JP3592211B2

JP3592211B2 - ズームレンズ及びそれを用いた光学機器

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Publication number: JP3592211B2
Application number: JP2000218644A
Authority: JP
Inventors: 博之浜野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2020-07-19
Also published as: JP2002031756A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ズームレンズ及びそれを用いた光学機器に関し、特にビデオカメラやフィルムカメラ、そして放送用カメラ等に好適に用いられる高変倍比でありながら構成レンズ枚数が比較的少ないレンズ系全体の小型化を図ったズームレンズ及びそれを用いた光学機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体撮像素子を用いたビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の光学機器の高機能化に伴い、それに用いる撮影系としてコンパクトで高解像なズームレンズが要求されている。
【０００３】
これらの要求に答える為、物体側より順に正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、そして正の屈折力の第４レンズ群の４つのレンズ群を有し、第２レンズ群を移動させて変倍を行い、第４レンズ群にて変倍に伴なう像面変動を補正すると共に、フォーカシングを行う所謂リアフォーカス式のズームレンズが、例えば特開昭６２−２０６５１６号公報、特開昭６２−２１５２２５号公報、特開昭６２−２４２１３号公報、特開平４−４３３１１号公報、特開平５−７２４７２号公報、特開平６−３４８８２号公報等に開示されている。
【０００４】
一般的にリアフォーカス式のズームレンズは、第１レンズ群を移動させてフォーカスを行うズームレンズに比べて、第１レンズ群の有効径が小さくなり、レンズ系全体の小型化が容易になる。又近接撮影が可能となり、更に比較的小型軽量のレンズ群を移動させているので、レンズ群の駆動力が小さくてすみ迅速な焦点合わせが出来るという特徴がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般にズームレンズにおいてリアフォーカス方式を採用すると前述の如くレンズ系全体が小型化され、又迅速なるフォーカスが可能となり更に近接撮影が容易となる等の特徴が得られる。
【０００６】
又、一般的な正，負，正，正の屈折力のレンズ群構成の４群ズームレンズでは、第２レンズ群を光軸に沿って移動させることにより高い変倍作用を発生させている。レンズ全長の短縮化を図る場合、第２レンズ群の光軸上の移動量を減少させることが最も有効であるが、移動量を減少させる為には、第２レンズ群の屈折力を強くせざるを得ない。一般に屈折力を強くすると、結像性能（光学性能）が悪化してくる。
【０００７】
また、一般的な正，負，正，正の屈折力のレンズ群構成の４群ズームレンズでは、最もレンズ径が大きくなる第１レンズ群に負レンズ（凹レンズ）１枚・正レンズ（凸レンズ）２枚の３枚のレンズを使用している場合が多く、第１レンズ群の径方向及び光軸方向のコンパクト化が阻害されていた。
【０００８】
この間題に対して、通常、負レンズ１枚・正レンズ２枚の３枚で構成される第１レンズ群を１枚の正レンズにて構成した４群ズームレンズが、例えば特開昭６２−２４７３１７号公報や、特開平１０−６２６８７号公報等に開示されている。
【０００９】
このうち特開昭６２−２４７３１７号公報では、変倍動作中で固定の単一の正レンズからなる正の屈折力の第１レンズ群、１枚のメニスカス状の正レンズと両レンズ面が凹面の負レンズとを貼り合せた一組の接合レンズからなり、広角端から望遠端への変倍に際して像面側に単調移動する負の屈折力の第２レンズ群、一組の接合レンズと１枚の正レンズからなり、広角端から望遠端への変倍に際して物体側に単調移動する正の屈折力の第３レンズ群、変倍に際して固定の正の屈折力の第４レンズ群にて構成している。
【００１０】
しかしながら、特開昭６２−２４７３１７号公報のズームレンズにおいては、第２レンズ群の移動が広角端から望遠端の変倍に際して単調に像面側に移動して、その変倍分担が大きいため第２レンズ群と第３レンズ群の間隔が広くなってレンズ全長が長くなる傾向があった。
【００１１】
