JP2009151232A - ズームレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 同一物体距離に対するフォーカスレンズの合焦のための移動量が焦点距離によって異なるズームレンズにおいて、簡単な構造でズーミング時のピント移動量を許容量に収めること。
【解決手段】 ズーミング時の補正カム２ｃによるフォーカスカム筒２の移動に合わせ、フォーカスキー４を移動させることにより、ズーム領域ごとにフォーカスキー４の使用位置を変える。
【選択図】 図５

Description

本発明はズームレンズに関する。本発明のズームレンズは、例えば一眼レフカメラ用の交換レンズに好適に用いられる。

一眼レフカメラ等におけるズームレンズのフォーカス方式としては、第１レンズ群でフォーカシングを行う、所謂前玉フォーカス方式が一般的である。この方式は、同一物体距離に対するフォーカスレンズの移動量がズーム位置によらず一定であるため、鏡筒構造を簡単にできるという利点がある。但し、高変倍ズームレンズに用いたとき、近距離撮影時の周辺光量を確保するために、前玉レンズの外径を大きくする必要がある。

また、他のフォーカス方式として、リアフォーカス方式やインナーフォーカス方式が提案されている。これら方式は、小径の後方のレンズ群をフォーカスレンズに採用するため、オートフォーカスカメラに用いると迅速なフォーカシングが可能となる。また、前玉フォーカス方式に比べて前玉レンズも大きくならないため、レンズ系全体を小型化できる。但し、リアフォーカス方式やインナーフォーカス方式は、同じ物体距離であってもズーム位置毎にピントが合うフォーカスレンズの光軸上の位置が異なる。このため、ズーミングに応じてフォーカスレンズの位置を移動させてフォーカス調整しなければならない。

ズーミングに際してフォーカスレンズの位置を移動させる具体的な機構が、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１では、フォーカスカム、補正カム、さらにフォーカス時のフォーカスカムの使用位置を決定するフォーカスキーを曲線のカムとしている。そして、３つのカムで合成された曲線上を移動することで、ズーミングの際のピント移動を補正している。この方式では、実際にフォーカス操作環を回転させる量に対し、フォーカスカムを使用する領域を変化させることができ、ズーミングによるピント移動を良好に補正することができる。
特開平１１−５２２０９号公報

しかしながら、特許文献１におけるフォーカスキーは光軸方向に対し固定されている。また、ズーミング時に補正カムによるフォーカス筒の移動に対しフォーカスキーは不動である。そのため、補正カムの形状が広角端から望遠端にかけて往復形状である場合、ズーム位置によっては、フォーカスキーの使用領域が重複し、ズーミングによるピント移動の補正を十分に行うことができない。

そこで、本発明は、簡単な構造でズーミング時のピント移動量が許容量に収まるようにしたズームレンズを提供することを目的としている。

本発明のズームレンズは、ズーミング時の補正カムによるフォーカスカム筒の移動に合わせて、フォーカスキーを移動させることにより、ズーム領域ごとにフォーカスキーの使用位置を変えたことを特徴としている。

本発明によれば、簡単な構造でズーミング時のピント移動量を許容量に収めることができる。

以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１に、実施例１のズームレンズの広角端における断面を示している。図１において、Ｌ１は正の屈折力の第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は負の屈折力の第４レンズ群、Ｌ５は正の屈折力の第５レンズ群である。Ｓは開口絞りである。

実施例１のズームレンズの数値データを表１に示す。表１において、ｋは物体側から数えた面番号である。ｒは第ｉ面の曲率半径、ｄは第ｉ面と第（ｉ＋１）面の間隔である。ｎｄとｖｄは、ｄ線を基準とした光学部材の屈折率とアッベ数である。ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角である。

