JP2011059293A

JP2011059293A - 変倍結像光学系

Info

Publication number: JP2011059293A
Application number: JP2009207846A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Ogasawara; 典行小笠原
Original assignee: Sigma Corp
Current assignee: Sigma Corp
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】大型の撮像素子を採用するデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の電子撮像装置において、大型撮像素子に対応しながら、十分に小型化された変倍結像光学系を提供する。
【解決手段】
物体側より順に負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、負の屈折力の第３レンズ群を備え、第３レンズ群は負の屈折力の３ａレンズ群と３ｂレンズ群とからなり、近距離へのフォーカシングに際して３ｂレンズ群が移動し、所定の条件式を満足させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、大型の撮像素子を採用するデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の電子撮像装置に適するよう小型化された変倍結像光学系に関する。

近年、デジタルスチルカメラやビデオカメラの普及と同時に、撮像素子の画素数の増加が急速に進んでおり、より高画質の結像光学系が求められている。

Ｓ／Ｎ比の向上やダイナミックレンジの拡大のためには、より画素の面積の大きいことが有利となるため、撮像面の対角線長が２０ｍｍ程度またはそれより大きい撮像素子を搭載した撮像装置が、レンズ交換式一眼レフレックスカメラを中心として開発されている。

このような大型撮像素子に適した変倍結像光学系の例が、特許文献１から３などに記載されている。

また、近年では結像光学系の歪曲収差を画像処理により補正する機能を搭載した撮像装置が開発されている。このような撮像装置では光学系の歪曲収差量がある程度大きくても許容できる。光学系の歪曲を補正する必要がなければ、ＯＴＦ（光学伝達関数）の向上、または光学系のさらなる小型化が可能となる。

画像処理によって歪曲補正を行うことで、小型化を行いながら高い光学性能を得ている変倍結像光学系の例が特許文献４に記載されている。

特開２００６−５３４３７号公報

特開２００６−２５１４６２号公報

特開２００８−１５２１８９号公報

特開２００９−８６４１６号公報

大型の撮像素子に適合する結像光学系は必然的に大型化してしまう。このため撮像装置全体の小型化のために、結像光学系を撮像素子に対して可能な限り小型化することが求められる。

また鏡筒を沈胴させて収納する場合は、レンズ枚数及び移動群の数が少なく、移動群の移動量が小さい方がより小さく収納できるため好ましい。

特許文献１に記載の変倍結像光学系は移動群が２つのみであり、レンズ枚数も少なくしながら高い結像性能を得ているが、バックフォーカスを長く設定しているために光学系の全長を十分に短縮できていない。

特許文献２に記載の変倍結像光学系はバックフォーカスを短く設定し、変倍比を大きくしながら全長を短縮しているが、移動群を６以上備えるため、機構が複雑化してしまう。

特許文献３に記載の変倍結像光学系は、望遠端における全長がイメージセンサ対角線長の３倍を下回り小型化を達成できているが、変倍が２倍に留まり、また軸上の２次スペクトルが大きく、性能に難がある。

特許文献４に記載の変倍結像光学系は小型の撮像素子に適合するように設計されており、撮像素子に対して光学系の全長が長くなってしまっている。

本発明は変倍比２．６倍程度で、光学系全長が短く収納時の全長も短くできる、小型で簡易な構成の変倍結像光学系を提供することを目的とする。

本発明の変倍結像光学系は物体側より順に負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、負の屈折力の第３レンズ群を備え、広角側から望遠側への変倍に際して、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔が小さくなるように各レンズ群が移動し、第３レンズ群は負の屈折力の３ａレンズ群と正の屈折力の３ｂレンズ群よりなり、無限遠方から近距離へのフォーカシングに際して３ｂレンズ群が移動し、第２レンズ群の焦点距離ｆ_２と第３レンズ群の焦点距離ｆ_３の間に次の条件を満足することを特徴とする。
（１）１．２０＜｜（ｆ_２・ｆ_３）／（ｆ_ｗ・ｆ_ｔ）｜＜２．６０
ｆ_２：第２レンズ群の焦点距離
ｆ_３：第３レンズ群の焦点距離
ｆ_ｗ：光学系の広角端の合成焦点距離
ｆ_ｔ：光学系の望遠端の合成焦点距離

