JP7148153B2 - 撮像用の光学系および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、カメラなどの撮像装置に好適な撮像用の光学系に関するものである。

日本国特許公開公報２０１２－０３２６２６号には、物体側から像側へ向かって順に、第１レンズ群、開口絞り、第２レンズ群を配設してなり、第１レンズ群は正の屈折力を有するか略アフォーカルで、第２レンズ群は正の屈折力を有する結像レンズにおいて、第１レンズ群を、物体側から像側へ向かって順に、第１ａレンズ群、第１ｂレンズ群、第１ｃレンズ群を配設して構成し、第２レンズ群を、物体側から像側へ向かって順に、第２ａレンズ群、第２ｂレンズ群、第２ｃレンズ群を配設して構成し、第２ｂレンズ群の、最も物体側の面を凹面、最も像側の面を凸面とした結像レンズが開示されている。

コンパクトデジタルカメラやミラーレスカメラにおいては、バックフォーカスが短く、コンパクトな撮像用のレンズシステム（光学系）が要望されている。例えば、３５ｍｍ換算時の焦点距離が３０ｍｍ前後の広角レンズで、バックフォーカスが短く、周辺光量も十分に確保された光学系であって、コンパクトな光学系が要望されている。

本発明の態様の１つは、開口絞りを挟んで物体側に配置された負の屈折力の第１のレンズ群と、像面側に配置された正の屈折力の第２のレンズ群と、第２のレンズ群の像面側に配置された正の屈折力の第３のレンズ群から構成された撮像用の光学系である。第１のレンズ群は、物体側から順番に配置された、像面側に凹の負の屈折力の第１のレンズと、像面側に凸の負の屈折力のメニスカスタイプの第２のレンズと、物体側に凸の正の屈折力の第３のレンズとから構成されており、第２のレンズ群は、物体側から順番に配置された、像面側に凸の正の屈折力の第４のレンズと、物体側に凸の負の屈折力のメニスカスタイプの第５のレンズと、物体側に凹の負の屈折力の第６のレンズとから構成されている。

この光学系は全体としてレトロフォーカスタイプであり、周辺光量を確保して明るいレンズシステムを得やすい。さらにこの光学系においては、開口絞りを挟んで、開口絞りの側から順に、開口絞りと反対側に凸の正の屈折力のレンズ（第３のレンズ、第４のレンズ）と、開口絞り側に凸の負のメニスカスレンズ（第２のレンズ、第５のレンズ）と、開口絞り側に凹の負のレンズ（第１のレンズ、第６のレンズ）という対称な構成を含む。すなわち、光学系は、開口絞りを挟んで、外側から、内側が凹の負のレンズ（第１のレンズ、第６のレンズ）、外側が凹で内側が凸の負のメニスカスレンズ（第２のレンズ、第５のレンズ）および外側が凸の正のレンズ（第３のレンズ、第４のレンズ）という対称な構成を含む。したがって、この光学系は、開口絞りを挟んで、収差補正に有効な対称なレンズ構成を採用するとともに、物体側の第１のレンズ群を負－正のレトロフォーカスタイプにすることが可能であり、さらに周辺光量を確保しやすい。

特に、この構成では、最も物体側に、マイナスリードの像面側に凹の負レンズと物体側に凹の負のメニスカスレンズにより、凹面が向かい合った負レンズの構成が実現されており、光軸から離れた光線を収集しやすいレンズ構成となっている。このため、光学系の中で最も口径が大きくなりがちな最も物体側のレンズ（第１のレンズ）の口径を小さくでき、例えば、最も像面側のレンズ径よりも小さくすることができる。したがって、コンパクトで、収差補正能力に優れ、さらに周辺光量も十分に確保され、明るく、Ｆ値（ＦＮｏ．）も小さい光学系を提供できる。

また、この構成は、開口絞りの像面側に隣接して正の屈折力のレンズを配置することが可能であり、その第４のレンズの焦点距離ｆ４の絶対値を、他のレンズの焦点距離の絶対値より小さくしてもよい。すなわち、最もパワーの大きなレンズを、第４のレンズとして開口絞りの像面側に隣接して配置してもよい。第４のレンズの焦点距離によりバックフォーカスを制御できる。また、第４のレンズと像面である撮像デバイスとの間にパワーの弱い複数のレンズを配置することにより、バックフォーカスが短く諸収差が良好に補正された光学系を提供できる。

