(57)【要約】  本発明に係るレンズユニット（１００）は、物体の光学的な像を撮像素子（１０３）上に結像するレンズユニット（１００）であって、１以上のレンズを含むフォーカスレンズ群（１４０）と、露光期間中に、前記フォーカスレンズ群（１４０）を所定の範囲移動させることで合焦範囲を変位させる駆動部（１９０）と、前記フォーカスレンズ群（１４０）が前記所定の範囲を移動した場合の前記撮像素子（１０３）上に結像する像の位置変化を１画素以内に補正する、１以上のレンズを含む補正レンズ群（１５０）とを備える。
2012157250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の光学的な像を撮像素子上に結像するレンズユニットであって、
フォーカスレンズ部と、
露光期間中に、前記フォーカスレンズ部を所定の範囲移動させることで合焦範囲を変位させる駆動部と、
前記フォーカスレンズ部が前記所定の範囲を移動した場合の前記撮像素子上に結像する像の位置変化を１画素以内に補正する補正レンズ部とを備える
レンズユニット。
【請求項２】
前記撮像素子上に結像する像の位置は、集光スポットの重心位置である
請求項１記載のレンズユニット。
【請求項３】
前記集光スポットの重心位置は、前記撮像素子の光検出部の上部に形成された、色フィルター毎の重心位置である
請求項２記載のレンズユニット。
【請求項４】
前記補正レンズ部は複数の補正レンズを含む
請求項１〜３のいずれか１項に記載のレンズユニット。
【請求項５】
前記補正レンズ部は、固定レンズである
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレンズユニット。
【請求項６】
前記フォーカスレンズ部は１枚のレンズのみを含む
請求項１〜５のいずれか１項に記載のレンズユニット。
【請求項７】
前記補正レンズ部は、前記フォーカスレンズ部の前記撮像素子側に配置されている
請求項１〜６のいずれか１項に記載のレンズユニット。
【請求項８】
前記レンズユニットは、ズーム機能を有する
請求項１〜７のいずれか１項に記載のレンズユニット。
【請求項９】
前記フォーカスレンズ部は、正のパワーのレンズ部であり、プラスチック樹脂からなる正のパワーのフォーカスレンズを有し、
前記補正レンズ部は、正のパワーのレンズ部であり、前記補正レンズ部に含まれる前記１以上のレンズの内の最も物体側の第１補正レンズはプラスチック樹脂からなる負のパワーのレンズである
請求項１〜８のいずれか１項に記載のレンズユニット。
【請求項１０】
前記フォーカスレンズは、正のメニスカスレンズである
請求項９記載のレンズユニット。
【請求項１１】
前記第１補正レンズは、負のメニスカスレンズである
請求項９又は１０記載のレンズユニット。
【請求項１２】
前記駆動部は磁気駆動型アクチュエータである
請求項１〜１１のいずれか１項に記載のレンズユニット。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載のレンズユニットと、
前記レンズユニットにより形成された光学的な像を電気的な画像信号に変換する撮像素子とを備える
撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の光学的な像を撮像素子上に結像するレンズユニット及びそれを用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  ｄｅｐｔｈ  ｏｆ  ｆｏｃｕｓすなわちＥＤＯＦと呼ばれている被写界深度を拡張する方式としては、主に以下の５つの方式が提案されている。【０００３】
１つ目の方式は、位相板と呼ばれる光学素子を光学系に挿入することで深度方向のボケを均一化する。そして、当該方式は、得られた画像に対して予め測定されたボケパターン、又はシミュレーションにより算出されたボケパターンを用いて画像復元処理を行うことで、ＥＤＯＦ画像を生成する。【０００４】
この方式は、非特許文献１に開示されているように、Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  Ｃｏｄｉｎｇ、略してＷＦＣと称されている。【０００５】
２つ目の方式は、絞り形状を工夫することで画像の部分領域ごとに高精度な距離測定を行う。そして、当該方式は、各部分領域に対して、予め測定しておいたそれぞれの距離に応じたボケパターンを用いて画像復元処理を行うことで、ＥＤＯＦ画像を生成する。この方式は、非特許文献２に開示されているように、Ｃｏｄｅｄ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ、略してＣＡと称されている。【０００６】
３つ目の方式は、露光期間中にフォーカスレンズ又は撮像素子を動かすことで、深度方向に一律に合焦した画像を畳み込む。そして、当該方式は、得られた画像に対して、予め測定されたボケパターン、又はシミュレーションにより算出されたボケパターンを用いて画像復元処理を行うことで、ＥＤＯＦ画像を生成する。この方式は、非特許文献３に開示されているようにＦｌｅｘｉｂｌｅ  ＤＯＦ、略してＦ−ＤＯＦと称されている。【０００７】
４つ目の方式は、非特許文献４に開示されているように、レンズの軸上色収差を利用して深度推定又は画像のシャープネス検知を行うと共に、画像処理により全体が鮮鋭な画像を得る方式である。【０００８】
更に、５つ目の方式は、非特許文献５に開示されているように、多重焦点レンズを使って深度方向のボケを均一化し、得られた画像に対して、予め測定したボケパターン、又はシミュレーションにより算出されたボケパターンを用いて画像復元処理を行う方式である。【０００９】
前述のＦ−ＤＯＦは、集光スポットが最大限に最適化されたレンズを用いて、深度方向に一律に合焦した画像を畳み込むために、原理的に良好な画像が得られる。このＦ−ＤＯＦは、位相板を挿入したり、絞り形状を変化させたり、色収差を変化させたり、多重焦点レンズを用いてボケを積極的に発生させたりして、理想の集光状態を崩して画像を生成する方式に比べて、高画質な画像が得やすいという、大きなメリットであると言える。【００１０】
ただし、Ｆ−ＤＯＦは、光学的な条件として、非特許文献６に示されているように、露光期間中にフォーカス位置（合焦位置）を動かしても、同一被写体が同一の画像位置上に畳み込まれる必要がある。よって、Ｆ−ＤＯＦは、像側テレセントリックレンズを新たに用いる必要があると言われている。【００１１】
上記で述べたＥＤＯＦ技術が応用展開されている工業製品としては、最も古い歴史があるのは顕微鏡である。【００１２】
本用途の場合、静止物体をじっくり撮影することができることから、複数画像からＥＤＯＦ画像を生成する方式が古くから採用されてきた。ただしこの方式の場合、前述のとおり手間と時間とを要する。よって、Ｆ−ＤＯＦ方式を用いるアイデアも、特許文献１〜４等のいくつかの文献に開示されてきている。Ｆ−ＤＯＦを顕微鏡用途で用いる方法として、露光期間中に被写体である試料側を動かす方法と、レンズ鏡筒を動かす方法とが開示されている。【００１３】
ＥＤＯＦ技術のその他の応用先として、近年、携帯電話などに搭載されるカメラが挙げられる。ＥＤＯＦ技術を当該カメラに用いることで、当該カメラの小型化を実現できる。すなわち、ＥＤＯＦ効果により、オートフォーカス機構を持つことなく、全ての被写体に焦点が合っている画像、すなわち全焦点画像を得ることができる。【００１４】
しかし、本応用先の観点からは、上記方式のうちＦ−ＤＯＦそのものはレンズ又は撮像素子を動かす機構が必要になるので低コスト化及び小型化が障害となって採用されておらず、ＷＦＣ又は軸上色収差を使った方式などが用いられている。【００１５】
更に、ＥＤＯＦ技術の有望な応用先としては、デジタルスチルカメラが考えられる。【００１６】
近年、デジタルスチルカメラへのニーズとして、より簡単にかつ失敗の少ない撮影が求められている。ＥＤＯＦ技術は、このような要求に応えることが可能で、全焦点画像を得られるというメリットより、撮影者を合焦ミスから開放するという効果が期待できる。【００１７】
また、ＥＤＯＦ技術は、マクロ撮影など近距離にある被写体を撮影する場合にも有効である。例えば、このＥＤＯＦ技術は、花又は昆虫などをマクロ撮影する場合でも、合焦範囲が極端に狭くなる欠点を補うことができる。このようにＥＤＯＦ技術は、被写界深度を拡張したいというニーズにも対応できる。【００１８】
このような応用先で要求されるのは、基本的な要件である高画質な復元画像を得やすいことと、全焦点画像を得るための大きなＥＤＯＦ効果と、マクロ撮影に対応するためにＥＤＯＦ範囲の任意変更が可能なことと、更には、通常撮影も同時に可能とするために、ＥＤＯＦ撮影と通常撮影との切り替えが容易なこととが考えられる。これら要求を全て満たすのは、上記方式のうちＦ−ＤＯＦ法であり、当該Ｆ−ＤＯＦ法は有望視されている。【００１９】
次に、このようなＦ−ＤＯＦ法について詳しく説明する。【００２０】
Ｆ−ＤＯＦ法は、非特許文献３にも示されているように、撮像素子、又はレンズ鏡筒を移動させることで、深度方向に一律に合焦した画像を畳み込む。【００２１】
例えば、撮像素子を移動させてＥＤＯＦ画像を取得する場合には、レンズ鏡筒を保持台に固定した状態で、撮像素子をマイクロアクチュエータで発生した動力でレンズ鏡筒の光軸方向に精密に移動させる。これにより、撮像素子とレンズ鏡筒との距離が変化するため、深度方向に一律に合焦した画像を畳み込むことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】独国特許発明第２３０１８００号明細書
【特許文献２】特開昭６０−６８３１２号公報
【特許文献３】特開平１−３０９４７８号公報
【特許文献４】米国特許第７７１１２５９号明細書
【特許文献５】特開平９−１８４９７８号公報
【特許文献６】国際公開第２００９／０１３９００号
【特許文献７】特開２００４−３５４９１６号公報
【特許文献８】特開平１１−１４２７１４号公報
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】Ｅ．Ｒ．Ｄｏｗｓｋｉ  ａｎｄ  Ｗ．Ｔ．Ｃａｔｈｅｙ，”Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  ｄｅｐｔｈ  ｏｆ  ｆｉｅｌｄ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｗａｖｅ−ｆｒｏｎｔ  ｃｏｄｉｎｇ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１１，Ｐ．１８５９−１８６６（１９９５）
【非特許文献２】Ａ．Ｌｅｖｉｎ，Ｒ．Ｆｅｒｇｕｓ，Ｆ．Ｄｕｒａｎｄ  ａｎｄ  Ｗ．Ｔ．Ｆｒｅｅｍａｎ，”Ｉｍａｇｅ  ａｎｄ  Ｄｅｐｔｈ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  Ｃａｍｅｒａ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｃｏｄｅｄ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ”，ＡＣＭ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｇｒａｐｈｉｃｓ，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．３，Ａｒｔｉｃｌｅ７０，７０−１−７０−９（２００７）
