JP2006171431A - ズームレンズ及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】コンパクトで、高い光学性能を有したズームレンズを得ること。
【解決手段】物体側より像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群L1、負の屈折力の第2レンズ群L2、正の屈折力の第3レンズ群L3、正の屈折力の第4レンズ群L4を有し、ズーミングに際して該第2レンズ群L2及び第4レンズ群L4が移動するズームレンズであって、
該第1レンズ群L1は、1以上の負の屈折力のレンズと、1以上の正の屈折力のレンズを有し、該第1レンズ群L1中の負の屈折力のレンズと正の屈折力のレンズの材料の平均屈折率を各々
【数1】

を適切に設定すること。
【選択図】図1

Description

本発明はズームレンズに関し、例えばビデオカメラ、銀塩写真用カメラ、放送用カメラ、そしてデジタルスチルカメラ等の撮像装置に好適なものである。
近年、固体撮像素子を用いたビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、放送用カメラ、銀塩写真用カメラ等の撮像装置に用いる撮影光学系として、コンパクト、広画角、しかも高解像力のズームレンズが要求されている。例えば、ビデオカメラにおいては、動画だけでなく、高画質な静止画像を記録することが望まれてきており、高い光学性能でありながら小型なレンズ系が要求されている。
これらの要求に答えるズームレンズとして、物体側より像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群、負の屈折力の第2レンズ群、正の屈折力の第3レンズ群、そして正の屈折力の第4レンズ群の4つのレンズ群より成り、第2レンズ群を移動させて変倍を行い、第4レンズ群にて変倍に伴う像面変動を補正すると共に、フォーカシングを行う所謂リアフォーカス式の4群ズームレンズが知られている(特許文献1〜5)。
特開平 3−180809号公報 特開平 6−324265号公報 特開平 9−189862号公報 特開平 8−292369号公報 特開平11−305124号公報
一般に、ズームレンズの各レンズ群の屈折力を強めると、ズーミングに際する各レンズ群の移動量が少なくなるためにレンズ系全体を小型化することができる。しかしながらズーミングや合焦(フォーカシング)の際の収差変動量が大きくなるために高い光学性能を得るのが困難になる。
また、広画角化を図りつつ、高ズーム比化を達成しようとすると、第1レンズ群の有効径が大きくなり、レンズ系全体が大型化してくる。
特許文献1で提案されているズームレンズは、第1レンズ群中に空気レンズを用いて収差補正を行っている。しかし、必ずしも十分な広画角化がなされていない。
特許文献2で提案されているズームレンズは第1レンズ群が4枚のレンズ構成であるために第1レンズ群の全長が長く、また、第1レンズ群の像側主点位置が第2レンズ群側に寄っていない為に前玉径の有効径が大きくなる傾向があった。
特許文献3は、第1レンズ群を負、正、正、正の屈折力の第1〜第4レンズより構成し、第1レンズ群の第1、第2レンズの間隔を適切に設定する事によって全系の小型化を実現している。しかし、第2、第3レンズ群間の距離が短い。このために開口絞りの他に小絞りのときの回折による光学性能の劣化を回避するためのNDフィルター等の光学フィルターを配置する空間が狭く、そのための空間(スペース)を確保しようとすると入射瞳位置が深くなり、前玉径の有効径が大型化する傾向があった。
本発明は、上記従来例にない新規な構成で、高い光学性能を有した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。
この他、本発明は上記NDフィルターの配置スペースを確保し、広角化及び高倍化を図ると共にレンズ前玉径の小型化を図りつつ、広角端から望遠端までの全変倍範囲にわたって、また、無限遠物体から至近物体までの全物体距離にわたって良好な光学性能を得るズームレンズを提供することを目的とする。
本発明のズームレンズは、物体側より像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群、負の屈折力の第2レンズ群、正の屈折力の第3レンズ群、正の屈折力の第4レンズ群を有し、ズーミングに際して該第2,第4レンズ群が移動するズームレンズであって、
該第1レンズ群は、1以上の負の屈折力のレンズと、1以上の正の屈折力のレンズを有し、該第1レンズ群中の負の屈折力のレンズと正の屈折力のレンズの材料の平均屈折率を各々
なる条件式を満足することを特徴としている。
本発明によれば、高い光学性能を有したズームレンズが得られる。
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。
図1は本発明の実施例1のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図2,図3,図4はそれぞれ実施例1のズームレンズの広角端,中間のズーム位置,望遠端における収差図である。
図5は本発明の実施例2のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図6,図7,図8はそれぞれ実施例2のズームレンズの広角端,中間のズーム位置,望遠端における収差図である。
