JP5305831B2

JP5305831B2 - 結像光学系

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Publication number: JP5305831B2
Application number: JP2008271510A
Authority: JP
Inventors: 典行小笠原
Original assignee: Sigma Inc
Current assignee: Sigma Inc
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2028-10-22
Also published as: JP2010101979A

Description

本発明はデジタルカメラ、ビデオカメラなどに用いられる撮影レンズに好適な結像光学系に関する。

近年、デジタルスチルカメラやビデオカメラの普及と同時に、イメージセンサの画素数の増加が急速に進んでおり、より高画質の撮像レンズが求められている。

デジタルスチルカメラやビデオカメラでは、一般的に、イメージセンサの前にモアレ防止用の光学ローパスフィルタや赤外線を遮断するＩＲカットフィルタを入れるスペースが必要であり、バックフォーカスを長く取る必要があった。また、ＣＣＤやＣＭＯＳ等のデジタルスチルカメラやビデオカメラに広く使用されるイメージセンサは、入射角の大きな光に対して感度が低下するという特性を持っていた。

これらの理由により、デジタルスチルカメラやビデオカメラ用の撮像レンズとしては、バックフォーカスが長く、テレセントリック性に優れたレトロフォーカス型の結像光学系が好適であると言われている。

レトロフォーカス型の結像光学系は、一般的にはイメージセンサの対角長に対して焦点距離の短い広角レンズによく用いられるが、焦点距離が画面対角線長と略一致し５０°〜６０°程度の対角線画角を有する、いわゆる標準レンズにも適用することができる。このレトロフォーカス型の結像光学系は、標準レンズによく使用されるガウス型やテッサー型に対してテレセントリック性に関して優位であり、周辺光量比も高くできるという特徴がある。

また、レトロフォーカス型の結像光学系は非対称系であるため、全体繰り出し方式の焦点調節よりも光学系の一部を動かすリアフォーカス方式やインナーフォーカス方式の方が近距離時の画質を向上させやすい。レトロフォーカス型の結像光学系はその特性上、光学系の像面側に近づくほど主光線の光軸となす角度が緩やかになる傾向があるため、リアフォーカス方式が特に適している。リアフォーカス方式を採用することで、フォーカスレンズ群を軽量化できるため、フォーカス駆動用モータの小型化が可能であり、結果として撮像装置全体の小型化にも寄与できる。

デジタルスチルカメラ用に設計され、テレセントリック性に優れたレトロフォーカス型の結像光学系の例が、特許文献１及び特許文献２に開示されている。また大型のイメージセンサに適合するレトロフォーカス型の広角レンズが特許文献３に開示されている。
特開２００１−５６４３３号公報特開２００２−２２８９２５号公報特開２００８−４００３３号公報

しかしながら、レトロフォーカス型の結像光学系はバックフォーカスを長くできる反面、焦点距離やイメージセンサのサイズに比して光学系全体を小型化することが難しく、標準レンズとして使用する場合には、ガウス型やテッサー型の光学系に比べて光学系全長が大きくなってしまう。

特許文献１に記載のレトロフォーカス型の結像光学系についても、非常に優れたテレセントリック性を有してはいるが、イメージセンサに対して光学系全長が長くレンズ中心厚が厚いので、大型のイメージセンサに適用すると光学系全体が大きくなり、重くなってしまう。

また、特許文献２に記載のレトロフォーカス型の結像光学系は、やはりイメージセンサに対して光学系全長が長いうえに、コマ収差の補正が不十分で大型のイメージセンサに対応できる画質を得られない。

さらに、小型のイメージセンサはＳ／Ｎ比及びダイナミックレンジにおいて劣るため、近年では高画質を得るために大型のイメージセンサを採用するカメラが求められている。しかしながら、従来のデジタルスチルカメラに用いられてきたレトロフォーカス型の結像光学系の多くは小型のイメージセンサを前提に設計され、イメージセンサに対して光学系が大きくなっている。このため大型のイメージセンサに適用すると撮像装置全体が大型化してしまう。

