JP2006317481A - 変倍光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 軽量・小型・高性能で屈曲光学系としての相性も良い変倍光学系と、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、正パワーの第１レンズ群Ｇｒ１、負パワーの第２レンズ群Ｇｒ２、正パワーの第３レンズ群Ｇｒ３、正パワーの第４レンズ群Ｇｒ４、第５レンズ群Ｇｒ５とから成る。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)までの変倍において、第１レンズ群Ｇｒ１，第３レンズ群Ｇｒ３，第５レンズ群Ｇｒ５の位置が固定であるとともに、第２レンズ群Ｇｒ２と第４レンズ群Ｇｒ４が移動する。第５レンズ群Ｇｒ５が物体側から順に負成分ＧｒＮと正成分ＧｒＰとで構成され、第５レンズ群Ｇｒ５の少なくとも１面に非球面を有し、条件式：0.01＜Tnp／T5＜0.5(Tnp：第５レンズ群内の負成分と正成分との間の軸上空気間隔、T5：第５レンズ群全体の軸上厚み)を満足する。
【選択図】 図１

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(なかでも軽量・小型で高性能のズームレンズ系)と、それを備えた撮像装置に関するものである。

従来より、ビデオカメラ用のズームレンズ系として、正のパワーを有する第１レンズ群、負のパワーを有する第２レンズ群、正のパワーを有する第３レンズ群、及び正のパワーを有する第４レンズ群から成る、いわゆる正・負・正・正の４群ズームレンズ系であって、ズーミングを第２レンズ群と第４レンズ群の移動により行い、フォーカシングを第４レンズ群の移動により行うものが数多く知られている。さらに、正・負・正・正の像側に第５レンズ群が配置された５群ズームレンズ系もよく知られるようになってきている(例えば、特許文献１〜４等参照。)。
特開平６−３３１８９１号公報 特開平７−２６１０８０号公報 特開平９−９０２２１号公報 特開２０００−８９１１２号公報

しかしながら、特許文献１〜４に記載のズームレンズ系は高変倍を主目的としたものであって、小型化を追求するために５群ズーム構成の最適化を図ったものとはいえない。近年、デジタルスチルカメラや携帯電話等に対する小型化の需要が増大してきており、それに伴い光学系自体の小型化が求められている。また、デジタルスチルカメラや携帯電話等は、携帯性や使い勝手の面で奥行きを薄くすることが望まれており、その結果、光学系の途中に反射部材を設けた屈曲光学系の需要が増大している。

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、軽量・小型・高性能で屈曲光学系としての相性も良い変倍光学系と、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、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、第５レンズ群と、で構成され、広角端から望遠端までの変倍において、前記第１レンズ群と前記第３レンズ群と前記第５レンズ群の位置が固定であるとともに、前記第２レンズ群と前記第４レンズ群が移動する構成になっており、前記第５レンズ群が物体側から順に負成分と正成分とで構成され、前記第５レンズ群の少なくとも１面に非球面を有し、以下の条件式(1)を満足することを特徴とする。
0.01＜Tnp／T5＜0.5 …(1)
ただし、
Tnp：第５レンズ群内の負成分と正成分との間の軸上空気間隔、
T5：第５レンズ群全体の軸上厚み、
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、前記負成分が最も物体側に負レンズを有し、その負レンズの物体側面が物体側に凹の形状を有することを特徴とする。

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、前記第５レンズ群において少なくとも１枚のレンズがプラスチックレンズであることを特徴とする。

第４の発明の変倍光学系は、上記第３の発明において、前記プラスチックレンズが前記非球面を両面に有する正レンズ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、前記第３レンズ群に以下の条件式(2)を満たす非球面レンズを有することを特徴とする。
-0.2＜A4×fw³×(n'−n)／√(ft／fw)＜-0.05 …(2)
ただし、
A4：非球面の４次の非球面係数、
n：非球面の物体側にある媒質の屈折率、
n'：非球面の像側にある媒質の屈折率、
ft：望遠端における全系の焦点距離、
fw：広角端における全系の焦点距離、
である。

第６の発明の変倍光学系は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記第１レンズ群内に光路を折り曲げるための反射面を有し、以下の条件式(3)を満足することを特徴とする。
0.7＜f1／ft＜1 …(3)
ただし、
f1：第１レンズ群の焦点距離、
ft：望遠端における全系の焦点距離、
である。

