JP4447706B2 - 防振機能を有する変倍光学系及びそれを備える光学機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は防振機能を有した変倍光学系及びそれを備える光学機器に関し、特に変倍光学系の一部のレンズ群を光軸に対し垂直方向の成分を有するよう移動させることにより、変倍光学系が振動（傾動）したときの像のぶれを光学的に補正して静止した像を得るようにして撮影画像の安定化を図ったビデオカメラや銀塩写真用カメラ、電子スチルカメラなどに好適な防振機能を有した変倍光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光学系の振動に起因する画像のぶれを防止する機能を有した防振光学系が種々提案されている。
【０００３】
例えば、特開昭５６−２１１３３号公報では、振動状態を検知する検知手段からの出力信号に応じて、振動による画像の変位を相殺する方向に一部の光学部材を移動させて画像の安定化を図る光学装置を開示している。
【０００４】
特開昭６１−２２３８１９号公報では、撮影系の振動に対応させて、最も物体側に配置された可変頂角プリズムの頂角を変化させて画像の安定化を図っている。
【０００５】
特開平１−１１６６１９号公報や特開平２−１２４５２１号公報では、加速度センサー等を利用して撮影系の振動を検出し、このとき得られる信号に応じて撮影系の一部のレンズ群を光軸と垂直方向に移動させることにより静止画像を得ている。
【０００６】
特開平７−１２８６１９号公報では、物体側より順に、正、負、正、正の屈折力の４群構成の変倍光学系の第３レンズ群を、正、負の屈折力の２つのレンズ群で構成し、正のレンズ群を光軸と垂直方向に移動させることにより防振を行っている。
【０００７】
特開平７−１９９１２４号公報では、物体側より順に、正、負、正、正の屈折力の４群構成の変倍光学系の第３レンズ群全体を光軸と垂直方向に移動させて防振を行っている。
【０００８】
その一方、特開平８−５９１３号公報には、物体側より順に、正、負、正、正、負の屈折力の５群構成で、第２、第４レンズ群で変倍を行ない、前玉径の縮小化を図った変倍光学系が開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上の従来例に開示された防振機能を有した変倍光学系の中で、ズーム比が８倍以上のものはビデオカメラ等には適用できるが、１００万画素相当以上の撮像素子を用いた電子スチルカメラに使用するには収差補正の点で不十分である。
【００１０】
本発明は、ある程度以上のズーム比を確保しつつ、例えば１００万画素以上の撮像素子を用いた電子スチルカメラの撮影系としても使用できる程度に良好に収差補正がなされた、新規な構成の防振機能を有する変倍光学系を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の変倍光学系は、物体側より順に配置された、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、負の屈折力の第４レンズ群、正の屈折力の第５レンズ群から構成され、少なくとも前記第２レンズ群と前記第４レンズ群を光軸上移動させて変倍を行う変倍光学系であって、前記第２レンズ群は、物体側から順に、像面側に凹面を向けた負メニスカスレンズ、負レンズ、正レンズ、負レンズから成り、前記第３レンズ群を光軸と垂直方向な成分を持つように移動させて前記変倍光学系が振動したときの像の変位を補正しており、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２、前記第２レンズ群の最も像側の負レンズの焦点距離をｆ２４、前記第３レンズ群の望遠端における倍率をβ３、前記第４レンズ群及び第５レンズ群の望遠端における合成倍率をβ４５とするとき、
０．３＜｜（１−β３）・β４５｜≦１．６７３
１．８７９≦｜ｆ２４／ｆ２｜≦２．２２１
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の光学機器は、本発明の変倍光学系を備えることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は本発明の第１の実施形態の防振機能を有した変倍光学系の近軸屈折力配置を示す図である。
【００１４】
図１において、Ｌ１は正の屈折力の第１レンズ群、Ｌ２は負の屈折力の第２レンズ群、Ｌ３は正の屈折力の第３レンズ群、Ｌ４は負の屈折力の第４レンズ群、Ｌ５は正の屈折力の第５レンズ群である。ＳＰは開口絞りであり、第３レンズ群Ｌ３の前方に配置されている。ＩＰは像面であり、ＣＣＤ等の撮像素子の撮像面に相当する。６は光学系の振動状況を検出するための加速度センサー（速度センサー）等の振動検知手段であり、７は振動検知手段によって検出された情報に基づいて第３レンズ群Ｌ３を光軸と垂直方向の成分を振るよう移動させるアクチュエーター等の駆動手段である。
【００１５】
本実施形態の変倍光学系は、広角端から望遠端への変倍に際して、図１に示す矢印のように第２レンズ群Ｌ２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レンズ群Ｌ４を移動させて補正している。また、第４レンズ群Ｌ４を光軸上移動させてフォーカシングを行うリアフォーカス式を採用している。同図に示す実線の曲線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際する第４レンズ群Ｌ４の移動軌跡である。本実施形態の変倍光学系は、第４レンズ群Ｌ４を後方（像側）に移動させることで、無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングを行っている。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際は、第４レンズ群Ｌ４を同図４ｃに示すように後方に移動させる。なお、第１レンズ群Ｌ１、第３レンズ群Ｌ３及び第５レンズ群Ｌ５は変倍及びフォーカスに際して固定である。
