２００万画素CCD用ズームレンズの開発
The Developｍent of a Zooｍ Lens Unit for a 2M pixels CCD山田智

一＊Yaｍada, Toｍokazu森伸

芳＊＊Mori, Nobuyoshi

Digital Still Caｍeras are developing rapidly. The ｍore the CCD increases in the nuｍber of pixels, thesｍaller the pixels becoｍe. And then we ｍust ｍake each part of the optical systeｍ ｍore precisely andasseｍble theｍ ｍore carefully. This is the first zooｍ lens unit for 2M pixels CCD in Konica Corporation.
We have reduced the sensitivity of lens de-center errors. And we have optiｍized the shape of CAM inorder to reduce the fluctuation of the zooｍing torque. Through these studies, we have achieved the highperforｍance zooｍ lens unit which can be ｍanufactured easily.

１（Ⅰ） 正群先行型

はじ め にズーミングの際に固定された正のレンズ群、その後方デジタルスチルカメラは100万画素から200万画素へ単の負の変倍群、そしてピント位置を補償するための正の焦点からズームへと移行し、より高性能なレンズが求めレンズ群が並ぶものが基本で、この補償群の前後に固定られるようになってきた。そのためレンズ設計や機構部のレンズ群が配置される場合もある。また、最近では補品に今まで以上に高精度な技術が求められている。

償群のズーミングの移動量を大きして、積極的に変倍機

本レンズは当社初の3倍ズーム機で、当時未発売だっ能を分担させ、負の変倍群の負担を軽減した設計もある。

た200万画素CCD用レンズユニットとして開発が進めらこのタイプのズームレンズは、変倍比を大きくするこれた。本稿ではデジタルスチルカメラ用ズームレンズユとができ、3倍以上のズームレンズに良く用いられる。

ニットの光学設計と機構設計について報告する。

また、絞り前後の屈折力配分に対称性があり、広角端の２たる型の歪曲収差が小さい。しかし鏡胴構造が複雑にな

光学 設 計２．１

り、携帯時にレンズ鏡胴を小さく収納する沈胴に向かな

デジタルカメラ用の撮影レンズ

い。

デジタルカメラと銀塩写真の撮影レンズの違いは、第（Ⅱ） 負群先行型

1に撮像素子にCCDを用いるため、レンズにテレセント負のレンズ群の後方に正の変倍群を配置し、正の変倍リック性が必要になること、第2にレンズ後方にローパ群を移動させて変倍し、両方のレンズ群を前後に移動さスフィルター等が必要であること、第3にレンズに要求せることでピントを保つ方式である。

される高い解像力である。

テレセントリック性を得るため絞りは正の変倍群の前

特に解像力はCCDの画素数が35万画素から100万画素、200万画素と急速に増加しておりその画素ピッチは7.4μ方に置かれるが、そのため絞り前後の屈折力配置が非対称になり、たる型の歪曲収差が大きくなり易い。

から3.9μと約半分になり、レンズに必要な解像力は200万画素クラスでは130本/㎜以上となる。
この光学性能を維持するためには、製造誤差を極限まで小さくする必要があるが、コストアップは避けられず、光学設計や製造技術の工夫が必要となっている。
２．２ ズームレンズのタイプ
テレセントリック性が要求されるため、銀塩写真用とは異なったレンズタイプが用いられる。デジタルカメラ用のズームレンズのタイプはFig.１に示すように2つに分けられる。
＊OPTカンパニー オプト開発グループ＊＊OPTカンパニー 光学開発センター

Fig.１ デジタルカメラ用ズームレンズタイプ

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79また、変倍比を大きくすると変倍群の倍率範囲が−1

誤差感度の原因は、変倍レンズ群のペッツバール和を倍を含むため、リアフォーカスできないという問題があ小さくするためにこのレンズの負の屈折力が大きくなり、る。

特に像側の面に屈折力が集中してしまうことである。

このため変倍レンズ群の後方にフォーカシング用のレこの負レンズの屈折力ｐは以下の式で表される。
ｐ＝ｐ１＋ｐ２−（ｄ／ｎ）ｐ１ｐ２

ンズ群を配置する変形タイプが用いられる。
全レンズ群が変倍の際に移動する構造で、沈胴機構がここで、ｄはレンズの厚さ、ｎは硝材の屈折率であり、比較的容易なことから、本レンズでは（Ⅱ）のタイプをｐ１、ｐ２は前後各面での屈折力である。ｐ１、ｐ２は各面採用することにした。本レンズの断面図をFig.２に示す。の曲率半径をそれぞれｒ１、ｒ２とすると以下の式で表される。
ｐ１＝（ｎ−１）／ｒ１ , ｐ２＝（１−ｎ）／ｒ２
ｐ１、ｐ２＜０である。したがって、¦ｐ¦を保って、ｐ２を小さくするには2つの方法が考えられる。

