JP2006195071A - 変倍光学系 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高性能で小型・高変倍の変倍光学系と、それを備えた撮像装置を提供する。
【解決手段】 撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上に物体の光学像ＩＭを変倍可能に形成するための変倍光学系であって、物体側から順に、第１反射面ＲＬ１，第１可動群ＭＬ１，第２反射面ＲＬ２，第２可動群ＭＬ２から成る光学構成を含む。光軸ＡＸが第１反射面ＲＬ１で略９０度折り曲げられて光軸ＡＸ２となり、さらに第２反射面ＲＬ２で折り曲げられて光軸ＡＸ３となる。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)までの変倍において、第１反射面ＲＬ１と第２反射面ＲＬ２が像面ＩＭに対して位置固定であり、第１可動群ＭＬ１と第２可動群ＭＬ２が光軸ＡＸに沿って移動する構成になっている。条件式：1.0＜TR12／y'max＜12.5(TR12：第１反射面ＲＬ１から第２反射面ＲＬ２までの光軸ＡＸ２上の距離、y'max：最大像高)を満足する。
【選択図】 図１１

Description

本発明は変倍光学系に関するものであり、例えば、被写体の映像を撮像素子で取り込むデジタルカメラや画像入力機能付きデジタル機器に適した変倍光学系(なかでも小型で高変倍のズームレンズ系)と、それを備えた撮像装置に関するものである。
近年、パーソナルコンピュータの普及に伴い、手軽に画像を取り込めるデジタルカメラが普及しつつある。それに伴い、よりコンパクトで薄型のデジタルカメラが求められるようになってきており、撮影レンズ系にもより一層の小型化が要望されている。一方、撮像素子の画素数が年々増加の傾向にあるため、撮像素子の高画素化に対応した高い光学性能が撮影レンズ系に求められている。また、一般向けのデジタルカメラにおいても画像の変倍、特に画像劣化の少ない光学変倍が望まれているため、小型化，高性能化及び高変倍化の要求に応えるべく様々なタイプのズームレンズ系が従来より提案されている(例えば、特許文献１参照。)。
特開２００４−１７０７０７号公報
しかし、従来より提案されているズームレンズ系では、小型化，高性能化及び高変倍化という相反する要求に同時に応えることは困難である。例えば、特許文献１で提案されているような従来のズームレンズ系では、カメラの高さや幅を抑えながらズーム比を５倍程度以上にするため、光路を２回屈曲させる構成になっているが、光学性能とのバランスを考慮すると、コンパクト化が充分になされているとは言えない。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、高性能で小型・高変倍の変倍光学系と、それを備えた撮像装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、第１の発明の変倍光学系は、撮像素子の受光面上に物体の光学像を変倍可能に形成するための変倍光学系であって、物体側から順に、第１反射面，第１可動群，第２反射面及び第２可動群から成る光学構成を含み、前記第１反射面で光軸が略９０度折り曲げられ、さらに前記第２反射面で光軸が折り曲げられ、広角端から望遠端までの変倍において、前記第１反射面と前記第２反射面が像面に対して位置固定であり、前記第１可動群と前記第２可動群が光軸に沿って移動する構成になっており、以下の条件式(1)を満足することを特徴とする。
1.0＜TR12／y'max＜12.5 …(1)
ただし、
TR12：第１反射面から第２反射面までの光軸上の距離、
y'max：最大像高、
である。
第２の発明の変倍光学系は、上記第１の発明において、以下の条件式(2)を満足することを特徴とする。
1.0＜TR2i／y'max＜20.0 …(2)
ただし、
TR2i：第２反射面から像面までの光軸上の距離、
である。
第３の発明の変倍光学系は、上記第１又は第２の発明において、以下の条件式(3)を満足することを特徴とする。
0.1＜(β2t／β2w)／(ft／fw)＜0.95 …(3)
ただし、
β2t：望遠端，無限遠合焦時の第１可動群の横倍率、
β2w：広角端，無限遠合焦時の第１可動群の横倍率、
ft：望遠端での変倍光学系全体の焦点距離、
fw：広角端での変倍光学系全体の焦点距離、
である。
第４の発明の変倍光学系は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、物体側から順に、正のパワーを有する第１レンズ群と、負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、正のパワーを有する第４レンズ群と、を少なくとも含み、前記第１可動群が前記第２レンズ群であり、前記第２可動群が前記第３レンズ群又は前記第４レンズ群であることを特徴とする。
第５の発明の変倍光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、以下の条件式(4)を満足することを特徴とする。
1.5＜TL／ft＜4.0 …(4)
ただし、
TL：変倍光学系の最も物体側の面から像面までの光軸上の距離、
である。
第６の発明の変倍光学系は、上記第５の発明において、正のパワーを有する第１レンズ群を最も物体側に有し、その第１レンズ群に前記第１反射面を有することを特徴とする。
第７の発明の変倍光学系は、上記第１〜第６のいずれか１つの発明において、以下の条件式(5)を満足することを特徴とする。
4.2≦ZR …(5)
ただし、
ZR：変倍比、
である。
第８の発明の撮像装置は、第１〜第７のいずれか１つの発明に係る変倍光学系を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、物体側から順に、第１反射面，第１可動群，第２反射面及び第２可動群から成る光学構成を含む変倍光学系において、第１，第２反射面間隔が所定の条件を満たした構成になっているため、高い光学性能と高い変倍比を保持しながら変倍光学系の小型化を達成することが可能である。したがって、高性能で小型・高変倍の変倍光学系を備えた撮像装置を実現することができる。そして、本発明に係る撮像装置をデジタルカメラ，携帯情報機器等の機器に用いれば、これらの機器の薄型・軽量・コンパクト化，低コスト化，高性能化，高機能化等に寄与することができる。
