JP4992102B2

JP4992102B2 - 変倍光学系及び撮像装置

Info

Publication number: JP4992102B2
Application number: JP2005014462A
Authority: JP
Inventors: 康山本; 弘道能勢; 淳雄増井
Original assignee: Konica Minolta Advanced Layers Inc
Current assignee: Konica Minolta Advanced Layers Inc
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2025-01-21
Also published as: JP2006201599A

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、より小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，高性能であって光学変倍も可能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１，２参照。)。
特開２００１−２９６４７６号公報特開２００３−１０７３５０号公報

小型化という点に関しては、撮影レンズ系のサイズを単純に縮小するというだけでなく、鏡胴構成を考慮した上での小型化も求められている。しかし、従来より知られているズームレンズ系の小型化ではその点が考慮されておらず、近年のデジタルカメラの小型化に応えることは困難である。例えば、特許文献１，２には比較的小型で変倍比３倍程度の負・正・正の３群ズームレンズ系が提案されているが、鏡胴構成は考慮されておらず、その小型化は不十分である。

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、鏡胴構成の小型化をも考慮した小型で高性能の変倍光学系と、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、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レンズ群の３群で構成又は、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群と前記第３レンズ群と第４レンズ群の４群で構成され、変倍比が２．５倍以上であり、広角端から望遠端までの変倍において少なくとも前記第１レンズ群と前記第２レンズ群と前記第３レンズ群が移動する構成になっており、前記第２レンズ群は、最も物体側に正レンズが配置されており、以下の条件式(1)、(2)及び(3a)を満足することを特徴とする。
1.8＜|f1／fw|＜3 …(1)
0.34＜fw・tanωw／(L1−L2)＜0.5 …(2)
1.85≦Np …(3a)
ただし、
f1：第１レンズ群の焦点距離、
fw：広角端での変倍光学系全体の焦点距離、
ωw：広角端での半画角、
L1：広角端から望遠端への変倍における第１レンズ群の相対的移動量(像側を正とする。)、
L2：広角端から望遠端への変倍における第２レンズ群の相対的移動量(像側を正とする。)、
Np：第２レンズ群において最も物体側に位置する正レンズのｄ線に対する屈折率、
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、前記第２レンズ群が、物体側から順に、正レンズ及び負レンズから成る接合レンズと、前記接合レンズの後方に配置されたレンズと、の３枚から構成され、前記接合レンズの後方に配置されたレンズが、以下の条件式(4)を満足することを特徴とする。
｜φL／φ2｜＜0.4 …(4)
ただし、
φL：第２レンズ群中の接合レンズの後方に配置されたレンズの屈折力、
φ2：第２レンズ群の屈折力、
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(5)を満足することを特徴とする。
-0.5＜(Tw1−Tt2)／fw＜0 …(5)
ただし、
Tw1：広角端での第１レンズ群の像面側の面頂点から像面までの距離、
Tt2：望遠端での第２レンズ群の物体側の面頂点から像面までの距離、
fw：広角端での変倍光学系全体の焦点距離、
である。

第４の発明の撮像装置は、第１〜第３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、物体側から順に負パワーの第１レンズ群と正パワーの第２レンズ群と正パワーの第３レンズ群とを含む変倍比２．５倍以上の変倍光学系において、第１，第２レンズ群が所定の条件を満たした構成になっているため、鏡胴構成の小型化をも考慮した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、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１５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。

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。後述する第１，第４の実施の形態ではズームレンズ系ＺＬが負・正・正・負の４成分ズーム構成になっており、第２，第３，第５〜第７の実施の形態ではズームレンズ系ＺＬが負・正・正の３成分ズーム構成になっている。そして、第１〜第７の実施の形態では、いずれも第１〜第３レンズ群ＧＲ１〜ＧＲ３が移動群を構成しており、さらに第１，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１５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。

