JP5044356B2 - ズームレンズシステム - Google Patents

Description

本発明は、デジタルカメラ、およびデジタルカメラ機能を備えた携帯電話などの情報端末に搭載するのに適したズームレンズシステムに関するものである。

レンズにより結像した画像をＣＣＤおよびＣＭＯＳなどの撮像デバイスによりデジタルデータとして取得するデジタルカメラが知られている。また、そのようなデジタルカメラを内蔵した携帯電話などの情報端末が知られている。
特開２００１−２９６４７６号公報

特許文献１には、物体側から負−正−正の３群構成で、１群２枚、２群４枚、３群１枚で全体が７枚のレンズにより構成されたズームレンズが開示されている。ズームレンズシステムをさらにコンパクトにするために、レンズシステムを構成するレンズ枚数をさらに低減することが要望されている。

本発明の一態様は、物体側から像面側に向かって順に、負の屈折力を備えた第１のレンズ群と、正の屈折力を備えた第２のレンズ群と、正の屈折力を備えた第３のレンズ群とにより構成され、第１のレンズ群、第２のレンズ群および第３のレンズ群が移動することにより変倍し、第３のレンズ群を移動することによりフォーカシングするズームレンズシステムであって、それぞれのレンズ群は以下のように構成されているものである。

第１のレンズ群は、物体側から順に配置された、１枚の負レンズおよび１枚の正レンズにより構成され、負レンズおよび正レンズの面のうち、少なくとも１つの面が非球面である。第２のレンズ群は、物体側から順に配置された、正レンズおよび負レンズからなる１つの接合レンズ、および像面側が凹面の１枚のメニスカスレンズにより構成され、メニスカスレンズの一方の面が非球面であり、さらに、接合レンズの物体側の面、接合レンズの像面側の面およびメニスカスレンズの他方の面のうち、少なくとも１つの面が非球面である。第３のレンズ群は、１枚の正レンズにより構成されている。

さらに、このズームレンズシステムは、第２のレンズ群の合成焦点距離ｆ２と、第２のレンズ群のメニスカスレンズの焦点距離Ｌｆ２３と、広角端（短焦点端）における当該ズームレンズシステムの合成焦点距離ｆｗと、第３のレンズ群の合成焦点距離ｆ３と、接合レンズの正レンズの物体側の面の曲率半径Ｒｏと、接合レンズの正レンズの像面側の面の曲率半径Ｒｉと、が以下の条件を満たす。
０＜｜ｆ２／Ｌｆ２３｜＜０．３ ・・・（１）
０．２５＜ｆｗ／ｆ３＜０．４５ ・・・（３）

このズームレンズシステムは、全体が６枚のレンズにより構成される。（１）式の条件は、第２のレンズ群のメニスカスレンズのパワーの比率を小さくし、パワーのほとんどない、または、パワーの小さな負のメニスカスレンズまたは正のメニスカスレンズとすることである。そして、このメニスカスレンズの少なくとも一方の面を非球面にする。パワーのほとんどない、またはパワーの小さな非球面レンズを採用することにより、光線が集中するために全体の口径が小さくなる傾向の第２のレンズ群において、収差補正に有効に働く非球面の面積を確保し、少ない枚数で収差を良好に補正できるようにしている。

この（１）式の条件は、接合レンズとパワー（屈折力の絶対値）の弱いレンズとの組合せからなる、全体が正のパワーの第２のレンズ群において、接合レンズのパワーを大きくする必要がある。しかしながら、それにともない、接合レンズにおいて発生する球面収差が拡大したり、色収差の補正能力が低下したりすることは好ましくない。このため、（２）式の条件を設定している。

Ｒｉ／Ｒｏの比は、さらに、以下の条件を満たす。
−１．７＜Ｒｉ／Ｒｏ＜−１．１５ ・・・（２´）
（２´）式の下限は、接合レンズの物体側の面で発生する球面収差を補正するために有用な条件であり、上限は、望遠端（長焦点端）における色収差補正能力を確保するために有用な条件である。

