JP4827454B2 - 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）に用いられる超小型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。

従来、物体側から像側へ順に、負・正・負の屈折力の３つのレンズ群からなり、これら３つのレンズ群を移動させてズーミングを行う３群ズームレンズは、比較的広画角化が容易であるため、広画角用のズームレンズとして多く利用されている（特許文献１〜６）。

特許文献１、２においては各レンズ群を一定の条件下で移動させてズーミングを行うとともに３つのレンズ群のレンズ構成を特定している。これによりズーミングに伴う収差変動を良好に補正し、広角端の撮影画角６２°程度でレンズ枚数が８又は９枚からなるズームレンズを達成している。

特許文献１、２では各レンズ群を２枚以上のレンズで構成している。これにより各レンズ群内で色収差を補正しつつ、各レンズ群のパワーを強めてレンズ全長（第１レンズ面から像面までの距離）を短縮している。

特許文献３は、全体として３又は４枚のレンズ構成で広角端での画角が６２°程度のズームレンズを開示している。

特許文献４は、全体として４枚のレンズ構成で画角５８°程度のズームレンズを開示している。特許文献３、４はいずれも各レンズ群を１枚または２枚のレンズで構成し、ズーミング中これらのレンズを略対称型の配置にし、さらに材質などを適切に設定している。これにより色収差を含めた諸収差を３つのレンズ群でバランス良く補正してレンズ全長を短縮している。

特許文献５は、３枚のレンズ構成で各レンズ群を構成するレンズのレンズ形状および各レンズ群のパワー（屈折力、焦点距離の逆数）を適切な配置にしている。これにより、ズーミング時の各レンズ群の移動量を小さくし、３枚のレンズ構成で広角端での画角が７４°程度のズームレンズを実現している。

特許文献６は、全体として５枚のレンズ構成で第１レンズ群の負の屈折力を弱くし、第３レンズ群の負の屈折力を適切に設定している。これによりズーミングに伴う色収差の変動を良好に補正し、５枚のレンズ構成で広角端における画角７３°程度のズームレンズを達成している。

特許文献７は例えば、内視鏡対物光学系のような物体距離を変動させながら変倍を行う光学系を開示している。特許文献７では広角端における画角が130度を超え、レンズ枚数の少ないコンパクトな実施例が示されている。

又各レンズ群を適切なパワー配置にすることにより、正の屈折力の第２レンズ群の移動に伴う非点収差の変動を抑え、レンズ全長の短縮および広画角化を実現している。

又５枚構成で実施された実施例では広角端のおいて130度以上の画角を実現するために、負の歪曲収差を50％程度発生させている。

特許文献８は画角120度を超える５〜６枚のレンズ構成の内視鏡対物光学系用のズームレンズを開示している。同公報は広角端において負の歪曲収差を50％程度発生させることで５〜６枚のレンズ構成で画角122°程度の画角を達成している。

特許文献９は３〜５枚のレンズ構成の実像式の変倍ファインダ光学系を開示している。同公報には５枚のレンズ構成で広角端における画角が58°程度の実像式変倍ファインダの実施例が示されている。

変倍機能を正の屈折力の第２レンズ群に主に負担させ、負の屈折力の第３群は変倍による像面移動を補正するだけの弱いパワーの単レンズで構成することで全系のコンパクト化を計っている。

第３レンズ群のパワーが弱いことによりバックフォーカスが伸びる欠点を視野枠を正立プリズム部の内部に位置させることによって緩和している。

特許文献１０には４枚のレンズ構成で広角端における画角が56°程度の実像式変倍ファインダの実施例が示されている。第２レンズ群の移動により変倍を行い、変倍に伴う像面移動を弱いパワーの第３レンズ群で補正している。

第１、第２群のパワー配置を適切にし、レンズ面形状を非球面形状にすることにより、球面収差などの収差を４枚のレンズ構成で良好に補正している。

特許文献１１には３枚のレンズ構成で広角端における画角が51°程度のケプラー式変倍ファインダの実施例が示されている。各レンズ群のパワーを適切に規定することで３枚のレンズ構成で画角51°程度を達成している。

特許文献１２には３、４枚のレンズ構成からなるズームファインダを開示している。同公報ではガラス製とプラスチック製のレンズを組み合わせて構成することで、高倍率ながら広い温度範囲において快適な視度が得られるズームファインダを実現している。
特開昭６３−２７１２１４号公報 特開昭６４−７２１１４号公報 特開平４−１５３６１３号公報 特開平４−９３８１２号公報 特開平５−３２３１９０号公報 特開平７−１２０６７７号公報 特開２０００−２６７００２号公報 特開２０００−３３００２４号公報 特開平３−４２１７号公報 特開平４−１７９９０８号公報 特開平８−１９０１３２号公報 特開平１１−２４９２０１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度を超える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。

又広画角用のズームレンズに好適な負の屈折力のレンズ群が先行するネガティブリード型のズームレンズにおいては、各レンズ群の屈折力配置を適切に設定するのが重要となってくる。屈折力配置が良くないと、レンズ系全体のレンズ枚数を少なくし、レンズ構成の簡素化を図りつつ、広画角化を図りつつ全変倍範囲にわたり良好なる光学性能を得るのが難しくなる。