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１５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７は、第１〜第７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。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の移動をそれぞれ模式的に示しており、最も像側の矢印は第４レンズ群ＧＲ４と平行平面板ＰＴ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１レンズ群ＧＲ１と第２レンズ群ＧＲ２との間には絞りＳＴが配置されており、絞りＳＴは第２レンズ群ＧＲ２と共にズーム移動する構成(矢印ｍ２)になっている。

第１，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(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、絞りＳＴ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、負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成分ズーム構成になっている。また、第２，第３，第５〜第７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、絞りＳＴ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成分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の実施の形態(図１)では、負・正・正・負の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、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、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、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されており、第２レンズ群ＧＲ２の物体側にはズーミングに際して第２レンズ群ＧＲ２と共に移動する絞りＳＴが配置されている。第３レンズ群ＧＲ３は、両面非球面で両凸の正レンズ１枚のみから成っている。第４レンズ群ＧＲ４は、物体側に凹の負の平凹レンズ１枚のみから成っており、像側面で平行平面板ＰＴと接合されている。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、第２レンズ群ＧＲ２は物体側へ単調に移動し、第３レンズ群ＧＲ３は像側へ単調に移動し、第４レンズ群ＧＲ４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、負・正・正の３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、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、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、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されており、第２レンズ群ＧＲ２の物体側にはズーミングに際して第２レンズ群ＧＲ２と共に移動する絞りＳＴが配置されている。第３レンズ群ＧＲ３は、両面非球面で像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、第２レンズ群ＧＲ２は物体側へ単調に移動し、第３レンズ群ＧＲ３は像側へ単調に移動する。

第３の実施の形態(図３)では、負・正・正の３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、両面が非球面から成る両凹の負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、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、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されており、第２レンズ群ＧＲ２の物体側にはズーミングに際して第２レンズ群ＧＲ２と共に移動する絞りＳＴが配置されている。第３レンズ群ＧＲ３は、両面非球面で像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、第２レンズ群ＧＲ２は物体側へ単調に移動し、第３レンズ群ＧＲ３は像側へ単調に移動する。

第４の実施の形態(図４)では、負・正・正・負の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、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、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、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されており、第２レンズ群ＧＲ２の物体側にはズーミングに際して第２レンズ群ＧＲ２と共に移動する絞りＳＴが配置されている。第３レンズ群ＧＲ３は、両面非球面で両凸の正レンズ１枚のみから成っている。第４レンズ群ＧＲ４は、物体側に凹の負の平凹レンズ１枚のみから成っており、像側面で平行平面板ＰＴと接合されている。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、第２レンズ群ＧＲ２は物体側へ単調に移動し、第３レンズ群ＧＲ３は像側へ単調に移動し、第４レンズ群ＧＲ４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、負・正・正の３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、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、両凸の正レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズ及び像側に凹の負メニスカスレンズから成る接合レンズと、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されており、第２レンズ群ＧＲ２の物体側にはズーミングに際して第２レンズ群ＧＲ２と共に移動する絞りＳＴが配置されている。第３レンズ群ＧＲ３は、両面非球面で両凸の正レンズ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、第２レンズ群ＧＲ２は物体側へ単調に移動し、第３レンズ群ＧＲ３は像側へ単調に移動する。

第６の実施の形態(図６)では、負・正・正の３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、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、両凸の正レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズ及び像側に凹の負メニスカスレンズから成る接合レンズと、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されており、第２レンズ群ＧＲ２の物体側にはズーミングに際して第２レンズ群ＧＲ２と共に移動する絞りＳＴが配置されている。第３レンズ群ＧＲ３は、両面非球面で像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、第２レンズ群ＧＲ２は物体側へ単調に移動し、第３レンズ群ＧＲ３は像側へ単調に移動する。

第７の実施の形態(図７)では、負・正・正の３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、像側面が非球面から成る両凹の負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、両凸の正レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズ及び像側に凹の負メニスカスレンズから成る接合レンズと、両面非球面で像側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されており、第２レンズ群ＧＲ２の物体側にはズーミングに際して第２レンズ群ＧＲ２と共に移動する絞りＳＴが配置されている。第３レンズ群ＧＲ３は、両面非球面で像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、第２レンズ群ＧＲ２は物体側へ単調に移動し、第３レンズ群ＧＲ３は像側へ単調に移動する。

