JP4971726B2 - ズームレンズ及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明はスチルカメラやビデオカメラ、そしてデジタルスチルカメラ等に好適なズームレンズ及びそれを有する撮像装置に関するものである。
最近、固体撮像素子を用いたビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の撮像装置(カメラ)には、高機能であること、そしてカメラ全体がコンパクトであることが要望されている。そしてそれに伴い、これらのカメラに用いる光学系(撮像光学系)には、広画角で大口径でレンズ枚数が少なく、小型で、しかも高い光学性能を有するズームレンズであることが求められている。
又、この種のカメラには、レンズ最後部と撮像素子との間に、ローパスフィルターや色補正フィルターなどの各種光学部材が配置される。この為、それに用いるズームレンズには、比較的バックフォーカスが長いことが要求される。
さらに、カラー画像用の撮像素子を用いたカラーカメラの場合、輝度や色のシェーディングを避けるため、それに用いるズームレンズには像側がテレセントリックであることが望まれている。
像側がテレセントリックとしやすいズームレンズとして、物体側より像側へ順に、負の屈折力の前群と正の屈折力の後群より成る、所謂レトロフォーカスタイプのズームレンズが知られている。
このうち物体側より像側へ順に、負の屈折力の第1レンズ群、正の屈折力の第2レンズ群、および正の屈折力の第3レンズ群より成る3群ズームレンズが知られている。(特許文献1、2)。
又、3群ズームレンズにおいて、高ズーム化に伴う諸収差を第3レンズ群で補正するようにしたズームレンズが知られている。(特許文献3、4)
又、3群ズームレンズにおいて、第1レンズ群を2枚で構成した小型の3群ズームレンズが知られている(例えば特許文献5、6)。
特開2001−66503号公報 特開2001−281545号公報 特開平1−40913号公報 特開2004−226850号公報 特開2004−318104号公報 特開2005−55496号公報
近年、カメラのコンパクト化とそれに用いるズームレンズの高倍化を両立することが行われている。このための方法として、非撮影時に各レンズ群の間隔を撮影状態と異なる間隔まで縮小し、カメラ本体からのレンズの突出量を少なくする所謂沈胴式がある。
ズームレンズを構成する各レンズ群のレンズ枚数が多いと、各レンズ群の光軸上の長さが長くなる(レンズ全長が長くなる)。又、各レンズ群のズーミング及びフォーカシングにおける移動量が大きいとレンズ全長が長くなる。この結果非撮影時に各レンズ群を組み込んでも所望の沈胴長が得られず、沈胴式を利用するのが難しくなってくる。
しかしながら、沈胴時のレンズ全長を短くするため及び全系のレンズ全長を短くするために、各レンズ群及び全系のレンズ枚数を単に削減した場合、球面収差やコマ収差といった単色の結像性能に関わった収差補正が困難となる。さらには、硝材が限られた使用範囲内となるため色収差を良好に補正する事も極めて困難となる。
光学設計分野では、光学系を構成するレンズ面を非球面形状とする事によって、全体のレンズ枚数を削減する手法が多くとられている。しかしながら非球面を用いた場合、単色での結像性能に関わる収差は補正出来るものの、硝材の選択が支配的となる色収差を良好に補正する事が困難となる。
また、レンズ面に非球面を加工する方法の一つとして、ベースとなるレンズ面上に樹脂等を積層させ、この樹脂層に非球面形状の金型を押し当てて非球面レンズを成形する方法がある。しかしながらこの方法は非球面を用いて収差を補正しつつ、レンズ全長を短くすることはできるが、レンズの材料と樹脂の材料の違いを適切に設定しないと、色収差を良好に補正することができない
特に、有効径が大きくなる第1レンズ群のレンズ構成が不適切であると全系をコンパク
トにしつつ、高い光学性能を得るのが難しくなってくる。
本発明は全系の構成レンズ枚数が少なく、レンズ全長が短く、且つ諸収差を良好に特に色収差を良好に補正した高い光学性能を有するズームレンズ及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。
