JP4497879B2 - ズームレンズ及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、ズームレンズ及びそれを有する撮像装置に関し、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の電子カメラやフィルム用カメラや放送用カメラ等に好適に用いられるものである。

従来より写真用カメラやビデオカメラなどに使われるズームレンズにおいて、物体側の第１レンズ群より後方（像側）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種々と提案されている。これは、リアフォーカス方式がフォーカスに際して比較的小型軽量のレンズ群を移動させることになるので、駆動力が小さくて済み、且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良い等の特長があるためである。

このようなリアフォーカス式を採用し、構成レンズ枚数を少なくしたズームレンズ、または高倍率であるズームレンズが知られている（例えば特許文献１〜４）。

特許文献１は構成レンズ枚数が少ない変倍比１０以下のズームレンズを開示している。特許文献２は構成レンズ枚数が少なく、非球面レンズを用い、非球面レンズの全ての材料にプラスチックを用いた変倍比１０以下のズームレンズを開示している。

又リヤフォーカス式のズームレンズとして、物体側より像側へ順に、ズーミングの為には不動の正の屈折力の第１レンズ群、変倍の為に移動する負の屈折力の第２レンズ群、固定で集光作用を有する正の屈折力の第３レンズ群、変倍により変動する像面位置を補正するために光軸上を移動する正の屈折力の第４レンズ群を有するズームレンズが知られている（例えば特許文献５〜７）。
特開平０５−９３８６０号公報 特開平０６−３４８８２号公報 特開２００１−０２１８０３号公報 特開２００１−３４３５８３号公報 特開平０７−２７０６８４号公報 特開平０７−３１８８０４号公報 特開平１１−３０５１２４号公報

一般にプラスチック材より成る非球面レンズはガラス材より成る非球面レンズに比べて製造が容易であるが、ガラス材より成るレンズに比べ反射防止膜の特性が劣る。この為プラスチック材より成る非球面レンズを用いると不要光によるゴーストの発生が多くなってくる傾向がある。

特許文献３は、構成レンズ枚数が少なく変倍比が１８倍と比較的高変倍比のズームレンズを開示しているが球面収差の補正と色収差の補正の両立の手段として外径の大きい第１レンズ群に非球面レンズを用いている。この為製造が難しくなる傾向がある。

特許文献４は、変倍比が２３倍と高倍率であり、非球面レンズの全てにプラスチック材を用い製作しやすいズームレンズを開示しているがプラスチック材より成るレンズを多用している為、不要光によるゴーストの発生が多くなる傾向がある。

一般にズームレンズにおいて、各レンズ群の屈折力を強め変倍用のレンズ群の移動量を増加させれば高い変倍比を得ることができる。しかしながら単に各レンズ群の屈折力を強め変倍用のレンズ群の移動量を増加させると変倍に伴う収差変動が大きくなり、全変倍範囲にわたり良好なる光学性能を得るのが難しくなってくる。

又、第１レンズ群以外のレンズ群でフォーカスを行うリアフォーカス方式を採用するとレンズ系全体が小型化されるが、反面、フォーカスの際の収差変動が大きくなり、無限遠物体から距離物体に至る物体距離全般にわたり高い光学性能を得るのが大変難しくなってくる。

本発明は、高変倍比にもかかわらず全変倍範囲にわたり高い光学性能を有したズームレンズ及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。

物体側より像側へ順に、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、正の屈折力の第４レンズ群より成り、ズーミングに際し、該第２レンズ群と該第４レンズ群とが移動するズームレンズであって、該第１レンズ群は、物体側より像側へ順に、負の屈折力の第１１レンズ、正の屈折力の第１２レンズ、正の屈折力の第１３レンズから成り、該第２レンズ群は、負の屈折力の第２１レンズ、負の屈折力の第２２レンズ、正の屈折力の第２３レンズから成り、該第３レンズ群は１面以上が非球面の正の屈折力の第３１レンズから成り、該第４レンズ群は負の屈折力の第４１レンズと正の屈折力の第４２レンズとを接合した接合レンズから成り、
該第ｉレンズ群の焦点距離をｆ_ｉ、
全系の広角端における焦点距離をｆ_ｗとするとき、
−７．０＜ｆ_１／ｆ_２＜−５．５
９．４＜ｆ_１／ｆ_Ｗ＜１４．０
の条件式を満足する事を特徴としている。

