JP4208667B2 - ズームレンズおよび撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、テレビカメラ等の撮像装置に好適な広角・高倍率のズームレンズに関するものである。

従来、物体側から順に、正の光学パワーを有する第１レンズユニットと、変倍作用を有する負の光学パワーを有する第２レンズユニットと、他の少なくとも１つのレンズユニットとから構成されるズームレンズが知られている。このズームレンズにおいては、第１レンズユニットが負の光学パワーを有する第１レンズコンポーネントと正の光学パワーを有する第２レンズコンポーネントとを有するレトロフォーカスタイプの光学配置がなされ、更に第１レンズコンポーネントは、物体側から順に、物体側に凹面を向けた１枚の負レンズエレメントと１枚或いは複数の正レンズエレメントを有している（特許文献１参照）。

このようなズームレンズは、第１レンズユニットの後ろ側主点が像面側に押し出されるため、第１レンズユニットの有効径を比較的小さくすることができる。このため、画角が広く、ズーム比が１０倍を超えるような広角・高倍率ズームレンズにしばしば用いられている。

ここで、ズームレンズには更なる広画角・高倍率化の両立に加え、小型で軽いものが強く望まれている。
特開平８−１８４７５８号公報（段落００１６，図１等）

しかしながら、特許文献１にて提案されているような構成では、特に広角化を図りながら小型化を実現しようとする場合、第１レンズコンポーネントの負の光学パワーおよび第２レンズコンポーネントの正の光学パワーをそれぞれ強くする必要がある。

第２レンズコンポーネントの正の光学パワーが強くなると、広角端の焦点距離をｆｗ、ズーム比をＺとしたとき、ｆｗ×Ｚ１／４ なるズーム位置（焦点距離）にて正の歪曲収差が増大する。

また、第１レンズコンポーネントの負の光学パワーが強くなることに加え、正の歪曲収差を補正する場合、被写体距離が無限遠時における広角端の最大像高軸外光線の最大高さをｈｗ、ｆｗ×Ｚ１／４なるズーム位置のそれをｈｚとしたときに、ｈｗ＜ｈｚとなる第１レンズコンポーネント中の負レンズエレメントの第１面（物体側の面）の曲率半径が小さくなる。

その結果、第１レンズユニット中の負レンズエレメントの第１面への光線入射角度が大きくなり、正の歪曲収差の補正が十分であっても倍率色収差の歪曲成分が著しく増大する。

これを補正するためには、第１レンズユニット中の負レンズエレメントのアッベ数を大きくする必要があるが、その場合は望遠端での軸上色収差の補正が不十分となってしまい、高い光学性能を維持しながら広角化・高倍率化、さらには小型・軽量化を図るのは困難であった。

本発明は、レンズの構成および諸条件を適切に設定し、光学性能の高い広画角・高倍率で、小型・軽量なズームレンズを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のズームレンズは、物体側から順に、合焦作用を有する正の光学パワーを有する第１レンズユニット、変倍作用を有し、変倍の際に光軸上を移動する負の光学パワーを有する第２レンズユニット、変倍の際に光軸上を移動し、変倍に伴う像面の変動を補正する第３レンズユニット、像面に結像させる作用を有する第４レンズユニットから構成されている。そして、前記第１レンズユニットは、物体側から順に、最も物体側の第１面が物体側に向かって凹である第１負レンズエレメントと、第２負レンズエレメントと、第２負レンズエレメントよりも像面側に少なくとも１つの正レンズエレメントとを含む。
さらに、以下の条件式を満たす。
−１．２８＜ｆｎ／ｆ１
ν１―ν２＞８
ν３＞６０
ここで、ｆｎは前記第１負レンズエレメントと前記第２負レンズエレメントの合成焦点距離、ｆ１は前記第１レンズユニットの焦点距離、ν１及びν２はそれぞれ前記第１負レンズエレメント及び前記第２負レンズエレメントのアッベ数、ν３は前記第２負レンズエレメントよりも像面側に配置され、かつ最も物体側にある正レンズエレメントのアッベ数を表す。

