JP4551669B2 - ズームレンズ及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

Description

本発明はスチルカメラやビデオカメラ、銀塩写真用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。

近年、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、銀塩写真用カメラ等の撮像装置の高機能化にともない、それに用いる撮影光学系としてコンパクトで高解像なズームレンズが要求されている。

これらの要求に答えるズームレンズとして、物体側より像側へ順に、正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、そして正の屈折力の第４レンズ群の４つのレンズ群より成り、第２レンズ群を移動させて変倍を行い、第４レンズ群にて変倍に伴なう像面変動を補正すると共に、フォーカシングを行う所謂リアフォーカス式の４群ズームレンズが知られている（特許文献１〜３）。

一般的にリアフォーカス式のズームレンズは、第１レンズ群を移動させてフォーカスを行うズームレンズに比べて、第１レンズ群の有効径が小さくなり、レンズ系全体の小型化が容易になる。

又近接撮影が可能となり、更に比較的小型軽量のレンズ群を移動させているので、レンズ群の駆動力が小さくてすみ迅速な焦点合わせが出来るという特徴がある。この様な光学系においてズーム比を高倍化しながら小型化を維持しようとするとズーミング時の倍率色収差の変動の補正が困難になる。

これに対して４群ズームレンズにおいて、第２レンズ群の最も像側に負の屈折力のレンズを配置して全体で３枚の負の屈折力のレンズと１枚の正レンズの構成とすることでズーミング時の倍率色収差の補正を良好に行ったズームレンズが知られている（特許文献４，５）。

また４群ズームレンズにおいて、第２レンズ群の正の屈折力のレンズの材料にアッベ数νｄが２１程度の高分散の硝材を使用して光学系全体の小型化を図ったズームレンズが知られている（特許文献６，７）。
特開平４−４３３１１号公報 特開平５−７２４７２号公報 特開平６−３４８８２号公報 特開平８−８２７４３号公報 特開２０００−８９１１６号公報 特開平８−１６０２９９号公報 特開２０００−１２１９４１号公報

近年、デジタルカメラやビデオカメラ等に用いるズームレンズとして撮像装置の小型化と撮像素子の高画素化に伴って、高い光学性能を有しかつレンズ系全体が小型のものが要望されている。又、ビデオカメラで高画質で静止画像を記録することが望まれてきており、高い光学性能でありながら小型なレンズ系が要求されている。

特開平８−８２７４３号公報では、第２レンズ群を４枚のレンズで構成しており、収差補正的には有利であるが、レンズ枚数が４枚である為、その分レンズ全長が長くなる傾向がある。

また特開平８−１６０２９９号公報では第２レンズ群のレンズ枚数は少ないものの光学系全体ではレンズ枚数が多く、レンズ系全体が大型化する傾向がある。また特開２０００−１２１９４１号公報では第２レンズ群を正レンズと負レンズとの貼合せレンズで構成しているために設計の自由度が減る傾向がある。

一方、ズームレンズにおいて、第１レンズ群以外のレンズ群でフォーカスを行う所謂リヤーフォーカス方式を採用するとレンズ系全体が小型化されるが、反面フォーカスの際の収差変動が大きくなり、無限遠物体から近距離物体に至る物体距離全般にわたり高い光学性能を得るのが難しくなってくる。

本発明は、簡易な構成でかつ高変倍比で多くの画素よりなる固体撮像素子を用いたときにも、十分対応できる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。

本発明のズームレンズは、物体側より像側へ順に、正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第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レンズ群より構成され、ズーミングに際して該第２，第４レンズ群が移動するズームレンズであって、該第２レンズ群は物体側から像側に順に、屈折力の絶対値が物体側の面に比べ像側の面が大きい負の屈折力の第２１レンズ、物体側の面が凹形状の負の屈折力の第２２レンズ、屈折力の絶対値が像側の面に比べ物体側の面が大きい正の屈折力の第２３レンズより成り、該第２２レンズと第２３レンズとの間は空気であり、該第２レンズ群の焦点距離をｆ２、望遠端のズーム位置における全系の焦点距離をｆｔ、該第２３レンズの材料のアッベ数と、屈折率を各々ν２３、Ｎ２３とするとき
ν２３ ＜ ２０．０ （１）
Ｎ２３ ＞ １．９ （２）
−０．１＜ ｆ２／ｆｔ ＜ −０．０５ （３）
なる条件式を満足することを特徴としている。

本発明によれば、簡易な構成でかつ高変倍比で多くの画素よりなる固体撮像素子を用いたときにも、十分対応できる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を得ることができる。

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におけるレンズ断面図、図２、図３、図４はそれぞれ実施例１のズームレンズの広角端，中間のズーム位置，望遠端における収差図である。

