JP2011075613A - 変倍光学系および撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】変倍光学系において、小型で安価に構成され、大口径比と高変倍比を維持しながら、高画質の画像を取得可能な高い光学性能を有する。
【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。第1レンズ群G1と第2レンズ群G2の光軸方向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G1を光軸方向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は、物体側から順に、メニスカス形状の負のレンズL1と、正のレンズL2と、負のレンズL3とが配列されてなる3枚構成である。変倍光学系は、第1レンズ群G1の負のレンズL3の像側のレンズ面S6に関する条件式(1)を満たすように構成されている。
【選択図】図1
【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。第1レンズ群G1と第2レンズ群G2の光軸方向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G1を光軸方向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は、物体側から順に、メニスカス形状の負のレンズL1と、正のレンズL2と、負のレンズL3とが配列されてなる3枚構成である。変倍光学系は、第1レンズ群G1の負のレンズL3の像側のレンズ面S6に関する条件式(1)を満たすように構成されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、変倍光学系および撮像装置に関し、より詳しくは、ビデオカメラや電子スチルカメラ等に使用可能で、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、防犯や記録等の目的で監視カメラが用いられている。このような監視カメラ用の光学系としては、小型かつ安価に構成可能で、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であり、高い光学性能を有することが要求される。また、近年では変倍機能付きの監視カメラの需要が高まっていることから、変倍光学系が主流になりつつある。
監視カメラに使用可能な変倍光学系としては、例えば、下記特許文献1、2に記載のものが知られている。特許文献1、2に記載の変倍光学系は、物体側から順に、負の第1レンズ群、絞り、正の第2レンズ群を配したものであり、第2レンズ群を移動させることにより変倍を行うように構成されている。この変倍光学系の第1レンズ群は、物体側から順に、負レンズ、負レンズ、正レンズの3枚の単レンズが配列されて構成されている。
上記分野のカメラの多くにはCCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等の撮像素子が搭載されている。近年では、監視カメラ用途でも、より高画質な映像を望む声が多く、100万画素以上の撮像素子を有するカメラに対応可能な変倍光学系への要望が高まっている。しかしながら、従来の光学系では、コンパクトかつ安価な構成で、監視カメラ用途に必要な大口径比と高変倍比を維持しつつ、近年の高画素化に対応可能な高い光学性能を実現することは困難であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、小型かつ安価に構成され、大口径比と高変倍比を維持しながら、高画質の画像を取得可能な高い光学性能を有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レンズ群の光軸方向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レンズ群を光軸方向に移動させることにより行うように構成された変倍光学系であって、第1レンズ群は、物体側から順に、負メニスカスレンズと、正レンズと、負レンズとが配列されてなる3枚構成であり、この負レンズの像側のレンズ面に関して下記条件式(1)を満たすことを特徴とするものである。
(SAG9−SAG10)/|SAG7−SAG6|>1.6 (1)
ただし、
SAG10:光軸とレンズ面との交点を点Oとし、変倍光学系が広角端に設定されているときのレンズ面における最外光線とレンズ面との交点を点P10としたときの、点Oを通り光軸に垂直な面と点P10との光軸方向の距離
SAG9:光軸から点P10までの径の9割の径におけるレンズ面上の点を点P9としたときの、点Oを通り光軸に垂直な面と点P9との光軸方向の距離
SAG7:光軸から点P10までの径の7割の径におけるレンズ面上の点を点P7としたときの、点Oを通り光軸に垂直な面と点P7との光軸方向の距離
SAG6:光軸から点P10までの径の6割の径におけるレンズ面上の点を点P6としたときの、点Oを通り光軸に垂直な面と点P6との光軸方向の距離
なお、「最外光線」とは、光軸に垂直な方向において最も光軸から離れた光線のことである。また、「光軸Zから点P10までの径の9割の径」、「光軸から点P10までの径の7割の径」、「光軸から点P10までの径の6割の径」は、レンズ面に沿ったものではなく、光軸に垂直な方向におけるものである。
ただし、
SAG10:光軸とレンズ面との交点を点Oとし、変倍光学系が広角端に設定されているときのレンズ面における最外光線とレンズ面との交点を点P10としたときの、点Oを通り光軸に垂直な面と点P10との光軸方向の距離
