JP2011112908A - 変倍光学系および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変倍光学系において、大口径比とコンパクト性を維持しながら、近年の高画素化に対応可能な高い光学性能を有する。
【解決手段】変倍光学系１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の最も物体側には像側に凹面を向けた負レンズが配置され、第１レンズ群Ｇ１の最も像側には物体側に凹面を向けるとともに像側の面が非球面である非球面レンズが配置され、該非球面レンズの物体側直前には像側に凸面を向けた正レンズが配置される。第１レンズ群Ｇ１の最も像側の非球面レンズの像側の面は、軸上光束２の最外光線３が通る位置より外側で、光軸近傍に比べて正のパワーが強い部分を有する。
【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に記載されているような、負の屈折力を有する第１レンズ群と正の屈折力を有する第２レンズ群により構成される２群ズームの光学系が知られている。特許文献１、２には、第１レンズ群が全て球面レンズで構成された、全体として６枚構成または８枚構成の変倍光学系が記載されている。

特開２００６−２５１４３７号公報 特開２００６−９１６４３号公報

ところで、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。近年では撮像素子の高画素化が進み、これに伴い、監視カメラ用途においてもより高画質な映像が望まれるようになっている。特に１００万画素以上の撮像素子に対応可能な高性能の変倍光学系を望む声が高まっている。しかしながら、従来の光学系では、監視カメラ用途に必要な大口径比とコンパクト性を維持しつつ、近年の高画素化に対応可能なより高性能の光学系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、大口径比とコンパクト性を維持しながら、近年の高画素化に対応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レンズ群とが配されてなり、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レンズ群の最も物体側には像側に凹面を向けた負レンズが配置され、第１レンズ群の最も像側には物体側に凹面を向けるとともに像側の面が非球面である非球面レンズが配置され、該非球面レンズの物体側直前には像側に凸面を向けた正レンズが配置され、前記非球面レンズの像側の面が、軸上光束の最外光線が通る位置より外側で、光軸近傍に比べて正のパワーが強い部分を有することを特徴とするものである。

なお、上記の「非球面レンズの物体側直前には像側に凸面を向けた正レンズが配置され」とは、当該の非球面レンズと像側に凸面を向けた正レンズとの間に光学要素が無いことを意味する。

なお、上記の「像側に凹面を向けた負レンズ」、「物体側に凹面を向ける」、「像側に凸面を向けた正レンズ」は、当該レンズが非球面レンズの場合は近軸領域におけるものとする。

なお、上記「軸上光束」は、仕様に基づいた最大径まで光束を入射させたときのものである。また、上記「軸上光束の最外光線」とは、軸上光束に含まれる光線のうち、光軸に垂直な方向において光軸から最も離れた光線のことである。

なお、面のある点におけるパワーとは、ある点における該面の法線と光軸との交点をとり、該交点と上記ある点とを結ぶ線分の長さを曲率半径としてＲとおき、面の物体側の屈折率をＮ１とし、像側の屈折率をＮ２としたとき、（Ｎ２−Ｎ１）／Ｒで表されると考えることができる。その際に、曲率半径Ｒの符号は、上記交点が面の像側にあるときを正とし、面の物体側にあるときを負とすることにする。

なお、上記の「光軸近傍より正のパワーが強い」とは、光軸近傍で正のパワーを持ち軸上光束の最外光線が通る位置より外側でそれより強い正のパワーを持つ場合に限らず、光軸近傍で負またはゼロのパワーを持ち軸上光束の最外光線が通る位置より外側で正のパワーを持つ場合も含むものとする。

なお、上記の「軸上光束の最外光線が通る位置より外側」は有効径の範囲内におけるものであり、有効径の範囲より外側は含まれないものとする。

本発明において、ある面の「有効径」とは、仕様に基づいて最大径まで軸上光束および軸外光束を入射させたとき、これら光束に含まれる光線の中で最も外側の光線の光線高で決まる径である。なお、仕様は、Ｆ値、画角、像高等であり、所定の光線を遮光する絞りの径も含むものとする。

