JP2009276505A

JP2009276505A - 変倍光学系および撮像装置

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Publication number: JP2009276505A
Application number: JP2008126947A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Komatsu; 大樹小松
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2009-11-26

Abstract

【課題】変倍光学系において、小型かつ大口径比の構成を有するとともに低コストで作製可能であり、良好な光学性能を保持する。
【解決手段】変倍光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とを備える。変倍光学系は、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の光軸Ｚ上の間隔を変化させることにより変倍を行い、この変倍に伴う像面位置の補正を第１レンズ群Ｇ１を光軸に沿って移動させることにより行う。第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、２枚の負レンズと、正レンズとを含むように構成される。第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、２枚の正レンズと、負レンズと、正レンズとからなる４枚構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビデオカメラや電子スチルカメラ等に用いられる変倍光学系および撮像装置に関し、特に監視カメラ用途として好適に使用可能な変倍光学系および該変倍光学系を備えた撮像装置に関するものである。

従来、無人の施設を稼働させるために監視カメラの需要が増大している。このような監視カメラ用の変倍光学系としては、低照度の撮影条件下でも被写体を特定できるように大口径比の明るい光学系であること、および良好な光学性能を有しながらもコンパクトに構成されていることが求められている。また、近年では変倍可能なものが求められるようになってきている。

小型かつ大口径比の構成を有し、監視カメラに搭載可能な変倍光学系としては、例えば、下記特許文献に記載のものが知られている。下記特許文献１に記載の光学系は、物体側から順に、負の第１群と、正の第２群とが配されてなり、第１群は物体側から順に、負メニスカスレンズ、２枚の負レンズ、正レンズの４枚からなり、第２群は物体側から順に、２枚の正レンズ、両凹レンズ、２枚の正レンズの５枚からなり、全体として計９枚のレンズからなる。下記特許文献２に記載の光学系は、物体側から順に、負の前群と、正の後群とが配されてなり、前群は３群３枚構成であり、後群は４群５枚構成であり、全体として計８枚のレンズからなる。
特開２００２−２７７７３７号公報特許３６００８７０号公報

ところで、近年では、従来の球面レンズのみを用いた光学系から、非球面レンズを用いて小型・大口径比・高倍率というハイスペックを達成した光学系が主流になりつつある。しかしながら、その一方で依然としてコストを重視する傾向も根強く残っており、低コストであり、かつ良好な光学性能を有する光学系が求められている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、小型かつ大口径比でありながら低コスト化が図られ、良好な光学性能を保持する変倍光学系および該変倍光学系を備えた撮像装置を提供することを目的とするものである。

本発明の変倍光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群とを備え、第１レンズ群と第２レンズ群の光軸上の間隔を変化させることにより変倍を行い、該変倍に伴う像面位置の補正を第１レンズ群を光軸に沿って移動させることにより行い、第１レンズ群が、物体側から順に、２枚の負レンズと、正レンズとを含むように構成され、第２レンズ群が、物体側から順に、２枚の正レンズと、負レンズと、正レンズとからなる４枚構成であることを特徴とするものである。

本発明の変倍光学系は、第１レンズ群を最少３枚のレンズ、第２レンズ群を４枚のレンズとすることができ、全系のレンズ枚数を最少７枚にすることができるため、コンパクトな構成が可能となる。また、本発明の変倍光学系は、レンズ枚数が少ないことに加え、非球面レンズを用いない構成が可能であるため、低コストで作製することができる。

本発明の変倍光学系においては、第１レンズ群の焦点距離をｆ_１Ｇとし、第２レンズ群の焦点距離をｆ_２Ｇとし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとしたとき、下記条件式（１）または（２）を満たすことが好ましい。
−４．２＜ｆ_１Ｇ／ｆｗ＜−３．０（１）
３．３＜ｆ_２Ｇ／ｆｗ＜３．９（２）

また、本発明の変倍光学系においては、第１レンズ群が、物体側から順に、負の屈折力を有するメニスカスレンズと、負の屈折力を有する両凹レンズと、正レンズとからなる３枚構成としてもよい。

また、本発明の変倍光学系においては、第２レンズ群が、物体側から順に、正レンズと、物体側に凸面を向けた正の屈折力を有するメニスカスレンズと、負レンズと、正の屈折力を有する両凸レンズとからなるものであってもよい。

