JP3026130B2 - 非球面ズームレンズとそれを用いたビデオカメラ - Google Patents

非球面ズームレンズとそれを用いたビデオカメラ

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JP3026130B2
JP3026130B2 JP4098214A JP9821492A JP3026130B2 JP 3026130 B2 JP3026130 B2 JP 3026130B2 JP 4098214 A JP4098214 A JP 4098214A JP 9821492 A JP9821492 A JP 9821492A JP 3026130 B2 JP3026130 B2 JP 3026130B2
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裕昭 岡山
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ビデオカメラ等に用い
られる高性能非球面ズームレンズに関するものである。
【0002】
【従来の技術】最近のビデオカメラは、操作性、機動性
とともに高画質、高機能が要望され、それに答えて撮像
デバイスも1/3インチの小型で、かつ高解像度のもの
が主流になり、さらには1/4インチも開発されてい
る。また、それにともない大口径比・小型軽量で、かつ
高性能な高倍率ズームレンズが強く要望されている。さ
らに、コスト低減の要望も強く、高性能を維持しつつ、
構成枚数の削減を図った高倍率ズームレンズの実現が強
くせまられている。
【0003】しかし、高倍率ズームレンズはレンズ径や
レンズ全長が大きくなるばかりでなく、より厳しい収差
補正を達成するために多くのレンズ枚数が必要になり、
そのため大きく、重く、さらに高価になり、民生用ビデ
オカメラには適さないものであった。従って、従来の民
生用ビデオカメラに用いられている、Fナンバーが約
1.4〜2.0、10枚程度のレンズから構成された従
来の小型軽量ズームレンズは、6〜8倍程度のズーム比
であった。
【0004】以下、図面を参照しながら、上述した従来
のビデオカメラ用ズームレンズの一例について説明する
(例えば、特願平1−169295参照)。
【0005】図2は、従来のビデオカメラ用ズームレン
ズの構成図を示すものである。図2において、左から順
に、フォーカス部としての第1レンズ群21、変倍部と
しての第2レンズ群22、集光部としての第3レンズ群
23、フォーカス部としての第4レンズ群24、水晶フ
ィルターや撮像素子のフェースプレイト等に相当する等
価的なガラス板25が配列され、最も右に結像面26が
存在する。
【0006】以上のように構成したビデオカメラ用ズー
ムレンズについて、以下その動作の説明をする。結像面
26に対して固定された第1レンズ群21は結像作用を
有し、光軸上を移動する第2レンズ群22は倍率を変え
て、全系焦点距離を変化させる。固定レンズ群である第
3レンズ群23は第2レンズ群22によって生じる発散
光を集光する作用を有し、光軸上を移動する第4レンズ
群24はフォーカス作用を有する。また、ズーミング時
の第2レンズ群22の移動によって生じる像面位置の変
動を、第4レンズ群24の移動によって無くすことによ
り、常に結像面位置26を一定に保っている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成の従来のズームレンズでは、10倍程度のズー
ム比にするとズーム領域全体、および撮影距離全域にお
ける収差補正、特に色収差の補正が困難になり、高画質
が実現できないという課題を有していた。
【0008】本発明は上記従来のズームレンズの課題を
考慮し、簡単な構成で、色収差を含む諸収差の良く補正
された10倍程度のズーム比を有する高性能な高倍率非
球面ズームレンズ及びこの非球面ズームレンズを用いた
ビデオカメラを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、撮像対象物体
側より順に、正の屈折率を持ち結像作用を有する第1レ
