JP2007148052A

JP2007148052A - 変倍光学系

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Publication number: JP2007148052A
Application number: JP2005343079A
Authority: JP
Inventors: Shinji Yamaguchi; 伸二山口; Tetsuo Kono; 哲生河野; Genta Yagyu; 玄太柳生
Original assignee: Konica Minolta Photo Imaging Inc
Current assignee: Konica Minolta Photo Imaging Inc
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-06-14
Also published as: US20070121218A1; US7388716B2

Abstract

【課題】良好な光学性能を保持しつつ、沈胴状態での薄型化と撮影状態でのレンズ全長の短縮とが可能な変倍光学系と、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、負パワーの第１レンズ群Ｇｒ１、正パワーの第２レンズ群Ｇｒ２、正パワーの第３レンズ群Ｇｒ３を少なくとも含み、第３レンズ群Ｇｒ３が２枚以上のレンズから成り、広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)への変倍において、第１レンズ群Ｇｒ１が像側に凸の軌跡を描くように移動し(ｍ１)、第２レンズ群Ｇｒ２が物体側に単調に移動し(ｍ２)、第３レンズ群Ｇｒ３が物体側に凸の軌跡を描くように移動する(ｍ３)。
【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，ビデオカメラ，画像入力機能付きデジタル機器等に適した変倍光学系(なかでも沈胴式に好適な小型のズームレンズ系)と、それを備えた撮像装置に関するものである。

近年、デジタルカメラやビデオカメラの小型化が進んでおり、それらに搭載される撮像装置にも小型化・薄型化が求められている。また、携帯電話，携帯情報端末等のデジタル機器に搭載可能な、コンパクトな撮像装置に対する需要も高まっている。そして、これらの要望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１，２記載のズームレンズ系では、レンズの枚数及びレンズ群の厚さを減らして沈胴時の厚さを抑えることにより、レンズ収納時のカメラサイズを小さくしている。特許文献３記載のズームレンズ系では、沈胴時にレンズ群の１つを光軸から退避させることにより、カメラの薄型化を図っている。
特開２００４−３３３７６７号公報特開２００５−８４５９７号公報特開２００４−２３３９１６号公報

特許文献１，２で提案されているズームレンズ系では、レンズ収納時のカメラ厚を抑えることができても、撮影状態でのレンズ全長が長くなるため、最も物体側のレンズ群を撮影状態位置まで移動させるメカ構成が複雑化してしまう。特許文献３で提案されているズームレンズ系では、用いている退避手法により沈胴時の鏡胴厚が更に薄くなるため、撮影時のレンズの繰り出しが更に困難になる。

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、良好な光学性能を保持しつつ、沈胴状態での薄型化と撮影状態でのレンズ全長の短縮とが可能な変倍光学系と、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、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、を少なくとも含み、前記第３レンズ群が２枚以上のレンズから成り、広角端から望遠端への変倍において、前記第１レンズ群が像側に凸の軌跡を描くように移動し、前記第２レンズ群が物体側に単調に移動し、前記第３レンズ群が物体側に凸の軌跡を描くように移動することを特徴とする。

第２の発明の変倍光学系は、上記第１の発明において、前記第３レンズ群が物体側から順に負レンズと正レンズのレンズ２枚構成になっており、その２枚のレンズ間に空気間隔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２の発明において、前記第３レンズ群において、前記負レンズが像側に凸のメニスカス形状を有し、前記正レンズが像側に凸の形状を有することを特徴とする。

第４の発明の変倍光学系は、上記第２又は第３の発明において、前記第３レンズ群において、前記負レンズと前記正レンズとの間の空気間隔で正パワーの空気レンズが構成されてい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レンズ群内に非球面を有することを特徴とする。

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、以下の条件式(1)を満足することを特徴とする。
0.8＜T23w／fw＜1.7 …(1)
ただし、
T23w：広角端での第２レンズ群と第３レンズ群との間の軸上空気間隔、
fw：広角端における全系の焦点距離、
である。