【非特許文献３】Ｈ．Ｎａｇａｈａｒａ，Ｓ．Ｋｕｔｈｉｒｕｍｍａｌ，Ｃ．Ｚｈｏｕ  ａｎｄ  Ｓ．Ｎａｙａｒ，”Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｄｅｐｔｈ  ｏｆ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ”，Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｖｉｓｉｏｎ（ＥＣＣＶ），Ｏｃｔ．１６ｔｈ，Ｍｏｒｎｉｎｇ  Ｓｅｓｓｉｏｎ２：Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ（２００８）
【非特許文献４】Ｃ．Ｔｉｓｓｅ，Ｈ．Ｐ．Ｎｇｕｙｅｎ，Ｒ．Ｔｅｓｉｅｒｅｓ，Ｍ．Ｐｙａｎｅｔ  ａｎｄ  Ｆ．Ｇｕｉｃｈａｒｄ，”Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ｄｅｐｔｈ−ｏｆ−ｆｉｅｌｄ（ＥＤＯＦ）  ｕｓｉｎｇ  ｓｈａｒｐｎｅｓｓ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ａｃｒｏｓｓ  ｃｏｌｏｕｒ  ｃｈａｎｎｅｌｓ”，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＋Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｐａｒｔ  ｏｆ  ＳＰＩＥ  Ｏｐｔｉｃｓ＋Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｓｅｓｓｉｏｎ１−−Ｉｍａｇｉｎｇ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ：Ｄｅｐｔｈ  ｏｆ  Ｆｉｅｌｄ（２００８）
【非特許文献５】Ｗ．Ｃｈｉ  ａｎｄ  Ｎ．Ｇｅｏｒｇｅ，”Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ｔｈｅ  ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ  ａｓｐｈｅｒｅ：  ｔｈｅｏｒｙ”，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１２，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ（２００３）
【非特許文献６】Ｍ．Ｗａｔａｎａｂｅ  ａｎｄ  Ｓｈｒｅｅ  Ｋ．Ｎａｙａｒ，”Ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ  Ｏｐｔｉｃｓ  ｆｏｒ  Ｆｏｃｕｓ  Ａｎａｌｙｓｉｓ”，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｐａｔｔｅｒｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ａｎｄ  Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．１２，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  １９９７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、このような畳み込み画像を生成する撮像装置では、合焦位置を変位させる機構の小型化、及び当該畳み込み画像の画質の向上が望まれている。【００２５】
そこで、本発明は、合焦位置を変位させる機構の小型化、及び畳み込み画像の画質の向上を実現できるレンズユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上記目的を達成するために、本発明の一形態に係るレンズユニットは、物体の光学的な像を撮像素子上に結像するレンズユニットであって、フォーカスレンズ部と、露光期間中に、前記フォーカスレンズ部を所定の範囲移動させることで合焦範囲を変位させる駆動部と、前記フォーカスレンズ部が前記所定の範囲を移動した場合の前記撮像素子上に結像する像の位置変化を１画素以内に補正する補正レンズ部とを備える。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、合焦位置を変位させる機構の小型化、及び畳み込み画像の画質の向上を実現できるレンズユニットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、撮像素子を移動させた場合の像位置を示す図である。
【図２】図２は、フォーカスレンズを移動させた場合の像位置の変位を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係るレンズユニットを用いた場合の像位置の変位を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１に係るレンズユニットを示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態１に係るレンズユニットの光学特性を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施の形態１に係るレンズユニットの光学特性を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の実施の形態１に係るレンズユニットの光学特性を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２に係るレンズユニットを示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の実施の形態２に係るレンズユニットの光学特性を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の実施の形態２に係るレンズユニットの光学特性を示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の実施の形態２に係るレンズユニットの光学特性を示す図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態３に係るレンズユニットを示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態３に係るレンズユニットを用いた場合の像位置の変位を示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の実施の形態３に係るレンズユニットの光学特性を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の実施の形態３に係るレンズユニットの光学特性を示す図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、本発明の実施の形態３に係るレンズユニットの光学特性を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態４に係るデジタルスチルカメラの構成を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態１に係るレンズユニットの面データを示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態１に係る非球面データを示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態１に係る各種データを示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態２に係るレンズユニットの面データを示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態２に係る非球面データを示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態２に係る各種データを示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施の形態３に係るレンズユニットの面データを示す図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施の形態３に係る非球面データを示す図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施の形態３に係る各種データを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（本発明の基礎となった知見）
本発明者は、従来の技術に対して以下の課題を見出した。
【００３０】
一般に、デジタルスチルカメラに用いられる撮像素子の重量は、４ｇ〜数十ｇ以上ある。このような重量の撮像素子を用いて、動画撮影をする場合には、３０ｆｐｓ程度以上の早さで当該撮像素子を高速に移動させる必要がある。この動作は、駆動装置としては、例えば、比較的大きなボイスコイルモーターを用い、これに大電流を流すことで実現している。
【００３１】
また、撮像素子の移動量、及び撮像素子を移動させた場合の撮像素子上に結像される像の位置（以下、像位置とも記す）の変化量について、非特許文献３に記載されている。非特許文献３では、焦点距離が９ｍｍで被写体距離が０．２ｍ〜０．５ｍの場合に、撮像素子を２５９．１μｍ移動させる。この時、像位置が７．２ピクセル移動する。
【００３２】
更に、焦点距離が１２．５ｍｍで、被写体距離が例えば０．５ｍ〜無限遠の場合に、撮像素子を３２０．５μｍ移動させ、また、被写体距離は０．２ｍ〜０．５ｍの場合に、撮像素子を５１２．８μｍ移動させる。この時、像位置は、それぞれ５．６ピクセルと８．５ピクセル移動する。
【００３３】
このような、撮像素子を移動させた場合に像位置が移動するという現象は、非テレセントリックな光学レンズを使用した場合におこる。非テレセントリックな光学レンズは、光学レンズとして通常のほとんどのカメラに用いられている。非テレセントリックな光学レンズを用いた場合、撮像素子に対して垂直に主光線が入射しない。これにより、撮像素子を移動させた場合に、移動期間中に撮像素子に到達する光線の位置、すなわち像位置が変化する。
【００３４】
このような現象は、畳み込まれた像をボケさせて像の解像度を著しく劣化させる。更には、得られた像を予め設定されたＰＳＦを用いて画像復元をしても、復元画像が大きく劣化することが推察できる。
【００３５】
