JP5179216B2 - ズームレンズ - Google Patents

Description

本発明は、小型，薄型の撮像装置に用いられるズームレンズに関し、さらに詳しくは、物体からの光を反射して撮像面へと導くズームレンズに関する。

携帯性に優れた小型薄型のデジタルカメラが普及している。近年では、こうした小型薄型のデジタルカメラであっても、撮影画像の画像処理により実現されるデジタルズーム機能のみならず、光学ズーム機能が搭載されている。

小型薄型という特徴を損なわずに光学ズーム機能を実現するために、このような小型薄型のデジタルカメラに搭載されるズームレンズは、被写体からの光をプリズム等で反射して撮像面へと結像させる構成となっている。また、近年では変倍比が３倍程度となる屈曲型のズームレンズが知られている（特許文献１）。

こうした反射型のズームレンズ（以下、単にズームレンズと称す）は、デジタルカメラの厚み方向に対して垂直な方向に被写体からの光を反射して折り曲げるように配置される。また、ＣＣＤ等の撮像素子はこのズームレンズの背後に、デジタルカメラの厚み方向に対して垂直に配置される。したがって、ズームレンズを構成するレンズの径と、撮像素子のパッケージのサイズとの兼ね合いで、小型薄型のデジタルカメラの厚みが決定することになる。

一方、ズームレンズのように被写体からの光を反射して折り曲げるとともに変倍をも行う光学系としては、撮影レンズによって１次結像された像を縮小して観察像を結像させるズームリレーレンズを設けた一眼レフ用のファインダ光学系が知られている（特許文献２）。
特開２０００−１２１６１０号公報 特開平５−５８３９号公報

従来のズームレンズは、最も物体側に配置されるレンズから離れた位置、例えば第２レンズ群以降の位置に開口絞りが配置されているため、最も物体側に配置されるレンズと開口絞りとの間隔が大きい。特に、広角端では、最も物体側に配置されるレンズの主光線高が大きい。したがって、最も物体側に配置されるレンズや物体からの光を反射するプリズム等は、この主光線高に応じて、比較的大きなサイズのものを用いなければならない。一方、従来、これらのレンズやプリズム等の大きさは、撮像素子のパッケージの大きさと略等しくなっており、デジタルカメラの薄型化に然程の影響がなかった。

しかしながら、撮像素子のパッケージが益々小型化されていることにともなって、ズームレンズを構成するレンズの径が、デジタルカメラの薄型化に対するボトルネックとなっており、ズームレンズを構成するレンズの径を小さくすることが求められている。

また、前述のファインダ光学系に用いられるリレーレンズを、撮影光学系に適用しようとすると、１次結像の大きさに応じてズームレンズ全体の大きさが決まるために、結局はズームレンズ全体の大きさを撮像素子のパッケージよりも大きくしなければならないという問題がある。すなわち、１次結像の大きさを縮小して再結像させるファインダ光学系のリレーレンズを撮影光学系に適用すれば、１次結像の大きさを撮像面の数倍もの大きさとする必要があり、かえってズームレンズの径が大きくなってしまう。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、径の小さいズームレンズを提供することを目的とする。

本発明のズームレンズは、物体からの光を反射して撮像面の方向に導くとともに、光軸に沿ってレンズを移動させることで結像倍率が可変となるように設けられたズームレンズであり、物体側から順に、望遠端でのＦ値を定める第１開口絞りと物体からの光を反射して前記撮像面の方向へ導く反射部材とを有し、前記撮像面よりも物体側に物体からの光を１次結像する正の屈折力の第１レンズ群と、光軸に沿って移動自在に設けられた２以上のレンズ群と、広角端でのＦ値を定める第２開口絞りとを有し、該レンズ群を移動させることで変倍を行うとともに、前記１次像を前記撮像面に再結像させる正の屈折力のリレーレンズと、を備えることを特徴とする。

また、前記リレーレンズは、全変倍域を通して０．９倍以上の結像倍率を保つことを特徴とする。

また、前記リレーレンズは、前記１次像側から順に、光軸に沿って移動自在に設けられた正の屈折力のＲ１群と、光軸に沿って移動自在に設けられた正の屈折力のＲ２群と、負の屈折力のＲ３群とを備え、前記Ｒ１群及び前記Ｒ２群が互いの間隔を変化させながら光軸に沿って移動することで変倍を行うことを特徴とする。

