JP4989235B2 - ズームレンズ - 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デジタルビデオカメラ等）に用いられる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。

物体側から像側へ順に、負正正の３つのレンズ群からなり、これらレンズ群を移動させて変倍を行うズームレンズは、比較的枚数が少なく小型化が容易であるため、小型のデジタルカメラ用のズームレンズとして多く利用されている（特許文献１−４）。

特許文献１においては、第２、３レンズ群のパワーおよび合成倍率を特定することで、レンズ７−１０枚で３倍程度の変倍比を達成している。

特許文献２においては、ズームの軌跡および各群のパワーを特定し、レンズ７枚でコンパクトな変倍比３倍程度のズームレンズを達成している。

特許文献３においては、第１、２レンズ群の屈折力および、レンズ構成を特定することにより、７−８枚構成と小型ながら６倍程度の変倍比を達成している。

特許文献４においては、広角端から望遠端へのズーミングに際して、第３群を固定群とし、各群のパワーおよび間隔を適切にすることにより、広角端状態で６０°以上の画角を有する５倍程度のズームレンズを９−１０枚で達成している。
しかしながら、これらのレンズはいずれも変倍比が３−６倍程度であり、高倍化が進み変倍比が６倍を超えるような小型の撮像装置の要求に応えられない。
特開２００２−２３０５３号公報 特開平１１−１９４２７４号公報 特開平４−１１４１１６号公報 特開２００１−４２２１８号公報

近年、小型のデジタルカメラやデジタルビデオカメラ用のズームレンズは、小型でかつ高倍なものが求められている。一般に高倍化するためには、各レンズ群のパワーを強め、ズーミングにおける移動量を大きくしなければならない。しかしながら、各レンズ群のパワーを強めて行くと少ない枚数で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り、光学性能を得るためにはレンズ枚数を増加しなければならず、レンズ系全体の小型化が難しくなる。一方、ズーミングによる移動量が大きくなる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。

本発明は、構成レンズ枚数が比較的少なく、且つ変倍比が６倍を超える、全変倍範囲にわたり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、正の屈折力の第３レンズ群より構成され、広角端から望遠端への変倍に際して、前記第１レンズ群は像面側へ凸状の軌跡を描くように移動し、前記第２レンズ群が物体側へ移動するズームレンズであって、前記第１レンズ群の物体側主点位置は前記第１レンズ群内部にあり、前記第１レンズ群の像側主点位置の広角端から望遠端への変倍における移動軌跡と、前記第２レンズ群の物体側主点位置の広角端から望遠端への変倍における移動軌跡とが交差し、望遠端における前記ズームレンズの最も物体側の光学面から最も像側の光学面までの距離をＬＴ、望遠端における前記ズームレンズの焦点距離をｆＴとするとき、
０．３＜ＬＴ／ｆＴ≦０．６６２９５８
を満足することを特徴としている。

本発明によれば、変倍比が６倍を超えるズームレンズであっても、構成レンズ枚数を比較的少なく、全長を短くすることが可能となる。

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および参考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。

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。

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。

図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明の参考例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）はそれぞれ参考例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。

図９は、本発明の実施例１のズームレンズの広角端から望遠端への変倍を行う際の、第１レンズ群の像側主点の移動軌跡（ｍ１）と、第２、３レンズ群の物体側主点の移動軌跡（ｍ２、ｍ３）を示した図である。

図１０、１１、１２は図９と同様に、本発明の実施例２、３および参考例のズームレンズの広角端から望遠端への変倍を行う際の、第１レンズ群の像側主点の移動軌跡（ｍ１）と、第２、３レンズ群の物体側主点の移動軌跡（ｍ２、ｍ３）を示した図である。

図１３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。
各実施例および参考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（拡大共役側、被写体側）で、右方が像側（縮小共役側、像側、撮像素子側）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は正の屈折力の第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。勿論、この絞りは第２レンズ群の最も物体側に配置されていても、最も像側に配置されていても構わないが、第２レンズ群内のレンズとレンズとの間に配置されているのが望ましい。

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，Ｆは各々ｄ線及びＦ線、Ｍ、Ｓはメリディオナル像面、サジタル像面、ωは半画角（２ωは全画角）、ＦｎｏはＦナンバーである。

尚、以下の各実施例および参考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。
尚、フォーカスは第３群または第１群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、レンズ全長が短く、変倍比が６倍を超えるものが求められている。そのためには各群のパワーを強め、移動量を大きくする必要がある。しかしながら、各群のパワーを強めると諸収差を補正するために各群のレンズ枚数が多くなり、レンズ全長が増大してくる。一方、各群の移動量を大きくすると、やはりレンズ全長が増大する。レンズ全長の短縮化のためには各群のパワーを強め、広角端において主点間隔ｅをできるだけ小さくする必要がある。

