JP2526892B2

JP2526892B2 - ズ−ムレンズ

Info

Publication number: JP2526892B2
Application number: JP62072700A
Authority: JP
Inventors: 豊飯塚
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1987-03-26
Filing date: 1987-03-26
Publication date: 1996-08-21
Anticipated expiration: 2011-08-21
Also published as: JPS63237020A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はテレビカメラや写真撮影に使用するズームレ
ンズに関し、更には、超広角の焦点距離範囲を含むズー
ムレンズの合焦方式に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、ズームレンズの合焦については種々の方法が提
案されてきている。たとえば、特開昭52−84754号公
報、特開昭52−91449号公報、特開昭55−57815号公報の
如く、合焦群を物体側から順に負正正の３つのレンズ群
より構成し、負レンズ群と正レンズ群との間の正レンズ
群のみを移動させたり、物体側の負レンズ群とこれに続
く正レンズ群の両群を移動させる方式のものがある。ま
た、米国特許第3682534号公報のように、合焦群を２つ
の負レンズ群より構成し、像側の負レンズ群を移動させ
て合焦を行うものもある。

なお、本文において、『合焦群』とは、ズームレンズ
の中で、もっぱら合焦（フォーカシング）のためにのみ
用いられる機能を持ったレンズ群を指すものとする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の如き従来の合焦方式は、合焦群としての有効口
径を小さく維持しつつ効率良く合焦を行い、また収差変
動の少ない合焦を達成するための優れた方式ではある
が、ズーミングにおける変倍域の広角端において画角が
90度にも及ぶ超広角を含む場合には、有効径の小型化に
限界があり、また収差補正にも限界があり、収差変動を
良好に補正することが困難であった。

そこで本発明の目的は、超広画角を含む変倍領域にお
いても有効口径を小さく維持しつつ、合焦に伴う収差変
動を良好に補正することのできるズームレンズを提供す
ることにある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明によるズームレンズは、レンズ系の最も物体側
に配置される合焦系を、負負正の３つのレンズ群で構成
し、負レンズ群と正レンズ群との間の負レンズ群を光軸
に沿って移動させることによって合焦を行うものであ
る。

即ち、第１図の原理図に示すとおり、最も物体側から
順に、合焦系Ｆ、ズーム系Ｚ及びリレー系Ｒからなる一
般的ズームレンズの構成において、本発明においては、
合焦系Ｆを物体側から順に、負屈折力の第１レンズ群
１、同じく負屈折力の第２レンズ群２及び正屈折力の第
３レンズ群３によって構成し、無限遠から近距離の物体
への合焦に際して、負屈折力の第２レンズ群２を物体側
に移動する構成である。そして、合焦系Ｆとしての合成
屈折力は常に正の値を維持している。ズーム系Ｚとして
光軸上を移動する負屈折力第４レンズ群４と像面位置補
正群として光軸上を移動する負屈折力第５レンズ群５と
からなる変倍群Ｚ、及び全体として正屈折力のリレー系
Ｒは、一般的なズームレンズの構成の一例を示したもの
で、ズーム系Ｚの構成は図示したものに限られないし、
またリレー系Ｒは固定される場合に限らず変倍機能や像
面補正機能をもたせるために光軸上を移動する構成であ
っても良いし、リレー系を持たないズームレンズの構成
もあり得る。

