変倍結像光学系及びそれを有する撮像装置
【課題】 収差を抑えながらこの変倍比を上げることが可能な変倍結像光学系及びそれを有する撮像装置を提供する。
【解決手段】 少なくとも２つ以上の回転非対称面を有する複数の光学素子から成る光学群を少なくとも２つ有し、該光学群内の光学素子が互いに光軸と異なる方向に移動することでパワーを変化させることが可能な変倍結像光学系において、光軸方向に光学素子を動かすことなく主点位置が光軸方向に動き、前記第１及び第２の群の少なくとも１つの主点位置を該群の外側にすることが可能な形状を有することを特徴とする変倍結像光学系を提供する。
【解決手段】 少なくとも２つ以上の回転非対称面を有する複数の光学素子から成る光学群を少なくとも２つ有し、該光学群内の光学素子が互いに光軸と異なる方向に移動することでパワーを変化させることが可能な変倍結像光学系において、光軸方向に光学素子を動かすことなく主点位置が光軸方向に動き、前記第１及び第２の群の少なくとも１つの主点位置を該群の外側にすることが可能な形状を有することを特徴とする変倍結像光学系を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に撮像装置、投射装置、露光装置、読み取り装置等の全ての変倍結像光学系に関するものであり、特に小型の撮像装置に有用である。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話の普及により、小型カメラの活躍する場が急速に広がっている。小型カメラは更なる小型化に向い、撮像素子の小型化の要求はとどまるところを知らない。それに加え、ズーム化や広角化、高精細化などの付加価値を高める要求も増大している。小型化と高付加価値化、これら両者を達成する難しさをズーム化の点から述べると、ズームは通常、受光面（ＣＣＤ等）に対してレンズを光軸上に移動させることで行われ、物体方向に移動させると光学全長が長くなる。これが小型化の足かせとなっているのが現状である。
【０００３】
従来技術としては特許文献１乃至３がある。特許文献１は、３次関数で表される曲面をレンズに与え、そのレンズ２枚を光軸方向とは異なる方向にずらしてパワーを変化させ、小型化を図っている。このレンズはいわゆるアルバレツレンズと呼ばれ光軸方向に繰り出さないので、ズームレンズに適用すれば全長を短くできる可能性がある。特許文献２は、３次だけではなく高次の項、特に５次の項を曲面に与えることで収差を除去することを提案している。特許文献３は、このレンズを最低２つ配置し、像点を一定にしながらパワーを変化させることを提案している。
【０００４】
回転非対称レンズが含まれる場合には、通常の共軸レンズと異なり共通の軸を持たない。こうした非共軸光学系は、オフアキシャル（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ）光学系と呼ばれる。オフアキシャル（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ）光学系は、像中心と瞳中心を通る光線が辿る経路を基準軸としたときに、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ曲面）を含む光学系として定義される。この場合、基準軸は折れ曲がった形状となるため、近軸量の算出も共軸系の近軸理論ではなく、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ理論を元にした近軸理論を使わなければならない。特許文献４は、焦点距離、前側主点位置、後側主点位置の各近軸値を各面の曲率と各面間隔を元に４×４行列式を計算することで導出及び定義する。
【特許文献１】米国特許第３３０５２９４号明細書
【特許文献２】米国特許第３５８３７９０号明細書
【特許文献３】特開平０１−３５９６４号公報
【特許文献４】特開平０９−５６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
変倍結像光学系を設計するにあたり、特許文献１と特許文献２は、１組の回転非対称レンズを用いてパワーを変化させる方法及び収差補正についての言及にとどまるため、像面を一定にすることはできないという問題がある。また、特許文献３では像点を一定にしながらパワーを変化させる原理を述べてはいるものの、収差の補正を行い実際に変倍結像光学系の設計をするまでには至っていない。特許文献３を基に実際に変倍結像光学系の設計を行った。設計例を示す前に実施形態における構成諸元の表し方及び各実施形態に共通する事項について説明する。
【０００６】
Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系において、基準軸は図２のように折れ曲がった形状となる。そこで、第１面の中心を原点とする絶対座標系として、原点と瞳中心を通る光線が辿る経路を基準軸とする。また、像中心と第１面の中心である絶対座標系の原点を結ぶ直線をＺ軸と定め、向きは第１面から像中心に向かう方向を正とする。このＺ軸を光軸と呼ぶこととする。さらに、Ｙ軸は原点を通り右手座標系の定義に従ってＺ軸に対して反時計回り方向に９０゜をなす直線とし、Ｘ軸は原点を通りＺ、Ｙの各軸に垂直な直線とする。本出願では、近軸値はＯｆｆ−Ａｘｉａｌの近軸追跡を行った結果である。特に断らない限り、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌの近軸追跡を行い、近軸値を算出した結果とする。また、光学系は、回転非対称な非球面を２面以上有し、その形状は以下の式で表す。
【０００７】
【数１】
【０００８】
数式１はｘに関して偶数次の項のみであるため、数式１により規定される曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。
【０００９】
また、以下の条件が満たされる場合はｘｚ面に対して対称な形状を表す。
【００１０】
【数２】
【００１１】
更に、以下の条件が満たされる場合は回転対称な形状を表す。
【００１２】
【数３】
【００１３】
【数４】
【００１４】
【数５】
【００１５】
以上の条件を満たさない場合は回転非対称な形状である。
【００１６】
以下、特許文献３を基に実際に変倍結像光学系の設計を示す。変倍結像光学系は２枚の回転非対称レンズ群２つから成り、それらを物体側から１群、２群とする。まずこれらの群を１つの薄肉レンズで近似し近軸計算を行う。次に各薄肉レンズのパワーを１群、２群それぞれφ１、φ２とし、主点間隔とバックフォーカスをそれぞれｅ、Ｓｋとする。また、全系のパワーをφ、焦点距離をｆとすると、
次式が成立する。
【００１７】
【数６】
【００１８】
また、バックフォーカスＳｋは近軸計算から次式が成り立つ。
【００１９】
【数７】
【００２０】
ここで主点間隔ｅおよびバックフォーカスＳｋを定めると、数式６及び７からφ１及びφ２は全系のパワーφの関数として表される。即ち、全系のパワー変化における１群及び２群のパワー変化の軌跡を表すことができる。そこで、主点間隔ｅ＝３とし、バックフォーカスＳｋ＝１５とするとφ１、φ２は以下となる。
【００２１】
【数８】
【００２２】
【数９】
【００２３】
全系のパワーφに対するφ１、φ２の関係をグラフで表すと図３のようになる。これを見ると、全系のパワーが増加するに従って１群は正から負に、２群は逆に負から正に変化していることが分かる。ここで、回転非対称曲面は数式１０で表され、またその係数ａとパワーとの関係は数式１１となる。
【００２４】
【数１０】
【００２５】
【数１１】
【００２６】