上記のようにいずれの実施の形態も、物体側から順に、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、を少なくとも含み、広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)までの変倍において少なくとも第１レンズ群ＧＲ１と第２レンズ群ＧＲ２が移動し、その変倍比は２．５倍以上になっている。このような変倍光学系において、第１，第２レンズ群が所定の条件を満たすように構成すれば、鏡胴構成の小型化をも考慮した高性能で小型の変倍光学系と、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，携帯情報機器等のデジタル機器に用いれば、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ための条件等を以下に説明する。なお、変倍比は２．５倍以上であることが好ましく、２．５〜３倍であることが更に好ましい。

以下の条件式(1)及び(2)を満足することが望ましい。
1.8＜|f1／fw|＜3 …(1)
0.34＜fw・tanωw／(L1−L2)＜0.5 …(2)
ただし、
f1：第１レンズ群の焦点距離、
fw：広角端での変倍光学系全体の焦点距離、
ωw：広角端での半画角、
L1：広角端から望遠端への変倍における第１レンズ群の相対的移動量(像側を正とする。)、
L2：広角端から望遠端への変倍における第２レンズ群の相対的移動量(像側を正とする。)、
である。

条件式(1)は、第１レンズ群の焦点距離について好ましい条件範囲を規定している。この条件式(1)の上限を越えると、第１レンズ群の焦点距離が大きくなりすぎるため、結果として全長が大きくなり、また第１レンズ群で収斂させるパワーが弱くなるため、レンズ外径が大きくなる。したがって、小型の変倍光学系を得ることができなくなる。逆に、条件式(1)の下限を越えると、第１レンズ群の焦点距離が小さくなりすぎるため、広角端で発生する負の歪曲が大きくなりすぎてしまい、その補正が困難となる。

条件式(2)は、第１レンズ群と第２レンズ群の移動量について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、第１レンズ群と第２レンズ群のパワーが強くなり過ぎてしまい、そのため発生する収差の補正が困難になる。逆に、条件式(2)の下限を越えると、全長が大きくなり過ぎてしまうため、コンパクト化という点で好ましくない。

第１，第２レンズ群が負・正の一般的なデジタルカメラのズームレンズ系では、図１６中の移動軌跡ｍ１ａ(二点鎖線)で示すように、広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)への変倍時に第１レンズ群ＧＲ１がＵターン移動して、ズームレンズ系の全長が望遠端(Ｗ)と広角端(Ｔ)とでほぼ同じくらいになる。それに対し、条件式(2)を満たした変倍光学系では、図１６中の移動軌跡ｍ１(実線)で示すように、Ｕターンのズーム解であっても広角端(Ｗ)でのズームレンズ系の全長が小さくなる。このため、起動時間の短縮化が可能となり、コンパクトで簡単な鏡胴構成にすることが可能となる。

第２レンズ群において最も物体側には正レンズが位置し、その正レンズが以下の条件式(3)を満足することが望ましい。
1.8＜Np …(3)
ただし、
Np：第２レンズ群において最も物体側に位置する正レンズのｄ線に対する屈折率、
である。

条件式(3)は、第２レンズ群おける最物体側の正レンズの屈折率について好ましい条件範囲を規定している。この条件式(3)の下限を越えると、レンズ面の曲率が強くなるため発生する収差が大きくなり、その補正が困難になる。そこで、第２レンズ群において最も物体側に位置するレンズの屈折率は、１．８以上であることが望ましく、１．８５以上であることが更に望ましい。第２レンズ群において最も物体側に位置するレンズは、誤差感度が特に高くなりやすい。したがって、そのレンズの屈折率を大きくすれば、曲率を強くすることなくレンズの屈折力を強くすることができるため、誤差感度を効果的に抑えることができる。