また、非球面の形状は、当該非球面の光軸上の点を原点、光の進行方向を正、光軸に垂直方向な高さをＹ、光軸方向の長さをＸとしたとき、以下の式によって表す。

上式において、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，…は非球面係数である。

図１に示すように、広角端から望遠端へのズーミングに際して、各レンズ群はズーム用操作部材（図示せず）の回転量に対して、非直線的に物体側へ移動する。表２に無限遠物体にフォーカスしている状態での各ズーム位置における各レンズ群の移動量を示す。表２において、ｆは全系の焦点距離、ｚはズーム用操作環の回転角に関連するズームパラメータ（詳細は後述）である。各レンズ群の移動量は広角端を基準に、像側への移動を正の符号で表している。

無限遠物体から至近物体へのフォーカシングは、第２レンズ群Ｌ２を物体側へ移動させて行う。本実施例では、同一物体距離へのフォーカシングのための移動量は焦点距離（ズーム位置）により変化する
次に、第２レンズ群Ｌ２のフォーカシング駆動およびズーミング駆動を行うレンズ駆動機構について説明する。

図４は、本実施例のレンズ駆動機構の構造を側面視にて模式的に示した図である。この図において、第２レンズ群Ｌ２は、ズーミング時及びフォーカシング時に光軸方向に移動する。図５は、本実施例のレンズ駆動機構を平面視にて展開状態で示している。図４の右側及び図５の上側が物体側（前方）に対応し、図４の左側及び図５の下側が像側（後方）に対応する。

これらの図において、１は固定筒であり、２は光軸方向への移動および光軸回り（図５における左右方向）での回転が可能なフォーカスカム筒である。このフォーカスカム筒２には、カム曲線ｇを有するフォーカスカム２ｂとカム曲線ｇｚを有する補正カム２ｃとが形成されている。フォーカスカム２ｂには、第２レンズ群Ｌ２と一体的に光軸方向に移動するレンズ保持枠に形成されたフォーカスピン５が嵌合しており、補正カム２ｃには固定筒１に形成された固定ピン１ａ嵌合している。また、フォーカスカム筒２には、連結ピン２ｄが形成されている。ズーミング時の補正カムによるフォーカスカム筒２の光軸方向の移動に合わせ、フォーカスキーを移動させるために形成されたフォーカスキーの横溝４ｂと連結ピン２ｄが嵌合している。

３は不図示のズーム操作環の回転操作に応じて、光軸方向定位置にて光軸回りで望遠（Ｔ）側と広角（Ｗ）側に回転可能なズームカム筒である。このズームカム筒３には、光軸方向に延びる直進ガイド溝３ａが形成されている。この直進ガイド溝３ａには、フォーカスカム筒２に形成された連結ピン２ｄが嵌合している。

４は不図示のフォーカス操作環の回転操作に応じて、光軸回りで、無限遠（∞）側と至近側に回転可能なフォーカスキーである。このフォーカスキー４には、カム曲線ＦＫを有するキーカム４ａが形成されている。このキーカム４ａには、前述のようにフォーカスカム２ｂに嵌合しているフォーカスピン５が嵌合している。また、フォーカスキーには、横溝４ｂが形成されており、フォーカスカム筒に形成される連結ピン２ｄと嵌合している。

このように構成されたレンズ駆動機構において、特定のズーム位置にてフォーカシングを行うためにフォーカス用操作環を回転操作すると、これに応じて第２フォーカスキー６が回転する。なお、このときフォーカスカム筒２は固定状態にある。これにより、フォーカスピン５、ひいては第２レンズ群Ｌ２は、フォーカスカム２ｂとキーカム４ａとの双方に沿って、つまりはフォーカスカム２ｂとキーカム４ａとの合成作用により光軸方向に移動する。言い換えれば、第２群レンズ群Ｌ２は、２つのカム曲線ｇ及びカム曲線ＦＫの交点を結んだ曲線（合成線）に沿って移動する。