第７の発明の撮像装置は、第１〜第６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、第５レンズ群が非球面を有するとともに所定の条件式を満たす負成分と正成分で構成されているため、変倍光学系の高性能化と小型化とを効果的にバランスさせることが可能となる。したがって、軽量・小型・高性能で屈曲光学系としての相性も良い変倍光学系と、それ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７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。)の概略光学構成例を模式的断面で示す。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，画像入力機能付きの携帯情報機器(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。

図７に示す撮像装置ＬＵでは、ズームレンズ系ＺＬ内の光路の途中に平面状の反射面ＲＬが配置されており、反射面ＲＬの前側と後側には各々少なくとも１枚のレンズが配置されている。この反射面ＲＬ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。こ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反射面ＲＬ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の厚さ方向のサイズを変化させて、撮像装置ＬＵの見かけ上の薄型化を達成することが可能となる。特に、後述する第１〜第３の実施の形態(図１〜図３)のように最も物体側に負レンズを１枚配置し、その負レンズの像側に反射面ＲＬを配置した場合には、薄型化の大きな効果を得ることができる。なお、光路の折り曲げ位置はズームレンズ系ＺＬの途中に限らず、必要に応じてズームレンズ系ＺＬの前側又は後ろ側に設定してもよい。光路の適正な折り曲げにより、撮像装置ＬＵが搭載されるカメラＣＵの見かけ上の薄型化やコンパクト化を効果的に達成することが可能となる。

上記反射面ＲＬは、プリズム類(直角プリズム等)，ミラー類(平面ミラー等)等の反射部材により構成される。例えば、後述する第１〜第３の実施の形態(図１〜図３)では、反射部材としてプリズムＰＲ(好ましくは直角プリズム)が用いられているが、使用する反射部材はプリズム類に限らない。平面ミラー等のミラー類を反射部材として用いることにより、反射面ＲＬを構成してもよい。また、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反射部材を用いてもよい。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，又はそれらを組み合わせて有する屈曲光学部材を用いてもよい。

後述する第１〜第３の実施の形態に用いられているプリズムＰＲは、光学的なパワー(つまり焦点距離の逆数で定義される量)を有していないが、光路を折り曲げる光学部材に光学的なパワーを持たせてもよい。例えば、プリズムＰＲの反射面ＲＬ，光入射側面，光射出側面等に、ズームレンズ系ＺＬの光学的な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。図１に示すズームレンズ系ＺＬではプリズムＰＲの物体側に負レンズが配置されているが、その負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。

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１つのレンズ群が光軸ＡＸに沿って移動し、少なくとも１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。後述する第１，第３の実施の形態の場合、正・負・正・正・(略ノンパワー)の５成分ズーム構成を採用しており、第２の実施の形態の場合、正・負・正・正・正の５成分ズーム構成を採用している。そして、いずれも第２，第４レンズ群Ｇｒ２，Ｇｒ４が移動群、第１，第３，第５レンズ群Ｇｒ１，Ｇｒ３，Ｇｒ５が固定群になっている。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。

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７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。

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。

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、必要に応じて所定のデジタル画像処理や画像圧縮処理等が施されてデジタル映像信号としてメモリー(半導体メモリー，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。

なお、図７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３は、第１〜第３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)でのレンズ配置を屈曲光学系の光路展開状態における光学断面でそれぞれ示している。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。また各レンズ構成図中、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(つまり像面ＩＭに対する相対的な位置の変化)をそれぞれ模式的に示しており、矢印ｍＦは無限遠撮影から近距離撮影へのフォーカスレンズ群(ここでは第４レンズ群Ｇｒ４)の移動を模式的に示している。なお、平行平面板ＰＴはズーミングにおいて固定群Ｇｒ１，Ｇｒ３，Ｇｒ５と共に位置固定である。

