JP5031318B2 - 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、ズームレンズ及びそれを有する撮像装置に関し、特に、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳ等の電子撮像素子に対応した高変倍ズームレンズと、それを用いた撮像装置に関するものである。

変倍比が大きく、レンズ枚数が少なく、レンズ全長が短いズームレンズ系として、物体側より順に、正の第１レンズ群、負の第２レンズ群、正の第３レンズ群、第４レンズ群を有し、全てのレンズ群を移動させて変倍するズームレンズが、例えば特許文献１等で公開されている。

また、変倍比が１０倍程度のズームレンズとして、特許文献２、特許文献３等のものがある。

特許文献１等に記載のものは変倍比が５倍程度であり、変倍比を１０倍程度にすると結像性能が悪くなり、また全長も増大する。変倍比が１０倍程度で、主にビデオカメラ等で用いられるズームレンズとして、特許文献２等のものがある。

また、変倍比が１０倍程度で、収納時にレンズが沈胴することにより小型化を図ったものとして、特許文献３等がある。
特開２００４−１２６３９号公報 特開２００５−２４２０１４号公報 特開２００６−１３３６３１号公報

特許文献１に記載のものは、変倍比が５倍程度であり、変倍比を１０倍程度にすると結像性能が悪くなり、また全長も増大する。

特許文献２に記載のものは、主にビデオカメラ等で用いられるタイプのズームレンズで、撮像素子に対して第１レンズ群を固定としたカメラレイアウトを前提としており、収納時のカメラの小型化には向いていない。

特許文献３に記載のものは、変倍比が１０倍程度で、収納時にレンズが沈胴することにより小型化を図ったものであるが、全長が長く、さらに、収納時に沈胴した鏡筒から撮影時に複数の筒が繰り出す構成としたとき、繰り出す筒の長さの中で各群のズームの移動を行うという制約のため、沈胴時のズームレンズの厚さを十分に薄くできない。

本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、沈胴時のズームレンズの厚さが薄く、高性能な高変倍ズームレンズとそれを用いた撮像装置を提供することである。

具体的には、沈胴時のズームレンズの厚さは従来の変倍比５倍以下のズームレンズと同程度の厚さで、変倍比１０倍程度のズームレンズを可能にするものである。

上記目的を達成する本発明のズームレンズは、物体側より順に、正屈折力の第１レンズ群と、負屈折力の第２レンズ群と、正屈折力の第３レンズ群と、正屈折力の第４レンズ群とを有するズームレンズであって、広角端から望遠端への変倍に際して、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間隔が大きくなり、前記第２レンズ群と前記第３レンズ群の間隔が小さくなり、前記第３レンズ群と前記第４レンズ群の間隔が大きくなり、前記第１レンズ群が２枚のレンズからなり、前記第３レンズ群が、物体側より順に、正レンズ、負レンズの２枚のレンズからなり、下記の条件式を満たすことを特徴とするものである。

３＜Ｄ_1p／Ｄ_1n＜５ ・・・（１）
９＜ｆ_t ／ｆ_w ＜２０ ・・・（２）
ただし、Ｄ_1p：第１レンズ群の正レンズの光軸上での厚さ、
Ｄ_1n：第１レンズ群の負レンズの光軸上での厚さ、
ｆ_w ：広角端における全系の焦点距離、
ｆ_t ：望遠端における全系の焦点距離、
である。

以下、本発明において上記構成をとる理由と作用を説明する。

以上のズームレンズのように、物体側より順に、正屈折力の第１レンズ群と、負屈折力の第２レンズ群と、正屈折力の第３レンズ群と、正屈折力の第４レンズ群とを有するズームレンズであって、広角端から望遠端への変倍に際して、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間隔が大きくなり、前記第２レンズ群と前記第３レンズ群の間隔が小さくなり、前記第３レンズ群と前記第４レンズ群の間隔が大きくなり、前記第１レンズ群が２枚のレンズからなり、前記第３レンズ群が、物体側より順に、正レンズ、負レンズの２枚のレンズからなる構成とすることで、レンズ収納時（沈胴時）の厚みを極めて薄く、高変倍でかつ全変倍域で結像性能の良好なズームレンズを得ることができる。

条件式（１）は、第１レンズ群の正レンズと負レンズの厚さの比に関する条件式であり、その上限の５より大きいと、第１レンズ群が厚くなるか、負レンズの製造が困難な形状になりやすい。下限の３より小さいと、像面湾曲を抑えつつ周辺光量を確保するのが困難になる。

条件式（２）は、変倍比に関する条件式であり、その上限の２０より大きいと、変倍する際に各レンズ群の移動量が大きくなりすぎ、小型化が困難である。下限の９より小さいと、変倍比が小さいので仕様として魅力が減る。また、他の構成でも小型化が可能である。