第４のレンズの焦点距離ｆ４は、第４のレンズの像面側の面から像面までの距離Ｌ４ｉに対し以下の条件（１）を満たしてもよい。
０．２５＜ｆ４／Ｌ４ｉ＜０．７５ ・・・（１）
下限を下回ると第４のレンズのパワーが強すぎて他のレンズによる諸収差の補正が難しくなる。一方、上限を上回ると第４のレンズのパワーが弱すぎてバックフォーカスが長くなる。

第３のレンズ群はフォーカシングの際に移動するレンズ群であってもよい。光学系の全系の合成焦点距離ｆａと、第３のレンズ群の合成焦点距離ｆｇ３とが以下の条件（２）を満たしてもよい。
１．２＜ｆｇ３／ｆａ＜４．５ ・・・（２）
下限を下回ると第３のレンズ群のパワーが強すぎて諸収差の補正が難しくなる。上限を上回ると第３のレンズ群のパワーが不足して焦点調整が難しくなり、また、焦点調整のために移動する距離が長くなりバックフォーカスが長くなる。

第５のレンズは、物体側から、像面側に凸の正レンズと両凹の負レンズとからなる接合レンズであってもよい。正レンズのアッベ数ｐｆと、負レンズのアッベ数ｎｆとが以下の条件（３）を満たしてもよい。
０．３５＜ｎｆ／ｐｆ ・・・（３）
下限を下回ると色収差の補正が困難になる。

光学系を構成するいずれかのレンズを接合レンズ（バルサムレンズ）にすることは色収差の補正に有効である。しかしながら、パワーの確保が難しくなるため、第１のレンズ群のレンズあるいは第４のレンズを接合レンズにすることは光学系の全長を長くする要因になる。一方、第４のレンズより像面側のレンズはパワーが小さくてもよく、あるいはパワーが小さいことが望ましく、接合レンズにすることのディメリットは少ない。したがって、第５のレンズおよび第６のレンズの少なくともいずれかのみが接合レンズであってもよい。

本発明の他の態様の１つは、上記に記載の光学系と、光学系の像面側に配置された撮像素子とを有する撮像装置である。光学系は交換用レンズであってもよく、撮像装置は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ＴＶカメラ、アクションカメラを含む。

撮像用の光学系を含む撮像装置の概要を示す図。 図１に示す光学系のレンズデータを示す図。 図１に示す光学系の非球面のデータを示す図。 図１に示す光学系の諸収差を示す図。 図１に示す光学系の横収差を示す図。 撮像用の異なる光学系を含む撮像装置の概要を示す図。 図６に示す光学系のレンズデータを示す図。 図６に示す光学系の非球面のデータを示す図。 図６に示す光学系の諸収差を示す図。 図６に示す光学系の横収差を示す図。

発明の実施の形態

図１に、撮像用の光学系を備えた撮像装置（カメラ、カメラ装置）１の一例を示している。このカメラ１は、光学系（撮像光学系、結像光学系、レンズシステム）１０と、光学系１０の像面側（画像側、撮像側、結像側）１２に配置された撮像素子（撮像デバイス、像面）５とを有する。光学系１０は、光軸１５に沿って配置された７枚のレンズＬ１～Ｌ７を含む。レンズＬ５が接合レンズであり、接合レンズを構成するレンズＬ５－１およびＬ５－２を含めると、全体として８枚のレンズにより構成されている。これらのレンズＬ１～Ｌ７は、開口絞り（絞り）Ｓｔを挟んで物体側１１に配置された、全体として負の屈折力の第１のレンズ群Ｇ１と、像面側１２に配置された、全体として正の屈折力の第２のレンズ群Ｇ２と、第２のレンズ群Ｇ２の像面側１２に配置された正の屈折力の第３のレンズ群Ｇ３に分けて構成されている。第３のレンズ群Ｇ３はフォーカシング（Ｆ）の際に移動するレンズ群である。