また、前記Ｒ３群は、光軸に沿って移動自在に設けられ、変倍時の前記Ｒ１群及び前記Ｒ２群の移動に応じて移動され、変倍による焦点位置の変動を補正することを特徴とする。

また、前記Ｒ１群と前記Ｒ２群との間隔が望遠端で最も狭くなることを特徴とする。

また、第１レンズ群に光軸に沿って移動自在に設けられたフォーカシングレンズを備えることを特徴とする。

また、前記反射部材はプリズムによって物体からの光を反射することを特徴とする。

また、前記反射部材は反射鏡によって物体からの光を反射することを特徴とする。

本発明の撮像装置は、上述のズームレンズを備えることを特徴とする。

本発明によれば、径の小さいズームレンズを提供することができる。

［第１実施形態］
図１に示すように、デジタルカメラ１０（撮像装置）は、ズームレンズ１５、ズームレンズ１５の背後に配置された撮像素子１６などから構成される。ズームレンズ１５を構成するレンズの中で最も物体側に配置される対物レンズ２６は、デジタルカメラ１０の前面に露呈されている。ズームレンズ１５は、対物レンズ２６を通して入射する物体からの光（被写体光）をし、撮像面に結像させる。また、ズームレンズ１５の外径は、撮像素子１６のパッケージの外周の大きさと略等しくなるように設けられている。

図２に示すように、ズームレンズ１５は、第１レンズ群２１とリレーレンズ２２から構成される。

第１レンズ群２１は正の屈折力のレンズであり、対物レンズ２６、プリズム２７（反射部材）、開口絞り２８、１次結像レンズ２９などからなる。デジタルカメラ１０の前面に露呈される対物レンズ２６から入射する被写体光は、プリズム２７によって略９０度反射され、１次結像レンズ２９へと入射する。１次結像レンズ２９は、プリズム２７によって反射された被写体光を、リレーレンズ２２よりも物体側にある１次結像面３０に結像する。この第１レンズ群２１による１次像は、撮像素子１６のサイズ以下の大きさに結像される。また、第１レンズ群２１を構成するレンズやプリズム２７は、所定位置に固定して設けられており、ズームレンズ１５の変倍には寄与しない。

開口絞り２８は、プリズム２７と１次結像レンズ２９との間に設けられている。したがって、対物レンズ２６と開口絞り２８との距離は近く、ズームレンズ１５の主光線高が大きくなる広角端においても、主光線高は小さく抑えられる。

一方、リレーレンズ２２は、上述の第１レンズ群２１によって結像する１次像を撮像面３６に再結像させるレンズであり、物体側から順にＲ１群３１、Ｒ２群３２、Ｒ３群３３の３群のレンズからなる。

Ｒ１群３１は正の屈折力のレンズであり、光軸Ｌ１に沿って移動自在に設けられている。同様に、Ｒ１群３１の背後に配置されるＲ２群３２は正の屈折力のレンズであり、光軸Ｌ１に沿って移動自在に設けられている。このＲ１群３１及びＲ２群３２の移動によって撮像面に再結像される像が変倍される。このとき、ズームレンズ１５が望遠端側に移動されるとＲ１群３１とＲ２群との間隔は狭くなり、広角端側に移動されるとＲ１群３１とＲ２群３２との間隔は広くなるように、Ｒ１群３１及びＲ２群３２は移動される（図２（Ａ）〜（Ｃ））。

また、Ｒ２群３２は、変倍中の像面位置が撮像面３６上に一定となるように、Ｒ１群３１の位置に応じて非線形に移動される。すなわち、Ｒ２群３２は、Ｒ１群３１との間隔で変倍率を調節すると同時に、変倍による焦点位置の変動を補正するように移動される。

Ｒ３群３３は負の屈折力のレンズであり、Ｒ２群３２の背後に、光軸Ｌ１に対して固定して設けられている。このＲ３群３３は、撮像面での結像倍率をより大きくする。また、Ｒ３群３３は、リレーレンズ２２の像側の主点をより物体側へと近づけ、ズームレンズ１５の全長を短くする。さらに、Ｒ３群３３は、ズームレンズ１５の諸収差を全ズーム域にわたって良好に補正する。特に、Ｒ３群３３が設けられていることで像面湾曲が抑えられる。

