説明

ズームレンズ及びそれを有する撮像装置

【課題】超広画角で、かつ全ズーム範囲にわたり高い光学性能が得られるズームレンズを得る。
【解決手段】物体側から像側へ順に、負の屈折力の第1レンズ群L1、正の屈折力の第2レンズ群L2を有し、ズーミングに際して第1レンズ群と第2レンズ群が光軸上を移動し、全ズーム領域において、等立体角射影方式を採用したズームレンズにおいて、第1レンズ群は最も物体側にメニスカス形状の負の第1のレンズと、次いで物体側の面が凸形状の第2のレンズを有し、第2レンズ群は最も像側に正のレンズを有し、第1のレンズの物体側と像側のレンズ面の曲率半径r1、r2、第2のレンズの物体側のレンズ面の曲率半径r3を各々適切に設定する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はズームレンズ及びそれを有する撮像装置に関し、例えばデジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、TVカメラ、銀塩フィルム用カメラ等に好適なものである。
【背景技術】
【0002】
広画角で長いバックフォーカスを得ることが容易なズームレンズとして、負の屈折力のレンズ群が先行する(最も物体側に位置する)所謂ネガティブリード型のズームレンズが知られている。ネガティブリード型のズームレンズのうち、特に広画角化を図ったズームレンズとして、魚眼ズームレンズが知られている。魚眼ズームレンズは、歪曲収差を発生させた特殊な射影方式で定義されるズームレンズであって、その特殊なデフォルメを活かした撮影や測定等に用いられている。魚眼ズームレンズの代表的な射影方式として、被写体の作る立体角と像面上の面積が比例する等立体角射影方式、光線入射角と像高が比例する等距離射影方式、その他に正射影方式、立体射影方式などがある。従来より魚眼ズームレンズとして、広角端において負の歪曲収差を大きく発生させ、対角の撮影画角が165度以上ある超広画角のズームレンズが知られている(特許文献1)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2004−240023号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
一般に負の屈折力のレンズ群が先行するネガティブリード型のズームレンズは広画角化が比較的容易であり、又所定の長さのバックフォーカスが容易に得られるという特徴がある。しかしながらネガティブリード型のズームレンズはレンズ構成が非対称となるため、諸収差の補正が難しく、全ズーム範囲にわたり高い光学性能を得るのが難しい。特に撮影画角が165度程度の超広画角の魚眼ズームレンズになると光学系の非対称が強くなり、良好なる光学性能を確保するのが大変難しくなってくる。例えば、ズーミングに際して像面湾曲・非点収差の変動が大きくなってくる。魚眼ズームレンズ程度の超広画角化を図りつつ、ズーミングに際して像面湾曲、非点収差の変動を軽減して良好なる光学性能を得るには、ズームタイプ、各レンズ群の屈折力配置やレンズ構成、そしてレンズ形状等を適切に設定することが重要になってくる。これらの各構成が不適切であると、超広画角(165度程度)を図ったとき、ズーミングに伴う収差変動が大きくなり、全変倍範囲にわたり高い光学性能を得るのが難しくなってくる。
【0005】
本発明は、各レンズ群の構成を適切に構成することによって、超広画角で、かつ全ズーム範囲にわたり高い光学性能が得られるズームレンズ及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のズームレンズは、物体側から像側へ順に、負の屈折力の第1レンズ群、正の屈折力の第2レンズ群を有し、ズーミングに際して前記第1レンズ群と前記第2レンズ群が光軸上を移動し、全ズーム領域において、等立体角射影方式を採用したズームレンズにおいて、前記第1レンズ群は最も物体側にメニスカス形状の負の第11レンズと、次いで物体側の面が凸形状の第12レンズを有し、前記第2レンズ群は最も像側に正の第2Rレンズを有し、前記第11レンズの物体側と像側のレンズ面の曲率半径を各々r1、r2、前記第12レンズの物体側のレンズ面の曲率半径をr3とするとき、
0.25<(r1−r2)/(r1+r2)<1.00
1.0<r3/r2<10.0