また、非特許文献６では、レンズ先端部に別途光学レンズをもうけることで、テレセントリック光学系を実現する方法が述べられている。これにより、前述の像位置の変化を抑制できる。
【００３６】
この構成は、従来の光学レンズよりも大型化するものの、従来の光学レンズでは撮像素子の位置を２５ｍｍから２７．０５ｍｍに移動した場合に、画像の明暗が約６％変化し、かつ像位置が１８．９ピクセルも変化するのに対し、明暗がほとんど変化せず、かつ像位置も０．１ピクセル程度しか変化しない。このように、この構成は、良好なテレセントリック光学系を実現できる。
【００３７】
このような、テレセントリック光学系を撮像素子の前面に取り付けて、撮像素子を移動させる方式は、像位置の変化が大きく抑制されるので、復元画質を向上させる上でも、非常に有効な方法であるといえる。
【００３８】
これまで、撮像素子を移動させる例について主に説明してきたが、レンズ鏡筒を移動させる方式も、原理的には撮像素子を移動させる方式と同等であり同じ効果が得られる。
【００３９】
また、非特許文献３に、これまでの方法である撮像素子又はレンズ鏡筒を深度方向に移動させる方法ではなく、フォーカスリングを移動させる方法も記述されている。
【００４０】
この方法は、市販のデジタルカメラを用いて、そのズームレンズ系の一部であるフォーカスレンズ群を移動させる。フォーカスリングを露光期間中に手動で高速回転させることにより、深度方向に一律に合焦した画像を畳み込んでいる。
【００４１】
また、一般的なデジタルスチルカメラのズームレンズ光学系は、例えば、特許文献６及び特許文献７に開示されている。ここでは特許文献６を例にとり説明する。デジタルスチルカメラの分野においては、ズームレンズ比が高いズームレンズ系を搭載したカメラが、その利便性から強く要望されている。このようなカメラを用いることで、１台のデジタルカメラで、広角域から高望遠域までの広い焦点距離範囲をカバーすることができる。
【００４２】
例えば、正のパワーを有する第１レンズ群と、負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レンズ群と、正のパワーを有する第４レンズ群とを備えるズームレンズを用いるズームレンズ光学系が特許文献６に開示されている。このズームレンズ光学系において、第１レンズ群、第２レンズ群、第３レンズ群及び第４レンズ群の全てを、光軸に沿って移動させることで倍率を変更できる。また、このレンズ群のうち、第４レンズ群を移動させることで、特定ズーム倍率でのフォーカシングを行うことができる。
【００４３】
更に、テレセントリックなズームレンズ系が、例えば、特許文献５に開示されている。このテレセントリックなズームレンズ系では、共に正のパワーを有する第１レンズ群と第３レンズ群との間に、アフォーカル系である第２レンズ群が配置されている。そして、このレンズ群のうち、第１レンズ群と第３レンズ群との内の少なくともいずれかの一方のレンズ群と、第１レンズ群と第３レンズ群との内のいずれか一方のレンズ群に含まれる一部のレンズ群と、第２レンズ群とを、それぞれ独立に光軸方向に移動可能とすることでテレセントリックなズームレンズ系が実現される。
【００４４】
しかし、Ｆ−ＤＯＦ方式は、実用上、次のような課題を有していた。すなわち、撮像素子を移動させるＦ−ＤＯＦ方式は、撮像素子の重量が４ｇ〜数十ｇ以上もあり、撮像素子を高速に移動させるためにはアクチュエータが大型化するとともに、消費電力も大きくなるという課題を有していた。
【００４５】
更に、カメラの信号処理回路と撮像素子とを結ぶ電気配線が存在する。よって、撮像素子が高速で移動する場合に、撮像素子と電気配線との接続部分に断線が生じることで信頼性が低下するという課題も有していた。
【００４６】
また、非特許文献６に示したような、テレセントリック光学系を用いた方法では、畳み込まれた画像の品質が向上するという効果が期待できるものの、撮像素子又は、レンズ鏡筒を高速で移動させることには、なんら変わるものではない。よって、当該方法も、移動手段の大型化及び消費電力が大きくなるという、実用上における、大きな課題を有している。
【００４７】
これに対して、非特許文献３には、フォーカスリングを露光期間中に回転させる方法が提案されている。しかしながら、光学レンズがテレセントリック性を兼ね備えることと、露光期間中にフォーカスリングを高速に移動させることとを共に実現することが困難であるという、実用上の課題がある。
【００４８】
このような、課題背景のもと、本発明者は、Ｆ−ＤＯＦ方式に適したズームレンズ系を総合的に検討した。その結果、本発明者は、移動手段の小型軽量化が可能である、フォーカスレンズを移動させるＦＤＯＦ方式が有望であることを見出した。
【００４９】
更には、Ｆ−ＤＯＦ方式に用いる光学レンズとしては、これまで常識となっていた、像側テレセントリック性は必ずしも必要ではなく、フォーカスレンズを移動させる際に、像位置の変化を極めて少なくすることが最も重要であることを新たに見出した。
【００５０】
すなわち、テレセントリック光学系では、撮像素子又はフォーカスレンズを移動させ、遠近距離の被写体の画像を畳み込んだ場合、その遠近距離の間において、像面に対して主光線がほぼ垂直に入射することが保証されている。
【００５１】
図１は、テレセントリック性を有するレンズユニット５００における像位置を示す図である。図１に示されるレンズユニット５００は、倍率変更レンズ群５０１（焦点距離変更レンズ群）と、絞り５０２と、フォーカスレンズ群５４０とを備える。また、露光期間において撮像素子５０３が移動することで、合焦位置が遷移する。図１に示されるように、テレセントリック光学系では、撮像素子５０３を移動させ、遠近距離の被写体の画像を畳み込んだ場合、像位置は移動しない。
【００５２】
しかし、このようなテレセントリック性が保証されたとしても、フォーカスレンズを移動させる際中に、各画角における主光線及び集光スポットの重心位置が像高方向に移動した場合には、結果として、畳み込み画像はぼけてしまう。これにより、復元画像が劣化することが判明した。
【００５３】
この現象は、レンズ鏡筒又は撮像素子を移動させる方法にはなかった現象である。すなわち、レンズ鏡筒又は撮像素子を駆動させる場合には、主光線が、像面に対して垂直に設定されているために、レンズ鏡筒又は撮像素子はその光軸に沿って、一直線に移動させるだけで、ボケのない良好な画像が得られるわけである。
【００５４】
しかし、フォーカスレンズを移動させる場合には、主光線が撮像素子に対して垂直に入射するテレセントリック性が保証されたとしても、その像高位置が僅かでも変化してしまうと、結果として像位置が変化する。これにより、畳み込み画像がぼけてしまう。
【００５５】
図２は、フォーカスレンズを移動させる場合の像位置の変化を示す図である。図２に示されるレンズユニット６００は、倍率変更レンズ群６０１と、絞り６０２と、フォーカスレンズ群６４０とを備える。また、撮像素子６０３は固定されており、露光期間においてフォーカスレンズ群６４０が移動することで、合焦位置が遷移する。図２に示されるように、フォーカスレンズ群６４０を移動させ、遠近距離の被写体の画像を畳み込んだ場合、フォーカスレンズ群６４０の移動にともない像位置が移動する。
【００５６】
本発明者は、畳み込み画像がぼけずに、良好な復元画像を得るためには、テレセントリック光学系は必要条件ではなく、むしろ、テレセントリック性が保証されなくとも、フォーカスレンズを深度方向に移動する間に、主光線の位置又は集光スポットの重心位置、すなわち像位置が、所定条件で一定値以内であれば良好な復元画像が得られるということを見出した。
【００５７】
しかし、市販の一眼レフカメラの光学系は、テレセントリック性が保証されておらず、フォーカスレンズが移動することで、像位置が変化していることが類推できる。よって、このようなカメラで得られた畳み込み画像はボケており、復元画像が劣化するという課題を有していた。
【００５８】
このように、フォーカスレンズが軽量であり、かつ、フォーカスレンズが移動しても、像位置がほとんど変化しないＦ−ＤＯＦ法に適したズームレンズ系は既存文献には開示されておらず、実用上大きな課題となっていた。
【００５９】
このような課題を解決するために、本発明の一形態に係るレンズユニットは、物体の光学的な像を撮像素子上に結像するレンズユニットであって、フォーカスレンズ部と、露光期間中に、前記フォーカスレンズ部を所定の範囲移動させることで合焦範囲を変位させる駆動部と、前記フォーカスレンズ部が前記所定の範囲を移動した場合の前記撮像素子上に結像する像の位置変化を１画素以内に補正する補正レンズ部とを備える。
【００６０】
この構成によれば、本発明の一形態に係るレンズユニットを用いることで、フォーカスレンズ部を移動させることで合焦位置を変位させることができる。これにより、撮像素子を移動させる場合に比べて、合焦位置を変位させる機構を小型化できる。さらに、補正レンズ部が、フォーカスレンズ部が移動した場合の像位置の変位を補正する。これにより、畳み込み画像の画質を向上できる。
【００６１】
また、前記撮像素子上に結像する像の位置は、集光スポットの重心位置であってもよい。
【００６２】
この構成によれば、像位置を正確に規定することができる。
【００６３】
また、前記集光スポットの重心位置は、前記撮像素子の光検出部の上部に形成された、色フィルター毎の重心位置であってもよい。
【００６４】
この構成によれば、色毎に像位置を正確に規定することができる。
【００６５】
また、前記補正レンズ部は複数の補正レンズを含んでもよい。
【００６６】
この構成によれば、本発明の一形態に係るレンズユニットは、良好な光学特性を実現できる。例えば、当該レンズユニットは、当該レンズユニットの小型化、高いＭＴＦ性能、及びフォーカシングの際の像位置の変化を抑制するという要求を同時に満たすことができる。
【００６７】
また、前記補正レンズ部は、固定レンズであってもよい。
【００６８】
この構成によれば、補正レンズ部の特性を容易に設定できる。
【００６９】
また、前記フォーカスレンズ部は１枚のレンズのみを含んでもよい。
【００７０】
この構成によれば、フォーカスレンズ部を軽量化できる。
【００７１】
また、前記補正レンズ部は、前記フォーカスレンズ部の前記撮像素子側に配置されていてもよい。
【００７２】
また、前記レンズユニットは、ズーム機能を有してもよい。
【００７３】
この構成によれば、ズーム機能を有するレンズユニットにおいて、畳み込み画像の画質の向上を実現できる。
【００７４】
また、前記フォーカスレンズ部は、正のパワーのレンズ部であり、プラスチック樹脂からなる正のパワーのフォーカスレンズを有し、前記補正レンズ部は、正のパワーのレンズ部であり、前記補正レンズ部に含まれる前記１以上のレンズの内の最も物体側の第１補正レンズはプラスチック樹脂からなる負のパワーのレンズであってもよい。
【００７５】
この構成によれば、フォーカスレンズ部の軽量化を実現できる。さらに、本発明の一形態に係るレンズユニットは、プラスチックレンズを用いた際の、温度変化に伴う像位置の変化を抑制できる。
【００７６】
また、前記フォーカスレンズは、正のメニスカスレンズであってもよい。
