JP4537114B2 - ズームレンズ - Google Patents

Description

本発明はズームレンズに関し、例えば、デジタルスチルカメラの撮影光学系に好適なものである。

近年、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子を用いて静止画を撮影するデジタルスチルカメラが注目を集めている。このようなデジタルスチルカメラには小型化が要求されており、デジタルスチルカメラを構成する１つのユニットとしての撮影光学系にもレンズ全長の極めて短い光学系が要求されている。

また、静止画の特性上、広画角であることが望ましい。更には動画のビデオカメラよりも画素数の多い固体撮像素子が用いられることから、高い光学性能を有することが望ましい。

２．５〜３倍程度の比較的低いズーム比であっても、広角域を含み、明るく、高性能が得られるレンズタイプとして、特許文献１で負、正の屈折力の２つのレンズ群を有し、各群の空気間隔を変化させることによってズーミングを行うズームレンズが提案されている。

また、負、正、正の屈折力の３つのレンズ群を有し、広角端より望遠端へのズーミングに際して第２レンズ群と第３レンズ群間隔が広がる例として、特許文献２がある。

また、負、正、正の屈折力の３つのレンズ群を有し、広角端より望遠端へのズーミングに際して第２レンズ群と第３レンズ群間隔が減少する例として、特許文献３がある。

また、負、正、正、正の屈折力の４つのレンズ群を有し、広角端より望遠端へのズーミングに際し、第２レンズ群と第３レンズ群間隔が減少し、第４レンズ群がズーミングに際し固定された例として特許文献４がある。

負、正、正の屈折力の３つのレンズ群を有するズームレンズで、第１レンズ群が３枚以上のレンズで構成され、かつ１面以上の非球面を有する例として、特許文献５〜１６がある。

また、広角端で画角７０°以上、ズーム比３．６程度のズームレンズを実現した例として、特許文献１７がある。
特公平６−６６００８号公報 特公平７−５２２５６号公報 米国特許第５４３４７１０号明細書 特開昭６０−３１１１０号公報 米国特許第４４７７１５３号明細書 米国特許第５３２１５５３号明細書 米国特許第５７１５０９７号明細書 米国特許第５７２１６４２号明細書 米国特許第５８４７８７５号明細書 米国特許第５８７２６６０号明細書 米国特許第５９６９８７８号明細書 米国特許第６０３８０８４号明細書 米国特許第６１６９６３５号明細書 特開平２−１１８５０９号公報 特開平１０−２１３７４５号公報 特開２００１−１０００９８号公報 特開２００１−４２２１８号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたものはレンズ枚数が多く、コンパクトネスの点で十分でなかった。また、ズーミングに際して射出瞳の位置変動が大きいため、銀塩カメラ用の撮影光学系としては問題ないものの、固体撮像素子を用いるデジタルスチルカメラ等の撮影光学系として用いる場合には、設計上パワー配置に制約を受けるため大型化する傾向がある。

特許文献２に開示されたものは、特許文献１のものと同様に射出瞳位置の変動が大きい。

特許文献３，４に開示されたものはレンズ枚数が多く、コンパクト化には限界がある。

特許文献５〜１６に開示されたものは、広角端での画角とズーム比とを共に所定の値以上としつつ、小型化を達成するのに充分ではない。

特許文献１７に開示されたものは、良好なる収差補正を行うため、第２レンズ群の構成枚数を多くする必要が生じていて、レンズ系全体の十分な小型化が実現できていない。

本発明は、これらの従来例を鑑みてなされたもので、必要最小限のレンズ構成枚数で、広角端での所望の画角、所望の変倍比、高い光学性能が得られる小型のズームレンズを実現することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、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、正の屈折力の第３レンズ群、正の屈折力の第４レンズ群から成り、広角端から望遠端へのズーミングに際し、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔が減少し、第２レンズ群と第３レンズ群の間隔が変化し、第３レンズ群と第４レンズ群の間隔が増大するズームレンズにおいて、
（ａ）第１レンズ群を、物体側より像側へ順に、非球面が形成された負の屈折力の第１１レンズ、物体側に凸面を向けたメニスカス形状で負の屈折力の第１２レンズ、正の屈折力の第１３レンズで構成すること、
（ｂ）第２レンズ群を、物体側より像側へ順に、正の第２１レンズ、正の屈折力の第２２レンズ、負の屈折力の第２３レンズで構成すること、
（ｃ）第３レンズ群を、正の屈折力の第３１レンズで構成すること、
（ｄ）第４レンズ群を、正の屈折力の第４１レンズで構成すること、
（ｅ）第１１レンズの屈折率をｎ１１、第１２レンズの屈折率をｎ１２、第１１レンズの焦点距離をｆ１１、第１２レンズの焦点距離をｆ１２とするとき、
１．８５＜（ｎ１１＋ｎ１２）／２＜１．９５
１．５＜ｆ１１／ｆ１２＜２．５
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、必要最小限のレンズ構成枚数で、広角端での所望の画角、所望の変倍比、高い光学性能が得られる小型のズームレンズが実現できる。

