JP4365919B2 - リアフォーカス式のズームレンズ及びそれを用いた光学機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リアフォーカス式の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、ズーム比が１０倍程度と高変倍比でありながら、広角端のＦナンバーが１．６程度と大口径比で構成するレンズ枚数が比較的少ないリアフォーカス式の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】
従来より写真用カメラやビデオカメラなどの光学機器に使われるズームレンズにおいて、物体側の第１群より後方のレンズ群を移動させてフォーカスを行う、いわゆるリアフォーカス方式を採用した例が色々と提案されている。これは、リアフォーカス方式が比較的、小型軽量のレンズ群を移動させるので、レンズ群の駆動力が小さくてすみ、かつ、迅速な焦点合わせができるのでオートフォーカスシステムとの相性がいい等の特徴があるためである。
【０００３】
このようなリアフォーカス式のズームレンズが例えば、特開昭６２−２０６５１６号公報や特開昭６２−２４２１３号公報や特開昭６３−２４７３１６号公報、そして特開平４−４３３１１号公報で提案されている。これらの各公報のリアフォーカス式のズームレンズでは、物体側より順に正の屈折力の第１群、負の屈折力の第２群、正の屈折力の第３群、正の屈折力の第４群の４つのレンズ群を有し、第２群を移動させて変倍を行い、変倍に伴う像面変動を第４群を移動させて補正すると共にフォーカスを行っている。
【０００４】
又、特開昭６３−２９７１８号公報では、物体側より順に正の屈折力の第１群と、負レンズ、負レンズ、正レンズの３枚のレンズにて構成され全体として負の屈折力で変倍時に可動であって主として変倍をつかさどる第２群と、正の屈折力を有し非球面を含む第３群と、少し大きな空気間隔をあけて正の屈折力を有し変倍に伴う像面変動を補正し、合焦のために移動する第４群より構成したズームレンズを開示している。
【０００５】
特開平５−７２４７２号公報では、物体側より順に正の屈折力で固定の第１群、負の屈折力で変倍のための第２群、固定で集光作用を有し正の屈折力の第３群、像面位置を維持するために光軸上を移動する正の屈折力の第４群を有する非球面を用いたズームレンズを開示している。これは、第２群はメニスカス状の負レンズと両凹レンズと正レンズを配し、第３群は１面以上の非球面である単レンズから構成され、第４群は１面以上の非球面を有するレンズで構成されている。
【０００６】
米国特許明細書第４２９９４５４では、物体側より順に第１正レンズ群、第２負レンズ群、後方の正レンズ群より構成され、負レンズ群を含む少なくとも２つのレンズ群を移動させて変倍を行い、第２負レンズ群は物体側から第１、第２の負レンズと正のダブレットから成るズームレンズが開示されている。同公報では、第２群に非球面を配した実施例は開示されていない。
【０００７】
又、特開平８−２９２３６９号公報では、物体側より順に正の屈折力の第１群、非球面を有する負の屈折力の第２群、非球面を有する正の屈折力の第３群、非球面を有する正の屈折力の第４群の４つのレンズ群を有し、第２群を移動させて変倍を行い、変倍に伴う像面変動を第４群を移動させて補正すると共にフォーカスを行っている。
【０００８】
また、所用４群リアフォーカス式のズームレンズにおいて、変倍用の第２群の屈折力を強めて所定の変倍比を確保するための第２群の光軸方向の移動量を少なくする方法がある。
【０００９】
上記のような構成にすると、変倍系であるレンズ群の第１群と第２群の間隔が短くなり、又絞りから第１群までの距離が短くなるので前玉径が小さくなる。それによって第１群の厚さを薄くすることが可能になるので、レンズ系全体の小型化が容易になる。
【００１０】
また、結像系である第３群と第４群を小型化する方法として、具体的に、第３群を物体側から順に正レンズと負レンズで構成し、第３群を所謂、望遠レンズタイプとして第３群の主点位置を物体側に移動させて第３群と第４群の実距離間隔を短くして小型化を図る方法がある。このような構成のズームレンズが、例えば特開平５−１９１６５号公報、特開平５−２９７２７５号公報、特開平５−６０９７３号公報、特開平５−６０９７４号公報、特開平５−１０７４７３号公報、特開平６−１３０２９７号公報、特開平８−３０４７００号公報、ＵＳＰ５１８９５５８号公報、ＵＳＰ５３９６３６７号公報等で提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、リアフォーカス方式を採用しレンズ系全体を小型化し、迅速なフォーカスを可能とし、かつ第１群がズーミング時、固定でメカ機構が簡単で、ズーム比が１０倍程度と高変倍比にもかかわらず高い光学性能を有し、かつＦナンバーが１．６程度と大口径比でありながら、レンズの構成枚数が少ないリアフォーカス式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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のリアフォーカス式のズームレンズは、物体側より順に、正の屈折力の第１群、負の屈折力の第２群、正の屈折力の第３群、そして正の屈折力の第４群の４つのレンズ群で構成され、該第２群を像面側へ移動させて広角端から望遠端への変倍を行い、変倍に伴う像面変動を、該第４群を移動させて補正すると共に、該第４群を移動させてフォーカスを行うリアフォーカス式のズームレンズであって、該第３群は、最も物体側に絞りを有し、その像面側に物体側のレンズ面が凸面でかつ少なくとも１つのレンズ面が非球面である正レンズＧ３Ｆと、最も像面側には像面側に凹面を向けたメニスカス状の負レンズＧ３Ｒを有し、該第４群は、両レンズ面が凸面で少なくとも１つのレンズ面が非球面の正レンズと負レンズとの接合レンズより成り、広角端及び望遠端における全系の焦点距離をｆｗ，ｆｔ、広角端のＦナンバーをＦＮＷ、該負レンズＧ３Ｒの像面側のレンズ面の曲率半径をＲｒ、該負レンズＧ３Ｒの材質の屈折率をＮｒ、該第ｉ群の焦点距離をｆｉとし、