【００１６】
本実施形態の変倍光学系では、前述のように第４レンズ群Ｌ４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レンズ群Ｌ４を移動させてフォーカスを行うようにしている。特に、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像面側へ凸状の軌跡で第４レンズ群Ｌ４を移動させているので、第３レンズ群Ｌ３後方の空間の有効利用を図って、レンズ全長の短縮化を効果的に達成している。
【００１７】
また、本実施形態の変倍光学系は、振動検知手段６により変倍光学系の振動を検知し、検知された情報に基づいて第３レンズ群Ｌ３を駆動手段１により光軸と垂直方向に移動させることにより、光学系全体が振動（傾動）したときに発生する撮影画像のぶれを補正している。
【００１８】
（実施形態２）
図２は本発明の第２の実施形態の防振機能を有した変倍光学系の近軸屈折力配置を示す図である。本実施形態では、広角端から望遠端への変倍に際して、第５レンズ群Ｌ５を図２中に示すように物体側に凸の軌跡で移動させることで、前述第１の実施形態に対し変倍時の収差変動の更なる低減化を図っている点が異なっている。
【００１９】
なお本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、第４レンズ群Ｌ４を後方に移動させることで無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングを行っているが、第５レンズ群Ｌ５を光軸方向に移動させることでフォーカスを行うことも可能である。
【００２０】
次に、上記第１及び第２の実施形態に共通した、あるレンズ群を光軸と垂直方向に移動させて撮影画像のぶれを補正する光学系の防振機能に関する光学的原理について図３を用いて説明する。
【００２１】
図３（Ａ）に示すように光学系が固定群Ｙ１、偏心群（シフトレンズ群）Ｙ２そして固定群Ｙ３の３つの部分から成り立っており、光学系から十分に離れた光軸上の物点Ｐが撮像面ＩＰの中心に像点ｐとして結像しているものとする。
【００２２】
今、撮像面ＩＰを含めた光学系全体が、図３（Ｂ）に示すように手ぶれにより瞬間的に傾いたとすると、物点Ｐの像は像点ｐから像点ｐ′に瞬間的に移動し、ぶれた画像となる。
【００２３】
一方、偏心群Ｙ２を光軸と垂直方向に図示上方に移動させると、図３（Ｃ）に示すように像点ｐはｐ″に移動する。なお像点の移動量とその方向は、光学系の屈折力配置に依存し、偏心群の偏心敏感度として表される。そこで、図３（Ｄ）に示すように、図３（Ｂ）で手ぶれによってずれた像点ｐ′を偏心群Ｙ２を適切な量だけ光軸と垂直方向に移動させることによってもとの結像位置ｐに戻し、手ぶれ補正つまり防振を行っている。
【００２４】
光学系全体の焦点距離をｆ，偏心群Ｙ２の偏心敏感度をＴＳとするとき、光軸がθ°傾いたときの像ぶれを補正するために必要な偏心群の移動量Δは以下の式で与えられる。
【００２５】
Δ＝ｆ・ｔａｎ（θ）／ＴＳ
【００２６】
上式から分るように、偏心敏感度ＴＳが大きすぎるとΔは小さな値となり防振に必要な偏心群Ｙ２の移動量は小さくできるが、適切に防振を行うための制御が困難になり補正残りが生じてしまう。
【００２７】
特に、ビデオカメラやデジタルスチルカメラではＣＣＤなどの撮像素子のイメージサイズが銀塩フィルムと比べて小さく、同一画角に対する焦点距離が短いため、手ぶれによる光軸の傾き角が同一でも、それによる像ぶれを補正するための偏心群のシフト量Δが小さくなる。したがって、偏心群の駆動機構の機械的な精度が同程度だと、画面上での補正残りが相対的に大きくなることになってしまう。
【００２８】
一方、偏心敏感度ＴＳが小さすぎるとぶれ補正制御のために必要な偏心群Ｙ２の移動量が大きくなってしまい、偏心群Ｙ２を駆動するためのアクチュエーターなどの駆動手段も大型で出力の大きなものが必要となり、系全体が大型化してしまう。
【００２９】
そこで、上記第１及び第２の実施形態の変倍光学系では、各レンズ群の屈折力配置を適切な値に設定することで偏心群である第３レンズ群Ｌ３の偏心敏感度ＴＳを適正な値とし、制御誤差による防振の補正残りが少なく、アクチュエーターなどの駆動手段の負荷も少ない光学系を達成している。
【００３０】
第１及び第２の実施形態の変倍光学系において、第３レンズ群Ｌ３の望遠端における偏心敏感度ＴＳ３は、第３レンズ群Ｌ３の望遠端における倍率をβ３、第４及び第５レンズ群の望遠端における合成倍率をβ４５とするとき、
ＴＳ３＝（１−β３）・β４５
で与えられる。
【００３１】
上式の右辺で表される偏心敏感度ＴＳ３を、第１及び第２実施形態の変倍光学系では、
０．３＜｜（１−β３）・β４５｜≦１．６７３ （１）
なる条件式を満足するように設定している。
【００３２】
条件式（１）の下限値を下回ると、偏心群である第３レンズ群Ｌ３の敏感度が小さくなりすぎて、防振に必要な第３レンズ群Ｌ３の移動量が大きくなりすぎる。逆に条件式（１）の上限値を上回ると、敏感度が大きくなりすぎて防振の制御が困難になるので良くない。
【００３３】
また、所定の変倍比（ズーム比）を確保しつつレンズ全長を短縮し、第３レンズ群Ｌ３の敏感度を条件式（１）の範囲内にするために、第３レンズ群Ｌ３の焦点距離をｆ３、全系の広角端での焦点距離をｆｗ、望遠端での焦点距離をｆｔとするとき、以下の条件式を満足することが望ましい。