本発明においてさらに好ましくは、３ｂレンズ群は１枚のレンズよりなることを特徴とする。

本発明においてさらに好ましくは、第１レンズ群の焦点距離と光学系全体の合成焦点距離の関係が次の条件を満足することを特徴とする。
（２）０．７５＜｜ｆ_１／ｓｑｒｔ（ｆ_ｗ・ｆ_ｔ）｜＜１．１０
ｆ_１：第１レンズ群の焦点距離

本発明においてさらに好ましくは、３ｂレンズ群が次の条件を満たすことを特徴とする。
（３）０．８０＜｜（１−β_ｔ３ｂ ^２）｜＜０．９８
β_ｔ３ｂ：３ｂレンズ群の望遠端無限遠合焦時の結像倍率

本発明によれば変倍比２．６倍程度で、光学系全長が短く収納時の全長も短くできる、小型で簡易な構成の変倍結像光学系を提供することを提供できる。

実施例１のズームレンズの広角端の無限遠におけるレンズ断面図実施例１のズームレンズの広角端の無限遠における縦収差図実施例１のズームレンズの中望遠の無限遠における縦収差図実施例１のズームレンズの望遠端の無限遠における縦収差図実施例１のズームレンズの広角端の無限遠における横収差図実施例１のズームレンズの中望遠の無限遠における横収差図実施例１のズームレンズの望遠端の無限遠における横収差図実施例２のズームレンズの広角端の無限遠におけるレンズ断面図実施例２のズームレンズの広角端の無限遠における縦収差図実施例２のズームレンズの中望遠の無限遠における縦収差図実施例２のズームレンズの望遠端の無限遠における縦収差図実施例２のズームレンズの広角端の無限遠における横収差図実施例２のズームレンズの中望遠の無限遠における横収差図実施例２のズームレンズの望遠端の無限遠における横収差図実施例３のズームレンズの広角端の無限遠におけるレンズ断面図実施例３のズームレンズの広角端の無限遠における縦収差図実施例３のズームレンズの中望遠の無限遠における縦収差図実施例３のズームレンズの望遠端の無限遠における縦収差図実施例３のズームレンズの広角端の無限遠における横収差図実施例３のズームレンズの中望遠の無限遠における横収差図実施例３のズームレンズの望遠端の無限遠における横収差図実施例４のズームレンズの広角端の無限遠におけるレンズ断面図実施例４のズームレンズの広角端の無限遠における縦収差図実施例４のズームレンズの中望遠の無限遠における縦収差図実施例４のズームレンズの望遠端の無限遠における縦収差図実施例４のズームレンズの広角端の無限遠における横収差図実施例４のズームレンズの中望遠の無限遠における横収差図実施例４のズームレンズの望遠端の無限遠における横収差図

本発明の変倍結像光学系は負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、負の屈折力の第３レンズ群を備える。

第１レンズ群の屈折力を負、第２レンズ群以降の合成屈折力を正とした負群先行型変倍結像光学系は前玉径を小さくしやすい特徴を持っており、撮像装置の小型化に有利である。また固体撮像素子は入射角の大きい光に対して感度が低下するため、テレセントリック性に優れた負群先行型変倍光学系が有利となる。

負群先行型変倍結像光学系は主として第１レンズ群と第２レンズ群の間隔を変化させることによって変倍を行う。

最も簡易的には負・正の２群のみで変倍結像光学系を構成できるが、変倍の中間域で非点収差の変動が大きく、性能が低下しやすい欠点がある。この形式の正群を３分割して、負正負正の４群構成とすることで変倍の中間域でも非点収差の変動を抑制し性能を向上させる構成が知られている。しかしながら移動群が多くなるため機構が複雑化し、沈胴時の大きさを抑制することが難しくなる。また、負群先行型変倍結像光学系は全長が長くなりやすいという欠点がある。

