JP3800847B2 - 撮影光学系の画面サイズ変換方法及び撮像装置 - Google Patents
撮影光学系の画面サイズ変換方法及び撮像装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮影光学系、更に詳しくは、異なる画面サイズに対応可能な撮影光学系に関し、例えば、異なる画面サイズの光電変換素子に対応可能な撮影光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータの普及に伴い、電子データとして手軽に画像を取り込めるデジタルスチルカメラが普及しつつある。このようなデジタルスチルカメラには光電変換素子が用いられている。このような光電変換素子の画面サイズは、ユーザーのカメラの小型化及びコストダウンの要求を達成するため小型化されていく傾向と、ユーザーの高画質化の要求を達成するため画面サイズをそのままにして高画素化されていく傾向という２つの相反する傾向が存在する。
【０００３】
以上のような事情から、現在、デジタルスチルカメラの分野においては、様々な要望に応じた異なる画面サイズの光電変換素子に対して、それぞれ専用の撮影光学系が用いられている。しかしながら、異なる画面サイズの光電変換素子に対して、対応可能な共通の撮影光学系が提供できれば、撮影光学系の大幅なコスト削減が期待できる。
【０００４】
異なる画面サイズの光電変換素子に対応可能な撮影光学系の具体例としては、従来、大きい画面サイズに対応した撮影光学系を、そのまま小さい画面サイズにも適用する方法が知られている。また、別の方法として、特開平８−１１４７４２号公報或いは特開平１０−３１９３１４号公報には、撮影光学系によって形成された画像を、倍率を変化させて再結像させるリレーレンズ系を用いるという方法が提案されている。さらに、特開平１０−１２３４１６号、特開平９−３２９７４３号、特開平９−３２９７４４号、特開平７−１９９０６７号の各公報には、撮影光学系の光路途中に着脱或いは交換可能な変換レンズ群を配置し、画面サイズに応じて変換レンズ群を着脱或いは交換して撮影光学系の構成を変更する技術が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような、大きい画面サイズに対応した撮影光学系を、そのまま小さい画面サイズにも用いるという方法では、小さい画面サイズで使用する場合には、撮影光学系が必要以上に大きな光学系となっているばかりか、画角と焦点距離の関係から焦点距離域が長焦点距離側へシフトしてしまうため実用的でないという問題がある。また、上述した第２の、リレーレンズ系を用いる方法では、リレーレンズ系の光路を確保する必要があるため、撮影光学系全体が非常に大型化するという問題がある。
【０００６】
さらに、上述した第３の、画面サイズに応じて変換レンズ群を着脱或いは交換して撮影光学系の構成を変更する方法では、各レンズ群を保持する鏡胴を画面サイズに応じて異なる構成にしておくか、変換レンズ群を着脱或いは交換するために中間部分を可動にしておく必要があり、非常に複雑な構成となる問題がある。本発明は、このような問題に鑑み、異なる画面サイズの光電変換素子に対応する事が可能であり、小型化，高画質化を達成する事ができる撮影光学系を提供する事を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、物体側から順に、物体側レンズ群と、後続する複数のレンズ群とから成り、その物体側レンズ群及びその複数のレンズ群の内、少なくとも２群を光軸方向に移動させて、変倍を行う撮影光学系を用い、被写体像を第１画面サイズの画像として撮像する場合は第１物体側レンズ群を用い、前記被写体像を前記第１画面サイズより大きい第２画面サイズの画像として撮像する場合は、前記第１物体側レンズ群とは異なる第２物体側レンズ群を用いて構成させるとともに、以下の条件式を満足するよう撮影光学系を構成させる撮影光学系の画面サイズ変換方法を行う。
０．６５＜ｆ１ｂ／ｆ１ｓ＜０．９５
０．５＜Ｙｓ／Ｙｂ＜０．９５
但し、
ｆ１ｓ：第１物体側レンズ群の焦点距離
ｆ１ｂ：第２物体側レンズ群の焦点距離
Ｙｓ：第１画面サイズの最大像高
Ｙｂ：第２画面サイズの最大像高
である。
【０００８】
或いは、被写体像を第１画面サイズの画像として撮像する場合は第１物体側レンズ群を用い、その第１物体側レンズ群を有する撮影光学系の広角端よりも望遠側で且つ中間焦点距離よりも広角側から望遠端の変倍域において、前記被写体像を前記第１画面サイズとは異なる第２画面サイズの画像として撮像する場合は、前記第１物体側レンズ群とは異なる第２物体側レンズ群を用いて撮影光学系を構成させるとともに、以下の条件式を満足するよう撮影光学系を構成させる撮影光学系の画面サイズ変換方法を行う。
０．４５＜Ｚｂ／Ｚｓ＜０．８５
但し、
Ｚｂ：第２画面サイズの光学系のズーム比
Ｚｓ：第１画面サイズの光学系のズーム比
である。
【０００９】
或いは、物体側から順に、正のパワーを有する物体側レンズ群と、負のパワーを有する第２レンズ群と、後続するレンズ群とから成り、各レンズの内、少なくとも２群を光軸方向に移動させて、変倍を行う撮影光学系を用い、被写体像を第１画面サイズの画像として撮像する場合は第１物体側レンズ群を用い、前記被写体像を前記第１画面サイズより大きい第２画面サイズの画像として撮像する場合は、前記第１物体側レンズ群とは異なる第２物体側レンズ群を用いて撮影光学系を構成させるとともに、以下の条件式を満足するよう撮影光学系を構成させる撮影光学系の画面サイズ変換方法を行う。