本発明のズームレンズは、高変倍比でありながら構成レンズ枚数が少なく製造が容易であるという特徴がある。

（実施例）
以下、本発明のズームレンズ及びそれを有する撮像装置の実施例について説明する。

図１は本発明の実施例１のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図２、図３、図４はそれぞれ実施例１のズームレンズの広角端、中間のズーム位置、望遠端における収差図である。

図５は本発明の実施例２のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図６、図７、図８はそれぞれ実施例２のズームレンズの広角端、中間のズーム位置、望遠端における収差図である。

図９は本発明の実施例３のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図１０、図１１、図１２はそれぞれ実施例３のズームレンズの広角端、中間のズーム位置、望遠端における収差図である。

図１３は本発明のズームレンズを備えるビデオカメラ（撮像装置）の要部概略図である。

各実施例のズームレンズは撮像装置に用いられる撮影レンズ系であり、レンズ断面図において、左方が被写体側（前方）で、右方が像側（後方）である。レンズ断面図において、Ｌ１は正の屈折力（光学的パワー＝焦点距離の逆数）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は正の屈折力の第４レンズ群である。ＳＰは開口絞りであり、第３レンズ群Ｌ３の物体側に位置している。

Ｇは光学フィルター、フェースプレート等に相当する光学ブロックである。ＩＰは像面であり、ビデオカメラやデジタルスチルカメラの撮影光学系として使用する際にはＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）の撮像面が、銀塩フィルム用カメラのときはフィルム面に相当する。

収差図において、ｄ、ｇは各々ｄ線及びｇ線、ΔＭ、ΔＳはメリジオナル像面、サジタル像面、倍率色収差はｇ線によって表している。

尚、以下の各実施例において広角端と望遠端は変倍用のレンズ群（各実施例では第２レンズ群Ｌ２）が機構上光軸上を移動可能な範囲の両端に位置したときのズーム位置をいう。

各実施例では、広角端から望遠端へのズーミングに際して矢印のように、第２レンズ群Ｌ２を像側へ移動させて変倍を行うと共に、変倍に伴う像面変動を第４レンズ群Ｌ４を物体側に凸状の軌跡を有するよう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。第４レンズ群Ｌ４に関する実線の曲線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変倍に伴う像面変動を補正するための移動軌跡である。このように第４レンズ群Ｌ４を物体側へ凸状の軌跡とすることで第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４との間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。

各実施例では、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には、矢印４ｃに示すように第４レンズ群Ｌ４を前方に繰り出すことで行っている。尚、第１レンズ群Ｌ１と第３レンズ群Ｌ３は、ズーミング及びフォーカスの為には光軸方向に固定であるが収差補正上必要に応じて移動させてもよい。

各実施例では、第１レンズ群Ｌ１を、物体側から像側へ順に、負の屈折力の第１１レンズＧ１１と正の屈折力の第１２レンズＧ１２とを接合した接合レンズ、正の屈折力の第１３レンズＧ１３より構成し、諸収差を良好に補正している。

又第２レンズ群Ｌ２を２枚の負の屈折力のレンズＧ２１，Ｇ２２と１枚の正の屈折力のレンズＧ２３の３つのレンズより構成している。第３レンズ群Ｌ３は１面以上が非球面より成る正の屈折力のレンズＧ３１の１枚で構成している。非球面は全系で第３レンズ群Ｌ３に設けているが他のレンズ群に設けていても良い。

各実施例のズームレンズおいて、変倍に大きく寄与する第２レンズ群Ｌ２を上記のような少ないレンズ枚数で構成すると共に、第２レンズ群Ｌ２を構成する各レンズのパワー（屈折力）の分担を減らしペッツバール和の低減を図っている。

