JP2006039174A - ズームレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 高画素化に対応しつつ、特に小型の情報端末機器への搭載に適した、低コストでコンパクトなズームレンズを提供する。
【解決手段】 このズームレンズは、物体側から順に、近軸近傍において物体側に凸面を向けた負のメニスカス形状をなす第１レンズＧ１と、近軸近傍において両凸形状をなす第２レンズＧ２と、近軸近傍において両凹形状をなす第３レンズＧ３とを備える。第１レンズＧ１から第３レンズＧ３は、いずれも両面が非球面形状をなし、ズーム時に第２レンズＧ２と第３レンズＧ３とが光軸Ｚ１上を移動する。さらに、所定の条件式（１）〜（５）を満足する。これにより、全長をより短くしてコンパクト化を図りつつ、諸収差を良好に補正することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばカメラ付き携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）等の小型の情報端末機器への搭載に適したズームレンズに関する。

近年、パーソナルコンピュータの一般家庭等への普及に伴い、撮影した風景や人物像等の画像情報をパーソナルコンピュータに入力することができるデジタルスチルカメラ（以下、単にデジタルカメラという。）が急速に普及しつつある。また携帯電話の高機能化に伴い、小型の撮像モジュールを搭載したカメラ付き携帯電話も急速に普及してきている。その他、ＰＤＡ等の小型の情報端末機器においても撮像モジュールを搭載したものが普及してきている。

これらの撮像機能を備えた機器では、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子が用いられている。これらの撮像素子は近年、非常に小型化および高画素化が進んでおり、それに伴って、撮像機器本体、ならびにそれに搭載されるレンズにも、高い解像性能と共に構成のコンパクト化が求められている。例えばカメラ付き携帯電話等においても、１００万画素以上のメガピクセル対応のものが実用化され、性能面に対する要求も高くなってきている。

ところで、撮像素子を用いた撮像機器においてズーム機能を実現する方法としては、光学ズーム方式と電子ズーム方式とがある。光学ズーム方式は、撮影レンズとしてズームレンズを搭載し、光学的に撮影倍率を変えるものである。電子ズーム方式は、信号処理により画像をトリミングするなどして、電子的に被写体像の大きさを変えるようにしたものである。一般に、光学ズーム方式の方が、電子ズーム方式よりも高い解像性能を得ることができる。このため、高い解像性能でズームを行う場合には、光学ズーム方式の方が好ましい。

従来、デジタルカメラ等に用いられる比較的小型のズームレンズとしては、例えば以下の特許文献１に記載のものがある。特許文献１には、全体として５枚または６枚のレンズで構成された２群ズーム方式のズームレンズが記載されている。
特開２００３−２７０５３３号公報

カメラ付き携帯電話等の小型の情報端末機器においては、従来、コストや小型化の点で固定焦点レンズを用いているものが一般的であるが、最近の高機能化、多機能化に伴い、ズーム機能への要求がある。そのため最近では、固定焦点レンズを用いたカメラ付き携帯電話等においても、電子ズーム方式を採用することによりズーム機能を実現しているものがある。しかしながら、電子ズーム方式の場合、像の拡大率が大きくなるほど解像度が劣化するので、近年の撮像素子の高画素化に対応するのが難しくなってきている。

そこで、カメラ付き携帯電話等においてもズームレンズを搭載し、光学ズーム方式を採用することが考えられる。この場合、従来のデジタルカメラ用に開発された高性能なズームレンズをそのまま流用することは、コスト面とコンパクト性との点で現実的ではない。上記特許文献１に記載のズームレンズも、デジタルカメラ用としては比較的少ないレンズ枚数で小型化も図られているものの、小型の情報端末機器に用いる場合には、これよりもさらに小型化が図られていることが好ましい。一方、従来においても３枚程度で構成された低コスト、かつコンパクトなズームレンズが開発されているが、収差性能の面で不十分であるうえ、さらなる全長の縮小化など、コンパクト性の向上も求められている。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高画素化に対応しつつ、特に小型の情報端末機器への搭載に適した、低コストでコンパクトな光学系を実現できるズームレンズを提供することにある。

本発明によるズームレンズは、物体側から順に、近軸近傍において物体側に凸面を向けた負のメニスカス形状をなす第１レンズと、近軸近傍において両凸形状をなす第２レンズと、近軸近傍において両凹形状をなす第３レンズとを備えている。第１レンズから第３レンズは、いずれも両面が非球面形状をなし、ズーム時に第２レンズと第３レンズとが光軸上を移動するように構成されている。このズームレンズは、さらに、以下の条件式（１）〜（５）を満足する。