０．８５＜｜ｆ２｜／ｆｗｓ＜１．５５
但し、
ｆ２ ：第２レンズ群の焦点距離
ｆｗｓ：第１画面サイズの光学系の、広角端での全系の焦点距離
である。
【００１０】
また、前記第１画面サイズに対応した前記撮影光学系を有する撮像装置の構成とする。或いは、前記第２画面サイズに対応した前記撮影光学系を有する撮像装置の構成とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１及び図２，図３及び図４，図５及び図６は、それぞれ第１〜第３の実施形態の撮影光学系のレンズ構成を示している。尚、各図中の矢印は、後述するズーム時の各レンズ群の広角端から望遠端への移動の様子を模式的に示したものである。破線で表す矢印は、移動しない事を示している。また、各図はそのズーム時の広角端の状態を示している。
【００１４】
第１の実施形態の内、図１に示す構成は、第１画面サイズ（小さい画面サイズ，光軸と垂直な方向の高さＹ＝３．１ｍｍ）に対応した構成となっている。同図の左側が物体側、右側が像側である。また、同図のレンズ系はズームレンズであり、物体側から順に、第１レンズ群Ｇｒ１，第２レンズ群Ｇｒ２，第３レンズ群Ｇｒ３及び第４レンズ群Ｇｒ４から構成され、正負正正４成分ズームでＧｒ１，Ｇｒ３固定、Ｇｒ２，Ｇｒ４可動のタイプである。ここでの第１レンズ群を第１物体側レンズ群と呼ぶ。尚、Ｇｒ１は３枚のレンズＧ１，Ｇ２，Ｇ３から成り、Ｇｒ２は３枚のレンズＧ４，Ｇ５，Ｇ６から成り、Ｇｒ３は２枚のレンズＧ１及びＧ２並びに絞りＳから成り、Ｇｒ４は３枚のレンズＧ９，Ｇ１０，Ｇ１１から成る。また、像側端部の平行平板はローパスフィルターＬＰＦである。
【００１５】
第１の実施形態の内、図２に示す構成は、上記図１に示した構成の後述する中間焦点距離〜望遠端において第１レンズ群を交換した光学系で第２画面サイズ（大きい画面サイズ，光軸と垂直な方向の高さＹ＝４．０ｍｍ）に対応した構成となっている。ここでの第１レンズ群を第２物体側レンズ群と呼ぶ。第２レンズ群以降は図１，図２とも全く同じ構成であり、ズーム時のレンズ群の動きも全く同じである。
【００１６】
第２の実施形態の内、図３に示す構成は、第１画面サイズ（小さい画面サイズ，光軸と垂直な方向の高さＹ＝３．１ｍｍ）に対応した構成となっている。同図の左側が物体側、右側が像側である。また、同図のレンズ系はズームレンズであり、物体側から順に、第１レンズ群Ｇｒ１，第２レンズ群Ｇｒ２，第３レンズ群Ｇｒ３及び第４レンズ群Ｇｒ４から構成され、正負正正４成分ズームでＧｒ１，Ｇｒ３固定、Ｇｒ２，Ｇｒ４可動のタイプである。ここでの第１レンズ群を第１物体側レンズ群と呼ぶ。尚、Ｇｒ１は３枚のレンズＧ１，Ｇ２，Ｇ３から成り、Ｇｒ２は３枚のレンズＧ４，Ｇ５，Ｇ６から成り、Ｇｒ３は２枚のレンズＧ１及びＧ２並びに絞りＳから成り、Ｇｒ４は３枚のレンズＧ９，Ｇ１０，Ｇ１１から成る。また、像側端部の平行平板はローパスフィルターＬＰＦである。
【００１７】
第２の実施形態の内、図４に示す構成は、上記図３に示した構成の後述する中間焦点距離〜望遠端において第１レンズ群を交換した光学系で第２画面サイズ（光軸と垂直な方向の高さＹ＝４．０ｍｍ）に対応した構成となっている。ここでの第１レンズ群を第２物体側レンズ群と呼ぶ。第２レンズ群以降は図３，図４とも全く同じ構成であり、ズーム時のレンズ群の動きも全く同じである。
【００１８】
第３の実施形態の内、図５に示す構成は、第１画面サイズ（小さい画面サイズ，光軸と垂直な方向の高さＹ＝３．１ｍｍ）に対応した構成となっている。同図の左側が物体側、右側が像側である。また、同図のレンズ系はズームレンズであり、物体側から順に、第１レンズ群Ｇｒ１，第２レンズ群Ｇｒ２，第３レンズ群Ｇｒ３及び第４レンズ群Ｇｒ４から構成され、正負正正４成分ズームでＧｒ３固定、Ｇｒ１，Ｇｒ２，Ｇｒ４可動のタイプである。ここでの第１レンズ群を第１物体側レンズ群と呼ぶ。尚、Ｇｒ１は３枚のレンズＧ１，Ｇ２，Ｇ３から成り、Ｇｒ２は３枚のレンズＧ４，Ｇ５，Ｇ６から成り、Ｇｒ３は２枚のレンズＧ１及びＧ２並びに絞りＳから成り、Ｇｒ４は３枚のレンズＧ９，Ｇ１０，Ｇ１１から成る。また、像側端部の平行平板はローパスフィルターＬＰＦである。
【００１９】
第３の実施形態の内、図６に示す構成は、上記図５に示した構成の後述する中間焦点距離〜望遠端において第１レンズ群を交換した光学系で第２画面サイズ（光軸と垂直な方向の高さＹ＝４．０ｍｍ）に対応した構成となっている。ここでの第１レンズ群を第２物体側レンズ群と呼ぶ。第２レンズ群以降は図５，図６とも全く同じ構成であり、ズーム時のレンズ群の動きも全く同じである。さらに、第１レンズ群のズーム時の動きも同じである。
【００２０】
通常、同じ仕様であれば第２画面サイズの光学系の方が第１画面サイズの光学系よりも大きくなり、第１レンズ群を交換したとしても、上記従来の技術で説明したように、大きい画面サイズの光学系で大きさはほぼ決まり、第１レンズ群を交換するメリットがない。
【００２１】
ところで、本発明のようなズームタイプでは、広角端から望遠端への変倍の際、第１レンズ群と第２レンズ群との間隔が増大し、第２レンズ群と絞りを含む後続群との間隔が減少する。このようなズームタイプの場合、径方向の大きさは前玉径で決まる事が一般的である。このとき、第１画面サイズの光学系の中間焦点距離〜望遠端において、第１レンズ群を交換する事により、第２画面サイズの光学系に対応させる事で、広がった第１レンズ群と第２レンズ群との間隔を詰めて第１レンズ群が配置され、且つ第２レンズ群と絞りを含む後続群との間隔が縮まっているため、入射瞳位置を近くする事ができ、大幅に前玉径を縮小する事が可能となる。