【数４】
とおいたとき、
０．２８＜｛｜ｆ２／ｆＡ｜｝×ＦＮＷ≦０．４５
０．３＜Ｒｒ／｛（Ｎｒ−１）ｆＡ｝≦０．４９
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００１３】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記第ｉ群の焦点距離をｆｉとしたとき、
０．６＜ｆ３／ｆ４＜１．１５
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００１４】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、前記第２群は、２枚以上の負レンズと１枚の正レンズから構成されていることを特徴としている。
【００１５】
請求項４の発明は請求項３の発明において、前記第２群は、物体側より順に像面側に凹面を向けた負の第２１レンズ、両レンズ面が凹面の負の第２２レンズ、物体側に凸面を向けた正の第２３レンズにより構成されることを特徴としている。
請求項５の発明は請求項４の発明において、前記負の第２２レンズと前記正の第２３レンズは接合されていることを特徴としている。
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、前記第２群は、非球面を有していることを特徴としている。
請求項７の発明は請求項６の発明において、前記第２群中の非球面は、Ｒ０を光軸近傍の曲率半径としたとき、
１．０＜｜Ｒ０／ｆ２｜＜４．０
の条件式を満足する面に配置されていることを特徴としている。
請求項８の発明は請求項１から７のいずれか１項の発明において、前記第１群の物体側の第１レンズ面から近軸像面までの距離をＬ、
広角端と望遠端における全系の焦点距離をｆｗ，ｆｔとし、
【数５】
とおいたとき、
２．７＜Ｌ／ｆＡ＜３．９
なる条件式を満足することを特徴としている。
請求項９の発明は請求項１から８のいずれか１項の発明において、前記第２群の最も物体側の負レンズの媒質の屈折率をＮ２ｆとおいたとき、
１．８４＜Ｎ２ｆ＜１．９５
なる条件式を満足することを特徴としている。
請求項１０の発明は請求項１から９のいずれか１項の発明において、前記第３群の最も物体側のレンズ面から最も像面側のレンズ面までの光軸上の距離をＤ３、広角端と望遠端における全系の焦点距離をｆｗ，ｆｔとし、
【数６】
とおいたとき、
０．１５＜Ｄ３／ｆＡ＜０．５４
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００１６】
請求項１１の発明の光学機器は、請求項１から１０のいずれか１項のリアフォーカス式のズームレンズと、該リアフォーカス式のズームレンズによって形成される像を受光する撮像素子を有することを特徴としている。
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のリアフォーカス式のズームレンズの実施形態１の要部断面図、図２，図３，図４は実施形態１の広角端，中間，望遠端のズーム位置における収差図である。図５は本発明のリアフォーカス式のズームレンズの実施形態２の要部断面図、図６，図７，図８は実施形態２の広角端，中間，望遠端のズーム位置における収差図である。図９は本発明のリアフォーカス式のズームレンズの実施形態３の要部断面図、図１０，図１１，図１２は実施形態３の広角端，中間，望遠端のズーム位置における収差図である。図１３は本発明のリアフォーカス式のズームレンズの実施形態４の要部断面図、図１４，図１５，図１６は実施形態４の広角端，中間，望遠端のズーム位置における収差図である。
【００２２】
図中Ｌ１は正の屈折力の第１群、Ｌ２は負の屈折力の第２群、Ｌ３は正の屈折力の第３群、Ｌ４は正の屈折力の第４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。
【００２３】
本実施形態では広角端から望遠端への変倍に際して矢印のように第２群を像面側へ移動させると共に、変倍に伴う像面変動を第４群を物体側に凸状の軌跡を有しつつ移動させて補正している。
【００２４】
また、第４群を光軸上移動させてフォーカスを行うリアフォーカス式を採用している。同図に示す第４群の実線の曲線４ａと点線の曲線４ｂは各々無限遠物体と近距離物体にフォーカスしているときの広角端から望遠端への変倍に伴う際の像面変動を補正するための移動軌跡を示している。尚、第１群と第３群は変倍及びフォーカスの際固定である。
【００２５】
本実施例においては、第４群を移動させて変倍に伴う像面変動の補正を行うと共に第４群を移動させてフォーカスを行うようにしている。特に同図の曲線４ａ，４ｂに示すように広角端から望遠端への変倍に際して物体側へ凸状の軌跡を有するように移動させている。これにより第３群と第４群との空間の有効利用を図りレンズ全長の短縮化を効果的に達成している。
【００２６】
本実施例において、例えば望遠端において無限遠物体から近距離物体へフォーカスを行う場合は同図の直線４ｃに示すように第４群を前方へ繰り出すことにより行っている。そして、本実施形態のリアフォーカス式のズームレンズは、該第３群は最も物体側に絞りを有しその像面側に物体側のレンズ面が凸面でかつ少なくとも１つのレンズ面が非球面である正レンズＧ３Ｆと、最も像面側には像面側に凹面を向けたメニスカス状の負レンズＧ３Ｒを有し、該第４群は両レンズ面が凸面で少なくとも１つのレンズ面が非球面の正レンズと負レンズとの接合レンズより成っていることを基本構成としている。尚、これらの構成要件のうち非球面は多少の光学性能の低下はあるが必ずしも設けなくとも良い。
【００２７】
本実施形態のリアフォーカス式のズームレンズは以上の基本構成の基で、
【００２８】
【００２９】