上記の特許文献３に記載のレトロフォーカス型の結像光学系は搭載するイメージセンサに比べて小型ではあるが、焦点距離に比してレンズ全長が大きいため、５０°〜６０°程度の画角を有するレンズに適用する場合はやはり撮像装置全体が大型化してしまう。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、５０°〜６０°程度の画角を有するレトロフォーカス型の結像光学系において、大型のイメージセンサに対応可能な性能を実現しながら、十分な小型化を達成することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明を実施の結像光学系は、物体側から順に、内部に開口絞りを備える全体として正の屈折力の第１レンズ群と、全体として正の屈折力の第２レンズ群とから成り、第１レンズ群は光軸方向の位置が固定であり、第２レンズ群は光軸方向に移動することによって焦点調節を行い、第１レンズ群を開口絞りより被写体側の前群と開口絞りより像面側の後群とで構成し、前群は少なくとも２枚の負レンズと、少なくとも１枚の正レンズを備えるとともに全体として正の屈折力を持つ構成とし、以下の条件を満たすことを特徴とする。
（１）０．４０＜Ｓｄ１ａ／ｆ＜０．６０
（２）Ｎｄ１ａｐ＞１．７７
（３）１．２＜ｆ１ａ／ｆ＜２．５
ただし
ｆ：光学系全体の無限遠撮影時における焦点距離
Ｓｄ１ａ：前群の全長
Ｎｄ１ａｐ：前群中の正レンズのｄ線（波長５８７．６ｎｍ）の屈折率
ｆ１ａ：前群の焦点距離

さらに本発明を実施の結像光学系は、上記発明において、第２レンズ群を１枚の正レンズで構成したものである。

さらに本発明を実施の結像光学系は、上記発明において、第２レンズ群を像面側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズとし、少なくとも１面を非球面で構成したものである。

さらに本発明を実施の結像光学系は、上記発明において、第２レンズ群を以下の条件を満足する構成としたものである。
（４）０．６０＜｜β２｜＜０．７０
ただし、
β２：第２レンズ群の無限遠撮影時の結像倍率

さらに本発明を実施の結像光学系は、上記発明において、前群を物体側から順に、２枚の負レンズと２枚の正レンズとで構成し、以下の条件を満足する構成としたものである。
（５）Ｎｄ１ａｎ≧１．６９８９５
（６） νｄ１ａｎ≧３０．０５
ただし、
Ｎｄ１ａｎ：前群中の負レンズのｄ線の屈折率の最大値
νｄ１ａｎ：前群中の負レンズの中で最も高い屈折率を持つ硝材のアッベ数

本発明を実施の結像光学系によれば、イメージセンサのサイズに比してコンパクトであり、かつ良好な光学性能を有し、大型のイメージセンサを備えたデジタルスチルカメラやビデオカメラ等に好適な小型の結像光学系を提供することができる。

以下、添付の図面に従って、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

図１、図５、図９、図１３、図１７に、本発明の結像光学系における第１〜第５の実施例のレンズ構成を示す。

本発明の結像光学系は、５０°〜６０°程度の画角を有し、物体側から順に、開口絞りＳを備えた正の屈折力の第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力の第２レンズ群Ｇ２とから構成され、第２レンズ群Ｇ２を光軸方向に移動させて焦点調節を行う。さらに第１レンズ群Ｇ１は、開口絞りＳよりも被写体側の正の屈折力の前群Ｇ１ａと、開口絞りＳよりも像面Ｉ側の正の屈折力の後群Ｇ１ｂとからなる。この前群Ｇ１ａは少なくとも２枚の負レンズと少なくとも１枚の正レンズを備え、後述する所定の条件を満足するように構成させる。

バックフォーカスの確保やテレセントリック性の向上のためには、物体側に負の屈折力を持つことが望ましい。一方で全長の短縮のためには物体側のレンズ群は正の屈折力を持つことが望ましい。このため本発明では開口絞りＳより被写体側の前群Ｇ１ａ中に負レンズを配し、さらに前群Ｇ１ａ全体としては正の屈折力を持つ構成とすることでバックフォーカスの確保とテレセントリック性の向上を図ると同時に、光学系全長の小型化を行っている。また、前群Ｇ１ａに少なくとも２枚の負レンズを含む構成とすることで、コマ収差を低減している。

条件式（１）は前群Ｇ１ａの全長と全系の焦点距離の比を規定するものである。条件式（１）の下限を超えて前群Ｇ１ａの全長を短縮すると、レンズの中心厚やコバ厚の確保ができなくなり、各レンズの屈折力を適切に設定できなくなり、収差補正が困難となる。一方で、条件式（１）の上限を超えると前群Ｇ１ａの全長が長くなり、小型化を阻害する。

条件式（２）は前群Ｇ１ａ中の正レンズの屈折率に関わる条件である。条件式（２）の範囲を超えると、屈折力を維持するために前群Ｇ１ａの正レンズの曲率をきつくする必要があり、収差補正が困難になるほか、中心肉厚が厚くなって小型化を阻害したり、偏芯敏感度が大きくなったりする等の問題を生じる。