本発明の撮像装置は、上記記載の変倍光学系と、該変倍光学系によって結像された被写体の像を撮像する撮像素子とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の変倍光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群とを備え、各レンズ群の構成を好適に設定し、全体として最少７枚のレンズ枚数で構成可能であることから、良好な光学性能を有するとともに小型かつ大口径比を実現することができ、低コスト化を図ることできる。

本発明の撮像装置は、本発明の変倍光学系を備えているため、小型に構成可能であり、低照度の撮影条件下においても良好に使用可能で、低コストで作製可能である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態にかかる変倍光学系の構成を示す断面図であり、後述の実施例１の変倍光学系に対応している。また、図２〜図４は、本発明の別の構成例を示す断面図であり、それぞれ後述の実施例２〜実施例４の変倍光学系に対応している。

図１〜図４に示す実施例１〜実施例４は全て基本的な構成は同様であり、各図の図示方法も同様であるため、ここでは、図１を参照しながら、本発明の実施形態にかかる変倍光学系について説明する。

この変倍光学系は、光軸Ｚに沿って、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、開口絞りＳｔと、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とを備えている。このような負のパワーが先行する構成は、広角化に適し、バックフォーカスの確保も比較的容易であるという特長を有している。

なお、図１に示す開口絞りＳｔは必ずしも大きさや形状を表すものではなく、光軸Ｚ上の位置を示すものである。また、図１では、左側が物体側、右側が像側であり、広角端における無限遠合焦時のレンズ配置を示したものであり、広角端から望遠端へ変倍するときの各レンズ群の移動軌跡をその下に模式的に矢印で示している。

図１では、変倍光学系が撮像装置に適用される場合を考慮して、変倍光学系の結像面に配置された撮像素子５も図示している。撮像素子５は、変倍光学系によって結像された被写体の像を撮像するものであり、撮像素子５の撮像面が変倍光学系の結像面に位置するように配置される。

変倍光学系を撮像装置に適用する際には、レンズを装着するカメラ側の構成に応じて、光学系と結像面（撮像面）の間にカバーガラスや、赤外線カットフィルタ、ローパスフィルタなどの各種フィルタ等を配置することが好ましい。そこで、図１では、これらを想定した平行平板状の光学部材ＰＰを第２レンズ群Ｇ２と撮像素子５との間に配置した例を示している。

この変倍光学系は、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の光軸Ｚ上の間隔を変化させることにより変倍を行い、その変倍に伴う像面位置の補正を第１レンズ群Ｇ１を光軸Ｚに沿って移動させることにより行うように構成されている。第１レンズ群Ｇ１および第２レンズ群Ｇ２は、広角端から望遠端へと変倍させるに従い、図１に実線の矢印で示した軌跡を描くように移動する。また、この変倍光学系は、第１レンズ群Ｇ１を光軸Ｚに沿って移動させることによりフォーカシングを行うものであり、第１レンズ群Ｇ１は、フォーカス群としての機能も兼ねている。

第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、２枚の負レンズと、正レンズとを含むように構成されており、第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、２枚の正レンズと、負レンズと、正レンズとが配されてなる４枚構成とされている。図１に示す例の変倍光学系では、第１レンズ群Ｇ１は、レンズＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３の３群３枚からなり、第２レンズ群Ｇ２は、レンズＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４の４群４枚からなり、全体として７群７枚の構成を採っている。

本実施形態の変倍光学系においては、第１レンズ群Ｇ１は例えば、物体側から順に、負の屈折力を有するメニスカスレンズと、負の屈折力を有する両凹レンズと、正レンズとが配されてなる３枚構成とすることが好ましい。

第１レンズ群Ｇ１の最も物体側に、図１に示す例のように、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズを配置することで、望遠端での球面収差の補正がしやすくなるとともに、広角化に有利となる。また、第１レンズ群Ｇ１が負の両凹レンズを含むように構成することで、第１レンズ群に必要とされる負のパワーを確保しやすくなり、少ないレンズ枚数で小型化を図りつつ、効率良く収差補正することができる。また、第１レンズ群Ｇ１を負レンズだけでなく正レンズも含むように構成することで、第１レンズ群Ｇ１における収差のバランスをとりやすくなる。

また、第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、正レンズと、物体側に凸面を向けた正の屈折力を有するメニスカスレンズと、負レンズと、正の屈折力を有する両凸レンズとすることが好ましい。