広角端及び望遠端における全系の焦点距離をｆｗ，ｆｔ、広角端のＦナンバーをＦＮＷ、該負レンズＧ３Ｒの像面側のレンズ面の曲率半径をＲｒ、該負レンズＧ３Ｒの材質の屈折率をＮｒ、該第ｉ群の焦点距離をｆｉとし、
【００３０】
【数７】
【００３１】
とおいたとき、
０．２８＜｛｜ｆ２／ｆＡ｜｝×ＦＮＷ≦０．４５ …（３ａ）
０．３＜Ｒｒ／｛（Ｎｒ−１）ｆＡ｝≦０．４９ …（３ｂ）
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００３２】
【００３３】
【００３４】
【００３５】
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、物体距離全体にわたり高い光学性能を得ている。
【００３６】
次に前述の各条件式の技術的な意味について説明する。
【００３７】
【００３８】
【００３９】
【００４０】
【００４１】
本発明のようなタイプのズームレンズにおいて、変倍に大きく寄与する第２群の屈折力を強くすると、変倍に伴う第２群の移動量を少なくすることが可能になり、レンズ全長を短くすることができる。
【００４２】
しかしこれは、該ズームレンズのＦナンバーにも関係し、このファクターを考慮する必要がある。Ｆナンバーが暗ければ焦点距離ｆ２を小さくすることが可能になるが、実際そのような仕様のレンズは製品にすることは困難である。
【００４３】
条件式（３ａ）はこのようなことに基づいて設定したものであり、条件式（３ａ）の上限値を超えて焦点距離が長くなりすぎると、収差上は好ましいが、所望のズーム比を得るためには該第２群の移動量を大きくしなくてはならず、レンズ系全体の大型化を招き好ましくない。逆に下限値を超えるとペッツバール和が負に大きくなり、像面が倒れてくるので良好な光学性能を保つのが困難になる。
【００４４】
条件式（３ｂ）は第３群の負レンズＧ３Ｒに関するものであり、条件式（３ｂ）の上限値を超えると第３群での望遠タイプの効果が小さくなり、バックフォーカスが短くなってくるので好ましくない。逆に下限値を超えると曲率半径が小さくなりすぎて、該面で発生する収差が大きくなり、第３群で補正するのが困難になると同時に、第４群との距離が狭くなり、第４群と干渉してくるので良くない。
【００４５】
【００４６】
又、前記第ｉ群の焦点距離をｆｉとしたとき、
０．６＜ｆ３／ｆ４＜１．１５…（６）
なる条件式を満足することが良い。条件式（６）は結像系である第３群と第４群を小型化を図るための最適な屈折力配分を表している。特に第３群と第４群の間隔を最適にした時、第３群から射出する光束を第４群に略アフォーカルで入射させ、最適なバックフォーカスを確保するためのものである。上限値を超えると第３群から射出する光束がアフォーカルから逸脱し、第４群が大型化してくる。また第４群の移動に伴う収差変動が大きくなり好ましくない。逆に下限値を超えると第４群の屈折力が弱くなり、フォーカスのための移動量が大きくなり全長が長くなってくる。
【００４７】
尚、更に光学性能を良好に維持しつつ、レンズ全長の短縮を達成するためには、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。
【００４８】
(イ-1)
前記第２群は２枚以上の負レンズと１枚の正レンズから構成されていることである。本発明のようなズームタイプで変倍比を上げる場合、変倍機能に大きく寄与する第２群の移動量を大きくするか、該第２群の焦点距離を短くする必要がある。前記の方法は、ズームレンズの大型化を招き好ましくなく、後記の方法はレンズは大きくならないものの第２群に負担が大きくかかり、光学性能を良好に保つ事が困難になってくる。そこで上述のごとく第２群を構成することにより光学性能を良好に補正する事ができる。
【００４９】
(イ-2)
前記第２群は、物体側より順に像面側に凹面を向けた負の第２１レンズ、両レンズ面が凹面の負の第２２レンズ、物体側に凸面を向けた正の第２３レンズにより構成されることである。これは前述の(イ−1)で述べたのと同じ理由である。
【００５０】
(イ-3)
前記負の第２２レンズと前記正の第２３レンズは接合されていることである。これによって第２群中の色収差を良好に補正している。
【００５１】
(イ-4)
前記第２群は非球面を有していることである。この非球面を配置することにより軸外の光学性能を向上している。
【００５２】
(イ-5)
前記第２群中の非球面はＲ０を光軸近傍の曲率半径としたとき、
１．０＜｜Ｒ０／ｆ２｜＜４．０…（７）
の条件式を満足する面に配置されていることである。本発明では非球面を、曲率半径の小さいレンズ面に配置することにより、より効果的に収差を補正している。特に軸外のフレアーを良好に補正している。条件式（７）の上限値を超えると軸外の性能の補正効果が少なくなり好ましくない。逆に下限値をこえると曲率が小さく成りすぎて、非球面を製造するのが困難になってくる。なお、非球面は、レンズの周辺部にいくにしたがって屈折力が弱くなる形状となることが望ましい。
【００５３】
(イ-6)
前記第１群の物体側の第１レンズ面から近軸像面までの距離をＬ（最も像面側に配置したローパスフィルター等のダミーガラスは、空気に換算値）とおいたとき、
２．７＜Ｌ／ｆＡ＜３．９…（８）
なる条件式を満足することである。条件式（８）の上限値を超えるとレンズ全長が長くなり良くない。逆に下限値を超えるとペッツバール和が負に大きくなり、像面が倒れてくるので良好な光学性能を保つのが困難になる。
【００５４】
(イ-7)
前記第２群の最も物体側の負レンズの媒質の屈折率をＮ２ｆとおいたとき、
１．８４＜Ｎ２ｆ＜１．９５…（９）
なる条件式を満足することである。これはペッツバール和に関係し、像面湾曲をバランスよく補正する条件である。条件式（９）の上限値を超えると像面湾曲は有利になるが、実際に使用可能な硝材を考慮するとアッベ数が小さくなり、色収差の補正が困難になってくる。逆に下限値を超えると像面が物体側に凹となるように湾曲し好ましくない。
【００５５】
(イ−8)