本発明の変倍光学系においては、第１レンズ群の前記非球面レンズのｅ線における屈折率をＮｅ４としたとき、下記条件式（１）を満たすことが好ましい。
Ｎｅ４＞１．７５ （１）

本発明の変倍光学系においては、第１レンズ群は、物体側から順に、像側に凹面を向けた負レンズと、像側に凹面を向けた負レンズと、像側に凸面を向けた正レンズと、物体側に凹面を向けるとともに像側の面が非球面である非球面レンズとが配されてなる４枚構成とすることが好ましい。

本発明の変倍光学系においては、絞りが変倍時に固定されているもの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１レンズ群の前記正レンズの像側の面の近軸曲率半径をＲａとし、第１レンズ群の前記非球面レンズの物体側の面の近軸曲率半径をＲｂとしたとき、下記条件式（２）を満たすことが好ましい。なお、Ｒａ、Ｒｂの符号は、物体側に凸の面形状の場合を正、像側に凸の面形状の場合を負とするものとする。
（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）＞４．５ （２）

本発明の変倍光学系においては、第１レンズ群の前記非球面レンズの像側のレンズ面に関して、下記条件式（３）、（４）を満たすことが好ましい。
ｓａｇ１０−ｓａｇ７＜０ （３）
ｓａｇ１０／ｓａｇ７＞２．５ （４）
ただし、
ｓａｇ１０：変倍光学系が広角端に設定されているときのレンズ面の有効径における点と、該レンズ面と光軸との交点を通り光軸に垂直な面との光軸方向の距離
ｓａｇ７：変倍光学系が広角端に設定されているときのレンズ面の有効径の７割の径における点と、該レンズ面と光軸との交点を通り光軸に垂直な面との光軸方向の距離
なお、ｓａｇ１０、ｓａｇ７の符号は、それぞれ有効径の点、有効径の７割の径における点が、レンズ面と光軸との交点を通り光軸に垂直な面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た変倍光学系において、第１レンズ群の構成を好適に設定し、特に第１レンズ群の最も像側に非球面レンズを配置してこの非球面レンズの形状を好適に設定しているため、コンパクト性と大口径比を維持しながら、近年の高画素化に対応可能な高い光学性能を保持する変倍光学系を実現することができる。

また、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、コンパクト性に優れ、低照度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。

本発明の一実施形態にかかる変倍光学系の構成と軸上光束の光路を示す断面図 条件式（３）、（４）を説明するための部分拡大図 光学機能面の例を示す図 本発明の実施例１の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の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の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の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例５の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例６の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例７の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 図１１（Ａ）〜図１１（Ｆ）は本発明の実施例１の変倍光学系の縦収差図 図１２（Ａ）〜図１２（Ｉ）は本発明の実施例１の変倍光学系の広角端における横収差図 図１３（Ａ）〜図１３（Ｉ）は本発明の実施例１の変倍光学系の望遠端における横収差図 図１４（Ａ）〜図１４（Ｆ）は本発明の実施例２の変倍光学系の縦収差図 図１５（Ａ）〜図１５（Ｉ）は本発明の実施例２の変倍光学系の広角端における横収差図 図１６（Ａ）〜図１６（Ｉ）は本発明の実施例２の変倍光学系の望遠端における横収差図 図１７（Ａ）〜図１７（Ｆ）は本発明の実施例３の変倍光学系の縦収差図 図１８（Ａ）〜図１８（Ｉ）は本発明の実施例３の変倍光学系の広角端における横収差図 図１９（Ａ）〜図１９（Ｉ）は本発明の実施例３の変倍光学系の望遠端における横収差図 図２０（Ａ）〜図２０（Ｆ）は本発明の実施例４の変倍光学系の縦収差図 図２１（Ａ）〜図２１（Ｉ）は本発明の実施例４の変倍光学系の広角端における横収差図 図２２（Ａ）〜図２２（Ｉ）は本発明の実施例４の変倍光学系の望遠端における横収差図 図２３（Ａ）〜図２３（Ｆ）は本発明の実施例５の変倍光学系の縦収差図 図２４（Ａ）〜図２４（Ｉ）は本発明の実施例５の変倍光学系の広角端における横収差図 図２５（Ａ）〜図２５（Ｉ）は本発明の実施例５の変倍光学系の望遠端における横収差図 図２６（Ａ）〜図２６（Ｆ）は本発明の実施例６の変倍光学系の縦収差図 図２７（Ａ）〜図２７（Ｉ）は本発明の実施例６の変倍光学系の広角端における横収差図 図２８（Ａ）〜図２８（Ｉ）は本発明の実施例６の変倍光学系の望遠端における横収差図 図２９（Ａ）〜図２９（Ｆ）は本発明の実施例７の変倍光学系の縦収差図 図３０（Ａ）〜図３０（Ｉ）は本発明の実施例７の変倍光学系の広角端における横収差図 図３１（Ａ）〜図３１（Ｉ）は本発明の実施例７の変倍光学系の望遠端における横収差図 本発明の実施形態にかかる撮像装置の概略構成を示す斜視図