図9は本発明の実施例3のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図10,図11,図12はそれぞれ実施例3のズームレンズの広角端,中間のズーム位置,望遠端における収差図である。
図13は本発明の実施例4のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図14,図15,図16はそれぞれ実施例4のズームレンズの広角端,中間のズーム位置,望遠端における収差図である。
図17は本発明の実施例5のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図18,図19,図20はそれぞれ実施例5のズームレンズの広角端,中間のズーム位置,望遠端における収差図である。
図21は本発明の実施例6のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図22,図23,図24はそれぞれ実施例6のズームレンズの広角端,中間のズーム位置,望遠端における収差図である。
図25は本発明のズームレンズを備えるビデオカメラ(撮像装置)の要部概略図である。
各実施例のズームレンズは撮像装置に用いられる撮影レンズ系であり、レンズ断面図において、左方が被写体側(前方)で、右方が像側(後方)である。レンズ断面図において、L1は正の屈折力(光学的パワー=焦点距離の逆数)の第1レンズ群、L2は負の屈折力の第2レンズ群、L3は正の屈折力の第3レンズ群、L4は正の屈折力の第4レンズ群である。SPは開口絞りであり、第3レンズ群L3の物体側に位置しており、ズーミングに際して第3レンズ群L3と共に固定である。
Gは光学フィルター、フェースプレート等に相当する光学ブロックである。IPは像面であり、ビデオカメラや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センサ等の固体撮像素子(光電変換素子)の撮像面に、銀塩フィルム用カメラのときはフィルム面に相当する。
収差図において、d,gは各々d線及びg線、ΔM,ΔSはメリディオナル像面、サジタル像面、倍率色収差はg線によって表している。
尚、以下の各実施例において広角端と望遠端は変倍用レンズ群が機構上光軸上移動可能な範囲の両端に位置したときのズーム位置をいう。
各実施例では、広角端から望遠端へのズーミングに際して矢印のように、第2レンズ群L2を像側へ移動させて変倍を行うと共に、変倍に伴う像面変動を第4レンズ群L4を物体側に凸状の軌跡を有するよう移動させて補正している。
また、第4レンズ群L4を光軸上移動させてフォーカシングを行うリアフォーカス式を採用している。第4レンズ群L4に関する実線の曲線4aと点線の曲線4bは、各々無限遠物体と近距離物体にフォーカスしているときの変倍に伴う像面変動を補正するための移動軌跡である。このように第4レンズ群L4を物体側へ凸状の軌跡とすることで第3レンズ群L3と第4レンズ群L4との間の空間の有効利用を図り、レンズ全長の短縮化を効果的に達成している。
又、望遠端において無限遠物体から近距離物体へフォーカスを行う場合には、矢印4cに示すように第4レンズ群L4を前方に繰り出すことで行っている。尚、第1レンズ群L1と第3レンズ群L3は、ズーム及びフォーカスの為には光軸方向に固定(不動)であるが収差補正上必要に応じて移動させてもよい。
図1,図5,図9,図13,図17の実施例1〜5のズームレンズは、物体側より像側へ順に、第1レンズ群L1は物体側が凸面でメニスカス形状の負の屈折力の第11レンズと、正の屈折力の第12レンズと、物体側が凸面でメニスカス形状の正の屈折力の第13レンズの独立した3つのレンズより成っている。
図21の実施例6のズームレンズは、物体側より像側へ順に、第1レンズ群L1は物体側が凸面でメニスカス形状の負の屈折力の第11レンズと、同じく物体側が凸面でメニスカス形状の負の屈折力の第12レンズと、正の屈折力の第13レンズと、物体側が凸面でメニスカス形状の正の屈折力の第14レンズの独立した4つのレンズより成っている。
これによって、収差補正を良好に行いつつ、第1レンズ群L1の主点位置を第2レンズ群L2側によせて前玉径の有効径の小型化を図っている。
第2レンズ群L2は、物体側から像側に順に、屈折力の絶対値が物体側の面に比べ像側の面で大きい負の屈折力の第21レンズ、物体側と像側の面が共に凹形状の負の屈折力の第22レンズ、屈折力の絶対値が像側の面に比べ物体側の面で大きい正の屈折力の第23レンズより成っている。又、第22レンズと第23レンズとの間は正の屈折力の空気レンズである。
第2レンズ群L2をこのように構成することによってズーミングの際に変動する像面湾曲と歪曲等の諸収差を良好に補正している。
又第2レンズ群L2中の少なくとも1面を非球面形状とし、ズーミングに伴う収差変動を良好に補正している。
第3レンズ群L3は、物体側の面が凸形状の正の屈折力の第31レンズと、物体側が凸面でメニスカス形状の負の屈折力の第32レンズより成っている。
第4レンズ群L4は、物体側と像側の面が凸形状の正の屈折力の第41レンズと、像側が凸面でメニスカス形状の負の屈折力の第42レンズとを接合した接合レンズより成っている。
これによって第4レンズ群L4でフォーカスするときの収差変動が少なくなるようにしている。