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、広角端から望遠端までの変倍範囲において、以下の条件式(2)を満足することを特徴とする。
2.1＜TLmax／(fw・ft)^0.5＜3.6 …(2)
ただし、
TLmax：最も物体側のレンズ面の頂点から像面までの軸上距離の最大値、
fw：広角端における全系の焦点距離、
ft：望遠端における全系の焦点距離、
である。

第８の発明の変倍光学系は、上記第１〜第７のいずれか１つの発明において、以下の条件式(3)を満足することを特徴とする。
f3／f2＜1.95 …(3)
ただし、
f2：第２レンズ群の焦点距離、
f3：第３レンズ群の焦点距離、
である。

第９の発明の変倍光学系は、上記第１〜第８のいずれか１つの発明において、前記第１〜第３レンズ群の３つのレンズ群から成ることを特徴とする。

第１０の発明の変倍光学系は、上記第１〜第９のいずれか１つの発明において、前記第１〜第３レンズ群のそれぞれに非球面を少なくとも１面含み、前記第１レンズ群が物体側から順に負レンズと正レンズのレンズ２枚構成になっており、その２枚のレンズ間に空気間隔を有し、前記第２レンズ群がレンズ３枚構成になっており、そのうちの２枚のレンズで正レンズ及び負レンズから成る接合レンズが構成されていることを特徴とする。

第１１の発明の撮像装置は、上記第１〜第１０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、各レンズ群の特徴的な移動が、短い全長のなかでも効率の良い変倍を可能とし、撮像素子の受光面に対する光線入射角を適切に維持して良好なテレセントリック性の確保を可能とする。したがって、良好な光学性能を保持しつつ、沈胴状態での薄型化と撮影状態でのレンズ全長の短縮とが可能な変倍光学系と、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等が挙げられ、また、パーソナルコンピュータ，携帯情報機器(モバイルコンピュータ，携帯電話，携帯情報端末(ＰＤＡ：Personal Digital Assistant)等の小型で携帯可能な情報機器端末)，これらの周辺機器(マウス，スキャナー，プリンター，メモリー等)，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９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。

ズームレンズ系ＺＬは複数のレンズ群から成っており、複数のレンズ群が光軸ＡＸに沿って移動し、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。例えば、後述する第１〜第３の実施の形態ではズームレンズ系ＺＬが負・正・正の３群ズーム構成になっており、第４の実施の形態ではズームレンズ系ＺＬが負・正・正・正の４群ズーム構成になっている。そして、いずれの実施の形態も第１〜第３レンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ３が移動群を構成しており、第４の実施の形態では第４レンズ群Ｇｒ４が固定群を構成している。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９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９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４は、第１〜第４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)と望遠端(Ｔ)でのレンズ配置を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ｍ１，ｍ２，ｍ３は広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおける第１レンズ群Ｇｒ１，第２レンズ群Ｇｒ２，第３レンズ群Ｇｒ３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、図４中の矢印ｍ４は第４レンズ群Ｇｒ４が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は最も物体側に絞りＳＴを有しており、その絞りＳＴは第２レンズ群Ｇｒ２の一部としてズーム移動する構成(矢印ｍ２)になっている。