【００３４】
１．６＜ ｆ３／ｆｗ ＜ ４ …（２）
４ ＜ｆｔ／ｆｗ ＜ ２３ …（３）
【００３５】
条件式（２）の下限値を下回って第３レンズ群Ｌ３の焦点距離が短くなると、第３レンズ群Ｌ３の偏心敏感度が大きくなり過ぎたり、防振時の収差変動が補正できなくなる。一方上限値を上回ると、レンズ全長が増大すると共に、第３レンズ群Ｌ３の偏心敏感度が小さくなりすぎて防振に必要な第３レンズ群Ｌ３のシフト量（移動量）が大きくなるので良くない。
【００３６】
また条件式（３）の下限値を下回ると所定のズーム比が得られなくなり、上限値を上回ると収差補正が困難になる。
【００３７】
また、十分な防振効果を得るためには、望遠端における第３レンズ群Ｌ３の光軸と垂直方向の最大移動量をＥＭとするとき、
１．７×１０-3＜｜（１−β３）・β４５｜ＥＭ／ｆｔ＜０．０５…（４）
なる条件式を満足するのが良い。
【００３８】
条件式（４）の下限値を下回ると補正量が小さすぎて十分な防振効果が得られず、上限値を上回ると第３レンズ群Ｌ３の径を大きくする必要があり、アクチュエーター等の第３レンズ群Ｌ３の駆動手段の負荷が大きくなる。
【００３９】
また、高い光学性能を維持しつつレンズ全長の短縮化を図るには、第２レンズ群Ｌ２の焦点距離をｆ２とするとき
【００４０】
【外２】
なる条件式を満足するのが良い。
【００４１】
条件式（５）の下限値を下回って第２レンズ群Ｌ２の屈折力が強くなる（焦点距離が短くなる）と、変倍時の第２レンズ群Ｌ２の移動量は小さくなるがペッツヴァール和が全体に負に大きくなり像面湾曲の補正が困難になるので良くない。逆に条件式（５）の上限値を上回って第２レンズ群Ｌ２の屈折力が弱くなる（焦点距離が長くなる）と、第２レンズ群Ｌ２の変倍時の移動量が大きくなるので光学系全体が大型化すると共に、防振時の周辺光量変化に関しても不利になるので良くない。
【００４２】
なお、防振時の画像周辺での光量変化が問題になる場合には、開口絞りＳＰの絞り開口径を望遠側で小さくして中心光束を制限することにより、相対的に周辺光量を増加させて防振時の光量変化の低減を実現させることができる。
【００４３】
次に、上記第１及び第２の実施形態の変倍光学系を具体的な数値実施例に基づいて説明する。図４〜６はそれぞれ数値実施例１〜３に対応した変倍光学系の広角端におけるレンズ断面図であり、数値実施例１，２は変倍時に第５レンズ群Ｌ５が固定の第１の実施形態の変倍光学系に相当し、数値実施例３は変倍時に第５レンズ群Ｌ５が移動する第２の実施形態の変倍光学系に相当する。図４〜６において、ＧＢは赤外カットフィルタ、光学的ローパスフィルタ、フェースプレート等の屈折力を持たない光学部材を代表して表したガラスブロックである。
【００４４】
図７（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ数値実施例１の変倍光学系の広角端、中間焦点距離、望遠端の諸収差図であり、図８（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ数値実施例２の変倍光学系の広角端、中間焦点距離、望遠端の諸収差図であり、図９（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ数値実施例３の変倍光学系の広角端、中間焦点距離、望遠端の諸収差図である。収差図において、ｄはｄ線、ｇはｇ線、ΔＭはメリディオナル像面、ΔＳはサジタル像面を表す。
【００４５】
数値実施例１〜３の変倍光学系では、防振時に発生する偏心収差、特に偏心倍率色収差を低減するために、正の屈折力の第３レンズ群Ｌ３に少なくとも１枚の負レンズを含ませて第３レンズ群Ｌ３で発生する色収差を低減させている。
【００４６】
また、防振時に発生する偏心コマ収差を低減するには、第３レンズ群Ｌ３で発生する球面収差をある範囲内に低減する必要があり、第３レンズ群Ｌ３を少なくとも２枚の正レンズと１枚の負レンズで構成するのが良い。
【００４７】
以上のことを踏まえ数値実施例１〜３において、それぞれ図４〜５に示すごとく、第３レンズ群Ｌ３を物体側から順に正レンズ３１、正レンズ３２と物体側に強い凹面をむけた負メニスカスレンズ３３の貼合わせレンズで構成している。このように第３レンズ群Ｌ３全体をテレフォト構成として、第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３の主点間隔を短縮し、レンズ全長の短縮化を達成している。
【００４８】
更に第４レンズ群Ｌ４を１枚の正レンズ４１と１枚の負レンズ４２で構成することにより、変倍時やフォーカス時に第４レンズ群Ｌ４が移動することによる球面収差や像面湾曲の変動を低減している。なお、変倍時の非点収差や歪曲の変動の補正のために、第４レンズ群Ｌ４には非球面を導入しても良い。
【００４９】
デジタルスチルカメラ用の撮影系のように高解像力が必要な光学系では、一般的なビデオカメラ（動画）用の撮影系に比べて、変倍に伴なう倍率色収差の変動を更に良好に補正することが必要である。そのためには、主変倍群であり負の屈折力の第２レンズ群Ｌ２は、少なくとも３枚の負レンズと１枚の正レンズを有することが望ましい。全長短縮のために第２レンズ群Ｌ２の屈折力を大きくして移動量を小さくしようとすると、負レンズが２枚だけでは倍率色収差の補正が困難になるからである。
【００５０】
数値実施例１〜３では、第２レンズ群Ｌ２を、物体側から順に像面側に凹面を向けた負メニスカスレンズ２１、負レンズ２２、正レンズ２３、負レンズ２４で構成することによって、第２レンズ群Ｌ２の前後の対象性を小さくし主点の色消し効果を高め、倍率色収差の補正を効果的に行っている。
【００５１】
