200万画素ＣＣＤ用高変倍ズームレンズの開発
The Development of a High Zoom Ratio Lens Unit for a 2M-pixel CCD沼口貴幸＊

Numaguchi, Takayuki

佐藤裕

志＊Sato, Hiroshi

The digital still camera (DSC) market is growing rapidly, fueled by ever-rising consumer expectations ofhigher CCD pixel counts and higher zoom ratios. But the greater the number of CCD pixels and the higher
the zoom ratio, the more sensitive the zoom lens becomes to fabrication error. To meet this demand forgreater precision in manufacture, we combined advances in lens barrel structure with improvements in theprocesses of polishing, cementing, and assembling lenses to develop an 8x zoom lens unit whose highresolution performance is well-suited to a 2M-pixel CCD.

１②変倍によるＦ値の変化が小さいこと。

はじめに負群先行タイプでは、望遠端でのＦ値は広角端の近年、デジタルスチルカメラ（DSC）の市場は急速に伸びつつあり､ユーザーのニーズは高画素、高変倍へＦ値に比べて１段以上暗くなってしまうのが普通である。これに対し、正群先行４群ズームタイプでは、と移行しつつある。このためレンズに要求される性能は望遠側でのＦ値が広角側に比べてほとんど大きくな今まで以上に厳しくなってきており、光学設計、機構設計ともに更なる高精度化が不可欠となっている。

らない。８倍もの変倍比になると望遠側での焦点距離がかなり長くなるので、手ぶれの影響が問題とな

本レンズの開発当時、DSC市場におけるズーム機とりやすいが、望遠側でのＦ値を出来るだけ小さくすしては光学３倍ズームが主流であったが、本ズームレンズは画期的な光学８倍ズームレンズとして開発され、現ることにより、速いシャッター速度で撮影出来る機会が増え、手ぶれの影響を軽減することが出来る。

在200万画素CCDのDSC用として市場に投入されている。

Fig.１ に本ズームレンズの断面図を示す。

本稿では高画素、高変倍を達成したDSC用レンズユニットの光学設計と機構設計の特徴について報告する。

２

光学設計

本ズームレンズは、正群先行４群ズームタイプを採用しており、変倍の際に固定された正レンズ群、その後方に、変倍のために移動する負レンズ群、固定の正レンズ群、変倍時の像面位置変化補正とフォーカシングのために移動する正レンズ群の４つのレンズ群より構成されている。
この正群先行４群ズームタイプは、従来からビデオカ

Fig.１

Zoom lens configuration

メラ用ズームレンズによく用いられており、現在では斜線で示したレンズは非球面レンズであり、第８レンDSCにおいても変倍比が３倍以上のズームレンズに用いられている。

ズはプラスチック製非球面レンズ、第９レンズはガラス製非球面レンズである。非球面レンズを２枚採用し、ズー

このタイプを選択した理由としては、主として次の２ム全域での球面収差、コマ収差、非点収差を良好に補正するとともに、硝材の選択の工夫により色収差を良好に補正し、200万画素のCCDに対応出来る高解像力とするつが挙げられる。
①変倍比を大きくしやすいこと。
負群先行タイプでは、一般に３倍程度が限界であことが出来た。

ると言われているので、本ズームレンズ仕様の８倍の変倍比を得るためには正群先行４群ズームタイプ

Table１ に本ズームレンズの仕様を示す。また結像性能
として、Fig.２ にＭＴＦ図を示す。図中の空間周波数は必須の選択である。

100[lp/mm]は約790ＴＶ本に相当し、周辺にいたるまで＊オプトテクノロジーカンパニー

ＯＭ開発グループ

十分性能が保たれていることがわかる。

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Table１CCD

Zoom lens specifications

本ズームレンズはズーミング・フォーカシングともス
テッピングモータを用いたコニカ独自構造である箱型鏡

1/2.7 inch 2M-pixel

Focal length

6.0〜48.0mm(40.0〜320.0mm
equivalent in 35mm film)

F number

3.2〜3.5

胴を採用しており、この鏡胴構造は従来の高変倍ＶＴＲレンズに採用されてきた構造である。この構造を採用する利点としては、Lens elements

11 elements in 9 groups

・コンパクト化が可能である

Focusing range

1m〜∞(wide-angle end:0.01m〜∞)(measured from front lens)

・部品点数を少なく出来る・組み立て性がよいなどが挙げられる。
しかしながら本ズームレンズは８倍という高倍率と、200万画素CCDと高画素であることから、各レンズ群間の偏心感度が従来のズームレンズに比べて高くなっている。また、各レンズの面形状誤差（非球面性）が結像面の像面差（中心像面−周辺像面）に大きな影響を及ぼす。
そこで本ズームレンズでは以下のような対策を鏡胴、及びレンズに施した。
各レンズ群間の偏心抑止
研磨・接合後の良好な面形状の維持
熱カシメによる面形状変化の抑止
各レンズ群の中では特に第１固定レンズ群の偏心感度が高く、また同じく第１群固定レンズ群内の各レンズのFig.２