第１〜第３の実施の形態のズームレンズ系ＺＬは、物体側から順に、負のパワー(パワー：焦点距離の逆数で定義される量)を有する第１レンズ群Ｇｒ１と、正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、の３つのレンズ群から成り、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３群ズーム構成になっている。また、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、負のパワーを有する第１レンズ群Ｇｒ１と、正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、の４つのレンズ群から成り、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群ズーム構成になっている。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〜第３の実施の形態(図１〜図３)では、負・正・正の３群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、像側面が非球面から成る像側に凹の負メニスカスレンズ(第１レンズＬ１)と、物体側に凸の正メニスカスレンズ(第２レンズＬ２)と、で構成されている。第２レンズ群Ｇｒ２は、物体側から順に、絞りＳＴと、物体側面が非球面から成る両凸の正レンズ(第３レンズＬ３)及び両凹の負レンズ(第４レンズＬ４)から成る接合レンズと、両凸の正レンズ(第５レンズＬ５)と、で構成されている。第３レンズ群Ｇｒ３は、物体側から順に、物体側に凹の負メニスカスレンズ(第６レンズＬ６)と、物体側面が非球面から成る両凸の正レンズ(第７レンズＬ７)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レンズ群Ｇｒ１は像側への移動後に像側から物体側へＵターン移動し(つまり、像側に凸の軌跡を描くように移動する。)、第２レンズ群Ｇｒ２は物体側へ単調に(つまり、ほぼ直線的に)移動し、第３レンズ群Ｇｒ３は物体側への移動後に物体側から像側へＵターン移動する(つまり、物体側に凸の軌跡を描くように移動する。)。

第４の実施の形態(図４)では、負・正・正・正の４群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、像側面が非球面から成る像側に凹の負メニスカスレンズ(第１レンズＬ１)と、物体側に凸の正メニスカスレンズ(第２レンズＬ２)と、で構成されている。第２レンズ群Ｇｒ２は、物体側から順に、絞りＳＴと、物体側面が非球面から成る両凸の正レンズ(第３レンズＬ３)及び両凹の負レンズ(第４レンズＬ４)から成る接合レンズと、両凸の正レンズ(第５レンズＬ５)と、で構成されている。第３レンズ群Ｇｒ３は、物体側から順に、物体側に凹の負メニスカスレンズ(第６レンズＬ６)と、物体側面が非球面から成る両凸の正レンズ(第７レンズＬ７)と、で構成されている。第４レンズ群Ｇｒ４は、像側に凸の正メニスカスレンズ(第８レンズＬ８)１枚のみで構成されている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１レンズ群Ｇｒ１は像側への移動後に像側から物体側へＵターン移動し(つまり、像側に凸の軌跡を描くように移動する。)、第２レンズ群Ｇｒ２は物体側へ単調に(つまり、ほぼ直線的に)移動し、第３レンズ群Ｇｒ３は物体側への移動後に物体側から像側へＵターン移動する(つまり、物体側に凸の軌跡を描くように移動する。)。一方、第４レンズ群Ｇｒ４のズーム位置は固定である。

一般に、変倍光学系における沈胴時の薄型化は、各レンズ群の薄型化により達成可能である。しかし、沈胴時の薄型化を図る場合、撮影時のレンズ全長を抑えないと、沈胴状態からの繰り出し量の増大により鏡胴構成が複雑化し、その結果、鏡胴径の増大を招いてしまう。このため、各実施の形態のように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にあっては、沈胴状態での薄型化だけでなく、撮影状態でのレンズ全長、特に望遠端でのレンズ全長の短縮も必要になる。

上記観点から、各実施の形態のように、物体側から順に、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、を少なくとも含んだタイプの変倍光学系では、広角端から望遠端への変倍において、第１レンズ群が像側に凸の軌跡を描くように移動し、第２レンズ群が物体側に単調に移動し、第３レンズ群が物体側に凸の軌跡を描くように移動する構成にすることが好ましい。このように各レンズ群の移動を設定すれば、レンズ全長を短く保ちながら効率良く変倍を行うことが可能になる。そして、撮影状態でのレンズ全長(特に望遠端でのレンズ全長)の短縮により、沈胴状態での薄型化を達成するための鏡胴構成が容易になる。しかも、第３レンズ群が物体側に凸の軌跡を描くように移動する構成により、撮像素子の受光面に対する光線入射角を適切な角度に維持して、良好なテレセントリック性を確保することが可能となる。したがって、良好な光学性能を保持しつつ、沈胴状態での薄型化と撮影状態でのレンズ全長の短縮とが可能な変倍光学系を実現することができる。そして、その変倍光学系を備えた撮像装置をデジタルカメラ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。

