JP2005141017A - レンズシステムおよびカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＣＤなどの撮像素子を用いたデジタルカメラに適した小型で低コストのレンズシステムを提供する。
【解決手段】 物体側８から順に負の屈折力の第１のレンズ群Ｇ１と、正の屈折力の第２のレンズ群Ｇ２と、正の屈折力の第３のレンズ群Ｇ３とにより構成されるレンズシステム１において、第２のレンズ群Ｇ２を、物体側から両凸の正レンズＬ２１、両凹の負レンズＬ２２、物体側８に凹面を向けた負のメニスカスレンズＬ２３とで構成し、諸収差が良好に補正された、低コストのレンズシステムを提供可能とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＣＣＤなどの撮像素子に被写体像を結像するのに適したレンズシステムに関するものである。

ＣＣＤなどの撮像素子を用いたデジタルカメラ用のレンズシステムとしては、像側をテレセントリックにしやすいレトロフォーカス型が適している。負正正の３群構成のズームレンズは、簡易な構成でレンズシステム全体を小型化することが可能であり、以下の特許文献１〜６に示すような提案がされている。
特開平６−９４９９６号公報 特開平１０−１７０８２６号公報 特開平１０−１３３１１５号公報 特開平１１−１７４３２２号公報 特開２００２−２６７９３０号公報 特開平１１−２８７９５３号公報

特開平６−９４９９６号公報、特開平１０−１７０８２６号公報、特開平１０−１３３１１５号公報、特開平１１−１７４３２２号公報および特開２００２−２６７９３０号公報に記載されたレンズシステムは、物体側（被写体側）から像側に向かって順番に、負の屈折力の第１のレンズ群、正の屈折力の第２のレンズ群、および正の屈折力の第３のレンズ群が配置された、全体が３群の簡易な構成ではあるが、ズームする際に最も移動する中間の第２のレンズ群が４枚以上のレンズで構成されており、レンズシステム全体のサイズを十分には小型化できず、またコスト高となるという問題がある。

特開平１１−２８７９５３号公報に記載されたズームレンズは、中間の２群を３枚構成とし、上記のレンズシステムに対して、コンパクトで低コストのレンズシステムを提供可能としている。特開平１１−２８７９５３号公報に記載されたズームレンズの２群は、両凸の正レンズまたは物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズと、両凹の負レンズと、両凸の正レンズから構成され、少ない枚数のレンズで色収差、像面湾曲および非点収差といった諸収差を補正し易い構成となっている。この構成は、基本的にトリプレットと称される構成に類似しており、正レンズを２枚採用することにより、像面平坦化のためにペッツバール（Petzval）和を補正する強い負のパワーを持つ面を備えた負レンズを採用できる構成となっている。

しかしながら、その半面、２群の負レンズのパワーが強いので、収差を補正しすぎる傾向があり、特に、ズームにより２群が移動した際の収差補正を１群と３群とで行うことが難しい構成となっている。例えば、温度変化により各レンズのパワーが変動するとレンズシステム全体の性能の悪化が懸念される。特に、両凹の負レンズは、像面湾曲収差を補正する点からは凸レンズから負の面までの距離を確保し、さらに曲率の大きな面を形成する必要があるため、レンズが厚く大きくなり、曲率も大きいので温度変化による影響を受け易い。したがって、低コストで軽量のプラスチックレンズで構成することは難しい。

このため、本発明においては、さらに、軽量化および低コスト化が可能なレンズシステムを提供することを目的としている。また、本発明においては、ズーミングおよび温度変化に対してもさらに安定した性能を発揮することが可能な、簡易な構成で低コストのレンズシステムを提供することを目的としている。

このため、本発明においては、第２のレンズ群を、物体側から順に、両凸の正レンズと、両凹の負レンズと、物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズとにより構成する。すなわち、本発明のレンズシステムは、物体側から像側に順に負の屈折力の第１のレンズ群と、正の屈折力の第２のレンズ群と、正の屈折力の第３のレンズ群とにより構成されるレンズシステムであって、第２のレンズ群は、物体側から順に、両凸の正レンズと、両凹の負レンズと、物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズとにより構成されている。