第１〜第３の実施の形態のように、第２レンズ群が、物体側から順に、正レンズ及び負レンズから成る接合レンズと、弱いパワーを有するレンズと、の３枚から構成されることが好ましい。第２レンズ群に接合レンズを有することは、省スペース化や色収差補正を達成する上で有効である。また、第１，第２レンズ群が負・正のタイプの通常のズーム構成では、主な変倍を第２レンズ群で負担し、コンパクト化に伴って第２レンズ群が強いパワーをもつことになる。このときに強い収差発生があるため、コンパクト化を図った一般的なズーム構成では、第２レンズ群が正・正・負・正や正・負・負・正のレンズ４枚以上で構成される。それに対し、上記のように正負の接合レンズと弱いパワーのレンズとのレンズ３枚のみで第２レンズ群で構成すれば、収差補正を良好に行いつつ小型化を図ることが可能となる。更に前記条件式(3)を満たせば、第２レンズ群での収差発生等を抑えることができるのでより一層効果的である。

第１〜第７の実施の形態では、第２レンズ群中に弱いパワーを有するプラスチックレンズを含んでおり、その両面が非球面から成っている。このように、弱いパワーを有するレンズを第２レンズ群に含むことが好ましく、その弱いパワーを有するレンズの少なくとも１面(好ましくは両面)が非球面から成ることが更に好ましい。弱いパワーを有するレンズの非球面により、第２レンズ群で生じる収差を良好に補正することが可能となる。しかも、弱いパワーを有するレンズをプラスチックレンズで構成することにより、コストダウンや非球面による高性能化が可能となる。プラスチックレンズは感度の低いところに配置されるのが適しているので、第２レンズ群内の最も像側に配置されるのが好ましい。このため各実施の形態では、第２レンズ群内の最も像側にプラスチックレンズが配置されている。プラスチックレンズを用いても、そのレンズが有するパワーは弱いため、温度変化時の収差変動やレンズバックの変動を抑えることができる。また、第１〜第３の実施の形態のように、第２レンズ群が、物体側から順に、正レンズ及び負レンズから成る接合レンズと、弱いパワーを有するレンズと、の３枚から構成される場合には、その弱いパワーを有するレンズの少なくとも１面(好ましくは両面)が非球面から成ることが更に好ましい。第２レンズ群中の弱いパワーを有するレンズの非球面により、物体側の強いパワーの接合レンズで発生した収差を効果的に補正することができる。

上記観点から、第２レンズ群中の弱いパワーを有するレンズは、以下の条件式(4)を満足することが望ましい。その弱いパワーを有するレンズがプラスチックレンズである場合には、以下の条件式(4)を満足することが更に望ましい。
｜φL／φ2｜＜0.4 …(4)
ただし、
φL：第２レンズ群中の弱いパワーを有するレンズの屈折力、
φ2：第２レンズ群の屈折力、
である。

条件式(4)は、第２レンズ群中の弱いパワーを有するレンズ(望ましくはプラスチックレンズ)の屈折力について好ましい条件範囲を規定している。プラスチックレンズは、ガラスレンズと比較すると温度変化に対して大きな線膨張係数と屈折率温度依存性を持っている。線膨張係数と屈折率温度依存性の影響を抑えるためには、プラスチックレンズが持つ屈折力を小さくして、温度に対する感度を低くする必要がある。条件式(4)はそのための条件を規定している。この条件式(4)の上限を越えると、プラスチックレンズの屈折力が強くなり過ぎるため、温度変化時のプラスチックレンズによる収差変動が大きくなって性能劣化が許容できなくなるため望ましくない。

以下の条件式(5)を満足することが望ましい。
-0.5＜(Tw1−Tt2)／fw＜0 …(5)
ただし、
Tw1：広角端での第１レンズ群の像面側の面頂点から像面までの距離、
Tt2：望遠端での第２レンズ群の物体側の面頂点から像面までの距離、
fw：広角端での変倍光学系全体の焦点距離、
である。