SAG9:光軸から点P10までの径の9割の径におけるレンズ面上の点を点P9としたときの、点Oを通り光軸に垂直な面と点P9との光軸方向の距離
SAG7:光軸から点P10までの径の7割の径におけるレンズ面上の点を点P7としたときの、点Oを通り光軸に垂直な面と点P7との光軸方向の距離
SAG6:光軸から点P10までの径の6割の径におけるレンズ面上の点を点P6としたときの、点Oを通り光軸に垂直な面と点P6との光軸方向の距離
なお、「最外光線」とは、光軸に垂直な方向において最も光軸から離れた光線のことである。また、「光軸Zから点P10までの径の9割の径」、「光軸から点P10までの径の7割の径」、「光軸から点P10までの径の6割の径」は、レンズ面に沿ったものではなく、光軸に垂直な方向におけるものである。
なお、SAG10の値の符号は、点P10が点Oより像側にある場合を正とし、物体側にある場合を負とする。同様に、SAG9、SAG7、SAG6それぞれの値の符号は、点P9、点P7、点P6それぞれが点Oより像側にある場合を正とし、物体側にある場合を負とする。
本発明の変倍光学系においては、第1レンズ群の正レンズが、像側に凸面を向けたメニスカス形状であることが好ましい。
また、本発明の変倍光学系においては、第2レンズ群の最も物体側のレンズが、少なくとも1面の非球面を有する正レンズであることが好ましい。
本発明の変倍光学系においては、第2レンズ群を、物体側から順に、少なくとも1面の非球面を有する正レンズと、両凸形状の正レンズと、像側の面が凹面である負レンズと、正レンズとが配列されてなる4枚構成としてもよい。
本発明の変倍光学系においては、下記条件式(2)を満たすように構成してもよい。
Nd3<1.55 (2)
ただし、
Nd3:第1レンズ群の負レンズのd線における屈折率
本発明の変倍光学系においては、下記条件式(3)を満たすように構成してもよい。
ただし、
Nd3:第1レンズ群の負レンズのd線における屈折率
本発明の変倍光学系においては、下記条件式(3)を満たすように構成してもよい。
Nd4<1.55 (3)
ただし、
Nd4:第2レンズ群中の最も物体側の正レンズのd線における屈折率
本発明の変倍光学系においては、第2レンズ群の像側に、変倍時に固定されている負の屈折力を有する第3レンズ群をさらに備えるように構成してもよい。
ただし、
Nd4:第2レンズ群中の最も物体側の正レンズのd線における屈折率
本発明の変倍光学系においては、第2レンズ群の像側に、変倍時に固定されている負の屈折力を有する第3レンズ群をさらに備えるように構成してもよい。
なお、上述したレンズの屈折力の符号、形状は、非球面レンズについては近軸領域で考えるものとする。
本発明の撮像装置は、上記記載の本発明の変倍光学系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によれば、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レンズ群の光軸方向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レンズ群を光軸方向に移動させることにより行うように構成し、第1レンズ群の構成を好適に設定し、条件式(1)を満たすようにしているため、小型かつ安価に構成可能で、大口径比と高変倍比を維持しながら、高画質の画像を取得可能な高い光学性能を有する光学系を実現することができる。
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、小型かつ安価に構成でき、低照度での撮影および高倍率での撮影が可能であり、高画質の映像を得ることができる。
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〜図6は、本発明の実施形態にかかる変倍光学系の構成例を示す断面図であり、それぞれ後述の実施例1〜6の変倍光学系に対応している。図1〜図6に示す例の基本的な構成は同様であり、図示方法も同様であるため、ここでは主に図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。
本実施形態の変倍光学系は、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、第1レンズ群G1と第2レンズ群G2の光軸方向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を光軸方向に移動させることにより行うように構成されている。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。
図1は、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、左側が物体側、右側が像側である。図1には、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。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、光軸上の位置を示すものである。
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る撮像素子5も図示している。また、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、光学系と結像面の間にカバーガラス、プリズム、赤外線カットフィルタやローパスフィルタなどの各種フィルタを配置することが好ましいため、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。