トリプレットに代表されるペッツバール和を良好に補正できるレンズ群は、正−負−正の構成であるが、面単位の構成で考えると、物体側に凸の正のパワーの面と、像側に凸の正のパワーの面との間に、負のパワーの面を配置することによりほぼ同等の効果を得ることができる。したがって、本発明においては、物体側の両凸の正レンズを配置して物体側の凸の正のパワーの面を形成し、像側に、物体側に凹面、すなわち、像側に凸面を向けた負のメニスカスレンズを配置することにより物体側に凸の正のパワーの面を形成している。そして、負のメニスカスレンズの物体側の凹面を、物体側の凸の正のパワーの面から距離を開けて配置された曲率の大きな負のパワーの面として利用しつつ、レンズ自身の負の屈折力を抑えている。したがって、弱いパワーの負のメニスカスレンズでペッツバール和を良好に補正できるレンズ群が形成できる。

さらに、両凸の正レンズと、両凹の負レンズとにより色収差も良好に補正することが可能である。このため、本発明のレンズシステムを、第２のレンズ群が移動するズームレンズとしたときに、移動中の第２のレンズ群により色収差、像面湾曲、非点収差などの諸収差を良好に補正することが可能となる。また、第２のレンズ群における負のパワーも適当な範囲に収めることができるので、負のパワーによる諸収差の発生および補正の範囲も、第１および第３のレンズ群との関係において適当な範囲に収めることができ、広角端から望遠端の全域にわたって良好な収差補正がされたレンズシステムを提供できる。ズーミングは、第１のレンズ群および／または第２のレンズ群を、広角端から望遠端へ変倍する際に、第１および第２のレンズ群の空気間隔が減少し、第２および第３のレンズ群の空気間隔が増加することで行われる。

両凸の正レンズと、両凹の負レンズの最も簡易な構成例は、貼り合わせることである。両凸の正レンズと、両凹の負レンズとをダブレットにすることにより、第２のレンズ群の構成はさらに簡略化される。

本発明のレンズシステムにおいて、第２のレンズ群を構成する負レンズ、特に、負のメニスカスレンズのパワーは小さい。また、負のメニスカスレンズは薄くできる。したがって、温度の影響は受け難い構成であり、環境の変化に対して安定した結像性能を備えたレンズシステムを本発明により提供できる。また、温度変化の影響を受け難いので、負のメニスカスレンズをプラスチックレンズにすることが可能であり、また、非球面を導入するのに適した構成となる。したがって、安定した結像性能を備えた軽量のレンズシステムを低コストで提供することが可能となる。

本発明のレンズシステムは、負−正−正というレトロフォーカスタイプのレンズシステムであり、像側をテレセントリックにし易いので、ＣＣＤなどの撮像素子を用いたデジタルカメラに適した構成である。したがって、本発明のレンズシステムと、このレンズシステムの像側に配置された撮像素子とを有するカメラは、軽量で、低コストであり、さらに、温度などの環境の変化に対して安定した性能を発揮できるものとなる。

以上に説明したように、本発明のレンズシステムは、物体側から、負−正−正の構成であり、ＣＣＤなどの撮像素子を用いたデジタルカメラ用に良好なテレセントリック性を備えたレンズシステムである。さらに、第２のレンズ群は、両凸の正レンズ、両凹の負レンズ、および物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズにより構成されており、負のパワーの成分を大幅に増加させずに諸収差を補正できる構成となっている。このため、ズームレンズとして第２のレンズ群を移動させたときに、広角端から望遠端にわたり安定した性能が得られるレンズシステムである。

（実施例１）
図１に本発明のレンズシステム１を備えたデジタルカメラ１０を示し、図２にレンズシステム１の具体的な構成を示してある。デジタルカメラ１０は、レンズシステム１の像側に配置されたＣＣＤ１１を備えており、レンズシステム１によりＣＣＤ１１に結像された物体の画像情報をデジタル信号に変換し、適当な記録媒体に記録したり、インターネットなどのコンピュータネットワークを介して提供することができる。