前記第３群の最も物体側のレンズ面から最も像面側のレンズ面までの光軸上の距離をＤ３、広角端と望遠端における全系の焦点距離をｆｗ，ｆｔとし、
【００５６】
【数８】
【００５７】
とおいたとき、
０．１５＜Ｄ３／ｆＡ＜０．５４…（１０）
なる条件式を満足することである。条件式（１０）の上限値を超えると全長の増大化を招き、逆に下限値を超えると全長は有利であるが、Ｆナンバーの大口径化が難しくなってくる。
【００５８】
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１７を用いて説明する。
【００５９】
図１７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。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上に形成された披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。
【００６０】
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。
【００６１】
以下に、本発明の数値実施例を記載する。
【００６２】
数値実施例において、Ｒｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、Ｄｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ厚及び空気間隔、Ｎｉとνｉはそれぞれ物体側より順に第ｉ番目のレンズのガラスの屈折率とアッベ数である。
【００６３】
非球面形状は、光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向にＨ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、各非球面係数をＫ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆとしたとき、
【００６４】
【数９】
【００６５】
なる式で表している。また、例えば「ｅ−Ｚ」の表示は「１０-Z」を意味する。前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表−１に示す。
【００６６】
【外１】
【００６７】
【外２】
【００６８】
【外３】
【００６９】
【外４】
【００７０】
【表１】
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば以上説明したように構成することにより、レンズ系全体を小型化し、迅速なフォーカスを可能とし、かつ第１群がズーミング時固定でメカ機構が簡単で、ズーム比が１０倍程度と高変倍比にもかかわらず高い光学性能を有し、かつＦナンバーが１．６程度と大口径比でありながら、レンズの構成枚数が少ないリアフォーカス式のズームレンズ及びそれを用いた光学機器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の数値実施例１のレンズ断面図
【図２】 本発明の数値実施例１の広角端の収差図
【図３】 本発明の数値実施例１の中間の収差図
【図４】 本発明の数値実施例１の望遠端の収差図
【図５】 本発明の数値実施例２のレンズ断面図
【図６】 本発明の数値実施例２の広角端の収差図
【図７】 本発明の数値実施例２の中間の収差図
【図８】 本発明の数値実施例２の望遠端の収差図
【図９】 本発明の数値実施例３のレンズ断面図
【図１０】 本発明の数値実施例３の広角端の収差図
【図１１】 本発明の数値実施例３の中間の収差図
【図１２】 本発明の数値実施例３の望遠端の収差図
【図１３】 本発明の数値実施例４のレンズ断面図
【図１４】 本発明の数値実施例４の広角端の収差図
【図１５】 本発明の数値実施例４の中間の収差図
【図１６】 本発明の数値実施例４の望遠端の収差図
【図１７】 本発明の光学機器の要部概略図
【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
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＭ メリディオナル像面
ΔＳ サジタル像面
【発明の属する技術分野】
本発明は、リアフォーカス式の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、ズーム比が１０倍程度と高変倍比でありながら、広角端のＦナンバーが１．６程度と大口径比で構成するレンズ枚数が比較的少ないリアフォーカス式の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】
従来より写真用カメラやビデオカメラなどの光学機器に使われるズームレンズにおいて、物体側の第１群より後方のレンズ群を移動させてフォーカスを行う、いわゆるリアフォーカス方式を採用した例が色々と提案されている。これは、リアフォーカス方式が比較的、小型軽量のレンズ群を移動させるので、レンズ群の駆動力が小さくてすみ、かつ、迅速な焦点合わせができるのでオートフォーカスシステムとの相性がいい等の特徴があるためである。
【０００３】
このようなリアフォーカス式のズームレンズが例えば、特開昭６２−２０６５１６号公報や特開昭６２−２４２１３号公報や特開昭６３−２４７３１６号公報、そして特開平４−４３３１１号公報で提案されている。これらの各公報のリアフォーカス式のズームレンズでは、物体側より順に正の屈折力の第１群、負の屈折力の第２群、正の屈折力の第３群、正の屈折力の第４群の４つのレンズ群を有し、第２群を移動させて変倍を行い、変倍に伴う像面変動を第４群を移動させて補正すると共にフォーカスを行っている。
【０００４】
又、特開昭６３−２９７１８号公報では、物体側より順に正の屈折力の第１群と、負レンズ、負レンズ、正レンズの３枚のレンズにて構成され全体として負の屈折力で変倍時に可動であって主として変倍をつかさどる第２群と、正の屈折力を有し非球面を含む第３群と、少し大きな空気間隔をあけて正の屈折力を有し変倍に伴う像面変動を補正し、合焦のために移動する第４群より構成したズームレンズを開示している。