【００２２】
但し、第１レンズ群を交換したときに第２レンズ群が同じズーム解となるためには、第２レンズ群の倍率がほぼ同じになる必要がある。つまり、第２画面サイズの光学系の広角端〜望遠端での第１レンズ群（第２物体側レンズ群）の第２レンズ群に対する像点位置が、第１画面サイズの光学系の中間焦点位置〜望遠端での第１レンズ群（第１物体側レンズ群）の第２レンズ群に対する像点位置と、ほぼ同じになる必要がある。
【００２３】
このように、第１画面サイズの光学系の中間焦点距離〜望遠端で、第１レンズ群を交換する事により、第２画面サイズの光学系に対応させる事で、第１画面サイズの光学系の大きさを損なう事無く第１，第２画面サイズの光学系を達成する事ができ、また、第２レンズ群以降が共通のズーム解となるので、鏡胴構成の大幅な共通化を図る事ができる。
【００２４】
以下に、光学系について望ましい条件を記す。上記各実施形態の光学系は、以下の条件式（１）を満足する事が望ましい。
０．６５＜ｆ１ｂ／ｆ１ｓ＜０．９５ （１）
但し、
ｆ１ｓ：第１物体側レンズ群の焦点距離
ｆ１ｂ：第２物体側レンズ群の焦点距離
である。
【００２５】
条件式（１）は、交換する第１レンズ群の焦点距離の比を規定する式であり、収差補正及び上述した第１レンズ群の像点位置を、適切に保つための条件である。この条件式の下限値以下になると、第１物体側レンズ群に対して、第２物体側レンズ群の焦点距離が短くなり過ぎ、広角側での周辺性能の確保が困難になるとともに、広角端での第１レンズ群と第２レンズ群との間隔を確保して第１レンズ群の像点位置を適切に保つ事が困難となる。逆に、上限値以上になると、第１物体側レンズ群に対して、第２物体側レンズ群の焦点距離が長くなり過ぎ、広角端での第１レンズ群と第２レンズ群との間隔が広くなり過ぎて、全長及び前玉径の増大を招く。
【００２６】
また、各実施形態の光学系は、以下の条件式（２）を満足する事が望ましい。
０．４５＜Ｚｂ／Ｚｓ＜０．８５ （２）
但し、
Ｚｂ：第２画面サイズの光学系のズーム比
Ｚｓ：第１画面サイズの光学系のズーム比
である。
【００２７】
この条件式の下限値以下になると、第２画面サイズの光学系のズーム比が小さくなり過ぎ、第１レンズ群交換のメリットを十分に引き出した事にならない。逆に、上限値以上になると、第２画面サイズの光学系のズーム比が大きくなり過ぎ、上述したように、第１画面サイズの光学系が大きくなり過ぎる。
【００２８】
また、各実施形態の内、第１画面サイズの光学系は、以下の条件式（３）を満足する事が望ましい。
０．８５＜｜ｆ２｜／ｆｗｓ＜１．５５ （３）
但し、
ｆ２ ：第２レンズ群の焦点距離
ｆｗｓ：第１画面サイズの光学系の、広角端での全系の焦点距離
である。
【００２９】
この条件式の下限値以下になると、第２レンズ群の焦点距離が短くなり過ぎ、即ち第２レンズ群のパワーが強くなり過ぎるので、第１画面サイズの光学系及び第１レンズ群を交換した第２画面サイズの光学系のいずれにおいても、広角端での負の歪曲収差の補正が困難になるとともに、像面湾曲のアンダー側への倒れが著しくなる。逆に、上限値以上になると、第２レンズ群の変倍の際の移動量が増大し、それに伴い前玉径の増大を招く。
【００３０】
また、各実施形態の光学系は、以下の条件式（４）を満足する事が望ましい。
０．５＜Ｙｓ／Ｙｂ＜０．９５ （４）
但し、
Ｙｓ：第１画面サイズの最大像高
Ｙｂ：第２画面サイズの最大像高
である。
【００３１】
条件式（４）は、画面サイズの変換倍率を規定する式である。この条件式の下限値以下になると、画面サイズの比が大きくなり過ぎるため、第１画面サイズの光学系の全長が大きくなり過ぎる。逆に、上限値以上になると、画面サイズの比が小さくなり過ぎ、第１レンズ群を交換するメリットがなくなる。
【００３２】
尚、各実施形態では、第２レンズ群以降の構成を全く変化させずに第１レンズ群を交換して画面サイズを変換する例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第２レンズ群以降の主要な特性を変更させずに構成の一部を変更した上で、第１レンズ群を交換しても良い。第２レンズ群以降の主要な特性を変更させない例としては、第２レンズ群以降を構成する単レンズ素子のパワーを変化させずに曲率半径を変更するいわゆるベンディングや、非球面や回折光学面の付加等が挙げられる。また、第２レンズ群以降に、像面性能補正用のために、それぞれ弱いパワーの球面レンズ，接合レンズ，非球面レンズ，回折光学レンズ等を付加する事も、第２レンズ群以降の主要な特性を変更させない例の範疇である。
【００３３】
特に、大きい画面サイズに対応する場合、光電変換素子の画素数が大きくなり、小さい画面サイズの場合よりも光学性能を向上させる必要があるため、上記のような第２レンズ群以降の一部の変更は、光学性能向上の観点から有効である。また、各実施形態では、光学系が全て屈折面で構成される例を示したが、撮像装置の事情に応じて、光路中にミラーを配置して光路を折り曲げる構成や、回折光学素子を用いる構成等を採用しても良い。
【００３４】
さらに、各実施形態では、異なるサイズの光電変換素子に対応可能な撮影光学系の例を示したが、例えば、小さい画面サイズの光電変換素子と大きい画面サイズの銀塩フィルムに対応する撮影光学系や、従来の３５ｍｍ銀塩フィルムと新規格の銀塩フィルム（いわゆる Advanced Photo system，ＡＰＳフォーマット）に対応する撮影光学系等に対しても、各実施形態の技術は適用可能である。