本例のレンズシステム１は、ズームレンズとして機能し、図２に広角端（短焦点距離端）のレンズ配置を示し、矢印で望遠端（長焦点距離端）の際のレンズ移動方向を示してある。本例のレンズシステム１は、物体側８からＣＣＤ１１の焦点面が配置された像側９に向かって順番に３つのレンズ群Ｇ１、Ｇ２およびＧ３にグループ分けされた７枚のレンズにより構成されている。

最も物体側８に位置する第１のレンズ群Ｇ１は、全体として負の屈折力を備えており、物体側８から順に、物体側８に凸の負のメニスカスＬ１１と、両凹の負のレンズ１２と、両凸の正レンズＬ１３との３枚のレンズにより構成されている。負のレンズＬ１２と正のレンズＬ１３は、貼り合わされた接合レンズとして構成されている。

第２のレンズ群Ｇ２は、全体として正の屈折力を備えており、物体側８から順に、両凸の正レンズＬ２１と、両凹の負レンズＬ２２と、物体側（被写体側）８に凹の負のメニスカスレンズＬ２３により構成されている。負のメニスカスレンズＬ２３は、プラスチックレンズであり、両面を非球面として収差のさらなる改善が図られている。第２のレンズ群Ｇ２の物体側８には、第２のレンズ群Ｇ２と共に移動する絞りＳが設けられている。

最も像側９の第３のレンズ群Ｇ３は、全体として正の屈折力を備えており、１枚の両凸の正レンズＬ３１で構成されている。この第３のレンズ群Ｇ３は、広角端から望遠端への変倍中は移動しない。一方、広角端から望遠端への変倍中は第１のレンズ群Ｇ１と第２のレンズ群Ｇ２は、それらの間隔ｄ１が減少するように移動し、さらに、第２のレンズ群は第３のレンズ群の間隔ｄ２が増大するように移動する。

以下に示すレンズデータにおいて、Ｎｏ．は物体側８から順番に並んだレンズ面の番号、Ｒｉは物体側から順番に並んだ各レンズの曲率半径（ｍｍ）、Ｄｉは物体側から順番に並んだ各レンズ面の間の距離（ｍｍ）、ｎｄは物体側から順番に並んだ各レンズの屈折率（ｄ線）、νｄは物体側から順番に並んだ各レンズのアッベ数（ｄ線）を示す。距離ｄ１は、第１のレンズ群Ｇ１と、第２のレンズ群Ｇ２との間隔（ｍｍ）を示し、距離ｄ２は、第２のレンズ群Ｇ２と、第３のレンズ群Ｇ３との間隔（ｍｍ）を示す。また、Ｆｌａｔは平面であることを示す。以下の実施例においても同様である。

レンズデータ（Ｎｏ．１）
No. Ri Di nd vd
1 17.937 1.200 1.74300 49.20 レンズＬ１１
2 4.477 3.001
3 -25.031 1.000 1.55371 42.21 レンズＬ１２
4 6.494 2.798 1.83969 29.34 レンズＬ１３
5 139.923 d1（可変）
6 Flat 0.500 絞りＳ
7 6.968 3.335 1.77250 49.60 レンズＬ２１
8 -8.458 1.572 1.83487 24.44 レンズＬ２２
9 55.249 2.309
10 -10.214 1.280 1.49757 68.58 レンズＬ２３
11 -11.420 d2（可変）
12 22.269 1.959 1.48700 70.40 レンズＬ３１
13 -37.918 1.200
14 Flat 1.500 1.51633 64.14
15 Flat

第２、１０、１１面は非球面であり、その非球面係数は以下の通りである。ただし、非球面式は次の通りである。
ｘ＝（１／Ｒ）Ｙ²／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（１／Ｒ）²Ｙ²｝^1/2］
＋ＡＹ⁴＋ＢＹ⁶＋ＣＹ⁸＋ＤＹ¹⁰
第２面
Ｒ＝４．４７８
Ｋ＝０．０００００
Ａ＝−３．９８５８×１０^-4、Ｂ＝−５．０９５９×１０^-5
Ｃ＝ ４．０９９５×１０^-6、Ｄ＝−２．８１９０×１０^-7
第１０面
Ｒ＝−１０．２１４
Ｋ＝ ０．０００００
Ａ＝−２．６０９２×１０^-3、Ｂ＝１．５４５８×１０^-4
Ｃ＝−１．３２９２×１０^-5、Ｄ＝１．１０４４×１０^-6
第１１面
Ｒ＝−１１．４２１
Ｋ＝ ０．０００００
Ａ＝−６．３９９６×１０^-4、Ｂ＝１．３２７０×１０^-4
Ｃ＝−２．６６８９×１０^-6、Ｄ＝３．１３０５×１０^-7