【０００５】
特開平５−７２４７２号公報では、物体側より順に正の屈折力で固定の第１群、負の屈折力で変倍のための第２群、固定で集光作用を有し正の屈折力の第３群、像面位置を維持するために光軸上を移動する正の屈折力の第４群を有する非球面を用いたズームレンズを開示している。これは、第２群はメニスカス状の負レンズと両凹レンズと正レンズを配し、第３群は１面以上の非球面である単レンズから構成され、第４群は１面以上の非球面を有するレンズで構成されている。
【０００６】
米国特許明細書第４２９９４５４では、物体側より順に第１正レンズ群、第２負レンズ群、後方の正レンズ群より構成され、負レンズ群を含む少なくとも２つのレンズ群を移動させて変倍を行い、第２負レンズ群は物体側から第１、第２の負レンズと正のダブレットから成るズームレンズが開示されている。同公報では、第２群に非球面を配した実施例は開示されていない。
【０００７】
又、特開平８−２９２３６９号公報では、物体側より順に正の屈折力の第１群、非球面を有する負の屈折力の第２群、非球面を有する正の屈折力の第３群、非球面を有する正の屈折力の第４群の４つのレンズ群を有し、第２群を移動させて変倍を行い、変倍に伴う像面変動を第４群を移動させて補正すると共にフォーカスを行っている。
【０００８】
また、所用４群リアフォーカス式のズームレンズにおいて、変倍用の第２群の屈折力を強めて所定の変倍比を確保するための第２群の光軸方向の移動量を少なくする方法がある。
【０００９】
上記のような構成にすると、変倍系であるレンズ群の第１群と第２群の間隔が短くなり、又絞りから第１群までの距離が短くなるので前玉径が小さくなる。それによって第１群の厚さを薄くすることが可能になるので、レンズ系全体の小型化が容易になる。
【００１０】
また、結像系である第３群と第４群を小型化する方法として、具体的に、第３群を物体側から順に正レンズと負レンズで構成し、第３群を所謂、望遠レンズタイプとして第３群の主点位置を物体側に移動させて第３群と第４群の実距離間隔を短くして小型化を図る方法がある。このような構成のズームレンズが、例えば特開平５−１９１６５号公報、特開平５−２９７２７５号公報、特開平５−６０９７３号公報、特開平５−６０９７４号公報、特開平５−１０７４７３号公報、特開平６−１３０２９７号公報、特開平８−３０４７００号公報、ＵＳＰ５１８９５５８号公報、ＵＳＰ５３９６３６７号公報等で提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、リアフォーカス方式を採用しレンズ系全体を小型化し、迅速なフォーカスを可能とし、かつ第１群がズーミング時、固定でメカ機構が簡単で、ズーム比が１０倍程度と高変倍比にもかかわらず高い光学性能を有し、かつＦナンバーが１．６程度と大口径比でありながら、レンズの構成枚数が少ないリアフォーカス式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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のリアフォーカス式のズームレンズは、物体側より順に、正の屈折力の第１群、負の屈折力の第２群、正の屈折力の第３群、そして正の屈折力の第４群の４つのレンズ群で構成され、該第２群を像面側へ移動させて広角端から望遠端への変倍を行い、変倍に伴う像面変動を、該第４群を移動させて補正すると共に、該第４群を移動させてフォーカスを行うリアフォーカス式のズームレンズであって、該第３群は、最も物体側に絞りを有し、その像面側に物体側のレンズ面が凸面でかつ少なくとも１つのレンズ面が非球面である正レンズＧ３Ｆと、最も像面側には像面側に凹面を向けたメニスカス状の負レンズＧ３Ｒを有し、該第４群は、両レンズ面が凸面で少なくとも１つのレンズ面が非球面の正レンズと負レンズとの接合レンズより成り、広角端及び望遠端における全系の焦点距離をｆｗ，ｆｔ、広角端のＦナンバーをＦＮＷ、該負レンズＧ３Ｒの像面側のレンズ面の曲率半径をＲｒ、該負レンズＧ３Ｒの材質の屈折率をＮｒ、該第ｉ群の焦点距離をｆｉとし、
【数４】
とおいたとき、
０．２８＜｛｜ｆ２／ｆＡ｜｝×ＦＮＷ≦０．４５
０．３＜Ｒｒ／｛（Ｎｒ−１）ｆＡ｝≦０．４９
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００１３】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記第ｉ群の焦点距離をｆｉとしたとき、
０．６＜ｆ３／ｆ４＜１．１５
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００１４】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、前記第２群は、２枚以上の負レンズと１枚の正レンズから構成されていることを特徴としている。
【００１５】
請求項４の発明は請求項３の発明において、前記第２群は、物体側より順に像面側に凹面を向けた負の第２１レンズ、両レンズ面が凹面の負の第２２レンズ、物体側に凸面を向けた正の第２３レンズにより構成されることを特徴としている。
請求項５の発明は請求項４の発明において、前記負の第２２レンズと前記正の第２３レンズは接合されていることを特徴としている。
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、前記第２群は、非球面を有していることを特徴としている。
請求項７の発明は請求項６の発明において、前記第２群中の非球面は、Ｒ０を光軸近傍の曲率半径としたとき、
１．０＜｜Ｒ０／ｆ２｜＜４．０
の条件式を満足する面に配置されていることを特徴としている。
請求項８の発明は請求項１から７のいずれか１項の発明において、前記第１群の物体側の第１レンズ面から近軸像面までの距離をＬ、