【００７７】
また、前記第１補正レンズは、負のメニスカスレンズであってもよい。
【００７８】
また、前記駆動部は磁気駆動型アクチュエータであってもよい。
【００７９】
この構成によれば、フォーカスレンズ部を高速に移動させることができる。
【００８０】
また、本発明の一形態に係る撮像装置は、前記レンズユニットと、前記レンズユニットにより形成された光学的な像を電気的な画像信号に変換する撮像素子と備える。
【００８１】
この構成によれば、本発明の一形態に係る撮像装置、フォーカスレンズ部を移動させることで合焦位置を変位させることができる。これにより、撮像素子を移動させる場合に比べて、合焦位置を変位させる機構を小型化できる。さらに、補正レンズ部が、フォーカスレンズ部が移動した場合の像位置の変位を補正する。これにより、畳み込み画像の画質を向上できる。
【００８２】
なお、これらの全般的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたは記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【００８３】
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００８４】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００８５】
（実施の形態１）
まず、本実施の形態に係るレンズユニットの概要を説明する。
【００８６】
図３は、本実施の形態に係るレンズユニット１００の構成を示す図である。
【００８７】
図３に示されるレンズユニット１００は、物体の光学的な像を撮像素子１０３上に結像する。このレンズユニット１００は、倍率変更レンズ群１０１（焦点距離変更レンズ群）と、絞り１０２と、フォーカスレンズ群１４０（フォーカスレンズ部）と、補正レンズ群１５０（フォーカスレンズ部）と、駆動部１９０とを備える。
【００８８】
フォーカスレンズ群１４０は、１以上のレンズを含む。駆動部１９０は、露光期間中に、フォーカスレンズ群１４０を所定の範囲移動させることで合焦範囲を変位させる。補正レンズ群１５０は、１以上のレンズを含み、フォーカスレンズ群１４０が上記所定の範囲を移動した場合の撮像素子１０３上に結像する像の位置変化を、当該位置変化が小さくなるように補正する。例えば、補正レンズ群１５０は、フォーカスレンズ群１４０が上記所定の範囲を移動した場合の撮像素子１０３上に結像する像の位置変化を１画素以内に補正する。
【００８９】
以下、図４を用いて、本発明のＦ−ＤＯＦに用いるズームレンズ系の一例の詳細について説明する。
【００９０】
図４の（ａ）〜（ｃ）は、いずれも、被写体距離１００００ｍｍで合焦状態にあるレンズユニット１００を表している。図４の（ａ）は広角端（最短焦点距離状態：焦点距離が４．９５ｍｍ）のレンズ構成を表し、（ｂ）は中間位置（中間焦点距離状態：焦点距離が１８ｍｍ）のレンズ構成を表し、（ｃ）は望遠端（最長焦点距離状態：焦点距離が８７ｍｍ）のレンズ構成を表している。
【００９１】
図４の（ａ）と（ｂ）との間に設けられた点線の矢印は、広角端と中間位置との各状態におけるレンズ群の位置を結んで得られる直線を示す。同様に、図４の（ｂ）と（ｃ）との間に設けられた点線の矢印は、中間位置と望遠端との各状態におけるレンズ群の位置を結んで得られる直線を示す。
【００９２】
従って、図４では、広角端と中間位置との間、及び、中間位置と望遠端との間は単純に直線で接続されているだけであり、実際の各レンズ群の動きは、この直線とは異なる。
【００９３】
さらに、図４の（ｃ）に代表して記入した矢印は、被写体距離１００００ｍｍで合焦状態から近接物体合焦状態へのフォーカシングを表す。すなわち、この矢印は、被写体距離１００００ｍｍの合焦状態から近接物体合焦状態へのフォーカシングの際のフォーカスレンズ群１４０の移動方向を示している。
【００９４】
図４に示されるレンズユニット１００はズーム機能を有するレンズ系である。このレンズユニット１００は、物体側から像側へと向かう（ｘ軸の正の方向）順に設けられた、正のパワーを有する第１レンズ群１１０と、負のパワーを有する第２レンズ群１２０と、正のパワーを有する第３レンズ群１３０と、正のパワーを有するフォーカスレンズ群１４０と、正のパワーを有する補正レンズ群１５０を備えている。
【００９５】
なお、図４におけるｘ軸の正の方向を像側と呼び、ｘ軸の負の方向を物体側と呼ぶ。また、第１レンズ群１１０、第２レンズ群１２０及び第３レンズ群１３０は、図３に示される倍率変更レンズ群１０１に対応する。
【００９６】
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１１０、第２レンズ群１２０、第３レンズ群１３０及びフォーカスレンズ群１４０の全てが光軸１８０に沿って移動し、補正レンズ群１５０は固定されている。
【００９７】
本実施の形態に係るレンズユニット１００は、各レンズ群を所望のパワー配置にすることにより、１６倍を超える高いズーミング比を達成できる。さらに、当該レンズユニット１００は、フォーカスレンズ群１４０を移動させた際の像位置の変化が少ない。さらに、当該レンズユニット１００は、高い光学性能を保持しつつ、レンズ系全体の小型化を可能にしている。
【００９８】
なお、図４において、最も右側に記載された直線は、像面１７０の位置を表す。該像面１７０の物体側（像面１７０と補正レンズ群１５０の最像側レンズ面との間）に、光学的ローパスフィルター、又は、撮像素子のフェースプレート等と等価な平行平板１６０が設けられている。更に図４において、第２レンズ群１２０の最像側レンズ面と第３レンズ群１３０の最物体側レンズ面との間に絞り１０２が設けられている。
【００９９】
図４に示されるように、実施の形態１に係るレンズユニット１００において、第１レンズ群１１０は、物体側から像側へと向かう順に設けられた、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状の第１レンズ素子１１１と、両凸形状の第２レンズ素子１１２と、物体側に凸面を向けた正メニスカス形状の第３レンズ素子１１３とからなる。これらのうち、第１レンズ素子１１１と第２レンズ素子１１２とは接合されている。
【０１００】
第２レンズ群１２０は、物体側から像側へと向かう順に設けられた、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状の第４レンズ素子１２１と、両凹形状の第５レンズ素子１２２と、両凸形状の第６レンズ素子１２３とからなる。
【０１０１】
また、第３レンズ群１３０は、物体側から像側へと向かう順に設けられた、両凸形状の第７レンズ素子１３１と、両凸形状の第８レンズ素子１３２と、両凹形状の第９レンズ素子１３３とからなる。これらのうち、第８レンズ素子１３２と第９レンズ素子１３３とは接合されている。
【０１０２】
フォーカスレンズ群１４０は、物体側から像側へと向かう順に設けられた、物体側に凸面を向けた正メニスカス形状のフォーカスレンズ１４１（第１０レンズ素子）からなる。
【０１０３】
補正レンズ群１５０は、物体側から像側へと向かう順に設けられた、物体側に凹面を向けた正メニスカス形状の第１補正レンズ１５１（第１１レンズ素子）と、物体側に中央部が凸面形状であり周辺部が凹形状である面と、像側の面が像側に向かって凸面形状である第２補正レンズ１５２（第１２レンズ素子）とからなる。
【０１０４】
なお、本実施の形態に係るレンズユニット１００において、像面１７０の物体側（像面１７０と第２補正レンズ１５２との間）には、平行平板１６０が設けられている。
【０１０５】
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１１０、第３レンズ群１３０及びフォーカスレンズ群１４０は、物体側へ移動し、第２レンズ群１２０は、物体側に凹の軌跡を描いて移動する。つまり、第２レンズ群１２０は、像側に移動した後に、物体側に移動する。
【０１０６】
また、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１１０、第２レンズ群１２０、第３レンズ群１３０及びフォーカスレンズ群１４０の全てが、光軸１８０に沿って移動する。なお、これらレンズ群のうち、例えば第３レンズ群１３０を光軸１８０に対して垂直に移動させることによって、手振れ及び振動等による像のぶれを光学的に補正することができる。
【０１０７】
ここで、本実施の形態では補正レンズ群１５０を固定した場合の一例について述べたが、本発明の構成はこれに限定されない。他のレンズ群と同様に、ズーミングの際に補正レンズ群１５０の全体又は一部のレンズを移動させる構成を用いてもなんら問題はない。
【０１０８】
また、各レンズ群のレンズ素子の具体的な形状について説明したが、各レンズ群の構成、及び、各レンズ素子の形状は必ずしもこれに限定するものではない。各レンズ群の構成、及び、各レンズ素子の形状を、所望の仕様に基づき最適化しても構わない。
【０１０９】
ここで、補正レンズ群１５０に含まれるレンズの枚数は、像の位置変化を抑制する上で、非常に重要である。検討の結果、レンズユニット１００の小型化、高いＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）性能、及びフォーカシングの際の像位置の変化を抑制するという要求を同時に満たすためには、補正レンズ群１５０に含まれるレンズの枚数は１枚よりも２枚のほうが非常に有効であることが判明した。つまり、フォーカスレンズ群１４０と撮像素子（像面１７０）との間に２枚の補正レンズ（第１補正レンズ１５１及び第２補正レンズ１５２）を設置することで良好な光学特性を実現できた。
【０１１０】
図５Ａ〜図５Ｃは、本実施の形態１係るレンズユニット１００によって得られる光学特性を示す。図５Ａはレンズ変位量と被写体距離との関係を示している。
【０１１１】
ここで、レンズ変位量とは、基準状態におけるフォーカスレンズ群１４０のフォーカスレンズ１４１の位置を基準として、被写体距離を変化させたときにフォーカスレンズ１４１が移動する距離である。ここで、基準状態とは、図４に示したレンズユニット１００において、所望の焦点距離で被写体距離が１００００ｍｍの被写体が像面１７０に結像するように、第１レンズ群１１０、第２レンズ群１２０、第３レンズ群１３０、及びフォーカスレンズ群１４０の位置を設定した状態である。
【０１１２】
図５Ａは、図４の（ｃ）に示した、焦点距離が１８．２５ｍｍの時に被写体距離が１００００ｍｍ、５０００ｍｍ、２０００ｍｍ、１０００ｍｍと変化した時の、フォーカスレンズ１４１のレンズ変位量をプロットしたグラフである。図中、プロット点とプロット点とを結んでいる直線は便宜上引いた直線であり、実際の特性の形状は曲線形状となることは言うまでもない。
【０１１３】
このように、被写体がレンズユニット１００に近づくに従い、レンズ変位量は大きくなることがわかる。
【０１１４】