ンズ群と、負の屈折力を持ち光軸上を移動することによ
り変倍作用を有する第2レンズ群と、非球面レンズを含
み集光作用を有する正の屈折力の第3レンズ群と、非球
面レンズを含みフォーカス調整を行う正の屈折力の第4
レンズ群から構成され、上記第1レンズ群は撮像対象物
体側より順に凹レンズと両凸レンズおよびメニスカス凸
レンズから、上記第2レンズ群はメニスカス凹レンズお
よび両凹レンズと凸レンズから、上記第3レンズ群は少
なくとも一面以上の非球面形状を有し、かつ凸レンズと
メニスカス凹レンズから構成され、さらに上記第4レン
ズ群は少なくとも一面以上の非球面形状を有するレンズ
を含み、かつ凹レンズと凸レンズからなる接合レンズで
構成され、かつ各レンズ群が収差性能上好ましいレンズ
タイブと面形状からなり、下記の条件を満足することを
特徴とするものである。0.19<d12/fW ただし、fWは広角端における全系の焦点距離、d12
は第3レンズ群を構成する凸レンズとメニスカス凹レン
ズ間の空気間隔である。
【0010】具体的には、上記第3レンズ群が撮像対象
物体側から順に、撮像対象物体側面が凸面の凸レンズと
像側面が凹面の凹レンズからなり、かつ少なくとも一面
以上が非球面形状であることが望ましい。
【0011】更に、具体的には、上記の第4レンズ群が
撮像対象物体側から順に、像側面が凹面の凹レンズと撮
像対象物体側面が凸面の凸レンズからなる接合レンズで
あり、かつ少なくとも一面以上が非球面形状を有するこ
とが望ましい。
【0012】更に、具体的には、上記非球面ズームレン
ズが下記の諸条件を満足することが望ましい。
【0013】(1) 3.0 < f1/fW <
8.0 (2) 0.5 < |f2|/fW <1.6 (3) 2.0 < f3/fW <7.0 (4) 2.0 < f4/fW <5.0 (5) 0.02< d14/f4 <1.0 (6) 0.3 < r11/f3 <1.5 (7) 0.3 <|r14|/f3 <2.0 (8) 0.2 <|r16|/f4 <1.5 ただし、fWは広角端における焦点距離、fi(i=
1,2,3,4)は第iレンズ群の焦点距離、d14は
第3レンズ群と第4レンズ群の間の空気間隔、r11は
第3レンズ群を構成する凸レンズの撮像対象物体側面の
曲率半径、r14は第3レンズ群を構成する凹レンズの
像側面の曲率半径、r16は第4レンズ群を構成する接
合レンズの接合面曲率半径である。
【0014】更に、具体的には、上記第2レンズ群の撮
像対象物体側から数えて2番目の凹レンズにおいて、撮
像対象物体側面と像側面が同じ曲率半径を有する両凹レ
ンズであることが望ましい。
【0015】また、上記目的を達成する本発明のビデオ
カメラは、少なくとも上記本発明の非球面ズームレンズ
と、撮像素子と、信号処理回路と、ビューファインダー
とを備える。
【0016】
【作用】本発明は上記した構成によって、上記第1レン
ズ群は凹レンズと両凸レンズおよびメニスカス凸レンズ
とし、上記第2レンズ群はメニスカス凹レンズおよび両
凹レンズと凸レンズとし、上記第3レンズ群を凸レンズ
メニスカス凹レンズから構成し、かつ少なくとも一面
以上の非球面形状を設け、上記第4レンズ群4を凹レン
ズと凸レンズからなる接合レンズで構成し、かつ少なく
とも一面以上の非球面形状を設けることにより、10倍
程度のズーム比を有する高倍率の非球面ズームレンズを
簡単な構成で提供する。ここで、上記第3レンズ群に含
まれている凹レンズをメニスカス形状にすることは、全
ズーム位置でのコマ収差の補正に有効である。また、条
件式 0.19<d12/fW は第3レンズ群を構成する凸レンズとメニスカス凹レン
ズ間の空気間隔を規定するものであり、この条件をはず
れると広角側の歪曲収差を小さく押さえることが難しく
なる。
【0017】また、条件(1)〜(8)を満足すること
より、簡単な構成で収差の良く補正された高性能な非球
面ズームレンズを提供する。
【0018】また、本発明の非球面ズームレンズを用い
ることにより、小型・軽量で高倍率・高画質のビデオカ
メラを実現することができる。
【0019】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
