JP2015169694A - ズームレンズ及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 カムを一定の速度で操作する場合に、ズーミング時間に対して変倍比が異なるため操作者が意図しない画角となってしまう。【解決手段】 ズームレンズは、変倍レンズ群を保持する移動筒と、前記移動筒を光軸方向に移動させるためのカムを有するカム部材と、を有し、前記移動筒は前記カムと摺接するカムフォロアを有し、前記カム部材を操作することで焦点距離を変更するズームレンズであって、望遠端から所定のズーム位置までのズーム範囲において、前記カムの位置ｘにおける前記カムの変位に対する画角の変化率である画角変化率Ｋ（ｘ）は、前記ズーム範囲の平均の画角変化率をＫとしたとき、０．９９ ＜ Ｋ（ｘ）／ Ｋ ＜ １．０１を満たす。【選択図】 図２

Description

本発明はズームレンズ及びそれを有する撮像装置に関し、例えば放送用テレビカメラ、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、監視用カメラ、銀塩写真用カメラ等に好適なものである。

近年、テレビカメラ、銀塩フィルム用カメラ、デジタルカメラ、ビデオカメラ等の撮像装置には、広画角、高倍率のズームレンズが要望されている。

特に高倍率のレンズでは、広角端と望遠端の画角の差が大きいため、ズーミングの際の画角の変化が不自然にならないよう配慮する必要がある。ズーミングの際の画角変化に違和感が生じることを防ぐため、電気的な補正を行ってズーミングを担うレンズ群の可動速度をズーム位置によって変化させ、ズーミングの際の画角変化が不自然になることを防ぐ方法が一般的に知られている。

また、マニュアルズーム操作時など電気的な補正を行わない場合にも、ズーミングのために操作するカムに施されたカム溝の形状を非直線化するなどにより、ズーミングを担うレンズ群の可動速度を各ズーム位置によって制御し、画角をリニアに変化させる方法が知られている。（特許文献１）

特開昭６３−２２９４４０号公報

従来のズームレンズにおいて主としてズーミングを担う主変倍レンズ群は、例えば円筒カム機構によって光軸方向に移動するようになっており、カムの回転角θに対し上記主変倍群が光軸方向に一定の移動量で移動する場合、特に長焦点側で画角が急激に変化してしまう。

このときズーミングに伴い被写体の大きさが急激に変化するため、ズーミングにおける画角の変化が不自然となる。特に、上記カムの操作速度を電気的に補正することなくマニュアル操作でズーミングする場合に、ズーム位置によって回転角θの変化に対する変倍比が変化してしまうため、操作者が意図しない画角となってしまうという問題点がある。回転角θの変化に対する変倍比を一定とするためには、画角の変化の割合すなわち画角変化率を一定とする必要がある。

特許文献１に開示されているズームレンズでは、ズーム全域で画角をリニアに変化させるために、カムの回転角θに対する移動量を規定している。しかし、画角をズーミングに際しリニアに変化させた場合、広角側での微小回転角θに対する画角変化率に対し、望遠側での微小回転角θに対する画角変化率が大きくなってしまうため、ズーム位置によって画角の変化速度が異なったように感じてしまう。

本発明は、所望のズーム領域において、ズームレンズを構成する主変倍群の移動に伴って画角変化率を略一定とすることができるズーム方式とする。これにより、ズーミングにおける画面の不自然さを解消するとともに、良好なズーム操作性を持ったズームレンズ及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のズームレンズは、変倍レンズ群を保持する移動筒と、前記移動筒を光軸方向に移動させるためのカムを有するカム部材と、を有し、前記移動筒は前記カムと摺接するカムフォロアを有し、前記カム部材を操作することで焦点距離を変更するズームレンズであって、望遠端から所定のズーム位置までのズーム範囲において、前記カムの位置ｘにおける前記カムの変位に対する画角の変化率である画角変化率Ｋ（ｘ）は、前記ズーム範囲の平均の画角変化率をＫとしたとき、
０．９９ ＜ Ｋ（ｘ）／ Ｋ ＜１．０１
を満たす、ことを特徴としている。

本発明によれば、上記可動レンズ群の移動に伴う画角の変化の割合がズーミング操作に対して略々一定となるため、所望のズーム領域において変倍比を略々一定に保つことができ、ズーミングにおける画面変化の不自然さを解消することができる。