この変倍光学系の第1レンズ群G1は、物体側から順に、負メニスカスレンズであるレンズL1と、正のレンズL2と、負のレンズL3とが配列された3枚のレンズからなる。例えば、図1に示す例の第1レンズ群G1は、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズL1と、像側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズL2と、近軸領域で両凹形状のレンズL3とからなる。レンズ系の最も物体側に、負メニスカスレンズであるレンズL1を配置することで、広角化に有利となる。また、正のレンズL2と負のレンズL3を近接配置することで、色収差補正に有利な正負のレンズの組合せを構成している。
本変倍光学系では、第1レンズ群G1の最も像側のレンズL3の像側のレンズ面S6に関して下記条件式(1)を満たすように構成している。
(SAG9−SAG10)/|SAG7−SAG6|>1.6 (1)
ただし、
SAG10:光軸Zとレンズ面S6との交点を点Oとし、変倍光学系が広角端に設定されているときのレンズ面S6における最外光線MRとレンズ面S6との交点を点P10としたときの、点Oを通り光軸Zに垂直な面Hと点P10との光軸方向の距離
SAG9:光軸Zから点P10までの径の9割の径におけるレンズ面S6上の点を点P9としたときの、点Oを通り光軸Zに垂直な面Hと点P9との光軸方向の距離
SAG7:光軸Zから点P10までの径の7割の径におけるレンズ面S6上の点を点P7としたときの、点Oを通り光軸Zに垂直な面Hと点P7との光軸方向の距離
SAG6:光軸Zから点P10までの径の6割の径におけるレンズ面S6上の点を点P6としたときの、点Oを通り光軸Zに垂直な面Hと点P6との光軸方向の距離
図7に、上記SAG10、SAG9、SAG7、SAG6、点O、点P10、点P9、点P7、点P6を例示する。図7はレンズL3の部分拡大図である。図7では、広角端に設定されているときのレンズ面S6における最外光線MRも合わせて示し、点Oを通り光軸Zに垂直な面Hを点線で示している。光軸Zに垂直な方向における光軸Zから点P9、点P7、点P6それぞれまでの距離は、光軸Zから点P10までの距離の9割、7割、6割である。条件式(1)におけるSAG10、SAG9、SAG7、SAG6それぞれの値の符号は、点P10、点P9、点P7、点P6それぞれが点Oより像側にある場合を正とし、物体側にある場合を負とすることにする。
ただし、
SAG10:光軸Zとレンズ面S6との交点を点Oとし、変倍光学系が広角端に設定されているときのレンズ面S6における最外光線MRとレンズ面S6との交点を点P10としたときの、点Oを通り光軸Zに垂直な面Hと点P10との光軸方向の距離
SAG9:光軸Zから点P10までの径の9割の径におけるレンズ面S6上の点を点P9としたときの、点Oを通り光軸Zに垂直な面Hと点P9との光軸方向の距離
SAG7:光軸Zから点P10までの径の7割の径におけるレンズ面S6上の点を点P7としたときの、点Oを通り光軸Zに垂直な面Hと点P7との光軸方向の距離
SAG6:光軸Zから点P10までの径の6割の径におけるレンズ面S6上の点を点P6としたときの、点Oを通り光軸Zに垂直な面Hと点P6との光軸方向の距離
図7に、上記SAG10、SAG9、SAG7、SAG6、点O、点P10、点P9、点P7、点P6を例示する。図7はレンズL3の部分拡大図である。図7では、広角端に設定されているときのレンズ面S6における最外光線MRも合わせて示し、点Oを通り光軸Zに垂直な面Hを点線で示している。光軸Zに垂直な方向における光軸Zから点P9、点P7、点P6それぞれまでの距離は、光軸Zから点P10までの距離の9割、7割、6割である。条件式(1)におけるSAG10、SAG9、SAG7、SAG6それぞれの値の符号は、点P10、点P9、点P7、点P6それぞれが点Oより像側にある場合を正とし、物体側にある場合を負とすることにする。
条件式(1)の下限を下回ると、望遠端の球面収差が補正不足となり光学性能の低下を招いてしまう。条件式(1)を満たすことにより、高変倍比と大口径比を維持しつつ、近年の高画素化に対応可能な高い光学性能を実現することが可能となる。条件式(1)を満たすように面形状を設定することにより、レンズL3の像側の面を非球面とすることができる。非球面を第1レンズ群G1の最も像側の面に配置することで、良好な収差補正を効果的に行うことができ、特に広角端側における像面湾曲の補正を効果的に行うことが可能となる。
また、条件式(1)を満たすことから、(SAG9−SAG10)>0となる。SAG9<0の場合はSAG10<0かつ|SAG9|<|SAG10|となり、点P10が点P9よりも物体側に位置する。SAG9>0の場合はSAG9>SAG10となり、やはり点P10が点P9よりも物体側に位置する。例えば、図1に示す例のようにレンズL3の像側のレンズ面S6が近軸領域で凹形状の場合、レンズ面S6を条件式(1)を満たすような非球面形状とすることにより、レンズ面S6を球面にした場合よりもコンパクトに構成することができる。
本変倍光学系は、さらに下記条件式(1A)を満たすことが好ましい。
1.65<(SAG9−SAG10)/|SAG7−SAG6|<300 (1A)
条件式(1A)の下限を満たすことにより、条件式(1)を満たすことにより得られる効果をさらに高めることができる。また、条件式(1A)の上限を満たすことにより、望遠端における球面収差の補正過剰、および広角端側における像面湾曲の発生による光学性能の低下の両方を低減することができる。