次に、特定の物体距離に合焦した状態からズーミングする場合について説明する。ズーム用操作環を回転操作すると、これに応じてズームカム筒３が回転する。ズームカム筒３の回転は、連結ピン２ａを介してフォーカスカム筒２に伝達され、これを同じ方向に回転させる。このとき、補正カム２ｃと固定ピン１ａとの嵌合作用によりフォーカスカム筒２は光軸方向に移動する。また、このとき、フォーカスカム筒に形成された連結ピン２ｄとフォーカスキーに形成させた横溝４ｂとの嵌合作用によりフォーカスキー４が光軸方向に移動する。そして、フォーカスカム筒２が光軸方向に移動すると、フォーカスカム２ｂとフォーカスピン５との嵌合作用により第２レンズ群Ｌ２が光軸方向に移動する。すなわち、ズーミング時においては、第２レンズ群Ｌ２は、フォーカスカム２ｂと補正カム２ｃとキーカム４ａの合成作用により光軸方向に移動する。言い換えれば、第２レンズ群Ｌ２は、２つのカム曲線ｇ，ＦＫの交点を結んだ曲線にもう１つのカム曲線ｇｚを加算合成した曲線（合成線）に沿って移動する。

そして、本実施例では、ズーミングによるピント移動が実用上許容できる大きさになるように、フォーカスカム２ｂのカム曲線ｇと補正カム２ｃのカム曲線ｇｚとキーカム４ａのカム曲線ＦＫが計算されている。

これにより、簡単な構造でズーミング時のピント移動量を許容量に収めることができる。

表３に、光学系の近軸配置より計算された各焦点距離、各物体距離での第２レンズ群Ｌ２の光軸方向位置を示す。ｆｐｒはフォーカス用操作環の回転角に関連したフォーカスパラメータ（詳細は後述）である。移動量は無限遠物体にフォーカスしている状態での広角端における位置を基準としている。また表２と同様に、像側への移動を正の符号で表している。

この移動を実現するためのカム曲線ｇ，ＦＫ，ｇｚは、それぞれ以下に示す非線形の関数ｇ，関数ｇｚ，関数ＦＫで表される。
ｇ（ｚ，ｆｐｒ）＝ａ１×（ｚ，ｆｐｒ）
＋ａ２×（ｚ，ｆｐｒ）^２＋…
ＦＫ（ｇ（ｚ，ｆｐｒ））＝ｃ１×ｇ（ｚ，ｆｐｒ）
＋ｃ２×ｇ（ｚ，ｆｐｒ）^２＋…
ｇｚ（ｚ）＝ｂ１×ｚ＋ｂ２×ｚ^２＋…

また、上記関数中、ａ１，ａ２…，ｂ１，ｂ２…，ｃ１，ｃ２…は係数であり、具体的数値を表４に示す。

次に、上記関数に含まれる変数について説明する。

ズームパラメータｚは、ズーム操作環の全回転角により正規化した任意のズーム回転角と定義し、全変倍範囲中の任意のズーム位置を示すようにしている。具体的には、広角端でのズームパラメータをｚ＝０、望遠端でのズームパラメータをｚ＝１として、広角端から望遠端へと単調に増加させている。そして、ｚ＝０．４は、中間のズーム位置を示すようにしている。このズームパラメータｚは、例えば、広角端を基準としたズーム操作環の回転角をθｚとしたときの全回転角θに対する回転比率、
ｚ＝θｚ／θ
により表している。

あるズーム位置から他のズーム位置へと変倍するときのズームパラメータｚの変化量は、物体距離に関わらず、一定となるようにしている。

また、フォーカスパラメータｆｐｒは、ズーム操作環の全回転角により正規化したフォーカス操作環の任意の回転角と定義している。例えば、無限遠物体距離におけるフォーカスパラメータをｆｐｒ＝０、至近距離物体でのフォーカスパラメータをｆｐｒ＝０．７としている。そして、フォーカスパラメータがｆｐｒ＝０．４のとき、物体距離は２２ｍを示すようにしている。