そこで、本実施例および参考例のズームレンズは、以下のような特徴を有している。本実施例および参考例のズームレンズは、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、正の屈折力の第３レンズ群より構成されている。そして、広角端から望遠端への変倍に際して、第１レンズ群は像面側へ凸状の軌跡を描くように移動し（途中までは像側へ移動し、その後物体側へ移動し）、第２レンズ群が物体側へ移動する（像側には移動せず、物体側に単調に移動する）。そして、第１レンズ群の物体側主点位置は第１レンズ群内部にある。このような構成のズームレンズにおいて、第１レンズ群の像側主点位置の広角端から望遠端への変倍における移動軌跡と、前記第２レンズ群の物体側主点位置の広角端から望遠端への変倍における移動軌跡とが交差するように構成されている。

より具体的には、第１レンズ群Ｌ１の物体側主点位置および像側主点位置を第１レンズ群Ｌ１の最前面（最も物体側の光学面）よりも像側にし、第２レンズ群Ｌ２の物体側主点位置を第２レンズ群Ｌ２の最前面（最も物体側の光学面）より物体側にする。これによって、広角端において第１レンズ群Ｌ１の像側主点位置に近づける。そして、広角端から望遠端の変倍に際し、第１レンズ群は物体側から像面側へ凸状の軌跡を描くように移動させ、第２レンズ群Ｌ２は像面側から物体側へ移動（単調に移動）させる。更に、望遠端において第２レンズ群Ｌ２の物体側主点位置が第１群の像側主点位置より前方にくるように、広角端から望遠端への変倍の途中で、第１レンズ群の像側主点位置と第２レンズ群の物体側主点位置とが入れ替わるように構成している。言い方を変えると、広角端から望遠端へ変倍する際の、第１レンズ群の像側主点位置の移動軌跡と第２レンズ群の物体側主点位置の移動軌跡とを交差させている。

具体的には、図９〜１２（実施例１〜３および参考例）に示すように、広角端から望遠端への変倍を行う際の、第１レンズ群の像側主点の移動軌跡（ｍ１）と、第２レンズ群の物体側主点の移動軌跡（ｍ２）とを交差させている。

レンズ系全体のパワーφは各レンズ群（２つの群の場合φ１、φ２）のパワーと主点間隔ｅ（第１レンズ群の像側主点と第２レンズ群の物体側主点との間隔）とで決定される。（２群の場合φ＝φ１＋φ２−ｅφ１φ２で表わされる。）第１レンズ群Ｌ１の像側主点位置がレンズ群内部又はその前方にあり、第２レンズ群Ｌ２の物体側主点位置がレンズ群内部又はその後方にある場合、第１、２レンズ群の実間隔ｄが主点間隔ｅより小さくなる。このような構成においては、高倍化するにつれ第１、２レンズ群の間隔を小さくしていくと、主点間隔ｅが交差する前にレンズ同士が干渉してしまう。高倍化するためには広角端においてできるだけ主点間隔ｅを広げておき、望遠端において実間隔ｄを小さくする必要があるため、小型化が難しくなってしまう。一方、本実施例および参考例のような構成においては第２レンズ群Ｌ２の物体側主点位置を第２レンズ群Ｌ２の最前面（最も物体側の光学面）より物体側にし、広角端において各群のパワーを強め、主点間隔ｅを近づけている。このような構成にすると、第１、２レンズ群の実間隔ｄが主点間隔ｅより大きくなるため、高倍化していくと各群のレンズを干渉させずに主点間隔のみを交差させることができ、小型で高倍（変倍比が６倍を超える）のズームレンズが達成可能となる。

また本構成では第２レンズ群Ｌ２の物体側主点位置を第２レンズＬ２の最前面（最も物体側の光学面）より物体側にしているが、同様の効果として、第１レンズ群Ｌ１の像側主点位置を第１レンズ群Ｌ１の最終面（最も像側の光学面）より後方へ出し、第２レンズ群Ｌ２の物体側主点位置に近づけても良い。

上述のような構成とすることにより、前述したような本発明の課題を解決することが可能となる。その上で、更に以下のような（ア）〜（サ）等の条件を満足すると、より好ましい。

（ア）第１レンズ群の焦点距離をｆ１、第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
０．３＜｜ｆ１／ｆ２｜＜１・・・・・条件式（１）
を満足するように構成すると良い。

このように第１レンズ群Ｌ１と第２レンズ群Ｌ２の焦点距離の比を条件式（１）の範囲にして、バックフォーカスの確保および、レンズ全長のコンパクト化をはかっている。条件式（１）の下限値を超えると第１レンズ群Ｌ１のパワーが強くなりすぎ、全長のコンパクト化が不十分になりかねない。また、主に非点収差が補正困難となる。上限値を超えると第２レンズ群Ｌ２のパワーが強くなりすぎ、主に球面収差、コマ収差の補正が困難となる。さらに第１レンズ群、および第２レンズ群の焦点距離をこの範囲に設定することで、広角端で画角６０°を超えるズームレンズを達成できる。

