JP4321056B2

JP4321056B2 - Magnification imaging apparatus having temperature compensation function and video camera using the same

Info

Publication number: JP4321056B2
Application number: JP2002357574A
Authority: JP
Inventors: 泰久北岡; 幸広高畑
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-12-17
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2022-12-10
Also published as: JP2003248171A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は温度補償機能を有する変倍撮像装置及びそれを用いたビデオカメラに関する。さらに、詳細には、光学系にプラスチックレンズを用い、温度補償機能を有し、ズーム比が２０倍程度と高倍率であるとともに、低コストでコンパクトな高性能の温度補償機能を有する変倍撮像装置及びビデオカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ビデオカメラやディジタルスチルカメラなどのビデオカメラ用の光学系においては、高変倍用のレンズ群として、物体側から順に、正の屈折力を持ちかつ固定構造とされた第１群と、負の屈折力を持ちかつ変倍のために光軸上を可動とされた第２群と、正の屈折力を持ちかつ固定構造とされた第３群と、そして正の屈折力を持ち、しかも変倍による像面変動を補正するとともに合焦のために光軸上を可動とされた第４群との、四つのレンズ群にて構成された方式が良く知られている。
【０００３】
たとえば特許文献１（特開平９−３１１２７２号公報）では、１０枚構成のレンズの内の５枚をプラスチックレンズで構成して、低コスト化をはかった光学系が提案されている。そして、凸レンズ及び凹レンズをプラスチックレンズで組み合わせることにより、温度変化に基づく焦点距離の変化をキャンセルして、全系での温度変化による焦点位置の変化量を小さくしている。しかしながら、プラスチックレンズは硝子レンズと比べて屈折率が低く、コンパクトな光学系に用いようとするとペッツバール和を小さく抑えるのが難しく、コマ収差が大きくなる等の問題点がある。
【０００４】
また、特許文献２（特開平５−９３８３２号公報）では、レンズ系の温度を検出し電気信号として出力する検出手段と、この電気信号によりレンズを駆動する制御手段とを有して、プラスチックレンズの温度変化によるピントのずれを、レンズを移動することで打ち消している。しかし検出手段や制御手段を設ける必要があり、コスト的にも割高となるのは免れない。
【０００５】
さらに、特許文献３（特開平１０−２９３２６１号公報）、特許文献４（特開平８−２９７２４４号公報）には、レンズ構成や鏡筒構成は異なるが、温度変化によるレンズの結像位置のずれを、鏡筒の温度変化による伸縮により打ち消すことが記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−３１１２７２号公報
【特許文献２】
特開平５−９３８３２号公報
【特許文献３】
特開平１０−２９３２６１号公報
【特許文献４】
特開平８−２９７２４４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来、ビデオカメラ用光学系においては、レンズ群として、物体側から順に、正の屈折力を有しかつ固定構造とされた第１群と、光軸上を可動であることにより倍率を変倍する機能を備えかつ負の屈折力を有した第２群と、正の屈折力を有しかつ固定構造とされた第３群と、光軸上を可動であることにより変倍または物体距離の変化に伴う像面変動を補正する機能を備えかつ正の屈折力を有した第４群とから構成される４群のレンズ構成が主流となっている。また、コンパクト且つ高性能なものを得るためには、非球面を活用することが必要不可欠になっている。
【０００８】
非球面を形成するための手段として、硝子レンズのモールド工法、プラスチックの射出成型、そして硝子レンズにプラスチックを貼り付ける所謂ハイブリッド型が良く知られている。硝子非球面レンズは、高温でのモールド工法を必要とするため、高価な金型の寿命が短くコストが硝子球面レンズの約３倍程度と高価である。また、ハイブリッドは、硝子の種類に制限はないが硝子レンズにプラスチックの金型のコストが必要となり、硝子モールドまではいかないが高価なものとなる。プラスチックレンズは、これに比べて非常に安価であるが、硝子レンズと比べて屈折率が低く、種類が制限され、またパワー配置を強くしてコンパクトな光学系に用いようとするとペッツバール和を小さく抑えるのが難しく、又、コマ収差が大きくなる、温度変化による影響を受けやすい、等の問題点がある。
【０００９】
本発明は、従来技術のこのような状況を鑑みてなされたものであり、プラスチックレンズを用いながらも温度変化による対策を必要最小限の構成で実現し、ビデオカメラやデジタルスチルカメラに好適なコンパクト化かつ低コスト化を行った、温度補償機能を有する変倍撮像装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の温度補償機能を有する変倍撮像装置は、物体側から順に、固定構造とされた第１群と、光軸上を可動であることにより倍率を変倍する機能を備えた第２群と、固定構造とされた第３群と、光軸上を可動であることにより変倍または物体距離の変化に伴う像面変動を補正する機能を備えた第４群とのレンズ群にて構成される変倍撮像装置であって、
前記第３群のレンズ群と前記第1群のレンズ群間を第１の保持鏡筒で保持し、前記第３のレンズ群と撮像素子間を第２の保持鏡筒で保持し、前記レンズ群の温度変化による結像位置の変動を前記第１と第２の少なくともいずれか一方の保持鏡筒の温度変化による結像位置の変動量により相殺することを特徴としたものである。
【００１１】
また、４群構成のレンズ群において、物体側から順に、正の屈折力を有しかつ固定構造とされた第１群と、光軸上を可動であることにより倍率を変倍する機能を備えかつ負の屈折力を有した第２群と、正の屈折力を有しかつ固定構造とされた第３群と、光軸上を可動であることにより変倍または物体距離の変化に伴う像面変動を補正する機能を備えかつ正の屈折力を有した第４群とのレンズ群にて構成されることを特徴とする．
さらに、第3群は、正の屈折力で、負の温度係数の屈折率を有するプラスチックレンズより構成されることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図１〜図９を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の温度補償機能を有する変倍撮像装置を示し、具体的には、レンズ系を有するレンズ鏡筒本体の要部の概略を模式的に示す。
【００１３】
図１において、１、２、３、４はレンズ群を示し、１は第１群であり、２は第２群であり、３は第３群であり、４は第４群である。３ａは第３群のための保持鏡筒である。第１群１は、正の屈折力を有しかつ固定構造とされている。第２群２は、負の屈折力を有する。第３群３は、屈折率の温度係数が負である１枚のプラスチックレンズ３ｂで構成され、このプラスチックレンズ３ｂの少なくとも１面は非球面である。第４群４は、負レンズ４ａと正レンズ４ｂとを貼り合わせた正の接合レンズと、プラスチックレンズ４ｃとの２群３枚のレンズ群によって構成されている。プラスチックレンズ４ｃは、その少なくとも１面が非球面である。５は撮像素子、５ａはその保持鏡筒、５ｂはその結像位置である。Ｓは絞りであり、ＥＧは、撮像素子のカバー硝子およびローパスフィルター等の等価硝子である。第２群２と第４群４とは、可動に構成されて、その光軸上を移動する。
【００１４】
本実施の形態においては、図１に示すように、第１群が３枚、第２群が３枚、第３群が1枚、第４群が３枚の計１０枚とレンズ数を少ない構成で、ズーム比が大きく、かつコンパクト化を図ることができる。
【００１５】
さらに、第４群の非球面を有するプラスチックレンズ４ｃを省略して９枚のレンズ構成とすることも可能である。その際には、４ｂに非球面を有するレンズとする必要がある。
【００１６】
一般的にズームレンズに用いられるレンズ構成は４群構成であり、第２群は負の屈折力、第３群は正の屈折力、第４群は正の屈折力を有して構成される。そして、ズーミング時、第2群の移動に連動して第4群が所定の軌跡で動いて合焦点動作を行う。
【００１７】
そして、本発明は、第３群のズーミング時の結像位置の変動（ピンボケ量）とその温度特性に着目してレンズ構成をしたものである。すなわち、この第３群のレンズのみをプラスチックレンズで構成しても、第3群のプラスチックレンズが所定の条件（後述する式（１）の条件）を満たす場合に、結像位置の変動量のあばれが小さい事に着目したものである。。
【００１８】