【００３５】
以下、本発明に係る撮影光学系の構成を、コンストラクションデータ，収差図等を挙げて、更に具体的に示す。尚、以下に挙げる実施例１〜３の第１画面サイズ及び第２画面サイズの光学系は、前述した第１〜第３の実施形態の第１画面サイズ及び第２画面サイズの光学系にそれぞれ対応しており、第１〜第３の実施形態の撮影光学系（第１画面サイズ及び第２画面サイズ）を表すレンズ構成図（図１〜図６）は、対応する実施例１〜３の第１画面サイズ及び第２画面サイズの光学系のレンズ構成をそれぞれ示している。
【００３６】
各実施例において、ri(i=1,2,3...)は、物体側から数えてi 番目の面及びその曲率半径を示し、di(i=1,2,3...)は、物体側から数えてi 番目の軸上面間隔を示し、Ni(i=1,2,3...)，νi(i=1,2,3...) は、それぞれ物体側から数えてi 番目のレンズのｄ線に対する屈折率，アッベ数を示す。また、実施例中の全系の焦点距離ｆ，及び全系のＦナンバーＦＮＯ、並びに第１レンズ群と第２レンズ群との間隔，第２レンズ群と第３レンズ群との間隔，第３レンズ群と第４レンズ群との間隔，及び撮影レンズ系最終レンズ群とＬＰＦとの間隔は、左から順に、広角端（Ｗ），中間焦点距離（Ｍ），望遠端（Ｔ）でのそれぞれの値に対応している。尚、各実施例中、曲率半径に＊印を付した面は、非球面で構成された面である事を示し、非球面の面形状を表す式は、以下に定義する。
【００３７】
Ｘ＝Ｘ0＋ΣＡiＹi ・・・・・（ａ）
Ｘ0 ＝ＣＹ2／｛１＋（１−εＣ2Ｙ2）1/2｝ ・・・・・（ｂ）
但し、
Ｘ ：光軸方向の基準面からの変位量
Ｙ ：光軸と垂直な方向の高さ
Ｃ ：近軸曲率
ε ：２次曲面パラメータ
Ａi ：ｉ次の非球面係数
である。
【００３８】
【００３９】
【００４０】
【００４１】
【００４２】
【００４３】
【００４４】
【００４５】
【００４６】
【００４７】
【００４８】
【００４９】
【００５０】
また、図７〜図１２は、それぞれ前記実施例１〜３の第１画面サイズ及び第２画面サイズの光学系に対応する無限遠の収差図であり、各図において、上段は広角端〔Ｗ〕、中段は中間焦点距離〔Ｍ〕、下段は望遠端〔Ｔ〕をそれぞれ表している。そして、球面収差図において、実線（ｄ）はｄ線を表し、破線（ＳＣ）は正弦条件を表している。また、非点収差図において、実線（ＤＳ）と破線（ＤＭ）は、それぞれサジタル面とメリディオナル面での非点収差を表している。上記条件式（１）〜（４）は、それぞれ実施例１〜３の内、対応する画面サイズの光学系において満足している（上述の条件式の説明参照）。また以下に、各実施例１〜３のその対応する画面サイズの光学系における、前記条件式（１）〜（４）の値を示す。
【００５１】
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、異なる画面サイズの光電変換素子に対応する事が可能であり、小型化，高画質化を達成するために好適な撮影光学系を提供する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の撮影光学系（第１画面サイズ）のレンズ構成を示す図。
【図２】第１の実施形態の撮影光学系（第２画面サイズ）のレンズ構成を示す図。
【図３】第２の実施形態の撮影光学系（第１画面サイズ）のレンズ構成を示す図。
【図４】第２の実施形態の撮影光学系（第２画面サイズ）のレンズ構成を示す図。
【図５】第３の実施形態の撮影光学系（第１画面サイズ）のレンズ構成を示す図。
【図６】第３の実施形態の撮影光学系（第２画面サイズ）のレンズ構成を示す図。
【図７】実施例１（第１画面サイズ）に対応する無限遠の収差図。
【図８】実施例１（第２画面サイズ）に対応する無限遠の収差図。
【図９】実施例２（第１画面サイズ）に対応する無限遠の収差図。
【図１０】実施例２（第２画面サイズ）に対応する無限遠の収差図。
【図１１】実施例３（第１画面サイズ）に対応する無限遠の収差図。
【図１２】実施例３（第２画面サイズ）に対応する無限遠の収差図。
【符号の説明】
ＬＰＦ ローパスフィルター
Ｇｒ１ 第１レンズ群
Ｇｒ２ 第２レンズ群
Ｇｒ３ 第３レンズ群
Ｇｒ４ 第４レンズ群
Ｇ１〜Ｇ１１ レンズ
Ｓ 絞り
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮影光学系、更に詳しくは、異なる画面サイズに対応可能な撮影光学系に関し、例えば、異なる画面サイズの光電変換素子に対応可能な撮影光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータの普及に伴い、電子データとして手軽に画像を取り込めるデジタルスチルカメラが普及しつつある。このようなデジタルスチルカメラには光電変換素子が用いられている。このような光電変換素子の画面サイズは、ユーザーのカメラの小型化及びコストダウンの要求を達成するため小型化されていく傾向と、ユーザーの高画質化の要求を達成するため画面サイズをそのままにして高画素化されていく傾向という２つの相反する傾向が存在する。
【０００３】
以上のような事情から、現在、デジタルスチルカメラの分野においては、様々な要望に応じた異なる画面サイズの光電変換素子に対して、それぞれ専用の撮影光学系が用いられている。しかしながら、異なる画面サイズの光電変換素子に対して、対応可能な共通の撮影光学系が提供できれば、撮影光学系の大幅なコスト削減が期待できる。