条件式(5)は、第１レンズ群と第２レンズ群の移動方法について好ましい条件範囲を規定している。デジタルカメラでは、その起動時間がユーザーに対する訴求点の１つとして挙げられる。カメラの起動時間を早めるには、変倍光学系の収納状態(例えば沈胴状態)からセット状態(ズーム位置セット状態)までの時間を短くする必要がある。第１，第２レンズ群が負・正の一般的なデジタルカメラのズームレンズ系では、第１レンズ群から像面までの距離を短くすることが、そのための条件となる。条件式(5)を満たすように第１，第２レンズ群を移動させれば、図１６中の移動軌跡ｍ１で示すように、広角端(Ｗ)での第１レンズ群ＧＲ１から像面ＩＭまでの距離Tw1を短くすることが可能となる。その結果、カメラの起動時間を短縮することが可能となる。条件式(5)の上限を越えると、広角端(Ｗ)での第１レンズ群ＧＲ１の位置が望遠端(Ｔ)での第２レンズ群ＧＲ２の位置よりも物体側に配置されることになる。したがって、第１レンズ群が像面から離れすぎてしまうため望ましくない。逆に、条件式(5)の下限を越えると、第１レンズ群と第２レンズ群のパワーが強くなり過ぎて、そのため発生する収差の補正が困難となり望ましくない。

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１〜７は、前述した第１〜第７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７の実施の形態を表す光学構成図(図１〜図７)は、対応する実施例１〜７のレンズ構成をそれぞれ示している。

表１〜表１４に実施例１〜実施例７のコンストラクションデータを示し、表１５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，表１１，表１３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，表１２，表１４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８〜図１４は実施例１〜実施例７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。第５の実施の形態(実施例５)のレンズ構成図。第６の実施の形態(実施例６)のレンズ構成図。第７の実施の形態(実施例７)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。実施例６の収差図。実施例７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。ズーミングにおける第１，第２レンズ群の移動軌跡を示す模式図。

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
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レンズ群の３群で構成又は、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群と前記第３レンズ群と第４レンズ群の４群で構成され、
変倍比が２．５倍以上であり、
広角端から望遠端までの変倍において少なくとも前記第１レンズ群と前記第２レンズ群と前記第３レンズ群が移動する構成になっており、
前記第２レンズ群は、最も物体側に正レンズが配置されており、
以下の条件式(1)、(2)及び(3a)を満足することを特徴とする変倍光学系；
1.8＜|f1／fw|＜3 …(1)
0.34＜fw・tanωw／(L1−L2)＜0.5 …(2)
1.85≦Np …(3a)
ただし、
f1：第１レンズ群の焦点距離、
fw：広角端での変倍光学系全体の焦点距離、
ωw：広角端での半画角、
L1：広角端から望遠端への変倍における第１レンズ群の相対的移動量(像側を正とする。)、
L2：広角端から望遠端への変倍における第２レンズ群の相対的移動量(像側を正とする。)、
Np：第２レンズ群において最も物体側に位置する正レンズのｄ線に対する屈折率、
である。
前記第２レンズ群が、物体側から順に、正レンズ及び負レンズから成る接合レンズと、前記接合レンズの後方に配置されたレンズと、の３枚から構成され、
前記接合レンズの後方に配置されたレンズが、以下の条件式(4)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；
｜φL／φ2｜＜0.4 …(4)
ただし、
φL：第２レンズ群中の接合レンズの後方に配置されたレンズの屈折力、
φ2：第２レンズ群の屈折力、
である。
以下の条件式(5)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；
-0.5＜(Tw1−Tt2)／fw＜0 …(5)
ただし、
Tw1：広角端での第１レンズ群の像面側の面頂点から像面までの距離、
Tt2：望遠端での第２レンズ群の物体側の面頂点から像面までの距離、
fw：広角端での変倍光学系全体の焦点距離、
である。
請求項１〜３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。