プラスチックレンズは、ガラスレンズに比べて温度特性を含めてレンズ特性が悪いが、第3群のレンズに関しては、プラスチックレンズに換えても、後述の所定の条件を満たす限り、結像位置の変動のあばれは少ない。他のレンズ群をプラスチックレンズに換えた場合には、ズーミング時の結像位置の変動を許容値に抑えることは難しい。又、低温度から高温度に亘って、第3群のズーミング時の結像位置の変動量のあばれが小さい。
【００１９】
従って、第3群をプラスチックレンズで構成しても、ズーミング時の結像位置の変動量を補正して、変動量をレンズ系の焦点深度内に収めることができる。すなわち、第３群をプラスチックレンズで構成するとガラスレンズに比較して、温度変化による屈折率の変化が大きく変動量の絶対量は大きくなるが、変動量のあばれ（すなわち変動量の非線形部分）が小さいため、保持鏡筒長の温度変化による伸縮で変動量を相殺することができる。本発明では、1枚の正の屈折力のプラスチックレンズで構成しているが、もちろん複数枚使用してもよい。
【００２０】
又、本発明では、第４群に必要な非球面を安価なプラスチックレンズで構成する。すなわち、パワーの弱いプラスチックレンズ４ｃの1面に非球面を構成して、第4群のコストダウンを図っている。パワーの弱いプラスチックレンズ（後述する（２）の条件）を使用するので、ズーミング時及び温度変化による像面位置の変動を考慮する必要がなく、第4群にコストの安いプラスチックレンズを使用して非球面を構成することができる。
【００２１】
プラスチックレンズの材料としては、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）（例えば三菱レイヨン株式会社で製造される『アクリペット』、住友化学工業株式会社で製造される『スミペックス』）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）（例えば、帝人化成株式会社で製造される『パンライト』、三菱エンジニアプラスチックス株式会社で製造される（ユーピロン））、環状オレフィンポリマー（例えば日本ゼオン株式会社で製造される『ＺＥＯＮＥＸ』、ＪＳＲ株式会社で製造される『ＡＲＴＯＮ』、三井化学株式会社で製造される『アペル』）、スチレン系樹脂（例えば新日鉄化学株式会社で製造される『エスチレンＭＳ』）、ポリスチレン樹脂（ＰＳ）(例えば大日本インキ化学工業株式会社で製造される『ディックスチレン』)、低吸湿アクリル（例えば日立化成工業株式会社の製造する『ＯＰＴＯＲＥＺ』、三菱レイヨン株式会社で製造される『アクリペットＷＦ１００』）等を使用することができる。
【００２２】
Ｌ１は第１群１と第３群３との間にわたされた保持鏡筒、Ｌ２は第３群３と撮像素子５との間にわたされた保持鏡筒である。これら保持鏡筒Ｌ１、Ｌ２は、温度変化により伸縮する構成になっている。
【００２３】
ここで具体的な数値を用いて本実施の形態１の効果について説明する。一般的な鏡筒の材質として、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）や、ＰＣ（ポリカーボネイト）等があげられる。ＰＣでは剛性向上或いは寸法安定のために硝子繊維等を加えるが、これによって線膨張係数を例えば２×１０^−５〜７×１０^−５の間で変化させることが可能となる。この実施の形態１では、保持鏡筒Ｌ１、Ｌ２のスパンを各々３０ｍｍ、３０ｍｍに設定し、これら保持鏡筒Ｌ１、Ｌ２として、線膨張係数が各々３．４×１０^−５、６．５×１０^−５の材質を用いる。
【００２４】
もちろん、Ｌ１、Ｌ２の両方の保持鏡筒を同じ線膨張率の材質を用いて構成することも当然可能である。なお、鏡筒の線膨張率は、温度が上昇すると長さが伸びる正の膨張係数である。そして、レンズ系の温度係数は、レンズ系全体として温度が上昇すると、屈折率が小さくなりバックフォーカスが長くなる負の温度係数を有するように構成して温度補償をする。
【００２５】
また、保持鏡筒Ｌ２が、第３群レンズ群と撮像素子５に渡されているので、レンズ群の屈折率の温度変化の撮像位置のずれを相殺する効果は、保持鏡筒Ｌ２の温度変化の伸縮の方が支配的となる。従って、保持鏡筒Ｌ２の方に線膨張率の高い材質を用いて構成すればよりコンパクトなレンズ構成が得られる。すなわち、保持鏡筒Ｌ２は、第3群と撮像素子５に渡されているので、Ｌ２の伸縮量により直接結像位置の変動を補正するが、Ｌ１の伸縮量による補正は、Ｌ２と比較して小さい。
【００２６】
このような構成であると、例えば温度が２０℃から−２０℃まで変化した時に、Ｌ１は４０．８μｍ縮み、Ｌ２は７８．０μｍ縮む。Ｌ１の縮みによる結像位置の変動量は、ズーム位置によって多少のバラツキが発生するが、広角端において＋１０．２μｍとなる。一方、２０℃から−２０℃に温度が変化してレンズの屈折率が変化することによる結像位置の変動量は、広角端において−８４．５μｍとなる。即ち、本実施の形態１における最終的な結像位置の変動量は、上記より７８．０＋１０．２−８４．５＝３．７μｍとなる。
【００２７】
この程度の値であると、本光学系の焦点深度内となり、実用上殆ど問題にならない。このような保持鏡筒の伸縮による結像位置の変動の補正は、４０℃の高温時にも同様な効果が得られる。
【００２８】
このように本実施の形態１においては、保持鏡筒Ｌ１、Ｌ２線膨張係数と保持鏡筒長を最適に設定することで、これら保持鏡筒Ｌ１、Ｌ２の伸縮を効果的に利用して空気間隔を適切に変化させ、プラスチックレンズのパワー配置を最適に設定することにより、温度変化に伴う結像位置の変動を小さく抑えることができ、これにより良好な光学性能を維持することができる。
【００２９】
以上、説明したように、本発明では、温度変化による結像位置の変動を補正するために、第３群を正の屈折力を有しかつ固定構造であり、そして、屈折率の温度係数が負であり、少なくとも一面が非球面を有する1枚のプラスチックレンズで構成している。
【００３０】
そして、温度変化によりレンズの屈折率が変動して、その像面位置が変動するが、本発明においては、前記第１群と前記第３群との間、及び前記第３群と結像面に位置する撮像素子との間に、温度変化により伸縮する保持鏡筒を配し、この保持鏡筒の線膨張係数を最適に設定し、鏡筒の伸縮と像面位置の変動を合わせるように調整することにより、温度変化による影響を打ち消す構成となっている。
【００３１】
すなわち、保持鏡筒の線膨張係数と鏡筒長を最適化することで、温度変化による撮像素子上の撮像位置の変動を補正することができる。
【００３２】
球面収差、コマ収差の発生は、非球面で補っている。第４群は、負レンズと正レンズとを貼り合わせた正の接合レンズと、非球面を有するプラスチックレンズの２群３枚で構成し、色収差の補正を前記接合レンズで行っている。
【００３３】
第３群に用いられるプラスチックレンズは、条件式（１）を満足することが必要である。すなわち、
５．０＜ｆ３／ｆｗ＜７．０・・・（１）
であることが必要である。詳細には、この条件式（１）は第３群プラスチックレンズのパワー配置を規定したものであり、この条件式（１）の範囲内であれば、収差を十分に補正することができ、コンパクトかつ高性能を実現できる。下限値を超えてパワーが強くなると、小型化の方向ではあるが、温度変化による影響が大きくなり、保持鏡筒の伸縮による調整範囲を超え、収差補正上からも不適当である。また、上限値を超えてパワーが弱くなれば、バックフォーカスが伸び、全体として大型化する傾向となるため不適当である。
【００３４】
第３群に用いられるプラスチックレンズが条件式（１）を満足するように設定すると、低温から高温に亘って、ズーミング時の結像位置の変動量が小さく、結像位置の変動を焦点深度内に収めることができる。
【００３５】
第４群に用いられるプラスチックレンズは、条件式（２）、すなわち
ｆｗ／｜ｆ４ｐ｜＜０．０３・・・（２）
を満足することが好ましい。但し、
ｆｗ：全系の広角端での焦点距離
ｆ４ｐ：第４群プラスチックレンズの焦点距離
である。
【００３６】
この条件式（２）は、前記プラスチックレンズのパワー配置を規定するものである。この範囲内の弱いパワー配置でプラスチックレンズを構成することにより温度変化による影響を小さくすることができる。範囲を超えると、温度による影響が大きくなる。また、このプラスチックレンズには非球面を施すことができ、それによってコマ収差及び像面特性を良好に補正することが可能となる。
【００３７】
第３群に用いられるプラスチックレンズは、物体側に凸面を向けたメニスカス形状を有するようにすることができる。これにより、第３群の前側主点を物体側空間に位置させることができる。これから、望遠側での第２群と第３群との主点間隔を小さくすることができるので、変倍のための第２群の移動領域を確保して、レンズシステムをコンパクト化することができる。すなわち、レンズ鏡筒長さを短くすることができる。また、近軸領域において光線高さの低い位置に第３群レンズを配することができるので、第４群のパワーを強くすることが可能で、コンパクト化した場合のペッツバール和の改善に貢献することができる。以上のようにパワーを持ったプラスチックレンズを第３群に、パワーの弱いプラスチックレンズを第４群に配し、鏡筒構成及び鏡筒材料を最適に設定することにより、コンパクト・低コスト・高性能な撮像装置を実現できる。
【００３８】
以下、実施の形態１の数値実施例を「表１」に示す。
【００３９】
【表１】

