JP2005134746A - ズームレンズ及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体撮像素子を用いた撮影系に好適な、構成レンズ枚数の少ない、コンパクト、高変倍比で、優れた光学性能を有するズームレンズを得ること。
【解決手段】 物体側より像側へ順に、負の屈折力の第１レンズ群Ｌ１、正の屈折力の第２レンズ群Ｌ２、正の屈折力の第３レンズ群Ｌ３より成り、各レンズ群の間隔を変化させてズーミングを行うズームレンズにおいて、
該第１レンズ群Ｌ１は、負の屈折力の第１１レンズと正の屈折力の第１２レンズより成り、該第１１レンズは１面以上の非球面を有しており、該第１１レンズの材料の屈折率をＮｇ１とするとき、
１．８３＜Ｎｇ１
の条件を満足すること。
【選択図】図１

Description

本発明はズームレンズに関し、特にビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮像装置に好適なものである。

近年、固体撮像素子を用いたビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の撮像装置の高機能化にともない、それらに用いる撮影光学系としてコンパクトで高解像なズームレンズが要求されている。

一般にデジタルスチルカメラやビデオカメラ等のＣＣＤセンサ等の固体撮像素子を用いた撮像装置（光学機器）に使用されるコンパクトなズームレンズとして、物体側から像側へ順に、負、正、正の屈折力の３つのレンズ群を有し、広角端より望遠端へのズーミング中、第２レンズ群と第３レンズ群の間隔が広がるズームレンズが知られている（例えば特許文献１）。

又、物体側から像側へ順に、負、正、正の屈折力の３つのレンズ群を有し、広角端より望遠端へのズーミング中、第２レンズ群と第３レンズ群の間隔が減少するズームレンズが知られている（例えば特許文献２）。

又、物体側より像側へ順に、負、正、正の屈折力の３つのレンズ群を有するズームレンズで、第１レンズ群中に３枚以上のレンズを有し、かつ１以上の非球面を有するズームレンズが知られている（例えば特許文献３、４）。

又、物体側より像側へ順に、負、正、正の屈折力の３つのレンズ群を有するズームレンズで、第２レンズ群を正の屈折力のレンズと負の屈折力のレンズで構成したズームレンズが知られている（例えば特許文献５、６）。

又、物体側より像側へ順に、負、正、正の屈折力の３つのレンズ群を有するズームレンズで、第２レンズ群でフォーカスを行うズームレンズが知られている（例えば特許文献７、８）。
特開平７−５２２５６号公報 米国特許第５４３４７１０号公報 特開平１０−２１３７４５号公報 特開２００１−１００９８号公報 特開平１１−５２２３７号公報 特開２０００−９９９９号公報 特開２０００−１３７１６４号公報 特開２０００−１４７３８１号公報

近年、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等に用いるズームレンズとして撮像装置の小型化と撮像素子の高画素化に伴って、高い光学性能を有しかつレンズ系全体が小型のものが要望されている。又、ビデオカメラで高画質で静止画像を記録することが望まれてきており、高い光学性能でありながら小型なレンズ系が要求されている。

一般にネガティブリード型のズームレンズにおいて、各レンズ群の屈折力配置、各レンズ群のレンズ構成、そして非球面を用いるときは非球面を設ける面等を適切に設定しないと、レンズ系全体のレンズ枚数を少なくし、レンズ構成の簡素化を図りつつ、広画角化を図りつつ全ズーム域にわたり良好なる光学性能を得るのが難しくなってくる。

本発明は、所望の変倍比を得つつ、例えば高画素の固体撮像素子を用いたときにも、十分対応できる高い光学性能を有するズームレンズの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のズームレンズは、
物体側より像側へ順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群より成り、各レンズ群の間隔を変化させてズーミングを行うズームレンズにおいて、
該第１レンズ群は、負の屈折力の第１１レンズと正の屈折力の第１２レンズより成り、該第１１レンズは１面以上の非球面を有しており、該第１１レンズの材料の屈折率をＮｇ１とするとき、
１．８３＜Ｎｇ１
の条件を満足することを特徴としている。

本発明のズームレンズは、構成レンズ枚数が少なく、コンパクトで全変倍範囲にわたり優れた光学性能を得ることができるという特徴がある。

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について説明する。

図１は本発明の実施例１のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図２、図３、図４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５は本発明の実施例２のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図６、図７、図８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９、図１０は本発明のズームレンズを備えるビデオカメラとデジタルスチルカメラ（撮像装置）の要部概略図である。