２．０＜ｆｔ／ｆｗ＜３．５ ……（１）
２．５＜ＴＣＬｗ／ｆｗ＜５．０ ……（２）
−１．２＜ｆ２／ｆ３＜−０．４ ……（３）
Ｎｄ（Ｇ１）＞１．６５ ……（４）
νｄ（Ｇ２）＞４５ ……（５）
ただし、ｆｔは望遠端での全系の焦点距離、ｆｗは広角端での全系の焦点距離、ＴＣＬｗは広角端での全長、ｆ２は第２レンズの焦点距離、ｆ３は第３レンズの焦点距離、Ｎｄ（Ｇ１）は第１レンズの屈折率、νｄ（Ｇ２）は第２レンズのアッベ数を示す。

本発明によるズームレンズでは、第２レンズと第３レンズとを光軸上で移動させることによりズームが行われる。したがって、最も物体側の第１レンズはズーム時に固定されたままである。

このズームレンズでは、３群３枚という簡素な構成でありながら非球面レンズが多用され、従来の３枚のズームレンズに比べて全長が短く、よりコンパクト化がなされていると共に、諸収差が良好に補正されている。これらに加えて、条件式（１）〜（３）を満足してパワー配分などが適切なものとされることで、全長の長さと収差性能とのバランスが良好に保たれている。また、特に全長を短くするために、条件式（４）により第１レンズの屈折率が規定されている。また、軸上の色収差を軽減するために、条件式（５）により第２レンズのアッベ数が規定されている。

本発明によるズームレンズによれば、物体側から順に、近軸近傍において物体側に凸面を向けた負のメニスカス形状をなす第１レンズと、近軸近傍において両凸形状をなす第２レンズと、近軸近傍において両凹形状をなす第３レンズとを備え、第１レンズから第３レンズは、いずれも両面が非球面形状をなし、ズーム時に第２レンズと第３レンズとが光軸上を移動するように構成し、さらに、所定の条件式（１）〜（５）を満足するようにしたので、全長をより短くしてコンパクト化を図りつつ、諸収差を良好に補正することができる。よって、高画素化に対応しつつ、特に小型の情報端末機器への搭載に適した、低コストでコンパクトな光学系を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るズームレンズの一構成例を示している。この構成例は、後述の第１の数値実施例（図４（Ａ）〜（Ｃ））のレンズ構成に対応している。また図２および図３は、本実施の形態に係るズームレンズの他の構成例を示している。図２および図３の構成例は、後述の第２および第３の数値実施例（図５（Ａ）〜（Ｃ）および図６（Ａ）〜（Ｃ））のレンズ構成に対応している。なお、図１〜図３は広角端でのレンズ配置を示す。

図１〜図３において、符号Ｒｉは、絞りＳｔも含めて、最も物体側の構成要素の面を１番目として、像側（結像側）に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目（ｉ＝１〜１４）の面Ｓｉの曲率半径を示す。符号Ｄｉは、ｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓi+1との光軸Ｚ１上の面間隔を示す。なお、各構成例共に基本的な構成は同じなので、以下では、図１に示したズームレンズの構成を基本にして説明する。

このズームレンズは、特に小型の撮像素子を用いた撮像機器、例えばカメラ付き携帯電話等の小型の情報端末機器に搭載して好適なものである。このズームレンズは、光軸Ｚ１に沿って、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズＧ１と、絞りＳｔと、正の屈折力を有する第２レンズＧ２と、負の屈折力を有する第３レンズＧ３とを備えている。絞りＳｔは、第２レンズＧ２の物体側に設けられている。

このズームレンズの結像面（撮像面）Ｓimgには、図示しないＣＣＤなどの撮像素子が配置される。最終レンズである第３レンズＧ３と撮像面Ｓimgとの間には、レンズを装着するカメラ側の構成に応じて、種々の光学部材が配置されていてもよい。図１の構成例では、撮像面Ｓimgを保護するためのカバーガラスＧＣが配置されている。その他、赤外線カットフィルタやローパスフィルタなどの光学部材が配置されていてもよい。

このズームレンズは、２群ズーム方式となっており、第２レンズＧ２と第３レンズＧ３とを光軸上で移動させることによりズームが行われるようになっている。第１レンズＧ１は常に固定である。ここで、第２レンズＧ２と第３レンズＧ３とは、広角端から望遠端へとズーミングさせるに従い、おおよそ図１に実線で示した軌跡を描くように移動する。また、フォーカス調整は、第２レンズおよび第３レンズのうちの少なくとも一方で行うようになっている。

