JP5321670B2 - 変倍光学系及びデジタル機器 - Google Patents
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Description
下記(7)の条件式を満たすことを特徴とする。
νp<40 ・・・(1)
0.7<f2/fw<2.0 ・・・(4)
但し、νp:前記第4レンズ群内の正レンズのアッベ数の最小値
f2:前記第2レンズ群の合成焦点距離
fw:広角端での全光学系の合成焦点距離
0.7<|f2n/f2p|<1.8 ・・・(7)
但し、f2n:前記第2レンズ群内の負レンズの焦点距離
f2p:前記第2レンズ群内の正レンズの焦点距離
この構成によれば、最も物体側に位置する第1レンズ群が負の光学的パワーを持った、いわゆる負リードの光学系とされている。このため、物体側から大きな角度で入射してくる光線を、第1レンズ群の負の光学的パワーによりいち早く緩めることができ、光学全長や前玉径のサイズのコンパクト化を図る点で有利となる。さらに、負リードの構成では光学系のコンパクト化を図った場合でも、誤差感度の上昇を抑制し得る。これらの点は、変倍比が2〜3倍程度のズームレンズにおいて特に顕著となる。
(a)屈折率は、d線の波長(587.56nm)に対する屈折率である。
(b)アッベ数は、d線、F線(486.13nm)、C線(656.28nm)に対する屈折率を各々nd、nF、nC、アッベ数をνdとした場合に、
νd=(nd−1)/(nF−nC)
の定義式で求められるアッベ数νdをいうものとする。
(c)面形状に関する表記は、近軸曲率に基づいた表記である。
(d)光学的パワーの表記において、接合レンズを構成している各単レンズについては、該単レンズのレンズ面の両側が空気であるとした場合の光学的パワーをいうものとする。(e)非球面サグ(sag)量とは、レンズの面頂点と最大有効半径に対する非球面曲線上の点との間の光軸方向の距離と、近軸曲率に基づく球面サグ量との差分を表すパラメータである(図2参照)。
(f)複合型非球面レンズ(基板となる球面ガラス材料の上に薄い樹脂材料を塗布して非球面形状としたレンズ)に用いる樹脂材料は、基板ガラス材料の付加的機能しかないため、単独の光学部材としては取扱わず、基板ガラス材料が非球面を有する場合と同等の扱いとし、レンズ枚数も1枚と考える。その際、レンズ屈折率も、基板となっているガラス材料の屈折率を用いるものとする。
(g)レンズについて、「凹」、「凸」又は「メニスカス」という表記を用いた場合、これらは光軸近傍(レンズの中心付近)でのレンズ形状を表しているもの(近軸曲率に基づいた表記)とする。
<変倍光学系の構成の説明>
図1は、本発明にかかる変倍光学系100の構成例を示す光路図(広角端の光路図)である。この変倍光学系100は、光学像を電気的な信号に変換する撮像素子105(SR)の受光面上に被写体Hの光学像を形成するものであって、物体側(被写体H側)から順に、全体として負の光学的パワーを有する第1レンズ群101(Gr1)、光学絞りST、正の光学的パワーを有する第2レンズ群102(Gr2)、負の光学的パワーを有する第3レンズ群103(Gr3)、正の光学的パワーを有する第4レンズ群104(Gr4)が配列され、広角端(W)から望遠端(T)への変倍時に、図12に示したように、第2レンズ群102(Gr2)は物体側に直線的に移動して、前記第1レンズ群101(Gr1)と第2レンズ群102(Gr2)との間隔が狭くなり、第3レンズ群103(Gr3)はUターン移動する変倍光学系である。一方、第1レンズ群101(Gr1)及び第4レンズ群104(Gr4)は固定とされる。
倍率色収差を十分に補正できるようになる。なお、撮像素子105として、高画素・微小画素ピッチの撮像素子を用いた場合においても十分に倍率色収差を補正させるためには、アッベ数の最小値νpを下記(1)’の条件式を満たすようにすることが望ましい。
アッベ数の最小値νpを32未満とすることで、高画素・微小画素ピッチの撮像素子105を用いた場合でも、倍率色収差の補正不足は問題とならず、十分なコントラストを担保した撮像が行える。
[第1レンズ群101について]