〔作用〕

上記の如き本発明によるズームレンズの薄肉系として
の基本構成を、以下に図面を参照して説明する。

第１図は、ズームレンズ系の各レンズ群を薄肉レンズ
と見做した場合の軸上物点の結像光線の様子を示した薄
肉レンズ構成図である。第１図中に模式系に示した如
く、図示されていない無限遠物点から発した光線は、光
軸Ａに平行な光線Ｂとなって第１レンズ群１に入射し、
第２レンズ群２を通過後、第３レンズ群３によってあた
かも軸上像点３′に結像するかの如く進行してズーム系
Ｚに入射する。ズーム系Ｚを構成する第４レンズ群４及
び第５レンズ群５は共に負屈折力を有し、バリエーター
である第４レンズ群は広角から望遠へのズーミングに従
って、図の矢印の如く、光軸上を移動して変倍作用をす
る。このとき、第４レンズ群４に対する軸上物点３′は
ズーミングに際して固定されているので、第４レンズ群
４によって作られる軸上像点４′は、第４レンズ群の移
動にともなって光軸上を動くこととなる。コンペンセー
ターである第５レンズ群５はこの像点４′の移動を補正
して、リレー系Ｒに対しては固定点である５′から、あ
たかも光線が発散してくるかの如くなすために、図示の
ように光軸上を往復して移動する。リレー系Ｒは５′を
最終像点Ｉへ結像する役目を果たしている。

このようなレンズ構成の中で、合焦系Ｆだけを取り出
して、薄肉レンズの状態にて描いたものが第2A図及び第
2B図である。第2A図は無限遠物点に合焦した状態を示
し、第2B図は近距離物点に合焦した状態を示している。
第2A図において、光軸Ａ上の図示されていない無限遠物
点から発した近軸周辺光線Ｂは、光軸Ａと平行になって
第１レンズ群１に入射し、第１レンズ群によって虚の像
点１′から発するごとく、次に第２レンズ群によって虚
の像点２′から、あたかも発するごとく発散され、第３
レンズ群３によって像点３′に結像される。第2B図の近
距離物体への合焦状態においては、光軸Ａ上の近距離物
点Ｏから発した近軸周辺光線Ｂは、発散しながら第１レ
ンズ群に入射し、以降は第2A図と同様に進行して像点
３′に結像される。

本発明の特徴とする合焦方式では、負屈折力の第１レ
ンズ群１及び正屈折力の第３レンズ群に対して、負屈折
力の第２レンズ群２を軸上で移動し、第２レンズ群の移
動は、第３レンズ群に対して第２レンズ群による虚の像
点２′が一定の位置になるような移動形態をとる。即
ち、第２レンズ群による軸上像点２′及び第３レンズ群
による軸上像点３′は、合焦に際して固定しており、軸
上物点Ｏが近づくにつれて、第１レンズ群による軸上像
点１′のみが移動する。

本発明による合焦方式の特徴をさらに詳細に説明する
ために、第３図に薄肉レンズ系にて構成された合焦系Ｆ
の最短焦点距離状態（広角端）における最大画角の近軸
主光線の様子を例示した。光軸Ａから、半画角だけ傾い
て入射する近軸主光線Ｃは第１レンズ群１、第２レンズ
群２及び第３レンズ群３をそれぞれh₁、h₂、h₃の高さで
横切りながら進行し、最終像面Ｉ上の像高ｙの位置へ到
達する。第４レンズ群以降の図は、便宜上省略してあ
る。

第３図において、無限遠合焦状態における近軸主光線
を実線C₀で示し、近距離合焦状態における近軸主光線を
破線C₁で示した。図示の如く、近距離合焦状態において
は、第２レンズ群２が物体側にＫだけ物体側に移動する
ことによって、図示なき近距離軸外物点が像面Ｉ上の像
高ｙの位置に結像する。近軸主光線C₁は、像面Ｉから逆
追跡して考えるならば、第３レンズ群３に関しては何ら
変化なく、第２レンズ群２を無限遠合焦状態より光軸に
近い位置（h₂′）に入射し、第１レンズ群１においては
無限遠合焦状態における位置よりも光軸に近い位置
（h₁′）に入射する。従って、本発明による合焦方式に
おいては、近軸主光線が最も物体側の第１レンズ群を横
切る位置を近距離合焦状態において無限遠合焦状態より
も光軸に近くなるように構成することが可能てある。実
際のレンズ構成においては、主構成のみならず軸外物点
の結像に寄与する全ての光束を考慮する必要があるた
め、近軸主光線の振る舞いのみで結論づけることはでき
ないが、原理的に第１レンズ群の有効口径を小さく維持
するために有利であることは明らかである。尚、このこ
とは後記する実施例についての説明からも裏付けられ
る。