第１〜第３の実施の形態を構成するズームレンズ系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、第５レンズ群Ｇｒ５と、の５成分から成っており、広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)までの変倍において、第１レンズ群Ｇｒ１と第３レンズ群Ｇｒ３と第５レンズ群Ｇｒ５の位置が固定であるとともに、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。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・(略ノンパワー)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、像側面が非球面から成る両凸の正レンズと、から成っている。第２レンズ群Ｇｒ２は、物体側から順に、像側に凹の負メニスカスレンズと、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、絞りＳＴ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、で構成されている。第４レンズ群Ｇｒ４は、像側に凹の負メニスカスレンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズ１枚のみから成っている。第５レンズ群Ｇｒ５は、物体側から順に、物体側に凹の負メニスカスレンズから成る負成分ＧｒＮと、両面が非球面から成る両凸の正レンズから成る正成分ＧｒＰと、で構成されている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１，第３，第５レンズ群Ｇｒ５は像面ＩＭ(図７)に対してズーム位置固定であるとともに、第２レンズ群Ｇｒ２は像側へほぼ直線的に(つまり単調に)移動し、第４レンズ群Ｇｒ４は物体側に緩い凸の軌跡を描くように移動する。

第２の実施の形態(図２)では、正・負・正・正・負の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、像側面が非球面から成る両凸の正レンズと、から成っている。第２レンズ群Ｇｒ２は、物体側から順に、両凹の負レンズと、両凹の負レンズ及び物体側に凸の正メニスカス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、絞りＳＴと、両凸の正レンズと、像側面が非球面から成る像側に凹の平凹負レンズと、で構成されている。第４レンズ群Ｇｒ４は、像側に凹の負メニスカスレンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズ１枚のみから成っている。第５レンズ群Ｇｒ５は、物体側から順に、両凹の負レンズから成る負成分ＧｒＮと、両面が非球面から成る両凸の正レンズから成る正成分ＧｒＰと、で構成されている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１，第３，第５レンズ群Ｇｒ５は像面ＩＭ(図７)に対してズーム位置固定であるとともに、第２レンズ群Ｇｒ２は像側へほぼ直線的に(つまり単調に)移動し、第４レンズ群Ｇｒ４は物体側に緩い凸の軌跡を描くように移動する。

第３の実施の形態(図３)では、正・負・正・正・(略ノンパワー)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、像側面が非球面から成る両凸の正レンズと、から成っている。第２レンズ群Ｇｒ２は、物体側から順に、両凹の負レンズと、両凹の負レンズ及び物体側に凸の平凸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、絞りＳＴと、両凸の正レンズと、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、で構成されている。第４レンズ群Ｇｒ４は、像側に凹の負メニスカスレンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズ１枚のみから成っている。第５レンズ群Ｇｒ５は、物体側から順に、両凹の負レンズから成る負成分ＧｒＮと、両面が非球面から成る両凸の正レンズから成る正成分ＧｒＰと、で構成されている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１，第３，第５レンズ群Ｇｒ５は像面ＩＭ(図７)に対してズーム位置固定であるとともに、第２レンズ群Ｇｒ２は像側へほぼ直線的に(つまり単調に)移動し、第４レンズ群Ｇｒ４は物体側に緩い凸の軌跡を描くように移動する。

上記のようにいずれの実施の形態も、物体側から順に正・負・正・正の４成分とそれに後続する第５レンズ群とで構成され、広角端から望遠端までの変倍において、第１，第３，第５レンズ群の位置が固定であるとともに、第２，第４レンズ群が移動する構成になっており、第５レンズ群が物体側から順に負成分と正成分とで構成され、第５レンズ群の少なくとも１面に非球面を有している。第５レンズ群は非球面レンズを含む少なくとも２枚のレンズ構成となるため、収差補正の自由度を上げることが可能である。そして、第５レンズ群が非球面を有するとともに物体側から順に負成分と正成分とで構成されることは、変倍光学系の高性能化と小型化に有効に作用する。例えば、像面に近い正成分では光線通過位置が高くなるため、像面湾曲や歪曲収差の補正を効果的に行うことができる。さらに、正成分によって撮像素子側へのテレセントリック性が容易に達成可能となるため、受光面上での照度分布を均一化することができる。また、第４レンズ群での光線通過位置が負成分によって低くなるため、第４レンズ群の径方向の小型化を効果的に達成することが可能となる。これにより、変倍光学系全体の小型化に寄与することができる。特に、第５レンズ群の１枚目に物体側に凹面を向けた負レンズを配置すれば、第４レンズ群からの射出光線の高さを低くして、第４レンズ群を径方向に更に小さくすることができる。したがって各実施の形態のように、負成分が最も物体側に負レンズを有し、その負レンズの物体側面が物体側に凹の形状を有することが好ましい。

