(57)【要約】【課題】高性能なズームレンズ系を備えながら、コンパクトな撮像装置を提供する。【解決手段】本発明に係る撮像装置は、複数のレンズ群を有し、該複数のレンズ群間の間隔を変化させることによって物体の光学像を連続的に光学的に変倍可能に形成するズームレンズ系と、ズームレンズ系が形成した光学像を電気信号に変換する撮像素子を備えた撮像装置であって、前記ズームレンズ系は、物体側から順に、全体として正のパワーを有する第１レンズ群と、前記第１レンズ群との間に変化可能な空気間隔を隔てて配置され、負のパワーを有する第２レンズ群と、前記第２レンズ群との間に変化可能な空気間隔を隔てて配置され、全体として正のパワーを有するとともに、光束を略９０°折り曲げる反射面を含む第３レンズ群と、を含むとともに、前記第３レンズ群は、物体側から順に、反射面と、反射面とは空気間隔を経て配置された正パワーのレンズ素子と、から構成される【選択図】　　　図１
2004102090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレンズ群を有し、該複数のレンズ群間の間隔を変化させることによって物体の光学像を連続的に光学的に変倍可能に形成するズームレンズ系と、ズームレンズ系が形成した光学像を電気信号に変換する撮像素子を備えた撮像装置であって、
前記ズームレンズ系は、物体側から順に、
全体として正のパワーを有する第１レンズ群と、
前記第１レンズ群との間に変化可能な空気間隔を隔てて配置され、負のパワーを有する第２レンズ群と、
前記第２レンズ群との間に変化可能な空気間隔を隔てて配置され、全体として正のパワーを有するとともに、光束を略９０°折り曲げる反射面を含む第３レンズ群と、を含むとともに、
前記第１レンズ群、第２レンズ群は、ともに、物体側から順に、それぞれ独立した負パワーのレンズ素子と、正パワーのレンズ素子の２枚から構成されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
絞りを反射面の像側に配置したことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第１レンズ群及び第３レンズ群は、ズーミングに際して撮像素子に対して固定されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項４】
前記ズームレンズ系の最も像側の面と、前記撮像素子との間に、光学的ローパスフィルタを配置していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかの撮像装置を備えたデジタルカメラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ　電荷結合素子）やＣＭＯＳセンサ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　相補性金属酸化膜半導体センサ）等の受光面上に形成された光学像を電気信号に変換する撮像素子を備えた撮像装置に関し、特にデジタルカメラ；パーソナルコンピュータ，モバイルコンピュータ，携帯電話，情報携帯端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）等に内蔵又は外付けされるカメラの主たる構成要素である撮像装置に関するものである。詳しくは、特にズームレンズ系を備えた小型の撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、銀塩フィルムの代わりにＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子を用いて、光学像を電気信号に変換し、そのデータをデジタル化して記録したり転送したりするデジタルカメラが急速に普及してきている。このようなデジタルカメラにおいては、最近、２００万画素や３００万画素といった高画素を有するＣＣＤやＣＭＯＳセンサが比較的安価に提供されるようになったため、撮像素子を装着した高性能な撮像装置に対する需要が非常に増大しているおり、特に、画質を劣化させずに変倍が可能なズームレンズ系を搭載したコンパクトな撮像装置が切望されている。
【０００３】
さらに、近年では、半導体素子等の画像処理能力の向上により、パーソナルコンピュータ，モバイルコンピュータ，携帯電話，情報携帯端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）等に撮像装置が内蔵又は外付けされるようになっており、高性能な撮像装置に対する需要に拍車をかけている。
【０００４】
