JP2007256656A - ズームレンズシステム - Google Patents

Abstract

【課題】高倍率で画角の大きなズームレンズシステムを提供する。
【解決手段】物体側から正−負−正−正−正の５群のズームレンズシステム１０を提供する。第３のレンズ群Ｇ３は、物体側から順に、正レンズＬ３１および負レンズＬ３２からなる接合レンズＣＬ３と、正レンズＬ３３とにより構成され、第４のレンズ群Ｇ４は、物体側から順に、正レンズＬ４１と、負レンズＬ４２および正レンズＬ４３からなる接合レンズＣＬ４とにより構成され、広角から望遠に変倍する際に、第１のレンズ群Ｇ１および第５のレンズ群Ｇ５は動かず、第５のレンズ群Ｇ５により焦点調整を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高変倍率のズームレンズシステムに関するものである。

特許文献１には、カメラ用の６倍前後の高変倍比を備えた５群のズームレンズが開示されている。この５群のズームレンズは、物体側から像面側に向かって正−負−正−正の４つのレンズ群と、比較的弱い屈折力の第５レンズ群とを備えており、変倍中は、第１、第３および第５群を固定し、第２群を変倍のために一方向に動かし、第４群を変倍に伴う像面変動を補正するように前後に移動させる。さらに、第４レンズ群を移動することによりフォーカシングを行う。
特開平４−７８８０９号公報

テレビ会議用のデジタル式のビデオカメラなどの用途において、高変倍率、超広角であり、さらに望遠端でもある程度の画角を確保できる、コンパクトなズームレンズが要望されている。

本発明の一態様は、物体側から順に、正の屈折力を備えた第１のレンズ群と、負の屈折力を備えた第２のレンズ群と、正の屈折力を備えた第３のレンズ群と、正の屈折力を備えた第４のレンズ群と、正の屈折力を備えた第５のレンズ群とを有するズームレンズシステムである。このズームレンズシステムの第３のレンズ群は、物体側から順に、正レンズおよび負レンズからなる接合レンズと、正レンズとにより構成され、第４のレンズ群は、物体側から順に、正レンズと、負レンズおよび正レンズからなる接合レンズとにより構成され、広角から望遠に変倍する際に、第１のレンズ群および第５のレンズ群は動かず、第５のレンズ群により焦点調整を行う。

このズームレンズシステムは物体側から像面側へ順番に正−負−正−正−正の５群構成であり、第３のレンズ群は物体側から正レンズと負レンズとからなる接合レンズ（バルサム）と、正レンズにより構成され、第４のレンズ群は像面側から正レンズと負レンズとからなる接合レンズ（バルサム）と、正レンズとにより構成される。このような第３のレンズ群および第４のレンズ群の、正レンズ同士を内側とし、接合レンズを外側とした対照的な配置は、収差補正においてメリットがある。さらに、色収差の補正などには有利であるがパワーが弱まる傾向にある接合レンズを外側に配置することにより、第３のレンズ群と第４のレンズ群の主点を相互に近づける配置とし、変倍時、特に望遠端において、第３および第４のレンズ群の主点間隔をより近づけることを可能としている。すなわち、接合レンズが第３および第４のレンズ群の群間隔を支配し、これらの群の主点間隔が物理的な距離の制約により縮めることができない可能性をできるだけ少なくしている。さらに、第５のレンズ群により焦点調整を行なうことにより、構造が簡易なインナーフォーカスを可能にすると共に、第３または第４のレンズ群に焦点調整のための移動量を確保する必要をなくし、これらの群間隔を最小限にできるようにしている。

このズームレンズシステムは、このように、第３および第４のレンズ群の主点間隔を最小限にできる構成を採用することにより、変倍時に第３および第４のレンズ群の主点間隔の変化率を高くすることができ、ズーム比の確保に有利な構成としている。したがって、コンパクトでズーム比（変倍率）の大きなズームレンズシステムを提供できる。