第1レンズ群101は、図1に示したように、物体側から順に両凹の負レンズ1011、物体側に凸の正メニスカスレンズ1012の2枚のレンズで構成することが望ましい。なお、両凹の負レンズ1011に代えて、物体側に凸の負メニスカスレンズを用いるようにしても良い。このようなレンズ構成とすることで、広角端でのバックフォーカス確保が容易となり、また広画角な軸外光の非点収差、倍率色収差を良好に補正することができるようになる。さらに、物体側に凸の正メニスカスレンズ1012を配置することで、非点収差を良好に補正し、像面性を改善することが可能となる。
0.5<|f1/ft|<1.5 ・・・(11)
但し、f1:第1レンズ群の合成焦点距離
fw:広角端での全光学系の合成焦点距離
ft:望遠端での全光学系の合成焦点距離
条件式(10)、(11)の上限を上回ると、特に広角端での非点収差、歪曲収差の補正が不十分となる。また条件式(10)、(11)の下限を下回ると、第1レンズ群101を構成する各レンズのパワーが非常に高くなって、製造が困難になる。また発生する倍率色収差を十分に補正できない傾向が顕著となる。
0.6<|f1/ft|<1.2 ・・・(11)’
条件式(10)’、(11)’の上限を上回ると、第1レンズ群101の負パワーが弱くなって前玉径の増大につながり、下限を下回ると、特に望遠端での第1レンズ群101の誤差感度が上昇し、レンズ間の調整作業が必要となる。
[第2レンズ群102について]
第2レンズ群102は、後記の条件式(4)にも示しているように、第2レンズ群102の合成焦点距離をf2、広角端での全光学系の合成焦点距離をfwとするとき、f2/fwが、
0.7<f2/fw<2.0
の関係を満たしていることが望ましい。これにより、変倍光学系100のコンパクト性を確保しながら、必要な変倍比を得ることが可能となる。特に、下記条件式(4)’で示される条件を満たす第2レンズ群102とすることがより望ましい。
条件式(4)’の上限を上回ると、第2レンズ群102のパワーが弱くなるため、変倍に必要な第2レンズ群102の移動量が増加することとなり、光学全長が長くなる。一方条件式(4)’の下限を下回ると、第2レンズ群102の偏芯誤差感度が高くなってレンズ間の調整が必須となり、コスト高となる。
0.7<|f2n/f2p|<1.8
の関係を満たしていることが望ましい。特に、下記条件式(7)’で示される条件を満たす第2レンズ群102とすることがより望ましい。
条件式(7)’の上限又は下限を超えると、球面収差、軸上色収差、倍率色収差の補正のために正レンズと負レンズ双方のパワーが強くなり、製造誤差感度が高くなって生産性が悪化する傾向がある。
条件式(12)の上限を上回ると、第2レンズ群102のパワーが弱すぎて2〜3倍程度の変倍比を得ることが困難となる。また、条件式(12)の下限を下回ると、第2レンズ群102の誤差感度が非常に高くなり、製造の困難性が高くなる傾向がある。
条件式(12)’の上限を上回ると、第2レンズ群102のパワーが弱いため、変倍に必要な第2レンズ群102の移動量が増加し、光学全長が長くなってコンパクト化には不向きになる。また、条件式(12)’の下限を下回ると、第2レンズ群102の偏芯誤差感度が高くなってレンズ間の調整作業が必要となり、コスト高となる。
差を良好に補正することができるようになる。
[第4レンズ群104について]
第4レンズ群104に含まれる、条件式(1)を満たす正レンズ、すなわち図1の例では、両凸正レンズ1041は、後記の条件式(2)でも示しているように、d線屈折率Npgが、Npg>1.7の関係を満たすような高屈折硝材を用いることが望ましい。第3レンズ群103が複数枚のレンズ構成の場合、その内の正レンズが、条件式(1),(2)を満たしていてもよい。これにより、広角端と望遠端とにおける撮像素子105への入射角差を小さくし、かつ製造難易度を下げることができるようになる。
0.05<|ΔZpi/di|<0.25
の条件を満たすことが望ましい。これにより、レンズ周辺部での面角度を適正化でき、また周辺照度の低下を抑止できる。
条件式(9)’の上限を上回ると、像面入射角をテレセントリックに近付けるために非球面が必須となり、また非球面サグ量も大きくなる傾向があり、製造コストが高くなる。一方、条件式(9)’の下限を下回ると、広角端と望遠端での像面入射角の隔差が大きくなって周辺照度低下を招く傾向がある。