以下、本発明を実施した変倍光学系，撮像装置等を、図面を参照しつつ説明する。本発明に係る撮像装置は、被写体の映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する光学装置であって、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラの主たる構成要素を成すものである。そのようなカメラの例としては、デジタルカメラ；ビデオカメラ；監視カメラ；車載カメラ；テレビ電話用カメラ；ドアホーン用カメラ；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，携帯情報端末(ＰＤＡ：Personal Digital Assistant)，これらの周辺機器(マウス，スキャナー，プリンター等)，その他のデジタル機器等に内蔵又は外付けされるカメラが挙げられる。これらの例から分かるように、撮像装置を用いることによりカメラを構成することができるだけでなく、各種機器に撮像装置を搭載することによりカメラ機能を付加することも可能である。例えば、カメラ付き携帯電話等の画像入力機能付きデジタル機器を構成することが可能である。
なお、従来「デジタルカメラ」の語は、専ら光学的な静止画を記録するものを指していたが、静止画と動画を同時に扱えるデジタルスチルカメラや家庭用デジタルムービーカメラも提案されており、現在では特に区別されなくなってきている。したがって「デジタルカメラ」の語は、デジタルスチルカメラ，デジタルムービーカメラ，ウェッブカメラ(オープン型・プライベート型を問わず、ネットワークに接続されて画像の送受信を可能にする機器に接続されるカメラであって、ネットワークに直接接続されるもの、パーソナルコンピュータ等の情報処理機能を有する機器を介して接続されるもの、の両方を含む。)等のように、光学像を形成する撮影レンズ系，その光学像を電気映像信号に変換する撮像素子等を備えた撮像装置を主たる構成要素とするカメラすべてを含むものとする。
図１１と図１２に、カメラＣＵ(デジタルカメラ，画像入力機能付きデジタル機器等に相当する。)の概略構成例を模式的断面で示す。図１１はカメラＣＵの正面図に相当し、図１２はカメラＣＵの側面図に相当する。カメラＣＵに搭載されている撮像装置ＬＵは、物体(すなわち被写体)側から順に、物体の光学像(ＩＭ：像面)を変倍可能に形成するズームレンズ系ＺＬ(撮影レンズ系としての変倍光学系に相当する。ＳＴ：絞り)と、平行平面板ＰＴ(必要に応じて配置される光学的ローパスフィルター，赤外カットフィルター等の光学フィルター；撮像素子ＳＲのカバーガラス等に相当する。)と、ズームレンズ系ＺＬにより受光面ＳＳ上に形成された光学像ＩＭを電気的な信号に変換する撮像素子ＳＲとを備えており、デジタルカメラ，携帯情報機器(つまり、携帯電話，ＰＤＡ等の小型で携帯可能な情報機器端末)等に相当するカメラＣＵの一部を成している。この撮像装置ＬＵでデジタルカメラを構成する場合、通常そのカメラのボディ内部に撮像装置ＬＵを配置することになるが、カメラ機能を実現する際には必要に応じた形態を採用することが可能である。例えば、ユニット化した撮像装置ＬＵをカメラボディに対して着脱自在又は回動自在に構成してもよく、ユニット化した撮像装置ＬＵを携帯情報機器(携帯電話，ＰＤＡ等)に対して着脱自在又は回動自在に構成してもよい。
撮像素子ＳＲとしては、例えば複数の画素を有するＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサー等の固体撮像素子が用いられる。そして、ズームレンズ系ＺＬにより(撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上に)形成された光学像は、撮像素子ＳＲにより電気的な信号に変換される。撮像素子ＳＲで生成した信号は、信号処理部３で所定のデジタル画像処理や画像圧縮処理等が必要に応じて施され、デジタル映像信号としてメモリ２(半導体メモリ，光ディスク等)に記録されたり、場合によってはケーブルを介したり赤外線信号に変換されたりして他の機器に伝送される。制御部５はマイクロコンピュータから成っており、撮影機能，画像再生機能，並びにズーミング及びフォーカシングのためのレンズ移動機構等を集中的に制御する。表示部４は液晶モニター等のディスプレイを含む部分であり、撮像素子ＳＲによって変換された画像信号あるいはメモリ２に記録されている画像情報を用いて画像表示を行う。操作部１は、操作ボタン(例えばレリーズボタン)，操作ダイヤル(例えば撮影モードダイヤル)等の操作部材を含む部分であり、操作者が操作入力した情報を制御部５に伝達する。
ズームレンズ系ＺＬで形成されるべき光学像は、撮像素子ＳＲの画素ピッチにより決定される所定の遮断周波数特性を有する光学的ローパスフィルター(図１１，図１２中の平行平面板ＰＴに相当する。)を通過することにより、電気的な信号に変換される際に発生するいわゆる折り返しノイズが最小化されるように、空間周波数特性が調整される。これにより、色モアレの発生を抑えることができる。ただし、解像限界周波数周辺の性能を抑えてやれば、光学的ローパスフィルターを用いなくてもノイズの発生を懸念する必要がなく、また、ノイズがあまり目立たない表示系(例えば、携帯電話の液晶画面等)を用いてユーザーが撮影や鑑賞を行う場合には、撮影レンズ系に光学的ローパスフィルターを用いる必要がない。したがって、光学的ローパスフィルターを必要としない撮像装置では、射出瞳位置を適正に配置することができれば、バックフォーカスの短縮により撮像装置やカメラの小型化を達成することが可能である。なお、光学的ローパスフィルターとしては、複屈折型ローパスフィルターや位相型ローパスフィルター等が適用可能である。複屈折型ローパスフィルターとしては、結晶軸方向が所定方向に調整された水晶等の複屈折材料から成るもの、偏光面を変化させる波長板等を積層して成るもの等が挙げられる。位相型ローパスフィルターとしては、必要とされる光学的な遮断周波数特性を回折効果により達成するもの等が挙げられる。