このように構成されるリレーレンズ２２の結像倍率は、広角端で０．９８倍となっている。一般的な撮像素子１６の撮像面のサイズとパッケージを含めた全体のサイズとの関係から、リレーレンズ２２の結像倍率は０．９倍以上となるように構成されていることが好ましく、１．０倍以上となっていることが特に好ましい。

なお、リレーレンズ２２の背後に配置される撮像素子１６には、カバーガラス３７が設けられており、リレーレンズ２２は、このカバーガラス３７を通して撮像面３６に適切に結像するように調節されている。

上述のように構成されるズームレンズ１５は、変倍に寄与しない第１レンズ群２１に開口絞り２８を設けたから、最も物体側に配置される対物レンズ２６と開口絞り２８との位置は近く、広角端においても主光線高は小さい。したがって、対物レンズ２６やプリズム２７をこの主光線高に応じた小さなサイズのものを用いることができ、ズームレンズ１５の径を小さくすることができる。

また、Ｒ２群３２を変倍と、変倍による焦点位置の変動の補正を同時に行うように移動させるように設けるから、変倍のためのＲ１群３１及びＲ２群３２の移動と、変倍による焦点位置の変動を補正するためのＲ２群３２の移動とを同じアクチュエータによって行うことができ、ズームレンズ１５を制御する駆動システムを簡単に構成することができる。

さらに、Ｒ１群３１とＲ２群３２とを共に正の屈折力のレンズとすることで、１次結像を撮像面に再結像するための屈折力を分散することができ、ズームレンズ１５の諸収差を容易に補正することができる。

また、リレーレンズ２２を構成するＲ３群３３を負の屈折力のレンズとすることで、リレーレンズ２２の像側主点を１次結像面３０の方向に近づけることができ、ズームレンズ１５の全長を短縮することができる。さらに、このＲ３群３３が負の屈折力のレンズとなっていることで、１次結像を再結像することで悪化しやすい像面湾曲を良好に補正することができる。

また、Ｒ１群３１とＲ２群３２との間隔が広角端で最も広く、望遠端で最も狭くなるようにすることで、１次結像面３０付近のレンズの径を小さくし、ズームレンズ１５全体としても径を小さくすることができる。

また、リレーレンズ２２の結像倍率が全ズーム域を通して０．９倍以上となるようにすることによって、１次結像面３０付近のレンズの径を小さくし、ズームレンズ１５全体としても径を小さくすることができる。

なお、開口絞り２８は第１レンズ群２１にのみ設けられているが、これに限らず、リレーレンズ２２にも併せて開口絞りを設けることが好ましい。例えば、図３に示すように、ズームレンズ４１は、リレーレンズ４２と前述のズームレンズ１５と同様の第１レンズ群２１とから構成される。したがって、第１レンズ群２１には開口絞り２８（第１開口絞り）が設けられている。一方、リレーレンズ４２は、ズームレンズ１５のリレーレンズ２２と同様のＲ１群３１，Ｒ２群３２，Ｒ３群３３に加えて、Ｒ１群３１とＲ２群３２との間に開口絞り４３（第２開口絞り）が設けられている。より具体的には、この開口絞り４３は、Ｒ２群３２の前面に固定して設けられており、変倍や変倍による焦点位置の変動の補正のために移動されるＲ２群３２とともに移動される。

このズームレンズ４１は、変倍率によって有効となる開口絞りが異なるように開口絞り４３の開口の大きさが調節されている。すなわち、図３に示すように、広角端（図３（Ａ））においては、第１レンズ群２１内の開口絞り２８（第１開口絞り）ではなく、リレーレンズ４２内の開口絞り４３（第２開口絞り）によってズームレンズ４１全系のＦ値が定められる。一方、中間焦点距離（図３（Ｂ））や望遠端（図３（Ｃ））においては、第１レンズ群２１内の開口絞り２８によってズームレンズ４１全系のＦ値が定められる。

