JP2006195064A

JP2006195064A - 撮影光学系および撮像装置

Info

Publication number: JP2006195064A
Application number: JP2005005267A
Authority: JP
Inventors: Atsuo Masui; 淳雄増井; Yasushi Yamamoto; 康山本; Hiromichi Nose; 弘道能勢
Original assignee: Konica Minolta Photo Imaging Inc
Current assignee: Konica Minolta Photo Imaging Inc
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2005-01-12
Publication date: 2006-07-27

Abstract

【課題】ズーム光学系でありながら、比較的大きな撮像素子に対してもテレセントリック性を確保することができるコンパクトな撮影光学系を提供する。
【解決手段】撮影光学系は、撮影対象側から順に、負パワーの第１レンズ群(G1)、正パワーの第２レンズ群(G2)、および正パワーの第３レンズ群(G3)を有し、第１レンズ群(G1)〜第３レンズ群(G3)の移動でズーミングを行い、第３レンズ群(G3)の移動でフォーカシングを行う。第３レンズ群(G3)は負パワーのメニスカスレンズ(L7)と正パワーのレンズ(L8)より成る。また、第１レンズ群(G1)の焦点距離をｆ１、第３レンズ群(G3)の焦点距離をｆ３で表すとき、０．７≦｜ｆ１／ｆ３｜≦２．０の関係を満たす。
【選択図】図３

Description

本発明は、撮影光学系および撮像装置に関し、特に、焦点距離が可変の撮影光学系に関する。

近年、銀塩フィルムの代わりに光学像を電気信号に変換するＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）等の撮像素子を備えたデジタルカメラの普及が著しい。撮像素子の画素数は年々増加する傾向にあり、それに伴って、撮影対象からの光を撮像素子上に結像させる撮影光学系としても、コンパクトでありながら、より高性能のものが求められるようになっている。一般に、デジタルカメラの撮影光学系は焦点距離を変え得るズーム光学系であるため、特に、ズーミングに際して画質の低下が生じないコンパクトなズーム光学系が切望されている。

さらに、撮像素子の出力信号を処理して撮影した画像を表す画像データを生成する半導体素子の能力向上も進み、パーソナルコンピュータ、モバイルコンピュータ、携帯電話、情報携帯端末(ＰＤＡ：Personal Digital Assistant)等の情報処理機器に、ズーム光学系を内蔵したり外付けしたりすることも一般化している。このため、高性能でコンパクトなズーム光学系の需要が一層高まっている。

このようなズーム光学系として、撮影対象側から順に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、および正の光学的パワーを有する第３レンズ群から成るいわゆる負正正の３成分系が数多く提案されている。負正正の３成分ズーム光学系は、構成レンズ数が少なく、レンズを移動させるための機構も単純で、コンパクト化に適するという特徴を有する。

撮像素子の前面には撮像素子の各画素に対応させた多数のマイクロレンズが設けられており、撮影光学系の射出瞳をマイクロレンズの瞳と整合させなければならない。このため、撮影光学系の射出瞳を像面からある程度離して、各マイクロレンズに入射する光束の主光線が互いに平行（つまりテレセントリック）な状態またはこれに近い状態にする必要がある。

負正正の３成分ズーム光学系では、第３レンズ群に正のパワーをもたせることでテレセントリック性を保つようにしているが、像面がアンダー側に倒れる傾向がある。その補正のために、第３レンズ群に負のパワーのレンズを含めることが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
特許第３４３３７３４号米国特許第６５３２１１４号米国特許第６３０８０１１号

しかしながら、特許文献１や特許文献２のズーム光学系は、第３レンズ群の負レンズが像側で凹面の構成であるため、第３レンズ群の正レンズでの軸外光の位置が光軸に近くなり、撮像素子が大きいと、テレセントリック性を確保することが困難になる。また、特許文献３のズーム光学系は、第１レンズ群のパワーが弱いため、大型になるという問題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、ズーム光学系でありながら、比較的大きな撮像素子に対してもテレセントリック性を確保することができ、しかもコンパクトな撮影光学系を提供することを目的とする。また、そのような撮影光学系を備えた小型かつ高性能の撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、撮影対象からの光を撮像素子上に結像させる撮影光学系は、撮影対象側から順に、負のパワーを有する第１レンズ群と、正のパワーを有する第２レンズ群と、正のパワーを有する第３レンズ群とを備え、第３レンズ群が撮影対象側から順に、撮像素子側に向かって凸の負のパワーを有するメニスカスレンズと、少なくとも撮影対象側に向かって凸の正のパワーを有するレンズを含み、第１レンズ群と第２レンズ群と第３レンズ群とを移動させて焦点距離を変えるとともに、次の式１の関係を満たすものとする。
０．７ ≦ ｜ｆ１／ｆ３｜ ≦ ２．０・・・式１
ただし、ｆ１は第１レンズ群の焦点距離、ｆ３は第３レンズ群の焦点距離である。

式１は第１レンズ群と第３レンズ群の光学的パワーのバランスの適切な範囲を規定するものである。｜ｆ１／ｆ３｜の値が式１の上限を超えると、第１レンズ群内で軸外光を大きく曲げて前玉径を小さくすることが難しくなる。逆に｜ｆ１／ｆ３｜の値が式１の下限に達しないと、広角端で発生する負の歪曲を補正することが難しくなる。

第３レンズ群に負レンズと正レンズとを含めることで、第３レンズ群の正レンズで発生する像面の撮影対象側への倒れを補正することができ、さらに、負レンズで軸外光を跳ね上げることにより、撮像素子が大きい場合でも、テレセントリック性の確保が容易になる。また、負レンズを撮像素子側に凸のメニスカスレンズとし、正レンズを撮影対象側に向かって凸とすることで、光軸から離れた位置での負レンズと正レンズの間隔を大きくすることができて、軸外光を一層大きく跳ね上げることができる。