図５Ｂは、フォーカスレンズ１４１が変位した場合の、変位に対応した像位置の変化を示す。代表として、図５Ｂは、画角が９．６度である最外画角の時の変化を示す。このように、像位置の変化量が極めて小さく、像位置の変化量を１μｍ以下に抑制できていることがわかる。
【０１１５】
ここで、像位置は例えば、主光線の位置で規定する。この方法は、レンズユニット１００の収差のうち球面収差量が支配的で、コマ収差量が小さい場合に有効である。よって、このような場合に、この方法を用いることで容易にレンズ設計ができる。
【０１１６】
また、集光スポットの重心位置を規定することは、像位置を正確に規定するために有効である。この方法を用いることで、コマ収差が支配的なレンズユニットにおいても、ボケの少ない畳み込み画像を得ることができる。
【０１１７】
次に、ＭＴＦ特性について図５Ｃを用いて説明する。図５Ｃに示されるように、フォーカスレンズ１４１の変位量を０ｍｍから０．３８ｍｍに大きく変化させたとしても、ＭＴＦがほとんど劣化しないことがわかる。
【０１１８】
また、図５Ｃは、５０ｌｐ／ｍｍの時のＭＴＦ性能を示し、図中の丸印は、軸上のＭＴＦ性能を示し、図中の四角印は７割像高でのサジタル（放射方向）でのＭＴＦ性能を示し、三角印は、７割像高でのタンジェンシャル（円周方向）でのＭＴＦ性能を示している。
【０１１９】
図５Ｂ及び図５Ｃに示されるように、レンズユニット１００は、フォーカスレンズ１４１を変位させた場合の像位置の変化が少なく、かつ、良好なＭＴＦ性能を維持していることがわかる。なお、図５Ａ〜図５Ｃでは、焦点距離が１８．２５ｍｍの場合を代表例として説明したが、焦点距離が８７ｍｍの場合及び焦点距離が４．９５ｍｍの場合においてもレンズユニット１００は高性能を維持している。従って、ズーム倍率が１６を超え、画角も３２度を超えるような高性能ズームレンズにおいても、広角端から望遠端までの幅広い範囲でＦ−ＤＯＦ用の小型ズームレンズとして非常に良好な光学特性を実現できていることがわかる。
【０１２０】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、実施の形態１に係るレンズユニット１００の変形例を説明する。具体的には、上記実施の形態１では、倍率変更レンズ群１０１として３つのレンズ群を用いる例を説明した。実施の形態２では、倍率変更レンズ群１０１として２つのレンズ群を用いる例を説明する。
【０１２１】
図６は本発明の実施の形態２に係る、Ｆ−ＤＯＦに用いるズームレンズの一例を示す。
【０１２２】
図６の（ａ）〜（ｃ）はいずれも、被写体距離１００００ｍｍで合焦状態にあるレンズユニット２００を表している。図６の（ａ）は広角端（最短焦点距離状態：焦点距離が４．２ｍｍ）のレンズ構成を表し、（ｂ）は中間位置（中間焦点距離状態：焦点距離が７．７ｍｍ）のレンズ構成を表し、（ｃ）は望遠端（最長焦点距離状態：焦点距離が１２．７ｍｍ）のレンズ構成を表している。
【０１２３】
図６の（ａ）と（ｂ）との間に設けられた点線の矢印は、広角端と中間位置との各状態におけるレンズ群の位置を結んで得られる直線を示す。同様に、図６の（ｂ）と（ｃ）との間に設けられた点線の矢印は、中間位置と望遠端との各状態におけるレンズ群の位置を結んで得られる直線を示す。従って、図６では、広角端と中間位置との間、及び、中間位置と望遠端との間は単純に直線で接続されているだけであり、実際の各レンズ群の動きは、この直線とは異なる。
【０１２４】
さらに、図４の（ｃ）に代表して記入した矢印は、被写体距離１００００ｍｍでの合焦状態から近接物体合焦状態へのフォーカシングを表す。すなわち、この矢印は、被写体距離１００００ｍｍでの合焦状態から近接物体合焦状態へのフォーカシングの際のフォーカスレンズ群２４０の移動方向を示している。
【０１２５】
図６に示されるレンズユニット２００は、物体側から像側へと向かう順に設けられた、負のパワーを有する第１レンズ群２１０と、正のパワーを有する第２レンズ群２２０と、正のパワーを有するフォーカスレンズ群２４０（フォーカスレンズ部）と、正のパワーを有する補正レンズ群２５０（補正レンズ部）とを備えている。
【０１２６】
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２１０、第２レンズ群２２０及びフォーカスレンズ群２４０の全てが光軸２８０に沿って移動し、補正レンズ群２５０は固定されている。
【０１２７】
本実施の形態に係るレンズユニット２００は、各レンズ群を所望のパワー配置にすることにより、３倍程度のズーミング比を達成できる。さらに、当該レンズユニット２００は、フォーカスレンズ群２４０を移動させた際の像位置の変化が少ない。さらに、当該レンズユニット２００は、高い光学性能を保持しつつ、レンズ系全体の小型化を可能にしている。
【０１２８】
なお、図６において、最も右側に記載された直線は、像面２７０の位置を表す。該像面２７０の物体側（像面２７０と補正レンズ群２５０の最像側レンズ面との間）には、光学的ローパスフィルター、又は、撮像素子のフェースプレート等と等価な平行平板２６０が設けられている。更に図６において、第１レンズ群２１０の最像側レンズ面と第２レンズ群２２０の最物体側レンズ面との間には絞り２０２が設けられている。
【０１２９】
図６に示されるように、実施の形態２に係るレンズユニット２００において、第１レンズ群２１０は、物体側から像側へと向かう順に設けられた、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状の第１レンズ素子２１１と、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状の第２レンズ素子２１２と、物体側に凸面を向けた正メニスカス形状の第３レンズ素子２１３とからなる。
【０１３０】
第２レンズ群２２０は、物体側から像側へと向かう順に設けられた、物体側に凸面を向けた正メニスカス形状の第４レンズ素子２２１と、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状の第５レンズ素子２２２と、両凸形状の第６レンズ素子２２３とからなる。これらのうち、第５レンズ素子２２２と第６レンズ素子２２３とは接合されている。
【０１３１】
また、フォーカスレンズ群２４０は、物体側に凸面を向けた正メニスカス形状のフォーカスレンズ２４１（第７レンズ素子）からなる。
【０１３２】
補正レンズ群２５０は、物体側から像側へと向かう順に設けられた、両凹形状の第１補正レンズ２５１（第８レンズ素子）と、両凸形状の第２補正レンズ２５２（第９レンズ素子）とからなる。
【０１３３】
なお、本実施の形態に係るレンズユニット２００において、像面２７０の物体側（像面２７０と第２補正レンズ２５２との間）には、平行平板２６０が設けられている。
【０１３４】
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２１０は、物体側に凹の軌跡を描いて移動する。つまり、第１レンズ群２１０は、像側に移動した後に、物体側に移動する。第２レンズ群２２０及びフォーカスレンズ群２４０は、物体側へ移動し、補正レンズ群２５０は移動しない。
【０１３５】
ここで、本実施の形態では補正レンズ群２５０を固定した場合の一例について述べたが、本発明の構成はこれに限定されない。他のレンズ群と同様に、ズーミングの際に補正レンズ群２５０の全体又は一部のレンズを移動させる構成を用いてもなんら問題はない。
【０１３６】
また、各レンズ群のレンズ素子の具体的な形状について説明したが、各レンズ群の構成、及び、各レンズ素子の形状はこれに限定されない。各レンズ群の構成、及び、各レンズ素子の形状を、所望の仕様に基づき最適化しても構わない。
【０１３７】
また、補正レンズ群２５０に含まれるレンズの枚数は、実施の形態１と同様に、像の位置変化を抑制する上で、非常に重要である。
【０１３８】
検討の結果、レンズユニット２００の小型化、高いＭＴＦ性能、及びフォーカシングの際の像位置の変化を抑制するという要求を同時に満たすためには、実施の形態１と同様に、補正レンズ群２５０に含まれるレンズの枚数は１枚よりも２枚のほうが非常に有効であることが判明した。つまり、フォーカスレンズ群２４０と、撮像素子（像面２７０）との間に２枚の補正レンズ（第１補正レンズ２５１及び第２補正レンズ２５２）を設置することで良好な光学特性を実現できた。
【０１３９】
これより、フォーカスレンズ群２４０と撮像素子との間に、少なくとも２枚のレンズを設置することは、高いＭＴＦを維持しつつも、フォーカスレンズ群２４０が移動した場合の、像位置の変化量を極めて少なくする上で、有効な構成であると言える。
【０１４０】
また、本実施の形態には記してないが、焦点距離が不変の固定焦点光学系についても、検討した結果、フォーカスレンズと撮像素子との間に、２枚のレンズを設置することで、実施の形態１及び実施の形態２で示したレンズユニット１００及び２００と同様に良好な光学特性が実現できた。
【０１４１】
つまり、レンズユニットに含まれるレンズの枚数、レンズの配置、及びレンズ群の数等に作用されず、フォーカスレンズと撮像素子との間に２枚のレンズを設置することは、Ｆ−ＤＯＦを備えた撮像装置のレンズユニットにとって、非常に有効であるといえる。
【０１４２】
つまり、上記説明では、本発明をズームレンズ系に適用する例を述べたが、ズーム機能を有さない固定焦点光学系のレンズユニットに対しても本発明を適用できる。言い換えると、本発明に係るレンズユニットは、上記フォーカスレンズ群と、上記補正レンズ群とを備えればよい。なお、レンズユニットは、フォーカスレンズ群の物体側に配置される少なくとも一枚のレンズを備えることが好ましい。
【０１４３】
図７Ａ〜図７Ｃは、本実施の形態２係るレンズユニット２００によって得られる光学特性を示す。
【０１４４】
図７Ａはレンズ変位量と被写体距離との関係を示している。
【０１４５】
ここで、レンズ変位量とは、基準状態におけるフォーカスレンズ群２４０のフォーカスレンズ２４１の位置を基準として、被写体距離を変化させたときにフォーカスレンズ２４１が移動する距離である。ここで、基準状態とは、図６に示したレンズユニット２００において、所望の焦点距離で無限遠の被写体が像面２７０に結像するように、第１レンズ群２１０、第２レンズ群２２０及びフォーカスレンズ群２４０の位置を設定した状態である。
【０１４６】
図７Ａは、図６の（ｃ）に示した、焦点距離が１２．７ｍｍの時に被写体距離が、無限遠、１０００ｍｍ、５００ｍｍ、３００ｍｍと変化した時の、フォーカスレンズ２４１のレンズ変位量をプロットしたグラフである。図中、プロット点とプロット点とを結んでいる直線は便宜上引いた直線でありで、実際の特性の形状は曲線形状となることは言うまでもない。
【０１４７】
このように、被写体がレンズユニット２００に近づくに従い、レンズ変位量は大きくなることがわかる。
【０１４８】
図７Ｂは、フォーカスレンズ２４１が変位した場合、像位置の変化量が変化する様子を示す。代表として、図７Ｂは、焦点距離が１２．７ｍｍの時の最大画角である、画角が１０．５度の時の変化を示す。
【０１４９】
図７Ａ〜図７Ｃに示されるように、フォーカスレンズが変化したとしても、像位置の変化量が極めて小さく、像位置の変化量を約１．８μｍ以下に抑制できていることがわかる。