また、前記第１レンズ群は、物体側より順に、負レンズ、正レンズからなることが望ましい。

このように、第１レンズ群を負レンズ、正レンズで構成することにより、少ない枚数で像面湾曲と倍率色収差が補正しやくなる。

また、前記第３レンズ群の正レンズは非球面を有し、以下の条件式を満たすことが望ましい。

７５＜Ｖｄ₃ ＜１００ ・・・（３）
ただし、Ｖｄ₃ ：第３レンズ群の正レンズのアッベ数、
である。

条件式（３）は、第３レンズ群の正レンズのアッベ数に関する条件式であり、その上限の１００より大きくても、下限の７５より小さくても、軸上色収差が補正不足になり、解像力が低下する。

また、以下の条件式を満足することが望ましい。

−２０＜Ｄｔ_w ＜−１０ ・・・（４）
ただし、Ｄｔ_w ：広角端における最大像高のディストーション（％）、
である。

条件式（４）は、広角端におけるディストーションに関する条件式であり、その上限の−１０より大きいと、広角端において像面湾曲や倍率色収差が大きくなりやすく、第１レンズ群を少ない枚数で設計することが困難となり、薄型化ができない。下限の−２０より小さいと、像面上での歪みが大きくなりすぎて、画像処理による補正が困難である。

また、前記第２レンズ群と前記第３レンズ群の間に開口絞りを有し、変倍に際し、前記第３レンズ群と一体に移動することが望ましい。

また、前記第１レンズ群の負レンズは以下の条件式を満たすことが望ましい。

１７＜Ｖｄ₁ ＜３０ ・・・（５）
１．９＜ｎｄ₁ ＜２．３ ・・・（６）
ただし、Ｖｄ₁ ：第１レンズ群の負レンズのアッベ数、
ｎｄ₁ ：第１レンズ群の負レンズのｄ線での屈折率、
である。

条件式（５）、（６）は、第１レンズ群の負レンズのそれぞれアッベ数、屈折率に関する条件式であり、条件式（５）、（６）の条件式を満たす範囲の材料を第１レンズ群に用いることにより、倍率色収差と軸上色収差と像面湾曲をバランス良く補正することが可能である。

この場合に、前記第１レンズ群は接合レンズのみからなることが望ましい。

第１レンズ群を接合レンズのみで構成することにより、レンズ部品を枠へ組み付ける際の誤差の結像性能への影響を小さくできる。

また、前記第３レンズ群の負レンズは以下の条件式を満たすことが望ましい。

−８＜（Ｒ_3nb ＋Ｒ_3nf ）／（Ｒ_3nb −Ｒ_3nf ）＜−４ ・・・（７）
ただし、Ｒ_3nf ：第３レンズ群の負レンズの物体側面の光軸近傍の曲率半径、
Ｒ_3nb ：第３レンズ群の負レンズの像側面の光軸近傍の曲率半径、
である。

条件式（７）は、第３レンズ群の負レンズのシェーピングファクターに関する条件式であり、その下限の−８より小さいと、球面収差やコマ収差の補正が困難になる。上限の−４より大きいと、第３レンズ群の主点を第２レンズ群に近づけることができず、高変倍化が難しい。

本発明は、以上のズームレンズと、そのズームレンズの像側に配され、光学像を電気信号に変換する撮像素子とを備えた撮像装置を含むものである。

以上の本発明により、レンズ収納時（沈胴時）の厚みが極めて薄く、高変倍でかつ全変倍域で結像性能の良好なズームレンズと、そのようなズームレンズを搭載した撮像装置を得ることができる。

以下、本発明のズームレンズの実施例１〜２について説明する。実施例１〜２の無限遠物点合焦時の広角端（ａ）、中間状態（ｂ）、望遠端（ｃ）のレンズ断面図をそれぞれ図１〜図２に示す。図中、第１レンズ群はＧ１、第２レンズ群はＧ２、開口絞りはＳ、第３レンズ群はＧ３、第４レンズ群はＧ４、ＩＲカットコートを施したローパスフィルター等を構成する平行平板はＦ、電子撮像素子（ＣＣＤやＣ−ＭＯＳ）のカバーガラスの平行平板はＣ、像面（電子撮像素子の受光面）はＩで示してある。なお、カバーガラスＧの表面に波長域制限用の多層膜を施してもよい。また、そのカバーガラスＧにローパスフィルター作用を持たせるようにしてもよい。

実施例１のズーム光学系は、図１に示すように、物体側から順に、正屈折力の第１レンズ群Ｇ１、負屈折力の第２レンズ群Ｇ２、開口絞りＳ、正屈折力の第３レンズ群Ｇ３、正屈折力の第４レンズ群Ｇ４から構成されており、広角端から望遠端への変倍をする際に、第１レンズ群Ｇ１は物体側へ移動し、第２レンズ群Ｇ２は第１レンズ群Ｇ１との間隔を広げながら物体側に凹の軌跡を描いて移動し、望遠端では広角端の位置より若干像側に位置する。開口絞りＳと第３レンズ群Ｇ３は一体に第２レンズ群Ｇ２との間隔を縮めながら物体側に単調に移動する。第４レンズ群Ｇ４は第３レンズ群Ｇ３との間隔を広げながら物体側に凸の軌跡を描いて移動し、望遠端では広角端の位置より像側に位置する。