各実施例のズームレンズは撮像装置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、左方が被写体側（前方）で、右方が像側（後方）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の物体側に位置している。

Ｇは光学フィルター、フェースプレート等に相当する光学ブロックである。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、銀塩フィルム用カメラの撮影光学系として使用する際にはフィルム面に相当する感光面が置かれる。

収差図において、ｄ、ｇは各々ｄ線及びｇ線、ΔＭ、ΔＳはメリジオナル像面、サジタル像面、倍率色収差はｇ線によって表している。

尚、以下の各実施例において広角端と望遠端のズーム位置は変倍用レンズ群（各実施例では第２、第３レンズ群Ｌ２、Ｌ３）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。

各実施例において、広角端から望遠端へのズーミングに際して、第１レンズ群Ｌ１は、広角端のズーム位置から中間のズーム位置までは像側へ移動し、中間のズーム位置から望遠端のズーム位置までは物体側へ移動する。即ち像側に凸状の軌跡の一部を有するように移動する。このとき第１レンズ群Ｌ１は、広角端のズーム位置におけるレンズ全長が望遠端のズーム位置におけるレンズ全長に比べて長くなるような往復移動している。第２レンズ群Ｌ２は、物体側へ移動し、第３レンズ群Ｌ３は物体側へ移動する。

各実施例では、広角端に対し望遠端での第１レンズ群Ｌ１と第２レンズ群Ｌ２の間隔が小さくなるように、又、第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３の間隔が大きくなるように第１、第２、第３レンズ群Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が移動している。

開口絞りＳＰは第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３の間に配置され、ズーミングに際し第２レンズ群Ｌ２と一体で移動することでメカ構造の簡素化を達成している。

無限遠物体から近距離物体へのフォーカスは、第３レンズ群Ｌ３を物体側へ繰り出すことによって行っている。

第１レンズ群Ｌ１は、物体側より像側へ順に、像側の面がレンズ中心部からレンズ周辺部にかけて負の屈折力が弱くなる形状の非球面より成り、物体側に比べ像側の面の屈折力の絶対値が大きく、物体側の面が凸のメニスカス形状の負の屈折力の第１１レンズ、物体側の面が凸のメニスカス形状より成る正の屈折力の第１２レンズより成っている。

第２レンズ群Ｌ２は、物体側より像側へ順に、像側に比べ物体側の面の屈折力の絶対値が大きく、物体側の面が凸で非球面の正の屈折力の第２１レンズ、物体側に比べ像側の面の屈折力の絶対値が大きく、像側の面が凹形状で非球面の負の屈折力の第２２レンズより成っている。

第３レンズ群Ｌ３は、球面より成る正の屈折力の第３１レンズより成っている。

各レンズ群は、正の屈折力の第１２レンズに高屈折率高分散材料を用い、負の屈折力の第２２レンズに高屈折率高分散材料を用いることにより、全ズーム域における軸上色収差を良好に補正している。

第１１レンズの材料の屈折率をＮｇ１、無限遠物体に合焦しているときの広角端と望遠端のズーム位置における第２レンズ群と第３レンズ群の間隔を各々ｄ２３ｗ、ｄ２３ｔ、広角端と望遠端のズーム位置における全系の焦点距離を各々ｆｗ、ｆｔ、第１１レンズの像側の面の近軸曲率半径をＲ２、第１１レンズと第１２レンズとの間隔をＤａ、第１レンズ群の焦点距離をｆ１、第２１レンズと第２２レンズの材料のアッベ数を各々ν２１、ν２２とするとき、
１．８３＜Ｎｇ１ ・・・・・（１）
０．２＜ｄ２３ｗ／ｆｗ＜０．６ ・・・・・（２）
０．２＜ｄ２３ｔ／ｆｔ＜０．６ ・・・・・（３）
−０．４０＜Ｄａ／ｆ１＜−０．３５ ・・・・・（４）
０．６５＜Ｒ２／ｆｗ＜０．７５ ・・・・・（５）
−２．１５＜ｆ１／ｆｗ＜−１．８５ ・・・・・（６）
１５＜ν２１−ν２２ ・・・・・（７）
なる条件式のうち１以上満足している。