【０００４】
異なる画面サイズの光電変換素子に対応可能な撮影光学系の具体例としては、従来、大きい画面サイズに対応した撮影光学系を、そのまま小さい画面サイズにも適用する方法が知られている。また、別の方法として、特開平８−１１４７４２号公報或いは特開平１０−３１９３１４号公報には、撮影光学系によって形成された画像を、倍率を変化させて再結像させるリレーレンズ系を用いるという方法が提案されている。さらに、特開平１０−１２３４１６号、特開平９−３２９７４３号、特開平９−３２９７４４号、特開平７−１９９０６７号の各公報には、撮影光学系の光路途中に着脱或いは交換可能な変換レンズ群を配置し、画面サイズに応じて変換レンズ群を着脱或いは交換して撮影光学系の構成を変更する技術が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような、大きい画面サイズに対応した撮影光学系を、そのまま小さい画面サイズにも用いるという方法では、小さい画面サイズで使用する場合には、撮影光学系が必要以上に大きな光学系となっているばかりか、画角と焦点距離の関係から焦点距離域が長焦点距離側へシフトしてしまうため実用的でないという問題がある。また、上述した第２の、リレーレンズ系を用いる方法では、リレーレンズ系の光路を確保する必要があるため、撮影光学系全体が非常に大型化するという問題がある。
【０００６】
さらに、上述した第３の、画面サイズに応じて変換レンズ群を着脱或いは交換して撮影光学系の構成を変更する方法では、各レンズ群を保持する鏡胴を画面サイズに応じて異なる構成にしておくか、変換レンズ群を着脱或いは交換するために中間部分を可動にしておく必要があり、非常に複雑な構成となる問題がある。本発明は、このような問題に鑑み、異なる画面サイズの光電変換素子に対応する事が可能であり、小型化，高画質化を達成する事ができる撮影光学系を提供する事を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、物体側から順に、物体側レンズ群と、後続する複数のレンズ群とから成り、その物体側レンズ群及びその複数のレンズ群の内、少なくとも２群を光軸方向に移動させて、変倍を行う撮影光学系を用い、被写体像を第１画面サイズの画像として撮像する場合は第１物体側レンズ群を用い、前記被写体像を前記第１画面サイズより大きい第２画面サイズの画像として撮像する場合は、前記第１物体側レンズ群とは異なる第２物体側レンズ群を用いて構成させるとともに、以下の条件式を満足するよう撮影光学系を構成させる撮影光学系の画面サイズ変換方法を行う。
０．６５＜ｆ１ｂ／ｆ１ｓ＜０．９５
０．５＜Ｙｓ／Ｙｂ＜０．９５
但し、
ｆ１ｓ：第１物体側レンズ群の焦点距離
ｆ１ｂ：第２物体側レンズ群の焦点距離
Ｙｓ：第１画面サイズの最大像高
Ｙｂ：第２画面サイズの最大像高
である。
【０００８】
或いは、被写体像を第１画面サイズの画像として撮像する場合は第１物体側レンズ群を用い、その第１物体側レンズ群を有する撮影光学系の広角端よりも望遠側で且つ中間焦点距離よりも広角側から望遠端の変倍域において、前記被写体像を前記第１画面サイズとは異なる第２画面サイズの画像として撮像する場合は、前記第１物体側レンズ群とは異なる第２物体側レンズ群を用いて撮影光学系を構成させるとともに、以下の条件式を満足するよう撮影光学系を構成させる撮影光学系の画面サイズ変換方法を行う。
０．４５＜Ｚｂ／Ｚｓ＜０．８５
但し、
Ｚｂ：第２画面サイズの光学系のズーム比
Ｚｓ：第１画面サイズの光学系のズーム比
である。
【０００９】
或いは、物体側から順に、正のパワーを有する物体側レンズ群と、負のパワーを有する第２レンズ群と、後続するレンズ群とから成り、各レンズの内、少なくとも２群を光軸方向に移動させて、変倍を行う撮影光学系を用い、被写体像を第１画面サイズの画像として撮像する場合は第１物体側レンズ群を用い、前記被写体像を前記第１画面サイズより大きい第２画面サイズの画像として撮像する場合は、前記第１物体側レンズ群とは異なる第２物体側レンズ群を用いて撮影光学系を構成させるとともに、以下の条件式を満足するよう撮影光学系を構成させる撮影光学系の画面サイズ変換方法を行う。
０．８５＜｜ｆ２｜／ｆｗｓ＜１．５５
但し、
ｆ２ ：第２レンズ群の焦点距離
ｆｗｓ：第１画面サイズの光学系の、広角端での全系の焦点距離
である。
【００１０】
また、前記第１画面サイズに対応した前記撮影光学系を有する撮像装置の構成とする。或いは、前記第２画面サイズに対応した前記撮影光学系を有する撮像装置の構成とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１及び図２，図３及び図４，図５及び図６は、それぞれ第１〜第３の実施形態の撮影光学系のレンズ構成を示している。尚、各図中の矢印は、後述するズーム時の各レンズ群の広角端から望遠端への移動の様子を模式的に示したものである。破線で表す矢印は、移動しない事を示している。また、各図はそのズーム時の広角端の状態を示している。
【００１４】
第１の実施形態の内、図１に示す構成は、第１画面サイズ（小さい画面サイズ，光軸と垂直な方向の高さＹ＝３．１ｍｍ）に対応した構成となっている。同図の左側が物体側、右側が像側である。また、同図のレンズ系はズームレンズであり、物体側から順に、第１レンズ群Ｇｒ１，第２レンズ群Ｇｒ２，第３レンズ群Ｇｒ３及び第４レンズ群Ｇｒ４から構成され、正負正正４成分ズームでＧｒ１，Ｇｒ３固定、Ｇｒ２，Ｇｒ４可動のタイプである。ここでの第１レンズ群を第１物体側レンズ群と呼ぶ。尚、Ｇｒ１は３枚のレンズＧ１，Ｇ２，Ｇ３から成り、Ｇｒ２は３枚のレンズＧ４，Ｇ５，Ｇ６から成り、Ｇｒ３は２枚のレンズＧ１及びＧ２並びに絞りＳから成り、Ｇｒ４は３枚のレンズＧ９，Ｇ１０，Ｇ１１から成る。また、像側端部の平行平板はローパスフィルターＬＰＦである。