【０１５０】
ここで、像位置は、実施の形態１でも示したように、例えば、主光線の位置で規定する。この方法は、レンズユニット２００の収差のうち球面収差量が支配的であり、コマ収差量が小さい場合に有効である。よって、このような場合に、この方法を用いることで、容易にレンズ設計ができる。
【０１５１】
また、集光スポットの重心位置を規定することは、像位置を正確に規定するために有効である。この方法を用いることで、コマ収差が支配的なレンズユニットにおいても、ボケの少ない良好な畳み込み画像を得ることができる。
【０１５２】
また、図７Ｃはその時のＭＴＦ特性を示す。図７Ｃに示されるように、フォーカスレンズ２４１の変位量を０ｍｍから０．４４４７ｍｍに大きく変化させたとしても、ＭＴＦがほとんど劣化しないことがわかる。
【０１５３】
また、図７Ｃは、５０ｌｐ／ｍｍの時のＭＴＦ性能を示し、図中の丸印は、軸上のＭＴＦ性能を示し、図中の四角印は７割像高でのサジタル（放射方向）でのＭＴＦ性能を示し、三角印は、７割像高でのタンジェンシャル（円周方向）でのＭＴＦ性能を示している。
【０１５４】
図７Ａ〜図７Ｃに示されるように、レンズユニット２００は、フォーカスレンズ２４１を変位させた場合の像位置の変化が少なく、かつ、良好なＭＴＦ性能を維持していることがわかる。なお、図７Ａ〜図７Ｃでは、焦点距離が１２．７ｍｍの場合を代表例として説明したが、焦点距離が４．２１ｍｍの場合及び焦点距離が７．７１ｍｍの場合においてもレンズユニット２００は高性能を維持している。従って、このような、３つのレンズ群が独立に移動するようなズームレンズにおいても、広角端から望遠端までの幅広い範囲でＦ−ＤＯＦ用の小型ズームレンズとして非常に良好な光学特性を実現できていることがわかる。
【０１５５】
（実施の形態３）
本実施の形態ではフォーカスレンズとしてプラスチックレンズを用いる構成を説明する。
【０１５６】
例えば、デジタルスチルカメラのズームレンズ光学系についての各取り組みの中でも、レンズ素子そのものを軽量化する取り組みが、特許文献８に開示されている。特許文献８には、プラスチックレンズを用いたズームレンズ光学系について記載されている。
【０１５７】
特許文献８に開示されているように、プラスチックレンズは、ファインダー系、赤外線アクティブオートフォーカスユニット、及び撮像光学系の一部等に多く採用されている。そして、プラスチックレンズは、ガラス材料で構成されたレンズに比べて、形状の任意性、及びコストメリットが大きい等の利点がある。
【０１５８】
また、Ｆ−ＤＯＦのように、フォーカスレンズを高速で何度も往復させるような場合には、振動及び音が発生するという課題を有していた。
【０１５９】
そのため、フォーカスレンズを軽量化するために、ガラスレンズに代えて、プラスチックレンズを用いることが考えられる。
【０１６０】
例えば、代表的なガラス材料であり、比較的軽いガラスとして知られるＢＳＣ７（登録商標）の比重は２．５２である。これに対し、例えば、プラスチック材料であるＥ４８Ｒ（登録商標）の比重は約１．０１である。このために、ガラスレンズに代えてプラスチックレンズを用いることで、容易に、レンズ重量を半分程度にすることができる。
【０１６１】
しかし、特許文献８に示されているように、レンズ材料としてプラスチック材料を用いた場合に、環境温度が変化すると、そのプラスチック材料の屈折率が変化する。その結果、焦点位置がシフトし、ピントズレの問題を引き起こすことが知られている。
【０１６２】
これは、プラスチック材料の屈折率変化が、ガラス材料の屈折率変化と比べて非常に大きいためである。
【０１６３】
例えば、プラスチック材料Ｅ４８Ｒの屈折率の温度変化係数は、約ｄｎ／ｄＴ＝−９２×１０−６／℃である。また、ガラス材料であるＢＫＳＣ７の温度変化係数は、２．６×１０−６／℃程度である。このように、プラスチック材料はガラス材料に比べて、１桁以上も温度変化係数が大きくなっている。
【０１６４】
そのため、特許文献８では、温度センサを設置し、この温度センサでの計測値に基づいて、フォーカスレンズの移動位置を算出し、焦点位置の補正を行なっている。
【０１６５】
しかし、新たな温度センサの追加設置は、撮像装置のコストアップにも繋がるため、温度センサを使用しなくとも、環境温度変化の影響を低減化できる撮像装置が望まれる。
【０１６６】
更には、温度センサを使用したとしても、そもそも、環境温度変化に伴う、焦点位置の変動の変動量が少ない光学系では、更にピントズレを小さくできるため、そのような光学系が望まれていた。
【０１６７】
以下、図８を用いて、実施の形態３に係る、Ｆ−ＤＯＦに用いるズームレンズ系の一例について説明する。
【０１６８】
図８の（ａ）〜（ｃ）は、いずれも、被写体距離が無限遠で合焦状態にあるレンズユニット３００を表している。図８の（ａ）は、広角端（最短焦点距離状態：焦点距離が５ｍｍ）のレンズ構成を表わし、（ｂ）は、中間位置（中間焦点距離状態：焦点距離が１８ｍｍ）のレンズ構成を表わし、（ｃ）は、望遠端（最長焦点距離状態：焦点距離が８４ｍｍ）のレンズ構成を表している。
【０１６９】
図８の（ａ）と（ｂ）との間に設けられた点線の矢印は、広角端と中間位置との各状態におけるレンズ群の位置を結んで得られる直線を示す。図８の（ｂ）と（ｃ）との間に設けられた点線の矢印は、中間位置と望遠端との各状態におけるレンズ群の位置を結んで得られる直線を示す。
【０１７０】
従って、図８では、広角端と中間位置との間、及び、中間位置と望遠端との間は単純に、直線で接続されているだけであり、実際の各レンズ群の動きは、この直線とは異なる。
【０１７１】
さらに、図４の（ｃ）に代表して記入した矢印は、被写体の距離が無限遠での合焦状態から近接物体合焦状態へのフォーカシングの際のフォーカスレンズ群３４０の移動方向を示している。
【０１７２】
図８に示されるレンズユニット３００は、物体側から像側へと向かう順に設けられた、正のパワーを有する第１レンズ群３１０と、負のパワーを有する第２レンズ群３２０と、正のパワーを有する第３レンズ群３３０と、正のパワーを有するフォーカスレンズ群３４０（フォーカスレンズ部）と、正のパワーを有する補正レンズ群３５０（補正スレンズ部）とを備えている。
【０１７３】
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３１０、第２レンズ群３２０、第３レンズ群３３０及びフォーカスレンズ群３４０の全てが、光軸３８０に沿って移動し、補正レンズ群３５０は固定されている。
【０１７４】
本実施の形態に係るレンズユニット３００は、これらの各レンズ群を、所望のパワー配置にすることにより、１６倍を超える高いズーミング比を達成できる。さらに、当該レンズユニット３００は、フォーカスレンズ群３４０を移動させた際の像位置の変化が少ない。さらに、当該レンズユニット３００は、高い光学性能を保持しつつも、レンズ系全体の小型化を可能にしている。
【０１７５】
なお、図８において、最も右側に記載された直線は、像面３７０の位置を表す。そして、該像面３７０の物体側（像面３７０と、補正レンズ群３５０の最像側のレンズ面との間）には、光学的ローパスフィルター、又は、撮像素子のフェースプレート等と等価な平行平板３６０が設けられている。
【０１７６】
更に、図８において、第２レンズ群３２０の最像側のレンズ面と、第３レンズ群３３０の最物体側のレンズ面との間には絞り３０２が設けられている。
【０１７７】
図８に示されるように、実施の形態３に係るレンズユニット３００において、第１レンズ群３１０は、物体側から像側へと向かう順に設けられた、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状の第１レンズ素子３１１と、両凸形状の第２レンズ素子３１２と、物体側に凸面を向けた正メニスカス形状の第３レンズ素子３１３とからなる。これらのうち、第１レンズ素子３１１と第２レンズ素子３１２とは接合されている。
【０１７８】
第２レンズ群３２０は、物体側から像側へと向かう順に設けられた、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状の第４レンズ素子３２１と、両凹形状の第５レンズ素子３２２と、両凸形状の第６レンズ素子３２３とからなる。
【０１７９】
また、第３レンズ群３３０は、物体側から像側へと向かう順に設けられた、物体側に凸面を向けた正メニスカス形状の第７レンズ素子３３１と、両凸形状の第８レンズ素子３３２と、両凹形状の第９レンズ素子３３３とからなる。これらのうち、第８レンズ素子３３２と第９レンズ素子３３３とは接合されている。
【０１８０】
フォーカスレンズ群３４０は、物体側に凸面を向けた正メニスカス形状のフォーカスレンズ３４１（第１０レンズ素子）からなる。
【０１８１】
補正レンズ群３５０は、物体側から像側へと向かう順に設けられた、両凹形状の第１補正レンズ３５１（第１１レンズ素子）と、両凸面形状である第２補正レンズ３５２（第１２レンズ素子）とからなる。
【０１８２】
なお、本実施の形態に係るレンズユニット３００において、像面３７０の物体側（像面３７０と、第２補正レンズ３５２との間）には、先述の平行平板３６０が設けられている。
【０１８３】
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３１０、第３レンズ群３３０及びフォーカスレンズ群３４０は、物体側へと移動し、第２レンズ群３２０は、物体側に、凹の奇跡を描いて移動する。つまり、つまり、第２レンズ群３２０は、像側に移動した後に、物体側に移動する。
【０１８４】
また、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３１０、第２レンズ群３２０、第３レンズ群３３０及びフォーカスレンズ群３４０の全てが、光軸３８０に沿って移動する。
【０１８５】
なお、これらのレンズ群のうち、例えば第３レンズ群３３０を、光軸に対して垂直に移動させることによって、手振れ及び振動等による像のぶれを、光学的に補正することができる。
【０１８６】
ここで、本実施の形態では、補正レンズ群３５０を固定した場合の一例について述べたが、本発明の構成は、これに限定されない。他のレンズ群と同様に、ズーミングの際に、補正レンズ群３５０の全体又は一部のレンズのみを移動させる構成を用いても構わない。
【０１８７】
また、各レンズ群のレンズ素子の具体的な形状について説明したが、各レンズ群の構成、及び、各レンズ素子の形状はこれに限定されない。各レンズ群の構成、及び、各レンズ素子の形状を、所望の仕様に基づき最適化しても構わない。
【０１８８】
また、補正レンズ群３５０に含まれるレンズの枚数は、実施の形態１と同様に像の位置変化を抑制する上で、重要である。
【０１８９】
検討の結果、レンズユニット３００の小型化、高いＭＴＦ性能、及びフォーカシングの際の像位置の変化を抑制するという要求を同時に満たすためには、実施の形態１と同様に、補正レンズ群３５０に含まれるレンズの枚数は１枚よりも２枚のほうが非常に有効であることが判明した。フォーカスレンズ群３４０と、撮像素子（像面３７０）との間に、２枚の補正レンズ（第１補正レンズ３５１及び第２補正レンズ３５２）を設置することで良好な光学特性を実現できた。