このような撮像装置に用いられるズームレンズ系としては、最も物体側から順に、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、後続するレンズ群から構成される、いわゆるプラスリードのズームレンズ系が多数提案されている。プラスリードのズームレンズ系は、高倍率化が比較的容易であり、かつフォーカス群を最物体側に配置されたレンズ群以外の群で行えるため、リアフォーカスやインナーフォーカス方式に好適である、という特長がある。
【０００５】
これとは異なり、プラスリードのズームレンズ系としては、従来から銀塩フィルム用カメラの撮影レンズ系として提案されたズームレンズ系がある。しかしながら、これらのズームレンズ系は、特に最短焦点距離状態でのレンズ系の射出瞳位置が比較的像面の近くに位置するため、特に高画素を有する撮像素子の各画素に対応して設けられたマイクロレンズの瞳と整合せず、周辺光量が十分に確保できないという問題があった。また、変倍時に射出瞳位置が大きく変動するため、マイクロレンズの瞳の設定が困難であるという問題もあった。また、そもそも銀塩フィルムと撮像素子では、求められる空間周波数特性等の光学性能が全く異なるため、撮像素子に要求される十分な光学性能を確保できなかった。このため、撮像素子を備えた撮像装置に最適化された専用のズームレンズ系を開発する必要が生じている。
【０００６】
一方、撮像装置を小型化するために、ズームレンズ系を光路の途中で折り曲げ、光路長を変化させずにコンパクト化を図かる提案が成されている。例えば、特開平１０−２０１９１号公報には、プラスリードのズームレンズ系の第３レンズ群において、光路上に反射面を設けて略９０°折り曲げた後、移動レンズ群を経て撮像素子上に光学像を形成する撮像装置が提案されている。同公報開示の撮像装置は、平凸レンズの凸面を物体側に向け、平面側に反射面を有するプリズムを一体的に配置して第３レンズ群を構成し、この反射面で光路を略９０°折り曲げた後、可動の正パワーを有する第４レンズ群を経て撮像素子に至る構成を有している。
【０００７】
また別の例として、特開平１１−２５８６７８号公報には、負メニスカス形状の固定レンズ素子、可動の正レンズ群の像側に反射面を設け、この反射面で光路を略９０°折り曲げた後、正レンズ群を経て撮像素子に至る構成が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−２０１９１号公報に記載されているズームレンズ系は、まだコンパクト化への改善の余地があった。
【０００９】
一方、特開平１１−２５８６７８号公報においては、鏡胴の構成のみしか開示されておらず、具体的なズームレンズ系の構成が不明であるという問題があった。ズームレンズ系を備えた撮像装置では、体積的に最も大きな空間を占めるズームレンズ系を最適化しない限り、全体の小型化を達成することは困難である。
【００１０】
本発明は、以上の課題に鑑み、高性能なズームレンズ系を備えながら、コンパクトな撮像装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る撮像装置は、複数のレンズ群を有し、該複数のレンズ群間の間隔を変化させることによって物体の光学像を連続的に光学的に変倍可能に形成するズームレンズ系と、ズームレンズ系が形成した光学像を電気信号に変換する撮像素子を備えた撮像装置であって、前記ズームレンズ系は、物体側から順に、全体として正のパワーを有する第１レンズ群と、前記第１レンズ群との間に変化可能な空気間隔を隔てて配置され、負のパワーを有する第２レンズ群と、前記第２レンズ群との間に変化可能な空気間隔を隔てて配置され、全体として正のパワーを有するとともに、光束を略９０°折り曲げる反射面を含む第３レンズ群と、を含むとともに、前記第３レンズ群は、物体側から順に、反射面と、反射面とは空気間隔を経て配置された正パワーのレンズ素子と、から構成されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の別の側面は、上記撮像装置を含むデジタルカメラであることを特徴とする。なお、デジタルカメラの語は、従来は専ら光学的な静止画を記録するものを指していたが、動画を同時に扱えるものや家庭用のデジタルビデオカメラも提案されており、現在では特に区別されなくてなってきている。したがって、以下、デジタルカメラの語は、デジタルスチルカメラやデジタルムービー等の撮像素子の受光面上に形成された光学像を電気信号に変換する撮像素子を備えた撮像装置を主たる構成要素とするカメラをすべて含むものとする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
【００１４】
