(57)【要約】【課題】簡素なメカ構成で、固体撮像素子を用いたカメラの撮影光学系に好適なズームレンズを提供すること。【解決手段】物体側より順に、負の屈折力の第１群Ｌ１、正の屈折力の第２群Ｌ２、正の屈折力の第３群Ｌ３の３つのレンズ群を有するズームレンズにおいて、広角端から望遠端へのズーミングに際し、第２群Ｌ２を物体側に移動させ、第３群Ｌ３を、広角端以外のズーム位置にて最も像側に位置するように、像側に凸の軌跡もしくはこの一部を描くように移動させる。第１群Ｌ１はズーミングのためには移動させない。そして、第１群Ｌ１は、像側の面が凹面である負レンズと物体側の面が凸面である正レンズを有するよう構成し、第２群Ｌ２は、像側の面が凹面である負レンズとその像側に配置された正レンズを有するよう構成する。【選択図】　　　図１
2004046108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前方より後方へ順に、後方の面が凹面である負レンズと前方の面が凸面である正レンズとを備える負の光学的パワーの第１レンズ群と、後方の面が凹面である負レンズと該負レンズの後方に配置される正レンズとを備える正の光学的パワーの第２レンズ群と、正の光学的パワーの第３レンズ群とを有し、短焦点距離端から長焦点距離端へのズーミングに際し、前記第２レンズ群は前方に移動し、前記第３レンズ群は、短焦点距離端以外のズーム位置にて最も後方に位置するように、後方に凸の軌跡もしくはこの一部を描いて移動すると共に、前記第１レンズ群はズーミングのために移動しないズームレンズであって、短焦点距離端での前記第１レンズ群と第２レンズ群との間隔をｅ１２ｗ、短焦点距離端での前記第２レンズ群と第３レンズ群との間隔をｅ２３ｗ、長焦点距離端での第１レンズ群と第２レンズ群との間隔をｅ１２ｔ、長焦点距離端での第２レンズユニットと第３レンズユニットとの間隔をｅ２３ｔとするとき、
０．７＜（ｅ１２ｔ＋ｅ２３ｔ）／（ｅ１２ｗ＋ｅ２３ｗ）＜１．４
なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
【請求項２】
前記第２レンズ群中の負レンズの後方の面の曲率半径をＲｎ、前記第２レンズ群中の正レンズの前方の面の曲率半径をＲｐとするとき、
−０．２＜Ｒｎ／Ｒｐ＜０．５
なる条件を満足することを特徴とする請求項１のズームレンズ。
【請求項３】
前記第２レンズ群中の負レンズの焦点距離をｆ２ｎ、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
０．２＜｜ｆ２ｎ｜／ｆ２＜０．７
なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２のズームレンズ。
【請求項４】
前記第３レンズ群は１つの正レンズより成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかのズームレンズ。
【請求項５】
前記第３レンズ群の焦点距離をｆ３、短焦点距離端における全系の焦点距離をｆｗとするとき、
２．０＜ｆ３／ｆｗ＜４．５
なる条件を満足することを特徴とする請求項１〜４いずれかのズームレンズ。
【請求項６】
前記第３レンズ群を移動させてフォーカシングを行うことを特徴とする請求項１〜５いずれかのズームレンズ。
【請求項７】
前記第２レンズ群は、前記第２レンズ群中の負レンズの前方に配置され、前方の面が凸面である正レンズを有することを特徴とする請求項１〜６いずれかのズームレンズ。
【請求項８】
前記ズームレンズは固体撮像素子の感光面上に像を形成することを特徴とする請求項１〜７いずれかのズームレンズ。
【請求項９】
請求項１〜８いずれかのズームレンズと、該ズームレンズによって形成される像を受光する固体撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子を用いた撮影装置の撮影光学系に好適なズームレンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子を用いたビデオカメラ、電子スチルカメラ等の高機能化に伴い、高性能と小型化の両立が求められている。