条件式(1A)の下限を満たすことにより、条件式(1)を満たすことにより得られる効果をさらに高めることができる。また、条件式(1A)の上限を満たすことにより、望遠端における球面収差の補正過剰、および広角端側における像面湾曲の発生による光学性能の低下の両方を低減することができる。
なお、本変倍光学系では、上述した特許文献1、2記載の従来例とは異なり、第1レンズ群における色収差補正に有効な正負のレンズの組合せを、物体側から、正レンズ、負レンズの順に配列している。この構成は以下に説明するように、従来例からは得られない利点を有するものである。光学系の低コスト化および軽量化のためには、ガラスレンズよりもプラスチックレンズを用いることが好ましい。第2レンズ群G2にプラスチックレンズを適用する場合、第2レンズ群G2は正レンズ群であり正レンズが多い点、現在使用可能なプラスチック材料の屈折率とアッベ数を考慮すると収差補正上負レンズよりも正レンズが適する点、低コスト化と軽量化のためには負レンズよりも中心厚が大きな正レンズの方が効果が高い点から、負レンズよりも正レンズに用いることになる。
一方、プラスチックレンズを用いる場合、温度変化時の結像位置の変動を良好に抑制するためには、全系で正、負両方のプラスチックレンズを備えることが好ましい。したがって、第2レンズ群G2が正のプラスチックレンズを有するのであれば、第1レンズ群G1は負のプラスチックレンズを有することが好ましく、本変倍光学系の第1レンズ群G1においては、負のレンズL3をプラスチックレンズとすることが好ましい。条件式(1)の説明で述べたように、レンズL3は非球面レンズであり、これをプラスチックで構成すれば温度変化時の結像位置の変動の抑制効果に加え、非球面形状を精度良く作製できて良好な性能を実現でき、安価に作製できるという効果も得ることができる。
これに対して、本変倍光学系とは異なり第1レンズ群の物体側から2番目、3番目に負レンズ、正レンズを順に配置した構成では、非球面が設けられる第1レンズ群の最も像側の面は正レンズの面となる。この構成では、上記複数の効果、すなわち、プラスチックレンズを用いる場合の温度変化時の結像位置の変動の抑制効果と、非球面レンズをプラスチックで構成した場合の良好な製作性および低コスト化の効果を同時に得ることはできない。
このように、本変倍光学系は、第1レンズ群G1を3枚という少ないレンズ枚数で構成し、これらのパワー配列を好適に設定し、効果的に非球面を設けてその形状を好適に設定することで、小型で安価な構成を可能にするとともに、大口径比と高変倍比を維持しながら、高画質の画像を取得可能な高い光学性能を実現可能にしている。
本変倍光学系においては、第1レンズ群の正のレンズL2は、像側に凸面を向けたメニスカス形状であることが好ましい。本変倍光学系のようなタイプの光学系では、望遠端における軸上色収差の補正に、第1レンズ群G1の正のレンズL2と負のレンズL3が深く関わっており、特に、これら2つのレンズの対向面の曲率半径、すなわち正のレンズL2の像側の面の曲率半径と負のレンズL3の物体側の面の曲率半径が、両レンズの材料の選択とともに深く関係している。
高変倍比を維持するように望遠端側を広くとるには、第1レンズ群での軸上色収差の補正量を多くとる必要がある。そのためには、第1レンズ群G1の正のレンズL2の像側の面の曲率半径の絶対値と負のレンズL3の物体側の面の曲率半径の絶対値をより小さくすることが好ましい。しかし、仮に正のレンズL2が両凸形状の場合には、レンズL2の像側の面の曲率半径の絶対値を小さくするとコバ(縁肉)が小さくなってしまうため、加工性を確保するためには中心厚を大きくする必要が生じ、コンパクト性が損なわれてしまう。図1に示す例のように、正のレンズL2を像側に凸面を向けたメニスカス形状とすれば、レンズL2の物体側の面は凹面となるため、レンズL2の像側の凸面の曲率半径の絶対値を小さくしても、レンズL2が両凸形状の場合に比べて中心厚の厚さを抑制できるため、コンパクト性を確保することができる。
本変倍光学系においては、第2レンズ群G2の最も物体側のレンズが、少なくとも1面の非球面を有する正レンズであることが好ましい。非球面を有する正レンズを第2レンズ群G2の最も物体側に配置することで、良好な収差補正を効果的に行うことができ、特に球面収差を補正することが容易となり、監視カメラ用途に必要な大口径比を実現することが可能となる。
第2レンズ群G2の構成としては、物体側から順に、少なくとも1面の非球面を有する正のレンズL4と、両凸形状の正のレンズL5と、像側の面が凹面である負のレンズL6と、正のレンズL7とが配列された4枚構成を採用してもよい。第2レンズ群G2をこのような構成とすることで、必要最小限のレンズ枚数で小型化を図りつつ、監視カメラ用途に必要な大口径比と高変倍比を維持するとともに、高画質の画像を取得可能な高い光学性能を実現することが容易となる。例えば、図1に示す例の第2レンズ群G2は、近軸領域で物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正のレンズL4と、両凸形状の正のレンズL5と、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズL6と、両凸形状の正のレンズL7とからなる。
本実施形態の変倍光学系においては、下記条件式(2)を満たすことが好ましい。条件式(2)を満たすことで、プラスチック材料を使用することが可能となり、コンパクト性かつ高変倍比を維持しながら低コストを実現することが可能となる。