Fig.２ 本レンズ断面図

２．３

Fig.３ レンズ偏芯の評価

レンズ設計の工夫

本レンズの光学設計では、200万画素DSCに求められる高品位の画像を得るため、以下の2点を目標に置いた。

第1にｄを厚くすることである。これは特にDSC用の・歪曲収差を十分に補正する。

撮影レンズで良く見られる方法である。しかし、十分な・製造誤差を含めた画質の向上。

効果を得るためにはかなり厚肉のレンズとなり、レンズ歪曲収差の補正の研磨加工性が悪く、また沈胴時のカメラの厚さを薄く（Ⅱ）のタイプのズームレンズの欠点である歪曲収差をする障害になる。

補正する方法としては、変倍レンズ群後方のCCDの近くにフォーカス用のレンズを配置し、このレンズを非球面にすることで歪曲収差を補正するものが知られている。
しかし、実際に設計を行ってみると、この方法では歪曲収差が十分に補正できないことが分かった。そこで本レンズではFig.２のように前群の一番前に正レンズを配置することにした。 前玉径が大きくなるが、歪曲収差はワイドで−3％以下となった。他社の実施例の−5％に対し良好に補正されている。
誤差感度対策Fig.３

は誤差感度対策前のTELEでの断面図である
Fig.４ 誤差感度の低減方法

が、変倍レンズ群中の負レンズのシフト感度について評価すると、レンズシフト量の4倍が像面の傾きとなり片ぼけが発生することが分かった。画素ピッチが3.9μで第2の方法はFig.４のようにこの負レンズを2つの薄いあることより像面の傾きの許容量は20μ程度と見込まれ、レンズに分離することである。各レンズはそれぞれｐ１，レンズシフトの許容量は5μと厳しい値になる。部品精ｐ２の屈折力を有しており、2つのレンズの間が空気に置度の追い込みや調整では実現が困難と判断し、レンズ設き換わっている。したがって、負レンズの屈折力ｐを表計で誤差感度の低減を検討した。

す式において、ｄ／ｎがｄ／1.0と置換される。ｎは1.080

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より大きいのでこれはｄがｎ倍大きくなったのと同じ効回す力が小さく、しかも回転角が大きくならないような果を得ることが分かる。

カム形状が必要になった。

本レンズでは沈胴時の大きさと誤差感度の低減のため、
Fig.３に示すように第2の方法を採用した。また分離したレンズの一方を正レンズと接合したので、更に組み立ての際に偏心が起こりにくくなった。
(B)では図中の負レンズのシフトによる像面の片ぼけの感度が4倍から1.2倍と低減でき、レンズシフトの許容量は16.7μと通常の部品精度で組み立て可能となった。
２．４

本レンズのスペックと結像性能

以上のようにして設計されたズームレンズのスペックをまとめて以下に示す。
・ＣＣＤ：1/2 inch 有効画素 200万

Fig.６ カム形状

・焦点距離：6.9〜20.7㎜（35㎜版38〜115相当）
・Ｆｎｏ：2.8〜4.1

３．２

カム溝立上り角と作動トルクの関係

・レンズ構成：9群10枚（非球面レンズ1枚）

カム筒を用いてズーミングを行なう場合、作動トルク

・撮影距離：0.6ｍ〜∞（マクロ：0.2ｍ〜∞）はカム形状の立上り角によって変化する。Fig.７にカム

また結像性能として、Fig.５にＭＴＦと歪曲収差図を示

溝の立上り角とカム筒を回転させる力Fと駆動させられす。本レンズの解像力はワイドで320本/㎜テレで250本るレンズの負荷Wとの関係を示す。立上り角が大きい/㎜に達する。