図５，図６，図７はそれぞれ実施例２のズームレンズの広角端，中間のズーム位置，望遠端における収差図である。

図８，図９，図１０はそれぞれ実施例３のズームレンズの広角端，中間のズーム位置，望遠端における収差図である。

図１１は本発明のズームレンズを備えるビデオカメラ（撮像装置）の要部概略図である。図１２は本発明のズームレンズを備えるデジタルカメラ（撮像装置）の要部概略図である。図１３、図１４は本発明の実施例２、３のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図である。

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り、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。レンズ断面図において、Ｌ１は正の屈折力（光学的パワー＝焦点距離の逆数）の第１レンズ群、Ｌ２は負の屈折力の第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は開口絞りであり、第３レンズ群Ｌ３の物体側に位置しており、ズーミングに際して第３レンズ群Ｌ３と共に移動する。

Ｇは光学フィルター、フェースプレート等に相当する光学ブロックである。ＩＰは像面であり、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センサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）の撮像面が、銀塩フィルム用カメラのときはフィルム面に相当する。

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

尚、以下の各実施例において広角端と望遠端は変倍用レンズ群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。

各実施例では、広角端から望遠端へのズーミングに際して矢印のように、第２レンズ群Ｌ２を像側へ移動させて変倍を行うと共に、変倍に伴う像面変動を第４レンズ群Ｌ４を物体側に凸状の軌跡を有するよう移動させて補正している。

また、第４レンズ群Ｌ４を光軸上移動させてフォーカシングを行うリアフォーカス式を採用している。第４レンズ群Ｌ４に関する実線の曲線４ａと点線の曲線４ｂは、各々無限遠物体と近距離物体にフォーカスしているときの変倍に伴う像面変動を補正するための移動軌跡である。このように第４レンズ群Ｌ４を物体側へ凸状の軌跡とすることで第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４との間の空間の有効利用を図り、レンズ全長の短縮化を効果的に達成している。

又、望遠端において無限遠物体から近距離物体へフォーカスを行う場合には、矢印４ｃに示すように第４レンズ群Ｌ４を前方に繰り出すことで行っている。尚、第１レンズ群Ｌ１と第３レンズ群Ｌ３は、ズーム及びフォーカスの為には光軸方向に固定であるが収差補正上必要に応じて移動させてもよい。

各実施例のズームレンズは、物体側より像側へ順に、第１レンズ群Ｌ１は物体側の面が凸でメニスカス形状の負の屈折力の第１１レンズと、正の屈折力の第１２レンズとを接合した接合レンズ、物体側の面が凸でメニスカス形状の正の屈折力の第１３レンズより成っている。

第２レンズ群Ｌ２は物体側から像側に順に、屈折力の絶対値が物体側の面に比べ像側の面が大きい負の屈折力の第２１レンズ、物体側の面が凹形状の負の屈折力の第２２レンズ、屈折力の絶対値が像側の面に比べ物体側の面が大きい正の屈折力の第２３レンズより成ったいる。又、第２２レンズと第２３レンズとの間は空気である。

第２レンズ群Ｌ２をこのように構成することによってズーミングの際に変動する像面湾曲と歪曲等の諸収差を良好に補正している。

第３レンズ群Ｌ３は、物体側と像側の面が凸形状の正の屈折力の第３１レンズと、物体側の面が凸でメニスカス形状の負の屈折力の第３２レンズより成っている。

第４レンズ群Ｌ４は、物体側と像側の面が凸形状の正の屈折力の第４１レンズと、像側の面が凸でメニスカス形状の負の屈折力の第４２レンズとを接合した接合レンズより成っている。

これによって第４レンズ群Ｌ４でフォーカスするときの収差変動が少なくなるようにしている。

各実施例では以上のように各レンズ群を構成することによって、レンズ系全体を小型化し、簡易なレンズ構成にもかかわらず、全変倍範囲、又、物体距離全般にわたり高い光学性能を得ている。

次に各実施例の前述した特徴以外の特徴について説明する。

◎第２レンズ群Ｌ２の焦点距離をｆ２、望遠端のズーム位置における全系の焦点距離をｆｔ、第２３レンズの材料のアッベ数と、屈折率を各々ν２３、Ｎ２３とするとき
ν２３ ＜ ２０．０ （１）
Ｎ２３ ＞ １．９ （２）
−０．１＜ ｆ２／ｆｔ ＜ −０．０５ （３）
なる条件式を満足している。

物体側より像側へ順に、正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第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レンズ群を有し、ズーミングに際して該第２，第４レンズ群が移動するズームタイプの４群ズームレンズは、ビデオカメラやデジタルカメラ等の撮像装置に多用されている。この撮像装置に用いられる光学系には小型化及び高倍率化が求められている。