上記の如き本発明の基本構成において、無限遠合焦状
態における合焦系Ｆの合成焦点距離をｆ、第１レンズ
群、２レンズ群及び第レンズ群の各群の焦点距離をf₁、
f₂、f₃とするとき、以下の条件式を満たすことが望まし
い。

0.5＜｜f₁|/f＜３（１）１＜｜f₂|/f＜７（２） 0.5＜f₃/f＜３（３）以下に、この式の意味する内容を説明する。第2A図よ
りｆ＝f₁・β₂・β₃ （ｉ） b₃＝f₃（１−β₃）（ii）の関係が成り立つ。ここにβ₂、β₃は第２レンズ群及
び、第３レンズ群の横倍率を示し、b₃は薄肉レンズとし
て見た場合の第３レンズ群（第３レンズ群の主点）から
軸上像点３′までの距離である。

第2A図より明らかな如く、f₁は薄肉レンズとした見た場
合の第１レンズ群１（第１レンズ群の主点）から軸上像
点１′までの距離であり、β₂は薄肉レンズとしてみた
場合の第２レンズ群２（第２レンズ群の主点）からの軸
上像点２′までの距離と軸上像点１′までの距離の比、
同様にβ₃は第３レンズ群３から軸上像点３′までの距
離と軸上像点２′までの距離の比と見なすことができ
る。

従って、これらの軸上共役点と（ｉ）、（ii）式より
上記（１）〜（３）の条件式の内容を理解することがで
きる。

即ち、（１）式は第１レンズ群の焦点距離f₁を規定す
る式であって、下限を越える場合には、第１レンズ屈折
力による軸上像点１′が合焦系Ｆに近づくこととなり、
合焦系としての焦点距離ｆと第３レンズ群の焦点距離f₃
を一定にした場合には、第２レンズ群の屈折力が小さく
なって、合焦のための移動量が増大する。逆に上限を越
える場合には、同様にｆとf₃が一定の条件で第２レンズ
群の屈折力が強くなるものの、第１レンズ群を通る主光
線が光軸から遠ざかることとなり、第１レンズ群の有効
口径の増大を招いてしまう。

（２）式は第２レンズ群の焦点距離f₂を規定する式であ
る。下限を越える場合には、第２レンズ群による像点
２′が第２レンズ群２に近づくために、正屈折力の第３
レンズ群の屈折力を強くせねばならず、第３レンズ群と
その像点３′との距離b₃を大きくすることが難しくなる
と共に第３レンズ群の収差補正が困難となる。逆に上限
を越える場合には、合焦のための繰出量Ｋが大きくなり
すぎて実用性を失う。

（３）式は第３レンズ群の焦点距離f₃を規定する式であ
る。下限を越える場合には、第３レンズ群とその像点
３′との距離b₃がより短くなる。このことは、合焦系Ｆ
に後続するズーム系Ｚのバリエーターの移動量が少なく
なることを意味し、ズームレンズの倍率範囲が狭くなっ
てしまう。他方上限を越える場合には、第２レンズ群に
よる像点２′が物体側へ遠ざかるために、第１レンズ群
の焦点距離f₁も第２レンズ群の焦点距離f₂も大きくな
り、合焦系Ｆ全体の大型化を招き、前玉径が大きくなり
すぎてしまう。

本発明においては、さらに以下の条件式を満たすこと
が望ましい。

0.5＜f/f_T＜２（４）ここで、f_Tは全系の最長焦点距離である。

ｆは合焦系Ｆの合成焦点距離であると共に、全ズーム
レンズ系に対する変倍率の大きさを規定するものである
ことは、既に知られている。従って、ｆを適切に設定す
ることは、単に合焦時の性能のみならず、ズーミングに
よる収差変動を補正する上でも重要である。このため、
（４）式の下限を越える場合には、ズーミング時及び合
焦時の収差変動が過大となって補正が困難となる。逆に
上限を越える場合には、前玉径が大きくなるのみなら
ず、レンズ全長も長くなりすぎて実用性を失う。