【００１５】
第１の実施形態の内、図２に示す構成は、上記図１に示した構成の後述する中間焦点距離〜望遠端において第１レンズ群を交換した光学系で第２画面サイズ（大きい画面サイズ，光軸と垂直な方向の高さＹ＝４．０ｍｍ）に対応した構成となっている。ここでの第１レンズ群を第２物体側レンズ群と呼ぶ。第２レンズ群以降は図１，図２とも全く同じ構成であり、ズーム時のレンズ群の動きも全く同じである。
【００１６】
第２の実施形態の内、図３に示す構成は、第１画面サイズ（小さい画面サイズ，光軸と垂直な方向の高さＹ＝３．１ｍｍ）に対応した構成となっている。同図の左側が物体側、右側が像側である。また、同図のレンズ系はズームレンズであり、物体側から順に、第１レンズ群Ｇｒ１，第２レンズ群Ｇｒ２，第３レンズ群Ｇｒ３及び第４レンズ群Ｇｒ４から構成され、正負正正４成分ズームでＧｒ１，Ｇｒ３固定、Ｇｒ２，Ｇｒ４可動のタイプである。ここでの第１レンズ群を第１物体側レンズ群と呼ぶ。尚、Ｇｒ１は３枚のレンズＧ１，Ｇ２，Ｇ３から成り、Ｇｒ２は３枚のレンズＧ４，Ｇ５，Ｇ６から成り、Ｇｒ３は２枚のレンズＧ１及びＧ２並びに絞りＳから成り、Ｇｒ４は３枚のレンズＧ９，Ｇ１０，Ｇ１１から成る。また、像側端部の平行平板はローパスフィルターＬＰＦである。
【００１７】
第２の実施形態の内、図４に示す構成は、上記図３に示した構成の後述する中間焦点距離〜望遠端において第１レンズ群を交換した光学系で第２画面サイズ（光軸と垂直な方向の高さＹ＝４．０ｍｍ）に対応した構成となっている。ここでの第１レンズ群を第２物体側レンズ群と呼ぶ。第２レンズ群以降は図３，図４とも全く同じ構成であり、ズーム時のレンズ群の動きも全く同じである。
【００１８】
第３の実施形態の内、図５に示す構成は、第１画面サイズ（小さい画面サイズ，光軸と垂直な方向の高さＹ＝３．１ｍｍ）に対応した構成となっている。同図の左側が物体側、右側が像側である。また、同図のレンズ系はズームレンズであり、物体側から順に、第１レンズ群Ｇｒ１，第２レンズ群Ｇｒ２，第３レンズ群Ｇｒ３及び第４レンズ群Ｇｒ４から構成され、正負正正４成分ズームでＧｒ３固定、Ｇｒ１，Ｇｒ２，Ｇｒ４可動のタイプである。ここでの第１レンズ群を第１物体側レンズ群と呼ぶ。尚、Ｇｒ１は３枚のレンズＧ１，Ｇ２，Ｇ３から成り、Ｇｒ２は３枚のレンズＧ４，Ｇ５，Ｇ６から成り、Ｇｒ３は２枚のレンズＧ１及びＧ２並びに絞りＳから成り、Ｇｒ４は３枚のレンズＧ９，Ｇ１０，Ｇ１１から成る。また、像側端部の平行平板はローパスフィルターＬＰＦである。
【００１９】
第３の実施形態の内、図６に示す構成は、上記図５に示した構成の後述する中間焦点距離〜望遠端において第１レンズ群を交換した光学系で第２画面サイズ（光軸と垂直な方向の高さＹ＝４．０ｍｍ）に対応した構成となっている。ここでの第１レンズ群を第２物体側レンズ群と呼ぶ。第２レンズ群以降は図５，図６とも全く同じ構成であり、ズーム時のレンズ群の動きも全く同じである。さらに、第１レンズ群のズーム時の動きも同じである。
【００２０】
通常、同じ仕様であれば第２画面サイズの光学系の方が第１画面サイズの光学系よりも大きくなり、第１レンズ群を交換したとしても、上記従来の技術で説明したように、大きい画面サイズの光学系で大きさはほぼ決まり、第１レンズ群を交換するメリットがない。
【００２１】
ところで、本発明のようなズームタイプでは、広角端から望遠端への変倍の際、第１レンズ群と第２レンズ群との間隔が増大し、第２レンズ群と絞りを含む後続群との間隔が減少する。このようなズームタイプの場合、径方向の大きさは前玉径で決まる事が一般的である。このとき、第１画面サイズの光学系の中間焦点距離〜望遠端において、第１レンズ群を交換する事により、第２画面サイズの光学系に対応させる事で、広がった第１レンズ群と第２レンズ群との間隔を詰めて第１レンズ群が配置され、且つ第２レンズ群と絞りを含む後続群との間隔が縮まっているため、入射瞳位置を近くする事ができ、大幅に前玉径を縮小する事が可能となる。
【００２２】
但し、第１レンズ群を交換したときに第２レンズ群が同じズーム解となるためには、第２レンズ群の倍率がほぼ同じになる必要がある。つまり、第２画面サイズの光学系の広角端〜望遠端での第１レンズ群（第２物体側レンズ群）の第２レンズ群に対する像点位置が、第１画面サイズの光学系の中間焦点位置〜望遠端での第１レンズ群（第１物体側レンズ群）の第２レンズ群に対する像点位置と、ほぼ同じになる必要がある。
【００２３】
このように、第１画面サイズの光学系の中間焦点距離〜望遠端で、第１レンズ群を交換する事により、第２画面サイズの光学系に対応させる事で、第１画面サイズの光学系の大きさを損なう事無く第１，第２画面サイズの光学系を達成する事ができ、また、第２レンズ群以降が共通のズーム解となるので、鏡胴構成の大幅な共通化を図る事ができる。
【００２４】
以下に、光学系について望ましい条件を記す。上記各実施形態の光学系は、以下の条件式（１）を満足する事が望ましい。
０．６５＜ｆ１ｂ／ｆ１ｓ＜０．９５ （１）
但し、
ｆ１ｓ：第１物体側レンズ群の焦点距離
ｆ１ｂ：第２物体側レンズ群の焦点距離
である。
【００２５】