このとき倍率色収差の補正を更に効果的に行うためには、第２レンズ群Ｌ２の最も像側の負レンズ２４の焦点距離をｆ２４とするとき、
１．８７９≦｜ｆ２４／ｆ２｜≦２．２２１ （６）
なる条件式を満足することが望ましい。
【００５２】
条件式（６）の上限値を上回って負レンズ２４の焦点距離が小さくなり過ぎると色収差の補正効果が不十分になる。逆に下限値を下回ると広角端での歪曲収差の補正が困難になる。
【００５３】
次に数値実施例１〜３の数値データを示す。各数値実施例において、Ｒｉは物体側より順に第ｉ番目の面の曲率半径、Ｄｉは物体側より順に第ｉ番目の光学部材厚又は空気間隔、Ｎｉとνｉは各々物体側より順に第ｉ番目の光学部材の屈折率とアッベ数である。
【００５４】
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、ｋ，Ｂ，Ｃ，Ｄ、Ｅを各々非球面係数としたとき
【００５５】
【外３】
なる式で表している。
【００５６】
又前述の各条件式に対応する数値実施例１〜３の値を表−１に示す。
【００５７】
【外４】
【００５８】
【外５】
【００５９】
【外６】
【００６０】
【表１】
【００６１】
このように本願第１及び第２の実施形態では、変倍光学系の一部を構成する比較的小型軽量のレンズ群を光軸と垂直方向に移動させて、変倍光学系が振動（傾動）したときの画像のぶれを補正するように構成することにより、装置全体の小型化、機構上の簡素化及び駆動手段の負荷の軽減を図りつつ、そのレンズ群の偏心させたときの偏心収差発生量を少なく抑え、偏心収差を良好に補正した変倍光学系を達成している。
【００６２】
特に、変倍比１０以上のの大きな変倍比を持ちながら、従来のビデオカメラ用撮影系と比較して更に高い光学性能を有し、１００万画素以上撮像素子を用いた電子スチルカメラの撮影系としても適用可能な防振機能を有した変倍光学系を実現している。
【００６３】
次に、数値実施例１〜３の変倍光学系を備えた光学機器（電子スチルカメラ）の実施形態について、図１０（Ａ），（Ｂ）を用いて説明する。
【００６４】
図１０（Ａ）は電子スチルカメラの正面図、図１０（Ｂ）は側部断面図である。図中、１０は電子スチルカメラ本体（筐体）、１１は数値実施例１〜３いずれかの変倍光学系を用いた撮影系、１２はＣＣＤ等の撮像素子である。
【００６５】
数値実施例１〜３の変倍光学系は、ある程度以上のズーム比を確保しつつも、良好に収差補正がなされているので、１００万画素以上の撮像素子を用いた電子スチルカメラの撮影系としても適用できる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ある程度以上のズーム比を確保しつつ、例えば１００万画素以上の撮像素子を用いた電子スチルカメラの撮影系としても使用できる程度に良好に収差補正がなされた、新規な構成の防振機能を有する変倍光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の変倍光学系の近軸屈折力配置を示した概略図である。
【図２】第２の実施形態の変倍光学系の近軸屈折力配置を示した概略図である。
【図３】防振機能の光学的原理の説明図である。
【図４】数値実施例１の変倍光学系の広角端におけるレンズ断面図である。
【図５】数値実施例２の変倍光学系の広角端におけるレンズ断面図である。
【図６】数値実施例３の変倍光学系の広角端におけるレンズ断面図である。
【図７】数値実施例１の変倍光学系の広角端、中間焦点距離、望遠端における諸収差図である。
【図８】数値実施例２の変倍光学系の広角端、中間焦点距離、望遠端における諸収差図である。
【図９】数値実施例３の変倍光学系の広角端、中間焦点距離、望遠端における諸収差図である。
【図１０】本発明の防振機能を有する変倍光学系を備えた電子スチルカメラの概略構成図である。
【符号の説明】
Ｌ１ 第１レンズ群
Ｌ２ 第２レンズ群
Ｌ３ 第３レンズ群
Ｌ４ 第４レンズ群
Ｌ５ 第５レンズ群
６ 振動検知手段
７ 駆動手段
ＳＰ 開口絞り
ＩＰ 像面
ＧＢ ガラスブロック
【発明の属する技術分野】
本発明は防振機能を有した変倍光学系及びそれを備える光学機器に関し、特に変倍光学系の一部のレンズ群を光軸に対し垂直方向の成分を有するよう移動させることにより、変倍光学系が振動（傾動）したときの像のぶれを光学的に補正して静止した像を得るようにして撮影画像の安定化を図ったビデオカメラや銀塩写真用カメラ、電子スチルカメラなどに好適な防振機能を有した変倍光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光学系の振動に起因する画像のぶれを防止する機能を有した防振光学系が種々提案されている。
【０００３】
例えば、特開昭５６−２１１３３号公報では、振動状態を検知する検知手段からの出力信号に応じて、振動による画像の変位を相殺する方向に一部の光学部材を移動させて画像の安定化を図る光学装置を開示している。
【０００４】
特開昭６１−２２３８１９号公報では、撮影系の振動に対応させて、最も物体側に配置された可変頂角プリズムの頂角を変化させて画像の安定化を図っている。
【０００５】
特開平１−１１６６１９号公報や特開平２−１２４５２１号公報では、加速度センサー等を利用して撮影系の振動を検出し、このとき得られる信号に応じて撮影系の一部のレンズ群を光軸と垂直方向に移動させることにより静止画像を得ている。
【０００６】
特開平７−１２８６１９号公報では、物体側より順に、正、負、正、正の屈折力の４群構成の変倍光学系の第３レンズ群を、正、負の屈折力の２つのレンズ群で構成し、正のレンズ群を光軸と垂直方向に移動させることにより防振を行っている。
【０００７】
特開平７−１９９１２４号公報では、物体側より順に、正、負、正、正の屈折力の４群構成の変倍光学系の第３レンズ群全体を光軸と垂直方向に移動させて防振を行っている。