条件式（３）は前群Ｇ１ａの焦点距離と全系の焦点距離の比を規定するものである。条件式（３）の下限を超えて前群Ｇ１ａの焦点距離を短くすると、前群Ｇ１ａの正レンズの屈折力を非常に強くする必要があるので前群Ｇ１ａ中の正レンズの偏芯敏感度が大きくなる。条件式（３）の上限を超えて前群Ｇ１ａの焦点距離が長くなると、後群Ｇ１ｂ及び第２レンズ群Ｇ２でより強い屈折力を必要とするので光学系全体の全長が長くなってしまい小型化を阻害する。

本発明の結像光学系の第２レンズ群Ｇ２は、１枚の正レンズのみで構成されるのでフォーカスレンズを軽量化でき、フォーカシングの迅速化、又は駆動モータの小型化が可能となるため、撮像装置全体の小型化に寄与する。また、第２レンズ群Ｇ２の１枚の正レンズを像面Ｉ側に凸面を向けたメニスカス形状とすることによって、軸外の光線が１枚の正レンズに入射する角度を小さくすることができる。このため１枚の正レンズでの収差の発生が抑えられ、第２レンズ群Ｇ２の光軸方向への移動や偏芯による収差の変動を抑制することができる。

一般に、開口絞りＳより後ろに正レンズを配置すると負の歪曲を発生させるため、第２レンズ群Ｇ２の１枚の正レンズの少なくとも一面をレンズ周辺部に行くにしたがって収斂作用が弱くなる、又は発散作用が強くなる形状の非球面とすることで負の歪曲を低減させることができる。同時に、このような非球面形状を採用することによって、第２レンズ群Ｇ２のフォーカシングによる移動に伴う球面収差の変動を軽減できる。この効果は、第２レンズ群Ｇ２の物体側面と像面側面のどちらか一方の面を非球面としても得られるし、また、その両面を非球面としても得られる。

フォーカスレンズとして機能する第２レンズ群Ｇ２を以上のような形状とすることで、第２レンズ群Ｇ２を１枚のレンズのみで構成しても近距離での性能を維持することが可能となる。

第２レンズ群Ｇ２はさらに条件式（４）を満たすよう構成される。条件式（４）は第２レンズ群Ｇ２の結像倍率を規定するものである。条件式（４）の下限を超えると第２レンズ群Ｇ２の屈折力が大きくなって、フォーカシングに伴う収差変動が大きくなるほか、第２レンズ群Ｇ２の重量が増加するので同じ速度でフォーカス駆動を行うためにはフォーカス駆動用モータに大型のものを使用しなければならず、撮像装置全体の小型化を阻害する。条件式（４）の上限を超えると近距離への焦点調節の為に必要なフォーカスレンズの移動量が大きくなるので、やはり光学系の小型化を阻害する。

第１レンズ群Ｇ１の前群Ｇ１ａは２枚の負レンズ、及び２枚の正レンズから構成され、所定の条件を満足させることが特に望ましい。小型のデジタルカメラで広く採用されているように、非作動時に撮影レンズを沈胴させて収納する場合には、前群Ｇ１ａのレンズの枚数を多くすると撮影レンズをコンパクトに収納することができない。一方で、前群Ｇ１ａの負レンズ、正レンズともに枚数を少なくすると収差補正が不十分となるほか、偏芯敏感度も大きくなる。

また、前群Ｇ１ａ中の負レンズのうちの少なくとも１枚の硝材を条件式（５）及び条件式（６）を満足するように選択することが好ましい。条件式（５）の範囲を超えて屈折率が低くなると前群Ｇ１ａ中の負レンズの曲率がきつくなり小型化を阻害するほか、コマ収差の補正が不十分となる。条件式（６）の範囲を超えてアッベ数が小さくなると、画面周辺部での倍率色収差の補正が困難となる。

本発明の結像光学系は上記の各条件を満たす構成とすることにより、特に大型の固体撮像素子に対して非常に好適な特性を持つが、イメージセンサの種類や大きさに限定されずに高い結像特性を提供することが可能である。

以下に、上記した各実施例に係る具体的な数値実施例を表１〜表５に示す。各数値実施例の（全体諸元）において、ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、２ωは対角線画角を示す。（レンズ諸元）において、番号はレンズの面番号を示し、ｒは各面の曲率半径、ｄは面間隔、ｎｄはｄ線に対する屈折率、νｄはｄ線基準のアッベ数を示す。また、面番号に付された＊（アスタリスク）は、その面形状が非球面であることを示している。さらに、（条件式）には、各数値実施例における条件式（１）〜（６）の値を示す。