この他本発明は全系の、構成レンズ枚数が少なく、広画角で高いズーム比でかつ、優れた光学性能を有する沈胴式に好適なズームレンズ及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。
本発明のズームレンズは、物体側より像側へ順に、負の屈折力の第1レンズ群と、正の屈折力の第2レンズ群と、正の屈折力の第3レンズ群より構成され、ズーミングに際し、各レンズ群間隔が変化するように各レンズ群が移動するズームレンズにおいて、該第1レンズ群は、レンズ要素と、該レンズ要素とは異なる光学特性を有し、該レンズ要素に積層される樹脂層を有する複合型光学素子で構成されており、該レンズ要素の屈折力と材料のd線に対するアッベ数を各々φa、νa、該樹脂層の屈折力と材料のd線に対するアッベ数を各々φb、νb、広角端における全系の焦点距離をfw、該第1レンズ群の焦点距離をf 、該複合型光学素子の物体側と像側の面の曲率半径を各々R 11 、R 12 とするとき、
0<|(φa/νa+φb/νb)fw|<0.00123
1.8<|f /fw|<5.0
−0.34<(R 11 +R 12 )/(R 11 −R 12 )<0.20
なる条件を満足することを特徴としている。
本発明によれば、
全系の構成レンズ枚数が少なく、レンズ全長が短く、且つ諸収差を良好に特に色収差を良好に補正した高い光学性能を有するズームレンズが得られる。
以下、本発明のズームレンズ及びそれを有する撮像装置の実施例について説明する。
図1は本発明の実施例1のズームレンズの広角端(短焦点距離端)におけるレンズ断面図、図2(A)、(B)はそれぞれ実施例1のズームレンズの広角端と、望遠端(長焦点距離端)における収差図である。
実施例1は、ズーム比3.9、開口比2.9〜6.5程度のズームレンズである。
図3は本発明の実施例2のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図4(A)、(B)はそれぞれ実施例2のズームレンズの広角端と、望遠端における収差図である。実施例2は、ズーム比3.9、開口比2.9〜6.5程度のズームレンズである。
図5は本発明の実施例3のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図6(A)、(B)はそれぞれ実施例3のズームレンズの広角端と、望遠端における収差図である。実施例3は、ズーム比3.8、開口比2.9〜5.7程度のズームレンズである。
図7は本発明の実施例4のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図8(A)、(B)はそれぞれ実施例4のズームレンズの広角端と、望遠端における収差図である。実施例4は、ズーム比3.9、開口比2.9〜6.5程度のズームレンズである。
図9は本発明のズームレンズを備えるデジタルスチルカメラ(撮像装置)の要部概略図である。
各実施例のズームレンズは撮像装置に用いられる撮影レンズ系である。各実施例のズームレンズをビデオカメラやデジタルスチルカメラの撮影光学系として使用する際にはCCDやCMOSセンサ等の固体撮像素子(光電変換素子)の撮像面に被写体像を形成する。
各レンズ断面図において、左方が被写体(物体)側(前方)で、右方が像側(後方)である。レンズ断面図において、L1は負の屈折力(光学的パワー=焦点距離の逆数)の第1レンズ群、L2は正の屈折力の第2レンズ群、L3は正の屈折力の第3レンズ群である。Gは光学フィルター、フェースプレート等に相当するガラスブロック、IPは像面である。
収差図において、d、gは各々d線(波長587.6nm)、g線(波長435.8nm)を表している。ΔM、ΔSは各々メリディオナル像面、サジタル像面を表している。FnoはFナンバー、ωは半画角である。
尚、各実施例において広角端と望遠端は変倍用のレンズ群(第2レンズ群L2又は、第2、第3レンズ群L2、L3)が機構上光軸上移動可能な範囲の両端に位置したときのズーム位置をいう。
各実施例のズームレンズは、広角端から望遠端へのズーミングに際して、第1レンズ群L1が像側に凸の軌跡で移動、第2レンズ群L2が物体側に単調に移動し、第3レンズ群L3が像側又は物体側へ単調に移動している。