また、特開平１０−６２６８７号公報は、変倍に際して第２、第３、第４レンズ群をを移動させることにより、各レンズ群に変倍作用を分担させ、結像性能を悪化させることが無く、各レンズ群の移動量を少なくしている。しかしながら第２レンズ群が３枚のレンズであるため第２レンズ群自体がかなりの厚さを持ってしまい、沈胴時のレンズ全長が長くなる傾向があった。
【００１２】
本発明はレンズ系全体を小型化し、高変倍比であるにもかかわらず高い光学性能を有し、かつレンズの構成枚数を減らした簡易な構成のズームレンズ及びそれを用いた光学機器の提供を目的とする。
【００１３】
本発明の更なる目的は、固体撮像素子を用いた撮影系に好適な、構成レンズ枚数の少ない、コンパクトで、優れた光学性能を有するズームレンズの提供にある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のズームレンズは、物体側より順に、正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、正の屈折力の第４レンズ群から成り、ズーミングに際し、該第２レンズ群、第３レンズ群、第４レンズ群が移動するズームレンズであって、該第２レンズ群は負レンズと正レンズから成り、このうち少なくとも１面は非球面であり、第３レンズ群は、物体側から像側へ順に、正レンズ、負レンズ、負レンズ、正レンズから成り、物体側から数えて１番目の正レンズと２番目の負レンズ、３番目の負レンズと４番目の正レンズとをそれぞれ貼合わした２組の貼合わせレンズで構成すると共に、広角端における全系の焦点距離をｆＷ、前記第３レンズ群の焦点距離をｆ３とするとき、
１．７＜ｆ３／ｆＷ＜２．４
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１レンズ群は単一の正レンズから成りその物体側と像側のレンズ面の曲率半径を各々Ｒ１１，Ｒ１２とするとき
−４．５＜（Ｒ１１＋Ｒ１２）／（Ｒ１１−Ｒ１２）＜−０．８
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、広角端における全系の焦点距離をｆＷ、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
１．８＜｜ｆ２／ｆＷ｜＜２．５
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記第４レンズ群を移動させてフォーカシングを行い、望遠端で、無限遠物体距離での該第４レンズ群の横倍率をβ４ｔとするとき
０．６＜β４ｔ＜０．８５
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記第４レンズ群は単一の正レンズよりなることを特徴としている。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１から５のいずれか１項の発明において、固体撮像素子に像を形成することを特徴としている。
【００２０】
請求項７の発明の撮像装置は、請求項１から６のいずれか１項のズームレンズと、該ズームレンズによって形成される像を受光する固体撮像素子とを備えることを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１（後述の数値実施例１）のズームレンズの要部断面図、図２、図３、図４は実施形態１のズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端のズーム位置における収差図である。
【００２４】
図５は本発明の実施形態２（後述の数値実施例２）のズームレンズの要部断面図、図６、図７、図８は実施形態２のズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端のズーム位置における収差図である。
【００２５】
図９は本発明の実施形態３（後述の数値実施例３）のズームレンズの要部断面図、図１０、図１１、図１２は実施形態３のズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端のズーム位置における収差図である。
【００２６】
各レンズ断面図中、Ｌｌは正の屈折力の第１群（第１レンズ群）、Ｌ２は負の屈折力の第２群（第２レンズ群）、Ｌ３は正の屈折力の第３群（第３レンズ群）、Ｌ４は正の屈折力の第４群（第４レンズ群）である。ＳＰは開口絞りであり、第３群Ｌ３の前方に配置している。Ｇは色分解プリズムやフェースプレートやフィルター等のガラスブロックである。ＩＰは像面であり、ＣＣＤ等の撮像素子が配置されている。
【００２７】