物体側から順に、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズの接合レンズからなり、第２レンズ群Ｇ２は、両凹負レンズと、両凹負レンズと両凸正レンズの接合レンズとからなり、第３レンズ群Ｇ３は、両凸正レンズと、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズとからなり、第４レンズ群Ｇ４は、両凸正レンズ１枚からなる。

非球面は、第１レンズ群Ｇ１の接合レンズの最も像側の面、第２レンズ群Ｇ２の単レンズの両凹負レンズの両面、接合レンズの最も物体側の面、第３レンズ群Ｇ３及び第４レンズ群Ｇ４の全ての面の１０面に用いている。

実施例２のズーム光学系は、図２に示すように、物体側から順に、正屈折力の第１レンズ群Ｇ１、負屈折力の第２レンズ群Ｇ２、開口絞りＳ、正屈折力の第３レンズ群Ｇ３、正屈折力の第４レンズ群Ｇ４から構成されており、広角端から望遠端への変倍をする際に、第１レンズ群Ｇ１は物体側に凹の軌跡を描いて移動し、望遠端では広角端の位置より物体側に位置する。第２レンズ群Ｇ２は第１レンズ群Ｇ１との間隔を広げながら物体側に凹の軌跡を描いて移動し、望遠端では広角端の位置より像側に位置する。開口絞りＳと第３レンズ群Ｇ３は一体に第２レンズ群Ｇ２との間隔を縮めながら物体側に単調に移動する。第４レンズ群Ｇ４は第３レンズ群Ｇ３との間隔を広げながら物体側に凸の軌跡を描いて移動し、望遠端では広角端の位置より像側に位置する。

物体側から順に、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズの接合レンズからなり、第２レンズ群Ｇ２は、両凹負レンズと、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの接合レンズとからなり、第３レンズ群Ｇ３は、両凸正レンズと、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズとからなり、第４レンズ群Ｇ４は、両凸正レンズ１枚からなる。

非球面は、第１レンズ群Ｇ１の接合レンズの最も像側の面、第２レンズ群Ｇ２の両凹負レンズの両面、接合レンズの最も物体側の面、第３レンズ群Ｇ３の両凸正レンズの両面、第４レンズ群Ｇ４の両凸正レンズの両面の８面に用いている。なお、開口絞りＳは第３レンズ群Ｇ３の両凸正レンズの物体側の面より像側に位置する。

以下に、上記各実施例の数値データを示すが、記号は上記の外、ｆは全系焦点距離、Ｆ_NOはＦナンバー、２ωは画角、ＷＥは広角端、ＳＴは中間状態、ＴＥは望遠端、ｒ₁ 、ｒ₂ …は各レンズ面の曲率半径、ｄ₁ 、ｄ₂ …は各レンズ面間の間隔、ｎ_d1、ｎ_d2…は各レンズのｄ線の屈折率、ν_d1、ν_d2…は各レンズのアッベ数である。なお、非球面形状は、ｘを光の進行方向を正とした光軸とし、ｙを光軸と直交する方向にとると、下記の式にて表される。

ｘ＝（ｙ² ／ｒ）／［１＋｛１−（Ｋ＋１）（ｙ／ｒ）² ｝^1/2 ］
＋Ａ₄ ｙ⁴ ＋Ａ₆ ｙ⁶ ＋Ａ₈ ｙ⁸ ＋Ａ₁₀ｙ¹⁰
ただし、ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐係数、Ａ₄ 、Ａ₆ 、Ａ₈ 、Ａ₁₀はそれぞれ４次、６次、８次、１０次次の非球面係数である。