【0020】図1は本発明の非球面ズームレンズの一実
施例の構成図を示す。図1において、左から順に、第1
レンズ群1、第2レンズ群2、第3レンズ群3、第4レ
ンズ群4、水晶フィルターや撮像デバイスのフェースプ
レート等に光学的に等価な平板5、像面6の順に構成さ
れている。
【0021】すなわち、正の屈折力を持ち結像作用を有
し固定レンズ群である第1レンズ群1と、負の屈折力を
持ち光軸上を移動することにより変倍作用を有する第2
レンズ群2と、正の屈折力を持ち集光作用を有し固定レ
ンズ群である第3レンズ群3と、正の屈折力を有し光軸
上を移動してフォーカス調整を行う第4レンズ群4から
構成されている。
【0022】上記第1レンズ群1は撮像対象物体側より
順に、接合レンズおよび正屈折力のメニスカスレンズか
ら、上記第2レンズ群2は負の屈折力のメニスカスレン
ズおよび接合レンズから、上記第3レンズ群3は少なく
とも一面以上の非球面形状を有し、かつ凸レンズとメニ
スカス凹レンズから構成され、上記第4レンズ群4は少
なくとも一面以上の非球面形状を有するレンズを含み、
かつ凹レンズと凸レンズからなる接合レンズで構成され
ている。ここで、上記第3レンズ群に含まれている凹レ
ンズをメニスカス形状にすることは、全ズーム位置での
コマ収差の補正に有効である。また、条件式 0.19<d12/fW は第3レンズ群を構成する凸レンズとメニスカス凹レン
ズ間の空気間隔を規定するものであり、この条件をはず
れると広角側の歪曲収差を小さく押さえることが出来な
い。 ところで、ズームレンズをコンパクトに構成するに
は各レンズ群の屈折力を強くすることが必要である。上
記条件(1)、条件(2)、条件(3)、条件(4)は各レン
ズ群の屈折力を規定する条件式であり、コンパクトさを
実現する強い屈折力を与え、かつ各レンズ群のレンズタ
イプ、面形状などを最適に設定することにより良好収差
性能を満足する範囲である。
【0023】ところで、ズームレンズをコンパクトに構
成するには各レンズ群の屈折力を強くすることが必要で
ある。上記条件(1)、条件(2)、条件(3)、条件(4)は各レ
ンズ群の屈折力を規定する条件式であり、コンパクトさ
を実現する強い屈折力を与え、かつ各レンズ群のレンズ
タイプ、面形状などを最適に設定することにより良好な
収差性能を満足する範囲である。
【0024】第3レンズ群3が撮像対象物体側から順
に、撮像対象物体側面が凸面の凸レンズと像側面が凹面
の凹レンズからなり、かつ少なくとも一面以上が非球面
形状であるという条件は、2枚のレンズで第3レンズ群
3を構成し、かつFナンバー約1.8という大口径の諸
収差を補正するのに欠かせないものである。特に、第3
レンズ群3の非球面形状は球面収差の補正に大きな効果
を有する。
【0025】第4レンズ群4が像側面が凹面の凹レンズ
と撮像対象物体側面が凸面の凸レンズからなる接合レン
ズで構成され、かつ少なくとも一面の非球面形状を有す
るという条件は、2枚という少ない構成枚数で、軸上及
び軸外の色収差を補正し、かつ単色の軸外収差、特にコ
マ収差を補正する上で欠かせないものである。
【0026】次に、「課題を解決するための手段」の欄
で述べた各条件(1)〜(8)についてより詳しく説明する。
【0027】条件(1)は第1レンズ群1の屈折力に関す
る条件である。下限を越えると第1レンズ群1の屈折力
が大きくなりすぎるため、長焦点側における球面収差の
補正が困難となる。
【0028】上限を越えるとレンズ長が大きくなり、コ
ンパクトなズームレンズが実現できない。
【0029】条件(2)は第2レンズ群2の屈折力に関す
る条件である。下限からはずれる時には、コンパクトに
出来るが、全系のペッツバール和が大きく負になり、硝
材の選択のみでは像面湾曲の補正ができない。上限を越
えると収差補正は容易であるが、変倍系が長くなり全系
のコンパクト化が達成できない。
【0030】条件(3)は第3レンズ群3の屈折力に関す
る条件である。下限を越えると第3レンズ群3の屈折力
が大きくなりすぎるため、水晶フィルターなどを挿入で