広角端と望遠端における全系の焦点距離をｆｗ，ｆｔとし、
【数５】
とおいたとき、
２．７＜Ｌ／ｆＡ＜３．９
なる条件式を満足することを特徴としている。
請求項９の発明は請求項１から８のいずれか１項の発明において、前記第２群の最も物体側の負レンズの媒質の屈折率をＮ２ｆとおいたとき、
１．８４＜Ｎ２ｆ＜１．９５
なる条件式を満足することを特徴としている。
請求項１０の発明は請求項１から９のいずれか１項の発明において、前記第３群の最も物体側のレンズ面から最も像面側のレンズ面までの光軸上の距離をＤ３、広角端と望遠端における全系の焦点距離をｆｗ，ｆｔとし、
【数６】
とおいたとき、
０．１５＜Ｄ３／ｆＡ＜０．５４
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００１６】
請求項１１の発明の光学機器は、請求項１から１０のいずれか１項のリアフォーカス式のズームレンズと、該リアフォーカス式のズームレンズによって形成される像を受光する撮像素子を有することを特徴としている。
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のリアフォーカス式のズームレンズの実施形態１の要部断面図、図２，図３，図４は実施形態１の広角端，中間，望遠端のズーム位置における収差図である。図５は本発明のリアフォーカス式のズームレンズの実施形態２の要部断面図、図６，図７，図８は実施形態２の広角端，中間，望遠端のズーム位置における収差図である。図９は本発明のリアフォーカス式のズームレンズの実施形態３の要部断面図、図１０，図１１，図１２は実施形態３の広角端，中間，望遠端のズーム位置における収差図である。図１３は本発明のリアフォーカス式のズームレンズの実施形態４の要部断面図、図１４，図１５，図１６は実施形態４の広角端，中間，望遠端のズーム位置における収差図である。
【００２２】
図中Ｌ１は正の屈折力の第１群、Ｌ２は負の屈折力の第２群、Ｌ３は正の屈折力の第３群、Ｌ４は正の屈折力の第４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。
【００２３】
本実施形態では広角端から望遠端への変倍に際して矢印のように第２群を像面側へ移動させると共に、変倍に伴う像面変動を第４群を物体側に凸状の軌跡を有しつつ移動させて補正している。
【００２４】
また、第４群を光軸上移動させてフォーカスを行うリアフォーカス式を採用している。同図に示す第４群の実線の曲線４ａと点線の曲線４ｂは各々無限遠物体と近距離物体にフォーカスしているときの広角端から望遠端への変倍に伴う際の像面変動を補正するための移動軌跡を示している。尚、第１群と第３群は変倍及びフォーカスの際固定である。
【００２５】
本実施例においては、第４群を移動させて変倍に伴う像面変動の補正を行うと共に第４群を移動させてフォーカスを行うようにしている。特に同図の曲線４ａ，４ｂに示すように広角端から望遠端への変倍に際して物体側へ凸状の軌跡を有するように移動させている。これにより第３群と第４群との空間の有効利用を図りレンズ全長の短縮化を効果的に達成している。
【００２６】
本実施例において、例えば望遠端において無限遠物体から近距離物体へフォーカスを行う場合は同図の直線４ｃに示すように第４群を前方へ繰り出すことにより行っている。そして、本実施形態のリアフォーカス式のズームレンズは、該第３群は最も物体側に絞りを有しその像面側に物体側のレンズ面が凸面でかつ少なくとも１つのレンズ面が非球面である正レンズＧ３Ｆと、最も像面側には像面側に凹面を向けたメニスカス状の負レンズＧ３Ｒを有し、該第４群は両レンズ面が凸面で少なくとも１つのレンズ面が非球面の正レンズと負レンズとの接合レンズより成っていることを基本構成としている。尚、これらの構成要件のうち非球面は多少の光学性能の低下はあるが必ずしも設けなくとも良い。
【００２７】
本実施形態のリアフォーカス式のズームレンズは以上の基本構成の基で、
【００２８】
【００２９】
広角端及び望遠端における全系の焦点距離をｆｗ，ｆｔ、広角端のＦナンバーをＦＮＷ、該負レンズＧ３Ｒの像面側のレンズ面の曲率半径をＲｒ、該負レンズＧ３Ｒの材質の屈折率をＮｒ、該第ｉ群の焦点距離をｆｉとし、
【００３０】
【数７】
【００３１】
とおいたとき、
０．２８＜｛｜ｆ２／ｆＡ｜｝×ＦＮＷ≦０．４５ …（３ａ）
０．３＜Ｒｒ／｛（Ｎｒ−１）ｆＡ｝≦０．４９ …（３ｂ）
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００３２】
【００３３】
【００３４】
【００３５】
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、物体距離全体にわたり高い光学性能を得ている。
【００３６】
次に前述の各条件式の技術的な意味について説明する。
【００３７】
【００３８】
【００３９】
【００４０】
【００４１】
本発明のようなタイプのズームレンズにおいて、変倍に大きく寄与する第２群の屈折力を強くすると、変倍に伴う第２群の移動量を少なくすることが可能になり、レンズ全長を短くすることができる。
【００４２】
しかしこれは、該ズームレンズのＦナンバーにも関係し、このファクターを考慮する必要がある。Ｆナンバーが暗ければ焦点距離ｆ２を小さくすることが可能になるが、実際そのような仕様のレンズは製品にすることは困難である。
【００４３】
条件式（３ａ）はこのようなことに基づいて設定したものであり、条件式（３ａ）の上限値を超えて焦点距離が長くなりすぎると、収差上は好ましいが、所望のズーム比を得るためには該第２群の移動量を大きくしなくてはならず、レンズ系全体の大型化を招き好ましくない。逆に下限値を超えるとペッツバール和が負に大きくなり、像面が倒れてくるので良好な光学性能を保つのが困難になる。
【００４４】