本実施形態では、広角端から望遠端への変倍に際して、図中の矢印に示す如く第２レンズ群Ｌ２が像面側に凸状の軌跡で移動する領域を含むように移動し、第３レンズ群Ｌ３が物体側に単調に移動し、第４レンズ群Ｌ４が物体側に凸の軌跡を含むように移動する。
【００２８】
絞りＳＰは、第３レンズ群Ｌ３と一体で移動する。本実施形態のズームレンズを、例えばデジタルスチルカメラ等の光学機器に応用する場合にはこの絞りにシャッター機能を持たせても良い。このようにすればより構造が簡略化できる。
【００２９】
本実施形態では、第２レンズ群を物体側に比べ像面側に強い屈折力の凸面を向けた負レンズと像面側に比べ物体側に強い屈折力の凸面を向けた正レンズの全体として２枚のレンズで構成することにより、第２レンズ群の厚みを薄くして沈胴時のレンズ全長の短縮化に寄与させている。尚、本実施形態においては第２レンズ群にレンズ中心からレンズ周辺に行くに従って負の屈折力が弱くなる形状の非球面を導入するのが良い。これによれば光学機器での歪曲収差や望遠端での球面収差を良好に補正するのが容易となる。特に非球面は球面収差やコマ収差の発生が大きい負レンズの強い屈折力の凹面に導入するのが最も効果的で望ましい。
【００３０】
本実施形態では第３レンズ群を２組の貼合わせレンズで構成している。これによる利点は、所謂トリプレットタイプにおける負レンズ成分の屈折力を２成分の屈折力に分離し、トリプレットタイプの様な単一の負レンズ成分による収差補正法に対して収差補正上の、自由度を増やすことである。これにより負レンズ成分のガラス厚を増大させることにより補正していた軸外フレアの補正や、負レンズ前後に設けた２つの負の空気レンズによる球面収差の補正を行うことをなくしている。そしてトリプレットタイプに比較して第３レンズ群の光軸上の厚みを小さくすることを可能とし、光学全長の短縮及び沈胴時のレンズ全長短縮に寄与している。また第３レンズ群のレンズ内部偏心による収差の敏感度もこれによって低減することが出来、調整の必要が無くなるためコストダウンも達成している。
【００３１】
第４レンズ群は、撮像素子の小型化に伴う撮影レンズの屈折力の増大を分担すると共に、特に固体撮像素子等を用いた光学機器に必要な像側のテレセントリックな結像を行っている。即ち第４レンズ群にフィールドレンズの役割を持たせている。
【００３２】
本実施形態では以上のようにレンズ構成を設定することにより、全変倍範囲にわたり、又、物体拒離全体にわたり高い光学性能を得ている。
【００３３】
本発明のズームレンズは、以上のような構成を満足することにより実現されるが、更に高変倍比を維持しつつ光学性能を良好に維持する為には、以下の条件のうち少なくとも１つを満足することが望ましい。
【００３４】
（アー１）前記第１レンズ群は単一の正レンズで構成されその物体側と像側のレンズ面の曲率半径を各々Ｒ１１、Ｒ１２とするとき、
−４．５＜（Ｒ１１＋Ｒ１２）／（Ｒ１１−Ｒ１２）＜−０．８・・・（１）
なる条件を満足することを特徴とすることである。第１レンズ群を条件式（１）を満足するような形状の単一レンズで構成することにより、レンズ構成枚数の低減化による光学性能の低下を必要最小限度に抑えつつ、レンズ全長の短縮化とレンズ構成の簡素化を容易にしている。条件式（１）の下限値を超えると広角端での歪曲収差の補正が困難になり、また上限値を超えると望遠端での球面収差の補正が因難になるので良くない。
（ア−２）広角端における全系の焦点距離をｆＷ、前記第３レンズ群の焦点距離をｆ３とするとき、
１．７＜ｆ３／ｆＷ＜２．４・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とすることである。条件式（２）の下限値を超えて第３レンズ群の屈折力が強くなり過ぎるとペッツバール和が正の方向に大きくなりすぎて像面湾曲の補正が困難になる。逆に上限値を超えて屈折力が弱くなり過ぎると変倍に伴う第３レンズ群の光軸上の移動量が増大し、レンズ全長もそれに伴って長くなるのでよくない。
【００３５】
条件式（２）を好ましくは
１．９＜ｆ３／ｆｗ＜２．２・・・（２ａ）
にすると更に全長と収差のバランスが良くなる。
（ア−３）広角端における全系の焦点距離をｆＷ、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
１．８＜｜ｆ２／ｆＷ｜＜２．５・・・（３）
なる条件を満足することを特徴とすることである。
【００３６】
条件式（３）の上限値を超えて第２レンズ群の屈折力が小さくなりすぎると変倍に伴う第２レンズ群の光軸上の移動量が増大し、第２レンズ群を移動させる為のメカ構造の移動機構が長くなり好ましくない。
【００３７】