３

面形状誤差が結像性能、特に望遠側の像面差に及ぼす影響が大きい。さらに後群のレンズ群の偏心に対する許容

Zoom lens MTF量を小さくする。

機構設計

以下に第１固定レンズ群に施した偏心対策、研磨・接合後の面形状管理、及び熱カシメによる面形状変化の抑

本ズームレンズの構成を Fig.３ に示す。

止策について詳述する。
３．１ 第１固定レンズ群偏心対策
３．１．１ 主胴変形のメカニズム
本ズームレンズ鏡胴の主要部品である主胴の変形のメカニズムを Fig.４ に示す。主胴の材料はガラス繊維含有のポリカーボネート樹脂である。射出成形後、金型から取り出された直後の主胴は常温になるまで気中で冷却される。この際、主胴の内側と外側で冷却スピードに差が生じ、内側の方があとから冷却されるため内側部分には引張り応力が発生する。この引張り応力により横壁に主胴内側に倒れようとする力が生じ、この結果CCD部と第１固定レンズ群の格納部であるＦＣが主胴底部を中心に外側に開く方向に変形しようとする。しかしながら通常CCD部は強度が保たれているため変形しずらく、実際の変形量としてはFCの方が大きくなる。したがって光学系全体でみると第１固定レンズ群だけが偏心していることになる。この偏心にはチルト成分、及びシフト成分の両方が含まれており、本ズームレンズのような偏心感度の高いレンズにおいてはレンズ性能に致命的な影響を与える。

Fig.３

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Cross section view of side of lens and view of back of lens

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さらに、横壁にスリットを設けることにより、前述した溝で除き切れなかった引張り応力によって横壁が主胴内側に倒れようとする力の伝播を遮断する。

Fig.6

Improvement 2: slits

３．２ 研磨・接合後の面形状管理
前述したように、本ズームレンズでは第１固定レンズ群内の各レンズの面形状誤差（非球面性）が望遠側の像面差（中心像面−周辺像面）に大きな影響を及ぼす。中でも第１−２接合レンズの第１面と第３レンズの第１面の面形状誤差は非常に影響が大きい。このようなことから量産展開においては上記のような面形状誤差が発生しないよう研磨、及び接合工程の見直し・改善を行った。
まず、第１−２接合レンズの第１面については接合条Fig.４

件の影響を大きく受けるので紫外線の照射強度と照射時間の最適値を見つけ、面精度誤差が発生しないようにしMechanism of deformation

た。また、第３レンズ第１面についてはレンズの縁厚が３．１．２ 主胴変形防止対策
上述した主胴射出成形後の冷却時における変形を防止

これらの改善により研磨後の面形状誤差を抑えることする対策を説明する。
まず主胴底部で、横壁と底面の交わる部分に光軸方向に延びる溝を設け、冷却時に主胴内側に生じる引張り応力を低減する。（Fig.５）

薄く、研磨時の応力と研磨機の精度の影響を受けやすいので研磨圧の調整、及び研磨機の精度向上を図った。
が可能となり、望遠側での像面差を最小限にすることが出来た。
Fig.７ に本ズームレンズにおける第１−２接合レンズ第１面（L1S1）、及び第３レンズ第１面（L3L1）の面形状誤差の一例と、両方の面形状誤差によるＭＴＦの変化を示す。L1S1、及び L3S1 の面形状誤差により像面差が大きくなりMTFを著しく劣化させているのがわかる。
３．３ 熱カシメによる面形状変化の抑止策
通常、本ズームレンズのようなレンズ構成では第１−２接合レンズ、及び第３レンズは熱カシメによって枠部品に固定されているが、第１レンズは十分な縁厚があり、さらに第２レンズが接合されているため面形状が変化する心配はない。しかしながら第３レンズは縁厚が薄く、また熱カシメ時はカシメ後のレンズのゆるみ等をなくす

Fig.５

Improvement 1: ditches

ため比較的大きな圧力でレンズを押えるため、枠部品のレンズ受け面の平面度やレンズが嵌合する内径の真円度

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Fig.8Front lens complex

第３レンズは主胴のレンズ受け部に嵌合しており、第２レンズと第３レンズの間には視野枠と第３レンズ押えが介在する。第３レンズ押えには光軸方向に弾性を持つ部分が８ヶ所あり、この部分により第３レンズを主胴に弾性的に付勢して固定する。
本ズームレンズでは上記構造を採用することにより第３レンズ第１面の面形状変化を抑えることが出来た。

４

まとめ

枠部品の精度向上やレンズの研磨・接合工程の見直し・改善、さらに組み込み時のレンズの面形状変化を最小限に押えることにより、コンパクトで簡単な鏡胴構造でありながら、高画素、高変倍に対応したレンズユニットを開発することに成功した。
今後も市場の動向とコンペティターの光学・機構設計技術を常に監視し、知的財産を含めてコニカの技術を発展させていきたい。

Fig.7 Effect of surface form errorの影響を受けてレンズの面形状が３次元的に変化し、著しく光学性能を悪化させることがある。本ズームレンズ
では上記のような面形状変化を抑えるため第３レンズの熱カシメを廃止し、間隔環を兼ねたレンズ押え部材を考案し採用した。第１固定レンズ群の断面拡大図を Fig.８●参考文献
１）佐藤裕志特願平 11-201744

２）沼口貴幸特願 2000-194367

３）沼口貴幸特願 2000-219126に示す。

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