きるバックフォーカスを実現できず、さらに球面収差の
補正が困難となる。上限を越えると第1レンズ群1、第
2レンズ群2、第3レンズ群3の合成系が発散系となる
ためその後ろに位置する第4レンズ群4のレンズ外径を
小さくすることができず、また、全体系のペッツバール
和を小さくすることができない。
【0031】条件(4)は第4レンズ群4の屈折力に関す
る条件である。下限からはずれる時には、画面包括範囲
が狭くなり、所望の範囲を得るには第1レンズ群1のレ
ンズ径を大きくする必要があり、小型・軽量化が実現で
きない。上限を越えると収差補正は容易であるが、近距
離撮影時での第4レンズ群4の移動量が大きくなり、全
系のコンパクト化が達成できないばかりでなく、近距離
撮影時と遠距離撮影時の軸外収差のアンバランスの補正
が困難となる。
【0032】条件(5)は第3レンズ群3と第4レンズ群
4との空気間隔に関する条件式である。下限を越えると
軸外光線高が小さくなり、硝材の選択のみでは倍率色収
差の補正が困難となる。また、近距離撮影時の第4レン
ズ群4の移動量に制約が生じ、充分な撮影至近距離が実
現できない。上限を越えると全系のコンパクト化が難し
い。また、画面周辺での充分な光量を確保するとき、第
4レンズ群4のレンズ外径を小さくすることができな
い。
【0033】条件(6)は第3レンズ群3を構成する凸レ
ンズの撮像対象物体側面の曲率半径に関するものであ
る。撮像対象物体側面、あるいは像側面のいずれか一
方、あるいは両方に非球面を導入し、その形状を最適に
設定することにより、諸収差をよく補正することができ
る。しかし、条件(6)の下限を越えると球面収差が補正
困難となり、上限を外れると、主光線より下側の軸外光
線に対するコマ収差の補正が困難となる。
【0034】条件(7)は第3レンズ群3を構成する凹レ
ンズの像側面の曲率半径に関するものである。撮像対象
物体側面、あるいは像側面のいずれか一方、あるいは両
方に非球面を導入し、その形状を最適に設定することに
より、諸収差をよく補正することができる。しかし、条
件(7)の下限を越えると球面収差が補正過剰となり、上
限を外れると、主光線より下側の軸外光線に対するコマ
収差が補正不足となり、非球面形状の最適化では良好な
収差性能が得られない。
【0035】条件(8)は第4レンズ群4を構成するレン
ズの接合面の曲率半径に関するものである。接合レンズ
を構成する負の屈折力レンズの撮像対象物体側面、ある
いは接合面、あるいは正の屈折力レンズの像側面のうち
少なくとも一面に非球面を導入し、その形状を最適に設
定することにより、軸上、および倍率の色収差を補正し
つつ、単色収差を良く補正することができる。しかし、
条件(8)の下限を外れると、これらの面への入射角が大
きくなり、主光線より上側の軸外光線に対するコマ収差
の補正が困難となり、また、F線の球面収差が補正過剰
となる。上限を越えると、実用上使用可能な硝材の範囲
内では軸上、および倍率色収差の補正ができない。
【0036】第2レンズ群2を構成する撮像対象物体側
から数えて2番目の両凹レンズが同じ曲率半径の絶対値
を持つという条件は、曲率の区別が非常に困難な小径レ
ンズにおいて、組み立て時に反対向きに挿入されること
がなく、製造上大きな利点を提供する。なお、図1にお
いて、メニスカス凹レンズと両凹レンズとの間には、空
間部が存在している。
【0037】次に、具体的な数値例を、(表1)に示
す。
【0038】
【表1】
【0039】この表において、rはレンズ面の曲率半
径、dはレンズの肉厚またはレンズ間の空気間隔、nは
各レンズのd線に対する屈折率、νは各レンズのd線に
対するアッベ数である。
【0040】また、非球面形状は次式で定義している。
【0041】
【数1】
【0042】Z:光軸からの高さがYにおける非球面上
の点の非球面頂点からの距離 Y:光軸からの高さ C:非球面頂点の曲率(=1/r) K:円錐定数 D,E,F,G:非球面係数 第11面、第14面、第17面は非球面であり、非球面
係数を(表2)に示す。
【0043】
【表2】
【0044】次に、ズーミングにより可変な空気間隔の
一例として、無限遠物点の時の値を(表3)に、レンズ