また各実施の形態では、第３レンズ群が２枚のレンズＬ６，Ｌ７から成っている。このように、第３レンズ群が２枚以上のレンズから成ることが、撮影時のレンズ全長を短縮する上で好ましい。レンズ全長を短くするために第１レンズ群や第２レンズ群のパワーを強くすると、それにより生じる収差を補正する必要が生じる。その収差補正を効果的に行うには、第３レンズ群を２枚以上のレンズで構成することが好ましく、それにより撮影状態でのレンズ全長(特に望遠端でのレンズ全長)を短くすることが可能になる。また各実施の形態のように、第３レンズ群を負レンズＬ６と正レンズＬ７との２枚で構成すれば、軽量・小型化及び低コスト化とのバランスのとれた良好な収差補正が可能になる。

各実施の形態では、第３レンズ群Ｇｒ３が物体側から順に負レンズＬ６と正レンズＬ７のレンズ２枚構成になっており、その２枚のレンズ間に空気間隔を有する構成になっている。このように、第３レンズ群が物体側から順に負レンズと正レンズのレンズ２枚構成になっており、その２枚のレンズ間に空気間隔を有すること(つまり、２枚のレンズが接合されていないこと)が好ましい。この構成によると、その空気間隔により撮像素子の受光面に対する光線入射角を適切にして、良好なテレセントリック性を確保することができる。

各実施の形態では、第３レンズ群Ｇｒ３において、負レンズＬ６が像側に凸のメニスカス形状を有し、正レンズＬ７が像側に凸の形状を有している。このように、負・正のレンズ２枚から成る第３レンズ群において、負レンズが像側に凸のメニスカス形状を有し、正レンズが像側に凸の形状を有することが好ましい。この構成によると、ズーミングやフォーカシングにおいて第３レンズ群の移動による収差変動(例えば、倍率色収差，像面湾曲)を抑えることができる。また、正レンズの像側面を凸形状とすることにより、正レンズをコンデンサーレンズとして機能させることが可能になる。

各実施の形態では、第３レンズ群Ｇｒ３において、負レンズＬ６と正レンズＬ７との間の空気間隔で正パワーの空気レンズが構成されている。このように、負・正のレンズ２枚から成る第３レンズ群において、負レンズと正レンズとの間の空気間隔で正パワーの空気レンズが構成されていることが好ましい。この構成によると、正パワーの空気レンズで負・正２枚のレンズの効果を補助して、空気レンズでの良好な収差補正と良好なテレセントリック性の確保とが可能になる。

いずれの実施の形態においても、第３レンズ群Ｇｒ３内に非球面が設けられている。このように、第３レンズ群内に非球面を有することが好ましい。第３レンズ群内に非球面を有することにより、ズーミングやフォーカシングにおいて第３レンズ群の移動による収差変動(例えば、像面湾曲，歪曲収差)を更に効果的に抑えて、変倍光学系及び撮像装置のコンパクト化に寄与することができる。

第２，第３レンズ群間隔に関しては、以下の条件式(1)を満足することが望ましい。
0.8＜T23w／fw＜1.7 …(1)
ただし、
T23w：広角端での第２レンズ群と第３レンズ群との間の軸上空気間隔、
fw：広角端における全系の焦点距離、
である。

条件式(1)は、第２，第３レンズ群間隔に関する好ましい条件範囲を規定している。この条件式(1)の下限を越えると、第３レンズ群の変倍時の移動により撮像素子の受光面に対する光線入射角度の変動が大きくなる。逆に、条件式(1)の上限を越えると、第２レンズ群の変倍時の移動空間が減り、第２レンズ群のパワーが強くなるため、諸収差、特に望遠側の球面収差の悪化を招いてしまう。これらの収差を補正するためにはレンズ枚数を増加させる必要があるので、薄型化には向かない光学構成となる。