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、本発明の一実施形態にかかる変倍光学系１の構成例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。図１においては、左側が物体側、右側が像側であり、無限遠の距離にある物体からの軸上光束２も合わせて示してある。

変倍光学系１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広角端から望遠端への変倍を行い、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。図１に示す例では開口絞りＳｔは変倍時に固定されている。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。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Ｓｉｍ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。

変倍光学系１の第１レンズ群Ｇ１は、最も物体側には像側に凹面を向けた負レンズが配置され、最も像側には物体側に凹面を向け、像側の面が非球面の非球面レンズが配置され、該非球面レンズの物体側直前には像側に凸面を向けた正レンズが配置されるように構成される。第１レンズ群Ｇ１を少なくとも上記３枚のレンズを有する構成とすることで、小型化を図りながら、コマ収差および像面湾曲を低減して高性能な変倍光学系を実現することができる。小型化を重視する場合は、第１レンズ群Ｇ１を上記３枚のレンズで構成することが好ましい。

しかし、光学系のさらなる高解像化を図る場合には、第１レンズ群Ｇ１は３枚よりも多いレンズ枚数で構成するようにしてもよい。例えば図１に示す例の第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、像側の面が凹面である負のレンズＬ１と、像側の面が凹面である負のレンズＬ２と、像側の面が凸面である正のレンズＬ３と、物体側の面が凹面であり像側の面が非球面である負のレンズＬ４とが配された４枚構成である。第１レンズ群Ｇ１をこのような４枚構成とすれば、上述した３枚構成のものに比べ、コマ収差および像面湾曲をより抑制することができ、高画素化した撮像素子に対応可能な高解像で高性能の変倍光学系を実現することができる。

より詳しくは図１に示す例の第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズＬ１、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズＬ２、両凸形状の正のレンズＬ３、近軸領域で像側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズＬ４の４枚からなる。このように、第１レンズ群Ｇ１の最も物体側に２枚の負レンズを配置することで、第１レンズ群Ｇ１を上記３枚構成にしたものと比較して、第１レンズ群Ｇ１に必要な負のパワーを分散することができ、また、これら２枚の負レンズをメニスカス形状とすることでコマ収差および像面湾曲の収差補正に有利となる。

変倍光学系１の第１レンズ群Ｇ１の最も像側に配置される非球面レンズのレンズＬ４については、このレンズのｅ線における屈折率をＮｅ４としたとき、下記条件式（１）を満たすことが好ましい。
Ｎｅ４＞１．７５ （１）

条件式（１）を満たすことで高屈折率の材料を選択でき、高屈折率の材料を選択しない場合に比べてレンズＬ４の曲率半径の絶対値を大きくすることができるため、よりいっそうコマ収差を抑制することができる。

変倍光学系１の第１レンズ群Ｇ１の像側から１番目には物体側に凹面を向けたレンズＬ４が配置され、２番目には像側に凸面を向けたレンズＬ３が配置される。これらレンズＬ３、Ｌ４は、図１に示す例のように近接配置して、その間に像側に凸面を向けたメニスカス形状の空気レンズを構成することが好ましい。

そして、レンズＬ３の像側の面の近軸曲率半径をＲａとし、レンズＬ４の物体側の近軸曲率半径をＲｂとしたとき、下記条件式（２）を満たすことが好ましい。条件式（２）を満たすことにより、コマ収差および像面湾曲を良好に補正することが可能となり、解像度の高い高性能の光学系を実現することが容易となる。
（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）＞４．５ （２）