各実施例では以上のように各レンズ群を構成することによって、レンズ系全体を小型化し、簡易なレンズ構成にもかかわらず、全ズーム範囲、又、物体距離全般にわたり高い光学性能を得ている。
次に各実施例の前述した特徴以外の特徴について説明する。
◎第1レンズ群L1は、1以上の負の屈折力のレンズと、1以上の正の屈折力のレンズを有しており、第1レンズ群L1中の負の屈折力のレンズと正の屈折力のレンズの材料の平均屈折率を各々
なる条件式を満足している。
本発明に係る4群タイプのズームレンズにおいてレンズ系全体の小型を図る方法には、各レンズ群の屈折力を強めること、前玉と絞りSP間の距離を縮めること、又は入射瞳位置を浅くする(第1レンズ群L1に近づける)等の方法がある。これらの方法のうち単に各レンズ群の屈折力を強めただけでは諸収差を良好に補正する事が困難である。このため、本発明では条件式(1)及び(2)を満たす材料を使用することで第1レンズ群の屈折力を強くしつつ、第1レンズ群L1を薄肉化し、レンズ系全体の小型化を図りつつ、光学性能を良好に維持している。
◎広角端と望遠端における第4レンズ群L4の像面に対する光軸方向の位置敏感度(レンズ群が光軸方向に単位量変移したときの像面の光軸方向の変移量)を各々es,esとするとき、
0.7<es/es<1.0 ・・・・・(3)
なる条件式を満足している。
条件式(3)の上限値を越えるとフォーカシングの際の第4レンズ群L4の移動量が多くなるため全系の小型化が難しくなる。一方、下限値を超えると第2レンズ群L2より前のレンズ群の屈折力が強まるため、諸収差を良好に補正するのが困難となる。
◎望遠端における第2レンズ群L2と第4レンズ群L4の横倍率を各々β2T、β4Tとするとき
−0.2<β4T/β2T<0 ・・・・・(4)
なる条件式を満足している。
条件式(4)は全系の小型化を図る為のものである。条件式(4)の上限値を超えると第2レンズ群L2の変倍に対する寄与が大きくなりすぎて、諸収差を良好に補正するのが困難となる。一方、下限値を超えると第4レンズ群L4の焦点調節能力が低くなり、フォーカスの際の移動量が多くなるため全系の小型化が難しくなる。また、ズーミング及びフォーカシングの際の収差変動が大きくなるので好ましくない。
◎広角端における全系の焦点距離をf、広角端における第4レンズ群L4から像面までの空気換算値での距離(所謂バックフォーカス)をB.Fとするとき、
1.5<B.F/f<1.9 ・・・・・(5)
なる条件式を満足している。
条件式(5)は全系の小型化を効果的に図る為のものである。条件式(5)の上限値を超えるとバックフォーカスが伸び、全系が大型化してくる。
一方、下限値を超えるとバックフォーカスが短くなりすぎ、像側にフィルター等のガラスブロックを挿入するのが困難となる。又、射出瞳が短くなり、テレセントリック性が維持できなくなり、デジタルビデオ等の撮像装置に用いるのが難しくなる。
◎第3レンズ群L3の少なくとも一部を光軸に対して垂直方向の成分を持つように移動させて全系が形成する像を変移させている。
これによってズームレンズを有する撮像装置が振動したときの像ブレを補正し、良好なる画像を得ている。
◎第2レンズ群中の少なくとも1面を非球面形状としている。
特に第2レンズ群L2中の物体側の正の屈折力のレンズの像側の面を非球面形状としている。
これによってズーミングに伴う収差変動を少なくし、全ズーム範囲にわたり良好な画像を得ている。
◎尚、各実施例において前述の各条件式の数値範囲を下記の範囲を満足するように設定すると、更に諸収差を良好に補正する上で望ましい。
0.8<es/es<0.9 ・・・・・(3a)
−0.19<β4T/β2T<−0.15 ・・・・・(4a)
1.6<B.F/f<1.8 ・・・・・(5a)
以上のように構成を特定した各実施例のズームレンズによればレンズ系全体を小型化することが可能となり、広画角、高ズーム比であるにもかかわらず高い光学性能が得られる。
この他、リアフォーカス方式を採用して迅速なフォーカスを可能とし、ズーム比が10倍と高ズーム比にもかかわらず広角端から望遠端のズーム領域に至る全ズーム範囲にわたり、また、無限遠物体から超至近物体に至る物体距離全般にわたり高い光学性能を有し、かつ、Fナンバーが1.8と大口径比でありながらレンズ構成枚数の少ないズームレンズが得られる。
以下に、実施例1〜6に各々対応する数値実施例1〜6を示す。各数値実施例において、iは物体側からの面の順番を示し、Riは第i番目の面(第i面)の曲率半径、Diは第i面と第i+1面との間の間隔、Ni、νiはそれぞれd線を基準とした屈折率、アッベ数を示す。また、数値実施例1〜6では最も像側の2つの面は光学ブロックGに相当する平面である。非球面形状は光軸からの高さHの位置での光軸方向の変位を面頂点を基準にしてXとするとき、
で表される。但しRは近軸曲率半径、kは円錐定数、A′,B,B′,C,C′,D,D′,E,E′,Fは非球面係数である。
又、[e−X]は「×10−X」を意味している。fは焦点距離、FnoはFナンバー、ωは半画角を示す。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。
非球面係数
8面 k=9.80141e-03, A’=0, B=-3.83064e-04, B’=0,
C=-9.28877e-05, C’=0, D=7.67384e-06, D’=0,
E=-5.36902e-07, E’=0,F=0