式１に代えて次の式１’の関係を満たすようにすると、さらに高性能の撮影光学系となる。
０．７ ≦ ｜ｆ１／ｆ３｜ ≦ １．０・・・式１’

さらに、次の式２の関係を満たすようにするとよい。
０．２ ≦ ｜（Ｃ3o−Ｃ3s）／（Ｃ3o＋Ｃ3s）｜ ≦ １・・・式２
ただし、Ｃ3oおよびＣ3sはそれぞれ第３レンズ群に含まれる負のパワーを有するメニスカスレンズの撮影対象側の面および撮像素子側の面の曲率半径である。

式２は、第３レンズ群の負レンズの面形状の適切な範囲を規定するものである。｜（Ｃ3o−Ｃ3s）／（Ｃ3o＋Ｃ3s）｜の値が、式２の下限に達しないと、負レンズによる軸外光の跳ね上げが小さくなり、撮像素子が大きい場合に、テレセントリック性の確保が難しくなる。逆に、式２の上限を超えると、正レンズに入射する軸外光の角度が大きくなり、光線を折り曲げるために正レンズのパワーを大きくする必要が生じて、像面が撮影対象側に倒れ易くなる。

式２に代えて次の式２’の関係を満たすようにすると、さらに高性能の撮影光学系となる。
０．３ ≦ ｜（Ｃ3o−Ｃ3s）／（Ｃ3o＋Ｃ3s）｜ ≦ ０．６・・・式２’

第３レンズ群に含まれる少なくとも撮影対象側に向かって凸の正のパワーを有するレンズの撮影対象側の面および撮像素子側の面の少なくとも一方を、非球面とするとよい。正レンズに非球面をもたせることで、正レンズで発生する像面歪曲をさらに良好に補正することができる。

その場合、さらに次の式３の関係を満たすようにするとよい。
−５×１０^-3≦φ・（Ｎｓ−Ｎｏ）・［ｄ｛Ｘ（ｙ）−Ｘ０（ｙ）｝／ｄｙ］≦０
・・・式３
ただし、φは第３レンズ群に含まれる正のパワーを有するレンズの撮像素子側の面のパワー（単位は１／ｍｍ）、ＮｏおよびＮｓはそれぞれ第３レンズ群に含まれる正のパワーを有するレンズの非球面を挟んで撮影対象側に位置する媒質および撮像素子側に位置する媒質の屈折率、ｙは第３レンズ群に含まれる正のパワーを有するレンズの光軸からの距離、Ｘ（ｙ）は第３レンズ群に含まれる正のパワーを有するレンズの非球面の距離ｙにおけるサグ、Ｘ０（ｙ）は第３レンズ群に含まれる正のパワーを有するレンズの非球面の参照球面の距離ｙにおけるサグ、Ｙ’は最大の像高である。なお、ｙ≦Ｙ’とする。また、面のパワーは焦点距離の逆数であり、ここではその単位を１／ｍｍとしている。

式３は、第３レンズ群の正レンズの非球面の面形状の適切な範囲を規定するものである。中央の式の値が式３の上限以下つまり０以下であることは、光軸から離れるほど非球面のパワーが弱くなることを示している。これによって撮影対象側に倒れた像面を補正することができる。また、中央の式の値が式３の下限に達しないと、非球面の周辺部のパワーが弱くなりすぎて、テレセントリック性の確保が難しくなる。

式３に代えて次の式３’の関係を満たすようにすると、さらに高性能の撮影光学系となる。
−２×１０^-3≦φ・（Ｎｓ−Ｎｏ）・［ｄ｛Ｘ（ｙ）−Ｘ０（ｙ）｝／ｄｙ］≦０
・・・式３’

第３レンズ群が前記の２つのレンズのみを含む構成とするとよい。ズーム光学系の小型化のためには、最も撮像素子寄りのレンズ群で焦点調節を行うリアフォーカスとするのが好ましい。その場合、焦点調節を行うための第３レンズ群を２つのレンズのみで構成することで、焦点調節のために必要な駆動力を小さくすることができて、焦点調節を迅速に行うことが可能になる。

また、次の式４の関係を満たすようにするとよい。
２．３ ≦ （ｆｔ／ｆｗ）・（Ｌｔ／Ｌｗ） ≦ ４・・・式４
ただし、ｆｔおよびｆｗはそれぞれ望遠端および広角端での撮影光学系全体の焦点距離、ＬｔおよびＬｗはそれぞれ望遠端および広角端での撮影光学系全体の長さである。

式４は、ズーム比と光学系の全長との関係との好ましい範囲を規定するものである。（ｆｔ／ｆｗ）・（Ｌｔ／Ｌｗ）の値が式４の下限に達しないと、ズーム比が小さくなりすぎたり、広角端における全長が長くなったりする。ズーム比が小さすぎると、ズーム光学系としての意義が低下する。広角端における全長が長くなると、非使用時には各レンズ群の間隔を狭めた状態としておいて、起動時に各レンズ群を広角端での位置に設定するようにする場合に、起動時のレンズ群の移動量が多くなって、起動に時間を要する結果となる。（ｆｔ／ｆｗ）・（Ｌｔ／Ｌｗ）の値が式４の上限を超えると、望遠端での全長が長くなって、大型化してしまう。

式４に代えて次の式４’の関係を満たすようにすると、さらにコンパクトな撮影光学系となる。
２．３ ≦ （ｆｔ／ｆｗ）・（Ｌｔ／Ｌｗ） ≦ ３・・・式４’