【００４０】
表１において、ｒ１、ｒ２、…は、物体側から順に数えたレンズ各面の曲率半径（ｍｍ）である。ｄ１、ｄ２、…は、各レンズの肉厚及び空気間隔（ｍｍ）である。ｎ１、ｎ２、…は、各レンズのｄ線における屈折率である。ν１、ν２、…は、ｄ線を基準にするアッベ数である。ここでは、全系の焦点距離をｆ、ＦナンバーをＦ／、そして画角を２ωとして示している。また、＊印を付した面は非球面となっており、その非球面形状は、次の式（３）で表される。
Ｘ=(ｈ^２/ｒ)/(1+（1-(K+1)ｈ^２/ｒ^２）^１ ^/ ^２)+Aｈ^４+Bｈ^６+Cｈ^８+Dｈ^１０ …（３）
但し、Ｘは光軸からの高さがｈの非球面形状の非球面頂点の接平面からの距離、基準球面の曲率半径をｒとする。非球面係数Ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、表１に示されるとおりである。
【００４１】
図２〜図４は、このレンズの、広角端（図２）、中間（図３）及び望遠端（図４）における収差図を示す。図２、図３、図４において、（ａ）は球面収差（ｍｍ）、（ｂ）は歪曲収差（％）、（ｃ）は非点収差（ｍｍ）、（ｄ）はコマ収差（ｍｍ）の収差性能図を示す。図２乃至図４の球面収差図において、ＦはＦ線を表し、ＣはＣ線を表す。また非点収差図におけるＳはサジタル像面を表し、Ｍはメリディオナル像面を表す。この収差図からわかるように、収差の小さい良好な光学性能を実現することができる。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２の温度補償機能を有する変倍撮像装置を示す。この図５において、第１群１、第２群２、第３群３、第４群４、撮像素子５とも、図１の構成と同様なものである。図１の構成と異なるのは、第４群４の構成を、物体側から順に、接合正レンズ（負レンズ４ａと正レンズ４ｂとの貼り合わせ）、非球面プラスチックレンズ４ｃと配置した点である。
【００４２】
このレンズの数値実施例を「表２」に示す。「表２」において、各記号等の示す意味は、「表１」のものと同様である。
【００４３】
【表２】