上記観点から各実施の形態のズームレンズ系ＺＬでは、負成分ＧｒＮとしての負レンズ１枚と正成分ＧｒＰとしての正レンズ１枚とで第５レンズ群Ｇｒ５を構成している。そして、上記のように第５レンズ群が物体側から順に負成分と正成分とで構成され、第５レンズ群の少なくとも１面に非球面を有する構成にすれば、小型化と高性能化とを効果的にバランスさせることが可能となる。したがって、小型で高性能の変倍光学系と、それを備えた撮像装置を実現することができる。そして、その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、その薄型・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。このような効果をバランス良く得るには、上記のように第５レンズ群が非球面を有するとともに物体側から順に負成分と正成分とで構成され、更に以下の条件式(1)を満足することが望ましい。
0.01＜Tnp／T5＜0.5 …(1)
ただし、
Tnp：第５レンズ群内の負成分と正成分との間の軸上空気間隔、
T5：第５レンズ群全体の軸上厚み、
である。

上記条件式(1)を満足することにより、変倍光学系の小型化と収差補正とのバランスを最適化することができる。条件式(1)の下限を越えると、負成分と正成分との空気間隔が小さくなりすぎて、収差補正の自由度が減ってくる。また、負成分と正成分との空気間隔が小さくなりすぎる結果、第４レンズ群からの光束が高さ方向に増大するため、第４レンズ群の径を小さくすることも困難になる。逆に、条件式(1)の上限を越えると、負成分と正成分との空気間隔の増大により第５レンズ群が大型化し、その結果、変倍光学系全体の(特にレンズ径方向の)小型化が困難になる。

以下の条件式(1a)を満足することが更に望ましい。
0.02＜Tnp／T5＜0.2 …(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いる。この条件式(1a)を満たすことにより、小型化と収差補正とのバランスを更に最適化することが可能となる。

第５レンズ群において少なくとも１枚のレンズは樹脂から成ることが望ましい。つまり、第５レンズ群において少なくとも１枚のレンズがプラスチックレンズ(すなわち樹脂レンズ)であることが望ましい。第５レンズ群にプラスチックレンズを少なくとも１枚用いることは、変倍光学系のコストダウン及び軽量化を達成する上で有効である。つまり、第５レンズ群を構成するレンズは像面の近くに配置されるため一般的には外径が大きくなるが、これをプラスチックレンズとすることで軽量化に寄与することができる。また、プラスチックレンズを像面近くの正レンズとして用いると、撮像素子への光線をテレセントリックにすることが容易になる。プラスチックレンズであれば両面とも非球面にすることが容易であるため、プラスチックレンズは非球面を両面に有する正レンズであることが、収差補正上更に好ましい。なお、後述する実施例１〜３ではこれらの効果を達成するため、第５レンズ群Ｇｒ５において正成分ＧｒＰを構成する正レンズとして、非晶質ポリオレフィン系樹脂から成るプラスチックレンズを使用している。

各実施の形態のように第３レンズ群の少なくとも１面に非球面を有することが望ましく、第３レンズ群に以下の条件式(2)を満たす非球面レンズを有することが更に望ましい。
-0.2＜A4×fw³×(n'−n)／√(ft／fw)＜-0.05 …(2)
ただし、
A4：非球面の４次の非球面係数、
n：非球面の物体側にある媒質の屈折率、
n'：非球面の像側にある媒質の屈折率、
ft：望遠端における全系の焦点距離、
fw：広角端における全系の焦点距離、
である。

第３レンズ群では軸上光束幅がもっとも大きくなるため、第３レンズ群内の非球面をコントロールすることにより、全変倍域での球面収差・コマ収差の補正を適切に行うことができる。条件式(2)の下限を越えると、非球面による球面収差・コマ収差の補正効果が大きくなりすぎて、球面収差・コマ収差が補正過剰になりすぎてしまう。逆に、条件式(2)の上限を越えると、非球面の補正効果が小さくなりすぎて、アンダーの球面収差を補正しきれなくなる。なお、条件式(2)中のfw³／√(ft／fw)の部分は、広角端で焦点距離を１に正規化するためのものである。