ｘ，ｙ，ｚは上記に示した軸である。δは２枚の回転非対称レンズのＺ軸からのＹ軸方向へのずれ量、ｎはレンズの屈折率である。
回転非対称レンズの係数ａ，ｎを表１に示し、併せてＺ軸からのずれ量δを望遠端（テレ端）・中間（ミドル）・広角端（ワイド端）の順に示す。また、表２は、各面の面のタイプ及び面間隔を示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
更に、それらの値に基づいてズームレンズを設計した。それを図４に示す。基準面Ｓ０に入射した光線はまず群Ｇ１に入射する。群Ｇ１はＥ１、Ｅ２の２つのレンズから構成され、面の番号はＳ１からＳ４とする。Ｅ１とＥ２のレンズはＹ軸方向に偏心し、その偏心量は連続的に変化する。また、その量はお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによってＧ１のパワーを図２に示すように正から負に変化させている。Ｇ１を射出した光線は次に絞りＳ５を通過し、Ｇ２に入射する。Ｇ２はＧ１と同様にＥ３、Ｅ４の２つのレンズから構成され、面の番号はＳ６からＳ９とする。Ｅ３とＥ４のレンズはＹ軸方向に偏心し、その偏心量は連続的に変化する。また、その量はお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによってＧ２のパワーを図２に示すように負から正に変化させている。
【００３０】
Ｇ１を射出した光線は次に絞りＳ５を通過し、Ｇ２に入射する。Ｇ２はＧ１と同様にＥ３、Ｅ４の２つのレンズから構成され、面の番号はＳ６からＳ９とする。Ｅ３とＥ４のレンズはＹ軸方向に偏心し、その偏心量は連続的に変化する。また、その量はお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによってＧ２のパワーを図２に示すように負から正に変化させている。これらのレンズを通過した光線は像面を変化させることなく結像している。しかしながらこの実施例では、全系の焦点距離が変化する範囲が約１４ｍｍから２１ｍｍと変倍比が１．５倍ほどにしかならない。
【００３１】
この変倍比を大きくするためにずれ量を大きくすると、軸上光線における上線・下線のずれが顕著になるばかりか、各群のパワーが大きくなり収差を抑えることが困難となる。
【００３２】
そこで、本発明は、収差を抑えながらこの変倍比を上げることが可能な変倍結像光学系及びそれを有する撮像装置を提供することを例示的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明の一側面としての変倍結像光学系は、それぞれが回転非対称面を有する複数の光学素子で構成される光学群を複数有し、複数の光学群の各群内の光学素子が互いに光軸と異なる方向に移動することで光学的パワーを変化させる変倍結像光学系において、光軸方向に光学素子を動かすことなく主点位置が光軸方向に動き、前記複数の光学群のうちの少なくとも群の１つの主点位置を該群の外側にすることが可能な形状を有することを特徴とする。また、かかる変倍結像光学系を有する撮像装置も本発明の別の側面を構成する。
【００３４】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、収差を抑えながらこの変倍比を上げることが可能な変倍結像光学系及びそれを有する撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
従来の設計例は、数式６乃至９を求め、図３のように焦点距離に対する各群のパワー変化を求めることによって行った。各群のパワーを大きくすると収差が発生するため、各群のパワーを大きくすることなく変倍比を上げるには、図３に示す全系のパワーに対する各群のパワー変化の傾きを小さくすればよい。そのようにすることで各群のパワー変化の範囲を一定にしながらも、全系のパワーが変化できる範囲を広げることができる。それを実現するために薄肉近似をした近軸配置に戻って考える。数式６及び７をＳｋ及び主点間隔ｅを変数のままにすると、以下の式が導かれる。但し、焦点距離、前側主点位置、後側主点位置の各近軸値は特許文献４にて導かれる値として定義する。それらの値の導出は、各面の曲率と各面間隔を元に４×４行列式を計算することで行われる。
【００３７】
【数１２】
【００３８】
【数１３】
【００３９】
これから両者の傾きはｅとＳｋで定まることが分かる。そこで、両者をφで微分すると以下の式が導かれる。
【００４０】
【数１４】
【００４１】
【数１５】
【００４２】
φ１は直線で変化するため傾きは一定である。それに対して、φ２の傾きは全系のパワーφによって変化する。また、主点間隔ｅが大きくなれば、φ１，φ２ともに傾きは小さくなり高倍率化となるが、Ｓｋが大きくなればφ１では大きくなるのに対してφ２は小さくなり、高倍率化に対するＳｋの変化の方向を定めることはできない。
【００４３】
ここで、全系のパワーφの変化に対するφ１，φ２の傾きを比較する。φ２＝０となる数式１６を満足する点で数式１７が成立する。
【００４４】
【数１６】
【００４５】
【数１７】
【００４６】
また、数式１８を満足する範囲では数式１９が成立する。数式２０を満足する範囲では数式２１が成立する。
【００４７】
【数１８】
【００４８】
【数１９】
【００４９】
【数２０】
【００５０】
【数２１】
【００５１】
これらを比較した表を表３に示す。
【００５２】
【表３】
【００５３】
以上から、広範囲にわたって数式１９が成立することが分かる。従って、広範囲にわたって傾きが大きいφ２の傾きを小さくすることができれば高倍化を達成することができる。そこで、（８）式中のφ２傾きｄφ２／ｄφに着目すると、主点間隔ｅとバックフォーカスＳｋを共に大きくすれば、傾きを小さくすることができることが分かる。またここでは、主点間隔とバックフォーカスの和である第１群の主点位置から像面までの距離（薄肉近似での全長）が一定であるので、ｅ＝Ｓｋのときにφ２の傾きは最小になる。以上のようにしたとき変倍比が最大となる。また薄肉での近似から厚肉化に伴って、主点間隔ｅがＨ１’とＨ２の距離に置き換わり、薄肉の主点間隔とずれることを考えると次式のようにすればよい。
【００５４】
【数２２】
【００５５】
但し、ｅ’は、物点とＨ１の距離をｅｏ、Ｈ１’とＨ２の距離をｅ、Ｈ２’と像点との距離をｅｉとした時のｅｏとｅｉを比較して小さい方の距離である。数式２２はｅとｅ’とが実質的に同一であることを意味しており、０．３程度の誤差を許容する趣旨である。
【００５６】
また、バックフォーカスＳｋが一定であり主点を動かすことが可能ならば、φ１、φ２ともに主点間隔ｅを大きくすることで傾きを小さくでき高倍化となる。そのため、群を構成する光学素子の面の形状によって主点間隔を広げるようなレンズを回転非対称レンズとして用いれば、面間隔をそのままにしながら主点間隔を広げ、さらに高倍率化を達成することができる。
【００５７】
上記に示すような片面のみ数式１０で記述するような曲面を用いると、図５に示すように前側・後側主点とも同面上で移動するだけである。この光学素子を用いただけでは主点位置を大きく動かすことができない。そのため変倍比も大きくすることができない。この主点をレンズの前、もしくは後に動かし主点間隔を大きくすることができれば、面間隔を大きくすることを行わないで高倍率化を達成することができる。
【００５８】
ここで、共軸レンズとして両凸レンズ、両凹レンズ、メニスカスレンズの３つの主点位置について考察する。すると両凸・両凹レンズとも主点はレンズの内部にあり、上記のように主点をレンズの外に大きく動かすことを望めない。それに対してメニスカスレンズは両凸レンズや両凹レンズとは異なり、主点がレンズの外側にすることもできるレンズである。そのため回転非対称レンズにもこの形状を採用することにより主点をレンズの外側に大きく変動させることができる。これを本光学系のような回転非対称レンズに採用すれば、主点間隔を大きくし高倍率化が望める。