また、第１〜第３レンズＧ１〜Ｇ３は、いずれも両面が非球面形状をなしている。第１レンズＧ１は、近軸近傍において物体側に凸面を向けた負のメニスカス形状をなしている。第２レンズＧ２は、近軸近傍において両凸形状をなしている。さらに、第３レンズＧ３は、近軸近傍において両凹形状をなしている。第１レンズＧ１は、高屈折率を有する硝材によって構成される。また、第２および第３レンズＧ２，Ｇ３は、加工容易性、軽量性および低コスト等の観点により、プラスチックレンズで構成することが好ましい。

このズームレンズは、以下の条件式（１）〜（５）を満足するように構成されている。ただし、ｆｔは望遠端での全系の焦点距離、ｆｗは広角端での全系の焦点距離、ＴＣＬｗは広角端での全長）、ｆ２は第２レンズＧ２の焦点距離、ｆ３は第３レンズＧ３の焦点距離、Ｎｄ（Ｇ１）は第１レンズＧ１の屈折率、νｄ（Ｇ２）は第２レンズＧ２のアッベ数を示す。
２．０＜ｆｔ／ｆｗ＜３．５ ……（１）
２．５＜ＴＣＬｗ／ｆｗ＜５．０ ……（２）
−１．２＜ｆ２／ｆ３＜−０．４ ……（３）
Ｎｄ（Ｇ１）＞１．６５ ……（４）
νｄ（Ｇ２）＞４５ ……（５）

次に、以上のように構成されたズームレンズの作用および効果を説明する。

このズームレンズでは、第２レンズＧ２と第３レンズＧ３とを光軸上で移動させることによりズームが行われる。この際、第１レンズＧ１は固定した状態が保たれる。フォーカス調整は、第１レンズＧ１で行うようにすることも可能であるが、第１レンズＧ１をズーム時およびフォーカス調整時に固定にした方が、移動群を少なくするという点では有利となる。特に、カメラ付き携帯電話等の場合、可動部分が少ない方が、機械的な強度や堅牢性の点で有利となるので好ましい。また、最も物体側のレンズである第１レンズＧ１を常に固定とすることにより、モジュール化した際に小型化し易いので好ましい。

このズームレンズでは、３群３枚という簡素な構成でありながら非球面レンズが多用されていることにより、従来の３枚のズームレンズに比べて全長を短く、よりコンパクトな構成を確保しつつ、諸収差を良好に補正している。さらに、各条件式を満足してパワー配分などを適切なものとすることで、全長が短くコンパクトであり、かつ、高画素化に対応した、従来の３枚構成のズームレンズよりも高性能のレンズが得られる。

このズームレンズでは、第１レンズＧ１を高屈折率のガラスレンズとすることで、全長の短縮化が図られている。さらに、第２および第３レンズＧ２，Ｇ３としてプラスチックレンズを適用することで、低コスト化および軽量化が図られる。プラスチックレンズは、ガラスに比べて温度による光学特性の変化が大きい。一方で、小型の撮影レンズの場合、最近では移動機構としてピエゾ素子を用いた小型のアクチュエータにより複数の移動群を独立、かつ自由に移動制御することが可能となってきている。したがって、温度による光学特性の変化があったとしても、それを補正するように、例えば第２レンズＧ２と第３レンズＧ３とを移動制御することが比較的容易であり、プラスチックレンズを多用したとしてもそれほど問題とはならない。

条件式（１）は、ズーム比を規定するものである。このズームレンズは、３倍程度のズーム比であれば、高画素化に対応した高性能を維持できる。条件式（２）は、レンズ系の全長に関するものである。条件式（２）の下限を下回り、全長を短くしすぎると、特に望遠端での性能を維持することが困難となる。また、条件式（２）の上限を上回ると、性能は良くなるものの、全長が長くなりすぎてしまい、実際に製品化した場合の市場競争力が失われてしまう。

条件式（３）は、第２レンズＧ２と第３レンズＧ３とのパワー比を規定するものである。条件式（３）の下限を下回ると、全長を小さくする点では有利になるものの、中心と周辺との収差の差が大きくなりすぎ、バランスの良いレンズ系を得ることができなくなる。上限を越えると全長が大きくなりすぎるので好ましくない。条件式（４）は、第１レンズＧ１の屈折率を規定するものである。上限を越えると全長が大きくなりすぎるので好ましくない。条件式（５）は、第２レンズＧ２のアッベ数を規定するものである。条件式（５）を満足しないと色収差（特に、軸上の色収差）を適切に抑えることができなくなるので好ましくない。