このズームレンズシステムにおいては、第１のレンズ群に少なくとも１つの非球面、第２のレンズ群に少なくとも２つの非球面を配置し、特に、第２のレンズ群における諸収差の補正能力を向上している。したがって、それぞれのレンズ群における諸収差の発生を抑制し、各レンズ群のパワーを抑えても諸収差を良好に補正できるようにしている。このため、第３のレンズ群のパワーの比率も比較的小さくすることができ、広角端から望遠端へ変倍する際に、像面における光線入射角度の変化を抑制できる。また、像面側の結像面に設置される撮像デバイス（撮像素子）での光量損失を抑制できる。（３）式の条件は、第３のレンズ群のパワーの配分を規定するものであり、上限は、撮像デバイスでの光量損失を抑制するために有用な条件である。（３）式の条件の下限は、第３のレンズ群を用いてフォーカシングする際の移動量の増大を抑制するために有用な条件である。

第２のレンズ群のメニスカスレンズはプラスチックレンズである。そして、メニスカスレンズの他方の面も非球面にすることが好ましい。一方、このズームレンズシステムは全体が６枚という枚数の少ない構成なので、メニスカスレンズ以外、すなわち、第１のレンズ群の負レンズおよび正レンズ、第２のレンズ群の接合レンズ、および第３のレンズ群の正レンズをガラス製にしても全体として軽量である。したがって、第２のレンズ群のメニスカスレンズ以外はガラスレンズであり、温度などの環境条件によるレンズ性能の変動を抑制できる。

第１のレンズ群においては、正レンズの物体側の面を非球面にすることが望ましい。広角端におけるディストーションを良好に補正するために有効である。

このズームレンズシステムは、コンパクトでありながら、高い変倍率と、良好な結像性能を備えている。したがって、デジタルカメラなどの、ズームレンズシステムおよびそのズームレンズシステムの像面側に配置された撮像デバイスとを有するカメラに適しており、また、カメラ機能と、撮像デバイスからの映像を表示可能な表示デバイスとを有する情報端末に適している。これらのカメラおよび、携帯電話などの情報端末も本発明に含まれる。

図１に、カメラ機能を有する情報端末の概略構成を示している。この情報端末１は、具体的には、カメラ機能付きの携帯電話あるいはカメラ機能付きのＰＤＡである。情報端末１は、デジタルカメラ機能１０を備えており、このデジタルカメラ機能１０は、ズームレンズシステム１１と、このズームレンズシステム１１の結像位置（結像面）に配置された撮像デバイス１２と、ズームレンズシステム１１のレンズ群を移動することにより変倍させるレンズ駆動機構１３とを備えている。情報端末１は、さらに、表示デバイス２と、データの入出力デバイス３と、ＣＰＵなどの機能を含めた制御ユニット５と、ＲＡＭディスクあるいはハードディスクなどのメモリデバイス６と、無線により公衆電話網あるいはコンピュータネットワークに接続するための通信ユニット７とを備えている。撮像デバイス１２は、例えば、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサーであり、ズームレンズシステム１１により撮像デバイス１２の受光面に形成された像をデジタルデータに変換し、表示デバイス２に表示したり、メモリデバイス６に記憶したり、通信ユニット７を介して他の情報端末に発信したりすることができる。

図２に、ズームレンズシステム１１の実施形態の１つの構成を抜き出して示している。図２（ａ）は、物体を拡大して結像する状態である広角端（短焦点端）における各レンズの配置を示し、図２（ｂ）は、望遠端（長焦点端）における各レンズの配置を示している。このズームレンズシステム１１は、結像側（像面側）１１ｂに撮像デバイス１２が配置され、それとは反対の物体側１１ａが情報端末１から外界に向くように配置される。