【０００３】
この種のカメラには、レンズ最後部と撮像素子との間に光学的ローパスフィルターや色補正フィルターなどの各種光学部材を配置する必要があるため、比較的バックフォーカスの長いレンズが要求される。さらに、撮像素子を用いたカメラの場合シェーディングを避けるため像側のテレセントリック特性の良い、すなわち射出瞳が像面から十分離れたものが望まれる。
【０００４】
従来から、コンパクトなズーム構成として負−正の屈折力の２つの群を有した所謂ショートズームタイプのズームレンズが種々提案されている。これらのショートズームタイプの光学系では、正の屈折力の第２群を移動することで変倍を行い、負の屈折力の第１群を移動することで変倍に伴う像点位置の補正を行っている。さらに高性能化、小型化を図るために、特許文献１、特許文献２では、像側に負または正の屈折力の第３群を配置して収差補正を行う例が開示されている。
【０００５】
また特許文献３や特許文献４には、所望のバックフォーカスを得つつ、テレセントリック特性を満足するズームレンズ系として、負−正−正の屈折力の３群構成の光学系が開示されている。
【０００６】
また特許文献５には、負−正−正の屈折力の３群構成で、第１群、第２群をそれぞれ１枚の単レンズで構成したものが開示されている。
【０００７】
また特許文献６には、負−正−正の屈折力の３群構成のプロジェクター用光学系が開示されている。
【０００８】
また、本出願人は特許文献７において、負−正−正の屈折力の３群構成の撮影レンズを開示している。この撮影レンズではフィルター等を挿入するために必要なレンズバックの確保と、固体撮像素子用として必要なテレセントリック特性を両立した上で、比較的コンパクトなズームレンズを達成している。
【０００９】
また、負−正−正の屈折力の３群構成にて第１群を固定とした例として、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３が知られている。
【００１０】
【特許文献１】
特公平７−３５０７号公報
【特許文献２】
特公平６−４０１７０号公報
【特許文献３】
特開昭６３−１３５９１３号公報
【特許文献４】
特開平７−２６１０８３号公報
【特許文献５】
米国特許第４９９９００７号明細書
【特許文献６】
米国特許第４８２４２２３号明細書
【特許文献７】
特開２０００−１１１７９８号公報
【特許文献８】
特許第３０３５８３０号公報
【特許文献９】
特開平８−３０４７０４号公報
【特許文献１０】
特許第２５５２８６１号公報
【特許文献１１】
特開平１０−２１３７４５号公報
【特許文献１２】
特開２０００−１３７１６４号公報
【特許文献１３】
米国特許第５０１５０７７号明細書
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１、特許文献２に記載されるレンズ系は、主として３５ｍｍフィルム写真用に設計されているため、固体撮像素子を用いた光学系に求められるバックフォーカスの長さと、良好なテレセントリック特性を両立したものとは言い難い。
【００１２】
特許文献３や特許文献４に記載される光学系は、各群の構成枚数が比較的多いため、レンズ全長が長くなり、また製造コストも高くなる。また特許文献４に記載される例では、負の屈折力の第１群を移動させて近距離物体へのフォーカシングを行うため、ズーミングでの移動とあいまって第１群を移動させるための機構（メカ構造）が複雑化する。
【００１３】
特許文献５に記載されるレンズ系は、広角端でのレンズ全長が比較的大きく、更に広角端での第１群と絞りが大きく離れているため、軸外光線の入射高が大きくなり、第１群を構成するレンズの径も増大するので、レンズ系全体が大きくなっている。また、第１群、第２群は構成枚数が１枚のため群内における収差補正が不十分である。特にズーミング時の倍率色収差の変動は軸外光線の光軸からの高さの変動が大きい第１群内にて発生しやすいが、第１群を凹レンズ１枚としているので群内での補正が十分にされておらず、全系においても倍率色収差変動が大きいという課題を有する。