【０００８】
その一方、特開平８−５９１３号公報には、物体側より順に、正、負、正、正、負の屈折力の５群構成で、第２、第４レンズ群で変倍を行ない、前玉径の縮小化を図った変倍光学系が開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上の従来例に開示された防振機能を有した変倍光学系の中で、ズーム比が８倍以上のものはビデオカメラ等には適用できるが、１００万画素相当以上の撮像素子を用いた電子スチルカメラに使用するには収差補正の点で不十分である。
【００１０】
本発明は、ある程度以上のズーム比を確保しつつ、例えば１００万画素以上の撮像素子を用いた電子スチルカメラの撮影系としても使用できる程度に良好に収差補正がなされた、新規な構成の防振機能を有する変倍光学系を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の変倍光学系は、物体側より順に配置された、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、負の屈折力の第４レンズ群、正の屈折力の第５レンズ群から構成され、少なくとも前記第２レンズ群と前記第４レンズ群を光軸上移動させて変倍を行う変倍光学系であって、前記第２レンズ群は、物体側から順に、像面側に凹面を向けた負メニスカスレンズ、負レンズ、正レンズ、負レンズから成り、前記第３レンズ群を光軸と垂直方向な成分を持つように移動させて前記変倍光学系が振動したときの像の変位を補正しており、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２、前記第２レンズ群の最も像側の負レンズの焦点距離をｆ２４、前記第３レンズ群の望遠端における倍率をβ３、前記第４レンズ群及び第５レンズ群の望遠端における合成倍率をβ４５とするとき、
０．３＜｜（１−β３）・β４５｜≦１．６７３
１．８７９≦｜ｆ２４／ｆ２｜≦２．２２１
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の光学機器は、本発明の変倍光学系を備えることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は本発明の第１の実施形態の防振機能を有した変倍光学系の近軸屈折力配置を示す図である。
【００１４】
図１において、Ｌ１は正の屈折力の第１レンズ群、Ｌ２は負の屈折力の第２レンズ群、Ｌ３は正の屈折力の第３レンズ群、Ｌ４は負の屈折力の第４レンズ群、Ｌ５は正の屈折力の第５レンズ群である。ＳＰは開口絞りであり、第３レンズ群Ｌ３の前方に配置されている。ＩＰは像面であり、ＣＣＤ等の撮像素子の撮像面に相当する。６は光学系の振動状況を検出するための加速度センサー（速度センサー）等の振動検知手段であり、７は振動検知手段によって検出された情報に基づいて第３レンズ群Ｌ３を光軸と垂直方向の成分を振るよう移動させるアクチュエーター等の駆動手段である。
【００１５】
本実施形態の変倍光学系は、広角端から望遠端への変倍に際して、図１に示す矢印のように第２レンズ群Ｌ２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レンズ群Ｌ４を移動させて補正している。また、第４レンズ群Ｌ４を光軸上移動させてフォーカシングを行うリアフォーカス式を採用している。同図に示す実線の曲線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際する第４レンズ群Ｌ４の移動軌跡である。本実施形態の変倍光学系は、第４レンズ群Ｌ４を後方（像側）に移動させることで、無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングを行っている。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際は、第４レンズ群Ｌ４を同図４ｃに示すように後方に移動させる。なお、第１レンズ群Ｌ１、第３レンズ群Ｌ３及び第５レンズ群Ｌ５は変倍及びフォーカスに際して固定である。
【００１６】
本実施形態の変倍光学系では、前述のように第４レンズ群Ｌ４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レンズ群Ｌ４を移動させてフォーカスを行うようにしている。特に、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像面側へ凸状の軌跡で第４レンズ群Ｌ４を移動させているので、第３レンズ群Ｌ３後方の空間の有効利用を図って、レンズ全長の短縮化を効果的に達成している。
【００１７】
また、本実施形態の変倍光学系は、振動検知手段６により変倍光学系の振動を検知し、検知された情報に基づいて第３レンズ群Ｌ３を駆動手段１により光軸と垂直方向に移動させることにより、光学系全体が振動（傾動）したときに発生する撮影画像のぶれを補正している。
【００１８】
（実施形態２）
図２は本発明の第２の実施形態の防振機能を有した変倍光学系の近軸屈折力配置を示す図である。本実施形態では、広角端から望遠端への変倍に際して、第５レンズ群Ｌ５を図２中に示すように物体側に凸の軌跡で移動させることで、前述第１の実施形態に対し変倍時の収差変動の更なる低減化を図っている点が異なっている。
【００１９】
なお本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、第４レンズ群Ｌ４を後方に移動させることで無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングを行っているが、第５レンズ群Ｌ５を光軸方向に移動させることでフォーカスを行うことも可能である。