本実施例の広角端において無限遠物体に合焦したときのレンズ断面図である。 本実施例の近軸屈折力配置及びズーム軌跡の概念図である。 本実施例の撮像装置のズーム駆動部の概略図である。 図３に示すカムの展開図である。 本発明の撮像装置の要部概略図である。

以下には、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。本発明のズームレンズは、物体側から像側へ順に、ズーミングのためには不動の正の屈折力の第１レンズ群Ｕ１、ズーミングに際して移動する負の屈折力の第２レンズ群Ｕ２を有する４群以上の群で構成されている。

ここでレンズ群がズーミングのためには不動というのは、レンズ群がズーミングを行う目的で駆動されることは無いが、ズーミングと合焦とを同時に行う場合があれば、合焦のために移動することはあり得るということである。

図１は、本発明の実施例のズームレンズの広角端で無限遠物体に合焦しているときのレンズ断面図である。本実施例は、物体側から順に、ズーミングのためには不動の正の屈折力の第１レンズ群Ｕ１、ズーミングに際して移動する負の屈折力の第２レンズ群Ｕ２、ズーミングに際して移動する第３レンズ群Ｕ３及び第４レンズ群Ｕ４、ズーミングのためには不動の第５レンズ群Ｕ５、光学ブロックＤＧとして表されている光学フィルタ等で構成されている。図中のＩＰは、ズームレンズに接続されるカメラの撮像素子の撮像面を示す。

図３は、本発明の撮像装置のズーム駆動部の概略図である。このズームレンズを構成するレンズ群のうち、変倍レンズ群が複数のレンズ群から構成され、主変倍レンズ群（ズーミング全体のうちの寄与率が５０％以上である変倍レンズ群）は少なくとも移動筒によって保持されており、その移動筒（カム部材）は、カムと摺接するカムフォロアを有している。円筒カム（カム部材）の場合、カムが回転することにより円筒カムの円筒表面に形成されたカム溝に沿って上記レンズ群が光軸方向に移動する。また、円筒カムではなく、平板のカムであっても、本発明は同様に適用できる。

図４は図３に示すカムの展開図である。図中の上下方向は展開長さ方向（カムの操作方向）を表しており、左右方向は光軸方向を表す。

ここで望遠端からの展開位置（カム操作方向におけるカムの位置）ｘ近傍におけるカムの単位展開長さ（カムの変位、カムの移動方向長さ）あたりの主変倍レンズ群（ズーミングに寄与するレンズ群が複数ある場合には、最もズーミングへの寄与率の大きいレンズ群）の光軸方向の移動量をＴ（ｘ）と表現する。本発明ではＴ（ｘ）を適切に規定し、カム溝の形状を所定の曲線にすることによって、所望のズーム領域にてカムの単位展開長さ（カム操作方向におけるカムの単位変位量）に対する上記レンズ群の光軸方向の移動量を調整する。それにより、カムの一定量の操作に対する（カムの操作方向における変位に対する画角の変化率である）画角変化率が略一定となるようにしている。

ズームレンズでは、広角側よりも望遠側の方が被写体を画角全体に拡大して撮影する機会が多いため、画角変化率を把握しやすい。このため特に高倍率のレンズでは、望遠端から所定のズーム位置までのズーム範囲の画角変化率が一定であることが重要である。カムを操作方向に展開したとき、ズームに有効なカム溝の展開方向の全長をａとすると、望遠端から所定のズーム位置までのズーム範囲において画角変化率が略一定であると良い。その範囲の望遠端からの展開長さ（操作方向の長さ、カムの操作方向における長さ）ｂは、好ましくは少なくともａの０．２倍以上、より好ましくは少なくともａの０．３倍以上、更に好ましくは少なくともａの０．５倍以上であると良い。

ここで画角変化率が略一定とは、そのズーム範囲における平均画角変化率Ｋに対し、カムの操作方向における位置ｘにおける画角の変化率である画角変化率をＫ（ｘ）としたとき、その領域内で、
０．９９ ＜ Ｋ（ｘ）／ Ｋ＜ １．０１ ・・・（１）
となることである。ここで平均画角変化率Ｋは、所定のズーム領域のカム展開長さをｂ、そのズーム領域の変倍比をＺｂとしたとき、
Ｋ＝Ｚｂ^{（１／ｂ）} ・・・（４）
で表すことができる。

次に、画角変化率が一定となるために必要な、上記カム溝の形状について詳細に説明する。

あるズーム領域で、カムの一定量の操作に対する画角変化率が一定である場合、主変倍レンズ群以外の影響を微小であるとすると、そのズーム範囲では、主変倍レンズ群の横倍率βｎの変化率が略一定となる。