実施例１
ｒ₁ = 26.441 ｄ₁ = 1.00 ｎ_d1 =2.00170 ν_d1 =20.64
ｒ₂ = 17.392 ｄ₂ = 3.95 ｎ_d2 =1.76802 ν_d2 =49.24
ｒ₃ = -99.096 （非球面） ｄ₃ = （可変）
ｒ₄ = -191.773 （非球面） ｄ₄ = 1.00 ｎ_d3 =1.88300 ν_d3 =40.76
ｒ₅ = 9.192 （非球面） ｄ₅ = 2.50
ｒ₆ = -22.216 （非球面） ｄ₆ = 0.80 ｎ_d4 =1.88300 ν_d4 =40.76
ｒ₇ = 15.409 ｄ₇ = 2.25 ｎ_d5 =2.00170 ν_d5 =20.64
ｒ₈ = -56.881 ｄ₈ = （可変）
ｒ₉ = ∞（絞り） ｄ₉ = 0.50
ｒ₁₀= 5.818 （非球面） ｄ₁₀= 3.20 ｎ_d6 =1.49700 ν_d6 =81.54
ｒ₁₁= -34.734 （非球面） ｄ₁₁= 0.10
ｒ₁₂= 7.753 （非球面） ｄ₁₂= 1.62 ｎ_d7 =1.84666 ν_d7 =23.78
ｒ₁₃= 4.527 （非球面） ｄ₁₃= （可変）
ｒ₁₄= 13.155 （非球面） ｄ₁₄= 2.20 ｎ_d8 =1.49700 ν_d8 =81.54
ｒ₁₅= -156.816 （非球面） ｄ₁₅= （可変）
ｒ₁₆= ∞ ｄ₁₆= 0.50 ｎ_d9 =1.54771 ν_d9 =62.84
ｒ₁₇= ∞ ｄ₁₇= 0.50
ｒ₁₈= ∞ ｄ₁₈= 0.50 ｎ_d10=1.51633 ν_d10=64.14
ｒ₁₉= ∞ ｄ₁₉= 0.41
ｒ₂₀= ∞（像面）
非球面係数
第３面
Ｋ = 0.000
Ａ₄ = 5.63459×10^-6
Ａ₆ = -1.18044×10^-9
Ａ₈ = -1.70586×10^-11
Ａ₁₀= 0
第４面
Ｋ = 0.000
Ａ₄ = -1.54983×10^-4
Ａ₆ = -8.65190×10^-7
Ａ₈ = 2.35494×10^-8
Ａ₁₀= 0
第５面
Ｋ = 0.000
Ａ₄ = 2.96564×10^-5
Ａ₆ = 3.83241×10^-6
Ａ₈ = -2.66946×10^-8
Ａ₁₀= 0
第６面
Ｋ = 0.000
Ａ₄ = 2.13456×10^-4
Ａ₆ = 4.91618×10^-6
Ａ₈ = -1.66310×10^-8
Ａ₁₀= 0
第１０面
Ｋ = -0.527
Ａ₄ = -1.39959×10^-4
Ａ₆ = -6.45759×10^-6
Ａ₈ = 2.84186×10^-7
Ａ₁₀= -1.67153×10^-8
第１１面
Ｋ = 3.946
Ａ₄ = -9.31231×10^-5
Ａ₆ = -3.47217×10^-6
Ａ₈ = 1.91271×10^-7
Ａ₁₀= -1.20338×10^-8
第１２面
Ｋ = 0.000
Ａ₄ = -1.91512×10^-4
Ａ₆ = -9.96001×10^-7
Ａ₈ = 1.03747×10^-9
Ａ₁₀= 0
第１３面
Ｋ = 0.000
Ａ₄ = -7.69643×10^-5
Ａ₆ = -5.20371×10^-9
Ａ₈ = 1.75203×10^-9
Ａ₁₀= 0
第１４面
Ｋ = 0.283
Ａ₄ = -3.44497×10^-5
Ａ₆ = -1.44842×10^-6
Ａ₈ = -7.76251×10^-8
Ａ₁₀= -1.04632×10^-9
第１５面
Ｋ = 0.000
Ａ₄ = 5.01569×10^-5
Ａ₆ = 5.86547×10^-8
Ａ₈ = -3.10515×10^-7
Ａ₁₀= 4.71891×10^-9
ズームデータ（∞）
ＷＥ ＳＴ ＴＥ
ｆ (mm) 6.69 22.01 64.40
Ｆ_NO 2.90 3.95 4.90
２ω（°） 69.44 18.98 6.59
ｄ₃ 0.50 10.61 14.68
ｄ₈ 19.85 7.04 1.00
ｄ₁₃ 2.49 4.61 26.53
ｄ₁₅ 8.33 10.77 2.92 。