ズームレンズシステム１１は、物体側１１ａから順番に３つのレンズ群Ｇ１〜Ｇ３にグループ化された６枚のレンズＬ１１〜Ｌ１２、Ｌ２１〜Ｌ２３およびＬ３１により構成されている。これら３つのレンズ群Ｇ１〜Ｇ３は、物体側１１ａから順番に、負−正−正の屈折力を備えており、全体としてレトロフォーカス型で、撮像デバイス１２が設置される結像側１１ｂがテレセントリックあるいはそれに近い状態となり、撮像デバイス１２に鮮明な像を生成できる構成となっている。

物体側１１ａの第１のレンズ群Ｇ１は、全体が負の屈折力を備えたレンズ群である。第１のレンズ群Ｇ１は、物体側１１ａから順に配置された、物体側に凸の負のメニスカスレンズＬ１１と、物体側１１ａに凸の正のメニスカスレンズＬ１２とにより構成されている。これらのレンズＬ１１およびＬ１２はガラス製のレンズ（ガラスレンズ）であり、正のメニスカスレンズＬ１２の両面Ｓ３およびＳ４は非球面である。

第２のレンズ群Ｇ２は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群である。第２のレンズ群Ｇ２は、物体側１１ａから順に配置された、両凸の正レンズＬ２１および両凹の負レンズＬ２２からなる接合レンズ（バルサム）ＣＬと、像面側１１ｂに凹（物体側１１ａに凸）のパワーの小さなメニスカスレンズＬ２３とにより構成されている。これらのレンズＬ２１、Ｌ２２およびＬ２３のうち、レンズＬ２１およびＬ２２はガラスレンズであり、レンズＬ２３はプラスチックレンズである。プラスチックレンズＬ２３の両面Ｓ９およびＳ１０は非球面であり、負の屈折力を備えている。

プラスチックレンズＬ２３はほとんどパワーのないレンズである。像面側１１ｂに凹、すなわち、物体側１１ａに凸のメニスカスレンズとすることにより、レンズＬ２３に搭載可能な非球面の面積を広げることが可能となり、レンズＬ２３による収差補正能力を向上できる。また、レンズＬ２３のパワーが小さいといっても第２のレンズ群Ｇ２の主点位置に影響を与えるので、物体側１１ａに凸のメニスカスレンズとすることにより、第２のレンズ群Ｇ２の主点位置を接合レンズＣＬに近づけるようにしている。

第３のレンズ群Ｇ３は、正の屈折力を備えたレンズ群であり、両凸のガラスレンズＬ３１の一枚構成である。第３のレンズ群Ｇ３の像面側１１ｂには、２枚のプラスチック製の光学フィルタＯＦ１およびＯＦ２を挟んで撮像デバイス１２が配置されている。また、第２のレンズ群Ｇ２の物体側に絞りＳが配置されている。

図２（ａ）および（ｂ）に示すように、広角端から望遠端に変倍するときに、ズームレンズシステム１１の第３のレンズ群Ｇ３は像面側１１ｂに動く。第２のレンズ群Ｇ２は物体側１１ａに第１のレンズ群Ｇ１へ近接するように動く。第１のレンズ群Ｇ１は像面側１１ｂへ第２のレンズ群Ｇ２へ近接するように動く。さらに、第３のレンズ群Ｇ３は、フォーカシング（焦点調節）のために移動する。したがって、第１のレンズ群Ｇ１、第２のレンズ群Ｇ２および第３のレンズ群Ｇ３がレンズ駆動機構１３により駆動される。

図３に、レンズデータを示している。レンズデータは、物体側から順番に並んだ各レンズの曲率半径ｒ（ｍｍ）、非球面（ＡＳ）、物体側から順番に並んだ各レンズ面の間の距離ｄ（ｍｍ）、物体側から順番に並んだ各レンズの屈折率ｎｄ（ｄ線）を示し、物体側から順番に並んだ各レンズのアッベ数ｖｄ（ｄ線）、有効径Ｄ（ｍｍ）を含む。また、ｉｎｆｉｎｉｔｙは平面を示している。変倍に際し、絞りＳは第２のレンズ群Ｇ２と共に移動する。このため、第１のレンズ群Ｇ１と絞りＳとの間の距離ｄ４と、第２のレンズ群Ｇ２と第３のレンズ群Ｇ３との間の距離ｄ１０と、第３のレンズ群Ｇ３とフィルタＯＦ１との間の距離ｄ１２が変動する。