以下の条件式(1a)を満足することが更に望ましい。
0.9＜T23w／fw＜1.5 …(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。

変倍光学系の全長に関しては、広角端から望遠端までの変倍範囲において、以下の条件式(2)を満足することが望ましい。
2.1＜TLmax／(fw・ft)^0.5＜3.6 …(2)
ただし、
TLmax：最も物体側のレンズ面の頂点から像面までの軸上距離の最大値、
fw：広角端における全系の焦点距離、
ft：望遠端における全系の焦点距離、
である。

条件式(2)は、広角端から望遠端までの撮影状態における変倍光学系の全長に関する好ましい条件範囲を規定している。この条件式(2)の上限を越えると、沈胴状態から繰り出す第１レンズ群の移動量が大きくなりすぎて、メカ構成が複雑化する。逆に、条件式(2)の下限を越えると、変倍のための移動空間が減り、各レンズ群のパワーが強くなるため、球面収差，像面湾曲等が悪化する。

以下の条件式(2a)を満足することが更に望ましい。
2.5＜TLmax／(fw・ft)^0.5＜3.5 …(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。

第２，第３レンズ群のパワーに関しては、以下の条件式(3)を満足することが望ましい。
f3／f2＜1.95 …(3)
ただし、
f2：第２レンズ群の焦点距離、
f3：第３レンズ群の焦点距離、
である。

条件式(3)は、第２レンズ群と第３レンズ群とのパワー比に関する好ましい条件範囲を規定している。条件式(3)の上限を越えて第３レンズ群の焦点距離f3が大きくなると、第３レンズ群のパワーが小さくなるため、全変倍域での像面湾曲を抑えることができなくなる。条件式(3)の上限を越えて第２レンズ群の焦点距離f2が小さくなると、第２レンズ群のパワーが強くなりすぎてしまい、諸収差、特に望遠側の球面収差の悪化を招いてしまう。これらの収差を補正するためにはレンズ枚数を増加させる必要があるので、薄型化には向かない光学構成となる。

以下の条件式(3a)を満足することが更に望ましい。
f3／f2＜1.86 …(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。

第１〜第３の実施の形態では負・正・正の３群構成になっているが、前述した各レンズ群の移動形態は負・正・正の３群構成に限るものではなく、４つ以上のレンズ群から成る変倍光学系においても同様の効果を得ることは可能である。ただし、第１〜第３の実施の形態のように、第１〜第３レンズ群の３つのレンズ群から成ることが、沈胴時の薄型化と撮影時の全長短縮との良好なバランスをとる上で好ましい。つまり、負・正・正の３群構成とすることにより、沈胴時の厚さと最も物体側のレンズ面の頂点から像面までの軸上距離の最大値TLmaxとのバランスが良くなる。したがって、搭載されるカメラのコンパクト化に寄与することができる。

第４の実施の形態では、負・正・正・正の４群構成になっている。第４の実施の形態のように、第３レンズ群の像側に正のパワーを有する第４レンズ群を更に含むことにより、第１〜第４レンズ群の４つのレンズ群から成ることが好ましい。第４レンズ群のコンデンサーレンズ機能により、良好なテレセントリック性の確保が可能となる。なお、最終レンズ群にコンデンサーレンズ機能を持たせることは、負・正・正・正の４群構成に限るものではなく、５つ以上のレンズ群から成る変倍光学系においても同様の効果を得ることは可能である。