本発明によれば、高い光学性能を有し、広画角・高倍率でありながら、小型で軽量なズームレンズを実現することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。

図１，図２，図３はそれぞれ、本発明の実施例１，実施例２，実施例３のズームレンズの広角端におけるフォーカス無限遠時の断面図である。

図１，図２，図３において、物体側（図の左側）から順に、１は合焦作用を有し、正の光学パワーを有する第１レンズユニット、２は変倍作用を有し、変倍の際に光軸上を移動する負の光学パワーを有する第２レンズユニット、３は変倍の際に光軸上を移動し、変倍に伴う像面の変動を補正する第３レンズユニット、４は像面に結像させる作用を有する正の光学パワーを有する第４レンズユニットである。

３１は絞りである。３２は色分解光学系や光学フィルタ等の光学ユニットであり、図中ではそれらに相当するガラスブロックで示している。

第１レンズユニット１は、物体側から順に、合焦の際に固定の負の光学パワーを有する第１レンズコンポーネント１１と、合焦の際に光軸上を移動する正の光学パワーを有する第２レンズコンポーネント１２とにより構成されている。

第１レンズコンポーネント１１は、物体側から順に、最も物体側の第１面が物体側に向かって凹である第１負レンズエレメント（負の光学パワーを有するレンズエレメント）と、第２負レンズエレメント（負の光学パワーを有するレンズエレメント）と少なくとも１枚の正レンズエレメント（正の光学パワーを有するレンズエレメント）とを含む。

本実施例では、第１レンズコンポーネント１１は、物体側から順に、第１負レンズエレメント２１と、第２負レンズエレメント２２ａおよび正レンズエレメント２２ｂを含む第２レンズエレメントユニット２２とにより構成されている例を示している。

このように、第１レンズコンポーネント１１を、物体側から順に、負レンズエレメント、負レンズエレメント、少なくとも１枚の正レンズエレメントを含む構成にすることで、ズームレンズの広角化・小型化のために、第１レンズコンポーネント１１の負の光学パワーおよび第２レンズコンポーネント１２の正の光学パワーを強くしても、第１負レンズエレメント２１の第１面の曲率半径を大きくすることができる。したがって、広角端での焦点距離ｆｗ、ズーム比Ｚで表されるｆｗ×Ｚ１／４ なるズーム位置で最も大きくなる正の歪曲収差を良好に補正しながら倍率色収差の歪曲成分の抑制も可能となる。

なお、実施例１，２では、第１レンズコンポーネント１１において、さらに正レンズエレメント２２ｂよりも像面側に正レンズエレメント２３を配置した例を示している。この正レンズエレメント２３を配置することにより、上記効果に加えて広角側の軸外光線を屈折させる高さを低くできるので、前玉レンズ（第１レンズユニット１）の径を小さくすることが可能である。

更に実施例１，２，３では、物体側から順に負、負、正の構成としているが、負、負、負、正の構成であってもよい。このような構成とすることで第１負レンズエレメント２１の第１面の曲率半径をより大きくすることができるとともに、第１負レンズエレメントにアッベ数の大きい硝材を使用できるため、より倍率色収差の歪曲成分の抑制が可能である。

更に、以下の条件式を満たすことが望ましい。

−１．２８＜ｆｎ／ｆ１ ・・・（１）
ここで、ｆｎは、第１負レンズエレメント２１と、第２負レンズエレメント２２ａの合成焦点距離を表し、ｆ１は第１レンズユニット１の焦点距離を表す。（１）式の下限値を越えると従来の構成ではｆｗ×Ｚ１／４ なるズーム位置で最も大きくなる正の歪曲収差を良好に補正しながら倍率色収差の歪曲成分を抑制することと広角化の両立が困難となる。同時に第１レンズユニット１の主点位置を第２レンズユニット２側に押し出す作用が減少するため、ズームレンズ全体の小型化が容易でなくなってしまう。