本発明の一実施形態である撮像装置は、例えば図６に示すように、物体側（被写体側）から順に、物体の光学像を変倍可能に形成するズームレンズ系とＴＬ、光学的ローパスフィルタＬＰＦと、ズームレンズ系ＴＬにより形成された光学像を電気的な信号に変換する撮像素子ＳＲと、で構成されている。また、ズームレンズ系は、内部に反射面を有するプリズムＰＲを有する第１レンズ群Ｇｒ１と、後続するレンズ群を含んでいる。撮像装置は、デジタルカメラ；ビデオカメラ；パーソナルコンピュータ，モバイルコンピュータ，携帯電話，情報携帯端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）等に内蔵又は外付けされるカメラの主たる構成要素である。
【００１５】
ズームレンズ系ＴＬは、第１レンズ群Ｇｒ１、第２レンズ群Ｇｒ２、第３レンズ群Ｇｒ３を含む複数のレンズ群から構成されており、各レンズ群の間の間隔を変化させることによって光学像の大きさを変化させることが可能である。第１レンズ群Ｇｒ１は正のパワー、第２レンズ群Ｇｒ２は負のパワー、第３レンズ群Ｇｒ３は正のパワーをそれぞれ有しており、第３レンズ群Ｇｒ３は内部に物体光の光軸を略９０°折り曲げるプリズムＰＲを有する。
【００１６】
光学ローパスフィルタＬＰＦは、撮影レンズ系の空間周波数特性を調整し撮像素子で発生する色モアレを解消するための特定の遮断周波数を有している。実施形態の光学ローパスフィルタは、結晶軸を所定方向に調整された水晶等の複屈折材料や偏光面を変化させる波長板等を積層して作成された複屈折型ローパスフィルタである。なお、光学ローパスフィルタとしては、必要な光学的な遮断周波数の特性を回折効果により達成する位相型ローパスフィルタ等を採用してもよい。
【００１７】
撮像素子ＳＲは、複数の画素を有するＣＣＤからなり、ズームレンズ系が形成した光学像をＣＣＤで電気信号に変換する。撮像素子ＳＲで生成された信号は、必要に応じて所定のデジタル画像処理や画像圧縮処理等を施されてデジタル映像信号としてメモリー（半導体メモリー，光ディスク等）に記録されたり、場合によってはケーブルを介したり赤外線信号に変換されたりして他の機器に伝送される。なお、ＣＣＤの代わりにＣＭＯＳセンサ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いてもよい。
【００１８】
図１乃至図２は、本発明の第１乃至第２実施形態の撮像装置に含まれるズームレンズ系の最短焦点距離状態でのレンズ配置を示す構成図である。なお、各図においては、内部反射面を有するプリズムＰＲを平行平板で表し光路を直線的に表している。
【００１９】
第１の実施形態の撮像装置に用いられるズームレンズ系は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ形状の第１レンズ素子Ｌ１と両凸形状の正レンズ素子Ｌ２とから構成される第１レンズ群Ｇｒ１と、両凹形状の第３レンズ素子Ｌ３と物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ形状の第４レンズ素子Ｌ４とから構成される第２レンズ群Ｇｒ２と、プリズムＰＲと絞りＳＴと物体側に凸面を向けた正メニスカス形状の第５レンズ素子Ｌ５と、両凸形状の第６レンズ素子Ｌ６と両凹形状の第７レンズ素子Ｌ７を物体側からこの順に接合してなる第１接合レンズＤＬ１からなる第４レンズ群、、光学的ローパスフィルタに相当するＬＰＦから構成されている。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Ｇｒ１と第３レンズ群Ｇｒ３は撮像素子に対して固定されており、第２レンズ群Ｇｒ２は像側へ単調に移動し、第４レンズ群Ｇｒ４は一旦物体側へ移動した後像側へＵ字状の軌跡を描いて移動する。なお、第３レンズ素子Ｌ３の像側面、第７レンズ素子Ｌ７の像側面がそれぞれ非球面形状となっている。なお、第１実施形態の撮像装置のズームレンズ系の広角端での使用状態を図５に示す。
【００２０】
第２の実施形態の撮像装置に用いられるズームレンズ系は、物体側から順に、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ形状の第１レンズ素子Ｌ１と両凸形状の正レンズ素子Ｌ２とから構成される第１レンズ群Ｇｒ１と、両凹形状の第３レンズ素子Ｌ３と物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ形状の第４レンズ素子Ｌ４とから構成される第２レンズ群Ｇｒ２と、プリズムＰＲと絞りＳＴと物体側に凸面を向けた正メニスカス形状の第５レンズ素子Ｌ５と、両凸形状の第６レンズ素子Ｌ６と両凹形状の第７レンズ素子Ｌ７を物体側からこの順に接合してなる第１接合レンズＤＬ１、光学的ローパスフィルタに相当するＬＰＦから構成されている。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Ｇｒ１と第３レンズ群Ｇｒ３は撮像素子に対して固定されており、第２レンズ群Ｇｒ２は像側へ単調に移動し、第４レンズ群Ｇｒ４は一旦物体側へ移動した後像側へＵ字状の軌跡を描いて移動する。なお、第３レンズ素子Ｌ３の像側面、第７レンズ素子Ｌ７の像側面、第８レンズ素子Ｌ８の物体側面及び像側面がそれぞれ非球面形状となっている。