第４の実施の形態のように、第３レンズ群の像側に、正のパワーを有する第４レンズ群を含んで成る４群構成の変倍光学系であって、広角端から望遠端までの変倍において、第４レンズ群の位置が固定であることが好ましい。一般に、撮像素子に入射する主光線は、撮像素子の受光面に対して略垂直であること(テレセントリック性)が望ましいが、撮影状態での変倍光学系のレンズ全長を短縮していくとテレセントリック性は実現困難になる。そのテレセントリック性を良好な状態にするために、変倍位置固定の第４レンズ群を有することが好ましい。また、変倍位置固定の第４レンズ群が存在することにより、電子撮像素子で大きな問題となるゴミの混入も防ぐことができる。また第４の実施の形態のように、第４レンズ群が正レンズ１枚から成ることが好ましい。第４レンズ群を正レンズ１枚で構成することにより、全長及びレンズ枚数の増大によるコストアップを防ぎ、かつ、良好なテレセントリック性を得ることが可能となる。また、第４レンズ群をプラスチックレンズ１枚で構成すれば、コストダウンや軽量化を達成することができるので更に好ましい。

いずれの実施の形態も、第１レンズ群Ｇｒ１，第２レンズ群Ｇｒ２及び第３レンズ群Ｇｒ３のそれぞれに非球面を含み、第１レンズ群Ｇｒ１が物体側から順に負レンズＬ１と正レンズＬ２のレンズ２枚構成になっており、その２枚のレンズ間に空気間隔を有し、第２レンズ群Ｇｒ２がレンズ３枚構成になっており、そのうちの２枚のレンズで正レンズＬ３及び負レンズＬ４から成る接合レンズが構成されている。このように、第１〜第３レンズ群のそれぞれに非球面を少なくとも１面含み、第１レンズ群が物体側から順に負レンズと正レンズのレンズ２枚構成になっており、その２枚のレンズ間に空気間隔を有し(つまり、２枚のレンズが接合されておらず)、第２レンズ群がレンズ３枚構成になっており、そのうちの２枚のレンズで正レンズ及び負レンズから成る接合レンズが構成されていることが好ましい。

上記のように第１レンズ群に非球面を含むことは歪曲収差の補正に有効であり、第２レンズ群に非球面を含むことは球面収差(主に望遠側での球面収差)の補正に有効であり、第３レンズ群に非球面を含むことは歪曲収差及び像面湾曲の補正に有効である。空気間隔をあけた負・正のレンズ２枚で第１レンズ群を構成することは、変倍光学系の前玉径を小さくする上で有効である。また、正・負の接合レンズを含むレンズ３枚で第２レンズ群を構成することは、軸上色収差を効果的に補正する上で有効である。各レンズ群での良好な収差補正等の結果として、各レンズ群の厚みが抑えられるため、沈胴時の薄型化を達成することができる。したがって、少ないレンズ枚数で変倍光学系(例えばズームレンズ系)を構成することができ、沈胴時の薄型化と、全変倍域(例えばズーム全域)でのレンズ性能の確保と、を両立させることができる。

変倍比に関しては、以下の条件式(4)を満足することが望ましい。
2.1＜ft／fw＜4.3 …(4)
ただし、
fw：広角端における全系の焦点距離、
ft：望遠端における全系の焦点距離、
である。

条件式(4)は、変倍比に関する好ましい条件範囲を規定している。条件式(4)の下限を越えたズームレンズでは、第３レンズ群をレンズ２枚以上の構成にする効果が小さく、逆に沈胴時の厚さを大きくしてしまう。条件式(4)の上限を越えると、広角端と望遠端とでＦナンバー較差が大きくなり、広角端でのＦナンバーが明るくなるため、球面収差が悪化する。

以下の条件式(4a)を満足することが更に望ましい。
2.4＜ft／fw＜4.0 …(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いる。

第３レンズ群の横倍率に関しては、以下の条件式(5)を満足することが望ましい。
0.8＜β3w／β3t＜1.0 …(5)
ただし、
β3w：広角端における第３レンズ群の横倍率、
β3t：望遠端における第３レンズ群の横倍率、
である。