【００４４】
この図５のレンズの収差性能を、実施の形態１と同様に、図６乃至図８の、広角端（図６）、中間（図７）、望遠端（図８）における収差図に示す。実施の形態１と同様に、収差の小さい良好な光学性能が実現できる。
（実施の形態３）
図９は本発明の第３の実施の形態におけるビデオカメラの構成を示す。なお、このビデオカメラの構成は、デジタルスチルカメラにも当然用いることができる。図９において、変倍撮像装置１０からの出力は、信号処理回路１１にて映像信号に再生されビューファインダー１２で再生映像を見ることができる。また、記録系１３にて所定の記録媒体（図示せず）に再生映像信号を記録することもできる。
【００４５】
本発明の変倍撮像装置を用いてカメラ部を構成すれば、ズーム比が２０倍程度と高倍率でありながら、低コストでコンパクトな高性能ビデオカメラを実現することができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、最適なレンズタイプを採用しレンズ保持鏡筒を工夫することにより、プラスチックレンズの問題点を克服し、そしてその特徴を最大限に生かし、１０枚という少ないレンズ構成でたとえば２０倍の高倍率を達成することができ、しかも収差が良好に補正された小型で低コストの温度補償機能を有する撮像装置を提供することが可能となる。
【００４７】
さらに、本発明の変倍撮像装置をカメラ部に応用することにより、２０倍程度の高倍率で低コストのコンパクトなビデオカメラなどを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の温度補償機能を有する変倍撮像装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態１の変倍撮像装置についての広角端での収差性能を示す図
【図３】本発明の実施の形態１の変倍撮像装置についての中間位置での収差性能を示す図
【図４】本発明の実施の形態１の変倍撮像装置についての望遠端での収差性能を示す図
【図５】本発明の実施の形態２の温度補償機能を有する変倍撮像装置の構成図
【図６】本発明の実施の形態２の変倍撮像装置についての広角端での収差性能を示す図
【図７】本発明の実施の形態２の変倍撮像装置についての中間位置での収差性能を示す図
【図８】本発明の実施の形態２の変倍撮像装置についての望遠端での収差性能を示す図
【図９】本発明の実施の形態３におけるビデオカメラのブロック構成図
【符号の説明】
１第１群
２第２群
３第３群
３ｂプラスチックレンズ
４第４群
４ａ負レンズ
４ｂ正レンズ
４ｃプラスチックレンズ
Ｌ１第１群−第３群間保持鏡筒
Ｌ２第３群−撮像素子間保持鏡筒[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a variable magnification imaging apparatus having a temperature compensation function and a video camera using the same. More specifically, using a plastic lens in the optical system, having a temperature compensation function, a zoom ratio as high as about 20 times, and a low-cost and compact high-performance temperature compensation function The present invention relates to an apparatus and a video camera.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in an optical system for a video camera such as a video camera or a digital still camera, as a lens group for high zoom ratio, in order from the object side, a first group having a positive refractive power and a fixed structure; A second group having a negative refractive power and movable on the optical axis for zooming; a third group having a positive refractive power and a fixed structure; and a positive refractive power; In addition, a system composed of four lens groups is well known, which corrects image plane variation due to zooming and is movable on the optical axis for focusing.
[0003]
For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-311272) proposes an optical system in which five of the ten lenses are made of plastic lenses to reduce costs. Then, by combining the convex lens and the concave lens with a plastic lens, the change in focal length due to the temperature change is canceled, and the amount of change in the focal position due to the temperature change in the entire system is reduced. However, the plastic lens has a lower refractive index than the glass lens, and it is difficult to suppress the Petzval sum when it is used in a compact optical system, and there are problems such as an increase in coma aberration.
[0004]
Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 5-93832) has a detection means for detecting the temperature of the lens system and outputting it as an electrical signal, and a control means for driving the lens by this electrical signal, and is a plastic lens. The focus shift due to the temperature change is canceled by moving the lens. However, it is necessary to provide a detection means and a control means, and it is inevitable that the cost is high.
[0005]
Further, in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-293261) and Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 8-297244), the lens configuration and the lens barrel configuration are different. Is canceled by expansion and contraction due to temperature change of the lens barrel.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-311272 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-93832 [Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-293261 [Patent Document 4]
JP-A-8-297244 [0007]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, in an optical system for a video camera, as a lens group, in order from the object side, a first group having a positive refractive power and a fixed structure, and a magnification change by moving on the optical axis. And a second group having a negative refracting power, a third group having a positive refracting power and a fixed structure, and being movable on the optical axis, the magnification or object distance can be reduced. A four-group lens configuration that includes a fourth group that has a function of correcting image plane variation accompanying changes and has positive refractive power is the mainstream. In order to obtain a compact and high-performance product, it is indispensable to use an aspheric surface.
[0008]
As means for forming an aspherical surface, a glass lens molding method, plastic injection molding, and a so-called hybrid type in which plastic is attached to a glass lens are well known. The glass aspherical lens requires a molding method at a high temperature, so that the life of an expensive mold is short and the cost is about three times that of the glass spherical lens. Moreover, although there is no restriction | limiting in the kind of glass of a hybrid, the cost of the plastic metal mold | die is required for a glass lens, and although it does not go to a glass mold, it becomes expensive. A plastic lens is very cheap compared to this, but its refractive index is lower than that of a glass lens, its types are limited, and if it is used in a compact optical system with a strong power arrangement, the Petzval sum is reduced. There are problems such as being difficult to suppress, increasing coma, and being easily affected by temperature changes.
[0009]
The present invention has been made in view of such a situation in the prior art, and is a compact suitable for a video camera or a digital still camera by realizing a measure against temperature change while using a plastic lens with a minimum configuration. An object of the present invention is to provide a variable magnification imaging apparatus having a temperature compensation function that is reduced in cost and cost.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the zoom imaging apparatus having a temperature compensation function according to the present invention has a first group having a fixed structure and, in order from the object side, the magnification is changed by being movable on the optical axis. And a third group having a fixed structure, and a fourth group having a function of correcting an image plane variation accompanying a change in magnification or an object distance by being movable on the optical axis. A variable magnification imaging device configured by a lens group with a group,
The lens group of the third group and the lens group of the first group are held by a first holding lens barrel, the space between the third lens group and the imaging element is held by a second holding lens barrel, and the lens The variation of the imaging position due to the temperature change of the group is offset by the variation amount of the imaging position due to the temperature change of at least one of the first and second holding barrels.
[0011]
Further, in the lens group having a four-group structure, in order from the object side, a first group having a positive refractive power and a fixed structure, and a function of changing the magnification by moving on the optical axis are provided. And a second group having a negative refractive power, a third group having a positive refractive power and a fixed structure, and an image accompanying a change in magnification or an object distance by being movable on the optical axis. It is composed of a lens group with a fourth group that has a function of correcting surface fluctuations and has positive refractive power.
Further, the third group is characterized by being composed of a plastic lens having a positive refractive power and a negative temperature coefficient of refractive index.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a variable magnification imaging apparatus having a temperature compensation function according to Embodiment 1 of the present invention. Specifically, an outline of a main part of a lens barrel body having a lens system is schematically shown.
[0013]
In FIG. 1, 1, 2, 3, 4 denote lens groups, 1 is a first group, 2 is a second group, 3 is a third group, and 4 is a fourth group. 3a is a holding barrel for the third group. The first group 1 has a positive refractive power and a fixed structure. The second group 2 has a negative refractive power. The third group 3 includes a single plastic lens 3b having a negative temperature coefficient of refractive index, and at least one surface of the plastic lens 3b is aspheric. The fourth group 4 includes two groups of three lens groups, that is, a positive cemented lens obtained by bonding the negative lens 4a and the positive lens 4b, and a plastic lens 4c. The plastic lens 4c has at least one aspheric surface. Reference numeral 5 denotes an image sensor, 5a denotes a holding barrel, and 5b denotes an image forming position. S is an aperture, and EG is an equivalent glass such as a cover glass and a low-pass filter of the image sensor. The second group 2 and the fourth group 4 are configured to move and move on the optical axis.
[0014]
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the first group has three lenses, the second group has three, the third group has one, the fourth group has three, and the number of lenses is small. With the configuration, the zoom ratio is large and the size can be reduced.
[0015]
Furthermore, it is also possible to omit the plastic lens 4c having the aspherical surface of the fourth group and configure a nine-lens configuration. In that case, it is necessary to make the lens 4b have an aspherical surface.
[0016]
In general, a lens configuration used in a zoom lens is a four-group configuration, in which the second group has a negative refractive power, the third group has a positive refractive power, and the fourth group has a positive refractive power. . During zooming, the fourth group moves along a predetermined locus in conjunction with the movement of the second group to perform a focusing operation.
[0017]
In the present invention, the lens configuration is made by paying attention to the variation (focus amount) of the image forming position during zooming of the third group and its temperature characteristics. That is, even if only the third group lens is formed of a plastic lens, if the third group plastic lens satisfies a predetermined condition (condition of formula (1) described later), the variation amount of the imaging position is reduced. It is focused on the fact that the blow is small. .
[0018]