さらに、条件式（２）に代えて下記条件式（２−２）を満たすことがより好ましい。条件式（２−２）を満たすことで、条件式（２）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。
（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）＞４．８ （２−２）

また、変倍光学系１では、レンズＬ４の像側の面は、軸上光束２の最外光線３が通る位置より外側（光軸から離れる方向の側）の領域４において、光軸近傍よりも正のパワーが強い部分を有するように構成される。これにより、軸外収差、特にコマ収差を良好に補正することが可能となり、小型で解像度の高い高性能の光学系を実現することが容易となる。

レンズＬ４の像側の面形状としては例えば、光軸から周辺に向かうに従い、正のパワーが強くなるように構成してもよく、あるいは、領域４内の一部分のみで光軸近傍よりも強い正のパワーを持つようにしてもよい。

また、レンズＬ４の像側のレンズ面に関して、下記条件式（３）、（４）を満たすように構成することが好ましい。
ｓａｇ１０−ｓａｇ７＜０ （３）
ｓａｇ１０／ｓａｇ７＞２．５ （４）
ただし、
ｓａｇ１０：変倍光学系１が広角端に設定されているときのレンズＬ４の像側のレンズ面の有効径における点Ｐ１０と、該レンズ面と光軸Ｚとの交点Ｏを通り光軸Ｚに垂直な面Ｈとの光軸方向の距離
ｓａｇ７：変倍光学系が広角端に設定されているときのレンズＬ４の像側のレンズ面の有効径の７割の径における点Ｐ７と、該レンズ面と光軸Ｚとの交点Ｏを通り光軸Ｚに垂直な面Ｈとの光軸方向の距離

図２に、上記ｓａｇ１０、ｓａｇ７、点Ｏ、点Ｐ１０、点Ｐ７を例示する。図２は、レンズＬ４の断面の光軸Ｚより下側を示す部分拡大図である。光軸Ｚに垂直な方向における光軸Ｚから点Ｐ７までの距離は、光軸Ｚから点Ｐ１０までの距離の７割である。なお、条件式（３）、（４）におけるｓａｇ１０、ｓａｇ７それぞれの値の符号は、点Ｐ１０、点Ｐ７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（３）、（４）を満たすことにより、軸外収差、特にコマ収差を良好に補正することが可能となり、小型で解像度の高い高性能の光学系を実現することが容易となる。

より好ましくは、条件式（３）に代えて下記条件式（３−２）を満たすことである。
ｓａｇ１０−ｓａｇ７＜−１．５ （３−２）
また、より好ましくは、条件式（４）に代えて下記条件式（４−２）を満たすことである。
ｓａｇ１０／ｓａｇ７＞２．８ （４−２）
また、さらにより好ましくは、条件式（４−２）に代えて下記条件式（４−３）を満たすことである。
ｓａｇ１０／ｓａｇ７＞３．５ （４−３）
上記条件式（３−２）、（４−２）、（４−３）を満たすことで、条件式（３）、（４）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。

なお、条件式（３）、（４）で有効径を用いているが、仮に有効径が不明の場合は、光学素子としての機能を果たす範囲である光学機能面の径を代用することが考えられる。

図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に光学機能面の例を示す。図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、外形形状の異なるレンズＬ４１、Ｌ４２、Ｌ４３の光軸（不図示）を含む断面図であり、各レンズの右側の面について光学機能面の範囲ＫＫを例示するものである。図３（Ａ）のレンズＬ４１では右側の面全面が光学機能面である。図３（Ｂ）のレンズＬ４２は周辺近傍に取り付けのための段差が形成されており、レンズ４２ではこの段差より内側の領域が光学機能面である。図３（Ｃ）のレンズＬ４３は周辺部で面取りがなされており、この面取りより内側の領域が光学機能面である。