条件式(5)は、第３レンズ群の横倍率に関する好ましい条件範囲を規定している。この条件式(5)を満たすことにより、撮像素子の受光面に対する変倍時の光線入射角変動を抑えつつも、変倍への第３レンズ群の寄与を大きくすることができる。条件式(5)の下限を越えると、像面に対して第３レンズ群が離れすぎてしまい、広角端から望遠端への変倍において、撮像素子への光線入射角の変動が大きくなってしまう。逆に、条件式(5)の上限を越えると、第３レンズ群は広角端から望遠端で変倍比を減らすように働いてしまい、それを補うために第２レンズ群の移動量が増加するため、レンズ全長が長くなる。

以下の条件式(5a)を満足することが更に望ましい。
0.85＜β3w／β3t＜0.98 …(5a)
この条件式(5a)は、上記条件式(5)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、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１〜４は、前述した第１〜第４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４の実施の形態を表す光学構成図(図１〜図４)は、対応する実施例１〜４のレンズ構成をそれぞれ示している。

表１〜表８に実施例１〜実施例４のコンストラクションデータを示し、表９に各実施例の条件式対応値等のデータを示す。表１，表３，表５，表７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・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５〜図８は実施例１〜実施例４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。第４の実施の形態(実施例４)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。撮像装置を搭載したカメラの概略光学構成例を示す模式図。

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
Ｌ１第１レンズ(負レンズ)
Ｌ２第２レンズ(正レンズ)
Ｌ３第３レンズ(接合レンズを構成する正レンズ)
Ｌ４第４レンズ(接合レンズを構成する負レンズ)
Ｌ５第５レンズ
Ｌ６第６レンズ(負レンズ)
Ｌ７第７レンズ(正レンズ)
Ｌ８第８レンズ
ＳＴ絞り
ＰＴ平行平面板
ＳＲ撮像素子
ＳＳ受光面
ＩＭ像面
ＡＸ光軸

Claims

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、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、を少なくとも含み、前記第３レンズ群が２枚以上のレンズから成り、広角端から望遠端への変倍において、前記第１レンズ群が像側に凸の軌跡を描くように移動し、前記第２レンズ群が物体側に単調に移動し、前記第３レンズ群が物体側に凸の軌跡を描くように移動することを特徴とする変倍光学系。
前記第３レンズ群が物体側から順に負レンズと正レンズのレンズ２枚構成になっており、その２枚のレンズ間に空気間隔を有することを特徴とする請求項１記載の変倍光学系。
前記第３レンズ群において、前記負レンズが像側に凸のメニスカス形状を有し、前記正レンズが像側に凸の形状を有することを特徴とする請求項２記載の変倍光学系。
前記第３レンズ群において、前記負レンズと前記正レンズとの間の空気間隔で正パワーの空気レンズが構成されていることを特徴とする請求項２又は３記載の変倍光学系。
前記第３レンズ群内に非球面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。
以下の条件式(1)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；
0.8＜T23w／fw＜1.7 …(1)
ただし、
T23w：広角端での第２レンズ群と第３レンズ群との間の軸上空気間隔、
fw：広角端における全系の焦点距離、
である。
広角端から望遠端までの変倍範囲において、以下の条件式(2)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；
2.1＜TLmax／(fw・ft)^0.5＜3.6 …(2)
ただし、
TLmax：最も物体側のレンズ面の頂点から像面までの軸上距離の最大値、
fw：広角端における全系の焦点距離、
ft：望遠端における全系の焦点距離、
である。
以下の条件式(3)を満足することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の変倍光学系；
f3／f2＜1.95 …(3)
ただし、
f2：第２レンズ群の焦点距離、
f3：第３レンズ群の焦点距離、
である。
前記第１〜第３レンズ群の３つのレンズ群から成ることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の変倍光学系。
前記第１〜第３レンズ群のそれぞれに非球面を少なくとも１面含み、前記第１レンズ群が物体側から順に負レンズと正レンズのレンズ２枚構成になっており、その２枚のレンズ間に空気間隔を有し、前記第２レンズ群がレンズ３枚構成になっており、そのうちの２枚のレンズで正レンズ及び負レンズから成る接合レンズが構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の変倍光学系。
請求項１〜１０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。