以上のようにして、本実施の形態によれば、３枚からなる簡素な構成でありながら、ある程度の高画素化に対応しつつ、特に小型の情報端末機器への搭載に適した、より低コストでコンパクトな光学系を実現できる。

次に、本実施の形態に係るズームレンズの具体的な数値実施例について説明する。以下では、第１〜第３の数値実施例（実施例１〜３）をまとめて説明する。図４（Ａ）〜（Ｃ）は、図１に示したズームレンズの構成に対応する具体的なレンズデータを示している。また図５（Ａ）〜（Ｃ）および図６（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ図２および図３に示したズームレンズの構成に対応する具体的なレンズデータを示している。なお、図４（Ａ）、図５（Ａ）および図６（Ａ）（以下、まとめて図４（Ａ）等という。）には、その実施例のレンズデータのうち基本的なデータ部分を示し、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）および図６（Ｂ）（以下、まとめて図４（Ｂ）等という。）には、その実施例のレンズデータのうち非球面形状に関するデータ部分を示す。図４（Ｃ）、図５（Ｃ）および図６（Ｃ）（以下、まとめて図４（Ｃ）等という。）には、その他のデータを示す。

図４（Ａ）等の各レンズデータにおける面番号Ｓｉの欄には、各実施例のズームレンズについて、絞りＳｔ，カバーガラスＧＣも含めて最も物体側の構成要素の面を１番目として、像側に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目（ｉ＝１〜９）の面の番号を示している。曲率半径Ｒｉの欄には、図１等において付した符号Ｒｉに対応させて、物体側からｉ番目の面Ｓｉの曲率半径の値を示す。面間隔Ｄｉの欄についても、図１等において付した符号に対応させて、物体側からｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓｉ＋１との光軸上の間隔を示す。曲率半径Ｒｉおよび面間隔Ｄｉの値の単位はミリメートル（ｍｍ）である。Ｎｄｊ，νdｊの欄には、カバーガラスＧＣも含めて、物体側からｊ番目（ｊ＝１〜４）の光学要素のｄ線（５８７．６ｎｍ）に対する屈折率、およびアッベ数の値を示す。

図４（Ａ）等の各レンズデータにおいて、面番号の左側に付された記号「＊」は、そのレンズ面が非球面形状であることを示す。実施例１〜３のズームレンズは、いずれも第１〜第３レンズＧ１〜Ｇ３における全ての面、すなわち、面Ｓ１，Ｓ２およびＳ４〜Ｓ７が非球面形状となっている。ここで、第１レンズＧ１はガラスレンズであり、第２および第３レンズはプラスチックレンズとなっている。なお、図４（Ａ）等の基本レンズデータには、これらの非球面の曲率半径として、光軸近傍（近軸近傍）の曲率半径の数値を示している。

図４（Ｂ）等の各非球面データの数値において、記号“Ｅ”は、その次に続く数値が１０を底とした“べき指数”であることを示し、その１０を底とした指数関数で表される数値が“Ｅ”の前の数値に乗算されることを示す。例えば、「１．０Ｅ−０２」であれば、「１．０×１０^-2」であることを示す。

各非球面データには、以下の式（Ａ）によって表される非球面形状の式における各係数Ａ_i，ＫＡの値を記す。Ｚは、より詳しくは、光軸から高さｈの位置にある非球面上の点から、非球面の頂点の接平面（光軸に垂直な平面）に下ろした垂線の長さ（ｍｍ）を示す。

Ｚ＝Ｃ・ｈ²／｛１＋（１−ＫＡ・Ｃ²・ｈ²）^1/2｝＋ΣＡ_i・ｈⁱ ……（Ａ）
ただし、
Ｚ：非球面の深さ（ｍｍ）
ｈ：光軸からレンズ面までの距離（高さ）（ｍｍ）
ＫＡ：離心率
Ｃ：近軸曲率＝１／Ｒ
（Ｒ：近軸曲率半径）
Ａ_i：第ｉ次（ｉ＝３，４，５，６，７，８）の非球面係数

ただし、実施例１〜３においては、いずれも離心率ＫＡが０（零）であるので、式（Ａ）は、下記の式（Ｂ）のように書き直すことができる。

Ｚ＝Ｃ・ｈ²／２＋ΣＡ_i・ｈⁱ ……（Ｂ）

図４（Ｂ）等に示したように、いずれの実施例においても、第２レンズＧ２の非球面は、偶数次の項のみを用いている。これに対し、第１および第３レンズＧ１，Ｇ３の非球面は、偶数次の項に加え奇数次の項も有効に用いている。