即ち、各実施例では、ズーミングに際し、各レンズ群間隔が変化するように各レンズ群が移動している。
実施例1、2、4では、第3レンズ群L3でフォーカスを行なっている。
実施例3では、第1レンズ群L1でフォーカスを行っている。
第1レンズ群L1は、ガラス材又は樹脂より成る負の屈折力のレンズ要素Gaと、レンズ要素Gaとは異なる光学特性を有し、レンズ要素Gaに積層される樹脂層Gbを有する複合型光学素子Gcで構成されている。
樹脂層Gbは、正の屈折力のレンズ作用(屈折作用)をする。
レンズ要素Gaの少なくとも1つの面は、非球面形状である。
レンズ要素Gaは、ガラス材料を研磨することにより又はガラス材料をモールド成形することにより形成されている。
樹脂層Gbの少なくとも一つの面は、非球面形状である。
各実施例では、レンズ群中に効果的に非球面を導入することによって軸外諸収差、特に非点収差および大口径比化した際の球面収差の補正を効果的に行っている。
ここでレンズ要素Gaとは、ガラス材より成るレンズ、プラスチック材より成るレンズ等のその面上に樹脂が積層出来る基板となる光学素子(レンズ)の事である。又、積層される樹脂層とはレンズ要素と異なる光学特性を有していれば、前もって成形された樹脂層でも良い。レンズ要素Gaは製造上の観点から材料の安定性を考えるとガラス材であることが望ましい。
次に各実施例のズームレンズの構成について説明する。
図1の実施例1のズームレンズは、広角端から望遠端へのズーミングに際して、第1レンズ群L1が像側に凸状の往復移動し、第2レンズ群L2が物体側に、第3レンズ群L3が像側へ移動している。
実施例1のズームレンズは、第2レンズ群L2の移動により主な変倍を行い、第1レンズ群L1の往復移動および第3レンズ群L3による像側移動によって変倍に伴う像点の移動を補正している。
実施例1においては、負の屈折力の第1レンズ群L1を両面が凹形状の負レンズ(レンズ要素)Gaと、この負レンズの像面側に積層された樹脂層Gbとで構成している。
第2レンズ群L2は物体側から順に、両凸形状の正レンズと、両凹形状の負レンズを接合した接合レンズと、像側が凹面でメニスカス形状の負レンズと物体側が凸面でメニスカス形状の正レンズを接合した接合レンズで構成している。
第3レンズ群L3は像面側が凸面でメニスカス形状の正レンズで構成している。
図3の実施例2のズームレンズは、広角端から望遠端へのズーミングに際して、第1レンズ群L1が像側に凸状の往復移動、第2レンズ群L2が物体側に移動し、第3レンズ群L3は像側に移動する。
第2レンズ群L2の移動により主な変倍を行い、第1レンズ群L1の往復移動及び第3レンズ群L3による像側方向への移動によって変倍に伴う像点の移動を補正している。
実施例2においては、第1レンズ群L1を両面が凹形状の負レンズ(レンズ要素Ga)と、この負レンズの像面側に積層された樹脂層Gbとで構成している。
第2レンズ群L2は物体側から順に、両凸形状の正レンズと、両凹形状の負レンズと、物体側が凸面でメニスカス形状の正レンズで構成している。
第3レンズ群L3は両凸形状の正レンズで構成している。
図5の実施例3のズームレンズは、広角端から望遠端へのズーミングに際して、第1レンズ群L1が像側に凸状の往復移動、第2レンズ群L2が物体側に移動し、第3レンズ群L3は物体側に移動する。
第2レンズ群L2と第3レンズ群L3の移動により主な変倍を行い、第1レンズ群L1の往復移動によって変倍に伴う像点の移動を補正している。
実施例3においては、第1レンズ群L1を両面が凹形状の負レンズ(レンズ要素)Gaと、この負レンズの像面側に積層された樹脂層Gbとで構成している。
第2レンズ群L2は物体側から順に、両凸形状の正レンズと、物体側が凸面でメニスカス形状の負レンズで構成している。
第3レンズ群L3は両凸形状の正レンズで構成している。
図7の実施例4のズームレンズは、広角端から望遠端へのズーミングに際して、第1レンズ群L1が像側に凸状の往復移動し、第2レンズ群L2が物体側に、第3レンズ群L3が像側へ移動している。