このように、第２レンズ群Ｇ２の物体側から２番目のレンズを物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとした場合には、球面収差とコマ収差を補正する上で有利となる。また、第２レンズ群Ｇ２は、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１を透過して発散する光束を像面に向かって収束させるように、光束を変換する正のパワーを有するものである。全系の収差バランスをとって諸収差を良好に補正しながら光束を変換するには、第２レンズ群Ｇ２の最も像側のレンズは強い屈折力を有することが好ましく、このことから、第２レンズ群Ｇ２の最も像側のレンズを両凸レンズとすることが好ましい。

また、本実施形態の変倍光学系は、第１レンズ群Ｇ１の焦点距離をｆ_１Ｇとし、第２レンズ群Ｇ２の焦点距離をｆ_２Ｇとし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとしたとき、下記条件式（１）、（２）の少なくともいずれか一方を満たすことが好ましい。
−４．２＜ｆ_１Ｇ／ｆｗ＜−３．０（１）
３．３＜ｆ_２Ｇ／ｆｗ＜３．９（２）

条件式（１）は、全系の焦点距離に対する第１レンズ群Ｇ１の焦点距離の比に関するものであり、いわば、パワー配分の好適な範囲を示している。条件式（１）の下限を超えると、フレアが発生し、非点収差、軸上色収差、倍率色収差が増大してしまう。条件式（１）の上限を超えると、球面収差がオーバーになり、また倍率色収差が増大してしまう。

条件式（２）は、全系の焦点距離に対する第２レンズ群Ｇ２の焦点距離の比に関するものであり、いわば、パワー配分の好適な範囲を示している。条件式（２）の下限を超えると、非点収差と倍率色収差の増大を招いてしまう。条件式（２）の上限を超えると、球面収差、コマ収差、倍率色収差の増大を招いてしまう。

また、本実施形態の変倍光学系は、第２レンズ群Ｇ２の最も物体側のレンズの焦点距離をｆ_Ｌ２１とし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとしたとき、下記条件式（３）を満たすことが好ましい。
４．５＜ｆ_Ｌ２１／ｆｗ＜６．８（３）

条件式（３）は、全系の焦点距離に対する第２レンズ群Ｇ２の最も物体側のレンズの焦点距離の比に関するものであり、いわば、全系の正の屈折力に対する第２レンズ群Ｇ２の最も物体側のレンズの寄与度の好適な範囲を示している。条件式（３）の下限を超えると、軸上色収差の増大を招いてしまう。条件式（３）の上限を超えると、球面収差が増大してしまい、光学性能が劣化し、大口径比の実現が難しくなる。

また、本実施形態の変倍光学系において、第２レンズ群Ｇ２の物体側から２番目のレンズを正メニスカスレンズとした場合には、該正メニスカスレンズの物体側の面の曲率半径をＲ_２２ｆとし、像側の面の曲率半径をＲ_２２ｒとしたとき、下記条件式（４）を満たすことが好ましい。
０＜Ｒ_２２ｆ／Ｒ_２２ｒ＜０．４（４）

条件式（４）は、第２レンズ群Ｇ２の物体側から２番目のレンズの物体側の面の曲率半径と像側の面の曲率半径との比の好適な範囲を示している。条件式（４）の下限を超えると、コマ収差の増大を招いてしまう。条件式（４）の上限を超えると、軸上色収差の増大を招いてしまう。

本実施形態の変倍光学系では、上述した構成を採用することにより、大口径比を確保しつつ、第１レンズ群を最少３枚のレンズ、第２レンズ群を４枚のレンズで構成して、全体のレンズ枚数を最少７枚としたコンパクトな構成で良好な光学性能を実現することができる。上述した特許文献１、２の記載の光学系の全体のレンズ枚数が９枚、８枚であることを考えると、本実施形態の変倍光学系は、従来に比べレンズ枚数を低減することができ、小型化および低コスト化を図ることができる。また、本実施形態の変倍光学系は、図１に示す例のように、非球面レンズを全く用いない構成が可能であり、さらに、接合レンズを採用しない単レンズのみからなる構成も可能であることから、低コストで作製することができる。

なお、本変倍光学系が例えば屋外等の厳しい環境において使用される場合には、最も物体側に配置されるレンズには、風雨による表面劣化、直射日光による温度変化に強く、さらには油脂・洗剤等の化学薬品に強い材質、すなわち耐水性、耐候性、耐酸性、耐薬品性等が高い材質を用いることが好ましく、さらには堅く、割れにくい材質を用いることが好ましい。以上のことから最も物体側に配置される材質としては、具体的にはガラスを用いることが好ましく、あるいは透明なセラミックスを用いてもよい。