条件式（３）の下限値を超えて第２レンズ群の屈折力が強くなり過ぎると変倍に伴う収差変動が増大してくるのでよくない。
【００３８】
（アー４）第４レンズ群を移動させてフォーカシングを行い、望遠端における無限遠物体距離での第４レンズ群の横倍率をβ４ｔとするとき、
０．６＜β４ｔ＜０．８５・・・（４）
なる条件を満足することを特徴とすることである。
【００３９】
条件式（４）の下限値を超えて横倍率β４ｔを小さくすると第１レンズ群から第３レンズ群の合成焦点距離が長くなりすぎてレンズ全長の短縮が困難になる。逆に上限値を超えると第４レンズ群の敏感度が小さくなりすぎてフォーカシングに必要な第４レンズ群の移動量が大きくなり過ぎてくるのでよくない。
【００４０】
（ア−５）前記第４レンズ群は単一の正レンズよりなることを特徴とするものである。
【００４１】
（ア−６）前記第３レンズ群は物体側から正レンズと負レンズの貼合わせレンズ、負レンズと正レンズの貼合わせレンズで構成されていることを特徴とすることである。
【００４２】
第３レンズ群を２組の貼合わせレンズで構成するとき物体側から順に物体側に強い凸面を有する正のレンズ３１、像面側に強い凹面を有するレンズ３２の貼合わせレンズ、更に負のレンズ３３と正のレンズ３４の貼合わせレンズで構成するのが良い。
【００４３】
レンズ３１とレンズ３２の組み合わせで第３レンズ群全体をテレフォト構成とすることでレンズ全長の小型化を達成している。正レンズ３１の物体側面には非球面を用いるのが球面収差の補正に効果的である。
【００４４】
（ア−７）無限遠物体から近距離物体ヘフォーカスをする場合には第１レンズ群を物体側へ移動しても良いが、さらに望ましくは、第４レンズ群を物体側に移動した方が良い。これによれば、最も物体側に配置した第１レンズ群をフォーカシングさせた場合に生じる、前玉径の増大、レンズ重量が比較的重い第１レンズ群を移動させることによるアクチュエーターの負荷の増大を防ぎ、さらに第４レンズ群以外の群をカム等で単純に連携してズーミング時に移動させることが可能となり、メカ構造の簡素化及び精度向上を達成できる。
【００４５】
（ア−８）第４レンズ群でフォーカシングをするときフォーカシング群の重量を軽減するには第４レンズ群を単一の正レンズ４１のみで構成するのが望ましい。そして正レンズ４１の材質のアッベ数をν４１とするとき、
ν４１＞５５・・・（５）
とするのが良い。これによればフォーカシングの際の倍率色収差の変動を小さくすることができる。
【００４６】
（ア−９）第３レンズ群の正レンズの材質の平均屈折力をＮ３とするとき
Ｎ３＞１．７２・・・（６）
とするのが良い。これによれば正の方向のペッツバール和の増大を抑えることが容易となる。
【００４７】
本発明のズームレンズでは前述の如くレンズ構成を特定することにより、
・特に広角側での非点収差・歪曲収差を良好に補正することができる。
・最小のレンズ構成を取りつつ、移動するレンズ群の収差分担を減らし、製造誤差によるレンズ群相互の偏心等での光学性能の劣化を少なくし、製造の容易なものとすることができる。
・構成レンズ枚数を最小としながら、固体撮像素子を用いた撮影系に好適な良好な像側テレセントリック結像をもたせることができる。
・沈胴ズームレンズに要求される各レンズ群の光軸上の長さや各レンズ群のズーミング及びフォーカシングによる光軸上の移動量を短くすることができる。
・広角端のみならずズーム全域で歪曲収差を良好に補正することができる。
・テレセントリック結像を保ったまま変倍レンズ群の移動量を減らし、さらなる小型化を達成することができる。
・近距離物体へのフオーカシング機構を簡素化することができる。
等の効果を得ている。
【００４８】
次に本発明のズームレンズを撮影光学系として用いたビデオカメラ（光学機器）の実施形態を図１３を用いて説明する。
【００４９】
図１３において、１０はビデオカメラ本体、１１は本発明のズームレンズによって構成された撮影光学系、１２は撮影光学系１１によって被写体像を受光するＣＣＤ等の撮像素子、１３は撮像素子１２が受光した被写体像を記録する記録手段、１４は不図示の表示素子に表示された被写体像を観察するためのファインダーである。
【００５０】
上記表示素子は液晶パネル等によって構成され、撮像素子１２上に形成された被写体像が表示される。１５は、前記ファインダーと同等の機能を有する液晶表示パネルである。
【００５１】
このように本発明のズームレンズをビデオカメラ等の光学機器に適用することにより、小型で高い光学性能を有する光学機器を実現している。
【００５２】