主変倍レンズ群の焦点距離と望遠端横倍率をｆｎ、βｎｔとするとき、画角変化率が一定となる領域内で望遠端から展開位置ｘにおける主変倍レンズ群の横倍率βｎ（ｘ）は、
βｎ（ｘ）＝ βｎｔ ／（Ｋ^ｘ） ・・・（５）
と表すことができる。ここでＫは、（４）式で算出される望遠端から所望の範囲までのズーム領域における画角変化率に相当する。

主変倍レンズ群よりも物体側のズーミング作用が小さい場合には、主変倍レンズ群の物点位置は大きく変動しないと考えることができ、主変倍レンズ群からその物点までの距離ｓｎ（ｘ）は、望遠端からの展開位置（カムの操作方向における望遠端からの位置）ｘを用いて、
ｓｎ（ｘ）＝ ｆｎ×（１／βｎ（ｘ）−１） ・・・（６）
と表される。

望遠端からの展開位置ｘにおける主変倍レンズ群の単位展開長さあたりの光軸方向の移動量Ｔｎ（ｘ）は、単位展開長さあたりの距離ｓｎ（ｘ）の変化の符号を反転させたものに等しいので、
Ｔｎ（ｘ）＝ ｆｎ ×（１／βｎ（ｘ）−１／βｎ（ｘ＋Δｘ））／ Δｘ
＝ ｆｎ ／ βｎｔ×（Ｋ^ｘ×（１−Ｋ）） ・・・（７）
と表される。すなわち、主変倍レンズ群のカム溝の形状が、上記Ｔｎ（ｘ）に従うときそのズーム範囲内で画角変化率は略一定となる。

このとき、Ｔｎ（ｘ）の位置ｘでの微分値Ｔｎ１（ｘ）、及びＴｎ１（ｘ）の位置ｘでの微分値Ｔｎ２（ｘ）はそれぞれ、
Ｔｎ１（ｘ）＝（Ｔｎ（ｘ＋Δｘ）− Ｔｎ（ｘ））／ Δｘ
＝ Ｔｎ（ｘ）×（Ｋ−１） ・・・（８）
Ｔｎ２（ｘ）＝（Ｔ１（ｘ＋Δｘ）−Ｔ１（ｘ））／ Δｘ
＝ Ｔｎ（ｘ）×（Ｋ−１）^２ ・・・（９）
と表すことができる。

一般的に負の屈折力を持った第２レンズ群で高い変倍比を稼ぐためには、第２レンズ群は望遠端から広角端にかけて光軸上を物体側に移動するため、Ｔｎ（ｘ）は負となる。また、Ｋ−１＞０であるから、Ｔｎ１（ｘ）＜０かつＴｎ２（ｘ）＜０である。

十分な大きさのカム展開長さを確保している場合、（Ｋ−１）^２は微小であることから、Ｔｎ２（ｘ）≒０とみなせるため、Ｔｎ（ｘ）は望遠端から広角側へかけて単調に減少する。

本実施例では、主変倍群のレンズ群を保持する移動筒のカムフォロアと摺接するカムを展開したとき、カムの操作方向における望遠端からの位置ｘにおけるカムの単位展開長さあたりの主変倍レンズ群の光軸方向の移動量をＴ（ｘ）と表す。また、Ｔ（ｘ）の位置ｘ近傍で微分したものをＴ１（ｘ）、Ｔ１（ｘ）を位置ｘ近傍で微分したものをＴ２（ｘ）とすると、画角変化率を略一定としたい領域の各展開位置ｘにおいて、以下の条件式を満足したものとしている。

Ｔ１（ｘ）＜ ０ ・・・（２）
｜Ｔ２（ｘ）｜＜ ０．０５ ・・・（３）
条件式（２）及び（３）は、望遠端から広角側へかけて単調に減少することを意味している。

条件式（２）の上限を上回ると、主変倍群が望遠端から広角端にかけて移動する際カムの単位展開長さあたりの主移動群の光軸方向の移動量が増加する。このため、そのズームポジションにおいて画角変化率が上昇し、画角変化率が一定でなくなる。