実施例２
ｒ₁ = 23.809 ｄ₁ = 1.00 ｎ_d1 =2.00170 ν_d1 =20.64
ｒ₂ = 16.163 ｄ₂ = 4.10 ｎ_d2 =1.76802 ν_d2 =49.24
ｒ₃ = -117.361 （非球面） ｄ₃ = （可変）
ｒ₄ = -15.370 （非球面） ｄ₄ = 1.00 ｎ_d3 =1.80610 ν_d3 =40.92
ｒ₅ = 8.729 （非球面） ｄ₅ = 2.60
ｒ₆ = 24.332 （非球面） ｄ₆ = 0.80 ｎ_d4 =1.80610 ν_d4 =40.92
ｒ₇ = 9.689 ｄ₇ = 2.40 ｎ_d5 =2.00170 ν_d5 =20.64
ｒ₈ = 35.185 ｄ₈ = （可変）
ｒ₉ = ∞（絞り） ｄ₉ = -1.00
ｒ₁₀= 5.112 （非球面） ｄ₁₀= 3.10 ｎ_d6 =1.49700 ν_d6 =81.54
ｒ₁₁= -111.184 （非球面） ｄ₁₁= 0.10
ｒ₁₂= 6.163 ｄ₁₂= 0.45 ｎ_d7 =1.84666 ν_d7 =23.78
ｒ₁₃= 4.167 ｄ₁₃= （可変）
ｒ₁₄= 29.093 （非球面） ｄ₁₄= 2.20 ｎ_d8 =1.49700 ν_d8 =81.54
ｒ₁₅= -23.912 （非球面） ｄ₁₅= （可変）
ｒ₁₆= ∞ ｄ₁₆= 0.50 ｎ_d9 =1.54771 ν_d9 =62.84
ｒ₁₇= ∞ ｄ₁₇= 0.50
ｒ₁₈= ∞ ｄ₁₈= 0.50 ｎ_d10=1.51633 ν_d10=64.14
ｒ₁₉= ∞ ｄ₁₉= 0.40
ｒ₂₀= ∞（像面）
非球面係数
第３面
Ｋ = 0.000
Ａ₄ = 7.53316×10^-6
Ａ₆ = -1.21007×10^-8
Ａ₈ = 3.56951×10^-11
Ａ₁₀= 0
第４面
Ｋ = 0.000
Ａ₄ = 4.32539×10^-4
Ａ₆ = -3.97769×10^-6
Ａ₈ = 2.06282×10^-8
Ａ₁₀= 0
第５面
Ｋ = 0.000
Ａ₄ = 5.18041×10^-5
Ａ₆ = 1.25895×10^-5
Ａ₈ = -5.39018×10^-8
Ａ₁₀= 0
第６面
Ｋ = 0.000
Ａ₄ = -5.28943×10^-5
Ａ₆ = 7.55780×10^-6
Ａ₈ = -2.89516×10^-8
Ａ₁₀= 0
第１０面
Ｋ = -0.943
Ａ₄ = 3.40587×10^-4
Ａ₆ = -3.06992×10^-6
Ａ₈ = 2.74113×10^-7
Ａ₁₀= -1.68783×10^-8
第１１面
Ｋ = 2.757
Ａ₄ = 1.04729×10^-4
Ａ₆ = -9.48260×10^-6
Ａ₈ = 1.90465×10^-7
Ａ₁₀= -1.22181×10^-8
第１４面
Ｋ = -1.077
Ａ₄ = -2.57269×10^-4
Ａ₆ = -6.53299×10^-6
Ａ₈ = -1.62104×10^-7
Ａ₁₀= -2.14170×10^-9
第１５面
Ｋ = 0.000
Ａ₄ = -2.59178×10^-4
Ａ₆ = -5.19174×10^-6
Ａ₈ = -3.14738×10^-7
Ａ₁₀= 4.88098×10^-9
ズームデータ（∞）
ＷＥ ＳＴ ＴＥ
ｆ (mm) 6.73 21.39 64.39
Ｆ_NO 2.80 3.36 5.33
２ω（°） 66.93 19.73 6.72
ｄ₃ 1.00 9.75 13.81
ｄ₈ 23.12 9.07 1.40
ｄ₁₃ 3.10 5.35 27.59
ｄ₁₅ 10.05 12.59 4.98 。

以上の実施例１〜２の無限遠物点合焦時の収差図をそれぞれ図３〜図４に示す。これらの収差図において、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端における球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）、倍率色収差（ＣＣ）を示す。各図中、“ω”は半画角（°）を示す。

次に、上記各実施例における条件式（１）〜（７）の値を下記に示す。

実施例 １ ２
条件式（１） 3.95 4.1
条件式（２） 9.62 9.57
条件式（３） 81.5 81.5
条件式（４） -17.2 -13.6
条件式（５） 20.6 20.6
条件式（６） 2.01 2.01
条件式（７） -3.81 -5.17 。

ところで、本発明のズームレンズを用いたときに、像の歪曲は電気的にデジタル補正する。以下に、像の歪曲をデジタル補正するための基本的概念について説明する。

例えば、図５に示すように、光軸と撮像面との交点を中心として有効撮像面の長辺に内接する半径Ｒの円周上（像高）での倍率を固定し、この円周を補正の基準とする。そして、それ以外の任意の半径ｒ（ω）の円周上（像高）の各点を略放射方向に移動させて、半径ｒ' （ω）となるように同心円状に移動させることで補正する。例えば、図５において、半径Ｒの円の内側に位置する任意の半径ｒ₁ （ω）の円周上の点Ｐ₁ は、円の中心に向けて補正すべき半径ｒ₁'（ω）円周上の点Ｐ₂ に移動させる。また、半径Ｒの円の外側に位置する任意の半径ｒ₂ （ω）の円周上の点Ｑ₁ は、円の中心から離れる方向に向けて補正すべき半径ｒ₂'（ω）円周上の点Ｑ₂ に移動させる。ここで、ｒ' （ω）は次のように表わすことができる。

ｒ' （ω）＝αｆｔａｎω （０≦α≦１）
ただし、ωは被写体半画角、ｆは結像光学系（本発明では、ズームレンズ）の焦点距離である。

ここで、前記半径Ｒの円上（像高）に対応する理想像高をＹとすると、
α＝Ｒ／Ｙ＝Ｒ／ｆｔａｎω
となる。

光学系は、理想的には、光軸に対して回転対称であり、すなわち歪曲収差も光軸に対して回転対称に発生する。したがって、上述のように、光学的に発生した歪曲収差を電気的に補正する場合には、再現画像上で光軸と撮像面との交点を中心とした有効撮像面の長辺に内接する半径Ｒの円の円周上（像高）の倍率を固定して、それ以外の半径ｒ（ω）の円周上（像高）の各点を略放射方向に移動させて、半径ｒ' （ω）となるように同心円状に移動させることで補正することができれば、データ量や演算量の点で有利と考えられる。