条件式(13)の上限を上回ると倍率色収差の補正不足となり、また条件式(13)の下限を下回ると倍率色収差の過剰補正となり、いずれの場合も周辺画質が劣化する傾向がある。
[変倍光学系の各種好ましい態様について]
変倍光学系100は、後記の条件式(5)、(6)でも示しているように、広角端において撮像素子105の撮像面への入射光線のうち最大像高での主光線の像面に立てた垂線に対する角度をαw(deg)、望遠端において前記撮像面への入射光線のうち最大像高での主光線の像面に立てた垂線に対する角度をαt(deg)とするとき、
0<αw<30
|αw−αt|<20
とされていることが望ましい。なお、ここでのαw(deg)、αt(deg)は、図3に示す方向を正の方向と定義する。すなわち、図3の左側を物体側とし、右側を像側として、射出瞳位置が像面よりも物体側にある場合の主構成の角度を正方向とする。
条件式(5)’の上限を上回ると、周辺照度を良質に維持するためには高画素撮像素子を用いることが困難となる。これは、同一サイズの撮像素子の場合、高画素になるほど画素ピッチが微細化し、開口効率が低下することから、テレセントリック性がよりシビアになることが原因である。一方、条件式(5)’の下限を下回ると、コンパクト化を図ることが困難となる。
条件式(6)’の上限を上回ると、広角端と望遠端いずれもの周辺照度を良質に維持するためには高画素撮像素子を用いることが困難となる。これは、同一サイズの撮像素子の場合、高画素になるほど画素ピッチが微細化し、開口効率が低下するため、テレセントリック性がよりシビアになることが原因である。
但し、Y’:最大像高
TL:変倍域全域において、最も物体側面の面頂点から像面までの光軸上距離の最大値
条件式(14)の上限を上回ると、変倍を行う第2レンズ群102の移動量が小さくなるため、第2レンズ群102のパワーが強くなりすぎて、第2レンズ群102を構成する各レンズの曲率半径等の製造要件を満たすことが困難となる。また、条件式(14)の下限を下回ると、サイズ面から携帯端末等への搭載が難しくなる。
条件式(14)’の上限を上回ると、第2レンズ群102のパワーが強くなり、第2レンズ群102内の誤差感度の上昇を招くことになり、レンズ間調整が必要となってコスト高となる。一方、条件式(14)’の下限を下回ると、光学系のサイズアップだけでなく、変倍時の移動量増加に伴う駆動系の負荷も大きくなり、結果として駆動装置が大型化してしまう傾向がある。
但し、t2:広角端から望遠端への変倍時に第2レンズ群が移動する距離
条件式(15)の上限を上回ると、スミア防止に効果のあるメカニカルシャッターを配置するスペースが確保できず、また鏡筒構成も駆動群同士の接触を避けるため、複雑な形状となりコスト高となる。また、条件式(15)の下限を下回ると、第2レンズ群102の偏芯誤差感度が高くなって製造が困難となる傾向がある。
但し、Lb:望遠端において、最も撮像素子側に位置するパワーを有するレンズ面の面頂点から撮像素子面までの光軸上距離(空気換算長)
条件式(16)の上限を上回ると、長いバックフォーカスを確保するために第1レンズ群101の負パワーを強める必要が生じ、第1レンズ群101内の負レンズの曲率が大きくなって製造の困難性が高くなる。
[変倍光学系のその他の構成について]
次に、変倍光学系100の製法に関し、上記第1〜第4レンズ群101〜104を構成する各レンズの材質については特に制限はなく、上記アッベ数の最小値νpの要件を満たす光学材料であれば良く、各種ガラス材料や樹脂(プラスチック)材料を用いることができる。しかし、樹脂材料を用いれば、軽量で、且つインジェクションモールド等により大量生産が可能であることから、ガラス材料で作製する場合に比して、コストの抑制や変倍光学系100の軽量化の面で有利である。
<変倍光学系を組み込んだデジタル機器の説明>