条件式（３）の上限を上回ると、カムの単位展開長さあたりの主移動群の光軸方向の移動量の変化が大きくなる。このため、そのズームポジションにおいて画角変化率の変動が大きくなり、画角変化率が一定でなくなる。画角変化率を略一定に保とうとすると、カムの展開長さを大きくする必要があるため、レンズ全体の大型化につながる。

図２は、本実施例の近軸屈折力配置の概略図であり、ズーミングに際して移動する第２〜第４レンズ群Ｕ２〜Ｕ４の移動軌跡を示している。図中、上方が広角端、下方が望遠端であり、上下方向は図４の展開長さ方向にあたり、左右方向は光軸方向である。上方から下方へつながる実線はズーミングに際して移動する各レンズ群の軌跡を示している。

表１乃至３に、本実施例の各ズーム状態における近軸配置及び条件式（１）から（３）に対する値を示す。各表中のnoは、カムの操作方向における、望遠端（焦点距離１３６mm）に対応する位置から広角端（焦点距離８mm）に対応する位置までの長さ（位置）を示す。望遠端から広角端までのカムの展開長さ（カム操作方向における変位量）は５０mmである。ｆは焦点距離を示す。カムの位置条件式（１）に対応する、Ｋ（ｘ）／Ｋ、については、望遠端から、カムの操作方向のストローク（望遠端から広角端までの変位量）の０．１倍から０．１ステップで１．０倍の位置までをズーム範囲とする評価を記載した。実施例のズームレンズは、条件式（１）乃至（３）の何れも満足している。

本発明は、特に高倍率のズームレンズで高い効果を発揮する。本実施例に記載のズームレンズは、物体側から像側へ順に、正の屈折力の第１レンズ群と、ズーミングに際して移動し負の屈折力の前記変倍レンズ群と、を含む構成となっており、高倍率のズームレンズとするために有利な構成としている。

以上のように本実施例によれば、各レンズ群の屈折力配置や主変倍レンズ群の移動軌跡等を適切に設定している。これにより、可動レンズ群の移動に伴う画角変化率が、電気的な補正を行うことなくズーミング操作に対して略々一定となるため、所望のズーム領域においてズーミングにおける画面変化の不自然さを解消することができる。

（数値実施例）
単位 mm
各種データ
ズーム比 17.00
広角 中間 望遠
焦点距離 8.00 33.14 136.00
Fナンバー 1.90 1.90 2.50
画角 34.51 9.42 2.32
像高 5.50 5.50 5.50
レンズ全長 269.40 269.40 269.40
BF 7.46 7.46 7.46

d11 0.80 32.90 46.97
d18 49.21 10.44 11.12
d21 6.22 11.25 1.96
d25 5.74 7.37 1.92
d42 7.46 7.46 7.46

ズームレンズ群データ
群 始面 焦点距離
1 1 61.00
2 12 -13.50
3 19 -39.48
4 22 34.61
5 26 49.21

カム展開長さ（操作方向長さ）：50mm

図５は本発明の撮像装置の要部概略図である。図５において１０１は本実施例のズームレンズである。１２４はカメラである。ズームレンズ１０１はカメラ１２４に対して着脱可能となっている。１２５はカメラ１２４にズームレンズ１０１を装着することで構成される撮像装置である。ズームレンズ１０１は第１レンズ群Ｕ１Ｆ、変倍部ＬＺ、結像用の第５レンズ群Ｕ５Ｒを有している。第１レンズ群Ｕ１Ｆは合焦用レンズ群が含まれている。

変倍部ＬＺはズーミングに際して光軸上を移動する第２レンズ群Ｕ２と、ズーミングに伴う像面変動を補正するために光軸上を移動する第３レンズ群Ｕ３、第４レンズ群Ｕ４が含まれている。ＳＰは開口絞りである。第５レンズ群Ｕ５Ｒは光路中より挿抜可能なレンズユニットＩＥを有している。レンズユニットＩＥを切り替えることで、ズームレンズ１０１の全系の焦点距離範囲を変位している。１１４、１１５は各々第１レンズ群Ｕ１Ｆヘリコイドやカム等の駆動機構、ズーム部ＬＺを光軸方向に駆動するカムの駆動機構である。

１１６〜１１８は駆動機構１１４、１１５および開口絞りＳＰを電動駆動するモータ（駆動手段）である。１１９〜１２１は、第１レンズ群Ｕ１Ｆやズーム部ＬＺの光軸上の位置や、開口絞りＳＰの絞り径を検出するためのエンコーダやポテンショメータ、あるいはフォトセンサ等の検出器である。カメラ１２４において、１０９はカメラ１２４内の光学フィルタや色分解光学系に相当するガラスブロック、１１０はズームレンズ１０１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）である。