【００５９】
さらに、主点間隔は望遠側では小さく広角側で大きくした方が高倍率となる。それは数式６から理解できる。広角側での全系のパワーをφｗとし、そのときの１群、２群のパワーをそれぞれφ１ｗ、φ２ｗ、その主点間隔ｅｗとし、同じように望遠側での全系のパワーをφｔ、１群、２群のパワーをそれぞれφ１ｔ、φ２ｔ、その主点間隔ｅｔとする。すると数式６は以下のようになる。
【００６０】
【数２３】
【００６１】
【数２４】
【００６２】
但し、φｗ＞φｔである。ここで、φ１とφ２は異符号であるため、次式のように規定する。
【００６３】
【数２５】
【００６４】
【数２６】
【００６５】
また、数式２７のように規定すると、φｗとφｔの差が大きくなり、高倍化となることが分かる。
【００６６】
【数２７】
【００６７】
以上をまとめると以下の３点が高倍率化のために必要となる。
１）主点間隔ｅは全長の半分程度とする
２）非回転対称レンズをメニスカス形状にし、主点間隔を広げる
３）望遠端の主点間隔と広角端の主点間隔は後者の方を大きくする。
【実施例１】
【００６８】
まず本発明の実施形態の仕様について説明する。撮像面はＣＣＤを仮定し、その大きさを１／４ｉｎｃｈ（縦２．７ｍｍ×横３．６ｍｍ）サイズとする。また入射瞳径を０．８とした。
【００６９】
実施形態１の光路図を図６に示す。レンズは全部で４枚から構成され、物体側からＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が回転非対称レンズであり、これらのレンズはＹ軸方向に偏心し、その偏心量は連続的に変化する。また、その量はお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっているがこれに限定するものではない。また、Ｅ１，Ｅ２のレンズで第１群を構成し、これをＧ１とする。同様にＥ３，Ｅ４のレンズで第２群を構成し、これをＧ２とする。面番号については絶対座標系の原点である基準面をＳ０と定め、Ｅ１の第１面をＳ１とし順にＳ２，Ｓ３，Ｓ４となり、Ｓ４の後（Ｅ２の後）に絞りがあるのでそれをＳ５とする。Ｅ３の第１面をＳ６とし順に番号を付け、像面がＳ１０となる。さらに、Ｙ軸方向に連続偏心する回転非対称レンズ部分（Ｅ１からＥ４）を偏心可動ブロックと呼ぶこととする。
【００７０】
レンズデータを表４に示す。各レンズのＺ軸からのずれ量は表５のようになり（１）式で表される多項式面の各係数の値を表６に示す。そのときの光路図を望遠端、ミドル、広角端の順に図７に示す。Ｅ１とＥ２のレンズはＹ軸方向に偏心し、その量は表５に示すようにお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによってＧ１のパワーを正から負に変化させている。Ｇ１を射出した光線は絞りを通過し、Ｅ３とＥ４に入射する。Ｅ３とＥ４のレンズもまたＹ軸方向に偏心し、その量は表５に示すようにお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによってＧ２のパワーを負から正に変化させている。
【００７１】
【表４】
【００７２】
【表５】
【００７３】
【表６】
【００７４】
次に、望遠端（全系の光学的パワーが最小となる位置）、中間、広角端（全系の光学的パワーが最大となる位置）の収差図をそれぞれ図８Ａ乃至図８Ｃに示す。横軸は光線の瞳上で位置を表し、縦軸が像面での主光線からのずれを表す。縦軸の範囲は±２０μｍである。図８Ａ乃至図８Ｃ中の番号は画角番号であり、像面上では図９に示すようになっている。ｘ軸については対称であるので、ｘ方向正の場合のみを考えればよい。画角０°の光線を見ると望遠端から広角端に至るまで良好にコマ収差を除去していることが分かる。また、図１０にディストーション格子を示す。格子の縦横は１／４ｉｎｃｈ（縦２．７ｍｍ×横３．６ｍｍ）サイズとなっている。これを見ると、ディストーションも良好に抑えられていることが分かる。
【００７５】
本実施形態は焦点距離が５ｍｍから２０ｍｍの４倍の変倍比を達成することができた。従来例では１．５倍だったことと比較すると、Ｇ１とＧ２の主点間隔ｅをＧ１と像面との距離の約半分とすることにより、４倍という高倍率化を達成することができる。このときのそれぞれの群の主点位置は、望遠端から広角端に至るまでほぼそれぞれの群の中心に位置する。Ｇ１とＧ２の位置をそのままにしながら主点間隔を大きくするためには、回転非対称レンズの形状をメニスカス形状にすることが挙げられる。そうすることでさらに高倍化にできる。次に、その実施例を示す。
【実施例２】
【００７６】
仕様は実施例１と同様である。但し、望遠端と中間と広角端でのＦｎｏがそれぞれ８、５．６、４となるように、入射瞳径はそれぞれ１．８８、１．４０、０．７５とした。その光路図を図１１に示す。レンズは全部で７枚から構成され、物体側からＥ１，Ｅ２，Ｅ５，Ｅ６が回転非対称レンズであり、これらのレンズはＹ軸方向に偏心し、その偏心量は連続的に変化する。また、その量はお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。Ｅ３，Ｅ４及びＥ７が回転対称球面レンズであるが、光軸に非対称な収差が残存している場合にはこれを除去するために回転非対称レンズを配置してもよい。また、Ｅ１，Ｅ２のレンズで第１群を構成し、これをＧ１とする。同様にＥ３，Ｅ４のレンズをＧ２とし、Ｅ５、Ｅ６をＧ３とする。面番号については絶対座標系の原点である基準面をＳ０と定め、Ｅ１の第１面をＳ１とし順にＳ２，Ｓ３，Ｓ４となり、Ｓ６の後（Ｅ３の後）に絞りがあるのでそれをＳ７とする。Ｅ４の第１面をＳ８とし順に番号を付け、像面がＳ１６となる。更に、Ｙ軸方向に連続偏心する回転非対称レンズ部分（Ｇ１とＧ３）、回転対称レンズ部分（Ｇ２とＥ７）をそれぞれ偏心可動ブロック、補助ブロックと呼ぶこととする。偏心可動ブロックのみではパワーが強くなり収差補正が困難になるため、補助ブロックを配置した。
【００７７】
レンズデータを表７に示す。各レンズのＺ軸からのずれ量は表８のようになり、数式１で表される多項式面の各係数の値を表９に示す。
【００７８】
【表７】
【００７９】
【表８】
【００８０】
【表９】
【００８１】
そのときの光路図を望遠端、中間、広角端の順に図１２に示す。Ｅ１とＥ２のレンズはＹ軸方向に偏心し、その量は表８に示すようにお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによってＧ１のパワーを正から負に変化させている。Ｇ１を射出した光線はＥ３、絞りＳ７、Ｅ４を通過し、Ｅ５とＥ６に入射する。Ｅ５とＥ６のレンズはＹ軸方向に偏心し、その量は表８に示すようにお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによってＧ２のパワーを負から正に変化させている。これらの偏心可動ブロックを通過した光線は次の補助ブロックに入射する。補助ブロックは偏心可動ブロックの足りないパワーを補っている。これらのレンズを通過した光線は像面を変化させることなく結像している。
【００８２】
次に、望遠端、中間、広角端の収差図をそれぞれ図１３Ａ乃至図１３Ｃに示す。横軸は光線の瞳上で位置を表し、縦軸が像面での主光線からのずれを表す。縦軸の範囲は±２０μｍである。図１３Ａ乃至図１３Ｃ中の番号は画角番号であり、像面上では図９に示すようになっている。ｘ軸については対称であるので、ｘ方向正の場合のみを考えればよい。画角０°の光線を見ると望遠端から広角端に至るまで良好にコマ収差を除去していることが分かる。また、図１４にディストーション格子を示す。格子の縦横は１／４ｉｎｃｈ（縦２．７ｍｍ×横３．６ｍｍ）サイズとなっている。これを見ると、ディストーションも良好に抑えられていることが分かる。
