JP2013117656A - ズームレンズ及び撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】正負正正４群ズームレンズにおいて、３０倍程度の高変倍比を達成する。
【解決手段】ズームレンズは、物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２、像面に対して固定された絞りＳＰ、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３、正の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４を備え、広角端から望遠端への変倍の際、前記第１レンズ群及び第３レンズ群が光軸方向に固定され、前記第２レンズ群が物体側から像側へ移動して変倍作用を有し、前記第４レンズ群が前記第２レンズ群の移動に伴う像面位置の変動を補償するように光軸方向に移動すると共に合焦機能を有するズームレンズにおいて、以下の条件を満足する。０．０３＜｜f２/ｆｔ｜＜０．０８、５．８＜｜f１/ｆ２｜＜８．０、但し、ｆ１：前記第１レンズ群の焦点距離、ｆ２：前記第２レンズ群の焦点距離、ｆｔ：望遠端におけるレンズ系全体での焦点距離
【選択図】図１

Description

本発明は、ズームレンズ及びそれを用いた撮像装置に関し、特に監視用カメラや、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、放送用カメラ等の撮像素子により受光するカメラに適用して好適なズームレンズ及びそれを用いた撮像装置に関する。
従来から、監視用カメラやビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、放送用カメラ等に好適な高画質で高倍率のズームレンズとして、例えば、正負正正４群ズームレンズが知られている。正負正正４群ズームレンズは、物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、負の屈折力を有する第２レンズ群、正の屈折力を有する第３レンズ群、正の屈折力を有する第４レンズ群が配列されて構成され、広角端から望遠端への変倍に際して、第１レンズ群及び第３レンズ群が光軸方向に固定され、第２レンズ群が物体側から像側へ移動することで発生する像面変動を第４レンズ群が補償するように光軸方向に移動すると共に合焦機能を有する。
近年、高画素の撮像素子に対応した光学性能を確保し、かつ至近距離への合焦時にも良好な性能を維持することが求められている。下記の特許文献１には、望遠端の光学性能を確保する方法として、第１レンズ群を負レンズと正レンズを３枚配置することで、正の屈折力を分散させた方式が知られている。また、下記の特許文献２には、正負正正４群ズームレンズにおいて、第２レンズ群Ｇ２は少なくとも２枚の負レンズを含む構成が記載されている。
特開２０１０−１３９７２４号公報 特開２０１０−１０２０９６号公報
しかしながら、特許文献１，２に記載されているような従来のズームレンズでは、小型で高変倍に対応しつつ高画素の撮像素子に対応した光学性能を得られていなかった。例えば、特許文献１に記載された構成では、２０倍程度の変倍しか得ることができなかった。また、特許文献１に記載された構成では、２群構成が物体側より順に負レンズとメニスカス負レンズと、負レンズと正レンズとの接合レンズとの構成とすることで負の屈折力を分散させ、広角端での画角変化に伴って発生するコマ収差を補正し、高性能化を図っているが、正レンズの位置が適切でないために色収差補正が十分に行えず、光学性能が満たすことができなかった。特許文献２に記載された構成においても、３０倍程度の高変倍のズームレンズを構成することはできなかった。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、正負正正４群ズームレンズにおいて、小型化を達成するとともに、３０倍程度の高変倍比を達成することが可能な、新規かつ改良されたズームレンズ及び撮像装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、負の屈折力を有する第２レンズ群、像面に対して固定された絞り、正の屈折力を有する第３レンズ群、正の屈折力を有する第４レンズ群を備え、広角端から望遠端への変倍の際、前記第１レンズ群及び第３レンズ群が光軸方向に固定され、前記第２レンズ群が物体側から像側へ移動して変倍作用を有し、前記第４レンズ群が前記第２レンズ群の移動に伴う像面位置の変動を補償するように光軸方向に移動すると共に合焦機能を有するズームレンズにおいて、前記第１レンズ群は物体側から順に、１枚の負レンズと３枚の正レンズを有し、前記第２レンズ群は少なくとも３枚の負レンズと１枚の正レンズを有し、前記第３レンズ群は物体側から順に独立した正レンズと正レンズと負レンズとの接合レンズを有し、前記第４レンズ群は、正レンズと負レンズとを少なくとも１枚有し、以下の条件を満足することを特徴とするズームレンズが提供される。