さらに、以下の条件式を満たすことで正の歪曲収差を良好に補正しながら倍率色収差の歪曲成分と軸上色収差を良好に補正することが可能となる。

ν１−ν２＞８ ・・・（２）
ν３＞６０ ・・・（３）
ここで、ν１およびν２はそれぞれ、第１負レンズエレメント２１、第２負レンズエレメント２２ａのアッベ数であり、ν３は第２負レンズエレメント２２ａよりも像面側に配置され、かつ最も物体側にある正レンズエレメント２２ｂのアッベ数を表す。

（２）および（３）式は、倍率色収差の歪曲成分の補正と望遠端での軸上色収差の補正を両立するために必要な条件である。ν１−ν２およびν３が（２）および（３）式の下限値以下となると、倍率色収差の歪曲成分が十分に補正できず、画質の低下を招く。

さらに、第１レンズユニット１を構成する第１レンズコンポーネント１１を、物体側から順に、第１面が物体側に向かって凹である第１負レンズエレメント２１、第２負レンズエレメント２２ａ、正レンズエレメント２２ｂを含む構成とする場合、以下の条件式を満たすズームレンズであることが望ましい。

Ｚ＞１０ ・・・（４）
ｆｗ／ＩＳ＜０．７５ ・・・（５）
ここで、Ｚはズーム比、ｆｗは広角端での全系の焦点距離、ＩＳはイメージサイズを表す。

（４）式は、ズーム比１０倍を超える高倍率ズームレンズであることを意味している。ズーム比Ｚが（４）式の下限値以下となると、第１レンズユニット１の正の光学パワーおよび第２レンズユニット２の負の光学パワーを強める必要が無く、従来の構成であっても正の歪曲収差を適切に補正しながら倍率色収差の歪曲成分を抑制することができる。したがって、第１レンズコンポーネント１１を物体側から順に負レンズエレメント、負レンズエレメント、正レンズエレメントを配置した構成にする必要がなくなる。

（５）式は、広角端での画角が６７度以上の広角レンズであることを意味している。ｆｗ／ＩＳが（５）式の上限値以上となった場合、第１レンズユニット１の正の光学パワーおよび第２レンズユニット２の負の光学パワーを強める必要がなく、やはり第１レンズコンポーネント１１を物体側から順に負レンズエレメント、負レンズエレメント、正レンズエレメントを配置した構成にする必要がない。

実施例１，２，３では、以下に示す表１，２，３に示すように、いずれも（１），（２），（３），（４），（５）式を満足する高倍率・広角ズームレンズであり、かつ第１レンズコンポーネント１１を物体側から順に負レンズエレメント、負レンズエレメント、正レンズエレメントを配置した構成にしている。

さらに、第１レンズユニット１を構成する第１レンズコンポーネント１１を、物体側より順に、第１面が物体側に向かって凹である第１負レンズエレメント２１、第２負レンズエレメント２２ａ、正レンズエレメント２２ｂを含む構成とした場合、以下の条件を満足するのが望ましい。

ｈｗ＜ｈｚ ・・・（６）
ここで、ｈｗ、ｈｚはそれぞれ、広角端および焦点距離ｆｗ×Ｚ１／４ における被写体距離が無限遠時（無限遠合焦時）の第１レンズユニット１（第１負レンズエレメント２１）の第１面を通過する最大像高軸外光線の最大高さを示す。

このようなズームレンズでは、第１レンズユニット１の第１負レンズエレメント２１が像面側に凹面を向けた負レンズエレメントとなることが多い。（６）式を満たすズームレンズでは、正の歪曲収差を補正する場合、ｈｗ＜ｈｚとなる第１レンズコンポーネント１１中の第１負レンズエレメント２１の第１面による補正が最も適している。このため、倍率色収差の歪曲成分が発生し易い。よって（６）式を満たすズームレンズにおいて、第１レンズコンポーネント１１を物体側から順に、負レンズエレメント、負レンズエレメント、正レンズエレメントという構成にするとよい。

図１３〜図１８は、実施例１，実施例２および実施例３の広角端および焦点距離ｆｗ×Ｚ１／４ における第１レンズユニット１の第１面を通過する最大像高軸外光線を示した光路図である。

これらの図および表１〜３に示したように、本実施例では（６）式を満たすズームレンズにおいて、第１レンズコンポーネント１１を負レンズエレメント、負レンズエレメント、正レンズエレメントを含む構成としている。