14面 k=-3.80046e-01, A’=6.87101e-6, B=0, B’=-2.06036e-04,
C=0, C’=1.01181e-05, D=0, D’=-3.61288e-07, E=0,
E’=0, F=0

15面 k=3.45796e+02, A’=6.03629e-04, B=0, B’=3.26198e-05,
C=0, C’=1.60284e-06, D=0, D’=-7.18872e-08, E=0,
E’=0, F=0
非球面係数
8面 k=9.84258e-03, A’=0, B=-3.72413e-04, B’=0,
C=-9.33401e-05, C’=0, D=7.60085e-06, D’=0,
E=-5.20551e-07, E’=0, F=0

14面 k=-3.85362e-01, A’=3.19304e-5, B=0, B’=-2.00776e-04,
C=0, C’=9.59932e-06, D=0, D’=-3.36419e-07, E=0,
E’=0, F=0

15面 k=7.85142e+02, A’=6.51502e-04, B=0, B’=3.18007e-05,
C=0, C’=1.51115e-06, D=0, D’=-4.37215e-08, E=0,
E’=0, F=0
非球面係数
8面 k=-1.09142e-02, A’=0, B=-3.58355e-04, B’=0,
C=-9.33034e-05, C’=0, D=7.38412e-06, D’=0,
E=-5.03983e-07, E’=0, F=0

14面 k=-3.43745e-01, A’=2.13872e-05, B=0, B’=-2.30003e-04,
C=0, C’=1.04422e-05, D=0, D’=-4.17363e-07, E=0,
E’=0, F=0

15面 k=8.61822e+02, A’=6.98581e-04, B=0, B’=2.32807e-05,
C=0, C’=1.06236e-06, D=0, D’=-1.88087e-08, E=0,
E’=0, F=0
非球面係数
8面 k=-1.99364e-02, A’=0, B=-3.33397e-04, B’=0,
C=-9.22101e-05, C’=0, D=7.49728e-06, D’=0,
E=-5.13984e-07, E’=0, F=0

14面 k=-3.59537e-01, A’=6.16867e-6, B=0, B’=-2.33630e-04,
C=0, C’=1.20227e-05, D=0, D’=-5.12516e-07, E=0,
E’=0, F=0

15面 k=1.16344e+03, A’=6.27541e-04, B=0, B’=6.47066e-06,
C=0, C’=3.95814e-06, D=0, D’=-2.04675e-07, E=0,
E’=0, F=0
非球面係数
8面 k=-6.11108e-03, A’=0, B=-1.20346e-04, B’=0,
C=-8.40061e-05, C’=0, D=7.48841e-06, D’=0,
E=-4.25842e-07, E’=0, F=0

14面 k=-3.82854e-01, A’=-2.79796e-5, B=0, B’=-2.28522e-04,
C=0, C’=1.44518e-05, D=0, D’=-7.31194e-07, E=0,
E’=0, F=0