次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。

条件式（１）は第１１レンズの材料の屈折率に関し、主に像面湾曲を良好に補正するためのものである。

条件式（１）の下限値を超えて第１１レンズの材料の屈折率が低くなると、ペッツバール和が悪化して、広角端のズーム位置における像面湾曲の補正が困難になってくる。

条件式（２）、（３）は、広角端と望遠端のズーム位置における第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３との間隔に関し、主にズームレンズ全系の小型化を容易にする為のものである。

条件式（２）の上限値を超えて間隔ｄ２３ｗが大きくなりすぎると第２レンズ群が絞りよりも離れる為、軸外光線による有効径が増大し、第２レンズ群Ｌ２が大型化してくるので良くない。

条件式（２）の下限値を超えて間隔ｄ２３ｗが小さくなりすぎると、広角端のズーム位置において射出瞳位置が短くなりすぎてくるので、シェーディングの影響が大きくなるので良くない。

条件式（３）の上限値を超えて間隔ｄ２３ｔが大きくなりすぎると、望遠端において、第３レンズ群Ｌ３が絞りＳＰより離れすぎる為、第３レンズ群Ｌ３の有効径が増大してくるので良くない。

条件式（３）の下限値を超えて間隔ｄ２３ｔが小さくなりすぎると、第３レンズ群Ｌ３でフォカシングを行った際、近距離物体で第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３が機械的に干渉してくるので良くない。

条件式（４）の上限値を超えると、第１レンズ群Ｌ１の厚みの増大により前玉径が大型化し、レンズ系全体が大型化してくるので良くない。

又、条件式（４）の下限値を超えて第１レンズ群Ｌ１の厚みが薄くなると第１１レンズと第１２レンズ間のホルダーが薄くなるので、強度が不足してくるので良くない。

条件式（５）の上限値を超えるとレンズ製造上の難度が高くなり、必要な性能を確保する為の加工精度が確保できなくなってくる。

条件式（５）の下限値を超えると前玉径が増大してくるので良くない。

条件式（６）は第１レンズ群Ｌ１の焦点距離に関し、主に像面湾曲を良好に補正する為のものである。条件式（６）の上限値を超えると、全ズーム域において像面湾曲の良好なる補正が困難になってくる。

又、条件式（６）の下限値を超えると、広角端のズーム位置におけるレンズ全長が増大する傾向となるので良くない。

条件式（７）を外れるとズーミングに伴う色収差の変動が大きくなってくるので良くない。

尚、更に好ましくは条件式（１）〜（７）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

１．８４＜Ｎｇ１ ・・・・・（１ａ）
０．２＜ｄ２３ｗ／ｆｗ＜０．４ ・・・・・（２ａ）
０．２＜ｄ２３ｔ／ｆｔ＜０．４ ・・・・・（３ａ）
−０．３９５＜Ｄａ／ｆ１＜−０．３５５ ・・・（４ａ）
０．７１＜Ｒ２／ｆｗ＜０．７４ ・・・・・（５ａ）
−２．０５＜ｆ１／ｆｗ＜−１．９１ ・・・・・（６ａ）
２０＜ν２１−ν２２ ・・・・・（７ａ）
以上のように各実施例によれば、各レンズ群のレンズ構成、非球面の位置、ズーミングに際しての各レンズ群の移動方法、又フォーカシング方法を最適に設定することにより、レンズ枚数の削減を計り、レンズ全長の短縮化を達成したにもかかわらず、２倍程度の変倍比を有しつつ、明るく、高い光学性能を有し、広角域のズーム領域を含んだ、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等に適したズームレンズが得られる。

以下に、本発明の実施例１〜３に各々対応する数値実施例１〜３を示す。各数値実施例において、ｉは物体側からの面の順番を示し、Ｒｉは各面の曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面との間の部材肉厚又は空気間隔、Ｎｉ、νｉはそれぞれｄ線に対する屈折率、アッベ数を示す。また、最も像側の２つの面は水晶ローパスフィルター、赤外カットフィルター等に相当するガラスブロックＧである。非球面形状は光軸からの高さＨの位置での光軸方向の変位を面頂点を基準にしてＸとするとき、

で表わされる。但しＲは近軸曲率半径、Ｋは円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは非球面係数である。

又、［ｅ−０Ｘ］は［×１０^−Ｘ］を意味している。ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角である。