このズームタイプの４群ズームレンズでは第２レンズ群Ｌ２は３枚の負の屈折力のレンズと１枚の正の屈折力のレンズの４枚構成またはそれ以上のレンズ枚数で構成されるのが一般的である。

これに対して請求項１の発明では第２レンズ群Ｌ２の正の屈折力の第２３レンズの材料に条件式（１）を満足する分散の大きな硝材を使用するとともに条件式（２），（３）を満足することで第２レンズ群Ｌ２を全体で３枚のレンズ構成としつつ第２レンズ群Ｌ２から発生する色収差を低減している。

条件式（１）は１枚の正の屈折力の第２３レンズで色収差の補正を効果的に行うためのものである。この条件式（１）の上限を超えてアッベ数が大きくなると第２レンズ群Ｌ２の色消し効果が弱くなって高倍化と高性能化を少ないレンズ枚数で両立させるのが困難になる。

条件式（２）は１枚の正の屈折力の第２３レンズでズーミング時の収差補正を良好に行うためのものである。条件式（２）を超えて第２３レンズの材料の屈折率が小さくなるとズーミング時におけるコマ収差の変動を補正することが困難になる。

条件式（３）は光学性能を良好に維持しつつ光学全長の短縮を達成する為のものであり、第２レンズ群Ｌ２の負の屈折力を規定する式である。条件式（３）の上限値を超えて第２レンズ群Ｌ２の屈折力が強くなると、ズーミング時の第２レンズ群Ｌ２の移動量は小さくなるが、ペッツバール和が全体に負の方向に大きくなり像面湾曲の補正が困難になるので良くない。逆に条件式（３）の下限を超えると、第２レンズ群Ｌ２のズーミング時の移動量が大きくなって光学系全体の小型化が難しくなる。

尚、更に好ましくは条件式（１）〜（３）の数値を次の如く設定するのが良い。

ν２３ ＜ １９．５ （１ａ）
Ｎ２３ ＞ １．９１ （２ａ）
−０．０９＜ ｆ２／ｆｔ ＜ −０．０６ （３ａ）
◎第２２レンズと第２３レンズとの間の空気間隔をＤ２３とするとき
０．１ ＜ ｜Ｄ２３/ｆ２｜ ＜ ０．４ （４）
なる条件式を満足している。

条件式（４）は、望遠端のズーム位置におけるコマ収差や像面湾曲を良好に補正するためのものである。

条件式（４）の下限値を超えると望遠端のズーム位置における正の像面湾曲が大きくなり、外向性コマ収差の補正が困難になるので良くない。逆に上限値を超えると像面湾曲が負の方向に大きくなり、内向性のコマ収差の補正が困難になるので良くない。

尚、更に好ましくは条件式（４）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．１５ ＜ ｜Ｄ２３/ｆ２｜ ＜ ０．３ （４ａ）
◎第２３レンズの物体側の面の曲率半径をRa、像側の面の曲率半径をRｂとするとき
０．９ ＜（Ｒｂ＋Ｒａ）/（Ｒｂ−Ｒａ）＜ ２．０ （５）
なる条件式を満足している。

条件式（５）は第２３レンズのレンズ形状を適切に設定することでズーム領域全域に渡って諸収差の補正を良好に行う為のものである。

条件式（５）の下限値を超えると広角端のズーム位置での非点収差が負の方向に増大するので良くない。逆に上限値を超えると広角端のズーム位置での非点収差が正の方向に増大するので良くない。

更に望ましくは条件式（５）の数値範囲を
１．０ ＜（Ｒｂ＋Ｒａ）/（Ｒｂ−Ｒａ）＜ １．７ （５ａ）
の範囲に設定するとより良好な光学性能が達成出来る。

◎第２１レンズと第２２レンズの材料の屈折率を各々Ｎ２１，Ｎ２２とするとき
（Ｎ２１＋Ｎ２２）／２ ＞ １．６７ （６）
なる条件式を満足している。

条件式（６）は第２３レンズの材料の屈折率を上げたときぺッツバール和が正の方向に増大してサジタル像面がオーバーになってしまうのを防ぎ光学性能の劣化を低減する為のものである。

条件式（６）の下限値を超えて第２１レンズと第２２レンズの材料の屈折率が低くなるとぺッツバール和が負の方向に増大してサジタルの像面湾曲の補正が困難になるので良くない。

更に好ましくは条件式（６）の数値を次の如く設定するのが良い。

（Ｎ２１＋Ｎ２２）／２ ＞ １．７３ （６ａ）
◎第２２レンズの物体側の面の曲率半径をＲ２ａ、像側の面の曲率半径をＲ２ｂとするとき、
−０．４＜（Ｒ２ｂ＋Ｒ２ａ）／（Ｒ２ｂ−Ｒ２ａ）＜０．４ （７）
を満足している。