本発明の変倍結像光学系は沈胴時の全長を抑えながら高性能を達成するため、３つの移動群で構成している。さらに光学系の全長の増加を抑えるため、第２レンズ群の屈折力を正、第３レンズ群の屈折力を負としている。これによって第２レンズ群と第３レンズ群のパワー配置は、第２レンズ群で光を強く収束させてから第３レンズ群で発散させるテレフォトタイプのパワー配置となるため、焦点距離に対して光学系全長を小型化できる。

近距離への焦点調節に際して、光学系全体の小型化を目的とすれば、インナーフォーカス方式は光学系内部にフォーカスレンズの移動スペースを確保する必要があるため、好ましくない。また、フォーカス駆動の高速化のためにはフォーカスレンズが軽量であることが望まれる。第１レンズ群をフォーカスレンズとすることは径が大きく、重量が重いため好ましくない。したがって、最後群の第３レンズ群を３ａレンズ群と３ｂレンズ群とに分け、３ｂレンズ群をフォーカスレンズとして移動させることで焦点調節を行うことが好ましい。

条件式（１）は第２レンズ群と第３レンズ群の焦点距離と、光学系の広角端と望遠端における合成焦点距離との関係を規定するものである。条件式（１）の上限を超えて第２レンズ群または第３レンズ群の焦点距離が長くなると光学系の全長も長くなってしまうため好ましくない。条件式（１）の下限を超えて第２レンズ群または第３レンズ群の焦点距離が短くなると、特に球面収差、コマ収差の補正が困難になるために構成枚数の削減が難しくなって、沈胴収納時の全長を小さくすることが難しい。

本発明の変倍結像光学系は、さらに３ｂレンズ群を一枚のレンズで構成すること
によりフォーカスレンズを軽量化することが好ましい。

条件式（２）は第１レンズ群の焦点距離と光学系の広角端と望遠端における合成焦点距離との関係を規定するものであり、第２レンズ群以降の結像倍率の満たすべき条件を示している。条件式（２）の下限を超えて第１レンズ群の焦点距離が短くなり、第２レンズ群以降の結像倍率が大きくなると、変倍に伴う各レンズ群の移動量が大きくなり、変倍機構の大型化を招く。また、球面収差やコマ収差等の補正が困難となって構成枚数の削減が難しくなり、沈胴収納時の小型化を阻害する。条件式（２）の上限を超えて第１レンズ群の焦点距離が長くなり第２レンズ群以降の結像倍率が小さくなると、変倍に伴う第１レンズ群と第２レンズ群の間隔変化が大きくなるために、やはり変倍機構が大型化する。また、光学系の全長も長くなってしまいがちである。

条件式（３）は３ｂレンズ群の微少移動に対する像面の移動量の比を規定する式である。条件式（３）の値が大きくなると３ｂレンズ群の微少移動に対する像面の移動量が大きくなる。条件式（３）の上限を超えると、３ｂレンズ群の移動に伴う球面収差や非点収差の変動や、３ｂレンズ群の偏芯時の像シフトや非点収差の変動が大きくなるなどの問題が生じる。条件式（３）の下限を超えると近距離へのフォーカシングに伴う３ｂレンズ群の移動距離が大きくなり、光学系の小型化を阻害し、または撮影倍率を大きくできない。

以下に本発明の変倍結像光学系にかかる数値実施例１から４を示す。

各数値実施例において全体諸元中のｆは焦点距離。ＦｎｏはＦナンバー、２ωは対角線画角を示す。レンズ諸元中の番号は物体側からのレンズの面番号、Ｒはレンズ面の曲率半径、Ｄはレンズ面間隔、ｎｄはｄ線(波長５８７．５６ｎｍ)の屈折率、νｄはｄ線基準のアッベ数を示す。また、Ｂｆはバックフォーカスを示す。図中のｄ線、ｇ線、Ｃ線、はそれぞれの波長での収差である。ΔＳはｄ線のサジタル像面、ΔＭはｄ線のメリジオナル像面を示す。