なる条件式を満たすことを特徴としている。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、超広画角で、かつ全ズーム範囲にわたり高い光学性能が得られるズームレンズ及びそれを有する撮像装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明の実施例1の広角端におけるレンズ断面図
【図2】(A)(B)(C) 本発明の実施例1の広角端、中間のズーム位置、望遠端の収差図
【図3】本発明の実施例2の広角端におけるレンズ断面図
【図4】(A)(B)(C) 本発明の実施例2の広角端、中間のズーム位置、望遠端の収差図
【図5】本発明によるズームレンズが広角端から望遠端に変倍するときの各レンズ群の移動軌跡の説明図
【図6】本発明の撮像装置の要部概略図
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明のズームレンズ及びそれを有する撮像装置の実施例について説明する。本発明のズームレンズは、物体側から像側へ順に<負の屈折力の第1レンズ群、正の屈折力の第2レンズ群を有する。そして、ズーミングに際して前記第1レンズ群と第2レンズ群が光軸上を移動する。そして全ズーム領域において、等立体角射影方式を採用している。そして第1レンズ群内の一部のレンズ群を光軸方向に動かしてフォーカスを行っている。
【0010】
図1は本発明の実施例1の広角端(短焦点距離端)におけるレンズ断面図である。図2(A),(B),(C)はそれぞれ実施例1の広角端,中間のズーム位置,望遠端(長焦点距離端)における物体距離無限遠のときの収差図である。図3は本発明の実施例2の広角端におけるレンズ断面図である。図4(A),(B),(C)はそれぞれ実施例2の広角端,中間のズーム位置,望遠端における物体距離無限遠のときの収差図である。図5は本発明のズーミングにおける各レンズ群の移動軌跡の説明図である。図6は本発明のズームレンズを備えるデジタルカメラ(撮像装置)の要部概略図である。
【0011】
各実施例のズームレンズは、デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に用いられる撮影レンズ系である。レンズ断面図において、左方が拡大共役側(物体側)(前方)で右方が縮小共役側(後方)である。本発明のズームレンズをプロジェクターに用いるときは左方がスクリーン側、右方が被投射画像側となる。レンズ断面図においてLAはズームレンズである。図1、図3のレンズ断面図においてL1は負の屈折力(光学的パワー=焦点距離の逆数)の第1レンズ群、SPは開口絞り、L2は正の屈折力の第2レンズ群である。
【0012】
広角端から望遠端へのズーミングに際しては図5に示すように第1レンズ群L1は像側に凸状の軌跡を有して移動し、第2レンズ群L2は物体側へ直進移動している。フォーカスは第1レンズ群L1中の一部のレンズ群を光軸上移動して行っている。レンズ断面図において、IPは像面であり、ビデオカメラやおデジタルスチルカメラの撮影光学系として使用する際にはCCDセンサやCMOSセンサなどの固体撮像素子(光電変換素子)の撮像面が、銀塩フィルム用カメラのときはフィルム面に相当する。それぞれの収差図は、左から順に、球面収差(Sph)、非点収差(As)、歪曲(Dst)、倍率色収差(Chro)を表している。
【0013】
球面収差と倍率色収差を示す図において、実線はd線(587.6nm)、1点鎖線はC線(656.3nm)、粗い破線はF線(486.1nm)、細かい破線はg線(435.8nm)を表している。また、非点収差を示す図において、実線はd線のサジタル方向、破線はd線のメリディオナル方向を表している。また、歪曲を示す図は、d線における歪曲を表している。FnoはFナンバー、ωは半画角である。
【0014】
本発明のズームレンズは、任意のズーム位置において、全系の焦点距離をf、被写体の作る立体角をθ、像高をyとするとき、
y=2fsin(θ/2) ‥‥‥(a1)
なる式(a1)を満足する。即ち本発明のズームレンズは(a1)式で表される被写体の作る立体角と像面上の面積が比例する等立体角射影方式となるように歪曲を設定している。一般にズームレンズにおいては、ズーミングに際して歪曲収差が変動する。本実施例における等立体角射影方式とは(a1)式を厳密に満足していなくても撮影上、±5%の範囲内であれば問題ない。即ち(a1)式が
【0015】
【数1】

