JP2005300981A - 変倍光学系および光学機器 - Google Patents

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暁 安西
Hiroshi Wakabayashi
央 若林
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B15/1435Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective having three groups only the first group being negative
    • G02B15/143507Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective having three groups only the first group being negative arranged -++

Abstract

【目的】安価でありながら性能の安定性が高い変倍光学系および光学機器を提供すること。また、量産性の向上を図ることができる変倍光学系および光学機器を提供すること。さらに、温度湿度変化に対して安定性が高い変倍光学系および光学機器を提供すること。
【構成】物体側から順に、負の屈折力を持ち変倍中に光軸上を移動する第1レンズ群と、正の屈折力を持ち変倍中に光軸上を移動する第2レンズ群と、変倍中に移動しない正の屈折力を持つ第3レンズ群とを備え、前記第1レンズ群は、複数のガラスレンズ101,103と前記ガラスレンズ101と相隣して配置される1枚のプラスチックレンズ102とを有し、前記第2レンズ群は、複数のガラスレンズ201,203,204と前記ガラスレンズ201と相隣して配置される1枚のプラスチックレンズ202とを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、静止画を撮影するカメラ等に好適な小型で低コストの広角に適した変倍光学系および光学機器に関する。
固体撮像素子を用いた民主用ビデオカメラのズームレンズには、高変倍、大口径比化をはかった高級機を求める一方で、低コスト、簡便性、広角化を追求した普及機が求められている。
従来から広角に適したレンズタイプとして、銀塩カメラに用いられている負群先行の2群ズームがあげられるが、このタイプを固体撮像素子用カメラに用いると、銀塩カメラ用のため射出瞳位置が短いので、ピント面上での周辺光量が低下するなどの欠点があり不適当であった。この問題を解決するために、第2レンズ群の後方に正レンズ群を設けることが提案されていた(例えば、特許文献1参照)。
また、広角で変倍比3倍程度のズームレンズで、プラスチックレンズを多用することにより、従来に比べ低コスト化をはかったズームレンズを提供することを目的として、以下の手段が、文献に開示されている。即ち、物体側から順に負の屈折力を持ち変倍中に光軸上を移動する第1レンズ群と、正の屈折力を持ち変倍中に光軸上を移動する第2レンズ群と、変倍中に固定である正屈折力の第3レンズ群とからなる3群のズームレンズにおいて、前記第1レンズ群は1枚の負の屈折力を持つガラスレンズと少なくとも2枚以上のプラスチックレンズからなり、前記第2レンズ群は少なくとも1枚の正の屈折力を持つガラスと少なくとも2枚以上のプラスチックレンズとから構成したことを特徴とするズームレンズ(特許文献2参照)。
特開平3−11653号公報 特開平9−21950号公報
上記特許文献2に記載の技術では、各群にプラスチックレンズを2枚以上使用して低コスト化を図っているが、プラスチックレンズは、性能がばらつき易く、そのため、製造上不安定であり、歩留まりが悪く量産性に欠ける。また、プラスチックレンズは、温度湿度変化に対して安定性が低い。そのため、各群にプラスチックレンズを多用すればするほど、かかる問題点を抱えることになる。さらに、プラスチックレンズを多用すればするほど諸収差の補正を十分行なうことができなくなる。諸収差の補正を十分行なうことができないため、特にワイド端において寸法が大きくなりやすく、コンパクト化が困難であった。
本発明は、安価でありながら性能の安定性が高い変倍光学系および光学機器を提供することを目的とする。また、量産性の向上を図ることができる変倍光学系および光学機器を提供することを目的とする。さらに、温度湿度変化に対して安定性が高い変倍光学系および光学機器を提供することを目的とする。
また、本発明は、諸収差の補正を十分に行うことができる変倍光学系および光学機器を提供することを目的とする。さらに、コンパクト化を図ることができる変倍光学系および光学機器を提供することを目的とする。
本発明は、物体側から順に、負の屈折力を持ち変倍中に光軸上を移動する第1レンズ群と、正の屈折力を持ち変倍中に光軸上を移動する第2レンズ群と、変倍中に移動しない正の屈折力を持つ第3レンズ群とを備え、前記第1レンズ群は、複数のガラスレンズと前記複数のガラスレンズの1つと相隣して配置される1枚のプラスチックレンズとを有し、前記第2レンズ群は、複数のガラスレンズと前記複数のガラスレンズの1つと相隣して配置される1枚のプラスチックレンズとを有することを特徴とする変倍光学系を提供する。