Plastic lenses have poorer lens characteristics including temperature characteristics compared to glass lenses, but the third group of lenses can change the imaging position as long as the following conditions are met, even if they are replaced with plastic lenses. There are few attacks. When the other lens group is replaced with a plastic lens, it is difficult to suppress the fluctuation of the imaging position during zooming to an allowable value. In addition, the variation in the imaging position during zooming of the third lens group is small from low to high temperatures.
[0019]
Therefore, even if the third lens unit is formed of a plastic lens, the amount of variation in the image formation position during zooming can be corrected and the amount of variation can be kept within the focal depth of the lens system. That is, when the third lens unit is composed of plastic lenses, the refractive index change due to temperature change is large and the absolute amount of variation is large compared to the glass lens, but the variation amount (that is, the nonlinear portion of the variation amount) is increased. Since it is small, the fluctuation amount can be offset by expansion and contraction due to temperature change of the holding lens barrel length. In the present invention, a single plastic lens having a positive refractive power is used. Of course, a plurality of lenses may be used.
[0020]
In the present invention, the aspherical surface necessary for the fourth group is constituted by an inexpensive plastic lens. That is, an aspherical surface is formed on one surface of the low-power plastic lens 4c to reduce the cost of the fourth group. Since a low-power plastic lens (condition (2) described later) is used, there is no need to take into account fluctuations in image plane position during zooming and temperature changes, and a low-cost plastic lens is used for the fourth lens group. An aspheric surface can be constructed.
[0021]
Examples of the plastic lens material include polymethyl methacrylate (PMMA) (for example, “Acrypet” manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd., “Sumipex” manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), polycarbonate resin (PC) (for example, "Panlite" manufactured by Teijin Chemicals Ltd., manufactured by Mitsubishi Engineer Plastics Co., Ltd. (Iupilon), cyclic olefin polymers (eg "ZEONEX" manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) "ARTON" manufactured, "Apel" manufactured by Mitsui Chemicals, Inc.), styrene resins (eg, "Estyrene MS" manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.), polystyrene resins (PS) (eg, Dainippon Ink and Chemicals, Inc.) "Dick Styrene" manufactured by Kogyo Co., Ltd.) Le (e.g. Hitachi Chemical manufacturing Ltd. "OPTOREZ", Mitsubishi Rayon "Acrypet WF100" is produced, Inc.) and the like can be used.
[0022]
L <b> 1 is a holding barrel passed between the first group 1 and the third group 3, and L <b> 2 is a holding barrel passed between the third group 3 and the image sensor 5. These holding barrels L1 and L2 are configured to expand and contract due to temperature changes.
[0023]
Here, the effect of the first embodiment will be described using specific numerical values. Examples of a general lens barrel material include PPS (polyphenylene sulfide) and PC (polycarbonate). In the PC, glass fiber or the like is added for the purpose of improving rigidity or dimensional stability, and this makes it possible to change the linear expansion coefficient between 2 × 10 ^{−5 and} 7 × 10 ⁻⁵ , for example. In the first embodiment, the spans of the holding barrels L1 and L2 are set to 30 mm and 30 mm, respectively, and the linear expansion coefficients of these holding barrels L1 and L2 are 3.4 × 10 ⁻⁵ and 6.5 ×, respectively. ^10-5 material is used.
[0024]
Of course, it is of course possible to construct both the holding barrels L1 and L2 using materials having the same linear expansion coefficient. The linear expansion coefficient of the lens barrel is a positive expansion coefficient that increases in length as the temperature rises. The temperature coefficient of the lens system is configured to have a negative temperature coefficient that reduces the refractive index and increases the back focus when the temperature of the entire lens system rises, and performs temperature compensation.
[0025]
In addition, since the holding lens barrel L2 is passed to the third lens group and the image sensor 5, the effect of canceling the image pickup position shift due to the temperature change of the refractive index of the lens group is the temperature change of the holding lens barrel L2. The expansion / contraction of dominates. Therefore, a more compact lens configuration can be obtained if the holding barrel L2 is made of a material having a high linear expansion coefficient. That is, since the holding lens barrel L2 is passed to the third group and the image sensor 5, the fluctuation of the imaging position is directly corrected by the expansion / contraction amount of L2, but the correction by the expansion / contraction amount of L1 is compared with L2. Small.
[0026]
With such a configuration, for example, when the temperature changes from 20 ° C. to −20 ° C., L1 shrinks by 40.8 μm and L2 shrinks by 78.0 μm. The variation amount of the image formation position due to the contraction of L1 is slightly varied depending on the zoom position, but becomes +10.2 μm at the wide angle end. On the other hand, the fluctuation amount of the imaging position due to the change in the refractive index of the lens due to the temperature change from 20 ° C. to −20 ° C. becomes −84.5 μm at the wide angle end. That is, the final variation amount of the imaging position in the first embodiment is 78.0 + 10.2-84.5 = 3.7 μm from the above.
[0027]
A value of this level is within the depth of focus of the present optical system, and there is almost no problem in practical use. Such correction of fluctuations in the imaging position due to the expansion and contraction of the holding lens barrel can achieve the same effect even at a high temperature of 40 ° C.
[0028]
As described above, in the first embodiment, the holding lens barrels L1 and L2 linear expansion coefficients and the holding lens barrel length are optimally set, so that the expansion and contraction of these holding lens barrels L1 and L2 can be effectively used. By appropriately changing the interval and optimally setting the power arrangement of the plastic lens, it is possible to suppress the fluctuation of the imaging position due to the temperature change, thereby maintaining good optical performance.
[0029]
As described above, in the present invention, the third group has a positive refractive power and has a fixed structure in order to correct the variation of the imaging position due to the temperature change, and the temperature coefficient of the refractive index is It is negative and is composed of one plastic lens having at least one aspheric surface.
[0030]
Then, the refractive index of the lens fluctuates due to a temperature change, and the image plane position fluctuates. In the present invention, between the first group and the third group, and between the third group and the imaging plane. A holding lens barrel that expands and contracts due to temperature changes is placed between it and the image sensor located at the position, and the linear expansion coefficient of this holding lens barrel is set optimally so that the expansion and contraction of the lens barrel and the fluctuation of the image plane position are matched. By adjusting, it is the structure which cancels the influence by a temperature change.
[0031]
That is, by optimizing the linear expansion coefficient and the lens barrel length of the holding lens barrel, it is possible to correct fluctuations in the image capturing position on the image sensor due to temperature changes.
[0032]
The occurrence of spherical aberration and coma is compensated by an aspherical surface. The fourth group is composed of two groups of three lenses: a positive cemented lens in which a negative lens and a positive lens are bonded together, and a plastic lens having an aspheric surface, and correction of chromatic aberration is performed by the cemented lens.
[0033]
The plastic lens used in the third group needs to satisfy the conditional expression (1). That is,
5.0 <f3 / fw <7.0 (1)
It is necessary to be. Specifically, this conditional expression (1) defines the power arrangement of the third lens group plastic lens, and if it is within the range of this conditional expression (1), the aberration can be corrected sufficiently, and compact. And high performance can be realized. When the power is increased beyond the lower limit, the size is reduced, but the influence of temperature change increases, exceeding the adjustment range due to the expansion and contraction of the holding barrel, which is inappropriate from the viewpoint of aberration correction. Further, if the power is weakened beyond the upper limit value, the back focus is increased and the whole tends to be enlarged, which is inappropriate.
[0034]
If the plastic lens used for the third lens group is set so as to satisfy the conditional expression (1), the amount of fluctuation of the imaging position during zooming is small from the low temperature to the high temperature, and the fluctuation of the imaging position is within the depth of focus. Can fit in.
[0035]
The plastic lens used in the fourth group is conditional expression (2), that is, fw / | f4p | <0.03 (2).
Is preferably satisfied. However,
fw: focal length at the wide-angle end of the entire system f4p: focal length of the fourth group plastic lens.
[0036]
Conditional expression (2) defines the power arrangement of the plastic lens. By configuring the plastic lens with a weak power arrangement within this range, the influence of temperature change can be reduced. Beyond the range, the effect of temperature increases. In addition, the plastic lens can be aspherical, thereby making it possible to satisfactorily correct coma and image plane characteristics.
[0037]
The plastic lens used in the third group can have a meniscus shape with a convex surface facing the object side. Thereby, the front principal point of the third group can be positioned in the object side space. Since the principal point interval between the second group and the third group on the telephoto side can be reduced from this, it is possible to secure a moving area of the second group for zooming and to make the lens system compact. it can. That is, the lens barrel length can be shortened. In addition, since the third lens group can be arranged at a position where the light beam height is low in the paraxial region, the power of the fourth lens group can be increased, which contributes to the improvement of Petzval sum when the size is reduced. be able to. By placing plastic lenses with power in the third group and plastic lenses with weak power in the fourth group as described above, and optimally setting the lens barrel configuration and lens barrel material, it is compact, low cost and high A high-performance imaging device can be realized.
[0038]
A numerical example of the first embodiment is shown in “Table 1” below.
[0039]
[Table 1]