条件式（7）の下限値を超えると広角端のズーム位置での非点収差が正の方向に増大するので良くない。逆に上限値を超えると広角端のズーム位置での非点収差が負の方向に増大してしまうので良くない。

更に好ましくは、条件式（７）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

−０．３＜（Ｒ２ｂ＋Ｒ２ａ）／（Ｒ２ｂ−Ｒ２ａ）＜０．２ （７ａ）
以下に、実施例１〜３に各々対応する数値実施例１〜３を示す。各数値実施例において、ｉは物体側からの面の順番を示し、Ｒｉは各面の曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の部材肉厚又は空気間隔、Ｎｉ、νｉはそれぞれｄ線に対する屈折率、アッベ数を示す。また、数値実施例１〜３では最も像側の２つの面は水晶ローパスフィルター、赤外カットフィルター等に相当する平面である。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、

で表される。但しＲは近軸曲率半径、ｋは円錐定数、Ａ′，Ｂ，Ｂ′，Ｃ，Ｃ′，Ｄ，Ｄ′，Ｅ，Ｅ′，Ｆは非球面係数である。

又、[ｅ−Ｘ]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数値実施例における諸数値との関係を表１に示す。

次に本発明のズームレンズを撮影光学系として用いたビデオカメラとデジタルスチルカメラの実施例を図１１，図１２を用いて説明する。

図１１において、１０はビデオカメラ本体、１１は本発明のズームレンズによって構成された撮影光学系、１２は撮影光学系１１によって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）、１３は撮像素子１２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記憶するメモリ、１４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１２上に形成された被写体像が表示される。

次にデジタルスチルカメラの実施例を図１２を用いて説明する。

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のズームレンズの広角端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における諸収差図 実施例１のズームレンズの中間のズーム位置における諸収差図 実施例１のズームレンズの望遠端における諸収差図 実施例２のズームレンズの広角端における諸収差図 実施例２のズームレンズの中間のズーム位置における諸収差図 実施例２のズームレンズの望遠端における諸収差図 実施例３のズームレンズの広角端における諸収差図 実施例３のズームレンズの中間のズーム位置における諸収差図 実施例３のズームレンズの望遠端における諸収差図 本発明の撮像装置の要部概略図 本発明の撮像装置の要部概略図 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 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

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
ＳＰ 開口絞り
ＦＰ フレアー絞り
Ｇ ガラスブロック
ＩＰ 像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＭ メリディオナル像面
ΔＳ サジタル像面

Claims (7)

1. 物体側より像側へ順に、正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第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レンズ群より構成され、ズーミングに際して該第２，第４レンズ群が移動するズームレンズであって、該第２レンズ群は物体側から像側に順に、屈折力の絶対値が物体側の面に比べ像側の面が大きい負の屈折力の第２１レンズ、物体側の面が凹形状の負の屈折力の第２２レンズ、屈折力の絶対値が像側の面に比べ物体側の面が大きい正の屈折力の第２３レンズより成り、該第２２レンズと第２３レンズとの間は空気であり、該第２レンズ群の焦点距離をｆ２、望遠端のズーム位置における全系の焦点距離をｆｔ、該第２３レンズの材料のアッベ数と、屈折率を各々ν２３、Ｎ２３とするとき
   ν２３ ＜ ２０．０
   Ｎ２３ ＞ １．９
   −０．１＜ ｆ２／ｆｔ ＜ −０．０５
   なる条件式を満足することを特徴とするズームレンズ。
2. 前記第２２レンズと第２３レンズとの間の空気間隔をＤ２３とするとき
   ０．１ ＜ ｜Ｄ２３/ｆ２｜ ＜ ０．４
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
3. 前記第２３レンズの物体側の面の曲率半径をRa、像側の面の曲率半径をRｂとするとき
   ０．９ ＜（Ｒｂ＋Ｒａ）/（Ｒｂ−Ｒａ）＜ ２．０
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１または２に記載のズームレンズ。
4. 前記第２１レンズと第２２レンズの材料の屈折率を各々Ｎ２１，Ｎ２２とするとき
   （Ｎ２１＋Ｎ２２）／２ ＞ １．６７
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１，２又は３に記載のズームレンズ。
5. ズーミングに際して前記第１レンズ群と第３レンズ群は固定であることを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載のズームレンズ。
6. 前記第２２レンズの物体側の面の曲率半径をＲ２ａ、像側の面の曲率半径をＲ２ｂとするとき、
   −０．４＜（Ｒ２ｂ＋Ｒ２ａ）／（Ｒ２ｂ−Ｒ２ａ）＜０．４
   を満足す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. 請求項１から６のいずれか１項のズームレンズと、該ズームレンズによって形成された像を受光する固体撮像素子を有していることを特徴とする撮像装置。