先端から測って2m位置の物点の時の値を(表4)に、
レンズ先端から測って1m位置の物点の時の値を(表
5)に示す。これらの表において、標準位置は各物点位
置において、第4レンズ群4が第3レンズ群3に最も接
近するズーム位置である。fとF/NOは、それぞれ各
ズーム位置における焦点距離とFナンバーである。
【0045】
【表3】
【0046】
【表4】
【0047】
【表5】
【0048】第2の数値実施例を(表6)に示す。
【0049】
【表6】
【0050】なお、第11面、第12面、第17面は非
球面であり、各面の非球面係数を(表7)に示す。
【0051】
【表7】
【0052】次に、ズーミングにより可変な空気間隔の
一例として、レンズ先端から測って2m位置の物点の時
の値を(表8)に示す。fとF/NOは、それぞれ各ズ
ーム位置における焦点距離とFナンバーである。
【0053】
【表8】
【0054】第3の数値実施例を(表9)に示す。
【0055】
【表9】
【0056】なお、第11面、第12面、第17面は非
球面であり、非球面係数を(表10)に示す。
【0057】
【表10】
【0058】次に、ズーミングにより可変な空気間隔の
一例として、レンズ先端から測って2m位置の物点の時
の値を(表11)に示す。fとF/NOは、それぞれ各
ズーム位置における焦点距離とFナンバーである。
【0059】
【表11】
【0060】図3、図4,図5はそれぞれ(表1)に示
した第1実施例の非球面ズームレンズの広角端、標準、
望遠端における収差図である。同様に、図6,図7,図
8は(表6)に示した第2実施例の非球面ズームレンズ
の収差性能を、図9,図10,図11は(表9)に示し
た第3実施例の非球面ズームレンズの収差性能を示す。
これらの図から、各実施例とも良好な光学性能を有して
いることが分かる。
【0061】また、本発明のビデオカメラは、少なくと
も上記本発明の高倍率ズームレンズ、撮像素子、信号処
理回路、ビューファインダーから構成されるものであ
る。
【0062】なお、以上の説明では第4レンズ群4の接
合レンズのうち、凸レンズが非球面形状を有する場合に
ついて述べたが、また凹レンズが非球面形状を有する場
合にも、接合面が非球面形状を有し両方が非球面レンズ
の場合にも応用することができるのはもちろんである。
【0063】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の非球面ズームレンズにより、例えば、Fナンバーが約
1.8、ズーム比が約10倍で、色収差の良く補正され
た高性能非球面ズームレンズを10枚という少ない構成
枚数で実現することができ、この非球面ズームレンズを
用いて、小型・軽量・高性能なビデオカメラを実現する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の非球面ズームレンズの
構成図である。
【図2】従来の非球面ズームレンズの構成図である。
【図3】本発明の第1の実施例における非球面ズームレ
ンズの広角端ズーム位置での収差図である。
【図4】本発明の第1の実施例における非球面ズームレ
ンズの標準ズーム位置での収差図である。
【図5】本発明の第1の実施例における非球面ズームレ
ンズの望遠端ズーム位置での収差図である。
【図6】本発明の第2の実施例における非球面ズームレ
ンズの広角端ズーム位置での収差図である。
【図7】本発明の第2の実施例における非球面ズームレ
ンズの標準ズーム位置での収差図である。
【図8】本発明の第2の実施例における非球面ズームレ
ンズの望遠端ズーム位置での収差図である。
【図9】本発明の第3の実施例における非球面ズームレ
ンズの広角端ズーム位置での収差図である。
【図10】本発明の第3の実施例における非球面ズーム
レンズの標準ズーム位置での収差図である。
【図11】本発明の第3の実施例における非球面ズーム
レンズの望遠端ズーム位置での収差図である。上記球面
収差の図において、実線はd線、点線はF線、破線はC
線に対する値を示す。非点収差の図において、実線はサ
ジタル像面湾曲、点線はメリディオナル像面湾曲を示
す。
【符号の説明】