さらに、広角から望遠に変倍する際に、第２のレンズ群は物体側から像面側へ動き、第３のレンズ群は像面側から物体側へ動き、第４のレンズ群は像面側から物体側へ動くことが望ましい。変倍中に第３のレンズ群を固定するのではなく、物体側へ動かすことにより、望遠端における画角を確保でき、第１のレンズ群の口径を大きくしなくても所望のサイズの画像を得ることができる。第３のレンズ群は、広角から望遠に変倍する際に、物体側へ比較的大きく動いた後、若干像面側へ戻る動きをすることが望ましい。

第２のレンズ群は、物体側に凸で負のメニスカスレンズを含み、そのメニスカスレンズの物体側の面が、光軸から周辺に向かうに従い正のパワーが強まる形状の非球面であることが望ましい。広角端側で増大する負の歪曲収差を補正するのに有利である。

第３のレンズ群の正レンズは、物体側に凹の正のメニスカスレンズであり、その物体側の面は、光軸から周辺に向かうに従い負のパワーが強まる非球面であることが望ましい。球面収差およびコマ収差の発生を抑えるのに有利である。

さらに、第２のレンズ群の合成焦点距離ｆ２と、当該ズームレンズシステムの広角端における合成焦点距離ｆｗとが以下の条件（１）を満たすことが好ましい。
２ ＜ ｜ｆ２／ｆｗ｜ ＜ ４ ・・・（１）

この式（１）の上限を超えると、第２のレンズ群のパワーが全システムに対して弱く、ズームレンズシステムをコンパクトにすることが難しくなる。一方、この条件式（１）の下限を超えると、第２のレンズ群のパワーが全システムに対して強く、球面収差およびコマ収差を含めた収差補正が困難になる。

本発明の他の態様は、上記のズームレンズシステムと、そのズームレンズシステムの像面側に配置された撮像デバイスとを有するカメラである。上記に説明した条件を満たすズームレンズシステムは、非常に大きな画角を確保でき、例えば、広角端で９０度、望遠端で１６度程度の画角が得られ、さらに、７倍の高変倍率を確保できる。したがって、このズームレンズシステムは、高倍率、高画角を備えたものであり、テレビ会議用カメラ、テレビ電話用カメラ、監視カメラなどのように超広角および望遠の機能を要求される用途に適している。

図１に、本発明の実施形態に含まれるカメラ１の概略構成を示している。このカメラ１はズームレンズシステム１０と、その像面側１０ｂに配置された撮像デバイス２とを備えている。撮像デバイス２は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサーなどであり、撮像デバイス２の上に結像された画像をデジタルデータに変換し、パーソナルコンピュータなどのホスト装置に提供したり、コンピュータネットワークあるいは公衆電話網を介して、外部の情報処理装置に伝送することができる。

図１（ａ）は、ズームレンズ１０の広角端における各レンズの配置を示し、図１（ｂ）は、標準状態である望遠端における各レンズの配置を示してある。このズームレンズシステム１０は、物体側１０ａから像面（結像）側１０ｂに向かって順番に５つのレンズ群Ｇ１〜Ｇ５にグループ化された１５枚のレンズＬ１１〜Ｌ１３、Ｌ２１〜Ｌ２４、Ｌ３１〜Ｌ３３、Ｌ４１〜Ｌ４３およびＬ５１〜Ｌ５２により構成されている。これら５つのレンズ群Ｇ１〜Ｇ５は、物体側１０ａから順番に、正−負−正−正−正の屈折力を備えており、撮像デバイス２が設置される結像側１０ｂがテレセントリックあるいはそれに近い状態となり、撮像デバイス２に鮮明な像を生成できる構成となっている。

最も物体側１０ａの第１のレンズ群Ｇ１は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群であり、物体側１０ａから順に、物体側に凸の負のメニスカスレンズＬ１１と、同じく物体側に凸の正のメニスカスレンズＬ１２と、物体側に凸の正のメニスカスレンズＬ１３とにより構成されている。物体側１０ａのレンズＬ１１およびＬ１２は接合レンズ（バルサム）ＣＬ１を構成している。