【００８３】
実施例２は焦点距離が３ｍｍから１５ｍｍと倍率が約５倍となっている。次に、図１に主点位置の変化をＧ１とＧ３について示す。Ｇ１をメニスカスレンズで構成したため、主点位置は大きく移動している。実施形態１と比較すると面間隔を大きくした上、この主点位置の移動によって５倍の高倍率化を達成している。またその変化を見ると、Ｇ１のパワーが正の範囲では全系のパワーが大きくなるにつれて物点方向に移動し、Ｈ１とＨ２の間隔を広げている。また、Ｇ１のパワーが負の範囲ではやはり全系のパワーが大きくなるにつれて物点方向に移動し、Ｈ１とＨ２の間隔を広げていることが分かる。また、Ｇ１の前側主点位置と後側主点位置をそれぞれＨ１、Ｈ１’とし、Ｇ２の前側主点位置と後側主点位置をそれぞれＨ２、Ｈ２’とし、物点とＨ１の距離をｅｏ、Ｈ１’とＨ２の距離をｅ、Ｈ２’と像点との距離をｅｉとし、ｅｏとｅｉを比較して小さい方をｅ’としたとき、ｅとｅ’、およびｅ／ｅ’の関係を表１０に示す。
【００８４】
【表１０】
【００８５】
これを見ると望遠端においてｅ／ｅ’は１．３２であり０．７以上１．４以下となっていることが分かる。さらに、Ｇ１の後側主点位置をＨ１’とし、Ｇ２の前側主点位置をＨ２とし、Ｇ１のパワーが正の範囲で全系のパワーが最も小さいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｔ１、最も大きいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｗ１とし、Ｇ１のパワーが負の範囲で全系のパワーが最も小さいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｔ２、最も大きいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｗ２とする。その関係を表１１に示す。
【００８６】
【表１１】
【００８７】
これを見るとｅｔ１＜ｅｗ１、かつ、ｅｔ２＜ｅｗ２を満たしていることが分かる。 以上から（実施例１）では主点の移動がほとんど０であるため、全長が１２ｍｍであるにもかかわらず変倍比は４倍であったのに対し、（実施例２）では主点を移動させたので全長が１０ｍｍであるにもかかわらず５倍の変倍比が達成することができた。
【実施例３】
【００８８】
次に、実施例１及び２で示したようなズームレンズを撮影光学系として用いたデジタルスチルカメラの実施例を、図１５を参照して説明する。２０は、カメラ本体、２１は図１を参照して説明したズームレンズによって構成された撮像光学系である。２２はカメラ本体に内蔵され、撮像光学系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、２４は液晶ディスプレイパネルなどによって構成され、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。
【００８９】
このように本発明のズームレンズをデジタルスチルカメラなどの撮像装置に適用することにより、小型で高い光学性能を有する撮像装置を実現することができる。
【００９０】
以上説明したように、本発明によれば回転非対称なレンズを光軸とは異なる方向に動かし、従来の技術と比較すると良好に収差を除去しながら高倍率ズームを行い、且つコンパクトなものとすることができる。
【００９１】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の実施例１の変倍結像光学系における主点の移動を示す図である。
【図２】従来のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系を説明する図である。
【図３】従来例に基づいて設計したレンズのパワー配置を示す図である。
【図４】従来例に基づいて設計したレンズの断面図である。
【図５】図１に示す実施例の主点の移動を示す図である。
【図６】図１に示す実施例のレンズの断面図である。
【図７】図１に示す実施例の望遠端、中間、広角端のレンズの断面図である。
【図８Ａ】図１に示す実施例の収差図である。
【図８Ｂ】図１に示す実施例の収差図である。
【図８Ｃ】図１に示す実施例の収差図である。
【図９】図１に示す実施例の像面での光線の番号を示す図である。
【図１０】図１に示す実施例の望遠端、中間、広角端のディストーション格子を示す図である。
【図１１】本発明の実施例２のレンズ断面図である。
【図１２】図１１に示す実施例の望遠端、中間、広角端のレンズの断面図である。
【図１３Ａ】図１１に示す実施例の収差図である。
【図１３Ｂ】図１１に示す実施例の収差図である。
【図１３Ｃ】図１１に示す実施例の収差図である。
【図１４】図１１に示す実施例の望遠端、中間、広角端のディストーション格子を示す図である。
【図１５】図１又は図１１に示す光学系を適用したデジタルスチルカメラの外観斜視図である。
【符号の説明】
【００９３】
Ｇ１ 第１群の非回転対称光学素子
Ｇ２ 第２群の非回転対称光学素子
２０ デジタルスチルカメラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に撮像装置、投射装置、露光装置、読み取り装置等の全ての変倍結像光学系に関するものであり、特に小型の撮像装置に有用である。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話の普及により、小型カメラの活躍する場が急速に広がっている。小型カメラは更なる小型化に向い、撮像素子の小型化の要求はとどまるところを知らない。それに加え、ズーム化や広角化、高精細化などの付加価値を高める要求も増大している。小型化と高付加価値化、これら両者を達成する難しさをズーム化の点から述べると、ズームは通常、受光面（ＣＣＤ等）に対してレンズを光軸上に移動させることで行われ、物体方向に移動させると光学全長が長くなる。これが小型化の足かせとなっているのが現状である。
【０００３】
従来技術としては特許文献１乃至３がある。特許文献１は、３次関数で表される曲面をレンズに与え、そのレンズ２枚を光軸方向とは異なる方向にずらしてパワーを変化させ、小型化を図っている。このレンズはいわゆるアルバレツレンズと呼ばれ光軸方向に繰り出さないので、ズームレンズに適用すれば全長を短くできる可能性がある。特許文献２は、３次だけではなく高次の項、特に５次の項を曲面に与えることで収差を除去することを提案している。特許文献３は、このレンズを最低２つ配置し、像点を一定にしながらパワーを変化させることを提案している。
【０００４】
回転非対称レンズが含まれる場合には、通常の共軸レンズと異なり共通の軸を持たない。こうした非共軸光学系は、オフアキシャル（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ）光学系と呼ばれる。オフアキシャル（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ）光学系は、像中心と瞳中心を通る光線が辿る経路を基準軸としたときに、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ曲面）を含む光学系として定義される。この場合、基準軸は折れ曲がった形状となるため、近軸量の算出も共軸系の近軸理論ではなく、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ理論を元にした近軸理論を使わなければならない。特許文献４は、焦点距離、前側主点位置、後側主点位置の各近軸値を各面の曲率と各面間隔を元に４×４行列式を計算することで導出及び定義する。