【００２０】
次に、上記第１及び第２の実施形態に共通した、あるレンズ群を光軸と垂直方向に移動させて撮影画像のぶれを補正する光学系の防振機能に関する光学的原理について図３を用いて説明する。
【００２１】
図３（Ａ）に示すように光学系が固定群Ｙ１、偏心群（シフトレンズ群）Ｙ２そして固定群Ｙ３の３つの部分から成り立っており、光学系から十分に離れた光軸上の物点Ｐが撮像面ＩＰの中心に像点ｐとして結像しているものとする。
【００２２】
今、撮像面ＩＰを含めた光学系全体が、図３（Ｂ）に示すように手ぶれにより瞬間的に傾いたとすると、物点Ｐの像は像点ｐから像点ｐ′に瞬間的に移動し、ぶれた画像となる。
【００２３】
一方、偏心群Ｙ２を光軸と垂直方向に図示上方に移動させると、図３（Ｃ）に示すように像点ｐはｐ″に移動する。なお像点の移動量とその方向は、光学系の屈折力配置に依存し、偏心群の偏心敏感度として表される。そこで、図３（Ｄ）に示すように、図３（Ｂ）で手ぶれによってずれた像点ｐ′を偏心群Ｙ２を適切な量だけ光軸と垂直方向に移動させることによってもとの結像位置ｐに戻し、手ぶれ補正つまり防振を行っている。
【００２４】
光学系全体の焦点距離をｆ，偏心群Ｙ２の偏心敏感度をＴＳとするとき、光軸がθ°傾いたときの像ぶれを補正するために必要な偏心群の移動量Δは以下の式で与えられる。
【００２５】
Δ＝ｆ・ｔａｎ（θ）／ＴＳ
【００２６】
上式から分るように、偏心敏感度ＴＳが大きすぎるとΔは小さな値となり防振に必要な偏心群Ｙ２の移動量は小さくできるが、適切に防振を行うための制御が困難になり補正残りが生じてしまう。
【００２７】
特に、ビデオカメラやデジタルスチルカメラではＣＣＤなどの撮像素子のイメージサイズが銀塩フィルムと比べて小さく、同一画角に対する焦点距離が短いため、手ぶれによる光軸の傾き角が同一でも、それによる像ぶれを補正するための偏心群のシフト量Δが小さくなる。したがって、偏心群の駆動機構の機械的な精度が同程度だと、画面上での補正残りが相対的に大きくなることになってしまう。
【００２８】
一方、偏心敏感度ＴＳが小さすぎるとぶれ補正制御のために必要な偏心群Ｙ２の移動量が大きくなってしまい、偏心群Ｙ２を駆動するためのアクチュエーターなどの駆動手段も大型で出力の大きなものが必要となり、系全体が大型化してしまう。
【００２９】
そこで、上記第１及び第２の実施形態の変倍光学系では、各レンズ群の屈折力配置を適切な値に設定することで偏心群である第３レンズ群Ｌ３の偏心敏感度ＴＳを適正な値とし、制御誤差による防振の補正残りが少なく、アクチュエーターなどの駆動手段の負荷も少ない光学系を達成している。
【００３０】
第１及び第２の実施形態の変倍光学系において、第３レンズ群Ｌ３の望遠端における偏心敏感度ＴＳ３は、第３レンズ群Ｌ３の望遠端における倍率をβ３、第４及び第５レンズ群の望遠端における合成倍率をβ４５とするとき、
ＴＳ３＝（１−β３）・β４５
で与えられる。
【００３１】
上式の右辺で表される偏心敏感度ＴＳ３を、第１及び第２実施形態の変倍光学系では、
０．３＜｜（１−β３）・β４５｜≦１．６７３ （１）
なる条件式を満足するように設定している。
【００３２】
条件式（１）の下限値を下回ると、偏心群である第３レンズ群Ｌ３の敏感度が小さくなりすぎて、防振に必要な第３レンズ群Ｌ３の移動量が大きくなりすぎる。逆に条件式（１）の上限値を上回ると、敏感度が大きくなりすぎて防振の制御が困難になるので良くない。
【００３３】
また、所定の変倍比（ズーム比）を確保しつつレンズ全長を短縮し、第３レンズ群Ｌ３の敏感度を条件式（１）の範囲内にするために、第３レンズ群Ｌ３の焦点距離をｆ３、全系の広角端での焦点距離をｆｗ、望遠端での焦点距離をｆｔとするとき、以下の条件式を満足することが望ましい。
【００３４】
１．６＜ ｆ３／ｆｗ ＜ ４ …（２）
４ ＜ｆｔ／ｆｗ ＜ ２３ …（３）
【００３５】
条件式（２）の下限値を下回って第３レンズ群Ｌ３の焦点距離が短くなると、第３レンズ群Ｌ３の偏心敏感度が大きくなり過ぎたり、防振時の収差変動が補正できなくなる。一方上限値を上回ると、レンズ全長が増大すると共に、第３レンズ群Ｌ３の偏心敏感度が小さくなりすぎて防振に必要な第３レンズ群Ｌ３のシフト量（移動量）が大きくなるので良くない。
【００３６】
また条件式（３）の下限値を下回ると所定のズーム比が得られなくなり、上限値を上回ると収差補正が困難になる。
【００３７】
また、十分な防振効果を得るためには、望遠端における第３レンズ群Ｌ３の光軸と垂直方向の最大移動量をＥＭとするとき、
１．７×１０-3＜｜（１−β３）・β４５｜ＥＭ／ｆｔ＜０．０５…（４）
なる条件式を満足するのが良い。
【００３８】
条件式（４）の下限値を下回ると補正量が小さすぎて十分な防振効果が得られず、上限値を上回ると第３レンズ群Ｌ３の径を大きくする必要があり、アクチュエーター等の第３レンズ群Ｌ３の駆動手段の負荷が大きくなる。
【００３９】
また、高い光学性能を維持しつつレンズ全長の短縮化を図るには、第２レンズ群Ｌ２の焦点距離をｆ２とするとき
【００４０】
【外２】
【００４１】
条件式（５）の下限値を下回って第２レンズ群Ｌ２の屈折力が強くなる（焦点距離が短くなる）と、変倍時の第２レンズ群Ｌ２の移動量は小さくなるがペッツヴァール和が全体に負に大きくなり像面湾曲の補正が困難になるので良くない。逆に条件式（５）の上限値を上回って第２レンズ群Ｌ２の屈折力が弱くなる（焦点距離が長くなる）と、第２レンズ群Ｌ２の変倍時の移動量が大きくなるので光学系全体が大型化すると共に、防振時の周辺光量変化に関しても不利になるので良くない。
【００４２】