条件式（１）は、交換する第１レンズ群の焦点距離の比を規定する式であり、収差補正及び上述した第１レンズ群の像点位置を、適切に保つための条件である。この条件式の下限値以下になると、第１物体側レンズ群に対して、第２物体側レンズ群の焦点距離が短くなり過ぎ、広角側での周辺性能の確保が困難になるとともに、広角端での第１レンズ群と第２レンズ群との間隔を確保して第１レンズ群の像点位置を適切に保つ事が困難となる。逆に、上限値以上になると、第１物体側レンズ群に対して、第２物体側レンズ群の焦点距離が長くなり過ぎ、広角端での第１レンズ群と第２レンズ群との間隔が広くなり過ぎて、全長及び前玉径の増大を招く。
【００２６】
また、各実施形態の光学系は、以下の条件式（２）を満足する事が望ましい。
０．４５＜Ｚｂ／Ｚｓ＜０．８５ （２）
但し、
Ｚｂ：第２画面サイズの光学系のズーム比
Ｚｓ：第１画面サイズの光学系のズーム比
である。
【００２７】
この条件式の下限値以下になると、第２画面サイズの光学系のズーム比が小さくなり過ぎ、第１レンズ群交換のメリットを十分に引き出した事にならない。逆に、上限値以上になると、第２画面サイズの光学系のズーム比が大きくなり過ぎ、上述したように、第１画面サイズの光学系が大きくなり過ぎる。
【００２８】
また、各実施形態の内、第１画面サイズの光学系は、以下の条件式（３）を満足する事が望ましい。
０．８５＜｜ｆ２｜／ｆｗｓ＜１．５５ （３）
但し、
ｆ２ ：第２レンズ群の焦点距離
ｆｗｓ：第１画面サイズの光学系の、広角端での全系の焦点距離
である。
【００２９】
この条件式の下限値以下になると、第２レンズ群の焦点距離が短くなり過ぎ、即ち第２レンズ群のパワーが強くなり過ぎるので、第１画面サイズの光学系及び第１レンズ群を交換した第２画面サイズの光学系のいずれにおいても、広角端での負の歪曲収差の補正が困難になるとともに、像面湾曲のアンダー側への倒れが著しくなる。逆に、上限値以上になると、第２レンズ群の変倍の際の移動量が増大し、それに伴い前玉径の増大を招く。
【００３０】
また、各実施形態の光学系は、以下の条件式（４）を満足する事が望ましい。
０．５＜Ｙｓ／Ｙｂ＜０．９５ （４）
但し、
Ｙｓ：第１画面サイズの最大像高
Ｙｂ：第２画面サイズの最大像高
である。
【００３１】
条件式（４）は、画面サイズの変換倍率を規定する式である。この条件式の下限値以下になると、画面サイズの比が大きくなり過ぎるため、第１画面サイズの光学系の全長が大きくなり過ぎる。逆に、上限値以上になると、画面サイズの比が小さくなり過ぎ、第１レンズ群を交換するメリットがなくなる。
【００３２】
尚、各実施形態では、第２レンズ群以降の構成を全く変化させずに第１レンズ群を交換して画面サイズを変換する例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第２レンズ群以降の主要な特性を変更させずに構成の一部を変更した上で、第１レンズ群を交換しても良い。第２レンズ群以降の主要な特性を変更させない例としては、第２レンズ群以降を構成する単レンズ素子のパワーを変化させずに曲率半径を変更するいわゆるベンディングや、非球面や回折光学面の付加等が挙げられる。また、第２レンズ群以降に、像面性能補正用のために、それぞれ弱いパワーの球面レンズ，接合レンズ，非球面レンズ，回折光学レンズ等を付加する事も、第２レンズ群以降の主要な特性を変更させない例の範疇である。
【００３３】
特に、大きい画面サイズに対応する場合、光電変換素子の画素数が大きくなり、小さい画面サイズの場合よりも光学性能を向上させる必要があるため、上記のような第２レンズ群以降の一部の変更は、光学性能向上の観点から有効である。また、各実施形態では、光学系が全て屈折面で構成される例を示したが、撮像装置の事情に応じて、光路中にミラーを配置して光路を折り曲げる構成や、回折光学素子を用いる構成等を採用しても良い。
【００３４】
さらに、各実施形態では、異なるサイズの光電変換素子に対応可能な撮影光学系の例を示したが、例えば、小さい画面サイズの光電変換素子と大きい画面サイズの銀塩フィルムに対応する撮影光学系や、従来の３５ｍｍ銀塩フィルムと新規格の銀塩フィルム（いわゆる Advanced Photo system，ＡＰＳフォーマット）に対応する撮影光学系等に対しても、各実施形態の技術は適用可能である。
【００３５】
以下、本発明に係る撮影光学系の構成を、コンストラクションデータ，収差図等を挙げて、更に具体的に示す。尚、以下に挙げる実施例１〜３の第１画面サイズ及び第２画面サイズの光学系は、前述した第１〜第３の実施形態の第１画面サイズ及び第２画面サイズの光学系にそれぞれ対応しており、第１〜第３の実施形態の撮影光学系（第１画面サイズ及び第２画面サイズ）を表すレンズ構成図（図１〜図６）は、対応する実施例１〜３の第１画面サイズ及び第２画面サイズの光学系のレンズ構成をそれぞれ示している。
【００３６】
各実施例において、ri(i=1,2,3...)は、物体側から数えてi 番目の面及びその曲率半径を示し、di(i=1,2,3...)は、物体側から数えてi 番目の軸上面間隔を示し、Ni(i=1,2,3...)，νi(i=1,2,3...) は、それぞれ物体側から数えてi 番目のレンズのｄ線に対する屈折率，アッベ数を示す。また、実施例中の全系の焦点距離ｆ，及び全系のＦナンバーＦＮＯ、並びに第１レンズ群と第２レンズ群との間隔，第２レンズ群と第３レンズ群との間隔，第３レンズ群と第４レンズ群との間隔，及び撮影レンズ系最終レンズ群とＬＰＦとの間隔は、左から順に、広角端（Ｗ），中間焦点距離（Ｍ），望遠端（Ｔ）でのそれぞれの値に対応している。尚、各実施例中、曲率半径に＊印を付した面は、非球面で構成された面である事を示し、非球面の面形状を表す式は、以下に定義する。