【特許文献１】米国特許第３３０５２９４号明細書
【特許文献２】米国特許第３５８３７９０号明細書
【特許文献３】特開平０１−３５９６４号公報
【特許文献４】特開平０９−５６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
変倍結像光学系を設計するにあたり、特許文献１と特許文献２は、１組の回転非対称レンズを用いてパワーを変化させる方法及び収差補正についての言及にとどまるため、像面を一定にすることはできないという問題がある。また、特許文献３では像点を一定にしながらパワーを変化させる原理を述べてはいるものの、収差の補正を行い実際に変倍結像光学系の設計をするまでには至っていない。特許文献３を基に実際に変倍結像光学系の設計を行った。設計例を示す前に実施形態における構成諸元の表し方及び各実施形態に共通する事項について説明する。
【０００６】
Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系において、基準軸は図２のように折れ曲がった形状となる。そこで、第１面の中心を原点とする絶対座標系として、原点と瞳中心を通る光線が辿る経路を基準軸とする。また、像中心と第１面の中心である絶対座標系の原点を結ぶ直線をＺ軸と定め、向きは第１面から像中心に向かう方向を正とする。このＺ軸を光軸と呼ぶこととする。さらに、Ｙ軸は原点を通り右手座標系の定義に従ってＺ軸に対して反時計回り方向に９０゜をなす直線とし、Ｘ軸は原点を通りＺ、Ｙの各軸に垂直な直線とする。本出願では、近軸値はＯｆｆ−Ａｘｉａｌの近軸追跡を行った結果である。特に断らない限り、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌの近軸追跡を行い、近軸値を算出した結果とする。また、光学系は、回転非対称な非球面を２面以上有し、その形状は以下の式で表す。
【０００７】
【数１】
【０００８】
数式１はｘに関して偶数次の項のみであるため、数式１により規定される曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。
【０００９】
また、以下の条件が満たされる場合はｘｚ面に対して対称な形状を表す。
【００１０】
【数２】
【００１１】
更に、以下の条件が満たされる場合は回転対称な形状を表す。
【００１２】
【数３】
【００１３】
【数４】
【００１４】
【数５】
【００１５】
以上の条件を満たさない場合は回転非対称な形状である。
【００１６】
以下、特許文献３を基に実際に変倍結像光学系の設計を示す。変倍結像光学系は２枚の回転非対称レンズ群２つから成り、それらを物体側から１群、２群とする。まずこれらの群を１つの薄肉レンズで近似し近軸計算を行う。次に各薄肉レンズのパワーを１群、２群それぞれφ１、φ２とし、主点間隔とバックフォーカスをそれぞれｅ、Ｓｋとする。また、全系のパワーをφ、焦点距離をｆとすると、
次式が成立する。
【００１７】
【数６】
【００１８】
また、バックフォーカスＳｋは近軸計算から次式が成り立つ。
【００１９】
【数７】
【００２０】
ここで主点間隔ｅおよびバックフォーカスＳｋを定めると、数式６及び７からφ１及びφ２は全系のパワーφの関数として表される。即ち、全系のパワー変化における１群及び２群のパワー変化の軌跡を表すことができる。そこで、主点間隔ｅ＝３とし、バックフォーカスＳｋ＝１５とするとφ１、φ２は以下となる。
【００２１】
【数８】
【００２２】
【数９】
【００２３】
全系のパワーφに対するφ１、φ２の関係をグラフで表すと図３のようになる。これを見ると、全系のパワーが増加するに従って１群は正から負に、２群は逆に負から正に変化していることが分かる。ここで、回転非対称曲面は数式１０で表され、またその係数ａとパワーとの関係は数式１１となる。
【００２４】
【数１０】
【００２５】
【数１１】
【００２６】
ｘ，ｙ，ｚは上記に示した軸である。δは２枚の回転非対称レンズのＺ軸からのＹ軸方向へのずれ量、ｎはレンズの屈折率である。
回転非対称レンズの係数ａ，ｎを表１に示し、併せてＺ軸からのずれ量δを望遠端（テレ端）・中間（ミドル）・広角端（ワイド端）の順に示す。また、表２は、各面の面のタイプ及び面間隔を示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
更に、それらの値に基づいてズームレンズを設計した。それを図４に示す。基準面Ｓ０に入射した光線はまず群Ｇ１に入射する。群Ｇ１はＥ１、Ｅ２の２つのレンズから構成され、面の番号はＳ１からＳ４とする。Ｅ１とＥ２のレンズはＹ軸方向に偏心し、その偏心量は連続的に変化する。また、その量はお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによってＧ１のパワーを図２に示すように正から負に変化させている。Ｇ１を射出した光線は次に絞りＳ５を通過し、Ｇ２に入射する。Ｇ２はＧ１と同様にＥ３、Ｅ４の２つのレンズから構成され、面の番号はＳ６からＳ９とする。Ｅ３とＥ４のレンズはＹ軸方向に偏心し、その偏心量は連続的に変化する。また、その量はお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによってＧ２のパワーを図２に示すように負から正に変化させている。
【００３０】
Ｇ１を射出した光線は次に絞りＳ５を通過し、Ｇ２に入射する。Ｇ２はＧ１と同様にＥ３、Ｅ４の２つのレンズから構成され、面の番号はＳ６からＳ９とする。Ｅ３とＥ４のレンズはＹ軸方向に偏心し、その偏心量は連続的に変化する。また、その量はお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによってＧ２のパワーを図２に示すように負から正に変化させている。これらのレンズを通過した光線は像面を変化させることなく結像している。しかしながらこの実施例では、全系の焦点距離が変化する範囲が約１４ｍｍから２１ｍｍと変倍比が１．５倍ほどにしかならない。
【００３１】
この変倍比を大きくするためにずれ量を大きくすると、軸上光線における上線・下線のずれが顕著になるばかりか、各群のパワーが大きくなり収差を抑えることが困難となる。
【００３２】
そこで、本発明は、収差を抑えながらこの変倍比を上げることが可能な変倍結像光学系及びそれを有する撮像装置を提供することを例示的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明の一側面としての変倍結像光学系は、それぞれが回転非対称面を有する複数の光学素子で構成される光学群を複数有し、複数の光学群の各群内の光学素子が互いに光軸と異なる方向に移動することで光学的パワーを変化させる変倍結像光学系において、光軸方向に光学素子を動かすことなく主点位置が光軸方向に動き、前記複数の光学群のうちの少なくとも群の１つの主点位置を該群の外側にすることが可能な形状を有することを特徴とする。また、かかる変倍結像光学系を有する撮像装置も本発明の別の側面を構成する。
【００３４】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、収差を抑えながらこの変倍比を上げることが可能な変倍結像光学系及びそれを有する撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
