンズ群１２、１４は、光軸１３に沿って相対移動する。好ましくは、２つのレンズ群の動作は、カメラ集成体の停止位置からズームユニットが移動した後は、望遠位置から広角位置へ移動する間、および、広角位置から望遠位置へ移動する間は非逆動作である。
【００１５】
本実施形態によるズームレンズ１０の前方レンズ群１２は負のレンズ群であり、後方レンズ群１４は性のレンズ群である。このズームレンズは、好ましくは２倍のズーム比を有しているが、より高いズーム比も可能であることは当業者の当然とするところである。前方レンズ群１２は３つのレンズ要素１０１、１０２、１０３を含んでいる。各レンズの表面は左から右に（ａ）および（ｂ）にて指示されている。従って、レンズ要素１０１は、表面１０１ａ、１０１ｂを有している。第１の（被写体に対面する）レンズ要素１０１は、負メニスカスレンズであり、被写体に対面する側の凸面１０１ａと、画像平面１５に対面する側の凹面１０１ｂを有している。
【００１６】
第２のレンズ要素１０２を図４に示す。レンズの異なる領域に正と負の屈折力(positive and negative power)を有している。より詳細には、レンズ要素１０２は、周縁部４０１（つまり、クリアアパチュア(clear aperture)の縁部の近傍）では正の屈折力(positive refractive power)を有し、レンズの中心の中心部４０２では負の屈折力(negative optical power)を有している。周縁部４０１はレンズ要素１０２において半径ｒにより以下の式で示される領域である。
【００１７】
ここで、Ｄは、レンズ要素１０２のクリアアパチュア(clear aperture)の直径である。該レンズ要素の中心部４０２の負の光学パワー特性は前面および背面の頂点半径(vertex radii)により規定される。レンズ要素１０２は、従って両非球面(biaspheric)レンズ要素、つまり、２つの非球面１０２ａ、１０２ｂを有するレンズ要素である。レンズ要素１０２は、中心部および周縁部の両方において以下のφ2で示されるように弱い屈折力(refractive power)を有している。
｜φ2｜＜０．１φw
【００１８】
ここでφwはズームレンズの光学パワー特性(power)であり、φ2は第２のレンズ要素１０２の光学パワー特性(power)である。光学パワー特性φ2は周縁部において測定されるか、或いは、頂点の曲率半径により規定され、従って、レンズの測定領域により２つの光学パワー特性を有している。このレンズ要素の形状および光学パワー特性分布は、ズームレンズ１０の収差コントロールを改善し、従って、ズームレンズ系の性能を高める。レンズ要素１０２は、好ましくは、プラスチック材料から成形され、より好ましくは断熱化される。ここで、「断熱化される」との語は、長い焦点距離を有するレンズに関して参照され、すなわち、言い換えると、作用中に温度変化が実質的に変動しないカメラ性能を有するような弱い光学パワー特性を有するレンズに関して参照される。
【００１９】
第３のレンズ要素１０３は、正の光学パワー特性を有するレンズ要素であり、色収差を修整するための高い分散性(dispersion)を有している。第３のレンズ要素１０３のアッベ数(Abbe V-number)は、好ましくは３０より小さい。第１と第３のレンズ要素１０１、１０３は、好ましくはガラス製である。レンズ要素１０１、１０３の屈折率は、好ましくは１．７５よりも大きい。
【００２０】
後方レンズ群１４は、図１から図３に示すように、開口絞り１６と、３つのレンズ要素１０４、１０５、１０６を有している。レンズ要素１０４、１０５、１０６は、非定型的なプラス、プラス、マイナス構成に配置されている。より詳細には、レンズ要素１０４、１０５は正の光学パワー特性(positive power)を有し、レンズ要素１０６は、負の光学パワー特性(negative power)を有している。レンズ要素１０４、１０５は、両凸(biconvex)のレンズ要素である。レンズ要素１０４は両非球面である。レンズ要素１０５は対称である。つまり、２つの同じ表面１０５ａ、１０５ｂを有しており、ズームレンズ１０のコストおよび組立に有利なようになっている。レンズ要素１０５は、１．６よりも小さな屈折率と、低い分散性（５０より大きなアッベ数(Abbe V-number>50)）とを有している。後部のレンズ要素１０６は、負の光学パワー特性のメニスカスレンズ要素であって、前方（被写体側）の凸面１０６ａと、後方（画像側）の凹面１０６ｂとを有している。第６のレンズ要素１０６は、好ましくは、１．７５の屈折率と、高い分散性を与える３０より小さなアッベ数とを有している。この屈折率とアッベ数の分布により、少ないレンズ要素によっても良好な品質の画像を得ることができる。
【００２１】
ズームレンズ１０は、感光性電子センサ１７、例えば、ＣＣＤアレーの後面１７ｂにある画像平面１５に高品質の画像を形成する。屈折力が０の２つの平行プレート１８、２０がズームレンズ１０の後方（すなわち、画像平面側）と、センサ１７の前面に配置される。プレート１８は、好ましくは、水晶のプレートであり、アンチエイリアースフィルタ(antialiasing filter)として作用する。ズームレンズ１０は高い変調伝達関数値を示す。図１７から図１９に、広角位置、中間焦点位置、望遠位置における種々のフィールド値(field values)でのズームレンズ１０の変調伝達関数値を示す。水晶プレート１８は、センサ１７のナイキスト周波数よりも高い周波数に対して変調伝達関数値を低減する。与えられたセンサに対して、ナイキスト周波数（サイクル／ｍｍ）は以下の式にて示される。
Ｎ＝１／２
Ｐここで、Ｐはセンサの画素ピッチである。
【００２２】
プレート２０は、センサ１７のガラスカバーである。プレート１８、２０に関連するズームレンズの性能を図５−７、図８−１０、図１１−１３、図１４−１６、および、図１７−１９に示す。広角位置（Ｗ）、中間ズーム位置（Ｍ）、望遠位置（Ｔ）に関して種々のフィールド位置(field position)に対する光線追跡(ray trace)、像面湾曲(field curvature)、歪曲特性(distortion plots)が含まれている。より詳細には、図５−７には、望遠位置にあるときの視野０（光軸上）、視野の０．７（０．７フィールド）、全視野（フルフィールド）におけるズームレンズ１０の光切片曲線(ray intercept plot)が示されている。図８−１０には、中間ズーム位置にあるときの視野０（光軸上）、視野の０．７（０．７フィールド）、全視野（フルフィールド）におけるズームレンズ１０の光切片特性(ray intercept plot)が示されている。図１１−１３には、広角位置にあるときのズームレンズ１０の光切片特性(ray intercept plot)が示されている。図１４−１６の各々には、ズームレンズ１０が望遠位置、中間ズーム位置、広角位置にあるときの非点収差および歪曲値が示されている。
【００２３】
本ズームレンズに対する数値データの例を表１Ａから１Ｄに示す。これらの表において、Ｒiはｉ番目の表面の頂点の曲率半径、Ｎeは５４６．１ｎｍの波長λeにおける屈折率、νは屈折材のアッベ数を示している。表中、レンズ要素の厚さおよび間隙はミリメートルで示されている。以下の値をズームレンズ系に適用した。
有効焦点距離(EFL)：６．３９ｍｍ〜１２．０４ｍｍ
セミフィールド(semi-field)：１８．１５°〜３２．７０°
Ｆ／＃：３．９〜４．７
【００２４】