前記目的を達成するために、本発明ではまた、撮像装置は、撮像素子と、上記のいずれかの撮影光学系とを備えるものとする。

本発明の撮影光学系は、第１レンズ群と第３レンズ群の光学的パワーのバランスが適切であるため、前玉を大きくすることなく、広角端で発生し易い負の歪曲を抑えることができる。しかも、第３レンズ群が撮像素子側に向かって凸の負のパワーを有するメニスカスレンズと、撮影対象側に向かって凸の正のパワーを有するレンズを含むため、像面の撮影対象側への倒れを防止することができ、また、撮像素子が大きい場合でもテレセントリック性を確保することが容易になる。このような特長を有する撮影光学系を備えた本発明の撮像装置は、小型かつ高性能の装置となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。第１の実施形態であるデジタルカメラ１の外観を図１に模式的に示す。図１において（ａ）は前面および上面を表す斜視図、（ｂ）は背面図である。デジタルカメラ１は、本体１０と、本体１０に取り付けられたレンズ鏡胴１１を有している。レンズ鏡胴１１は複数段より成り、撮影時には本体１０の前方に突出し、非撮影時には本体１０に収容し得るように、前後方向に可動に構成されている。レンズ鏡胴１１は、撮影光学系１２を収容し、保持している。

撮影光学系１２は、撮影対象からの光を本体１０に収容されている撮像素子２１（図２参照）に導き、撮像素子２１上に結像させる。撮影光学系１２の焦点距離は可変、つまり、撮影光学系１２はズーム光学系である。

デジタルカメラ１は、前面に光学ファインダーの対物窓１３ａとフラッシュ発光部１４、上面に電源ボタン１５とシャッターレリーズボタン１６、背面に光学ファインダーの接眼窓１３ｂと表示部１７とズームボタン１８と他の操作ボタン１９を備えている。光学ファインダーは撮影対象の光学像を提供し、フラッシュ発光部１４は撮影対象を照明するフラッシュ光を発する。電源ボタン１５は、撮像素子２１をはじめ電力で動作する各部への電力の供給と停止の指示のために操作され、シャッターレリーズボタン１６は、記録用画像の撮影の指示のために操作される。

表示部１７は液晶表示器より成り、撮影した画像およびデジタルカメラ１の設定状況、操作案内等の諸情報を表示する。ズームボタン１８は、撮影光学系１２の焦点距離の設定のために操作される。ズームボタン１８の一端部を押すと、撮影光学系１２の焦点距離が増大する方向に変化し、撮影画角は狭く、撮影倍率は大きくなる。ズームボタン１８の他端部を押すと、撮影光学系１２の焦点距離が減少する方向に変化し、撮影画角は広く、撮影倍率は小さくなる。撮影光学系１２の焦点距離の設定可能な範囲のうち、最長端を望遠端といい、最短端を広角端という。操作ボタン１９は、デジタルカメラ１の諸設定のために操作される。

図２にデジタルカメラ１の構成を模式的に示す。デジタルカメラ１は、撮影光学系１２および表示部１７のほか、撮像素子２１、信号処理部２２、記録部２３、操作部２４、撮影光学系駆動部２５および制御部２６を有している。撮像素子２１はＣＣＤエリアセンサであり、画素ごとの受光量を表す信号を出力する。信号処理部２２は撮像素子２１の出力信号を処理して、撮影した画像を表す画像データを生成する。記録部２３は信号処理部２２が生成した画像データを着脱可能な記録媒体２３ａに記録し、また、画像の再生表示のために、記録媒体２３ａから画像データを読み出す。操作部２４は前述の諸ボタン１６〜１９の総称であり、使用者の操作を制御部２６に伝達する。

撮影光学系駆動部２５は、いくつかのモータとその駆動力を撮影光学系１２のレンズ群に伝達する伝達機構を有しており（不図示）、撮影光学系１２の焦点距離と焦点位置を設定する。制御部２６は操作部２４を介して与えられる指示に応じて各部を制御する。

撮影光学系１２の構成を図３に示す。撮影光学系１２は、撮影対象側から順に第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３を有する。

第１レンズ群Ｇ１は、２枚のレンズＬ１、Ｌ２より成り、全体として負の光学的パワーを有する。第２レンズ群Ｇ２は、４枚のレンズＬ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６より成り、全体として正の光学的パワーを有する。第３レンズ群Ｇ３は、２枚のレンズＬ７、Ｌ８より成り、全体として正の光学的パワーを有する。

第３レンズ群Ｇ３の２つのレンズＬ７、Ｌ８のうち、より撮影対象側に位置するレンズＬ７は、負の光学的パワーを有し、撮像素子２１側に凸のメニスカスレンズである。また、より撮像素子２１側に位置するレンズＬ８は、正の光学的パワーを有する両凸レンズである。なお、レンズＬ８は、少なくとも撮影対象側に向かって凸の正のパワーを有していればよい。

第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の間には、開口径が可変の絞りＳが設けられている。絞りＳは第２レンズ群Ｇ２と共に移動する。また、撮像素子２１の直前にはローパスフィルターＦとカバーガラスＣが配置されている。ローパスフィルターＦとカバーガラスＣは密接している。

図３に示した符号ｒ１〜ｒ２０はレンズＬ１〜Ｌ１１、絞りＳ、フィルターＦ、およびカバーガラスＣの面である。同一のレンズ（フィルター）の２つの面のうち、符号の数字の値が小さいものの方がより撮影対象に近い面である。例えば、レンズＬ２は面ｒ３と面ｒ４を有するが、面ｒ３が撮影対象側に位置し、面ｒ４が撮像素子２１側に位置する。なお、カバーガラスＣの撮影対象側の面はフィルターＦの撮像素子２１側の面１９と共通である。また、絞りＳは１つの面ｒ５のみを有する。絞りＳの面ｒ５の前後の媒質は空気であり、当然、面ｒ５の前後で屈折率は変化しない。

レンズＬ１の面ｒ２、レンズＬ６の面ｒ１２、ｒ１３、およびレンズＬ８の面ｒ１６、ｒ１７はいずれも非球面である。また、レンズＬ４とレンズＬ５は接着されており、面ｒ９と面ｒ１０の間には接着剤が存在する。