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、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。

請求項１の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、各レンズ群は同符号の屈折力のレンズから成り、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、望遠端における全系の屈折力をφＴとするとき、
１．２＜｜φ１／φＴ｜＜２
０．９＜φ２／φＴ＜２．２
０．７５＜φ３／φ１＜１．２
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、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、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１．５６、開口比４．０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、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１．７５、開口比４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、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１．６１、開口比４のズームレンズである。

図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明の実施例４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、図８（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ実施例４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４はズーム比１．６１、開口比４のズームレンズである。

図９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、Ｓ．Ａ．は球面収差、ＡＳは非点収差、ＤＩＳＴは歪曲収差を示す。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。

近年、デジタル撮像装置に用いられる撮影光学系においてはレンズ全長の短縮化・レンズ系の軽量化のため、レンズ枚数の削減が要求されている。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屈折力のレンズを用いるのが良い。

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。一般に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。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するようにしている。

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、第１、第２、第３レンズ群Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の屈折力を順にφ１、φ２、φ３、
望遠端における全系の屈折力をφＴとするとき
１．２＜｜φ１／φＴ｜＜２ ‥‥‥（１）
０．９＜φ２／φＴ＜２．２ ‥‥‥（２）
０．７５＜φ３／φ１＜１．２ ‥‥‥（３）
なる条件を満足している。

広角端から望遠端へのズーミング中、第２レンズ群Ｌ２は像面側から物体側へ移動し、主に変倍作用をする。

第３レンズ群Ｌ３はズーミングに際してレンズ全長が短くなるような軌跡を描きつつ、変倍に伴い変動する像面位置を補正している。条件式（１）、（２）はこのようなズームタイプにおいて、諸収差を良好に補正できる第１、第２レンズ群Ｌ１、Ｌ２の屈折力の範囲に関する。

第３群レンズＬ２の変倍に伴う収差変動を少なくするためには、できるだけ移動量を少なくする必要がある。

第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２の屈折力をそれぞれ条件式（１）、（２）の範囲にしている。これにより、広角端から望遠端へズーミングする際に、主に変倍に寄与する第２レンズ群Ｌ２を像面側から物体側へ単調に移動させたとき第３レンズ群Ｌ３の移動量を小さくすることができる。

条件式（１）の下限値を超えると、第１レンズ群Ｌ１の屈折力が小さくなり、所定のズーム比を得るのが難しくなる。また条件式（１）の上限値を超えると第１レンズ群Ｌ１の負の屈折力が強くなるため、主に正の球面収差の補正が困難になる。条件式（２）の下限値を超えると、第２レンズ群Ｌ２の屈折力が小さくなり所定のズーム比を得るのが難しくなる。

また、条件式（２）の上限値を超えると第２レンズ群Ｌ２の正の屈折力が強くなるため、主に負の球面収差の補正が困難になる。条件式（３）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第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レンズ群と正の屈折力の第２レンズ群とバランス良く相殺することができる。

条件式（３）の下限値を超えると第１レンズ群Ｌ１の屈折力と第３レンズ群の屈折力の差が大きくなり、全系における第１レンズ群Ｌ１の負の屈折力が強くなる。

このためレトロフォーカス性が強まる。そうすると、バックフォーカスが長くなりレンズ全長の短縮化が難しくなる。また、第２レンズ群Ｌ２とのバランスが崩れ、主に色収差などを良好に補正することが困難になる。

条件式（３）の上限値を超えると第３レンズ群Ｌ３の屈折力が第１レンズ群Ｌ１の屈折力より大きくなり、撮像面へ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などの問題が生じる。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（１）〜（３）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

１．２３＜｜φ１／φＴ｜＜１．９ ‥‥‥（１ａ）
０．９５＜φ２／φＴ＜２．１ ‥‥‥（２ａ）
０．８＜φ３／φ１＜１．１ ‥‥‥（３ａ）
以上のように各実施例によれば広角端において、撮影画角が80°を超え、さらにバックフォーカスが短いデジタル撮像機器に好適なレンズ全長の短い、小型のズームレンズが得られる。

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。

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。

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９を用いて説明する。

図９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 本発明の数値実施例４のレンズ断面図 本発明の数値実施例４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 (8)

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、各レンズ群は同符号の屈折力のレンズから成り、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、望遠端における全系の屈折力をφＴとするとき、
   １．２＜｜φ１／φＴ｜＜２
   ０．９＜φ２／φＴ＜２．２
   ０．７５＜φ３／φ１＜１．２
   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前記第２レンズ群と一体的に移動する開口絞りを有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、像側の面が凹形状の１枚の負レンズより成ることを特徴とする請求項１、２又は３のズームレンズ。
5. 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から４のいずれか１項のズームレンズ。
6. 前記第１レンズ群は、ズーミングのためには不動であ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から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を有することを特徴とする撮像装置。