さらに、より好ましい形態としては、第１レンズコンポーネント１１を構成する第２負レンズエレメント２２ａと正レンズエレメント２２ｂとが接合されていることが望ましい。

正レンズエレメント２２ｂは、望遠端での球面収差を補正する効果を持つが、第２負レンズエレメント２２ａと正レンズエレメント２２ｂ間に空気間隔がある場合、第２負レンズエレメント２２ａと正レンズエレメント２２ｂ間の間隔に対する球面収差の敏感度が大きくなり、製造難易度が高くなる。従って、第２負レンズエレメント２２ａと正レンズエレメント２２ｂとを接合して、第２負レンズエレメントユニット２２を接合レンズとした方がよい。

（数値実施例）
図１に示す実施例１のズームレンズの数値データを表１に、図２に示す実施例２のズームレンズの数値データを表２に、図３に示す実施例３のズームレンズの数値データを表３に示す。

これらの表において、ｒｉは物体側からｉ番目の面の曲率半径、ｄｉは物体側からｉ番目の面と（ｉ＋１）番目の面間の間隔、ｎｉとνｉはそれぞれ、物体側からｉ番目の面を構成する硝材の屈折率とアッベ数である。

また、＊の付いた面は非球面であることを示している。非球面の形状は、光軸方向にｘ軸、光軸と垂直方向にｙ軸、光線の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、ｋ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ａ'，Ｂ'，Ｃ'，Ｄ'，Ｅ'を非球面係数とすると以下の式に従う。

x=｛(y２／R)／(1−(1＋k)・(y／R)２)１／２｝＋By４＋Cy６＋Dy８＋Ey１０
＋Fy１２＋A'y３＋B'y５+C'y７+D'y９+E'y１１

また、実施例１，実施例２，実施例３の広角端におけるフォーカス無限遠時の収差図、ｆｗ×Ｚ１／４ の焦点距離におけるフォーカス無限遠時の収差図、望遠端におけるフォーカス無限遠時での収差図を図４〜図１２に示す。

いずれにおいても広角端での倍率色収差の歪曲成分が少ないにもかかわらず、焦点距離ｆｗ×Ｚ１／４ での正の歪曲収差および望遠端での軸上色収差が良好に補正されている。

以上説明したように、上記各実施例によれば、高い光学性能を有し、広画角・高倍率でありながら、小型で軽量なズームレンズを実現することができる。

図１９には、上記各実施例で説明したズームレンズを撮影光学系として用いたビデオカメラ（撮像装置）を示している。

図１９において、５０はビデオカメラ本体、５１は上記各実施例で説明したズームレンズにより構成された撮影光学系、５２は撮影光学系５１により形成された物体像を受けてこれを光電変換するＣＣＤ，ＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子としての撮像素子である。

５３は撮像素子５２により得られた画像信号を記録する、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク等の記録媒体である。５４は撮像素子５２により得られた画像信号に応じて液晶パネル等の内部ディスプレイパネル（図示せず）に表示された物体像を観察するファインダーである。

５５はファインダー５４と同等の機能を有し、物体像や各種撮影情報を表示する液晶パネル等の外部ディスプレイパネルである。この外部ディスプレイパネル５５はビデオカメラ本体５０に対して格納および展開ができ、図には格納された状態を示している。

上記ズームレンズを撮影光学系として用いることにより、高い撮像性能を有し、広画角・高倍率での撮影が可能でありながら、小型で軽量な撮像装置を実現することができる。
なお、上記各実施例のズームレンズは、ビデオカメラ以外でも、デジタルスチルカメラやテレビカメラ、さらにはフィルムカメラといった各種撮像装置にも用いることができる。