ところが、光学像は、電子撮像素子で撮像された時点で（サンプリングのため）連続量ではなくなる。したがって、厳密には光学像上に描かれる上記半径Ｒの円も、電子撮像素子上の画素が放射状に配列されていない限り正確な円ではなくなる。つまり、離散的座標点毎に表わされる画像データの形状補正においては、上記倍率を固定できる円は存在しない。そこで、各画素（Ｘ_i ，Ｙ_j ）毎に、移動先の座標（Ｘ_i ' ，Ｙ_j ' ）を決める方法を用いるのがよい。なお、座標（Ｘ_i ' ，Ｙ_j ' ）に（Ｘ_i ，Ｙ_j ）の２点以上が移動してきた場合には、各画素が有する値の平均値をとる。また、移動してくる点がない場合には、周囲のいくつかの画素の座標（Ｘ_i ' ，Ｙ_j ' ）の値を用いて補間すればよい。

このような方法は、特にズームレンズが有する電子撮像装置において光学系や電子撮像素子の製造誤差等のために光軸に対して歪みが著しく、前記光学像上に描かれる上記半径Ｒの円が非対称になった場合の補正に有効である。また、撮像素子あるいは各種出力装置において信号を画像に再現する際に幾何学的歪み等が発生する場合等の補正に有効である。

本発明の電子撮像装置では、補正量ｒ' （ω）−ｒ（ω）を計算するために、ｒ（ω）すなわち半画角と像高との関係、あるいは、実像高ｒと理想像高ｒ' ／αとの関係が、電子撮像装置に内蔵された記録媒体に記録されている構成としてもよい。

なお、歪曲補正後の画像が短辺方向の両端において光量が極端に不足することのないようにするには、前記半径Ｒが、次の条件式を満足するのがよい。

０≦Ｒ≦０．６Ｌ_s
ただし、Ｌ_s は有効撮像面の短辺の長さである。

好ましくは、前記半径Ｒは、次の条件式を満足するのがよい。

０．３Ｌ_s ≦Ｒ≦０．６Ｌ_s
さらには、前記半径Ｒは、略有効撮像面の短辺方向の内接円の半径に一致させるのが最も有利である。なお、半径Ｒ＝０の近傍、すなわち、軸上近傍において倍率を固定した補正の場合は、実質画像数の面で若干の不利があるが、広角化しても小型化にするための効果は確保できる。

なお、補正が必要な焦点距離区間については、いくつかの焦点ゾーンに分割する。そして、該分割された焦点ゾーン内の望遠端近傍で略
ｒ' （ω）＝αｆｔａｎω
を満足する補正結果が得られる場合と同じ補正量で補正してもよい。ただし、その場合、分割された焦点ゾーン内の広角端において樽型歪曲量がある程度残存してしまう。また、分割ゾーン数を増加させてしまうと、補正のために必要な固有データを記録媒体に余計に保有する必要が生じあまり好ましくない。そこで、分割された焦点ゾーン内の各焦点距離に関連した１つ又は数個の係数を予め算出しておく。この係数は、シミュレーションや実機による測定に基づいて決定しておけばよい。そして、前記分割されたゾーン内の望遠鏡近傍で略
ｒ' （ω）＝αｆｔａｎω
を満足する補正結果が得られる場合の補正量を算出し、この補正量に対して焦点距離毎に前記係数を一律に掛けて最終的な補正量にしてもよい。

ところで、無限遠物体を結像させて得られた像に歪曲がない場合は、
ｆ＝ｙ／ｔａｎω
が成立する。ただし、ｙは像点の光軸からの高さ（像高）、ｆは結像系（本発明ではズームレンズ）の焦点距離、ωは撮像面上の中心からｙの位置に結ぶ像点に対応する物点方向の光軸に対する角度（被写体半画角）である。

結像系に樽型の歪曲収差がある場合は、
ｆ＞ｙ／ｔａｎω
となる。つまり、結像系の焦点距離ｆと、像高ｙとを一定とすると、ωの値は大きくなる。

図６〜図８は、以上のようなズームレンズを撮影光学系４１に組み込んだ本発明によるデジタルカメラの構成の概念図を示す。図６はデジタルカメラ４０の外観を示す前方斜視図、図７は同後方正面図、図８はデジタルカメラ４０の構成を示す模式的な断面図である。ただし、図６と図８においては、撮影光学系４１の非沈胴時を示している。デジタルカメラ４０は、この例の場合、撮影用光路４２上に位置する撮影光学系４１、ファインダー用光路４４上に位置するファインダー光学系４３、シャッターボタン４５、フラッシュ４６、液晶表示モニター４７、焦点距離変更ボタン６１、設定変更スイッチ６２等を含み、撮影光学系４１の沈胴時には、カバー６０をスライドすることにより、撮影光学系４１とファインダー光学系４３とフラッシュ４６はそのカバー６０で覆われる。そして、カバー６０を開いてカメラ４０を撮影状態に設定すると、撮影光学系４１は図８の非沈胴状態になり、カメラ４０の上部に配置されたシャッターボタン４５を押圧すると、それに連動して撮影光学系４１、例えば実施例１のズームレンズを通して撮影が行われる。撮影光学系４１によって形成された物体像が、波長域制限コートを施したローパスフィルターＦとカバーガラスＣを介してＣＣＤ４９の撮像面（光電変換面）上に形成される。このＣＣＤ４９で受光された物体像は、処理手段５１を介し、電子画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター４７に表示される。また、この処理手段５１には記録手段５２が接続され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、この記録手段５２は処理手段５１と別体に設けてもよいし、フロッピーディスクやメモリーカード、ＭＯ等により電子的に記録書込を行うように構成してもよい。また、ＣＣＤ４９に代わって銀塩フィルムを配置した銀塩カメラとして構成してもよい。