第１のレンズ群Ｇ１の正レンズＬ１２の両面Ｓ３およびＳ４、第２のレンズ群Ｇ２のメニスカスレンズ（プラレンズ）Ｌ２３の両面Ｓ９およびＳ１０が非球面である。図４に、その非球面係数を示している。非球面は、Ｒを曲率半径、Ｘを光軸方向の座標、Ｙを光軸と垂直方向の座標、光の進行方向を正とし、図４に示した係数Ｋ、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを用いて次式で表される。
Ｘ＝（１／Ｒ）Ｙ²／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（１／Ｒ）²Ｙ²｝^1/2］
＋ＡＹ⁴＋ＢＹ⁶＋ＣＹ⁸＋ＤＹ¹⁰

図５に、ズームレンズシステム１１の変倍時における諸数値を示している。なお、Ｗは広角端（短焦点端）、Ｔは望遠端（長焦点端）、Ｍは中間の値を示す。また、距離および長さはｍｍ単位である。ＦＮｏは、Ｆナンバーを示し、ＢＦはバックフォーカスを示す。さらに、図６に、それぞれのレンズデータを示し、図７に、それぞれのレンズ群のデータを示している。

ズームレンズシステム１１の、第２のレンズ群Ｇ２の合成焦点距離をｆ２、第２のレンズ群Ｇ２のメニスカスレンズＬ２３の焦点距離をＬｆ２３、広角端（短焦点端）Ｗにおけるズームレンズシステム１１の合成焦点距離をｆｗ、第３のレンズ群Ｇ３の合成焦点距離をｆ３、接合レンズＣＬの正レンズＬ２１の物体側１１ａの面Ｓ６の曲率半径をＲｏ、接合レンズＣＬの正レンズＬ２１の像面側１１ｂの面Ｓ７の曲率半径をＲｉとしたときに、上述した条件（１）〜（３）の値は、図５〜図７に示したデータより以下のようになる。
条件（１）（｜ｆ２／Ｌｆ２３｜）： ０．０３
条件（２）（Ｒｉ／Ｒｏ）： −１．２７
条件（３）（ｆｗ／ｆ３）： ０．２９

したがって、本例のズームレンズシステム１１は、条件（１）〜（３）を満たし、さらに、条件（２´）を満たす。また、ズームレンズシステム１１は、全体が６枚構成とコンパクトである。さらに、レンズシステム１１を構成する６枚のレンズの内、第２のレンズ群Ｇ２のメニスカスレンズＬ２３を除いた、残り５枚はガラスレンズであり、温度による影響を受けにくく、安定した光学性能を備えたレンズシステムとなっている。変倍率（ズーム比）は３倍と大きく、倍率色収差も含めて諸収差が良好に補正されており、鮮明な画像を撮像デバイス１２に形成することができる。

図８に、本実施形態のズームレンズシステム１１の広角端における球面収差、非点収差および歪曲収差を示している。図９に、本実施形態のズームレンズシステム１１の望遠端における球面収差、非点収差および歪曲収差を示している。球面収差は、６５６ｎｍ（破線）、５８７ｎｍ（実線）および４８６ｎｍ（一点鎖線）の各波長における値を示している。また、非点収差においては、タンジェンシャル光線（Ｔ）およびサジタル光線（Ｓ）の収差をそれぞれ示している。本例のズームレンズシステム１１は、６枚構成でありながら、従来の３群、８枚あるいは９枚構成のズームレンズに匹敵する優れた収差補正能力を備えており、鮮明な像を撮影することができる。