[0040]
In Table 1, r1, r2,... Are the radii of curvature (mm) of the lens surfaces counted in order from the object side. d1, d2,... are the thickness of each lens and the air gap (mm). n1, n2,... are refractive indexes of each lens at the d-line. ν1, ν2,... are Abbe numbers based on the d-line. Here, the focal length of the entire system is indicated by f, the F number is F /, and the field angle is 2ω. The surface marked with * is an aspherical surface, and the aspherical shape is expressed by the following equation (3).
^{X = (h 2 / r)} / (1+ (1- (K + 1) h 2 / r 2) 1/2) + Ah 4 + Bh 6 + Ch 8 + Dh 10 ... (3)
Here, X is the distance from the tangent plane of the aspherical apex of the aspherical shape whose height from the optical axis is h, and the radius of curvature of the reference spherical surface is r. The aspherical coefficients K, A, B, C, and D are as shown in Table 1.
[0041]
2 to 4 show aberration diagrams of the lens at the wide-angle end (FIG. 2), the middle (FIG. 3), and the telephoto end (FIG. 4). 2, 3, and 4, (a) is spherical aberration (mm), (b) is distortion aberration (%), (c) is astigmatism (mm), and (d) is coma aberration (mm). The aberration performance figure of is shown. In the spherical aberration diagrams of FIGS. 2 to 4, F represents the F line, and C represents the C line. In the astigmatism diagram, S represents a sagittal image plane, and M represents a meridional image plane. As can be seen from this aberration diagram, it is possible to realize good optical performance with small aberration.
(Embodiment 2)
FIG. 5 shows a variable magnification imaging apparatus having a temperature compensation function according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, the first group 1, the second group 2, the third group 3, the fourth group 4, and the image sensor 5 have the same configuration as that of FIG. 1 differs from the configuration of FIG. 1 in that the configuration of the fourth group 4 is arranged in order from the object side with a cemented positive lens (bonding of the negative lens 4a and the positive lens 4b) and an aspheric plastic lens 4c. .
[0042]
Numerical examples of this lens are shown in Table 2. In “Table 2”, the meanings of symbols and the like are the same as those in “Table 1”.
[0043]
[Table 2]