（イ）また、各実施例および参考例では変倍比を大きくするために、第３レンズ群Ｌ３は、広角端から望遠端への変倍に際して像面側から物体側へ単調に移動している。これにより第３レンズ群Ｌ３は変倍に寄与しつつ、像面位置を補正している。尚、ここで言う単調移動とは、逆向き、すなわち像側へ移動しなければ足りる。より詳細に言えば、広角端から望遠端への移動に際して、常に物体側へ移動し続けることが望ましいがこの限りでは無く、少なくとも物体側へ移動する領域が存在し、その他の変倍領域においては停止していても構わない。

（ウ）また開口絞りＳＰを第２レンズ群Ｌ２中のレンズとレンズとの間に設けて、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。変倍の際に第２レンズ群Ｌ２の前方に配置するよりも第１レンズ群Ｌ１に第２レンズ群Ｌ２を近づける際に機械的な干渉を極力少なくし、高倍化を実現している。さらに、これにより主にズーミング中、像面湾曲、色収差などの諸収差を絞りの前後でほぼ対称に発生させ補正している。

（エ）また、第２レンズ群Ｌ２は物体側から像面側へ向かって正レンズ、正レンズ、負レンズの少なくとも３枚のレンズを含んでおり、第２レンズ群Ｌ２の最終レンズ（最も像側に配置されたレンズ）を負レンズとしている。これにより、開口絞りＳＰに入る軸外の光線の角度を緩和し、コマ収差などの軸外の収差を良好に補正している。また、最終レンズを負レンズとすることで第２レンズ群Ｌ２の正レンズで発生する収差を同じ第２レンズ群内で補正している。尚、後述する数値実施例および参考例においては、第２レンズ群は３枚構成のものしか開示していないが、最も像側に配置されたレンズが負レンズであり、その負レンズ以外に２枚の正レンズを含んでいれば、更に他のレンズやフィルタ等を含んでいても構わない。

（オ）第２レンズ群Ｌ２の最も物体側に配置されたレンズを物体側に凸面を向けた非球面レンズとする。ここでは第２レンズ群内の最も物体側の光学面を非球面としている。これにより、第１レンズ群で発散した光線を収束させ、絞りに入射する軸外の光線の角度を緩和して諸収差を良好に補正している。

（カ）第１レンズ群Ｌ１を１乃至２枚のレンズで構成し、それらのレンズが有する光学面のうち少なくとも一面を非球面にすることで、広角側のレンズ径の増大を抑えている。またこれにより、ズーミング中移動する第１レンズ群の重さを軽減し、メカ機構も単純にしている。さらに、第２レンズ群中に入射する軸外の光線の角度を緩和し、主に像面湾曲など軸外の収差を抑えている。

（キ）第３レンズ群は負レンズおよび正レンズを含む少なくとも２枚のレンズで構成することで、ズーム変動に伴う光線の角度の変動を抑え、変倍に伴う色収差などの変動を少なくしている。ここで、後述する数値実施例において、第３レンズ群は２枚の正レンズと１枚の負レンズから構成された例しか開示が無い。しかしながら、本実施例および参考例はそれに限定されず、第３レンズ群が１枚の正レンズと１枚の負レンズから構成されていても、或いは３枚の正レンズと１枚の負レンズから構成されていても構わない。

（ク）望遠端においてズームレンズの最も物体側の光学面から最も像側の光学面までの距離をＬＴ、望遠端における前記ズームレンズの焦点距離をｆＴとするとき、
０．３＜ＬＴ／ｆＴ≦６６２９５８・・・・・条件式（２）
を満足すると尚好ましい。

このように、望遠端におけるレンズ長を条件式（２）の範囲とすることで、デジタルカメラを沈胴する際に沈胴長を短くできる。ここで、条件式（２）の下限を超えると各群の屈折力が強くなり、収差補正が困難になる。また条件式（２）の上限を超えると各群の屈折力が弱くなり、変倍比をあまり稼げなくなってしまう。

（ク）高画素化に伴い、撮像素子の画素ピッチが小さくなるため、ズーミング中、固定の開放絞りにすると高倍化とともに回折の影響による性能劣化が無視できなくなる。それを防ぐために各実施例および参考例においてはズームステートごとに絞り径が可変となる絞りを備えている。具体的には広角端よりも望遠端で絞り径が大きくしている。これによって回折による性能劣化を軽減している。また、さらにズームステートごとに絞り径を可変にすることによりズームステートごとに光線をケルことができ、効果的に諸収差も補正できる。