０．０３ ＜ ｜f２ / ｆｔ｜ ＜ ０．０８
５．８ ＜ ｜f１ / ｆ２｜ ＜ ８．０
但し、ｆ１：前記第１レンズ群の焦点距離
ｆ２：前記第２レンズ群の焦点距離
ｆｔ：望遠端におけるレンズ系全体での焦点距離
前記第３レンズ群を構成する最も物体側の正レンズは非球面形状を含む面を少なくとも１面有し、前記第３レンズ群を構成する接合レンズの接合面は物体側に凸の形状であり、以下の条件を満足する。
０．１５ ＜ f３ / ｆｔ ＜ ０．３５
０．４ ＜ ｆ３１ / ｆ３ ＜ ０．８
但し、ｆ３：前記第３レンズ群の焦点距離
ｆ３１：前記第３レンズ群を構成する最も物体側の正レンズの焦点距離
ｆｔ：望遠端におけるレンズ系全体での焦点距離
前記第1レンズ群を構成する正レンズのうち、少なくとも１枚はアッベ数が８０以上の硝材を用いる。
前記第２レンズ群は物体側から順に２枚の負レンズと物体側に凸面を向けた正レンズと負レンズとの接合レンズとで構成する。
前記第４レンズ群は物体側から順に正レンズと負レンズの接合レンズからなり、前記第４レンズ群を構成する正レンズは非球面形状を含む面を少なくとも１面有し、以下の条件を満足する。
０．０８ ＜ ｆ４ / ｆｔ ＜ ０．２５
但し、ｆ４ ：前記第４レンズ群の焦点距離
ｆｔ ：望遠端におけるレンズ系全体での焦点距離
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記のズームレンズを備える撮像装置が提供される。
本発明によれば、正負正正４群ズームレンズにおいて、小型化を達成するとともに、３０倍程度の高変倍比を達成することが可能となる。
本発明の数値実施例１の広角端におけるレンズ断面図である。 本発明の数値実施例１の広角端における収差図である。 本発明の数値実施例１の中間のズーム位置における収差図である。 本発明の数値実施例１の望遠端における収差図である。 本発明の数値実施例２の広角端におけるレンズ断面図である。 本発明の数値実施例２の広角端における収差図である。 本発明の数値実施例２の中間のズーム位置における収差図である。 本発明の数値実施例２の望遠端における収差図である。 本発明の数値実施例３の広角端におけるレンズ断面図である。 本発明の数値実施例３の広角端における収差図である。 本発明の数値実施例３の中間のズーム位置における収差図である。 本発明の数値実施例３の望遠端における収差図である。 本発明の数値実施例４の広角端におけるレンズ断面図である。 本発明の数値実施例４の広角端における収差図である。 本発明の数値実施例４の中間のズーム位置における収差図である。 本発明の数値実施例４の望遠端における収差図である。 本発明の数値実施例５の広角端におけるレンズ断面図である。 本発明の数値実施例５の広角端における収差図である。 本発明の数値実施例５の中間のズーム位置における収差図である。 本発明の数値実施例５の望遠端における収差図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図１は、本実施形態に係るズームレンズを示す模式図である。本実施形態に係る撮像装置は、図１に示すズームレンズと、ズームレンズによって被写体像が結像される撮像面を有する撮像素子と、を有して構成される。図１では、後述する数値実施例１に係るズームレンズを示している。図１に示すように、物体側（図１の左側）より順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３、正の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４で構成され、絞りＳＰは第３レンズ群Ｇ３の最も物体側に配置されている。
図１に示すＧは、光学フィルター、フェースプレート等に相当する光学ブロックである。ＩＰは像面であり、監視カメラ、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラの撮影光学系として使用する際には、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（
光電変換素子） の撮像面が、銀塩フィルム用カメラのときはフィルム面が、ＩＰに相当する。
広角端から望遠端への変倍に際して、矢印のように第２レンズ群Ｇ２を像面側へ移動する。このとき、第１レンズ群Ｇ１、第３レンズ群Ｇ３は光軸方向に固定であって、第４レンズ群Ｇ４が第２レンズ群Ｇ２の移動に伴う像面位置の変動を補正するように移動するとともに近距離合焦時に物体側へ移動する。図１に示す第４レンズ群Ｇ４の実線の曲線４ａと点線の曲線４ｂは各々無限遠物体と近距離物体に合焦しているときの広角端から望遠端への変倍に伴う際の像面変動を補正するための移動軌跡を示している。