従来の設計例は、数式６乃至９を求め、図３のように焦点距離に対する各群のパワー変化を求めることによって行った。各群のパワーを大きくすると収差が発生するため、各群のパワーを大きくすることなく変倍比を上げるには、図３に示す全系のパワーに対する各群のパワー変化の傾きを小さくすればよい。そのようにすることで各群のパワー変化の範囲を一定にしながらも、全系のパワーが変化できる範囲を広げることができる。それを実現するために薄肉近似をした近軸配置に戻って考える。数式６及び７をＳｋ及び主点間隔ｅを変数のままにすると、以下の式が導かれる。但し、焦点距離、前側主点位置、後側主点位置の各近軸値は特許文献４にて導かれる値として定義する。それらの値の導出は、各面の曲率と各面間隔を元に４×４行列式を計算することで行われる。
【００３７】
【数１２】
【００３８】
【数１３】
【００３９】
これから両者の傾きはｅとＳｋで定まることが分かる。そこで、両者をφで微分すると以下の式が導かれる。
【００４０】
【数１４】
【００４１】
【数１５】
【００４２】
φ１は直線で変化するため傾きは一定である。それに対して、φ２の傾きは全系のパワーφによって変化する。また、主点間隔ｅが大きくなれば、φ１，φ２ともに傾きは小さくなり高倍率化となるが、Ｓｋが大きくなればφ１では大きくなるのに対してφ２は小さくなり、高倍率化に対するＳｋの変化の方向を定めることはできない。
【００４３】
ここで、全系のパワーφの変化に対するφ１，φ２の傾きを比較する。φ２＝０となる数式１６を満足する点で数式１７が成立する。
【００４４】
【数１６】
【００４５】
【数１７】
【００４６】
また、数式１８を満足する範囲では数式１９が成立する。数式２０を満足する範囲では数式２１が成立する。
【００４７】
【数１８】
【００４８】
【数１９】
【００４９】
【数２０】
【００５０】
【数２１】
【００５１】
これらを比較した表を表３に示す。
【００５２】
【表３】
【００５３】
以上から、広範囲にわたって数式１９が成立することが分かる。従って、広範囲にわたって傾きが大きいφ２の傾きを小さくすることができれば高倍化を達成することができる。そこで、（８）式中のφ２傾きｄφ２／ｄφに着目すると、主点間隔ｅとバックフォーカスＳｋを共に大きくすれば、傾きを小さくすることができることが分かる。またここでは、主点間隔とバックフォーカスの和である第１群の主点位置から像面までの距離（薄肉近似での全長）が一定であるので、ｅ＝Ｓｋのときにφ２の傾きは最小になる。以上のようにしたとき変倍比が最大となる。また薄肉での近似から厚肉化に伴って、主点間隔ｅがＨ１’とＨ２の距離に置き換わり、薄肉の主点間隔とずれることを考えると次式のようにすればよい。
【００５４】
【数２２】
【００５５】
但し、ｅ’は、物点とＨ１の距離をｅｏ、Ｈ１’とＨ２の距離をｅ、Ｈ２’と像点との距離をｅｉとした時のｅｏとｅｉを比較して小さい方の距離である。数式２２はｅとｅ’とが実質的に同一であることを意味しており、０．３程度の誤差を許容する趣旨である。
【００５６】
また、バックフォーカスＳｋが一定であり主点を動かすことが可能ならば、φ１、φ２ともに主点間隔ｅを大きくすることで傾きを小さくでき高倍化となる。そのため、群を構成する光学素子の面の形状によって主点間隔を広げるようなレンズを回転非対称レンズとして用いれば、面間隔をそのままにしながら主点間隔を広げ、さらに高倍率化を達成することができる。
【００５７】
上記に示すような片面のみ数式１０で記述するような曲面を用いると、図５に示すように前側・後側主点とも同面上で移動するだけである。この光学素子を用いただけでは主点位置を大きく動かすことができない。そのため変倍比も大きくすることができない。この主点をレンズの前、もしくは後に動かし主点間隔を大きくすることができれば、面間隔を大きくすることを行わないで高倍率化を達成することができる。
【００５８】
ここで、共軸レンズとして両凸レンズ、両凹レンズ、メニスカスレンズの３つの主点位置について考察する。すると両凸・両凹レンズとも主点はレンズの内部にあり、上記のように主点をレンズの外に大きく動かすことを望めない。それに対してメニスカスレンズは両凸レンズや両凹レンズとは異なり、主点がレンズの外側にすることもできるレンズである。そのため回転非対称レンズにもこの形状を採用することにより主点をレンズの外側に大きく変動させることができる。これを本光学系のような回転非対称レンズに採用すれば、主点間隔を大きくし高倍率化が望める。
【００５９】
さらに、主点間隔は望遠側では小さく広角側で大きくした方が高倍率となる。それは数式６から理解できる。広角側での全系のパワーをφｗとし、そのときの１群、２群のパワーをそれぞれφ１ｗ、φ２ｗ、その主点間隔ｅｗとし、同じように望遠側での全系のパワーをφｔ、１群、２群のパワーをそれぞれφ１ｔ、φ２ｔ、その主点間隔ｅｔとする。すると数式６は以下のようになる。
【００６０】
【数２３】
【００６１】
【数２４】
【００６２】
但し、φｗ＞φｔである。ここで、φ１とφ２は異符号であるため、次式のように規定する。
【００６３】
【数２５】
【００６４】
【数２６】
【００６５】
また、数式２７のように規定すると、φｗとφｔの差が大きくなり、高倍化となることが分かる。
【００６６】
【数２７】
【００６７】
以上をまとめると以下の３点が高倍率化のために必要となる。
１）主点間隔ｅは全長の半分程度とする
２）非回転対称レンズをメニスカス形状にし、主点間隔を広げる
３）望遠端の主点間隔と広角端の主点間隔は後者の方を大きくする。
【実施例１】
【００６８】
まず本発明の実施形態の仕様について説明する。撮像面はＣＣＤを仮定し、その大きさを１／４ｉｎｃｈ（縦２．７ｍｍ×横３．６ｍｍ）サイズとする。また入射瞳径を０．８とした。
【００６９】
実施形態１の光路図を図６に示す。レンズは全部で４枚から構成され、物体側からＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が回転非対称レンズであり、これらのレンズはＹ軸方向に偏心し、その偏心量は連続的に変化する。また、その量はお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっているがこれに限定するものではない。また、Ｅ１，Ｅ２のレンズで第１群を構成し、これをＧ１とする。同様にＥ３，Ｅ４のレンズで第２群を構成し、これをＧ２とする。面番号については絶対座標系の原点である基準面をＳ０と定め、Ｅ１の第１面をＳ１とし順にＳ２，Ｓ３，Ｓ４となり、Ｓ４の後（Ｅ２の後）に絞りがあるのでそれをＳ５とする。Ｅ３の第１面をＳ６とし順に番号を付け、像面がＳ１０となる。さらに、Ｙ軸方向に連続偏心する回転非対称レンズ部分（Ｅ１からＥ４）を偏心可動ブロックと呼ぶこととする。
【００７０】
レンズデータを表４に示す。各レンズのＺ軸からのずれ量は表５のようになり（１）式で表される多項式面の各係数の値を表６に示す。そのときの光路図を望遠端、ミドル、広角端の順に図７に示す。Ｅ１とＥ２のレンズはＹ軸方向に偏心し、その量は表５に示すようにお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによってＧ１のパワーを正から負に変化させている。Ｇ１を射出した光線は絞りを通過し、Ｅ３とＥ４に入射する。Ｅ３とＥ４のレンズもまたＹ軸方向に偏心し、その量は表５に示すようにお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによってＧ２のパワーを負から正に変化させている。
【００７１】
【表４】
【００７２】
【表５】
【００７３】