ズームレンズ系ＺＬは複数のレンズ群から成っており、少なくとも２つのレンズ群が第１，第２可動群ＭＬ１，ＭＬ２として光軸ＡＸに沿って移動し、少なくとも２つのレンズ群間隔を変化させることにより変倍(すなわちズーミング)を行う構成になっている。ズームレンズ系ＺＬ内の光路の途中には、２枚の平面状の第１，第２反射面ＲＬ１，ＲＬ２が配置されている。つまり、ズームレンズ系ＺＬは、第１反射面ＲＬ１と第２反射面ＲＬ２で光路を２回屈曲させる構成になっている。第１，第２反射面ＲＬ１，ＲＬ２により、ズームレンズ系ＺＬを屈曲光学系として使用するための光路の折り曲げが行われ、その際、光軸ＡＸが略９０度(つまり９０度又は実質的に９０度)折り曲げられるようにして光束が反射される。
上述した第１反射面ＲＬ１と第２反射面ＲＬ２での光路の２回の屈曲により、ズームレンズ系ＺＬの光軸ＡＸは略９０度ずつ互いに異なった方向に折り曲げられる。したがって、ズームレンズ系ＺＬの光軸ＡＸは互いに垂直な３つの部分、つまり、入射光軸である第１光軸ＡＸ１(図１２)と、第１反射面ＲＬ１と第２反射面ＲＬ２との間に位置する第２光軸ＡＸ２(図１１，図１２)と、第２反射面ＲＬ２の撮像素子ＳＲ側に位置する第３光軸ＡＸ３(図１１)と、で構成される。第１光軸ＡＸ１は図１２に示すように第１反射面ＲＬ１で略９０度折り曲げられ、第２光軸ＡＸ２は図１１に示すように第２反射面ＲＬ２で略９０度折り曲げられる。第２光軸ＡＸ２上には第１可動群ＭＬ１が配置されており、第３光軸ＡＸ３上には第２可動群ＭＬ２が配置されている。広角端から望遠端までの変倍において、第１反射面ＲＬ１と第２反射面ＲＬ２は像面ＩＭに対して位置固定であり、第１可動群ＭＬ１は第２光軸ＡＸ２に沿って移動し、第２可動群ＭＬ２は第３光軸ＡＸ３に沿って移動する構成になっている。第１可動群ＭＬ１と第２可動群ＭＬ２は、後述する各実施の形態における移動群に相当し、これらの移動は制御部５によって制御される。
上記のようにズームレンズ系ＺＬの光路中に光路を折り曲げる第１，第２反射面ＲＬ１，ＲＬ２を設ければ、撮像装置ＬＵの配置の自由度が高まるとともに、撮像装置ＬＵのコンパクト化が可能となる。そして、カメラＣＵは撮像装置ＬＵを搭載することにより薄型・コンパクト化が可能となる。つまり、第１光軸ＡＸ１から第２光軸ＡＸ２への略９０度の光軸ＡＸの折り曲げにより、第１光軸ＡＸ１方向への薄型化が可能となり、第２光軸ＡＸ２から第３光軸ＡＸ３への略９０度の光軸ＡＸの折り曲げにより、全長の長い高変倍のズームレンズ系ＺＬであってもコンパクト化が可能となる。第２光軸ＡＸ２から第３光軸ＡＸ３への光軸ＡＸの折り曲げ角度は略９０度に限らないが、第２光軸ＡＸ２と第３光軸ＡＸ３は第１光軸ＡＸ１に対し垂直な平面内に存在することが、第１光軸ＡＸ１方向への薄型化を図る上で好ましい。また、第１光軸ＡＸ１及び第３光軸ＡＸ３を互いに平行に配置し、かつ、第２光軸ＡＸ２に対し垂直に配置すれば、そのコの字状の光軸ＡＸ配置により、カメラＣＵの横幅を薄型化することが可能となる。
図１２に示すように、第１反射面ＲＬ１はプリズムＰＲで構成されており、第２反射面ＲＬ２はミラーＭＲで構成されている。第１反射面ＲＬ１をプリズムＰＲで構成することにより小型化等を有利に達成することが可能となり、第２反射面ＲＬ２をミラーＭＲで構成することにより低コスト化，軽量化，光利用効率の向上等を有利に達成することが可能となる。特に第１反射面ＲＬ１に関しては、ミラーよりもプリズムの方が小型化に有効である。ズームレンズ系ＺＬ(図１１，図１２)や後述する各実施の形態(図１〜図５)では、プリズムＰＲ，ＰＲ１，ＰＲ２として直角プリズムが用いられているが、使用するプリズムＰＲは直角プリズムに限らない。例えば２つ以上の反射面でズームレンズ系ＺＬの光軸ＡＸを略９０度折り曲げるように光束を反射させるプリズムを用いてもよい。ミラーＭＲに関しても同様であり、平面ミラー以外の反射ミラーを用いて第２反射面ＲＬ２を構成してもよい。また、光路を折り曲げるための光学的作用も反射に限らず、屈折，回折，又はそれらの組み合わせでもよい。つまり、反射面，屈折面，回折面，又はそれらが組み合わされたものを有するプリズムやミラーを用いてもよい。
ズームレンズ系ＺＬ(図１１，図１２)や後述する各実施の形態(図１〜図５)に用いられているプリズムＰＲ，ＰＲ１，ＰＲ２やミラーＭＲは、光学的パワー(パワー：焦点距離の逆数で定義される量)を有していないが、光路を折り曲げるプリズムＰＲ，ＰＲ１，ＰＲ２やミラーＭＲに光学的パワーを持たせてもよい。例えば、プリズムＰＲ，ＰＲ１，ＰＲ２の第１，第２反射面ＲＬ１，ＲＬ２；光入射側面；光射出側面；ミラーＭＲの第２反射面ＲＬ２等に、ズームレンズ系ＺＬの光学的パワーを一部負担させれば、レンズ素子のパワー負担を減らして光学性能を向上させることが可能となる。後述する各実施の形態では、プリズムＰＲ，ＰＲ１の物体側にレンズが配置されているが、そのレンズを配置する代わりに、プリズムＰＲの物体側面(すなわち光入射側面)に曲率をつけて、負又は正のパワーをもたせてもよい。
なお、撮像装置ＬＵに使用する撮影レンズ系はズームレンズ系ＺＬに限らない。ズームレンズ系ＺＬの代わりに、他のタイプの変倍光学系(例えば、バリフォーカルレンズ系，複数焦点距離切り替え型レンズ等の焦点距離可変の結像光学系)を撮影レンズ系として用いてもよい。また、図１１と図１２に示す撮像装置ＬＵでは、ズームレンズ系ＺＬによって拡大側の被写体から縮小側の撮像素子ＳＲへの縮小投影が行われるが、撮像素子ＳＲの代わりに２次元画像を表示する表示素子(例えば液晶表示素子)を用い、ズームレンズ系ＺＬを投影レンズ系として使用すれば、縮小側の画像表示面から拡大側のスクリーン面への拡大投影を行う画像投影装置を構成することができる。つまり、以下に説明する各実施の形態のズームレンズ系ＺＬは、撮影レンズ系としての使用に限らず、投影レンズ系としても好適に使用することが可能である。