ところで、本発明による合焦系において合焦のために
移動する第２レンズ群を、単一または貼合せの負レンズ
成分で構成することができる。そしてこの負レンズ成分
の形状については次の条件式を満たすことが望ましい。

Ｏ＜SF＜３（５）但し、ここにおいてSFとはシェイプファクターを示して
おり、物体側及び像側のレンズ面の曲率半径をそれぞれ
R_a、R_bとしたとき、SFはと定義されるものとする。

条件式（５）は、合焦のために移動する第２レンズ群
について、そのパワー配分と共に、合焦時の収差変動を
良好に補正するための条件である。即ち、下限を越える
場合には、近接撮影状態における球面収差及び像面弯曲
が共に負に過大となり、性能を保証しうる最短撮影距離
が長くなってしまう。逆に上限を越える場合には、第２
レンズ群のベンディング形状によって発生する収差を第
１及び第３レンズ群でさらに打ち消さねばならず、これ
らの群にさらなる収差補正の自由度を与えねばならなく
なり、レンズ構成の複雑化を招く。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

第４図は本発明による実施例の断面図である。

本実施例は2/3インチサイズ（6.6mm×8.8mm）撮像管TV
用ズームレンズとして設計されており、焦点距離は5.7m
m〜48mm、Ｆナンバーは1.7〜1.9である。第４図は最短
焦点距離（fw）における無限遠合焦時の断面図である。
ズームレンズ全体は大別すると３つの部分より構成され
ており、物体側より順に、ズーミング中固定の合焦系
Ｆ、ズーミング中移動して変倍機能を有するズーム系
Ｚ、そして、ズーミング中固定のリレー系Ｒより成り立
っている。

これら、３つの部分は、それぞれさらに内部構造を持
っている。まず、合焦部Ｆは負屈折力の第１レンズ群
１、負屈折力の第２レンズ群２及び正屈折力の第３レン
ズ群３より成り立っており、第１、第３レンズ群は常に
固定されていて、無限遠から近距離への物点への合焦の
ために、第２レンズ群のみが物体側へ繰り出される。

ズーム系Ｚは共に負屈折力の第４及び第５レンズ群4,
5より成り立っており、第４レンズ群はバリエーター、
第５レンズ群はコンペンセーである。リレー系Ｒは正屈
折力の第６レンズ群６、第７レンズ群７及び第８レンズ
群８より成り立っている。第６及び第７レンズ群は共に
結像作用を有するが、第８レンズ群は３色分解プリズム
や、それに付随するフィルターなどと等価な結像作用を
持たない平行平面ガラス板（焦点距離＝∞）である。そ
して、Ｓは絞りであって、ズーミング中固定であるの
で、リレー部Ｒに含めて考えることができる。

各レンズ群の具体的なレンズ構成は以下の通りであ
る。正屈折力の第１レンズ群１は、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L₁₁、像側によ
り曲率の強い面を向けた正レンズL₁₂、像側により強い
曲率の面を向けた負レンズL₁₃、両凹負レンズL₁₄、物体
側により曲率の強い面を向けた正レンズL₁₅からなって
おり、第２レンズ群２は両凹負レンズと両凸正レンズと
の貼合せからなり像側に凸面を向けた貼合せの負メニス
カスレンズL₂からなり、第３レンズ群３は像側により曲
率の強い面を向けた正レンズL₃₁、貼合せの正レンズ
L₃₂、そして物体側により強い曲率の面を向けた正レン
ズL₃₃，L₃₄から構成されている。

変倍系Ｚにおいて、負屈折力の第４レンズ群４は、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L₄₁、像側により曲率の強い面を向けた負レンズL₄₂、
負レンズと正レンズとの貼合せレンズL₄₃、貼合せの正
レンズL₄₄から構成され、負屈折力の第５レンズ群５は
両凹レンズと両凸正レンズとの貼合せからなり像側に凸
面を向けた負レンズL₅から構成されている。