なお、上記ではレンズＬ４の像側の面について説明したが、レンズＬ４は物体側の面も非球面としてもよく、この場合には、より高性能化を図ることができる。

次に、変倍光学系１の第２レンズ群Ｇ２の構成について説明する。この第２レンズ群Ｇ２は、例えば図１に示すように、物体側から順に、物体側の面が非球面であるレンズＬ５と、いずれか一方が正レンズで他方が負レンズの２枚のレンズを接合してなる接合レンズＬＣと、像側の面が凹面である負のレンズＬ８と、物体側の面が凸面である正のレンズＬ９とを備えるように構成することができる。第２レンズ群Ｇ２を上述したレンズＬ５、接合レンズＬＣ、レンズＬ８、レンズＬ９を含むように構成することにより、球面収差、コマ収差、像面湾曲を抑制することができ、コンパクト性と大口径比を維持しながら、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できる。

なお、図１に示す例の第２レンズ群Ｇ２の接合レンズＬＣは、物体側から順に、負のレンズＬ６および正のレンズＬ７を配置したものであるが、負レンズと正レンズの順番を逆にして接合レンズＬＣを構成してもよい。また、小型化を重視する場合は、第２レンズ群Ｇ２は図１に示す例のように５枚のレンズからなることが好ましいが、上記５枚以外のレンズを備える構成も可能である。

より詳しくは図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および両凸形状の正のレンズＬ７の接合レンズ、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズＬ８、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正のレンズＬ９の５枚からなる。なお、第２レンズ群Ｇ２の最も物体側に配置されるレンズＬ５は、図１に示す形状に限定されず、例えば近軸領域で両凸形状であってもよい。また、レンズＬ５は像側の面も非球面としてもよい。

この第２レンズ群Ｇ２の最も物体側に配置されるレンズＬ５の物体側の非球面は、中心部から周辺に向かうに従い正のパワーが弱くなる形状、または、中心部から周辺の間に変曲点をもち、中心部から変曲点の間では中心部から離れるに従い正のパワーが弱くなり、変曲点から周辺の間では周辺に向かうに従い負のパワーが強くなる形状とすることが好ましい。第２レンズ群Ｇ２の最も物体側に非球面のレンズＬ５を配置して、その物体側の面形状を上記のような形状とすることにより、球面収差を低減して監視カメラ等に必要とされる例えばＦ値が１．３程度の大口径比を確保することができるとともに、小型に構成しながら高性能化を実現することができる。

変倍光学系１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。

変倍光学系１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、変倍光学系１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１〜７の変倍光学系のレンズ断面図をそれぞれ図４〜図１０に示す。図４〜図１０において、左側が物体側、右側が像側であり、上段に広角端におけるレンズ配置を示し、下段に望遠端におけるレンズ配置を示し、光学部材ＰＰも合わせて示してある。図４〜図１０に図示されている開口絞り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。

実施例１の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、非球面データを表３に示す。同様に、実施例２〜７の変倍光学系のレンズデータ、各種データ、非球面データを表４〜表２１に示す。以下では、表中の記号の意味について、実施例１のものを例にとり説明するが、実施例２〜７のものについても基本的に同様である。

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、Ｎｅｊの欄には最も物体側の光学要素を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ｅ線（波長５４６．０７ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄｊの欄にはｊ番目の光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）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に相当する面の曲率半径の欄に（開口絞り）という語句を記載している。

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との間隔である。

表２の各種データに、広角端と望遠端における、ｅ線に対する全系の焦点距離、Ｆ値、全画角、可変１、可変２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。

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３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３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「×１０^ｎ」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ＫＡ、Ｂｍ（ｍ＝３、４、５、…）の値である。
Ｚｄ＝Ｃ・ｈ^２／｛１＋（１−ＫＡ・Ｃ^２・ｈ^２）^１/２｝＋ΣＢｍ・ｈ^ｍ … （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
ＫＡ、Ｂｍ：非球面係数（ｍ＝３、４、５、…２０）

実施例１の変倍光学系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、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズＬ２、両凸形状の正のレンズＬ３、近軸領域で像側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズＬ４の４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および両凸形状の正のレンズＬ７の接合レンズ、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズＬ８、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正のレンズＬ９の５枚構成であり、非球面はレンズＬ４の像側の面およびレンズＬ５の両側の面に施されている。