【００１４】
特許文献６に記載されるレンズ系は、第１群が負レンズ１枚で構成されているため群内の収差補正がなされていない。また変倍比が１．７程度であり、撮影光学系としては不十分である。
【００１５】
特許文献７に記載されるズームレンズは、変倍時に３つの群がそれぞれ異なる軌跡にて移動するため、移動群が多くメカ構造が複雑になりがちであり、鏡筒の大型化、コストの点で課題を有していた。
【００１６】
負−正−正の屈折力の３群構成にて第３群を固定とした例としては、前述の特許文献４が挙げられるが、第２群はその倍率が−１となりフォーカシング不能となる変倍位置があるため、フォーカシングは第１群もしくは第３群にて行う必要がある。第３群でフォーカシングを行う場合は３つの群がすべて移動可能な構成としなければならず、鏡筒の大型化、コストの点で課題を有する。第１群でフォーカシングを行う場合は前玉フォーカスとなるため、最短撮像距離を短縮した場合前玉径の増大を招くため小型化の点で課題がある。
【００１７】
特許文献８は第２群を物体から順に正、正、負の３枚で構成し、第２群の最終面を物体側に向けた凹面としている。この凹面と第３群の正の屈折力との組合せにて射出瞳を像面から遠ざける作用を有するが、射出瞳を遠ざけたまま第２群と第３群の間隔を詰めて全長短縮を図ろうとすると第２群の凹面と第３群の屈折力を大きくする必要があり軸外収差補正が困難となるため、射出瞳を像面から遠ざけたまま全長短縮と高性能を両立するのが難しい。
【００１８】
特許文献９では第２群と第３群の合成系にて変倍をおこなっており、広角端から望遠端へのズーミングに際し、第３群が第２群とともに物体側に大きく移動する構成となっているため第３群のシャフト長が長いという課題を有する。
【００１９】
特許文献１０、特許文献１２では第２群が正１枚もしくは２枚で構成され負レンズを含まず、ズーミングに伴う収差変動の点で課題を有する。
【００２０】
特許文献１１は第２群を正レンズ１枚、負レンズ１枚で構成しているが、第２群の正の屈折力をこの１枚の正レンズで担っているためトリプレット等の構成と比べると収差補正の点で劣り、特に高画素の撮像素子を用いたカメラ用としては課題を有する。
【００２１】
特許文献１３はマイクロフィルム投影用のレンズ系でレンズ枚数が１３枚程度と多く、小型化の点で課題を有する。
【００２２】
そこで本発明は、最小限のレンズユニットを移動させてズーミングを行わせて簡素なメカ構成とすると共に、ズーム全域に渡って諸収差が良好に補正され、全長が短くコンパクトでありながら射出瞳を像面から十分離したズームレンズシステムの提供を目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、前方より後方へ順に、後方の面が凹面である負レンズと前方の面が凸面である正レンズとを備える負の光学的パワーの第１レンズ群と、後方の面が凹面である負レンズと該負レンズの後方に配置される正レンズとを備える正の光学的パワーの第２レンズ群と、正の光学的パワーの第３レンズ群とを有し、短焦点距離端から長焦点距離端へのズーミングに際し、前記第２レンズ群は前方に移動し、前記第３レンズ群は、短焦点距離端以外のズーム位置にて最も後方に位置するように、後方に凸の軌跡もしくはこの一部を描いて移動すると共に、前記第１レンズ群はズーミングのために移動しないズームレンズであって、短焦点距離端での前記第１レンズ群と第２レンズ群との間隔をｅ１２ｗ、短焦点距離端での前記第２レンズ群と第３レンズ群との間隔をｅ２３ｗ、長焦点距離端での第１レンズ群と第２レンズ群との間隔をｅ１２ｔ、長焦点距離端での第２レンズユニットと第３レンズユニットとの間隔をｅ２３ｔとするとき、
０．７＜（ｅ１２ｔ＋ｅ２３ｔ）／（ｅ１２ｗ＋ｅ２３ｗ）＜１．４
なる条件を満足することを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明のズームレンズシステム及びそれを用いた撮像装置の実施形態について説明する。
【００２５】