本変倍光学系が、広い温度範囲で使用可能なことが要求される場合には、各レンズの材質としては線膨張係数の小さいものを用いることが好ましい。また、本変倍光学系が厳しい環境において使用される場合には、保護用の多層膜コートが施されることが好ましい。さらに、保護用コート以外にも、使用時のゴースト光低減等のための反射防止コート膜を施すようにしてもよい。

図１に示す例では、レンズ系と結像面との間に光学部材ＰＰを配置した例を示したが、ローパスフィルタや特定の波長域をカットするような各種フィルタ等を配置する代わりに、各レンズの間にこれらの各種フィルタを配置してもよく、あるいは、いずれかのレンズのレンズ面に、各種フィルタと同様の作用を有するコートを施してもよい。

以上説明したように、本実施形態の変倍光学系によれば、要求される仕様等に応じて、上記した好ましい構成を適宜採用することで、良好に収差補正を行いつつ、小型で大口径比でありながら低コスト化が図られた光学系を容易に得ることが可能になる。

次に、本実施形態にかかる変倍光学系の具体的な数値実施例について説明する。

＜実施例１＞
実施例１にかかる変倍光学系のレンズ断面図は、図１に示したものであり、全て球面形状の単レンズで構成されている。実施例１にかかる変倍光学系のレンズ構成は、第１レンズ群Ｇ１が、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズであるレンズＬ１１と、両凹レンズであるレンズＬ１２と、両凸レンズであるレンズＬ１３とからなる３群３枚の構成であり、第２レンズ群Ｇ２が、物体側から順に、両凸レンズであるレンズＬ２１と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズであるレンズＬ２２と、両凹レンズであるレンズＬ２３と、両凸レンズであるＬ２４とからなる４群４枚の構成である。また、開口絞りＳｔは、絞り径が可変であり、位置は固定されている。

実施例１にかかる変倍光学系のレンズデータを表１に、各種データを表２に示す。なお、表１のレンズデータには、開口絞りＳｔおよび光学部材ＰＰも含めて示している。

表１のレンズデータにおいて、Ｓｉは最も物体側の構成要素の面を１番目として像側に向かうに従い順次増加するｉ番目（ｉ＝１、２、３、…）の面番号を示し、Ｒｉはｉ番目の面の曲率半径を示し、Ｄｉはｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ上の面間隔を示している。また、Ｎｄｊは最も物体側のレンズを１番目として像側に向かうに従い順次増加するｊ番目（ｊ＝１、２、３、…）の光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄｊはｊ番目の光学要素のｄ線に対するアッベ数を示している。レンズデータの曲率半径は物体側に凸の場合を正、像側に凸の場合を負としている。

表１のレンズデータにおいて、変倍を行うために間隔が変化する、第１レンズ群Ｇ１と開口絞りＳｔの間隔、開口絞りＳｔと第２レンズ群Ｇ２の間隔、第２レンズ群Ｇ２と光学部材ＰＰの間隔に相当する面間隔の欄にはそれぞれ、可変Ｄ１、可変Ｄ２、可変Ｄ３と記載している。

表２の各種データに、広角端と望遠端における、全系の焦点距離、Ｆ値（Ｆｎｏ．）、全画角、可変Ｄ１、可変Ｄ２、可変Ｄ３の値を示す。レンズデータおよび各種データにおける長さの単位としてはここではｍｍを用いている。なお、上述した表１、表２中の記号の意味は後述の実施例についても同様である。

＜実施例２＞
実施例２のレンズ断面図は、図２に示したものである。実施例２の変倍光学系のレンズ構成は基本的には実施例１のものと同様である。実施例２にかかる変倍光学系のレンズデータを表３に、各種データを表４に示す。

＜実施例３＞
実施例３のレンズ断面図は、図３に示したものである。実施例３の変倍光学系のレンズ構成は基本的には実施例１のものと同様であるが、第１レンズ群Ｇ１の最も像側のレンズＬ１３が実施例１では両凸レンズであるのに対して、実施例３では物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズである点が異なる。実施例３にかかる変倍光学系のレンズデータを表５に、各種データを表６に示す。

＜実施例４＞
実施例４のレンズ断面図は、図４に示したものである。実施例４の変倍光学系のレンズ構成は基本的には実施例１のものと同様であるが、第１レンズ群Ｇ１の最も像側のレンズＬ１３が実施例１では両凸レンズであるのに対して、実施例４では物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズである点が異なる。実施例４にかかる変倍光学系のレンズデータを表７に、各種データを表８に示す。