【表６】
【００７４】
次に、望遠端（全系の光学的パワーが最小となる位置）、中間、広角端（全系の光学的パワーが最大となる位置）の収差図をそれぞれ図８Ａ乃至図８Ｃに示す。横軸は光線の瞳上で位置を表し、縦軸が像面での主光線からのずれを表す。縦軸の範囲は±２０μｍである。図８Ａ乃至図８Ｃ中の番号は画角番号であり、像面上では図９に示すようになっている。ｘ軸については対称であるので、ｘ方向正の場合のみを考えればよい。画角０°の光線を見ると望遠端から広角端に至るまで良好にコマ収差を除去していることが分かる。また、図１０にディストーション格子を示す。格子の縦横は１／４ｉｎｃｈ（縦２．７ｍｍ×横３．６ｍｍ）サイズとなっている。これを見ると、ディストーションも良好に抑えられていることが分かる。
【００７５】
本実施形態は焦点距離が５ｍｍから２０ｍｍの４倍の変倍比を達成することができた。従来例では１．５倍だったことと比較すると、Ｇ１とＧ２の主点間隔ｅをＧ１と像面との距離の約半分とすることにより、４倍という高倍率化を達成することができる。このときのそれぞれの群の主点位置は、望遠端から広角端に至るまでほぼそれぞれの群の中心に位置する。Ｇ１とＧ２の位置をそのままにしながら主点間隔を大きくするためには、回転非対称レンズの形状をメニスカス形状にすることが挙げられる。そうすることでさらに高倍化にできる。次に、その実施例を示す。
【実施例２】
【００７６】
仕様は実施例１と同様である。但し、望遠端と中間と広角端でのＦｎｏがそれぞれ８、５．６、４となるように、入射瞳径はそれぞれ１．８８、１．４０、０．７５とした。その光路図を図１１に示す。レンズは全部で７枚から構成され、物体側からＥ１，Ｅ２，Ｅ５，Ｅ６が回転非対称レンズであり、これらのレンズはＹ軸方向に偏心し、その偏心量は連続的に変化する。また、その量はお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。Ｅ３，Ｅ４及びＥ７が回転対称球面レンズであるが、光軸に非対称な収差が残存している場合にはこれを除去するために回転非対称レンズを配置してもよい。また、Ｅ１，Ｅ２のレンズで第１群を構成し、これをＧ１とする。同様にＥ３，Ｅ４のレンズをＧ２とし、Ｅ５、Ｅ６をＧ３とする。面番号については絶対座標系の原点である基準面をＳ０と定め、Ｅ１の第１面をＳ１とし順にＳ２，Ｓ３，Ｓ４となり、Ｓ６の後（Ｅ３の後）に絞りがあるのでそれをＳ７とする。Ｅ４の第１面をＳ８とし順に番号を付け、像面がＳ１６となる。更に、Ｙ軸方向に連続偏心する回転非対称レンズ部分（Ｇ１とＧ３）、回転対称レンズ部分（Ｇ２とＥ７）をそれぞれ偏心可動ブロック、補助ブロックと呼ぶこととする。偏心可動ブロックのみではパワーが強くなり収差補正が困難になるため、補助ブロックを配置した。
【００７７】
レンズデータを表７に示す。各レンズのＺ軸からのずれ量は表８のようになり、数式１で表される多項式面の各係数の値を表９に示す。
【００７８】
【表７】
【００７９】
【表８】
【００８０】
【表９】
【００８１】
そのときの光路図を望遠端、中間、広角端の順に図１２に示す。Ｅ１とＥ２のレンズはＹ軸方向に偏心し、その量は表８に示すようにお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによってＧ１のパワーを正から負に変化させている。Ｇ１を射出した光線はＥ３、絞りＳ７、Ｅ４を通過し、Ｅ５とＥ６に入射する。Ｅ５とＥ６のレンズはＹ軸方向に偏心し、その量は表８に示すようにお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによってＧ２のパワーを負から正に変化させている。これらの偏心可動ブロックを通過した光線は次の補助ブロックに入射する。補助ブロックは偏心可動ブロックの足りないパワーを補っている。これらのレンズを通過した光線は像面を変化させることなく結像している。
【００８２】
次に、望遠端、中間、広角端の収差図をそれぞれ図１３Ａ乃至図１３Ｃに示す。横軸は光線の瞳上で位置を表し、縦軸が像面での主光線からのずれを表す。縦軸の範囲は±２０μｍである。図１３Ａ乃至図１３Ｃ中の番号は画角番号であり、像面上では図９に示すようになっている。ｘ軸については対称であるので、ｘ方向正の場合のみを考えればよい。画角０°の光線を見ると望遠端から広角端に至るまで良好にコマ収差を除去していることが分かる。また、図１４にディストーション格子を示す。格子の縦横は１／４ｉｎｃｈ（縦２．７ｍｍ×横３．６ｍｍ）サイズとなっている。これを見ると、ディストーションも良好に抑えられていることが分かる。
【００８３】
実施例２は焦点距離が３ｍｍから１５ｍｍと倍率が約５倍となっている。次に、図１に主点位置の変化をＧ１とＧ３について示す。Ｇ１をメニスカスレンズで構成したため、主点位置は大きく移動している。実施形態１と比較すると面間隔を大きくした上、この主点位置の移動によって５倍の高倍率化を達成している。またその変化を見ると、Ｇ１のパワーが正の範囲では全系のパワーが大きくなるにつれて物点方向に移動し、Ｈ１とＨ２の間隔を広げている。また、Ｇ１のパワーが負の範囲ではやはり全系のパワーが大きくなるにつれて物点方向に移動し、Ｈ１とＨ２の間隔を広げていることが分かる。また、Ｇ１の前側主点位置と後側主点位置をそれぞれＨ１、Ｈ１’とし、Ｇ２の前側主点位置と後側主点位置をそれぞれＨ２、Ｈ２’とし、物点とＨ１の距離をｅｏ、Ｈ１’とＨ２の距離をｅ、Ｈ２’と像点との距離をｅｉとし、ｅｏとｅｉを比較して小さい方をｅ’としたとき、ｅとｅ’、およびｅ／ｅ’の関係を表１０に示す。
【００８４】
【表１０】
【００８５】
これを見ると望遠端においてｅ／ｅ’は１．３２であり０．７以上１．４以下となっていることが分かる。さらに、Ｇ１の後側主点位置をＨ１’とし、Ｇ２の前側主点位置をＨ２とし、Ｇ１のパワーが正の範囲で全系のパワーが最も小さいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｔ１、最も大きいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｗ１とし、Ｇ１のパワーが負の範囲で全系のパワーが最も小さいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｔ２、最も大きいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｗ２とする。その関係を表１１に示す。
【００８６】
【表１１】
【００８７】
これを見るとｅｔ１＜ｅｗ１、かつ、ｅｔ２＜ｅｗ２を満たしていることが分かる。 以上から（実施例１）では主点の移動がほとんど０であるため、全長が１２ｍｍであるにもかかわらず変倍比は４倍であったのに対し、（実施例２）では主点を移動させたので全長が１０ｍｍであるにもかかわらず５倍の変倍比が達成することができた。
【実施例３】
【００８８】
次に、実施例１及び２で示したようなズームレンズを撮影光学系として用いたデジタルスチルカメラの実施例を、図１５を参照して説明する。２０は、カメラ本体、２１は図１を参照して説明したズームレンズによって構成された撮像光学系である。２２はカメラ本体に内蔵され、撮像光学系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、２４は液晶ディスプレイパネルなどによって構成され、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。
【００８９】
このように本発明のズームレンズをデジタルスチルカメラなどの撮像装置に適用することにより、小型で高い光学性能を有する撮像装置を実現することができる。