図１，５，９，１３は本実施形態のズームレンズであり、それぞれ後述する数値実施例１〜４に示すものに対応している。図２〜４，６〜８，１０〜１２，１４〜１６はそれぞれ図１，５，９，１３のズームレンズの諸収差図であり、図２，６，１０，１４が広角端（短焦点距離端）、図３，７，１１，１５が中間焦点距離位置、図４，８，１２，１６が望遠端（長焦点距離端）に対応している。
【００２６】
図１，５，９，１３において、本実施形態のズームレンズは、物体側（前方）より像側（後方）へ順に、負の屈折力（光学的パワー＝焦点距離の逆数）の第１群（第１レンズ群）Ｌ１、正の屈折力の第２群（第２レンズ群）Ｌ２、そして正の屈折力の第３群（第３レンズ群）Ｌ３の３つの群を有している。第１群Ｌ１と第２群Ｌ２の間には開口絞りＳＰが配置される。ズームレンズの後方には、光学的ローパスフィルターや色フィルター、フェースプレート等に対応して設計上設けられたガラスブロックＧと、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等で構成され、ズームレンズが形成する像を受光する感光面ＩＰを備えた固体撮像素子（光電変換素子）が設けられている。
【００２７】
本実施形態のズームレンズは、広角端から望遠端へのズーミングに際して、第１群Ｌ１は移動せず（固定）、第２群Ｌ２は物体側に移動し、第３群Ｌ３は像側に凸の軌跡もしくはこの一部の軌跡にて移動する。ズーミングに際し、開口絞りＳＰは第２群Ｌ２と一体となって移動する。
【００２８】
すなわち、正の屈折力の第２群Ｌ２の移動により変倍を行い、正の屈折力の第３群Ｌ３の移動によって変倍に伴う像点の移動を補正している。また、フォーカシングも第３群Ｌ３の移動により行う。これにより移動群の数を最小限としており、駆動に伴うメカ構成を簡素化して鏡筒の小型化を図っている。
【００２９】
また第３群Ｌ３を正の屈折力とすることで、第３群Ｌ３にフィールドレンズの役割を持たせ、特に固体撮像素子等を用いた撮影装置に必要な像側のテレセントリックな結像を達成している。
【００３０】
また、第２群Ｌ２中の最も物体側のレンズは、第１群Ｌ１を射出した軸外主光線が大きく屈折して軸外諸収差が発生しないよう物体側に凸面を備えた形状にしている。また、第１群Ｌ１を発散状態で射出した軸上光束に対して球面収差の発生量を抑えるためにも、第２群Ｌ２中の最も物体側のレンズは、物体側に凸面を備えた形状とすることが好ましい。
【００３１】
さらに本実施形態のズームレンズでは、第２群Ｌ２中に像側に凹面を備えた負レンズを配置している。本実施形態のズームレンズは、前述したように、第３群Ｌ３にフィールドレンズの作用を持たせているが、射出瞳を像面から十分に遠ざけるためには軸外光束を光軸からある程度離れた状態で第３群Ｌ３に入射させたのち第３群Ｌ３にて屈曲させる必要がある。これを考慮すると、望遠端では絞りＳＰと第３群Ｌ３の間隔が大きいため軸外光束は光軸から離れて第３群Ｌ３に入射させやすいが、広角端では絞りＳＰと第３群Ｌ３との間隔が小さいために第２群Ｌ２に軸外光束を光軸から離すような作用を持たせることが必要である。
【００３２】
特に射出瞳を像面ＩＰから離しながら全長短縮のために第２群Ｌ２と第３群Ｌ３の間隔を短縮しようとすると、第２群Ｌ２の像側に向けた凹面の屈折力と凹面より像側の正の屈折力をともに大きくする必要がある。ここで軸外性能を良好にするには特に凹面より像側の正の屈折力を複数のレンズにて分担して収差の発生を最小限にとどめるのが好ましい。本実施形態では、第２群Ｌ２の負レンズより像側の正の屈折力を、第２群Ｌ２中の像側に配置された正レンズと第３群Ｌ３とで分担することでこれを実現している。
【００３３】
また、本実施形態では、第３群Ｌ３を正レンズ１枚で構成している。これによりフォーカス群が軽く構成され迅速なフォーカスが可能となるばかりか、駆動に必要な電力を抑えられるため省電力においてもメリットがある。
【００３４】
さらに、本実施形態のズームレンズは以下の条件式を満足するのが好ましい。
【００３５】
０．７＜（ｅ１２ｔ＋ｅ２３ｔ）／（ｅ１２ｗ＋ｅ２３ｗ）＜１．４　（１）