第１のレンズ群Ｇ１は、物体側１１から順番に配置された、像面側１２に凹の負の屈折力の第１のレンズ（具体的には両凹の負レンズ）Ｌ１と、像面側１２に凸の負の屈折力のメニスカスタイプの第２のレンズＬ２と、物体側１１に凸の正の屈折力の第３のレンズ（具体的には正のメニスカスレンズ）Ｌ３とから構成されている。

第２のレンズ群Ｇ２は、物体側１１から順番に配置された、像面側１２に凸の正の屈折力の第４のレンズ（具体的には両凸の正レンズ）Ｌ４と、物体側１１に凸の負の屈折力のメニスカスタイプの第５のレンズＬ５と、物体側１１に凹の負の屈折力の第６のレンズ（具体的には像面側１２に凸の負のメニスカスレンズ）Ｌ６とから構成されている。第３のレンズ群Ｇ３は、両凸の正レンズＬ７の一枚構成である。

図２に、図１に示す光学系１０を構成する各レンズのデータを示している。曲率半径（Ｒｄｙ）は物体側１１から順に並んだ各レンズの各面Ｓｕの曲率半径（ｍｍ）、間隔Ｔｈｉは各レンズ面Ｓｕの間の距離（ｍｍ）、有効径Ｈ＊２は各レンズ面Ｓｕの有効径（直径、ｍｍ）、屈折率ｎｄは各レンズの屈折率（ｄ線）、アッベ数νｄは各レンズのアッベ数（ｄ線）、各レンズの焦点距離（ｍｍ）、各レンズ群の焦点距離（ｍｍ）を示している。なお、最終の間隔、本例においてはＴｈｉ１７が光学系１０と撮像デバイス５との距離（バックフォーカス、ＢＦ）を示す。以下においても同様である。

第３のレンズＬ３の両面Ｓｕ５およびＳｕ６、第６のレンズＬ６の両面Ｓｕ１３およびＳｕ１４が非球面であり、図３にそれぞれの面の非球面係数を示す。非球面は、Ｘを光軸方向の座標、Ｙを光軸と垂直方向の座標、光の進行方向を正、Ｒを近軸曲率半径とすると、図３に示した係数Ｋ、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを用いて次式で表わされる。以降の実施形態においても同様である。なお、「ｅｎ」は、「１０のｎ乗」を意味する。
Ｘ＝（１／Ｒ）Ｙ^２／［１＋｛１－（１＋Ｋ）（１／Ｒ）^２Ｙ^２｝^１／２］
＋ＡＹ^４＋ＢＹ^６＋ＣＹ^８＋ＤＹ^１０

図４に、光学系１０の球面収差、非点収差、歪曲収差を示している。球面収差は、波長４３５．８３００ｎｍ（二点鎖線）と、波長４８６．１３００ｎｍ（一点鎖線）と、波長５４６．０７００ｎｍ（破線）と、波長５８７．５６００ｎｍ（実線）と、６５６．２８００ｎｍ（長破線）とを示している。非点収差はタンジェンシャル光線Ｔとサジタル光線Ｓとを示している。図５に、光学系１０の倍率色収差（横収差）をタンジェンシャル光線およびサジタル光線のそれぞれについて、図４と同じ波長について示している。以下に示す収差図においても同様である。

この光学系１０の主な性能を示す数値は以下の通りである。
全体の合成焦点距離（ｆａ）： ４．８５（ｄ線基準の計算、以下同様）
全長（最も物体側の面から最も像面側の面までの距離）（ＡＬ）： １０．１２５ｍｍ
Ｆ値： ２．８
最大画角（半画角）： ３１．７度
イメージサークル： φ６ｍｍ
バックフォーカス（ＢＦ）： １．８７ｍｍ
第４のレンズＬ４の像面側の面Ｓｕ９から像面までの距離（Ｌ４ｉ）： ６．８８ｍｍ
第４のレンズＬ４の焦点距離ｆ４： ４．１９ｍｍ
第３のレンズ群の焦点距離ｆｇ３： ８．１１ｍｍ
条件（１）（ｆ４／Ｌ４ｉ）： ０．６１
条件（２）（ｆｇ３／ｆａ）： １．６７
条件（３）（ｎｆ／ｐｆ）： ０．５１