この実施形態のズームレンズシステム１１は、全体が６枚のレンズにより構成されているので、コンパクト化および軽量化が容易で、携帯電話などの情報端末に組み込まれるカメラ機能に適したものである。さらに、変倍する際に、フォーカシングを行う第３のレンズ群Ｇ３も動かすことにより、結像面の移動を補整でき、レンズシステム１１の全体をさらに短くすることが可能となる。

さらに、（１）式および（２）式の条件を満たすことにより、多数のプラスチックレンズを採用せずに収差を良好に補正できるので、プラスチックレンズを多用することに起因するレンズ性能の温度依存性を抑制することができる。また、本例のレンズシステム１１は、（２´）式の条件を満たしており、レンズシステムの光学性能の温度依存性を抑制する点で、さらに好ましい。このため、ズームレンズシステム１１を備えたカメラ機能１０により、様々な条件で使用される情報端末において鮮明な画像を安定して得ることが可能となる。

なお、本例のズームレンズシステム１１においては、第２のレンズ群Ｇ２は、パワーの弱く、近軸が負のプラスチック製のメニスカスレンズＬ２３を採用している。これに対し、プラスチック製のメニスカスレンズＬ２３として、パワーの弱い全体が負のプラスチック製のレンズを採用することも可能である。第２のレンズ群Ｇ２の屈折力は全体として正であり、レンズＬ２３の近軸光に対するパワーが正であることは、第２のレンズ群Ｇ２のパワーを確保するための設計には有利である。一方、レンズＬ２３のパワーを（１）式の範囲に抑え、レンズＬ２３の全体のパワーを負にすることは、レンズシステム１１をコンパクトにする点では有利である。

また、ズームレンズシステム１１においては、レンズＬ２３のパワーを抑え、その両面を非球面にして収差補正能力を向上している。その代わりに、接合レンズＣＬを構成する正レンズＬ２１のパワーを上げて、第２のレンズ群Ｇ２としての正のパワーを確保している。その際、正レンズＬ２１のパワーを上げることによる性能劣化を防止するために、（２）式の条件、さらには（２´）式の条件を満足するようにしている。（２）式の条件において、下限を下回ると、正レンズＬ２１の物体側１１ａの面Ｓ６で発生する球面収差の補正が難しくなる。また、上限を上回ると、長焦点端Ｔでの色収差補正が困難になる。プラスチック製のメニスカスレンズＬ２３の一方の面Ｓ９の代わりに、または加えて、接合レンズＣＬの物体側１１ａの面Ｓ６または像面側１１ｂの面Ｓ８を非球面にしても良い。メニスカスレンズＬ２３をガラスレンズに代え温度による性能の変動をさらに抑制することも可能である。一方、メニスカスレンズＬ２３をプラスチックレンズにすることによりコストダウンできる。

また、パワーの大きな接合レンズＣＬを採用するので、第２のレンズ群Ｇ２を接合レンズＣＬが物体側に先行した配置とし、第１のレンズ群Ｇ１との主点間隔を近づけて、全体がコンパクトなレンズシステムでありながら３倍という高変倍率が得られるようにしている。

第１のレンズ群Ｇ１においては、正レンズＬ１２の両面Ｓ３およびＳ４を非球面にすることにより、２枚構成で十分な収差補正能力を得ている。したがって、第１のレンズ群Ｇ１をコンパクトにできている。第１のレンズ群Ｇ１において、非球面は正レンズＬ１２の一方の面であっても良く、負レンズＬ１１の一方の面であっても良い。正レンズＬ１２の物体側１１ａの面Ｓ３を非球面にすることは、短焦点端Ｗにおけるディストーション（歪曲収差）を補正するのに効果的である。

