JP2007010695A - 変倍光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 高性能・小型でありながら広角で超高変倍の変倍光学系と、それを備えた撮像装置を提供する。
【解決手段】 撮像素子の受光面上に物体の光学像を変倍可能に形成するための変倍光学系であって、物体側から順に、正パワーの第１レンズ群Ｇｒ１と、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と、正パワーの第４レンズ群Ｇｒ４と、を少なくとも含み、広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)への変倍において少なくとも第１レンズ群Ｇｒ１が移動し、条件式：6.0＜f1／fw＜20.0，1.83＜Ｎｄ_ave(f1：第１レンズ群Ｇｒ１の焦点距離、fw：広角端(Ｗ)における全系の焦点距離、Ｎｄ_ave：第２レンズ群Ｇｒ２内の全レンズのｄ線に対する平均屈折率)を満足する。
【選択図】 図１

Description

本発明は変倍光学系に関するものであり、例えば、被写体の映像を撮像素子で取り込むデジタルカメラや画像入力機能付きデジタル機器に適した変倍光学系(なかでも小型で広角・高変倍のズームレンズ系)と、それを備えた撮像装置に関するものである。

近年、パーソナルコンピュータの普及に伴い、手軽に画像を取り込めるデジタルカメラが普及しつつある。それに伴い、より小型のデジタルカメラが求められるようになってきており、撮影レンズ系にもより一層の小型化が要望されている。一方、撮像素子の画素数が年々増加の傾向にあるため、撮像素子の高画素化に対応した高い光学性能と、製品サイクルの短縮に対応できる作り易さと、が撮影レンズ系に求められている。また、変倍比が７倍や１０倍を越える高変倍ズームも一般化してきており、更なる高変倍化も期待されている一方で、広角化への期待もある。こういった要求に応えるべく様々なタイプのズームレンズ系が従来より提案されている(例えば、特許文献１〜４参照。)。
特開昭６３−２６６４１４号公報 特開平８−８２７４３号公報 特開２００２−９８８９５号公報 特開２００４−２１２５１２号公報

しかし、従来より提案されているズームレンズ系では、更なる高変倍化，小型化，高性能化、それに加えて広角化という相反する要求に同時に応えることは困難である。例えば、特許文献１で提案されているズームレンズ系では、変倍比が１０倍程度であり高変倍とは言いがたい。特許文献２で提案されているズームレンズ系では、変倍比が２０倍と大きいものの、画角は７０度以下であり広角とは言いがたい。また、特許文献３，４で提案されているズームレンズ系においても、変倍比，光学性能，レンズ全長等のバランスが良好とは言えない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、高性能かつ小型でありながら広角で超高変倍の変倍光学系と、それを備えた撮像装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の変倍光学系は、撮像素子の受光面上に物体の光学像を変倍可能に形成するための変倍光学系であって、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、正のパワーを有する第３レンズ群と、正のパワーを有する第４レンズ群と、を少なくとも含み、広角端から望遠端への変倍において少なくとも前記第１レンズ群が移動し、以下の条件式(1)及び(2)を満足することを特徴とする。
6.0＜f1／fw＜20.0 …(1)
1.83＜Ｎｄ_ave …(2)
ただし、
f1：第１レンズ群の焦点距離、
fw：広角端における全系の焦点距離、
Ｎｄ_ave：第２レンズ群内の全レンズのｄ線に対する平均屈折率、
である。

第２の発明の変倍光学系は、上記第１の発明において、前記第２レンズ群が負レンズ１枚と正レンズ１枚を少なくとも有し、前記負レンズの少なくとも１枚が非球面を有することを特徴とする。

第３の発明の変倍光学系は、上記第１又は第２の発明において、以下の条件式(3)を満足することを特徴とする。
0.05＜f3／f4＜1.0 …(3)
ただし、
f3：第３レンズ群の焦点距離、
f4：第４レンズ群の焦点距離、
である。

第４の発明の変倍光学系は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記第４レンズ群の像側に、正のパワーを有する第５レンズ群を含んで成る５成分構成の変倍光学系であって、広角端から望遠端までの変倍において、前記第５レンズ群の位置が固定であることを特徴とする。

第５の発明の変倍光学系は、上記第４の発明において、前記第５レンズ群が正レンズ１枚から成ることを特徴とする。

第６の発明の撮像装置は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明に係る変倍光学系を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、物体側から順に正・負・正・正の４成分を含む変倍光学系において、第１レンズ群のパワー，第２レンズ群の平均屈折率等が所定の条件を満たした構成になっているため、小型化・高性能化を達成しながら広角化・超高変倍化を達成することが可能である。したがって、小型・高性能で広角・超高変倍の変倍光学系を備えた撮像装置を実現することができる。そして、本発明に係る撮像装置をデジタルカメラ等の機器に用いれば、これらの機器の薄型・軽量・コンパクト化，低コスト化，高性能化，高機能化等に寄与することができる。