図１〜図５は、第１〜第５の実施の形態を構成するズームレンズ系ＺＬにそれぞれ対応するレンズ構成図であり、広角端(Ｗ)でのレンズ配置を光学断面で示している。便宜上、光軸ＡＸの折り曲げが無い一直線上のレンズ配置を展開状態で示しているので、プリズムＰＲ，ＰＲ１，ＰＲ２やミラーＭＲの形状は示されていない。ただし、プリズムＰＲ，ＰＲ１，ＰＲ２における第１反射面ＲＬ１の軸上位置は光入射側面と光射出側面との中間に存在し、ミラーＭＲにおける第２反射面ＲＬ２の軸上位置はミラー空間前後の仮想面の中間に存在することになる。各レンズ構成図中、ｒｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)が付された面は物体側から数えてｉ番目の面(ｒｉに＊印が付された面は非球面)であり、ｄｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)が付された軸上面間隔は、物体側から数えてｉ番目の軸上面間隔のうち、ズーミングにおいて変化する可変間隔である。
第１〜第３，第５の実施の形態のレンズ構成図(図１〜図３，図５)中、矢印ｍ２，ｍ４は広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおける第２レンズ群ＧＲ２，第４レンズ群ＧＲ４の移動をそれぞれ模式的に示しており、その他の矢印はズーミングにおいて位置固定であることを示している。また、第４の実施の形態のレンズ構成図(図４)中、矢印ｍ２，ｍ３，ｍ４は広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおける第２レンズ群ＧＲ２，第３レンズ群ＧＲ３，第４レンズ群ＧＲ４の移動をそれぞれ模式的に示しており、その他の矢印はズーミングにおいて位置固定であることを示している。なお、いずれの実施の形態においても第２レンズ群ＧＲ２と第３レンズ群ＧＲ３との間には絞りＳＴが配置されており、絞りＳＴはズーミングにおいて位置固定になっている。
第１〜第３，第５の実施の形態のズームレンズ系ＺＬは、物体側から順に、正のパワーを有する第１レンズ群ＧＲ１と、負のパワーを有する第２レンズ群ＧＲ２と、正のパワーを有する第３レンズ群ＧＲ３と、正のパワーを有する第４レンズ群ＧＲ４と、正のパワーを有する第５レンズ群ＧＲ５と、から成り、各レンズ群間隔を変化させることによりズーミングを行う５成分ズームレンズである。そして、第２レンズ群ＧＲ２を第１可動群ＭＬ１とし、第４レンズ群ＧＲ４を第２可動群ＭＬ２とするズーム構成を採用しており、広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)までのズーミングにおいて第２レンズ群ＧＲ２と第４レンズ群ＧＲ４が移動する構成になっている。したがって、移動群は第２レンズ群ＧＲ２と第４レンズ群ＧＲ４であり、固定群は第１レンズ群ＧＲ１と第３レンズ群ＧＲ３と第５レンズ群ＧＲ５である。
第４の実施の形態のズームレンズ系ＺＬは、物体側から順に、正のパワーを有する第１レンズ群ＧＲ１と、負のパワーを有する第２レンズ群ＧＲ２と、正のパワーを有する第３レンズ群ＧＲ３と、正のパワーを有する第４レンズ群ＧＲ４と、から成り、各レンズ群間隔を変化させることによりズーミングを行う４成分ズームレンズである。そして、第２レンズ群ＧＲ２を第１可動群ＭＬ１とし、第３レンズ群ＧＲ３を第２可動群ＭＬ２とするズーム構成を採用しており、広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)までのズーミングにおいて第２レンズ群ＧＲ２，第３レンズ群ＧＲ３及び第４レンズ群ＧＲ４が移動する構成になっている。したがって、移動群は第２レンズ群ＧＲ２と第３レンズ群ＧＲ３と第４レンズ群ＧＲ４であり、固定群は第１レンズ群ＧＲ１である。各実施の形態のレンズ構成を以下に詳しく説明する。
第１の実施の形態(図１)では、正・負・正・正・正の５成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群ＧＲ１は、物体側から順に、像側に凹の負メニスカスレンズと、プリズムＰＲと、両凸の正レンズ２枚と、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、両凹の負レンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズと、で構成されている。第３レンズ群ＧＲ３は、物体側から順に、像側面が非球面から成る両凸の正レンズと、ミラーＭＲと、両凸の正レンズ及び両凹の負レンズから成る接合レンズと、で構成されており、第３レンズ群ＧＲ３の物体側にはズーミングに際して第３レンズ群ＧＲ３と共に位置固定の絞りＳＴが配置されている。第４レンズ群ＧＲ４は、物体側から順に、物体側面が非球面から成る両凸の正レンズと、像側に凹の負メニスカスレンズと、から成っている。第５レンズ群ＧＲ５は、両面が非球面から成る物体側に凸の正メニスカスレンズ１枚のみから成っている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第２レンズ群ＧＲ２は像側へ単調に移動し、第４レンズ群ＧＲ４は物体側へ単調に移動する。一方、第１レンズ群ＧＲ１，第３レンズ群ＧＲ３，第５レンズ群ＧＲ５及び平行平面板ＰＴは、像面ＩＭに対してズーム位置固定である。