本発明のズームレンズの実施例について説明する。

図１，３，５は、それぞれ本発明の実施例１〜３のズームレンズの各ズーム位置におけるレンズ断面図を示している。本実施例のズームレンズは、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ用の撮影光学系として用いられるものである。図２、図３、図４はそれぞれ実施例１〜３のズームレンズの収差図であり、（ａ）が広角端の状態、（ｂ）が中間のズーム位置の状態、（ｃ）が望遠端の状態である。

各レンズ断面図において、左方が被写体側（前方）で、右方が像側（後方）である。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、Ｌ４は正の屈折力の第４レンズ群である。ＳＰは開口絞り、Ｇは光学的ローパスフィルター、赤外カットフィルター、カバーガラス等の光路中に存在する平行平板に対応して設計上設けたガラスブロック、ＩＰはＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）の感光面が位置する像面である。

各収差図において、ｄ，ｇは各々ｄ線及びｇ線、ΔＭ、ΔＳはメリジオナル像面、サジタル像面、倍率色収差はｇ線によって表している。

各実施例のズームレンズにおいて、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は、広角端のズーム位置から中間のズーム位置までは像側へ移動し、中間のズーム位置から望遠端のズーム位置までは物体側へ移動する。即ち像側に凸状の軌跡の一部を有するように移動する。第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３とは、互いの間隔を変えながら共に物体側へ移動する。第４レンズ群Ｌ４はズーミングのためには移動しない。

ズーミングの結果、広角端に対し望遠端での第１レンズ群Ｌ１と第２レンズ群Ｌ２の間隔は小さくなっており、第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４の間隔は大きくなっている。

開口絞りＳＰは第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３の間に配置され、ズーミングに際し第２レンズ群Ｌ２と一体で移動することでメカ構造の簡素化を達成している。

無限遠物体から近距離物体へのフォーカスは、第３レンズ群Ｌ３を物体側へ繰り出すことによって行っている。

第１レンズ群Ｌ１は、物体側より像側へ順に、像側の面がレンズ中心部からレンズ周辺部にかけて負の屈折力が弱くなる形状の非球面より成り、物体側に凸面を向けたメニスカス形状で負の屈折力の第１１レンズＧ１、物体側に凸面を向けたメニスカス形状で負の屈折力の第１２レンズＧ２、物体側に凸面を向けたメニスカス形状で正の屈折力の第１３レンズＧ３を有している。

第２レンズ群Ｌ２は、物体側より像側へ順に、正の屈折力の第２１レンズＧ４、物体側の面が非球面より成る正の屈折力の第２２レンズＧ５と負の屈折力の第２３レンズＧ６とを接合した接合レンズより成っている。

第３レンズ群Ｌ３は、正の屈折力の単一レンズである第３１レンズＧ７より成っている。第３１レンズＧ７は両凸形状である。

第４レンズ群Ｌ４は正の屈折力の単一レンズである第４１レンズＧ８より成っている。第４１レンズＧ８も両凸形状である。

各実施例のズームレンズは、第１１レンズの屈折率をｎ１１、第１２レンズの屈折率をｎ１２、第１１レンズの焦点距離をｆ１１、第１２レンズの焦点距離をｆ１２とするとき、
１．８５＜（ｎ１１＋ｎ１２）／２＜１．９５ …（１）
１．５＜ｆ１１／ｆ１２＜２．５ …（２）
なる条件を満足している。

条件式（１）は、第１レンズ群Ｌ１を構成する２つの負レンズの屈折率の平均値に関するものである。条件式（１）の上限値を超えると、レンズを製造するためのコストが増大すると共に、分散が大きな硝材しか存在しなくなってくるので、広角域における倍率色収差が大きくなってくるので良くない。条件式（１）の下限値を超えると、ペッツバール和が負の方向に増大する傾向があり、第１レンズ群Ｌ１の屈折力を弱くする必要がある。その結果、広角端における全長、前玉径が増大するので良くない。