ほどカム筒を回すのに大きな力が必要なことが分かる。

Fig.７ カム溝立上り角とレンズ負荷の関係

この関係をより詳しく示すために、入力＝Fに対する出力＝Wの比として表したのがFig.８である。
Fig.５ MTFと歪曲収差図

３機構 設 計

３．１

ズームカム形状の特徴

本レンズは第1群と第2群を移動させることでズームを行なう。通常のLSカメラ用ズームレンズのように倍率が一定に変化する場合のカム形状をFig.６に示す。
このカム形状をみるとWideとTele付近での立上り角がかなり大きくなっている。また、第1群と第2群の間隔が大きく変化し、第1群と第2群の間をつないでいるバネFig.８ 立上り角と入出力比の引き合う力が増えるという特徴がある。これらはズー
ム作動を悪くする要因となる。また、本レンズでは高精立上り角が30°前後では入出力比が1前後である。こ

度に位置決めするために3本のカム溝を120度均等に配置

れは入力とほぼ同じ負荷のレンズが移動できることを示してティルト成分を小さくした。そのため、カム溝どうしている。しかし、70°付近ではマイナスに転じる。こしが重ならないように回転角をできるだけ小さくしなけ

れは、摩擦力によってどれだけ大きな力を与えてもレンればならないという制約もあった。このため、カム筒をズが移動できなくなることを示している。

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81通常はこの立上り角をできるだけ小さくするが、回転ンでは立上り角を大きくすることで全体の回転角をでき角が大きくなるという問題が生じる。

るだけ抑えながら必要な力が大きくならない様に工夫し３．３た。

バネによる負荷

本レンズは第1群と第2群を移動させることでズームを行なうが、これらはコイルバネによって引き合いカム溝の片斜面だけ常に沿う様にして位置精度を維持している。

３．５

結果TeleからWide方向へカム筒を回すのに必要な力（レンズの負荷）をFig.10に示す。

コイルバネの荷重は全長の伸びに比例する。そのため、当初はMiddle位置とWide位置でカム筒を回す力のピー第1群と第2群の間隔が変動するとバネの引き合う力も大クが発生していた。しかし、対策後はなめらかに傾斜しきく変化し必要以上の力が発生したり、反対に弱すぎたて全体的に変動を小さくすることができた。カム形状のりといった問題が生じる。

修正はズームの変倍が不自然にならない範囲で行ないま

コイルバネの負荷変動を小さくするには群間距離の変た回転角の増加もできるだけ少なく抑えた。

化を小さくする必要があるが、レンズ位置を変えることこのように、カム溝の立上り角とバネ荷重からカム筒はできない。そのためバネの全長を大きくしてバネの伸を回転させるのに必要な力を予測し、負荷ピークと変動びる比率を小さくした。レンズを小さく沈胴収納するたの小さいズーム作動のカム形状を設計することができた。

めにバネの全長には制限があり、本レンズではバネの負荷変動が3倍と大きくなってしまった。このため、カムまた負荷変動が少ないことによりズームスピードが一定になったり、作動音の安定といった効果もあった。

溝の立上り角だけでなくレンズの負荷変動も考えたカム溝の設計が必要となった。
３．４

カム形状の最適化

カム筒を回す力を小さくするにはカム溝の立上り角、レンズの負荷の変動を考慮しなければならない。
カムの立上り角とバネの負荷と移動枠の自重を考慮した場合の関係式を次に示す。
Ｆ＝［レンズ負荷］／［入出力比］＝（［バネ荷重］+［レンズ自重］）／［入出力比］
この関係を第1群、第2群についてそれぞれのズームポジションで計算したものが実際にカム筒を回転させるのに必要な力となる。
Fig.10 対策結果

４

まと め

本開発では偏芯誤差の解析をおこない、厚肉レンズの分割による面の屈折力の低減、接合などレンズ構成を工夫したことにより、偏芯感度が小さく組み立て易く高性能なズームレンズを設計することができた。また、作動トルクを解析しカム形状を最適化して、負荷変動が少な
くスムーズに駆動するズーム機構の開発に成功した。
今後は更にコストダウンを追求しながら高画素化へ向けたレンズユニットの開発に取り組んでいきたい。
Fig.９ カム形状の修正●参考文献
１）桐木俊彦、森伸芳 デジタルカメラのレンズ設計 、光アライ

本レンズについてこの力を計算したところ、バネの負荷変動以上に大きな力が必要となるズームポジションのアンス vol.10, No.4 (1999)
２）森伸芳 特開平9-236748
３）森伸芳、佐藤正江 特開平11-142733

あることが分かった。そのため、対策としてFig.９に示すようにカム筒を回転させる力が大きいズームポジショ
ンではカム溝立上り角を小さくし、小さいズームポジショ

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