本発明の変倍光学系は、物体側から順に、第1レンズ群が負の屈折力を持ち変倍中に光軸上を移動し、第2レンズ群が正の屈折力を持ち変倍中に光軸上を移動し、さらに、第3レンズ群が変倍中に固定で正屈折力にする。ここで、前記第1レンズ群において、プラスチックレンズの個数を減らし、プラスチックレンズを多用せず1枚とし、代わりにガラスレンズを用いたことで、従来、多用されていたプラスチックレンズよりも屈折率を高めることができる。また、従来、1つのレンズ群に2枚以上多用されていたプラスチックレンズを1枚とし、2枚目以降のプラスチックレンズの代わりにガラスレンズを用いたことで、製造安定化を図ることができる。さらに、従来、2枚以上多用されていたプラスチックレンズの代わりにガラスレンズを用いたことで、ゲート付近の面形状を安定させることができる。同様に、前記第2レンズ群において、プラスチックレンズの個数を減らし、プラスチックレンズを多用せず1枚とし、代わりにガラスレンズを用いたことで、従来、多用されていたプラスチックレンズよりも屈折率を高めることができる。また、従来、1つのレンズ群に2枚以上多用されていたプラスチックレンズを1枚とし、2枚目以降のプラスチックレンズの代わりにガラスレンズを用いたことで、製造安定化を図ることができる。さらに、従来、2枚以上多用されていたプラスチックレンズの代わりにガラスレンズを用いたことで、ゲート付近の面形状を安定させることができる。
また、前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズと前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズとは、ともに、レンズ面が非球面に形成されていることを特徴とする。
前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズと前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズとに対し、そのレンズ面の形状に非球面を用いることで、球面収差等の基本的な収差を補正することができる。
また、前記第1レンズ群において、前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズは、前記複数のガラスレンズの1つと物体側にて相隣して配置され、前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズの入射面の曲率半径RP1r1と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズの射出面の曲率半径RG1r2とが、
0.8<(RP1r1/RG1r2)<1.2
の関係を有するように構成するとよい。
前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズの入射面の曲率半径RP1r1と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズの射出面の曲率半径RG1r2とが、0.8<(RP1r1/RG1r2)<1.2の関係を有するように構成することで、RG1r2で発生した収差を直ちに P1r1で補正することが可能となり、全系の収差補正が著しく容易になる。
同様に、前記第2レンズ群において、前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズは、前記複数のガラスレンズの1つと物体側にて相隣して配置され、前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズの入射面の曲率半径RP2r1と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズの射出面の曲率半径RG2r2とが、
0.8<(RP2r1/RG2r2)<1.2
の関係を有するように構成するとよい。
前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズの入射面の曲率半径RP2r1と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズの射出面の曲率半径RG2r2とが、0.8<(RP2r1/RG2r2)<1.2の関係を有するように構成することで、RG2r2で発生した収差を直ちに P2r1で補正することが可能となり、全系の収差補正が著しく容易になる。
また、さらに、前記第1レンズ群において、前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズは、前記複数のガラスレンズの1つと物体側にて相隣して配置され、前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズのパワーφP1と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズのパワーφG1とが、
−3<(φP1/φG1)<3
の関係を有するように構成するとよい。
前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズのパワーφP1と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズのパワーφG1とが、−3<(φP1/φG1)<3の関係を有するように構成することで、温度または/および湿度の変化に対する光学性能変化の量を抑制することができる。特に、温度または/および湿度の変化に敏感なプラスチックレンズのパワーφP1を従来と比較して弱めるように構成することにより、より光学性能変化の量を抑制することができる。
また、さらに、前記第2レンズ群において、前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズは、前記複数のガラスレンズの1つと物体側にて相隣して配置され、前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズのパワーφP2と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズのパワーφG2とが、