条件式（２）は、第１レンズ群Ｌ１を構成する２つの負レンズの焦点距離の比に関するものである。条件式（２）の上限を超えて、第１２レンズＧ２の焦点距離が短くなりすぎると、広角域において画面周辺部のコマフレアーが増大してくるので良くない。条件式（２）の下限を超えて、第１１レンズＧ１の焦点距離が短くなりすぎると、広角端における、歪曲の補正が困難になってくる。

条件式（１），（２）は以下の範囲とすることが更に望ましい。

１．８６＜（ｎ１１＋ｎ１２）／２＜１．８９ …（１ａ）
１．８＜ｆ１１／ｆ１２＜２．２ …（２ａ）
また、第３レンズ群Ｌ３を構成する第３１レンズＧ７のアッベ数をνｄ３、第３１レンズの物体側の面の曲率半径をＲ３１、像側の面の曲率半径をＲ３２とするとき、
６６＜νｄ３＜７８ …（３）
−０．４＜（Ｒ３１＋Ｒ３２）／（Ｒ３１−Ｒ３２）＜０．２ …（４）
なる条件を満足している。

条件式（３）は、第３レンズ群Ｌ３を構成する第３１レンズＧ７のアッベ数に関するものである。条件式（３）の上限値を超えてアッベ数が大きくなり過ぎると、製造が困難となり硝材のコストが増大してくるので良くない。条件式（３）の下限値を超えてアッベ数が小さくなり過ぎると、フォーカシングによる色収差の変動が増大してくるので良くない。

条件式（４）は、第３レンズ群Ｌ３を構成する第３１レンズＧ７のシェイプファクターに関するものである。条件式（４）の上限値又は下限値を超えると、フォーシングに伴う像面の変動等を良好に補正することが困難になってくる。

条件式（３），（４）は以下の範囲とすることが更に望ましい。

６９＜νｄ３＜７３ …（３ａ）
−０．３＜（Ｒ３１＋Ｒ３２）／（Ｒ３１−Ｒ３２）＜０．１ …（４ａ）
また、第４レンズ群Ｌ４を構成する第４１レンズＧ８の物体側の面の曲率半径をＲ４１、第４レンズ群Ｌ４を構成する第４１レンズＧ８の像側の面の曲率半径をＲ４２とするとき、
−０．６＜（Ｒ４１＋Ｒ４２）／（Ｒ４１−Ｒ４２）＜０ …（５）
なる条件を満足している。

条件式（５）は、第４レンズ群Ｌ４を構成する第４１レンズＧ８のシェイプファクターに関するものである。条件式（５）の上限値又は下限値を超えると、歪曲、像面湾曲を同時に良好に補正することが困難になってくる。

条件式（５）は以下の範囲とすることが更に望ましい。

−０．４＜（Ｒ４１＋Ｒ４２）／（Ｒ４１−Ｒ４２）＜−０．２ …（５ａ）
本実施例のズームレンズは、広画角、高ズーム比、高性能を両立させるために、第１レンズ群Ｌ４を従来例と比較して多い３枚構成としつつも、第１レンズ群Ｌ４を構成する２つの負レンズに高屈折率の硝材を使用することで、第３レンズ群Ｌ３、第４レンズ群Ｌ４は単レンズで構成し、全体としてのレンズ構成枚数を抑制している。

特に第３レンズ群Ｌ３に関しては１枚のレンズで構成しつつも、低分散の硝材を使用することで、フォーカシングの色収差変動を低減している。

負、正、正、正の４群タイプにおける各レンズ群の構成枚数３−３−１−１、計８枚構成は、「広画角、３〜４倍程度のズーム比、明るく、高い光学性能が得られる」という目的を最小枚数で達成するための構成である。各レンズ群のレンズ構成が、この枚数より少ない場合には、所望のスペックにおける光学性能が不足し、各レンズ群のレンズ枚数が多い場合には、沈胴時の全長が大きくなってくる。

一方で、第３レンズ群Ｌ３及び第４レンズ群Ｌ４を単レンズにて構成した場合には、負レンズを含む複数枚構成とした場合と比較して、全系のペッツバール和が負の方向に増大する傾向がある。このため、本実施例のズームレンズでは、第３レンズ群Ｌ３及び第４レンズ群Ｌ４を単レンズで構成しつつ、全系の像面のバランスを保つために、第１レンズ群を構成する２つの負レンズに前述したごとく高屈折率の硝材を使用することで、像面湾曲の発生を抑制している。