【0016】
に入れば等立体角射影方式を満足しているとしている。本発明のズームレンズ(魚眼ズーム系)LAは物体側から像側へ順に、広角端において空気間隔が最大のところを境に負の屈折力の第1レンズ群L1と正の屈折力の第2レンズ群とに分けている。広角端から望遠端へのズーミングに際しては、図5に示すように第1レンズ群L1を一旦像面側に移動させてから物体側に移動させると同時に、第2レンズ群L2を第1レンズ群L1との間隔が単調に減少するように物体側に移動させている。尚、本発明のズームレンズにおいては、広角端又は望遠端又は任意のズーム位置でズーミング動作を固定すれば単焦点距離のレンズ系として用いることができる。
【0017】
本発明のズームレンズは、第1レンズ群L1の第11レンズと第12レンズのレンズ形状と最も像側のレンズのパワーを適切に設定したことに特徴がある。第1レンズ群L1の最も物体側に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負の第11レンズを配置することにより、全ズーム領域において撮影画角165度以上となる軸外光を取り入れ、歪曲を適切に発生させている。続いて、物体側の面が凸形状の第12レンズを配置することにより、光線の入射角を抑えて非点収差のズーミングによる変動を良好に補正している。続いて、第2レンズ群L2の最も像側に正の第2Rレンズを配することにより、第1レンズ群L1のメニスカス形状の負の第11レンズで主に発生している負の歪曲を分担することで魚眼レンズとして必要な歪曲を発生させている。
【0018】
各実施例のズームレンズにおいて、第11レンズの物体側と像側のレンズ面の曲率半径を各々r1、r2、第12レンズの物体側のレンズ面の曲率半径をr3とする。このとき、
0.25<(r1−r2)/(r1+r2)<1.00 ‥‥‥(1)
1.0<r3/r2<10.0 ‥‥‥(2)
なる条件式を満たしている。条件式(1)は、第1レンズ群L1中のメニスカス形状の負の第11レンズの形状因子に関する条件である。条件式(1)の上限を超えると、第11レンズの物体側のレンズ面が物体側に凹面になる。このため、光軸に対して垂直な方向(半画角90度相当)からの光が入射するのが困難となり、広角端において魚眼レンズとしての作用に必要な画角約180度を確保するのが困難となる。また、条件式(1)の下限を超えると、像側のレンズ面の曲率がきつくなり、軸外の非点収差及び像面湾曲が大きくなる。また、像側のレンズ面で曲率半径と有効径の関係が半球形状に近くなりため製造が困難となるので良くない。
【0019】
条件式(2)は、第1レンズL1群の第11レンズの像側のレンズ面の曲率半径と第12レンズの物体側のレンズ面の曲率半径に関する条件である。条件式(2)の上限を超えると、第12レンズの物体側のレンズ面の法線に対して軸外光線が大きな角度を持って入射するためズーミングの際に非点収差の変動が大きくなる。また、条件式(2)の下限を超えると歪曲の発生が弱まり特定の射影方式を満足するのが難しくなり、また広画角化が困難になる。更に好ましくは条件式(1),(2)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【0020】
0.45<(r1−r2)/(r1+r2)<0.75 ‥‥‥(1a)
1.8<r3/r2<5.0 ‥‥‥(2a)
以上のように各実施例によれば例えば広角端において全方向の撮影画角が165度以上で、かつズーミングの際の像面湾曲・非点収差の変動を抑えることが出来る。各実施例において、更に好ましくは次の条件のうち1以上を満足するのが良い。第2Rレンズの焦点距離をflast、広角端における全系の焦点距離をfwとする。任意のズーム位置において、全系の焦点距離をfarb、像高をYarbとするとき、
1.0<flast/fw<6.0 ‥‥‥(3)
Yarb/farb>1.33 ‥‥‥(4)
なる条件式のうち1以上を満足するのが良い。
【0021】
条件式(3)は、最も像側の正の第2Rレンズの焦点距離を規定するものである。本発明のズームレンズではこの第2Rレンズで歪曲収差を発生させることで第1レンズ群L1での非点収差の発生を抑えている。条件式(3)の上限を超えると、第2Rレンズのパワーが弱くなり歪曲収差の発生が弱まってしまう。第1レンズ群L1で歪曲収差の発生を補うために第1レンズ群L1のメニスカス形状の負の第11レンズの屈折力を強くすると、その結果として非点収差のズーミングに伴う変動が大きくなってしまう。条件式(3)の下限を超えると、第2Rレンズのパワーが強くなりすぎて、球面収差や軸上色収差が増大してくるので良くない。
【0022】
条件式(4)は、任意の焦点距離のズーム位置とそのときの像高の関係を示している。等立体角射影方式は、焦点距離と像高と撮影画角により規定される。このため、撮影画角165度以上となる魚眼レンズ系とするには像高と焦点距離の関係を適切に設定することが重要である。条件式(4)の下限を超えると撮影画角165度以上を達成することが困難になる。更に好ましくは条件式(3)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【0023】