図３に示した矢印はズーミングに際してのレンズ群Ｇ１〜Ｇ３の位置を表している。矢印の基端が広角端、先端が望遠端に対応する。ズーミングは第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、および第３レンズ群Ｇ３を移動させて、それらの間隔を変化させることによって行われる。第３レンズ群Ｇ３はズーミングに伴う焦点位置の変動の防止、すなわちフォーカシングも司る。なお、フィルターＦおよびカバーガラスＣは固定である。

広角端および望遠端での焦点距離はそれぞれ７．２０ｍｍおよび２０．４４ｍｍであり、したがって、ズーム比は２．８４である。広角端および望遠端でのＦ数はそれぞれ２．７１および５．０７である。また、焦点距離が中間の１２．１３ｍｍのときのＦ数は３．６３である。

撮影光学系１２のコンストラクションデータを表１に示す。表１において、各行の軸上面間隔はその行の面と次の行の面との間隔であり、各行の屈折率およびアッベ数もその行の面と次の行の面の間の媒質の屈折率およびアッベ数（空気については省略）である。屈折率およびアッベ数はｄ線に対するものである。距離の単位はｍｍである。また、ズーミングにより変化する軸上面間隔については、広角端と上記の中間の焦点距離と望遠端での値を、左から順に表している。なお、非球面については符号の末尾にアスタリスク（＊印）を付している。

[表１]
面曲率半径軸上面間隔屈折率アッベ数
r1 164.676 1.000 1.80610 40.74
r2* 6.811 3.050
r3 13.196 1.731 1.92286 20.88
r4 30.263 14.900〜 7.110〜 2.000
r5 ∞ 0.758
r6 14.348 1.282 1.88300 40.79
r7 69.358 0.100
r8 8.800 3.054 1.80420 46.50
r9 -22.882 0.010 1.51400 42.83
r10 -22.882 1.500 1.84666 23.78
r11 7.559 1.000
r12* -22.769 1.300 1.52510 56.38
r13* -12.897 3.250〜10.320〜19.436
r14 -13.000 1.000 1.51742 52.15
r15 -43.263 0.100
r16* 18.662 2.924 1.52510 56.38
r17* -12.452 4.928〜 3.332〜 1.642
r18 ∞ 0.700 1.54426 69.60
r19 ∞ 0.500 1.51633 64.14
r20 ∞

非球面は次の式５で定義している。
Ｘ（Ｈ）＝Ｃ・Ｈ²／｛１＋（１−ε・Ｃ²・Ｈ²）^1/2｝＋ΣＡｋ・Ｈ^k ・・・式５
ここで、Ｈは光軸に対して垂直な方向の高さ、Ｘ（Ｈ）は高さＨの位置でのサグすなわち光軸方向の変位量（面頂点基準）、Ｃは近軸曲率、εは２次曲面パラメータ、ｋは非球面の次数、Ａｋはｋ次の非球面係数である。非球面に関するデータを表２に示す。

［表２］
面r2
ε = 1.0000
A4 = -0.25603448×10^-3 A6 = -0.62583992×10^-5 A8 = 0.91116042×10^-7
A10 = -0.47316015×10^-8
面r12
ε = 1.0000
A4 = -0.12550298×10^-3 A6 = 0.10364119×10^-3 A8 = -0.30296689×10^-5
A10 = 0.56671291×10^-7
面r13
ε = 1.0000
A4 = 0.54295054×10^-3 A6 = 0.10630235×10^-3 A8 = -0.23401219×10^-5
A10 = 0.86519545×10^-7
面r16
ε = 1.0000
A4 = -0.93410702×10^-4 A6 = -0.32590549×10^-5 A8 = 0.53595403×10^-6
A10 = -0.15864702×10^-7
面r17
ε = 1.0000
A4 = 0.21635682×10^-3 A6 = -0.17554883×10^-4 A8 = 0.11656038×10^-5
A10 = -0.25039133×10^-7

第１レンズ群Ｇ１の焦点距離をｆ１、第３レンズ群Ｇ３の焦点距離をｆ３で表すとき、｜ｆ１／ｆ３｜＝０．７３６である。したがって、前述の式１の関係は満たされており、式１’の関係も満たされている。

また、第３レンズ群Ｇ３に含まれる負のパワーを有するメニスカスレンズＬ７の撮影対象側の面ｒ１４および撮像素子２１側の面ｒ１５の曲率半径をそれぞれＣ3oおよびＣ3sで表すとき、｜（Ｃ3o−Ｃ3s）／（Ｃ3o＋Ｃ3s）｜＝０．５４である。したがって、式２の関係は満たされており、式２’の関係も満たされている。

さらに、第３レンズ群Ｇ３に含まれる正のパワーを有するレンズＬ８の撮像素子２１側の面ｒ１７のパワーをφ（単位：１／ｍｍ）、レンズＬ８の非球面ｒ１６を挟んで撮影対象側に位置する媒質（空気）および撮像素子２１側に位置する媒質（レンズＬ８）の屈折率をそれぞれＮｏおよびＮｓ、レンズＬ８の光軸からの距離をｙ、非球面ｒ１６の距離ｙにおけるサグをＸ（ｙ）、非球面ｒ１６の参照球面の距離ｙにおけるサグをＸ０（ｙ）、最大の像高をＹ’で表すとき、ｙ≦Ｙ’の範囲において、前述の式３の関係は満たされており、式３’の関係も満たされている。最大の像高Ｙ’は４．５ｍｍである。