第２のレンズ群Ｇ２は、全体が負の屈折力を備えたレンズ群であり、物体側１０ａから、物体側に凸の負のメニスカスレンズＬ２１と、物体側に凸の負のメニスカスレンズＬ２２と、両凹の負レンズＬ２３と、両凸の正レンズＬ２４から構成されている。像面側１０ｂの負レンズＬ２３および正レンズＬ２４は接合レンズＣＬ２を構成している。また、２番目のレンズＬ２２の物体側の面ｓ８は非球面である。

第３のレンズ群Ｇ３は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群であり、物体側１０ａから、両凸の正レンズＬ３１と、像面側に凸の負のメニスカスレンズＬ３２と、像面側に凸の正のメニスカスレンズＬ３３とにより構成されている。物体側１０ａの正レンズＬ３１および負レンズＬ３２は接合レンズＣＬ３を構成している。また、像面側１０ｂのメニスカスレンズＬ３３の物体側の面ｓ１７は非球面である。また、第３のレンズ群Ｇ３の物体側１０ａに絞りＳが配置されており、変倍中は、第３のレンズ群Ｇ３と共に移動する。

第４のレンズ群Ｇ４は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群であり、物体側１０ａから、物体側に凸の正のメニスカスレンズＬ４１と、両凹の負レンズＬ４２と、両凸の正レンズＬ４３とにより構成されている。像面側１０ｂの正レンズＬ４３および負レンズＬ４２は接合レンズＣＬ４を構成している。

最も像面側１０ｂの第５のレンズ群Ｇ５は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群であり、物体側１０ａから、両凸の正レンズＬ５１と、像面側に凸の負のメニスカスレンズＬ５２により構成されている。さらに、ズームレンズシステム１０と撮像デバイス２との間に、光学フィルタＯＦ１およびＯＦ２が配置されている。

図１（ａ）および（ｂ）に示すように、広角端から望遠端に変倍するときに、ズームレンズシステム１０の第１のレンズ群Ｇ１および第５のレンズ群Ｇ５は固定され、第２のレンズ群Ｇ２、第３のレンズ群Ｇ３および第４のレンズ群Ｇ４が相互に近接するように動く。したがって、変倍時に、第２のレンズ群Ｇ２、第３のレンズ群Ｇ３および第４のレンズ群Ｇ４のみがレンズ駆動機構により駆動される。さらに具体的には、広角から望遠に変倍する際に、第２のレンズ群Ｇ２は物体側１０ａから像面側１０ｂへ動き、第３のレンズ群Ｇ３は像面側１０ｂから物体側１０ａへ動き、第４のレンズ群Ｇ４は像面側１０ｂから物体側１０ａへ動く。第３のレンズ群Ｇ３は、さらに、広角端から望遠端に変倍するときに、いったん、比較的大きく物体側１０ａへ動き、その後、小さく像面側１０ｂへ動く。

また、変倍後の焦点調整は、第５のレンズ群Ｇ５が前後に動くことにより行なわれる。

図２に、レンズデータを示している。レンズデータは、ｒが物体側から順番に並んだ各レンズの曲率半径（ｍｍ）を示し、ｄは物体側から順番に並んだ各レンズ面の間の距離（ｍｍ）を示し、ｎｄは物体側から順番に並んだ各レンズの屈折率（ｄ線）を示し、νｄは物体側から順番に並んだ各レンズのアッベ数（ｄ線）を示す。また、Ｆｌａｔは平面を示している。

変倍に際し、絞りＳは第３のレンズ群Ｇ３と共に移動するので、第１のレンズ群Ｇ１と絞りＳとの間の距離ｄ５と、第２のレンズ群Ｇ２と第３のレンズ群Ｇ３との間の距離ｄ１２と、第３のレンズ群Ｇ３と第４のレンズ群Ｇ４との間の距離ｄ１８と、第４のレンズ群Ｇ４と第５のレンズ群Ｇ５との間の距離ｄ２３とが変動する。