各実施例のズームレンズ共に、変倍に伴って第２レンズＧ２および第３レンズＧ３が光軸上を移動するため、これらの各群の前後の面間隔Ｄ２，Ｄ５の値は、可変となっている。これらの面間隔Ｄ２，Ｄ５の変倍時のデータとして、広角端、および望遠端における各実施例の値を、図４（Ｃ）等に示す。

図７に、上述の条件式（１）〜（５）に関する値を、各実施例についてまとめて示す。図７に示したように、各実施例の値が、各条件式（１）〜（５）の数値範囲内となっている。

図８（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１のズームレンズにおける広角端での球面収差、非点収差、およびディストーション（歪曲収差）を示している。図９（Ａ）〜（Ｃ）は、望遠端での同様の収差を示している。各収差図には、ｄ線を基準波長とした収差を示す。非点収差図において、実線はサジタル方向、破線はタンジェンシャル方向の収差を示す。ＦＮＯ．はＦ値、ωは半画角を示す。

同様にして、実施例２についての諸収差を図１０（Ａ）〜（Ｃ）（広角端）、および図１１（Ａ）〜（Ｃ）（望遠端）に示す。さらに、実施例３についての諸収差を図１２（Ａ）〜（Ｃ）（広角端）、および図１３（Ａ）〜（Ｃ）（望遠端）に示す。

以上の各数値データおよび各収差図から分かるように、各実施例について、小型の情報端末機器への搭載に適した、コンパクトで高性能な光学系が実現できている。

なお、本発明は、上記実施の形態および各実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔および屈折率の値などは、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得る。

本発明の一実施の形態に係るズームレンズの一構成例を示すものであり、実施例１に対応するレンズ断面図である。 本発明の一実施の形態に係るズームレンズの他の構成例を示すものであり、実施例２に対応するレンズ断面図である。 本発明の一実施の形態に係るズームレンズの他の構成例を示すものであり、実施例３に対応するレンズ断面図である。 実施例１に係るズームレンズのレンズデータを示す図である。 実施例２に係るズームレンズのレンズデータを示す図である。 実施例３に係るズームレンズのレンズデータを示す図である。 各実施例に係るズームレンズが満たす条件式に関する値を示す図である。 実施例１に係るズームレンズの広角端での球面収差、非点収差、およびディストーションを示す収差図である。 実施例１に係るズームレンズの望遠端での球面収差、非点収差、およびディストーションを示す収差図である。 実施例２に係るズームレンズの広角端での球面収差、非点収差、およびディストーションを示す収差図である。 実施例２に係るズームレンズの望遠端での球面収差、非点収差、およびディストーションを示す収差図である。 実施例３に係るズームレンズの広角端での球面収差、非点収差、およびディストーションを示す収差図である。 実施例３に係るズームレンズの望遠端での球面収差、非点収差、およびディストーションを示す収差図である。

符号の説明

Ｇ１〜Ｇ３…第１レンズ〜第３レンズ、ＧＣ…カバーガラス、Ｓｉ…物体側から第ｉ番目のレンズ面、Ｒｉ…物体側から第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、Ｄｉ…物体側から第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ面との面間隔、Ｓimg…結像面（撮像面）、Ｚ１…光軸。

Claims (1)

1. 物体側から順に、近軸近傍において物体側に凸面を向けた負のメニスカス形状をなす第１レンズと、近軸近傍において両凸形状をなす第２レンズと、近軸近傍において両凹形状をなす第３レンズとを備え、
   前記第１レンズから第３レンズは、いずれも両面が非球面形状をなし、
   ズーム時に前記第２レンズと前記第３レンズとが光軸上を移動するように構成され、
   さらに、以下の条件式（１）〜（５）を満足するように構成されている
   ことを特徴とするズームレンズ。
   ２．０＜ｆｔ／ｆｗ＜３．５ ……（１）
   ２．５＜ＴＣＬｗ／ｆｗ＜５．０ ……（２）
   −１．２＜ｆ２／ｆ３＜−０．４ ……（３）
   Ｎｄ（Ｇ１）＞１．６５ ……（４）
   νｄ（Ｇ２）＞４５ ……（５）
   ただし、
   ｆｔ：望遠端での全系の焦点距離
   ｆｗ：広角端での全系の焦点距離
   ＴＣＬｗ：広角端での全長
   ｆ２：第２レンズの焦点距離
   ｆ３：第３レンズの焦点距離
   Ｎｄ（Ｇ１）：第１レンズの屈折率
   νｄ（Ｇ２）：第２レンズのアッベ数
   
   
   

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