上述したように、特定のズーム位置での任意の物体距離に対するフォーカスレンズの移動量は、カム曲線ｇとカム曲線ＦＫの交点の軌跡を表す関数ＣＰ（ｚ，ｆｐｒ）により定められる。

一般にフォーカスレンズの移動量は、広角端に対し望遠端ほど長くなる。このため、フォーカスカムを全変倍域で共通の１本の軌跡に近似した場合、望遠端側でのフォーカスカムに対するフォーカスピンの交角がきつくなり、フォーカス操作環の操作時にトルクが重くなる等の問題が発生する。広角端の繰り出し量は少ないため、フォーカスカムの近似の際、ズームの中間域をフォーカスカムの広角端側へシフトすることで改善を図ることができるが、今度は広角端近傍におけるフォーカスカムに対するフォーカスピンの交角がきつくなり、それにも限界がある。

従来は、図６（ａ）に示すように、フォーカスキーの関数ＦＫは直線となっており、フォーカシング時のフォーカス操作環の回転角と、フォーカス操作環の回転方向のフォーカスピンの移動量が等しくなる。そこで、図６（ｂ）に示すように、フォーカスキーの関数ＦＫを曲線とすることで、フォーカス操作環の回転角に対し、フォーカスカ操作環の回転角方向のフォーカスピンの移動に差をつけることができる。図６（ａ），（ｂ）において、フォーカスピンは、関数ｇと関数ＦＫの交点に位置している。今、フォーカス操作環が回転角θ１に位置しており、フォーカス操作環を回転角θ２の位置まで回転させることを考える。図６（ａ）に示すように、フォーカスキーが直線の場合、フォーカスピンのフォーカス環の回転方向の移動は、フォーカス操作環の操作量そのものとなり、θ２−θ１となる。一方、図６（ｂ）に示すように、フォーカスキーを曲線とすると、フォーカスピンは、関数ｇと関数ＦＫの交点であるため、フォーカス操作環の操作量以上の移動量θ２′−θ１を実現できる。

さらに、本実施例のズームレンズは、フォーカスキーはズーム操作時に関数ｇｚに従い、フォーカス操作環と共に移動する。そのため、ズームの位置ごとにフォーカスキーの使用位置を変更することができる。つまり、広角側においては、フォーカスキーの曲がりを小さくし、望遠側においては、フォーカスキーの曲がりを大きくするといった変化をつけることで、ズーム位置によるフォーカスピン移動量の自由度を増すことができる。

また、レンズのタイプによっては、フォーカシングを行う群が、ズーミングの際、往復する軌跡を持つ光学系も存在し、一般にフォーカスカムのカム曲線も往復軌道となってしまう。このような場合、一般にフォーカス繰り出し量が大きく異なる広角側と望遠側の両方を満足するカムの設定は困難となる。そこで、ズーム位置によりフォーカスキーの使用領域を変化させ、また、フォーカスキーを曲線とすることで、このようなフォーカスカムが往復軌跡となる場合においても、設計の自由度を増すことができる。

以上より、広角端で無限遠物体にフォーカスした際のフォーカスレンズの位置を基準として、任意のズームパラメータｚ、任意のフォーカスパラメータｆｐｒにおけるフォーカスレンズの移動量Δは、
Δ（ｚ，ｆｐｒ）＝ＣＰ（ｚ，ｆｐｒ）−ｇｚ（ｚ）
と表される。

表５には上記３つのカム曲線の合成線に沿った第２レンズ群Ｌ２の各焦点距離、各物体距離で移動量を示す。さらに、表６には、フォーカスパラメータｆｐｒと焦点距離及び各レンズ群のズーミング時のピントずれ量を示す。

図２に、実施例２のズームレンズの広角端における断面を示している。図２において、Ｌ１は正の屈折力の第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、Ｌ５は負の屈折力の第５レンズ群、Ｌ６は正の屈折力の第６レンズ群である。Ｓは開口絞りである。実施例２の数値データを表７に示す。