この光学系１０はレンズ７枚構成（バルサムを構成する両レンズを含めると８枚構成）で、焦点距離４．８５ｍｍ（３５ｍｍ換算時３５ｍｍ）、前玉径３．３ｍｍ、後玉径（直径）４．９ｍｍで、最大直径Ｈｍａｘが５ｍｍ以下、全長ＡＬが１０ｍｍ程度（１１ｍｍ以下）の超小型の広角レンズである。したがって、この光学系１０は、以下の条件（４）を満たす小型の光学系である。
４．０＜Ｈｍａｘ＜５．０
９．０＜ＡＬ＜１１．０・・・（４）
最大直径Ｈｍａｘおよび全長ＡＬの単位はｍｍであり、最大直径Ｍｍａｘは４．９ｍｍ以下であってもよい。また、全長ＡＬは１０．２ｍｍ以下であってもよい。

具体的には、この光学系１０は、全体として負－正－正のレトロフォーカスタイプのパワー配置を備えており、周辺光量を確保しやすく、バックフォーカスも確保しやすいタイプである。さらに、第１のレンズ群Ｇ１および第２のレンズ群Ｇ２に着目すると、開口絞りＳｔを挟んで、内側から、開口絞りＳｔと反対側に凸の正の屈折力のレンズＬ３およびＬ４、開口絞りＳｔ側に凸の負のメニスカスレンズＬ２およびＬ５と、開口絞りＳｔ側に凹の負のレンズＬ１およびＬ６が配置された対称な構成を含む。すなわち、光学系１０は、開口絞りＳｔを挟んで、負－負－正－絞り－正－負－負の対象なパワー配置を含む。さらに具体的には、開口絞りＳｔを中心として、外側から、内側が凹の負のレンズＬ１およびＬ６と、外側が凹で内側に凸の負のメニスカスレンズＬ２およびＬ５と、外側が凸の正のレンズＬ３およびＬ４とで構成された対称な構成を含む。

したがって、レンズ群Ｇ１およびＧ２により、開口絞りＳｔを中心として６枚のレンズＬ１～Ｌ６を対称に配置した構成が実現されており、諸収差を補正しやすい構成となっている。さらに、物体側１１においては、物体側１１の第１のレンズ群Ｇ１の物体側１１のレンズＬ１～Ｌ３を負－正のレトロフォーカスタイプにすることが可能であり、レンズ群Ｇ１の構成も、さらに周辺光量を確保しやすい構成となっている。

特に、この光学系１０の対称的な構成では、最も物体側１１に、マイナスリードの像面側１２に凹の負レンズＬ１と物体側１１に凹の負のメニスカスレンズＬ２という、凹面が向かい合った負レンズの構成が実現されており、光軸１５から離れた光線を収集しやすいレンズ構成となっている。このため、光学系１０の中で最も口径が大きくなりがちな最も物体側のレンズ（第１のレンズ）Ｌ１の口径を小さくでき、像面側１２のレンズＬ７のレンズ径よりも小さくできる。したがって、コンパクトで、収差補正能力に優れ、さらに周辺光量も十分に確保され、Ｆ値（ＦＮｏ．）が２．８程度と、小さく明るい光学系１０となっている。

したがって、この光学系１０は、前玉であるレンズＬ１の直径が３．３ｍｍと超小型のレンズシステムでありながら、十分な光量により明るい画像を像面５に結像できる。

さらに、この光学系１０の対称的な構成は、開口絞りＳｔの像面側１２に隣接して正の屈折力の第４のレンズＬ４が配置され、第４のレンズＬ４の焦点距離ｆ４の絶対値を、他のレンズの焦点距離の絶対値より小さくし、第４のレンズＬ４のパワーを最大にすることができる。開口絞りＳｔの像面側１２に最大のパワーの第４のレンズＬ４を配置することにより、第４のレンズＬ４からの像面である撮像デバイス５までの距離を制御し、第４のレンズＬ４と撮像デバイス５との間にパワーの弱いレンズを配置して諸収差を補正することにより、光学系１０と撮像デバイス５の間隔、すなわち、バックフォーカスＢＦが結果的に小さい光学系１０を提供できる。

第４のレンズＬ４のパワーが強すぎると諸収差の補正が困難になるが、本光学系１０の第４のレンズＬ４の焦点距離ｆ４は、条件（１）を満足しており、バックフォーカスＢＦが小さく、図４および図５に示すように、諸収差も良好に補正された、超小型の広角レンズとなっている。