以下、本発明を実施した変倍光学系，撮像装置等を、図面を参照しつつ説明する。本発明に係る撮像装置は、被写体の映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する光学装置であって、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラの主たる構成要素を成すものである。そのようなカメラの例としては、デジタルカメラ，ビデオカメラ，監視カメラ，車載カメラ，テレビ電話用カメラ，ドアホーン用カメラ等が挙げられ、また、パーソナルコンピュータ，携帯情報機器(モバイルコンピュータ，携帯電話，携帯情報端末(ＰＤＡ：Personal Digital Assistant)等の小型で携帯可能な情報機器端末)，これらの周辺機器(マウス，スキャナー，プリンター，メモリー等)，その他のデジタル機器等に内蔵又は外付けされるカメラが挙げられる。これらの例から分かるように、撮像装置を用いることによりカメラを構成することができるだけでなく、各種機器に撮像装置を搭載することによりカメラ機能を付加することも可能である。例えば、カメラ付き携帯電話等の画像入力機能付きデジタル機器を構成することが可能である。

なお、従来「デジタルカメラ」の語は、専ら光学的な静止画を記録するものを指していたが、静止画と動画を同時に扱えるデジタルスチルカメラや家庭用デジタルムービーカメラも提案されており、現在では特に区別されなくなってきている。したがって「デジタルカメラ」の語は、デジタルスチルカメラ，デジタルムービーカメラ，ウェッブカメラ(オープン型・プライベート型を問わず、ネットワークに接続されて画像の送受信を可能にする機器に接続されるカメラであって、ネットワークに直接接続されるもの、パーソナルコンピュータ等の情報処理機能を有する機器を介して接続されるもの、の両方を含む。)等のように、光学像を形成する撮影レンズ系，その光学像を電気映像信号に変換する撮像素子等を備えた撮像装置を主たる構成要素とするカメラすべてを含むものとする。

図１１に、カメラＣＵ(デジタルカメラ，画像入力機能付きデジタル機器等に相当する。)の概略光学構成例を模式的断面で示す。カメラＣＵに搭載されている撮像装置ＬＵは、物体(すなわち被写体)側から順に、物体の光学像(ＩＭ：像面)を変倍可能に形成するズームレンズ系ＺＬ(撮影レンズ系としての変倍光学系に相当する。ＳＴ：絞り)と、平行平面板ＰＴ(必要に応じて配置される光学的ローパスフィルター，赤外カットフィルター等の光学フィルター；撮像素子ＳＲのカバーガラス等に相当する。)と、ズームレンズ系ＺＬにより受光面ＳＳ上に形成された光学像ＩＭを電気的な信号に変換する撮像素子ＳＲとを備えており、デジタルカメラ等に相当するカメラＣＵの一部を成している。この撮像装置ＬＵでデジタルカメラを構成する場合、通常そのカメラのボディ内部に撮像装置ＬＵを配置することになるが、カメラ機能を実現する際には必要に応じた形態を採用することが可能である。例えば、ユニット化した撮像装置ＬＵをカメラボディに対して着脱自在又は回動自在に構成してもよく、ユニット化した撮像装置ＬＵを携帯情報機器(携帯電話，ＰＤＡ等)に対して着脱自在又は回動自在に構成してもよい。

ズームレンズ系ＺＬは複数のレンズ群から成っており、複数のレンズ群が光軸ＡＸに沿って移動し、レンズ群間隔を変化させることにより変倍(すなわちズーミング)を行う構成になっている。後述する第１，第２，第５の実施の形態ではズームレンズ系ＺＬが正・負・正・正・正の５成分ズーム構成になっており、第３，第４の実施の形態ではズームレンズ系ＺＬが正・負・正・正の４成分ズーム構成になっている。そして、いずれの実施の形態も第１〜第４レンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ４が移動群を構成しており、第１，第２，第５の実施の形態では第５レンズ群Ｇｒ５が固定群を構成している。なお、撮像装置ＬＵに使用する撮影レンズ系はズームレンズ系ＺＬに限らない。ズームレンズ系ＺＬの代わりに、他のタイプの変倍光学系(例えば、バリフォーカルレンズ系，複数焦点距離切り替え型レンズ等の焦点距離可変の結像光学系)を撮影レンズ系として用いてもよい。