本例の投写用ズームレンズシステムの変倍中の諸数値は以下の通りである。
広角端 中間 望遠端
合成焦点距離 4.7200 8.1800 14.1497
d1 14.85667 6.37741 1.50000
d2 3.63774 8.23486 16.16153

図３（ａ）および図３（ｂ）に、このレンズシステム１の広角端および望遠端における球面収差、非点収差および歪曲収差をそれぞれ示してある。球面収差は、６５６．２８ｎｍ（破線）、５８７．５６ｎｍ（実線）および４８６．１３ｎｍ（一点鎖線）の各波長における値を示している。これらの図からわかるように、本例のレンズシステム１の球面収差および非点収差は、広角端から望遠端にわたり、±０．１ｍｍあるいはそれ以下範囲に十分に収まっており、また、歪曲収差も高角端で−５％以下と諸収差が十分に補正されている。したがって、ズーム比が３倍のズームレンズとして十分な結像性能を備えたレンズシステムとなっている。

上記のレンズデータから分かるように、第２のレンズ群Ｇ２を構成する負レンズＬ２２および負のメニスカスレンズＬ２３のパワーは小さく抑えられている。特に、物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズＬ２３は薄く、レンズとしてのパワーも弱い構成となっている。このため、メニスカスレンズＬ２３の性能の温度変化も小さく、メニスカスレンズＬ２３の温度変化による性能の変化がレンズシステム１の収差性能に及ぼす影響は非常に小さい。したがって、このレンズシステム１は、レンズＬ２３にプラスチックレンズを採用しても使用温度範囲で諸収差を良好に補正できる構成であり、軽量化に適しており、低コストで供給できる。さらに、プラスチックレンズにすることにより非球面を導入することも容易であり、非球面を導入したときのコストアップも抑えることができる。したがって、この点でも、このレンズシステム１は、低コストで結像性能の良好なレンズシステムを提供できるものである。

このように、本例のレンズシステム１は、全体が７枚構成という簡易な構成でありながら高い結像性能を備えたレンズシステムである。さらに、このレンズシステム１は、第１、第２および第３のレンズ群がそれぞれ負−正−正のパワーを備えたレトロフォーカスタイプのズームレンズであり、像側をテレセントリックにしてＣＣＤ１などの撮像素子に対して結像するものに適している。このため、デジタルカメラに、このレンズシステム１を採用することにより、コンパクトで高解像度のデジタルカメラ１０を低コストで提供することができる。

（実施例２）
図４に、さらに異なるレンズシステム１の広角端におけるレンズ配置を示してある。本例のレンズシステム１も、物体側８から像側９に向かって負の屈折力の第１のレンズ群Ｇ１、正の屈折力の第２のレンズ群Ｇ２、および第３のレンズ群Ｇ３が並んだレンズシステムである。また、各々のレンズ群を構成するレンズの構成は、上記の実施例１とほぼ同じであるが、本例の第１のレンズ群Ｇ１においては、負のメニスカスレンズＬ１１の物体側８に、物体側８に凸面を向けた、正のメニスカスレンズＬ１０が配置されている。このため、レンズシステム１は全体が８枚のレンズにより構成されている。以下に、本実施例２のレンズデータを示す。

レンズデータ（Ｎｏ．２）
No. Ri Di nd vd
1 -169.607 1.901 1.83475 36.00 レンズＬ１０
2 -41.559 0.300
3 23.316 1.000 1.74300 49.20 レンズＬ１１
4 4.778 2.619
5 -21.965 1.000 1.49190 66.71 レンズＬ１２
6 5.943 2.678 1.83400 37.30 レンズＬ１３
7 28.653 d1（可変）
8 Flat 0.500 絞りＳ
9 6.769 3.346 1.77250 49.60 レンズＬ２１
10 -7.911 1.666 1.82686 24.69 レンズＬ２２
11 69.578 2.199
12 -14.035 1.796 1.52760 64.22 レンズＬ２３
13 -16.082 d2（可変）
14 38.427 1.986 1.48700 70.40 レンズＬ３１
15 -20.015 1.200
16 Flat 1.500 1.51633 64.14
17 Flat 2.530
18 Flat -0.030