【０１９０】
次に、本構成のレンズユニット３００で、フォーカスレンズ３４１を軽量化するとともに、環境温度変化に伴って生じる、焦点位置のシフト量を抑制する構成について説明する。
【０１９１】
レンズユニット３００では、フォーカスレンズ群３４０のフォーカスレンズ３４１を、正メニスカス形状のプラスチック材料で作成する。
【０１９２】
なお、ここでは、フォーカスレンズ３４１として、物体側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズ素子（正のメニスカスレンズ）を用いる例を述べるが、フォーカスレンズ３４１はこれに限定されない。フォーカスレンズ３４１は、正のパワーを有するレンズ素子であればよく、例えば、両凸レンズ、又は平凸形状でも構わない。
【０１９３】
フォーカスレンズ３４１に用いられるプラスチック材料としては、例えば、低熱膨張係数を有し、機械的形状も安定したＥ４８Ｒを使用する。Ｅ４８Ｒの比重は約１．０１であり、比較的軽いガラス材料として知られているＢＳＣ７の比重２．５２と比べても、半分以下である。つまり、レンズのサイズが同じであれば、プラスチックレンズを用いることで大幅な軽量化を図ることができる。
【０１９４】
しかし、このようなプラスチック材料での、屈折率の温度依存性は、ガラス材料での、屈折率の温度依存性よりも、一桁程度大きくなる。このために、環境温度変化に伴って生じる、焦点位置のシフト量が増大する。
【０１９５】
一例として、単純にフォーカスレンズとしてプラスチックレンズを用いた場合、焦点距離が５ｍｍで、温度が５℃変化した場合には、焦点位置は約６μｍシフトし、焦点距離が１８ｍｍの場合には、焦点位置は約８μｍシフトし、焦点距離が８４ｍｍの場合には、焦点位置は１２μｍもシフトすることが判明した。
【０１９６】
ここで、環境温度が高くなった結果、フォーカスレンズの温度も上昇して、屈折率が小さくなる。その結果、屈折力が弱くなることで焦点位置が遠くなる。これにより、焦点位置がシフトする。
【０１９７】
本実施の形態では、フォーカスレンズ３４１で発生した上記の焦点位置のシフト量を、補正レンズ群３５０の最物体側のレンズである第１補正レンズ３５１を用いて、低減する。
【０１９８】
図９は、第１補正レンズ３５１による焦点位置のシフト量の低減効果を示す図である。図９において、実線３８１は高温における光の進行方向を示し、破線３８２は低温における光の進行方向を示す。
【０１９９】
ここで、この第１補正レンズ３５１は、プラスチックレンズで構成される。さらに、この第１補正レンズ３５１のレンズ形状は、フォーカスレンズ３４１のパワー（屈折力）とは反対のパワーである負のパワーのレンズ形状であり、両凹形状である。
【０２００】
なお、第１補正レンズ３５１のレンズ形状については、両凹形状に必ずしも限定するものではなく、第１補正レンズ３５１は、負のパワーを有するレンズ素子であれば構わない。例えば、第１補正レンズ３５１として、負のメニスカスレンズ、又は平凹レンズなどを用いても構わない。
【０２０１】
第１補正レンズ３５１のレンズ材料としては、例えば、フォーカスレンズ３４１のレンズ材料と同じＥ４８Ｒを用いる。
【０２０２】
ここで、第１補正レンズ３５１も、環境温度が高くなると、フォーカスレンズ３４１と同様に、屈折率が小さくなる。しかし、この時、第１補正レンズ３５１は、負のパワーを有しているレンズ形状であるために、屈折率が小さくなった場合に、フォーカスレンズ３４１により遠くなった焦点位置を、逆に近くしようとする力が作用する。
【０２０３】
このように、フォーカスレンズ３４１のパワーを正のパワーに設定し、第１補正レンズ３５１のパワーを負のパワーに設定し、両者を配置する。このことで、焦点位置の変動幅を低減することができる。
【０２０４】
なお、検討の結果、用いられるプラスチック材料は、Ｅ４８Ｒに限定するものではなく、ポリカーボネート等の他のプラスチック材料を用いても構わない。
【０２０５】
上記のレンズ構成にて、環境温度が５℃変化した場合に、被写体の距離が無限遠の場合の焦点位置がどの程度変動するかを算出した。
【０２０６】
その結果、焦点位置の変動幅は、焦点距離が５ｍｍの場合（図８の（ａ）の場合）で、約１μｍであり、焦点距離が１８ｍｍの場合（図８の（ｂ）の場合）で、約１μｍであり、焦点距離が８４ｍｍの場合（図８の（ｃ）の場合）でも、約１μｍ以下であった。このように、本実施の形態の構成を用いることで、焦点位置の変動幅を抑制することができることがわかった。つまり、本構成は、環境温度に対する焦点位置の補正効果があり、有用と言える。
【０２０７】
図１０Ａ〜図１０Ｃのそれぞれは、本実施の形態３係るレンズユニット３００によって得られる光学特性を示す図である。
【０２０８】
図１０Ａはレンズ変位量と被写体距離との関係を示している。
【０２０９】
ここで、レンズ変位量とは、基準状態におけるフォーカスレンズ群３４０のフォーカスレンズ３４１の位置を基準として、被写体距離を変化させたときにフォーカスレンズ３４１が移動する距離である。ここで、基準状態とは、図８に示したレンズユニット３００において、所望の焦点距離で被写体距離が無限遠の被写体が像面３７０に結像に結像するように、第１レンズ群３１０、第２レンズ群３２０、第３レンズ群３３０、及びフォーカスレンズ群３４０の位置を設定した状態である。
【０２１０】
図１０Ａは、図８の（ｂ）に示した、焦点距離が１８ｍｍの時における、被写体距離が、１００００ｍｍ、５０００ｍｍ、２０００ｍｍ、１０００ｍｍと変化した時の、フォーカスレンズ３４１のレンズ変位量をプロットしたグラフである。図中、プロット点とプロット点とを結んでいる直線は便宜上引いた直線であり、実際の特性の形状は曲線形状となることは言うまでもない。
【０２１１】
このように、被写体が、レンズユニット３００に近付くに従い、レンズ変位量は大きくなることがわかる。
【０２１２】
図１０Ｂは、フォーカスレンズ３４１が変位した場合の、変位に対応した像位置の変化を示す。この図１０Ｂに示されるように、像位置の変化量が極めて小さく、像位置の変化量を１μｍ以下に抑制できていることがわかる。
【０２１３】
なお、ここで、像位置は、例えば、主光線の位置で規定する。この方法は、レンズユニット３００の収差のうち球面収差量が支配的で、コマ収差量が小さい場合に有効である。よって、このような場合に、この方法を用いることで、容易にレンズ設計ができる。
【０２１４】
また、集光スポットの重心位置を規定することは、像位置を正確に規定できるので有効である。この方法を用いることで、コマ収差が支配的なレンズユニットにおいても、ボケの少ない畳み込み画像を得ることができる。
【０２１５】
次に、ＭＴＦ特性について図１０Ｃを用いて説明する。図１０Ｃに示されるように、フォーカスレンズ３４１の変位量を、０ｍｍから０．５５ｍｍに大きく変化させたとしても、ＭＴＦが殆ど劣化しないことがわかる。
【０２１６】
また、図１０ＣのＭＴＦ性能は、５０ｌｐ／ｍｍの時のＭＴＦ性能を示し、図中の丸印は、軸上でのＭＴＦ性能を示し、図中の四角印は、７割像高でのサジタル（放射方向）におけるＭＴＦ性能を示し、三角印は、７割像高でのタンジェンシャル（円周方向）におけるＭＴＦ性能を示している。
【０２１７】
図１０Ｂ及び図１０Ｃに示すように、レンズユニット３００は、フォーカスレンズ３４１を変位させた場合の像位置の変化が少なく、かつ、良好なＭＴＦ性能を維持していることがわかる。
【０２１８】
このように、レンズユニット３００は、像位置が変化せず、しかも、良好なＭＴＦが維持できる。これは、フォーカスレンズ３４１に入射する光線の位置が、フォーカスレンズ３４１を変位させた時に変化し、その光線が、撮像素子（像面３７０）に入射する位置が変化する変化幅を、補正レンズ群３５０により抑制できるからである。つまり、補正レンズ群３５０は、上述されたフォーカスレンズ３４１の移動に起因して生じる像位置の変化を、最小限に抑制する働きを有している。
【０２１９】
なお、上述の図１０Ａ〜図１０Ｃの例では、焦点距離が１８ｍｍの場合を代表例として説明したが、焦点距離が８４ｍｍの場合、焦点距離が５ｍｍの場合においても、同様に、高性能を維持している。従って、ズーム倍率が１６倍を超え、画角も３８度を超えるような高性能ズームレンズにおいても、広角端から望遠端までの幅広い範囲でＦ−ＤＯＦ用の小型ズームレンズとして非常に良好な光学特性を実現できていることがわかる。
【０２２０】
以上、Ｆ−ＤＯＦについて詳細に述べたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、フォーカスレンズを軽量化した結果、高速にフォーカスを実施することが可能となる。よって、本発明は、高速フォーカスカメラにも有効と言える。
【０２２１】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、上記実施の形態１で説明したレンズユニット１００を備える撮像装置について説明する。
【０２２２】
図１１は、実施の形態４に係る撮像装置４００の概略構成図である。図１１に示す、撮像装置４００は、デジタルスチルカメラであり、レンズユニット１００と、ＣＭＯＳセンサである撮像素子１０３と、鏡筒４０１と、液晶モニタ４０３と、筐体４０４とを備える。
【０２２３】
レンズユニット１００は、実施の形態１で説明したレンズユニット１００である。図１１に示されるレンズユニット１００は、第１レンズ群１１０と、第２レンズ群１２０と、絞り１０２と、第３レンズ群１３０と、フォーカスレンズ群１４０と、補正レンズ群１５０とを備える。
【０２２４】
なお、以下では、図１１に示すｘ軸の正の方向を後ろと定義し、ｘ軸の負の方向を前と定義する。
【０２２５】
筐体４０４の前側にレンズユニット１００が配置され、レンズユニット１００の後ろ側に撮像素子１０３が配置されている。筐体４０４の後ろ側に液晶モニタ４０３が配置される。レンズユニット１００による被写体の光学的な像が像面１７０に形成される。
【０２２６】
鏡筒４０１は、主鏡筒４０５と、移動鏡筒４０６と、円筒カム４０７とで含む。円筒カム４０７を回転させると、第１レンズ群１１０、第２レンズ群１２０、第３レンズ群１３０、及びフォーカスレンズ群１４０は、撮像素子１０３を基準にした所定の位置に移動する。これにより、広角端から望遠端までの変倍を行うことができる。また、フォーカスレンズ群１４０は、図３の駆動部１９０の一例である、図示しないフォーカス調整用モータにより光軸方向（ｘ軸方向）に移動される。補正レンズ群１５０は、主鏡筒４０５に固定されている。
【０２２７】
フォーカス調整用モータとしては、例えば、ボイスコイルモーター（ＶＣＭ）等の磁気駆動型アクチュエータを用いる。ＶＣＭを用いることで、動画撮影が可能な３０ｆｐｍ以上の高速移動が可能となる。
【０２２８】
また、図１１には記していないが、撮像装置４００は、フォーカスレンズ群１４０の位置を検出する位置センサ−を備えることが好ましい。これにより、撮像装置４００は、フォーカスレンズ群１４０の移動幅、及び移動パターンを精密に制御できる。この場合、例えば、位置センサは、鏡筒４０１に取り付けられ、鏡筒４０１のある基準点からの絶対位置を用いてフォーカスレンズ群１４０の位置を検出する。