−０．２＜Ｒｎ／Ｒｐ＜０．５　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
０．２＜｜ｆ２ｎ｜／ｆ２＜０．７　　　　　　　　　　　　　　（３）
２．０＜ｆ３／ｆｗ＜４．５　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
ただし、ｅ１２ｗは広角端での第１群Ｌ１と第２群Ｌ２の間隔、ｅ２３ｗは第２群Ｌ２と第３群Ｌ３の間隔、ｅ１２ｔは望遠端での第１群Ｌ１と第２群Ｌ２の間隔、ｅ２３ｔは第２群Ｌ２と第３群Ｌ３の間隔、Ｒｎは第２群Ｌ２中の負レンズの像側の面の曲率半径、Ｒｐは第２群Ｌ２中の負レンズの像側に位置する正レンズの物体側の面の曲率半径、ｆ２ｎは第２群Ｌ２の負レンズの焦点距離、ｆ２は第２群Ｌ２の焦点距離、ｆ３は第３群Ｌ３の焦点距離、ｆｗは広角端における全系焦点距離とする。
【００３６】
条件式（１）はズーミング時の第３群Ｌ３の移動を規定する式である。第３群が完全往復移動にて広角端、望遠端にて同じ位置となる場合、式（１）は１となる。本実施形態では、第３群Ｌ３の移動を条件式（１）が１を含む範囲にて規定している。式（１）の上限を超えて第３群Ｌ３が広角端から望遠端に向かって像側方向に大きく移動する場合は射出瞳変動が大きくなるため、固体撮像素子に像を形成することを想定した場合、ズーム全域にて良好な画像を得ることができなくなり良くない。また、下限を超えて第３群Ｌ３が広角端から望遠端に向かって物体方向に大きく移動する場合は、第３群Ｌ３はズーミングのための移動と望遠端での至近合焦のための繰り出し量の和の移動量を要する。よって第３群Ｌ３を光軸方向に駆動させるためのシャフト長さが増大するため鏡筒の小型化の点で不利である。
【００３７】
条件式（２）は、第２群Ｌ２中の像側に向けた凹面とこれに隣接する凸面とで構成される空気レンズの形状を規定する式である。上限を超えて凹面の曲率半径が大きすぎる場合、凹面の屈折力が小さすぎ射出瞳を像面から十分に離すことが困難となるためよくない。また下限を超えて凹面の曲率半径が小さすぎるとこの面における軸外光束の上側マージナル光線と下側マージナル光線の入射角度の差が大きくなり特に軸外コマ収差の発生が顕著となるためよくない。
【００３８】
条件式（３）は第２群Ｌ２の負レンズの屈折力を規定する式である。上限を超えて負レンズの屈折力が小さい場合、ペッツバール和が正に大きくなるためアンダー側に像面彎曲が大きくなるためよくない。下限を超えて負レンズの屈折力が大きい場合バックフォーカスが長くなるためコンパクト化の点でよくない。
【００３９】
条件式（４）は第３群Ｌ３の屈折力を規定する式である。上限を超えて第３群Ｌ３の屈折力が小さい場合、変倍に伴う像点移動を補正するための第３群Ｌ３の移動量が大きくなりコンパクト化の点でよくない。特に第３群Ｌ３でフォーカスを行う場合は第３群Ｌ３の移動量として近距離時の繰り出し量分のストロークも確保する必要があり問題である。下限を超えて第３群Ｌ３の屈折力が大きい場合、第３群Ｌ３を１枚で構成するとペッツバール和が正に大きくなりアンダー側に像面彎曲が大きくなるため良くない。また、ズーム全域に渡り倍率色収差の発生が顕著となるのも問題である。
【００４０】
以下、各数値実施例における各条件式の値を示す。
【００４１】
【表１】
2004046108.tif 000003
【００４２】
以下に、数値実施例１〜４の数値データを示す。各数値実施例において、ｉは物体側からの面の順序を示し、Ｒｉは第ｉ面の曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間隔、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、もっとも像側の２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し、設計上設けられたガラスブロックＧである。そして、ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角である。