また、１１１、１２２はカメラ１２４及びズームレンズ１０１の各種の駆動を制御するＣＰＵである。このように本発明のズームレンズをテレビカメラに適用することにより、高い光学性能を有する撮像装置を実現している。

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。

上記の実施例では、一つのレンズ群で変倍比の大部分を担う構成を例示した。しかし、本発明はこの構成に限定されることはない。複数のレンズ群で変倍比を分担している場合には、カムの操作方向における位置の変化に対する、ズーミングを行っている群の合成横倍率の変化が一定となるように上記式を拡張して、上記（７）式のＴ（ｘ）を、
Ｔ（ｘ）＝ ｆｎｍ／βｎｍt×（Ｋ^ｘ×（１−Ｋ）） ・・・（１０）
として算出し、合成レンズ群の移動軌跡を考えることで同様に画角変化率が一定のズームレンズを実現できる。ここでｆｎｍ及びβｎｍｔは、複数の連続する変倍群の合成焦点距離及び望遠端における合成横倍率である。

また、上記（７）式の望遠端の横倍率βｎｔを、画角変化率を一定にしたい領域の望遠側のβｎとすることで、画角変化率を一定にしたい領域を任意に設定することができる。

なお、本発明は５群ズームのレンズにて構成されるズームレンズのみならず、４群や６群以上のレンズにて構成されるズームレンズに適用しても同様の効果を得ることができる。

Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４：変倍レンズ群
Ｕ２：主変倍レンズ群
１０１：ズームレンズ

Claims (9)

1. 変倍レンズ群を保持する移動筒と、前記移動筒を光軸方向に移動させるためのカムを有するカム部材と、を有し、
   前記移動筒は前記カムと摺接するカムフォロアを有し、
   前記カム部材を操作することで焦点距離を変更するズームレンズであって、
   望遠端から所定のズーム位置までのズーム範囲において、前記カムの位置ｘにおける前記カムの変位に対する画角の変化率である画角変化率Ｋ（ｘ）は、前記ズーム範囲の平均の画角変化率をＫとしたとき、
   ０．９９ ＜ Ｋ（ｘ）／ Ｋ ＜ １．０１
   を満たす、ことを特徴とするズームレンズ。
2. 望遠端に対応する前記カムの位置から、望遠端から広角端に対応する前記カムの変位量の０．５倍の位置までの範囲において、前記カムの位置ｘにおける前記カムの単位変位量に対する前記変倍レンズ群の変倍レンズ群の光軸方向の移動量をＴ（ｘ）、Ｔ（ｘ）の位置ｘでの微分値をＴ１（ｘ）、Ｔ１（ｘ）の位置ｘでの微分値をＴ２（ｘ）とすると、
   Ｔ１（ｘ）＜ ０
   ｜Ｔ２（ｘ）｜＜ ０．０５
   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。
3. 前記所定のズーム位置は、望遠端から広角端に対応する前記カムの変位量の０．２倍、望遠端に対応する前記カムの位置から変位した位置である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のズームレンズ。
4. 前記所定のズーム位置は、望遠端から広角端に対応する前記カムの変位量の０．３倍、望遠端に対応する前記カムの位置から変位した位置である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のズームレンズ。
5. 前記所定のズーム位置は、望遠端から広角端に対応する前記カムの変位量の０．５倍、望遠端に対応する前記カムの位置から変位した位置である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のズームレンズ。
6. 前記ズームレンズは、物体側から像側へ順に、正の屈折力の第１レンズ群と、ズーミングに際して移動し負の屈折力の前記変倍レンズ群と、を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のズームレンズ。
7. 前記ズームレンズは、ズーミングに寄与する複数のレンズ群を含み、
   前記変倍レンズ群は、ズーミングに寄与する前記複数のレンズ群のうち、最もズーミングへの寄与率が大きいレンズ群である、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のズームレンズ。
8. 前記変倍レンズ群は、前記ズームレンズに含まれるズーミングに寄与する複数のレンズ群を含み、
   前記カムの操作方向における位置の変化に対する、前記複数のズーミングに寄与するレンズ群の合成横倍率の変化が一定である、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のズームレンズ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のズームレンズと、前記ズームレンズによって形成された像を受光する固体撮像素子と、を有することを特徴とする撮像装置。

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