なお、防振時の画像周辺での光量変化が問題になる場合には、開口絞りＳＰの絞り開口径を望遠側で小さくして中心光束を制限することにより、相対的に周辺光量を増加させて防振時の光量変化の低減を実現させることができる。
【００４３】
次に、上記第１及び第２の実施形態の変倍光学系を具体的な数値実施例に基づいて説明する。図４〜６はそれぞれ数値実施例１〜３に対応した変倍光学系の広角端におけるレンズ断面図であり、数値実施例１，２は変倍時に第５レンズ群Ｌ５が固定の第１の実施形態の変倍光学系に相当し、数値実施例３は変倍時に第５レンズ群Ｌ５が移動する第２の実施形態の変倍光学系に相当する。図４〜６において、ＧＢは赤外カットフィルタ、光学的ローパスフィルタ、フェースプレート等の屈折力を持たない光学部材を代表して表したガラスブロックである。
【００４４】
図７（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ数値実施例１の変倍光学系の広角端、中間焦点距離、望遠端の諸収差図であり、図８（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ数値実施例２の変倍光学系の広角端、中間焦点距離、望遠端の諸収差図であり、図９（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ数値実施例３の変倍光学系の広角端、中間焦点距離、望遠端の諸収差図である。収差図において、ｄはｄ線、ｇはｇ線、ΔＭはメリディオナル像面、ΔＳはサジタル像面を表す。
【００４５】
数値実施例１〜３の変倍光学系では、防振時に発生する偏心収差、特に偏心倍率色収差を低減するために、正の屈折力の第３レンズ群Ｌ３に少なくとも１枚の負レンズを含ませて第３レンズ群Ｌ３で発生する色収差を低減させている。
【００４６】
また、防振時に発生する偏心コマ収差を低減するには、第３レンズ群Ｌ３で発生する球面収差をある範囲内に低減する必要があり、第３レンズ群Ｌ３を少なくとも２枚の正レンズと１枚の負レンズで構成するのが良い。
【００４７】
以上のことを踏まえ数値実施例１〜３において、それぞれ図４〜５に示すごとく、第３レンズ群Ｌ３を物体側から順に正レンズ３１、正レンズ３２と物体側に強い凹面をむけた負メニスカスレンズ３３の貼合わせレンズで構成している。このように第３レンズ群Ｌ３全体をテレフォト構成として、第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３の主点間隔を短縮し、レンズ全長の短縮化を達成している。
【００４８】
更に第４レンズ群Ｌ４を１枚の正レンズ４１と１枚の負レンズ４２で構成することにより、変倍時やフォーカス時に第４レンズ群Ｌ４が移動することによる球面収差や像面湾曲の変動を低減している。なお、変倍時の非点収差や歪曲の変動の補正のために、第４レンズ群Ｌ４には非球面を導入しても良い。
【００４９】
デジタルスチルカメラ用の撮影系のように高解像力が必要な光学系では、一般的なビデオカメラ（動画）用の撮影系に比べて、変倍に伴なう倍率色収差の変動を更に良好に補正することが必要である。そのためには、主変倍群であり負の屈折力の第２レンズ群Ｌ２は、少なくとも３枚の負レンズと１枚の正レンズを有することが望ましい。全長短縮のために第２レンズ群Ｌ２の屈折力を大きくして移動量を小さくしようとすると、負レンズが２枚だけでは倍率色収差の補正が困難になるからである。
【００５０】
数値実施例１〜３では、第２レンズ群Ｌ２を、物体側から順に像面側に凹面を向けた負メニスカスレンズ２１、負レンズ２２、正レンズ２３、負レンズ２４で構成することによって、第２レンズ群Ｌ２の前後の対象性を小さくし主点の色消し効果を高め、倍率色収差の補正を効果的に行っている。
【００５１】
このとき倍率色収差の補正を更に効果的に行うためには、第２レンズ群Ｌ２の最も像側の負レンズ２４の焦点距離をｆ２４とするとき、
１．８７９≦｜ｆ２４／ｆ２｜≦２．２２１ （６）
なる条件式を満足することが望ましい。
【００５２】
条件式（６）の上限値を上回って負レンズ２４の焦点距離が小さくなり過ぎると色収差の補正効果が不十分になる。逆に下限値を下回ると広角端での歪曲収差の補正が困難になる。
【００５３】
次に数値実施例１〜３の数値データを示す。各数値実施例において、Ｒｉは物体側より順に第ｉ番目の面の曲率半径、Ｄｉは物体側より順に第ｉ番目の光学部材厚又は空気間隔、Ｎｉとνｉは各々物体側より順に第ｉ番目の光学部材の屈折率とアッベ数である。
【００５４】
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、ｋ，Ｂ，Ｃ，Ｄ、Ｅを各々非球面係数としたとき
【００５５】
【外３】
【００５６】
又前述の各条件式に対応する数値実施例１〜３の値を表−１に示す。
【００５７】
【外４】
【外５】
【外６】
【表１】
このように本願第１及び第２の実施形態では、変倍光学系の一部を構成する比較的小型軽量のレンズ群を光軸と垂直方向に移動させて、変倍光学系が振動（傾動）したときの画像のぶれを補正するように構成することにより、装置全体の小型化、機構上の簡素化及び駆動手段の負荷の軽減を図りつつ、そのレンズ群の偏心させたときの偏心収差発生量を少なく抑え、偏心収差を良好に補正した変倍光学系を達成している。
【００６２】
特に、変倍比１０以上のの大きな変倍比を持ちながら、従来のビデオカメラ用撮影系と比較して更に高い光学性能を有し、１００万画素以上撮像素子を用いた電子スチルカメラの撮影系としても適用可能な防振機能を有した変倍光学系を実現している。
【００６３】
次に、数値実施例１〜３の変倍光学系を備えた光学機器（電子スチルカメラ）の実施形態について、図１０（Ａ），（Ｂ）を用いて説明する。
【００６４】