ズームレンズ系ＺＬで形成されるべき光学像は、撮像素子ＳＲの画素ピッチにより決定される所定の遮断周波数特性を有する光学的ローパスフィルター(図１１中の平行平面板ＰＴに相当する。)を通過することにより、電気的な信号に変換される際に発生するいわゆる折り返しノイズが最小化されるように、空間周波数特性が調整される。これにより、色モアレの発生を抑えることができる。ただし、解像限界周波数周辺の性能を抑えてやれば、光学的ローパスフィルターを用いなくてもノイズの発生を懸念する必要がなく、また、ノイズがあまり目立たない表示系(例えば、携帯電話の液晶画面等)を用いてユーザーが撮影や鑑賞を行う場合には、撮影レンズ系に光学的ローパスフィルターを用いる必要がない。

なお、光学的ローパスフィルターとしては、複屈折型ローパスフィルターや位相型ローパスフィルター等が適用可能である。複屈折型ローパスフィルターとしては、結晶軸方向が所定方向に調整された水晶等の複屈折材料から成るもの、偏光面を変化させる波長板等を積層して成るもの等が挙げられる。位相型ローパスフィルターとしては、必要とされる光学的な遮断周波数特性を回折効果により達成するもの等が挙げられる。

撮像素子ＳＲとしては、例えば複数の画素を有するＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサー等の固体撮像素子が用いられる。そして、ズームレンズ系ＺＬにより(撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上に)形成された光学像は、撮像素子ＳＲにより電気的な信号に変換される。撮像素子ＳＲで生成した信号は、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が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、図１１に示す撮像装置ＬＵでは、ズームレンズ系ＺＬによって拡大側の被写体から縮小側の撮像素子ＳＲへの縮小投影が行われるが、撮像素子ＳＲの代わりに２次元画像を表示する表示素子(例えば液晶表示素子)を用い、ズームレンズ系ＺＬを投影レンズ系として使用すれば、縮小側の画像表示面から拡大側のスクリーン面への拡大投影を行う画像投影装置を構成することができる。つまり、以下に説明する各実施の形態のズームレンズ系ＺＬは、撮影レンズ系としての使用に限らず、投影レンズ系としても好適に使用することが可能である。

図１〜図５は、第１〜第５の実施の形態を構成するズームレンズ系ＺＬにそれぞれ対応するレンズ構成図であり、広角端(Ｗ)でのレンズ配置を光学断面で示している。各レンズ構成図中、ｒｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)が付された面は物体側から数えてｉ番目の面(ｒｉに＊印が付された面は非球面)であり、ｄｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)が付された軸上面間隔は、物体側から数えてｉ番目の軸上面間隔のうち、ズーミングにおいて変化する可変間隔である。また各レンズ構成図中、矢印ｍ１，ｍ２，ｍ３，ｍ４は広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおける第１レンズ群Ｇｒ１，第２レンズ群Ｇｒ２，第３レンズ群Ｇｒ３，第４レンズ群Ｇｒ４の移動をそれぞれ模式的に示しており、最も像側の矢印ｍＬは平行平面板ＰＴや更には第５レンズ群Ｇｒ５(第１，第２，第５の実施の形態の場合)がズーミングにおいて位置固定であることを示している。なお、いずれの実施の形態においても第３レンズ群Ｇｒ３は最も物体側に絞りＳＴを有しており、その絞りＳＴは第３レンズ群Ｇｒ３の一部としてズーム移動する構成(矢印ｍ３)になっている。

第１，第２，第５の実施の形態のズームレンズ系ＺＬは、物体側から順に、正のパワー(パワー：焦点距離の逆数で定義される量)を有する第１レンズ群Ｇｒ１と、負のパワーを有する第２レンズ群Ｇｒ２と、正のパワーを有する第３レンズ群Ｇｒ３と、正のパワーを有する第４レンズ群Ｇｒ４と、正のパワーを有する第５レンズ群Ｇｒ５と、から成り、各レンズ群間隔を変化させることによりズーミングを行う５成分ズーム構成になっている。また、第３，第４の実施の形態のズームレンズ系ＺＬは、物体側から順に、正のパワーを有する第１レンズ群Ｇｒ１と、負のパワーを有する第２レンズ群Ｇｒ２と、正のパワーを有する第３レンズ群Ｇｒ３と、正のパワーを有する第４レンズ群Ｇｒ４と、から成り、各レンズ群間隔を変化させることによりズーミングを行う４成分ズーム構成になっている。各実施の形態のレンズ構成を以下に詳しく説明する。