Nd3<1.55 (2)
ただし、
Nd3:第1レンズ群G1の負のレンズL3のd線における屈折率
また、本実施形態の変倍光学系においては、下記条件式(3)を満たすことが好ましい。条件式(3)を満たすことで、プラスチック材料を使用することが可能となり、コンパクト性かつ高変倍比を維持しながら低コストを実現することが可能となる。本変倍光学系は、負レンズ群である第1レンズ群G1からの発散光を正レンズ群である第2レンズ群G2で収束させる構成を採っているため、第2レンズ群G2においては物体側のレンズの方が像側のレンズより大径になる傾向がある。大径のレンズをプラスチックで構成すれば、低コスト化の効果が高いものとなる。さらに、第2レンズ群G2中の最も物体側の正レンズが非球面レンズの場合には、ガラス材料よりもプラスチック材料を用いた方が安価に製作可能である。
ただし、
Nd3:第1レンズ群G1の負のレンズL3のd線における屈折率
また、本実施形態の変倍光学系においては、下記条件式(3)を満たすことが好ましい。条件式(3)を満たすことで、プラスチック材料を使用することが可能となり、コンパクト性かつ高変倍比を維持しながら低コストを実現することが可能となる。本変倍光学系は、負レンズ群である第1レンズ群G1からの発散光を正レンズ群である第2レンズ群G2で収束させる構成を採っているため、第2レンズ群G2においては物体側のレンズの方が像側のレンズより大径になる傾向がある。大径のレンズをプラスチックで構成すれば、低コスト化の効果が高いものとなる。さらに、第2レンズ群G2中の最も物体側の正レンズが非球面レンズの場合には、ガラス材料よりもプラスチック材料を用いた方が安価に製作可能である。
Nd4<1.55 (3)
ただし、
Nd4:第2レンズ群G2中の最も物体側の正レンズのd線における屈折率
本実施形態の変倍光学系においては、条件式(2)と条件式(3)を同時に満たすことがより好ましい。条件式(2)と条件式(3)を同時に満たす場合には、プラスチック材料からなる正、負のレンズ両方を備えることができ、温度が変化したときの結像位置の変動を抑制することが可能となる。
ただし、
Nd4:第2レンズ群G2中の最も物体側の正レンズのd線における屈折率
本実施形態の変倍光学系においては、条件式(2)と条件式(3)を同時に満たすことがより好ましい。条件式(2)と条件式(3)を同時に満たす場合には、プラスチック材料からなる正、負のレンズ両方を備えることができ、温度が変化したときの結像位置の変動を抑制することが可能となる。
なお、本発明の変倍光学系は、図1に示す例のレンズ枚数やレンズ形状に限定されず、各種の態様をとることができる。例えば、本発明の変倍光学系は、第2レンズ群G2の像側に、変倍時に固定されている負の屈折力を有する第3レンズ群をさらに備えるようにしてもよい。この第3レンズ群を追加することにより、像サイズを変えることが可能になり、撮像素子のサイズ変更に対応可能となる。具体的には、撮像素子として、6mmサイズのCCDを8mmサイズのCCDに変更する場合等に対応可能である。
図1に示す変倍光学系は、全て単レンズで構成されている。このように極力接合レンズを用いないことで、安価に構成でき、同枚数のレンズでより多くの接合レンズを含む構成にした場合よりも空気接触面の数を増加させることができ、設計の自由度が向上し、良好に収差補正された高性能の光学系の実現に有利となる。
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料、すなわち耐水性、耐候性、耐酸性、耐薬品性等が高い材料を用いることが好ましく、さらには堅く、割れにくい材料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料としては、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。
非球面形状が形成されるレンズの材料としては、プラスチックを用いることが好ましく、この場合には、非球面形状を精度良く作製することができるとともに、軽量化および低コスト化を図ることが可能となる。
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、最も物体側に配置されるレンズに限らず、他のレンズもガラス材料からなるようにしてもよい。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。
次に、本発明の変倍光学系の数値実施例について説明する。
<実施例1>
実施例1のレンズ断面図は、図1に示したものであり、その概略構成は以下のとおりである。実施例1の変倍光学系は、物体側から順に、第1レンズ群G1が、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズL1、像側に凸面を向けたメニスカス形状の正のレンズL2、近軸領域で両凹形状の負のレンズL3の3枚構成であり、第2レンズ群G2が、近軸領域で物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正のレンズL4、両凸形状の正のレンズL5、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズL6、両凸形状の正のレンズL7の4枚構成であり、全てのレンズが接合されていない単レンズであり、非球面はレンズL3の両側の面およびレンズL4の両側の面に施されている。