第２の実施の形態(図２)では、正・負・正・正・正の５成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群ＧＲ１は、物体側から順に、像側に凹の負メニスカスレンズと、プリズムＰＲと、両凸の正レンズ２枚と、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、両凹の負レンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズと、で構成されている。第３レンズ群ＧＲ３は、物体側から順に、像側面が非球面から成る両凸の正レンズと、ミラーＭＲと、像側に凸の正メニスカスレンズ及び物体側に凹の負メニスカスレンズから成る接合レンズと、で構成されており、第３レンズ群ＧＲ３の物体側にはズーミングに際して第３レンズ群ＧＲ３と共に位置固定の絞りＳＴが配置されている。第４レンズ群ＧＲ４は、物体側から順に、両凸の正レンズと、両凸の正レンズ及び両凹の負レンズから成る接合レンズと、から成っている。第５レンズ群ＧＲ５は、両面が非球面から成る物体側に凸の正メニスカスレンズ１枚のみから成っている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第２レンズ群ＧＲ２は像側へ単調に移動し、第４レンズ群ＧＲ４は物体側へ単調に移動する。一方、第１レンズ群ＧＲ１，第３レンズ群ＧＲ３，第５レンズ群ＧＲ５及び平行平面板ＰＴは、像面ＩＭに対してズーム位置固定である。
第３の実施の形態(図３)では、正・負・正・正・正の５成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群ＧＲ１は、物体側から順に、像側に凹の負メニスカスレンズと、プリズムＰＲと、両凸の正レンズ２枚と、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、両凹の負レンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズと、で構成されている。第３レンズ群ＧＲ３は、物体側から順に、物体側面が非球面から成る両凸の正レンズと、ミラーＭＲと、像側に凸の正メニスカスレンズ及び物体側に凹の負メニスカスレンズから成る接合レンズと、で構成されており、第３レンズ群ＧＲ３の物体側にはズーミングに際して第３レンズ群ＧＲ３と共に位置固定の絞りＳＴが配置されている。第４レンズ群ＧＲ４は、物体側から順に、両凸の正レンズと、両凸の正レンズ及び像側面が非球面の両凹の負レンズから成る接合レンズと、から成っている。第５レンズ群ＧＲ５は、両面が非球面から成る物体側に凸の正メニスカスレンズ１枚のみから成っている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第２レンズ群ＧＲ２は像側へ単調に移動し、第４レンズ群ＧＲ４は物体側へ単調に移動する。一方、第１レンズ群ＧＲ１，第３レンズ群ＧＲ３，第５レンズ群ＧＲ５及び平行平面板ＰＴは、像面ＩＭに対してズーム位置固定である。
第４の実施の形態(図４)では、正・負・正・正の４成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群ＧＲ１は、物体側から順に、像側に凹の負メニスカスレンズと、プリズムＰＲ１と、両凸の正レンズ２枚と、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、像側面が非球面から成る像側に凹の負メニスカスレンズと、両凹の負レンズと、両凸の正レンズと、で構成されている。第３レンズ群ＧＲ３は、物体側から順に、物体側面が非球面から成る物体側に凸の正メニスカスレンズと、両凸の正レンズと、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、で構成されており、第３レンズ群ＧＲ３の物体側にはズーム位置固定のプリズムＰＲ２と絞りＳＴが配置されている。第４レンズ群ＧＲ４は、物体側面が非球面から成る物体側に凸の正メニスカスレンズ１枚のみから成っている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第２レンズ群ＧＲ２は像側へ単調に移動し、第３レンズ群ＧＲ３と第４レンズ群ＧＲ４は物体側へ単調に移動する。一方、第１レンズ群ＧＲ１及び平行平面板ＰＴは、像面ＩＭに対してズーム位置固定である。
第５の実施の形態(図５)では、正・負・正・正・正の５成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群ＧＲ１は、物体側から順に、像側に凹の負メニスカスレンズと、プリズムＰＲと、両凸の正レンズと、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、両凹の負レンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズと、で構成されている。第３レンズ群ＧＲ３は、物体側から順に、像側面が非球面から成る物体側に凸の正メニスカスレンズと、ミラーＭＲと、両凸の正レンズ及び物体側に凹の負メニスカスレンズから成る接合レンズと、で構成されており、第３レンズ群ＧＲ３の物体側にはズーミングに際して第３レンズ群ＧＲ３と共に位置固定の絞りＳＴが配置されている。第４レンズ群ＧＲ４は、物体側から順に、両凸の正レンズと、両凸の正レンズ及び両凹の負レンズから成る接合レンズと、から成っている。第５レンズ群ＧＲ５は、両面が非球面から成る物体側に凸の正メニスカスレンズ１枚のみから成っている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第２レンズ群ＧＲ２は像側へ単調に移動し、第４レンズ群ＧＲ４は物体側へ単調に移動する。一方、第１レンズ群ＧＲ１，第３レンズ群ＧＲ３，第５レンズ群ＧＲ５及び平行平面板ＰＴは、像面ＩＭに対してズーム位置固定である。
第１〜第３，第５の実施の形態では、第２光軸ＡＸ２上を第２レンズ群ＧＲ２が移動し、第３光軸ＡＸ３上を第４レンズ群ＧＲ４が移動することにより、ズーミングが行われる。第４の実施の形態では、第２光軸ＡＸ２上を第２レンズ群ＧＲ２が移動し、第３光軸ＡＸ３上を第３レンズ群ＧＲ３と第４レンズ群ＧＲ４が移動することにより、ズーミングが行われる。このように複数の移動群を異なる方向の光軸ＡＸ２，ＡＸ３上に分けて配置することにより、鏡胴構成の簡略化及び小型化を有利に行うことが可能となる。各実施の形態のズームレンズ系ＺＬでは、第１レンズ群ＧＲ１を固定群とするインナーズーム方式が採用されているため、ズーミングにおけるレンズの飛び出しが無く、カメラがいつもフラットな状態で撮影することができる。