また、この光学系１０においては、対称的な構成の像面側１２に正のパワーの第３のレンズ群Ｇ３を配置し、諸収差を補正するとともに、フォーカシング（合焦）のために動く構成を採用している。特に、第４のレンズＬ４の焦点距離ｆ４を条件（１）の範囲に設定し、第４のレンズＬ４から撮像デバイス５までの距離Ｌ４ｉを確保することにより、第３のレンズ群Ｇ３を配置している。また、第３のレンズ群Ｇ３を構成する第７のレンズＬ７の焦点距離は、条件（２）を満足しており、コンパクトな光学系１０であって、諸収差の補正が良好に行われ、フォーカシングも良好に行うことができる光学系１０となっている。

さらに、この光学系１０は、対称的な構成に含まれる第５のレンズＬ５を接合レンズ（バルサムレンズ）として、収差補正、特に色収差の補正を良好に行えるようにしている。また、第５のレンズＬ５を構成するレンズＬ５－１およびＬ５－２は、条件（３）を満足しており、色収差の補正に寄与している。第５のレンズＬ５は、最もパワーの強い第４のレンズＬ４の像面側１２に配置されたレンズであり、パワーが弱くてもよく、あるいはパワーが弱い方が好ましく、色収差の補正に適しており、また、パワーが弱くても光学系１０の全長が延びるような影響は与えにくい。一方、第４のレンズＬ４の物体側１１にパワーの弱いレンズを配置することは光学系１０の全長が長くなる要因となる。したがって、この光学系１０は、コンパクトで色収差も良好に補正された光学系１０として適した構成となっている。

図６に、異なる撮像用の光学系１０を備えたカメラ１の例を示している。この光学系１０も実施例１の光学系（レンズシステム）と同様に、超小型の広角レンズであり、開口絞り（絞り）Ｓｔを挟んで物体側１１に配置された、全体として負の屈折力の第１のレンズ群Ｇ１と、像面側１２に配置された、全体として正の屈折力の第２のレンズ群Ｇ２と、さらに像面側１２に配置された正の屈折力の第３のレンズ群Ｇ３とから構成されている。

この光学系１０も光軸１５に沿って配置された７枚のレンズＬ１～Ｌ７を含む。レンズＬ５が接合レンズであり、接合レンズを構成するレンズＬ５－１およびＬ５－２を含めると、全体として８枚のレンズにより構成されている。

第１のレンズ群Ｇ１は、物体側１１から順番に配置された、像面側１２に凹の負の屈折力の第１のレンズ（具体的には物体側１１に凸の負のメニスカスレンズ）Ｌ１と、像面側１２に凸の負の屈折力のメニスカスタイプの第２のレンズＬ２と、物体側１１に凸の正の屈折力の第３のレンズ（具体的には両凸の正レンズ）Ｌ３とから構成されている。

第２のレンズ群Ｇ２は、物体側１１から順番に配置された、像面側１２に凸の正の屈折力の第４のレンズ（具体的には両凸の正レンズ）Ｌ４と、物体側１１に凸の負の屈折力のメニスカスタイプの第５のレンズＬ５と、物体側１１に凹の負の屈折力の第６のレンズ（具体的には像面側１２に凸の負のメニスカスレンズ）Ｌ６とから構成されている。第３のレンズ群Ｇ３は、両凸の正レンズＬ７の一枚構成である。

図７に、図６に示す光学系１０を構成する各レンズのデータを示している。図８には、非球面のデータを示し、図９に、光学系１０の球面収差、非点収差、歪曲収差を示し、図１０に、光学系１０の倍率色収差（横収差）をタンジェンシャル光線およびサジタル光線のそれぞれについて示している。