第３レンズ群Ｇ３に含まれる正のパワーを有するレンズＬ８の撮像素子２１側の面ｒ１７のパワーをφ、レンズＬ８の非球面ｒ１７を挟んで撮影対象側に位置する媒質（レンズＬ８）および撮像素子２１側に位置する媒質（空気）の屈折率をそれぞれＮｏおよびＮｓ、レンズＬ８の光軸からの距離をｙ、非球面ｒ１７の距離ｙにおけるサグをＸ（ｙ）、非球面ｒ１７の参照球面の距離ｙにおけるサグをＸ０（ｙ）と表しても、ｙ≦Ｙ’の範囲において、式３の関係は満たされており、式３’の関係も満たされている。

非球面ｒ１６についての距離ｙと対応するφ・（Ｎｓ−Ｎｏ）・［ｄ｛Ｘ（ｙ）−Ｘ０（ｙ）｝／ｄｙ］のいくつかの値を表３に示し、非球面ｒ１７についての同様の値を表４に示す。

［表３］
面ｒ１６
ｙ φ・（Ｎｓ−Ｎｏ）・［ｄ｛Ｘ（ｙ）−Ｘ０（ｙ）｝／ｄｙ］
０．５４ −４．８×１０^-7
１．０８ −４．６×１０^-6
１．６２ −１．８×１０^-5
２．１６ −４．９×１０^-5
２．７０ −９．６×１０^-5
３．２４ −１．５×１０^-4
３．７８ −２．２×１０^-4
４．３２ −４．３×１０^-4

［表４］
面ｒ１７
ｙ φ・（Ｎｓ−Ｎｏ）・［ｄ｛Ｘ（ｙ）−Ｘ０（ｙ）｝／ｄｙ］
０．５６ −３．２×１０^-6
１．１２ −２．３×１０^-5
１．６８ −６．７×１０^-5
２．２４ −１．３×１０^-4
２．８０ −２．４×１０^-4
３．３６ −４．２×１０^-4
３．９２ −７．２×１０^-4
４．４８ −９．６×１０^-4

また、望遠端および広角端での撮影光学系１２全体の焦点距離をそれぞれｆｔおよびｆｗ、望遠端および広角端での撮影光学系１２全体の長さ（ローパスフィルターＦおよびカバーガラスＣを含む）をそれぞれＬｔおよびＬｗで表すとき、（ｆｔ／ｆｗ）・（Ｌｔ／Ｌｗ）＝２．８４である。したがって、前述の式４の関係は満たされており、式４’の関係も満たされている。

撮影光学系１２の収差を図４に示す。図４において、（ａ）は広角端、（ｂ）は上記の中間の焦点距離、（ｃ）は望遠端でのものである。球面収差の線ｄはｄ線の収差、線ｇはｇ線の収差である。線ＳＣは正弦条件不満足量を表している。また、非点収差の線ＤＭおよび線ＤＳはそれぞれメリジオナル面およびサジタル面での収差である。単位は、歪曲の横軸のみ百分率であり、他の軸については全てｍｍである。

本実施形態のデジタルカメラ１の撮影光学系１２は、大きな撮像素子２１に対応し得るように最大の像高が４．５ｍｍと大きく設定されているが、図４より明らかなように諸収差が良好に抑えられており、高い結像特性を有する。また、全長がカバーガラスＣまで含めても４０ｍｍ程度であり、小型になっている。

以下、他の実施形態のデジタルカメラについて説明するが、撮影光学系以外の構成は第１の実施形態のものと同様なので、重複する説明は省略し、撮影光学系についてのみ述べる。なお、以下に示す図５〜図１０においては図３および図４と同様の表記方法を採用している。また、非球面の定義は前述の式５に従っており、表５、表６、表８、表９、表１１、表１２においては表１および表２と同様の表記方法を採用している。

第２の実施形態のデジタルカメラ２の撮影光学系１２の構成を図５に示す。デジタルカメラ２の撮影光学系１２は、撮影対象側から順に第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３を有する。

第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３の間には絞りＳが設けられている。絞りＳは第２レンズ群Ｇ２と共に移動する。また、撮像素子２１の直前にはローパスフィルターＦおよびカバーガラスＣが配置されている。

ズーミングは第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２および第３レンズ群Ｇ３を移動させることによって行われる。第３レンズ群Ｇ３はフォーカシングも司る。フィルターＦおよびカバーガラスＣは固定である。

広角端および望遠端での焦点距離はそれぞれ７．２０ｍｍおよび２０．４５ｍｍであり、したがって、ズーム比は２．８４である。広角端および望遠端でのＦ数はそれぞれ２．７０および５．０７である。また、焦点距離が中間の１２．１４ｍｍのときのＦ数は３．６２である。

撮影光学系１２のコンストラクションデータを表５に示し、非球面に関するデータを表６に示す。

[表５]
面曲率半径軸上面間隔屈折率アッベ数
r1 -116.371 1.000 1.80610 40.74
r2* 6.526 2.410
r3 13.335 2.063 1.84666 23.78
r4 86.272 14.900〜 7.139〜 2.000
r5 ∞ 0.752
r6 14.317 1.322 1.80420 46.50
r7 132.387 0.100
r8 8.800 3.790 1.71300 53.94
r9 -14.729 0.010 1.51400 42.83
r10 -14.729 1.158 1.76182 26.61
r11 7.747 1.000
r12* -21.030 1.300 1.52510 56.38
r13* -12.856 2.975〜10.163〜19.309
r14 -13.000 1.000 1.58913 61.25
r15 -27.473 0.100
r16* 22.408 2.806 1.52510 56.38
r17* -12.394 5.047〜 3.361〜 1.612
r18 ∞ 0.700 1.54426 69.60
r19 ∞ 0.500 1.51633 64.14
r20 ∞