[0044]
The aberration performance of the lens of FIG. 5 is shown in the aberration diagrams of FIGS. 6 to 8 at the wide-angle end (FIG. 6), the middle (FIG. 7), and the telephoto end (FIG. 8), as in the first embodiment. As in the first embodiment, good optical performance with small aberration can be realized.
(Embodiment 3)
FIG. 9 shows a configuration of a video camera according to the third embodiment of the present invention. Note that this configuration of the video camera can also be used for a digital still camera. In FIG. 9, the output from the variable magnification imaging device 10 is reproduced as a video signal by the signal processing circuit 11, and the reproduced video can be viewed by the viewfinder 12. Further, the recording system 13 can record the reproduced video signal on a predetermined recording medium (not shown).
[0045]
If the camera unit is configured using the variable magnification imaging apparatus of the present invention, a compact high-performance video camera can be realized at a low cost while the zoom ratio is as high as about 20 times.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the optimal lens type is adopted and the lens holding barrel is devised to overcome the problems of the plastic lens, and the characteristics are maximized and the number is 10. For example, it is possible to provide an image pickup apparatus that can achieve a high magnification of, for example, 20 times with a small lens configuration, and that has a small and low-cost temperature compensation function in which aberrations are well corrected.
[0047]
Furthermore, by applying the variable magnification imaging apparatus of the present invention to the camera unit, a compact video camera with a high magnification of about 20 times and a low cost can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a variable magnification imaging apparatus having a temperature compensation function according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows aberration performance at the wide angle end of the variable magnification imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing aberration performance at an intermediate position for the variable magnification imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram at the telephoto end of the variable magnification imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a configuration diagram of a variable magnification imaging apparatus having a temperature compensation function according to the second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a wide angle end of the variable magnification imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 7 is a diagram showing aberration performance at an intermediate position of the variable magnification imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 8 is a diagram showing the variable magnification imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 9 is a diagram showing aberration performance at the telephoto end of the video camera. Click configuration diagram DESCRIPTION OF SYMBOLS
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st group 2 2nd group 3 3rd group 3b Plastic lens 4 4th group 4a Negative lens 4b Positive lens 4c Plastic lens L1 1st group-third group holding lens barrel L2 3rd group-image sensor holding mirror Tube