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レンズと、物体側に凸面を向けた正レンズとの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正レンズ２枚とで構成されている。第２レンズ群Ｇ２は物体側より順に負レンズ２枚と、物体側に凸面を向けた正レンズと負レンズとの接合レンズとで構成されている。
第３レンズ群Ｇ３は、物体側から順に物体側に非球面形状を有すつ独立した正レンズと、正レンズと負レンズとの接合レンズとで構成されている。第４レンズ群Ｇ４は、物体側から順に物体側に非球面形状を有する正レンズと、負レンズとの接合レンズで構成されている。
以下、本実施形態について詳細に説明する。本実施形態に係るズームレンズは、物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、負の屈折力を有する第２レンズ群、像面に対して固定された絞り、正の屈折力を有する第３レンズ群、正の屈折力を有する第４レンズ群を備え、広角端から望遠端への変倍の際、前記第１レンズ群及び第３レンズ群が光軸方向に固定され、前記第２レンズ群が物体側から像側へ移動して変倍作用を有し、前記第４レンズ群が前記第２レンズ群の移動に伴う像面位置の変動を補償するように光軸方向に移動すると共に合焦機能を有するズームレンズにおいて、
前記第１レンズ群は物体側から順に、1枚の負レンズと3枚の正レンズを有し、前記第２レンズ群は少なくとも３枚の負レンズと１枚の正レンズを有し、前記第３レンズ群は物体側から順に独立した正レンズと正レンズと負レンズとの接合レンズを有し、前記第４レンズ群は、正レンズと負レンズとを少なくとも１枚有し、以下の条件を満足することを特徴としている。
０．０３ ＜ ｜f２ / ｆｔ｜ ＜ ０．０８ ・・・（条件式１）
５．８ ＜ ｜f１ / ｆ２｜ ＜ ８．０ ・・・（条件式２）
ここで、ｆ１は前記第１レンズ群の焦点距離、ｆ２は前記第２レンズ群の焦点距離、ｆｔは望遠端におけるレンズ系全体での焦点距離を表している。
第１レンズ群を構成する正レンズを少なくとも３枚配置することで、正の屈折力を分散させ、特に望遠端における球面収差の補正を容易にしている。更に正レンズにアッベ数が８０以上の硝材を用いることで特に望遠端での軸上色収差及び倍率色収差の補正を容易にしている。
第２レンズ群は、少なくとも負レンズを３枚、正レンズを１枚のレンズを配置することで負の屈折力を分散させ、広角端状態の画角の変化に伴って発生するコマ収差を補正し、高性能化を図っている。また望ましくは正レンズと負レンズとの接合レンズを配置することで、色収差などの収差補正を良好に補正しつつ、更には製造時の組み付け誤差等の影響を少なくし、安定した光学品質を得ることができる。
第３レンズ群は、非球面形状を含む面を少なくとも１面有することで、変倍時に発生する軸外収差を良好に補正することが可能である。また、第３レンズ群は正レンズ２枚と負レンズとで構成されることで、第３レンズ群で発生する色収差を良好に補正し、更には第３レンズ群の主点位置を物体側に配置することができるため、第３レンズ群から結像面までの距離を小さくできることで小型化に寄与している。更には、第３レンズ群を構成する負レンズを像面側に強い曲率を有するメニスカス形状の負レンズとすることで球面収差の補正を容易にし、第３レンズ群を構成する負レンズは正レンズと接合レンズとすることで第３レンズ群の最も物体側の正レンズと主点間隔が広がり、製造時において安定した光学性能を確保することが容易となる。
第４レンズ群は、正レンズと負レンズの接合レンズで構成されることで、変倍時に発生する軸上収差を良好に補正することができる。更には、接合化による構成の簡易化によって、可動レンズ群である第４レンズ群の軽量化を図ることができ、合焦動作が高速に行うことができる。望ましくは、非球面を少なくとも１面有することで、第４レンズ群で発生する球面収差を良好に補正することが容易となる。
条件式（１）は、第２レンズ群の焦点距離と望遠端におけるレンズ系全体での焦点距離を規定する式である。条件式（１）の上限値を超えて第２レンズ群の屈折力が弱くなると、変倍時の移動量が増え、全長が長くなり、小型化を図ることが困難となるので好ましくない。また、条件式（１）の下限値を超えて第２レンズ群の屈折力が強くなると、広角端状態から望遠端状態まで変倍時の収差変動を良好に補正することが困難になるので好ましくない。
好ましくは条件式（１）の数値範囲を、下記の条件式（１ａ）を満足するように設定することが好ましい。
０．０５ ＜ ｜f２ / ｆｔ｜ ＜ ０．０６５ ・・・（条件式１ａ）