次に、本発明のズームレンズの数値実施例を示す。各数値実施例においてｉは物体側からの光学面の順序を示し、Ｒｉは第ｉ番目の光学面（第ｉ面）の曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の間隔、ｎｉとνｉはそれぞれｄ線に対する第ｉ番目の光学部材の材質の屈折率、アッベ数を示す。また、もっとも像側の２面はフェースプレート等のガラス材である。またｋを離心率、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ‥‥‥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、
ｘ＝（ｈ^２／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）^２｝^１／２］＋Ｂｈ^４＋Ｃｈ^６＋Ｄｈ^８＋Ｅｈ^１０・・・
で表示される。但しＲは曲率半径である。又、各数値実施例における上述した条件式との対応を表１に示す。
【００５３】
【外１】

【００５４】
【外２】

【００５５】
【外３】

【００５６】
【表１】

【００５７】
【発明の効果】
本発明のズームレンズは、以上のように各要素を設定することにより、レンズ系全体を小型化し、高変倍比であるにもかかわらず高い光学性能を有し、かつレンズの構成枚数を減らした簡易な構成のズームレンズ及びそれを用いた光学機器を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】数値実施例１のズームレンズのレンズ断面図である。
【図２】数値実施例１のズームレンズの広角端における収差図である。
【図３】数値実施例１のズームレンズの中間焦点距離における収差図である。
【図４】数値実施例１のズームレンズの望遠端における収差図である。
【図５】数値実施例２のズームレンズのレンズ断面図である。
【図６】数値実施例２のズームレンズの広角端における収差図である。
【図７】数値実施例２のズームレンズの中間焦点距離における収差図である。
【図８】数値実施例２のズームレンズの望遠端における収差図である。
【図９】数値実施例３のズームレンズのレンズ断面図である。
【図１０】数値実施例３のズームレンズの広角端における収差図である。
【図１１】数値実施例３のズームレンズの中間焦点距離における収差図である。
【図１２】数値実施例３のズームレンズの望遠端における収差図である。
【図１３】本発明の光学機器の要部概略図である。
【符号の説明】
Ｌ１第１群
Ｌ２第２群
Ｌ３第３群
Ｌ４第４群
ＳＰ絞り
Ｇガラスブロック
ＩＰ像面
ｄｄ線
ｇｇ線
△Ｍメリディオナル像面
△Ｓサジタル像面

Claims

物体側より順に、正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、正の屈折力の第４レンズ群から成り、ズーミングに際し、該第２レンズ群、第３レンズ群、第４レンズ群が移動するズームレンズであって、該第２レンズ群は負レンズと正レンズから成り、このうち少なくとも１面は非球面であり、第３レンズ群は、物体側から像側へ順に、正レンズ、負レンズ、負レンズ、正レンズから成り、物体側から数えて１番目の正レンズと２番目の負レンズ、３番目の負レンズと４番目の正レンズとをそれぞれ貼合わした２組の貼合わせレンズで構成すると共に、広角端における全系の焦点距離をｆＷ、前記第３レンズ群の焦点距離をｆ３とするとき、
１．７＜ｆ３／ｆＷ＜２．４
なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
前記第１レンズ群は単一の正レンズから成りその物体側と像側のレンズ面の曲率半径を各々Ｒ１１，Ｒ１２とするとき
−４．５＜（Ｒ１１＋Ｒ１２）／（Ｒ１１−Ｒ１２）＜−０．８
なる条件を満足することを特徴とする請求項１のズームレンズ。
広角端における全系の焦点距離をｆＷ、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
１．８＜｜ｆ２／ｆＷ｜＜２．５
なる条件を満足することを特徴とする請求項１のズームレンズ。
前記第４レンズ群を移動させてフォーカシングを行い、望遠端で、無限遠物体距離での該第４レンズ群の横倍率をβ４ｔとするとき
０．６＜β４ｔ＜０．８５
なる条件を満足することを特徴とする請求項１のズームレンズ。
前記第４レンズ群は単一の正レンズよりなることを特徴とする請求項１のズームレンズ。
固体撮像素子に像を形成することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項のズームレンズ。
請求項１から６のいずれか１項のズームレンズと、該ズームレンズによって形成される像を受光する固体撮像素子とを備えることを特徴とする撮像装置。