[表６]
面r2
ε = 1.0000
A4 = -0.37039953×10^-3 A6 = -0.97602247×10^-5 A8 = 0.20554819×10^-6
A10 = -0.85065389×10^-8
面r12
ε = 1.0000
A4 = -0.15450877×10^-3 A6 = 0.12056378×10^-3 A8 = -0.57126916×10^-5
A10 = 0.18520003×10^-6
面r13
ε = 1.0000
A4 = 0.49392921×10^-3 A6 = 0.12651561×10^-3 A8 = -0.55058164×10^-5
A10 = 0.24724400×10^-6
面r16
ε = 1.0000
A4 = -0.56639147×10^-4 A6 = -0.11227892×10^-4 A8 = 0.99272284×10^-6
A10 = -0.26348660×10^-7
面r17
ε = 1.0000
A4 = 0.26833965×10^-3 A6 = -0.28028360×10^-4 A8 = 0.16872221×10^-5
A10 = -0.35364982×10^-7

第１レンズ群Ｇ１の焦点距離をｆ１、第３レンズ群Ｇ３の焦点距離をｆ３で表すとき、｜ｆ１／ｆ３｜＝０．７３４である。したがって、前述の式１の関係は満たされており、式１’の関係も満たされている。

また、第３レンズ群Ｇ３に含まれる負のパワーを有するメニスカスレンズＬ７の撮影対象側の面ｒ１４および撮像素子２１側の面ｒ１５の曲率半径をそれぞれＣ3oおよびＣ3sで表すとき、｜（Ｃ3o−Ｃ3s）／（Ｃ3o＋Ｃ3s）｜＝０．３６である。したがって、式２の関係は満たされており、式２’の関係も満たされている。

さらに、第３レンズ群Ｇ３に含まれる正のパワーを有するレンズＬ８の撮像素子２１側の面ｒ１７のパワーをφ（単位：１／ｍｍ）、レンズＬ８の非球面ｒ１７を挟んで撮影対象側に位置する媒質（レンズＬ８）および撮像素子２１側に位置する媒質（空気）の屈折率をそれぞれＮｏおよびＮｓ、レンズＬ８の光軸からの距離をｙ、非球面ｒ１７の距離ｙにおけるサグをＸ（ｙ）、非球面ｒ１７の参照球面の距離ｙにおけるサグをＸ０（ｙ）、最大の像高をＹ’で表すとき、ｙ≦Ｙ’の範囲において、前述の式３の関係は満たされており、式３’の関係も満たされている。最大の像高Ｙ’は４．５ｍｍである。

非球面ｒ１７についての距離ｙと対応するφ・（Ｎｓ−Ｎｏ）・［ｄ｛Ｘ（ｙ）−Ｘ０（ｙ）｝／ｄｙ］のいくつかの値を表７に示す。

［表７］
面ｒ１７
ｙ φ・（Ｎｓ−Ｎｏ）・［ｄ｛Ｘ（ｙ）−Ｘ０（ｙ）｝／ｄｙ］
０．５６ −４．０×１０^-6
１．１２ −２．８×１０^-5
１．６８ −７．４×１０^-5
２．２４ −１．３×１０^-4
２．８０ −２．０×１０^-4
３．３６ −３．３×１０^-4
３．９２ −５．３×１０^-4
４．４８ −５．５×１０^-4

撮影光学系１２の収差を図６に示す。本実施形態のデジタルカメラ２の撮影光学系１２は、大きな撮像素子２１に対応し得るように最大の像高が４．５ｍｍと大きく設定されているが、図６より明らかなように諸収差が良好に抑えられており、高い結像特性を有する。また、全長がカバーガラスＣまで含めても４３ｍｍ程度であり、小型になっている。

第３の実施形態のデジタルカメラ２の撮影光学系１２の構成を図７に示す。デジタルカメラ２の撮影光学系１２は、撮影対象側から順に第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３を有する。

レンズＬ１の面ｒ２、レンズＬ６の面ｒ１２、ｒ１３、およびレンズＬ８の面ｒ１７はいずれも非球面である。また、レンズＬ４とレンズＬ５は接着されており、面ｒ９と面ｒ１０の間には接着剤が存在する。

広角端および望遠端での焦点距離はそれぞれ７．２０ｍｍおよび２０．４4ｍｍであり、したがって、ズーム比は２．８４である。広角端および望遠端でのＦ数はそれぞれ２．７１および５．０７である。また、焦点距離が中間の１２．１３ｍｍのときのＦ数は３．６２である。

撮影光学系１２のコンストラクションデータを表８に示し、非球面に関するデータを表９に示す。

[表８]
面曲率半径軸上面間隔屈折率アッベ数
r1 169.842 1.000 1.80610 40.74
r2* 6.816 3.080
r3 13.297 1.730 1.92286 20.88
r4 30.774 14.900〜 7.067〜 2.000
r5 ∞ 0.757
r6 14.416 1.285 1.88300 40.79
r7 72.808 0.100
r8 8.800 3.015 1.80420 46.50
r9 -23.170 0.010 1.51400 42.83
r10 -23.170 1.500 1.84666 23.78
r11 7.554 1.000
r12* -23.363 1.300 1.52510 56.38
r13* -13.217 3.293〜10.344〜19.526
r14 -13.000 1.000 1.51742 52.15
r15 -47.681 0.100
r16 17.703 2.933 1.52510 56.38
r17* -12.589 4.927〜 3.367〜 1.594
r18 ∞ 0.700 1.54426 69.60
r19 ∞ 0.500 1.51633 64.14
r20 ∞

[表９]
面r2
ε = 1.0000
A4 = -0.26148557×10^-3 A6 = -0.58401159×10^-5 A8 = 0.72058082×10^-7
A10 = -0.43433267×10^-8
面r12
ε = 1.0000
A4 = -0.11292224×10^-4 A6 = 0.67571853×10^-4 A8 = 0.36094608×10^-5
A10 = -0.41515219×10^-6
面r13
ε = 1.0000
A4 = 0.65316790×10^-3 A6 = 0.67395081×10^-4 A8 = 0.48211735×10^-5
A10 = -0.42115797×10^-6
面r17
ε = 1.0000
A4 = 0.30217167×10^-3 A6 = -0.86670357×10^-5 A8 = 0.31088404×10^-6
A10 = -0.44180523×10^-8