条件式（３ｂ）は第３群の負レンズＧ３Ｒに関するものであり、条件式（３ｂ）の上限値を超えると第３群での望遠タイプの効果が小さくなり、バックフォーカスが短くなってくるので好ましくない。逆に下限値を超えると曲率半径が小さくなりすぎて、該面で発生する収差が大きくなり、第３群で補正するのが困難になると同時に、第４群との距離が狭くなり、第４群と干渉してくるので良くない。
【００４５】
【００４６】
又、前記第ｉ群の焦点距離をｆｉとしたとき、
０．６＜ｆ３／ｆ４＜１．１５…（６）
なる条件式を満足することが良い。条件式（６）は結像系である第３群と第４群を小型化を図るための最適な屈折力配分を表している。特に第３群と第４群の間隔を最適にした時、第３群から射出する光束を第４群に略アフォーカルで入射させ、最適なバックフォーカスを確保するためのものである。上限値を超えると第３群から射出する光束がアフォーカルから逸脱し、第４群が大型化してくる。また第４群の移動に伴う収差変動が大きくなり好ましくない。逆に下限値を超えると第４群の屈折力が弱くなり、フォーカスのための移動量が大きくなり全長が長くなってくる。
【００４７】
尚、更に光学性能を良好に維持しつつ、レンズ全長の短縮を達成するためには、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。
【００４８】
(イ-1)
前記第２群は２枚以上の負レンズと１枚の正レンズから構成されていることである。本発明のようなズームタイプで変倍比を上げる場合、変倍機能に大きく寄与する第２群の移動量を大きくするか、該第２群の焦点距離を短くする必要がある。前記の方法は、ズームレンズの大型化を招き好ましくなく、後記の方法はレンズは大きくならないものの第２群に負担が大きくかかり、光学性能を良好に保つ事が困難になってくる。そこで上述のごとく第２群を構成することにより光学性能を良好に補正する事ができる。
【００４９】
(イ-2)
前記第２群は、物体側より順に像面側に凹面を向けた負の第２１レンズ、両レンズ面が凹面の負の第２２レンズ、物体側に凸面を向けた正の第２３レンズにより構成されることである。これは前述の(イ−1)で述べたのと同じ理由である。
【００５０】
(イ-3)
前記負の第２２レンズと前記正の第２３レンズは接合されていることである。これによって第２群中の色収差を良好に補正している。
【００５１】
(イ-4)
前記第２群は非球面を有していることである。この非球面を配置することにより軸外の光学性能を向上している。
【００５２】
(イ-5)
前記第２群中の非球面はＲ０を光軸近傍の曲率半径としたとき、
１．０＜｜Ｒ０／ｆ２｜＜４．０…（７）
の条件式を満足する面に配置されていることである。本発明では非球面を、曲率半径の小さいレンズ面に配置することにより、より効果的に収差を補正している。特に軸外のフレアーを良好に補正している。条件式（７）の上限値を超えると軸外の性能の補正効果が少なくなり好ましくない。逆に下限値をこえると曲率が小さく成りすぎて、非球面を製造するのが困難になってくる。なお、非球面は、レンズの周辺部にいくにしたがって屈折力が弱くなる形状となることが望ましい。
【００５３】
(イ-6)
前記第１群の物体側の第１レンズ面から近軸像面までの距離をＬ（最も像面側に配置したローパスフィルター等のダミーガラスは、空気に換算値）とおいたとき、
２．７＜Ｌ／ｆＡ＜３．９…（８）
なる条件式を満足することである。条件式（８）の上限値を超えるとレンズ全長が長くなり良くない。逆に下限値を超えるとペッツバール和が負に大きくなり、像面が倒れてくるので良好な光学性能を保つのが困難になる。
【００５４】
(イ-7)
前記第２群の最も物体側の負レンズの媒質の屈折率をＮ２ｆとおいたとき、
１．８４＜Ｎ２ｆ＜１．９５…（９）
なる条件式を満足することである。これはペッツバール和に関係し、像面湾曲をバランスよく補正する条件である。条件式（９）の上限値を超えると像面湾曲は有利になるが、実際に使用可能な硝材を考慮するとアッベ数が小さくなり、色収差の補正が困難になってくる。逆に下限値を超えると像面が物体側に凹となるように湾曲し好ましくない。
【００５５】
(イ−8)
前記第３群の最も物体側のレンズ面から最も像面側のレンズ面までの光軸上の距離をＤ３、広角端と望遠端における全系の焦点距離をｆｗ，ｆｔとし、
【００５６】
【数８】
【００５７】
とおいたとき、
０．１５＜Ｄ３／ｆＡ＜０．５４…（１０）
なる条件式を満足することである。条件式（１０）の上限値を超えると全長の増大化を招き、逆に下限値を超えると全長は有利であるが、Ｆナンバーの大口径化が難しくなってくる。
【００５８】
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１７を用いて説明する。
【００５９】
図１７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。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上に形成された披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。
【００６０】
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。
【００６１】
以下に、本発明の数値実施例を記載する。
【００６２】
数値実施例において、Ｒｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、Ｄｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ厚及び空気間隔、Ｎｉとνｉはそれぞれ物体側より順に第ｉ番目のレンズのガラスの屈折率とアッベ数である。
【００６３】
非球面形状は、光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向にＨ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、各非球面係数をＫ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆとしたとき、