以下の条件式(2a)を満足することが更に望ましい。
-0.19＜A4×fw³×(n'−n)／√(ft／fw)＜-0.10 …(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いる。

各実施の形態のズームレンズ系ＺＬは、前述したように第１レンズ群Ｇｒ１にプリズムＰＲを反射部材として有している。つまり、ズーミング中位置固定の第１レンズ群Ｇｒ１が、光軸ＡＸを略９０°折り曲げる反射面ＲＬを有している。このように変倍時の第１レンズ群のズーム位置が像面に対して固定であれば、重量の大きなプリズムを移動させるために駆動機構に大きな負担を強いる必要がない。また、第１レンズ群を移動させるための大きなスペースが不要であり、変倍光学系の入射側での光軸方向の長さを短くすることが可能となる。したがって、全長が変化しない(つまり変倍や沈胴による厚さの変化が生じない)変倍光学系を得ることができる。そして、変倍光学系の全長が変化しなければ、変倍光学系全体を箱型の構造で保持することができるので、変倍光学系を剛性の高い構造で保持することができる。こういった観点から、前述の特徴的な第５レンズ群で軽量・小型化及び高性能化された各実施の形態のズームレンズ系ＺＬは、屈曲光学系としても相性の良い構成と言える。

各実施の形態のズームレンズ系ＺＬは、上述したように屈曲光学系としての相性も良い構成を有するため、第１レンズ群中に光路を折り曲げるための反射部材を含む構成とすることも可能である。その場合、第１レンズ群内に光路を折り曲げるための反射面を有するとともに、以下の条件式(3)を満足することが望ましい。
0.7＜f1／ft＜1 …(3)
ただし、
f1：第１レンズ群の焦点距離、
ft：望遠端における全系の焦点距離、
である。

第１レンズ群中に光路を折り曲げるための反射部材を配置することにより、カメラの奥行きを薄くすることができる。しかし、その場合には第１レンズ群のパワーを適切に設定することが重要になる。条件式(3)は第１レンズ群の適切なパワー範囲を規定しており、条件式(3)を満たすことにより、屈曲光学系としての厚さと収差補正とのバランスを良好にすることができる。条件式(3)の下限を越えると、第１レンズ群のパワーが強くなりすぎて、望遠端での糸巻き型の歪曲が大きくなる。また、第２レンズ群以降の望遠端での合成倍率も大きくなり(必然的に、広角側の他のズーム域でのそれも大きくなる。)、ズーミングに伴う収差変動も補正しにくくなる。逆に、条件式(3)の上限を越えると、全般的には収差補正上有利になるが、第１レンズ群の外径が大きくなりすぎて、コンパクトな構成にできなくなる。

以下の条件式(3a)を満足することが更に望ましい。
0.80＜f1／ft＜0.96 …(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いる。

フォーカシングは第４レンズ群の移動により行うことが好ましい。各実施の形態のズームレンズ系ＺＬでは、矢印ｍＦ(図１〜図３)で示すように第４レンズ群Ｇｒ４を物体側に移動させることにより、無限遠物体から近接物体へのフォーカシングを行う構成になっている。従来より、ズーミングに対するレンズ駆動は、１つの駆動装置の動力をズームカムを通じて複数の移動レンズ群に伝達することで行われている。一方、フォーカシングは別の駆動装置を用いたフォーカスレンズ群の移動により行われている。しかし、各実施の形態のズームレンズ系ＺＬのようにズーミングやフォーカシングで移動するレンズ群が２つであれば、カム等を使わずに２つのレンズ群にそれぞれ駆動装置を直接接続することができる。各レンズ群の移動量をコントロールすることによりズーミングやフォーカシングを行えば、カムが不要となるので構成を簡略化することができ、ひいては薄型化につながるので好ましい。また、各実施の形態のズームレンズ系ＺＬのように、負レンズと正レンズをそれぞれ少なくとも１枚用いて第４レンズ群を構成し、近接撮影を行う際のフォーカシングを、第４レンズ群を物体側に繰り出すことにより行う構成にすれば、フォーカシング時の収差変動を小さくすることができるので好ましい。