第２レンズ群Ｌ２の具体的なレンズ構成としては、物体側より像側へ順に、物体側に比べ像側の面の屈折力の絶対値が大きく、像側の面が凹形状の負の屈折力の第２１レンズＧ２１、物体側と像側の面が凹形状の負の屈折力の第２２レンズＧ２２、そして像側に比べ物体側の面の屈折力の絶対値が大きく、物体側の面が凸形状の正の屈折力の第２３レンズＧ２３によって構成している。

これによって、高変倍比にしたときのズーミングによる像面の変動を少なくしている。更に第２レンズ群Ｌ２から発散状態で入ってくる光束が入射する第３レンズ群Ｌ３の正の屈折力のレンズに非球面を配する事により光学性能の向上を図っている。

各実施例において変倍比を上げるには、変倍機能に大きく寄与する第２レンズ群Ｌ２の変倍に伴う移動量を大きくするか、第２レンズ群Ｌ２の焦点距離を短くする（屈折力を高める）必要がある。前者の方法は、レンズ全長が長くなり、又後者の方法は第２レンズ群Ｌ２に大きな負担がかかる。そこで各実施例では前述のごとく第２レンズ群Ｌ２を構成する事により、系全体の小型化を図りつつ、高い光学性能を得ている。

更に、第３レンズ群Ｌ３の正の屈折力の第３１レンズＧ３１に１面以上の非球面を配置する事により、より効果的に諸収差を補正している。特に広角端のズーム位置における球面収差を良好に補正している。このとき非球面は、レンズの中心部から周辺部にいくにしたがって正の屈折力が弱くなる形状として、諸収差を良好に補正している。

また、第３１レンズＧ３１の材料をプラスチックとする事によって製造を容易にしている。

第４レンズ群Ｌ４を負の屈折力の第４１レンズＧ４１と正の屈折力の第４２レンズＧ４２とを接合した接合レンズより構成し、ズーミング及びフォーカシングに伴う色収差の変動を良好に補正している。

各実施例において、第ｉレンズ群の焦点距離をｆｉ、全系の広角端と望遠端における焦点距離を各々ｆ_ｗ，ｆ_ｔとするとき、

なる条件式を１以上満足している。

条件式（１）は変倍比２０〜２２倍の高変倍比化を図るときの第１、第２レンズ群Ｌ１，Ｌ２の屈折力配置に関する式である。条件式（１）の上限値を超えると、高変倍比を維持する為、第４レンズ群Ｌ４の望遠端の位置が広角端の位置に対し大きく像面側に移動してしまい、第４レンズ群Ｌ４とガラスブロックとの間隔が広がってきてレンズ全長が長くなってくる。条件式（１）の下限値を超えると、高変倍比を維持する為、第４レンズ群Ｌ４の望遠端の位置が広角端の位置に対し大きく物体側に移動してしまい、第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４との間隔が広がりレンズ全長が長くなってくるので良くない。

条件式（２）は全系の構成レンズ枚数を減らした場合に、レンズ全長を規制しながら収差補正を良好に行なう為の式である。条件式（２）の上限値を超えて、第１レンズ群Ｌ１の焦点距離が長くなると収差補正には有利となるがレンズ全長が長くなると共に前玉径が大きくなってくる。条件式（２）の下限値を超えて、第１レンズ群Ｌ１の焦点距離が短くなると収差を良好に補正する事が難しくなる。特に、望遠端のズーム位置における球面収差と、軸上色収差の補正が難しくなる。

条件式（３）は第２レンズ群Ｌ２の焦点距離を適正にし、像面湾曲を良好に補正するための条件式である。条件式（３）の上限値を超えると、ペッツバール和が負の方向に大きくなり、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。条件式（３）の下限値を超えて、第２レンズ群Ｌ２の焦点距離が長くなると、収差補正は好ましくなるが、所望の変倍比を得るため、第２レンズ群Ｌ２の移動量を大きくしなくてはならず、この結果レンズ系全体が大型化してくるので好ましくない。