またリレー系Ｒにおいて、正屈折力の第６レンズ群６
は、物体側から順に、正レンズL₆₁、貼合せの正レンズL
₆₂、物体側により曲率の強い面を向けた正レンズL₆₃か
ら構成され、正屈折力の第７レンズ群は、物体側から順
に、両凸正レンズL₇₁、貼合せの正レンズL₇₂、貼合せの
正レンズL₇₃及び物体側により曲率の強い面を向けた正
レンズL₇₄から成っている。

なお、本実施例における第２レンズ群は、接合レンズ
にて構成されているが、これは色消し作用のためであっ
て、接合された正負のレンズの基準波長の屈折率の間に
殆ど差のない、いわゆるハイパークロマチックである。
従って、接合面の曲率半径（r₁₂）については、前記の
条件式（５）の議論において本質的影響を与えることは
ない。

以下の表１に本実施例の諸元を示す。表中、左端の数
字は物体側からの順序を表し、ν_dはアッベ数、N_eはｅ
線（546.1nm）における屈折率を示している。

そして、表２には無限遠合焦状態においてズーミング
によって変化する各レンズ群の間隔を、最短（f_w）、中
間（f_M）及び最長（f_T）の３つの焦点距離について示
し、表３には最短撮影距離、すなわち被写体から第１レ
ンズ頂点までの距離（D_o）が300.09mmのときの合焦系に
おける可変間隔間隔を示した。

薄肉レンズ構成での各レンズ群の焦点距離f₁〜f₈は以
下の通りである。

f₁＝ −55.500 f₂＝ −140.000 f₃＝ 34.270 f₄＝ −15.000 f₅＝ −46.608 f₆＝ 43.700 f₇＝ 44.200 f₈＝ ∞ また、上記実施例における薄肉レンズ構成での各レン
ズ群の間隔を物体側から順にT₁，T₂，T₃，……とすると
き、ズーミングの各状態では以下の表４の値となる。

また、上記実施例の薄肉レンズ構成において、物体距
離D_o＝300mmの至近距離合焦状態では、合焦系の可変レ
ンズ群間隔T₁，T₂は以下の表５の値となる。

そして、最も画角が大きくなる広角端において、各レ
ンズ群を薄肉レンズとみなした場合の合焦系の第１レン
ズ群と第２レンズ群との間隔T₁及び第２レンズ群と第３
レンズ群との間隔T₂は無限遠から至近距離までの合焦に
おいて、以下の表６のとおり変化する。そして、この広
角端における各近距離合焦状態において合焦系の各レン
ズ群を最大画角の主光線が横切る位置き光軸からの距離
h₁，h₂，h₃の値を表７に示す。表６、表７において、
M₀、M₁、M₂、M₃、M₄は各撮影距離における全系の撮影倍
率である。

上記表７に示した合焦レンズ系における各レンズ群の
主光線位置ｈのうち、第１レンズ群における値h₁の変化
の様子をグラフ化したのが第５図である。h₃以降は合焦
状態に依存しないので各撮影距離で同一値となる。

表７及び第５図から明瞭に理解される如く、本発明の
合焦方式においては、無限遠から0.3mの最短撮影距離ま
での合焦においても、第１レンズ群を横切る近軸主光線
の高さは、殆んど変化することなく一定値を保つのみな
らず、わずかながらとは言え、最短撮影距離のときの方
が小さい値となっている。このことは、本発明における
合焦方式が、従来の方式では避けられなかった合焦に伴
う前玉径の増大を、いかに良く防止しているかを示すに
とどまらず、逆に改良さえし得ることを意味するもので
ある。同時に、合焦に伴う前玉径の変化が少ないという
ことは、定性的には、合焦に伴う収差変動も少ないとい
うことをも意味している。

さらに、本発明の合焦方式においては、先頭群である
第１レンズ群が固定されているために、合焦時にレンズ
系の全長が変化することがない。従って撮影の実際にお
ける操作性を良好に保つこともできる。さらにまた、先
頭群固定の副次的効果として、鏡筒の機構上も簡単な構
造となり、設計も容易になると共に、簡略化された分だ
けレンズ重量を軽減することも可能である。