変倍域に関しては、全系の小型化を図る意味で以下の条件式(4)を満足することが望ましい。
2.5＜ZR＜4 …(4)
ただし、
ZR：変倍比、
である。

従来より知られている一般的な正・負・正・正の４成分とそれに後続する第５レンズ群とから成る５成分ズーム構成では、高い変倍比を得るために変倍光学系全体の大きさが犠牲になっている。つまり、第１レンズ群のレンズ径の増大や変倍光学系の全長の増大により、変倍光学系全体の大型化を招く結果となっている。条件式(4)を満たすように変倍域を設定すれば、第１レンズ群等のレンズ径を小さくするとともに変倍光学系の全長を短縮して全体を小型化することが可能となる。したがって、変倍光学系におけるサイズ，変倍域及び光学性能のバランスを良好にすることができる。図７に示すようにズームレンズ系ＺＬを屈曲光学系として使用する場合には、ズームレンズ系ＺＬのレンズ径方向の小型化は、撮像装置ＬＵ及びカメラＣＵを薄型化する上で特に有効である。

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、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１〜３は、前述した第１〜第３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３の実施の形態を表す光学構成図(図１〜図３)は、対応する実施例１〜３のレンズ構成をそれぞれ示している。

表１〜表６に実施例１〜実施例３のコンストラクションデータを示し、表７に各実施例の条件式対応値を示す。表１，表３，表５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，Ｅ＋ｎ＝×１０⁺ⁿである。
Ｘ(Ｈ)＝(Ｃ０・Ｈ²)／{１＋√(１−ε・Ｃ０²・Ｈ²)}＋Σ(Ａｊ・Ｈ^j) …(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４〜図６は実施例１〜実施例３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(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線に対する球面収差(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。

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。 実施例１の収差図。 実施例２の収差図。 実施例３の収差図。 撮像装置を搭載したカメラの概略光学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
ＰＲ プリズム(反射部材)
ＲＬ 反射面
ＳＴ 絞り
ＧｒＮ 負成分
ＧｒＰ 正成分
ＰＴ 平行平面板
ＳＲ 撮像素子
ＳＳ 受光面
ＩＭ 像面
ＡＸ 光軸

Claims (7)

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、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、第５レンズ群と、で構成され、広角端から望遠端までの変倍において、前記第１レンズ群と前記第３レンズ群と前記第５レンズ群の位置が固定であるとともに、前記第２レンズ群と前記第４レンズ群が移動する構成になっており、前記第５レンズ群が物体側から順に負成分と正成分とで構成され、前記第５レンズ群の少なくとも１面に非球面を有し、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；
   0.01＜Tnp／T5＜0.5 …(1)
   ただし、
   Tnp：第５レンズ群内の負成分と正成分との間の軸上空気間隔、
   T5：第５レンズ群全体の軸上厚み、
   である。
2. 前記負成分が最も物体側に負レンズを有し、その負レンズの物体側面が物体側に凹の形状を有することを特徴とする請求項１記載の変倍光学系。
3. 前記第５レンズ群において少なくとも１枚のレンズがプラスチックレンズであることを特徴とする請求項１又は２記載の変倍光学系。
4. 前記プラスチックレンズが前記非球面を両面に有する正レンズであることを特徴とする請求項３記載の変倍光学系。
5. 前記第３レンズ群に以下の条件式(2)を満たす非球面レンズを有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；
   -0.2＜A4×fw³×(n'−n)／√(ft／fw)＜-0.05 …(2)
   ただし、
   A4：非球面の４次の非球面係数、
   n：非球面の物体側にある媒質の屈折率、
   n'：非球面の像側にある媒質の屈折率、
   ft：望遠端における全系の焦点距離、
   fw：広角端における全系の焦点距離、
   である。
6. 前記第１レンズ群内に光路を折り曲げるための反射面を有し、以下の条件式(3)を満足することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の変倍光学系；
   0.7＜f1／ft＜1 …(3)
   ただし、
   f1：第１レンズ群の焦点距離、
   ft：望遠端における全系の焦点距離、
   である。
7. 請求項１〜６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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