次に、以上説明したような変倍光学系100が組み込まれたデジタル機器について説明する。図4は、本発明に係るデジタル機器の一実施形態を示す、カメラ付携帯電話機200の外観構成図である。なお、本発明において、デジタル機器としては、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、デジタルビデオユニット、携帯情報端末(PDA:Personal Digital Assistant)、パーソナルコンピュータ、モバイルコンピュータ、又はこれらの周辺機器(マウス、スキャナ、プリンタ等)を含むものとする。デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラは、被写体の映像を光学的に取り込んだ後、その映像につき半導体素子(撮像素子)を使って電気信号に変換し、デジタルデータとしてフラッシュメモリ等の記憶媒体に記憶する撮像レンズ装置である。更に本発明では、被写体の静止又は動きのある映像を光学的に取り込む、コンパクトな撮像レンズ装置を内蔵する仕様を備えた携帯電話機、携帯情報端末、パーソナルコンピュータ、モバイルコンピュータ、又はこれらの周辺機器も含んでいる。
<変倍光学系のより具体的な実施形態の説明>
以下、図1に示したような「負正負正」の変倍光学系100、すなわち図4に示したようなカメラ付携帯電話機200に搭載される撮像レンズ装置207を構成する変倍光学系100の具体的構成を、図面を参照しつつ説明する。
h:z軸に対して垂直な方向の高さ(h2=x2+y2)
c:近軸曲率(=1/曲率半径)
A,B,C,D,E,F:それぞれ4,6,8,10,12,14次の非球面係数
k:円錐係数
上記(17)式から分かるように、表1に示した非球面レンズに対する曲率半径は、レンズの面頂点付近の値を示している。また表2は、非球面とされている面(表1においてiに*が付された面)の円錐係数kと非球面係数A,B,C,Dの値とをそれぞれ示すものである。
、球面収差と非点収差の横軸は焦点位置のずれをmm単位で表しており、歪曲収差の横軸は歪量を全体に対する割合(%)で表している。球面収差の縦軸は、入射高で規格化した値で示してあるが、非点収差と歪曲収差の縦軸は像の高さ(像高)(単位mm)で表してある。
νp<40 ・・・(1)
0.7<f2/fw<2.0 ・・・(4)
但し、νp:前記第4レンズ群内の正レンズのアッベ数の最小値
f2:前記第2レンズ群の合成焦点距離
fw:広角端での全光学系の合成焦点距離
この構成によれば、最も物体側に位置する第1レンズ群が負の光学的パワーを持った、いわゆる負リードの光学系とされている。このため、物体側から大きな角度で入射してくる光線を、第1レンズ群の負の光学的パワーによりいち早く緩めることができ、光学全長や前玉径のサイズのコンパクト化を図る点で有利となる。さらに、負リードの構成では光学系のコンパクト化を図った場合でも、誤差感度の上昇を抑制し得る。これらの点は、変倍比が2〜3倍程度のズームレンズにおいて特に顕著となる。
但し、Npg:前記正レンズのd線屈折率
当該変倍光学系の像側に、光学像を電気的な信号に変換する撮像素子等の受光面が配置されるような場合、第3レンズ群以降のレンズ群に含まれる正レンズは、前記撮像素子へ導かれる入射光の入射角調整の役割を果たすことになる。そこで、前記正レンズとして、上記条件式(2)を満たすような高屈折硝材を用いる構成とすることで、広角端と望遠端とにおける撮像素子への入射角差を小さくし、かつ製造難易度を下げることができるようになる。なお、屈折率が条件式(2)の下限を下回ると、第4レンズ群の面角度が大きくなり、特にガラスレンズの場合には製造や評価が難しくなるためコスト高となる傾向が顕著となる。このように、変倍光学系の像側に受光面が配置される場合に、第4レンズ群に含まれる正レンズの屈折率を最適化することで、広角端と望遠端とにおける撮像素子への入射角差を小さくし、かつ変倍光学系の製造難易度を下げることができる。
但し、Npp:前記樹脂材料からなる正レンズのd線屈折率
当該変倍光学系において、生産コスト及び量産性が重要視される場合は、光学系を構成するレンズを樹脂材料で形成することが望ましい。この場合、第4レンズ群に含まれる正レンズについて、上記条件式(3)を満たすような屈折率を有する樹脂材料を用いる構成とすることで、倍率色収差の補正等を十分に行える光学系を構築できるようになる。なお、屈折率が条件式(3)の下限を下回ると、低分散の樹脂材料しか存在しなくなり、倍率色収差の補正を十分に行えなくなる傾向が顕著となる。
|αw−αt|<20 ・・・(6)