（ケ）尚、各実施例および参考例において第２レンズ群Ｌ２の最終レンズは両凹の負レンズで構成するのが望ましい。これにより、第３レンズ群Ｌ３との合成系で考えた時に、主に望遠側で球面収差などの収差を補正できる。

（コ）全長を短くするために、後述する数値実施例１、３のように（図９、１１に示したように）、第３レンズ群Ｌ３の物体側主点と第１レンズ群Ｌ１の像側主点が交差することが好ましい。この際、図９、１１に示したように、第１レンズ群Ｌ１の像側主点の移動軌跡が第２レンズ群Ｌ２の物体側主点の移動軌跡と交差していることが好ましい。しかしながら、第１レンズ群の像側主点の移動軌跡と第２レンズ群の物体側主点の移動軌跡とが交差せず、第２レンズ群の物体側主点の移動軌跡と第３レンズ群の物体側主点の移動軌跡とが交差していても構わない。

（サ）後述する数値実施例１〜３および参考例に記載したように、本実施例および参考例のズームレンズの倍率は、６．３倍（より好ましくは６．６倍）より大きく、５０倍（より好ましくは３０倍、さらに好ましくは２０倍）より小さいことが望ましい。

勿論上記した（ア）〜（サ）以外であっても、本実施例および参考例中に記載した要件を付加的な要件として追加しても構わない。

次に本発明の数値実施例１〜３および参考例を示す。尚、数値実施例および参考例において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（２ωは全画角）を示す。

前述の各条件式および第１レンズ群Ｌ１の物体側主点位置Ｈ１（像面側を正としたときの第１面からの距離）と数値実施例における諸数値との関係を表１に示す。ここで、このＨ１は、０．２＜Ｈ１＜６（より好ましくは０．２９＜Ｈ１＜３．８）を満足することが望ましい。

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）の実施例について図１３を用いて説明する。

図１３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（撮影光学系を介した光束）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。そして、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 本発明の参考例のレンズ断面図 本発明の参考例の諸収差 本発明の数値実施例１の主点位置の軌跡 本発明の数値実施例２の主点位置の軌跡 本発明の数値実施例３の主点位置の軌跡 本発明の参考例の主点位置の軌跡 本発明の撮像装置の実施例の要部概略図

Ｌ１ 第１レンズ群
Ｌ２ 第２レンズ群
Ｌ３ 第３レンズ群
ｍ１ 第１レンズ群の主点位置の軌跡（像面側主点位置）
ｍ２ 第２レンズ群の主点位置の軌跡（物体側主点位置）
ｍ３ 第３レンズ群の主点位置の軌跡（物体側主点位置）
ＳＰ 絞り
ＩＰ 像面
ｄ ｄ線
Ｆ Ｆ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 (9)

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、正の屈折力の第３レンズ群より構成され、広角端から望遠端への変倍に際して、前記第１レンズ群は像面側へ凸状の軌跡を描くように移動し、前記第２レンズ群が物体側へ移動するズームレンズであって、前記第１レンズ群の物体側主点位置は前記第１レンズ群内部にあり、前記第１レンズ群の像側主点位置の広角端から望遠端への変倍における移動軌跡と、前記第２レンズ群の物体側主点位置の広角端から望遠端への変倍における移動軌跡とが交差し、望遠端における前記ズームレンズの最も物体側の光学面から最も像側の光学面までの距離をＬＴ、望遠端における前記ズームレンズの焦点距離をｆＴとするとき、
   ０．３＜ＬＴ／ｆＴ≦０．６６２９５８
   を満足することを特徴とするズームレンズ。
2. 前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
   ０．３＜｜ｆ１／ｆ２｜＜１
   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１レンズ群は１枚または２枚のレンズで構成されており、前記第１レンズ群が少なくとも１面の非球面を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載のズームレンズ。
4. 前記第２レンズ群を構成するレンズの間に開口絞りが配置されており、広角端から望遠端への変倍に際して、前記開口絞りが前記第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乃至３のいずれかに記載のズームレンズ。
5. 前記第２レンズ群の最も像側のレンズは負レンズであり、前記第２レンズ群は、前記負レンズ以外に、２枚の正レンズを有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のズームレンズ。
6. 前記第２レンズ群の最も物体側の面が、物体側に凸の非球面であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のズームレンズ。
7. 前記第３レンズ群は正レンズと負レンズを含む少なくとも２枚のレンズからなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のズームレンズ。
8. 広角端から望遠端への変倍に際して、前記第３レンズ群は像面側から物体側へ単調に移動することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のズームレンズ。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載のズームレンズと、前記ズームレンズを透過した光束を受光する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。