また、第３レンズ群Ｇ３に含まれる負のパワーを有するメニスカスレンズＬ７の撮影対象側の面ｒ１４および撮像素子２１側の面ｒ１５の曲率半径をそれぞれＣ3oおよびＣ3sで表すとき、｜（Ｃ3o−Ｃ3s）／（Ｃ3o＋Ｃ3s）｜＝０．５７である。したがって、式２の関係は満たされており、式２’の関係も満たされている。

非球面ｒ１７についての距離ｙと対応するφ・（Ｎｓ−Ｎｏ）・［ｄ｛Ｘ（ｙ）−Ｘ０（ｙ）｝／ｄｙ］のいくつかの値を表１０に示す。

［表１０］
面ｒ１７
ｙ φ・（Ｎｓ−Ｎｏ）・［ｄ｛Ｘ（ｙ）−Ｘ０（ｙ）｝／ｄｙ］
０．５６ −４．６×１０^-6
１．１２ −３．５×１０^-5
１．６８ −１．１×１０^-4
２．２４ −２．５×１０^-4
２．８０ −４．５×１０^-4
３．３６ −７．３×１０^-4
３．９２ −１．１×１０^-3
４．４８ −１．６×１０^-3

撮影光学系１２の収差を図８に示す。本実施形態のデジタルカメラ３の撮影光学系１２は、大きな撮像素子２１に対応し得るように最大の像高が４．５ｍｍと大きく設定されているが、図８より明らかなように諸収差が良好に抑えられており、高い結像特性を有する。また、全長がカバーガラスＣまで含めても４３ｍｍ程度であり、小型になっている。

第４の実施形態のデジタルカメラ２の撮影光学系１２の構成を図９に示す。デジタルカメラ２の撮影光学系１２は、撮影対象側から順に第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３を有する。

レンズＬ１の面ｒ２、レンズＬ６の面ｒ１２、ｒ１３、レンズＬ７の面ｒ１５およびレンズＬ８のｒ１７はいずれも非球面である。また、レンズＬ４とレンズＬ５は接着されており、面ｒ９と面ｒ１０の間には接着剤が存在する。

広角端および望遠端での焦点距離はそれぞれ７．０９ｍｍおよび２０．１４ｍｍであり、したがって、ズーム比は２．８４である。広角端および望遠端でのＦ数はそれぞれ２．７２および５．０７である。また、焦点距離が中間の１１．９５ｍｍのときのＦ数は３．６４である。

撮影光学系１２のコンストラクションデータを表１１に示し、非球面に関するデータを表１２に示す。

[表１１]
面曲率半径軸上面間隔屈折率アッベ数
r1 213.609 1.000 1.80610 40.74
r2* 6.780 3.010
r3 13.181 1.743 1.92286 20.88
r4 30.905 14.900〜 7.160〜 2.000
r5 ∞ 0.757
r6 14.061 1.304 1.88300 40.79
r7 100.743 0.100
r8 8.800 3.110 1.72916 54.67
r9 -19.482 0.010 1.51400 42.83
r10 -19.482 1.500 1.80518 25.46
r11 7.611 1.000
r12* -20.638 1.300 1.52510 56.38
r13* -11.941 3.084〜10.154〜19.175
r14 -13.000 1.000 1.52510 56.38
r15* -31.131 0.100
r16 22.260 2.876 1.52510 56.38
r17* -12.349 4.932〜 3.311〜 1.741
r18 ∞ 0.700 1.54426 69.60
r19 ∞ 0.500 1.51633 64.14
r20 ∞

[表１２]
面r2
ε = 1.0000
A4 = -0.26129900×10^-3 A6 = -0.67551779×10^-5 A8 = 0.10193191×10^-6
A10 = -0.50052335×10^-8
面r12
ε = 1.0000
A4 = -0.89028905×10^-4 A6 = 0.82433478×10^-4 A8 = 0.25211291×10^-5
A10 = -0.36482300×10^-6
面r13
ε = 1.0000
A4 = 0.53420575×10^-3 A6 = 0.86404099×10^-4 A8 = 0.21598133×10^-5
A10 = -0.23926368×10^-6
面r15
ε = 1.0000
A4 = 0.22771042×10^-3 A6 = -0.10827801×10^-4 A8 = 0.10265186×10^-6
A10 = 0.50600610×10^-8
面r17
ε = 1.0000
A4 = 0.78911207×10^-4 A6 = -0.46349782×10^-5 A8 = 0.56293440×10^-6
A10 = -0.13168875×10^-7

第１レンズ群Ｇ１の焦点距離をｆ１、第３レンズ群Ｇ３の焦点距離をｆ３で表すとき、｜ｆ１／ｆ３｜＝０．７２９である。したがって、前述の式１の関係は満たされており、式１’の関係も満たされている。

また、第３レンズ群Ｇ３に含まれる負のパワーを有するメニスカスレンズＬ７の撮影対象側の面ｒ１４および撮像素子２１側の面ｒ１５の曲率半径をそれぞれＣ3oおよびＣ3sで表すとき、｜（Ｃ3o−Ｃ3s）／（Ｃ3o＋Ｃ3s）｜＝０．４１である。したがって、式２の関係は満たされており、式２’の関係も満たされている。

非球面ｒ１７についての距離ｙと対応するφ・（Ｎｓ−Ｎｏ）・［ｄ｛Ｘ（ｙ）−Ｘ０（ｙ）｝／ｄｙ］のいくつかの値を表１３に示す。

［表１３］
面ｒ１７
ｙ φ・（Ｎｓ−Ｎｏ）・［ｄ｛Ｘ（ｙ）−Ｘ０（ｙ）｝／ｄｙ］
０．５６ −１．２×１０^-6
１．１２ −９．０×１０^-6
１．６８ −２．９×１０^-5
２．２４ −６．８×１０^-5
２．８０ −１．５×１０^-4
３．３６ −３．３×１０^-4
３．９２ −６．４×１０^-4
４．４８ −１．０×１０^-3