第３のレンズ群Ｇ３においては、フォーカシングとともにズーミング（変倍）の際に可動とすることにより、第１のレンズ群Ｇ１とともに変倍にともなう結像面の移動を補正することができる。したがって、レンズシステム１１の全長を短縮することができる。（３）式の条件の下限を下回ると、フォーカス時の第３のレンズ群Ｇ３の移動量、具体的にはレンズＬ３１の移動量が大きくなるので好ましくない。レンズシステム１１を小型化するには不利になる。一方、（３）式の条件の上限を上回ると、短焦点端Ｗから長焦点端Ｔへ移動する際に、撮像デバイス１２に対する光線入射角度の変化が大きくなり、撮像デバイス１２において光量損失が増大しやすくなり好ましくない。

ズームレンズシステムを含むカメラ機能を搭載した情報端末の一例を示す。 ズームレンズシステムのレンズ構成を示す図であり、広角端（ａ）および望遠端（ｂ）の各状態におけるレンズの配置を示す。 図２に示すズームレンズシステムの各レンズのデータを示す。 図２に示すズームレンズの非球面の各係数を示す。 図２に示すズームレンズの変倍（ズーミング）の際の各種データを示す。 図２に示すズームレンズの単レンズデータを示す。 図２に示すズームレンズのレンズ群データを示す。 図２に示すズームレンズシステムの縦収差図であり、広角端における収差を示す図である。 図２に示すズームレンズシステムの縦収差図であり、望遠端における収差を示す図である。

符号の説明

１ 情報端末
１０ カメラ機能
１１ ズームレンズシステム
１２ 撮像デバイス

Claims (4)

1. 物体側から像面側に向かって順に、負の屈折力を備えた第１のレンズ群と、正の屈折力を備えた第２のレンズ群と、正の屈折力を備えた第３のレンズ群とにより構成され、前記第１のレンズ群、前記第２のレンズ群および前記第３のレンズ群が移動することにより変倍し、前記第３のレンズ群を移動することによりフォーカシングするズームレンズシステムであって、
   前記第１のレンズ群は、物体側から順に配置された、１枚の負レンズおよび１枚の正レンズにより構成され、前記負レンズおよび前記正レンズの面のうち、少なくとも１つの面が非球面であり、
   前記第２のレンズ群は、物体側から順に配置された、正レンズおよび負レンズからなる１つの接合レンズ、および像面側が凹面の１枚のメニスカスレンズにより構成され、前記メニスカスレンズの一方の面が非球面であり、さらに、前記接合レンズの物体側の面、前記接合レンズの像面側の面および前記メニスカスレンズの他方の面のうち、少なくとも１つの面が非球面であり、
   前記第３のレンズ群は、１枚の正レンズにより構成され、前記第２のレンズ群が光線が集中する小口径のレンズ群であるズームレンズシステムであって、
   前記第２のレンズ群の前記メニスカスレンズがプラスチック製であり、前記第１のレンズ群の前記負レンズおよび前記正レンズ、前記第２のレンズ群の接合レンズ、および前記第３のレンズ群の前記正レンズはガラス製であり、
   前記第２のレンズ群の合成焦点距離ｆ２と、前記第２のレンズ群の前記メニスカスレンズの焦点距離Ｌｆ２３と、広角端における当該ズームレンズシステムの合成焦点距離ｆｗと、前記第３のレンズ群の合成焦点距離ｆ３と、前記接合レンズの正レンズの物体側の面の曲率半径Ｒｏと、前記接合レンズの正レンズの像面側の面の曲率半径Ｒｉと、が以下の条件を満たす、ズームレンズシステム。
   ０＜｜ｆ２／Ｌｆ２３｜＜０．３
   −１．７＜Ｒｉ／Ｒｏ＜−１．１５
   ０．２５＜ｆｗ／ｆ３＜０．４５
2. 請求項１において、前記第２のレンズ群の前記メニスカスレンズの他方の面および前記第１のレンズ群の前記正レンズの物体側の面が非球面である、ズームレンズシステム。
3. 請求項１または２に記載のズームレンズシステムと、そのズームレンズシステムの像面側に配置された撮像デバイスとを有するカメラ。
4. 請求項３に記載のカメラと、
   前記撮像デバイスからの映像を表示可能な表示デバイスとを有する情報端末。

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