但し、αw:広角端において、撮像面への入射光線のうち最大像高での主光線の、像面に立てた垂線に対する角度(deg)
αt:望遠端において、撮像面への入射光線のうち最大像高での主光線の、像面に立てた垂線に対する角度(deg)
ここで、射出瞳位置が像面より物体側にある場合の主光線角度を正方向とする。
但し、f2n:前記第2レンズ群内の負レンズの焦点距離
f2p:前記第2レンズ群内の正レンズの焦点距離
この構成によれば、第2レンズ群が1枚の正レンズと1枚の負レンズで構成され、上記f2n/f2pを、条件式(7)を満たすようにすることで、これら各1枚のレンズで球面収差と軸上色収差の十分な補正が行われるようになる。また、物体側から正負の順で配置することで第2レンズ群の主点位置が第1レンズ群側に近付き、これにより変倍作用を保ったまま第2レンズ群の実質的パワーを軽減させることができるので、誤差感度の低減作用が期待できる。なお、条件式(7)の上限を上回ると、球面収差の補正が不足がちとなり、一方下限を下回ると、第2レンズ群の負レンズのパワーが強くなるため、倍率色収差が大きくなり、画質が低下する傾向が顕著となる。
但し、ΔZpi:前記アッベ数を有する正レンズの像側面において、最大有効半径での非球面サグ量
di:前記アッベ数を有する正レンズの像側面における最大有効半径
この構成によれば、上記ΔZpi/diの値が最適化される。ΔZpi/diが条件式(8)の上限を上回ると、レンズ周辺部での面角度が大きくなって、製造や製品評価が難しくなる。また、条件式(8)の下限を下回ると、広角端と望遠端とにおける撮像素子への入射角差を小さくすることができなくなり、周辺照度の低下傾向が顕在化する。さらに、前記正レンズの像側面に非球面を設けることで、特に歪曲収差の補正が効果的に行える。このように、レンズ周辺部での面角度を適正にできると共に、周辺照度の低下の問題を抑止できる。
1<fp/fw<8 ・・・(9)
但し、fp:前記アッベ数を有する正レンズの焦点距離
この構成によれば、上記fp/fwの値が最適化され、一層適正に倍率色収差を補正できるようになり、高品質な画像を撮像できるようになる。fp/fwが条件式(9)の上限を上回ると倍率色収差が十分に補正できなくなり、また、条件式(9)の下限を下回ると倍率色収差の補正を過剰に行ってしまう結果となり、いずれの場合も周辺画質の劣化傾向が顕著になる。
Claims (18)
- 物体側から順に配置された、負の光学的パワーを有する第1レンズ群、正の光学的パワーを有する第2レンズ群、負の光学的パワーを有する第3レンズ群、正の光学的パワーを有する第4レンズ群の4群で構成され、広角端から望遠端への変倍時に前記第1レンズ群と前記第2レンズ群との間隔が狭くなる変倍光学系において、
前記第4レンズ群は、1枚の正レンズからなり、
前記第4レンズ群内の正レンズが、下記(1)の条件式を満たし、
前記第2レンズ群が、下記(4)の条件式を満たし、
前記第2レンズ群は、物体側から順に、1枚の正レンズと1枚の負レンズとからなり、
下記(7)の条件式を満たすことを特徴とする変倍光学系。
νp<40 ・・・(1)
0.7<f2/fw<2.0 ・・・(4)
但し、νp:前記第4レンズ群内の正レンズのアッベ数の最小値
f2:前記第2レンズ群の合成焦点距離
fw:広角端での全光学系の合成焦点距離
0.7<|f2n/f2p|<1.8 ・・・(7)
但し、f2n:前記第2レンズ群内の負レンズの焦点距離
f2p:前記第2レンズ群内の正レンズの焦点距離 - 前記アッベ数を有する正レンズが、下記(2)の条件式を満たすことを特徴とする請求項1に記載の変倍光学系。
Npg>1.7 ・・・(2)
但し、Npg:前記正レンズのd線屈折率 - 前記アッベ数を有する正レンズが樹脂材料からなり、下記(3)の条件式を満たすことを特徴とする請求項1に記載の変倍光学系。
Npp>1.55 ・・・(3)
但し、Npp:前記樹脂材料からなる正レンズのd線屈折率 - 前記アッベ数を有する正レンズは、少なくとも1面の非球面を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の変倍光学系。
- 下記(5)及び(6)の条件式を満たすことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の変倍光学系。