実施例4のズームレンズは、第2レンズ群L2の移動により主な変倍を行い、第1レンズ群L1の往復移動および第3レンズ群L3による像側移動によって変倍に伴う像点の移動を補正している。
実施例4においては、負の屈折力の第1レンズ群L1を両面が凹形状の負レンズ(レンズ要素)Gaと、この負レンズの像面側に積層された樹脂層Gbとで構成している。
第2レンズ群L2は物体側から順に両凸形状の正レンズと、両凹形状の負レンズを接合した接合レンズと、像側が凹面でメニスカス形状の負レンズと物体側が凸面でメニスカス形状の正レンズを接合した接合レンズで構成している。
第3レンズ群L3は像面側が凸面でメニスカス形状の正レンズで構成している。
以上のように、各実施例において、第1レンズ群L1は、レンズ要素(負レンズ)Gaとこのレンズ要素に積層された樹脂層Gbにて構成した複合型光学素子Gcを有している。この樹脂層Gbを例えば光または熱により硬化する硬化性樹脂によって作成する場合、一般的には成形型を用いて光重合成形または熱重合成形によって作成される。このため、樹脂厚を十分に薄く設定することが容易となり、硝子で構成した場合と比較して光学系全体のコンパクト化が容易となる。
したがって成形型の形状を予め非球面形状としておけば、比較的容易にレンズ要素Gaの境界面とは反対側の面(物体側の面)を非球面形状とすることができる。
また、全ての実施例において、レンズ要素は、樹脂層との境界面とは反対側の面を非球面形状としている。また、レンズ要素と樹脂層との境界面についても非球面形状としても良い。
次に各実施例の前述した以外の特徴について説明する。
レンズ要素Gaの屈折力と材料のd線に対するアッベ数を各々φ、νとする。樹脂層Gbの屈折力と材料のd線に対するアッベ数を各々φb、νとする。広角端における全系の焦点距離をfとする。
第1レンズ群L1の焦点距離をfとする。
複合型光学素子Gcの物体側と像側の面の曲率半径を各々R11、R12とする。
樹脂層Gbの光軸方向の厚みをtとする。
第3レンズ群L3は、単一の正レンズより成り、正レンズの物体側と像側の面の曲率半径を各々R31、R32とする。
第3レンズ群L3の焦点距離をf、とする。
このとき、各実施例では以下の条件式のうち1以上を満足している。
0<|(φ/ν+φ/ν)f|<0.00123 ・・・(1)
1.8<|f/f|<5.0 ・・・(2)
−0.34<(R11+R12)/(R11−R12)<0.20 ・・・(3)
0.016<t/f<0.160 ・・・(4)
0<ν<30 ・・・(5)
−0.6<(R31+R32)/(R31−R32)<3.0 ・・・(6)
0<|f/f|<0.6 ・・・(7)
次に各条件式の技術的意味について説明する。
条件式(1)は、レンズ要素Gaと樹脂層Gbとの間の色消しに関する条件式である。条件式(1)の上限値を超えると、十分な色消し効果が得られない。そのため、広角端における倍率色収差、および望遠端における軸上色収差等の第1レンズ群L1によって発生する色収差の補正を十分に行う事が難しい。
条件式(2)は、第1レンズ群L1と広角端における全系の焦点距離の比に関する条件式である。条件式(2)の下限値を超えると、第1レンズ群L1の屈折力が強くなりすぎて、特に広角端における樽型の歪曲収差が大きくなる。逆に上限を超えると所望の長さのバックフォーカスがとれなくなるため好ましくない。
条件式(3)は、第1レンズ群L1のレンズ要素Gaと樹脂層Gbからなる複合型光学素子Gcの空気と接する両屈折面の形状を規定するものである。下限を超えると物体側の屈折面の曲率半径が小さくなり過ぎ広角端などにおける樽型の歪曲収差が大きくなる。また逆に上限を超えると像側の屈折面の曲率半径が小さくなり高次のコマ、ハロ成分が多く発生するようになるため好ましくない。
条件式(4)は、樹脂層Gbをレンズ要素Gaに貼るときの厚さを適切に設定するものである。
条件式(4)の下限を超えると、樹脂層Gbが薄すぎて第1レンズ群L1の主たる屈折力を担うレンズ要素Gaに対して色消しをするために十分な正の屈折力が得られず所望の色消し効果が得られない。また上限を超えると樹脂層Gbが厚くなりすぎて、第1レンズ群L1及びレンズ全系のコンパクト化の効果が得られなくなってくる。