【００２５】

【００２６】

BFLはプレート１８、２０が存在しない場合の後側焦点距離(back focal length)であり、EFLはズームレンズ１０の焦点距離である。
【００２７】

【００２８】
ズームレンズ１０は、２つの非球面１０２ａ、１０２ｂ、１０４ａ、１０４ｂを有している。これらの非球面を既述する非球面方程式は以下の通りである。
X=CY²/(1+(1-(k+1)C²Y²)^1/2)+ADY⁴+AEY⁶+AFY⁸+AGY¹⁰
ここで、
Ｘは光軸ＯＡに沿う距離
Ｙは光軸からの高さ
Ｃは湾曲したレンズ面の頂点の曲率半径の逆数
ｋは円錐定数(conic constant)であり、
ＡＤからＡＧは４次、６次、８次、１０次のオーダの非球面係数(aspheric coefficient)である。
【００２９】
本実施形態によるレンズのための種々の非球面レンズ表面に対する非球面係数を表１Ｄに示す。

【００３０】
【発明の効果】
本発明によるズームレンズは、既述した全ての利点を与え、特に簡単な機構と組み合わせてテレセントリックに近い性能を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】望遠位置にある本発明の実施形態によるズームレンズの断面図である。
【図２】中間ズーム位置にあるズームレンズの断面図である。
【図３】広角位置にあるズームレンズの断面図である。
【図４】図１から図３のズームレンズの正負両光学パワー特性を備えたレンズ要素である。
【図５】図１のズームレンズ（望遠位置）の収差特性を示す図である。
【図６】図１のズームレンズ（望遠位置）の収差特性を示す図である。
【図７】図１のズームレンズ（望遠位置）の収差特性を示す図である。
【図８】図２のズームレンズ（中間ズーム位置）の収差特性を示す図である。
【図９】図２のズームレンズ（中間ズーム位置）の収差特性を示す図である。
【図１０】図２のズームレンズ（中間ズーム位置）の収差特性を示す図である。
【図１１】図３のズームレンズ（広角位置）の収差特性を示す図である。
【図１２】図３のズームレンズ（広角位置）の収差特性を示す図である。
【図１３】図３のズームレンズ（広角位置）の収差特性を示す図である。
【図１４】ズームレンズの望遠位置における歪曲、非点収差、横の色（ラテラルカラー）特性を示す図である。
【図１５】ズームレンズの中間ズーム位置における歪曲、非点収差、横の色（ラテラルカラー）特性を示す図である。
【図１６】ズームレンズの広角位置における歪曲、非点収差、横の色（ラテラルカラー）特性を示す図である。
【図１７】ズームレンズの望遠位置におけるＭＴＦ曲線を示す図である。
【図１８】ズームレンズの中間ズーム位置におけるＭＴＦ曲線を示す図である。
【図１９】ズームレンズの広角位置におけるＭＴＦ曲線を示す図である。
【符号の説明】
１０…ズームレンズ
１２…第１のレンズ群
１４…第２のレンズ群
１０１…第１のレンズ要素
１０２…第２のレンズ要素
１０３…第３のレンズ要素
１０４…第４のレンズ要素
１０５…第５のレンズ要素
１０６…第６のレンズ要素

Claims

発散する光学パワー特性を有する第１のズームレンズユニットであって、負の第１のレンズ要素と、第２のレンズ要素と、正の第３のレンズ要素とを含み、少なくとも１つのレンズ要素が非球面を有して成る第１のズームレンズユニットと、
収斂する光学パワー特性を有する第２のズームレンズユニットであって、正の第４のレンズ要素と、正の第５のレンズ要素と、画像側に向かって凹状の負の第６のレンズ要素とを含む第２のズームレンズユニットと、を被写体側から順次に配設し、前記第１と第２のズームレンズユニットの距離を変更することによりズーミングを行うようになっており、
前記第２のレンズ要素は、周縁部では正の屈折力を持ち、かつ、中心部では負の屈折力を持っているズームレンズ。