図１０（Ａ）は電子スチルカメラの正面図、図１０（Ｂ）は側部断面図である。図中、１０は電子スチルカメラ本体（筐体）、１１は数値実施例１〜３いずれかの変倍光学系を用いた撮影系、１２はＣＣＤ等の撮像素子である。
【００６５】
数値実施例１〜３の変倍光学系は、ある程度以上のズーム比を確保しつつも、良好に収差補正がなされているので、１００万画素以上の撮像素子を用いた電子スチルカメラの撮影系としても適用できる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ある程度以上のズーム比を確保しつつ、例えば１００万画素以上の撮像素子を用いた電子スチルカメラの撮影系としても使用できる程度に良好に収差補正がなされた、新規な構成の防振機能を有する変倍光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の変倍光学系の近軸屈折力配置を示した概略図である。
【図２】第２の実施形態の変倍光学系の近軸屈折力配置を示した概略図である。
【図３】防振機能の光学的原理の説明図である。
【図４】数値実施例１の変倍光学系の広角端におけるレンズ断面図である。
【図５】数値実施例２の変倍光学系の広角端におけるレンズ断面図である。
【図６】数値実施例３の変倍光学系の広角端におけるレンズ断面図である。
【図７】数値実施例１の変倍光学系の広角端、中間焦点距離、望遠端における諸収差図である。
【図８】数値実施例２の変倍光学系の広角端、中間焦点距離、望遠端における諸収差図である。
【図９】数値実施例３の変倍光学系の広角端、中間焦点距離、望遠端における諸収差図である。
【図１０】本発明の防振機能を有する変倍光学系を備えた電子スチルカメラの概略構成図である。
【符号の説明】
Ｌ１ 第１レンズ群
Ｌ２ 第２レンズ群
Ｌ３ 第３レンズ群
Ｌ４ 第４レンズ群
Ｌ５ 第５レンズ群
６ 振動検知手段
７ 駆動手段
ＳＰ 開口絞り
ＩＰ 像面
ＧＢ ガラスブロック
Claims (12)
- 物体側より順に配置された、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、負の屈折力の第４レンズ群、正の屈折力の第５レンズ群から構成され、少なくとも前記第２レンズ群と前記第４レンズ群を光軸上移動させて変倍を行う変倍光学系であって、
前記第２レンズ群は、物体側から順に、像面側に凹面を向けた負メニスカスレンズ、負レンズ、正レンズ、負レンズから成り、
前記第３レンズ群を光軸と垂直方向な成分を持つように移動させて前記変倍光学系が振動したときの像の変位を補正しており、
前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２、前記第２レンズ群の最も像側の負レンズの焦点距離をｆ２４、前記第３レンズ群の望遠端における倍率をβ３、前記第４レンズ群及び第５レンズ群の望遠端における合成倍率をβ４５とするとき、
０．３＜｜（１−β３）・β４５｜≦１．６７３
１．８７９≦｜ｆ２４／ｆ２｜≦２．２２１
なる条件式を満足することを特徴とする変倍光学系。 - 前記第３レンズ群の焦点距離をｆ３、全系の広角端における焦点距離をｆｗ、望遠端における焦点距離をｆｔとするとき、
１．６＜ｆ３／ｆｗ＜４
４＜ｆｔ／ｆｗ＜２３
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１記載の防振機能を有する変倍光学系。 - 望遠端における前記第３レンズ群の光軸と垂直方向の最大移動量をＥＭ、全系の望遠端における焦点距離をｆｔとするとき、
１．７×１０−３＜｜（１−β３）・β４５｜ＥＭ／ｆｔ＜０．０５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の防振機能を有する変倍光学系。 - 全系の広角端における焦点距離をｆｗ、望遠端における焦点距離をｆｔとするとき、
【外１】
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の防振機能を有する変倍光学系。 - 前記第１レンズ群は、変倍及び合焦に際して固定であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の防振機能を有する変倍光学系。
- 前記第４レンズ群を光軸上移動させて合焦を行なうことを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の防振機能を有する変倍光学系。
- 前記第５レンズ群は、変倍及び合焦に際して固定であることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の防振機能を有する変倍光学系。
- 前記第５レンズ群は、変倍に際して光軸上移動することを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の防振機能を有する変倍光学系。
- 前記第３レンズ群は、２枚の正レンズと１枚の負レンズから成ることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項記載の防振機能を有する変倍光学系。
- 前記第３レンズ群は、物体側から順に、正レンズ、正レンズと物体側に強い凹面をむけた負メニスカスレンズの貼合わせレンズから成ることを特徴とする請求項９記載の防振機能を有する変倍光学系。
- 前記第４レンズ群は、１枚の正レンズと１枚の負レンズから成ることを特徴とする請求項１乃至１０いずれか１項記載の防振機能を有する変倍光学系。
- 請求項１乃至１１いずれか１項記載の変倍光学系を備えることを特徴とする光学機器。
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