第１の実施の形態(図１)では、正・負・正・正・正の５成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群Ｇｒ１は、物体側から順に、像側に凹の負メニスカスレンズ及び物体側に凸の正メニスカスレンズから成る接合レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されている。第２レンズ群Ｇｒ２は、物体側から順に、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凹の負レンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズと、物体側面が非球面から成る両凹の負レンズと、で構成されている。第３レンズ群Ｇｒ３は、物体側から順に、絞りＳＴと、物体側面が非球面から成る両凸の正レンズと、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凸の正レンズと、両面が非球面から成る両凹の負レンズと、で構成されている。第４レンズ群Ｇｒ４は、物体側に凸の正メニスカスレンズ及び像側に凹の負メニスカスレンズから成る接合レンズ１枚のみで構成されている。第５レンズ群Ｇｒ５は、両面が非球面から成る両凸の正レンズ１枚のみで構成されている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１レンズ群Ｇｒ１は物体側へ単調に移動し、第２レンズ群Ｇｒ２は像側への移動後に像側から物体側へＵターン移動し、第３レンズ群Ｇｒ３は徐々に速度を落としながら物体側へ移動し、第４レンズ群Ｇｒ４は徐々に速度を落としながら物体側へ移動する。一方、第５レンズ群Ｇｒ５及び平行平面板ＰＴは、像面ＩＭに対してズーム位置固定である。

第２の実施の形態(図２)では、正・負・正・正・正の５成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群Ｇｒ１は、物体側から順に、像側に凹の負メニスカスレンズ及び物体側に凸の正メニスカスレンズから成る接合レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されている。第２レンズ群Ｇｒ２は、物体側から順に、像側に凹の負メニスカスレンズと、物体側面が非球面から成る両凹の負レンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズと、物体側に凹の負メニスカスレンズと、で構成されている。第３レンズ群Ｇｒ３は、物体側から順に、絞りＳＴと、物体側面が非球面から成る両凸の正レンズと、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凸の正レンズと、像側面が非球面から成る像側に凹の負メニスカスレンズと、で構成されている。第４レンズ群Ｇｒ４は、両凸の正レンズ及び両凹の負レンズから成る接合レンズ１枚のみで構成されている。第５レンズ群Ｇｒ５は、両面が非球面から成る像側に凸の正メニスカスレンズ１枚のみで構成されている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１レンズ群Ｇｒ１は物体側へ単調に移動し、第２レンズ群Ｇｒ２は像側への移動後に像側から物体側へＵターン移動し、第３レンズ群Ｇｒ３は徐々に速度を落としながら物体側へ移動し、第４レンズ群Ｇｒ４は物体側への移動後に物体側から像側へＵターン移動する。一方、第５レンズ群Ｇｒ５及び平行平面板ＰＴは、像面ＩＭに対してズーム位置固定である。

第３の実施の形態(図３)では、正・負・正・正の４成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群Ｇｒ１は、物体側から順に、像側に凹の負メニスカスレンズ及び物体側に凸の正メニスカスレンズから成る接合レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されている。第２レンズ群Ｇｒ２は、物体側から順に、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凹の負レンズ及び物体側に凸の正メニスカスレンズから成る接合レンズと、で構成されている。第３レンズ群Ｇｒ３は、物体側から順に、絞りＳＴと、物体側面が非球面から成る物体側に凸の正メニスカスレンズと、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凸の正レンズと、で構成されている。第４レンズ群Ｇｒ４は、物体側面が非球面から成る物体側に凸の正メニスカスレンズ及び像側面が非球面から成る像側に凹の負メニスカスレンズから成る接合レンズ１枚のみで構成されている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１レンズ群Ｇｒ１は物体側へ単調に移動し、第２レンズ群Ｇｒ２は像側への移動後に像側から物体側へＵターン移動し、第３レンズ群Ｇｒ３は徐々に速度を上げながら物体側へ移動し、第４レンズ群Ｇｒ４は物体側への移動後に物体側から像側へＵターン移動する。なお、平行平面板ＰＴは像面ＩＭに対してズーム位置固定である。

第４の実施の形態(図４)では、正・負・正・正の４成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群Ｇｒ１は、物体側から順に、像側に凹の負メニスカスレンズ及び物体側に凸の正メニスカスレンズから成る接合レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されている。第２レンズ群Ｇｒ２は、物体側から順に、物体側面が非球面から成る像側に凹の負メニスカスレンズと、両凹の負レンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズと、で構成されている。第３レンズ群Ｇｒ３は、物体側から順に、絞りＳＴと、物体側面が非球面から成る物体側に凸の正メニスカスレンズと、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凸の正レンズと、で構成されている。第４レンズ群Ｇｒ４は、物体側面が非球面から成る物体側に凸の正メニスカスレンズ及び像側面が非球面から成る像側に凹の負メニスカスレンズから成る接合レンズ１枚のみで構成されている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１レンズ群Ｇｒ１は物体側へ単調に移動し、第２レンズ群Ｇｒ２は像側への移動後に像側から物体側へＵターン移動し、第３レンズ群Ｇｒ３は徐々に速度を上げながら物体側へ移動し、第４レンズ群Ｇｒ４は物体側への移動後に物体側から像側へＵターン移動する。なお、平行平面板ＰＴは像面ＩＭに対してズーム位置固定である。