非球面の形状は、光軸に直行する方向への光軸からの変位をｙ、非球面と光軸の交点から光軸方向への変位（サグ量）をｚ、基準球面の曲率半径をｒ、コーニック係数をＫ、４、６、８、１０次の非球面係数をＡ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０とおくとき、非球面の座標が以下の式で表されるものとする。

図２〜図４は上記した数値実施例１の各撮影距離（無限遠、１０００ミリ、５００ミリ）における各収差を示した収差図であり、図２が無限遠撮影距離における収差を、図３が撮影距離１０００ミリにおける収差を、図４が撮影距離５００ミリにおける収差をそれぞれ表している。
縦収差図中のｄ線、ｇ線、Ｃ線はそれぞれの波長に対する収差を示しており、ΔＳはサジタル像面、ΔＭはメリジオナル像面における収差を示している。また、横収差図においてＹは像高を示している。

各収差図から、本発明の数値実施例１にあっては諸収差が良好に補正され、優れた結像性能を有していることがわかる。

図６〜図８は上記した数値実施例２の各撮影距離（無限遠、１０００ミリ、５００ミリ）における各収差を示した収差図であり、図６が無限遠撮影距離における収差を、図７が撮影距離１０００ミリにおける収差を、図８が撮影距離５００ミリにおける収差をそれぞれ表している。
縦収差図中のｄ線、ｇ線、Ｃ線はそれぞれの波長に対する収差を示しており、ΔＳはサジタル像面、ΔＭはメリジオナル像面における収差を示している。また、横収差図においてＹは像高を示している。

各収差図から、本発明の数値実施例２にあっては諸収差が良好に補正され、優れた結像性能を有していることがわかる。

図１０〜図１２は上記した数値実施例３の各撮影距離（無限遠、１０００ミリ、５００ミリ）における各収差を示した収差図であり、図１０が無限遠撮影距離における収差を、図１１が撮影距離１０００ミリにおける収差を、図１２が撮影距離５００ミリにおける収差をそれぞれ表している。
縦収差図中のｄ線、ｇ線、Ｃ線はそれぞれの波長に対する収差を示しており、ΔＳはサジタル像面、ΔＭはメリジオナル像面における収差を示している。また、横収差図においてＹは像高を示している。

各収差図から、本発明の数値実施例３にあっては諸収差が良好に補正され、優れた結像性能を有していることがわかる。

図１４〜図１６は上記した数値実施例４の各撮影距離（無限遠、１０００ミリ、５００ミリ）における各収差を示した収差図であり、図１４が無限遠撮影距離における収差を、図１５が撮影距離１０００ミリにおける収差を、図１６が撮影距離５００ミリにおける収差をそれぞれ表している。
縦収差図中のｄ線、ｇ線、Ｃ線はそれぞれの波長に対する収差を示しており、ΔＳはサジタル像面、ΔＭはメリジオナル像面における収差を示している。また、横収差図においてＹは像高を示している。

各収差図から、本発明の数値実施例４にあっては諸収差が良好に補正され、優れた結像性能を有していることがわかる。

図１８〜図２０は上記した数値実施例５の各撮影距離（無限遠、１０００ミリ、５００ミリ）における各収差を示した収差図であり、図１７が無限遠撮影距離における収差を、図１８が撮影距離１０００ミリにおける収差を、図１９が撮影距離５００ミリにおける収差をそれぞれ表している。
縦収差図中のｄ線、ｇ線、Ｃ線はそれぞれの波長に対する収差を示しており、ΔＳはサジタル像面、ΔＭはメリジオナル像面における収差を示している。また、横収差図においてＹは像高を示している。

各収差図から、本発明の数値実施例５にあっては諸収差が良好に補正され、優れた結像性能を有していることがわかる。

以上説明したように、本発明の結像光学系によれば、５０°〜６０°程度の画角を有するレトロフォーカス型の結像光学系において、大型のイメージセンサに対応可能な性能を実現しながら、十分な小型化を達成することが可能となる。