−3<(φP2/φG2)<3
の関係を有するように構成するとよい。
同様に、前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズのパワーφP2と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズのパワーφG2とが、−3<(φP2/φG2)<3の関係を有するように構成することで、温度または/および湿度の変化に対する光学性能変化の量を抑制することができる。特に、温度または/および湿度の変化に敏感なプラスチックレンズのパワーφP2を従来と比較して弱めるように構成することにより、より光学性能変化の量を抑制することができる。
また、本発明の光学機器は、前記変倍光学系を備えたことを特徴とする。特に、前記光学機器は、静止画を撮影するカメラであることを特徴とする。
本発明によれば、前記第1レンズ群において、プラスチックレンズの個数を減らし、プラスチックレンズを多用せず1枚とし、代わりに残りにガラスレンズを用いたことで、従来、多用されていたプラスチックレンズよりも屈折率を高めることができるので、収差補正を有利にすることができ、寸法が大きくなりやすいワイド端においてコンパクト化を図ることができる。また、従来、2枚以上多用されていたプラスチックレンズを1枚とし、代わりにガラスレンズを用いたことで、製造安定化を図ることができるので、歩留まりを向上させることができ、量産的に安定した性能を得ることができる。さらに、従来、2枚以上多用されていたプラスチックレンズを1枚とし、代わりにガラスレンズを用いたことで、ゲート付近の面形状を安定させることができ、光学性能のばらつきを抑えることができる。さらにまた、温度または/および湿度の変化に敏感なプラスチックレンズの代わりにガラスレンズを用いたことで、温度または/および湿度の変化に対する光学性能変化の量を抑制することができる。
本発明によれば、前記第2レンズ群において、プラスチックレンズの個数を減らし、プラスチックレンズを多用せず1枚とし、代わりに残りにガラスレンズを用いたことで、前記第1レンズ群における効果と同様に、従来、多用されていたプラスチックレンズよりも屈折率を高めることができるので、収差補正を有利にすることができ、寸法が大きくなりやすいワイド端においてコンパクト化を図ることができる。また、従来、2枚以上多用されていたプラスチックレンズを1枚とし、代わりにガラスレンズを用いたことで、製造安定化を図ることができるので、歩留まりを向上させることができ、量産的に安定した性能を得ることができる。さらに、従来、2枚以上多用されていたプラスチックレンズを1枚とし、代わりにガラスレンズを用いたことで、ゲート付近の面形状を安定させることができ、光学性能のばらつきを抑えることができる。さらにまた、温度または/および湿度の変化に敏感なプラスチックレンズの代わりにガラスレンズを用いたことで、温度または/および湿度の変化に対する光学性能変化の量を抑制することができる。
本発明によれば、光学機器に前記変倍光学系を備えたことで、上記効果を得ることができる。よって、光学機器の性能の安定化を図ることができる。また、光学機器の量産性を向上させることができる。さらに、光学機器の温度湿度変化に対して安定性を向上させることができる。さらにまた、光学系において、諸収差の補正を向上させることができるため、光学機器のコンパクト化を向上させることができる。
[実施の形態1]
図1は、実施の形態1におけるレンズ構成を示す図である。
図1において、変倍光学系は、物体側から順に、第1レンズ群と第2レンズ群と第3レンズ群とローパスフィルター401と保護ガラス402とを備えている。
第1のレンズ群は、複数のガラスレンズと前記複数のガラスレンズの1つと相隣して配置される1枚のプラスチックレンズとを有している。すなわち、第1レンズ群は、物体側から順に、ガラスレンズ101、プレスチックレンズ102、ガラスレンズ103を有している。第1のレンズ群は、負の屈折力を持ち変倍中に光軸上を移動する。
第2レンズ群も、複数のガラスレンズと前記複数のガラスレンズの1つと相隣して配置される1枚のプラスチックレンズとを有している。すなわち、第2レンズ群は、物体側から順に、ガラスレンズ201、プレスチックレンズ202、ガラスレンズ203、ガラスレンズ204を有している。第2レンズ群は、正の屈折力を持ち変倍中に光軸上を移動する。第1レンズ群と第2レンズ群とにおいて、プラスチックレンズの個数を減らし、プラスチックレンズを多用せず各群1枚とし、代わりにガラスレンズを用いたことで、従来、多用されていたプラスチックレンズよりも屈折率を高めることができる。また、従来、1つのレンズ群に2枚以上多用されていたプラスチックレンズを1枚とし、2枚目以降のプラスチックレンズの代わりにガラスレンズを用いたことで、製造安定化を図ることができる。また、前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズ102と前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズ202とは、共に、レンズ面が非球面に形成されている。レンズ面が非球面に形成されていることで、球面収差等の基本的な収差を補正することができる。第3レンズ群は、ガラスレンズ301を有している。