第２のレンズ群Ｇ２の物体側に凸の負のメニスカスレンズＬ２２の物体側の面ｓ８と、第３のレンズ群Ｇ３の物体側に凹の正のメニスカスレンズＬ３３の物体側の面ｓ１７とは非球面であり、その非球面係数は以下の通りである。
面ｓ８
Ｋ＝−５．００００
Ａ＝ １．４９１５×１０^−４、 Ｂ＝ １．２３１２×１０^−６
Ｃ＝−６．９３７２×１０^−８、 Ｄ＝ ５．７６７１×１０^−１０
ただし、非球面は、Ｘを光軸方向の座標、Ｙを光軸と垂直方向の座標、光の進行方向を正とし、上記の係数Ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを用いて次式で表される。以下においても同様である。
Ｘ＝Ｙ²／Ｒ／［１＋｛１−（１＋Ｋ）Ｙ²／Ｒ²｝^1/2］
＋ＡＹ⁴＋ＢＹ⁶＋ＣＹ⁸＋ＤＹ¹⁰

面ｓ１７
Ｋ＝０．００００
Ａ＝−４．６６１０×１０^−４、 Ｂ＝−８．９８３４×１０^−６
Ｃ＝ １．２５５９×１０^−７、 Ｄ＝−１．２０６７×１０^−８

また、ズームレンズシステム１０の変倍時における諸数値は以下の通りである。
広角端 中間 望遠端
合成焦点距離ｆ ２．０ ８．０ １４．０
ＦＮｏ ２．００ ２．３６ ２．４７
ｄ５ ０．５０００ １６．８７３９ ２３．０７１９
ｄ１２ ２８．５５００ ５．３１９４ ０．５０００
ｄ１８ ４．７７７９ ５．６７６２ ０．５０００
ｄ２３ ２．００００ ７．９５８４ １１．７５６０
画角： ９０．０度〜１６．２度
バックフォーカス： ０．５ｍｍ
第２のレンズ群Ｇ２の合成焦点距離ｆ２： −５．８４５ｍｍ
条件（１）（｜ｆ２／ｆｗ｜）： ２．９２３

本例のズームレンズシステム１０は、条件（１）を満たすものである。さらに、第１のレンズ群Ｇ１、第２のレンズ群Ｇ２、第３のレンズ群Ｇ３および第４のレンズ群Ｇ４は、それぞれ１組の接合レンズＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３およびＣＬ４を含んでいる。第１のレンズ群Ｇ１の接合レンズＣＬ１は物体側に配置され、第２のレンズ群Ｇ２の接合レンズＣＬ２は像面側に配置されている。このため、図１（ａ）に示すように、第１のレンズ群Ｇ１と第２のレンズ群Ｇ２が最も接近する広角端において、接合レンズＣＬ１およびＣＬ２を除いたレンズを接近させることができる。

また、第３のレンズ群Ｇ３の接合レンズＣＬ３は物体側に配置され、第４のレンズ群Ｇ４の接合レンズＣＬ４は像面側に配置されている。このため、図１（ｂ）に示すように、第３のレンズ群Ｇ３と第４のレンズ群Ｇ４が最も接近する望遠端において、接合レンズＣＬ３およびＣＬ４を除いたレンズを接近させることができる。したがって、望遠端において、第３のレンズ群Ｇ３と第４のレンズ群Ｇ４との主点間隔を接近させることが可能となり、７倍という高い変倍率（ズーム比）を備えたズームレンズシステム１０を提供できる。さらに、焦点調整は、インターフォーカス方式であるが、第５のレンズ群Ｇ５を前後に動かすことで行なっており、第３のレンズ群Ｇ３または第４のレンズ群Ｇ４は焦点調整のために動かす必要はない。したがって、望遠端において、第３のレンズ群Ｇ３と第４のレンズ群Ｇ４との距離を最小限に縮めることが可能であり、主点間隔を最小にでき、変倍する際の主点間隔の変位を最大にすることができる。

さらに、このズームレンズシステム１０においては、変倍中に第３のレンズ群Ｇ３を固定するのではなく、広角端から望遠端に向かって物体側１０ａに移動するようにしている。このため、望遠端および中間において、第１のレンズ群Ｇ１の口径を大きくしなくても充分な画角を確保することができ、望遠状態でも十分な範囲の画像を撮像デバイス２に供給することができる。