2.0<flast/fw<4.0 ‥‥‥(3a)
1.37<Yarb/farb<2.0 ‥‥‥(4a)
各実施例において最も像側の正の第2Rレンズは負の歪曲を発生させる働きを有するが、パワーが強すぎると球面収差や軸上色収差が増大してくる。そこで第2Rレンズをレンズ中心からレンズ周辺にいくに従って、正のパワー(屈折力)が強くなる非球面形状の面を有するのが良い。これによれば、これらの収差の発生を少なくすることができる。
【0024】
次に各実施例の具体的なレンズ構成について説明する。図1の実施例1において第1レンズ群L1は、物体側から像側へ順に、次のレンズ構成より成っている。物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負の第11レンズ、物体側の面が凸形状の正の第12レンズと負の第13レンズとを接合した接合レンズ、負の第14レンズ、正の第15レンズと負の第16レンズとを接合した接合レンズからなる。第2レンズ群L2は、物体側から像側へ順に、正の第21レンズ、正の第22レンズと負の第23レンズとを接合した接合レンズ、負の第24レンズ、正の第25レンズからなっている。
【0025】
広角端から望遠端へのズーミングに際しては、図5に示すように第1レンズ群L1と第2レンズ群L2の間隔が狭まるように双方が移動する。本実施例においてフォーカシングは、第1レンズ群L1内の一部のレンズ群を光軸方向に移動させることにより行われる。すなわち、本実施例では第14レンズから第16レンズまでのレンズを光軸方向に一体的に移動させることにより、フォーカシングが行われる。
【0026】
図3の実施例2において第1レンズ群L1は、物体側から像側へ順に次のレンズ構成より成っている。物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負の第11レンズ、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負の第12レンズを有している。更に物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の第13レンズ、負の第14レンズ、正の第15レンズと負の第16レンズとを接合した接合レンズからなる。第2レンズ群L2は物体側から像側へ順に、正の第21レンズ、正の第22レンズと負の第23レンズとを接合した接合レンズ、負の第24レンズ、正の第25レンズからなる。広角端から望遠端へのズーミングに際しては、図5に示すように第1レンズ群L1と第2レンズ群L2の間隔が狭まるように双方が移動する。本実施例においてフォーカシングは、第1レンズ群L1内の一部のレンズ群を光軸方向に移動させることにより行われる。すなわち、本実施例では第13レンズから第16レンズまでのレンズを光軸方向に一体的に移動させることにより、フォーカシングが行われる。以上のように各実施例によれば、広角端において全方向の画角が165度以上でズーミングに際して良好に諸収差が補正された魚眼用のズームレンズが得られる。
【0027】
次に各実施例に示した光学系を撮影光学系として用いたデジタルスチルカメラ(撮像装置)の実施例を図6を用いて説明する。図6において、20はカメラ本体である。21は実施例1〜5で説明したいずれかの光学系によって構成された撮影光学系である。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)である。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である。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。このように本発明の光学系をデジタルスチルカメラ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。尚、本発明の光学系は画像投射装置(プロジェクター)の投射レンズとしても適用することができる。
【0028】
以下、実施例1、2に対応する数値実施例1、2の具体的な数値データを示す。各数値実施例において、iは物体側からの面の番号を示す。riは第i番目の光学面(第i面)の曲率半径である。diは第i面と第(i+1)面との間の軸上間隔である。ndi,νdiはそれぞれd線に対する第i番目の光学部材の材料の屈折率,アッベ数である。尚、*印は非球面であることを示す。また、非球面形状はX軸を光軸方向の面頂点からの変位量、hを光軸と垂直な方向の光軸からの高さ、Rを近軸曲率半径、kを円錐定数、A4,A6,A8を各次数の非球面係数とするとき、
【0029】
【数2】