撮影光学系１２の収差を図１０に示す。本実施形態のデジタルカメラ４の撮影光学系１２は、大きな撮像素子２１に対応し得るように最大の像高が４．５ｍｍと大きく設定されているが、図１０より明らかなように諸収差が良好に抑えられており、高い結像特性を有する。また、全長がカバーガラスＣまで含めても４３ｍｍ程度であり、小型になっている。

なお、上記の各実施形態ではスチル画像を撮影するデジタルカメラの例を掲げたが、本発明の撮影光学系は、動画を撮影するデジタルビデオカメラや、モバイルコンピュータ、携帯電話、情報携帯端末等の情報処理機器に組み込まれるカメラに採用することも可能である。

各実施形態のデジタルカメラの外観を模式的に示す斜視図（ａ）および背面図（ｂ）。各実施形態のデジタルカメラの構成を模式的に示す図。第１の実施形態のデジタルカメラの撮影光学系の構成を示す図。第１の実施形態のデジタルカメラの撮影光学系の広角端（ａ）、中間焦点距離（ｂ）、望遠端（ｃ）での収差を示す図。第２の実施形態のデジタルカメラの撮影光学系の構成を示す図。第２の実施形態のデジタルカメラの撮影光学系の広角端（ａ）、中間焦点距離（ｂ）、望遠端（ｃ）での収差を示す図。第３の実施形態のデジタルカメラの撮影光学系の構成を示す図。第３の実施形態のデジタルカメラの撮影光学系の広角端（ａ）、中間焦点距離（ｂ）、望遠端（ｃ）での収差を示す図。第４の実施形態のデジタルカメラの撮影光学系の構成を示す図。第４の実施形態のデジタルカメラの撮影光学系の広角端（ａ）、中間焦点距離（ｂ）、望遠端（ｃ）での収差を示す図。

符号の説明

１〜４デジタルカメラ
１０カメラ本体
１１レンズ鏡胴
１２撮影光学系
１３ａ、１３ｂ光学ファインダー窓
１４フラッシュ発光部
１５電源ボタン
１６シャッターレリーズボタン
１７表示部
１８ズームボタン
１９操作ボタン
２１撮像素子
２２信号処理部
２３記録部
２３ａ記録媒体
２４操作部
２５撮影光学系駆動部
２６制御部
Ｇ１〜Ｇ３レンズ群
Ｌ１〜Ｌ８レンズ
Ｓ絞り
Ｆローパスフィルター
Ｃカバーガラス
ｒ１〜ｒ２０面

Claims

撮影対象からの光を撮像素子上に結像させる撮影光学系において、
撮影対象側から順に、負のパワーを有する第１レンズ群と、正のパワーを有する第２レンズ群と、正のパワーを有する第３レンズ群とを備え、第３レンズ群が撮影対象側から順に、撮像素子側に向かって凸の負のパワーを有するメニスカスレンズと、少なくとも撮影対象側に向かって凸の正のパワーを有するレンズを含み、第１レンズ群と第２レンズ群と第３レンズ群とを移動させて焦点距離を変えるとともに、第１レンズ群の焦点距離をｆ１、第３レンズ群の焦点距離をｆ３で表すとき、
０．７ ≦ ｜ｆ１／ｆ３｜ ≦ ２．０
の関係を満たすことを特徴とする撮影光学系。
第３レンズ群に含まれる負のパワーを有するメニスカスレンズの撮影対象側の面および撮像素子側の面の曲率半径をそれぞれＣ3oおよびＣ3sで表すとき、
０．２ ≦ ｜（Ｃ3o−Ｃ3s）／（Ｃ3o＋Ｃ3s）｜ ≦ １
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の撮影光学系。
第３レンズ群に含まれる少なくとも撮影対象側に向かって凸の正のパワーを有するレンズの撮影対象側の面および撮像素子側の面の少なくとも一方が、非球面であることを特徴とする請求項１に記載の撮影光学系。
第３レンズ群に含まれる正のパワーを有するレンズの撮像素子側の面のパワーをφ（単位は１／ｍｍ）、第３レンズ群に含まれる正のパワーを有するレンズの非球面を挟んで撮影対象側に位置する媒質および撮像素子側に位置する媒質の屈折率をそれぞれＮｏおよびＮｓ、第３レンズ群に含まれる正のパワーを有するレンズの光軸からの距離をｙ、第３レンズ群に含まれる正のパワーを有するレンズの非球面の距離ｙにおけるサグをＸ（ｙ）、第３レンズ群に含まれる正のパワーを有するレンズの非球面の参照球面の距離ｙにおけるサグをＸ０（ｙ）、最大の像高をＹ’で表すとき、ｙ≦Ｙ’の範囲において、
−５×１０^-3≦φ・（Ｎｓ−Ｎｏ）・［ｄ｛Ｘ（ｙ）−Ｘ０（ｙ）｝／ｄｙ］≦０
の関係を満たすことを特徴とする請求項３に記載の撮影光学系。
第３レンズ群が前記２つのレンズのみを含むことを特徴とする請求項１に記載の撮影光学系。
望遠端および広角端での当該撮影光学系全体の焦点距離をそれぞれｆｔおよびｆｗ、望遠端および広角端での当該撮影光学系全体の長さをそれぞれＬｔおよびＬｗで表すとき、
２．３ ≦ （ｆｔ／ｆｗ）・（Ｌｔ／Ｌｗ） ≦ ４
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の撮影光学系。
撮像素子と、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の撮影光学系を備えることを特徴とする撮像装置。