この光学系１０の主な性能を示す数値は以下の通りである。
全体の合成焦点距離（ｆａ）： ３．３３（ｄ線基準の計算、以下同様）
全長（ＡＬ）： ９．９３０ｍｍ
Ｆ値： ２．８
最大画角（半画角）： ４２．０度
イメージサークル： φ６ｍｍ
バックフォーカス（ＢＦ）： ２．０８ｍｍ
第４のレンズＬ４の面Ｓｕ９から像面までの距離（Ｌ４ｉ）：６．５５ｍｍ
第４のレンズＬ４の焦点距離ｆ４： ４．５５ｍｍ
第３のレンズ群の焦点距離ｆｇ３： ８．１１ｍｍ
条件（１）： ０．６９
条件（２）： ２．４４
条件（３）： ０．５１

この撮像光学系１０は、焦点距離３．３３ｍｍ（３５ｍｍ換算時２４ｍｍ）、前玉径３．７ｍｍ、後玉径（直径）４．４２ｍｍで、最大直径Ｈｍａｘが４．５ｍｍ以下、全長ＡＬが１０ｍｍ以下の超小型の広角レンズである。この撮像光学系１０も条件（１）～（４）をすべて満足する光学系であり、全体として、負－正－正のレトロフォーカスタイプで、さらに、上記の例と同様に、開口絞りＳｔを挟んで配置された第１のレンズ群Ｇ１および第２のレンズ群Ｇ２により、外側から、内側が凹の負のレンズＬ１およびＬ６と、外側が凹で内側に凸の負のメニスカスレンズＬ２およびＬ５と、外側が凸の正のレンズＬ３およびＬ４とで構成された対称な構成を含む。したがって、物体側１１においては、良好に収差補正ができるとともに周辺光量を確保しやすい構成であり、小型でありながら、Ｆ値が２．８程度と、小さく明るい光学系１０となっている。

また、開口絞りＳｔの像面側１２に隣接して、最もパワーの大きな正の屈折力の第４のレンズＬ４が配置されており、バックフォーカスＢＦが短く、図９および図１０に示すように、収差が良好に補正された撮像光学系（レンズシステム）１０を提供できる。

Claims (7)

1. 開口絞りを挟んで物体側に配置された負の屈折力の第１のレンズ群と、像面側に配置された正の屈折力の第２のレンズ群と、前記第２のレンズ群の像面側に配置された正の屈折力の第３のレンズ群とから構成された撮像用の光学系であって、
   前記第１のレンズ群は、物体側から順番に配置された、像面側が凹の負の屈折力の第１のレンズと、像面側に凸の負の屈折力のメニスカスタイプの第２のレンズと、物体側に凸の正の屈折力の第３のレンズとから構成されており、
   前記第２のレンズ群は、物体側から順番に配置された、像面側に凸の正の屈折力の第４のレンズと、物体側に凸の負の屈折力のメニスカスタイプの第５のレンズと、物体側に凹の負の屈折力の第６のレンズとから構成され、前記第５のレンズは、物体側から、像面側に凸の正レンズと両凹の負レンズとからなる接合レンズであり、
   前記第３のレンズ群は、両凸の正の屈折力の第７のレンズから構成されている、光学系。
2. 請求項１において、
   前記第４のレンズは、絶対値で、他のレンズの焦点距離より小さい焦点距離ｆ４を含む、光学系。
3. 請求項１または２において、
   前記第４のレンズの焦点距離ｆ４は、前記第４のレンズの像面側の面から像面までの距離Ｌ４ｉに対し以下の条件を満たす、光学系。
   ０．２５＜ｆ４／Ｌ４ｉ＜０．７５
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記第３のレンズ群はフォーカシングの際に移動するレンズ群であって、当該光学系の全系の合成焦点距離ｆａと、前記第３のレンズ群の合成焦点距離ｆｇ３とが以下の条件を満たす、光学系。
   １．２＜ｆｇ３／ｆａ＜４．５
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記第２のレンズ群の前記接合レンズの前記正レンズのアッベ数ｐｆと、前記負レンズのアッベ数ｎｆとが以下の条件を満たす、光学系。
   ０．３５＜ｎｆ／ｐｆ
6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
   当該光学系の最大直径Ｈｍａｘおよび全長ＡＬが以下の条件を満たす、光学系。
   ４．０＜Ｈｍａｘ＜５．０
   ９．０＜ＡＬ＜１１．０
   ただし、最大直径Ｈｍａｘおよび全長ＡＬの単位はｍｍである。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の光学系と、
   前記光学系の像面側に配置された撮像素子とを有する撮像装置。

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