本実施例では、ズーミング時に第２レンズ群Ｌ２がキーカム４ａに沿って広角端からズーム中間領域に向かって像面側に移動し、中間領域から望遠端に向かって物体側に移動している。従来技術では、このようなレンズの場合、ズーミング時にフォーカスキーが光軸方向に不変であるため、広角端から中間領域のズーム領域と中間領域から望遠端のズーム領域において、フォーカスキーの使用領域が重なる。そのため、フォーカスキーを曲線とすることによるズーミング時のピントズレ補正効果が小さくなるという問題があった。しかしながら、本実施例では、ズーミング時の補正カムによるフォーカスカム筒の移動に合わせフォーカスキーも移動させることで、ズーム位置ごとにフォーカスキーの使用領域を変化させることができ、ズーミング時のピントズレを補正することができる。

表８に、無縁遠物体にフォーカスしている状態での各焦点距離における各レンズ群の移動量を示す。表９に、光学系の近軸配置より計算された各焦点距離、各物体距離での第２レンズ群Ｌ２の光軸方向位置を示す。表１０に、３つのカム曲線の係数を示す。表１１に、３つのカム曲線の合成線に沿った第２レンズ群Ｌ２の各焦点距離、各物体距離での移動量を示す。表１２に、各物体距離でのフォーカスパラメータｆｐｒと焦点距離及び各レンズ群のズーミング時のピントずれ量を示す。

図３に、実施例３のズームレンズの広角端における断面を示している。図３において、Ｌ１は正の屈折力の第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は負の屈折力の第４レンズ群、Ｌ５は正の屈折力の第５レンズ群である。Ｓは開口絞りである。実施例３の数値データを表１３に示す。

本実施例においても、第２レンズ群Ｌ２の移動軌跡が、ズーミングの一部で往復形状となっている。このため、本実施例でも補正カムによるフォーカスカム筒の移動に合わせてフォーカスキーを移動させている。これにより、ズーム領域ごとにフォーカスキーの使用領域を変えることができ、ズーム時のピント補正を有効に行っている。

また、本実施例では、フォーカスキー４に形成する横溝４ｂを光軸方向に不動の直線カムではなく、図７に示すように、光軸方向に可動なカム曲線ＦＳとすることにより、カム形状の設定に自由度が増え、ズーミング時のピントズレをさらに低減している。

具体的には、フォーカスカムのカム曲線ｇを緩い曲線とし、フォーカスキーのカム曲線ＦＫやＦＳを比較的強い曲線とし、フォーカス操作時の回転角以上のフォーカスピンを移動させると良い。これにより、フォーカシング操作時のトルクが大きくならないようにすることができる。

カム曲線ＦＳは、ズームパラメータｚ及びフォーカスパラメータｆｐｒを変数とする関数ＦＳ（ｚ，ｆｐｒ）で表せる。本実施例の場合、カム曲線ＦＫは、関数ｇ（ｚ，ｆｐｒ）に加えて、関数ＦＳ（ｚ，ｆｐｒ）を変数とする関数ＦＫ（ｇ（ｚ，ｆｐｒ），ＦＳ（ｚ，ｆｐｒ））となる。

表１４に、無縁遠物体にフォーカスしている状態での各焦点距離における各レンズ群の移動量を示す。表１５に、光学系の近軸配置より計算された各焦点距離、各物体距離での第２レンズ群Ｌ２の光軸方向位置を示す。表１６に、４つのカム曲線の係数を示す。表１７に、４つのカム曲線の合成線に沿った第２レンズ群Ｌ２の各焦点距離、各物体距離での移動量を示す。表１８に、各物体距離でのフォーカスパラメータｆｐｒと焦点距離及び各レンズ群のズーミング時のピントずれ量を示す。