さらに、ファインダー用光路４４上にはファインダー用対物光学系５３が配置してある。ファインダー用対物光学系５３は、複数のレンズ群（図の場合は３群）と正立プリズム５５ａ、５５ｂ、５５ｃからなる正立プリズム系５５とから構成され、撮影光学系４１のズームレンズに連動して焦点距離が変化するズーム光学系からなり、このファインダー用対物光学系５３によって形成された物体像は、像正立部材である正立プリズム系５５の視野枠５７上に形成される。この正立プリズム系５５の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系５９が配置されている。なお、接眼光学系５９の射出側にカバー部材５０が配置されている。

図９は、上記デジタルカメラ４０の主要部の内部回路の構成ブロック図である。なお、以下の説明では、上記の処理手段５１は例えばＣＤＳ／ＡＤＣ部２４、一時記憶メモリ１７、画像処理部１８等からなり、記憶手段５２は例えば記憶媒体部１９等からなる。

図９に示すように、デジタルカメラ４０は、操作部１２と、この操作部１２に接続された制御部１３と、この制御部１３の制御信号出力ポートにバス１４及び１５を介して接続された撮像駆動回路１６並びに一時記憶メモリ１７、画像処理部１８、記憶媒体部１９、表示部２０、及び設定情報記憶メモリ部２１を備えている。

上記の一時記憶メモリ１７、画像処理部１８、記憶媒体部１９、表示部２０、及び設定情報記憶メモリ部２１はバス２２を介して相互にデータの入力又は出力が可能なように構成され、また、撮像駆動回路１６には、ＣＣＤ４９とＣＤＳ／ＡＤＣ部２４が接続されている。

操作部１２は各種の入力ボタンやスイッチを備え、これらの入力ボタンやスイッチを介して外部（カメラ使用者）から入力されるイベント情報を制御部に通知する回路である。制御部１３は、例えばＣＰＵ等からなる中央演算処理装置であり、不図示のプログラムメモリを内蔵し、そのプログラムメモリに格納されているプログラムにしたがって、操作部１２を介してカメラ使用者から入力される指示命令を受けてデジタルカメラ４０全体を制御する回路である。

ＣＣＤ４９は、本発明による撮影光学系４１を介して形成された物体像を受光する。ＣＣＤ４９は、撮像駆動回路１６により駆動制御され、その物体像の各画素ごとの光量を電気信号に変換してＣＤＳ／ＡＤＣ部２４に出力する撮像素子である。

ＣＤＳ／ＡＤＣ部２４は、ＣＣＤ４９から入力する電気信号を増幅しかつアナログ／デジタル変換を行って、この増幅とデジタル変換を行っただけの映像生データ（ベイヤーデータ、以下ＲＡＷデータという。）を一時記憶メモリ１７に出力する回路である。

一時記憶メモリ１７は、例えばＳＤＲＡＭ等からなるバッファであり、ＣＤＳ／ＡＤＣ部２４から出力される上記ＲＡＷデータを一時的に記憶するメモリ装置である。画像処理部１８は、一時記憶メモリ１７に記憶されたＲＡＷデータ又は記憶媒体部１９に記憶されているＲＡＷデータを読み出して、制御部１３から指定された画質パラメータに基づいて歪曲収差補正を含む各種画像処理を電気的に行う回路である。

記録媒体部１９は、例えばフラッシュメモリ等からなるカード型又はスティック型の記録媒体を着脱自在に装着して、それらカード型又はスティック型のフラッシュメモリに、一時記憶メモリ１７から転送されるＲＡＷデータや画像処理部１８で画像処理された画像データを記録して保持する装置の制御回路である。

表示部２０は、液晶表示モニター４７を備え、その液晶表示モニター４７に画像や操作メニュー等を表示する回路である。設定情報記憶メモリ部２１には、予め各種の画質パラメータが格納されているＲＯＭ部と、そのＲＯＭ部から読み出された画質パラメータの中から操作部１２の入力操作によって選択された画質パラメータを記憶するＲＡＭ部が備えられている。設定情報記憶メモリ部２１は、それらのメモリへの入出力を制御する回路である。

このように構成されたデジタルカメラ４０は、撮影光学系４１が、本発明により、十分な広角域を有し、コンパクトな構成としながら、高変倍で全変倍域で結像性能が極めて安定的であるので、高性能・小型化・広角化が実現できる。そして、広角側、望遠側での速い合焦動作が可能となる。