表１に示す本発明実施例においては、前記条件式
（５）に関して、R_a＝R₁₁、R_b＝R₁₃である。また、第２
レンズ群の担う倍率β₂は約0.6、第３レンズ群の担う倍
率β₃は約−１である。そして、上記の実施例における
前述の各条件式の対応値は以下のとおりである。

ｆ＝34.300 ｜f₁|/f＝1.618 f/f_T＝0.714 ｜f₂|/f＝4.082 SF＝1.321 f₃/f＝0.999 上記のごとき本発明の実施例について、最短、中間、
最長焦点距離における無限遠撮影状態での諸収差図をそ
れぞれ順に、第６図、第７図及び第８図に示し、さらに
対応する各焦点距離における最近接撮影状態（物体距離
D₀＝300mm）での諸収差図を第９図、第10図及び第11図
に示す。

これらの収差図より、ズーミングによる全変倍領域及
び第２レンズ群の移動による合焦の全撮影領域におい
て、十分良好な結像性能を維持していることが理解され
る。

このようにして、本発明により画角93°の超広角の焦
点距離（5.7mm）を含みながら、ズーム比8.5倍、Ｆナン
バー1.7〜1.9の優れたズームレンズが実現される。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、合焦時の前玉径の変化
が極端に少なく、さらには、合焦時の収差変動も小さい
ズームレンズの合焦方式を実現できる。

更に、本発明の合焦方式を超広角の焦点距離範囲を含
むズームレンズに使用すれば、最前レンズ群が移動しな
いので操作性も良好であり、機構も簡単で、しかも軽量
化がはかれるばかりでなく、ズーミングに伴う収差変動
も良好に補正できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるズームレンズの基本構成図、第2A
図及び第2B図は本発明の合焦系の構成を説明するための
光路図、第３図は合焦系における軸外主光線の様子を示
す光路図、第４図は本発明による一実施例のレンズ構成
図、第５図は実施例において最大画角の主光線が第１レ
ンズ群を横切る位置の光軸からの距離の変化を示す図で
ある。第６図、第７図及び第８図は無限遠撮影状態にお
ける最短、中間、最長焦点距離状態での諸収差図、第９
図、第10図及び第11図は最近接撮影状態（物体距離D₀＝
300mm）における最短、中間、最長焦点距離状態での諸
収差図である。〔主要部分の符号の説明〕Ｆ…合焦系、Ｚ……変倍系Ｒリレー系１…第１レンズ群、５…第５レンズ群２…第２レンズ群、６…第６レンズ群３…第３レンズ群、７…第７レンズ群４…第４レンズ群、８…第８レンズ群

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】物体側より順に合焦系と、これに後続する
変倍系を持つズームレンズにおいて、該合焦系は物体側
より順に、負屈折力の第１レンズ群、負屈折力の第２レ
ンズ群、及び正屈折力の第３レンズ群を有し、前記負屈
折力の第２レンズ群を物体側へ移動することによって、
無限遠から近距離の物体への合焦を可能とし、該合焦系
としては常に合成で正屈折力を維持し、該合焦系の合成
焦点距離をｆ、前記第１レンズ群の焦点距離をf₁、前記
第２レンズ群の焦点距離をf₂、前記第３レンズ群の焦点
距離をf₃とするとき、 0.5＜｜f₁|/f＜３１＜｜f₂|/f＜７ 0.5＜f₃/f＜３の条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
【請求項２】f_Tを全系の最長焦点距離とするとき、 0.5＜f/f_T＜２の条件を満足することを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載のズームレンズ。
【請求項３】前記第２レンズ群は単一又は貼合せの負レ
ンズ成分で構成され、該負レンズ成分の物体側及び像側
のレンズ面の曲率半径をそれぞれRa、Rbとするとき、０＜SF＜３の条件を満足することを特徴とする特許請求の範囲第１
項又は第２項記載のズームレンズ。