【００４３】
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、
【００４４】
【数１】
2004046108.tif 000004
【００４５】
で表される。但しＲは近軸曲率半径、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは非球面係数、ｋは円錐定数である。
【００４６】
【外１】
2004046108.tif 000005
【００４７】
【外２】
2004046108.tif 000006
【００４８】
【外３】
2004046108.tif 000007
【００４９】
【外４】
2004046108.tif 000008
【００５０】
次に本発明のズームレンズを撮影光学系として用いたデジタルスチルカメラの実施形態を図１７を用いて説明する。
【００５１】
図１７において、２０はカメラ本体、２１は数値実施例１〜４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。
【００５２】
このように本発明のズームレンズをデジタルスチルカメラ等の光学機器に適用することにより、小型で高い光学性能を有する光学機器が実現できる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、簡素なメカ構成で、ズーム全域に渡って諸収差が良好に補正され、全長が短くコンパクトでありながら射出瞳を像面から必要十分に離したズームレンズが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】数値実施例１のズームレンズの光学断面図である。
【図２】数値実施例１のズームレンズの広角端での収差図である。
【図３】数値実施例１のズームレンズの中間焦点位置での収差図である。
【図４】数値実施例１のズームレンズの望遠端での収差図である。
【図５】数値実施例２のズームレンズの光学断面図である。
【図６】数値実施例２のズームレンズの広角端での収差図である。
【図７】数値実施例２のズームレンズの中間焦点位置での収差図である。
【図８】数値実施例２のズームレンズの望遠端での収差図である。
【図９】数値実施例３のズームレンズの光学断面図である。
【図１０】数値実施例３のズームレンズの広角端での収差図である。
【図１１】数値実施例３のズームレンズの中間焦点位置での収差図である。
【図１２】数値実施例３のズームレンズの望遠端での収差図である。
【図１３】数値実施例４のズームレンズの光学断面図である。
【図１４】数値実施例４のズームレンズの広角端での収差図である。
【図１５】数値実施例４のズームレンズの中間焦点位置での収差図である。
【図１６】数値実施例４のズームレンズの望遠端での収差図である。
【図１７】本発明のズームレンズを備えたデジタルスチルカメラの要部概略図である。
【符号の説明】
Ｌ１　第１群
Ｌ２　第２群
Ｌ３　第３群
ＳＰ　開口絞り
Ｇ　ガラスブロック
ＩＰ　像面
【図１】
2004046108.tif 000009
【図２】
2004046108.tif 000010
【図３】
2004046108.tif 000011
【図４】
2004046108.tif 000012
【図５】
2004046108.tif 000013
【図６】
2004046108.tif 000014
【図７】
2004046108.tif 000015
【図８】
2004046108.tif 000016
【図９】
2004046108.tif 000017
【図１０】
2004046108.tif 000018
【図１１】
2004046108.tif 000019
【図１２】
2004046108.tif 000020
【図１３】
2004046108.tif 000021
【図１４】
2004046108.tif 000022
【図１５】
2004046108.tif 000023
【図１６】
2004046108.tif 000024
【図１７】
2004046108.tif 000025