本発明は、以上のような一般的な被写体を撮影する所謂コンパクトデジタルカメラだけでなく、広い画角が必要な監視カメラや、レンズ交換式のカメラに適用してもよい。

本発明のズームレンズの実施例１の無限遠物点合焦時の広角端（ａ）、中間状態（ｂ）、望遠端（ｃ）でのレンズ断面図である。 本発明のズームレンズの実施例２の図１と同様の図である。 実施例１の無限遠物点合焦時の収差図である。 実施例２の無限遠物点合焦時の収差図である。 像の歪曲をデジタル補正するための基本的概念を説明するための図である。 本発明によるデジタルカメラの外観を示す前方斜視図である。 図６のデジタルカメラの後方斜視図である。 図６のデジタルカメラの断面図である。 図６のデジタルカメラの主要部の内部回路の構成ブロック図である。

符号の説明

Ｇ１…第１レンズ群
Ｇ２…第２レンズ群
Ｇ３…第３レンズ群
Ｇ４…第３レンズ群
Ｓ…開口絞り
Ｆ…光学的ローパスフィルター
Ｃ…カバーガラス
Ｉ…像面
Ｅ…観察者眼球
１２…操作部
１３…制御部
１４、１５…バス
１６…撮像駆動回路
１７…一時記憶メモリ
１８…画像処理部
１９…記憶媒体部
２０…表示部
２１…設定情報記憶メモリ部
２２…バス
２４…ＣＤＳ／ＡＤＣ部
４０…デジタルカメラ
４１…撮影光学系
４２…撮影用光路
４３…ファインダー光学系
４４…ファインダー用光路
４５…シャッターボタン
４６…フラッシュ
４７…液晶表示モニター
４９…ＣＣＤ
５０…カバー部材
５１…処理手段
５２…記録手段
５３…ファインダー用対物光学系
５５…正立プリズム系
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ…正立プリズム
５７…視野枠
５９…接眼光学系
６０…カバー
６１…焦点距離変更ボタン
６２…設定変更スイッチ

Claims (8)

1. 物体側より順に、正屈折力の第１レンズ群と、負屈折力の第２レンズ群と、正屈折力の第３レンズ群と、正屈折力の第４レンズ群とからなるズームレンズであって、広角端から望遠端への変倍に際して、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間隔が大きくなり、前記第２レンズ群と前記第３レンズ群の間隔が小さくなり、前記第３レンズ群と前記第４レンズ群の間隔が大きくなり、前記第１レンズ群が２枚のレンズからなり、前記第３レンズ群が、物体側より順に、正レンズ、負レンズの２枚のレンズからなり、前記第３レンズ群の正レンズは非球面を有し、下記の条件式を満たすことを特徴とするズームレンズ。
   ３＜Ｄ_1p／Ｄ_1n＜５ ・・・（１）
   ９＜ｆ_t ／ｆ_w ＜２０ ・・・（２）
   ７５＜Ｖｄ ₃ ＜１００ ・・・（３）
   ただし、Ｄ_1p：第１レンズ群の正レンズの光軸上での厚さ、
   Ｄ_1n：第１レンズ群の負レンズの光軸上での厚さ、
   ｆ_w ：広角端における全系の焦点距離、
   ｆ_t ：望遠端における全系の焦点距離、
   Ｖｄ ₃ ：第３レンズ群の正レンズのアッベ数、
   である。
2. 前記第１レンズ群は、物体側より順に、負レンズ、正レンズからなることを特徴とする請求項１記載のズームレンズ。
3. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２記載のズームレンズ。
   −２０＜Ｄｔ_w ＜−１０ ・・・（４）
   ただし、Ｄｔ_w ：広角端における最大像高のディストーション（％）、
   である。
4. 前記第２レンズ群と前記第３レンズ群の間に開口絞りを有し、変倍に際し、前記第３レンズ群と一体に移動することを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のズームレンズ。
5. 前記第１レンズ群の負レンズは以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載のズームレンズ。
   １７＜Ｖｄ₁ ＜３０ ・・・（５）
   １．９＜ｎｄ₁ ＜２．３ ・・・（６）
   ただし、Ｖｄ₁ ：第１レンズ群の負レンズのアッベ数、
   ｎｄ₁ ：第１レンズ群の負レンズのｄ線での屈折率、
   である。
6. 前記第１レンズ群は接合レンズのみからなることを特徴とする請求項５記載のズームレンズ。
7. 前記第３レンズ群の負レンズは以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載のズームレンズ。
   −８＜（Ｒ_3nb ＋Ｒ_3nf ）／（Ｒ_3nb −Ｒ_3nf ）＜−４ ・・・（７）
   ただし、Ｒ_3nf ：第３レンズ群の負レンズの物体側面の光軸近傍の曲率半径、
   Ｒ_3nb ：第３レンズ群の負レンズの像側面の光軸近傍の曲率半径、
   である。
8. 請求項１から７の何れか１項記載のズームレンズと、前記ズームレンズの像側に配され、光学像を電気信号に変換する撮像素子とを備えたことを特徴とする撮像装置。

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