また、第２のレンズ群Ｇ２に非球面ｓ８を設け、光軸から周辺に向かうに従い正のパワーが強まる形状の非球面にしている。この非球面は、広角端側で増大する負の歪曲収差を補正するのに有効である。さらに、第３のレンズ群Ｇ３に非球面ｓ１７を設け、光軸から周辺に向かうに従い負のパワーが強まる形状の非球面にしている。この非球面は、球面収差およびコマ収差の発生を抑えるのに有効である。さらに、第３のレンズ群Ｇ３および第４のレンズ群Ｇ４は、対称的な形状の正のメニスカスレンズＬ３３およびＬ４１を挟んで、対称的な組合せの接合レンズＣＬ３およびＣＬ４が配置された対照的な構成である。このようなレンズ配置は諸収差の補正に有効である。これらの要素により、このズームレンズシステム１０は、変倍率が７倍と高倍率であり、さらに、画角が９０〜１６．２度と非常に大きく、諸収差を良好に補正できる能力を備えている。したがって、ズームレンズシステム１０により、種々の状態の鮮明な画像を撮像デバイス２に形成することができ、その画像データを種々の目的で利用できる。

図３に、このズームレンズシステム１０の広角端における球面収差、非点収差および歪曲収差を示してある。図４にズームレンズシステム１０の望遠端における球面収差、非点収差および歪曲収差を示してある。球面収差は、６５６ｎｍ（破線）、５４６ｎｍ（実線）および４８６ｎｍ（一点鎖線）の各波長における値を示している。また、非点収差においては、タンジェンシャル光線（Ｔ）およびサジタル光線（Ｓ）の収差をそれぞれ示してある。いずれの収差も良好に補正されており、鮮明な像を撮影することができる。

ズームレンズシステムのレンズ構成を示す図であり、広角端（ａ）および望遠端（ｂ）の各状態におけるレンズの配置を示す図である。 ズームレンズシステムの各レンズのデータを示す図である。 図１に示すズームレンズシステムの縦収差図であり、広角端における収差を示す図である。 図１に示すズームレンズシステムの縦収差図であり、望遠端における収差を示す図である。

符号の説明

１ カメラ、 ２ 撮像デバイス
１０ ズームレンズシステム

Claims (6)

1. 物体側から順に、正の屈折力を備えた第１のレンズ群と、負の屈折力を備えた第２のレンズ群と、正の屈折力を備えた第３のレンズ群と、正の屈折力を備えた第４のレンズ群と、正の屈折力を備えた第５のレンズ群とを有し、
   前記第３のレンズ群は、物体側から順に、正レンズおよび負レンズからなる接合レンズと、正レンズとにより構成され、
   前記第４のレンズ群は、物体側から順に、正レンズと、負レンズおよび正レンズからなる接合レンズとにより構成され、
   広角から望遠に変倍する際に、前記第１のレンズ群および前記第５のレンズ群は動かず、前記第５のレンズ群により焦点調整を行う、ズームレンズシステム。
2. 請求項１において、広角から望遠に変倍する際に、前記第２のレンズ群は物体側から像面側へ動き、前記第３のレンズ群は像面側から物体側へ動き、前記第４のレンズ群は像面側から物体側へ動く、ズームレンズシステム。
3. 請求項１または２において、前記第２のレンズ群は、物体側に凸で負のメニスカスレンズを含み、そのメニスカスレンズの物体側の面が、光軸から周辺に向かうに従い正のパワーが強まる形状の非球面である、ズームレンズシステム。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記第３のレンズ群の前記正レンズは、物体側に凹の正のメニスカスレンズであり、その物体側の面は、光軸から周辺に向かうに従い負のパワーが強まる非球面である、ズームレンズシステム。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記第２のレンズ群の合成焦点距離ｆ２と、当該ズームレンズシステムの広角端における合成焦点距離ｆｗとが以下の条件を満たす、ズームレンズシステム。
   ２ ＜ ｜ｆ２／ｆｗ｜ ＜ ４
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載のズームレンズシステムと、そのズームレンズシステムの像面側に配置された撮像デバイスとを有するカメラ。

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