第3レンズ群は、変倍中に移動しない正の屈折力を持つ。本実施の形態では、第3レンズ群が1枚のレンズとなっているが、第3レンズ群としてあるように複数であっても構わない。ローパスフィルター401は、高周波光をカットする平面フィルターである。保護ガラス402は、結像面側にある図示していないCCDの保護ガラスである。
第1レンズ群において、ガラスレンズ101の面は、面番号1,2で表している。プレスチックレンズ102の面は、面番号3,4で表している。ガラスレンズ103の面は、面番号5,6で表している。第2レンズ群において、ガラスレンズ201の面は、面番号8,9で表している。プレスチックレンズ202の面は、面番号10,11で表している。ガラスレンズ203の面は、面番号12,13で表している。ガラスレンズ204の面は、面番号14,15で表している。第3レンズ群において、ガラスレンズ301の面は、面番号16,17で表している。また、ローパスフィルター401の面は、面番号18,19で表している。保護ガラス402の面は、面番号20,21で表している。
表1、2、3は、実施の形態1における変倍光学系の各レンズのレンズデータを示すものである。表1において、「面#」は、上述した各レンズの面番号に相当している。「R」は、各面番号のレンズ面の曲率半径を示している。「D」は、該当する面番号の面から次の面番号の面までの厚さを示している。「間隔1」、「間隔2」は、変倍中に光軸上を移動するため変動する。「N」は各面番号の空間のd線に対する屈折率を示している。ただし、空気の屈折率1.0000は表記を省略した。「V」は各面番号の空間のd線に対するアッベ数を示している。ただし、空気のアッベ数0.0は表記を省略した。また、表2では、各レンズを上記参照符号で示している。
表3には非球面の形状に係る係数を示した。
非球面の形状はこの係数を用いて次式で表現される。
Z=y2/Rn(1+SQRT(1-(1+k)y2/Rn))+A2y2+A4y4+A6y6+A8y8+A10y10
ここにZは光軸方向にとった位置座標、yは光軸からの距離を示している。
Figure 2005300981
Figure 2005300981
Figure 2005300981
前記第1レンズ群において、前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズ102は、前記複数のガラスレンズの1つ、ここではガラスレンズ101と物体側にて相隣して配置されている。表1に示すように、前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズの入射面(面番号3)の曲率半径RP1r1と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズの射出面(面番号2)の曲率半径RG1r2との比(RP1r1/RG1r2)=10.634/10.100=1.05に形成されている。かかる比(RP1r1/RG1r2)は、以下の関係を有するように形成されると望ましい。
0.8<(RP1r1/RG1r2)<1.2
また、前記第1レンズ群において、プラスチックレンズ102の焦点距離の逆数であるパワーφP1と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズ101の焦点距離の逆数であるパワーφG1とが、
−3<(φP1/φG1)<3
の関係を有するように形成されると望ましい。
かかる関係を有するように構成することで、温度または/および湿度の変化に対する光学性能変化の量を抑制することができる。特に、温度または/および湿度の変化に敏感なプラスチックレンズのパワーφP1を従来と比較して弱めるように構成することにより、より光学性能変化の量を抑制することができる。
前記第2レンズ群において、前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズ202は、前記複数のガラスレンズの1つ、ここではガラスレンズ201と物体側にて相隣して配置されている。表1に示すように、前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズの入射面(面番号10)の曲率半径RP2r1と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズの射出面(面番号9)の曲率半径RG2r2との比(RP2r1/RG2r2)=(−40.107)/(−48.262)=0.83に形成されている。かかる比(RP2r1/RG2r2)は、以下の関係を有するように形成されると望ましい。
0.8<(RP2r1/RG2r2)<1.2
また、前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズ202の焦点距離の逆数であるパワーφP2と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズ201の焦点距離の逆数であるパワーφG2とが、
−3<(φP2/φG2)<3
の関係を有するように形成されると望ましい。
かかる関係を有するように構成することで、上記同様、温度または/および湿度の変化に対する光学性能変化の量を抑制することができる。特に、温度または/および湿度の変化に敏感なプラスチックレンズのパワーφP2を従来と比較して弱めるように構成することにより、より光学性能変化の量を抑制することができる。
図2は、変倍する場合の各レンズ群の各位置を示す図である。
図2(a)では、広角端における各レンズ群の各位置を示している。図2(b)では、中間時における各レンズ群の各位置を示している。図2(c)では、望遠端における各レンズ群の各位置を示している。
図3は、変倍する各位置での球面収差を示す図である。