実施例1のレンズ断面図は、図1に示したものであり、その概略構成は以下のとおりである。実施例1の変倍光学系は、物体側から順に、第1レンズ群G1が、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズL1、像側に凸面を向けたメニスカス形状の正のレンズL2、近軸領域で両凹形状の負のレンズL3の3枚構成であり、第2レンズ群G2が、近軸領域で物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正のレンズL4、両凸形状の正のレンズL5、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズL6、両凸形状の正のレンズL7の4枚構成であり、全てのレンズが接合されていない単レンズであり、非球面はレンズL3の両側の面およびレンズL4の両側の面に施されている。
実施例1の変倍光学系のレンズデータを表1に、非球面データを表2に、各種データを表3に示す。なお、下に述べる表1〜表3中の記号の意味は後述の実施例についても同様である。
表1のレンズデータにおいて、Siの欄に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の欄にはi番目の面の曲率半径を示し、Diの欄には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の欄に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、…)のレンズのd線(波長587.6nm)に対する屈折率を示し、νdjの欄にはj番目のレンズのd線に対するアッベ数を示している。なお、曲率半径の符号は、物体側に凸の場合を正、像側に凸の場合を負としている。レンズデータには、開口絞りStおよび光学部材PPも含めて示しており、開口絞りStに相当する面の面番号の欄に(開口絞り)という語句も記載している。
表1のレンズデータでは、非球面は面番号に*印を付しており、非球面の曲率半径として近軸の曲率半径の数値を示している。表2の非球面データは、これら非球面に関する非球面係数を示すものである。表2の非球面データの数値の「E−n」(n:整数)は「×10−n」を意味し、「E+n」は「×10n」を意味する。非球面係数は、以下の式(A)で表される非球面式における各係数K、RBm(m=3、4、5、…)の値である。
Zd=C・h2/{1+(1−K・C2・h2)1/2}+ΣRBm・hm … (A)
ただし、
Zd:非球面深さ(高さhの非球面上の点から、非球面頂点が接する光軸に垂直な平面に下ろした垂線の長さ)
h:高さ(光軸からのレンズ面までの距離)
C:近軸曲率半径の逆数
K、RBm:非球面係数(m=3、4、5、…20)
表1のレンズデータにおいて、変倍時に間隔が変化する面間隔の欄にはそれぞれ可変1、可変2、可変3と記載している。可変1は第1レンズ群G1と開口絞りStとの間隔であり、可変2は開口絞りStと第2レンズ群G2との間隔であり、可変3は第2レンズ群G2と光学部材PPとの間隔である。ただし、後述の実施例5については、可変3は第2レンズ群G2と第3レンズ群G3との間隔となる。
ただし、
Zd:非球面深さ(高さhの非球面上の点から、非球面頂点が接する光軸に垂直な平面に下ろした垂線の長さ)
h:高さ(光軸からのレンズ面までの距離)
C:近軸曲率半径の逆数
K、RBm:非球面係数(m=3、4、5、…20)
表1のレンズデータにおいて、変倍時に間隔が変化する面間隔の欄にはそれぞれ可変1、可変2、可変3と記載している。可変1は第1レンズ群G1と開口絞りStとの間隔であり、可変2は開口絞りStと第2レンズ群G2との間隔であり、可変3は第2レンズ群G2と光学部材PPとの間隔である。ただし、後述の実施例5については、可変3は第2レンズ群G2と第3レンズ群G3との間隔となる。
表3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1、可変2、可変3の値を示す。レンズデータおよび各種データにおける角度の単位としては度を用い、長さの単位としてはmmを用いているが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、他の適当な単位を用いることもできる。
実施例1の変倍光学系の条件式(1)〜(3)に対応する値は以下のとおりである。
条件式(1):(SAG9−SAG10)/|SAG7−SAG6|=5.66
条件式(2):Nd3=1.49023
条件式(3):Nd4=1.49023
<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の変倍光学系の概略構成は実施例1のものと同様である。実施例2の変倍光学系のレンズデータを表4に、非球面データを表5に、各種データを表6に示す。
条件式(2):Nd3=1.49023
条件式(3):Nd4=1.49023
<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の変倍光学系の概略構成は実施例1のものと同様である。実施例2の変倍光学系のレンズデータを表4に、非球面データを表5に、各種データを表6に示す。
実施例2の変倍光学系の条件式(1)〜(3)に対応する値は以下のとおりである。
条件式(1):(SAG9−SAG10)/|SAG7−SAG6|=2.28
条件式(2):Nd3=1.6935
条件式(3):Nd4=1.6935
<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の変倍光学系の概略構成は実施例1のものと同様である。実施例3の変倍光学系のレンズデータを表7に、非球面データを表8に、各種データを表9に示す。