上記のようにいずれの実施の形態も、物体側から順に、第１反射面，第１可動群，第２反射面及び第２可動群から成る光学構成を含み、前記第１反射面で光軸が略９０度折り曲げられ、さらに前記第２反射面で光軸が折り曲げられ、広角端から望遠端までの変倍において、前記第１反射面と前記第２反射面が像面に対して位置固定であり、前記第１可動群と前記第２可動群が光軸に沿って移動する変倍光学系の構成になっている。前述したように、第１反射面で光軸を略９０度折り曲げることにより、第１反射に対する入射光軸方向への薄型化が可能となり、さらに第２反射面で光軸を折り曲げることにより、全長の長い高変倍の変倍光学系であってもコンパクト化が可能となる。したがって、小型かつ高変倍の変倍光学系を備えた撮像装置を実現することができ、その撮像装置をデジタルカメラや画像入力機能付きデジタル機器等に用いれば、これらの機器の薄型・軽量・コンパクト化，低コスト化，高性能化，高機能化等に寄与することができる。これらの効果をバランス良く得るとともに、更に高い光学性能等を達成するための条件を以下に説明する。
以下の条件式(1)を満足することが望ましい。
1.0＜TR12／y'max＜12.5 …(1)
ただし、
TR12：第１反射面から第２反射面までの光軸上の距離、
y'max：最大像高、
である。
条件式(1)は、第１反射面から第２反射面までの軸上距離(つまり第２光軸ＡＸ２の長さ)について好ましい条件範囲を規定している。撮像装置及びそれを搭載したカメラ(デジタルカメラ，画像入力機能付きデジタル機器等)の高さ(つまり第２光軸ＡＸ２方向の大きさ)は、およそ第１反射面から第２反射面までの距離により制約される。しかし、条件式(1)を満たせば、カメラ等のコンパクト化を達成しながら良好に収差補正することが可能となる。この条件式(1)の下限を越えると、コンパクト化に関しては有利になるが、収差補正は困難になるため好ましくない。つまり、条件式(1)の下限を越えると第１可動群のパワーが強くなり、第１可動群が持つ収差が大きくなりすぎて、全変倍域で収差(特に球面収差やコマ収差)を良好に補正するのが困難になる。逆に、条件式(1)の上限を越えると、収差補正は良好に行うことができるが、コンパクト化は困難になる。入射光軸(第１光軸ＡＸ１)方向には薄型化できたとしても、その垂直方向には大きくなりすぎてしまうため好ましくない。
以下の条件式(1a)を満足することが更に望ましい。
6.0＜TR12／y'max＜12.0 …(1a)
この条件式(1a)は、上記条件式(1)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定しており、この条件式(1a)を満たすことにより更なるコンパクト化の達成が可能となる。
以下の条件式(2)を満足することが望ましい。
1.0＜TR2i／y'max＜20.0 …(2)
ただし、
TR2i：第２反射面から像面までの光軸上の距離、
である。
条件式(2)は、第２反射面から像面までの軸上距離(つまり第３光軸ＡＸ３の長さ)について好ましい条件範囲を規定している。撮像装置及びそれを搭載したカメラ(デジタルカメラ，画像入力機能付きデジタル機器等)の横幅(つまり第３光軸ＡＸ３方向の大きさ)は、およそ第２反射面から像面までの距離により制約される。しかし、条件式(2)を満たせば、第３光軸方向にデジタルカメラ等のコンパクト化を達成しながら良好に収差補正することが可能となる。この条件式(2)の下限を越えると、コンパクト化に関しては有利になるが、収差補正は困難になるため好ましくない。つまり、条件式(2)の下限を越えると第２可動群のパワーが強くなり、第２可動群が持つ収差が大きくなりすぎて、全変倍域で収差(特に球面収差やコマ収差)を良好に補正するのが困難になる。逆に、条件式(2)の上限を越えると、第１光軸ＡＸ１(入射光軸)方向や第２光軸ＡＸ２方向にはコンパクト化できたとしても、第３光軸ＡＸ３方向には大きくなりすぎてしまうため好ましくない。
以下の条件式(2a)を満足することが更に望ましい。
6.0＜TR2i／y'max＜17.0 …(2a)
この条件式(2a)は、上記条件式(2)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定しており、この条件式(2a)を満たすことにより更なるコンパクト化の達成が可能となる。
以下の条件式(3)を満足することが望ましい。
0.1＜(β2t／β2w)／(ft／fw)＜0.95 …(3)
ただし、
β2t：望遠端，無限遠合焦時の第１可動群の横倍率、
β2w：広角端，無限遠合焦時の第１可動群の横倍率、
ft：望遠端での変倍光学系全体の焦点距離、
fw：広角端での変倍光学系全体の焦点距離、
である。
条件式(3)において、β2t／β2wは第１可動群の変倍負担を表しており、ft／fwは変倍光学系全体の変倍比を表している。そして条件式(3)は、高変倍比とコンパクト性と光学性能とのバランスをとるための、第１可動群と第２可動群との変倍負担バランスに関して満たすことの好ましい条件を規定している。この条件式(3)の上限を越えると、第１可動群の変倍負担が大きくなる。したがって、第１可動群の変倍時の移動量が大きくなりすぎて、デジタルカメラ等が第２光軸ＡＸ２方向に大きくなってしまう。デジタルカメラ等を第２光軸ＡＸ２方向にコンパクト化しようとすれば、第１可動群のパワーが強くなりすぎてしまい、収差(特に球面収差やコマ収差)の補正が難しくなり、偏芯誤差感度も高くなってしまうので好ましくない。逆に、条件式(3)の下限を越えると、第１可動群の変倍負担が減り、第２可動群の変倍負担が増えることになる。したがって、第２可動群の変倍時の移動量が大きくなりすぎて、デジタルカメラ等が第３光軸ＡＸ３方向に大きくなってしまう。デジタルカメラ等を第３光軸ＡＸ３方向にコンパクト化しようとすれば、第２可動群のパワーが強くなりすぎてしまい、収差(特に球面収差やコマ収差)の補正が困難になり、偏芯誤差感度も高くなってしまうので好ましくない。
以下の条件式(3a)を満足することが更に望ましい。
0.3＜(β2t／β2w)／(ft／fw)＜0.8 …(3a)