【０２２９】
また、位置センサを、フォーカスレンズ群１４０を保持する移動鏡筒４０６に設置し、移動鏡筒４０６の特定の基準点に対するフォーカスレンズ群１４０の位置を測定しても構わない。
【０２３０】
位置センサとしては、規則的に配列した溝パターンを光学的に読みとる光学式エンコーダ、又は、磁場により電気抵抗が変化する磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子（ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子）を用いることが好ましい。これにより、撮像装置４００は、高精度にフォーカスレンズ群１４０の位置を計測できるので、フォーカスレンズ群１４０の位置制御を容易に行うことができる。
【０２３１】
フォーカスレンズ群１４０の最大移動量は、撮影シーン及び焦点距離に応じて変化させてもよい。例えば、この最大移動量は０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度が好ましい。０．５ｍｍ以上移動させると、畳み込み画像のＳ／Ｎが劣化するとともに、ＶＣＭの消費電力も大幅に大きくなる。よって、最大移動量は０．５ｍｍ以下が好ましい。
【０２３２】
更には、Ｓ／Ｎ及びＶＣＭの消費電力の点からは、フォーカスレンズ群１４０の最大移動量は、０．３ｍｍ程度以下が好ましいと言える。
【０２３３】
また、フォーカスレンズ群１４０は、軽い方が好ましいが、０．４ｇ以下が好ましいと言える。
【０２３４】
更には、フォーカスレンズ群１４０は０．２ｇ程度の重量が好ましいと言える。レンズ重量は、撮像素子の大きさ、光の有効口径、レンズ材料、及びレンズの厚みに応じて、変化させることができる。例えば、デジタルスチルカメラの場合は、例えば、ガラスレンズを用いて、レンズ枚数を１枚にし、厚みを適切に最適化することで実現できる。本実施の形態に示したフォーカスレンズの重量は約０．２ｇで実現できている。
【０２３５】
また、フォーサーズ用のカメラおいては、撮像素子のサイズが大きくなるが、この場合も例えば、プラスチックレンズを用いることで、大幅な軽量化が可能となる。
【０２３６】
１枚のフォーカスレンズのみを用いる場合、収差特性及び像位置の変化等の光学特性が、２枚のフォーカスレンズを用いる場合よりも幾分劣化することも予想されるが、フォーカスレンズの少なくとも片面を非球面形状とすることで、光学特性を改善することができる。
【０２３７】
これにより、フォーカスレンズを３０ｆｐｍ以上の高速に変位させることができ、実用上有用である。
【０２３８】
次に、フォーカスレンズを移動させた時に、発生する、像面１７０に結像する像位置の変化について説明する。像位置の変化は、もちろん、少ない方が好ましい。特に、焦点距離が短い広角端で撮影する場合、及び被写体距離が近い場合に、像位置が大きく変化する。よって、特に近距離、及びマクロ撮影では像位置の変化が顕著であり、このような場合に特に像位置の変化を低減することが好ましい。
【０２３９】
また、望遠端で近距離を撮影する場合にも、像位置の変化は特に顕著である。被写体が無限遠の場合と、１０００ｍｍ程度の近い場合とでは、フォーカスレンズを大きく移動させなくてはならない。本実施の形態１のレンズユニット１００では、被写体が１００００ｍｍと１０００ｍｍの場合で、フォーカスレンズは約２．４ｍｍも移動する。なお、一般のズームレンズでは３．９ｍｍ程度、フォーカスレンズが移動する場合もある。この移動量が少ないということは、単位長さあたりのフォーカスレンズの移動量に対する被写体距離の移動量が増大することを意味する。つまり、フォーカスレンズの移動量は少ない方が好ましいと言える。
【０２４０】
また、像位置の変化量は、少ない方が好ましいが、撮像素子１０３における１画素以下にするのが好ましいといえる。１画素以上変化すると、肉眼でも画像のズレが検出できるため、好ましくない。
【０２４１】
もちろん、撮像した後に、撮像画像の特徴抽出点を利用して画像のズレを補正する画像処理を撮像画像に施すことで、画像のズレをある程度抑制できる。しかし、もともとの画像のズレが少ない方が、画像処理にとっても有利と言える。
【０２４２】
なお、少なくとも補正レンズ群が、フォーカスレンズ群が所定の範囲を移動した場合の撮像素子上に結像する像の位置変化が少なくなるように補正することで、像位置の変化量を抑制するという効果を実現できる。
【０２４３】
ここで、像位置として、レンズ設計上、主光線の位置、又は集光スポットの重心位置を用いることが考えられる。ズームレンズの場合は、軸上の集光スポットに比べて軸外の集光スポットはコマ収差の影響をより受ける。よって、軸外の集光スポットでは、主光線の位置と集光スポットの重心位置とがずれる場合が多い。よって、Ｆ−ＤＯＦで撮像する画像に対しては、主光線の位置の差よりも集光スポットの重心位置の差の方が像位置の変化と高い相関性がある。よって、像位置として集光スポットの重心位置を用いること好ましいといえる。
【０２４４】
また、この集光スポットの重心位置も、使用する撮像素子の画素上に形成される色フィルターの色毎に算出することが好ましい。つまり、それぞれ色で重心位置が変化しないように、補正レンズを設定することは更に好ましいといえる。
【０２４５】
例えば、ＲＧＢの原色フィルターを用いる場合は、ＲＧＢ毎に重心位置の変化が少なくなるように補正レンズを設定する。この場合も、各色の重心位置の変化は少ない方が好ましいが、１画素以下にするのが好ましい。
【０２４６】
また、ＲＧＢの重心位置の変化量だけでなく、通常のデジタルスチルカメラと同様に倍率色収差量も少ない方が好ましいのは言うまでもない。
【０２４７】
このように、デジタルスチルカメラに実施の形態１に係るレンズユニット１００を用いることにより、像位置の変化が小さく、フォーカスレンズを高速にかつ低消費電力に駆動できる、ＦＤＯＦ機能を備えた小型のデジタルスチルカメラを提供することができる。
【０２４８】
なお、撮像装置４００は、レンズユニットとして、実施の形態２に係るレンズユニット２００或いは実施の形態３に係るレンズユニット３００、又はそれらの変形例を用いてもよい。
【０２４９】
また、図１１に示される撮像装置４００の光学系は、動画像を対象とするデジタルビデオカメラに用いることもできる。この場合、静止画像だけでなく、解像度の高い動画像、さらには、被写界深度を拡張した動画像を撮影することができる。
【０２５０】
また、以上説明した実施の形態１〜３に係るレンズユニットと、ＣＭＯＳ又はＣＣＤ等の撮像素子とから構成される撮像装置を、監視システムにおける監視カメラ、Ｗｅｂカメラ、又は車載カメラ等に適用することもできる。
【０２５１】
以下、実施の形態１〜３に係るレンズユニットを具体的に実施した数値具体例を説明する。なお、各数値具体例において、表中の長さの単位は全て「ｍｍ」であり、画角の単位は全て「゜」である。また、各数値具体例において、ｒは曲率半径、ｄは面間隔、ｎｄはｄ線に対する屈折率、ｖｄはｄ線に対するアッベ数である。また、各数値具体例において、＊印を付した面は非球面であり、非球面形状は次の（数式１）で定義している。
【０２５２】
【数１】
2012157250.tif 000003
【０２５３】
ここで、ｋは円錐定数、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０及びＡ１２は、それぞれ４次、６次、８次、１０次及び１２次の非球面係数である。
【０２５４】
（数値具体例１）
数値具体例１のズームレンズ系は、図４に示した実施の形態１に係るレンズユニット１００に対応する。数値具体例１のズームレンズ系の面データを図１２に、非球面データを図１３に、各種データを図１４に示す。
【０２５５】
（数値具体例２）
数値具体例２のズームレンズ系は、図６に示した実施の形態２係るレンズユニット２００に対応する。数値具体例２のズームレンズ系の面データを図１５に、非球面データを図１６に、各種データを図１７に示す。
【０２５６】
（数値具体例３）
数値具体例３のズームレンズ系は、図８に示した実施の形態３に係るレンズユニット３００に対応する。数値具体例３のズームレンズ系の面データを図１８に、非球面データを図１９に、各種データを図２０に示す。
【０２５７】
以上、本発明の実施の形態に係るレンズユニット及び撮像装置について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
【０２５８】
例えば、上記実施の形態に係る、レンズユニット、撮像装置、及びそれらの変形例の機能のうち少なくとも一部を組み合わせてもよい。
【０２５９】
また、上記で用いた数字は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、上記で示した各構成要素の材料は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された材料に制限されない。また、構成要素間の接続関係は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係はこれに限定されない。
【０２６０】
更に、本発明の主旨を逸脱しない限り、本実施の形態に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０２６１】
本発明は、レンズユニット及び撮像装置に適用できる。また、本発明は、例えば民生用又は業務用撮像装置（デジタルスチルカメラ）などに有用である。
【符号の説明】
【０２６２】
１００、２００、３００、５００、６００  レンズユニット
１０１、５０１、６０１  倍率変更レンズ群
１０２、２０２、３０２、５０２、６０２  絞り
１０３、５０３、６０３  撮像素子
１１０、２１０、３１０  第１レンズ群
１１１、２１１、３１１  第１レンズ素子
１１２、２１２、３１２  第２レンズ素子
１１３、２１３、３１３  第３レンズ素子
１２０、２２０、３２０  第２レンズ群
１２１、２２１、３２１  第４レンズ素子
１２２、２２２、３２２  第５レンズ素子
１２３、２２３、３２３  第６レンズ素子
１３０、３３０  第３レンズ群
１３１、３３１  第７レンズ素子
１３２、３３２  第８レンズ素子
１３３，３３３  第９レンズ素子
１４０、２４０、３４０、５４０、６４０  フォーカスレンズ群
１４１、２４１、３４１  フォーカスレンズ
１５０、２５０、３５０  補正レンズ群
１５１、２５１、３５１  第１補正レンズ
１５２、２５２、３５２  第２補正レンズ
１６０、２６０、３６０  平行平板
１７０、２７０、３７０  像面
１９０  駆動部
４００  撮像装置
４０１  鏡筒
４０３  液晶モニタ
４０４  筐体
４０５  主鏡筒
４０６  移動鏡筒
４０７  円筒カム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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