図3(a)では、広角端における非点収差を示している。図3(b)では、中間時における非点収差を示している。図3(c)では、望遠端における非点収差を示している。
図4は、変倍する各位置での非点収差と歪曲収差とを示す図である。
図4(a)では、広角端における非点収差(左図)と歪曲収差(右図)とを示している。図4(b)では、中間時における非点収差(左図)と歪曲収差(右図)とを示している。図4(c)では、望遠端における非点収差(左図)と歪曲収差(右図)とを示している。
図5は、変倍する各位置での像面の相対照度を示す図である。
図5(a)では、広角端における相対照度を示している。図5(b)では、中間時における相対照度を示している。図5(c)では、望遠端における相対照度を示している。
以上の各図に示されるように、本実施の形態における変倍光学系は、実用上、十分な性能を有している。
光学機器、例えば、静止画を撮影するカメラ等が、本実施の形態における変倍光学系を備えることで、上記効果を得ることができる。
実施の形態1におけるレンズ構成を示す図である。 変倍する場合の各レンズ群の各位置を示す図である。 変倍する各位置での球面収差を示す図である。 変倍する各位置での非点収差と歪曲収差とを示す図である。 変倍する各位置での像面の相対照度を示す図である。
符号の説明
101,103,201,203,204,301 ガラスレンズ
102,202 プラスチックレンズ
401 ローパスフィルター
402 保護ガラス

Claims (8)

  1. 物体側から順に、負の屈折力を持ち変倍中に光軸上を移動する第1レンズ群と、正の屈折力を持ち変倍中に光軸上を移動する第2レンズ群と、変倍中に移動しない正の屈折力を持つ第3レンズ群とを備え、
    前記第1レンズ群は、複数のガラスレンズと前記複数のガラスレンズの1つと相隣して配置される1枚のプラスチックレンズとを有し、
    前記第2レンズ群は、複数のガラスレンズと前記複数のガラスレンズの1つと相隣して配置される1枚のプラスチックレンズとを有することを特徴とする変倍光学系。
  2. 前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズと前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズとは、ともに、レンズ面が非球面に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の変倍光学系。
  3. 前記第1レンズ群において、前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズは、前記複数のガラスレンズの1つと物体側にて相隣して配置され、
    前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズの入射面の曲率半径RP1r1と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズの射出面の曲率半径RG1r2とが、
    0.8<(RP1r1/RG1r2)<1.2
    の関係を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の変倍光学系。
  4. 前記第2レンズ群において、前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズは、前記複数のガラスレンズの1つと物体側にて相隣して配置され、
    前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズの入射面の曲率半径RP2r1と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズの射出面の曲率半径RG2r2とが、
    0.8<(RP2r1/RG2r2)<1.2
    の関係を有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の変倍光学系。
  5. 前記第1レンズ群において、前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズは、前記複数のガラスレンズの1つと物体側にて相隣して配置され、
    前記第1レンズ群が有するプラスチックレンズのパワーφP1と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズのパワーφG1とが、
    −3<(φP1/φG1)<3
    の関係を有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の変倍光学系。
  6. 前記第2レンズ群において、前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズは、前記複数のガラスレンズの1つと物体側にて相隣して配置され、
    前記第2レンズ群が有するプラスチックレンズのパワーφP2と、前記物体側にて相隣して配置されるガラスレンズのパワーφG2とが、
    −3<(φP2/φG2)<3
    の関係を有することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の変倍光学系。
  7. 前記請求項1から請求項6のいずれかに記載の変倍光学系を備えたことを特徴とする光学機器。
  8. 前記光学機器は、静止画を撮影するカメラであることを特徴とする請求項7に記載の光学機器。
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