【００９０】
以上説明したように、本発明によれば回転非対称なレンズを光軸とは異なる方向に動かし、従来の技術と比較すると良好に収差を除去しながら高倍率ズームを行い、且つコンパクトなものとすることができる。
【００９１】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の実施例１の変倍結像光学系における主点の移動を示す図である。
【図２】従来のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系を説明する図である。
【図３】従来例に基づいて設計したレンズのパワー配置を示す図である。
【図４】従来例に基づいて設計したレンズの断面図である。
【図５】図１に示す実施例の主点の移動を示す図である。
【図６】図１に示す実施例のレンズの断面図である。
【図７】図１に示す実施例の望遠端、中間、広角端のレンズの断面図である。
【図８Ａ】図１に示す実施例の収差図である。
【図８Ｂ】図１に示す実施例の収差図である。
【図８Ｃ】図１に示す実施例の収差図である。
【図９】図１に示す実施例の像面での光線の番号を示す図である。
【図１０】図１に示す実施例の望遠端、中間、広角端のディストーション格子を示す図である。
【図１１】本発明の実施例２のレンズ断面図である。
【図１２】図１１に示す実施例の望遠端、中間、広角端のレンズの断面図である。
【図１３Ａ】図１１に示す実施例の収差図である。
【図１３Ｂ】図１１に示す実施例の収差図である。
【図１３Ｃ】図１１に示す実施例の収差図である。
【図１４】図１１に示す実施例の望遠端、中間、広角端のディストーション格子を示す図である。
【図１５】図１又は図１１に示す光学系を適用したデジタルスチルカメラの外観斜視図である。
【符号の説明】
【００９３】
Ｇ１ 第１群の非回転対称光学素子
Ｇ２ 第２群の非回転対称光学素子
２０ デジタルスチルカメラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが回転非対称面を有する複数の光学素子で構成される光学群を複数有し、複数の光学群の各群内の光学素子が互いに光軸と異なる方向に移動することで光学的パワーを変化させる変倍結像光学系において、
光軸方向に光学素子を動かすことなく主点位置が光軸方向に動き、前記複数の光学群のうちの少なくとも群の１つの主点位置を該群の外側にすることが可能な形状を有することを特徴とする変倍結像光学系。
【請求項２】
前記複数の光学群のうちの第１の群の前側主点位置と後側主点位置をそれぞれＨ１、Ｈ１’とし、前記複数の光学群のうちの第２の群の前側主点位置と後側主点位置をそれぞれＨ２、Ｈ２’とし、物点とＨ１の距離をｅｏ、Ｈ１’とＨ２の距離をｅ、Ｈ２’と像点との距離をｅｉとし、ｅｏとｅｉを比較して小さい方をｅ’としたとき、広角端から望遠端の間の少なくとも一つの焦点距離においてｅとｅ’は実質的に同一であることを特徴とする請求項１記載の変倍結像光学系。
【請求項３】
ｅ／ｅ’は０．７以上１．４以下であることを特徴とする請求項２記載の変倍結像光学系。
【請求項４】
前記第１群の後側主点位置をＨ１’とし、前記第２群の前側主点位置をＨ２とし、前記第１群のパワーが正の範囲で全系のパワーが最も小さいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｔ１、最も大きいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｗ１とし、前記第１群のパワーが負の範囲で全系のパワーが最も小さいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｔ２、最も大きいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｗ２とすると、ｅｔ１＜ｅｗ１、かつ、ｅｔ２＜ｅｗ２を満足することを特徴とする請求項１記載の変倍結像光学系。
【請求項５】
光電変換素子上に像を形成することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の変倍結像光学系。
【請求項６】
請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の変倍結像光学系と、
該変倍結像光学系によって形成される像を受光する光電変換素子とを備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項１】
それぞれが回転非対称面を有する複数の光学素子で構成される光学群を複数有し、複数の光学群の各群内の光学素子が互いに光軸と異なる方向に移動することで光学的パワーを変化させる変倍結像光学系において、
光軸方向に光学素子を動かすことなく主点位置が光軸方向に動き、前記複数の光学群のうちの少なくとも群の１つの主点位置を該群の外側にすることが可能な形状を有することを特徴とする変倍結像光学系。
【請求項２】
前記複数の光学群のうちの第１の群の前側主点位置と後側主点位置をそれぞれＨ１、Ｈ１’とし、前記複数の光学群のうちの第２の群の前側主点位置と後側主点位置をそれぞれＨ２、Ｈ２’とし、物点とＨ１の距離をｅｏ、Ｈ１’とＨ２の距離をｅ、Ｈ２’と像点との距離をｅｉとし、ｅｏとｅｉを比較して小さい方をｅ’としたとき、広角端から望遠端の間の少なくとも一つの焦点距離においてｅとｅ’は実質的に同一であることを特徴とする請求項１記載の変倍結像光学系。
【請求項３】
ｅ／ｅ’は０．７以上１．４以下であることを特徴とする請求項２記載の変倍結像光学系。
【請求項４】
前記第１群の後側主点位置をＨ１’とし、前記第２群の前側主点位置をＨ２とし、前記第１群のパワーが正の範囲で全系のパワーが最も小さいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｔ１、最も大きいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｗ１とし、前記第１群のパワーが負の範囲で全系のパワーが最も小さいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｔ２、最も大きいときのＨ１’とＨ２の距離をｅｗ２とすると、ｅｔ１＜ｅｗ１、かつ、ｅｔ２＜ｅｗ２を満足することを特徴とする請求項１記載の変倍結像光学系。
【請求項５】
光電変換素子上に像を形成することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の変倍結像光学系。
【請求項６】
請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の変倍結像光学系と、
該変倍結像光学系によって形成される像を受光する光電変換素子とを備えることを特徴とする撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００６−６５３０７（Ｐ２００６−６５３０７Ａ）
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２１０３７７（Ｐ２００５−２１０３７７）
【出願日】平成１７年７月２０日（２００５．７．２０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月２０日（２００５．７．２０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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