Claims

A variable magnification imaging apparatus including four lens groups of a first group, a second group, a third group, and a fourth group in order from the object side toward the imaging element side,
When the third group has a positive refractive power, the refractive index temperature coefficient is negative, the focal length is f3 , and the focal length at the wide-angle end of the entire system is fw,
5.0 <f3 / fw <7.0
A plastic lens that satisfies the conditions
A first holding barrel for holding a gap between the third lens group and the first lens group;
A third holding lens barrel that holds the third lens group and the image sensor;
The change in the refractive index due to the temperature change of the third lens group has a negative coefficient with respect to the temperature rise, and the holding barrel has a positive linear expansion coefficient with the length extending in the optical axis direction with respect to the temperature rise. And the linear expansion coefficient of the holding lens barrel is provided so as to cancel out the variation amount of the imaging position due to the temperature change of the third lens group .

2. The variable magnification imaging apparatus according to claim 1, wherein the holding barrel has a linear expansion coefficient of 2 × 10 ⁻⁵ to 7 × 10 ⁻⁵ .

In order from the object side to the image sensor side, the first group having a positive refractive power and a fixed structure, and the function of changing the magnification by being movable on the optical axis and negative refraction a second group having a force positive has a refractive power and fixed structures der is, the focal length and f3, the focal length at the wide angle end of the entire system is taken as fw,
5.0 <f3 / fw <7.0
A third lens group having a plastic lens that satisfies the following condition, and a third lens group having a positive refracting power and a function of correcting an image plane variation accompanying a change in magnification or a change in object distance by being movable on the optical axis. A variable magnification imaging apparatus composed of four lens groups,
The first holding lens barrel holds the third lens group and the first lens group,
The third lens group and the image sensor are held by a second holding barrel, and the refractive index change due to the temperature change of the third lens group has a negative coefficient with respect to the temperature rise, and the holding The lens barrel has a positive linear expansion coefficient whose length extends in the optical axis direction with respect to a temperature rise, and the linear expansion coefficient of the holding lens barrel is an imaging position due to a temperature change of the third lens group. zooming the imaging device characterized that you provided so as to offset the variation amount.

4. The variable magnification imaging apparatus according to claim 3, wherein the plastic lens used in the third group has a meniscus shape with a convex surface facing the object side.

4. The variable magnification imaging apparatus according to claim 3, wherein the third group is composed of one plastic lens having a negative temperature coefficient of refractive index, and at least one surface of the lens is an aspherical surface. .

4. The method according to claim 3, wherein two types of holding barrels are used, the first holding barrel holds between the first group and the third group of lens groups, and the second holding barrel is a third group of lenses. In order to hold the space between the lens group and the image pickup device and cancel out the deviation of the imaging position due to the temperature change of the lens group, the holding lens barrels have a predetermined linear expansion coefficient, and the holding mirror A variable magnification imaging apparatus in which a tube length is set.

3. The variable magnification imaging apparatus according to claim 2, wherein the number of lenses of the entire lens group is nine or more.

3. The variable magnification imaging apparatus according to claim 2, wherein the number of lenses of the entire lens group is preferably ten.

4. The fourth lens group according to claim 2, wherein the fourth lens group is composed of two groups of three lenses, a positive cemented lens obtained by bonding a negative lens and a positive lens, and a plastic lens, and at least one surface of the plastic lens is an aspherical surface. And the plastic lens has the following conditional expression:
fw / | f4p | <0.03
However,
fw: Focal length at the wide-angle end of the entire system
f4p: a variable magnification imaging apparatus having a temperature compensation function characterized by satisfying the focal length of the fourth group plastic lens.

5. The fourth group according to claim 4, wherein the fourth group is composed of two groups of three lenses, a positive cemented lens obtained by bonding a negative lens and a positive lens, and a plastic lens, and at least one surface of the plastic lens is aspherical. And the plastic lens has the following conditional expression:
fw / | f4p | <0.03
However,
fw: Focal length at the wide-angle end of the entire system
f4p: a variable magnification imaging apparatus having a temperature compensation function characterized by satisfying the focal length of the fourth group plastic lens.

7. The variable magnification imaging apparatus according to claim 6, wherein the linear expansion coefficient of the holding barrel is 2 × 10 ⁻⁵ to 7 × 10 ⁻⁵ .

12. The variable magnification imaging apparatus according to claim 11, wherein the linear expansion coefficient of the second holding lens barrel L2 is larger than the linear expansion coefficient of the first holding lens barrel L1.

A video camera equipped with a variable magnification imaging device,
The variable magnification imaging apparatus includes a first lens group having a fixed structure having a positive refractive power, a second lens group having a negative refractive power that moves on the optical axis,
Positive refractive power , fixed structure , focal length is f3, and focal length at the wide angle end of the entire system is fw.
5.0 <f3 / fw <7.0
A third lens group having a plastic lens that satisfies the following condition; a fourth lens group having a positive refractive power that moves on the optical axis;
A first lens barrel over the first lens group and the third lens group;
A second lens barrel spanning the third lens group and the image sensor;
A video camera characterized in that fluctuations in image plane position caused by temperature changes in the third lens group are canceled out by fluctuations in image plane position due to expansion / contraction of at least one of the lens barrels .

According to claim 13, wherein the plastic lens of the third group of video camera temperature coefficient of the refractive index is negative.