このように、リレーレンズ４２内に開口絞り４３を設けることによって、広角端と望遠端でのＦ値の比率を小さくすることができる。すなわち、第１レンズ群２１内の開口絞り２８によって広角端から望遠端までのＦ値を決定すると、焦点距離に比例してＦ値が大きくなり、ズームレンズが望遠端で暗くなりすぎるといった弊害を防ぐことができる。同様に、第１レンズ群２１内の開口絞り２８によって望遠端でのＦ値を小さくし、明るいレンズとすると、広角端でのＦ値が過小となり、諸収差の補正が困難となってしまうとともに、プリズム２７の全反射条件を全ての光線で満足することが困難となってしまうという弊害を防ぐことができる。

［第２実施形態］
なお、上述の第１実施形態では、リレーレンズ２２，４２のＲ３群３３は、光軸Ｌ１に対して固定して設けられているが、これに限らず、Ｒ３群３３を光軸に沿って移動自在に設けても良い。これを第２実施形態として説明する。なお、第１実施形態と同様の部材には同一の符号を付し、その説明等を省略する。

例えば、図４に示すように、ズームレンズ５１は、リレーレンズ５２と同様の第１レンズ群２１とから構成される。リレーレンズ５２は、リレーレンズ２２と同様のＲ１群３１と、リレーレンズ２２のＲ２群３２とは構成は同様であるが制御方法の異なるＲ２群５６と、光軸Ｌ１に沿って移動自在に設けられている点のみがリレーレンズ２２のＲ３群３３と異なるＲ３群５７とから構成される。

リレーレンズ５２のＲ２群５６は、変倍時のＲ１群３１の移動に応じて移動される。このＲ２群５６の移動量とＲ１群３１の移動量とは比例関係にあり、望遠端側でＲ１群３１とＲ２群５６との間隔は狭くなり、広角端側でＲ１群３１とＲ２群５６との間隔は広くなる（図４（Ａ）〜（Ｃ））。

また、Ｒ３群５７は、ズームレンズ５１の変倍にともなって、すなわちＲ１群３１及びＲ２群５６の移動にともなって移動される。このときＲ３群５７は、変倍中の像面位置が撮像面上に一定となるように、Ｒ１群３１の位置に応じて非線形に移動され、Ｒ１群３１，Ｒ２群５６の移動に応じて、変倍による焦点位置の変動を補正する。

また、このリレーレンズ５２の広角端での結像倍率は１．０５倍であり、全ズーム域で０．９倍以上の結像倍率となっている。

このように、各々の移動量が比例関係を保つようにＲ１群３１及びＲ２群５６を移動して変倍を行うとともに、Ｒ１群３１の移動に応じてＲ３群５７を非線形に移動させて変倍による焦点位置の変動を補正することで、諸収差の補正の自由度が増し、全ズーム域で諸収差を良好に補正することができる。

また、Ｒ２群５６の移動をＲ１群３１の移動量に比例する直線的な移動とすることによって、Ｒ３群５７の移動には、変倍時にＲ１群３１及びＲ２群５６を移動させるアクチュエータと同じアクチュエータを用いることができる。すなわち、Ｒ３群５７に専用のアクチュエータを設ける必要はなく、簡単な構成でリレーレンズ５２を制御することができる。

なお、第１レンズ群２１に属するレンズでフォーカシングを行っても良い。例えば、図５に示すように、ズームレンズ６１は、１次結像レンズ２９の中でも小径で軽量のレンズ６２（フォーカシングレンズ）を光軸Ｌ１に沿って移動自在に設け、このレンズ６２によってフォーカシングを行う。このとき、リレーレンズ６３は、Ｒ１群３１，Ｒ２群５６，Ｒ３群３３とからなる。Ｒ２群５６の移動量とＲ１群３１の移動量とは比例関係にあり、望遠端側でＲ１群３１とＲ２群５６との間隔は狭くなり、広角端側でＲ１群３１とＲ２群５６との間隔は広くなる。

このように、第１レンズ群２１内の小型軽量のレンズによってフォーカシングを行うようにすることで、小さい力でフォーカシングを行うことができ、変倍時のフォーカシングが速やかに行うことができる。また、変倍中にフォーカシングレンズと被写体との距離が変動しないため、全焦点距離で被写体距離に対するフォーカシングレンズ移動量が同一となる。