第５の実施の形態(図５)では、正・負・正・正・正の５成分ズーム構成において各レンズ群が以下のように構成されている。第１レンズ群Ｇｒ１は、物体側から順に、像側に凹の負メニスカスレンズ及び物体側に凸の正メニスカスレンズから成る接合レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されている。第２レンズ群Ｇｒ２は、物体側から順に、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凹の負レンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズと、物体側に凹の負メニスカスレンズと、で構成されている。第３レンズ群Ｇｒ３は、物体側から順に、絞りＳＴと、物体側面が非球面から成る両凸の正レンズと、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凸の正レンズと、両面が非球面から成る両凹の負レンズと、で構成されている。第４レンズ群Ｇｒ４は、像側に凹の負メニスカスレンズ及び物体側に凸の正メニスカスレンズから成る接合レンズ１枚のみで構成されている。第５レンズ群Ｇｒ５は、両面が非球面から成る像側に凸の正メニスカスレンズ１枚のみで構成されている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１レンズ群Ｇｒ１は物体側へ単調に移動し、第２レンズ群Ｇｒ２は徐々に速度を上げながら物体側へ移動し、第３レンズ群Ｇｒ３は物体側へ単調に移動し、第４レンズ群Ｇｒ４は徐々に速度を落としながら物体側へ移動する。一方、第５レンズ群Ｇｒ５及び平行平面板ＰＴは、像面ＩＭに対してズーム位置固定である。

上記のようにいずれの実施の形態も、物体側から順に正・負・正・正の４成分を少なくとも含んだ構成になっている。このようなタイプの変倍光学系では、広角端から望遠端への変倍において少なくとも第１レンズ群が移動し、更に第１レンズ群のパワー，第２レンズ群の平均屈折率等が所定の条件を満足する構成にすれば、小型化・高性能化を達成しながら変倍光学系の広角化・超高変倍化を達成することが可能である。そして、その変倍光学系を備えた撮像装置をデジタルカメラ等の機器に用いれば、その薄型・軽量・コンパクト化，低コスト化，高性能化，高機能化等に寄与することができる。これらの効果をバランス良く得るとともに、更に高い光学性能等を達成するための上記条件等を以下に説明する。

以下の条件式(1)及び(2)を満足することが望ましい。条件式(1)及び(2)を満たすことにより、充分な光学性能を確保しながらコンパクト化を図り、かつ、広角化・高変倍化を達成することが可能となる。
6.0＜f1／fw＜20.0 …(1)
1.83＜Ｎｄ_ave …(2)
ただし、
f1：第１レンズ群の焦点距離、
fw：広角端における全系の焦点距離、
Ｎｄ_ave：第２レンズ群内の全レンズのｄ線に対する平均屈折率、
である。

条件式(1)は、第１レンズ群のパワーに関する好ましい条件範囲を、第１レンズ群の焦点距離を広角端における全系の焦点距離で割ったもので規定している。この条件式(1)の下限を越えると、第１レンズ群の正のパワーが強くなり、前玉径の小型化やコンパクト化という面では好ましくなるが、パワーが強くなることによって収差の発生量が大きくなり、特に像面湾曲と歪曲収差が多く発生してしまう。それを良好に補正するためには、レンズ枚数の追加あるいは非球面の追加が必要となるので好ましくない。逆に、条件式(1)の上限を越えると、収差補正上有利にはなるが、前玉径のアップやそれに伴う大型化が避けられなくなるため好ましくない。

以下の条件式(1a)を満足することが更に望ましい。
7.0＜f1／fw＜17.0 …(1a)
この条件式(1a)は、上記条件式(1)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。

条件式(2)は、第２レンズ群を構成している全てのレンズの屈折率の平均値に関する好ましい条件範囲を規定している。物体側から順に正・負・正・正の４成分を含む変倍構成では、小型化を図りつつ広角化しようとすると、第１レンズ群と第２レンズ群のパワーは強くなりがちである。また、負のパワーを有する第２レンズ群の硝材については、通常、負レンズが低屈折率低分散側へ配置され、正レンズが高屈折率高分散側へ配置される。したがって、第２レンズ群のパワーが強くなると、負レンズの曲率半径は小さくなる。第２レンズ群において負レンズの曲率半径が小さくなると、その加工難易度が高くなるので好ましくない。条件式(2)を満足すれば、負レンズの曲率半径を大きくすることができるので、小型で広角・高変倍の変倍光学系を容易に実現することが可能となる。