このレンズシステム１においても、第２のレンズ群Ｇ２の像側のレンズは、像側に凸の負のメニスカスレンズであり、そのレンズＬ２３の両面の第１２、１３面が非球面となっている。非球面係数は以下の通りである。非球面式は上述したものである。
第１２面
Ｒ＝−１４．０３６
Ｋ＝ ０．０００００
Ａ＝−３．１９３２×１０^-3、Ｂ＝６．０８１３×１０^-5
Ｃ＝−１．６２１５×１０^-5、Ｄ＝１．５６２０×１０^-6
第１３面
Ｒ＝−１６．０８２
Ｋ＝ ０．０００００
Ａ＝−１．０９５４×１０^-3、Ｂ＝６．２６０１×１０^-5
Ｃ＝−１．７４８１×１０^-6、Ｄ＝３．１６４２×１０^-7

さらに、変倍中の値は次の通りである。
広角端 中間 望遠端
合成焦点距離 4.9801 8.6301 14.9437
d1 13.30322 5.81778 1.50000
d2 2.80000 7.39098 15.30377

図５（ａ）および図５（ｂ）に、このレンズシステム１の広角端および望遠端における、球面収差、非点収差および歪曲収差をそれぞれ示してある。これらの図からわかるように、本例のレンズシステム１においても、諸収差は、広角端から望遠端にわたり良好に補正されており、結像性能の高いレンズシステムとなっている。

なお、上記では、本発明の一例として全体が７枚構成および８枚構成のレンズシステムを示しているが、これらに本発明が限定されるものではない。また、上記ではズームレンズを示しているが、ズーム範囲内のそれぞれの焦点距離における短焦点レンズシステムとしても十分な結像性能を備えており、本発明には単焦点レンズシステムも含まれる。また、本発明に係るレンズシステムはデジタルカメラだけではなく、ＰＤＡや携帯電話に組み込まれたカメラ、ロボットなどの自動制御装置における視覚となるカメラおよびその他の光学製品を含む、様々な分野の製品に適用することができる。

本発明のレンズシステムを用いたデジタルカメラの概略構成を示す図である。 本発明の広角端におけるレンズシステムの構成を示す図である。 図２のレンズシステムの縦収差図であり、広角端（ａ）および望遠端（ｂ）の球面収差、非点収差および歪曲収差をそれぞれ示す図である。 本発明のレンズシステムの異なる例を示す図であり、広角端におけるレンズシステムの構成を示す図である。 図４のレンズシステムの縦収差図であり、広角端（ａ）および望遠端（ｂ）の球面収差、非点収差および歪曲収差をそれぞれ示す図である。

符号の説明

１ ズームレンズ
８ 物体側
９ 像側

Claims (5)

1. 物体側から像側に順に負の屈折力の第１のレンズ群と、正の屈折力の第２のレンズ群と、正の屈折力の第３のレンズ群とにより構成されるレンズシステムであって、
   前記第２のレンズ群は、物体側から順に、両凸の正レンズと、両凹の負レンズと、物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズとにより構成されているレンズシステム。
2. 請求項１において、前記第１のレンズ群および／または前記第２のレンズ群は、ズーミングのために移動可能であり、広角端から望遠端へ変倍する際に、前記第１および第２のレンズ群の空気間隔が減少し、前記第２および第３のレンズ群の空気間隔が増加するレンズシステム。
3. 請求項１において、前記両凸の正レンズと前記両凹の負レンズは貼り合わされている、レンズシステム。
4. 請求項１において、前記負のメニスカスレンズはプラスチック製であるレンズシステム。
5. 請求項１に記載のレンズシステムと、
   このレンズシステムの像側に配置された撮像素子とを有するカメラ。
   
   

Images