なお、上述の第１実施形態，第２実施形態では、対物レンズ２６から入射する光をプリズム２７によって撮像素子１６の方向へとするが、これに限らない。例えば、図６に示すように、プリズム２７の替わりに反射鏡７１を用いても良い。

このようにプリズムの替わりに反射鏡を用いると、プリズムを用いる場合と比較して光路長が長くなり、反射鏡よりも被写体側にあるレンズの径を大きくする必要がある。しかし、ズームレンズ７２は、反射鏡７１によって被写体光をさせるが、開口絞り２８と対物レンズ２６との距離が小さいために、第１レンズ群２１の大きさを比較的小さく抑えたまま、反射鏡７１を用いることができる。

デジタルカメラの外観を示す斜視図である。 （Ａ）広角端，（Ｂ）中間焦点距離，（Ｃ）望遠端におけるズームレンズの断面図である。 絞りを２箇所に設けたズームレンズの（Ａ）広角端，（Ｂ）中間焦点距離，（Ｃ）望遠端における断面図である。 Ｒ３群を光軸に沿って移動自在に設けたズームレンズの（Ａ）広角端，（Ｂ）中間焦点距離，（Ｃ）望遠端における断面図である。 第１レンズ群の小型軽量レンズでフォーカシングを行うズームレンズの断面図である。 反射鏡で被写体光をさせるズームレンズの断面図である。

符号の説明

１０ デジタルカメラ（撮像装置）
１５，４１，５１，６１，７２ ズームレンズ
２１ 第１レンズ群
２２，４２，５２，６３ リレーレンズ
２７ プリズム（反射部材）
２８，４３ 開口絞り
２９ １次結像レンズ
３１ Ｒ１群
３２，５６ Ｒ２群
３３，５７ Ｒ３群
３６ 撮像面
７１ 反射鏡（反射部材）

Claims (9)

1. 物体からの光を反射して撮像面の方向に導くとともに、光軸に沿ってレンズを移動させることで結像倍率が可変となるように設けられたズームレンズにおいて、
   物体側から順に、
   望遠端でのＦ値を定める第１開口絞りと物体からの光を反射して前記撮像面の方向へ導く反射部材とを有し、前記撮像面よりも物体側に物体からの光を１次結像する正の屈折力の第１レンズ群と、
   光軸に沿って移動自在に設けられた２以上のレンズ群と、広角端でのＦ値を定める第２開口絞りとを有し、該レンズ群を移動させることで変倍を行うとともに、前記１次像を前記撮像面に再結像させる正の屈折力のリレーレンズと、
   を備えることを特徴とするズームレンズ。
2. 前記リレーレンズは、全変倍域を通して０．９倍以上の結像倍率を保つことを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
3. 前記リレーレンズは、前記１次像側から順に、光軸に沿って移動自在に設けられた正の屈折力のＲ１群と、光軸に沿って移動自在に設けられた正の屈折力のＲ２群と、負の屈折力のＲ３群とを備え、
   前記Ｒ１群及び前記Ｒ２群が互いの間隔を変化させながら光軸に沿って移動することで変倍を行う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Ｒ３群は、光軸に沿って移動自在に設けられ、変倍時の前記Ｒ１群及び前記Ｒ２群の移動に応じて移動され、変倍による焦点位置の変動を補正することを特徴とする請求項３に記載のズームレンズ。
5. 前記Ｒ１群と前記Ｒ２群との間隔が望遠端で最も狭くなることを特徴とする請求項３または４に記載のズームレンズ。
6. 第１レンズ群に光軸に沿って移動自在に設けられたフォーカシングレンズを備えることを特徴とする請求項１乃至３に記載のズームレンズ。
7. 前記反射部材はプリズムによって物体からの光を反射することを特徴とする請求項１乃至６に記載のズームレンズ。
8. 前記反射部材は反射鏡によって物体からの光を反射することを特徴とする請求項１乃至６に記載のズームレンズ。
9. 請求項１乃至８に記載のズームレンズを備えることを特徴とする撮像装置。

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