条件式（２）は、第１レンズ群の焦点距離と第２レンズ群の焦点距離を規定する式である。条件式（２）の上限値を超えて第１レンズ群の屈折力が弱くなると、ズームレンズの全長が長くなり、更には第１レンズ群のレンズ径を大きくせざる得なくなり、小型化を図ることが困難となるので好ましくない。また、条件式（２）の下限値を超えて第１レンズ群の屈折力が強くなると、望遠端における球面収差の補正を行うことが困難となり、高性能化が図れなくなり好ましくない。
好ましくは条件式（２）の数値範囲を、下記の条件式（２ａ）を満足するように設定することが好ましい。
６．０ ＜ ｜f１ / ｆ２｜ ＜ ７．０ ・・・（条件式２ａ）
更に望ましくは、第３レンズ群は以下の条件を満足することが好ましい。
０．１５ ＜ f３ / ｆｔ ＜ ０．３５ ・・・（条件式３）
０．４ ＜ ｆ３１ / ｆ３ ＜ ０．８ ・・・（条件式４）
ここで、ｆ３は、第３レンズ群の焦点距離、ｆ３１は第３レンズ群を構成する最も物体側の正レンズの焦点距離、ｆｔは望遠端におけるレンズ系全体での焦点距離を表している。
条件式（３）は、第３レンズ群の焦点距離と望遠端におけるレンズ系全体での焦点距離を規定する式である。条件式（３）の上限値を超えると第３レンズ群の屈折力が弱くなりすぎてしまい、第３レンズ群および第４レンズ群全体での屈折力を維持するためには、第４レンズ群の屈折力を強くしなければならなくなり、非点収差やコマ収差などの収差を良好に補正することが困難となる。条件式（３）の下限値を超えると第３レンズ群の屈折力が強くなりすぎ、球面収差などの収差が大きく発生してしまい好ましくない。
好ましくは、条件式（３）の数値範囲を、下記の条件式（３ａ）を満足するように設定することが好ましい。
０．２ ＜ f３ / ｆｔ ＜ ０．３ ・・・（条件式３ａ）
条件式（４）は、第３レンズ群を構成する最も物体側の正レンズと第３レンズ群の焦点距離を規定する式である。条件式（４）の上限値を超えると第３レンズ群を構成する最も物体側の正レンズの屈折力が弱くなりすぎてしまい、ズームレンズの全長が長くなるので好ましくない。条件式（４）の下限値を超えると第３レンズ群を構成する最も物体側の正レンズの屈折力が強くなりすぎ、球面収差などの収差が大きく発生してしまい好ましくない。
好ましくは、条件式（４）の数値範囲を、下記の条件式（４ａ）を満足するように設定することが好ましい。
０．５５ ＜ ｆ３１ / ｆ３ ＜ ０．７ ・・・（条件式４ａ）
更に望ましくは、第４レンズ群は以下の条件を満足することが好ましい。
０．０８ ＜ ｆ４ / ｆｔ ＜ ０．２５ ・・・（条件式５）
ここで、ｆ４は、第４レンズ群の焦点距離を、ｆｔは望遠端におけるレンズ系全体での焦点距離を表している。
条件式（５）は、第４レンズ群の焦点距離と望遠端におけるレンズ系全体での焦点距離を規定する式である。条件式（５）の上限値を超えて第４レンズ群の屈折力が弱くなると第４レンズ群の合焦時の繰り出し量が大きくなり、第３レンズ群と第４レンズ群の間隔を短くすることができず、小型化が難しくなる。条件式（５）の下限値を超えて第４レンズ群の屈折力が強くなると、広角端状態から望遠端状態まで変倍時の収差変動を良好に補正することが困難になるので好ましくない。
好ましくは条件式（５）の数値範囲を、下記の条件式（５ａ）を満足するように設定することが好ましい。
０．１ ＜ ｆ４ / ｆｔ ＜ ０．１６ ・・・（条件式５ａ）
以上のように、本実施形態のズームレンズにおいては各レンズ群を適切に構成することで変倍比が３０程度と高変倍比でありながら、高画素の撮像素子に対応した光学性能を確保した性能を保ちつつ、小型化を実現している。
本実施形態によれば、監視カメラ、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の撮像装置において、変倍比が３０程度と高変倍比でありながら、小型で広角端から望遠端および無限遠から至近距離にわたって高画素の撮像素子に対応した良好な光学性能を保つことができるズームレンズが得られる。
以下では、本実施形態の具体的な実施例について説明する。以下に示す数値実施例１〜５は、上記の条件式に適合する具体的な実施例である。各数値実施例において面番号ｉは、物体側からの光学面の順序を示す。ｒｉは第ｉ番目の光学面の曲率半径、ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との面間隔、ｎｄｉとνｄｉはそれぞれｄ線に対する第ｉ番目の光学部材の材料の屈折率、アッベ数を示す。バックフォーカス（ＢＦ）は、レンズ最終面から近軸像面までの距離を空気換算した値である。レンズ全長は、レンズ最前面からレンズ最終面までの距離にバックフォーカス（ＢＦ）を加えた値である。
また、長さの単位は、ｍｍである。また、Ｋをコーニック定数、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０を非球面係数、光軸からの高さHの位置での光軸方向の変位を面頂点を基準にしてｘとするとき、非球面形状は、以下の式で表すことができる。