15面 k=7.63146e+02, A’=5.16442e-04, B=0, B’=3.53876e-05,
C=0, C’=3.10233e-06, D=0, D’=-3.58992e-07, E=0,
E’=0, F=0
非球面係数
10面 k=-1.31788e-01, A’=0, B=3.10048e-05, B’=0,
C=-6.18619e-05, C’=0, D=5.73727e-06, D’=0,
E=-2.80484e-07, E’=0, F=0

16面 k=-3.64768e-01, A’=-4.60708e-5, B=0, B’=-1.87613e-04,
C=0, C’=5.85573e-06, D=0, D’=-1.19647e-07, E=0,
E’=0, F=0

17面 k=2.33268e+02, A’=6.17943e-04, B=0, B’=8.81371e-05,
C=0, C’=-7.31047e-06, D=0, D’=4.70274e-07, E=0,
E’=0, F=0
次に本発明のズームレンズを撮影光学系として用いたビデオカメラの実施例を図25を用いて説明する。
図25において、10はビデオカメラ本体、11は本発明のズームレンズによって構成された撮影光学系、12は撮影光学系11によって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)、13は撮像素子12によって光電変換された被写体像に対応する情報を記憶するメモリ、14は不図示の表示素子に表示された被写体像を観察するためのファインダーである。上記表示素子は液晶パネル等によって構成され、撮像素子12上に形成された被写体像が表示される。
このように本発明のズームレンズをビデオカメラ等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が実現できる。
尚、本発明のズームレンズはデジタルスチルカメラにも同様に適用することができる。
実施例1のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図 実施例1のズームレンズの広角端における諸収差図 実施例1のズームレンズの中間のズーム位置における諸収差図 実施例1のズームレンズの望遠端における諸収差図 実施例2のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図 実施例2のズームレンズの広角端における諸収差図 実施例2のズームレンズの中間のズーム位置における諸収差図 実施例2のズームレンズの望遠端における諸収差図 実施例3のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図 実施例3のズームレンズの広角端における諸収差図 実施例3のズームレンズの中間のズーム位置における諸収差図 実施例3のズームレンズの望遠端における諸収差図 実施例4のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図 実施例4のズームレンズの広角端における諸収差図 実施例4のズームレンズの中間のズーム位置における諸収差図 実施例4のズームレンズの望遠端における諸収差図 実施例5のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図 実施例5のズームレンズの広角端における諸収差図 実施例5のズームレンズの中間のズーム位置における諸収差図 実施例5のズームレンズの望遠端における諸収差図 実施例6のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図 実施例6のズームレンズの広角端における諸収差図 実施例6のズームレンズの中間のズーム位置における諸収差図 実施例6のズームレンズの望遠端における諸収差図 本発明の撮像装置の要部概略図
符号の説明
L1 第1レンズ群
L2 第2レンズ群
L3 第3レンズ群
L4 第4レンズ群
SP 開口絞り
G ガラスブロック
IP 像面
d d線
g g線
ΔM メリディオナル像面
ΔS サジタル像面

Claims (7)

  1. 物体側より像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群、負の屈折力の第2レンズ群、正の屈折力の第3レンズ群、正の屈折力の第4レンズ群を有し、ズーミングに際して該第2,第4レンズ群が移動するズームレンズであって、
    該第1レンズ群は、1以上の負の屈折力のレンズと、1以上の正の屈折力のレンズを有し、該第1レンズ群中の負の屈折力のレンズと正の屈折力のレンズの材料の平均屈折率を各々
    なる条件式を満足することを特徴とするズームレンズ。
  2. 前記第4レンズ群はフォーカスのために移動するレンズ群であり、広角端と望遠端における前記第4レンズ群の像面に対する光軸方向の位置敏感度を各々es,esとするとき
    0.7<es/es<1.0
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項1に記載のズームレンズ。
  3. 望遠端における前記第2レンズ群と前記第4レンズ群の横倍率を各々β2T、β4Tとするとき
    −0.2<β4T/β2T<0
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項1または2に記載のズームレンズ。
  4. 広角端における全系の焦点距離をf、広角端における前記第4レンズ群から像面までの空気換算値での距離をB.Fとするとき、
    1.5<B.F/f<1.9
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項1,2又は3に記載のズームレンズ。
  5. 前記第3レンズ群の少なくとも一部を光軸に対して垂直方向の成分を持つように移動させて全系が形成する像を変移させることを特徴とする請求項1,2,3又は4に記載のズームレンズ。
  6. 固体撮像素子上に像を形成するための光学系であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項のズームレンズ。
  7. 請求項1から6のいずれか1項のズームレンズと、該ズームレンズによって形成された像を受光する固体撮像素子を有していることを特徴とする撮像装置。
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