なお、各実施例の非球面レンズの非球面形状は次式で定義される。

また、負群先行型変倍結像光学系では広角側において負の歪曲が大きくなる傾向がある。

各数値実施例に示される変倍光学系の変倍の広角端においては、画面周辺部で負の歪曲が大きくなっていて、変倍の全域において歪曲が正になることはない。

変倍結像光学系を使用する撮像装置側において歪曲補正処理を行うことによって、歪曲の少ない良好な画像を得ることができる。光学系の歪曲が負の値であれば、元の画像での像高に対して高い像高に射影するように画像処理を行って歪曲を補正する。補正後の画像において撮像面の隅に位置する点は元の画像では撮像素子の範囲内に位置する。歪曲が０の中心射影(焦点距離をｆ、像高をＹ、入射角をθとしてＹ＝ｆ・ｔａｎθの関係にある射影方式)の画角を再現することができる。

これに対して、歪曲が正の値となる場合、元の画像での像高に対して低い像高に射影するように画像処理を行って歪曲を補正することになる。補正後の画像において撮像面の隅に位置する点は元の画像では撮像素子の範囲外に位置する。このため歪曲が０の中心射影の画角よりも狭い画角しか再現できなくなる。上記のように、歪曲の値が負であるほうが、画像処理による歪曲補正を行うために都合が良い。

（数値実施例１）

（数値実施例２）

（数値実施例３）

（数値実施例４）

（実施例条件式）

各数値実施例の変倍光学系は上記のすべての条件を満足する。

Ｌ１第１レンズ群
Ｌ２第２レンズ群
Ｌ３第３レンズ群
Ｌ３ａ３ａレンズ群
Ｌ３ｂ３ｂレンズ群
ＳＰ開口絞り
ＩＰ像面
ｄｄ線
ｇｇ線
ＣＣ線
ΔＳサジタル像面
ΔＭメリジオナル像面

Claims

物体側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、負の屈折力の第３レンズ群を備え、
広角側から望遠側への変倍に際して、少なくとも前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間隔が小さくなるように各レンズ群が移動し、
前記第３レンズ群は負の屈折力の３ａレンズ群と正の屈折力の３ｂレンズ群よりなり、
無限遠方から近距離へのフォーカシングに際して前記３ｂレンズ群が移動し、
前記第２レンズ群の焦点距離ｆ２と第３レンズ群の焦点距離ｆ３との間に次の条件を満足することを特徴とする変倍結像光学系。
（１）１．２０＜｜（ｆ_２・ｆ_３）／（ｆ_ｗ・ｆ_ｔ）｜＜２．６０
ｆ_２：第２レンズ群の焦点距離
ｆ_３：第３レンズ群の焦点距離
ｆ_ｗ：光学系の広角端の合成焦点距離
ｆ_ｔ：光学系の望遠端の合成焦点距離
前記３ｂレンズ群が１枚のレンズよりなることを特徴とする請求項１に記載の変倍結像光学系。
前記第１レンズ群の焦点距離と光学系全体の合成焦点距離の関係が次の条件を満足することを特徴とする、請求項１または２に記載の変倍結像光学系。
（２）０．７５＜｜ｆ_１／ｓｑｒｔ（ｆ_ｗ・ｆ_ｔ）｜＜１．１０
ｆ_１：第１レンズ群の焦点距離
前記３ｂレンズ群が次の条件を満たすことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の変倍結像光学系。
（３）０．８０＜｜（１−β_ｔ３ｂ ^２）｜＜０．９８
β_ｔ３ｂ：３ｂレンズ群の望遠端無限遠合焦時の結像倍率