【0030】
で表わす。尚、各非球面係数における「e±XX」は「×10±XX」を意味している。又、前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表1に示す。ただし、条件式(4)については、最小値を示している。
【0031】

(数値実施例1)
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd
1 58.000 2.00 1.77250 49.6
2 16.500 9.85
3 45.073 4.50 1.67270 32.1
4 -179.684 1.28 1.65160 58.5
5 21.500 7.57
6* -95.444 1.00 1.88300 40.8
7 20.655 1.03
8 18.705 5.18 1.72825 28.5
9 -20.451 2.34 1.88300 40.8
10 315.302 (可変)
11(絞り) ∞ 1.71
12* 29.432 1.82 1.66998 39.3
13 -66.455 0.45
14 -37.053 7.31 1.48749 70.2
15 -8.456 2.28 1.80400 46.6
16 -18.301 0.85
17 -448.193 1.61 1.84666 23.8
18 26.554 0.80
19 38.715 3.65 1.69680 55.5
20* -18.940 (可変)
像面 ∞

非球面データ
第6面
K = 0.00000e+000 A 4=-8.61892e-006 A 6=-4.33338e-008 A 8= 7.72897e-011

第12面
K = 0.00000e+000 A 4=-8.74771e-006 A 6= 3.45758e-007 A 8= 1.78468e-009

第20面
K = 0.00000e+000 A 4=-3.82304e-006 A 6= 1.83591e-008 A 8=-1.00086e-009

各種データ
ズーム比 1.75
広角 中間 望遠
焦点距離 8.57 11.42 15.00
Fナンバー 3.60 3.99 4.50
画角 54.24 54.46 54.46
像高 11.90 15.98 21.00
レンズ全長 109.09 108.14 110.83
BF 37.74 44.00 51.89

d10 16.11 8.90 3.71
d20 37.74 44.00 51.89

【0032】
(数値実施例2)
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd
1 65.259 2.50 1.69680 55.5
2 16.006 10.23
3 35.291 1.80 1.77250 49.6
4 20.000 4.54
5 23.107 2.00 1.60311 60.6
6 26.681 1.80
7 -100.372 1.12 1.88300 40.8
8 16.443 0.59
9 19.821 8.31 1.74077 27.8
10 -13.437 5.66 1.88300 40.8
11* -212.739 (可変)
12(絞り) ∞ 1.15
13* 33.881 4.43 1.69186 46.0
14 -305.180 0.65
15 309.505 9.85 1.49700 81.5
16 -10.659 2.29 1.83400 37.2
17 -20.720 0.80
18 77.287 1.20 1.80610 33.3
19 24.661 0.70
20 30.579 4.41 1.48749 70.2
21* -22.303 (可変)
像面 ∞

非球面データ
第11面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.63883e-005 A 6= 5.94111e-008 A 8= 2.73468e-010

第13面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.59448e-005 A 6= 3.27984e-007 A 8=-2.70192e-009

第21面
K = 0.00000e+000 A 4=-2.87710e-006 A 6= 1.44407e-008 A 8=-5.18858e-010

各種データ
ズーム比 1.75
広角 中間 望遠
焦点距離 8.57 11.42 15.00
Fナンバー 3.60 3.98 4.50
画角 54.24 54.46 54.46
像高 11.90 15.98 21.00
レンズ全長 117.66 117.67 121.55
BF 37.40 44.56 53.59

d11 16.23 9.08 3.93
d21 37.40 44.56 53.59


【0033】
【表1】

【0034】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【0035】
LAは光学系、L1は第1レンズ群、L2は第2レンズ群、SPは絞り、IPは撮像面

【特許請求の範囲】
【請求項1】
物体側から像側へ順に、負の屈折力の第1レンズ群、正の屈折力の第2レンズ群を有し、ズーミングに際して前記第1レンズ群と前記第2レンズ群が光軸上を移動し、
全ズーム領域において、等立体角射影方式を採用したズームレンズにおいて、
前記第1レンズ群は最も物体側にメニスカス形状の負の第11レンズと、次いで物体側の面が凸形状の第12レンズを有し、
前記第2レンズ群は最も像側に正の第2Rレンズを有し、
前記第11レンズの物体側と像側のレンズ面の曲率半径を各々r1、r2、前記第12レンズの物体側のレンズ面の曲率半径をr3とするとき、
0.25<(r1−r2)/(r1+r2)<1.00
1.0<r3/r2<10.0
なる条件式を満たすことを特徴とするズームレンズ。
【請求項2】
前記第2Rレンズの焦点距離をflast、広角端における全系の焦点距離をfwとするとき
1.0<flast/fw <6.0
なる条件式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2Rレンズはレンズ中心からレンズ周辺にいくに従い正の屈折力が強くなる形状の非球面を有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】
任意のズーム位置において、全系の焦点距離をfarb、像高をYarbとするとき
Yarb/farb>1.33
なる条件式を満足することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項のズームレンズ。
【請求項5】
前記第1レンズ群内の一部のレンズ群を光軸方向に移動させてフォーカスを行うことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項のズームレンズ。
【請求項6】
請求項1乃至5のいずれか1項のズームレンズを有することを特徴とする撮像装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2011−164517(P2011−164517A)
【公開日】平成23年8月25日(2011.8.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−30030(P2010−30030)
【出願日】平成22年2月15日(2010.2.15)
【出願人】(000001007)キヤノン株式会社 (59,756)
【Fターム(参考)】