条件式(2):Nd3=1.6935
条件式(3):Nd4=1.6935
<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の変倍光学系の概略構成は実施例1のものと同様である。実施例3の変倍光学系のレンズデータを表7に、非球面データを表8に、各種データを表9に示す。
実施例3の変倍光学系の条件式(1)〜(3)に対応する値は以下のとおりである。
条件式(1):(SAG9−SAG10)/|SAG7−SAG6|=227.39
条件式(2):Nd3=1.49783
条件式(3):Nd4=1.50035
<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の変倍光学系の概略構成は、レンズL3が近軸領域で像側に凸面を向けたメニスカス形状である点が実施例1のものと異なり、その他は実施例1のものと同様である。実施例4の変倍光学系のレンズデータを表10に、非球面データを表11に、各種データを表12に示す。
条件式(2):Nd3=1.49783
条件式(3):Nd4=1.50035
<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の変倍光学系の概略構成は、レンズL3が近軸領域で像側に凸面を向けたメニスカス形状である点が実施例1のものと異なり、その他は実施例1のものと同様である。実施例4の変倍光学系のレンズデータを表10に、非球面データを表11に、各種データを表12に示す。
実施例4の変倍光学系の条件式(1)〜(3)に対応する値は以下のとおりである。
条件式(1):(SAG9−SAG10)/|SAG7−SAG6|=1.72
条件式(2):Nd3=1.69350
条件式(3):Nd4=1.69350
<実施例5>
実施例5のレンズ断面図は、図5に示したものである。実施例5の変倍光学系は、第2レンズ群G2の像側に第3レンズ群G3をさらに備える点が実施例1のものと大きく異なる。この第3レンズ群G3は、変倍時に固定されている負の屈折力を有するレンズ群であり、両凹形状の負のレンズL8と両凸形状のレンズL9からなる2枚構成である。実施例5の変倍光学系の第1レンズ群G1、第2レンズ群G2の概略構成は、レンズL7が物体側に凸面を向けたメニスカス形状である点が実施例1のものと異なり、その他は実施例1のものと同様である。実施例5の変倍光学系のレンズデータを表13に、非球面データを表14に、各種データを表15に示す。
条件式(2):Nd3=1.69350
条件式(3):Nd4=1.69350
<実施例5>
実施例5のレンズ断面図は、図5に示したものである。実施例5の変倍光学系は、第2レンズ群G2の像側に第3レンズ群G3をさらに備える点が実施例1のものと大きく異なる。この第3レンズ群G3は、変倍時に固定されている負の屈折力を有するレンズ群であり、両凹形状の負のレンズL8と両凸形状のレンズL9からなる2枚構成である。実施例5の変倍光学系の第1レンズ群G1、第2レンズ群G2の概略構成は、レンズL7が物体側に凸面を向けたメニスカス形状である点が実施例1のものと異なり、その他は実施例1のものと同様である。実施例5の変倍光学系のレンズデータを表13に、非球面データを表14に、各種データを表15に示す。
実施例5の変倍光学系の条件式(1)〜(3)に対応する値は以下のとおりである。
条件式(1):(SAG9−SAG10)/|SAG7−SAG6|=2.54
条件式(2):Nd3=1.69350
条件式(3):Nd4=1.69350
<実施例6>
実施例6のレンズ断面図は、図6に示したものである。実施例6の変倍光学系の概略構成は実施例1のものと同様である。実施例6の変倍光学系のレンズデータを表16に、非球面データを表17に、各種データを表18に示す。
条件式(2):Nd3=1.69350
条件式(3):Nd4=1.69350
<実施例6>
実施例6のレンズ断面図は、図6に示したものである。実施例6の変倍光学系の概略構成は実施例1のものと同様である。実施例6の変倍光学系のレンズデータを表16に、非球面データを表17に、各種データを表18に示す。
実施例6の変倍光学系の条件式(1)〜(3)に対応する値は以下のとおりである。
条件式(1):(SAG9−SAG10)/|SAG7−SAG6|=8.03
条件式(2):Nd3=1.53389
条件式(3):Nd4=1.53389
図8(A)〜図8(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8(D)〜図8(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値を意味し、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9(A)〜図9(F)、図10(A)〜図10(F)、図11(A)〜図11(F)、図12(A)〜図12(F)、図13(A)〜図13(F)にそれぞれ、実施例2、実施例3、実施例4、実施例5、実施例6の変倍光学系の広角端、望遠端における各収差図を示す。
条件式(2):Nd3=1.53389
条件式(3):Nd4=1.53389
図8(A)〜図8(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8(D)〜図8(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値を意味し、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9(A)〜図9(F)、図10(A)〜図10(F)、図11(A)〜図11(F)、図12(A)〜図12(F)、図13(A)〜図13(F)にそれぞれ、実施例2、実施例3、実施例4、実施例5、実施例6の変倍光学系の広角端、望遠端における各収差図を示す。