本発明の第１の実施例におけるレンズ構成を示す断面図である。第１の実施例に具体的数値を適用した数値実施例１に係り、無限遠撮影距離における球面収差、非点収差、歪曲収差、及びコマ収差を示した収差図である。第１の実施例に具体的数値を適用した数値実施例１に係り、撮影距離１０００ミリにおける球面収差、非点収差、歪曲収差、及びコマ収差を示した収差図である。第１の実施例に具体的数値を適用した数値実施例１に係り、撮影距離５００ミリにおける球面収差、非点収差、歪曲収差、及びコマ収差を示した収差図である。本発明の第２の実施例におけるレンズ構成を示す断面図である。第２の実施例に具体的数値を適用した数値実施例２に係り、無限遠撮影距離における球面収差、非点収差、歪曲収差、及びコマ収差を示した収差図である。第２の実施例に具体的数値を適用した数値実施例２に係り、撮影距離１０００ミリにおける球面収差、非点収差、歪曲収差、及びコマ収差を示した収差図である。第２の実施例に具体的数値を適用した数値実施例２に係り、撮影距離５００ミリにおける球面収差、非点収差、歪曲収差、及びコマ収差を示した収差図である。本発明の第３の実施例におけるレンズ構成を示す断面図である。第３の実施例に具体的数値を適用した数値実施例３に係り、無限遠撮影距離における球面収差、非点収差、歪曲収差、及びコマ収差を示した収差図である。第３の実施例に具体的数値を適用した数値実施例３に係り、撮影距離１０００ミリにおける球面収差、非点収差、歪曲収差、及びコマ収差を示した収差図である。第３の実施例に具体的数値を適用した数値実施例３に係り、撮影距離５００ミリにおける球面収差、非点収差、歪曲収差、及びコマ収差を示した収差図である。本発明の第４の実施例におけるレンズ構成を示す断面図である。第４の実施例に具体的数値を適用した数値実施例４に係り、無限遠撮影距離における球面収差、非点収差、歪曲収差、及びコマ収差を示した収差図である。第４の実施例に具体的数値を適用した数値実施例４に係り、撮影距離１０００ミリにおける球面収差、非点収差、歪曲収差、及びコマ収差を示した収差図である。第４の実施例に具体的数値を適用した数値実施例４に係り、撮影距離５００ミリにおける球面収差、非点収差、歪曲収差、及びコマ収差を示した収差図である。本発明の第５の実施例におけるレンズ構成を示す断面図である。第５の実施例に具体的数値を適用した数値実施例５に係り、無限遠撮影距離における球面収差、非点収差、歪曲収差、及びコマ収差を示した収差図である。第５の実施例に具体的数値を適用した数値実施例５に係り、撮影距離１０００ミリにおける球面収差、非点収差、歪曲収差、及びコマ収差を示した収差図である。第５の実施例に具体的数値を適用した数値実施例５に係り、撮影距離５００ミリにおける球面収差、非点収差、歪曲収差、及びコマ収差を示した収差図である。

符号の説明

Ｇ１：第１レンズ群
Ｇ１ａ：前群
Ｓ：開口絞り
Ｇ１ｂ：後群
Ｇ２：第２レンズ群
Ｉ：像面

Claims

物体側から順に、
内部に開口絞りを備える全体として正の屈折力の第１レンズ群と、
全体として正の屈折力の第２レンズ群とから成り、
前記第１レンズ群は光軸方向の位置が固定であり、
前記第２レンズ群は光軸方向に移動することによって焦点調節を行い、
前記第１レンズ群は開口絞りより被写体側の前群と、開口絞りより像面側の後群とで構成され、
前記前群は少なくとも２枚の負レンズと、少なくとも１枚の正レンズを備えるとともに全体として正の屈折力を持ち、
以下の条件を満たすことを特徴とする結像光学系。
（１）０．４０＜Ｓｄ１ａ／ｆ＜０．６０
（２）Ｎｄ１ａｐ＞１．７７
（３）１．２＜ｆ１ａ／ｆ＜２．５
ただし
ｆ：光学系全体の無限遠撮影時における焦点距離
Ｓｄ１ａ：前群の全長
Ｎｄ１ａｐ：前群中の正レンズのｄ線（波長５８７．６ｎｍ）の屈折率
ｆ１ａ：前群の焦点距離
前記第２レンズ群は１枚の正レンズからなることを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
前記第２レンズ群は像面側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズよりなり、少なくとも１面が非球面である請求項１又は請求項２に記載の結像光学系。
前記第２レンズ群について、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の結像光学系。
（４）０．６０＜｜β２｜＜０．７０
ただし、
β２：第２レンズ群の無限遠撮影時の結像倍率
前記前群は物体側から順に、２枚の負レンズと２枚の正レンズとから構成され、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の結像光学系。
（５）Ｎｄ１ａｎ≧１．６９８９５
（６） νｄ１ａｎ≧３０．０５
ただし、
Ｎｄ１ａｎ：前群中の負レンズのｄ線の屈折率の最大値
νｄ１ａｎ：前群中の負レンズの中で最も高い屈折率を持つ硝材のアッベ数