本発明の実施形態１のズームレンズの広角端における無限遠時の断面図である。 本発明の実施形態２のズームレンズの広角端における無限遠時の断面図である。 本発明の実施形態３のズームレンズの広角端における無限遠時の断面図である。 実施形態１における広角端における無限遠時の収差図である。 実施形態１における焦点距離ｆｗ×Ｚ１／４における無限遠時の収差図である。 実施形態１における望遠端における無限遠時の収差図である。 実施形態２における広角端における無限遠時の収差図である。 実施形態２における焦点距離ｆｗ×Ｚ１／４における無限遠時の収差図である。 実施形態２における望遠端における無限遠時の収差図である。 実施形態３における広角端における無限遠時の収差図である。 実施形態３における焦点距離ｆｗ×Ｚ１／４における無限遠時の収差図である。 実施形態３における望遠端における無限遠時の収差図である。 実施形態１における広角端における無限遠時の光路図である。 実施形態１における焦点距離ｆｗ×Ｚ１／４における無限遠時の光路図である。 実施形態２における広角端における無限遠時の光路図である。 実施形態２における焦点距離ｆｗ×Ｚ１／４における無限遠時の光路図である。 実施形態３における広角端における無限遠時の光路図である。 実施形態３における焦点距離ｆｗ×Ｚ１／４における無限遠時の光路図である。 上記各実施形態のズームレンズを用いた撮像装置の概略図。

符号の説明

１ 第１レンズユニット
２ 第２レンズユニット
３ 第３レンズユニット
４ 第４レンズユニット
１１ 第１レンズコンポーネント
１２ 第２レンズコンポーネント
２１ 第１負レンズエレメント
２２ 第２レンズエレメントユニット
３１ 絞り
３２ ガラスブロック

Claims (6)

1. 物体側から順に、合焦作用を有する正の光学パワーを有する第１レンズユニット、変倍作用を有し、変倍の際に光軸上を移動する負の光学パワーを有する第２レンズユニット、変倍の際に光軸上を移動し、変倍に伴う像面の変動を補正する第３レンズユニット、像面に結像させる作用を有する第４レンズユニットから構成されているズームレンズであって、
   前記第１レンズユニットは、物体側から順に、最も物体側の第１面が物体側に向かって凹である第１負レンズエレメントと、第２負レンズエレメントと、前記第２負レンズエレメントよりも像面側に配置された少なくとも１つの正レンズエレメントとを含み、
   かつ以下の条件式を満たすことを特徴とするズームレンズ。
   −１．２８＜ｆｎ／ｆ１
   ν１―ν２＞８
   ν３＞６０
   但し、ｆｎは前記第１負レンズエレメントと前記第２負レンズエレメントの合成焦点距離、ｆ１は前記第１レンズユニットの焦点距離、ν１及びν２はそれぞれ前記第１負レンズエレメント及び前記第２負レンズエレメントのアッベ数、ν３は前記第２負レンズエレメントよりも像面側に配置され、かつ最も物体側にある正レンズエレメントのアッベ数を表す。
2. 前記第１レンズユニットを構成する第２負レンズエレメントと正レンズエレメントが接合されていることを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
3. さらに以下の条件を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載のズームレンズ。
   ｈｗ＜ｈｚ
   但し、ｈｗ，ｈｚはそれぞれ、広角端及び焦点距離ｆｗ×Ｚ ^１／４ における無限遠合焦時の前記第１レンズユニットの第１面を通過する最大像高軸外光線の最大高さであり、ｆｗは広角端での全系の焦点距離である。
4. さらに以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のズームレンズ。
   Ｚ＞１０
   ｆｗ／ＩＳ＜０．７５
   但し、Ｚはズーム比、ｆｗを広角端での全系の焦点距離、ＩＳはイメージサイズである。
5. 前記第１レンズユニットは、合焦の際に固定の負の光学パワーを有する第１レンズコンポーネントと、合焦の際に光軸上を移動する正の光学パワーを有する第２レンズコンポーネントから構成され、
   前記第１レンズコンポーネントは、物体側より順に、最も物体側の第１面が物体側に凹である第１負レンズエレメントと、第２負レンズエレメントと、少なくとも１つの正レンズエレメントを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のズームレンズ。
6. 請求項１から５のいずれか１つに記載のズームレンズと、
   前記ズームレンズにより形成された物体像を受けてこれを光電変換する光電変換素子とを有することを特徴とする撮像装置。