表９に、実施例１〜４における条件式（１）〜（４）に対応する値を示す。表９からわかるように、実施例１〜４のいずれも、条件式（１）〜（４）を満足している。

図５（Ａ）〜図５（Ｃ）にそれぞれ、実施例１にかかる変倍光学系の広角端における球面収差、非点収差、ディストーション（歪曲収差）の各収差図を示し、図５（Ｄ）〜図５（Ｆ）にそれぞれ、実施例１にかかる変倍光学系の望遠端における球面収差、非点収差、ディストーションの各収差図を示す。各収差図には、ｄ線を基準波長とした収差を示すが、球面収差図にはｇ線（波長４３６ｎｍ）、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）についての収差も示す。球面収差図のＦｎｏ．はＦ値であり、非点収差図、歪曲収差図のωは半画角を意味する。また同様に、図６（Ａ）〜図６（Ｆ）、図７（Ａ）〜図７（Ｆ）、図８（Ａ）〜図８（Ｆ）にそれぞれ、実施例２、実施例３、実施例４の変倍光学系の各収差図を示す。

以上のデータから、実施例１〜４は、２．６倍程度の変倍光学系において、小型化を図りつつ、広角端でのＦ値が１．３０〜１．４４と大口径比の明るいレンズ系であるとともに、各収差が良好に補正され、広角端および望遠端ともに可視域において良好な光学性能を有することがわかる。また、実施例１〜４は、全て球面形状の単レンズで構成されているため、非球面形状の成形やレンズを接合する工程が不要となり、低コストで製作することができる。

本発明の実施形態にかかる変倍光学系は、監視カメラ、ビデオカメラや電子スチルカメラ等の撮像装置に好適に使用することが可能である。これらの撮像装置は、本発明の実施形態にかかる変倍光学系と、該変倍光学系によって結像された被写体の像を撮像する撮像素子とを有するように構成される。本発明の実施形態にかかる変倍光学系は、前述した長所を有するため、これらの撮像装置も小型かつ低コストに構成可能であり、低照度の撮影条件下においても良好に使用可能である。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔および屈折率の値は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

本発明の実施例１にかかる変倍光学系のレンズ構成を示す断面図本発明の実施例２にかかる変倍光学系のレンズ構成を示す断面図本発明の実施例３にかかる変倍光学系のレンズ構成を示す断面図本発明の実施例４にかかる変倍光学系のレンズ構成を示す断面図図５（Ａ）〜（Ｆ）は本発明の実施例１にかかる変倍光学系の各収差図図６（Ａ）〜（Ｆ）は本発明の実施例２にかかる変倍光学系の各収差図図７（Ａ）〜（Ｆ）は本発明の実施例３にかかる変倍光学系の各収差図図８（Ａ）〜（Ｆ）は本発明の実施例４にかかる変倍光学系の各収差図

符号の説明

５撮像素子
Ｇ１第１レンズ群
Ｇ２第２レンズ群
Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４レンズ
ＰＰ光学部材
Ｓｔ開口絞り
Ｚ光軸

Claims

物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群とを備え、
前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の光軸上の間隔を変化させることにより変倍を行い、該変倍に伴う像面位置の補正を前記第１レンズ群を光軸に沿って移動させることにより行い、
前記第１レンズ群が、物体側から順に、２枚の負レンズと、正レンズとを含むように構成され、
前記第２レンズ群が、物体側から順に、２枚の正レンズと、負レンズと、正レンズとからなる４枚構成であることを特徴とする変倍光学系。
前記第１レンズ群の焦点距離をｆ_１Ｇとし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとしたとき、下記条件式（１）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の変倍光学系。
−４．２＜ｆ_１Ｇ／ｆｗ＜−３．０（１）
前記第２レンズ群の焦点距離をｆ_２Ｇとし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとしたとき、下記条件式（２）を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の変倍光学系。
３．３＜ｆ_２Ｇ／ｆｗ＜３．９（２）
前記第１レンズ群が、物体側から順に、負の屈折力を有するメニスカスレンズと、負の屈折力を有する両凹レンズと、正レンズとからなる３枚構成であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の変倍光学系。
前記第２レンズ群が、物体側から順に、正レンズと、物体側に凸面を向けた正の屈折力を有するメニスカスレンズと、負レンズと、正の屈折力を有する両凸レンズとからなることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の変倍光学系。
請求項１から５のいずれか１項に記載の変倍光学系と、
該変倍光学系によって結像された被写体の像を撮像する撮像素子とを備えたことを特徴とする撮像装置。