以上説明した各実施例のズームレンズでは、ズーミング時の補正カムによるフォーカスカム筒の移動に合わせ、フォーカスキーを移動させることにより、ズーム領域ごとにフォーカスキーの使用位置を変えている。そのため、光軸方向に不変のフォーカスキーを有するズームレンズに対し、より良好にズーミング時のピントずれを補正することができる。また、比較的簡単な構造でズーミング時のピント移動量を許容量内に収めることができる。更に、ズーミング時のフォーカスキーの移動を補正カムの移動量に対し変化させることにより、カム軌跡の自由度が増し、さらにピントズレを補正することができる。

なお、実施例１〜３では、フォーカスレンズが第２レンズ群Ｌ２のみである場合について説明したが、本発明はフォーカスレンズが複数群ある場合、すなわちフローティングフォーカス方式のズームレンズにおいても有効である。また、実施例１〜３のカム曲線を部分的に変更し、ズーミング時のピントずれを無視してマクロ撮影用のカムを構成することも可能である。

また、実施例１〜３では、ズーミング時の補正カムによるフォーカスカム筒の移動に合わせ、フォーカスキーを移動させるためにフォーカスキーに横溝４ｂ、フォーカスカムに連結ピン２ｄを形成している。しかしながら、本発明としては、フォーカスキーがフォーカスカム筒の移動に合わせ共に移動すればよく、例えばフォーカスキーに連結ピン、フォーカスカム筒に横溝を形成しる構造としてもよい。

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。

実施例１のズームレンズの断面図である。 実施例２のズームレンズの断面図である。 実施例３のズームレンズの断面図である。 各実施例のレンズ駆動機構の断面模式図である。 レンズ駆動機構の平面展開模式図である。 フォーカス操作環の回転角とフォーカスピンの移動量の関係を説明するための図である。 実施例３のレンズ駆動機構の平面展開模式図である。

符号の説明

１ 固定筒
２ フォーカスカム筒
２ａ ズームピン
２ｂ フォーカスカム
２ｃ 補正カム
２ｄ フォーカスキー連結ピン
３ ズームカム筒
４ フォーカスキー
４ａ フォーカスキーカム
４ｂ フォーカスキー横溝
５ フォーカスピン
６ 第２フォーカスキー
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
Ｌ５ 第５レンズ群
Ｌ６ 第６レンズ群

Claims (2)

1. 無限遠物体から至近物体までフォーカスする際のフォーカスレンズの移動量がズーム位置により異なるズームレンズであって、
   ズーム操作環の回転角に関連するズームパラメータをｚ、フォーカス操作環の回転角に関連するフォーカスパラメータをｆｐｒとするとき、ｚ及びｆｐｒを変数とする非線形の関数ｇ（ｚ，ｆｐｒ）で表されるカム曲線ｇと、前記関数ｇ（ｚ，ｆｐｒ）を変数とする非線形の関数ＦＫ（ｇ（ｚ，ｆｐｒ））によって表されるカム曲線ＦＫとの交点の軌跡を表す関数ＣＰ（ｚ，ｆｐｒ）により、特定のズーム位置での任意の物体距離に対するフォーカスレンズの移動量を定めると共に、前記関数ＣＰ（ｚ，ｆｐｒ）で表される軌跡と、ｚを変数とする関数ｇｚ（ｚ）で表されるカム曲線ｇｚとを合成することにより、任意のズーム位置、任意の物体距離に対する前記フォーカスレンズの移動量を定めることを特徴とするズームレンズ。
2. 前記カム曲線ＦＫは、前記関数ｇ（ｚ，ｆｐｒ）に加えて、ｚ及びｆｐｒを変数とする非線形の関数ＦＳ（ｚ，ｆｐｒ）を変数とする関数ＦＫ（ｇ（ｚ，ｆｐｒ），ＦＳ（ｚ，ｆｐｒ））によって表されることを特徴とする請求項１のズームレンズ。

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