各実施例において、負の屈折力の第1レンズ群L1に含まれる複合型光学素子Gcは、レンズ要素Ga及び樹脂層Gbによって構成され、この樹脂層Gbは光入射側と光射出側が共に屈折面である。
樹脂層Gbは全体として正の屈折力を有しており、この樹脂層Gbの光学材料特性として、分散が大きな(高い)材料を使用して、色収差の補正効果を高めている。
条件式(5)は、このときの樹脂層Gbの材質のd線に対するアッベ数νを適切に設定するためのものである。
条件式(5)の上限を超えると、第1レンズ群L1の内部での色消し効果が弱くなってしまい、ズーミング時の色収差の変動が大きくなるため好ましくない。
条件式(5)を満足する樹脂の具体例として、様々な樹脂の中でも特にUV硬化樹脂(N=1.635,ν=22.7,θgF=0.69)がある。尚、条件式(5)を満足する樹脂であれば、これに限定するものではない。
また条件式(6)は、第3レンズ群L3の正レンズのレンズ形状に関する。
条件式(6)の下限を超えると正レンズの物体側の正の屈折力が強くなりすぎて、ズーミング時に第1レンズ群L1にて発生する像面湾曲等の収差変動を打ち消すことが難しくなる。また上限を超えると像側の正の屈折力が強くなりすぎて特に望遠端について無限遠物体から至近物体への合焦時の像面湾曲の変動が大きくなる。
条件式(7)は第3レンズ群L3と広角端における全系の焦点距離の比を表したものである。下限を超えると第3レンズ群L3の屈折力が小さすぎるため第1、第2レンズ群L1、L2の合成屈折力を強く設定しなければならない。このため、特に広角端において歪曲・像面湾曲等の軸外収差を補正するのが難しくなる。また上限を超えると第3レンズ群L3の屈折力が強すぎてしまい特に望遠端において、諸収差の物体距離に関する変動が大きくなる。
尚、各実施例においては、例えば公知の電気的収差補正方法によって、歪曲収差を補正するようにしても良い。
各実施例において、更に好ましくは、前述した条件式(1)〜(7)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
0<|(φ/ν+φ/ν)f|<0.00120 ・・・(1a)
1.8<|f/f|<4.0 ・・・(2a)
−0.34<(R11+R12)/(R11−R12)<0.10 ・・・(3a)
0.050<t/f<0.120 ・・・(4a)
10<ν<27 ・・・(5a)
−0.6<(R31+R32)/(R31−R32)<2.0 ・・・(6a)
0.3<|f/f|<0.6 ・・・(7)
各実施例は以上の様に各要素を設定する事により、特に、固体撮像素子を用いた撮影系に好適なズームレンズを得ている。
特に各実施例によれば構成レンズ枚数が少なくコンパクトで、沈胴式のズームレンズに適した、ズーム比が3〜4倍程度の諸収差特に色収差を良好に補正した、高い光学性能を有するズームレンズが得られる。
次に本発明のズームレンズを撮影光学系として用いたデジタルカメラ(撮像装置)の実
施例を図9を用いて説明する。
図9において、20はデジタルカメラ本体、21は上述の実施例1〜5のズームレン
ズによって構成された撮影光学系である。22は撮影光学系21によって被写体像を受光
するCCD等の撮像素子(光電変換素子)である。23は撮像素子22が受光した被写体像を記録する記録
手段、24は不図示の表示素子に表示された被写体像を観察するためのファインダーであ
る。
上記表示素子は液晶パネル等によって構成され、撮像素子22上に形成された被写体像
が表示される。
このように本発明のズームレンズをデジタルカメラ等の撮像装置に適用することにより
、小型で高い光学性能を有する撮像装置を実現している。
次に、本発明の実施例1〜4に対応する数値実施例1〜4を示す。数値実施例において、iは物体側からの面の順序を示し、Riは第i番目のレンズ面(面)の曲率半径、Diは第i面と第(i+1)面との間のレンズ肉厚および空気間隔、Ni、νiはそれぞれ第i番目の部材のd線に対する屈折率、アッベ数を示す。
ωは広角端、Tは望遠端である。
数値実施例1、2、4において最も像側の5面、数値実施例3において最も像側の4面はフェースプレート等のガラス材である。また、kは円錐係数、A,B,C,D,Eは各々非球面係数である。非球面形状は光軸からの高さhの位置での光軸方向の変位を面頂点を基準にしてxとするとき