条件式（４）は第３レンズ群Ｌ３の焦点距離を適正にし、諸収差を良好に補正するための条件式である。条件式（４）の上限値を超えると第３レンズ群Ｌ３の屈折力の負担が大きくなり、良好な光学性能を得るのが難しくなる。特に球面収差が悪化してくるので良くない。条件式（４）の下限値を超えて焦点距離が長くなると、第３レンズ群Ｌ３の屈折力の負担が軽くなり収差補正は容易となるが、第４レンズ群Ｌ４の屈折力の負担が大きくなり第４レンズ群Ｌ４のレンズ枚数を増やしたり非球面レンズを配したりしなければならず、レンズ系全体の小型化が困難になってくる。

更に好ましくは条件式（１）〜（４）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

以下に、実施例１〜３に各々対応する数値実施例１〜３を示す。各数値実施例において、ｉは物体側からの面の順番を示し、Ｒｉは各面の曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の部材肉厚又は空気間隔、Ｎｉ、νｉはそれぞれｄ線に対する屈折率、アッベ数を示す。また、数値実施例１〜３では最も像側の２つの面は水晶ローパスフィルター、赤外カットフィルター等に相当する平面である。非球面形状は光軸からの高さｈの位置での光軸方向の変位を面頂点を基準にしてＸとするとき、

で表される。但しＲは近軸曲率半径、ｋは円錐定数、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは非球面係数である。

又、［ｅ−Ｘ］は「×１０^−Ｘ」を意味している。ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角を示す。又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。

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の実施例を図１３を用いて説明する。

図１３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センサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）、１３は撮像素子１２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記憶するメモリ、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上に形成された被写体像が表示される。

このように本発明のズームレンズをビデオカメラ等の撮像装置に適用すること
により、小型で高い光学性能を有する撮像装置が実現できる。

本発明の実施例１の広角端におけるレンズ断面図 本発明の実施例１に対応する数値実施例１の広角端における収差図 本発明の実施例１に対応する数値実施例１の中間のズーム位置における収差図 本発明の実施例１に対応する数値実施例１の望遠端における収差図 本発明の実施例２の広角端におけるレンズ断面図 本発明の実施例２に対応する数値実施例２の広角端における収差図 本発明の実施例２に対応する数値実施例２の中間のズーム位置における収差図 本発明の実施例２に対応する数値実施例２の望遠端における収差図 本発明の実施例３の広角端におけるレンズ断面図 本発明の実施例３に対応する数値実施例３の広角端における収差図 本発明の実施例３に対応する数値実施例３の中間のズーム位置における収差図 本発明の実施例３に対応する数値実施例３の望遠端における収差図 本発明の撮像装置の要部概略図

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
ＳＰ 絞り
ＩＰ 像面
Ｇ ガラスブロック
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＳ サジタル像面
ΔＭ メリディオナル像面
Ｆｎｏ Ｆナンバー

Claims (5)

1. 物体側より像側へ順に、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、正の屈折力の第４レンズ群より成り、ズーミングに際し、該第２レンズ群と該第４レンズ群とが移動するズームレンズであって、該第１レンズ群は、物体側より像側へ順に、負の屈折力の第１１レンズ、正の屈折力の第１２レンズ、正の屈折力の第１３レンズから成り、該第２レンズ群は、負の屈折力の第２１レンズ、負の屈折力の第２２レンズ、正の屈折力の第２３レンズから成り、該第３レンズ群は１面以上が非球面の正の屈折力の第３１レンズから成り、該第４レンズ群は負の屈折力の第４１レンズと正の屈折力の第４２レンズとを接合した接合レンズから成り、
   該第ｉレンズ群の焦点距離をｆ_ｉ、
   全系の広角端における焦点距離をｆ_ｗとするとき、
   −７．０＜ｆ_１／ｆ_２＜−５．５
   ９．４＜ｆ_１／ｆ_Ｗ＜１４．０
   の条件式を満足する事を特徴とするズームレンズ。
2. 全系の望遠端における焦点距離をｆ_Ｔとするとき、
   の条件式を満足する事を特徴とする請求項１のズームレンズ。
3. 前記第３１レンズは、材料がプラスチックである事を特徴とする請求項１または２のズームレンズ。
4. 固体撮像素子上に像を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項のズームレンズ。
5. 請求項１から３のいずれか１項のズームレンズと、該ズームレンズによって形成された像を受光する固体撮像素子を有していることを特徴とする撮像装置。