1 第1レンズ群 2 第2レンズ群 3 第3レンズ群 4 第4レンズ群 5 水晶フィルターなど 6 結像面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−242707(JP,A) 特開 平5−60974(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 9/00 - 17/08 G02B 21/02 - 21/04 G02B 25/00 - 25/04

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 撮影対象物体側より順に、正の屈折力を
    持ち像面に対して固定された第1レンズ群と、負の屈折
    力を持ち光軸上を移動することにより変倍作用を有する
    第2レンズ群と、像面に対して固定され集光作用を有す
    る正の屈折力の第3レンズ群と、上記第2レンズ群の移
    動、および前記撮影対象物体の移動によって変動する像
    面を基準面から一定の位置に保つように光軸上を移動す
    る正の屈折力の第4レンズ群とを備えた非球面ズームレ
    ンズであって、前記第1レンズ群は前記撮影対象物体側
    から順に、凹レンズと両凸レンズおよびメニスカス凸レ
    ンズから、前記第2レンズ群はメニスカス凹レンズおよ
    び両凹レンズと凸レンズから、前記第3レンズ群は少な
    くとも一面以上の非球面形状を有し、かつ凸レンズと
    ニスカス凹レンズから、そして前記第4レンズ群は少な
    くとも一面以上の非球面形状を有するレンズを含み、か
    つ凹レンズと凸レンズからなる接合レンズで構成され
    下記の条件式を満足することを特徴とする非球面ズーム
    レンズ。0.19<d12/fW (ただし、fWは広角端における全系の焦点距離、d1
    2は第3レンズ群を構成する凸レンズとメニスカス凹レ
    ンズ間の空気間隔である)
  2. 【請求項2】 第3レンズ群が、前記撮像対象物体側か
    ら順に、前記撮像対象物体側面が凸面の凸レンズと像側
    面が凹面の凹レンズからなり、かつ少なくとも一面以上
    が非球面形状であることを特徴とする請求項1記載の非
    球面ズームレンズ。
  3. 【請求項3】 第4レンズ群が、前記撮像対象物体側か
    ら順に、像側面が凹面の凹レンズと、前記撮像対象物体
    側面が凸面の凸レンズからなる接合レンズであり、かつ
    少なくとも一面以上が非球面形状を有することを特徴と
    する請求項1記載の非球面ズームレンズ。
  4. 【請求項4】下記の諸条件(1)〜(8)を満足する、 (1) 3.0 < f1/fW <8.0 (2) 0.5 < |f2|/fW <1.6 (3) 2.0 < f3/fW <7.0 (4) 2.0 < f4/fW <5.0 (5) 0.02< d14/f4 <1.0 (6) 0.3 < r11/f3 <1.5 (7) 0.3 <|r14|/f3 <2.0 (8) 0.2 <|r16|/f4 <1.5 (ただし、fWは広角端における焦点距離、fi(i=
    1,2,3,4)は第iレンズ群の焦点距離、d14は
    第3レンズ群と第4レンズ群の間の空気間隔、r11は
    第3レンズ群を構成する凸レンズの前記撮像対象物体側
    面の曲率半径、r14は第3レンズ群を構成する凹レン
    ズの像側面の曲率半径、r16は第4レンズ群を構成す
    る接合レンズの接合面曲率半径である)、 ことを特徴とする請求項1記載の非球面ズームレンズ。
  5. 【請求項5】 第2レンズ群の前記撮像対象物体側から
    数えて2番目の凹レンズにおいて、前記撮像対象物体側
    面と像側面が同じ曲率半径を有する両凹レンズであるこ
    とを特徴とする請求項1記載の非球面ズームレンズ。
  6. 【請求項6】 請求項1記載の非球面ズームレンズを用
    いたことを特徴とするビデオカメラ。
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