この条件式(3a)は、上記条件式(3)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定しており、この条件式(3a)を満たすことにより更なる高性能化等の達成が可能となる。
各実施の形態のように、ズームレンズ系ＺＬに代表される変倍光学系の構成としては、物体側から順に、正のパワーを有する第１レンズ群と、負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、正のパワーを有する第４レンズ群と、を少なくとも含み、前記第１可動群が前記第２レンズ群であり、前記第２可動群が前記第３レンズ群又は前記第４レンズ群であることが、高変倍比とコンパクト性と光学性能とを良好にバランスさせる上で好ましい。さらに、第１レンズ群が前記第１反射面を有し、第１〜第３，第５の実施の形態のように第３レンズ群中に、又は第４の実施の形態のように第２レンズ群と第３レンズ群との間に、前記第２反射面を有することが好ましい。このような構成にすることにより、更にコンパクトかつ高変倍の変倍光学系を得ることが可能となる。また第１〜第３，第５の実施の形態のように、第２レンズ群と第３レンズ群との間に絞りを有する構成は、レンズ径，絞り径の小型化等に有効であり、第４の実施の形態のように、第２レンズ群と第３レンズ群との間の第３レンズ群寄りに絞りを有する構成は、シャッターユニット配置の自由度向上等に有効である。
以下の条件式(4)を満足することが望ましい。
1.5＜TL／ft＜4.0 …(4)
ただし、
TL：変倍光学系の最も物体側の面から像面までの光軸上の距離、
である。
条件式(4)は、光学全長について好ましい条件範囲を規定している。この条件式(4)の上限を越えると、収差補正上は好ましいが、レンズ全系が大きくなりすぎてしまうため好ましくない。逆に、条件式(4)の下限を越えると、例えば第１レンズ群が正パワーを有する場合には第１レンズ群のパワーが強くなる。その結果、収差補正が困難になるとともに第１レンズ群の偏芯誤差感度が大きくなるため好ましくない。したがって各実施の形態のように、正のパワーを有する第１レンズ群を最も物体側に有し、その第１レンズ群に前記第１反射面を有することが好ましい。
以下の条件式(4a)を満足することが更に望ましい。
2.0＜TL／ft＜3.5 …(4a)
この条件式(4a)は、上記条件式(4)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定しており、この条件式(4a)を満たすことにより更なる小型化，高性能化等の達成が可能となる。
高性能化及び小型化とのバランスから高変倍化を達成するには、以下の条件式(5)を満足することが望ましい。
4.2≦ZR …(5)
ただし、
ZR：変倍比、
である。
第２反射面の前後の構成に関しては、第１〜第３，第５の実施の形態のように、変倍時の位置が固定の正レンズを第２反射面の物体側に含む構成が好ましい。このような構成を有することより、第２反射面への光線の入射高さが抑えられ、光路の折り曲げのために必要なスペースが小さくなり、レンズ全系のコンパクト化が可能になるとともに、望遠端での収差(特に球面収差)の補正を良好に行うことが可能となる。
各実施の形態を構成しているズームレンズ系ＺＬには、入射光線を屈折作用により偏向させる屈折型レンズ(つまり、異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレンズ)が用いられているが、使用可能なレンズはこれに限らない。例えば、回折作用により入射光線を偏向させる回折型レンズ，回折作用と屈折作用との組み合わせで入射光線を偏向させる屈折・回折ハイブリッド型レンズ，入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布型レンズ等を用いてもよい。ただし、媒質内で屈折率が変化する屈折率分布型レンズは、その複雑な製法がコストアップを招くため、屈折率分布の均一な均質素材レンズを用いることが望ましい。また、各実施の形態を構成しているズームレンズ系ＺＬには、光学素子としてレンズ以外に絞りＳＴが用いられているが、必要に応じて不要光をカットするための光束規制板(例えばフレアカッター)等を必要に応じて配置してもよい。
以下、本発明を実施したズームレンズ系の構成等を、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１〜５は、前述した第１〜第５の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第１〜第５の実施の形態を表す光学構成図(図１〜図５)は、対応する実施例１〜５のレンズ構成をそれぞれ示している。
表１〜表１０に実施例１〜実施例５のコンストラクションデータを示し、表１１に各実施例の条件式対応値を示す。表１，表３，表５，表７，表９に示す基本的な光学構成(ｉ：面番号)において、ｒｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)は物体側から数えてｉ番目の面の曲率半径(ｍｍ)、ｄｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)は物体側から数えてｉ番目の面と(ｉ＋１)番目の面との間の軸上面間隔(ｍｍ)を示しており、Ｎｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)，νｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)は軸上面間隔ｄｉに位置する光学材料のｄ線に対する屈折率(Ｎｄ)，アッベ数(νｄ)をそれぞれ示している。また、ズーミングにおいて変化する軸上面間隔ｄｉは、広角端(最短焦点距離状態，Ｗ)〜ミドル(中間焦点距離状態，Ｍ)〜望遠端(最長焦点距離状態，Ｔ)での可変空気間隔であり、ｆ，ＦＮＯは各焦点距離状態(Ｗ)，(Ｍ)，(Ｔ)に対応する全系の焦点距離(ｍｍ)，Ｆナンバーをそれぞれ示している。