以下の条件式(2a)を満足することが更に望ましい。
1.85＜Ｎｄ_ave …(2a)
この条件式(2a)は、上記条件式(2)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。

第２レンズ群が負レンズ１枚と正レンズ１枚を少なくとも有し、前記負レンズの少なくとも１枚が非球面を有することが好ましい。小型化，高変倍化，広角化を図ろうとすると、第２レンズ群のパワーが強い負となり、大きな負の収差が発生するが、第２レンズ群内の負レンズの少なくとも１枚に非球面を用いれば、収差を良好に補正することが可能になる。この観点から、第１，第２，第４の実施の形態の第２レンズ群Ｇｒ２には、非球面を有する負レンズが用いられている。

上記のように第２レンズ群に用いられている負レンズの非球面は、中心から周辺にいくにつれて、その負レンズの負パワーが弱くなるような形状を有することが好ましい。小型化，広角化を図ろうとすると第２レンズ群のパワーは強くなり、そのために発生する収差(特に広角端での負の歪曲収差)は大きくなる。そのままでは収差補正は困難であるが、中心から周辺にかけて負レンズのパワーが弱くなるような非球面を持った負レンズを配置すれば、より適切な収差補正が可能となる。第４の実施の形態では、負メニスカスレンズの凸側の面が非球面であり、中心から周辺にいくにつれて、その面のパワー(正)が(正方向に)強くなっている。また第１，第２の実施の形態では、両凹レンズの物体側の面が非球面であり、中心から周辺にいくにつれて、その面のパワー(負)が弱くなっている。つまり、第１，第２，第４の実施の形態のいずれに関しても、第２レンズ群に用いられている負レンズの非球面は、負レンズ全体の負パワーが弱くなるような形状を有している。

また、第２レンズ群において非球面を(物体側面，像側面のうちの少なくとも一方に)有する負レンズは、第２レンズ群内の最も像側に配置されることが好ましい。第２レンズ群において非球面を有する負レンズを物体側に配置すると、レンズ径が大型化し、製造が困難になり、それがコストアップの原因となる。また、軸外収差(例えば、歪曲や像面湾曲収差)を補正する上では有利になるが、軸上収差を補正する上では不利になる。第１の実施の形態のように、第２レンズ群において非球面を有する負レンズを最も像側に配置すれば、これらの問題を解決して高い光学性能を得ることが可能となる。

また第１，第２，第５の実施の形態のように、第２レンズ群を少なくとも３枚の負レンズと少なくとも１枚の正レンズで構成することが好ましい。更なる高変倍化とともに広角化を図ろうとすると、第２レンズ群の色収差補正、特に広角端での倍率色収差補正が困難になる。通常、収差補正は低分散の負レンズを使用することにより行われるが、低分散であればそれと同時に低屈折率になるため、小型化を図る場合には面のパワーを強くすることになる。面のパワーを強くすることは曲率半径を小さくすることにつながるため、結果として加工難易度が上がることになり好ましくない。第２レンズ群の負のパワーを分散させるために負レンズを少なくとも３枚用いれば、曲率半径が小さくなるのを防止し、かつ、色収差を適切に補正することが可能となる。

第３，第４レンズ群のパワーに関しては、以下の条件式(3)を満足することが望ましい。
0.05＜f3／f4＜1.0 …(3)
ただし、
f3：第３レンズ群の焦点距離、
f4：第４レンズ群の焦点距離、
である。

条件式(3)は、第３レンズ群と第４レンズ群とのパワー比に関する好ましい条件範囲を規定している。この条件式(3)の上限を越えると、第４レンズ群のパワーが強くなることにより、第４レンズ群での収差の発生量が大きくなり、特に像面湾曲を広角端から望遠端まで良好に補正するのが困難になる。さらにフォーカシングを第４レンズ群の移動により行う場合には、フォーカスによる収差変動、特に、像面湾曲の変動、色収差の変動が大きくなってしまう。それらを良好に補正するためには、レンズ枚数の追加、非球面の追加等が必要となるので好ましくない。一方、条件式(3)の下限を越えることは、第３レンズ群のパワーが強くなるか、あるいは、第４レンズ群のパワーが弱くなることを意味する。第３レンズ群のパワーが強くなると第３レンズ群での収差の発生量が大きくなり、特に球面収差の発生量が大きくなる。それを良好に補正するためには、レンズ枚数の追加、非球面の追加等が必要となるので好ましくない。また、第４レンズ群のパワーが弱くなると全長の肥大化を招き、またフォーカシングを第４レンズ群の移動により行う場合には、フォーカス時の第４レンズ群の移動量が大きくなりすぎて好ましくない。なお、各実施の形態では第４レンズ群の移動によりフォーカシングを行うのに適したズーム構成になっているため、条件式(3)を満たすことが好ましい。