Figure 2013117656
但し、Ｒは曲率半径である。また、例えば「Ｅ−Ｚ」の表示は「１０−Ｚ」を意味する。ｆは、焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角を示す。
Figure 2013117656
Figure 2013117656
Figure 2013117656
Figure 2013117656
Figure 2013117656
Figure 2013117656
Figure 2013117656
Figure 2013117656
Figure 2013117656
Figure 2013117656
以下に示す表は、各数値実施例の条件式対応表を示している。各数値は、各条件式で規定された値を示している。このように、全ての数値実施例は、各条件式を満たしている。
Figure 2013117656
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
Ｇ１ 第１レンズ群
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｇ３ 第３レンズ群
Ｇ４ 第４レンズ群
Ｇ ＣＣＤのフェースプレートやローパスフィルター等のガラスブロック
ＳＰ 絞り
ＩＰ 結像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＭ メリジオナル像面
ΔＳ サジタル像面
ω 半画角
Ｆｎｏ Ｆナンバー

Claims (6)

  1. 物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、負の屈折力を有する第２レンズ群、像面に対して固定された絞り、正の屈折力を有する第３レンズ群、正の屈折力を有する第４レンズ群を備え、広角端から望遠端への変倍の際、前記第１レンズ群及び第３レンズ群が光軸方向に固定され、前記第２レンズ群が物体側から像側へ移動して変倍作用を有し、前記第４レンズ群が前記第２レンズ群の移動に伴う像面位置の変動を補償するように光軸方向に移動すると共に合焦機能を有するズームレンズにおいて、
    前記第１レンズ群は物体側から順に、１枚の負レンズと３枚の正レンズを有し、前記第２レンズ群は少なくとも３枚の負レンズと１枚の正レンズを有し、前記第３レンズ群は物体側から順に独立した正レンズと正レンズと負レンズとの接合レンズを有し、前記第４レンズ群は、正レンズと負レンズとを少なくとも１枚有し、以下の条件を満足することを特徴とする、ズームレンズ。
    ０．０３ ＜ ｜f２ / ｆｔ｜ ＜ ０．０８
    ５．８ ＜ ｜f１ / ｆ２｜ ＜ ８．０
    但し、ｆ１：前記第１レンズ群の焦点距離
    ｆ２：前記第２レンズ群の焦点距離
    ｆｔ：望遠端におけるレンズ系全体での焦点距離
  2. 前記第３レンズ群を構成する最も物体側の正レンズは非球面形状を含む面を少なくとも１面有し、前記第３レンズ群を構成する接合レンズの接合面は物体側に凸の形状であり、以下の条件を満足することを特徴とする、請求項１に記載のズームレンズ。
    ０．１５ ＜ f３ / ｆｔ ＜ ０．３５
    ０．４ ＜ ｆ３１ / ｆ３ ＜ ０．８
    但し、ｆ３：前記第３レンズ群の焦点距離
    ｆ３１：前記第３レンズ群を構成する最も物体側の正レンズの焦点距離
    ｆｔ：望遠端におけるレンズ系全体での焦点距離
  3. 前記第1レンズ群を構成する正レンズのうち、少なくとも１枚はアッベ数が８０以上の硝材を用いることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のズームレンズ。
  4. 前記第２レンズ群は物体側から順に２枚の負レンズと物体側に凸面を向けた正レンズと負レンズとの接合レンズとで構成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のズームレンズ。
  5. 前記第４レンズ群は物体側から順に正レンズと負レンズの接合レンズからなり、前記第４レンズ群を構成する正レンズは非球面形状を含む面を少なくとも１面有し、以下の条件を満足することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のズームレンズ。
    ０．０８ ＜ ｆ４ / ｆｔ ＜ ０．２５
    但し、ｆ４ ：前記第４レンズ群の焦点距離
    ｆｔ ：望遠端におけるレンズ系全体での焦点距離
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載のズームレンズを備えることを特徴とする、撮像装置。
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