曲率半径ｒｉのデータに＊印が付された面は、非球面(非球面形状の屈折光学面、非球面と等価な屈折作用を有する面等)であり、非球面の面形状を表わす以下の式(AS)で定義される。表２，表４，表６，表８，表１０中に、各実施例の非球面データを示す。ただし、表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０-nである。
Ｘ(Ｈ)＝(Ｃ０・Ｈ2)／{１＋√(１−ε・Ｃ０2・Ｈ2)}＋Σ(Ａｊ・Ｈj) …(AS)
ただし、式(AS)中、
Ｘ(Ｈ)：高さＨの位置での光軸ＡＸ方向の変位量(面頂点基準)、
Ｈ：光軸ＡＸに対して垂直な方向の高さ、
Ｃ０：近軸曲率(＝１／ｒｉ)、
ε：２次曲面パラメータ、
Ａｊ：ｊ次の非球面係数、
である。
図６〜図１０は実施例１〜実施例５にそれぞれ対応する収差図であり、(Ｗ)は広角端，(Ｍ)はミドル，(Ｔ)は望遠端における無限遠合焦状態での諸収差{左から順に、球面収差等，非点収差，歪曲収差である。ＦＮＯはＦナンバー、Ｙ’(ｍｍ)は撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上での最大像高y'max(光軸ＡＸからの距離に相当する。)である。}を示している。球面収差図において、実線ｄはｄ線、一点鎖線ｇはｇ線、二点鎖線ｃはｃ線に対する各球面収差量(ｍｍ)を表しており、破線ＳＣは正弦条件不満足量(ｍｍ)を表している。非点収差図において、破線ＤＭはメリディオナル面、実線ＤＳはサジタル面でのｄ線に対する各非点収差(ｍｍ)を表している。また、歪曲収差図において実線はｄ線に対する歪曲(％)を表している。
Figure 2006195071
Figure 2006195071
Figure 2006195071
Figure 2006195071
Figure 2006195071
Figure 2006195071
Figure 2006195071
Figure 2006195071
Figure 2006195071
Figure 2006195071
Figure 2006195071
第１の実施の形態(実施例１)のレンズ構成図。 第２の実施の形態(実施例２)のレンズ構成図。 第３の実施の形態(実施例３)のレンズ構成図。 第４の実施の形態(実施例４)のレンズ構成図。 第５の実施の形態(実施例５)のレンズ構成図。 実施例１の収差図。 実施例２の収差図。 実施例３の収差図。 実施例４の収差図。 実施例５の収差図。 カメラの概略構成例を模式的断面で示す正面図。 カメラの概略構成例を模式的断面で示す側面図。
符号の説明
ＣＵ カメラ
ＬＵ 撮像装置
ＺＬ ズームレンズ系(変倍光学系)
ＧＲ１ 第１レンズ群
ＧＲ２ 第２レンズ群
ＧＲ３ 第３レンズ群
ＧＲ４ 第４レンズ群
ＧＲ５ 第５レンズ群
ＳＴ 絞り
ＰＴ 平行平面板
ＳＲ 撮像素子
ＳＳ 受光面
ＩＭ 像面
ＡＸ 光軸
１ 操作部
２ メモリ
３ 信号処理部
４ 表示部
５ 制御部

Claims (8)

  1. 撮像素子の受光面上に物体の光学像を変倍可能に形成するための変倍光学系であって、物体側から順に、第１反射面，第１可動群，第２反射面及び第２可動群から成る光学構成を含み、前記第１反射面で光軸が略９０度折り曲げられ、さらに前記第２反射面で光軸が折り曲げられ、広角端から望遠端までの変倍において、前記第１反射面と前記第２反射面が像面に対して位置固定であり、前記第１可動群と前記第２可動群が光軸に沿って移動する構成になっており、以下の条件式(1)を満足することを特徴とする変倍光学系；
    1.0＜TR12／y'max＜12.5 …(1)
    ただし、
    TR12：第１反射面から第２反射面までの光軸上の距離、
    y'max：最大像高、
    である。
  2. 以下の条件式(2)を満足することを特徴とする請求項１記載の変倍光学系；
    1.0＜TR2i／y'max＜20.0 …(2)
    ただし、
    TR2i：第２反射面から像面までの光軸上の距離、
    である。
  3. 以下の条件式(3)を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の変倍光学系；
    0.1＜(β2t／β2w)／(ft／fw)＜0.95 …(3)
    ただし、
    β2t：望遠端，無限遠合焦時の第１可動群の横倍率、
    β2w：広角端，無限遠合焦時の第１可動群の横倍率、
    ft：望遠端での変倍光学系全体の焦点距離、
    fw：広角端での変倍光学系全体の焦点距離、
    である。
  4. 物体側から順に、正のパワーを有する第１レンズ群と、負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、正のパワーを有する第４レンズ群と、を少なくとも含み、前記第１可動群が前記第２レンズ群であり、前記第２可動群が前記第３レンズ群又は前記第４レンズ群であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の変倍光学系。
  5. 以下の条件式(4)を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の変倍光学系；
    1.5＜TL／ft＜4.0 …(4)
    ただし、
    TL：変倍光学系の最も物体側の面から像面までの光軸上の距離、
    である。
  6. 正のパワーを有する第１レンズ群を最も物体側に有し、その第１レンズ群に前記第１反射面を有することを特徴とする請求項５記載の変倍光学系。
  7. 以下の条件式(5)を満足することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の変倍光学系；
    4.2≦ZR …(5)
    ただし、
    ZR：変倍比、
    である。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の変倍光学系を備えたことを特徴とする撮像装置。
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