以下の条件式(3a)を満足することが更に望ましい。
0.2＜f3／f4＜0.8 …(3a)
この条件式(3a)は、上記条件式(3)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。

第１，第２，第５の実施の形態では、物体側から順に正・負・正・正・正の５成分構成を採用しており、広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)までのズーミングにおいて第５レンズ群Ｇｒ５のズーム位置が固定になっている。このように、第４レンズ群の像側に、正のパワーを有する第５レンズ群を含んで成る５成分構成の変倍光学系であって、広角端から望遠端までの変倍において、第５レンズ群の位置が固定であることが好ましい。撮像素子に入射する主光線は、撮像素子の受光面に対して略垂直であること(いわゆるテレセントリック性)が望ましいが、更なる高倍率化やコンパクト化を図っていくとテレセントリック性は実現困難になる。そのテレセントリック性を良好な状態にするために、変倍位置固定の第５レンズ群を有することが好ましい。また、変倍位置固定の第５レンズ群が存在することにより、電子撮像素子で大きな問題となるゴミの混入も防ぐことができる。

第１，第２，第５の実施の形態のように、第５レンズ群が正レンズ１枚から成ることが好ましい。第５レンズ群を正レンズ１枚で構成することにより、全長の肥大化及び枚数増によるコストアップを防ぎ、かつ、良好なテレセントリック性を得ることが可能となる。また、第５レンズ群をプラスチックレンズ１枚で構成すれば、コストダウンや軽量化を達成することができるので更に好ましい。

また、前述した条件等(例えば、各レンズ群のパワー，第２レンズ群の平均屈折率等に関する条件式)を満足する際の変倍比や画角に関しては、以下の条件式(4),(5)のうちの少なくとも１つ{好ましくは条件式(4)及び(5)}を満たすことが、高い光学性能を保持しつつコンパクトで高変倍比のズームレンズ等の変倍光学系を実現する上で望ましい。
ft／fw＞10 …(4)
Y'／fw＞0.735 …(5)
ただし、
ft：望遠端における全系の焦点距離、
fw：広角端における全系の焦点距離、
Y'：最大像高、
である。

条件式(4),(5)は、前述した条件等が適用されるのに適した変倍光学系の変倍比，画角をそれぞれ規定している。条件式(4)や条件式(5)を満足する変倍光学系においては、前玉径，全長，各レンズ群の移動量等が大きくならざるをえなくなるので、前述した条件等を満たした構成により得られる効果は顕著なものとして現れることになる。例えば、条件式(4)を満たすような高い変倍比を得ようとすれば、変倍光学系の小型化，高性能化，広角化等は通常困難になるが、前述した条件等を満たせば小型化，高性能化，広角化等を達成しながら高い変倍比を得ることができる。また、コンパクトなデジタルカメラ用の変倍光学系において条件式(5)を満たすような広い画角を得ようとすれば、変倍光学系の小型化，高性能化，高変倍化等は困難になるが、前述した条件等を満たせば小型化，高性能化，高変倍化等を達成しながら広い画角を得ることができる。

各実施の形態を構成しているズームレンズ系ＺＬには、入射光線を屈折作用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)が用いられているが、使用可能なレンズはこれに限らない。例えば、回折作用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み合わせで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型レンズ等を用いてもよい。ただし、媒質内で屈折率が変化する屈折率分布型レンズは、その複雑な製法がコストアップを招くため、屈折率分布の均一な均質素材レンズを用いることが望ましい。また、各実施の形態を構成しているズームレンズ系ＺＬには、光学素子としてレンズ以外に絞りＳＴが用いられているが、不要光をカットするための光束規制板(例えばフレアカッター)等を必要に応じて配置してもよい。

以下、本発明を実施したズームレンズ系の構成等を、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１〜５は、前述した第１〜第５の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第１〜第５の実施の形態を表す光学構成図(図１〜図５)は、対応する実施例１〜５のレンズ構成をそれぞれ示している。

表１〜表１０に実施例１〜実施例５のコンストラクションデータを示し、表１１に各実施例の条件式対応値等のデータを示す。表１，表３，表５，表７，表９に示す基本的な光学構成(ｉ：面番号)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番目の面と(ｉ＋１)番目の面との間の軸上面間隔(ｍｍ)を示しており、Ｎｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)，νｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)は軸上面間隔ｄｉに位置する光学材料のｄ線に対する屈折率(Ｎｄ)，アッベ数(νｄ)をそれぞれ示している。また、ズーミングにおいて変化する軸上面間隔ｄｉは、広角端(最短焦点距離状態，Ｗ)〜ミドル(中間焦点距離状態，Ｍ)〜望遠端(最長焦点距離状態，Ｔ)での可変空気間隔であり、ｆ，ＦＮＯは各焦点距離状態(Ｗ)，(Ｍ)，(Ｔ)に対応する全系の焦点距離(ｍｍ)，Ｆナンバーをそれぞれ示している。