【００３７】
Ｘ＝Ｘ0＋ΣＡiＹi ・・・・・（ａ）
Ｘ0 ＝ＣＹ2／｛１＋（１−εＣ2Ｙ2）1/2｝ ・・・・・（ｂ）
但し、
Ｘ ：光軸方向の基準面からの変位量
Ｙ ：光軸と垂直な方向の高さ
Ｃ ：近軸曲率
ε ：２次曲面パラメータ
Ａi ：ｉ次の非球面係数
である。
【００３８】
また、図７〜図１２は、それぞれ前記実施例１〜３の第１画面サイズ及び第２画面サイズの光学系に対応する無限遠の収差図であり、各図において、上段は広角端〔Ｗ〕、中段は中間焦点距離〔Ｍ〕、下段は望遠端〔Ｔ〕をそれぞれ表している。そして、球面収差図において、実線（ｄ）はｄ線を表し、破線（ＳＣ）は正弦条件を表している。また、非点収差図において、実線（ＤＳ）と破線（ＤＭ）は、それぞれサジタル面とメリディオナル面での非点収差を表している。上記条件式（１）〜（４）は、それぞれ実施例１〜３の内、対応する画面サイズの光学系において満足している（上述の条件式の説明参照）。また以下に、各実施例１〜３のその対応する画面サイズの光学系における、前記条件式（１）〜（４）の値を示す。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、異なる画面サイズの光電変換素子に対応する事が可能であり、小型化，高画質化を達成するために好適な撮影光学系を提供する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の撮影光学系（第１画面サイズ）のレンズ構成を示す図。
【図２】第１の実施形態の撮影光学系（第２画面サイズ）のレンズ構成を示す図。
【図３】第２の実施形態の撮影光学系（第１画面サイズ）のレンズ構成を示す図。
【図４】第２の実施形態の撮影光学系（第２画面サイズ）のレンズ構成を示す図。
【図５】第３の実施形態の撮影光学系（第１画面サイズ）のレンズ構成を示す図。
【図６】第３の実施形態の撮影光学系（第２画面サイズ）のレンズ構成を示す図。
【図７】実施例１（第１画面サイズ）に対応する無限遠の収差図。
【図８】実施例１（第２画面サイズ）に対応する無限遠の収差図。
【図９】実施例２（第１画面サイズ）に対応する無限遠の収差図。
【図１０】実施例２（第２画面サイズ）に対応する無限遠の収差図。
【図１１】実施例３（第１画面サイズ）に対応する無限遠の収差図。
【図１２】実施例３（第２画面サイズ）に対応する無限遠の収差図。
【符号の説明】
ＬＰＦ ローパスフィルター
Ｇｒ１ 第１レンズ群
Ｇｒ２ 第２レンズ群
Ｇｒ３ 第３レンズ群
Ｇｒ４ 第４レンズ群
Ｇ１〜Ｇ１１ レンズ
Ｓ 絞り
Claims (5)
- 物体側から順に、物体側レンズ群と、後続する複数のレンズ群とから成り、該物体側レンズ群及び該複数のレンズ群の内、少なくとも２群を光軸方向に移動させて、変倍を行う撮影光学系を用い、
被写体像を第１画面サイズの画像として撮像する場合は第１物体側レンズ群を用い、前記被写体像を前記第１画面サイズより大きい第２画面サイズの画像として撮像する場合は、前記第１物体側レンズ群とは異なる第２物体側レンズ群を用いて構成させるとともに、以下の条件式を満足するよう撮影光学系を構成させる事を特徴とする撮影光学系の画面サイズ変換方法；
０．６５＜ｆ１ｂ／ｆ１ｓ＜０．９５
０．５＜Ｙｓ／Ｙｂ＜０．９５
但し、
ｆ１ｓ：第１物体側レンズ群の焦点距離
ｆ１ｂ：第２物体側レンズ群の焦点距離
Ｙｓ：第１画面サイズの最大像高
Ｙｂ：第２画面サイズの最大像高
である。 - 被写体像を第１画面サイズの画像として撮像する場合は第１物体側レンズ群を用い、該第１物体側レンズ群を有する撮影光学系の広角端よりも望遠側で且つ中間焦点距離よりも広角側から望遠端の変倍域において、前記被写体像を前記第１画面サイズとは異なる第２画面サイズの画像として撮像する場合は、前記第１物体側レンズ群とは異なる第２物体側レンズ群を用いて撮影光学系を構成させるとともに、以下の条件式を満足するよう撮影光学系を構成させる事を特徴とする請求項１に記載の撮影光学系の画面サイズ変換方法；
０．４５＜Ｚｂ／Ｚｓ＜０．８５
但し、
Ｚｂ：第２画面サイズの光学系のズーム比
Ｚｓ：第１画面サイズの光学系のズーム比
である。 - 物体側から順に、正のパワーを有する物体側レンズ群と、負のパワーを有する第２レンズ群と、後続するレンズ群とから成り、各レンズの内、少なくとも２群を光軸方向に移動させて、変倍を行う撮影光学系を用い、
被写体像を第１画面サイズの画像として撮像する場合は第１物体側レンズ群を用い、前記被写体像を前記第１画面サイズより大きい第２画面サイズの画像として撮像する場合は、前記第１物体側レンズ群とは異なる第２物体側レンズ群を用いて撮影光学系を構成させるとともに、以下の条件式を満足するよう撮影光学系を構成させる事を特徴とする撮影光学系の画面サイズ変換方法；
０．８５＜｜ｆ２｜／ｆｗｓ＜１．５５
但し、
ｆ２ ：第２レンズ群の焦点距離
ｆｗｓ：第１画面サイズの光学系の、広角端での全系の焦点距離
である。 - 請求項１乃至請求項３のいずれかの画面サイズ変換方法により構成され前記第１画面サイズに対応した前記撮影光学系を有する撮像装置。
- 請求項１乃至請求項３のいずれかの画面サイズ変換方法により構成され前記第２画面サイズに対応した前記撮影光学系を有する撮像装置。
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