以上のデータから、実施例1〜6の変倍光学系は、条件式(1)を満たし、少ないレンズ枚数からなりプラスチックレンズを含むため安価に作製可能で、小型に構成され、約3.5倍の高変倍比を有し、広角端でのF値が1.3〜1.6と大口径比の光学系となっており、また、広角端での全画角が122°〜128°と比較的広角であり、各収差が良好に補正され、広角端および望遠端ともに高い光学性能を有することがわかる。
図14に、本発明の撮像装置の一実施形態として、本発明の実施形態にかかる変倍光学系が搭載された監視カメラの概略構成図を示す。図14に示す監視カメラ10は、主にレンズ装置6と、カメラ本体7とから構成される。レンズ装置6の内部には変倍光学系1が配置されている。なお、図14では、第1レンズ群G1と、開口絞りStと、第2レンズ群G2とを有する変倍光学系1を概略的に示している。
カメラ本体7の内部には、変倍光学系1によって結像された被写体の像を撮像する撮像素子5が配置されている。撮像素子5の具体例としては、変倍光学系により形成される光学像を電気信号に変換するCCDやCMOS等を挙げることができる。撮像素子5は、その撮像面が、変倍光学系1の像面に一致するように配置される。
レンズ装置6の上方には、開口絞りStの絞り径を変更するための絞り機構8が設けられている。レンズ装置6の下方には、変倍光学系1の倍率を変更するためのズームツマミ9と、変倍光学系1のフォーカスを調整するためのフォーカスツマミ11が設けられている。
以上、実施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、屈折率、アッベ数、非球面係数等の値は、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。
1 変倍光学系
5 撮像素子
6 レンズ装置
7 カメラ本体
8 絞り機構
9 ズームツマミ
10 監視カメラ
11 フォーカスツマミ
G1 第1レンズ群
G2 第2レンズ群
St 開口絞り
Z 光軸
5 撮像素子
6 レンズ装置
7 カメラ本体
8 絞り機構
9 ズームツマミ
10 監視カメラ
11 フォーカスツマミ
G1 第1レンズ群
G2 第2レンズ群
St 開口絞り
Z 光軸
Claims (8)
- 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レンズ群の光軸方向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レンズ群を光軸方向に移動させることにより行うように構成された変倍光学系であって、
前記第1レンズ群は、物体側から順に、負メニスカスレンズと、正レンズと、負レンズとが配列されてなる3枚構成であり、
前記負レンズの像側のレンズ面に関して下記条件式(1)を満たすことを特徴とする変倍光学系。
(SAG9−SAG10)/|SAG7−SAG6|>1.6 (1)
ただし、
SAG10:光軸と前記レンズ面との交点を点Oとし、前記変倍光学系が広角端に設定されているときの前記レンズ面における最外光線と前記レンズ面との交点を点P10としたときの、点Oを通り光軸に垂直な面と点P10との光軸方向の距離
SAG9:光軸から点P10までの径の9割の径における前記レンズ面上の点を点P9としたときの、点Oを通り光軸に垂直な面と点P9との光軸方向の距離
SAG7:光軸から点P10までの径の7割の径における前記レンズ面上の点を点P7としたときの、点Oを通り光軸に垂直な面と点P7との光軸方向の距離
SAG6:光軸から点P10までの径の6割の径における前記レンズ面上の点を点P6としたときの、点Oを通り光軸に垂直な面と点P6との光軸方向の距離 - 前記第1レンズ群の前記正レンズが、像側に凸面を向けたメニスカス形状であることを特徴とする請求項1に記載の変倍光学系。
- 前記第2レンズ群の最も物体側のレンズが、少なくとも1面の非球面を有する正レンズである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。
- 前記第2レンズ群が、物体側から順に、少なくとも1面の非球面を有する正レンズと、両凸形状の正レンズと、像側の面が凹面である負レンズと、正レンズとが配列されてなる4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。
- 下記条件式(2)を満たす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。
Nd3<1.55 (2)
ただし、
Nd3:前記第1レンズ群の前記負レンズのd線における屈折率 - 下記条件式(3)を満たすことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の変倍光学系。
Nd4<1.55 (3)
ただし、
Nd4:前記第2レンズ群中の最も物体側の正レンズのd線における屈折率 - 前記第2レンズ群の像側に、変倍時に固定されている負の屈折力を有する第3レンズ群をさらに備えたことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の変倍光学系。
- 請求項1から7のいずれか1項に記載の変倍光学系を備えたことを特徴とする撮像装置。
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