曲率半径ｒｉのデータに＊印が付された面は、非球面(非球面形状の屈折光学面、非球面と等価な屈折作用を有する面等)であり、非球面の面形状を表わす以下の式(AS)で定義される。表２，表４，表６，表８，表１０中に、各実施例の非球面データを示す。ただし、表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０^-nである。
Ｘ(Ｈ)＝(Ｃ０・Ｈ²)／{１＋√(１−ε・Ｃ０²・Ｈ²)}＋Σ(Ａｊ・Ｈ^j) …(AS)
ただし、式(AS)中、
Ｘ(Ｈ)：高さＨの位置での光軸ＡＸ方向の変位量(面頂点基準)、
Ｈ：光軸ＡＸに対して垂直な方向の高さ、
Ｃ０：近軸曲率(＝１／ｒｉ)、
ε：２次曲面パラメータ、
Ａｊ：ｊ次の非球面係数、
である。

図６〜図１０は実施例１〜実施例５にそれぞれ対応する収差図であり、(Ｗ)は広角端，(Ｍ)はミドル，(Ｔ)は望遠端における無限遠合焦状態での諸収差{左から順に、球面収差等，非点収差，歪曲収差である。ＦＮＯはＦナンバー、Ｙ’(ｍｍ)は撮像素子ＳＲの受光面ＳＳ上での最大像高(光軸ＡＸからの距離に相当する。)である。}を示している。球面収差図において、実線ｄはｄ線、一点鎖線ｇはｇ線に対する各球面収差量(ｍｍ)を表しており、破線ＳＣは正弦条件不満足量(ｍｍ)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、実線ＤＳはサジタル面でのｄ線に対する各非点収差(ｍｍ)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。

第１の実施の形態(実施例１)のレンズ構成図。 第２の実施の形態(実施例２)のレンズ構成図。 第３の実施の形態(実施例３)のレンズ構成図。 第４の実施の形態(実施例４)のレンズ構成図。 第５の実施の形態(実施例５)のレンズ構成図。 実施例１の収差図。 実施例２の収差図。 実施例３の収差図。 実施例４の収差図。 実施例５の収差図。 撮像装置を搭載したカメラの概略光学構成例を示す模式図。

符号の説明

ＣＵ カメラ
ＬＵ 撮像装置
ＺＬ ズームレンズ系(変倍光学系)
Ｇｒ１ 第１レンズ群
Ｇｒ２ 第２レンズ群
Ｇｒ３ 第３レンズ群
Ｇｒ４ 第４レンズ群
Ｇｒ５ 第５レンズ群
ＳＴ 絞り
ＰＴ 平行平面板
ＳＲ 撮像素子
ＳＳ 受光面
ＩＭ 像面
ＡＸ 光軸

Claims (6)

1. 撮像素子の受光面上に物体の光学像を変倍可能に形成するための変倍光学系であって、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、正のパワーを有する第３レンズ群と、正のパワーを有する第４レンズ群と、を少なくとも含み、広角端から望遠端への変倍において少なくとも前記第１レンズ群が移動し、以下の条件式(1)及び(2)を満足することを特徴とする変倍光学系；
   6.0＜f1／fw＜20.0 …(1)
   1.83＜Ｎｄ_ave …(2)
   ただし、
   f1：第１レンズ群の焦点距離、
   fw：広角端における全系の焦点距離、
   Ｎｄ_ave：第２レンズ群内の全レンズのｄ線に対する平均屈折率、
   である。
2. 前記第２レンズ群が負レンズ１枚と正レンズ１枚を少なくとも有し、前記負レンズの少なくとも１枚が非球面を有することを特徴とする請求項１記載の変倍光学系。
3. 以下の条件式(3)を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の変倍光学系；
   0.05＜f3／f4＜1.0 …(3)
   ただし、
   f3：第３レンズ群の焦点距離、
   f4：第４レンズ群の焦点距離、
   である。
4. 前記第４レンズ群の像側に、正のパワーを有する第５レンズ群を含んで成る５成分構成の変倍光学系であって、広角端から望遠端までの変倍において、前記第５レンズ群の位置が固定であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の変倍光学系。
5. 前記第５レンズ群が正レンズ１枚から成ることを特徴とする請求項４記載の変倍光学系。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の変倍光学系を備えたことを特徴とする撮像装置。

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