次に上述した実施例１〜３に対応する数値実施例１〜３の数値データを示す。数値実施例において、ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角である。ｉは物体側より数えた順序を示し、Ｒｉは第ｉ番目の面の曲率半径、Ｄｉは第ｉ番目の面と第（ｉ＋１）番目の面との軸上間隔、Ｎｉとνｉは各々第ｉ番目の材料のｄ線を基準とした屈折率とアッベ数である。

非球面形状は、光の進行方向を正とし、Ｘを光軸方向の面頂点からの変位量、ｈを光軸と垂直な方向の光軸からの高さ、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐定数、Ｂ〜Ｅを各々非球面係数とするとき、

なる式で表している。

又前述の各条件式と数値実施例の関係を表１に示す。

このように本実施例のズームレンズは、従来の負、正、正、正の４つのレンズ群で構成されたズームレンズを更に改良し、各レンズ群のレンズ構成、非球面の位置、移動方法等を最適に設定することで、レンズ枚数の削減を図り、レンズ全長の短縮化を達成したにも関わらず、広角端で７０度以上の画角、３〜４倍程度のズーム比、明るく、高い光学性能を有したズームレンズを実現できた。

次に実施例１〜３のズームレンズを撮影光学系として用いた光学機器の実施例を、図７を用いて説明する。

図７は、本発明のズームレンズをデジタルスチルカメラに用いた例である。図１２において、２０はカメラ本体、２１は実施例１〜３で説明したいずれかのズームレンズによって構成された撮影光学系、２２はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系２１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）、２３は固体撮像素子２２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリ、２４は液晶ディスプレイパネル等によって構成され、固体撮像素子２２上に形成された被写体像を観察するためのファインダーである。

このように本発明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が実現できる。

実施例１のズームレンズのレンズ断面図である。 実施例１のズームレンズの諸収差図である。 実施例２のズームレンズのレンズ断面図である。 実施例２のズームレンズの諸収差図である。 実施例３のズームレンズのレンズ断面図である。 実施例３のズームレンズの諸収差図である。 デジタルスチルカメラの要部概略図である。

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
Ｌ４ 第４レンズ群
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＭ メリディオナル像面
ΔＳ サジタル像面

Claims (8)

1. 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、正の屈折力の第３レンズ群、正の屈折力の第４レンズ群から成り、広角端から望遠端へのズーミングに際し、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔が減少し、第２レンズ群と第３レンズ群の間隔が変化し、第３レンズ群と第４レンズ群の間隔が増大するズームレンズにおいて、前記第１レンズ群は、物体側より像側へ順に、非球面が形成された負の屈折力の第１１レンズ、物体側に凸面を向けたメニスカス形状で負の屈折力の第１２レンズ、正の屈折力の第１３レンズから成り、前記第２レンズ群は、物体側より像側へ順に、正の第２１レンズ、正の屈折力の第２２レンズ、負の屈折力の第２３レンズから成り、前記第３レンズ群は正の屈折力の第３１レンズから成り、前記第４レンズ群は正の屈折力の第４１レンズから成ると共に、前記第１１レンズの屈折率をｎ１１、前記第１２レンズの屈折率をｎ１２、前記第１１レンズの焦点距離をｆ１１、前記第１２レンズの焦点距離をｆ１２とするとき、
   １．８５＜（ｎ１１＋ｎ１２）／２＜１．９５
   １．５＜ｆ１１／ｆ１２＜２．５
   なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
2. 前記第３１レンズのアッベ数をνｄ３、前記第３１レンズの物体側の面の曲率半径をＲ３１、前記第３１レンズの像側の面の曲率半径をＲ３２とするとき、
   ６６＜νｄ３＜７８
   −０．４＜（Ｒ３１＋Ｒ３２）／（Ｒ３１−Ｒ３２）＜０．２
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１記載のズームレンズ。
3. 前記第４１レンズの物体側の面の曲率半径をＲ４１、前記第４１レンズの像側の面の曲率半径をＲ４２とするとき、
   −０．６＜（Ｒ４１＋Ｒ４２）／（Ｒ４１−Ｒ４２）＜０
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２記載のズームレンズ。
4. 前記第２２レンズと前記第２３レンズとで接合レンズを構成すると共に、前記第２２レンズの物体側の面に非球面が形成されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のズームレンズ。
5. 前記第１１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状であり、前記第１３レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載のズームレンズ。
6. 前記第３レンズ群を移動させてフォーカシングを行うことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のズームレンズ。
7. 光電変換素子上に像を形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のズームレンズ。
8. 請求項１〜６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た像を受光する光電変換素子とを有することを特徴とする撮像装置。
   

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