【００６４】
【数９】
【００６５】
なる式で表している。また、例えば「ｅ−Ｚ」の表示は「１０-Z」を意味する。前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表−１に示す。
【００６６】
【外１】
【００６７】
【外２】
【００６８】
【外３】
【００６９】
【外４】
【００７０】
【表１】
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば以上説明したように構成することにより、レンズ系全体を小型化し、迅速なフォーカスを可能とし、かつ第１群がズーミング時固定でメカ機構が簡単で、ズーム比が１０倍程度と高変倍比にもかかわらず高い光学性能を有し、かつＦナンバーが１．６程度と大口径比でありながら、レンズの構成枚数が少ないリアフォーカス式のズームレンズ及びそれを用いた光学機器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の数値実施例１のレンズ断面図
【図２】 本発明の数値実施例１の広角端の収差図
【図３】 本発明の数値実施例１の中間の収差図
【図４】 本発明の数値実施例１の望遠端の収差図
【図５】 本発明の数値実施例２のレンズ断面図
【図６】 本発明の数値実施例２の広角端の収差図
【図７】 本発明の数値実施例２の中間の収差図
【図８】 本発明の数値実施例２の望遠端の収差図
【図９】 本発明の数値実施例３のレンズ断面図
【図１０】 本発明の数値実施例３の広角端の収差図
【図１１】 本発明の数値実施例３の中間の収差図
【図１２】 本発明の数値実施例３の望遠端の収差図
【図１３】 本発明の数値実施例４のレンズ断面図
【図１４】 本発明の数値実施例４の広角端の収差図
【図１５】 本発明の数値実施例４の中間の収差図
【図１６】 本発明の数値実施例４の望遠端の収差図
【図１７】 本発明の光学機器の要部概略図
【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
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＭ メリディオナル像面
ΔＳ サジタル像面
Claims (11)
- 物体側より順に、正の屈折力の第１群、負の屈折力の第２群、正の屈折力の第３群、そして正の屈折力の第４群の４つのレンズ群で構成され、該第２群を像面側へ移動させて広角端から望遠端への変倍を行い、変倍に伴う像面変動を、該第４群を移動させて補正すると共に、該第４群を移動させてフォーカスを行うリアフォーカス式のズームレンズであって、該第３群は、最も物体側に絞りを有し、その像面側に物体側のレンズ面が凸面でかつ少なくとも１つのレンズ面が非球面である正レンズＧ３Ｆと、最も像面側には像面側に凹面を向けたメニスカス状の負レンズＧ３Ｒを有し、該第４群は、両レンズ面が凸面で少なくとも１つのレンズ面が非球面の正レンズと負レンズとの接合レンズより成り、広角端及び望遠端における全系の焦点距離をｆｗ，ｆｔ、広角端のＦナンバーをＦＮＷ、該負レンズＧ３Ｒの像面側のレンズ面の曲率半径をＲｒ、該負レンズＧ３Ｒの材質の屈折率をＮｒ、該第ｉ群の焦点距離をｆｉとし、
０．２８＜｛｜ｆ２／ｆＡ｜｝×ＦＮＷ≦０．４５
０．３＜Ｒｒ／｛（Ｎｒ−１）ｆＡ｝≦０．４９
なる条件式を満足することを特徴とするリアフォーカス式のズームレンズ。 - 前記第ｉ群の焦点距離をｆｉとしたとき、
０．６＜ｆ３／ｆ４＜１．１５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１のリアフォーカス式のズームレンズ。 - 前記第２群は、２枚以上の負レンズと１枚の正レンズから構成されていることを特徴とする請求項１又は２のリアフォーカス式のズームレンズ。
- 前記第２群は、物体側より順に像面側に凹面を向けた負の第２１レンズ、両レンズ面が凹面の負の第２２レンズ、物体側に凸面を向けた正の第２３レンズにより構成されることを特徴とする請求項３のリアフォーカス式のズームレンズ。
- 前記負の第２２レンズと前記正の第２３レンズは接合されていることを特徴とする請求項４のリアフォーカス式のズームレンズ。
- 前記第２群は、非球面を有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項のリアフォーカス式のズームレンズ。
- 前記第２群中の非球面は、Ｒ０を光軸近傍の曲率半径としたとき、
１．０＜｜Ｒ０／ｆ２｜＜４．０
の条件式を満足する面に配置されていることを特徴とする請求項６のリアフォーカス式のズームレンズ。 - 前記第１群の物体側の第１レンズ面から近軸像面までの距離をＬ、
広角端と望遠端における全系の焦点距離をｆｗ，ｆｔとし、
２．７＜Ｌ／ｆＡ＜３．９
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項のリアフォーカス式のズームレンズ。 - 前記第２群の最も物体側の負レンズの媒質の屈折率をＮ２ｆとおいたとき、
１．８４＜Ｎ２ｆ＜１．９５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項のリアフォーカス式のズームレンズ。 - 前記第３群の最も物体側のレンズ面から最も像面側のレンズ面までの光軸上の距離をＤ３、広角端と望遠端における全系の焦点距離をｆｗ，ｆｔとし、
０．１５＜Ｄ３／ｆＡ＜０．５４
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項のリアフォーカス式のズームレンズ。 - 請求項１から１０のいずれか１項のリアフォーカス式のズームレンズと、該リアフォーカス式のズームレンズによって形成される像を受光する撮像素子を有することを特徴とする光学機器。
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