【００２１】
各実施形態のズームレンズ系は、第３レンズ群内部に物体光の光軸を略９０°折り曲げる反射面を持つようリズムＰＲを備えている。このように、物体光の光軸を略９０°折り曲げることにより、撮像装置の見かけ上の薄型化を達成することが可能になる。
【００２２】
デジタルカメラを例に考えた場合、装置中で最も大きな体積を占有するのは、ズームレンズ系を含めた撮像装置である。特に、デジタルカメラで従来のレンズシャッタータイプのフィルムカメラのように、光軸の方向を変更することなくズームレンズ系に含まれるレンズや絞り等の光学要素を直線的に配列した場合、カメラの厚み方向の大きさは、撮像装置に含まれるズームレンズ系の最も物体側の構成から撮像素子までの大きさで事実上決定される。ところが、近年の撮像素子に対する高画素化に伴い、撮像装置の収差補正レベルも飛躍的に向上している。このため、撮像装置に含まれるズームレンズ系のレンズ素子の枚数も増大する一方であり、非使用時（いわゆる沈胴状態）でもレンズ素子の厚みのため薄型を達成することが困難になっている。
【００２３】
これに対し、各実施形態のズームレンズ系のように反射面により物体光の光軸を略９０°折り曲げる構成を採用することにより、非使用時には撮像装置の厚さ方向の大きさを最も物体側のレンズから反射面までの大きさまで小さくすることが可能になるため、撮像装置の見かけ上の薄型化を達成することが可能になるのである。また、反射面により物体光の光軸を略９０°折り曲げる構成を採用することにより、反射面近傍では物体光の光路を重ね合わせることができるため、空間を有効に使用することができ、撮像装置のさらなる小型化を達成することができる。
【００２４】
反射面の位置は、最も物体側の第１レンズ群Ｇｒ１が正のパワーを備え、第１レンズ群Ｇｒ１の像側に配置された第２レンズ群Ｇｒ２が負のパワーを備え、第３レンズ群Ｇｒ３が正のパワーを備えたズームレンズ系の構成の場合、第３レンズ群Ｇｒ３内部であることが望ましい。正負で始まるいわゆるプラスリード光学系の場合、負パワーの第２レンズ群Ｇｒ２と正パワーの第３レンズ群Ｇｒ３間のいずれかに絞りＳＴが配置されるので、第３レンズ群Ｇｒ３近傍で光束が収束している。したがって、第３レンズ群Ｇｒ３に反射面を配置すると、反射面の大きさを最少にすることができ望ましい。
【００２５】
反射面は、（ａ）内部反射プリズム（実施形態）、（ｂ）表面反射プリズム、（Ｃ）内部反射平板ミラー、（ｄ）表面反射ミラー、のいずれを採用してもよいが、（ａ）内部反射プリズムが最適である。内部反射プリズムを採用することにより、物体光がプリズムの媒質中を通過することになるため、プリズムを透過する際の面間隔は、媒質の屈折率に応じて通常の空気間隔よりも物理的な間隔よりも短い換算面間隔になる。このため、反射面の構成として内部反射プリズムを採用した場合、光学的に等価な構成を、よりコンパクトなスペースで達成することができ望ましい。
【００２６】
反射面を内部反射プリズムで構成する場合、プリズムの材質は、以下の条件を満足することが望ましい。
【００２７】
Ｎｐ≧１．５５・・・・（１）
ただし、
Ｎｐはプリズムの材質の屈折率、
である。
【００２８】
プリズムの屈折率が上記の範囲を下まわると、コンパクト化への寄与が小さくなり好ましくない。
【００２９】
さらに、上記範囲に加えて以下の範囲にあることが好ましい。
【００３０】
Ｎｐ≧１．７・・・・（１）’
また、反射面は、完全な全反射面でなくてもよい。反射面のうち一部分の反射率を適宜調整して一部の物体光を分岐するようにし、測光や測距用のセンサに入射させてもよい。さらに、反射面全面の反射率を適宜調整してファインダ光を分岐させてもよい。
【００３１】
前記第１レンズ群、第２レンズ群は、ともに、物体側から順に、それぞれ独立した負パワーのレンズ素子と、正パワーのレンズ素子の２枚から構成されていることが望ましい。ズームレンズ系では、各レンズ群ごとに色収差の補正を行わなければならないため、少なくとも正レンズ素子と負レンズ素子が１枚づつ必要となる。第１レンズ群Ｇｒ１、第２レンズ群Ｇｒ２を、それぞれ最少枚数である正負２枚構成にすることによりコンパクトなズームレンズ系を達成することができる。このとき、いずれのレンズ群も物体側から、負レンズ素子、正レンズ素子の順にすることにより、特に広角側での光軸に対する傾斜角が大きい周辺光束を緩めながら第３レンズ群Ｇｒ３へ導くのために、高次コマ収差と像面湾曲を良好に補正することが可能となる。
【００３２】