0<αw<30 ・・・(5)
|αw−αt|<20 ・・・(6)
但し、αw:広角端において、撮像面への入射光線のうち最大像高での主光線の、像面に立てた垂線に対する角度(deg)
αt:望遠端において、撮像面への入射光線のうち最大像高での主光線の、像面に立てた垂線に対する角度(deg)
ここで、射出瞳位置が像面より物体側にある場合の主光線角度を正方向とする。 - 前記第4レンズ群は、広角端から望遠端への変倍時に固定されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の変倍光学系。
- 前記第1レンズ群は、広角端から望遠端への変倍時に固定されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の変倍光学系。
- 前記第2レンズ群の物体側に開口絞りを有し、前記開口絞りは、絞り径が固定とされていることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の変倍光学系。
- 前記アッベ数を有する正レンズが、物体側に凸のメニスカスレンズであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の変倍光学系。
- 前記アッベ数を有する正レンズの像側面は、非球面であり、下記(8)の条件式を満たすことを特徴とする請求項1〜9に記載の変倍光学系。
0.05<|ΔZpi/di|<0.25 ・・・(8)
但し、ΔZpi:前記アッベ数を有する正レンズの像側面において、最大有効半径での非球面サグ量
di:前記アッベ数を有する正レンズの像側面における最大有効半径 - 前記アッベ数を有する正レンズが、下記(9)の条件式を満たすことを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の変倍光学系。
1<fp/fw<8 ・・・(9)
但し、fp:前記アッベ数を有する正レンズの焦点距離 - 前記第1レンズ群は、物体側から順に、両面凹レンズ又は物体側に凸の負メニスカスレンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズとの2枚のレンズからなることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の変倍光学系。
- 前記第1レンズ群を物体側に移動させることで、無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングが行われることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の変倍光学系。
- 前記第3レンズ群又は第4レンズ群を物体側に移動させることで、無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングが行われることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の変倍光学系。
- 前記第2レンズ群が、接合レンズを含むことを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載の変倍光学系。
- 前記第1レンズ群が、接合レンズを含むことを特徴とする請求項1〜15のいずれかに記載の変倍光学系。
- 請求項1〜16のいずれかに記載の変倍光学系を用い、該変倍光学系が、所定の結像面上に被写体の光学像を形成可能な撮像レンズ装置と、
光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、
前記撮像レンズ装置及び撮像素子に被写体の静止画撮影及び動画撮影の少なくとも一方の撮影を行わせる制御部とを具備し、
前記撮像レンズ装置の変倍光学系が、前記撮像素子の受光面上に被写体の光学像を形成可能に組み付けられていることを特徴とするデジタル機器。 - 前記デジタル機器は、携帯端末であることを特徴とする請求項17に記載のデジタル機
器。
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