又、前述の各条件式と数値実施例における諸収差との関係を表１に示す。

次に本発明のズームレンズを撮影光学系として用いたビデオカメラとデジタルスチルカメラの実施形態を図９、図１０を用いて説明する。

図９において、１０はビデオカメラ本体、１１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、１２は撮影光学系１１によって被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）、１３は撮像素子１２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記憶するメモリ、１４は不図示の表示素子に表示された被写体像を観察するためのファインダーである。上記表示素子は液晶パネル等によって構成され、撮像素子１２上に形成された被写体像が表示される。

図１０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、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を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光学変換素子）、２３は固体撮像素子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である。

このように本発明のズームレンズをビデオカメラや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が実現できる。

実施形態１のズームレンズの光学断面図。 実施形態１のズームレンズの広角端での収差図。 実施形態１のズームレンズの中間のズーム位置での収差図。 実施形態１のズームレンズの望遠端での収差図。 実施形態２のズームレンズの光学断面図。 実施形態２のズームレンズの広角端での収差図。 実施形態２のズームレンズの中間のズーム位置での収差図。 実施形態２のズームレンズの望遠端での収差図。 本発明の撮像装置の要部概略図。 本発明の撮像装置の要部概略図。

符号の説明

Ｌ１ 第１レンズ群
Ｌ２ 第２レンズ群
Ｌ３ 第３レンズ群
ＳＰ 絞り
ＩＰ 像面
Ｇ ガラスブロック
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＳ サジタル像面
ΔＭ メリディオナル像面

Claims (11)

1. 物体側より像側へ順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群より成り、各レンズ群の間隔を変化させてズーミングを行うズームレンズにおいて、
   該第１レンズ群は、負の屈折力の第１１レンズと正の屈折力の第１２レンズより成り、該第１１レンズは１面以上の非球面を有しており、該第１１レンズの材料の屈折率をＮｇ１とするとき、
   １．８３＜Ｎｇ１
   の条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
2. 前記第１１レンズは、物体側に比べ像側の面の屈折力の絶対値が大きい形状より成り、前記第１２レンズは、物体側の面が凸でメニスカス形状より成ることを特徴とする請求項１のズームレンズ。
3. 前記第２レンズ群の物体側に絞りを有し、該第２レンズ群は、物体側から像側へ順に、正の屈折力の第２１レンズ、負の屈折力の第２２レンズより成り、
   無限遠物体に合焦しているときの広角端と望遠端のズーム位置における該第２レンズ群と前記第３レンズ群の間隔を各々ｄ２３ｗ、ｄ２３ｔ、広角端と望遠端のズーム位置における全系の焦点距離を各々ｆｗ、ｆｔとするとき、
   ０．２＜ｄ２３ｗ／ｆｗ＜０．６
   ０．２＜ｄ２３ｔ／ｆｔ＜０．６
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２のズームレンズ。
4. 前記第２レンズ群は２つのレンズを有し、このうちの２つのレンズは、非球面を有することを特徴とする請求項１、２又は３のズームレンズ。
5. 前記第３レンズ群は、球面より成る正の屈折力の第３１レンズから成ることを特徴とする請求項１、２、３又は４のズームレンズ。
6. 前記第３レンズ群を移動させてフォーカスを行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項のズームレンズ。
7. 前記第１１レンズの像側の面の近軸曲率半径をＲ２、該第１１レンズと前記第１２レンズとの間隔をＤａ、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１、広角端のズーム位置における全系の焦点距離をｆｗとするとき、
   −０．４０＜Ｄａ／ｆ１＜−０．３５
   ０．６５＜Ｒ２／ｆｗ＜０．７５
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項のズームレンズ。
8. 前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１、広角端のズーム位置における全系の焦点距離をｆｗとするとき、
   −２．１５＜ｆ１／ｆｗ＜−１．８５
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項のズームレンズ。
9. 前記第２レンズ群は、物体側から像側へ順に、正の屈折力の第２１レンズ、負の屈折力の第２２レンズより成り、
   該第２１レンズの材料のアッベ数をν２１、該第２２レンズの材料のアッベ数をν２２とするとき、
   １５＜ν２１−ν２２
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項のズームレンズ。
10. 固体撮像素子の感光面上に像を形成することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項のズームレンズ。
11. 請求項１から１０のいずれか１項のズームレンズと該ズームレンズによって形成される像を受光する固体撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。