x=(h/R)/[1+{1−(1+k)(h/R)1/2]+Ah+Bh+Ch+Dh10+Eh12
で表される。但しRは近軸曲率半径である。
又「e−0x」は「×10−x」を意味している。fは焦点距離、FnoはFナンバー、ωは半画角を示す。
又、前述の各条件式と各実施例との関係を表1に示す。
Figure 0004971726
Figure 0004971726
Figure 0004971726
Figure 0004971726
Figure 0004971726

実施例1のレンズ断面図 実施例1の広角端と望遠端の収差図 実施例2のレンズ断面図 実施例2の広角端と望遠端の収差図 実施例3のレンズ断面図 実施例3の広角端と望遠端の収差図 実施例4のレンズ断面図 実施例4の広角端と望遠端の収差図 本発明の撮像装置の要部概略図
符号の説明
L1 第1レンズ群
L2 第2レンズ群
L3 第3レンズ群
IP 像面
G ガラスブロック
d d線
g g線
ΔS サジタル像面
ΔM メリディオナル像面
Ga レンズ要素
Gb 樹脂層
Gc 複合型光学素子

Claims (9)

  1. 物体側より像側へ順に、負の屈折力の第1レンズ群と、正の屈折力の第2レンズ群と、正の屈折力の第3レンズ群より構成され、ズーミングに際し、各レンズ群間隔が変化するように各レンズ群が移動するズームレンズにおいて、該第1レンズ群は、レンズ要素と、該レンズ要素とは異なる光学特性を有し、該レンズ要素に積層される樹脂層を有する複合型光学素子で構成されており、該レンズ要素の屈折力と材料のd線に対するアッベ数を各々φa、νa、該樹脂層の屈折力と材料のd線に対するアッベ数を各々φb、νb、広角端における全系の焦点距離をfw、該第1レンズ群の焦点距離をf 、該複合型光学素子の物体側と像側の面の曲率半径を各々R 11 、R 12 とするとき、
    0<|(φa/νa+φb/νb)fw|<0.00123
    1.8<|f /fw|<5.0
    −0.34<(R 11 +R 12 )/(R 11 −R 12 )<0.20
    なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
  2. 前記樹脂層の光軸方向の厚みをtとするとき、
    0.016<t/fw<0.160
    なる条件を満足することを特徴とする請求項のズームレンズ。
  3. 前記樹脂層の材料のd線に対するアッベ数νbは、
    0<νb<30
    なる条件を満足することを特徴とする請求項1又は2のズームレンズ。
  4. 前記第3レンズ群は、単一の正レンズより成り、該正レンズの物体側と像側の面の曲率半径を各々R31、R32とするとき、
    −0.6<(R31+R32)/(R31−R32)<3.0
    なる条件を満足することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項のズームレンズ。
  5. 前記第3レンズ群の焦点距離をfとするとき、
    0<|fw/f|<0.6
    なる条件を満足することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項のズームレンズ。
  6. 前記レンズ要素は、ガラス材より成ることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項のズームレンズ。
  7. 前記レンズ要素は負の屈折力より成り、前記樹脂層は、正の屈折力より成ることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項のズームレンズ。
  8. 光電変換素子に像を形成することを特徴とする請求項1から7のいずれか1項記載のズームレンズ。
  9. 請求項1から8のいずれか1項記載のズームレンズと、該ズームレンズによって形成される像を受光する光電変換素子を有していることを特徴とする撮像装置。
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