実施例２、３の変倍光学系の概略構成は、レンズＬ５が近軸領域で両凸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、５の変倍光学系の概略構成は、レンズＬ５が近軸領域で両凸形状である点、非球面がレンズＬ４の両側の面およびレンズＬ５の両側の面に施されている点が実施例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６の変倍光学系の概略構成は、レンズＬ４が近軸領域で両凹形状である点、レンズＬ５が近軸領域で両凸形状である点、非球面がレンズＬ４の両側の面およびレンズＬ５の両側の面に施されている点が実施例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７の変倍光学系の概略構成は、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Ｌ１２、像側に凸面を向けたメニスカス形状の正のレンズＬ３、近軸領域で像側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズＬ４の３枚構成である点、レンズＬ５が近軸領域で両凸形状である点、非球面がレンズＬ４の両側の面およびレンズＬ５の両側の面に施されている点が実施例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１の変倍光学系の縦収差図を図１１（Ａ）〜図１１（Ｆ）に示し、横収差図を図１２（Ａ）〜図１２（Ｉ）、図１３（Ａ）〜図１３（Ｉ）に示す。図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）はそれぞれ、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）の各収差を示し、図１１（Ｄ）〜図１１（Ｆ）はそれぞれ、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を示す。図１２（Ａ）〜図１２（Ｅ）は広角端における各画角でのタンジェンシャル方向の横収差を示し、図１２（Ｆ）〜図１２（Ｉ）は広角端における各画角でのサジタル方向の横収差を示す。図１３（Ａ）〜図１３（Ｅ）は望遠端における各画角でのタンジェンシャル方向の横収差を示し、図１３（Ｆ）〜図１３（Ｉ）は望遠端における各画角でのサジタル方向の横収差を示す。球面収差図では、ｅ線に関しては実線で、波長４６０ｎｍに関しては破線で、波長６１５ｎｍに関しては一点鎖線で、波長８８０ｎｍに関しては二点鎖線で示している。非点収差図では、サジタル方向については実線で、タンジェンシャル方向については点線で示している。その他の収差図では、ｅ線に関する収差を示している。球面収差図のＦｎｏ．はＦ値を意味し、その他の収差図のωは半画角を意味する。球面収差図および非点収差図の横軸の目盛りの単位、横収差図の縦軸の目盛りの単位としてここではｍｍを用いているが、図面ではその記載を省略している。

実施例２〜７の変倍光学系の収差図についても同様に添付図面に示す。実施例２の変倍光学系の縦収差図を図１４（Ａ）〜図１４（Ｆ）に示し、広角端における横収差図を図１５（Ａ）〜図１５（Ｉ）に示し、望遠端における横収差図を図１６（Ａ）〜図１６（Ｉ）に示す。実施例３の変倍光学系の縦収差図を図１７（Ａ）〜図１７（Ｆ）に示し、広角端における横収差図を図１８（Ａ）〜図１８（Ｉ）に示し、望遠端における横収差図を図１９（Ａ）〜図１９（Ｉ）に示す。実施例４の変倍光学系の縦収差図を図２０（Ａ）〜図２０（Ｆ）に示し、広角端における横収差図を図２１（Ａ）〜図２１（Ｉ）に示し、望遠端における横収差図を図２２（Ａ）〜図２２（Ｉ）に示す。実施例５の変倍光学系の縦収差図を図２３（Ａ）〜図２３（Ｆ）に示し、広角端における横収差図を図２４（Ａ）〜図２４（Ｉ）に示し、望遠端における横収差図を図２５（Ａ）〜図２５（Ｉ）に示す。実施例６の変倍光学系の縦収差図を図２６（Ａ）〜図２６（Ｆ）に示し、広角端における横収差図を図２７（Ａ）〜図２７（Ｉ）に示し、望遠端における横収差図を図２８（Ａ）〜図２８（Ｉ）に示す。実施例７の変倍光学系の縦収差図を図２９（Ａ）〜図２９（Ｆ）に示し、広角端における横収差図を図３０（Ａ）〜図３０（Ｉ）に示し、望遠端における横収差図を図３１（Ａ）〜図３１（Ｉ）に示す。ただし、実施例７の球面収差図は、ｅ線、波長４６０ｎｍ、波長６１５ｎｍに関する収差を表している。