絞りＳＴは、第３レンズ群Ｇｒ３中の反射面の像側に配置されることが望ましい。この構成により、絞り直前の十分に収束した光束を反射面で反射させることになるため、反射面を十分に小さくすることができ好適である。特に反射面を内部反射プリズムで構成する場合、反射面の小型化はプリズムの小型になるため、撮像ユニット全体の小型化、軽量化に大きく寄与することになり、望ましい。
【００３３】
各実施形態を構成している各レンズ群は、入射光線を屈折により偏向させる屈折型レンズ（つまり、異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレンズ）のみで構成されているが、これに限られない。例えば、回折により入射光線を偏向させる回折型レンズ，回折作用と屈折作用との組合わせにより入射光線を偏向させる屈折・回折ハイブリッド型レンズ，入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布レンズ等で、各レンズ群を構成してもよい。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明を実施した撮像装置に含まれるズームレンズ系の構成等を、コンストラクションデータ，収差図等を挙げて、更に具体的に説明する。ここで実施例として説明する実施例１乃至２は、前述した第１乃至第２の実施形態にそれぞれ対応しており第１乃至第２の実施形態を表すレンズ構成図（図１乃至２）は、対応する実施例１乃至２のレンズ構成をそれぞれ示している。
【００３５】
各実施例のコンストラクションデータにおいて、ｒｉ　（ｉ　＝　１，２，３．．．．）は物体側から数えてｉ番目の面の曲率半径（ｍｍ）、ｄｉ　（ｉ　＝　１，２，３．．．．）は物体側から数えてｉ番目の軸上面間隔（ｍｍ）を示しており、Ｎｉ　（ｉ　＝　１，２，３．．．．），νｉ（ｉ　＝　１，２，３．．．．）は物体側から数えてｉ番目の光学要素のｄ線に対する屈折率（Ｎｄ），アッベ数（νｄ）を示している。また、コンストラクションデータ中、ズーミングにおいて変化する軸上面間隔は、最短焦点距離状態（広角端、Ｗ）〜中間焦点距離状態（ミドル、Ｍ）〜最長焦点距離状態（望遠端、Ｔ）での可変間隔の値を示す。各焦点距離状態（Ｗ），（Ｍ），（Ｔ）に対応する全系の焦点距離（ｆ，ｍｍ）及びＦナンバー（ＦＮＯ）を他のデータと併せて示す。
【００３６】
曲率半径ｒｉに＊が付された面は、非球面で構成された面であることを示し、非球面の面形状を表す以下の式（ＡＳ）で定義されるものとする。各実施例の非球面データを他のデータと併せて示す。
【００３７】
2004102090.tif 000003
2004102090.tif 000004
2004102090.tif 000005
2004102090.tif 000006
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図３乃至図４は実施例１〜実施例２の収差図であり、各実施例のズームレンズ系の無限遠合焦状態での収差を表している。図３乃至図４中、（Ｗ）は最短焦点距離状態、（Ｍ）は中間焦点距離状態、（Ｔ）は最長焦点距離状態における諸収差｛左から順に、球面収差等、非点収差、歪曲収差、Ｙ’（ｍｍ）は撮像素子上での最大像高（光軸からの距離に相当）｝を示している。球面収差図において、実線（ｄ）はｄ線に対する球面収差、一点鎖線（ｇ）はｇ線に対する球面収差、二点鎖線（ｃ）はｃ線に対する球面収差、破線（ＳＣ）は正弦条件を表している。非点収差図において、破線（ＤＭ）はメリディオナル面での非点収差、実線（ＤＳ）はサジタル面での非点収差を表している。また、歪曲収差図において、実線はｄ線に対する歪曲％を表している。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、各実施形態のズームレンズ系によれば、高性能で高倍率ズームレンズ系を備えながら、コンパクトな、撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態（実施例１）のレンズ構成図。
【図２】第２の実施形態（実施例２）のレンズ構成図。
【図３】実施例１の無限遠合焦状態での収差図。
【図４】実施例２の無限遠合焦状態での収差図。
【図５】実施例１の使用状態を示す構成図。
【図６】本発明の概略を示す構成図。
【符号の説明】
ＬＰＦ：光学的ローパスフィルタに相当する平行平面板
ＳＲ：撮像素子
ＴＬ：ズームレンズ系
Ｇｒ１：第１レンズ群Ｇｒ１
Ｇｒ２：第２レンズ群Ｇｒ２
Ｇｒ３：第３レンズ群Ｇｒ３
ＰＲ：内面反射プリズム
ＳＴ：絞り
【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５】
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【図６】
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