実施例１〜７の変倍光学系における条件式（１）〜（４）に対応する値を表２２に示す。なお、表２２に示す値は、基準波長をｅ線とし、上記した各仕様データに基づいて光束を入射させたときのものである。

以上のデータから、実施例１〜７の変倍光学系は全て、条件式（１）〜（４）を満たし、コンパクトな構成で、広角端でのＦ値が１．３程度の大口径比を維持しつつ、広角端での全画角が１２５°〜１３７°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。また、実施例１〜６の変倍光学系では、可視域だけでなく、近赤外域でも良好に収差補正されている。

図３２に、本発明の撮像装置の一実施形態として、監視カメラの概略構成図を示す。図３２に示す監視カメラ１０は、略円筒状の鏡筒の内部に配置された本発明の実施形態にかかる変倍光学系１と、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とを備える。撮像素子５の具体例としては、変倍光学系１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。鏡筒の上方には、開口絞りＳｔの絞り径を変更するための絞りツマミ１２が設けられている。鏡筒の下方には、変倍光学系１の倍率を変更するためのズームツマミ１３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１４が設けられている。

本発明の実施形態にかかる変倍光学系１は、前述した長所を有するため、本実施形態の撮像装置は、コンパクト性に優れ、低照度の条件下でも良好に撮影可能で、近年の高画素化した撮像素子を用いて高画質の映像を得ることができる。

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。

また、撮像装置の実施形態では、本発明を監視カメラに適用した例について図を示して説明したが、本発明はこの用途に限定されるものではなく、例えば、ビデオカメラや電子スチルカメラ等にも適用可能である。

１ 変倍光学系
２ 軸上光束
３ 最外光線
４ 領域
５ 撮像素子
１０ 監視カメラ
１２ 絞りツマミ
１３ ズームツマミ
１４ フォーカスツマミ
Ｇ１ 第１レンズ群
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９、Ｌ１２ レンズ
ＬＣ 接合レンズ
ＰＰ 光学部材
Ｓｔ 開口絞り
Ｚ 光軸

Claims (7)

1. 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レンズ群とが配されてなり、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レンズ群の最も物体側には像側に凹面を向けた負レンズが配置され、前記第１レンズ群の最も像側には物体側に凹面を向けるとともに像側の面が非球面である非球面レンズが配置され、該非球面レンズの物体側直前には像側に凸面を向けた正レンズが配置され、
   前記非球面レンズの像側の面が、軸上光束の最外光線が通る位置より外側で、光軸近傍に比べて正のパワーが強い部分を有することを特徴とする変倍光学系。
2. 前記第１レンズ群の前記非球面レンズのｅ線における屈折率をＮｅ４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記載の変倍光学系。
   Ｎｅ４＞１．７５ （１）
3. 前記第１レンズ群が、物体側から順に、像側に凹面を向けた負レンズと、像側に凹面を向けた負レンズと、像側に凸面を向けた正レンズと、物体側に凹面を向けるとともに像側の面が非球面である非球面レンズとが配されてなる４枚構成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。
4. 前記絞りが変倍時に固定されているもの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。
5. 前記第１レンズ群の前記正レンズの像側の面の近軸曲率半径をＲａとし、前記第１レンズ群の前記非球面レンズの物体側の面の近軸曲率半径をＲｂ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から４のいずれか１項に記載の変倍光学系。
   （Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）＞４．５ （２）
6. 前記第１レンズ群の前記非球面レンズの像側のレンズ面に関して、下記条件式（３）、（４）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。
   ｓａｇ１０−ｓａｇ７＜０ （３）
   ｓａｇ１０／ｓａｇ７＞２．５ （４）
   ただし、
   ｓａｇ１０：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の有効径における点と、該レンズ面と光軸との交点を通り光軸に垂直な面との光軸方向の距離
   ｓａｇ７：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の有効径の７割の径における点と、該レンズ面と光軸との交点を通り光軸に垂直な面との光軸方向の距離
7. 請求項１から６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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